JP2008042894A - Circularly polarized wave antenna - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、衛星通信等の無線システムに利用される円偏波アンテナに関する。 The present invention relates to a circularly polarized antenna used in a radio system such as satellite communication.
GPS(Global Positioning System)と呼ばれる位置検出システムや、衛星ラジオ放送などは、円偏波を用いる無線システムである。これらの無線システムに対応する送受信機は、通常、円偏波アンテナを備えている。 A position detection system called GPS (Global Positioning System), satellite radio broadcasting, and the like are wireless systems using circularly polarized waves. A transceiver corresponding to these wireless systems usually includes a circularly polarized antenna.
円偏波アンテナの代表例として、非特許文献1に記載されている一点給電型マイクロストリップアンテナが知られている。同アンテナは、縮退分離素子を設けることで空間的に直交する2つのモードを生成し、円偏波を送受信している。同アンテナの電気的寸法は、一辺の長さが使用波長の概1/2であり、例えばGPSで用いられる1575MHzでは、およそ95mmである。同サイズは、モバイル送受信機用のアンテナとしては大きいため、セラミック等の高誘電材料を用いて小型化して、広く実用化されている。
As a typical example of a circularly polarized antenna, a single-point feed type microstrip antenna described in Non-Patent
モバイル送受信機には小型の円偏波アンテナが求められるため、これまでに様々な小型の円偏波アンテナが検討されてきた。例えば、特許文献1、2に記載される方法がある。
Since small circularly polarized antennas are required for mobile transceivers, various small circularly polarized antennas have been studied so far. For example, there are methods described in
特許文献1では、互いに直交して位相の異なる2つの共振モード方向に対して、±45度で直交する直線方向の導体両端に切込みを形成し、上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給電点の偏位方向を一致させることで、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。
In
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。
In
特許文献1に記載される方法では、円偏波の送受信に必要な空間的に直交する2つのモードを保持したままの小型化が可能であるが、インピーダンスの調整に難しさがあった。リアクタンスを調整する方法は示されているものの、レジスタンスの調整には試行錯誤を重ねる必要があった。
In the method described in
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グランドとの距離を調整することで円偏波を送受信できるものの、インピーダンスの調整に難しさがあった。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インピーダンスを調整する方法が述べられているが、結果として小型化が妨げられるという問題があった。
Although the method described in
以上のことから、小型で設計自由度の高い円偏波アンテナが望まれている。 In view of the above, a circularly polarized antenna having a small size and a high degree of design freedom is desired.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型で設計自由度の高い、高機能の円偏波アンテナを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a highly functional circularly polarized antenna having a small size and a high degree of design freedom.
上記の目的を達成するために、請求項1の発明は、一群の金属導体と一つの給電部から構成され、上記一群の金属導体に励起される電流の、空間的に互いに直交する2軸への射影が、その絶対値が概等しく、偏角の差の絶対値が概90度であることを特徴とする円偏波アンテナである。
In order to achieve the above-mentioned object, the invention of
円偏波の送受信には、円偏波の到来方向に垂直な面において、金属導体に励起される電流の、空間的に互いに直交する2軸への射影が、その絶対値が概等しく、偏角の差の絶対値が概90度であることが必要である。 In the transmission and reception of circularly polarized waves, the absolute value of the projection of the current excited by the metal conductor on the two axes perpendicular to each other in the plane perpendicular to the direction of arrival of the circularly polarized waves is almost equal. The absolute value of the angle difference needs to be approximately 90 degrees.
アンテナの放射特性は、非特許文献2等に記載されるように、金属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。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なり、衛星から見てアンテナは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、アンテナを構成する一群の金属導体に流れる各電流の総和にて決定される。すなわち、放射界の強度は各電流の総和の強度に比例し、放射界の位相は各電流の総和の位相に等しくなる。本発明の円偏波アンテナは、以上の観点から、一群の金属導体に励起される電流の、空間的に互いに直交する2軸への射影が、その絶対値が概等しく、偏角の差の絶対値が概90度とすることで、円偏波を送受信している。
As described in
請求項1に係る円偏波アンテナは、上記一群の金属導体に励起される複数の電流により円偏波を送受信するという、従来の一点給電型マイクロストリップアンテナとは異なる原理に基づいた円偏波アンテナであり、以下の発明にて述べられるような、これまでにない利点を持った円偏波アンテナを提供する。
The circularly polarized antenna according to
また、請求項2の発明は、請求項1の円偏波アンテナであって、一群の金属導体の外形が電気長aとbの辺からなる矩形であるものである。
The invention of
広く実用化されている、上記一点給電型マイクロストリップアンテナと比べて、一群の金属導体の外形が、必ずしも概正方形である必要がなく、送受信機およびアンテナを備えた受信モジュールの形状の自由度を増す効果がある。 Compared to the single-point feed microstrip antenna, which is widely used, the outer shape of the group of metal conductors does not necessarily have to be a square, and the shape of the receiving module including the transceiver and the antenna can be increased. There is an increase effect.
