JPH05152828A - 円環マイクロストリツプアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 円環マイクロストリップアンテナにおいて、
小形、かつ高利得で、２周波数共振とする。 【構成】 マイクロストリップアンテナにおいて、内周
部３５ｓが接地導体２１に接続された、内壁短絡型の円
環放射素子３３の外周縁に、単一の給電点３４と４５゜
の角間隔で、それぞれ所定面積ΔＳ／２の１対の変形部
３６ｃ，３６ｄを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、２周波数共振型の円
環マイクロストリップアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、衛星通信や移動体通信の分野にお
けるアンテナ系としては、通常、構成が簡単で形状が小
さく、低プロファイルの平面アンテナが使用されてい
る。そして、平面アンテナの代表格であるマイクロスト
リップアンテナでは、円形または方形の放射素子が一般
的である。これらの形状の放射素子では、その寸法が使
用周波数に対して一意的に定まること、また、その入力
インピーダンスが、中心では基本的にゼロであり、周辺
に近づくにつれて高くなることが知られている。

【０００３】まず、図１４〜図１６を参照しながら、従
来のマイクロストリップアンテナについて説明する。図
１４，図１５において、１０はマイクロストリップアン
テナであって、いずれも円形の接地導体１１上に、ふっ
素樹脂のような低損失の誘電体層１２を介して、円形の
放射素子１３が同心に積層配設される。この放射素子１
３には、中心１３ｏから適宜にオフセットされて、単一
の給電点１４が配設される。

【０００４】図１５に示すように、接地導体１１の放射
素子１３とは反対側に、給電点１４と対向して、同軸コ
ネクタＪが配設され、この同軸コネクタＪの内部導体が
給電点１４に直接に接続される。また、放射素子１３の
中心１３ｏは、短絡ピン１３ｓにより、接地導体１１に
接続される。

【０００５】上述のような１点給電により、放射素子１
３には、ＴＭ110 モードにおいて、図１４に矢印Ｆ０で
示されるような、給電点１４を通る直径方向に励振電流
が流れて、放射素子１３は、このモードに対応する単一
の周波数に共振し、直線偏波を放射する。

【０００６】図１４，図１５のアンテナ１０が、例え
ば、１．６ＧＨｚの周波数帯で使用される場合、接地導
体１１，放射素子１３の寸法、誘電体層１２の厚さと誘
電率は、例えばそれぞれ次のように設定される。 Ｄ11＝１３０ｍｍ， Ｄ13＝６６ｍｍ； ｔ12＝３．２ｍｍ， εr ＝２．６ また、給電点１４のオフセット距離は、例えば次のよう
に設定される。 ρ14＝１０．０ｍｍ

【０００７】これにより、上述のようなアンテナの入力
インピーダンス−周波数特性は、図１６Ａに示すように
なり、図１６Ｂにも示すように、中心周波数における整
合状態は良好である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、移動体通信
の分野では、移動局側のアンテナの一層の高利得化と小
型化が絶えず要望されているが、前述のような円形マイ
クロストリップアンテナを高利得化する手法として、例
えば、次の文献などにより、図１７に示すように、放射
素子に開孔を設けて円環状とすると共に、この放射素子
の内周部を接地導体に短絡することが知られている。 参考文献：電子情報通信学会技術研究報告ＡＰ８５−６
２（昭和６０年１０月）

【０００９】図１７の円環マイクロストリップアンテナ
２０においては、いずれも円形の接地導体２１と放射素
子２３とが同軸に配置され、この放射素子２３の中央部
に円形の開孔２５が穿設されて円環状に形成されると共
に、放射素子２３の内周部がスルーホールなどからなる
短絡壁２５ｓにより接地導体２１に接続されて、内壁短
絡型に構成される。

【００１０】この放射素子２３には、内周から適宜にオ
フセットされて、単一の給電点２４が配設され、接地導
体２１の放射素子２３とは反対側に配設された同軸コネ
クタＪの内部導体と直接に接続される。なお、この図１
７において、前出図１４，１５に対応する部分には
“１”の位が同一の符号を付して一部説明を省略する。

