JP4238325B2 - 多周波共用マイクロストリップアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、複数の周波数で動作する多周波共用特性を備えたマイクロストリップアンテナ（以下、“ＭＳＡ”と略す。）に関し、素子の厚みを削減し、小型化することを可能にしたものである。

ＭＳＡは、放射導体と地導体（ＧＮＤ）との間の電界によって放射導体の端部に生じた磁流を波源として、電波を放射するアンテナである。
本発明者等は、先に、菱形の外形を有する平面状の放射素子に１または複数個のＶ字状のスリットを設けた多周波共用ＭＳＡを開発した（下記非特許文献１）。

この多周波共用ＭＳＡは、図１４に示すように、第１の絶縁基板２１に形成された菱形の金属導体層から成る放射素子２２と、第２の絶縁基板２３に形成されたＴ字形状の金属導体層から成る給電部２４と、第２の絶縁基板２３の裏面に設けられた地導体２５と、中心導体及び外側導体を有する同軸コネクタ２６とを備えている。
給電部２４のＴ字形状の金属導体層には、同軸コネクタ２６の中心導体の先端が、第２の絶縁基板２３を貫通して接続している。この給電部の構造は、“Ｌプローブ”と呼ばれるものであり、Ｌプローブは、広帯域な電磁結合型の給電が可能なプローブとして知られている。また、中心導体から絶縁された同軸コネクタ２６の外側導体は、地導体２５に接続している。
このように、第２の絶縁基板２３は、Ｌプローブ２４を保持する給電用基板としての役割を果たしており、アンテナ部基板である第１の絶縁基板２１と、Ｌプローブ２４を挟む形で積層される。
アンテナ部基板の第１の絶縁基板２１には、正三角形を２つ組み合わせた菱形形状の放射素子２２が形成されており、図１４（ｂ）、（ｃ）に示すように、Ｌプローブ２４は、この菱形の一方の鋭角位置に配置されている。
また、放射素子２２には、菱形の二辺に平行するＶ字型のスリットが３本（３１、３２、３３）形成されており、各スリット３１、３２、３３のＶ字はＬプローブの側に開いている（このＶ字型スリットを、以下 “逆Ｖ字型スリット”と呼ぶ。）。

この３本の逆Ｖ字型スリットにより、放射素子２２には、図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す４つの電流経路が形成され、Ｌプローブ２４から給電を受けた場合に、各電流経路に起因する共振現象が現れる。ここでは、最も長い電流経路（図１５（ａ））の電流分布に基づく現象を“１ｓｔモード”、２番目に長い電流経路（図１５（ｂ））の電流分布に基づく現象を“２ｎｄモード”、３番目に長い電流経路（図１５（ｃ））の電流分布に基づく現象を“３ｒｄモード”、最も短い電流経路（図１５（ｄ））の電流分布に基づく現象を “４ｔｈモード”と呼ぶことにする。
図１６は、このＭＳＡのリターンロス特性を示している。縦軸はリターンロスの値、横軸は周波数を示している。同図中の（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、それぞれ、１ｓｔモード、２ｎｄモード、３ｒｄモード及び４ｔｈモードによる共振現象に対応し、モードの次数が増加するに伴い、その共振周波数が高域側へ移行している。
このように、この多周波共用ＭＳＡは、共振周波数を異にする複数のモードを有しているため、マルチバンド特性を持つアンテナとして利用することができる。
四戸雄介、羽石操、木村雄一「マルチバンド特性を有するスリット装荷ひし形ＭＳＡについての一検討」２００５年電子情報通信学会総合大会講演論文集、Ｂ−１−１９９、ｐ１９９、２００５年２月

しかし、この多周波共用ＭＳＡは、放射素子２２が形成されたアンテナ部基板２１と、Ｌプローブ２４が形成された給電用基板２３とを正確に位置合せして組み立てる必要があるため、製造工程が複雑になる。また、二枚の基板を積層しているため、素子の厚みを薄くして小型化することが難しい。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、製造が容易であり、また、薄型化が可能な多周波共用ＭＳＡを提供することを目的としている。

