JP6082260B2

JP6082260B2 - ２偏波パッチアンテナ

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Publication number: JP6082260B2
Application number: JP2013017002A
Authority: JP
Inventors: 雅俊多田
Original assignee: Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: JP2014150347A

Description

本発明は、導波器を備えた２偏波パッチアンテナに関する。

近年、小型で薄型の円偏波アンテナとしてパッチアンテナが普及しつつある（例えば、特許文献１、２参照。）。この種のパッチアンテナとして、導波器（無給電素子）を備えた２偏波パッチアンテナが従来から考えられている。

図９は、正方形の無給電素子を備えた従来の２偏波パッチアンテナの構成例を示す斜視図である。図９において、１１は誘電体（合成樹脂）により例えば厚さがｔ１で円板状に形成されたアンテナ基板で、その下面には導体により形成された接地板１２が全面に設けられている。アンテナ基板１１の上面中央には、１辺の長さがＬ１の正方形のパッチ素子１３が設けられる。このパッチ素子１３の一辺の中央には、主偏波給電部１４が設けられ、その先端中央部が主偏波給電点１５となっている。また、パッチ素子１３には、主偏波給電部１４と隣接する辺の中央に逆偏波給電部１６が設けられ、その先端中央部が逆偏波給電点１７となっている。上記主偏波給電部１４及び逆偏波給電部１６は、線路幅によって給電インピーダンスを調整するインピーダンス変換機能を備えている。

また、アンテナ基板１１の上面には、誘電体（合成樹脂）により厚さがｔ２で、一辺の長さがＬ２の正方形に形成された無給電素子用の素子基板１８が配置される。この素子基板１８は、例えば四隅に設けられた絶縁体からなる支柱１９ａ〜１９ｄによりアンテナ基板１１上に所定の高さに設けられる。素子基板１８の上面中央には、導体により一辺の長さがＬ３の正方形に形成された無給電素子２１がパッチ素子１３に対して所定の高さｈ１で相対向するように設けられる。

上記のように構成された２偏波パッチアンテナにおいて、主偏波給電点１５及び逆偏波給電点１７に所定の高周波信号を給電することによって異なる二つの直交モードを、独立して励振させることができる。

上記２偏波パッチアンテナにおいて、アンテナ基板１１の直径Ｄ、厚さｔ１、比誘電率εｒ、素子基板１８の一辺の長さＬ２、厚さｔ２、無給電素子２１の一辺の長さＬ３を例えば以下に示すように
Ｄ：１２０ｍｍ
ｔ１：１．６ｍｍ
εｒ：２．３
Ｌ１：４１ｍｍ
Ｌ２：８０ｍｍ
ｔ２：１．６ｍｍ
Ｌ３：４４ｍｍ
の値に設定し、２．３ＧＨｚ帯の２偏波パッチアンテナとした場合の主偏波のＶＳＷＲを図１０に、主偏波の利得特性を図１１に示す。図１０は横軸に周波数［ＧＨｚ］をとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。図１１は横軸に周波数［ＧＨｚ］をとり、縦軸に利得［ｄＢｉ］をとって示した。上記のように２偏波パッチアンテナにおいては、ＶＳＷＲ及び利得特性ともに良好な特性が得られている。なお、上記ＶＳＷＲと利得の特性は、主偏波の特性と逆偏波の特性がほぼ等しいので、図１０及び図１１では主偏波の特性のみを示している。

図１２は、上記２偏波パッチアンテナの２．３５ＧＨｚにおける指向性パターンを示し、（ａ）は主偏波指向性、（ｂ）は逆偏波指向性を示している。図１２（ａ）において、実線ａ１は主偏波磁界面の指向性、破線ｂ１は主偏波電界面の指向性で、磁界面半値幅は９０°、電界面半値幅は９７°となっている。また、図１２（ｂ）において、実線ａ２は逆偏波磁界面の指向性、破線ｂ２は逆偏波電界面の指向性で、磁界面半値幅は９０°、電界面半値幅は９６°である。