請求項3の発明は、請求項2の円偏波アンテナであって、1つの周波数の円偏波を送受信するためのアンテナである場合、電気長aとbとの和が、送受信周波数における波長の0.4倍以上、0.65倍以下の範囲内であることを特徴とするものである。
The invention according to
本発明は、短形中に微細構造によって1/2波長あるいは1/4波長の共振経路を形成できるため、電気長aとbとの和が使用波長の概1/2以下とすることができる。 In the present invention, a resonance path having a ½ wavelength or a ¼ wavelength can be formed in a short shape by a fine structure, so that the sum of the electrical lengths a and b can be approximately ½ or less of the wavelength used. .
広く実用化されている、一辺の長さが使用波長の概1/2である一点給電型マイクロストリップアンテナと比べて、十分に小型であり、送受信機およびアンテナを備えた受信モジュールの小型化に効果がある。 Compared with the single-feed type microstrip antenna, which is widely used in practice and has a side length of approximately half of the wavelength used, it is sufficiently small in size, and can be used for downsizing of receiver modules equipped with transceivers and antennas. effective.
請求項4の発明は、請求項2の円偏波アンテナであって、異なる複数の周波数の円偏波を送受信するためのアンテナである場合、電気長aとbとの和が、各送受信周波数における波長の0.8倍以上、1.6倍以下の範囲内であることを特徴とするものである。
The invention according to
一つのアンテナにて、異なる複数の周波数の円偏波を送受信することができ、送受信機の高機能化、アンテナ周辺部の簡略化に効果がある。 A single antenna can transmit and receive circularly polarized waves of a plurality of different frequencies, which is effective in enhancing the functionality of the transceiver and simplifying the periphery of the antenna.
請求項5の発明は、請求項4の円偏波アンテナであって、異なる複数の周波数のうち2つの周波数が近接していると共に、該2つの周波数の間の全ての周波数において円偏波を送受信することを特徴とする円偏波アンテナである。
The invention according to
一つのアンテナにて、広い周波数帯域の円偏波の送受信ができ、送受信機の高性能化に好適である。 A single antenna can transmit and receive a circularly polarized wave in a wide frequency band, which is suitable for improving the performance of the transceiver.
請求項6の発明は、請求項4または5の円偏波アンテナであって、送受信する一つの周波数の円偏波が右旋円偏波であり、もう一つの周波数の円偏波が左旋円偏波であることを特徴とするものである。
The invention according to
一つのアンテナにて、右旋円偏波と左旋円偏波を送受信することができ、送受信機の高機能化、アンテナ周辺部の簡略化に効果がある。 A single antenna can transmit and receive right-hand circularly polarized waves and left-handed circularly polarized waves, which is effective in improving the functionality of the transceiver and simplifying the periphery of the antenna.
請求項7の発明は、請求項1乃至3の円偏波アンテナであって、一群の金属導体が一群の方形セグメントからなり、金属導体の構造を変更し、セグメントに励起される電流を計算し、電流の空間的に互いに直交する2軸への射影について絶対値と偏角を計算し、その絶対値が概等しく、偏角の差の絶対値が概90度となるまで構造変更と計算とを繰り返すことによって設計されることを特徴とする、ものである。
The invention of claim 7 is the circularly polarized antenna according to
請求項8の発明は、請求項4乃至6の円偏波アンテナであって、一群の金属導体が一群の方形セグメントからなり、金属導体の構造を変更して、異なる複数の周波数それぞれにおいて、セグメントに励起される電流を計算し、電流の空間的に互いに直交する2軸への射影について絶対値と偏角を計算し、その絶対値が概等しく、偏角の差の絶対値が概90度となるまで構造変更と計算とを繰り返すことによって設計されることを特徴とするものである。
The invention of
請求項7,8に係る円偏波アンテナは、計算機を用いて自動設計が可能であり、各仕様に応じた設計が短時間に且つ容易にできる。
The circularly polarized antenna according to
本発明は、小型で設計自由度の高い、高機能の円偏波アンテナを実現できる。 The present invention can realize a high-performance circularly polarized antenna with a small size and a high degree of design freedom.
