計測自動制御学会東北吾郎第160回研究集会（19粥息24）
資料番号1601

割反射板付きパッチアンテナの放射指向性

Characteristics ofR且diation Pattern ofPat亡h Antenna withSub Ground Planes
0野村浩志ヰ．久保田賢二♯．栗田宏明書，清水保定柑．佐藤利三郎榊OHiroshiNonlNa■，KeI肩iKubDta＋，HiroakiKtlrita♯，Ya首u占adaShi皿i訂u■＋，Ri6aburoSato＋H＊岩手大学，＊♯古河屯気工業（株），綿＊東北学院大学

事IwateUniversity，相FtlrukawaElectricCo．Ltd．，＊＊＊1bl10kuGaktlinUniversity
キーワード：テレビジョン放遭（TVBroadcasting）．遥借アンテナ（TransmittingAntenna），パッチアンテナ（Pat血Antenna）．副反射板（SubGroundPlane），単体欄向性（鮎diationPAttern）

連絡先： 〒020 盛岡市上田4−3一与岩手大草工学部t気旬子工学科
久保田賢ニTel．（0196）21−63鮎．馳瓜（0196）21−6393．臣mail：加bota鮎r且gOn・QIc・i叱七8−ut誠・jp

1． はじめにり，鉄塔喘が大きくなるほど，合成指向牲の落ち込みは増大する．また．各面に西己直

今日の社会において，テレビジョン放送されるアンテナ素子としては．従来反射横は欠くことのできない情報媒体としてそ付きダイポールアンテナや，双ループアンの地位を確立している．そして現在．地テナ等が用いられていが）．

域格差を是正するために多局化が進めら

現在進められている多局化において，れている1）．テレビジョン放送用送信アン

割り当てられる周波数はチャンネル容量のテナは．サービスエリア内に均一な電界強大きいUHF帯が中心であり．必然的に波度の電波を供給するのが理想であり．鉄塔長に対して鉄塔幅が大きくなる．多面配列にアンテナ素子を多面配列して所望の指向

では，構成面数を増やすことにより無指向性を得るという方法が一般的に用いられて性が得やすくなるが．経済性及び保守性のいる叶また，敷地，景観保全，そして鉄塔の有効利用という観点から，同一の鉄塔に複数局のアンテナを設置する鉄塔共用形式が近年注目されている．

鉄塔の側面に多面配列する場合，その観点から，できるだけ少ない面数で構成することが望まれる．

本報告では．各面アンテナとしてアンテナ素子と地板の間隋を波長に対して極めて小さくできるパッチアンテナを用いるこ合・成指向性は各面アンテナの放射指向性とを想定し，副反射板を付加した場合の放の影響を大きく受けることが知られてお射指向性について検討を行う．

2． パッチアンテナ

さⅣの磁流スロットが形成されるのと等価であると考えることができる．

2．1 パッチアンテナの構造
2．2 パッチアンテナの放射指向性

パッチアンテナの構造を固1に示す．パッチアンテナは，パッチ，誘電体及び地板からなる3層構造の棍上アンテナである．
構造が非常に単純であり，またパッチと地板の間闇＝は非常に小さいために，従来の反射横付きアンテナに比較して極めて梓型であるという特裡を有している．
給電はパッチの一端から行う．この際パッチの長さ上を約0．5入とすると，パッチの両端に生ずる電界は大きさが等しく向きが逆の分布となり．これは．図2に示すような電圧定在波分布が形成されたことに相当する．
また，このような電界が生じるので．パッチの両端には電界と直交する方向に，長パッチアンテナの放射頼向性は，パッチの寸法，地板の寸法，あるいはパッチと地境の間隔を変えることにより変化させることができる．本部では．これらのパラメータを変化させたせ合の．指向性の変化について述べる．

