技術 平面アンテナ

0001

本発明は、衛星放送受信用や衛星通信用のアンテナ、あるいは一般の通信用やレーダ等に使用されるアンテナ、また移動通信用の広角指向性を有する単一素子のアンテナ等としても使用される平面アンテナに関する。

0002

例えばマイクロストリップ放射素子（ＭＳＡ放射素子）を複数個使用した平面アンテナの場合、該放射素子は、給電線路に不要伝搬モードが発生しないよう、厚さの制限された基板上に配設されるのが一般的である。しかしながら、この場合、上記放射素子単体における放射帯域が狭くなるため、用途範囲が或る程度限定されるという問題点を有していた。

0003

そこで、従来の平面アンテナを広帯域化する手段としては、無給電放射パッチ素子をＭＳＡ放射素子の上部に配置結合したり、給電線に広帯域化整合回路を付加したりする方法があるが、このような従来の広帯域化手段を用いると、アンテナ装置の構成が複雑となり、設計もやっかいとなる欠点があった。

0004

一方、従来実用されている平面アンテナの構造としては、アンテナ素子保護のため外側にカバーがあり、該カバーと放射素子との間には、発泡誘電体の層を配設している。

0005

ここで、上記アンテナカバーの電気的特性としては、実験段階において、上記発泡誘電体の厚さを調整し、誘電体カバーの付加によるアンテナ利得の損失を最小にしている。また、このような従来の誘電体カバーまたはレドームの設計手法としては、誘電体層を薄くしたり、その誘電率の小さいものを使用するか、あるいは誘電体層の厚さを２分の１実効波長にしている。

0006

この場合、上記誘電体層の厚さを２分の１実効波長にすると、該誘電体層には、通過する電磁波に対する厚さ方向の共振が生じ、電波透過し易い周波数が得られると共に、上記誘電体層の表裏両面からの反射波が電波の入射方向に対し相殺されることになる。なお、上記誘電体層の厚さを多少調節し、アンテナ系に残留した不整合を補正することもある。

0007

また、従来、指向性を変化させる目的で試作されたアンテナでは、ＭＳＡ放射素子の上部に特別に誘電体材料を付加する手段も試みられており、これによって、利得が多少増加できることが知られている。

0008

すなわち、上記従来の平面アンテナでは、簡単な構成の広帯域化手段がなく、また、耐久性及び特性向上のため、様々な方法で誘電体材料が利用されているが、その何れにおいても、該誘電体材料を効果的な広帯域化手段として利用することができない問題があった。

0009

また、従来の平面アンテナにおけるＭＳＡ放射素子は、開放端から見た放射抵抗が２００オーム程度あり、一般的な給電線路の特性インピーダンス（数１０オーム）より大きいため、両者間の接続にインピーダンス変換手段を必要とする等、整合性が悪いという問題点を有していた。

0010

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、放射素子の放射帯域を比較的簡単且つ経済的な構成で広帯域化できると共に、上記放射素子と給電線との整合性を改善することが可能になる平面アンテナを提供することを目的とする。

0011

すなわち、本発明に係わる平面アンテナにおいて、まず、ＭＳＡ放射素子の動作について考察すると、励振時ＭＳＡ放射素子は共振回路として振舞うため、放射素子の励振電磁エネルギはその大部分が閉じ込められ、一部だけが自由空間に放射される。この放射素子を等価回路的にみると、エネルギを放射させる放射コンダクタンス成分（放射抵抗の逆数）とエネルギを蓄積するサセプタンス成分からなり、後者のサセプタンス成分を前者のコンダクタンス成分で割ったアンテナＱ値は、通常２０〜３０程度になる。そして、アンテナの放射帯域幅は上記Ｑ値に反比例する。

0012

次に、ＭＳＡ放射素子による電磁放射について考察すると、放射コンダクタンス成分の大きさは、該ＭＳＡ放射素子に流れる電流の自乗に比例し、自由空間のインピーダンスに比例する。

0013

そこで、ＭＳＡに４分の１実効波長厚のインピーダンス変換用誘電体層を複数層設け、外側に高誘電率の誘電体層、内側に低誘電率層または空気層を配することによって放射素子から外側を見た空間の入力インピーダンスを高インピーダンス化して放射電力を増加させるのである。上記配置は、外側の高誘電率層によって一旦低インピーダンス化させ、次に内側の低誘電率層でインピーダンスを反転させる操作となり、目的を達成することができる。

0014

このようにすると、誘電体層のインピーダンス変換作用が最大になり、放射素子からみた見かけの自由空間インピーダンスは、材料の比誘電率の倍数だけ大きくなり、放射コンダクタンスをその割合で増加させることができる。これは自由空間側の高インピーダンス化によって、励振されたＭＳＡ電流から空間へ放出される電力が増大するものと解釈できる。

