JPS63224404A

JPS63224404A - パッチアンテナ

Info

Publication number: JPS63224404A
Application number: JP62323028A
Authority: JP
Inventors: デイビッド・ヒラリー・エバンス
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1986-12-22
Filing date: 1987-12-22
Publication date: 1988-09-19
Also published as: US4821041A; EP0272752A2; GB2199190A; GB8630599D0; EP0272752A3

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明はマイクロ波長に使用するパッチアンテナに関す
るものである（“マイクロ波長″というの言葉はミリメ
ートル波長を含むものと理解され度い）。

マイクロストリップ・パッチアンテナはよく知られてい
る。このアンテナは一方の主表面には接地板をそなえ、
また他方の主表面には、フィード部分を形成口且つパッ
チとして知られている広い導電性領域と接続されたスト
リップ導体をそなえた誘電性基板を有するのが典型的で
ある。前記のパッチの長さくフィードの方向）は、動作
周波数の波長の１／２よりも僅かに小さく、その幅は、
適当な放射抵抗を与えるように選ぶことができる。

パッチが接地板と平行に該接地板より離されて誘電体上
に支持された懸吊形（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ）パッチアン
テナも知られている。これについては、「プロシーディ
ングズ　フォーティーンズ　ユーロピアン　マイクロウ
ェーブ　コンファレンス（Ｐｒｏｃ。

１４ｔｈ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｍｉｃｒｏｅｗａｖｅ　
Ｃｏｎｆ、）Ｊ　　１９８４年の第６１３−６１８頁の
キラ・ツアング（Ｑｉｕ　ｚｈａｕｇ）氏姓の「アナリ
シス虐オブ・ア・サスペンデド・パッチ・アンテナ・エ
クサイテド・パイ・アン・エレクトロマグネティカリイ
・カップルド・インバーテド・マイクロストリップ・フ
ィード（Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ　ａ　５ｕｓｐｅｎｄｅ
ｄ　Ｐａｔｃｈ　Ａｎｔｅｎｎａ　Ｅｘｃｉｔｅｄ　ｂ
ｙ　ａｎＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ　Ｃ
ｏｕｐｌｅｄ　Ｉｎｖｅｒｔｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉ
ｐＦｅｅｄ）　Ｊを参照され度い。このような装置は効
率と帯域幅を増するという利点を与える（「プロシーテ
ィングズ・エイス・ユーロピアン・マイクロウェーブ・
コンファレンス（Ｐｒｏｃ、３ｔｈ　Ｂｕｒｏｐｅａｎ
Ｍｉｃｒｏｅｗａｖｅ　Ｃｏｎｆ、）　　Ｊ　　１９７
８年、第２８１−２８５頁のエイチ・ジー・オルトマン
（Ｈ，Ｇ、Ｏｌｔｍａｎ）氏による「エレクトロマグネ
ティカリイ・カップルド・マイクロストリップ・ダイポ
ール・アンテナ・エレメンソ（εｌｅｃｔｒｏｍａｇｎ
ｅｔｉｃａｌｌｙ　［：ｏｕｐｌｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔ
ｒｉｌＤｉｐｏｌｅ　Ａｎｔｅｎｎａ　Ｅｌｅｍｅｎｔ
ｓ」も参照され度い）。

本発明のパッチアンテナは、導電性基板と、この基板の
一方の主表面上のパッチ導体及びフィード手段と、前記
のパッチ導体の少なくとも殆どの部分と並べられた孔を
有する、前記の一方の主表面と反対側の基板上の接地板
と、基板より延在し且つこの基板から離れた端で短絡さ
れた、接地板とＲＦ結合された前記孔における導電性空
洞とを有し、この空洞は、アンテナの動作周波数範囲に
わたってインダクタンスを構成する導波管を形成するこ
とを特徴とするものである。

このようなアンテナは公知の懸吊形パッチアンテナに代
わる形態を与えるもので、通常のマイクロス）　ＩＪツ
ブパッチアンテナにくらべて効率が改良されまた帯域幅
（その反射減衰率が所定値よりも良い）が大きくなると
いう利点が得られる。

