JP2006222848A - 円偏波アンテナ、アンテナ設計シミュレータ、及び同アンテナを備えた無線モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で薄型の円偏波アンテナ、及び同アンテナを設計するアンテナ設計シミュレータ、及び同アンテナを備えた無線モジュールを提供する。
【解決手段】 板状の金属導体１５から形成した一群の導体線路１５ａと、その導体線路１５ａに接続される給電部１４から構成し、導体線路１５ａに励起される電流の互いに直交する２軸への射影が、その絶対値が概ね等しく、偏角の差の絶対値が概ね９０度となるように、且つ給電部１４のインピーダンスのリアクタンス成分がおよそ０となるようにする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、円偏波アンテナ及び同アンテナの設計シミュレータに係り、同アンテナを備えた無線モジュールに関するものである。

衛星放送（ＢＳ）や位置情報システム（ＧＰＳ）等の分野においては、偏波面の傾きに関わらず良好な受信を可能とするために円偏波アンテナが用いられている。代表的な円偏波アンテナとしては、非特許文献１等に記載されるような、一点給電型マイクロストリップアンテナが広く知られている。同アンテナに縮退分離素子を設け空間的に直交する２つのモードを生成することで円偏波アンテナが設計できる。しかしながら、同アンテナには放射導体の一辺の長さが使用波長の約１／２になるというサイズ的な制約があり、小型化が難しかった。

無線モジュールには小型且つ薄型のアンテナが望まれることから、これまでに様々な小型化方法、薄型化方法、及び設計方法が検討されてきた。

一点給電型円偏波アンテナの小型化方法、薄型化方法、及び設計方法としては、特許文献１−３に記載された方法がある。

特許文献１では、縮退分離素子により互いに直交し位相の異なる２つの共振モード方向に対し±４５度で直交する直線方向の導体両端に切込みを形成し、前記共振モード方向に対し±４５度で直交する直線のいずれかと前記給電点の偏位方向とを一致させることにより、共振周波数を下げ同一周波数におけるアンテナ寸法を縮小している。

特許文献２では、ループを基本素子とする線状アンテナ素子を用いることでアンテナを小型化している。

特許文献３では、放射素子を単線角型スパイラル状とし、最外周長を実行波長以上であって実行波長の２倍以下の長さに選ぶことでアンテナを小型化している。

特許第２８２６２２４号公報 特開平０８−５１３１２号公報 特開２００１−２５１１３２号公報 羽石操ほか、電子情報通信学会編「小型・平面アンテナ」１９９６年、コロナ社、１４２−１６４頁

特許文献１に記載される方法では、円偏波の発生に必要な直交する２つのモードを保持したままの小型化が可能であるが、高周波回路との整合を取ることに難しさがあった。入力インピーダンスのリアクタンスを調整する方法は記載されているものの、レジスタンスの調整には幾度も試行錯誤を重ねる必要があり、設計時間が長大化する問題があった。

特許文献２に記載される方法では、角型ループ素子のアスペクト比及び素子と接地導体との距離を調整することで良好な円偏波を発生できるものの、高周波回路との整合と取ることに難しさがあった。放射素子の一部にリアクタンスを装荷して入力インピーダンスを調整する方法、複数の放射素子を並列接続して入力インピーダンスを調整する方法が述べられているが、系統的な設計が難しく設計時間が長大化する問題があった。

特許文献３に記載される方法では、放射素子をスパイラル状にすることで小型化が容易ではあるものの、円偏波の発生及び高周波回路との整合の両方の条件を考慮しながら構造を幾度も調整する必要があり、設計が難しく設計時間が長大化する問題があった。

