WO2013084585A1 - 送受信分離偏波共用アンテナ - Google Patents

送受信分離偏波共用アンテナ Download PDF

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WO2013084585A1
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reception
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band
ground conductor
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佐藤　啓介
中野　雅之
宏己 松野
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電気興業株式会社
Kddi株式会社
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    • H01Q9/0428—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave
    • H01Q9/0435—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave using two feed points

Definitions

  • the present invention relates to a transmission / reception split polarization antenna that is particularly suitable for use in mobile communication base stations.
  • Non-Patent Document 1 As one of means for realizing a reduction in loss of the power feeding system, there is a configuration in which a transmission / reception front-end circuit and an antenna are integrated, and FIG. 20 shows an example of the configuration.
  • a diplexer 103 that separates transmission and reception bands is provided immediately below the antenna 101, and bandpass filters 105 and 107 that remove unnecessary frequency bands are provided after the diplexer 103.
  • a low noise amplifier (LNA) 109 arranged at the subsequent stage of the bandpass filter 105 and a power amplifier (PA: Power Amplifier) 111 arranged at the subsequent stage of the bandpass filter 107 are respectively in the reception band and the transmission band. It is provided to increase the signal level.
  • LNA low noise amplifier
  • PA Power Amplifier
  • the noise figure (NF) can be reduced in the reception band, and the required radiation power can be reduced in the transmission band.
  • FDD frequency division duplex
  • transmission / reception separation antennas according to Patent Documents 1 to 3 to which a diplexer function is added have been proposed.
  • This transmission / reception separation antenna reduces the mutual coupling between the transmission band antenna and the reception band antenna (hereinafter, referred to as transmission / reception query coupling), and realizes a reduction in the number of stages of filters arranged at the subsequent stage of the antenna.
  • the antenna according to Patent Document 1 reduces the coupling between transmission and reception in a configuration in which the polarization in the transmission band and the polarization in the reception band are orthogonal, and transmission and reception coupling of about ⁇ 35 dB is obtained.
  • the antenna according to Patent Document 2 is provided with a parasitic cord for the purpose of blocking the band, thereby reducing the coupling between transmission and reception in the transmission band to about ⁇ 30 dB regardless of the same polarization.
  • the antenna according to Patent Document 3 uses a circularly polarized antenna in the same turning direction as a transmission / reception band antenna, and rotates one element structure to reduce the coupling between transmission and reception to about ⁇ 50 dB.
  • the antennas according to Patent Documents 1 and 2 have a basic structure as a transmission / reception separation patch antenna using a microstrip line.
  • FIG. 21 is a perspective view of a transmission / reception separation / polarization shared patch antenna having a feed line as a microstrip line
  • FIG. 22 is an exploded view of the patch antenna.
  • the transmission / reception split polarization shared patch antenna includes a transmission band patch antenna 201-T and a reception band patch antenna 201-R.
  • the transmission band patch antenna 201-T includes a patch 203, a cross-shaped power supply slot 205 positioned below the patch 203, and power supply lines 207a and 207b positioned below the power supply slot 205. ing.
  • the reception band patch antenna 201-R has the same configuration.
  • the feeding slots 205 of the patch antennas 201-T and 201-R are formed in a common ground conductor plate 209.
  • a dielectric substrate 211 is disposed between the ground conductor plate 209 and the feeder lines 207a and 207b. Note that this transmission / reception split polarization shared patch antenna does not have a structure for realizing band rejection included in the antenna according to Patent Document 2.
  • FIG. 23 shows the coupling characteristics between transmission and reception of the transmission / reception split polarization shared patch antenna.
  • f R represents the center frequency of the reception band
  • f T represents the center frequency of the transmission band
  • f 0 represents the center frequency of the reception band lower limit frequency and the transmission band upper limit frequency
  • f R 0.953f 0
  • f T 1.047f 0 .
  • this transmission / reception split polarization dual patch antenna between orthogonal polarizations (between reception band vertical polarization and transmission band horizontal polarization, reception band horizontal polarization and transmission band vertical)
  • the transmission / reception coupling between polarizations can be reduced to -40dB or less, but between the same polarizations (between the reception band vertical polarization and the transmission band vertical polarization, between the reception band horizontal polarization and the transmission band horizontal polarization).
  • the worst value is -20 dB or more.
  • JP-A-5-41608 JP 2009-71795 A JP-A-5-175727 Keizo Nagaguchi, Ryo Yamaguchi, Keigo Tsuji, “Base Station / Terminal Antenna Technology for Realizing Next-Generation Mobile Communication Systems”, IEICE Transactions Vol. J85-B No.9 pp. 886-900 Sept 2008
  • MIMO Multi-Input Multi-Output
  • LTE Long Term Term Evolution
  • MIMO Multi-Input Multi-Output
  • polarization is shared in both transmission and reception bands. It is necessary to reduce the coupling between transmission and reception while realizing the above.
