JP6108697B2

JP6108697B2 - 送受共用円偏波アンテナ

Info

Publication number: JP6108697B2
Application number: JP2012136279A
Authority: JP
Inventors: 保須田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2032-06-15
Also published as: JP2014003399A

Description

この発明は、円偏波電波の送受信が可能なマイクロストリップアンテナである送受共用円偏波アンテナに関する。

例えば、衛星通信装置や移動体通信装置に搭載されるアンテナは、小型・薄型かつ軽量であり、円偏波で動作して送信と受信とが同時に行えることが要求されることから、円偏波の送受信が可能な送受共用円偏波アンテナが使用されている。この送受共用円偏波アンテナは、例えば、地導体の上に、上面に下層パッチ（受信パッチ）が配置された下層誘電体基板が積層され、さらにこの下層誘電体基板の上に、上面に上層パッチ（送信パッチ）が配置された上層誘電体基板が積層されている。また、放射導体に直交したモードの縮退を解いて円偏波を励振するために、各パッチへの給電ポイントが、相対的に９０°の位相角を有するように設けられ、さらに、各パッチの周縁に、給電ポイントに対して斜め４５°方向に切欠き状の縮退分離セグメント（縮退分離素子）が設けられている。

一方、送受共用円偏波アンテナは、送信と受信とを同時に行うため、送信した電力が受信回路に混入するのを抑制する必要がある。すなわち、送受信間のアイソレーション特性（分離度）を高めることが求められる。このアイソレーション特性を劣化させる原因の一つに円偏波軸比特性があり、送信パッチの交差偏波特性（円偏波軸比）が悪い場合、受信パッチがそれを受信してしまい、アイソレーション特性が劣ってしまう。例えば、送信パッチの地導体側の電界分布が、受信パッチの縮退分離素子によって乱されることで、円偏波軸比・円偏波特性が悪化・劣化する。

このため、受信パッチを２点から給電し、送信パッチを１点から給電して、送信パッチに比べて受信パッチを十分に大きくすることで、受信パッチの縮退分離素子による影響を抑制して、送信パッチの円偏波軸比を良好にし、高いアイソレーション特性を確保する、という技術が知られている（例えば、特許文献１等参照。）。また、従来、良好なアイソレーション特性を得るために、９０°間隔で４点から給電して円偏波を励振する、という方法が採られている。

特開平０６−１４０８３５号公報

ところで、パッチを大きくすると、指向性は狭く正面利得が高くなり、パッチを小さくすると、指向性は広く正面利得が低くなる、という特性を有する。このため、上記特許文献１のように、送信パッチと受信パッチの大きさを大きく異なるようにすると、送信と受信のアンテナ特性に差が生じてしまう。また、送信パッチに比べて受信パッチを十分に大きくできない場合、誘電体基板の比誘電率や厚みを変更・制限する必要があり、誘電体基板に対する設計自由度が低くなってしまう。さらに、下層誘電体基板と上層誘電体基板の比誘電率・材質を異なるものにしなければならない場合、下層誘電体基板と上層誘電体基板とを適正に接合・接着することが困難な場合が生じる。

また、良好なアイソレーション特性を得るために４点から給電する場合、４つの給電位相を作るための複雑な回路が必要となり、コストがかさむとともに、信頼性が低下するおそれがある。

そこでこの発明は、送信パッチに比べて受信パッチを十分に大きくしたりすることなく、円偏波軸比の劣化を抑制するとともに、送受信間のアイソレーション特性を良好にすることが可能な送受共用円偏波アンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、地導体の上に、下から順に、下層誘電体基板、受信パッチ、上層誘電体基板および送信パッチが、前記受信パッチと前記送信パッチとの中心が一致するように積層された送受共用円偏波アンテナにおいて、前記受信パッチの給電部と前記送信パッチの給電部とが、相対的に９０°の位相角を有するように設けられ、前記送信パッチの周縁に、凹状の縮退分離セグメントである凹状縮退分離素子が、該送信パッチの給電部に対して所定角度の方向に設けられ、前記受信パッチの周縁に、凸状の縮退分離セグメントである凸状縮退分離素子が、前記凹状縮退分離素子と同方向に重なるように設けられている、ことを特徴とする。

この発明によれば、送信パッチの凹状縮退分離素子と同方向に、受信パッチの凸状縮退分離素子が設けられ、しかも凹形状と凸形状であるため、受信パッチの凸状縮退分離素子が送信パッチに干渉しない。また、凹状縮退分離素子と凸状縮退分離素子とが同方向に設けられ、しかも、受信パッチの給電部と送信パッチの給電部とが、９０°の位相角を有するように設けられているため、上面側に形成される送信パッチの円偏波と受信パッチの円偏波との回転方向が同じ（例えば、右旋円偏波）となる。一方、送信パッチの下面側（地導体側）の円偏波の回転方向が逆（例えば、左旋円偏波）となり、送信パッチと受信パッチとの間・境において、送信パッチからの円偏波と受信パッチからの円偏波とが逆回転となる。

