JPH05211406A - 多周波用積層マイクロストリップ・アンテナ - Google Patents

多周波用積層マイクロストリップ・アンテナ

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JPH05211406A
JPH05211406A JP4168904A JP16890492A JPH05211406A JP H05211406 A JPH05211406 A JP H05211406A JP 4168904 A JP4168904 A JP 4168904A JP 16890492 A JP16890492 A JP 16890492A JP H05211406 A JPH05211406 A JP H05211406A
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antenna structure
radiating
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antenna
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JP4168904A
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Thomas A Metzler
アレン メツラー トーマス
Richard C Hall
チャールス ホール リチャード
Jan Mary Mckinnis
マリー マッキニス ジャン
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Ball Corp
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements

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  • Electromagnetism (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】信頼性のある低価格で生産容易な多周波用アン
テナで、比較的広いバンド幅と異なる周波数での同時操
作に必要なより大きい分離特性とをもち、多周波で放射
されたエネルギーが同一偏波の時でも、広いバンド幅と
拡大分離特性を保ち、アレイ構造に適用できるようなア
ンテナを作る。 【構成】２個の放射素子を持つ場合では、分離特性は、
上にある放射素子１６に接続された給電ピン４４の一部
の周囲を遮蔽２６し、基準面１２を下にある放射素子１
４に電気的に接続することにより得られる。各放射素子
に同調回路を接続すれば、分離特性と応答特性は更に改
善される。しかも、２セットあるいはそれ以上の積層放
射素子を並べてアレイを作り、利得と指向性を増大させ
る事もできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】本発明は一般的にはマイクロストリップ・
アンテナに関するものであり、更に詳しく言えば、分離
特性を改善した多周波用マイクロストリップ・アンテナ
に関する。
【０００２】
【従来の技術】様々な分野で次のような特性を持つ多周
波用アンテナの需要がある。すなわち比較的広いバンド
幅（約１０％かそれ以上）を持ち、周波数間の分離が十
分であり、同一偏波の送受信が可能であり、信頼性があ
り、小さくて背が低い形をしており、生産が容易で低価
格なものである。この様なアンテナ特性が望まれる一使
用例は、２方向通信システムで、それは別々の周波数で
同時に送受信できるものである。広いバンド幅と送受信
バンド間の分離は重要な性能である。小さくて背が低い
形をしているという事は航空機用のレーダ・アレイや車
に積むなどの移動式の用途には特に有利である。
【０００３】マイクロストリップ・アンテナはこれまで
も上述のような用途に使われており、信頼性があり且つ
低価格での生産が容易であるとして知られている。しか
も小さくて背の低い形をしている。マイクロストリップ
・アンテナには一般に誘電体の基板があり、その基板の
一方の面には導電性の基準面があり、他方の面には導電
性の放射素子がついている。放射素子は、同軸コネクタ
やマイクロストリップ線路などにより直接給電される
か、あるいは容量性の結合により給電される。１０％を
越えるバンド幅が可能であり、個々のマイクロストリッ
プ・アンテナは相互接続によりアレイを作る事ができ
る。更に、マイクロストリップ・アンテナは小さくて背
の低い形をしているのでコンフォーマル構造が必要な所
でも使用できる。
【０００４】既存の多周波用マイクロストリップ・アン
テナの構造の一例を挙げると、放射素子が誘電体基板の
表面上に互いに少し間を開けて同一面上に隣合って並ん
でいる（基準面は基板の反対側表面上にある）。放射素
子上の給電点はインピーダンスが整合する位置に選ばれ
ており、同一偏波の放射が可能である。しかし２個の隣
接した放射素子からの放射は共通の位相中心を持たず、
アレイ内の放射素子の配置の設計はより難しくなる。更
に、この様に放射素子が隣接して同一面上にあると空間
の使用効率が悪い。使用に際しての際だった欠点が空間
的なものだとすれば、それはたいへん不都合である。広
いバンド幅とバンド外での分離の要請を満たすために誘
電体基板は比較的厚くなければならず、それがアレイで
の素子間の不本意な結合を増大させる。その上放射素子
が単一の厚さを持つ一つの誘電体基板を使用しているの
