(57)【要約】【課題】 小形化が容易で、円偏波の放射が可能なマイクロストリップアンテナを提供すること。【解決手段】誘電体基板と、該誘電体基板の一方の面側に形成される偏波を制御するための手段と、前記誘電体基板のマイクロストリップが形成される面とは反対の面に形成される地導体としての導電膜と、前記マイクロストリップと前記導電膜とを電気的に接続する給電手段とを有する通信用アンテナとする。また、前記手段はノッチ若しくはスリット又はアクティブ素子であることを特徴とし、給電手段は、前記マイクロストリップの重心付近に形成されていることを特徴とする通信用アンテナとする。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、
該誘電体基板の一方の面側に形成される偏波を制御するための手段と、
前記誘電体基板のマイクロストリップが形成される面とは反対の面に形成される地導体としての導電膜と、 
前記マイクロストリップと前記導電膜とを電気的に接続する給電手段と、を有する通信用アンテナ。
【請求項２】
前記手段はノッチ若しくはスリット又はアクティブ素子であることを特徴とする請求項１記載の通信用アンテナ。
【請求項３】
前記マイクロストリップは、扇形にノッチ又はスリットが入った形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の通信用アンテナ。
【請求項４】
前記マイクロストリップは、環状扇形にノッチ又はスリットが入った形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の通信用アンテナ。
【請求項５】
前記マイクロストリップは、多角形状に、ノッチ又はスリットが入った形状を有する請求項１又は２に記載の通信用アンテナ。
【請求項６】
前記給電手段は、前記マイクロストリップの重心付近に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の通信用アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信に関わるアンテナ（以下「通信用アンテナ」）の構造に係わるもので、特に円偏波を発生させることが可能なマイクロストリップアンテナの技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
移動体衛星通信や、ＧＰＳナビゲーションシステムなどには、円偏波が放射可能な通信用アンテナが必要となる。特に小形な端末を実現するためには、端末に装備可能な小形の通信用アンテナが必要となる。
【０００３】
円偏波が放射可能な通信用アンテナには、一般的に、クロスダイポールアンテナや、四角形状や円形状の放射導体としてのマイクロストリップ、地導体(グランド)としての導電膜、誘電体基板と、を有して構成されているマイクロストリップアンテナがある。また、通信用アンテナの中でもスロットとマイクロストリップラインもよく使用されている。
【０００４】
正方形や円形のマイクロストリップアンテナは、安定した円偏波特性を実現できるが小形化が大きな課題であった。これは従来の設計概念が大きく影響している。これまで円偏波放射素子は、正方形状や、円形状の素子を基本とし、縮退分離を利用して円偏波化させていた。円偏波化させるために分離したモードの電流は、対角状に分布するため波長短縮がしにくい。そのため、通信用アンテナは小形化に限界があり、たとえ小形化した場合においても、所望の利得、軸比を確保することは困難であった。
【０００５】
他にもマイクロストリップアンテナの小型化には，単純に高誘電率基板を用いる手法があるが，利得，効率の低下が問題となる。
【０００６】
この他、通信用アンテナの設計により、円偏波および円偏波化、多偏波共用化などの技術として、スタック型、背面給電方式のマイクロストリップライン平面アンテナの共振モードの利用、平面アンテナとヘリカルアンテナのまたは平面アンテナとロッドアンテナを用いる技術が、例えば、下記特許文献１〜３に掲載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２４４７２６号公報
