JP2010114645A - アンテナ装置及びそれを備えたアレーアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作製容易かつ安価で、給電損失の低減化及び周波数帯域の広範化を図ることができるアンテナ装置及びそれを備えたアレーアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】アンテナ装置１０は、凹部１１ａが形成されたグランド板１１上に、発泡材１２、リジッド基板１３、発泡材１４、無給電素子１５が順次設けられ、リジッド基板１３の下面には給電素子１６及び給電線１７が形成され、銅損と放射損との合計損失が最小となるよう発泡材１２の厚さを設定し、インバーテッドマイクロストリップ線路を形成して誘電体損を低減させる構成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば衛星と通信する地上無線局で使用されるアンテナ装置及びそれを備えたアレーアンテナ装置に関する。

従来、この種のアンテナ装置としては、図４に示すようなマイクロストリップアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照）。図４に示すように、従来のアンテナ装置は、いわゆるマイクロストリップ線路を備えたものである。

マイクロストリップアンテナは、軽量で薄型であり製作が容易であるなど多くの利点を有している反面、これらを並列接続した並列給電型マイクロストリップアレーアンテナではマイクロストリップ給電線による給電損失が大きく、アンテナの周波数帯域が狭いという欠点を有している。

従来、給電損失を減らすためには導波管による給電、トリプレート構造による給電などの手段があったが、これらを採用しようとすると構造が複雑になり、製造コストが増大するとともに、マイクロストリップアンテナの軽量、薄型という利点が生かされないという欠点があった。

マイクロストリップアンテナの利点である軽量、薄型という利点を生かすため、給電線と給電素子とを同一基板上に設けるアンテナ構成とすれば、製作が容易で量産に向き、安価となる。しかしながら、給電線をマイクロストリップ線路で構成した場合、給電損失は、銅損、放射損、誘電体損の総和となり損失が大きくなる。

このうち誘電体損は使用する基板の誘電正接ｔａｎδにより決定される損失であり、給電線の電界が基板内に存在する構造では回避できない損失である。また、放射損はマイクロストリップ線路の２分岐及びトランスなどの不連続部分からのスプリアス放射による損失である。また、給電線の銅損及び放射損は基板の厚さに応じて変化することが知られており、線路の特性インピーダンスを一定と考えると、これらの合計損失が最小となる基板厚が存在する。例えば、使用周波数＝１．６ＧＨｚ、基板の比誘電率＝１．０、給電線のインピーダンス＝５０Ωとすると、銅損と放射損との合計損失が最小となる基板厚は１ｍｍとなる。しかしながら、同一基板上にマイクロストリップ線路と給電素子とを設ける場合、この厚さの基板では薄いため給電素子のＱ値が高くなって狭帯域なアンテナとなる。

一般に、マイクロストリップアンテナの周波数帯域幅はＱ値に反比例する。また、マイクロストリップアンテナのＱ値は基板の比誘電率に比例し、基板厚に反比例することが知られている。したがって、広帯域なアンテナを実現するためにはＱ値を低くする必要があり、Ｑ値を低くするためには基板厚を厚くする必要がある。しかしながら、基板厚を厚くするとマイクロストリップ給電線からの放射損が増加するという課題があった。
特開平９−１０７２２６号公報

本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたものであり、作製容易かつ安価で、給電損失の低減化及び周波数帯域の広範化を図ることができるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、凹部を有するグランド板と、前記凹部の開口側の前記グランド板の面から予め定めた距離をおいて前記グランド板に対向して設けられたリジッド基板と、前記グランド板に対向する前記リジッド基板の対向面上であって前記凹部の開口を投影した領域内に設けられた給電素子と、前記リジッド基板の対向面上に設けられ前記給電素子に接続された給電線とを備え、前記給電線の損失に基づいて前記グランド板と前記リジッド基板との間隔を設定した構成を有している。

この構成により、本発明のアンテナ装置は、インバーテッドマイクロストリップ線路を備えることとなり、グランド板と給電線との間隔を銅損と放射損との合計損失が最小となるよう設定し、インバーテッドマイクロストリップ線路を用いて誘電体損を低減させることにより、作製容易かつ安価で、給電損失の低減化を図ることができる。

また、この構成により、本発明のアンテナ装置は、凹部を有するグランド板を備えるので、作製容易かつ安価で、周波数帯域の広範化を図ることができる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記グランド板と前記リジッド基板との間隔を保持する発泡材を備えた構成を有している。

