JP2005072716A - 円偏波アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な薄型の平面構造で、左旋円偏波と右旋円偏波とを同時に双方向から発生させること。
【解決手段】帯状部材１，２を用いてループ状に形成した２つのループＬ１〜Ｌ４を有する複数の双ループアンテナ素子１１，１２が、該複数の双ループアンテナ１１，１２が共通接続される共通給電点Ｐを中心に９０度毎に同一平面Ｘ−Ｙ上に配置され、共通給電点Ｐに対して同振幅、同位相で給電され、各双ループアンテナ素子１１，１２間に、９０度に対応した位相差を与える位相差部３，４を双ループアンテナ１２に設け、偏波面を回転させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、円偏波アンテナに関し、特に一つの平面アンテナで同時に左旋円偏波と右旋円偏波を双方向に送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。

従来から、円偏波を発生させる立体的な円偏波アンテナとしては、ヘリカルアンテナがある。また、ワイヤーアンテナの円偏波アンテナとしては、ターンスタイルアンテナがある。このターンスタイルアンテナは、２組のダイポールアンテナを違いに９０度位相をずらして十字状に配置して円偏波を発生させるようにしている。さらに、平面アンテナの円偏波アンテナとしては、マイクロストリップアンテナがある。

特開２００３−０５１７１０号公報

しかしながら、上述したヘリカルアンテナは、一方向に円偏波を発生できるのみであり、同時に左旋円偏波と右旋円偏波を双方向に発生させることはできないとともに、平面構造とすることができないという問題点があった。

また、マイクロストリップ円偏波アンテナは、平面構造であるが、左旋円偏波と右旋円偏波とを同時に双方向に発生させるためには、異なる２つの旋回方向をもつアンテナを背面で接合する必要があり、この場合、平面アンテナの構造の厚みが増してしまい、異なる２つの旋回方向をもつアンテナを形成することから、アンテナ構造が複雑になるという問題点があった。

さらに、ターンスタイルアンテナは、双方向に円偏波を発生させることができるが、位相差を与える際に、各ダイポールアンテナを一体化することができず、平面構造とすると、厚みが増し、構造が複雑になるという問題点があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な薄型の平面構造で、左旋円偏波と右旋円偏波とを同時に双方向から発生させることができる円偏波アンテナを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる円偏波アンテナは、線状または帯状導体をループ状に形成した２つのループ状素子を有する複数の双ループアンテナ素子が、該複数の双ループアンテナが共通接続される給電中心点を中心に所定角度で同一平面上に配置され、該給電中心点に対して同振幅、同位相で給電され、各双ループアンテナ素子間に前記所定角度に対応した位相差を与える位相差手段を設け、偏波面を回転させることを特徴とする。

また、この発明にかかる円偏波アンテナは、上記の発明において、前記位相差手段は、各ループ状素子の給電点の対向位置に設けられたことを特徴とする。

また、この発明にかかる円偏波アンテナは、上記の発明において、前記位相差手段は、各ループ状素子の給電点と前記給電中心点の間に設けられたことを特徴とする。

また、この発明にかかる円偏波アンテナは、上記の発明において、前記複数の双ループアンテナは２つであり、互いに９０度の角度差をもって配置され、前記位相差手段は、いずれか一つの双ループアンテナ素子の各ループ状素子あるいは該各ループ状素子の給電点と前記給電中心点との間に設けられ、約１／４波長の位相差を与えることを特徴とする。

また、この発明にかかる円偏波アンテナは、上記の発明において、前記ループ状素子は、略矩形であることを特徴とする。

また、この発明にかかる円偏波アンテナは、上記の発明において、前記複数の双ループアンテナ素子は、誘電体基板上に形成されたことを特徴とする。

また、この発明にかかる円偏波アンテナは、上記の発明において、前記複数の双ループアンテナ素子のプラス側エレメントとマイナス側エレメントとを誘電体膜を介して異なる層に形成したことを特徴とする。

