JPWO2008136408A1

JPWO2008136408A1 - 金属壁付きパッチアンテナ

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Publication number: JPWO2008136408A1
Application number: JP2009512979A
Authority: JP
Inventors: 宏行遊佐
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: WO2008136408A1; US20100127939A1; CN101663795A; KR20090117945A; JP4692789B2

Abstract

パッチアンテナは、金属壁（１）と、誘電体基板であるプリント基板（２）上にエッチング等により形成されたパッチ導体（４）、及び該パッチ導体へ給電手段を備えている。金属壁（１）は、プリント基板（２）の両側面に沿って前方に折り曲げられている。また、金属壁（１）は、内側に傾斜してその両端部間の間隔が、アンテナ放射方向から見て、パッチアンテナの放射開口寸法より小さい。この構成により、指向性ビーム幅を拡げるとともに、直線偏波の偏波面に平行な面における指向性ビーム幅と、直線偏波の偏波面と直交する面における指向性ビーム幅と、を一致させることができる。

Description

本発明は、パッチアンテナに関し、特に、ダイバーシティ、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）等の複数のアンテナ素子を必要とする無線システムの、主に基地局に使用されるパッチアンテナに関する。

ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）技術を用いたシステムや、次世代携帯電話システムでは、ＭＩＭＯ技術やダイバーシティ技術が多用され、アンテナの小型化、低価格化が求められている。ＭＩＭＯシステムでは複数のアンテナが必要となり、小エリアでアンテナ相互の相関の少ないアンテナが必要となってきている。

この要求に対応する為に、垂直偏波及び水平偏波で使用可能な、偏波共用アンテナが求められている。さらに、放射エリアが同じになるように、指向性ビーム幅が垂直偏波と水平偏波で一致したアンテナ構成が求められている。このようなアンテナとして反射板ダイポールアンテナが用いられている。

図１、図２は、基地局アンテナとして用いられている反射板ダイポールアンテナの外観図を示している。図１は、プリント基板上にアンテナパターンを形成したプリントダイポールアンテナを用いて反射板ダイポールアンテナを構成した例である。図２は、同軸ケーブルを用いて反射板ダイポールアンテナを構成した例を示している。

プリントダイポールアンテナを用いた反射板ダイポールアンテナの場合、図１に示すように、反射板１１と、プリント基板の両面に形成されたプリントダイポールアンテナパターン１２、及び給電用の同軸コネクタ１３から構成される。この反射板ダイポールアンテナを図１に示すようにプリント基板面が垂直方向となるように設置すれば垂直偏波による送受信が可能となる。また、この反射板ダイポールアンテナを図１に示す状態から９０度回転させてプリントダイポールアンテナが水平方向となるように設置すれば水平偏波による送受信が可能となる。

無線システムの基地局に使用されるアンテナでは、これら複数のダイポールアンテナ素子を複数アレー状に配列したアンテナが用いられる場合が多い。しかしながら、ダイポールアンテナは、比較的形状が大きく、小型化、価格の面で不利であった。また、ダイポールアンテナは、垂直偏波用アンテナの水平面内指向性と水平偏波用アンテナの水平面内指向性が一致しないという問題点があった。

一方、より小型に形成可能なパッチアンテナを用いて基地局アンテナを構成する例が、特開平１１−５１０６６２号公報、特開平１１−２９８２２５号公報、特開２００３−０７８３３９号公報で提案されている。パッチアンテナは、誘電体基板の片面にパッチ導体を設けると共に、他面に接地導体を設けている。また、このパッチアンテナは、給電ピンあるいは給電ラインを介してパッチ導体に高周波信号を給電するように構成されている。このパッチアンテナは、放射素子であるパッチ導体を円形や正方形に形成しておけば直線偏波の送受信が可能となる。またその指向特性はパッチ導体の前方への放射パターン形状となっている。

また、パッチアンテナでは、一つのパッチ導体に対して互いに直交する方向から取り付けた二つの給電回路を設けることにより、一つのパッチ導体で水平偏波と垂直偏波を共用して送受信可能な直線偏波送受信用アンテナを構成することが可能である（特開２００３−０７８３３９号公報、特開平０７−１７６９４２号公報、特開２００２−３４４２３８号公報等参照）。

