JP2010056828A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アンテナ面内（水平面内）に無指向性円偏波を放射するアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】 アンテナ装置（１０）は、放射素子と、この放射素子と対向するグランド板（１４）と、このグランド板から放射素子へ向けて垂直方向に立ち上がった給電線（１６）とから構成される。放射素子は、主面（１２ａ）を持つ誘電体基板（１２）と、この誘電体基板の主面上に形成されたアンテナパターン（１８）とからなる。このアンテナパターン（１８）は、給電線（１６）を４回回転対称軸とする４回回転対称図形をしている。アンテナパターン（１８）は、誘電体基板（１２）の中心から半径方向に放射状に延在し、かつ誘電体基板（１２）の中心の周りに９０°の等角度間隔で配置された、第１乃至第４のスパイラル状導体パターン（１８−１〜１８−４）から成る。
【選択図】 図３

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、円偏波アンテナ装置に関する。

この技術分野において周知のように、円偏波を放射する円偏波アンテナ装置の一種として、ループアンテナ素子が知られている。

図１及び図２を参照して、従来のループアンテナ素子６０について説明する。図１はループアンテナ素子６０の斜視図であり、図２はループアンテナ素子６０を、その放射特性と共に示す正面図である。ここでは、図１に示されるように、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を使用している。直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）において、後述するグラント板６４の中心を原点にとり、ｘ軸は前後方向（奥行き方向）であり、ｙ軸は左右方向であり、ｚ軸は上下方向（高さ方向）である。したがって、ｚ方向は、グランド板６４の法線方向である。一方、図２においては、紙面と直交する方向にｘ軸をとり、紙面の左右方向にｙ軸をとり、紙面の上下方向（高さ方向）にｚ軸をとっている。

ループアンテナ素子６０は、ループ状の放射素子（アンテナエレメント）６２と、この放射素子６２と対向するグランド板６４と、このグランド板６４から放射素子６２に向けて垂直方向に立ち上がった給電線６６とから構成される。グランド板６４と放射素子６２とは、互いに略平行に配置されている。

グランド板６４は、ｘ−ｙ平面と平行な面内に延在している。グランド板６４の略中央に、給電線６６の給電点６６ａが設けられている。なお、グランド板６４の中央部には、貫通孔などの絶縁体部分６４ａが設けられている。したがって、給電点６６ａとグランド板６４とは電気的に接続されていない。

このようなループアンテナ素子６０は、図２に示される同軸ケーブル７０を使用して給電される。同軸ケーブル７０は、円筒状の外部導体７２と、その中央にある中心導体７４とからなる同軸形状の電気信号伝送媒体である。外部導体７２と中心導体７４との間は円筒状の絶縁体７６で絶縁されている。また、外部導体７２はシース（図示せず）で覆われている。

図２に示されるように、同軸ケーブル７０の中心導体７４の先端は、半田（図示せず）によって給電点６６ａと電気的に接続され、同軸ケーブル７０の外部導体７２の先端は、半田（図示せず）によってグランド板６４と電気的に接続される。

図２に示されるように、従来のループアンテナ素子６０は、放射素子６２の法線方向（ｚ方向）に円偏波特性を持つ。

なお、このような構造のループアンテナ素子６０と類似なアンテナ素子として、カールアンテナ素子も知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。これら特許文献１、２に開示されたカールアンテナ素子は、立体構造をしており、アンテナエレメントと平行に対向するグランド面を持つことで、インピーダンスの整合を容易にしている。とにかく、図１および図２に示されたループアンテナ素子６０や、特許文献１、２に開示されたカールアンテナ素子は、アンテナエレメントと対向するグランド面により天頂方向に利得の高い指向性アンテナとなっている。

特開２００７−２３５４６０号公報（図２） 特開２００３−２１８６３２号公報

図１および図２に示したループアンテナ素子６０や、上述の特許文献１，２に開示されるようなカールアンテナ素子では、ループ面（放射素子６２が延在する面）に対して法線方向ｚに円偏波を放射している。

そこで、本発明の目的は、アンテナ面内（水平面内）に無指向性円偏波を放射するアンテナ装置を提供することにある。

本発明によれば、放射素子と、この放射素子と対向するグランド板（１４）と、このグランド板から放射素子へ向けて垂直方向に立ち上がった給電線（１６）とから構成されるアンテナ装置（１０）において、放射素子は、主面（１２ａ）を持つ誘電体基板（１２）と、この誘電体基板の主面上に形成されたアンテナパターン（１８）とからなり、このアンテナパターン（１８）は、給電線（１６）をＮ回（Ｎは３以上の整数）回転対称軸とするＮ回回転対称図形をしており、アンテナパターン（１８）は、誘電体基板（１２）の中心から半径方向に放射状に延在し、かつ誘電体基板（１２）の中心の周りに（３６０°／Ｎ）の等角度間隔で配置された、第１乃至第Ｎのスパイラル状導体パターン（１８−１〜１８−４）から成ることを特徴とするアンテナ装置（１０）が得られる。

