JP5652605B2 - 円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ及びその発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ及びその発生方法に係り、より詳しくは、異種アンテナ（円形偏波アンテナ又は線形偏波アンテナ）と損失なくデータ通信が可能なパッチアンテナ及びその発生方法に関する。

一般に、パッチアンテナ（Ｐａｔｃｈ Ａｎｔｅｎｎａ）は、誘電体板の一面は接地板に利用し、他面はストリップ線路で回路を構成するものである。パッチアンテナは、印刷基板で製作可能であるため、製作が容易で大量生産に適し、高さが低く堅固であるとの利点がある。このようなパッチアンテナは、マイクロ集積回路（ＩＣ）素子等と容易に結合することができるので、携帯電話のようなミリメートル帯域の小型機器に多く利用されている。
パッチアンテナは、線形偏波（ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｗａｖｅ）アンテナと円形偏波（Ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｗａｖｅ）アンテナなどに区分することができる。

図１は線形偏波の進行方向を示すグラフであり、図２は円形偏波の進行方向を示すグラフである。
ここで線形偏波は、電界が地面に対し垂直をなす垂直偏波と、電界が地面に対し水平をなす水平偏波とを含む。円形偏波は、電界が進行方向を軸にバネ状に回転する偏波をいう。
このような円形偏波を発生させる円形偏波アンテナを用いて線形偏波を発生させる線形偏波アンテナと通信する場合、理論的に相互間にそれぞれ−３ｄＢの損失が発生する。したがって、円形偏波アンテナ又は線形偏波アンテナのうち何れのアンテナとも損失なく通信することができるよう、円形偏波及び線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナの開発の必要性がでてくる。

特開２００６−１９７５４４号公報

本発明は、円形偏波と線形偏波を同時に発生させ、異種アンテナ（円形偏波アンテナ又は線形偏波アンテナ）と損失なくデータ通信が可能なパッチアンテナ及びその発生方法を提供することに目的がある。

本発明に係る円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナは、アンテナ信号に対する円形偏波を放射する第１放射体と、前記第１放射体の他面に設けられた第１基板と、前記第１基板の他面に設けられ、前記アンテナ信号に対する線形偏波を放射する第２放射体と、前記第２放射体の他面に設けられた第２基板を含むことを特徴とする。

本発明は、前記第１放射体から放射された円形偏波を反射させ、前記第２放射体とともに線形偏波を放射させる反射板をさらに含むことを特徴とする。

前記第１基板、第２放射体及び第２基板には枠部に少なくとも１つの結合孔が形成され、前記反射板の１面の枠部には前記第１基板、第２放射体及び第２基板のホールに挿入及び結合される少なくとも１つの挿入部が形成されることを特徴とする。

前記第２放射体は、前記第１放射体から放射された円形偏波を受信し、受信した線形偏波に変換し、変換した線形偏波を前記反射板とともに放射することを特徴とする。

前記第１放射体は矩形形状であり、前記第２放射体は、前記第１放射体の形状と対応する大きさの空白ホールが内側に形成された四角帯の形状で、平面上前記第１放射体と重ならない位置に形成されることを特徴とする。

前記第１放射体の共振周波数特性の調節のため、一定の幅を有しながら前記第１放射体と離隔距離を置いて設けられ、前記第２放射体及び前記反射板と連結される補助放射体をさらに含み、
前記補助放射体は、平面上前記第２放射体と重なる位置に配置されることを特徴とする。

前記反射板、第２基板及び第１基板には貫通孔が形成され、前記反射板、第２基板及び第１基板の貫通孔を介し挿入され、アンテナ信号を前記第１放射体に供給する給電ラインをさらに含むことを特徴とする。

また、本発明に係るパッチアンテナが円形偏波と線形偏波を同時に発生させる方法は、（ａ）第１放射体がアンテナ信号に対する円形偏波を放射するステップと、（ｂ）前記第１放射体と第１基板を挟んで設けられた第２放射体が、前記アンテナ信号に対する線形偏波を放射するステップとを含むことを特徴とする。

ここで本発明は、（ｃ）前記第２基板の他面に設けられる反射板が、前記第１放射体から放射された円形偏波を反射させるステップと、（ｄ）前記反射板が前記第２放射体とともに前記線形偏波を放射させるステップとをさらに含むことを特徴とする。

