JP3554971B2 - 円偏波アンテナ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円偏波アンテナ、特に、ＤＡＢ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｕｄｉｏ Ｂｒｏａｄｃａｓｔ）等の高次モードで励振する円偏波アンテナ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高次モードで励振する円偏波マイクロストリップアンテナとして、特公平７−４６７６２号公報に記載されたアンテナが知られている。このアンテナは、図１０及び図１１に示すように、高次モード励振用のマイクロストリップアンテナ１の上に主モード励振用のマイクロストリップアンテナ２を載せた二層構造をしている。
【０００３】
即ち、高次モード励振用のマイクロストリップアンテナ１は、正方形の誘電体の基板３を用いてその表面に円形の高次モード励振用の放射電極４を形成し、基板４の裏面には全面に接地電極５を設けている。また、主モード励振用のマイクロストリップアンテナ２は、円板状の基板６を用い、その円形表面の全面に主モード励振用の放射電極７を形成して構成すると共に、高次モード励振用の放射電極４と主モード励振用の放射電極７の中心軸にセンターピン８を配置して主モードと高次モードの対称性を確保している。
【０００４】
そして、主モード励振用のマイクロストリップアンテナ２には、放射電極７の面中のセンターピン８を中心とした９０度の角度位置に、主モード励振用プローブＦ１，Ｆ２が配置され、このプローブは高次モード励振用の放射電極４及び接地電極５と非接触に基板３，６を貫通して設けられている。
【０００５】
また、高次モード励振用のマイクロストリップアンテナ１には、放射電極４の面中に於いて、センターピン８を通る４５度の線上に、高次モード励振用プローブＧ１０，Ｇ１１，Ｇ２０，Ｇ２１が配設されている。即ち、センターピン８とプローブＦ１を結ぶ線上のセンターピン８に対し対称な位置に、一対の高次モード励振用プローブＧ１０，Ｇ１１が設けられ、同様に、プローブＦ１，Ｆ２が成す角度を二分する４５度の線上には、一対のプローブＧ２０，Ｇ２１が配設されている。これらのプローブＧ１０，Ｇ１１，Ｇ２０，Ｇ２１は、接地電極５と非接触に基板３を貫通して設けられている。
【０００６】
上述の構成に於いて、主モード励振用プローブＦ１，Ｆ２に、９０度ハイブリッドなどを用いて９０度の位相差をつけて主モード励振の信号電力を給電すると、円偏波が発生する。また、高次モード励振用プローブＧ１０とＧ１１及びＧ２０とＧ２１には、夫々同相となる高次モード励振の信号電力を給電し、高次モード励振用プローブＧ１０，Ｇ１１とＧ２０，Ｇ２１には、９０度の位相差を持つ信号電力を給電すると、２次モード（ＴＭ２１モード）の円偏波が発生する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の高次モード励振用のマイクロストリップアンテナ１は、誘電体の基板３を貫通して４本の高次モード励振用プローブＧ１０，Ｇ１１，Ｇ２０，Ｇ２１を設置するため、高次モード励振用の放射電極４と各プローブＧ１０，Ｇ１１，Ｇ２０，Ｇ２１間の干渉（相互結合）が発生しやすく、共振周波数の整合が得られない場合がある。
【０００８】
また、誘電体の基板３が方形であるため、高次モード励振の２方向に於いて、円形の放射電極４の周縁と基板３の端縁間の距離が異なり、縁端効果、即ち、放射電極４の周縁と接地電極間の容量に差が生じ、特に、基板３の比誘電率が高い場合に顕著となる。この縁端効果に差が生じると、高次モード励振の２方向に於ける直線偏波の周波数特性に差が生じ、高次モードの円偏波は、軸比周波数特性に於ける帯域幅が狭くなる課題を有する。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、良好な高次モード励振が得られる円偏波アンテナ及び各種電極の形成が容易な円偏波アンテナの製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は次に示す構成をもって前記課題を解決する手段としている。すなわち、第１の発明の円偏波アンテナは、誘電体からなる略円柱状の基体と、該基体の一方主面に形成した円形の放射電極と、前記基体の他方主面に形成した接地電極と、前記基体の側周面を一部平坦に形成した平坦部と、該平坦部に前記接地電極側から前記放射電極側へ向けて伸長して形成したストリップ状の少なくとも２本の給電電極とを具備することを特徴として前記課題を解決する手段としている。
