JP5020782B2 - マイクロストリップラインアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、円偏波を放射するマイクロストリップラインアンテナに関する。

平面アンテナは、共振波型と進行波型に大別することができる。いわゆるマイクロストリップアンテナ（パッチアンテナ）やプリンテッドスロットアンテナは、共振波型の平面アンテナであり放射導体が共振周波数で励振することにより電磁波が放射される。また、共振波型の平面アンテナから放射される電磁波は狭帯域であるという特徴を持つ。他に、いわゆるマイクロストリップラインアンテナは、進行波型の平面アンテナであり放射導体中を進行する電流が放射損として損失することで電磁波が放射される。また、進行波型の平面アンテナから放射される電磁波は広帯域であるという特徴を持つ。

以下、マイクロストリップラインアンテナ１００について図１４および図１５を参照しながら説明する。なお、図１４は、マイクロストリップラインアンテナ１００の平面図であり、図１５は、マイクロストリップラインアンテナ１００の正面図である。

マイクロストリップラインアンテナ１００は、誘電体基板１０とグラウンド導体２０とマイクロストリップライン導体３０と給電ポート３１と整合終端ポート３２から構成される。図１４および図１５に示すように、誘電体基板１０の裏面にグラウンド導体２０が、表面にマイクロストリップライン導体３０が設けられ、マイクロストリップライン導体３０の一端には給電ポート３１が、他端には整合終端ポート３２が備えられる。また、マイクロストリップライン導体３０は給電ポート３１から整合終端ポート３２間で曲折し、その形状は略円形である。さらに、マイクロストリップライン導体３０は、１つの素子３３のみを形成している。

ここで、マイクロストリップラインアンテナ１００の天頂方向における、右旋円偏波および左旋円偏波の絶対利得の周波数特性を図１６（ａ）に示し、軸比の周波数特性のシミュレーション結果を図１６（ｂ）に示す。なお、誘電体基板１０およびグラウンド導体２０の寸法は６０ｍｍ四方であり、誘電体基板１０の比誘電率は９．６である。マイクロストリップライン導体３０のライン幅は３．０ｍｍである。また、図１６（ａ）の縦軸はアイソトロピック比で表した利得［ｄＢｉ］を、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表し、図１６（ｂ）の縦軸は軸比［ｄＢ］を、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表す。

図１６（ａ）で示されるように、マイクロストリップラインアンテナ１００における右旋円偏波のピーク利得は−９．７ｄＢｉで、その周波数は１．８０ＧＨｚである。このように絶対利得が０ｄＢｉを大きく下回る要因としては、給電ポート３１から入力された電力のほとんどが整合終端ポート３２へ出力されてしまいマイクロストリップライン導体３０（素子３３）で放射が十分に起こらないことが考えられる。

また、図１６（ｂ）で示されるように、マイクロストリップラインアンテナ１００において軸比が最も低くなる周波数（以下、軸比最適周波数と称する）は１．４５ＧＨｚで、その利得は２．３ｄＢである。なお、軸比は右旋円偏波のみが放射されるとき０ｄＢであり、左旋円偏波の放射が強くなるにつれ大きくなる無次元数である。つまり、軸比は右旋円偏波と左旋円偏波の放射比を表す指標である。一般に、左旋円偏波の放射が強いということはマルチパス対策に不利となるため、軸比は小さいことが望まれる。

このようなマイクロストリップラインアンテナ１００の利得を向上させる対策として、図１７に示す特許文献１に記載のマイクロストリップラインアンテナ２００のようにマイクロストリップライン導体３０を多素子で構成する、いわゆるアレー化が挙げられる。なお、マイクロストリップライン導体３０は４つの素子３３を形成しており、その形状は略菱形である。
特開昭６３−２８３２１２

