特許 6178672 円偏波パッチアレーアンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6178672

(24)【登録日】2017年7月21日

(45)【発行日】2017年8月9日

(54)【発明の名称】円偏波パッチアレーアンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 21/24 20060101AFI20170731BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20170731BHJP

   H01Q 13/08 20060101ALI20170731BHJP

【ＦＩ】

   H01Q21/24

   H01Q21/06

   H01Q13/08

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2013-177373(P2013-177373)

(22)【出願日】2013年8月28日

(65)【公開番号】特開2015-46798(P2015-46798A)

(43)【公開日】2015年3月12日

【審査請求日】2016年6月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000191238

【氏名又は名称】新日本無線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098372

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 保人

(72)【発明者】

【氏名】及川 和夫

【審査官】 佐藤 当秀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１７１３２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１９５９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 英国特許出願公告第０２２１９４３８（ＧＢ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０３３２８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１０６５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１５７００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０２８０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３１２９０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｐ ５／１０７

Ｈ０１Ｑ １３／０８

Ｈ０１Ｑ ２１／０６

Ｈ０１Ｑ ２１／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンテナ基板に接続される導波管の端面部にパッチプローブを配置し、このパッチプローブにおいて電界面内で導波管中心に対し対称となる２箇所を上記アンテナ基板の２つの分岐部へ配線し、この２つの分岐部からアンテナ基板上に１８０度位相差のある電波を振分け給電するパッチプローブ型１８０度位相差給電部と、
上記アンテナ基板上の２つの分岐部の各々に対し２つの第１円偏波パッチを配置し、これら第１円偏波パッチ間の給電線路に、給電位相を９０度偏移させる９０度位相差伝送線路を形成することにより、上記第１円偏波パッチ間に９０度の位相差を付与しかつ給電線路の進行方向と上記第１円偏波パッチの回転方向が同相となるように構成すると共に、上記２つの第１円偏波パッチの各々の外側に、給電線路の進行方向と回転方向が同相となるように第２円偏波パッチを設けた２組のパッチアレー部と、を備え、
上記２組のパッチアレー部を上記パッチプローブ型１８０度位相差給電部の中心に対し回転対称の位置に配置した円偏波パッチアレーアンテナ装置。

【請求項2】

導波管の端面が配置されたアンテナ基板の裏面に導波管中心に位置するスロットを形成し、このスロットを横切る上記アンテナ基板の表面のストリップ線路の両側を上記アンテナ基板の２つの分岐部とし、この２つの分岐部からアンテナ基板上に１８０度位相差のある電波を振分け給電するスロット型１８０度位相差給電部と、
上記アンテナ基板上の２つの分岐部の各々に対し２つの第１円偏波パッチを配置し、これら第１円偏波パッチ間の給電線路に、給電位相を９０度偏移させる９０度位相差伝送線路を形成することにより、上記第１円偏波パッチ間に９０度の位相差を付与しかつ給電線路の進行方向と上記第１円偏波パッチの回転方向が同相となるように構成すると共に、上記２つの第１円偏波パッチの各々の外側に、給電線路の進行方向と回転方向が同相となるように第２円偏波パッチを設けた２組のパッチアレー部と、を備え、
上記２組のパッチアレー部を上記スロット型１８０度位相差給電部の中心に対し回転対称の位置に配置した円偏波パッチアレーアンテナ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、円偏波パッチアレーアンテナ装置、特に給電線路が放射素子と同一面にあるマイクロストリップアンテナ構造の円偏波パッチアレーアンテナに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、平面アンテナで円偏波を発生させる方法としてアンテナパッチ（アンテナ素子）等の縮退分離素子を装荷した一点給電型パッチアンテナ（装置）があり、このアンテナは、レイアウトがシンプルでアレイ化に適している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−１７１３２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記一点給電型パッチアンテナの中に、給電線路としてのマイクロストリップ線路と複数のアンテナパッチを同一面に配置したもの（マイクロストリップアンテナ構造）があり、この場合は、アンテナパッチを接続する給電線路の影響により軸比が悪化するという問題がある。例えば、マイクロストリップ線路に対し等間隔で１列に円偏波アンテナパッチを配置し、マイクロストリップ線路でのマイクロ波の進行方向（Ｆ_２）とアンテナパッチで発生する円偏波の回転方向（Ｆ_１）が同じ（同相）となるようにレイアウトした場合［図８（Ａ）］、給電部の影響は軽減されるが、逆相となるようにレイアウトした場合［図８（Ｂ）］には、軸比が劣化する。

【0005】

一方、軸比の劣化なくアレイ化を行う方法として、従来では、円偏波アンテナパッチ部とマイクロストリップ（給電線路）を分離するように基板を多層構造としたり、円偏波アンテナパッチ部以外を金属板でカバーしたりすることが行われるが、このような方法では、構造が複雑となり、コスト的にも高くなる。

