JP7106042B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本開示は、マイクロストリップアレイアンテナを有したアンテナ装置に関する。

例えば、非特許文献１には、誘電体基板の表面に給電線路および放射部が設けられ、誘電体基板の裏面に接地導体が設けられたマイクロストリップアンテナが記載されている。非特許文献１に記載されたマイクロストリップアンテナは、誘電体基板の表面を上方から見て、放射部おける給電線路が接続された側と対向する側の端部から、給電線路を延長した延長線に平行に放射部が切り欠かれた一対の切り欠き部を有している。この切り欠き部の対を有することにより広帯域なアンテナ装置を実現している。

Ｎ． Ｂｏｓｋｏｖｉｃ， Ｂ． Ｊｏｋａｎｏｖｉｃ， Ｍ． Ｒａｄｏｖａｎｏｖｉｃ， ａｎｄ Ｎ． Ｓ． Ｄｏｎｃｏｖ， " Ｎｏｖｅｌ Ｋｕ－Ｂａｎｄ Ｓｅｒｉｅｓ－Ｆｅｄ Ｐａｔｃｈ Ａｎｔｅｎｎａ Ａｒｒａｙ Ｗｉｔｈ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ " ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇ．， ｖｏｌ． ６６， ｎｏ． １２， ｐｐ． ７０４１－７０４８， Ｄｅｃ． ２０１８．

非特許文献１に記載されたマイクロストリップアンテナは、励振されると、給電線路に平行な偏波をボアサイト方向に放射する。しかしながら、動作周波数帯域の高周波数帯域側において主偏波に直交する交差偏波成分のレベルが高くなるという課題があった。

本開示は、上記課題を解決するものであり、交差偏波のレベルが低い放射特性を有した広帯域なアンテナ装置を得ることを目的とする。

本開示に係るアンテナ装置は、誘電体の第１の面に設けられた給電線路と、誘電体の第１の面に設けられ、給電線路が接続された放射部と、誘電体の第１の面とは反対側の第２の面に設けられた接地導体と、誘電体の第１の面を上方から見て、放射部における給電線路が接続された側と対向する側の端部から給電線路に向かうにつれて互いに離れる方向に延びた一対の切り欠き部を備える。

本開示によれば、誘電体の第１の面を上方から見て、放射部における給電線路が接続された側と対向する側の端部から給電線路に向かうにつれて互いに離れる方向に延びた一対の切り欠き部を備える。この切り欠き部の対によって、放射部に発生する電磁界分布のモードを調整できるので、交差偏波のレベルが低い放射特性を有した広帯域なアンテナ装置を実現することができる。

実施の形態１に係るアンテナ装置を示す平面図である。 実施の形態１に係るアンテナ装置および従来のアンテナ装置における反射特性の電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。 図３Ａは、実施の形態１に係るアンテナ装置から放射される主偏波および交差偏波の０．９６８ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフであり（ｆｃ；中心周波数）、図３Ｂは、実施の形態１に係るアンテナ装置から放射される主偏波および交差偏波の０．９８０ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。 図４Ａは、実施の形態１に係るアンテナ装置から放射される主偏波および交差偏波の０．９９３ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフであり、図４Ｂは、実施の形態１に係るアンテナ装置から放射される主偏波および交差偏波の１．００６ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。 図５Ａは、実施の形態１に係るアンテナ装置から放射される主偏波および交差偏波の１．０１９ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフであり、図５Ｂは、実施の形態１に係るアンテナ装置から放射される主偏波および交差偏波の１．０３１ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。 実施の形態１に係るアンテナ装置の変形例を示す平面図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るアンテナ装置１を示す平面図である。図１において、アンテナ装置１は、例えば、誘電体基板２に設けられる。誘電体基板２は、第１の面（表面）に放射部３、給電部４および給電線路５が設けられ、第１の面とは反対側の第２の面（裏面）に接地導体８が設けられた誘電体である。放射部３は、ｙ方向の長さＡおよびｘ方向の幅Ｂの寸法を有した方形状の導体パターンであり、電磁波を放射する。例えば、ＲＦコネクタによって給電部４に給電された電力は、給電線路５を＋ｙ方向に伝搬して放射部３に入力され、電力の一部が電磁波として放射部３から放射される。電磁波として放射されなかった残りの電力は、放射部３の内部で熱損となる。

