JP3941069B2

JP3941069B2 - プリント基板型モノポールアンテナ

Info

Publication number: JP3941069B2
Application number: JP2005302706A
Authority: JP
Inventors: 宣裕久我; 宏之新井; 敏明矢野; 保須田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Yokohama National University NUC
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Yokohama National University NUC
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2025-10-18
Also published as: JP2007116232A

Description

本発明は、高速移動体に搭載される無線機器のアンテナとして、高速移動体の外部表面に設置されるため小型で低姿勢であることが要求されるアンテナの技術分野に属する。

このようなアンテナの第１の例としては、λ／４線状モノポールアンテナの変型であるＴ型モノポールアンテナがある。
λ／４線状モノポールアンテナは、簡易な構造でアンテナ軸方向にヌルを有し、かつ水平面内に一様な指向性を実現できるため無線通信において最も多く利用されているアンテナの一つである。
Ｔ型モノポールアンテナはλ／４モノポールアンテナに地板と水平な素子を装荷する低姿勢化したアンテナであり、水平素子部分からの放射は相殺されるため、低姿勢な無指向性アンテナとして利用できる。

そして、周波数帯域を広げるため、Ｌ型無給電素子が対称配置された短絡線路付きモノポールアンテナや、無給電素子及び短絡線をＺ軸に対して非対称に設置したＴ型モノポールアンテナが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

小型で低姿勢であることを実現する垂直偏波アンテナの第２の例として、円板装荷折返しモノポールアンテナがある。その広帯域化を図る手段として、頂部円板と同程度の大きさの導体円板を給電線だけに取り付けたときに副共振を起こし、動作帯域の広帯域化が可能となる。この導体板をその働きから整合板と呼んでいる（例えば、非特許文献２参照）。

第３の例として、給電線と短絡線を、垂直誘電体板の両面に帯状プリント導体で形成した円板装荷折返しモノポールアンテナがある（例えば、非特許文献３参照）。
久我宣裕他３名、Ｌ型無給電素子を用いたＴ型モノポールアンテナの広帯域化、電子情報通信学会論文誌Ｂ、（社）電子情報通信学会、2003年９月、Vol.J86-B 、No.9、P.2011-2015 関根秀一他２名、整合板付き円板装荷折返しモノポールアンテナ、電子情報通信学会論文誌Ｂ、（社）電子情報通信学会、1988年11月、Vol.J71-B 、No.11 、P.1248-1251 H.D.Foltz 他２名、Disk-Loaded Monopoles with Parallel Strip Elements、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION 、米国、IEEE、DECEMBER 1998 、Vol.46、No.12 、P.1894-1896

しかしながら、前記第１の例の線状モノポールアンテナは、線状素子で構成されており、１つずつ空間立体的に構成しなければならず量産化が難しいという問題があるうえ、仮にモノポールアンテナを量産化の可能なプリント化をしたとしても、広帯域化のために設けた無給電素子と地導体との接続が難しく、整合状態を調整する構造もないという問題がある。

前記第２の例の円板装荷折返しモノポールアンテナでは、導体円板（整合板）を給電線だけに取り付け支持する構造が複雑で量産しにくいという問題がある。

前記第３の例の円板装荷折返しモノポールアンテナでは、整合状態に寄与する給電線と短絡線が誘電体基板の表裏にプリントされており、両者の間隔を変えて整合を取ることが困難であり、整合可能な範囲が素子の高さと誘電体基板の誘電率とから制約を受けるという問題があるうえ、地導体や装荷円板など非プリント基板との接続が難しく構造的強度も低いという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、製作精度よく量産が可能で、広帯域化が実現でき、整合状態の微調整が可能な低姿勢アンテナの実現を課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために以下の各手段構成を有する。
本発明の第１の構成は、下記（イ）の第１の誘電体基板を下記（ロ）の第２の誘電体基板上面の容量性パッチにかかるようにして垂直に立設し、第１の誘電体基板の一方の面の放射素子導体と前記容量性パッチを接続し、第２の誘電体基板の下面の地導体側から上面の容量性パッチへ貫通給電されるようになっていることを特徴とするプリント基板型モノポールアンテナである。
（イ）誘電体基板の一方の面に放射素子導体がプリントされ、その反対側の面に、先端が前記放射素子導体の先端又は途中位置に誘電体基板を貫通して接続された伝送路スタブがプリントされた第１の誘電体基板
（ロ）誘電体基板の下面に地導体がプリントされ、上面に容量性パッチがプリントされ、且つ、第１の誘電体基板の伝送路スタブを前記地導体へ接続するための貫通孔が容量性パッチと誘電体基板に設けられている第２の誘電体基板