【0006】

また、上記特許文献１のようなマイクロストリップアンテナ構造のアンテナ装置があり、この例では、マイクロストリップ線路に環状線路を備え、この環状線路から外方へ放射状に延在するように円偏波アンテナ素子を配置することで、構成の簡略化を図っている。しかし、このアンテナ装置においては、円偏波アンテナ素子の外方へ更に円偏波アンテナ素子を配置してアンテナの開口面積を増やすことが困難となる。

【0007】

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、軸比の劣化がなく、多層構造とすることもなく、低コストでアレイ化を行うことができ、またアンテナの開口面積を増やすことも可能となる円偏波パッチアレーアンテナ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の円偏波パッチアレーアンテナ装置は、アンテナ基板に接続される導波管の端面部にパッチプローブを配置し、このパッチプローブにおいて電界面内で導波管中心に対し対称となる２箇所を上記アンテナ基板の２つの分岐部へ配線し、この２つの分岐部からアンテナ基板上に１８０度位相差のある電波を振分け給電するパッチプローブ型１８０度位相差給電部と、上記アンテナ基板上の２つの分岐部の各々に対し２つの第１円偏波パッチを配置し、これら第１円偏波パッチ間の給電線路に、給電位相を９０度偏移させる９０度位相差伝送線路を形成することにより、上記第１円偏波パッチ間に９０度の位相差を付与しかつ給電線路の進行方向と上記第１円偏波パッチの回転方向が同相となるように構成すると共に、上記２つの第１円偏波パッチの各々の外側に、給電線路の進行方向と回転方向が同相となるように第２円偏波パッチを設けた２組のパッチアレー部と、を備え、上記２組のパッチアレー部を上記パッチプローブ型１８０度位相差給電部の中心に対し回転対称の位置に配置したことを特徴とする。
請求項２に係る発明の円偏波パッチアレーアンテナ装置は、導波管の端面が配置されたアンテナ基板の裏面に導波管中心に位置するスロットを形成し、このスロットを横切る上記アンテナ基板の表面のストリップ線路の両側を上記アンテナ基板の２つの分岐部とし、この２つの分岐部からアンテナ基板上に１８０度位相差のある電波を振分け給電するスロット型１８０度位相差給電部と、上記アンテナ基板上の２つの分岐部の各々に対し２つの第１円偏波パッチを配置し、これら第１円偏波パッチ間の給電線路に、給電位相を９０度偏移させる９０度位相差伝送線路を形成することにより、上記第１円偏波パッチ間に９０度の位相差を付与しかつ給電線路の進行方向と上記第１円偏波パッチの回転方向が同相となるように構成すると共に、上記２つの第１円偏波パッチの各々の外側に、給電線路の進行方向と回転方向が同相となるように第２円偏波パッチを設けた２組のパッチアレー部と、を備え、上記２組のパッチアレー部を上記スロット型１８０度位相差給電部の中心に対し回転対称の位置に配置したことを特徴とする。

【0009】

上記の構成によれば、１８０度位相差給電部に対し、９０度位相差伝送線路を有するパッチアレー部の２組を回転対称位置に配置することで、円偏波パッチと給電線路（マイクロストリップ線路）をアンテナ中心から放射状の４方向に配置し、かつ給電線路を進む電波（マイクロ波）の方向と円偏波パッチで発生する円偏波の回転方向が同相となるようにレイアウトすることで、アンテナ中心から４方向で順に９０度ずつ給電位相が遷移する状態が得られる。これにより、単層基板のマイクロストリップアンテナ構造であっても、中心の正面に対し軸対称性のよい円偏波パッチアレーアンテナが実現できる。

【発明の効果】

【0010】

本発明の円偏波パッチアレーアンテナ装置によれば、軸比の劣化がなく、多層構造とすることもなく、低コストでアレイ化が可能になる単層基板のマイクロストリップアンテナ構造を得ることができ、また給電部を中心として配置した例えば４つの第１円偏波パッチの外側へマイクロストリップ線路を介して複数の第２円偏波パッチを多段に接続し、アンテナの開口面積を増やすことも可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１実施例に係る円偏波パッチアレーアンテナ装置の基板表面の構成を示す図である。

【図2】第１実施例のアンテナ装置の構成を示し、図（Ａ）は導波管側から見たアンテナ基板裏面側の図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。

【図3】第１実施例のアンテナ装置の中心部の構成を示す図である。

【図4】第１実施例のアンテナ装置の斜視図で、図（Ａ）は表面側の図、図（Ｂ）は裏面側の図である。

【図5】第２実施例のアンテナ装置の構成を示し、図（Ａ）は導波管側から見たアンテナ基板裏面側の図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。