国3〜固6にパッチの縦幅，地板の横幅，地板の縦幅，及びパッチと地板の間隋を変えた場合の．周波数に対する半値角の変化をそれぞれ示す．
これより，地槙の縦個Ⅴを変えた場合
Ⅵ）lt長嶋e〔a）Voltargedistributiononapatch・。蹄

ElectricfieLd

Electricfield
こ＝托dpoint

1／2（b）Sideviewofpatchelectric鮎1ds・LGr。、mdp血e（a）n）pView・

Pat亡b→

Electric丘eld■■■■‖■■い■Magnetic鮎1d〔亡〕Elettricandmagnetic丘eldsonthepatch・（t）〕Sideview・

図1

バッチアンテナの韓造

パッチアンテナの電界分布

Fig・1

com触ratiol＝〕fap如chante11na・Electric丘elddistributionofapFLtdlan−t（ヨ1Ⅰ】a．

−2■

のみ半値角の変動が少ないが，他のパラ状等である，これらを配列半径に応じて，メータを変えた場合には．比較的大きな適宜調整する必要がある．

図3〜固6は種々のパラメータを変化さ変動が生じることが判る．

4面合成を行う蘇に．各面に配置されせた場合の半値角の変化を示したものでる指向性が，合成指向性に大きな影響を及あるが，指向性囲の形状が非対■称になるぼすことは前述したが，この際間鹿となる場合も実際には生じている．そこで，ほのは，主として単体アンテナの指向性の半値角，メインロープ及びサイドロープの形ぼ対称な形状を保ちつつ半値角を変化させられるように．パラメータを選択する必要がある．

nU歪U﹇訝且葛焉︼茎乱罵H

爪り

晋一挙昌邑−扇勘▲Uq・9山。

0．511．52

hngitudinalwidtllVofth亡grOundplane［1ロ11・1

地板の縦幅Ⅴに対する半値角の変化

バッチの縦幅Ⅳを変えた場・合の周波

Variation of half power angle with

故に対する半値角の変化
Ⅴ訂ia．tionofhalfpower餌1glewith丘・e−quency par孔【皿eter a5alongi山血n乱1

widtllⅣ of a pat仁ll（∬ ＝ Ⅴ ＝lon由tudinaユwidtIlV of t土1e grOund
plane（∬＝2・0餌0，f＝0・0揖0，上＝0．44人￠，Ⅳ＝0．25ん，ム＝800Mt鮎，′＝2．0錮0，f ＝0偶人q，上＝ D・4射ロ，ふ ＝800MHz）・

12SidewidthHofthegroundpI乱ne［＾u］

3

パッチと姐板の間隔Jを変えた場合の地板の横幅仁打に対する半値角の変化

周波数に対する半値角の変化

Vaムation or haユr power a皿gle with

Va扇乱tionofhalfpけWeranglewitbside
wid七h∬or the groumd plane（lノ ＝丘equeIICy pa∫且【山eter鮎a distance f

2．（〕餌0，f ＝0．04ユu，上＝0．44．lロ，杵←＝betweenapateh町1dthegrouIldplane

0．25ユ0，ふ＝800MH泣，J＝800M鮎）■（月「＝＝Ⅴ＝2・08Åひ，エ＝0・現ユ0、Ⅳ＝0，2古Å0，ふ＝800MHヱ）．

3 −3．副反射板付きパッチアンテナ

図乱1−乱6に地板の楓幅ガを1．5んから2．0錮0まで変えた場合の半値角の変化を，副反射板の長さ上Fをパラメータとし3．1 副反射板付きパッチアンテナの放射指向性て示す．副反射板を設けることにより，半値角が大きくなっていることが判る．