この場合、アンテナを同調するために空洞の長さが調節
可能であるのが好ましい。

更に本発明のパッチアンテナは、導電性基板と、この基
板の一方の主表面上のパッチ導体及びフィード手段と、
前記のパッチ導体の少なくとも殆どの部分と並べられた
孔を有する、前記の一方の主表面と反対側の基板上の接
地板と、基板より延在し、この基板から離れた端で短絡
され、長さが調節可能な、接地板とＲＦ結合された前記
孔における導電性空洞とを有し、この空洞の長さはアン
テナの動作周波数範囲内において、該アンテナの共振周
波数が空洞の長さの増加に伴って減少するような長さで
あることを特徴とするものである。

マイクロストリップ伝送路に対する同調装置は公知であ
る。英国特許第１５１５１５１号（特にその第３図と第
４図で説明された実施例）には、接地板と支持体に孔を
有し、この孔はス）　＋Ｊツブ導体にそろえられ、支持
体の孔にはねじが切られてねじがねじ込まれるようにし
た導電性支持体に取付けられた基板上のマイクロスｌ−
’Ｊツブ線路が開示されている。この英国特許によれば
、ねじが出し入れされると、ねじの上方のマイクロスト
リップ伝送線路から大地への磁束通路が長くなったり短
くなり、これにより、ねじの直ぐ上方のマイクロストリ
ップ伝送線路のキャパシタンスしたがって該伝送線路の
特性インヒーダンスが変えられる。

しかしながら、基板とねじとの間のスペースが導波管空
洞としては働くことができるということ（ねじ山を切っ
た壁が実際上これを阻止するであろう）または前記のス
ペースがインダクタンスを与えるということについて示
唆するところは全くない。その上、仮りにこのような装
置がパッチアンテナと共に用いられれば、期待されるこ
ｙは、マイクロストリップ線路とねじの端により与えら
れた実効接地板との間のスペースの変化は、スペースと
共に増加するアンテナの共振周波数を生じることであろ
う。

米国特許第３６９３１８８号にはマイクロストリップ線
路を支持する基板が同様に金属バーに取付けられるよう
にしたストリップ伝送線路回路の同調装置が開示されて
いる。マイクロス）　ＩＪツブ線路のストリップ導体（
この場合にはスタブ）の直ぐ下を延在する前記のバーに
は溝が設けられ、金属部材が基板と平行な方向に、該部
材が前記の溝上を延在する基板の領域を殆ど塞ぐ第１位
置と該部材が前記領域を全く覆わない第２位置との間を
滑動可能である。この米国特許によれば、特性インピー
ダンスは、金属部材が前記の第１位置にある時よりも第
２位置にある時の方が高い。すなわちマイクロストリッ
プスタブは有効に電気的に短絡される。若し接地板の除
かれた部分が、金属バーを動かすことによって選択的に
元に戻されれば、可変のリアクタンス素子が得られる。

このリアクタンスの変化は明らかにスタブの特性インピ
ーダンスとその長さの実効電気長が変化し、かくしてス
タブにより表わされるリアクタンスを変えることによる
ものである。しかしながら、インダクタンスを与える導
波管空洞が形成されるということについては何等示唆す
るところはない。更に、前記の米国特許の同調装置を有
する発振器は１０　ＧＨｚからｌｌ　ＧＨｚの周波数範
囲（すなわち中間範囲周波数（ｍｉｄ−ｒａｎｇｅ　ｆ
ｒｅｑｕｅｎｃｙ）　　の１０％より僅かに小さい）に
わたって同調されるものであるのに対し、短絡部が基板
と平行ではなくて該基板に向かってまたは該基板より離
れて動くようにされた本発明のパッチアンテナでは、１
９．０Ｇ）Ｉｚから２４．４ＧＨｚの周波数範囲（すな
わち中間範囲周波数の２５％）にわたって同調可能であ
ることがわかった。

本発明のアンテナでは、空洞によって形成された導波管
はアンテナの動作周波数範囲の上方にカットオフ周波数
をもつことができる。この場合、導波管は動作周波数範
囲内でエバネセン）　（ｅＶａｎｅｓｃｅｎｔ）モード
で働き、空洞の長さが調節されると、常にインダクタン
スを構成するが、実際には若し所要周波数がカットオフ
周波数の上方にあれば、導波管で表されるリアクタンス
は、空洞の長さが調節されるとインダクタンスとキャパ
シタンスの間を代る（若し充分に大きな調節範囲があれ
ば）。

