JP2000244231A - マイクロストリップアンテナ及びその共振周波数の調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型で指向性利得の良いマイクロストリップア
ンテナを提供する。 【解決手段】誘電体基板６の裏面と表面に、地板７と給
電素子８を積層し、給電素子８の上方に、空隙９を介し
て無給電素子１０を対向して設ける。無給電素子１０の
中央領域に、スロット穴１１や切り込みを設ける。給電
素子８と無給電素子１０の結合により無給電素子１０上
に電流ｉが励振されると、この電流ｉはスロット穴１１
や切り込みを避けるように迂回するので電流経路が長く
なり、無給電素子１０を小型にすることができる。ま
た、バックローブが小さくなり、指向性利得の良いマイ
クロストリップアンテナを実現することができる。ま
た、スロット穴１１や切り込みの大きさと、給電素子８
の大きさを調節することで、容易に共振周波数を調節す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロストリッ
プアンテナに関し、特に、所望の特性を設定するための
自由度が高く、且つ小型化等を可能にするマイクロスト
リップアンテナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロストリップアンテナとし
て、特開平１０−１５４９０９号公報に開示されたもの
がある。この従来のマイクロストリップアンテナは、図
７（ａ）の分解斜視図及び図７（ｂ）の縦断面図に示す
ように、誘電体基板１の裏面と表面に、地導体と呼ばれ
る地板２と、放射素子と呼ばれる給電素子３が積層して
形成され、給電素子３の上方には、空隙４を介して平板
状の無給電素子５が対向して設けられている。

【０００３】給電素子３の一端に給電回路等を接続し、
給電素子３と無給電素子５との結合によって無給電素子
５に電流を励振させることにより、送信用アンテナとし
て用いられ、また、給電素子３の一端に高周波増幅器等
を接続することにより、受信アンテナとして用いられて
いる。

【０００４】かかる構造によると、無給電素子５が利得
を向上させるための導波器として作用するため、高利得
のアンテナを実現することができるとしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のマイクロストリップアンテナを共振アンテナとして
使用する場合に、無給電素子５を用いて利得の向上を図
ろうとすると、無給電素子５を小さくすることができな
いため、マイクロストリップアンテナ自体が大型になっ
てしまうという問題があった。

【０００６】例えば、衛星通信や移動体通信システム等
で用いられる通信装置に、上記従来の無給電素子５を備
えたマイクロストリップアンテナを適用するものとする
と、通信装置の小型化や携帯性の要請に伴って、地板２
を大きくすることができない。すなわち、地板２の大き
さが限られてしまう。このように地板２の大きさが限ら
れた状況の下で、アンテナ全体を小型にするために無給
電素子５を小さくすると、アンテナビームパターンのバ
ックローブが大きくなり、指向性利得（directive gai
n）が低下してしまう。このため、地板２の大きさが限
られた状況の下で、無給電素子５を小型にすることが困
難となり、実質的にマイクロストリップアンテナの小型
化が困難となっていた。

【０００７】また、衛星波等の微弱な信号を受信する場
合、小型化の要請に応じて無給電素子５を小さくする
と、上記のバックローブが大きくなるのに伴って、アン
テナの実効雑音温度が高くなってしまい、Ｃ／Ｎが低下
してしまうという問題があった。

【０００８】更にまた、アンテナの一般的な使用形態と
して、アンテナをレドーム内に収容して使用されること
が多い。この場合には、レドームの影響を受けてアンテ
ナの共振周波数が変化してしまい、所望の設計仕様に合
った周波数特性が得られなくなる場合があった。

【０００９】特に、上記の無給電素子５を備えることと
すると、無給電素子を備えない場合に較べて構成要素が
増えることになるため、レドームの影響と無給電素子５
の追加による影響及び小型化等の要請を加味しながら、
共振周波数を所望の設計仕様に合致させる必要が生じる
こととなる。このため、最適設計や微調整を行うことの
困難性が極めて高くなるという問題があった。

【００１０】このように、無給電素子５の効果を有効利
用しつつ、所望の特性を有し且つ小型化等を可能にする
マイクロストリップアンテナを実現することが大きな課
題となっていた。

