JPH04337908A

JPH04337908A - 平面アンテナ

Info

Publication number: JPH04337908A
Application number: JP11043591A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kuroda; 慎一黒田; Noboru Ono; 大野　登; Ichiro Toriyama; 鳥山　一郎
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 1992-11-25

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】衛星通信や移動体通信の分野では、基本的
に小型化が要望されており、そのために、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には、円形
の放射素子よりも、スペース効率の良い方形の放射素子
の方が、高周波回路ないし通信機器などとの適合性に優
れている。

【０００４】また、上述のような通信分野では、円偏波
が使用されることが多く、そのための平面アンテナとし
ては、図１５〜１７に示すように、切り欠き・延長・拡
幅など、縮退分離のための所定の変形が方形の放射素子
に施されると共に、この放射素子上の適宜の位置に、単
一の給電点が配設されたものが知られている。

【０００５】即ち、図１５において、方形の放射素子１
の一方の対角線上に、１対の切欠き１ｃが形成されると
共に、放射素子１の中心から、一辺と平行に、適宜オフ
セットされて、単一の給電点２が配設されて、矢印３ａ
，３ｂで示すような、それぞれ対角線方向の、直交する
２つのモードで励振される。

【０００６】この２つのモードは、ＴＭ１０及びＴＭ０
１の合成モードであると考えられるが、同図に破線で示
すように、切欠き１ｃがない通常の場合には、２つのモ
ード３ａ，３ｂは同一の周波数に共振して、外部からは
判別することができない。この状態を縮退しているとい
う。

【０００７】ここで、図１５に示すように、１対の切欠
き１ｃが形成されて、摂動が加えられると、この切欠き
１ｃの部分が、一方のモード３ａに対して強電界領域で
あると共に、他方のモード３ｂに対しては強磁界領域で
あるので、切欠き１ｃの形成による各モード３ａ，３ｂ
の共振周波数のずれ量が異なる。　　従って、２つのモ
ード３ａ，３ｂがそれぞれ異なる周波数で共振すること
になり、縮退の状態が解かれて（分離されて）、外部か
らの判別が可能となる。

【０００８】このようにして、図１５に示すような方形
放射素子の平面アンテナでは、適宜の切欠き１ｃを形成
して、励振位相の差が９０゜となるように、摂動を加え
ることにより、単一給電点による円偏波の発生が可能で
ある。また、図１６の放射素子１Ｓにおいては、図１５
の切欠き１ｃに代わって、スタブ１ｂが形成され、上述
と同様にして、単一給電点による円偏波の発生が可能と
なる。

【０００９】更に、図１７の放射素子１Ｗにおいては、
例えば、その幅が適宜に（２Δｌ）拡張されると共に、
放射素子１Ｗの一方の対角線上に、中心から適宜にオフ
セットされて、単一の給電点２が配設されて、矢印３ａ
，３ｂで示すように、各辺に平行な直交する２つのモー
ドで励振される。図１７の放射素子１Ｗでは、拡幅部分
１ｓｐにより、励振位相の差が９０゜となるように、摂
動が加えられて、単一給電点による円偏波の発生が可能
となる。

【００１０】いずれの場合も、元の方形放射素子の面積
Ｓと、縮退分離部分（切欠き，スタブ，拡幅部）の面積
ΔＳとの間には、平面アンテナの無負荷ＱをＱｏとして
、次式のような関係が成立する。 ΔＳ／Ｓ＝１／２・Ｑｏ

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、平面アンテ
ナ自体を小型化する場合、図１８Ａに示すような方形の
放射素子１から、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
ることが知られている。また、図１９Ａに示すような方
形の放射素子１から、同図Ｂ，Ｃに示す放射素子放射素
子１ｈのように、元の放射素子１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も知られている。

【００１２】ところが、図１８，１９に示すような従来
の小型化平面アンテナは、放射素子の励振方向及びこれ
と垂直な方向の長さが大きく異なり、いわば、放射素子
の等方性が損なわれているため、ほぼ等しい共振周波数
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。

【００１３】かかる点に鑑み、この発明の目的は、スペ
ース効率が良く、単一給電点による円偏波の発生と、一
層の小型化とが可能な、平面アンテナを提供するところ
にある。

【００１４】

【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１３
を備え、この放射素子に縮退分離のための所定の変形１
３ｃが施された平面アンテナにおいて、放射素子に同心
に方形の開孔１４を穿設して環状に形成すると共に、こ
の開孔の近傍に単一の給電点１５を配設した平面アンテ
ナである。

【００１５】

【作用】かかる構成によれば、良好なスペース効率と、
放射素子の等方性とが維持されて、単一給電点による円
偏波の発生が可能であると共に、一層の小型化が可能と
なる。

【００１６】

【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。

【００１７】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
心に積層配設される。この放射素子１３には、前述のよ
うな縮退分離のため、一方の対角線上に１対の切欠き１
３ｃが形成されると共に、同心に方形の開孔１４が穿設
されてリング状に形成され、この開孔１４の１辺１４ｓ
の中心の近傍に給電点１５が設けられる。

【００１８】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は、インピーダ
ンス整合のために、給電線２２の適宜の中間点Ｐｔｕに
同調スタブ２３が接続されただけの簡単な構成となって
いる。