以上のことから、良好な円偏波特性を持ち且つ高周波回路との整合を実現する小型で薄型の円偏波アンテナ、及び同アンテナを系統的に短時間で設計するための設計シミュレータが望まれている。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型で薄型の円偏波アンテナ、及び同アンテナの系統的且つ短時間の設計を可能とするアンテナ設計シミュレータを提供し、同アンテナを備えた無線モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、板状の金属導体から形成した一群の導体線路と、その導体線路に接続される給電部から構成され、該導体線路に励起される電流の互いに直交する２軸への射影が、その絶対値の比が０．７〜１．３、偏角の差の絶対値が８０〜１００度であって、且つ給電部のインピーダンスのリアクタンス成分がおよそ０であることを特徴とする円偏波アンテナである。

請求項２の発明は、金属導体を有限個のセグメントに分割し、その各セグメントを適宜除去して一群の導体線路を形成する請求項１記載の円偏波アンテナである。

請求項３の発明は、板状の金属導体から形成した一群の導体線路に給電部を接続し、その導体線路に励起される電流を計算し、上記電流の互いに直交する２軸への射影が、その絶対値の比が０．７〜１．３か判定し、偏角の差の絶対値が８０〜１００度であるか判定し、且つ給電部のインピーダンスが高周波回路のインピーダンスに整合がとれているか判定することを特徴とするアンテナ設計シミュレータである。

円偏波の発生には、円偏波の放射方向に垂直な面において、互いに直交する方向の偏波成分の強度が概ね等しく且つ位相差の絶対値が概ね９０度であることが必要である。

アンテナの放射特性は、「新井、新アンテナ工学、総合電子出版社、２００１年、ｐ９」等に記載されるように、導体に流れる各電流からの放射特性を各々計算して各計算結果を重ね合わせることで求められる。アンテナ近辺の放射特性は、アンテナサイズが無視できないために、上記計算方法にて放射特性を求める必要がある。

しかしながら、地上と衛星間のような、極めて遠方の放射界を考える場合には、アンテナサイズは相対的に極めて小さく、アンテナが点であると考えられる。このような場合には、放射界の強度及び位相は、アンテナに流れる各電流の強度及び位相の総和を限りなく反映する、即ち、放射界の強度は各電流の強度の総和に比例し、放射界の位相は各電流の位相の総和に等しくなると考えられる。

本発明のアンテナ設計シミュレータは、以上の観点から、放射界の偏波成分の強度及び位相を各電流の強度及び位相の総和から求めている。

これより、各電流の放射特性を各々計算する必要がなくなり、短時間の設計が可能となる。

請求項４の発明は、給電部のインピーダンスが高周波回路のインピーダンスに整合がとれるように導体線路の構造を繰り返し変更して電流を設計する演算手段を備え、導体線路の構造を変更する毎に電流の互いに直交する２軸への射影が、その絶対値の比が０．７〜１．３、偏角の差の絶対値が８０〜１００度であるか判定する請求項３記載のアンテナ設計シミュレータである。

インピーダンス設計の過程において、円偏波条件を満足するアンテナ構造を探索することで、設計効率を高める効果がある。

請求項５の発明は、金属導体を有限個のセグメントに分割し、その各セグメントを適宜除去して一群の導体線路を形成する請求項３又は４記載のアンテナ設計シミュレータである。

