JPH04336805A - 平面アンテナ - 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】この発明は、移動体通信機器など
との一体化に好適な、小形の平面アンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、衛星通信や移動体通信の分野にお
けるアンテナ系としては、通常、構成が簡単で形状が小
さく、低プロファイルの平面アンテナが使用されている
。そして、平面アンテナの代表格であるマイクロストリ
ップアンテナでは、円形または方形の放射素子が一般的
である。これらの形状の放射素子では、その寸法が使用
周波数に対して一意的に定まることが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、小型化のた
めに、前述のような平面アンテナを高周波回路と一体化
する場合や、アンテナ系を含めて通信機器全体を一体化
する場合、円形の放射素子では、スペース効率が悪く、
高周波回路ないし通信機器などとの適合性に欠けるとい
う問題があった。

【０００４】一方、平面アンテナ自体を小型化する場合
、図１５Ａに示すような円形の放射素子１ｃでは、同図
Ｂ，Ｃに示す放射素子放射素子１ｈのように、円形放射
素子１ｃの中心を通り励振方向３と垂直なゼロ電位線４
で接地導体５と短絡して、放射素子の寸法を小さくする
ことが知られている。また、図１６Ａに示すような方形
の放射素子１ｓでは、同図Ｂに示す放射素子１ｎのよう
に、給電点２の位置で定まる励振方向３と垂直な方向が
狭くなるように辺長比を変えて、放射素子の寸法を小さ
くすることも知られている。なお、図１０に示すような
ゼロ電位線での短絡は、方形の放射素子にも適用するこ
とができる。

【０００５】ところが、図１５，１６に示すような従来
の小形化平面アンテナは、励振方向及びこれと垂直な方
向の長さが異なり、いわば、等方性が損なわれているた
め、同一の共振周波数で独立の直交モードが存在し得ず
、円偏波の発生が不可能であって、例えば移動体通信の
ような、円偏波通信の分野には使用することができない
という問題があった。

【０００６】かかる点に鑑み、この発明の目的は、より
小形で、スペース効率が良く、高周波回路ないし通信機
器などとの適合性に優れると共に、適宜の励振により円
偏波の発生が可能な平面アンテナを提供するところにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、誘電体層１
２を介して接地導体１１に対向する方形の放射素子を備
えた平面アンテナにおいて、方形の放射素子１３に同心
に方形の開孔１４を穿設して環状に形成すると共に、こ
の方形の開孔の一辺の中心の近傍に給電点１５を配設し
た平面アンテナである。

【０００８】

【作用】かかる構成によれば、放射素子の等方性と、良
好なスペース効率及び通信機器などとの適合性が維持さ
れたまま、より小形化されると共に、適宜の励振により
円偏波の発生が可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、図１〜図１０を参照しながら、この発
明による平面アンテナの一実施例について説明する。

【００１０】この発明の一実施例の構成を図１〜図３に
示す。図１において、１０は平面アンテナであって、い
ずれも方形の接地導体１１上に、ふっ素樹脂のような低
損失の誘電体層１２を介して、方形の放射素子１３が同
心に積層配設され、この放射素子１３には方形の開孔１
４が同心に穿設されてリング状に形成される。この方形
の開孔１４の１辺１４ｓの中心の近傍に給電点１５が設
けられる。

【００１１】この実施例では、図２に示すように、接地
導体１１の放射素子１３とは反対側に、低損失の誘電体
層２１を介して、導体細条（給電線）２２などが対向配
設されて、マイクロストリップ形の給電系２０が構成さ
れる。給電線２２の終端２２ｅと放射素子１３の給電点
１５とは、スルーホール１６によって接続され、同軸コ
ネクタＪを介して、図示を省略した信号源に接続される
。また、図３に示すように、給電系２０の給電線２２に
は、適宜の中間点Ｐｔｕに同調スタブ２３が接続される
。

【００１２】上述の実施例の平面アンテナ１０が、例え
ば３ＧＨｚ帯で使用される場合、接地導体１１，放射素
子１３，方形開孔１４の寸法、誘電体層１２の厚さ及び
誘電率は、例えばそれぞれ次のように設定される。 Ｄ　　＝８０ｍｍ，　　Ａｒ＝２３．８ｍｍ，　　Ｂｒ
＝１１．５ｍｍ ｔ１２＝１．６ｍｍ，εｒ　＝２．６

【００１３】また、給電系２０の給電線２２と同調スタ
ブ２３の導体幅、誘電体層２１の厚さは、特性インピー
ダンスが５０Ωとなるように、例えばそれぞれ次のよう
に設定される。 ｗ２２＝ｗ２３＝２．２ｍｍ，　　ｔ２１＝０．８ｍｍ
ｌ２３　　＝１３．２ｍｍ，ｌｐｅ＝１８．０ｍｍ

