JP3026171B2 - アンテナ装置 - Google Patents

アンテナ装置

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JP3026171B2
JP3026171B2 JP9059954A JP5995497A JP3026171B2 JP 3026171 B2 JP3026171 B2 JP 3026171B2 JP 9059954 A JP9059954 A JP 9059954A JP 5995497 A JP5995497 A JP 5995497A JP 3026171 B2 JP3026171 B2 JP 3026171B2
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正人 田中
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高利得で指向性や
ビーム幅を自在に設計でき、しかもアレー状アンテナの
素子に最適なアンテナ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、マイクロ波やミリ波用のアンテナ
装置として、図17に示すホーンアンテナ10及び図1
8に示すマイクロストリップアンテナが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
ホーンアンテナ10では寸法が大きく、重量があり奥行
きが長い。しかもアンテナの入出力端が導波管であり、
後段が同軸系の場合は同軸/導波管変換器11が必要で
あるという問題を有していた。
【0004】また、後者のマイクロストリップアンテナ
では、ビーム幅や利得を変えるには使用する基板1の誘
電率や厚さを変える必要があるが、高利得・狭ビーム幅
を得るには、基板1の誘電率を低く、厚さを厚くする必
要がある。しかし、このような基板の場合、不要な高次
モードが励振され、アンテナパターンに非対称性を生じ
るという問題を有していた。
【0005】本発明は、上記した問題点を克服し、高利
得・狭ビーム幅のアンテナ装置を得ることを目的として
いる。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は上記に鑑みて提
案されたものであり、基板上に形成されたマイクロスト
リップアンテナ素子の周囲に、導電性部材からなるほゞ
円筒状の部材を配設すると共に、上記マイクロストリッ
プアンテナ素子のグラウンド板に上記ほゞ円筒状の部材
を接地したアンテナ装置を提供するものである。
【0007】本発明は、上記基板がハニカム状の素材か
らなるアンテナ装置を提供するものである。
【0008】本発明は、上記マイクロストリップアンテ
ナ素子の放射面前方に無給電素子を配設したアンテナ装
置を提供するものである。
【0009】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の具体的な構成を
図面に従い説明する。本発明のアンテナ装置は図1に示
すように基板1と基板1上に形成されたマイクロストリ
ップパッチ2と基板1の裏面に配設されたグラウンド板
3とからなるマイクロストリップアンテナの周りに金属
でできたシリンダ(例えば薄い銅板を使用した円筒状の
もの)4を取り付けた構造とした。尚、シリンダ4はマ
イクロストリップアンテナのグラウンド板3に接地され
ている。
【0010】
【実施例】本発明の第1実施例として比誘電率が2.1
7、厚さ1.6mmの基板1を使用したマイクロストリ
ップアンテナにシリンダ4を取り付けたシリンダ付きマ
イクロストリップアンテナを試作した。尚、本アンテナ
の構造は図1に示すとおりである。
【0011】試作したアンテナの動作周波数は2.5G
Hzである。また、偏波は直線偏波である。アンテナへ
の給電は背面から1点で給電している。マイクロストリ
ップパッチ2の直径は46mmである。シリンダ4は
0.3mm厚の銅板で作製した。なお、シリンダ4の直
径は116mm(約1波長)とした。
【0012】図2にシリンダ4の高さを80mmまで変
えたときのE面とH面のビーム幅の変化を示す。この図
から、シリンダ4の高さが40mm(約3分の1波長)
のときにビーム幅が一番狭くなっていることがわかる。
更に、40mmより更に高くしてもビーム幅は狭くはな
らず、むしろ広くなることがわかった。
【0013】図3にシリンダ4の高さを変えたときの利
得の変化を示す。利得についてもシリンダ4の高さが4
0〜50mm(約3分の1波長)のときに利得が一番高
くなっていることがわかる。また、40〜50mmより
更に高くしても利得は高くはならず、むしろ低くなるこ
とがわかった。
【0014】図4にシリンダ4がない場合、シリンダ4
の高さが40mmの場合、シリンダ4の高さが70mm
の場合のH面のアンテナパターンを示す。
【0015】図5と図6にシリンダ径を変えたときのビ
ーム幅と利得の変化を示す。図5の縦軸のビーム幅は、
各シリンダ径においてシリンダ4の高さを変えてビーム
幅が最小となったときのその最小ビーム幅であり、測定
面はH面である。
【0016】また、図6の縦軸の利得は、各シリンダ径
においてシリンダ4の高さを変えて利得が最大となった
ときのその最大利得である。これらの図から、シリンダ
