JPWO2003105278A1

JPWO2003105278A1 - 平面アンテナおよびその設計方法

Info

Publication number: JPWO2003105278A1
Application number: JP2004512234A
Authority: JP
Inventors: 英明大島; 竜夫松下
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-10-13
Also published as: EP1513224A1; US20050179593A1; WO2003105278A1; US7227500B2

Abstract

誘電体基板の片面のみに構成可能なコープレーナータイプの円偏波用平面アンテナを提供する。この平面アンテナは、誘電体基板と、誘電体基板の一主面上に形成された略正方形の放射素子であって、一方の対角方向において対向する２個のコーナー部が切り込まれた切り込み部を有する放射素子と、一主面上に形成され、中央部分に正方形の開口部を有し、外形が正方形であるアース導体とを備え、放射素子は、アース導体の開口部内に、アース導体に対し所定幅のギャップを設けて配置されている。

Description

技術分野
本発明は、衛星放送，衛星通信等に用いられるマイクロ波帯の円偏波アンテナに関し、特に、車両の窓ガラスに設けられるのに適した平面アンテナの構造に関する。本発明は、さらには、このような平面アンテナの設計方法に関する。
背景技術
衛星放送，衛星通信等に用いられるマイクロ波帯の円偏波アンテナとしては、誘電体基板の表面に放射素子を配置し、裏面にアース導体を配置した平面アンテナであるマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）が一般的である。
図１に、ＭＳＡの一例を示す。１０は、誘電体基板を、１２は略正方形の放射素子を、１４はアース導体を示す。このようなＭＳＡを、車両の窓ガラスに設ける場合には、誘電体基板１０は車両の窓ガラスとし、車外側のガラス面に放射素子をパターン形成し、車内側のガラス面にアース導体をパターン形成することになる。そして、放射素子およびアース導体には給電線を接続するが、放射素子への給電線は、窓ガラスを貫通して設けなければならない。これは、車両用窓ガラスに対しては、困難である。このため、車両の窓ガラスを利用して、ＭＳＡを構成することは難しい。
発明の開示
本発明の目的は、上述のような問題を避け、誘電体基板の片面のみに構成可能なコープレーナータイプの円偏波用平面アンテナを提供することにある。
本発明の他の目的は、上記の円偏波用平面アンテナの設計方法を提供することにある。
本発明者らは、図１の従来のＭＳＡのアース導体を、放射素子側の面に移し、放射素子を取り囲むように形成しても、円偏波アンテナとして機能することを見いだした。
したがって、本発明の第１の態様は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一主面上に形成された略正方形の放射素子であって、一方の対角方向において対向する２個のコーナー部が切り込まれた切り込み部を有する放射素子と、前記一主面上に形成され、中央部分に正方形の開口部を有し、外形が正方形であるアース導体とを備え、前記放射素子は、前記アース導体の開口部内に、前記アース導体に対し所定幅のギャップを設けて配置されている平面アンテナである。
本発明の第２の態様は、上記平面アンテナを設計するに際し、放射素子の切り込み部が設けられていない他方の対角方向の対角線長をＡ、一方の対角方向の対角線長をＢ、放射素子と前記アース導体との間のギャップの幅をＧ、アース導体の外形の一辺の長さをＷとしたときに、所定の周波数で平面アンテナが共振するように、対角線長Ａを決定するステップと、平面アンテナの共振周波数と、対角線長比Ｂ／Ａとの第１の直線関数関係に基づいて、対角線長Ｂを決定するステップと、対角線長比Ｂ／Ａと、ＡとＧとの比Ｇ／Ａとの第２の直線関数関係に基づいて、ギャップ幅Ｇを決定するステップと、第２の直線関係を表す１次式の傾き係数と、ＡとＷとの比Ｗ／Ａとの指数関数関係に基づいて、アース導体の外形の一辺の長さＷを決定するステップとを含む平面アンテナの設計方法である。
上記の平面アンテナが車両の窓ガラスに設けられる場合には、誘電体基板は、車両の窓ガラスであり、放射素子およびアース導体は、窓ガラスの内側面に形成される。
発明を実施するための最良の形態
