JP2006238294A - 指向性アンテナ及びアンテナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 小型の装置に搭載可能で、かつ、放射強度分布を自由に変更することで妨害電波の受信を抑制し感度良く受信できる指向性アンテナ及びアンテナシステムを提供する。
【解決手段】 指向性アンテナに給電素子１と無給電素子３とを設ける。そして、給電素子１で高次の共振を行うことにより、放射強度分布において放射強度の小さいポイントであるヌル点５を形成する。このヌル点５が妨害電波の方向に向くような放射強度分布パターンにより、妨害電波の受信を抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、指向性アンテナ及びアンテナシステムに関し、特に、小型で携帯性に優れる指向性アンテナ及びアンテナシステムに関する。

近年、衛星通信や移動体通信などの通信方式が様々な場面で利用されている。このような通信方式においては通信手段として電波を用いており、この電波を受信する手段としてアンテナが利用されている。

アンテナを大まかに分類すると、指向性アンテナと無指向性アンテナの２種類に大別される。指向性アンテナは、特定の方向の電波のみを選択的に受信するアンテナであり、無指向性アンテナは、方位については完全な放射強度分布を持つアンテナのことである。

上記の通信方式においては送信側と受信側は相対的に移動するため、指向性アンテナでは相手装置の方向を検出し、そちらにアンテナを向ける必要があるという問題点がある。他方、無指向性アンテナではアンテナを相手装置方向に向ける必要がなくなるが、効率が悪く、ノイズに弱い等の欠点がある。

このような、アンテナ技術において、指向性アンテナが主として用いられており、近年ではいかにして上述の問題点を回避するかが考えられている。

特許文献１では、衛星通信における衛星追尾システムが提案されている。これは、アンテナを機械的に動かして送信または受信の方向を検知し、追尾する技術である。

また、特許文献２では、移動体通信に関する技術として、ジャイロと地磁気を利用した指向システムが提案されている。また特許文献３では、ジャイロとＧＰＳと地磁気を利用して移動体の位置を常に確認しながらアンテナを機械的に動かして追尾する指向システムが提案されている。

しかし、上記の技術で用いられるアンテナは大型のアンテナであるゆえ、小型化、携帯性が重要視される移動体通信用のアンテナに応用することが困難である。

このような問題点を解決するために、非特許文献１ではパッチアンテナを用い、無給電パッチ部分をＧＮＤに落とすことで指向性を持たせるアンテナ技術が提案されている。具体的には無給電パッチに誘起された電流をＧＮＤに落とすことで、反対側の給電パッチで誘起された電流の位相と給電パッチの電流の位相との相互作用により放射方向を傾ける。
特許第３５５８２４２号公報 特公平０７−５８８５４号公報 特開平１０−１０２２０号公報 D.V.Thiel,Electronics Letters,vol.33 No.1,pp7-8

