JP2006304197A - 環状パッチアンテナとこの環状パッチアンテナを用いたアレーアンテナ及び反射鏡アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 パッチアンテナと地導体とで、誘電体をサンドイッチした構造のパッチアンテナでは、誘電体の比誘電率をきわめて低くしないと、Ｅ面およびＨ面のそれぞれのビーム幅を揃えることができず、特殊な誘電体を用いるため高価になるという課題があった。
【解決手段】 内部に直径ｂの穴１００を有する環状のパッチ導体１、誘電体基板２および地導体５を有し、パッチ導体１の内周端部が円筒状の内導体８で地導体５に接続される。誘電体基板２の誘電率に応じてパッチ導体１の外直径ａと直径ｂの比率を適切に設定することにより、高い比誘電率の誘電体を用いながら、所望の共振周波数で共振し、放射パターンのメインビームの軸対称性を保持し、Ｅ面およびＨ面のそれぞれのビーム幅を揃えた。
【選択図】 図２

Description

この発明は、通信/レーダ等に適用する環状パッチアンテナに関するものであり、またこの環状パッチアンテナを素子アンテナに用いたアーアンテナ、および、この環状パッチアンテナを放射器に用いた反射鏡アンテナに関する。

小形・薄型の素子アンテナとして、各種形状（一般的には円形）のパッチアンテナがよく用いられる。
円形パッチアンテナは、円形状のパッチ導体と、このパッチ導体に接近して配置された誘電体基板および地導体（一般的には重ねて用いる）を有し、誘電体基板の比誘電率に応じて円形パッチ導体の直径を適切に設定することにより、所望の共振周波数を得るものである。
特許文献１、あるいは非特許文献１には、パッチアンテナの一例が開示されている。この構造の詳細はこれら文献に示されているので詳細な説明は省略するが、板状の誘電体基板の上面に貼り付けた円盤状の円形パッチ導体と、この誘電体基板の下面に貼り付けた地導体とでアンテナ本体が構成されている。そして下面の地導体を貫通して配置された同軸ケーブル（導波管が用いられる場合もある）の外被導体は地導体に、中心導体は誘電体基板を貫通して上面の円形パッチ導体に接続（給電点となる）されている。円形パッチ導体の中心点から給電点までの距離により見かけのインピーダンスが変わるので、給電点を調整して同軸ケーブルと整合させる。

説明の都合上、最初にアンテナに対する軸や方向の呼び方について定義する（図１参照）。
周知のとおり、アンテナの放射パターンにはＥ面（電界）パターンと、Ｈ面（磁界）パターンとがあり、それぞれのパターンごとに、説明のための軸方向を図１のように定義する。図１（ａ）図はＥ面パターンに関する軸を示し、電波伝播方向にＺ軸を、Ｚ軸に直交してＸ，Ｙ軸を定義する。紙面の手前方向にＹ軸、紙面の上方向にＸ軸を定義するとＥ面はＸＺ面となり、励振偏波方向はＸ軸に平行となる。図１（ｂ）図はＨ面パターンに関する軸を示し、電波伝播方向にＺ軸を、Ｚ軸に直交してＸ，Ｙ軸を定義する。紙面の手前方向にＹ軸、紙面の上方向にＸ軸を定義するとＹＺ面がＨ面となり、励振偏波方向はＸ軸に平行となる。即ち、以下の説明でＥ面とは励振偏波方向とボアサイト方向を含む面、Ｈ面はボアサイト方向を含みＥ面に直交する面をいう。

