(57)【要約】【課題】  簡単な構造で容易に高利得化を図ることが可能な高利得マイクロストリップアンテナを提供する。【解決手段】  接地導電板と、前記接地導電板上に配置される第１誘電体層と、前記第１誘電体層上に配置されるマイクロストリップアンテナ素子と、前記マイクロストリップアンテナ素子上に配置される第２誘電体層とを有する高利得マイクロストリップアンテナであって、λｏを使用中心周波数の自由空間波長とするとき、前記第２誘電体層は、０．５λｏ×０．５λｏ以上の断面積を有し、前記第２誘電体層の比誘電率は、前記第１誘電体層の比誘電率よりも小さいことを特徴とする。また、前記第２誘電体層の厚さをＢｔｏｐ、比誘電率をεｒ．ｔｏｐとするとき、Ｂｔｏｐは下記式を満足する。  ０．７５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｔｏｐｍａｘ≦１．２５  Ｂｔｏｐｍａｘ＝λｏ×１．６×（εｒ．ｔｏｐ−１）−１．２５【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接地導電板と、
前記接地導電板上に配置される第１誘電体層と、
前記第１誘電体層上に配置されるマイクロストリップアンテナ素子と、
前記マイクロストリップアンテナ素子上に配置される第２誘電体層とを有する高利得マイクロストリップアンテナであって、
λｏを使用中心周波数の自由空間波長とするとき、前記第２誘電体層は、０．５λｏ×０．５λｏ以上の断面積を有し、
前記第２誘電体層の比誘電率は、前記第１誘電体層の比誘電率よりも小さいことを特徴とする高利得マイクロストリップアンテナ。
【請求項２】
前記第２誘電体層の厚さをＢｔｏｐ、比誘電率をεｒ．ｔｏｐとするとき、Ｂｔｏｐは下記（１）式を満足することを特徴とする請求項１に記載の高利得マイクロストリップアンテナ。
［数１］
０．７５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｔｏｐｍａｘ≦１．２５
Ｂｔｏｐｍａｘ＝λｏ×１．６×（εｒ．ｔｏｐ−１）−１．２５
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・  （１）
【請求項３】
前記マイクロストリップアンテナ素子上に配置される第３誘電体層と、
前記第３誘電体層上に配置される無給電素子とを有し、
前記第２誘電体層は、前記無給電素子上に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高利得マイクロストリップアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高利得マイクロストリップアンテナに係り、特に、八木アンテナのように、棒状で指向性が鋭い、高利得アンテナが必要とされる高い周波数帯（ＧＨｚ帯）の通信又は放送システムのアンテナに最適な高利得マイクロストリップアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、比較的低い周波数では、多素子八木アンテナを用いて棒状（エンドファイヤーアレイ）の高利得アンテナを実現しているが、共振形であるため、帯域が狭く、高い周波数で製作しようとした場合、機械的な組立精度が必要となるという問題点があった。
一方、マイクロストリップアンテナは、エッチングにより精度よく作製することが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前述したように、マイクロストリップアンテナは、エッチングにより精度よく作製することが可能であるが、面積を拡げ、アレイ化する以外には容易に高利得化を図ることができないという問題点があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、簡単な構造で容易に高利得化を図ることが可能な高利得マイクロストリップアンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
即ち、本発明は、接地導電板と、前記接地導電板上に配置される第１誘電体層と、前記第１誘電体層上に配置されるマイクロストリップアンテナ素子と、前記マイクロストリップアンテナ素子上に配置される第２誘電体層とを有する高利得マイクロストリップアンテナであって、λｏを使用中心周波数の自由空間波長とするとき、前記第２誘電体層は、０．５λｏ×０．５λｏ以上の断面積を有し、前記第２誘電体層の比誘電率は、前記第１誘電体層の比誘電率よりも小さいことを特徴とする。
また、本発明では、前記第２誘電体層の厚さをＢｔｏｐ、比誘電率をεｒ．ｔｏｐとするとき、Ｂｔｏｐは下記（２）式を満足することを特徴とする。
［数２］
０．７５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｔｏｐｍａｘ≦１．２５
Ｂｔｏｐｍａｘ＝λｏ×１．６×（εｒ．ｔｏｐ−１）−１．２５
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・  （２）
また、本発明では、前記マイクロストリップアンテナ素子上に配置される第３誘電体層と、前記第３誘電体層上に配置される無給電素子とを有し、前記第２誘電体層は、前記無給電素子上に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、角柱形状、あるいは円柱形状の第２誘電体層をマイクロストリップアンテナ素子上に配置するという簡単な構造で、容易に高利得化を図ることが可能となる。
