JP2005072716A - 円偏波アンテナ - Google Patents

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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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