原理

単層の直交2点給電方形パッチアンテナの構成を図6.1に示す．図1ではx軸をアンテナ 正面軸，z軸を天頂方向としており，基地局用アンテナにおける観測面（チルト面）はθが 一定の面である．電界のθ成分をEθ（垂直偏波），ϕ成分をEϕ（水平偏波）とすると，給 電点1から励振した場合はE_ϕが主偏波，E_θが交差偏波であり，給電点2から励振した場 合は主・交差偏波が逆になる．

θ

z

x y

φ

feed point #1

ground plane

dielectric substrate square patch

feed point #2 a

a

図 6.1: 直交2点給電方形パッチアンテナの構成( c⃝2006 IEICE[17])

キャビティモデル[18]より，TM₁₀モード励振時の放射特性式を求めると，給電点1励振 時では，

Eθ = S sinθsinϕcosϕ

ϵ_r−(sinθsinϕ)² (6.1)

E_ϕ = Stanθ(ϵ_r−sin²ϕ)

ϵr−(sinθsinϕ)² (6.2)

S = 2V₀j πR e^−jk0R

× sin (

k₀a 2cosθ

) cos

( k₀a

2sinθsinϕ )

(6.3) となる．ここで，ϵ_rは基板の比誘電率，aはパッチの一辺の長さ，Rは座標原点から観測点 までの距離，k₀は自由空間での波数，V₀はパッチの開放境界におけるピーク電圧である．

同様に，給電点2励振時の放射特性式は，

E_θ = −S^′ 1

sinθtanϕ (6.4)

Eϕ = S^′ ϵr−1

tanθ (ϵ_r−cos²θ) (6.5)

S^′ = 2V0j πR e^−jk0R

× sin (

k₀a

2sinθsinϕ )

cos (

k₀a 2cosθ

)

(6.6) となる．次に，主偏波をE_co，交差偏波をE_x と定義し，交差偏波振幅と主偏波振幅の比

|E_x/E_co|を求める．給電点1励振時には，式(6.1)，(6.2)より，

-45 -40 -35 -30 -25 -20

-90 -60 -30 0 30 60 90

φ [degree]

|Ex /Eco| [dB]

εr=4.0 εr=3.5 εr=3.0 εr=2.5 εr=2.0 εr=1.5 εr=1.1

(a) Feed point #1 is excited

-45 -40 -35 -30 -25 -20

-90 -60 -30 0 30 60 90

φ [degree]

|Ex /Eco| [dB]

εr=4.0 εr=3.5

εr=3.0 εr=2.5 εr=2.0 εr=1.5 εr=1.1

(b) Feed point #2 is excited

図 6.2: θ= 99度面 における|E_x/E_co|のϕ依存性( c⃝2006 IEICE[17]) E_x

Eco

= E_θ

Eϕ

=

sinϕcosθcosϕ ϵ_r−sin²ϕ

(6.7)

が得られ，給電点2励振時には，式(6.4)，(6.5)より，

E_x E_co

= E_ϕ

E_θ =

cosθtanϕ 1 + sin²θ/(ϵ_r−1)

(6.8)

となる．式(6.7)，(6.8)より，水平面（θ= 90度面）では|E_x/E_co| = 0であるが，水平面 からチルトした面（θ >90度 またはθ <90度 の面）では|E_x/E_co|が存在し，パッチの基 本モード自身が交差偏波成分を発生させることを確認できる．そして，給電点1励振時に はϵrが大きいほど|Ex/Eco|が小さくなり，反対に，給電点2励振時にはϵrが大きいほど

|E_x/E_co|が大きくなることが分かる．

例えば，水平面から下方へ9度チルトした面（θ= 99度面）における|E_x/E_co|を式(6.7)，

(6.8)より求めると，図6.2のようになる．給電点1励振時にはϵ_rが大きいほど|E_x/E_co|が小 さくなり，反対に，給電点2励振時にはϵ_rが大きいほど|E_x/E_co|が大きくなることを確認で

-40 -35 -30 -25 -20 -15

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

|Ex/ Eco|max[dB]

Substrate relative dielectric constant εr

Feed point #1 excitation Feed point #2 excitation

εr=1.80

図 6.3: θ= 99度面 における|E_x/E_co|maxのϵ_r特性

きる．ここで，主偏波のビーム幅（チルト面における電力半値幅）内における|Ex/Eco|の最 大値|E_x/E_co|maxを考える．図6.3は，|E_x/E_co|maxと比誘電率ϵ_rとの関係を表している．た だし，ビーム幅はϵ_rによって変化し，ϵ_r = 1〜4では，60〜180度（給電点1励振時），71〜

85度（給電点2励振時）となる．例えば，ϵ_r＝2.0の場合，給電点1励振時では，ビーム幅は キャビティモデル計算では90.2度となるので，図6.2(a)から|E_x/E_co|max =−25.6dBとなり，

給電点2励振時では，ビーム幅は79.5度となるので図6.2(b)から|Ex/Eco|max =−23.6dB となる．図6.3から，励振給電点によって，ϵ_rの変化に伴う|E_x/E_co|maxの増減方向が逆に なっていることが分かる．また，直交2偏波使用時に，双方の|E_x/E_co|maxを同程度まで下 げるにはϵ_r＝1.80とするのが望ましいことが分かる．θ= 99度面 における|E_x/E_co|抑圧の 限界値は約−24.8dBである．以上から，直交2偏波双方の交差偏波特性を最適化する基板 誘電率が存在することが示された．