JP2000031734A - 平面型偏波共用アンテナ装置 - Google Patents
平面型偏波共用アンテナ装置Info
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Abstract
る。 【解決手段】 2つのトリプレートアンテナが積層され
ている。下層アンテナは水平偏波用の給電プローブ30
を有し、上層アンテナは垂直偏波用の給電プローブ32
を有する。給電プローブは、偏波方向の両端にパッチエ
ッジ30a,30b,32a,32bを有する。下層の
パッチエッジ30a,30bの上に、上下層を結合する
の結合スロット34が配置されている。パッチエッジに
同相の磁流が流れるので、2つのスロットの位相が揃
い、アンテナ効率が上がる。さらに、移動エリアの偏波
角の代表値に対応する方向を向けて給電プローブを傾け
ることで、偏波角損失を全体的に低減できる。横長アレ
ーアンテナでは、下層アンテナの平行平板モードの伝播
方向をアレー長辺に揃えることで、平行平板モードを有
効利用できる。
Description
平面アンテナを積層した平面形偏波共用アンテナ装置に
関し、特に送受信の効率の向上に関する。本発明は、例
えば移動体用のアンテナ装置に好適に適用される。
レーアンテナの特性」(塚本活也等、電子情報通信学会
論文誌、B−II、Vol.J79−B−II、No.
8、pp.476〜485、1996年8月)に開示さ
れているアンテナ装置の構成を示している。アンテナ1
は、2つのトリプレートアンテナ2、3を直交方向に積
み重ねた構成を有する。下層アンテナ2は水平偏波を受
信し、上層アンテナ3は垂直偏波を受信する。
偏波給電回路板5、中地板(水平偏波放射回路板)6、
垂直偏波放射回路板7および上地板(放射回路板)8を
有する。各層の間は低誘電率の誘電体で隔離されてい
る。給電回路板5、7はそれぞれ給電プローブ5a、7
aおよび給電ライン5b、7bを有する。水平給電プロ
ーブ5aと垂直給電プローブ7aは直交する。
素子としての2つの結合スロット6aを有する。図2に
示す如く、下層の水平給電プローブ5aの電磁結合が得
られるように、スロット6aの長辺が水平給電プローブ
5aと直交している。
の給電プローブ7aはスロット6aの長辺と平行であ
り、かつ、給電プローブ7aの下側には金属部分が配置
されている。これにより、中地板6は、上層アンテナ3
の電磁結合を無視できるグランドとなっている。
うに配置された複数の放射窓8aを有する。放射窓8a
は正方形の開口アパーチャ素子で、垂直偏波を受信する
とともに、水平偏波を下層アンテナ2まで透過させる。
は金属板やプリント板で構成される。中地板6は、下層
アンテナ2の放射回路および上層アンテナ3のグランド
として機能し、これにより全体の層数が削減されてい
る。
アンテナ装置には、以下に説明するように、さらなる効
率の向上が望まれる。特に、アンテナを移動体に搭載す
る場合、低背化(背丈を低くすること)の要求が強く、
また、広範囲の任意の場所で十分な性能を発揮できるこ
とが求められ、このような要求に応える高効率アンテナ
の提供が望まれる。
つの結合スロット6a(スロットペア)の位相が原理的
に揃わず、これは受信方向の誤差要因となる。スロット
間に1波長分の間隔を開ければスロットペアの位相は揃
うが、そのようなスロット間隔はアンテナアレー上では
実現困難である。そのため、1素子のアンテナ効率が低
いという不利な点がある。図1および図2のアンテナ
は、多数のアンテナ素子の間のキャンセル作用により位
相ずれの影響を防止している。しかし、例えば車両用ア
ンテナのように少数素子のアンテナ構成が求められる場
合、上記のキャンセル作用を期待できないこともある。
このような場合でも高いアンテナ効率を得るためには、
1素子単体の性能を向上することが望ましい。
動体に搭載した場合に偏波角損失の面での不利がある。
例えばCS放送を考えると、送信局(衛星)と受信局
(車両)との経度差に起因して、水平偏波が水平線から
傾く(垂直偏波も同様)。この傾きの角度が偏波角であ
