JP5581245B2

JP5581245B2 - パッチアンテナ

Info

Publication number: JP5581245B2
Application number: JP2011042589A
Authority: JP
Inventors: 橋本　　修; 壮紀安住; 昂大高橋; 長久平田; 直樹佐野
Original assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: JP2012182550A

Description

本発明は、パッチアンテナに関する。

パッチアンテナは、周知のように誘電体基板の片面（表面）にアンテナエレメント（導電体薄膜）を設け、また誘電体基板の裏面に接地用の導電体薄膜を設けたものであり、マイクロストリップアンテナ（Microstrip Antenna）とも呼ばれている。下記非特許文献１，２には、誘電体基板上に２つのアンテナエレメントを併設した場合、つまり２つのアンテナを同一の誘電体基板に設けた場合において、両アンテナのアイソレーション特性（相互結合特性）を向上させる技術が記載されている。すなわち、この技術は、２つのアンテナエレメント間に金属板を設けたり、あるいは接地用の導電体薄膜にスリットを形成することによりアイソレーション特性の向上を図るものである。

小野田倫之他，２つのアンテナ間における相互結合量低減の基礎的検討，信学総大，p.235，Mar.2009 山根貴宏他，ＩＭＴ−２０００ブースタ装置用アンテナにおける相互結合量低減法，信学技報，AP2004-49，pp.49-54，July 2004.

しかしながら、このような従来技術において、アンテナエレメント間に金属板を設ける技術には、各アンテナの放射パターンに歪みが生じる、つまりアンテナエレメントに垂直な放射方向を放射中心とした場合に左右の放射パターンの対称性が崩れるという問題がある。また、接地用の導電体薄膜にスリットを形成する技術については、特定の周波数帯域においてはアイソレーション特性を向上させる効果があるものの、十分な効果が得られない周波数帯域（例えば８〜９ＧＨｚ帯）が存在するという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、パッチアンテナにおける放射パターンの歪みを抑制しつつアイソレーション特性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、誘電体基板上に複数のアンテナエレメントが併設されたパッチアンテナであって、アンテナエレメント間に設けられた導電体と、該導電体の周りに接触状態で設けられた電波吸収体とを具備する、という手段を採用する。

また、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、各アンテナエレメントは、同一の矩形状、かつ各辺が互いに平行対峙する状態で誘電体基板上に設けられており、導電体は、互いに平行対峙する各辺間の中間位置に各辺に平行に設けられる板材であり、電波吸収体は、板材の両面に設けられる、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、電波吸収体は、炭化ケイ素繊維ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）である、という手段を採用する。

本発明によれば、アンテナエレメント間に設けられた導電体と該導電体の周りに接触状態で設けられた電波吸収体とを具備するので、パッチアンテナにおける放射パターンの歪みを抑制しつつアイソレーション特性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るパッチアンテナＡの構成を示す斜視図である。本発明の実施形態に係るパッチアンテナＡの反射特性（ａ）、アイソレーション特性（ｂ）及び磁界面の放射特性（ｃ）を示す特性図である。本発明の実施形態において電波吸収体５の高さを変更した場合の反射特性を示す図である。本発明の実施形態において電波吸収体５の幅を変更した場合の放射パターンを示す図である。本発明の実施形態における数値解析モデルの形状を示す斜視図である。本発明の実施形態における数値解析モデルのアイソレーション特性（ａ）及び放射特性（ｂ）を示す特性図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るパッチアンテナＡは、図１に示すように、誘電体基板１、２つのアンテナエレメント２、グラントパターン３、金属板４（導電体）、２つの電波吸収体５及び２本の給電線６から構成されている。

