JP2005278127A - Micro-strip antenna and control method - Google Patents

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Saikaku Cho
宰赫 張
Kanhou Ri
還幇 李
Yuki Sakakibara
佑樹 榊原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small micro-strip antenna with high gain and advantages in portability and capable of controlling a radiation pattern and radiation directivity, and to provide its control method. <P>SOLUTION: Two or more almost λ/4 short-circuiting type micro-strip antenna elements arranged symmetrically in parallel on the same substrate, a power feeding means for feeding power to the micro-strip antenna elements, and a power feeding control means for managing the element fed with the power and a power feeding mode are provided. The power feeding mode is set so as to offer radiation directivity near to a desired radiation pattern. In addition, an angle or a width of a radiation beam may be adjusted, independently from a dielectric constant of the substrate, by changing the height or a setting angle of a metal sidewall. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、携帯性を有するマイクロストリップアンテナ、並びに、そのマイクロストリップアンテナの放射制御方法に関する。  The present invention relates to a portable microstrip antenna and a radiation control method for the microstrip antenna.

近年、コンピュータネットワークを利用したマルチディア通信に大きな関心がもたれており、公衆通信網においても高速データ通信の利用が促進されている。携帯電話に代表される移動通信の急激な普及が進む中、移動体衛星通信に関してもマルチメディア利用が求められており、マルチメディア通信に対応した通信システムの高速・大容量化が求められている。  In recent years, there has been great interest in multimedia communication using a computer network, and the use of high-speed data communication has been promoted in public communication networks. With the rapid spread of mobile communications represented by mobile phones, the use of multimedia is also demanded for mobile satellite communications, and there is a need for high-speed and large-capacity communications systems that support multimedia communications. .

例えば、現在、Sバンド(2.6/2.5GHz)の周波数を使用して、携帯端末による音声・データ通信が可能な静止衛星を用いた移動体衛星通信システムや、CD並みの高品質な音声や画像の伝送を可能とする移動体向けの衛星デジタルマルチメディア放送システムなどについての検討がなされている。また、間もなく打ち上げられる技術試験衛星VIII型(ETS−VIII)の計画の中では、これらのシステム実現に必要な技術開発及び実証実験を行うことが計画されている。  For example, currently, mobile satellite communication systems using geostationary satellites capable of voice / data communication using mobile terminals using the S-band (2.6 / 2.5 GHz) frequency, and high quality similar to CD Studies are being conducted on satellite digital multimedia broadcasting systems for mobiles that can transmit voice and images. In addition, among the plans for the technical test satellite VIII (ETS-VIII), which will be launched soon, it is planned to carry out technology development and demonstration experiments necessary for realizing these systems.

ETS−VIIIは、Sバンドのサービスリンク及びKaバンドのフィーダリンクを持ち、サイズが19m×17mの高利得Sバンドアンテナを使用し、携帯端末を対象とした音声・データ通信サービス及び車載受信機に対する高品質音声放送等に寄与するものである。本発明者らは、このETS−VIIIに高速データ交換中継機を搭載し、車載または可搬型地球局を対象とした高速データ通信の実験を行う。  ETS-VIII has an S-band service link and a Ka-band feeder link, uses a high-gain S-band antenna with a size of 19m x 17m, and is used for voice / data communication services and in-vehicle receivers for mobile terminals. It contributes to high-quality audio broadcasting. The present inventors mount a high-speed data exchange repeater on this ETS-VIII and conduct an experiment of high-speed data communication for an on-vehicle or portable earth station.

自動車に搭載される衛星通信装置は、大きさ、重量、消費電力等の制約をうけるために、品質の良い音声通信や高速データ通信等を行うには、利得の高いアンテナを用いて十分なシステムの性能を得ることが必要となっている。このため、車載用の高利得アンテナは、陸上移動衛星通信システムの構築において最も重要な要素技術の一つになっており、世界各国の各機関において研究開発が進められている。  Satellite communication devices mounted on automobiles are limited in size and weight, power consumption, etc., and are sufficient systems to use high-gain antennas for high-quality voice communication and high-speed data communication. It is necessary to obtain the performance of. For this reason, the on-vehicle high gain antenna has become one of the most important elemental technologies in the construction of a land mobile satellite communication system, and research and development are being carried out in various organizations around the world.

ETS−VIIIの通信システムにおけるSバンド車載用移動衛星通信では、東京での衛星方向である仰角48°から走行中の車の振動による誤差を考慮に入れた仰角±10°の範囲内で、全方位において6dBi以上のアンテナ利得が必要とされる。このような要求を満たすためにはコニカル(円錐)ビームが有効であり、現在コニカルビームに関しては様々な研究が行われているが、一般にカバー範囲が狭い。  In S-band in-vehicle mobile satellite communication in the ETS-VIII communication system, the elevation angle is 48 °, which is the satellite direction in Tokyo, and the elevation angle is within the range of ± 10 ° taking into account errors due to vibrations of the running car. An antenna gain of 6 dBi or more is required in the direction. Conical (conical) beams are effective for satisfying such requirements, and various studies are currently being conducted on conical beams, but the coverage is generally narrow.

近年、電子機器の動向は、小型化、軽量化、薄型化にある。このような動向を反映し、薄型でコンパクトに構成可能な平面アンテナに関する研究が盛んに行われている。そのような車載等の携帯性に適した小型平面アンテナの代表例としては、マイクロストリップアンテナが挙げられる。
しかし、従来技術におけるマイクロストリップアンテナでは、十分高い利得を得ることが困難であった。また、多様な要望に応じた放射パターンやビームの方向及び幅を適宜制御することはできなかった。
In recent years, the trend of electronic devices has been to make them smaller, lighter, and thinner. Reflecting these trends, research on flat antennas that can be configured thinly and compactly has been actively conducted. A typical example of such a small planar antenna suitable for portability such as in-vehicle is a microstrip antenna.
However, it has been difficult to obtain a sufficiently high gain with the microstrip antenna in the prior art. Further, it has been impossible to appropriately control the radiation pattern and the beam direction and width according to various demands.

そこで、本発明は、携帯性に優れ小型かつ高利得であり、放射パターンや放射指向性を制御できるマイクロストリップアンテナ、並びに、そのマイクロストリップアンテナの制御方法を提供することを課題とする。  Therefore, an object of the present invention is to provide a microstrip antenna that is excellent in portability, is small and has high gain, and can control a radiation pattern and radiation directivity, and a method for controlling the microstrip antenna.

上記課題を解決する本発明のマイクロストリップアンテナは次の構成を備える。
すなわち、同一の基板上に、対称性を有する配置で並列された複数の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子と、そのマイクロストリップアンテナ素子に給電を行う給電手段と、給電する素子と給電の様式を司る給電制御手段とを備えることを特徴とする。
The microstrip antenna of the present invention that solves the above problems has the following configuration.
That is, a plurality of substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements arranged in parallel on the same substrate in a symmetrical arrangement, power feeding means for feeding power to the microstrip antenna elements, power feeding elements and power feeding And a power supply control means for controlling the style.

ここで、略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子を4個以上設け、それらを同一の円弧上に配置してもよい。  Here, four or more approximately λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements may be provided and arranged on the same arc.

また、給電をピン給電方式で行ない、その給電点を約30%オフセットした位置に設定し、マイクロストリップアンテナ素子と給電系との整合をとってもよい。  Alternatively, the feeding may be performed by a pin feeding method, and the feeding point may be set at a position offset by about 30% to match the microstrip antenna element and the feeding system.

略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子の形状を略長方形とし、その長短辺の寸法比を約1:2としてもよい。  The shape of the approximately λ / 4 short-circuited microstrip antenna element may be approximately rectangular, and the dimensional ratio of the long and short sides may be approximately 1: 2.

複数の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子の配置された基板の周縁部に、高さまたは設置角度の調整可能な金属性の側壁を立設してもよい。  A metallic side wall whose height or installation angle can be adjusted may be erected on the peripheral edge of the substrate on which a plurality of substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements are arranged.

金属側壁の高さを、伝搬波長λに応じた値である約1/4λとしてもよい。  The height of the metal side wall may be about 1 / 4λ, which is a value corresponding to the propagation wavelength λ.

金属側壁の取り付け角度を約90°としてもよい。  The attachment angle of the metal side wall may be about 90 °.

略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子のパッチ部分を、導電性テープを介して金属導体と一体化させてもよい。  The patch portion of the substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna element may be integrated with the metal conductor via a conductive tape.

本発明のマイクロストリップアンテナの制御方法は、同一の基板上に、対称性を有する配置で並列された複数の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子と、そのマイクロストリップアンテナ素子に給電を行う給電手段と、給電する素子と給電の様式を司る給電制御手段とを備えたマイクロストリップアンテナを用いて、同時に給電する素子を選択することで、放射パターンを調整することを特徴とする。  The method for controlling a microstrip antenna according to the present invention includes a plurality of substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements arranged in parallel on the same substrate in a symmetrical arrangement, and power feeding for feeding power to the microstrip antenna elements. The radiation pattern is adjusted by selecting the elements to be fed simultaneously using a microstrip antenna including the means, the feeding element and the feeding control means for controlling the feeding mode.

ここで、複数の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子の配置された基板の周縁部に、高さまたは設置角度の調整可能な金属性の側壁を立設し、その金属側壁の高さまたは設置角度を変えることで、放射ビームの角度または幅を調整するようにしてもよい。  Here, a metal side wall whose height or installation angle can be adjusted is erected on the peripheral portion of the substrate on which the plurality of substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements are arranged, and the height of the metal side wall or The angle or width of the radiation beam may be adjusted by changing the installation angle.

所望の放射パターンに近い放射指向性を呈するように給電様式を定め、次いで、金属側壁の高さまたは設置角度を変えることで、基板の誘電率とは独立に、放射ビームの角度または幅を調整してもよい。  The feed mode is set so that the radiation directivity is close to the desired radiation pattern, and then the angle or width of the radiation beam is adjusted independently of the dielectric constant of the substrate by changing the height or installation angle of the metal side wall. May be.

対称性を有するビームを供するか、または細かいビーム切替を行う場合には、対向して配置された2個の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子に、同相で給電を行うことが好ましい。  When providing a beam having symmetry or performing fine beam switching, it is preferable to feed power to two substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements arranged opposite to each other in the same phase.

1方向に強いビームを供する場合には、1個の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子に給電を行うことが好ましい。  When a strong beam is provided in one direction, it is preferable to feed power to one substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna element.

本発明によると、小型・薄型であり、製作が容易で安価であり、素子としての素性が明暸であり、周波数帯域が狭いマイクロストリップアンテナを利用して、携帯性に優れ小型かつ高利得であると共に、放射パターンや放射指向性を自在に制御できるマイクロストリップアンテナ、並びに、そのマイクロストリップアンテナの制御方法が得られる。  According to the present invention, it is small and thin, easy to manufacture and inexpensive, has a clear feature as an element, uses a microstrip antenna with a narrow frequency band, has excellent portability, and is small and has high gain. In addition, a microstrip antenna that can freely control the radiation pattern and radiation directivity, and a method for controlling the microstrip antenna can be obtained.

