JP4131984B2 - 可変スロットアンテナ及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
誘電体基板と、
有限の面積の接地導体と、
前記接地導体を二つの有限接地導体領域に完全に分割し、両端が開放状態となったスロット領域とが
前記誘電体基板の裏面に配置され、
前記スロット領域の長さ方向の中央付近の領域と交差する給電線路が前記誘電体基板の表面に配置され、
前記スロット領域を幅方向に横断して、分離された前記有限接地導体領域の間を接続するか否かを選択可能な選択的導通経路が、前記給電線路と前記スロット領域の交差地点から前記スロット領域の両端の開放箇所を臨む方向に一つずつ配置した可変スロットアンテナ構造において、
第一の状態においては、第一の選択的導通経路を非接続状態に設定し、第二の選択的導通経路を接続状態に設定し、
第二の状態においては、第一の選択的導通経路を接続状態に設定し、第二の選択的導通経路を非接続状態に設定することを特徴とする。
図1(a)、(b)では、本実施形態の可変スロットアンテナの駆動方法によって、駆動される可変スロットアンテナの構造について下面透視模式図(裏面からの透視図)を用いて説明するとともに、本駆動方法の二状態において得られる可変スロットアンテナの指向特性の可変性を模式的に示している。また、図2(a)、(b)に図1中の直線A1−A2、B1−B2で構造を切断した断面模式図をそれぞれ示している。議論の簡略化のため、まず対称性が高い実施形態として、左右対称な可変スロットアンテナ構造を例にとり、左右に主ビーム方向を切り替える駆動方法の実施形態について述べる。
本発明実施形態の可変スロットアンテナの駆動方法の特徴は、第一の選択的導通経路119、第二の選択的導通経路121のいずれかの選択的導通経路を導通し、もう片方の選択的導通経路を必ず開放に選択し、給電箇所113から開放された選択的導通経路側を臨む方向へ主ビームを配向させることである。導通する選択的導通経路と開放する選択的導通経路を切り替えれば、主ビーム方向を異なる方向へ切り替えることが出来る。例えば、右方向123aに主ビームを向けたい場合は(図1(a))、給電箇所113に対して右側に配置されている第二の選択的導通経路121を開放し、給電箇所113に対して逆側である左側に配置されている第一の選択的導通経路119を短絡すればよい。逆に、図1(b)に示すように、左方向123bに主ビームを向けたい場合は、給電箇所113に対して左側に配置されている第一の選択的導通経路119を開放し、給電箇所113に対して右側に配置されている第二の選択的導通経路121を短絡すればよい。左右に主ビームを向ける場合に、本駆動方法において各選択的導通経路を制御すべき状態を表1にまとめる。
第一、および第二の選択的導通経路により得られる第一の接地導体101a、第二の接地導体101b間の導通は、直流信号的な導通でなくてもよく、動作周波数付近に通過帯域が限定された高周波的な導通であってもかまわない。具体的には本発明の選択的導通経路を実現するためには、ダイオードスイッチ、高周波トランジスタ、高周波スイッチ、MEMSスイッチなど、アンテナ動作帯域で低損失且つ高分離度特性が得られるスイッチ素子であればいずれも使用可能である。ダイオードスイッチを用いれば給電回路の構成を簡略化することができる。
本発明の駆動方法により駆動する可変スロットアンテナは、スロットの形成方向により主ビーム方向を変化させることが出来る。すなわち、給電箇所からスロットの開放端を臨む方向をやや下向きにすれば、放射電磁波の主ビーム方向もやや下向きに配向できる。
本発明の駆動方法により駆動する可変スロットアンテナの形状は、必ずしも鏡面対称である必要はない。しかし、二状態で同一反射特性、同一利得特性、同一偏波特性でありながら、主ビーム方向のみを切り替えられる可変性を有するアンテナの提供は、産業上の利用価値が特に高いものと考えられる。よって、スロット領域109の形状、給電線路115、接地導体101a、101bの形状は鏡面対称に構成されることが好ましい。また、第一の状態と第二の状態で主ビーム方向が逆平行になるように、第一の方向と第二の方向を逆向き、平行にすることが好ましい。
本発明の駆動方法で駆動する可変スロットアンテナにおいて、スロット領域の形状は矩形である必要はなく、接地導体領域との境界線は任意の直線および曲線形状に置換可能である。例えば、スロット領域の形状は、図8に示すように、開放端付近でテーパ状にスロット幅が広がるような構造であっても構わない。動作帯域の上限周波数付近では、アンテナの放射開口面により、ビーム幅が決定されるため、開放端付近でスロット幅を広げておくことにより、高利得な指向性ビームを実現しやすくなる。