る。従来のBS放送では偏波角を考慮する必要がなかっ
たが、CS放送の場合には偏波角の影響でノイズが増加
する。固定受信局では、偏波角が常に一定なので、偏波
角損失が生じないようにアンテナの向きを最初にセッテ
ィングしてやればよい。しかし、移動体の場合には、場
所によって偏波角が変わるので、偏波角損失を低減する
他の手法の提供が望まれる。
行平板モードの観点から、アンテナの低背化が困難とい
う不利な点がある。平行平板モードとは、放射に寄与せ
ず地板間を電波する電磁波をいう。周知のように、多数
のアンテナ素子を適当な間隔で配置することにより、平
行平板モード波が他のアンテナ素子から放射され有効利
用される。しかし、低背化のためには、高さ方向に配列
される素子数を削減する必要がある。そこで、平行平板
モードを有効利用性を確保しつつ、高さ方向の素子数を
削減できるようにすることが求められる。
あり、その目的は、高効率の平面型偏波共用アンテナ装
置を提供することにある。本発明は、移動体用アンテナ
に係る上記の課題を解決できるが、ただし移動体用アン
テナに限定されるものではない。
るため、本発明は、異なる方向の偏波用の平面アンテナ
を積層した構成のアンテナ素子を少なくとも一つ含む平
面型偏波共用アンテナ装置において、前記平面アンテナ
の給電プローブが、偏波方向の両端にパッチエッジを設
けたパッチ形状を有し、下層の給電プローブの両端の前
記パッチエッジの上に、下層平面アンテナを上層と結合
する結合スロットが配置されていることを特徴とする。
通って、プローブ両端のパッチエッジに受信される(送
信では逆、以下同様)。両端のパッチエッジには同相の
磁流が発生するので、従って、両エッジ、すなわち、両
スロットで放射波の位相が揃う。これにより、1アンテ
ナ素子の効率を上げることができる。
テナの給電プローブが、移動体の移動エリア内における
偏波角の代表値に対応する方向を向くように配置され
る。本発明によれば、プローブの向きを偏波角の代表値
に揃えることで、移動エリア内における偏波角の変化を
吸収することができ、偏波角損失を平均的に低減するこ
とができる。
合する結合スロットが、前記給電プローブの設置角度に
応じて傾けて配置される。これにより、結合スロットと
プローブの向きのずれに起因する交差偏波成分の発生が
回避される。
素子アレーを形成するように配置され、そして、素子ア
レーに対応する格子状の整列された放射窓群を有する上
地板が設けられる。この態様では、給電プローブは傾け
て配置されるが、放射窓は格子状に設けられ、傾けるこ
となく整列されている。従って、放射窓間の配線スペー
スを確保し、配線の自由度を高くできる。
を形成する複数のアンテナ素子を含み、各アンテナ素子
が、異なる方向の偏波用の平面アンテナを積層した構成
をもつ平面型偏波共用アンテナ装置において、素子アレ
ーが長手方向をもつようにアンテナ素子が配置されてお
り、下層平面アンテナの平行平板モードの伝搬方向が素
子アレーの長手方向と揃えられていることを特徴とす
る。
テナ効率を確保しつつ、長手方向をもつ素子アレー(長
方形、楕円形など)を構成できる。平行平板モード波に
は、伝播しやすい方向と、伝播しにくい方向がある。例
えば、パッチ形状の給電プローブでは、平行平板モード
波は主として給電方向に伝播する。本発明によれば、下
層アンテナの平行平板モードの伝播方向がアレー長手方
向に揃えられる。従って、下層の平行平板モード波が、
アレー長手方向に配列されたアンテナ素子群を使って有
効利用される。放射すべき電波を平行平板モードとして
閉じこめやすい下層アンテナの平行平板モードの有効利
用が確保されるので、長方形または楕円形などの素子ア
レーでも十分なアンテナ効率が得られる。その結果、横
長、縦長などの素子配列が可能となり、横長アンテナに
より低背化が可能となる。
前記平面アンテナとしてのトリプレートアンテナを積層
したものである。ただし、平面アンテナはトリプレート
アンテナには限定されない。例えば、アンテナ素子は、
トリプレートアンテナの上にマイクロストリップアンテ
ナを積層したものでもよい。また、本発明のアンテナ装
