JP7176663B2 - 複合アンテナ装置 - Google Patents
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Description
複合アンテナ装置を構成する際は、異なるアンテナシステムが相互干渉を及ぼさないよう考慮する必要がある。例えば、平面アンテナであるマイクロストリップアンテナとモノポールアンテナを複合したアンテナでは、マイクロストリップアンテナの平面中央では導体間で電界が小さくなるため、ここに同軸線路を貫通させてモノポールアンテナを配置する。このように構成することで、マイクロストリップアンテナの放射特性にほとんど影響を与えることなくアンテナの複合化が可能となる。
特許文献1に開示されたアンテナ装置では、4つの素子アンテナから成る円偏波アンテナの根元に形成された多層基板の内層にマイクロストリップアンテナを挿入することで円偏波アンテナとマイクロストリップアンテナの放射パターンを重ね合わせて、アンテナ後方に放射する交差偏波を抑圧している。
以下、実施の形態1に係る複合アンテナ装置について説明する。
図1は、本実施の形態1に係る複合アンテナ装置の斜視図であり、図に示すように複合アンテナ装置は、第一の誘電体基板3、第一の誘電体基板3の一方の面に配置された地導体4、第一の誘電体基板3の他方の面に配置された放射部としての放射素子5とを有し、共振周波数f1のマイクロストリップアンテナ1と、マイクロストリップアンテナ1の第一の誘電体基板3の放射素子5が配置される面上に設置されるサブアンテナとしての共振周波数f2のモノポールアンテナ2とを備えている。
また、図2から図4に示すように、この複合アンテナ装置は、マイクロストリップアンテナ1の地導体4と放射素子5とを導通する外導体6b、前記外導体6bに囲まれモノポールアンテナ2と導通する内導体6aとを有する同軸線路6とを備えている。
そして、この複合アンテナ装置における放射素子5は、マイクロストリップアンテナ1の共振周波数f1で共振する共振部7を有している。この共振部7は図1~2に示すように、放射素子5に設けられたコの字状の穴で構成されており、この穴の全長はマイクロストリップアンテナ1の共振周波数f1に対応した波長の1/2の長さとなっている。
マイクロストリップアンテナ1は、給電点9から周波数f1の高周波信号が供給されると電磁波が放射される。モノポールアンテナ2は、給電点10から周波数f2の高周波信号が供給されると電磁波を放射する。
この時、マイクロストリップアンテナ1の共振部7にて、マイクロストリップアンテナ1に供給した周波数f1の高周波信号が共振する。このため、共振部7の端部付近では放射素子5の表面を流れる電流が大きくなり、共振部7の中央に近づくにつれて電流が小さくなる電流分布が得られる。このように、マイクロストリップアンテナ1の共振周波数f1において放射素子5の表面に形成された共振部7の端部に電流を集中させることで、同軸線路6の外導体6bを流れる漏洩電流を小さくすることができる。なお、同軸線路6は共振部7の中央に近ければ近いほど、同軸線路6の外導体6bを流れる不要な漏洩電流を低減することができる。
例えば、マイクロストリップアンテナの給電点10aに位相が0度、マイクロストリップアンテナの給電点10bに位相が270度、マイクロストリップアンテナの給電点10cに位相が180度、マイクロストリップアンテナの給電点10dに位相が90度のように互いに位相が90度ずつ異なり、振幅が等しい高周波信号を与えれば、地導体4から放射素子5を見た方向に右旋円偏波(RHCP:Right-Handed Circularly Polarized wave)が放射され、放射素子5から地導体4を見た方向に左旋円偏波(LHCP:Left-Handed Circularly Polarized wave)が放射されるため、マイクロストリップアンテナ1を円偏波アンテナとしても動作させることができる。
次に、実施の形態2に係る複合アンテナについて説明する。実施の形態1では、放射素子5の共振部7は穴であったが、実施の形態2では放射素子5の共振部7が放射素子5の端から切込みを入れるスリットである場合について説明する。その他の構成は実施の形態1と同様である。
次に、本実施の形態2に係る複合アンテナ装置の動作について説明する。マイクロストリップアンテナ1は、マイクロストリップアンテナ1の給電点10から供給された高周波信号が導体8を経由して放射素子5に与えられると電磁波が空間に放射される。この時、スリットである共振部7はマイクロストリップアンテナ1の共振周波数f1で共振し、スリットにおいてマイクロストリップアンテナ1の平面中央側の端7aでは電流が大きくなり、マイクロストリップアンテナ1の平面端部側の端7bでは電流が弱くなる。従って、スリットの平面端部側7b近傍では電流が小さいため、そこに近ければ近いほど同軸線路6の外導体6bに流れる不要な漏洩電流を低減することができる。なお、同軸線路6は共振部7の平面端部側の端7bに近ければ近いほど、同軸線路6の外導体6bを流れる不要な漏洩電流を低減することができる。