本実施例では、λ/4短絡形マイクロストリップアンテナを組み合わせて構成されるビームトラッキング用マイクロストリップアンテナを例示するが、他の類似形態のマイクロストリップアンテナにも適用可能であり、従来公知の技術を利用して適宜設計変更可能である。  In this example, a microstrip antenna for beam tracking configured by combining λ / 4 short-circuited microstrip antennas is illustrated, but the present invention can be applied to other similar types of microstrip antennas. The design can be changed as appropriate.

マイクロストリップアンテナの基本構成は、薄い銅箔付プリント基板等の誘電体基板上に、円形や方形の平面回路用共振素子をエッチング等により構成し放射器として用いるものである。マイクロストリップアンテナの素子寸法は、通常は半波長程度の大きさで構成され、供試励振モードとしては基本モード(TM100モード)が供される。The basic configuration of the microstrip antenna is that a circular or square planar circuit resonance element is formed by etching or the like on a dielectric substrate such as a thin copper foil-attached printed circuit board and used as a radiator. The element size of the microstrip antenna is usually configured to be about half a wavelength, and the fundamental mode (TM 100 mode) is provided as the test excitation mode.

マイクロストリップアンテナは、以下の特徴を有している。
マイクロストリップアンテナは、極めて薄い低誘電率の基板(通常、数mm程度)上に構成される平面回路用共振素子を放射器として用いるため、小型で薄型のアンテナを製作することができる。
The microstrip antenna has the following characteristics.
Since the microstrip antenna uses a planar circuit resonant element formed on an extremely thin low dielectric constant substrate (usually about several millimeters) as a radiator, a small and thin antenna can be manufactured.

また、マイクロストリップ素子は通常、フォトエッチング技術により構成される。そのため、CAD等によりアンテナ素子の原図を行えば、大量のマイクロストリップアンテナ素子を、同一の原図より複製することができ大量生産に適するる。更に、最近では極めて低コストのフィルム基板や発泡フォーム基板が開発されているので、SHF帯等の高周波領域においても低コストな平面アンテナを実現することができる。  In addition, the microstrip element is usually configured by a photoetching technique. Therefore, if the original drawing of the antenna element is performed by CAD or the like, a large number of microstrip antenna elements can be duplicated from the same original drawing, which is suitable for mass production. Furthermore, since an extremely low cost film substrate and foamed foam substrate have been developed recently, a low cost planar antenna can be realized even in a high frequency region such as the SHF band.

更に、マイクロストリップアンテナは、アンテナとして最も重要な特性、すなわち放射効率η、入力インピーダンスZin、放射パターン指向性利得等の特性を、通常の解析手法により解析することができ、しかもそれらの解析結果は設計上有意な範囲で実測値とよく一致する。Furthermore, the microstrip antenna can analyze the most important characteristics as an antenna, that is, characteristics such as radiation efficiency η, input impedance Z in , radiation pattern directivity gain, and the like, and the analysis results thereof. Agrees well with the measured values within a design-significant range.

通常の通信においては、一つのアンテナが送受両用として使われる。そのため、アンテナとして送受両周波数において十分な電気特性をもたなければならない。一般に中心周波数の4〜10%程度の帯域が必要とされるが、マイクロストリップアンテナの帯域は通常、中心周波数の1%以下であり、これについては広帯域化のための種々の研究が行われている。  In normal communication, one antenna is used for both transmission and reception. Therefore, the antenna must have sufficient electrical characteristics at both transmission and reception frequencies. Generally, a band of about 4 to 10% of the center frequency is required, but the band of the microstrip antenna is usually 1% or less of the center frequency, and various studies for widening the band have been conducted. Yes.

マイクロストリップアンテナの縁に漏れ電界が形成されると、それから電波が放射される。例えばアンテナの平面に対向する真正面方向への放射に寄与するのは、アンテナ素子平面の左右方向にできる漏れ電界であり、上下方向の漏れ電界は互いに打ち消す向きなので放射に寄与しない。  When a leakage electric field is formed at the edge of the microstrip antenna, radio waves are radiated therefrom. For example, what contributes to radiation in the front direction facing the plane of the antenna is a leakage electric field that can be generated in the left and right direction of the antenna element plane, and does not contribute to radiation because the leakage electric field in the vertical direction cancels each other.

ここで、基板の厚さtが伝搬波長λに対して充分に小さければ、TMmn0モードが励振される。このTMmn0モードの電磁界は、次の波動方程式より求めることができる。Here, if the thickness t of the substrate is sufficiently small with respect to the propagation wavelength λ, the TM mn0 mode is excited. The electromagnetic field of the TM mn0 mode can be obtained from the following wave equation.

Figure 2005278127
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Figure 2005278127
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Figure 2005278127
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ここで、ベクトルnは開放境界における単位法線ベクトルである。また、kは平面波波数であり、次式で与えられる。  Here, the vector n is a unit normal vector at the open boundary. Moreover, k is a plane wave wave number and is given by the following equation.

Figure 2005278127
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式1を境界条件式2を考慮に入れて解くと、TMmn0モードのE成分は次式のように求まる。When Equation 1 is solved in consideration of the boundary condition Equation 2, the E z component of the TM mn0 mode is obtained as follows.

Figure 2005278127
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ここで、Eは任意定数、mとnは整数であり、Vはマイクロストリップアンテナ端部のピーク電圧であり、V=tEと表現することができる。このEをマクスウェルの方程式に代入し、TM波の条件(H=0)に着目して、他の電磁界成分を求めると次式を得る。Here, E 0 is an arbitrary constant, m and n are integers, V 0 is the peak voltage at the end of the microstrip antenna, and can be expressed as V 0 = tE 0 . Substituting this E z into Maxwell's equation and paying attention to the condition of the TM wave (H z = 0), and obtaining other electromagnetic field components, the following equation is obtained.

Figure 2005278127
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Figure 2005278127
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Figure 2005278127
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以上より、基本モードでありTM100モードの内部電磁界を示すと、次式のように表示される。From the above, the internal electromagnetic field of the TM 100 mode, which is the basic mode, is displayed as follows.

Figure 2005278127
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Figure 2005278127
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Figure 2005278127
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また、共振周波数は式4より求めることができ、以下の式13〜15で近似できる。Further, the resonance frequency can be obtained from Expression 4 and can be approximated by Expressions 13 to 15 below.

Figure 2005278127
Figure 2005278127

Figure 2005278127
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Figure 2005278127
(ただし、C;光速、aeff;実効パッチ幅、a;パッチ幅、t;基板の厚さ、εeff;基板の実効比誘電率、ε;基板の比誘電率)
Figure 2005278127
(Where C: speed of light, a eff : effective patch width, a: patch width, t: substrate thickness, ε eff : effective relative dielectric constant of substrate, ε r ; relative dielectric constant of substrate)

マイクロストリップアンテナの給電方法は、代表的な次の3通りのものなどが利用できる。
第1の給電方法は、ピン給電方式である。これは、同軸線路の心線を延長した給電ピンを、地板導体側から誘電体基板を貫いてパッチに接着して給電するものである。
第2の給電方法は、マイクロストリップ給電方式である。これは、マイクロストリップアンテナ素子とストリップ路線などによる給電系を、同一平面上に一体として構成するものである。この方式では、マイクロ波半導体素子やMMIC(モノリシック・マイクロ波集積回路)素子を、マイクロストリップアンテナ素子と一体化することができ、その給電系の多機能化が容易となる。
第3の給電方法は、電磁結合型給電方式である。これは、パッチの背面に別の基板に構成されたストリップ線路などによる給電系の地導体を密着装荷し、その接平面にスリットなどによる電磁結合用の開口部を設け、この開口部よりマイクロストリップアンテナ素子を励振するものである。
これらの各種給電方式により励振されたマイクロストリップアンテナのパターンは、給電系からの不要放射の影響を除けば、ほぼ等価な特性を示す。
The following three typical power supply methods can be used for the microstrip antenna.
The first power supply method is a pin power supply method. This feeds power by attaching a power feed pin, which is an extension of the core of a coaxial line, to a patch through a dielectric substrate from the ground plane conductor side.
The second power supply method is a microstrip power supply method. In this configuration, a feeding system using a microstrip antenna element and a strip line is integrally formed on the same plane. In this method, a microwave semiconductor element or an MMIC (monolithic microwave integrated circuit) element can be integrated with the microstrip antenna element, and the multi-functionality of the power feeding system can be facilitated.
The third power feeding method is an electromagnetic coupling type power feeding method. This is because the ground conductor of the feeding system using a strip line or the like formed on another substrate is tightly loaded on the back of the patch, and an opening for electromagnetic coupling such as a slit is provided on the tangent plane. The antenna element is excited.
The pattern of the microstrip antenna excited by these various feeding methods exhibits almost equivalent characteristics except for the influence of unnecessary radiation from the feeding system.

一般に、主モードで励振されたマイクロストリップアンテナの入力インピーダンスZinは、給電点の設定位置Fによって異なる。共振点及びその近傍の周波数領域におけるZinはFに比例し、中心部から開放境界にかけて数百Ωまで増加する。従って、開放境界(F=a)より給電すると、共振時のZinは通常300〜500Ωの高インピーダンス特性を示すので、特性インピーダンス50Ω程度の給電系との整合が必要となる。In general, the input impedance Z in of the microstrip antenna excited in the main mode differs depending on the feed point setting position F. Z in in the resonance region and the frequency region in the vicinity thereof is proportional to F and increases to several hundreds Ω from the center to the open boundary. Accordingly, when power is supplied from the open boundary (F = a), Z in at resonance usually exhibits a high impedance characteristic of 300 to 500Ω, and matching with a power supply system having a characteristic impedance of about 50Ω is required.

ピン給電方式においては、給電点の設定位置Fをオフセットすることにより整合をとることができる。通常は、30%程度オフセットした位置(F/a=0.3)に給電点を設定して整合をとる場合が多い。
そこで、本実施例では、ピン給電方式を採用した。
In the pin feeding method, matching can be achieved by offsetting the setting position F of the feeding point. Usually, the feeding point is set at a position offset by about 30% (F / a = 0.3) and matching is often performed.
Therefore, in this embodiment, a pin feeding method is adopted.

陸上移動体通信におけるアンテナ追尾は、航空機や船舶における追尾に比べ、次のような理由により難しい。
すなわち、樹木や建物などによって、シャドーイングやブロッキングが発生する。移動体の動きが機敏であり、右左折が頻繁に起こる。人工構造物による磁気的外乱が発生する。
Antenna tracking in land mobile communications is difficult compared to tracking in aircraft and ships for the following reasons.
That is, shadowing or blocking occurs due to trees or buildings. The movement of the moving body is agile and frequent left and right turns occur. Magnetic disturbance due to the artificial structure occurs.