また、この発明にかかる円偏波アンテナは、上記の発明において、前記複数の双ループアンテナ素子が形成された導体パターンの上部に保護膜を形成したことを特徴とする。

また、この発明にかかる円偏波アンテナは、上記の発明において、前記位相差手段は、前記線状または帯状導体の電気長を異ならせることによって形成されることを特徴とする。

この発明にかかる円偏波アンテナは、複数の双ループアンテナ素子を同一平面上に形成して、左旋円偏波と右旋円偏波とを同時に双方向に発生することができるとともに、各双ループアンテナの給電点を共通接続することができるため、厚さの増大を抑制した平面構造の円偏波アンテナを容易に形成することができるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して、この発明にかかる円偏波アンテナの実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１である円偏波アンテナの概要構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した円偏波アンテナの平面図である。さらに、図３は、図２に示した円偏波アンテナのＡ−Ａ線断面図である。図１〜図３において、この円偏波アンテナ１０は、ループＬ１，Ｌ２を形成した双ループアンテナ１１とループＬ３，Ｌ４を形成した双ループアンテナ１２とが、各双ループアンテナ１１，１２の中央に位置する同一Ｘ−Ｙ平面上の共通給電点Ｐを共有して形成される。この共通給電点Ｐは、各双ループアンテナ１１，１２の中央位置に形成される。また、各双ループアンテナ１１，１２は、互いに９０度の中心角をもって直交配置される。

各双ループアンテナ１１，１２は、共通給電点Ｐから各ループＬ１〜Ｌ４に対する給電点Ｐ１〜Ｐ４までの長さが同一であり、電気長が同一に設定されている。双ループアンテナ１１は、給電点Ｐ１，Ｐ２から先端部側の接続部Ｐ１１，Ｐ１２にかけて、それぞれループＬ１，Ｌ２を形成する。また、双ループアンテナ１２は、給電点Ｐ３，Ｐ４から先端部側の近接部Ｐ１３’，Ｐ１４’にかけてループＬ３，Ｌ４を形成するが、この近接部Ｐ１３’，Ｐ１４’と接続部Ｐ１３，Ｐ１４との各間に約１／４波長の位相差を与える位相差部３，４がそれぞれ形成される。位相差部３，４は、約１／８波長の長さを有した１８０度の折れ曲がり構造であり、これによって９０度の位相の進みあるいは遅れを与えることができる。

ここで、この円偏波アンテナ１０は、２つの双ループアンテナ１１，１２を、共通給電点Ｐを中心に一つのアンテナとして、帯状部材１，２によって形成される。帯状部材１は、導電体であり、誘電体基板６の上面にパターン形成され、帯状部材２は、導電体であり、誘電体基板６の裏面にパターン形成される。帯状部材１，２は、誘電体基板６に設けられたスルーホールＴＨ１〜ＴＨ４を介して接合される。各ループＬ１〜Ｌ４は、約１波長の長さをもち、スルーホールＴＨ１，ＴＨ２は、給電点Ｐ１，Ｐ２の対向位置、すなわち給電点から１／２波長の長さのところに設けられる。一方、スルーホールＴＨ３，ＴＨ４は、給電点Ｐ３，Ｐ４の対向位置から延びる位相差部３，４の折れ曲がり部分である先端に設けられる。なお、導電部材１，２は、線状部材であってもよい。また、帯状部材１，２の各上面に、誘電体によって形成される保護膜７，８を設けてもよい。

この円偏波アンテナ１０は、共通給電点Ｐに対しては、給電線５を介して給電される。給電線５は、平衡２線として共通給電点Ｐに給電される。そして、図１において斜線で示した線状部材１がプラス側エレメントとして機能し、線状部材２がマイナス側エレメントとして機能する。

このような円偏波アンテナ１０を形成することによって、＋Ｚ方向には、右旋円偏波が発生し、−Ｚ方向には、左旋円偏波が発生し、Ｘ−Ｙ平面を境界する双方向に、異なる偏波回転をもつ円偏波を同時に発生させることができる。

ここで、図４を参照して、この円偏波アンテナ１０の円偏波形成について説明する。なお、図４（ａ）〜図４（ｄ）は、順次、９０度毎の電界分布を示している。図４において、まずループＬ１，Ｌ２に最大電界が発生すると、ループＬ３，Ｌ４には９０度の位相遅れが生じるため、発生電界は０になる。ここで、ループＬ１，Ｌ２は、双ループアンテナ１２の軸に対称な構造を有するため、同一方向の電界が発生する。従って、合成電界は、図４紙面上、右上４５度方向に発生する。

図４（ａ）から位相が９０度進むと、ループＬ３，Ｌ４には、それぞれ紙面左上４５度方向に電界が発生する。一方、ループＬ１，Ｌ２は、位相が９０度進むことによって、電界は０となる。従って、合成電界は、図４紙面上、左上４５度方向に発生する。

その後、図（ａ）の位相状態から位相が１８０度進むと、図４（ｃ）に示すように、ループＬ１，Ｌ２に図４（ａ）とは逆方向の電界が発生し、ループＬ３，Ｌ４の電界は０となる。この結果、合成電界は、図４紙面上、左下４５度方向に発生する。

