JPH0774532A - マイクロストリップアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電界の乱れの生じない、かつ小型・軽量な素
子アンテナを実現する。 【構成】 誘電体の支持柱５を電界の集中していない給
電素子２中央部または中央部近傍に配置し、支持柱５に
より放射素子基板１を給電素子基板２上に支持すること
により、マイクロストリップアンテナを構成する。 【効果】 電界の集中していない給電素子２の中央部ま
たは中央部近傍に支持柱５を配置することにより良好な
放射特性が得られる。また放射素子を支持するためのス
ペースを別に設ける必要がなく、小型・軽量な電磁結合
型マイクロストリップアンテナを実現できる。さらに、
支持柱５の形状設計に自由度のある電磁結合型のマイク
ロストリップアンテナを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロストリップ
アンテナに関し、特にレーダ用あるいは通信用等のアレ
イアンテナに用いられる電磁結合型マイクロストリップ
アンテナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は、例えば Peter Peregrinvs Ltd
の Handbook of MICROSTRIP ANTENNASに示された従来の
電磁結合型マイクロストリップアンテナの構造図の一例
である。ここで、図において、１は電波を空間に放射す
るための放射素子、２は放射素子１に対し給電を行なう
ための給電素子、３は写真食刻等により放射素子１が形
成された放射素子基板、４は写真食刻等により給電素子
２が形成された給電素子基板、５は放射素子基板３を給
電素子基板４に固定するための支持柱であり、給電素子
基板４の給電素子２が形成された領域の外に互いに対向
するように離れて２本設けられている。また、６は給電
素子基板４の放射素子基板３が配置された面とは反対側
の面に形成された地導体である。

【０００３】次に動作について説明する。給電素子２は
同軸線路またはストリップ線路などにより直接給電さ
れ、給電素子基板４上に配置された誘電体、または金属
等で構成された支持柱５を介して、給電素子基板４と一
定の間隔を保持し配置された放射素子１と電磁結合され
る。これにより給電素子２と放射素子１とが電気的に結
合して共振し、放射素子１より電波が空間に放射され
る。このとき、放射素子１は空間を介して地導体６上に
配置される構造となるため、放射にかかわる等価的な比
誘電率εeff は、静電近似をすれば以下の式で表され
る。

【０００４】

【数１】

【０００５】ここで、εr1，εr2，εr3は、放射素子基
板３、放射素子基板３と給電素子基板４との間（ここで
は空気）、給電素子基板４の，それぞれの比誘電率、ｔ
1,ｔ2,ｔ3 は放射素子基板３の、放射素子基板３と給電
素子基板４との間（ここでは空気）の、給電素子基板４
のそれぞれの厚みである。

【０００６】即ち、放射素子基板３および給電素子基板
４の厚みがこれらの基板３，４間の間隔に比べて薄いた
め、放射にかかわる等価的な比誘電率は、空気中の比誘
電率、即ちεeff ＝１に限りなく近くなる。従って、こ
れによりＱ値が低下するため、広い帯域にわたってイン
ピーダンス整合をとることができる。

【０００７】また、特開昭６２−６６７０４号公報に
は、レーダ用，あるいは通信用等のアレイアンテナに用
いられる電磁結合型マイクロストリップアンテナにおい
て、給電素子と、空間を介して給電を行う放射素子とを
給電層中央の誘電体で固定してなる構成、および、金属
棒柱により放射素子と給電層とを地導体に短絡した構成
が開示されている。

【０００８】即ち、図７ないし図１０は、該公報に記載
された、線状導体により中心導体と地導体とを接続して
いる電磁結合型のマイクロストリップアンテナを示す。
まず、図１０に示すその第１例において、地導体１１は
誘電体１２を介して円板型の中心導体１３と平行に配置
され、一端が中心導体１３に接続されている線状導体１
４で図外の同軸線路の中心導体に接続される。本例の構
成の特徴は、一方の端面が地導体１１に接続されている
複数の金属棒柱１５が誘電体１２の中に配置されている
ことにあり、図では、一例として、４本の金属棒柱１５
が配置された場合を示している。

