JP4985963B2 - 円偏波平面機能アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、無線通信において、高速および高品質の情報伝送を行うことができ、また周波数を有効利用することのできる円偏波平面機能アンテナに関する。

近年、携帯電話をはじめとするモバイル機器の普及に伴い、その情報通信システムにおける高機能化、高性能化に対する要求は、専門家のみならず、一般にも広く浸透している。これにより、アンテナ系においても高機能化、高性能化の必要性が高まっている。

このような用途に適合するアンテナとして、マイクロストリップアンテナ（パッチアンテナとも言われる）がある。このアンテナは、絶縁体にてなる基板の表面に形成した金属膜に、アンテナのパターンをエッチングして造られ、小型・軽量という特徴を有しており、その構造上、電気・電子回路素子を表面に一体的に構成することが容易である。また、垂直偏波、水平偏波、円偏波などアンテナの給電点によって簡単に変更が可能である。

ここで、円偏波とは、電波の進行方向に垂直な面内で、その励振周波数と等しい周期で電界の向きが回転している偏波のことであり、その回転方向の違いにより、左旋円偏波と右旋円偏波に大別される。左旋円偏波と右旋円偏波は互いに電気的に直交している。円偏波は、等振幅で互いにπ／２（９０°）の位相差を持つ２つの直線偏波の合成によって実現できるが、現実的には完全な円偏波を実現することは難しく、一般には楕円偏波になり、どの程度円偏波に近いかを表す指標として軸比（Axial Ratio：ＡＲ）が用いられる。

円偏波を実現するには、直交する２つの励振モードにおいて同振幅、位相差±π／２の条件を満たす必要がある。

一般的には、平面アンテナにおける円偏波の励振方法として大別して二つの方法がある（例えば、非特許文献１参照）。

一つは、アンテナ素子に適切な摂動を加えて円偏波を励振させる１点給電方式である（例えば、非特許文献２参照）。

もう一つは、空間的に直交した２つの給電点に３ｄＢハイブリッド回路等を用い位相差π／２の信号を入力することで円偏波を励振させる２点給電方式である。

また、平面アンテナとしては、いくつかのタイプのものが提案されている。
例えば、特許文献１には、半導体基板と、該半導体基板上の一部領域に形成された誘電体膜と、該誘電体膜上に形成された平面アンテナと、半導体基板上の一部領域以外の領域に形成された平面アンテナと接続された集積回路とを備えた集積回路装置が開示されている。

特許文献２には、裏面に地導体板が形成された誘電体基板上に板状のアンテナ素子を形成し、このアンテナ素子上に適切な摂動を与える無線回路を構成するマイクロ波集積回路を配置したアンテナ装置において、マイクロ波集積回路の複数の入出力端子にそれぞれ接続された信号線を該マイクロ波集積回路の内側でアンテナ素子と誘電体基板および地導体板を貫通させて引き出し、外部回路に接続したアンテナ装置が開示されている。

特許文献３には、給電線路と、地板と、パッチとをこの順序で各々の間に絶縁体を挟んで積層して具えるパッチアンテナにおいて、地板は、互いにほぼ直交する向きに配置された２つのスロットを有し、給電線路は、２つのスロットの各々と交差して通ると共に各々の端において互いに逆方向に配置されたダイオードの一方の端を接続した２つの枝部を有し、ダイオードの他方の端を接地したパッチアンテナが開示されている。

特開平８−２６５０３９号公報 特開平９−５１２１０号公報 特開２００５−７９８３８号公報 後藤尚久："図説・アンテナ，"電子情報通信学会編，１９９５． 竹中公一："偏波制御機能を有するアクティブ平面アンテナの研究，"佐賀大学大学院工学系研究科 電気電子工学専攻 修士論文，２００４．

上述したように、アンテナ素子に適切な摂動を加える方法では、その周波数特性は非常に狭帯域であり、また、２つのポートに直交励振する方法で円偏波を実現する方法では、直交分配・合成器などの外部給電回路を必要とする。さらに、それらの特性は固定である。特に、広帯域にわたって直交する２つの励振モードの位相差±π／２の条件を満たすのは難しく、簡易な構成のアンテナで広帯域の円偏波を実現するのは非常に困難である。
そこで、本発明は、円偏波を広帯域に励振させることのできる円偏波平面機能アンテナを提供することを目的とする。

本発明の円偏波平面機能アンテナは、平面アンテナの導体に、非線形乗算機能を有する半導体素子あるいは集積回路を装荷し、前記平面アンテナにおける２つの直交共振姿態が互いに非線形結合することを特徴とする。
本発明においては、非線形半導体素子を用いた乗算回路を平面アンテナの導体に装荷し、適切なバイアス電圧を印加すると、半導体素子の非線形乗算特性による結合で、平面アンテナにおいて縮退する２つの励振モードが生成される。この２つの共振姿態電流の位相差を、広帯域にわたり位相差±π／２とする電磁境界条件を形成することにより、広帯域な円偏波が実現する。