【００１９】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＝２３．８ｍ
ｍ，　　Ｂｒ＝１１．５ｍｍ　　　　　　ｔ１２＝１．
６ｍｍ，εｒ　＝２．６また、後述のように、この平面
アンテナ１０の無負荷Ｑと、切欠き１３ｃの寸法は、例
えばそれぞれ次のようになる。Ｑｏ＝７７，　　　　Ｃｓｄ＝１．７ｍｍ

【００２０】
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５０
Ω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＝１８．０
ｍｍ

【００２１】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。辺長が
Ａｒの方形の放射素子の場合、その辺長と共振周波数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。

【００２２】

【数１】

【００２３】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、方形の放射素子では次式のような値
になる。

【００２４】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、本発明者らは、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。

【００２５】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。

【００２６】

【数２】

【数３】

【００２７】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。また、前出図１５に示すような、従
来の縮退分離形の平面アンテナ１の無負荷Ｑと、切欠き
１ｃの寸法は、例えばそれぞれ次のようになる。Ｑｏ＝４２，　　　　Ｃｓｄ＝３．２ｍｍ

【００２８】
前述のように、この実施例では、リング比（Ｂｅｑ／Ａ
ｅｑ）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。

【００２９】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。なお、この実施例の
平面アンテナ１０の無負荷Ｑは、図９に示すような反射
損失−周波数特性から求められる。

【００３０】この実施例では、縮退分離のための切り欠
きが施された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、この開孔の一辺の中心
の近傍に単一の給電点を配設したので、良好なスペース
効率と、放射素子の等方性とが維持されて、簡単な給電
系による円偏波の発生が可能であると共に、より小型化
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。

【００３１】次に、図１１及び図１２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に示す。こ
の図１１において、前出図１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。

【００３２】図１１において、１０Ｓ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１３Ｓが同心に配設される
。この放射素子１３Ｓには、前述のような縮退分離のた
め、１対のスタブ１３ｂが一方の対角線上に形成される
と共に、同心に方形の開孔１４が穿設されてリング状に
形成され、この開孔１４の１辺１４ｓの中心の近傍に給
電点１５が設けられる。この給電点１５は、前出図２，
３に示すような給電系２０により、図示を省略した信号
源に接続される。

【００３３】次に、図１２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
、縮退分離のためのスタブ１３ｂが延設された放射素子
１３Ｓが方形リング状に形成されて、その等方性と、良
好なスペース効率とが保持されているため、図１２に矢
印３ａ，３ｂで示すように、単一の給電点１５による位
相差直交励振が可能であって、円偏波の発生が可能であ
る。また、前述の実施例と同様に、放射素子１３Ｓ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。

【００３４】次に、図１３及び図１４を参照しながら、
この発明による平面アンテナの更に他の実施例について
説明する。この発明の更に他の実施例の構成を図１３に
示す。この図１３において、前出図１に対応する部分に
は同一の符号を付して一部説明を省略する。

【００３５】図１３において、１０Ｗ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１３Ｗが同心に配設される
。この放射素子１３Ｗには、前述のような縮退分離のた
め、外周の対向する２辺に沿って１対の拡幅部１３ｓｐ
が形成されると共に、同心に方形の開孔１４が穿設され
てリング状に形成され、この開孔１４の頂点１４ａの近
傍に給電点１５が設けられる。この給電点１５は、前出
図２，３に示すような給電系２０により、図示を省略し
た信号源に接続される。

【００３６】次に、図１４をも参照しながら、この発明
の更に他の実施例の動作について説明する。この実施例
でも、縮退分離のための拡幅部１３ｓｐが延設された放
射素子１３Ｗが方形リング状に形成されて、その等方性
と、良好なスペース効率とが保持されているため、図１
４に矢印３ａ，３ｂで示すように、単一の給電点１５に
よる位相差直交励振が可能であって、円偏波の発生が可
能である。また、前述の実施例と同様に、放射素子１３
Ｗ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。

【００３７】この場合、平面アンテナ１０Ｗの入力イン
ピーダンスは、給電点１５が、放射素子１３Ｗの中心か
ら励振方向３ａ，３ｂへそれぞれρａ，ρｂだけオフセ
ットされた場合の（各モードの）入力インピーダンスの
和となり、通常よりも高くなる。そして、この場合も、
前出図８〜図１０とおおむね等しい特性が得られる。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述のように、この発明によれば、
縮退分離のための変形が施された、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し、この開孔の近
傍に単一の給電点を配設するようにしたので、良好なス
ペース効率と、放射素子の等方性とが維持されて、簡単
な給電系による円偏波の発生が可能であると共に、一層
の小型化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動作を説明する
ための線図

【図１３】　　この発明による平面アンテナの更に他の
実施例の構成を示す平面図

【図１４】　　この発明の更に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例を示す平面図

【図１７】　　他の従来例の要部の構成例を示す平面図

【図１８】　　他の従来例の要部の構成例を示す平面図

【図１９】　　他の従来例の要部の構成例を示す平面図

【符号の説明】

Claims

【特許請求の範囲】

【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、この放射素子に縮退分離のため
の所定の変形が施された平面アンテナにおいて、上記放
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、この開孔の近傍に単一の給電点を配設したことを
特徴とする平面アンテナ。