JPH05226923A

JPH05226923A - 円環マイクロストリップアンテナ

Info

Publication number: JPH05226923A
Application number: JP2536992A
Authority: JP
Inventors: Noboru Ono; 登大野; Ichiro Toriyama; 一郎鳥山; Shinichi Kuroda; 慎一黒田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-02-12
Filing date: 1992-02-12
Publication date: 1993-09-03

Abstract

(57)【要約】【目的】円環マイクロストリップアンテナにおいて、
低仰角方向でもアンテナ利得の低下が少なく、かつ２周
波共振とする。【構成】マイクロストリップアンテナにおいて、外周
縁３３ｏが接地導体３１に接続された、外壁短絡型の円
環状の放射素子３３の内周縁３３ｉに、単一の給電点３
４と４５゜の角間隔で、それぞれ所定面積の１対の切欠
き３６ｃ，３６ｄを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、２周波数共振型の円
環マイクロストリップアンテナに関する。

【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義的に定まること、また、その入力
インピーダンスが、中心では基本的にゼロであり、周辺
に近づくにつれて高くなることが知られている。

【０００３】まず、図１４〜図１６を参照しながら、従
来のマイクロストリップアンテナについて説明する。図
１４，図１５において、１０はマイクロストリップアン
テナであって、いずれも円形の接地導体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、円形の
放射素子１３が同心に積層配設される。この放射素子１
３には、中心１３ｏから適宜にオフセットされて、単一
の給電点１４が配設される。

【０００４】図１５に示すように、接地導体１１の放射
素子１３とは反対側に、給電点１４と対向して、同軸コ
ネクタＪが配設され、この同軸コネクタＪの内部導体が
給電点１４に直接に接続される。また、放射素子１３の
中心１３ｏは、短絡ピン１３ｓにより、接地導体１１に
接続される。

【０００５】上記のような１点給電により、放射素子１
３には、ＴＭ110 モードにおいて、図１４に矢印Ｆ０で
示されるような、給電点１４を通る直径方向に励振電流
が流れて、放射素子１３は、このモードに対応する単一
の周波数に共振し、直線偏波を放射する。

【０００６】図１４，図１５のアンテナ１０が、例え
ば、１．６ＧＨｚの周波数帯で使用される場合、接地導
体１１，放射素子１３の寸法Ｄ12，Ｄ13、誘電体層１２
の厚さｔ12と誘電率εrは、例えばそれぞれ次のように
設定される。Ｄ12＝１３０ｍｍ，Ｄ13＝６６ｍｍ；ｔ12＝３．２ｍｍ， εr ＝２．６また、給電点１４のオフセット距離ρ14は、例えば次の
ように設定される。 ρ14＝１０．０ｍｍ

【０００７】これにより、図１４および図１５に示すア
ンテナの入力インピーダンス−周波数特性は、図１６Ａ
に示すようになり、図１６Ｂにも示すように、中心周波
数における整合状態は良好である。

【０００８】ところで、例えば、ＧＰＳ(Global Positi
oning System)用の複数の人工衛星を利用する移動体通
信の分野では、移動局側のアンテナの指向性が広がって
いること、すなわち、低仰角方向においても利得の低下
が少ないことが要望されている。上記のような円形マイ
クロストリップアンテナの指向性を広げる手法として、
例えば、図１７に示すように、放射素子に開口を設けて
円環状とすると共に、この放射素子の外周縁を接地導体
２１に短絡することが知られている。

【０００９】図１７の円環マイクロストリップアンテナ
２０においては、いずれも円形の接地導体２１と放射素
子とが同軸に配置され、この円形の放射素子の中央部に
円形の開口２５が設けられて円環状の放射素子２３が形
成されると共に、放射素子２３の外周縁２３ｏがスルー
ホールなどからなる短絡壁２３ｓにより接地導体２１に
接続されて、外壁短絡型に構成される。

