JP2012023619A

JP2012023619A - Ｋｕ帯用パッチアンテナ

Info

Publication number: JP2012023619A
Application number: JP2010160752A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Taniguchi; 大輔谷口; Toru Tanaka; 亨田中; Masaru Sato; 賢佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2012-02-02

Abstract

【課題】Ｋｕ帯で使用するアクティブアレーアンテナのパッチアンテナを提供する。
【解決手段】地板上に積層された誘電体基板と、この誘電体基板上に形成され導体から成る放射素子と、この放射素子に給電するための給電点に接続される給電線路と、放射素子と給電線路間に形成され、放射素子の入力端と給電線路とのインピーダンスを整合させるための変成器とを備え、共振周波数を１２〜１８ＧＨｚの周波数帯と設定したとき、所望の周波数帯域幅に基づいて放射素子の大きさを示すパラメータが設定される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、Ｋｕ帯用パッチアンテナに関する。

パッチアンテナ（アレーアンテナ）において、放射素子の１辺と対向する一辺に凹部を有することにより、アンテナ利得を改善することができることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、マイクロストリップ線路（以下、ＭＳＬという。）給電の場合、アンテナ部の入力端とＭＳＬのインピーダンスが異なる。そのため、波長をλとした場合に、λ／４長でマッチング回路を設け、インピーダンス整合がとられている。

特開２００６−１３５６７２号公報

しかしながら、広帯域を必要とするパッチアンテナを用いたアレーアンテナの設計においては、特許文献１に示されているマッチング回路の制限等により困難である。

そこで本発明は、上記の欠点を解除すべくなされたもので、Ｋｕ帯で使用するアクティブアレーアンテナのパッチアンテナを提供することを目的とする。

実施形態のパッチアンテナは、地板上に積層された誘電体基板と、この誘電体基板上に形成され導体から成る放射素子と、この放射素子に給電するための給電点に接続される給電線路と、前記放射素子と前記給電線路間に形成され、前記放射素子の入力端と前記給電線路とのインピーダンスを整合させるための変成器とを備え、共振周波数を１２〜１８ＧＨｚの周波数帯と設定したとき、所望の周波数帯域幅に基づいて前記放射素子の大きさを示すパラメータが設定されている。

本発明の実施形態に係るパッチアンテナの上面図である。本発明の実施形態に係るパッチアンテナの側面図である。給電から電波を放射するまでの流れを示す図である。パッチ内径を除いたパッチアンテナの諸元の一例を示す表である。共振周波数とパッチ内径との関係を示すグラフである。パッチアンテナの諸元の一例を示す表である。周波数とリターンロスとの関係を示すグラフである。共振周波数約１６．７５[GHｚ]と周波数帯域幅を考慮したパッチアンテナの諸元の一例を示す表である。周波数とリターンロスとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るパッチアンテナの上面図である。また、図２は、本発明の実施形態に係るパッチアンテナの側面図である。

無線通信の周波数帯の一つで、１２〜１８ＧＨｚの周波数帯であるＫｕ帯は、地上間通信でよく使われる周波数帯よりも高いため、地上間通信との混線の恐れが少ない。Ｋｕ帯では、アクティブアレーアンテナのパッチアンテナが使用されている。

平面アンテナであるパッチアンテナの形状は、一般的に、方形状が採用されているが、本実施形態では、正方形としている。

図１に示すように、本実施形態に係るパッチアンテナ１０は、地板５と、誘電体基板３と、パッチ（放射素子）１とＭＳＬ４、変成器２から構成されている。

地板５は、例えば、一辺の長さがｂで、正方形を呈している。地板５の上に誘電体基板３が積層され、地板５と誘電体基板３の大きさは同じである。図２に示すように、地板５の厚みは、例えば、誘電体基板３の３倍の厚みを持たせるようにしている。３倍以上であってもよいことは言うまでもないが、端給電を行う場合、誘電体の厚みが薄すぎると十分に給電されない。

誘電体基板３としては、例えば、ROGERS社製の“duroid RT5880”を用いることができる。“duroid RT5880”の比誘電率は、εr=２．２（＠１０[ＧＨｚ]）、誘電正接はtanδ=０．０００９、銅箔=０．０１８[mm](１８μm)である。

誘電体基板３上であって、略中央の位置に、パッチ１が形成されている。パッチ１とＭＳＬ４の間には、ＭＳＬ４のインピーダンスとパッチアンテナ端のインピーダンスのマッチングをとるために変成器２が組み込まれている。

パッチ１への給電に関しては、ＭＳＬ端４と地板５からの端給電を用いている。

図１に示すパッチアンテナ１０の各パラメータをまとめると、表１のようになる。

以上のように構成したパッチアンテナにおいて、給電から電波を放射するまでの流れを、図３に示すフロー図によって説明する。

まず、ＭＳＬ端４と地板５に給電する（ステップ３１）。給電された電流は、ＭＳＬ４を通りパッチ１に流れる。パッチ１とＭＳＬ４の間ではインピーダンスのミスマッチがあるため、変成器２によりＭＳＬ４のインピーダンスとパッチ１のインピーダンスのマッチングをとる（ステップ３２）。