上記２偏波パッチアンテナにおいては、図１２に示したように主偏波指向性及び逆偏波指向性における電界面及び磁界面ともに指向性半値幅にそれぞれ差を生じており、その半値幅の差は６〜７°程度である。

上記図９に示した従来の２偏波パッチアンテナでは、ＶＳＷＲ及び利得特性ともに良好な特性が得られている。

しかし、パッチアンテナは、給電構造を含めると偏波方向に対して対称な形状ではないということや、誘電体基板を用いることなどによって、磁界面と電界面の半値幅に６〜１０°程度の差が生じる。この差を解消するには、単一偏波で用いる場合には放射素子や無給電素子を長方形にしたり、反射板の上下と左右で長さが違う形状のものを用いることで調整できる。しかし、直交する２偏波の電界面どうし、磁界面どうしを同じ半値幅に保ちつつ、更には磁界面と電界面の半値幅を揃えたい場合は、先に述べたような、無給電素子を長方形にする手法だと実現できない。なぜなら、偏波方向に対して、一方は上下に長い無給電素子に見え、他方は左右に長い無給電素子に見えるからである。

図１３（ａ）〜（ｃ）は、従来の２偏波パッチアンテナの磁界面と電界面の半値幅調整時における指向性の変化を示し、（ａ）は半値幅調整前の指向性、（ｂ）は半値幅調整後の一方の偏波の指向性、（ｃ）は半値幅調整後の他方の偏波の指向性を示している。なお、図１３において、実線ａ、ａ１、ａ２は磁界面の指向性、破線ｂ、ｂ１、ｂ２は電界面の指向性を示している。

図１３（ａ）に示すように２偏波パッチアンテナの磁界面と電界面の半値幅に差を生じている場合において、無給電素子を長方形にすることで同図（ｂ）に示すように一方の偏波における磁界面指向性ａ１と電界面指向性ｂ１が揃うように調整すると、偏波方向によって無給電素子の見え方が異なるため、同図（ｃ）に示すように他方の偏波における磁界面指向性ａ２と電界面指向性ｂ２の半値幅の差が調整前よりも大きくなってしまう。このため２偏波パッチアンテナにおいて、直交する２偏波の指向性が揃うよう調整することは非常に困難であった。

特開２００６−２３７９０４号公報特開２００６−２５０３５号公報

上記のようにパッチアンテナにおいて、磁界面と電界面の半値幅を揃えたい場合、単一偏波で用いる場合には放射素子や無給電素子を長方形にしたり、反射板の上下と左右で長さが違う形状のものを用いることで調整できる。しかし、直交する２偏波の磁界面どうし、電界面どうしを同じ半値幅に保ちつつ、更には磁界面と電界面の半値幅を揃えたい場合、従来の調整方法では偏波方向によって無給電素子等の見え方が異なるため、直交する２偏波の指向性が揃うよう調整することは非常に困難である。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、直交する２偏波の磁界面どうし、電界面どうしを同じ半値幅に保ちつつ、更には磁界面と電界面の半値幅を容易に調整することができる２偏波パッチアンテナを提供することを目的とする。

第１の発明は、アンテナ基板と、前記アンテナ基板の下面に設けられる接地板と、前記アンテナ基板の上面に設けられる直交する２偏波の給電点を備えたパッチ素子と、前記パッチ素子に相対向して所定の高さに設けられる無給電素子とを具備してなる２偏波パッチアンテナにおいて、前記無給電素子は、偏波方向を基準として四隅あるいは上下左右の中央部に誘電体材料を設け、該誘電体材料の形状及び配置によって縮退部を構成し、該縮退部により各偏波面における磁界面半値幅と電界面半値幅を調整可能に構成したことを特徴とする。