請求項６の発明は、互いに平行ではない、少なくとも２方向以上のセグメント間の電流をモーメント法を用いて仮定する請求項５記載のアンテナ設計シミュレータである。

請求項７の発明は、インピーダンスの次元を持つ階数Ｎの行列Ｚを格納する第一の記憶手段を有し、電圧の次元を持つ階数ＮのベクトルＶを格納する第二の記憶手段を有し、行列Ｚから複数個の行と列を削除することによって得られる階数ｎ（ｎ＜Ｎ）の行列ｚを格納する第三の記憶手段を有し、ベクトルＶから複数個の行を削除することによって得られる階数ｎのベクトルｖを格納する第四の記憶手段を有し、行列ｚの逆行列でありアドミタンスの次元を持つ階数ｎの行列ｙを格納する第五の記憶手段を有し、行列ｙとベクトルｖの積から得られる電流の次元を持つ階数ｎのベクトルｉを格納する第六の記憶手段を有し、第一乃至第六の記憶手段を用いてベクトルｉを設計する演算手段を備え、ベクトルｉの各要素ｉ₁〜ｉ_nを互いに直交する２軸ｘ、ｙに射影した各要素がｘ₁〜ｘ_n及びｙ₁〜ｙ_nであるとき、ｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値とが概ね等しくなるようにベクトルｉを設計し、ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角との差の絶対値が概ね９０度となるようにベクトルｉを設計し、高周波回路のインピーダンスがｚ_f でありベクトルｉの給電部に相当する要素がｉ_e であり、ベクトルｖの給電部に相当する要素がｖ_e であるとき、ｚ_f とｖ_e／ｉ_eとが概ね等しくなるように即ち電圧定在波比
(1+|(v_e/i_e-z_f)/(v_e/i_e+z_f)|)/(1-|(v_e/i_e-z_f)/(v_e/i_e+z_f)|) ・・・（式1）
が小さくなるようにベクトルｉを設計する請求項６記載のアンテナ設計シミュレータである。

請求項８の発明は、金属導体を有限個のセグメントに分割し、これら任意のセグメントを除去した除去候補セグメントを格納する第十の記憶手段を有し、
演算手段は、前記第一〜第六の記憶手段を基に、各々の除去候補セグメントの各々の電流のベクトルｉを計算し、
そのベクトルｉの各要素ｉ₁〜ｉ_nを互いに直交する２軸ｘ、ｙに射影した各要素がそれぞれｘ₁〜ｘ_n及びｙ₁〜ｙ_nであるとき、ｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値を格納する第七の記憶手段を有し、
ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角を格納する第八の記憶手段を有し、
高周波回路のインピーダンスがｚ_fでありベクトルｉの給電部に相当する要素がｉ_eでありベクトルｖの給電部に相当する要素がｖ_eであるときの電圧定在波比を格納する第九の記憶手段を有し、
さらに、前記演算手段は、第十の記憶手段からの除去候補セグメントの電圧定在波比を順次除去候補セグメントがなくなるまで繰り返し演算し、第七〜第九の記憶手段を参照して、ｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値とが概ね等しく、ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角との差の絶対値が概ね９０度となり、電圧定在波比が所定の値より小さくなる除去候補セグメントを判別し、
その判別した除去候補セグメントを出力する出力手段を備える請求項７記載のアンテナ設計シミュレータである。

請求項９の発明は、請求項１又は２記載の円偏波アンテナ或いは請求項３乃至８のいずれか記載のアンテナ設計シミュレータで設計された円偏波アンテナを備えることを特徴とする無線モジュールである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
（１）小型で薄型の円偏波アンテナを提供できる。
（２）円偏波アンテナの系統的で短時間の設計を可能とする設計シミュレータを提供できる。
（３）円偏波アンテナを備えた小型で薄型の無線モジュールを提供できる。

以下本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

先ず、本発明のアンテナ設計シミュレータで設計される円偏波アンテナを図６、図７により説明する。

図６は、円偏波を送受信可能なアンテナであり、アンテナＡ１は、板状の金属導体１５の概略中央部に給電部１４を接続し、その金属導体１５を適宜切り欠いて一群の導体線路１５ａが形成される。

このアンテナＡ１の設計は、図７に示すように金属導体１５を、複数のセグメント１５ｓに分割する。図６、図７の例では、金属導体１５の外寸は４８ｍｍ×４８ｍｍであり、これをｘ、ｙ方向に１６×１６分割し、３ｍｍ×３ｍｍのセグメント１５ｓに分割する。

各セグメント１５ｓの電流は、互いに直交する２軸ｘ、ｙに射影された各セグメント１５ｓ間の電流１６ｘ、１６ｙで定義される。

このセグメント１５ｓのうち、各々一つを除去したときの各セグメント１５ｓ間の電流１６ｘ、１６ｙの射影を求め、これらの総和の絶対値と偏角を計算し、さらに、電圧定在比を計算し、設計目標となるまで、適宜任意のセグメント１５ｓを除去することで、図６に示すように導体線路１５ａに励起される電流の互いに直交する２軸への射影が、その絶対値が概略等しく、偏角の差の絶対値が概略９０度であり、給電部１４のインピーダンスのリアクタンス成分がおよそ０となるアンテナＡ１を得ることができる。