【０００９】図７において、誘電体の比誘電率がほぼ
“１”である誘電体１２を用い、金属棒柱１５のない場
合で円板型の中心導体１３の直径を１０ｃｍとし、地導
体１１と中心導体１３との間隔を７ｍｍとしたときの最
適放射可能な周波数は、実験によれば１．５７ＧＨｚで
あった。

【００１０】つぎに、中心導体１３の直径を８ｃｍと
し、４本の金属棒柱１５を約１／１６λの間隔に配置し
た場合、中心導体１３とこれに近い金属棒柱１５との間
に静電容量が装荷されるため、放射可能最適周波数が
１．６０ＧＨｚとなることが実験により確認された。

【００１１】すなわち、希望使用周波数に対して金属棒
柱１５を装荷することにより、約２０％直径の小さい中
心導体を用いて送受信することが実現可能となる。ま
た、電圧定在波比の帯域幅に関してはおよそ２０％程度
広帯域になることも、同様に実験により確認される。

【００１２】図８(a) は上記公報記載の第２例のマイク
ロストリップアンテナを示す図であり、図８(b) はその
上面図である。図７の第１例とは金属棒柱１５の一端が
中心導体１３に接続されている点が異なるが、図７と同
様に静電容量を装荷することにより、中心導体の直径を
縮小するとともに広い帯域化を図ることができる。

【００１３】図９(a) は上記公報記載の第３例のマイク
ロストリップアンテナを示す図であり、図９(b) はその
上面図である。図９の構成は図７における中心導体１３
を支持する導体棒１６を中心導体１３の中心軸上に沿っ
て地導体１１と接続したもので、これにより上記中心導
体１３を支持することができるとともに、この位置は高
周波電界の節の部分にあたるため、電気的にはほとんど
悪影響を与えることはない。

【００１４】また、図１０は金属棒柱１５を９０°間隔
で配置した第４例の円偏波アンテナの上面図であり、金
属棒柱１５と線状導体１４との位置関係により、他のタ
イプの円偏波アンテナを構成することもできる。

【００１５】さらに、上記図７に示すマイクロストリッ
プアンテナと、図８(a) に示すマイクロストリップアン
テナとにおいては、複数の金属棒柱１５は地導体１１ま
たは中心導体１３のいずれかに電気的に接続している
が、この複数の金属棒柱１５の一部を地導体１１に、残
りの金属棒柱１５を中心導体１３に接続する形態をとる
こともできる。ただしこの場合、異なる導体に接続する
金属棒柱は互いに十分な間隔をもたせる必要がある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来の図５に示す電磁
結合型マイクロストリップアンテナは以上のように構成
されており、放射にかかわる等価的な比誘電率が低いた
め、放射素子１からの電界はフリンジング効果により広
がり、等価磁壁が広がっているため、放射素子１と給電
素子２の近傍にある誘電体または金属からなる支持柱５
により、放射素子１近傍の電界は図６に示すように影響
を受けることとなり、放射特性が劣化するという問題が
ある。

【００１７】また、この影響を小さくするためには支持
柱５を、放射素子１と給電素子２とによりできるだけ離
す必要があり、この場合基板は大型化するため、特に高
周波になるとスペースがとれないという問題があった。

【００１８】また、高周波になると給電素子２と放射素
子１間の間隔の精度は厳しくなるため、放射素子基板３
のたわみ等により構造上、性能が劣化してしまうという
問題があった。

【００１９】また、放射素子１の中心と給電素子２の中
心は、理論的に電界分布は“０”になるが、構造的に放
射素子１と給電素子２との間は空間を有し、不安定な状
態にあるため、不要モードの発生が起こりやすいという
問題がある。

