JP2015136110A

JP2015136110A - 等間隔マルチパス除去アンテナアレイ

Info

Publication number: JP2015136110A
Application number: JP2015005578A
Authority: JP
Inventors: ナン・ワーン; Nan Wang; オーヴィル・ナイハス; Nyhus Orville
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2015-01-15
Publication date: 2015-07-27
Also published as: US20150200465A1; EP2897225A1; RU2015100199A

Abstract

【課題】等間隔マルチパス除去アンテナアレイのためのシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】一実施形態において、アンテナシステムは、リニア中央アンテナマストに沿って等間隔に配置される、垂直方向に向けられた複数のダイポール素子であって、中央アンテナマストに沿ってλ／２の間隔を空けて配置され、かつ、中央アンテナマストに対して垂直に向けられる複数のダイポール素子と、前記素子の各々を駆動するための給電ネットワークとを備える。複数のダイポール素子の各々は、給電ネットワークによって能動的に給電され、複数のダイポール素子のうちの任意の２つの間に無給電の寄生素子は存在しない。【選択図】図１

Description

[0001]差動ＧＰＳシステムは衛星測位システムの能力を高め、メートル単位からセンチメートル単位へと大幅に改善された精度を提供する。地上の観測基準点が差動ＧＰＳ（Ｄ−ＧＰＳ：ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＧＰＳ）システムに含まれ、ＧＰＳ衛星信号処理によって示される位置と観測基準点の既知の固定位置との間の疑似距離差をブロードキャストする。ＧＰＳ受信機は、ブロードキャストデータを使用して、ＧＰＳ受信機の疑似範囲を同じ量だけ修正することができる。ＧＰＳシステムの位置決め精度は、様々な要因によって影響を受ける。１つの重要な要因は、受信アンテナが、理想的にはダイレクトパスＧＰＳ信号のみを受信し、望ましくない信号全てを除去すべきであることである。望ましくない信号の大部分は、地上で反射された干渉が原因となる。チョークリングアンテナは、反射されたＧＰＳ信号を一般的な目的で遮断すするためにＧＰＳシステムにおいて広く利用されており、このような種類のアンテナは、約−２０ｄＢの抑制を提供することができる。ダイレクトＧＰＳ信号の偏波は、右円偏波（ＲＨＣＰ：ｒｉｇｈｔｈａｎｄｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）である。ブルースター角を超える仰角を有する衛星から送信されたＧＰＳ信号が、地上としての水平面から反射される場合、ＧＰＳ信号は、反射によって引き起こされる１８０度の位相シフトに起因して、左円偏波（ＬＨＣＰ：ｌｅｆｔｈａｎｄｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を示すことになる。残念ながら、２０ｄＢの抑制は、各シナリオについて常に許容されるとは限らない。例えば、Ｄ−ＧＰＳシステムは、一般に、ＲＨＣＰ利得パターンとＬＨＣＰ利得パターンの双方に対して約３０ｄＢのバックローブ／サイドローブのより良好な抑制を必要とする。

米国特許第６，４５２，５６２号

[0002]上述された理由から、また、本明細書を読みかつ理解することで当業者に明らかとなるであろう下述される他の理由から、本技術分野においては、改良されたＧＰＳアンテナ設計の必要がある。

[0003]本発明の実施形態は、改良されたＧＰＳアンテナ設計を提供し、以下の明細書を読みかつ研究することによって理解されるであろう。
[0004]等間隔マルチパス除去アンテナアレイ（ｅｑｕａｌｉｎｔｅｒｖａｌｍｕｌｔｉｐａｔｈｒｅｊｅｃｔｉｎｇａｎｔｅｎｎａａｒｒａｙ）のためのシステムおよび方法が提供される。一実施形態において、アンテナシステムは、リニア中央アンテナマスト（ｌｉｎｅａｒｃｅｎｔｒａｌａｎｔｅｎｎａｍａｓｔ）に沿って等間隔に配置される、垂直方向に向けられた複数のダイポール素子であって、中央アンテナマストに沿ってλ／２の間隔を空けて配置され、かつ、中央アンテナマストに対して垂直に向けられる複数のダイポール素子と、前記素子の各々を駆動するための給電ネットワークとを備える。複数のダイポール素子の各々は、給電ネットワークによって能動的に給電され、複数のダイポール素子のうちの任意の２つの間に無給電の寄生素子（ｎｏｎ−ｆｅｄｐａｒａｓｉｔｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓ）は存在しない。