【００１１】本発明は上記従来の課題に鑑みてなされた
ものであり、指向性利得等の特性の向上、設計の自由度
の向上、小型化等を実現することができるマイクロスト
リップアンテナを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、誘電体基板を介して地板と給電素子が形成
され、前記給電素子に対向する無給電素子が設けられた
マイクロストリップアンテナにおいて、前記無給電素子
に、スロット状の穴又は切り込みを形成した構造とし
た。

【００１３】かかる構造によれば、給電素子に給電する
と、給電素子と無給電素子との結合により、無給電素子
上に電流が励振されて、無給電素子から電波が放出され
る。また、この励振される電流は、スロット状の穴や切
り込みを避けるように迂回するので電流経路が長くな
り、無給電素子の小型化及び地板の小型化が実現され
る。更に、スロット状の穴や切り込みを設けると、スロ
ット状の穴や切り込みを有していない従来のマイクロス
トリップアンテナに比べて、アンテナビームパターンの
バックローブが小さくなる結果、指向性利得の良いマイ
クロストリップアンテナが実現される。スロット状の穴
や切り込みの大きさや給電素子の大きさを変えることに
より、共振周波数を容易に調節することができる。

【００１４】また、誘電体基板を介して地板と給電素子
が形成され、前記給電素子に対向する無給電素子が設け
られたマイクロストリップアンテナの共振周波数の調整
方法において、前記無給電素子に、スロット状の穴又は
切り込みを形成し、前記スロット状の穴又は切り込みの
大きさと前記給電素子の大きさのいずれか一方、又は両
者大きさを調節することとした。

【００１５】かかる調整方法によると、スロット状の穴
又は切り込みを形成し、前記スロット状の穴又は切り込
みの大きさと前記給電素子の大きさのいずれか一方、又
は両者の大きさを調節するだけで、所望の共振周波数を
容易に設定することができる。これにより、本発明のマ
イクロストリップアンテナをレドーム内に収容して使用
した場合に、レドームの影響を受けて共振周波数が変化
するような事態が生じても、簡単に目的の共振周波数に
調整することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。尚、図１は、本実施形態のマイク
ロストリップアンテナの基本構造を模式的に示す図、図
２は、指向性利得の実測値を示す特性図である。

【００１７】図１（ａ）に示す分解斜視図と図１（ｂ）
に示す縦断面図において、本マイクロストリップアンテ
ナは、誘電体基板６の裏面に金属製の薄い地板７、誘電
体基板６の表面に金属製の薄い給電素子８が積層して形
成され、給電素子８の上方に空隙９を介して無給電素子
１０が配設された構造を有している。

【００１８】無給電素子１０の中央領域には、矩形状の
スロット穴１１が形成されており、このスロット穴１１
の中心と給電素子８の中心とが位置合わせされて、給電
素子８と無給電素子１０が対向して配置されている。

【００１９】また、図示していないが、給電素子８の端
部（給電点）ＡとＢには、給電素子８と一体に成形され
た給電線や、同軸ケーブルからなる給電プローブが接続
されている。これらの給電線や給電プローブに給電回路
等を接続することにより、送信アンテナとして使用する
ことができ、また、これらの給電線や給電プローブに受
信電波を増幅するための高周波増幅回路等を接続するこ
とにより、受信アンテナとして使用することができるよ
うになっている。

【００２０】次に、かかる構造を有する本マイクロスト
リップアンテナの基本動作を図１（ｃ）を参照して説明
する。

【００２１】上記給電回路等により給電素子８に高周波
電流を供給すると、給電素子８と無給電素子１０との結
合により、無給電素子１０上に電流が励振され、無給電
素子１０から電波が放出される。ここで、図１（ｃ）に
例示するように、励振された電流ｉは、矩形状のスロッ
ト穴１１を避けるように迂回するので、その電流経路が
長くなる。また、周囲の電磁界を受けて電波を受信した
場合にも、図１（ｃ）に例示するように、励振電流ｉ
は、矩形状のスロット穴１１を避けるように迂回するの
で、その電流経路が長くなる。