図２は、本発明の平面アンテナの一実施形態を示す図である。この平面アンテナは、誘電体基板１０の一主面上に図示のようなアンテナパターンを構成する。このアンテナパターンは、略正方形状の放射素子１６と、この放射素子を取り囲む外形が正方形のアース導体１８とから構成されている。放射素子１６は、アース導体１８の中央部分に形成された正方形の開口部１９内に配置される。放射素子１６の１つの対角方向において対向する２個のコーナー部は、切り込み部２０が形成されている。このような切り込み部を設ける理由は、後述するように円偏波を励振させるためである。なお図中、２２は放射素子への給電点を、２４はアース導体への給電点を示す。実際には、同軸ケーブルを用い、その芯線を放射素子１６に接続し、網線をアース導体１８に接続する。
なお、給電点とコーナー切り込み部との相対位置関係で右旋，左旋の放射方向が決定される。例えば図２に示すような位置関係に、給電点とコーナー切り込み部とを構成すると、図面手前方向に左旋偏波が、図面奥方向に右旋偏波が放射される。
以上のようなアンテナパターンを有する平面アンテナにおいて、アンテナ性能を決定する重要なパラメータは、放射素子の対角線長比、放射素子とアース導体との間隔（ギャップ幅）、アース導体の外形の一辺の長さである。図３に、これらパラメータを示す。放射素子１６の切り込み部のない部分の対角線長をＡ、切り込み部のある部分の対角線長をＢ、アース導体１８の外形の一辺の長さ、すなわちアース導体外形長をＷ、放射素子とアース導体とのギャップ幅をＧで示している。前述したように、放射素子に切り込み部を設けることにより、対角線長比が異なり、円偏波励振を実現できる。
本発明者らは、シミュレーションの結果、これらパラメータの間には相関関係が成立することを見いだした。
放射素子の対角線長の１つであるＡ（共振周波数ｆ_Ｒと相関がある）とギャップ幅Ｇとの比Ｇ／Ａと、対角線長比Ｂ／Ａとは、直線関係にある。つまり、Ｂ／Ａ＝α・（Ｇ／Ａ）＋βである。これを、図４に示す。ここで、係数βは、アース導体外形長Ｗと関係なく一定となり、これに対し傾き係数αは、図５に示すように、対角線長Ａとアース導体外形長Ｗとの比Ｗ／Ａと相関があり、自然対数と相関のある指数関係が成り立つ。また、図６に示すように、平面アンテナの共振周波数ｆ_Ｒは、放射素子の対角線長比Ｂ／Ａと直線関係にある。
以上のようにパラメータ間の相関関係を利用すると、平面アンテナの設計が容易になる。
以下、設計の手順を、図７のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、所定の共振周波数ｆ_Ｒの近傍で共振するように放射素子の対角線長Ａの値を決める（ステップＳ１）。
次に、図６に示した、平面アンテナの共振周波数ｆ_Ｒと対角線長比Ｂ／Ａとの直線関数関係（１次式）に基づいて、対角線長Ｂの値を決定する（ステップＳ２）。
次に、図４に示した、対角線長比Ｂ／Ａとギャップ幅Ｇ／対角線長Ａの比Ｇ／Ａとの直線関数関係（１次式）に基づいて、ギャップ幅Ｇの値を決定する（ステップＳ３）。
最後に、図５に示した、ステップＳ３で用いた１次式の傾き係数αと、アース導体外形長Ｗ／対角線長Ａの比Ｗ／Ａとの指数関数関係に基づいて、アース導体外形長Ｗを決定する。
このように、所定の周波数近傍で共振するように放射素子の対角線Ａを決めた後、各形状パラメータを上記に示した相関関係が成立するように決定することで、良好な放射特性を有する円偏波アンテナが得られる。
以上のようにして設計された平面アンテナの寸法の一例を、表１に示す。
厚さ３．５ｍｍのガラス板（比誘電率７）上にアンテナパターンを形成した。

産業上の利用可能性
本発明によれば、従来のＭＳＡとは異なり、誘電体の片面でアンテナパターンすべてを構成可能であるため、ＭＳＡと同様な良好な円偏波放射特性をもつアンテナを車両用ガラスに設定可能となる。さらには、アンテナ性能を決定する上で重要な形状パラメータの相関関係が明確であるため、アンテナの設計が容易になる。
したがって本発明によれば、誘電体基板の片面のみに構成可能なコープレーナータイプの円偏波用平面アンテナ、このような円偏波用平面アンテナの設計方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、マイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）の一例を示す図である。
図２は、本発明の平面アンテナの一実施形態を示す図である。
図３は、パラメータを示す図である。
図４は、ギャップ幅／対角線長比Ｇ／Ａと対角線長比Ｂ／Ａとの相関関係を示す図である。
図５は、傾き係数αとアース導体幅／対角線長比Ｗ／Ａとの相関関係を示す図である。
図６は、共振周波数と放射素子の対角線長比Ｂ／Ａとの相関関係を示す図である。
図７は、設計の手順を示すフローチャートである。