本発明では、バイアスが印加された非線形半導体素子（例えばダイオード）は、順バイアスの場合は微小なインダクタンス、逆バイアスの場合は微小なキャパシタンスと近似的に等価になるために、直交する２つの共振姿態の共振周波数にわずかな差が生じ、高い共振周波数の共振姿態電流の位相が、低い共振周波数のそれより＋π／２進む。これにより、円偏波の旋回方向が決定される。

ダイオードは、集積回路により誘電体基板上に形成することができる。これにより、アンテナとしてのサイズを著しく小さくすることができる。
前記平面アンテナは、パッチアンテナあるいはスロットアンテナのいずれのタイプでもよい。
また、前記半導体素子あるいは集積回路は、リング型やスター型等の、平衡型非線形構造のものを使用することができる。

給電点に対して印加する電圧のバイアスの制御、すなわち、バイアス電圧の極性を逆にすると、その電流の位相差の進み遅れを逆にすることができると共に、適切なバイアスにするとそれが−π／２となり、円偏波が逆旋となる。このようにして、バイアスの極性により、円偏波の右旋／左旋の切換えも可能となる。

本発明の円偏波平面機能アンテナは、平面アンテナの導体に非線形乗算機能を有する半導体素子あるいは集積回路を装荷し、非線形領域で動作するように適切なバイアス制御電圧を印加することによって、その非線形結合により広帯域において直交する２つの共振姿態電流の位相差が±π／２になる。これにより、広帯域の円偏波特性を有するアンテナが実現できる。

以下、本発明の実施の形態例を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る円偏波平面機能アンテナに装荷する非線形半導体素子（ここではダイオードで示す）を用いたリング型乗算回路の基本構造を示す等価回路図である。

図１において、磁気結合Ｔ１の一次側のポート＃１（端子１−１’）と磁気結合Ｔ２の一次側のポート＃２（端子２−２’）のそれぞれの二次側には、ダイオードＤ１〜Ｄ４によるダイオードブリッジが接続されており、磁気結合Ｔ１，Ｔ２の二次側の中点間が、出力電圧Ｖｃを出力する出力端子となっている。

この図１において、ポート＃１とポート＃２を、２つの信号ｓｉｎ（ω₁ｔ＋φ₁）、ｓｉｎ（ω₂ｔ＋φ₂）でそれぞれ励振すると、出力電圧Ｖｃは、ダイオードの非線形特性によりｃｏｓ｛（ω₁−ω₂）ｔ＋（φ₁−φ₂）｝となる。ω₁＝ω₂の場合Ｖｃを０に設定すると、２つの信号にとって、ｃｏｓ｛φ₁−φ₂｝＝０すなわち、φ₁−φ₂＝±π／２となる境界条件が形成される。

この非線形半導体素子（ダイオードＤ１〜Ｄ４）を用いたリング型乗算回路を装荷したスロットアンテナを図２に示す。図２において、スロットアンテナ１０は、中央のスロット１１内に、ダイオードＤ１〜Ｄ４をリング状に接続したリング型乗算回路１３を備えている。リング型乗算回路１３の各端子１，１’，２，２’とスロットアンテナ１０の導電部とは、マイクロストリップライン（ＭＳＬ）１２により接続され、また、給電線１４が、スロットアンテナ１０に給電するために設けられている。

このスロットアンテナ１０において、給電線１４より信号を入力したとき、スロット１１内部に配置されたリング型乗算回路１３に励振される２つの直交姿態が、ポート＃１と＃２においてマイクロストリップライン（ＭＳＬ）１２とそれぞれ電磁結合する。ポート＃１と＃２の信号間の位相差はリング型乗算回路１３の出力電圧Ｖｃよって決定され、例えば、Ｖｃ＝０の場合にはその位相差が±π／２となるべき電磁境界条件が形成される。アンテナの対称構造により、２つの直交姿態の振幅は等しくなるために、自律的に円偏波が励振される。

同様の原理に基づいて、非線形半導体素子（ダイオード）を用いたスター型乗算回路を装荷した方形と円形パッチアンテナ（マイクロストリップアンテナ）を図３、図４にそれぞれ示す。

図３において、方形パッチアンテナ２０は、誘電体にてなる基板に形成された方形パッチ２１の中央部にダイオードＤ１１〜Ｄ１４からなるスター型乗算回路２２を装荷したもので、方形パッチ２１には給電点２３から励振信号が印加され、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４の接続点と接地間が出力電圧Ｖｃとなっている。