これらセグメント１５ｓの除去部分を０とするとインピーダンスは、ある階数の行列で、また電流はアドミタンス行列を用いて計算機で簡単に求めることができる。

さて、図１は本発明の一実施の形態のアンテナ設計シミュレータの構成を示す図である。

図１において、１は、インピーダンスの次元を持つ階数Ｎの行列Ｚを格納する第一の記憶手段であり、２は、電圧の次元を持つ階数ＮのベクトルＶを格納する第二の記憶手段であり、３は、行列Ｚから複数個の行と列を削除することによって得られる階数ｎ（ｎ＜Ｎ）の行列ｚを格納する第三の記憶手段であり、４は、ベクトルＶから複数個の行を削除することによって得られる階数ｎのベクトルｖを格納する第四の記憶手段であり、５は、行列ｚの逆行列でありアドミタンスの次元を持つ階数ｎの行列ｙを格納する第五の記憶手段であり、６は、行列ｙとベクトルｖの積から得られる電流の次元を持つ階数ｎのベクトルｉを格納する第六記憶手段であり、７は、ベクトルｉの各要素ｉ₁〜ｉ_nを少なくとも一つの互いに直交する２軸ｘ、ｙに射影した各要素がそれぞれｘ₁〜ｘ_n及びｙ₁〜ｙ_nであるときのｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値とを計算して格納する第七の記憶手段であり、８は、ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角とを計算して格納する第八の記憶手段であり、９は、アンテナに電力を供給する高周波回路のインピーダンスがｚ_fでありベクトルｉの給電部に相当する要素がｉ_eでありベクトルｖの給電部に相当する要素がｖ_eであるときの電圧定在波比（式１）
(1+|(v_e/i_e-z_f)/(v_e/i_e+z_f)|)/(1-|(v_e/i_e-z_f)/(v_e/i_e+z_f)|) ・・・（式1）
を計算して格納する第九の記憶手段であり、１０は、設計を行うアンテナ構造のパラメータを格納する第十の記憶手段である。

これら第一〜第十の記憶手段１〜１０は、データバス１３を通じて演算手段１２と出力手段１１に接続される。

また、各記憶手段１〜１０としては、マイコン中のメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）などを用いることにより実現できる。

この図１のシミュレータにおいて、第十の記憶手段１０に設計を行うアンテナ構造のパラメータを入力し、そのパラメータを基に、マイコンに搭載されたＣＰＵなどの演算手段１２が、第一〜第六の記憶手段１〜６を基にベクトルを計算し、第七〜第十の記憶手段７〜１０を参照して設計目標を概ね満足するアンテナ構造並びにその特性を演算し、これを出力手段１１に出力して所望のアンテナを得るようになっている。

図２は、図１のアンテナ設計シミュレータの設計アルゴリズムを示すフローチャートである。

先ず、アンテナ構造がランダムに選択され（Ｓ１）、そのアンテナに流れる電流ベクトルｉが少なくとも２方向以上の電流を仮定するモーメント法を用いて導出される（Ｓ２）。ベクトルｉの各要素ｉ₁〜ｉ_nは少なくとも一つの互いに直交する２軸ｘ、ｙに射影され（Ｓ３）、各要素がそれぞれｘ₁〜ｘ_n及びｙ₁〜ｙ_nであるときのｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値が計算され（Ｓ４）、ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角とが計算され（Ｓ５）、電圧定在波比が計算され（Ｓ６）、設計目標が達成されているかどうか判定され（Ｓ７）、設計目標が達成されていればアンテナ構造並びにその特性を出力（Ｓ８）して終了し、達成されていなければ Ｓ１〜Ｓ７を繰り返す。

