JP2023042399A - Circularly polarized antenna and communication device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、円偏波特性を有する小型アンテナに関する。 The present invention relates to a compact antenna having circular polarization characteristics.
互いに直交する偏波が等振幅で±π/2の位相差を有していると円偏波が出現する。
近年、移動体通信や衛星通信の発展に伴い円偏波アンテナが着目されているが、一般的には直線偏波のアンテナが2個必要であるために円偏波アンテナのサイズが大きくなる問題がある。
Circularly polarized waves appear when polarized waves orthogonal to each other have equal amplitude and a phase difference of ±π/2.
In recent years, with the development of mobile communications and satellite communications, attention has been paid to circularly polarized antennas. However, since two linearly polarized antennas are generally required, the size of circularly polarized antennas increases. There is
本出願人は先に、薄くて小型化を図った直線偏波特性を有するアンテナ(薄型アンテナ)を提案している(特許文献1,2)。
本発明は、上記技術をベースに円偏波特性を有するアンテナに展開したものである。
The present applicant has previously proposed an antenna (thin antenna) that is thin and has linearly polarized wave characteristics (
The present invention is based on the above technology and is developed into an antenna having circularly polarized wave characteristics.
本発明は、小型でかつ広帯域な円偏波アンテナの提供を目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a compact and wideband circularly polarized antenna.
本発明に係る円偏波アンテナは、金属層と、前記金属層に対向配置した複数の放射素子層と、前記金属層と前記複数の放射素子層の間又は前記複数の放射素子層の上に誘電体層を介して配置した複数の非接触励振素子とを有し、前記複数の非接触励振素子は相互にπ/2の位相差を有していることを特徴とする。 A circularly polarized antenna according to the present invention comprises a metal layer, a plurality of radiating element layers arranged opposite to the metal layer, and between the metal layer and the plurality of radiating element layers or on the plurality of radiating element layers: and a plurality of non-contact excitation elements arranged with dielectric layers interposed therebetween, wherein the plurality of non-contact excitation elements have a phase difference of π/2 with each other.
ここで金属層とは、金属板あるいは各種基板に金属薄膜を形成したもの等、所定の広さ及び外形形状を有する。
放射素子層は、導電体層であり複数の放射素子層を所定の間隔(スリット)を設けて平面状に配置し、誘電体層を介して金属層と対向配置してある。
誘電体層は樹脂板等の誘電材でもよく、空気層でもよい。
したがって、金属層と放射素子層との間に非接触励振素子を配設する構造としては、金属層の上に第1誘電体層を配置し、この第1誘電体層の上に複数の非接触励振素子を配置し、この複数の非接触励振素子の上に第2誘電体層を配置し、さらに第2誘電体層の上に複数の放射素子を配置した積層構造になる。
なお、この第1及び第2誘電体層は空気層であってもよい。
また、この複数の非接触励振素子は、放射素子層の上側に誘電体層を介して配置しても同様の作用が生じる。
Here, the metal layer has a predetermined width and external shape, such as a metal plate or a metal thin film formed on various substrates.
The radiating element layer is a conductive layer, and a plurality of radiating element layers are arranged in a plane with a predetermined interval (slit) provided, and are arranged to face the metal layer via the dielectric layer.
The dielectric layer may be a dielectric material such as a resin plate, or may be an air layer.
Therefore, as a structure for arranging the non-contact excitation element between the metal layer and the radiating element layer, a first dielectric layer is arranged on the metal layer, and a plurality of non-contact elements are arranged on the first dielectric layer. A laminated structure is formed by arranging a contact excitation element, disposing a second dielectric layer on the plurality of non-contact excitation elements, and further disposing a plurality of radiation elements on the second dielectric layer.
The first and second dielectric layers may be air layers.
Also, the plurality of non-contact excitation elements can be arranged above the radiating element layer with a dielectric layer interposed therebetween to produce the same effect.