上記アンテナ装置において、誘電体基板（１２）は円形をしていてよい。グランド板（１４）は正方形をしていてよい。グランド板（１４）の一辺の長さをＳ_ＧＰとし、アンテナパターン（１８）の外周半径をｒとしたとき、ｒ：Ｓ_ＧＰ／２が実質的に３：１に等しいことが好ましい。第１乃至第Ｎのスパイラル状導体パターン（１８−１〜１８−４）の各々は最外円弧部を含み、最外円弧部のアーム長（Ｌ_ａｒｍ）が、使用周波数の誘電体による波長短縮後の使用波長（λ_{ｇ２．７５}）の実質的に５分の３に設定されていることが望ましい。また、上記Ｎは４の倍数に等しくてよく、例えば、４に等しくてよい。第１乃至第Ｎのスパイラル状導体パターン（１８−１〜１８−４）の各々は、例えば、平面視で、誘電体基板（１２）の中心から右回り（時計回り）に渦を巻いてよい。この場合、アンテナ装置（１０）は、右旋円偏波を放射するものとなる。

尚、上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。

本発明では、誘電体基板の主面上に形成されたアンテナパターンが、給電線をＮ回（Ｎは３以上の整数）回転対称軸とするＮ回回転対称図形をしており、アンテナパターンが、誘電体基板の中心から半径方向に放射状に延在し、かつ誘電体基板の中心の周りに（３６０°／Ｎ）の等角度間隔で配置された、第１乃至第Ｎのスパイラル状導体パターンから成るので、アンテナ面内（水平面内）に無指向性円偏波を放射することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図３乃至図６を参照して、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置１０について説明する。図３はアンテナ装置１０の斜視図であり、図４はアンテナ装置１０の平面面（上面図）である。図５はアンテナ装置１０の左側面図であり、図６はアンテナ装置１０の正面図である。ここでは、図３に示されるように、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を使用している。直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）において、後述するグラント板１４の中心を原点にとり、ｘ軸は前後方向（奥行き方向）であり、ｙ軸は左右方向であり、ｚ軸は上下方向（高さ方向）である。したがって、ｚ方向は、グランド板１４の法線方向である。一方、図６においては、紙面と直交する方向にｘ軸をとり、紙面の左右方向にｙ軸をとり、紙面の上下方向（高さ方向）にｚ軸をとっている。

アンテナ装置１０は、後述する放射素子（アンテナエレメント）と、この放射素子と対向するグランド板１４と、このグランド板１４から放射素子に向けて垂直方向ｚに立ち上がった給電線１６とから構成される。グランド板１４と放射素子とは、互いに略平行に配置されている。

グランド板１４は、ｘ−ｙ平面と平行な面内に延在している。図示のグランド板１４は、一辺の長さがＳ_ＧＰの正方形をしている。グランド板１４の略中央に、給電線１６の給電点１６ａが設けられている。なお、グランド板１４の中央部には、貫通孔などの絶縁体部分１４ａが設けられている。したがって、給電点１６ａとグランド板１４とは電気的に接続されていない。

尚、図示の例では、グランド板１４は正方形をしているが、円形など他の形状をしていてもよい。

放射素子は、主面１２ａを持つ誘電体基板１２と、この誘電体基板１２の主面１２ａ上に形成されたアンテナパターン１８とからなる。図示の誘電体基板１２は、直径Ｄを持つ円形をしている。しかしながら、誘電体基板１２の形状は円形に限定されず、正多角形をしていてもよい。誘電体基板１２は比誘電率ε_ｒを持ち、厚みＢを持つ。図示の例では、比誘電率ε_ｒは３．４である。

グランド板１４と誘電体基板１２とは、上下方向（高さ方向）ｚに互いにｈ_ａｉｒだけ離間している。したがって、アンテナパターン１８は、グランド板１４から、高さ（ｈ_ａｉｒ＋Ｂ）の所に形成されている。

