JP6742666B2 - 平面アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、周期的に配置されたパッチ素子と励振素子とで構成され、構造および製作の簡素化をすることができる平面アンテナに関するものである。

電磁バンドギャップ（ＥＢＧ：Electromagnetic band-gap）という人工的な構造が知られている。ＥＢＧとは波長より小さい単位構造を周期的に配列した３次元の構造とされている。単位構造は、誘電体の基板の表面に金属製のパッチ素子が形成され、基板の裏面に地板が形成されていると共に、パッチ素子と地板を短絡する短絡ピンが基板を貫通して設けられている。このような構造のＥＢＧは、特定周波数で共振するようになり、共振周波数において反射波位相が同相反射となり、表面電流が流れにくいなどの性質を有している。このため、ＥＢＧ構造の反射板を採用したアンテナにおいては、低姿勢のアンテナとすることができる。

ＥＢＧ構造を備える従来の平面アンテナが非特許文献１，２に記載されている。この平面アンテナの構成を図９〜図１２に示す。図９は従来の平面アンテナ１００の構成を示す斜視図、図１０はその平面図、図１１はＣ−Ｃ線で切断した断面図で示す正面図、図１２は一部拡大した平面図である。
これらの図に示す従来の平面アンテナ１００は、ｘ−ｙ平面に平行に配置された略円形とされた誘電体基板１１０を備え、誘電体基板１１０の表面に周期的導電体群１１２が形成されている。周期的導電体群１１２は、正六角形の形状とされた３７個のパッチ素子１２０−１〜１２０−３７が隣接するパッチ素子と等間隔を持ってｘ−ｙ平面に配置されるよう周期的に配列されて構成されている。また、周期的導電体群１１２の中央のパッチ素子１２０−１を囲むように六角形のリング状に配置された６個のパッチ素子１２０−２〜１２０−７の各間に励振素子１１４−１〜１１４−６が、平面アンテナ１００の中心を回転中心として６０°間隔で放射状に合計６個配置されている。６個の励振素子１１４−１〜１１４−６は同じ構成とされている。図１２にパッチ素子１２０−６とパッチ素子１２０−７との間のスリットに配置された励振素子１１４−５が示されている。パッチ素子１２０−６とパッチ素子１２０−７との間の誘電体基板１１０には、長孔１１０ａが形成され、励振素子１１４−５が誘電体基板１１０の裏面から長孔１１０ａ内に挿入されて後述するように短絡線１１４ａが地板１１１にはんだ付けされる。励振素子１１４−１〜１１４−６はｚ軸に平行に配置された立体的な逆Ｆアンテナとされ、６個の励振素子１１４−１〜１１４−６のいずれか１つだけが給電され、他の励振素子は開放されて無給電とされる。

さらに、誘電体基板１１０の裏面には全面に導電体からなる地板１１１が形成されている。パッチ素子１２０−１〜１２０−３７のそれぞれの中央部は、ｚ軸方向に形成されたビアホール１２０ａにより地板１１１に短絡されて、周期的導電体群１１２はＥＢＧ構造とされている。また、逆Ｆアンテナとされた励振素子１１４−１〜１１４−６の水平部の端部は、図１１に示すように水平部の端部からｚ軸方向に延伸する短絡線１１４ａが地板１１１に短絡（はんだ付け）され、水平部の中途からｚ軸方向に延伸する給電線１１４ｂが給電部１１３に接続される。給電部１１３には接栓（コネクタ）が設けられて、はんだ付けされている。なお、６つの励振素子１１４−１〜１１４−６の内の給電される励振素子１１４は１つだけであり、その給電部１１３だけに給電される。図１１に示す例では励振素子１１４−５の給電部１１３だけに給電され、励振素子１１４−１〜１１４−４，１１４−６の給電部１１３は開放されて給電されない。

従来の平面アンテナ１００の寸法について説明すると、図１０に示すようにパッチ素子１２０の１辺の長さがＬ２１、隣接する間隔がＬ２２とされ、図１１に示すようにパッチ素子１２０と地板１１１との間隔がＬ２３、平面アンテナ１００の中心から励振素子１１４の中心までの長さがＬ２４とされ、励振素子１１４のパッチ素子１２０の平面上からの高さがＬ２５、励振素子１１４の水平部の長さがＬ２６とされ、図１２に示すように励振素子１１４の厚さがＴ２０とされている。ここで、使用周波数の中心周波数ｆ₀における自由空間の波長をλ₀とし、誘電体基板１１０において短縮された中心周波数ｆ₀の実効波長をλとした際の寸法の一例を挙げると、長さＬ２１は約０．１６λ、間隔Ｌ２２は約０．０２λ、間隔Ｌ２３は約０．０５λ、長さＬ２４は約０．２６λ、高さＬ２５は約０．０６λ₀、長さＬ２６は約０．１１λ₀、厚さＴ２０は約０．０１λ₀とされる。
なお、誘電体基板１１０の比誘電率をεｒとした際に実効波長λは次式（１）で求められる。
λ＝λ₀／√（（εｒ＋１）／２） （１）

