JP2868197B2 - 特に人工衛星による電話通信のための改良されたマイクロストリップアンテナデバイス - Google Patents

特に人工衛星による電話通信のための改良されたマイクロストリップアンテナデバイス

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JP2868197B2
JP2868197B2 JP4322304A JP32230492A JP2868197B2 JP 2868197 B2 JP2868197 B2 JP 2868197B2 JP 4322304 A JP4322304 A JP 4322304A JP 32230492 A JP32230492 A JP 32230492A JP 2868197 B2 JP2868197 B2 JP 2868197B2
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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、マイクロストリップアンテナデ
バイスに関する。この技術分野において、すでに多くの
アンテナ構造が提案開示されている。最も単純なマイク
ロストリップ放射構造は、一方の側に所与の形状をした
導電パッチを有し他方の側にアース面と呼ばれる導電面
を有する誘電層を備えている。アンテナを構成するに
は、この構造体に超高周波エネルギを給電する給電モー
ドを決定しなければならない。
【0002】パッチを積み重ねて構成したスタックを用
いるアイデアが、1979年3月のアンテナと伝播(An
tennas and Propagation) に関するIEEE論文集(IEE
E Transactions) の第AF27巻の第2号に掲載の「二
重周波数重層円形ディスクアンテナ(A dual frequency
stacked circular disc antenna)」と題するロングお
よびワルトン(LONG & WALTON)の論文に開示されてい
る。他の提案もその後なされている。
【0003】重層の二パッチアンテナの給電について
は、給電を上部パッチのレベルで行うか下部パッチ(ア
ース面により近い)のレベルで行うかにしたがって、操
作観点上全く異なる2つの場合を区別しなければならな
い。給電を下部パッチのレベルで行う場合には、下部パ
ッチの周辺に接続を設けるのが最も一般的である。さら
に、この場合には自動的に、上部パッチのサイズを下部
パッチのサイズより大きくする。この点については、1
991年3月のアンテナと伝播(Antennas and Propaga
tion) に関するIEEE論文集(IEEE Transactions) の
第39巻の第3号に掲載の「プローブ給電重層円形マイ
クロストリップアンテナの入力インピーダンス(Input
impedance of a probe-fed stacked circular microstr
ip antenna) 」と題するタリントセフ、アリおよびコン
グ(TULINTSEFF, ALI & KONG) の論文を参照することが
できる。
【0004】当業者は、重層パッチアンテナの改良を扱
うことが極めて困難であることを知っている。その特性
を理論モデル化する試みが多くなされてきた。例えば、
一例として、1987年のアンテナ伝播(Antenna Prop
agation)に関するIEEEシンポジウム(IEEE Symposiu
m)に掲載の「広帯域適用のための静電結合された二層マ
イクロストリップパッイアンテナ素子の設計(Design o
f a two-layer, capacitively coupled, microstrip pa
tch antenna element for broad band applications)」
と題するコックおよびクリストドゥル(COCK & CHRISTOD
OULOU)の論文をあげることができる。このような試みに
もかかわらず、理論モデル化によってその特性を推測
し、二層以上に積み重ねたパッチを含むマイクロストリ
ップ構造の作用を理解することは非常に困難である。
【0005】本出願人は、航空機のような移動物体との
通信システム(以下、SATCOMシステムという)の
ための電子走査に適したアンテナを提供することを課題
