JPH09298418A - 高利得平面アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロ波、ミリ波等の無線通信システムに
おいて利する高利得平面アンテナに関し、狭放射ビーム
かつ高放射利得に優れ、放射効率の高いアンテナを得
る。 【解決手段】 １／２伝搬波長の厚さの第１の誘電体層
１の一面には、接地導体板２を、他面には、より大きな
誘電率を有しかつ１／４伝搬波長の厚さを有する第２の
誘電体層３を形成している。また第１の誘電体層１の底
面中央には、接地導体板３に接して、第３の誘電体層４
と金属パッチ５とからなる開放型共振器を形成してい
る。開放型共振器により励振された漏洩波は、第１と第
２の誘電体層中を伝搬して放射され、狭放射ビームかつ
高放射利得を達成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波、ミリ
波等の無線通信システムにおいて利用される高利得平面
アンテナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】狭放射ビームで高放射利得の送受信アン
テナを実現するために、パラボラアンテナが広く利用さ
れている。しかしパラボラアンテナは、大きくて重く、
また風雪等の影響を受けないように、パラボラと給電ア
ンテナ素子とを強固に取り付ける必要がありコストが高
くなる欠点がある。

【０００３】そこで従来、薄い誘電体層の表面にパッチ
アンテナ素子を形成した平面アンテナは、薄形、低価
格、軽量の特徴があり注目されている。図４にアンテナ
素子を複数配列し、それらの間を給電線路により結びつ
けたマイクロストリップパッチアレーアンテナを示す。

【０００４】裏面に接地導体板１５が一面に形成された
誘電体層１２の表面には、複数個のパッチアンテナ素子
１０を所定の間隔でもって配列している。隣接する４つ
のパッチアンテナ素子１０は給電線路１１を通して接続
され、サブアレーアンテナ１４を形成している。さらに
これらサブアレーアンテナ１４は、分配器１３により連
結されている。そして分配器１３及び給電線路１１を通
して、各パッチアンテナ素子１０に給電することによっ
て、狭放射ビームで、高い放射利得を達成している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のマイクロス
トリップパッチアレーアンテナでは、放射利得を改善し
ようとすると、パッチアンテナ素子の数を大幅に増やさ
なければならない。しかしながら素子数を増加すると、
給電線路間、パッチアンテナ素子間、また給電線路とパ
ッチアンテナ素子間の電磁結合や漏洩波を軽減するため
に、給電線路の形状が複雑になり、設計にも手間がかか
る。また給電点から各パッチアンテナ素子までの長い給
電線路において、誘電体損失、導体損失、放射損失、ま
た線路間の電磁結合による伝送損失が大きくなるため、
高放射効率化には限界がある。

【０００６】さらに給電線路の導体は、パッチアンテナ
素子と同一面にあるため、給電線路から発生する寄生放
射は、アンテナ素子から放射される電波に加わり、意図
する放射パターンを実現し辛い問題がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の高利得平面アンテナは、開放型共振器から
放射される漏洩波を誘電率の異なる多層誘電体構造を使
用して伝搬し、このときに放射される電波を最大放射方
向に集中合成し、漏洩波の電力の高利得化のために有効
利用することで、設計の手間などなく、容易に優れた放
射特性を実現できるようにする。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、開放型共振器から供給される電力を、誘電率が互い
に異なる多層の誘電体層中を反射させながら伝搬させ、
このとき放射される漏洩波を、最大放射方向に集中合成
し、漏洩波の電力を高利得化のために有効利用すること
を特徴とするものであり、これにより狭放射ビームで高
放射利得を達成する。

【０００９】また本発明の請求項２に記載の発明は、伝
搬波長の１／２の厚さを有する第１の誘電体層と、前記
第１の誘電体層の一表面に形成され、前記伝搬波長の１
／４の厚さを有するとともに、前記第１の誘電体層の誘
電率より高い誘電率を有する第２の誘電体層と、前記第
１の誘電体層の他表面に形成された接地導体板と、前記
接地導体板近傍の第１の誘電体層に設けた開放型共振器
とを有するものであり、これにより第１と第２の誘電体
層の境界面に沿って多重反射しながら伝搬する漏洩波の
放射は、最大放射方向に集中合成され、狭放射ビームか
つ高放射利得を達成する。