本発明によれば、導波器を備えた２偏波パッチアンテナにおいて、四隅あるいは上下左右の中央部に誘電体材料の形状及び配置によって縮退部を構成した無給電素子を設け、該無給電素子を導波器として使用することにより、直交する２偏波の磁界面どうし、電界面どうしを同じ半値幅に保ちながら、磁界面と電界面の半値幅を目的に応じて容易に調整することができる。

本発明の一実施形態に係る２偏波パッチアンテナの基本構成を説明するための図である。同実施形態に係る２偏波パッチアンテナにおいて、磁界面どうし又は電界面どうしをより広くしたい場合の無給電素子上に必要とする電流分布を示す図である。同実施形態に係る２偏波パッチアンテナにおける無給電素子上の電流分布を示す図である。同実施形態に係る２偏波パッチアンテナにおいて、放射に寄与する無給電素子上の電流分布を示す図である。本発明の実施例１に係る２偏波パッチアンテナの具体的な構成例を示す斜視図である。同実施例１に係る２偏波パッチアンテナの主偏波指向性及び逆偏波指向性を示す図である。同実施例２に係る２偏波パッチアンテナの具体的な構成例を示す斜視図である。同実施例２に係る２偏波パッチアンテナの主偏波指向性及び逆偏波指向性を示す図である。従来の２偏波パッチアンテナの構成例を示す斜視図である。従来及び本発明の実施例に係る２偏波パッチアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。従来及び本発明の実施例に係る２偏波パッチアンテナの利得特性を示す図である。従来の２偏波パッチアンテナの主偏波指向性及び逆偏波指向性を示す図である。従来の２偏波パッチアンテナの磁界面と電界面の半値幅調整時における指向性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の一実施形態に係る２偏波パッチアンテナの基本構成について説明する。本発明は、導波器を備えた２偏波パッチアンテナにおいて、図１（ａ）に示すように例えば偏波方向が上下方向である正方形の無給電素子３０に対し、同図（ｂ）に示すように例えば四隅を方形に切欠して縮退部３１ａ〜３１ｄを設けるか、あるいは同図（ｃ）に示すように上下左右の中央部を方形に切欠して縮退部３２ａ〜３２ｄを設ける。図１（ｂ）に示すように四隅に縮退部３１ａ〜３１ｄを設けてなる無給電素子３０Ａ、図１（ｃ）に示すように上下左右の中央部に縮退部３２ａ〜３２ｄを設けてなる無給電素子３０Ｂを導波器として使用することで、磁界面半値幅と電界面半値幅の増減を逆相関とし、各偏波面における磁界面と電界面の半値幅を所望する差に調整する。

次に、上記四隅に縮退部３１ａ〜３１ｄを設けてなる無給電素子３０Ａと、上下左右の中央部に縮退部３２ａ〜３２ｄを設けてなる無給電素子３０Ｂの半値幅調整作用について、図２〜図４を参照して説明する。

図２（ａ）は、磁界面半値幅を電界面半値幅に比較してより広くしたい場合の無給電素子３０上に必要となる電流分布を示し、矢印線４１と矢印線４２は異なる偏波方向の励振電流を示している。一方の励振電流４１は無給電素子３０上を水平方向に流れ、他方の励振電流４２は励振電流４１と直交する方向に流れ、無給電素子３０上の中央部にて交差している。

図２（ｂ）は、電界面半値幅を磁界面半値幅に比較してより広くしたい場合の無給電素子３０上に必要となる電流分布を示し、矢印線４３と矢印線４４は異なる偏波方向の励振電流を示している。一方の偏波の励振電流４３は無給電素子３０の上側縁及び下側縁の中央部を同一の方向例えば右方向に流れ、他方の励振電流４４は無給電素子３０の左右の側縁の中央部において励振電流４３と９０°異なる方向例えば上方向に流れる。なお、上記図２に矢印線で示す励振電流は、位置を示したものであって、大きさは示していない。

