JPH0666578B2 - 無指向性マイクロストリップアンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、陸上における移動無線基地局用のコリニア・
アンテナの基本放射素子等に好適な無指向性マイクロス
トリップアンテナに関するものである。

従来の技術 第20図は、従来におけるマイクロストリップアンテナの
一例を示す斜視図で、11は波長に比し十分薄い誘電体よ
り成る基板、12は基板11の表面中央に設けた矩形状の導
体より成る放射素子で、13はリボン状の導体、14は基板
11の背面に設けた接地導体、15は同軸形給電端子で、そ
の外部導体を接地導体14に接続し、内部導体をリボン状
の導体13に接続してある。

給電端子15、リボン状の導体13及び接地導体14より成る
マイクロストリップ線路を介して基本モードで励振する
場合、放射素子12の所要の長さａは、基板11の比誘電率
をεｒ、放射波長をλとすると、ほぼ となり、給電点、即ち、放射素子12とリボン状の導体13
との接続点を含む放射素子12の下端縁に対向する上端縁
を接地導体14に短絡接続せしめた場合には、放射素子12
の所要の長さａはほぼ となる。

このマイクロストリップアンテナの基本的な特性は、放
射素子12の給電点が波源となると共に、放射素子12の中
心点に対して給電点と対称な上端縁部分が波源となり、
この２個所の波源から放射される電磁波が合成されるた
め、基板11の比誘電率が一様で、基板11が平板であると
すると、放射電界面及び磁界面は共に正面方向にのみ指
向性を有する。

第20図における放射素子12の中心をを座標原点とし、矢
印を付した実線を以て示すように、放射素子12の長さ方
向をＸ軸方向、幅方向をＹ軸方向、基板11の板面を直交
する方向をＺ軸方向とした場、YZ面の指向性、即ち、磁
界面の指向性の一例を示すと第21図のようになり、図か
ら明らかなように半値幅はほぼ80゜である。

XZ面の指向性、即ち、電界面の指向性の一例を示すと第
22図のようになり、半値幅はほぼ76゜である。

又、このマイクロストリップアンテナのインピーダンス
特性は、このアンテナが不平衡平面回路共振器より成る
ため、Ｑが大で、比帯域は狭帯域である。

第23図は、第20図に示したアンテナにおける基板11の比
誘電率εｒを3.6に選んだ場合における放射周波数と反
射減衰量の関係の一例を示す図で、横軸は周波数、縦軸
は反射減衰量（dB）であるが、図から明らかなように、
反射減衰量10dB（電圧定在波比VSWR≒1.9）において比
帯域は2.5％程度である。

第24図は、水平面内における指向性を無指向性とするた
めに従来提案実施されているマイクロストリップアンテ
ナの一例を示す図、第25図は、その要部の展開図で、両
図において、16は砲弾形支持体、17は誘電体より成る可
撓性基体、18はリボン状の導体より成る放射素子で、基
体17の表面に設けてある。19は給電線である。

発明が解決しようとする問題点 陸上における移動無線基地局用のアンテナは、垂直偏波
で、水平面内の指向性が無指向性であることが要求され
ると共に、特に送受信に共用する場合には、比帯域がほ
ぼ10％に及ぶことが要求されるため、第20図に示した従
来のマイクロストリップアンテナは陸上における移動無
線基地局用のアンテナとしては不適である。

第24図及び第25図に示したアンテナはYZ平面において無
指向性であるが、形状構造が大形複雑なばかりでなく、
放射素子18は基本的には不平衡平面回路共振器であるか
ら周波数特性が狭帯域で、矢張り陸上における移動無線
基地局用のアンテナとしては不適である。

問題点を解決するための手段 本発明は、誘電体基板の表面に被着せしめた金属被膜よ
り成る一次放射素子の外周に、筒状の二次放射素子を設
けて成るマイクロストリップアンテナを実現することに
よって、従来のアンテナにおける欠点を除こうとするも
のである。

