JP3284971B2 - 平面アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、利得の向上を図
った平面アンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の平面アンテナの一種にパッチアン
テナというものがある。図２は従来のパッチアンテナの
一例を示す図である。この図において、符号１はテフロ
ン等の誘電体で形成されたアンテナ基板であり、その裏
面は銅箔等の導体材料で形成されたグランド面２となっ
ている。アンテナ基板１の表面にはアンテナエレメント
３、給電点４が設けられ、これらは共に銅箔等の導体材
料で形成されている。このアンテナエレメント３には高
周波電流が供給され、これにより、図２に示されている
座標軸のＸ方向に磁界成分を持ち、Ｙ方向に電界成分を
持つ電磁波ビームがＺ方向へ放射される。また、アンテ
ナエレメント３の形状については長方形や円形のものが
使用される。

【０００３】また、複数のアンテナエレメント３を同一
平面上に整然と配列し、高周波電流を並列に供給して使
用するパッチアレーアンテナも知られている。これは、
アンテナエレメント３の数を増やして並列に給電するこ
とで、より高い利得と指向性を得るためである。図３は
ＸＹ平面上に４つのアンテナエレメント３を、均等かつ
互いが同一の方向を向くように配置している平面アンテ
ナの例である。この図において、アンテナ基板７の表面
では、複数のアンテナエレメント３と給電点４が給電線
８によって接続されている。給電線８については、給電
点４から各アンテナエレメント３までの実効長が全て等
しくなるようにレイアウトされる必要がある。これによ
り、各アンテナエレメント３に同位相の高周波電流が供
給されて、各アンテナエレメント３で発生する電界は同
一方向で強めあう。従って、アンテナエレメント３が単
体の場合に比べ、大きな利得と強い指向性が期待でき
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図３において
は、アンテナから放射される電磁波の周波数とアンテナ
基板７の誘電体の誘電率からアンテナエレメント３の大
きさが決定されてしまうので、アンテナ基板７のスペー
スが限られている場合や周波数に問題がある場合には、
アンテナエレメント３の数を増やすことができない。ま
た、限られたスペースでのアレー化は、複数のアンテナ
エレメント３の間で相互干渉が起きてしまう恐れがあ
る。また、放射される電磁波の周波数を一定とした場
合、アンテナ基板７の誘電体の誘電率を高くすることに
よりアンテナエレメント３のサイズを小さくすることは
できるが、同時にｔａｎδ（コンデンサ損失）の増大や
ＶＳＷＲ（電圧定在波比）の狭帯域化を招く。

【０００５】この発明はこのような点を考慮してなされ
たもので、アンテナエレメント間の相互干渉を避けるた
めにこれを単体で用いて、なおかつアンテナ基板の誘電
率を高めずに、ｔａｎδ（コンデンサ損失）の増大、Ｖ
ＳＷＲ（電圧定在波比）の狭帯域化を防ぎながら電磁波
ビームパターンの狭帯域化を行い、平面アンテナの利得
を向上させることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
誘電体によって形成されたアンテナ基板と、前記アンテ
ナ基板表面に形成され、高周波電流を供給されることに
より電磁波を放射する単体のアンテナエレメントと、前
記アンテナ基板に取り付けられた支持部材と、前記支持
部材により支持され、前記アンテナ基板の上面を覆う誘
電体とを具備し、前記アンテナ基板の上面を覆う前記誘
電体が、板厚一定の形状であって前記アンテナ基板に対
して平行に、かつ、該アンテナ基板から３／４λ（λ：
アンテナから放射される電磁波の実効波長）の位置に配
置され、かつ、前記板厚は、前記アンテナエレメントに
供給される前記高周波電流の実行波長の３倍以内であ
り、かつ、前記アンテナエレメントにより放射された前
記電磁波を屈折させて集束させることを特徴とする平面
アンテナである。

【０００７】

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施形態によ
る平面アンテナについて、図面を参照して説明する。図
１はこの発明の一実施形態による平面アンテナの構成を
示す側面図である。この図において、底面のアンテナ基
板の構成は前述の図２で述べた内容と同一である。すな
わち、符号１はテフロン等の誘電体で形成されたアンテ
ナ基板であり、その裏面はグランド面２となっており、
表面にはアンテナエレメント３、給電点４が設けられて
いる。符号５は金属製の支持部材であり、底面のアンテ
ナ基板１に取り付けられている。符号６はテフロン等で
形成された誘電体であり、支持部材５によって支えられ
ながらアンテナ基板１の上面を覆う形で設置されてい
る。この誘電体６の位置については、アンテナ基板１の
上方３／４λ（λ：アンテナエレメント３に供給される
高周波電流の実効波長）の高さの場合が、実験の結果最
も高いアンテナ利得が得られたのでその位置に設置され
ている。

