JP4133695B2 - 複合アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、複数のアンテナから構成された複合アンテナに関する。

複合アンテナとしては、例えば円偏波及び直線偏波共用アンテナがある。この共用アンテナは、例えば米国において実用化されようとしているデジタルラジオ受信方式において使用される。デジタルラジオ受信方式は、或るプログラムを円偏波の電波を利用して送信する衛星と、この衛星からの円偏波の電波を地上において受信し、同一周波数帯の直線偏波の電波として再送信する地上再送信局とを備えたものである。円偏波及び直線偏波共用アンテナは、例えば自動車等の移動体に搭載され、円偏波の電波を受信できるときには、これを受信し、何らかの理由によって円偏波の電波を受信できないときには、直線偏波の電波を受信する。

この円偏波及び直線偏波共用アンテナの一例が、特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示されている複合アンテナは、反射板上に円偏波を受信可能にクロスダイポールアンテナを設け、垂直偏波を受信可能なホイップアンテナを反射板の端部に設けてある。クロスダイポールアンテナとホイップアンテナとは、これらが受信する電波の波長の１／４の長さ以上離して配置されている。

特開２００２−１００９２８号公報

この円偏波及び直線偏波共用アンテナでは、クロスダイポールアンテナとホイップアンテナとを、離して配置しているので、この円偏波及び直線偏波共用アンテナが大型になるという問題点があった。

本発明は、小型の複合アンテナを提供することを目的とする。

本発明の一態様による複合アンテナは、基板を有している。この基板は、対向する２つの主表面を有している。これら主表面は導電性であることが、望ましい。本複合アンテナは、円偏波用クロスダイポールアンテナも有している。このクロスダイポールアンテナは、２組のダイポールアンテナからなる。それぞれのダイポールアンテナは、ホット側素子とアース側素子とを有している。これら２組のダイポールアンテナが、基板の一方の主表面の上方にこの主表面とほぼ平行に位置する仮想平面内に、互いに直交配置されている。この直交配置は、それぞれのダイポールアンテナの各素子の給電部が、交差位置側に存在するように行われている。このクロスダイポールアンテナと前記基板との間に配置されているホット側素子のみからなる直線偏波用ディコーンアンテナが設けられている。この直線偏波の周波数は、円偏波の周波数と同一である。ディスコーンアンテナのホット側素子は、前記クロスダイポールアンテナにおける前記２組のダイポールアンテナの交差位置に、ほぼ中心が位置するように配置されている。その給電部は、クロスダイポール側にある。このホット側素子は、直径が一定である円筒状に形成することもできるし、クロスダイポール側から基板の一方の主表面側に向かうに従って直径が徐々に拡大されている円錐状に形成することもできる。このホット側素子の基板主表面側の端部は、基板の主表面に接触状態とすることもできるし、非接触状態とすることもできる。これらクロスダイポールアンテナとディスコーンアンテナのホット側素子とは、給電線路を介して、例えば基板の他方の主表面側に形成された回路に接続されている。給電線路は、２組のダイポールアンテナのホット側素子の給電部にそれぞれ接続された第１及び第２の給電線路と、前記２組のダイポールアンテナのアース側素子の給電部に共通に接続された第３の給電線路と、前記ディスコーンアンテナのホット側素子の給電部に接続された第４の給電線路とを、有している。

この態様の複合アンテナでは、クロスダイポールアンテナは、ディスコーンアンテナのホット側素子の給電部側に接近して配置されている。従って、クロスダイポールアンテナの各アース側素子が、ディスコーンアンテナのアース側素子としても機能する。即ち、ディスコーンアンテナは、それのホット側素子と、クロスダイポールアンテナの２つのアース側素子とによって構成されている。従って、別途ディスコーンアンテナのアース側素子を設ける必要が無く、製造が容易に行える。しかも、ディスコーンアンテナのホット側素子は、クロスダイポールアンテナと基板との間に配置されているので、ディスコーンアンテナのホット側素子を、クロスダイポールアンテナとは離れた位置に設置する必要が無く、この複合アンテナを小型化することができる。

前記給電線路を、前記ディスコーンアンテナのホット側素子の内部を通って前記基板に設けることもできる。この場合、第１乃至第４の給電線路は、前記基板の前記一方の主表面にほぼ垂直に立てられた中空の金属製外部導体と、これら筒状体の内部に配置された中心導体とから、それぞれ構成され、各中心導体が各給電部に接続されている。外部導体と中心導体との間には、これらに密着して誘電体が介在している。