【００１１】前出図１４に示すような円形の放射素子で
は、ＴＭ100 モードにおいて、フリンジ効果を考慮しな
い場合、その半径Ａと共振周波数ｆとの間に、次の数式
１のような関係が成立する。また、フリンジ効果を考慮
した場合には、等価半径Ａeqと共振周波数ｆとの間に、
次の数式２のような関係が成立する。

【００１２】

【数１】

【数２】

【００１３】なお、この数式１において、ｃは光速、ｔ
は誘電体の厚み、εrは誘電体の比誘電率である。ま
た、χは放射素子の形状に固有な値であって、円形放射
素子の場合は、第１種ベッセル関数の微分形Ｊ′（χ）
＝０を満足するものとなり、次のような値をとる。 χ₁₁＝１．８４１

【００１４】一方、図１７に示すような、内壁短絡型の
円環状放射素子では、内壁短絡・外壁開放の境界条件の
下で、内部波長に比べて充分に小さい厚さを有するキャ
ビティの内部電磁界を解析することにより、固有値χ
（β）が求められる。βは、円環状放射素子の内外半径
の比（リング比）Ａｉ／Ａｏであって、適宜に設定さ
れ、図１８に示すように、リング比βの増大に伴って固
有値χ（β）が大きくなる。そして、ＴＭ100 モードに
おいて、外半径Ａｏないし等価外半径Ａｏeqと共振周波
数ｆとの間には、次の数式３，４のような関係が成立す
る。

【００１５】

【数３】

【数４】

【００１６】上述のような内壁短絡型円環アンテナは、
ＴＭ100 モードにおいて、直線偏波を放射する。また、
指向性は正面方向に単方向性となり、開口面積の増大に
よってアンテナ利得が向上する。

【００１７】ところが、前述のような通信分野では、比
較的近接した２つの周波数を使用して、上り回線と下り
回線とによる双方向通信を行なう場合がある。この場
合、前述のような円環マイクロストリップアンテナは、
一般にそのＱが高く、周波数帯域が狭いので、比較的近
接した２つの周波数であっても、１つのアンテナでは充
分カバーすることができないという問題があった。

【００１８】もっとも、上り回線と下り回線とにそれぞ
れ専用の円環アンテナを用いて双方向通信を行なうこと
はできるが、この場合には、アンテナ系が大きくなって
しまうという問題が生ずる。

【００１９】かかる点に鑑み、この発明の目的は、小
形、かつ高利得で、比較的近接した２つの周波数に対応
することができる、円環マイクロストリップアンテナを
提供するところにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】第１のこの発明は、誘電
体層３２を介して接地導体３１に対向する円環状の放射
素子３３を備え、この放射素子の内周部３５を接地導体
に接続すると共に、放射素子の内周から所定の距離に単
一の給電点３４を配設した円環マイクロストリップアン
テナにおいて、給電点と４５゜の角間隔を有する放射素
子の直径の両端部にそれぞれ所定面積ΔＳ／２の１対の
変形部３６ｃ，３６ｄを形成して２周波数共振型とした
円環マイクロストリップアンテナである。

【００２１】第２のこの発明は、誘電体層３２を介して
接地導体３１に対向する円環状の放射素子３３を備え、
この放射素子の内周部３５を接地導体に接続すると共
に、放射素子の内周から所定の距離に給電点を配設した
円環マイクロストリップアンテナにおいて、１対の給電
点３４ａ，３４ｂを９０゜の角間隔で配設すると共に、
この１対の給電点の一方を通る放射素子の直径の両端部
にそれぞれ所定面積ΔＳ／２の１対の変形部３６ｃ，３
６ｄを形成して２周波数共振型とした円環マイクロスト
リップアンテナである。

【００２２】

【作用】かかる構成によれば、小形で、高利得が得られ
ると共に、比較的近接した２つの周波数に容易に対応す
ることができる。

【００２３】

【実施例】以下、図１〜図５を参照しながら、この発明
による円環マイクロストリップアンテナを１点給電型に
適用した一実施例について説明する。

【００２４】この発明の一実施例の構成を図１〜図３に
示す。この図１〜図３において、前出図１７に対応する
部分には“１”の位が同一の符号を付して一部説明を省
略する。

