JP2009521885A - アンテナ装置並びにその適用方法 - Google Patents

Abstract

本発明は導電面（１）に被着されている導電性円筒部（２）からなるアンテナ装置に関している。この場合導電面（１）とは反対側の円筒部（２）端面に複数の半径方向スリット（３）が設けられており、前記半径方向スリット（３）によって形成されるセグメント部（４）または前記スリット自体は個別に給電されており、前記円筒部（２）の高さは、１/２波長よりも小さい領域において、円筒部軸線外側領域における放射特性が円筒部軸線領域におけるよりも高いアンテナ利得を有するように選択される。

Description

本発明は、導電面に被着されている導電性円筒部からなるアンテナ装置に関している。

背景技術
例えばＳＤＡＲＳやＧＰＳなどの衛星航法サービスの受信に対しては、簡素でコンパクトな構造のアンテナが有利である。その他にもさらに放射特性、すなわちアンテナチャート特性が種々のサービスの要求に合わせて調整可能でなければならない。通常は、低コストでコンパクトに製造ができ、衛星サービスの要求する編波特性（左旋／右旋円編波特性）にも対応できるような昨今のパッチアンテナが昨今のパッチアンテナが利用される。しかしながらこの種のアンテナでは、仰角が０〜１０度の間における垂直編波信号の付加的な受信が大抵は利得が少なすぎるためにうまくいかなくなる。

今日用いられているアンテナ、例えばパッチアンテナは、通常は天頂（９０°仰角）において最大利得を有し、それが仰角の低減と共に急速に低下するという特性を有している。いくつかのシステムにおいては有利には、最大利得を比較的小さな仰角（例えば３０°）までシフトさせており、それによって縁部領域においても十分な利得が得られるようにしている。このことは例えば、静止衛星システムの場合では有利となる。なぜならばその軌道経過によってその供給領域が僅かな仰角のもとでも供給可能となるからである。しかしながらこの僅かな仰角からは山間部や都市部など何かの物陰になることが多い領域においては多くの受信障害も生じてしまう。それにも係わらず受信を可能にするための手段として中継器が用いられる。この中継器（レピータ）は同じ周波数領域で作動しているが、別の編波（垂直編波）も利用可能である。

米国特許 US 6,304,224 B1 明細書からは、その外側壁部に交差形スリット構造部を備えた矩形状のケーシングを有しているアンテナが公知である。この交差形スリット構造部に対向するようにさらに別の外壁部には畳込まれた共振空間が存在している。この畳込みに基づいて外側の寸法は１／２波長よりも小さくすることができる。このことは正確な円編波を伴う高出力の放射を可能にする。

発明の開示
請求項１に記載されている手段、すなわち、導電面とは反対側の円筒部端面上に複数の半径方向スリットないし放射状スリットが設けられており、これらの半径方向スリットによって形成されるセグメント部または前記スリット自体が個別に給電されており、前記円筒部の高さは１/２波長よりも小さい領域において次のように選択されている、すなわち円筒部軸線外側の領域の放射特性が円筒部軸線領域におけるよりも高いアンテナ利得を有するように選択される、手段によって、特に垂直編波の際に、０°〜１０°の間の小さな仰角のもとでも高いアンテナ利得が達成できるようになる。選択された円筒部の高さに応じて仰角領域における利得は、小さな仰角のもとでも利得が上がるように設定可能となる。別の側では本発明によるアンテナ装置は、左旋円編波以外でも垂直成分の高い利得が０°〜３０°の間の非常に小さな仰角のもとでも同じポートにおいて得ることができる。以下で説明するアンテナ装置の寸法は、さらに次のようなやり方で低減することが可能である。すなわちアンテナを誘電率の高い基板上に被着するか、及び／又は誘電率の高い材料で取り囲むようにすることである。

次に、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。この場合、
図１は、円筒部の端面にスリットを有している本発明によるアンテナ構造を示した図であり、
図２は、電流分布の描写と共に同じアンテナを示した図であり、
図３は、本発明によるアンテナ構造部のための給電網を示した図であり、
図４は、アンテナ構造部の励振のためのオーミックカップリングを表した図であり、
図５は、アンテナの励振のためのフィールドカップリングを表した図であり、
図６は、左旋円編波における種々異なる円筒部高さ毎のアンテナチャートの仰角依存性を表した図であり、
図７は、左旋円編波におけるアンテナチャートの方位角依存性を表した図であり、
図８は、垂直編波におけるアンテナチャートの仰角依存性を表した図であり、
図９は、円筒部の縁部を越えて延在するスリットを有する本発明によるアンテナを示した図であり、
図１０は、円筒部のへりが放射方向でスリットの平面を越えて突出している本発明によるアンテナ装置を示した図であり、
図１１は、スリットの平面を越えて突出しているへりがスリット領域において間隙を有している図１０に類似したアンテナ装置を示した図であり、
図１２は、円筒部が比誘電数の高い材料で充填されているアンテナ装置を示した図であり、
図１３は、円筒部が比誘電数の高い材料で充填され覆われているアンテナ装置を示した図であり、
図１４は、円筒部の端面に付加的なスリットを有しているアンテナ装置を示した図であり、
図１５は、円筒部の外套部に付加的なスリットを有しているアンテナ装置を示した図である。