置は、送信用に用いられても、受信用に用いられても、
両方に用いられてもよく、この点は当業者には周知の事
実である。
(以下、実施形態という)について、受信アンテナを例
にして図面を参照し説明する。なお、図1、図2に関連
してすでに説明した事項については、適宜説明を省略す
る。
構成する1つのアンテナ素子10を示している。アンテ
ナ素子10は、2つのトリプレートアンテナ12、14
を直交方向に積み重ねた構成を有する。下層アンテナ1
2は水平偏波を受信し、上層アンテナ14は垂直偏波を
受信する。より具体的には、アンテナ素子10は、積層
された下地板16、水平偏波給電回路板18、中地板
(水平偏波放射回路板)20、垂直偏波給電回路板22
および上地板(放射回路板)24を有する。各板の間は
厚さ2mm程度の誘電体で隔離されている。水平偏波給
電回路板18は水平給電プローブ30を有し、垂直偏波
給電回路板22は垂直給電プローブ32を有する。ま
た、中地板20には結合スロット34が設けられ、上地
板24には放射窓36が設けられている。
図である。直交する水平給電プローブ30、垂直給電プ
ローブ32は、それぞれ水平偏波、垂直偏波を受信す
る。2つの結合スロット34の長辺が下層の水平給電プ
ローブ30と直交しており、これにより、水平給電プロ
ーブ30の電磁結合が得られる。また、結合スロット3
4の長辺は、上層の垂直給電プローブ32と平行であ
り、かつ、垂直給電プローブ32の下側には金属部分が
配置されている。これにより、中地板20は、上層アン
テナ14の電磁結合を無視できるグランドとなってい
る。以上より、中地板20は、下層アンテナ12の放射
回路および上層アンテナ14のグランドとして機能して
いる。また、放射窓36は、14mm×14mmの正方
形の開口アパーチャ素子で、垂直偏波を受信するととも
に、水平偏波を下層アンテナ12まで透過させる。
ローブ30、32が長方形のパッチ形状を有している。
水平給電プローブ30は、その偏波方向の両端に、偏波
方向と交差(直交)するパッチエッジ30a、30bを
有する。パッチエッジ30bからは、インピーダンスマ
ッチングが得られるように幅を調整された細長い給電ラ
イン30cが延びている。垂直給電プローブ32も、同
様に、偏波方向と交差するパッチエッジ32a、32b
およびパッチエッジ32bから延びる給電ライン32c
を有する。
ッチエッジに磁流が流れ、アンテナ素子10は磁流アン
テナとして機能する。垂直偏波は、放射窓36を通って
垂直給電プローブ32に受信される。パッチエッジ32
a、32bには、図4(b)の矢印X方向の同相の磁流
が生じる。
の結合スロット34を通って水平給電プローブ30に達
し、パッチエッジ30a、30bには、図4(c)の矢
印Y方向に同相の磁流が流れる。このとき、スロット幅
方向(矢印Z)の電界を生じているスロット34を通っ
た電磁波によりパッチエッジ30a、30bに磁流が発
生し、パッチエッジ30a、30bの間には定在波が生
じる。そして、両エッジ30a、30b、すなわち、2
つのスロット34の位相が揃う。これにより、アンテナ
素子単体の効率を上げることができる。
なくしたい場合に好適である。従来のアンテナでは、プ
ローブがパッチ形状を有していないので、スロットペア
の位相を揃えるためには、スロット間に1波長分の間隔
を開ける必要がある。しかし、例えばCS放送の波長は
20mm以上(自由空間で24mm程度、誘電体内で2
2mm程度)であり、そのような広い間隔のスロットペ
アを設けることは合理的でない。従来は多数の素子アレ
ーの相互作用を利用して位相ずれの影響をなくしていた
が、アンテナの素子数を少なくしようとすると上記の位
相ずれが無視できなくなる。一方、本実施形態によれ
ば、スロット間隔が小さいにもかかわらずスロット間の
位相が揃うので、アンテナ素子単体でのアンテナ効率を
向上することができる。従って、少数の素子でアレーア
ンテナを構成しても高いアンテナ効率を得ることができ
る。これは、後述する横長アレーアンテナを構成する場
合にも有利である。
にパッチ形状を採用したので、アンテナが広帯域化され