としている。このシステムは、INMARSAT機構
(INMARSAT Organisation)によって操縦されている一連
の静止衛星と関連して操作される。少なくとも、航空機
への適用に関するかぎり、提案する通信サービスは、A
RINC741と呼ばれる国際基準によって規制され
る。
【0006】本発明の目的は技術的には、受信用として
1.5ギガヘルツ(GHz)より少し高く送信用として
1.6ギガヘルツより少し高い2つの非常に近接した帯
域において、送信用にも受信用にも操作可能なアンテナ
を提供することにある。ここでは航空機を想定している
が一般の移動物体が運動するため、この種のアンテナに
電子操作機能は必要である。また、ルーフアンテナある
いは両面アンテナ(Two side antenna)を選択する必要が
ある。両面アンテナの場合には、上述のARINC74
1国際基準は、規定のアンテナを固定することのできる
容積を確保することのできる2つの公式許容形状を定め
ている。アンテナはさらに、移動飛行体の正確な壁形状
に適合することができなければならない。アンテナはさ
らに、空力抵抗を最小限にするために十分薄く、また航
空機の構造に要求される所望の機械的特徴を満足するよ
うに設計されなければならない。
【0007】本発明にかかる研究において、本出願人
は、当業者によって従来受け入れられてきた解決手段に
対して実質的に相反するようなマイクロストリップアン
テナを設計することが可能なことを発見した。かくし
て、本発明は従来のアンテナ素子と基本的に異なるアン
テナ素子を提案する。
【0008】本発明のアンテナ素子は、一方の側にアー
ス面を他方の側に所与の形状をした第1導電パッチを有
する第1の誘電層と、第1の誘電層の第1のパッチの側
に載置され且つ第1のパッチと反対の側に第2の導電パ
ッチを有する第2の誘電層と、第2の誘電層に載置され
た第3の誘電層と、いずれか一方の導電パッチに超高周
波を給電するための手段とを備えている。本発明によれ
ば、第2の導電パッチは第1の導電パッチのサイズより
小さく、第1の導電パッチの中心と周辺との間で選択的
に位置決めされた少なくとも1つの点において第1の導
電パッチに底面から給電する。上記構成により、第1お
よび第2のパッチの各サイズ、第1および第2の誘電層
の誘電特性、および好ましくは第1および第2の誘電層
の誘電率よりかなり高い誘電率を有する第3の誘電層の
誘電特性にしたがって問題の給電点の位置を選択するこ
とを条件として、操作可能なアンテナを構成することが
可能であることがわかった。
【0009】本発明の別の態様によれば、第1の導電パ
ッチはトリプレート構造の誘電基板に設けられた給電回
路を接続するアース面のリードインに接続されている。
さらに特定すれば、上記トリプレート構造は上述のアー
ス面と下部アース面との間に設けられた誘電基板層を備
えている。2つのアース面の間にはアンテナ素子の給電
部分に対する周辺シールドを構成する導電リードインが
設けられている。好ましくは、2つの点において下部パ
ッチに給電することのできるウィルキンソンデバイダ(W
ilkinson divider) が設けられ、上記2つの点と下部パ
ッチの中心はほぼ二等辺三角形を構成し、この2つの点
にそれぞれもたらされる信号は直角位相にある。ウィル
キンソンデバイダは、トリプレート構造にしたがって基
板層の中間レベルに設けられている。この中間レベル
は、アンテナ全体のための中央コネクタと、一連のアン
テナ素子配列としての適用においてアンテナ全体を構成
する様々なアンテナ素子との間の給電配電レベルとして
役立つ。
【0010】より好ましい実施態様によれば、2つのパ
ッチは全体的に円形で、実質的に同軸である。すなわ
ち、誘電層の面に対する同一の垂直線を中心としてい
る。本発明の他の特徴および利点は、以下に述べる詳細
な説明および添付した図面を参照して明らかになるであ
ろう。
【0011】マイクロストリップデバイスにおいて、形
状が重要であることを当業者は知っている。さらに、マ
イクロストリップデバイスの性質を理解する上におい
て、図面は本質的である。したがって、明細書の理解を
容易にするためばかりでなく、本発明の定義に必要なか
ぎり、明細書中で図面を参照する。
【0012】図1および図2において、参照番号PM0
は、航空機の壁に組み込まれるべきシートに絶縁接着剤
