JP4527167B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、バイアス線の影響を低減させた偏波切替機能を有する平面アンテナを、スイッチを装荷することにより実現させたアンテナ装置に関するものである。

近年の高周波帯での通信・レーダシステムの開発に伴い、より小形、高性能なアンテナの需要が高まっている。ここで言う高性能とは、広い周波数帯域で動作可能なこと、多周波で共振特性を持つこと、左旋／右旋あるいは垂直／水平、あるいはそれら４種の偏波の切替機能・または共有機能を持つことが例として挙げられる。また、アンテナの小型化は、ひいてはレーダ・通信機器の小型化、消費電力の低減へとつながる。

偏波を切替える従来のアンテナ装置について図８を参照しながら説明する（例えば、非特許文献１参照）。図８（ａ）は、従来のアンテナ装置の平面図、図８（ｂ）は、（ａ）の中央部分の断面図である。このアンテナ装置は、マイクロストリップアンテナ２１の内部に十字型のスロット２３と、その中央にスター型に４個のＰＩＮダイオード２２を装荷し、スイッチを切替えてアンテナ上に流れる電流の向きを変えることで垂直／水平偏波を切替えている。このアンテナ装置では、バイアス線を含むダイオード制御装置２７は、アンテナ基板（誘電体基板）２５下に設けられているが、パッチアンテナの中心近傍の給電点２４から同軸線路によって給電する場合には、このバイアス線がアンテナ特性に影響を及ぼすことが懸念される。なお、誘電体基板２５の裏面には、地導体２６が設けられている。

平面アンテナで偏波切替機能を持たせる場合は、先に例として挙げたアンテナのようにアンテナパターン内にスロットとスイッチを設け、スイッチの切替によりアンテナ上の電流の流れを変えることが有効である。しかし、先に述べたようにバイアス線を基板下に配線することは、給電を中心から行なう場合に特性に影響を及ぼす。この影響を回避するためにバイアス線をアンテナと同一平面上に配線する場合、アンテナパターンとバイアス線に交差する部分が生じ、バイアス線をパターニングで基板上に作成する場合する際に問題となる。

さらに、アンテナと同一平面上にバイアス線を配線した場合、バイアス線にＲＦ信号が伝搬しアンテナ特性に、例えば共振周波数、放射パターンのずれ等の影響を及ぼすため、何らかの対策を講じる必要があった。

西山英輔、竹中公一、相川正義共著"直交偏波機能を有するマイクロストリップアンテナ"電子情報通信学会論文誌Ｂ、Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｂ、Ｎｏ．９、ｐｐ．１５１９−１５２５、２００２年９月。

上述したように、従来のアンテナ装置では、パッチアンテナの中心近傍から同軸線路によって給電する場合には、このバイアス線がアンテナ特性に影響を及ぼすことが懸念され、また、バイアス線をアンテナと同一平面上に配線する場合、アンテナパターンとバイアス線に交差する部分が生じ、バイアス線をパターニングで基板上に作成する場合する際に問題となり、さらに、アンテナと同一平面上にバイアス線を配線した場合、バイアス線にＲＦ信号が伝搬しアンテナ特性に影響を及ぼすため、何らかの対策を講じる必要があるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、平面アンテナにおいて、バイアス線の影響を低減することができるアンテナ装置を得るものである。

この発明に係るアンテナ装置は、平面矩形パッチアンテナであって、誘電体基板と、前記誘電体基板の裏面に形成された地導体と、前記誘電体基板の表面に形成された矩形の環状の第１の導体と、前記誘電体基板の表面、かつ閉じた環状の第１のスロットを形成するように、前記第１の導体の内側に形成された矩形の第２の導体と、前記第１の導体及び前記第２の導体を結合するように前記矩形の第１及び第２の導体の対角線上に配置されたスイッチと、前記第１及び第２の導体と同一平面上に配線され、前記スイッチを制御するバイアス線と、前記バイアス線に接続され、波長の１／４の長さを有する先端開放スタブとを設け、前記矩形の第１の導体の隅付近には、前記バイアス線の下に前記バイアス線の幅よりも幅広の第２のスロットが形成され、前記バイアス線は、前記第１の導体と前記第２のスロットが交差する部分では前記第１の導体上を橋げた状に渡されて配線され、給電点が前記第２の導体の中心に配置されているものである。

