JPH09219618A - 円偏波パッチアンテナ及び無線通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水平面内では無指向性で、円偏波化を実現す
ることができる円偏波パッチアンテナの提供。 【解決手段】 地導体板１１の各面側にそれぞれ第１の
パッチアンテナ１２と第２のパッチアンテナ１３とを配
置し、地導体板１１に流れる第１のパッチアンテナ１２
に対する第１のイメージ電流１４と第２のパッチアンテ
ナ１３に対する第２のイメージ電流１５とがキャンセル
し合うように第１のパッチアンテナ１２と第２のパッチ
アンテナ１３とを構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば無線ＬＡＮ
等の基地局に用いられる円偏波パッチアンテナ及びこの
円偏波パッチアンテナを用いた無線ＬＡＮ等の無線通信
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】無線ＬＡＮ等の基地局に用いられるアン
テナは、構造が簡単で小形・薄形でかつ低コストである
ことが要求される。また、水平面内では無指向性、垂直
面内では下方へビームチルトしていることが望まれる。
さらに、例えば１００Ｍｂｐｓ程度の高速伝送を行うた
めには、マルチパスの影響を低減できる円偏波アンテナ
が適している。

【０００３】ところで、ビームチルトを実現するアンテ
ナとしては、 （１）線状素子系のアンテナ （２）パッチ系のアンテナ 等が考えられる。

【０００４】ビームチルトを実現する線状素子系のアン
テナの代表例としては、ダイポール素子を縦方向に多段
配列したコーリニアアンテナがある。しかしながら、こ
のような線状素子系のアンテナでは、一般的には円偏波
化を実現することは容易でなく、しかも構造が複雑にな
ることが多い。

【０００５】一方、パッチ系のアンテナは、ビームチル
トを実現しつつ円偏波化も可能である。パッチ系のアン
テナの代表的な構造としては、導体板上に誘電体基板を
張り、その上にパッチアンテナを形成し、例えばパッチ
アンテナに直接給電するものがある。しかしながら、こ
のようなパッチ系のアンテナでは、水平面内での無指向
性が実現できない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、水平
面内では無指向性で、円偏波化を実現することができる
円偏波パッチアンテナを提供することにある。

【０００７】本発明の目的は、構造の簡単化、小形・薄
形化及び低コストが可能な円偏波パッチアンテナを提供
することにある。

【０００８】本発明の目的は、アレー化が容易で、ビー
ムチルトが容易な円偏波パッチアンテナを提供すること
にある。

【０００９】本発明の目的は、天井等への設置が容易な
円偏波パッチアンテナを提供することにある。

【００１０】本発明の目的は、広い領域に渡り均一に電
界強度を維持でき、しかもマルチパスに強い無線通信シ
ステムを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
ため、請求項１記載の本発明の円偏波パッチアンテナ
は、地導体板と、この地導体板の第１の面側に配置さ
れ、給電された電流に応じた第１のイメージ電流を地導
体板に対して所定の回転方向に流す第１のパッチアンテ
ナと、前記地導体板の第２の面側に配置され、給電され
た電流に応じた第２のイメージ電流を地導体板に対して
前記第１のイメージ電流をキャンセルするように流す第
２のパッチアンテナと、前記第１及び第２のパッチアン
テナに給電する給電手段とを具備する。

