JPH088638A - 円偏波円環パッチアンテナ - Google Patents
円偏波円環パッチアンテナInfo
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- JPH088638A JPH088638A JP6136992A JP13699294A JPH088638A JP H088638 A JPH088638 A JP H088638A JP 6136992 A JP6136992 A JP 6136992A JP 13699294 A JP13699294 A JP 13699294A JP H088638 A JPH088638 A JP H088638A
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Abstract
特性が良好となる円偏波円環パッチアンテナの提供。 【構成】 厚さh1 の誘電体基板に形成した外径ao ,
内径ai の円環アンテナと地導体を有する厚さh2 の誘
電体基板に形成した給電線路を重ね合わせた構成におい
て、前記円環アンテナの内側のアンテナ導体と前記地導
体を2箇所で幅を有する導体で短絡し、かつ、一つを前
記給電線路と円環パッチの中心を結ぶ線上で短絡し、も
う一つを前記短絡から80度から110度の範囲または
−80度から−110度の範囲で短絡した円偏波円環パ
ッチアンテナである。
Description
ンテナに適用される円偏波円環パッチアンテナに関す
る。
走査、ビーム形成、低サイドローブ化などのさまざまな
性能が要求される。このために、LNA(低雑音増幅
器)、HPA(高出力増幅器)や移相器を有するアクテ
ィブフェーズドアレーアンテナが必要である。また、航
空機や自動車などの移動体用への需要も期待される。こ
のために給電回路等を含めたアレーアンテナを小形・薄
形に構築することが要求される。
z,受信1.53GHz)では、送受信を同じアンテナ
で行う場合約8%の帯域が、送受信を別々のアンテナで
行う場合は、それぞれ約1%の帯域が必要である。ま
た、静止軌道上の衛星にビームを向ける場合、日本では
天頂から約60度までビームを走査することが必要であ
る。更に、移動体衛星通信では円偏波アンテナが要求さ
れる。
の帯域幅を実現するためには、アンテナ素子を構成する
誘電体基板の誘電率を1.2程度とした場合は、基板厚
が約10mm以上必要となる。このために、基板の厚さ
と共に重量が増加する問題が発生する。従って、送受信
アンテナを別々とする方式が薄形化に適している。
に用いるアンテナを図19に示す。図19(a)は平面
図で、図19(b)は図19(a)のb−b面の縦断面
図である。アンテナ導体95と地導体91で送信アンテ
ナを、アンテナ導体93と地導体91で受信アンテナを
形成している。また、92が送信アンテナを給電するた
めの同軸線路で、94が受信アンテナを給電するための
同軸線路である。更に、送信アンテナ導体と地導体間を
短絡するための多数のピン96が設けられている。これ
は送受信アンテナ素子間のアイソレーションを実現する
ために設けられている。なお、図中、97,98は誘電
体基板である。このアンテナ構成では、円偏波を発生さ
せるために、90度ハイブリッドが必要であるために、
給電回路の簡単化が難しい問題がある。更に、上下のア
ンテナ導体95と93を重ね合わせ、これらのアンテナ
間のアイソレーションを得るために受信アンテナとして
内側部位を短絡した円環アンテナが用いられている。こ
の内側部位を短絡した円環パッチアンテナ半径は、同じ
共振周波数を実現する一般的な円形パッチアンテナに比
べ半径は大きくなる。このために、広角ビーム走査で必
要となる素子間隔を半波長程度にすると素子が近付き過
ぎるという問題が発生する。
からは、円形アンテナや、内側が短絡された円環アンテ
ナを採用せずに、その短絡がさなれていない円環アンテ
ナのみを採用すればよい。
の構成とする場合においては、図20(a)に示す平面
図、図20(b)に示す図20(a)のa−a′面の縦
面図のように、円環パッチ100の上に円形パッチ10
1を重ね合わせ、同軸線路102,103で給電するこ
とになるため、円環アンテナ100の内側のフリンジン
グの影響のために、円形パッチ101と地導体104と
により形成される上のアンテナを給電する同軸線路10
での給電状態に乱れが生じて、所望の給電振幅位相を実