[0005]好適な実施形態の説明および以下の図面に照らして検討したとき、本発明の実施形態は、より簡単に理解され、本発明の実施形態のさらなる利点およびその用途は、より容易に明らかとなり得る。

[0006]本開示の一実施形態に係るアンテナシステムを例示する図である。 [0007]本開示の一実施形態のリニアアンテナアレイのアンテナパターンを例示するグラフである。 [0008]本開示の一実施形態のリニアアンテナアレイのアンテナパターンを例示するグラフである。 [0009]本発明の一実施形態の方法を例示するフローチャートである。

[0010]慣行に従って、説明される様々な特徴は、原寸に比例して示されておらず、本発明に関連する特徴を強調するように描かれている。参照符号は、図面および本文全体を通じて同様の要素を指す。

[0011]以下の詳細な説明において、本明細書の一部を形成する添付の図面が参照され、添付の図面において、本発明が実施され得る特定の例示的な実施形態が示される。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能とするように充分に詳細に説明されており、他の実施形態が利用され得ること、および、本発明の範囲から逸脱することなく、論理的、機械的および電気的な変更が行われ得ることが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではない。

[0012]本開示において提示される実施形態は、各隣接素子間の間隔が等しく、あらゆる素子が能動的に給電される素子である新規なリニアアンテナアレイを提供する。下記に説明されるように、あらゆる素子が給電されるため、本明細書において説明されるリニアアンテナアレイ設計は、無給電のアンテナ素子または寄生アンテナ素子を含むアンテナ設計よりも、多数の素子を物理的によりコンパクトな寸法内に含むアンテナ設計を提供することができる。さらに、地平線の角度未満の仰角から（すなわち、０度よりも大きい仰角、または天頂から測定して９０度よりも大きい角度で）到来する信号について、信号電力の優れたロールオフが得られる。天頂からの角度は、信号伝搬路と地平線との間の角度である仰角の補数であることが認識されるべきである。

[0013]図１は、全体が１００で示される、本開示の一実施形態のリニアアンテナアレイを例示する図である。リニアアンテナアレイ１００は、アンテナベイｍ＝−８、−７、−６、−５、−４、−３、−２、−１、０、１、２、３、４、５、６、７、８のそれぞれに対応する各アンテナを占める１７個の素子１１０−１から１１０−１７を含む。素子１１０−１から１１０−１７の各々は、ダイポール素子である。素子１１０−１から１１０−１７は、その隣接する素子からλ／２の間隔でリニア中央アンテナマスト１２０に沿って均等に分配される。本明細書において使用される場合、λは、入力信号波長を表し、アンテナがチューニングされる対象となる電波波長としても考えられ得る。例えば、本明細書において説明されるリニアアンテナアレイのうちのいずれかは、ＧＰＳシステムおよび／またはＤ−ＧＰＳシステムにおいて使用される波長の無線信号の受信に使用するためにチューニングされ得る。マスト１２０は、素子１１０−１から１１０−１７がマスト１２０に対して垂直に、垂直方向に向けられるように、地平線に対して実質的に垂直に向けられる。素子１１０−１から１１０−１７の向きは、地平線より上方の比較的小さい角度で鋭いカットオフを有する、上半球を覆うリニアアレイパターンを提供する。

[0014]図１は１７個の素子の設計を例示するが、本開示を研究した当業者であれば、本開示の他の実施形態が、本開示の教示から逸脱することなく、より少数またはより多数の素子を含み得ることを認識するであろう。リニアアンテナアレイ１００の１７個の素子の設計は、地平線の角度未満の仰角から到来する信号の４０ｄＢを上回る抑制を達成することができる。

[0015]理論的に、奇数素子のリニアアンテナアレイについて、アンテナアレイ素子間の間隔が、

であると仮定すると、合成磁界は、
Ｅ_{ｎｓｕｍ}（α）＝｜Ｅ_{ｎｓｕｍ}（α）｜ｃｏｓ（ｎγπ ｓｉｎ（α）−β_ｎ）
によって与えられ、ただし、

かつ、

であり、ｓｉｇｎ関数の適用は、Ｅ_{ｎｓｕｍ}（α）の振幅の負の値に対処する。すなわち、振幅が負の場合、位相は１８０度調整される。
[0016]最終的に、

である。
[0017]この構成は、素子の平面に対して垂直な２つの方向（つまり、水平ダイポール素子の上方および下方）において円偏波を生成する。しかしながら、そのようなシステムにおける軸比は、垂直軸から離れる方向において低下し、ダイポール素子の平面において直線偏波となる。