【００２２】このように、本マイクロストリップアンテ
ナでは、スロット穴１１が設けられていない従来の無給
電素子（図７参照）に較べて、励振電流ｉの電流経路が
長くなるため、無給電素子１０を小型にすることができ
る。

【００２３】すなわち、図７（ａ）（ｂ）に示した従来
のマイクロストリップアンテナに設けられた無給電素子
５は、スロット穴が形成されていない面一の平板形状を
しているので、無給電素子５上に励振される電流ｉは、
図１（ｄ）に示すように直進して流れる。

【００２４】したがって、仮に、本実施形態の無給電素
子１１と従来の無給電素子５の縦横の長さ（寸法）ｅ，
ｆを等しくした場合には、本実施形態の無給電素子１１
における励振電流ｉの電流経路の方が、従来の無給電素
子５に較べて長くなる。

【００２５】この結果、小型化等の要請に伴って地板７
の大きさが制限されたマイクロストリップアンテナにあ
っては、スロット穴７によって電流経路が長くなる分、
無給電素子１１の縦横の長さｅ，ｆを小さくすることが
できるため、実質的に小型のマイクロストリップアンテ
ナを実現することができる。

【００２６】更に、図２に基づいて、本マイクロストリ
ップアンテナの指向性利得について説明する。尚、同図
において、横軸にアジマス角（θ）、縦軸に利得（ｄＢ
ｉ）が示されており、図７に示した従来のマイクロスト
リップアンテナの指向性利得が点線Ｘで、本実施形態の
マイクロストリップアンテナの指向性利得が実線Ｙで示
されている。また、従来と本実施形態のマイクロストリ
ップアンテナの特性を対比するために、スロット穴１１
の有無のみを異ならせて、他の構造は両者とも等しくし
て、指向性利得を測定した。

【００２７】図２から明らかなように、本実施形態のマ
イクロストリップアンテナでは、利得は、アジマス角θ
＝０°の主ローブでピークとなり、サイドローブ及びバ
ックローブに行くに連れてほぼ単調に減少する。このよ
うにバックローブが減少する結果、指向性利得の向上が
実現され、更に、アンテナ雑音温度の増加及びＣ／Ｎの
低下が抑制された。

【００２８】これに対し、従来のマイクロストリップア
ンテナは、アジマス角がθ＝９０°以上とθ＝−９０°
以下では、バックローブが増加する。このため、指向性
利得が低下し、更に、アンテナ雑音温度が増加し、Ｃ／
Ｎが低下する。

【００２９】このように本実施形態によれば、無給電素
子にスロット穴を設けたことで、バックローブの増加を
抑えることができ、アンテナ雑音温度の増加及びＣ／Ｎ
の低下を抑えることができる。

【００３０】尚、無給電素子１０に矩形状のスロット穴
１１を設ける場合を説明したが、図１（ａ）〜（ｃ）に
対応させて示す図３（ａ）〜（ｃ）のように、無給電素
子１０に切り込み１１’を形成してもよい。

【００３１】この構造によると、無給電素子１０に励振
される電流ｉが切り込み１１’を避けるように迂回する
ので、その電流経路が長くなる。このため、スロット穴
１１を形成した場合と同様に、無給電素子１０の小型
化、ひいては、小型のマイクロストリップアンテナを実
現することができる。更に、バックローブの増加を抑え
ることができるため、アンテナ雑音温度の増加及びＣ／
Ｎの低下を抑えることができる。

【００３２】次に、本マイクロストリップアンテナを上
記構造にしたことによって、設計の自由度等を向上させ
ることができるようになった点について、図４及び図５
を参照して説明する。

【００３３】図４は直線偏波型の方形マイクロストリッ
プアンテナ、図５は円偏波型の方形マイクロストリップ
アンテナの構造を示す図であり、図１に示した基本構造
のマイクロストリップアンテナに対応付けて示してい
る。