放射部３における給電線路５が接続している側には、第１のスリット６ａおよび６ｂが設けられている。第１のスリット６ａおよび６ｂは、給電線路５に沿って放射部３が切り欠かれて構成され、給電線路５に対して両側対称である。第１のスリット６ａおよび６ｂのｙ方向の長さを変更することで、主に、アンテナ装置１の入力インピーダンスの実部（抵抗値）を調整することができる。また、第１のスリット６ａおよび６ｂのｘ方向の幅を変更することで、主に、アンテナ装置１の入力インピーダンスの虚部（リアクタンス値）を調整することができる。このように第１のスリット６ａおよび６ｂのサイズを変更することにより、アンテナ装置１のインピーダンスマッチング（整合）がなされるので、反射波を最小限に抑えることができる。

さらに、放射部３には、第２のスリット７ａおよび７ｂが設けられる。第２のスリット７ａおよび７ｂは、放射部３における給電線路５が接続された側と対向する側の端部から給電線路５に向かうにつれて互いに離れる方向に延びた一対の切り欠き部である。図１においては、第２のスリット７ａおよび７ｂが階段形状である。放射部３に発生する電磁界分布のモードは、第２のスリット７ａおよび７ｂのサイズを変更することで調整される。

例えば、従来のアンテナ装置が、図１に示したマイクロストリップアンテナのうち、第２のスリット７ａおよび７ｂが設けられていない構造であると仮定する。この構造を有するアンテナ装置は、ＴＭ１０モードと呼ばれる電磁界分布のモードによって放射部が励起されて動作する。ＴＭ１０モードの動作周波数帯域は、誘電体基板の誘電率および厚さによって規定され、一般的に狭帯域である。なお、ＴＭ１０モードは、ｙ方向に電流が生じるモードである。

マイクロストリップアンテナの動作周波数帯域は、放射部の幅Ｂが広くされると、広帯域化されることが知られている。しかしながら、放射部の幅Ｂが広くされると、動作周波数帯域の高周波数帯域側において、ｙ方向以外にｘ方向の電流が生じるため、交差偏波のレベルが高くなるという課題があった。なお、アンテナ装置１のＴＭ１０モードの主偏波方向はｙ方向であり、交差偏波は、主偏波方向に直交する偏波、すなわちｘ方向の偏波である。

アンテナ装置１は、第２のスリット７ａおよび７ｂを有することで、放射部３の幅Ｂが広くされなくても、ＴＭ１０モードおよびＴＭ１０モードに類似するモードの動作周波数帯域を広帯域化することが可能である。マイクロストリップアンテでは、放射導体の形状によって発生するモードが変化する。アンテナ装置１は、放射部３における第２のスリット７ａと第２のスリット７ｂとに挟まれた領域に電界が生じるので、ＴＭ１０モードのみならず、ＴＭ１０モードに類似するモードが生じる。ＴＭ１０モードおよびＴＭ１０モードに類似するモードが生じることによってアンテナ装置１に発現する有用性を示すため、アンテナ装置１の特性について説明する。なお、誘電体基板２の比誘電率ε_ｒが３．０、その厚さが０．０２６λであるものとする。λは、アンテナ装置１の使用周波数における波長である。放射部３における給電線路５と直交する方向の幅Ｂの値をｄとする。

第２のスリット７ａおよび７ｂを有したアンテナ装置１は、ｄ√ε_ｒ／λ＝０．５２（＜０．６）である。また、第２のスリット７ａおよび７ｂを有さない従来のアンテナ装置は、ｄ√ε_ｒ／λ＝０．６９（＞０．６）である。放射部の幅Ｂの方向を電磁波が伝搬する速度は、比誘電率ε_ｒの平方根に比例する。その比例定数は、比誘電率ε_ｒの平方根に幅ｄを乗算してから波長λを除算した値である。