によって固着される下部アース面を示している。この下
部アース面の上には、2つの誘電層SDBおよびSDH
が形成されている。誘電層SDHの上にはさらに、別の
アース面PM1が形成されている。誘電層SDBと誘電
層SDHとの間で、さらに正確にはこれら2つの層のい
ずれか一方に、適当なメタライゼーション縞が形成され
た、トリプレート構造を全体として構成している。
【0013】図1には模式的に図3および図4にはさら
に明確に示すように、これらのメタライゼーション縞は
基本的には給電線路Lを備え、この給電線路Lはウィル
キンソンデバイダ方式で分岐している。このデバイダ
は、2つの分岐線路DL1およびDL2を有する。2つ
の分岐線路は最初分岐し、次いで誘電層SDBの厚さ内
に設けられ下部アース面PM0には接続されていない抵
抗器RLLを介して互いに接続されている。次いで、2
つの分岐線路DL1およびDL2は再び分岐して、それ
ぞれ給電点EL1およびEL2に接続されている。これ
らの給電点EL1およびEL2は、リードインTR1お
よびTR2(アース面PM0には接続されていない)を
介して、アース面PM1の上方に載置される誘電層D1
の上方面に形成された下部パッチすなわち制御パッチP
1に設けられた給電点FR1およびFR2に接続されて
いる。
【0014】図3および図4に見られるように、2つの
分岐線路DL1およびDL2の最終部分の長さが異な
り、この結果電磁気学的に、給電点FR1およびFR2
のレベルにおける信号は、ほとんど互いに直角位相にあ
る。パッチP1の給電点FR1およびFR2は、中心と
を結ぶ線が相関的に互いにほぼ直角になるように位置決
めされている。これらの給電点FR1およびFR2は、
パッチP1の中心からD1およびD2の距離に位置決め
されており、この2つの距離は原則的に等しい。この距
離の選択については後述する。しかしながら、2つの距
離D1およびD2は、原則としてパッチP1の半径(図
3においてDP1/2で示される)の50%乃至100
%である。
【0015】パッチP1の上に、誘電層D1と同じ誘電
率を有するが図2に見られるように誘電層D1より厚さ
の大きい第2の誘電層D2が設けられている。誘電層D
2の上部には、原則的に円形でパッチP1と同心である
がパッチP1の直径より小さな直径を有する第2の導電
パッチ2(結合パッチ)が形成されている。アンテナ素
子はさらにもう1つの誘電層DRによって完成されてい
る。この誘電層DRは、レードームを構成し、原則的に
誘電層D1およびD2の誘電率よりかなり高い誘電率を
有する。
【0016】図2および図4において、下部アース面P
M0の下方にある金属シートの後方に位置決めされた同
軸型の超高周波中央コネクタCCHに向かう通路まで金
属化孔を介して給電線路Lが延びているのがわかる。さ
らに、図2および図4を比較すると、この中央コネクタ
には各接触スタッドに対して誘電層SDBの全体を貫通
するU字形の周辺シールドが設けられている。このシー
ルドを連続する導電層によって構成することもできる。
本出願人は、リードインコネクタCCHの位置を包囲す
る横断スタッドを一定数備え、これらのスタッドの間隔
を処理すべき超高周波信号の波長より小さくすれば十分
であることを知得した。
【0017】同様に、BP11、BP12およびBP1
3のような周辺スタッドが、隣接するアンテナ素子に対
してまた外部に対して、本アンテナ素子の給電のための
シールドを構成する。しかしながら、アース面PM1の
上方には、隣接するアンテナ素子に対する本アンテナ素
子の絶縁は全く設けられていないことに注意しなければ
ならない。
【0018】図5は、設定した課題の条件を満たしなが
ら、電子走査に適合するアンテナを構成するために、2
4個のアンテナ素子をどのように配列するべきかを示し
ている。すでに上述したように、これらのアンテナ素子
は少なくとも24個のピンによって中央コネクタに接続
されている。このコネクタの上流において、図2に模式
的に示す移相器DPHによって各アンテナ素子に対する
個別の相互的な移相処理が行われる。アンテナに影響を
及ぼすパラメータは、1)3つの誘電層DR、D2およ
びD1の高さおよび誘電率と、2)パッチP1およびP
2の直径と、3)下部パッチP1の2つの給電点の半径
d=d1=d2である。特に本発明の適用に対して設定
された課題は、単体アンテナ素子から図6に示すような