  • the conventional transmission / reception separation patch antenna is shared with polarization, there arises a problem that coupling between transmission and reception between the same polarization is not reduced.
  • an object of the present invention is to provide a transmission / reception split polarization antenna capable of reducing coupling between transmission and reception while realizing polarization sharing in both transmission and reception bands.
  • the transmission / reception split polarization antenna of the present invention has a transmission band patch antenna and a reception band patch antenna arranged at a predetermined interval.
  • the transmission band patch antenna and the reception band patch antenna include an upper stage ground conductor, a lower stage ground conductor, a feed line disposed between the ground conductors, a feed slot formed in the upper stage ground conductor, A patch electromagnetically coupled to the power supply line through a power supply slot; and an electromagnetic shield connected to the upper and lower ground conductors in a form located around the power supply line, the power supply line comprising: It has an independent feeding conductor corresponding to each polarization.
  • the electromagnetic shield is formed by, for example, a large number of through holes arranged at predetermined intervals around the feeder line in a form from the upper ground conductor to the lower ground conductor.
  • the electromagnetic shield may be formed of a metal plate disposed around the feeder line in a form extending from the upper ground conductor to the lower ground conductor.
  • the arrangement interval of the patch antenna for the transmission band and the patch antenna for the reception band may be set to 0.5 ⁇ 0 ( ⁇ 0 is a wavelength having a frequency intermediate between the lower limit frequency of the reception band and the upper limit frequency of the transmission band).
  • ⁇ 0 is a wavelength having a frequency intermediate between the lower limit frequency of the reception band and the upper limit frequency of the transmission band.
  • the power supply slot may be formed in a square shape or a cross shape. Furthermore, by arranging the transmission / reception separated polarization dual-use antennas in multiple stages, it is possible to realize a transmission / reception separated polarization shared antenna having an array configuration.
  • the element interval between the patch antenna for the transmission band and the patch antenna for the reception band is set to a narrow interval of 0.4 ⁇ 0 ( ⁇ 0 is a wavelength having a frequency intermediate between the lower limit frequency of the reception band and the upper limit frequency of the transmission band). Even in such a case, it is possible to realize coupling between transmission and reception of ⁇ 30 dB or less.
  • the diplexer in the transmission / reception front end circuit can be omitted, and the subsequent band-pass filter can be downsized.
  • FIG. 10 is an exploded view of a conventional transmission / reception split polarization shared patch antenna. It is a graph which shows the coupling characteristic between transmission / reception of the conventional transmission / reception separation polarization shared patch antenna.
  • FIGS. 1 and 2 are a perspective view and a plan view, respectively, showing an embodiment of a patch antenna for transmitting and receiving demultiplexing polarization according to the present invention.
  • the z-axis direction is perpendicular to the ground
  • the xy plane is a plane horizontal to the ground.
  • the transmission / reception separation antenna according to the present embodiment includes a transmission band patch antenna 3-T and a reception band patch antenna 3-R installed on the conductor substrate 1.
  • Transmission band patch antenna 3-T and the patch antenna 3-R for reception band, their spacing d is arranged such that 0.5 [lambda 0 or less, in the present embodiment this distance d is in 0.4Ramuda 0 Is set.
  • the transmission band patch antenna 3-T and the reception band patch antenna 3-R include at least four layers made of metal plates as shown in an exploded perspective view in FIG.
  • the first layer (uppermost layer) is a square patch 5 which is an excitation element (antenna element).
  • the patch 5 is formed at the center of the upper surface of the dielectric substrate 7.
  • the second layer is the upper ground conductor 9.
  • the upper ground conductor 9 is attached to the upper surface of the dielectric substrate 11, and a feeding slot 13 is formed at the center thereof.
  • the third layer is a feeder line 15.
  • the feed line 15 includes a horizontal polarization feed conductor 15 a and a vertical polarization feed conductor 15 b formed on the upper surface of the dielectric substrate 17, and a bridge conductor 15 c described later.
  • the fourth layer (lowermost layer) is the lower ground conductor 19.
  • the lower ground conductor 19 is attached to the lower surface of the dielectric substrate 17, and a slot 21 is formed at the center thereof.
  • the bridge conductor 15 c is formed inside the slot 21.
  • the upper stage ground conductor 9, the dielectric substrate 11, the feed line 15, the dielectric substrate 17 and the lower stage ground conductor 19 constitute a so-called triplate feed line.
  • dielectric substrates 7, 11 and 17 having a relative dielectric constant ⁇ r of about 3.3 are used.
  • the patch 5, the upper ground conductor 9, the feeder 15 and the lower ground conductor 19 are each made of a metal foil such as a copper foil, and a method of forming a printed wiring pattern (a predetermined metal foil pattern on the dielectric surface by an etching process or the like). The patterning is performed using a method for forming a film.
