JP2005311994A - ２周波共振マイクロストリップアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】小型低背で調整が簡単な２周波共振マイクロストリップアンテナを提供する。
【解決手段】誘電体基板２と、該誘電体基板２の一方の主面に配置した導体パターン１とを少なくとも備えたマイクロストリップアンテナであって、前記導体パターン５は基部５ｃと、該基部５ｃから互いに平行に延びる二つの脚部５ａ、５ｂとを一体的に形成したものであり、前記脚部５ａ、５ｂは互いにその長さが異なるようにし、前記基部５ｃに給電点６を形成し、前記二つの脚部５ａ、５ｂのそれぞれの長さと該脚部５ａ、５ｂの先端から基部５ｃの後端までの長さとを調整することによって、二つの共振周波数に対する整合特性をそれぞれ独立に簡単に調整することを可能とする、製造コストを抑えた２周波共振マイクロストリップアンテナ。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロストリップラインアンテナの構造に関するものである。

近年、移動体通信機器用のアンテナとして様々なタイプのアンテナが研究されている。
特に移動体に搭載するアンテナとしては、広帯域で無指向性のものを要求される場合が多い。従来このような要求に一部応えるものとして、広帯域マイクロストリップアンテナがある。

図５は従来のマイクロストリップアンテナの構成を示す外観図である。
図５に示した従来のマイクロストリップアンテナは、裏面に接地用の導体パターン１を有する誘電体基板２と、前記誘電体基板２の表面に形成した主放射用導体パターン３（給電素子）と、前記主放射用導体パターン３に隣接して配置された無給電導体パターン４とを備えている。ここで、前記主放射用導体パターン３及び前記無給電導体パターン４の寸法と配置を適切に設定すると、二つのパターン３及び４が互いに電磁的に結合し二つないし三つの共振現象が生じることが知られている。よって、二つの共振点を利用し２周波ないし３周波用のアンテナとして用いることができる。しかしながら、図５に示した従来のマイクロストリップアンテナは主放射用パターン３と無給電導体パターン４とを横に並べて配置した構造であるため、アンテナ寸法が大きくなり小型化には向いていない。

そこで、スタック型と呼ばれるマイクロストリップアンテナが提案されている。
図６は従来のマイクロストリップアンテナの第２の構成を示す外観図である。
図６に示した従来のマイクロストリップアンテナは、裏面に接地用の導体パターン１を有する誘電体基板２ａの上に主放射導体パターン３を形成し、更にその上に誘電体基板２ｂと無給電導体パターン４とをそれぞれ積層した構造となっている。ここで、図５の実施例と同様に主放射導体パターン３と無給電導体パターン４とが互いに電磁的に結合し二つの共振点が得られるので、この二つの共振点を利用し２周波用のアンテナとして用いることができる。しかしながら図６に示したスタック型のマイクロストリップアンテナは、図５に示したものよりアンテナ寸法を小さくできるという利点を有しているが、構造がより複雑になり製造コストが高くなる。また、高さ方向の寸法を必要とするので、航空機等の高速の移動体に搭載するといった特に低背化が要求される用途には向かない。
Broadband Patch Antenas, Jean-Francois Zurcher and Fred E.Gardiol, Artech House, 39-40頁（出版 １９９５年）

ところで、図５、６に示したマイクロストリップアンテナは以下のような欠点を持っている。すなわち、これらはいずれも主放射導体パターン３と無給電導体パターン４との電磁的な結合特性を利用しているため、一方の導体パターンの大きさや配置が変わると二つの共振周波数が共に変化してしまうことになる。
従って、二つの共振周波数を所望の周波数に正確に合わせ、かつ前記所望の周波数において良好な放射特性と整合特性とを保持するには、煩雑で時間のかかる調整作業を必要とし多大な製造コストを有していた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、小型低背タイプで調整が簡単であり製造コストを低く抑えることのできる、無指向性の２周波共振マイクロストリップアンテナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明においては、誘電体基板と、該誘電体基板の一方の主面に配置した導体パターンとを少なくとも備えたマイクロストリップアンテナであって、前記導体パターンは、基部と、該基部から互いに平行に延びる二つの脚部とを一体的に形成したものであり、前記脚部は互いにその長さが異なるようにしたものである。

