JP2003535540A - 狭帯域対称交差円偏波メアンダライン装荷アンテナ - Google Patents

狭帯域対称交差円偏波メアンダライン装荷アンテナ

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JP2003535540A
JP2003535540A JP2002500486A JP2002500486A JP2003535540A JP 2003535540 A JP2003535540 A JP 2003535540A JP 2002500486 A JP2002500486 A JP 2002500486A JP 2002500486 A JP2002500486 A JP 2002500486A JP 2003535540 A JP2003535540 A JP 2003535540A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 【解決手段】 本発明は、改良された素子交差メアンダライン装荷アンテナを特徴とする。２対の三角形素子の各々が、頂点で接続されており、ボウタイ型（蝶ネクタイ型）の素子を形成している。ボウタイ型の素子は、接地面に近接して直交するように配置されることにより、シャドーイングと、クロスカップリングとを低減し、高効率かつ小型のメアンダラインアンテナを提供する。直交に給電されると、アンテナは、優れた軸比を有する円偏波ＲＦフィールドを放射する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メアンダライン装荷アンテナに関し、特に、ボウタイ（蝶ネクタイ
）型メアンダライン装荷素子を用いた素子交差アンテナに関する。
【０００２】
【発明の背景】
これまで、高効率アンテナは、放射周波数の４分の１波長程度の最小寸法を有
する構造を、一般に必要としてきた。このような寸法は、アンテナを容易に励起
させ、共振において、または、共振の付近で作動させることによって、抵抗損失
として消費されるエネルギを低減し、伝送されるエネルギを最大化することを可
能にした。このようなアンテナは、共振波長のサイズまで大きくなりがちであっ
た。
【０００３】 さらに、アンテナの寸法は、周波数が低くなるとこれにに比例して大きくなっ
た。従来のアンテナの設計および機能の欠点に対処するため、研究者達は、メア
ンダライン装荷アンテナ（ＭＬＡ）を開発した。そのようなＭＬＡのひとつは、
米国特許第５，７９０，０８０号「メアンダライン装荷アンテナ」に開示されて
おり、その文献は、引用として本明細書において参照される。不等インピーダン
ス伝送ラインアンテナとしても知られているＭＬＡの一例を、図１に示した。そ
のアンテナは、２つの垂直導体１０２と、水平導体１０４からなり、水平導体は
、ギャップ１０６によって垂直導体と隔てられている。
【０００４】 図２に示されているメアンダラインは、ギャップにおいて垂直導体と水平導体
との間に接続される。メアンダラインは、アンテナの電気長を調整するよう設計
されている。さらに、メアンダ低速波構造の設計によると、アンテナの有効電気
長を変化させる目的で、損失をほとんど生じずに迅速に回路の内外でメアンダラ
インの長さを切り換えることが可能となる。この切り換えが可能であるのは、能
動スイッチデバイスが、メアンダラインの高インピーダンス部に設けられている
ためである。これにより、切り換えデバイスを流れる電流を低電流とし、その結
果として、スイッチにおける損失を非常に低くすることで、高いアンテナ効率が
維持されるのである。
【０００５】 図１に示した基本的なアンテナは、「８の字型」の受信可能パターンを提供す
るループモードで動作させることができる。水平偏波すなわちループモードは、
図３の符号Ｃに示すように、メアンダラインを含むライン全体の電気長が全波長
の整数倍になるような周波数でアンテナを動作させた場合に実現される。アンテ
ナは、また、図３の符号Ｂおよび符号Ｄに示すように、その動作周波数における
半波長の奇数倍に電気長を調整することによって、垂直偏波すなわち単極モード
で動作させることもできる。電気的または機械的なスイッチを用いて、メアンダ
ラインを調整することで、所与の周波数における動作モードを変更する、または
、所与のモードを用いて周波数を切り換えることができる。
【０００６】 メアンダライン装荷アンテナは、動作周波数の４分の１波長の複数倍に電気長
を維持したまま、物理的なアンテナ寸法を大幅に減少させることを可能にする。
この設計を用いて構成されたアンテナおよび放射構造は、それらの基本性能の制
