JPS60213104A - マイクロ波アンテナ - 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】 本発明は、金属基板の上に覆設した誘導体基板の上に複
数個の扁平に形成された金稿放射素子を配設して成るマ
イクロ波アンテナに関する。

刊行物ｒ　ＩＥＥ会報（ＩＥＥ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ
　）、１２７巻、部門Ｈ，４号、１９８０年８月、非励
振素子を使用するマイクロストリップ・アンテナの改善
された帯域幅」理学士Ｃ，ウッド（Ｃ，Ｗｏｏｄ　）、
２３１ないし２３４頁」により、複数個の扁平々放射素
子を有するマイクロ波アンテナが公知である。放射素子
は、金属基板の表面上に覆設した誘電体基板の土に配設
される。外側の放射素子は片側で短絡を介して金属基板
と結合される。アンテナの給電は同軸給電線によって行
われ、その内部導体は中央放射素子と、外部導体は金属
基板と結合される。放射特性の所定の必要な半値幅を得
るために、別の給電線なしでこのアンテナを大きなアレ
ーアンテナ群に連結することはできない。しかも短絡を
行うことは技術的に面倒である。

刊行物［アンテナと伝搬に関するＩ　ＢＩＪ報告書（Ｉ
ＥｇＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｎｔｅｎ
ｎａｓ　ａｎｄＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　）　ＡＰ−３
１巻１号、１９８３年１月、マイクロストリップ・アレ
ーアンテナの設計のためのモジュール化アプローチ、Ｉ
　ＥＥＩｉ：会員Ｐ。

パールマタ＝（Ｐｅｒｌｍｕｔｔｅｒ　）及びデイヴイ
ド・トリーヴズ（Ｄａｖｉｄ　Ｔｒａｖｅｓ　）、１９
０ないし１９３頁」により、特別の給電線網を介して放
射素子をアレー放射器に連結した別のマイクロ波アンテ
ナ設計が公知でるる。上記及び類似の公知の設計には、
下記の欠点が付随する。すなわち 一給電線網のオーム損失と防電損失がアンテナ効率を減
少し −特に給ｍ籾網の導線曲折部や分岐部の望ましくない放
射もアンテナ効率を減少し、スグリアヌ放射及び交さ偏
波放射により放射特性を妨害し、 一給ｍ線網と放射素子の間の放射結合により同じく放射
特性に不利に影響する。

そこで本発明の目的とするところは、僅かな製造費で放
射特性の必要な半値幅を得ると共に、太き乞帯域幅、高
い効率、僅少なサイドロープ、僅か外交さ偏波を達成す
ることができる、ブレーナ技術によるマイクロ波領域用
アンテナを提供することである。

本発明に基づき少くとも１個の中央放射素子が多数の別
の放射素子によりて取囲１れており、すべての放射素子
の結合が漂遊電磁界によって置いて配設されることによ
りて、上記の目的が達成される。

アンテナ装置の放射素子はすこぶる緊密に隣接して配設
されるから、漂遊電磁界によって放射菓子の結合が行わ
れる。このようにしてアレー放射素子を構成する際に特
別の給電線網が不要であシ、従って前述の欠点が回避さ
れることで、本発明は公知のマイクロ波アレーアンテナ
と根本的に相違するのである。

本発明のその他の特徴は特許請求の範囲第２項〜ＭｌＯ
項に表示した通シである。

次に図面に基づいて本発明を詳述する。

第１図は、複数個の放射素子２及び３で構成されたマイ
クロ波アンテナ１を示す。放射素子２及び３は金属材料
で作られ、扁平に形成されてｈる。これらの放射菓子は
、金属基板５の上に覆設した誘電体基板４０表面上上記
設される。

放射素子２及び３はおおむね等しい寸法の長方形の平面
として形成されてｉる。放射素子２は一方では中央放射
素子として使用され、他方では条件によって寸法が僅か
に大きく形成される点が、放射素子３と異々る。第１図
に示すアンテナ、特にその構造と機能の理解の便宜のた
めに、第１図に直角座標系Ｘ、Ｙ及び２を配列した。放
射菓子２及び３の縦の外延はＸ方向に伸張する。その長
さをｔで表す。放射素子２及び３の幅の外延はＹ方向に
伸張する。その幅をＷで表す。放射素子２及び３は２方
向に数μｍの僅かな外延しかない。２方向は金属基板５
の表面に垂直である。放射素子の寸法、特にその長さｔ
と幅Ｗは、マイクロ波ストリッグライン技術で公知の近
似法によシ設計される。これによってマイクロ波アンテ
ナの所望の使用周波数範囲で、放射菓子２及び３、誘電
体基板４、金属基板５から成る共振器で奇数の次数ｎの
ＴＭｎｏ。

