JPH02168703A - 平面アンテナ及びその製造方法 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、マイクロストリップアンテナ素子で構成され
た平面アンテナ及びその製造方法に関する。

（従来の技術） 最近、静止衛星を用いた衛星方送、多目的通信衛星によ
る衛星通信などが実用化されている。

従来、衛星を利用して伝送される電波を受信するにはパ
ラボラアンテナが用いられていだが、アンテナの形状が
複雑になるため、壁に容易に施行でき、保守も容易な平
面アンテナが注目されている。

ところで、平面アンテナは、従来マイクロストリップ線
路により給電する方法がとられてきた。

このマイクロストリップ線路を用いた平面アンテナに生
じる損失には、一般に導体損失と誘電体損失と放射損失
とがある。これらの損失のうち一番大きいものは、放射
損失である。この損失を減少させる構成としては、トリ
プレート線路を使ったアンテナが考えられる。従来この
種の平面アンテナの構成として第１１図に示した構成が
あった。

同図に示したごとく地導体板４５と導体４０が形成され
た放射回路板３９とで給電線４１と励振素子４３とが形
成された給電回路板４４をサンドイッチ状にはさんだ構
造である。給電線４１により給電された励振素子４３か
ら開口５０を介して電波が放射される。この平面アンテ
ナは、導体４０と地導体板４５と給電線４１とでトリプ
レート構造になっているが、給電線４２の部分について
は開口５０の部分を介して外部に露出されており、トリ
プレート構造の働きはしない。

これは、開口５０に比べて励振素子４３が小さいので、
給電線４１を励振素子４３に接続させるだめに、給電線
４２の長さの部分だけ開口５０を介して外部に露出しな
ければならないからである。

励振素子４３に全を力を供給する必要がある給電線４１
が、給電線４２０部分だけ比較的開口５０を介して外部
に露出している割合が大きいことにより、給電に必要な
電力のうち一部が、給電線４２０部分から開口５０を介
して不要放射となり、開口５０から放射される。この不
要放射電力分の損失が生じるだめ、放射素子に十分な給
電が行なえなくガる。

また、第１２図に示した構造の平面アンテナでは、励振
素子としてダイポールアンテナ素子４７を上部導体板４
６に形成させている。この構造のアンテナも導体板４６
と地導体板４９と給電線４８とでトリプレート構造を形
成している。この場合にも給電線４８が開口５１を介し
て外部に露出しており、不要放射の原因となるｏしかし
、この様なダイポ−ルアンテナ素子は、給電線とインピ
ーダンスマツチングがとれていないと効率よく電波が放
射され々い。従って、誘電体基板等に導体をエツチング
加工する場合の精度が問題になる。特にマイクロ波やミ
リ波のように高い周波数ではエツチングの誤差によるア
ンテナ指同性やインピーダンス特性への影響は大きい。

またとの励振素子をアルミなどの金属で一体製造するこ
とは出来ない。なぜなら励振素子として、穴の開いた開
口部面内にグイビールを製造しなければならないからで
ある。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように、平面アンテナの開口部の大きさに比
べて励振素子の大きさが非常に小さい場合、励振素子に
給電するための給電線の一部分が開口部からみて外部に
露出する割合が比較的大きくなる。この露出した給電線
から電波が不要放射されるので、励振素子に十分な給電
が行なえなくなるという欠点があった。

また、励振素子と給電線とを別々の基板に形成させてい
ると励振素子と給電線とのインピーダンスマツチングが
とれる様に導体をエツチング加工しないどいけないので
高い精度を要し、基板と基板との結合を高精度に行なわ
ねばならない。

本発明は、平面アンテナの開口部と励振素子との大きさ
をほぼ同じ大きさに設定して、励振素子と給電線とを同
一基板上に形成させて給電線の放射損失を減少させかつ
、電波の放射効率も十分得られる平面アンテナ及びその
製造方法を提供することを目的とするものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するだめの手段） 上記目的を達成するために本発明の平面アンテナとして
、導体板には、正方形の開口部を複数個設けている。給
電板には、この開口部に励振するように形成された正方
形の励振素子が開口部の個数分形成されており、まだ、
との励振素子夫々を給電する給電線が形成されている。