設計目標は、ｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値とが概ね等しく、具体的数値としては、各々の軸ｘ、ｙの総和の絶対値の比が、０．７〜１．３であること、特に０．９〜１．１であることが好ましく、またｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角との差の絶対値が概ね９０度、具体的数値としては、各々の総和の偏角との差の絶対値が、８０〜１００度であること、電圧定在波比が所定の値より小さいこと、具体的数値としては、３．０以下、好ましくは２．０以下であることである。

以上のように、本発明のアンテナ設計シミュレータは、円偏波アンテナの計算機を用いた自動設計が可能であり、設計時間を短縮し、設計者の労力を軽減する効果がある。

図１におけるアンテナ構造のパラメータを格納する第十の記憶手段１０には、種々のパラメータ（送受信周波数、高周波モジュールのインピーダンス、金属導体の外寸、分割セグメント数、給電点位置、任意のセグメントを除去して得られるアンテナ形状など）が入力されて、シミュレートされるが、これらパラメータ中、送受信周波数、高周波モジュールのインピーダンス、金属導体の外寸、分割セグメント数、給電点位置は、設計目標で一意に決められるため、アンテナ設計においては、分割セグメントのどの部分を除去すれば、設計目標のアンテナ特性が得られるかにある。

図３は、図１で説明した、第十の記憶手段１０に除去候補セグメントを格納し、その第十の記憶手段１０を基に設計目標のアンテナを得るためのシミュレータ構成を示したものであり、除去候補セグメントを格納する第十の記憶手段１０以外の構成は、図１と同じである。

この図３において、第十記憶手段１０で除去セグメント候補を順次出力し、演算手段１２が、それらセグメントを除去したアンテナの特性を演算して設計目標のアンテナが得られているかを求めるようになっている。

この図３のアンテナ設計シミュレータの設計アルゴリズムを示すフローチャートを図４により説明する。

図４において、アンテナを構成する金属導体を有限個のセグメントに分割し（Ｓ１）、除去候補セグメントを各々一つ除去したときの電流ベクトルｉを少なくとも２方向以上の電流を仮定するモーメント法を用いて計算して格納し（Ｓ２）、各々のベクトルｉの各要素ｉ₁〜ｉ_nを少なくとも一つの互いに直交する２軸ｘ、ｙに射影し（Ｓ３）、各要素がそれぞれｘ₁〜ｘ_n及びｙ₁〜ｙ_nであるときのｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値とを計算して格納し（Ｓ４）、ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角とを計算して格納し（Ｓ５）、アンテナに電力を供給する高周波回路のインピーダンスがｚ_fでありベクトルｉの給電部に相当する要素がｉ_eでありベクトルｖの給電部に相当する要素がｖｅであるときの電圧定在波比（式１）を計算して格納し（Ｓ６）する。この電圧定在波比が、設計目標を達成しているかの判断（Ｓ９）でｎｏとされたなら、電圧定在波比が最小となる除去候補セグメントを一つ判別して該除去候補セグメントを除去して格納し（Ｓ７）、除去候補セグメントが存在するかどうか判定し（Ｓ８）、なければ終了し、そうでなければＳ２に戻る。

このようにして、各ループにてＳ６の後に設計目標が達成されているかどうか判定し（Ｓ９）、達成されていなければＳ７に進み、達成されていれば除去セグメント並びにその構造の特性を出力（Ｓ１０）して終了する。

設計目標は、ｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値とが概ね等しく（絶対値の比が０．７〜１．３、好ましくは０．９〜１．１）、ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角との差の絶対値が概ね９０度（８０〜１１０度）であり、電圧定在波比が所定の値より小さいこと（電圧定在波比が３．０以下、好ましくは２．０以下）である。

図４に示す設計アルゴリズムを簡単な例を用いて更に詳細に説明する。

図５は、図４の設計アルゴリズムによるアンテナ構造推移の一例を示す図である。

アンテナを構成する金属導体１５に給電部１４が設けられ、金属導体１５は、例えば６個のセグメント１５ｓに分割され、電流１６ｘ、１６ｙが仮定されている（Ｓ１）。給電部に関係するセグメント１５ｓは除去できないため、セグメントｓ１、ｓ２、ｓ３及びｓ６が除去候補セグメントとなる。