さらに、図４（ａ）の位相状態から位相が２７０度進むと、図４（ｄ）に示すように、ループＬ３，Ｌ４に図４（ｂ）とは逆方向の電界が発生し、ループＬ１，Ｌ２の電界は０になる。この結果、合成電界は、図４紙面上、右下４５度方向に発生する。

図４（ｄ）の位相状態からさらに９０度位相が進むと、図４（ａ）に示した電界分布が発生し、合成電界は、右上４５方向に発生する。この繰り返しが行われることによって、合成電界は、図４の紙面すなわちＸ−Ｙ平面において左回りの偏波回転が生じ、＋Ｚ方向には、右ネジ方向の右旋円偏波が発生し、同時に、−Ｚ方向には左旋円偏波が発生する。なお、帯状部材１，２の上下位置を逆にすることによって、＋Ｚ方向には左旋円偏波が発生し、−Ｚ方向には右旋円偏波が発生するが、この場合、この円偏波アンテナ１０全体を裏返すことによっても同様にして＋Ｚ方向に左旋円偏波を発生することができ、−Ｚ方向に右旋円偏波を発生することができる。

ターンスタイルアンテナも同様にして両面から異なる偏波回転をもつ円偏波を同時に発生させることができるが、ダイポールアンテナの特性上、直交する各アンテナが一つのアンテナとして動作するため、各アンテナの中央位置から給電して位相差を与えることは困難である。

従って、この発明をダイポールアンテナに適用する場合、各ループＬ１〜Ｌ４の位置にそれぞれダイポールアンテナを形成し、それぞれに中央給電点を介して各ダイポールアンテナに給電し、一つの対向するダイポールアンテナのそれぞれに９０度の位相差を与えるようにして形成すればよい。

ここで、図５は、−Ｚ方向に輻射される左旋円偏波のＹ−Ｚ平面指向性を示す図である。また、図６は、＋Ｚ方向に輻射される右旋円偏波のＹ−Ｚ平面指向性を示す図である。図５および図６において、同時に輻射される左旋円偏波も右旋円偏波も、それぞれＺ軸方向に最大利得を有する指向性が得られ、それぞれ各半球に対してほぼ無指向の指向性を得ることができる。

また、図７は、図１に示した円偏波アンテナ１０の軸比の比帯域特性を示している。図７に示すように、この円偏波アンテナ１０では、比帯域７％で軸比５ｄＢ内という良好なアンテナ特性を得ることができた。

（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、ループＬ３，Ｌ４上に位相差部３，４を設けてループＬ１，Ｌ２に対し９０度の位相差を設けるようにしていたが、この実施の形態２では、位相差部３，４を設けず、位相差部３，４の代わりに、共通給電点Ｐと各給電点Ｐ３，Ｐ４との間に位相差部２３，２４を設けている（図８参照）。その他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態２によっても、位相差部２３，２４が、位相差部３，４と同様な作用を奏するため、電磁界は、＋Ｚ方向に右旋円偏波を発生し、−Ｚ方向に左旋円偏波を発生する。この結果、Ｘ−Ｙ平面に対してＺ軸上の双方向に異なる偏波回転をもった円偏波を同時に発生させることができる。

（実施の形態３）
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。上述した実施の形態１，２ではいずれも、ループＬ１〜Ｌ４が略矩形形状とし、パターン形成を容易にしていたが、この実施の形態３では、ループを本来の円形とした円偏波アンテナを実現している。

図９は、この発明の実施の形態３である円偏波アンテナの構成を示す平面図である。図９において、この円偏波アンテナ３０は、実施の形態１に示した各ループＬ１〜Ｌ４の形状を円形のループＬ３１〜Ｌ３４に変更したものである。この場合におけるループ長は、約１波長である。その他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態３に示した円形のループ形状としても、実施の形態１と同様に、双方向に異なる偏波回転をもつ円偏波を同時に発生させることができる。なお、実施の形態２と同様に、共通給電点Ｐと給電点Ｐ３，Ｐ４との間に位相差部を設けるようにしてもよい。

（実施の形態４）
つぎに、この発明の実施の形態４について説明する。上述した実施の形態１〜３では、いずれも、２つの双ループアンテナを、共通給電点を中心に直交配置したものであったが、この実施の形態では、４つの双ループアンテナを、共通給電点を中心に４５度毎に配置している。

図１０は、この発明の実施の形態１０である円偏波アンテナの構成を示す平面図である。図１０において、この円偏波アンテナ４０は、４つの双ループアンテナ４１〜４４が、共通給電点Ｐを中心に４５度毎に配置されている。なお、各ループは円形であり、ループ自体は、円環状に配置される。そして、共通給電点Ｐと各給電点Ｐ４１〜４８との間は、同一線長であり、同じ電気長となる。