図１１に示すように励振素子１１４−５だけ給電されて励振素子１１４−１〜１１４−４，１１４−６が開放（非励振）されていると共に、使用周波数を５．５ＧＨｚとして上記寸法を算出し、算出した上記寸法とされた従来の平面アンテナ１００のｘ−ｚ面の放射特性が図１３に示されている。図１３を参照すると、メインの放射ビームはｘ軸方向に傾いており、そのチルト角θは約−３０°とされていることが分かる。そして、１つだけ給電する励振素子１１４−１〜１１４−６を変えると、変えた励振素子１１４−１〜１１４−６に応じて放射ビームが傾くようになり、６方向ビーム操作が可能となる。
なお、この明細書の説明において、「励振素子１１４」の表記は「励振素子１１４−１〜１１４−６」を表しており、「パッチ素子１２０」の表記は「パッチ素子１２０−１〜１２０−３７」を表している。

岡村龍太他２名著「ＥＢＧ反射板を用いた６方向ビーム走査アンテナ」，２０１５年電子情報通信学会総合大会 B-1-41，Mar.2015 岡村龍太他２名著「逆ＦアンテナアレーのＥＢＧ反射板特性」，２０１５年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会 B-1-104，Sep.2015

従来の平面アンテナ１００においては、周期的に配置されたパッチ素子１２０の間の隙間に長孔を形成して垂直形の立体とされた逆Ｆアンテナからなる励振素子１１４を配置するため、励振素子１１４の配置精度が厳しいと共に、励振素子１１４と地板１１１とのはんだ付けなどの組立作業が難しくなり、製作難易度が高くなってしまうという問題点があった。

そこで、本発明は、立体的な励振素子に替えて平面状の励振素子として、構造および製作の簡素化を図ることのできる平面アンテナを提供することを目的としている。

本発明の平面アンテナは、誘電体基板の表面に形成された複数のパッチ素子からなる周期的導電体群と、該周期的導電体群の中央部における前記パッチ素子の間に平面状に形成された励振パッチ素子を有する複数の励振素子と、前記誘電体基板の裏面の全面に形成された地板とを備え、前記周期的導電体群を構成する複数の前記パッチ素子のそれぞれにおいて、ほぼ中央が前記誘電体基板を貫通する第１接続部を介して前記地板に接地され、複数の前記励振素子におけるそれぞれの前記励振パッチにおいて、端縁が前記誘電体基板を貫通する第２接続部を介して前記地板に接地され、ほぼ中央に前記誘電体基板を貫通する第３接続部が接続されており、複数の前記励振素子の内の１つの前記励振素子における前記第３接続部だけに給電されることを最も主要な特徴としている。

前記した本発明の平面アンテナにおいて、前記パッチ素子は正六角形の形状とされており、前記励振素子は、矩形の形状とされた前記励振パッチ素子と、前記第２接続部および前記第３接続部からなる逆Ｆアンテナとされていてもよい。
前記した本発明の平面アンテナにおいて、前記励振パッチ素子は、周期的導電体群の中央部における隣接する前記パッチ素子を一部切り欠いて形成されていてもよい。
前記した本発明の平面アンテナにおいて、複数の前記励振素子の内の給電する１つの前記励振素子を選択する選択手段を備え、該選択手段で選択された前記励振素子に応じた方向に、放射されるビームが形成されるようにしてもよい。
前記した本発明の平面アンテナにおいて、前記選択手段で選択された前記励振素子の前記第３接続部の端部に給電部が接続され、前記選択手段で選択されない前記励振素子の前記第３接続部の端部は開放されるようにしてもよい。

本発明の平面アンテナは、励振素子を従来の垂直形の立体形状に替えて水平形の平面形状としたことにより、励振素子の励振パッチ素子を誘電体基板上に導電体パターンで形成することができる。このため、周期的導電体群を構成する複数のパッチ素子と励振素子における励振パッチ素子を誘電体基板の同一平面上に印刷、エッチング等により形成することができる。これにより、励振素子とされる逆Ｆアンテナの配置精度が向上し、部品点数も削減できる。また、第１接続部ないし第３接続部をビアホールにて形成することができることから、はんだ付けなどの組立が容易になる。従って、構造および製作の簡素化により製作工数の削減による時間短縮が図れ、高信頼性の平面アンテナを得ることができる。