しかし、非特許文献１に記載のアンテナ技術では、指向性は得られるものの、その方向は所定の１方向のみであり、任意の方向への指向性を変化させることができない。また、無給電パッチに誘起された電流を一点でＧＮＤに落としているため無給電パッチに残る残電が大きく、ビームの放射方向を大きく傾ける妨げとなる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、小型の装置に搭載可能で、放射強度分布を自由に変更することのできる指向性アンテナ及びアンテナシステムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、給電素子と、その周囲に配置された少なくとも１つの無給電素子と、を有し、前記無給電素子に誘起された電流を前記無給電素子に設けられた短絡線を介して接地することによって電磁波の放射方向が変化する指向性アンテナであって、前記給電素子は、主共振と、高次共振と、を選択して実行することを特徴とする指向性アンテナである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の指向性アンテナにおいて、前記高次共振は、１次の高次共振であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の指向性アンテナにおいて、前記高次共振は、２次の高次共振であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の指向性アンテナにおいて、前記無給電素子は、前記給電素子の励振方向と平行方向上に、前記給電素子を挟み込む形で配置されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の指向性アンテナにおいて、前記無給電素子は、前記給電素子の励振方向と垂直方向上に、前記給電素子を挟み込む形で配置されていることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の指向性アンテナにおいて、前記無給電素子は、前記給電素子を中心として、マトリクス状に配置されていることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の指向性アンテナにおいて、前記無給電素子は、前記短絡線を接地するか否かを切り替えるスイッチ部を有することを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の指向性アンテナにおいて、前記無給電素子は、前記短絡線を複数有することを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の指向性アンテナにおいて、前記短絡線は、前記無給電素子を流れる定常電流の値が小さい箇所に設けられていることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の指向性アンテナにおいて、前記給電素子は、共振方向に長い矩形形状であることを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項１から１０のいずれか１項に記載の指向性アンテナを用いたことを特徴とするアンテナシステムであって、受信電波に含まれる雑音の比率を検出する検出手段と、前記検出手段において検出された前記雑音の比率と所定値とを比較する比較手段と、前記指向性アンテナの前記放射強度分布を制御する制御手段と、を有し、前記雑音の比率が前記所定値を下回る場合には、前記雑音の比率が前記所定値を上回るまで、前記制御手段を用いて前記放射強度分布を変更することを特徴とするアンテナシステムである。

本発明により、高次共振モードを利用してあらゆる方向にヌル点を形成することが可能となり、このヌル点が妨害電波の方向に向く放射強度分布パターンを採用することで、妨害電波の受信を抑制し感度の良好な受信を行うことが可能となる。

＜指向性アンテナの構成＞
本実施形態の指向性アンテナの構成について説明する。本実施形態の指向性アンテナはマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）から構成される。ＭＳＡは、全体が導体であるＧＮＤ（地板）上に誘電体が形成され、該誘電体の上にパッチ状の導体であるアンテナパターンが形成された構造となっている。

アンテナパターンには給電する部分のパターンと無給電のパターンとがあり、以下の本実施形態では、「給電素子」「無給電素子」と表現する。給電素子は、給電点において裏面から同軸ケーブルで給電され、励振する。無給電素子には給電はなされず、給電素子の電磁影響により励振される。なお、本実施形態の指向性アンテナでは、無給電素子はＧＮＤ短絡線とスイッチ部を有する。ＧＮＤ短絡線は、無給電素子をＧＮＤに短絡し、スイッチ部は該ＧＮＤ短絡線の接続状態を制御する。

＜共振モード＞
次に、共振モードについて説明する。

なお、以下の説明においては、図１５に示す座標系を用いて、空間内の位置をＸＹＺの３軸による直交座標で表し、Ｘ軸からＹ軸への回転角をφ、Ｚ軸からＸＹ平面への回転角をθと表記する。なお、Ｚ軸の正方向は天頂方向を表し、ＸＹ平面は水平面を表す。また、Ｘ軸は給電素子の励振方向と垂直な軸、Ｙ軸は給電素子の励振方向と平行な軸を表す。

まず、主共振モードについて説明する。

図１１は、給電点２を持つ給電素子１を示す。この給電素子１の励振方向がＹ軸方向と平行である場合、図１２（ａ）に示す定常電流分布で電流が流れる。ここでは、定常電流は給電素子１の中央部において大きく流れ、端部においてほとんど流れていない状態となる。このような状態を主共振モードという。

図１２（ｂ）は、主共振モードの放射強度分布をＺ軸方向（天頂方向）から計測したものであり、図１２（ｃ）は、主共振モードの放射強度分布のＹ軸断面を示すものである。なお、図１２（ｂ）においては、色の濃さと放射強度の強弱を対応させており、色が濃いほど放射強度が小さく、色が薄いほど放射強度が大きい状態を示す。

