JP2010016717A - 円偏波アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】放射素子がＬ型の２辺を備えることにより、円偏波或いはこれに近似する楕円偏波を発生させる。
【解決手段】放射素子１と、反射板２とを有し、前記放射素子１と前記反射板２との間に、送受信用電力を給電・受電するものである。前記放射素子１はＬ型の２辺１ａ、１ｂを有し、前記放射素子１の２辺の一端１ｃが給電・受電端であり、その２辺の他端１ｄが開放端であり、前記Ｌ型の２辺１ａ、１ｂが前記反射板２の表面に沿う方向に配置してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、円偏波或いはこれに近似する楕円偏波を励起する円偏波アンテナに関する。

ＧＰＳを使って情報の遣り取りを行うものとして例えばカーナビや携帯電話が普及している。前記カーナビは自動車に搭載されて自動車の運行に伴って位置移動をする特性を有しており、携帯電話はユーザの行動に伴って位置移動する特性を有している。

前記カーナビや前記携帯電話による情報の授受には円偏波を用いることが有効である。前記円偏波を発生させるアンテナとしてはヘリカルアンテナが一般的であるが、前記ヘリカルアンテナは、導線を筒状に巻き付けることにより円偏波を発生させている。したがって、前記ヘリカルアンテナでは、横向きで使用する場合、横方向の寸法が必要であり、縦向きで使用する場合、縦方向の寸法が必要であり、いずれでの使用でもその寸法が問題となる。

ヘリカルアンテナの問題を解決する低姿勢のアンテナとして、特許文献１，特許文献２及び特許文献３に開示されたような円偏波アンテナが開発されている。
特開２０００−８６８８５号公報 特開昭５９−７５７０４号公報 特開平８−２５０９２４号公報

特許文献１に開示された円偏波アンテナは、２本のアンテナ素子を略Ｖ字状に配置し、それらのアンテナ素子にそれぞれ給電を行うことにより、円偏波を励起させるものであるが、２本のアンテナ素子にそれぞれ給電を行うものであるため、給電構造が複雑になるという課題がある。

特許文献２に開示された円偏波アンテナは、位相器を用いることにより２本のアンテナ素子に給電される電流位相差を持たせて円偏波を励起するものであるが、アンテナ素子へ給電を行う際に位相器による位相差を持たせるため、給電構造が複雑になるという課題がある。

特許文献３に開示された円偏波アンテナは、逆Ｌ型給電素子と無給電素子とを組み合わせ、逆Ｌ型給電素子と無給電素子とを電磁結合させることにより、無給電素子を励振させて円偏波を放射する構造である。特許文献３において、逆Ｌ型給電素子が円偏波の生成に寄与していることが想定されるが、この想定の下では、逆Ｌ型給電素子と反射板との間隔が軸比に関係することとなり、この逆Ｌ型給電素子の全長を調整することにより、逆Ｌ型給電素子と、これに給電を行う給電回路とのインピーダンスマッチングを取ることが不可能となり、新たに整合回路を装備する必要がある。

本発明の目的は、放射素子がＬ型の２辺を備えることにより、円偏波或いはこれに近似する楕円偏波を発生させる円偏波アンテナを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る円偏波アンテナは、放射素子と、反射板とを有し、
前記放射素子と前記反射板との間に、送受信用電力を給電・受電するものであり、
前記放射素子はＬ型の２辺を有し、
前記放射素子の２辺の一端が給電・受電端であり、その２辺の他端が開放端であり、
前記Ｌ型の２辺が前記反射板の表面に沿う方向に配置してあることを特徴とする。

本発明によれば、放射素子のＬ型２辺に流れるアンテナ電流は互いに位相が異なる（望ましくは９０度）こととなり、円偏波或いは軸比が１に近似した偏波を発生させることができる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る円偏波アンテナは図１及び図２に示すように、基本的な構成として、放射素子１と、反射板２とを有し、前記放射素子１と前記反射板２との間に、送受信用電力を給電・受電するものである。そして、前記放射素子１はＬ型の２辺１ａ，１ｂを有し、前記放射素子１の２辺の一端が給電・受電端１ｃであり、その２辺の他端が開放端１ｄであり、前記Ｌ型の２辺１ａ，１ｂが前記反射板２の表面に沿う方向に配置してあることを特徴とする。