【００１１】
上記構成の発明に於いて、基体の主面は真円の特徴を持っており、放射電極は、主面の直径よりも小さい直径に作られ、高次モードであるＴＭｎ１（ｎ≧２、ｎ：自然数）モードを励振する実効径となっている。また、放射電極は、基体の主面と同心に配設されており、基体に設けた平坦部は、基体の中心軸を通る仮想状の平面（以下、軸平面という）に対して平行な平坦面として構成されている。
【００１２】
２本の給電電極は、基体の中心軸に対し９０／ｎ（ｎ≧２、ｎ：自然数）度の角度となると共に平坦面と直角なもう１つの軸平面に対し面対称となる位置に配設されている。ここに、夫々の給電電極に信号電力を給電すると、空間的に９０／ｎ度となる２つの直線偏波が励振され、２つの信号電力間に９０度の位相差を付けることにより、放射電極から高次モードの円偏波が放射される。
【００１３】
第２の発明の円偏波アンテナでは、上述の発明に於いて、前記平坦部には、前記給電電極と共に第２の電極を設けて構成したことを特徴としている。
【００１４】
この発明に於いて、２つの給電電極は、基体の中心軸に対し９０／ｎ度の角度位置に設けられるので、２つの給電電極間は空白のままとなる。このため、第２の電極は、２つの給電電極間の空白を利用して設けられる。
【００１５】
この発明の円偏波アンテナの製造方法は、円柱状の基体の一方主面に円形の放射電極を形成すると共に他方主面に接地電極を形成し、前記基体の側周面を一部平坦に形成し、該平坦な部位に前記接地電極側から前記放射電極側へ向けて伸長する少なくとも複数の給電電極の電極パターンを一括形成して構成することを特徴としている。
【００１６】
上記方法の発明に於いて、基体の側周面の一部が平坦面に構成されるから、例えば、厚膜スクリーン印刷技術を用いて給電電極を印刷する場合にも、電極パターンを形成したスクリーンパターンを基体の平坦面に平行に載せることができ、複数の給電電極を同時に印刷して形成することが可能となる。
【００１７】
また、上記円偏波アンテナの製造方法の発明に於いて、前記平坦な側周面は、前記基体の中心軸と平行な平面に構成することを特徴としている。
【００１８】
この発明によれば、基体の２つの主面は同形状となり、平坦面の幅は中心軸方向のどの位置に於いても同じになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基いて説明する。図１は、高次モードの円偏波アンテナを示す。円偏波アンテナ１０は、誘電体からなる略円柱状の基体１１を備え、この基体１１の側周面１２は、一部が基体１１の中心軸を通る軸平面と平行な平坦面１２ａとして構成されている。基体１１の中心軸は、基体１１の主面１３を真円としたときの中心軸である。基体１１の一方の主面１３には、この主面１３と同心に円形の放射電極１４が形成されている。この放射電極１４の直径は、主面１３の直径よりも小さくなっている。また、基体１１の他方の主面１５には、ほぼ全面に接地電極１６が形成されている。この基体１１は、例えば、比誘電率ε＝２１、軸方向の高さｔ＝６ｍｍ、主面の直径Ｄ＝２８ｍｍ、である。
【００２０】
また、基体１１の平坦面１２ａには、２本のストリップ状の給電電極１７，１８が接地電極１６側から放射電極１４方向に平行に伸張して形成されている。即ち、給電電極１７，１８の上端部分は、主面１３に回り込んで主面１３の中心に向かって延びた容量結合端部１７ａ，１８ａとなり、この容量結合端部１７ａ，１８ａと放射電極１４の周縁との間には所定の間隔が形成されている。また、給電電極１７，１８の下端部分は、主面１５に回り込んで接続端子部１７ｂ，１８ｂとなり、この接続端子部１７ｂ，１８ｂは、周囲の接地電極１６を取り除いて主面１５を露出することにより接地電極１６から電気的に絶縁されている。
【００２１】
