円偏波マイクロストリップアンテナ及び多周波共用アンテナ
【課題】 ２点給電方式により給電する際に交差偏波成分の影響を抑えて円偏波の特性向上が可能な円偏波マイクロストリップアンテナを提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の円偏波マイクロストリップアンテナは、誘電材料を所定の厚さに形成した誘電体基板１２と、誘電体基板１２の一方の面に配置されたパッチ導体１１と、誘電体基板１２の他方の面に配置された接地導体１３と、パッチ導体１１の中心Ｃから見て方向Ａに配置されパッチ導体１１に給電する第１給電部１４と、パッチ導体１１の中心Ｃから見て方向Ａと直交する方向Ｂに配置され第１給電部１４と略同一の振幅かつ略９０°異なる位相でパッチ導体１１に給電する第２給電部１５と、パッチ導体１１に形成され、第１及び第２給電部による励振の縮退分離量を調整するための摂動部１１ａ、１１ｂを備えている。
【解決手段】 本発明の円偏波マイクロストリップアンテナは、誘電材料を所定の厚さに形成した誘電体基板１２と、誘電体基板１２の一方の面に配置されたパッチ導体１１と、誘電体基板１２の他方の面に配置された接地導体１３と、パッチ導体１１の中心Ｃから見て方向Ａに配置されパッチ導体１１に給電する第１給電部１４と、パッチ導体１１の中心Ｃから見て方向Ａと直交する方向Ｂに配置され第１給電部１４と略同一の振幅かつ略９０°異なる位相でパッチ導体１１に給電する第２給電部１５と、パッチ導体１１に形成され、第１及び第２給電部による励振の縮退分離量を調整するための摂動部１１ａ、１１ｂを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円偏波を励振可能な円偏波マイクロストリップアンテナに関し、特に、２点給電方式の円偏波平面アンテナにおいて発生する交差偏波成分の影響を制御することにより、良好な円偏波アンテナ特性を保つことが可能な円偏波マイクロストリップアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、円偏波を励振可能な平面アンテナとして、２点給電方式の円偏波マイクロストリップアンテナが知られている。この種の円偏波マイクロストリップアンテナは、放射素子としてのパッチ導体と、このパッチ導体に給電する給電回路等を含む給電手段を具備している。そして、パッチ導体に対し、パッチ中心から見て互いに直交する２方向に配置される２つの給電部を設け、それぞれの給電部に振幅比が約１対１で双方の位相差が約９０°となるように給電する。その結果、同程度の振幅を持ち互いの位相差が９０°の互いに直交する偏波がパッチ導体にて励振されるので、円偏波駆動を行うことができる。
【特許文献１】特開２００１−２６７８３５
【特許文献２】特開２００３−２２４４１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の２点給電方式の円偏波マイクロストリップアンテナにおいては、２つの給電部の相互結合に起因する交差偏波成分の増加を招くことが問題となる。交差偏波成分の影響によって、軸比の劣化を招くなど、円偏波の良好な特性を保つのに支障を来たすことになる。一方、上記従来の構成において、交差偏波成分の影響を抑制するための手法が提案されている。例えば、特許文献１には、２つの給電部に入力する信号の振幅比を１対１からずらしたり、位相差を９０°からずらすことによって交差偏波成分を低減する手法が開示されている。また、特許文献２には、２つの給電部を、パッチ中心から見て直交する方向からずらした位置に設定する手法が開示されている。これらの各手法により、上述の交差偏波成分を抑制することができる。
【０００４】
しかし、上記の特許文献１、２に開示された手法は、いずれも給電部の構造や給電回路の構成など給電手段に関するものである。よって、かかる手法を適用する場合、給電手段の設計上の負荷が大きくなり、簡単に円偏波の特性を最適化できないことが問題となる。
【０００５】
また、円偏波マイクロストリップアンテナを装置に組み込む場合、回路基板や他の機能部品、ケーブル等の周囲環境によって円偏波の特性が悪影響を受ける場合がある。それらのような周囲環境に適した円偏波の特性を、給電手段によって最適化するのは容易ではない。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、円偏波マイクロスリップアンテナにおいて２点給電方式を採用する場合、２つの給電部の相互結合に起因する交差偏波成分の影響を制御することが可能であり、また、周囲環境の影響下においても適した制御を施すことにより、良好な円偏波の特性を有する円偏波マイクロストリップアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、円偏波を励振可能な円偏波マイクロストリップアンテナであって、誘電材料を所定の厚さに形成した誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面に配置されたパッチ導体と、前記誘電体基板の他方の面に配置された接地導体と、前記パッチ導体の中心から見て第１の方向に配置され、前記パッチ導体に給電する第１給電部と、前記パッチ導体の中心から見て前記第１の方向と直交する第２の方向に配置され、前記第１給電部と略同一の振幅かつ略９０°異なる位相で前記パッチ導体に給電する第２給電部と、前記パッチ導体、前記接地導体、前記誘電体基板のいずれかに形成され、前記第１及び第２給電部による励振の縮退分離量を調整するための摂動部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、円偏波マイクロストリップアンテナに対し２点給電を行い、第１給電部と第２給電部から略同一の振幅で互いの位相が略９０°となるように給電すると、パッチ導体を円偏波駆動することができる。このとき、パッチ中心から各々の給電部を結ぶ２方向での励振において、２つの給電部の存在により交差偏波成分が発生するが、摂動部の状態を変えて縮退分離量を適切に調整すれば、発生した交差偏波成分を制御することができる。よって、交差偏波成分の増加に伴う軸比等の劣化を的確に防止し、円偏波の特性を良好に保つことができる。また、周囲環境の影響下においても適した縮退分離量の調整により、円偏波の特性を良好に保つことができる。この特性改善方法は、給電回路等に対して設計変更するような負荷はなく、アンテナ部分のみにおいての調整であり、設計の簡易化を実現する。
【０００９】
請求項２に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項１に記載の発明において、前記摂動部が、前記パッチ導体の中心から見て前記第１の方向と前記第２の方向に伸びる２直線のうち、少なくとも一方の直線に対し非線対称の構造を有することを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、上述の発明の作用に加えて、パッチ中心から２つの給電部を見る２方向に対し摂動部が非線対称の構造を有しているので、形状やサイズの変更により、縮退分離量を自在に調整することが可能となる。
【００１１】
請求項３に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項２に記載の発明において、前記摂動部が、前記２直線のそれぞれと略４５°の角をなす方向に励振する第１の偏波と、この第１の偏波に直交する第２の偏波との間の位相差を変化させることが可能であることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、上述の発明の作用に加えて、パッチ中心から２つの給電部を見る２方向に対し、それぞれ４５°の角をなす２つの偏波を想定したとき、例えばそれらの偏波の電気長に所定の差を付与することが可能な摂動部を設けることにより、それらの位相差の調整、つまりは縮退分離量の調整を容易に設計することができる。これにより、簡易かつ確実に円偏波の特性向上を図ることができる。
【００１３】
請求項４に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項３に記載の発明において、前記摂動部が、前記第１の偏波と前記第２の偏波のいずれかの方向に沿うとともに、前記パッチ導体の中心を挟んで対向する２箇所の位置に形成されることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項３に記載の発明において、前記摂動部が、前記第１の偏波と前記第２の偏波のいずれかと平行であるとともに前記パッチ導体の中心を通る直線上の１箇所の位置に形成されることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項１から５のいずれかに記載の発明において、前記摂動部が、前記パッチ導体、前記接地導体、前記誘電体基板のいずれかの外形の所定位置に形成された切り欠き領域又は突出領域であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項１から５のいずれかに記載の発明において、前記摂動部が、前記パッチ導体又は前記接地導体の略中央に形成された所定形状のスロットであることを特徴とする。
【００１７】