これらの問題点に対して、種々のアンテナ追尾制御方式が研究、報告されている。そのうち代表的なものとしては、衛星から送信される信号の受信レベルなどを用いるクローズドループ方式と、移動体に方位測定センサ等の追尾センサを搭載し、それらから得られる方位角情報から衛星方向を求めるオープンループ方式があるが、車載用アンテナを考えた場合、衛星からの信号を用いないオープンループ方式が適している。  Various antenna tracking control methods have been studied and reported for these problems. Typical examples include a closed-loop method that uses the reception level of signals transmitted from satellites, and tracking sensors such as azimuth sensors on mobile units, and the satellite direction is determined from azimuth information obtained from them. There is an open-loop system that is required, but when considering an in-vehicle antenna, an open-loop system that does not use a signal from a satellite is suitable.

オープンループ方式で用いられる方位測定センサには、磁気方位計やジャイロなどがある。機械部分を持たない振動ジャイロや光ファイバジャイロ(FOG)を利用してもよい。  Examples of azimuth measuring sensors used in the open loop method include a magnetic azimuth meter and a gyro. A vibrating gyroscope or an optical fiber gyroscope (FOG) having no mechanical portion may be used.

人工衛星の運動を表す座標系には、赤道座標系を用いる。赤道座標系とは、地球の中心を座標原点として地球の自転軸(赤道面の法線方向)にz軸を、赤道と太陽の運動を表す黄道の交点である春分点方向にx軸をとった右手系の直交座標系である。すなわち、この座標系は赤道面からの角度を表す地心距離r、仰角φ(Elevation Angle)及び方位角σ(Azimuth Angle)で表現される。
一方、アンテナにおいて通常用いられる座標系は極座標(R,θ,φ)である。ここで、θは、垂直面内で垂直方向からの傾斜角を示す。
両座標系の関係は以下の通りになるが、本実施例では、アンテナ特性について極座標系を用いて説述する。
An equatorial coordinate system is used as the coordinate system representing the motion of the artificial satellite. The equator coordinate system takes the center of the earth as the coordinate origin, the z axis on the earth's rotation axis (normal direction of the equator plane), and the x axis in the direction of the equinox that is the intersection of the equator and the ecliptic. It is a right-handed Cartesian coordinate system. That is, this coordinate system is expressed by a geocentric distance r representing an angle from the equator plane, an elevation angle φ (Elevation Angle), and an azimuth angle σ (Azimuth Angle).
On the other hand, the coordinate system normally used in the antenna is polar coordinates (R, θ, φ). Here, θ represents an inclination angle from the vertical direction in the vertical plane.
The relationship between the two coordinate systems is as follows. In this embodiment, the antenna characteristics will be described using the polar coordinate system.

Figure 2005278127
Figure 2005278127

極座標系の原点に置かれた任意のアンテナによって放射された十分遠方(R,θ,φ)における電磁界は、次式で表せる。  The electromagnetic field at a sufficiently far distance (R, θ, φ) radiated by an arbitrary antenna placed at the origin of the polar coordinate system can be expressed by the following equation.

Figure 2005278127
(ただし、λは自由空間波長、kは平面波波数2π/λ)
Figure 2005278127
(Where λ is the free space wavelength and k is the plane wave number 2π / λ)

U(θ,φ)は指向性関数と呼ばれ、アンテナから距離に無関係でθとφ、つまり方向のみによって定まるもので、指向性に関する全ての性質を含む。
また、指向性U(θ,φ)をある平面でカットして測定したものをアンテナパターンと呼ぶ。
更に、励振した直線偏波の電界ベクトルを含む面内で測定したパターンをE面指向性、それと直角で磁界を含む面で測定したものをH面指向性と呼び、カットした平面をカット面と呼ぶ。
U (θ, φ) is called a directivity function, and is determined only by θ and φ, that is, the direction, regardless of the distance from the antenna, and includes all the properties related to directivity.
In addition, what is measured by cutting the directivity U (θ, φ) on a certain plane is called an antenna pattern.
Further, a pattern measured in a plane containing an excited linearly polarized electric field vector is called E plane directivity, and a pattern measured in a plane perpendicular to it and containing a magnetic field is called H plane directivity. A cut plane is called a cut plane. Call.

アンテナの利得は、そのアンテナから任意方向に単位立方角あたりに放射される電力と、それと同一電力を供給されている等方性アンテナから単位立体角あたりに放射される電力の比と定義される。ここでの等方性アンテナとは無損失で、あらゆる方向に均一の強さの電磁界を放射する仮想的な無指向性アンテナをいい、アンテナの利得の基準として用いられる。  The gain of an antenna is defined as the ratio of the power radiated from an antenna per unit cubic angle in an arbitrary direction to the power radiated per unit solid angle from an isotropic antenna supplied with the same power. . The isotropic antenna here is a virtual omnidirectional antenna that is lossless and radiates an electromagnetic field of uniform strength in all directions, and is used as a reference for the gain of the antenna.

あるアンテナの(θ,φ)方向に対する電力強度をF(θ,φ)とすれば、利得G(θ,φ)は、下式で与えられる。ただし、Pは供給電力である。
また、下式の利得は、アンテナでの損失を含んでおり、電力利得とも呼ばれる。
If the power intensity of a certain antenna in the (θ, φ) direction is F (θ, φ), the gain G (θ, φ) is given by the following equation. However, P 0 is the power supply.
Moreover, the gain of the following formula includes a loss at the antenna, and is also called a power gain.

Figure 2005278127
Figure 2005278127

伝送線路(回路部)に線路の特性インピーダンスと異なる負荷(アンテナ部)を接続すると、電磁波の反射が生じ、その結果として伝送損失が生じる。この反射の大きさを評価するために、リターンロスが下式で定義される。ただし、S11は反射係数を表し、ネットワークアナライザーで測定可能なパラメータである。When a load (antenna part) different from the characteristic impedance of the line is connected to the transmission line (circuit part), reflection of electromagnetic waves occurs, resulting in transmission loss. In order to evaluate the magnitude of this reflection, the return loss is defined by the following equation. However, S 11 represents the reflection coefficient is a measurable parameter in the network analyzer.

Figure 2005278127
Figure 2005278127

共振周波数では、回路部とアンテナ部の間で整合がとれるためにS11が小さくなり、リターンロスも小さくなる。このことを利用して、リターンロスの最も小さくなる周波数を共振周波数と判定することができる。The resonance frequency, S 11 becomes small to take matching between the circuit portion and the antenna portion, it becomes small return loss. Using this fact, the frequency with the smallest return loss can be determined as the resonance frequency.

次にアンテナでの損失には関係なく、相対的な指向性の形だけにより定まる利得として指向性利得を定義すると「特定方向への電力強度と全放射電力を単位立体角あたりに平均した値との比」と記載できる。アンテナから全空間に放射される電力をPとすると、下式で表せる。ただし、ωは立体角を表す。Next, defining the directivity gain as a gain that is determined only by the relative directivity, regardless of the loss at the antenna, it means that `` the power intensity in a specific direction and the total radiated power averaged per unit solid angle The ratio can be described. When the power radiated in the entire space from the antenna and P t, expressed by the following equation. However, ω represents a solid angle.

Figure 2005278127
Figure 2005278127

単位立体角あたりの電力に平均すると、P/4πであるから、指向性利得D(θ,φ)は、下式で表せる。Since the average power per unit solid angle is P t / 4π, the directivity gain D (θ, φ) can be expressed by the following equation.

Figure 2005278127
Figure 2005278127

ここで、PとPの関係については、アンテナは一般に損失があるので、下式で表せる。ただし、Pはアンテナの内部損失電力である。また、ηは放射効率と呼ばれ、アンテナに供給した電力がどれだけの割合で空間に放射されるかを表す。Here, the relationship between P 0 and P t can be expressed by the following equation because an antenna generally has a loss. Here, P 1 is the internal power loss of the antenna. Also, η is called radiation efficiency and represents how much power supplied to the antenna is radiated into space.

Figure 2005278127
Figure 2005278127

式18と22から、アンテナの利得(電力利得)と指向性利得の比は、下式で表せる。  From Equations 18 and 22, the ratio of antenna gain (power gain) and directivity gain can be expressed by the following equation.

Figure 2005278127
Figure 2005278127

一般に、最大放射方向(θ,φ)における式18の値G(θ,φ)を絶対利得とよび、デシベル値dBiで表す。In general, the value G (θ, φ) of Equation 18 in the maximum radiation direction (θ 0 , φ 0 ) is called an absolute gain and is expressed by a decibel value dBi.

以上を基本として、後述のλ/4短絡形マイクロストリップアンテナ(以下、λ/4SMSA)の特徴に着目し、ビームトラッキング用λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ(以下、BT用λ/4SMSA)について検討した。
図1は、BT用λ/4SMSAの基本構成を示す斜視説明図である。
まず、アンテナ部は、金属導体(11)の上に誘電体基板(12)を設置し、更にその上面にλ/4SMSA素子(20)を円環状に等間隔で装荷した構造となっている。これについては、例えば、非特許文献1に開示がある。
中條、手代木:広角に渡って軸比の良いλ/4短絡形円偏波マイクロストリップアンテナ,信学論(B),J71−B,No.7,pp.1420−1424,Jul.1999
Based on the above, focusing on the characteristics of the λ / 4 short-circuited microstrip antenna (hereinafter referred to as λ / 4SMSA), which will be described later, the λ / 4 short-circuiting microstrip antenna for beam tracking (hereinafter referred to as λ / 4SMSA for BT) will be studied. did.
FIG. 1 is a perspective explanatory view showing the basic configuration of a λ / 4SMSA for BT.
First, the antenna portion has a structure in which a dielectric substrate (12) is placed on a metal conductor (11), and λ / 4 SMSA elements (20) are loaded in an annular shape at equal intervals on the upper surface thereof. For example, Non-Patent Document 1 discloses this.
Nakajo, Teshirogi: A λ / 4 short-circuited circularly polarized microstrip antenna with a good axial ratio over a wide angle, IEICE (B), J71-B, No. 7, pp. 1420-1424, Jul. 1999

λ/4SMSA素子は、中心に向かう面が誘電体基板(12)を通って金属導体(11)に短絡されている。なお、ここでは、同軸線路とアンテナを整合させるため特性インピーダンスは50Ωとした。  The surface toward the center of the λ / 4 SMSA element is short-circuited to the metal conductor (11) through the dielectric substrate (12). Here, the characteristic impedance is set to 50Ω in order to match the coaxial line and the antenna.

マイクロストリップアンテナは、一般的に動作モード数が高次になるほど利得は低くなる傾向にある。しかし、本アンテナはマイクロストリップアンテナの基本モードであるTM100波で動作しているため、一般にビームトラッキング用として用いられているTM210モードマイクロストリップアンテナに比べ高い利得が期待できる。A microstrip antenna generally tends to have a lower gain as the number of operation modes becomes higher. However, since this antenna operates with TM 100 waves, which is the basic mode of a microstrip antenna, a higher gain can be expected compared to a TM 210 mode microstrip antenna generally used for beam tracking.