[0018]上述されたように、本開示の実施形態は、素子のうちの任意の２つを分離する介在する寄生素子の存在なしに、アンテナの素子の各々が給電されるリニアアンテナアレイを提示する。そのため、素子１１０−１から１１０−１７の各々は、素子の各々を駆動するように構成された給電ネットワーク１５０によって駆動される。個々の素子１１０−１から１１０−１７は、天頂からの閾値角度が９０度未満の信号の適切なキャンセルを達成するために、特定の振幅および位相で駆動される。したがって、給電ネットワーク１５０は、当業者に既知であるような信号結合器および他の標準的な部品を含む。図１の実施形態の場合、給電ネットワーク１５０は、素子１１０−１から１１０−１７の各々における振幅遅延および位相遅延の補正を確立するように、本適用の教示に従って構成される。例えば、一実施形態において、給電ネットワーク１５０は、素子１１０−１から１１０−１７が交差逆Ｖダイポール（ｃｒｏｓｓｅｄｉｎｖｅｒｔｅｄ−ｖｅｅｄｉｐｏｌｅｓ）を含む実装のための直交給電を含む。さらなる背景については、米国特許第６，４５２，５６２号において説明される技法など、結果として得られるアンテナ放射パターンを調整するために当業者によって使用される様々な技法が存在し、この米国特許は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

[0019]前述されたように、アンテナ１００の素子１１０−１から１１０−１７の各々は、ネットワーク１５０によって能動的に給電される素子を含み、素子１１０−１から１１０−１７の各々は、λ／２の距離で等間隔に配置され、素子１１０−１から１１０−１７のうちの任意の２つの間に無給電の寄生素子は存在しない。リニアアンテナアレイ１００についての究極のアンテナパターンは、アレイファクタに個々の素子１１０−１から１１０−１７のアンテナパターンを乗じた関数であることが認識されるべきである。一実施形態において、素子１１０−１から１１０−１７は、表１に示されるように駆動される。表１から識別できるように、このような実施形態において、中央素子（ｍ＝０）は、０ｄＢかつ位相角０度で駆動され、偶数の素子（ｍ＝±２、±４および±６）も、位相角０度で駆動され、２つの終端素子１１０−１および１１０−１７は、それぞれ＋１８０度および−１８０度で駆動される。そして、ｍ＝１、３、５および７における残りの正のｍの素子は、位相角−９０度に駆動される一方で、ｍ＝−１、−３、−５および−７における残りの負のｍの素子は、位相角＋９０度に駆動される。

[0020]上述され、表１に示されるように駆動される１７素子のアンテナ１００について、図２は、能動素子間に寄生素子を有する、従来技術の１１素子のリニアアンテナアレイについての（パターン２１０で示されるような）パターンと比較して、９０度を超える天頂からの角度における受信信号利得の改良されたロールオフを（パターン２０５によって示されるように）例示する。図２から明らかなように、地平線より下方では、全てのサイドローブ（２３０で示される）が、地平線における信号利得（２２０で示される）から−３０ｄＢよりも大きく低下し、（２４０で示されるような）天頂からの角度が増加するにつれて、より大きな信号除去（ｓｉｇｎａｌｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）が得られることが示される。図３からも明らかなように、少なくとも−１５ｄＢのＬＨＣＰ波形（３１０で示される）の実質的な除去が、地平線よりも上方（すなわち、天頂からの角度が−９０度から９０度まで）から受信される信号について得られる。一実施形態において、各素子１１０−１から１１０−１７は、実質的に等方性である。理想的には、できるだけ等方性に近い素子を使用することが望ましいが、実際には、真に等方的な放射パターンは、一般的にまれである。アンテナ１００が表１によって説明されるように給電されると、アンテナ偏波は、右円偏波（ＲＨＣＰ）となり、個々の素子は、ＲＨＣＰ電磁信号を放射（および受信）することになる。

[0021]上述された実施形態を組み込む、対応する方法４００は、図４のフローチャートに例示される。本方法は、リニアアンテナアレイの複数のダイポール素子を駆動する４１０で始まる。リニアアンテナアレイは、中央アンテナマストに沿って等間隔に配置される複数のダイポール素子を含む。上記に解説されたように、素子の全ては、複数のダイポール素子のうちの任意の２つの間に無給電の寄生素子が存在しないように給電される。素子はまた、中央アンテナマストに対して垂直に向けられる。一つの実装において、中央アンテナマストは、ダイポール素子が各々垂直方向に向けられるように、地球の地平線に対して垂直な位置に支持される。したがって、１つのそのような実装において、中央アンテナマストの一方の終端部は、空の天頂の方を指すことになる。本方法は、次いで、３０ｄＢよりも大きい信号利得ロールオフを有するアンテナ利得パターンを確立する電力レベルおよび位相に複数のダイポール素子を給電する４２０に進む。図２および図３に示されるように、段落［００１８］および表１において上述された様々な素子に従って駆動される素子を用いれば、天頂から９０度と１００度との間の角度において発生する信号利得ロールオフが達成され得る。