この発明に係るアンテナ装置は、平面アンテナにおいて、バイアス線の影響を低減することができるという効果を奏する。

この発明の実施例１に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図１の領域９の断面を拡大して示す図である。 この発明の実施例２に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 この発明の実施例２に係るアンテナ装置の反射特性を示す図である。 この発明の実施例２に係るアンテナ装置の放射特性を示す図である。 この発明の実施例３に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 この発明の実施例３に係るアンテナ装置の別の構成を示す図である。 従来のアンテナ装置の構成を示す図である。

この発明の実施例１〜実施例３について以下説明する。

この発明の実施例１に係るアンテナ装置について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施例１に係るアンテナ装置（平面アンテナ）の構成を示す斜視図である。また、図２は、図１の領域９の断面を拡大して示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この実施例１に係るアンテナ装置（平面アンテナ）は、誘電体基板１と、誘電体基板１の裏面に形成された地導体２と、誘電体基板１の表面に形成された四角形の環状の第１の導体３と、誘電体基板１の表面の第１の導体３の内側に形成された四角形の第２の導体４と、四角形の環状のスロット５と、バイアス線６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｅ）と、バイアス線６にそれぞれに接続された先端開放スタブ７と、第１の導体３にあけられた４個の四角形のスロット（開口部）８と、４個のスイッチ１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｅ）とが設けられている。

図２において、バイアス線６ｃに沿った断面を示し、誘電体基板１上に形成された第１の導体３のスロット８部分の断面が表され、バイアス線６ｃが第１の導体３の上を橋げた上に渡されている。バイアス電圧の印加がない場合には、スイッチ１０はＯＦＦ状態であり、第１の導体３と第２の導体４はつながれていない。

つぎに、この実施例１に係るアンテナ装置の動作について図面を参照しながら説明する。

給電は、同軸線路等により第２の導体４の中心へ行われる。第２の導体４へ給電すると同時に、バイアス線６にバイアス電圧を印加し、スイッチ１０のＯＮ／ＯＦＦを制御する。このとき、制御するスイッチ１０は所望の偏波方向に応じて選択される。

例えば、図１において紙面の上下方向に平行に主偏波方向を向けたい場合には、バイアス線６ａ、６ｂにバイアス電圧を印加し、スイッチ１０ａ、１０ｂをＯＮ、すなわちスイッチ１０ａ、１０ｂの部分において第１の導体３と第２の導体４を接続する。こうすることにより、スロット５の形状が変化し、第１の導体３、第２の導体４上を流れる電流の向きが変わり所望の方向へ偏波を向けることが可能となる。

なお、第１の導体３と第２の導体４の大きさ、スロット５の幅は、所望の周波数で整合が取れるように予め最適化されている。整合は第１の導体３と第２の導体４の大きさ、スロット５の幅の相互作用によって取ることができるが、整合が取れた場合、共振周波数は第１の導体３の大きさへの依存度が高い。

ここで、第１の導体３にあけられたスロット８は、第１の導体３上を流れる電流の経路に対しできるだけ影響を及ぼさない程度の大きさであることが望ましい。しかし、バイアス線６に電圧が印加されたとき、第１の導体３の上に渡されたバイアス線６と第１の導体３とがコンデンサを形成し、両者をひきつける向きに静電気力が生じる。この大きさは両者の距離、対向する部分の面積、バイアス線６の材質のヤング率やばね定数に依存する。よって、バイアス線６の幅と長さは上記を考慮して選択されなければならない。

さて、スイッチ１０がＯＮされると、第２の導体４へも電流が流れるようになり、バイアス線６にＲＦ信号が伝搬する。ここでバイアス線６に反射点がありＲＦ信号が多重反射を起こすと、アンテナ特性に影響を及ぼし、共振周波数のずれや交差偏波成分の増加を引き起こす。

このとき、スタブ７がその長さを開放端からλ／４として、第１の導体３のエッジからλ／４の位置にスタブ７がバイアス線６に取り付けられると、第１の導体３のエッジから先のバイアス線６があたかも開放端にみえ、ＲＦ信号の伝搬を低減させ、前記のような影響を抑えることができる。ここで、スタブ７の長さやエッジからの距離は、厳密にλ／４ではなく、設計時に最適化される。

この発明の実施例２に係るアンテナ装置について図３から図５までを参照しながら説明する。図３は、この発明の実施例２に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。また、図４は、この発明の実施例２に係るアンテナ装置の反射特性を示す図である。さらに、図５は、この発明の実施例２に係るアンテナ装置の放射特性を示す図である。