図２は、アンテナ装置１および従来のアンテナ装置における反射特性の電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。従来のアンテナ装置は、図１に示したアンテナ装置１から、第２のスリット７ａおよび７ｂを除いた構造を有する。図２において、曲線Ｃは、ＴＭ１０モードで動作させた従来のアンテナ装置の反射特性を示しており、曲線Ｄは、アンテナ装置１の反射特性を示している。曲線Ｃに示すように、従来のアンテナ装置では、反射係数が－１０ｄＢ以下となる比帯域が２％強に留まっている。これに対し、曲線Ｄに示すように、アンテナ装置１は、反射係数が－１０ｄＢ以下となる比帯域が約６％あり、広帯域化されている。

図３Ａは、アンテナ装置１から放射される主偏波および交差偏波の０．９６８ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフであり、ｆｃは、動作周波数帯域の中心周波数である。曲線Ｅ１は、主偏波の０．９６８ｆｃにおける放射パターンであり、曲線Ｅ２は、交差偏波の０．９６８ｆｃにおける放射パターンである。図３Ｂは、アンテナ装置１から放射される主偏波および交差偏波の０．９８０ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。図３Ｂにおいて、曲線Ｆ１は、主偏波の０．９８０ｆｃにおける放射パターンであり、曲線Ｆ２は、交差偏波の０．９８０ｆｃにおける放射パターンである。

図４Ａは、アンテナ装置１から放射される主偏波および交差偏波の０．９９３ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフであり、ｆｃは、動作周波数帯域の中心周波数である。曲線Ｇ１は、主偏波の０．９９３ｆｃにおける放射パターンであり、曲線Ｇ２は、交差偏波の０．９９３ｆｃにおける放射パターンである。図４Ｂは、アンテナ装置１から放射される主偏波および交差偏波の１．００６ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。図４Ｂにおいて、曲線Ｈ１は、主偏波の１．００６ｆｃにおける放射パターンであり、曲線Ｈ２は、交差偏波の１．００６ｆｃにおける放射パターンである。

図５Ａは、アンテナ装置１から放射される主偏波および交差偏波の１．０１９ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフであり、ｆｃは、動作周波数帯域の中心周波数である。曲線Ｉ１は、主偏波の１．０１９ｆｃにおける放射パターンであり、曲線Ｉ２は、交差偏波の１．０１９ｆｃにおける放射パターンである。図５Ｂは、アンテナ装置１から放射される主偏波および交差偏波の１．０３１ｆｃにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。図５Ｂにおいて、曲線Ｊ１は、主偏波の１．０３１ｆｃにおける放射パターンであり、曲線Ｊ２は、交差偏波の１．０３１ｆｃにおける放射パターンである。

図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａおよび図５Ｂにおいて、曲線Ｅ１、曲線Ｆ１、曲線Ｇ１、曲線Ｈ１、曲線Ｉ１および曲線Ｊ１の放射パターンを有した主偏波は、ｙｚ面における主偏波である。すなわち、放射パターンにおけるｙ方向成分である。また、曲線Ｅ２、曲線Ｆ２、曲線Ｇ２、曲線Ｈ２、曲線Ｉ２および曲線Ｊ２の放射パターンを有した交差偏波は、ｙｚ面における交差偏波である。すなわち、放射パターンにおけるｘ方向成分である。角度＝０（ｄｅｇｒｅｅ）は、図１に示した３次元座標系における＋ｚ方向に対応する。

図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａおよび図５Ｂから明らかなように、曲線Ｅ１、曲線Ｆ１、曲線Ｇ１、曲線Ｈ１、曲線Ｉ１および曲線Ｊ１は、ボアサイト方向、すなわち角度＝０（ｄｅｇｒｅｅ）を指向する良好なアンテナパターンになっている。これに対して、曲線Ｅ２、曲線Ｆ２、曲線Ｇ２、曲線Ｈ２、曲線Ｉ２および曲線Ｊ２は、±９０度の範囲内で－１５ｄＢ以下であり、良好な特性を示している。