本発明の第２の構成は、下記（ロ）の第２の誘電体基板上面の容量性パッチにかかるようにして、２個の下記（イ）の第１の誘電体基板をその放射素子導体面が向い合うように間隔を置いて垂直に立設し、それぞれの放射素子導体と容量性パッチを接続し、地導体側から容量性パッチへ貫通給電されるようになっていることを特徴とするプリント基板型モノポールアンテナである。
（イ）誘電体基板の一方の面に放射素子導体がプリントされ、その反対側の面に、先端が前記放射素子導体の先端又は途中位置に誘電体基板を貫通して接続された伝送路スタブがプリントされた第１の誘電体基板
（ロ）誘電体基板の下面に地導体がプリントされ、上面に容量性パッチがプリントされ、且つ、第１の誘電体基板の伝送路スタブを前記地導体へ接続するための貫通孔が容量性パッチと誘電体基板に設けられている第２の誘電体基板

本発明の第３の構成は、前記第１の構成又は第２の構成において、前記（イ）の第１の誘電体基板の放射素子導体が、前記（ロ）の第２の誘電体基板面に平行な水平ストリップ素子と、垂直な垂直ストリップ素子とからなるＴ字型放射素子であることを特徴とするプリント基板型モノポールアンテナである。

ミリ波帯、マイクロ波帯のように波長の短い周波数帯では、アンテナを構成する部品の寸法には高精度が要求される。それはアンテナの共振周波数がアンテナを構成する部品の長さにより決まるためで、寸法精度がアンテナの性能に直接影響することになるからである。

本発明のアンテナの第１の利点は、アンテナ全体をプリント基板で構成しているから、寸法精度は光学マスクによるエッチングの精度、例えば３５μｍ程度の高精度が得られ、板金等で実現可能な精度が０．１mm程度であるのに較べ非常に高精度である。
そして、更に、エッチングプリント基板であることから同一寸法の製品の再現性が高く、また量産が容易であるという利点がある。

第２の利点は、第１の誘電体基板の放射素子が接続される第２の誘電体基板の容量性パッチがアンテナと一体化したインピーダンス整合回路として機能するので、アンテナを低姿勢化しようとするときにインピーダンスが低下して５０Ωに整合させるのが困難になるという問題を容量性パッチの面積を調整することにより整合させることが可能となるので、アンテナの低姿勢化が可能となるという利点がある。

容量性パッチは、放射に寄与しないので、上記整合状態を調整するために容量性パッチの面積を変更しても、良好な放射特性が維持できるというのが利点である。また、この容量性パッチは誘電体基板上にエッチングで形成されているため整合状態を得るためパッチの面積をトリミングするという方法で再現性よく容易に実現できるという利点がある。

第３の利点は、第１の誘電体基板と第２の誘電体基板で形成されるサセスプタンスをゼロにすることができ、２つの誘電体基板がそれぞれ単純な構成になっているので計算モデルに乗り易く、精度良くシミュレーションすることが容易であり、そのためアンテナの初期設計が容易になるという利点がある。

第４の利点は、第２の誘電体基板上に、２個の第１の誘電体基板を配置するという比較的単純な構造で広帯域化が実現できるという点である。放射素子を複数並べたことにより、等価的に素子が太くなり、アンテナの無負荷Ｑが減少するからである。

本発明における第１の誘電体基板上の放射素子は、Ｔ字型、逆Ｌ字型、円形、方形等種々採り得るが、アンテナの低姿勢化実現のためにはＴ字型放射素子とするのが最良の実施形態である。
また、第１の誘電体基板の誘電率と第２の誘電体基板の誘電率は同一とするのが、設計や生産の単純化から見て最良の実施形態である。

図１および図２は、本発明アンテナの実施例１の構成を示す図である。
図１は斜視図であり、図２の（ａ）は、図１の構造を右側から見た一部断面側面図であり、図２の（ｂ）は図１の構造を上から見た平面図である。
Ｗ_Ｄ×Ｗ_Ｄの第２の誘電体基板２の下面は地導体６がプリントされており、上面にはＷ_Ｂ×Ｗ_Ｂの容量性パッチ５がプリントされている。第１の誘電体基板１は第２の誘電体基板２上に垂直に立設されている。その手前側面には水平ストリップ素子３と垂直ストリップ素子４がＴ字型にプリントされており、垂直ストリップ素子４の下端は容量性パッチ５に接続されている。

