JP3223595B2

JP3223595B2 - マイクロストリップアンテナ

Info

Publication number: JP3223595B2
Application number: JP25596492A
Authority: JP
Inventors: 佳貴金山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-08-31
Filing date: 1992-08-31
Publication date: 2001-10-29
Anticipated expiration: 2016-10-29
Also published as: JPH0685528A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロストリップア
ンテナに関し、特に、ビームをチルトさせるアレーアン
テナに用いて好適なマイクロストリップアンテナに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、小型、軽量、ロープロフィルな特
徴を有する平面アンテナが注目されつつある。このロー
プロフィル性をさらに活かす手法として、平面アンテナ
のビームチルトに関する研究が盛んに行われている。

【０００３】これらのビームチルト技術は、マイクロス
トリップアンテナをはじめとする平面アンテナ素子を複
数個配列したアレーにおいて、各アンテナ素子間に位相
差を与えてビームを走査させてビームを傾ける技術であ
る。

【０００４】図８は、比誘電率ε_r からなる基板の厚さ
ｈの誘電体基板２の上に放射導体１を配し、この放射導
体１と対向する面に接地導体３を配している。この接地
導体３側に給電コネクタ５を設けている。給電点４は共
に放射導体１上にある。図８（ａ）は通常のマイクロス
トリップアンテナの平面図、（ｂ）は破断線Ｉ−Ｉ’に
おける断面図ある。また、図８（ｃ）は片側短絡型マイ
クロストリップアンテナを示し、図８（ｄ）は図８
（ｃ）の破断線Ｊ−Ｊ’における断面図である。この片
側短絡型マイクロストリップアンテナは、上記通常のマ
イクロストリップアンテナの零電位面を地板と短絡する
短絡面６を装荷することにより同一共振周波数で作動す
るにもかかわらず、素子寸法が通常のドミナントモード
で励振するマイクロストリップアンテナの１／２となる
小型平面アンテナである。

【０００５】従来の手法としては、ビームをチルトさせ
るにあたり平面アンテナ素子単体についてはビームのピ
ークが正面方向にある通常のブロードサイド型のアレー
アンテナと同様、正面方向にビームのピークが存在する
アンテナ素子を用いている。

【０００６】このアンテナ素子の使用によって、ビーム
走査角が大きいアレーにおいて、走査方向でのアンテナ
素子単体の利得が低下し、所望の方向以外でグレーティ
ングローブが発生してしまい、アンテナの高利得化が妨
げられてしまう。

【０００７】この高利得化を行うため、マイクロストリ
ップアンテナは、このアンテナ内部に短絡面及び窓を構
成し、この内部に給電線路を設け、給電点を任意に設定
することにより、ビームのチルトを行わせている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したマ
イクロストリップアンテナにおけるビームのチルトの角
度変更は、給電線路長を変更させることにより位相差の
設定を変更して行っている。ところが、上述した構成に
すると、マイクロストリップアンテナは、アンテナの内
部領域に窓を設定するために上記給電線路長を長くする
ことができなくなってしまう。このため、マイクロスト
リップアンテナは、上記設定可能な位相差に限界が生じ
てビームのチルト角にも限界が生じてしまう。

【０００９】そこで、本発明は、このような実情に鑑み
てなされたものであり、ビーム走査角の大きいアレーア
ンテナでありながら、上記アレーアンテナの利得低下を
防止して所望の方向以外で発生するグレーティングロー
ブを抑制することができるマイクロストリップアンテナ
の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るマイクロス
トリップアンテナは、誘電体層を介して接地導体に対向
する放射導体を備えたマイクロストリップアンテナにお
いて、上記放射導体を第１及び第２の放射部に分離する
上記放射導体の中心線上に設けられた剥離部と、上記第
１及び上記第２の放射部の互いに対向する端部の上記放
射導体を上記接地導体に接続する上記放射導体の幅より
小なる幅を有する短絡導体と、上記第１及び上記第２の
放射部の上記放射導体の中心に対して点対称な部分を結
合する上記剥離部上に設けられた導電線路とを有するこ
とにより、上述の課題を解決する。

