JPH02883B2 - - Google Patents

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JPH02883B2
JPH02883B2 JP7294784A JP7294784A JPH02883B2 JP H02883 B2 JPH02883 B2 JP H02883B2 JP 7294784 A JP7294784 A JP 7294784A JP 7294784 A JP7294784 A JP 7294784A JP H02883 B2 JPH02883 B2 JP H02883B2
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conductor plate
antenna
radiating
conical beam
mode
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JP7294784A
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Toshikazu Hori
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/0407Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0428Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave

Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は簡潔な構成で薄形の構造を有し、円錐
ビームを放射する円偏波アンテナに関するもので
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Technical Field of the Invention) The present invention relates to a circularly polarized antenna that has a simple and thin structure and emits a conical beam.

(従来技術と問題点) 第1図は、円錐ビームアンテナの用途の例を示
す図であつて、1は船舶、2はアンテナ、3はア
ンテナの円錐ビームの電界強度の等しい点を結ん
だ線、4は静止衛星、5は鉛直軸を表わしてお
り、6は主ビーム方向を示す線である。
(Prior art and problems) Fig. 1 is a diagram showing an example of the application of a conical beam antenna, in which 1 is a ship, 2 is an antenna, and 3 is a line connecting points of equal electric field strength of the conical beam of the antenna. , 4 is a geostationary satellite, 5 is a vertical axis, and 6 is a line indicating the main beam direction.

例えば、船舶と衛星の間で通信を行なう場合、
船舶の移動や向きにかかわらず、無追尾の状態で
通信を可能にするには、アンテナのビームパター
ンは、その主ビームが第1図に示すように鉛直軸
5に対し、アンテナから衛星を臨む方向の線を母
線とする円錐形に近い形をしていればよい。これ
を円錐ビームと呼んでいる。
For example, when communicating between a ship and a satellite,
In order to enable communication without tracking regardless of the movement or direction of the ship, the antenna beam pattern should be such that its main beam faces the satellite from the antenna with respect to the vertical axis 5 as shown in Figure 1. It suffices if it has a shape close to a cone with the direction line as the generating line. This is called a conical beam.

従来、この円錐ビームを有する円偏波アンテナ
としては、第2図に示すようなクロスダイポール
アンテナがあつた。第2図において3はアンテナ
の円錐ビームの電界度の等しい点を結んだ線、5
は鉛直軸、6は主ビーム方向を示す線、7はクロ
スダイポール、8は給電線を示している。
Conventionally, a cross dipole antenna as shown in FIG. 2 has been used as a circularly polarized antenna having a conical beam. In Figure 2, 3 is a line connecting points with equal electric field strength of the conical beam of the antenna, and 5
is a vertical axis, 6 is a line indicating the main beam direction, 7 is a cross dipole, and 8 is a feeder line.

しかし、このアンテナは構造が立体的になり、
アンテナ高が大きくなるとともに、給電のための
同軸線路長が異なることから、給電が複雑となる
欠点があつた。
However, this antenna has a three-dimensional structure,
As the antenna height increases and the length of the coaxial line for power feeding differs, the power feeding becomes complicated.

第3図は、従来の円錐ビームを有する円偏波ア
ンテナの他の構成例を示す図であつて、8は給電
線、9は放射導体板、11は誘電体、12は導体
基板、16は給電点、17はマイクロストリツプ
給電線路を示している。
FIG. 3 is a diagram showing another configuration example of a conventional circularly polarized antenna having a conical beam, in which 8 is a feed line, 9 is a radiation conductor plate, 11 is a dielectric, 12 is a conductive substrate, and 16 is a The feed point 17 indicates a microstrip feed line.

このアンテナは、第2図のアンテナに比べて構
造が平面的になつてはいるが、円錐ビームを得る
ために相向かい合う素子を逆相で励振する必要が
あり、複数の素子と給電分配線路を必要とするか
ら形状が薄いかわりに平面的に大きい構造となる
という欠点があつた。
This antenna has a planar structure compared to the antenna in Figure 2, but in order to obtain a conical beam, it is necessary to excite opposing elements in opposite phases, and multiple elements and feed distribution lines must be excited. Although the shape is thin, the structure is large in plan.