【特許文献２】特開平９−２３２８４９号公報
【特許文献３】特開公開平９−９８０１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１〜３に記載の技術では、通信用アンテナの小形化において課題を残し、広帯域化、利得、軸比の向上についても未だ課題が残っている。
【０００９】
そこで、本発明の目的は上記課題を解決し、小形な構造でも円偏波の放射を実現できる高性能な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】
【００１０】
上記問題を解決するための一手段に関わるマイクロストリップアンテナは、誘電体基板と誘電体基板の一方の面側に、ノッチ(又はスリット) もしくはアクティブ素子が装荷された放射導体としてのマイクロストリップと、前記誘電体基板のマイクロストリップが形成される面とは反対の面に形成された地導体（グランド）としての導電膜と、マイクロストリップと前記導電膜とを電気的に接続する給電手段と、を有する通信用アンテナである。
【００１１】
この手段において、マイクロストリップは、多角形状が望ましく、より望ましくは扇形又は三角形状である。またこの場合において、素子辺上にノッチ(又はスリット) 、もしくはノッチ(又はスリット)と同等の効果が得られるアクティブ素子が設けられていることも望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、扇形や三角形などの多角形状に発生する共振モードに対して、円偏波の放射が得られるようにインピーダンスの周波数特性を制御し、所望の周波数で円偏波の放射を実現する。各共振モードの周波数特性の制御は、マイクロストリップ上に分布する電流をノッチ(スリット)の装荷によって行う。まず、マイクロストリップの形状を決め、マイクロストリップ上に発生する各モードの電流分布を調べる。次に対象とする2つ以上の共振モードを決める。２つの共振モードは、なるべく共振周波数の近いものが好ましい。次に、各共振モードの放射する電界の主偏波成分を調べ、所望の放射方向において等振幅、位相差p ／２ となるようにノッチ(スリット)を各々適宜調整する。これは、共振器としてみたアンテナのインピーダンスの周波数特性制御を行っていることと等価である。２つの共振モードの周波数特性は、円偏波の放射条件(偏波方向、振幅、位相)を合わせられる範囲で自由に調整できるので、小形な円偏波マイクロストリップアンテナを実現する。
【００１３】
本発明の重要な点としては、従来用いられている縮退分離でなく、各共振モードの周波数特性を直接調整して円偏波を発生させる考え方にある。扇形状のマイクロストリップなどは、２つの共振モードをほぼ独立に波長短縮可能することが可能である。これにより、通信用アンテナの動作周波数を自由に設定できるため、アンテナのサイズを小型化させても円偏波の放射を実現できる。
【００１４】
以上、本発明によって、小形な構造の円偏波マイクロストリップアンテナを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施形態１）
図１は、本実験実施形態に関わるマイクロストリップアンテナ（以下「本アンテナ」という。）の概略斜視図である。本アンテナは、誘電体基板３と、この誘電体基板の一方の面側に形成されるマイクロストリップ２と、誘電体基板３のマイクロストリップ２が形成された面とは反対の面側に形成される地導体(グランド)としての導電膜４とマイクロストリップ２と前記導電膜とを電気的に接続する給電手段１と、を有していることを特徴の一つとする。
【００１６】
マイクロストリップ２は、誘電体基板３の上に形成されるものであるが、誘電体基板３の代わりに空気を用いてもかまわないものであって、素子辺にはノッチ(又はスリット) ５、もしくはノッチ(又はスリット)と同等の効果を持つアクティブ素子６を装荷して形成される。マイクロストリップは、前記ノッチ(又はスリット) ５又は同等の効果を持つアクティブ素子６を装荷する限りにおいて特段の制限はないが、例えば形状としては、扇形状又は多角形状であることが望ましい。特に扇形状にすることは、2つの共振モードが近く、周波数制御を行いやすいばかりでなく、複数のマイクロストリップアンテナを一つの誘電体基板３上に形成する場合に、通常の正方形、円形のマイクロストリップ素子を利用するより、小形化の点で有利となる。