しかしながら、アレー化はマイクロストリップラインアンテナ１００の大型化に繋がり、さらに指向角も狭くなってしまう。また、マイクロストリップラインアンテナ１００は進行波型の平面アンテナであるため給電ポート３１と整合終端ポート３２間での電流分布は非対称であり、給電ポート３１から整合終端ポート３２にかけて放射量は徐々に弱くなる。アレー化はマイクロストリップライン導体３０を長くすることに繋がるため、給電ポート３１付近と整合終端ポート３２付近の放射量の差を大きくしてしまう。

他の対策として、誘電体基板１０に従来よりも誘電体損失の小さな材料を用いたり、マイクロストリップライン導体３０のライン幅を太くしたりすることが挙げられる。しかしながら、誘電体損失の小さな材料は高価であること、マイクロストリップライン導体３０のライン幅を太くした場合には、マイクロストリップラインアンテナ１００の大型化を招くなどの問題点がある。

また、軸比が３ｄＢ以下となる周波数帯域に、右旋円偏波の利得が最大となる周波数（以下、ピーク利得周波数と称する）が含まれるか否かも、円偏波アンテナの性能評価として挙げられる。さらに、軸比が３ｄＢ以下となる周波数帯域の幅を表す比帯域の大きさも円偏波として用いるアンテナとしての性能の評価として挙げられ、比帯域は大きい方が望まれる。

しかしながら、マイクロストリップラインアンテナ１００の比帯域は１．４６ＧＨｚを中心に１５％であり、また、この帯域にピーク利得周波数は含まれない。
なお、比帯域は次式により求められる。
ここで、ｆ_ｍａｘは軸比が３ｄＢ以下である周波数帯域の最大値、ｆ_ｍｉｎはその最小値である。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、従来のマイクロストリップラインアンテナよりも素子の数を増やすことなく、つまりさらなるアレー化することなく、利得を高くするとともに、ピーク利得周波数における軸比が３ｄＢ以下であるマイクロストリップラインアンテナを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明のマイクロストリップラインアンテナは、誘電体基板の裏面に配置されたグラウンド導体と、前記誘電体基板の表面に配置されたマイクロストリップライン導体と、前記マイクロストリップライン導体の一端に設けられた給電ポートと、前記マイクロストリップライン導体の他端に設けられた整合終端ポートと、を備えるマイクロストリップラインアンテナにおいて、前記マイクロストリップライン導体は、円偏波を放射する曲折した単一の素子が形成されるとともに、前記円偏波のピーク利得、軸比最適周波数における軸比、および軸比の比帯域に寄与するバイパス導体が該素子の内側に設けられたことを特徴とする。

このように、マイクロストリップライン導体が形成する各素子の内側にバイパス導体を設けることで、マイクロストリップラインアンテナの放射源を増やすことができ、前記円偏波のピーク利得、軸比最適周波数、および軸比の比帯域に寄与することができる。

特に、前記バイパス導体を前記素子の内側に該素子の中心線に対して線対称に、或いは中心に対して点対称に設けることで、軸比最適周波数とピーク利得周波数を従来よりも近づけることができるとともに、軸比の比帯域を広くすることができる。

さらに、前記マイクロストリップライン導体は１素子のみを形成し円形であることを特徴とする。本発明のマイクロストリップラインアンテナは１素子のみから形成された場合でも実用に耐えうる放射特性を有する。また、１素子のみから形成できるので、マイクロストリップラインアンテナの大型化、狭帯域化を防ぐことができる。

さらに、前記誘電体基板の上方に空隙あるいは誘電体材料を介して前記円偏波に励振する無給電素子を設けたことを特徴とする。また、無給電素子は中空であることを特徴とする。
このようにすることで、マイクロストリップラインアンテナの利得を大幅に高くすることができる。

本発明によれば、従来よりも素子の数を増やすことなく、つまりさらなるアレー化することなく、ピーク利得を高くすることのできるマイクロストリップラインアンテナを提供することができる。さらに、ピーク利得周波数における軸比が３ｄＢ以下であるマイクロストリップラインアンテナも提供することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を図１から図３を参照しながら説明する。
図１は実施の形態１によるマイクロストリップラインアンテナ１の一例を示す平面図であり、図２はその正面図である。マイクロストリップラインアンテナ１は、誘電体基板１０とグラウンド導体２０とマイクロストリップライン導体３０と給電ポート３１と整合終端ポート３２とバイパス導体３４とから構成される。