上記請求項４〜７にそれぞれ記載の発明によれば、パッチ導体、接地導体、誘電体基板に対し適用可能な摂動部としては、その位置、形状、個数などに関して多様なバリエーションがあり、アンテナ形状や装置構成に応じて最適な摂動部を選択して採用することができる。
【００１８】
また、請求項８に記載の発明は、複数の周波数を送受信可能であるとともに、前記複数の周波数の少なくとも１つの周波数において円偏波の送受信が可能な多周波共用アンテナであって、円偏波で送受信される周波数の内の少なくとも１つの周波数の送受信に請求項１乃至７のいずれかに記載の円偏波マイクロストリップアンテナが用いられることを特徴とする多周波共用アンテナである。
【００１９】
この発明によれば、多周波の送受信に対応した多周波共用アンテナにおいても、円偏波の送受信に本発明を適用したアンテナを用いることで円偏波特性を良好に保つことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、２点給電を行う円偏波マイクロストリップアンテナに対して、円偏波の縮退分離量を調整するための摂動部を設けるようにしたので、パッチ中心から各々の給電部を結ぶ２方向での励振において、２つの給電部の存在により発生する交差偏波成分を、摂動部による縮退分離量の調整によって抑えることができる。従って、交差偏波成分の増加に伴う軸比等の劣化を的確に防止し、円偏波の特性を良好に保つことができる。また、周囲環境の影響に対しても縮退分離量の調整により円偏波の特性を良好に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナの構造を示す図であり、平面図及び側面図をそれぞれ示している。
【００２２】
図１の平面図に示すように、誘電体基板１２の上側の面には、正方形の金属導体からなるパッチ導体１１が配置されている。ここでは、パッチ導体１１の形状が正方形である場合を示しているが、状況に応じ長方形や円形など他の形状のパッチ導体１１を用いてもよい。誘電体基板１２は、所望の誘電率の誘電材料からなり、パッチ導体１１より大きい外形を有して所定の厚さに形成される。また、図１の側面図に示すように、誘電体基板１２の下側の面には所定形状の接地導体１３が配置され、パッチ導体１１と接地導体１３が誘電体基板１２を挟んで対向する配置になっている。
【００２３】
誘電体基板１２の上部平面には、パッチ導体１１に給電するための第１給電部１４及び第２給電部１５が設けられている。これらの第１給電部１４及び第２給電部１５は、パッチ導体１１に対して容量結合で給電するように構成され、それぞれ誘電体基板１２を貫く第１の給電線１４ａ、第２の給電線１５ａを介して給電回路と接続されている。
【００２４】
図１に示すように、パッチ導体１１のパッチ中心Ｃから見て、第１給電部１４の略中央に設定された第１給電点Ｆ１が矢印Ａ方向の直線上に配置されるとともに、第２給電部１５の略中央に設定された給電点Ｆ２が矢印Ｂ方向の直線上に配置される。そして、これらパッチ中心Ｃを基点とするＡ方向の直線とＢ方向の直線は、互いに直交する関係にある。このような配置で、第１給電部１４と第２給電部１５に対し、振幅が同一で位相が互いに９０°異なる信号を入力することにより、円偏波マイクロストリップアンテナを円偏波駆動することが可能となる。
【００２５】
パッチ導体１１には、正方形の外形のうち１角に摂動部１１ａが形成されるとともに、パッチ中心Ｃを挟んで摂動部１１ａに対向する１角に摂動部１１ｂが形成されている。これら２つの摂動部１１ａ、１１ｂは、正方形の２角の所定領域を切り欠いて形成されている。なお、これら摂動部１１ａ、１１ｂは、図１に示すような切り欠きによって設ける場合に限らず、多様な形態で形成することができるが、詳細については後述する。
【００２６】
図１において、一般に摂動部１１ａ、１１ｂを設けずにパッチ導体１１を励振する場合、第１給電部１４と第２給電部１５の位置関係に起因して交差偏波が発生し、それにより軸比等の円偏波アンテナ特性を劣化させる恐れがある。一方、本実施形態では、上述のようにパッチ導体１１の２箇所に摂動部１１ａ、１１ｂを形成することにより、２点給電方式において問題となる交差偏波成分の影響によるアンテナ特性の劣化防止を図っている。
【００２７】
ここで、本発明のように摂動部１１ａ、１１ｂを設ける構成が、一般的な摂動部１１ａ、１１ｂを設けない構成と比較し、有利となるメカニズムについて説明する。以下は２点給電円偏波アンテナを、１点給電直線偏波アンテナを２つ直交させて用いたものとして捉え、１点から給電した場合の諸特性について述べていく。
【００２８】
まずは図２（ａ）のように、一般的な摂動部がない正方形のパッチ導体２１に第１給電部２２から給電する場合を考える。このとき、第１給電部２２による励振は、図２（ａ）に示すように、２つの直交モード、偏波φ１及び偏波φ２の重ね合わせとして考えることができる。これらの偏波φ１、φ２の励振方向は、パッチ中心Ｃから給電点Ｆ１を見るＡ方向の入力信号に対し、いずれも４５°の角度をなすものとする。ここで、第２給電部が存在しないと仮定すると（１点給電）、それぞれの偏波φ１、φ２は、各φ１、φ２方向で観測した場合、互いに同振幅、同位相となるので、パッチ導体２１の共振成分は純粋にＡ方向の成分からなり、Ｂ方向の成分は発生しない。このような状態で、偏波φ１、φ２についてのアンテナ天頂方向における放射位相の周波数特性を図３（ａ）に示している。なお、以降に示すアンテナ特性はすべてアンテナ天頂方向におけるものとする。図３（ａ）において、偏波φ１、φ２の位相がほぼ一致していることがわかる。つまり、第１給電部２２からの１点給電とする場合は、交差偏波に起因する問題は生じない。
【００２９】
これに対し、図２（ｂ）に示すように、給電は行わない第２給電部２３が存在する場合、偏波φ１、φ２の各モードの間に周波数差や位相差が生じる。この場合における図３（ａ）に対応する位相特性を図３（ｂ）に示している。図３（ｂ）においては、図３（ａ）とは異なり、偏波φ１、φ２の位相にずれが生じていることがわかる。これは、偏波φ１、φ２に対して第１給電部２２と第２給電部２３の位置が非対称となっていることにより、偏波φ１、φ２が意図的でない縮退分離をしているという状態である。
【００３０】
よって、２点給電の構成において一方の第１給電部２２から給電したとき、励振成分としてはＡ方向の主偏波成分に加えて、Ｂ方向において位相差が略９０°近辺となる微弱な交差偏波成分が現れる。ここで、第２給電部２３のみから給電する場合を考えると、上記と同様の現象からＢ方向の主偏波成分に加えて、Ａ方向において位相差が略９０°近辺となる微弱な交差偏波成分が現れる。そして、図２（ｂ）の第１給電部２２及び第２給電部２３に位相差９０°をつけた２点給電、つまり円偏波駆動する場合、Ａ・Ｂそれぞれの方向で、主偏波成分と交差偏波成分が一方は強め合い、一方は弱め合う関係となりうる。よって、このような状況の下、Ａ方向とＢ方向のアンテナ利得に差が生じ、円偏波マイクロストリップアンテナの軸比の劣化が生じることになる。
【００３１】
一方、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナでは、上記のような現象を引き起こす原因となる、意図的でない縮退分離状態を、意図的に制御することによって軸比の劣化を防ごうとしている。図４は、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナについて、まずは、第１給電部１４のみからの給電による場合を考える。パッチ導体１１の励振を、偏波φ１、φ２の重ね合わせとして考えたとき、一方の偏波φ１は摂動部１１ａ、１１ｂが形成された対角方向に沿い、他方の偏波φ２は摂動部１１ａ、１１ｂが形成されていない対角方向に沿う配置になる。
【００３２】
このような配置により、摂動部１１ａ、１１ｂは、一方の偏波φ１と他方の偏波φ２の相対的な電気長を変化させるように作用する。これにより、偏波φ１、φ２の共振周波数差や位相差を変化させることができる。すなわち、図４において偏波φ１、φ２に対して摂動部１１ａ、１１ｂの形状やサイズによる調整量が適切に設定されたとき、縮退分離を抑制することができ、Ａ方向・Ｂ方向に現れる交差偏波成分を低減して、軸比等の円偏波の特性を最適化することができる。
【００３３】
図５は、図４において摂動部１１ａ、１１ｂを適切に調整した状態で、第１給電部１４からのみ給電を行い、偏波φ１、φ２についての位相特性を示す図であり、図３（ｂ）と同様の条件に基づく特性である。偏波φ１、φ２の各モードの間には、図３(ｂ)で見られたような位相のずれは生じないことがわかる。つまり、図５は摂動部１１ａ、１１ｂの付加によって位相差をなくし、すなわち縮退分離を抑制することが実際に可能であることを示している。
【００３４】
次に図６は、上記の一連の特性を比較するものである。第１給電部のみからの給電を考えた場合の、（Ａ）は第２給電部がまったくないもの（図２（ａ）、図３（ａ））、（Ｂ）は第２給電部が存在する場合のもの（図２（ｂ）、図３（ｂ））、そして（Ｃ）は第２給電部が存在し、かつ摂動部を有するもの（図４、図５）である。各状態において、述べてきた偏波φ１、φ２の縮退分離量を表す位相差と、それに起因して発生した交差偏波成分の利得をプロットしたものである。一般的な２点給電円偏波マイクロストリップアンテナの配置である（Ｂ）は、２つの給電部の存在により縮退分離した状態にあるため、交差偏波成分が発生している。一方、本実施形態の摂動部を有する２点給電円偏波マイクロストリップアンテナの配置である（Ｃ）は、縮退分離を抑制し、交差偏波成分を低減させることに成功している。これにより、一般的な摂動部なしのものに比べて本実施形態では軸比等の円偏波特性の劣化を防ぐことができる。