限がチュー・ハリングトン関係に従う領域で動作する。
【０００７】 効率＝ＦＶ2 Ｑ 但し、Ｑ＝線質係数 Ｖ2 ＝波長の３乗を単位とした構造の体積 Ｆ＝幾何形状係数（立方体または球については、Ｆ＝６４）
【０００８】 メアンダライン装荷アンテナは、動作周波数における波長を大幅に下回るアン
テナサイズを実現しつつ、チュー・ハリングトン関係の効率限界を達成する。す
なわち、４分の１波長の単極アンテナに比べて僅か１０分の１の高さを実現しつ
つ、同等のゲインを実現することができる。
【０００９】
【関連技術の議論】
上述の米国特許第５，７９０，０８０号は、放射アンテナ素子として機能する
１以上の導体素子と、導体素子間で電気信号を結合するよう適合された低速波メ
アンダラインと、を含むアンテナを記載している。メアンダラインは、アンテナ
の電気長および動作特性に影響を及ぼす有効電気長を有する。アンテナの電気長
および動作モードの制御は、容易である。
【００１０】 米国特許第６，０３４，６３７号「ＤＯＵＢＬＥ ＲＥＳＯＮＡＮＴ ＷＩＤ
ＥＢＡＮＤ ＰＡＴＣＨ ＡＮＴＥＮＮＡ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＦＯ
ＲＭＩＮＧ ＳＡＭＥ」は、広帯域幅を提供するための非平行の縁部を有する略
台形の形状を形成する平面共振器を備えた二重共振広帯域パッチアンテナを記載
している。給電ラインは、結合のために非平行の縁部に対して平行に伸びており
、接地平面は、放射効率を高めるために平面共振器の下に広がっている。
【００１１】 米国特許第６，００８，７６２号「ＦＯＬＤＥＤ ＱＵＡＲＴＥＲ ＷＡＶＥ
ＰＡＴＣＨ ＡＮＴＥＮＮＡ」は、第１および第２の互いに離間したアームを
有する導体板を備えた折り返し型４分の１波長パッチアンテナを記載している。
接地平面は、誘電基板によって導体板から隔てられており、導体板とほぼ平行に
なっている。接地平面は、第１のアームの一方の端部に電気的に接続されている
。第１のアームには、さらに、信号部が電気的に接続されている。信号部は、選
択された帯域を有する信号を送信および／または受信する。折り返し型４分の１
波長パッチアンテナは、さらに、二重周波数帯域アンテナとしても機能する。二
重周波数帯域動作では、信号部は、第１の周波数帯域の第１の信号と、第２の周
波数帯域の第２の信号とを、アンテナに供給する。
【００１２】 現行の素子交差メアンダラインアンテナ、特に、別の放射面と交差するアンテ
ナでは、ある程度のシャドーイングとクロスカップリングが生じる。求められて
いるのは、ここで扱った問題および制限に対処する高効率アンテナの設計である
。改良アンテナは、対称の放射パターンを有し、円偏波で動作することが好まし
い。
【００１３】
【発明の概要】
本発明によれば、複数対のボウタイ型ＭＬＡ素子を用いて、従来技術のアンテ
ナの交差ＭＬＡによって引き起こされるパターンの歪みを低減する交差円偏波メ
アンダライン装荷アンテナ（ＭＬＡ）を提供することができる。
【００１４】 したがって、本発明の目的は、対称の放射パターンを有する交差ＭＬＡを提供
することである。 本発明の別の目的は、円偏波モードで動作できる交差ＭＬＡを提供することで
ある。 本発明のさらなる目的は、軸比性能を改善した交差ＭＬＡを提供することであ
る。
【００１５】 本発明の対象物は、接地平面と、４つの三角部を備えた二重ボウタイ型の構成
と、を備える素子交差メアンダライン装荷アンテナである。三角部は各々、接地
平面に略垂直の側部部材と、底辺端部と頂点端部とを備えた三角形の上部部材と
を有する。上部部材は、側面ギャップによって隔てられた側部部材に底辺端部が
沿った状態で、接地平面と略平行に配置されている。頂点端部の各々は、互いに
近接すると共に、頂点ギャップによって隔てられるよう配置されており、第１の
対を構成する２つの三角部をそれぞれの頂点端部で動作可能に接続する第１のコ
ネクタが設けられている。さらに、第２の対を構成する残り２つの三角部をそれ
ぞれの頂点端部で動作可能なように接続する第２のコネクタが設けられており、
第１および第２の対は、互いに直交している。
【００１６】 さら、本発明の対象物は、側面ギャップに配置された２以上の容量性フラップ
をさらに備える素子交差メアンダライン装荷アンテナである。さらに、側面ギャ
ップに配置された２以上のメアンダライン素子を備える素子交差メアンダライン
装荷アンテナを対象としている。
【００１７】 本発明の別の対象は、上部部材が誘電材料に固定された素子交差メアンダライ
ン装荷アンテナである。さらに、側部部材が誘電材料に固定された素子交差メア