(発明の目的) 本発明はこれらの欠点を除去するために、mが
2以上であるような1素子のTMmn0モード励振
マイクロストリツプアンテナを用い、放射方向で
90度の位相差を持つような位相関係で、放射導体
板の中心を通り互いに90/m度(mはTMmn0
ードのm)をなす2直線上の22点から放射導体板
を励振する給電回路を配置することにより、放射
素子1素子と給電回路という簡潔な構造で円錐ビ
ームを得たものである。
(Object of the Invention) In order to eliminate these drawbacks, the present invention uses a single-element TMmn 0 mode excitation microstrip antenna in which m is 2 or more, and
A power supply that excites the radiating conductor plate from 22 points on two straight lines that pass through the center of the radiating conductor plate and are 90/m degrees apart (m is m in TMmn 0 mode) with a phase relationship such that there is a phase difference of 90 degrees. By arranging the circuit, a conical beam can be obtained with a simple structure consisting of one radiating element and a feeding circuit.

以下本発明の構成等について実施例の図面に基
づいて詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure and the like of the present invention will be described in detail below based on drawings of embodiments.

(発明の実施例) TMmn0モード励振マイクロストリツプアンテ
ナの共振周波数f0は、公知のとおり次式で与えら
れる。
(Embodiment of the Invention) As is well known, the resonant frequency f 0 of the TMmn 0 mode excitation microstrip antenna is given by the following equation.

ここで、Kmnは第1種Bessel関数J′m(X)=0
のn番目の解を示しており、Cは真空中の光速、
εrは基板の誘導体の比誘電率である。また、(1)式
におけるaeは放射導体板の実効等価半径を示し
ており、端効果(fringing effect)を考慮するこ
とにより、放射導体板半径aとは次式で関係づけ
られる。
Here, Kmn is the Bessel function of the first kind J′m(X)=0
shows the nth solution of , where C is the speed of light in vacuum,
εr is the dielectric constant of the dielectric of the substrate. Furthermore, ae in equation (1) indicates the effective equivalent radius of the radiation conductor plate, and by considering the fringing effect, it is related to the radiation conductor plate radius a by the following equation.

ここで、dは誘電体の厚さである。 Here, d is the thickness of the dielectric.

TMmn0モード励振マイクロストリツプアンテ
ナに1つの給電点から給電したときの放射指向性
g(θ、φ)は次式で与えられる。
The radiation directivity g (θ, φ) when power is fed to a TMmn 0 mode excitation microstrip antenna from one feeding point is given by the following equation.

g=(θ、φ)=√22 ここで、 Eθ=−〔Jm-1(u)−Jm+1(u)〕cosmφ ……(4) Eθ=〔Jm-1(u)+Jm+1(u)〕cosθsinmφ ……(5) ただし、Jは第1種Beseel関数、K0は自由空
間中の伝搬定数、aeは(2)式で与えられる実効等
価半径である。
g = (θ, φ) = √ 2 + 2 where, Eθ = − [Jm -1 (u) − Jm +1 (u)] cosmφ ... (4) Eθ = [Jm -1 (u) + Jm + 1 (u)〕cosθsinmφ……(5) Here, J is a Beseel function of the first kind, K 0 is a propagation constant in free space, and ae is an effective equivalent radius given by equation (2).

また、2点給電により円偏波を励振する場合の
放射指向性gc(θ、φ)は、(3)式で与えられたg
(θ、φ)を用いて次式で与えられる。
In addition, the radiation directivity gc (θ, φ) when exciting circularly polarized waves by two-point feeding is given by g
(θ, φ) is given by the following equation.

gc(θ、φ)=g(θ、φ)+jg(θ、φ−π/2m ……(7) 第4図は本発明のm=2、n=1の場合の実施
例を示す図であり、TM210モードで励振する1素
子のマイクロストリツプアンテナの場合を示して
いる。第4図において、9は放射導体板、10は
90度位相差給電回路としての3dBハイブリツド、
11は誘電体、12は導体基板、14は1/4波線
路、15はチツプ抵抗、16は給電点を示してい
る。
gc (θ, φ) = g (θ, φ) + jg (θ, φ - π/2m...(7) Figure 4 is a diagram showing an embodiment of the present invention in the case of m=2 and n=1. The figure shows the case of a one-element microstrip antenna excited in TM 210 mode.In Fig. 4, 9 is a radiation conductor plate, and 10 is a radiation conductor plate.
3dB hybrid as a 90 degree phase difference power supply circuit,
11 is a dielectric, 12 is a conductive substrate, 14 is a 1/4 wave line, 15 is a chip resistor, and 16 is a feeding point.

TM210モードで励振する場合、(1)式中のKmn
はK21=3.054である。
When exciting in TM 210 mode, Kmn in equation (1)
is K 21 =3.054.

第5図はTM210モード励振マイクロストリツプ
アンテナの表面電流の分布を示す図で、aは1点
から給電した場合、bは中心を通り45度をなす2
直線上の2点から給電した場合を示している。
Figure 5 shows the surface current distribution of the TM 210 mode excitation microstrip antenna.
This shows the case where power is supplied from two points on a straight line.