各駆動状態において、回路上に出現するスロット共振器については、スロット幅Ws(すなわち、第1接地導体101aと第2接地導体101bとの間の距離)がスロット共振器長Lsに比べて無視できるほど狭い場合(一般的にWsが(Ls/8)以下である場合)、スロット長Lsは動作帯域の中心周波数f0付近において4分の1実効波長となるよう設定される。スロット幅Wsが広く、スロット共振器長Lsと比べて無視できない場合(一般的にWsが(Ls/8)を超える場合)、スロット幅も考慮したスロット長(Ls×2+Ws)をf0において2分の1実効波長に相当するように設定すればよい。
給電線路の形状について二つの特徴的な形態を図10(a)、(b)に示す。スロット109と一部が少なくとも交差する給電線路115は誘電体基板103の表面に形成され、一端は入出力端子201から入出力回路へと接続され、もう一端は終端点125で開放終端される。図10(a)に示すように、終端点125から給電箇所113までの距離t3を周波数f0において4分の1実効波長となるよう設定すれば、動作帯域で良好な整合特性を得ることが出来る。この場合、終端点125から給電箇所113までの給電線路115の線路幅は、入出力端子201付近での線路幅と同一のままでよく、例えば特性インピーダンスが50Ωのままでよいし、他の値を採用しても良好な整合を得ることが可能である。
なお、本明細書内では、図11(a)に断面図を示すように、誘電体基板103の最表面に給電線路115が配置され、誘電体基板103の最裏面に接地導体101が配置された構造について説明しているが、図11(b)に別の形態の断面図を示すように、多層基板の採用などの方法により、給電線路115、接地導体101のいずれか、もしくはその両者が誘電体基板103の内層面に配置されていても構わない。また、図11(c)に別の形態の断面図を示すように、給電線路115に対して接地導体101として機能する導体配線面は構造内に一つに限定される必要はなく、給電線路115が形成された層を挟んで対向する接地導体101が配置された構造でもよい。すなわち、本発明の可変スロットアンテナの駆動方法は、マイクロストリップ線路構造の可変スロットアンテナのみでなく、ストリップ線路構造の可変スロットアンテナでも同様の効果を得ることができる。なお、本発明では、接地導体101を構成している導体層が厚み方向に完全に除去されている構造をスロットと定義している。すなわち、接地導体101の表面が一部の領域で削られて、厚みを減じただけの構造ではない。
なお、特許文献3(特表2005−514844号公報と同趣旨)においては、MEMSスイッチを用いて特性の調整を行う2分の1実効波長スロットアンテナが開示されている。図12に示す、特許文献3の図7などで開示されたスロットアンテナは、本発明の駆動方法で駆動する可変スロットアンテナと構造が類似しているように見えるが、本発明の可変スロットアンテナの駆動方法とは目的、発明にいたった経緯、駆動時の可変スロットアンテナ内に実現される高周波構造、得られる可変効果、構造のサイズの全ての点について異なる発明であるので、以下、両者の差異について説明する。
図14に下面からの透視模式図を示すような、実施例1の可変スロットアンテナを作製した。誘電体基板103として、総厚0.5mmのFR4基板を用いた。基板表面と裏面には、銅配線により厚さ20ミクロンの給電線路パターンと接地導体パターンをそれぞれ形成した。各配線パターンはウェットエッチングにより一部領域の金属層を除去することにより、形成し、表面には厚さ1ミクロンの金メッキを施した。接地導体101の外縁部105は、誘電体基板103の端面に最も近接した場合においても、端面より0.1mmは内側となるように配線マージンを設定した。図には接地導体パターンを実線で、給電線路のパターンを点線で示す。入力端子部201には高周波コネクタを接続し、特性インピーダンスが50Ω相当の給電線路115を介して、作製したアンテナと測定系を接続した。接地導体101を中央で分離し、有限の接地導体領域101a、101b間に挟まれたスロット領域109を形成し、スロット領域109を跨ぐ二経路の選択性導通経路119、121を設定した。選択性導通経路内の高周波スイッチ素子としては、市販のガリウム砒素のPINダイオードを用いた。使用したPINダイオードは、導通時の挿入損失は5GHzで0.3dB、開放時の分離度は5GHzで25dBと、実用上全く問題ない値であった。接地導体領域101bに、1kΩの抵抗素子を介してバイアス回路を接続し、ダイオードへのバイアス給電を実現した。119、121のダイオードの極性を逆向きと設定して配置することにより、選択性導通経路119、121の片方が導通動作時にはもう片方が開放動作するよう、駆動する設定が完了した。図14に示す実施例1の構造パラメータを表2にまとめた。
