JP2008048090A - パッチアンテナ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 誘電体基板11の一方の面には給電ライン12を形成するとともに、誘電体基板11の他方の面にはグランド層13を形成し、グランド層13には、給電ライン12と直交するようにして蝶形状のスロット14を形成し、グランド層13上には、誘電体基板15、17をそれぞれ介して平板金属層(パッチ)16、18を順次積層する。
【選択図】図1
Description
図13(a)は、従来のスロット励振型パッチアンテナの概略構成を階層的に分解して示す斜視図、図13(b)は、図13(a)のスロット励振型パッチアンテナの概略構成を透視して示す斜視図、図14は、図13のスロット励振型パッチアンテナの概略構成を示す平面図である。
一方、グランド層113を挟んで平板金属層116、118と反対側の面に形成された給電ライン112からスロット114を介して電磁結合によって平板金属層116、118を給電する方法では、給電ライン112と放射素子とがグランド層113によって分離されるため、給電ライン112からの放射によるパターンの乱れを回避することができる。また、スロット114を介して給電する構成では、給電回路の多層化が容易にできるのみならず、給電回路層と放射素子層とが分離されることで設計の自由度を高めることができ、量産化に適しているのみならず、アンテナの低コスト化を図ることが可能となるとともに、偏波共用アンテナとして有効に用いることができる。このようなスロット励振型のパッチアンテナでは、スロット長Waを大きくすると、広帯域化することが知られている。
図15において、スロット励振型のパッチアンテナでは、例えば、スロット長Waを0.29波長とすることで、12.8%の比帯域幅が実現できることがわかる。
図16において、誘電体基板121の一方の面には互いに直交配置された給電ライン122a、122bが形成されるとともに、誘電体基板121の他方の面にはグランド層123が形成されている。そして、グランド層123には、給電ライン122a、122bとそれぞれ直交するようにして矩形状のスロット124a、124bが形成されている。そして、グランド層123上には、誘電体基板を介して平板金属層(パッチ)126が積層されている。
一方、図16の構成では、スロット幅Waが長くなると、スロット124a、124bが互いに近接するため、アンテナ構成の自由度を大きく制限するのみならず、直交するスロット124a、124bへの電波の回り込みにより、偏波結合特性の劣化を招くようになる。
図17は、従来のパッチアンテナの概略構成のその他の例を示す平面図である。
図17において、誘電体基板141の一方の面には給電ライン142が形成されるとともに、誘電体基板141の他方の面にはグランド層143が形成されている。そして、グランド層143には、給電ライン142と直交するようにしてH字形のスロット144が形成されている。そして、グランド層143上には、誘電体基板を介して平板金属層(パッチ)146が積層されている。
図18は、図17のスロット励振型パッチアンテナの定在波比特性を示す図である。
図18において、図15とほぼ同じ比帯域幅を実現する場合、スロット144をH字形に構成することにより、図16の構成に比べてスロット幅Waを約21%短くすることができることが確認できた。
図19および図20において、誘電体基板131の一方の面には互いに直交配置された給電ライン132a、132bが形成されるとともに、誘電体基板131の他方の面にはグランド層133が形成されている。そして、グランド層133には、給電ライン132a、132bとそれぞれ直交するようにしてH字形のスロット134a、134bが形成されている。そして、グランド層133上には、誘電体基板135、137をそれぞれ介して平板金属層(パッチ)136、138が順次積層されている。
IEEE Trans. on Antennnas and Propagation, Vol. 40, No. 5, pp. 482−491, May 1992, "Multiport scattering analysis of general multilayered printed antennas fed by multiple feed ports: II. Applications" 電子情報通信学会論文誌,Vol. J85−B, No. 6, pp. 953−961, June 2002,"ドックボーンスロットによる励振される偏波共用平面アンテナ"
そこで、本発明の目的は、給電層と放射素子とを分離した場合においても、スロット幅を短くしつつ、比帯域幅を拡大することが可能となるとともに、偏波共用構成としたときにも、反射減衰量および相互結合量を改善することが可能なパッチアンテナを提供することである。
これにより、無線機とパッチアンテナとを接続する電力伝送線路をプリント基板上で実現することを可能としつつ、プリント基板上に給電ラインを形成することが可能となり、パッチアンテナのコンパクト化を可能としつつ、パッチアンテナを無線機に容易に実装することが可能となる。
これにより、給電ラインからスロットを介して電磁結合によって平板金属層を給電することを可能としつつ、共振周波数帯を拡大することが可能となる。
また、請求項4記載のパッチアンテナによれば、前記スロットは、前記グランド層に互いに直交配置された2つのスロットを含み、前記給電ラインは前記2つのスロットに対してそれぞれ直交するように構成されていることを特徴とする。
これにより、給電ラインからスロットを介して電磁結合によって平板金属層を給電することを可能としつつ、低周波数帯における相互結合量を抑制することが可能となる。
また,2つ直交したスロットを用いることで、直交する二つの偏波を異なる2つの周波数帯において偏波共用アンテナとして動作させることが可能となるとともに、蝶状のスロットと長方形スタブを用いることで、入力インピーダンス調整ができ、直交した2つの偏波方向に関して反射減衰量と相互結合量を共に改善することができる。