【００１１】上記第１及び上記第２の放射部は上記互い
に対向する端部に各々切欠部を有し、かつ上記導電線路
に給電点を設けることにより、上述の課題を解決する。

【００１２】また、上記導電線路は、給電系の２倍の特
性インピーダンスを有することにより、上述の課題を解
決する。

【００１３】

【作用】本発明のマイクロストリップアンテナは、誘電
体層を介して接地導体に対向する放射導体を備えたマイ
クロストリップアンテナにおいて、上記放射導体を第１
及び第２の放射部に分離する上記放射導体の中心線上に
設けられた剥離部と、上記第１及び上記第２の放射部の
互いに対向する端部の上記放射導体を上記接地導体に接
続する上記放射導体の幅より小なる幅を有する短絡導体
と、上記第１及び上記第２の放射部の上記放射導体の中
心に対して点対称な部分を結合する上記剥離部上に設け
られた導電線路とを有する構成にして所望の方向以外で
のグレーティングローブの発生を抑制している。

【００１４】また、マイクロストリップアンテナは、上
記第１及び上記第２の放射部は上記互いに対向する端部
に各々切欠部を有し、かつ上記導電線路に給電点を設け
て両方の同時励振を可能にする。

【００１５】上記導電線路は、給電系の２倍の特性イン
ピーダンスを有することにより、整合回路を設けること
なく、簡単な構成でマイクロストリップアンテナの整合
を取ることを可能にする。

【００１６】

【実施例】以下、本発明に係るマイクロストリップアン
テナの実施例について、図面を参照しながら説明する。

【００１７】先ず、本発明のマイクロストリップアンテ
ナの基本的な構成について図１に示す概略的な断面図を
参照しながら説明する。マイクロストリップアンテナ１
０の基本構成を説明するため、図１（ａ）に示す平面図
と、この平面図の破断線Ａ−Ａ’及び、破断線Ｂ−Ｂ’
に沿った破断面をそれぞれ図１（ｂ）及び図１（ｃ）に
示す。

【００１８】先ず、マイクロストリップアンテナ１０
は、従来の構成でも説明したように誘電体層を介して接
地導体１３に対向する放射導体１１を備えた構成からな
るものである。このマイクロストリップアンテナは、上
記放射導体１１を第１及び第２の放射部である放射導体
１１ａ、１１ｂに分離する上記放射導体の中心線Ｙ軸上
に設けられた剥離部１８と、上記第１及び上記第２の放
射部１１ａ、１１ｂの互いに対向する端部の上記放射導
体１１を上記接地導体１３に接続する上記放射導体１１
ａ、１１ｂの幅より小なる幅を有する短絡導体１６と、
上記放射導体１１ａ、１１ｂの中心に対して点対称な部
分を結合する上記剥離部１８上に設けられた導電線路で
ある給電線路１７とを設けて構成している。

【００１９】図１に示すマイクロストリップアンテナ
は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）から明かなように基板の
厚さをｈとする比誘電率ε_r からなる誘電体基板１２の
上に放射導体１１を配する。上記放射導体１１の寸法
は、（ａ’＋ｄ）×ｂの大きさである。上記放射導体１
１は、例えば方形、あるいは円形も含む楕円形に形成
し、図１の場合、方形を採っている。

【００２０】マイクロストリップアンテナ１０において
は、図１（ａ）及び図１（ｃ）で示されているように、
放射導体１１を部分的に剥離した導体剥離部１８をギャ
ップとして設けている。このギャップ幅はｄとしてい
る。放射基体１１はこのギャップによって２つの放射部
１１ａ並びに放射部１１ｂに分離される。放射導体１１
と接地導体１３とは短絡導体１６を用いて短絡させてい
る。短絡導体１６は２つの誘電体基板１２の対向する面
に短絡面１６ａ、１６ｂを形成する。短絡面１６ａ、１
６ｂの中心線Ｙ軸方向の長さはそれぞれｃである。