【００２０】また、図７ないし図１０に示す従来のマイ
クロストリップアンテナは、地導体と中心導体との間隙
に複数の金属棒柱が配置され、上記複数の金属棒柱はそ
れぞれ上記地導体または中心導体のいずれかに電気的に
接触されたものであり、中心導体と地導体との間隙に金
属棒柱を配置して、静電装荷を与えることによって、中
心導体を小型化することができるものである。

【００２１】しかしながら、この図７ないし図１０に示
す従来のマイクロストリップアンテナは給電素子と地導
体との間の構造を対象としているため、上述のように、
中心導体を小型化することはできるが、給電点等のアン
バランスによる不要モードを除去したり、外来の誘導電
界等が内部回路に伝達するのを防止することはできない
ものであった。

【００２２】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、支持柱による放射特性の劣化が
なく、小型かつ軽量な電磁結合型のマイクロストリップ
アンテナを提供することを目的としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この発明に係るマイクロ
ストリップアンテナは、誘電体の支持柱を電界の集中し
ていない給電素子の中央部またはその近傍に位置させ、
該誘電体支持柱の上面，下面にそれぞれ放射素子基板と
給電素子基板とを固定して、マイクロストリップアンテ
ナを構成するようにしたものである。

【００２４】またこの発明に係るマイクロストリップア
ンテナは、誘電体の支持柱の中心に金属棒柱を設けたも
のを給電素子の中央部またはその近傍に位置させ、該誘
電体支持柱の上面，下面にそれぞれ放射素子基板と給電
素子基板とを固定したうえで、放射素子の中央と給電素
子の中央をそれぞれ地導体板に短絡して、マイクロスト
リップアンテナを構成するようにしたものである。

【００２５】またこの発明に係るマイクロストリップア
ンテナは、誘電体の支持柱の中心に金属棒柱を設けたも
のを給電素子の中央部またはその近傍に位置させ、放射
素子基板と給電素子基板とを固定し、放射素子の中央と
給電素子の中央をそれぞれ地導体板に短絡し、このと
き、放射素子基板の放射素子を給電素子基板側にして、
マイクロストリップアンテナを構成するようにしたもの
である。

【００２６】

【作用】この発明における電磁結合型マイクロストリッ
プアンテナは、給電素子の中央部または中央部近傍に支
持柱を配置し、放射素子を支持するようにしたから、良
好な放射特性が得られ、また小型，軽量のマイクロスト
リップアンテナを実現できる。また、給電素子と放射素
子との固定を給電素子の中央に設けた支持柱で行うた
め、基板のたわみなどの変形による影響がなく、放射素
子と給電素子との間隔精度を容易に出すことができる。

【００２７】また、上記構造に加え、給電素子の中央部
または中央部近傍に配置する支持柱の中心に金属棒柱を
加え、放射素子の中央と給電素子の中央を地導体板に短
絡するようにしたから、給電点等のアンバランスによる
不要モードの発生をカットでき、外来の干渉波，誘電電
界等の内部回路への伝達を防止することができる。

【００２８】また、上記構造に加え、放射素子基板の放
射素子を給電素子側にするようにしたから、放射素子基
板と、中心に金属棒柱を有する支持柱、および給電素子
基板を積層することにより、容易に放射素子と給電素子
とを直流的に同電位とすることができる。

【００２９】

【実施例】実施例１．以下、この発明の一実施例を図に
ついて説明する。図１は本発明の一実施例による電磁結
合型のマイクロストリップアンテナを示し、図１におい
て、１は電波を空間に放射するための放射素子、２は放
射素子１に対し給電を行なうための給電素子、３は写真
食刻等により放射素子１を形成している放射素子基板、
４は写真食刻等により給電素子２を形成している給電素
子基板、５は放射素子基板３と給電素子基板４とを固定
するために使用する誘電体で形成された支持柱であり、
給電素子基板４の給電素子２の中央に１本だけ設けられ
ている。なお、この支持柱５は給電素子２の中央部の近
傍に設けるようにしてもよい。また、６は給電素子基板
４の放射素子基板３が配置された面とは反対側の面に形
成された地導体である。

