JPH04215305A - 円偏波マイクロストリップアンテナ - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は円偏波マイクロストリッ
プアンテナに関し、特に、円偏波マイクロストリップア
ンテナの指向性を改善する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０に従来のマイクロストリップアン
テナ（以後、ＭＳアンテナと記す）の一例を示す。ＭＳ
アンテナは矩形エレメント（ｘ１×ｙ１）を有するもの
で、給電位置によりｘ方向、ｙ方向を独立に励振させる
ことができる。また、給電点位置が、ｘ１×ｙ１の対角
線上にあり、円偏波が発生できる。以下に矩形エレメン
トの寸法、接地導体の大きさ、および、放射指向性の観
点から、ＭＳアンテナについて説明する。

【０００３】（１）矩形エレメント寸法ｘ方向、ｙ方向
独立に共振モ−ドが存在するため、ここではｘ方向につ
いて従来手法を述べる。ｘ方向を励振するには、給電点
位置をｙ１でｘ軸に平行になるようにする。ｘ１の長さ
は、基本モ−ドの場合、ｘ１≒λｇ／２＝ｃ／（２ｆ√
Ｅｒ）＝λｏ／（２√Ｅｒ）で選ばれる。ここで、λｇ
は管内波長（アンテナ上の波長の意味）、λｏは自由空
間波長、Ｅｒは誘電率である。すなわち、アンテナの小
型化を図るには、基板の誘電率を大きくすることが望ま
しい。一方、図１１，図１２図，図１３，図１４，およ
び図１５に示すように、誘電率を大きくすると、アンテ
ナの効率の低下によるアンテナ利得の低下、Ｑファクタ
が大きくなりバンド幅が狭くなる等の問題がある。

【０００４】一般には１≦Ｅｒ≦５程度が選ばれ、０．
２３λｏ≒ｘ１≒０．５λｏとなる。基本モ−ドでは、
ｘ方向のエレメント表面の電流がｘ１／２において零、
即ち、接地導体板とエレメント間の電界（Ｅｚ＝０）で
あることを利用した片側短絡型ＭＳアンテナにより、小
型化を図る手法が開示されている（特開昭６１−７１７
０２号公報および特開昭６２−１３１６０９号）。

【０００５】（２）接地導体板の大きさエレメントと接
地導体板の大きさは、放射指向性に影響する。特にその
比が１に近づくと、十分な指向性が得られなくなる。こ
れは同時に利得低下にもなる。エレメントに比べて十分
に接地導体板が大きいと、放射指向性は図１０に示すＺ
＞０、ブロ−ドサイド方向になり、Ｚ＜０には放射しな
い。一般には接地導体板の大きさは要求される放射指向
性から実験的に求められている。

【０００６】（３）放射指向性 図２において方射を示すＹａの電圧が両端において、等
振幅、逆位相となることから、ＭＳアンテナは本来、ブ
ロ−ドサイド方向に最大放射方向がある。特開昭６０−
２４４１０３号公報において、例えば自動車の室内にア
ンテナを設置した場合、電波の到来する確率が高い方向
に指向性を有するアンテナが望ましい旨が記述され、Ｍ
Ｓアンテナにユニポ−ルアンテナを接続した一種のバイ
ブリッドアンテナが開示されている。一方、特開昭５７
−７５００５号公報には、λｇ／４相当長の無給電素子
により電波の到来する確率が高い方に指向性を有する手
法が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の特開昭６１−７
１７０２号公報に開示のアンテナではエレメント長ｘ１
≒λｇ／４で動作が確認されているが、小型化の代償と
して放射指向性のチルト及びバンド幅が狭くなることが
わかっている。特開昭６２−１３１６０９号公報に開示
のアンテナでは指向性のチルトを解消する手段が開示さ
れているが、ＭＳアンテナのメリットであるロ−プロフ
ィ−ルがそこなわれてしまう。また、バンド幅が狭くな
ることから実開昭６３−１２９３１１号公報で示される
共振周波数の補正が必要となる。さらに上述の特開昭６
０−２４４１０３号公報に開示のアンテナにおいては、
ＭＳアンテナの持つロ−プロフィ−ルがそこなわれる。 一方、特開昭５７−７５００５号公報に開示のアンテナ
は、無給電素子の面積だけアンテナが大きくなり、また
、円偏波への適用はＭＳアンテナの特徴を失うことにな
る。