以下、本発明の第一の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a first embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施形態の円偏波アンテナA1の構造を示す図である。円偏波アンテナA1は、一群の金属導体1と一つの給電部2から構成されており、GPSで用いられる1575MHzの右旋円偏波を送受信するものである。金属導体1の外形は、電気長がそれぞれ48mmの四角形であり、上記周波数にて各辺の和は送受信周波数における波長(使用波長=190mm)の概1/2である。一群の金属導体は3mm角の金属導体の集合により構成されている。小型で薄型であり、モバイル送受信機に搭載して好適である。
FIG. 1 is a diagram showing the structure of a circularly polarized antenna A1 according to this embodiment. The circularly polarized antenna A1 is composed of a group of
図2、図3は、本実施形態のアンテナの設計方法を説明するための図である。 2 and 3 are diagrams for explaining an antenna design method according to the present embodiment.
まず、図2に示すように、アンテナを構成する領域を、3mm角のセグメント3に分解し、各セグメント間に電流4を仮定する。電流4は少なくとも2方向以上を仮定する。さらに、直交する2軸x、yを定義する。
First, as shown in FIG. 2, the region constituting the antenna is divided into 3 mm
次に、図3のフローチャートに示されるように、アンテナ構造がランダムに選択される(S1)。一群の金属導体1は、全体から20〜70%の3mm角の金属導体をランダムに除去することで生成される。一つの給電部2は、隣り合う3mm角の金属導体のいずれかの場所に、ランダムに配置される。さらに、上記アンテナに流れる電流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〜in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〜xn及びy1〜ynであるときのx1〜xnの総和の絶対値とy1〜ynの総和の絶対値が計算され(S4)、x1〜xnの総和の偏角とy1〜yn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〜xnの総和の絶対値とy1〜ynの総和の絶対値とが概等しく、x1〜xnの総和の偏角とy1〜ynの総和の偏角との差の絶対値が概90度である。上記の目標に加えて、電圧定在波比が所定の値より小さいことを設計目標とすることも可能である。本実施形態では、1575MHzにおいて、円偏波性能を示す軸比が3dB以下であり、且つ給電部のインピーダンスを50オームとしたときの電圧定在波比が3以下になるよう設計した。
Next, as shown in the flowchart of FIG. 3, an antenna structure is randomly selected (S1). The group of
上記のフローチャートにより、計算機を用いた自動設計が可能であり、各仕様に応じた円偏波アンテナを、短時間に且つ容易に設計することができる。また、この方法を用いることにより、aとbの和が使用波長の0.4倍以上0.65倍以下の範囲内に収まるように円偏波アンテナを小型化できることが計算と実験により確認された。 According to the above flowchart, automatic design using a computer is possible, and a circularly polarized antenna according to each specification can be designed in a short time and easily. Moreover, it has been confirmed by calculation and experiment that the circularly polarized antenna can be miniaturized by using this method so that the sum of a and b falls within the range of 0.4 to 0.65 times the wavelength used. It was.
具体的に、1つの周波数の円偏波アンテナを送受信するためのアンテナを計算機により設計を行った結果では、x1〜xnの総和の絶対値とy1〜ynの総和の絶対値とが等しく、かつx1〜xnの総和の偏角とy1〜ynの総和の偏角との差の絶対値が90度となるときに、a+bの和が使用波長の0.4倍となることを確認できた。
また、x1〜xnの総和の絶対値とy1〜ynの総和の絶対値との比率が0.8倍(または1.25倍)、かつx1〜xnの総和の偏角とy1〜ynの総和の偏角との差の絶対値が70度(または110度)となるときに、a+bの和が使用波長の0.65倍となることを確認できた。
つまり、x1〜xnの総和の絶対値とy1〜ynの総和の絶対値との比率が1倍(等しく)、かつx1〜xnの総和の偏角とy1〜ynの総和の偏角との差の絶対値が90度となるように設計することによって、軸比を小さくし、かつアンテナサイズの小型化も可能となる。
Specifically, in the results of the design by the antenna for transmitting and receiving a single circularly polarized antenna of the frequency calculator, and the absolute value of the sum of the absolute values and the y 1 ~y n the sum of x 1 ~x n 0 are equal, and x 1 when the absolute value of the difference between the polarization angle of the sum of the argument and y 1 ~y n of the sum of ~x n is 90 degrees, the sum of a + b is the wavelength used. It was confirmed that the ratio was 4 times.
