JPH0437204A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は平面アンテナに関し、特に、素子アンテナが平
面上に４角配列された平面アンテナに関する。

［従来の技術］ 近年、情報化の進展とともに同一の周波数帯域を利用し
た通信衛星が打上げられ衛星放送および衛星通信などが
盛んになってきた。衛星放送などては家庭用の受信アン
テナとして直径４０〜１００ｃｍ程度のパラボラアンテ
ナ、または４０〜７Ｑｃｍ角の平面アンテナが実用化さ
れている。中でも平面アンテナは設置の容易さ、美観、
耐風性および耐雪性に優れている。

平面アンテナには大きく分けてマイクロストリップ型と
導波管スロット型の２種類がある。マイクロストリップ
型は、プリント基板の片面に様々な形状のマイクロスト
リップ導体をエツチングで形成して電波を放射（あるい
は受信）できるようにしたものである。一方の導波管ス
ロット型は導波管上にスロット（切口）を並べ、そこか
ら電波を放射（あるいは受信）できるようにしたもので
ある。ここではマイクロストリップ型の平面アンテナに
ついて説明する。

第５図は、従来の共平面マイクロストリップアンテナの
概略構成図である。

この共平面マイクロストリップアンテナは構造的には給
電線路とマイクロストリップ導体からなるアンテナが同
一平面上に形成されるという特徴を備えている。

図において共平面マイクロストリップアンテナは、該ア
ンテナ自体を支持し、かつ補強する目的で−様な一定厚
みを有する導体板である接地板６、この接地板６の主面
上に低誘電損の誘電体材料か−様な厚みを有して形成さ
れた誘電体基板５を含む。さらにこの誘電体基板５をプ
リント基板としてエツチングし矩形のマイクロストリッ
プ導体（以後、これを素子アンテナと呼ぶ）１が正方形
配列され、これら素子アンテナ１は接地板６との間でマ
イクロストリップ共振回路（伝送路共振回路）を形成し
アンテナとして動作する。

また、各素子アンテナ１は同一面上に形成された導体パ
ターンの給電線路２および分岐線路３を介して相互接続
される。これら給電線路２および分岐線路３は接地板６
と組合わさってマイクロストリップ線路（導波路）とし
て動作する。なお、各素子アンテナ１は円偏波受信用、
直線偏波受信用のいずれでもよく、また偏波によらず素
子アンテナ１をペア素子などの配置にしてもよい。また
、該アンテナはその中央部の給電線路２上に信号入出力
点４を有する。また、前記接地板６は、その強度を増す
ためにたとえばＦＲＰ　（繊維強化プラスチック）また
はハニカム構造のアルミニウム材料で裏打ちすることも
ある。

以上のようにして平面上にアンテナが形成されるので、
家屋の壁面などを利用して該アンテナを取り付ければ、
積雪により該アンテナの受信信号の低下が小さいという
利点がある。

第６図は、従来および本発明の実施例に適用される平面
アンテナにおける給電線路２と分岐線路３との配置を示
す模式図である。

図示されるように給電線路２は各素子アンテナ１を並列
かつ直列に接続する線路であり、この給電線路２が交差
（Ｔ字型交差）する部分には分岐線路３が設けられる。

分岐線路３は給電線路２を介して導かれたマイクロ波に
よる電磁界を電力合成したのち、再度給電線路２に出力
する役割を果たしている。その後、この合成された電力
は信号入出力点４に導かれることになる。この電力合成
方法は、第６図に示されるような分岐線路３ａ（図中、
白丸（０）のマークで示す）と分岐線路３ｂ（図中、黒
丸（・）のマークで示す）とて異なっている。この詳細
について以下に説明する。

