JPWO2016076389A1 - 広帯域円偏波平面アンテナ及びアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

誘電体基板２０の表面に、楕円形状であって誘電体基板の直交軸に対して斜めに配置して形成されたパッチ導体３０と、パッチ導体の基部に給電するマイクロストリップ線路４０と、誘電体基板の裏面であってパッチ導体と重ならない位置に形成された接地導体板５０とから平面アンテナが構成される。パッチ導体をθだけ傾けて形成することで、軸比が３ｄＢ以下となされた円偏波特性となり、ＶＳＷＲ特性が２以下となる周波数帯域幅は２〜５ＧＨｚでの広帯域化、さらにはＵＷＢの高帯域における広帯域化を達成できる。天頂方向の放射指向性が周波数に依存しないアンテナ特性が得られる。

Description

この発明は広帯域円偏波平面アンテナ及びアンテナ装置に関する。詳しくは、特に２．０GHz〜５．０GHz帯のＷｉＦｉ（Wireless Fidelity：ブランド名）や、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）及び３．１GHz〜１０．６GHz帯のＵＷＢ(Ultra Wide Band)無線通信等に用いることができるプリント基板型の広帯域円偏波平面アンテナ及びアンテナ装置に関する。

円偏波はＧＰＳ用の電波、衛星デジタル放送用の衛星電波、ＥＴＣ用などの電波に使用されており、種々の円偏波アンテナ（特許文献１など）が提案されている。
近年、ＷｉＦｉに代表される無線ＬＡＮや、中距離通信や移動体通信等に使用されるＷｉＭＡＸやＵＷＢなどの無線通信に対しても円偏波の利用が拡大してきている。これらの無線通信機器に実装される円偏波アンテナは、薄型・軽量が要求されるため、プリント基板等によって形成される平面アンテナが主流となりつつある。

これに対応する広帯域円偏波平面アンテナがいくつか提案されている。例えば、発明者等が提案した非特許文献１は、矩形のアンテナ素子を斜めに配置するものである。また、非特許文献２は矩形のアンテナ素子の内側に入れ子構造のサブパターンを設けるもの、非特許文献３はアンテナ素子を矩形のループパターンとするものである。
広帯域直線偏波平面アンテナとして楕円型のアンテナ素子（非特許文献４）が知られている。

特開２００５−２３６６５６号公報

IET Microw. Antennas Propag., pp.1-8 doi:10.1049/iet-map.2013.0460 ITE Technical Report Vol.38,No.5 BCT2014-2(Jan.2014) IET Microw. Antennas Propag.,2014,Vol.8,lss.4,pp.263-271 doi:10.1049/iet-map.2013.0249 IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,VOL.55,NO.4,APRIL.2007

上述した広帯域円偏波平面アンテナ及びアンテナ装置によれば、次のような問題がある。

非特許文献１は、プリント基板型で方形のモノポールアンテナであるために、アンテナ素子が単純な矩形であり、アンテナ特性が量産したときの製作誤差の影響を受けにくいという利点がある。しかし、周波数帯域幅として１．７５〜４．２２ＧＨｚ（リターンロス１０ｄＢ以下を満たす周波数帯域幅、軸比ＡＲが３ｄＢ以下を満たす周波数帯域幅では、１．７３〜４．２７ＧＨｚ）という周波数帯が確保されてはいるものの、まだ満足すべき広帯域幅は得られていない。

非特許文献２、３は、周波数帯域幅は広いが、サブパターンを装荷したり、矩形ループを形成しなければならないので、アンテナ素子の形状が複雑である。そのため、アンテナやアンテナ装置を量産したときの製作誤差の影響を受け易く、特に円偏波特性を示す軸比特性が安定しないという問題がある。

また、非特許文献４のように、広帯域直線偏波平面アンテナとしてモノポールアンテナ構成の楕円型のアンテナ素子が知られている。これは楕円パッチからの放射は楕円パッチの長軸方向にベクトルの向きを持つ電界が発生し、接地導体部の電流は楕円パッチの長軸あるいはマイクロストリップ線路に対して対称に流れるため接地導体部からも楕円パッチの長軸方向に電界の向きを持つ電界が発生する。したがって楕円パッチの長軸方向に電界の向きを持つ直線偏波しか放射することができない。円偏波は放射することができず、ＵＨＦ帯やＳＨＦ帯の円偏波アンテナとしては使用できない。

そこで本発明は、このような従来の課題を解決したものであって、アンテナ素子が単純な形状であって、かつ周波数帯域幅を広く取れる広帯域の円偏波平面アンテナ及びアンテナ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、請求項１に記載したこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナでは、誘電体基板の表面に、滑らかな輪郭線を持ち、長手方向を有する形状であって誘電体基板の直交軸に対して斜めに配置して形成されたパッチ導体と、上記パッチ導体の基部に給電するマイクロストリップ線路と、上記誘電体基板の裏面側に形成された接地導体板とからなり、
上記パッチ導体と接地導体板のそれぞれから放射される電界の振幅の大きさが同じで、上記パッチ導体から放射される電界と接地導体板側から放射される電界の位相が略９０°となるように構成されたことを特徴とする。