そしてこの導体板と給電板と地導体板とを順次積み重ね
てトリプレート構造の平面アンテナを構成している。

この平面アンテナにおいて、開口部と励振素子の大きさ
をほぼ同じ大きさにしたことを特徴とするものである。

壕だ、平面アンテナの製造方法としては、第１の誘電体
基板の片面に導体をエツチングし、一辺の長さを（０，
４１乃至０．５７）λ０（λ０は、中心周波数に対する
自由空間周波数）にした正方形の開口部を複数形成させ
る導体板製造工程と、第２の誘電体基板上に開口部に励
振させる一辺の長さを（０，３５乃至０．５３）λ０（
λ０は、中心周波数に対する自由空間周波数）にした正
方形の励振素子を複数形成させ、との励振素子夫々を給
電する給電線を形成させる給電板製造工程と、第３の誘
電体基板の片面に導体をエツチングする地導体製造工程
と、第１の誘電体基板と第２の誘電体基板と第３の誘電
体基板とを順次積層させる工程とからなることを特徴と
するものである。

（作用） 導体が形成されている導体板と地導体板とでトリプレー
ト構造を形成しており、給電板に形成された給電線から
励振素子に損失なく給電することができる。

まだ、励振素子と給電線とを同じ基板である給電板上に
形成しているので、インピーダンス整合がとり易く製造
し易い構成となっている。

導体板に形成されている正方形の開口部と正方形の励振
素子とは、はぼ同じ大きさにしているので、開口部を介
して外部に露出している給電線が短くでき、給電線から
の不要放射がなくなる。従って、放射損失を小さくでき
る。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示しだ図である。

同図（ａ）には、平面アンテナの一励振素子を上から見
た図が示されており、同図（１））には、同図（ａ）の
Ａ−Ｂ間断面図が示されている。正方形の開口部が設け
られた導体板１と地導体板５とでトリプレートの外導体
を構成しており、これらは同電位となっている。この導
体板１と地導体板５との中央にフィルム４が設置されて
いる。このフィルム４には、給電線２と正方形の励振素
子３がエツチング等で形成されている。また、との励振
素子３と開口部とは同調がとれている状態となっている
。尚、励振素子３と開口部とは、はぼ同じ大きさで構成
されている。即ち、励振素子３の一辺が、（０，３５乃
至０．５３）λい開口部の一辺は、（０，４１乃至０．
５７）λ０である。尚、λ０は中心周波数に対する自由
空間波長である。例えば導体板ｌとフィルム４及び地導
体板５とフィルム４との間は、空気と同じ誘電率のもの
まだは、それに近いものを用い、厚さは、例えば（０，
３５乃至０．１０）λ０（λ０　：中心周波数に対する
自由空間波長）としている。

以上の構成により使用周波数に共振した励振素子と電磁
界的に結合した開口部から電波が放射される。開口部に
励振される電磁界は、その励振素子の形状や大きさによ
って特有の分布を示すが先にも述べたように平面アンテ
ナとして効率よく電波を放射させるためには開口部には
振幅と位相が一様に分布するのが良く、この場合開口部
の正面方向で強い電波が放射される。またこの様に励振
する場合は、励振素子と給電線とのインピーダンスの整
合も比較前取り易くなる。

次に、放射素子から放射される平面波が開口で励振して
いく状態を第２図を用いて以下に説明する。導体ででき
た平板６にある開ロアに平面波６０が当ったとき開ロア
からは開ロアに励振される電磁界の振幅、位相分布に応
じた電波が放射される。