固有振動が発振可能と表る。次数ｎはｌ又は３の値を取
ることが好ましい。個々の非結合共振器の長さｔは式 ％式％ から得られる。λ、は厚さｈ、誘１１Ｅ率ε１の基板上
の、幅Ｗのマイクロストリ、ｆラインの主波の波長であ
る。Δはこのラインの接地効果を考慮するための等側線
路長である。ここに示す実施例では、放射素子２及び３
又は放射素子が構成する共振器の結合は、漂遊電磁界に
よって行われる。共振器のこの結合の際に、放射素子２
゜３の数と結合間隔に応じて付加回路容量が生じるが、
放射素子２及び３又は共振器の長さＬを一層短縮するこ
とによって、これを補償することができる。第１図に示
す実施例では、誘電体基板の表面上に合計１５個の放射
菓子２及び３が配設されている。放射素子は、Ｘ方向に
それぞれ３個の放射素子が相前後して１列を成すように
位置決められる。Ｘ方向に見て、放射素子はそれぞれ互
いに垂直間隔ｍＸを有する。Ｙ方向に見て、５個の上記
放射素子がやはシ相前後し゛て１列を成すように配列さ
れる。順次続く２個　。

の放射素子の間の垂直間隔は、Ｙ方向に見て必ず大きさ
が等しく、ｓｙで表す。マイクロ波アンテナ１の中央に
配設された放射素子２は、Ｘ方向に隣接放射素子３の側
に、やや小さく定めた間隔ｍ　Ｘ　ｔを有する。表ぜな
らその長さｔは放射素子３の長さより僅かに大きいから
である。間　・隔ｓｘ、ｓｘ、及びｓｙはＯ，ｌないし
ｌ×誘電体基板の厚さｈの範囲内である。この処理によ
って、すべての放射素子２及び３の間に漂遊電磁界によ
る結合が得られることとなる。ここに示す実施例では放
射菓子２及び３の数と結合間隔、特に放射素子２及び３
０間のＸ及びＹ方向の間隔　・＠Ｘ　ｇ　ＩＸｌ　ｓ　
Ｓｙに応じて付加回路容量が生じるが、放射素子の全長
ｔを一層短縮することによって、これを補償することが
できる。放射素子２，３の間の狭い間隔によシ、それぞ
れＴＭｎｏ。共振で振動する共振器の漂遊電磁界による
相互結合が得られる。ＴＭｎｏ。共振電磁界の分布に従
って、交流電界は間隔ｔで互いに平行する共振器端部で
最大である。

ここで使用する放射素子２及び３は銅、８２゜アルミニ
ウム又は黄銅で炸裂することができる。

誘電体基板の支持体の役割をする金属基板５にも、同じ
事が当てはまる。この実施態様で使用される誘電体基板
４は／　リ四フッ化エチレンから成り、誘電率ε、　＝
　２．２３を有する。この誘電体基板４０代りに、誘電
率が好ましくは１ないしｌＯの範囲内の他の基板を使用
してもよい。金属基板の上に覆設した誘電体基板４の厚
さは０．２ないし３−でなければカらない。この場合は
、覆設された誘電体基板４の厚さｈが１．５７■でめる
。金属基板５は３０Ｘ３０■の寸法を有する。マイクロ
波アンテナＩを製造するには、まず誘電体基板４０表面
上に金属層を覆設する。