請求項２に記載した広帯域円偏波平面アンテナは、上記パッチ導体と接地導体板のそれぞれから放射される電界の振幅の大きさが同じとなるように、上記マイクロストリップ線路とパッチ導体の長軸の長さの合計が、上記接地導体板の対角線の長さにほぼ等しくなされたことを特徴とする。

請求項３に記載したこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナは、上記パッチ導体から放射される電界と接地導体板側から放射される電界の位相が略９０°となるように、上記パッチ導体を所定角度θだけ傾斜させると共に、上記パッチ導体の長軸方向と上記接地導体板の対角線がほぼ直交するようになされたことを特徴とする。

請求項４に記載したこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナは、上記パッチ導体の傾きθは、４０°≦θ≦８０°に選定されたことを特徴とする。

請求項５に記載したこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナは上記パッチ導体の傾きθは、θ＝５０°か、θ＝６０°あるいはそれらの中間の値に選定されたことを特徴とする。
請求項６に記載したこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナは、上記にパッチ導体の形状が楕円形状であることを特徴とする。

また請求項７記載のアンテナ装置は、請求項１〜６記載の広帯域円偏波平面アンテナを搭載したことを特徴とする。

この発明では、パッチ導体と接地導体板のそれぞれから放射される電界の振幅の大きさが同じであり、パッチ導体を所定角度だけ傾斜させると共に、パッチ導体から放射される電界と接地導体板側から放射される電界の位相が略９０°となるように構成することで、広帯域な円偏波平面アンテナを実現したものである。

これによれば、アンテナの構造が極めて簡単であり、しかも薄型で軽量化できるため、携帯性に優れた平面アンテナを提供できる。また円偏波特性に関しても、ＶＳＷＲ（定在波比）が２以下で、軸比が３ｄＢ以下を満たす周波数帯域幅が８８．４％となり、従来では得られない周波数の広帯域化（２．１〜５．５ＧＨｚ帯および３．１〜１０．６ＧＨｚ帯）を実現できる。

しかも天頂方向に関して周波数に依存しない一様な放射指向性が得られるため、アンテナの向きを考慮することなくこの平面アンテナを設置できる特徴を有する。

この発明に係る広帯域円偏波平面アンテナの一例を示す平面図である。 その側面図である。 この発明に係る平面アンテナの電流分布状態を示す図である（ωｔ＝１０°）。 この発明に係る平面アンテナの電流分布状態を示す図である（ωｔ＝１００°）。 この発明に係る平面アンテナの電流分布状態を示す図である（ωｔ＝１９０°）。 この発明に係る平面アンテナの電流分布状態を示す図である（ωｔ＝２８０°）。 軸比特性とＶＳＷＲ特性を示す特性図である。 ＶＳＷＲ特性のシミュレーション値と測定値の関係を示す特性図である。 軸比特性のシミュレーション値と測定値の関係を示す特性図である。 天頂方向の利得特性を示す特性図である。 ２ＧＨｚ帯での放射指向性を示す特性図である。 ３ＧＨｚ帯での放射指向性を示す特性図である。 ４ＧＨｚ帯での放射指向性を示す特性図である。 ５ＧＨｚ帯での放射指向性を示す特性図である。 ＵＷＢ帯に適用したときのアンテナ特性（軸比特性）であって、パッチ導体の傾きθを変えたときの特性曲線図である。 ＵＷＢ帯に適用したときのアンテナ特性（定在波比特性）であって、パッチ導体の傾きθを変えたときの特性曲線図である。 従来例の平面アンテナの電流分布状態を示す図である。

続いて、この発明に係る広帯域円偏波平面アンテナの一例を説明する。

この発明に係る広帯域円偏波平面アンテナは、パッチ導体と接地導体板のそれぞれから放射される電界の振幅の大きさが同じであり（条件１）、パッチ導体から放射される電界と接地導体板側から放射される電界の位相が略９０°となる（条件２）ように構成することで、広帯域な円偏波特性を実現したものである。この例では、パッチ導体から放射される電界と接地導体板側から放射される電界の位相を９０°として説明した。

条件１について説明する。パッチ導体からはその長軸方向に沿った方向の向きを持つ電界が発生し、接地導体板からは、その対角線に沿った方向の向きを持つ電界が発生するので、マイクロストリップ線路を含めたパッチ導体の長さと接地導体板の対角線の長さがほぼ一致するように、両者の長さを選定すると、パッチ導体から放射される電界の振幅と、接地導体板から放射される電界の振幅がほぼ一致する。