前記誘電体基板(103)の裏面には、有限の面積の接地導体(101)とスロット領域(109)とが形成されており、
前記スロット領域(109)は、前記接地導体(101)を、第一の接地導体(101a)および第二の接地導体(101b)からなる二つの領域に分割し、
前記スロット領域(109)の両端にはそれぞれ開放端(111a、111b)が形成されており、
前記誘電体基板(103)の裏面には、さらに、前記スロット領域(109)を横断して前記第一の接地導体(101a)と前記第二の接地導体(101b)を接続する2つの選択的導通経路群(119、121)が配置されており、
前記誘電体基板(103)の表面には、前記スロット領域(109)の長手方向中央付近の給電箇所(113)において前記スロット領域(109)と交差する給電線路(115)が配置されており、
前記2つの選択的導通経路群(119、121)は、第1の選択的導通経路(119)および第2の選択的導通経路(121)からなり、
前記第1の選択的導通経路(119)および第2の選択的導通経路(121)は、前記誘電体基板(103)の法線方向から前記指向性可変スロットアンテナを透過した透過平面視において、前記給電線路(115)を間に挟む。
Wsが(Ls/8)以下である場合には、前記Lsが動作帯域の中心周波数f0に対して4分の1実効波長と同一の長さになるように設定され、
Wsが(Ls/8)を超える場合には、(2Ls+Ws)が動作帯域の中心周波数f0に対して2分の1実効波長と同一の長さになるように設定される。
103 誘電体基板
105 接地導体の側面外縁部
107 奥行き方向
109、20 スロット領域
111a、111b スロット開放端
113 給電箇所
115、16 給電線路
117a、117b 給電箇所から各スロット開放端111a、111bを臨む方向
119、119−1、2、・・・N 第一の選択的導通経路
121、121−1、2、・・・N 第二の選択的導通経路
123a、123b 各駆動状態における主ビーム方向
125 終端点
127 インダクティブ共振器領域
201 放射器
203a、203b 寄生素子
205a、205b、18−1、2、3 スイッチ素子
W1 給電線路幅
Ls スロット長
Ws スロット幅
t3 スロット中心から給電線路の開放終端点までの距離
t4 インダクティブ共振器領域長
Lo 選択性導通経路から給電線路115までのスロットオフセット長
WL インダクティブ共振器領域の給電線路幅
Claims (20)
- 誘電体基板を有する指向性可変スロットアンテナであって、
前記誘電体基板の裏面には、有限の面積の接地導体とスロット領域とが形成されており、
前記スロット領域は、前記接地導体を、第一の接地導体および第二の接地導体に分割し、
前記スロット領域の両端にはそれぞれ開放端が形成されており、
前記誘電体基板の裏面には、さらに、前記スロット領域を横断して前記第一の接地導体と前記第二の接地導体とを接続する少なくとも2つの選択的導通経路群が配置されており、
前記誘電体基板の表面には、前記スロット領域の長手方向中央付近の給電箇所において前記スロット領域と交差する給電線路が配置されており、
前記少なくとも2つの選択的導通経路群は、第1の選択的導通経路および第2の選択的導通経路を有しており、
スロット共振器長Lsを、前記第1の選択的導通経路と前記スロット領域の−X方向の先端に位置する開放端との間の距離、
スロット幅Wsを、前記第1の接地導体と前記第2の接地導体との間の距離と設定したとき、
前記第2の選択的導通経路と前記スロット領域のX方向の先端に位置する開放端との間の距離は、前記スロット共振器長Lsに等しく、
Wsが(Ls/8)以下である場合には、前記Lsが動作帯域の中心周波数f0に対して4分の1実効波長と同一の長さになるように設定され、
Wsが(Ls/8)を超える場合には、(2Ls+Ws)が動作帯域の中心周波数f0に対して2分の1実効波長と同一の長さになるように設定されており、
前記第1の選択的導通経路および第2の選択的導通経路は、前記誘電体基板の法線方向から前記指向性可変スロットアンテナを透過した透過平面視において、前記給電線路を間に挟み、
前記スロット領域の長手方向をX方向、前記給電線路の長手方向をY方向、前記誘電体基板の法線方向をZ方向と設定したとき、
前記開放端のうち、前記スロット領域のX方向の先端に位置する開放端と前記給電箇所との間に前記第1の選択的導通経路が配置されており、