【００１２】請求項２の本発明の円偏波パッチアンテナ
は、地導体板と、この地導体板の第１の面側に配置さ
れ、給電方向とは異なる第１の方向に対して第１の幅を
有し、給電方向とは異なる第２の方向に対して第２の幅
を有し、かつ前記第１の幅が前記第２の幅よりも長い第
１のパッチアンテナと、前記地導体板の第２の面側の前
記第１のパッチアンテナと対向する位置に配置され、前
記第１の方向に対して前記第２の幅を有し、前記第２の
方向に対して前記第１の幅を有し、かつ前記第１のパッ
チアンテナとほぼ同一形状の第２のパッチアンテナと、
前記第１及び第２のパッチアンテナに給電する給電手段
とを具備する。他の面からみると、導体板と、この地導
体板の第１の面側に配置され、給電された電流が第１の
方向に流れる第１の電流路と給電された電流が第２の方
向に流れる第２の電流路とを有し、かつ前記第１の電流
路の長さが前記第２の電流路の長さよりも長い第１のパ
ッチアンテナと、前記地導体板の第２の面側の前記第１
のパッチアンテナと対向する位置に配置され、給電され
た電流が第１の方向に流れる第３の電流路と給電された
電流が第２の方向に流れる第４の電流路とを有し、かつ
前記第４の電流路の長さが前記第３の電流路の長さより
も長い第２のパッチアンテナと、前記第１及び第２のパ
ッチアンテナに給電する給電手段とを具備する円偏波パ
ッチアンテナである。

【００１３】請求項３記載の本発明の無線通信システム
は、基地局と端末との間で無線通信路を介してデータを
送受する無線通信システムであって、前記基地局が、地
導体板と、この地導体板の第１の面側に配置され、それ
ぞれが給電された電流に応じた第１のイメージ電流を地
導体板に対して所定の回転方向に流す複数の第１のパッ
チアンテナと、前記地導体板の第２の面側の前記複数の
各第１のパッチアンテナと対向する位置に配置され、そ
れぞれが給電された電流に応じた第２のイメージ電流を
地導体板に対して前記各第１のイメージ電流をキャンセ
ルするように流す複数の第２のパッチアンテナと、前記
第１及び第２のパッチアンテナに給電する給電手段とを
有する円偏波パッチアレーアンテナを具備する。

【００１４】本発明は、原理的には図１に示すように説
明できる。図１に示すように、地導体板１１の各面側に
それぞれ第１のパッチアンテナ１２と第２のパッチアン
テナ１３とを配置する。ここで、第１のパッチアンテナ
１２及び第２のパッチアンテナ１３は、それぞれ円偏波
を発生するように構成する。つまり、第１のパッチアン
テナ１２及び第２のパッチアンテナ１３は、給電された
電流に応じて回転する電流が流れるように構成する。こ
れらの電流に対して、地導体板１１にはそれぞれ第１の
パッチアンテナ１２に対する第１のイメージ電流１４及
び第２のパッチアンテナ１３に対する第２のイメージ電
流１５が流れる。本発明は、これらの第１のイメージ電
流１４と第２のイメージ電流１５とがキャンセルし合う
ように第１のパッチアンテナ１２と第２のパッチアンテ
ナ１３とを構成したものである。ここで、地導体板とし
ては、金属導体が用いられる。地導体板と第１及び第２
のパッチアンテナとの間には、通常は誘電体基板が介挿
される。

【００１５】第１及び第２のパッチアンテナも金属導体
が用いられる。第１及び第２のパッチアンテナの形状
は、図２（ａ）〜（ｆ）に示すように様々な形状が考え
られる。実線は表面のパッチアンテナの形状、破線は表
面より透視的にみた裏面のアンテナの形状である。

【００１６】給電手段としては、後述するコプレナー
（ＣＰＷ）給電の他、図３に示す直接給電３２等のよう
に第１及び第２のパッチアンテナ３４、３５が共通の地
導体板３６を持つようなものであればどのようなもので
あってもよい。３７、３８は誘電基板である。これらの
給電手段は、第１及び第２のパッチアンテナの中央から
給電するものであってもよいし、その他任意の位置から
給電するものであってもよい。

【００１７】本発明は、一対の第１及び第２のパッチア
ンテナからなるシングルタイプばかりでなく、多段に一
対の第１及び第２のパッチアンテナを有するアレ−アン
テナにも適用できる。