最も効率よく電波が放射される条件は、開ロアに振幅、
位相とも一様に励振されるときである。この様な条件は
、開ロアの大きさが伝搬する電波の波長のほぼ半分のと
きに達成される。この様な開口をアンテナ素子として利
用すれば、簡単で製作しやすいアンテナ素子ができる。

一方、この開口を励振するには、給電線に繋がれた励振
素子を使って電磁気的に結合させるのが最も自然である
。従って、本発明では、トリプレート線路の中央部の線
路と同じ面に設けられた励振素子から電波を放射させる
。この励振素子は、開口に電磁界を励振させ、とこから
再び電波が空間に放射される。

ここで、アンテナの特性のうちインピーダンスの整合に
ついて放射素子の一辺の長さと開口の一辺の長さとの関
係を第３図を用いて以下に述べる。

同図は、導体板と中央の線路との間を空気層とし、それ
らの距離を０．０３５乃至０．１０λ０　とした場合の
結果が示されている。給電線は、励振素子端に４分の１
波長の変成器を接続し、この変成器に５０Ω線路がつな
げられているものである。第３図は、５０Ω線路からみ
たインピーダンスを電圧定在波化（ｖｓｗＢ）−ｃ表Ｌ
、ＶＳＷＲ≦１．２トナル必要周波数帯域■の励振素子
の大きさ（１）及び開口の大きさ（ト）を示す。この結
果からインピーダンス整合がとられているのは、Ｂ＝５
％の帯域にわたってＶＳＷＥ、く１．２となる励振素子
の大きさ（１）が（０，３５乃至０５３）λ。の時であ
り、開口の大きさ（ト）は、（０，１４乃至０．５７）
λ。であることがわかる。

次に、開口部を介して外部に露出している給電線の長さ
と線路損失との関係を第４図を用いて説明する。開口部
を介して外部に露出している給電線の長さｂ（ｉＪが長
くなるにつれ放射損失も大きくなってきている。このこ
とからも開口部分中で比較的長い距離給電線を露出させ
ることは、放射損失の増大につながる。従って、本発明
では、開口部と励振素子の大きさをほぼ同じにして、給
電線が開口部を介して外部に露出する割合を最小限にす
ることで給電線からの不要放射を防止している。

第５図に示されている複数の励振素子としてこの場合４
つの励振素子を形成させた平面アンテナの構成について
説明する。カプトン等の基板上に片面全体に銅等をエツ
チングさせた地導体板１゜と、４つの正方形励振素子１
５，１６，１７．１８と、これらの励振素子を給電する
だめの給電線１９とが銅等を用いてエツチングされた基
板９と、基板９に形成された励振素子１５，１６，１７
，１８にカップリングする様に形成された正方形の開口
部１１，１２，１３，１４を設けた導体板８とからなる
。

尚、この導体板８には、開口部１１，１２，１３゜１４
を除く全面に銅等がエツチングされている。

まだ、開口部１１，１２，１３．１４や励振素子１５．
１６．］７．１８は、前述したとおり規定された一辺の
長さによって形成されている。これらの３つの基板を重
ね合せて平面アンテナを形成させている。

次に、軸比特性（簡単に言うと、最適な偏波を放射させ
るための特性を表わした（パラメータ）を最適にするこ
とが可能な円偏波を発生できる平面アンテナについて第
６図を用いて以下に説明する。同図（ａ）は、−励振素
子を上から見た図が示されている。まだ、同図（ｂ）は
、同図（ａ）のＡＢ間断面図が示されている。同図（ｂ
）に示されている様に、地導体板２４上に一定間隔をお
いてフィルム３を設ける。このフィルム３には、同図（
ａ）に示した様に、正方形でできだ励振素子２２の相対
角している２つの角を取り除いたものが形成されており
、との励振素子２２に給電するための給電線２１も形成
されている。このフィルム３上に一定間隔をおいて導体
板２０を設けている。この導体板２０には、励振素子２
２に励振するよう開口部が形成されている。以上の構成
にすることで、２つの角が取り除かれた励振素子と開口
部との励振から円偏波を発生させることができる。

