JP2003218632A - 円偏波アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の周波数等に対応できる円偏波アンテナ
を提供すること。 【解決手段】 グランド基板１１と、グランド基板１１
に対して略平行に配置された第１のカールアンテナ素子
１６と、その外側において、第２のカールアンテナ素子
の巻き方向に対して逆方向に巻かれた第２のカールアン
テナ素子１７と、第２のカールアンテナ素子１７の内側
において、第２のカールアンテナ素子１７の巻き方向に
対して逆方向に巻かれた導体からなるチルト方向調整線
路１５とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、旋回方向の異なる
複数の円偏波を送受信することができる円偏波アンテナ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高度道路交通システムでは、様々な情報
が通信システムを介して自動車等の移動体に提供され
る。高度道路交通システムに用いられる電波は一般に円
偏波であるが、情報毎に周波数帯域や旋回方向が相違し
ている。

【０００３】たとえば、位置情報等の提供を受けるため
のＧＰＳ（グローバルポジショニングシステム）では
１．５Ｇｈｚ帯の右旋回円偏波が用いられ、交通情報等
の提供を受けるためのＳＤＡＲＳ（サテライトデジタル
オーディオラジオサービス：衛星デジタル音声放送）で
は２．６Ｇｈｚ帯の左旋回円偏波が用いられ、高速道路
料金所における自動料金徴収サービスの提供を受けるた
めのＤＳＲＣ（デディケイテッドショートレンジコミュ
ニケーションシステム：専用狭域通信）では５．８Ｇｈ
ｚ帯の右旋回円偏波が用いられる。

【０００４】一方、円偏波用のアンテナとして、カール
アンテナが従来から知られている（H. nakano et al.,
"A Curl Antenna", IEEE TRANSRATIONS ON ANTENNAS A
ND PROPAGATION, VOL. 41, NO.11, NOVEMBER 1993）。

【０００５】カールアンテナは一般に、一種類の周波
数、偏波旋回方向、指向性等について最適化が図られ
る。つまり、所望の一つの電波のみに対して動作するよ
うに調整される。

【０００６】そのため、周波数、偏波旋回方向、および
要求指向性が互いに異なるＧＰＳ、ＳＤＡＲＳ、ＤＳＲ
Ｃ等による通信情報サービスを受けるためには、それぞ
れに適したカールアンテナを個別に搭載しなければなら
なかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、自動車等の移
動体においては、アンテナを設置できる場所が限られて
おり、設置場所に余裕がない。そのため、アンテナの単
一化が求められていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の円偏波アンテナ
はこのような課題に対してなされたものであり、グラン
ド基板と、グランド基板に対して略平行に配置された第
１のカールアンテナ素子と、第１のカールアンテナ素子
の外側において、第１のカールアンテナ素子の巻き方向
に対して逆方向に巻かれた第２のカールアンテナ素子
と、第２のカールアンテナ素子の内側において、第２の
カールアンテナ素子の巻き方向に対して逆方向に巻かれ
た導体からなり第２のカールアンテナ素子のビームチル
ト方向を所望の方向に設定するためのチルト方向調整線
路とを備え、チルト方向調整線路、第１のカールアンテ
ナ素子および第２のカールアンテナ素子が直列に接続さ
れていることを特徴とするものである。

【０００９】第１のカールアンテナ素子と第２のカール
アンテナ素子は渦巻きの方向が互いに逆であるため、右
旋回円偏波と左旋回円偏波の双方に対して動作する。し
かも、第２のカールアンテナの旋回方向に対して逆方向
に巻かれたチルト方向調整線路が設けられているので、
第２のカールアンテナ素子のビームチルト方向を所望の
方向に調整して設定することできる。なお、チルト方向
調整線路の巻き方向は、第１のカールアンテナ素子の巻
き方向と同一であるので、第１のカールアンテナ素子の
ビームチルト方向はチルト方向調整線路の影響を受けな
い。したがって、第１のカールアンテナ素子のビームチ
ルト方向を固定したまま、第２のカールアンテナ素子の
ビームチルト方向を調整することができる。

【００１０】本発明の円偏波アンテナでは、第２のカー
ルアンテナ素子のアーム幅が第１のカールアンテナ素子
のアーム幅よりも大きいことが望ましい。

【００１１】カールアンテナは、進行波をアンテナ素子
に乗せて動作させる。このとき、アンテナ高（グランド
基板とアンテナ素子との間の距離）が４分の１波長より
低くなると、定在波の割合が増加して進行波が乗りにく
くなり、円偏波アンテナとして正常に動作することが難
しくなる。一方、第１および第２のカールアンテナ素子
のアンテナ高を、第１のカールアンテナ素子の動作周波
数の４分の１波長にすると、第１のカールアンテナ素子
よりもアーム長が長いため、すなわち動作周波数が低い
ため第２のカールアンテナ素子にとっては、アンテナ高
が最適値（４分の１波長）よりも低くなる。しかし、第
２のカールアンテナ素子のアーム幅を大きくすることに
より、伝搬する波に対する放射の割合が増え、定在波を
低下させることができる。これにより、第２のカールア
ンテナ素子での動作が良好になる。