  • the center points of the patch 5, the upper stage ground conductor 9, the feed line 15, and the lower stage ground conductor 19 are positioned on a common axis.
  • Patch 7 is formed to one side forms a square of approximately 0.25 [lambda R, also feed slot 13 provided in the upper ground conductor 9, for example, formed as one side forms a square of approximately 0.1 [lambda] R Is done.
  • Structure of patch 5 and the feed slot 13 is determined in accordance with the resonance frequency band, the one side of patches 7 to 0.228Ramuda R in this embodiment, set respectively one side of the feed slot 13 to 0.125Ramuda R ing.
  • the power supply slot 13 in the present embodiment is formed in a square shape, but is not limited to this. For example, even when the cross-shaped power supply slot 27 shown in FIG. 5 is used, an equivalent function can be obtained.
  • the upper ground conductor 9 and the lower ground conductor 19 are electrically short-circuited through through holes 23 that penetrate the dielectric substrates 11 and 17. Therefore, both the ground conductors 9 and 19 are at the same potential.
  • the through holes 23 are arranged at intervals of 0.01 to 0.02 ⁇ R on each side of a square area of about 0.25 to 0.35 ⁇ R per side. .
  • the central point of the rectangular area and the central point of the patch 5 have the same value in the xz coordinate (see FIG. 2).
  • a metal plate 29 as shown in FIG. 7 may be used instead of the through hole 23 .
  • These metal plates 29 have substantially the same height as the through holes 23 and are provided along each side of the square area.
  • a slit that penetrates the metal plate 29 is provided in the upper ground conductor 9, the electric substrate 11, the electric substrate 17, and the lower step.
  • the upper and lower edges of the metal plate 29 formed on the ground conductor 19 and penetrating through these slits are connected to the upper surface of the upper ground conductor 9 and the lower surface of the lower ground conductor 19 using means such as solder. To do.
  • the values of the structural parameters when resonance is obtained in the reception band are as described above.
  • the value of the structural parameter when resonance is obtained in the transmission band is obtained by replacing the wavelength ⁇ R with the wavelength ⁇ T.
  • the reception-band patch antenna 3-R and the transmission-band patch antenna 3-T shown in FIG. 1 operate only in the respective use frequency bands by setting the structure parameter values as described above.
  • the Anna according to the present invention is manufactured by the multilayer substrate as described above in view of its configuration.
  • the reception band patch antenna 3-R one end of the feed conductor 15a and one end of the feed conductor 15b serve as feed points for horizontal polarization and vertical polarization, respectively.
  • the transmission band patch antenna 3-T and the reception band patch antenna 3-R share the polarization by electromagnetic coupling between the patch 5 and the feed line 15 via the corresponding feed slot 13 respectively. Transmit operation and receive operation.
  • FIG. 8 shows a simulation result of the return loss of the antenna according to this embodiment.
  • the ratio band where the return loss is ⁇ 9.6 dB or less is about 1.1%. It becomes.
  • FIG. 9 shows coupling characteristics between transmission and reception in the antenna according to the present embodiment.
  • the coupling value becomes high in the case of the same polarization in both transmission and reception bands.
  • the worst value is ⁇ 30 dB in the reception band of horizontally polarized waves.
  • the coupling between transmission and reception between orthogonal polarizations shows a good value of ⁇ 60 dB or less in both transmission and reception bands.
  • the antenna according to the present embodiment it is possible to reduce the coupling between transmission and reception to ⁇ 30 dB or less while realizing polarization sharing in both transmission and reception bands. This is because the through hole 23 shown in FIG. 6 or the metal plate 29 shown in FIG. 7 has a function as an electromagnetic shield that suppresses coupling between transmission and reception.
  • FIG. 10 shows the xy plane directivity of the reception band vertical polarization of the antenna according to this embodiment
  • FIG. 11 shows the xy plane directivity of the reception band horizontal polarization of the antenna
  • FIG. 12 shows the transmission band vertical polarization of the antenna according to this embodiment
  • FIG. 13 shows the xy plane directivity of the transmission band horizontal polarization of the antenna.
  • FIG. 14 (a) shows the electric field strength distribution when the antenna according to this embodiment is excited in the reception band horizontally polarized wave.
  • FIG. 14B shows the electric field strength distribution in the antenna of the comparative example having no through hole 23.
  • the antenna according to the present embodiment including the through hole 23 the amount of electric field that wraps around from the excited patch 5 to the non-excited patch 5 is effectively reduced by the electromagnetic shielding action of the through hole 23. That is, the amount of coupling between the reception band patch antenna 3-R and the transmission band patch antenna 3-T is reduced.