例示的な実施形態
[0022]例１は、アンテナシステムを含み、このシステムは、リニア中央アンテナマストに沿って等間隔に配置される、垂直方向に向けられた複数のダイポール素子であって、中央アンテナマストに沿ってλ／２の間隔を空けて配置され、かつ、中央アンテナマストに対して垂直に向けられる複数のダイポール素子と、前記素子の各々を駆動するための給電ネットワークとを含み、複数のダイポール素子の各々は、給電ネットワークによって能動的に給電され、複数のダイポール素子のうちの任意の２つの間に無給電の寄生素子は存在しない。

[0023]例２は、例１のシステムを含み、中央アンテナマストは、複数のダイポール素子が垂直方向に向けられるように、地平線に対して実質的に垂直に向けられる。
[0024]例３は、例１〜２のいずれかのシステムを含み、複数のダイポール素子は、中央アンテナマストから９０度と１００度との間の角度で発生する、３０ｄＢよりも大きい信号利得ロールオフを有するアンテナパターンを生成する電力レベルおよび位相を確立するように、給電ネットワークによって駆動される。

[0025]例４は、例１〜３のいずれかのシステムを含み、中心アンテナマストに沿って中央ベイに位置するダイポール素子が０ｄＢかつ位相角０度で駆動され、中央アンテナマスト上の終端ダイポール素子が±１８０度で駆動されるように、複数のダイポール素子が、給電ネットワークによって駆動される。

[0026]例５は、例４のシステムを含み、中央ベイと終端ダイポール素子との間で中央アンテナマストに沿って偶数ベイに位置するダイポール素子も、位相角０度で駆動される。
[0027]例６は、例４〜５のいずれかのシステムを含み、中央ベイの第１の側から伸長する中央アンテナに沿って奇数ベイに位置するダイポール素子が、位相角−９０度で駆動される一方で、中央ベイの第２の側から伸長する中央アンテナに沿って奇数ベイに位置するダイポール素子が、位相角＋９０度で駆動される。

[0028]例７は、例１〜６のいずれかのシステムを含み、複数のダイポール素子が、合計１７個のダイポール素子を含む。
[0029]例８は、例７のシステムを含み、１７個のダイポール素子が、それぞれのアンテナベイｍ＝８からｍ＝−８において中央アンテナマストに沿って位置し、

に従った電力レベルおよび位相を確立するように、給電ネットワークによって駆動される。
[0030]例９は、リニアアンテナアレイの複数のダイポール素子を駆動するステップを含み、リニアアンテナアレイは、複数のダイポール素子のうちの任意の２つの間に無給電の寄生素子が存在しないように、中央アンテナマストに沿って等間隔に配置され、かつ、中央アンテナマストに対して垂直に向けられた複数のダイポール素子を含み、複数のダイポール素子を駆動するステップは、中央アンテナマストから９０度と１００度との間の角度で発生する、３０ｄＢよりも大きい信号利得ロールオフを有するアンテナ利得パターンを確立する電力レベルおよび位相に複数のダイポール素子を給電するステップをさらに含む、方法を含む。

[0031]例１０は、マストが地平線に対して実質的に垂直に向けられるような位置に中央アンテナマストを支持するステップをさらに含む、例９の方法を含む。
[0032]例１１は、例９〜１０のいずれかの方法を含み、中央アンテナマストに沿って中央ベイに位置するダイポール素子が０ｄＢかつ位相角０度で駆動され、中央アンテナマスト上の終端ダイポール素子が±１８０度で駆動されるように、複数のダイポール素子が駆動される。

[0033]例１２は、例９〜１１のいずれかの方法を含み、中央ベイと終端ダイポール素子との間の中央アンテナマストに沿って偶数ベイに位置するダイポール素子も、位相角０度で駆動される。

[0034]例１３は、例９〜１２のいずれかの方法を含み、中央ベイの第１の側から伸長する中央アンテナマストに沿って奇数ベイに位置するダイポール素子が、位相角−９０度に駆動される一方で、中央ベイの第２の側から伸長する中央アンテナマストに沿って奇数ベイに位置するダイポール素子が、位相角＋９０度に駆動される。

