JP2000040917A - 広角円偏波アンテナ - Google Patents

広角円偏波アンテナ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、衛星通信に用いるアンテナに関する
もので、広角円偏波アンテナの低仰角における利得の改
善を目的とする。 【解決手段】本発明は、マイクロストリップ平面アンテ
ナの地導体下方に複数の面状放射素子を配置し、地導体
と各々の放射素子とを電気的結合手段により結合するも
のである。さらに、地導体に複数の線状放射素子を結合
し給電線となる同軸線に施したシュペルトップに電気的
に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、通信分野にかか
り、特に衛星を利用した携帯無線通信に有効な広角円偏
波アンテナの小型化とその構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、衛星を用いた携帯電話の構想が各
社から提案されており、それらの周波数帯は、地上の携
帯電話から衛星へは１．６ＧＨｚ帯が、衛星から地上の
携帯電話へは２．４ＧＨｚ帯が割当てられている。また
１．６ＧＨｚ帯では地上から衛星、衛星から地上の双方
向の通信に用いる周波数帯としても割当てられる。上記
の衛星通信に適用可能なアンテナとして、全方位アンテ
ナ（特開平７−１８３７１９）が提案されており、図１
２にその構成を示す。マイクロストリップ平面アンテナ
（ＭＳＡ）１は給電ピン１ａ、パッチ状放射素子１ｂ、
誘電体基板１ｃで構成され、そのグランドとして地導体
板１ｄを下方に伸展して導体円筒１ｅを形成したことを
特徴とする。通常、マイクロストリップ平面アンテナ
（ＭＳＡ）１は地導体板１ｄ上に誘電体基板１ｃを介し
てパッチ状放射素子１ｂを平行に配置する構成を備えて
いるが、図１２に示す全方位アンテナは地導体板１ｄの
全周を下方に伸展して筒状にしたことに特徴を有する。
この特徴により図１２の全方位アンテナはマイクロスト
リップ平面アンテナ（ＭＳＡ）１の地導体板１ｄを下方
に伸展し低仰角の利得を改善するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記全方位ア
ンテナでは、低仰角における円偏波の水平偏波成分の感
度を得ることが難しく、実使用において、樹木等による
垂直偏波成分の吸収で通信の感度を維持することが困難
となる場合がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するためにマイクロストリップ平面アンテナの地導
体板の下方に複数の面状放射素子を配置しそれらを、地
導体板に電気的に結合するものである。
【０００５】また、本発明は、マイクロストリップ平面
アンテナの地導体板の下方に複数の面状放射素子と複数
の線状放射素子とを配置し、それらを地導体板と電気的
に結合する。
【０００６】さらにシュペルトップ（Ｓｐｅｒｔｏｐｆ
阻止套管）を備える。シュペルトップは、マイクロス
トリップ平面アンテナに給電する同軸ケーブルの外部導
体の外側表面に漏洩電流を流さないようにするため、ア
ンテナの給電点直下近傍に長さ１／４波長または１／２
波長の円筒形導体を同軸線に被せ、アンテナ側を開放
し、反対側を同軸ケーブルの外部導体に接続したもので
ある。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１は本発明の構成の概略図であ
り、図において同じ部位は同じ符号で示し、１はマイク
ロストリップ平面アンテナ（ＭＳＡ）、１ａはＭＳＡの
給電ピン、１ｂはＭＳＡのパッチ状放射素子、１ｃはＭ
ＳＡの誘電体基板、１ｄはＭＳＡの地導体板、２は電気
的結合手段、３は面状放射素子、４は誘電体円筒（支持
円筒）、５は給電点、６は給電線（同軸線，同軸ケーブ