第4図に示す実施例では中心を通り45度をなす
2直線上の2点から給電しているので、表面電流
の分布は第5図bに示すようになり、各点からの
給電に対する内部電磁界は互いに直交する。すな
わち、TM210モード励振マイクロストリツプアン
テナの放射電磁界も直交し、2つの給電点への給
電位相差が90度になるように給電することにより
円偏差が放射される。このとき、TM210モードで
励振されていることから鉛直軸方向の放射電磁界
が0であり、放射指向性円錐ビームになることに
変わりはない。従つて、この実施例のような、
TM210モード励振マイクロストリツプアンテナの
場合、45度をなす2直線上の2点から9度の位相
差給電することにより、1素子で円偏波円錐ビー
ムが得られることになる。
In the embodiment shown in Fig. 4, power is supplied from two points on two straight lines passing through the center and forming an angle of 45 degrees, so the surface current distribution is as shown in Fig. 5b, and the internal The electromagnetic fields are orthogonal to each other. That is, the radiated electromagnetic fields of the TM 210 mode excitation microstrip antenna are also orthogonal, and the circular deviation is radiated by feeding the two feeding points so that the feeding phase difference is 90 degrees. At this time, since it is excited in the TM 210 mode, the radiation electromagnetic field in the vertical axis direction is 0, and it remains a radiation-directed conical beam. Therefore, as in this example,
In the case of the TM 210 mode excitation microstrip antenna, a circularly polarized conical beam can be obtained with one element by feeding power with a phase difference of 9 degrees from two points on two straight lines forming a 45 degree angle.

(7)を用いて計算した放射指向性の計算例を第6
図に示す。図中のパラメータは基板の誘導体の比
誘導率である。
An example of radiation directivity calculated using (7) is shown in the sixth section.
As shown in the figure. The parameter in the figure is the specific dielectric constant of the dielectric of the substrate.

なお、90度の位相差を発生するための回路とし
て、第4図では3dBハイブリツドを用いた場合を
示している。このように、放射素子と同一面に給
電回路を設けることにより基板の裏から1個のコ
ネクタを用いて給電が可能である。なお、この場
合、ハイブリツドのダミー端は1/4波長線路とチ
ツプ抵抗を用いて終端するとより簡潔なアンテナ
の構成が可能である。
Note that FIG. 4 shows a case where a 3 dB hybrid is used as a circuit for generating a 90 degree phase difference. In this way, by providing the power supply circuit on the same surface as the radiating element, power can be supplied from the back of the board using one connector. In this case, a simpler antenna configuration can be achieved by terminating the hybrid dummy end using a 1/4 wavelength line and a chip resistor.

以上、ここでは、TM210モードについて示した
が、他のモードにおいても同様であり、例えば、
m=3、n=1としたTM310モードの場合は、
Kmn=4.201であり、30度をなす直線上の点から
90度の位相差で給電することにより、同様の結果
を得ることができる。
Although the TM 210 mode has been described above, the same applies to other modes, for example,
For TM 310 mode with m=3 and n=1,
Kmn=4.201, from a point on a straight line making 30 degrees
Similar results can be obtained by feeding with a 90 degree phase difference.

第7図は本発明の他の実施例を示す図であつ
て、13は無給電導電板を示している。本例のよ
うに、放射導体板の上方に平行に無給電導体板を
装荷することにより、無給電導体板無装荷時のマ
イクロストリツプアンテナの共振周波数特性に無
給電導体板装荷による共振周波数特性が重畳さ
れ、共振周波数特性は変化する。そこで、2導体
板の間隔および大きさの比を適当に選ぶことによ
り広域が可能である。
FIG. 7 is a diagram showing another embodiment of the present invention, in which reference numeral 13 indicates a parasitic conductive plate. As in this example, by loading the parasitic conductor plate in parallel above the radiating conductor plate, the resonant frequency characteristic of the microstrip antenna when the parasitic conductor plate is not loaded is changed to the resonant frequency due to the loading of the parasitic conductor plate. The characteristics are superimposed and the resonant frequency characteristics change. Therefore, a wide area can be achieved by appropriately selecting the interval and size ratio of the two conductor plates.

第8図に無給電導体板装荷時および無装荷時の
VSWR特性の一例を示す。無給電導体板の装荷
により広域化されているのがわかる。
Figure 8 shows when the parasitic conductor plate is loaded and when it is not loaded.
An example of VSWR characteristics is shown. It can be seen that the area is expanded by loading the parasitic conductor plate.