【０００８】ＭＳアンテナを設計する際には、整合が十
分であるか、放射指向性は満足するものであるか、利得
およびアンテナ効率が大きいか、を考慮する必要がある
。本発明では整合，利得，およびアンテナ効率について
は理論的に、方射指向性については実験的に、決定され
たを寸法を基に、ＭＳアンテナの小型化を図ることを目
的とする。なお、本発明は矩形ＭＳアンテナに規定する
ものであり、主としてＬバンド帯の使用を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の円偏波マイクロ
ストリップアンテナは、使用波長に対し充分に薄い誘電
体板部材（２）；誘電体板部材（２）の一方の面に装着
された、使用管内波長λｇの１／４倍より大きく１／２
倍より小さい一辺でなる矩形状の放射導体板部材（３）
；該矩形状の放射導体板部材（３）の各辺の中央部に使
用管内波長λｇの１／４より小さい長さで延びる矩形状
スタブ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）；を備え、放射導体
板部材（３）の対角線上に給電点（ＦＰ）を有する円偏
波マイクロストリップアンテナ（１）において、放射導
体板部材（３）の中心線上で、該中心線に垂直な方向の
放射導体板部材両端部の開口面電圧がそれぞれ異なる位
置に短絡ピン（Ｘｓ，Ｙｓ）を有する。

【００１０】

【作用】これによれば、放射導体板部材（３）の中心線
上で、該中心線に垂直な方向の放射導体板部材両端部の
開口面電圧がそれぞれ異なる位置に短絡ピン（Ｘｓ，Ｙ
ｓ）を有するので、該短絡ピンを設ける位置に応じて、
アンテナ（１）の指向性がチルトされる。短絡ピンを任
意の位置に設けることで、従来のマイクロストリップア
ンテナの持つ特性を損なうことなく、電波の到来する確
率の高い方向へアンテナの指向性を有することができる
。また、放射導体板部材（３）は、使用管内波長λｇの
１／４倍より大きく１／２倍より小さい一辺でなる矩形
状である。一般に誘電体板部材（２）の長さは放射導体
板部材（３）の２倍の長さが必要であるが、放射導体板
部材（３）が従来のアンテナに比べて小さいので、誘電
体板部材（２）も小さくなり、アンテナの小型化が実現
する。

【００１１】本発明の他の目的および特徴は図面を参照
した以下の実施例の説明により明らかになろう。

【００１２】

【実施例】図１に本発明のマイクロストリップ（ＭＳ）
アンテナの概略を示す。以下図１を参照して説明する。 矩形ＭＳアンテナはｘ方向、ｙ方向、の共振モ−ドが独
立に存在する。動作原理を説明するためｘ方向の共振モ
−ドについて説明する。誘電率Ｅｒ、厚さｈの誘電体の
片面銅薄、他方をエレメントとして挾み込んだＭＳアン
テナ１において、エレメント３は、ｘ方向に長さＬｘ１
，幅Ｗｙのスタブ４ｂ，４ｄをＬｙ０／２の位置に負荷
した、Ｌｘ０×Ｌｙ０の矩形エレメントであり、誘電体
の厚さは自由空間波長λｏに比して十分小さい。ｘ方向
の入力アドミタンスＹｉｎｘの虚数が零となると共振条
件は、図２の等価回路から求めることができる。

【００１３】図２において、Ｙｘ０，Ｙｘ１は各々間Ｌ
ｙ０，Ｗｙのマイクロストリップ線路の特性アドミタン
スであり、βｘ０，βｘ１はそれらの位相定数である。 放射はエレメント端部の各開口から行なわれるので、そ
の寄与を放射アドミタンスＹａで表わす。本実施例にお
いては、誘電体の厚さｈが自由空間波長λｏに比べて十
分小さいので、Ｙａ≦Ｙｘ０，Ｙｘ１である。そこで、
Ｙａ＝０として、等価回路を簡単にして、Ｙｉｎｘの虚
数が零となる共振条件を求めると下式となる。

【００１４】

【数１】

【００１５】本発明においては、λｇ／４＜Ｌｘ０＜λ
ｇ／２，０＜Ｌｘ１＜λｇ／４で使用するためｔａｎ（
βｘ０）（Ｌｘ０）＜０，ｔａｎ（βｘ１）（Ｌｘ１）
＞０となり数１に示す数式を決定する条件となる。図３
は、数１に示す数式をグラフ化したものである。以下図
３を参照して説明する。 横軸は管内波長λｇで正規化したＬｘ０，Ｌｘ１を表わ
している。またλｇ≒λｏ／√Ｅｒである。縦軸は数１
に示す数式の右辺、左辺の値であり、これが同一値とな
るとき共振する。数１に示す数式の右辺にスタブ４ｂ，
４ｄの幅Ｗｙで決まるスタブの特性アドミタンスＹ１が
含まれる。一例として、Ｗｙ＝０．０５λｇ，Ｗｙ＝０
．０９λｇ，Ｗｙ＝０．１２λｇの共振条件を表わした
。Ｌｘ０＝０．５λｇの従来手法による基本モ−ド励振
では、スタブ長Ｌｘ１＝０で共振する。Ｗｙ＝０．０５
λｇでは、Ｌｘ０＝０．３４λｇのときＬｘ１＝０．１
９λｇで共振する。以上のように共振条件が決定される
。