現できなくなり、アンテナ特性の劣化を招くことにな
る。
ができるアンテナとして、図21(a)に示す斜視図、
図21(b)に示す縦断面図のような構成のものが提案
されている。このアンテナは、円形パッチ110と地導
体111と給電線路112と短絡ピン113,114で
構成されている。この構成で円偏波を発生させるために
は短絡ピン114と給電線路112のなす角度を約70
度にすべきとの報告がなされている。このアンテナ素子
の上にもう一つの円形パッチアンテナを重ね合わせるた
めには、円形パッチ110内部を通過する給電線路が必
要となる。この構成では上記で述べたように円形パッチ
110上を流れる電流のために給電線路に影響を与え、
重ね合わせた円形パッチの円偏波特性を劣化させるとい
う問題が生じる。
の移動体衛星通信に用いるアンテナの場合においては、
送受信を同じアンテナで実現する場合は誘電体基板の厚
さが厚くなりその結果アンテナの重量が増加する。従来
の重ね合わせたパッチアンテナ構成で送受信を別々のア
ンテナで実現する場合は、アンテナ素子の半径が従来の
円形パッチアンテナの半径より大きくなり、アレー化し
た場合素子が近付き過ぎる問題が発生する。また、円環
パッチアンテナを用いると、上に重ね合わせた円形パッ
チを給電するための同軸線路に対し、フリンジングの影
響で給電振幅位相に影響を与え、アンテナ特性の劣化を
招くという問題点があった。
含めた小形・薄形化と良好な円偏波特性を維持しつつ、
良好なアンテナ特性を実現する円偏波円環アンテナを提
供することにある。
め、本願の第1発明は、厚さh1 の誘電体基板に形成し
た外径ao ,内径ai の円環パッチと地導体を有する厚
さh2 の誘電体基板に形成した給電線路を重ね合わせた
構成において、前記円環パッチの内側部位のアンテナ導
体と前記地導体とを1箇所または2箇所で所定幅を有す
る導体で短絡し、かつ前記1箇所短絡の場合は、前記給
電線路と前記円環パッチの中心を結ぶ線上の位置を基準
として80度から110度の範囲または−80度から−
110度の範囲の選定した位置で短絡し、前記2箇所短
絡の場合は、前記給電線路と前記円環パッチの中心を結
ぶ線上の位置で一つを短絡し、この短絡位置を基準とし
て80度から110度の範囲または−80度から−11
0度の範囲の選定した位置もう一つを短絡したことを特
徴とする。
アンテナの上に円形パッチを重ね合わせ、かつ前記円環
パッチに設けた短絡箇所の近傍の1箇所または2箇所に
前記円形パッチを給電する手段を設けたことを特徴とす
る。
せる円形パッチのそれぞれを、同様に動作し得る矩形パ
ッチ、正方形パッチ、楕円パッチ等の任意形状に置き換
えたことを特徴とする。
ロストリップ線路の代わりに、同軸線路やスロット結合
方式などの従来から提案されている給電方法に置き換え
たことを特徴とする。
1 ′の誘電体基板に形成した外径ao ′,内径ai ′の
円環パッチとこの円環パッチを給電する同軸線路からな
るアンテナ構成において、前記円環パッチの内側部位の
アンテナ導体と前記地導体とを複数箇所で所定幅を有す
る導体で短絡し、更に、前記円環パッチの上に厚さ
h2 ′の誘電体基板に形成した円形パッチを重ね合わ
せ、かつ前記円環パッチに設けた短絡箇所の近傍に前記
円形パッチを給電する手段を設けたことを特徴とする。
重ね合わせる円形パッチとのそれぞれを同様に動作し得
る矩形パッチ、正方形パッチ、楕円パッチ等の任意形状
パッチに置き換えたことを特徴とする。
給電する線路をスロット結合方式などの従来から提案さ
れている電磁結合給電方法に置き換えたことを特徴とす
る。
は、給電線路は円環パッチの中心方向と一致しており、
この線上である円環パッチの内径部位の1箇所または2
箇所を所定幅を有する導体で短絡し、かつ少なくとも一
方の短絡位置を給電線路と円環パッチの中心とを結ぶ線
上の位置を基準として80度から110度の範囲または
−80度から−110度の範囲としているので、1点給
電で良好な円偏波を実現できる。
ナでは、円環パッチの内径部位のアンテナ導体と地導体
を複数箇所で幅を有する導体で短絡し、円環パッチの上
に厚さh2 ′の誘電体基板に形成した円形パッチアンテ
ナを重ね合わせ、かつ、円環パッチに設けた短絡箇所の
近傍に前記円形パッチを給電する手段を設けてなるの
で、給電点を調整することで整合をとることができる。
この他、円環パッチでの内径と外径の比を変えることで
