一点給電円偏波パッチアンテナの設計手順を無料のSonnet Liteで解析可能な例題を使って説明します.

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アンテナ解析モデルを作る場合はこの文書を良く読んでそのガイドラインに従ってください.

設計パラメータの概要

主な設計パラメータは次のようなものがあります.
基板厚さ、材料
アンテナのパフォーマンスを最適にするには、誘電率が低い基板(例えば空気)で厚さは1/16~1/64波長に選んでください. 波長に対して薄すぎる基板, 誘電率の高い基板材料はアンテナの効率を下させます. 例えばUHFで1.6t基板を使ってはいけません. 一方,波長に対して厚すぎる基板は,パッチアンテナではなく別のアンテナとして動作し, パッチアンテナの設計理論が使えません.
接地板の大きさ
パッチの周囲に少なくとも1/4波長の余裕のある接地板を確保すべきです.
パッチの形
円と方形が一般的ですが、多角形や楕円もあります.アンテナのパフォーマンスは殆どかわりません.
パッチの大きさ
1/2波長です.
給電位置、給電方法
給電位置と給電方法を工夫して整合を実現してください.集中定数素子で整合回路を作ると多くの場合、集中定数素子の損失が、整合したことによる利得を相殺してしまいます. ケーブルを引き回すのでなければ50Ωにこだわるべきではありません.半導体の多くの内部回路は50Ωとはかけ離れています.リファレンスデザインでは測定の都合で50Ωで評価しているだけであって、50Ωが最適なわけではないのです.
↑上述のパラメータはすべてアンテナに一般的なパラメータです.一点給電円偏波パッチ固有のパラメータは↓だけです.
縮退分離素子の形状と大きさ
角を切り欠いたり、中央に配置した斜めのスリットを縮退分離素子として使う方法が良く知られていますが、対称性を崩しさせすればどんな形であろうとかまわないし、アンテナのパフォーマンスも殆ど変わりません.

例題モデル

右の図に示す一点給電パッチアンテナを例にパラメータの決め方を説明します.このアンテナの主なパラメータは ここでは、最後の3つのパラメータの決定にシミュレータを使います.
モデルでは の3つを容易に変更できるようにソネットのパラメータとして定義してあります. モデルのダウンロードはこちら

給電位置 fp

パッチアンテナのインピーダンスは、パッチの端部で通常100-300Ω程度、パッチの中心では0Ωです.従って給電位置をパッチの中心から端部に移動してゆくと、必ずどこかに適切な給電位置があるはずです.
給電点が中心に近すぎる
疎結合です.スミスチャート上でインピーダンス軌跡が小さくスミスチャートの中心に届いていません.
給電点が端部に近すぎる
密結合です.スミスチャート上でインピーダンス軌跡が大きくスミスチャートの中心を取り囲んでいます.
スミスチャートではこのようにどちらに動かすべきかがはっきりわかりますが、一般の直交座標のグラフでみると、上の二つの場合は同じグラフの形になります.
給電位置fpを加減して、インピーダンス軌跡がスミスチャートの中心を通過するように設定してください.
ちなみにこのモデルではパッチ中心のゼロ電位点にviaを配置しています.このviaはあっても無くても、動作には何の影響をないのでパッチエレメントを支える金属スペーサやビスに使うことができます.

縮退分離素子の大きさ s

縮退分離素子を徐々に大きくしてゆくと、滑らかな円形のスミスチャートの軌跡に、くぼみが現れ、さらにねじれてゆきます. このねじれる寸前のくぼみがとがった点で最適な円偏波が発生します. この最適点を、通常の直交座標のグラフで判断することは殆ど不可能です.
縮退分離素子の大きさsを加減して、インピーダンス軌跡がねじれる直前のハート型になるように設定してください.

さて円偏波アンテナでは

は一致するべきですが、一致しないことも多いのです.インピーダンス軌跡のハート型のとがった部分をスミスチャートの中心に一致するようにsとfpの両方を調整してください.実際には給電コネクタの周囲の寄生素子のために、とがった部分をスミスチャートの中心に一致させられないことが多いです.

patvu 遠方界の評価

製品版にpatvuオプションをつけると、このアンテナから放射する電波の を知ることができます.右図は上のアンテナから放射される円偏波を右旋円偏波と左旋円偏波に分離して表示しています. 右と左の強さの比は20dB以上で、非常に品質の良い円偏波であることがわかります.また正面方向の放射強度は8dBiを越えており放射効率が殆ど100%であることがわかります.

実験

実際に試作して測定してみました.パッチは0.1mm厚の銅板を使ったので、銅板がゆがんでいて、接地板からの距離が部分的に変化しています. インピーダンス軌跡が鋭いハート型になっていないのはそのためらしく、少し銅板を傾けたり歪めると鋭いハート型やねじれたインピーダンス軌跡が見えました.整合位置はほぼ設計通りですが、コネクタの中心導体が細すぎて直列インダクタンスを持っているためにインピーダンス軌跡がゆがんでいます.

課題

一点給電円偏波パッチアンテナでは、完全な円偏波が得られるのは正面方向、中心周波数のみで、そこからはずれると急激に円偏波の品質が劣化することが知られています.この問題を解決するため、複数の一点給電円偏波パッチアンテナをシーケンシャルに接続する方法が一般的です.シーケンシャル接続されたパッチアンテナの設計にはSonnet Level2 Silver(Patvu opt.付き)以上をご利用ください.
アンテナ解析モデルを作る場合はこの文書を良く読んでそのガイドラインに従ってください.
Last Modified
2010/3/31