ストリップ線路によって励振されたスロットアンテナ

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ストリップ線路によって励振されたスロットアンテナ
中岡, 快二郎; 木村, 憲一; 伊藤, 精彦; 松本, 正
北海道大學工學部研究報告 = Bulletin of the Faculty of
Engineering, Hokkaido University, 71: 115-125
1974-06-25
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http://hdl.handle.net/2115/41220
Right
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bulletin (article)
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71_115-126.pdf
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Hokkaido University Collection of Scholarly and Academic Papers : HUSCAP
ストリップ線路によって励振されたスロッ1・アンテナ
中岡快二郎一；〈一
木白菊一一’（一 伊藤精彦骨
松本
正骨
（i：瑠kJl−E］48年10ナヨ 30日受理1）
Slot Antenna Excited by a Strip Transmission Line
Kaijiro NAKAoKA， Ken−ichi KiMuRA， Kiyohil〈o IToH
and Tadashi MATsuMoTO
（Receivecl October 31， 1973）
Abstract
Recently， antennaes fabricated on metallized dielectric substrates， printed−antennaes， have
attracted special interest． This type of antenna has an advantageous point in that it is used
in common with Microwave lntegrated Circuits．
Printed antennaes can be classified into the following two types （models） according to
their structure； these are cases utilizing linear antenna and slot antenna We hac ve continued
our investigation on ￡he later antennac namely a printed slot antenna． As a result of our
series of studies it was clarified that the most dithcult problem in the development of this
antenna was the feeding−method． To solve this problem， we have previously proposed a
method utilizing a slot transmission line as the feeder line， and in the present paper we have
proposed a method utilizing coupling between the transverse magnetic field of a unba｝anced
strip line and slot． As reports of this type of theoretical and experimental study 1iave
apparently not been published to date， we have performed a few experiments on the feeding
method． As a result， it was noted that this method extremely enhanced the matching
between a slot antenna and a strip feeder line． Therefore in this report we described our
detailed experimental results on the input impedance of a printed slot antenna．
We are of the opinion that our experimental results may be applied extensively in the
designing of a printed slot antenna array in the future．
1．