で、アンテナの性能を各々のバンドに対して別々に最適
化する事が出来ないという不便が感じられるであろう。
【０００５】他の既存の構造例では、二重に分極した１
個の放射素子で直交モードの励起により２つの周波数で
共振するように作られたものがある。しかしこの様な構
造では、例えばアンテナの主平面に平行にならない偏波
を受信した時には、利得の分離がうまくいかないという
問題が起きる。明かに、同一偏波の放射は不可能であ
る。更に、各共振周波数に対するＱを最適化する事もで
きない。というのはＱは放射素子の非共振時の寸法と基
板の厚さによって決まるからである。１個の素子で二重
に分極する構造を持つときには１方の周波数で非共振と
なる寸法は、他方の周波数で共振を起こす寸法になる。
従って、放射素子の長さと幅は、要請された共振周波数
によって決まり、Ｑを改善するためにそれらを調整する
事は難しくなる。このアンテナは１つの基板とその上の
１個の放射素子で出来ているので、基板の厚さは２個の
共振周波数の両方に対して最適化する事は出来ない。そ
の結果、高周波側の放射は低いＱと、動作バンド間の十
分な分離を必要とする時には望ましくないロール・オフ
特性のある広い応答曲線を持つ事になる。
【０００６】積層マイクロストリップ・アンテナもまた
これまで使われてきており、これは２個またはそれ以上
の放射素子が基準面の上に平行に設置されており、基準
面やお互いの間は、層状の誘電体で分離されている。こ
のようなアンテナの中には、１個の給電素子が放射素子
の中の一つに接続され、他の１個またはそれ以上の放射
素子は直接に給電される素子と電磁気的に結合している
ものがある。そうではなくて各放射素子がそれぞれ別々
に給電されているものもある。しかし、放射素子間や給
電素子間に不要な結合が生ずる恐れがあり、この結合は
広帯域を得るために誘電体層の厚さを増すと強くなるの
で注意が必要である。このような結合は素子からあるい
は素子への放射が同一偏波である時には特に著しい。更
にロール・オフ特性のためにこのアンテナは同時に多周
波で使うことが出来ない事もある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、信頼
性のある低価格で生産容易な多周波用アンテナで、比較
的広いバンド幅と異なる周波数での同時操作に必要なよ
り大きい分離特性とをもったものを作る事である。本発
明のもう一つの目的は、多周波で放射されたエネルギー
が同一偏波の時でも、広いバンド幅と拡大分離特性を保
つようなアンテナを作る事である。本発明のもう一つの
目的はアレイ構造に適用できるようなアンテナを作る事
である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に従って作られた
多周波用積層マイクロストリップ・アンテナ構造体は、
導電性の基準面と、基準面に平行で基準面とは第一の誘
電体層で分離されている第一の放射素子と、第一の放射
素子に平行でそれとは第二の誘電体層で分離されている
第二の放射素子と、第一と第二それぞれの放射素子用の
第一と第二の給電素子と、１個の放射素子とその対をな
す給電素子を他の放射素子とそれと対をなす給電素子か
ら十分に分離する分離装置とを持っている。この分離装
置には、第二の給電素子の一部の周囲を囲みそれとは接
触しないように配置されている遮蔽部品がある。この遮
蔽部品は基準面を第一の放射素子に電気的に接続してい
る。分離装置にはまた放射素子のリップルやロール・オ
フ特性を改善する同調回路があり、これは同時に利得の
分離と端子間の分離も改善する。一つの実施装置では、
この同調回路は帯域通過特性を持った二段フィルタで、
基準面の下の第三の誘電体層にストリップライン回路を
設置したものである。
【０００９】更に動作周波数を追加したい時には、元の
アンテナ構造体に追加分の放射素子を積み重ね、追加分
の給電素子と分離素子とを設置すればよい。本発明の利
点は、２個またはそれ以上の積層放射素子を並べてアレ
イを作り、利得や指向性の向上を図るときには特に有利
な事である。本発明のアンテナ構造体では、各動作バン
ドで最低１０％のバンド幅が得られ、動作バンドの中心
周波数は高周波側の最低２０％は離す事が出来、バンド
内のリップルが０・５ｄＢかそれ以下の状態でバンド間
の分離を２０ｄＢかそれ以上に出来る。更にこのアンテ
ナ構造体は信頼性があり、小さく背の低い形をしており
低価格で容易に生産できる。
【００１０】
【実施例】図１と図２は本発明の多周波用アンテナ構造
体の一実施例の断面図と分解透視図（一部分が切り取ら
れている）である。アンテナ構造体１０には、導電性の
ある基準面（例えば地面）１２と、第一の共振周波数で
共振する寸法を持った第一のマイクロストリップ放射素
子１４と、第二の共振周波数で共振する寸法を持った第
二のマイクロストリップ放射素子１６がある。第一の放
射素子１４は基準面１２に平行であり、第一の誘電体層
１８の厚さだけ基準面から離れている。第二の放射素子
１６は第一の放射素子１４と平行であり、そこから第二
の誘電体層２０の厚さだけ離れている。第一の給電素子
２４は、基準面１２の下側に固定され、第一の放射素子
１４を送受信装置（例えば、トランシーバ）に接続す
る。第二の給電素子２２は、同様に基準面１２の下側に
固定され、第二の放射素子１６を送受信装置に接続す
る。第一の放射素子１４と第一の給電素子２４は共に第
一のアンテナ区画を構成する。第二の放射素子１６と第
二の給電素子２２は共に第二のアンテナ区画を構成す
る。
【００１１】アンテナ構造体１０にはまた分離装置があ
