JP3037959B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、給電線路としてストリップ線路を用い、複
数の放射素子を励振するアンテナ装置に関する。

［従来の技術］ 一般に、衛生放送受信用の平面アンテナは、高利得が
要求され、面積を大きくして多数の放射素子を平面上に
配置し、各放射素子を給電線路に結合させている。

従来、平面アンテナの給電線路としては、軽量小型化
に適したストリップ線路が使用されている。また、スト
リップ線路としては、接地導体と帯状導体からなるマイ
クロストリップ線路、または上下接地導体の間に帯状導
体を配した３層導体層からなるトリプレートストリップ
線路が使用されている。

一般に、給電線路としてマイクロストリップ線路を用
いた場合は、放射素子としては、両端開放の２分の１波
長マイクロストリップ線路またはそれを変形した、いわ
ゆるパッチアンテナ形式のものが用いられ、パッチアン
テナと給電線路とは直接結合される。またトリプレート
ストリップ線路給電の場合は、上部接地導体に２分の１
波長のスロットを設けたスロットアンテナ形式のものが
用いられ、スロットアンテナと給電線路とは電磁結合さ
れることが多い。さらに、全体の給電方式としては、ス
トリップ線路給電の場合、２分岐回路を組み合わせた並
列給電方式により、一つの給電点から各放射素子までに
至る線路長が等しくなる並列給電方式が用いられる。な
お各放射素子の配置の間隔は、不要サイドローブを抑圧
し、アンテナの放射効率を劣化させないために、0.5波
長乃至0.9波長程度に高密度に配置しなければならな
い。

しかしながら、これらのストリップ線路を用いた平面
アンテナは、放射素子を所望の位相で均一な振幅で励振
するには、放射素子周辺の個別給電線路の配置上配線の
引き回しが複雑かつ過密となって給電線路間の相互干渉
が生じ均一励振が損なわれ、その結果アンテナの放射効
率が低下するという問題があった。

さらに従来の平面アンテナでは、放射素子周辺の個別
給電線路の配置に制約があるために放射素子とアンテナ
素子との間の整合回路が最適とならず全体として狭帯域
となるという問題があった。

第５図は、従来のストリップ線路給電方式を用いた平
面アンテナの平面図を示す。本アンテナは、各放射素子
の放射電力を面に垂直の正面方向に合成するための配置
となっている。

４個の円形パッチ放射素子3,7,11,15は接地導体１と
絶縁体２により間隔をあけて配置されてマイクロストリ
ップ線路からなる個別給電線路6,10,14,18により同じ向
きに同相給電される。個別給電線路6,10,14,18は、Ｔ分
岐19,22を経て線路幅を変えた４分の１波長インピーダ
ンス変成器となる線路部20,21を含むＴ分岐23により一
つの給電線路24に合成される。

各々の円形パッチは、給電点から45度の角度の部分に
切り欠きセグメント4,5,8,9,12,13,16,17を持たせるこ
とにより、円盤導体上に直交する二つの共振モードに90
度の位相差を付与し、かつ等振幅で励振して円偏波を発
生する。

［発明が解決しようとする課題］ 上記給電線路配置の問題点は、Ｔ分岐23の給電線路24
のＴ分岐付近は、線路20,21と直交しないため非対称な
磁界結合のため完全な２分岐とならず、電力分配は左右
不均等となる、実験的に左方の分岐枝となる線路部20に
対する結合が強くなることが知られている。

また、給電線路24が個別給電線路14並びに放射素子15
に接近し、それぞれ不要電磁結合を生じ、結果として各
放射素子の励振を不均一にし、アンテナ効率を低下させ
る問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、そ
の目的は構成を簡素化でき、かつ給電線路の損失を低減
してアンテナ効率を向上し得るアンテナ装置を提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段及び作用］ 本発明は、２個の放射素子を給電点ごとに互いに180
度回転させ対向配置させ、給電線路から前記２個の放射
素子の個別給電線路に信号を分配する２分岐回路とし
て、ストリップ線路相互の磁界結合作用を利用した位相
反転２分岐回路を用いることにより、放射素子付近の給
電線路を簡素化し、且つ給電の対称性を良くすることに
より給電線路の不要結合を低減し、放射素子励振の均一
化によるアンテナ効率の改善が出来るようにしたもので
ある。