【００１８】本発明の円偏波パッチアンテナは、例えば
ビル内に構築される無線ＬＡＮ等の無線通信システムの
基地局用のアンテナとして好適である。一般に、このよ
うなシステムでは、例えば多数の端末が１つのフロアー
の広い領域にわたって配置され、かつデータを正確に送
受することが要求される。これに対して、本発明の円偏
波パッチアレーアンテナは、水平面内では無指向性で、
垂直面内では下方へビームチルトでき、しかも円偏波で
あるので、このアンテナを例えば天井に配置すれば広い
領域にわたり均一に電界強度を維持でき、しかもマルチ
パスに強く、データをより正確に伝送ができるからであ
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】図４は本発明の円偏波パッチアン
テナの一例を示す図である。

【００２０】図４に示すように、この円偏波パッチアン
テナは、例えば矩形状の銅板からなる地導体板４１の各
面側にそれぞれほぼ矩形状の銅箔からなる第１のパッチ
アンテナ４２と第２のパッチアンテナ４３とを配置し、
地導体板４１と第１及び第２のパッチアンテナ４２、４
３との間にそれぞれ誘電体基板４４、４５を介挿して構
成される。さらに、図５にも示すように、地導体板４１
は、細長の導体除去部４６を有し、導体除去部４６内に
は電磁結合給電を行うＣＰＷ給電線路４７が設けられて
いる。ＣＰＷ給電線路４７の下端部には入出力端子（図
示を省略）が接続される。

【００２１】第１のパッチアンテナ４２は、第１の対角
線の方向４８の２つの角部がそのまま残され、第２の対
角線の方向４９の２つの角部が所定量だけ切り落とされ
ている。また、第２のパッチアンテナ４３は、第２の対
角線の方向４９の２つの角部がそのまま残され、第１の
対角線の方向４８の２つの角部が所定量だけ切り落とさ
れている。つまり、第１のパッチアンテナ４２は、第１
の対角線の方向４８に対して第１の幅を有し、第２の対
角線の方向４９に対して第２の幅を有し、かつ第１の幅
が第２の幅よりも長く、第２のパッチアンテナ４３は、
第２の対角線の方向４９に対して第１の幅を有し、第１
の対角線の方向４８に対して第２の幅を有する。

【００２２】この円偏波パッチアンテナは、例えば誘電
体基板４４の一方の面に地導体板４１を接着し、ＣＰＷ
給電線路４７をエッチング除去により形成する。次に、
地導体板４１の他方の面に誘電体基板４４を接着する。
次に、それぞれの誘電体基板４４、４５の表面に第１の
パッチアンテナ４２、第２のパッチアンテナ４３をフォ
トリソグラフィ技術により形成する。

【００２３】この円偏波パッチアンテナの作用を説明す
る。

【００２４】円偏波化を図る方法として、図６に示すよ
うに、ＣＰＷ給電線路６０を有する地導体板６１上に誘
電体基板６２を配置し、その上にパッチアンテナ６３を
配置したアンテナにおいて、パッチアンテナ６３の第１
の対角線の方向６４の２つの角部をそのまま残し、第２
の対角線の方向６５の２つの角部を切り落とすことが考
えられる。

【００２５】このアンテナでは、図７に示すように、地
導体板６１上に流れる電流はＣＰＷ給電線路６０の影響
を受けＣＰＷ給電線路６０を避け電流が大きく曲線を描
くように流れる。このため、等価的に電流長が長くな
り、円偏波となる周波数は、ＣＰＷ給電線路６０と整合
する周波数に比べ低い方向ずれ、円偏波と整合の両者と
も良好な特性を実現できる周波数はなくなる。

【００２６】つまり、円偏波が得られる周波数とＣＰＷ
給電線路６０と整合する周波数とがほぼ一致するアンテ
ナを実現しようとしたとき、図７に示す地導体板６１上
に流れる電流が等価的に長く見えることが問題である。

【００２７】本発明者等は、この地導体板６１上に流れ
る電流を打ち消すことができれば、ＣＰＷ給電線路６０
と整合する周波数でモードの縮退が解け、円偏波アンテ
ナを実現できると考えた。