第７図（ａ）および（ｂ）は、前掲第６図に示される分
岐線路３ａおよび３ｂにおける電力分配および電力合成
方法の詳細を説明するだめの概略図である。

第７図（ａ）は、前掲第６図に示される分岐線路３ａに
おける給電線路２相互の結合状態を示しており、分岐線
路３ａは１方向から入力される電力を１対１に分配合成
（同位相で等分）するようなＴ型電力分配器である。第
７図（ｂ）は、前掲第６図に示される分岐線路３ｂにお
ける給電線路２相互の結合状態を示しており、１方向か
ら入力される電力をｎ対１（ｎ；正の実数）に分配合成
するようなＴ型電力分配器である。この分岐線路３ｂの
場合はよく知られているように分岐部の線路の特性イン
ピーダンスＺ１およびＺ２を適当に選定することにより
給電線路２の特性インピーダンスＺＯと整合をとりなか
ら、電力をその分配比を任意の値にして分配合成するこ
とかできる。これら給電線路２および分岐線路３ａなら
びに３ｂを前掲第６図に示されるように配置して、各素
子アンテナ１に対して並列給電回路か構成される。

このように平面アンテナに並列給電回路を用いて給電が
行なわれる場合は、ストリップ線路あるいは導波管など
を用いた直列給電回路により給電が行なわれる場合に比
較し、そのアンテナの指向特性の１つである周波数特性
が広帯域であるという利点を備えている。以上のように
構成された並列給電回路は信号入出力点４から該アンテ
ナに供給された電力を各素子アンテナ１に接続される給
電線路２に均等にかつ同位相で電力を分配するように動
作し、逆に各素子アンテナ１における受信信号は給電線
路２および分岐線路３を介して等振幅かつ同位相で合成
されて信号入出力点４において該アンテナ外部（裏面）
に出力される。

なお、この信号入出力点４を介して出力された合成電力
は変換された後に各家庭内のチューナに導出される。

次に、第５図の共平面マイクロストリップアンテナの受
信時の動作について説明する。

たとえば通信衛星から放射された電磁波（マイクロ波）
は各素子アンテナ１により受信される。

この受信マイクロ波は各素子アンテナ１からマイクロス
トリップ線路である給電線路２に導出され、分岐線路３
において前述したように信号合成されて信号入出力点４
にて該アンテナ外部に導出される。その後、信号入出力
点４からそのアンテナ裏面に設置されたコンバータ（変
換装置；たたし、図示せず）に導出されて増幅および周
波数変換などされてさらに後段に接続されるチューナに
導出される。

［発明が解決しようとする課題］ 一般に、アンテナに対する電波（マイクロ波）の到来方
向とそのときアンテナに誘起する電圧の関係を表したも
のをそのアンテナの指向特性という。この指向特性には
、アンテナの水平方向の感度を表す水平指向特性と、垂
直方向の感度を表す垂直指向特性とがあるが、以下、こ
の水平指向特性を指向特性と呼ぶ。

さて指向特性は、誘起電圧が最大となるアンテナの最大
感度に対する相対値で示される。アンテナの指向特性を
観察すると、一般に指向特性の最大電界強度（相対値−
１）付近に放射電力の９０％以上が集中している（以下
、主ローブと呼ぶ）ことがわかる。この主ローブが現れ
る主軸放射方向の前後±６０’の範囲について観察され
る放射電力（以下、サイドローブと呼ぶ）は、本来必要
とされない方向への放射電力の強度を示しており、その
電力比はデシベル（ｄ　Ｂ）値で表される。したがって
、アンテナ利得をより向上させるためには、この主ロー
ブレベルを強調しながらサイドローブレベルを極力抑制
しである特定方向への放射電力強度を増加させる必要が
ある。