図３（ａ）は、上記図１（ｃ）に示したように上下左右の中央部に縮退部３１ａ〜３１ｄを設けてなる無給電素子３０Ｂ上の大まかな電流分布を示し、図３（ｂ）は上記図１（ｂ）に示したように四隅に縮退部３１ａ〜３１ｄを設けてなる無給電素子３０Ａ上の大まかな電流分布を示している。

図３（ａ）に示すように上下左右の中央部に縮退部３２ａ〜３２ｄが設けられた無給電素子３０Ｂにおいては、水平方向に流れる一方の偏波の励振電流５１は、上下の中央部に設けられた縮退部３２ａ、３２ｃに沿って湾曲して流れる。また、上方向に流れる他方の偏波の励振電流５２は、左右の中央部に設けられた縮退部３２ｂ、３２ｄに沿って湾曲して流れる。

また、図３に（ｂ）に示すように四隅に縮退部３１ａ〜３１ｄが設けられた無給電素子３０Ａにおいては、水平方向に流れる一方の偏波の励振電流５３は、縮退部３１ａ〜３１ｄの無い中央部において外側方向（上下方向）に湾曲した形状の流れとなる。また、上方向に向かって流れる他方の偏波の励振電流５４は、縮退部３１ａ〜３１ｄの無い中央部において左右の外側方向に湾曲した形状の流れとなる。

上記無給電素子３０Ｂに流れる励振電流５１、５２及び無給電素子３０Ａに流れる励振電流５３、５４において、電流の値が大きいのは、分布曲線の中央付近であるので、特に放射に寄与する電流分布は図４に示すようになる。

無給電素子３０Ｂにおける放射に寄与する励振電流５１、５２は、図４（ａ）に示すように縮退部３２ａ〜３２ｄの内側に沿って湾曲し、無給電素子３０Ｂの中央部で交差する電流分布となる。この電流分布は、図２（ａ）に示した磁界面半値幅を電界面半値幅に対してより広くしたい場合の電流分布に近くなっている。この結果、上下左右の中央部に縮退部３２ａ〜３２ｄを設けた無給電素子３０Ｂにおいては、縮退部３２ａ〜３２ｄの大きさを調整することによって磁界面半値幅の調整が可能となる。

また、無給電素子３０Ａにおける放射に寄与する励振電流５３、５４は、図４（ｂ）に示すように縮退部３１ａ〜３１ｄの無い中央部において外側方向に湾曲した電流分布となる。この電流分布は、図２（ｂ）に示した電界面半値幅を磁界面半値幅に対してより広くしたい場合の電流分布に近くなっている。この結果、四隅に縮退部３１ａ〜３１ｄを設けた無給電素子３０Ａにおいては、縮退部３１ａ〜３１ｄの大きさを調整することによって電界面半値幅の調整が可能となる。

次に、上記無給電素子３０Ａあるいは無給電素子３０Ｂを用いた２偏波パッチアンテナの具体的な構成例について説明する。

図５は、本発明の実施例１に係る２偏波パッチアンテナの具体的な構成例を示す斜視図である。この実施例１では、四隅に縮退部３１ａ〜３１ｄが設けられた無給電素子３０Ａを使用した場合の例を示している。この実施例１に係る２偏波パッチアンテナは、図９に示した従来の２偏波パッチアンテナに比較し、無給電素子３０Ａの構成が異なるのみであるので、図９と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

無給電素子３０Ａは、素子基板１８の上面中央に設けられ、導体により一辺の長さがＬ３の正方形に形成され、アンテナ基板１１上のパッチ素子１３に対して所定の高さｈ１で相対向するように設けられる。無給電素子３０Ａは、四隅をｄ１、ｄ２の長さで方形に切欠して形成した縮退部３１ａ〜３１ｄを備えている。縮退部３１ａ〜３１ｄの長さｄ１、ｄ２は、例えば約４ｍｍに設定される。