非接触励振素子はスルーホール等を介して、外部と電気接続された給電点を有し、放射素子層に励振を発現させるための励振アンテナとして作用する。 The non-contact excitation element has a feed point electrically connected to the outside via a through hole or the like, and acts as an excitation antenna for causing excitation in the radiation element layer.
複数の放射素子層に円偏波特性を発現させる態様としては、次のような構造例が挙げられる。
前記複数の放射素子層は第1放射素子層と、前記第1放射素子層に対してX軸方向に配置した第2放射素子層と、前記第1放射素子層に対してY軸方向に配置した第3放射素子層とからなり、前記複数の非接触励振素子は、前記X軸方向に配置した第1励振素子と前記Y軸方向に配置した第2励振素子とからなる。
The following structural example can be given as a mode for exhibiting circularly polarized wave characteristics in a plurality of radiating element layers.
The plurality of radiation element layers includes a first radiation element layer, a second radiation element layer arranged in an X-axis direction with respect to the first radiation element layer, and a Y-axis direction with respect to the first radiation element layer. The plurality of non-contact excitation elements are composed of first excitation elements arranged in the X-axis direction and second excitation elements arranged in the Y-axis direction.
あるいは、前記複数の放射素子層は第1,第2,第3及び第4放射素子層の4つの放射素子層をX軸方向2列、Y軸方向2列に配置してあり、前記複数の非接触励振素子はX軸方向に配置した第1励振素子とY軸方向に配置した第2励振素子からなる。
この場合に、非接触励振素子は2つに限定されず、複数の非接触励振素子は第1,第2,第3及び第4励振素子の4つが順次、π/2位相差を有しながら、第1励振素子は前記第1及び第2放射素子層に跨がり、第2励振素子は前記第1及び第3放射素子層に跨がり、第3励振素子は前記第3及び第4放射素子層に跨がり、第4励振素子は前記第4及び第2放射素子層に跨がって配設されていてもよい。
Alternatively, in the plurality of radiation element layers, four radiation element layers of first, second, third and fourth radiation element layers are arranged in two rows in the X-axis direction and two rows in the Y-axis direction, The non-contact excitation element consists of a first excitation element arranged in the X-axis direction and a second excitation element arranged in the Y-axis direction.
In this case, the number of non-contact excitation elements is not limited to two, and four of the plurality of non-contact excitation elements, ie, the first, second, third and fourth excitation elements, are sequentially arranged while having a π/2 phase difference. , a first excitation element straddles the first and second radiation element layers, a second excitation element straddles the first and third radiation element layers, and a third excitation element straddles the third and fourth radiation element layers Straddling the layers, the fourth excitation element may be disposed straddling the fourth and second radiation element layers.
本発明に係る円偏波アンテナの詳細は後述するが、薄くて小型であり、広帯域であることから各種の移動体用等の通信アンテナに適用できる。
例えば、移動通信機器,電子機器,車載機器等、広い分野に展開できる。
Although the details of the circularly polarized wave antenna according to the present invention will be described later, it is thin and compact, and has a wide band, so it can be applied to communication antennas for various mobile bodies.
For example, it can be deployed in a wide range of fields such as mobile communication equipment, electronic equipment, and vehicle-mounted equipment.
本発明に係る円偏波アンテナの構成例を図に基づいて説明するが、本実施例に限定されない。 A configuration example of the circularly polarized antenna according to the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to this example.
図1~3に実施例1として3枚の放射素子層と2つの励振素子から2点給電タイプの円偏波アンテナ100の構成例を示す。
図1に円偏波アンテナ100の外観図を示す。
アンテナの構成の説明上、放射素子層の配置方向をXY平面で表現し、X軸方向とこれに直交する方向をY軸方向と表示する。
図2(c)に示すようにLX,LY:81.2mmの銅板からなるL型の金属層20の上に同じ外形形状の第1誘電体層31を重ね、その上に図2(b)に示すようにX軸方向に配置した第1励振素子41,Y軸方向に配置した第2励振素子42を有し、その上に第2誘電体層32を重ねる。
さらにその上に図2(a)に示すようにWX,WY:36.6mmの正方形の放射素子層を3枚配置した積層構造になっている。
そのX軸方向断面図を図3に示す。
1 to 3 show a configuration example of a circularly polarized
FIG. 1 shows an external view of a circularly polarized
In order to explain the configuration of the antenna, the arrangement direction of the radiating element layer is expressed on the XY plane, and the X-axis direction and the direction orthogonal thereto are indicated as the Y-axis direction.