このように構成した場合、クロスダイポールアンテナ及びディスコーンアンテナの各素子は、中心導体に機械的にも接続されているが、これら中心導体は、誘電体を介して金属製の外部導体に接触しているので、機械的強度が大きく、クロスダイポールアンテナ及びディスコーンアンテナのホット側素子を所定の位置に維持することができるし、同軸構造でもあるので、第１乃至第４の給電線路からの不要な放射が生じることがない。

更に、第１乃至第４の給電線路は、密接して配置され、これら第１乃至第４の給電線路の外部導体に内部が接触している状態で前記一方の主表面にほぼ垂直に金属製筒状体を立てることもできる。このように構成すると、更に第１乃至第４の給電線路の機械的強度が高まるし、不要な放射が更に抑制される。

当初に記載した態様の複合アンテナにおいて、ディスコーンアンテナのホット側素子にシュペルトップを設けることもできる。このように構成した場合、ディスコーンアンテナのＶＳＷＲや利得の周波数特性を安定させることができる。

当初に記載した態様の複合アンテナにおいて、クロスダイポールアンテナを、前記平面内に配置された別の基板上に形成することもできる。このように構成した場合、クロスダイポールアンテナを構成する各ダイポールアンテナの位置関係を一々調整する必要が無く、製造が容易になる。

以上のように本発明によれば、小型で製造が容易な複合アンテナを提供することができる。

本発明の第１の実施形態の複合アンテナは、同一周波数帯、例えば２．３ＧＨｚ帯で送信される円偏波、例えば左旋円偏波の電波と、直線偏波、例えば垂直偏波の電波とを受信するためのものである。

この複合アンテナは、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、基板２を有している。この基板２は、例えば矩形に形成され、同図（ｂ）に示すようにベース２ａの両面に、相対向する２つの主表面２ｂ、２ｃを有している。これら主表面２ｂ、２ｃは、共に例えば導電性皮膜によって形成されている。

この主表面２ｂの上方に、主表面２ｂと所定の間隔をあけて、クロスダイポールアンテナ４が配置されている。この配置位置は、主表面２ｂの上方における主表面２ｂに平行な仮想平面上である。上記間隔は、このクロスダイポールアンテナ４によって受信しようとする電波の波長λの約１／４、例えば約３０ｍｍに設定されている。

クロスダイポールアンテナ４は、２組のダイポールアンテナ６、８からなる。これらダイポールアンテナ６、８は、直線状のホット側素子６ａ、８ａと、直線状のアース側素子６ｂ、８ｂとからなる。これらは、全て導電体製であり、それぞれが約λ／４の長さを有し、直径が約２ｍｍの棒状に形成されている。ダイポールアンテナ６は、ホット側素子６ａとアース側素子６ｂとを、上記仮想平面上において同一直線上に位置させた状態に配置されている。ダイポールアンテナ８は、ホット側素子８ａとアース側素子８ｂとを、上記仮想平面上において、ダイポールアンテナ６と直交する直線上に位置させた状態に配置されている。

図１（ａ）に示すように、これらダイポールアンテナ６、８のホット側素子６ａ、８ａ、アース側素子６ｂ、８ｂの交差側の端部が、これらダイポールアンテナ６、８の給電部６ｃ、６ｄ、８ｃ、８ｄとされている。なお、アース側素子６ｂ、８ｂの給電点６ｄ、８ｄは、重ねられている。

これら給電部６ｃ、６ｄ、８ｃ、８ｄに、給電線路１０の３つの給電線路１２、１４、１６が接続されている。給電線路１２、１４、１６は、基板２の主表面２ｂ上に、これに垂直に立てられた円筒状の金属製外部導体１２ａ、１４ａ、１６ａを有している。これら金属製外部導体１２ａ、１４ａ、１６ａの基端部は、主表面２ａに電気的及び機械的に結合されている。これら金属製外部導体１２ａ、１４ａ、１６ａの内部の中心位置に中心導体１２ｂ、１４ｂ、１６ｂが、金属製外部導体１２ａ、１４ａ、１６ａの長さ方向に沿って配置されている。これら金属製外部導体１２ａ、１４ａ、１６ａの内周面と中心導体１２ｂ、１４ｂ、１６ｂとの間には、誘電体１２ｃ、１４ｃ、１６ｃが、それぞれ充填されている。

中心導体１２ｂの先端がホット側素子６ａの給電部６ｃに接続されている。中心導体１４ｂの先端がホット側素子８ａの給電部８ｃに接続されている。中心導体１６ｂの先端が、アース側素子６ｂ、８ｂの給電部６ｄ、８ｄに接続されている。