【００２８】そこで、本発明では、図１に示したよう
に、地導体板４１を挟んで第１のパッチアンテナ４２と
第２のパッチアンテナ４３とを対向配置し、第１のパッ
チアンテナ４２が第１の対角線の方向４８に対して第１
の幅を有し、第２の対角線の方向４９に対して第２の幅
を有し、かつ第１の幅が第２の幅よりも長くなるように
構成し、第２のパッチアンテナ４３が第２の対角線の方
向４９に対して第１の幅を有し、第１の対角線の方向４
８に対して第２の幅を有するように構成することで、地
導体板４１に流れる第１のパッチアンテナ４２に対する
第１のイメージ電流と第２のパッチアンテナ４３に対す
る第２のイメージ電流とがキャンセルし合い、水平面内
でほぼ無指向性の円偏波を発生させている。

【００２９】因みに、図８に示すように、地導体板８１
に挟んで第１のパッチアンテナ８２と第２のパッチアン
テナ８３とを対向配置し、第１のパッチアンテナ８２が
第１の対角線の方向８８に対して第１の幅を有し、第２
の対角線の方向８９に対して第２の幅を有し、かつ第１
の幅が第２の幅よりも長くなるように構成し、同様に第
２のパッチアンテナ８３が第１の対角線の方向８８に対
して第１の幅を有し、第２の対角線の方向８９に対して
第２の幅を有するように構成したアンテナでは、地導体
板８１上に流れるイメージ電流が互いに加算され、円偏
波が得られる周波数とＣＰＷ給電線路８０と整合する周
波数とを一致させることはできない。

【００３０】次に、図４に示した本発明の円偏波パッチ
アンテナの実験結果を示す。

【００３１】図４の円偏波パッチアンテナにおいて、 誘電体基板の幅Ｗ＝７０ｍｍ 誘電体基板の長さＨ＝１５０ｍｍ 誘電体基板の厚さｔ＝３．２ｍｍ パッチアンテナの幅Ｌａ＝４７．３６ｍｍ パッチアンテナの長さＬｂ＝４７．３６ｍｍ ＣＰＷ給電線路のパッチアンテナとの交差長さｄ＝２５
ｍｍ ＣＰＷ給電線路の幅Ｓｉ＝４．５ｍｍ 導体除去部の幅Ｓｏ＝４．９ｍｍ パッチアンテナの第１の幅−パッチアンテナの第２の幅
＝Δ＝４ｍｍ とし、特性インピーダンス５０Ω、中心周波数１．９Ｇ
Ｈｚで共振するように構成した。

【００３２】図９にその場合の１．８５ＧＨｚ〜１．９
５ＧＨｚの入力インピーダンスとそのスミスチャートを
示す。図９より、１．９０５ＧＨｚ付近で入力インピー
ダンスにキンクが生じていることが分かる。従って、図
４の円偏波パッチアンテナは、給電線路と整合する周波
数近傍でモードの縮退が解け円偏波が得られることが分
かる。

【００３３】一方、図８に示した円偏波パッチアンテナ
において同様の特性を取ると、図１０に示すようにな
る。同図より、スミスチャート上にキンクが生じず、直
線偏波として動作し、円偏波が得られないことが分か
る。

【００３４】次に、図４に示した本発明の円偏波パッチ
アンテナにおいて、Δ＝４ｍｍ、周波数１．９０５ＧＨ
ｚにおける水平面の放射指向性を図１１に示す。同図に
おいて、０度方向が両面パッチの一方の正面で、−１８
０度方向がもう一方の正面である。また、同アンテナの
垂直面の放射指向性を図１２に示す。

【００３５】図１１より、水平面内の３６０度にわた
り、軸比４ｄＢ以下の円偏波特性が得られた。両パッチ
の正面方向では、軸比は２ｄＢ以下であった。

【００３６】垂直面の指向性は、通常の円偏波パッチ単
体と同様であり、軸比も広角にわたり２ｄＢ以下の良好
な円偏波特性であった。矩形パッチに対し同じ方向に縮
退分離素子を設けることで良好な円偏波アンテナを実現
できる。