前記（ｄ）ステップで、前記第２放射体は前記第１放射体から放射された円形偏波を受信し、受信した線形偏波に変換し、変換した線形偏波を前記反射板とともに放射することを特徴とする。

本発明は（ｅ）補助放射体が前記第２放射体及び前記反射板とともに線形偏波を発生させるステップをさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、円形偏波及び線形偏波を同時に発生させることができるので、異種アンテナ（円形偏波アンテナ又は線形偏波アンテナ）と損失なくデータ通信が可能であり、。
また、反射板により前記円形偏波の放射特性及び線形偏波の放射特性を全て安定化させることができるとともに
前記挿入部により前記反射板の表面積が増加し、前記反射板の円形偏波反射特性及び線形偏波放射特性を全て安定化させる。 さらに、第１放射体及び第２放射体の相互間に放射される線形偏波及び円形偏波が互いに影響を与えることがないので、線形偏波及び円形偏波それぞれの損失が防止され、前記補助放射体の幅の調節、及び前記補助放射体と前記第１放射体との間の離隔距離の調節を介し、前記第１放射体の共振周波数特性を容易に調節することができる。

線形偏波の進行方向を示すグラフである。 円形偏波の進行方向を示すグラフである。 本発明に係る円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナの構成を示す斜視図である。 本発明に係る円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナにおいて、補助放射体がさらに備えられた形状を示す斜視図である。 本発明に係る円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナにおいて、円形偏波と線形偏波を同時に発生させる形状を示す構成図である。

以下、図を参照しながら本発明の実施形態を詳しく説明する。
図３は、本発明に係る円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ１００の構成を示す斜視図である。図４は、パッチアンテナ１００において、補助放射体６０がさらに備えられた形状を示す斜視図である。
パッチアンテナ１００は、第１放射体１０、第１基板２０、第２基板４０、第２放射体３０、反射板５０、補助放射体６０、給電ライン（Ｌ）を含む。
第１放射体１０は、矩形のパネル形状からなり円形偏波を放射させる。第１基板２０は、第１放射体１０の他面に設けられて第１放射体１０を支持する。

第２放射体３０は、第１基板２０の他面に設けられ、平面上第１放射体１０と重ならない位置に形成される。このような第２放射体３０は、線形偏波を放射させる。第２基板４０は、第２放射体３０の他面に設けられる。
反射板５０は、第２基板４０の他面に設けられ、第１放射体１０から放射された円形偏波を反射させる。なお、反射板５０は第２放射体３０とともに線形偏波を放射させる。
補助放射体６０は、第２放射体３０及び反射板５０とともに線形偏波を放射させる。
給電ライン（Ｌ）は、反射板５０、第２基板４０及び第１基板２０を電気的接続なく貫通して第１放射体１０へアンテナ信号を供給する。

以下、パッチアンテナ１００について構成要素別にさらに具体的に説明する。−第１放射体１０の構成−
第１放射体１０は、円形偏波放射モジュール１１、信号受信モジュール１２、Ｘ溝１４を含む。
円形偏波放射モジュール１１は、矩形のパネルの形状に形成され対角の対向する角が一定長さ切断されている。円形偏波放射モジュール１１は、後述の給電モジュールを介し受信したアンテナ信号を円形偏波に変換し、変換した円形偏波を外部に放射させる。ここで、円形偏波放射モジュール１１は、陽極性（＋ｐｏｌｅ）の時と、０．５λの周期を有する陰極性（−ｐｏｌｅ）の時に円形偏波を放射させる。このような円形偏波放射モジュール１１は、他面が後述の第１基板２０の１面に接触して設けられる。