【００１２】本発明の円偏波アンテナでは、第２のカー
ルアンテナ素子の外側に第２のカールアンテナ素子に直
接または別のカールアンテナ素子を介して接続されたリ
ング状共振アンテナ素子を備えることが望ましい。

【００１３】第２のカールアンテナ素子のさらに外側に
カールアンテナ素子を用いる場合には、第２のカールア
ンテナ素子と同様にアーム幅を広くする必要があり、ア
ンテナ全体の寸法が大きくなってしまう。しかし、リン
グ状共振アンテナ素子であれば、カールアンテナ素子の
ように定在波を低くする必要がないため、必要帯域によ
っては狭いアーム幅で十分に動作し、アンテナ全体を小
型化できる。なお、最外郭のアンテナ素子については、
さらにその外側にアンテナ素子を接続する必要がないの
で共振動作をするリング状共振アンテナ素子を用いるこ
とが可能となっている。

【００１４】本発明の円偏波アンテナでは、グランド基
板に導体からなる外周壁が形成されていることが望まし
い。

【００１５】このようにすることにより、グランド基板
裏方向への輻射を抑えることができ、特に、最外郭のリ
ング状共振アンテナ素子からのグランド基板裏方向への
輻射抑制に有効である。

【００１６】本発明の円偏波アンテナでは、第１のカー
ルアンテナ素子を含むアンテナ素子結合体はグランド基
板の裏面から開口を介して臨む給電線路に給電プローブ
を介して接続されており、給電プローブの給電線路との
接続部は給電線路に向かって先細り形状となっているこ
とが望ましい。

【００１７】ハイインピーダンスのカールアンテナ素子
を特性インピーダンスがたとえば５０Ωの給電線路にイ
ンピーダンス整合させるために、給電プローブは体積が
大きい導体であることが望ましい。しかし、給電プロー
ブが単に太いと自身が傾いたときにグランド基板に接触
してしまう。そこで本発明の円偏波アンテナでは、給電
プローブの下端を先細り形状とし、多少傾いてもグラン
ド基板と接触することがない構造となっている。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態である
円偏波アンテナの平面図であり、図２はその側断面図で
ある。この円偏波アンテナ１は、ＧＰＳ用の１．５Ｇｈ
ｚ帯右旋回円偏波、ＳＤＡＲＳ用の２．６Ｇｈｚ帯左旋
回円偏波、ＤＳＲＣ用の５．８Ｇｈｚ帯右旋回円偏波に
対して動作するように構成されている。

【００１９】グランド基板１１は導体からなる円盤状の
底部１２とその外周に形成された同じく導体からなる壁
１３とを有し、厚みの薄い有底円筒となっている。外周
壁１３の上端縁には、円筒形状のグランド基板１１の開
口上底を覆うように透明な絶縁フィルム１４が張られて
いる。

【００２０】絶縁フィルム１４上には、チルト方向調整
線路１５、第１のカールアンテナ素子１６、第２のカー
ルアンテナ素子１７、リング状共振アンテナ素子１８が
中心部から外周部に向かって順に接続されて形成されて
おり、アンテナ素子結合体が構成されている。

【００２１】チルト方向調整線路１５の始点１９には、
図２に示すように、給電プローブ２０が電気的に結合し
ている。グランド基板１１の底部１２の中央には開口が
穿設されており、その開口の裏側から特性インピーダン
ス５０Ωの同軸ケーブル２１の心線２２が覗いている。
そして、その心線２２が給電プローブ２０の下端に差し
込まれ、同軸ケーブル２１と給電プローブ２０とが電気
的に結合している。

【００２２】図３、図４および図５は、それぞれ第１の
カールアンテナ素子１６、第２のカールアンテナ素子１
７およびリング状共振アンテナ素子１８の形状を抜き出
して示したものである。

【００２３】第１のカールアンテナ素子１６は、最も周
波数の高いＤＳＲＣ用の５．８Ｇｈｚ帯右旋回円偏波に
対して動作するように調整されている。すなわち、内側
から外側に向かって反時計回りに巻回する略一周の渦巻
き形状となっており、アーム長が５．８Ｇｈｚ帯のおよ
そ１波長の長さであり、グランド基板１１の底部１２か
らの距離つまりアンテナ高ｈが５．８Ｇｈｚ帯のおよそ
４分の１波長（自由空間での波長のおよそ４分の１）と
なっている。