ホット側素子６ａ、８ａの給電部６ｃ、８ｃに接続された中心導体１２ｂ、１４ｂは、図２に示すように、基板２の主表面２ｃ側に導出されている。主表面２ｃには、例えばエッチングによって伝送パターン１８と、基準電位面、例えば接地電位面２０とが、形成されている。伝送パターン１８は、中心導体１２ｂに接続されたパターン１８ａと、中心導体１４ｂに接続されたパターン１８ｂとを含んでいる。パターン１８ａは、パターン１８ｂよりもλ／４だけ長く形成されている。これら両パターン１８ａ、１８ｂは合成され、パターン１８ｃ、１８ｄを介して図示しない同軸コネクタの中心導体に接続されている。また、アース側素子６ｂ、８ｂの給電部６ｄ、８ｄに接続された中心導体１６ｂは、図示しないリード線を介して接地電位面２０に接続されている。上記の同軸コネクタの外部導体が接地電位面２０に接続されている。ダイポールアンテナ６、８が機械的に９０度異なる位置に配置され、ダイポールアンテナ６で受信する信号の位相がパターン１８ａによって９０度遅れさせられているので、クロスダイポールアンテナ４によって、左旋円偏波の電波が受信可能である。

ホット側素子６ａ、８ａ、アース側素子６ｂ、８ｂは、給電線路１２、１４、１６の中心導体１２ｂ、１４ｂ、１６ｂに電気的及び機械的に接続されている。これら中心導体１２ｂ、１４ｂ、１６ｂは、誘電体１２ｃ、１４ｃ、１６ｃを介して金属製の円筒状体である外部導体１２ａ、１４ａ、１６ａに接しているので、ホット側素子６ａ、８ａ、アース側素子６ｂ、８ｂの重量を充分に支持することができる。しかも、給電線路１２、１４、１６は、同軸構造であるので、不要な放射が、給電線路１２、１４、１６から生じることもない。

図１（ｂ）に示すように、基板２の主表面２ｂとクロスダイポールアンテナ４との間に、ディスコーンアンテナのホット側素子２２が配置されている。このホット側素子２２は、内部が中空の概略円筒状に導電体によって形成されている。このホット側素子２２は、約λ／４の高さ寸法、例えば２３ｍｍの高さ寸法を有し、その上面の直径は約λ／８、例えば約１５ｍｍに形成されている。このホット側素子２２の上面の中心が、クロスダイポールアンテナ４の交差位置の近傍に位置するように配置されている。このとき、ホット側素子２２の下端は主表面２ｂとは非接触状態にある。このホット側素子２２では、その上端の周縁の任意の位置が給電部２３とされている。

給電線路１０は、給電線路１２、１４、１６の他に、給電線路２４を有している。この給電線路２４も、外部導体２４ａ、中心導体２４ｂ、誘電体２４ｃからなり、給電線路１２、１４に、外部導体２４ａが接するように配置されている。この給電線路２４の中心導体２４ｂが、ホット側素子２２の給電部２３に接続ライン２６を介して接続されている。給電線路２４の中心導体２４ｂは、図２に示すように基板２の主表面２ｂ側において、伝送パターン１８に含まれる直線伝送ライン１８ｅに接続されている。この接続ライン１８ｅは、図示していない同軸コネクタの中心導体に接続され、このコネクタの外部導体は、接地電位面２０に接続されている。

このホット側素子２２と、クロスダイポールアンテナ４のアース側素子６ｂ、８ｂとがディスコーンアンテナを形成し、直線偏波、例えば垂直偏波の電波を受信する。このようにクロスダイポールアンテナ４のアース側素子６ｂ、８ｂが、ディスコーンアンテナのアース側素子としても機能しているので、ディスコーンアンテナの製造が容易になる上に、ディスコーンアンテナのホット側素子２２が、クロスダイポールアンテナ４と基板２との間に配置されているので、複合アンテナの高さ寸法が短くなっている。

ホット側素子２２の外周囲には、９０度間隔で４つのシュペルトップ２８が取り付けられている。これらシュペルトップ２８は、幅寸法が約４ｍｍで、長さ寸法が約０．１６λ、例えば約２１ｍｍの導電体製で、その上端部がホット側素子２２の上面付近に位置するように外方に向かって広がった状態でホット側素子２２の外周の下部に取り付けられている。

上述した各給電線路１２、１４、１６及び２４は、これらの外部導体１２ａ、１４ａ、１６ａ及び２４ａが内周面に接触するように、金属製円筒状体３０の内部に収容されている。この円筒状体３０も、基板２の主表面２ｂにほぼ垂直に配置され、その基端部が主表面２ｂに機械的及び電気的に接続されている。この金属製円筒状体３０が設けられているので、クロスダイポールアンテナ６、８の支持の機械的強度が増強されるし、給電線路１２、１４、１６からの不要な放射が更に抑圧される。