この構成により、本発明のアンテナ装置は、グランド板と給電線との間に空気層を備えた状態で両者の間隔を一定に保つことができるので、作製容易かつ安価で、給電損失の低減化を図ることができる。

さらに、本発明のアンテナ装置は、前記リジッド基板の対向面の裏面から予め定めた距離をおいて前記給電素子に対向して設けられた無給電素子を備えた構成を有している。

この構成により、本発明のアンテナ装置は、無給電素子によって更なる周波数帯域の広範化を図ることができる。

さらに、本発明のアンテナ装置は、前記リジッド基板と前記無給電素子との間隔を保持する発泡材を備えた構成を有している。

この構成により、本発明のアンテナ装置は、リジッド基板と無給電素子との間に空気層を備えた状態で両者の間隔を一定に保つことができ、この間隔の設定により所望の周波数帯域幅を得ることができる。

さらに、本発明のアンテナ装置は、前記無給電素子を前記リジッド基板側から支持する支持手段を備えた構成を有している。

この構成により、本発明のアンテナ装置は、リジッド基板と無給電素子とを支持手段により堅固に固定することができる。

本発明のアレーアンテナ装置は、アンテナ装置を複数備え、複数のアンテナ装置に並列給電するものである構成を有している。

この構成により、本発明のアレーアンテナ装置は、銅損と放射損との合計損失が最小となるよう設定され、インバーテッドマイクロストリップ線路を用いて誘電体損が低減されたアンテナ装置を複数備えるので、作製容易かつ安価で、給電損失の低減化を図ることができる。

また、この構成により、本発明のアレーアンテナ装置は、凹部が形成されたグランド板を有するアンテナ装置を複数備えるので、作製容易かつ安価で、周波数帯域の広範化を図ることができる。

本発明は、作製容易かつ安価で、給電損失の低減化及び周波数帯域の広範化を図ることができるという効果を有するアンテナ装置及びそれを備えたアレーアンテナ装置を提供することができるものである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

まず、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態における構成について図１を用いて説明する。図１（ａ）は各要素の配置を概念的に示す上面図、図１（ｂ）はアンテナ装置の断面を概念的に示す図である。

図１に示すように、本実施形態におけるアンテナ装置１０は、グランド電位となるグランド板１１上に、発泡材１２、リジッド（rigid）基板１３、発泡材１４、無給電素子１５が順次設けられた構成を有する。グランド板１１側にあるリジッド基板１３の面（以下「下面」といい、その反対側を「上面」という。）には、給電素子１６と、給電線１７とが設けられている。

グランド板１１は、例えば板金加工された銅板やアルミニウム板で構成され、凹部１１ａを有している。凹部１１ａの深さは、送受信する電波の周波数帯域等に応じて設定されるようになっている。

発泡材１２は、例えば発泡ウレタンや発泡スチロール等の材料で構成され、グランド板１１に形成された凹部１１ａの開口面側に設けられている。

リジッド基板１３は、堅固な基板で構成され、その下面には、給電素子１６及び給電線１７を同一面に形成するために、例えば銅箔が設けられている。

発泡材１４は、発泡材１２と同様の材料で構成され、リジッド基板１３と無給電素子１５との間に設けられている。この構成により、発泡材１４の厚さによって周波数帯域幅が決定される。したがって、所望の周波数帯域幅が得られるよう発泡材１４の厚さを調整する。

無給電素子１５は、例えば板金加工された銅板やアルミニウム板で構成され、スペーサ１８を介してリジッド基板１３に固定されている。例えば、リジッド基板１３及び無給電素子１５にはネジ止め用の貫通穴が設けられ、リジッド基板１３及び無給電素子１５が、それぞれ、スペーサ１８にネジ止めされて固定されるようになっている。本実施形態におけるアンテナ装置１０は、この無給電素子１５を備えることにより、周波数帯域をさらに広範化できる。なお、スペーサ１８は、本発明に係る支持手段を構成する。

給電素子１６及び給電線１７は、例えば銅箔で構成され、エッチング等によりリジッド基板１３の下面の同一面上に形成されるようになっている。前述の無給電素子１５及び給電素子１６は、図１（ａ）に示すように、グランド板１１の凹部１１ａをリジッド基板１３に投影した領域内に含まれる構成となっており、両者は互いに対向している。また、無給電素子１５と給電素子１６との間隔は、使用周波数の帯域幅に応じて設定されるようになっている。なお、本実施形態においては、無給電素子１５及び給電素子１６の形状を方形としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば円形としてもよい。