図１２（ｂ）から、Ｘ−Ｙの中央部に近いと放射強度が大きいことがわかる。また、図１２（ｃ）から、θ＝０°で表される天頂方向に対しての放射強度が大きいことがわかる。

次に、１次の高次共振モードについて説明する。

図１１に示す給電素子１において、給電素子１側の給電点２の位置を調整したり、受信回路側に整合回路を持たせたりすることで、アンテナ側のインピーダンスと受信回路側のインピーダンスとがマッチングするように調整すると、図１３（ａ）に示す定常電流分布で電流が流れる。この場合、定常電流は給電素子の端部と中央部においてほとんど流れなくなり、各端部と中央部の中間点において大きく流れる状態になる。このような状態を１次の高次共振モードという。

図１３（ｂ）は、１次の高次共振モードの放射強度分布をＺ軸方向（天頂方向）から計測したものであり、図１３（ｃ）は、１次の高次共振モードの放射強度分布のＹ軸断面を示すものである。なお、図１３（ｂ）においては、色の濃さと放射強度の強弱を対応させており、色が濃いほど放射強度が小さく、色が薄いほど放射強度が大きい状態を示す。

図１３（ｂ）から、Ｘ−Ｙの中央部の放射強度が小さいことがわかる。また、図１３（ｃ）から、左右斜め方向に対しての放射強度は大きく、θ＝０°で表される天頂方向に対しての放射強度は小さいことがわかる。なお、以下の説明においては、このような放射強度の小さいポイントを「ヌル点５」と呼称する。

次に、２次の高次共振モードについて説明する。

図１１に示す給電素子１において、給電素子１側の給電点２の位置を調整したり、受信回路側に整合回路を持たせたりすることで、アンテナ側のインピーダンスと受信回路側のインピーダンスとがマッチングするように調整すると、図１４（ａ）に示す定常電流分布で電流が流れる。この場合、給電素子の端部と、中央部からずれた準中央部２箇所においては、定常電流がほとんど流れなくなり、その間において大きく流れる状態になる。このような状態を２次の高次共振モードという。

図１４（ｂ）は、２次の高次共振モードの放射強度分布をＺ軸方向（天頂方向）から計測したものであり、図１４（ｃ）は、２次の高次共振モードの放射強度分布のＹ軸断面を示すものである。なお、図１４（ｂ）においては、色の濃さと放射強度の強弱を対応させており、色が濃いほど放射強度が小さく、色が薄いほど放射強度が大きい状態を示す。

図１４（ｂ）から、Ｘ−Ｙの中央部と両端の放射強度が大きいことがわかる。また、図１４（ｃ）から、左右斜め方向及び天頂方向に対して大きく放射し、左右斜め方向と天頂方向との間に対しての放射強度は小さく、ヌル点５が形成されていることがわかる。

＜指向性アンテナの制御＞
次に、本実施形態の指向性アンテナの制御について説明する。本実施形態の指向性アンテナは、上述の高次共振モードを用いて放射強度の小さいヌル点を形成し、ヌル点を妨害電波の発生方向に向けることで妨害電波の受信を抑制し、感度の良好な受信を行う。以下、具体的な形態を提示して説明する。

まず、第１の実施形態の指向性アンテナについて、図１を参照して説明する。図１は、指向性アンテナを示す。指向性アンテナは給電素子１と無給電素子３とを有し、給電素子１を中心とし給電素子１の励振方向と平行方向であるＹ軸方向の両端に無給電素子３が配置された構成を持つ。

図１の指向性アンテナにおいて１次の高次共振を行った場合、図２に示す放射強度分布となる。図２（ａ）は、放射強度分布をＺ軸方向（天頂方向）から計測したものであり、図２（ｂ）は、放射強度分布のＹ軸断面を示すものである。なお、図２（ａ）においては、色の濃さと放射強度の強弱を対応させており、色が濃いほど放射強度が小さく、色が薄いほど放射強度が大きい状態を示す。

図２（ａ）（ｂ）から、本実施形態の指向性アンテナにおいては、左右斜めの複数方向に大きく放射し、天頂方向、または、大きく放射している方向の間にヌル点５が複数生成されていることがわかる。

