(57)【要約】【課題】軸比特性および反射特性を広帯域化して、広い周波数帯域で使用可能な円偏波用のパッチアンテナを提供すること。【解決手段】パッチ電極３の２箇所に給電点Ｐ１，Ｐ２を設けたアンテナ本体１と、これらの給電点Ｐ１，Ｐ２に給電される信号間に９０°の位相差を生じさせる９０度位相差回路６とを備えた円偏波用パッチアンテナにおいて、９０度位相差回路６と同軸ケーブル（給電線）２０との間にウィルキンソン分配回路７を介設することにより、反射特性の改善を図るようにした。かかるパッチアンテナは、２点給電方式なので軸比特性が広帯域であり、かつウィルキンソン分配回路によって反射特性も広帯域となるため、使用可能な周波数帯域が広くなる。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板の片面にパッチ電極を設けると共に他面にグラウンド電極を設け、かつ前記パッチ電極の２箇所に給電点を設定したアンテナ本体と、前記各給電点に一対の出力端が接続されて、これら２箇所の給電点に給電される高周波信号の間に９０°の位相差を生じさせる９０度位相差回路と、前記９０度位相差回路に一対の出力端が接続されたウィルキンソン分配回路とを備え、前記ウィルキンソン分配回路の入力端を給電線に接続して前記アンテナ本体から円偏波電波を放射させるように構成したことを特徴とするパッチアンテナ。
【請求項２】
請求項１の記載において、前記ウィルキンソン分配回路の入力インピーダンスをＺ１、前記アンテナ本体の入力インピーダンスをＺ２、前記高周波信号の伝送線路上での波長をλとしたとき、前記ウィルキンソン分配回路が、分岐部に接続されて電気長がλ／４、特性インピーダンスが√２×Ｚ１×Ｚ２である互いに並列な２本の線路導体と、前記９０度位相差回路と前記各線路導体との間に両端が接続された抵抗値が２×Ｚ２の抵抗体とを備えて構成されることを特徴とするパッチアンテナ。
【請求項３】
請求項２の記載において、前記ウィルキンソン分配回路の入力インピーダンスが５０Ω、前記各線路導体の特性インピーダンスが約７０Ω、前記抵抗体の抵抗値が１００Ωであることを特徴とするパッチアンテナ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの記載において、前記９０度位相差回路および前記ウィルキンソン分配回路を、前記アンテナ本体の前記グラウンド電極側の面に積層状態で固定された回路基板の反アンテナ本体側の面に配設し、前記誘電体基板と前記回路基板とを貫通する２本の給電ピンの各一端側を相異なる前記給電点に接続すると共に、これら２本の給電ピンの各他端側を前記９０度位相差回路の相異なる出力端に接続したことを特徴とするパッチアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は円偏波用のパッチアンテナに係り、特にその給電回路構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。この種のパッチアンテナは、誘電体基板の両面にパッチ電極とグラウンド電極を設けてアンテナ本体が構成され、パッチ電極の給電点に所定の高周波信号を給電して位相が９０°異なる二つの直交モードを励振させることにより、円偏波電波を放射させるというものである。
【０００３】
円偏波用のパッチアンテナには１点給電方式と２点給電方式とがあるが、一般には、構成が簡素な１点給電方式が採用されている。かかる１点給電方式の円偏波用パッチアンテナにおいては、パッチ電極に切欠き等の縮退分離素子（摂動素子）が装荷されており、このパッチ電極に給電点が一つだけ設定されている。給電点には例えば誘電体基板を貫通する給電ピンの一端側が接続されており、この給電ピンの他端側が同軸ケーブル等の給電線に接続されている。このように構成される１点給電方式のパッチアンテナは、パッチ電極と縮退分離素子の面積比や給電点の位置を適宜調整することにより、振幅が等しく共振長が異なる二つの直交モードに９０°の位相差を生じさせることができるので、円偏波アンテナとして動作させることができる。
【０００４】
しかしながら、１点給電方式の円偏波用パッチアンテナは、前記二つの直交モードに９０°の位相差を生じさせうる共振周波数の帯域が狭いため、円偏波アンテナに要求される軸比特性を満足させうる帯域幅、つまり楕円偏波の軸比が許容値以下となる帯域幅がかなり狭く、軸比特性における広帯域化が図れないという不具合があった。
【０００５】