本発明の実施形態に係るアンテナを送信アンテナとして用いる場合、反射板２と放射素子１との間に点３から送信用電力を給電し、受信アンテナとして用いる場合、反射板２と放射素子１との間から受信用電力を取り出している。以下の説明では、送信アンテナとして用いる場合を例にとって説明する。すなわち、前記例では、点３は給電点として作用し、反射板２と放射素子１との間に送信用電力を給電し、放射素子１の２辺１ａ，１ｂに流れるアンテナ電流を互いに位相が９０度異ならせることにより、円偏波或いは軸比が１に近似した偏波（以下、これらの偏波を円偏波という）を発生させる。なお、受信アンテナとして用いた場合でも、点３が受電点となる。したがって、点３が給電・受電手段として作用することとなる。以下の説明では、送信アンテナとして用いる場合を説明する。

次に、本発明の実施形態を具体例に基づいてさらに詳細に説明する。図１に示すように、例えばシリコン基板のような板状の誘電体４の下面４ａに反射板２を形成する。図１において、反射板２が斜線で示しており、その反射板２が導電体で形成されている。

放射素子１の２辺１ａ，１ｂはＬ型に折り曲げて形成している。このＬ型に折り曲げるとは、２辺１ａ，１ｂに流れるアンテナ電流の位相が互いに異なって円偏波を生起する状態に折り曲げることを意味する。したがって、Ｌ型に折り曲げる際の角度は、理想的には９０度であることが望ましいものであるが、実用上支障が出ない範囲であれば、９０度を中心として±数％の範囲の角度であってもよい。前記±数％の範囲は、円偏波を用いて通信を行う装置の特性によって決定されるものである。

さらに、放射素子１の２辺の一端が給電・受電端１ｃであり、その２辺の他端が開放端１ｄであり、前記Ｌ型の２辺１ａ，１ｂが前記反射板２の表面２ａに沿う方向に配置してある。図１及び２では、放射素子１は誘電体４に支えているため、放射素子１の２辺１ａ，１ｂは誘電体４に支えられて反射板２の表面２ａに沿う方向に配置してある。

また、放射素子１の２辺１ａ，１ｂは、それぞれ１／４波長の電気長に設定してある。理想的には放射素子１の２辺の１ａ，１ｂの電気長は、それぞれ１／４波長であることが望ましいものであるが、実用上支障がない範囲であれば、１／４波長を中心として±数％の範囲が含まれる。前記±数％の範囲は、円偏波を用いて通信を行う装置の特性によって決定されるものである。

また、放射素子１は、その一端に反射板２に対して絶縁されたスタブ素子５を有している。具体的に説明すると、反射板２及び誘電体４には、上下に貫通するスルーホール６が形成され、そのスルーホール６には、スタブ素子５としての直線状の給電導体７が挿入されている。給電導体７は、その一端が給電点３に電気的に接続してあり、その他端が放射素子１の給電・受電端１ｃに電気的に接続してある。そして、給電導体７の全長の長さを調整することにより、給電・受電点３と放射素子１とのインピーダンスマッチングを取っている。

次に、本発明の実施形態において円偏波或いは楕円偏波が発生することをシミュレーションによって検証する。

図３（ａ），（ｂ）は、放射素子１の２辺１ａ，１ｂのそれぞれの長さＬ１＝Ｌ２＝１／４波長にそれぞれ設定して、シミュレーションをした結果である。図３（ａ）は、２次元のＸ−Ｙ面における電界レベルの回転をシミュレーションしたものであって、横軸がＸ軸方向での電界レベル、縦軸がＹ軸方向での電界レベルを示している。図３（ａ）のシミュレーションの結果から明らかなように、放射素子１の２辺１ａ，１ｂから放射されるべき電磁波が完全な円偏波であることを示している。

図３（ｂ）は、横軸に位相差（ｗｔ）を、縦軸にＸ方向とＹ方向とにおける電界レベルの差を示している。図３（ｂ）から明らかなように、Ｘ方向とＹ方向の電界の位相差が完全に直線となり、円偏波であることを示している。この場合、軸比（ＡＲ）は１．０である。

図４は、放射素子１の２辺１ａ，１ｂの全長（Ｌ１＋Ｌ２）を１／２波長に設定し、その１辺１ａの長さＬ１を変化させた場合において、２辺１ａ，１ｂの屈曲点１ｅにおける位相（１辺１ａの長さＬ１による位相変化）と軸比（ＡＲ）とを示す図である。図の横軸に１辺１ａの長さＬ１を示し、縦軸に軸比（ＡＲ）を示している。

このシミュレーションでは、理想的に考えているので、１辺１ａの長さ変化に対応して位相が直線的になっている。また、軸比（ＡＲ）は、放射素子１の辺１ａと１ｂとが１：１である場合に、１となっていることが分かる。

