JP2007173932A - 複合アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】円偏波と直線偏波の両方に対応できる複合アンテナを提供する。
【解決手段】給電端子と、第１の軸を中心にして９０度間隔で配置された４個のヘリカルアンテナエレメントと、電気長が４分の１波長ずつ異なる４個の遅延線と、前記給電端子に接続された４個のスイッチモジュールと、を備え、前記スイッチモジュールは、前記給電端子とそれぞれのヘリカルアンテナエレメントとを直接接続する第１のモードと、前記給電端子から入力され前記遅延線を伝搬した後の位相を順次９０度ずつずらすようにそれぞれのヘリカルアンテナに前記遅延線を接続する第２のモードと、のいずれかを選択可能としたことを特徴とする複合アンテナが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合アンテナに関し、特に円偏波と直線偏波の両方に対応できる複合アンテナに関する。

携帯無線機器は電話やＰＤＡ（Personal Data Assitant）のみならず、ＧＰＳ（全地球測位システム：Global Positioning System）のような衛星を利用した通信も可能であることが望まれるようになった。例えば、ＧＰＳ衛星を利用して得られる正確は位置情報をセルラー電話の基地局を通じて警察や消防署へ緊急連絡できれば安全上の利点が多い。また、放送衛星などを用いた衛星ラジオは、音質のよさ、チャンネル数の多さ、広い地域をカバーできるなどのために急速な普及が期待される。

以上の用途においては、地上通信と衛星通信との両方が可能なアンテナが必要になる。ＧＰＳや衛星ラジオは円偏波であるので、パッチアンテナや４線ヘリカルアンテナなどが用いられる。一方、携帯電話や無線ＬＡＮなどは直線偏波であるので、モノポールアンテナなどが用いられる。

このように円偏波と直線偏波の両方に対応できるアンテナの技術開示例がある（特許文献１）。
特開２００２−３１４３１２号公報

この技術開示例によれば、４線ヘリカルアンテナの中心軸近傍にモノポールアンテナを配置した構造となっており、円偏波及び直線偏波に対応するようになっている。しかし、これはヘリカルアンテナとモノポールアンテナという別構造アンテナを集積したものであり、複合化による小型化効果などが不十分である。
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、円偏波と直線偏波の両方に対応できる複合アンテナを提供することにある。

本発明の一態様によれば、給電端子と、第１の軸を中心にして９０度間隔で配置された４個のヘリカルアンテナエレメントと、電気長が４分の１波長ずつ異なる４個の遅延線と、前記給電端子に接続された４個のスイッチモジュールと、を備え、前記スイッチモジュールは、前記給電端子とそれぞれのヘリカルアンテナエレメントとを直接接続する第１のモードと、前記給電端子から入力され前記遅延線を伝搬した後の位相を順次９０度ずつずらすようにそれぞれのヘリカルアンテナに前記遅延線を接続する第２のモードと、のいずれかを選択可能としたことを特徴とする複合アンテナが提供される。

以上の態様によれば、４個のヘリカルアンテナが給電端子を中心として空間的に９０度間隔で配置される。さらに電気長を４分の１波長ずつずらした遅延線が４個配置されている。給電端子と接続された４個のスイッチモジュールを切り替えることによりアンテナの特性を切り替える。すなわち、給電端子と各ヘリカルエレメントとを直結してヘリカルアンテナエレメントを全て同一位相とするモードは、直線偏波に対応したアンテナと出来る。

一方、４分の１波長ずつ電気長をずらした遅延線を給電端子と各ヘリカルアンテナエレメントとの間にそれぞれ挿入することにより、４個のヘリカルアンテナの位相を順次９０度ずつずらすモードと出来る。このモードは円偏波に対応したアンテナである。このように４個のヘリカルアンテナエレメントを４個のスイッチモジュールにより切り替えるのみで直線偏波用と円偏波用とを共用できるので、複合アンテナの小型化を可能とできる。