【００３５】
次に図７は、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナに対して完全にアイソレーションが取れた２点給電円偏波駆動を行った場合の軸比の周波数特性を示す図である。なお、図７（ａ）では、本実施形態の摂動部１４、１５を設けた（図４）場合の特性を示すとともに、図７（ｂ）では比較のため、一般的な摂動部なしの構成（図２（ｂ））の場合の特性を示す。
【００３６】
図７（ａ）と図７（ｂ）の特性を比べると、本実施形態の構成により全般的に軸比を小さく抑えられることがわかる。これは、図７（ｂ）におけるＡ方向・Ｂ方向の偏波の利得の差に対し、図７（ａ）におけるＡ方向・Ｂ方向の偏波の利得の差がほとんどないことに起因している。本実施形態では摂動部１１ａ、１１ｂの作用によって上述したように交差偏波成分を低減でき、これによりＡ方向・Ｂ方向の偏波の利得の差が小さくなり軸比をゼロに近づけることができる。よって、２点給電時に円偏波の特性を改善する上で本実施形態の構成を採用することが有利である。
【００３７】
次に、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナを無線機器等の搭載する際においても有用であることを述べる。一般に、無線機器等の装置内部にアンテナを組み込む場合、回路基板やその周囲にはケーブルや他の機能部品が存在し、アンテナに対して近接配置されるような状況が考えられる。このようなアンテナ組み込み時の周囲環境の影響でアンテナ特性が劣化することが問題となる。このような問題に対し、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナでは、以下に説明するように摂動部１１ａ、１１ｂの調整により周囲環境の影響による特性劣化を改善することができる。
【００３８】
このように周囲環境の影響が問題となる例として、回路基板上に円偏波マイクロストリップアンテナが非対称配置されるような場合を取り上げる。図８は、回路基板のグランド面を模擬した接地導体１３に対しパッチ導体１１及び誘電体基板１２が非対称配置された状態を示している。すなわち、理想的には接地導体１３の略中央にパッチ導体１１及び誘電体基板１２が配置されると、周囲の影響が円偏波マイクロストリップアンテナに対称的に作用し、アンテナ特性は比較的良好に保たれる。これに対し、図８に示すように非対称配置された場合は、周囲の影響が方向により異なるため、アンテナ特性を劣化させる要因となる。
【００３９】
本実施形態では、図８のように非対称配置される場合であっても、摂動部１１ａ、１１ｂの調整によりアンテナ特性の最適化を図ることができる。図８のような非対称配置された場合は、パッチ導体１１の周囲では、共振方向がＡ方向かＢ方向かによって利得に差が生じ、これにより円偏波の特性劣化を招く可能性がある。そこで、周囲の非対称によって生じた利得の差を解消するため、摂動部１１ａ、１１ｂの形状を適切に設定して縮退分離量を最適化し、円偏波の特性向上を図ればよい。
【００４０】
本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナを図８のように非対称配置した状態で、摂動部１１ａ、１１ｂを最適化した場合のアンテナ天頂方向においての軸比特性を図９（ａ）に示す。図９（ａ）との比較のため、図９（ｂ）には、摂動部１１ａ、１１ｂを設けない図２の構成で図８のように非対称配置した場合の特性を示す。図９（ｂ）に示す摂動部１１ａ、１１ｂを設けない一般的な構成では、軸比のかなりの劣化が生じているのに対し、図９（ａ）に示す本実施形態の構成では、軸比が十分小さく抑えられている。ちなみに、図８における摂動部１１a、１１ｂの形状は、図４での形状に比べ、切り欠くサイズにおいて異なる。これは、対称配置ではなく、非対称配置によって新たに生じた利得差を解消するために、図４における交差偏波成分低減のための手法を、ここでは交差偏波成分の量を意図的に適したものに調整し、利得差制御するために用いたということである。このように、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナは、回路基板への実装など周囲の環境に適合するように円偏波の特性を最適化できる点で優れている。
【００４１】
次に、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナでは、図１に示すような摂動部１１ａ、１１ｂの構造に対して種々の変更を施すことができる。以下、本発明を適用可能な様々な摂動部を有する円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを具体的に説明する。
【００４２】
図１０は、正方形のパッチ導体１１を用いた円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３つの構造は、いずれも図１のＡ方向・Ｂ方向に対しては非線対称であるが、Ａ方向・Ｂ方向から４５°回転させた２方向に対し線対称となる場合の例である。まず、図１０（ａ）では、図１と同様の構造を持つ例を挙げている。図１０（ｂ）では、パッチ導体１１の正方形の対向する２角から突出するように形成された方形の摂動部１１ｃ、１１ｄを持つ構造を示している。図１０（ｃ）では、パッチ導体１１の中央部に長方形のスロットを１つ形成し、このスロットを摂動部１１ｄとする構造を示している。
【００４３】
図１１は、パッチ導体１１を正方形ではなく円形とした場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３つの構造は、図１０と同様、図１のＡ方向・Ｂ方向に対しては非線対称であるが、Ａ方向・Ｂ方向から４５°回転させた２方向に対し線対称となる。そして、図１１（ａ）は、図１０（ａ）の摂動部１１ａ、１１ｂと同形状の摂動部１１ｅ、１１ｆを持つ構造を示し、図１１（ｂ）は、図１０（ｂ）の摂動部１１ｃ、１１ｄと同形状の摂動部１１ｇ、１１ｈを持つ構造を示し、図１１（ｃ）は、図１０（ｃ）の摂動部１１ｄと同形状の摂動部１１ｉを持つ構造を示している。
【００４４】
図１２は、正方形のパッチ導体１１を用いて１箇所にのみ摂動部を設けた場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。図１２の構造では、Ａ方向・Ｂ方向に対して非線対称で、Ａ方向・Ｂ方向から４５°回転させた２方向のうち、一方に対し線対称で他方に対し非線対称となる。図１２（ａ）では、パッチ導体１１の１角における正方形の領域を切り欠いた１つの摂動部１１ｊを持つ構造を示している。図１２（ｂ）では、パッチ導体１１の１角から図１０（ｂ）の摂動部１１ｃ、１１ｄと同形状に形成した１つの摂動部１１ｋを持つ構造を示している。
【００４５】
図１３は、図１２と同様の対称構造を持たせるとともに、パッチ導体１１を正方形ではなく円形とした場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。図１３（ａ）では、パッチ導体１１の一端の所定領域を切り欠いた１つの摂動部１１ｌを持つ構造を示している。図１３（ｂ）では、図１２（ｂ）の摂動部１１ｋと同形状の１つの摂動部１１ｍを持つ構造を示している。
【００４６】
図１４は、パッチ導体１１自体に摂動構造を持たせるべく、正方形や円形などの対称的な形状ではなく非対称的な形状でパッチ導体１１を形成する場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示している。いずれも、Ａ方向・Ｂ方向に対して非線対称であって、Ａ方向・Ｂ方向から４５°回転させた２方向に対し線対称となる。それぞれ、図１４（ａ）はパッチ導体１１の形状を平行四辺形とした構造を示し、図１４（ｂ）はパッチ導体１１の形状を楕円とした構造を示している。
【００４７】
図１５は、物理長と電気長の関係がＡ方向・Ｂ方向において一致しない場合や、別の調整用件がある場合に、パッチ導体１１自体の形状を例えば長方形などとし、上述の摂動部を組み合わせたパッチ導体１１を形成する場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示している。図１５の構造では、Ａ方向・Ｂ方向に対して非対称となる。図１５（ａ）は、長方形のパッチ導体１１に図１０（ａ）の摂動部１１ａ、１１ｂと同形状の摂動部１１ｎ、１１ｏを持つ構造を示し、図１５（ｂ）は、長方形のパッチ導体１１に図１２（ａ）の摂動部１１ｊと同形状の摂動部１１ｐを持つ構造を示している。
【００４８】
次に、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナでは、上述したようにパッチ導体１１に摂動部を設ける場合に加え、誘電体基板１２に摂動部を設けて構成してもよい。図１６は、誘電体基板１２に摂動部を設けて構成した円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【００４９】