ル）である。
【０００８】ＭＳＡ１は誘電体基板１ｃの比誘電率・寸
法等のパラメータ、誘電体基板１ｃへ貼付するパッチ状
放射素子１ｂの寸法、給電ピン１ａの位置等を適切に設
計することにより、円形や４辺形等の形で所望の周波数
で円偏波アンテナとして動作する。ただし、共振周波数
と給電ピン１ａの位置によるインピーダンス整合は面状
放射素子の形状や配置、電気的結合手段に依存するので
注意を要する。給電ピン１ａの位置によるインピーダン
ス整合は給電線６の特性インピーダンス（通常５０Ω）
に合わせるため誘電体基板１ｃの中心からオフセットさ
せなくてはならない。このオフセットによって、高周波
電流の乱れが生じ放射パターンが歪む。図１は本発明の
実施形態であって、ＭＳＡ１の動作周波数は約１．６Ｇ
Ｈｚである。円形の誘電体基板１ｃに円形のパッチ状放
射素子１ｂを貼付したものである。ＭＳＡ１の地導体板
１ｄを略同径の誘電体円筒４で支持し、誘電体円筒４の
全周囲の曲面形状に沿って湾曲する同じ４枚の面状放射
素子３をそれぞれに間隔を開けて均等に貼付した。面状
放射素子３はこのように湾曲させるだけでなく、湾曲さ
せないことも可能である。その枚数は好ましくは４枚以
上で構成すべきである。また誘電体基板１ｃの厚さと面
状放射素子３の縦方向の寸法とはほぼ等しくすると良
い。面状放射素子３が分配配置される面がＭＳＡ１と略
同径の円周上である点は全方位に放射パターンを得るた
めには重要である。そして地導体板１ｄと各面状放射素
子３とは線材（電気的結合手段２）で電気的に結合し
た。地導体板１ｄはＭＳＡ１と面状放射素子３の共通の
地導体となっている。
【０００９】誘電体基板１ｃは比誘電率約２０、直径約
３０ｍｍ、厚さ約１０ｍｍ、誘電体円筒４は比誘電率約
４、直径３０ｍｍ、高さ２０ｍｍである。誘電体基板１
ｃの厚さと面状放射素子３の縦方向の寸法とははぼ等し
くしてある。本アンテナは面状放射素子３の横方向に沿
って流れる高周波電流の働きにより、ＭＳＡ１の低仰角
における水平偏波成分の感度を向上させ、縦方向に沿っ
て流れる高周波電流の働きにより垂直偏波成分の感度を
向上させる。図１２の従来技術では、垂直偏波成分の感
度は向上するが、水平方向には高周波電流が流れにく
く、低仰角では軸比が大きくなっていた。
【００１０】本発明の実施形態では４枚の面状放射素子
３を長方形にし、誘電体円筒４側面の同一円周上に配置
したが、所望の衛星通信システムの衛星軌道や衛星高度
等の形態にあわせて、図２、図３などに代表される面状
放射素子を自由に組み合わせることを制限するものでは
ない。図２は面状放射素子の代表的な基本形状例で
（ａ）横長の長方形、（ｂ）縦長の長方形、（ｃ）正方
形、（ｄ）三角形である。図３は面状放射素子の代表的
な変形形状例で、（ａ）〜（ｅ）凸凹形状、（ｆ）傾斜
形状、（ｇ）（ｈ）山切り形状、（ｉ）（ｊ）面のくり
抜き、（ｋ）ラジアル形状である。また図４、図５、図
６に示すような各種電気的結合手段の構成例と図２、図
３の各種面状放射素子を任意に組み合わせることが可能
である。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は電気的結合手段２の
面状放射素子３との接続位置の例である。図５は電気的
結合手段（電気的結合部）２の結合形式を示し（ａ）は
線材による直流的接続、（ｂ）は容量性素子による容量
的接続、（ｃ）は誘導性素子による誘導的接続である。
図６（ａ）〜（ｅ）は電気的結合手段２の幅と長さを異
ならせた例である。図２〜図６に示す面状放射素子と電
気的結合手段とは所望のアンテナ放射パターンを得るた
めに設計事項として任意に選択し組合せが可能で、設計
の自由度が非常に大きい。
【００１１】また、図７（ａ）（ｂ）は給電線との相互
作用による放射パターンの歪みを補正する手段を設けた
例で、（ａ）は広角円偏波アンテナの側断面図、（ｂ）