図３及び図４に示すシミュレーション結果から、本発明の実施形態に係るアンテナは円偏波アンテナとして動作することは検証された。

次に、本発明の実施形態に係るアンテナの放射パターンを実測した結果を図５に示す。実測するために、測定機器の測定範囲を考慮して、使用周波数を２．５ＧＨｚに設定し、放射素子１の２辺１ａ，１ｂの長さＬ１，Ｌ２を３．０ｃｍ（１／４波長）、スタブ素子としての給電導体７の長さＬ３を３．０ｃｍ（１／４波長）にそれぞれ設定した。以上の設定の下で、周波数を２．６ＧＨｚ〜３．０ＧＨｚまで変化させた場合の放射パターンを実測し、放射素子１の２辺１ａ，１ｂにより生じる電界が回転している、すなわち円偏波であることを検証した。なお、前記各寸法は、使用周波数を２．５ＧＨｚとした条件で設定しているから、周波数を２．６ＧＨｚ〜３．０ＧＨｚの範囲で変化させた場合における軸比は１からずれているが、前記電界が回転している否かは検証できる。

図５において、ＨＡは２．６ＧＨｚ、ＨＢは２．７ＧＨｚ、ＨＣは２．８ＧＨｚ、ＨＤは２．９ＧＨｚ、ＨＥは３．０ＧＨｚにおける放射パターンを示している。各放射パターンにおいて、パターン形状の一部に異常なくびれが生じておらず、ほぼ楕円形状となっているので、放射素子１の２辺１ａ，１ｂにより生じる電界が回転している、すなわち円偏波であることが検証できた。

以上説明したように本発明の実施形態によれば、放射素子のＬ型２辺に流れるアンテナ電流は互いに位相が異なる（望ましくは９０度）こととなり、円偏波或いは軸比が１に近似した偏波を発生させることができる。

さらに本発明の実施形態によれば、放射素子の給電・受電端に、反射板と絶縁したスタブ素子を有することにより、スタブ素子の全長を調整して、放射素子と給電・受電点との間におけるインピーダンスの整合を図ることができる。しかも、整合回路はアンテナへの給電導体の全長を調整することにより達成できるため、新たな整合回路をアンテナに搭載する必要がなく、小型化を図ることができる。

また、給電構造を単純化することができ、しかも電流に位相差を持たせる位相器も不要であるため、全体構造を簡素化することができる。

また、放射素子の２辺が反射板の表面に沿う方向に配置されるため、反射板の高さ方向を極めて低姿勢に保持することができ、アンテナの高さ方向での寸法を極力低くすることができる。

また、放射素子のＬ型の２辺が電磁波の送信・受信に寄与するものであり、放射素子の後方に反射板を配置している。特許文献３のように素子同士を電磁結合するものでは、反射板とアンテナ素子との間隔が変化すると、軸比に影響を与えることになる。しかし、本発明の実施形態では、放射素子のＬ型の２辺が直接円偏波の送信・受信に寄与するため、放射素子と反射板との間隔は前方への利得と入力インピーダンスに関係することとなり、軸比などに影響を与えることがない。

本発明は、給電構造が簡素化され低姿勢化も可能であり、例えばモバイル端末のような情報の授受を行う機器に幅広く適用することができるものである。

本発明の実施形態に係る円偏波アンテナを示す斜視図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ線に断面図、（ｂ）は図１の平面図である。 図１に示す円偏波アンテナをシミュレーションした結果を示す図である。 図１に示す円偏波アンテナをシミュレーションした結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る円偏波アンテナの放射パターンを示す図である。

符号の説明

１ 放射素子
１ａ，１ｂ 放射素子のＬ型の２辺
１ｃ 放射素子の給電・受電端
１ｄ 放射素子の開放端
２ 反射板
３ 給電・受電点
７ 給電導体（スタブ素子）

Claims (5)

1. 放射素子と、反射板とを有し、
   前記放射素子と前記反射板との間に、送受信用電力を給電・受電するものであり、
   前記放射素子はＬ型の２辺を有し、
   前記放射素子の２辺の一端が給電・受電端であり、その２辺の他端が開放端であり、
   前記Ｌ型の２辺が前記反射板の表面に沿う方向に配置してあることを特徴とする円偏波アンテナ。
2. 前記Ｌ型の２辺は、１／４波長の電気長に設定してある請求項１に記載の円偏波アンテナ。
3. 前記放射素子の給電・受電端に、前記反射板に対して絶縁されたスタブ素子を有する請求項１に記載の円偏波アンテナ。
4. 前記スタブ素子の全長が調整可能である請求項３に記載の円偏波アンテナ。
5. 前記反射板を前記放射素子の後方に配置した請求項１に記載の円偏波アンテナ。

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