JP2015201821A - 片面放射デュアルバンドスロットアレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロ波、ミリ波などの無線通信システムにおいて利用される片面放射デュアルバンドスロットアレイアンテナを提供する。
【解決手段】 第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナ１０１の上部に、基板幅１１１が、第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナ１０１の基板幅と等しい、第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナ１０２を、第２の周波数ｆ_２に対する波長の四分の一程度の距離を離して配置したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波などの無線通信システムにおいて利用される片面放射デュアルバンドスロットアレイアンテナに関するものである。

近年の通信機器においては、無線送受信装置（例えば、無線ＬＡＮ装置）を備えた機器が普及している。建物内においては、有線ケーブルを壁や天井、及び床に配置することが困難であるため、無線信号によるデータ通信が必要である。一方、建物間を無線で接続すれば、災害時に有線ケーブルが破損した際にも、通信が可能となる。同様に市庁舎などの、地域における重要な建物間を無線で接続することも可能である。これらの無線通信機装置には、長距離の無線伝送を可能にするために、指向性利得の優れたアンテナが必要不可欠である。

指向性アンテナとして、パッチアンテナが良く知られている。一例として日本無線のアンテナがある。（以下、「非特許文献１記載のアンテナ」という。）非特許文献１記載のアンテナは２．４ＧＨｚ（「第２の周波数ｆ_２」という。）で動作し、外形寸法は２６０ｍｍ×２６０ｍｍ×４３ｍｍであり、最大利得は１５ｄＢｉである。

日本無線、型式 ：ＮＺＡ−６６１

また、発明者らは、プリント基板を用いた、平面型単方向性スロットアレイアンテナを提案している。（以下、「非特許文献２記載のアンテナ」という。）。非特許文献２記載のアンテナは、両面に導体層があるプリント基板で構成され、表面導体に４×４＝１６個のスロットアンテナを配置している。裏面は表面導体と絶縁された導体と、裏面導体と絶縁された、平面型伝送線路で構成されている。平面型伝送線路は、接地導体−信号線路−接地導体で構成されたコプレーナ構造である。信号は裏面導体上のコプレーナ伝送線路より給電し、裏面から表面へは、ビアホールを通して接続されている。表面導体では、４×４＝１６素子のアンテナに、同じ位相で給電されるように給電線路が調整されている。非特許文献２記載のアンテナは５．５ＧＨｚ（「第１の周波数ｆ_１」という。）で動作し、アンテナの基板幅は１６１ｍｍである。外形寸法は１１６ｍｍ×１６１ｍｍ×１．６ｍｍであり、最大利得は１２．５８ｄＢｉである。

飯笹直人、他５名著、５ＧＨｚ帯単方向指向性スロットダイポールアンテナのアレイ化、第６６回 電気関係学会九州支部連合大会講演論文集、ｐ．３０５、２０１３年

特許文献１記載のアンテナに代表されるパッチアンテナは、次のような欠点があった。
（イ）放射部の寸法（縦×横）が使用周波数から換算された波長の半分になるように決定されるので、小型化することができない。
（ロ）パッチアンテナの放射部はパッチアンテナの側面であり、アンテナ厚を薄くすると放射しなくなるため、薄型化することができない。
（ハ）例えば無線ＬＡＮにおいては、２．４ＧＨｚ帯と５．５ＧＨｚ帯、すなわち、第２の周波数ｆ_２と第１の周波数ｆ_１の異なった周波数で動作が可能な無線送受信装置が普及している。従って、２つの周波数で動作するアンテナが必要であるが、パッチアンテナは、放射部が一つであるので、一つの周波数帯しか対応できない。

特許文献２記載のアンテナに代表されるスロットアレイアンテナは、次のような欠点があった。放射部は表面導体に構成されるスロットであるので、アンテナの薄型化は可能であるが、スロット長により使用する周波数が決定されるので、一つの周波数帯しか対応できない。本発明は、以上のような欠点をなくすためになされたものである。

第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナ１０１の上部に、基板幅１１１が、第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナ１０１の基板幅１１１と等しく、第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナ１０２を、第２の周波数ｆ_２に対する波長の四分の一程度の距離を離して配置する。さらに、第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナ１０２の表面接地導体は極力除去されている。
本発明は、以上の構成よりなる片面放射デュアルバンドスロットアレイアンテナである。