【００１７】
また、ノッチ(又はスリット) ５、又は同等の効果を持つアクティブ素子６は、いずれかの辺に少なくとも1つ以上装荷されていることが望ましい。ノッチ(又はスリット) ５の形状に関しては、別段の制限はない。なお、本実施形態の一例において、マイクロストリップ２は、扇形に形成され、２つある両方の斜辺にノッチ(又はスリット) ５が装荷されている。また誘電体基板３としては、後述する導電膜４とマイクロストリップ２との間の絶縁を図ることが出来る限りにおいて特段に制限はなく、周知のものを採用することができる。またマイクロストリップ２の材質においては、導電性を有する限りにおいて特段に制限されることは無いが、例えば銅やアルミニウムなどの金属およびそれらの合金などを好適に用いることが出来る。
【００１８】
導電膜４は、地導体(グランド)用、またはマイクロストリップ２に電位を供給するための入力用として用いられるものであり、本実施形態では誘電体基板３のマイクロストリップが形成された面とは反対の面側に配置される。材質としては、導電性である限りにおいて特段に制限はなく、マイクロストリップ２と同様の材質により構成することが出来る。
【００１９】
給電手段１は、導電膜４とストリップライン２とを電気的に接続するための手段であり、電気的に接続する事が出来る限りにおいて特段に制限されるものではないが、例えば、誘電体基板３にスルーホールを形成し、このスルーホールに伝導性の材料を充填することによっても形成できる。また、本実施形態に関わる給電手段１は、マイクロストリップ２の重心からオフセットさせた位置に設けられていることも態様として望ましい。特に本実施形態では、マイクロストリップ２と導電膜４とを誘電体基板３の面それぞれに配置し、基板を貫通させる供給手段を用いているため、小形化かつ薄型な円偏波アンテナを実現することが出来る。
【００２０】
本アンテナは、このような構成を採用することにより、小形な構造で、円偏波の放射、利得軸比の向上、さらには、アクティブ素子の装荷により、多偏波共用、多周波共用を図ることが出来る。ここで、図２、図３を用いて本アンテナによる動作について説明する。
【００２１】
図２は、ノッチなどを装荷していない形状の扇形状のパッチアンテナに現れる２つの共振モードの電流分布の模式図である。図２(a)は、共振周波数が最も低いモード＃１の電流分布。図２（ｂ）は、モード＃１の次に共振周波数の低いモード＃２の電流分布である。図に示した内角９０°の扇形を例にすると、ノッチの無い状態での２つの周波数差異は、２１％程度であるが、互いの偏波方向は直行している。そこで、本アンテナは、これらの直交モードを利用して、アンテナの円偏波化を行う。まず、モード#２の共振周波数が、モード＃１と、ほぼ同じ周波数となるようノッチ（およびスリット）を図２の辺ＡＢおよびＡＤに装荷する。このときノッチ（およびスリット）の形状および位置は任意であるが、モード＃１、＃２の偏波方向をなるべく変えない程度とする。最後に、ある特定の周波数にて２つのモード＃１，＃２の位相差をπ／２となるよう、適宜ノッチを調整することで、円偏波の放射を実現する。本例の扇形の場合は、電流分布からも明らかなように、モード＃１の共振周波数は弧ＣＢＤに装荷するノッチ（もしくはスリット）で制御可能であり、モード＃２の共振周波数は、辺ＡＣと辺ＡＣに装荷するノッチで適宜調整可能である。
図３は、円偏波化させた本アンテナの動作説明を行うための図であって、例えば本アンテナで左旋円偏波を受信する場合の説明を行うための図である。本図では扇形を例に示す。マイクロストリップ２を誘電体基板上面から観た場合の上面図である。本図の場合、左旋円偏波を受信する場合の説明図であって、図３は（ａ）は、この波の位相が０の場合を、図３（ｂ）は位相がp ／ ２となる場合を、図２（ｃ）は、位相がp の場合を、図３（ｄ）は位相が３p ／２ の場合をそれぞれ示す。
【００２２】