本発明の多周波共用ＭＳＡは、菱形の外形を有する平面状の放射素子と、前記菱形の第１の鋭角と第２の鋭角とを結ぶ対角線の延長線上にあって、前記第１の鋭角の近傍に位置する給電点と、前記放射素子と同一の平面上にあって、前記給電点の位置を基点として、前記菱形の第１の鋭角を挟む二辺と平行にＶ字状に延びるスタブとを備え、前記放射素子が、前記対角線の上に基点を有し、且つ、前記第１の鋭角の側に開いたＶ字状のＶ型スリットを１または複数具備していることを特徴としている。
この多周波共用ＭＳＡは、給電用スタブが、菱形形状を有する放射素子と同一平面上にあるため、一枚の基板で構成することができる。

本発明の多周波共用ＭＳＡは、複数の基板を組み合わせる必要が無いため、製造が容易である。また、組み合わせ誤差が生じないため、高精度に製造することができる。さらに、一枚の基板で構成できるため、薄型化が可能である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る多周波共用ＭＳＡの構成を示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図、図１（ｃ）は放射素子及び給電スタブの拡大図である。図２は、この多周波共用ＭＳＡに形成される電流経路、図３は、この多周波共用ＭＳＡのリターンロス特性、図４は、この多周波共用ＭＳＡの放射パターン、図５は、この多周波共用ＭＳＡの利得特性をそれぞれ示している。

この多周波共用ＭＳＡは、絶縁基板４１の表面に形成された菱形の金属導体層から成る放射素子４２と、絶縁基板４１の表面に形成されたＶ字形状の金属導体層から成る給電スタブ４３と、絶縁基板４１の裏面に設けられた地導体４５と、中心導体及び外側導体を有する同軸コネクタ４６とを備えている。
同軸コネクタ４６の中心導体は、絶縁基板４１を貫通し、その先端がＶ字形状の給電スタブ４３に接続している。また、中心導体から絶縁された同軸コネクタ４６の外側導体は、絶縁基板４１の裏面で地導体４５に接続している。
絶縁基板４１の表面に形成された放射素子４２は、菱形形状を有し、同軸コネクタ４６の中心導体は、この菱形の鋭角を結ぶ対角線の延長線上であって、一方の鋭角に近い位置で給電スタブ４３と接続している（この鋭角を“第１鋭角”と呼び、他方の鋭角を“第２鋭角”と呼ぶことにする。）。Ｖ字形の給電スタブ４３は、同軸コネクタ４６の中心導体の位置を基点として、二方向に延びるスタブから成り、各スタブは、菱形の第１鋭角を挟む各辺と間隔を空けて平行している。
また、菱形の放射素子４２には、第１鋭角の側に開いた逆Ｖ字型スリットが３本（５１、５２、５３）形成されている。各逆Ｖ字型スリット（５１、５２、５３）の基点は、菱形の第１鋭角及び第２鋭角を結ぶ対角線上にあり、各スリットは、菱形の第２鋭角を挟む二辺のいずれかに平行している。

この多周波共用ＭＳＡでは、同軸コネクタ４６からの給電により、Ｖ字形の給電スタブ４３が給電線路となって、菱形の放射素子４２への電磁結合型の給電が行われ、３本の逆Ｖ字型スリットを持つ放射素子４２に、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す４つの相似形を成す菱形形状の電流経路が現れる。
図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す矢印は、電磁界シミュレータ（モーメント法を用いる電磁界シミュレータ（ＩＥ３Ｄ））で求めた各電流経路の電流分布を模式的に表している。このように、各電流経路には、それぞれの菱形の辺を通り、第１鋭角から他方の鋭角に一様に向かう電流分布が出現し、そのため放射素子４２には、各電流経路による１ｓｔモード、２ｎｄモード、３ｒｄモード及び４ｔｈモードの共振現象が現れる。