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犯
最近，プリント基板を利用したprinted antennaが注E”1され，開発されて来ている。このアン
テナの特徴は，アンテナが同一平面内に収められるため，MIC（Microwave Integrated Circuit）
と容易に結合できる点などにある。printed antennaには，基板上に線状アンテナを作り，これ
を利用する方法と，スロットアンテナを利用する方法の二通りがある。導体平板上にアンテナを
製作する場合，スロットアンテナの方が適していると考えられる。したがって，当研究室では，
従来より後老の方法について研究を行なってきたが，この種のアンテナで問題となる点は，給電
法にあることが分った。printed antennaは，一般にphotoetchingによってアンテナ部と給電部
とが同時に製作される。この点が長所の一つであるから嶺然同軸線路は，給電線として不向であ
ることが理解される。そこで筆者等は，最初に，スロット伝送線路を利用する方法を提案した。D
この方法によれば，プリント基板の片側への一度の印刷で，アンテナ部と給電部とが同時に作ら
鞄電子工学科 電波伝送講座
116
2
中岡快二郎・木村憲一・伊藤精彦・松本 正
れるという長所がある一方，スロット線路の製作に相当な精度が必要とされる難点がある。
次に，ストリップ線路の利用が考えなれる。すなわちプリント基板の表裏にそれぞれスロット
アンテナとストリップ給電線を印刷する方法である。これについては既に吉村氏によって16素
子のアレイが作られている。2）この場合，給電は，ストリップ線路の終端とスロット部の長い方
の緑とを短絡することにより行なわれている。この方法に従いアンテナを作る場合，表裏への印
刷に加えて，短絡の作業が必要となる。これは，多素子アレイの製作の場合，かなり面倒な作業
になると考えられる。これを解決するものとして，ストリップ線路の横磁界とスロットとの結合
を利用する方法がある。これに関して，Oliner3）， Breithaupt4）， Lager16f5）等は，トリプレート
ストリップ線路の途中に，直列にスロットが装荷されていると考え，そのコンダクタンスを計算
し，実験によって確かめている。（しかし，これらの結果は，スロットをアンテナとして積極的
に利用するB的で研究されたものではないため，アンテナの設計資料としては不十分なものであ
る。）またトリプレートスFリップ線路を利用した場合，スロットアンテナの輻射は一般に少な
く，また帯域幅も狭く実用的ではない。トリプレート線路のかわりに不平衡型ストリップ線路を
利用する方法が提案され得るが，これに関しては理論的にも，実験的にもほとんど研究されてい
ない。したがって，本報告は不平衡ストリップ線路の途中に挿入されたスロットアンテナの特性
を明らかにしている。
2． スロットアンテナの構造および給電法の説明
Fig．1は，今考えているスロットアンテナの給電部の外形およびその断面を表わしている。こ
こで，a：スロット長， b；誘電体の厚み， c：スPットの中心から測ったオフセットの位置， d：
ス．ロット幅，w：ストリップ線路の幅としている。また，ストリップ線路は，スロット部の任意
の箇所を横切り，任意の長さの所で闇放
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終端されているものとする。したがっ 歪
で，1は2−2tから終端までの長さを表わ ＝
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アンテナを製作するに当って使用した
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プリント基板は，誘電体がユーピロンの
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両面銅張板である。比誘電率は2．8前後
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で銅箔の厚みは0．036mmになってい
る。また誘電体の厚みbは，以下の実
験ではすべて0。2cmのものを使用して
いる。スPット長aは，3．2GHz近辺
で共振するように，すべて3．6cmにし
てある。またd・ O．2 cmである。 wは，
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線路の特性インピーダンスが50オーム
w
になるように選ぶが，今の場合O．53 cm
になっている。
Fig．2は，このスロットアンテナの給
電部の等価回路を示している。ストリッ
プ線路とスロットとは，理想変成器を介
して結合しているものと考えられる。こ
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117
ストリップ線路によって励振されたスロヅトアソテナ
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考えられる。ストリップ線路はTEM
modeのみを伝送し，高調波はcut−off
以下にあるものとしよう。理論的に