【００２１】また、導体剥離部１８上には例えばマイク
ロストリップ線路等の給電線路１７を設けている。この
給電線路１７は、分離された２つの放射導体１１ａ、１
１ｂを結合している。この際に短絡導体１６の長さｃは
放射導体１１のＹ軸方向の長さｂよりも小さくしてい
る。これによって、給電線路１７は放射導体１１の領域
内に納まったままで構成することができる。また、上記
短絡導体１６は、短絡面１６ａ、１６ｂに限定されるこ
となく、導電ピン、またはスルーホールで上記放射導体
１１と上記接地導体１３とをつないで構成することも可
能である。

【００２２】このように本発明のマイクロストリップア
ンテナは基本的に短絡面１６ａ、１６ｂによって区切ら
れた同一共振周波数で作動する２つの片側短絡型マイク
ロストリップアンテナとみなすことができる。片側短絡
型マイクロストリップアンテナが通常のマイクロストリ
ップアンテナのゼロ電位面を接地導体と短絡したもので
あることは既に従来の説明において前述した通りであ
る。

【００２３】図２はマイクロストリップアンテナタイプ
と共振周波数の関係を示したものである。通常のマイク
ロストリップアンテナは共振周波数をｆ₀ で放射する。
また、片側短絡型マイクロストリップアンテナの共振周
波数はｆ_r0とする。この片側短絡型マイクロストリップ
アンテナの共振周波数ｆ_r0は放射導体の寸法によって略
々決定される。片側短絡型マイクロストリップアンテナ
の一辺の長さをａ／２とした場合においては共振周波数
ｆ_r0は、通常のマイクロストップアンテナの共振周波数
ｆ₀ と等しく、ｆ₀ ＝ｆ_r0になる。

【００２４】また、本発明のマイクロストリップアンテ
ナは、上述したように内部に幅ｄからなるギャップを設
けていることによって一辺の長さは、図１で示したとお
り、ａ’／２であり、通常のマイクロストップアンテナ
の一辺の長さａ／２よりもさらに小さくなる。一般的に
マイクロストリップアンテナの共振周波数は、放射導体
寸法が小さくなれば共振周波数が高くなり、大きければ
共振周波数は低くなる。従って、本発明のマイクロスト
リップアンテナの場合、共振周波数ｆ_r1は片側短絡型マ
イクロストリップアンテナの共振周波数ｆ_r0より高くな
る。

【００２５】ところで、図３は、片側短絡型マイクロス
トリップアンテナの短絡面幅ｃと共振周波数との関係を
示す図である。ここで、短絡面幅ｃ以外の放射導体寸法
は一定にしている。上記短絡面幅をＣ₀ 、Ｃ₁ 、Ｃ₂ と
し、Ｃ₀ ＞Ｃ₁ ＞Ｃ₂ の関係があり、それぞれの短絡面
幅に対応する共振周波数をｆ_r0、ｆ₁ 、ｆ₂ とした場合
において、ｆ_r0 ＞ｆ₁ ＞ｆ₂ となることが知られてい
る。

【００２６】片側短絡型マイクロストリップアンテナの
共振周波数特性は図２及び図３に示した２つの効果によ
って相殺される。すなわち、一辺の長さを小さくするこ
とにより共振周波数を高める効果と短絡面の幅を小さく
することによる共振周波数を低下させる効果によってこ
のマイクロストリップアンテナの共振周波数は同一寸法
の通常のマイクロストリップアンテナの共振周波数と略
々同一の共振周波数で作動させることができる。これに
よって、図１に示した片側短絡型マイクロストリップア
ンテナの一辺の長さａ’が図８に示した片側短絡型マイ
クロストリップアンテナの一辺ａより小さい（ａ’＜
ａ）にもかかわらず、これらの共振周波数は略々同一の
共振周波数で作動させることができる。共振周波数の微
調整は可能であることを示している。