【図6】第２実施例のアンテナ装置の中心部の構成を示す図である。

【図7】実施例のアンテナ装置の特性を示すグラフ図である。

【図8】マイクロストリップ線路と円偏波パッチの構成及びその電波の伝送状態を示す図で、図（Ａ）は同相の場合の図、図（Ｂ）は逆相の場合の図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１乃至図４には、第１実施例の円偏波パッチアレーアンテナ装置の構成が示されており、この装置は、図２に示されるように、パッチプローブ型１８０度位相差給電の構造を用いたものである。図２（Ａ），（Ｂ）において、アンテナ基板１０の裏面の接地導体には、導波管１２の端面が接触配置されるが、この導波管１２の端面部に、図５（Ｂ）にも示されるように、小基板１３を介してパッチプローブ１４が取り付けられており、このパッチプローブ１４の電界面（Ｅ面）内で導波管中心に対し対称となる２箇所をアンテナ基板１０の表面の導体部へ接続し、この２つの導体部を分岐部１５ａ，１５ｂとする。このようにして形成された分岐部１５ａ，１５ｂの一方は、他方の分岐部に対し１８０度だけ位相差となり、振幅が同一となる電波が給電される。

【0013】

図３には、図１のアンテナ装置の中心部の構成が示されており、実施例では、分岐部１５ａ，１５ｂのそれぞれに、パッチアレー部（２２Ａ，２２Ｂ）が配置される。１組目のパッチアレー部２２Ａでは、一方の分岐部１５ａに、給電線路としてマイクロストリップ線路１７が配線され、例えば分岐部１５ａから右側にマイクロストリップ線路１７ａ、上側にマイクロストリップ線路１７ｂが設けられ、右側のマイクロストリップ線路１７ａに、分岐線路を介して円偏波パッチ（アンテナパッチ）１８ａが配置される。

【0014】

他方のマイクロストリップ線路１７ｂには、給電位相を９０度だけ遷移させる９０度位相伝送線路２０が設けられると共に、分岐線路を介して円偏波パッチ１８ｂが配置される。上記円偏波パッチ１８ａ，１８ｂは、図８（Ａ）に示されるように、両方において、電界の例えば右旋の回転方向Ｆ_１の位相がマイクロストリップ線路１７ａ，１７ｂのマイクロ波の進行方向Ｆ_２の位相と一致する（同相となる）ように配置される。上記円偏波パッチ１８ａ，１８ｂは、円形導体板（プリント面）に、斜めスリットを形成したものであるが、この円偏波パッチとしては、周知の各種形状のものが適用できる。

【0015】

そして、上記１組目と全く同じ構造のパッチアレー部を給電部中心（導波管中心）に対して１８０度回転させ、回転対称となるように、分岐部１５ｂに配線することで、２組目のパッチアレー部２２Ｂを構成する。即ち、パッチアレー部２２Ｂは、回転位置が異なるだけで、マイクロストリップ線路１７ｃと円偏波パッチ１８ｃ、マイクロストリップ線路１７ｄと円偏波パッチ１８ｄは、パッチアレー部２２Ａの構成と全く同一となる。その結果、上記円偏波パッチ１８ｃ，１８ｄは、両方共に、図８（Ａ）のように、電界の例えば右旋の回転方向Ｆ_１の位相がマイクロストリップ線路１７ｃ，１７ｄのマイクロ波の進行方向Ｆ_２の位相と一致し、同相となる。

【0016】

更に、実施例では、図１に示されるように、上記円偏波パッチ１８ａ〜１８ｄの外側に、それぞれ２個ずつ、計８個の円偏波パッチ１８ｅ〜１８ｌが分岐線路を介して接続される。即ち、マイクロストリップ線路１７ａに、この線路のマイクロ波進行方向（Ｆ_２）と回転方向（Ｆ_１）が同相となる円偏波パッチ１８ｅ，１８ｆを配線し、マイクロストリップ線路１７ｂに、この線路のマイクロ波進行方向と回転方向が同相となる円偏波パッチ１８ｇ，１８ｈを配線し、マイクロストリップ線路１７ｃに、この線路のマイクロ波進行方向と回転方向が同相となる円偏波パッチ１８ｉ，１８ｊを配線し、マイクロストリップ線路１７ｄに、この線路のマイクロ波進行方向と回転方向が同相となる円偏波パッチ１８ｋ，１８ｌを配線する。なお、各パッチ間のマイクロストリップ線路１７ａ〜１７ｄ及び分岐線路は、その幅や線路長を調整することで、全体のリターンロスを最適化するインピーダンスとアレイ化の条件が満たされるように設計される。