尚、この励振素子の相対角する２つの角を取り除く際に
、取り除いた面積ともとの励振素子との割合を０．０６
２乃ｐ０．０７４にすると、軸比特性の良い円偏波を発
生させる平面アンテナが実現でＡることが実験よりわか
った。

開口部に励振される電磁界は、励振素子の形状や大きさ
によって特有の分布を示すが、円偏波を発生させるアン
テナとして効率よ〈円偏波を放射させるためには、開口
部で振幅と位相が一様に分布するのが良く、この状態で
は、開［］部の正面方向に強い電波が放射される。この
ｎ１１幅と位相が一様に分布している状態を表わす特性
として軸比特性が一般的に用いられる。この軸比特性に
つい゛（第７図を用いて以下に説明する。第７図には、
開口部の一辺をＬ１励振素子の一辺を１１取ね除いた角
の三角形状をしたものの一辺をａとして、Ｌとｌを一定
にしてａを０．０５９λ０からＯ，１０７λ。

（λ０は、中心周波数に対する自由空間周波数）の間で
可変させた時の軸比特性が示されている。

この結果ａを０．１０７λ０にした時に最も良好な特性
が得られている。この時のｌは０．４１λ０としていた
ので、励振素子の面積Ｓと取り除かれた２つの角の合計
面積△Ｓとの割合△Ｓ／Ｓは、△Ｓ／８＝（０，１０７
λｏ　　）”　／　（０，４１λｏ　）２＝０．０６８
１であった。次に、周波数ｆ０を一定として、△Ｓ／Ｓ
（摂動量という）を可変させた場合の軸比特性について
第８図を用いて説明する。一般的に、軸比特性が３〔ｄ
Ｂ〕以下の場合に良好な円偏波は得られる。同図からこ
の軸比特性が３〔ｄＢ）以下になっているのは、△Ｓ／
Ｓの摂動量が、０．０６４乃至０１０７２の範囲の場合
である。各種の誤差を考えると、０．０６２乃至０．０
７４の場合に良好な円偏波が得られることがわかった。

円偏波を励振させる他の方法としては、第９図に示しだ
様に、励振素子２５と基板２６に設けられた開口部との
位置関係を第１図に示したものと同じ状態にしておいて
、励振素子２５に対して給電線２７を用いて２点で給電
させる方法もある。

この方法では、１本の給電線に対してもう一本の給電線
は、９０°位相をずらせるだめに４分の１波長長い構成
にして、この２本の給電線によシ２つのモードを発生さ
せることで、円偏波を励振させることができる。

平面アンテナの製造方法について次に第１０図を用いて
以下に説明する。誘電体基板３６上に銅３５を全面にエ
ツチングさせる。そして誘電体基板３６の両端を数ｎｙ
ｎＬ字状に折シ曲げて、この折り曲げられた端に凹状の
六３３．３４をあける。

この上に銅等でエツチングさせた一辺の長さが（０３５
乃至０．５３）λ。の正方形でできた励振素子３７及び
給電線３８とが形成されているポリミドフィルム等のフ
ィルム６１を配置させている。その更に上に、誘電体基
板２９の下側に銅３０を全面にエツチングさせてこの誘
電体基板２９の両端を数ａｍＬ字状に折シ曲げ、との折
シ曲げられた端に凸部３１．３２を設ける。この凸部３
１．３２は、誘電体基板３６に設けられた凹部３３，３
４とでフィルム６０をはさみこんで、フィルム６１を引
っ張らせる働きをしている。そして、フィルム６１の弛
みを防止している。まだ、誘電体基板２９には、励振素
子３７にカップリングする様に一辺の長さが（０４１乃
至０．５７）λ０の正方形でできた開口部２８が設けら
れている。励振素子３７から開口部２８を介して電波が
放射される。一方、受信も電波の可逆性から可能である
。従って励振素子と給電線を一本化して一枚のフィルム
に構成させることで、複雑なインピーダンスマツチング
をとる必要もなく給電線から放射損失が少ない平面アン
テナを構成することができる。以上の平面アンテナ製造
方法では、上下の誘電体基板の両端をＬ字状に折り曲げ
てフィルムをはさみ込んでいた。しかし、上下の誘電体
基板の両端に数ｎ程度の誘電体基板を接着させて、見か
け上、Ｌ字状の構成にしてもよい。

