JPS62203404A - Microstrip antenna - Google Patents
Microstrip antennaInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
この発明は、マイクロ波帯で使用するアンテナに関し、
特にマイクロストリップアンテナの低損失かつ広帯域化
を実現するアンテナ構造に関するものである。[Detailed Description of the Invention] (Industrial Application Field) This invention relates to an antenna used in a microwave band,
In particular, it relates to an antenna structure that achieves low loss and wideband microstrip antennas.
(従来の技術)
マイクロストリップアンテナは、IIJtで、薄型であ
り、かつ製作が容易であるなど、多くの利点を有してい
る反面、マイクロストリップ給電線による損失が多く、
アンテナの周波数帯域が狭いという欠点を有している。(Prior art) Although microstrip antennas have many advantages such as being IIJt, thin, and easy to manufacture, they suffer from a lot of loss due to microstrip feed lines.
The disadvantage is that the frequency band of the antenna is narrow.
従来、給電損失を小さくするには、導波管による給電な
どの手段がとられていたが、この方法によると、マイク
ロストリップアンテナの軽量、薄型という利点が生かさ
れない欠点があった。Conventionally, methods such as power feeding using a waveguide have been used to reduce power feeding loss, but this method has the disadvantage that the advantages of microstrip antennas, such as their light weight and thinness, cannot be taken advantage of.
また、広帯域化するには、無給電素子をマイクロストリ
ップアンテナ素子の近傍に設ける方法、あるいは、素子
寸法の異なるマイクロストリップアンテナを組合せて、
2周波共用をさせて広帯域化をはかる方法などがある。In addition, in order to widen the band, it is possible to install a parasitic element near the microstrip antenna element, or to combine microstrip antennas with different element dimensions.
There is a method that aims to widen the band by sharing two frequencies.
しかし、これらの方法は、構造が複雑であったり、経費
がかかるなどの欠点があった。However, these methods have drawbacks such as complicated structures and high costs.
また、以上述べたような、従来の技術で、低損失で、か
つ広帯域の両方を満足させようとすると、上述した構造
の複雑さや経費が嵩むなどの問題点がさらに大きくなる
のは明らかである。Furthermore, it is clear that if the conventional technology described above is used to satisfy both low loss and wide band, the problems mentioned above, such as the complexity of the structure and the increase in cost, will become even greater. .
一方、マイクロストリップアンテナで、アレーアンテナ
を構成した場合、給電方法としては、直列型と並列型が
ある。On the other hand, when an array antenna is configured using a microstrip antenna, power feeding methods include a series type and a parallel type.
直列型給電アレーは、周波数によって各素子の励振位相
が変わり、利得が落ちるため、・広帯域にできない欠点
がある。これに対して、並列型給電アレーは、給電損失
でアンテナ効率は低下するものの、入力端子から各素子
までの線路長が等しいので、広帯域な特性を得ることが
できて、給電損失を、できるだけ低く抑えるように配慮
すれば十分実用性のあるアンテナとなる。Series feed arrays have the drawback that the excitation phase of each element changes depending on the frequency and the gain drops, so it cannot be used in a wide band. On the other hand, with parallel feed arrays, although the antenna efficiency decreases due to feed loss, since the line length from the input terminal to each element is the same, it is possible to obtain broadband characteristics and keep feed loss as low as possible. If care is taken to suppress this, the antenna will be sufficiently practical.
並列型給電アレーで、問題となる給電損失は、銅損、放
射損、誘電体損の3つである。このうら、誘電体損は誘
電体基板材料で決まるのに対し、銅損および放射損は、
基板の厚さ、給電線路の特性インピーダンスによって異
なる値をとる。There are three power supply losses that are problematic in parallel power supply arrays: copper loss, radiation loss, and dielectric loss. Of these, dielectric loss is determined by the dielectric substrate material, while copper loss and radiation loss are
The value varies depending on the thickness of the board and the characteristic impedance of the feed line.