パッチ導体自体に平行な突起は略々空洞の範囲全体中に
存することができる。これにより、さもなければ生じる
ことのある指向特性への略々非対称的な影響を有しない
空洞が得られる。

本発明は例えば９より事実上小さくない高い比誘電率の
基板上のパッチアンテナに適している。

高い比誘電率の基板上に形成されたパッチアンテナは特
に低い効率を有しがちである。本発明によるアンテナ空
洞によって得られる効率の増加は特に望ましいもきであ
る。

以下に本発明を図面の実施例を参照して更に詳しく説明
する。

第１図および第２図において、パッチアンテナアセンブ
リは、比較的狭いフィード導体３に接続された比較的広
い矩形のパッチ導体２をその一方の主表面上に支持する
誘電体基板１を有する。この誘電体基板の反対の主表面
上には導電性接地板４があり、この接地板自身は金属ブ
ロック５に導電連結されている。この金属ブロック内に
は該金属ブロックを貫通して延在する断面矩形の孔６が
あり、この孔６は前記の接地板の同じ断面の孔と整列し
ている。前記の孔はこの場合パッチ導体全体と並んで置
かれ、このパッチ導体の中心は孔の軸上にあり、この矩
形の孔の辺は矩形のパッチ導体の辺よりも大きい。した
がって、パッチ導体に平行な該パッチ導体の投影は完全
に孔内にある。

孔６は、比較的低いインピーダンスの１／４波長部分７
Ａ、　７Ｃ，７８と比較的高いインピーダンスの１／４
波長部分７Ｂ、　７Ｄを交互に有する円形断面の滑動可
能な短絡部７を収容する。基板１と短絡部７の隣接端（
この端は短絡部の末端を形成する）との間の孔５の部分
は後に説明するように導波管空洞として働くことができ
る。前記の短絡部は、（線図的に描いた）ねじ９によっ
て所定の位置にクランプすることができる。

動作時、マイクロ波エネルギは、例えばマイクロス）　
ＩＪツブ／同軸線路モード変換器（図示せず）に接続さ
れることのできるフィード導体３を経て、パッチ導体２
に供給されるかまたはパッチ導体より取出される。アン
テナの共振周波数は、このアンテナにエネルギを供給し
て周波数による反射減衰量の変化を測定することにより
確かめることができる。すなわち共振周波数では反射減
衰量の増加がある。

第３図は、第１図および第２図の形態の実施態様におい
て測った基板と滑動可能短絡部との間の距離ｄ（ｍｍ単
位）に対する共振周波数（ＧＨｚ単位）のグラフである
。このｄが零の場合は、アンテナは事実上通常のマイク
ロストリップ・パッチアンテナとして働く。距離ｄが零
より増加すると、共振周波数は最初に極めて急速に最大
値迄増加しく簡単のために第３図にはこの増加を殆ど直
線で示しである）。この領域ではアンテナは事実上懸吊
形ストリップ線路パッチアンテナとして働くものと考え
られ、この場合距離ｄの増加はパッチと接地板（この後
者は短絡部７で形成される）との間の物質の実効比誘電
率を下げる。すなわち反射減衰量はｄ＝Ｑのときの値に
くらべて良くなり、瞬時帯域幅は増加する。

最大値を越えると、周波数ｆは減少するがｄに伴うｆの
変化の割合は最初の増加よりも遥かに低減し、アンテナ
をかなり精密に機械的に同調させることが実際的になる
。すなわち、この領域では、距離ｄは、基板と滑動可能
短絡部との間のスペースが導波管空洞として働（のに十
分であると思われる。具体構造では、孔６のカットオフ
周波数は共振周波数の最大値のちょうど上にあり、した
がって空洞は常にアンテナの動作周波数においてインダ
クタンスを形成した。若し共振周波数がカットオフの上
方にあるとすれば導波管空洞は、１／４波長迄の長さに
対してインダクタンスを１）４波長と１／２波長の間そ
の他ではキャパシタンスを形成することになろう。実際
には長さは波長の１７４よりも短いのが典型的である。

