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広帯域・マルチバンド特性を有する高性能平面アンテナに関する研究

木村 雄樹 埼玉大学 DOI:info:doi/10.24561/00019664

2021

概要

本論文は、高速大容量通信等のミリ波のニーズに応える高性能平面アンテナとして、2 周波帯で広帯域に動作し直交偏波共用化が可能である MSA の実現を目的として検討を加えた。

第一章ではその背景と、本論文で関連する先行研究について述べた。

第二章では MSA の基礎理論、マルチバンド平面アンテナである多リング形 MSA と広帯域平面アンテナであるL プローブ給電リング形MSA の理論と特性について記した。

第三章では 2 周波帯で広帯域特性を有する MSA について検討した。上層と中層に配置された 2 個のリング形放射素子を下層の厚い誘電体基板に構成された L プローブによって給電する、L プローブ給電 2 リング形 MSA は 2 周波帯で広帯域特性が得られることがシミュレーションにより明らかにされた。このアンテナを試作したところ、反射量が10 dB 以下となる周波数範囲の実測値は 1st mode が 3.1 GHz～3.8 GHz、2nd mode が 4.4 GHz～5.15 GHzとなり、比帯域はそれぞれ 20.3％、15.7%であった。このことから、L プローブ給電 2 リング形 MSA の有効性が確認された。

第四章では、2 周波広帯域特性を有する L プローブ給電 2 リング形 MSA の直交偏波共用化について検討した。L プローブ給電 2 リング形 MSA に 2 個の L プローブを直行する位置に配置することで直交偏波共用化が可能であることがシミュレーションにより明らかにされた。このアンテナを試作したところ、反射量の実測値が-10 dB 以下となる周波数範囲は、 1st mode が 4.1 GHz～5.1 GHz、2nd mode が 5.9 GHz～6.8 GHz となり、比帯域はそれぞれ 21.7％、14.1%となった。これらの周波数範囲のポート間アイソレーション特性の実測値は 1st mode が 12.5 dB 以上、2nd mode が 16.0 dB 以上となった。これらの結果から、2 周波広帯域特性を有するL プローブ給電 2 リング形 MSA の直交偏波共用化のため、直交する位置に 2 個のL プローブを配置する手法の有効性が明らかになった。

第五章では、直交偏波共用 2 周波広帯域 L プローブ給電 2 リング形 MSA のアイソレーション特性の改善方法について検討した。MSA の放射素子中央に地導体からアンテナ上部までの高さとなるビアを装荷することによってアイソレーション特性が改善可能であることがシミュレーションにより明らかにされた。このアンテナを試作したところ、反射量が -10 dB 以下かつアイソレーション特性が 20 dB 以上となる周波数範囲は、1st mode が 4.2 GHz～4.9 GHz、2nd mode が 6.0 GHz～6.7 GHz となり、比帯域はそれぞれ 15.7％、11.0%であった。この結果から、直交偏波共用 2 周波広帯域 L プローブ給電 2 リング形 MSA の放射素子中央にビアを装荷することによりアイソレーション特性を改善する手法の有効性が明らかになった。

第六章では、第五章までに検討した MSA が基板の大きさによって利得特性に変動が生じることを解決するため、MSA の周囲にキャビティを装荷する手法について検討した。放射素子中央にビアを装荷した直交偏波共用 L プローブ給電 2 リング形 MSA の上層の放射素子の周囲に方形リング形素子を配置し、方形リング形素子と地導体を接続する 8 本のビアによって構成されたキャビティを装荷することによって、基板の大きさの変化によらず安定した利得特性が得られることがシミュレーションにより明らかにされた。このアンテナを試作したところ、反射量が10 dB となる周波数範囲は、1st mode が 3.6 GHz～4.2 GHz、 2nd mode が 5.0 GHz～5.6 GHz となり、比帯域はそれぞれ 15.3％、11.3%となった。また、これらの周波数範囲における利得の実測値は利得の実測値は 1st mode が 8.0 dBi～10.2 dBi、 2nd mode が 7.0 dBi～8.5 dBi となり実測値と解析値は概ね一致した結果が得られた。これらのことから、直交偏波共用 2 周波広帯域L プローブ給電 2 リング形 MSA の基板の大きさの変化による利得の変動を抑制するためにMSA の周囲にキャビティを装荷する手法の有効性が明らかになった。

以上より、本論文で提案するアンテナはデュアルバンド特性・広帯域特性・直交偏波共用特性・高アイソレーション特性・基板の大きさに依らない安定した利得特性を兼ね備えた高機能な平面アンテナとして有用な一形式になり得ることを示した。

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参考文献

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