【００１６】次に利得について吟味する。利得は、（ア
ンテナ効率）×（指向性利得）で決定される。アンテナ
効率は、図１３に示すように誘電率が大きくなると小さ
くなり、利得低下となる。本発明では、誘電率に何ら条
件を設けていないため、アンテナ効率の劣化はない。ま
た指向性利得に関しては、エレメント３の大きさにより
変化するが本発明の範囲であれば、殆んど変化せず、利
得低下は無視できる範囲となる。

【００１７】放射指向性について吟味すると、十分な放
射指向性を得るには、エレメント形状、この場合エレメ
ント端部の放射に寄与する各開口距離の２倍程度の接地
導体板（誘電体）が、一般的には必要とされている。本
発明においては、誘電体長は２Ｌｘ０に相当し、従来の
エレメント長０．５λｇよりも短いので、その分、誘電
体２の長さも短くでき、アンテナの小型化ができる。ｙ
方向についても同様に、幅Ｗｘ、長さＬｙ１のスタブ４
ａ，４ｃと長さＬｙ０のエレメント３によって共振周波
数が決定される。

【００１８】直交モ−ド（ｘ方向，ｙ方向）を励振する
ため、給電点ＦＰはエレメント（Ｌｘ０）×（Ｌｙ０）
の対角線上に置かれる。この場合の等価回路を図４に示
す。円偏波特性は軸比によって評価され、軸比はｘ方向
およびｙ方向の入力アドミタンスＹｉｎｘ／ＹｉｎＹ＝
±ｊのとき、円偏波となる。放射指向性は、エレメント
端部の開口面電圧の振幅と位相で決定され、本実施例の
ＭＳアンテナは、同振幅、逆位相となり、最大放射方向
はＺ＞０のエレメントと直角な方向となる。

【００１９】ところで、最大放射方向を変化させるには
、開口面電圧を変化させれば良い。本発明では短絡ピン
Ｘｓ，Ｙｓにより目的を達した。即ち、開口面電圧を不
等振幅とすることによって、最大放射方向をチルトさせ
た。図１０に示すＭＳアンテナは、エレメント中央部が
Ｅｚ＝０であり、等価的に短絡ピンが存在すると考えら
れる。Ｗ．Ｆ．Ｒｉｃｈａｒｄ　ａｎｄ　Ｙ．Ｔ．Ｌｏ
　“Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍ
ｅｎｔａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　
ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　ｒａｄｉａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　
ｎｕｌｔｉｐｌｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｌｏａｄｓ，”　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｍａｇｎ．，Ｖｏｌ．４，ｎｏ．３−４，
ｐｐ３７１−３８５，ｓｅｐｔ．１９８３によれば、図
５に示すように短絡ピンをエレメント端部に移動するに
つれ、共振周波数が高くなることが報告されている。こ
の作用を考慮すれば、小型化の観点から、短絡ピンをエ
レメント端部に近づけることは好ましくないことがわか
る。図１に示す本実施例のＭＳアンテナ１において、短
絡ピンＸｓ，Ｙｓの位置は、エレメント中心からＸ軸上
およびＹ軸上にそれぞれ８ｍｍの位置であり、給電点Ｆ
ｐはエレメントの概略対角線上に置かれる。

【００２０】基板誘電率Ｅｒ≒２．５のテフロン基板に
より、動作原理を確認した。エレメント長Ｌｘ０≒０．
３３λｇ＝４０ｍｍ，Ｌｙ０≒０．３３λｇ＝４０ｍｍ
，Ｗｙ≒０．１３＝１６ｍｍ，Ｌｘ１≒０．１４λｇ＝
１６．５ｍｍ，Ｌｙ１≒０，１４λｇ＝１７ｍｍ、基板
外形はエレメント長Ｌｘ０の２倍、８０ｍｍ×８０ｍｍ
とした。