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は，ストリップ線路中にも高調波は存
l
在し得るが，接地板がwに比べて充
分大きいと，TEM modeのみが伝搬
l・
すると考えてよい。スPットとストリ
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Zo
2
副
Fig． 2 Equivalent circuit for the feeding point
ップ線路の結合は，dominant mode
の横磁界によって生ずる。したがってストリップ線路の終端を開放して，線路上に定在波を立た
せ，1＝（2n＋1）λg／4とすれぽ，スロット近傍の横磁界は最大になり結合も大になることが予想さ
れる。逆に，1＝nlg／2のときは，磁界は最小（電界は最大）になり結合はなくなる。ここで㌔
は，スロット長がa （たとえぽ3．6cm）のとき，丁度共振を起こす周波数のストリップ上での
伝搬波長を表わしている。これらのことより，実際に使用するプリント基板上に作った不平衡ス
トリップ終路の位相定数βg（λg）を，あらかじめ決定しておく必要がある。正確なεrが分ってい
ないから計算から求めることが出来ないため，実験により決定した。その結果，λ／7、9 ・1．578す
なわち波長短縮率はO．634になった。以下述べる考察においては，すべてこの値を使用している。
また，1を4分の1波長の奇数倍に選んだとしても，中央給電を行なうか，オフセット給電を
行なうかによって，その特性は大きく異なる。実際スpaットアンテナの中：央給電における入力イ
ンピーダンスは非常に高い。そのため，たとえ1を適当な値に選んだとしても，50オーム給電線
とスロットとの整合はとれない。整合をとるためにはオフセット給電を行なえばよいことは分っ
ている。以上のことからJ実験は中央給電とオフセット給電の二つの場合に分けて行なった。
入力インピーダンスの測定に関して，このスロットアンテナの場合，どの点から見たインピー
ダンスかが問題となるが，以下の実験においてぱ，すべて1−1’点からス｝・リップ線路の開放端を
見たインピーダンスを，このアンテナの入力インピーダンスとしている。
3． 入力インピーダンスの測定および結果の検討
（1）中央給電
中央給電であるから，パラメータ cは。篇0であり，残りのパラメータはすべて前記の通り
とした。1は4cmからOcmまで変化させて測定をした。 a・・3。6 cmのとき，半波長共振する
周波数は3．2GHz近辺であり，前記の波長短縮率を考慮することにより，ストリップ線路上では
λ．／4＝1．485cmとなる。すなわち1を1．485 cmをにすれば，」K Pット上での横磁界は最大とな
り結合も大きくなるはずである。
ここでストリップ線路の開放端について考えてみよう。開放端には電荷が集中し，そのため容
量が大きくなる。その容量分だけ等価的に開放端を伸ばして考える必要がある。文献［6コ，［7］
等により，その伸長分Alは理論的，実験的に評価されている。その結果によると，ω／h＝2．5の
とき，Al／h ＝＝ O．5で与えられるから，今の場合Al＝ O．1 cmになる。この程度であれぽ， dlを無
118
中岡快二郎・木村憲一・伊藤精彦・松本 正
4
理に考えなくても大きな違いはないものと考えられる。
したがって，正確には1・・ 1．38 cmにすることで，スPット上での横磁界は最大となる。 Fig．3
に1＝1．35 cmのときの入力インピーダンスを示す。また， Z＝1．65 cmのときの入力インピー
ダンスをFig．4に示す。 Fig．3， Fig．4に示すように，1を1∼1．65 cmの間で変化させてもほ
とんど同じ軌跡を描く。予想通り中央給電のときは，入力インピーダンスは非常に高く，当然整
合はとれない。
Fig．3のa点における周波数に注意してみよう。a点のインピーダンスはZ許50＋ブXであ
り，もし1の長さを適当に変えて＋ブXを打ち消すようにすれぽ，a点は0点にきて，50オー
ム整合が可能になることが予想される。Fig．5は，16r 3，65 cmにしたときの結果で，上記の通
り整合が可能なことを示している。但し整合周波数は2．78GHzで， Fig．3のa点の周波数では
なく，b点の周波数になっている。 b点のインピーダンスはZδ瓢20＋ブ125である。1＝3．85 cm
（端効果および1−！t点からのインピーダンスを考える）のとき，2．78GHzでのZ’＝ 一ブZ。 cotβ1
を計算すると，Z’編一ブ120になる。これがZblこ濱列に加わるから， Z＝Z，＋Z’＝＝ 20＋ブ5にな
り，ほぼ純抵抗になる。20オームと50オームの差は，実際には線路に損失があるためスミス図
表上で軌跡が動くとき内側に回りこむこと，および1が変わるため結合量も変化することなど
のために生じたと考えられる。
また，中央励振の場合，整合がとれたとしても，帯域幅は常非に狭く実用的ではない。従っ
てやはりオフセット給電を行なわなけれぽいけない。
（2）オフセット給電
i）入力インピーダンスについて
同軸線路を使用した場合のオフセット給電法の基本的な考え方，およびそれを誘電体充填
shallow−cavity−backedスロットアンテナに適用した例は，文献［8］，［9］に報告されている。