一方、２点給電方式のパッチアンテナは、パッチ電極が円形や正方形で縮退分離素子は装荷されておらず、このパッチ電極の２箇所に設定された給電点に互いの位相が９０°異なる信号を給電するというものであり、給電回路の入力ポートからパッチアンテナ間には９０度位相差回路が介設されている。すなわち、パッチアンテナの一方の給電点へ向かう信号が他方の給電点へ向かう信号よりも位相が常に９０°だけ遅れるため、パッチ電極の二つの直交モードは位相差が９０°で励振されることになり、円偏波アンテナとして動作させることができる。かかる２点給電方式のパッチアンテナの場合、２箇所の給電点に位相差が９０°の信号を給電して二つの直交モードを励振するので、広い周波数帯域にわたって軸比特性が良好となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように円偏波用パッチアンテナを２点給電方式とすることで軸比特性における広帯域化が図れるが、従来の２点給電方式のパッチアンテナでは、広い周波数帯域にわたってパッチ電極の２箇所の給電点に反射なく電力を供給することが容易でなく、かかるパッチアンテナ自身の周波数帯域の制限によって信号波の反射量が増大しやすいため、反射特性における広帯域化が図れないという問題があった。これは、パッチ電極に接続されている９０度位相差回路の一対の伝送線路どうしのアイソレーションが確保しにくいためと考えられる。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、軸比特性および反射特性を広帯域化して広い周波数帯域で使用可能な円偏波用のパッチアンテナを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、本発明のパッチアンテナでは、誘電体基板の片面にパッチ電極を設けると共に他面にグラウンド電極を設け、かつ前記パッチ電極の２箇所に給電点を設定したアンテナ本体と、前記各給電点に一対の出力端が接続されて、これら２箇所の給電点に給電される高周波信号の間に９０°の位相差を生じさせる９０度位相差回路と、前記９０度位相差回路に一対の出力端が接続されたウィルキンソン（Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ）分配回路とを備え、前記ウィルキンソン分配回路の入力端を給電線に接続して前記アンテナ本体から円偏波電波を放射させるように構成した。
【０００９】
パッチ電極の２箇所に設けた給電点に９０度位相差回路を接続することで軸比特性の広帯域化が図れる２点給電方式のパッチアンテナが得られるが、この９０度位相差回路と同軸ケーブル等の給電線との間にウィルキンソン分配回路を介在させれば、パッチ電極に反射が起きたとしても、この反射は９０度位相差回路を通してウィルキンソン分配回路の抵抗体に吸収されるため、広い周波数帯域にわたって、給電線から送られてくる電力を反射なくほぼ均等に分配してパッチ電極の各給電点に供給することができる。その結果、信号波の反射量を大幅に低減することができるので、反射特性の広帯域化が図れる。したがって、広い周波数帯域にわたって軸比特性および反射特性が良好な円偏波用パッチアンテナが得られる。
【００１０】
ここで、前記ウィルキンソン分配回路は、その入力インピーダンスをＺ１、前記アンテナ本体の入力インピーダンスをＺ２、前記高周波信号の伝送線路上での波長をλとしたとき、前記ウィルキンソン分配回路が、分岐部に接続されて電気長がλ／４、特性インピーダンスが√２×Ｚ１×Ｚ２である互いに並列な２本の線路導体と、前記９０度位相差回路と前記各線路導体との間に両端が接続された抵抗値が２×Ｚ２の抵抗体とを備えて構成される回路である。一般には、給電線に用いる同軸ケーブルの特性インピーダンスが５０Ωなので、ウィルキンソン分配回路の入力インピーダンスが５０Ω、前記各線路導体の特性インピーダンスが約７０Ω、前記抵抗体の抵抗値が１００Ωとなる。
【００１１】
また、このような給電回路を備えたパッチアンテナにおいて、前記９０度位相差回路および前記ウィルキンソン分配回路を、前記アンテナ本体の前記グラウンド電極側の面に積層状態で固定された回路基板の反アンテナ本体側の面に配設し、前記誘電体基板と前記回路基板とを貫通する２本の給電ピンの各一端側を相異なる前記給電点に接続すると共に、これら２本の給電ピンの各他端側を前記９０度位相差回路の相異なる出力端に接続した構成とすれば、アンテナ本体と回路基板をコンパクトに一体化した小型で広帯域なパッチアンテナが得られるので好ましい。この場合、アンテナ本体の誘電体基板と給電回路用の回路基板とが多層基板の一部であってもよい。ただし、２本の給電ピンを用いる代わりに、２本のマイクロストリップラインをパッチ電極に接続して給電する構成であっても、これらのマイクロストリップラインと前記給電線との間に９０度位相差回路およびウィルキンソン分配回路を介設することによってパッチアンテナの広帯域化は実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１は本発明の実施形態例に係るパッチアンテナの断面図、図２は該パッチアンテナの底面図、図３は該パッチアンテナの給電回路を示す回路構成図、図４は該パッチアンテナの正面図である。