作用 上記のように構成した本発明アンテナは、小形で、水平
面内において無指向性を呈し、広帯域に亙ってインピー
ダンス特性の変化が極めて小である。

実施例 第１図は、本発明の一実施例を示す正面図、第２図は側
面図、第３図は背面図、第４図は平面図、第５図は要部
の正面図、第６図は要部の側面図で、各図において、１
は放射波長に比し薄い誘電体基板、２は基板１の表面に
設けた矩形状の導体より成る一次放射素子、３は基板１
の表面に設けたリボン状の導体で、上端部を一次放射素
子２の下端部に接続してある。４はリボン状の導体３の
中間部分を適宜の長さに亙って幅を広く形成して成るイ
ンピーダンス整合素子、５は基板１の背面に設けた接地
導体、６は給電端子で、例えば同軸端子より成り、その
内部導体をリボン状の導体３に接続し、外部導体を接地
導体５に接続してある。

一次放射素子２、リボン状の導体３、インピーダンス整
合素子４及び接地導体５等は、プリント配線手法又は蒸
着等の手段によって基板１の表面又は背面に被着せしめ
た銅箔等を以て形成してある。

７は二次放射素子で、両端を開放した筒状の導体より成
り、その中心軸を一次放射素子２の長手方向の中心軸に
ほぼ一致せしめ、二次放射素子７の側壁が一次放射素子
２の表面を覆うと共に、二次放射素子７の内径を適当な
らしめて一次放射素子２、リボン状の導体３及び接地導
体５等が二次放射素子７に接触することのないように配
設してある。

8₁乃至8₄は誘電体より成る支持体で、それぞれ例えば横
断面の形状を半円形に形成し、平担な側壁に基板１の嵌
入凹部を設け、支持体8₁及び8₂を二次放射素子７の上端
部に内装し、支持体8₃及び8₄を二次放射素子７の下端部
に内装すると共に、支持体8₁乃至8₄の各嵌入凹部の間に
基板１を挟持せしめ、支持体8₁乃至8₄と二次放射素子７
との間及び支持体8₁乃至8₄と基板１との間を適当な接着
剤等で固着せしめる。

支持体8₁乃至8₄の各平担な側壁に嵌入凹部を設けること
なく、平担な側壁の状態で基板１を挟持せしめてもよ
い。

図には一次放射素子２の正面から見た輪郭形状を矩形に
形成した場合を例示してあるが、円形又は楕円形等に形
成してもよく、又、二次放射素子７の横断面の形状も円
形のほか楕円形、正方形又は矩形等任意の形状に形成し
ても本発明を実施することが出来る。

二次放射素子７の横断面の形状に応じて支持体8₁乃至8₄
の各横断面の形状を定めること勿論である。

更に、一次放射素子７を導板より成る筒状を以て形成す
る代りに網状又は格子状の導体を以て形成するか、筒状
の誘電体より成る基板の外表面又は内表面にプリント配
線手法又は蒸着等の手法によって被着せしめた銅箔等を
以て形成してもよい。

第７図乃第９図は、本発明アンテナの構成及び作動原理
を説明するための図で、各図の符号は第１図乃至第６図
と同様で、矢印を付した実線は電界分布を、破線は電流
分布を、それぞれ示す。

本発明マイクロストリップアンテナにおける一次放射素
子２を基本モードで励振する場合における一次放射素子
２の所要の長さａは、基板１の比誘電率をεｒ、放射波
長をλとすると、ほぼ となること、第20図に示した従来のマイクロストリップ
アンテナと同様である。

本発明においては、二次放射素子７の軸長を、電気長で
放射波長の１／２より適宜短く選定するが、二次放射素
子７は一次放射素子２に比し基板１の比誘電率の影響が
少なく、二次放射素子７を、前述のように、筒状の誘電
体より成る基体の表面に被着せしめた銅箔等を以て形成
した場合でも、筒状の誘電体より成る基体を、適当な比
誘電率を有する材料で形成することにより、二次放射素
子７の実際の軸長を、一次放射素子２の長手方向の実際
の長さより長くすることが可能で、第７図乃至第９図に
示すように、二次放射素子７の筒状の側壁によって一次
放射素子２を覆うように両放射素子を配設することが出
来る。