共振周波数の低減、また、部分的に円環パッチアンテナ
の内側部位を短絡することで寸法増及び利得減を抑制で
きる。更に、円環パッチと円形パッチの共振周波数を任
意に選ぶことができるので、2周波化アンテナとして動
作し得る。
例の円偏波円環パッチアンテナを示す図であって、同図
(a)は平面図、同図(b)は同図(a)のA−A′面
の縦断面図である。
1 ,h2 の誘電体基板で、3は導体板からなる外径ao
と内径ai の円環パッチで、4は地導体で、5はマイク
ロストリップ給電線路で、6,7は前記円環パッチ3と
地導体4を短絡するために幅Wの導体である。
る。
る。図1に示した構成において、給電線路5は円環パッ
チ3の中心方向と一致しており、中心と給電線路5との
長さがS1で、この線上である円環パッチの内側を幅W
の導体6で短絡してある。導体6の短絡位置と導体7の
短絡位置がなす角度φをパラメータとして、図1のアン
テナの円偏波特性を測定した。円環パッチの外径ao =
32.5mm、内径ai=10mm、誘電率2.6、厚
さt=3.2mmにおいて、図2に短絡幅W=2mm、
図3にW=4mm、図4にW=6mmの場合を示す。短
絡6と短絡7がなす角度φが80度から110度の範囲
において良好な円偏波特性が得られている。特にφ=8
5度で軸比が1dB以下である良好な円偏波を実現でき
ることが分かる。これは、従来の図21に示したφ=7
0度と大きく異なる結果である。また、短絡幅Wを2m
mから6mmと広くするにつれ、円偏波が得られる周波
数が高くなることも分かる。ここで、短絡がない円環パ
ッチの共振周波数は1.44GHzで、内側を全部短絡
した場合の共振周波数は1.89GHzである。従っ
て、内側部位の一部を短絡した場合の共振周波数は両者
のほぼ中間となり、図19に示した内側部位を全部短絡
したアンテナ素子に比べて小形化が図れることを意味し
ている。図5に幅W=2mm、角度φ=85度の場合の
入力インピーダンスを示す。円偏波が得られる周波数で
約−25dBと良好な反射損失が得られている。また、
図6に周波数1.56GHzでの放射指向性を示す。
来のアンテナに比べ小形・薄形化ができ、導体6の短絡
位置と導体7の短絡位置がなす角度φが80度から11
0度の範囲において良好な円偏波特性が得られる1点給
電の円偏波アンテナである。また、もっとも良好な円偏
波特性が得られる角度がφ=85度であり、短絡板の幅
Wがあるので円環パッチの中心において短絡板間のなす
角度を90度にすることができる。従って、図7に示し
たように円環パッチ3の上に円形パッチ8を重ね合わ
せ、かつ、この円形パッチ8に対して90度の位相差を
有する2点給電することで円偏波化を実現できる。この
場合、短絡は幅Wを有しているので、上の円形パッチ8
を給電する同軸線路9の中心導体に円環パッチの内側の
フリンジングの影響を抑圧することができる。また、図
8(a)に示すように3箇所以上の給電を行うこともで
きる。更に、図8(b)に示すように2点給電でなく、
導体6の短絡位置と導体7の短絡位置のどちらか一方の
みの近傍に上の円形パッチ8を給電する例えば同軸線路
9を設け、円形パッチ8に例えば切欠きの縮退素子11
を装荷することで円偏波アンテナを実現することもでき
る。
矩形、正方形、楕円等任意形状で、かつ、内側と外側の
形状の組み合わせは自由でよい。更に、円環パッチを給
電するマイクロストリップ線路の代わりに、同軸線路や
スロット結合方式などの従来から提案されている給電方
法を用いてもよい。
施例の円偏波円環パッチアンテナと円形パッチアンテナ
で構成された送受信の2周波数で動作するアンテナを示
す図であって、同図(a)は平面図、同図(b)は同図
(a)のB−B′面の縦断面図である。
厚h1 ′,h2 ′の誘電体基板で、23は導体板からな
る外径ao ′と内径ai ′の円環パッチで、24は前記
円環パッチの上に重ねた円形パッチで、28は地導体
で、25は前記円環パッチ23と地導体28を短絡する
ための幅Wの導体で、26は前記円環パッチアンテナ2
3を給電するための同軸線路で、27は前記円形パッチ
アンテナ24を給電するための同軸線路である。
る。
る。図10に示した構成は、円環パッチアンテナ23、
同軸給電線路26bである。誘電率2.6、誘電体基板
の厚さ3.2mm上に形成した外径ao =32.5m
m、内径ai =10.0mmである場合の円環パッチア