るという利点も得られる。
受信用のアンテナを搭載した移動体としての車両を考え
る。CS衛星は赤道上の静止衛星である。CS衛星(送
信局)と車両(受信局)の位置の経度が異なるので、図
5に示すように、水平偏波は水平線に対して傾いた状態
で到来する(垂直偏波も同様)。この傾きの角度が偏波
角θである。偏波角θの水平偏波を、水平線と平行に配
置した給電プローブをもつアンテナで受信したとする。
この場合、水平偏波のキャリアが減少し、かつ、垂直偏
波を受信しまうことによるノイズ成分が生じ、その結果
として生じる損失が偏波角損失である。
で、偏波角損失が生じないようにアンテナの向きを最初
にセッティングしてやればよい。しかし、移動体の場合
には、移動体の移動に伴って送受信局の相対位置が変わ
り、従って場所によって偏波角が変わってしまう。
特徴として、水平給電プローブ40および垂直給電プロ
ーブ42(偏波面)が、車両の移動エリア(アンテナの
使用エリア)内における偏波角の代表値に対応する方向
を向くように傾けられる。移動エリアは、例えば日本全
国である。偏波角の代表値は、例えば、移動エリアの東
西方向の中央地点での偏波角である。また例えば、移動
体の最も集中する地点での偏波角である。また例えば、
移動エリアの地図の図心に対応する地点における偏波角
である。その他の任意の代表的な偏波角を適用してよ
い。図6の例では、関西地方のある特定地点の偏波角が
代表値に選定され、その角度だけ給電プローブ40、4
2が傾けて配置されている。なお、アンテナ素子は、放
射窓36の横辺が水平になるように車両に搭載されるも
のとする。
表値に揃えることで、移動エリア内における偏波角の変
化を吸収することができる。移動エリアのどこに車両が
いるときでも、できるだけ少ない偏波角条件でCS放送
を受信できる。従って、偏波角損失を平均的に抑制する
ことができ、アンテナ性能の向上が図れる。
態では、給電プローブ40、42だけでなく、結合スロ
ット44も同じ角度だけ傾けられている。各スロット内
辺44aは、水平給電プローブ40のパッチエッジ40
a、40bと平行であり、かつ、垂直給電プローブ42
の縦エッジ42a、42bと平行である。
ないと、パッチエッジ上の磁流の向きとスロット内の電
界の向きが合わなくなる。その結果、受信波に交差偏波
成分が生じ、すなわち下層アンテナには垂直偏波が部分
的に受信される。
たことにより、上記の交差偏波成分の発生が回避され、
高い交差偏波識別能力が得られている。
アンテナ素子を使って構成したアレー型アンテナ装置を
示している。64個のアンテナ素子が4×16の長方形
のマトリックス状に配置されて、横長素子アレーが形成
されている。素子アレーを備えた組アンテナ50は、回
転テーブル52の上に載せられている。回転テーブル5
2は、素子アレーがCS衛星の方角を向くように回動さ
れる(矢印A)。また、素子アレーがCS衛星と対面す
るように(法線の角度が衛星の仰角と一致するよう
に)、組アンテナ50の傾き角度が調整される(矢印
B)。なお、組アンテナ50の角度を機械的に変更する
代わりに、電子走査、位相制御の原理でビーム方向を調
整してもよい。
0、62が示されている。上層には垂直偏波を受信する
ための給電プローブ60aが配列され、下層には水平偏
波を受信するための給電プローブ62aが配列されてい
る。各回路板60、62には、プローブ間の隙間に給電
ライン60b、62bが設けられている。図示されない
が、各地板も回路板60、62と同様のサイズを有し、
結合スロット等が適当に配列されている。
a、62aは、偏波角の代表値に応じて傾けられてお
り、結合スロット(図示せず)も同様に傾けられてい
る。もし、アンテナ素子全体を傾けてしまうと、上地板
の正方形の放射窓も傾く。その結果、給電ラインの配線
スペースが著しく制約され、図8に示すような給電ライ
ン60b、62bの配線が困難になる。
ブ、スロットを傾けたものの、図7に示すように、上地
板(放射回路板)54の放射窓56(正方形)は、その
上下辺を水平線(アレイの横配列方向)に対して傾ける
ことなく、格子状に整列配置されている。従って、放射