上記のように無給電素子３０Ａを備えた２偏波パッチアンテナにおいて、アンテナ基板１１の直径Ｄ、厚さｔ１、比誘電率εｒ、素子基板１８の一辺の長さＬ２、厚さｔ２、無給電素子２１の一辺の長さＬ３を図９に示した従来の２偏波パッチアンテナと同様に、
Ｄ：１２０ｍｍ
ｔ１：１．６ｍｍ
εｒ：２．３
Ｌ１：４１ｍｍ
Ｌ２：８０ｍｍ
ｔ２：１．６ｍｍ
Ｌ３：４４ｍｍ
の値に設定し、且つ無給電素子３０Ａにおける縮退部３１ａ〜３１ｄの長さｄ１、ｄ２を
ｄ１：４ｍｍ
ｄ２：４ｍｍ
に設定して２．３ＧＨｚ帯の２偏波パッチアンテナとした場合、図９に示した従来の２偏波パッチアンテナと同様のＶＳＷＲ（図１０参照）及び利得特性（図１１参照）が得られた。上記各部の寸法は、一例を示したものであり、使用する周波数帯や指向性等の仕様に応じて任意に変更することが可能である。

図６は、上記実施例１に係る２偏波パッチアンテナの２．３５ＧＨｚにおける指向性パターンを示し、（ａ）は主偏波指向性、（ｂ）は逆偏波指向性を示している。図６（ａ）において、実線ａ１は主偏波磁界面の指向性、破線ｂ１は主偏波電界面の指向性で、磁界面半値幅は９２°、電界面半値幅は１０３°となっている。また、図６（ｂ）において、実線ａ２は逆偏波磁界面の指向性、破線ｂ２は逆偏波電界面の指向性で、磁界面半値幅は９２°、電界面半値幅は１０２°である。

上記実施例１は、四隅に縮退部３１ａ〜３１ｄを備えた無給電素子３０Ａを使用し、磁界面半値幅に対して電界面半値幅がより広くなるように設定した場合の例を示したもので、電界面半値幅を磁界面半値幅に対して１０°〜１１°広くすることができた。

図７は、本発明の実施例２に係る２偏波パッチアンテナの具体的な構成例を示す斜視図である。この実施例２では、上下左右の中央部に縮退部３２ａ〜３２ｄが設けられた無給電素子３０Ｂを使用した場合の例を示している。

この実施例２に係る２偏波パッチアンテナは、図９に示した従来の２偏波パッチアンテナに比較し、無給電素子３０Ｂの構成が異なるのみであるので、図９と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

無給電素子３０Ｂは、上下左右の中央部を幅Ｗ１、深さｄ３で切欠して形成した縮退部３２ａ〜３２ｄを備えている。縮退部３２ａ〜３２ｄの幅Ｗ１は例えば約２ｍｍ、深さｄ３は約７ｍｍに設定される。

上記のように無給電素子３０Ｂを備えた２偏波パッチアンテナにおいて、アンテナ基板１１の直径Ｄ、厚さｔ１、比誘電率εｒ、素子基板１８の一辺の長さＬ２、厚さｔ２、無給電素子２１の一辺の長さＬ３を図９に示した従来の２偏波パッチアンテナと同じ値に設定し、且つ無給電素子３０Ｂにおける幅Ｗ１を２ｍｍ、深さｄ３を７ｍｍに設定して２．３ＧＨｚ帯の２偏波パッチアンテナとした場合、図９に示した従来の２偏波パッチアンテナと同様のＶＳＷＲ（図１０参照）及び利得特性（図１１参照）が得られた。

図８は、上記実施例２に係る２偏波パッチアンテナの２．３５ＧＨｚにおける指向性パターンを示し、（ａ）は主偏波指向性、（ｂ）は逆偏波指向性を示している。図８（ａ）において、実線ａ１は主偏波磁界面の指向性、破線ｂ１は主偏波電界面の指向性で、磁界面半値幅は８８°、電界面半値幅は８４°となっている。また、図８（ｂ）において、実線ａ２は逆偏波磁界面の指向性、破線ｂ２は逆偏波電界面の指向性で、磁界面半値幅は８８°、電界面半値幅は８４°である。