削反射板付きパッチアンテナ5）の構造

図9に副反射板がない場合，及び副反を図7に示す．これは前節で述べたパッチアンテナの地境の両端に，長さエアの削反射板を地境と任意の角度で設置したもの

射横を設けた場合それぞれの振幅指向性である．

向性のピーク付近が抑圧された形に変化を示す．副反射板を設けることにより，指しているのが判る．

一般に反射板付きアンテナに副反射板を放けると，地板の端での回折状態に変化が生じるので指向性が変化する4）．本節でnUの指向性について，検討を行う▲

よじ

官且息百缶・きd−︼dH

は，副反射板の地境に対する取り付け角度を囲7に示す様に450に固定し．その長さエア及び地板の横幅∬を変化させた場合

人‖︶4

図説1

周波数に対・する半値角の変化

Fig．8．1

仕出fpoweranglev百■ たe甲enCy（方＝1．封恥Ⅴ＝ 2．0呂ん，t＝8・04入0，lγ ＝0．2占ん，エ＝0．44ん，ふ＝800MHz）．

Subgro11ndplane（a・）Tbpview・．．㌃Sub

ground plane「Grol皿dplane（b）Con丘gul融ion｛正6ubgTOⅦ1dplaJle・

副反射板付きパッチアンテナの構造

囲8．2

周波数に対する半値角の変化

Fig且2Ha汀power angle vs・丘equemcy（ガ＝1．6Å0ル ＝ 2．08人0，亡 ＝ 0．04入0，†Ⅴ ＝0，25人0，上＝0．44人0，ふ＝醐OMH苫）．

Con丘gratiomofapatchantenIlaWith；L呂tll〕grOundpl乱ne・、一4−次に，周波数に対する半値角の変化を副反射板の長さ別に，図10．1〜10．5に示す．

大してゆく傭向にあるので，∬がこの範囲

これよ軋．副反射板を設けることにより見掛け上地板の横幅が増加したと考える

半値角が増大しているのに加えて，地蔵の横幅Hがある程度大きければ．上Fを大ことが出来るためであると思われる．そこで，半値角が減少してゆく茸＝1．0入0〜

きくすることにより，広い周波数範周にわ

1．4入0付近では制圧射硬を設けることによ

たって半値角の変化を小さくできることがり，逆に半値角は小さくなる．この点につ判る．

いては，実験により確落している．

内の場合に乱反射板を設けることにより，以上のように，副反射板を設けることとなく半催角を変化させることができる．

園8．3 周波数に対する半せ角の変化

図8・5 周波数に対する半債角の変化

Fi芭息3 HalfI）OWerangle恨fr叫uem7（月＝Fig且5 Halfpower弧glevs．丘equency岬＝h2．2入。までは∬の増加に伴って半値角が増■

ハhV

により，指向性の対称性をほとんど崩すこ

官p一息u市hぎOd−罵出

半値角が大きくなる要因としては．固4に示す様に，∬＝1．5ユけ付う圧から月「＝1．7ユ0，Ⅴ ＝ 2．0呂入り，f ＝ 0．04人0，Ⅳ ＝1．鋸机Ⅴ ＝ 2．0糾0，f ＝0．04Å0，Ⅳ ＝0．2山け，上＝0．44Å0，ふ＝800MIIz）．

0．2揖0，上＝0．44ん，九＝800MRE）．

︻U一昔﹈ヱ㌘一書d−︼遥爪UnUl茸そ音戸彗星︼−︑遥J〃。
図説4周波数に対する半値角の変化

1・05

囲8．6 周波数に対する半値角の変化

Fig・S・4 Half叩Wera皿gle、，S．丘equency岬＝FigL8・6 HalfpoweraJlglevs．丘equeIICy（H＝2．08ユ。，l′＝2．0餌0，≠＝0．0418，Ⅳ＝l．餌0．Ⅴ ＝ 2．0射い± ＝ 0．04入0，Ⅳ ＝0・25′loっ上＝l）・44人D，九＝800MHE）・

0．2古人n，上＝口．44人0，ふ＝800M打可．

一5−

また，地板の横暗∬と削反射板の長さ上ダの調整によって．半値角を増大させるだけでなく広帯域特性を持たせることもできる．更に，4面合成の各面アンテナとして用いる場合には，固9に示した様な据向性の形状の変化は，合成指向性の最大落ち込み最を軽減するのに有効であると思