As shown in FIG. 2(c), a first
Furthermore, as shown in FIG. 2(a), three square radiation element layers with W X and W Y of 36.6 mm are arranged thereon to form a laminated structure.
FIG. 3 shows a cross-sectional view thereof in the X-axis direction.
第1励振素子41及び第2励振素子42は、パターニング等により幅d1:1.0mm,長さL1:29.0mmの線状に形成され、給電点F1,F2は図3に示すようにスルーホール等により外部と電気接続されている。
放射素子層は厚さ0.018mmの銅箔で形成され、それぞれWX,WY:36.6mmの正方形の第1放射素子層11とスリットS1:8mmを介してX軸方向に配置した第2放射素子層12及びスリットS2:8mmを介して、Y軸方向に配置した第3放射素子層13をL型に配置した例になっている。
第1励振素子41は、第1放射素子層11と第2放射素子層12とに跨がって、かつ、第1,第2放射素子層11,12の中央部に沿ってX軸方向に配置してある。
第2励振素子42は同様にして第1放射素子層11と第3放射素子層13とにわたって、Y軸方向に配置してある。
第1励振素子41及び第2励振素子42とは3枚の放射素子層11,12,13に対して非接触型の励振アンテナとして作用し、図2(b)で説明すると第1励振素子41の左端部に設けた給電点F1に対して第2励振素子42の下端部に給電点F2を有している。
実施例1では、第1誘電体層31及び第2誘電体層32として厚みt1,t2:0.96mmのNPC-F260A(日本ピラー工業株式会社)多層板を用いた。
したがって、アンテナ全体の厚みTは約1.92mmとなる。
ここで、第1放射素子層11を共有し、この第1放射素子層11と第2放射素子層12にてX軸方向約1/2波長、第1放射素子層11と第3放射素子層13にてY軸方向約1/2波長になるように設定し、第1励振素子41と第2励振素子42とを90°位相差配置したことにより、従来の2つの直線偏波を用いた円偏波アンテナよりも小型になる。
The
The radiation element layer is formed of copper foil with a thickness of 0.018 mm, and is arranged in the X-axis direction via a square first
The
The
The
In Example 1, as the
Therefore, the thickness T of the entire antenna is approximately 1.92 mm.
Here, the first
実施例1の円偏波のアンテナ特性の解析値を図4に示し、放射パターンを図5に示す。
図4及び図5にてfree(in free space)は自由空間での解析値を示し、on(on metal)は導体上での解析値を示す。
2.4GHZ帯域において、VSWR3以下の帯域幅,free:2.40~2.52GHZ,on metal:2.41~2.52GHZであり、軸比特性3以下の帯域幅free:2.27~2.53GHZ,on metal:2.0~2.52GHZ,2.57~3.0GHZであった。
また、放射パターンを図5に示す。
図5で、LHCPは左旋円偏波,RHCPは右旋偏波を示し、広帯域で利得の高い円偏波が得られている。
FIG. 4 shows analytical values of the antenna characteristics of the circularly polarized wave of Example 1, and FIG. 5 shows the radiation pattern.
In FIGS. 4 and 5, free (in free space) indicates an analytical value in free space, and on (on metal) indicates an analytical value on a conductor.
In the 2.4 GH Z band, the bandwidth is
Also, the radiation pattern is shown in FIG.
In FIG. 5, LHCP indicates left-handed circularly polarized waves and RHCP indicates right-handed circularly polarized waves, and circularly polarized waves with a wide band and high gain are obtained.