ここで、図１と同様であり説明を要しないものにはその符号を省略する。図３において、導体パターン１１は、第１の導体３と第２の導体４を接続している。

図３において、バイアス線６にバイアス電圧を印加することによりスイッチ１０のＯＮ／ＯＦＦを制御することは上記実施例１と同様である。しかし、偏波を切替える際に制御するスイッチ１０が所望の偏波方向に対し一つであるため、バイアス線６の配線やバイアス回路の構成が容易となる。

また、導体パターン１１の存在により、第１の導体３と第２の導体４の電位が等しくなる。同電位であれば、ＯＦＦ時に図２で示したような、バイアス線６と平面アンテナ（第１の導体３）によって形成されたコンデンサ内に蓄積された電荷が、スイッチ１０がＯＮになった際に急激に流れ出ることによるスイッチ１０への負担が低減される。

次に、本実施例２に係るアンテナ装置を数値解析した結果について説明する。本実施例２に係るアンテナ装置の計算した反射特性を図４に示す。図４において、実線ａは図３に示した構造の場合、一点鎖線ｂはバイアス線６のない、第１の導体３と第２の導体４とスイッチ１０のみで解析した場合、破線ｃはバイアス線６にスタブ７をつけない場合の計算結果である。このようにスタブ７をつけることにより、つけない場合で上昇していた反射特性を、バイアス線６が無い場合と同等のレベルまで改善できていることが分かる。

本実施例２に係るアンテナ装置の計算した放射特性を図５に示す。図５において、ｄ、ｅ、ｆ、ｇは放射パターンの偏波成分である。座標系は図３内に示したものとし、スイッチ１０ｂをＯＮ、スイッチ１０ｃをＯＦＦとした場合とする。図５（ａ）はφ＝９０°におけるカット面、（ｂ）はφ＝０°におけるカット面を示す。細線ｅ、ｇはφ成分、太線ｄ、ｆはθ成分である。スイッチ１０ｂをＯＮとした場合、主偏波方向は紙面上下方向となる。よって、φ＝９０°ではθ成分、φ＝０°ではφ成分が主偏波成分となる。図５の結果はこのことを示しており、また交差偏波成分も抑えられていることを示している。一方、スイッチ１０ｃをＯＮ、スイッチ１０ｂをＯＦＦとした場合は、偏波方向が紙面左右横方向となり、φ＝０°ではθ成分、φ＝９０°ではφ成分が主偏波成分となる。このように偏波方向を切替えることが可能である。

この発明の実施例３に係るアンテナ装置について図６及び図７を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施例３に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。また、図７は、この発明の実施例３に係るアンテナ装置の別の構成を示す図である。

図６（ａ）は平面アンテナ（アンテナ装置）の表面斜視図、図６（ｂ）は平面アンテナ（アンテナ装置）の裏面斜視図である。図６において、図１と同様のものはその符号を省略する。スロット１２がバイアス線６の下の地導体２に開けられている。

スイッチ１０のＯＮ／ＯＦＦにより偏波方向を切り替えることは上記実施例１と同様である。λ／２程度の長さをもつスロット１２を、第１の導体３のエッジからλ／２の整数倍の長さの位置に開ける。この様にすれば、前述した先端開放スタブ７と同様の作用により、第１の導体３のエッジにおいてバイアス線６がＲＦ信号にはあたかも開放端のようにみなせ、ＲＦ信号の伝播を低減できる。ここで、スロット１２の長さ、位置は厳密にそれぞれλ／２や、λ／２の整数倍ではなく、設計時に最適化を行なう。

前述した各平面アンテナ（アンテナ装置）において、スイッチ１０は、マイクロマシニング技術を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スイッチであっても良い。この場合、平面アンテナパターン３、４、スイッチ１０、バイアス線６を一体形成できるため加工精度が向上する。マイクロマシニング技術は、ミクロン単位の加工を可能とするため、アンテナの物理的なサイズが小さくなる高周波帯において非常に有効である。

また、前述した各平面アンテナ（アンテナ装置）において、バイアス線６に高い抵抗率を持つ材質を用いることにより、ＲＦ信号をより減衰させ、アンテナ特性に与える影響を低減することができる。