【書類名】明細書
【特許請求の範囲】
【請求項１】誘電体基板と、
前記誘電体基板の一主面上に形成された略正方形の放射素子であって、一方の対角方向において対向する２個のコーナー部が切り込まれた切り込み部を有する放射素子と、
前記一主面上に形成され、中央部に正方形の開口部を有し、外形が正方形であるアース導体とを備え、
前記放射素子は、前記アース導体の開口部内に、前記アース導体に対し所定幅のギャップを設けて配置されている平面アンテナ。
【請求項２】前記誘電体基板は、車両の窓ガラスであり、前記放射素子およびアース導体は、前記窓ガラスの内側面に形成されている、請求項１に記載の平面アンテナ。
【請求項３】マイクロ波帯の円偏波を受信する、請求項１または２に記載の平面アンテナ。
【請求項４】請求項１に記載の平面アンテナを設計するに際し、
前記放射素子の切り込み部が設けられていない他方の対角方向の対角線長をＡ、前記一方の対角方向の対角線長をＢ、前記放射素子と前記アース導体との間の前記ギャップの幅をＧ、前記アース導体の外形の一辺の長さをＷとしたときに、
所定の周波数で平面アンテナが共振するように、前記対角線長Ａを決定するステップと、
平面アンテナの共振周波数と、対角線長比Ｂ／Ａとの第１の直線関数関係に基づいて、前記対角線長Ｂを決定するステップと、
前記対角線長比Ｂ／Ａと、前記Ａと前記Ｇとの比Ｇ／Ａとの第２の直線関数関係に基づいて、前記ギャップ幅Ｇを決定するステップと、
前記第２の直線関数関係を表す１次式の傾き係数と、前記Ａと前記Ｗとの比Ｗ／Ａとの指数関数関係に基づいて、前記アース導体の外形の一辺の長さＷを決定するステップと、
を含む平面アンテナの設計方法。
【請求項５】前記誘電体基板は、車両の窓ガラスであり、前記放射素子およびアース導体は、前記窓ガラスの内側面に形成されている、請求項４に記載の平面アンテナの設計方法。
【請求項６】マイクロ波帯の円偏波を受信する、請求項４または５に記載の平面アンテナの設計方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
【０００１】
本発明は、衛星放送，衛星通信等に用いられるマイクロ波帯の円偏波アンテナに関し、特に、車両の窓ガラスに設けられるのに適した平面アンテナの構造に関する。本発明は、さらには、このような平面アンテナの設計方法に関する。
【０００２】
背景技術
衛星放送，衛星通信等に用いられるマイクロ波帯の円偏波アンテナとしては、誘電体基板の表面に放射素子を配置し、裏面にアース導体を配置した平面アンテナであるマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）が一般的である。
【０００３】
図１に、ＭＳＡの一例を示す。１０は、誘電体基板を、１２は略正方形の放射素子を、１４はアース導体を示す。このようなＭＳＡを、車両の窓ガラスに設ける場合には、誘電体基板１０は車両の窓ガラスとし、車外側のガラス面に放射素子をパターン形成し、車内側のガラス面にアース導体をパターン形成することになる。そして、放射素子およびアース導体には給電線を接続するが、放射素子への給電線は、窓ガラスを貫通して設けなければならない。これは、車両用窓ガラスに対しては、困難である。このため、車両の窓ガラスを利用して、ＭＳＡを構成することは難しい。
【０００４】
発明の開示
本発明の目的は、上述のような問題を避け、誘電体基板の片面のみに構成可能なコープレーナータイプの円偏波用平面アンテナを提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、上記の円偏波用平面アンテナの設計方法を提供することにある。
本発明者らは、図１の従来のＭＳＡのアース導体を、放射素子側の面に移し、放射素子を取り囲むように形成しても、円偏波アンテナとして機能することを見いだした。
【０００６】
したがって、本発明の第１の態様は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一主面上に形成された略正方形の放射素子であって、一方の対角方向において対向する２個のコーナー部が切り込まれた切り込み部を有する放射素子と、前記一主面上に形成され、中央部分に正方形の開口部を有し、外形が正方形であるアース導体とを備え、前記放射素子は、前記アース導体の開口部内に、前記アース導体に対し所定幅のギャップを設けて配置されている平面アンテナである。
【０００７】