図３（ａ）の場合、すなわち位相が０の場合、このマイクロストリップのCからDの方向に対して総合電流分布が起こる。これは、図３（ｂ），（ｃ），（ｄ）の用に左旋円偏波の位相変化と共に変化する。これを導電膜４を介して検知することで受信が可能となる。特に本アンテナは、辺ACと辺ADに装荷されたノッチ(又はスリット) ５を周回するので、円偏波の放射を小形な構造で実現できる。
【００２３】
なお、本実施形態においては左旋円偏波の受信について説明を行ったが、反対に送信についても用いることが出来ることは言うまでもない。また、本アンテナは、給電点の位置を変えることによりほぼ同様の原理により右旋円偏波についても実現が可能である。この例を図４に示す。
【００２４】
素子の形を扇形状とした場合における、実施形態１のアンテナを、図５に示すような測定系で、利得、軸比の垂直面内放射指向性（f ＝0°）を解析した結果を図６に示す。図５は、モーメント法（ＭｏＭ）を用いた数値計算による結果と、試作品を利用した測定結果を示した。前記の方法により、良好に円偏波の放射を実現できることを確認できる。
【００２５】
なお，マイクロストリップ２の形状は、前記の扇形と，斜辺，内角および弧の長さが異なる場合においても、ノッチ(又はスリット) ５の位置を適切に選択することで、同様に円偏波の放射を得ることが出来る。例えば扇形の内角が狭い場合（弧の長さが短い場合）は、前記と同等の総合電流分布を起こすために、弧にノッチ(又はスリット) ５を入れる。この例を図７に示す。
【００２６】
なお，マイクロストリップ２の形状は、前記の扇形には限定されず，多角形でもよい。前記の通り、素子の形状に合わせてノッチ(又はスリット) ５を適宜調整可能すれば、簡単に円偏波の放射を得ることが出来る。素子の形状が三角形の例を図８に示す。
【００２７】
なお、ノッチ(又はスリット) ５の形状、数、位置は、適宜調整可能であり、限定はされない。目標とするマイクロストリップアンテナのサイズに合わせてノッチを調整すれば、簡単に円偏波の放射を得ることが出来る。扇形を基本に、図１より小形な円偏波素子を実現する例を図８、９に示す。 このように、複数ノッチ(スリット)を利用することで、２つのモードそれぞれに対して積極的に波長短縮を行えば、さらに小形な円偏波マイクロストリップアンテナを実現できる。
【００２８】
(実施形態２)
本実施形態は、ほぼ実施形態１と同様であるが、マイクロストリップのノッチ(又はスリット) ５ではなくアクティブ素子６を形成している点が異なる。図１０に本実施形態に関わるマイクロストリップアンテナの概略斜視図を示す。
【００２９】
アクティブ素子６としては、例えばダイオード、キャパシタ、リアクタンス、インダクタンスなどを好適に用いることが出来る。これらにより、電流分布の位相関係を制御し、右左旋偏波、直線偏波の共用を実現できる。しかも、アクティブ素子によって直接２つのモードの周波数特性を制御できるため、広帯域な円偏波アンテナを実現できる。なお、先に示した図１０は扇形マイクロストリップアンテナに適応した例である。素子の形状などは、実施形態1と同様に、特段の指定はない。
【００３０】
(実施形態３)
本構造は、ほぼ実施形態１、２と同様であるが、マイクロストリップ２と給電手段１との接続関係が異なる。図１１にこのアンテナにおける概略分解斜視図を示す。図が示すとおり、本アンテナは誘電体基板の中に一層別の層を設け、給電用マイクロストリップライン７と、給電手段１と、を設けている。マイクロストリップライン８の位置により入力インピーダンスの調整を行い、簡単にマッチングを取ることが出来る。本構造を利用することで、アンテナは積層構造のみで簡単に実現できる。また、アンテナ部と給電部を分解できるので、それぞれを部分的にメンテナンスすることが出来る。
【００３１】
(実施形態４)