図１および図２に示すように、誘電体基板１０の裏面にグラウンド導体２０が、表面にマイクロストリップライン導体３０が配置され、マイクロストリップライン導体３０の一端には給電ポート３１が、他端には整合終端ポート３２が備えられる。そして、マイクロストリップラインアンテナ１は、マイクロストリップライン導体３０に備えられた給電ポート３１および整合終端ポート３２から誘電体基板１０およびグラウンド導体２０を介して裏面に同軸給電される。給電方式は、マイクロストリップライン導体３０の給電ポート３１側端を励振する方式で、整合終端ポート３２端は整合負荷による終端としている。

なお、給電ポート３１と整合終端ポート３２の位置関係を入れ替えると、右旋円偏波と左旋円偏波の放射特性は入れ替わる。また、マイクロストリップラインアンテナ１の給電は、背面からの同軸給電の他に、マイクロストリップラインアンテナ１と同一層（共平面）におけるライン給電等であってもよい。

マイクロストリップライン導体３０は、一つの素子３３のみを形成し、円形である。さらに、マイクロストリップライン導体３０の内側にはバイパス導体３４が設けられる。このバイパス導体３４は、図１中に一点鎖線で示したマイクロストリップラインアンテナ１の中心線に対して線対称となるように設けられる。具体的にバイパス導体３４は、図１に示すように素子３３の対角線上に二つ設けられ、それぞれのバイパス導体３４は素子３３の中心で直交している。

このように、バイパス導体３４を設けることにより、給電ポート３１から入力された電力はマイクロストリップライン導体３０を介して整合終端ポート３２へ出力されるとともに、バイパス導体３４を介しても整合終端ポート３２へ出力される。ここで、マイクロストリップラインアンテナ１のような進行波型の平面アンテナには、曲折した箇所から放射が主に起こるという特徴がある。したがって、新たに放射源として働くバイパス導体３４を設けることで曲折した箇所を増やすことができ、マイクロストリップラインアンテナ１から放射される右旋円偏波のピーク利得を高くすることができる。

また、バイパス導体３４を設けることで右旋円偏波と左旋円偏波の放射特性を変化させることができ、軸比を小さくするとともに比帯域を大きくすることができる。ひいては、ピーク利得周波数における軸比を３ｄＢ以下にできるとともに、軸比最適周波数とピーク利得周波数を近づけることができる。

ここで、マイクロストリップラインアンテナ１の天頂方向における、右旋円偏波および左旋円偏波の絶対利得の周波数特性と軸比の周波数特性のシミュレーション結果を図２（ａ）および図２（ｂ）に示す。図２（ａ）の縦軸はアイソトロピック比で表した利得［ｄＢｉ］を、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表し、図２（ｂ）の縦軸は軸比［ｄＢ］を、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表す。なお、誘電体基板１０およびグラウンド導体２０を６０ｍｍ四方の寸法とし、誘電体基板１０の比誘電率を９．６としている。また、マイクロストリップライン導体３０のライン幅を１．５ｍｍ、内径を３０．０ｍｍとし、バイパス導体３４のライン幅を５．０ｍｍとしている。

図２（ａ）に示されるように、マイクロストリップラインアンテナ１における右旋円偏波のピーク利得は−４．４５ｄＢｉ（周波数は１．７５ＧＨｚ）であり、従来よりもピーク利得は５．２ｄＢ向上する。また、図２（ｂ）に示されるように、マイクロストリップラインアンテナ１における軸比最適周波数は１．５８ＧＨｚ（軸比は０．４５ｄＢ）であり、従来よりもピーク利得周波数と軸比最適周波数の周波数差は１８０ＭＨｚ小さくなる。さらに、軸比最適周波数における軸比は従来よりも１．９ｄＢ向上し、比帯域も１．６２ＧＨｚを中心に２０％と向上する。