図１６（ａ）では、正方形の誘電体基板１２の対向する２角に摂動部１２ａ、１２ｂを設け、図１６（ｂ）では、正方形の誘電体基板１２の１角に摂動部１２ｃを設け、図１６（ｃ）では、円形の誘電体基板１２の対向する２箇所から突出する摂動部１２ｄ、１２ｅを設けている。このように、誘電体基板１２に摂動部を設ける場合は、パッチ導体１１に摂動部を設ける場合と基本的に共通の形成方法を適用することができる。
【００５０】
次に、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナでは、さらに接地導体１３に摂動部を設けて構成してもよい。図１７は、接地導体１３に摂動部を設けて構成した円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【００５１】
図１７（ａ）では、正方形の接地導体１３の１角に摂動部１３ａを設け、図１７（ｂ）では、正方形の接地導体１３の中央部に長方形のスロットからなる摂動部１３ｂを設けている。このように、接地導体１３に摂動部を設ける場合は、パッチ導体１１に摂動部を設ける場合と共通の形成方法を適用することができる。
【００５２】
なお、接地導体１３は平面形状に限らず、立体状に突出する摂動部を有してもよい。例えば、接地導体１３の端部を立ち上げ、誘電体基板１２の側面に上述の摂動部を形成してもよい。さらに他の導体を取り付けるなどして摂動部とすることもできる。
【００５３】
以上、図１０〜図１７において列挙した円偏波マイクロストリップアンテナの様々なバリエーションは例示に過ぎず、実際には、パッチ導体１１、誘電体基板１２、接地導体１３に対し、多様な形態の摂動部を組み合わせて形成し、本発明を適用することができる。
【００５４】
また、以上の実施形態は例として容量給電に関するものであったが、給電手法はこれに限るものではなく、ピン給電、マイクロストリップラインによる給電、電磁結合給電等様々な給電手法においても本発明を適用することができる。
【００５５】
なお、本実施形態に係る円偏波マイクロストリップアンテナは、１つの周波数帯に対応するアンテナとして用いる場合に限られず、複数の異なる周波数帯に対応する多周波共用アンテナに組み込んで用いることができる。
【００５６】
図１８に本発明による円偏波アンテナを適用した多周波共用アンテナの一例を示す。図１８のアンテナは第１の周波数に対応したパッチ導体１１の中をくり抜き、そこに第２の周波数に対応したパッチ導体３１を配置し、２つのパッチ導体を短絡部３１ａ、３１ｂで接続した構造となっている。そして、パッチ導体１１によって円偏波が放射されるようになっており、更に摂動部１１ａ、１１ｂを設けて交差偏波成分による軸比劣化を防止する構成となっている。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナの構造を示す図である。
【図２】図１の構成に対応して、摂動部がない正方形のパッチ導体と、第１給電部及び第２給電部を含む従来の円偏波マイクロストリップアンテナを示している。
【図３】従来の円偏波マイクロストリップアンテナの位相特性を示す図である。
【図４】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナについて２つの直交モードとしての偏波φ１、φ２を示した図である。
【図５】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナについて、第１給電部からのみ給電を行い、第２給電部からは給電を行わない状態で、Ａ方向の入力信号及び偏波φ１、φ２についての位相特性を示す図である。
【図６】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナに対し第１給電部から給電した場合、第２給電部の有無と摂動部の有無に応じて、円偏波の位相特性及び交差偏波利得を比較して示す図である。
【図７】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナに対し２点給電を行った場合の軸比特性を示すである。
【図８】接地導体に対しパッチ導体及び誘電体基板が非対称配置された状態を示す図である。
【図９】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナを図８のように非対称配置した状態で、摂動部を最適化した場合の軸比特性を示す図である。
【図１０】正方形のパッチ導体を用いた円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１１】パッチ導体を円形とした場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１２】正方形のパッチ導体を用いて１箇所にのみ摂動部を設けた場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１３】図１２と同様の対称構造を持たせるとともに、パッチ導体を円形とした場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である
【図１４】パッチ導体自体に摂動構造を持たせるべく、非対称的な形状でパッチ導体を形成する場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１５】パッチ導体自体の形状をＡ方向・Ｂ方向に対し非線対称な形状とし、図１０、１２の摂動部を組み合わせたパッチ導体を形成する場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示している。
【図１６】誘電体基板に摂動部を設けて構成した円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１７】接地導体に摂動部を設けて構成した円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１８】本発明を適用した円偏波アンテナと他の周波数に対応したアンテナを一体化した多周波共用アンテナの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１…導体パッチ
１２…誘電体基板
１３…接地導体
１４…第１給電部
１５…第２給電部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円偏波を励振可能な円偏波マイクロストリップアンテナに関し、特に、２点給電方式の円偏波平面アンテナにおいて発生する交差偏波成分の影響を制御することにより、良好な円偏波アンテナ特性を保つことが可能な円偏波マイクロストリップアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、円偏波を励振可能な平面アンテナとして、２点給電方式の円偏波マイクロストリップアンテナが知られている。この種の円偏波マイクロストリップアンテナは、放射素子としてのパッチ導体と、このパッチ導体に給電する給電回路等を含む給電手段を具備している。そして、パッチ導体に対し、パッチ中心から見て互いに直交する２方向に配置される２つの給電部を設け、それぞれの給電部に振幅比が約１対１で双方の位相差が約９０°となるように給電する。その結果、同程度の振幅を持ち互いの位相差が９０°の互いに直交する偏波がパッチ導体にて励振されるので、円偏波駆動を行うことができる。
【特許文献１】特開２００１−２６７８３５
【特許文献２】特開２００３−２２４４１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の２点給電方式の円偏波マイクロストリップアンテナにおいては、２つの給電部の相互結合に起因する交差偏波成分の増加を招くことが問題となる。交差偏波成分の影響によって、軸比の劣化を招くなど、円偏波の良好な特性を保つのに支障を来たすことになる。一方、上記従来の構成において、交差偏波成分の影響を抑制するための手法が提案されている。例えば、特許文献１には、２つの給電部に入力する信号の振幅比を１対１からずらしたり、位相差を９０°からずらすことによって交差偏波成分を低減する手法が開示されている。また、特許文献２には、２つの給電部を、パッチ中心から見て直交する方向からずらした位置に設定する手法が開示されている。これらの各手法により、上述の交差偏波成分を抑制することができる。
【０００４】
しかし、上記の特許文献１、２に開示された手法は、いずれも給電部の構造や給電回路の構成など給電手段に関するものである。よって、かかる手法を適用する場合、給電手段の設計上の負荷が大きくなり、簡単に円偏波の特性を最適化できないことが問題となる。
【０００５】