第１の誘電体基板１の背面側には、図２に示すように、手前側面の垂直ストリップ素子４と対応する位置に幅Ｗ_１の伝送路スタブ７がプリントされている。
伝送路スタブ７の上端は、誘電体基板を貫通するショートスタブ１１により手前側の垂直ストリップ素子４の上端と接続されており、垂直ストリップ素子４と伝送路スタブ７とで折り返しアンテナを構成している。
伝送路スタブ７の下端は、第２の誘電体基板２の貫通孔９を貫通して地導体６に接続されているが、これは必ずしも接続されていなくともよい。

結局、この実施例アンテナでは折り返しアンテナの頂部に水平ストリップ素子が、Ｔ字型になるように装荷された構成となっている。
このアンテナへの給電は給電同軸線１０により、第２の誘電体基板２の地導体６側から貫通孔８を通して容量性パッチ５へ行われている。

頂部装荷折り返しアンテナにおいて高さ（図１のｈ_Ｔ１＋ｈ_Ｔ２）を低くするとそのインピーダンスが小さくなり５０Ωと整合が取れなくなるので、給電回路との間に整合回路を設けなければならないが、従来のアンテナでは構造的に設けにくい、構造が複雑になる、調整範囲に制約があるなどの問題があったが、本発明アンテナにおいては、第２の誘電体基板２の容量性パッチ５が給電同軸線１０と、放射素子を構成する垂直ストリップ素子４との間にあって、インピーダンス整合回路としての機能を果たしている。整合を取るための調整要素としては、第２の誘電体基板２の誘電率ε_ｒ２、厚さｔおよび容量性パッチ５の面積があるが、誘電率ε_ｒ２および厚さｔはおよその見当を付けて設定する。容量性パッチ５の面積は、伝送路スタブ７とで構成される並列回路の共振周波数が、放射素子単体の共振周波数に一致するように決定する。
決定されたパッチと同一のものを高精度で再現量産することは、プリント基板の製造においては容易であるから、同じものの量産が可能であるという利点がある。

図４は、図１および図２の実施例において、中心周波数を９００ＭＨｚとし、Ｗ_Ｄ＝１５０mm、ｈ_Ｔ１＝２２mm、ｈ_Ｔ２＝２mm、Ｗ_１＝８mm、Ｗ_２＝４mm、ｔ＝１．６mmの各寸法とし、第１の誘電体基板の比誘電率ε_ｒ１および第２の誘電体基板の比誘電率ε_ｒ２をともに２．６とし、Ｗ_Ｂ＝１３mm、Ｗ_Ｔ＝１０２の場合についての入力端反射（Ｓ_１１）のＦＤＴＤ法による計算値と実測値、もう１つε_ｒ１＝ε_ｒ２＝１．０とし、Ｗ_Ｂ＝２２mm、Ｗ_Ｔ＝１１５mmとした場合の入力端反射（Ｓ_１１）のＦＤＴＤ法による計算値を周波数特性としてグラフ表示したものである。

計算結果と実測値とは、多少の周波数誤差はあるが良く一致しており、計算結果の妥当性が確認できる。
整合評価の基準を｜Ｓ_１１｜≦−１０ｄＢと仮定すると、比帯域は計算結果および実測ともに６％程度を示し、狭帯域であることが確認できる。また、比較のため比誘電率ε_ｒ１＝ε_ｒ２＝１．０のときも示されているが、これより、誘電体基板の誘電率の帯域への影響は少ないことが分かる。

図３は、広帯域化を図った構成を示す図であって、１個の第２の誘電体基板２の上に間隔ｄを置いて２個の第１の誘電体基板１を、水平ストリップ素子３および垂直ストリップ素子４が向き合い且つ垂直ストリップ素子４の下端が１個の容量性パッチ５に接続するように配置されたものである。また、それぞれの伝送路スタブ７の下端は第２の誘電体基板２の貫通孔９を貫通して地導体６に接続されている。給電は貫通孔８を貫通して容量性パッチへ行われる。

図３の（ａ）は、第１の誘電体基板１、１が向い合っている側面から見た一部断面側面図であり、（ｂ）は（ａ）の構造を左側或いは右側から見た正面図である。従って、点線で示されているのが水平ストリップ素子３と垂直ストリップ素子４である。
このように２個の第１の誘電体基板を向い合わせて配置することにより、放射量が増加し、入力反射特性は、１個だけならば図４に示すような単峰特性であったが、双峰特性を得ることができるようになり、その結果、図５に示すような広帯域の特性となる。

図５は、ε_ｒ１＝ε_ｒ２＝１．０、Ｗ_Ｂ＝２２mm、Ｗ_Ｔ＝１１５mm、ｄ＝８mm、Ｗ_１＝５．９mm、Ｗ_２＝４．６mmとしたときの入力反射特性Ｓ_１１を計算した結果をグラフで示した図である。
−１０ｄＢの帯域で図４の場合と比較すると３倍強広くなっていることが分かる。