本発明の実施例にかかる平面アンテナの構成を示す斜視図である。 本発明の実施例にかかる平面アンテナの構成を示す平面図である。 本発明の実施例にかかる平面アンテナの構成をＡ−Ａ線で切断した断面図で示す正面図である。 本発明にかかる平面アンテナの中央部の構成を拡大して示す平面図である。 本発明にかかる平面アンテナにおける１つの励振素子とその周囲の構成を拡大して示す斜視図である。 本発明にかかる平面アンテナの周期的導電体群の構成の一部を拡大して示す平面図である。 本発明にかかる平面アンテナの周期的導電体群の構成の一部をＢ−Ｂ線で切断した断面図で示す正面図である。 本発明にかかる平面アンテナの放射特性を示す図である。 従来の平面アンテナの構成を示す斜視図である。 従来の平面アンテナの構成を示す平面図である。 従来の平面アンテナの構成をＣ−Ｃ線で切断した断面図で示す正面図である。 従来の平面アンテナにおける１つの励振素子とその周囲の構成を拡大して示す平面図である。 従来にかかる平面アンテナの放射特性を示す図である。

本発明の実施例にかかる平面アンテナの構成を図１ないし図７に示す。図１は本発明の平面アンテナ１の構成を示す斜視図、図２はその平面図、図３はＡ−Ａ線で切断した断面図で示す正面図、図４は中央部の構成を拡大して示す平面図、図５は１つの励振素子とその周囲の構成を拡大して示す斜視図、図６は周期的導電体群の構成の一部を拡大して示す平面図、図７は周期的導電体群の構成の一部をＢ−Ｂ線で切断した断面図で示す正面図である。
本発明の平面アンテナ１はＥＢＧ構造を備えており、図１ないし図７に示すように、本発明の平面アンテナ１は、ｘ−ｙ平面に平行に配置された略円形とされた誘電体基板１０を備えている。誘電体基板１０は、ＰＴＦＥ（Polytetra fluoroethylene：四ふっ化エチレン樹脂）やガラスエポキシ樹脂などの高周波特性の良好な誘電体材で構成するのが好ましい。誘電体基板１０の表面には、周期的導電体群１２が形成されている。周期的導電体群１２は、正六角形の形状とされた３７個のパッチ素子２０−１〜２０−３７が隣接するパッチ素子間で等間隔を持ってｘ−ｙ平面に配置されるよう周期的に配列されて構成されている。３７個のパッチ素子２０−１〜２０−３７で形成される本発明の平面アンテナ１においては、各パッチ素子２０−１〜２０−３７が六角形の３層のリング状に配列されるようになる。３７個のパッチ素子２０−１〜２０−３７は、誘電体基板１０上に導電体材料を印刷して形成したり、プリント基板とされた誘電体基板１０をエッチングする等により形成されている。

また、誘電体基板１０の裏面には全面に導電体からなる地板１１が印刷等により形成されている。パッチ素子２０−１〜２０−３７のそれぞれの中央部は、ｚ軸方向に誘電体基板１０を貫通するビアホール２０ａにより地板１１に短絡されて、周期的導電体群１２はＥＢＧ構造とされている。このビアホール２０ａは、誘電体基板１０を貫通して設けられたホールの内部に導電材料をメッキすることにより形成されている。

さらに、誘電体基板１０の表面であって、周期的導電体群１２の中央のパッチ素子２０−１を囲むように六角形のリング状に配置された６個のパッチ素子２０−２〜２０−７の各間に平面状の励振素子１４−１〜１４−６が、平面アンテナ１の中心を回転中心として約６０°間隔で放射状に合計６個形成されている。６個の励振素子１４−１〜１４−６は同じ構成とされている。本発明の平面アンテナ１における中央部の７個のパッチ素子２０−１〜２０−７と６個の励振素子１４−１〜１４−６の構成を示す図４と、励振素子１４−５とその周辺の構成を示す図５に示すように、リング状に配置されたパッチ素子２０−２〜２０−７における平面アンテナ１の中心寄りの両側の斜辺には切欠が形成され、この切欠を利用して矩形状のパッチとされた励振素子１４−１〜１４−６が誘電体基板１０上に印刷等により形成されている。すなわち、図５に示すように、パッチ素子２０−６とパッチ素子２０−７の対面する辺を切り欠いた矩形状の空間に、矩形パッチの励振素子１４−５が形成されている。平面アンテナ１の中心と反対側の励振素子１４−５の矩形パッチの短辺の中央は、ｚ軸方向に誘電体基板１０を貫通する短絡ビアホール１４ａにより地板１１に短絡され、励振素子１４−５の矩形パッチの中央部は、ｚ軸方向に誘電体基板１０を貫通する給電ビアホール１４ｂにより図３に示す給電部１３に接続されている。この短絡ビアホール１４ａおよび給電ビアホール１４ｂは、誘電体基板１０を貫通して設けられたホールの内部に導電材料をメッキすることにより形成されている。短絡ビアホール１４ａおよび給電ビアホール１４ｂは、励振素子１４−１〜１４−６に同様に設けられており、励振素子１４−１〜１４−６は逆Ｆアンテナとして機能する。