特開平１１−５１０６６２号公報、あるいは特開平１１−２９８２２５号公報に開示されているパッチアンテナ素子を用いた基地局アンテナは、比較的容易に小型化、低価格化を実現することが可能である。しかしながら、これらパッチアンテナ素子を用いた基地局アンテナの場合、その指向性ビーム幅が反射板ダイポールアンテナと比較して狭い。一般的に反射板ダイポールアンテナは無指向性アンテナの一方向を金属板等で遮断した構成となっている。この構成の反射板ダイポールアンテナにおける垂直偏波の水平面指向性ビーム幅は約９０度であり、パッチアンテナの垂直偏波の水平面指向性ビーム幅よりも広くできる優位性がある。

一方、パッチアンテナの水平面指向性ビーム幅は、１波長程度の有限グランド面を有している場合、垂直偏波で約７０度、水平偏波で約５５度となっている（図３）。すなわち、パッチアンテナは、反射板ダイポールアンテナと比較してその指向性ビーム幅が狭い。また、パッチアンテナは、垂直偏波の水平面指向性ビーム幅と水平偏波の水平面指向性ビーム幅とが約１５度異なっている。このため、パッチアンテナは、特開２００３−０７８３３９号公報、特開平０７−１７６９４２号公報に開示されているような垂直偏波及び水平偏波の偏波共用アンテナとした場合、放射エリアが異なってしまう。

これを回避する為には、例えば、特開２００２−３４４２３８号公報に開示されているように、垂直偏波と水平偏波用として各々独立して構成したアンテナを用いる必要がある。しかしながら、一般に垂直偏波と水平偏波を各々独立したアンテナとすると、２種類のアンテナを用意する必要があり、また外観形状も異なるためコストも増大することとなる。

上記特開２００３−０７８３３９号公報には、平面アンテナ素子（パッチ導体）と、誘電体ブロックと、無給電素子と、反射板とを有するアンテナ装置が開示されている。平面アンテナ素子は、誘電体基板の一方の面に形成され、上下左右がほぼ対称形状の金属板からなる。誘電体ブロックは、直方体状であり、アンテナ素子の放射面に配設されている。無給電素子は、該誘電体ブロックの放射前面に、垂直方向に形成される金属板からなる。反射板は、平面アンテナ素子をほぼ中央位置にして誘電体基板の両側に、放射方向に向けてそれぞれ配設されている。以上の構成とすることで、上記アンテナ装置は、水平偏波、垂直偏波とも水平面内指向性が同等になるようにしている。しかしながら、この発明の、アンテナ素子の放射面に直方体状の誘電体ブロックを配設し、さらにその前面に垂直方向に形成される金属板からなる無給電素子を設けた構成は、比較的複雑である。

また、上記特開２００３−０７８３３９号公報に記載の発明は、垂直偏波共用アンテナ装置における水平偏波と垂直偏波の水平面内指向性を同等にする手段を提供する。しかしながら、当該発明は、単一偏波アンテナにおいて、該アンテナの偏波面と平行な面内における指向性と前記偏波面と直交する面内における指向性とを等しくするものではない。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、比較的簡単な方法でパッチアンテナの指向性ビーム幅を広げることを可能にする新規な手段を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の直線偏波用パッチアンテナは、誘電体基板上に形成されて直線偏波を送受信可能に構成されたパッチアンテナ素子と、該パッチアンテナ素子の周囲に設けられてアンテナの放射開口を小さくするように、内側に傾斜した金属壁を設けたことを特徴としている。

上記本発明は、金属壁の形状をアンテナの放射開口寸法を小さくするように、例えば内側に傾斜した配置とするものである。これにより、本発明の直線偏波用パッチアンテナは、偏波面に垂直な面における指向性ビーム幅および偏波面に水平な面における指向性ビーム幅をそれぞれ調整することが可能、すなわち、パッチアンテナの指向性ビーム幅を広げることが可能となる。

基地局アンテナとして用いられている反射板ダイポールアンテナの外観図を示す図である。基地局アンテナとして用いられている他の反射板ダイポールアンテナの外観図を示図である。関連するパッチアンテナを垂直偏波用および水平偏波用として用いたときの水平面指向性ビーム幅を示す図である。本発明の第１の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図である。本発明の第１の実施形態を示すパッチアンテナの正面図である。本発明の第１の実施形態を示すパッチアンテナの側面図である。本実施形態におけるパッチアンテナの垂直面および水平面における指向性ビーム幅を示す図である。本実施形態のパッチアンテナを垂直偏波用および水平偏波用として用いたときの水平面指向性ビーム幅を示す図である。比較例として構成したパッチアンテナを示す図である。図９に示す比較例のパッチアンテナを垂直偏波用および水平偏波用として用いたときの水平面指向性ビーム幅を示す図である。比較例として構成したパッチアンテナを示す図である。図１１に示す比較例のパッチアンテナを垂直偏波用および水平偏波用として用いたときの水平面指向性ビーム幅を示す図である。本発明の第２の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図である。本発明の第２の実施形態を示すパッチアンテナの正面図である。本発明の第２の実施形態を示すパッチアンテナの側面図である。本発明の第３の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図である。本発明の第３の実施形態を示すパッチアンテナの正面図である。本発明の第３の実施形態を示すパッチアンテナの側面図である。本発明の第４の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図である。本発明の第４の実施形態を示すパッチアンテナの正面図である。本発明の第４の実施形態を示すパッチアンテナの側面図である。本発明の第５の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図である。本発明の第５の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図である。本発明の第５の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図である。