誘電体基板１は、図示するように円形基板であり、所定の誘電率を有する絶縁体からなる。この誘電体基板１は、直径３０ｍｍ、厚さ１．２７ｍｍ、また誘電率１０．２、誘電正接０．００２３である。２つのアンテナエレメント２は、矩形状かつ互いに同一サイズの導電体薄膜（例えば銅箔）であり、一定距離を隔てた状態で上記誘電体基板１の片面（表面）上に併設されている。より詳細には、矩形状の各アンテナエレメント２は、円形な誘電体基板１の中心に対して点対称な状態、つまり互いに対峙する各辺が平行かつ中心から等距離な状態で配置されている。例えば、２つのアンテナエレメント２は、４．５１ｍｍ×６．１７ｍｍの矩形状、また互いの間隔は例えば９．１ｍｍである。

グラントパターン３は、上記誘電体基板１の裏面を覆うように設けられた導電体薄膜（例えば銅箔）である。このグラントパターン３は、給電線６の構成要素であるグランド線を介して接地される。

金属板４は、アルミニウム製の矩形板であり、誘電体基板１の中心に上記誘電体基板１に垂直な状態かつ各アンテナエレメント２と平行な状態で設けられている。この金属板４は、例えば高さ１２ｍｍ、幅１２ｍｍの正方形である。

２つの電波吸収体５は、電波吸収性能を有する炭化ケイ素繊維ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）からなり、上記金属板４の周りに接触状態で設けられた誘電損失材である。すなわち、各電波吸収体５は、上記金属板４の各表面を覆うように設けられた直方体形状の炭化ケイ素繊維ＦＲＰである。このような各電波吸収体５の形状は、高さ１２ｍｍ、幅１２ｍｍであり、また厚さが例えば３．５ｍｍである。また、このような各電波吸収体５は、複素比誘電率２１．０−ｊ５．７であり、８．５ＧＨｚ付近で、２０ｄＢ程度の吸収量を示す。

２つの給電線６は、２つのアンテナエレメント２に対応して設けられており、各アンテナエレメント２に個別に電力を給電するためのものである。各給電線６は、図示するように一端が誘電体基板１の裏面側に位置するように設けられており、誘電体基板１及びグラントパターン３に孔を形成することにより各々の芯線がアンテナエレメント２に接続されると共に、各々のグランド線がグラントパターン３にそれぞれ接続されている。

なお、このような各給電線６の他端は送信回路や受信回路に接続され、一方のアンテナエレメント２を送信アンテナとして、また他方のアンテナエレメント２を受信アンテナとして機能させることができる。

次に、このようなパッチアンテナＡの性能について図２を参照して説明する。
図２は、７〜１０ＧＨｚ帯における各アンテナエレメント２の反射特性（ａ）、アイソレーション特性（ｂ）及び磁界面の放射特性（ｃ）の実測値と解析値を示す特性図である。なお、この図２では、各アンテナエレメント２の場合（本発明）に加えて、パッチアンテナＡから２つの電波吸収体５を除去した場合（従来）の実測値と解析値を比較例として示している。

これら実測値と解析値とを比較すると、実測値と解析値とが良好に一致していることがわかる。また、電波吸収体５の設置は反射特性に殆ど影響を与えないと共に、電波吸収体５の追加設置によってアイソレーション特性の大幅な改善が図れることがわかる。すなわち、反射特性（ａ）及び放射特性（ｃ）について電波吸収体５の有無を比較すると、何れも大きな差はなく、また電波吸収体５を追加設置しても放射パターンが殆ど歪まないことがわかる。一方、アイソレーション特性（ｂ）について電波吸収体５の有無を比較すると、８．５ＧＨｚにおいて約１０ｄＢのアイソレーション特性の改善が認められる。

なお、図３は、電波吸収体５の高さ（ｈ）を変更した場合の反射特性であり、上述した１２ｍｍの高さにおいて特性が最も良好であることがわかる。また、図４は、電波吸収体５の幅を変更した場合の放射パターンであり、電波吸収体５の幅が小さいほど歪みの少ない良好な放射パターンとなり、上述した１２ｍｍの幅において十分に良好な放射パターンであることがわかる。