また、周波数範囲が広いため機械的な組立精度も不要となり、安価で、高利得マイクロストリップアンテナを実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図１は、本発明の実施例の高利得マイクロストリップアンテナの概略構成を示す斜視図である。
図１において、１は接地導電板、２は第１誘電体層、３はマイクロストリップアンテナ素子（以下、パッチ素子という。）、４は第２誘電体層、５は給電用のマイクロストリップ線路である。
本実施例の高利得マイクロストリップアンテナでは、接地導電板１上に、一辺の長さがＬの正方形形状を有するとともに、厚さがＢｂｔｍ、比誘電率がεｒの第１誘電体層２が配置される。
なお、λｏを使用中心周波数の自由空間波長とするとき、Ｌは、０．５λｏ以上（Ｌ≧０．５λｏ）とされる。
第１誘電体層２上に、一辺がＳｐｔｃｈの正方形形状のパッチ素子３が配置される。なお、パッチ素子３は、円形形状であってもよい。
また、パッチ素子３は、例えば、エッチングにより形成される。ここで、パッチ素子３の給電は、ストリップ線幅がＷの垂直のマイクロストリップ線路５を使用して行われる。
パッチ素子３上には、一辺の長さがＬの正方形形状を有するとともに、厚さがＢｔｏｐ、比誘電率がｅｒ．ｔｏｐの第２誘電体層４が配置される。
ここで、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）は、第１誘電体層２の比誘電率（εｒ）よりも小さく（ｅｒ．ｔｏｐ＜εｒ）される。
なお、第２誘電体層４の断面積は、正方形形状に限定されるものではなく、断面積が０．５λｏ×０．５λｏ以上であれば、円形形状、あるいは多角形形状であってもよい。
【０００７】
図２は、本実施例のマイクロストリップアンテナにおいて、第２誘電体４の厚さ（Ｂｔｏｐ）を変化させたときの利得特性を示すグラフである。
この図２は、使用中心周波数を８ＧＨｚ（λｏ＝３７．５ｍｍ）とし、下記（イ）〜（ト）の条件下で、図１に示すマイクロストリップアンテナを、ＦＤＴＤ法で解析した結果を示すグラフである。
（イ）接地導電板１の大きさが無限大
（ロ）第１誘電体層２の厚さ（Ｂｂｔｍ）が、０．０４λｏ（Ｂｂｔｍ＝０．０４λｏ）
（ハ）第１誘電体層２の比誘電率（εｒ）が、２．０７
（ニ）第１誘電体層２および第２誘電体層４の一辺の長さ（Ｌ）が０．８λｏ（Ｌ＝０．８λｏ）
（ホ）パッチ素子３の一辺の長さ（Ｓｐｔｃｈ）が０．２８λｏ（Ｓｐｔｃｈ＝０．２８λｏ）
（ヘ）給電用のマイクロストリップ線路５のストリップ線幅（Ｗ）が、０．０４λｏ（Ｗ＝０．０４λｏ）
（ト）給電点の座標（ｘ，ｙ）＝（ＸＦＤ，０）とするとき、ＸＦＤ＝０．０７λｏ
図２から分かるように、利得（ｄＢｉ）は、第２誘電体層４の厚さ（Ｂｔｏｐ）によって増加し、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）が１に近いほど利得が大きくなる。
図２では、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）が、１．４４（ｅｒ．ｔｏｐ＝１．４４）の場合、利得が約９．３（ｄＢｉ）増加している。
また、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）が大きくなると、利得変動の周期が短くなることが分かる。
【０００８】
図３ないし図５の各図は、図２に示す利得特性において、利得が最大となるときの放射パターンを、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）をパラメータとして示すグラフである。
図３は、図２に示す利得特性において、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）が１．４４の場合に、利得（ｄＢｉ）が最大となる厚さ（図２の（１）に示すＢｔｏｐ（１）＝１６８ｍｍ）のときの放射パターンを示すグラフである。
また、図４は、図２に示す利得特性において、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）が２．０７の場合に、利得（ｄＢｉ）が最大となる厚さ（図２の（２）に示すＢｔｏｐ（２）＝５５ｍｍ）のときの放射パターンを示すグラフである。
さらに、図５は、図２に示す利得特性において、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）が２．６０の場合に、利得（ｄＢｉ）が最大となる厚さ（図２の（３）に示すＢｔｏｐ（３）＝３３ｍｍ）のときの放射パターンを示すグラフである。
なお、図３ないし図５の各図において、（ａ）は、本実施例のマイクロストリップアンテナのＸ−Ｚ面（電界面）の放射パターンを示すグラフであり、（ｂ）は、本実施例のマイクロストリップアンテナのＹ−Ｚ面（磁界面）の放射パターンを示すグラフであり、実線は電界（Ｅθ）成分を、点線は磁界（Ｅφ）成分を示す。
【０００９】
図６は、本実施例のマイクロストリップアンテナにおける、利得の周波数特性を示すグラフである。
この図６は、前述の（イ）〜（ト）の条件下における、利得の周波数特性を示すグラフであり、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）が２．６０の場合に、最大利得１６（ｄＢｉ）が得られている。
具体的には、パッチ素子３上に、断面積が０．８λｏ×０．８λｏ、軸長（即ち、厚さ（Ｂｔｏｐ））が１８０ｍｍ、比誘電率（εｒ）が１．４４の四角柱を配置するだけで、利得を約９（ｄＢｉ）増大させることができ、利得１６（ｄＢｉ）を実現することができる。