また、円偏波マイクロストリップアンテナを装置に組み込む場合、回路基板や他の機能部品、ケーブル等の周囲環境によって円偏波の特性が悪影響を受ける場合がある。それらのような周囲環境に適した円偏波の特性を、給電手段によって最適化するのは容易ではない。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、円偏波マイクロスリップアンテナにおいて２点給電方式を採用する場合、２つの給電部の相互結合に起因する交差偏波成分の影響を制御することが可能であり、また、周囲環境の影響下においても適した制御を施すことにより、良好な円偏波の特性を有する円偏波マイクロストリップアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、円偏波を励振可能な円偏波マイクロストリップアンテナであって、誘電材料を所定の厚さに形成した誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面に配置されたパッチ導体と、前記誘電体基板の他方の面に配置された接地導体と、前記パッチ導体の中心から見て第１の方向に配置され、前記パッチ導体に給電する第１給電部と、前記パッチ導体の中心から見て前記第１の方向と直交する第２の方向に配置され、前記第１給電部と略同一の振幅かつ略９０°異なる位相で前記パッチ導体に給電する第２給電部と、前記パッチ導体、前記接地導体、前記誘電体基板のいずれかに形成され、前記第１及び第２給電部による励振の縮退分離量を調整するための摂動部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、円偏波マイクロストリップアンテナに対し２点給電を行い、第１給電部と第２給電部から略同一の振幅で互いの位相が略９０°となるように給電すると、パッチ導体を円偏波駆動することができる。このとき、パッチ中心から各々の給電部を結ぶ２方向での励振において、２つの給電部の存在により交差偏波成分が発生するが、摂動部の状態を変えて縮退分離量を適切に調整すれば、発生した交差偏波成分を制御することができる。よって、交差偏波成分の増加に伴う軸比等の劣化を的確に防止し、円偏波の特性を良好に保つことができる。また、周囲環境の影響下においても適した縮退分離量の調整により、円偏波の特性を良好に保つことができる。この特性改善方法は、給電回路等に対して設計変更するような負荷はなく、アンテナ部分のみにおいての調整であり、設計の簡易化を実現する。
【０００９】
請求項２に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項１に記載の発明において、前記摂動部が、前記パッチ導体の中心から見て前記第１の方向と前記第２の方向に伸びる２直線のうち、少なくとも一方の直線に対し非線対称の構造を有することを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、上述の発明の作用に加えて、パッチ中心から２つの給電部を見る２方向に対し摂動部が非線対称の構造を有しているので、形状やサイズの変更により、縮退分離量を自在に調整することが可能となる。
【００１１】
請求項３に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項２に記載の発明において、前記摂動部が、前記２直線のそれぞれと略４５°の角をなす方向に励振する第１の偏波と、この第１の偏波に直交する第２の偏波との間の位相差を変化させることが可能であることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、上述の発明の作用に加えて、パッチ中心から２つの給電部を見る２方向に対し、それぞれ４５°の角をなす２つの偏波を想定したとき、例えばそれらの偏波の電気長に所定の差を付与することが可能な摂動部を設けることにより、それらの位相差の調整、つまりは縮退分離量の調整を容易に設計することができる。これにより、簡易かつ確実に円偏波の特性向上を図ることができる。
【００１３】
請求項４に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項３に記載の発明において、前記摂動部が、前記第１の偏波と前記第２の偏波のいずれかの方向に沿うとともに、前記パッチ導体の中心を挟んで対向する２箇所の位置に形成されることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項３に記載の発明において、前記摂動部が、前記第１の偏波と前記第２の偏波のいずれかと平行であるとともに前記パッチ導体の中心を通る直線上の１箇所の位置に形成されることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項１から５のいずれかに記載の発明において、前記摂動部が、前記パッチ導体、前記接地導体、前記誘電体基板のいずれかの外形の所定位置に形成された切り欠き領域又は突出領域であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７に記載の円偏波マイクロストリップアンテナは、請求項１から５のいずれかに記載の発明において、前記摂動部が、前記パッチ導体又は前記接地導体の略中央に形成された所定形状のスロットであることを特徴とする。
【００１７】
上記請求項４〜７にそれぞれ記載の発明によれば、パッチ導体、接地導体、誘電体基板に対し適用可能な摂動部としては、その位置、形状、個数などに関して多様なバリエーションがあり、アンテナ形状や装置構成に応じて最適な摂動部を選択して採用することができる。
【００１８】
また、請求項８に記載の発明は、複数の周波数を送受信可能であるとともに、前記複数の周波数の少なくとも１つの周波数において円偏波の送受信が可能な多周波共用アンテナであって、円偏波で送受信される周波数の内の少なくとも１つの周波数の送受信に請求項１乃至７のいずれかに記載の円偏波マイクロストリップアンテナが用いられることを特徴とする多周波共用アンテナである。
【００１９】
この発明によれば、多周波の送受信に対応した多周波共用アンテナにおいても、円偏波の送受信に本発明を適用したアンテナを用いることで円偏波特性を良好に保つことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、２点給電を行う円偏波マイクロストリップアンテナに対して、円偏波の縮退分離量を調整するための摂動部を設けるようにしたので、パッチ中心から各々の給電部を結ぶ２方向での励振において、２つの給電部の存在により発生する交差偏波成分を、摂動部による縮退分離量の調整によって抑えることができる。従って、交差偏波成分の増加に伴う軸比等の劣化を的確に防止し、円偏波の特性を良好に保つことができる。また、周囲環境の影響に対しても縮退分離量の調整により円偏波の特性を良好に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナの構造を示す図であり、平面図及び側面図をそれぞれ示している。
【００２２】
図１の平面図に示すように、誘電体基板１２の上側の面には、正方形の金属導体からなるパッチ導体１１が配置されている。ここでは、パッチ導体１１の形状が正方形である場合を示しているが、状況に応じ長方形や円形など他の形状のパッチ導体１１を用いてもよい。誘電体基板１２は、所望の誘電率の誘電材料からなり、パッチ導体１１より大きい外形を有して所定の厚さに形成される。また、図１の側面図に示すように、誘電体基板１２の下側の面には所定形状の接地導体１３が配置され、パッチ導体１１と接地導体１３が誘電体基板１２を挟んで対向する配置になっている。
【００２３】
誘電体基板１２の上部平面には、パッチ導体１１に給電するための第１給電部１４及び第２給電部１５が設けられている。これらの第１給電部１４及び第２給電部１５は、パッチ導体１１に対して容量結合で給電するように構成され、それぞれ誘電体基板１２を貫く第１の給電線１４ａ、第２の給電線１５ａを介して給電回路と接続されている。
【００２４】
図１に示すように、パッチ導体１１のパッチ中心Ｃから見て、第１給電部１４の略中央に設定された第１給電点Ｆ１が矢印Ａ方向の直線上に配置されるとともに、第２給電部１５の略中央に設定された給電点Ｆ２が矢印Ｂ方向の直線上に配置される。そして、これらパッチ中心Ｃを基点とするＡ方向の直線とＢ方向の直線は、互いに直交する関係にある。このような配置で、第１給電部１４と第２給電部１５に対し、振幅が同一で位相が互いに９０°異なる信号を入力することにより、円偏波マイクロストリップアンテナを円偏波駆動することが可能となる。
【００２５】
パッチ導体１１には、正方形の外形のうち１角に摂動部１１ａが形成されるとともに、パッチ中心Ｃを挟んで摂動部１１ａに対向する１角に摂動部１１ｂが形成されている。これら２つの摂動部１１ａ、１１ｂは、正方形の２角の所定領域を切り欠いて形成されている。なお、これら摂動部１１ａ、１１ｂは、図１に示すような切り欠きによって設ける場合に限らず、多様な形態で形成することができるが、詳細については後述する。
【００２６】
図１において、一般に摂動部１１ａ、１１ｂを設けずにパッチ導体１１を励振する場合、第１給電部１４と第２給電部１５の位置関係に起因して交差偏波が発生し、それにより軸比等の円偏波アンテナ特性を劣化させる恐れがある。一方、本実施形態では、上述のようにパッチ導体１１の２箇所に摂動部１１ａ、１１ｂを形成することにより、２点給電方式において問題となる交差偏波成分の影響によるアンテナ特性の劣化防止を図っている。
【００２７】
ここで、本発明のように摂動部１１ａ、１１ｂを設ける構成が、一般的な摂動部１１ａ、１１ｂを設けない構成と比較し、有利となるメカニズムについて説明する。以下は２点給電円偏波アンテナを、１点給電直線偏波アンテナを２つ直交させて用いたものとして捉え、１点から給電した場合の諸特性について述べていく。