図３は、この多周波共用ＭＳＡのリターンロス特性を示している。ただし、図１に符号で示した多周波共用ＭＳＡの各種寸法諸元は次の通り設定した（単位はｍｍ）。
ｈ１＝２３．８、ｗ１＝０．４、ｗ２＝３．２、ｗ３＝１．２、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝０．４、ｇ１＝ｇ２＝ｇ３＝０．４、Ｐｗ＝１．５、Ｐｈ＝３．０、Ｐｄ＝０．４、Ｐｆ＝１．５、ｔ＝２．４、
また、絶縁基板４１には、テフロン（登録商標）グラスファイバ基板（ＰＴＦＥ基板、比誘電率εr＝２．６）を使用し、この基板に銅薄膜が被着されたプリント基板をエッチングして図１に示す放射素子４２と給電スタブ４３とを形成した。
図３は、縦軸にリターンロスの値、横軸に周波数を示している。図中、実線は実測値、点線はシミュレーション値を示している。
図３において、３．９０ＧＨｚ（ａ）にみられる共振現象は、１ｓｔモードの電流分布によるものであり、４．６４ＧＨｚ（ｂ）、７．００ＧＨｚ（ｃ）及び９．８８ＧＨｚ（ｄ）における共振現象は、各々、２ｎｄモード、３ｒｄモード及び４ｔｈモードの電流分布によるものである。このように、モードの次数が増加するに伴い、各々のモードに対応する電流経路の経路長が短縮化され、各モードの共振周波数が上昇している。

図４は、この多周波共用ＭＳＡの１ｓｔモード、２ｎｄモード、３ｒｄモード及び４ｔｈモードにおけるＥ面及びＨ面の放射パターンを（ａ）（ｂ）（ｃ）及び（ｄ）に示している。図中、実線で放射パターンの特性（実測値及びシミュレーション値）を示し、点線で交差偏波レベル（実測値及びシミュレーション値）を示している。この図から明らかのように、各モードの放射パターンは、Ｅ面、Ｈ面共に単向性の良好なパターンを示している。なお、主偏波において、放射パターン特性の実測値とシミュレーション値とは良く一致している。
また、図５は、この多周波共用ＭＳＡの各モードにおける利得（実測値及びシミュレーション値）を示している。この図から明らかのように、１ｓｔモード、２ｎｄモード、３ｒｄモード及び４ｔｈモードの全てにおいて４．０ｄＢｉ以上の利得が得られている。

このように、この多周波共用ＭＳＡは、複数の周波数に共振するマルチバンド特性を備えており、異なる周波数を使用する多種類の通信に対応することができる。
なお、ここでは、この多周波共用ＭＳＡの放射特性について説明したが、このＭＳＡを受信アンテナとして使用する場合に、全く同じ特性が得られることは、アンテナの“相反性”から自明である。
また、ここでは、基板としてテフロン（登録商標）グラスファイバ基板を使用し、この基板に被着された銅薄膜をエッチングして平面状放射素子４２とＶ字状給電スタブ４３とを形成する場合について説明したが、本発明は、それに限るものではなく、例えば、セラミックスグリーンシートに金属粉末を含むメタライズドペーストで平面状放射素子とＶ字状給電スタブとの導体パターンを印刷し、それを焼成するような方法で形成しても良い。

この多周波共用ＭＳＡでは、同一平面上の放射素子と給電スタブとのパターンを、エッチングや印刷等の技術を用いて、同時に、且つ、高い精度で形成することができる。そのため、この多周波共用ＭＳＡは、製造が容易であり、また、高精度のものを得ることができる。さらに、一枚の基板で構成できるため、薄型化が可能である。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、放射素子の逆Ｖ字型スリットが一本の場合の特性について説明する。
図６は、第２の実施形態に係る多周波共用ＭＳＡの構成を示す図であり、図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は断面図、図６（ｃ）は放射素子及び給電スタブの拡大図である。図７は、この多周波共用ＭＳＡに形成される電流経路を示し、図８は、逆Ｖ字型スリットの位置を変えたときの共振周波数の変化を示している。
この多周波共用ＭＳＡは、放射素子４２に形成した逆Ｖ字型スリット５１が一本である点を除き、第１の実施形態の多周波共用ＭＳＡ（図１）と同じ構成である。図６では、この一本の逆Ｖ字型スリット５１を、第１の実施形態の逆Ｖ字型スリット５１と同じ位置に設けている。この多周波共用ＭＳＡの各種寸法諸元は、Ｐｈ＝４．０に変更した点を除けば、第１の実施形態と変わりがない。

