JP2013183388A - 円偏波特性を有するマイクロストリップアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】給電構造が簡単で、アンテナが広帯域となる円偏波マイクロストリップアンテナの提供を目的とする。
【解決手段】六角形の給電素子上に誘電体を介して六角形の無給電素子との中心が同心となるように平行に積層し、円偏波特性を得るようにしたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は無給電素子付の一点給電方式円偏波マイクロストリップアンテナに関する。

マイクロストリップアンテナにおいて、円偏波特性を得る方法に１つの給電素子に対して９０°の位相差を設けて二点給電する方法と、一点給電した四角形給電素子の角を切り欠くことによる方法が公知である。
しかし、二点給電方法は９０°の位相差を形成するための給電回路が必要となるだけでなく、アレー化する際に配列のレイアウトが限定される問題がある。
また、給電素子の角を切り欠く場合は、インピーダンス帯域幅，軸比帯域幅が非常に狭いといった問題があった。
そこで特許文献１は、六角形給電素子上に誘電体を介して四角形無給電素子を平行に積層する円偏波パッチアンテナを開示する。
しかし、同公報に開示するアンテナは、無給電素子は円偏波動作せず、アンテナ特性における広帯域化が不充分である。

特開２００７−３６９３０号公報

羽石，平澤，鈴木共著，小形・平面アンテナ，ｐ．１４４，電子情報通信学会，１９９６．

本発明は、給電構造が簡単で、アンテナが広帯域となる円偏波マイクロストリップアンテナの提供を目的とする。

本発明に係るマイクロストリップアンテナは、六角形の給電素子と六角形の無給電素子との中心が同心となるように平行に積層し、円偏波特性を得るようにしたことを特徴とする。
本発明は円偏波化する際に給電素子と無給電素子の両方に切り欠き部分を設けて、両素子共に摂動素子を形成し、円偏波動作させた点に特徴がある。
従って、六角形の給電素子及び無給電素子は、四角形を構成する４つの角のうち、対向する２つの角を切除した六角形であり、給電素子の給電位置が元の四角形のＸ方向又はＹ方向の中心線上に設けられているのが好ましい。
さらには元の四角形が正方形であるのがより好ましい。
ここで元の四角形のＸ方向又はＹ方向の中心線上とは、元の四角形の一辺をＸ軸と平行に配置した場合の左右方向における中心線上又は上下方向における中心線上をいう。
よって、元の四角形の中心をＸＹ座標の原点に一致させると、給電点はＸ軸上又はＹ軸上に位置する。

本発明は、給電素子と無給電素子の両方を六角形にしたことにより、その切除部からなる摂動素子の長さの比を変えることで軸比帯域幅、インピーダンス帯域幅が広帯域になる。
ここで、六角形の給電素子と無給電素子とが誘電体を介して平面視で重なるように平行に積層され、元の四角形のＸ方向又はＹ方向の中心線上であって四角形の中心からずれた位置に給電位置を設定すると、給電点の回りの電磁界分布がＸ軸方向及びＹ軸方向で左右対称にならない。
本発明はこの点にも着目し、電磁界の歪みを修正すべく無給電素子を給電素子に対して所定の角度だけ回転させた状態に配置させた。
この場合に給電素子の給電位置をＸ軸上に配置した場合には、無給電素子を＋φ方向に０〜３０°回転させるのが好ましく、給電位置をＹ軸上に配置した場合には無給電素子を−φ方向に０〜３０°回転させるのが好ましい。
これにより、軸比帯域幅がさらに広帯域化できる。

次に、本発明において無給電素子を給電素子に対して所定の角度だけ回転させた理由を説明する。
まず、円偏波となる条件は次のとおりである。
図６で説明すると、アンテナから十分遠方の点Ｐにおける電界を考え、その電界の成分Ｅ_θ，Ｅ_φ において、以下の２つの条件を満足する場合、完全な円偏波となる。
（１）｜Ｅ_θ｜ ＝｜Ｅ_φ｜：各成分の絶対値（振幅）が等しいこと
（２）∠Ｅ_θ −∠Ｅ_φ＝±９０度：各成分の位相差が±９０度となること