【００１０】この放射素子２３には、内周縁２３ｉから
適宜にオフセットされて、単一の給電点２４が配設さ
れ、接地導体２１の放射素子２３とは反対側に配設され
た同軸コネクタＪの内部導体と直接に接続される。な
お、この図１７において、上記の図１４，１５に対応す
るものには“１”の位が同一の符号を付けて一部説明を
省略する。

【００１１】上記の図１４に示すような円形の放射素子
では、ＴＭ100 モードにおいて、フリンジ効果を考慮し
ない場合、その半径Ａと共振周波数ｆとの間に、次の数
式１のような関係が成立する。また、フリンジ効果を考
慮した場合には、等価半径Ａeqと共振周波数ｆとの間
に、次の数式２のような関係が成立する。

【００１２】

【数１】

【数２】

【００１３】なお、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、χは放射素子の形状に固有な値であって、円形放射
素子の場合は、第１種ベッセル関数の微分形Ｊ′（χ）
＝０を満足するものとなり、次のような値をとる。 χ11＝１．８４１

【００１４】一方、図１７に示すような、外壁短絡型の
円環状放射素子では、外壁短絡・内壁開放の境界条件の
下で、内部波長に比べて充分に小さい厚さを有するキャ
ビティの内部電磁界を解析することにより、固有値χ
（β）が求められる。βは、円環状放射素子の内外半径
の比（リング比）Ａｉ／Ａｏであって、適宜に設定さ
れ、図１８に示すように、リング比βの増大に伴って固
有値χ（β）が大きくなる。そして、ＴＭ100 モードに
おいて、外半径Ａｏないし等価外半径Ａｏeqと共振周波
数ｆとの間には、次の数式３，４のような関係が成立す
る。

【００１５】

【数３】

【数４】

【００１６】上述のような外壁短絡型円環アンテナは、
ＴＭ100 モードにおいて、直線偏波を放射する。また、
指向性は正面方向（水平に配置した場合には、天頂方
向、以下、正面方向を必要に応じて天頂方向という）に
単方向性となり、開口面積の増大によってアンテナ利得
が向上する。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、移動体通信
の分野では、比較的近接した２つの周波数を使用して、
しかも低仰角方向間で、上り回線と下り回線とによる双
方向通信を行なう場合がある。しかしながら、上記のよ
うな円形マイクロストリップアンテナは、図１６Ｂに示
したように、一般にそのＱが高いので、周波数帯域が狭
く、比較的近接した２つの周波数であっても、１つのア
ンテナでは充分カバーすることができないという問題が
あった。又、天頂方向のアンテナ利得に比較して低仰角
方向でのアンテナ利得が著しく小さくなってしまい、そ
の低仰角方向での送受信が不可能であるという問題もあ
った。さらに、図１７に示す外壁短絡型の円環アンテナ
では、低仰角方向でのアンテナ利得は改善されるが比較
的近接した２つの周波数では使用することができないと
いう問題があった。

【００１８】もっとも、上り回線と下り回線とにそれぞ
れ専用の円環アンテナを用いて双方向通信を行なうこと
はできるが、この場合には、アンテナ系が大きくなって
しまうという問題が生ずる。

【００１９】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であって、低仰角方向でもアンテナ利得の低下が少な
く、かつ比較的近接した２つの周波数に対応することが
できる円環マイクロストリップアンテナを提供すること
を目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】第１のこの発明円環マイ
クロストリップアンテナは、例えば、図１および図３に
示すように、誘電体層３２を介して接地導体３１に対向
する円環状の放射素子３３を備え、この放射素子３３の
外周縁３３ｏを接地導体３１に接続すると共に、放射素
子３３の内周縁３３ｉから所定の距離に単一の給電点３
４を配設した円環マイクロストリップアンテナにおい
て、給電点３４と４５゜の角間隔を有する放射素子３３
の内周円の両端部にそれぞれ所定面積ΔＳ／２の１対の
変形部３６ｃ，３６ｄを形成して２周波数共振型とした
ものである。

【００２１】第２のこの発明円環マイクロストリップア
ンテナは、例えば、図７および図９に示すように、誘電
体層３２を介して接地導体３１に対向する円環状の放射
素子３３を備え、この放射素子３３の外周縁３３ｏを接
地導体３１に接続すると共に、放射素子３３の内周縁３
３ｉから所定の距離に給電点を配設した円環マイクロス
トリップアンテナにおいて、１対の給電点３４ａ，３４
ｂを９０゜の角間隔で配すると共に、この１対の給電点
３４ａ，３４ｂの一方３４ｂと上記放射素子３３の中心
とを通る線上、放射素子３３の内周円の両端部にそれぞ
れ所定面積ΔＳ／２の１対の変形部３６ｃ，３６ｄを形
成して２周波数共振型としたものである。

【００２２】

【作用】このような構成によれば、低仰角方向において
もアンテナ利得の低下が少なく、かつ比較的近接した２
つの周波数に容易に対応することができる。

【００２３】

【実施例】以下、図１〜図５を参照しながら、この発明
による円環マイクロストリップアンテナを１点給電型に
適用した一実施例について説明する。

【００２４】この発明の一実施例の構成を図１〜図３に
示す。この図１〜図３において、上記の図１７に対応す
る部分には“１”の位が同一の符号を付けて一部説明を
省略する。

【００２５】この実施例の円環マイクロストリップアン
テナ３０では、円環状の放射素子３３の内周縁３３ｉ
に、１８０゜の角間隔で、１対の切欠き３６ｃ，３６ｄ
が設けられている。そして、図２に示すように、この１
対の切欠き３６ｃ，３６ｄを通る放射素子３３の直径
は、給電点３４に対して反時計方向に４５゜の角間隔を
有する。

【００２６】各切欠き３６ｃ，３６ｄの面積ΔＳ／２
は、切欠きを形成する前の円環放射素子の面積をＳｒと
し、アンテナの無負荷ＱをＱｏとし、上記のようなリン
グ比βの関数となる固有値をχ（β）として、次式に基
いて設定される。 ΔＳ／Ｓｒ＞１／χ（β）・Ｑｏ

【００２７】図３に示すように、２つの信号源１，２の
出力が、ダイプレクサ３を介して、給電点３４に供給さ
れる。双方向通信を行なう場合は、信号源１，２の一方
が送信機となり、他方が受信機となる。残りの部分の構
成は上記の図１７と同様であって外壁短絡型の円環マイ
クロストリップアンテナになっている。

【００２８】上記のような１点給電と、１対の切欠きと
により、この実施例の放射素子３３は、図２に矢印Ｆ
ａ，Ｆｂで示すような、放射素子３３の給電点３４を通
る直径とそれぞれ４５゜の方向の、直交する２つのモー
ドで励振されて、放射素子３３は、これら２つのモード
Ｆａ，Ｆｂに対応する２つの周波数で共振し、それぞれ
直線偏波を放射する。

【００２９】切欠きがない通常の円環放射素子の場合に
は、この２つのモードＦａ，Ｆｂが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。図１，２に示すように、放射素子
３３に、１対の切欠き３６ｃ，３６ｄが設けられると、
この切欠きの部分が、一方のモードＦａに対しては強電
界領域であり、他方のモードＦｂに対しては強磁界領域
であるので、切欠きの形成による各モードＦａ，Ｆｂの
共振周波数のずれ量が異なる。

【００３０】従って、２つのモードＦａ，Ｆｂ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。
そして、第１の共振周波数が放射素子３３及び開口３５
の直径Ｄ33，Ｄ35に依存すると共に、第２の共振周波数
は切欠き３６ｃ，３６ｄの寸法に依存し、この切欠きの
寸法によって、共振周波数を容易に制御することができ
る。

【００３１】この実施例のアンテナ３０が、例えば、
１．６ＧＨｚの周波数帯で使用される場合、接地導体３
１（誘電体層３２）の外径Ｄ31，放射素子３３の外周円
径Ｄ33，開口３５の直径（放射素子３３の内周円径）Ｄ
35、切欠き３６ｃ，３６ｄの幅ｗと深さｄ、誘電体層３
２の厚さｔ32と誘電率εr は、例えばそれぞれ次のよう
に設定される。Ｄ31＝１４０ｍｍ（電気的性能には無関係）；Ｄ33＝１３１ｍｍ，Ｄ35＝４０．８ｍｍ；ｗ＝６．０ｍｍ，ｄ＝５．０ｍｍ；ｔ32＝３．２ｍｍ， εr ＝２．６また、放射素子３３の中心からの、給電点３４のオフセ
ット距離は、例えば次のように設定される。 ρ34＝５５ｍｍ

【００３２】これにより、この実施例のアンテナの入力
インピーダンス−周波数特性は、図４Ａに示すようにな
り、図４Ｂにも示すように、２つの共振周波数における
整合状態は良好である。この実施例では、給電点のオフ
セット距離のみによって、容易にインピーダンス整合を
とることができる。

【００３３】また、この実施例のアンテナの放射特性
は、共振周波数ｆ＝１．５６２ＧＨｚにおいて、図５Ａ
の実線で示すようになり、天頂方向をθ＝０゜として、
θ＝±４０゜を超えると従来例（図１４例の円形アンテ
ナ１０で、放射特性は点線で示している）のアンテナ利
得よりも大きくなる。そして、例えば、低仰角方向であ
るθ＝±８０゜では、約２．０ｄＢアンテナ利得が向上
していることが明かである。。一方、共振周波数ｆ＝
１．６０１ＧＨｚにおいて、図５Ｂの実線で示すように
なり、θ＝±４２゜を超えると従来例（図１４例の円形
アンテナ１０で、放射特性は点線で示している）のアン
テナ利得よりも大きくなる。そして、例えば、低仰角方
向であるθ＝±８０゜では、約１．４ｄＢアンテナ利得
が向上していることが明かである。このように、上記の
実施例によれば、従来例の円形アンテナ１０に比較して
波源（開口３５の面積）が小さくなって、指向性が広が
るので、低仰角方向においてもアンテナ利得の低下が少
なく、かつ比較的近接した２つの周波数に容易に対応す
ることができる。

【００３４】上述の実施例では、縮退分離のために、１
対の切欠き３６ｃ，３６ｄを設けたが、図６に示すよう
に、円環放射素子４３の内周縁４３ｉに、１８０゜の角
間隔で、１対の張出し４６ｃ，４６ｄを形成するように
してもよい。この場合、張出し４６ｃ，４６ｄを通る放
射素子４３の直径は、単一の給電点４４に対して時計方
向に４５゜の角間隔を有する。そして、各張出し４６
ｃ，４６ｄの面積ΔＳ／２は、前述の実施例の切欠き３
６ｃ，３６ｄの面積と同様に設定される。なお、この図
６において、上記の図１に対応する部分には“１”の位
が同一の符号を付けて説明を省略する。

【００３５】次に、図７〜図１１を参照しながら、この
発明による円環マイクロストリップアンテナを２点給電
型に適用した他の実施例について説明する。

【００３６】この発明の他の実施例の構成を図７〜図９
に示す。この図７〜図９において、上記の図１〜図３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。

【００３７】この実施例の円環マイクロストリップアン
テナ３０Ｄでは、放射素子３３の中心から所定の距離
に、１対の給電点３４ａ，３４ｂを９０゜の角間隔で配
設すると共に、この１対の給電点の一方、例えば、給電
点３４ｂを通る直径上で、放射素子３３の内周縁３３ｉ
に１対の切欠き３６ｃ，３６ｄを設ける。

【００３８】図９に示すように、２つの信号源１，２の
出力が、同軸コネクタＪａ，Ｊｂを介して、１対の給電
点３４ａ，３４ｂにそれぞれ供給される。双方向通信を
行なう場合は、信号源１，２の一方が送信機となり、他
方が受信機となる。その残りの構成は上記の図１〜図３
と同様である。

【００３９】上記のような２点給電と、１対の切欠き３
６ｃ，３６ｄとにより、この実施例の放射素子３３は、
図８に矢印Ｆａ，Ｆｂで示すような、それぞれ給電点３
４ａ，３４ｂを通り、互いに直交する２つのモードで励
振されて、放射素子３３は、このモードに対応する２つ
の周波数で共振し、それぞれ直線偏波を放射する。

【００４０】この実施例のアンテナ３０Ｄが、例えば、
１．６ＧＨｚの周波数帯で使用される場合、接地導体３
１（誘電体層３２）の外径Ｄ31，放射素子３３の外周円
径Ｄ33，開口３５の直径（放射素子３３の内周円径）Ｄ
35、切欠き３６ｃ，３６ｄの幅ｗと深さｄ、誘電体層３
２の厚さｔ32と誘電率εrは、例えばそれぞれ次のよう
に設定される。Ｄ31＝１４０ｍｍ（電気的性能には無関係）；Ｄ33＝１３１ｍｍ，Ｄ35＝４０．８ｍｍ；ｗ＝６．０ｍｍ，ｄ＝５．０ｍｍ；ｔ32＝３．２ｍｍ， εr ＝２．６また、放射素子３３の中心からの両給電点３４ａ，３４
ｂのオフセット距離は、例えばそれぞれ次のように設定
される。 ρａ＝５８ｍｍ， ρｂ＝５８ｍｍ

【００４１】これにより、上述のようなアンテナの一方
の給電点２４ａの入力インピーダンス−周波数特性は、
図１０Ａに示すようになり、図１０Ｂにも示すように、
一方の共振周波数における整合状態は良好である。ま
た、他方の給電点２４ｂの入力インピーダンス−周波数
特性は、図１１Ａに示すようになり、図１１Ｂにも示す
ように、他方の共振周波数における整合状態は良好であ
る。そして、この実施例では、給電点のオフセット距離
のみによって、容易にインピーダンス整合をとることが
できる。

【００４２】また、この実施例のアンテナの放射特性
は、共振周波数ｆ＝１．５６２ＧＨｚにおいて、図１２
Ａの実線で示すようになり、天頂方向をθ＝０゜とし
て、θ＝±４０゜を超えると従来例（図１４例の円形ア
ンテナ１０で、放射特性は点線で示している）のアンテ
ナ利得よりも大きくなる。そして、例えば、低仰角方向
であるθ＝±８０では、約２．０ｄＢアンテナ利得が向
上していることが明かである。。一方、共振周波数ｆ＝
１．６０１ＧＨｚにおいて、図１２Ｂの実線で示すよう
になり、θ＝±４２゜を超えると従来例（図１４例の円
形アンテナ１０で、放射特性は点線で示している）のア
ンテナ利得よりも大きくなる。そして、例えば、低仰角
方向であるθ＝±８０では、約１．４ｄＢアンテナ利得
が向上していることが明かである。このように、上記の
実施例（図７例）によれば、従来例の円形アンテナ１０
に比較して波源（開口３５の面積）が小さくなって、指
向性が広がるので、低仰角方向においてもアンテナ利得
の低下が少なく、かつ比較的近接した２つの周波数に容
易に対応することができる。

【００４３】上記のように、この実施例では、２点給電
により、２周波数共振型のアンテナを、各共振周波数ご
とに独立に励振することができて、ダイプレクサを用い
る必要がなく、給電系のコストを低減することができ
る。また、アクティブアンテナを容易に構成することが
できる。

【００４４】上記の実施例でも、縮退分離のため、放射
素子３３の内周縁に１対の切欠き３６ｃ，３６ｄを設け
たが、図１３に示すように、１対の給電点４４ａ，４４
ｂを９０゜の角間隔で配設すると共に、この１対の給電
点の一方、例えば、４４ａを通る直径上で、放射素子４
３の内周縁４３ｉに１対の張出し４６ｃ，４６ｄを形成
するようにしてもよい。この張出し４６ｃ，４６ｄの面
積ΔＳ／２は、前述の実施例の切欠き３６ｃ，３６ｄの
面積と同様に設定される。なお、この図１３において、
上記の図７に対応する部分には“１”の位が同一の符号
を付して説明を省略する。