次に、アンテナ装置の基本的な構成について図２を用いて説明する。図２（ａ）はマイクロストリップ線路を示し、図２（ｂ）はインバーテッドマイクロストリップ（Inverted Microstrip）線路を示している。

図２（ａ）に示すように、マイクロストリップ線路は、グランド電極３１上に基板３２を設け、基板３２上に導体３３が形成される構成となっている。一方、図２（ｂ）に示すように、インバーテッドマイクロストリップ線路は、グランド電極４１から空気層４２を隔てて基板４４を設け、グランド電極４１と対向する基板４４の面上に導体４３が形成される構成となっている。

インバーテッドマイクロストリップ線路は、電界が生じる領域の大部分が空気となるため、給電損失の一つである誘電体損をマイクロストリップ線路よりも減少させることができる。本実施形態におけるアンテナ装置１０は、図１に示したように、インバーテッドマイクロストリップ線路を備える構成となっているので、マイクロストリップ線路を用いたものよりも誘電体損を減少させることができる。

ここで、図２（ｂ）に示した空気層４２に相当する領域に、本実施形態におけるアンテナ装置１０では発泡材１２を設ける構成としている（図１参照）。発泡材１２を設けたことにより、グランド板１１とリジッド基板１３との間隔、すなわちグランド板１１と給電線１７との間隔を一定に保つことができて好ましい。また、発泡材１２として発泡率が比較的大きいものを用いることにより発泡材１２の領域は空気層と同等となるので、発泡材１２を設けたことによる損失は無視できる。なお、本発明は、グランド板１１とリジッド基板１３との間に発泡材１２を設ける構成に限定されるものではなく、例えば、グランド板１１とリジッド基板１３との間が空気層とみなせる程度のスペーサを設けて両者間を離隔する構成としてもよい。

次に、アンテナ装置１０における給電損失について図３を用いて説明する。ここで、図３の横軸は、グランド板１１と給電線１７との間隔を示している。この間隔はインバーテッドマイクロストリップ線路においては空気層の厚さに相当するので、この間隔を以下「空気層厚」という。

図３は、使用周波数＝１．６ＧＨｚ、空気層厚の比誘電率＝１．０、給電線１７のインピーダンス＝５０Ωにおいて、空気層厚に対する給電線１７の銅損及び放射損、並びに銅損と放射損との合計損失の関係を示したものである。

図３に示すように、給電線１７の銅損及び放射損は、空気層厚の大きさによって変化し、給電線１７のインピーダンスを一定とすると銅損と放射損との合計損失が最小となる空気層厚が存在することがわかる。前述の条件では、空気層厚が約１ｍｍのときにおいて銅損と放射損との合計損失が最小となっている。

したがって、銅損と放射損との合計損失が最小となる空気層厚とほぼ等しい厚さで発泡材１２を構成し、インバーテッドマイクロストリップ線路を用いて誘電体損を低減させることにより、本実施形態におけるアンテナ装置１０は、給電損失の低減化を図ることができる。

［本実施形態におけるものと従来のものとの対比］
次に、本実施形態におけるアンテナ装置１０と、前述の特許文献１に示された従来のアンテナ装置との対比を行う。図４は、従来のアンテナ装置の概念的な断面図である。図４に示すように、従来のアンテナ装置は、凹部１ａが形成された導体平板１、発泡材２、フィルム基板３、給電素子４、給電線５、発泡材６、フィルム基板７、無給電素子８を備えたものである。

従来のアンテナ装置は、フィルム基板７を用いているので、表面処理として半田コーティングを施そうとすると、作業が非常に煩雑となって製造コストが増大する。また、従来のアンテナ装置は、フィルム基板７を用いているので、周囲温度の変化に影響を受けやすく、グランド電位となる導体平板１と給電線５との間隔、及び給電素子４と無給電素子８との間隔を一定に保つことが困難であり、周囲温度に応じて特性が変化してしまう。さらに、従来のアンテナ装置は、給電線５がサスペンデッド（suspended）線路となる構成を有するので、フィルム基板７の損失が問題となる場合がある。

