JPH02260704A

JPH02260704A - 平面アンテナ

Info

Publication number: JPH02260704A
Application number: JP1080694A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Shirosaka; 敏明城阪
Original assignee: DX Antenna Co Ltd
Current assignee: DX Antenna Co Ltd
Priority date: 1989-03-30
Filing date: 1989-03-30
Publication date: 1990-10-23
Anticipated expiration: 2014-03-03
Also published as: GB2229863B; US5006858A; FR2645353A1; DE4010101A1; JP2862265B2; GB9002573D0; GB2229863A; FR2645353B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、マイクロストリップラインを用いた平面ア
ンテナに係り、特に斜方向の指向特性付与または小型化
のために素子数か少ないクランク形のマイクロストリッ
プライン・アンテナに関するものである。

〔従来の技術〕

クランク形のマイクロストリップライン・アンテナの代
表的な例は、特開昭５７−９９８０３号公報の第９図及
び第１Ｏ図、またはこれに対応する米国特許節４，４７
５，１０７号明細書の第１０図及び第１１図に示されて
いるように、比較的長い山部分と比較的短い谷部分を交
互にクランク形に結合してなる導体ラインの対によって
構成されている。ここて、対を構成している導体ライン
は、その一方の谷部分か他方の山部分の中央に来る関係
で、平行に配置されている。この導体ラインの対は、１
個の山部分と１個の谷部分の合計に相当する長さの区間
ごとに、電磁波の２波長になる円偏疲または直線偏波用
のアンテナ素子を構成する。従って、上記特許公開公報
の第９図及び第１０図または上記米国特許明細書の第１
０図及び第１１図に示されているアンテナは、何れも３
素子構成である。

なお、これらの導体ラインは誘電体基板上に形成されて
いるので、周波数が同じであっても、基板が持つ訪電率
εに対応して、導体ライン上の電磁波の波長は空間にお
ける波長と違ってくる。例えば、ポリエチレン基板（ｅ
　＝　２．５）に設けた導体ライン上の電磁波の波長は
、空間における波長の約６３％に短縮され、発泡ポリエ
チレン基板（（＝１．７）に設けた導体ライン上の電磁
波の波長は、空間波長の約８０％に短縮される。

上述のクランク形マイクロストリップライン・アンテナ
は、各アンテナ素子内における各ラインごとの導体長が
電磁波の２波長に相当する長さであるとき、アンテナ平
面に垂直な方向に放射の主ビームが指向する。このよう
な指向特性を、ブロードサイド型と呼んでいる。

しかし、クランク形の導体の各部の長さをマイクロスト
リップラインの伸延方向に引伸ばすと、放射の主ビーム
は斜方向に指向するようになる。

このような指向特性を、サイドルッキング型と呼んでい
る。

中緯度地域または高緯度地域において、静止人工衛星か
らの電波を受信しようとする場合、パラボラアンテナま
たはブロードサイド型平面アンテナを使用すれば、アン
テナ開口面またはアンテナ平面が電波の到来力・向に垂
直になるように、アンテナを水平面に対して大きく起こ
さなければならぬ。そのために、アンテナを車両の屋根
の上に設置した場合、走行の際にアンテナが受ける風圧
が増大する。しかし、適度に指向特性か傾けられたサイ
ドルッキング型平面アンテナを用いれば、水平に近い姿
勢で受信を行うことができるので、走行の際にアンテナ
か受ける風圧は僅かになる。

（発明が解決しようとする課題〕マイクロストリップライン・アンテナでは、クランク形
のアンテナ素子が、通常１０素子前後直列に結合されて
いる。この素子数を増やすと、アンテナの利得は上がる
が、周波数帯域幅が狭くなる。逆に直列に列ぶクランク
形アンテナ素子の数を減らすと、周波数帯域幅は広がる
が、利得は低下する。そのために、クランク形アンテナ
素子の数が少ないブロードサイト型のアンテナの場合は
、素子列の終端にバッチアンテナ素子を附加し、利得の
改善を行っていた。

前記特許公開公報等に示されているクランク形のアンテ
ナにサイドルッキング特性を与えようとする場合は、大
幅に各アンテナ素子の長さを増大させなければならない
。例えば、主ビームの放射方向を２８６傾けると、この
方向から見た各アンテナ素子の長さはｃａｓ　２８’　
＝　０．８８倍に縮小されるにすぎないが、実際は各ア
ンテナ素子の長さを１，５倍にしないと、放射方向を２
８″傾けることができない。そのために直列に並べつる
アンテナ素子の数が激減し、アンテナ利得が著るしく低
下する。

