JP2004221965A

JP2004221965A - 円偏波パッチアンテナ

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Publication number: JP2004221965A
Application number: JP2003007246A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Suzuki; 淳鈴木; Masahiro Egawa; 雅洋頴川
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: JP3896331B2

Abstract

【課題】小形かつコンパクトに構成するのに適した円偏波パッチアンテナの特長を活かしつつ、周波数−軸比特性が良好で、インピーダンス整合のための調整も行いやすいと円偏波パッチアンテナを提供する。
【解決手段】アンテナベース基板１１の表面に形成されたパッチ素子１２と、このパッチ素子１２の隣り合う２つの縁辺に容量結合または共振結合する２つの給電導体１３，１４とを有する円偏波パッチアンテナ１０において、２つの給電導体１３，１４をそれぞれパッチ素子の中心線Ｘｃ，Ｙｃ上から外して配置する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パッチ形状の平面アンテナ素子いわゆるパッチ素子を用いた送信および／または受信用の円偏波パッチアンテナに関し、とくにマイクロ波あるいはミリ波など超高周波無線信号の送受信用に適用して有効であり、たとえば移動体通信機器、無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）、ＩＴＳ（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＴｒａｎｓｐｏｒｔＳｙｓｔｅｍｓ）、ＥＴＣ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｏｌｌＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）等に利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、たとえば特開２００２−９５３６に記載されている従来の円偏波パッチアンテナの構成を示す。同図に示す円偏波パッチアンテナ１０１は、アンテナベース基板１１、パッチ素子１２、接地導体１８、給電導体１３１，１４１、給電端子１５，１６などを有する。アンテナベース基板１１は、セラミック、樹脂、セラミックと樹脂とのコンポジット材料のうちの少なくとも１つからなる誘電体または磁性体によって構成されている。このベース基板１１の表（おもて）面にはパッチ素子１２が形成されている。また、その裏面にはパッチ素子１２の励振用接地導体１８が配置されている。
【０００３】
パッチ素子１２は、ほぼ正方形の矩形状導体パターンにより形成されている。このパッチ素子１２を円偏波アンテナの放射導体として励振させるために、そのパッチ素子１２の隣り合う２辺の縁に容量結合または共振結合する２つ給電導体１３１，１４１が配置されている。給電導体１３１，１４１は、細長い長方形の導体パターンにより形成され、パッチ素子１２の縁辺に平行に近接するとともに、その長手方向の中心がパッチ素子の中心線Ｘｃ，Ｙｃにほぼ一致するように配置されている。
【０００４】
中心線（仮想線）Ｘｃ，Ｙｃは、パッチ素子１２面の中心を通り、かつその面の上で直交する２つの直線であって、２つの給電導体１３１，１４１の長手の中心がその中心線Ｘｃ，Ｙｃにほぼ合致するように配置されている。２つの給電導体１３１，１４１には、ハイブリッド回路２０にて互いに９０度（λ／４）の位相差を持たせられた信号が給電端子１５，１６を介して給電される。これにより、パッチ素子１２は直交する２方向から９０度の位相差で励振されて、その素子１２面の鉛直方向へ円偏波モードの電磁波を放射する。ハイブリッド回路２０は、アンテナベース基板１１とは別の基板にマイクロストリップライン２１，２２を用いて形成される。ハイブリッド回路２０には入力端子ＩＮや終端抵抗Ｒｅが接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
円偏波アンテナでは偏波の真円度が高いこと、つまり軸比が小さいこと（良軸比）が望まれる。円偏波アンテナの特徴として、電界の回転方向が同じ同相の円偏波に対しては利得を持つが、その回転方向が反対となる逆相の円偏波に対しては利得を持たないという特性がある。この特性は同じ周波数の無線信号を偏波の違いで弁別したりするのに利用できる。しかし、軸比が悪い（大きいと）その特性が薄れてしまう。したがって、円偏波アンテナでは偏波の真円度が高い良軸比が望まれる。さらに、その良軸比はできるだけ広い範囲で得られること、すなわち周波数−軸比特性が良好なことも望まれる。