また、放射損は、線路の曲り、2分配など、線路の不連
続部より生じる。第6図は、線路の曲りや、2分配点が
、線路上に一様に分布している場合の、誘電体基板の厚
さに対する銅損、放射損の関係を示す一計算例の図であ
る。この図で分かように、給電損失の最低となる点が存
在するが、その値は基板の材質で異なり、通常使用され
ている材質では、基板厚を適切にしようとすると、特性
インピーダンスはかなり高くなる。また、特性インピー
ダンスを低くしようとすると、基板厚は薄くなり、実用
に供し得ないという問題に直面する。Radiation loss also occurs from line discontinuities such as line bends and two-way distribution. Figure 6 is a calculation example showing the relationship between copper loss and radiation loss with respect to the thickness of the dielectric substrate when the line is curved and the two distribution points are uniformly distributed on the line. be. As you can see in this figure, there is a point where the power supply loss is the lowest, but this value varies depending on the material of the board. With the materials normally used, if you try to make the board thickness appropriate, the characteristic impedance will be quite low. It gets expensive. Furthermore, if an attempt is made to lower the characteristic impedance, the substrate thickness will become thinner, resulting in the problem that it cannot be put to practical use.
また、同一基板上にマイクロストリップ線路とマイクロ
ストリップアンテナ素子を同じ基板厚で構築する際、後
述するように、マイクロストリップアンテナのQ値を低
くし、広帯域化するために、基板厚をある程度大きくし
ようとすると、特性インピーダンスを極端に高くとらな
いと銅損と放射損との和を小さくすることが出来ない。In addition, when constructing a microstrip line and a microstrip antenna element on the same board with the same board thickness, it is recommended to increase the board thickness to some extent in order to lower the Q value of the microstrip antenna and widen the band, as described later. If this is the case, the sum of copper loss and radiation loss cannot be reduced unless the characteristic impedance is extremely high.
また、給電線路からみると、誘電率、特性インピーダン
ス、基板厚、線路幅の相互の関係より、(電子通信ハン
ドブックP744参照)線路幅と基板厚の比は、極端に
小さくなり、製作不能な程に、その線路幅は細くなる。Also, from the perspective of the feed line, due to the mutual relationship between dielectric constant, characteristic impedance, board thickness, and line width (see Electronic Communication Handbook, page 744), the ratio of line width to board thickness becomes extremely small, to the point where it is impossible to manufacture. , the track width becomes narrower.
また線路幅をある程度確保すると、基板厚が薄くなりす
ぎて、アンテナ素子の周波数帯域が狭帯域になる。Furthermore, if a certain amount of line width is secured, the substrate thickness becomes too thin and the frequency band of the antenna element becomes narrow.
一般に、マイクロストリップアンテナの周波数帯域は次
式により求められる。Generally, the frequency band of a microstrip antenna is determined by the following equation.
Bandwidth = (VSWR−1)/Q !
VTW”FQ値は、基板の誘電率に比例し、基板厚に逆
比例することが知られている。従って、給電損失が小さ
くなるような、薄い誘電体基板の、同一面上に給電線と
、マイクロストリップアンテナとを作成すると、給電損
失は小さくなるものの、アンテナ素子のQ値が上昇し、
周波数帯域の狭いアンテナになる。Bandwidth = (VSWR-1)/Q!
It is known that the VTW"FQ value is proportional to the dielectric constant of the substrate and inversely proportional to the substrate thickness. Therefore, it is known that the feed line and , a microstrip antenna reduces the feeding loss, but increases the Q value of the antenna element.
The antenna has a narrow frequency band.
(発明が解決しようとする問題点)
そこで、本発明の目的は、軽量で、薄型であり、製作が
容易で、かつ、量産も可能なマイクロ波帯用アンテナを
、提供することを目的とするものである。(Problems to be Solved by the Invention) Therefore, an object of the present invention is to provide a microwave band antenna that is lightweight, thin, easy to manufacture, and can be mass-produced. It is something.
さらに、アンテナ素子への給電線からの放射損失を少な
くし、かつ、広い周波数帯域に使用できるすぐれた特性
のマイクロ波帯用アンテナを実現することを目的とする
ものである。Furthermore, it is an object of the present invention to realize a microwave band antenna with excellent characteristics that can reduce radiation loss from a feeder line to an antenna element and can be used in a wide frequency band.