TM210モードマイクロストリップアンテナの共振周波数は次式より導出される。The resonance frequency of the TM 210 mode microstrip antenna is derived from the following equation.

Figure 2005278127
Figure 2005278127

ただし、cは光速、aはパッチの効果半径、εは基板の比誘電率であり、Xnmはベッセル関数の導関数を表し、TM210モードの場合X210=3.0542となる。
この式より、TM210モードでは2.5GHzで動作させる場合、直径約78mmのパッチが必要となり、基板の大きさは直径200mm程度である。
Where c is the speed of light, a e is the effective radius of the patch, ε r is the relative permittivity of the substrate, X nm represents the derivative of the Bessel function, and X 210 = 3.0542 in the TM 210 mode.
From this formula, in the TM 210 mode, when operating at 2.5 GHz, a patch having a diameter of about 78 mm is required, and the size of the substrate is about 200 mm in diameter.

一方、BT用λ/4SMSAは後述のように、1つの素子について方形マイクロストリップアンテナの共振周波数の式から導出した大きさを1/4程度にまでできるという特徴をもっている。本実施例において最大の大きさとした6素子BT用λ/4SMSAで、素子部直径130mm、基板の大きさ直径200mmとなり、TM210モードで励振したマイクロストリップアンテナとほぼ同程度の大きさで構成できる。On the other hand, the λ / 4SMSA for BT has a feature that the size derived from the resonance frequency equation of the rectangular microstrip antenna can be reduced to about ¼ for one element as will be described later. In this embodiment, the λ / 4SMSA for 6-element BT, which is the maximum size in this embodiment, has an element diameter of 130 mm and a substrate diameter of 200 mm, and can be configured to be almost the same size as a microstrip antenna excited in the TM 210 mode. .

本アンテナは、給電について種々の給電バリエーションが考えられ、スイッチと合わせて使用することで様々なビームパターンを生成できるという利点をもっている。本実施例では特に1給電と2給電の場合についてのみ記載するが、他の給電様式も適宜利用できる。  This antenna has various feeding variations, and has an advantage that various beam patterns can be generated by using it together with a switch. In this embodiment, only the case of 1 power supply and 2 power supply is described, but other power supply modes can be used as appropriate.

本実施例のビームトラッキング用λ/4SMSAの基礎となる、λ/4SMSAについては、非特許文献2に開示がある。
羽石、松井、斎藤:マイクロストリップアンテナの小型化に関する一考察,信学誌,J71−B,pp.1378−1380,Nov.1988
Non-Patent Document 2 discloses λ / 4SMSA, which is the basis of λ / 4SMSA for beam tracking of this embodiment.
Haneishi, Matsui, Saito: A Study on Miniaturization of Microstrip Antenna, Shingaku J, J71-B, pp. 1378-1380, Nov. 1988

λ/4SMSAの基本構成は、普通のマイクロストリップアンテナの構成と同じであるが、パッチの一方の端部を金属導体に短絡させた構成となっている。このアンテナは、マイクロストリップアンテナの基本モードであるTM100波で励振された方形マイクロストリップアンテナの零電位面を短絡することにより、式13から導出されたパッチ幅より同一の共振周波数において半分以下の大きさで共振するという特徴がある。The basic configuration of λ / 4SMSA is the same as that of an ordinary microstrip antenna, but one end of the patch is short-circuited to a metal conductor. This antenna is less than half of the patch width derived from Equation 13 at the same resonance frequency by short-circuiting the zero-potential surface of a square microstrip antenna excited with TM 100 waves, which is the fundamental mode of the microstrip antenna. It has the feature of resonating with the size.

λ/4SMSAをプローブで給電するとき、電流の経路には、逆相モードと同相モードが考えられる。給電プローブからの電流は、給電プローブ近傍に短絡板があるため、プローブから短絡板に流れる。
逆相モードの経路の電流は互いに打ち消しあい、アンテナの共振に寄与しない。これに対して、プロープから板の下側を通り、端部で折り返して上面を流れてくる同相モードの経路の電流は、その長さがλ/2となり、プローブ上の電流と向きが逆で位相がπ遅れ、結果として同相となる。
このようにλ/4SMSAでは、短絡板とプローブに同相の電流が流れるので、パッチの上面の電流を見れば、短絡板からアンテナの端部に向かって電流が流れているように見える。このとき、電流の経路長がλ/2となって共振が生じる。
When λ / 4SMSA is fed by a probe, a reverse-phase mode and a common-mode can be considered in the current path. The current from the power supply probe flows from the probe to the short circuit plate because the short circuit plate is near the power supply probe.
The currents in the reverse-phase mode paths cancel each other and do not contribute to the resonance of the antenna. On the other hand, the current of the common-mode path that passes from the probe to the lower side of the plate and folds back at the end and flows through the upper surface has a length of λ / 2, and the direction of the current on the probe is opposite. The phase is delayed by π, resulting in the same phase.
Thus, in λ / 4SMSA, in-phase current flows through the short-circuit plate and the probe, and when the current on the top surface of the patch is viewed, it appears that current flows from the short-circuit plate toward the end of the antenna. At this time, the path length of the current is λ / 2 and resonance occurs.

このとき、アンテナの共振周波数fは、下式から求まる。At this time, the resonance frequency f r of the antenna is obtained from the following equation.

Figure 2005278127
Figure 2005278127

ここで、LとLはそれぞれパッチの縦幅と横幅を表し、f及びfはそれぞれL方向及びL方向に励振するモードの共振周波数である。
また、下式が成り立つ。
Here, L 1 and L 2 represent the vertical and horizontal widths of the patch, respectively, and f 1 and f 2 are the resonance frequencies of the modes excited in the L 1 direction and the L 2 direction, respectively.
In addition, the following equation holds.

Figure 2005278127
Figure 2005278127

Figure 2005278127
Figure 2005278127

式25より、短絡面の幅sを全断面短絡させると(s=L)、短絡面−開放面方向が支配的になるため、アンテナの幅Lを変化させても共振周波数への影響は小さくなる。これを利用してL方向を短くすれば一層の小型化が可能である。
更に、このアンテナは、短絡面の幅sを減少させると、等価的にインダクタンスが装荷された状態になり、共振周波数の低下が起こるので共振周波数も容易に制御できる。
From Equation 25, when the entire cross-section short-circuiting the width s of the short-circuit plane (s = L 2), short-circuit plane - since the open face direction is dominant, the influence of the resonant frequency be varied width L 2 of the antenna Becomes smaller. It is possible to further reduce the size if shortened L 1 direction by using this.
Further, when the width s of the short-circuit plane is reduced, this antenna is equivalently loaded with an inductance, and the resonance frequency is lowered, so that the resonance frequency can be easily controlled.

λ/4SMSAのパラメータは、次の通りである。
誘電体基板;
比誘電率 ε=2.17
基板厚さ t=1.524mm
基板大きさ d=60×60mm
パッチ;
パッチ縦幅 L=19.15mm
パッチ横幅 L=19.15mm
ショート面幅 s=19.15mm
The parameters of λ / 4SMSA are as follows.
Dielectric substrate;
Relative permittivity ε r = 2.17
Substrate thickness t = 1.524mm
Substrate size d = 60 × 60mm
patch;
Patch length L 1 = 19.15 mm
Patch width L 2 = 19.15 mm
Short face width s = 19.15mm

なお、λ/4SMSAについて、リターンロス特性と、垂直面指向性を求めた結果、リターンロスと指向性利得は大きく劣化しているものの、λ/4SMSAが2/λマイクロストリップアンテナパッチとほぼ変わらない周波数で共振していることがわかった。  As a result of obtaining return loss characteristics and vertical plane directivity for λ / 4SMSA, although return loss and directivity gain are greatly deteriorated, λ / 4SMSA is almost the same as 2 / λ microstrip antenna patch. It turns out that it resonates at frequency.

BT用λ/4SMSAにおいて、対向する2つのパッチに同相で給電する方式について検討を行った。
図1には、対向する2つのパッチ(20)に同相で給電するλ/4短絡形マイクロストリップアンテナの構成を示してある。
回路部は、衛星追尾のためのセンサー部と、複数の電力分配器及びそれらを切り替えるスイッチ回路によって構成される。
In BT / 4SMSA for BT, a method of supplying power in phase to two opposing patches was studied.
FIG. 1 shows a configuration of a λ / 4 short-circuited microstrip antenna that feeds two opposing patches (20) in the same phase.
The circuit unit includes a sensor unit for tracking the satellite, a plurality of power distributors, and a switch circuit for switching them.

給電方法としては、まず、パッチ素子(20)をP1−P5、P2−P6、P3−P7、P4−P8というように対向するパッチ素子(20)(20)をペアとし、これをスイッチによって切り替える。電源からの電力は電力分配器によって2つに分配され、対向するパッチ(20)(20)にピン給電方式によって給電される。  As a power feeding method, first, patch elements (20) are paired with opposing patch elements (20) and (20) such as P1-P5, P2-P6, P3-P7, and P4-P8, and this is switched by a switch. . The power from the power source is divided into two by the power distributor, and is fed to the opposing patches (20) and (20) by the pin feeding method.

ペアのパッチ素子(20)(20)に同相で給電することにより、素子対向方向に強い、M型のビームを生成し、その直交方向に弱いビームが生成される。
図では、例としてP3とP7のパッチ(20)(20)に給電した場合のビーム方向を示しており、この場合ではP3とP7のパッチ(20)(20)が対向するYZ平面において、天頂方向(θ=0°)は弱く、θ=±45°方向が強く放射するM型のビームが生成され、YZ平面に直角なXZ面には弱いビームが生成される。
By feeding the pair of patch elements (20) and (20) in the same phase, a strong M-shaped beam is generated in the element facing direction, and a weak beam is generated in the orthogonal direction.
In the figure, the beam direction when power is supplied to the patches (20) and (20) of P3 and P7 is shown as an example. In this case, in the YZ plane where the patches (20) and (20) of P3 and P7 are opposed to each other, The direction (θ = 0 °) is weak, and an M-type beam that emits strongly in the θ = ± 45 ° direction is generated, and a weak beam is generated in the XZ plane perpendicular to the YZ plane.