［第１実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１実施例による平面アンテナの平
面図であって、本発明をトリプレート型ストリップ線路
給電方式に適用した場合を示す。

トリプレート型ストリップ線路（以下簡単のためスト
リップ線路と記す）は、第１図の接地導体30の上側に配
置されている絶縁体31と、この上に積層される上部接地
導体61の下側に配置されている絶縁体60（第１図では絶
縁体31と分離して示されている）との間に配置される導
体層のところに形成される。

各放射素子形式は先に説明した従来例と少し異なる
が、同様にパッチ型放射素子であり、主ビームを垂直の
正面方向に合成するための配置となっている。

４個のパッチ型放射素子32,37,42,47は接地導体30と
絶縁体31により間隔をあけて配置され、円盤導体35,40,
45,50の円周上の各々の給電点から45度の角度で短冊型
の細長い導体とやや幅が広くて短い導体とを直交させた
クロスパッチ33,34,38,39,43,44,48,49を延長させた構
造とし、直交する二つの共振モードに90度の位相差を付
与し、かつ等振幅で励振して円偏波を発生する形式のも
のである。

パッチ型放射素子32,37及び72,47はストリップ線路か
らなる個別給電線路36,41及び46,51を備え、それぞれ給
電点を含み互いに180度回転して配置されている。個別
給電線路36,41及び46,51に信号を分配するには、位相反
転２分岐回路52,57を用いており、これらは一端が開放
端で開放端から４分の１波長離れた電流最大位置付近の
前後を折り曲げたストリップ線路53,56をストリップ線
路52,56に接近させて構成される。

インピーダンス整合のため線路幅を変えた給電線路5
4,55は、Ｔ分岐48を経て一つの給電線路59に接続されて
いる。

次に本発明の構成において回路の動作および放射素子
の励振について説明する。ストリップ線路53,56は、ス
トリップ線路52,57に対し線路電圧最少、線路電流最大
部分で密接して配置されているので、高周波の磁界によ
って結合が行われる。従って、ストリップ線路53,56に
は一つの方向の電流が誘起され、それぞれ個別給電線路
の放射素子の向きに対しては、位相が逆転した信号が送
られることになる。

このようにして、給電線路59に加えられた信号は、４
等分されると同時に、位相反転２分岐回路52,57のた
め、個別給電線路６と10および14と16の放射素子との接
続点でそれぞれ180度の位相差の信号で、互いに180度回
転配置されたパッチ放射素子32,36及び42,47を励振し、
結局全ての放射素子を同相で励振することになる。

放射素子からの放射波は、上部接地導体61上に配置さ
れた、円周の４等分する位置に内部に向かう突起を有す
る開口62,63,64,65を経て外部へ放射される。円周上の
突起は開口の共振周波数を低下させ、比較的小さな直径
の開口で電波を通過させるので、上部接地導体の開口以
外の部分の面積を増加することができストリップ給電線
路部からの不要放射を抑えることができる。

本放射素子の配置においては電磁波の放射は、パッチ
型放射素子からの直接放射と開口を励振による、開口か
らの放射とを合成したものとなる。開口の突起部は下部
の放射素子のクロスストリップ部と平行した配置のた
め、電磁結合によって開口をスロット放射素子として励
振を強める作用をする。開口のスロット放射素子として
の働きは開口の共振周波数が動作周波数に一致させたと
き最大となり、全体の放射を支配する。これに対し開口
を大きくして共振周波数を動作周波数から十分下げてお
けばパッチ型放射素子からの放射が支配的となる。後者
の方法が設計は簡単であるが給電線路の遮蔽効果は若干
減少するので、目的により、いずれかの方法を選べばよ
い。