【００３０】次に動作について説明する。給電素子２
は、同軸またはストリップ線路などにより直接給電さ
れ、給電素子２上に配置された誘電体で構成された支持
柱５を介して、給電素子２との間に一定の間隔を保持し
て配置された放射素子１と電磁結合される。これによ
り、給電素子２と放射素子１とは電気的に結合して共振
し、放射素子１より電波が空間に放射される。この時、
放射素子１は(1) 式で示される等価比誘電率に対して、
図２に示すように電界が分布される。このように、放射
素子１および給電素子２の中央部には電界が集中してい
ないため、ここに設けられた誘電体で構成された支持柱
５は、フリンジングによる電界の広がりに対して影響を
受けないため、電界を乱すことなく励振され、良好な放
射特性が得られる。また、放射素子１と給電素子２を中
央部で支持柱５を介して配置したため、基板のたわみ等
の変形による影響がなく、放射素子１と給電素子２との
間隔精度の高いものを実現できる。

【００３１】また、この実施例によるマイクロストリッ
プアンテナによれば、放射素子を支持するためのスペー
スを別に設ける必要がなく、小型でしかも軽量な電磁結
合型のマイクロストリップアンテナを実現できるととも
に、機能面および機械的強度面に関し、支持柱形状の設
計に自由度を生じさせることができるという効果もあ
る。

【００３２】なお、上記実施例では支持柱５が円柱形の
誘電体支持柱であるものを示したが、支持柱５は電界の
集中度が少ない給電素子２の中心に位置するため、支持
柱の形状はこれに限定されるものではなく、円柱，角柱
などその形状を自由に選択することができる。また、支
持柱に上下方向の貫通孔であるぬき穴を設けた構造とし
ても同様の効果が得られ、かつ強度を保った上で放射特
性への影響をさらに低減できる効果が得られるととも
に、軽量な電磁結合型マイクロストリップアンテナを実
現することができる。

【００３３】実施例２．なお、上記実施例１では、給電
伝送線により直接給電を行う給電素子２と、誘電体また
は空間を介して給電を行う放射素子１とを、上記給電素
子２の中央位置に設けられた、誘電体で構成された支持
柱５により固定したが、この支持柱は、図１１に示すよ
うに、ポリウレタン，スチレン，ポリエチレン等の発泡
体、あるいは例えはナイロンファイバを含浸したカラミ
ド系材料等の誘電体からなりハニカム状等のセル構造を
持ったハニカムコアのロール５０で構成してもよいもの
である。

【００３４】実施例３．なお、上記実施例１，２では、
放射素子１としては給電素子２の図示上部に空間及び支
持柱を介して配置される構造を示したが、この放射素子
１の中心と給電素子２の中心とを金属棒柱７により地導
体と短絡し、これにより給電点等のアンバランスによる
不要モードを除去するようにすることも可能である。

【００３５】図３はかかる構成とした本発明の第３の実
施例による電磁結合型マイクロストリップアンテナの断
面図を示したものである。図において、６は放射素子
１、および給電素子２の地導体、７は放射素子１と給電
素子２とを地導体６に短絡する金属棒柱である。

【００３６】本実施例３の動作においては、給電素子２
に同軸またはストリップ線路などにより直接給電が行わ
れ、これが図示上部に位置する放射素子１とカップリン
グを起こし、これにより給電素子２と放射素子１は電磁
結合して共振し、放射素子１より放射されるが、このと
き放射素子１と給電素子２の中央部近傍で放射素子１を
支持するとともに、放射素子１の中心と給電素子２の中
心は金属棒柱７により地導体６に短絡しているため、給
電点等のアンバランス等による不要モードを除去するこ
とができる。さらに、直流的には放射素子１と給電素子
２は地導体６に接地されるため、外来の誘導電界等の内
部回路への伝達を防止することができる効果がある。

【００３７】なお、上記実施例では金属棒柱７により放
射素子１と給電素子２とを地導体６に短絡したが、これ
は金属棒柱７により両者を地導体６に短絡する方法に限
らず、放射素子１の中心と給電素子２の中心の電界を接
地するようにすれば同様の効果が得られる。