インピーダンスがマッチングされたことで、電流はパッチ１に流れ、それにより電波が発生する（ステップ３３）。

発生した電波は、フリンジング効果により、空間に電波を放射する（ステップ３４）。

本実施形態のパッチアンテナでは、パッチ内径を変化させると、共振周波数も変動する。一般的に、パッチ内径と共振周波数には、式（１）の関係がある。

一般的に、フリンジング効果を考慮した場合のパッチ内径と共振周波数の関係式からパッチ内径を算出することは困難である。そこで、本実施形態においては、フリンジング効果を考慮しない関係式を用いて、仮のパッチ内径を算出し、その後、フリンジング効果を考慮した関係式によって算出した等価辺長と仮のパッチ内径の比からパッチ内径を決定する。まず、式（１）は、フリンジング効果を考慮しない関係式である。

ここで、ａ：パッチ内径[ｍ]、fr：共振周波数[Ｈz]、c：光速（約３×１０^８[ｍ/ｓ]）、εr：比誘電率である。ただし、εr＝2.2、fr＝１６．７５[ＧＨｚ]とする。
この式（１）から、パッチ内径は、ａ＝６．０３７６[ｍｍ]となる。

次に、フリンジング効果を考慮した場合の関係式は次のように表わせる。

ここで、ａ_eff：等価辺長[ｍ]、ａ：パッチ内径、fr：共振周波数[Ｈz]、c：光速（約３×１０^８[ｍ/ｓ]）、εr：比誘電率、ｈ：誘電体厚さ[ｍ]、εl：実効誘電率である。
さらに、ａ_eff、ε_lは、次の式（３）、式（４）で表わせる。

これらの式から、a_eff＝7.617952427[ｍｍ]となる。

そこで、この値を用いて再度、共振周波数を算出すると、ε_l=1.97、a_eff=6.5、fr=15.558GHzとなり、１６．７５ＧＨｚとはならない。また、これらのパラメータを用いてＭＷＳ(Micro Wave Studio)でシミュレーションを行うと、その結果、fr=１８ＧＨｚ以上となり、１６．７５ＧＨｚより大幅に高い周波数となる。

これらのことから、本実施形態に係るＫｕ帯パッチアンテナにおいても、共振周波数を所望の値とするためには、パッチ内径を変更することが必要である。

そこで、ＭＷＳ(Micro Wave Studio)でのシミュレーションにより、共振周波数とパッチ内径との関係について考察する。図４は、パッチ内径を除いたパッチアンテナの諸元の一例を表にしたものである。また、図５は、共振周波数とパッチ内径との関係を示すグラフである。

パッチアンテナの諸元を図４に示すパラメータとしたとき、図５から、所望の共振周波数をＫｕ帯域の中央値に近い、１６．７５[ＧＨｚ]にする場合、パッチ内径は約５．３８[ｍｍ]程度が最適であることがわかる。

次に、図６は、パッチ内径を含んだパッチアンテナの諸元の一例を表にしたものである。また、図７は、周波数とリターンロスとの関係を示すグラフである。

パッチアンテナの諸元を図６に示すパラメータとしたとき、周波数帯域幅については、ＶＳＷＲ=１．５で４１４[ＭＨｚ]、ＶＳＷＲ=２．０で７２０[ＭＨｚ]の周波数帯域幅をとることが図７からわかる。すなわち、周波数帯域は広くなっているが、所望の共振周波数１６．７５[ＧＨｚ]から、ずれていることがわかる。

そこで、共振周波数約１６．７５[GHｚ]と周波数帯域幅を考慮し、パッチ内径、変成器の大きさのパラメータを用いて微調整を行ったパラメータを表にしたものが図８である。また、図９は、周波数とリターンロスとの関係を示すグラフである。図８に示すように、パッチアンテナのパラメータを設定したとき、共振周波数は１６．７５８[GHｚ]、周波数帯域幅はVSWR=１．５で３９６[MHｚ]、VSWR=２．０で７２０[MHｚ]をとることができる（図９参照）。

本実施形態によれば、共振周波数をＫｕ帯域としたパッチアンテナにおいて、パッチ内径や変成器の大きさをパラメータとして調整することにより、十分な周波数帯域幅を得ることができる。本実施形態は、アレーアンテナにした場合においても適用することができる。また、Ｋｕ帯のみならず、他の周波数帯においても、共振周波数の調整にパッチ内径変化を利用することができる。

本実施形態では、パッチの形状として正方形を採用したが、長方形や円形とした場合も同様にパッチの長さを変更することにより共振周波数を調整することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０・・・パッチアンテナ
１・・・パッチ
２・・・変成器
３・・・誘電体基板
４・・・ＭＳＬ
５・・・地板

Claims

地板上に積層された誘電体基板と、
この誘電体基板上に形成され導体から成る放射素子と、
この放射素子に給電するための給電点に接続される給電線路と、
前記放射素子と前記給電線路間に形成され、前記放射素子の入力端と前記給電線路とのインピーダンスを整合させるための変成器とを備え、
共振周波数を１２〜１８ＧＨｚの周波数帯と設定したとき、所望の周波数帯域幅に基づいて前記放射素子の大きさを示すパラメータが設定されていることを特徴とするパッチアンテナ。
前記誘電体基板は、比誘電率が、εr=２．２（＠１０[ＧＨｚ]）、誘電正接がtanδ=０．０００９、銅箔の厚さが１８μmであることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
前記地板の厚みは、前記誘電体基板の３倍の厚みであることを特徴とする請求項１又は２記載のパッチアンテナ。
前記所望の周波数帯域幅は、リターンロスが−１４ｄＢとなるように設定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパッチアンテナ。
前記地板と前記誘電体基板は、同一サイズの正方形であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のパッチアンテナ。
前記放射素子は、正方形であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のパッチアンテナ。
前記放射素子は、長方形あるいは円形であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のパッチアンテナ。