そこで、摂動（対向する角を切除した）を設けた素子（パッチ）について考える。
図６（ｂ）に示すように、中心線上に給電点を設けた１点給電のパッチアンテナにおいて、正方形パッチの対角に位置する角を切落とし、摂動を設けることにより、正方形パッチで縮退している電界＃１と＃２の合成電界（グレーの矢印）の縮退が解け、共振周波数の異なる二つの直交する電界＃１，＃２を発生させることができる。
これら二つの電界の振幅と位相により円偏波が生じる。
円偏波には右回り円偏波（ＲＨＣＰ）と左回り円偏波（ＬＨＣＰ）があるが、それらは摂動を設ける対角の位置により変更できる。
電界＃１，＃２の相対振幅と位相の周波数に対する変化を図７に示す。
電界＃１および＃２の振幅が最大となる周波数をｆ_１，ｆ_２とし、＃１，＃２の振幅が等しくなる周波数をｆ_０（ｆ_１ ＜ｆ_０ ＜ｆ_２）とすると、電界＃１と＃２の合成電界の位相が９０度となるとき、円偏波が得られる。
すなわち、周波数ｆ_０において完全な円偏波を得る（非特許文献１参照）。
次に、給電素子（摂動付励振パッチ）と無給電素子（摂動付非励振パッチ）を、誘電体を介して平行に積層した場合を考える。
給電された摂動付励振パッチと無給電の摂動付非励振パッチを積層した場合、図６（ｃ）に示すように二つのパッチ各々に共振周波数の異なる直交する電界成分が生じる。
励振パッチおよび非励振パッチの電界成分を＃１，＃２および＃３，＃４とすると、＃１と＃２および＃３と＃４とでそれぞれ異なる周波数で円偏波を発生する。
十分遠方での電界はこれら４つの電界成分の合成と考えられ、＃１と＃２および＃３と＃４の電界の振幅と位相の条件により異なる周波数で円偏波を生じ、広い周波数帯域に渡って円偏波が得られ、広帯域化される。
電界の振幅、位相および軸比の周波数に対する特性について図８（ａ）〜（ｃ）に各々示す。
図８に示すように電界＃１，＃２の合成により周波数ｆ_０１において円偏波が生じる。
ただし＃３，＃４の電界も合成されるが、電界強度が小さいためにｆ_０１での円偏波に対する主たる寄与は電界＃１，＃２である。
同様に電界＃３，＃４の合成により周波数ｆ_０２において円偏波が生じる。
この条件を満たす周波数はｆ_０１，ｆ_０２である。
したがって、励振パッチ，非励振パッチの形状寸法を調整することにより、単層の場合に比べ、３ｄＢ軸比帯域幅を２倍以上広げることが可能である。
なお、周波数ｆ_２とｆ_３の間の周波数範囲では電界の振幅と位相が必ずしも上記（１），（２）の条件を満たさないが、電界＃１，＃２の合成電界と電界＃３，＃４の合成電界がさらに合成されるために、円偏波に近い特性（軸比３ｄＢ以下）が得られる。
そこで、次に非励振パッチに所定の角度を傾けた場合の円偏波発生原理と軸比帯域幅は次のように考えられる。
非励振パッチの角度を励振パッチに対して傾けた場合、図６（ｄ）に示すように電界成分も傾き、励振パッチと非励振パッチの合成電界Ｅが変化する。
電界＃１から＃４の振幅と位相は周波数に対する変化が異なり、軸比帯域幅を広げるために４つの電界の振幅と位相を効果的に用いることができる。
たとえば、図９に示すように、給電点の位置が上下非対称であるため、高い周波数では励振パッチの電界分布が上下の端部で異なり（電界分布が上下非対称）、結果として円偏波が得られず、軸比が高くなる。
非励振パッチを少し回転させて設置することにより、非励振パッチの電界が励振パッチの電界を打消すように作用し、それらの合成電界が円偏波を得る条件を満たし、広い軸比帯域幅が得られる。