【００２７】この本発明のマイクロストリップアンテナ
に給電する方法について図４を参照しながら説明する。
上記短絡面１６ａの入力インピーダンスは基本的に０Ω
となる。反対側の放射導体縁端１９に近づくに従って入
力インピーダンスが連続的に上昇する。このため、給電
線路１７の特性インピーダンスと等しくなる位置ｅまで
切込みＤを入れてオフセット給電すれば入力インピーダ
ンスの整合が可能になる。また、２つの片側短絡型マイ
クロストリップアンテナを結ぶ給電線路１７上に給電点
１４を設定すれば、短絡面１６ａ、１６ｂで区切られた
２つの放射導体１１ａ、１１ｂを同時に励振させること
が可能になる。

【００２８】なお、給電点方向（Ｘ軸方向）でオフセッ
トするため放射導体１１を剥がした導体剥離部１８は共
振周波数に顕著な影響を与えない。また、片側短絡型マ
イクロストリップアンテナは、給電点をＹ軸方向にずら
しても不要モードが励振されることがないため、入力イ
ンピーダンスの整合を取りながら給電点を設定して給電
することができる。

【００２９】また、マイクロストリップ線路等の給電線
路１７の特性インピーダンスが給電系の特性インピーダ
ンスの２倍の値に設定されると、入力インピーダンスの
整合回路を用いなくても直接給電することができる。す
なわち、例えば通常用いられる５０Ωの給電系に対して
本発明の給電線路１７の特性インピーダンスを１００Ω
に設定してこの給電線路１７に共平面で給電したり、背
面から同軸線路等を用いて給電することにより容易に整
合させることができる。マイクロストリップ線路の特性
インピーダンスは、基本定数及び使用する周波数が決ま
れば線路の幅だけで決定することができる。例えば、特
性インピーダンスを１００Ωに設定するためには、各パ
ラメータである比誘電率ε_r ＝２．６、基板の厚さｈ＝
１．６ｍｍ及び使用する周波数ｆ＝２．８ＧＨｚとした
場合、線路の幅ｗは１．２ｍｍにすれば実現できる。

【００３０】給電点１４を給電線路１７の長さ方向の中
心に設定すると、２つの放射導体１１ａ、１１ｂは等位
相で励振する。また、給電線路１７の長さ方向の中心か
らオフセットすることによって２つの放射導体１１ａ、
１１ｂは励振位相を任意に変化させることを可能にす
る。この位相差によってマイクロストリップアンテナは
ビームをチルトさせることができる。

【００３１】特殊な場合として給電線路１７の長さ方向
の中心に給電すると、２つのアンテナは同相で励振され
ることになるが、アンテナの向きが物理的に逆向きのた
め放射電磁界が正面方向（Ｚ軸方向）で逆相となって打
ち消し合うためＸ−Ｚ面でコニカルパターンを発生す
る。また、もう一つの特殊な場合として位相差が１８０
°となる位置に給電するとによって、放射正面方向で位
相が同相となるために通常のマイクロストリップアンテ
ナと同様の放射パターンが得られる。

【００３２】より具体的な実施例として実際にマイクロ
ストリップアンテナから放射される相対電力のパターン
を図５に示す第１の実施例を参照しながら説明する。こ
こで、基板は、テフロンファイバ基板を用いる。この基
板のファクタは、それぞれ比誘電率ε_r ＝２．６、基板
の厚さｈ＝１．６ｍｍである。また、マイクロストリッ
プアンテナの構造のファクタとして放射導体寸法ａ＝ｂ
＝３２．４ｍｍ、短絡面の幅ｃ＝３０．４ｍｍ、給電線
路１７の特性インピーダンス１００Ωに設定し、共振周
波数ｆ_r ＝２．８ＧＨｚではこれらのパラメータから給
電線路１７の線路幅ｗは１．２ｍｍにしている。

【００３３】位相差を９０°とするため、管内波長λ_g
は、７５．４６ｍｍとなるから、給電線路１７の長さ方
向の中心から９．６ｍｍオフセットした位置に給電すれ
ば９０°の位相差が与えられ、図５に示す放射パターン
は、４５°方向にビームのピークを有する放射パターン
になる。このように構成することにより、マイクロスト
リップアンテナから放射されるビームパターンをチルト
させることができる。