【００３８】この構成では、放射素子１は支持柱５によ
り給電素子２の中央で支持されているため、容易に放射
素子１と給電素子２とを地導体６に短絡することがで
き、放射特性が良好な電磁結合型マイクロストリップア
ンテナを実現することができる。

【００３９】実施例４．なお、上記実施例３では、給電
伝送線により直接給電を行う給電素子２と、誘電体また
は空間を介して給電を行う放射素子１とを、上記給電素
子２の中央位置に設けられた、誘電体で構成され、その
中心に金属棒柱７を有する支持柱５により固定したが、
この実施例３においても、この誘電体で構成され、その
中心に金属棒柱を有する支持柱５は、上記実施例２と同
様、発泡体あるいはハニカムコアのロール５０で構成し
てもよいものである。

【００４０】実施例５．なお、上記実施例１ないし実施
例４では、通常の放射方向側に放射素子１を有する放射
素子基板３と、金属棒柱７を中心に有する支持柱５と、
給電素子２を有する給電素子基板４とを積層する構造を
示したが、放射素子基板３の放射素子１を給電素子２側
にすることにより、放射素子１と、金属棒柱７を有する
支持柱５と、給電素子２とを積層するだけで、容易に放
射素子１と給電素子２とを直流的に同電位とし、給電点
等のアンバランスによる不要モードを除去することが可
能である。

【００４１】図４はかかる構成とした本発明の第５の実
施例による電磁結合型のマイクロストリップアンテナの
断面図を示したものである。ここで、給電素子２には同
軸線路またはストリップ線路などにより直接給電され、
該給電素子２は図示上部に位置する放射素子１とカップ
リングを起こし、そのとき給電素子２と放射素子１とは
電磁結合して共振し、放射素子１より放射が行われる
が、このとき放射素子基板３の放射素子１を給電素子２
側にし、給電素子２の中央部近傍で金属棒柱７を含む支
持柱５により放射素子１を支持すると、放射素子１の中
心と給電素子２の中心は金属棒柱７により積層するのみ
で、給電素子２と直流的に同電位にすることができ、容
易にアンバランス等による不要モードを除去することが
でき、外来の誘導電界等の内部回路への伝達を防止する
ことができる効果が得られる。

【００４２】実施例６．なお、上記実施例５では、給電
伝送線により直接給電を行う給電素子２と、誘電体また
は空間を介して給電を行う放射素子１とを、上記給電素
子２の中央位置に設けられた、誘電体で構成され、その
中心に金属棒柱７を有する支持柱５により固定したが、
この実施例５においても、この誘電体で構成され、その
中心に金属棒柱を有する支持柱５は、上記実施例２，４
と同様、発泡体あるいはハニカムコアのロール５０によ
って構成してもよいものである。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、この発明に係るマイクロ
ストリップアンテナによれば、誘電体の支持柱を電界の
集中していない給電素子の中央部または中央部近傍に配
置し、この誘電体の支持柱により給電素子の上に放射素
子を支持して、マイクロストリップアンテナを構成する
ようにしたので、電界の乱れがなく、放射特性の良好な
特性を有する電磁結合型マイクロストリップアンテナを
実現することができるという効果がある。

【００４４】またこの発明に係るマイクロストリップア
ンテナによれば、上記構成に加え、給電素子の中央部ま
たは中央部近傍に設けられ、給電素子の上に放射素子を
支持する誘電体からなる支持柱の中心に金属棒柱を設け
るとともに、この金属棒柱により放射素子と給電素子を
地導体に短絡するようにしたので、給電点等のアンバラ
ンス等による不要モードの除去、および外来の誘導電界
等の内部回路への伝達を防止することのできる電磁結合
型マイクロストリップアンテナを実現できる効果があ
る。