以下、説明の便宜上、二次放射素子７の軸長の１／２に
対応する側壁上の点d₇を含み筒軸と直角な面と、一次放
射素子２の長手方向の中心点d₂が一致するように、両放
射素子を配設した場合について説明する。

第７図乃至第９図におけるｃ点は、リボン状の導体３、
基板１及び接地導体５より成るマイクロストリップ線路
を以て形成した給電線と、一次放射素子２、基板１及び
接地導体５より成るマイクロストリップアンテナとの接
続点、即ち、給電点で、この給電点ｃを介してマイクロ
ストリップアンテナを励振した場合、一次放射素子２の
長手方向における不連続部分において発生した電界に基
づく電流分布は、第７図に示すように、一次放射素子２
の長手方向の中心点d₂において最大で、d₂点を中心とし
て左右対称となり、一次放射素子２の両端部において零
となる。

このような電流分布を生ぜしめる電界分布のうち、基板
１内における電界ベクトルに着目すると、d₂点から図面
に向かって左側におけるベクトルは、接地導体５からリ
ボン状の導体３及び一次放射素子２に向かう上向きのベ
クトル、d₂点から右側のベクトルは一次放射素子２から
接地導体５に向かう下向きのベクトルで、d₂点を中心に
して左右対称の位置におけるベクトルは、大きさが互い
に等しく、位相が互いに逆相となる。

そして一次放射素子２、基板１及び接地導体５より成る
部分は、マイクロストリップ線路としても作用し、又、
一次放射素２の長さがほぼ で、d₂点が一次放射素子２の長手方向の中心点であるか
ら、一次放射素子２のd₂点と、このd₂点に対応する接地
導体５におけるd₅点との間の電位差は零となる。したが
って、d₂点とd₅点とを短絡しても電流が流れることな
く、電気的に何等問題を生ずることはない。

第８図に示すように、一次放射素子２の長手方向におけ
る不連続部分、即ち、一次放射素子２の両端部において
各発生した電界によって二次放射素子７に電界が誘導発
生するが、一次放射素子２の両端部に各発生した電界
が、一次放射素子２の長手方向の中心点d₂を中心にして
左右対称の位置における電界ベクトルの大きさが互いに
等しく、位相が互いに逆相となり、一次放射素子２の長
手方向の中心点d₂と、このd₂点に対応する接地導体５に
おける点d₅との間の電位差が零となり、一次放射素子２
の両端部において電圧最大となるのと同様に、二次放射
素子７の軸長の１／２の点d₇を中心にして左右対称の位
置における電界ベクトルの大きさが互いに等しく、位相
が互いに逆相となり、二次放射素子７の両端における電
圧が最大、中心点d₇において零となるから二次放射素子
７の内表面及び外表面に破線で示すような電流が分布す
る。

この場合にも、一次放射素子２の中心点d₂及び接地導体
５におけるd₅点を短絡しても電流が流れるこなく、電気
的に問題を生ずることはない。

二次放射素子７の外径を放射波長に比し適宜小ならしめ
れば、一次放射素子２に発生した電界によって、二次放
射素子７の両端部の円周方向全域に誘導電界を生じ、第
９図に示すように、二次放射素子７の側壁の表面の円周
方向全域に亙って第８図に示したものと同様の電流分布
を生ずる。

したがって、二次放射素子７のd₇点を含み筒軸と直角な
面と、二次放射素子７の側壁との交線上の任意の点及び
一次放射素子２の長手方向の中心点d₂並びに接地導体５
のd₅点は、何れも電流最大、電圧零となるから、上記何
れの点を短絡しても電流が流れることなく、電気的に問
題を生ずることはない。