また、第7図に示すような無給電導体板をプリ
ント基板にプリントすることにより構成して、無
給電導体板と放射導体板の間に発泡プラステイツ
ク等の誘導体を挟んで接着する構造とすれば、放
射導体板および給電回路が隠蔽されて耐候性が増
すので経年による影響の少ない安定したアンテナ
を得ることができる。
Furthermore, if a parasitic conductor plate as shown in Fig. 7 is constructed by printing it on a printed circuit board, and a dielectric material such as foamed plastic stick is sandwiched and bonded between the parasitic conductor plate and the radiation conductor plate, the radiation Since the conductor plate and the feeder circuit are hidden and weather resistance is increased, it is possible to obtain a stable antenna that is less affected by aging.

(発明の効果) 以上説明したように、本発明の円偏波円錐ビー
ムアンテナは1素子の高次モード励振マイクロス
トリツプアンテナに、アンテナと同一面に配置し
た90度位相差回路を用いて適当な2点から給電す
ることにより、簡潔な構成で円錐ビームを得るこ
とができる利点が有り、例えば衛星を用いた通信
における移動体搭載用アンテナとして適用するこ
とが可能である。
(Effects of the Invention) As explained above, the circularly polarized conical beam antenna of the present invention uses a single-element high-order mode excitation microstrip antenna and a 90-degree phase difference circuit arranged on the same plane as the antenna. By feeding power from two suitable points, there is an advantage that a conical beam can be obtained with a simple configuration, and it can be applied, for example, as an antenna mounted on a mobile body in communication using a satellite.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は円錐ビームアンテナの用途の例を示す
図、第2図は従来のクロスダイポールアレーアン
テナを示す図、第3図は従来の円錐ビームを有す
る円偏波アンテナの他の構成例を示す図、第4図
は本発明の一実施例を示す図、第5図はTM210
ード励振マイクロストリツプアンテナの表面電流
の分布を示す図、第6図は放射指向性の計算例を
示す図、第7図は本発明の他の実施例を示す図、
第8図はVSWR特性の実測例を示す図である。 1……船舶、2……アンテナ、3……アンテナ
の円錐ビームの電界強度の等しい点を結んだ線、
4……静止衛星、5……鉛直軸、6……主ビーム
方向を示す線、7……クロスダイポール、8……
給電線、9……放射導体板、10……90度位相差
給電回路、11……誘電体、12……導体基板、
13……無給電導体板、14……1/4波長線路、
15……チツプ抵抗、16……給電点、17……
マイクロストリツプ給電線路。
Fig. 1 shows an example of the use of a conical beam antenna, Fig. 2 shows a conventional cross dipole array antenna, and Fig. 3 shows another configuration example of a conventional circularly polarized antenna with a conical beam. Fig. 4 shows an embodiment of the present invention, Fig. 5 shows a surface current distribution of a TM 210 mode excitation microstrip antenna, and Fig. 6 shows an example of calculation of radiation directivity. FIG. 7 is a diagram showing another embodiment of the present invention,
FIG. 8 is a diagram showing an example of actually measured VSWR characteristics. 1...Ship, 2...Antenna, 3...Line connecting points of equal electric field strength of the antenna's conical beam,
4...Geostationary satellite, 5...Vertical axis, 6...Line indicating the main beam direction, 7...Cross dipole, 8...
Feeding line, 9... Radiation conductor plate, 10... 90 degree phase difference feeding circuit, 11... Dielectric, 12... Conductor substrate,
13... Parasitic conductor plate, 14... 1/4 wavelength line,
15... Chip resistor, 16... Power supply point, 17...
Microstrip feed line.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 誘電体板の一方の面に導体基板を展着し、該
誘電体板の他方の面に放射導体板と無給電導体板
とを配置した構造を有し、放射導体板の中心を通
る垂直軸上における放射電磁界が極小となるmが
2以上のTMm10モード励振マイクロストリツプ
アンテナにおいて、放射方向で90度の位相差を持
つような位相関係で、放射導体板の中心を通り互
いに90/m度(mはTMm10モードのm)をなす
2直線上の2点から放射導体板を励振する給電回
路を有することを特徴とする円偏波円錐ビームア
ンテナ。
1 It has a structure in which a conductor substrate is spread on one side of a dielectric plate, and a radiating conductor plate and a parasitic conductor plate are arranged on the other side of the dielectric plate, and a vertical line passing through the center of the radiating conductor plate In a TMm 10 -mode excited microstrip antenna with m of 2 or more, which minimizes the radiated electromagnetic field on the axis, the antennas pass through the center of the radiating conductor plate to each other with a phase relationship such that there is a 90 degree phase difference in the radiating direction. A circularly polarized conical beam antenna characterized by having a feeding circuit that excites a radiation conductor plate from two points on two straight lines forming an angle of 90/m degrees (m is m in TMm 10 mode).
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