  • FIG. 15 shows a transmission / reception split polarization shared patch antenna having an array configuration in which the transmission / reception split polarization shared patch antenna shown in FIG.
  • a transmission band patch antenna 3-T and a reception band patch antenna 3-R are alternately arranged.
  • the interval between adjacent transmission band patch antennas 3-T and the interval between adjacent reception band patch antennas 3-R is set to 2d, which is twice the element interval (patch 5 interval) d shown in FIG. Is done.
  • FIG. 16 and 17 receive band and transmission band of the transmission and reception separating dual-polarized patch antenna array configuration element spacing d is arranged four stages receive separated polarized patch antennas shown in FIG. 1 is a 0.4Ramuda 0
  • the yz plane directivities in FIG. 10 respectively show the yz plane directivity in the receiving band and the transmission band of the case of the 0.5 [lambda 0 element spacing d as a comparative example. These directivities are obtained when the feed points are excited with the same phase and the same amplitude.
  • the solid line and the broken line indicate the directivities for the vertical polarization and the horizontal polarization, respectively. 16, 17 and 18, as is clear from comparison with FIG.

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Abstract

　送受信帯ともに偏波共用を実現しつつ、送受信間結合を低減することである。所定の間隔をおいて配設された送信帯用パッチアンテナ（３－Ｔ）及び受信帯用パッチアンテナ（３－Ｒ）は、上段接地導体（９）と、下段接地導体（１９）と、接地導体（９）、（１９）間に配設された給電線（１５）と、上段接地導体（９）に形成した給電スロット（１３）と、給電スロット（１３）を介して給電線（１５）と電磁結合されるパッチ（５）と、給電線（１５）の周囲に位置する形態で上段接地導体（９）と下段接地導体（１９）に接続された電磁遮蔽体（２３，２９）と、を備える。給電線（１５）は、各偏波に対応する独立した給電導体（１５ａ，１５ｂ）を有する。

Description

送受信分離偏波共用アンテナ
　本発明は、特に移動体通信基地局において使用して好適である送受信分離偏波共用アンテナに関する。
　データ伝送速度の高速化に伴って増加するビット当りの電力を確保するためには、給電系の低損失化が有効である（例えば、非特許文献１参照）。この給電系の低損失化を実現する手段のひとつとして、送受信フロントエンド回路とアンテナとを一体化する構成があり、図２０にその構成の一例を示す。
　図２０において、アンテナ１０１の直下には送受信帯を分離するダイプレクサ１０３が設けられ、このダイプレクサ１０３の後段には不要な周波数帯を除去するバンドパスフィルタ１０５、１０７が設けられている。バンドパスフィルタ１０５の後段に配置された低雑音増幅器（LNA：Low Noise Amplifier）１０９及びバンドパスフィルタ１０７の後段に配置された電力増幅器（PA：Power Amplifier）１１１は、それぞれ受信帯及び送信帯における信号レベルの増大のために設けられている。
　上記の構成によれば、受信帯では雑音指数（NF：Noise Figure）の低減を、送信帯では所要放射電力の低減を実現することができる。しかし、周波数分割複信（FDD：Frequency　Division Duprex）システムに適用する場合には、送受信帯の信号を分離するために不要周波数帯の信号に対する阻止量の要求値が高くなるので、多段化した大型のダイプレクサおよびバンドパスフィルタを使用してその要求値に対応しなければならないという問題を生じる。