円形パッチアンテナにおいて、入手が容易な比誘電率が２以上の誘電体基板（例えばテフロン（登録商標）など）を用いた場合には、Ｅ面およびＨ面のそれぞれのビーム幅が異なる幅となる。円形パッチアンテナは反射鏡に対する放射器として用いる場合が多いが、前記のような軸対称性がない特性の場合には、対向する反射鏡に対する端部照射レベルが不均一となり、放射効率が低下する。即ち、放射パターンの軸対称性が崩れてしまいビームアンテナとしての効率が低くなってしまう。一例として比誘電率２．２５の誘電体基板を用いた場合の放射パターンのＥ，Ｈ面パターン間のゲイン差は、放射最大方向から４５度ずれると１ｄＢ程度、６０度ずれると２ｄＢ程度となり、８０度ずれると差は１０ｄＢ程度となる（放射器から反射鏡の周辺部を見る角度は８０度ぐらいとなる場合は少なくない）。
従来のパッチアンテナでは、上記の差を減らすためには誘電体基板の比誘電率を１．５程度にしなければならない。例えば１．５のとき上記４５度、６０度、８０度のときの差はそれぞれ０、１、６ｄＢ程度となる。しかし、比誘電率がこのように低い誘電体は入手が困難であり価格も高い。
また、パッチアンテナをアレーアンテナを構成する素子アンテナとして用いる場合がある。理解を助けるためアレーアンテナを説明するための軸方向などを図１０に示す。アレーアンテナのアンテナ開口面が図１０のＸ−Ｙ平面内にあり、アンテナ正面方向を図１０のＺ軸方向とした場合、ビームの指向方向を図１０のθを一定に保ちつつ、φを変化させてスキャン（コニカルスキャン）した場合に、このφをビーム走査方向ということとする。アレー素子アンテナのパターンがＥ面およびＨ面のそれぞれのビーム幅が異なっているとアレー合成後の放射パターンが上記に言うビーム走査方向によって変化し、またビーム走査方向により利得も変化してしまうという課題があった。
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従来のパッチアンテナはＥ面およびＨ面のそれぞれのビーム幅を広い角度範囲にわたって揃えるには、誘電体基板の比誘電率を例えば１．６以下の低い値にする必要があった。このような低い比誘電率を実現するには高価で入手が困難な例えば発泡誘電体を用いなければ実現できないので、結果としてアンテナが高価になるという課題があった。

また、従来のパッチアンテナをアレーアンテナとして用いる場合、アレー素子パターンとしてＥ面およびＨ面のそれぞれのビーム幅が異なると、アレー合成後の放射パターンがビーム走査方向によって変化し、また、ビーム走査方向によって利得も変化してしまうという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、パッチアンテナを構成する誘電体基板の比誘電率が２以上の入手の容易なものを用いても、Ｅ面とＨ面とのビーム幅を揃えることが可能なパッチアンテナを得ることを目的としている。

この発明の環状パッチアンテナは、板状の誘電体の一面に配置した、中心に直径ｂの穴を有し、直径がａの環状のパッチ導体、 前記誘電体の他面に配置した地導体、
前記穴の内周端部と前記地導体とを電気的に接続する円筒状の内導体、
前記地導体と前記誘電体とを貫通して前記パッチ導体に接続された高周波給電線とを備え、前記誘電体の比誘電率の変化に応じて、前記直径ｂと直径ａとの比率、ｂ／ａを、電界面ビーム幅と磁界面ビーム幅との差があらかじめ定めた所定の差以下となるように調整したものである。

本発明の環状パッチアンテナは、誘電体基板の片面に配置され中心に直径ｂの穴を有する外直径ａなるパッチ導体と、他の面に配置された地導体と、前記穴の周囲を地導体と接続する円筒状の内導体とを備え、誘電体基板の比誘電率に応じて、パッチ導体の外直径ａと内直径bの比ｂ／ａを選定したパッチ導体を用いたので、Ｅ面およびＨ面のそれぞれのビーム幅を揃えることが可能で、価格も安価となるという効果が得られる。
また、この環状パッチアンテナを放射器として用いたパラボラアンテナは、反射鏡端部の照射レベルを均一化することができ、開口効率が向上するという効果が得られる。
また、この環状パッチアンテナを素子アンテナとして用いたアレーアンテナは、アレー合成後のビーム走査方向の利得低下のばらつきを抑圧できるという効果が得られる。

実施の形態１．
図２はこの発明の実施の形態１の環状パッチアンテナ２００を示す構成説明図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は横断面図である。図２において地導体５と内部に穴１００を有するパッチ導体１との間に比誘電率が１．６から７．８の板状の誘電体基板２を挟み込んである。穴１００には円筒状の内導体８が接続され、この内導体８は地導体５に接続されている。内導体部８はパッチ導体１の内周端部（穴１００の端部）と地導体５を短絡している。そして下面の地導体５を貫通して配置された同軸ケーブル（導波管が用いられる場合もある）の外被導体は地導体５に、中心導体は誘電体基板２を貫通して上面のパッチ導体１の給電点３に接続されている。
パッチ導体１の外直径はａ、パッチ導体１の内直径はbとする。