なお、非特許文献１に記載された、給電線路を延長した延長線に対して平行に放射部が切り欠かれた一対の切り欠き部を有したマイクロストリップアンテナは、－１５ｄＢよりも高い交差偏波成分が生じるため、アンテナ装置１の方が良好な特性を有している。これは、放射部３に形成された第２のスリット７ａおよび７ｂが、放射部３における給電線路５が接続された側と対向する側の端部から給電線路５に向かうにつれて互いに離れる方向に延びていることに起因する。すなわち、第２のスリット７ａおよび７ｂが、放射部３における給電線路５が接続された側と対向する側の端部から給電線路５に向かうにつれて互いに離れる方向に、例えば階段状に延びていると、放射部３における第２のスリット７ａと第２のスリット７ｂに挟まれた領域に電界が生じる。この電界によって、アンテナ装置１には、ＴＭ１０モードのみならず、ＴＭ１０モードに類似するモードが発生する。これに対し、非特許文献１に記載されたマイクロストリップアンテナは、放射部における給電線路が接続した側に設けられた一対の切り欠き部（第１のスリット６ａおよび６ｂに相当する切り欠き部）と、放射部における給電線路が接続された側と対向する端部に設けられ、給電線路を延長した延長線に対して平行に放射部が切り欠かれた一対の切り欠き部とが電気的に連結されてしまう。このため、非特許文献１に記載されたアンテナには、前述した電界が生じず、ＴＭ１０モードに類似するモードが発生しないので、アンテナ装置１のような特性の向上が得られない。

図２、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａおよび図５Ｂに示した電磁界シミュレーション結果から、アンテナ装置１は、反射係数が－１０ｄＢ以下となる比帯域が約６％に渡っており、かつ、交差偏波が－１５ｄＢ以下となる良好な特性が得られる。このように、アンテナ装置１は、第２のスリット７ａおよび７ｂを有さない従来のアンテナ装置に比べて、アンテナ動作利得を広く（広帯域）することが可能である。

図６は、アンテナ装置１の変形例であるアンテナ装置１Ａを示す平面図である。図６において、図１と同一の構成要素には図１と同一の符号が付されている。アンテナ装置１Ａは、第２のスリット７ａおよび７ｂの代わりに第３のスリット９ａおよび９ｂを備える。第３のスリット９ａおよび９ｂは、誘電体基板２の第１の面を上方から見て、放射部３における給電線路５が接続された側と対向する側の端部から給電線路５に向かうにつれて互いに離れる方向に延びた一対の切り欠き部である。

図６においては、第３のスリット９ａおよび９ｂは直線状である。第２のスリット７ａおよび７ｂと同様に、第３のスリット９ａおよび９ｂのサイズを変更することで、放射部３に発生する電磁界分布のモードを調整することができる。これにより、放射部３の幅Ｂが狭い場合であっても、ＴＭ１０モードまたはＴＭ１０モードと類似するモードの動作周波数帯域を広くすることができる。

なお、これまでの説明では、誘電体基板２に形成した導体パターンにより、放射部３、給電部４および給電線路５を設ける場合を示したが、アンテナ装置１および１Ａは、これに限定されるものではない。例えば、誘電体基板２を空気層とし、放射部３および給電線路５を金属導体で構成したアンテナ装置であってもよい。

アンテナ装置１および１Ａが備える放射部３は、方形の導体パターンに限らず、楕円形または多角形の導体パターンであってもよい。

これまでの説明では、第１のスリット６ａおよび６ｂ、第２のスリット７ａおよび７ｂ、および、第３のスリット９ａおよび９ｂのそれぞれが、直角のコーナー部分を有する場合を示したが、コーナー部分は曲線状であってもよい。

第２のスリット７ａおよび７ｂが一段の階段形状である場合を示したが、第２のスリット７ａおよび７ｂは、複数段の階段形状であってもよい。また、階段形状の一部の段差が長くなっている形状であってもよい。さらに、第１の面を上方から見て、給電線路５が接続された側に向かうにつれて互いに離れる方向に広がる形状であれば、階段形状ではなくＳ字状の曲線形状であってよい。