【０００６】
上述した従来の円偏波パッチアンテナ１０１は、パッチ素子１２の中心線Ｘｃ，Ｙｃ上に配置された２つの給電導体１３１，１４１により、そのパッチ素子１２を直交する２方向から９０度の位相差で円偏波励振するように構成されている。この構成は広い周波数範囲で良軸比を得るのに適しているとされている。しかし、本発明者が知得したところによれば、その構成は周波数−軸比特性の改善に必ずしも適したものではなく、むしろそれを妨げる阻害要因もあることが判明した。
【０００７】
すなわち、直交する２方向から９０度の位相差で励振されるパッチ素子１２には、面状に分布して変化するアンテナ電流が流れる。この電流の分布状態とベクトル状態が、上述した従来の円偏波アンテナ１０１では、図８に示すような状態となる。図８は、パッチ素子１２面におけるアンテナ電流の分布状態とベクトル状態を給電電流の位相（０度、９０度）別に示すが、同図に示す状態では、アンテナ電流が素子１２面の一部に偏って分布しているとともに、その分布の偏り状態が給電電流の位相（０度と９０度）ごとに変化している。また、円偏波を励振する電流ベクトルの大きさが給電電流の位相によって異なり、真円度の高い円偏波を励振することができない。このことは周波数−軸比特性の向上を妨げる阻害要因となる。
【０００８】
また、上述した円偏波パッチアンテナ１０１では、給電導体１３１，１４１がパッチ素子１２の縁辺の中央部とその両側の広い範囲にわたって結合させられているが、その縁辺の中央部付近は、図８からもわかるように、上記アンテナ電流の分布密度が高くなるところである。このため、その給電導体１３１，１４１も上記電流ベクトルに影響を与えて軸比を悪くする（大きくする）要因になることが判明した。パッチ素子１２と結合させられる給電導体１３１，１４１は、その位置あるいは形状等を、パッチ素子１２に対してインピーダンス整合がとれるように設定する必要がある。しかし、その給電導体１３１，１４１の位置や形状も上記電流ベクトルに影響を及ぼすため、インピーダンス整合のために位置や形状を変更すると、軸比が悪くなってしまうという背反が生じる。つまり、インピーダンス調整が困難で安易に行えないという問題があった。
【０００９】
この発明は以上のような問題を鑑みてなされたもので、その目的は、小形かつコンパクトに構成するのに適した円偏波パッチアンテナの特長を活かしつつ、周波数−軸比特性が良好で、インピーダンス整合のための調整も行いやすい円偏波パッチアンテナを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による手段は、セラミック、樹脂、セラミックと樹脂とのコンポジット材料のうちの少なくとも１つによって構成されている誘電体または磁性体のアンテナベース基板と、このベース基板の１つの面である第１の面に配置されて円偏波アンテナの放射導体部となるパッチ素子と、上記第１の面に上記ベース基板を介して対向する第２の面に配置された上記パッチ素子の励振用接地導体と、上記第１の面にて上記パッチ素子の縁に２方向から容量結合または共振結合する２つの給電導体と、この２つの給電導体に給電するための給電端子とを有する送信および／または受信用の円偏波パッチアンテナにおいて、上記２つの給電導体は、上記第１の面にて上記パッチ素子の中心を通過し、かつその面上で直交する２つの中心線と、上記パッチ素子の縁からの延長線とで挟まれる幅内で形成されるとともに、上記中心線を避けた位置にて上記パッチ素子の縁に２方向から容量結合または共振結合するように配置されていることを特徴とする。
【００１１】
上記手段によれば、パッチ素子に分布して円偏波を励振するアンテナ電流の分布状態とベクトル状態を安定化させることができ、また給電導体の形状や位置などがそのアンテナ電流の分布状態やベクトル状態に影響して軸比を悪化させることを軽減させることができる。これにより、小形かつコンパクトに構成するのに適した円偏波パッチアンテナの特長を活かしつつ、周波数−軸比特性が良好で、インピーダンス整合のための調整も行いやすい円偏波パッチアンテナを得ることができる。
【００１２】
上記円偏波パッチアンテナは、アンテナ入力信号を上記２つの給電端子に９０度の位相差で給電するハイブリッド回路と集合一体化させることにより、無線利用機器への組込み（高密度実装）を行いやすくすることができる。この集合一体化の形態としては、上記ハイブリッド回路が形成された回路基板を上記アンテナベース基板に積層して両者を集合一体化する構成が好適である。
【００１３】