ところで、同じ素子アンテナを同一軸上に等間隔で配列
したアンテナ系をアレーアンテナという。

このアレーアンテナにおいて最大利得を得るように、各
素子アンテナについてその放射電磁界の主放射方向（各
素子アンテナの配列方向からの相対角度で示される）で
電流を等振幅かつ同位相励振した場合に、アレーアンテ
ナの指向特性（以上゛、アレーファクタと呼ぶ）を算出
すれば第１の大きさを有する第１サイドローブレベルは
約−１３゜２ｄＢおよび第２の大きさを有する第２サイ
ドローブレヘルは約−１，７，８ｄＢとなる。また、上
述したような素子アンテナ１を４角配列した第５図の方
形の平面アンテナにおいて、その指向特性は各素子アン
テナ１とアレーファクタとの積で表すことができる。と
ころで、この各素子アンテナ１はマイクロストリップア
ンテナであり比較的ブロードなビームを有するアンテナ
（素子アンテナの指向特性−１）と考えられるので、平
面アンテナの指向特性はアレーファクターのみに依存す
ることになって第１サイドローブレベルは約−１３゜２
ｄＢおよび第２サイドローブレベルは約−１７゜８ｄＢ
というようにアレーアンテナと同程度レベルを有するこ
とになる。

第５図に示した甲面アンテナは上述したような指向特性
を備えて上空に打上げられた衛星から送信される電波（
マイクロ波）を受信することになる。

さてこのとき、静止衛星軌道上に同一周波数帯域を利用
した衛星か多数打上げられると、同一周波数の複数の衛
星かその軌道間隔を４〜６°と近接した位置に配置され
る場合もある。したがって、地上に設置された平面アン
テナとしては、ほかの衛星からの送信電波によって引起
こされる電波干渉を防ぐ（サイドローブてほかの衛星か
らの信号を受信することを防止する）ために主ローブ近
傍のサイドローブ（第１サイドローブおよび第２サイド
ローブなど）レベルを極力抑制することが重要となるが
、前述したように平面アンテナ上に配列された各素子ア
ンテナが一定振幅同位相励振している場合には、サイド
ローブレベルはほぼ固定されてしまい（アレーファクタ
のみに依存する）このレベルを下げることは理論的にも
困難となる。

また、各素子アンテナの給電線路における電力の合成比
率と振幅、位相などを制御して給電エネルギ調整により
サイドローブレベルを下げる方法が従来から知られてい
るが、この方法を適用した場合は、平面アンテナの開口
面効率が低下するという欠点がある。また、平面アンテ
ナにおけるサイドローブレベル抑圧のためにとられる各
素子アンテナの配列方法としては、上述したような４角
配列のほかに三角形配列、円形配列などが知られている
が、これらの配列方法が採られた平面アンテナにおいて
共平面給電を行なおうとすれば、給電線路の設計が複雑
かつ困難になるという問題がある。また、第５図のよう
に平面アンテナの基板の形が方形状に構成されている場
合は、角部がアンテナ自体の落下衝撃または外部から加
わる落下衝撃などに対して弱くなるため、角部に丸みを
つけたカバーを装着するなど、何らかの衝撃対策を設け
る必要があった。

それゆえに本発明の目的は、サイドローブレベルを抑制
してアンテナ利得を向上させることが可能な平面アンテ
ナを提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る平面アンテナは、主面を有する誘電体基板
と、前記誘電体基板の主面上に４角配列されかつ、同一
指向性を有する複数個の素子アンテナと、前記誘電体基
板の前記主面上に形成され、前記複数の素子アンテナに
給電する給電線路とを備えて構成されており、さらに前
記複数の素子アンテナは列により異なった個数配列され
るように構成されている。

［作用コ 本発明に係る平面アンテナは上述のように構成されるの
で、前記誘電体基板上に配列される素子アンテナ数が各
列で異なることから、各列のアレーファクタが異なって
くる。したがって各素子アンテナについて一定振幅共相
で励振して各列の電力を合成すれば、主ローブについて
は同位相で合成されるが、サイドローブについては同振
幅同位相で合成されないため、主ローブの振幅の増加に
対してサイドローブの振幅の増加は小さくなり、その結
果、主ローブに対するサイドローブレベルは低く抑えら
れることになる。このとき各素子アンテナは一定振幅共
相で励振されるので、その利得の低下は起らない。

［実施例コ 以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

第１図は、本発明の一実施例による共平面マイクロスト
リップアンテナの概略構成図である。第１図に示される
平面アンテナは、第５図で説明した従来の共平面マイク
ロストリップアンテナと同様にして複数の素子アンテナ
１、給電線路２、分岐線路３、信号入出力点４、誘電体
基板５および接地板６を含む。なお、本実施例に示され
る平面アンテナでは、５２ｍの素子アンテナ１を配列し
ているが、素子アンテナ１の配列数は、この５２個に特
定されるものではない。