そこで、本発明は、マイクロストリップ給電線の損失が
最小となるように、基板の厚さを、姦通化し、そして、
マイクロストリップアンテナ素子の下部に所定の厚みを
持つ間隙を設けた接地部材を配貨することにより、マイ
クロストリップアンテナの利点を損うことなく、すぐれ
た特性のマイクロ波帯用アンテナを実現する手段を提供
するものでる。すなわち、誘電体基板の一方の主面上に
、マイクロストリップアンテナ素子と、マイクロストリ
ップアンテナ素子に接続された給電線とを配置し、誘電
体基板の他方の主面上に接地部材を配置し、接地部材は
マイクロストリップアンテナ素子と対向する部分が、マ
イクロストリップアンテナ素子の外縁よりやや大きな形
で除去され、マイクロストリップアンテナ素子は所定の
厚さの低誘電率材料あるいは空気層よりなる間隙を隔て
て、接地部材と対向する構造を持つことを特徴とする。Therefore, in the present invention, the thickness of the substrate is reduced so that the loss of the microstrip power line is minimized, and
By distributing a grounding member with a gap of a predetermined thickness at the bottom of the microstrip antenna element, we have created a means to realize a microwave band antenna with excellent characteristics without sacrificing the advantages of the microstrip antenna. I have something to offer. That is, a microstrip antenna element and a feed line connected to the microstrip antenna element are arranged on one main surface of the dielectric substrate, a grounding member is arranged on the other main surface of the dielectric substrate, The part of the grounding member facing the microstrip antenna element is removed in a shape that is slightly larger than the outer edge of the microstrip antenna element, and the microstrip antenna element is separated by a gap made of a low dielectric constant material of a predetermined thickness or an air layer. , characterized by having a structure facing the grounding member.
従って、本発明を実施化することにより、誘電体基板の
厚みを、マイクロストリップ給電線の損失が、最小にな
るように選定し、しかも、マイクロストリップアンテナ
素子と、接地部材との間に、間隙を設ける構造にしであ
るから、そのQ値を適正にとることができて、周波数帯
域を広帯域とすることができる。さらにマイクロストリ
ップアンテナが軽量で、薄型であり、かつ製作が容易で
あるという利点を生かすことが可能であり、すぐれたマ
イクロ波帯用のアンテナを実現することが可能である。Therefore, by implementing the present invention, the thickness of the dielectric substrate is selected so that the loss of the microstrip feed line is minimized, and there is no gap between the microstrip antenna element and the grounding member. Since the structure is provided with a Q value, the Q value can be appropriately set, and the frequency band can be widened. Furthermore, it is possible to take advantage of the advantages that the microstrip antenna is lightweight, thin, and easy to manufacture, and it is possible to realize an excellent antenna for the microwave band.
(実施例) 本発明の実施例を、図面を用いて説明する。(Example) Embodiments of the present invention will be described using the drawings.
第1図(A)および(B)は、本発明によるマイクロス
トリップアンテナの、構造の一実施例を示す図である。FIGS. 1A and 1B are diagrams showing an example of the structure of a microstrip antenna according to the present invention.
1はマイクロストリップアンテナ素子、2は基板接地部
材、3は間隙、4はアンテナ素子接地部材、5は誘電体
基板、6は給電線である。1 is a microstrip antenna element, 2 is a substrate grounding member, 3 is a gap, 4 is an antenna element grounding member, 5 is a dielectric substrate, and 6 is a feeder line.
