JP3856297B2

JP3856297B2 - 円偏波アンテナ

Info

Publication number: JP3856297B2
Application number: JP2002014705A
Authority: JP
Inventors: 敦志匂坂
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology; Toyota Motor Corp
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: JP2003218632A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、旋回方向の異なる複数の円偏波を送受信することができる円偏波アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高度道路交通システムでは、様々な情報が通信システムを介して自動車等の移動体に提供される。高度道路交通システムに用いられる電波は一般に円偏波であるが、情報毎に周波数帯域や旋回方向が相違している。
【０００３】
たとえば、位置情報等の提供を受けるためのＧＰＳ（グローバルポジショニングシステム）では１．５Ｇｈｚ帯の右旋回円偏波が用いられ、交通情報等の提供を受けるためのＳＤＡＲＳ（サテライトデジタルオーディオラジオサービス：衛星デジタル音声放送）では２．６Ｇｈｚ帯の左旋回円偏波が用いられ、高速道路料金所における自動料金徴収サービスの提供を受けるためのＤＳＲＣ（デディケイテッドショートレンジコミュニケーションシステム：専用狭域通信）では５．８Ｇｈｚ帯の右旋回円偏波が用いられる。
【０００４】
一方、円偏波用のアンテナとして、カールアンテナが従来から知られている（H. nakano et al., "A Curl Antenna", IEEE TRANSRATIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 41, NO.11, NOVEMBER 1993）。
【０００５】
カールアンテナは一般に、一種類の周波数、偏波旋回方向、指向性等について最適化が図られる。つまり、所望の一つの電波のみに対して動作するように調整される。
【０００６】
そのため、周波数、偏波旋回方向、および要求指向性が互いに異なるＧＰＳ、ＳＤＡＲＳ、ＤＳＲＣ等による通信情報サービスを受けるためには、それぞれに適したカールアンテナを個別に搭載しなければならなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、自動車等の移動体においては、アンテナを設置できる場所が限られており、設置場所に余裕がない。そのため、アンテナの単一化が求められていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の円偏波アンテナはこのような課題に対してなされたものであり、グランド基板と、グランド基板に対して略平行に配置された第１のカールアンテナ素子と、第１のカールアンテナ素子の外側において、第１のカールアンテナ素子の巻き方向に対して逆方向に巻かれた第２のカールアンテナ素子と、第２のカールアンテナ素子の内側において、第２のカールアンテナ素子の巻き方向に対して逆方向に巻かれた導体からなり第２のカールアンテナ素子のビームチルト方向を所望の方向に設定するためのチルト方向調整線路とを備え、チルト方向調整線路、第１のカールアンテナ素子および第２のカールアンテナ素子が直列に接続されていることを特徴とするものである。
【０００９】
第１のカールアンテナ素子と第２のカールアンテナ素子は渦巻きの方向が互いに逆であるため、右旋回円偏波と左旋回円偏波の双方に対して動作する。しかも、第２のカールアンテナの旋回方向に対して逆方向に巻かれたチルト方向調整線路が設けられているので、第２のカールアンテナ素子のビームチルト方向を所望の方向に調整して設定することできる。なお、チルト方向調整線路の巻き方向は、第１のカールアンテナ素子の巻き方向と同一であるので、第１のカールアンテナ素子のビームチルト方向はチルト方向調整線路の影響を受けない。したがって、第１のカールアンテナ素子のビームチルト方向を固定したまま、第２のカールアンテナ素子のビームチルト方向を調整することができる。
【００１０】
本発明の円偏波アンテナでは、第２のカールアンテナ素子のアーム幅が第１のカールアンテナ素子のアーム幅よりも大きいことが望ましい。
【００１１】