よって、図１のように、給電素子１の励振方向と平行な方向に無給電素子３を配置し、この指向性アンテナで１次の高次共振を行うことで、励振方向であるＹ軸方向上に放射強度の弱いヌル点５を複数形成することができ、この方向からの妨害電波の受信を抑制することが可能となる。

次に、第２の実施形態の指向性アンテナについて、図３を参照して説明する。図３は、指向性アンテナを示す。指向性アンテナは給電素子１と無給電素子３とを有し、給電素子１を中心とし給電素子１の励振方向と垂直方向であるＸ軸方向の両端に無給電素子３が配置された構成を持つ。

図３の指向性アンテナにおいて１次の高次共振を行った場合、図４に示す放射強度分布となる。図４（ａ）は、放射強度分布をＺ軸方向（天頂方向）から計測したものであり、図４（ｂ）は、放射強度分布の図４（ａ）のＡ−Ａ´断面を示すものである。なお、図４（ａ）においては、色の濃さと放射強度の強弱を対応させており、色が濃いほど放射強度が小さく、色が薄いほど放射強度が大きい状態を示す。

図４（ａ）から、Ｘ軸（Ｙ軸）から４５°ずれた軸方向に対する放射強度が大きく、Ｘ軸Ｙ軸方向に対しては、放射強度が小さいことがわかる。また、図４（ｂ）から、左右斜め方向に対しての放射強度が大きく、天頂方向に対してはヌル点５が形成されていることがわかる。

よって、図３のように、給電素子１の励振方向と垂直な方向に無給電素子３を配置し、この指向性アンテナで１次の高次共振を行うことで、励振方向であるＸ軸方向、Ｙ軸方向、天頂方向に対して放射強度の弱いヌル点５を形成することができ、この方向からの妨害電波の受信を抑制することが可能となる。

次に、第３の実施形態の指向性アンテナについて、図５を参照して説明する。図５は、指向性アンテナを示す。指向性アンテナは、給電素子１と無給電素子３とを有し、給電素子１を中心として周囲に無給電素子３を３×３のマトリクス状に配置した構成を持つ。

また、無給電素子３には、ＧＮＤ短絡点４が設けられており、ＧＮＤ短絡点４は、スイッチ部を介してＧＮＤに短絡している。スイッチ部がＯＮ状態である場合には、無給電素子３とＧＮＤとは短絡されており、スイッチ部がＯＦＦ状態である場合には、無給電素子３はＧＮＤと短絡されず浮いた状態となる。なお、このスイッチ部は、必要に応じてＯＮ／ＯＦＦ切り替えをすることができる。

図６は、図５の指向性アンテナにおいて、給電素子１の上下にある無給電素子３がスイッチ部ＯＦＦ制御により浮き、他の無給電素子３がスイッチ部ＯＮ制御によりＧＮＤに短絡した状態を示す。

無給電素子３がＧＮＤに短絡すると、無給電素子３上に流れる電流が小さくなり、給電素子１から見てそこに無給電素子３が無いような状態を作ることが可能となる。この状態は、図１に示す指向性アンテナの状態と同じであるから、この状態において１次の高次共振を行った場合、図２に示した放射強度分布が得られる。よって、図６のように励振方向と平行な方向以外の無給電素子３をＯＮ制御することで短絡し１次の高次共振を行うと、図１で示した放射パターン、放射強度分布を得ることができる。

また、図７のように、図５の指向性アンテナにおいて給電素子１の左右にある無給電素子３をスイッチ部ＯＦＦ制御により浮かせ、他の無給電素子をスイッチ部ＯＮ制御によりＧＮＤに短絡させた場合には、図３に示す指向性アンテナが擬似的に形成されることになり、この状態において１次の高次共振を行った場合、図４に示した放射強度分布が得られる。よって、図７のように励振方向と垂直な方向以外の無給電素子３をＯＮ制御することで短絡し１次の高次共振を行うと、図４で示した放射パターン、放射強度分布を得ることができる。