それらの結果から，今考えているアンテナについてもCの変化により入力インピーダンスは大
幅に変わるものと考えられる。したがって，最初に1を一一定の長さにしておき，Cを変えた実
験を行なつたっアンテナの各寸法は前記の通りで，lOX 1．43cm一定とし， cを09，155，1．8
cmと変えている。その結果をFig．6に示す。整合のとれるのは。＝1．55 cmのときで，これは
文献［9］の結果とほぼ一致している。
上記の実験結果より，50オーム給電線との整合が可能なものは。罵1．55cmのときであるこ
とが分った。したがって，次は。＝1．55cm一定として1を可変としたとき，’入力インピーダ
ンスはどのように変化するかを調べる。
Fig．7は，1が7．4・cmおよび6．06 cmのときの入力インピーダンスの軌跡を示す。最初に軌
跡Aについて調べる。3．2GHzでのストリップ上の伝搬波長λ9は5．94 cmになるからλ9／4＝
7．43 cm となる。軌跡Aは1＝7．4 cmのときの軌跡であるが実際には，開放端効果を考えて
1， ＝ 7．5 cmになるから両者は非常によく一致する。よって，開放端から5Rg／4の所は横磁界が最
大の所で当然結合は大きく，輻射も大きい。
次に1・・6．06 cmのときの軌跡Bについて考える。このとき3．！∼3．2 GHz近辺の周波数帯
ではほとんど輻射はない。3．2GHzでのlgは5．94 cmで，端効果を考えた1の長さは1。 ＝6．16
cm となり，癒 とほぼ一致する。したがってこの場合は，スロット近傍に磁界はなく結合はな
い。ゆえに輻射も存在しない。しかし3．8GHzでは輻射している。これは，3．85 GHzでのlg
は4．94・cmとなるから，5λg／4 ・＝ 6．！7 cmとなる。この場合1，＝6．16・cmであるから3．85 GHzの
周波数では，leは丁度5λg／4になっており，磁界は最大になり結合は起こりやすくなる。しかし，
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中岡快二郎・木村憲一・伊藤精彦・松本 正
現在のスロット長a・…3．6・cmでは，この周波数は半波長共振しないため，当然輻射はそれほど強
くなく，また整合もとれないことが理解される。
Fig．8の軌跡A， Bは，それぞれ1＝728 cm，1 ＝6．72 cm，のときの入力インピーダンスを示
す。軌跡Aは，1が共振周波数での529／4（Fig．7のA）より少しずれたときのもので，ストリ
ップ線路とスPットとの結合が弱くなり，輻射が少くなっていく過程を示している。軌跡Bは，
1が5λ9／4とZgの間のときの軌跡で， Fig．7の軌跡Aから軌跡Bへの変化の推移経過を示
す。
Fig．9の軌跡AおよびBは，それぞれ1＝5．47 cm，1＝4．88 cmのときの入力インピーダン
スである。この両軌跡A，Bとも，輻射のない1・6．06 cm（λ9）から1＝ 4．54 cm（3Rg／4）への輻
射が行なわれる途中経過を示している。
Fig．10の軌跡A， Bは，それぞれ1・・4．54 cm，1・・3．64 cmのときの入力インピーダンスを示
している。軌跡Aは3．2GHzでほぼ整合がとれている。この整合周波数でのAgは前記の通り
5．94cmである。1は端効果を考えて，1、 ・・ 4．64 cmとなり， Ag（5．94 cm）の3／4波長になってい
る。したがって輻射は強い。軌跡Bは，1が3λ8／4か月少しずれたときのもので，漸次整合が
とれなくなると共に輻射も少なくなって行く様子を表わしている。
Fig、11の三軌跡A， B， Cは，それぞれ1・・3．03，2．45，1．43 cmのときの入力インピーダンス
を示す。軌跡Aにおいて，3．2 GHz近辺は全然輻射せずスロットを塞いでも軌跡は変化しな
い。このときle＝3．13 cmは丁度共振周数数のλg／2になっており，前述1＝6．06 cm（λg）と同じ
で，この事は理解できる。軌跡Bは，1が2g／2より少しずれたときで漸次輻射が始まる過程を
示す。また，軌跡Cは，3．2GHzでほぼ整合がとれた場合を示す。このときλ9／4 ・・ 1．49 cmで，
端効果を考えたle＝1．53 cmと非常によく一致している。
Fig．12の軌跡A， Bは，それぞれ1＝O．85， O．21 cmのときの入力インピーダンスを表わして
いる。軌跡A，B とも，1がλ9／4より短かくなっており，輻射が次第に行なわれなくなってい
く様子を示している。この様に1が0に近づくにつれて，スロットとの結合もなくなり，入力
インピーダンスは無限大，すなわち開放状態になる。
以上の実験結果より，予想通り1が（．？．n十1）λg／4なるときは輻射最大になり，整合も完全にと
れる。逆に，nZg／2の所では輻射は全然存在しない。しかもこれらのことは点点で非常によく一
致することが分った。
ii）帯域幅についての考察
上記の実験より，1がλg／4の奇数倍のときに，輻射が最大であり整合もとれることが分った。
しかし帯域幅については1の長さによって変化が表われた。ここで帯域幅，比帯域幅とは，す
べてV．S． W． Rが！．5あるいは2．0以内に収まる周波数範囲，およびそれを中心周波数で割っ
たものとする。
Table 1 Relative bandwidth for strip length 1