図３は図２のように構成された環状パッチアンテナにおいて、誘電体基板２として入手が容易な純テフロン（登録商標）（比誘電率２．１程度）を用いた場合の放射パターン計算結果を示す。同図中の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はパッチ導体１の外直径ａと内直径bの比ｂ／ａが、それぞれ０．３、０．３５、０．４の場合の放射パターンを示し、横軸はビーム最大方向を０度とした場合の放射角度を、縦軸は最大放射方向ゲインを０ｄＢとした放射ゲインを示す。ｂ／ａの変化によって、Ｅ面とＨ面のそれぞれのビーム幅が一致しているオフセットの角度幅が変化することが分かる。
ここで放射パターンのメインビームの軸対称性を評価する説明の理解を助けるため、次に定義するビーム幅一致度を用いることとする。

ｘｄＢのｘは以下の説明に応じて種々の値をとる。

図４は環状パッチアンテナのパッチ導体１の外直径ａと内直径ｂの比ｂ／ａ（縦軸）および誘電体基板２の比誘電率（横軸）による３ｄＢビーム幅一致度δ_３ｄｂへの影響を示す。同図中の数字は３ｄＢビーム幅一致度δ_３ｄｂを示している。
図４から、図２の実施形態である誘電体基板２に、純テフロン（登録商標）（比誘電率２．１程度）、ポリカーボネイト（比誘電率２．９程度）、ＢＴレジン（比誘電率３．３程度）、ガラスエポキシ（比誘電率５．０程度）、低温焼結多層セラミック（比誘電率７．１程度）を用いた場合においてはＥ面およびＨ面の３ｄＢビーム幅を揃えるにはｂ／ａを、それぞれ０．２８、０．４、０．４５、０．５８、０．６３とすれば、ビーム幅一致度をほぼ０とすることができる（即ち差がほとんどない）ことが分かる。

図５は環状パッチアンテナのパッチ導体の外直径ａと内直径bの比ｂ／ａおよび誘電体基板２の比誘電率による１０ｄＢビーム幅一致度δ_１０ｄｂへの影響を示す。なお同図中の数字は１０ｄＢビーム幅一致度δ_１０ｄｂを示している。純テフロン（登録商標）（比誘電率２．１程度）、ポリカーボネイト（比誘電率２．９程度）、ＢＴレジン（比誘電率３．３程度）、ガラスエポキシ（比誘電率５．０程度）、低温焼結多層セラミック（比誘電率７．１程度）を用いた場合においてはＥ面およびＨ面の１０ｄＢビーム幅を揃えるにはｂ／ａを、それぞれ０．３５、０．４１、０．５０、０．５９、０．６８とすればよいことが分かる。

図６は環状パッチアンテナの円環パッチ導体の外直径ａと内直径bの比ｂ／ａおよび誘電体基板２の比誘電率による１５ｄＢビーム幅一致度δ_１０ｄｂへの影響を示す。なお同図中の数字は１５ｄＢビーム幅一致度δ_１０ｄｂを示している。純テフロン（登録商標）（比誘電率２．１程度）、ポリカーボネイト（比誘電率２．９程度）、ＢＴレジン（比誘電率３．３程度）、ガラスエポキシ（比誘電率５．０程度）、低温焼結多層セラミック（比誘電率７．１程度）を用いた場合においてはＥ面およびＨ面の１５ｄＢビーム幅を揃えるにはｂ／ａを、それぞれ０．３８、０．５０、０．５３、０．６２、０．６９とすればよいことが分かる。

ここで、上記説明に記載した以外の他の比誘電率を有する誘電体基板を用いる場合でも、図５〜図７を用いて所要の振幅レベルのビーム幅をＥ面およびＨ面で一致させることができる。なお、ビーム幅を一致させる所望の振幅レベルは、環状パッチアンテナの用途に応じて任意に選定すればよい。
図５〜図７の特性から、比誘電率が１．９〜２．６のときｂ／ａを０．１〜０．４７
とするのが好ましい。比誘電率が２．６〜５．５のときｂ／ａを０．２６〜０．６６
とするのが好ましい。比誘電率が５．５〜７．８のときｂ／ａを０．５２〜０．８０
とするのが好ましい。と言うことができる。

実施の形態２．
図７にこの発明の実施の形態２の環状パッチアンテナを一次放射器９として用い、反射鏡１０を備えたパラボラアンテナ（反射鏡アンテナとも言う）構成説明図を示す。一次放射器９には給電回路部１１を介して送受信機部１２が接続されている。
以上環状パッチアンテナを一次放射器として用いることにより、所定の反射鏡見込み角における端部照射レベルを均一にすることができ、従来の円形パッチアンテナを一次放射器に用いた場合と比べ、開口能率が上がる効果を得る。