【０
０１４】次に、図４及び図５をも参照しながら、この発
明の一実施例の動作について説明する。前出図１６Ａに
示すような方形の放射素子の場合、その辺長Ａｒと共振
周波数ｆとの間には、主モード（ＴＭ１０）において、
次の数式１のような関係が成立する。

【００１５】

【数１】

【００１６】この数式１において、ｃは光速、ｔは誘電
体の厚み、εｒ　は誘電体の比誘電率である。また、ｘ
は放射素子の形状に固有な値であって、一般にはマクス
ウェルの方程式から導かれる２次元波動方程式を解くこ
とにより与えられ、図１６Ａに示すような方形の放射素
子では次式のような値になる。 ｘ　　＝　　π

【００１７】この実施例のように、方形の放射素子に同
心に方形の開孔を穿設してリング状に形成した場合、前
出の数式１中の固有値ｘを解析的に求めることは不可能
であるが、本発明者は、方形リング放射素子の固有値ｘ
の値が方形放射素子に比べて小さくなることを実験的に
確かめている。

【００１８】図４に示すように、辺長Ａｒの方形放射素
子１３に辺長Ｂｒの方形の開孔１４を穿設してリング状
に形成した場合、開孔１４の等価辺長Ｂｅｑが放射素子
１３の等価辺長Ａｅｑに近づく程、即ち、方形リングの
内外周比Ｂｅｑ／Ａｅｑ（リング比）が１に近づく程、
図５に示すように、固有値ｘの値が小さくなる。この等
価辺長Ａｅｑ及びＢｅｑは、フリンジ効果を考慮して理
論的に想定される磁流ループに対応するもので、それぞ
れ次の数式２，数式３のように表される。

【００１９】

【数２】

【数３】

【００２０】ちなみに、上述の実施例と同質・同厚の誘
電体層と、リング比が０の方形放射素子を有する従来の
平面アンテナが、同様に３ＧＨｚ帯で使用される場合、
放射素子の辺長Ａｒは、例えば次のようになる。 Ａｒ＝２９．６ｍｍ これは、上述の実施例の方形リング放射素子の辺長（前
出）よりも約２４％大きな数値であって、従来の平面ア
ンテナでは、接地導体及び誘電体層の寸法もほぼ同率で
大きくなっている。

【００２１】前述のように、この実施例では、リング比
（Ｂｅｑ／Ａｅｑ）が１に近づくほど、固有値ｘの値が
小さくなるが、図６に示すように、内周給電の場合でも
、アンテナの入力インピーダンスが高くなると共に、図
７に示すように、ピーク利得が低下する。このため、実
用上のリング比は、例えば、次式のように制限される。 ０．６≧Ｂｅｑ／Ａｅｑ なお、ピーク利得の低下は整合回路における損失が増大
することによるものと考えられる。

【００２２】この実施例の平面アンテナでは、例えば、
Ｏ．４のリング比の場合、インピーダンス−周波数特性
は、図８に示すようであり、図９に示すような反射損失
−周波数特性が得られる。また、例えば、Ｅ面の放射特
性は、図１０に示すようになる。また、Ｈ面の放射特性
も、この図１０とほぼ同様になる。

【００２３】この実施例では、方形の放射素子に同心に
方形の開孔を穿設してリング状に形成すると共に、この
方形の開孔の一辺の中心の近傍に給電点を配設したので
、放射素子の等方性と、良好なスペース効率及び通信機
器などとの適合性が維持されたまま、より小形化された
平面アンテナが得られる。なお、上述のような平面アン
テナを複数個接続して、平面アレイアンテナを構成する
こともできる。

【００２４】次に、図１１〜図１３を参照しながら、こ
の発明による平面アンテナの他の実施例について説明す
る。この発明の他の実施例の構成を図１１〜図１３に示
す。この図１１〜図１３において、前出図１〜図３に対
応する部分には同一の符号を付けて一部説明を省略する
。

【００２５】図１１において、１０Ｄは平面アンテナで
あって、方形の接地導体１１上に、低損失の誘電体層１
２を介して、方形の放射素子１３が同心に積層配設され
、放射素子１３には方形の開孔１４が同心に穿設されて
リング状に形成される。この実施例では、開孔１４の隣
接する２辺１４ａ，１４ｂの中心の近傍にそれぞれ給電
点１５ａ，１５ｂが設けられる。

【００２６】この実施例では、図１２に示すように、接
地導体１１の放射素子１３とは反対側に、低損失の誘電
体層２１を介して、給電線２２などが対向配設されて、
マイクロストリップ形の給電系２０Ｄが構成される。給
電線２２と放射素子１３の給電点１５ａ，１５ｂとがス
ルーホール１６ａ，１６ｂによって接続される。