0015

また、上記の動作条件では、誘電体層単独で見ると、入射波に対する誘電体層の表裏両面からの反射波は加算されて増大し、電磁波が最も通りにくい、厚さ方向の反共振点である。これは、従来のレドーム設計の概念と比較して対照的である。

0016

しかしながら、本発明の平面アンテナでは、上記入射波に対する反射波を、アンテナ素子単独での反射波と組合わせて相殺させるので、全体としての反射損失はなく、もともとリアクティブな反射であるので通過損失も無視できるほど小さく、目的の広帯域化が達成できる。

0017

なお、上記誘電体層の付加手段を用いると、一方でＭＳＡ放射素子にキャパシタンスとして蓄えられるエネルギも多少増加させることになるが、その増加量は比較的少ない。これはＭＳＡ放射素子のキャパシタンスは主として接地導体とＭＳＡ放射素子導体間の誘電体で作られているためである。従って、前記サセプタンス成分を放射コンダクタンス成分で割って得られるアンテナＱ値は、インピーダンス変換層となる上記誘電体層の比誘電率のファクタに近い割合で低下でき、結局目的の広帯域化が達成できることになる。

0018

また、上記伝搬電磁波の４分の１実効波長の厚みを有する誘電体層を付加する手段によって、従来問題であったＭＳＡ放射素子の過大な放射抵抗値を減少させて適正化でき、給電線特性インピーダンスとの整合性も同時に改善することができる。

0019

そして、本発明のアンテナ装置では、例えば比誘電率の値が２の誘電体材料を用いることにより、約２倍近い広帯域化が可能であり、誘電体材料の選択によってさらに広帯域化することもできる。

0020

すなわち、本発明の平面アンテナでは、ＭＳＡ放射素子の上部に配置する誘電体層を積極的にインピーダンス変換に利用するため、その誘電体材料は非発泡または低発泡率の材料、ないしはそれらを複合した材料を使用し、一層当りの厚さを全体として４分の１実効波長に選定する。

0021

この場合、上記設計条件の厚さの誘電体層を用いたときは、従来の誘電体装荷の条件とは異なり、誘電体層の有無によって元の放射素子の呈する放射コンダクタンスの値の変化は最大になる。従って、本平面アンテナにおける給電回路は、誘電体付加により増大された放射コンダクタンスに対し整合が取れるよう設計する。

0022

一方、上記放射素子がスロットや他の形式の場合においても、該放射素子と自由空間の間に４分の１実効波長の誘電体層を複数層介在させることにより、見かけ上の自由空間インピーダンスは最大値に変換され、前記同様の原理により広帯域化を実現できる。

0023

以下図面により本発明の一実施例について説明する。図１はＭＳＡ単一パッチ同軸給電型の平面アンテナの構成を示す断面図である。接地導体板１の上部には誘電体２を介して間隔が設定され一個の円盤状導体板３が配置されてＭＳＡ（マイクロストリップアンテナ）４が構成される。

0024

上記円盤導体板３は、その共振周波数が動作周波数に一致する寸法に選定され、励振用の給電線５との接続点が整合点に設定されるもので、この給電線５に対応して同軸接栓６が接続される。上記ＭＳＡ４の上部には厚さが４分の１実効波長に設定されたインピーダンス変換用樹脂誘電体層７及び７′が積層して取付けられる。ここで、上記誘電体層７，７′の比誘電率εriと厚さｄi (i=1,2) との関係は、
ｄ1 ＝λg1／４，ｄ2 ＝λg2／４
ここに、λgi＝λ0 ／RT（εri）、RT（）は平方根の掛かる範囲、ただし、λ0 ：自由空間波長、に設定される。

0025

一方、外側が自由空間になっているＭＳＡ４の放射コンダクタンスＧは、ＭＳＡ４の開放端に単位電圧を加えたとき該ＭＳＡ４から自由空間に放射される電力として定義され、一般に、
Ｇ＝ｋ・η・Ｉ2 ：（ｋは定数）
なる関係式が成立することが知られている。ここで、ＩはＭＳＡ４に流れる電流の最大振幅である。また、ηは自由空間の波動インピーダンスである。

0026

そこで、本実施例では、上式のηを実効的に大きくするために、円盤導体３の上に夫々４分の１実効波長のインピーダンス変換用樹脂誘電体層７，７′を積層する。

0027

すなわち、本実施例におけるＭＳＡ４の場合、誘電体層７，７′に平行な電界を有し、その厚さ方向に伝搬する電磁波に対し、ＭＳＡ４から外側をみた空間の入力インピーダンスＺeff は、特性インピーダンスが夫々Ｚ01，Ｚ02の４分の１波長の２段の線路で構成したインピーダンス変換器の作用と同じ原理であり、
Ｚeff ＝Ｚ022 ／（Ｚ012 ／η）＝η（εr1／εr2）
＝εr ・η
となる。
ここで、Ｚ01＝η／RT（εr1）：外側誘電体媒質の特性インピーダンス
Ｚ02＝η／RT（εr2）＝約η：内側誘電体媒質の特性インピーダンス
η＝120 π：自由空間の波動インピーダンス