信号受信モジュール１２は、円形偏波放射モジュール１１の１側に設けられ、外部のアンテナ信号発生装置から後述の給電ライン（Ｌ）を介しアンテナ信号が伝達される。伝達された前記アンテナ信号は円形偏波放射モジュール１１へ伝達される。
Ｘ溝１４は、円形偏波放射モジュール１１の１面に一定の幅を有する２つの互いに異なる長さのスロットが、Ｘ字形に互いに交差して形成され、円形偏波放射モジュール１１の１面の表面積を増加させ、サイズを、例えば０．３λに対応する長さだけ減少させる。
さらに、Ｘ溝１４は、公知の通り、周波数帯域を広帯域化させる。
ここで、アンテナの波長の長さ（λ）＝光速度（Ｃ）／周波数（Ｆ）の関係がある。
即ち、アンテナの波長の長さが長ければ、アンテナの大きさが大きくなり、アンテナの波長の長さが短ければ、アンテナの大きさが小さくなる。 一方、周波数が高くなれば波長の長さは小さくなり、周波数が低ければ波長の長さは大きくなる。即ち、アンテナの大きさが小さくなれば周波数が高くなり、アンテナの大きさが大きくなれば周波数が低くなる。

したがって、本発明の円形偏波放射モジュール１１は、Ｘ溝１４によりアンテナの大きさを小さくしながらも、実際の放射面積が増加するため、効率的に円形偏波を放射させることができる。なお、Ｘ溝１４によりアンテナの大きさが小さくなるに伴い、周波数が高くなるため、アンテナの周波数の帯域幅を拡張させることができる。このようなＸ溝１４によりアンテナの放射効率が増大され、周波数帯域幅の拡張に伴い円形偏波放射特性の安定性を確保することができる。

−第１基板２０及び第２基板４０の構成−
第１基板２０は、第１放射体１０及び後述の第２放射体３０の間に設けられ、第２基板４０は、第２放射体３０及び後述の反射板５０の間に設けられる。第１基板２０及び第２基板４０は、第１放射体１０及び第２放射体３０を支持する役割を果たし、ＦＲ（Ｆｒａｍｅ Ｒｅｔａｄｅｎｔ）４基板に設けられる。ＦＲ４基板はガラスエポキシ積層物であって、一般的な誘電率を有している。前述の通り、アンテナの波長の長さ（λ）＝光速度（Ｃ）／周波数（Ｆ）であり、誘電率は周波数と反比例する特性を有している。ここに、第１基板２０及び第２基板４０の誘電率の調整を介し周波数を調整し、第１放射体１０及び第２放射体３０のアンテナの波長の長さ及びアンテナの大きさを設計することができる。 一方、第１基板２０及び第２基板４０は、後述の反射板５０の挿入部５２と結合するよう、少なくとも１つの結合孔２２、４２が形成されている。なお、第１基板２０及び第２基板４０は、後述の給電ライン（Ｌ）が通過するよう、それぞれ１つの貫通孔２４、４４がそれぞれ形成されている。

−第２放射体３０の構成−
第２放射体３０は、線形偏波放射モジュール３１、結合孔３２、空白ホール３４などを含む。
線形偏波放射モジュール３１は、四角帯の形状に設けられる。前記線形偏波放射モジュール３１は、陰極性（−ｐｏｌｅ）の時と、０．５λの周期を有する陽極性（＋ｐｏｌｅ）の時に線形偏波を発生させる。さらに、前記線形偏波放射モジュール３１は、前記第１放射体１０から放射された円形偏波を受信する。なお、前記線形偏波放射モジュール３１は、受信した円形偏波を線形偏波に変換する。なお、前記線形偏波放射モジュール３１は、変換した線形偏波を外部に反射させる役割を果たす。ここで、前記線形偏波放射モジュール３１は、前記第２基板４０の大きさより小さく形成する。ここに、前記線形偏波放射モジュール３１が第１基板２０、第２基板４０の貫通孔２４、４４を経由する給電ライン（Ｌ）と接触されない。即ち、前記線形偏波放射モジュール３１は、別途の連結ラインを介し第１放射体１０と連結されるのではない。即ち、前記線形偏波放射モジュール３１は、前記第１放射体１０から放射された円形偏波を無線で受信し、受信した線形偏波に変換し、変換した線形偏波を発生させる。
結合孔３２は、前記線形偏波放射モジュール３１が後述の反射板５０の挿入部５２と結合するよう、前記線形偏波放射モジュール３１に少なくとも１つ形成されている。