本発明により、円偏波と直線偏波の両方に対応できる複合アンテナが提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１具体例にかかる複合アンテナの要部を表す模式斜視図である。

４本の導体からなるヘリカルアンテナエレメントが天頂方向に向かってピッチ角が例えば３０乃至６０度の範囲内で螺旋状に延在している。第１乃至第４のヘリカルアンテナエレメント４０、４２，４４，４６はＰＣＢ（Printed Circuit Board）４８上に同心円状に９０度間隔でそれぞれ配置される。また、ＰＣＢ４８上には４個の第１乃至第４のスイッチモジュール２０，２２．２４，２６が配置されており、同じくＰＣＢ４８上に配置された第１乃至第４の遅延線３０，３２，３４，３６との接続を制御する。

ヘリカルアンテナエレメントの螺旋の外径、長さ、ピッチ角などは、アンテナの放射パターンや利得などの特性に直接影響し、要求仕様に応じて適正に設定される。ヘリカルアンテナエレメントの材質としては、アルミニウムや銅合金などの良導体を用いることが出来る。またＰＣＢは、ＰＣＢ上に設置されるアンテナ給電回路（Antenna feed network）のすべてが設置可能な大きさに設定され、具体的には螺旋外径の３倍以下にすることが出来る。

図２は、各ヘリカルアンテナエレメントと、給電端子Ｐ０との間に設けられ各遅延線との接続を制御するスイッチモジュールが配置されたアンテナ給電回路（Antenna feed network）の構成を表す模式図である。
給電端子Ｐ０は、給電部（図示せず）に接続されて励振電力が入力される。今第１遅延線３０の電気長をＬ１とする。第２遅延線３２の電気長Ｌ２は（Ｌ１＋λ／４）、第３遅延線３４の電気長Ｌ３は（Ｌ２＋λ／４）、第４遅延線の電気長Ｌ４は（Ｌ３＋λ／４）にそれぞれ設定されている。Ｐ１乃至Ｐ４端子はそれぞれのヘリカルアンテナエレメント（ａｒｍ）へ接続される。この結果、それぞれの遅延線を経由して給電された第１乃至第４のヘリカルアンテナエレメント４０，４２，４４，４６の給電位相は、９０度ずつ順次遅れる。遅延線としては、マイクロストリップ線路をも用いる事が出来る。

図３は、４個のスイッチモジュール２０，２２，２４，２６の切り替え状態を表す模式図である。
第１端子Ａは例えばＰＣＢ４８上の配線により給電端子Ｐ０へ接続される。また、第２端子ＢはＰＣＢ４８上の配線により端子Ｐ１乃至Ｐ４端子へ接続された後、各ヘリカルアンテナエレメントへ接続される。

第３端子Ｃは遅延線の一方の端部と接続され、第４端子Ｄは遅延線の他方の端部と接続されている。直線偏波を送受信する場合には４個のヘリカルアンテナエレメントは全て同位相とするので、図３（ａ）のように遅延線への回路が開とされる。一方、円偏波を送受信（受信のみを含む）する場合には各ヘリカルアンテナエレメントにおける位相を９０度ずつずらす。遅延線の長さで表現するとＰ１からＰ４端子の順次４分の１波長ずつ長くしていく。

このときは、給電端子Ｐ０側を各遅延線の一方の端部と接続するためにスイッチが図３（ｂ）のように切り替えられる。同様に、Ｐ１乃至Ｐ４端子側を各遅延線の他方の端部と接続するためスイッチが図３（ｂ）のように切り替えられる。スイッチモジュールとしては、例えばＰＩＮ構造の半導体素子を用いる事が出来る。

表１は、Ｐ１乃至Ｐ４各端子における給電位相を直線偏波と円偏波の場合についてそれぞれ表した。直線偏波駆動時には、Ｐ１乃至Ｐ４端子は全て同一位相α（度）とする。一方、円偏波駆動時には、Ｐ１端子の位相をβ（度）とすると、Ｐ２端子においては（β＋９０）度、Ｐ３端子においては（β＋１８０）度、Ｐ４端子においては（β＋２７０）度とする。いずれにおいても振幅は同一とする。