本発明の直線偏波用パッチアンテナは、誘電体基板上に形成されて直線偏波を送受信可能に構成されたパッチアンテナ素子と、該パッチアンテナ素子の周囲に設けられてアンテナの放射開口を小さくするように、内側に傾斜した金属壁を設けたことを特徴としている。

本発明の直線偏波用パッチアンテナの金属壁は、誘電体基板の裏面全体を支持するとともに直線偏波の偏波面と平行な両端部においてその先端部間の間隔が狭まるように前方に折り曲げられた折り曲げ部を有する略矩形の金属板によって構成することができる。

また、折り曲げ部は、誘電体基板側へ傾斜した折り曲げ部として構成を採用することができる。あるいは、折り曲げ部は、誘電体基板周辺から略直角に折り曲げられ、更に途中から誘電体基板側へ折り曲げられた構成を採用することができる。

また、誘電体基板側へ傾斜した折り曲げ部として構成した場合、折り曲げ部の先端間の間隔は、パッチアンテナ放射素子の波長に対して約０．８λ（λ＝波長）に設定され、折り曲げ部の高さは約０．２３λに設定され、内側に傾斜した折り曲げ部の傾斜角θは６５度〜７０に設定されるものであってもよい。この構成は、垂直偏波及び水平偏波の水平面指向性ビーム幅を一致させる上で一層好適である。

本発明はこのような構成とする事で、電波の放射エリアを変える事なく偏波の変更が可能となり、また、アンテナを交換する際のデメリットを無くす事が可能となる。

また、本発明は、パッチアンテナ素子の前面に所定距離を隔てて無給電素子を配置した構成を採用することも可能であり、それにより広帯域化を図ることができる。

さらに、パッチアンテナ素子は、直線偏波と直交する偏波面を持つ直線偏波による送受信も可能に構成することができる。その際金属壁は、互いに直交する偏波面を持つ２つの直線偏波による各指向性ビームが、一方の直線偏波によって形成される該直線偏波面と平行な面における指向性ビーム幅と他方の直線偏波によって形成される該直線偏波面と垂直な面における指向性ビーム幅が等しくなるように構成するものであってもよい。これにより、パッチアンテナ素子は、偏波共用アンテナとして使用した場合、垂直偏波及び水平偏波での放射エリアを一致させる事が可能となる。

本発明によれば、単一偏波アンテナの垂直面及び水平面の指向性ビーム幅を一致させる事が可能となる。

また、本発明によれば、前記垂直面及び水平面の指向性ビーム幅を一致させた単一偏波アンテナを９０度回転させる事により、垂直偏波アンテナ及び水平偏波アンテナとして共用可能にすることができる。

さらに本発明によれば、垂直偏波及び水平偏波の偏波共用パッチアンテナにおける垂直偏波及び水平偏波の水平面指向性ビーム幅を略等しくする手段を提供できる。

図４〜図６は、本発明の第１の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図、正面図および側面図である。図７は、本実施形態のパッチアンテナの水平面及び垂直面の放射パターン図である。図８は、本実施形態のパッチアンテナを垂直偏波アンテナ、および水平偏波アンテナとして用いた場合の水平面の放射パターン図を示している。

本実施形態のパッチアンテナは、金属壁１と、パッチ導体４、及び同軸コネクタ３から構成される。パッチ導体４は、誘電体基板であるプリント基板２上に、エッチング等により円形に形成されている。このパッチ導体４は、金属壁１の背面側から同軸コネクタ３を介して給電される。