前記複数の素子アンテナ１の各々はマイクロストリップ
アンテナであり、誘電体基板５上に導体パターンが形成
されて接地板６との間でマイクロストリップ共振回路（
伝送路共振回路）を形成し、アンテナとして動作する。

各素子アンテナ１は円偏波受信用、直線偏波受信用のど
ちらであってもよく、また偏波によらず素子アンテナ１
をペア素子などの配置にしてもよい。

給電線路２および分岐線路３を構成する導体パターンは
複数の素子アンテナ１と同一面上に形成され、接地板６
と組合わさってマイクロストリップ線路として動作する
。第６図において述べたように、分岐線路３は給電線路
２の相互結合によって与えられる電力を１対１に分配合
成して出力する、または与えられる電力をｎ対１（ｎ、
正の実数）に分配合成して出力するＴ復電力分配器であ
る。これらの給電線路２および分岐線路３を配置して各
素子アンテナ１に対して並列給電回路を形成している。

この並列給電回路は、ストリップ線路または導波管など
−で形成される直列給電回路と比較すれば、アンテナの
指向特性の周波数特性が広帯域であるという利点を有し
ている。

このようにして並列給電回路により分配あるいは合成さ
れた各素子アンテナの電力は信号入出力点４において等
振幅かつ等位相で合成される。逆に、信号入出力点４か
ら該平面アンテナに供給された電力は、素子アンテナユ
に接続される給電線路２に均等にかつ同位相で分配され
る。なお、前記接地板６は一定の厚さを有した導体板で
あり誘電体基板５とともにアンテナの構造を支持する支
持体の役割を果たす。そのため接地板６はその強度を増
すために裏面にたとえばＦＲＰあるいはハニカム構造の
アルミニウムなどの材料で裏打ちされる場合もある。

次に、第１図に示される平面アンテナの受信時の動作に
ついて説明する。

第１図に示されるアンテナに到来した上空の衛星からの
電波（マイクロ波）は、各素子アンテナ１で受信され、
給電線路２および分岐線路３を通って信号入出力点４に
導かれ、この信号入出力点４からアンテナ裏面に設けら
れたコンバータ（変換器：図示せず）に導かれる。その
後、コンバータからチニーナに導かれることになる。こ
のとき、この平面アンテナの指向特性は、各素子アンテ
ナ１の指向特性とアレーファクタの積で表すことができ
る。ところで第１図に示される平面アンテナに配列され
ている素子アンテナ１はマイクロストリップアンテナで
あり、比較的ブロードなビームを有するアンテナ（素子
アンテナの指向特性−１）と考えられるので、主ローブ
近傍の指向特性はアレーファクタのみを考慮すれば十分
であると考えられる。

今、第１図に示される平面アンテナでアンテナ列ＡＳＢ
ＳＣに平行にｙ軸、このアンテナ列Ａ１Ｂ、Ｃに垂直か
つアンテナ平面に平行にｙ軸をとる。このＸ軸方向にｎ
番目、ｙ軸方向にｍ番目の素子アンテナ１の位相を含め
た励振の大きさＩ。

□が一般に、Ｉｎｍ−Ｉｎ’Ｉｍと表される場合、アン
テナ工学ハンドブック（オーム社、昭和５５年１０月３
０日発行）ｐ、２０３に示されているように、平面アン
テナの指向特性はｙ軸およびｙ軸方向の素子アンテナ間
隔をそれぞれａ、ｂ、波数をｋとして次のように表せる
。