本発明アンテナにおける二次放射素子７は、１個の筒状
の導体より成り、２本の放射素子より成るダイポールア
ンテナとは機械的に構成を異にするが、第９図に破線で
示した電流分布から明らかなように、電気的には１／２
波長ダイポールアンテナと同等である。

通常のダイポールアンテナにおいては、放射素子を形成
する線の外径が極めて細い場合、ダイポールアンテナの
全長を、放射波長の１／２に形成することによって、垂
直面（電界面）内における指向性を、水平方向で電界が
最大となるようにすることが出来る。即ち、断面が８の
字型のドーナツ状の指向性とすることが出来る。

然しながら、ダイポールアンテナを形成する放射素子の
外径が大となるにしたがって、アンテナの全長を放射波
長の１／２より適宜短縮することによって、上記のよう
な断面８の字型ドーナツ状の指向性が得られること周知
のとおりである。

本発明における二次放射素子７は前述のように通常のダ
イポールアンテナとは異なるが、放射波長に比し小なる
範囲で、筒状の導体の外径を適当に定めると共に、軸長
を放射波長の１／２より適宜短く形成することによっ
て、通常のダイポールアンテナと同様の指向性を呈せし
めることが出来る。

即ち、第７図乃至第９図について説明した解析結果は、
二次放射素子７の外径及び軸長を前記のように定めるこ
とによって得られたもので、この解析結果及び後述する
第18図並びに第19図に示す本発明アンテナの指向性から
二次放射素子７が通常のダイポールアンテナと電気的に
等価であることが分かる。

第10図は、本発明アンテナの等価回路図で、L₂及びC₂は
一次放射素子２の実効インダクタンス及び実効容量、L₇
及びC₇は二次放射素子の実効インダクタンス及び実効容
量、C₂₇は一次放射素子２と二次放射素子７の電界結合
容量、Rrは電磁波の放射に寄与する放射抵抗、Ｔ_ｆは給
電点である。

一次放射素子２の幅ｂを変えるか、基板１及び二次放射
素子７の中心軸をずらせるか、又は基板１を適宜曲率の
曲面に形成するか、或いは二次放射素子７の横断面の形
状を、例えば楕円形又は長方形等に変化せしめることに
よって電界結合容量C₂₇の大きさを変えることが出来、
電界結合容量C₂₇の大きさを変えることによって反射減
衰量の周波数特性を変化せしめることが出来る。

第１図乃至第10図についいて説明した第１の発明におい
ては、一次放射素子２の長さａを、ほぼ に形成して基本モードで励振することにより、陸上にお
ける移動無線基地局用のコリニア・アンテナの基本放射
素子等に好適な無指向性マイクロストリップアンテナを
実現する目的を達せしめたものであるが、第７図乃至第
９図について説明したように、一次放射素子２の中心点
d₂と接地導体５を短絡しても電気的には何等問題を生ず
ることはないから、第１図乃至第６図に示した一次放射
素子２の長手方向の中間点において、第11図に一部切欠
部を有する正面図を示すように短絡ピン又はスルーホー
ル9₁乃至9₃を介して一次放射素子２と接地導体５とを短
絡し、この短絡個所から上部の一次放射素子部分を除い
ても本発明を実施することが出来る。

この実施例においては、二次放射素子７への励振は二次
放射素子７の一端に対する電圧給電と等価となり、半波
長ダイポールアンテナと等価的に作動することとなる。

第12図は、本発明の他の実施例を示す正面図、第13図は
側面図で、同図において、１は共通の誘電体基板、2₁及
び2₂は一次放射素子で、基板１の長手方向に適宜間隔を
隔てて設けてある。３はリボン状の導体、4₁及び4₂はイ
ンピーダンス整合素子、５は基板１の背面に設けた接地
導体、7₁及び7₂は二次放射素子で、それぞれ一次放射素
子2₁及び2₂の各外周に設けてある。