　そこで、フィルタの小型化を実現するために、ダイプレクサ機能を付加した特許文献１～３に係る送受信分離アンテナが提案されている。この送受信分離アンテナは、送信帯アンテナと受信帯アンテナの相互結合（以下、送受信問結合と記述）を低減して、アンテナの後段に配置されるフィルタの段数低減を実現するものである。
　特許文献１に係るアンテナは、送信帯の偏波と受信帯の偏波が直交する構成において送受信間結合を低減するものであり、約－３５ｄＢの送受信問結合が得られる。
　特許文献２に係るアンテナは、帯城阻止を目的とした無給電索子を配置することによって、同一偏波間にも関わらず送信帯における送受信間結合を約－３０ｄＢに低減するものである。
　特許文献３に係るアンテナは、送受信帯アンテナに同一旋回方向の円偏波アンテナを用い、片方の素子構造を回転させることによって送受信間結合を約－５０ｄＢに低減するものである。
　上記特許文献１、２に係るアンテナは、マイクロストリップラインを用いた送受信分離パッチアンテナとしての基本構造を有する。ここで、この送受信分離パッチアンテナを偏波共用化した場合の送受信間結合について考察する。
　図２１に給電線をマイクロストリップラインとした送受信分離偏波共用パッチアンテナの斜視図を示し、図２２に該パッチアンテナの分解図を示す。
　この送受信分離偏波共用パッチアンテナは、送信帯用パッチアンテナ２０１－Ｔ及び受信帯用パッチアンテナ２０１－Ｒを備えている。送信帯用パッチアンテナ２０１－Ｔは、パッチ２０３と、該パッチ２０３の下方に位置された十字形の給電スロット２０５と、該給電スロット２０５の下方に位置された給電線２０７ａ，２０７ｂとによって構成されている。受信帯用パッチアンテナ２０１－Ｒも同様の構成を有する。パッチアンテナ２０１－Ｔ，２０１－Ｒの給電スロット２０５は、共通の接地導体板２０９に形成されている。また、接地導体板２０９と給電線２０７ａ，２０７ｂとの間には、は、誘電体基板２１１が配置されている。
　なお、この送受信分離偏波共用パッチアンテナは、特許文献２に係るアンテナに含まれている帯域阻止を実現するための構造を有していない。
　この送受信分離偏波共用パッチアンテナにおいて、送信帯用パッチアンテナ２０１－Ｔのパッチ２０３は、対応する給電スロット２０５を介した給電線２０７ａ，２０７ｂとの電磁結合によって偏波を共用するように給電される。受信帯用パッチアンテナ２０１－Ｒのパッチ２０３も同様である。
　図２３にこの送受信分離偏波共用パッチアンテナの送受信間結合特性を示す。この図において、ｆＲは受信帯の中心周波数を、ｆＴは送信帯の中心周波数を、ｆ０は受信帯下限周波数と送信帯上限周波数の中心の周波数をそれぞれ示し、ｆＲ＝０．９５３ｆ０、ｆＴ＝１．０４７ｆ０である。
　この結合特性から明らかなように、この送受信分離偏波共用パッチアンテナによれば、直交偏波間（受信帯用垂直偏波と送信帯用水平偏波間、受信帯用水平偏波と送信帯用垂直偏波間）での送受信問結合は－４０ｄＢ以下に低減できるものの、同一偏波間（受信帯用垂直偏波と送信帯用垂直偏波間、受信帯用水平偏波と送信帯用水平偏波間）でのそれは最悪値が－２０ｄＢ以上となる。このように、上記送受信分離偏波共用パッチアンテナでは、同一偏波間での結合が強くなる。
特開平５－４１６０８号公報 特開２００９－７１７９５号公報 特開平５－１７５７２７号公報 長敬三　山口良　蒋恵玲　 "次世代移動体通信システム実現に向けた基地局・端末アンテナ技術"　電子情報通信学会論文誌　Vol．J85-B No.9 pp．886-900 Sept 2008
　ＬＴＥ（Long Term Evolution）に代表される今後の移動体通信では、ＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）が主要な技術となるが、これに適用するためには、送受信帯の双方において偏波共用を実現しつつ、送受信間結合を低減する必要がある。しかし、上記したように、従来の送受信分離パッチアンテナを偏波共用化した場合、同一偏波間での送受信間結合が低減されないという問題を生じる。
　そこで、本発明は、送受信帯の双方において偏波共用を実現しながら、送受信間結合を低減することができる送受信分離偏波共用アンテナを提供することを目的とする。
　本発明の送受信分離偏波共用アンテナは、所定の間隔をおいて配設した送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナを有する。前記送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナは、上段接地導体と、下段接地導体と、それらの接地導体間に配設された給電線と、前記上段接地導体に形成した給電スロットと、前記給電スロットを介して給電線と電磁結合されるパッチと、前記給電線の周囲に位置する形態で前記上段接地導体と下段接地導体に接続された電磁遮蔽体と、を備え、前記給電線は、各偏波に対応する独立した給電導体を有する。　
　前記電磁遮蔽体は、例えば、前記上段接地導体から下段接地導体に至る形態で前記給電線の周囲に所定の間隔で配列する多数本のスルーホールによって形成される。また、前記電磁遮蔽体は、前記上段接地導体から下段接地導体に至る形態で前記給電線の周囲に配設した金属板によって形成することができる。