また、上記集合一体化では、アンテナベース基板とは別の誘電体基板の片面に積層固定された接地導体をそのアンテナベース基板の第２の面に配置するとともに、上記接地導体に上記誘電体基板を介して対向する弟３の面に、ハイプリッド回路を形成するマイクロストリップラインの導体パターンを配置することにより、上記接地導体がパッチ素子の励振用接地導体とマイクロストリップラインの接地導体を兼ねさせて、構成の簡略化あるいは合理化をはかることができる。
【００１４】
このためには、誘電体層を挟んで導体パターンと接地導体が対向する層構造を有する２層以上の多層プリント回路基板を使用するとよい。その多層プリント回路基板の導体パターンと接地導体により上記ハイブリッド回路を構成するマイクロストリップラインを形成すれば、そのマイクロストリップラインの接地導体をパッチ素子の励振用接地導体と兼ねさせることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の代表的な実施形態を説明する。なお、アンテナは送信および／または受信用に使用されるが、説明は当該技術分野の慣例にしたがい、送信アンテナを想定して行う。
【００１６】
図１は、本発明の技術が適用された円偏波パッチアンテナの第１実施形態を示す。同図に示す円偏波パッチアンテナ１０は、アンテナベース基板１１、パッチ素子１２、接地導体１８、給電導体１３，１４、給電端子１５，１６などを有する。アンテナベース基板１１は、セラミック、樹脂、セラミックと樹脂とのコンポジット材料のうちの少なくとも１つからなる誘電体または磁性体によって構成されている。このベース基板１１の表（おもて）面すなわち第１の面にはパッチ素子１２が形成されている。また、上記ベース基板１１の裏面すなわち第２の面にはパッチ素子１２の励振用接地導体１８が配置されている。
【００１７】
パッチ素子１２は、ほぼ正方形の矩形状導体パターンにより形成されている。このパッチ素子１２を円偏波アンテナの放射導体として励振させるために、そのパッチ素子１２の隣り合う２辺の縁に容量結合または共振結合する２つ給電導体１３，１４が配置されている。各給電導体１３，１４はそれぞれ、細長い長方形の導体パターンにより形成されている。上記給電導体１３，１４は、パッチ素子１２と同じベース基板１１の表面にて、そのパッチ素子１２の縁辺に平行に近接配置されて、そのパッチ素子１２の縁に容量結合または共振結合するようになっている。
【００１８】
２つの給電導体１３，１４には、ハイブリッド回路２０にて互いに９０度の位相差を持たせられて２分配された信号が給電端子１５，１６を介して給電される。これにより、パッチ素子１２は直交する２方向から９０度の位相差で励振されて、その素子１２面の鉛直方向へ円偏波モードの電磁波を放射する。ハイブリッド回路２０は、マイクロストリップライン２１，２２によるλ／４の伝送路をブリッジ状に組合わせたもので、入力端子ＩＮの信号を９０度の位相差で２分配して出力する。ハイブリッド回路２０にはアイソレーション端子があるが、この端子は抵抗Ｒｅで終端される。このハイブリッド回路２０と上述した円偏波アンテナ１０をモジュール形式に集合一体化させると、無線利用機器への組込み（高密度実装）が行いやすくなる。
【００１９】
ここで、２つの給電導体１３，１４は、パッチ素子１２が形成されたベース基板１１面上にて、その上記パッチ素子１２面の中心を通過し、かつその面上で直交する２つの中心線Ｘｃ，Ｙｃと、そのパッチ素子１２の縁からの延長線（図示省略）とで挟まれる幅内で形成されている。つまり、給電導体１３，１４の長手方向が矩形状パッチ素子１２の一辺の半分よりも短く形成されている。さらに、その給電導体１３，１４は、上記中心線Ｘｃ，Ｙｃを避けた位置にてパッチ素子１２の縁に２方向から容量結合または共振結合するように配置されている。
【００２０】
図２は、図１に示した円偏波パッチアンテナ１０のパッチ素子１２に励振されるアンテナ電流の分布状態とベクトル状態を示す。上述した２つの給電導体１３，１４により、パッチ素子１２は直交する２方向から９０度の位相差で励振されてアンテナ電流が流れるが、このアンテナ電流の分布状態とベクトル状態は、前述した従来の円偏波アンテナの場合（図８）とは大きく異なる。すなわち、給電により励振されたパッチ素子１２に流れるアンテナ電流は部分的に大きく偏在することなく、素子１２全体にほぼ均等に分布する。この均等な分布状態は電流の位相（０度と９０度）が変ってもそれほど変化しない。つまり、位相が変っても円偏波を励振するアンテナ電流のベクトル状態はそれほど変らない。これにより、真円度の高い円偏波を励振する状態が安定して得られるようになって、良好な周波数−軸比特性が実現される。
【００２１】
また、上述した本発明の円偏波パッチアンテナ１０では、給電導体１３，１４とパッチ素子１２の結合が、アンテナ電流の分布密度が相対的に高くなる素子縁辺の中央部を避けた部分で行われることにより、給電導体１３，１４が上記電流ベクトルに及ぼす影響が小さい。これにより、給電導体１３，１４の影響による軸比の悪化を防止あるいは軽減することができる。さらに、これにより、給電導体１３，１４とパッチ素子１２間のインピーダンス整合のためにその給電導体１３，１４の位置や形状等を変更することも、軸比を悪くすることなく行うことできるようになる。つまり、インピーダンス調整が容易になる。