窓56の間に配線スペースが残され、配線の自由度が確
保されている。
徴として、平行平板モードを有効利用するための下記の
対策が施されている。平行平板モードとは、前述のよう
に、放射に寄与せず地板間を電波する電磁波をいう。多
数のアンテナ素子を一方向に配列し、素子間の間隔を1
波長にすれば、平行平板モードの電磁波は他のアンテナ
素子から放射され、有効利用され、アンテナ効率も高く
なる。しかし、図7のように低背化を狙って横長アレー
を採用する場合、縦方向には平行平板モードを十分に有
効利用できる数の素子を配列できない。そこで、本実施
形態では、下記のようにして平行平板モードの有効利用
性を確保してる。
伝播しにくい方向がある。本実施形態のパッチ形状の給
電プローブの場合、図9に示すように、主要な伝播方向
は給電方向と一致する。平行平板モードは給電方向に生
じやすいからである。特に、下層アンテナでは給電方向
の平行平板モードの強度が大きい。平行平板モードは、
不連続点たるスロットで主として生じるからである。
りも下層アンテナで多く生じる。すなわち、平行平板モ
ードの電磁波の比率は下層アンテナで高い。下層アンテ
ナは、上部の開口が小さく、電磁波を閉じこめやすいか
らである。
に、下層アンテナの給電方向(すなわち平行平板モード
の伝播方向)と素子アレーの長手方向(横方向、長辺)
とが揃えられている。従って、下層アンテナで生じた平
行平板モードが、伝播方向に並んだ他の素子から有効に
放射される。これにより、発生率の高い下層アンテナの
平行平板モードの有効利用性を確保できる。
の伝播方向には4つのアンテナ素子しか並んでいない。
しかし、平行平板モードの発生率が低く、十分なアンテ
ナ効率が確保される。
レーを採用して縦方向の素子数を削減したにもかかわら
ず、平行平板モードの十分な有効利用性が確保され、効
率の高いアンテナを実現することができる。横長アレー
の採用により、移動体に適した背丈の低いアンテナ装置
を実現できる。
定されず、任意の形状でよく、例えば楕円形でもよい。
を試作してアンテナ効率を測定した結果を示す。各アン
テナ素子は、図6の寸法形状を有している。周波数帯域
は、12.25〜12.75GHzである。縦方向の素
子数が少ないにもかかわらず、両偏波共について、60
%近い高いアンテナ効率が得られた。アンテナ効率は、
指向性利得または無指向性比で表される。
の高い交差偏波識別度が得られた。交差偏波識別度は、
主偏波と交差偏波の強度の比で表される。
ば、パッチ形状のプローブとスロットの適切な配置によ
り、各アンテナ素子の結合スロット間の位相が揃えられ
る。従って、アンテナ素子単体の効率を向上でき、素子
数が1または少数でも高いアンテナ効率が得られる。ま
た、給電プローブの角度の適切な設定により、移動体の
エリア内の偏波角変化の影響を吸収して、偏波角損失を
平均的に抑制できる。また、長方形等の長手方向をもつ
素子アレーでも、平行平板モードの有効利用ができ、ア
ンテナ効率を確保できる。
つ、広いエリアのいろいろな移動先で十分な性能を発揮
できる、移動体に適した高効率のアンテナを提供でき
る。
移動体以外のアンテナにも同様に適用可能であることは
もちろんである。例えば、パッチエッジの上に結合スロ
ットを配置するアンテナ素子の構成は、固定型のアンテ
ナにも同様に適用でき、アンテナ素子の効率を向上でき
る。また、平行平板モードを有効利用できる縦長アレー
アンテナを構成し、家庭用に提供することもできる。ま
た、受信用に限られず、送信用のアンテナも本発明の技
術的範囲に含まれることはもちろんである。
示す図である。
である。
1のアンテナ素子を示す図である。
る。
けたアンテナ素子を示す図である。
る。
ナ、14 上層トリプレートアンテナ、16 下地板、
18 水平偏波給電回路板、20 中地板、22垂直偏
波放射回路板、24 上地板、30 水平給電プロー
ブ、30a,30b,32a,32b パッチエッジ、
32 垂直給電プローブ、34 結合スロット、36
放射窓、50 組アンテナ、52 回転テーブル。
Claims (9)