【００１０】以下に、本発明の請求項１および請求項２
に記載された発明の実施の形態について、図面を参照し
ながら説明する。図１（ａ），（ｂ）は、本発明の高利
得平面アンテナの一実施の形態における断面図及び平面
図をそれぞれ示している。１／２伝搬波長の厚さｈ１を
有する第１の誘電体層１の一面には、接地導体板２を形
成しており、他表面には、この第１の誘電体層１の誘電
率よりも大きな誘電率を有し、１／４伝搬波長の厚さｈ
２を有する第２の誘電体層３を形成している。また第１
の誘電体層１の下面中央には、接地導体板２に接して、
その寸法が第１の誘電体層１や第２の誘電体層３と比べ
て遥かに小さい面積である第３の誘電体層４を設けてい
る。

【００１１】これら誘電体層の材料として例えば、第１
の誘電体層１としては、テフロン等に代表される高周波
用低誘電率材料を、第２の誘電体層３としては、チタン
酸バリウムを主成分とするセラミック等に代表される高
周波用高誘電率材料を、第３の誘電体層４としては、ガ
ラスを主成分とし、第１と第２の誘電体層の中間の誘電
率を持つ高周波用材料を用いることができる。

【００１２】また第３の誘電体層４の上部には、第３の
誘電体層４よりも面積の小さな金属パッチ５を設け、接
地導体板２、第３の誘電体層４、金属パッチ５により、
第１の誘電体層１と第２の誘電体層３の二層構造に電力
を送り出す開放型共振器を形成している。そして金属パ
ッチ５の下部の接地導体板２には、小さなスロット７を
開けており、同軸線６の中心導体を第３の誘電体層４を
通して、金属パッチ５と接触させることにより、この開
放型共振器に給電している。

【００１３】次に上記構成の高利得平面アンテナについ
て、その特性を図２を参照しながら説明する。図２
（ａ）は上記アンテナの電波の放射状態を示す模式図で
ある。図において同軸線から供給された電力は、開放型
共振器の共振周波数の付近で最も大きく励振され、その
主な電力が二層の第１と第２の誘電体層に送り出され
る。

【００１４】その送り出される電力のわずか一部は、矢
印Ａで示すように、直接に空間中に放射される。しかし
残りの大半は、接地導体板２と、誘電率の高い第２の誘
電体層３との間で多重反射されて、第１の誘電体層１に
沿って伝搬する漏洩波に変わる。そしてこの漏洩波は、
伝搬しながら空間中に電波として放射される（矢印
Ｂ）。

【００１５】ここで漏洩波が多重反射を繰り返し、第１
の誘電体層１と第２の誘電体層３との境界に沿って伝搬
しながら放射される動作原理を、図３を用いて詳しく説
明する。図３（ａ）に示すように、第１の誘電体層１に
入力される電波は、第１と第２の誘電体層の境界面で一
部が反射され（矢印Ａ）、一部が透過して第２の誘電体
層３に入る（矢印Ｂ）。そして透過した電波は、第２の
誘電体層３と空気との境界面で一部が反射され、一部が
透過して漏洩波となる（矢印Ｃ）。

【００１６】この漏洩波は図３（ｂ）に示すように、矢
印Ｄで示す方向に沿って伝搬しながら、矢印Ｅで示す方
向に電波を放射する。矢印Ｆはその漏洩波の放射パター
ンを示しているが、その放射するメインビームの方向
は、境界面の伝搬速度と自由空間中の光速との比によっ
て決まり、また放射するメインビームの形状は、漏洩波
の放射量による電力の減衰係数と前記伝搬速度との比に
より決まる。

【００１７】図２（ｂ）は、本実施の形態における高利
得平面アンテナと、図４で示した従来のマイクロストリ
ップパッチアレーアンテナの等価放射口面での電力分布
をそれぞれ示している。図中Ｂで示す従来のものでは、
パッチ上に流れ込む電流密度は、半周期正弦関数形の分
布になり、放射口面での電力成分は、金属パッチの近傍
に集中し、金属パッチから離れると急に減少していく。