このように、アンテナ素子の長さをサイドルッキング特
性を得るために例えば１．５倍に引伸ばすと、２８°傾
いた方向に使用しようとする電波の放射の主ビームが指
向するが、約１．５倍の波長を持った電波の主ビームか
、アンテナ平面にほぼ垂直な方向に放射されることに注
意しなければならない。同じ理由により、使用しようと
する電波の１倍から１．５倍の間にある波長の電波が、
０″から２８＠の間の各方向に放射される。更に、２８
°よりも一層大きく傾いた方向に、使用電波よりも短か
い波長の電波・が放射されることも理解できよう。

また、ブロードサイド型のクランク形マイクロストリッ
プライン・アンテナの場合も、アンテナ平面に垂直な方
向へ放射される使用電波よりも短かい波長の不所望電波
が、斜方向に放射されることが理解てきよう。

従って本発明の第１の目的は、不所望な方向へ向う不所
望な波長の電波の放射を抑圧して、不要な放射によるア
ンテナの信号対雑音比を改善することにある。

前述のように、ブロードサイト型のマイクロストリップ
ライン・アンテナては、直列に並ぶアンテナ素子の数の
減少による利得の低下を、列の終端にバッチアンテナ素
子を附加することによって補うことがてきた。しかし、
パッチアンテナ素子は、正面方向にのみ大きな利得を持
つため、正面方向に放射されるエネルギーを位相差によ
って減殺して、サイドルッキング型の特性を得ることが
困難であるから、クランク形アンテナにサイドルッキン
グ特性を与えることによりアンテナ素子数が減少したこ
との対策としては有効でない。

従って、この発明の第２の目的は、比較的素子数か少い
クランク形のマイクロストリップライン・アンテナ、特
にサイドルッキング特性を与えるために素子数が減少し
たクランク形アンテナにおいて、各アンテナ素子の放射
の効率を高めること及び指向性利得の向上によって、ア
ンテナの利得の向上を計り、開口効率を良くすることに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明においては、平面誘電体基板の表面にクランク
形の導体ラインの複数本が平行して形成され、その前面
の基板表面から電波の波長の概略半波長またはその整数
倍離れた平面上に、上記クランクの各辺にそれぞれ平行
な半波長導波素子を構成している導体の多数が、互に接
近して配置されている。

ここて、基板の前方面に導体ラインを形成する手段とし
ては、基板の表面に積層した銅箔なエツチングするのが
実用的である。ツロートサイド型アンテナの場合、導体
ラインが作るクランクの各部の寸法は、例えば前記特許
公開公報の第１０図、または前記米国特許明細書の第１
１図に説明されている値に選ばれる。また、サイトルラ
キング型アンテナの場合のクランクの各部の寸法は、主
放射ビームの傾き角に応じて、導体ラインの伸延方向に
引伸ばされる。

上記半波長導波素子は、例えばポリエステル樹脂の薄フ
ィルムのような、電波の透過率が良い誘電体フィルム上
に、金属の蒸着または導電性インクによる印刷によって
形成するのが望ましい。各半波長導波素子の実際の長さ
は、導体か電波の半波長にほぼ共振状態になって、アン
テナの利得を高めるのに適した長さであるから、実際の
電波の半波長に較べると、かなり短かい。例えば、電波
の波長をλとし、導体ラインから半波長導波素子までの
距＃ｈを０．５５人、各半波長導波素子の幅を０．０８
人とした場合は、第６図に示すように、導波素子の長さ
が０．３５人近辺であるときに、アンテナの利得か最も
大きくなった。

半波長導波素子が設けられているフィルムを、誘電体基
板上の導体ラインから所定距離りだけ隔離する手段とし
ては、導体ラインを有する誘電体基板面に低密度の発泡
樹脂、例えば発砲ポリスチロールの板を貼り合わせ、そ
の表面に半波長導波素子を有するフィルムを貼り合わせ
るのか望ましい。発泡樹脂板の代りに、紙や合成樹脂の
ような低損失材料で作ったハニカム構造体の板を用いる
こともできる。導体ラインから半波長導波素子まての距
＃ｈ、即ち上述のフィルムを誘電体基板から隔離してい
る板の厚さか、第７図に示すように、電波の波長の約２
分の１に相当する寸法のときに、アンテナの利得は最大
になる。そして、距離りがその整数倍の寸法のときも、
アンテナの利得を高めることかできる。