このような本実施形態によれば、金属板４の両面に電波吸収体５を配置することにより、各アンテナエレメント２の放射パターンを歪ませることなく、各アンテナエレメント２間のアイソレーション特性を向上させることができる。このような電波吸収体５の設置効果は、電波吸収体５が金属板４のようにマイクロ波を反射するのではなくマイクロ波を吸収するので、各アンテナエレメント２間での相互結合が抑制されるためと考えられる。

このような本実施形態に係るパッチアンテナＡは、例えばＣＷドップラセンサ用のアンテナに用いることが考えられる。周知のように、ＣＷドップラセンサは、電波（送信波）を移動体に放射して得られる反射波のドップラシフト量（周波数変移量）に基づいて移動体の速度を検出する装置である。このようなＣＷドップラセンサでは、通常、単一のアンテナを送信用と受信用とに共用しており、このような構成を採用するが故に高周波用のサーキュレータ（方向性結合器）を部品として備える必要がある。この高周波用のサーキュレータには、送信波の受信側への漏れ量が少ないものを使用する必要がある。

本実施形態に係るパッチアンテナＡによれば、ＣＷドップラセンサに適用した場合に、部品としての高周波用のサーキュレータを削除することができるので、コスト削減を実現することが可能であり、かつ、送信用のアンテナエレメント２から受信用のアンテナエレメント２に送信波の一部が漏れ込む量を従来よりも低減することが可能なので、外乱ノイズの少ないより測定精度の高いＣＷドップラセンサを実現することができる。

続いて、このようなパッチアンテナＡの設計に先立って行ったシミュレーション検討について、図５及び図６を参照して説明する。なお、このシミュレーション検討は、上述した電波吸収体５の効果を確認するために予備的に行ったものである。

図５は、このシミュレーション検討で用いた数値解析モデルの形状を示す斜視図である。この図に示すように、この数値解析モデルは、誘電体基板Ｓ1、２つのアンテナエレメントＳ2、グラントパターンＳ3、金属板Ｓ4、２つの電波吸収体Ｓ5及び２本の給電線Ｓ6から構成されている。なお、この数値解析モデルでは、上述したパッチアンテナＡの構成要素と同一の構成要素には同一名称を付しており、詳細な説明を省略するが、図示するように同一構成要素であっても形状や寸法がパッチアンテナＡとは若干異なっている。

すなわち、この数値解析モデルにおける誘電体基板Ｓ1は、２９．９２ｍｍ×２７．５７ｍｍの矩形状である。各アンテナエレメントＳ2は、４．１５ｍｍ×７．５７ｍｍの矩形状であり、また各アンテナエレメントＳ2の間隔は６．７ｍｍである。グラントパターンＳ3は、上記矩形状の誘電体基板Ｓ1の裏面全体に設けられている。金属板Ｓ4は、高さ８．００ｍｍ、幅２７．５７ｍｍである。各電波吸収体Ｓ5は、この金属板Ｓ4と同様に高さ８．００ｍｍ、幅２７．５７ｍｍ、また厚さ２．３０ｍｍである。

図６は、このような数値解析モデルのアイソレーション特性（ａ）及び放射特性（ｂ）である。なお、この図６では、数値解析モデルの解析値（モデル）に加えて、数値解析モデルから２つの電波吸収体Ｓ5を除去した場合の解析値（Ｓ5レス）、また電波吸収体Ｓ5に加えて金属板Ｓ4をも除去した場合の解析値（ノーマル）、さらには従来技術と同様にグラントパターンＳ3にスリットを形成した場合の解析値（スリット）を比較例として示している。