【0017】

第１実施例は、以上の構成からなり、このアンテナ装置では、マイクロストリップ線路１７ａにて配線された円偏波パッチ１８ａ，１８ｅ，１８ｆに対して位相０度の電波、マイクロストリップ線路１７ｂにて配線された円偏波パッチ１８ｂ，１８ｇ，１８ｈに対して位相９０度の電波、マイクロストリップ線路１７ｃにて配線された円偏波パッチ１８ｃ，１８ｉ，１８ｊに対して位相１８０度の電波、マイクロストリップ線路１７ｄにて配線された円偏波パッチ１８ｄ，１８ｋ，１８ｌに対して位相２７０度の電波が給電され、円偏波による通信が実行される。

【0018】

このような第１実施例の構成によれば、中心部の円偏波パッチ１８ａ〜１８ｄの方が給電分配比率は高くなる分布給電が容易に実現できるが、外側の円偏波パッチ１８ｅ〜１８ｌを含めた多数のパッチにより、良好な軸比の、指向性においても左右対称性のよいアンテナ特性が得られる。

【0019】

図７には、実施例のアンテナ装置を右（旋）円偏波用とした場合の特性が示されており、図７に示されるように、右円偏波において良好なアンテナ特性が得られ、角度の対称性も高くなっていることが分かる。

【0020】

図５及び図６には、第２実施例のアンテナ装置の構成が示されており、この装置は、図５に示されるように、スロット型１８０度位相差給電の構造を用いたものである。図５（Ａ），（Ｂ）において、アンテナ基板２４の裏面の接地導体２５に、スロット２６が形成され、このスロット２６の縦中心部を横切る（直交する）ように、アンテナ基板２４の表面にマイクロストリップ線路２７が形成されており、図６にも示されるように、このマイクロストリップ線路２７のスロット２６を中心とした両側を分岐部２７ａ，２７ｂとなるようにする。このような分岐部２７ａ，２７ｂにおいても、その一方には他方の分岐部に対し１８０度だけ位相差があり、振幅が同一となる円偏波が給電される。

【0021】

図６には、図５のアンテナ装置の中心部の構成が示されており、図３と同様に、分岐部２７ａの右側のマイクロストリップ線路１７ａに、分岐線路を介して円偏波パッチ（アンテナパッチ）１８ａが配置され，左側のマイクロストリップ線路１７ｂには、９０度位相伝送線路２０が設けられると共に、分岐線路を介して円偏波パッチ１８ｂが配置される。そして、上記円偏波パッチ１８ａ，１８ｂは、両方共に、電界の例えば右旋の回転方向Ｆ_１の位相がマイクロストリップ線路１７ａ，１７ｂのマイクロ波の進行方向Ｆ_２の位相と一致するように配置される。

【0022】

そして、上記１組目のパッチアレー部２２Ａと全く同じ構造のものを給電部中心（導波管中心）に対して１８０度回転させ、回転対称となるように、分岐部２７ｂに配線することで、２組目のパッチアレー部２２Ｂが構成される。更に、この各パッチアレー部２２Ａ，２２Ｂでは、図１の場合と同様に、上記円偏波パッチ１８ａ〜１８ｄの外側に、それぞれ２個ずつ、計８個の円偏波パッチ１８ｅ〜１８ｌが分岐線路を介して接続される。

【0023】

この第２実施例の構成においても、第１実施例と同様に、円偏波パッチ１８ａ（１８ｅ，１８ｆ）に位相０度の電波、円偏波パッチ１８ｂ（１８ｇ，１８ｈ）に位相９０度の電波、円偏波パッチ１８ｃ（１８ｉ，１８ｊ）に位相１８０度の電波、円偏波パッチ１８ｄ（１８ｋ，１８ｌ）に位相２７０度の電波が給電され、円偏波による通信が実行され、これらの円偏波パッチ１８ａ〜１８ｌにより、図７の特性のように、軸比、指向性の左右対称性において良好なアンテナ特性が得られる。

【0024】

また、上記実施例によれば、給電部を中心として配置した４つの円偏波パッチ１８ａ〜１８ｄだけでなく、その外側へ分岐線路を介して更に複数の円偏波パッチ１８ｅ〜１８ｌを環状に接続することで、アレイアンテナの開口面積を増やすことができるという利点がある。

【符号の説明】

【0025】

１０，２４…アンテナ基板、
１２…導波管、 １４…パッチプローブ、
１５ａ，１５ｂ，２７ａ，２７ｂ…分岐部、
１７ａ〜１７ｄ，２７…マイクロストリップ線路（給電線路）、
１８ａ〜１８ｌ…円偏波パッチ（アンテナ素子）、
２２Ａ，２２Ｂ…パッチアレー部、
２５…接地導体、 ２６…スロット。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】