この実施例においても、一次放射素子2₁と二次放射素子
7₁との電気的、機械的構成関係、一次放射素子2₂と二次
放射素子7₂との電気的、機械的構成関係は、図１乃至６
について説明した実施例における一次放射素子２と二次
放射素子７との電気的、機械的構成関係と全く同様であ
る。

この実施例においては、リボン状の導体３及び接地導体
５より成るマイクロストリップ線路を以て形成された給
電線を介して一次放射素子2₁及び2₂が直列に給電され
る。

第14図に正面図を示すように、主給電線を形成するリボ
ン状の導体３及び分岐給電線を形成するリボン状の導体
3₁及び3₂を設けて並列給電を行うように構成しても本発
明を実施することが出来る。

以上は、基板１の表面に設けたリボン状の導体３、3₁及
び3₂と基板１の背面に設けた接地導体５より成るマイク
ロストリップ線路を以て給電線を形成した場合を例示し
たが、マイクロストリップ線路の代りに平衡線路を以て
給電線を形成してもよく、基板１の表面及び背面に被着
せしめた金属被膜によってマイクロストリップ線路又は
平衡線路を形成する代りに基板１の表面を用いることな
く背面側のみで給電線を形成せしめてもよい。

又、第15図に正面図を、第16図に側面図を示すように、
基板１の背面側に設けた同軸線路10及び基板１の表面側
に設けたリボン状の導体３を以て主給電線を形成し、リ
ボン状の導体3₁及び3₂を以て分岐給電線を形成するか、
全給電線を同軸線路を以て形成してもよい。

尚、同軸線路を用いる場合には放射特性への影響を軽減
するために、同軸線路の外部導体を接地導体５に接続す
ることが望ましい。

第12図乃至第16図には、２組の一次放射素子及び二次放
射素子を共通の誘電体基板に設けた場合を例示したが、
２以上任意複数組の一次放射素子及び二次放射素子を設
けも本発明を実施することが出来る。

第11図乃至第16図には示していないが、基板と二次放射
素子との間に支持体を介装して二次放射素子を所要の位
置に保持せしめること並びに各図における他の符号及び
構成等は第１図乃至第６図に示した実施例と同様であ
る。

第12図乃至第16図について説明した第２の発明において
は、複数組の一次放射素子及び二次放射素子を設けるこ
とによって、従来公知のアレイアンテナと同様、放射電
界方向の指向性を改善すると共に、第１の発明と同様の
目的を達することが出来る。

発明の効果 本発明のマイクロストリップアンテナは、小形軽量で、
構造も簡潔なると共に、広帯域に亙って無指向性の放射
特性を呈し得るもので、陸上における移動無線基地局用
のコリニア・アンテナの基本放射素子等に好適である。

第17図は、第１図乃至第６図に示した本発明アンテナに
おいて、一次放射素子２の長さａを0.261λ、接地導体
５の幅Ｗを0.075λ、基板１の厚さを0.005λ、比誘電率
εｒを3.6、二次放射素子７の軸長Ｌを0.377λ、二次放
射素子７の外径を0.087λにそれぞれ形成した試作品に
ついて、一次放射素子２の幅ｂを変化せしめた場合にお
ける反射減衰量の周波数特性の変化の実測値を示すもの
で、横幅は周波数、縦軸は反射減衰量（dB）、曲線b₁は
一次放射素子２の幅ｂを0.058λに選んだ場合、曲線b₂
は0.046λ、曲線b₃は0.035λ、曲線b₄は0.023λにそれ
ぞれ選んだ場合である。

図から明らかなように、一次放射素子２の幅ｂを広くす
ることにより反射減衰量が大で帯域幅が広くなる傾向を
有し、ｂ＝0.058λにおいては反射減衰量10dBで、比帯
域は12％、ｂ＝0.035λにおいては反射減衰量26dBで、
比帯域４％で、使用目的に応じて調整可能である。