ンテナの共振周波数を図11に示す。なお、図10
(a)は平面図、図10(b)は図10(a)のB−
B′面の縦断面図である。共振周波数は1.445GH
zである。整合は取れていないが給電点を調整すること
で整合をとることができる。
3を地導体28にすべて短絡した場合の共振周波数を図
12に示す。共振周波数は2カ所生じているが、低い周
波数はTM00モードで、高い周波数である1.89GH
zが一般の円環パッチアンテナで使用する基本モードで
あるTM11の共振周波数である。これにより、外径が同
じでも、共振周波数は約1.3倍高くなることが分か
る。従来例でも説明したが、短絡することで共振周波数
が高くなり、このために利得も増加する。しかし、同一
の周波数を発生させるアンテナの大きさは従来の円形パ
ッチアンテナより大きくなり、アレー化する場合は、素
子間隔の制限を受け、広角度ビーム走査が難しくなる。
しかし、円環パッチアンテナは内径と外径に比を変える
ことで、共振周波数を低減でき、アンテナを小形化でき
るが、アンテナの利得は低下する。この中間が従来の円
形パッチアンテナである。
2mmの導体25dで短絡した場合の共振周波数を図1
3に、幅W=2mmの導体25a,25dの2カ所で短
絡した場合の共振周波数を図14に、幅W=2mmの導
体25a,25b,25c,25dの4カ所で短絡した
場合の共振周波数を図15に示す。各短絡板間のなす角
度は90度である。共振周波数は、1.57GHzから
1.67GHzになる。図15の低い周波数はTM00モ
ードの共振周波数で、1.67HGzが一般の円形パッ
チアンテナで使用する基本モードの周波数である。これ
らの測定結果より、短絡板の個数を増すほど共振周波数
は高くなるが、前記円環パッチアンテナと内側を全面的
に短絡した円環パッチアンテナの共振周波数の中間とな
ることが分かる。すなわち、部分的に円環パッチアンテ
ナの内側を短絡することで、従来の円形パッチアンテナ
と寸法と利得も同等のアンテナを実現できることが分か
る。
a,26bの2点で90度の位相差で円環パッチアンテ
ナを給電し、更に、この円環パッチアンテナ3上に円形
パッチアンテナ4を重ね合わせ、かつ、この円形パッチ
に対して90度の位相差を有する27a,27bの2点
で給電することで円偏波化を実現できる。更に、円環パ
ッチアンテナと円形パッチアンテナの共振周波数を任意
に選べるので、2周波化アンテナとして動作することが
分かる。短絡は幅Wを有しているので、上の円形パッチ
を給電する同軸線路27a,27bの中心導体に円環パ
ッチアンテナ23の内側のフリンジングの影響を抑圧す
ることができる。また、同じ90度位相差を有する2点
給電でも、図16(b)に示すように、円環パッチアン
テナと円形パッチアンテナを給電する位置を変えても同
様な効果が得られる。
ンテナと円形パッチアンテナを各給電点が90度の位相
差を有する4点で給電しても同様な効果が得られる。
示す。円環パッチアンテナ以外に、矩形、正方形、楕円
等任意形状で、かつ、内側と外側の形状の組み合わせは
自由でよい。更に、円環パッチアンテナや円形パッチア
ンテナを給電する同軸線路の代わりに、マイクロストリ
ップ線路などを用いたスロット結合方式などの従来から
提案されている電磁結合給電法を用いてもよい。
れば、アンテナと給電回路を含めた小形・薄形化を実現
し、1点給電で円偏波を発生させることができる。更
に、アンテナの素子間隔を狭くすることができるので、
広角ビーム走査が行えるため、移動体衛星通信に適す
る。
アンテナを重ね合わせることで、送受信を別々に動作さ
せることができるため、アンテナの基板の厚さを薄くで
きるのでアンテナの重量を軽量化することができる。
形パッチを給電する同軸線路へのフリンジングの影響を
無くすことができるので、送受信アンテナとも良好な円
偏波特性を実現することができる。
回路を含めた小形・薄形化を実現できる。また、複数個
の短絡板を有する円環パッチアンテナ上に円形パッチア
ンテナを重ね合わせることで送受信を別々に動作させる
ことができるため、アンテナの全体の基板厚を薄くでき
るのでアンテナの重量を軽量化することができる。
地導体板間を短絡するための多数の短絡ピンを大幅に低
減できるために、製造コストを大幅に低減できる。
ができるので、広角にビームを走査できるために、移動
体衛星通信に適するアンテナである。更に、下段の円環
アンテナによる上段の円形パッチを給電する同軸線路へ