実施例
図１は、本発明によるアンテナ装置の構造を示す図である。金属性の導電面１上に金属性で導電性の円筒部が載置ないし被着されている。この円筒部２は、導電面１とは反対側の端面に半径方向に延びるスリット３を有している。図１の実施例ではこれらのスリット３が互いに直角の関係で交差するように配置されているクロス形スリットとして形成されており、それらは円筒部２の中心軸から端面の外側のへりまで延在している。スリット３によって形成されるセグメント部４は個別に給電される。給電点５はスリットの交点近傍に存在しており、つまり円筒部軸線の近くにある。

図２には、電流分布の付加的な描写と共に図１に類似したアンテナ装置が示されており、ここではその強度がグレー色の段階的な色分けによって表されている。

円筒部の高さは、１/２作動波長よりも小さい領域において次のように選択されている。すなわち円筒部軸線外側の領域内の放射特性、特に外側縁部の放射特性が、円筒部軸線領域におけるよりも高いアンテナ利得を有するように選択される。このことは次のような利点となる。すなわち円筒部の縁によって、小さな仰角のもとでの利得が制御できるようになり、それによってアンテナチャートの仰角領域の調整ができるようになる。

図６及び図７には異なる装置のアンテナチャートが示されている。ここでは理想的な整合が前提とされる。図６には、左旋円編波のアンテナチャートが、仰角Θ（方位角Φ＝９０°）に依存して、異なる円筒部高さ毎に表わされている。図７には、仰角Θ＝２０°（ないしは１６０°）の場合の、高さｈ＝９.１ｍｍのケースでのアンテナチャートが方位角に依存して表されている。ＬＨＣＰは左旋円編波成分に対して生じ、ＲＨＣＰは右旋円編波成分に対して生じる。この図から明らかなことは、高さの縮小によって外側領域の利得は増加し、頂点（Θ＝９０°）における利得は低減することである。この構想は総じて約７ｍｍの僅かな構造高さしか有さないものについてである。それに対して横方向の寸法は半波長（λ/２＝６４ｍｍ）のオーダーにある。横方向寸法のみならず高さも低減するための手段は、例えば図１２に示されているように、高誘電率のセラミック材料６を円筒部に用いることからなる。これに対しては代替的に若しくは付加的にアンテナ構造部を誘電材料７で取り囲むことも可能である（図１３参照）。サイズに影響を及ぼすさらなる手段は、図９に示されているようにスリット３を円筒部の縁部領域まで延在させることからなる。スリット３の領域においてはさらに間隙８を縁にもうけてもよい。またスリット３の平面を越えるような円筒部の付加的なふち９を設けることも可能である。それにより円筒部２のふち９は放射方向でみてスリット３の平面を突出する。ふち９の領域においてはさらにスリット３の領域にも間隙１０を設けてもよい（図１１参照）。この手段によってアンテナチャートの仰角領域が次のように制御できる。すなわちアンテナチャートの縁部領域における利得が強調されるように制御できる。さらにこの構想は簡単でかつ低コストに実施可能である。図１４及び図１５に示されているように、同じような矩形状のさらなるスリットを円筒部２に設けるようにして、その他の周波数領域をカバーするようにしてもよいし、及び／又はその他の編波を励振するようにしてもよい。図１４では、付加的な半径方向スリット１１が端面に設けられており、図１５ではスリット１２が外側外套部に設けられている。図９には方位角Φ＝９０°のもとでの、垂直編波に対する利得ｇが仰角Θに亘って示されている。この信号は図３に示されているポートＰ１においてタップされてもよいし、ポートＰ１から減結合されたポートＰ２においてタップされてもよい。ここでは比較的小さな仰角に対する利得の所望の上昇が明確に認められる。

アンテナの励振（図１及び２に示されている励振点５）は、９０°位相シフトされた４つの信号によって実現される。これらは例えば図３の給電網１３によって生成される。この場合は４つの信号が３つの３ｄＢハイブリッド１〜３の利用によって９０°迂回線路との組合わせで生成される。受信のケースにおいては相互に入力側（図３ポートＰ１）において受信した左旋円編波信号がタップされ得る。給電網１３の変更又はアンテナ入力側の交換によって同じアンテナ構造のもとで右旋円編波の電界も受信できるようになる。これらの終端抵抗は図３において符号Ｒが付されている。

アンテナ構造部に対する信号の供給は、様々な文献からも公知の手法で実施可能である。例えば図１においては直接励振のコンタクト箇所５が示されている。この場合図４によれば信号が導電面１の下方に配設されている給電網１３から線路１４を用いて絶縁されて導電面１を通ってコンタクト箇所に直接供給されている（オーミック接触）。スリット幅の他にも励振の位置が（図１、Ｒ＿Ａ）、アンテナインピーダンスの設定のために利用される。さらに電界結合によりアンテナを交互に励振することでアンテナの入力インピーダンスが制御可能である。図５にはこの電界結合が概略的な平面図で表されている。その際円筒部内の異なる位置（状態）が異なる斜線で示されている。この電界結合は端部が開放された４つの線路１５によって行われる。それらはスリット３の下方でそれに対して垂直方向に延びている。励振は電界のオーバーカップリングによって行われる。線路幅の変更、及び開放線路１５の長さの変更、並びにスリット３と線路１５の間の間隔の変更によってアンテナの入力インピーダンスは制御できる。矢印は線路の励振を表している。スリット３と部分的に重なる線路区分と線路励振部の間には図４において整合素子１４が，例えば分岐線路の形態で示されており、これらは線路インピーダンスとアンテナインピーダンスの整合のために用いられている。この種の整合素子は直接結合の際にも設けられ得る。