次に、各除去候補セグメントを除去したときの電流ｉをそれぞれ導出し（Ｓ２）、ベクトルｉの各要素を少なくとも一つの互いに直交する２軸ｘ、ｙに射影し（Ｓ３）、各要素がそれぞれｘ₁〜ｘ_n及びｙ₁〜ｙ_nであるときのｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値とを計算して格納し（Ｓ４）、ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角とを計算して格納し（Ｓ５）、電圧定在波比（式１）を計算して格納する（Ｓ６）。

ここで、設計目標が達成されているかどうか判定する（Ｓ９）。ここでは、４つの構造いずれも設計目標が達成されていないためにＳ７に進む。各除去候補セグメントを除去した時の電圧定在波比を比較し、電圧定在波比が最小となる除去候補セグメントを除去する（Ｓ７）。ここでは、セグメントｓ３を除去した時の電圧定在波比が最小であるため、セグメントｓ３を除去する。

次に、除去候補セグメントが存在するかどうかを判定（Ｓ８）するが、除去候補セグメントとしてセグメントｓ１、ｓ２及びｓ６が存在するため、Ｓ２に進む。各除去候補セグメントを除去した時の電流ｉを導出し（Ｓ２）、ベクトルｉの各要素を少なくとも一つの互いに直交する２軸ｘ、ｙに射影し（Ｓ３）、各要素がそれぞれｘ₁〜ｘ_n及びｙ₁〜ｙ_nであるときのｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値とを計算して格納し（Ｓ４）、ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角とを計算して格納し（Ｓ５）、電圧定在波比（式１）を計算して格納する（Ｓ６）。ここで、設計目標が達成されているかどうか判定する（Ｓ９）が、除去候補セグメント１を除去した構造にて設計目標が達成されているため、Ｓ１０に進む。除去セグメントと特性を出力（Ｓ１０）して終了する。ここでの除去セグメントはｓ１とｓ３である。

以上のように、本発明のアンテナ設計シミュレータは、電圧定在波比が最小となる方向に構造を設計し、且つその各設計過程にて円偏波条件を満足する構造を探索することで、設計の効率を高め、設計時間の更なる短縮に効果がある。

さて、図６は、図２、図３で説明したアンテナ設計シミュレータを用いて設計した本発明のアンテナＡ１の構造図である。

この図６の円偏波アンテナＡ１は、位置情報システム（ＧＰＳ）に対応したアンテナであり、１５７５ＭＨｚ付近にて円偏波を送受信可能なアンテナである。

アンテナＡ１を構成する板状の金属導体１５の外寸は４８ｍｍ×４８ｍｍである。給電部１４は金属導体１５の概中央部に接続されている。

また、図７に示すように金属導体１５は、３ｍｍ×３ｍｍのセグメント１５ｓに分割され、電流１６は各セグメント１５ｓ間に定義されている。各電流１６ｘ、１６ｙは図中の互いに直交する２軸ｘ、ｙに射影される。

この図７の金属導体１５から、図４でに示されるフローチャートに従いセグメント１５ｓを適宜除去してアンテナを設計したところ、図６に示す構造を得た。

設計目標は、ｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値との比が０．７以上１．３以下、好ましくは０．９以上、１．１以下、ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角との差の絶対値が８０度以上１００度以下、高周波回路のインピーダンスが５０Ωである時の電圧定在波比が３．０以下好ましくは２．０以下とした。

図６の構造のアンテナＡ１を試作して実測した結果、図８（ａ）、図８（ｂ）に示す特性を得た。

図８（ａ）に示すように、軸比が３．０ｄＢ以下であれば、良好な円偏波アンテナであるとされているが、所定の周波数（１５７５ＭＨｚ）にて軸比が２．６ｄＢであり、円偏波アンテナとして十分に機能する。