径を大きくするとビーム幅が狭くなり、利得が高くなる
ことがわかる。
【0017】図7にシリンダ径が90mm、120m
m、150 mmのときのH面のアンテナパターンを示
す。
【0018】図8にシリンダ付きマイクロストリップア
ンテナを2素子配列したときの素子間相互結合量S21
測定結果を示す。比較のためにシリンダ4のないマイク
ロストリップアンテナを用いた場合の相互結合の測定結
果も示す。尚、シリンダ付きマイクロストリップアンテ
ナはシリンダの直径を114mm、シリンダ4の高さを
45mmとした。また、素子間隔は120mmであり、
素子の偏波方向は図8に示すとおりである。更に、シリ
ンダ4のないマイクロストリップアンテナの直径は11
6mmで素子間隔は120mmである。
【0019】シリンダ付きマイクロストリップアンテナ
の素子間相相互結合量S21は−35dB以下であり、シ
リンダ4のない通常のマイクロストリップアンテナの場
合に比べて相互結合は小さいことがわかる。
【0020】本発明の第2実施例としてシリンダ付きマ
イクロストリップアンテナの広帯域化を検討する目的
で、ハニカム基板1aに形成したマイクロストリップア
ンテナを用いたシリンダ付きマイクロストリップアンテ
ナを試作した。
【0021】ハニカム基板1aに形成したマイクロスト
リップアンテナの偏波を円偏波としており、広帯域化と
同時に円偏波マイクロストリップアンテナへの適用性に
ついても検討した。
【0022】図9に供試アンテナの構造を示す。本実施
例のアンテナの動作周波数は2.5GHz、偏波は2点
給電による円偏波である。アンテナ部は、マイクロスト
リップパッチ2の直径が60mmで、比誘電率1.2
4、厚さ5mmのハニカム基板1aを用いている。尚、
シリンダ4は0.2mmの銅板で作製した。
【0023】シリンダ4の直径は約1波長の114mm
とし、かつシリンダ4はマイクロストリップアンテナの
グラウンド板3に接地されている。尚、シリンダ4の高
さはビーム幅が最小となる45mmとした。
【0024】図10、11にシリンダ付きハニカム基板
マイクロストリップアンテナの利得、軸比の周波数特性
の測定値を示す。比較のためにテフロン基板(比誘電率
2.17、厚さ1.6mm)1を用いたシリンダ付きマ
イクロストリップアンテナの測定値も示している。シリ
ンダ付きテフロン基板アンテナのシリンダ径はシリンダ
付きハニカム基板アンテナと同じ114mmにしてあ
り、偏波はシリンダ付きハニカム基板マイクロストリッ
プアンテナと同じで2点給電による円偏波である。尚、
シリンダ4の高さはやはりビーム幅が最小で利得が最大
となるとなる値(45mm)にしてある。
【0025】図10の利得は円偏波の利得であり、測定
値には2点給電による円偏波発生用ハイブリット回路の
損失が含まれている。図10から利得に関してはシリン
ダ付きハニカム基板マイクロストリップアンテナのほう
が広帯域であることがわかる。
【0026】また、図11から2.4GHzから2.6
GHzまでは軸比5dB以下の円偏波となっている。
尚、軸比に関してはシリンダ付きテフロン基板アンテナ
に比べてシリンダ付きハニカム基板マイクロストリップ
アンテナのほうが劣っていることがわかる。
【0027】これは、シリンダ4がない場合でも同じよ
うな傾向があり、ハニカム基板1aを用いたマイクロス
トリップアンテナ自体の問題である。すなわち、基板厚
が厚いハニカム基板1aでは不要な高次モードが発生し
て2つの給電ピン間にカップリング(ピン間相互結合)
が生じるためである。
【0028】第3実施例では第2実施例と同様にシリン
ダ付きマイクロストリップアンテナの広帯域化と円偏波
マイクロストリップアンテナへの適用性を検討する目的
で、無給電素子8を装荷したマイクロストリップアンテ
ナを用いたシリンダ付きマイクロストリップアンテナを
試作した。
【0029】図12に供試アンテナの構造を示す。アン
テナの動作周波数は2.5GHz、偏波は2点給電によ
る円偏波である。アンテナ部は、マイクロストリップパ
ッチ2の直径が46mmで、比誘電率2.17、厚さ
1.6mmの基板1を用いている。
【0030】無給電素子8は、マイクロストリップパッ
チ2から10mm離して配置されている。無給電素子の
直径は48.3mmで、比誘電率3.5、厚さ0.1m
mの基板9を用いている。また、シリンダ4は0.2m
mの銅板で作製した。シリンダ4の直径は約1波長の1
14mmとした。尚、シリンダ4はマイクロストリップ
アンテナのグラウンド板3に接地されている。そして、
シリンダ4の高さはビーム幅が最小となる45mmとし
た。
【0031】図13、14にシリンダ付き無給電素子装
荷アンテナの利得、軸比の周波数特性の測定値を示す。
比較のために無給電素子8を装荷していないシリンダ付
きアンテナの測定値も示している。図13の利得は円偏
波の利得であり、測定値には2点給電による円偏波発生
用のハイブリット回路の損失が含まれている。これらの
図から、シリンダ付き無給電素子装荷マイクロストリッ
プアンテナが広帯域であることがわかる。
【0032】次に、相互結合についての測定値を図15
に示す。測定は7個のシリンダ付きマイクロストリップ
アンテナ素子を図15に示すように配列し、そのうちの
1番目素子と6番目素子について2つの給電点のうちの
上側にある給電点に関して素子間相互結合量S21を測