【００１３】
これらの図に示すパッチアンテナは、誘電体基板２の片面にパッチ電極３を設けると共に他面の全面にグラウンド電極４を設けたアンテナ本体１と、このアンテナ本体１のグラウンド電極４側の面に積層状態で固定された回路基板５と、この回路基板５の反アンテナ本体１側の面に配設された９０度位相差回路６およびウィルキンソン分配回路７とによって概略構成されている。
【００１４】
アンテナ本体１のパッチ電極３には２箇所に給電点Ｐ１，Ｐ２が設定されている。これらの給電点Ｐ１，Ｐ２は、２本の給電ピン８，９の各一端部をパッチ電極３の所定位置に半田付けした箇所であり、図１に示すように、各給電ピン８，９は誘電体基板２および回路基板５を貫通している。そして、これら２本の給電ピン８，９の各他端部が９０度位相差回路６の相異なる出力端に接続されている。なお、本実施形態例では、誘電体基板２の平面形状を一辺２８ｍｍの正方形とし、パッチ電極３の平面形状を一辺１６ｍｍの正方形としている。
【００１５】
図２，３に示すように、９０度位相差回路６の一対の伝送線路６ａ，６ｂはウィルキンソン分配回路７の一対の出力端に接続されており、このウィルキンソン分配回路７の入力端は同軸ケーブル２０の内導体に接続されている。ここで、ウィルキンソン分配回路７は、入力側が同軸ケーブル２０に接続された分岐部１０と、この分岐部１０の出力側に接続された２本の線路導体１１，１２と、各線路導体１１，１２の出力側を連結している抵抗体１３とを備えて構成される回路であり、抵抗体１３の両端が９０度位相差回路６と各線路導体１１，１２との間に接続されている。２本の線路導体１１，１２は互いに並列に接続されており、信号波の伝送線路上での波長をλとしたとき、各線路導体１１，１２の電気長はλ／４に設定されている。また、ウィルキンソン分配回路の入力インピーダンスをＺ１、アンテナ本体１の入力インピーダンスをＺ２としたとき、各線路導体１１，１２の特性インピーダンスＺ３はＺ３＝√２×Ｚ１×Ｚ２、抵抗体１３の抵抗値ＲはＲ＝２×Ｚ２に設定されている。具体的には、同軸ケーブル２０の特性インピーダンスが５０Ωなので、ウィルキンソン分配回路７の入力インピーダンスＺ１は５０Ωであり、よって各線路導体１１，１２の特性インピーダンスＺ３は約７０Ω、抵抗体１３の抵抗値Ｒは１００Ωに設定されている。
【００１６】
９０度位相差回路６は、一方の伝送線路６ａに特性インピーダンスが５０Ωで電気長が０の線路導体１４を備え、かつ他方の伝送線路６ｂに、特性インピーダンスが５０Ωで電気長が０の線路導体１５と、特性インピーダンスが５０Ωで電気長がλ／４の線路導体１６とを備えて構成されている。したがって、伝送線路６ａに接続されている給電点Ｐ１に供給される信号に比べて、伝送線路６ｂに接続されている給電点Ｐ２に供給される信号は常に位相が９０°遅れる。
【００１７】
このように構成されたパッチアンテナは、パッチ電極３の二つの直交モードを９０°の位相差で励振して円偏波電波を放射させるというものであり、２点給電方式なので広い周波数帯域にわたって軸比特性が良好である。また、このパッチアンテナでは、９０度位相差回路６と同軸ケーブル２０との間にウィルキンソン分配回路７を介在させているので、パッチ電極３に反射が起きても、この反射が９０度位相差回路６を通してウィルキンソン分配回路７の抵抗体１３に吸収され、同軸ケーブル２０から供給される電力が伝送線路６ａと伝送線路６ｂとに反射なく均等に分配されることになる。そのため、広い周波数帯域にわたって信号波の反射量を大幅に低減することができ、反射特性が広帯域化されている。こうして軸比特性だけでなく反射特性においても帯域幅が広がっているので、本実施形態例に係るパッチアンテナは、広い周波数帯域にわたって電波がカバーできる円偏波アンテナとなっている。
【００１８】
また、このパッチアンテナは、アンテナ本体１と回路基板５をコンパクトに一体化しているので、小型で薄型の広帯域なパッチアンテナとして高い実用性が期待できる。なお、本実施形態例では別体のアンテナ本体１と回路基板５とを接合しているが、多層基板の一部を誘電体基板２や回路基板５となす構成にしてもよい。また、２本の給電ピン８，９を用いる代わりに、図示せぬ２本のマイクロストリップラインをパッチ電極３に接続して給電する構成であっても、これらのマイクロストリップラインと同軸ケーブル等の給電線との間に９０度位相差回路６およびウィルキンソン分配回路７を介設することにより、パッチアンテナの広帯域化を実現できる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２０】