【００３４】図４（ａ）の平面図において、直線偏波型
のマイクロストリップアンテナの無給電素子１０は、外
側の縦と横の長さがｅ，ｆ、スロット穴１１の縦と横の
長さがａ，ｂに設定されている。また、図４（ｂ）の平
面図において、地板７の縦横の夫々の長さがｇ，ｈ、給
電素子８の縦横の夫々の長さがｃ，ｄに設定されてい
る。また、図４（ｃ）の縦断面図に示すように、誘電体
基板６と給電素子８及び無給電素子１０が、地板７に対
して対称となるように配設されている。

【００３５】また、地板７が最も大きく、無給電素子１
０、給電素子８の順に小さな形状となっており、更に、
給電素子８がスロット穴１１よりも大きくなっている。

【００３６】また、給電点Ａは、給電素子８の中心Ｑを
通り互いに直交する縦方向（ｙ方向）と横方向（ｘ方
向）の仮想中心線上に設けられており、給電点Ａには、
水平偏波で共振している共振周波数ｆ_H、給電点Ｂに
は、垂直偏波で共振している共振周波数ｆ_Vが生じる。

【００３７】ここで、上記の共振周波数ｆ_Hとｆ_Vは、ス
ロット穴１１と給電素子８の寸法ａ，ｂ，ｃ，ｄに依存
して決まる。具体例を列記すると、図６に示すような関
係が得られる。例えば、スロット穴１１と給電素子８を
共に正方形にした場合、すなわち、ａ＝ｂ、ｃ＝ｄにす
ると、共振周波数ｆ_Hとｆ_Vは、ｆ_H＝ｆ_Vとなる。

【００３８】スロット穴１１を長方形にし、給電素子８
を正方形にした場合、すなわち、ａ＞ｂ、ｃ＝ｄにする
と、共振周波数ｆ_Hとｆ_Vは、ｆ_H＞ｆ_Vとなる。また、ａ
＜ｂ、ｃ＝ｄにすると、共振周波数ｆ_Hとｆ_Vは、ｆ_H＜
ｆ_Vとなる。

【００３９】また、図６に示したのは一例であり、スロ
ット穴１１と給電素子８の夫々の寸法ａ，ｂ，ｃ，ｄを
変化させると、共振周波数ｆ_Hとｆ_Vの大小関係と共振周
波数の値を調節することができる。

【００４０】したがって、無給電素子１０にスロット穴
１１を形成し、このスロット穴１１と給電素子８の寸法
ａ，ｂ，ｃ，ｄを調整すると、共振周波数ｆ_Hとｆ_Vを設
計仕様等で設定された所望の値に微調整することができ
る。特に、レドーム内に本マイクロストリップアンテナ
を収容し、レドームの影響を受けて共振周波数ｆ_Hとｆ_V
が変化した場合に、スロット穴１１と給電素子８の寸法
ａ，ｂ，ｃ，ｄを調整するだけで、共振周波数ｆ_Hとｆ_V
を目的に合った所望の共振周波数に微調整することがで
きる等、設計の自由度を大幅に向上させることができ
る。

【００４１】次に、図５に基づいて、円偏波型のマイク
ロストリップアンテナの構造と特徴点を説明する。

【００４２】図５（ａ）の平面図において、円偏波型の
マイクロストリップアンテナの無給電素子１０は、外側
の縦と横の長さがｅ，ｆ、スロット穴１１の縦と横の長
さがａ，ｂに設定される他、対角線方向に対して、同形
状の切欠部（摂動部）１０ａ，１０ｂが形成されてい
る。また、図５（ｂ）の平面図において、地板７の縦横
の夫々の長さがｇ，ｈ、給電素子８の縦横の夫々の長さ
がｃ，ｄに設定される他、対角線方向に対して、同形状
の切欠部（摂動部）８ａ，８ｂが形成されている。

【００４３】そして、図５（ｃ）の縦断面図に示すよう
に、誘電体基板６と給電素子８及び無給電素子１０が地
板７に対して対称となるように配設されると共に、地板
７が最も大きく、無給電素子１０、給電素子８の順に小
さな形状となっており、更に、給電素子８がスロット穴
１１よりも大きくなっている。