【００１８】一方、図中Ａで示す本実施の形態のもの
は、上述のように開放型共振器から出る主な電波は漏洩
波に変わって誘電体層中を伝搬し、開放型共振器から遠
く離れたところまで到着するため、電力分布は従来のも
のよりはるかに緩やかになる。従って、本実施の形態に
おける平面アンテナの有効放射面積は、従来のものより
はるかに広くなる。

【００１９】図２（ｃ）は本実施の形態における平面ア
ンテナの放射パターンと、図４で示した上記従来のアン
テナの放射パターンを示すものである。図中Ｂで示す従
来の放射パターンが、上述したような直接放射波で成り
立つ広放射ビームとなっているのに対して、図中Ａで示
す本実施の形態の放射パターンは、漏洩波の放射で成り
立つ狭放射ビームとなっている。

【００２０】また図２（ｄ）は、本実施の形態における
平面アンテナの放射利得と、第１の誘電体層１の厚さと
の関係を示している。放射電波のメインビームは、第１
の誘電体層１の厚さｈ１の増加によって、図２（ｃ）に
示す放射パターンにも示されるように、第１と第２の誘
電体層の境界面に伝搬する漏洩波の伝搬速度が徐々に遅
くなることから、誘電体表面に対して徐々に垂直方向に
近づいていくことが理解できる。さらにそのメインビー
ムは、第１の誘電体層１の厚さが周波数に対して１／２
伝搬波長になると、図２（ｃ）にも示されるように、漏
洩波の伝搬速度がゼロになり、上記放射開口面での電力
分布が同位相になり垂直になるので、高放射利得となる
ことがわかる。

【００２１】なお、第２の誘電体層３の厚さｈ２は、ア
ンテナの有効放射面積を最大限に広くするために、漏洩
波の放射量による電力の減衰係数を小さめにし、放射口
面の電力分布を緩やかにする必要があるという理由によ
り、１／４伝搬波長にすることが望ましい。

【００２２】このように本実施の形態によれば、アンテ
ナの有効放射面積が広くなると共に、垂直方向の放射ビ
ームが狭くなり、放射利得を高くすることができる。

【００２３】なお、上記実施の形態においては、同軸線
により開放型共振器に給電する構成を示したが、接地導
体板上に、金属導体と薄い誘電体層とから構成されるマ
イクロストリップ線路を設けて、電磁結合効果により給
電するよう構成してもよい。さらに開放型共振器は、金
属パッチと誘電体層とで構成したが、その他の開放型誘
電体共振器、または開放型金属導波路共振器で構成して
もよい。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明の高利得平面アンテ
ナは、開放型共振器によって２層の誘電体構造で漏洩波
を励振し、また、漏洩波が誘電体層を伝搬しながら空間
中に電波を放射する特性を利用することにより、誘電体
表面と垂直な方向で、狭放射ビームかつ高放射利得の優
れた放射パターンを得ることができる。また電力を分配
するための複雑な給電線路、また、電波を空間中に放射
するための多数のアンテナ素子がなくなるので、伝送損
失は非常に小さくなり、放射効率は非常に高くなるとと
もに、アンテナを小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における高利得平面アン
テナを示す断面図及び平面図

【図２】同高利得平面アンテナの特性を示す説明図

【図３】同高利得平面アンテナの特性を示す説明図

【図４】従来のマイクロストリップパッチアレーアンテ
ナの斜視図

【符号の説明】

１ 第１の誘電体層 ２ 接地導体板 ３ 第２の誘電体層 ４ 第３の誘電体層 ５ 金属パッチ ６ 同軸線 ７ スロット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】開放型共振器から供給される電力を、誘電
   率が互いに異なる多層の誘電体層中を反射させながら伝
   搬させ、このとき放射される漏洩波を、最大放射方向に
   集中合成し、漏洩波の電力を高利得化のために有効利用
   することを特徴とする高利得平面アンテナ。
2. 【請求項２】伝搬波長の１／２の厚さを有する第１の誘
   電体層と、前記第１の誘電体層の一表面に形成され、前
   記伝搬波長の１／４の厚さを有するとともに、前記第１
   の誘電体層の誘電率より高い誘電率を有する第２の誘電
   体層と、前記第１の誘電体層の他表面に形成された接地
   導体板と、前記接地導体板近傍の第１の誘電体層に設け
   た開放型共振器とを有する高利得平面アンテナ。