パッチ電極の２箇所に設けた給電点に９０度位相差回路を接続するという２点給電方式を採用して軸比特性の広帯域化を図りつつ、この９０度位相差回路と同軸ケーブル等の給電線との間にウィルキンソン分配回路を介設してアイソレーションを改善し、反射特性の広帯域化も図ったパッチアンテナなので、広い帯域幅の電波がカバーできる小型薄型で実用性の高い円偏波アンテナが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係るパッチアンテナの断面図である。
【図２】該パッチアンテナの底面図である。
【図３】該パッチアンテナの給電回路を示す回路構成図である。
【図４】該パッチアンテナの正面図である。
【符号の説明】
１　アンテナ本体
２　誘電体基板
３　パッチ電極
４　グラウンド電極
５　回路基板
６　９０度位相差回路
６ａ，６ｂ　伝送線路
７　ウィルキンソン分配回路
８，９　給電ピン
１０　分岐部
１１，１２　線路導体
１３　抵抗体
２０　同軸ケーブル（給電線）
Ｐ１，Ｐ２　給電点
【図１】
2004056204.tif 000003
【図２】
2004056204.tif 000004
【図３】
2004056204.tif 000005
【図４】
2004056204.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成14年9月25日(2002.9.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
請求項１の記載において、前記ウィルキンソン分配回路の入力インピーダンスをＺ１、前記アンテナ本体の入力インピーダンスをＺ２、前記高周波信号の伝送線路上での波長をλとしたとき、前記ウィルキンソン分配回路が、分岐部に接続されて電気長がλ／４、特性インピーダンスが
【数１】
2004056204.tif 000007
である互いに並列な２本の線路導体と、前記９０度位相差回路と前記各線路導体との間に両端が接続された抵抗値が２×Ｚ２の抵抗体とを備えて構成されることを特徴とするパッチアンテナ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
ここで、前記ウィルキンソン分配回路は、その入力インピーダンスをＺ１、前記アンテナ本体の入力インピーダンスをＺ２、前記高周波信号の伝送線路上での波長をλとしたとき、前記ウィルキンソン分配回路が、分岐部に接続されて電気長がλ／４、特性インピーダンスが
【数２】
2004056204.tif 000008
である互いに並列な２本の線路導体と、前記９０度位相差回路と前記各線路導体との間に両端が接続された抵抗値が２×Ｚ２の抵抗体とを備えて構成される回路である。一般には、給電線に用いる同軸ケーブルの特性インピーダンスが５０Ωなので、ウィルキンソン分配回路の入力インピーダンスが５０Ω、前記各線路導体の特性インピーダンスが約７０Ω、前記抵抗体の抵抗値が１００Ωとなる。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
図２，３に示すように、９０度位相差回路６の一対の伝送線路６ａ，６ｂはウィルキンソン分配回路７の一対の出力端に接続されており、このウィルキンソン分配回路７の入力端は同軸ケーブル２０の内導体に接続されている。ここで、ウィルキンソン分配回路７は、入力側が同軸ケーブル２０に接続された分岐部１０と、この分岐部１０の出力側に接続された２本の線路導体１１，１２と、各線路導体１１，１２の出力側を連結している抵抗体１３とを備えて構成される回路であり、抵抗体１３の両端が９０度位相差回路６と各線路導体１１，１２との間に接続されている。２本の線路導体１１，１２は互いに並列に接続されており、信号波の伝送線路上での波長をλとしたとき、各線路導体１１，１２の電気長はλ／４に設定されている。また、ウィルキンソン分配回路の入力インピーダンスをＺ１、アンテナ本体１の入力インピーダンスをＺ２としたとき、各線路導体１１，１２の特性インピーダンスＺ３は
【数３】
2004056204.tif 000009
抵抗体１３の抵抗値ＲはＲ＝２×Ｚ２に設定されている。具体的には、同軸ケーブル２０の特性インピーダンスが５０Ωなので、ウィルキンソン分配回路７の入力インピーダンスＺ１は５０Ωであり、よって各線路導体１１，１２の特性インピーダンスＺ３は約７０Ω、抵抗体１３の抵抗値Ｒは１００Ωに設定されている。