JPH05211407A - 直線偏波ラジアルラインループアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 伝送損失が少なく、小形高性能化された直線
偏波用ループアンテナを実現する。 【構成】 誘電体基板１の下面側の地板３と、これに対
向配置される円形導体板６とからなるラジアル導波路
と、誘電体基板１上面側に配設され、１波長分の線路長
を所定のギャップを隔てて形成されるループ素子アレイ
であって、各ループ素子２は一端を地板３に接続させる
接続手段と、他端を誘電体基板１を貫通してラジアル導
波路に突出させる励振手段５とを有し、各ループ素子２
のギャップの向きを一定方向に揃えると共に、ラジアル
導波路の給電部を中心とする所定間隔の同心円上に前記
励振手段を配列する。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

【０００１】この発明は、例えば、衛星通信（ＣＳ）・
衛星放送（ＢＳ）等を受信する平面アンテナ、又は、地
上無線通信用平面アンテナに関し、特に、アレイの給電
線路網にラジアル導波路を用いた直線偏波ラジアルライ
ンループアンテナに関する。

【０００２】

【従来技術】周知のように、近年では、衛星放送の開始
に伴って各種の平面アンテナが開発／実用化されてい
る。この種の平面アンテナの内には、プリント基板上に
パッチ、ラインあるいはスロット等からなる複数の放射
素子アレイと、これら放射素子アレイに接続するマイク
ロストリップ線路網とをエッチング加工によって形成し
たものがある。ここで、放射素子アレイが配設されるプ
リント基板が単一基板である場合には、マイクロストリ
ップ線路は共平面に敷設され、一方、複合基板である場
合には異平面に敷設されるようになっている。

【０００３】図４は、こうした平面アンテナの一例を示
す図である。この図において、２０,…,２０は、プリン
ト基板上（同一平面上）に配設され、ギャップＧを隔て
たリング状の導体路によって形成されるループ素子であ
る。各ループ素子２０は、使用周波数の１波長に相当す
るループ長を有し、その一端２０ａ（給電点）はマイク
ロストリップ線路２１と接続され、他端２０ｂはプリン
ト基板に設けられたスルーホールを介して地板（図示
略）に接続されている。

【０００４】各ループ素子２０は、図示するように、給
電点２０ａに接続されるマイクロストリップ線路長が各
々等しくなる位置に配置されており、これらは相隣るル
ープ素子の中心間隔がλ（λは使用波長）点対称位置に
配設された４つのループ素子を基本アレイ素子として同
一平面上に複数配設することでループアレイアンテナが
構成される。

【０００５】このようなループアレイアンテナの偏波面
は、ギャップＧの方向（図中矢印）と一致した直線偏波
となる。素子数としては、例えば、８素子、１６素子、
３２素子、あるいは６４素子分を方形あるいは正方形状
に配列するのが一般的である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のループアレイアンテナにおいては、図５に示すよう
な伝送損失が存在する。この図は、使用周波数を１２Ｇ
Ｈｚ，誘電率ε_rを２．１７，ｔａｎδ（誘電正接）を
０．００９とした時の基板厚に応じた伝送損失を表して
いる。このように、基本アレイ素子と接続するマイクロ
ストリップ線路には、銅損、誘電体損および放射損など
の伝送損失が大きく、結果的にアレイアンテナとしての
性能を阻害する上、アンテナの小形高性能化が困難にな
るという問題がある。この発明の上述した事情に鑑みて
なされたもので、伝送損失が少なく、小形高性能化され
た直線偏波ラジアルラインループアンテナを提供するこ
とを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、誘電体基板
の下面に形成される地板と、この地板に対向配置され、
アンテナ基部となる円形導体板とで構成されるラジアル
導波路と、このラジアル導波路内へ電力を供給する給電
部を具備し、前記誘電体基板の上面に配設され、使用周
波数の１波長分の線路長を所定のギャップを隔てて形成
されるループ素子アレイであって、各ループ素子は、一
端を前記地板に接続させる接続手段と、該ループ素子の
他端から前記誘電体基板を貫通して前記ラジアル導波路
に突出させる励振手段とを有すると共に、前記ギャップ
の向きが一定方向に揃えられて前記給電部を中心とする
λｇ（ラジアル導波路内の管内波長）間隔の複数の同心
円上に前記励振手段が配列されたことを特徴としてい
る。