本発明の第２の態様は、上記平面アンテナを設計するに際し、放射素子の切り込み部が設けられていない他方の対角方向の対角線長をＡ、一方の対角方向の対角線長をＢ、放射素子と前記アース導体との間のギャップの幅をＧ、アース導体の外形の一辺の長さをＷとしたときに、所定の周波数で平面アンテナが共振するように、対角線長Ａを決定するステップと、平面アンテナの共振周波数と、対角線長比Ｂ／Ａとの第１の直線関数関係に基づいて、対角線長Ｂを決定するステップと、対角線長比Ｂ／Ａと、ＡとＧとの比Ｇ／Ａとの第２の直線関数関係に基づいて、ギャップ幅Ｇを決定するステップと、第２の直線関数関係を表す１次式の傾き係数と、ＡとＷとの比Ｗ／Ａとの指数関数関係に基づいて、アース導体の外形の一辺の長さＷを決定するステップとを含む平面アンテナの設計方法である。
【０００８】
上記の平面アンテナが車両の窓ガラスに設けられる場合には、誘電体基板は、車両の窓ガラスであり、放射素子およびアース導体は、窓ガラスの内側面に形成される。
【０００９】
発明を実施するための最良の形態
図２は、本発明の平面アンテナの一実施形態を示す図である。この平面アンテナは、誘電体基板１０の一主面上に図示のようなアンテナパターンを構成する。このアンテナパターンは、略正方形状の放射素子１６と、この放射素子を取り囲む外形が正方形のアース導体１８とから構成されている。放射素子１６は、アース導体１８の中央部分に形成された正方形の開口部１９内に配置される。放射素子１６の１つの対角方向において対向する２個のコーナー部は、切り込み部２０が形成されている。このような切り込み部を設ける理由は、後述するように円偏波を励振させるためである。なお図中、２２は放射素子への給電点を、２４はアース導体への給電点を示す。実際には、同軸ケーブルを用い、その芯線を放射素子１６に接続し、網線をアース導体１８に接続する。
【００１０】
なお、給電点とコーナー切り込み部との相対位置関係で右旋，左旋の放射方向が決定される。例えば図２に示すような位置関係に、給電点とコーナー切り込み部とを構成すると、図面手前方向に左旋偏波が、図面奥方向に右旋偏波が放射される。
【００１１】
以上のようなアンテナパターンを有する平面アンテナにおいて、アンテナ性能を決定する重要なパラメータは、放射素子の対角線長比、放射素子とアース導体との間隔（ギャップ幅）、アース導体の外形の一辺の長さである。図３に、これらパラメータを示す。放射素子１６の切り込み部のない部分の対角線長をＡ、切り込み部のある部分の対角線長をＢ、アース導体１８の外形の一辺の長さ、すなわちアース導体外形長をＷ、放射素子とアース導体とのギャップ幅をＧで示している。前述したように、放射素子に切り込み部を設けることにより、対角線長比が異なり、円偏波励振を実現できる。
本発明者らは、シミュレーションの結果、これらパラメータの間には相関関係が成立することを見いだした。
【００１２】
放射素子の対角線長の１つであるＡ（共振周波数ｆ_R と相関がある）とギャップ幅Ｇとの比Ｇ／Ａと、対角線長比Ｂ／Ａとは、直線関係にある。つまり、Ｂ／Ａ＝α・（Ｇ／Ａ）＋βである。これを、図４に示す。ここで、係数βは、アース導体外形長Ｗと関係なく一定となり、これに対し傾き係数αは、図５に示すように、対角線長Ａとアース導体外形長Ｗとの比Ｗ／Ａと相関があり、自然対数と相関のある指数関係が成り立つ。また、図６に示すように、平面アンテナの共振周波数ｆ_R は、放射素子の対角線長比Ｂ／Ａと直線関係にある。
【００１３】
以上のようにパラメータ間の相関関係を利用すると、平面アンテナの設計が容易になる。
以下、設計の手順を、図７のフローチャートを参照しながら説明する。
【００１４】
まず、所定の共振周波数ｆ_R の近傍で共振するように放射素子の対角線長Ａの値を決める（ステップＳ１）。
次に、図６に示した、平面アンテナの共振周波数ｆ_R と対角線長比Ｂ／Ａとの直線関数関係（１次式）に基づいて、対角線長Ｂの値を決定する（ステップＳ２）。
【００１５】
次に、図４に示した、対角線長比Ｂ／Ａとギャップ幅Ｇ／対角線長Ａの比Ｇ／Ａとの直線関数関係（１次式）に基づいて、ギャップ幅Ｇの値を決定する（ステップＳ３）。
最後に、図５に示した、ステップＳ３で用いた１次式の傾き係数αと、アース導体外形長Ｗ／対角線長Ａの比Ｗ／Ａとの指数関数関係に基づいて、アース導体外形長Ｗを決定する。
【００１６】
このように、所定の周波数近傍で共振するように放射素子の対角線Ａを決めた後、各形状パラメータを上記に示した相関関係が成立するように決定することで、良好な放射特性を有する円偏波アンテナが得られる。
以上のようにして設計された平面アンテナの寸法の一例を、表１に示す。
【００１７】
厚さ３．５ｍｍのガラス板（比誘電率７）上にアンテナパターンを形成した。