また、請求項２記載の発明においては、請求項１において前記基部に給電点を形成したものである。
また、請求項３記載の発明においては、請求項１、または請求項２において、前記誘電体基板の他方の主面に接地用の導体パターンを備えたものである。

また、請求項４記載の発明においては、請求項１、請求項２、または請求項３において
、前記導体パターンは、前記基部を略方形とし、二つの脚部をいずれも基部の一辺から該一辺と直交する方向に延設した構造を有しており、前記脚部の先端から基部の後端までの長さをそれぞれＬＬ、ＬＨとし、前記２周波共振マイクロストリップアンテナの二つの共振周波数をそれぞれｆL、ｆHとし、前記誘電体基板の比誘電率をεｒとし、光の伝播速度をｃとしたとき、前記ＬＬ、ＬＨの寸法が下記計算式を満足するようにしたものである。
（数１）

（数２）

また、請求項５記載の発明においては、請求項２、請求項３、または請求項４において、前記導体パターンは、前記基部を略方形とし、二つの脚部をいずれも基部の一辺から該一辺と直交する方向に延設した構造を有しており、前記基部の後端と前記給電点との垂直距離をＬfeedとし、前記２周波共用マイクロストリップアンテナの二つの共振周波数をそれぞれｆL、ｆHとし、前記誘電体基板の比誘電率をεｒとし、光の伝播速度をｃとしたとき、前記Ｌfeedの寸法が下記計算式を満足するようにしたものである。
（数３）

また、請求項６記載の発明においては、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５において、前記基部の後端から脚部の根元までの垂直距離をＬnotchとし、前記２周波共振マイクロストリップアンテナの二つの共振周波数をそれぞれｆL、ｆHとし、前記誘電体基板の比誘電率をεｒとし、光の伝播速度をｃとしたとき、前記Ｌnotchの寸法が下記計算式を満足するようにしたものである。
（数４）

また、請求項７記載の発明においては、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、または請求項６において、前記導体パターンを伝搬する電磁波の前記共振周波数における波長をλgとしたとき、前記平行に延びる二つの脚部の間隔を前記λgよりも十分小さくしたものである。

本発明の２周波共振マイクロストリップアンテナは、誘電体基板の一方の表面に形成した導体パターンを、基部と、基部から互いに平行に延びる二つの脚部とを備えた構成とし、二つの脚部の長さを互いに異なるようにし、前記基部に給電点を形成する簡単な構成とした。また、二つの脚部の又部分の深さと前記二つの脚部の長さとを調整することによって、二つの共振周波数に対する整合特性をそれぞれ独立に調整することを可能とした。
したがって、本発明は良好な整合特性を持った無指向性の２周波共振マイクロストリップアンテナを低コストで提供する上で大いに貢献できる。

本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。
図１（ａ）は、本発明に係わる２周波共振マイクロストリップアンテナの外観図を示したものである。
図１（ａ）において２周波共振マイクロストリップアンテナは、一方の表面に接地用の導体パターン１を有する誘電体基板２と、前記誘電体基板２の他方の表面に形成した導体パターン５と、前記導体パターン５の領域内に形成した給電点６とを備えている。
前記導体パターン５は、誘電体基板１の表面に形成した方形状の導体膜を、その一辺の中心から該一辺の対向辺へ向かってスリット状に削りとった如き略“コ”字状を呈するものである。本明細書においては、前記導体パターン５を二つの脚部５ａ、５ｂと、この二つの脚部の後端に位置する基部５ｃを一体的に構成したものとして説明する。
ここで、本発明の最も特徴的なところは、導体パターン５の二つの脚部５ａ、５ｂの長さが互いに異なるようにしたところ、及び基部５ｃに給電点６を形成しているところである。