り、遮蔽部品２６が第一の誘電体層１８の内部で第二の
給電素子２２の一部分の周りに設置されている。第一の
放射素子１４には給電点２８があり、それは第一の放射
素子１４と第一の給電素子２４との間で十分なインピー
ダンスの整合がとれる位置である。第二の放射素子１６
には給電点３０があり、それは第二の放射素子１６と第
二の給電素子２２との間で十分なインピーダンスの整合
がとれる位置である。孔３２、３４、３６、３８の第一
のセットは、それぞれ基準面１２、第一の誘電体層１
８、第一の放射素子１４、第二の誘電体層２０を貫い
て、第二の放射素子１６の上の給電点３０と十分に位置
を合わせて（言い替えれば、一列に並べて）開けられて
いる。孔４０と４２の第二のセットはそれぞれ基準面１
２と第一の誘電体層１８を貫いて、第一の放射素子１４
の上の給電点２８と十分に位置を合わせて開けられてい
る。第二の給電素子２２には内部に信号伝送用の導体
（給電ピン）４４があり、それは通路３２、３４、３
６、３８を通して取り付けられ、第二の放射素子１６に
給電点３０で半田づけなどで電気的に接続し固定されて
いる。第二の給電素子２２にはまた、信号伝送用導体４
４の基準面１２の下にある部分を取り囲む基準導体４６
があり、それは通路３２に接した位置で基準面１２に半
田などにより電気的に接続し固定されている。同様に、
第一の給電素子２４には内部に信号伝送用導体（給電ピ
ン）４８があり、それは通路４０と４２を通して取り付
けられ、第一の放射素子１４に給電点２８で半田などに
より電気的に接続し固定される。第一の給電素子２４に
はまた、信号伝送用導体４８の基準面１２の下にある部
分を取り囲む外部の基準導体５０があり、それは通路４
０に接した位置で基準面１２に電気的に接続し固定され
ている。
【００１２】遮蔽部品２６は第一の誘電体層１８内の通
路３４の側壁上に取り付けられた導電物質である。信号
伝送用導体４４は通路３４を通って伸びているが遮蔽部
品２６との電気的な接触はない。この導電物質は通路３
２に接した位置で基準面１２と、また通路３６に接した
位置で第一の放射素子１４とに電気的に接続されてい
る。従って、遮蔽部品２６は基準面１２を第一の放射素
子１４に電気的に接続し、その結果第一の誘電体層１８
を貫通している信号伝送用導体４４の周囲にある基準導
体４６の電気的延長になっている。この様な電気的な接
続は例えば半田づけなどで直接導電性のある接触（図１
に示す）により行っても良いし、基準面１２を第一の放
射素子１４に電気的に接続して分離特性の改善を図ると
いう方法で行っても良い。遮蔽部品２６と信号伝送用導
体４４の間で電気的な接触が起きると、信号が第二の放
射素子１６から放射出来なくなるという事は注意を要す
る。従って、遮蔽部品２６は第一の誘電体層１８の中の
通路３４を通る金属が望ましい。この金属に孔を開けそ
の内側表面を、信号伝送用導体４４と遮蔽部品２６との
間の電気的接触を避けるため絶縁する。
【００１３】第一と第二の誘電体層１８と２０は低損失
の誘電体であれば何でもよく、例えばテフロン繊維ガラ
スなどが使われる。誘電率についてはテフロン（登録商
標）繊維ガラスの値より大きいものも小さいものも（例
えば、バンド幅をひろげるために、或いはアンテナの寸
法や重量を減らすために）使う事が出来る。第一の誘電
体層１８の厚さはｄ１で、第二の誘電体層２０の厚さは
ｄ２であり、これは一般にはｄ１とは異なる。各放射素
子１４と１６のバンド幅は原理的には第一と第二の誘電
体層１８と２０の厚さと誘電率によって決まる。以下で
述べるように、分離装置には放射素子１４と１６の応答
を、バンド幅も含めて特定の目的に合わせて調整する同
調回路が含まれており、これにより分離特性は更に改善
される。。その上、第一と第二の放射素子１４と１６の
バンド幅が殆ど同じであるような場合には、図１に示す
ように低周波の共振周波数を持つ放射素子に付随する誘
電体層は高周波の共振周波数を持つ放射素子に付随する
誘電体層より厚くて良い。あるいは、例えば欲しいバン
ド幅を持たせたままアンテナ構造体全体の厚さを減らし
たいというような時には、異なる誘電率を持つ材料を使
っても良い。このようにして、アンテナ構造体１０の総
合的な性能は個々の誘電体層１８と２０の特性を別々に
調整する事により更に改善される。この２つの誘電体層
は互いに接着剤で固定されているが、接着剤はできれば
誘電体層の誘電率に整合するものが望ましい。
【００１４】基準面１２、第一の放射素子１４、第二の
放射素子１６は第一と第二の誘電体層１８と２０の表面
にフォトエッチングで、或いはシルクスクリーン印刷法
を使った金属ペーストの厚い膜として取り付けられる。
これらの方法は信頼性があり、部品の正確な取付が出
来、アンテナの低価格生産を可能にする。図１と２では
第一と第二の放射素子１４と１６は長方形で半波長の素
子として描かれているが、本発明は特定の形や寸法の放
射素子に限られない。更に、第一の放射素子１４は図１
と２では第二の放射素子１６より大きく、従ってより低
い共振周波数を持つように描かれているが、本発明はこ
の様な特定の配置に限られる事はない。
【００１５】動作時には、第一の無線周波数（或いは第
一バンド内）の信号は送信器から第一の給電素子２４を
通って第一の放射素子１４に伝送され、第二の無線周波
数（或いは第二バンド内）の信号は送信器から第二の給
電素子１１を通って第二の放射素子１６に伝送される。
（アンテナ構造体１０の動作はここでは無線周波数信号
の送信の場合に付いてのみ述べるが、無線周波数信号の