なお、図５の指向性アンテナにおいては、無給電素子３のＯＮ／ＯＦＦ制御の組み合わせは多数存在し、その組み合わせ毎に放射強度分布、ヌル点５の数、位置、大きさが異なる。よって、ＯＮ／ＯＦＦ制御により短絡する無給電素子３と短絡させずに浮かせる無給電素子３の組み合わせにより異なる放射強度分布を得ることができるので、複数のヌル点５を形成し、妨害波の受信を抑制することができる。

なお、上述の第３の実施形態では、給電素子１と無給電素子３とを有し、給電素子１を中心として周囲に無給電素子３を３×３のマトリクス状に配置した構成を持つ指向性アンテナについて説明したが、無給電素子３の配置構成はこの構成に限られるものではなく、例えば５×５のマトリクス状配置であってもよい。

なお、本実施形態の指向性アンテナの無給電素子３に流れる電流を効率的に縮小するには、図８（ａ）に示すように、定常電流がほとんど流れない電流の「節」に該当する箇所にＧＮＤ短絡線４を設け、短絡させる。なお、図８（ｂ）のように、励振方向と平行方向の両端部２ヶ所にＧＮＤ短絡線４を設けて短絡させれば、より電流量を縮小することができる。さらに、図８（ｃ）のように無給電素子３の中央部にもＧＮＤ短絡線４を設けて短絡させれば、さらに電流量を縮小することができ、さらに電流量を縮小するのであれば、図８（ｄ）のように複数の箇所にＧＮＤ短絡線４を設け多くの点で短絡させればよい。

なお、このＧＮＤ短絡点４は、上述の配置位置に限られるものではなく、節からずれたところに設けてもよい。

なお、無給電素子３をＧＮＤ短絡線４により短絡させると、相互作用によって生じた無給電素子３に流れる電流を小さくできることは上述したが、流れる電流を完全に０にすることはできず、微量の電流が無給電素子３を流れることになる。よって、無給電素子３を短絡させる際に用いるＧＮＤ短絡線４を変えることによっても異なる放射強度分布を得ることができる。

また、上述の実施形態では１次の高次共振モードを用いた指向性アンテナに関して説明してきたが、２次の高次共振モードを用いても同様に複数のヌル点５の形成が可能である。この２次の高次共振モードを用いると、天頂方向に対して放射強度を残し、左右斜め方向にヌル点５を形成することが可能となる。

なお、指向性アンテナの給電素子３は、矩形形状で、共振方向に長辺が来るように配置することが好ましい。このように構成することにより、高次での共振を起こりやすくすることができる。

＜アンテナシステム＞
次に、上述の指向性アンテナを利用したアンテナシステムについて説明する。図９は、アンテナシステムの構成を示す。アンテナシステムは、指向性アンテナ１０と、スイッチング制御部１１と、共振モード選択部１２と、変換部１３と、Ｓ／Ｎ評価部１４と、放射パターン選択部１５と、データ取り込み部１６と、から構成される。

スイッチング制御部１１は、指向性アンテナ１０の無給電素子３のＧＮＤ短絡線４をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチ部の制御を行う。共振モード選択部１２は指向性アンテナの共振モードの選択を行う。変換部１３は、受信した電波をデータ信号に変換する。Ｓ／Ｎ評価部１４は、データ信号のＳ／Ｎ（signal to noise ratio）の評価を行う。なお、Ｓ／Ｎとは、任意のポイントにおける受信したい信号の振幅とそのポイントでの雑音信号の振幅との比率のことである。放射パターン選択部１５は、次共振モードや短絡状態を調整することで指向性アンテナ１０の放射強度分布パターンを選択する。データ取り込み部１６は、信号データの取り込みを行う。

以下、図１０を参照して、アンテナシステムの制御フローを説明する。まず、指向性アンテナ１０で受信された電波は変換部１３でデータ信号に変換され（Ｓ１０１、Ｓ１０２）、Ｓ／Ｎ評価部１４に送られる。Ｓ／Ｎ評価部１４において、送られてきた信号のＳ／Ｎ値と所定Ｓ／Ｎ値との比較が行われる（Ｓ１０３）。