本発明に係るマイクロストリップアンテナは、円偏波アンテナ特性において広帯域化を図ることができる。

本発明に係るマイクロストリップアンテナの構造例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を示す。 （ａ）はマイクロストリップアンテナの斜視図、（ｂ）は構成図を示す。 無給電素子を給電素子に対して回転させた状態を示す。 無給電素子の回転角度φ＝０のときの軸比の周波数特性を示す。 無給電素子の回転角度φにおける軸比特性を示す。 （ａ）は円偏波となる条件を示す。（ｂ）は１点給電のパッチアンテナにおける電界成分。（ｃ）は励振パッチに非励振パッチを積層した場合の電界成分。（ｄ）は非励振パッチに角度をつけた場合の電界成分を示す。 電界＃１，＃２の相対振幅と位相の周波数に対する変化を示す。 （ａ）は周波数に対する電界の相対振幅を示し、（ｂ）は周波数に対する電界の位相を示し、（ｃ）は周波数に対する軸比特性を示す。 非励振パッチを所定の角度傾けた場合の軸比改善を示す。

本発明に係るマイクロストリップアンテナの構造例を以下図面に基づいて説明する。
銅箔からなる地導体１１に第１誘電体２１を積層し、第１誘電体２１に貫通孔を形成し、同軸ケーブル３１を用いて外側の線を地導体１１に、中心線を給電プローブ３２として給電素子１２にそれぞれ接続した。
第１誘電体２１の上に厚み約１８μｍの銅箔からなる給電素子１２を積層した。
給電素子１２は、正方形の対角上の２つの角を切除した六角形になっている。
給電素子１２の給電位置Ｆは、元の正方形の中心をＸＹ座標の原点に合わせ、一辺をＸ軸と平行にした場合に、中心からの距離ρで元の四辺形の一辺の近傍に位置する。
この給電素子１２の上に第２誘電体２２を介して給電素子１２と中心が同心となるように、無給電素子１３を積層した。
無給電素子１３も約１８μｍの銅箔を用い、給電素子１２と相似形である。
無給電素子１３の回転角度については後述する。
このように配置したアンテナの斜視図を図２（ａ）に示し、分解図を図２（ｂ）に示す。

まず、図３（ａ）に示すように給電素子１２と無給電素子１３とを重ね合せるように配置し（φ＝０）、図１に示す角の切除による摂動素子の一辺の長さＬ_ＰＳ１の変化による軸比の周波数特性を調査した。
軸比（Ａｘｉａｌ Ｒａｔｉｏ）特性の変化を図４のグラフに示す。
グラフ中λ_０は基準周波数における波長を示す。
これにより、Ｌ_ＰＳ１＝０．１λ_０のときの軸比帯域幅が最大になり、その軸比帯域幅（軸比≦３ｄＢ）Ｂ_ａｒ＝１３．７％であった。
軸比帯域幅Ｂ_ａｒは軸比３ｄＢ以下で評価した。

次に図３（ｂ）における無給電素子の回転角度φと軸比特性をシミュレータによる解析をした結果を図５に示す。
その結果、φ＝２０°で最大になり、Ｂ_ａｒ＝１７．２％であった。
また、実際にアンテナを試作して測定した結果、φ＝２０°でＢ_ａｒ＝２０．７％であった。
このことから、無給電素子を給電素子に対して所定の角度、回転させると軸比が広帯域化することが明らかになった。

１０ マイクロストリップアンテナ
１１ 地導体
１２ 給電素子
１３ 無給電素子
２１ 第１誘電体
２２ 第２誘電体
３１ 同軸ケーブル
３２ 給電プローブ
Ｆ 給電位置

Claims (4)

1. 六角形の給電素子上に誘電体を介して六角形の無給電素子との中心が同心となるように平行に積層し、円偏波特性を得るようにしたことを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
2. 前記六角形の給電素子及び無給電素子は、四角形を構成する４つの角のうち、対向する２つの角を切除した六角形であり、給電素子の給電位置が元の四角形のＸ方向又はＹ方向の中心線上に設けられていることを特徴とする請求項１記載のマイクロストリップアンテナ。
3. 前記四角形は正方形であることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロストリップアンテナ。
4. 前記無給電素子が給電素子に対して所定の角度に回転させた状態で平行に積層されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロストリップアンテナ。