JPH0554281B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、放射素子にひとつの給電点が設けら
れ円偏波を送受信することができる円偏波マイク
ロストリツプアンテナに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

マイクロストリツプアンテナ（以下「MSA」
という）は、放射系、給電系が一体で構成され軽
量であることや周波数特性の広帯域化も可能であ
ることから衛星や航空機等の飛翔体搭載用アンテ
ナとして種々研究、応用がなされている。

ことに円偏波を発生する円偏波MSAにあつて
は２点給電型のものと１点給電型のものが研究さ
れ、その中でも特に１点給電型のものは給電系の
構成が容易なため、アレイアンテナとして有用で
ありその種々の応用が考えられている。

この１点給電型の円偏波MSAとしては、従来、
第１図に示すものが知られている。

第１図ａ〜ｅは、いずれも円偏波MSAの放射
素子のみの平面図である。MSA全体としては、
例えば第２図ａ，ｂに示すように、放射素子導体
１、誘電体２及び地導体３から構成され、給電点
４では、例えば同軸線路５の中心線６が地導体３
側から誘電体２を貫通して放射素子導体１に接続
されている。

第１図ａ〜ｄに示す円偏波MSAの放射素子は、
その基本になる形状が円形または、正方形であつ
ていずれもこの基本形状の一部を切除したり中央
部に切欠孔部を設けたものである。

すなわち、第１図ａの放射素子は、円形の導体
の外周部分のうち相対向する一部分同志Ｂ，Ｃを
切除（一方のみでよい）したものである。

第１図ｂの放射素子は円形の導体の中央部に四
角形の切欠孔部Ｄを設けたものである。

また、第１図ｃの放射素子は正方形の導体の相
対向する角部分Ｅ，Ｆを切除（どちらか一方のみ
でもよい）したものであり、第１図ｄの放射素子
は、正方形の導体の中央部に四角形の切欠孔部Ｇ
を設けたものである。

さらに、第１図ｅの放射素子は、基本形状は正
方形であるものの、隣り合う辺の比が若干１対１
よりは異なるものである。なお、放射素子の形状
は第１図ａ乃至ｄに示すように一部を切欠いたも
のだけでなく、放射素子導体と同一面上で突出す
る部分が設けられた場合もある。

また、放射素子導体の基本形状が円形または線
対称な四角形であるということは、放射素子導体
の切欠部を覆うようにまたは突出部を切欠くよう
に放射素子導体の外周部の弧部分を所定曲率で延
長または辺部分を延長すると、形状が円形（楕円
形を含む）または、線対称な四角形になるという
ことである。

さて、第１図ａ乃至ｅに示す放射素子導体の形
状は、いずれも直線ｎについて線対称である。

これら放射素子に対する給電点Ａは、基準直線
ｎに対して45度の角度で交差する直線ｌまたはｍ
上に設けられる。（これら直線ｎ，ｌ，ｍはいず
れも仮想の直線である。） この給電点の位置と直線ｎとの関係は第１図ａ
〜ｅのいずれの場合も同様である。

このようなMSAに特定周波数の電界を印加す
るとMSAからは円偏波が放射される。

また、第３図に示す放射素子は、その形状が楕
円形のもので、給電点Ａは、直線ｎ（長軸）と45
度の交差角をなす直線ｌ（またはｍ）上に設けら
れる。

この場合も、長軸n₁と短軸n₂の長さの比を特定
値にし、特定周波数の電界を印加すると円偏波が
放射される。

このような従来の１点給電形の円偏波MSAに
おいて、放射素子の基本形状が円形、正方形、楕
円形のものについては、直線ｎ（放射素子の形状
を線対称に規定する基準となる直線）に対して45
度の交差角を有する直線ｌまたはｍ上に給電点Ａ
が設けられる。

このことは、従来の円偏波MSAにおいて考え
られている１点給電で円偏波を得るための条件で
あるとともに、放射特性の良い円偏波を得るため
に採られる給電方法でもある。

このような円偏波MSAは、給電点の位置が極
めて限定されているとともに、励振される円偏波
周波数も一周波数に限られる。

また、上記した位置に給電点を設けることは、
円偏波MSAの放射素子形状の基本形状を円形、
正方形、楕円形に限定した上でのことであり、そ
れ以外の任意形状の放射素子に対しては適用でき
ない。

〔発明の目的〕

本発明は上記した事情を考慮してなされたもの
で、放射素子形状を限定することなく任意形状
（寸法も任意）の放射素子についても円偏波の励
振を可能にする円偏波MSAを提供することを目
的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、任意の形状、寸法の放射素子導体に
対し、円偏波励振に寄与する基本直交モードとな
る任意の連続した２つのモードについて、前記放
射素子導体の表面積、厚さ及び比誘電率から一義
的に定まる共振角周波数、固有関数、放射電界の
角度成分、キヤパシタンス、コンダクタンスを含
むパラメータを解析し、これらの解析結果から励
振可能な円偏波の角周波数を求めて少なくとも一
つを特定し、前記放射素子導体上に想定した座標
系で、前記解析結果から、特定した角周波数の円
偏波が得られる給電点位置の関数曲線を導き、当
該関数曲線に基づいて前記放射素子導体上の一点
に給電する給電手段を設けて構成される。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による円偏波MSAの実施例を第
４図乃至第１０図を参照して説明する。

まず円偏波が励振される周波数及び給電点の位
置は次のように決められる。

すなわち、MSA放射素子（任意形状）に対し、
第４図に示すように軸をとると、このMSAより
放射される電磁波の電界のθ成分E〓は、一般に、 E〓＝_N 〓^l=1 E〓^(l)Ω^l …… で表わされる。

ただし、E〓^(l)は、ｌ番目のモードに対するθ方
向の電界成分であり、 E〓^(l)＝240π｛H_y ^(l)cosφ−H_x ^(l)sinφ｝c
os（k₀ｔ／２cosθ）…… で表わされる。

ここで、上式中のH^(l)は、 H^(l)＝H_x ^(l)x^＋H_y ^(l)y^＝−ｊωε₀／4πtφ（n^×z
^）^(l)exp｛jk₀sinθ（xcosφ＋ysinφ）dl である。

なお、k₀は自由空間の伝播定数（波数）、ｔは
MSAの厚さ（放射素子導体と地導体との間の距
離）、ωは角周波数、ε₀は真空の誘電率、n^は放射
素子の外周：Ｐの法線方向の単位ベクトル、x^，
y^，z^は、それぞれｘ，ｙ，ｚ軸方向の単位ベク
トル、^(l)は、放射素子形状で決まるｌ番目のモ
ードに対する固有関数で位置（ｘ，ｙ）に対する
関数である。

例えば方形MSAの基本モード（ｌ＝１に相当）
の固有関数は、 ⁽¹⁾＝１／ｈ（sinπ／ｈｘ＋sinπ／ｈｙ）、（
ｈは辺の 長さ）のように表わされる。

また、Ω^(l)は、ｌ番目のモードに対する振幅係
数であり、 Ω^(l)＝√2S・M^(l)・Ｉ／ｔ｛jωc＋１／jωL^(l)＋
g^(l)｝…… で表わされる。

ここで、L^(l)はｌ番目のモードに対するインダ
クタンス、Ｃはキヤパシタンスであり、 L^(l)＝１／〔｛ω^(l)｝²Ｃ〕，Ｃ＝ε₀ε_rｓ／ｔ （ε_r：比誘電率、Ｓ：放射素子表面積）であ
る。また、g^(l)はｌ番目のモードに対するコンダ
クタンス、Ｉは給電電流、 M^(l)＝√^(l)（ｘ，ｙ） である。

さて、円偏波を励振するためにν番目と（ν＋
１）番目のモードを使用するものとし ω⁽〓⁾−ω⁽〓^-1)≫０ ω⁽〓⁺²⁾−ω⁽〓⁺¹⁾≫０ （ω⁽〓⁾，ω⁽〓⁺¹⁾：円偏波励振に寄与する基本直
交モードの共振角周波数） を仮定すると、円偏波励振条件は、式を利用し
て E〓⁽〓⁾（φ）Ω⁽〓⁾＋E〓⁽〓⁺¹⁾（φ）Ω⁽〓⁺¹⁾／
E〓⁽〓⁾（φ＋π／２）Ω⁽〓⁾＋E〓⁽〓⁺¹⁾（φ＋π／２
）Ω⁽〓⁺¹⁾＝±ｊ，（j²＝−１）…… と表わされる。（θ＝０のとき各モードν，ν＋
１に対する電界成分は実数である。） 放射電界が空間的に互いに直交するように選ぶ
と、例えば E〓⁽〓⁾（φ）＝０，E〓⁽〓⁺¹⁾（φ＋π／２）＝０ とおけるので、式は E〓⁽〓⁺¹⁾（φ）Ω⁽〓⁺¹⁾／E〓⁽〓⁾（φ＋π／２）
Ω⁽〓⁾＝±ｊ…… となる。式及び式を利用して式から、円偏
波が励振される周波数ω_cを求めると次式のよう
になる。

ω_c ²＝１／２〔｛ω⁽〓⁾｝²＋｛ω⁽〓⁺¹⁾｝²−g⁽〓
⁾g⁽〓⁺¹⁾／C²±√〕…… ただし、 Ｄ＝〔｛ω⁽〓⁾−ω⁽〓⁺¹⁾｝²−g⁽〓⁾g⁽〓⁺¹⁾／C²
〕〔｛ω⁽〓⁾＋ω⁽〓⁺¹⁾｝²−g⁽〓⁾g⁽〓⁺¹⁾／C²〕 である。そしてω_cが１つまたは２つ求まる条件
は、Ｄ≧０より ｜ω⁽〓⁾−ω⁽〓⁺¹⁾｜≧√⁽〓^{) (}〓⁺¹⁾／Ｃ …… である。

すなわち、この式の不等号が満足されるとき
式から円偏波が励振される周波数ω_cを２つ決
定することができ、等号が満足されるとき１つの
み決定することができる。

一方、式で決定された周波数ω_cの円偏波が
励振される放射素子の給電点の位置（x_c，y_c）
は、 M⁽〓⁺¹⁾／M⁽〓⁾＝⁽〓⁺¹⁾（x_c，y_c／⁽〓⁾
（x_c，y_c）＝Ｂ（ω_c）Ｃ〔ω² _c−｛ω⁽〓⁺¹⁾｝²〕／ω
_cg⁽〓⁾…… ただし Ｂ（ω_c）＝±E〓⁽〓⁾（φ＋π／２）／E〓⁽〓⁺¹⁾（
φ） で決定することができる。

すなわち式の右辺のω_cに式で求めたω_cを
代入すると式は、x_cとy_cの関数になり、この関
数で表わされる曲線が給電点の位置を示す。

したがつて、円偏波MSAの放射素子の式で
求められた位置に周波数ω_cの電流を供給すると
円偏波を励振することができる。

例えば、第５図に示す方形タイプのMSAにつ
いて円偏波が励振され得る周波数ｆとアスペクト
比ｂ／ａとの関係を示すと、第６図のようにな
る。この第６図よりｂ／ａがおよそ0.99より小さ
く選ばれていれば２つの周波数で円偏波が励振さ
れることがわかる。

また、第５図に示す曲線l₁，l₂，l₃，l₄は、ｂ／
ａ＝0.95の時の式を満足する給電点の位置の軌
跡を示したもので、l₁，l₂は、この場合は
953.47MHzの円偏波（l₁：右旋、l₂：左旋）が励
振される位置、l₃，l₄は907.48MHzの円偏波（l₃：
左旋、l₄：右旋）が励振される位置を示す。

つまり、l₁またはl₂上の１点に953.47MHzの電
流を供給すれば953.47MHzの円偏波が励振され、
l₃またはl₄上の１点に907.48MHzの電流を供給す
ると907.48MHzの円偏波が励振される。

実際には、放射素子導体の大きさの影響及びア
レイアンテナを構成する場合の相互結合の影響等
により、上記のように求めた給電点の位置は若干
ずれる場合がある。したがつて、実用にあたつて
は、上記のように求めた位置を基準に給電点の位
置を種々変化させ円偏波が励振される最適な位置
をみつけるようにすればよい。よつて、実際の給
電点の位置は、実用上支障のない許容範囲内であ
れば、理論上のl₁，l₂，l₃，l₄上の位置より若干ず
れる場合があつてもよい。

また、円偏波励振周波数についても理論上の周
波数値との許容誤差があることは勿論である。第
７図は、第５図において給電点をＡ及びＢに選ん
だ時の軸比特性（電界ベクトルの軌跡によつて描
かれる楕円の長軸方向の電界成分と短軸方向の電
界成分の比）であり、軸比が0dBの周波数が２波
存在すること、すなわち円偏波が励振される周波
数が２波存在することを示している。