円筒部の端面にスリットを有している本発明によるアンテナ構造部を示した図 電流分布の描写と共に同じアンテナを示した図 本発明によるアンテナ構造部のための給電網を示した図 アンテナ構造部の励振のためのオーミックカップリングを表した図 アンテナの励起のためのフィールドカップリングを表した図 左旋円編波における種々異なる円筒部高さ毎のアンテナチャートの仰角依存性を表した図 左旋円編波におけるアンテナチャートの方位角依存性を表した図 垂直編波におけるアンテナチャートの仰角依存性を表した図 円筒部の縁部を越えて延在するスリットを有する本発明によるアンテナを示した図 円筒部のへりが放射方向でスリットの平面を越えて突出している本発明によるアンテナ装置を示した図 スリットの平面を越えて突出しているへりがスリット領域において間隙を有している図１０に類似したアンテナ装置を示した図であり、 円筒部が比誘電数の高い材料で充填されているアンテナ装置を示した図 円筒部が比誘電数の高い材料で充填され覆われているアンテナ装置を示した図 円筒部の端面に付加的なスリットを有しているアンテナ装置を示した図 円筒部外套部に付加的なスリットを有しているアンテナ装置を示した図

Claims (16)

1. 導電面（１）に被着されている導電性円筒部（２）からなるアンテナ装置において、
   導電面（１）とは反対側の円筒部（２）端面に複数の半径方向スリット（３）が設けられており、
   前記半径方向スリット（３）によって形成されるセグメント部（４）または前記スリット自体は個別に給電されており、
   前記円筒部（２）の高さは、１/２波長よりも小さい領域において、円筒部軸線外側領域における放射特性が円筒部軸線領域におけるよりも高いアンテナ利得を有するように選択されることを特徴とするアンテナ装置。
2. 給電は円編波が生じるように行われる、請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記スリット（３）は円筒部（２）の縁部を越えて延在している、請求項１または２記載のアンテナ装置。
4. 前記円筒部（２）のへり（９）が放射方向でスリットの平面を越えて突出している請求項１から３いずれか１項記載のアンテナ装置。
5. 前記スリット（３）の領域におけるふちに間隙（８）が設けられている、請求項４記載のアンテナ装置。
6. 給電は、円編波の代わりに又は円編波に対して付加的に、垂直編波が生じるように行われる、請求項１から５いずれか１項記載のアンテナ装置。
7. 前記円筒部（２）にさらなるスリット（１１，１２）が、他の周波数領域及び／又は偏波の放射励振のために設けられている、請求項１から６いずれか１項記載のアンテナ装置。
8. 前記スリット（３，１１，１２）は矩形状に形成されている、請求項１から７いずれか１項記載のアンテナ装置。
9. 相互に直角に配置された２つのスリット（３）のそれぞれが円筒部直径の長さを伴って設けられている、請求項１から８いずれか１項記載のアンテナ装置。
10. セグメント部（４）の給電点（５）は、給電網（１３）とオーミック接触を介して接続されている、請求項１から９いずれか１項記載のアンテナ装置。
11. 前記スリット（３）は、電界結合を介して励振可能である、請求項１から１０いずれか１項記載のアンテナ装置。
12. 電界結合を介したスリット（３）の励振のために、励振を引き起こすスリット（３）に交差する複数の結合線路（１５）が設けられている、請求項１１記載のアンテナ装置。
13. 唯一の高周波源からの給電のために、給電網（１３）が導電面（１）の下方に設けられており、前記給電網はオーミック接触と導電面（１）内への相応の引込み処理を介して各セグメント部（４）毎に、及び／又は各結合線路毎に給電点（５）と接続されている、請求項１１または１２記載のアンテナ装置。
14. 前記給電網（１３）は、所望の放射のために、高周波源からのエネルギーを複数のセグメント（４）及び／又は結合線路へ分割するための３ｄＢハイブリッドを有しており、場合によっては９０°迂回線路との組合わせで３ｄＢハイブリッドを有している、請求項１０から１３いずれか１項記載のアンテナ装置。
15. 前記円筒部（２）は、１よりも大きい比誘電率の材料で充填されるか、及び／又は１よりも大きい比誘電率の材料で取り囲まれている、請求項１から１４いずれか１項記載のアンテナ装置。
16. 送信パスと受信パスの間の分離のために３ｄＢハイブリッドが設けられている、請求項１から１５いずれか１項記載のアンテナ装置を放射に対しても受信に対しても用いることを特徴とする適用方法。

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