この方形パッチアンテナ２０においては、方形パッチ２１に励振される２つの直交姿態が、スター型乗算回路２２によって非線形結合するため、Ｖｃ＝０にすることによってその位相差が±π／２となる。この場合もアンテナの対称構造により２つの直交姿態の振幅は等しくなるために、円偏波が励振される。

同様に、図４において、円形パッチアンテナ３０は、誘電体にてなる基板に形成された円形パッチ３１の中央部にダイオードＤ１１〜Ｄ１４からなるスター型乗算回路３２を装荷したもので、円形パッチ３１には給電点３３から励振信号が印加され、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４の接続点と接地間が出力電圧Ｖｃとなっている。
この円形パッチアンテナ３０においては、円形パッチ３１に励振される２つの直交姿態が、スター型乗算回路３２によって非線形結合するため、Ｖｃ＝０にすることによってその位相差が±π／２となる。この場合もアンテナの対称構造により２つの直交姿態の振幅は等しくなるために、円偏波が励振される。

図５は、集積回路をパッチアンテナに装荷したアンテナの実施例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）または（ｃ）のＡ−Ａ’線における断面図、（ｃ）は底面図である。このパッチアンテナ４０は、誘電体基板４１の表面に形成されたパッチ４２の裏面に、バイアス制御端子を含めた５端子の非線形集積回路４３を実装した円偏波アンテナである。図５において、４４は誘電体基板４１の裏面に形成された接地板、４５は給電線、４６はＶｃの制御端子、４７は非線形集積回路４３のバイアス制御端子とＶｃの制御端子４６とを接続するワイヤ導体である。

本実施例においては、非線形領域で動作するように適切なバイアス制御電圧を非線形集積回路４３のバイアス制御端子に印加することによって、その非線形結合により広帯域において直交する２つの共振姿態電流の位相差が±π／２になる。これにより、広帯域の円偏波特性を有するアンテナが実現できる。

なお、図２、図３、図４、図５に示した実施例において、バイアス電圧の極性を逆にすると、その電流の位相差の進み遅れが逆になり、円偏波が逆旋となる。さらには、適切なバイアスにすると、その電流の位相差が広帯域にわたって＋９０度になるために、円偏波が実現され、バイアス電圧の極性を逆にするとそれが−９０度となり、円偏波が逆旋となる。すなわち、バイアスの極性により、円偏波の右旋左旋の切換えも可能となる。

本発明は、円偏波を広帯域に励振させることのできる円偏波平面機能アンテナとして、携帯情報端末をはじめとするモバイル機器等の各種無線機器において好適に利用することができる。

本発明の実施の形態に係る円偏波平面機能アンテナに装荷する非線形半導体素子を用いたリング型乗算回路の基本構造を示す等価回路図である。 非線形半導体素子としてダイオードを用いたリング型乗算回路を装荷したスロットアンテナの説明図である。 非線形半導体素子としてダイオードを用いたスター型乗算回路を装荷した方形パッチアンテナを示す説明図である。 非線形半導体素子としてダイオードを用いたスター型乗算回路を装荷した円形パッチアンテナを示す説明図である。 集積回路をパッチアンテナに装荷したアンテナの実施例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）または（ｃ）のＡ−Ａ’線における断面図、（ｃ）は底面図である。

符号の説明

１，１’，２，２’ 端子
１０ スロットアンテナ
１１ スロット
１２ マイクロストリップライン
１３ リング型乗算回路
１４ 給電線
２０ 方形パッチアンテナ
２１ 方形パッチ
２２ スター型乗算回路
２３ 給電点
３０ 円形パッチアンテナ
３１ 円形パッチ
３２ スター型乗算回路
３３ 給電点
４０ パッチアンテナ
４１ 誘電体基板
４２ パッチ
４３ 非線形集積回路
４４ 接地板
４５ 給電線
４６ 制御端子
４７ ワイヤ導体
＃１，＃２ ポート
Ｄ１〜Ｄ４，Ｄ１１〜Ｄ１４ ダイオード
Ｔ１，Ｔ２ 磁気結合

Claims (4)

1. 平面アンテナの導体に、非線形乗算機能を有する半導体素子あるいは集積回路を装荷し、前記平面アンテナにおける２つの直交共振姿態が互いに非線形結合することを特徴とする円偏波平面機能アンテナ。
2. 前記平面アンテナがパッチアンテナあるいはスロットアンテナである請求項１記載の円偏波平面機能アンテナ。
3. 前記半導体素子あるいは集積回路が平衡型非線形構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の円偏波平面機能アンテナ。
4. 前記半導体素子あるいは集積回路に対して印加する電圧のバイアスの制御によって円偏波の右旋左旋切換え機能を有する請求項１から３のいずれかの項に記載の円偏波平面機能アンテナ。

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