【００２５】この実施例の円環マイクロストリップアン
テナ３０では、円環放射素子３３の周縁に、１８０゜の
角間隔で、１対の切欠き３６ｃ，３６ｄを刻設する。そ
して、図２に示すように、この切欠き３６ｃ，３６ｄを
通る放射素子３３の直径は、給電点３４に対して反時計
方向に４５゜の角間隔を有する。

【００２６】各切欠き３６ｃ，３６ｄの面積ΔＳ／２
は、元の円環放射素子の面積をＳｒとし、アンテナの無
負荷ＱをＱｏとし、前述のようなリング比βの関数とな
る固有値をχ（β）として、次式に基いて設定される。 ΔＳ／Ｓｒ＞１／χ（β）・Ｑｏ

【００２７】図３に示すように、２つの信号源１，２の
出力が、ダイプレクサ３を介して、給電点３４に供給さ
れる。双方向通信を行なう場合は、信号源１，２の一方
が送信機となり、他方が受信機となる。その余の構成は
前出図１７と同様である。

【００２８】上述のような１点給電と、１対の切欠きの
刻設とにより、この実施例の放射素子３３は、図２に矢
印Ｆａ，Ｆｂで示すような、放射素子３３の給電点３４
を通る直径とそれぞれ４５゜の方向の、直交する２つの
モードで励振されて、放射素子３３は、このモードに対
応する２つの周波数で共振し、それぞれ直線偏波を放射
する。

【００２９】切欠きがない通常の円環放射素子の場合に
は、この２つのモードＦａ，Ｆｂが同一の周波数に共振
して、外部からは判別することができない。この状態を
縮退しているという。図１，２に示すように、放射素子
３３に、１対の切欠き３６ｃ，３６ｄが刻設されると、
この切欠きの部分が、一方のモードＦａに対しては強電
界領域であり、他方のモードＦｂに対しては強磁界領域
であるので、切欠きの形成による各モードＦａ，Ｆｂの
共振周波数のずれ量が異なる。

【００３０】従って、２つのモードＦａ，Ｆｂがそれぞ
れ異なる周波数で共振することになり、縮退の状態が解
かれて（分離されて）、外部からの判別が可能となる。
そして、第１の共振周波数が放射素子３３及び開孔３５
の直径Ｄ33，Ｄ35に依存すると共に、第２の共振周波数
は切欠き３６ｃ，３６ｄの寸法に依存し、この切欠きの
寸法によって、共振周波数を容易に制御することができ
る。

【００３１】この実施例のアンテナ３０が、例えば、
１．６ＧＨｚの周波数帯で使用される場合、接地導体３
１，放射素子３３，開孔３５の直径、切欠き３６ｃ，３
６ｄの幅と深さ、誘電体層３２の厚さと誘電率は、例え
ばそれぞれ次のように設定される。 Ｄ31＝１５０ ｍｍ； Ｄ33＝１０９ ｍｍ， Ｄ35＝５７．２ｍｍ； ｗ ＝ １９．６ｍｍ， ｄ ＝ ８．０ｍｍ； ｔ32＝ ３．２ｍｍ， εr ＝ ２．６ また、放射素子３３の中心からの、給電点３４のオフセ
ット距離は、例えば次のように設定される。 ρ34＝ ３８．０ｍｍ

【００３２】これにより、この実施例のアンテナの入力
インピーダンス−周波数特性は、図４Ａに示すようにな
り、図４Ｂにも示すように、２つの共振周波数における
整合状態は良好である。この実施例では、給電点のオフ
セット距離のみによって、容易にインピーダンス整合を
とることができる。

【００３３】また、この実施例のアンテナの放射特性
は、２つの共振周波数において、それぞれ図５Ａ，Ｂに
実線で示すようになり、正面方向のアンテナ利得は、そ
れぞれ９．３ｄＢｉ，９．５ｄＢｉに達する。一方、従
来の円形マイクロストリップアンテナの放射特性は、各
周波数において、それぞれ同図に破線で示すようにな
り、正面方向のアンテナ利得は、それぞれ６．５ｄＢｉ
である。この図から、この実施例の円環アンテナ３０
は、各共振周波数において従来の円形アンテナ１０に比
べて、利得が３ｄＢ向上していることが明かである。