二重作用を得ることである。すなわち、a)2つの周波
数F1およびF2において非常に良好な適応性(─20
デシベルより良好な)を備えた二重周波数作用と、b)
周波数F1およびF2の周波数間隔を含む周波数F3と
F4との間で少なくとも─10デシベルの適応性を確保
する広帯域特性である。
【0019】本出願人は、周波数F1およびF2が互い
に遠く離れてすぎていないこと、上述の3つの誘電層の
高さや誘電率のパラメータが一定に固定されていること
を勘案し、設定した課題の条件を満足するには、2つの
パッチの半径およびパッチP1における給電半径をパラ
メータとした解決だけが残されていることに着目した。
これらのパラメータのいずれかを変化させると、上記条
件を満足する状態を再発見するのが非常に困難になる。
【0020】問題の現象は完全には理解されていない
が、一般的な場合、2つのパッチP1およびP2のうち
いずれか一方だけが操作周波数に共振するようにすべて
の設定が行われると思われる。一方、アンテナを構成す
るためのパラメータの範囲は非常に小さく、2つのパッ
チは所望の典型的な二重周波数作用を示しながら相互作
用をする。そして、アンテナの望ましい操作条件に答え
るようなこの二重周波数作用の最適点を探究することが
必要である。特に、実用的には、上部レードーム層DR
を備えることなくアンテナ素子を機能させることは非常
に困難であることがわかっている。
【0021】かくして、本出願人は、次のパラメータを
満足するアンテナを提供することができる。 1)層DRの厚さが1.5乃至2.5mm 2)層DRの相対誘電率が4乃至5 3)層D2の厚さが約4.8mm 4)層D1の厚さが約1.6mm 5)層D1およびD2並びに層SDBおよびSDHの相
対誘電率が約2 6)パッチP1の直径が約70mm 7)パッチP2の直径が約60mm 8)給電点FR1およびFR2の半径がパッチP1の半
径の0.5倍乃至0.7倍
【0022】このようなアンテナは、SATCOMの操
作帯域に対して要求される条件を満足することができ
る。すなわち、条件とは次の通りである。 1)受信中心周波数(1.545GHz)において─2
0dBより良好な反射係数 2)送信中心周波数(1.645GHz)において─2
0dBより良好な反射係数 3)周波数1.53乃至1.66GHzにおいて─10
dBより良好なレベルの帯域特性
【0023】次いで、図4および図5に示すような一連
のアンテナ素子の組付けについて説明する。先ず、互い
にほぼ直交する2つの半径上に位置決めされた2つの給
電点において、各下部パッチが給電されることはすでに
述べたとおりである。図示の24個のアンテナ素子に対
して、2つの給電点を適当に様々な態様で配置させるこ
とが重要である。本出願人は、アンテナが円偏波モード
で且つ電子走査用に操作されることを勘案し、上述のよ
うに分散配置することによりアンテナの楕円率を低減さ
せることができることに想到した。このため、給電点を
ほぼランダムに配置するか、あるいはこの楕円率の観点
から好適な形態を実験的に探究することが可能である
(例えば図5に示すように)。
【0024】このように構成された電子走査アンテナ
は、十分に低い二次ローブレベルで、等方向性アンテナ
と比較して少なくとも12デシベルのアンテナ利得をも
って、60度まで及ぶ照準ずれ角度に対して操作するこ
とができることがわかった。アンテナ利得のロスと二次
ローブレベルとの間の良好な妥協は、僅かに振幅重み付
きの照度法則を適用することによって得られる。これ
は、サーキュラー20デシベルタイプのテイラー法則で
あるのがよい。この法則は、当業者にとって既知であ
る。各アンテナ素子に伴う移相器は、航空機の内部に収
容されたビームステアリングユニット(BSU)に組み
込まれているのがよい。好ましくは、4ビットの二進ワ
ードによって制御されるPINダイオードによってスイ
ッチオンオフされる線路移相器が使用されるのがよい。
こうして、22.5度の解像度が得られる。
【0025】移相器ブロックに組み込まれた配電器によ
って、上述の法則にしたがって振幅の均整が確保され
る。本発明の特に意図する適用において、アンテナは、
比較的近接した周波数において送信モードにも受信モー
ドにも操作されなければならない。電子走査用移相器の
校正については、約8%の帯域に亘って、アンテナ素子