信号Ｓ／Ｎ値が所定のＳ／Ｎ値よりも小さい場合には（Ｓ１０４／Ｎｏ）、放射パターン選択部１４で現在の放射強度分布とは異なる放射強度分布パターンを選択し（Ｓ１０５）、該放射強度分布が実現できるようにスイッチング制御部１１や共振モード選択部１２を選択制御する（Ｓ１０６）。そして、新しい放射強度分布パターンでＳ１０１からの処理を再実行する。他方、信号Ｓ／Ｎ値が所定Ｓ／Ｎ値よりも大きい場合には（Ｓ１０４／Ｙｅｓ）、そのデータ信号をデータ取込部１６で取り込む（Ｓ１０７）。

このように制御することにより、妨害電波などで受信電波のＳ／Ｎが低い場合には、その妨害電波を受信しないような放射強度分布パターンを選択して電波を受信するので、妨害電波を排除した信頼性の高いデータを取り込むことが可能となる。

指向性アンテナを示す図である。 指向性アンテナの放射強度分布を示す図である。 指向性アンテナを示す図である。 指向性アンテナの放射強度分布を示す図である。 指向性アンテナを示す図である。 上下の無給電素子がＯＦＦ制御された指向性アンテナを説明するための図である。 左右の無給電素子がＯＦＦ制御された指向性アンテナを説明するための図である。 ＧＮＤ短絡点の配置位置を説明するための図である。 アンテナシステムを示す図である。 アンテナシステムの制御フローを示す図である。 給電素子を示す図である。 主共振モードを説明するための図である。 １次の高次共振モードを説明するための図である。 ２次の高次共振モードを説明するための図である。 座標系の定義を示す図である。

符号の説明

１ 給電素子
２ 給電点
３ 無給電素子
４ ＧＮＤ短絡点
５ ヌル点

Claims (11)

1. 給電素子と、その周囲に配置された少なくとも１つの無給電素子と、を有し、前記無給電素子に誘起された電流を前記無給電素子に設けられた短絡線を介して接地することによって電磁波の放射強度分布を制御する指向性アンテナであって、
   前記給電素子は、主共振と、高次共振と、を選択して実行することを特徴とする指向性アンテナ。
2. 前記高次共振は、１次の高次共振であることを特徴とする請求項１記載の指向性アンテナ。
3. 前記高次共振は、２次の高次共振であることを特徴とする請求項１または２に記載の指向性アンテナ。
4. 前記無給電素子は、前記給電素子の励振方向と平行方向上に、前記給電素子を挟み込む形で配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の指向性アンテナ。
5. 前記無給電素子は、前記給電素子の励振方向と垂直方向上に、前記給電素子を挟み込む形で配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の指向性アンテナ。
6. 前記無給電素子は、前記給電素子を中心として、マトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の指向性アンテナ。
7. 前記無給電素子は、前記短絡線を接地するか否かを切り替えるスイッチ部を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の指向性アンテナ。
8. 前記無給電素子は、前記短絡線を複数有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の指向性アンテナ。
9. 前記短絡線は、前記無給電素子を流れる定常電流の値が小さい箇所に設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の指向性アンテナ。
10. 前記給電素子は、共振方向に長い矩形形状であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の指向性アンテナ。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の指向性アンテナを用いたことを特徴とするアンテナシステムであって、
    受信電波に含まれる雑音の比率を検出する検出手段と、
    前記検出手段において検出された前記雑音の比率と所定値とを比較する比較手段と、
    前記指向性アンテナの前記放射強度分布を制御する制御手段と、を有し、
    前記雑音の比率が前記所定値を下回る場合には、前記雑音の比率が前記所定値を上回るまで、前記制御手段を用いて前記放射強度分布を変更することを特徴とするアンテナシステム。

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