このように、バイパス導体３４を設けることで、より右旋円偏波を効率よく放射することができるマイクロストリップラインアンテナ１を提供することができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２を図４および図５を参照しながら説明する。なお、実施の形態２は、マイクロストリップライン導体３０またはバイパス導体３４の形状に関して実施の形態１と異なり、マイクロストリップライン導体３０およびバイパス導体３４の形状以外の説明は省略する。
図４（ａ）から図４（ｄ）は、本発明の実施の形態２によるマイクロストリップライン導体３０およびバイパス導体３４の形状の例を示す平面図である。

バイパス導体３４は中心線に対して線対称であれば、図４（ａ）から図４（ｃ）に示すような形状であってもよい。また、マイクロストリップライン導体３０（素子３３）の形状も、円形に限られず、図４（ｄ）に示すように多角形であってもよい。特に、バイパス導体３４は図４（ａ）から図４（ｄ）に示すように中心に対して点対称であるとき、円偏波の放射特性を向上させることができる。

ここで、バイパス導体３４が図４（ａ）に示すような形状であるときの右旋円偏波および左旋円偏波の絶対利得の周波数特性と軸比の周波数特性のシミュレーション結果を図５（ａ）および図５（ｂ）に示す。図５（ａ）の縦軸はアイソトロピック比で表した利得［ｄＢｉ］を、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表し、図５（ｂ）の縦軸は軸比［ｄＢ］を、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表す。なお、バイパス導体３４のライン幅を５．０ｍｍとしている。他に、誘電体基板１０やグラウンド導体２０、マイクロストリップライン導体３０の寸法等は、実施の形態１のマイクロストリップラインアンテナ１のシミュレーション時と同様である。

図５（ａ）に示されるように、マイクロストリップラインアンテナ１における右旋円偏波のピーク利得は−３．４ｄＢｉ（周波数は１．６３ＧＨｚ）であり、従来よりもピーク利得は６．３ｄＢ向上する。また、図５（ｂ）に示されるように、マイクロストリップラインアンテナ１における軸比最適周波数は１．６３ＧＨｚ（軸比は１．０４ｄＢ）であり、従来よりもピーク利得周波数と軸比最適周波数の周波数差は３５０ＭＨｚ小さくなり、無くなる。さらに、軸比最適周波数における軸比は従来よりも１．３ｄＢ向上する。なお、比帯域は１．６５ＧＨｚを中心に９％となり、従来よりも狭帯域化する。

このように、バイパス導体３４は、図１に示すような対角に直交する二つのバイパスから成る形状でなくても、マイクロストリップライン導体３０（素子３３）の中心線に線対称となるような形状であれば、従来よりも右旋円偏波を効率よく放射することができるマイクロストリップラインアンテナ１を提供することができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３を図６から図８を参照しながら説明する。なお、実施の形態３は、実施の形態１のマイクロストリップアンテナ１に無給電素子３５を加えた構成であり、無給電素子３５以外の構成に関しては説明を省略する。
図６は、本発明の実施の形態２によるマイクロストリップラインアンテナ２の一例を示す斜視図であり、図７はその正面図である。

図６および図７に示すように、マイクロストリップラインアンテナ２は、誘電体基板１０の上方に空隙を介して無給電素子３５が設けられている。無給電素子３５は、図６に示すように、中空であり、その形状は環形である。また、無給電素子３５の内径はマイクロストリップライン導体３０の外径よりも大きい。

この無給電素子３５は、マイクロストリップライン導体３０およびバイパス導体３４から放射された円偏波に励振する。そして、励振した無給電素子３５から円偏波が再放射され、マイクロストリップラインアンテナ２の利得は高くなる。