配列を同位相にしなければならない。帯域の中心周波数
において位相コードを計算するよりはむしろ、2つの全
く別個の周波数を使用していることや、移相器(交換回
線)の数量化および性質を考慮に入れるのが好ましいこ
とを本出願人は知得した。この目的のために、以下に説
明する校正手順を用いる。
【0026】標準的なアンテナ、すなわち非平面型のア
ンテナのアンテナ素子の中心座標をXi、Yi、Ziと
する。周波数fにおいて主ビームをU、Vの方向に移動
させたいとき、このアンテナ素子Aiに理論的移相DP
iを適用しなければならない。理論的移相DPiは、当
業者に知られているようにf、U、Vの関数である。す
なわち、 DPi(f,U,V) 実際には、校正テーブルTC(n,F)を使用する。こ
こで、周波数Fの個別値に限定されるが、nは移相器の
所要の状態を示す整数(または他の個別変数)であっ
て、nは0以上且つN以下である。実際の値は次式のよ
うに表される。 DQi(F,n)
【0027】本実施例では、1.53─1.66GHz
の帯域において101の周波数点がとられ、Nは15で
あり、nは4ビットで定義される。この方法は単一周波
数に対してアンテナ素子配列を正しく同位相にするだけ
である。ところが、本発明のアンテナは本質的に二重周
波数作用を有する。本出願人は次いで、2つの周波数f
1およびf2に対して理論的位相と実際の集計表示位相
との間の距離を設定する。 DDi= |DQi(F1,n)−DPi(f1,U,V)| +|DQi(F2,n)−DPi(f2,U,V)| ここで、||は絶対値を表す。各照準方向および各アン
テナ素子に関して、校正はこの関数DDiを最小にする
値nを求めることにある。移相器の走査は上述のように
行われる。もちろん、こうした校正は記憶される。
【0028】本発明は、上述の実施例の態様にも本発明
の適用例にもかならずしも限定されない。アンテナ素子
は、その具体的構成を新たにすることによって、他の適
用例に使用されうる。マイクロストリップ素子とトリプ
レートの給電装置(フィーダー)とを同じ誘電スタック
内で組み合わせることも考えられる。本実施例のモード
の円偏波以外の偏波モードでもよい。本発明のもう1つ
の特徴は、誘電層D1およびD2に関するかぎり、誘電
率の低い誘導体、または多孔質の誘電体、気体で構成さ
れる誘電体に頼らなくてもいい点である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアンテナ素子の全体を模式的に示す分
解透視図である。
【図2】図1のアンテナ素子の破断部分断面図である。
【図3】ウィルキンソンデバイダによる下部パッチの給
電手段への接続部の部分詳細図である。
【図4】24の素子からなるアンテナのために中央コネ
クタに相互接続される24のウィルキンソンデバイダの
底面図である。
【図5】図4に正確に対応した24の下部パッチの上面
図である。
【図6】アンテナの反射係数と周波数との関係を示す図
である。
【符号の説明】
PM1 アース面 P1 第1の導電パッチ D1 第1の誘電層 P2 第2の導電パッチ D2 第2の誘電層 DR 第3の誘電層 SDH 誘電基板 SDB 誘電基板 DL1 給電回路 DL2 給電回路 TR1 リードイン PM0 下部アース面 DPH 移相器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−189002(JP,A) 特開 昭56−715(JP,A) 特開 平2−262703(JP,A) 特開 昭64−53606(JP,A) 特開 平3−204204(JP,A) 特開 平3−165103(JP,A) 特開 平2−53302(JP,A) 電子情報通信学会春季全国大会(1989 年) B−117 昭和63年電子情報通信学会春季全国大 会 B−88 昭和57年電子情報通信学会全国大会 642 電子情報通信学会論文誌 ’85/4 Vol.J68−B,No.4.1985,p p.515−522 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01Q 13/08 H01Q 3/30 H01Q 5/00 JICSTファイル(JOIS) WPI(DIALOG)

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一方の側にアース面(PM1)を他方の