ンダライン装荷アンテナが対象となっている。
【００１８】 他の目的は、第１および第２のコネクタがメアンダライン素子である素子交差
メアンダライン装荷アンテナである。
【００１９】 本発明の対象物は素子交差円偏波メアンダライン装荷アンテナを含み、このア
ンテナは、接地平面と、４つの三角部を備えた二重ボウタイ型の構成と、を備え
る。三角部は各々、接地平面に略垂直の側部部材と、底辺端部と頂点端部とを備
えた三角形の上部部材とを有する。上部部材は、側面ギャップによって隔てられ
た側部部材に底辺端部が沿った状態で、接地平面と略平行に配置されている。頂
点端部の各々は、互いに近接すると共に、頂点ギャップによって隔てられるよう
配置されている。対向する第１の対の２つの三角部をそれぞれの頂点端部で、動
作可能に接続する第１のコネクタと、対向する第２の対の三角部をそれぞれの頂
点端部で、動作可能に接続する第２のコネクタと、が設けられている。さらに、
第１の対に接続する第１の信号供給部と、第２の対に接続する第２の信号供給部
と、が設けられており、第２の信号供給部が供給する信号は、位相が９０度ずれ
ている。
【００２０】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
本発明は、素子の間の良好な絶縁と、良好な軸性能とを備える円偏波を実現す
る交差要素ＭＬＡ構造を提供する。
【００２１】 図１は、従来技術のメアンダライン装荷構造１００を示しており、その詳細は
、米国特許第５，７９０，０８０号に記載されている。一対の対向する側面部材
１０２が、接地面１０５に接続されており、接地面１０５から略垂直に伸びてい
る。水平上面カバー部材１０４は、側面部材１０２の間に伸びているが、側面部
材１０２と直接的には接触していない。代わりに、側面部材１０２と上面カバー
部材１０４とを隔てるギャップが存在する。図２に示すようなメアンダライン装
荷素子１０８は、メアンダライン１０８が垂直カバー部材１０４または側面部材
１０２のいずれかの上のギャップ付近に存在するように、構造１００の内側の角
部に配置される。
【００２２】 メアンダライン装荷構造１０８は、ラインの電気長を変更することによって構
造１００の特性に影響を与えるための切り換え手段を提供する。従来技術にさら
に詳しく説明されているように、切り換え手段は、電気長ひいては図３に符号Ａ
〜Ｄに示すように波長を変化させることにより、ループモードまたは単極モード
で動作することを可能な構造となっている。
【００２３】 本発明の特徴のひとつは、ボウタイ型に構成された一対の三角形ＭＬＡ素子を
用いることである。図４には、全体的に符号１００が付されている従来のＭＬＡ
素子交差アンテナの概略斜視図が示されている。各ＭＬＡ素子１０２、１０４は
、ギャップ１１０によって水平面１０８から隔てられた２つの垂直放射面１０６
からなる従来のループ構造を有する。
【００２４】 アンテナから放射する電界（Ｅ）と磁界（Ｈ）とを含む平面は、偏波面と呼ば
れる。この平面は、伝搬の方向に直交している。通例、電界ベクトルの先端は、
偏波面内の楕円軌道に沿って動く。したがって、波の偏波は、この楕円の形状と
方向によって少なくとも部分的に規定される。楕円の形状は、軸比（すなわち、
長軸と短軸との比）によって特定される。アンテナの性能に関する定性的な測定
値として適用すると、一般に、軸比が小さい方が好ましい。
【００２５】 適切に給電された場合には、図５の従来のＭＬＡ構成は、円偏波の信号を生成
することができる。しかしながら、下方のＭＬＡ素子１０２の大部分は、完全に
上方のＭＬＡ素子１０４の陰に隠れるので、アンテナ１００の軸比は、比較的悪
くなる。軸比感度が悪いことに加えて、アンテナ１００は、ＭＬＡ素子１０２お
よび１０４の間の相互作用により悪影響を受ける。
【００２６】 図５は、全体的に符号１２０が付されている改良された素子交差ＭＬＡの概略
斜視図である。一対のＭＬＡループ素子１０２、１０４（図４）は、三角素子１
２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄの対に置き換えられている。素子１２２
ａと１２２ｃは、コネクタ１２４において電気的に接続されており、それらの内
側の全頂点は、第１のボウタイ型素子１２６を形成している。同様に、素子１２
２ｂと１２２ｄは、コネクタ１２８において接続されており、第１のボウタイ型
素子１２６に直交する第２のボウタイ型素子１３０を形成している。ボウタイ型
素子１２６、１３０は、それぞれがメアンダライン装荷素子になっている。従来