【０００９】このような構成において、底面のアンテナ
エレメント３から上方へ発射された電磁波ビームは誘電
体６まで到達して、その内部へ進入する際に屈折する。
電磁波ビームはその後誘電体６を通過して再び大気中へ
飛び出す際に再度屈折し、結果として元の伝搬方向から
平行移動した形で進行する。電磁波ビームの進行方向ベ
クトルは誘電体の有無により変わることはないが、誘電
体６を通過する際の屈折により平行移動した分だけ誘電
体６がない従来の場合に比べ、電磁波ビームの放射範囲
は実質的に狭められる。この結果、アンテナエレメント
が単体であっても利得の向上が得られることになる。

【００１０】図４は上述したこの発明の一実施形態によ
る平面アンテナの電磁波ビームの水平面における指向特
性を示す図である。この平面アンテナでは、水平面内に
おける電磁波ビームの半値角θ1が、図５に示す従来の
平面アンテナの電磁波ビームの水平面内における半角値
θ2と比べると狭帯域化しており、指向特性を向上させ
る効果があることが示されている。

【００１１】また、ここでは、給電点４とアンテナエレ
メント３が接続されているが、この場合、受端側（アン
テナエレメント３）の負荷インピーダンスと伝送線路の
特性インピーダンスが等しくないと、入射波の一部がア
ンテナエレメント３で反射されて反射波を形成する。こ
の入射波と反射波が干渉して電圧および電流に定在波が
発生する。この電圧定在波の最大値と最小値の比をＶＳ
ＷＲ（電圧定在波比）という。ＶＳＷＲ（電圧定在波
比）については、ここではアンテナの伝送線路における
インピーダンスの整合状態の尺度として用いられ、 という式で与えられる。ただし、γは電圧反射係数であ
り、ここではアンテナエレメント３における入射波と反
射波との比である。ＶＳＷＲ（電圧定在波比）の値につ
いては、γ＝１（解放端）の場合、無限大となり、γ＝
０（完全整合）の場合、１となる。従って、ＶＳＷＲ
（電圧定在波比）の値が１に近いほど整合状態の良い伝
送線路であるといえる。

【００１２】図６はこの発明の一実施形態による平面ア
ンテナのＶＳＷＲ（電圧定在波比）特性である。この図
において、横軸は周波数を、縦軸はＶＳＷＲ（電圧定在
波比）を示している。この平面アンテナのＶＳＷＲ（電
圧定在波比）特性では、図７に示す従来の平面アンテナ
のＶＳＷＲ（電圧定在波比）特性に比べると、広い周波
数帯域でＶＳＷＲ（電圧定在波比）値が１に近づいてお
り、インピーダンスの整合性を向上させる効果があるこ
とが示されている。

【００１３】一方、誘電体６の厚みｄを増すことによっ
ても電磁波ビームの進行方向を大きく平行移動させて、
更に電磁波ビームを狭帯域化させることが可能になる。
しかし、コンデンサ損失等を考慮に入れると、厚みｄの
値はアンテナエレメント３に供給される高周波電流の実
効波長の３倍以内としておくべきである。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、誘電体を、板厚一定の形状で、前記アンテナ基板に
対して平行に、かつ、該アンテナ基板から３／４波長の
位置に付加することにより、電磁波ビームの反射が最小
限に抑えられ、電磁波ビームの狭帯域化が可能となり、
これにより、アンテナ利得の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態による平面アンテナの構
成を示す側面図である。

【図２】単体エレメントの平面アンテナの斜視図であ
る。

【図３】アンテナエレメント３の数を複数にしてアレー
化した、従来の平面アンテナの平面図である。

【図４】この発明の一実施形態による平面アンテナの電
磁波ビームの水平面における指向特性を示す図である。

【図５】従来の平面アンテナの電磁波ビームの水平面に
おける指向特性を示す図である。

【図６】この発明の一実施形態による平面アンテナのＶ
ＳＷＲ（電圧定在波比）特性を示す図である。

【図７】従来の平面アンテナのＶＳＷＲ（電圧定在波
比）特性を示す図である。

【符号の説明】

１．平面アンテナ基板、３．アンテナエレメント、５．
支持部材、６．誘電体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松崎 友美 東京都目黒区中目黒２−２−30 目黒独 身寮 Ｂ−511 (72)発明者 平田 長久 神奈川県秦野市曾屋500番地 横河電子 機器株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−10407（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−169003（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体によって形成されたアンテナ基板
   と、 前記アンテナ基板表面に形成され、高周波電流を供給さ
   れることにより電磁波を放射する単体のアンテナエレメ
   ントと、 前記アンテナ基板に取り付けられた支持部材と、 前記支持部材により支持され、前記アンテナ基板の上面
   を覆う誘電体とを具備し、 前記アンテナ基板の上面を覆う前記誘電体は、板厚一定
   の形状であって前記アンテナ基板に対して平行に、か
   つ、該アンテナ基板から３／４λ（λ：アンテナから放
   射される電磁波の実効波長）の位置に配置され、かつ、
   前記板厚は、前記アンテナエレメントに供給される前記
   高周波電流の実行波長の３倍以内であり、かつ、前記ア
   ンテナエレメントにより放射された前記電磁波を屈折さ
   せて集束させることを特徴とする平面アンテナ。