のフリンジングの影響を無くすことができるので、送受
信アンテナとも良好な円偏波特性を実現することができ
る。
円環パッチアンテナを示す図である。
例を示す図である。
例を示す図である。
例を示す図である。
インピーダンス特性を示す図である。
図である。
合わせた一実施例を示す図である。
ッチを重ね合わせた各変形の実施例を示す図である。
円環パッチアンテナを示す図である。
環パッチの構成を示す図である。
1例を示す図である。
2例を示す図である。
3例を示す図である。
4例を示す図である。
5例を示す図である。
チと円形パッチとの給電関係の第1例を示す図である。
チと円形パッチの給電関係の第2例を示す図である。
形例を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 厚さh1 の誘電体基板に形成した外径a
o ,内径ai の円環パッチと地導体を有する厚さh2 の
誘電体基板に形成した給電線路を重ね合わせた構成にお
いて、 前記円環パッチの内側部位のアンテナ導体と前記地導体
とを1箇所または2箇所で所定幅を有する導体で短絡
し、かつ前記1箇所短絡の場合は、前記給電線路と前記
円環パッチの中心を結ぶ線上の位置を基準として80度
から110度の範囲または−80度から−110度の範
囲の選定した位置で短絡し、前記2箇所短絡の場合は、
前記給電線路と前記円環パッチの中心を結ぶ線上の位置
で一つを短絡し、この短絡位置を基準として80度から
110度の範囲または−80度から−110度の範囲の
選定した位置もう一つを短絡したことを特徴とする円偏
波円環パッチアンテナ。 - 【請求項2】 前記請求項1記載の円偏波円環パッチア
ンテナの上に円形パッチを重ね合わせ、かつ前記円環パ
ッチに設けた短絡箇所の近傍の1箇所または2箇所に前
記円形パッチを給電する手段を設けたことを特徴とする
円偏波円環パッチアンテナ。 - 【請求項3】 地導体を有する厚さh1 ′の誘電体基板
に形成した外径ao′,内径ai ′の円環パッチとこの
円環パッチを給電する同軸線路からなるアンテナ構成に
おいて、 前記円環パッチの内側部位のアンテナ導体と前記地導体
とを複数箇所で所定幅を有する導体で短絡し、更に、前
記円環パッチの上に厚さh2 ′の誘電体基板に形成した
円形パッチを重ね合わせ、かつ前記円環パッチに設けた
短絡箇所の近傍に前記円形パッチを給電する手段を設け
たことを特徴とする円偏波円環パッチアンテナ。 - 【請求項4】 前記円環パッチ及び前記円形パッチのそ
れぞれを、同様に動作し得る矩形パッチ、正方形パッ
チ、楕円パッチ等の任意形状パッチに置き換えたことを
特徴とする請求項1乃至請求項3記載の円偏波円環パッ
チアンテナ。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13699294A JP3464277B2 (ja) | 1994-06-20 | 1994-06-20 | 円偏波パッチアンテナ |
US08/492,362 US5861848A (en) | 1994-06-20 | 1995-06-19 | Circularly polarized wave patch antenna with wide shortcircuit portion |
US09/098,471 US6124829A (en) | 1994-06-20 | 1998-06-17 | Circularly polarized wave patch antenna with wide shortcircuit portion |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13699294A JP3464277B2 (ja) | 1994-06-20 | 1994-06-20 | 円偏波パッチアンテナ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH088638A true JPH088638A (ja) | 1996-01-12 |
JP3464277B2 JP3464277B2 (ja) | 2003-11-05 |
Family
ID=15188258
Family Applications (1)
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