    側に所与の形状をした第1の導電パッチ(P1)を有す
    る第1の誘電層(D1)と、第1の誘電層の第1のパッ
    チの側に載置され且つ第1のパッチと反対の側に第2の
    導電パッチ(P2)を有する第2の誘電層(D2)と、
    第2の誘電層に載置された第3の誘電層(DR)と、い
    ずれか一方の導電パッチに超高周波を給電するための手
    段とを備えた、アンテナデバイスにおいて、 第2の導電パッチ(P2)のサイズは第1の導電パッチ
    (P1)のサイズよりも小さく、第1の導電パッチ(P
    1)だけが超高周波を給電するための手段に物理的に接
    続され、この給電接続は第1の導電パッチ(P1)の中
    心と周辺との間で選択的に位置決めされた少なくとも1
    つの点(FR1)においてその底面側から行われている
    ことを特徴とする、アンテナデバイス。
  2. 【請求項2】 第1の導電パッチ(P1)が、トリプレ
    ート構造の誘電基板(SDH、SDB)に設置された給
    電回路(DL1、DL2)を接続するアース面(PM
    1)のリードイン(TR1)に接続されていることを特
    徴とする請求項1に記載のアンテナデバイス。
  3. 【請求項3】 2つのパッチ(P1、P2)が、全体的
    に円形であることを特徴とする請求項2に記載のアンテ
    ナデバイス。
  4. 【請求項4】 2つのパッチ(P1、P2)が、実質的
    に同軸であることを特徴とする請求項3に記載のアンテ
    ナデバイス。
  5. 【請求項5】 第1および第2の誘電層(D1、D2)
    および誘電基板(SDH、SDB)の誘電材料の誘電率
    が約2であり、第1の誘電層(D1)に対する第2の誘
    電層(D2)の厚さの比が約3であることを特徴とする
    請求項2乃至4のいずれか1項に記載のアンテナデバイ
    ス。
  6. 【請求項6】 第3の誘電層(DR)の誘電材料の誘電
    率が約4であることを特徴とする請求項5に記載のアン
    テナデバイス。
  7. 【請求項7】 上記トリプレート構造はアース面(PM
    1)と下部アース面(PM0)との間に設けられた誘電
    基板層(SDH、SDB)と、周辺シールドを構成する
    導電リードイン(BP11−BP13)と、誘電基板層
    の中間レベルに設けられ且つ2つの点(FR1、FR
    2)において下部パッチ(P1)に給電することのでき
    るウィルキンソンデバイダ(DL1、DL2、RLL)
    とを備え、2つの点と下部パッチ(P1)の中心はほぼ
    二等辺三角形を構成することを特徴とする請求項2乃至
    6のいずれか1項に記載のアンテナデバイス。
  8. 【請求項8】 誘電基板層(SDH、SDB)の誘電材
    料は、第1および第2の誘電層(D1、D2)の誘電材
    料とほぼ同じ誘電率を有することを特徴とする請求項7
    に記載のアンテナデバイス。
  9. 【請求項9】 同一の1組の第1および第2の誘電層
    (D1、D2)に、一連の第1の導電パッチ(P1)お
    よび第2の導電パッチ(P2)がそれぞれ設けられてい
    ることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記
    載のアンテナデバイス。
  10. 【請求項10】 電子走査機能を付与するための制御さ
    れた移相器(DPH)を備えていることを特徴とする請
    求項9に記載のアンテナデバイス。
  11. 【請求項11】 下部パッチ(P1)の一対の給電点
    (FR1、FR2)が、はっきりと照準ずれした際のア
    ンテナの楕円率を改良するために所定の形態にしたがっ
    て配置されていることを特徴とする請求項7、8および
    10のいずれか1項に記載のアンテナデバイス。
  12. 【請求項12】 移相器(DPH)は、理論値とアンテ
    ナの2つの中心周波数の両方に対する実際値との間の距
    離の関数を基礎にして校正されることを特徴とする請求
    項10または11に記載のアンテナデバイス。
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