空白ホール３４は、前記放射モジュールの内側（中央部）に設けられ、前記第１放射体１０の形状と対応するように設けられる。ここに、平面上で見るとき、本発明の第１放射体１０は第２放射体３０の空白ホール３４に対応する位置に設けられる。ここに、本発明は前記第１放射体１０及び第２放射体３０の位置が互いに重ならないようになって相互間に放射される線形偏波及び円形偏波が互いに影響を与えない。ここに、前記第１放射体１０及び第２放射体３０からそれぞれ発生する線形偏波及び円形偏波の損失が防止される。

−反射板５０の構成−
反射板５０は、本体５１、挿入部５２、貫通孔５４を含む。
本体５１は、第２基板４０の他面に設けられ、本体５１の１面には、挿入部５２が少なくとも１つ設けられている。挿入部５２は、第１基板２０、第２放射体３０及び第２基板４０の枠部に形成された少なくとも１つの結合孔と互いに対応して挿入される。なお、本体５１には後述の給電ライン（Ｌ）が通過する貫通孔５４が形成されている。本体５１は、第１放射体１０から放射される円形偏波を外部にむらなく反射させる役割を果たす。

なお、前記本体５１は、第２放射体３０と後述の挿入部５２を介し電気的に結合され、第２放射体３０とともに第２放射体３０から放射される線形偏波を発生させる役割を果たす。ここで、本体５１は、円形偏波及び線形偏波の効率的な反射及び放射のため、金属製、特にアルミニウム製が好ましい。
挿入部５２は、対角線方向に２つ設けられるのが好ましい。挿入部５２により反射板５０の面積が増加する。ここで、挿入部５２は材質が反射板５０と同一の金属製で、反射板５０、第２放射体３０及び後述の補助放射体６０を電気的に互いに連結させる。
貫通孔５４は、給電ライン（Ｌ）が通過できるよう本体５１の１側に形成される。

−補助放射体６０の構成−
補助放射体６０は、本体６１及び結合部６２を含む。
前述したように、第２放射体３０の空白ホール３４の大きさは、第１放射体１０の大きさと同一である。本体６１は、幅が第２放射体３０から空白ホール３４を除いた部分の幅と同じ大きさに形成され、平面上で第２放射体３０と重なる位置に形成される。なお、本体６１は第１放射体１０と一定の距離を置いて設けられる。本体６１が第２放射体３０と重なる位置に形成される理由は、補助放射体６０も第２放射体３０とともに円形偏波の影響なく線形偏波を発生させるためである。

結合部６２は、本体６１の一側に形成され、第２基板４０、第２放射体３０及び第１基板２０の結合孔２２に挿入された反射板５０の挿入部５２と結合され、反射板５０の挿入部５２により補助放射体６０が第２放射体３０及び反射板５０と電気的に連結される。このような補助放射体６０は、第２放射体３０及び反射板５０とともに線形偏波を発生させることができる。
ここで、前記補助放射体６０は、一定の距離を置いて設けられた第１放射体１０の共振周波数を調節することができる。例えば、補助放射体６０の長さが長くなれば、第１放射体１０とのカップリング効果に伴い、第１放射体１０の共振周波数が低くなる。その反面、補助放射体６０の長さが短くなれば、第１放射体１０とのカップリング効果に伴い第１放射体１０の共振周波数が高くなる。

一方、補助放射体６０の幅が狭くなれば、第１放射体１０の間の離隔距離が増加することになり、第１放射体１０とのカップリング効果に伴い第１放射体１０の共振周波数が低くなる。その反面、補助放射体６０の幅が広くなれば、第１放射体１０とのカップリング効果に伴い第１放射体１０の共振周波数が高くなる。ここに、補助放射体６０の大きさの調節及び第１放射体１０の間の離隔距離調節により、第１放射体１０の共振周波数特性を調節することができる。

−給電ライン（Ｌ）の構成−
給電ライン（Ｌ）は、反射板５０、第２基板４０及び第１基板２０の貫通孔２４を介し、第１放射体１０の第１結合部６２に結合された信号受信モジュール１２と連結される。ここに、給電ライン（Ｌ）は外部のアンテナ信号発生装置からアンテナ信号が伝達され、第１放射体１０の信号受信モジュール１２へ伝達される。ここで、給電ライン（Ｌ）は第２放射体３０とは連結されない。給電ライン（Ｌ）の被覆は絶縁物質からなるので、アンテナ信号を反射板５０、第２基板４０及び第１基板２０には伝達せず、第１放射体１０の信号受信モジュール１２へのみ伝達する。