【００２１】本実施例におけるＭＳアンテナの性能を図
６，図７，図８，および図９に示す。図６は本実施例ア
ンテナ１の入力インピ−ダンスの軌跡であり、設計波長
λｇ≒１２０ｍｍでＶＳＷＲ＜２となっており、整合が
とれていることがわかる。図７，図８，および図９は、
放射指向性で、破線は従来の円偏波ＭＳアンテナ、実線
は短絡ピンによって指向性をチルトさせた本実施例の円
偏波ＭＳアンテナ１の特性をそれぞれ示す。

【００２２】図１の座標系によれば、φ＝４５°面の−
９０°〜０°方向、即ち給電点ＦＰと反対側の場合、従
来のＭＳアンテナより、アンテナ利得が平均１ｄＢ向上
しており、利得改善の目的が達せられていることがわか
る。また、最大放射方向のアンテナ利得は、５．８ｄＢ
ｉである。以上のように本実施例によれば、整合が十分
であり、放射指向性も満足し、利得も十分大きいＭＳア
ンテナで小型化を図ることができる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、放射導体
板部材（３）の中心線上で、該中心線に垂直な方向の放
射導体板部材両端部の開口面電圧がそれぞれ異なる位置
に短絡ピン（Ｘｓ，Ｙｓ）を有するので、該短絡ピンを
設ける位置に応じて、アンテナ（１）の指向性がチルト
される。短絡ピンを任意の位置に設けることで、従来の
マイクロストリップアンテナの持つ特性を損なうことな
く、電波の到来する確率の高い方向へアンテナの指向性
を有することができる。また、放射導体板部材（３）は
、使用管内波長λｇの１／４倍より大きく１／２倍より
小さい一辺でなる矩形状である。一般に誘電体板部材（
２）の長さは放射導体板部材（３）の２倍の長さが必要
であるが、放射導体板部材（３）が従来のアンテナに比
べて小さいので、誘電体板部材（２）も小さくなり、ア
ンテナの小型化が実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロストリップアンテナの概略を
示す斜視図である。

【図２】図１に示すアンテナのｘ軸方向の等価回路であ
る。

【図３】数１に示す数式において、管内波長λｇで正規
化したＬｘ０，Ｌｘ１を横軸、右辺および左辺の値を縦
軸としたグラフである。

【図４】図１に示すアンテナの直交励振時の等価回路で
ある。

【図５】短絡ピンの位置と共振周波数との関係を示すグ
ラフである。

【図６】図１に示すアンテナの入力インピ−ダンスの軌
跡を表わすスミスチャ−トである。

【図７】図１に示すアンテナの放射指向性を示すグラフ
で、破線は図１０に示す従来のアンテナの特性を示す。

【図８】図１に示すアンテナの放射指向性を示すグラフ
で、破線は図１０に示す従来のアンテナの特性を示す。

【図９】図１に示すアンテナの放射指向性を示すグラフ
で、破線は図１０に示す従来のアンテナの特性を示す。

【図１０】従来のマイクロストリップアンテナの一例を
示す斜視図である。

【図１１】図１０に示すアンテナにおいて、誘電率と指
向性の関係を示すグラフである。

【図１２】図１０に示すアンテナにおいて、誘電率と周
波数の関係を示すグラフである。

【図１３】図１０に示すアンテナにおいて、誘電率と利
得の関係を示すグラフである。

【図１４】図１０に示すアンテナにおいて、誘電率とバ
ンド幅の関係を示すグラフである。

【図１５】図１０に示すアンテナにおいて、誘電率とＱ
ファクタの関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１：マイクロストリップアンテナ ２：誘電体（誘電体板部材） ３：エレメント（放射導体板部材） ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ：スタブ（スタブ）ＦＰ：給電
点（給電点） Ｘｓ，Ｙｓ：短絡ピン（短絡ピン）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　使用波長に対し充分に薄い誘電体板部
   材；誘電体板部材の一方の面に装着された、使用管内波
   長λｇの１／４倍より大きく１／２倍より小さい一辺で
   なる矩形状の放射導体板部材；該矩形状の放射導体板部
   材の各辺の中央部に使用管内波長λｇの１／４より小さ
   い長さで延びる矩形状スタブ；を備え、放射導体板部材
   の対角線上に給電点を有する円偏波マイクロストリップ
   アンテナにおいて、放射導体板部材の中心線上で、該中
   心線に垂直な方向の放射導体板部材両端部の開口面電圧
   がそれぞれ異なる位置に短絡ピンを有することを特徴と
   する、円偏波マイクロストリップアンテナ。