JP2004088325A

JP2004088325A - アンテナアレイ

Info

Publication number: JP2004088325A
Application number: JP2002245318A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Kawasaki; 川▲崎▼　繁男; Kazuhisa Iwasaki; 岩崎　和久; Hideki Urabe; 浦邊　秀樹
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】衛星等を利用した移動体通信に使用される平面アンテナアレイにおいて、衛星等の追尾機構が不要となり、小型、簡易な構成で、移動体通信ができるようにする。
【解決手段】４個あるいは６個の方形マイクロストリップパッチアンテナＰ１１〜Ｐ１４、Ｐ２１〜Ｐ２６を同心円状に、かつ、それぞれ９０度あるいは６０度ずつずらして同心円状に配置する。また、各々の同心円の半径Ｒ１０、Ｒ２０に基づいて、複数のアンテナ素子による最大指向性方向を決定する。そして、例えばパッチアンテナＰ１１へ給電する高周波信号の位相を基準とすると、パッチアンテナＰ１２へ給電する高周波信号は９０度、パッチアンテナＰ１３へ給電する高周波信号は１８０度、パッチアンテナＰ１４へ給電する高周波信号は２７０度ずらして給電を行うようにする。また、互いに対向するアンテナ素子には位相が反転した高周波信号を入力する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に衛星を利用した移動体通信に適したアンテナアレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
衛星放送受信や衛星通信には、利得の大きいパラボラアンテナや平面パッチアンテナアレイが多く使用されている。平面パッチアンテナアレイの一例を図９及び図１０に示す。
【０００３】
図９に示すものは、方形マイクロストリップパッチアンテナアレイであり、誘電体基板１の下側に接地導体２を設け、複数の方形のマイクロストリップパッチアンテナ３を縦横に２次元配列し、アレイ化している。図１０に示すものは、円形のマイクロストリップパッチアンテナ４を同じく平面基板上にアレイ化したものである。
【０００４】
上記のパラボラアンテナや平面パッチアンテナアレイの指向性は、例えば図１１に示すように、ある方向に向かって電界強度が鋭くなっており、その指向性の向きを静止衛星に合わせて高周波信号の送受信を行っている。
【０００５】
また、移動体通信、例えば船舶や自動車での衛星を使用した通信においては、移動体の動きに追従し、機械式もしくは電子式で、パラボラアンテナや平面パッチアンテナアレイの指向性の向きを衛星の方向に合わせている。
【０００６】
機械式で衛星などの位置を追尾する場合は、仰角の可変機構、水平面における回転機構、つまり方角合わせをモータなどを使用して行っている。
【０００７】
電子式の追尾方法は、平面パッチアンテナアレイにおいては個々のマイクロストリップパッチアンテナに移相器をそれぞれ設置し、各アンテナ素子に給電する高周波信号の位相を制御することにより、指向性を衛星の方向へ合わせている。
【０００８】
一般的な平面パッチアンテナアレイは、図１２及び図１３に示すような構成となる。図１２では同心円状に複数の円形パッチアンテナ素子（Ｐ１〜Ｐ６）と中央に円形パッチアンテナ素子（Ｐ７）を配置しており、図１３では縦横に複数の方形パッチアンテナ素子を配置している。
【０００９】
上記の各アンテナ素子に給電される高周波信号は、各々のアンテナ素子において位相がそろった状態、つまり同相で給電される。そのことにより、指向性が正面方向になり、その方向で利得が最大となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来では、上記のように衛星放送受信や衛星通信には利得の大きいパラボラアンテナや平面パッチアンテナアレイが使用されているが、これらのパラボラアンテナや平面パッチアンテナアレイの指向性は鋭いので、アンテナの指向性の向きを衛星などの電波の到来方向に厳密に合わせる必要がある。
【００１１】