（作　　　用〕クランク形の導体ラインから放射された電波が、半波長
導波素子に到達すると、これに共振電流が流れる。導体
ラインは、水平偏波及び垂直偏波の電波を放射するか、
これにより各半波長導波素子にもクランクの各部にそれ
ぞれ似た状態て共振電流が流れる。

ここで、各半波長導波素子の長さと、これを流れる共振
電流の大きさ及び位相の関係は第８図及び第９図のよう
になる。即ち、共振電流は、導波素子の長さが電波の半
波長に相当する長さ（０，５λ）のときに最大になるか
、そのときの電流の位相は電波と９０６違っているため
、第６図に示したようにアンテナの利得増加につながら
ない。また、導波素子の長さか０．３波長く０．３人）
以下になると、これを流れる電流の位相は電波と殆ど一
致するか、電流値か著るしく減少するために、やはりア
ンテナの利得増加につながらない。しかし、導波素子の
長さか０．３５波長（０，３５λ）近辺のときは、共振
電流がかなり大きく、その位相も電波にかなり近いのて
：第６図に示すようにアンテすの利得を大幅に増加させ
る。

１対の導体ラインで構成されるｎ個のアンテナ素子の列
は、第１０図のように素子Ｅ、、　Ｅ、、・・・・ＥＩ
、・・・・Ｅ、の直列回路として表現することがてきる
。各アンテナ素子はすべて同構造であるから、ｉ番目（
ｉは１からｎまでの間の任意の整数）の素子Ｅｉについ
ての説明は、全アンテナ素子に適用することかできる。

アンテナ素子Ｅ、にＰ、なる電力が与えられると、Ｒ□
なる電力の放射が行われ、ＰＩＲ＋＝　Ｐ　（ｉ＊１）なる残った電力か次段の素子Ｅ　（ｉｌ＋１へ送られる
。そして、各アンテナ各素子の放射の効率なＲ，／Ｐ、
＝　Ｋとすると、最終段素子Ｅｎては、Ｐ　（。＋１）
　＝　Ｐ、（Ｉ　　Ｋ　）ｎなる電力が残り、終端抵祈
Ｒに吸収される。

各アンテナ素子の放射効率Ｋを横軸に取り、アンテナ素
子を１個しか使わない場合に較べてｎ４Ｍ使った場合の
アンテナ利得の上昇を計算して縦軸に示すと、第１１図
のようになる。各アンテナ素子の放射効率は、導体ライ
ンを形成している導体箔の幅を広げることなどにより、
向上させることがてきる。しかし、導体箔の幅を過度に
広げると、クランクの形状が損なわれるのて、通常は、
アンテナ素子の放射効率には１０〜３０％程度にすぎな
い。

第１１図では、アンテナの利得が最も上がる条件をｘ印
で示している。これによると、各アンテナ素子の放射効
率Ｋが通常の１０〜３０％の範囲内であっても、素子数
ｎか８以上になれば、容易に最高利得条件が得られるか
、素子数ｎが６以下であれば、放射効率Ｋを３０％以上
にしないと最高利得条件を得ることかできず、これは、
通常の手段では実現できない。しかし、この発明によれ
ば、アンテナ素子の前面に半波長導波素子を配置したこ
とによって、Ｋの値を５０％前後にまて引上げることが
できるので、素子数ｎが４個の場合でも、アンテナ利得
を最大限に高めることができる。従って、小型化、広帯
域化、サイドルッキング特性付与などの目的で素子数が
少ないクランク形マイクロストリップライン・アンテナ
の利得を効果的に高めることができる。

また、半波長導波素子は、所定の波長の電波に対しての
み、アンテナ素子の利得を高める機能を発揮するのて、
不所望方向へ向う不所望な波長の電波の放射を抑制する
ことができる。