第1図において、マイクロストリップアンテナ素子1は
、マイクロストリップ給電線6の給電損失が小さくなる
ような、薄い誘電体基板5上に、マイクロストリップ給
電線6と共に形成されている。基板接地部材2は、給電
線に対する接地である。マイクロストリップアンテナ素
子1の下側の基板接地部材2は、素子の外縁よりやや大
きめのサイズで取除かれており、マイクロストリップア
ンテナ素子1は、低誘電率材料、あるいは空気層から成
る、間隙3を介して、アンテナ素子接地部材4と対向し
ている。従って、給電線6は簿い誘電体基板上にあって
損失が小さく、また、マイクロストリップアンテナ素子
1自体は、間隙を介することによって、実効的な基板厚
が大きくなると共に、実効的な誘電率も小さくなって、
Q値は下がり、その結果、周波数帯域は広くなる。In FIG. 1, a microstrip antenna element 1 is formed together with a microstrip feed line 6 on a thin dielectric substrate 5 such that the feed loss of the microstrip feed line 6 is reduced. The board grounding member 2 is for grounding the power supply line. The substrate grounding member 2 on the lower side of the microstrip antenna element 1 is removed in a size slightly larger than the outer edge of the element, and the microstrip antenna element 1 has a gap 3 made of a low dielectric constant material or an air layer. It faces the antenna element grounding member 4 via. Therefore, the feed line 6 is on a thin dielectric substrate with low loss, and the microstrip antenna element 1 itself has a gap, which increases the effective substrate thickness and increases the effective dielectric constant. became smaller,
The Q value decreases, and as a result, the frequency band widens.
第2図(A)および(B)は、本発明によるマイクロス
トリップアンテナの、構造の他の一実施例を示す図であ
る。FIGS. 2A and 2B are diagrams showing another embodiment of the structure of the microstrip antenna according to the present invention.
第1図(B)では、マイクロストリップアンテナ素子に
対向する接地部材と、基板接地部材とで二層とする構造
にしたもので説明したが、第2図(B)に示すように接
地部材7は一体とすることもできる。この場合、マイク
ロストリップアンテナ素子の外縁よりも大きいくぼみの
穴をあけた部材にしである。In FIG. 1(B), the explanation was made using a two-layer structure consisting of the grounding member facing the microstrip antenna element and the board grounding member, but as shown in FIG. 2(B), the grounding member 7 can also be combined. In this case, the member has a recessed hole larger than the outer edge of the microstrip antenna element.
さらに、複数個のマイクロストリップアンテナ素子を有
する本発明の他の実施例を第3図〜第5図に示す。Further, another embodiment of the present invention having a plurality of microstrip antenna elements is shown in FIGS. 3-5.
第3図は、第1図に示したマイクロストリップアンテナ
素子からなるアレーアンテナを複数個配置したうちの一
部分の構造を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing the structure of a portion of a plurality of array antennas made of microstrip antenna elements shown in FIG. 1.
図中 、1−1および1−2はマイクロストリップアン
テナ素子、2は基板接地部材、3−1および3−2は間
隙、4−1および4−2はアンテナ素子接地部材、5は
誘電体基板であり、それぞれ、第1図の各部分1〜5に
対応する。In the figure, 1-1 and 1-2 are microstrip antenna elements, 2 is a substrate grounding member, 3-1 and 3-2 are gaps, 4-1 and 4-2 are antenna element grounding members, and 5 is a dielectric substrate. and correspond to each portion 1 to 5 in FIG. 1, respectively.
第4図は、第2図に示したマイクロストリップアンテナ
素子からなるアレーアンテナを複数個配置したうちの一
部分の構造を示す断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing the structure of a portion of a plurality of array antennas made of microstrip antenna elements shown in FIG. 2.
図中、1−1および1−2はマイクロストリップアンテ
ナ素子、3−1および3−2は間隙、5は誘電体基板で
あり、それぞれ、第1図の各部分1〜5に対応する。7
は基板接地部材2と一体に構成したアンテナ素子接地部
材である。In the figure, 1-1 and 1-2 are microstrip antenna elements, 3-1 and 3-2 are gaps, and 5 is a dielectric substrate, which correspond to each part 1 to 5 in FIG. 1, respectively. 7
is an antenna element grounding member integrally constructed with the substrate grounding member 2.
さらに、第5図は、アンテナ素子2個を配置された部分
の構造の断面図である。Furthermore, FIG. 5 is a cross-sectional view of the structure of a portion where two antenna elements are arranged.
図中 、1−1および1−2はマイクロストリップアン
テナ素子、2は基板接地部材、3は間隙、4はアンテナ
素子接地部材、5は誘電体基板である。In the figure, 1-1 and 1-2 are microstrip antenna elements, 2 is a substrate grounding member, 3 is a gap, 4 is an antenna element grounding member, and 5 is a dielectric substrate.