【００２４】第２のカールアンテナ素子１７は、ＳＤＡ
ＲＳ用の２．６Ｇｈｚ帯左旋回円偏波に対して動作する
ように調整されている。すなわち、第１のカールアンテ
ナ素子１６とは逆向きに巻回する略一周の渦巻き形状と
なっており、アーム長が２．６Ｇｈｚ帯のおよそ１波長
の長さとなっている。アンテナ高は第１のカールアンテ
ナ素子１６と同じくｈであり、２．６Ｇｈｚ帯の電波に
とってはおよそ１０分の１波長となる。

【００２５】アンテナ高が４分の１波長よりも小さくな
ると、アンテナ素子を伝搬する波は途中で放射されにく
くアームの先端部で反射するため、進行波に対する定在
波の割合が増加して軸比を悪化させ、その周波数での動
作が困難になると考えられる。そこで、軸比の改善が必
要となる。本実施形態ではアーム幅を広くすることによ
り軸比の改善が図られている。

【００２６】カールアンテナ素子１７をマイクロストリ
ップ線路と考えると、マイクロストリップ線路の湾曲部
では内側のエッジに比べ外側のエッジの長さが長くなる
ため、線路両側における線路−グランド基板間ギャップ
を流れる磁流Ｍ１およびＭ２（または主に線路エッジを
流れる電流Ｉ１およびＩ２）にアンバランスが生じて放
射が起こる。つまり、伝送線路としてみれば損失が生じ
る。本実施形態ではこの損失を増加させるためにアーム
幅を広くし、結果としてアームに進行波が乗って軸比を
改善している。

【００２７】図６はカールアンテナ素子１７のアーム幅
（ｍｍ）と軸比（ｄＢ）との関係をシミュレーションに
よって導き出したものである。アーム幅が広くなるほど
軸比が小さくなることが読みとれる。なお、本実施形態
では、隣接する線路への干渉を考慮してアーム幅を５ｍ
ｍとしている。

【００２８】リング状共振アンテナ素子１８は、ＧＰＳ
用の１．５Ｇｈｚ帯右旋回円偏波に対して動作する。こ
のリング状共振アンテナ素子１８への給電は整合をとる
ために２点給電１８ａとし、円偏波化のため摂動を設け
た。

【００２９】１．５Ｇｈｚ帯円偏波を現状のアンテナ高
を維持したままカールアンテナ素子で送受信しようとす
ると、アーム幅を相当広くする必要があるが、リング状
共振アンテナ素子１８は、カールアンテナ素子のように
定在波を低くする必要がないため、カールアンテナ素子
ほどアーム幅を広くする必要はない。したがって、アン
テナ全体のサイズを小型化できる。

【００３０】なお、本実施形態では、第２のカールアン
テナ素子１７の直ぐ外側にリング状共振アンテナ素子１
８を設けているが、別のカールアンテナ素子を両者の間
に介在させてもよい。要するに、リング状共振アンテナ
素子１８を最外郭のアンテナ素子とすることにより、す
べてカールアンテナ素子とした場合に比べて、アンテナ
を小型化することができる。

【００３１】チルト方向調整線路１５は、第２のカール
アンテナ素子１７のビームチルト方向を調整するための
ものであり、第１のカールアンテナ素子１６のさらに内
側に形成されている。チルト方向調整線路１５は、第１
のカールアンテナ素子１６と同一方向、すなわち、第２
のカールアンテナ素子１７とは逆方向の渦巻きになって
いて、長さを調整することにより、第２のカールアンテ
ナ素子１７の指向性すなわちビームチルト方向を所望の
方向にしている。

【００３２】なお、本実施形態では、チルト方向調整線
路１５は第１のカールアンテナ素子１６の内側に配置さ
れているが、第２のカールアンテナ素子１７の内側であ
ればよいため、第１のカールアンテナ素子１６と第２の
カールアンテナ素子１７の間に配置しても良い。

【００３３】図７〜図１０はアンテナ放射パターン（指
向性）を示す図であり、図７および図８はそれぞれチル
ト方向調整線路１５を有しない場合の第２のカールアン
テナ素子１７および第１のカールアンテナ素子１６のア
ンテナ放射パターンである。また、図９および図１０
は、チルト方向調整線路１５を本実施形態のように設け
た場合の第２のカールアンテナ素子１７および第１のカ
ールアンテナ素子１６のアンテナ放射パターンである。

【００３４】第２のカールアンテナ素子１７について
は、図７および図９を対比してわかるように、チルト方
向調整線路１５を設けることによりビームチルト方向が
直交座標の第４象限方向から第２象限方向に変化してい
る。

【００３５】一方、第１のカールアンテナ素子１６につ
いては、図８および図１０を対比してわかるように、チ
ルト方向調整線路１５を設けてもビームチルト方向が第
２象限方向のまま変化していない。