なお１以上はアンテナを送信に用いる場合の動作である
か、受信に用いればこれと完全に可逆的に動作させるこ
とができる。

（実　施　例）第１図及び第２図において１発泡ポリエチレンよりなる
基板ｌの裏面にはアルミニウム製の接地板２が積層され
、その表面には第３図に示すようなパターンのクランク
形の導体ライン３１．３２゜３３、３４．３５．３６．
３７．３８が銅箔によって形成されている。１例として
、基板１、接地板２及び銅箔のそれぞれの厚さは、０．
８■、ｌｌｌ１１及び０．０３ｍｍである。

第５図に示すように、導体ライン３１〜３８の伸延方向
をＸ、基板１上にあってＸに直交する方向なＹ、基板１
に垂直な方向をＺとすると、各導体ラインは、Ｘ方向の
比較的長い部分Ａと、Ｘ方向の比較的短かい部分Ｂとを
交互に増し、部分Ａと部分Ｂとの間はＹ方向の部分Ｃに
よって結合されている。１例として、電波の周波数が１
２ＧＨ，で、Ｚ方向からＸ方向へ２８°傾いたＷ方向へ
電波を放射させる場合の各部の寸法は、ライン３１〜３８の幅　　　　４．０−ｍ部分Ａの中心
部の長さ　２９．２　ｍ■部分Ｂの中心部の長さ　２１
．０　ｍｍ部分Ｃの中心部の長さ　　１０．０　ａｍで
ある。

第３図に示すように、導体ライン３１及び３２の入力導
体３１１及び３２１は導体１１に、導体ライン３３及び
３４の入力導体３３１及び３４１は導体１２に、導体ラ
イン３５及び３６の入力導体３５１及び３６１は導体１
３に、導体ライン３７及び３８の入力導体３７１及び３
８１は導体１４に、それぞれ結合されている。そして、
導体１１及び１２は導体１５に、導体１３及び１４は導
体１６にそれぞれ結合され、更に導体１５及び１６は入
力端子４に結合されている。これらの導体３１１、３２
１　　、　３：１１　　、　３４１　　、　３５１　　
、　３５１　　、　３７１　　、　３８１　．１１．１
２．１３．１４．１５．１６及び入力端子１７も、各導
体ラインと同様に、基板ｌ上に銅箔で形成されている。

また、導体ライン３１及び３２の出力導体３１２及び３
２２と接地導体４１の間、導体ライン３３及び３４の出
力導体３３２及び３４２と接地導体４２の間、導体ライ
ン３５及び３６の出力導体３５２及び３６２と接地導体
４３の間、導体ライン３７及び３８の出力導体３７２及
び３８２と接地導体４４の間には、それぞれ終端抵抗５
１．５２．５３．５４か半田付けされている。これらの
導体３１２　、３２２　、３３２　、３４２　、３５２
　、３６２゜３７２　、３８２　、４１．４２．４３．
４４も、各導体ラインと同様に、基板ｌ上に銅箔で形成
されている。終端抵抗５１〜５４の抵抗値は、導体ライ
ンのインピーダンスに等しく、例えばライン・インピー
ダンスが５０オームてあれば、同様に５０オームである
。なお、接地導体４１．４２．４３．４４、は接地板２
と静電的に結合することにより、高周波的に接地されて
いる。

基板１の導体ライン３１〜３８を有する表面の上には、
低密度の発泡スチロール板６が粒層され、更に発泡スチ
ロール板６の表面上には薄いポリエステルフィルム７が
積層されている。ポリエステルフィルム７の表面には、
第４図に示すように、多数のＸ方向の半波長導波素子８
１．８１・・・・と多数のＹ方向半波長導波素子８２．
８２・・・・とが、アルミニウムの蒸着によって形成さ
れている。１例として、１２Ｇ）１．の電波の場合は、
発泡スチロール板６の厚さは１４．５〜１５ｍｍてあり
、半波長導波素子は幅が２■で長さが８．７５ｍｍが適
当である。

第１２図は、上記実施例のように１列が４素子て構成さ
れているアンテナにおいて、入力端子４に加わっ罠電力
と終端抵抗５１〜５４に吸収される残留電力との比率を
示し、曲線１１は半波長導波素子８１及び８２を有して
いない場合のものであり、曲線１２は半波長導波素子８
１及び８２を有する場合のものである。これによると、
半波長導波素子を設けない場合は、入力の７５％しか放
射が行われないか、半波長導波素子を設けることにより
、実に９４〜９５％が放射されることが判る。