公知のフォトエツチング法を用いて、放射素子２及び３
だけが基板４０表面に配設されるように、この金ｇ面か
ら放射素子２．３を作シ出す。

ここに示す実施例では、放射素子３はすべてＷ＝４篩の
幅と８ｍの長さｔを有する。中央放射素子２だけ＃ｉ８
．８　ｓｍの長さｔを有する。中央放射素子２の幅もや
Ｆｉ、！５４閣でおる。すべての放射素子３はＸ方向に
、隣接の放射素子３に対してｌｌｘ＝Ｏ１５ｍの垂直間
隔を有する。放射素子３は、Ｙ方向に見て、隣接の放射
素子３に対して８ｙ＝０．５簡の垂直間隔を有する。中
央放射素子２だけは、Ｘ方向に見て、隣接の放射素子３
に対してａｘ、＝０．１ｍの垂直間隔を有する。また放
射素子３と同様に、Ｙ方向に見て放射素子３に対してす
＝０．５ｍの垂直間隔を有する。マイクロ波アンテナ１
の給電は同軸給電！（ここに図示せず）を介して行われ
る。この給電線は一方では中央放射素子２の結合点に、
他方では金ｆｌｉ基板５に接続される。第３図はこの結
合の詳細図を示す。この図の説明は後述する。中央放射
素子２の結合点（ここに図示せず）は、Ｘ４ｉＩＩＩＫ
平行する放射素子２の縦軸上［６る。特に結合点け、Ｙ
軸に平行する放射素子２の端面から１簡の間隔に配設さ
れる。

第１図に示すマイクロ波アンテナ１について、無反射の
アンテナ測定室で下記の電気的アンテナデータを確かめ
た。これを第８図にグラフで示す。

第８図は同軸給電＃（ここに図示せず）の結合のための
５００ケーブルツク、トの入力で測定した反射係数の周
波数特性１ｒω１と、ｆ＝７．６ないし９．４ＧＨｚの
範囲の周波数によるアンテナ利得の変化ａ０ωを示す。

これより　ｌｒｌｍｔｎ及び範囲ａ０ｍ□でアレーアン
テナの共振周波数ｆを定めた。またｌ　ｒ（ｆ）１＜−
９，５ｄｎである周波数範囲によシ帯域幅Δｆ、り、が
得られる。Ｉｒ（ｆ）１≦−９，５ｄＢ？４１　！　ｌ
＜０．３３に相当し、給電線のリップ、＋１／ｌ≦２と
同義でめる。従ってその場合はこの周波数範囲で不整合
損失が０．５ｄｎ未満となり、送信の場合はアンテナに
送られる送信電力の１１％未満が反射されることに彦る
。更に、それぞれ−１８０’くθ（＋１８０°の範囲で
８面の放射特性り（θ、φ＝０°）及びＨ１ｌｉｉｌｒ
ノ放射特性−（θ、φ＝９０’）＋７）指向性ノ４ター
ンを定めた。これよシ半値幅Δθ８及びΔθｎ（３ｄＢ
幅）とサイドローブ減衰ａＮを定めた。指向性パターン
ａ　ｍ　（θ、φ＝９０”）から図式積分法によシ、周
波数ｆでのアレーアンテナの放射側得りを確かめた。

そのはか交さ偏波”ＩＰ　（θ、φ＝４５’）、周波数
ｆｒでのアンテナ利得Ｇ１これより関係式Ｇ＝η・Ｄに
よりアンテナ効率η、及び５０Ω同軸ソケツトの入力で
測定した周波数ｆでのアンテナ・インピーダンスｚ−Ａ
を図に記載した。

こうして確かめたアンテナのデータは次の通りである。

ｆ　ｒ　＝８−４２５０Ｈｚ　：　Ｄ　＝９−３Δｆ＝
Ｌ　３００ＭＨｚ　：Ｇ　＝８．５　ｄＢΔθ８＝Δθ
ヨ＝６０°；η＝７６％ ａ、）２４ｄＢ；Ｚ−、＝（４０−ｊ４）Ω’ＫＰ≦−
１６ｄＢ 第２図は、第１図に示したアンテナの、第１図に示す直
角座標系のＸ　−Ｚ　ＸｆＬ　ｐ５と平行の垂直断面図
を示す。第２図で判る＝５に、奇数の次数ｎのＴＭｎｏ
。電界分布の結果、それぞれ共振器に属する交流電界が
共振器の両端で逆相で振動するから、結合漂遊電界と共
振器外端の漂遊電界はすべて同相でろり、従ってその重
ね合せは主放射方向が２軸方向にるる集束した放射特性
をもたらす。第１図と第２図に示す英施例では、放射特
性が線形に、すなわち２軸方向の主放射方向に対−して
Ｘ方向に偏波する。特殊な場合（ここに図示せず）にす
べての放射素子２，３を正方形に形成して、長さが幅に
等しく、従りてｙ　ｅ＝　ｔであるようにすれば、ＴＭ
ｎ、。振動に直交するＴＭｏｎ０振動が同じ共振周波数
で励振される。