本発明の平面アンテナ１においては、逆Ｆアンテナとされる励振素子１４−１〜１４−６は誘電体基板１０の表面であるｘ−ｙ面に印刷等により平面状に形成されている。そして、励振素子１４−１〜１４−６のそれぞれの給電部１３は接栓（コネクタ）とハンダ付けされており、６つの励振素子１４−１〜１４−６の内の給電される励振素子１４は１つだけとされ、その給電部１３だけに給電される。この場合、励振素子１４−１〜１４−６の６つの給電部１３の内の１つを選択する図示しないスイッチング回路が設けられており、スイッチング回路により給電される１つの励振素子１４が選択される。図３に示す例では励振素子１４−５の給電部１３だけに給電され、励振素子１４−１〜１４−４，１４−６の給電部１３は開放されて無給電とされている。

次に、本発明の平面アンテナ１の寸法について説明すると、図６に示すようにパッチ素子２０の１辺の長さがＬ１、隣接する間隔がＬ２とされ、図３に示すようにパッチ素子２０と地板１１との間隔がＬ３、平面アンテナ１の中心から励振素子１４の矩形パッチの中心までの長さがＬ４、矩形パッチとされた励振素子１４の長辺の長さがＬ５、短辺の長さがＬ６とされ、パッチ素子２０と励振素子１４のパッチ素子との間隔がＬ７とされている。ここで、使用周波数の中心周波数ｆ₀における自由空間の波長をλ₀とし、誘電体基板１０において短縮された中心周波数ｆ₀の実効波長をλとした際の寸法の一例を挙げると、長さＬ１は約０．１６λ、間隔Ｌ２は約０．０２λ、間隔Ｌ３が約０．０５λ、長さＬ４が約０．２６λ、長さＬ５が約０．１５λ、長さＬ６が約０．１２λ、間隔Ｌ７が約０．０１λとされる。また、励振素子１４−１〜１４−６は、平面アンテナ１の中心を回転中心として約６０°ずつ回転させて配置している。なお、誘電体基板１０の誘電率をεｒとした際に実効波長λは上記した（１）で求められる。

励振素子１４−５だけ給電されて励振素子１４−１〜１４−４，１４−６が開放（非励振）されていると共に、使用周波数を５．５ＧＨｚとして上記寸法を算出し、算出した上記寸法とされた本発明の平面アンテナ１のｘ−ｚ面の放射特性が図８に示されている。図８を参照すると、メインの放射ビームはｘ軸方向に傾いており、そのチルト角θは約−３０°とされていることが分かる。この場合、１つだけ給電する励振素子１４−１〜１４−６を変えると、変えた励振素子１４−１〜１４−６に応じて放射ビームが傾くようになり、１つだけ給電する励振素子１４−１〜１４−６をスイッチング回路で選択することにより、６方向ビーム操作を可能とすることができる。
なお、この明細書の説明において、「励振素子１４」の表記は「励振素子１４−１〜１４−６」を表しており、「パッチ素子２０」の表記は「パッチ素子２０−１〜２０−３７」を表している。
以上説明した本発明の実施例の平面アンテナ１では、アンテナの可逆性により、電波を受信する場合においても同様に動作する。