比較のために図16,図17に示したパッチアンテナにて評価した。
LX,LY:73mmの正方形の金属層20の上に同外形の誘電体層30を重ね、その上にL1:36.5mm,カット寸法V:3.7mmにて対向する角部を切り欠いたパッチ型の放射素子層111を設け、給電点Fは図17(a)に示すように下辺部からa:11.58mmの位置に図18に示すようにスルーホールにて外部と電気接続した。
アンテナの厚みT:2mmとした。
この比較例パッチアンテナのアンテナ特性を図19に放射パターンを図20に示す。
VSWR3以下の帯域幅2.4~2.5GHZ,軸比特性3以下の帯域幅2.44~2.45軸比特性と非常に狭く、実用的でない。
これに対して、実施例1の円偏波アンテナは広帯域であり、小型のアンテナが実現している。
For comparison, the patch antennas shown in FIGS. 16 and 17 were evaluated.
A
Antenna thickness T: 2 mm.
FIG. 19 shows the antenna characteristics of this comparative patch antenna, and FIG. 20 shows its radiation pattern.
A bandwidth of 2.4 to 2.5 GH Z with a VSWR of 3 or less and an axial ratio of 2.44 to 2.45 with an axial ratio characteristic of 3 or less are extremely narrow and impractical.
On the other hand, the circularly polarized antenna of Example 1 has a wide band and a small antenna is realized.
図6に実施例2として4枚の放射素子層と、2つの励振素子からなる2点給電構造の例を示す。
LX,LY:75.9mm,第1放射素子層11に対してX軸方向2列,Y軸方向2列の第2放射素子層12,第3放射素子層13,第4放射素子層14を配置した。
スリット部S1,S2:2.5mm。
第1励振素子41,第2励振素子42はd1:1.0mm,L1:29.0mmに設定し、アンテナの厚みT:1.92mmに設定した。
実施例2のアンテナ特性を図8に、放射パターンを図9に示す。
VSWR,軸比特性ともに広帯域になっている。
VSWR3以下の帯域幅free:2.34~2.49GHZ,on metal:2.35~2.49GHZであり、特に軸比特性3以下の帯域幅がfree,on metalともに2.0~3.0GHZと広くなっている。
FIG. 6 shows an example of a two-point feeding structure composed of four radiating element layers and two excitation elements as a second embodiment.
L X , L Y : 75.9 mm, second
Slit portions S 1 , S 2 : 2.5 mm.
The
FIG. 8 shows the antenna characteristics of Example 2, and FIG. 9 shows the radiation pattern.
Both VSWR and axial ratio characteristics are wideband.
実施例3のアンテナを図10、図11に示す。
本実施例3は4つの励振素子、第1~第4励振素子43,42,43,44を旋回配置した例である。
なお、LX,LY:69.12mm,S1,S2:0.5mmとした。
また、図11(b)にて寸法LX1は、WXの1/2である。
実施例2では、図7(b)に示すように、X軸方向の第1励振素子41とY軸方向の第2励振素子42による2点給電構造であったのに対して、実施例3は図11(b)に示すように、左側端部に給電点F1を有するX軸方向の第1励振素子41に対して、下側端部に給電点F2を有する第2励振素子42の他に、第3放射素子層13と第4放射素子層14とに跨がり、Y軸方向中央部に沿ってX軸方向に配置し、右側端部に給電点F3を有する第3励振素子43と、さらに第4放射素子層14から第2放射素子層12の中央部に沿って跨がり、上側端部に給電点F4を有する第4励振素子44を全体として旋回するように配置したものである。
このようにすると、図12にアンテナ特性の解析値、放射パターンを図13に示すように、高利得の広帯域円偏波アンテナが得られる。
The antenna of Example 3 is shown in FIGS. 10 and 11. FIG.
The third embodiment is an example in which four excitation elements, first to
In addition, LX , LY : 69.12 mm, S1 , S2 : 0.5 mm.
Also, in FIG. 11(b), the dimension L X1 is 1/2 of W X .
In Example 2, as shown in FIG. 7(b), a two-point feeding structure was adopted, which is composed of the
In this way, a high-gain wideband circularly polarized antenna can be obtained as shown in FIG. 12 for the analytical values of the antenna characteristics and in FIG. 13 for the radiation pattern.