図１（ｂ）は本発明に係わる２周波共振マイクロストリップアンテナの導体パターン５の部分を図示したものである。図１（ｂ）において、導体パターン５の一方の脚部５ａの先端から基部５ｃの後端までの長さをＬＨ、他方の脚部５ｂの先端から基部５ｃの後端までの長さをＬＬ、二つの脚部５ａ、５ｂの間に形成される又部７の奥端（脚部の根元）と基部５ｃの後端との垂直距離をＬnotch、給電点６と基部５ｃの後端との垂直距離をＬfeedとする。また、導体パターン５の幅をＷとし、又部７の幅（脚部５ａと脚部５ｂとの間隔）をＷnotchとする。
本発明者らは、図１（ｂ）に示した２周波共振マイクロストリップアンテナの導体パターン５の寸法を適切に設定する計算式を見いだした。以下その寸法を設定する計算式について説明する。

所望の二つの共振周波数をそれぞれｆＨ、ｆＬとする。また、誘電体基板の比誘電率をεｒとし、真空中における光の伝搬速度をｃとする。
このとき、図１（ｂ）におけるＬＨ、ＬＬ、Ｌfeed、Ｌnotchの寸法を次の計算式によって設定する。
（数１）

（数２）

（数３）

（数４）

ここで、又部７の幅（Ｗnotch）が導体パターンを伝播する電磁波の波長λgに対して十分小さければ、導体パターンの幅（Ｗ）にほとんど関係なく上式を適用できることを本発明者らは確認した。

次に式（１）〜（４）に基づいて設計、試作したマイクロストリップアンテナについて説明する。
試作したアンテナに用いた基板は、基板厚３．２ｍｍ、比誘電率２．６の誘電体基板である。所望の共振周波数はｆＬ＝１０３０ＭＨｚ、ｆＨ＝１０９０ＭＨｚであり、ｃ＝３×１０⁸ｍ／ｓｅｃとして、LL＝９１ｍｍ、LH＝８７．５ｍｍ、Ｌfeed＝３６．５ｍｍ、Ｌnotch＝５０ｍｍにそれぞれ設定している。
また、Ｗ＝４０ｍｍ、Ｗnotch＝３ｍｍに設定しているが、導体パターンを伝播する電磁波の共振周波数における波長（λｇ）は、λg＝ｃ÷ｆH÷√εｒ＝１７０．７ｍｍであるので、Ｗnotch≪λgの条件を十分満足している。
給電方法は図１（ｃ）に示すように同軸ケーブルの芯線を誘電体基板の下から貫通しこれを導体パターン１に接続する背面同軸給電方式としている。

図２は試作したマイクロストリップアンテナのインピーダンス特性（スミスチャート）をネットワークアナライザで測定した結果を図示したものである。図２において、１０３０ＭＨｚ、１０９０ＭＨｚとにそれぞれ測定用のマーカー（ＣＨ１、ＣＨ２）を設定している。１０３０ＭＨｚにおけるインピーダンスは４１．４１６Ω（ＣＨ１）であり、１０９０ＭＨｚにおけるインピーダンスは６１．１６６Ω（ＣＨ２）である。いずれの周波数においてもほぼ５０Ωに整合がとれていることが分かる。
図３は試作したマイクロストリップアンテナのリターンロス特性をネットワークアナライザで測定した結果を図示したものである。１０３０ＭＨｚ、１０９０ＭＨｚとにそれぞれ測定用のマーカー（ＣＨ１、ＣＨ２）を設定している。
１０３０ＭＨｚにおけるリターンロスは−１７．６３７ｄＢ（ＣＨ１）であり、１０９０ＭＨｚにおけるリターンロスは−１８．３４０ｄＢ（ＣＨ２）である。いずれの周波数においても−１０ｄＢ以下の良好な整合特性を示している。