以下、本発明に係る円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ１００の動作を説明する。
第１放射体１０は、給電ライン（Ｌ）を介し外部からアンテナ信号が伝達され、アンテナ信号を円形偏波に変換して外部に放射する。
次に、反射板５０は、第１放射体１０により放射された円形偏波を反射させる。
次に、第２放射体３０は、第１放射体１０により放射された円形偏波を受信し、受信した円形偏波を線形偏波に変換し、変換した線形偏波を反射板５０及び補助放射体６０とともに外部に放射する。

図５は、本発明に係る円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ１００で、円形偏波と線形偏波を同時に発生させる形状を示す構成図である。
本発明のパッチアンテナ１００は、第１放射体１０を介し上側方向に、即ちパッチアンテナ１００の長手方向を軸にバネ状に回転する円形偏波を発生させる。なお、本発明のパッチアンテナ１００は第２放射体３０、反射板５０を介し、地面に対し垂直をなす垂直偏波と電界が地面に対し水平をなす水平偏波とを発生させる。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１０ 第１放射体
２０ 第１基板
３０ 第２放射体
４０ 第２基板
５０ 反射板
６０ 補助放射体
１００ 円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ

Claims (8)

1. アンテナ信号に対する円形偏波を放射する第１放射体と、
   前記第１放射体の他面に設けられた第１基板と、
   前記第１基板の他面に設けられ、前記アンテナ信号に対する線形偏波を放射する第２放射体と、
   前記第２放射体の他面に設けられた第２基板と、
   前記第１放射体から放射された円形偏波を反射させ、前記第２放射体とともに線形偏波を放射させる反射板と、を含み、
   前記第２放射体は、前記第１放射体から放射された円形偏波を受信し、受信した円形偏波を線形偏波に変換し、変換した線形偏波を前記反射板とともに放射する円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ。
2. 前記第１基板、第２放射体及び第２基板には枠部に少なくとも１つの結合孔が形成され、前記反射板の１面の枠部には前記第１基板、第２放射体及び第２基板のホールに挿入及び結合される少なくとも１つの挿入部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ。
3. 前記第１放射体は矩形形状であり、
   前記第２放射体は、前記第１放射体の形状と対応する大きさの空白ホールが内側に形成された四角帯の形状でなり、平面上前記第１放射体と重ならない位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載の円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ。
4. 一定の幅を有しながら前記第１放射体と離隔距離を置いて設けられ、前記第２放射体及び前記反射板と連結される補助放射体をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ。
5. 前記補助放射体は、平面上前記第２放射体と重なる位置に配置されることを特徴とする請求項４に記載の円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ。
6. 前記反射板、第２基板及び第１基板には貫通孔が形成され、前記反射板、第２基板及び第１基板の貫通孔を介し挿入され、アンテナ信号を前記第１放射体に供給する給電ラインをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の円形偏波と線形偏波を同時に発生させるパッチアンテナ。
7. （ａ）第１放射体がアンテナ信号に対する円形偏波を放射するステップと、
   （ｂ）前記第１放射体と第１基板を挟んで設けられた第２放射体が、前記アンテナ信号に対する線形偏波を放射するステップと、
   （ｃ）前記第２基板の他面に設けられる反射板が、前記第１放射体から放射された円形偏波を反射させるステップと、
   （ｄ）前記反射板が前記第２放射体とともに前記線形偏波を放射させるステップと、を含み、
   前記（ｄ）ステップで、
   前記第２放射体は、前記第１放射体から放射された円形偏波を受信し、受信した円形偏波を線形偏波に変換し、変換した線形偏波を前記反射板とともに放射するパッチアンテナが円形偏波と線形偏波を同時に発生させる方法。
8. （ｅ）補助放射体が前記第２放射体及び前記反射板とともに線形偏波を発生させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のパッチアンテナが円形偏波と線形偏波を同時に発生させる方法。
   

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