WO2003105278A1 - 平面アンテナおよびその設計方法 - Google Patents

Abstract

誘電体基板の片面のみに構成可能なコープレーナータイプの円偏波用平面アンテナを提供する。この平面アンテナは、誘電体基板と、誘電体基板の一主面上に形成された略正方形の放射素子であって、一方の対角方向において対向する２個のコーナー部が切り込まれた切り込み部を有する放射素子と、一主面上に形成され、中央部分に正方形の開口部を有し、外形が正方形であるアース導体とを備え、放射素子は、アース導体の開口部内に、アース導体に対し所定幅のギャップを設けて配置されている。

Description

明 細 書

平面アンテナおよびその設計方法 技 術 分 野

本発明は、 衛星放送， 衛星通信等に用いられるマイク ロ波帯の円 偏波アンテナに関し、 特に、 車両の窓ガラスに設けられるのに適し た平面アンテナの構造に関する。 本発明は、 さ らには、 このよ う な 平面アンテナの設計方法に関する。 背 景 技 術

衛星放送， 衛星通信等に用いられるマイク ロ波帯の円偏波アンテ ナと しては、 誘電体基板の表面に放射素子を配置し、 裏面にアース 導体を配置した平面アンテナであるマイ ク ロ ス ト リ ップアンテナ

' ( M S A ) が一般的である。

図 1 に、 M S Aの一例を示す。 1 0は、 誘電体基板を、 1 2は略 正方形の放射素子を、 1 4はアース導体を示す。 このよ うな M S A を、 車両の窓ガラスに設ける場合には、 誘電体基板 1 0は車両の窓 ガラス と し、 車外側のガラス面に放射素子をパターン形成し、 車内 側のガラス面にァース導体をパターン形成するこ とになる。 そして. 放射素子およびアース導体には給電線を接続するが、 放射素子への 給電線は、 窓ガラスを貫通して設けなければならない。 これは、 車 両用窓ガラスに対しては、 困難である。 このため、 車両の窓ガラス を利用 して、 M S Aを構成するこ とは難しい。 発 明 の 開 示

本発明の目的は、 上述のよ うな問題を避け、 誘電体基板の片面の みに構成可能なコープレーナ一タイプの円偏波用平面アンテナを提 供するこ とにある。

本発明の他の目的は、 上記の円偏波用平面アンテナの設計方法を 提供する ことにある。

本発明者らは、 図 1 の従来の M S Aのアース導体を、 放射素子側 の面に移し、 放射素子を取り囲むよ うに形成しても、 円偏波アンテ ナと して機能する こ とを見いだした。

したがって、 本発明の第 1 の態様は、 誘電体基板と、 前記誘電体 基板の一主面上に形成された略正方形の放射素子であって、 一方の 対角方向において対向する 2個のコーナー部が切り込まれた切り込 み部を有する放射素子と、 前記一主面上に形成され、 中央部分に正 方形の開口部を有し、 外形が正方形であるアース導体とを備え、 前 記放射素子は、 前記アース導体の開口部内に、 前記アース導体に対 し所定幅のギャ ップを設けて配置されている平面アンテナである。 本発明の第 2の態様は、 上記平面アンテナを設計するに際し、 放 射素子の切り 込み部が設けられていない他方の対角方向の対角線長 を A、 一方の対角方向の対角線長を B、 放射素子と前記アース導体 との間のギヤ ップの幅を G、 アース導体の外形の一辺の長さを Wと したときに、 所定の周波数で平面アンテナが共振する よ う に、 対角 線長 Aを決定するステップと、 平面アンテナの共振周波数と、 対角 線長比 B / A との第 1 の直線関数関係に基づいて、 対角線長 Bを決 定するステップと、 対角線長比 B Z Aと、 Aと Gとの比 G / Aとの 第 2 の直線関数関係に基づいて、 ギャップ幅 Gを決定するステップ と、 第 2 の直線関係を表す 1次式の傾き係数と、 Aと Wとの比 W Z Aとの指数関数関係に基づいて、 アース導体の外形の一辺の長さ W を決定するステ ップとを含む平面アンテナの設計方法である。

上記の平面アンテナが車両の窓ガラスに設けられる場合には、 誘 電体基板は、 車両の窓ガラスであり 、 放射素子およびアース導体は 窓ガラスの内側面に形成される。 図面の簡単な説明