Further, x 1 ~x n absolute value y 1 ~y n is 0.8 times the ratio of the absolute value of the sum of the sum of (or 1.25 times), and the argument of the sum of x 1 ~x n It was confirmed that the sum of a + b was 0.65 times the wavelength used when the absolute value of the difference between the deviation angle of the sum of y 1 and y n was 70 degrees (or 110 degrees) .
That, x 1 ~x n absolute value y 1 ~y n is 1 times the ratio of the absolute value of the sum of the sum of (equal), and x 1 ~x argument of the sum of n and y 1 ~y n By designing so that the absolute value of the difference between the sum and the declination is 90 degrees, the axial ratio can be reduced and the antenna size can be reduced.
図4は、図1の第一の実施形態の円偏波アンテナA1の軸比および電圧定在波比である。1575MHzにおいて、軸比が3dB以下、電圧定在波比が3以下であり、本実施形態のアンテナは円偏波の良好な送受信が可能である。 FIG. 4 shows the axial ratio and voltage standing wave ratio of the circularly polarized antenna A1 of the first embodiment of FIG. At 1575 MHz, the axial ratio is 3 dB or less and the voltage standing wave ratio is 3 or less, and the antenna of this embodiment can transmit and receive circularly polarized waves satisfactorily.
次に、本発明の第二の実施形態を添付図面に基づいて説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described based on the attached drawings.
図5は、本実施形態の円偏波アンテナA2の構造を示す図である。円偏波アンテナA2は、一群の金属導体1と一つの給電部2から構成されており、GPSで用いられる1575MHzの右旋円偏波を送受信するものである。金属導体1の外形は、それぞれ32mm、64mmの長方形であり、上記周波数にて各辺の和は使用波長の概1/2である。一群の金属導体は4mm角の金属導体の集合により構成されている。図3のフローチャートにより設計され、1575MHzにおける軸比が3dB以下になるよう設計された。
FIG. 5 is a diagram showing the structure of the circularly polarized antenna A2 of the present embodiment. The circularly polarized antenna A2 is composed of a group of
本実施形態の円偏波アンテナは、小型で薄型であり、モバイル送受信機に搭載して好適である。また、その外形が正方形でなく長方形であるため、モバイル送受信機への搭載自由度が高まっている。 The circularly polarized antenna of the present embodiment is small and thin, and is suitable for being mounted on a mobile transceiver. Moreover, since the outer shape is rectangular instead of square, the degree of freedom of mounting on a mobile transceiver is increasing.
図6は、図5の第二の実施形態の円偏波アンテナA2の軸比である。1575MHzにおいて、軸比が3dB以下であり、第二の実施形態のアンテナは円偏波の良好な送受信が可能である。 FIG. 6 is an axial ratio of the circularly polarized antenna A2 of the second embodiment of FIG. At 1575 MHz, the axial ratio is 3 dB or less, and the antenna of the second embodiment can transmit and receive circularly polarized waves.