この多周波共用ＭＳＡでは、同軸コネクタ４６からの給電により、図７（ａ）（ｂ）に示す２つの相似形を成す菱形形状の電流経路が放射素子４２に形成され、各電流経路による１ｓｔモード及び２ｎｄモードの共振現象が現れる。
図８のグラフは、Ｗ１の幅を変えて逆Ｖ字型スリット５１の位置を動かしたときのＷ１（横軸）と共振周波数（縦軸）との関係を示している。
この図から明らかなように、逆Ｖ字型スリットの位置を移動することで、１ｓｔモードの共振周波数（実線）を略一定値に保ったまま、２ｎｄモードの共振周波数（点線）を変化させることができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態では、放射素子の逆Ｖ字型スリットの本数を増やした場合の特性について説明する。
図９は、第３の実施形態に係る多周波共用ＭＳＡの構成を示す図であり、図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）は断面図、図９（ｃ）は放射素子及び給電スタブの拡大図である。図１０は、この多周波共用ＭＳＡに形成される電流経路、図１１は、この多周波共用ＭＳＡのリターンロス特性、図１２及び図１３は、この多周波共用ＭＳＡの放射パターンをそれぞれ示している。

この多周波共用ＭＳＡは、放射素子４２に形成した逆Ｖ字型スリットが６本（５１、５２、５３、５４、５５、５６）である点を除き、第１の実施形態の多周波共用ＭＳＡ（図１）と同じ構成である。図９に符号で示した多周波共用ＭＳＡの各種寸法諸元は次の通り設定した（単位はｍｍ）。
ｈ１＝２３．８、ｗ１＝０．４、ｗ２＝１．２、ｗ３＝０．８、ｗ４＝ｗ５＝ｗ６＝０．４、ｄ１〜ｄ６＝０．４、ｇ１〜ｇ６＝０．４、Ｐｗ＝１．５、Ｐｈ＝３．０、Ｐｄ＝０．４、Ｐｆ＝１．５、ｔ＝２．４、
この多周波共用ＭＳＡでは、同軸コネクタ４６からの給電により、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）に示す７つの相似形を成す菱形形状の電流経路が放射素子４２に形成され、各電流経路による１ｓｔモード、２ｎｄモード、３ｒｄモード、４ｔｈモード、５ｔｈモード、６ｔｈモード及７ｔｈモードの共振現象が現れる。

図１１は、この多周波共用ＭＳＡのリターンロス特性を示している。図１１において、３．６３ＧＨｚ（ａ）の共振現象は、１ｓｔモードの電流分布によるものであり、４．４５ＧＨｚ（ｂ）、５．２５ＧＨｚ（ｃ）、６．０５ＧＨｚ（ｄ）、６・７８ＧＨｚ（ｅ）、７．７３ＧＨｚ（ｆ）及び９・８７ＧＨｚ（ｇ）における共振現象は、各々、２ｎｄモード、３ｒｄモード、４ｔｈモード、５ｔｈモード、６ｔｈモード及７ｔｈモードの電流分布によるものである。
また、この多周波共用ＭＳＡの１ｓｔモード、２ｎｄモード、３ｒｄモード及び４ｔｈモードにおける放射パターンを、図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）及び（ｄ）として示し、この多周波共用ＭＳＡの５ｔｈモード、６ｔｈモード及び７ｔｈモードにおける放射パターンを、図１３（ｅ）（ｆ）及び（ｇ）として示している。図中、細実線はＥ面の放射パターン特性を示し、太実線はＨ面の放射パターン特性を示している。また、点線は交差偏波レベルを示している。