図８（ｂ）に示すように、電圧定在波比は１．４であり、高周波回路との良好な整合が実現されている。

アンテナＡ１の外寸は４８ｍｍであり、使用周波数における波長の約１／４であり、従来の円偏波アンテナと比較して十分に小型である。さらに金属導体で構成されており、従来の円偏波アンテナと比較して十分に薄型である。

以上のように、本発明のアンテナ設計シミュレータを用いて設計される円偏波アンテナは、良好な円偏波特性を有し、高周波回路との良好な整合を実現し、小型且つ薄型であるという特徴を持つ。

次に、本発明の他の実施の形態を図９に基づいて詳細に説明する。

図９は本発明のアンテナＡ２であり、図６で説明した一群の導体線路１５ａの構造を持つ板状の金属導体１５で構成されている。

このアンテナＡ２は、図１０の工程にて作製される。

金属導体をプレス加工にて外形加工し、表面処理が施されている。また給電部には同軸ケーブル１７が接続されている。

以上のように、本発明のアンテナは、プレス加工などの汎用的な金属加工にて容易に作製でき、同軸ケーブルにて給電することで低損失の給電が可能となり、放射効率の低下を防ぐことができる。

次に、本発明の他の実施の形態を図１１に基づいて詳細に説明する。

図１１は本発明のアンテナＡ３を備えた無線モジュールであり、図６の実施の形態にて述べられた導体構造を持つアンテナを備えている。

回路基板１８に設けられた高周波回路１９から給電線路２０を用いて高周波電力がアンテナＡ３に供給されている。アンテナ構造には回路基板１８に設置される影響を加味した調整が加えられており、円偏波の良好な送受信が可能となっている。

以上のように、本発明のアンテナを用いることで、小型且つ薄型で高性能の無線モジュールを提供できる。

本発明のアンテナ設計シミュレータの構成図である。 図１のアンテナ設計シミュレータの設計アルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明のアンテナ設計シミュレータの構成図である。 図３のアンテナ設計シミュレータの設計アルゴリズムを示すフローチャートである。 図４の設計アルゴリズムによるアンテナ構造の推移を示す構造図である。 本発明のアンテナの構造図である。 本発明の設計アルゴリズムを実行する際の初期条件を説明するための構造図である。 図６のアンテナ構造の特性を示す特性図である。 本発明のアンテナの構造図である。 本発明のアンテナの作製工程を示すフローチャートである。 本発明のアンテナを備えた無線モジュールを示す構造図である。

符号の説明

１〜１０ 記憶手段
１１ 出力手段
１２ 演算手段
１３ データバス
１４ 給電部
１５ 金属導体
１５ａ 導体線路
１５ｓ セグメント
１６ 電流
１７ 同軸ケーブル
１８ 回路基板
１９ 高周波回路
２０ 給電線路

Claims (9)