図示の例では、このアンテナパターン１８は、誘電体基板１２の主面１２ａ上に、後述するようなストリップ導体を印刷することによって、形成されている。

詳述すると、図示のアンテナパターン１８は、給電線１６を４回回転対称軸とする４回回転対称図形をしている。アンテナパターン１８は、第１乃至第４のスパイラル状導体パターン１８−１、１８−２、１８−３、および１８−４から成る。第１乃至第４のスパイラル状導体パターン１８−１〜１８−４は、誘電体基板１２の中心から半径方向に放射状に延在し、かつ誘電体基板１２の中心の周りに９０°の等角度間隔で配置されている。第１乃至第４のスパイラル状導体パターン１８−１〜１８−４の各々は、ストリップ導体から成る。

図示の例では、第１乃至第４のスパイラル状導体パターン１８−１〜１８−４の各々は、平面視で、誘電体基板１２の中心から右回り（時計回り）に渦を巻いている。そのため、アンテナ装置１０は、右旋円偏波を放射するアンテナ装置である。

上述したように、正方形のグランド板１４の一辺の長さはＳ_ＧＰである。また、アンテナパターン１８の外周半径をｒとする。このような状況では、ｒ：Ｓ_ＧＰ／２＝３：１の関係がある。

図４に示されるように、第１乃至第４のスパイラル状導体パターン１８−１〜１８−４の各々は、誘電体基板１２の中心からほぼ半径方向外側に延在する第１の直線ストリップ導体部と、この第１の直線ストリップ導体部の先端から円周方向に延在する第１の円弧状ストリップ導体部（最外円弧部）と、この第１の円弧状ストリップ導体部の先端から誘電体基板１２のほぼ半径方向内側に延在する第２の直線ストリップ導体部と、この第２の直線ストリップ導体部の先端から誘電体基板１２のほぼ半径方向外側に延在する第３の直線ストリップ導体部と、この第３の直線ストリップ導体部の先端から円周方向に延在する第２の円弧状ストリップ導体部（中間円弧部）と、この第２の円弧状ストリップ導体部の先端から誘電体基板１２のほぼ半径方向内側に延在する第４の直線ストリップ導体部と、この第４の直線ストリップ導体部の先端から誘電体基板１２のほぼ半径方向外側に延在する第５の直線ストリップ導体部と、この第５の直線ストリップ導体部の先端から円周方向に延在する第３の円弧状ストリップ導体部（最内円弧部）とから構成されている。

第１乃至第５の直線ストリップ導体部の各々は第１の幅Ｗ_１を持ち、第１乃至第３の円弧状ストリップ導体部の各々は第２の幅Ｗ_２を持つ。一方、図５に示されるように、給電線１６は太さＷ_３を持つ。

また、図４に示されるように、第１の円弧状ストリップ導体部（最外円弧部）の外周縁と誘電体基板１２の外周縁との間には、第１のギャップ（スペース）δ_１が空いている。第１の円弧状ストリップ導体部（最外円弧部）の内周縁と第２の円弧状ストリップ導体部（中間円弧部）の外周縁との間には、第２のギャップ（スペース）δ_２が空いている。第２の円弧状ストリップ導体部（中間円弧部）の内周縁と第３の円弧状ストリップ導体部（最内円弧部）の外周縁と間には、第３のギャップ（スペース）δ_３が空いている。

図６に示されるように、アンテナ装置１０は、同軸ケーブル７０を使用して給電される。同軸ケーブル７０は、円筒状の外部導体７２と、その中央にある中心導体７４とからなる同軸形状の電気信号伝送媒体である。外部導体７２と中心導体７４との間は円筒状の絶縁体７６で絶縁されている。また、外部導体７２はシース（図示せず）で覆われている。

図６に示されるように、同軸ケーブル７０の中心導体７４の先端は、半田（図示せず）によって給電点１６ａと電気的に接続され、同軸ケーブル７０の外部導体７２の先端は、半田（図示せず）によってグランド板１４と電気的に接続される。

図７はアンテナ装置１０を、その放射特性と共に示す正面図である。図７に示されるように、アンテナ装置１０は、アンテナ水平面方向すべに良好な円偏波特性を持つ。

尚、図示の例のアンテナ装置１０では、使用周波数ｆを２．７５ＧＨｚになるように設計してある。このような状況では、上述したアンテナ装置１０の具体的寸法は次のようになる。