受信の場合に付いても同じ事が成り立ち、本発明は一つ
の特定の動作モードに限られない。更に、本発明は第一
の周波数で送信し同時に第二の周波数で受信すること
も、或いは二つの周波数で交互に作動する事もでき
る。）遮蔽部品２６は第二の放射素子１６がその共振周
波数であるいはその近くで作動している時、第一の放射
素子１４に基準面（例えば地面）の働きをさせる。遮蔽
部品２６はまた、信号伝送用導体４４の無線周波数信号
が第一の放射素子１４や信号伝送用導体４８と結合する
のを防ぐ事が出来、信号伝送用導体４８の信号が第二の
放射素子１６や信号伝送用導体４４と結合するのを防ぐ
事が出来る。第一の放射素子１４からのエネルギーは基
準面１２と第一の放射素子１４とで構成する空洞の境界
となる開口部から放射される。第二の放射素子１６から
のエネルギーは第一の放射素子１４と第二の放射素子１
６とで構成する空洞の境界となる開口部から放射され
る。第一と第二のアンテナ区画間には殆ど結合が無く、
利得の分離や端子間の分離（今後は”周波数分離”と言
う）は増大し、必要な時には、第一と第二の共振周波数
での同時の送受信（単向二路通信操作）が可能である。
【００１６】アンテナ構造体１０の二つのアンテナ区画
（各区画には一個の放射素子とその対となる給電素子と
がある）は図３に示す並列ＲＬＣ等価回路で表す事が出
来、この図から遮蔽部品２６が二つのアンテナ区画の結
合を十分に除いている事が分かる。この等価回路につい
て説明するために、第一の放射素子１４は第二の放射素
子１６より共振する寸法が長いと、従ってより低い共振
周波数を持つと仮定する。この等価回路の両側（すなわ
ち、低周波側と高周波側）へ分かれる最初の部分は、そ
れぞれのアンテナ区画の抵抗Ｒ１、容量性リアクタンス
Ｃ１、誘導性リアクタンスＬ１からなっており、一般に
特定のアンテナ区画のバンド幅の決定要因であるＲ１、
Ｃ１、Ｌ１の値を持つマイクロストリップ放射素子自身
の特性を表している。これらの値は、そのアンテナ区画
の物理的特性によって決まるものであり、その物理的特
性には放射素子の寸法、その放射素子が乗っている誘電
体層の厚さと誘電率、放射素子の給電点の位置がある。
【００１７】この等価回路の各側の次の部分の直列の誘
導性リアクタンスＬ２は、一般に放射素子に接続された
給電素子の特性を表し、その値は信号伝送用導体（給電
ピン）の寸法特にその直径によって決まる。第一と第二
のアンテナ区画の結合を遮蔽素子２６によって十分に取
り除くと、それに付随した利益があり、第一と第二のア
ンテナ区画を殆ど別々に且つ独立に扱う事が出来るの
で、アンテナ構造体１０の設計が容易になる。例えば、
アンテナ構造体１０を２つの共振周波数ｆ１とｆ２と
で、それぞれ希望の応答特性とバンド幅を持って作動す
るように設計するためには、まず一つのアンテナ区画を
設計し、それからもう一つを設計すれば良い。その後で
その二つを組み合わせて一つの構造体にする事が出来
る。この道の達人であれば、相互結合を補償したり打ち
消したりする事よりアンテナ区画を別々に設計できる事
の有利さをすぐに理解するであろう。この相互結合の補
償などにはしばしば設計、組立と試験、種々のパラメー
タの調整を十分に満足な性能が得られるまで何度も繰り
返さねばならない。
【００１８】Ｌーバンド操作用のアンテナ構造体１０の
試作品では、第一の放射素子１４は約１．９ＧＨZで、
第二の放射素子１６は約２．４ＧＨZで共振するように
寸法が決められ、約２０％（２つの周波数の差を高い周
波数で割って１００を掛ける）の周波数分離が得られて
いる。第一と第二の放射素子１４と１６は半波長素子で
ある。両方のバンドで少なくとも１０％のバンド幅を得
るために、第一と第二の誘電体層１８と２０には誘電率
約２．３のテフロン繊維ガラスのようなものを選び、第
一の誘電体層１８は第二の誘電体層２０より厚くしてあ
る。第一と第二の放射素子１４と１６の給電点２８と３
０は各放射素子の中央の軸に沿って、放射素子のインピ
ーダンスが第一と第二の給電素子２２と２４のそれぞれ
に接続されている２５オームの同軸ケーブルに十分に整
合する位置に取られている。給電点はまた第一と第二の
放射素子１４と１６が共に、同じ偏波面を持った直線偏
波のエネルギーを放射（同一偏波放射）または受信で
き、位相中心が十分一致するように選んである。アンテ
ナ構造体１０は寸法を変えて他の周波数、Ｘーバンドや
それ以上の周波数にも合わせる事が出来、しかも前述の
バンド幅、分離独立特性を維持できる。
【００１９】図４ー図７は前記のパラメータで構成され
たアンテナ構造体の種々の特性の測定結果を示すグラフ
である。図４は第一の放射素子１４（下側端子）と第二
の放射素子１６（上側端子）の周波数に対するボアサイ
トのアンテナ利得を示す。図４に見られるように各放射
素子の利得は、他方の放射素子の利得が最大値或いはそ
の近傍にあるとき最小値或いはその近傍の値を取り、２
個のアンテナ区画間の動作時の利得分離特性が良い事を
示している。図５は第一と第二のアンテナ区画間の端子
間の分離特性を示す。試験をした全周波数範囲にわたっ
て少なくとも約ー２０ｄＢの端子間分離が得られ、遮蔽
素子２６が無い時より約１２ｄＢ改善されている。
【００２０】図６と図７は、第一と第二のアンテナ区画
のそれぞれ１．９ＧＨZと２．４ＧＨZでのＥ面放射パタ
ーンを示す。これらの図は水平面から約２０゜以上上げ
た時のアンテナ構造体１０の両周波数での殆ど一様（等
方的）な放射パターンを示している。
【００２１】図８は本発明のアンテナ構造体６０の他の
