(57)【要約】【課題】  帯域幅と利得を増加させるための送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナを提供すること。【解決手段】  接地面及び第1誘電体層を含み、第1誘電体層の一面に位置する第1放射パッチと電気的に結合された送信給電部から供給されるエネルギーを放射し、第1及び第2寄生パッチから電磁気的結合を介して供給されるエネルギーを第1放射パッチと電気的に結合された受信給電部に供給するための第1パッチアンテナ層と、第2、第3誘電体層及び第1寄生パッチを含み、第2及び第3誘電体層の間に配置された第1寄生パッチを介してシグナルを放射するための第2パッチアンテナ層と、第4、第5誘電層及び第2寄生パッチを含み、第4及び第5誘電体層の間に配置された前記第2寄生パッチを介してシグナルを放射するための第3パッチアンテナ層とを含むことによって、課題を解決する。【選択図】  図1
2005086801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナにおいて、
接地面及び第1誘電体層を含み、前記第1誘電体層の一面に位置する第1放射パッチと電気的に結合された送信給電部から供給されるエネルギーを放射し、第1及び第2寄生パッチから電磁気的結合を介して供給されるエネルギーを前記第1放射パッチと電気的に結合された受信給電部に供給するための第1パッチアンテナ層と、
第2、第3誘電体層及び第1寄生パッチを含み、前記第2及び第3誘電体層の間に配置された前記第1寄生パッチを介してシグナルを放射するための第2パッチアンテナ層と、
第4、第5誘電体層及び第2寄生パッチを含み、前記第4及び第5誘電体層の間に配置された前記第2寄生パッチを介してシグナルを放射するための第3パッチアンテナ層と
を含むことを特徴とする送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナ。
【請求項２】
前記第1ないし第2寄生パッチは、
それぞれ互いに重なるように配置されることを特徴とする請求項1に記載の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナ。
【請求項３】
前記第2及び第4誘電体層は、
その誘電率が実質的に1であることを特徴とする請求項1に記載の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナ。
【請求項４】
前記送信給電部と前記受信給電部は、
互いに交差して前記第1放射パッチに電気的に接続されるように配置されることを特徴とする請求項1に記載の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナ。
【請求項５】
前記送信給電部と前記受信給電部は、
前記第1誘電体層に同時に配置され、前記第1放射パッチに2重で直接給電されることを特徴とする請求項1または請求項4に記載の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナ。
【請求項６】
送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチ配列アンテナにおいて、
複数の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナをM×N単位に配列し、複数の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナの送信給電部を送信ポートと電気的に接続され、複数の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナの受信給電部を受信ポートと電気的に接続されることを特徴とし、
送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナは、
接地面及び第1誘電体層を含み、前記第1誘電体層の一面に位置する第1放射パッチと電気的に結合された送信給電部から供給されるエネルギーを放射し、第1及び第2寄生パッチから電磁気的結合を介して供給されるエネルギーを前記第1放射パッチと電気的に結合された受信給電部に供給するための第1パッチアンテナ層と、
第2、第3誘電体層及び第1寄生パッチを含み、前記第2及び第3誘電体層の間に配置された前記第1寄生パッチを介してシグナルを放射するための第2パッチアンテナ層と、
第4、第5誘電体層及び第2寄生パッチを含み、前記第4及び第5誘電体層の間に配置された前記第2寄生パッチを介してシグナルを放射するための第3パッチアンテナ層と
を含むことを特徴とする送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチ配列アンテナ。
【請求項７】
複数の前記第1放射パッチ間の間隔は、