金属壁１は、略矩形の一枚の金属板によって構成することができ、その中央部にプリント基板２の背面が固着されている。また、金属壁１は、プリント基板２の両側面から該プリント基板側面に沿って前方に折り曲げられている。金属壁１の折り曲げられた部分は内側に傾斜している。また、金属壁１の折り曲げられた部分の両端部間の間隔は、アンテナ放射方向から見て、パッチアンテナの放射開口寸法より小さい。即ち、プリント基板２の両端の金属壁１が内側に傾斜することによって、パッチアンテナの放射開口が狭められている。

次に、本実施形態のパッチアンテナの動作を、送信の場合のマイクロ波信号の流れに沿って説明する。なお、受信の場合はマイクロ波信号の流れの向きが逆となるだけで可逆性が成り立つため同様の特性となる。

送信機から送出されたマイクロ波信号は、同軸ケーブルを介して同軸コネクタ３からパッチ導体４に供給される。このパッチアンテナからは、図４の縦方向に平行な偏波面を有する直線偏波によって上記マイクロ波信号が放射される。なお、送信機及び同軸ケーブルは本発明とは直接関係するものではないので詳細明は省略する。

一般にパッチアンテナの水平面の指向性ビーム幅は、垂直偏波の場合、垂直面の指向性ビーム幅より広くなるが、ダイポールアンテナによる水平面の指向性ビーム幅よりは狭い。そこで、本実施形態のように、金属壁１の両端部を、プリント基板２の両端に沿って折り曲げて内側に傾斜した構造とすると、水平面の放射開口寸法が小さくなるので、水平面の指向性ビーム幅が広くなる。

また、垂直面は内側に傾斜した金属壁１の内面に磁流が流れ、内側に傾斜した金属壁１の根本部と放射開口部で磁流が互いに打ち消しあい、垂直面の指向性ビーム幅が広くなる。本実施形態のパッチアンテナは、上述した２つの効果により、垂直面及び水平面の指向性ビーム幅を拡げ、かつ一致させることができる。

図７は、以下の設定における図４〜図６に示すパッチアンテナの垂直面及び水平面における放射パターン特性を示している。すなわち、金属壁１の折り曲げ部の先端間の間隔は、パッチアンテナ放射素子の波長に対して約０．８λ（λ＝波長）に設定されている。なお、約０．８λとは０．７９λ〜０．８１λの範囲内である。折り曲げ部の高さは、約０．２３λに設定されている。なお、約０．２３λとは０．２２λ〜０．２４λの範囲内である。内側に傾斜した折り曲げ部の傾斜角θは、６５度〜７０度に設定されている。
図７に示すように、上記設定における本実施形態のパッチアンテナは、指向性ビーム幅が垂直面及び水平面のいずれも約８５度となる放射パターン特性が得られる。

したがって、本実施形態の単一偏波パッチアンテナは、垂直偏波送受信用アンテナまたは水平偏波送受信用アンテナのいずれの形態で用いても、図８に示すように、その水平面の指向性ビーム幅を等しくすることができる。すなわち、本実施形態のパッチアンテナを垂直偏波送受信用アンテナとして用いる場合には、図４〜図５に示すように偏波面が縦方向となるように配置すればよい。一方、本実施形態のパッチアンテナを水平偏波送受信用アンテナとして用いる場合には、図４〜図５に示されている状態から９０度回転させて偏波面が横方向となるように設定すればよい。

図９および図１１は、比較例として構成したパッチアンテナを示しており、図１０および図１２は、これらの比較例における各放射パターン図を示している。

図９に示す例は、プリント基板２両端の金属壁１をプリント基板２に対して垂直となっている。この場合、図１０に示すように、水平偏波の指向性ビーム幅は、本発明に関連する技術のパッチアンテナよりも２０度程度広くなる。しかしながら、アンテナの最大利得を有する放射方向は、アンテナの機械的正面方向と異なってしまう。

また図１１に示す例は、金属壁１がプリント基板２に対して垂直となっており、且つ、先端部をプリント基板２と平行にしたフランジ形状としている。この場合、図１２に示すように、水平面の指向性ビーム幅は広くならない。

このように本実施形態のパッチアンテナによれば、比較的簡単な構成の一種類のパッチアンテナによって、水平面内の指向性ビーム幅が等しい垂直偏波用アンテナおよび水平偏波用アンテナを提供することができるので、基地局アンテナの設置コストを低減することが可能となる。

図１３Ａ〜図１３Ｃは、それぞれ本発明の第２の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図、正面図および側面図である。

本実施形態は、プリント基板２上に形成されるパッチアンテナの放射面に、広帯域化の為の無給電素子５を、スペーサ６を介して搭載している。アンテナの放射パターンやその他の効果は第１の実施形態と同様である。