本願の請求項に係る発明は図１にあるように、非特許文献２記載のスロットアレイアンテナの上部に２．４ＧＨｚ（第２の周波数ｆ_２）で動作するスロットアレイアンテナを配置したものである。本スロットアレイアンテナは、プリント基板で構成され、基板幅は５．５ＧＨｚ（第１の周波数ｆ_１）で動作するアンテナの基板幅と等しく、表面導体上に２×２＝４個のスロットアレイアンテナを構成し、裏面の導体層は除去されている。また、４個のスロットアレイアンテナには、下部に配置した５．５ＧＨｚ（第１の周波数ｆ_１）の電波の放射を妨げないように、表面導体上の接地金属部を除去している。

第１の周波数ｆ_１と第２の周波数ｆ_２では、共振周波数が異なるため、各々の周波数に対して、お互いが影響を与えない。さらに、下部で放射される第１の周波数ｆ_１の電波は、第２の周波数ｆ_２で動作する上部スロットアレイアンテナの導体を除去した部分を通過するため、スロットアレイアンテナ表面への放射が可能である。

第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナは、裏面導体層が無いので、アンテナ表面、アンテナ裏面とも同一量の電波を放射するが、アンテナ裏面の電波は、下部の第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナの裏面導体層により反射され、アンテナ表面へ放射される。従って、第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナにおいてもアンテナ表面への放射が可能となる。この構成により、２つの周波数ｆ_１、及びｆ_２の電波をアンテナ表面にのみ放射することが可能となる。なお、第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナと第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナの間隔は第２の周波数ｆ_２に対する波長の四分の一程度である。この構造により、第１の周波数ｆ_１、および第２の周波数ｆ_２における最大放射利得はほぼ等しく、１０ｄＢ以上の利得を実現できる。

３つの周波数で動作させる場合は、第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナの上面に、第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナの基板幅と等しい、第３の周波数ｆ_３で動作するスロットアレイアンテナを配置すればよい。さらに多数の周波数で動作させる場合も同様である。

以下、本発明の片面放射デュアルバンドスロットアレイアンテナの実施例を、図を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、この実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態である片面放射デュアルバンドスロットアレイアンテナの斜視図である。

図１に示したように、第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナ１０１の上部に、第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナ１０２を、第２の周波数ｆ_２に対する波長の四分の一程度の距離を離して配置して形成されている。なお、基板幅１１１は、第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナ１０１の基板幅と等しい。

第１の周波数ｆ_１で動作するアンテナの放射用導体１０３、および第２の周波数ｆ_２で動作するアンテナの放射用導体１０４が形成された面をアンテナ表面とする。

第１の周波数ｆ_１を給電する端子１０５は、第１の周波数ｆ_１の電波を発信する無線送受信装置に接続されている。一方、第２の周波数ｆ_２を給電する端子１０６は、第２の周波数ｆ_２の電波を発信する無線送受信装置に接続されている。第１の周波数ｆ_１、及び第２の周波数ｆ_２の電波の２波を発信可能なデュアルバンド無線送受信装置があれば、第１の周波数ｆ_１を給電する端子１０５と、第２の周波数ｆ_２を給電する端子１０６は、Ｔ型分岐回路により接続し、一つの給電端子とすることができる。

図２は、図１の示されるアンテナにおける、第２の周波数ｆ_２で動作するアンテナと第１の周波数ｆ_１で動作するアンテナの平面図である。設計における座標軸１０７に従って、アンテナ表面をＺ軸、アンテナの幅方向をＸ軸、アンテナの縦方向をＹ軸とする。基板幅１１１は、第１の周波数ｆ_１が５．５ＧＨｚであり、第２の周波数ｆ_２が２．４ＧＨｚである場合は、どちらも１６１ｍｍである。

第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナ１０１の裏面には、第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナの裏面導体層１０８が形成されている。第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナの裏面導体層１０８は、第１の周波数ｆ_１で動作するアンテナの放射用導体１０３、および第１の周波数ｆ_１を給電する端子１０５とは、絶縁されている。第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナ１０２の裏面には、裏面導体層が無いので、第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナ１０１から放射される電波は、第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナを通過し、アンテナ表面（ｚ軸方向）へ放射される。

第１の周波数ｆ_１の信号は、第１の周波数ｆ_１を給電する端子１０５を通り、図２で示されるアンテナ裏面のコプレーナ構造１０９ａを通り、さらにビアホール１１０ａを通りアンテナ表面のスロットアレイアンテナへ給電される。なお、第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナの裏面導体層１０８と、コプレーナ構造１０９ａとは、絶縁されている。