第１３図は、第５図に示すようにビームの傾斜角が２８
°であり、９素子で構成された列を１６列有する１２Ｇ
Ｈ□用アンテナにおいて、半波長導波素子を用いない場
合（ＯｄＢ）に較べて、半波長導波素子を設けた場合の
アンテナ利得の増加を示すものである。ここで、矢印１
３は電波の使用帯域を示す。

第１４図は、本発明で使用される半波長導波素子８１、
８１・・・・及び８２．８２・・・・の第４図とは異な
る配置例を示す。第１４図では半波長導波素子８１．８
１・・・・は半波長に相当する長さだけずらせて配置し
てあり、各行の半波長導波素子８２．８２・・・・は半
波長に相当する長さだけずらせて配置しであるが、この
ずらせる長さは、半波長に限らず、例えば１７４波長、
１／１０波長等のように任意の長さだけずらせることも
てきる。

第１５図は、本発明で使用できる半波長導波素子の別の
形状の例を示し、各素子はＸ方向の部分８３とＹ方向の
部分８４とからなる十字形をなし、部分８３及び８４は
何れも電波の波長の０．３５倍に相当する長さを有する
。

（発明の効果）以上の説明によって明らかなように、この発明によるク
ランク形マイクロストリップライン・アンテナは、指向
性利得の向上と共に１アンテナ素子当りの放射効率を従
来の１０〜３０％から５０％附近まで高めることができ
るのて、特に小型化や広帯域化のため、或いはサイドル
ッキング特性を得るために、同一列上に並ぶアンテナ素
子数か少ない場合に極めて有効である。同時に、不所望
の方向に向う不要な波長の放射を抑制して、アンテナの
信号対雑音比も向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の一部破断乎面図、第２図は
同実施例の拡大した部分断面図、第３図は同実施例にお
けるマイクロストリップラインの平面図、第４図は同実
施例における半波長導波素子の平面図、第５図は同実施
例における方向の説明図、第６図は半波長導波素子の長
さとアンテナ利得との関係を示す＆１図、第７図は半波
長導波素子のアンテナ素子からの距離とアンテナ利得と
の関係を示す線図、第８図は半波長導波素子の長さと共
振電流の大きさとの関係を示す線図、第９図は半波長導
波素子の長さと共振電流の位相との関係を示す線図、第
１０図は各アンテナ素子の電力の移動・状態を示すブロ
ック図、第１１図は各アンテナ素子の放射効率と多素子
アンテナの利得の関係を示す線図、第１２図は従来例及
び本発明における終端残留電力を比較する線図、第１３
図は本発明によるアンテナ利得の向上と周波数との関係
を示す線図、第１４図はこの発明における半波長導波素
子の異なる配列例を示す部分平面図、第１５図はこの発
明における異なる形状の半波長導波素子を示す部分平面
図である。１・・・・平面誘電体基板、２・・・・接地板、３１〜
３８・・・・導体ライン、６・・・・発砲スチロール板
、７・・・・ポリエステルフィルム、８１・・・・Ｘ方
向半波長導波素子、８２・・・・Ｘ方向半波長導波素子
、Ａ・・・・比較的長い部分、Ｂ・・・・比較的短かい
部分、Ｃ・・・・結合部分。特許出願人　　デイエックスアンテナ株式会社代　　理
　　人　　　清　　　水　　　　　哲　　　ほか２名第
６　団鳥２）Ｉ１１５回第７回第８　図第９図鴇１２　辺第１３ｆｉｌ］絶１４回第１５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｘ方向及びこれに直交するＹ方向に横たわる平面
誘電体基板上に、上記Ｘ方向に伸びる比較的長い部分と
同方向に伸びる比較的短かい部分とを交互に有し、上記
Ｙ方向に伸びる部分によって上記両部分がクランク形に
結合されている導体ラインの複数本を平行に配置してな
るマイクロストリップライン・アンテナにおいて、上記
導体ラインの前面に上記マイクロストリップライン・ア
ンテナの使用電波の約半波長またはその整数倍に相当す
る距離だけ離れた平面内に、上記使用電波の半波長に共
振し得る長さの導体によって形成され、上記Ｘ方向及び
上記Ｙ方向にそれぞれ伸びる多数の半波長導波素子を、
互に接近させて配量したことを特徴とする平面アンテナ
。