次に、本発明の第三の実施形態を添付図面に基づいて説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図7は、本実施形態の円偏波アンテナA3の構造を示す図である。円偏波アンテナA3は、一群の金属導体1と一つの給電部2から構成されており、GPSで用いられる1575MHzの右旋円偏波と衛星ラジオ放送で用いられる2300MHzの左旋円偏波を送受信するものである。金属導体1の外形は、電気長がそれぞれ100mmの四角形である。一群の金属導体は10mm角の金属導体の集合により構成されている。
FIG. 7 is a diagram showing the structure of the circularly polarized antenna A3 of the present embodiment. The circularly polarized antenna A3 is composed of a group of
図8は、本実施形態のアンテナの設計方法を説明するためのフローチャートであり、図3のフローチャートに示される処理を、異なる2つの周波数において実行している。S2からS6により、第一の周波数における特性を求め、S7からS11により、第二の周波数における特性を求めている。1575MHzにおいて右旋円偏波を送受信し、軸比が3dB以下、給電部のインピーダンスを50オームとしたときの電圧定在波比が4以下になるようにS2からS6の処理が実行された。さらに、2300MHzにおいて左旋円偏波を送受信し、軸比が3dB以下、給電部のインピーダンスを50オームとしたときの電圧定在波比が4以下になるようにS7からS11の処理が実行された。 FIG. 8 is a flowchart for explaining the antenna design method of this embodiment, and the processing shown in the flowchart of FIG. 3 is executed at two different frequencies. The characteristics at the first frequency are obtained from S2 to S6, and the characteristics at the second frequency are obtained from S7 to S11. The processing from S2 to S6 was performed so that the right-handed circularly polarized wave was transmitted and received at 1575 MHz, the axial ratio was 3 dB or less, and the voltage standing wave ratio was 4 or less when the impedance of the power feeding unit was 50 ohms. Furthermore, the processing from S7 to S11 was executed so that the left-handed circularly polarized wave was transmitted and received at 2300 MHz, the axial ratio was 3 dB or less, and the voltage standing wave ratio was 4 or less when the impedance of the power feeding unit was 50 ohms. .
図9は、図7の本実施形態の円偏波アンテナA3の軸比および電圧定在波比である。1575MHzと2300MHzの両方において、軸比が3dB以下、電圧定在波比が4以下であり、本実施形態の円偏波アンテナは円偏波の良好な送受信が可能である。 FIG. 9 shows the axial ratio and voltage standing wave ratio of the circularly polarized antenna A3 of the present embodiment shown in FIG. In both 1575 MHz and 2300 MHz, the axial ratio is 3 dB or less and the voltage standing wave ratio is 4 or less, and the circularly polarized antenna of this embodiment can transmit and receive circularly polarized waves satisfactorily.
第三の実施形態のアンテナは、一つのアンテナで2つの周波数の円偏波を送受信することができるため、モバイル送受信機の高機能化に好適であり、アンテナ周辺部の簡略化にも効果がある。 Since the antenna of the third embodiment can transmit and receive circularly polarized waves of two frequencies with one antenna, it is suitable for enhancing the functionality of a mobile transceiver, and also effective for simplification of the periphery of the antenna. is there.
次に、本発明の第四の実施形態を添付図面に基づいて説明する。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図10は、本実施形態の円偏波アンテナA4の構造を示す図である。円偏波アンテナA4は、一群の金属導体1と一つの給電部2から構成されており、近接する2つの周波数3.5GHzと4.5GHzの間の周波数において、円偏波を送受信するものである。ここで、「近接する」とは、2つの周波数をf1、f2(f1<f2)としたとき、f1、f2とその中心周波数f3(=(f1+f2)/2)とが、およそ、f2−f1≦0.25×f3の関係を満たすものをいう。本実施形態のアンテナは、図8のフローチャートを用いて設計され、3.5GHzおよび4.5GHzにおいて、右旋円偏波を送受信し、軸比が3dB以下、給電部のインピーダンスを50オームとしたときの電圧定在波比が4以下になるよう設計された。
FIG. 10 is a diagram showing the structure of the circularly polarized antenna A4 of the present embodiment. The circularly polarized antenna A4 is composed of a group of
図11は、図10の本実施形態の円偏波アンテナA4の軸比および電圧定在波比である。結果として、3.5GHzと4.5GHzの間の周波数において、軸比が3dB以下、電圧定在波比が3以下であり、広い周波数帯域にて円偏波の良好な送受信が可能である。 FIG. 11 shows the axial ratio and voltage standing wave ratio of the circularly polarized antenna A4 of the present embodiment shown in FIG. As a result, at a frequency between 3.5 GHz and 4.5 GHz, the axial ratio is 3 dB or less, the voltage standing wave ratio is 3 or less, and favorable transmission / reception of circular polarization is possible in a wide frequency band.
第四の実施形態のアンテナは、一つのアンテナで、広い周波数帯域にて円偏波の送受信が可能であり、送受信機の高機能化に好適である。 The antenna of the fourth embodiment is a single antenna that can transmit and receive circularly polarized waves in a wide frequency band, and is suitable for enhancing the functionality of the transceiver.
1 金属導体
2 給電部
3 セグメント
4 電流
S1〜S13 演算
A1〜A4 円偏波アンテナ
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