また、図６に示すグラフは、八木アンテナと異なり、周波数に対する依存性が少ないことが分かる。
【００１０】
今、利得（ｄＢｉ）が最大となるときの第２誘電体層４の厚さを、Ｂｔｏｐｍａｘとするとき、図７は、図２に示す利得特性において、利得（ｄＢｉ）が最大となるときの第２誘電体層４の厚さ（Ｂｔｏｐｍａｘ）と、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）との関係を示すグラフである。
この図７において、Ｘ＝（ｅｒ．ｔｏｐ−１）、Ｙ＝（Ｂｔｏｐｍａｘ／λｏ）であり、ＸとＹの間には、下記（３）式の関係がある。
［数３］
Ｙ＝１．６×Ｘ−１．２５
Ｂｔｏｐｍａｘ／λｏ＝１．６×（εｒ．ｔｏｐ−１）−１．２５
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・  （３）
したがって、利得が最大となるときの第２誘電体層４の厚さ（Ｂｔｏｐｍａｘ）と、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）と、使用中心周波数のλｏとの間には、下記（４）式の関係がある。
［数４］
Ｂｔｏｐｍａｘ＝λｏ×１．６×（εｒ．ｔｏｐ−１）−１．２５
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・  （４）
この（４）式を満たすように、第２誘電体層４の厚さ（Ｂｔｏｐ）と、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）を選択することにより、最大利得（ｄＢｉ）を得ることが可能となり、図２から分かるように、第２誘電体層４の厚さ（Ｂｔｏｐ）が、下記（５）式を満足すれば、利得（ｄＢｉ）として、ほぼ最大値に近いを値を得ることが可能である。
［数５］
０．７５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｔｏｐｍａｘ≦１．２５
【００１１】
図８は、本発明の実施例の高利得マイクロストリップアンテナの変形例の概略構成を示す斜視図である。
図８に示す高利得マイクロストリップアンテナでは、マイクロストリップアンテナ素子３上に、厚さがＢｍｉｄの第３誘電体層７を配置し、当該第３誘電体層７上に無給電素子６を配置し、無給電素子６上に、第２誘電体層４を配置する。
即ち、図８に示す高利得マイクロストリップアンテナは、マイクロストリップアンテナ素子３と第２誘電体層４との間に、第３誘電体層７を介して無給電素子６を配置した点で、図１に示す高利得マイクロストリップアンテナと相違するが、それ以外の構成は、図１と同じであるので詳細な説明は省略する。
なお、図８では、給電用のマイクロストリップ線路５の図示は省略しているが、給電は図１と同様にして行われる。
図８に示す高利得マイクロストリップアンテナは、前述の図１に示す高利得マイクロストリップアンテナと同様、容易に高利得化を図ることができるばかりか、無給電素子６の作用により広帯域化を図ることが可能となる。
以上説明したように、本実施例によれば、角柱形状、あるいは円柱形状の第２誘電体層４をマイクロストリップアンテナ素子３上に配置するという簡単な構造で、容易に高利得化を図ることが可能となる。
また、周波数範囲が広いため、機械的な組立精度も不要となり、安価で、高利得マイクロストリップアンテナを実現することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例の高利得マイクロストリップアンテナの概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例のマイクロストリップアンテナにおいて、第２誘電体の厚さ（Ｂｔｏｐ）を変化させたときの利得特性を示すグラフである。
【図３】図２に示す利得特性において、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）が１．４４の場合に、利得が最大となる厚さのときの放射パターンを示すグラフである。
【図４】図２に示す利得特性において、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）が２．０７の場合に、利得が最大となる厚さのときの放射パターンを示すグラフである。
【図５】図２に示す利得特性において、第２誘電体層４の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）が２．６０の場合に、利得が最大となる厚さのときの放射パターンを示すグラフである。
【図６】本発明の実施例のマイクロストリップアンテナにおける、利得の周波数特性を示すグラフである。
【図７】図２に示す利得特性において、利得が最大となるときの第２誘電体層の厚さ（Ｂｔｏｐ）と、第２誘電体層の比誘電率（ｅｒ．ｔｏｐ）との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例の高利得マイクロストリップアンテナの変形例の概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００１３】
１  接地導電板
２  第１誘電体層
３  マイクロストリップアンテナ素子（パッチ素子）
４  第２誘電体層
５  給電用のマイクロストリップ線路
６  無給電素子
７  第３誘電体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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