このM型ビーム発生の原理としては、非特許文献3に開示のあるダイポールアンテナの原理を用いており、パッチ素子一つ一つは基本モードであるTM100波で励振し、対向するパッチに同位相で給電することによりアンテナ中心部で電波はお互いに弱め合うためにM型のビームが形成される。
虫明康人偏:アンテナ工学ハンドブック,オーム社,1980
As the principle of M-type beam generation, the principle of a dipole antenna disclosed in Non-Patent Document 3 is used, and each patch element is excited by a TM 100 wave which is a fundamental mode, and is synchronized with an opposing patch. By feeding in phase, radio waves weaken each other at the center of the antenna, so that an M-shaped beam is formed.
Yasuhito Mimeaki: Antenna Engineering Handbook, Ohmsha, 1980

図2は、2素子対向給電式λ/4短絡形マイクロストリップアンテナの基本構成を示す説明図である。
図示のように、同一基板上に片側を短絡したパッチ(20)を、間隔cを隔てて短絡面が向かい合うように対向させて構成する。
このアンテナの特性について、有限要素法によって電磁界解析を行うHFSS(High Frequency Simulation Soft)を用いてシミュレーションを行った。なお、設計周波数は2.5GHz(λ=120mm)であり、パラメータは以下のとおりに設定した。
誘電体基板;
ε=2.17(tanδ=0.00085)
t=1.524mm
d=60×60mm(1/2λ)
パッチ;
=19.15mm
=38.3mm
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a basic configuration of a two-element opposed feed type λ / 4 short-circuited microstrip antenna.
As shown in the figure, a patch (20) whose one side is short-circuited on the same substrate is configured to face each other with a distance c therebetween so that the short-circuit surfaces face each other.
About the characteristic of this antenna, it simulated using HFSS (High Frequency Simulation Soft) which performs an electromagnetic field analysis by the finite element method. The design frequency was 2.5 GHz (λ = 120 mm), and the parameters were set as follows.
Dielectric substrate;
ε r = 2.17 (tan δ = 0.00085)
t = 1.524mm
d = 60 × 60 mm (1 / 2λ)
patch;
L 1 = 19.15 mm
L 2 = 38.3 mm

ここで、素子間隔cについて検討した。本アンテナはダイポールアンテナの原理を利用しており、ダイポールアンテナの場合と同じく素子間隔cを含めたアンテナの全長(L+c+L)は放射特性に大きく影響を及ぼす。全長が1波長程度まではアンテナを含む電界面内では8の字型となるが、全長が1波長をこえると、サイドローブ特性が大きくなったりビームが割れたりする。
以上のことから、本供試アンテナの全長は1波長以下に選んだ。
また、シミュレーションによる素子間隔特性より素子間隔c=15mmとし、給電点Fは短絡面から中心線上に7mmの地点とした。
Here, the element interval c was examined. This antenna uses the principle of a dipole antenna, and the total length (L 1 + c + L 1 ) of the antenna including the element interval c greatly affects the radiation characteristics as in the case of the dipole antenna. When the total length exceeds about 1 wavelength, the shape of the electric field including the antenna is 8-shaped. However, when the total length exceeds 1 wavelength, the sidelobe characteristics are increased and the beam is broken.
Based on the above, the total length of the antenna under test was selected to be one wavelength or less.
Further, the element spacing c was set to 15 mm from the element spacing characteristics by simulation, and the feeding point F was set to 7 mm on the center line from the short-circuit plane.

このアンテナのリターンロス特性と、カット面φ=0°、45°、90°、135°における垂直面内指向性と、カット面θ=42°の水平面内指向性を表示したら、リターンロスは共振周波数で−11dBと高く、指向性についてはθ=32°、φ=−90°及び90°付近ではわずかに6dBをこえているがその他の範囲では全くこえていないことがわかった。  If the return loss characteristics of this antenna, the directivity in the vertical plane at cut plane φ = 0 °, 45 °, 90 °, and 135 ° and the directivity in the horizontal plane of cut surface θ = 42 ° are displayed, the return loss will resonate. It was found that the frequency was as high as -11 dB, and the directivity slightly exceeded 6 dB in the vicinity of θ = 32 °, φ = −90 °, and 90 °, but not in other ranges at all.

これを改善するために、素子を4個に増やしたものについてシミュレーションを行った。
図3は、4素子対向2給電式λ/4短絡形マイクロストリップアンテナの基本構成を示す説明図である。
このようにパッチ(20)を対向する面に短絡面が位置するように基板真中から等距離に、90°間隔で略円環形に4個配置した構成となっている。4素子対向2給電式λ/4SMSAでは、P1とP3のパッチ(20)(20)がペア、P2とP4がペアとなり、回路部のスイッチによってP1−P3とP2−P4を切り替える。2素子の場合と同じくP1とP3を同相で給電するが、このときP2とP4には給電は行わない。
その結果として、この2つの素子は無給電素子として作用する。
In order to improve this, a simulation was carried out on an element with four elements.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a basic configuration of a four-element opposed two-feed type λ / 4 short-circuited microstrip antenna.
In this manner, four patches (20) are arranged in a substantially annular shape at 90 ° intervals, equidistant from the center of the substrate so that the short-circuit surface is located on the opposing surface. In the four-element opposed two-feed type λ / 4SMSA, the patches (20) and (20) of P1 and P3 form a pair, and P2 and P4 form a pair, and P1-P3 and P2-P4 are switched by a switch in the circuit unit. As in the case of two elements, P1 and P3 are fed in phase, but at this time, P2 and P4 are not fed.
As a result, these two elements act as parasitic elements.

なお、この方式ではスイッチが2個、切替が4回必要となる。また、素子間隔cは素子間隔をそれ以上狭めることができない点、すなわち隣り合う素子間の端と端が接触する点を0点としている。  This method requires two switches and four switching operations. Further, the element interval c is set to 0 point where the element interval cannot be further reduced, that is, the point where the ends of adjacent elements contact each other.

このアンテナのパッチ幅について検討した。いま、素子寸法比Asを図4に示すように、L=L=19.15mm寸法のパッチをAs=1.0と定義し、As=2.0、As=1.0、As=0.5としたときのそれぞれについて、素子間隔cを変化させたときの特性を調べた。なお、給電点Fは短絡面から中心線上に3mmの点とし、その他のパラメータは2素子の場合と同じとした。The patch width of this antenna was examined. Now, as shown in FIG. 4 for the element size ratio As, a patch having a size of L 1 = L 2 = 19.15 mm is defined as As = 1.0, As = 2.0, As = 1.0, As = The characteristics when the element interval c was changed were examined for each of 0.5. The feeding point F was a point 3 mm above the center line from the short-circuit plane, and the other parameters were the same as in the case of two elements.

以上のそれぞれについて比較した結果を、素子間隔cとリターンロスとの関係を図5(a)に、cと垂直面内ビーム方向との関係を同図(b)に、cと垂直面内最大指向性利得の関係を同図(c)に、cと6dBをこえる範囲との関係を同図(d)に示す。
また、素子寸法比As=2.0、As=1.0、As=0.5のそれぞれのカット面φ=0°、45°、90°、135°の垂直面内指向性について図6(a)から(c)に示す。なお、図6については図5においてそれぞれ一番特性の良かった素子間隔cを採用している。
As a result of comparison for each of the above, the relationship between the element spacing c and the return loss is shown in FIG. 5A, the relationship between c and the beam direction in the vertical plane is shown in FIG. 5B, and c is the maximum in the vertical plane. The relationship between the directivity gains is shown in FIG. 5C, and the relationship between c and the range exceeding 6 dB is shown in FIG.
Further, the vertical in-plane directivities of the cut planes φ = 0 °, 45 °, 90 °, and 135 ° with the element size ratios As = 2.0, As = 1.0, and As = 0.5 are shown in FIG. Shown in a) to (c). For FIG. 6, the element spacing c, which has the best characteristics in FIG. 5, is employed.

これらのグラフより、まず素子間隔cを変化させることにより、ビーム方向はほとんど変わらないものの、最大指向性利得と6dBをこえる範囲には、良好な特性を示す位置範囲があることがわかった。
これは素子間隔cが近すぎれば、電磁界が乱されることにより特性が劣化し、また遠すぎれば対向するパッチの作用が小さくなるため、ビーム幅が狭くなることに起因していると考えられる。
From these graphs, it was found that, by changing the element interval c, the beam direction hardly changed, but there was a position range showing good characteristics in the range exceeding the maximum directivity gain and 6 dB.
This is considered to be caused by the fact that if the element spacing c is too close, the characteristics are deteriorated by disturbing the electromagnetic field, and if it is too far, the action of the opposing patch is reduced, so that the beam width becomes narrow. It is done.

また、素子寸法比Asに関しては、Asを小さくするほどリターンロスは劣化するものの、As=1.0とした場合では、As=2.0とした場合に比べ放射特性に大きな劣化は見られず、むしろビームが低仰角に向き、不要方向への放射であるカット面φ=90°方向のビームが抑制されることによって結果として6dBをこえる範囲が増加していることがわかった。また、As=0.5とした場合には最大利得が下がり、カバー範囲が狭くなっている。  As for the element size ratio As, the return loss is deteriorated as As is reduced. However, when As = 1.0, the radiation characteristics are not greatly deteriorated as compared with the case of As = 2.0. Rather, it was found that the range exceeding 6 dB increased as a result of the beam being directed to a low elevation angle and the beam in the direction of the cut plane φ = 90 ° being radiation in an unnecessary direction being suppressed. Further, when As = 0.5, the maximum gain is lowered and the cover range is narrowed.

ただし、ここで気を付けなければならないのが放射効率ηである。ηは比誘電率ε=2.17、基板厚さt=1.524mmの場合、As=2.0では約90%、As=1.0では約80%、As=0.5では約60%と素子が小さいほど低下する。However, what should be noted here is the radiation efficiency η. η is about 90% when As = 2.0, about 80% when As = 1.0, and about 80% when As = 0.5 when the relative dielectric constant ε r = 2.17 and the substrate thickness t = 1.524 mm. The smaller the element is, the lower the value is 60%.

以上の結果より、素子寸法比はAs=1.0を採用した。図7に、このアンテナの水平面内指向性を示す。このグラフより、前記の2素子の場合に比べ、カバー範囲が大幅に広がったことがわかる。  From the above results, As = 1.0 was adopted as the element size ratio. FIG. 7 shows the directivity in the horizontal plane of this antenna. From this graph, it can be seen that the cover range is greatly expanded compared to the case of the two elements.

アンテナ側部から、不要放射を生じることがある。これを減らすためには、アンテナ側部に金属側壁(30)を取り付けて立設する。
金属側壁(30)は放射正面方向が吹き抜けとなるように配置されており、これを取り付けることによって誘電体基板(12)の側面からアンテナ後方へ漏れていた不要放射を抑制することが可能である。
Unwanted radiation may be generated from the antenna side. In order to reduce this, a metal side wall (30) is attached to the side of the antenna to stand upright.
The metal side wall (30) is arranged so that the front direction of radiation is blown out, and by attaching this, unnecessary radiation that has leaked from the side surface of the dielectric substrate (12) to the rear of the antenna can be suppressed. .

図8(a)は、金属側壁(30)を取り付けた状態(波線)と取り付けていない状態(実線)についてのリターンロス特性の比較を示すグラフである。
金属側壁(30)の高さlは30mmとし、その他のパラメータは前記実施例と同一である。このグラフより、金属側壁(30)を設けることによって、リターンロスが10dB以上も改善されていることがわかる。
FIG. 8A is a graph showing a comparison of return loss characteristics in a state where the metal side wall (30) is attached (dashed line) and a state where the metal side wall (30) is not attached (solid line).
The height l of the metal side wall (30) is 30 mm, and the other parameters are the same as in the previous embodiment. From this graph, it can be seen that the return loss is improved by 10 dB or more by providing the metal side wall (30).