【００２８】
まずは図２（ａ）のように、一般的な摂動部がない正方形のパッチ導体２１に第１給電部２２から給電する場合を考える。このとき、第１給電部２２による励振は、図２（ａ）に示すように、２つの直交モード、偏波φ１及び偏波φ２の重ね合わせとして考えることができる。これらの偏波φ１、φ２の励振方向は、パッチ中心Ｃから給電点Ｆ１を見るＡ方向の入力信号に対し、いずれも４５°の角度をなすものとする。ここで、第２給電部が存在しないと仮定すると（１点給電）、それぞれの偏波φ１、φ２は、各φ１、φ２方向で観測した場合、互いに同振幅、同位相となるので、パッチ導体２１の共振成分は純粋にＡ方向の成分からなり、Ｂ方向の成分は発生しない。このような状態で、偏波φ１、φ２についてのアンテナ天頂方向における放射位相の周波数特性を図３（ａ）に示している。なお、以降に示すアンテナ特性はすべてアンテナ天頂方向におけるものとする。図３（ａ）において、偏波φ１、φ２の位相がほぼ一致していることがわかる。つまり、第１給電部２２からの１点給電とする場合は、交差偏波に起因する問題は生じない。
【００２９】
これに対し、図２（ｂ）に示すように、給電は行わない第２給電部２３が存在する場合、偏波φ１、φ２の各モードの間に周波数差や位相差が生じる。この場合における図３（ａ）に対応する位相特性を図３（ｂ）に示している。図３（ｂ）においては、図３（ａ）とは異なり、偏波φ１、φ２の位相にずれが生じていることがわかる。これは、偏波φ１、φ２に対して第１給電部２２と第２給電部２３の位置が非対称となっていることにより、偏波φ１、φ２が意図的でない縮退分離をしているという状態である。
【００３０】
よって、２点給電の構成において一方の第１給電部２２から給電したとき、励振成分としてはＡ方向の主偏波成分に加えて、Ｂ方向において位相差が略９０°近辺となる微弱な交差偏波成分が現れる。ここで、第２給電部２３のみから給電する場合を考えると、上記と同様の現象からＢ方向の主偏波成分に加えて、Ａ方向において位相差が略９０°近辺となる微弱な交差偏波成分が現れる。そして、図２（ｂ）の第１給電部２２及び第２給電部２３に位相差９０°をつけた２点給電、つまり円偏波駆動する場合、Ａ・Ｂそれぞれの方向で、主偏波成分と交差偏波成分が一方は強め合い、一方は弱め合う関係となりうる。よって、このような状況の下、Ａ方向とＢ方向のアンテナ利得に差が生じ、円偏波マイクロストリップアンテナの軸比の劣化が生じることになる。
【００３１】
一方、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナでは、上記のような現象を引き起こす原因となる、意図的でない縮退分離状態を、意図的に制御することによって軸比の劣化を防ごうとしている。図４は、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナについて、まずは、第１給電部１４のみからの給電による場合を考える。パッチ導体１１の励振を、偏波φ１、φ２の重ね合わせとして考えたとき、一方の偏波φ１は摂動部１１ａ、１１ｂが形成された対角方向に沿い、他方の偏波φ２は摂動部１１ａ、１１ｂが形成されていない対角方向に沿う配置になる。
【００３２】
このような配置により、摂動部１１ａ、１１ｂは、一方の偏波φ１と他方の偏波φ２の相対的な電気長を変化させるように作用する。これにより、偏波φ１、φ２の共振周波数差や位相差を変化させることができる。すなわち、図４において偏波φ１、φ２に対して摂動部１１ａ、１１ｂの形状やサイズによる調整量が適切に設定されたとき、縮退分離を抑制することができ、Ａ方向・Ｂ方向に現れる交差偏波成分を低減して、軸比等の円偏波の特性を最適化することができる。
【００３３】
図５は、図４において摂動部１１ａ、１１ｂを適切に調整した状態で、第１給電部１４からのみ給電を行い、偏波φ１、φ２についての位相特性を示す図であり、図３（ｂ）と同様の条件に基づく特性である。偏波φ１、φ２の各モードの間には、図３(ｂ)で見られたような位相のずれは生じないことがわかる。つまり、図５は摂動部１１ａ、１１ｂの付加によって位相差をなくし、すなわち縮退分離を抑制することが実際に可能であることを示している。
【００３４】
次に図６は、上記の一連の特性を比較するものである。第１給電部のみからの給電を考えた場合の、（Ａ）は第２給電部がまったくないもの（図２（ａ）、図３（ａ））、（Ｂ）は第２給電部が存在する場合のもの（図２（ｂ）、図３（ｂ））、そして（Ｃ）は第２給電部が存在し、かつ摂動部を有するもの（図４、図５）である。各状態において、述べてきた偏波φ１、φ２の縮退分離量を表す位相差と、それに起因して発生した交差偏波成分の利得をプロットしたものである。一般的な２点給電円偏波マイクロストリップアンテナの配置である（Ｂ）は、２つの給電部の存在により縮退分離した状態にあるため、交差偏波成分が発生している。一方、本実施形態の摂動部を有する２点給電円偏波マイクロストリップアンテナの配置である（Ｃ）は、縮退分離を抑制し、交差偏波成分を低減させることに成功している。これにより、一般的な摂動部なしのものに比べて本実施形態では軸比等の円偏波特性の劣化を防ぐことができる。
【００３５】
次に図７は、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナに対して完全にアイソレーションが取れた２点給電円偏波駆動を行った場合の軸比の周波数特性を示す図である。なお、図７（ａ）では、本実施形態の摂動部１４、１５を設けた（図４）場合の特性を示すとともに、図７（ｂ）では比較のため、一般的な摂動部なしの構成（図２（ｂ））の場合の特性を示す。
【００３６】
図７（ａ）と図７（ｂ）の特性を比べると、本実施形態の構成により全般的に軸比を小さく抑えられることがわかる。これは、図７（ｂ）におけるＡ方向・Ｂ方向の偏波の利得の差に対し、図７（ａ）におけるＡ方向・Ｂ方向の偏波の利得の差がほとんどないことに起因している。本実施形態では摂動部１１ａ、１１ｂの作用によって上述したように交差偏波成分を低減でき、これによりＡ方向・Ｂ方向の偏波の利得の差が小さくなり軸比をゼロに近づけることができる。よって、２点給電時に円偏波の特性を改善する上で本実施形態の構成を採用することが有利である。
【００３７】
次に、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナを無線機器等の搭載する際においても有用であることを述べる。一般に、無線機器等の装置内部にアンテナを組み込む場合、回路基板やその周囲にはケーブルや他の機能部品が存在し、アンテナに対して近接配置されるような状況が考えられる。このようなアンテナ組み込み時の周囲環境の影響でアンテナ特性が劣化することが問題となる。このような問題に対し、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナでは、以下に説明するように摂動部１１ａ、１１ｂの調整により周囲環境の影響による特性劣化を改善することができる。
【００３８】
このように周囲環境の影響が問題となる例として、回路基板上に円偏波マイクロストリップアンテナが非対称配置されるような場合を取り上げる。図８は、回路基板のグランド面を模擬した接地導体１３に対しパッチ導体１１及び誘電体基板１２が非対称配置された状態を示している。すなわち、理想的には接地導体１３の略中央にパッチ導体１１及び誘電体基板１２が配置されると、周囲の影響が円偏波マイクロストリップアンテナに対称的に作用し、アンテナ特性は比較的良好に保たれる。これに対し、図８に示すように非対称配置された場合は、周囲の影響が方向により異なるため、アンテナ特性を劣化させる要因となる。
【００３９】
本実施形態では、図８のように非対称配置される場合であっても、摂動部１１ａ、１１ｂの調整によりアンテナ特性の最適化を図ることができる。図８のような非対称配置された場合は、パッチ導体１１の周囲では、共振方向がＡ方向かＢ方向かによって利得に差が生じ、これにより円偏波の特性劣化を招く可能性がある。そこで、周囲の非対称によって生じた利得の差を解消するため、摂動部１１ａ、１１ｂの形状を適切に設定して縮退分離量を最適化し、円偏波の特性向上を図ればよい。
【００４０】
本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナを図８のように非対称配置した状態で、摂動部１１ａ、１１ｂを最適化した場合のアンテナ天頂方向においての軸比特性を図９（ａ）に示す。図９（ａ）との比較のため、図９（ｂ）には、摂動部１１ａ、１１ｂを設けない図２の構成で図８のように非対称配置した場合の特性を示す。図９（ｂ）に示す摂動部１１ａ、１１ｂを設けない一般的な構成では、軸比のかなりの劣化が生じているのに対し、図９（ａ）に示す本実施形態の構成では、軸比が十分小さく抑えられている。ちなみに、図８における摂動部１１a、１１ｂの形状は、図４での形状に比べ、切り欠くサイズにおいて異なる。これは、対称配置ではなく、非対称配置によって新たに生じた利得差を解消するために、図４における交差偏波成分低減のための手法を、ここでは交差偏波成分の量を意図的に適したものに調整し、利得差制御するために用いたということである。このように、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナは、回路基板への実装など周囲の環境に適合するように円偏波の特性を最適化できる点で優れている。