詳述すると、アンテナパターン１８を構成するストリップ導体の第１の幅Ｗ_１は４ｍｍに等しく、第２の幅Ｗ_２は２ｍｍに等しい。給電線１６の太さＷ_３は１ｍｍに等しい。アンテナパターン１８の第１のギャップδ_１は１ｍｍに等しく、第２のギャップδ_２は１．５ｍｍに等しく、第３のギャップδ_３は２．５ｍｍに等しい。アンテナパターン１８の外周半径ｒは３０．５ｍｍに等しく、誘電体基板１２の直径Ｄは６３ｍｍに等しい。グランド板１４の一辺の長さＳ_ＧＰは２２ｍｍに等しい。グランド板１４と誘電体基板１２との離間距離（立ち上げ部１６の高さ）ｈ_ａｉｒは１１ｍｍに等しい。誘電体基板１２の厚さＢは１ｍｍに等しい。

アンテナパターン１８を構成する第１乃至第４のスパイラル状導体パターン１８−１〜１８−４の各々の第１の円弧状ストリップ導体部（最外円弧部）は、アーム長（すなわち、図１０に示されるａからｂまでの長さ）Ｌ_ａｒｍを持つ。図示の例では、このアーム長Ｌ_ａｒｍが使用周波数ｆ＝２．７５ＧＨｚにおける誘電体基板１２による波長短縮後の使用波長λ_{ｇ２．７５}（以下、単に使用波長λ_{ｇ２．７５}という）の約５分の３になるように設定されている。

図８にアーム長Ｌ_ａｉｒと立ち上げ部１６の高さｈ_ａｉｒの関係を使用波長λ_{ｇ２．７５}で正規化した表を示す。すなわち、アンテナ装置１０の使用周波数ｆ＝２．７５ＧＨｚは、アーム長Ｌ_ａｉｒ＝０．６１４λ_{ｇ２．７５}と、立ち上げ部１６の高さｈ_ａｉｒ＝０．１５０λ_{ｇ２．７５}とによって決定される。

図示の例では、アンテナ装置１０の使用周波数ｆを２．７５ＧＨｚに設定した場合を例に挙げて説明したが、上述したアンテナ装置１０の各種寸法やパラメータを使用波長λ_{ｇ２．７５}で正規化すると、図９のようになる。

図１１は、アンテナ装置１０の使用周波数ｆが２．７５ＧＨｚであるときに、グランド板１４と誘電体基板１２との離間距離（以下、単に「高さ」と呼ぶ）ｈ_ａｉｒを変化させたときの水平面（ｘ−ｙ面）の放射パターンを示す図である。図１１において、（ａ）は高さｈ_ａｉｒが５ｍｍであるときの放射パターンを示し、（ｂ）は高さｈ_ａｉｒが８ｍｍであるときの放射パターンを示し、（ｃ）は高さｈ_ａｉｒが１１ｍｍであるときの放射パターンを示す。図１１において、実線は右旋円偏波成分（主偏波成分）Ｅ_Ｒを示し、破線は左旋円偏波成分（直交偏波成分）Ｅ_Ｌを示す。

図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から、高さｈ_ａｉｒが増加すると、直交偏波成分Ｅ_Ｌが増加することが分かる。

図１２は、アンテナ装置１０の使用周波数ｆが２．７５ＧＨｚであるときに、高さｈ_ａｉｒを変化させたときの軸比パターンを示す図である。図１２において、（ａ）は高さｈ_ａｉｒが５ｍｍであるときの軸比パターンを示し、（ｂ）は高さｈ_ａｉｒが８ｍｍであるときの軸比パターンを示し、（ｃ）は高さｈ_ａｉｒが１１ｍｍであるときの軸比パターンを示す。また、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各々において、左側はｘ−ｙ面における軸比を示し、右側はｘ−ｚ面における軸比を示している。

図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から、ｘ−ｙ面において軸比３ｄＢ以下となる高さｈ_ａｉｒが存在することが分かる（図１２（ｂ）の左側（ｈ_ａｉｒ＝８ｍｍ）、図１２（ｃ）の左側（ｈ_ａｉｒ＝１１ｍｍ）参照）。この時、垂直面（ｘ−ｚ面）において、軸比３ｄＢ以下となる角度幅は約３０°であることが分かる。

図１３は、アンテナ装置１０の高さｈ_ａｉｒ＝１１ｍｍのときに、ｘ軸方向において算出した軸比の周波数特性を示す図である。図１３において、横軸は周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸は軸比ＡＲ［ｄＢ］を示している。図１３から、周波数が約２．６４ＧＨｚから約２．８ＧＨｚの範囲で、軸比ＡＲが３ｄＢ以下になっていることが分かる。尚、円偏波帯域は約５．５％となっている。