ＲＦ信号の伝搬を低減するための手段として、前述した先端開放スタブ７、地導体２に設けたスロット１２の他に、図７に示したように、バイアス線６に対して並列にコンデンサを形成するような導体パターン１３を形成しても良い。

前述した平面アンテナ（アンテナ装置）のバイアス線６の配線場所は、必ずしも図１〜図７に示した通りである必要は無く、平面アンテナを中心としてバイアス線を十字型に配線することも可能である。この場合、偏波を切替えた場合でもバイアス線の相対的な位置が変化しないため、偏波を変えた場合の運用時に特性の変化を抑える事が出来る。

前述した平面アンテナ装置（アンテナ装置）において、形状は必ずしも矩形である必要は無く、多角形であっても良い。また、偏波切替機能を持たせるため以外の用途にてスイッチを負荷する必要があった場合にも、本発明のようにアンテナパターン上を橋げた状に渡し、スタブを設ける方法は有効である。

Claims (6)

1. 平面矩形パッチアンテナであって、
   誘電体基板と、
   前記誘電体基板の裏面に形成された地導体と、
   前記誘電体基板の表面に形成された矩形の環状の第１の導体と、
   前記誘電体基板の表面、かつ閉じた環状の第１のスロットを形成するように、前記第１の導体の内側に形成された矩形の第２の導体と、
   前記第１の導体及び前記第２の導体を結合するように前記矩形の第１及び第２の導体の対角線上に配置されたスイッチと、
   前記第１及び第２の導体と同一平面上に配線され、前記スイッチを制御するバイアス線と、
   前記バイアス線に接続され、波長の１／４の長さを有する先端開放スタブとを備え、
   前記矩形の第１の導体の隅付近には、前記バイアス線の下に前記バイアス線の幅よりも幅広の第２のスロットが形成され、
   前記バイアス線は、前記第１の導体と前記第２のスロットが交差する部分では前記第１の導体上を橋げた状に渡されて配線され、
   給電点が前記第２の導体の中心に配置されている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記スイッチは、前記矩形の第１及び第２の導体の２つの対角線上に配置された４個であり、
   前記バイアス線は、４個のスイッチをそれぞれ制御する４本であり、
   前記先端開放スタブは、４本のバイアス線にそれぞれ接続された４本であり、
   かつ
   前記第２のスロットは、４個のスイッチに対応して４個である
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記スイッチは、前記矩形の第１及び第２の導体の第１の対角線上に配置された２個であり、
   前記バイアス線は、２個のスイッチをそれぞれ制御する２本であり、
   前記先端開放スタブは、２本のバイアス線にそれぞれ接続された２本であり、
   かつ
   前記第２のスロットは、２個のスイッチに対応して２個であり、
   前記矩形の第１及び第２の導体の前記第１の対角線とは別の第２の対角線上において第１及び第２の導体を接続するように前記環状の第１のスロットをまたいで形成された導体パターンをさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 平面矩形パッチアンテナであって、
   誘電体基板と、
   前記誘電体基板の裏面に形成された地導体と、
   前記誘電体基板の表面に形成された矩形の環状の第１の導体と、
   前記誘電体基板の表面、かつ閉じた環状の第１のスロットを形成するように、前記第１の導体の内側に形成された矩形の第２の導体と、
   前記第１の導体及び前記第２の導体を結合するように前記矩形の第１及び第２の導体の対角線上に配置されたスイッチと、
   前記第１及び第２の導体と同一平面上に配線され、前記スイッチを制御するバイアス線とを備え、
   前記矩形の第１の導体の隅付近には、前記バイアス線の下に前記バイアス線の幅よりも幅広の第２のスロットが形成され、
   前記バイアス線は、前記第１の導体と前記第２のスロットが交差する部分では前記第１の導体上を橋げた状に渡されて配線され、
   前記地導体には、前記バイアス線と直交するように、波長の１／２の長さを有する第３のスロットが形成され、
   給電点が前記第２の導体の中心に配置されている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
5. 前記スイッチは、前記矩形の第１及び第２の導体の２つの対角線上に配置された４個であり、
   前記バイアス線は、４個のスイッチをそれぞれ制御する４本であり、
   前記第２のスロットは、４個のスイッチに対応して４個であり、
   かつ
   前記第３のスロットは、４本のバイアス線に対応して４個である
   ことを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
6. 前記スイッチは、ＭＥＭＳスイッチである
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載のアンテナ装置。

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