技術の交差アンテナ１００（図４）において問題となっていたシャドウイング（
一方のアンテナが他方の影になること）が排除されたことにより、ボウタイ型素
子１２６、１３０の間のクロスカップリングは低減される。さらに、本発明の構
成によれば軸感度も改善される。円偏波を実現するため、ボウタイ型素子１２６
、１３０は、アンテナ設計技術の当業者に周知のように、直交に給電される（す
なわち、９０度位相をずらして、電圧を加えられる）。
【００２７】 三角素子１２２ａ〜ｄは、生産効率のために「矢尻」型の尖った端部ではなく
平坦な頂点を有してもよい。一実施形態では、三角素子は、誘電体に固定される
位置に素子を確実に配置して保持するための誘電板に固定される。
【００２８】 図６に示した別の実施形態では、ボウタイ型の構成に容量性フラップが組み込
まれている。容量性フラップ１４０、１４２、１４４、１４６は、十分な調整を
可能とするためにすべての三角素子１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄに
取り付けてもよい。容量性フラップについては、２００１年５月３１日出願の同
一の発明者による継続特許出願「ＮＡＲＲＯＷ−ＢＡＮＤ， ＣＲＯＳＳＥＤ−
ＥＬＥＭＥＮＴ， ＯＦＦＳＥＴ−ＴＵＮＥＤ ＤＵＡＬ ＢＡＮＤ， ＤＵＡ
Ｌ ＭＯＤＥ ＭＥＡＮＤＥＲ ＬＩＮＥ ＬＯＡＤＥＤ ＡＮＴＥＮＮＡ」に
詳しく記載されている。通常、容量性フラップは、構造の容量調整を可能とする
。引用した特許出願に記載されているような調整のための出願は、比較的高い周
波数のループモード信号が、自然に生じる比較的低い周波数の単極共振周波数を
有する二重帯域二重モードデバイスとしてアンテナを動作させることに関する。
容量性フラップは、ユーザが、単極共振周波数の周波数を、二重帯域動作を実現
するための有用な周波数信号または帯域幅に変更することを可能とする。さらに
、フラップは、垂直偏波された同相の周波数を持つ一対の単極アンテナを実現す
るよう、ボウタイ型の構造の１つを調整することを可能にする。この単極動作は
、ループモード動作に影響せず、二重帯域動作を可能とする。
【００２９】 ボウタイ型メアンダラインアンテナの寸法に関して、チュー・ハリングトン関
係は、反比例する公式を提供している。
【００３０】 特定の動作条件および環境または設計に適合するよう修正された他の変形例お
よび変更例は、当業者にとって明白であるため、本発明は、開示を目的として選
択された実施例に限定されず、本発明の真の範囲から逸脱しない変形例および変
更例を網羅する。
【００３１】 上述のように本発明を記載したが、特許証によって保護されることを望む発明
の内容は、特許請求の範囲において提示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の技術によるメアンダライン装荷アンテナを示す概略斜視図で
ある。
【図２】 図１のメアンダライン装荷アンテナにおいて素子結合器として用い
られるメアンダラインの概略透視図である。
【図３】 符号Ａないし符号Ｄまでの一連の図からなり、アンテナの４つの動
作モードを示す説明図である。
【図４】 従来の技術による二重帯域交差ＭＬＡ装荷アンテナを示す概略斜視
図である。
【図５】 本発明の素子交差ボウタイ型円偏波アンテナを示す概略斜視図であ
る。
【図６】 容量性フラップを備える素子交差ボウタイ型円偏波アンテナを示す
概略斜視図である。
【符号の説明】
１００…メアンダライン装荷構造 １０２…側面部材 １０４…水平上面カバー部材 １０５…接地面 １０６…ギャップ １０８…メアンダライン装荷素子 １２２１２２ｄ…三角素子 １２４…コネクタ １２６…第１のボウタイ型素子 １２８…コネクタ １３０…第２のボウタイ型素子 １４０〜１４６…容量性フラップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (71)出願人 ＢＡＥ ＳＹＳＴＥＭＳ ＩＮＦＯＲＭＡ ＴＩＯＮ ＡＮＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＳＹＳＴＥＭＳ ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯ Ｎ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ (72)発明者 アポストロス・ジョン アメリカ合衆国 ニューハンプシャー州 03054 メリマク，マジェスティック・レ ーン，３ Ｆターム(参考） 5J021 AA02 AA09 AA11 AB04 GA02 JA06 5J046 AA04 AB11 PA00 PA07