は広角円偏波アンテナを下から見た誘電体円筒４内を示
す図である。補正手段として楕円状の導体７を用いてこ
れに給電線６を通している。なお、図面上、誘電体円筒
４の曲面に添付する面状放射素子３と電気的結合手段２
は省略してある。（ｃ）は放射パターンの歪み補正に関
するその他の例で、給電線６を誘電体８で囲っている。
【００１２】図７（ｃ）の例は携帯無線機との組合せに
おいて、広角円偏波アンテナを携帯無線機筺体から接離
自在な構成とする場合、筺体から離れた所定距離に広角
円偏波アンテナを携帯無線機筺体に対して支持固定する
手段として利用できる。そのような例を図８に示す。
【００１３】図８は本発明の広角円偏波アンテナを携帯
無線機に取り付けた構成例を示すもので携帯無線機筺体
９に給電線内蔵の誘電体８が引き出し／引き込み自在に
構成されている。１０は携帯無線機回路を示す。誘電体
８の先端には本発明の広角円偏波アンテナの実施形態例
が具備される。本例では弾性体を用いた例を示す。誘電
体８はスプリング１１内にあり、引き出し時（８（ａ）
参照）にはスプリング１１の弾発力により誘電体８が広
角円偏波アンテナを筺体９から離れた所定位置に支持固
定する。また誘電体８の引き込み時（図８（ｂ）参照）
は、広角円偏波アンテナが携帯無線機筺体９近傍にロッ
ク手段（不図示）にて固定される。
【００１４】図９〜図１１に本発明の実施形態広角円偏
波アンテナの測定例を示す。
【００１５】図１３は本発明の広角円偏波アンテナの他
の実施形態を示す。図１と同一部位には同一符号を示
す。図１３のアンテナに関し図１のアンテナに備えられ
ていない構成は、線状放射素子１２とシュペルトップ１
３である。シュペルトップ１３は同軸線６に導体円筒１
３ａを被せて構成される。そして同軸線６と導体円筒１
３ａとはＭＳＡ１側が開放され、反対側端部１３ｂで同
軸線６の外部導体を導体円筒１３ａに接続し短絡させて
いる。このように構成されたシュペルトップ１３の電気
的な長さは略１／４波長または略１／２波長である。
【００１６】４本の線状放射素子１２は電気的に略１／
４波長とし、誘電体円筒４の側面に４枚の面状放射素子
３と交互に配列され、一端を地導体板１ｄに電気的に結
合し、他端を導体円筒１３ａの表面に電気的に接続して
いる。このように図１３の実施形態では面状放射素子３
に加えて、線状放射素子１２を有した複合放射素子構造
を構成するものである。
【００１７】図１３の実施形態においては、誘電体基板
１ｃは比誘電率約２９、直径２８ｍｍ，厚さ１０ｍｍ、
また誘電体円筒４は比誘電率約６．５のセラミック（フ
ォルステライト）、直径２８ｍｍ，高さ２０ｍｍ、肉厚
２ｍｍである。線状放射素子１２はφ０．６ｍｍの針金
を用いている。シュペルトップ１３の導体円筒１３ａは
外径φ６ｍｍである。同軸線６は外形φ２．２ｍｍのセ
ミリジットケーブルを使用しており、一端で中心導体を
給電ピン１ａに接続し、他端にはコネクタ１５を備え
る。面状放射素子３は縦１０ｍｍ、幅１５ｍｍ、電気的
結合手段２は縦５ｍｍ、幅２ｍｍである。シュペルトッ
プ１３は面状放射素子３に重ならなぬよう面状放射素子
３よりも下に設けてある。
【００１８】図１３の広角円偏波アンテナは面状放射素
子３の横方向に沿って流れる高周波電流の働きによりＭ
ＳＡ１の低仰角における水平偏波成分の感度を向上さ
せ、面状放射素子３の縦方向に沿って流れる高周波電流
及び線状放射素子１２に沿って流れる高周波電流の働き
によりＭＳＡ１の低仰角における垂直偏波成分の感度を
向上させる。
【００１９】以上のように本発明の他の実施形態では４
枚の面状放射素子を長方形にし、誘電体円筒４の側面の
同一円周上に配置したが、所望の衛星通信システムの衛
星軌道や衛星高度等の形態にあわせて、面状放射素子３
の形状を自由に組み合わせることを制限するものではな
い。また線状放射素子１２及びシュペルトップ１３につ