第２の周波数ｆ_２の信号は、第２の周波数ｆ_２を給電する端子１０６を通り、図２で示されるアンテナ裏面のコプレーナ構造１０９ｂを通り、さらにビアホール１１０ｂを通りアンテナ表面のスロットアレイアンテナへ給電される。

本発明アンテナの外形寸法は、第１の周波数ｆ_１が５．５ＧＨｚであり、第２の周波数ｆ_２が２．４ＧＨｚである場合、１１６ｍｍ×１６１ｍｍ×２８．２ｍｍであり、非特許文献２のアンテナと、ほぼ同様の寸法であるにもかかわらず、低い周波数の電波を放射することが可能である。一方、非特許文献１のアンテナに対しては、約１８％まで小型化が可能となる。

図３は、本発明の実施形態における、第１の周波数ｆ_１が５．５ＧＨｚである場合のアンテナの放射パターンである。線２０１が第１の周波数ｆ_１で動作するアンテナのＸＺ面内の放射パターンであり、線２０２が第１の周波数ｆ_１で動作するアンテナのＹＺ面内の放射パターンである。図３において、最大放射利得は１２．６ｄＢｉであり、また、アンテナ表面の上方（Ｚ軸方向）と下方（−Ｚ軸方向）との放射利得の比を約２１．７ｄＢとすることができる。

図４は、本発明の実施形態における、第２の周波数ｆ_２が２．４ＧＨｚである場合のアンテナの放射パターンである。線２０３が第２の周波数ｆ_２で動作するアンテナのＸＺ面内の放射パターンであり、線２０４が第２の周波数ｆ_２で動作するアンテナのＹＺ面内の放射パターンである。図４において、最大放射利得は１０．８ｄＢｉであり、また、アンテナ表面の上方（Ｚ軸方向）と下方（−Ｚ軸方向）との放射利得の比を約２０．０ｄＢとすることができる。

以上の説明では、第１の周波数ｆ_１が５．５ＧＨｚ、第２の周波数ｆ_２が２．４ＧＨｚの場合について示したが、他のマイクロ波周波数、及びミリ波周波数帯で特にその性能を発揮する。

本発明の実施形態におけるアンテナの斜視図である。 図１に示されるアンテナにおける、第２の周波数ｆ_２で動作するアンテナと第１の周波数ｆ_１で動作するアンテナの平面図である。 図１に示されるアンテナにおける、第１の周波数ｆ_１で動作するアンテナの放射パターンである。 図１に示されるアンテナにおける、第２の周波数ｆ_２で動作するアンテナの放射パターンである。

１０１・・・・第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナ
１０２・・・・第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナ
１０３・・・・第１の周波数ｆ_１で動作するアンテナの放射用導体
１０４・・・・第２の周波数ｆ_２で動作するアンテナの放射用導体
１０５・・・・第１の周波数ｆ_１を給電する端子
１０６・・・・第２の周波数ｆ_２を給電する端子
１０７・・・・設計における座標軸
１０８・・・・第１の周波数ｆ_１で動作するスロットアレイアンテナの裏面導体層
１０９ａ、１０９ｂ・・・・コプレーナ構造
１１０ａ、１１０ｂ・・・・ビアホール
１１１・・・・基板幅
２０１・・・・第１の周波数ｆ_１で動作するアンテナのＸＺ面内の放射パターン
２０２・・・・第１の周波数ｆ_１で動作するアンテナのＹＺ面内の放射パターン
２０３・・・・第２の周波数ｆ_２で動作するアンテナのＸＺ面内の放射パターン
２０４・・・・第２の周波数ｆ_２で動作するアンテナのＹＺ面内の放射パターン

Claims (2)

1. 第１の周波数ｆ_１で動作する単方向指向性スロットアレイアンテナの上部に、第１の周波数ｆ_１で動作する単方向指向性スロットアレイアンテナの基板幅と同一で、第２の周波数ｆ_２（ｆ_２≠ｆ_１）で動作するスロットアレイアンテナを配置し、下部の第１の周波数ｆ_１で動作する単方向指向性スロットアレイアンテナの裏面導体層による反射を用いて、第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナの指向性利得を改善することを特徴とする片面放射デュアルバンドスロットアレイアンテナ。
2. 前記ｆ_２で動作するアンテナと同形状であり、第１の周波数ｆ_１で動作する単方向指向性スロットアレイアンテナの基板幅と同一で、第３の周波数ｆ_３（ｆ_３≠ｆ_２≠ｆ_１）で動作するスロットアレイアンテナを、第２の周波数ｆ_２で動作するスロットアレイアンテナの上部に設けたことを特徴とする、片面放射３周波共用スロットアレイアンテナ。