実施の形態３．
図８に本発明の環状パッチアンテナをアレーアンテナの素子として用いた構成説明図を示す。同図において（ａ）は正面図、（ｂ）は横断面図である。また図９はアレーアンテナ素子への合成・分配回路図である。以下の説明において、アレーアンテナの軸方向は図１０に示したものにより説明する。アレーアンテナの素子として本発明の環状パッチアンテナ２００を複数個用いる。各素子アンテナは各素子アンテナを励振する合成分配回路のトリプレート線路１５を構成する誘電体基板１４上に配置されている。とりプレート線路１５には給電端子１６が設けられている。
以上環状パッチアンテナをアレーアンテナの素子として用いることにより、素子パターンのＥ面およびＨ面のそれぞれのビーム幅が揃っているので、アレー合成後の放射パターンにおいて、ビーム走査方向の利得低下のばらつきを抑圧できる効果を得る。

実施の形態１〜実施の形態３の説明におけるパッチ導体１の外形及び穴１００の形は、図では完全な円として記載しているが、特性がブロードになることを厭わないなら多少の変形は許容できる。形が真円からずれた場合、直径ａ，ｂなどは平均的な値をとれば本願発明の例はそのまま適用することができる。本発明における環状の意味は円形のものとともに、不完全な輪状のものをも含むということを意味する。

この発明の環状パッチアンテナは、各種ビームアンテナの放射器として使用することができる。

アンテナ放射パターンのＥ面およびＨ面の定義を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の環状パッチアンテナの構成を示す構成説明図である。 図２の環状パッチアンテナのＥ面およびＨ面の放射パターンの一例を示す図である。 図２の環状パッチアンテナにおける３ｄＢビーム幅一致度を説明するための図である。 図２の環状パッチアンテナにおける１０ｄＢビーム幅一致度を説明するための図である。 図２の環状パッチアンテナにおける１５ｄＢビーム幅一致度を説明するための図である。 この発明の実施の形態２の環状パッチアンテナを放射器として用いたパラボラアンテナ構成説明図である。 この発明の実施の形態３の環状パッチアンテナを素子アンテナとして用いたアレーアンテナの構成を示す構成説明図である。 図８のアレーアンテナのトリプレート線路の構成を示す構成説明図である。 アレーアンテナの軸方向の呼び方を説明する説明図である。

符号の説明

１ 環状パッチ導体、 ２ 誘電体基板、 ３ 給電点、
４ 給電線路、 ５ 地導体、 ａ パッチ導体１の外直径、
ｂ パッチ導体１の内直径、 ８ 内導体部、 ９ 一次放射器、
１０ 反射鏡、 １１ 給電回路部、 １２ 送受信機部、
１４ トリプレート線路の誘電体基板、
１５ トリプレート線路内導体（合成・分配回路部）、
１６ 給電端子、 １００ 穴、
２００ 環状パッチアンテナ。

Claims (7)

1. 板状の誘電体の一面に配置した、中心に直径ｂの穴を有し、直径がａの環状のパッチ導体、
   前記誘電体の他面に配置した地導体、
   前記穴の内周端部と前記地導体とを電気的に接続する円筒状の内導体、
   前記地導体と前記誘電体とを貫通して前記パッチ導体に接続された高周波給電線とを備え、
   前記誘電体の比誘電率の変化に応じて、前記直径ｂと直径ａとの比率、ｂ／ａを、電界面ビーム幅と磁界面ビーム幅との差があらかじめ定めた所定の差以下となるように調整したことを特徴とする環状パッチアンテナ。
2. 前記誘電体の比誘電率は１．６から７．８であることを特徴とする請求項１に記載の環状パッチアンテナ。
3. 前記誘電体の比誘電率が１．９〜２．６であり、前記直径ｂと直径ａとの比率、ｂ／ａが０．１〜０．４７であることを特徴とする請求項１に記載の環状パッチアンテナ。
4. 前記誘電体の比誘電率が２．６〜５．５であり、前記ｂ／ａが０．２６〜０．６６であることを特徴とする請求項１に記載の環状パッチアンテナ。
5. 前記誘電体の比誘電率が５．５〜７．８であり、前記ｂ／ａが０．５２〜０．８０であることを特徴とする請求項１に記載の環状パッチアンテナ。
6. 請求項１〜５に記載の環状パッチアンテナを素子アンテナに用いたことを特徴とするアレーアンテナ。
7. 請求項１〜５に記載の環状パッチアンテナを一次放射器に用いたことを特徴とする反射鏡アンテナ。
   

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