条件２について説明する。パッチ導体の長軸方向と接地導体板の対角線方向とをほぼ直交させることによって、両者から放射される電波はωｔ＝９０°だけずれる。そのため直交する２つの電界の位相は９０°となって、円偏波を発生させることができる。パッチ導体の長軸方向と接地導体板の対角線方向とをほぼ直交させるために、パッチ導体は誘電体基板に対してθだけ傾斜させる。

図１は円偏波用プリント基板型モノポールアンテナで構成された広帯域円偏波平面アンテナ１０の一例を示す。

この平面アンテナ１０は矩形状の誘電体基板２０を有し、その表面２０ａに被着形成されたパッチ導体３０（アンテナ素子）と、このパッチ導体３０に接続されるマイクロストリップ線路４０および誘電体基板２０の裏面２０bに被着形成された接地導体板５０とで構成される。

誘電体基板２０は縦の長さがＷ1で、横の長さがＷ2、厚みがｈの矩形基板が使用される。その比誘電率をεrとする。この例では、誘電体基板２０としてプリント基板が使用されている。
パッチ導体３０は滑らかな輪郭線を持つ長手方向を有する形状で、この例では楕円形となされ、長軸ｔ１と短軸ｔ２の長さによって楕円の形状が決まる。パッチ導体３０には所定の幅ｓとなされたマイクロストリップ線路４０が接続され、このマイクロストリップ線路４０を介して送受信信号が給電される。マイクロストリップ線路４０の所定点には給電点６０が設けられる。

パッチ導体３０は誘電体基板２０のほぼ中央部に位置し、誘電体基板２０の直交軸に対してθだけ傾けて形成される（パッチ導体の焦点(x0,y0）を基準にしてθだけ傾斜している）。この例では、θ＝５０°の場合を示す。

パッチ導体３０の長軸は誘電体基板２０の中心点Ｐを通り、中心点Ｐよりも僅かに前方にパッチ導体３０の焦点（x0,y0）が位置するように設定されている。そして、長軸t1よりも僅かに右側にシフトしたパッチ導体３０の周端縁にマイクロストリップ線路４０の端縁が位置するように両者の接続位置関係が選定されている。つまり、パッチ導体３０に接続されるマイクロストリップ線路４０の位置が、アンテナ中心Ｐ（誘電体基板２０の中心点）に対しＳｐだけずらされている。

マイクロストリップ線路４０は誘電体基板２０の縦側端縁と平行で、横側端縁まで到達するように被着形成され、横側端縁よりＳｄだけ離れた位置（誘電体基板２０の中心点ＰよりＳｐだけ離れた位置）に給電点６０が設けられている。

誘電体基板２０の裏面２０ｂ側には、接地導体板５０が被着形成されるが、この接地導体板５０は表面２０ａに被着形成されたパッチ導体３０とは重ならない位置であって、誘電体基板よりも小さな面積を覆うように被着形成される。

具体的には、接地導体板５０は、誘電体基板２０の１／２以下の面を覆うような面積（ｄ×（Ｌ1＋Ｌ2））となされ、そして、パッチ導体３０の下側周縁部に対応した接地導体板５０は、この例ではパッチ導体３０の下側周縁部とは重ならないように、下側周縁部に沿った形状（ほぼＵ字状）の溝が形成される。その結果、パッチ導体３０側から見たとき下側周縁部と所定のギャップg1,g2が空くような曲面形状となされる。ギャップg1とg2とは僅かに異なるように選ばれている（g1＞g2）。

マイクロストリップ線路４０への給電は誘電体基板２０の裏面２０ｂ側から行われる。そのため図２に示すようにマイクロストリップ線路４０が形成されている誘電体基板２０には給電点用のスルホールが設けられ、裏面側から給電線７０が取り付けられる。給電線７０としては同軸ケーブルが使用され、その芯線（内部導体）７０ａがマイクロストリップ線路４０に接続され、アース線（外部導体：網線）７０ｂが接地導体板５０に接続される。

接地導体板５０はほぼ矩形状をなし、頂点ｑ１，ｑ２を結ぶ対角線の長さは、長辺（Ｌ１＋Ｌ２）と短辺ｄによって決まるので、この対角線の長さが、ほぼ上述したマイクロストリップ線路４０の長さとパッチ導体３０の長軸の長さを合わせた長さとなるように選定される。

このようにパッチ導体３０をθだけ傾け、マイクロストリップ線路の位置を、アンテナ中心ＰからＳｐだけ離すと共に、パッチ導体３０の焦点位置（x0,y0）をアンテナ中心Ｐから上方にずらし、パッチ導体３０の長軸ｔ１が接地導体板５０の対角線とほぼ直交するように接地導体板５０の大きさを選定し、さらにはマイクロストリップ線路４０を含めたパッチ導体３０の長さをほぼ上述した対角線の長さとする。