0028

であり、自由空間インピーダンスがεr 倍に増加され、結局、本実施例構成によるＭＳＡ４の放射コンダクタンスＧは前記誘電体層７が積層されない場合のεr倍に増大される。したがって、ＭＳＡ放射素子のＱ値はその割合で低下され、広帯域な放射特性が得られる。

0029

なお、図１における本実施例では、誘電体層７，７′をＭＳＡ放射素子４に密着させて構成したが、誘電体層７とＭＳＡ放射素子４との間に発泡率の高い低誘電率材料を介在させるか、または、２分の１実効波長の間隔を空けるよう構成しても、略同様の効果が得られる。

0030

この場合、平面アンテナとしての厚み方向の寸法は多少大きくなるが、放射素子４近傍の強い誘導電磁界が誘電体層７に直接作用しないので、放射素子４の共振周波数の変化や、放射素子４に蓄積されるエネルギの増加が最小になるという利点が得られる。

0031

また、本実施例では、４分の１実効波長の誘電体層７を２層で使用したが、これを多層で用い、一般的なマイクロ波回路の多段のインピーダンス変換技術と同様な段階的な変換方法で、さらに、広帯域化することもできる。この場合、特に、高比誘電率のセラミック材料と中比誘電率の樹脂誘電体材料とを組合わせて適用すると効果的である。図２は複数の放射素子を有する共平面型円偏波平面アンテナの構成を示す断面図である。

0032

この図２における実施例の平面アンテナでは、接地導体１上に、絶縁基板誘電体２で間隔を設けて配設された、ＭＳＡ放射素子８，９がマイクロストリップ給電線路１０により励振され、空間インピーダンス変換用誘電体層７，７′は、上記ＭＳＡ放射素子８，９及びマイクロストリップ給電線路１０をカバーするように配置される。この場合、上記誘電体層７，７′の作用効果は、前記図１における実施例で示した平面アンテナの場合と同様である。図３は上記共平面型円偏波平面アンテナにおけるＭＳＡ放射素子の配置構成を示す平面図である。

0033

この平面アンテナの給電放射素子部１１は、接地導体１と基板誘電体２で間隔を隔てられた片側の同一平面上において、マイクロストリップアンテナ１２，１３，１４，１５と分岐給電線１６とで構成される。

0034

分岐給電線１６の末端の各放射素子１２，１３，１４，１５に対する分岐回路１７，１８は、２分の１波長折返し線路つき２分岐回路であり、 180度回転配置した一対の円偏波素子を対称性よく励振する方式（特願平２ー９７７１１号「平面アンテナ」、特公平３ー２９７２０７号）を採用している。

0035

上記ＭＳＡ放射素子１３の形式は、いわゆる一点給電円偏波発生方式のパッチであり、一対の切欠きセグメント１９，２０を設けて、互いに直交するモードの共振周波数を異ならせ、９０度の位相差をつけて励振するよう構成される。

0036

この場合、各ＭＳＡ放射素子１２，１３，１４，１５への給電は、そのパッチの外周部から施されるが、上記誘電体層７の作用により放射コンダクタンスＧが適度に増加でき、平面アンテナの低Ｑ化と同時に、マイクロストリップ給電線路１０との整合性が改善され、円偏波特性と整合性を共に広帯域化できる特長がある。

0037

図４は給電線部誘電体層変形型の平面アンテナの構成を示す断面図であり、全体の構成は前記実施例と略同様であるが、インピーダンス変換用誘電体層７を変形することにより、放射素子８，９上では見かけの空間インピーダンスを高くして放射電力を増やし、給電線路１０上では空間インピーダンスを低くして放射損失を抑える構造とする。この場合、誘電体カバー２１は誘電体層７，７′と共に複合誘電体層を形成し、該複合誘電体層の全体で４分の１実効波長の厚みに設定される。

0038

また、この平面アンテナにおける給電線路１０の上部は、誘電体層の一部を取り除いた構造としてもよい。これにより、給電線路１０から見た自由空間インピーダンスは、低インピーダンスとなって不要放射が抑制され、平面アンテナの高効率，高性能化が図られる。

0039

なお、この図４における実施例のように、外側の誘電体カバー２１の材質を内部保護のため硬質、内部の誘電体層７′を軟質にすれば、各放射素子８，９との密着性が良くなり、特性の安定化が図られる。図５はスロット電磁結合によるトリプレート型給電方式の平面アンテナの構成を示す断面図である。