本例においても、マイクロストリップアンテナ素子1−
1および1−2の各々の下側の基板接地部材2は、アン
テナ素子の外縁よりやや大きめのサイズで、それぞれ取
除かれており、マイクロストリップアンテナ素子1−1
および1−2は、低誘電率材料あるいは空気層から成る
間隙3を介して、共通のアンテナ素子接地部材4と対向
している。Also in this example, microstrip antenna element 1-
The lower substrate grounding members 2 of each of microstrip antenna elements 1 and 1-2 are slightly larger in size than the outer edge of the antenna element, and are removed.
and 1-2 face a common antenna element grounding member 4 via a gap 3 made of a low dielectric constant material or an air layer.
先に述べたように、マイクロストリップアンテナは、@
量で、薄型であり、かつ、その製作も容易であるから、
量産可能なアンテナである。As mentioned earlier, microstrip antennas are
Because it is small in size, thin, and easy to manufacture,
This is an antenna that can be mass-produced.
マイクロストリップアンテナの周波数帯域は、誘電体基
板厚の増加と共に、広くなっていくが、同時に、同一基
板面上に作成されたマイクロストリップ給電線の損失も
、曲がり部や分配点などの不連続部からの放射損が、基
板厚の増加と共に、増えてくる。特に、アレー構成にし
た場合は、この給電損失が問題となる。The frequency band of a microstrip antenna becomes wider as the dielectric substrate thickness increases, but at the same time, the loss of a microstrip feed line created on the same substrate also increases due to discontinuities such as bends and distribution points. The radiation loss from the substrate increases as the substrate thickness increases. In particular, when an array configuration is used, this power supply loss becomes a problem.
従って、従来の方法では、上記の利点を損うことなく、
低損失で、かつ、周波数の広帯域性を満足させるマイク
ロストリップアンテナおよび、アレーアンテナを実現さ
せることは困難であった。Therefore, in the conventional method, without losing the above advantages,
It has been difficult to realize microstrip antennas and array antennas that have low loss and satisfy wide frequency bands.
本発明は、マイクロストリップ給電線の損失が、最小に
なるように基板厚を最適化しつつ、マイクロストリップ
アンテナ素子の下部に所定の厚みを持つ間隙を設けて、
接地部材を二層構造にすることによって、マイクロスト
リップアンテナの利点を損うことなく、両者を満足させ
ることができる。よって、この発明を実施することによ
り、低損失、かつ、周波数の広帯域なマイクロストリッ
プアンテナが、容易に実現可能である。The present invention optimizes the substrate thickness so that the loss of the microstrip feed line is minimized, and provides a gap with a predetermined thickness at the bottom of the microstrip antenna element.
By making the grounding member have a two-layer structure, both of the advantages of the microstrip antenna can be satisfied without sacrificing the advantages of the microstrip antenna. Therefore, by implementing the present invention, a microstrip antenna with low loss and a wide frequency band can be easily realized.
なお、第2図(B)により上述で説明したように、接地
部材としては、二層構造とせず、一体にしたものでも、
容易に実現することができる。In addition, as explained above with reference to FIG. 2(B), the grounding member may not have a two-layer structure but may be integrated.
This can be easily achieved.
また、マイクロストリップアンテナ素子の形は、第1図
(A)に示した方形パッチに限らず、円形パッチなど、
さまざまな形に、本発明を適用することが可能である。Furthermore, the shape of the microstrip antenna element is not limited to the square patch shown in FIG.
The present invention can be applied in various ways.
また、アンテナの偏波にも限定されず、円偏波素子、直
線偏波素子の両方に適用することも可能である。アンテ
ナ素子の下部の間隙は、低誘電率材料、あるいは空気層
で構成することによって、安価に、そして容易に任意の
厚みで、任意の形を持たせることができると共に、実効
的な誘電率を下げ、さらに周波数特性の広帯域化に寄与
することが可能となる。また、本構成法によるアンテナ
利得の低下や、放射パターンの劣化はなく、良好な特性
が得られる。Furthermore, the present invention is not limited to antenna polarization, and can be applied to both circularly polarized elements and linearly polarized elements. By constructing the gap at the bottom of the antenna element with a low dielectric constant material or an air layer, it can be inexpensively and easily made to have any thickness and any shape, and the effective dielectric constant can be reduced. This makes it possible to lower the frequency and contribute to widening the frequency characteristics. Furthermore, there is no decrease in antenna gain or deterioration of the radiation pattern due to this configuration method, and good characteristics can be obtained.