なお、図１では長軸ｔ１と接地導体板５０の対角線とのなす角は、図示の関係上直交していない。

このように平面アンテナ１０の各寸法等を設定することにより、パッチ導体３０と接地導体板５０のそれぞれから放射される電界の振幅の大きさが同じとなる（条件１）を満足し、またパッチ導体３０から放射される電界と接地導体板５０側から放射される電界の位相が９０°となる（条件２）を満足することになる。

続いて、このように構成された広帯域円偏波平面アンテナ１０の諸元（パラメータ）の一例を以下に示す。

＜諸元例＞
誘電体基板２０の長さ（縦）Ｗ1・・・５０ｍｍ
誘電体基板２０の長さ（横）Ｗ2・・・６０ｍｍ
誘電体基板２０の厚みｈ・・・・・・１．６ｍｍ
誘電体基板２０の比誘電率εr・・・２．６
パッチ導体３０の長軸t1・・・２０ｍｍ
パッチ導体３０の短軸t2・・・１０ｍｍ
パッチ導体３０の傾きθ・・・５０°
マイクロストリップ線路４０の幅Ｓ・・・４ｍｍ
接地導体板５０の長さＬ1・・・３０ｍｍ
接地導体板５０の長さＬ2・・・３０ｍｍ
接地導体板５０の長さｄ・・・・２３ｍｍ
ギャップｇ1・・・０．６ｍｍ
ギャップｇ2・・・０．４ｍｍ
給電点６０までの距離Ｓｄ・・・３ｍｍ
給電点６０と中心点ＰとのずれＳｐ・・・７．５ｍｍ
続いてこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナ１０の諸特性について説明する。

図３Ａ〜図３Ｄはこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナ１０の動作時における電流分布状態を示すもので、使用した周波数は２．３ＧＨｚである。代表的な位相角ωｔを用いて説明するが、説明する初期位相角ωｔとしては、ωｔ＝０°ではなく、この例ではωｔ＝１０°を基準にして、それぞれ９０°ずつ離れた角度において考察した。

図３Ａは、ωｔ＝１０°におけるパッチ導体３０と接地導体板５０を流れる電流分布を示す。同図からも明らかなようにパッチ導体３０上を流れる電流はパッチ導体３０の左側周縁部側と右側周縁部側とでは逆向きになるので、マイクロストリップ線路４０を境にして互いに電流が逆方向に流れている。そのため、パッチ導体３０上を流れる電流は相殺され、これら電流は放射には寄与していないことが判る。

これに対し、接地導体板５０上では左上から右下方向にのみ電流が流れているので、ωｔ＝１０°の位相角においては接地導体板５０上を流れる電流が放射に寄与していることが判る。

図３Ｂは、ωｔ＝１００°におけるパッチ導体３０と接地導体板５０を流れる電流分布を示す。同図からも明らかなように、接地導体板５０上ではマイクロストリップ線路４０を境にして互いに反対向きに電流が流れているので、接地導体板５０上を流れる電流は放射には寄与していない。

これに対し、パッチ導体３０上を流れる電流はパッチ導体３０の左側周縁部側と右側周縁部側とではマイクロストリップ線路４０を境にして左下から右上に向かう電流が流れている。したがってωｔ＝１００°では、パッチ導体３０上を流れる電流が放射に寄与する。

図３Ｃは、ωｔ＝１９０°におけるパッチ導体３０と接地導体板５０を流れる電流分布を示す。同図からも明らかなようにパッチ導体３０上を流れる電流はパッチ導体３０の左側周縁部側と右側周縁部側とではマイクロストリップ線路４０を境にして互いに逆方向に流れている（図３Ａと同じ）。そのため、パッチ導体３０上を流れる電流は放射には寄与していない。

一方、接地導体板５０上では右下から左上方向にのみ電流が流れているので、ωｔ＝１９０°の位相角では接地導体板５０上を流れる電流が放射に寄与していることが判る。

図３Ｄは、ωｔ＝２８０°におけるパッチ導体３０と接地導体板５０を流れる電流分布を示す。同図からも明らかなように、接地導体板５０上ではマイクロストリップ線路４０を境にして互いに反対向きに電流が流れているので、接地導体板５０上を流れる電流は放射には寄与しない。

これに対し、パッチ導体３０上を流れる電流はパッチ導体３０の左側周縁部側と右側周縁部側とではマイクロストリップ線路４０を境にして右上から左下に向かって電流が流れている。したがってωｔ＝２８０°ではパッチ導体３０上を流れる電流が放射に寄与していることが判る。