請求項１に記載の発明によれば、受信パッチの凸状縮退分離素子が送信パッチに干渉しないため、送信パッチの地導体側の電界分布が、受信パッチの凸状縮退分離素子によって乱されることがなく、円偏波軸比・円偏波特性が良好となる。また、送信パッチと受信パッチとの間・境において、送信パッチからの円偏波と受信パッチからの円偏波とが逆回転となるため、送信パッチからの円偏波が受信パッチに混入することが抑制・防止される。

このように、円偏波軸比を良好に維持し、かつ、送受信間のアイソレーション特性を良好にすることが可能となる。また、送信パッチに比べて受信パッチを十分に大きくする必要がないため、誘電体基板の比誘電率と厚みに対する設計自由度が大きくなる。さらに、４つの給電位相を作るための複雑な回路などが不要なため、小型化、低コスト化、さらには高信頼化が可能となる。

この発明の実施の形態に係る送受共用円偏波アンテナを示す分解斜視図である。図１の送受共用円偏波アンテナの積層断面図である。送受共用円偏波アンテナのパッチ構成例を示す図であり、（ａ）は、受信パッチが送信パッチよりも十分に大きい場合を示し、（ｂ）は、送信パッチに対して受信パッチがあまり大きくない場合を示し、（ｃ）は、図１の送受共用円偏波アンテナの場合を示す。縮退分離素子の形状および配置を示す図であり、（ａ）は、凹状の縮退分離素子の場合を示し、（ｂ）は、凸状の縮退分離素子の場合を示す。図１の送受共用円偏波アンテナにおける、送信パッチと受信パッチからの円偏波の回転方向を示す図である。図１の送受共用円偏波アンテナのアイソレーション特性を示す図である。図１の送受共用円偏波アンテナの指向性を示す図であり、（ａ）は受信パッチの指向性を示し、（ｂ）は送信パッチの指向性を示す。送受共用円偏波アンテナの他の給電方法を示す図であり、（ａ）は、凹状の縮退分離素子の場合を示し、（ｂ）は、凸状の縮退分離素子の場合を示す。図１の送受共用円偏波アンテナに図８の給電方法を適用した場合を示す分解斜視図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る送受共用円偏波アンテナ１を示す分解斜視図であり、図２は、送受共用円偏波アンテナ１の断面図である。この送受共用円偏波アンテナ１は、円偏波電波の送受信が同時に可能なマイクロストリップアンテナであり、全体が平板状で、地導体２の上に、下から順に、下層誘電体基板３、受信パッチ４、上層誘電体基板５および送信パッチ６が積層されている。

送信パッチ６は、略円盤形で上層誘電体基板５の上面に載置され、送信給電ピン（給電部）６１が、地導体２の下面から突出するように設けられている。この送信給電ピン６１は、この実施の形態では図３（ｃ）に示すように、送信パッチ６の中心を通る垂直線Ｌ１上に設けられている。

また、送信パッチ６の周縁には、凹状の縮退分離セグメントである凹状縮退分離素子６２が、送信給電ピン６１に対して所定角度の方向に設けられている。すなわち、凹状縮退分離素子６２は、送信パッチ６の周縁を矩形に切り欠いた部分であり、放射導体に直交したモードの縮退を解いて円偏波を励振する機能を有している。そして、垂直線Ｌ１に対して時計回りに４５°の方向に（送信給電ピン６１に対して時計回りに４５°と反時計回りに１３５°の方向に）、２つの凹状縮退分離素子６２が対向するように設けられている。

受信パッチ４は、略円盤形で下層誘電体基板３の上面に載置され、受信給電ピン（給電部）４１が、地導体２の下面から突出するように設けられている。この受信給電ピン４１は、この実施の形態では図３（ｃ）に示すように、受信パッチ４の中心を通る水平線Ｌ２上に設けられている。つまり、送信給電ピン６１に対して９０°の位相角を有するように、受信給電ピン４１が設けられている。

また、受信パッチ４の周縁には、凸状の縮退分離セグメントである凸状縮退分離素子４２が、凹状縮退分離素子６２と同方向に設けられている。すなわち、凸状縮退分離素子４２は、受信パッチ４の周縁が矩形に突出した部分であり、放射導体に直交したモードの縮退を解いて円偏波を励振する機能を有し、各凹状縮退分離素子６２に対向する（重なる）ように、２つ設けられている。つまり、水平線Ｌ２に対して反時計回りに４５°の方向に（受信給電ピン４１に対して反時計回りに４５°と時計回りに１３５°の方向に）、２つの凸状縮退分離素子４２が対向するように設けられている。