第18図は、上記試作品において一次放射素子２の幅を0.
046λに選び、他の機械的寸法及び比誘電率等をすべて
同一ならしめ、第１図乃至第６図における一次放射素子
２の中心を座標原点とし、矢印を付した実線を以て示す
ように、一次放射素子２の長さ方向にＸ軸、幅方向にＹ
軸、基板１の板面と直交する方向にＺ軸をそれぞれとっ
た場合におけるYZ面における指向性の実測値を示すもの
で、図から明らかなように、極めて良好な無指向性の呈
している。

第19図は、上記試作品におけるXZ面の指向性の実測値
で、半波長ダイポールアンテナと同様の８の字形の指向
性を有すること図から明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す正面図、第２図は側
面図、第３図は背面図、第４図は平面図、第５図は要部
の正面図、第６図は要部の側面図、第７図乃至第９図は
本発明アンテナの作動原理を説明するための図、第10図
は、本発明アンテナの等価回路図、第11図は、本発明の
他の実施例を示す一部切欠部を有する正面図、第12図，
第14図及び第15図は、本発明の他の実施例を示す正面
図、第13図及び第16図は側面図、第17図乃至第19図は、
本発明アンテナの特性の一例を示す図、第20図は、従来
のアンテナの一例を示す斜視図、第21図乃至第23図は、
従来のアンテナの特性の一例を示す図、第24図は、従来
のアンテナの他の一例を示す図、第25図は、その要部の
展開図で、1:誘電体基板、2,2₁及び2₂:一次放射素子、
3,3₁及び3₂:リボン状の導体、4,4₁及び4₂:インピーダン
ス整合素子、5:接地導体、6:給電端子、7,7₁及び7₂:二
次放射素子、8₁乃至8₄:支持体、9₁乃至9₃:短絡ピン、1
0:同軸線路、11:誘電体基板、12:放射素子、13:リボン
状の導体、14:接地導体、15:給電端子、16:砲弾形支持
体、17:誘電体より成る可撓性基体、18:放射素子、19:
給電線である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放射波長に比し薄い誘電体基板の表面に被
   着せしめた金属被膜より成る一次放射素子と、 前記誘電体基板の背面に被着せしめた金属被膜より成る
   接地導体と、 前記一次放射素子に接続された給電線と、 軸長が、放射波長の１／２より短く、両端が開放され、
   外径が放射波長に比し小なる筒状の導体より成り、筒軸
   が前記一次放射素子の放射電界方向と平行で、筒状の側
   壁が前記一次放射素子を覆うと共に、筒状の側壁が前記
   一次放射素子、前記接地導体及び前記給電線に接触する
   ことのないようにして前記一次放射素子の外周に設けた
   二次放射素子とを備えたことを特徴とする無指向性マイ
   クロストリップアンテナ。
2. 【請求項２】放射波長に比し薄く、細長い形状を有する
   共通の誘電体基板と、 前記共通の誘電体基板の表面に、前記共通の誘電体基板
   の長手方向に適宜間隔を隔てて被着せしめた金属被膜よ
   り成る複数個の一次放射素子と、 前記共通の誘電体基板の背面に被着せしめた金属被膜よ
   り成る共通の接地導体と、 前記複数個の一次放射素子に接続された給電線と、 各軸長が、放射波長の１／２より短く、各両端が開放さ
   れ、各外径が放射波長に比し小なる筒状の導体より成
   り、各筒軸が前記複数個の一次放射素子のうち、各対応
   する一次放射素子の放射電界方向と平行で、各筒状の側
   壁が前記複数個の一次放射素子のうち、各対応する一次
   放射素子を覆うと共に、各筒状の側壁の前記複数個の一
   次放射素子のうち、各対応する一次放射素子、前記共通
   の接地導体及び前記給電線に各接触することのないよう
   にして前記複数個の一次放射素子の各外周に各別に設け
   た複数個の二次放射素子とを備えたことを特徴とする無
   指向性マイクロストリップアンテナ。