給電電極１７，１８は、高次モードの円偏波を励振するために、図２に示すように配置されている。即ち、高次モードの円偏波を励振するとき、２つの給電電極１７，１８は、基体１１の中心軸２０に対し、９０／ｎ度の角度α開いて配置される。例えば、２次モードであるＴＭ２１モードでは、２つの給電電極１７，１８の角度間隔は、α＝４５°となり、３次モード（ＴＭ３１モード）では、α＝３０°となり、４次モード（ＴＭ４１モード）では、α＝２２．５°となる。
【００２２】
この場合、基体１１の側周面１２は、αよりも大きい角度θ（θ＞α）となる範囲が平坦面１２ａに形成されて平坦部となる。２つの給電電極１７，１８を平坦面１２ａに形成するために、平坦面１２ａは、中心軸２０に対し、αよりも１０°〜１５°大きい角度θに形成される。例えば、ＴＭ２１モードでは、平坦面のなす角度θは、５５°＜θ＜６０°に定められ、ＴＭ３１モードでは、４０°＜θ＜４５°に定められる。
【００２３】
上述の構成に於いて、２つの給電電極１７，１８に互いに９０度の位相差を持つ信号電力を供給すると、空間的に中心軸に対する角度αで定まる高次モードの円偏波が励振される。例えば、ＴＭ２１モードでは、２次モードの円偏波が励振され、ＴＭ３１モードでは、３次モードの円偏波が励振される。
【００２４】
上述した構成の円偏波アンテナは、無線端末機器の図示しない回路基板に装着されるが、その際、接地電極１６が回路基板のグランドパターンに半田付けされ、給電電極１７，１８の接続端子部１７ｂ，１８ｂは、回路基板の入力端子に半田付けされる。この場合、上述のＤＡＢ受信専用アンテナとするときには、回路基板には、受信回路の無線周波（ＲＦ）回路及び信号処理回路が構成される。
【００２５】
また、回路基板に、上述の円偏波アンテナをより強固に固定する場合には、図３に示すように、基体１１の平坦面１２ａに固定電極１９が設けられる。この固定電極１９は、給電電極１７，１８間の空白部分を利用して形成されると共に基体１１の他方主面１５に形成した接地電極１６に接続されている。この構成により、回路基板に対する円偏波アンテナの固着強度を上げることができる。
【００２６】
図４は、円偏波アンテナの第３実施形態例を示す。なお、図１に示した実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。基体１１の側周面１２には、軸平面と平行な２つの平坦面１２ａ，１２ｂが設けられている。これらの平坦面１２ａ，１２ｂには、図１と同様に、給電電極１７，１８，２７，２８が形成されている。これら給電電極１７，１８，２７，２８の上端は、主面１３に於いて、放射電極１４の中心に向いた容量結合端部１７ａ，１８ａ，２７ａ，２８ａとなっている。また、給電電極１７，１８，２７，２８及び容量結合端部１７ａ，１８ａ，２７ａ，２８ａは、基体１１の中心軸２０に対し軸対称に構成されている。
【００２７】
この円偏波アンテナでは、給電電極１７，２７及び給電電極１８，２８には、夫々同相の信号電力が供給され、給電電極１７，１８及び給電電極２７，２８には、相互に９０度の位相差を持つ信号電力が供給される。これにより、中心軸２０に対する角度αで定まる高次モードの円偏波の電磁波が空間的に放射されるアンテナとなる。
【００２８】
図５は、円偏波アンテナの第４実施形態例を示す。なお、図１に示した実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。上述した実施形態例では、何れも、給電電極１７，１８，２７，２８として基体１１の一方主面１３に容量結合端部１７ａ，１８ａ，２７ａ，２８ａを設けた場合について述べたが、この実施形態例は、一方主面１３に容量結合端部を設けない給電電極３７，３８として構成した点に特徴がある。
【００２９】
給電電極３７，３８は、基体１１の平坦面１２ａに基体１１の高さと同じ長さに設けられている。放射電極１４と給電電極３７，３８は、容量結合する構成であるため、放射電極１４への必要な結合量により、放射電極１４と給電電極３７，３８間の間隔を定めることができる。なお、円偏波アンテナの設計上、給電電極３７，３８の長さを基体１１の高さよりも短い寸法とすることができる。
【００３０】