ここで、マイクロストリップラインアンテナ２の天頂方向における、右旋円偏波および左旋円偏波の絶対利得の周波数特性と軸比の周波数特性のシミュレーション結果を図８（ａ）および図８（ｂ）に示す。図８（ａ）の縦軸はアイソトロピック比で表した利得［ｄＢｉ］を、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表し、図８（ｂ）の縦軸は軸比［ｄＢ］を、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表す。なお、無給電素子３５の直径を４４．０ｍｍとし、マイクロストリップライン導体３０と無給電素子３５間に設けた空隙の厚さを１．５ｍｍとしている。他に、誘電体基板１０やグラウンド導体２０、マイクロストリップライン導体３０、バイパス導体３４の寸法等は、実施の形態１のマイクロストリップラインアンテナ１のシミュレーション時と同様である。

図８（ａ）に示されるように、マイクロストリップラインアンテナ２における右旋円偏波のピーク利得は３．８０ｄＢｉ（周波数は１．７７ＧＨｚ）であり、従来よりもピーク利得は１３．４５ｄＢ向上する。また、図８（ｂ）に示されるように、マイクロストリップラインアンテナ２における軸比最適周波数は１．８３ＧＨｚ（軸比は０．５５ｄＢ）であり、従来よりもピーク利得周波数と軸比最適周波数の周波数差は２９０ＭＨｚ小さくなり、６０ＭＨｚである。さらに、軸比最適周波数における軸比は従来よりも１．８ｄＢ向上し、比帯域も１．７８ＧＨｚを中心に１７％と向上する。

このように、バイパス導体３４および無給電素子３５を設けることで、より右旋円偏波を効率よく放射することができるマイクロストリップラインアンテナ２を提供することができる。つまり、進行波型の平面アンテナにおいて、さらに比帯域を大きくするとともに、ピーク利得も大きくすることができる。また、ピーク利得周波数における軸比を３ｄＢ以下にすることもできる。

なお、無給電素子３５はピンなどによって保持される。また、マイクロストリップライン導体３０と無給電素子３５間に空隙を設ける代わりに、誘電体多層基板にて無給電素子３５を一体形成してマイクロストリップラインアンテナを構成してもよい。つまり、マイクロストリップライン導体３０と無給電素子３５間に他の誘電体基板を設けてもよい。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４を図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態４は、従来のマイクロストリップラインアンテナ２００に実施の形態３で記載の無給電素子３５のみを設けたことを特徴とし、無給電素子３５以外の構成に関しては説明を省略する。
図９は実施の形態４によるマイクロストリップラインアンテナ３の一例を示す斜視図であり、図１０はその正面図である。

図９および図１０に示すように、マイクロストリップラインアンテナ３は、誘電体基板１０の上方に空隙を介して無給電素子３５が設けられている。無給電素子３５は、図９に示すように、中空であり、その形状は環形である。また、無給電素子３５の内径はマイクロストリップライン導体３０の外径よりも大きい。

この無給電素子３５は、マイクロストリップライン導体３０から放射された円偏波に励振する。そして、励振した無給電素子３５から円偏波が再放射され、マイクロストリップラインアンテナ３の利得は高くなる。

ここで、マイクロストリップラインアンテナ３の天頂方向における、右旋円偏波および左旋円偏波の絶対利得の周波数特性と軸比の周波数特性のシミュレーション結果を図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示す。図１１（ａ）の縦軸はアイソトロピック比で表した利得［ｄＢｉ］を、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表し、図１１（ｂ）の縦軸は軸比［ｄＢ］を、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表す。なお、無給電素子３５の直径を４４．０ｍｍとし、マイクロストリップライン導体３０と無給電素子３５間に設けた空隙の厚さを１．５ｍｍとしている。他に、誘電体基板１０やグラウンド導体２０、マイクロストリップライン導体３０の寸法等は、実施の形態１のマイクロストリップラインアンテナ１のシミュレーション時と同様である。