【００２２】
図３は、上述した本発明による円偏波パッチアンテナの周波数−軸比特性と前述した従来の円偏波パッチアンテナの周波数−軸比特性を示す。同図において、横軸は周波数（ＭＨｚ）、縦軸は軸比（ｄＢ）をそれぞれ示す。同図からもあきらかなように、本発明による円偏波パッチアンテナは、従来のものに比べて、周波数−軸比特性が確実に向上している。
【００２３】
このように、上述した本発明の円偏波パッチアンテナ１０は、小形かつコンパクトに構成するのに適した円偏波パッチアンテナの特長を活かしつつ、周波数−軸比特性が良好で、インピーダンス整合のための調整も行いやすいという利点を持つことができる。
【００２４】
図４は、本発明による円偏波アンテナの第２実施形態を示す。この実施形態では、上述したハイブリッド回路２０をアンテナベース基板１１とは別に用意した誘電体基板３１に形成するが、両基板１１，３１を積層状態で集合一体化することにより、全体を小形かつコンパクトに形成することができる。
【００２５】
同図において、パッチ素子１２の励振用接地導体（１８）は、パッチ素子１２が形成されたアンテナベース基板１１の裏面（第２の面）ではなく、そのベース基板１１とは別に用意された誘電体基板３１の表（おもて）面に積層固定された接地導体３２によって形成されている。つまり、アンテナベース基板１１の第２の面には、そのベース基板１１とは別の誘電体基板３１の片面に積層固定された接地導体３２が配置されている。そして、その接地導体３２に誘電体基板３１を介して対向する弟３の面すなわち誘電体基板３１の裏面に、ハイプリッド回路２０を形成するマイクロストリップライン２１，２２の導体パターンが配置される。これにより、上記接地導体３２にパッチ素子１２の励振用接地導（１８）とマイクロストリップライン２１，２２の接地導体を兼ねさせて、構成を単純化あるいは合理化させることができる。
【００２６】
上述した構成は多層プリント回路基板を用いて簡単に実現できる。２層以上の多層プリント回路基板は誘電体層を挟んで導体パターンと接地導体が対向する層構造を有するので、これを用いれば、上記ハイブリッド回路２０のマイクロストリップライン２１，２２を形成するとともに、そのマイクロストリップライン２１，２２の接地導体をパッチ素子１２の励振用接地導体として兼用させることができる。
【００２７】
上記誘電体基板３１の接地導体３２には、アンテナベース基板１１側に形成した給電端子１５，１６を誘電体基板３１側に形成したハイブリッド回路２０に接続させるための給電用端子パッド３３，３４が形成されている。この端子パッド３３，３４は、導体部が環状に切り抜かれて形成された絶縁囲いの中にパッチ状の導体ランドを配置したものである。上記アンテナベース基板１１と上記誘電体基板３１は、その誘電体基板３１の接地導体３２上にアンテナベース基板１１を表面実装させる形で集合一体化される。上記給電端子１５，１６と上記端子パッド３３，３４はその表面実装がなされた状態にて互いに接続されるように、あらかじめ位置を合わせて形成されている。端子パッド３３，３４とハイブリッド回路２０間は、いわゆるスルーホール配線３５，３６により誘電体基板３１を貫通して接続される。
【００２８】
上記マイクロストリップライン２１，２２の導体パターンは、たとえばフィルム状基板に形成してもよい。このフィルム状基板を上記誘電体基板３１の裏側（第３の面）に貼り付ければマイクロストリップライン２１，２２を形成できる。あるいは、上記導体パターンが形成された別のプリント回路基板上に上記誘電体基板３１をアンテナベース基板１１と共に表面実装させるようにしてもよい。
【００２９】
以上のようにして、円偏波パッチアンテナ１０とハイブリッド回路２０を小形かつコンパクトに集合一体化させることができる。また、ハイブリッド回路２０と給電端子１５，１６の位置関係などについては、たとえば図５に第３実施形態として示すように、給電端子１５，１６の線路パターンを若干変更することなどにより、高い自由度で設計することができる。
【００３０】
図６は、本発明による円偏波アンテナの第４実施形態を示す。同図に示すように、パッチ素子１２に結合する給電導体１３，１４は、そのパッチ素子１２の中心線Ｘｃ，Ｙｃを避けた位置ならば、隣り合う２つの辺にそれぞれ２つずつ配置してもよい。つまり、パッチ素子１２を直交する２方向から９０度の位相差で励振する２つの給電導体１３，１４はそれぞれ、２つに分割して配置してもよい。
【００３１】
上述した各実施形態において、パッチ素子１２、給電導体１３，１４、給電端子１５，１６、接地導体１８，３２、マイクロストリップライン２１，２２等の導体は、金、銀、銅、パラジウム、白金、銀パラジウム、銀白金、アルミニウム等の導体を、印刷、めっき、蒸着、スパッタ、エッチング等によって構成することができる。