こうして２つの振動を等振幅と９０°位相差に適当に同
調させれば、円偏波放射電界が笑現され、その主放射方
向はやはシｚ軸方向に差向けられる。

マイクロ波アンテナを設計する際に、指向性特性、特に
半値幅の形状、サイドロー１の間隔またそれと共に放射
利得が、マイクロ波アンテナの行と列をなす放射素子２
，３の数、放射素子２．３の長さｔ、放射素子２，３の
Ｘ及びＹ方向の間隔ＩＸ　、　ｔｌＸ、及びｓｙに関係
、−ｆることを留意しなければならない。多数の放射素
子２，３を使用し、まず第一にアンテナのノ母うメータ
ε　、ｈ及びＷを、長さｔが自由電界波長λ。のほぼ半
分に相等するように選定することによって、高い放射利
得すなわち高い指向性又は小さな半値幅を得ることがで
きる。ε１＝１なめし１０の範囲の基板４の誘電率及び
０．１ないし０．４λ。の放射素子２，３の幅Ｗに対し
て、上記の選定を行うことが好ましい。その場合、次数
ｎ　＝　１又は３を選ばなければならない。サイドロー
プ間隔は個々の放射源の振幅の分布によシ、すなわちこ
の場合は結合ギヤラグの幅の変化によシ、特に値ｓＸ　
ｅ　”１及びｓｙの変化によシ影響される。

マイクロ波アンテナの帯域幅と効率は、使用する基板４
の誘電率ε、と厚さｈによって冥質的に決まる。この場
合、ε１をできるだけｌに近く、ｈをおよそ０．０５λ
。の範囲に選定することができれば、最適の値が得られ
る。

第３図は、第１図に示したアンテナ１の、中央放射素子
２０区域の垂直断面図を示す。図から判るように、中央
放射素子２の結合点１１は同軸給電線１２の内部導体１
２１と結合される。

給電線１２の外部導体１２Ａは金属基板５と電導結合さ
れる。

第４図は、２個の中央放射素子２を装備する本発明アン
テナｌの、同じく垂直断面図を示す。

２個の中央放射素子２は隣接しておシ、特に所定の相互
間隔で配設されている。これらの放射素子にやはり所定
の間隔で、別あ放射素子３が続く。すべての放射素子２
及び３は、金属基板５の上に覆設した誘電体基板４の上
に配設される。本発明によれば、アンテナ１と結合され
る給電線１２の内部導体１２１は第１の中央放射素子２
に接続され、給電線１２の外部導体１２には第２の中央
放射素子２に結合される。　。

第５図は、互いに電導結合された２個の中央放射素子２
への給電線（ここに図示せず）の結合を示す。マイクロ
波アンテナ１が極めて多数の放射素子３を有する場合に
、この給電法を使用することが好ましい。第５図で判る
ように、２個の中央放射素子は所定の相互間隔で対設さ
れてｉて、相対する２つの端部に各々１個の抵抗変成素
子２１を具備する。この抵抗変成素子気的に結合される
。ストリップライン２２は給電点２３を有する。マイク
ロ波アンテナに給電する給電線の内部導体が給電点２３
に接続され、この給電線（ここに図示せず）の外部導体
はマイクロ波アンテナの金属基板と結合される。ストリ
ップライン２２はλ、／２線として形成されている。

第６図は、ここに詳しく図示し々いマイクロ波アンテナ
の中央放射素子２への、給電線（ここに図示せず）の別
の結合の仕方を示す。中央放射素子２の第１の端部は、
抵抗変成素子２１を介して５０Ωストリツプライン２４
に結合された比較的高抵抗のス）　ＩＪッグライン２２
に接続する。給電線（ここに図示せず）の内部導体はス
トリップライン２４に接続され、給電線（ここに図示せ
ず）の外部導体はマイクロ波アンテナ１の金属基板５に
接続される。

第７図は、誘電体基板４を張った金属基板５を有する本
発明マイクロ波アンテナ１の部分図設されたマイクロ波
アンテナ１０区域を示す。

２個の放射素子２は所定の相互間隔で隣接して配設され
る。アンテナ１の給電のために設けた給電線（ここに図
示せず）は、ここに示す実施例の場合、スロットライン
３０に接続される。