【０００８】

【作用】上記構成によれば、給電部から供給された電力
は、伝送損失が極めて少ないラジアル導波路内を中心か
ら周辺へ放射状に伝搬しながら励振手段を介してループ
素子アレイを順次励振する。ここで、各ループ素子は、
何れもギャップの向きを一定方向に揃えられており、前
記給電部を中心とするλｇ間隔の複数の同心円上に前記
励振手段が配列されているため、ループ素子アレイ全体
に偏波面が揃い、振幅・位相が一様分布となり、グレイ
ティングローブのない鋭い指向性を持つアンテナとな
る。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。図１は、この発明の一実施例である直線
偏波ラジアルラインループアンテナの構造を示す斜視断
面図である。この図において、１は厚さＬの誘電体層を
有するプリント基板である。このプリント基板１の下面
には、導体反射板となる円形地板３が形成されている。
一方、該基板１の上面にはエッチング加工によって形成
された複数のループ素子２が所定間隔で配列されてい
る。なお、このループ素子２の構造およびその配置関係
については後述する。

【００１０】５はループ素子２の一端に接続され、プリ
ント基板１および円形地板３を貫通して介装されるプロ
ーブピンであり、その構造についてはループ素子２の構
造と併せて後述する。４はこのプローブピン５を突出さ
せるために円形地板３に形成された小円孔である。６は
このアンテナの後背面を構成する円形導体板のフレーム
である。７はフレーム６と円形地板３との間に充填され
る低発泡誘電体板である。ここで、円形地板３と低発泡
誘電体板７とフレーム６とは、ラジアル導波路１６を構
成する。

【００１１】ラジアル導波路１６には、フレーム６の中
心から同軸線路８を介してＴＥＭ波を給電する給電部が
設けられる。この給電部は、同軸線路８の中心導体９を
延長してトップローディングとしたプローブから構成さ
れ、ラジアル導波路１６と広帯域で整合させるようにな
っている。このような構成によれば、同軸線路８から供
給されるＴＥＭ波は、ラジアル導波路１６で円筒波とな
って中心から周辺に向かって放射状に伝搬し、これがプ
ローブピン５でピックアップされ、ループ素子２を励振
するようになっている。

【００１２】１０はアンテナ前面を覆いつつ、フレーム
６の周縁に接着固定されるレドームである。また、レド
ーム１０は、フレーム６と共にアンテナを密閉構造と
し、アンテナ内部の構成部材を周囲環境から保護してい
る。１１は誘電率が空気と同等であって、ｔａｎδ（誘
電正接）が非常に小さい高発泡誘電体から形成されるス
ペーサである。スペーサ１１は、レドーム１０とプリン
ト基板１との間に介挿されてアンテナ構成部材を一体化
させると共に、レドーム１０の内面からの反射波の影響
を除去するように所定の厚さが選定されている。１２は
フレーム６とレドーム１０との嵌合部分に装着される外
周ゴムリングであり、側方からの衝撃を吸収するように
形成されている。

【００１３】次に、図２を参照し、前述したループ素子
２の構造について説明する。ループ素子２は、使用周波
数の１波長に相当するループ長の導体路をギャップ１４
（間隔ｄ）を隔ててループ状に形成されている。このル
ープ素子２の一端２ａと地板３とはプリント基板１を貫
通するスルーホール１５を介して接続されている。スル
ーホール１５は、プリント基板１に穿設された貫通穴内
に導体メッキを施したものであり、一端２ａと地板３と
を電気的に接続している。

【００１４】一方、ループ素子２の他端には、プローブ
ピン５が接続されて給電点２ｂが構成されている。すな
わち、給電点２ｂの直下には、プリント基板１に直径ｒ
２の貫通孔１３が穿設されており、かつ、これに対応し
て地板３にも直径ｒ３の小円孔４が穿設されている。そ
して、これら貫通孔１３および小円孔４とを介して直径
ｒ１（ｒ１＜ｒ２＜ｒ３）のプローブピン５が介装さ
れ、これにより給電点２ａと接続されるようになってい
る。