次に、実施の形態3に係る複合アンテナについて説明する。実施の形態1では、地導体4及び第一の誘電体基板3を貫通した同軸線路6の真上にモノポールアンテナ2を配置したが、実施の形態2では同軸線路6の真上以外にモノポールアンテナ2を配置する場合について説明する。その他は実施の形態1と同様である。
図11は、本実施の形態3に係る複合アンテナ装置の斜視図であり、図12は図11の上面図、図13は図11の下面図、図14は図11のB-B断面における断面図である。
次に、実施の形態4に係る複合アンテナについて説明する。実施の形態1ではマイクロストリップアンテナ1とモノポールアンテナ2から構成される複合アンテナについて説明したが、実施の形態4では特許文献1のような円偏波アンテナの交差偏波のバックローブ放射を抑圧するアンテナ装置を用いる場合について説明する。
図15は、本実施の形態4に係る複合アンテナ装置の斜視図であり、図16は図15の上面図、図17は図16の下面図、図18は図15のC-C断面における断面図である。複合アンテナは、マイクロストリップアンテナ1と、マイクロストリップアンテナ1上に設けられた4つの素子アンテナ11とモノポールアンテナ2から構成される。
素子アンテナ11a~11dは、円偏波を送受信可能なL字状のアンテナである。これらの素子アンテナ11a~11dの全長は、素子アンテナ11a~11dの共振周波数f1の1/4波長程度の長さである。素子アンテナ11a~11dと、マイクロストリップアンテナ1の共振周波数を合わせることで、素子アンテナ11a~11dから発生する電磁波が、マイクロストリップアンテナ1と電磁結合し、マイクロストリップアンテナ1からも電磁波が放射される。この時、空間に放射される電磁波は、電流源となる素子アンテナ11a~11dからの放射と、磁流源となるマイクロストリップアンテナ1からの放射の重ね合わせとなり、マイクロストリップアンテナ1に励振される電力の振幅と位相を適切に調整することでアンテナ背面に放射される交差偏波(不要波)が打ち消しあう関係性が得られる。
素子アンテナ11a~11dは、第二の放射素子5c上に給電点12a、12b、12c、12dを有するが、物理的な構成要素として形成されるわけではない。なお、素子アンテナ11a~11dの数は4つに限られず、円偏波放射が可能であればいくつでも良い。
ここでは、説明の便宜上、中央同軸線路14からインタフェース回路15に出力される信号の位相が0度であるものとする。
インタフェース回路15の180度ハイブリッド16は、中央同軸線路14から出力された位相が0度の信号を、位相が180度異なる2つの信号に分配して、位相が0度の信号を90度ハイブリッド17aに出力し、位相が180度の信号を90度ハイブリッド17bに出力する。
90度ハイブリッド17aは、180度ハイブリッド16から出力された位相が0度の信号を、位相が90度異なる2つの信号に分配して、位相が0度の信号を素子アンテナ11aの給電点12aに出力し、位相が90度の信号を素子アンテナ11dの給電点12dに出力する。
90度ハイブリッド17bは、180度ハイブリッド16から出力された位相が180度の信号を、位相が90度異なる2つの信号に分配して、位相が180度の信号を素子アンテナ11cの給電点12cに出力し、位相が270度の信号を素子アンテナ11bの給電点12bに出力する。
これにより、素子アンテナ11a~11dには、互いに位相が90度ずつ異なる信号が与えられ、信号が素子アンテナ11a~11dを伝わる際に生じる共振現象によって、信号に対応する電磁波が空間に放射される。
この場合、素子アンテナ11a~11dを伝わる信号の位相が、互いに90度ずつ異なっているため、右旋円偏波が地導体4から第二の放射素子5cを見た方向に放射される。
また、90度ハイブリッド17a、17bから出力される位相を反対にすることで左旋円偏波を地導体4から第二の放射素子5cを見た方向に放射することも可能である。
マイクロストリップアンテナ1及びモノポールアンテナ2に高周波信号が給電されると、穴である共振部7にてマイクロストリップアンテナ1に供給した周波数f1の高周波信号が共振する。このため、第一の放射素子5bと第二の放射素子5cからなる放射部の表面の表面を流れる電流が大きくなり、共振部7の中央に近づくにつれて電流が小さくなる電流分布が得られる。このように、マイクロストリップアンテナ1の共振周波数f1において放射部の表面に形成された共振部7の端部に電流を集中させることで、同軸線路6の外導体6bを流れる漏洩電流を小さくすることができる。
図21は、本実施の形態4の複合アンテナ装置の素子アンテナ11a~11dに折り返しアンテナを用い、さらに無給電アンテナ19a~19dを用いた場合の斜視図である。無給電アンテナ19a~19dを設けることで素子アンテナである折り返しアンテナ11a~11dとの電磁結合により、第3の周波数となるf3で共振が発生して円偏波特性を得ることができる。