実施例を示し、ここではアンテナの性能とりわけアンテ
ナ区画間の周波数分離特性をよくするため分離装置とし
て同調あるいは整合回路６２が設置されている。アンテ
ナ構造体６０には基準面（例えば、地面）６４、第一の
放射素子６６、第二の放射素子６８がある。第一の放射
素子６６は基準面６４と平行であり、そこから第一の誘
電体層７０の厚さだけ離れている。第二の放射素子６８
は第一の放射素子６６と平行であり、そこから第二の誘
電体層７２の厚さだけ離れている。直線偏波を得るため
には、第一と第二の放射素子６６と６８のそれぞれの給
電点７４と７６をセンターラインに沿って共振寸法と同
程度の位置にとる。その位置は各放射素子の入力インピ
ーダンスがそれぞれの給電素子のインピーダンスと整合
する位置である。給電点の位置を変えれば他の偏波も可
能である。
【００２２】通路７８、８０、８２、８４、８６の第一
のセットはそれぞれ第三の誘電体層７４、基準面６４、
第一の誘電体層７０、第一の放射素子６６、第二の誘電
体層７２を通して、第二の放射素子６８上の給電点７６
と十分に位置を合わせて作られている。通路８８、９
０、９２の第二のセットは、それぞれ第三の誘電体層７
４、基準面６４、第一の誘電体層７０を通して、第一の
放射素子６６上の給電点７４と十分位置合わせして作ら
れている。アンテナ構造体６０の分離装置には遮蔽部品
９４があり、それは孔８０に接した或いはその周辺の基
準面６４を、孔８４に接した或いはその周辺にある第一
の放射素子６６に電気的に接続する。
【００２３】分離装置にはまた同調回路６２があり、こ
れは基準面６４の下に取り付けられ、それと平行でそれ
から第三の誘電体層７４の厚さだけ離れている。第二の
基準面９６は同調回路６２の下に取り付けられ、それと
平行であり、それから第四の誘電体層９８の厚さだけ離
れている。それは基準面６４と電気的に接続されてい
る。このような配置はアンテナ構造体６０の設計と生産
を容易にする。同調回路６２は第一の放射素子６６に付
随した第一のストリップライン回路１０２と、第二の放
射素子６８に付随した第二のストリップライン回路１０
０とからなる。第一のストリップライン回路１０２には
第一の放射素子６６上の給電点７４と十分位置合わせを
した第一の接続パッド１０８がある。第二のストリップ
ライン回路１００には第二の放射素子６８上の給電点７
６と十分位置合わせをした第一の接続パッド１０４があ
る。通路１１２と１１４の第三のセットはそれぞれ第二
の基準面９６と第四の誘電体層９８を通して、第二のス
トリップライン回路１００の上の第二の接続パッド１０
６と十分位置合わせをして作られている。通路１１６と
１１８の第四のセットはそれぞれ第二の基準面９６と第
四の誘電体層９８を通して、第一のストリップライン回
路１０２上の第二の接続パッド１１０と十分に位置合わ
せをして作られている。
【００２４】第一の給電素子１２６は第二の基準面９６
の下側に固定されている。それは内部に信号伝送用導体
１２８があり、その導体は第二の基準面９６と第四の誘
電体層９８の中の通路１１６と１１８を通して設置され
ており、第一のストリップライン回路１０２に第二の接
続パッド１１０で電気的に接続されている。第二の基準
面９６の下の信号伝送用導体１２８の一部を取り囲んで
いる基準導体１３０は、第二の基準面９６に電気的に接
続されている。第二の給電素子１２０は第二の基準面９
６の下側に固定されている。それは内部に信号伝送用導
体１２２があり、その導体は第二の基準面９６と第四の
誘電体層９８の中の通路１１２と１１４を通って取り付
けられ、第一の接触片１０４で第二のストリップライン
１００に電気的に接続されている。第二の基準面９６の
下の信号伝送用導体１２２の一部を取り囲んでいる基準
導体１２４は、第二の基準面９６に電気的に接続されて
いる。
【００２５】第一の給電ピン１３４は、第二の通路のセ
ット８８、９０、９２を通して取り付けられ、第一のス
トリップライン回路１０２の上の第一の接続パッド１０
８と、給電点７４で第一の放射素子６６とに電気的に接
続されている。第二の給電ピン１３２は、通路の第一の
セット７８、８０、８２、８４、８６を通して取り付け
られ、第二のストリップライン回路１００の上の第一の
接続パッド１０４と、給電点７６で第二の放射素子６８
とに電気的に接続されている。２個のアンテナ区画と同
調回路６２を持つアンテナ構造体６０は、図８に示す四
端子の２段直列ＲＬＣフィルタ回路の等価回路で表す事
が出来る。アンテナのインピーダンスは通路とストリッ
プライン回路のライン長とに関連したラインの長さに応
じて求められるので、それらは直列ＲＬＣ回路の等価回
路で表す事が出来る。同調回路１００と１０２は必要な
分岐キャパシタンスを与える。第一の放射素子６４はこ
こでもまた第二の放射素子６６より低い共振周波数を持
つものと仮定している。同調回路６２の第一段階は図３
の等価回路の第一段階と殆ど同じである（並列回路では
なく直列回路が使われているので素子の値は必ずしも同
じではない）。フィルタの第一段階は、それぞれのアン
テナ区画の抵抗Ｒ１、容量性リアクタンスＣ１、誘導性
リアクタンスＬ１からなっているが、一般にはそのアン
テナ区画のバンド幅の決定要因であるＲ１、Ｃ１、Ｌ１
の値を持ったマイクロストリップ放射素子そのものを表
している。この等価回路の各第二段階の素子、容量性と
誘導性のリアクタンスＣ２とＬ２は、主としてそのアン
テナ区画のリップルとロール・オフ特性とに影響を与え
る。
【００２６】図１０と図１１は２段階フィルタを持った
多周波用アンテナ構造体の性能特性を示す。図９は２個