これに対して、本実施形態におけるアンテナ装置１０（図１参照）は、リジッド基板１３を用いているので、半田コーティングは容易であり、低コストで施すことができる。また、本実施形態におけるアンテナ装置１０は、発泡材１２、リジッド基板１３及び板金の無給電素子１５を用いたことにより、グランド板１１と給電線１７との間隔、無給電素子１５と給電素子１６との間隔を一定に保つことができ、特性のばらつきが少なくなり、温度特性も安定したものとなる。さらに、本実施形態におけるアンテナ装置１０は、インバーテッド線路を用いているので、給電損失が極めて少ない。

以上のように、本実施形態におけるアンテナ装置１０によれば、グランド板１１に対向するリジッド基板１３の同一面上に給電素子１６及び給電線１７を設け、グランド板１１とリジッド基板１３との間に発泡材１２を設け、銅損と放射損との合計損失が最小となるよう発泡材１２の厚さ設定し、インバーテッドマイクロストリップ線路を用いて誘電体損を低減させる構成としたので、作製容易かつ安価で、給電損失の低減化を図ることができる。

また、本実施形態におけるアンテナ装置１０によれば、グランド板１１に凹部１１ａを形成することにより、実効的な基板厚を厚くすることができるのでＱ値が下がり、作製容易かつ安価で、周波数帯域の広範化を図ることができる。また、アンテナ装置１０においては、凹部１１ａの深さを任意に設定できるので、周波数帯域を任意に選択することができる。

また、本実施形態におけるアンテナ装置１０によれば、凹部１１ａを有するグランド板１１上に積層する部材を比較的軽いもので構成したので、作製容易かつ安価で、容易に量産化できるアンテナ装置を実現することができる。

また、本実施形態におけるアンテナ装置１０は、偏波の種類に関わらず、円偏波素子、直線偏波素子の両方に適用することも可能である。

また、本実施形態におけるアンテナ装置１０を複数用意し、各アンテナ装置１０の給電線１７を並列接続することにより、作製容易かつ安価で、給電損失の低減化及び周波数帯域の広範化を図ることができる並列給電型アレーアンテナを構成することができる。

以上のように、本発明に係るアンテナ装置及びそれを備えたアレーアンテナ装置は、作製容易かつ安価で、給電損失の低減化及び周波数帯域の広範化を図ることができるという効果を有し、マイクロ波帯やミリ波帯等の電波を用いて通信するアンテナ装置やアレーアンテナ装置として有用である。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態における概念的な構成図 （ａ）各要素の配置を概念的に示す上面図 （ｂ）アンテナ装置の断面を概念的に示す図 本発明に係るアンテナ装置の一実施形態における構成説明図 （ａ）マイクロストリップ線路の構成図 （ｂ）インバーテッドマイクロストリップ線路の構成図 本発明に係るアンテナ装置の一実施形態において、グランド板〜給電線間隔と銅損及び放射損との関係を示す図 従来のアンテナ装置の概念的な断面図

符号の説明

１０ アンテナ装置
１１ グランド板
１１ａ 凹部
１２、１４ 発泡材
１３ リジッド基板
１５ 無給電素子
１６ 給電素子
１７ 給電線
１８ スペーサ（支持手段）
３１、４１ グランド電極
３２、４４ 基板
３３、４３ 導体
４２ 空気層

Claims (6)

1. 凹部を有するグランド板と、前記凹部の開口側の前記グランド板の面から予め定めた距離をおいて前記グランド板に対向して設けられたリジッド基板と、前記グランド板に対向する前記リジッド基板の対向面上であって前記凹部の開口を投影した領域内に設けられた給電素子と、前記リジッド基板の対向面上に設けられ前記給電素子に接続された給電線とを備え、
   前記給電線の損失に基づいて前記グランド板と前記リジッド基板との間隔を設定したことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記グランド板と前記リジッド基板との間隔を保持する発泡材を備えたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記リジッド基板の対向面の裏面から予め定めた距離をおいて前記給電素子に対向して設けられた無給電素子を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記リジッド基板と前記無給電素子との間隔を保持する発泡材を備えたことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記無給電素子を前記リジッド基板側から支持する支持手段を備えたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のアンテナ装置を複数備え、複数のアンテナ装置に並列給電するものであることを特徴とするアレーアンテナ装置。

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