　前記送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナの配置間隔は、０．５λ０（λ０は、受信帯の下限周波数と送信帯の上限周波数の中間の周波数の波長）以下に設定することが好ましい。また、前記給電スロットは、正方形または十字形をなすように形成することができる。
　更に、前記送受信分離偏波共用アンテナを多段配列することによってアレー構成の送受信分離偏波共用アンテナを実現することができる。
　本発明によれば、送受信帯ともに偏波共用を実現しつつ、送受信間結合を低減することができる。一例として、送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナの素子間隔が０．４λ０（λ０は、受信帯の下限周波数と送信帯の上限周波数の中間の周波数の波長）という狭い間隔に設定されている場合においても、－３０ｄＢ以下の送受信間結合を実現することが可能である。また、本発明によれば、送受信フロントヱンド回路内のダイプレクサを省略して、後段のバンドバスフィルタの小型化を図ることが可能となる。
本発明に係る送受信分離偏波共用パッチアンテナの実施形態を示す斜視図である。 実施形態に係るアンテナの平面図である。 送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナの分解斜視図である。 パッチ、上段接地導体、給電線及び下段接地導体の平面構造をそれぞれ示す平面図である。 給電スロットの他の例を示す平面図である。 スルーホールの配列態様を示す斜視図である。 スルーホールに代えて使用した金属板を示す斜視図である。 実施形態に係るアンテナのリターンロス特性を示すグラフである。 実施形態に係るアンテナの送受信結合特性を示すグラフである。 実施形態に係るアンテナの受信帯垂直偏波のｘｙ面指向性を示すグラフである。 実施形態に係るアンテナの受信帯水平偏波のｘｙ面指向性を示すグラフである。 実施形態に係るアンテナの送信帯垂直偏波のｘｙ面指向性を示すグラフである。 実施形態に係るアンテナの送信帯水平偏波のｘｙ面指向性を示すグラフである。 （ａ）は実施形態に係るアンテナの電界強度分布を示す図であり、（ｂ）はスルーホールがない場合の電界強度分布を示す図である。 アレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナを示す斜視図である。 アレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナにおける受信帯ｙｚ面の指向性を示すグラフである。 アレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナにおける送信帯のｙｚ面指向性を示すグラフである。 素子間隔を変化させたアレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナにおける受信帯のｙｚ面指向性を示すグラフである。 素子間隔を変化させたアレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナにおける送信帯のｙｚ面指向性を示すグラフである。 送受信フロントエンド回路とアンテナとを一体化した構成を示すブロック図である。 従来の送受信分離偏波共用パッチアンテナを示す斜視図である。 従来の送受信分離偏波共用パッチアンテナの分解図である。 従来の送受信分離偏波共用パッチアンテナの送受信間結合特性を示すグラフである。
　以下の説明においては、受信帯の下限周波数と送信帯の上限周波数の中間の周波数とその波長をそれぞれｆ０、λ０、受信帯の中心周波数とその波長をそれぞれｆＲ、λＲ、送信帯の中心周波数とその波長をそれぞれｆＴ、λＴとし、ｆＲ＝０．９５３ｆ０（波長λＲ＝１．０４９λ０）、ｆＴ＝１．０４７ｆ０（波長λＴ＝０．９５５λ０）とする。
　図１及び図２は、それぞれ本発明に係る送受信分離偏波共用パッチアンテナの実施形態を示す斜視図及び平面図である。これらの図においては、z軸方向を大地に対して垂直とし、ｘｙ平面を大地に対して水平な面としている。
　本実施形態に係る送受信分離アンテナは、導体基板１上に設置した送信帯用パッチアンテナ３－Ｔ及び受信帯用パッチアンテナ３－Ｒを備える。この受信帯用パッチアンテナ３－Ｒと送信帯用パッチアンテナ３－Ｔは、それらの間隔ｄが０．５λ０以下となるように配置され、本実施形態ではこの間隔ｄが０．４λ０に設定されている。
　送信帯用パッチアンテナ３－Ｔ及び受信帯用パッチアンテナ３－Ｒは、図３に分解斜視図を示すように、金属板からなる少なくとも４つの層を備えている。
　第１層（最上層）は励振素子（アンテナ素子）である正方形状のパッチ５である。このパッチ５は、誘電体基板７の上面中央部に形成されている。第２層は上段接地導体９である。この上段接地導体９は、誘電体基板１１の上面に被着され、その中央部には給電スロット１３が形成されている。第３層は給電線１５である。この給電線１５は、誘電体基板１７の上面に形成された水平偏波用給電導体１５ａ及び垂直偏波用給電導体１５ｂと、後述のブリッジ導体１５ｃとを備えている。第４層（最下層）は下段接地導体１９である。