【００３７】一方、図８に示した円偏波パッチアンテナ
において水平面に対して同様の特性を取ると、図１３に
示すようになる。図１３において、Ｈｐｏｌ−Ｈｐｏｌ
が正偏波偏波特性で、Ｈｐｏｌ一Ｖｐｏｌが交差偏波特
性である。図１３より、円偏波化は実現できないことが
わかる。

【００３８】本発明の円偏波パッチアンテナは、２枚の
誘電体基板を単に重ね合わせる構造であるので、構造的
にアレー化が容易である。アレーアンテナでは、各段の
パッチアンテナ間で位相を制御することでビームチルト
させることができる。位相の制御は、ＣＰＷ線路の長さ
を適当に設定すること等によって行うことができる。図
１４及び図１５に円偏波パッチアレーアンテナの例を示
す。

【００３９】図１４はＣＰＷ給電線路を用いた円偏波パ
ッチアレーアンテナである。図１４において、１４１は
地導体板であり、地導体板１４１の両面にはそれぞれ誘
電体基板１４２、１４３が配置されている。誘電体基板
１４２、１４３の表面には、多段（例えば４段）の一対
のパッチアンテナ１４４ａ−１４４ｂ，１４５ａ−１４
５ｂ，１４６ａ−１４６ｂ，１４７ａ−１４７ｂが配置
されている。これらのパッチアンテナ１４４ａ−１４４
ｂ，１４５ａ−１４５ｂ，１４６ａ−１４６ｂ，１４７
ａ−１４７ｂは、それぞれ図４に示したアンテナと同様
に、一方の対角線の方向の２つの角部が切り落とされて
いる。パッチアンテナ１４４ａ−１４４ｂはＣＰＷ給電
線路１４８ａにより電磁給電され、各パッチアンテナ間
はＣＰＷ給電線路１４８ｂ〜１４８ｄにより電磁結合さ
れている。

【００４０】図１５は直接給電線路を用いた円偏波パッ
チアレーアンテナであり、図１４に示したアンテナのＣ
ＰＷ給電線路に代えて直接給電線路１５０ａ〜１５０ｄ
を用いている。

【００４１】図１６は本発明の円偏波パッチアンテナを
例えばビル内に構築される無線ＬＡＮに適用した例を示
す図である。

【００４２】図１６において、１６１、１６１…はフロ
アーに配置された端末を示している。一方、天井には基
地局１６２が設置され、基地局１６２と端末１６１、…
との間で無線通信路を介してデータを送受するように構
成されている。このシステムにおいて、基地局１６２に
本発明に係る円偏波パッチアレーアンテナ１６３を用い
る。本発明に係る円偏波パッチアレーアンテナ１６３と
しては、例えば図１４に示したものを用いる。この円偏
波パッチアレーアンテナ１６３は、例えば２．４ＧＨｚ
のもので約３０ｃｍ程度であり、オフィス等の天井に設
置してもあまり目立たない。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の円偏波パ
ッチアンテナによれば、地導体板を挟んで第１のパッチ
アンテナと第２のパッチアンテナとを対向配置し、地導
体板に流れる第１のパッチアンテナに対する第１のイメ
ージ電流と第２のパッチアンテナに対する第２のイメー
ジ電流とがキャンセルし合うように構成したので、水平
面内では無指向性で、円偏波化を実現することができ
る。特に、給電手段としてＣＰＷ給電線路を用いた場
合、円偏波となる周波数と給電線路とが整合する周波数
が一致し、良好な特性が維持できる。

【００４４】本発明の円偏波パッチアンテナは、地導体
板を挟んで第１のパッチアンテナと第２のパッチアンテ
ナとを対向配置した構成であるので、例えば地導体板と
第１のパッチアンテナ及び第２のパッチアンテナとの間
に誘電体基板を介挿すれば、構造の簡単化、小形・薄形
化が可能となる。また、その場合、第１のパッチアンテ
ナ及び第２のパッチアンテナをフォトリソグラフィ技術
により形成することができるので、量産性に優れ、低コ
スト化が可能となる。また、このような構造において
は、アレー化が容易であるため、ビームチルトも容易に
実現できる。さらに、天井等への設置も容易であり、ま
た給電も簡単である。