の放射素子の利得ー周波数特性を示し、バンド中央の周
波数１．９ＧＨZと２．４ＧＨZでの利得の分離は、少な
くとも２０ｄＢはある。図１１は動作周波数範囲にわた
っての端子間分離特性を示す。分離は全範囲にわたって
２０％を越えている事が分かる。使用法によっては２段
で得られる特性で十分であろう。しかし場合によって
は、例えば単向２路通信操作などでは、２個のアンテナ
区画間の周波数分離特性を増大させるために更なるリッ
プルの減少とロール・オフ特性の急峻化が必要とされる
或いは望まれるかもしれない。例えば、図１２は応答曲
線であるが、その中に周波数に対する望ましい反射減衰
量が示されている。２個の動作バンドの中央は約２０％
離れており、各バンドは約１０％のバンド幅を持ち、低
周波バンドの高周波端と高周波バンドの低周波端の間の
分離は約１０％あり、リップル（ＬＡr） は０．５ｄＢ
以下であり、バンド（各々１０％のバンド幅内で）間の
分離（ＬＡ）は少なくとも２０ｄＢはある。
【００２７】この様な特性を得るためには、図１３の等
価回路に示すようにフィルタに３段目を接続する事が出
来る。各３段目では、Ｃ３とＬ３が給電ピンの根元につ
け加えられた容量性と誘導性のリアクタンスを表してお
り、それによってそのアンテナ区画のリップルとロール
・オフ特性が望ましい値に調整される。これらはストリ
ップライン上に回路構成要素をつけ加える事により実現
される。３段バンド・パス・フィルタの設計について
は、Ｍａｔｔｈｅａｉ他の「マイクロ波のインピーダン
ス整合回路と結合構造」（アーテク ハウス ブック
ス、デドハム、マサチューセッツ、１９８０）の４章に
詳しく載っているが、要約すると次のようになる：ま
ず、ある特定の用途に対して望ましいバンド内のリップ
ル（またはそれと等価なＶＳＷＲ）あるいはバンド外の
分離特性を決める。表１では、１０％のバンド幅と２０
％の分離特性を持った２つの周波数バンドに対するリッ
プルの代表的な値とそれに対応する分離特性の値を比較
している：
【００２８】 表１ 通過域のリップル 等価ＶＳＶＲ 分離 ０．０１ ｄＢ １．１０：１ １１．３ ｄＢ ０．１ ｄＢ １．３６：１ ２１．５ ｄＢ ０．２ ｄＢ １．５４：１ ２４．８ ｄＢ ０．５ ｄＢ １．９８：１ ２８．５ ｄＢ 例えば、２８．５ｄＢの分離はもしリップルが０．５ｄ
Ｂ（最大２．０：１のＶＳＷＲ）あってもよければ実現
できる事が分かる。一度分離値が決められた（直接に、
または、リップルから間接的に）なら、減少率δは計算
して求めるか、或いはＭａｔｔｈｅａｉ他に与えられて
いるＮ＝３に対する設計の手引きを使って図から決めら
れる。フィルタ係数ｇ１、ｇ２、ｇ３も同様にして計算
する或いは決める事が出来る。放射素子の物理的パラメ
ータ（素子の寸法、誘電物質の厚さと誘電率、給電点の
位置）が次に決められ、各アンテナ区画のフィルタ部品
の値が次のように計算される：
【００２９】 Ｒ1＝Ｒg／ｇ4 Ｃ1＝ｇ1／Ｒ（ω2−ω1） Ｌ1＝１／ω0 2Ｃ1 Ｌ2＝ｇ2Ｒ0／（ω2ーω1） Ｃ2＝１／ω0 2Ｌ2 Ｃ3＝ｇ3／Ｒ0（ω2ーω1） Ｌ3＝ １／ω0 2Ｃ3
【００３０】ここで、ω1とω2は通過帯域を決める角周
波数であり、ω0は次の式で与えられる： ω0＝（ω1＋ω2）／２ もし必要であれば、給電点または給電点ピンの寸法は１
段と２段で望ましい値を得るために変える事ができる。
フィルタの各３段目の容量性と誘導性のリアクタンスは
図７の同調回路６２に追加のストリップライン回路素子
を使う事で実現できる。アンテナ構造体の応答を更に調
整するためにはフィルタの段数を追加すれば良い。
【００３１】図１４は本発明のアンテナ構造体１４０の
もう一つの実施例を示す。それは放射素子とその対をな
す給電素子とを更に積み重ねて動作周波数を追加するも
のである。アンテナ構造体１４０は３つの周波数で動作
するように作られているが、もし必要であれば更に多く
の周波数で動作するように作る事もできる。アンテナ構
造体１４０には基準面１４２、第一の放射素子１４４、
第二の放射素子１４６、第三の放射素子１４８がある。
第一の放射素子１４４は基準面１４２と平行であり、そ
れから第一の誘電体層１５０の厚さだけ離れている。第
二の放射素子１４６は第一の放射素子１４４と平行であ
り、それから第二の誘電体層１５２の厚さだけ離れてい
る。第三の放射素子１４８は第二の放射素子１４６と平
行であり、それから第三の誘電体層１５４の厚さだけ離
れている。第一、第二、第三の給電素子１６０、１５
８、１５６は基準面１４２の下側に固定され、第一、第
二、第三の放射素子１４４、１４６、１４８を送受信装
置に接続している。各放射素子とその対をなす給電素子
は１個のアンテナ区画を構成する。
【００３２】アンテナ構造体１４０にはまた分離装置と
して第一の遮蔽部品１６２があり、それは第一と第二の
誘電体層１５０と１５２を通っている第三の給電素子１
５６のその部分の周囲に設置されている。第一の遮蔽部
品１６２は第一と第二の誘電体層１５０と１５２を通る
通路の側壁上の導電物質であり、基準面１４２を第二の
放射素子１４６に電気的に接続している。第二の放射素
子１４６の上のこの接続する場所はできれば第三の放射
素子１４８上の給電点１６４と十分に位置を合わせてあ
る事が望ましい。同様に、第二の遮蔽部品１６６は第一
の誘電体層１５０を通っている第二の給電素子１５８の
その部分の周囲に設置されている。第二の遮蔽部品１６
６は第一の誘電体層１５０を通る通路の側壁上の導電物
質であり、基準面１４２を第一の放射素子１４４に電気