【００４１】
次に、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナでは、図１に示すような摂動部１１ａ、１１ｂの構造に対して種々の変更を施すことができる。以下、本発明を適用可能な様々な摂動部を有する円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを具体的に説明する。
【００４２】
図１０は、正方形のパッチ導体１１を用いた円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３つの構造は、いずれも図１のＡ方向・Ｂ方向に対しては非線対称であるが、Ａ方向・Ｂ方向から４５°回転させた２方向に対し線対称となる場合の例である。まず、図１０（ａ）では、図１と同様の構造を持つ例を挙げている。図１０（ｂ）では、パッチ導体１１の正方形の対向する２角から突出するように形成された方形の摂動部１１ｃ、１１ｄを持つ構造を示している。図１０（ｃ）では、パッチ導体１１の中央部に長方形のスロットを１つ形成し、このスロットを摂動部１１ｄとする構造を示している。
【００４３】
図１１は、パッチ導体１１を正方形ではなく円形とした場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３つの構造は、図１０と同様、図１のＡ方向・Ｂ方向に対しては非線対称であるが、Ａ方向・Ｂ方向から４５°回転させた２方向に対し線対称となる。そして、図１１（ａ）は、図１０（ａ）の摂動部１１ａ、１１ｂと同形状の摂動部１１ｅ、１１ｆを持つ構造を示し、図１１（ｂ）は、図１０（ｂ）の摂動部１１ｃ、１１ｄと同形状の摂動部１１ｇ、１１ｈを持つ構造を示し、図１１（ｃ）は、図１０（ｃ）の摂動部１１ｄと同形状の摂動部１１ｉを持つ構造を示している。
【００４４】
図１２は、正方形のパッチ導体１１を用いて１箇所にのみ摂動部を設けた場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。図１２の構造では、Ａ方向・Ｂ方向に対して非線対称で、Ａ方向・Ｂ方向から４５°回転させた２方向のうち、一方に対し線対称で他方に対し非線対称となる。図１２（ａ）では、パッチ導体１１の１角における正方形の領域を切り欠いた１つの摂動部１１ｊを持つ構造を示している。図１２（ｂ）では、パッチ導体１１の１角から図１０（ｂ）の摂動部１１ｃ、１１ｄと同形状に形成した１つの摂動部１１ｋを持つ構造を示している。
【００４５】
図１３は、図１２と同様の対称構造を持たせるとともに、パッチ導体１１を正方形ではなく円形とした場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。図１３（ａ）では、パッチ導体１１の一端の所定領域を切り欠いた１つの摂動部１１ｌを持つ構造を示している。図１３（ｂ）では、図１２（ｂ）の摂動部１１ｋと同形状の１つの摂動部１１ｍを持つ構造を示している。
【００４６】
図１４は、パッチ導体１１自体に摂動構造を持たせるべく、正方形や円形などの対称的な形状ではなく非対称的な形状でパッチ導体１１を形成する場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示している。いずれも、Ａ方向・Ｂ方向に対して非線対称であって、Ａ方向・Ｂ方向から４５°回転させた２方向に対し線対称となる。それぞれ、図１４（ａ）はパッチ導体１１の形状を平行四辺形とした構造を示し、図１４（ｂ）はパッチ導体１１の形状を楕円とした構造を示している。
【００４７】
図１５は、物理長と電気長の関係がＡ方向・Ｂ方向において一致しない場合や、別の調整用件がある場合に、パッチ導体１１自体の形状を例えば長方形などとし、上述の摂動部を組み合わせたパッチ導体１１を形成する場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示している。図１５の構造では、Ａ方向・Ｂ方向に対して非対称となる。図１５（ａ）は、長方形のパッチ導体１１に図１０（ａ）の摂動部１１ａ、１１ｂと同形状の摂動部１１ｎ、１１ｏを持つ構造を示し、図１５（ｂ）は、長方形のパッチ導体１１に図１２（ａ）の摂動部１１ｊと同形状の摂動部１１ｐを持つ構造を示している。
【００４８】
次に、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナでは、上述したようにパッチ導体１１に摂動部を設ける場合に加え、誘電体基板１２に摂動部を設けて構成してもよい。図１６は、誘電体基板１２に摂動部を設けて構成した円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【００４９】
図１６（ａ）では、正方形の誘電体基板１２の対向する２角に摂動部１２ａ、１２ｂを設け、図１６（ｂ）では、正方形の誘電体基板１２の１角に摂動部１２ｃを設け、図１６（ｃ）では、円形の誘電体基板１２の対向する２箇所から突出する摂動部１２ｄ、１２ｅを設けている。このように、誘電体基板１２に摂動部を設ける場合は、パッチ導体１１に摂動部を設ける場合と基本的に共通の形成方法を適用することができる。
【００５０】
次に、本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナでは、さらに接地導体１３に摂動部を設けて構成してもよい。図１７は、接地導体１３に摂動部を設けて構成した円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【００５１】
図１７（ａ）では、正方形の接地導体１３の１角に摂動部１３ａを設け、図１７（ｂ）では、正方形の接地導体１３の中央部に長方形のスロットからなる摂動部１３ｂを設けている。このように、接地導体１３に摂動部を設ける場合は、パッチ導体１１に摂動部を設ける場合と共通の形成方法を適用することができる。
【００５２】
なお、接地導体１３は平面形状に限らず、立体状に突出する摂動部を有してもよい。例えば、接地導体１３の端部を立ち上げ、誘電体基板１２の側面に上述の摂動部を形成してもよい。さらに他の導体を取り付けるなどして摂動部とすることもできる。
【００５３】
以上、図１０〜図１７において列挙した円偏波マイクロストリップアンテナの様々なバリエーションは例示に過ぎず、実際には、パッチ導体１１、誘電体基板１２、接地導体１３に対し、多様な形態の摂動部を組み合わせて形成し、本発明を適用することができる。
【００５４】
また、以上の実施形態は例として容量給電に関するものであったが、給電手法はこれに限るものではなく、ピン給電、マイクロストリップラインによる給電、電磁結合給電等様々な給電手法においても本発明を適用することができる。
【００５５】
なお、本実施形態に係る円偏波マイクロストリップアンテナは、１つの周波数帯に対応するアンテナとして用いる場合に限られず、複数の異なる周波数帯に対応する多周波共用アンテナに組み込んで用いることができる。
【００５６】
図１８に本発明による円偏波アンテナを適用した多周波共用アンテナの一例を示す。図１８のアンテナは第１の周波数に対応したパッチ導体１１の中をくり抜き、そこに第２の周波数に対応したパッチ導体３１を配置し、２つのパッチ導体を短絡部３１ａ、３１ｂで接続した構造となっている。そして、パッチ導体１１によって円偏波が放射されるようになっており、更に摂動部１１ａ、１１ｂを設けて交差偏波成分による軸比劣化を防止する構成となっている。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナの構造を示す図である。
【図２】図１の構成に対応して、摂動部がない正方形のパッチ導体と、第１給電部及び第２給電部を含む従来の円偏波マイクロストリップアンテナを示している。
【図３】従来の円偏波マイクロストリップアンテナの位相特性を示す図である。
【図４】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナについて２つの直交モードとしての偏波φ１、φ２を示した図である。
【図５】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナについて、第１給電部からのみ給電を行い、第２給電部からは給電を行わない状態で、Ａ方向の入力信号及び偏波φ１、φ２についての位相特性を示す図である。
【図６】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナに対し第１給電部から給電した場合、第２給電部の有無と摂動部の有無に応じて、円偏波の位相特性及び交差偏波利得を比較して示す図である。
【図７】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナに対し２点給電を行った場合の軸比特性を示すである。
【図８】接地導体に対しパッチ導体及び誘電体基板が非対称配置された状態を示す図である。
【図９】本実施形態の円偏波マイクロストリップアンテナを図８のように非対称配置した状態で、摂動部を最適化した場合の軸比特性を示す図である。