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180 MHz
170 MHz
SWR 2．0
600 MHz
440 MHz
370 MHz
SWR 1．5
8．4 ％
SWR 2．0
18．7 ％o
（）； measured length 1
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13．7 ％
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ストリップ線路によって励振されたスロットアンテナ
125
1の長さを変えて整合をとったときの，帯域幅，比帯域幅の測定結果はTable 1に示す。
これによると，帯域幅については1が大きいとき，すなわち（2n＋1）λg／4のπが大きくなる
につれて，漸次広くなっている。 （今回の場合，12は0，1，2）この原因として，1が長くなる
ことによって線路の損失が増加することが考えられ得る。
以上のことから，このスロットアンテナを設計する際必要なデータは，誘電体の誘電率と厚さ
が与えられた場合のストリップ線路の位得定数とスロット伝送線路の位相定数になることが明ら
かである。これらさえ決定できれば，設計はきわめて容易である。
4． 結
言
printed antenna用スロットアンテナへの給電法として，ストリップ線路の横磁界とスロット
との結合を利用する方法を提案し，それを実験により確かめた。実験ぱ中央給電とオフセット給
電について，それぞれ行なった。
中央給電では，予想通り入力インピーダンスは非常に高く，整合はとれない。しかし，リアク
タンス分をもたす愚なある適当な長さ1を用いると，整合は可能となるが，帯域幅が非常に狭
い。これは実用性に乏しいことが分かる。
オフセット給電については，1の長さによって変化が表われた。 1＝（2n＋1）2／4とした場合，整
合が可能となり，輻射も強いものとなった。これは，ストリップ線路の終端開放により，線路上
に定在波が生じ，1がlg／4の奇数倍のときには，スロット近傍の横磁界は最大となり，結合は
大となるからである。逆に，1が11Zg／2のときは，磁界は最小となり結合はなくなる。ゆえに，
幅射もないことが実験によって確かめられた。オフセット給電のときの帯域幅も，1の長さによ
って変化した。その結果は，整合がとれる1の長さ1＝（2n＋1）λg／4で， nの値が大きいほど，
帯域幅は広いものとなった。実験範囲内では，n＝＝2すなわち1＝5λg／4のときには，比帯域幅が
18．7％と相当広帯域なアステナが製作可能となった。
以上，スロットアンテナへの給電法として，ストリップ線路の横磁界を用いる方法により，ア
ンテナの製作が容易になると共に，スロットとストリップ給電線との整合は非常に容易で，かつ
完全にとれることが明らかになった。
文 献
1）中岡快工郎，伊藤精彦，松本正：ヘスμット伝送線路により給電したスロットアンテナについてxx昭和48年
電子通信学会全国大会，602．
2） Yoshimura Y．： “A Microstripline Slot Antenna” IEEE Trans． MTT， November， 1972．
3） Oliner， A． A．：’‘The radiation conductance of a series slot in strip transmission line” IRE Cov．
Rec．， vol． 2， pt． 8， 1954．
4） R． W． Breithaupt： “Concluctance data for offset serics slots in stripline” IEEE Trans． MTT， vol．
MTT−16， pp． 969−970， Nov． 1968．
5） Lager16f， R： “Stripline fed slots” Proc． 1971 European Microwave Conf． vol． 1， Aug． 1971．
6） Napoli， L． S． and 」． J． Hughes ： “ Foreshortening of rnicrostrip open circuits on aluminasubstrates ”
1EEE Trans． MTT， vol． MTT−19， pp． 559−56！， June， 1971．
7） James， D． S． and S． H． Tse：“Microstrip end effects” Electron Letters， pp． 46−47， Jan． 1972．
8）伊藤精彦，中岡快二郎，松本正＝構型空胴スロットアンテナの実験的考仰山学会アンテナ伝搬研究会資
料，AP72−32〈1972−06）．
9）中岡快二郎，伊藤精彦，松本正：へ誘電体充填Shallow−Cavity・Backed Slot Antennaの実験x。信学会アソ
テナ伝播研究会資料AP 72−76（1973−01）
10） Cohn， S． B． ： “Slot Line on a Dielectric Substrate ” IEEE Trans． MTT， vol． MTT−17， pp． 768−778，
October 1969．