更に、機械的に衛星の方向へ指向性を合わせるには、方角を合わせるための回転機構、仰角を合わせるための機構が必要となり、大がかりな構成となる。
【００１２】
また、電子的に衛星の方向へ指向性を合わせるには、各パッチアンテナ素子に移相器を設置する必要があり、制御回路を含めて装置が複雑、大がかりとなる。
【００１３】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、衛星等の追尾機構が不要となり、小型、簡易な構成で、移動体通信が可能なアンテナアレイを提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアンテナアレイは、次のように構成したものである。
【００１５】
（１）複数のアンテナ素子を同心円状に配置した。
【００１６】
（２）上記（１）において、各アンテナ素子をマイクロストリップアンテナによって形成した。
【００１７】
（３）上記（１）または（２）において、各アンテナ素子へ給電する高周波信号を、各々のアンテナ素子の位置角度に応じて位相差を持たせた。
【００１８】
（４）上記（１）ないし（３）何れかにおいて、複数のアンテナ素子による最大指向性方向を、同心円の径に基づいて決定した。
【００１９】
（５）上記（１）ないし（４）何れかにおいて、各アンテナ素子の給電位置を同心円の中心方向に向かって配置し、各々のアンテナ素子に給電する高周波信号の位相を同相とした。
【００２０】
（６）上記（１）ないし（４）何れかにおいて、各アンテナ素子の給電位置を同心円の中心方向から外側に向かって配置し、各々のアンテナ素子に給電する高周波信号の位相を同相とした。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面について説明する。
【００２２】
本発明は、特に平面アンテナ、例えば方形マイクロストリップパッチアンテナや円形マイクロストリップパッチアンテナ等の複数のアンテナ素子を同心円状に円形に配置したアンテナアレイである。また、各アンテナ素子に給電する高周波信号を、各々のアンテナ素子の位置角度に応じて位相差を持たせており、同心円の角度だけずらして与えるようにしている。
【００２３】
図１は本発明の第１の実施例の構成を示す平面図である。同図の（ａ）は、４個の方形マイクロストリップパッチアンテナＰ１１〜Ｐ１４を同心円状に配置したアンテナアレイである。４個のアンテナ素子は各々９０度ずつずらして同心円状に配置している。同図の（ｂ）は、６個の方形マイクロストリップパッチアンテナＰ２１〜Ｐ２６を同心円状に配置したアンテナアレイである。６個のアンテナ素子は各々６０度ずつずらして同心円状に配置している。図中のＲ１０、Ｒ２０は各々の同心円の半径を表しており、この半径に基づいて複数のアンテナ素子による最大指向性方向を決定している。
【００２４】
そして、例えばパッチアンテナＰ１１へ給電する高周波信号の位相を基準とすると、パッチアンテナＰ１２へ給電する高周波信号は９０度、パッチアンテナＰ１３へ給電する高周波信号は１８０度、パッチアンテナＰ１４へ給電する高周波信号は２７０度ずらして給電を行うようにしている。
【００２５】
また、互いに対向するアンテナ素子、例えばパッチアンテナＰ１１とパッチアンテナＰ１３、パッチアンテナＰ１２とパッチアンテナＰ１４は、それぞれ位相が１８０度ずれた高周波信号が入力される。つまり、互いに対向するアンテナ素子には位相が反転した高周波信号が入力される。
【００２６】
図７は図１の（ａ）の４素子パッチアンテナアレイの指向性方向を一例として示している。正面方向（０度方向）に利得のないヌル点があり、最大指向性方向は天頂より３９度の方向となっている。アンテナ素子を本実施例のように同心円状に配置することによって、アンテナアレイの指向性はエレベーション（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）方向（仰角方向）においてのみ存在し、アジマス（ａｚｉｍｕｔｈ）方向（方位角方向）においては無指向性となる。
【００２７】
また、アンテナアレイの指向性の角度は、アンテナ素子を配列する同心円の半径に依存する。図５に本実施例の最大指向性方向を示す。
【００２８】