【００１５】プローブピン５は、プリント基板１の基板
厚Ｌより長く、円形地板３を突出して後述するラジアル
導波路１６内に位置するピン長Ｃとなっている。ここ
で、プローブピン５のピン長Ｃは、ラジアル導波路１６
内を伝搬する円筒波を乱すことなく、かつ、ループ素子
２を十分励振してその放射効率が最大となる最適値に選
定されている。また、こうしたプローブピン５の直径ｒ
１と小円孔４の直径ｒ３との比（ｒ１／ｒ３）は、最適
な特性インピーダンスとなるように定められている。

【００１６】こうした構造を有するループ素子２におい
ては、まず、ｔａｎδの小さい（誘電体損が小さい）ラ
ジアル導波路１６内を放射状に伝搬する円筒波がプロー
ブピン５によってピックアップされ、これによりループ
素子２が励振される。この時、ギャップ１４にはｘ軸方
向（ギャップが形成される向き）の電圧が励起される。
すなわち、該ループ素子２はダイポールアンテナと等価
となり、電圧が励起される方向（Ｘ軸方向）を偏波面と
する直線偏波が発生する。こうして励起された直線偏波
は、ループ素子２が配置される平面に対し直交方向に最
大放射を持つ。

【００１７】ここで、ループ素子２から放射波は、前記
平面に対し直交方向上方、及び下方に放射されるが、下
方への放射波は誘電体層厚Ｌを介した距離に敷設される
地板３で反射されることになる。そこで、この反射され
る放射波を有効に利用するために、前記誘電体層厚Ｌを
（０．２５〜０．３）λ／√ε₁とすることが好まし
い。但し、λは自由空間波長、ε₁はプリント基板１の
誘電体の誘電率である。このようにすることによって、
前記地板３で反射された放射波は、上方への放射波と同
相となりアンテナ前面に鋭い指向性を持つことになる。
すなわち、前記誘電体基板上面に配設されたループ素子
のイメージが下面、即ち、地板３の背面に発生し、２素
子アンテナとして動作することになるため、前記ループ
素子から放射される全エネルギーがアンテナ前面に放射
されるのである。

【００１８】次に、図３はプリント基板１上に形成され
るループ素子アレイの配設関係を示す平面図である。こ
の図に示すように、各ループ素子２は、ギャップ１４の
方向をｘ軸方向に揃えて配列されると共に、ラジアル導
波路１６の中心（給電位置）を原点とした場合、半径方
向の間隔をλｇとする同心円周上にループ素子２の給電
点２ａを位置されて、ループ素子アレイを形成してい
る。なお、この半径方向間隔λｇとは、ラジアル導波路
１６を進行する円筒波の管内波長λｇ（λｇ＝λ／√ε
₂，λ：自由空間波長、ε₂：低発泡誘電体１６の誘電
率）に相当するものである。

【００１９】以上のようにして配列されたループ素子ア
レイは、各ループ素子２のプローブピン５がラジアル導
波路１６内の円筒波をピックアップし、これにより給電
点２ａに電圧が励起されて、ギャップ１４の方向である
ｘ軸方向の直線偏波がアレイ全体に振幅・位相が一様分
布となり、鋭い指向性を有するラジアルラインループア
ンテナとなる。

【００２０】上記構造によれば、ラジアル導波路１６で
は、ｔａｎδの小さい低発泡誘電体７が充填されている
ため、伝送損失が極めて少ない。しかも、この低発泡誘
電体７は、該導波路１６を構成する円形地板３とフレー
ム６とを一定の間隔に保つので、そのインピーダンス特
性が一定となる。また、ラジアル導波路１６内に突出す
るよう配設されるプローブピン５は、半径方向の距離間
隔λｇの同心円周上に配置されるため、グレーティング
ローブ（サイドローブ）が発生せず、給電線路の損失は
導波管とほぼ等しいものとなる。したがって、従来のル
ープアンテナに比し、極めて伝送損失が少ないものにな
る。