カット面φ=0°における垂直面内指向性の比較を、図8(b)に示した。この結果より、最大利得とビーム幅が共に改善されており、金属側壁(30)の取り付けの効果が現れていることがわかった。  A comparison of the directivity in the vertical plane at the cut plane φ = 0 ° is shown in FIG. From this result, it was found that both the maximum gain and the beam width were improved, and the effect of attaching the metal side wall (30) appeared.

金属側壁(30)の高さlについて検討した。
高さlを10mmから40mmまで変化させたときの諸特性について、図9(a)にリターンロス特性、(b)に垂直面内指向性、(c)から(e)に水平面内指向性を示す。
図9(b)より、最大利得ではl=40mm(1/3λ)が一番高くなるものの、θ=42°±10°における6dBカバー範囲という観点から見ると、図(e)よりl=30mm(1/4λ)が最もよい特性を示している。よって、lは30mmを採用した。
The height l of the metal side wall (30) was examined.
Regarding various characteristics when the height l is changed from 10 mm to 40 mm, FIG. 9A shows the return loss characteristic, FIG. 9B shows the directivity in the vertical plane, and FIG. 9C shows the directivity in the horizontal plane from (c) to (e). Show.
From FIG. 9B, although l = 40 mm (1 / 3λ) is the highest at the maximum gain, from the viewpoint of a 6 dB cover range at θ = 42 ° ± 10 °, l = 30 mm from FIG. (1 / 4λ) indicates the best characteristic. Therefore, l is 30 mm.

金属側壁(30)の取り付け角度ζを変化させることによって、ビーム方向を制御する検討を行った。
ここで、角度ζはアンテナ平面から天頂方向へ向かう角度とし、金属側壁(30)の高さlは一定のまま、ζを−30°から120°まで変化させ、P1とP3に給電したときの放射指向性について調べた。
A study was made to control the beam direction by changing the attachment angle ζ of the metal side wall (30).
Here, the angle ζ is an angle from the antenna plane toward the zenith direction, the height l of the metal side wall (30) is kept constant, ζ is changed from −30 ° to 120 °, and power is supplied to P1 and P3. The radiation directivity was investigated.

図10(a)に、ζを−30°から120°まで変化させたときのカット面φ=0°の垂直面指向性、また、カット面θ=32°、42°、52°のそれぞれについての水平面指向性の比較を図10(b)〜(d)に示す。
図10(a)より、ζ=−30°から+30°の範囲では、ζを天頂方向に傾けることによりビームが天頂方向に傾き、利得が上がりビーム幅は狭くなる。また、ζ=±30°より上に傾けるとビームは水平方向に向き、利得が下がり、ビーム幅が広がっている。
これは、放射面から直進する電波と、金属側壁にて反射する電波の焦点がζ=+30°から+60°の間に位置しているためであると考えられる。
FIG. 10A shows the vertical plane directivity of the cut surface φ = 0 ° when ζ is changed from −30 ° to 120 °, and the cut surfaces θ = 32 °, 42 °, and 52 °. Comparison of horizontal plane directivities is shown in FIGS.
From FIG. 10A, in the range of ζ = −30 ° to + 30 °, tilting ζ in the zenith direction tilts the beam in the zenith direction, increases the gain, and narrows the beam width. When tilted above ζ = ± 30 °, the beam is directed in the horizontal direction, the gain is decreased, and the beam width is expanded.
This is considered to be because the focal point of the radio wave traveling straight from the radiation surface and the radio wave reflected by the metal side wall is located between ζ = + 30 ° and + 60 °.

また、図10(c)(d)においては、特に低仰角であるカット面θ=42°、52°において金属面取り付け効果がよく出ており、ターゲットとする仰角、ピーク利得、ビーム幅に合わせて適当な角度に金属側壁を取り付ければよいことが確認できた。
これより、金属側壁の取り付け角度を変えることによってアンテナからの放射を所望のビーム角度、ビーム幅に一定範囲で調整できることが示された。
Also, in FIGS. 10C and 10D, the effect of attaching the metal surface is particularly good when the cut surface θ = 42 °, 52 °, which is a low elevation angle, according to the target elevation angle, peak gain, and beam width. It was confirmed that the metal side wall should be attached at an appropriate angle.
From this, it was shown that the radiation from the antenna can be adjusted to a desired beam angle and beam width within a certain range by changing the mounting angle of the metal side wall.

以上の結果より、本実施例では垂直面内でθ=42°から±10°の範囲で高利得を得ることが望まれるので、金属側壁(30)の取り付け角度をζ=90°とした。  From the above results, in this embodiment, since it is desired to obtain a high gain in the range of θ = 42 ° to ± 10 ° in the vertical plane, the attachment angle of the metal side wall (30) is set to ζ = 90 °.

図11に、このアンテナにおいて、P1−P3とP2−P4でスイッチを切り替えたときの水平面内指向性を、カット面θ=32°(a)、42°(b)、52°(c)の各場合について示す。
この図11と図6を比べると、θ=32°、42°、52°のいずれかのカット面においても大きく改善されていることがわかる。しかしながら、φ=±45°、±135°付近、つまりスイッチングが行われる角度付近においてはいずれのカット面も6dBを満たしていない。その差はθ=52°において最も大きく最大3dB低い。
In FIG. 11, in this antenna, the directivity in the horizontal plane when the switch is switched between P1-P3 and P2-P4 is as follows: cut plane θ = 32 ° (a), 42 ° (b), 52 ° (c). Shown for each case.
When FIG. 11 and FIG. 6 are compared, it can be seen that the cut surface of θ = 32 °, 42 °, or 52 ° is greatly improved. However, in the vicinity of φ = ± 45 °, ± 135 °, that is, in the vicinity of the angle at which switching is performed, none of the cut surfaces satisfies 6 dB. The difference is the largest at θ = 52 ° and a maximum of 3 dB lower.

更に素子数を増やすことで、全方位をカバーすることを検討した。
素子数をさらに8素子に増やして、同様にシミュレーションを行った。
8個のパッチ(30)を45°ずつずらして円環状に並べた。対向するパッチP1−P5、P2−P6、P3−P7、P4−P8が、それぞれペアとなって給電される。
Furthermore, we studied to cover all directions by increasing the number of elements.
The number of elements was further increased to 8 elements, and simulations were similarly performed.
Eight patches (30) were arranged in an annular shape by shifting by 45 °. Opposing patches P1-P5, P2-P6, P3-P7, and P4-P8 are fed as a pair, respectively.

このアンテナでは、全方位をカバーするためにはスイッチが4個、切替が8回必要となる。また8素子の場合、基板を方形にすると、素子間の対称性が保てなくなるために基板の形は円とした。なお、基板形状はエッジ効果が異なるが、素子から基板エッジまである程度の距離があれば特性に影響はない。また、パラメータは、前記結果を基に、L=L=19.15mm、t=1.524mm、l=30mm、ζ=90°、d=150mmとした。This antenna requires four switches and eight switching operations to cover all directions. In the case of 8 elements, if the substrate is square, the symmetry between the elements cannot be maintained, so the shape of the substrate is a circle. Although the edge shape differs in the substrate shape, there is no influence on the characteristics if there is a certain distance from the element to the substrate edge. The parameters were set to L 1 = L 2 = 19.15 mm, t = 1.524 mm, 1 = 30 mm, ζ = 90 °, and d = 150 mm based on the results.

このアンテナについても、素子間隔cを変化させたときの特性について調べた。なお、ここでの特性の良否判断は、リターンロスと、θ=52°のときにビーム切替点(ここでは、φ=±22.5°、±67.5°、±112.5°、±157.5°)においてどれだけ6dBをこえているかを基準とした。
その結果、最も特性の良かったc=5mmのときの垂直面内指向性及び水平面内指向性を図12(a)〜(d)に示す。
This antenna was also examined for characteristics when the element spacing c was changed. Here, the quality judgment is made based on the return loss and the beam switching point when θ = 52 ° (here, φ = ± 22.5 °, ± 67.5 °, ± 112.5 °, ± It was based on how much it exceeded 6 dB at 157.5 °).
As a result, the directivity in the vertical plane and the directivity in the horizontal plane when c = 5 mm, which had the best characteristics, are shown in FIGS.

これらのグラフより明らかなように、水平面内指向性はθ=32°と42°の水平面内において、ビーム切替点においてもそれぞれ約7.5dBと6dBを大きくこえている。また、θ=52°においても6.27dBとなっており、θ=42°±10°を満たしていた。  As is apparent from these graphs, the directivity in the horizontal plane exceeds approximately 7.5 dB and 6 dB at the beam switching points in the horizontal plane of θ = 32 ° and 42 °, respectively. Moreover, it was 6.27 dB also at θ = 52 °, and θ = 42 ° ± 10 ° was satisfied.

次に、素子数の増加による特性の変化について検討を行った。
素子数の増加による特性について、図13にリターンロス特性を、図14にφ=0°における垂直面内指向性を示し、図15(a)〜(c)にθ=32°、42°、52°における水平面内指向性をそれぞれ示す。なお、これらは全て金属側壁(30)をつけてない状態での特性である。
Next, changes in characteristics due to an increase in the number of elements were examined.
FIG. 13 shows the return loss characteristics, FIG. 14 shows the vertical in-plane directivity at φ = 0 °, and FIGS. 15A to 15C show θ = 32 °, 42 °, and the characteristics due to the increase in the number of elements. The directivity in the horizontal plane at 52 ° is shown. Note that these are all the characteristics when the metal side wall (30) is not attached.

図13から明らかなように、素子数を増やすほど、リターンロスは良好になる傾向にある。また、図14より、ビームの幅は狭くなり、ビームの向きも天頂(θ=0°)方向に向かう。また、水平面内においては、ある一定まで素子数を増やすとビームの幅は広がるが、それ以上に増やすとビームが割れてしまうことがわかる。これは、給電が行われていないパッチが無給電パッチの役割を果たしており、その相互作用が素子数の増加と共に増えているためである。  As apparent from FIG. 13, the return loss tends to be better as the number of elements is increased. Further, as shown in FIG. 14, the width of the beam is narrowed, and the direction of the beam is also directed to the zenith (θ = 0 °) direction. In the horizontal plane, the beam width increases when the number of elements is increased to a certain level. However, when the number of elements is increased beyond that, the beam is broken. This is because a patch that is not supplied power serves as a non-powered patch, and its interaction increases with an increase in the number of elements.

以上では、対向2給電式λ/4SMSAについて述べてきたが、ここでは同じアンテナを用いて、給電を1つのパッチ(30)のみに行い、それをスイッチで切り替える方式について述べる。
この方式では、対向2給電式よりも簡単な回路で構成され、電力分配器は必要なく、ビームはスイッチング(この場合は6回)によって切り替えられる。
この方式でのビームは、給電したパッチと逆方向に強いビームが発生する。
In the above description, the opposed two-feed type λ / 4SMSA has been described. Here, a method is described in which the same antenna is used to feed power to only one patch (30) and switch it with a switch.
In this method, the circuit is simpler than the opposed two-feed type, and no power distributor is required, and the beam is switched by switching (in this case, six times).
The beam in this system generates a strong beam in the opposite direction to the fed patch.