図３Ａ〜図３Ｄの電流の流れる方向からも明らかなように、それぞれの位相角での電流の向きが時計方向に回転しているので、電流分布は、ωｔ＝０°を基準にすると、９０°→１８０°→２７０°に向かって回転（この例では右旋回）していることが判る。その結果、この発明に係る広帯域の平面アンテナは円偏波平面アンテナとして機能することが判る。

図４はこの発明に係る平面アンテナ１０のアンテナ特性のうち周波数帯域幅を示す。円偏波用アンテナでは軸比特性が３ｄＢ以下で、かつＶＳＷＲ特性値２以下となる帯域が当該アンテナの動作周波数帯域幅となる。

ここに、軸比とは楕円偏波において、その長軸ｔ１と短軸ｔ２の比で表され、軸比＝３ｄＢ以下が円偏波特性を呈するものとされている。またＶＳＷＲ（定在波比）はアンテナ給電点６０での入力電圧の反射係数を意味する。ＶＳＷＲ＝２は、Ｓパラメータ（特性パラメータ）Ｓ11で-１０ｄＢに相当する。

図４において、実線曲線は軸比特性のシミュレーション値を示し、破線曲線はＶＳＷＲ値のシミュレーション値を示す。軸比が３ｄＢ以下で、かつＶＳＷＲ値が２以下の両者を満足する周波数の下限値ｆ１は大凡２．１２ＧＨｚであり、その上限値ｆ２は５．４８ＧＨｚであるから、この平面アンテナ１０の周波数帯域幅は、８８．４％となる。周波数帯域としてはＵＨＦ帯とＳＨＦ帯の一部の範囲がカバーされている。

図５と図６は上述したシミュレーション値と、実測値（測定値）の関係を示す。図５において、破線図示の曲線はＶＳＷＲのシミュレーション値を示し、実線図示の曲線はその測定値を示す。両者は非常に近似していることが判る。

同様に、図６の破線図示の曲線は軸比のシミュレーション値を示し、実線図示の曲線はその測定値を示す。前者は上述したように８８．４％であるのに対し、図示のように実測値ではｆ１＝２．２１ＧＨｚ、ｆ２＝５．３６ＧＨｚとなったため、動作周波数帯域幅は８３．２％となる。したがってほぼシミュレーション通りの性能が得られていることが判る。

このように図４〜図６のアンテナ特性から、この発明に係る平面アンテナ１０は非常に広帯域の動作周波数帯域をカバーしていることが判る。

図７は天頂方向におけるアンテナ特性（放射利得特性）のうち動作周波数帯域幅を示す。実線図示の特性曲線はこの発明に係る放射利得特性を示し、破線図示の特性曲線は非特許文献１に開示された矩形モノポールアンテナの動作周波数帯域幅を示す。

同図より明らかなように非特許文献１の動作周波数帯域幅よりもこの発明における平面アンテナの天頂方向における動作周波数帯域幅は、数倍広帯域で、しかも一様な放射利得特性が得られる。

図１４は非特許文献１の電流分布状態の一例を示すものである。この例ではωｔ＝０°で、パッチ導体１３０上を流れる電流はパッチ導体１３０の左側周縁部側と右側周縁部側とではマイクロストリップ線路１４０を境にして右下から左上に向かう電流が流れており、パッチ導体１３０上を流れる電流が放射に寄与している。左側周縁部および右側周縁部に着目すると、電流はパッチ導体１３０の輪郭線に拘束されて自由に流れることができていない。したがって、輪郭線付近の電流の波長は連続的に変化していない。なお、１５０は接地導体板である。

一方、本発明の電流分布状態の一例を示す図３Ｂにおいては、パッチ導体３０上を流れる電流はパッチ導体３０の左側周縁部側と右側周縁部側とではマイクロストリップ線路４０を境にして左下から右上に向かう電流が流れており、パッチ導体３０上を流れる電流が放射に寄与している。左側周縁部および右側周縁部に着目すると、非特許文献１の図１２と異なり、この発明の平面アンテナ１０では、図３Ｂや図３Ｄからも明らかなように電流がパッチ導体３０の中心を通る場合から輪郭線に沿って流れる場合まで、連続的に変化する波長の電流が存在する。このように連続的かつ波長の範囲の広い電流が流れるため、周波数帯域幅の向上につながっている。したがってパッチ導体３０の形状は、楕円形状に限らず、二次曲線、放物線などの滑らかな曲線の組み合わせで構成してもよい。

図８から図１１までは放射指向特性を、２ＧＨｚから５ＧＨｚまで１ＧＨｚごとに測定した結果を示す。図８は２ＧＨｚ帯での（ｘｚ面）と（ｙｚ面）における放射指向特性（ｄＢｉ）を示す。図示する（ｘｚ面）および（ｙｚ面）から、＋ｚ軸方向に対して右旋円偏波（ＲＨＣＰ）が一様に放射され、また、−ｚ軸方向にも左旋円偏波（ＬＨＣＰ）が一様に放射されていることが確認できる。