この受信パッチ４の外周径は、送信パッチ６の外周径よりもやや大きく設定され、送信パッチ６の地導体２側の電界分布が受信パッチ４の外周縁によって乱されないようになっている。また、受信パッチ４には、送信給電ピン６１に対向する位置に、送信給電ピン６１を貫通させるスルーホール４３が形成されている。

一方、地導体２には、送信給電ピン６１と受信給電ピン４１にそれぞれ対向する位置に、給電ピン６１、４１を貫通させるスルーホール２１、２２が形成されている。そして、受信パッチ４と送信パッチ６との中心が一致するようにすべての層２〜６が積層され、地導体２の下面から突出した給電ピン６１、４１に同軸線路が接続されて、給電されるようになっている。

次に、このような構成の送受共用円偏波アンテナ１の作用などについて説明する。ここで、まず、パッチアンテナの特性について説明する。

パッチアンテナを円偏波化するための手段として、縮退分離素子を給電位置から４５°ずらす手法が一般的に採られている。すなわち、図４（ａ）に示すように、凹状の縮退分離素子１０１の場合、パッチ１００の中心と給電ピン１０２とを通る垂直線Ｌ１に対して、時計回りに４５°の方向に２つの縮退分離素子１０１を設けると、パッチ１００の上面側に右旋円偏波が励振される。一方、垂直線Ｌ１に対して反時計回りに４５°の方向に２つの縮退分離素子１０１を設けると、パッチ１００の上面側に左旋円偏波が励振される。

また、図４（ｂ）に示すように、凸状の縮退分離素子１０３の場合、垂直線Ｌ１に対して反時計回りに４５°の方向に２つの縮退分離素子１０３を設けると、パッチ１００の上面側に右旋円偏波が励振される。一方、垂直線Ｌ１に対して時計回りに４５°の方向に２つの縮退分離素子１０３を設けると、パッチ１００の上面側に左旋円偏波が励振される。
このように、凹状の縮退分離素子１０１と凸状の縮退分離素子１０３とでは、その位置と円偏波の回転方向の関係が逆になる。

次に、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、送信パッチ２００と受信パッチ３００とに、それぞれ凹状の縮退分離素子２０１、３０１が設けられている場合について説明する。ここで、送信パッチ２００の送信給電ピン２０２と受信パッチ３００の受信給電ピン３０２とは、相対的に９０°の位相角を有するように設けられている。これは、送受信間のアイソレーション特性を良好にするためである。すなわち、このような配置では、送信パッチ２００と受信パッチ３００の上面側には、ともに右旋円偏波が形成され、送信パッチ２００の下面側（受信パッチ３００側）には左旋円偏波が形成される。この結果、送信パッチ２００と受信パッチ３００との間・境において、送信パッチ２００からの円偏波と受信パッチ３００からの円偏波とが逆回転となって、送受信間のアイソレーション特性が良好となるからである。

このような配置において、図３（ａ）に示すように、受信パッチ３００が送信パッチ２００よりも十分に大きい場合、受信パッチ３００の縮退分離素子３０１は送信パッチ２００に干渉しない（重ならない。）。このため、送信パッチ２００からの電界分布が、受信パッチ３００の縮退分離素子３０１によって大きく乱されることはなく、円偏波軸比・円偏波特性の悪化・劣化が抑制される。

一方、送受信の周波数の関係や、下層誘電体基板と上層誘電体基板の比誘電率と厚みの関係などによって、図３（ｂ）に示すように、送信パッチ２００に対して受信パッチ３００をあまり大きくできない場合がある。この場合、受信パッチ３００の縮退分離素子３０１が送信パッチ２００に干渉し（重なり）、送信パッチ２００にあたかも４つの縮退分離素子２０１、３０１が設けられたような作用が現れる。この結果、送信パッチ２００からの電界分布が乱れて、円偏波軸比・円偏波特性が悪化・劣化してしまう。

このような問題を解決するために、この送受共用円偏波アンテナ１は、受信パッチ４の縮退分離素子４２を凸状として、この凸状縮退分離素子４２が送信パッチ６に干渉しないようになっている。さらに、縮退分離素子を凹状から凸状に変えたことに伴って、上記の図４（ａ）、（ｂ）の関係に基づいて、円偏波の回転方向を維持する（上面側に右旋円偏波を励振する）ために、凸状縮退分離素子４２が時計回りに９０度ずらした位置に設けられている（図４（ａ）のパッチに、図４（ｂ）のパッチを９０度回転して重ねた状態となっている。）。つまり、図３（ｂ）の形状、配置から図３（ｃ）の形状、配置に変更され、上記のように、受信パッチ４の凸状縮退分離素子４２と送信パッチ６の凹状縮退分離素子６２とが、同位置・同方向に設けられている。