【００４５】本発明の円偏波パッチアレーアンテナは、
水平面内では無指向性で、垂直面内では下方へビームチ
ルトでき、しかも円偏波であるので、このアンテナを無
線通信システムに適用すれば、広い領域に渡り均一に電
界強度を維持でき、しかもマルチパスに強い無線通信シ
ステムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための図である。

【図２】本発明のパッチアンテナの各種形状を示す図で
ある。

【図３】本発明の各種給電手段を示す図である。

【図４】本発明の円偏波パッチアンテナの一例を示す斜
視図である。

【図５】図４に示す地導体板の斜視図である。

【図６】本発明の作用を説明するための図である。

【図７】本発明の作用を説明するための図である。

【図８】本発明との比較例のアンテナの斜視図である。

【図９】本発明のアンテナの入力インピーダンスの測定
結果を示す図である。

【図１０】比較例のアンテナの入力インピーダンスの測
定結果を示す図である。

【図１１】本発明のアンテナの水平面の放射指向性の測
定結果を示す図である。

【図１２】本発明のアンテナの垂直面の放射指向性の測
定結果を示す図である。

【図１３】比較例のアンテナの水平面の放射指向性の測
定結果を示す図である。

【図１４】本発明の円偏波パッチアレーアンテナの一例
を示す斜視図である。

【図１５】本発明の円偏波パッチアレーアンテナの他の
例を示す斜視図である。

【図１６】本発明の円偏波パッチアンテナを例えばビル
内に構築される無線ＬＡＮに適用した例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１ 導体板 １２ 第１のパッチアンテナ １３ 第２のパッチアンテナ １４ 第１のイメージ電流 １５ 第２のイメージ電流

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地導体板と、 この地導体板の第１の面側に配置され、給電された電流
   に応じた第１のイメージ電流を地導体板に対して所定の
   回転方向に流す第１のパッチアンテナと、 前記地導体板の第２の面側に配置され、給電された電流
   に応じた第２のイメージ電流を地導体板に対して前記第
   １のイメージ電流をキャンセルするように流す第２のパ
   ッチアンテナと、 前記第１及び第２のパッチアンテナに給電する給電手段
   とを具備することを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
2. 【請求項２】 地導体板と、 この地導体板の第１の面側に配置され、給電方向とは異
   なる第１の方向に対して第１の幅を有し、給電方向とは
   異なる第２の方向に対して第２の幅を有し、かつ前記第
   １の幅が前記第２の幅よりも長い第１のパッチアンテナ
   と、 前記地導体板の第２の面側の前記第１のパッチアンテナ
   と対向する位置に配置され、前記第１の方向に対して前
   記第２の幅を有し、前記第２の方向に対して前記第１の
   幅を有し、かつ前記第１のパッチアンテナとほぼ同一形
   状の第２のパッチアンテナと、 前記第１及び第２のパッチアンテナに給電する給電手段
   とを具備することを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
3. 【請求項３】 基地局と端末との間で無線通信路を介し
   てデータを送受する無線通信システムであって、 前記基地局が、地導体板と、この地導体板の第１の面側
   に配置され、それぞれが給電された電流に応じた第１の
   イメージ電流を地導体板に対して所定の回転方向に流す
   複数の第１のパッチアンテナと、前記地導体板の第２の
   面側の前記複数の各第１のパッチアンテナと対向する位
   置に配置され、それぞれが給電された電流に応じた第２
   のイメージ電流を地導体板に対して前記各第１のイメー
   ジ電流をキャンセルするように流す複数の第２のパッチ
   アンテナと、前記第１及び第２のパッチアンテナに給電
   する給電手段とを有する円偏波パッチアレーアンテナを
   具備することを特徴とする無線通信システム。