次に、円偏波アンテナの製造方法について説明する。上述した構成の円偏波アンテナに於いて、通常、給電電極１７，１８は、スクリーンパターンを用いた厚膜スクリーン印刷技術を利用して形成される。この場合、基体１１の側周面１２が円周面だけで構成されている場合には、印刷面が一定の曲率を持つため、給電電極１７，１８の印刷時にマスクと印刷面の間隔が一様にならず、給電電極１７，１８は１つ毎に印刷することになる。
【００３１】
例えば、図６に示すように、円柱状の基体２１の側周面２２が中心軸２０を中心にして真円であるときには、スクリーンパターン２３が平坦であるため、スクリーンパターン２３に形成した電極パターン２４，２５と側周面２２間の間隔ｄ１，ｄ２が一定せず、電極パターン２５に於ける間隔ｄ２が電極パターン２４の間隔ｄ１よりも大きくなる（ｄ２＞ｄ１）。
【００３２】
このため、電極パターン２４を用いた電極のみが良好に印刷され、電極パターン２５を用いた電極は電極幅の広がった印刷不良となる。従って、良好な印刷の電極を得るためには、電極パターンの数だけ印刷工程を繰り返す必要が生じ、製造時間が長くなる。
【００３３】
また、電極パターン毎に印刷しても側周面２２の曲率に起因して電極の厚みが一様にならず、円偏波アンテナ毎に給電電極と放射電極間の容量にバラ付きが生じ、所謂、製品バラ付きの要因となる。
【００３４】
このため、本発明では、以下に示す製造方法で円偏波アンテナを作製する。なお、図７乃至図９に於いて、図１に示す実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【００３５】
図７に於いて、円柱状の基体１１には、中心軸２０を通る軸平面２０ａと平行となる平坦面１２ａを設ける。平坦面１２ａの幅ｗは、所望の高次モードを得るために配置する給電電極１７，１８の角度θとなる位置よりも少し広く形成される。即ち、ＴＭ２１モードでは、側周面１２は、中心軸２０に対し４５°の角度位置よりも少し広い角度位置まで平坦にされる。この場合、略円形の主面１３は、真円の形状の一部が削られた形状となるが、削り取られた部分が僅かであるため真円の特徴を維持している。
【００３６】
基体１１の主面１３には、主面１３の直径よりも小さい直径の放射電極１４と容量結合端部１７ａ，１８ａが一度に形成される。即ち、放射電極パターンと容量結合端部電極パターンを有するスクリーンパターンを基体１１の主面１３上に載せて導電ペーストを塗布すると、厚さ１０μｍ程度の放射電極１４と容量結合端部１７ａ，１８ａが形成される。
【００３７】
また、基体１１の平坦面１２ａには、図８に示すように、２本のストリップ状の給電電極１７，１８が同時に形成される。平坦面１２ａは幅ｗを有するが、２本の給電電極１７，１８は、所望の高次モードに対応する角度位置に形成されるため、平坦面１２ａの幅方向に離間して設けられている。この場合でも、平坦面１２ａは何処の位置でもスクリーンパターンと等間隔になるから、２本の給電電極１７，１８は、スクリーンパターンに形成した２つの給電電極パターンを用いて同時に印刷される。図３に示す第２の電極を印刷する場合にも２本の給電電極１７，１８と共に一括して印刷される。
【００３８】
円偏波アンテナに於ける接地電極１６側の電極形成でも上述同様である。図９に示すように、他方主面１５には、接続端子部１７ｂ，１８ｂの回りを除き、全面に接地電極１６が形成され、また、接続端子部１７ｂ，１８ｂも接地電極１６ど同時に印刷される。この場合、接続端子部１７ｂ，１８ｂは、平坦面１２ａに対し直角方向に延ばして形成される。
【００３９】
上述した円偏波アンテナの製造方法では、略円柱状の基体１１に厚膜の電極を形成するに際し、一方主面１３に於ける電極１４，１７ａ，１８ａの印刷工程、即ち、印刷と乾燥の工程、平坦面１２ａに於ける電極１７，１８の印刷工程及び他方主面１５に於ける電極１６，１７ｂ，１８ｂの印刷工程と、３回の印刷工程を繰り返すことにより、全ての電極の印刷が完了する。また、電極の印刷は、全て平面に対して行われるので、膜厚の均質な電極が得られる。また、上述の印刷工程に於いて、給電電極１７，１８の上下端は、容量結合端部１７ａ，１８ａ及び接続端子部１７ｂ，１８ｂと接続されている。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１の円偏波アンテナによれば、放射電極の周縁と基体に於ける主面の周縁との間隔は平坦部の部位を除き同じになるので、２つの給電電極による直線偏波の周波数特性を同じにすることができ、高次モードの円偏波励振に於ける軸比周波数特性を改善することができる。