1. 板状の金属導体から形成した一群の導体線路と、その導体線路に接続される給電部から構成され、該導体線路に励起される電流の互いに直交する２軸への射影が、その絶対値の比が０．７〜１．３、偏角の差の絶対値が８０〜１００度であって、且つ給電部のインピーダンスのリアクタンス成分がおよそ０であることを特徴とする円偏波アンテナ。
2. 金属導体を有限個のセグメントに分割し、その各セグメントを適宜除去して一群の導体線路を形成する請求項１記載の円偏波アンテナ。
3. 板状の金属導体から形成した一群の導体線路に給電部を接続し、その導体線路に励起される電流を計算し、上記電流の互いに直交する２軸への射影が、その絶対値の比が０．７〜１．３か判定し、偏角の差の絶対値が８０〜１００度であるか判定し、且つ給電部のインピーダンスが高周波回路のインピーダンスに整合がとれているか判定することを特徴とするアンテナ設計シミュレータ。
4. 給電部のインピーダンスが高周波回路のインピーダンスに整合がとれるように導体線路の構造を繰り返し変更して電流を設計する演算手段を備え、導体線路の構造を変更する毎に電流の互いに直交する２軸への射影が、その絶対値の比が０．７〜１．３、偏角の差の絶対値が８０〜１００度であるか判定する請求項３記載のアンテナ設計シミュレータ。
5. 金属導体を有限個のセグメントに分割し、その各セグメントを適宜除去して一群の導体線路を形成する請求項３又は４記載のアンテナ設計シミュレータ。
6. 互いに平行ではない、少なくとも２方向以上のセグメント間の電流をモーメント法を用いて仮定する請求項５記載のアンテナ設計シミュレータ。
7. インピーダンスの次元を持つ階数Ｎの行列Ｚを格納する第一の記憶手段を有し、電圧の次元を持つ階数ＮのベクトルＶを格納する第二の記憶手段を有し、行列Ｚから複数個の行と列を削除することによって得られる階数ｎ（ｎ＜Ｎ）の行列ｚを格納する第三の記憶手段を有し、ベクトルＶから複数個の行を削除することによって得られる階数ｎのベクトルｖを格納する第四の記憶手段を有し、行列ｚの逆行列でありアドミタンスの次元を持つ階数ｎの行列ｙを格納する第五の記憶手段を有し、行列ｙとベクトルｖの積から得られる電流の次元を持つ階数ｎのベクトルｉを格納する第六の記憶手段を有し、第一乃至第六の記憶手段を用いてベクトルｉを設計する演算手段を備え、ベクトルｉの各要素ｉ₁〜ｉ_nを互いに直交する２軸ｘ、ｙに射影した各要素がｘ₁〜ｘ_n及びｙ₁〜ｙ_nであるとき、ｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値とが概ね等しくなるようにベクトルｉを設計し、ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角との差の絶対値が概ね９０度となるようにベクトルｉを設計し、高周波回路のインピーダンスがｚ_f でありベクトルｉの給電部に相当する要素がｉ_e であり、ベクトルｖの給電部に相当する要素がｖ_e であるとき、ｚ_f とｖ_e／ｉ_eとが概ね等しくなるように即ち電圧定在波比
   (1+|(v_e/i_e-z_f)/(v_e/i_e+z_f)|)/(1-|(v_e/i_e-z_f)/(v_e/i_e+z_f)|) ・・・（式1）
   が小さくなるようにベクトルｉを設計する請求項６記載のアンテナ設計シミュレータ。
8. 金属導体を有限個のセグメントに分割し、これら任意のセグメントを除去した除去候補セグメントを格納する第十の記憶手段を有し、
   演算手段は、前記第一〜第六の記憶手段を基に、各々の除去候補セグメントの各々の電流のベクトルｉを計算し、
   そのベクトルｉの各要素ｉ₁〜ｉ_nを互いに直交する２軸ｘ、ｙに射影した各要素がそれぞれｘ₁〜ｘ_n及びｙ₁〜ｙ_nであるとき、ｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値を格納する第七の記憶手段を有し、
   ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角を格納する第八の記憶手段を有し、
   高周波回路のインピーダンスがｚ_fでありベクトルｉの給電部に相当する要素がｉ_eでありベクトルｖの給電部に相当する要素がｖ_eであるときの電圧定在波比を格納する第九の記憶手段を有し、
   さらに、前記演算手段は、第十の記憶手段からの除去候補セグメントの電圧定在波比を順次除去候補セグメントがなくなるまで繰り返し演算し、第七〜第九の記憶手段を参照して、ｘ₁〜ｘ_nの総和の絶対値とｙ₁〜ｙ_nの総和の絶対値とが概ね等しく、ｘ₁〜ｘ_nの総和の偏角とｙ₁〜ｙ_nの総和の偏角との差の絶対値が概ね９０度となり、電圧定在波比が所定の値より小さくなる除去候補セグメントを判別し、
   その判別した除去候補セグメントを出力する出力手段を備える請求項７記載のアンテナ設計シミュレータ。
9. 請求項１又は２記載の円偏波アンテナ或いは請求項３乃至８のいずれか記載のアンテナ設計シミュレータで設計された円偏波アンテナを備えることを特徴とする無線モジュール。
   

Images