前記開放端のうち、前記スロット領域の−X方向の先端に位置する開放端と前記給電箇所との間に前記第2の選択的導通経路が配置されており、
第一の状態においては、第1の選択的導通経路を導通状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路を開放状態に選択することにより、−X方向に主ビームを放射させ、
第二の状態においては、第1の選択的導通経路を開放状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路を導通状態に選択することにより、X方向に主ビームを放射させる、指向性可変スロットアンテナ。 - 前記給電箇所付近での前記給電線路と前記スロット領域形状とが鏡面対称に配置され、前記第一の方向と前記第二の方向とが鏡面対称な方向である請求項1に記載の可変スロットアンテナ。
- 前記第一の方向と前記第二の方向が平行且つ逆向きである請求項2に記載の可変スロットアンテナ。
- 前記給電線路の先端部が、開放終端点から動作帯域の中心周波数における4分の1実効波長の長さに渡って、特性インピーダンスが50Ωよりも高い線路により構成されたインダクティブ共振器領域に設定され、
前記インダクティブ共振器領域の中央部で、前記スロット領域と交差する請求項1に記載の可変スロットアンテナ。 - 前記第1の選択的導通経路が、複数の部分を有している場合、
前記第一の状態においては、前記第1の選択的導通経路の前記複数の部分の少なくとも1つを導通状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路を開放状態に選択することにより、−X方向に主ビームを放射させ、
前記第二の状態においては、前記第1の選択的導通経路の前記複数の部分のすべてを開放状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路を導通状態に選択することにより、X方向に主ビームを放射させる請求項1に記載の指向性可変スロットアンテナ。 - 前記第2の選択的導通経路が、複数の部分を有している場合、
前記第一の状態においては、第1の選択的導通経路を導通状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路の前記複数の部分のすべてを開放状態に選択することにより、−X方向に主ビームを放射させ、
前記第二の状態においては、第1の選択的導通経路を開放状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路の前記複数の部分の少なくとも1つを導通状態に選択することにより、X方向に主ビームを放射させる、請求項1に記載の指向性可変スロットアンテナ。 - 前記スロット領域は、前記開放端に向かってテーパ状にスロット幅が広がっている部分を有している請求項1に記載の指向性可変スロットアンテナ。
- 前記第一の接地導体および第二の接地導体の外縁のうち、前記スロット領域を介して対向する部分は、Z方向から見たときに複数の凹凸がX方向に沿って配列された平面形状を有している、請求項1に記載の指向性可変スロットアンテナ。
- 前記給電線路は一様な線路幅を有している請求項1に記載の指向性可変スロットアンテナ。
- 前記給電線路において、開放終端点から動作帯域の中心周波数における4分の1実効波長の長さに渡る部分の線路幅が他の部分の線路幅よりも狭く、
前記給電線路は、開放終端点から動作帯域の中心周波数における4分の1実効波長の長さに渡る部分の中央部で、前記スロット領域と交差する請求項1に記載の可変スロットアンテナ。 - 誘電体基板を有する指向性可変スロットアンテナの駆動方法であって、
前記誘電体基板の裏面には、有限の面積の接地導体とスロット領域とが形成されており、
前記スロット領域は、前記接地導体を、第一の接地導体および第二の接地導体に分割し、
前記スロット領域の両端にはそれぞれ開放端が形成されており、
前記誘電体基板の裏面には、さらに、前記スロット領域を横断して前記第一の接地導体と前記第二の接地導体とを接続する少なくとも2つの選択的導通経路群が配置されており、
前記誘電体基板の表面には、前記スロット領域の長手方向中央付近の給電箇所において前記スロット領域と交差する給電線路が配置されており、
前記少なくとも2つの選択的導通経路群は、第1の選択的導通経路および第2の選択的導通経路を有しており、
スロット共振器長Lsを、前記第1の選択的導通経路と前記スロット領域の−X方向の先端に位置する開放端との間の距離、
スロット幅Wsを、前記第1の接地導体と前記第2の接地導体との間の距離と設定したとき、