図１４Ａ〜図１４Ｃは、それぞれ本発明の第３の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図、正面図および側面図である。

本実施形態は、金属壁１とプリント基板２上にエッチング等により配置された、パッチアンテナ素子、及び同軸コネクタ３ａ，３ｂから構成される。パッチアンテナはプリント基板で形成され円形又は正方形になっており、金属壁１の背面を介して、同軸コネクタ３ａ，３ｂから給電される。

本実施形態では、パッチアンテナは偏波共用アンテナとする為、垂直偏波及び水平偏波用のコネクタ端子を設けている。金属壁１はアンテナ放射方向から見て、パッチアンテナの放射開口寸法よりも小さくなるように金属壁１を内側に傾斜して配置される。

図１５Ａ〜図１５Ｃは、それぞれ本発明の第４の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図、正面図および側面図である。

本実施形態は、金属壁１とプリント基板２上にエッチング等により配置された、パッチアンテナ素子、同軸コネクタ３ａ，３ｂ及び無給電素子５、スペーサ６から構成される。パッチアンテナはプリント基板で形成され、円形又は正方形になっており、金属壁１の背面を介して、同軸コネクタ３ａ，３ｂから給電される。パッチアンテナの放射面には、広帯域化の為の無給電素子５がスペーサ６を介して搭載される。

図１６Ａ〜図１６Ｃは、本発明の第５の実施形態を示すパッチアンテナの斜視図である。

上記の各実施形態においては、金属壁１の形状はプリント基板側へ傾斜した単一平面の折り曲げ部として構成した。これに対して本実施形態では、折り曲げ部の途中で更に折り曲げられた形状を採用して、アンテナ開口面を狭めている。その他の構成は上記実施形態と同様であり、またアンテナの放射パターンやその他の効果についても上記実施形態と同様である。また、これらの金属壁は、例えば略矩形の一枚の金属板を折り曲げ加工することによって構成することが可能であるので低コストで実現できる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細は、上記実施の形態を適宜組み合わせて用いてもよく、さらに本発明の請求の範囲内において、適宜変更するものであってもよい。

この出願は、２００７年４月２７日に出願された日本出願特願２００７−１１８９４６号を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によって取り込む。

Claims

誘電体基板上に形成されて直線偏波を送受信可能に構成されたパッチアンテナ素子と、該パッチアンテナ素子の周囲に設けられてアンテナの放射開口を小さくするように、内側に傾斜した金属壁を設けたことを特徴とする直線偏波用パッチアンテナ。
前記金属壁は、前記誘電体基板の裏面全体を支持するとともに前記直線偏波の偏波面と平行な両端部においてその先端部間の間隔が狭まるように前方に折り曲げられた折り曲げ部を有する略矩形の金属板によって構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線偏波用パッチアンテナ。
前記折り曲げ部は、前記誘電体基板側へ傾斜した折り曲げ部として構成されていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の直線偏波用パッチアンテナ。
前記折り曲げ部の先端間の間隔は、パッチアンテナ放射素子の波長λに対して略０．８λに設定され、前記折り曲げ部の高さは略０．２３λに設定され、内側に傾斜した前記折り曲げ部の傾斜角θは６５度〜７０度に設定されていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の直線偏波用パッチアンテナ。
前記折り曲げ部は、前記誘電体基板周辺から略直角に折り曲げられ、更に途中から前記誘電体基板側へ折り曲げられていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の直線偏波用パッチアンテナ。
前記金属壁は、前記直線偏波の偏波面に平行な面における指向性ビーム幅と前記直線偏波の偏波面と直交する面における指向性ビーム幅とが一致するように構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１項に記載の直線偏波用パッチアンテナ。
前記パッチアンテナ素子の前面に所定距離を隔てて無給電素子が配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第６項のいずれか１項に記載の直線偏波用パッチアンテナ。
前記パッチアンテナ素子は、前記直線偏波と直交する偏波面を持つ直線偏波による送受信も可能に構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第７項のいずれか１項に記載の直線偏波用パッチアンテナ。
前記金属壁は、前記互いに直交する偏波面を持つ２つの直線偏波による各指向性ビームが、一方の直線偏波によって形成される該直線偏波面と平行な面における指向性ビーム幅と他方の直線偏波によって形成される該直線偏波面と垂直な面における指向性ビーム幅が等しくなるように構成されていることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の直線偏波用パッチアンテナ。