図１１（ａ）に示されるように、マイクロストリップラインアンテナ３における右旋円偏波のピーク利得は３．６７ｄＢｉ（周波数は１．８２ＧＨｚ）であり、従来よりもピーク利得は１３．３２ｄＢ向上する。また、図１１（ｂ）に示されるように、マイクロストリップラインアンテナ３における軸比最適周波数は１．８８ＧＨｚ（軸比は１．００ｄＢ）であり、比帯域は１．８９ＧＨｚを中心に４％である。

このように、進行波型のアンテナにおいても、無給電素子３５を設けることで、狭帯域化するものの右旋円偏波の利得を高くすることができるマイクロストリップラインアンテナ３を提供することができる。なお、無給電素子の形状は環形に限られず、多角形であってもよい。

最後に、実施の形態１から実施の形態４は、マイクロストリップライン導体３０が一つの素子３３を形成する場合について言及するが、図１２や図１３に示すように、マイクロストリップライン導体３０は複数の素子３３を形成しても、つまりアレー化してもよいことを断っておく。

本発明の実施の形態１によるマイクロストリップラインアンテナの一例を示す平面図である。 本発明の実施の形態１によるマイクロストリップラインアンテナの一例を示す正面図である。 図１に示されるマイクロストリップラインアンテナのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態２によるマイクロストリップライン導体の例を示す図である。 図４（ａ）に示されるマイクロストリップラインアンテナのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態３によるマイクロストリップラインアンテナの一例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３によるマイクロストリップラインアンテナの一例を示す正面図である。 図６に示されるマイクロストリップラインアンテナのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態４によるマイクロストリップラインアンテナの一例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４によるマイクロストリップラインアンテナの一例を示す正面図である。 図９に示されるマイクロストリップラインアンテナのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態５によるマイクロストリップラインアンテナの一例を示す平面図である。 本発明の実施の形態５によるマイクロストリップラインアンテナの一例を示す平面図である。 従来のマイクロストリップラインアンテナの一例を示す平面図である。 従来のマイクロストリップラインアンテナの一例を示す正面図である。 図１４に示されるマイクロストリップラインアンテナのシミュレーション結果を示す図である。 従来のマイクロストリップラインアンテナの一例を示す平面図である。

符号の説明

１，２，３，４，５，１００，２００ マイクロストリップラインアンテナ
１０ 誘電体基板
２０ グラウンド導体
３０ マイクロストリップライン導体
３１ 給電ポート
３２ 終端整合ポート
３３ 素子
３４ バイパス導体
３５ 無給電素子

Claims (5)

1. 誘電体基板の裏面に配置されたグラウンド導体と、
   前記誘電体基板の表面に配置されたマイクロストリップライン導体と、
   前記マイクロストリップライン導体の一端に設けられた給電ポートと、
   前記マイクロストリップライン導体の他端に設けられた整合終端ポートと、を備えるマイクロストリップラインアンテナにおいて、
   前記マイクロストリップライン導体は、円偏波を放射する曲折した単一の素子が形成されるとともに、前記円偏波のピーク利得、軸比最適周波数における軸比、および軸比の比帯域に寄与するバイパス導体が該素子の内側に設けられたことを特徴とするマイクロストリップラインアンテナ。
2. 請求項１に記載のマイクロストリップラインアンテナにおいて、
   前記バイパス導体は前記素子の内側に該素子の中心線に対して線対称に設けられることを特徴とするマイクロストリップラインアンテナ。
3. 請求項１に記載のマイクロストリップラインアンテナにおいて、
   前記バイパス導体は前記素子の内側に該素子の中心に対して点対称に設けられることを特徴とするマイクロストリップラインアンテナ。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のマイクロストリップラインアンテナにおいて、
   前記誘電体基板の上方に空隙あるいは他の誘電体基板を介して前記円偏波に励振する無給電素子を設けたことを特徴とするマイクロストリップラインアンテナ。
5. 請求項４に記載のマイクロストリップラインアンテナにおいて、
   前記無給電素子は、中空であることを特徴とするマイクロストリップラインアンテナ。