なお、振幅及び位相において高精度が要求されない場合には第１スイッチモジュール２０及び第１遅延線３０は省略可能である。この場合においても、本明細書においては電気長がゼロの第１遅延線３０及び給電端子Ｐ０とＰ１端子を常時接続している第１スイッチモジュール２０があるものと考える。また、振幅に高精度が要求される場合には遅延線３０、３２，３４，３６に振幅調整用の減衰器を追加することが出来る。

次にＰＣＢ４８のレイアウトについてより詳細に説明する。
図４はＰＣＢ４８のレイアウトを表す模式平面図である。
ＰＣＢ４８の中心近傍に給電端子Ｐ０が配置される。Ｐ１乃至Ｐ４端子はＰ０を中心とした同心円上に約９０度の角度を有して配置される。Ｐ０端子とＰ１端子の中間には第１スイッチモジュール２０が配置され、端子ＡはＰ０と、端子ＢはＰ１と、端子Ｃは第１遅延線（Ｌ１）３０の一方の端部と、端子Ｄは第１遅延線（Ｌ１）３０の他方の端部とそれぞれ接続される。なお、遅延線はスイッチモジュールの端子Ｃ及び端子Ｄと接続する事が出来れば配置はこの図に限定されない。以下同様に、第２スイッチモジュール２２、第３スイッチモジュール２４、第４スイッチモジュール２６が配置される。

図５は、ＰＣＢ４８の模式斜視図である。ＰＣＢ４８のＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４各端子にはヘリカルアンテナエレメント４０，４２，４４，４６がそれぞれ螺旋状に天頂方向に向かうように接続され、図１のような複合アンテナを構成する。このようなＰＣＢ４８のレイアウトとすることにより、一般的なＴ型分配器と遅延線との構成よりも回路面積を半分以下とすることが出来るので、アンテナ小型化が可能となる。

また、給電端子Ｐ０は、分波器及びスイッチなどを介して、円偏波利用無線システム及び直線偏波利用無線システムへ接続される。これらのフロントエンド部をＰＣＢ４８（すなわちantenna feed network）の裏面に配置すると一層複合アンテナの小型化が可能となる。

以上のような本複合アンテナは、円偏波用と直線偏波用とのヘリカルアンテナエレメントを共用している。この結果、モノポールアンテナを別に設ける必要がなく、４ａｒｍヘリカルアンテナ単体と同等の大きさでも円偏波と直線偏波の両方に対応できるので、複合アンテナとしての小型化が実現できる。さらに、給電端子（すなわちアンテナ入出力ポート）をＰ０に１個とする庫とで、無線システムのフロントエンド部との接続が簡素化でき、複合アンテナのより小型化が可能となる。

図１に例示されるヘリカルアンテナエレメントは薄板状の導体により構成できる。ただし、ヘリカルアンテナエレメントは良導体であれば良く、薄板状に限定されない。機械的強度をより高めるには、円筒状誘電体５０に導体を巻きつける構造が良い。
図６は、第２具体例にかかる複合アンテナの模式斜視図である。
例えばピッチ角を３０乃至６０度の範囲内として、円筒状誘電体５０に導体を巻きつける。円筒状誘電体５０はＰＣＢ４８に固定することによりヘリカルアンテナエレメントの機械的強度が増す。この場合、円筒状誘電体５０の表面にあらかじめ溝を形成するとヘリカルアンテナエレメントの固定がより容易に出来る。

図７は、第３具体例を表す模式斜視図である。ヘリカルアンテナエレメントを絶縁体からなる支持体５２に螺旋状に巻きつける。このようにすると、軽量かつ機械的強度が改善された複合アンテナと出来る。支持体５２は円筒状メッシュ形状などとする事が出来る。