実質的に0.9λ(ただし、λは波長である)より大きいか同じであり、2λより小さいか同じであることを特徴とする請求項6に記載の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチ配列アンテナ。
【請求項８】
前記複数の送信給電部及び前記複数の受信給電部は、
直列/並列分配または結合回路を混合したもののうちのいずれか1つを用いることを特徴とする請求項6に記載の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチ配列アンテナ。
【請求項９】
M×N単位に配列された前記第1ないし第2寄生パッチは、
前記8×1単位の配列であることを特徴とする請求項6に記載の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチ配列アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナ及びこれを配列した配列アンテナに関し、特に衛星放送システム及び衛星通信システムなどにおいて用いられる送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナ及びこれを配列した配列アンテナに関する。
【０００２】
無線通信システムで最近広く用いられているマイクロストリップパッチアンテナの小型化、低コスト、製作上の容易さなどの長所をそのまま維持し、それに加えてパッチアンテナの短所である狭帯域、低利得特性を改善した高利得、広帯域のマイクロストリップパッチアンテナに関する。
【背景技術】
【０００３】
近年、移動体搭載衛星放送受信用の平面アンテナとしてマイクロストリップパッチアンテナが注目されている。このようなマイクロストリップパッチアンテナは小型、軽量、薄型であり、製作の容易さから大量生産が可能であるため、様々な通信分野において適用されている。
【０００４】
しかし、一般的に単一パッチアンテナはVSWR<2である帯域幅が5%未満であり、利得は4〜6dBであって、複数のパッチ素子を配列しても広帯域、高利得特性を同時に満足させることは難しいという問題点がある。
【０００５】
こうした問題点を改善するために、放射パッチ上に放射方向に1つの寄生パッチを積み上げた形態の積層構造を有する単一または配列アンテナが主に用いられているが、この構造の帯域幅は10〜15%程度であり、単一パッチ利得は7〜9dBiである（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
従来のこうした単層あるいは2重の積層構造を用いると、多くのパッチ素子を一定間隔で複数配列しなければ、衛星放送受信のための所望の利得を得ることができない。
【０００７】
ところが、この複数素子を配列するためには、複雑な給電回路が用いられるが、その過程で損失が発生し、この損失によってアンテナの効率が低下するため、所望の利得を得るためにアンテナの大きさが大きくなるという問題点がある。
【０００８】
また、もし、このアンテナが能動位相配列アンテナに適用される場合、アンテナの後端に複数の能動、手動素子と結合しなければならないので、能動、手動素子の数も増加し、費用が大きくなるという問題を発生する。
【０００９】
従って、衛星放送の送/受信用の移動体搭載アンテナシステムにマイクロストリップパッチ配列アンテナを適用するためには、双方向通信ができるように送/受信給電回路を有すると同時に広帯域特性を有し、移動体搭載が容易になるようにシステムの体積を最小限に減らすことができるより改善された利得特性を備えたマイクロストリップパッチ素子が求められる。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第4,835,538号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、同一平面に具現された送/受信給電回路を有する放射パッチと、これとの電磁気的な結合を介してインピーダンスマッチング及びディレクタの役割をする2つの寄生パッチを用いて、帯域幅と利得を増加させるための送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナを提供することにある。
【００１２】