【００３４】上述の実施例では、縮退分離のために、１
対の切欠き３６ｃ，３６ｄを設けたが、図６に示すよう
に、円環放射素子４３の周縁に、１８０゜の角間隔で、
１対の張出し４６ｃ，４６ｄを形成するようにしてもよ
い。この場合、張出し４６ｃ，４６ｄを通る放射素子４
３の直径は、単一の給電点４４に対して時計方向に４５
゜の角間隔を有する。そして、各張出し４６ｃ，４６ｄ
の面積ΔＳ／２は、前述の実施例の切欠き３６ｃ，３６
ｄの面積と同様に設定される。なお、この図６におい
て、前出図１に対応する部分には“１”の位が同一の符
号を付して説明を省略する。

【００３５】次に、図７〜図１１を参照しながら、この
発明による円環マイクロストリップアンテナを２点給電
型に適用した他の実施例について説明する。

【００３６】この発明の他の実施例の構成を図７〜図９
に示す。この図７〜図９において、前出図１〜図３に対
応する部分には同一の符号を付して一部説明を省略す
る。

【００３７】この実施例の円環マイクロストリップアン
テナ３０Ｄでは、放射素子３３の中心から所定の距離
に、１対の給電点３４ａ，３４ｂを９０゜の角間隔で配
設すると共に、この１対の給電点の一方、例えば、３４
ｂを通る直径上で、放射素子３３の周縁に、１対の切欠
き３６ｃ，３６ｄを刻設する。

【００３８】図９に示すように、２つの信号源１，２の
出力が、同軸コネクタＪａ，Ｊｂを介して、１対の給電
点３４ａ，３４ｂにそれぞれ供給される。双方向通信を
行なう場合は、信号源１，２の一方が送信機となり、他
方が受信機となる。その余の構成は前出図１〜図３と同
様である。

【００３９】上述のような２点給電と、１対の切欠きの
刻設とにより、この実施例の放射素子３３は、図８に矢
印Ｆａ，Ｆｂで示すような、それぞれ給電点３４ａ，３
４ｂを通り、互いに直交する２つのモードで励振され
て、放射素子３３は、このモードに対応する２つの周波
数で共振し、それぞれ直線偏波を放射する。

【００４０】この実施例のアンテナ３０Ｄが、例えば、
１．６ＧＨｚの周波数帯で使用される場合、接地導体３
１，放射素子３３，開孔３５の直径、切欠き３６ｃ，３
６ｄの幅と深さ、誘電体層３２の厚さと誘電率は、例え
ばそれぞれ次のように設定される。 Ｄ31＝１５０ ｍｍ； Ｄ33＝１０９．０ｍｍ， Ｄ35＝５７．２ｍｍ； ｗ ＝ １９．６ｍｍ， ｄ ＝ ８．０ｍｍ； ｔ32＝ ３．２ｍｍ， εr ＝ ２．６ また、放射素子３３の中心からの両給電点３４ａ，３４
ｂのオフセット距離は、例えばそれぞれ次のように設定
される。 ρａ＝ ３６．０ｍｍ， ρｂ＝ ３７．５ｍｍ

【００４１】これにより、上述のようなアンテナの一方
の給電点２４ａの入力インピーダンス−周波数特性は、
図１０Ａに示すようになり、図１０Ｂにも示すように、
一方の共振周波数における整合状態は良好である。ま
た、他方の給電点２４ｂの入力インピーダンス−周波数
特性は、図１１Ａに示すようになり、図１１Ｂにも示す
ように、他方の共振周波数における整合状態は良好であ
る。そして、この実施例では、給電点のオフセット距離
のみによって、容易にインピーダンス整合をとることが
できる。

【００４２】また、この実施例のアンテナの放射特性
は、２つの共振周波数において、それぞれ図１２Ａ，Ｂ
に実線で示すようになり、同図に破線で示すような従来
の円形マイクロストリップアンテナに比べて、利得が３
ｄＢ向上していることが明かである。

【００４３】上述のように、この実施例では、２点給電
により、２周波数共振型のアンテナを、各共振周波数ご
とに独立に励振することができて、ダイプレクサを用い
る必要がなく、給電系のコストを低減することができ
る。 また、アクティブアンテナを容易に構成すること
ができる。