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 素子交差メアンダライン装荷アンテナであって、 接地面と、 ４つの三角部を備え、該三角部の各々は、前記接地面に略垂直な側部部材と、
    底辺端部と頂点端部とを備えた三角形の上部部材と、を有し、前記上部部材は、
    側面ギャップによって隔てられた前記側部部材に前記底辺端部が沿った状態で前
    記接地面と略平行に配置され、前記頂点端部の各々は、互いに近接すると共に頂
    点ギャップによって隔てられる位置に配置されている二重ボウタイ型構成と、 各々の前記頂点端部において、前記三角部の２つを第１の対として動作可能に
    接続する第１のコネクタと、 各々の前記頂点端部において、前記三角部の残りの２つを第２の対として動作
    可能に接続する第２のコネクタと、を備え、 前記第１と第２の対は、互いに直交している アンテナ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の素子交差メアンダライン装荷アンテナであ
    って、さらに、前記側面ギャップに配置された２以上の容量性フラップを備える
    アンテナ。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の素子交差メアンダライン装荷アンテナであ
    って、さらに、前記側面ギャップに配置された２以上のメアンダライン素子を備
    えるアンテナ。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の素子交差メアンダライン装荷アンテナであ
    って、前記上部部材は、誘電材料に固定されているアンテナ。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の素子交差メアンダライン装荷アンテナであ
    って、各々の前記側部部材は、誘電材料に固定されているアンテナ。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の素子交差メアンダライン装荷アンテナであ
    って、前記第１および第２のコネクタは、メアンダライン素子であるアンテナ。
  7. 【請求項７】 素子交差円偏波メアンダライン装荷アンテナであって、 接地面と、 ４つの三角部を備え、該三角部の各々は、前記接地面に略垂直の側部部材と、
    底辺端部と頂点端部とを備えた三角形の上部部材と、を有し、前記上部部材は、
    側面ギャップによって隔てられた前記側部部材に前記底辺端部が沿った状態で前
    記接地面と略平行に配置され、前記頂点端部の各々は、互いに近接すると共に頂
    点ギャップによって隔てられる位置に配置されている二重ボウタイ型構成と、 各々の前記頂点端部において、前記三角部の対向する２つを第１の対として動
    作可能に接続する第１のコネクタと、 各々の前記頂点端部において、前記三角部の対向する残りの２つを第２の対と
    して動作可能に接続する第２のコネクタと、 前記第１の対に接続する第１の信号供給部と、 前記第２の対に接続する第２の信号供給部と、を備え、 前記第２の信号供給部が供給する信号は、前記第１の信号供給部の供給する信
    号と位相が９０度ずれている アンテナ。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の素子交差メアンダライン装荷アンテナであ
    って、さらに、前記側面ギャップに配置された２以上の容量性フラップを備える
    アンテナ。
  9. 【請求項９】 請求項７に記載の素子交差メアンダライン装荷アンテナであ
    って、さらに、前記側面ギャップに配置された２以上のメアンダライン素子を備
    えるアンテナ。
  10. 【請求項１０】 請求項７に記載の素子交差メアンダライン装荷アンテナで
    あって、前記上部部材は、誘電材料に固定されているアンテナ。
  11. 【請求項１１】 請求項７に記載の素子交差メアンダライン装荷アンテナで
    あって、前記側部部材は、誘電材料に固定されているアンテナ。
  12. 【請求項１２】 請求項７に記載の素子交差メアンダライン装荷アンテナで
    あって、前記第１および第２のコネクタは、メアンダライン素子であるアンテナ
    。
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