カールアンテナは、進行波をアンテナ素子に乗せて動作させる。このとき、アンテナ高（グランド基板とアンテナ素子との間の距離）が４分の１波長より低くなると、定在波の割合が増加して進行波が乗りにくくなり、円偏波アンテナとして正常に動作することが難しくなる。一方、第１および第２のカールアンテナ素子のアンテナ高を、第１のカールアンテナ素子の動作周波数の４分の１波長にすると、第１のカールアンテナ素子よりもアーム長が長いため、すなわち動作周波数が低いため第２のカールアンテナ素子にとっては、アンテナ高が最適値（４分の１波長）よりも低くなる。しかし、第２のカールアンテナ素子のアーム幅を大きくすることにより、伝搬する波に対する放射の割合が増え、定在波を低下させることができる。これにより、第２のカールアンテナ素子での動作が良好になる。
【００１２】
本発明の円偏波アンテナでは、第２のカールアンテナ素子の外側に第２のカールアンテナ素子に直接または別のカールアンテナ素子を介して接続されたリング状共振アンテナ素子を備えることが望ましい。
【００１３】
第２のカールアンテナ素子のさらに外側にカールアンテナ素子を用いる場合には、第２のカールアンテナ素子と同様にアーム幅を広くする必要があり、アンテナ全体の寸法が大きくなってしまう。しかし、リング状共振アンテナ素子であれば、カールアンテナ素子のように定在波を低くする必要がないため、必要帯域によっては狭いアーム幅で十分に動作し、アンテナ全体を小型化できる。なお、最外郭のアンテナ素子については、さらにその外側にアンテナ素子を接続する必要がないので共振動作をするリング状共振アンテナ素子を用いることが可能となっている。
【００１４】
本発明の円偏波アンテナでは、グランド基板に導体からなる外周壁が形成されていることが望ましい。
【００１５】
このようにすることにより、グランド基板裏方向への輻射を抑えることができ、特に、最外郭のリング状共振アンテナ素子からのグランド基板裏方向への輻射抑制に有効である。
【００１６】
本発明の円偏波アンテナでは、第１のカールアンテナ素子を含むアンテナ素子結合体はグランド基板の裏面から開口を介して臨む給電線路に給電プローブを介して接続されており、給電プローブの給電線路との接続部は給電線路に向かって先細り形状となっていることが望ましい。
【００１７】
ハイインピーダンスのカールアンテナ素子を特性インピーダンスがたとえば５０Ωの給電線路にインピーダンス整合させるために、給電プローブは体積が大きい導体であることが望ましい。しかし、給電プローブが単に太いと自身が傾いたときにグランド基板に接触してしまう。そこで本発明の円偏波アンテナでは、給電プローブの下端を先細り形状とし、多少傾いてもグランド基板と接触することがない構造となっている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態である円偏波アンテナの平面図であり、図２はその側断面図である。この円偏波アンテナ１は、ＧＰＳ用の１．５Ｇｈｚ帯右旋回円偏波、ＳＤＡＲＳ用の２．６Ｇｈｚ帯左旋回円偏波、ＤＳＲＣ用の５．８Ｇｈｚ帯右旋回円偏波に対して動作するように構成されている。
【００１９】
グランド基板１１は導体からなる円盤状の底部１２とその外周に形成された同じく導体からなる壁１３とを有し、厚みの薄い有底円筒となっている。外周壁１３の上端縁には、円筒形状のグランド基板１１の開口上底を覆うように透明な絶縁フィルム１４が張られている。
【００２０】
絶縁フィルム１４上には、チルト方向調整線路１５、第１のカールアンテナ素子１６、第２のカールアンテナ素子１７、リング状共振アンテナ素子１８が中心部から外周部に向かって順に接続されて形成されており、アンテナ素子結合体が構成されている。
【００２１】
チルト方向調整線路１５の始点１９には、図２に示すように、給電プローブ２０が電気的に結合している。グランド基板１１の底部１２の中央には開口が穿設されており、その開口の裏側から特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブル２１の心線２２が覗いている。そして、その心線２２が給電プローブ２０の下端に差し込まれ、同軸ケーブル２１と給電プローブ２０とが電気的に結合している。
【００２２】
図３、図４および図５は、それぞれ第１のカールアンテナ素子１６、第２のカールアンテナ素子１７およびリング状共振アンテナ素子１８の形状を抜き出して示したものである。
【００２３】
第１のカールアンテナ素子１６は、最も周波数の高いＤＳＲＣ用の５．８Ｇｈｚ帯右旋回円偏波に対して動作するように調整されている。すなわち、内側から外側に向かって反時計回りに巻回する略一周の渦巻き形状となっており、アーム長が５．８Ｇｈｚ帯のおよそ１波長の長さであり、グランド基板１１の底部１２からの距離つまりアンテナ高ｈが５．８Ｇｈｚ帯のおよそ４分の１波長（自由空間での波長のおよそ４分の１）となっている。