このように、円偏波励振周波数を決定し、かつ
給電点の位置を求め、この求めた位置あるいはそ
の近傍に給電点を設けることにより、極めて容易
に１点給電形の円偏波MSAを得ることができる。

また、同じMSAであつても給電点の位置を変
える（例えばl₁上からl₄上へ変える）ことにより
異なつた周波数の円偏波を励振することが可能で
ある。

しかも、これらは放射素子の形状を何ら限定す
るものではない。例えば第８図に示すような放射
素子が五角形のものについても、円偏波励振周波
数及び給電点の位置を同様に決定することができ
る。第９図は第８図において、ａ＝10cm，ｃ／ａ
＝0.2，MSAの厚さ3.2mm、誘電体の比誘電率εr＝
2.55の条件で、ｂ／ａを種種変えたときの対応す
る円偏波励振周波数を示す図である。この場合
も、ｂ／ａが約1.15より小さい範囲及び約1.17よ
り大きい範囲で円偏波が励振される周波数が２波
存在する。

第８図に示す曲線l₁，l₂，l₃，l₄は、ｂ／ａ＝
1.20の場合の円偏波が励振される給電点の位置の
軌跡であり、曲線l₁，l₂は973.79MHz（l₁：右旋、
l₂：左旋）、曲線l₃，l₄は1006.0MHz（l₃：右旋、
l₄：左旋）の周波数の円偏波を励振する給電点の
軌跡である。第１０図ａは、第８図の曲線l₁上の
点Ａを給電点としたときの広角軸比特性であり、
第１０図ｂは、第８図の曲線l₃上の点Ｂを給電点
としたときの広角軸比特性である。すなわち、こ
れらは第４図に示す各θ方向に対する軸比を示
す。第１０図ａ，ｂにおいて、曲線Emaは電界
のθ成分の最大値、曲線Emiは同じく電界のθ成
分の最小値を示し、このEmaの利得とEmiの利得
との差（矢印で示す幅）が軸比である。両図とも
θ＝０で、軸比は0dB（Ema＝Emi）であり、第
４図のＺ軸方向に円偏波が放射されることを示し
ている。このような特性は、第８図の点Ａ、点Ｂ
のみでなく、曲線l₁，l₂，l₃，l₄上の任意の点を給
電点とすることにより得られ、円偏波が得られる
給電点の位置が多数存在することがわかる。

この場合も、実用にあたつては給電点の位置、
周波数の調整は、上記した第５図の場合と同様で
ある。

このように、本発明のMSAは、従来の限定条
件、すなわち放射素子の基本形状が円形（楕円含
む）または正方形のものについては、線対称を規
定する基準線に対して45°で交差する直線上に給
電点を設けるという条件を排し、この直線以外の
領域に給電点を設けても円偏波が励振できるもの
である。

また、放射素子形状が五角形のものについても
その形状、寸法を何ら限定することなく、任意の
形状、寸法のものについて、円偏波が励振される
MSAを得ることができる。しかも、それらは１
周波数だけでなく、給電点の位置を変えることに
より異なる周波数の円偏波が励振可能である。こ
れを利用すると同一放射素子を複数個並べたアレ
イ状のMSAにおいて、各放射素子の給電点の位
置を異ならせることにより相異なる複数の周波数
で送受信することも可能である。さらに、本発明
は、円形（楕円含む）、方形、五角形だけでなく、
その他の非線対称な形状を含む任意形状のMSA
に対しても同様に適用できる。

また、上記した説明では、円偏波が励振される
周波数を先に決定し、そののち給電点の位置を決
定したが、給電点の位置を先に決定し、そののち
その位置で円偏波が放射される周波数を求めるよ
うにしてもよい。

また、給電点及び周波数を先に決めておき、そ
の周波数で円偏波が励振される点の軌跡（固有関
数）が予じめ決めた給電点を通るようにMSA放
射素子の形状、寸法を決めてもよく、このように
すればMSAの設計が極めて容易に行える。