なお、この方式についても2素子、4素子、6素子、8素子についてそれぞれ特性を調べた。その結果、6素子以上で本実施例で要求される仕様を満たすことがわかったので、以下では、6素子の1給電式λ/4SMSAについて述べる。  In this method, the characteristics of 2 elements, 4 elements, 6 elements, and 8 elements were examined. As a result, it has been found that the specifications required in the present embodiment are satisfied with 6 elements or more, and therefore, a 6-element 1-feed type λ / 4SMSA will be described below.

素子間隔cを7mm、パッチ幅L=L=19.15mm、基板厚さt=1.524mm、ε=2.17(tanδ=0.00085)、基板幅d=150mm、給電点F=5mmとしたときのリターンロス特性について図16(a)に示し、また、ひとつのパッチ(30)P1に給電した場合の垂直面内指向性を図16(b)に、P1からP6までにそれぞれ給電した場合の水平面内指向性を(c)〜(e)に示す。
このグラフより、本方式ではφ=32°の水平面内において最高利得が約10dB、φ=52°においてビームの切替点においても約7dBを得ており、強いビームが広く得られていることがわかった。
Element spacing c is 7 mm, patch width L 1 = L 2 = 19.15 mm, substrate thickness t = 1.524 mm, ε r = 2.17 (tan δ = 0.00085), substrate width d = 150 mm, feeding point F FIG. 16 (a) shows the return loss characteristics when 5 mm = 5 mm, and FIG. 16 (b) shows the vertical in-plane directivity when power is supplied to one patch (30) P1, from P1 to P6. The directivity in the horizontal plane when the power is supplied is shown in (c) to (e).
From this graph, it can be seen that in this method, the maximum gain is about 10 dB in the horizontal plane of φ = 32 °, and about 7 dB is obtained at the beam switching point at φ = 52 °, and a strong beam is widely obtained. It was.

図17は、対向2給電方式と1給電方式について特性を比較した表である。
図17の比較表より、本実施例の所望の衛星通信用としては、1給電方式の方が回路系や制御が簡単で、かつ高い指向性利得をもっており、結果として広いカバー範囲をもつことが分かる。
一方、2給電方式は回路系や制御が複雑になるという短所はあるものの、Z軸に対して対称なビームをもつという特徴をもっており、細かいビーム切替が必要とされる場合には有用である。
FIG. 17 is a table comparing the characteristics of the opposed 2-feed system and the 1-feed system.
From the comparison table of FIG. 17, for the desired satellite communication of the present embodiment, the 1-feed system is simpler in circuit system and control and has higher directivity gain, and as a result, has a wide coverage. I understand.
On the other hand, although the two-feed method has the disadvantage that the circuit system and the control are complicated, it has a feature of having a symmetrical beam with respect to the Z axis, and is useful when fine beam switching is required.

以上での検討結果を基に、実際にETS−VIIIに使用する場合に一層適した性能を有する6素子1給電式λ/4SMSAを製作した。
パラメータは、シミュレーションでの最適値を基に以下のように設計した。
誘電体基板;
ε=2.17
t=1.524mm
d=150mm
tanδ=0.00085
パッチ;
=19.15mm
=19.15mm
s=19.15mm
F=5mm
c=7mm
金属側壁;
l=30mm
ζ=90°
Based on the above examination results, a 6-element 1-feed type λ / 4SMSA having a more suitable performance when actually used for ETS-VIII was manufactured.
The parameters were designed as follows based on the optimum values in the simulation.
Dielectric substrate;
ε r = 2.17
t = 1.524mm
d = 150mm
tan δ = 0.00085
patch;
L 1 = 19.15 mm
L 2 = 19.15 mm
s = 19.15 mm
F = 5mm
c = 7mm
Metal sidewalls;
l = 30mm
ζ = 90 °

このアンテナのリターンロス特性を図18に示し、パッチ(30)P1に給電したときのφ=0°での垂直面内指向性を図19に示す。なお、このグラフにおいて、シミュレーション値は指向性利得[dB]、実測値は電力利得[dBi]である。
これらのグラフでは、共振周波数についてはほぼ設計通りになっているものの、指向性についてはパターンは相似であるが、電力利得がシミュレーションの指向性利得より大きく劣っており、最大利得で5dBもの減衰がみられる。この原因としては、導電性テープと蒸着パッチ部との接続部における電波の漏れ損失であると考えられた。
FIG. 18 shows the return loss characteristics of this antenna, and FIG. 19 shows the vertical in-plane directivity at φ = 0 ° when the patch (30) P1 is fed. In this graph, the simulation value is the directivity gain [dB], and the actual measurement value is the power gain [dBi].
In these graphs, although the resonance frequency is almost as designed, the pattern of directivity is similar, but the power gain is much inferior to the directivity gain of the simulation, and the maximum gain is attenuated by 5 dB. Be looked at. The cause of this was considered to be leakage loss of radio waves at the connection between the conductive tape and the vapor deposition patch.

図20(a)に示すように、本アンテナにおいては蒸着されたパッチ(14)と導体(11)とを導通させる際に導電性テープ(15)を用いていたため、パッチ(14)−導電性テープ(15)、導電性テープ(15)−導体(14)において、それぞれ接続部において漏れや電流の不要部分への流れが発生している恐れがある。そこで、図20(b)のように、パッチ部分については蒸着させることなく、導電性テープ(15)を用いることによって短絡板(11)との一体化を成し、漏れを防ぐ構造とした。  As shown in FIG. 20 (a), in this antenna, the conductive tape (15) is used when conducting the conduction between the deposited patch (14) and the conductor (11). In the tape (15), the conductive tape (15) and the conductor (14), there is a possibility that leakage or a flow of current to an unnecessary portion has occurred in each connection portion. Therefore, as shown in FIG. 20B, the patch portion is integrated with the short-circuit plate (11) by using the conductive tape (15) without vapor deposition, thereby preventing leakage.

この構造にて作製したアンテナについて、パッチ(30)P1に給電したときのカット面φ=0°の垂直面内指向性を図21に示す。このグラフより、放射パターンはシミュレーションとの有意な一致が見られた。利得は大きく改善されており、シミュレーション値の指向性利得に比べ3dBの低下となっており、放射効率ηは、シミュレーション値を基に式22から約50%である。  FIG. 21 shows the vertical in-plane directivity of the cut plane φ = 0 ° when the antenna manufactured with this structure is fed to the patch (30) P1. From this graph, the radiation pattern showed significant agreement with the simulation. The gain is greatly improved, which is 3 dB lower than the directional gain of the simulation value, and the radiation efficiency η is about 50% from Equation 22 based on the simulation value.

このアンテナよりさらに放射効率をあげるために、As=2.0としたアンテナを作製した。パラメータは以下の通りである。
誘電体基板;
ε=2.17
t=1.524mm
d=200mm
tanδ=0.00085
パッチ;
=19.15mm
=38.3mm
s=19.15mm
F=5mm
c=15mm
金属側壁;
l=30mm
ζ=90°
In order to increase the radiation efficiency further than this antenna, an antenna with As = 2.0 was produced. The parameters are as follows.
Dielectric substrate;
ε r = 2.17
t = 1.524mm
d = 200mm
tan δ = 0.00085
patch;
L 1 = 19.15 mm
L 2 = 38.3 mm
s = 19.15 mm
F = 5mm
c = 15mm
Metal sidewalls;
l = 30mm
ζ = 90 °

このアンテナについて、リターンロス特性を図22に、パッチ(30)P1に給電したときのカット面φ=0°、スイッチ切替点(φ=−30°、φ=30°)のそれぞれの垂直面内指向性について、図23(a)〜(c)に示す。
それぞれビーム主軸方向において、実測値とシミュレーション値はよく一致している。φ=0°面内においては、最大利得はθ=45°という低仰角において9.65dBiを得ており、放射効率ηは95.3%とAs=1.0のアンテナに比べ大きく改善されている。また、θ=26°〜67°までの広い範囲で6dBiをこえている。ビーム主軸方向外でシミュレーション値と一致していない理由としては、パッチ部を手作業にて製作しているために一つ一つのパッチ形状が微妙に異なり、そのために特にビーム主軸方向外で不一致が起こっていると考えられる。
With respect to this antenna, the return loss characteristic is shown in FIG. 22, and the cut plane φ = 0 ° and the switch switching point (φ = −30 °, φ = 30 °) in the vertical plane when power is supplied to the patch (30) P1. About directivity, it shows to Fig.23 (a)-(c).
The measured values and the simulated values are in good agreement with each other in the beam principal axis direction. In the φ = 0 ° plane, the maximum gain is 9.65 dBi at a low elevation angle of θ = 45 °, and the radiation efficiency η is 95.3%, which is a significant improvement over the As = 1.0 antenna. Yes. Moreover, it exceeds 6 dBi in a wide range of θ = 26 ° to 67 °. The reason why it does not match the simulation value outside the beam main axis is because the patch part is manufactured manually, so that each patch shape is slightly different, so there is a discrepancy especially outside the beam main axis. It seems that it is happening.

更に、φ=−30°面内においても最大利得はθ=41°で6.80dBi、6dBiをこえる範囲がθ=32°〜52°となり、このアンテナが広い範囲で本実施例の仕様を満たすことが立証された。  Further, even in the φ = −30 ° plane, the maximum gain is 6.80 dBi at θ = 41 °, and the range exceeding 6 dBi is θ = 32 ° to 52 °, and this antenna satisfies the specifications of this embodiment over a wide range. It was proved.

本発明によると、小型で高利得という特徴をもち衛星等に追尾自在なマイクロストリップアンテナが得られる。
本アンテナは、給電様式を変えることで、衛星通信のみならず、無線LANやITSをはじめとした様々な分野に応用できるので、産業上利用価値が高い。
According to the present invention, it is possible to obtain a microstrip antenna which has a small size and a high gain and can be freely tracked by a satellite or the like.
Since this antenna can be applied not only to satellite communication but also to various fields such as wireless LAN and ITS by changing the feeding mode, it has high industrial utility value.