0040

下部の接地導体１と、開口放射素子２４，２５を設けた接地導体２３と、絶縁誘電体２，２２を挟んで励振パッチ８，９が配置され、これらをストリップ給電線路１０，１０′により励振する形式でトリプレート型給電方式の平面アンテナが構成される。

0041

そして、誘電体層７，７′と誘電体カバー２１による作用は前記各実施例と同様であり、これにより、開口放射素子２４，２５の放射特性は広帯域化される。この場合、励振パッチ（放射素子）８，９と給電線路１０，１０′は同一のフィルム基板上に構成する方法を用いることができる。図６は導波管給電スロット放射素子方式の平面アンテナの構成を示す断面図である。

0042

この平面アンテナでは、導波管２６の上面にスロット放射素子２７，２８，２９が設けられ、該スロット放射素子２７，２８，２９は上記導波管２６を伝搬する進行波によって励振される。

0043

そして、厚さが４分の１実効波長となる誘電体層７，７′と誘電体カバー２１によって、各スロット放射素子２７，２８，２９が放射し易くなる結果、導波管２６との結合が容易で且つ広帯域化が図れることになる。

0044

なお、この図６における実施例の平面アンテナの給電線路として、導波管２６の代わりにラジアルライン導波路を用いた場合でも、上記同様の効果が得られるようになる。

0045

したがって、上記構成の平面アンテナによれば、ＭＳＡ放射素子３の上部に厚さが４分の１実効波長の誘電体層７，７′を積層して設ける簡単な構造により、該放射素子３のＱ値が小さくなり、給電線路５との整合の広帯域化が図られ、円偏波放射素子の場合には、円偏波特性を表す軸比の広帯域化が達成される。

0046

さらに、ＭＳＡ（クロストリップアンテナ）放射素子８，９の場合、給電線１０の上部における誘電体層７，７′に切り欠き部を設けることにより、給電線１０からの不要放射が抑えられ、放射素子８，９部からの放射特性が選択的に強化されアンテナ効率が高められる。

0047

よって、各種構成の平面アンテナが広帯域化高性能化でき、例えば移動通信の送受信用アンテナとして動作させたい場合等に要求される１０％程度、または、それ以上の広帯域動作にも対応できるようになる。

0048

尚、上記各実施例では、放射素子３あるいは８，９の上に、複数層のインピーダンス変換用誘電体層７，７′を積層して設ける構成としたが、上記放射素子３あるいは８，９から伝搬される電磁波の４分の１実効波長に等しい厚みのインピーダンス変換用誘電体層７を一層のみ設ける構成とすれば、上記放射素子３あるいは８，９から見た空間の入力インピーダンスは低インピーダンス化され、アンテナ特性は高帯域化される。

0049

以上のように本発明によれば、接地導体面の上方に間隔を設けて配置された少なくとも一個の放射素子と、この放射素子を励振する給電回路とを有するもので、前記放射素子の上に複数層のインピーダンス変換用誘電体層を設け、その一層の誘電体層の厚さを、その厚さ方向に前記放射素子から伝搬される電磁波の４分の１実効波長に等しく設定し、前記放射素子から外側を見た空間の入力インピーダンスを高インピーダンス化し、アンテナ特性を広帯域化する構成としたので、放射素子の放射帯域を比較的簡単且つ経済的な構成で広帯域化できると共に、上記放射素子と給電線との整合性を改善することが可能になる。

0050

図１本発明の一実施例に係わるＭＳＡ単一パッチ同軸給電型の平面アンテナの構成を示す断面図。
図２複数の放射素子を有する共平面型円偏波平面アンテナの構成を示す断面図。
図３上記共平面型円偏波平面アンテナにおけるＭＳＡ放射素子の配置構成を示す平面図。
図４給電線部誘電体層変形型の平面アンテナの構成を示す断面図。
図５スロット電磁結合によるトリプレート型給電方式の平面アンテナの構成を示す断面図。
図６導波管給電スロット放射素子方式の平面アンテナの構成を示す断面図。

0051

１，２３…接地導体（板）、２，２２…絶縁誘電体、３，８，９…ＭＳＡ放射素子、４…ＭＳＡ（マイクロストリップアンテナ）、５…給電線、６…同軸接栓、７…高誘電率誘電体層、７′…低誘電率誘電体層、１０…マイクロストリップ給電線路、１１…給電放射素子部、１２，１３，１４，１５…マイクロストリップアンテナ、１６…分岐給電線、１７，１８…分岐回路、１９，２０…切欠きセグメント、２１…誘電体カバー、２４，２５…開口放射素子、２６…導波管、２７，２８，２９…スロット放射素子。