図 1 は、 マイク ロス ト リ ップアンテナ （M S A ) の一例を示す図 である。

図 2は、 本発明の平面アンテナの一実施形態を示す図である。

図 3は、 パラメータを示す図である。

図 4は、 ギヤ ップ幅/対角線長比 G / Aと対角線長比 B / Aと の 相関関係を示す図である。

図 5は、 傾き係数 aとアース導体幅ノ対角線長比 W / Aと の相関 関係を示す図である。

図 6は、 共振周波数と放射素子の対角線長比 B Z Aとの相関関係 を示す図である。

図 7は、 設計の手順を示すフローチヤ一トである。 発明を実施するための最良の形態

図 2は、 本発明の平面アンテナの一実施形態を示す図である。 こ の平面アンテナは、 誘電体基板 1 0の一主面上に図示のよ う なアン テナパターンを構成する。 このアンテナパターンは、 略正方形状の 放射素子 1 6 と、 この放射素子を取り 囲む外形が正方形のアース導 体 1 8 とから構成されている。 放射素子 1 6は、 アース導体 1 8 の 中央部分に形成された正方形の開口部 1 9 内に配置される。 放射素 子 1 6の 1つの対角方向において対向する 2個のコーナー部は、 切 り込み部 2 0が形成されている。 このよ う な切り込み部を設ける理 由は、 後述する よ う に円偏波を励振させるためである。 なお図中、 2 2 は放射素子への給電点を、 2 4はアース導体への給電点を示す, 実際には、 同軸ケーブルを用い、 その芯線を放射素子 1 6 に接続し. 網線をアース導体 1 8 に接続する。

なお、 給電点と コーナー切り 込み部との相対位置関係で右旋， 左 旋の放射方向が決定される。 例えば図 2 に示すよ う な位置関係に、 給電点と コーナー切り込み部と を構成する と、 図面手前方向に左旋 偏波が、 図面奥方向に右旋偏波が放射される。

以上のよ うなアンテナパターンを有する平面アンテナにおいて、 アンテナ性能を決定する重要なパラメータは、 放射素子の対角線長 比、 放射素子とアース導体との間隔 （ギャ ップ幅） 、 アース導体の 外形の一辺の長さである。 図 3 に、 これらパラメータを示す。 放射 素子 1 6 の切り込み部のない部分の対角線長を A、 切り込み部のあ る部分の対角線長を B、 アース導体 1 8 の外形の一辺の長さ、 すな わちアース導体外形長を W、 放射素子とアース導体とのギャ ップ幅 を Gで示している。 前述したよ う に、 放射素子に切り込み部を設け るこ とによ り 、 対角線長比が異なり、 円偏波励振を実現できる。 本発明者らは、 シミ ュ レーショ ンの結果、 これらパラメータの間 には相関関係が成立するこ とを見いだした。

放射素子の対角線長の 1つである A (共振周波数 f _R と相関があ る） とギャップ幅 Gとの比 G Z Aと、 対角線長比 B Aとは、 直線 関係にある。 つま り 、 Β /Α = α · (G/A) + ]3である。 これを、 図 4に示す。 ここで、 係数 は、 アース導体外形長 Wと関係なく一 定となり 、 これに対し傾き係数 aは、 図 5 に示すよ う に、 対角線長 Αとアース導体外形長 Wと の比 WZAと相関があ り 、 自然対数と相 関のある指数関係が成り 立つ。 また、 図 6 に示すよ う に、 平面アン テナの共振周波数 f _R は、 放射素子の対角線長比 B / Aと直線関係 にめる。

以上のよ う にパラメータ間の相関関係を利用する と、 平面アンテ ナの設計が容易になる _P

以下、 設計の手順を、 図 7のフローチャー トを参照しながら説明 する。

まず、 所定の共振周波数 f _R の近傍で共振する よ う に放射素子の 対角線長 Aの値を決める （ステ ップ S 1 ) 。

次に、 図 6 に示した、 平面アンテナの共振周波数 f _R と対角線長 比 B /Aとの直線関数関係 （ 1次式） に基づいて、 対角線長 Bの値 を決定する （ステップ S 2 ) 。