【００２４】
第２のカールアンテナ素子１７は、ＳＤＡＲＳ用の２．６Ｇｈｚ帯左旋回円偏波に対して動作するように調整されている。すなわち、第１のカールアンテナ素子１６とは逆向きに巻回する略一周の渦巻き形状となっており、アーム長が２．６Ｇｈｚ帯のおよそ１波長の長さとなっている。アンテナ高は第１のカールアンテナ素子１６と同じくｈであり、２．６Ｇｈｚ帯の電波にとってはおよそ１０分の１波長となる。
【００２５】
アンテナ高が４分の１波長よりも小さくなると、アンテナ素子を伝搬する波は途中で放射されにくくアームの先端部で反射するため、進行波に対する定在波の割合が増加して軸比を悪化させ、その周波数での動作が困難になると考えられる。そこで、軸比の改善が必要となる。本実施形態ではアーム幅を広くすることにより軸比の改善が図られている。
【００２６】
カールアンテナ素子１７をマイクロストリップ線路と考えると、マイクロストリップ線路の湾曲部では内側のエッジに比べ外側のエッジの長さが長くなるため、線路両側における線路−グランド基板間ギャップを流れる磁流Ｍ１およびＭ２（または主に線路エッジを流れる電流Ｉ１およびＩ２）にアンバランスが生じて放射が起こる。つまり、伝送線路としてみれば損失が生じる。本実施形態ではこの損失を増加させるためにアーム幅を広くし、結果としてアームに進行波が乗って軸比を改善している。
【００２７】
図６はカールアンテナ素子１７のアーム幅（ｍｍ）と軸比（ｄＢ）との関係をシミュレーションによって導き出したものである。アーム幅が広くなるほど軸比が小さくなることが読みとれる。なお、本実施形態では、隣接する線路への干渉を考慮してアーム幅を５ｍｍとしている。
【００２８】
リング状共振アンテナ素子１８は、ＧＰＳ用の１．５Ｇｈｚ帯右旋回円偏波に対して動作する。このリング状共振アンテナ素子１８への給電は整合をとるために２点給電１８ａとし、円偏波化のため摂動を設けた。
【００２９】
１．５Ｇｈｚ帯円偏波を現状のアンテナ高を維持したままカールアンテナ素子で送受信しようとすると、アーム幅を相当広くする必要があるが、リング状共振アンテナ素子１８は、カールアンテナ素子のように定在波を低くする必要がないため、カールアンテナ素子ほどアーム幅を広くする必要はない。したがって、アンテナ全体のサイズを小型化できる。
【００３０】
なお、本実施形態では、第２のカールアンテナ素子１７の直ぐ外側にリング状共振アンテナ素子１８を設けているが、別のカールアンテナ素子を両者の間に介在させてもよい。要するに、リング状共振アンテナ素子１８を最外郭のアンテナ素子とすることにより、すべてカールアンテナ素子とした場合に比べて、アンテナを小型化することができる。
【００３１】
チルト方向調整線路１５は、第２のカールアンテナ素子１７のビームチルト方向を調整するためのものであり、第１のカールアンテナ素子１６のさらに内側に形成されている。チルト方向調整線路１５は、第１のカールアンテナ素子１６と同一方向、すなわち、第２のカールアンテナ素子１７とは逆方向の渦巻きになっていて、長さを調整することにより、第２のカールアンテナ素子１７の指向性すなわちビームチルト方向を所望の方向にしている。
【００３２】
なお、本実施形態では、チルト方向調整線路１５は第１のカールアンテナ素子１６の内側に配置されているが、第２のカールアンテナ素子１７の内側であればよいため、第１のカールアンテナ素子１６と第２のカールアンテナ素子１７の間に配置しても良い。
【００３３】
図７〜図１０はアンテナ放射パターン（指向性）を示す図であり、図７および図８はそれぞれチルト方向調整線路１５を有しない場合の第２のカールアンテナ素子１７および第１のカールアンテナ素子１６のアンテナ放射パターンである。また、図９および図１０は、チルト方向調整線路１５を本実施形態のように設けた場合の第２のカールアンテナ素子１７および第１のカールアンテナ素子１６のアンテナ放射パターンである。
【００３４】
第２のカールアンテナ素子１７については、図７および図９を対比してわかるように、チルト方向調整線路１５を設けることによりビームチルト方向が直交座標の第４象限方向から第２象限方向に変化している。
【００３５】
一方、第１のカールアンテナ素子１６については、図８および図１０を対比してわかるように、チルト方向調整線路１５を設けてもビームチルト方向が第２象限方向のまま変化していない。
【００３６】