同様に、図９は３ＧＨｚ帯での（ｘｚ面）と（ｙｚ面）における放射指向特性を示す。この場合においても、＋ｚ軸方向に対して右旋円偏波（ＲＨＣＰ）が一様に放射され、−ｚ軸方向にも左旋円偏波（ＬＨＣＰ）が一様に放射されていることが確認できる。

図１０は４ＧＨｚ帯での（ｘｚ面）と（ｙｚ平面）における放射指向特性を示す。４ＧＨｚ帯においても、＋ｚ軸方向に対して右旋円偏波（ＲＨＣＰ）が一様に放射され、−ｚ軸方向にも左旋円偏波（ＬＨＣＰ）が一様に放射されていることが確認できる。

また、図１１は５ＧＨｚ帯での（ｘｚ面）と（ｙｚ面）における放射指向特性を示す。この５ＧＨｚ帯においても、＋ｚ軸方向に対して右旋円偏波（ＲＨＣＰ）が放射され、−ｚ軸方向にも左旋円偏波（ＬＨＣＰ）が放射されているが、他の周波数帯に比べて多少の歪みを持った放射指向特性となっているものの、全体として概ね良好な放射指向特性となっている。

広帯域アンテナでは、一般に動作周波数帯域幅において一様な放射指向特性が求められているが、この発明の場合にはほぼ一様な放射指向特性を有することが確認できる。そして、図１から図１１に示すように平面アンテナとして特にＷｉＦｉ帯域で使用する場合には、誘電体基板２０として５０〜６０ｍｍの矩形体が使用され、そのときの傾きθも３０°〜６０°が好ましく、特にθ＝５０°程度の傾きθが好適である。

図１１までの実施例は、特にＷｉＦｉ（〜５．０ＭＨｚ帯）を使用するときのアンテナ特性を示したが、図１２以下は、より高域周波数帯での適用例を示す。具体的には、レーダなどで使用されているＵＷＢ帯である。ＵＷＢは、３．１〜１０．６ＭＨｚ帯を総称する周波数帯であるが、以下に示す実施例は、ＵＷＢでも特に７ＭＨｚ以上の帯域（７．２５〜１０．２５ＭＨｚ）（ＵＷＢ-Ｈｉｇｈ＿Ｂａｎｄ帯）における適用例である。

誘電体基板２０の直交軸に対するパッチ導体３０の傾きθを調整することによって、円偏波平面アンテナ１０が有すべきアンテナ特性を決定することができる。ここに、アンテナ特性とは、上述したように７．０ＧＨｚ以上での高域周波帯において、軸比ＡＲが３以下で、定在波比ＶＳＷＲが２以下（特性パラメータＳ_１１≦−１０ｄＢ）を満足するアンテナ特性である。

図１２は、６．０ＧＨｚ以上の高帯域における軸比（ＡＲ）特性であって、傾きθを４０°から８０°まで変化させたときの値である。このときに使用した平面アンテナ１０は、テフロン（登録商標）材からなる方形の誘電体基板２０であって、１９〜２０ｍｍ角以下の基板が使用される。具体的には、この誘電体基板２０は、
長さＷ１（＝Ｗ２）・・・・１９．３４ｍｍ
厚みｈ ・・・・ １．６ｍｍ
比誘電率 ・・・・ ２．６
誘電正接（tanδ） ・・・・ ０．００１
である。その他の諸元は、傾きθに応じて適宜調整している。
図１２において、長目の破線は、θ＝４０°の時のＡＲ特性であり、以下、細い実線は、θ＝５０°のときのＡＲ特性であり、一点鎖線は６０°のときのＡＲ特性である。また短めの破線は、θ＝７０°のときのＡＲ特性であり、太めの実線は、θ＝８０°のときのＡＲ特性である。

全ての傾きθにおいて、ＡＲ値が「３」以下となる周波数帯域は、７．２５〜１０．２５ＧＨｚとなる。このうち、ＡＲ値としては、傾きθが、５０°か６０°が好ましく、より好ましくはその中間値（５０°から６０°の間。ただし、図示はしていない）である。このように上述した傾きθ（４０°〜８０°）をそれぞれ採用することで、ＵＷＢ高域領域での広帯域化を実現できる。

図１３は、図１２において使用したのと同じ円偏波平面アンテナ１０を用いたときの６．０ＧＨｚ以上の高帯域における定在波比（ＶＳＷＲ）特性を示す。図１２と同様に、傾きθを４０°から８０°まで変化させたときの値である。図１３において長目の破線は、θ＝４０°のときのＶＳＷＲ特性であり、以下、細い実線は、θ＝５０°のときのＶＳＷＲ特性であり、一点鎖線は６０°のときのＶＳＷＲ特性である。また短めの破線は、θ＝７０°のときのＶＳＷＲ特性であり、太めの実線は、θ＝８０°のときのＶＳＷＲ特性である。ただし、縦軸は、図４の場合と異なり、特性パラメータＳ_１１の値を示す。上述したように、Ｓ_１１＝−１０ｄＢは、ＶＳＷＲ＝２に相当し、この値以下が好ましい。