図６は、図１のアンテナで、地導体６を半径５００mmの円形とし、各部寸法は図４の入力反射特性を算出、実測したときの設定で、周波数８９０ＭＨｚで、ＸＹ、ＹＺ、ＺＸ各面における放射パターンを実測した結果である。
放射パターンは、各面内における最大値で規格化している。ＸＹ面内において、モノポール型指向性が維持されており、交差偏波も−２０ｄＢ以下と無視できるレベルである。ＸＹ面内での周方向偏差も０．３ｄＢ以下と非常に小さいことが確認できる。また、ＹＺ、ＺＸの各面においても、Ｚ軸方向にヌルを得ており、交差偏波も無いことが分かる。

図７は本発明のアンテナを素子とするアレイアンテナの構成を示す斜視図である。
プリント基板１２の下面には地導体がプリントされており、上面には、多数の容量性パッチ５が整列してプリントされるとともに給電線１４がプリントされている。
プリント基板１３には、水平ストリップ素子３、垂直ストリップ素子４がＴ字状をなし、容量性パッチ５の配列ピッチに合わせて多数プリントされている。

なお、図示はされていないが各垂直ストリップ素子４の背面側には伝送路スタブがプリントされている。各容量性パッチ５への給電は給電線１４により行われる。
こうして、本発明アンテナでアレイアンテナが構成される。本発明アンテナは、プリント基板で構成されているため、導体素子自体が高精度で製作できるとともにアレイにおける素子間隔も精度よく製作できる利点がある。

本発明アンテナの実施例１の構成を示す斜視図である。図１の構造をＹ方向で見た一部断面側面図と真上から見下ろした平面図である。本発明アンテナの実施例２の正面図および一部断面側面図である。図１と図２で示される本発明アンテナ実施例１の入力反射特性を示すグラフである。図３で示される本発明アンテナ実施例２の入力反射特性を示す図である。図１と図２で示される本発明アンテナ実施例１の放射パターン実測図である。図１と図２で示される本発明アンテナを素子とするアレイアンテナの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１第１の誘電体基板
２第２の誘電体基板
３水平ストリップ素子
４垂直ストリップ素子
５容量性パッチ
６地導体
７伝送路スタブ
８貫通孔
９貫通孔
１０給電同軸線
１１ショートスタブ
１２プリント基板
１３プリント基板
１４給電線

Claims

下記（イ）の第１の誘電体基板を下記（ロ）の第２の誘電体基板上面の容量性パッチにかかるようにして垂直に立設し、第１の誘電体基板の一方の面の放射素子導体と前記容量性パッチを接続し、第２の誘電体基板の下面の地導体側から上面の容量性パッチへ貫通給電されるようになっていることを特徴とするプリント基板型モノポールアンテナ。
（イ）誘電体基板の一方の面に放射素子導体がプリントされ、その反対側の面に、先端が前記放射素子導体の先端又は途中位置に誘電体基板を貫通して接続された伝送路スタブがプリントされた第１の誘電体基板
（ロ）誘電体基板の下面に地導体がプリントされ、上面に容量性パッチがプリントされ、且つ、第１の誘電体基板の伝送路スタブを前記地導体へ接続するための貫通孔が容量性パッチと誘電体基板に設けられている第２の誘電体基板
下記（ロ）の第２の誘電体基板上面の容量性パッチにかかるようにして、２個の下記（イ）の第１の誘電体基板をその放射素子導体面が向い合うように間隔を置いて垂直に立設し、それぞれの放射素子導体と容量性パッチを接続し、地導体側から容量性パッチへ貫通給電されるようになっていることを特徴とするプリント基板型モノポールアンテナ。
（イ）誘電体基板の一方の面に放射素子導体がプリントされ、その反対側の面に、先端が前記放射素子導体の先端又は途中位置に誘電体基板を貫通して接続された伝送路スタブがプリントされた第１の誘電体基板
（ロ）誘電体基板の下面に地導体がプリントされ、上面に容量性パッチがプリントされ、且つ、第１の誘電体基板の伝送路スタブを前記地導体へ接続するための貫通孔が容量性パッチと誘電体基板に設けられている第２の誘電体基板
前記（イ）の第１の誘電体基板の放射素子導体が、前記（ロ）の第２の誘電体基板面に平行な水平ストリップ素子と、垂直な垂直ストリップ素子とからなるＴ字型放射素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプリント基板型モノポールアンテナ。