【００３４】次に、マイクロストリップアンテナにおけ
る第２の実施例について図６を参照しながら説明する。
図６に示すマイクロストリップアンテナのパラメータは
比誘電率、基板の厚さ、給電線路１７の特性インピーダ
ンス、給電線路の幅、共振周波数は第１の実施例の場合
と同じ設定で、放射相対寸法ａ＝ｂ＝３３．０ｍｍ、短
絡面の幅ｃ＝３１．０ｍｍだけを変更した設定にしてい
る。

【００３５】ここで、位相差を１８０°とするために
は、位相差０°となる給電線路１７の中心位置からλ_g
／４のオフセットした位置に給電すればよい。なぜな
ら、給電点１４から２つのアンテナ素子をみた場合、ど
ちらか一つには中心よりλ_g ／４進んだ信号が入力さ
れ、他方のアンテナ素子にはλ_g ／４遅れた信号が入力
されることになる。結果的に２つのアンテナ素子間にλ
_g ／２（１８０°）の位相差が与えられる。共振周波数
から管内波長λ_g は、７５．４６ｍｍとなる。給電線路
１７の長さ方向の中心から１８．８ｍｍオフセットした
位置に給電すれば１８０°の位相差が与えられる。図６
に示す放射パターンは、２０°方向にビームのピークが
あるが、このチルトは製作上の誤差により生じたもので
本質的には０゜方向の主ビームをもつ。

【００３６】このように本発明のマイクロストリップア
ンテナは放射導体間の給電線路に直接給電を行っている
が、従来例では、給電線路長に限りがあるため比較的大
きな位相差を与えることは困難であったが、本発明のア
ンテナでは、放射導体寸法ｂと同等の線路長が得られ、
通常、用いられる縦横比（ｂ／ａ）が同じ正方形のマイ
クロストリップアンテナでは共振寸法ａがλ_g ／２とな
るため、位相差は少なくとも１８０°程度まで設定可能
である。

【００３７】なお、１８０°という位相差は任意の方向
へのビームチルトを可能にする上で必要十分な値であ
る。中心から＋方向と−方向へ１８０°位相をずらせる
ことから３６０°までの位相差は必要ない。

【００３８】このように構成することによって、図７
（ａ）に示す各素子に位相差を与えてビームをチルトさ
せるアンテナにおいて、図７（ｂ）に示す通常放射素子
として用いられるパッチアンテナはこのアンテナの主ビ
ームの方向と電波到来方向とを一致させることはできな
い。しかしながら、図７（ｃ）に示すようにアンテナ素
子単体の主ビーム自身が既に所望の電波到来方向に向い
ていることから、本発明によるマイクロストリップアン
テナは利得向上の効果が期待できる。また、マイクロス
トリップアンテナはビーム走査角の大きいアレーアンテ
ナにおける利得の低下を防ぐと共に、所望の方向以外で
のグレーティングローブの発生を抑制することができ
る。

【００３９】このマイクロストリップアンテナは平面ア
ンテナ素子としてビームを走査しない固定ビームのチル
トアンテナ、あるいはある程度のチルト角の近傍の狭い
角度領域でのみビームを走査するアンテナに適する。

【００４０】以上のようにマイクロストリップアンテナ
を構成することにより、ビーム走査角の大きいアレーア
ンテナにおける利得の低下を防ぐと共に、所望の方向以
外に発生するグレーティングローブを抑えると共に、給
電線路長の限界によって２つのアンテナ素子間に与える
位相差に限界をもっていたが、放射導体を分離して極至
近距離に配置し給電線路を構成して必要とされる位相差
の最大値が１８０°とするために給電線路長を波長λ_g
の半波長にすれば、マイクロストリップアンテナからの
放射パターンは位相差を１８０°程度まで設定可能な任
意の方向へビームをチルトさせることができる。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のマイクロストリップアンテナによれば、誘電体層を
介して接地導体に対向する放射導体を備えたマイクロス
トリップアンテナにおいて、上記放射導体を第１及び第
２の放射部に分離する上記放射導体の中心線上に設けら
れた剥離部と、上記第１及び上記第２の放射部の互いに
対向する端部の上記放射導体を上記接地導体に接続する
上記放射導体の幅より小なる幅を有する短絡導体と、上
記第１及び上記第２の放射部の上記放射導体の中心に対
して点対称な部分を結合する上記剥離部上に設けられた
導電線路とを有することにより、所望の方向以外でのグ
レーティングローブの発生を抑制すると共に、上記導電
線路である給電線路上の任意の点に給電して２つの放射
導体の励振位相差が任意に設定できることから、結果と
してビームを任意にチルトさせることができる。