実施例4のアンテナ構造例を図14に示す。
本実施例は、図1,2に示した実施例1における非接触励振素子をダイポール素子型の励振素子とした例である。
この場合には、実施例1における第1励振素子41を第1素子41aと第2素子41bとの一対からなるダイポール素子であり、一対の給電点F1,F1をスルーホール等にて外部と電気接続させてある。
第2励振素子42も第1素子42aと第2素子42bとの一対のダイポール素子にし、一対の給電点F2,F2を有する。
An example of the antenna structure of Example 4 is shown in FIG.
This embodiment is an example in which the non-contact excitation element in the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is a dipole element type excitation element.
In this case, the
The
実施例5のアンテナ構成例を図15に示す。
実施例1が金属層20と放射素子層との間に非接触励振素子を配置したのに対して、本実施例は放射素子層の上に誘電体層を介して、非接触励振素子を配置した例であり、このように非接触励振素子は放射素子層の上側に配置しても円偏波アンテナとして作用する。
また、図15に示した非接触励振素子の例は、実施例5と同様にダイポール素子とした例になっている。
FIG. 15 shows an example of the antenna configuration of Example 5. In FIG.
While the non-contact excitation element is arranged between the
Also, the example of the non-contact excitation element shown in FIG. 15 is an example of a dipole element as in the fifth embodiment.
11 第1放射素子層
12 第2放射素子層
13 第3放射素子層
20 金属層
31 第1誘電体層
32 第2誘電体層
41 第1励振素子
42 第2励振素子
100 円偏波アンテナ
F1 給電点
F2 給電点
11 First
Claims (5)
前記複数の非接触励振素子は相互にπ/2の位相差を有していることを特徴とする円偏波アンテナ。 a metal layer, a plurality of radiating element layers facing the metal layer, and a plurality of radiating element layers disposed between the metal layer and the plurality of radiating element layers or on the plurality of radiating element layers with dielectric layers interposed therebetween. and a non-contact excitation element,
A circularly polarized wave antenna, wherein the plurality of non-contact excitation elements have a phase difference of π/2 with each other.
前記複数の非接触励振素子は、前記X軸方向に配置した第1励振素子と前記Y軸方向に配置した第2励振素子とからなることを特徴とする請求項1記載の円偏波アンテナ。 The plurality of radiation element layers includes a first radiation element layer, a second radiation element layer arranged in an X-axis direction with respect to the first radiation element layer, and a Y-axis direction with respect to the first radiation element layer. and a third radiating element layer,
2. The circularly polarized wave antenna according to claim 1, wherein said plurality of non-contact excitation elements comprise first excitation elements arranged in said X-axis direction and second excitation elements arranged in said Y-axis direction.
前記複数の非接触励振素子はX軸方向に配置した第1励振素子とY軸方向に配置した第2励振素子からなることを特徴とする請求項1記載の円偏波アンテナ。 the plurality of radiation element layers are composed of four radiation element layers of first, second, third and fourth radiation element layers arranged in two rows in the X-axis direction and two rows in the Y-axis direction;
2. The circularly polarized antenna according to claim 1, wherein said plurality of non-contact excitation elements comprise first excitation elements arranged in the X-axis direction and second excitation elements arranged in the Y-axis direction.
第2励振素子は前記第1及び第3放射素子層に跨がり、
第3励振素子は前記第3及び第4放射素子層に跨がり、
第4励振素子は前記第4及び第2放射素子層に跨がって配設されていることを特徴とする請求項3記載の円偏波アンテナ。 Four of the plurality of non-contact excitation elements, that is, first, second, third and fourth excitation elements, sequentially have a π/2 phase difference, and the first excitation element is the first and second radiation element layers. straddling the
a second excitation element straddling the first and third radiation element layers;
a third excitation element straddling the third and fourth radiation element layers;
4. The circularly polarized wave antenna according to claim 3, wherein the fourth excitation element is arranged across the fourth and second radiation element layers.
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