これらの実施形態から明らかなように、この多周波共用ＭＳＡでは、逆Ｖ字型スリットの本数とモード数とが対応している。そのため、この多周波共用ＭＳＡでは、逆Ｖ字型スリットの本数を選択することにより、モード数を自由に設定できる。
また、この多周波共用ＭＳＡでは、逆Ｖ字型スリットの位置と各モードの共振長とが対応している。そのため、この多周波共用ＭＳＡでは、逆Ｖ字型スリットの位置を選択することにより、各モードの共振周波数を自由に調整できる。
こうした特性は、非特許文献１に記載した二層構造の多周波共用ＭＳＡも有している。本発明の多周波共用ＭＳＡは、二層構造の多周波共用ＭＳＡと同じ特性を一層構造で実現することができる。
そのため、本発明は、モード数や共振周波数を自由に設定できると共に、薄型化・小型化が可能であり、さらに、製造が容易で、精度の高い多周波共用ＭＳＡを得ることができる。

この多周波共用ＭＳＡは、例えば、ＧＳＭ、ＤＣＳ及びＰＣＳ方式を受信するセルラ電話用３周波共用マルチバンドアンテナとして用いることができ、また、無線ＬＡＮ用（５．０ＧＨｚ帯）及びＶＩＣＳ用（２．４ＧＨｚ帯）のマルチバンドアンテナとしての応用などを想定することができる。また、どの周波数帯にも対応可能なアンテナとして使用することもできる。

本発明は、移動通信を始めとして、各分野で多周波共用のアンテナとして広く利用することができ、また、アンテナを使用する既存分野において、どの周波数帯にも対応可能なアンテナとして、広く用いることができる。

本発明の第１の実施形態に係る多周波共用ＭＳＡの構成を示す図 図１の多周波共用ＭＳＡに形成される電流経路を示す図 図１の多周波共用ＭＳＡのリターンロス特性を示す図 図１の多周波共用ＭＳＡの放射パターンを示す図 図１の多周波共用ＭＳＡの利得特性を示す図 本発明の第２の実施形態に係る多周波共用ＭＳＡの構成を示す図 図６の多周波共用ＭＳＡに形成される電流経路を示す図 図６の多周波共用ＭＳＡにおいて逆Ｖ字型スリットの位置を変えたときの共振周波数の変化を示す図 本発明の第３の実施形態に係る多周波共用ＭＳＡの構成を示す図 図９の多周波共用ＭＳＡに形成される電流経路を示す図 図９の多周波共用ＭＳＡのリターンロス特性を示す図 図９の多周波共用ＭＳＡにおける１ｓｔモード〜４ｔｈモードの放射パターンを示す図 図９の多周波共用ＭＳＡにおける５ｔｈモード〜７ｔｈモードの放射パターンを示す図 従来の多周波共用ＭＳＡの構成を示す図 従来の多周波共用ＭＳＡに形成される電流経路を示す図 従来の多周波共用ＭＳＡのリターンロス特性を示す図

符号の説明

２１ 第１の絶縁基板
２２ 放射素子
２３ 第２の絶縁基板
２４ Ｌプローブ
２５ 地導体
２６ 同軸コネクタ
３１ 逆Ｖ字型スリット
３２ 逆Ｖ字型スリット
３３ 逆Ｖ字型スリット
４１ 絶縁基板
４２ 放射素子
４３ 給電スタブ
４５ 地導体
４６ 同軸コネクタ
５１ 逆Ｖ字型スリット
５２ 逆Ｖ字型スリット
５３ 逆Ｖ字型スリット
５４ 逆Ｖ字型スリット
５５ 逆Ｖ字型スリット
５６ 逆Ｖ字型スリット

Claims (2)

1. 菱形の外形を有する平面状の放射素子と、
   前記菱形の第１の鋭角と第２の鋭角とを結ぶ対角線の延長線上にあって、前記第１の鋭角の近傍に位置する給電点と、
   前記放射素子と同一の平面上にあって、前記給電点の位置を基点として、前記菱形の第１の鋭角を挟む二辺と平行にＶ字状に延びるスタブと
   を備え、前記放射素子が、前記対角線の上に基点を有し、且つ、前記第１の鋭角の側に開いたＶ字状のＶ型スリットを１または複数具備していることを特徴とする多周波共用マイクロストリップアンテナ。
2. 請求項１に記載の多周波共用マイクロストリップアンテナであって、前記Ｖ型スリットの各辺が前記菱形の第２の鋭角を挟む二辺に平行していることを特徴とする多周波共用マイクロストリップアンテナ。