【００４２】また、給電線路長の限界によって生じる２
つのアンテナ素子間に与える位相差の限界を、放射導体
を分離して極至近距離に配置し給電線路を構成して必要
とする位相差の最大値が１８０°であるから、給電線路
長を波長λ_g の半波長にすることによって、位相差を１
８０°程度まで設定可能な任意の方向へビームチルトさ
せることができる。

【００４３】また、マイクロストリップアンテナは、上
記第１及び上記第２の放射部は上記互いに対向する端部
に各々切欠部を有し、かつ上記導電線路に給電点を設け
ることにより、ビームをチルトさせると共に、両方の放
射導体を同時に励振させることができる。

【００４４】上記導電線路は、給電系の２倍の特性イン
ピーダンスを有することにより、マイクロストリップア
ンテナは、内部に整合回路を設けることなく、直接給電
することができ、簡単な構成によるマイクロストリップ
アンテナを実現させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマイクロストリップアンテナにお
ける実施例についての（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）
は破断線に沿った断面図である。

【図２】マイクロストリップアンテナにおける共振寸法
と共振周波数の関係を説明するための模式図である。

【図３】マイクロストリップアンテナにおける短絡面の
幅と共振周波数の関係を説明するための模式図である。

【図４】片側短絡型マイクロストリップアンテナにおけ
る性質によって共振周波数の調整と給電点の設定位置に
応じたインピーダンス整合をとる方法を説明するための
模式図である。

【図５】実際に、マイクロストリップアンテナからこの
励振位相の変化に応じて放射される放射パターンを示す
図である。

【図６】実際に、マイクロストリップアンテナからこの
励振位相の変化に応じて放射される放射パターンを示す
図である。

【図７】（ａ）はビームチルト型平面アレーアンテナ、
（ｂ）は従来のパッチアンテナ、（ｃ）は本発明のマイ
クロストリップアンテナをそれぞれ示す図である。

【図８】（ａ）は通常のマイクロストリップアンテナの
平面図、（ｂ）は破断線に沿った断面図、（ｃ）は片側
短絡型マイクロストリップアンテナの平面図、（ｄ）は
破断線に沿った断面図である。

【符号の説明】

１１・・・・・・・・・・・・放射導体１２・・・・・・・・・・・・誘電体基板１３・・・・・・・・・・・・接地導体１４・・・・・・・・・・・・給電点１５・・・・・・・・・・・・給電コネクタ１６・・・・・・・・・・・・短絡導体１７・・・・・・・・・・・・給電線路１８・・・・・・・・・・・・導体剥離部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体層を介して接地導体に対向する放
射導体を備えたマイクロストリップアンテナにおいて、上記放射導体を第１及び第２の放射部に分離する上記放
射導体の中心線上に設けられた剥離部と、上記第１及び上記第２の放射部の互いに対向する端部の
上記放射導体を上記接地導体に接続する上記放射導体の
幅より小なる幅を有する短絡導体と、上記第１及び上記第２の放射部の上記放射導体の中心に
対して点対称な部分を結合する上記剥離部上に設けられ
た導電線路とを有することを特徴とするマイクロストリ
ップアンテナ。
【請求項２】上記第１及び上記第２の放射部は上記互
いに対向する端部に各々切欠部を有し、かつ上記導電線
路に給電点を設けたことを特徴とする請求項１記載のマ
イクロストリップアンテナ。
【請求項３】上記導電線路は、給電系の２倍の特性イ
ンピーダンスを有することを特徴とする請求項２記載の
マイクロストリップアンテナ。