また、本発明は同一平面に具現された送/受信給電回路を有する放射パッチと、これとの電磁気的な結合を介してインピーダンスマッチング及びディレクタの役割をする2つの寄生パッチを用いて、帯域幅と利得を増加させるための送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチ配列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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナにおいて、接地面及び第1誘電体層を含み、前記第1誘電体層の一面に位置する第1放射パッチと電気的に結合された送信給電部から供給されるエネルギーを放射し、第1及び第2寄生パッチから電磁気的結合を介して供給されるエネルギーを前記第1放射パッチと電気的に結合された受信給電部に供給するための第1パッチアンテナ層と、第2、第3誘電体層及び第1寄生パッチを含み、前記第2及び第3誘電体層の間に配置された前記第1寄生パッチを介してシグナルを放射するための第2パッチアンテナ層と、第4、第5誘電体層及び第2寄生パッチを含み、前記第4及び第5誘電体層の間に配置された前記第2寄生パッチを介してシグナルを放射するための第3パッチアンテナ層とを含むことを特徴とする。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、本発明は、 送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチ配列アンテナにおいて、
複数の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナをM×N単位に配列し、複数の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナの送信給電部を送信ポートと電気的に接続され、複数の送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナの受信給電部を受信ポートと電気的に接続されることを特徴とし、
送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナは、
接地面及び第1誘電体層を含み、前記第1誘電体層の一面に位置する第1放射パッチと電気的に結合された送信給電部から供給されるエネルギーを放射し、第1及び第2寄生パッチから電磁気的結合を介して供給されるエネルギーを前記第1放射パッチと電気的に結合された受信給電部に供給するための第1パッチアンテナ層と、
第2、第3誘電体層及び第1寄生パッチを含み、前記第2及び第3誘電体層の間に配置された前記第1寄生パッチを介してシグナルを放射するための第2パッチアンテナ層と、
第4、第5誘電体層及び第2寄生パッチを含み、前記第4及び第5誘電体層の間に配置された前記第2寄生パッチを介してシグナルを放射するための第3パッチアンテナ層と
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、1つの放射パッチに2重給電することによって、送受信が同時に可能であり、送受信分離アンテナに比べて小型化を可能にする効果がある。
【００１６】
また、本発明は放射パッチと2重寄生パッチの電磁気的結合によって帯域幅が増加する効果はもちろん高利得を得ることができるという効果がある。従って、これは所望の利得規格を満足させるために全体アンテナシステムを構成する配列素子数を減少させてアンテナの大きさを小さくすることができるという効果がある。
【００１７】
また、本発明は高利得アンテナによって能動アンテナまたは能動位相配列アンテナに拡張適用する場合、アンテナの後端に付着される能動あるいは受身素子の数を減少させてコストを低減できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の最も好ましい実施の形態を添付する図面を参照して説明する。  
図1は本発明に係る送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナの一実施の形態の断面図であり、図2は前記図1のパッチアンテナの一実施の形態の分解斜視図である。
【００１９】
図1または図2に示すように、本発明のパッチアンテナは、接地面110、第1誘電体層120、第1放射パッチ130、第1低誘電体層140、第1寄生パッチ150、第2誘電体層160、第2低誘電体層170、第2寄生パッチ180、及び第3誘電体層190を含んでおり、前記第1放射パッチ130は送/受信給電部131、132と電気的に接続されている。
【００２０】
この場合、前記第1寄生パッチ150と第2寄生パッチ180は、前記第1放射パッチ130との電磁気的結合によってそれぞれ帯域幅と利得を増加させる役割をし、各パッチ間の誘電体層の厚さの変化によって電磁気的結合量が変化し、帯域幅と利得に影響を与えるため、適切な厚さを採用して所望のマイクロストリップパッチ特性を得ることができる。
【００２１】
前記第1放射ないし第2寄生の各パッチ130、150、180は、電磁気的結合のために、その位置が互いに重なるように配置されている。
【００２２】
また、前記第1低誘電体層140と前記第2低誘電体層170は、前記第1放射パッチ130と第1寄生パッチ150及び第2寄生パッチ180との間に効果的な電磁気的結合を起こすことができるように前記第1ないし第3誘電体層に比べてその誘電率が低くなければならない(誘電率が1に近い)。
【００２３】