【００４４】また、給電点Ａは、給電素子８の中心Ｑを
通り互いに直交する縦方向（ｙ方向）と横方向（ｘ方
向）の仮想中心線上に設けられており、給電点Ａには、
水平偏波で共振している共振周波数ｆ_H、給電点Ｂに
は、垂直偏波で共振している共振周波数ｆ_Vが生じる。

【００４５】このように、切欠部１０ａ，１０ｂ，８
ａ，８ｂを形成し、給電点Ａ，Ｂに対する無給電素子１
１と給電素子８の形状を非対象にすると、円偏波を励振
することがができる。そして、スロット穴１１と給電素
子８の夫々の寸法ａ，ｂ，ｃ，ｄを変化させると、図６
に示したのと同様に、共振周波数ｆ_Hとｆ_Vの大小関係と
共振周波数の値を変化させることができる。

【００４６】したがって、レドーム内に本マイクロスト
リップアンテナを収容し、レドームの影響を受けて共振
周波数ｆ_Hとｆ_Vが変化した場合に、スロット穴１１と給
電素子８の形状を調整するだけで、共振周波数ｆ_Hとｆ_V
を目的に合った所望の周波数に微調整することができる
等、設計の自由度を大幅に向上させることができる。

【００４７】尚、図５（ａ）〜（ｃ）に示した円偏波型
のマイクロストリップアンテナにおいて、スロット穴１
１の縦横寸法ａ，ｂを夫々３０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲
内、無給電素子１０の外形寸法ｅ，ｆを夫々７１ｍｍ、
給電素子８の外形寸法ｃ，ｄを夫々６０ｍｍ、地板７の
外形寸法ｇ，ｈを夫々１００ｍｍ、誘電体基板６の厚み
を約３ｍｍ、地板７と無給電素子１０との隙間９の間隔
を約１２ｍｍに設定し、誘電体基板６をガラスエポキ
シ、テフロングラス、セラミックス等の比誘電率εrが
２〜３の誘電体材料によって形成すると、無線設備規則
に準拠する移動体通信システムにおける１．５ＧＨｚ帯
（Ｌバンド帯）に適用して好適な円偏波型方形マイクロ
ストリップアンテナを実現することができる。

【００４８】特に、スロット穴１１を設けない場合に
は、同等の特性を有するマイクロストリップアンテナを
実現するのに、無給電素子１０の外形寸法ｅ，ｆを夫々
９０ｍｍ程度にする必要があるのに対し、本実施形態に
よれば、無給電素子１０の外形寸法ｅ，ｆを夫々７１ｍ
ｍ程度にすることができる結果、小型の円偏波型方形マ
イクロストリップアンテナを実現することができる。

【００４９】このように、本実施形態によれば、無給電
素子１０にスロット穴１１を形成したので、直線偏波型
と円偏波型とのいずれの場合にも小型のマイクロストリ
ップアンテナを実現することができ、更に、スロット穴
１１と給電素子８の寸法形状を調節するだけで、所望の
共振周波数を容易に設定することができることから、設
計の自由度を大幅に向上させることができる。

【００５０】尚、図３に示した無給電素子１０に切り込
み１１’を形成したマイクロストリップアンテナにおい
ても、切り込み１１’の寸法と給電素子８の寸法を調節
することによって、所望の共振周波数を容易に設定する
ことができる。

【００５１】また、方形マイクロストリップアンテナに
ついて説明したが、誘電体基板６とと給電素子８及び無
給電素子１０を円形にすることで、円形マイクロストリ
ップアンテナを実現することができ、この場合にも、円
形の無給電素子にスロット穴を形成することで、小型化
と、指向性利得の向上及び設計の自由度の向上を図るこ
とができる。