　この下段接地導体１９は、誘電体基板１７の下面に被着され、その中央部にはスロット２１が形成されている。そして、このスロット２１の内方には、上記ブリッジ導体１５ｃが形成されている。なお、上段接地導体９、誘電体基板１１、給電線１５、誘電体基板１７及び下段接地導体１９は、いわゆるトリプレート給電線路を構成している。なお、本実施形態においては、誘電体基板７、１１及び１７として比誘電率εrが約３．３のものを使用している。
　上記パッチ５、上段接地導体９、給電線１５及び下段接地導体１９は、それぞれ銅箔等の金属箔からなり、プリント配線パターンを形成する手法（エッチング処理等によって誘電体表面に所定の金属箔パターンを形成する手法）を用いてパターニングされる。誘電体基板７、１１、１７が重ね合わされた場合、パッチ５、上段接地導体９、給電線１５及び下段接地導体１９の中心点が共通の軸線上に位置されることになる。
　図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、パッチ５、上段接地導体９、給電線１５及び下段接地導体１９の平面構造をそれぞれ示す。ここで、受信帯にて共振を得る場合の構造パラメータの値について説明する。パッチ７は、１辺が約０．２５λＲの正方形をなすように形成され、また上段接地導体９に設けられる給電スロット１３は、例えば１辺が約０．１λＲの正方形をなすように形成される。パッチ５と給電スロット１３の構造は、共振周波数帯に応じて決定され、本実施形態ではパッチ７の１辺を０．２２８λＲに、給電スロット１３の１辺を０．１２５λＲにそれぞれ設定している。
　本実施形態での給電スロット１３は正方形をなすように形成されているが、これに限定されず、例えば図５に示す十字形の給電スロット２７を用いた場合でも同等の機能が得られる。
　図３に示すように、上段接地導体９と下段接地導体１９は、誘電体基板１１、１７を貫通するスルーホール２３を介して電気的に短絡されている。したがって、両接地導体９，１９は同電位である。図４～図６に示すように、スルーホール２３は、１辺約０．２５～０．３５λＲの正方形状エリアの各辺上に０．０１～０．０２λＲの間隔で配列している。なお、上記方形状エリアの中心点とパッチ５の中心点は、ｘｚ座標（図２参照）での値が同じである。
　上記スルーホール２３に代えて、図７に示すような金属板２９を使用することも可能である。これらの金属板２９は、上記スルーホール２３の高さとほぼ同じ高さを有し、上記正方形状エリアの各辺に沿って設けられている。この金属板２９を用いて上段接地導体９と下段接地導体１９とを短絡する場合には、例えば、金属板２９を貫通させるスリットを上段接地導体９、電体基板１１、電体基板１７及び下段接地導体１９にそれぞれ形成し、これらのスリットに貫通させた金属板２９の上縁部及び下縁部をそれぞれ上段接地導体９の上面及び下段接地導体１９の下面にハンダ等の手段を用いて接続する。
　受信帯にて共振を得る場合の構造パラメータの値は以上のとおりである。送信帯にて共振を得る場合の構造パラメータの値は、波長λＲを波長λＴに置き換えたものとなる。図１に示す受信帯用パッチアンテナ３－Ｒ及び送信帯用パッチアンテナ３－Ｔは、上記のように構造パラメータの値を設定することによって各々の使用周波数帯城のみで動作する。
　ところで、偏波を共用するためには、水平偏波用給電導体１５ａと垂直偏波用給電導体１５ｂを分離する必要がある。導体素子１５ｂの中央部を切欠いてあるのはこのためである。切欠き部位に臨む導体素子１５ｂの各端は、誘電体基板１７を貫通するスルーホール２５を介して上記ブリッジ導体１５ｃに接続されている。このように、ブリッジ導体１５ｃ及びスルーホール２５は、切欠きによって二分された導体素子１５ｂを導体素子１５ａとの接触を迂回しながらブリッジ接続する。なお、ブリッジ導体１５ｃは、上段接地導体９の給電スロット１３内に設けても良い。
　本発明に係るアンアナは、その構成上、上記のように多層基板によって製作することが望ましい。
　受信帯用パッチアンテナ３－Ｒにおいては、給電導体１５ａの一端及び給電導体１５ｂの一端がそれぞれ水平偏波及び垂直偏波についての給電点になる。送信帯用パッチアンテナ３－Ｔにおいても同様である。そして、この送信帯用パッチアンテナ３－Ｔ及び受信帯用パッチアンテナ３－Ｒは、それぞれ対応する給電スロット１３を介したパッチ５と給電線１５との電磁結合により、偏波を共用する形態で送信動作及び受信動作する。
　図８に本実施形態に係るアンテナのリターンロスについてのシミュレーション結果を示す。このリターンロス特性から明らかなように、本実施形態に係るアンテナによれば、最も比帯城の狭い受信帯水平偏波において、リターンロス－９．６ｄＢ以下となる比帯域が約１．１％となる。
　図９に本実施形態に係るアンテナにおける送受信間結合特性を示す。この送受信間結合特性から明らかなように、送受信帯とも同一偏波の場合で結合値が高くなる、しかし、最悪値が水平偏波同士の受信帯における－３０ｄＢであることから明らかなように、全体として良好な特性を有している。直交偏波間での送受信間結合は、送受信帯とも－６０ｄＢ以下と良好な値を示す。
　このように、本実施形態に係るアンテナによれば、送受信帯の双方において偏波共用を実現しながら、送受信間結合を－３０ｄＢ以下に低減することができる。これは、図６に示すスルーホール２３あるいは図７に示す金属板２９が送受信間結合を抑制する電磁遮蔽体としての機能を有するからである。