【００４４】上述の実施例でも、縮退分離のため、放射
素子の周縁に１対の切欠き３６ｃ，３６ｄを設けたが、
図１３に示すように、１対の給電点４４ａ，４４ｂを９
０゜の角間隔で配設すると共に、この１対の給電点の一
方、例えば、４４ａを通る直径上で、放射素子４３の周
縁に、１対の張出し４６ｃ，４６ｄを形成するようにし
てもよい。この張出し４６ｃ，４６ｄの面積ΔＳ／２
は、前述の実施例の切欠き３６ｃ，３６ｄの面積と同様
に設定される。なお、この図１３において、前出図７に
対応する部分には“１”の位が同一の符号を付して説明
を省略する。

【００４５】上述の各実施例において、切り欠き，張出
しなどの変形部の配設方向は、図示の方向から９０゜回
転してもよい。また、各給電点に対しても、背面直接給
電に代えて、マイクロストリップ線路による背面側方給
電を行なってもよく、あるいは、スロット給電を行なっ
てもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述のように、この発明によれば、
マイクロストリップアンテナにおいて、内周部が接地導
体に接続された、内壁短絡型の円環放射素子の外周縁
に、給電点と所定の角間隔で所定面積の１対の変形部を
形成するようにしたので、小形、かつ高利得で、比較的
近接した２つの周波数に容易に対応することができる、
円環マイクロストリップアンテナが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明による円環マイクロストリップアン
テナを１点給電型に適用した一実施例の構成を示す分解
斜視図

【図２】 この発明の一実施例の構成を示す平面図

【図３】 この発明の一実施例の構成を示す断面図

【図４】 この発明の一実施例の特性を示す線図

【図５】 この発明の一実施例の特性を示す線図

【図６】 この発明の他の実施例の構成を示す分解斜視
図

【図７】 この発明による円形マイクロストリップアン
テナを２点給電型に適用した他の実施例の構成を示す分
解斜視図

【図８】 この発明の他の実施例の構成を示す平面図

【図９】 この発明の他の実施例の構成を示す断面図

【図１０】 この発明の他の実施例の特性を示す線図

【図１１】 この発明の他の実施例の特性を示す線図

【図１２】 この発明の他の実施例の特性を示す線図

【図１３】 この発明の他の実施例の構成を示す分解斜
視図

【図１４】 従来の円形マイクロストリップアンテナの
構成例を示す平面図

【図１５】 従来例の構成を示す断面図

【図１６】 従来例の特性を示す線図

【図１７】 他の従来例の構成を示す斜視図

【図１８】 この発明の説明のための線図

【符号の説明】

３０，３０Ｄ，４０，４０Ｄ 円環マイクロス
トリップアンテナ ３１，４１ 接
地導体 ３２，４２ 誘
電体層 ３３，４３ 放
射素子 ３４，３４ａ，３４ｂ，４４，４４ａ，４４ｂ 給
電点 ３６ｃ，３６ｄ 切
欠き ４６ｃ，４６ｄ 張
出し

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体層を介して接地導体に対向する円
   環状の放射素子を備え、この放射素子の内周部を上記接
   地導体に接続すると共に、上記放射素子の内周から所定
   の距離に単一の給電点を配設した円環マイクロストリッ
   プアンテナにおいて、 上記給電点と４５゜の角間隔を有する上記放射素子の直
   径の両端部にそれぞれ所定面積の１対の変形部を形成し
   て２周波数共振型としたことを特徴とする円環マイクロ
   ストリップアンテナ。
2. 【請求項２】 誘電体層を介して接地導体に対向する円
   環状の放射素子を備え、この放射素子の内周部を上記接
   地導体に接続すると共に、上記放射素子の内周から所定
   の距離に給電点を配設した円環マイクロストリップアン
   テナにおいて、 １対の給電点を９０゜の角間隔で配設すると共に、 この１対の給電点の一方を通る上記放射素子の直径の両
   端部にそれぞれ所定面積の１対の変形部を形成して２周
   波数共振型としたことを特徴とする円環マイクロストリ
   ップアンテナ。