定することにより行った。このとき、円偏波用ハイブリ
ッドは外した状態であり、各給電点は直線偏波を発生す
るようになっている。
【0033】また、1番目素子と6番目素子の測定用の
給電点以外の給電点は全て50Ωで終端されている。更
に1番目素子と6番目素子以外の素子の各給電点も全て
50Ωで終端されている。比較のためにシリンダ4のな
い無給電素子装荷アンテナの測定値も示している。この
図から、シリンダ4がある場合の方が相互結合が小さ
く、素子間相互結合量S21が−35dB以下となった。
【0034】以上、本発明を実施形態に基づいて説明し
たが、本発明は上記した実施形態に限定されるものでは
なく、特許請求の範囲に記載した構成を変更しない限
り、どのようにでも実施できる。
【0035】
【発明の効果】以上に示したように本発明に係るアンテ
ナ装置にあっては、シリンダの高さや直径を変えて、ビ
ーム幅を変化させることが可能であることから、反射鏡
アンテナの1次放射器として利用できる。
【0036】特に本発明のアンテナ装置は小型軽量、機
械的に安定、円偏波化が容易であることから衛星搭載反
射鏡アンテナの1次放射器に利用できる。また、本発明
のアンテナ装置は10dB程度の利得があり、衛星通信
用移動体局側のアンテナとして利用できる。更に、本発
明のアンテナ装置はアレーにしたときの相互結合が小さ
いことからアレーアンテナの素子として利用できる等、
多大な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a),(b)は何れも本発明の第1実施例に
係るアンテナ装置であり(a)は斜視図、(b)は断面
図である。
【図2】本発明の第1実施例のアンテナ装置のシリンダ
の高さに対するビーム幅の変化を示す特性図である。
【図3】本発明の第1実施例のアンテナ装置のシリンダ
の高さに対する利得の変化を示す特性図である。
【図4】本発明の第1実施例のアンテナ装置のシリンダ
の高さを変えたときのアンテナパターンを示す特性図で
ある。
【図5】本発明の第1実施例のアンテナ装置のシリンダ
の直径に対するビーム幅の変化を示す特性図である。
【図6】本発明の第1実施例のアンテナ装置のシリンダ
の直径に対する利得の変化を示す特性図である。
【図7】本発明の第1実施例のアンテナ装置のシリンダ
の直径を変えたときのアンテナパターンを示す特性図で
ある。
【図8】本発明の第1実施例のアンテナ装置を2素子配
列したときの相互結合の測定結果を示す特性図である。
【図9】本発明の第2実施例のアンテナ装置を示す断面
図である。
【図10】本発明のアンテナ装置における基板の違いに
よる利得の周波数特性を示す特性図である。
【図11】本発明のアンテナ装置における基板の違いに
よる軸比の周波数特性を示す特性図である。
【図12】本発明の第3実施例のアンテナ装置を示す断
面図である。
【図13】本発明のアンテナ装置の無給電素子の有無に
おける利得の周波数特性を示す特性図である。
【図14】本発明のアンテナ装置の無給電素子の有無に
おける軸比の周波数特性を示す特性図である。
【図15】本発明の第3実施例のアンテナ装置を7素子
配列したときの相互結合の測定結果を示す特性図であ
る。
【図16】従来のホーンアンテナを示す概略図である。
【図17】従来のマイクロストリップアンテナを示す概
略図である。
【符号の説明】
1 基板 1a ハニカム基板 2 マイクロストリップパッチ 3 グラウンド板 4 シリンダ 5 給電回路用基板 6 給電回路 7 給電点 8 無給電素子 9 無給電素子用基板 10 ホーンアンテナ 11 同軸/導波管変換器 12 同軸アンテナ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−205603(JP,A) 特開 平5−129823(JP,A) 特開 平9−275317(JP,A) 特開 平9−294014(JP,A) 実開 平6−44331(JP,U) 竹内、等「パッチ給電形ショートバッ クファイアアンテナの特性」(電子情報 通信学会春季全国大会(1989年)講演論 文集 B−95) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01Q 13/08 JICSTファイル(JOIS)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に形成されたマイクロストリップ
    アンテナ素子の周囲に、導電性部材からなるほゞ円筒状
    の部材を配設すると共に、円筒状の部材における筒の高
    さを送受信対象とする信号波の1/3波長付近とし、
    記マイクロストリップアンテナ素子のグラウンド板に上
    記ほゞ円筒状の部材を接地したことを特徴とするアンテ
    ナ装置。
  2. 【請求項2】 上記基板はハニカム状の素材からなるこ
    とを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 【請求項3】 上記マイクロストリップアンテナ素子の
    放射面前方に無給電素子を配設したことを特徴とする請
    求項1または請求項2に記載のアンテナ装置。
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