【００４５】上記の各実施例において、切欠き，張出し
などの変形部の配置方向は、図示の方向から９０゜回転
してもよい。また、各給電点に対しても、背面直接給電
に代えて、マイクロストリップ線路による背面側方給電
を行なってもよく、あるいは、スロット給電を行なって
もよい。さらに、接地導体４１および誘電体層４２を円
形で構成しているが、長方形または正方形でもよい。さ
らに、接地導体４１と放射素子３３，４３とをスルーホ
ールの短絡壁４３ｓで形成しているが、スルーホールピ
ンまたは短絡棒でもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、マイクロストリップアンテナにおいて、外周縁が接
地導体に接続された、外壁短絡型の円環放射素子の内周
縁に給電点と所定の角間隔で所定面積の１対の変形部を
形成するようにしたので、低仰角方向でもアンテナ利得
の低下が少なく、かつ比較的近接した２つの周波数に容
易に対応することができる円環マイクロストリップアン
テナが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による円環マイクロストリップアン
テナを１点給電型に適用した一実施例の構成を示す分解
斜視図である。

【図２】この発明の一実施例の構成を示す平面図であ
る。

【図３】この発明の一実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図４】この発明の一実施例の特性を示す線図であ
る。

【図５】この発明の一実施例の特性を示す線図であ
る。

【図６】この発明の他の実施例の構成を示す分解斜視
図である。

【図７】この発明による円形マイクロストリップアン
テナを２点給電型に適用した他の実施例の構成を示す分
解斜視図である。

【図８】この発明の他の実施例の構成を示す平面図で
ある。

【図９】この発明の他の実施例の構成を示す断面図で
ある。

【図１０】この発明の他の実施例の特性を示す線図で
ある。

【図１１】この発明の他の実施例の特性を示す線図で
ある。

【図１２】この発明の他の実施例の特性を示す線図で
ある。

【図１３】この発明の他の実施例の構成を示す分解斜
視図である。

【図１４】従来の円形マイクロストリップアンテナの
構成例を示す平面図である。

【図１５】従来例の構成を示す断面図である。

【図１６】従来例の特性を示す線図

【図１７】他の従来例の構成を示す斜視図である。

【図１８】この発明の説明のための線図である。

【符号の説明】

３０，３０Ｄ，４０，４０Ｄ円環マイクロストリップ
アンテナ３１，４１接地導体３２，４２誘電体層３３，４３放射素子３４，３４ａ，３４ｂ，４４，４４ａ，４４ｂ給電点３６ｃ，３６ｄ切欠き４６ｃ，４６ｄ張出し

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円
環状の放射素子を備え、この放射素子の外周縁を上記接
地導体に接続すると共に、上記放射素子の内周縁から所
定の距離に単一の給電点を配した円環マイクロストリッ
プアンテナにおいて、上記給電点と４５゜の角間隔を有する上記放射素子の内
周円の両端部にそれぞれ所定面積の１対の変形部を形成
して２周波数共振型としたことを特徴とする円環マイク
ロストリップアンテナ。
【請求項２】誘電体層を介して接地導体に対向する円
環状の放射素子を備え、この放射素子の外周縁を上記接
地導体に接続すると共に、上記放射素子の内周縁から所
定の距離に給電点を配設した円環マイクロストリップア
ンテナにおいて、１対の給電点を９０゜の角間隔で配すると共に、この１対の給電点の一方と上記放射素子の中心とを通る
線上、上記放射素子の内周円の両端部にそれぞれ所定面
積の１対の変形部を形成して２周波数共振型としたこと
を特徴とする円環マイクロストリップアンテナ。