本発明の効果として、位相反転型２分岐回路52,57を
左右の配置が丁度鏡像の関係の形状にしたため、中央部
から対称性の良い給電ができ、左右の放射素子対に均一
な励振をすることが可能となった。

上記実施例では、主ビームが面に垂直な平面アンテナ
に適用したが、主ビームに所望の角度を持たせる場合に
も、本発明の給電方法を基礎として設計すれば、給電線
路に位相差付加回路を挿入したり、放射素子及び給電点
の配列に回転角度差を付けるなど従来良く知られた方法
を併用することにより、従来より配線が簡素化出来る性
質を活用して、所望のビームチルトが容易に実現できる
利点がある。

また、上記実施例では、放射素子として、円形パッチ
型放射素子を用い、給電方法として個別給電線路による
直接結合法を用いたが、良く知られているように、上部
接地導体上に設けたスロット型放射素子と前記放射素子
のスロットを横切るトリプレートストリップ線路によっ
て、いわゆる電磁結合をさせた給電方式にも本発明を適
用して効果を上げることができる。

［第２実施例］ 第２図は本発明の第２実施例の平面アンテナにおける
位相反転型２分岐回路の回路パターンであって、折り曲
げられた開放端72,75をもつ２分の１波長ストリップ線
路52の両開放端から少し離れた位置に個別給電線路74,7
5が接続されている。また、一端開放のストリップ線路7
6が開放端から４分の１波長の前後で図のように両側に
直角に折り曲げられ、給電線路79に至る４分の１波長の
線路の線路幅を変えてインピーダンス整合器として動作
させることができる。２分岐回路としての動作は、第１
図の場合とほぼ同様であるが、個別給電線路74,75を開
放端72,75から離すことによって、放射素子側のより小
さいインピーダンスに対する整合性を良くし、分岐点よ
りコンパクトにできる効果を有する。

［第３実施例］ 第３図は、本発明の第３実施例の平面アンテナにおけ
る位相反転型２分岐回路の回路パターンであって、スト
リップ線路85,87がＵ字型に曲げられた底部の線路部86
で接続され、全体として２分の１波長の第１のストリッ
プ線路を構成する。前記底部の線路部86に密接して配置
された第２のストリップ線路として、幅の広い２分の１
波長のストリップ線路80が用いられ、両端に個別給電線
路83,84が接続される。

給電線路90から延長され幅を変えて４分の１波長イン
ピーダンス変成器としての作用を持つストリップ線路89
の先端88が上方に曲げられＵ字型の内部からストリップ
線路85に接続される。前記接続点はＵ字型の端部程高イ
ンピーダンスであり、設計により接続点を適宜選択する
ことが出来る。本構成における動作は第２図の場合と同
様であるが、結合部の上下対称性が改善され、さらに良
好な特性が期待できる。

［第４実施例］ 第４図は本発明のさらに別の実施例の平面アンテナの
構成図である。

最初に給電回路について説明する。接地導体30の上の
絶縁体31と上部接地導体61の下の絶縁体60の間にストリ
ップ線路給電線100が設けられ、Ｔ分岐101を経て、位相
反転２分岐回路102,103を経て一端開放のストリップ線
路104,105,106,107に４分配される。これらのうち左上
のブロックについて説明すると、一端開放のストリップ
線路104の開放端から４分の１波長のところには、左右
から折り返し型のストリップ線路108,109が接近して配
置されており、磁界結合により結合され、信号はさらに
４等分され、一端開放の反対の向きに配置されたストリ
ップ線路110と111並びに112と113をそれぞれ給電点から
逆相に励振し、一つの方向からみたとき全体が縦方向の
おなじ向きの電流で励振される。他のブロックについて
も同様ですべて縦向きに同相で励振されて上方に電磁波
を放射する。

次に上部接地導体に設けられた、ストリップ線路110,
111に対応した左上角の180度回転して配置された開口対
について説明する。円形の開口114,116の内周には内側
に向かうフィン導体115,117を設ける。