ＶＳＷＲの場合も、パッチ導体３０の傾きθとしては、５０°か６０°が好ましく、より好ましくはその中間値（５０°から６０°の間。ただし、図示はしていない）である。

このように、全ての傾きθにおいてＳ_１１＝−１０ｄＢ以下となる周波数帯域幅は、７．２５〜１０．２５ＧＨｚとなる。このことから上述した傾きθ（４０°〜８０°）を採用することで、ＵＷＢ高域領域（ＵＷＢ−Ｈｉｇｈ＿Ｂａｎｄ）での高周波数帯域幅は８８．４％となり、広帯域化を実現できる。したがって、ＡＲ特性とＶＳＷＲ特性の双方を満足するアンテナ特性としては、パッチ導体３０として４０°〜８０°の傾きθに選定された平面アンテナが好ましく、こうすることによってＵＷＢでの広帯域化が要望されている各種のレーダ用アンテナに適用することができる。

このように楕円型の平面モノポールアンテナを使用したこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナ１０によれば、誘電体基板２０としてプリント基板を使用した楕円型モノポールアンテナであるので、平面アンテナの製作が容易であると共に、薄型化および軽量化を実現できるので、アンテナ設置が簡単となり、携帯性にも優れている。加えて、アンテナ特性として動作周波数帯域幅は８８．４％を達成できるので広帯域アンテナを実現できると共に、天頂方向の放射指向特性も一様な利得特性が得られるため、アンテナの向きを考慮することなく使用できる。

また誘電体基板２０の形状、大きさ、パッチ導体３０の傾きθを選定するなど、広帯域円偏波平面アンテナ１０の諸元（パラメータ）を適宜選定することで、目的の周波数帯域および帯域幅を容易に設定することができる。そのため、この発明に係る広帯域円偏波平面アンテナ１０は、レーダ用アンテナを始めとして自動車衝突防止のためのレーダ用アンテナ、生体観察用アンテナ、ＥＴＣ用アンテナ、衛星用アンテナなどに適用できると共に、本発明に係るモノポールアンテナを使用したこれら広帯域円偏波平面アンテナと送信回路および受信回路もしくはその一方を搭載したアンテナ装置に適用できる。

なお、図１ではパッチ導体３０を誘電体基板２０の直交軸に対して右側にθだけ傾けた実施例を説明したが、これとは逆にパッチ導体３０を誘電体基板２０の直交軸に対して左側にθだけ傾けてもよい。この場合には、接地導体板５０も逆向きとなり、図１を裏返した形状となる。

またこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナ１０は、図１の＋ｚ軸方向に対して右旋円偏波が放射され、−ｚ軸方向に左旋円偏波が放射されるが、一方向のみに放射させたい場合には、他方の側に反射板を設けることによって反射波の旋回方向が反転するため、所定の方向に所定の旋回方向の円偏波を放射させることができる。

この発明は、アンテナの向きを考慮する必要性がないので、レーダ用アンテナや自動車衝突防止用レーダ、衛星用を始めとして、生体観察や治療用などのアンテナ（広帯域円偏波平面アンテナ）およびこの広帯域円偏波平面アンテナを搭載したアンテナ装置に適用して効果がある。

１０・・・広帯域円偏波平面アンテナ
２０・・・誘電体基板
３０・・・パッチ導体
４０・・・マイクロストリップ線路
５０・・・接地導体板
６０・・・給電点
７０・・・同軸ケーブル
θ・・・パッチ導体３０の傾き

【０００３】
、接地導体部の電流は楕円パッチの長軸あるいはマイクロストリップ線路に対して対称に流れるため接地導体部からも楕円パッチの長軸方向に電界の向きを持つ電界が発生する。したがって楕円パッチの長軸方向に電界の向きを持つ直線偏波しか放射することができない。円偏波は放射することができず、ＵＨＦ帯やＳＨＦ帯の円偏波アンテナとしては使用できない。
［００１０］
そこで本発明は、このような従来の課題を解決したものであって、アンテナ素子が単純な形状であって、かつ周波数帯域幅を広く取れる広帯域の円偏波平面アンテナ及びアンテナ装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［００１１］
上述した課題を解決するため、請求項１に記載したこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナでは、誘電体基板の表面に、滑らかな輪郭線を持ち、長軸を有する形状のパッチ導体と、前記パッチ導体の基部に連接され、直線状の中心軸を有するマイクロストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面側であって、前記パッチ導体の基部側に形成された接地導体板とからなり、
前記パッチ導体を、長軸が前記マクロストリップ線路の中心軸の直交方向に対して所定角度θとなるよう傾斜させるとともに、前記接地導体板は、略矩形の外形であって、前記パッチ導体の基部の輪郭線と間隔を持って沿う輪郭の窪み部を有し、前記パッチ導体の長軸の傾斜とは逆方向の対角線が、前記パッチ導体の長軸とほぼ直交するようになされたことを特徴とする。
［００１２］
請求項２に記載した広帯域円偏波平面アンテナは、前記マイクロストリップ線路と前記パッチ導体の長軸の長さの合計が、前記接地導体板の前記対角線の長さにほぼ等しくなされたことを特徴とする。
［００１３］
［００１４］
請求項４に記載したこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナは、前記パッチ導体の傾きθは、４０°≦θ≦８０°に選定されたことを特徴とする。