【００２７】図１３に示すように、給電系２０Ｄの給電
線２２ａ，２２ｂは、放射素子１３の給電点１５ａ，１
５ｂにそれぞれ対応する終端２２ｅ，２２ｆから合流点
Ｑまでとされ、その長さが使用する電波の波長の１／４
（λ／４）だけ異なるように設定されて、給電点１５ａ
，１５ｂに対して、９０゜の位相差で給電される。両給
電線２２ａ，２２ｂには、適宜の中間点Ｐｔａ，Ｐｔｂ
にそれぞれ同調スタブ２３ａ，２３ｂが接続され、また
、合流点Ｑは、λ／４整合器２４を介して、同軸コネク
タＪに接続される。

【００２８】上述の実施例の平面アンテナ１０Ｄが、例
えば３ＧＨｚ帯で使用される場合、接地導体１１，放射
素子１３，方形開孔１４の寸法などは、前述の実施例と
同様に設定される。また、給電系２０Ｄの給電線２２ａ
，２２ｂ；同調スタブ２３ａ，２３ｂ；整合器２４の寸
法、誘電体層２１の厚さなどは、例えばそれぞれ次のよ
うに設定される。 ｗ２２＝ｗ２３＝２．２ｍｍ，　　ｗ２４＝４．１ｍｍ
，　　ｔ２１＝０．８ｍｍ ｌ２２ａ　＝５０．９ｍｍ，　　ｌ２２ｂ　＝３５．４
ｍｍ，ｌｐｅ＝ｌｐｆ＝１８．０ｍｍ ｌ２３　　＝１３．２ｍｍ，　　ｌ２４　　＝１５．５
ｍｍ

【００２９】次に、図１４をも参照しながら、この
発明の他の実施例の動作について説明する。この実施例
でも、放射素子が方形リング状に形成されて、その等方
性が保持されているため、図１４に矢印３ａ，３ｂで示
すように、給電点１５ａ，１５ｂによる直交励振が可能
である。従って、この給電点１５ａ，１５ｂに対して、
前述のような給電系２０Ｄにより、９０゜の位相差で給
電されるときは、円偏波の発生が可能である。

【００３０】また、前述の実施例と同様に、この実施例
でも、放射素子が方形リング状に形成されているので、
そのリング比に応じて、同一共振周波数に対する寸法を
小さくすることができる。この場合、前出図８〜図１０
とおおむね等しい特性が得られる。

【００３１】この実施例では、方形の放射素子に同心に
方形の開孔を穿設してリング状に形成すると共に、この
開孔の隣接する２辺の中心の近傍にそれぞれ給電点を配
設して、所定の位相差で給電するようにしたので、放射
素子の等方性と、良好なスペース効率及び通信機器など
との適合性が維持されたまま、より小形化されると共に
、円偏波の発生が可能な、平面アンテナが得られる。 なお、上述のような平面アンテナを複数個接続して、平
面アレイアンテナを構成することもできる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述のように、この発明によれば、
方形の放射素子に同心に方形の開孔を穿設してリング状
に形成し、この開孔の１辺の中心の近傍に給電点を配設
するようにしたので、放射素子の等方性と、良好なスペ
ース効率などを維持しながら、一層の小形化と、適宜の
励振による円偏波の発生とが可能な平面アンテナが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による平面アンテナの一実施例の構成
を示す平面図

【図２】この発明の一実施例の構成を示す側面図

【図３
】この発明の一実施例の構成を示す底面図

【図４】この
発明の一実施例の動作を説明するための線図

【図５】この発明の一実施例の動作を説明するための線
図

【図６】この発明の一実施例の特性を示す線図

【図７】
この発明の一実施例の特性を示す線図

【図８】この発明
の一実施例の特性を示す線図

【図９】この発明の一実施
例の特性を示す線図

【図１０】この発明の一実施例の特
性を示す線図

【図１１】この発明による平面アンテナの
他の実施例の構成を示す平面図

【図１２】この発明の他の実施例の構成を示す側面図

【
図１３】この発明の他の実施例の構成を示す底面図

【図
１４】この発明の他の実施例の動作を説明するための線
図

【図１５】従来の平面アンテナの要部の構成例を示す平
面図

【図１６】他の従来例の要部の構成を示す平面図

【符号の説明】

１０，１０Ｄ　　平面アンテナ １１　　接地導体 １２，２１　　誘電体層 １３　　放射素子 １４　　開孔 １５，１５ａ，１５ｂ　　給電点 ２０，２０Ｄ　　給電系 ２２，２２ａ，２２ｂ　　給電線 ２３，２３ａ，２３ｂ　　スタブ ２４　　λ／４整合器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　誘電体層を介して接地導体に対向する
   方形の放射素子を備えた平面アンテナにおいて、上記方
   形の放射素子に同心に方形の開孔を穿設して環状に形成
   すると共に、この方形の開孔の一辺の中心の近傍に給電
   点を配設したことを特徴とする平面アンテナ。