〔発明の効果〕

以上詳述してきたように、本発明によれば、励振素子と
給電線とを同一基板上に形成させ、トリプレート構造に
しているので、別々の基板に励振素子と給電線とを夫々
形成したものに比べて基板夫々の位置合せが不用となる
ので、インピーダンスマツチングがと９易くなる。

また、平面アンテナの開口部と励振素子とをほぼ同じ大
きさにすることで、給電線が開口部を介して外部にあま
り露出しないために、この給電線による不要放射がなく
なり放射損失を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示した図、第２図は、本
発明の導体板からの放射を示した図、第３図は、本発明
の励振素子と開口の大きさとの関係を示した図、第４図
は、給電線の開口露出部分の長さと損失との関係を示し
た図、第５図は、本発明のアンテナ素子をアレー状に配
列させた平面アンテナの一構成を示した図、第６図は、
本発明の他の実施例を示した図、第７図は、本発明の軸
比特性を示した図、第８図は、軸比特性の最適値を示し
た図、第９図は、本発明の他の実施例を示した図、第ｉ
ｏ図は、本発明の平面アンテナ製造方法の一例を示した
図、第１１図は、従来例を示した図、第１２図は従来例
を示した図である。 １・・・導体板、 ２・・・給電線、 ３・・・励振素子、 ４・・・フィルム、 ５・・・地導体板。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）正方形の開口部を複数設けた導体板と、前記開口
   部に励振するように形成された複数の正方形の励振素子
   及びこの励振素子夫々を給電する給電線が設けられた給
   電板と、地導体板とを順次積み重ねたトリプレート構造
   の平面アンテナにおいて、前記開口部と前記励振素子と
   をほぼ同じ大きさにしたことを特徴とする平面アンテナ
   。
2. （２）前記開口部の一辺の長さを（０．４１乃至０．５
   ７）λ＿０は、中心周波数に対する自由空間周波数）に
   、かつ前記励振素子の一片の長さを（０．３５乃至０．
   ５３）λ＿０（λ＿０は、中心周波数に対する自由空間
   周波数）にしたことを特徴とする請求項１記載の平面ア
   ンテナ。
3. （３）正方形の開口部を複数設けた導体板と、前記開口
   部に励振するよう形成された複数の励振素子及びこの励
   振素子夫々を給電する給電線が設けられた給電板と、地
   導体板とを順次積み重ねたトリプレート構造の平面アン
   テナにおいて、前記励振素子の相対角している２つの角
   を取り除き、かつこの取り除かれた２つの角の合計面積
   と前記励振素子の面積との割合を０．０６２乃至０．０
   ７４にしたことを特徴とする平面アンテナ。
4. （４）第１の誘電体基板の片面に導体をエッチングし、
   一辺の長さを（０．４１乃至０．５７）λ＿０（λ＿０
   は、中心周波数に対する自由空間周波数）にした正方形
   の開口部を複数形成させる導体板製造工程と、第２の誘
   電体基板上に前記開口部に励振させる一辺の長さを（０
   ．３５乃至０．５３）λ＿０（λ＿０は、中心周波数に
   対する自由空間周波数）にした正方形の励振素子を複数
   形成させ、この励振素子それぞれを給電する給電線を形
   成させる給電板製造工程と、第３の誘電体基板の片面に
   導体をエッチングする地導体板製造工程と、前記第１の
   誘導電体基板と前記第２の誘電体基板と前記第３の誘電
   体基板とを順次積み重ねる工程とからなることを特徴と
   する平面アンテナの製造方法。