【００５２】また、スロット穴１１と切り込み１１’の
形状や、切欠部８ａ，８ｂ，１０ａ，１０ｂの形状を他
の形状にしてもよい。要は、無給電素子１０に適宜の形
状のスロット穴１１や切り込み１１’を設けることによ
り、小型で指向性利得、設計の自由度の向上を図ること
ができる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、無
給電素子にスロット状の穴又は切り込みを設けたので、
無給電素子上を流れる電流の電流経路を長くすることが
できる。このため、地板の大きさに制限があるマイクロ
ストリップアンテナにおいて、無給電素子の小型化が可
能となり、その結果、実質的に小型のマイクロストリッ
プアンテナを実現することができる。

【００５４】更に、このように無給電素子にスロット穴
等を形成すると、アンテナビームパターンのバックロー
ブを小さくすることができる結果、指向性利得の良いマ
イクロストリップアンテナを実現することができる。

【００５５】更に、上記スロット穴の寸法と給電素子の
寸法を調節すると、共振周波数を容易に微調整等するこ
とができるため、レドームの影響を受けて共振周波数が
変化した場合に、スロット穴等や給電素子の寸法を調節
するだけで、共振周波数を目的に合った所望の共振周波
数に微調整することができる等、設計の自由度を大幅に
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態のマイクロストリップアンテナの基
本構造を示す図である。

【図２】本実施形態のマイクロストリップアンテナの特
性を示す特性図である。

【図３】本実施形態のマイクロストリップアンテナの変
形例の基本構造を示す図である。

【図４】本実施形態の直線偏波型マイクロストリップア
ンテナの構造を示す平面図及び縦断面図である。

【図５】本実施形態の円偏波型マイクロストリップアン
テナの構造を示す平面図及び縦断面図である。

【図６】直線偏波型と円偏波型のマイクロストリップア
ンテナの特性を示す説明図である。

【図７】従来のマイクロストリップアンテナの構造を示
す説明図である。

【符号の説明】

６…誘電体素子 ７…地板 ８…給電素子 ９…空隙 １０…無給電素子 １１…スロット穴 １１’…切り込み ８ａ，８ｂ，１０ａ，１０ｂ…切欠部 Ｈ，Ｖ…給電点

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体基板を介して地板と給電素子が形
   成され、前記給電素子に対向する無給電素子が設けられ
   たマイクロストリップアンテナにおいて、 前記無給電素子に、スロット状の穴又は切り込みが形成
   されていることを特徴とするマイクロストリップアンテ
   ナ。
2. 【請求項２】 前記地板は、前記給給電素子及び前記無
   給電素子より大きく、前記無給電素子は、前記給電素子
   より大きく、前記給電素子は、前記スロット状の穴又は
   切り込みより大きな形状に設定されていることを特徴と
   する請求項１に記載のマイクロストリップアンテナ。
3. 【請求項３】 前記誘電体基板、地板、給電素子、無給
   電素子及びスロット状の穴又は切り込みは、いずれも矩
   形状であり、 前記誘電体基板の比誘電率が２ないし３の範囲内の値に
   設定され、前記地板の縦横寸法が共に１００ｍｍ程度、
   前記給電素子の縦横寸法が共に６０ｍｍ程度、前記無給
   電素子の外形の縦横寸法が共に７１ｍｍ程度、前記スロ
   ット状の穴又は切り込みの縦横寸法が夫々３０ｍｍない
   し４０ｍｍの範囲内に設定され、更に、前記誘電体基板
   の厚みが３ｍｍ程度、前記地板と前記無給電素子との対
   向間隔が１２ｍｍ程度に設定されていることを特徴とす
   る請求項１又は２に記載のマイクロストリップアンテ
   ナ。
4. 【請求項４】 前記マイクロストリップアンテナは、直
   線偏波型又は円偏波型のマイクロストリップアンテナで
   あることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記
   載のマイクロストリップアンテナ。
5. 【請求項５】 誘電体基板を介して地板と給電素子が形
   成され、前記給電素子に対向する無給電素子が設けられ
   たマイクロストリップアンテナの共振周波数の調整方法
   において、 前記無給電素子に、スロット状の穴又は切り込みを形成
   し、 前記スロット状の穴又は切り込みの大きさと前記給電素
   子の大きさのいずれか一方、又は両者の大きさを調節す
   ることを特徴とするマイクロストリップアンテナの共振
   周波数の調整方法。