図５において、パッチアンテナＰ１１とパッチアンテナＰ１３は、位相が１８０度ずれている。つまり、電波到来方向とアンテナ素子のなす仰角θ及びアンテナ素子の間隔２×Ｒ_１０の余弦が、高周波信号の半波長の長さとなる方向が最大指向性の方向となる。このことにより、アンテナ素子を配列する同心円の半径を変えることにより、アンテナアレイの最大指向性仰角θを調整することができる。
【００２９】
一例として、東京から見た静止衛星の仰角を４６度とし、高周波信号の周波数を１２．５ＧＨｚとすると、ｃｏｓ（４６°）＝０．６９、及び波長λ_０＝２４ｍｍであるので、１／２×λ_０＝２×Ｒ×ｃｏｓ（４６°）より、Ｒ＝８．６ｍｍとなる。この半径８．６ｍｍの同心円上にアンテナ素子を配置することにより、仰角４６°方向が最大利得方向のアンテナアレイが実現し、またアジマス方向においては無指向性であるので、どの場所、どの方向であっても衛星方向へ指向性が向いていることになる。
【００３０】
このことにより、移動体による静止衛星を介した通信において、アンテナアレイの指向性方向を衛星の仰角へ合わせることができ、移動による衛星の追尾が必要でなくなる。
【００３１】
また、アンテナ素子は同心円状（同心円上）にいくつ配置しても良い。図１の（ｂ）は方形マイクロストリップパッチアンテナを６個各々６０度ずつずらして平面状に配置した例であるが、この場合、パッチアンテナＰ２１へ給電する高周波信号を基準とすると、パッチアンテナＰ２２へ給電する高周波信号は位相が６０度ずれて給電され、パッチアンテナＰ２３へ給電する高周波信号は位相が１２０度ずれて給電される。他のアンテナ素子も、位置の角度に応じて高周波信号の位相をずらして給電される。
【００３２】
図２は本発明の第２の実施例の構成を示す図である。同図の（ａ）は６個の円形マイクロストリップパッチアンテナＰ３１〜Ｐ３６同心円上に配置し、同図の（ｂ）は８個の円形マイクロストリップパッチアンテナＰ４１〜Ｐ４８を同心円状に配置したアンテナアレイの一例である。
【００３３】
同心円は２重、３重と多重であっても良い。図３は円形マイクロストリップパッチアンテナＰ５１〜Ｐ５６とＰ６１〜Ｐ６ｃを２重に同心円状に配置した、本発明の第３の実施例による平面アンテナアレイの一例を示す図である。
【００３４】
同心円状に配置した各アンテナ素子へ給電する高周波信号は、各アンテナ素子の位置角度に応じた位相のずれを持たせる必要があるが、それに代えて、各アンテナ素子の給電位置を同心円の中心方向へ向かって配置するか、あるいは同心円の中心方向から外側へ向かって配置することにより、各アンテナ素子へ給電する高周波信号の位相を同相、つまり位相のずれを必要としないようにすることも可能である。
【００３５】
図４は本発明の第４の実施例の構成を示す図である。同図の（ａ）は４個の方形マイクロストリップパッチアンテナＰ７１〜Ｐ７４を同心円状に、かつ各々の給電位置を同心円の中心方向へ向けて配置した平面アンテナアレイの一例を示している。同図の（ｂ）は６個の方形マイクロストリップパッチアンテナＰ８１〜Ｐ８６を同心円状に、かつ各々の給電位置を同心円の中心方向から外側に向けて配置した平面アンテナアレイの一例を示している。
【００３６】
この場合、各アンテナ素子へ給電する高周波信号の位相のずれはなく、全て同相給電とすることによって、上述の実施例と同様の作用効果が得られる。
【００３７】
同心円状に配置する各アンテナ素子は、円偏波アンテナであっても良い。図６は４個の円偏波方形マイクロストリップパッチアンテナＰ９１〜Ｐ９４を同心円状に、かつ各々の給電位置を同心円の中心方向へ向けて配置した、本発明の第５の実施例によるアンテナアレイの一例を示す図である。
【００３８】
図８は図２の（ａ）の実施例で、実際に試作した６個の円偏波円形マイクロストリップパッチアンテナを同心円状に、かつ給電位置を中心方向へ向けて配置したアンテナアレイの指向性方向を示す図（グラフ）であり、計算値と実測値を示している。
【００３９】
同心円状に配置する各アンテナ素子はもちろん等間隔にする必要がないことは明らかである。
【００４０】
ここで、同心円状に配置する各アンテナ素子は、もちろん平面アンテナである必要はなく、大型にはなるが、ホーンアンテナやスロットアンテナ、ダイポールアンテナなど、他のどのアンテナであってもかまわない。
【００４１】
また、実施例のアンテナアレイはアンテナ素子の素子数にこだわらず、同心円状に配置して、アジマス方向における最大利得指向性が無指向性を持つようにしたことを特徴としている。