このように、本実施形態の円偏波アンテナでは、チルト方向調整線路１５を設けることにより、第１のカールアンテナ素子１５と第２のカールアンテナ素子１６のビームチルト方向を一致させている。
【００３７】
つぎに、給電プローブ２０の形状について説明する。給電プローブ２０は、チルト方向調整線路１５の端部１９とグランド基板１１の裏側から開口を介して突出する同軸ケーブル２１の心線２２とを電気的に結合するものである。カールアンテナ素子１６、１７を含むアンテナ素子結合体はハイインピーダンスであるため、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブル２１と整合をとるためには、給電プローブ２０の体積を十分に大きくする必要がある。そのため、本実施形態では十分に太い円柱導体を給電プローブ２０の本体としている。しかし、単なる太い円柱導体とすると、グランド基板１１の底面１２に対して傾いたときに、底面１２と接触してしまうので、下部を鉛筆の先端のように円錐形にして先細りさせている。
【００３８】
なお、本実施形態では給電プローブ本体は円柱導体であるが、断面矩形の角柱、あるいは厚板とし、下部先端をくさび形状に先細りさせてもよい。
【００３９】
グランド基板１１にはアンテナ素子結合体を囲むように外周壁１３が形成されている。これにより、グランド基板１１の裏方向への輻射を抑えることができ、特に、最外郭のリング状共振アンテナ素子１８からのグランド基板１１の裏方向への輻射を有効に抑制することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の円偏波アンテナによれば、周波数、偏波旋回方向等が異なる複数の円偏波を受信することができ、しかも、グランド基板とのアンテナ素子との間隔の小さい小型なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の円偏波アンテナの一実施形態を示す平面図。
【図２】その側断面図。
【図３】第１のカールアンテナ素子を示す平面図。
【図４】第２のカールアンテナ素子を示す平面図。
【図５】リング状共振アンテナ素子を示す平面図。
【図６】アーム幅と軸比の関係を示すグラフ。
【図７】チルト方向調整線路による調整を行う前の第２のカールアンテナ素子のアンテナ放射パターンを示す図。
【図８】チルト方向調整線路による調整を行う前の第１のカールアンテナ素子のアンテナ放射パターンを示す図。
【図９】チルト方向調整線路による調整を行った後の第２のカールアンテナ素子のアンテナ放射パターンを示す図。
【図１０】チルト方向調整線路による調整を行った後の第１のカールアンテナ素子のアンテナ放射パターンを示す図。
【符号の説明】
１…円偏波アンテナ、１１…グランド基板、１２…底部、１３…壁、１４…絶縁透明フィルム、１５…チルト方向調整線路、１６…第１のカールアンテナ素子、１７…第２のカールアンテナ素子、１８…リング状共振アンテナ素子。

Claims

グランド基板と、
前記グランド基板に対して略平行に配置された第１のカールアンテナ素子と、
前記第１のカールアンテナ素子の外側において、前記第１のカールアンテナ素子の巻き方向に対して逆方向に巻かれた第２のカールアンテナ素子と、
前記第２のカールアンテナ素子の内側において、前記第２のカールアンテナ素子の巻き方向に対して逆方向に巻かれた導体からなり前記第２のカールアンテナ素子のビームチルト方向を所望の方向に設定するためのチルト方向調整線路とを備え、
前記チルト方向調整線路、前記第１のカールアンテナ素子および前記第２のカールアンテナ素子が直列に接続されていることを特徴とする円偏波アンテナ。
前記第２のカールアンテナ素子のアーム幅が第１のカールアンテナ素子のアーム幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
前記第２のカールアンテナ素子の外側に第２のカールアンテナ素子に接続されたリング状共振アンテナ素子を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の円偏波アンテナ。
前記グランド基板に導体からなる外周壁が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の円偏波アンテナ。
前記第１のカールアンテナ素子を含むアンテナ素子結合体は前記グランド基板の裏面から開口を介して臨む給電線路に給電プローブを介して接続されており、前記給電プローブの前記給電線路との接続部は前記給電線路に向かって先細り形状となっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の円偏波アンテナ。