【図１０】正方形のパッチ導体を用いた円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１１】パッチ導体を円形とした場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１２】正方形のパッチ導体を用いて１箇所にのみ摂動部を設けた場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１３】図１２と同様の対称構造を持たせるとともに、パッチ導体を円形とした場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である
【図１４】パッチ導体自体に摂動構造を持たせるべく、非対称的な形状でパッチ導体を形成する場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１５】パッチ導体自体の形状をＡ方向・Ｂ方向に対し非線対称な形状とし、図１０、１２の摂動部を組み合わせたパッチ導体を形成する場合の円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示している。
【図１６】誘電体基板に摂動部を設けて構成した円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１７】接地導体に摂動部を設けて構成した円偏波マイクロストリップアンテナのバリエーションを示す図である。
【図１８】本発明を適用した円偏波アンテナと他の周波数に対応したアンテナを一体化した多周波共用アンテナの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１…導体パッチ
１２…誘電体基板
１３…接地導体
１４…第１給電部
１５…第２給電部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円偏波を励振可能な円偏波マイクロストリップアンテナであって、
誘電材料を所定の厚さに形成した誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方の面に配置されたパッチ導体と、
前記誘電体基板の他方の面に配置された接地導体と、
前記パッチ導体の中心から見て第１の方向に配置され、前記パッチ導体に給電する第１給電部と、
前記パッチ導体の中心から見て前記第１の方向と直交する第２の方向に配置され、前記第１給電部と略同一の振幅かつ略９０°異なる位相で前記パッチ導体に給電する第２給電部と、
前記パッチ導体、前記接地導体、前記誘電体基板のいずれかに形成され、前記第１及び第２給電部による励振の縮退分離量を調整するための摂動部と、
を備えることを特徴とする円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項２】
前記摂動部は、前記パッチ導体の中心から見て前記第１の方向と前記第２の方向に伸びる２直線のうち、少なくとも一方の直線に対し非線対称の構造を有することを特徴とする請求項１に記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項３】
前記摂動部は、前記２直線のそれぞれと略４５°の角をなす方向に励振する第１の偏波と、この第１の偏波に直交する第２の偏波との間の位相差を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２に記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項４】
前記摂動部は、前記第１の偏波と前記第２の偏波のいずれかの方向に沿うとともに前記パッチ導体の中心を挟んで対向する２箇所の位置に形成されることを特徴とする請求項３に記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項５】
前記摂動部は、前記第１の偏波と前記第２の偏波のいずれかと平行であるとともに前記パッチ導体の中心を通る直線上の１箇所の位置に形成されることを特徴とする請求項３に記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項６】
前記摂動部は、前記パッチ導体、前記接地導体、前記誘電体基板のいずれかの外形の所定位置に形成された切り欠き領域又は突出領域であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項７】
前記摂動部は、前記パッチ導体又は前記接地導体の略中央に形成された所定形状のスロットであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項８】
複数の周波数を送受信可能であるとともに、前記複数の周波数の少なくとも１つの周波数において円偏波の送受信が可能な多周波共用アンテナであって、
円偏波で送受信される周波数の内の少なくとも１つの周波数の送受信に請求項１乃至７のいずれかに記載の円偏波マイクロストリップアンテナが用いられることを特徴とする多周波共用アンテナ。
【請求項１】
円偏波を励振可能な円偏波マイクロストリップアンテナであって、
誘電材料を所定の厚さに形成した誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方の面に配置されたパッチ導体と、
前記誘電体基板の他方の面に配置された接地導体と、
前記パッチ導体の中心から見て第１の方向に配置され、前記パッチ導体に給電する第１給電部と、
前記パッチ導体の中心から見て前記第１の方向と直交する第２の方向に配置され、前記第１給電部と略同一の振幅かつ略９０°異なる位相で前記パッチ導体に給電する第２給電部と、
前記パッチ導体、前記接地導体、前記誘電体基板のいずれかに形成され、前記第１及び第２給電部による励振の縮退分離量を調整するための摂動部と、
を備えることを特徴とする円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項２】
前記摂動部は、前記パッチ導体の中心から見て前記第１の方向と前記第２の方向に伸びる２直線のうち、少なくとも一方の直線に対し非線対称の構造を有することを特徴とする請求項１に記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項３】
前記摂動部は、前記２直線のそれぞれと略４５°の角をなす方向に励振する第１の偏波と、この第１の偏波に直交する第２の偏波との間の位相差を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２に記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項４】
前記摂動部は、前記第１の偏波と前記第２の偏波のいずれかの方向に沿うとともに前記パッチ導体の中心を挟んで対向する２箇所の位置に形成されることを特徴とする請求項３に記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項５】
前記摂動部は、前記第１の偏波と前記第２の偏波のいずれかと平行であるとともに前記パッチ導体の中心を通る直線上の１箇所の位置に形成されることを特徴とする請求項３に記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項６】
前記摂動部は、前記パッチ導体、前記接地導体、前記誘電体基板のいずれかの外形の所定位置に形成された切り欠き領域又は突出領域であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項７】
前記摂動部は、前記パッチ導体又は前記接地導体の略中央に形成された所定形状のスロットであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の円偏波マイクロストリップアンテナ。
【請求項８】
複数の周波数を送受信可能であるとともに、前記複数の周波数の少なくとも１つの周波数において円偏波の送受信が可能な多周波共用アンテナであって、
円偏波で送受信される周波数の内の少なくとも１つの周波数の送受信に請求項１乃至７のいずれかに記載の円偏波マイクロストリップアンテナが用いられることを特徴とする多周波共用アンテナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００６−２５０３５（Ｐ２００６−２５０３５Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１９９５２４（Ｐ２００４−１９９５２４）
【出願日】平成１６年７月６日（２００４．７．６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【復代理人】
【識別番号】１０００９２９８９
【弁理士】
【氏名又は名称】片伯部 敏
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月６日（２００４．７．６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【復代理人】
【識別番号】１０００９２９８９
【弁理士】
【氏名又は名称】片伯部 敏
【Ｆターム（参考）】
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