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係るパッチアンテナの概略構成を階層的に分解して示す斜視図、図1(b)は、図1(a)のパッチアンテナの概略構成を透視して示す斜視図、図2(a)は、図1のパッチアンテナの概略構成を示す平面図、図2(b)は、本発明の一実施形態に係るパッチアンテナのその他の例を示す平面図、図2(c)は、本発明の一実施形態に係るパッチアンテナのさらにその他の例を示す平面図である。
なお、スロット14の形状は図2(a)の形状に限られることなく、図2(b)のような形状のスロット14´を給電ライン12´に直交配置するようにしてもよいし、図2(c)のような形状のスロット14´´を給電ライン12´´に直交配置するようにしてもよい。
図3において、スロット幅Waが約0.20波長でVSWR(定在波比)が1.5以下となる周波数比帯域幅は19.3%が実現することができ、従来の比帯域幅値と比べ、同等以下のスロット幅Waで最大44%の比帯域幅の増加を達成することができる.また、スロット幅Waの中心周波数の波長との比は、図13の構成に比べて31%程度、図17の構成に比べて13%程度だけ低減することができる。
図6において、誘電体基板21の一方の面には給電ライン22が形成されるとともに、誘電体基板21の他方の面にはグランド層23が形成されている。そして、グランド層23には、給電ライン22と直交するようにして蝶状のスロット24が形成され、スロット24の中心は給電ライン22から横方向にずらされて配置されている。そして、グランド層23上には、誘電体基板を介して平板金属層(パッチ)26が積層されている。そして、給電ライン22からスロット24を介して電磁結合によって平板金属層26を水平または垂直の単一偏波で給電することにより、単一偏波アンテナとして動作させることができる。
図7において、蝶状のスロット24を用いることにより、給電ライン22がスロット24の中心から横方向にオフセットしても、VSWRが1.5以下となる周波数比帯域幅は19.5%分だけ取れることが判る。このため、特性の劣化の劣化を抑制しつつ、給電ライン22およびスロット24の配置の自由度を向上させることができる。
図8において、電体基板31の一方の面には互いに直交配置された給電ライン32a、32bが形成されるとともに、誘電体基板31の他方の面にはグランド層33が形成されている。そして、グランド層33には、給電ライン32a、32bとそれぞれ直交するようにして蝶状のスロット34a、34bが形成されている。そして、グランド層33上には、誘電体基板35、37をそれぞれ介して平板金属層(パッチ)36、38が順次積層されている。
これにより、給電ライン32a、32bからスロット34a、34bをそれぞれ介して電磁結合によって平板金属層36、38を給電することを可能としつつ、パッチアンテナを偏波共用構成とすることが可能となるとともに、スロット34a、34bの近傍の電界分布の最大値を大きくすることができる。このため、反射減衰量および相互結合量を改善することを可能としつつ、水平と垂直偏波の両方の偏波での共振を実現することが可能となるとともに、アンテナ構成の自由度を向上させることができる。
図9は、図8のパッチアンテナの反射減衰量特性を示す図、図10は、図8のパッチアンテナの相互結合量特性を示す図である。
図11(a)は、本発明の第4実施形態に係るパッチアンテナの概略構成を階層的に分解して示す斜視図、図11(b)は、図11(a)のパッチアンテナの概略構成を示す平面図である。
ここで、給電ライン42a、42bにスタブ49a、49bをそれぞれ付加することにより、給電ライン42a、42bからスロット44a、44bをそれぞれ介して電磁結合によって平板金属層46、48を給電することを可能としつつ、低周波数帯における相互結合量を抑制することが可能となる。
図12において、給電ライン42a、42bにスタブ49a、49bをそれぞれ付加することで、特に、低域周波数帯での相互結合量の改善効果が大きいことが確認できる。
12、12´、12´´、22、32a、32b、42a、42b 給電ライン
13、23、33、43 グランド層
14、14´、14´´、24、34a、34b、44a、44b スロット
16、18、36、38、46、48 平板金属層
49a、49b スタブ
Claims (5)
- 誘電体層または空気層を介して給電ラインに対向配置されたグランド層と、
前記給電ラインに交差するように前記グランド層に形成され、中心に対して長辺方向に対称な形状を有するとともに、中心から端部に向かって短辺方向の幅の少なくとも一部が徐々に増大するように構成されたスロットと、
誘電体層または空気層を介して前記スロットに対向配置された平板金属層とを備えることを特徴とするパッチアンテナ。 - 前記給電ラインは、誘電体基板の一方の面に形成されたマイクロストリップラインから構成されることを特徴とする請求項1記載のパッチアンテナ。
- 前記平板金属層は、誘電体層または空気層を介して前記スロット上に2層以上積層されていることを特徴とする請求項1または2記載のパッチアンテナ。
- 前記スロットは、前記グランド層に互いに直交配置された2つのスロットを含み、前記給電ラインは前記2つのスロットに対してそれぞれ直交するように構成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のパッチアンテナ。
- 前記給電ラインには、インピーダンス整合をとるためのスタブが付加されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載のパッチアンテナ。
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