なお、給電方法については、第２図ｂに示され
る同軸線路を用いた方法だけでなく、放射素子と
同一面上で放射素子に直接接続（または放射素子
と一体に形成）されたマイクロストリツプライン
を用いた方法等でもよく、一方法に何ら限定され
るものではない。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、放射素
子形状が円形、正方形以外の任意形状（寸法の任
意）であつても円偏波を励振できるMSAを提供
でき、しかも給電点の位置を変えることにより、
同一MSAから異なる周波数の円偏波を励振する
ことも可能である。したがつて、例えば、同一放
射素子を並べたアレイ状MSAにおいて、相異な
る周波数で送受信を可能にすることもできる。

さらに、給電点の位置、円偏波励振可能周波
数、MSA形状のうち、どれかひとつが、規定さ
れれば、それに対応して残りのものを決定するこ
とが可能であり、設計上極めて有効なMSAを提
供でき、実用上の効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は、円偏波マイクロストリツ
プアンテナを説明する図、第４図、第５図及び第
８図は、本発明による円偏波マイクロストリツプ
アンテナを説明する図、第６図乃至第７図は、第
５図に示す放射素子形状の円偏波マイクロストリ
ツプアンテナの特性を説明する図、第９図及び第
１０図は、第８図に示す放射素子形状の円偏波マ
イクロストリツプアンテナの特性を説明する図で
ある。 １……放射素子導体、２……誘電体、３……地
導体、４……給電部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 地導体板と、この地導体板上に所定の間隔を
   おいて配置され唯一つの給電点を有する放射素子
   導体からなる円偏波マイクロストリツプアンテナ
   において、 前記放射素子導体の表面積、前記地導体と前記
   放射素子導体との間隔、及び前記地導体と前記放
   射素子導体とで挟まれた空間の比誘電率から一義
   的に定まる複数の共振角周波数のうち、最も近接
   し、かつ空間的に直交しているν番目とν＋１番
   目のモードの２つの共振角周波数をそれぞれ
   ω⁽〓⁾，ω⁽〓⁺¹⁾としたとき、 放射電界の周波数は、 ω_C ²１／２〔｛ω⁽〓⁾｝²＋｛ω⁽〓⁺¹⁾｝²−
   g⁽〓⁾g⁽〓⁺¹⁾／C²±√〕 ただし、 Ｄ〔｛ω⁽〓⁾−ω⁽〓⁺¹⁾｝²−g⁽〓⁾g⁽〓⁺¹⁾／C²〕〔
   ｛ω⁽〓⁾＋ω⁽〓⁺¹⁾｝²−g⁽〓⁾g⁽〓⁺¹⁾／C²〕｜ω⁽〓⁾
   −ω⁽〓⁺¹⁾｜≧√⁽〓^{) (}〓⁺¹⁾／Ｃ Ｃ＝ε₀ε_rｓ／ｔ Ｃ：キヤパシタンス ε₀：真空の誘電率 ε_r：比誘電率 ｓ：放射素子導体の表面積 ｔ：放射素子導体と地導体との間の距離 g⁽〓⁾：ν番目のコンダクタンス g⁽〓⁺¹⁾：ν＋１番目のコンダクタンス により定められる角周波数ω_cの一つであり、 前記放射素子導体上の任意の位置を原点にと
   り、ｘ軸及びｙ軸をそれぞれ前記放射素子導体表
   面上に定め、ｚ軸を前記放射素子導体表面に垂直
   に定めた（ｘ，ｙ，ｚ）座標系を想定したとき、 前記給電点は、 ⁽〓⁺¹⁾（x_c，y_c）／⁽〓⁾（x_c，y_c）＝Ｂ
   （ω_c）Ｃ〔ω² _c−｛ω⁽〓⁺¹⁾｝²〕／ω_cg⁽〓⁾ ただし、 Ｂ（ω_c）＝±E〓⁽〓⁾（φ＋π／２）／E〓⁽〓⁺¹⁾（
   φ） ⁽〓⁾：ν番目の固有関数 ⁽〓⁺¹⁾：ν＋１番目の固有関数 E〓⁽〓⁾（φ＋π／２）：ν番目のモードの放射電
   界 のθ成分 E〓⁽〓⁺¹⁾（φ）：ν＋１番目のモードの放射電
   界のθ成分 により定まる座標（x_c，y_c）に相当する放射素子
   導体表面上に設けられたことを特徴とする円偏波
   マイクロストリツプアンテナ。