図４は試作したマイクロストリップアンテナを500ｍｍ×500ｍｍのGROUND板に取り付け放射特性を測定した結果を図示したものである。
図４（ａ）（ｂ）は１０３０ＭＨｚにおけるＺ−Ｙ面、Ｚ−Ｘ面に対する放射特性であり、図４（ｃ）（ｄ）は１０９０ＭＨｚにおけるＺ−Ｙ面、Ｚ−Ｘ面に対する放射特性である。
Ｚ−Ｙ面とＺ−Ｘ面の放射特性から水平面内（Ｚ軸に直交する面内）において半天空にほぼ無指向性を備えているのが分かる。また、Ｚ−Ｙ面、Ｚ−Ｘ面のいずれについても１０３０ＭＨｚと１０９０ＭＨｚとで一致した良好な特性が得られていることが分かる。
アンテナのビーム幅（アンテナ利得が最大放射方向から３ｄＢ低下するポイント）はＺ−Ｙ面では約７６度、Ｚ−Ｘ面では約１２０度でありＺ−Ｘ面の方が広いものが得られた。
なお、最大放射方向（Ｚ−Ｙ面およびＺ−Ｘ面の０度方向）のアンテナ利得は約４ｄBi得られた。

ここで、試作したマイクロストリップアンテナの調整方法（微調整）について説明する。
まずアンテナの給電点にネットワークアナライザを接続し、図３に示したリターンロス特性を確認する。このとき、ネットワークアナライザ上でディップとして観測される二つの共振周波数はそれぞれほぼ１０３０Ｍｚ、１０９０ＭＨｚに位置しているが、導体パタ−ンの製造誤差によっては共振周波数の位置が多少ずれていることがある。
そこで、本発明者らは一方の共振点１０３０ＭＨｚの特性が図１（ｂ）のLLの寸法と給電点の位置（Ｌfeedの寸法）に大きく依存し、他方の共振点１０９０ＭＨｚ側の特性に与える影響が小さいことを見出した。逆に、１０９０ＭＨｚの特性は図１（ｂ）のLＨの寸法と又部７の深さ（Ｌnotchの寸法）に大きく依存し、１０３０ＭＨｚ側の特性に与える影響が小さいことを見出しこれに着目した。

すなわち、次のような調整手順を踏めば、１０３０ＭＨｚと１０９０ＭＨｚとのそれぞれの周波数に対する調整を独立して簡単に行うことができ、所望の整合特性が簡単に得られることが分かった。まず、ＬＬの長さを調整して一方の共振周波数を正確に１０３０ＭＨｚに合わせリターンロス特性が所望の範囲内となるよう調整する。次に、ＬＨまたはＬnotchの長さを調整して他方の共振周波数を１０９０ＭＨｚに正確に合わせリターンロス特性が所望の範囲内となるように調整する。なお、１０９０ＭＨｚの調整を先に実施してから１０３０ＭＨｚの調整を後に行っても構わない。

ここで、微調整の方法としては、導体パターン５を少しずつ削るか、或いは銅箔の小片を半田付けするといった方法でも良いし、銅箔の小片を半田付けする代わりに導電性の塗料を塗布するといった方法でも良い。つまり、導体パターン５を予め少し大きめに製作しておき調整時に削るか小さめに製作しておき調整時に拡大するか、いずれの調整方法でも構わない。例えば、予めＬＨの寸法をＬＬと同じ長さにしておき、要求スペックに応じて必要な共振周波数が得られるように調整時に削るといった調整方法でもよいであろう。

以上説明した実施例においては、給電方法を図１（ｃ）のような背面給電方式としたが本発明にあってはこれに限らず、例えば、導体パターン５を配置した同一面上に別途給電用のパターンを配置しこれを基部５ｃに直接接続するといった給電方法でもよい。
また、低背化の要求がない場合には誘電体基板の内部に給電用パターンを形成する構造（図６と同じ積層構造）としてもよいであろう。