次に、 図 4 に示した、 対角線長比 B /Aとギャ ップ幅 G/対角線 長 Aの比 G/Aとの直線関数関係 （ 1次式） に基づいて、 ギャ ップ 幅 Gの値を決定する （ステ ップ S 3 ) 。

最後に、 図 5 に示した、 ステップ S 3で用いた 1次式の傾き係数 aと、 アース導体外形長 WZ対角線長 Aの比 W/Aとの指数関数関 係に基づいて、 アース導体外形長 Wを決定する。

このよ う に、 所定の周波数近傍で共振する よ う に放射素子の対角 線 Aを決めた後、 各形状パラメータを上記に示した相関関係が成立 するよ う に決定するこ とで、 良好な放射特性を有する円偏波アンテ ナが得られる。

以上のよ う に して設計された平面アンテナの寸法の一例を、 表 1 に示す。

厚さ 3 . 5 mmのガラス板 （比誘電率 7 ) 上にァンテナパターン を形成した。

産業上の利用可能性

本発明によれば、 従来の M S Aとは異なり 、 誘電体の片面でア ン テナパターンすべてを構成可能であるため、 M S Aと同様な良好な 円偏波放射特性をもつアンテナを車両用ガラスに設定可能となる。 さ らには、 アンテナ性能を決定する上で重要な形状パラメータの相 関関係が明確であるため、 アンテナの設計が容易になる。

したがって本発明によれば、 誘電体基板の片面のみに構成可能な コープレーナ一タイプの円偏波用平面アンテナ、 このよ うな円偏波 用平面アンテナの設計方法を実現できる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 誘電体基板と、

前記誘電体基板の一主面上に形成された略正方形の放射素子であ つて、 一方の対角方向において対向する 2個のコーナー部が切り 込 まれた切り込み部を有する放射素子と、

前記一主面上に形成され、 中央部に正方形の開口部を有し、 外形 が正方形であるアース導体とを備え、

前記放射素子は、 前記アース導体の開口部内に、 前記アース導体 に対し所定幅のギャップを設けて配置されている平面アンテナ。

2 . 前記誘電体基板は、 車両の窓ガラスであり 、 前記放射素子およ びアース導体は、 前記窓ガラスの内側面に形成されている、 請求項 1 に記載の平面アンテナ。

3 . マイク ロ波帯の円偏波を受信する、 請求項 1 または 2 に記載の 平面ァンテナ。

4 . 請求項 1 に記載の平面アンテナを設計するに際し、

前記放射素子の切り込み部が設けられていない他方の対角方向の 対角線長を A、 '前記一方の対角方向の対角線長を B、 前記放射素子 と前記アース導体との間の前記ギャ ップの幅を G、 前記アース導体 の外形の一辺の長さを Wと したときに、

所定の周波数で平面アンテナが共振するよ う に、 前記対角線長 A を決定するステップと、

平面アンテナの共振周波数と、 対角線長比 B Z Aとの第 1 の直線 関数関係に基づいて、 前記対角線長 Bを決定するステ ップと、

前記対角線長比 B Z Aと、 前記 Aと前記 G との比 G Z Aとの第 2 の直線関数関係に基づいて、 前記ギャ ップ幅 Gを決定するステップ と、 前記第 2の直線関係を表す 1 次式の傾き係数と、 前記 Aと前記 W との比 W / Aとの指数関数関係に基づいて、 前記アース導体の外形 の一辺の長さ Wを決定するステップと、

を含む平面アンテナの設計方法。

5 . 前記誘電体基板は、 車両の窓ガラスであり 、 前記放射素子およ びアース導体は、 前記窓ガラスの内側面に形成されている、 請求項 4 に記載の平面アンテナの設計方法。

6 . マイク ロ波帯の円偏波を受信する、 請求項 4または 5に記載の 平面アンテナの設計方法。

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スタート )

f_Rで共振するように、 S 対角線長 Aの値を決める

f _Rと BZAとの

S2 直線関数関係から、

対角線長 Bの値を決定する

B Aと GZAとの

S3 直線関数関係から、

ギヤップ幅 Gの値を決定する

傾き係数 と W/Aとの

S4 指数関数関係から、

アース導体外形長を決定する

ェンド 〕

図 7