【００３２】
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様および応用が可能である。たとえば、ハイブリッド回路２０は、マイクロストリップライン２１，２２で構成される以外の伝送路、たとえば同軸ケーブルなどを用いて構成したものも使用可能である。また、本発明は当然、受信用アンテナとしても使用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、小形かつコンパクトに構成するのに適した円偏波パッチアンテナの特長を活かしつつ、周波数−軸比特性が良好で、インピーダンス整合のための調整も行いやすいと円偏波パッチアンテナを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による円偏波パッチアンテナの第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の円偏波パッチアンテナにおいてパッチ素子に励振されるアンテナ電流の分布状態とベクトル状態を示す平面図である。
【図３】本発明と従来の円偏波パッチアンテナの周波数−軸比特性を示す特性グラフである。
【図４】本発明による円偏波アンテナの第２実施形態を示す斜視図である。
【図５】本発明による円偏波アンテナの第３実施形態を示す斜視図である。
【図６】本発明による円偏波アンテナの第４実施形態を示す斜視図である。
【図７】従来の円偏波パッチアンテナの構成を示す斜視図である。
【図８】従来の円偏波パッチアンテナにおいてパッチ素子に励振されるアンテナ電流の分布状態とベクトル状態を示す平面図である。
【符号の説明】
１０円偏波パッチアンテナ（本発明）
１０１円偏波パッチアンテナ（従来）
１１アンテナベース基板
１２パッチ素子
Ｘｃ，Ｙｃ中心線
１８接地導体
１３，１４給電導体（本発明）
１３１，１４１給電導体（従来）
１５，１６給電端子
２０ハイブリッド回路
２１，２２マイクロストリップライン
ＩＮ入力端子
Ｒｅ終端抵抗
３１誘電体基板
３２接地導体
３３，３４給電用端子パッド
３５，３６スルーホール配線

Claims

セラミック、樹脂、セラミックと樹脂とのコンポジット材料のうちの少なくとも１つによって構成されている誘電体または磁性体のアンテナベース基板と、このベース基板の１つの面である第１の面に配置されて円偏波アンテナの放射導体部となるパッチ素子と、上記第１の面に上記ベース基板を介して対向する第２の面に配置された上記パッチ素子の励振用接地導体と、上記第１の面にて上記パッチ素子の縁に２方向から容量結合または共振結合する２つの給電導体と、この２つの給電導体に給電するための給電端子とを有する送信および／または受信用の円偏波パッチアンテナにおいて、上記２つの給電導体は、上記第１の面にて上記パッチ素子の中心を通過し、かつその面上で直交する２つの中心線と、上記パッチ素子の縁からの延長線とで挟まれる幅内で形成されるとともに、上記中心線を避けた位置にて上記パッチ素子の縁に２方向から容量結合または共振結合するように配置されていることを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
請求項１において、アンテナ入力信号を上記２つの給電端子に９０度の位相差で給電するハイブリッド回路が集合一体化されたことを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
請求項１または２において、上記ハイブリッド回路が形成された回路基板を上記アンテナベース基板に積層して両者を集合一体化したことを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
請求項１〜３のいずれかにおいて、アンテナベース基板とは別の誘電体基板の片面に積層固定された接地導体をそのアンテナベース基板の第２の面に配置するとともに、上記接地導体に上記誘電体基板を介して対向する弟３の面に、ハイプリッド回路を形成するマイクロストリップラインの導体パターンを配置することにより、上記接地導体がパッチ素子の励振用接地導体とマイクロストリップラインの接地導体を兼ねるようにしたことを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
請求項４において、誘電体層を挟んで導体パターンと接地導体が対向する層構造を有する２層以上の多層プリント回路基板を使用し、この回路基板の導体パターンと接地導体により上記ハイブリッド回路を構成するマイクロストリップラインが形成されているとともに、そのマイクロストリップラインの接地導体がパッチ素子の励振用接地導体を兼ねていることを特徴とする円偏波パッチアンテナ。