以上説明したような種々の利点により、本発明を並列給
電型マイクロストリップアレーアンテナに応用すること
が可能である。本構成法によるマイクロストリップアレ
ーアンテナは、給電損失が小さく、また、アレー化によ
ってさらに周波数特性が広帯域になることは明らかであ
る。また、同一基板面上に給電線とアンテナ素子を形成
できるため、製作が容易で、低廉化に適したアレーアン
テナである。Due to the various advantages described above, the present invention can be applied to a parallel feeding type microstrip array antenna. It is clear that the microstrip array antenna according to this configuration method has a small feeding loss, and the frequency characteristic becomes wider by arraying. Furthermore, since the feed line and the antenna element can be formed on the same substrate surface, the array antenna is easy to manufacture and suitable for low cost.
第1図(A)および(B)は本発明によるマイクロスト
リップアンテナの構造の一実施例を示す図、
第2図(A)および(B)は本発明によるマイクロスト
リップアンテナの構造の他の一実施例を示す図、
第3図〜第5図は本発明によるマイクロストリップアレ
ーアンテナの3実施例の構造を示す断面図、
第6図は並列給電平面アンテナの誘電体基板厚に対する
銅損および放射損の一計算例である。
1.1−1.1−2・・・マイクロストリップアンテナ
素子、
2・・・基板接地部材、
3.3−1.3−2・・・間隙、
4.4−1.4−2・・・アンテナ素子接地部材、5・
・・誘電体基板、
6・・・給電線、
7・・・アンテナ素子接地部材。
代 理 人 弁理士 谷 義 −
第2図
□寮横停禾極4
第6図FIGS. 1(A) and (B) are views showing one embodiment of the structure of the microstrip antenna according to the present invention, and FIGS. 2(A) and (B) are views showing another example of the structure of the microstrip antenna according to the present invention. Figures 3 to 5 are cross-sectional views showing the structure of three embodiments of the microstrip array antenna according to the present invention. Figure 6 shows copper loss and radiation with respect to dielectric substrate thickness of a parallel-fed planar antenna. This is an example of calculating loss. 1.1-1.1-2... Microstrip antenna element, 2... Board grounding member, 3.3-1.3-2... Gap, 4.4-1.4-2...・Antenna element grounding member, 5・
...Dielectric substrate, 6...Feeding line, 7...Antenna element grounding member. Agent Patent Attorney Yoshi Tani - Figure 2 □ Dormitory Yokostophe Goku 4 Figure 6
Claims (1)
テナ素子と、該マイクロストリップアンテナ素子に接続
された給電線とを配置し、前記誘電体基板の他方の主面
上に接地部材を配置し、該接地部材は前記マイクロスト
リップアンテナ素子と対向する部分が、マイクロストリ
ップアンテナ素子の外縁よりやや大きな形で除去され、
前記マイクロストリップアンテナ素子は所定の厚さの低
誘電率材料あるいは空気層よりなる間隙を隔てて、接地
部材と対向する構造を持つことを特徴とするマイクロス
トリップアンテナ。A microstrip antenna element and a feed line connected to the microstrip antenna element are arranged on one main surface of the dielectric substrate, and a grounding member is arranged on the other main surface of the dielectric substrate, A portion of the grounding member facing the microstrip antenna element is removed in a shape that is slightly larger than the outer edge of the microstrip antenna element,
The microstrip antenna is characterized in that the microstrip antenna element has a structure in which it faces a grounding member with a gap made of a low dielectric constant material or an air layer having a predetermined thickness therebetween.
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JP4543386A Granted JPS62203404A (en) | 1986-03-04 | 1986-03-04 | Microstrip antenna |
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