前記送/受信給電部131、132は、前記第1放射パッチ130に2重で直接給電され、送受信アンテナに同時に動作できるように前記第1放射パッチ130と同じ層に配置される。また、互いに交差して前記第1放射パッチ130に電気的に接続されるように配置されることによって、互いに垂直関係にある偏波信号を送受信できる。
【００２４】
前記第3誘電体層190は、前記第2寄生パッチ180を支持すると同時に、レドームの役割を果たすことができる。
【００２５】
本発明に係るパッチアンテナの動作を説明すると、以下の通りである。  
前記送信給電部131を介して供給されたエネルギーは、電気的に結合された前記第1放射パッチ130に供給され、前記第1放射パッチ130と電磁気的に結合された第1及び第2寄生パッチ150、180に伝達されて放射される。
【００２６】
一方、前記第1及び第2寄生パッチ150、180が受信したエネルギーは、電磁気的に結合された第1放射パッチ130に伝達され、前記第1放射パッチ130と電気的に結合された前記受信給電部132に供給されることができる。
【００２７】
図3は、本発明に係る送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチ配列アンテナの一実施の形態の断面図であって、前記図1の単一パッチ素子の構成と形状を用いて利得を高めるために、素子を8×1単位に配列したものである。
【００２８】
図4Aは、前記図3の第3誘電体層の下部面の一実施の形態の詳細な構造図であり、図4Bは前記図3の第2誘電体層の下部面の一実施の形態の詳細な構造図であり、図4Cは前記図3の第1誘電体層の上部面の一実施の形態の詳細な構造図である。
【００２９】
図に示すように、複数の前記第2寄生パッチ素子間の距離はdであり、これは動作周波数内でパッチ素子間に利得やパターン性能を低下させない位置に配列できる。本発明の一実施の形態において、その間隔は0.9λ(波長である)ないし2λであり得る。
【００３０】
パッチ素子間の給電方式においても、送信あるいは受信帯域内で損失を最小化し、パターン性能を低下させないように、所定の直列/並列分配あるいは結合回路を混合して形成できる。
【００３１】
図5は、前記図3の配列アンテナの反射損失特性を説明するための一実施の形態のグラフであって、Aは送信ポート210の反射損失を示し、Bは受信ポート220の反射損失を示す。
【００３２】
図に示すように、本発明の配列アンテナにおいて、送信中心周波数が14.25GHz、受信中心周波数が12.25GHzである場合、-10dB以下の反射損失を有する送/受信各ポートにおけるインピーダンス帯域幅が10%程度であることがわかる。
【００３３】
図6は、前記図3の配列アンテナの送信ポートの利得特性を説明するための一実施の形態のグラフであって、8×1配列アンテナの18dBi以上、利得帯域幅が10%以上であることが分かる。
【００３４】
図7は、前記図3の配列アンテナの受信ポートの利得特性を説明するための一実施の形態のグラフであって、8×1配列アンテナの18.0dBi以上、利得帯域幅が10%以上であることが分かる。
【００３５】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチアンテナの一実施の形態の断面図である。
【図２】前記図1のパッチアンテナの一実施の形態の分解斜視図である。
【図３】本発明に係る送/受信用高利得広帯域マイクロストリップパッチ配列アンテナの一実施の形態の断面図である。
【図４Ａ】前記図3の第3誘電体層の下部面の一実施の形態の詳細な構造図である。
【図４Ｂ】前記図3の第2誘電体層の下部面の一実施の形態の詳細な構造図である。
【図４Ｃ】前記図3の第1誘電体層の上部面の一実施の形態の詳細な構造図である。
【図５】前記図3の配列アンテナの反射損失特性を説明するための一実施の形態のグラフである。
【図６】前記図3の配列アンテナの送信ポートの利得特性を説明するための一実施の形態のグラフである。
【図７】前記図3の配列アンテナの受信ポートの利得特性を説明するための一実施の形態のグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
110      接地面
120、160、190      誘電体層
140、170      低誘電体層
130、150、180      パッチ
131      送信給電部
132      受信給電部
【図１】
2005086801.tif 000003
【図２】
2005086801.tif 000004
【図３】
2005086801.tif 000005
【図４Ａ】
2005086801.tif 000006
【図４Ｂ】
2005086801.tif 000007
【図４Ｃ】
2005086801.tif 000008
【図５】
2005086801.tif 000009
【図６】
2005086801.tif 000010
【図７】
2005086801.tif 000011