また、実施の形態１に係るアンテナ装置は、外形の一部が切り欠かれた放射部３を備えた円偏波アンテナであってもよい。さらに、アンテナ装置１または１Ａの放射方向（＋ｚ方向）にポラライザを配置することで、円偏波アンテナとして動作させてもよい。

これまでの説明では、誘電体基板２の第１の面に設けられたマイクロストリップ線路を用いて放射部３に給電する構成を述べたが、実施の形態１に係るアンテナ装置には、例えば、ＲＦコネクタを用いて給電部４を直接給電する構成が採用されてもよい。なお、その場合には、放射部３における第１のスリット６ａおよび６ｂが不要である。

実施の形態１に係るアンテナ装置は、電磁結合で給電される構成であってもよい。誘電体基板２の第２の面（図１または図６の－ｚ方向の面）に別の誘電体基板を配置し、その誘電体基板に形成されたマイクロストリップ線路に入力された電磁波が、誘電体基板２の第２の面のグランドパターンに別途設けた開口部を介して放射部３に給電されてもよい。

実施の形態１に係るアンテナ装置は、例えば、誘電体基板２の第１の面におけるｘ方向またはｙ方向の少なくとも一方に複数個のアンテナ装置１または１Ａが並んで設けられた装置であってもよい。この構成のアンテナ装置は、個々のアンテナ装置を別々に給電することにより任意の方向にビームを走査することができるフェーズドアレーアンテナとして用いることが可能である。
なお、これまでの説明では、実施の形態１に係るアンテナ装置を、送信アンテナとして用いる場合を説明したが、受信アンテナとして用いても構わない。

以上のように、実施の形態１に係るアンテナ装置１は、誘電体基板２の第１の面に設けられた給電線路５と、誘電体基板２の第１の面に設けられ、給電線路５が接続された放射部３と、誘電体基板２の第１の面とは反対側の第２の面に設けられた接地導体８と、誘電体基板２の第１の面を上方から見て、放射部３における給電線路５が接続された側と対向する側の端部から給電線路５に向かうにつれて互いに離れる方向に延びた第２のスリット７ａおよび７ｂを備える。第２のスリット７ａおよび７ｂのサイズを変更することにより放射部３に発生する電磁界分布のモードを調整できるので、交差偏波のレベルが低い放射特性を有した広帯域なアンテナ装置１を実現することができる。

なお、実施の形態の任意の構成要素の変形もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係るアンテナ装置は、例えば、レーダ装置に利用可能である。

１，１Ａ アンテナ装置、２ 誘電体基板、３ 放射部、４ 給電部、５ 給電線路、６ａ，６ｂ 第１のスリット、７ａ，７ｂ 第２のスリット、８ 接地導体、９ａ，９ｂ 第３のスリット。

Claims (6)

1. 誘電体の第１の面に設けられた給電線路と、
   前記誘電体の第１の面に設けられ、前記給電線路が接続された放射部と、
   前記誘電体の第１の面とは反対側の第２の面に設けられた接地導体と、
   前記誘電体の第１の面を上方から見て、前記放射部における前記給電線路が接続された側と対向する側の端部から前記給電線路に向かうにつれて互いに離れる方向に延びた一対の切り欠き部と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記切り欠き部は、階段形状であること
   を特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記切り欠き部は、直線状であること
   を特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記誘電体の比誘電率がε_ｒであり、前記放射部における前記給電線路と直交する方向の幅がｄであり、使用周波数における波長がλである場合、比誘電率ε_ｒの平方根に幅ｄを乗算してから波長λを除算した値であるｄ√ε_ｒ／λは、０．６未満であること
   を特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
5. 前記放射部は、方形状であること
   を特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項記載のアンテナ装置が、前記誘電体の第１の面に複数個並んで設けられたこと
   を特徴とするアンテナ装置。

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