Ｅ（θ、ｃｆ）−Ｌｆ　ｎ　ｅｘｐ（ｊｎｕ）　’ΣＩ
　ｍｅｘｐ（ｊｃｖ）・・・・・・■ θ：主放射方向、　ｕ　−ｋａｓｉｎθｃｏｓヅｖ−ｋ
ｂｓｉｎθｓｉｎゴ 第１図に示される平面アンテナの場合、各素子アンテナ
１は等振幅かつ同位相の励振であるため、工。−Ｉ□−
１となる。また、第１図に示される平面アンテナは、第
５図に示された従来の６４素子配列の平面アンテナにつ
いて４つの角部に配列された素子アンテナ１が各３個（
計１２個）存在しない場合の平面アンテナと考えられる
。したがって、上式■はさらに、 Ｅ（θ、Ｌｆ） −［ｍｅｘｐ（ｊｎｕ）　（ｅｘｐ（ｉｎ・Ｖ）九１Ｊ ＋　ｅｘｐ（ｉ　°訃マ））十Σｅｘｐ（ｊｎｕ）ｌｅ
ｘｐ（ｉ　ｌ２Ｉｙ）＋ｅｘｐ（ｉ　＋７１）１＋Σｅ
ｘｐ（ｊｎｕ）−ｍｅｘｐ（ｊｍｖ）］　　　　　　　
−−■ｆｌ＋ｌ　　　　　　　九り と展開される。上式■に示されるように、第１図の平面
アンテナの指向特性が２つの直線アレー（素子アンテナ
を１直線上に定間隔で配列したアレーアンテナ）の指向
特性の積で表せる場合、そのサイドローブレベルが最も
大きくなるのは主ローブ方向（放射強度最大方向）か素
子アンテナ１の配列方向またはそれに直角の方向、すな
わちゴー〇またはゴーｐπ／２　（ｐ　；整数）の場合
である。Ｌｆ−ｏの場合を想定すれば、ｖ−Ｑ、ｕ−ｋ
ａｓｉｎθとなり、上式■は、 十４・ｍｅｘｐ（ｊｎｕ） となり、４素子、６素子、および８素子配列の直列アレ
ーの指向特性の和の形となる。

第２図（ａ）ないしくｃ）は、４素子、６素子および８
素子配列された直線アレーのアレーファクタを示す概略
図である。各図において横軸に主放射方向からの角度θ
、縦軸に主ローブの放射強度を基準（−〇）とした場合
の相対値を相対放射強度（ｄ　Ｂ）でとっている。各図
かられかるように、配列される素子アンテナ数が異なれ
ば、サイドローブの現れる角度θ（主放射方向からの角
度）が異なる。このため、θ−００の主ローブ方向につ
いては、各直線アレーの電界強度（上式■の全項）が加
えられて、利得が上昇するのに対して、サイドローブの
出現する角度θにおいては、主ローブ方向の利得の上昇
に対して小さいレベルの増加にとどまって、つまり、サ
イドローブレベルが抑圧されることになる。

第３図は、第５図に示される６４素子を配列した平面ア
レーアンテナのアレーファクタと第１図に示される５２
素子を配列した平面アレーアンテナのアレーファクタと
を示す概略図である。図において縦軸には相対放射強度
がとられ、横軸には主放射方向からの角度がθがとられ
ゴーＯ°および一６０°≦θ≦６０°の場合を示してい
る。また図において、従来の６４素子平面アレーアンテ
ナの場合のアレーファクタは点線で示され、第１図に示
される本発明の一実施例による５２素子平面アレーアン
テナの場合のアレーファクタは実線で示されている。

図からもわかるように、点線で示される６４素子平面ア
レーアンテナの場合、第１、第２、第３、第４および第
５サイドローブレベルが、それぞれ１２．８ｄＢ、−１
６，４ｄＢ、−１７，９６Ｂ、−１７，９ｄＢおよび−
１６，４ｄＢであるのに対し、実線の場合、すなわち本
発明の一実施例による５２素子平面アレーアンテナの場
合は、それぞれ−１８，１ｄＢ、−２７，４ｄＢ、−２
３，１ｄ’Ｂ、および−２’７．３ｄＢであり、それぞ
れ５．３ｄＢ、１１ｄＢ、５．２ｄＢ、１０゜９ｄＢの
サイドローブレベルの抑圧が観察される。