対向する2つのパッチに同相で給電するλ/4短絡形マイクロストリップアンテナの構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the structure of a λ / 4 short-circuited microstrip antenna that feeds two opposing patches in phase. 2素子対向給電式λ/4短絡形マイクロストリップアンテナの基本構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the basic composition of a λ / 4 short-circuiting type microstrip antenna with two elements facing feeding 4素子対向2給電式λ/4短絡形マイクロストリップアンテナの基本構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the basic composition of a 4 element opposite 2 feeding type lambda / 4 short circuit type microstrip antenna 4素子対向2給電式λ/4短絡形マイクロストリップアンテナにおいて素子寸法比を示す説明図Explanatory drawing which shows element size ratio in 4 element opposing 2 feeding type | formula (lambda) / 4 short circuit type microstrip antenna 素子間隔cとリターンロスとの関係(a)、cと垂直面内ビーム方向との関係(b)、cと垂直面内最大指向性利得の関係(c)、cと6dBをこえる範囲との関係(d)を示すグラフRelationship between element spacing c and return loss (a), relationship between c and vertical in-plane beam direction (b), relationship between c and vertical in-plane maximum directivity gain (c), and range exceeding c and 6 dB Graph showing relationship (d) 素子寸法比As=2.0(a)、As=1.0(b)、As=0.5(c)のそれぞれのカット面φ=0°、45°、90°、135°の垂直面内指向性を示すグラフVertical planes with respective element cut ratios of As = 2.0 (a), As = 1.0 (b), As = 0.5 (c) φ = 0 °, 45 °, 90 °, 135 ° Graph showing internal directivity 素子寸法比As=1.0の場合の水平面内指向性を示すグラフThe graph which shows the directivity in a horizontal surface in case element dimension ratio As = 1.0 金属側壁を取り付けた状態(波線)と取り付けていない状態(実線)について、リターンロス特性(a)と垂直面内指向性(b)を比較したグラフA graph comparing the return loss characteristic (a) and the directivity in the vertical plane (b) for the state with the metal side wall attached (dashed line) and the state without the metal side wall (solid line) 金属側壁の高さを変化させたときについて、(a)リターンロス特性、(b)垂直面内指向性、(c)〜(e)水平面内指向性を示すグラフA graph showing (a) return loss characteristics, (b) directivity in the vertical plane, and (c) to (e) directivity in the horizontal plane when the height of the metal side wall is changed. 金属側壁の取り付け角度を変化させたときについて、カット面φ=0°(a)、32°(b)、42°(c)、52°(d)のそれぞれの水平面指向性示すグラフGraph showing horizontal plane directivity of cut surfaces φ = 0 ° (a), 32 ° (b), 42 ° (c), and 52 ° (d) when the attachment angle of the metal side wall is changed 金属側壁の取り付け角度を90°としたアンテナにおいて、給電スイッチを切り替えたときの水平面内指向性を、カット面θ=32°(a)、42°(b)、52°(c)の各場合について示すグラフIn an antenna with a metal side wall attached at an angle of 90 °, the directivity in the horizontal plane when the feed switch is switched is as follows: cut plane θ = 32 ° (a), 42 ° (b), 52 ° (c) Graph showing about 8素子の場合について、素子間隔5mmのときの垂直面内指向性(a)と水平面内指向性θ=32°(b)、42°(c)、52°(d)を示すグラフA graph showing vertical in-plane directivity (a) and horizontal plane directivity θ = 32 ° (b), 42 ° (c), 52 ° (d) when the element spacing is 5 mm in the case of 8 elements. 素子数とリターンロス特性との関係を示すグラフGraph showing the relationship between the number of elements and return loss characteristics 同、φ=0°における垂直面内指向性を示すグラフSame as above, graph showing directivity in the vertical plane at φ = 0 ° 同、θ=32°、42°、52°における水平面内指向性を示すグラフSame as above, a graph showing the directivity in the horizontal plane at θ = 32 °, 42 °, 52 ° 6素子1給電式短絡形マイクロストリップアンテナについて、リターンロス特性(a)、ひとつのパッチP1に給電した場合の垂直面内指向性(b)、P1からP6までにそれぞれ給電した場合のθ=32°(c)、42°(d)、52°(e)における水平面内指向性を示すグラフFor the 6-element 1-feed type short-circuited microstrip antenna, the return loss characteristic (a), the directivity in the vertical plane when power is supplied to one patch P1, (b), and θ = 32 when power is supplied from P1 to P6, respectively. A graph showing the directivity in the horizontal plane at ° (c), 42 ° (d), and 52 ° (e) 対向2給電方式と1給電方式について特性を比較した表A table comparing the characteristics of the opposed 2-feed system and the 1-feed system ETS−VIII用6素子1給電式λ/4短絡形マイクロストリップアンテナにおけるリターンロスを示すグラフGraph showing return loss in 6-element 1-feed type λ / 4 short-circuited microstrip antenna for ETS-VIII 同、垂直面内指向性のグラフSame as above, vertical in-plane directivity graph 蒸着されたパッチと導体とを導通させる際に導電性テープを用いた状態を示す説明図(a)、パッチ部分を蒸着させることなく導電性テープで短絡板と一体化した状態を示す説明図(b)Explanatory drawing (a) which shows the state which used the conductive tape when conducting the vapor-deposited patch and the conductor, and explanatory drawing which shows the state integrated with the short-circuit plate with the conductive tape without vaporizing the patch portion ( b) 図20(b)の構造によるアンテナについて、パッチP1に給電したときのカット面φ=0°の垂直面内指向性示すグラフFIG. 20B is a graph showing the directivity in the vertical plane of the cut plane φ = 0 ° when the patch P1 is fed with respect to the antenna having the structure of FIG. 素子寸法比As=2.0とした場合のアンテナのリターンロス特性を示すグラフThe graph which shows the return loss characteristic of an antenna when element size ratio As = 2.0 同、パッチP1に給電したときのカット面φ=0°(a)、スイッチ切替点(φ=−30°(b)、φ=30°(c))のそれぞれの垂直面内指向性を示すグラフSimilarly, the vertical plane directivities of the cut plane φ = 0 ° (a) and the switch switching points (φ = −30 ° (b), φ = 30 ° (c)) when the patch P1 is supplied with power are shown. Graph

符号の説明Explanation of symbols

11 金属導体
12 誘電体基板
13 給電部
14 蒸着パッチ
15 導電性テープ
20 λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子
21 短絡部
30 金属側壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Metal conductor 12 Dielectric board | substrate 13 Feed part 14 Evaporation patch 15 Conductive tape 20 (lambda) / 4 short circuit type microstrip antenna element 21 Short circuit part 30 Metal side wall

Claims (13)

同一の基板上に、対称性を有する配置で並列された複数の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子と、
そのマイクロストリップアンテナ素子に給電を行う給電手段と、
給電する素子と給電の様式を司る給電制御手段と
を備えることを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
A plurality of substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements arranged in parallel in a symmetrical arrangement on the same substrate;
A feeding means for feeding power to the microstrip antenna element;
A microstrip antenna, comprising: a power feeding element; and power feeding control means for controlling a power feeding mode.
略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子が4個以上備わり、それらが同一の円弧上に配置された
請求項1に記載のマイクロストリップアンテナ。
The microstrip antenna according to claim 1, wherein four or more substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements are provided and are arranged on the same arc.
給電手段がピン給電方式であり、その給電点が約30%オフセットした位置に設定され、マイクロストリップアンテナ素子と給電系との整合がとられる
請求項1または2に記載のマイクロストリップアンテナ。
The microstrip antenna according to claim 1 or 2, wherein the power supply means is a pin power supply system, and the power supply point is set at a position offset by about 30% so that the microstrip antenna element and the power supply system are matched.
略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子が略長方形であり、その長短辺の寸法比が約1:2である
請求項1ないし3に記載のマイクロストリップアンテナ。
The microstrip antenna according to any one of claims 1 to 3, wherein the substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna element is substantially rectangular and has a dimensional ratio of long and short sides of about 1: 2.
複数の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子の配置された基板の周縁部に、高さまたは設置角度の調整可能な金属性の側壁が立設された
請求項1ないし4に記載のマイクロストリップアンテナ。
5. The microstrip according to claim 1, wherein a metal side wall whose height or installation angle can be adjusted is erected on a peripheral portion of a substrate on which a plurality of substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements are arranged. antenna.
金属側壁の高さが、伝搬波長λに応じた値である約1/4λである
請求項5に記載のマイクロストリップアンテナ。
The microstrip antenna according to claim 5, wherein the height of the metal side wall is about ¼λ, which is a value corresponding to the propagation wavelength λ.
金属側壁の取り付け角度が約90°である
請求項5または6に記載のマイクロストリップアンテナ。
The microstrip antenna according to claim 5 or 6, wherein the attachment angle of the metal side wall is about 90 °.
略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子のパッチ部分が、導電性テープを介して金属導体と一体化された
請求項1ないし7に記載のマイクロストリップアンテナ。
The microstrip antenna according to any one of claims 1 to 7, wherein a patch portion of the substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna element is integrated with a metal conductor via a conductive tape.
同一の基板上に、対称性を有する配置で並列された複数の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子と、
そのマイクロストリップアンテナ素子に給電を行う給電手段と、
給電する素子と給電の様式を司る給電制御手段とを備えたマイクロストリップアンテナを用いて、
同時に給電する素子を選択することで、放射パターンを調整する
ことを特徴とするマイクロストリップアンテナの制御方法。
A plurality of substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements arranged in parallel in a symmetrical arrangement on the same substrate;
A feeding means for feeding power to the microstrip antenna element;
Using a microstrip antenna provided with a power feeding element and a power feeding control means for controlling a power feeding mode,
A method of controlling a microstrip antenna, characterized by adjusting a radiation pattern by selecting elements to be fed simultaneously.
複数の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子の配置された基板の周縁部に、高さまたは設置角度の調整可能な金属性の側壁が立設し、
その金属側壁の高さまたは設置角度を変えることで、放射ビームの角度または幅を調整する
請求項9に記載のマイクロストリップアンテナの制御方法。
A metal side wall whose height or installation angle can be adjusted is erected on the peripheral edge of the substrate on which a plurality of substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements are arranged,
The method of controlling a microstrip antenna according to claim 9, wherein the angle or width of the radiation beam is adjusted by changing the height or installation angle of the metal side wall.
所望の放射パターンに近い放射指向性を呈するように給電様式を定め、次いで、金属側壁の高さまたは設置角度を変えることで、基板の誘電率とは独立に、放射ビームの角度または幅を調整する
請求項9または10に記載のマイクロストリップアンテナの制御方法。
The feed mode is set so that the radiation directivity is close to the desired radiation pattern, and then the angle or width of the radiation beam is adjusted independently of the dielectric constant of the substrate by changing the height or installation angle of the metal side wall. The method of controlling a microstrip antenna according to claim 9 or 10.
対称性を有するビームを供するか、細かいビーム切替を行う場合には、対向して配置された2個の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子に、同相で給電を行う
請求項9ないし11に記載のマイクロストリップアンテナの制御方法。
12. When supplying a beam having symmetry or performing fine beam switching, power is fed in phase to two substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna elements arranged opposite to each other. The control method of the microstrip antenna as described.
1方向に強いビームを供する場合には、1個の略λ/4短絡形マイクロストリップアンテナ素子に給電を行う
請求項9ないし11に記載のマイクロストリップアンテナの制御方法。
The method for controlling a microstrip antenna according to any one of claims 9 to 11, wherein when a strong beam is provided in one direction, power is supplied to one substantially λ / 4 short-circuited microstrip antenna element.
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