【００４２】
このように、本発明の各実施例では、衛星等の追尾機構が不要となり、小型、簡易な構成で、移動体通信が可能となる。
【００４３】
すなわち、従来の平面アンテナアレイやパラボラアンテナなど、衛星通信で使用する高利得のアンテナの指向性は鋭く、常に指向性方向を衛星へ向けていなければならなかった。そのため、移動体通信、例えば車載による衛星を介した通信装置として使用するためには、アンテナの衛星追尾機能が必要となり、大がかりな制御装置が必要であった。
【００４４】
しかし、本発明では、エレベーション方向の指向性を設計において衛星の仰角に合わせ、かつアジマス方向においては無指向性であるため、移動体例えば車載などの衛星を介した通信において、衛星の追尾機構（補足機構）を必要とせず、どの位置からもアンテナアレイの最大指向性方向が衛星に向いており、小型簡易な通信装置を実現することができる。
【００４５】
なお、本発明は、デジタル衛星放送、通信衛星を介した通信装置など、静止衛星を利用した通信における、高周波信号を受信、送信する機器のアンテナ、また、自動車などに搭載する衛星を利用した移動体通信装置のアンテナに適用することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、衛星等の追尾機構が不要となり、小型、簡易な構成で、移動体通信が可能になるという効果が得られる。
【００４７】
すなわち、エレベーション方向の指向性を設計において徹星の仰角に合わせることができ、かつアジマス方向においては無指向性であるため、移動体例えば車載などの衛星を介した通信において、衛星の追尾機構（補足機構）を必要とせず、どの位置からもアンテナアレイの最大指向性方向が衛星に向いており、小型簡易な通信装置を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の構成を示す平面図
【図２】第２の実施例の構成を示す平面図
【図３】第３の実施例の構成を示す平面図
【図４】第４の実施例の構成を示す平面図
【図５】第１の実施例の最大指向性方向を示す説明図
【図６】第５の実施例の構成を示す平面図
【図７】第１の実施例の指向性方向を示す図
【図８】第２の実施例の指向性方向を示す図
【図９】マイクロストリップパッチアンテナアレイを示す斜視図
【図１０】マイクロストリップパッチアンテナアレイを示す斜視図
【図１１】アンテナアレイの指向性の一例を示す図
【図１２】平面アンテナアレイを示す平面図
【図１３】平面アンテナアレイを示す平面図
【符号の説明】
Ｐ１１〜Ｐ１４　方形マイクロストリップパッチアンテナ
Ｐ２１〜Ｐ２６　方形マイクロストリップパッチアンテナ
Ｐ３１〜Ｐ３６　円形マイクロストリップパッチアンテナ
Ｐ４１〜Ｐ４８　円形マイクロストリップパッチアンテナ
Ｐ５１〜Ｐ５６　円形マイクロストリップパッチアンテナ
Ｐ６１〜Ｐ６Ｃ　円形マイクロストリップパッチアンテナ
Ｐ７１〜Ｐ７４　方形マイクロストリップパッチアンテナ
Ｐ８１〜Ｐ８６　方形マイクロストリップパッチアンテナ
Ｐ９１〜Ｐ９４　円偏波方形マイクロストリップパッチアンテナ

Claims

複数のアンテナ素子を同心円状に配置したことを特徴とするアンテナアレイ。
各アンテナ素子をマイクロストリップアンテナによって形成したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナアレイ。
各アンテナ素子へ給電する高周波信号を、各々のアンテナ素子の位置角度に応じて位相差を持たせたことを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナアレイ。
複数のアンテナ素子による最大指向性方向を、同心円の径に基づいて決定したことを特徴とする請求項１ないし３何れかに記載のアンテナアレイ。
各アンテナ素子の給電位置を同心円の中心方向に向かって配置し、各々のアンテナ素子に給電する高周波信号の位相を同相としたことを特徴とする請求項１ないし４何れかに記載のアンテナアレイ。
各アンテナ素子の給電位置を同心円の中心方向から外側に向かって配置し、各々のアンテナ素子に給電する高周波信号の位相を同相としたことを特徴とする請求項１ないし４何れかに記載のアンテナアレイ。