【００１８】
産業上の利用可能性
本発明によれば、従来のＭＳＡとは異なり、誘電体の片面でアンテナパターンすべてを構成可能であるため、ＭＳＡと同様な良好な円偏波放射特性をもつアンテナを車両用ガラスに設定可能となる。さらには、アンテナ性能を決定する上で重要な形状パラメータの相関関係が明確であるため、アンテナの設計が容易になる。
【００１９】
したがって本発明によれば、誘電体基板の片面のみに構成可能なコープレーナータイプの円偏波用平面アンテナ、このような円偏波用平面アンテナの設計方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）の一例を示す図である。
【図２】本発明の平面アンテナの一実施形態を示す図である。
【図３】パラメータを示す図である。
【図４】ギャップ幅／対角線長比Ｇ／Ａと対角線長比Ｂ／Ａとの相関関係を示す図である。
【図５】傾き係数αとアース導体幅／対角線長比Ｗ／Ａとの相関関係を示す図である。
【図６】共振周波数と放射素子の対角線長比Ｂ／Ａとの相関関係を示す図である。
【図７】設計の手順を示すフローチャートである。

Claims

誘電体基板と、
前記誘電体基板の一主面上に形成された略正方形の放射素子であって、一方の対角方向において対向する２個のコーナー部が切り込まれた切り込み部を有する放射素子と、
前記一主面上に形成され、中央部に正方形の開口部を有し、外形が正方形であるアース導体とを備え、
前記放射素子は、前記アース導体の開口部内に、前記アース導体に対し所定幅のギャップを設けて配置されている平面アンテナ。
前記誘電体基板は、車両の窓ガラスであり、前記放射素子およびアース導体は、前記窓ガラスの内側面に形成されている、請求項１に記載の平面アンテナ。
マイクロ波帯の円偏波を受信する、請求項１または２に記載の平面アンテナ。
請求項１に記載の平面アンテナを設計するに際し、
前記放射素子の切り込み部が設けられていない他方の対角方向の対角線長をＡ、前記一方の対角方向の対角線長をＢ、前記放射素子と前記アース導体との間の前記ギャップの幅をＧ、前記アース導体の外形の一辺の長さをＷとしたときに、
所定の周波数で平面アンテナが共振するように、前記対角線長Ａを決定するステップと、
平面アンテナの共振周波数と、対角線長比Ｂ／Ａとの第１の直線関数関係に基づいて、前記対角線長Ｂを決定するステップと、
前記対角線長比Ｂ／Ａと、前記Ａと前記Ｇとの比Ｇ／Ａとの第２の直線関数関係に基づいて、前記ギャップ幅Ｇを決定するステップと、
前記第２の直線関係を表す１次式の傾き係数と、前記Ａと前記Ｗとの比Ｗ／Ａとの指数関数関係に基づいて、前記アース導体の外形の一辺の長さＷを決定するステップと、
を含む平面アンテナの設計方法。
前記誘電体基板は、車両の窓ガラスであり、前記放射素子およびアース導体は、前記窓ガラスの内側面に形成されている、請求項４に記載の平面アンテナの設計方法。
マイクロ波帯の円偏波を受信する、請求項４または５に記載の平面アンテナの設計方法。