本構造は、ほぼ実施形態１、２と同様であるが、マイクロストリップ５と給電手段１との接続関係が異なる。図９にこのアンテナにおける概略分解斜視図を示す。図９が示すとおり、導電膜４に給電用スロット８を挿入し、導電膜４の下に一層別の誘電体基板を設け、給電用マイクロストリップライン８と、給電手段１と、さらにその下に、誘電体基板１０と、最下層に導電膜１１と、を設けている。これにより、アンテナは、基板の積層のみで簡単に製作することが可能である。さらに本実施形態では、給電用マイクロストリップライン７と、放射導体としてのマイクロストリップ２と、を地導体としての導電膜４にて電気的に分離できる。これにより給電用マイクロストリップライン８からの不要な放射や、素子と給電線路との不要な結合を低減でき、なおかつ電力の伝送損失も下げることが可能である。誘電体基板の厚みなどは、目的に合わせて適宜調整する。スリットの形や数は、効率良く放射導体へエネルギーを伝えることが出来れば別段の指定はない。また、マイクロストリップラインの数や形状も同様に指定はない。図１２は、マイクロストリップラインを直線状とし、スロット８を十字形状とした例である。例えば、軸比の特性を向上させるために、十字形状のスロットを周回するように、マイクロストリップラインを配置してもよい。
【００３２】
(実施形態５)
本構造は、ほぼ実施形態１、２と同様であるが、放射素子としてのマイクロストリップ２の構造が異なる。図１０にこのアンテナにおける概略分解斜視図を示す。図１０が示す通り、マイクロストリップ２の上に、誘電体基板、無給電放射素子としてのマイクロストリップ９が積層されている点が異なる。マイクロストリップ９の形は、別段の指定はないが、好ましくはマイクロストリップ２と同等の形状である。このような構造にすることで、一点給電でも円偏波が放射可能な比帯域幅の拡大や、円偏波利得、軸比の改善を行うことができる。誘電体基板の厚みなどは、適宜調整し、所望の利得や、比帯域特性を得る。
【００３３】
本発明は、薄型、軽量、堅牢な構造を持ち、簡単に設計、試作できるので、携帯端末、自動車、飛行機、船舶(ボート)、電車などの、車内や屋根などに搭載し、衛星通信をはじめとした円偏波を利用したアプリケーション用のアンテナとして対応できる。
【００３４】
また、本発明に関わる通信用マイクロストリップアンテナは、小形化が容易に行えるため、端末内蔵用アンテナとしても応用できる。
【００３５】
また、本発明に関わる通信用マイクロストリップアンテナは、通信だけではなく、ＧＰＳや移動体衛星放送などの受信アプリケーションにも使用できる。
【００３６】
また、本発明に関わる通信用マイクロストリップアンテナは、いくつかの素子を並べたアレイ構造にも適しており、四角形や円形の構造を持つマイクロストリップアンテナと比較して、大幅な小形化を実現できる。
【００３７】
また、本発明に関わる通信用マイクロストリップアンテナは、移動体衛星通信、医療、災害対策など数多くのアプリケーションに使用できる。このアンテナにより、可搬型端末による移動体衛星通信や、動画を含む移動体衛星放送サービスも実施でき、乗用車などに装備しインターネットなども利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態1に関わる通信用マイクロストリップアンテナの概略斜視図。
【図２】実施形態1に関わる通信用マイクロストリップアンテナの動作を説明するための図。
【図３】実施形態1に関わる通信用マイクロストリップアンテナの動作を説明するための図。
【図４】実施形態1に関わる通信用マイクロストリップアンテナの特性解析を行った一例の概略斜視図。
【図５】実施形態1に関わる通信用マイクロストリップアンテナの放射特性を示す図。
【図６】実施形態1に関わる通信用マイクロストリップアンテナの他の一例の概略斜視図。
【図７】実施形態1に関わる通信用マイクロストリップアンテナの他の一例の概略斜視図。
【図８】実施形態1に関わる通信用マイクロストリップアンテナの他の一例の概略斜視図。
【図９】実施形態1に関わる通信用マイクロストリップアンテナの他の一例の概略斜視図。
【図１０】実施形態2に関わる通信用マイクロストリップアンテナの概略斜視図。
【図１１】実施形態3に関わる通信用マイクロストリップアンテナの概略斜視図。
【図１２】実施形態4に関わる通信用マイクロストリップアンテナの概略斜視図。
【図１３】実施形態5に関わる通信用マイクロストリップアンテナの概略斜視図。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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