[0035]例１４は、例９〜１３のいずれかの方法を含み、複数のダイポール素子が、合計１７個のダイポール素子を含む。
[0036]例１５は、例１４の方法を含み、１７個のダイポール素子が、それぞれのアンテナベイｍ＝８からｍ＝−８において中央アンテナマストに沿って位置し、

に従った電力レベルおよび位相を確立するように、給電ネットワークによって駆動される。
[0037]例１６は、アンテナシステムを含み、このシステムは、リニア中央アンテナマストと、リニア中央アンテナマストに沿ってλ／２の等間隔で配置される複数のダイポール素子と、複数のダイポール素子と結合される給電ネットワークとを備え、複数のダイポール素子の各々は、給電ネットワークによって能動的に給電され、複数のダイポール素子のうちの任意の２つの間に無給電の寄生素子が存在しない。

[0038]例１７は、例１６のシステムを含み、複数のダイポール素子が、中央アンテナマストから９０度と１００度との間の角度で発生する、３０ｄＢよりも大きい信号利得ロールオフを有するアンテナパターンを生成する電力レベルおよび位相を確立するように、給電ネットワークによって駆動される。

[0039]例１８は、例１６〜１７のいずれかのシステムを含み、複数のダイポール素子が垂直方向に向けられるように、中央アンテナマストが、地平線に対して実質的に垂直に向けられる。

[0040]例１９は、例１６〜１８のいずれかのシステムを含み、複数のダイポール素子が、合計１７個のダイポール素子を含む。
[0041]例２０は、例１９のシステムを含み、１７個のダイポール素子が、それぞれのアンテナベイｍ＝８からｍ＝−８において中央アンテナマストに沿って位置し、

に従った電力レベルおよび位相を確立するように、給電ネットワークによって駆動される。
[0042]特定の実施形態が本明細書において例示および説明されてきたが、同じ目的を達成するために算出される任意の構成は、示された特定の実施形態と置換され得ることが、当業者によって認識されるであろう。本願は、本発明の任意の適合またはバリエーションを包含することが意図される。したがって、本発明は特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることが明白に意図される。

Claims

リニア中央アンテナマスト（１２０）に沿って等間隔に配置される、垂直方向に向けられた複数のダイポール素子（１１０）であって、前記中央アンテナマスト（１２０）に沿ってλ／２の間隔を空けて配置され、かつ、前記中央アンテナマスト（１２０）に対して垂直に向けられる複数のダイポール素子（１１０）と、
前記素子の各々を駆動するための給電ネットワーク（１５０）と、
を備え、
前記複数のダイポール素子（１１０）の各々は、前記給電ネットワーク（１５０）によって能動的に給電され、前記複数のダイポール素子（１１０）のうちの任意の２つの間に無給電の寄生素子は存在せず、
中央ベイと終端ダイポール素子との間で前記中央アンテナマスト（１２０）に沿って偶数ベイに位置する前記ダイポール素子（１１０）は、位相角０度で駆動され、
前記中央ベイの第１の側から伸長する中央アンテナに沿って奇数ベイに位置する前記ダイポール素子（１１０）は、位相角−９０度で駆動される一方で、前記中央ベイの第２の側から伸長する前記中央アンテナに沿って奇数ベイに位置する前記ダイポール素子（１１０）は、位相角＋９０度で駆動される、
アンテナシステム（１００）。
リニアアンテナアレイの複数のダイポール素子（１１０）を駆動するステップを含み、前記リニアアンテナアレイは、前記複数のダイポール素子（１１０）のうちの任意の２つの間に無給電の寄生素子が存在しないように、中央アンテナマスト（１２０）に沿って等間隔に配置され、かつ、前記中央アンテナマスト（１２０）に対して垂直に向けられる前記複数のダイポール素子を含み、
前記複数のダイポール素子を駆動するステップは、前記中央アンテナマスト（１２０）から９０度と１００度との間の角度で発生する、３０ｄＢよりも大きい信号利得ロールオフを有するアンテナ利得パターンを確立する電力レベルおよび位相に前記複数のダイポール素子（１００）を給電するステップをさらに含む、
方法。
前記複数のダイポール素子（１１０）が、合計１７個のダイポール素子（１１０）を含み、
前記１７個のダイポール素子（１１０）が、それぞれのアンテナベイｍ＝８からｍ＝−８において前記中央アンテナマスト（１２０）に沿って位置し、

に従った電力レベルおよび位相を確立するように、前記給電ネットワーク（１５０）によって駆動される、
請求項１のシステムまたは請求項２の方法。