図22は、コプレーナ線路とGND付コプレーナ線路の特性インピーダンスが50[Ω]となる時の誘電体基板の厚さ(t)と線幅(W)の関係を表した図である。ここでは、周波数を1.5[GHz]、ギャップ幅Gを0.3[mm]、銅箔の厚さを18[μm]としている。
誘電体基板の厚さを厚くするにつれて、誘電体基板の背面に地導体が付与されていないCPWと、誘電体基板の背面に地導体が付与されているGCPWの曲線が互いに近づく。これは、誘電体基板を厚くすることで信号線から誘電体基板の背面にある地導体に形成される電界が徐々に弱くなり、地導体の影響を受けにくくなっていることを意味する。このような場合には、2つの曲線が収束し始めることから、誘電体基板の厚さを最低でも2mm程度にすれば共振部7は所望の効果が得られると考えられる。
また、マイクロストリップアンテナ1を大型化することなく,共振周波数を低くするために図23に示すように第一の放射素子5bと第二の放射素子5cの各辺上に切り欠きを設けても良い。各辺に設ける切欠き量は均一にすることで軸比特性を劣化させることなく,共振周波数を低域にシフトさせることができる。
無給電素子20a~20dの長さは、モノポールアンテナ2の共振周波数f2に対応する波長の1/4程度の長さとすることでモノポールアンテナ2とモノポールアンテナ用の無給電素子20a~20dが結合するため、指向性の制御やインピーダンスの広帯域化が可能となる。
また、マイクロストリップアンテナ1に供給する高周波信号の周波数f1とモノポールアンテナ2に供給する高周波信号の周波数f2は同じでも良いし、異なっていても良い。同じ周波数とする場合は、各アンテナが低相関であることが望ましい。
また、上述した実施の形態では矩形状のマイクロストリップアンテナを用いて説明したが、マイクロストリップアンテナの平面形状は円形などマイクロストリップアンテナとして動作するものであればどのような形状でも良い。
また、サブアンテナにモノポールアンテナを用いて説明したが、サブアンテナはアンテナであれば逆L字アンテナやヘリカルアンテナなどでも良い。
2.モノポールアンテナ
3.第一の誘電体基板
4.地導体
5.放射素子
5a.第二の誘電体基板
5b.第一の放射素子
5c.第二の放射素子
6.同軸線路
6a.同軸線路の内導体
6b.同軸線路の外導体
6c.延長部
7.共振部
7a.マイクロストリップアンテナの平面中央側の共振部端部
7b.マイクロストリップアンテナの平面端部側の共振部端部
8.8a.8b.8c.8d.導体
9.10.12.18.給電点
11a.11b.11c.11d.素子アンテナ
13.スルーホール
14.中央同軸線路
14a.中央同軸線路の内導体
14b.中央同軸線路の外導体
15.インタフェース回路
16.180度ハイブリッド
17.90度ハイブリッド
19a.19b.19c.19d.無給電アンテナ
20a.20b.20c.20d.無給電素子
Claims (5)
- 第一の誘電体基板、前記第一の誘電体基板の一方の面に配置された地導体、前記第一の誘電体基板の他方の面に配置された放射部を有するマイクロストリップアンテナと、
前記第一の誘電体基板において前記放射部が配置される面上に配置されるサブアンテナと、
前記地導体と前記放射部とを導通する外導体、前記外導体に囲まれ前記サブアンテナと導通する内導体とを有する同軸線路とを備え、
前記放射部は、前記マイクロストリップアンテナの共振周波数にて共振する共振部として前記マイクロストリップアンテナの共振周波数に対応する波長のn/2倍(nは自然数)の全長を有する穴または前記マイクロストリップアンテナの共振周波数に対応する波長の(2n-1)/4倍(nは自然数)の全長を有するスリットが設けられていることを特徴とする複合アンテナ装置。 - 前記マイクロストリップアンテナの前記放射部は、放射素子であることを特徴とする請求項1に記載の複合アンテナ装置。
- 前記マイクロストリップアンテナの前記放射部は、
第二の誘電体基板、前記第二の誘電体基板の一方の面に配置された第一の放射素子、前記第二の誘電体基板の他方の面に配置された第二の放射素子を有し、
前記第一の放射素子と前記第二の放射素子は複数のスルーホールで導通されることを特徴とする請求項1に記載の複合アンテナ装置。 - 前記放射部が有する共振部は、
前記第一の放射素子と前記第二の放射素子との少なくともどちらか一方、または、両方に設けられていることを特徴とする請求項3に記載の複合アンテナ装置。 - 前記複合アンテナ装置は、前記第一の誘電体基板の前記他方の面上で前記内導体と前記サブアンテナとを導通させて延長する延長部を有することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の複合アンテナ装置。
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