　図１０は本実施形態に係るアンテナの受信帯垂直偏波のｘｙ面指向性を、図１１は同アンテナの受信帯水平偏波のｘｙ面指向性を、図１２は同アンテナの送信帯垂直偏波のｘｙ面指向性を、図１３は同アンテナの送信帯水平偏波のｘｙ面指向性をそれぞれ示している。これらの図か明らかなように、本実施形態に係るアンテナによれば、送受信帯によらず、また、偏波の種類によらず半値幅約８０°の良好な指向性を得ることができる。
　図１４（ａ）に本実施形態に係るアンテナの受信帯水平偏波励振時における電界強度分布を示す。また、図１４（ｂ）にスルーホール２３が無い比較例のアンテナにおける電界強度分布を示す。スルーホール２３を備える本実施形態に係るアンテナによれば、該スルーホール２３による電磁シールド作用によって、励振状態のパッチ５から非励振状態のパッチ５に回りこむ電界量が効果的に低減される。つまり、受信帯用パッチアンテナ３－Ｒと送信帯用パッチアンテナ３－Ｔ間の結合量が低減される。
　図１５に図１に示した送受信分離偏波共用パッチアンテナを導体基板２９上に多段配置したアレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナを示す。このアンテナでは、送信帯用パッチアンテナ３－Ｔと受信帯用パッチアンテナ３－Ｒが交互に配置される。そして、隣接する送信帯用パッチアンテナ３－Ｔのなす間隔及び隣接する受信帯用パッチアンテナ３－Ｒのなす間隔は、図２に示す素子間隔（パッチ５の間隔）ｄの２倍２ｄに設定される。
　図１６及び図１７は、素子間隔ｄが０．４λ０である図１に示した送受信分離偏波共用パッチアンテナを４段配置したアレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナの受信帯及び送信帯におけるｙｚ面指向性をそれぞれ示す。また、図１８及び図１９は、比較例として素子間隔ｄを０．５λ０とした場合の受信帯及び送信帯におけるｙｚ面指向性をそれぞれ示す。
　なお、これらの指向性は、各給電点を同位相、同振幅で励振した場合のものである。また、図１６～図１９において、実線及び破線はそれぞれ垂直偏波及び水平偏波についての指向性を示している。
　図１６、図１７と図１８、図１９との対比から明らかなように、素子間隔ｄが０．４λ０の場合、試験範囲内での最大サイドローブレベルが約１３ｄＢとなって、ｄ＝０．５λ０の場合よりもグレーティングローブが抑制される。
　本発明に係るアレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナにおいては、グレーティングローブを抑えながら結合量を低減するため、素子間隔ｄを０．５λ０以下に設定するようにしている。
　１　金属導体
　３－Ｔ　送信帯用パッチアンテナ
　３－Ｒ　受信帯用パッチアンテナ
　５　パッチ
　７　誘電体基板
　９　上段接地導体
　１１　誘電体基板
　１３　給電スロット
　１５　給電線
　１５ａ　水平偏波用給電導体
　１５ｂ　垂直偏波用給電導体
　１５ｃ　ブリッジ導体
　１７　誘電体基板
　１９　下段接地導体
　２１　スロット
　２３，２５　スルーホール
　２７　給電スロット
　２９　金属板

Claims (6)

  1. 　所定の間隔をおいて配設した送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナを有し、前記送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナは、
    　上段接地導体と、
    　下段接地導体と、
    　それらの接地導体間に配設された給電線と、
    　前記上段接地導体に形成した給電スロットと、
    　前記給電スロットを介して給電線と電磁結合されるパッチと、
    　前記給電線の周囲に位置する形態で前記上段接地導体と下段接地導体に接続された電磁遮蔽体と、を備え、
    　前記給電線は、各偏波に対応する独立した給電導体を有することを特徴とする送受信分離偏波共用アンテナ。
  2. 　前記電磁遮蔽体は、前記上段接地導体から下段接地導体に至る形態で前記給電線の周囲に所定の間隔で配列する多数本のスルーホールによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の送受信分離偏波共用アンテナ。
  3. 　前記電磁遮蔽体は、前記上段接地導体から下段接地導体に至る形態で前記給電線の周囲に配設した金属板によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の送受信分離偏波共用アンテナ。
  4. 　前記送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナの配置間隔が０．５λ０（λ０は、受信帯の下限周波数と送信帯の上限周波数の中間の周波数の波長）以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の送受信分離偏波共用アンテナ。
  5. 　前記給電スロットの形状が正方形または十字形であることを特徴とする請求項１に記載の送受信分離偏波共用アンテナ。
  6. 　請求項１に係る送受信分離偏波共用アンテナを多段配列したことを特徴とするアレー構成の送受信分離偏波共用アンテナ。
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