【００４５】またこの発明に係るマイクロストリップア
ンテナによれば、上記構成に加え、放射素子基板の放射
素子である導体パターンを給電素子の上にこれに向かい
合うように支持するようにしたので、放射素子と金属棒
柱を含む支持柱、および給電素子を積層するだけで容易
に放射素子と給電素子を直流的に同電位とすることがで
き、上記と同様の効果が得られる電磁結合型マイクロス
トリップアンテナを実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるマイクロストリップ
アンテナを示す図である。

【図２】上記実施例１の電磁結合型マイクロストリップ
アンテナの電界を示す図である。

【図３】この発明の第３の実施例によるマイクロストリ
ップアンテナを示す図である。

【図４】この発明の第５の実施例によるマイクロストリ
ップアンテナを示す図である。

【図５】従来の電磁結合型マイクロストリップアンテナ
を示す図である。

【図６】従来の電磁結合型マイクロストリップアンテナ
の電界を示す図である。

【図７】特開昭６２−６６７０４号公報に記載された第
１例によるマイクロストリップアンテナを示す図であ
る。

【図８】特開昭６２−６６７０４号公報に記載された第
２例によるマイクロストリップアンテナを示す図であ
る。

【図９】特開昭６２−６６７０４号公報に記載された第
３例によるマイクロストリップアンテナを示す図であ
る。

【図１０】特開昭６２−６６７０４号公報に記載された
第４例の円偏波アンテナを示す図である。

【図１１】本発明の第２の実施例のマイクロストリップ
アンテナの支持柱を示す図である。

【符号の説明】

１ 放射素子 ２ 給電素子 ３ 放射素子基板 ４ 給電素子基板 ５ 支持柱 ６ 地導体 ７ 金属棒柱 ５０ ハニカムコアのロール

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体基板上に形成され、給電伝送線に
   より直接給電が行なわれる給電素子と、 上記給電素子により誘電体または空間を介して給電が行
   われる放射素子と、 上記給電素子の中央部またはその近傍に配置され、上記
   放射素子を上記給電素子上に支持する、誘電体で構成さ
   れた支持柱とを備えたことを特徴とするマイクロストリ
   ップアンテナ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のマイクロストリップアン
   テナにおいて、 上記支持柱を構成する誘電体として、発泡体あるいはハ
   ニカムコアのロールを用いたことを特徴とするマイクロ
   ストリップアンテナ。
3. 【請求項３】 誘電体基板上に形成され、給電伝送線に
   より直接給電が行われる給電素子と、 上記給電素子により誘電体または空間を介して給電が行
   われる放射素子と、 該誘電体の中心に金属棒柱を有してなり、上記給電素子
   の中央部またはその近傍に配置され、上記放射素子を上
   記給電素子上に支持する支持柱とを備え、 上記金属棒柱により上記放射素子と給電素子とを地導体
   に短絡していることを特徴とするマイクロストリップア
   ンテナ。
4. 【請求項４】 請求項３記載のマイクロストリップアン
   テナにおいて、 上記支持柱を構成する誘電体として、発泡体あるいはハ
   ニカムコアのロールを用いたことを特徴とするマイクロ
   ストリップアンテナ。
5. 【請求項５】 誘電体基板上に形成され、給電伝送線に
   より直接給電が行われる給電素子と、 放射素子基板上に設けられ、上記給電素子により誘電体
   または空間を介して給電が行われる放射素子と、 誘電体の中心に金属棒柱を有してなり、上記給電素子の
   中央部またはその近傍に配置され、上記放射素子を上記
   給電素子上にこれに向かい合うよう支持する支持柱とを
   備え、 上記放射素子と給電素子とをこれらが直流的に同電位と
   なるよう上記金属棒柱により接続していることを特徴と
   するマイクロストリップアンテナ。
6. 【請求項６】 請求項５記載のマイクロストリップアン
   テナにおいて、 上記支持柱を構成する誘電体として、発泡体あるいはハ
   ニカムコアのロールを用いたことを特徴とするマイクロ
   ストリップアンテナ。