前記第2の選択的導通経路と前記スロット領域のX方向の先端に位置する開放端との間の距離は、前記スロット共振器長Lsに等しく、
Wsが(Ls/8)以下である場合には、前記Lsが動作帯域の中心周波数f0に対して4分の1実効波長と同一の長さになるように設定され、
Wsが(Ls/8)を超える場合には、(2Ls+Ws)が動作帯域の中心周波数f0に対して2分の1実効波長と同一の長さになるように設定されており、
前記第1の選択的導通経路および第2の選択的導通経路は、前記誘電体基板の法線方向から前記指向性可変スロットアンテナを透過した透過平面視において、前記給電線路を間に挟み、
前記スロット領域の長手方向をX方向、前記給電線路の長手方向をY方向、前記誘電体基板の法線方向をZ方向と設定したとき、
前記開放端のうち、前記スロット領域のX方向の先端に位置する開放端と前記給電箇所との間に前記第1の選択的導通経路が配置されており、
前記開放端のうち、前記スロット領域の−X方向の先端に位置する開放端と前記給電箇所との間に前記第2の選択的導通経路が配置されており、
第1の選択的導通経路を導通状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路を開放状態に選択することにより、−X方向に主ビームを放射させる第1工程と、
第1の選択的導通経路を開放状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路を導通状態に選択することにより、X方向に主ビームを放射させる第2工程と、
を包含する指向性可変スロットアンテナの駆動方法。 - 前記給電箇所付近での前記給電線路と前記スロット領域形状とが鏡面対称に配置され、前記第一の方向と前記第二の方向とが鏡面対称な方向である請求項11に記載の可変スロットアンテナの駆動方法。
- 前記第一の方向と前記第二の方向が平行且つ逆向きである請求項12に記載の可変スロットアンテナの駆動方法。
- 前記給電線路の先端部が、開放終端点から動作帯域の中心周波数における4分の1実効波長の長さに渡って、特性インピーダンスが50Ωよりも高い線路により構成されたインダクティブ共振器領域に設定され、
前記インダクティブ共振器領域の中央部で、前記スロット領域と交差する請求項11に記載の可変スロットアンテナの駆動方法。 - 前記第1の選択的導通経路が、複数の部分を有している場合、
前記第1工程では、前記第1の選択的導通経路の前記複数の部分の少なくとも1つを導通状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路を開放状態に選択することにより、−X方向に主ビームを放射させ、
前記第2工程では、前記第1の選択的導通経路の前記複数の部分のすべてを開放状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路を導通状態に選択することにより、X方向に主ビームを放射させる、請求項11に記載の指向性可変スロットアンテナの駆動方法。 - 前記第2の選択的導通経路が、複数の部分を有している場合、
前記第1工程では、第1の選択的導通経路を導通状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路の前記複数の部分のすべてを開放状態に選択することにより、−X方向に主ビームを放射させ、
前記第2工程では、第1の選択的導通経路を開放状態に選択し、かつ第2の選択的導通経路の前記複数の部分の少なくとも1つを導通状態に選択することにより、X方向に主ビームを放射させる、請求項11に記載の指向性可変スロットアンテナの駆動方法。 - 前記スロット領域は、前記開放端に向かってテーパ状にスロット幅が広がっている部分を有している請求項11に記載の指向性可変スロットアンテナの駆動方法。
- 前記第一の接地導体および第二の接地導体の外縁のうち、前記スロット領域を介して対向する部分は、Z方向から見たときに複数の凹凸がX方向に沿って配列された平面形状を有している請求項11に記載の指向性可変スロットアンテナの駆動方法。
- 前記給電線路は一様な線路幅を有している請求項11に記載の指向性可変スロットアンテナの駆動方法。
- 前記給電線路において、開放終端点から動作帯域の中心周波数における4分の1実効波長の長さに渡る部分の線路幅が他の部分の線路幅よりも狭く、
前記給電線路は、開放終端点から動作帯域の中心周波数における4分の1実効波長の長さに渡る部分の中央部で、前記スロット領域と交差する請求項11に記載の可変スロットアンテナの駆動方法。
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