われる．

図10．1

Fig．10．1

周波数に対・する半値角の変化
耳alfpoweran苫1evsr frequency（LF＝0．仙0，Ⅴ ＝ 2．鵬ん，f ＝ 0．04入0，上 ＝0■亜ユ0，Ⅳ＝0，2糾明ふ＝800MH可．

180（c）ムF＝0，1入。
図10．2
Fig．10．2

パッチアンテナの放射指向性周波数に対する半値角の変化

HdfpDWeraJlglevs▲h竺quenCy（1F＝0・借ユ0，Ⅴ＝2．鴨lo，七 ＝0．0揖。，上 ＝RadiationpatternOfthepatchantenna

OA4Å0，Ⅳ＝0・25人0，ふ＝8〔犯Mfk〕．

（ガ＝Ⅴ＝2．08入q，f＝0．04ユ。，上＝0・44ÅDっⅣ＝0・25lo，ふ＝800MHちJ＝8DOMH叶「6…

固10．3周波数に対する半せ角の変化

Fig・10・3

H山一power弧glevs．駐印眠nCy（上F＝0．1ん，Ⅴ ＝ 2．0餌8，t ＝ 0・04入0，上 ＝

固10．5 周波故に対する半せ角の変化
Fig・10・5 Halfpoweranglevs■freq11enCy（LF＝0．2入。，Ⅴ ＝ 2．鵬入0，f ＝ q・041心，エ ＝0，44入口，Ⅳ＝0．25入0，ふ＝8叩M鮎）・

0．44A。，Ⅳ＝0．2揖0，ふ＝800M鮎）・

パッチの寸法，地板の寸法．あるいはパッチと地板との間隔を変えた時の綽向性の変化を実験により求め．半値角の変化として図示した．
指向性を変化させるもう一つの方法として，副反射板の設置が挙げられる．それにより．指向性の半値角を大きくすることができ，また，地板の横幅∬をある軽度確保できれば，副反射板の長さ石「を大きくすることで，広い帯域を維持できることが実験によりわかった．
囲10．4

周波数に対する半値角の変化

Fig．10・4Ha∬power弧glev軋加quency（エF＝0．15入0，Ⅴ＝2．鵬入8，f ＝0・04Å0，上＝0．44人。，Ⅳ＝0．25入0，ふ＝甜DMIi叶有限地境のアンテナの厳層な解析は国難であるために，今回は実験によりパッチアンテナの指向性の変化を求めて，本報告にまとめた．今後有限地板，そして副反射板付き′くッチアンテナの理論解析を読みで4． 轄び
放送用多面配列アンテナの各面に配置されるアンテナ素子として，従来の反射板付きアンテナと比較して構造が単純で，且つ極めて薄型にできるパッチアンテナの使用を想定し，パッチアンテナの指向性の変化について検討を行った．

検討を加えたい．

また，副反射板を設けることにより指向性のピーク付近が抑圧された形に変形する．これを4面合成アンテナの単体アンテナとして用いると，合成指向性の最大落ち込み畳を軽減出来る可能性が考えられる．これについて今後理論と実験の両面から検討を行ってゆく予定である．

7 −

串考文献
1）田中秀一こ放送とt気通借行政．テレビジョン学会臥46−7，799／鮒2（1別柁）

2）高絹，小谷仁天野：多面合成無指向性アンテナの広帯域化．テレビジョン学会誌，24−12（1970）

3）遠藤．佐藤，永井：アンテナ工学，総合電子出版社（1988）

4＝ohlHu乱ng：The Finite Grolmd Pl乱ne Ef一
缶ctontheMicrostripAntennaR且diationPat−
terns．rEEETr弧S・Antenna8Propagat，31，4．
649ノ652（19幻）5）久保臥 野村，黒田，汁水，佐藤：副反射兢付きバッチアンテナの放射指向性，t東関麻学会東北支部連合大会．1G2，251／251（199占）ー8−