本具体例によれば、４線ヘリカルアンテナエレメントの接続をスイッチモジュールにより切り替えることにより、４線ヘリカルアンテナエレメントの給電位相をすべて同一かまたは９０度ずつずらすかを選択できる。同一位相である場合は、地上通信用の直線偏波の送受信が出来る。一方、９０度ずつ位相をずらすことにより衛星通信用の円偏波の受信（または送受信）が出来る。

以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし本発明はこれら具体例に限定されない。例えば、複合アンテナを構成する、アンテナエレメント、スイッチモジュール、遅延線、円筒状誘電体、支持体、ＰＣＢなどの構成要素のサイズ、形状、配置関係、材質などにおいて当業者が各種の設計変更を行ったものであっても、本発明の要旨を逸脱しない限り本発明に包含される。

本発明の第１具体例にかかる複合アンテナの模式斜視図である。 本発明のアンテナ給電回路を表す模式図である。 スイッチモジュールの状態を表す模式図であり、図３（ａ）は直線偏波時、図３（ｂ）は円偏波時を表す。 アンテナ給電回路のＰＣＢレイアウトを表す模式平面図である。 ＰＣＢの模式斜視図である。 本発明の第２具体例の模式斜視図である。 本発明の第３具体例の模式斜視図である。

符号の説明

２０ 第１スイッチモジュール
２２ 第２スイッチモジュール
２４ 第３スイッチモジュール
２６ 第４スイッチモジュール
３０ 第１遅延線
３２ 第２遅延線
３４ 第３遅延線
３６ 第４遅延線
４０ 第１ヘリカルエレメント
４２ 第２ヘリカルエレメント
４４ 第３ヘリカルエレメント
４６ 第４ヘリカルエレメント
４８ ＰＣＢ
５０ 円筒状誘電体
５２ 支持体

Claims (8)

1. 給電端子と、
   第１の軸を中心にして９０度間隔で配置された４個のヘリカルアンテナエレメントと、
   電気長が４分の１波長ずつ異なる４個の遅延線と、
   前記給電端子に接続された４個のスイッチモジュールと、
   を備え、
   前記スイッチモジュールは、前記給電端子とそれぞれのヘリカルアンテナエレメントとを直接接続する第１のモードと、前記給電端子から入力され前記遅延線を伝搬した後の位相を順次９０度ずつずらすようにそれぞれのヘリカルアンテナに前記遅延線を接続する第２のモードと、のいずれかを選択可能としたことを特徴とする複合アンテナ。
2. 円筒状誘電体をさらに備え、
   前記ヘリカルアンテナエレメントは前記円筒状誘電体に螺旋状にまきつけられたことを特徴とする請求項１記載の複合アンテナ。
3. 前記スイッチモジュールは、前記円筒状誘電体の内部に収容されてなることを特徴とする請求項２記載の複合アンテナ。
4. 絶縁体からなる円筒状メッシュ支持体をさらに備え、
   前記ヘリカルアンテナエレメントは前記円筒状メッシュ支持体にまきつけられたことを特徴とする請求項１記載の複合アンテナ。
5. 前記スイッチモジュールは、前記円筒状メッシュ支持体の内部に収容されてなることを特徴とする請求項４記載の複合アンテナ。
6. 少なくとも１個の遅延線には、減衰器が接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の複合アンテナ。
7. 前記第１モードにおいて直線偏波を送信または受信し、
   前記第２モードにおいて円偏波を送信または受信することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の複合アンテナ。
8. 前記スイッチモジュールは、前記給電端子に接続される第１端子と、それぞれのヘリカルアンテナエレメントに接続される第２端子と、それぞれの遅延線の一方の端部に接続される第３端子と、それぞれの遅延線の他方の端部に接続される第４端子と、を含み、
   前記第１モードにおいては、前記第１端子と前記第２端子とが接続され、
   前記第２モードにおいては、前記第１端子と前記第３端子とが接続されると共に前記第２端子と前記第４端子とが接続されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の複合アンテナ。
   
   

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