【００４１】
また、２つの給電電極は、従来のように基体を貫通して設けるのではなく、基体の外表面に形成されるので、基体に対し給電電極の形成後にも、例えば、レーザー光線を用いたトリミングにより給電電極の長さや幅を調整することができる。この結果、放射電極に励起される高次モードの共振電流に於ける共振周波数の整合が容易となり、高次モードの円偏波を容易に得ることができる。
【００４２】
請求項２の円偏波アンテナによれば、給電電極以外の電極を形成する場合にも、平坦部の平坦面を利用するので、良好に電極を形成できる。例えば、固定電極を設けた場合には、円偏波アンテナを回路基板に実装する際に固着強度を高めることができる。
【００４３】
請求項３の円偏波アンテナの製造方法によれば、給電電極などの電極は基体に於ける平坦部に形成されるから、電極パターンを、例えば、厚膜スクリーン印刷技術を用いて一度の印刷工程で形成することができ、電極形成の印刷工程時間を短縮することができる。この結果、円偏波アンテナの製造価格を削減することができる。また、電極の厚みも一様に形成することができる。
【００４４】
請求項４の円偏波アンテナの製造方法によれば、基体の平坦面の面積が最も広くなるので、給電電極と共に他の電極の印刷形成も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る円偏波アンテナの構成を示す斜視図で、（Ａ）は平面側から見た斜視図、（Ｂ）は底面側から見た斜視図である。
【図２】図１に於ける給電電極の配置を説明する説明図である。
【図３】本発明に係る円偏波アンテナの他の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る円偏波アンテナの更に他の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る円偏波アンテナの更に他の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る円偏波アンテナの製造に於ける課題を説明する概略図である。
【図７】本発明に係る円偏波アンテナの製造方法を説明する円偏波アンテナの平面図である。
【図８】本発明に係る円偏波アンテナの製造方法を説明する円偏波アンテナの側面図である。
【図９】本発明に係る円偏波アンテナの製造方法を説明する円偏波アンテナの底面図である。
【図１０】従来の円偏波マイクロストリップアンテナの平面図である。
【図１１】図１０のＸ軸に於ける断面図である。
【符号の説明】
１０ 円偏波アンテナ
１１ 基体
１２ 側周面
１２ａ 平坦面
１３，１５ 主面
１４ 放射電極
１６ 接地電極
１７，１８，２７，２８，３７，３８ 給電電極
１７ａ，１８ａ，２７ａ，２８ａ 容量結合端部
１７ｂ，１８ｂ 接続端子部
１９ 固定電極

Claims (4)

1. 誘電体からなる略円柱状の基体と、該基体の一方主面に形成した円形の放射電極と、前記基体の他方主面に形成した接地電極と、前記基体の側周面を一部平坦に形成した平坦部と、該平坦部に前記接地電極側から前記放射電極側へ向けて伸長して形成したストリップ状の少なくとも２本の給電電極とを具備することを特徴とする円偏波アンテナ。
2. 前記平坦部には、前記給電電極と共に第２の電極を設けて構成したことを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
3. 円柱状の基体の一方主面に円形の放射電極を形成すると共に他方主面に接地電極を形成し、前記基体の側周面を一部平坦に形成し、該平坦な部位には、少なくとも前記接地電極側から前記放射電極側へ向けて伸長する複数の給電電極を一括形成して構成することを特徴とする円偏波アンテナの製造方法。
4. 前記平坦な側周面は、前記基体の中心軸と平行な平面に構成したことを特徴とする請求項３に記載の円偏波アンテナの製造方法。

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