ストリップ線路110,111から放射された電磁波は垂直
偏波であり、これに対し45度の角度で横切るフィン導体
115,117によって元の放射波の偏波は、フィン導体の方
向とこれに直交する二つの偏波成分に分解され、フィン
導体の長さを適当にして誘導性のリアクタンスを呈する
ようにすると、フィン導体の方向の偏波成分のみ90度位
相を遅らせることが出来結局円偏波を発生することがで
きる。すなわち、開口の最低次モード共振周波数を動作
周波数より低く設定して、誘導性リアクタンスを呈する
ようにさせ、円偏波を発生させることができる。他の開
口対についても同様であり、全ての開口からの円偏波が
正面方向に合成できる。

本実施例では、単一のフィン導体を用いたが、両側の
内周から２個のフィン導体を設けても差し支えなく同様
の原理で円偏波を発生することが出来る。

さらに上記から変形し、直交した方向にもフィン導体
を設けた４個にした場合は、一方の対向対が容量性の場
合、直交する他方を誘導性を呈するように、フィン導体
の長さを加減してリアクタンス量を直交同士で丁度±45
度の位相遅れが生じるようにしても目的の円偏波を得る
ことが出来る。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、ストリップ線路
方式の平面アンテナの給電線路に新規な磁界結合を用い
た位相反転２分岐回路を用いた結果、放射素子に対する
給電線路の対称性及び簡素化が一段と改善され、給電線
路に幅の広い低損失なストリップ線路を用いることがで
き、放射素子励振の均一化と給電線路の損失低減による
アンテナ効率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す平面アンテナの構成
図、第２図及び第３図はそれぞれ本発明の第２、第３実
施例の平面アンテナの位相反転２分岐回路の回路パター
ンを示す図、第４図は本発明の第４実施例を示す平面ア
ンテナの構成図、第５図は従来の平面アンテナの構成図
である。 １……接地導体、２……絶縁体、3,7,11,15……円形パ
ッチ放射素子、4,5,8,9,12,13,16,17……切り欠きセグ
メント、6,10,14,18……個別給電線、7,8,23……Ｔ分
岐、30……接地導体、31,60……絶縁体、61……上部接
地導体、32,37,42,47……パッチ型放射素子、35,40,45,
50……円盤導体、33,34,38,39,43,44,48,49……クロス
パッチ、36,41,46,51……個別給電線路、52,57……位相
反転２分岐回路、53,56,85,87……ストリップ線路、59
……給電線路、62,63,64,65……開口、74,75……個別給
電線路、79……給電線路、85,87……ストリップ線路、8
3,84……個別給電線路、90……給電線路、100……スト
リップ線路給電線、101……Ｔ分岐、102,103……位相反
転２分岐回路、104,105,106,107……一端開放のストリ
ップ線路、110,111,112,113……ストリップ線路、114,1
16……円形の開口、115,117……フィン導体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 21/24 H01Q 21/06 H01Q 13/08 H01Q 13/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個の放射素子と、一つの信号端子から
   複数のストリップ線路に分岐され、上記複数個の放射素
   子を並列給電方式で励振する給電線路を備えたアンテナ
   装置に於いて、 上記給電線路の構成要素として、一端が開放された第１
   のストリップ線路の開放端から４分の１波長離れた電流
   最大位置が第２のストリップ線路に接近して配置されて
   おり、第２のストリップ線路に磁界結合で電流を誘起さ
   せることにより、第２のストリップ線路の両方向に振幅
   が等しく位相が180度異なる信号が伝達される位相反転
   ２分岐回路を用いたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 【請求項２】請求項（１）記載のアンテナ装置におい
   て、位相反転２分岐回路は、一端が開放の第１のストリ
   ップ線路と、線路長が２分の１波長の両端を開放端にし
   た第２のストリップ線路の中央部の電流最大位置に前記
   第１のストリップ線路の開放端から４分の１波長離れた
   電流最大位置を接近して位置させ、２分岐信号が取り出
   される線路の接続点を上記第２のストリップ線路の開放
   端または開放端より中央寄りに設けたことを特徴とする
   アンテナ装置。