双ループアンテナ４１には位相差部を設けず、双ループアンテナ４２には、双ループアンテナ４１に対して４５度の位相差を与えるべく１／１６波長折り返しの位相差部５２ａ，５２ｂを設け、双ループアンテナ４３には、双ループアンテナ４１に対して９０度の位相差を与えるべく１／８波長折り返しの位相差部５３ａ，５３ｂを設け、双ループアンテナ４４には、双ループアンテナ４１に対して１３５度の位相差を与えるべく３／１６波長折り返しの位相差部５４ａ，５４ｂを設けている。これによって、各双ループアンテナ４１〜４４の各ループに発生する電界の合成によって、合成電磁界は左周りに旋回し、＋Ｚ方向には右旋円偏波が発生し、同時に、−Ｚ方向には左旋円偏波が発生する。

図１１は、実施の形態４の円偏波発生の状態を説明する図である。図１１（ａ）〜図１１（ｈ）までは、順次４５度位相間隔に各ループに発生する電界と、そのときの合成電界の向きを示している。図１１に示すように、合成電界は、順次４５度ずつ左周りに回転し、＋Ｚ方向には右旋円偏波が発生し、同時に、−Ｚ方向には左旋円偏波が発生する。

以上のように、この発明にかかる円偏波アンテナは、中継アンテナに有効であるとともに、偏波面がランダムに存在する室内において円偏波の特性を生かした受信アンテナとして有用である。

この発明の実施の形態１である円偏波アンテナの構成を示す斜視図である。 図１に示した円偏波アンテナの平面図である。 図２に示した円偏波アンテナのＡ−Ａ線断面図である。 図１に示した円偏波アンテナの偏波面回転を説明する説明図である。 図１に示した円偏波アンテナの−Ｚ方向における左旋円偏波の指向性を示す図である。 図１に示した円偏波アンテナの＋Ｚ方向における右旋円偏波の指向性を示す図である。 図１に示した円偏波アンテナの軸比の比帯域特性を示す図である。 この発明の実施の形態２である円偏波アンテナの平面図である。 この発明の実施の形態３である円偏波アンテナの平面図である。 この発明の実施の形態４である円偏波アンテナの平面図である。 図１０に示した円偏波アンテナの偏波面回転を説明する説明図である。

符号の説明

１，２ 帯状部材
３，４，２３，２４，３３，３４，５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂ 位相差部
５ 給電線
６ 誘電体基板
７，８ 保護膜
１０，２０，３０，４０ 円偏波アンテナ
１１，１２，２１，２２ 双ループアンテナ
Ｌ１〜Ｌ４，Ｌ３１〜Ｌ３４ ループ
Ｐ 共通給電点
Ｐ１〜Ｐ４，Ｐ３３，Ｐ３４，Ｐ４１〜Ｐ４８ 給電点
Ｐ１１〜Ｐ１４ 接続点
ＴＨ１〜ＴＨ４ スルーホール
Ｒ１ 右旋円偏波
Ｒ２ 左旋円偏波

Claims (9)

1. 線状または帯状導体をループ状に形成した２つのループ状素子を有する複数の双ループアンテナ素子が、該複数の双ループアンテナが共通接続される給電中心点を中心に所定角度で同一平面上に配置され、該給電中心点に対して同振幅、同位相で給電され、各双ループアンテナ素子間に前記所定角度に対応した位相差を与える位相差手段を設け、偏波面を回転させることを特徴とする円偏波アンテナ。
2. 前記位相差手段は、各ループ状素子の給電点の対向位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
3. 前記位相差手段は、各ループ状素子の給電点と前記給電中心点の間に設けられ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. 前記複数の双ループアンテナは２つであり、互いに９０度の角度差をもって配置され、前記位相差手段は、いずれか一つの双ループアンテナ素子の各ループ状素子あるいは該各ループ状素子の給電点と前記給電中心点との間に設けられ、約１／４波長の位相差を与えることを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
5. 前記ループ状素子は、略矩形であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の円偏波アンテナ。
6. 前記複数の双ループアンテナ素子は、誘電体基板上に形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の円偏波アンテナ。
7. 前記複数の双ループアンテナ素子のプラス側エレメントとマイナス側エレメントとを誘電体膜を介して異なる層に形成したことを特徴とする請求項６に記載の円偏波アンテナ。
8. 前記複数の双ループアンテナ素子が形成された導体パターンの上部に保護膜を形成したことを特徴とする請求項６または７に記載の円偏波アンテナ。
9. 前記位相差手段は、前記線状または帯状導体の電気長を異ならせることによって形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の円偏波アンテナ。

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