- 【請求項1】 異なる方向の偏波用の平面アンテナを積
層した構成のアンテナ素子を少なくとも一つ含む平面型
偏波共用アンテナ装置において、 前記平面アンテナの給電プローブが、偏波方向の両端に
パッチエッジを設けたパッチ形状を有し、 下層の給電プローブの両端の前記パッチエッジのそれぞ
れの上に、下層平面アンテナを上層と結合する結合スロ
ットが配置されていることを特徴とする平面型偏波共用
アンテナ装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の平面型偏波共用アンテ
ナ装置において、 アンテナ使用エリアにおける偏波角の代表値に対応する
方向を向けて、前記給電プローブが配置されていること
を特徴とする平面型偏波共用アンテナ装置。 - 【請求項3】 請求項1または2のいずれかに記載の平
面型偏波共用アンテナ装置において、 複数の前記アンテナ素子が、長手方向をもつ素子アレー
を形成するように配置されており、 下層平面アンテナの平行平板モードの伝搬方向が素子ア
レーの長手方向と揃えられていることを特徴とする平面
型偏波共用アンテナ装置。 - 【請求項4】 移動体に搭載される平面型偏波共用アン
テナ装置において、 異なる方向の偏波用の平面アンテナを積層した構成のア
ンテナ素子を少なくとも一つ含み、 前記平面アンテナの給電プローブが、移動体の移動エリ
ア内における偏波角の代表値に対応する方向を向くよう
に配置されていることを特徴とする平面型偏波共用アン
テナ装置。 - 【請求項5】 請求項4に記載の平面型偏波共用アンテ
ナ装置において、 下層平面アンテナを上層と結合する結合スロットが、前
記給電プローブの設置角度に応じて傾けて配置されてい
ることを特徴とする平面型偏波共用アンテナ装置。 - 【請求項6】 請求項4、5のいずれかに記載の平面型
偏波共用アンテナ装置において、 複数の前記アンテナ素子が、素子アレーを形成するよう
に配置されており、 素子アレーに対応する格子状の整列された放射窓群を有
する上地板が設けられていることを特徴とする平面型偏
波共用アンテナ装置。 - 【請求項7】 素子アレーを形成する複数のアンテナ素
子を含み、各アンテナ素子が、異なる方向の偏波用の平
面アンテナを積層した構成をもつ平面型偏波共用アンテ
ナ装置において、 素子アレーが長手方向をもつようにアンテナ素子が配置
されており、下層平面アンテナの平行平板モードの伝搬
方向が素子アレーの長手方向と揃えられていることを特
徴とする平面型偏波共用アンテナ装置。 - 【請求項8】 請求項1〜7のいずれかに記載の平面型
偏波共用アンテナ装置において、 前記アンテナ素子は、前記平面アンテナとしてのトリプ
レートアンテナを積層したものであることを特徴とする
平面型偏波共用アンテナ装置。 - 【請求項9】 底地板と、 前記底地板の上に配置された第1の方向の偏波用の下側
給電プローブと、 前記下側給電プローブの上に配置され、下層アンテナを
上層と結合する結合スロットを有する中地板と、 前記中地板の上に配置された第2の方向の偏波用の上側
給電プローブと、 前記上側給電プローブの上に配置され、上下層のアンテ
ナのための放射窓を有する上地板と、 を含み、前記給電プローブは、偏波方向の両端にパッチ
エッジを設けたパッチ形状を有し、 前記結合スロットが、下層の給電プローブの両端の前記
パッチエッジの上にそれぞれ配置されていることを特徴
とする平面型偏波共用アンテナ装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP19635998A JP3837923B2 (ja) | 1998-07-10 | 1998-07-10 | 平面型偏波共用アンテナ装置 |
US09/348,350 US6229484B1 (en) | 1998-07-10 | 1999-07-08 | Dual polarized flat antenna device |
Applications Claiming Priority (1)
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