的に接続し、その第一の放射素子１４４上の接続点は第
二の放射素子１４６上の給電点１６８と十分に位置合わ
せをしてある事が望ましい。第一の遮蔽部品１６２は第
二の放射素子１４６に第三の放射素子１４８に対する基
準面として働かせ、第二の遮蔽部品１６６は第一の放射
素子１４４を第二の放射素子１４６に対する基準面とし
て働かせる。第一の放射素子１４４からのエネルギーは
基準面１４２と第一の放射素子１４４とで構成する空洞
の端の開口部から放射される。第二の放射素子１４６か
らのエネルギーは第一の放射素子１４４と第二の放射素
子１４６とで構成する空洞の端の開口部から放射され
る。第三の放射素子からのエネルギーは第二の放射素子
１４６と第三の放射素子１４８とで構成する空洞の端の
開口部から放射される。
【００３３】この様にして各アンテナ区画は実質的には
他のアンテナ区画から分離されており、図１と７に示さ
れた実施例に関して先に述べたように動作特性は改善さ
れている。更に分離をよくし、リップルとロール・オフ
特性を調整するためには、第一、第二、第三の給電素子
１６０、１５８、１５６の各々に対して例えば基準面１
４２の下に取り付けられたストリップライン回路のよう
な同調回路を設置すれば良い。放射素子が上の素子から
基準面に向かって次々に大きくなって行き、給電点が各
放射素子の中央を通る垂直軸に関して交互に反対側に位
置するならば給電素子間の距離は増大する。従って相互
結合は減少する。
【００３４】更にもう一つの実施例として、図１４にア
ンテナ区画のセットを多数並べてアレイを作り望ましい
利得と指向特性を持たせたアンテナ構造体１７０を示
す。図１３に示されたこのアレイは２５個のアンテナ区
画（ａーｙ）があり、５×５の行列に並べられている。
勿論、更に多くの或いは少ない個数のアンテナ区画を使
った他の配置やパターンも可能である。各アンテナ区画
には２層或いはそれ以上に積み重ねられた放射素子と、
それらと対をなす給電素子と、付随する分離部品とがあ
る。同調回路も各アンテナ区画ごとにアレイの中に組み
込む事が出来る。アンテナ構造体１７０の指向性を改善
するために、適当な位相調整器が固定または電気的な走
査に使われる。この様なアレイの設計は各アンテナ区画
の放射位相中心が実質的に一致しているため容易であ
り、その性能は向上する。図１４に示す多周波用アンテ
ナ・アレイのもう一つの利点は、積層放射素子は、全て
の放射素子を同一平面上に一つの周波数の放射素子を他
の周波数の放射素子と隣接させて並べたときと較べて場
所を取らないという事である。本発明について詳しく述
べてきたが、それに対する種々の変更、代用、変形は付
属の請求項で述べられる本発明の精神と範囲の中で行う
事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多周波用アンテナ構造体の一実施例の
断面図。
【図２】図１に示す実施例で一部を切りとったものの分
解透視図
【図３】図１に示す実施例の等価回路図。
【図４】図１に示す実施例の代表的アンテナ構造体のボ
アサイト・アンテナ利得ー周波数曲線。
【図５】代表的アンテナ構造体のアンテナ区画の端子間
分離特性。
【図６】代表的アンテナ構造体のＥ面放射パターン。
【図７】代表的アンテナ構造体のＥ面放射パターン。
【図８】本発明の他の実施例の分解透視図。
【図９】図８に示す実施例の２段フィルタ等価回路図。
【図１０】図８に示す実施例の代表的アンテナ構造体の
利得ー周波数曲線。
【図１１】図８に示す実施例の代表的アンテナ構造体の
端子間分離特性図。
【図１２】応答曲線。図中に周波数に対する希望反射減
衰量が示されている。
【図１３】本発明の実施例の３段フィルタの等価回路
図。
【図１４】本発明の多周波用アンテナ構造体の他の実施
例の断面図。
【図１５】本発明の実施例の一つでアンテナを並べてア
レイにしたもの。
【符号の説明】
１０ アンテナ構造体 １２ 基準面 １４ 第一の放射素子 １６ 第二の放射素子 １８ 第一の誘電体層 ２０ 第二の誘電体層 ２２ 第二の給電素子 ２４ 第一の給電素子 ４４ 信号伝達用導体 ４８ 信号伝達用導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャン マリー マッキニス アメリカ合衆国 コロラド州 80303 ボ ールダーサウス 39番 ストリート 235

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多周波用アンテナ構造体で次のものから
    なるもの：導体の基準物；第一の共振周波数で送信／受
    信し、給電点を持ち、先の基準面に平行にその上に配置
    され、基準面から第一の誘電体の厚さだけ離れている第
    一のマイクロストリップ放射素子；第二の共振周波数で
    送信／受信し、給電点を持ち、第一の放射素子に平行に
    その上に配置され、第一の放射素子から第二の誘電体層
    の厚さだけ離れている第二のマイクロストリップ放射素
    子；第一の放射素子を送信／受信装置に電気的に接続す
    るため基準面と第一の誘電体層を通って伸びている第一
    の給電装置；第二の放射素子を送信／受信装置に電気的
    に接続するため基準面、第一と第二の誘電体層、第一の
    放射素子を通って伸びていて、第一の誘電体層を通って
    いる根元の部分も含む第二の給電装置；第一と第二の共
    振周波数でのアンテナ構造体の動作を分離するための第
    一の分離装置、この第一の分離装置は次のものを含む：