いてもその長さや結合位置により軸比や利得を制御する
ことが可能である。
【００２０】図１４は図１３のアンテナの低仰角におけ
る放射特性図で、（ａ）は垂直偏波成分、（ｂ）は水平
偏波成分を示す。
【００２１】図１５は本発明のさらに他の実施形態を示
す広角円偏波アンテナの断面図で、他の図面と同一の部
位には同一符号を付してある。本実施形態は図１に示す
アンテナの誘電体円筒４内に放射パターン歪み補正手段
として電波吸収体１４を充填したものである。４枚の面
状放射素子３の内側で電波吸収体１４は給電線６と面状
放射素子３との相互干渉を緩和する。この結果、水平偏
波成分と垂直偏波成分の放射パターンがほぼ均一にな
る。図１６は図１３のアンテナにおいて誘電体円筒４内
に面状放射素子３の高さ位置まで電波吸収体を充填して
その垂直偏波成分と水平偏波成分を測定した結果で、図
１４に示した電波吸収体を充填していない実施形態と比
べてその効果の高さは一目瞭然である。
【００２２】
【発明の効果】本発明によれば、低仰角における円偏波
の水平偏波成分の感度を得ることができ、実使用におい
て樹木等による垂直偏波成分の吸収によっても通信の感
度を維持することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明する広角円偏波アンテ
ナの構成図。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態を示す面状
放射素子の代表的な基本形状例図。
【図３】（ａ）〜（ｋ）は本発明の実施形態を示す面状
放射素子の代表的な変形形状例図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態を示す電気
的結合手段による地導体板と面状放射素子との電気的結
合位置を示す例図。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態を示す電気
的結合手段による地導体板と面状放射素子との電気的結
合方式を示す例図で、（ａ）は線材による直流的結合
図、（ｂ）は容量性素子を用いた容量的結合図、（ｃ）
は誘導性素子を用いた誘導的結合図。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は本発明の実施形態を示す地導
体板と面状放射素子とを電気的に結合する電気的結合手
段の長さと幅に関する例図。
【図７】本発明の実施形態を示す（ａ）は広角円偏波ア
ンテナに放射パターンの歪み補正手段を設けた側断面
図、（ｂ）は（ａ）を下方から見た図。（ｃ）は放射パ
ターンの歪みの補正手段を給電線の近傍に設けた広角円
偏波アンテナ側断面図。
【図８】本発明の広角円偏波アンテナを携帯無線機に搭
載した例で、（ａ）は携帯無線機筺体に広角円偏波アン
テナを離した位置に保持する様子を示す給電線を筺体外
に引き出した図、（ｂ）は携帯無線機筺体に広角円偏波
アンテナを近傍位置で保持する様子を示す給電線を筺体
内に引き入れた図。
【図９】本発明の実施形態広角円偏波アンテナに関し
（ａ）は複共振を示すスミスチャート例、（ｂ）はＶＳ
ＷＲ例。
【図１０】本発明の実施形態広角円偏波アンテナを低仰
角が水平偏波となる位置関係で放射パターンを測定した
例。
【図１１】本発明の実施形態広角円偏波アンテナを低仰
角が垂直偏波となる位置関係で放射パターンを測定した
例。
【図１２】従来の技術を説明する図。
【図１３】本発明の他の実施形態を説明する広角円偏波
アンテナの図。
【図１４】図１３のアンテナの低仰角における放射特性
図で、（ａ）は垂直偏波成分、（ｂ）は水平偏波成分を
示す図。
【図１５】本発明の他の実施形態を示す図。
【図１６】図１３のアンテナに電波吸収体を充填したア
ンテナ放射特性図で、（ａ）は垂直偏波成分、（ｂ）は
水平偏波成分を示す図。
【符号の説明】
