JP4527167B2 - アンテナ装置 - Google Patents
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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〜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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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