【０００４】
［００１５］
請求項５に記載したこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナは前記パッチ導体の傾きθは、θ＝５０°か、θ＝６０°あるいはそれらの中間の値に選定されたことを特徴とする。
請求項６に記載したこの発明に係る広帯域円偏波平面アンテナは、前記パッチ導体の形状が楕円形状であることを特徴とする。
［００１６］
また請求項７記載のアンテナ装置は、請求項１、２及び４〜６記載の広帯域円偏波平面アンテナを搭載したことを特徴とする。
発明の効果
［００１７］
この発明では、パッチ導体と接地導体板のそれぞれから放射される電界の振幅の大きさが同じであり、パッチ導体を所定角度だけ傾斜させると共に、パッチ導体から放射される電界と接地導体板側から放射される電界の位相が略９０°となるように構成することで、広帯域な円偏波平面アンテナを実現したものである。
［００１８］
これによれば、アンテナの構造が極めて簡単であり、しかも薄型で軽量化できるため、携帯性に優れた平面アンテナを提供できる。また円偏波特性に関しても、ＶＳＷＲ（定在波比）が２以下で、軸比が３ｄＢ以下を満たす周波数帯域幅が８８．４％となり、従来では得られない周波数の広帯域化（２ １〜５．５ＧＨｚ帯および３．１〜１０．６ＧＨｚ帯）を実現できる。
［００１９］
しかも天頂方向に関して周波数に依存しない一様な放射指向性が得られるため、アンテナの向きを考慮することなくこの平面アンテナを設置できる特徴を有する。
図面の簡単な説明
［００２０］
［図１］この発明に係る広帯域円偏波平面アンテナの一例を示す平面図である。
［図２］その側面図である。
［図３Ａ］この発明に係る平面アンテナの電流分布状態を示す図である（ωｔ＝１０°）。
［図３Ｂ］この発明に係る平面アンテナの電流分布状態を示す図である（ωｔ＝１００°）。

Claims (7)

1. 誘電体基板の表面に、滑らかな輪郭線を持ち長手方向を有する形状であって、誘電体基板の直交軸に対して斜めに配置して形成されたパッチ導体と、
   上記パッチ導体の基部に給電するマイクロストリップ線路と、
   上記誘電体基板の裏面側に形成された接地導体板とからなり、
   上記パッチ導体と接地導体板のそれぞれから放射される電界の振幅の大きさが同じで、上記パッチ導体から放射される電界と接地導体板側から放射される電界の位相が略９０°となるように構成された
   ことを特徴とする広帯域円偏波平面アンテナ。
2. 上記パッチ導体と接地導体板のそれぞれから放射される電界の振幅の大きさが同じとなるように、上記マイクロストリップ線路とパッチ導体の長軸の長さの合計が、上記接地導体板の対角線の長さにほぼ等しくなされた
   ことを特徴とする請求項１記載の広帯域円偏波平面アンテナ。
3. 上記パッチ導体から放射される電界と接地導体板側から放射される電界の位相が略９０°となるように、上記パッチ導体を所定角度θだけ傾斜させると共に、上記パッチ導体の長軸方向と上記接地導体板の対角線がほぼ直交するようになされた
   ことを特徴とする請求項１記載の広帯域円偏波平面アンテナ。
4. 上記パッチ導体の傾きθは、４０°≦θ≦８０°に選定された
   ことを特徴とする請求項１記載の広帯域円偏波平面アンテナ。
5. 上記パッチ導体の傾きθは、θ＝５０°か、θ＝６０°あるいはその中間の値に選定された
   ことを特徴とする請求項４記載の広帯域円偏波平面アンテナ。
6. 前記パッチ導体の形状が楕円形状である
   ことを特徴とする請求項１〜５記載の広帯域円偏波平面アンテナ。
7. 請求項１〜６記載の広帯域円偏波平面アンテナを搭載した
   ことを特徴とするアンテナ装置。

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