上記実施例２は、上下左右の中央部に縮退部３２ａ〜３２ｄを備えた無給電素子３０Ｂを使用し、磁界面半値幅が電界面半値幅に対してより広くなるように設定した場合の例を示したもので、従来の２偏波パッチアンテナ（図９参照）に対して半値幅の広い面が逆転し、主偏波指向性及び逆偏波指向性の磁界面半値幅が８８°、電界面半値幅が８４°となり、磁界面半値幅が電界面半値幅に対して４°広くなっている。

上記実施例１、２に示したように導波器を備えた２偏波パッチアンテナにおいて、四隅に縮退部３１ａ〜３１ｄを設けてなる無給電素子３０Ａあるいは上下左右の中央部に縮退部３２ａ〜３２ｄを設けてなる無給電素子３０Ｂを導波器として使用することにより、直交する２偏波の磁界面どうし、電界面どうしを同じ半値幅に保ちながら、磁界面と電界面の半値幅を目的に応じて容易に調整することができる。また、プリント基板による無給電素子を用いることにより、上記磁界面及び電界面の半値幅を更に容易に調整することができる。更に、円偏波のアンテナを設計する際、軸比を改善することが可能である。

また、パッチアンテナで、±４５°偏波の１列多段スタックアンテナを設計し、垂直方向のビームチルトを成形する際、水平面における最大放射方向の変化を抑えることが可能である。

なお、上記実施例では、無給電素子に縮退部３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄを設けた場合について示したが、無給電素子の導体形状をそのままにし、無給電素子の周囲に誘電体材料を設け、該誘電体材料を縮退形状とすることによっても、上記実施例と同様に、磁界面と電界面の半値幅を調整することができる。すなわち、誘電体材料の分布は、導体上の電流分布に影響を及ぼすため、無給電素子の周囲に設けた誘電体材料の形状及び配置によって縮退部を構成することにより、磁界面と電界面の半値幅を調整することができる。

また、上記実施例では、正方形の無給電素子３０に縮退部３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄを設けた場合について示したが、円形に形成した無給電素子に偏波方向を基準として四隅あるいは上下左右の中央部に縮退部を構成しても、各偏波面における磁界面と電界面の半値幅を調整することができる。

更に上記実施例では、素子基板１８の上面に無給電素子３０Ａ又は３０Ｂを設けた場合について説明したが、素子基板１８の下面に無給電素子３０Ａ又は３０Ｂを設けても良い。この場合、無給電素子３０Ａ、３０Ｂは、アンテナ基板１１上のパッチ素子１３に対して所定の高さに保持する。

また上記実施例では、１段の無給電素子（３０Ａ又は３０Ｂ）を設けた場合について説明したが、無給電素子を多段に構成しても良いことは勿論である。

また、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

１１…アンテナ基板、１２…接地板、１３…パッチ素子、１４…主偏波給電部、１５…主偏波給電点、１６…逆偏波給電部、１７…逆偏波給電点、１８…無給電素子用の素子基板、１９ａ〜１９ｄ…支柱、２１…無給電素子、３０、３０Ａ、３０Ｂ…無給電素子、３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄ…縮退部、４１〜４４、５１〜５４…励振電流。

Claims

アンテナ基板と、前記アンテナ基板の下面に設けられる接地板と、前記アンテナ基板の上面に設けられる直交する２偏波の給電点を備えたパッチ素子と、前記パッチ素子に相対向して所定の高さに設けられる無給電素子とを具備してなる２偏波パッチアンテナにおいて、
前記無給電素子は、偏波方向を基準として四隅あるいは上下左右の中央部に誘電体材料を設け、該誘電体材料の形状及び配置によって縮退部を構成し、該縮退部により各偏波面における磁界面半値幅と電界面半値幅を調整可能に構成したことを特徴とする２偏波パッチアンテナ。