１：マイクロストリップ平面アンテナ（ＭＳＡ） １ａ：給電ピン １ｂ：パッチ状放射素子 １ｃ：誘電体基板（誘電体層） １ｄ：地導体板（地
導体） １ｅ：導体円筒（従来例） ２：電気的結合手段（電気的結合部） ３：面状放射素子 ４：誘電体円筒 ５：給電点 ６：給電線（同軸線，同軸ケーブル） ７：楕円状の導体（放射パターン歪み補正手段） ８：誘電体（放射パターン歪み補正手段） ９：携帯無線機筺体 １０：携帯無線機回路 １１：スプリング（弾性手段） １２：線状放射素子 １３：シュペルトップ １３ａ：導体円筒 １４：電波吸収体（放射パターン歪み補正手段） １５：コネクタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｑ 21/24 Ｈ０１Ｑ 21/24 21/29 21/29 Ｆターム(参考） 5J020 EA06 EA09 5J021 AA05 AA06 AB06 BA00 CA01 CA06 GA08 HA05 JA06 5J045 AA05 CA04 DA09 EA10 FA01 HA06 NA02 NA03 5J047 AA03 AB01 AB13 FD01

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】共通の地導体となる導体板を有し、前記導
    体板上に誘電体層を介してパッチ状放射素子が平行に配
    置された円偏波モードを有するマイクロストリップ平面
    アンテナと、前記導体板下に配置される複数の面状放射
    素子とが具備され、前記導体板と各面状放射素子とが電
    気的結合手段を介して結合されて成ることを特徴とする
    広角円偏波アンテナ。
  2. 【請求項２】前記複数の面状放射素子が、前記導体板下
    にマイクロストリップ平面アンテナとほぼ同径の面に分
    配配置されることを特徴とする請求項１に記載の広角円
    偏波アンテナ。
  3. 【請求項３】前記導体板下に複数の線状放射素子が具備
    され、各線状放射素子は前記導体板に電気的に結合さ
    れ、マイクロストリップ平面アンテナとほぼ同径の面に
    複数の面状放射素子と交互に分配配置されることを特徴
    とする請求項２に記載の広角円偏波アンテナ。
  4. 【請求項４】前記マイクロストリップ平面アンテナの給
    電線にシュペルトップを備えたことを特徴とする請求項
    １に記載の広角円偏波アンテナ。
  5. 【請求項５】共通の地導体となる導体板を有し、前記導
    体板上に誘電体層を介してパッチ状放射素子が平行に配
    置された円偏波モードを有するマイクロストリップ平面
    アンテナと、前記導体板下に配置される複数の面状放射
    素子及び複数の線状放射素子と、前記導体板と各面状放
    射素子及び各線状放射素子の一端との電気的結合手段と
    が具備され、さらに前記マイクロストリップ平面アンテ
    ナの給電線にシュペルトップが具備されたことを特徴と
    する広角円偏波アンテナ。
  6. 【請求項６】前記複数の面状放射素子及び複数の線状放
    射素子とが、前記導体板下にマイクロストリップ平面ア
    ンテナとほぼ同径の面に分配配置されることを特徴とす
    る請求項５に記載の広角円偏波アンテナ。
  7. 【請求項７】前記線状放射素子の他端をシュペルトップ
    に電気的に結合したことを特徴とする請求項５に記載の
    広角円偏波アンテナ。
  8. 【請求項８】前記分配配置する複数の放射素子で取り囲
    むよう前記導体板下に放射パターン歪み補正手段として
    導体、誘電体、あるいは電波吸収体を具備することを特
    徴とする請求項１、または請求項５に記載の広角円偏波
    アンテナ。
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