共振周波数の減少をきたすと考えられるのは、ｄが同調
特性の最大値を越えて増加した時のインダクタンスの増
加である。

第３図に示したように、具体構造では、ｄの増加につれ
てｆが減少する特性範囲において、１９．０−２４．４
　ＧＨｚの範囲すなわち中間範囲周波数の２５％にわた
って同調可能であった。この同調特性の殆どの部分にわ
たって特性は略々線形であった。２１．５ＧＨｚの辺り
で、瞬時帯域幅は６ｄＢ以上の反射減衰量に対して１．
６ＧＨｚであった（電圧定在波３：１）。

具体構造では、パッチ導体は３ｍｍ平方で孔６は６［１
１１Ｄ平方であった。基板の比誘電率は１Ｏ２５であっ
た。金属ブロックは真鍮であった。

第４図と第５図は、構成したアンテナの夫々Ｅ面指向特
性とＨ面指向特性で、パッチ導体に垂直な度で表わした
角度に対する最大値に対するｄＢで表わしたアンテナ応
答の関係を示す。この指向特性は、高い比誘電率の基板
上のパッチアンテナに対して典型的なものである。

本発明を具現したアンテナでは、接地板は、パッチ導体
を支持する誘電体基板上に直接ある必要はなく、例えば
接地板は懸吊形基板線路のように基板より離れていても
よい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のパッチアンテナの一実施例の一部断面
側面図、第２図は第１図のアンテナ空洞と滑動可能な短絡部を点
線を示したパッチ導体とフィード線の正面図、第３図はアンテナの共振周波数の変化を示すグラフ、第４図はアンテナのＥ面指向特性、第５図はアンテナのＨ面指向特性である。１・・・誘電体基板　　　　２・・・パッチ導体３・・
・フィード導体　　　４・・・接地板５・・・金属ブロ
ック　　　６・・・孔７・・・短絡部７Ａ、　７Ｃ，７Ｂ・・・低インピーダンス１７４波長
部分７Ｂ、　７Ｄ・・・高インピーダンス１７４波長部
分９・・・ねじ特許出願人　　　エヌ・ベー・フィリップス・フルーイ
ランペンファブリケン〜・１・Ｆｔ″ｇ、２゜フｍｍ

Claims

【特許請求の範囲】１、導電性基板と、この基板の一方の主表面上のパッチ
導体及びフィード手段と、前記のパッチ導体の少なくと
も殆どの部分と並べられた孔を有する、前記の一方の主
表面と反対側の基板上の接地板と、基板より延在し且つ
この基板から離れた端で短絡された、接地板とＲＦ結合
された前記孔における導電性空洞とを有し、この空洞は
、アンテナの動作周波数範囲にわたってインダクタンス
を構成する導波管を形成することを特徴とするパッチア
ンテナ。２、空洞の長さは、アンテナを同調するために調節可能
である特許請求の範囲第１項記載のパッチアンテナ。３、導波管は前記の動作周波数範囲の上方カットオフ周
波数を有する特許請求の範囲第１項または第２項記載の
パッチアンテナ。４、パッチ導体に平行な該パッチ導体の突起は、略々完
全に空洞の範囲内にある特許請求の範囲第１項乃至第３
項の何れか１項記載のパッチアンテナ。５、基板の比誘電率は実質的に９より小さくない特許請
求の範囲第１項乃至第４項の何れか１項記載のパッチア
ンテナ。６、導電性基板と、この基板の一方の主表面上のパッチ
導体及びフィード手段と、前記のパッチ導体の少なくと
も殆どの部分と並べられた孔を有する、前記の一方の主
表面と反対側の基板上の接地板と、基板より延在し、こ
の基板から離れた端で短絡され、長さが調節可能な、接
地板とＲＦ結合された前記孔における導電性空洞とを有
し、この空洞の長さはアンテナの動作周波数範囲内にお
いて、該アンテナの共振周波数が空洞の長さの増加に伴
って減少するような長さであることを特徴とするパッチ
アンテナ。７、導波管は前記の動作周波数範囲の上方にカットオフ
周波数を有する特許請求の範囲第６項記載のパッチアン
テナ。８、パッチ導体に平行な該パッチ導体の突起は、略々完
全に空洞の範囲内にある特許請求の範囲第６項または第
７項記載のパッチアンテナ。９、基板の比誘電率は実質的に９より小さくない特許請
求の範囲第６項乃至第８項の何れか１項記載のパッチア
ンテナ。