【００２１】なお、上述した構造によるループ素子２
は、周知のパターンエッチング加工でき、また、プロー
ブピン５も自動実装機によるピン打ちが可能であるの
で、極めて量産形態にマッチしたものになる。また、上
述した実施例において、プリント基板１の誘電率ε₁を
「２」とし、使用周波数帯をＫｕバンドとすると、該基
板１の誘電体層厚Ｌは４．４ｍｍになる。さらに、低発
泡誘電体板７の誘電率ε₂を「１．５」とすると、該誘
電体板７の板厚は２０〜２５ｍｍ程度となるので、極め
て薄形・軽量のアンテナとなり、その取り付け工事も容
易となる。

【００２２】なお、上記実施例において、各ループ素子
２のギャップ１４はアンテナ開口面において一定方向に
配列され、これにより直線偏波が放射される。したがっ
て、アンテナを立てた状態でこのギャップ１４の方向を
大地に対して垂直にするか水平にするかで偏波面が決ま
る。すなわち、ギャップ１４の方向を大地に対して水平
すれば、水平偏波のラジアルラインループアンテナとな
り、垂直にすれば垂直偏波となる。また、この実施例で
は、ループ素子２をリング状に形成しているが、これに
限定することなく、例えば、正方形や正三角形、あるい
は多角形状としても良い。

【００２３】また、ループ素子アレイおよび地板とし
て、ポリエチレン等の誘電体薄膜に導体箔を圧着したも
のにループ素子アレイをエッチング加工したもの、及び
小円孔を所定位置にエッチング加工したものを用い、所
定の誘電率と厚さを持つ誘電体板の上下に位置合せして
積層して構成することもできる。

【００２４】さらに、ループ素子アレイおよび地板とし
て、ポリエチレン等の誘電体薄膜上に導電性塗料にてル
ープ素子アレイ、および小円孔を所定位置にパターニン
グ印刷したものを用いることも可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、誘電体基板の下面に形成される地板と、この地板に
対向配置され、アンテナ基部となる円形導体板とで構成
されるラジアル導波路と、このラジアル導波路内へ電力
を供給する給電部を具備し、前記誘電体基板の上面に配
設され、使用周波数の１波長分の線路長を所定のギャッ
プを隔てて形成されるループ素子アレイであって、各ル
ープ素子は、一端を前記地板に接続させる接続手段と、
該ループ素子の他端から前記誘電体基板を貫通して前記
ラジアル導波路に突出させる励振手段とを有すると共
に、前記ギャップの向きが一定方向に揃えられて前記給
電部を中心とするλｇ（ラジアル導波路内の管内波長）
間隔の複数の同心円上に前記励振手段が配列されている
ので、伝送損失が少なく、小型高性能化されたループア
ンテナとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である直線偏波ラジアルラ
インループアンテナの構造を示す斜視断面図。

【図２】同実施例におけるループ素子２の構造を示す斜
視断面図。

【図３】同実施例におけるループ素子２の配設関係を示
す平面図。

【図４】従来のループアンテナの構成例を示す平面図。

【図５】従来のループアンテナにおける伝送損失を説明
するための図。

【符号の簡単な説明】

１…プリント基板、 ２…ループ素子、 ３…地板、 ５…プローブピン、 ６…フレーム、 １５…スルーホール、 １６…ラジアル導波路。

フロントページの続き (72)発明者 吉本 尚志 東京都台東区台東一丁目５番１号 凸版印 刷株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体基板の下面に形成される地板と、
   この地板に対向配置され、アンテナ基部となる円形導体
   板とで構成されるラジアル導波路と、このラジアル導波
   路内へ電力を供給する給電部を具備し、 前記誘電体基板の上面に配設され、使用周波数の１波長
   分の線路長を所定のギャップを隔てて形成されるループ
   素子アレイであって、 各ループ素子は、一端を前記地板に接続させる接続手段
   と、該ループ素子の他端から前記誘電体基板を貫通して
   前記ラジアル導波路に突出させる励振手段とを有すると
   共に、前記ギャップの向きが一定方向に揃えられて前記
   給電部を中心とするλｇ（ラジアル導波路内の管内波
   長）間隔の複数の同心円上に前記励振手段が配列された
   ことを特徴とする直線偏波ラジアルラインループアンテ
   ナ。