このように、凸状縮退分離素子４２と凹状縮退分離素子６２とが同位置に設けられ、しかも凸形状と凹形状であるため、受信パッチ４の凸状縮退分離素子４２が送信パッチ６に干渉しない。このため、送信パッチ６の地導体２側の電界分布が、受信パッチ４の凸状縮退分離素子４２によって乱されることがなく、円偏波軸比・円偏波特性が良好となる。

また、上記のように、送信パッチ６と受信パッチ４の上面側には、ともに右旋円偏波が形成され、送信パッチ６の下面側（受信パッチ４側）には左旋円偏波が形成される。この結果、図５に示すように、送信パッチ６と受信パッチ４との間・境において、送信パッチ６からの円偏波（左旋）と受信パッチ４からの円偏波（右旋）とが逆回転となる。このため、送信パッチ６からの円偏波が受信パッチ４に混入することが抑制・防止され、送受信間のアイソレーション特性が良好となる。

このように、円偏波軸比を良好に維持し、かつ、送受信間のアイソレーション特性を良好にすることが可能となる。また、送信パッチ６に比べて受信パッチ４を十分に大きくする必要がないため、つまり両パッチ４、６を同程度の大きさにすることができるため、誘電体基板３、５の比誘電率と厚みに対する設計自由度が大きくなるとともに、送受信における指向性を同等に維持することができる。さらに、４つの給電位相を作るための複雑な回路などが不要なため、小型化、低コスト化、さらには高信頼化が可能となる。また、高いアイソレーション特性が得られるため、通信装置の送受分離のためのフィルターの減衰特性を軽減することでき、その結果、軽量化、低コスト化に寄与することができる。

このような効果をシミュレーションによって確認した結果を図６、７に示す。図６中Ｓ１１は受信パッチ４の反射特性、Ｓ２２は送信パッチ６の反射特性、Ｓ２１は送受信間のアイソレーション値を示す。この図から、送信周波数ｆｔにおいてアイソレーション値が−５０ｄＢと十分に低く、送信パッチ６から受信パッチ４への円偏波の混入・受信が、極めて低いことが確認できる。

図７（ａ）は受信パッチ４の指向性、同（ｂ）は送信パッチ６の指向性を示し、図中「ＲＨＣ」は右旋円偏波、「ＬＨＣ」は左旋円偏波を意味し、また、「Ｐｈｉ＝０ｄｅｇ」は垂直線Ｌ１方向、「Ｐｈｉ＝９０ｄｅｇ」は水平線Ｌ２方向を意味する。この図から、受信パッチ４および送信パッチ６ともに、正面方向（Ａｎｇｌｅが０°方向）で右旋円偏波（主偏波）に対する交差偏波である左旋円偏波が、約−２５ｄＢと十分に低い値であることが確認できる。すなわち、両パッチ４、６の大きさに大きな差がないため、送信の指向性と受信の指向性との差が小さいことが確認される。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、各パッチ４、６に給電部として給電ピン４１、６１を設け、地導体２の下面側から給電しているが、図８に示すように、パッチ１００（パッチ４、６）の周縁から延びるように整合用変成器１１０、給電線路１１１を設け、パッチ１００と同一面内から給電するようにしてもよい。この場合、図９に示すように、誘電体基板３、５の端部に給電線路１１１が位置して、この端部から給電される。

また、パッチ４、６の平面形状は円形（円盤状）に限らず、四角形やその他の形状であってもよい。さらに、パッチ４、６の上面側に右旋円偏波を励振する場合について説明したが、左旋円偏波を励振する場合にも適用できることは勿論である。

１送受共用円偏波アンテナ
２地導体
３下層誘電体基板
４受信パッチ
４１受信給電ピン（給電部）
４２凸状縮退分離素子
５上層誘電体基板
６送信パッチ
６１送信給電ピン（給電部）
６２凹状縮退分離素子

Claims

地導体の上に、下から順に、下層誘電体基板、受信パッチ、上層誘電体基板および送信パッチが、前記受信パッチと前記送信パッチとの中心が一致するように積層された送受共用円偏波アンテナにおいて、
前記受信パッチの給電部と前記送信パッチの給電部とが、相対的に９０°の位相角を有するように設けられ、
前記送信パッチの周縁に、凹状の縮退分離セグメントである凹状縮退分離素子が、該送信パッチの給電部に対して所定角度の方向に設けられ、
前記受信パッチの周縁に、凸状の縮退分離セグメントである凸状縮退分離素子が、前記凹状縮退分離素子と同方向に重なるように設けられている、
ことを特徴とする送受共用円偏波アンテナ。