本発明にかかる平面アンテナは、誘電体基板の表面に形成された複数のパッチ素子からなる周期的導電体群と、該周期的導電体群の中央部における前記パッチ素子の間に平面状に形成された、例えば矩形パッチとされた励振パッチ素子を有する複数の励振素子と、前記誘電体基板の裏面の全面に形成された地板とを備え、前記周期的導電体群を構成する複数の前記パッチ素子のそれぞれにおいて、ほぼ中央が前記誘電体基板を貫通する、例えばビアホールとされた第１接続部を介して前記地板に接地され、複数の前記励振素子におけるそれぞれの前記励振パッチにおいて、端縁が前記誘電体基板を貫通する、例えば短絡ビアホールとされた第２接続部を介して前記地板に接地され、ほぼ中央に前記誘電体基板を貫通する、例えば給電ビアホールとされた第３接続部が接続され、複数の前記励振素子の内の１つの前記励振素子における前記第３接続部だけに給電されるようにしている。また、本発明の平面アンテナの使用周波数帯は６ＧＨｚ帯とするのが好適であるが、この周波数帯に限らず任意の周波数帯に適用することができる。

以上説明した本発明の平面アンテナにおいては、誘電体基板を円形としたが，これに限ることはなく楕円形、矩形や多角形とすることができる。また、誘電体基板の材料は、高周波特性が良好な誘電体材とすればよく、ＰＴＦＥやガラスエポキシ樹脂に限らない。また、パッチ素子を正六角形の形状とすることができるが、これに限ることはなく隣接する各辺同士の間隔が等間隔で配列できる三角形以上の多角形とすることができる。また、誘電体基板上に形成されるパッチ素子の数は３７に限らず、７，１９，６１，９１，１２７，１６９・・・とすることができる。
さらに、本発明の実施例の形態が適用される平面アンテナでは、パッチ素子の一部を切り欠くことにより、励振素子とされる水平形で平面状の逆Ｆアンテナを誘電体基板上に導電体パターン化できるため、励振素子とパッチ素子とを誘電体基板の同一平面上に印刷して形成することができる。これにより、励振素子を含め、地板およびパッチ素子も同時に誘電体基板上に作成することが可能となり部品点数を削減できる。さらに、励振素子を導電体パターン化することにより、励振素子の配置精度が向上し、励振素子の給電部および短絡部もビアホールにて形成できるため、励振素子における給電部のはんだ付けが容易になると共に、短絡部のはんだ付けを不要とすることができる。このように、本発明の平面アンテナでは、構造および製作を簡素化することができ、これにより製作工数の削減による時間短縮が図れ、高信頼性を得ることができるようになる。

１ 平面アンテナ、１０ 誘電体基板、１１ 地板、１２ 周期的導電体群、１３ 給電部、１４−１〜１４−６ 励振素子、１４ａ 短絡ビアホール、１４ｂ 給電ビアホール、２０−１〜２０−３７ パッチ素子、２０ａ ビアホール、１００ 平面アンテナ、１１０ 誘電体基板、１１０ａ 長孔、１１１ 地板、１１２ 周期的導電体群、１１３ 給電部、１１４−１〜１１４−６ 励振素子、１１４ａ 短絡線、１１４ｂ 給電線、１２０−１〜１２０−３７ パッチ素子、１２０ａ ビアホール

Claims (5)

1. 誘電体基板の表面に形成された複数のパッチ素子からなる周期的導電体群と、
   該周期的導電体群の中央部における前記パッチ素子の間に平面状に形成された励振パッチ素子を有する複数の励振素子と、
   前記誘電体基板の裏面の全面に形成された地板とを備え、
   前記周期的導電体群を構成する複数の前記パッチ素子のそれぞれにおいて、ほぼ中央が前記誘電体基板を貫通する第１接続部を介して前記地板に接地され、複数の前記励振素子におけるそれぞれの前記励振パッチにおいて、端縁が前記誘電体基板を貫通する第２接続部を介して前記地板に接地され、ほぼ中央に前記誘電体基板を貫通する第３接続部が接続され、複数の前記励振素子の内の１つの前記励振素子における前記第３接続部だけに給電されることを特徴とする平面アンテナ。
2. 前記パッチ素子が正六角形の形状とされており、前記励振素子は、矩形の形状とされた前記励振パッチ素子と、前記第２接続部および前記第３接続部からなる逆Ｆアンテナとされていることを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ。
3. 前記励振パッチ素子は、周期的導電体群の中央部における隣接する前記パッチ素子を一部切り欠いて形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の平面アンテナ。
4. 複数の前記励振素子の内の給電する１つの前記励振素子を選択する選択手段を備え、
   該選択手段で選択された前記励振素子に応じた方向に、放射されるビームが形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の平面アンテナ。
5. 前記選択手段で選択された前記励振素子の前記第３接続部の端部に給電部が接続され、前記選択手段で選択されない前記励振素子の前記第３接続部の端部は開放されることを特徴とする請求項４に記載の平面アンテナ。

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