以上の説明から明らかなように、高さｈ_ａｉｒを適当な値に選ぶことにより、アンテナ面内（水平面内）に無指向性円偏波特性を持つアンテナ装置を得ることができる。

以上、本発明について好ましい実施の形態によって説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定しないのは勿論である。例えば、上記実施の形態では、アンテナパターン１８が給電線１６を４回回転対称軸とするＮ回回転対称図形をしているが、８回回転対称図形をしていてもよく、１６回回転対称図形をしていてもよい。一般的には、アンテナパターンは、給電線をＮ回（Ｎは３以上の整数）回転対称軸とするＮ回回転対称図形をしていてよい。この場合、アンテナパターンは、誘電体基板の中心から半径方向に放射状に延在し、かつ誘電体基板の中心の周りに（３６０°／Ｎ）の等角度間隔で配置された、第１乃至第Ｎのスパイラル状導体パターンから成る。また、上記実施の形態では、アンテナ装置１０の受信偏波は円偏波であって、右旋円偏波を放射するものである。左旋円偏波を放射するようにする場合、第１乃至第Ｎのスパイラル状導体パターンの各々は、平面視で、誘電体基板の中心から左回り（反時計回り）に渦を巻いていればよい。

従来のループアンテナ素子の斜視図である。 図１に示したループアンテナ素子を、その放射特性と共に示す正面図である。 本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置の斜視図である。 図３に示したアンテナ装置の平面面（上面図）である。 図３に示したアンテナ装置の左側面図である。 図３に示したアンテナ装置の正面図である。 図３に示したアンテナ装置を、その放射特性と共に示す正面図である。 アーム長と立ち上げ部の高さの関係を使用波長で正規化した表である。 図３に示したアンテナ装置の各種寸法やパラメータを使用波長で正規化した表である。 アンテナパターンを構成する第２のスパイラル状導体パターンのみを示す平面図である。 図３に示したアンテナ装置の使用周波数ｆが２．７５ＧＨｚであるときに、グランド板と誘電体基板との離間距離（高さ）を変化させたときの水平面（ｘ−ｙ面）の放射パターンを示す図である。 図３に示したアンテナ装置の使用周波数ｆが２．７５ＧＨｚであるときに、上記高さを変化させたときの軸比パターンを示す図である。 図３示したアンテナ装置の高さｈ_ａｉｒ＝１１ｍｍのときに、ｘ軸方向において算出した軸比の周波数特性を示す図である。

符号の説明

１０ アンテナ装置
１２ 誘電体基板
１４ グランド板
１６ 給電線（立ち上げ部）
１８ アンテナパターン
１８−１〜１８−４ スパイラル状導体パターン

Claims (8)

1. 放射素子と、該放射素子と対向するグランド板と、該グランド板から前記放射素子へ向けて垂直方向に立ち上がった給電線とから構成されるアンテナ装置において、
   前記放射素子は、主面を持つ誘電体基板と、該誘電体基板の主面上に形成されたアンテナパターンとからなり、
   前記アンテナパターンは、前記給電線をＮ回（Ｎは３以上の整数）回転対称軸とするＮ回回転対称図形をしており、
   前記アンテナパターンは、前記誘電体基板の中心から半径方向に放射状に延在し、かつ前記誘電体基板の中心の周りに（３６０°／Ｎ）の等角度間隔で配置された、第１乃至第Ｎのスパイラル状導体パターンから成ることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記誘電体基板は円形をしている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記グランド板は正方形をしている、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記グランド板の一辺の長さをＳ_ＧＰとし、前記アンテナパターンの外周半径をｒとしたとき、ｒ：Ｓ_ＧＰ／２が実質的に３：１に等しい、請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１乃至第Ｎのスパイラル状導体パターンの各々は最外円弧部を含み、
   前記最外円弧部のアーム長が、使用周波数の誘電体による波長短縮後の使用波長の実質的に５分の３に設定されている、請求項１乃至４のいずれか１つに記載のアンテナ装置。
6. 前記Ｎが４の倍数に等しい、請求項１乃至５のいずれか１つに記載のアンテナ装置。
7. 前記Ｎが４に等しい、請求項６に記載のアンテナ装置。
8. 前記第１乃至第Ｎのスパイラル状導体パターンの各々は、平面視で、前記誘電体基板の中心から右回り（時計回り）に渦を巻いており、
   前記アンテナ装置は、右旋円偏波を放射するものである、請求項１乃至７のいずれか１つに記載のアンテナ装置。

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