【００３６】このように、本実施形態の円偏波アンテナ
では、チルト方向調整線路１５を設けることにより、第
１のカールアンテナ素子１５と第２のカールアンテナ素
子１６のビームチルト方向を一致させている。

【００３７】つぎに、給電プローブ２０の形状について
説明する。給電プローブ２０は、チルト方向調整線路１
５の端部１９とグランド基板１１の裏側から開口を介し
て突出する同軸ケーブル２１の心線２２とを電気的に結
合するものである。カールアンテナ素子１６、１７を含
むアンテナ素子結合体はハイインピーダンスであるた
め、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブル２１と整
合をとるためには、給電プローブ２０の体積を十分に大
きくする必要がある。そのため、本実施形態では十分に
太い円柱導体を給電プローブ２０の本体としている。し
かし、単なる太い円柱導体とすると、グランド基板１１
の底面１２に対して傾いたときに、底面１２と接触して
しまうので、下部を鉛筆の先端のように円錐形にして先
細りさせている。

【００３８】なお、本実施形態では給電プローブ本体は
円柱導体であるが、断面矩形の角柱、あるいは厚板と
し、下部先端をくさび形状に先細りさせてもよい。

【００３９】グランド基板１１にはアンテナ素子結合体
を囲むように外周壁１３が形成されている。これによ
り、グランド基板１１の裏方向への輻射を抑えることが
でき、特に、最外郭のリング状共振アンテナ素子１８か
らのグランド基板１１の裏方向への輻射を有効に抑制す
ることができる。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明の円偏波アンテナ
によれば、周波数、偏波旋回方向等が異なる複数の円偏
波を受信することができ、しかも、グランド基板とのア
ンテナ素子との間隔の小さい小型なものとすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の円偏波アンテナの一実施形態を示す
平面図。

【図２】 その側断面図。

【図３】 第１のカールアンテナ素子を示す平面図。

【図４】 第２のカールアンテナ素子を示す平面図。

【図５】 リング状共振アンテナ素子を示す平面図。

【図６】 アーム幅と軸比の関係を示すグラフ。

【図７】 チルト方向調整線路による調整を行う前の第
２のカールアンテナ素子のアンテナ放射パターンを示す
図。

【図８】 チルト方向調整線路による調整を行う前の第
１のカールアンテナ素子のアンテナ放射パターンを示す
図。

【図９】 チルト方向調整線路による調整を行った後の
第２のカールアンテナ素子のアンテナ放射パターンを示
す図。

【図１０】 チルト方向調整線路による調整を行った後
の第１のカールアンテナ素子のアンテナ放射パターンを
示す図。

【符号の説明】

１…円偏波アンテナ、１１…グランド基板、１２…底
部、１３…壁、１４…絶縁透明フィルム、１５…チルト
方向調整線路、１６…第１のカールアンテナ素子、１７
…第２のカールアンテナ素子、１８…リング状共振アン
テナ素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J021 AA01 AB02 DB07 FA04 GA06 HA07 HA10 JA03 JA06 JA07 5J046 AA04 AA07 AB12 AB13 PA07

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 グランド基板と、 前記グランド基板に対して略平行に配置された第１のカ
   ールアンテナ素子と、 前記第１のカールアンテナ素子の外側において、前記第
   １のカールアンテナ素子の巻き方向に対して逆方向に巻
   かれた第２のカールアンテナ素子と、 前記第２のカールアンテナ素子の内側において、前記第
   ２のカールアンテナ素子の巻き方向に対して逆方向に巻
   かれた導体からなり前記第２のカールアンテナ素子のビ
   ームチルト方向を所望の方向に設定するためのチルト方
   向調整線路とを備え、 前記チルト方向調整線路、前記第１のカールアンテナ素
   子および前記第２のカールアンテナ素子が直列に接続さ
   れていることを特徴とする円偏波アンテナ。
2. 【請求項２】 前記第２のカールアンテナ素子のアーム
   幅が第１のカールアンテナ素子のアーム幅よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
3. 【請求項３】 前記第２のカールアンテナ素子の外側に
   第２のカールアンテナ素子に接続されたリング状共振ア
   ンテナ素子を備えたことを特徴とする請求項１または２
   に記載の円偏波アンテナ。
4. 【請求項４】 前記グランド基板に導体からなる外周壁
   が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいず
   れか一項に記載の円偏波アンテナ。
5. 【請求項５】 前記第１のカールアンテナ素子を含むア
   ンテナ素子結合体は前記グランド基板の裏面から開口を
   介して臨む給電線路に給電プローブを介して接続されて
   おり、前記給電プローブの前記給電線路との接続部は前
   記給電線路に向かって先細り形状となっていることを特
   徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の円偏波ア
   ンテナ。