このような図６のアイソレーション特性（ａ）において、８．５ＧＨｚに着目すると、数値解析モデルの解析値（モデル）は、金属板Ｓ4及び電波吸収体Ｓ5を配置しない解析値（ノーマル）及びグラントパターンＳ3にスリットを形成した解析値（スリット）に対して約１５ｄＢの改善が認められる。同じく８．５ＧＨｚについてみると、金属板Ｓ4のみを配置した解析値（Ｓ5レス）は、金属板Ｓ4及び電波吸収体Ｓ5を配置しない解析値（ノーマル）及びグラントパターンＳ3にスリットを形成した解析値（スリット）に対して約１０ｄＢの改善が認められる。したがって、金属板Ｓ4及び電波吸収体Ｓ5を配置する数値解析モデルは、金属板Ｓ4のみを配置する解析値（Ｓ5レス）よりもアイソレーション特性の改善効果が高いことが確認された。

また、図６の放射特性（ｂ）を見ると、金属板Ｓ4のみを配置する解析値（Ｓ5レス）では、０度（各アンテナエレメントＳ2の表面に垂直な方向）を中心として左右の放射電解強度の対象性が崩れるが、金属板Ｓ4及び電波吸収体Ｓ5を配置する数値解析モデルでは、対象性の崩れが殆どないことが確認された。

このようなシミュレーション検討によって、電波吸収体Ｓ5を配置することにより各アンテナエレメントＳ2の放射パターンを歪ませることなく各アンテナエレメントＳ2間のアイソレーション特性を向上させることが可能なことが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、パッチアンテナＡを構成する各構成要素の形状及び寸法等を具体的に規定したが、本発明はこれに限定されない。例えば、誘電体基板１の形状は円形に限定されず、矩形や三角形等の多角形でもよい。また、アンテナエレメント２の形状も矩形に限定されず、他の多角形や円形であってもよい。さらに、金属板４や電波吸収体５の形状も矩形や直方体に限定されない。

このようなパッチアンテナＡを設計する場合、アンテナとして要求される仕様に基づいて誘電体基板１の形状や大きさ及び誘電率並びに各アンテナエレメント２の形状や大きさ及び配置等が先に決定され、このように先行決定された誘電体基板１や各アンテナエレメント２に応じて金属板４及び誘電体基板１の形状や大きさが最適設定される。

（２）上記実施形態では、金属板４を誘電体基板１の中心に垂直かつ各アンテナエレメント２の各辺に平行な状態で設け、このような金属板４の両面に電波吸収体５をそれぞれ設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１に示す電波吸収体５の下面つまり誘電体基板１の表面に、誘電体基板１と電波吸収体５とによって完全に挟まれる状態で配置してもよい。

（３）上記実施形態では、電波吸収体５の材料として炭化ケイ素繊維ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）を採用したが、本発明はこれに限定されない。炭化ケイ素繊維ＦＲＰと同等の電波吸収性能を有する材料であれば、他の材料を採用しても良い。

（４）さらには、上記実施形態では、誘電体基板１上に２つのアンテナエレメント２を設けたが、本発明はこれに限定されない。３つ以上のアンテナエレメント２を設けてもよく、この場合には隣り合うアンテナエレメント２の間に金属板４及び電波吸収体５をそれぞれ設ける必要がある。

Ａ…パッチアンテナ、１…誘電体基板、２…アンテナエレメント、３…グラントパターン、４…金属板（導電体）、５…電波吸収体、６…給電線

Claims

同一の矩形状、かつ各辺が互いに平行対峙する状態で誘電体基板上に設けられた２つのアンテナエレメントと、
該２つのアンテナエレメントの互いに平行対峙する各辺間の中間位置に各辺に平行に設けられた金属板と、
該金属板の両面にそれぞれ設けられた電波吸収体と、を具備し、
２つのアンテナエレメントは、４．５１ｍｍ×６．１７ｍｍの矩形状、かつ、互いの間隔が９．１ｍｍであり、
金属板は、高さ１２ｍｍ、幅１２ｍｍの正方形であり、
２つの電波吸収体は、高さ１２ｍｍ、幅１２ｍｍの正方形、かつ、厚さが３．５ｍｍであることを特徴とするパッチアンテナ。
電波吸収体は、炭化ケイ素繊維ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）であることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。