スロットライン３０の第１の半分体３０には第１の中央
放射素子２に接続され、スロットライン３０の第２の半
分体は纂２の放射素子２と結合される。給電線（ここに
図示せず）の内部導体は、この実施例ではスロットライ
ン３０の第１の半分体３０Ａに接続され、外部導体がヌ
ロ、トラ−イン３０の第２の半分体３０Ｂと結合されゐ
。第７図で判るよう罠、スロットライン３００区域の金
属基板５は取除かれているから、スロットライン３０の
支持体としてもりばら誘電体基板４が使用される。

【図面の簡単な説明】

あ１図は本発明に基づくマイクロ波アンテナの第１冥施
例の構造略図、第２図は第１図に示すアンテナの垂直断
面図、第３図は同軸給電線の゛結合図、第４図は第２冥
施例における２個の中央放射素子への同軸給電線の結合
図、第５図は第３！ｊ！施例における２個の放射素子の
間のヌトリレプラインへの結合図、第６図は第４実施例
における中央放射素子と結合されたストリップラインへ
の給電線の結合図、第７図は第５冥施例におけるスロッ
トラインへの給電線の結合図、Ｎ８図は第１英施例のマ
イクロ波アンテナの測定データの線図である。 １・・・マイクロ波アンテナ、２・・・中央放射素子、
３・・・周辺放射素子、４・・・誘電体基板、５・・・
金属基板、３ｘ・・・放射素子のＸ方向相互間隔、＠３
［１・・・中央放射素子と周辺放射素子とのＸ方向間隔
、ｍｙ・・・放射素子のＹ方向相互間隔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）金属基板の上に覆設した誘電体基板の上に複数個
   の扁平に形成された金属放射素子を配設して成るマイク
   ロ波アンテナにおいて、少くとも１個の中央放射素子が
   多数の周辺放射素子によって取囲まれておシ、すべての
   放射素子の結合が漂遊１！磁界によって行われるように
   、多数の周辺放射素子が中央放射素子との間及び相互の
   間に所定の狭い間隔を置いて配設されていることを特徴
   とするマイクロ波アンテナ。 （２）アンテナの給電のために、中央放射素子を同軸給
   電線の内部導体に、金属基板を外部導体に接続したこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のマイクロ波
   アンテナ。２（３）給電のために、第１の中央放射素子
   を同軸給電線の内部導体に、第２の中央放射素子を外部
   導体に接続したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載のマイクロ波アンテナ。 （４）極めて多数の放射素子と共に少くとも２個の中央
   放射素子を設け、中央放射素子の相対する端部が抵抗変
   成素子を有し、半波長線として形成されたストリップラ
   インによって上記抵抗変成素子を電気的に互いに結合し
   、かつ給電線の内部導体をストリップラインの接続点に
   、給電線の外部導体を金属基板に接続したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載のマイクロ波アンテナ
   。 （５）少数の放射素子があって、中央放射素子が比較的
   高抵抗のストリップライン、抵抗変成素子及び５０Ωス
   トリツプラインを介して給電線の内部導体に接続され、
   一方、給電線の外部導体が金属基板と結合されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のマイクロ
   波アンテナ。 （６）スロットラインの第１の半分体が第１の中央放射
   素子に、７日ットラインの第２の半分体が隣接の＠２の
   中央放射素子に接続され、給電線の内部導体がスロット
   ラインの第１の半分体に、外部導体が纂２の半分体に接
   続され、かつスロットラインの区斌で誘導体基板の下の
   金属基板が取除かれていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載のマイクロ波アンテナ。 （７）複数個の放射素子が所定の前後間隔で配設されて
   １つの列を成し、複数個の上記列が所定の相互の垂直間
   隔で誘電体基板の上に位置決めされ、かつ少くとも１個
   の中央放射素子が、中央に位置決めされた放射素子の列
   の中央に配設されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第６項のいずれか１項に記載のマイクロ
   波アンテナ。 （８）すべての放射素子がおおむね等しい長さと等しい
   Ｉ［ｔ−有し、好ましくは長方形の平面として形成され
   、かつすべての放射素子が５ないし５０＃Ｉの厚さを有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第６
   項のいずれか１項に記載のマイクロ波アンテナ。 （９）金属基板と放射素子が銅、金、アルミニウム又は
   黄銅製であることを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第７項のいずれか１項に記載のマイクロ波アンテナ
   。 αＱ　金属基板の上に誘電体基板が覆設され、該誘電体
   基板が好ましくは工ないし１０の範囲の誘電率ε１を有
   し、金属基板の上に０．２々いし３ｇｍの厚さで覆設さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし
   第８項のいずれが１項に記載のマイクロ波アンテナ。