以上説明したように、本発明は単純な構成の２周波共振マイクロストリップアンテナであり、２周波に対する整合特性の調整作業を独立に実施できる構造としたので、小型、低背化が可能な、製造コストを抑えた信頼性の高いマイクロストリップアンテナを提供するのに著効を奏する。

本発明に係る２周波共振マイクロストリップアンテナの構造図。 本発明に係る２周波共振マイクロストリップアンテナ（試作品）の入力インピーダンス特性の実測値を示す図。 本発明に係る２周波共振マイクロストリップアンテナ（試作品）のリターンロス特性の実測値を示す図。 本発明に係る２周波共振マイクロストリップアンテナ（試作品）の放射特性の実測値を示す図。 従来のマイクロストリップアンテナの第１実施例の外観図。 従来のマイクロストリップアンテナの第２実施例の外観図。

符号の説明

１・・接地用導体パターン
２、２ａ、２ｂ・・誘電体基板
３・・主放射導体パターン
４・・無給電導体パターン
５・・導体パターン
５ａ、５ｂ・・脚部
５ｃ・・基部
６・・給電点
７・・又部

Claims (7)

1. 誘電体基板と、該誘電体基板の一方の主面に配置した導体パターンとを少なくとも備えたマイクロストリップアンテナであって、前記導体パターンは基部と、該基部から互いに平行に延びる二つの脚部とを一体的に形成したものであり、前記脚部は互いにその長さが異なることを特徴とする２周波共振マイクロストリップアンテナ。
2. 前記基部に給電点を形成したことを特徴とする請求項１記載の２周波共振マイクロストリップアンテナ。
3. 前記誘電体基板の他方の主面に接地用の導体パターンを備えたことを特徴とする請求項１、請求項２のいずれかに記載の２周波共振マイクロストリップアンテナ。
4. 前記導体パターンは、前記基部を略方形とし、二つの脚部をいずれも基部の一辺から該一辺と直交する方向に延設した構造を有しており、前記脚部の先端から基部の後端までの長さをそれぞれＬＬ、ＬＨとし、前記２周波共振マイクロストリップアンテナの二つの共振周波数をそれぞれｆL、ｆHとし、前記誘電体基板の比誘電率をεｒとし、光の伝播速度をｃとしたとき、前記ＬＬ、ＬＨの寸法が下記計算式を満足することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３のいずれかに記載の２周波共振マイクロストリップアンテナ。
   

   

   
5. 前記導体パターンは、前記基部を略方形とし、二つの脚部をいずれも基部の一辺から該一辺と直交する方向に延設した構造を有しており、前記基部の後端と前記給電点との垂直距離をＬfeedとし、前記２周波共用マイクロストリップアンテナの二つの共振周波数をそれぞれｆL、ｆHとし、前記誘電体基板の比誘電率をεｒとし、光の伝播速度をｃとしたとき、前記Ｌfeedの寸法が下記計算式を満足することを特徴とする請求項２、請求項３、請求項４のいずれかに記載の２周波共振マイクロストリップアンテナ。
   

   
6. 前記基部の後端から脚部の根元までの垂直距離をＬnotchとし、前記２周波共振マイクロストリップアンテナの二つの共振周波数をそれぞれｆL、ｆHとし、前記誘電体基板の比誘電率をεｒとし、光の伝播速度をｃとしたとき、前記Ｌnotchの寸法が下記計算式を満足することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５のいずれかに記載の２周波共振マイクロストリップアンテナ。
   

   
7. 前記導体パターンを伝搬する電磁波の前記共振周波数における波長をλgとしたとき、前記平行に延びる二つの脚部の間隔を前記λgよりも十分小さくしたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６のいずれかに記載の２周波共振マイクロストリップアンテナ。

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