また、ゴー９０°においても、同様の効果か見られる。

第１図の本発明の一実施例による平面アレーアンテナで
は、角部に素子アンテナが配列されていないので、角部
の面取りを多く取ることができる。

したがって、角部の角度が大きくなるため該アンテナは
落下衝撃に対して強くなる。このため、接地板６自体の
厚さを薄くすることができる。

また、第１図の本実施例による平面アレーアンテナを現
在実用化されている平面アレーアンテナと同様にしてア
ンテナ中央部で固定して設置できるような構造とした場
合、同一寸法の方形の平面アレーアンテナと比較して、
その慣性モーメントを小さくすることかできるのでこの
アンテナ自体の取扱いが容易となる。

第４図は、本発明のその他の実施例による共平面アンテ
ナの分解斜視図である。

第４図において、平面アンテナは、第１の接地板７、第
１の誘電体スペーサ８、誘電体シート９、第２の誘電体
スペーサ１０．第２の接地板１１、複数の素子アンテナ
１２、給電線路１３、分岐線路１４を含む。なお、第１
の接地板８にはあらかじめ素子アンテナ１２の大きさに
準じた穴１５が設けられている。複数の素子アンテナ１
２は誘電体シート９上の導体パターンであり穴１５およ
び第２の接地板１１とと゛もにアンテナを形成している
。この平面アンテナも、横方向に１６個および縦方向に
８個の素子アンテナ１２を４角配列したアレーアンテナ
の４つの角部の素子アンテナ１２を各３個（計１２個）
ずつ取去った後の配列構造をとっている。この第４図平
面アンテナにおける給電線路１３および分岐線路１４は
第１の接地板７および第２の接地板１１とともにトリプ
レート線路を形成している。図示されるようなトリプレ
ート線路による並列給電回路が採用された平面アンテナ
の場合、その誘電損失は少なく、開口面効率か高くかつ
広帯域を有し、さらにアンテナとして動作時には、アン
テナ面に対する縦方向の指向特性は前述した第１図の平
面アンテナと同一であり、アンテナ列Ａに平行でかつア
ンテナ面に垂直な水平面内のアレーファクタは１６素子
、１４素子および１２素子のアレーファクタの総和とな
り、第１図に示された平面アンテナと同様にして主ロブ
レベルを強調しながらサイドローブレベルは抑圧される
ことになる。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、簡易な構成でかつ広帯域
においてサイドローブレベルを抑圧でき、しかも機械的
剛性、たとえば落下衝撃に対して強度のある薄型の平面
アンテナを構成することか可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による共平面マイクロスト
リップアンテナの概略構成図である。第２図（ａ）ない
しくＣ）は、４素子、６素子および８素子の直線アレー
のアレーファクタを示す概略図である。第３図は、第５
図に示される６４素子を配列した平面アレーアンテナの
アレーファクタと、第１図に示される５２素子を配列だ
平面アレーアンテナのアレーファクタとを示す概略図で
ある。第４図は、本発明のその他の実施例による共平面
アンテナの分解斜視図である。第５図は、従来の共平面
マイクロストリップアンテナの概略構成図である。第６
図は、従来および本発明の実施例に適用される平面アン
テナにおける給電線路と分岐線路との配置を示す模式図
である。第７図（ａ）および（ｂ）は、第６図に示され
る分岐線路における電力分配および電力合成方法の詳細
を説明するための概略図である。 図において１および１２は素子アンテナ、２および１３
は給電線路、３および１４は分岐線路、４は信号入出力
点、５は誘電体基板および６，７ならびに１１は接地板
である。 なお、 各図中、 同一符号は同一または相当部分 を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 主面を有する誘電体基板と、 前記誘電体基板の主面上に４角配列されかつ、同一指向
   性を有する複数個の素子アンテナと、前記誘電体基板の
   前記主面上に形成され、前記複数の素子アンテナに給電
   する給電線路とを備え、前記複数の素子アンテナが列に
   より異なった個数配列されることを特徴とする平面アン
   テナ。