    基準面を第一の放射素子に電気的に接続するために、第
    二の給電装置の根元の部分の周囲にそれとは接触する事
    なく配置された第一の遮蔽装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の多周波用アンテナ構造体
    で次の条件を満たすもの：基準面、第一と第二の誘電体
    層、第一の放射素子の各々には、それらを通して第二の
    放射素子上の給電点と位置を調整して作られた第一の通
    路がある；基準面と第一の誘電体層には共にそれらを通
    して第一の放射素子上の給電点と位置を調整して作られ
    た第二の通路がある；第一の給電装置には第二の通路を
    通して配置され、第一の放射素子上の給電点に電気的に
    接続されている第一の信号伝送用導体がある；第二の給
    電装置には第一の通路を通って配置され、第二の放射素
    子上の給電点に電気的に接続されている第二の信号伝送
    用導体がある；第一の遮蔽装置は基準面と第一の放射素
    子とに第二の放射素子上の給電点と位置を調整して電気
    的に接続されている。
  3. 【請求項３】 請求項２記載の多周波用アンテナ構造体
    で、第一の遮蔽装置が次のものを含むもの：第二の誘電
    体層を通る第一の通路の側壁に配置された導電物質で、
    この導電物質は基準面を第一の放射素子に第一の放射素
    子と基準面の中にある第一の通路に接した位置で電気的
    に接続する。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の多周波用アンテナ構造体
    で更に次のものを備えたもの：最も少ない場合では、第
    三の共振周波数で送信／受信し、給電点を持ち、第二の
    放射素子と平行でその上に位置し、それから第三の誘電
    体層の厚さだけ離れている第三のマイクロストリップ放
    射素子；最も少ない場合では、第三の放射素子を送信／
    受信装置に接続するため基準面、第一、第二、第三の誘
    電体層、第一、第二の放射素子を通って伸びている第三
    の給電装置、この第三の給電装置は第一と第二の誘電体
    層の内部に位置する根元の部分も含む；第一、第二、第
    三の共振周波数でのアンテナ構造体の動作を分離するた
    めの第二の分離装置、この第二の分離装置は次のものを
    含む：第三の給電装置の根元の部分の周囲に配置され、
    それとは接触せず、基準面を第一と第二の放射素子に電
    気的に接続する第二の遮蔽装置。
  5. 【請求項５】 請求項４記載の多周波用アンテナ構造体
    で次の条件を満たすもの：基準面、第一、第二、第三の
    誘電体層、第一、第二の放射素子の各々は、それらを通
    って最少の場合でも第三の放射素子上の給電点と位置を
    調整して作られた第三の通路を持っている；最少の場合
    の第三の給電装置には、第三の信号伝送用導体があり、
    それは第三の通路を通して取り付けられ且つ最少の場合
    の第三の放射素子に第三の給電点で接続される；そして
    第二の遮蔽装置は第一と第二の放射素子および基準面
    に、最少の場合の第三の放射素子上の給電点と位置を調
    整して電気的に接続される；
  6. 【請求項６】 請求項５記載の多周波用アンテナ構造体
    で第二の遮蔽装置が次のものを含むもの：第一と第二の
    誘電体層を通る第三の通路の側壁に取り付けられた導電
    物質、この導電物質は第三の基準導体を第一と第二の放
    射素子に第一と第二の放射素子及び基準面の中にある第
    三の通路と接した位置で電気的に接続する。
  7. 【請求項７】 請求項１記載の多周波用アンテナ構造体
    で、給電点が第一と第二の放射素子の上にあり、この第
    一と第二の放射素子で送信／受信された信号が同一偏波
    であるもの。
  8. 【請求項８】 請求項１記載の多周波用アンテナ構造体
    で、第一の分離装置が更に次のものからなるもの：第一
    の給電装置と送信／受信装置との間にあって帯域通過フ
    ィルタの特性を持つ第一の同調回路；第二の給電装置と
    送信／受信装置との間にあって帯域通過フィルタの特性
    を持つ第二の同調回路。
  9. 【請求項９】 請求項８記載の多周波用アンテナ構造体
    で、第一の同調回路には第一のストリップライン回路が
    あり、第二の同調回路には第二のストリップライン回路
    があり、第一と第二のストリップライン回路は基準面に
    平行でその下にあり、そこから第四の誘電体層の厚さだ
    け離れているもの。
  10. 【請求項１０】 請求項９記載の多周波用アンテナ構造
    体で、第一のストリップライン回路には第一の解放端伝
    送線路があり、第二のストリップライン回路には第二の
    解放端伝送線路があり、さらに次の条件を満たすもの：
    第一と第二の共振周波数は第一と第二の共振周波数の中
    で高い方の周波数の約２０％離れている；第一と第二の
    放射素子の各々はＶＳＷＲを２．０：１としたとき少な
    くとも約１０％のバンド幅がある；アンテナ構造体は第
    一の周波数と第二の周波数の各々で少なくとも約２０ｄ
    Ｂの端子間分離特性を持つ。
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