本発明の第２の実施形態の複合アンテナを図３（ａ）、（ｂ）に示す。この実施形態の複合アンテナでは、クロスダイポールアンテナ３２を構成する２組のダイポールアンテナ３４、３６が、基板、例えばプリント基板３８上にエッチングによって形成されている。また、ディスコーンアンテナのホット側素子４０が、円筒状ではなく円錐状に形成されている。このホット側素子４０には、シュペルトップは設けられていない。他の構成は、第１の実施の形態の複合アンテナと同様に構成されているので、同等部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

なお、ダイポールアンテナ３４、３６のホット側素子３４ａ、３６ａ、アース側素子３４ｂ、３６ｂは、幅が約１ｍｍであって、長さが約λ／４の約２９ｍｍである。基板３８と基板２との間の距離は約３２ｍｍで、基板３８とディスコーンアンテナのホット側素子４０の上面までの距離は約３ｍｍである。ホット側素子４０の下面は、ほぼ基板２の主表面２ｂの位置にあるので、ホット側素子４０の高さ寸法は、約２９ｍｍであって、ダイポールアンテナ３４、３６の各エレメント３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂの寸法とほぼ等しい。ホット側素子４０の下面の直径は約２３ｍｍである。

この複合アンテナにおいても、クロスダイポールアンテナ３２のダイポールアンテナ３４、３６のアース側素子３４ｂ、３６ｂが、ディスコーンアンテナのアース側素子としても機能している。従って、ディスコーンアンテナの製造が容易になる上に、ディスコーンアンテナのホット側素子４０が、基板３８と基板２との間に配置されているので、複合アンテナの高さ寸法が短くなっている。しかも、クロスダイポールアンテナ３２は、基板３８上にエッチングによって形成されているので、クロスダイポールアンテナの製造が容易になる。また、ディスコーンアンテナのホット側素子４０が円錐状に形成されているので、受信周波数帯を調整する場合、ディスコーンアンテナのホット側素子４０の高さを変更せずに、斜辺の長さを調整することによって対応することができる。従って、この複合アンテナの高さ寸法を常に一定にすることができる。

図４に第１及び第２の実施形態の複合アンテナ並びに第１の実施形態の複合アンテナにおいてシュペルトップを除去したもののクロスダイポールアンテナにおけるＶＳＷＲ対周波数特性を示す。実線で示すのが第１の実施の形態、一点鎖線で示すのが第２の実施の形態、点線で示すのが第１の実施形態においてシュペルトップを除去したものそれぞれのＶＳＷＲ対周波数特性である。図４から明らかなように、いずれにおいても１．４前後のＶＳＷＲを測定周波数帯全域において示しており、いずれの複合アンテナでも充分に実用となるＶＳＷＲを持っている。

図５に第１及び第２の実施形態の複合アンテナ並びに第１の実施形態の複合アンテナにおいてシュペルトップを除去したもののクロスダイポールアンテナにおける利得対周波数特性を示す。実線で示すのが第１の実施の形態、一点鎖線で示すのが第２の実施の形態、点線で示すのが第１の実施形態においてシュペルトップを除去したものそれぞれの利得対周波数特性である。図５から明らかなように、シュペルトップを設けた第１の実施の形態の複合アンテナが最も利得が小さいが、それでもほぼ３ｄＢ程度の利得があり、充分に実用となる。

図６に第１及び第２の実施形態の複合アンテナ並びに第１の実施形態の複合アンテナにおいてシュペルトップを除去したもののディスコーンアンテナにおけるＶＳＷＲ対周波数特性を示す。実線で示すのが第１の実施の形態、一点鎖線で示すのが第２の実施の形態、点線で示すのが第１の実施形態においてシュペルトップを除去したものそれぞれのＶＳＷＲ対周波数特性である。図６から明らかなように、第１及び第２の実施の形態の複合アンテナでは、１．５前後のＶＳＷＲを測定周波数帯全域において示しており、充分に実用となるＶＳＷＲを持っている。

図７に第１及び第２の実施形態の複合アンテナ並びに第１の実施形態の複合アンテナにおいてシュペルトップを除去したもののクロスダイポールアンテナにおける利得対周波数特性を示す。実線で示すのが第１の実施の形態、一点鎖線で示すのが第２の実施の形態、点線で示すのが第１の実施形態においてシュペルトップを除去したものそれぞれの利得対周波数特性である。図７から明らかなように、第１の実施の形態の複合アンテナが最も利得が大きく、測定周波数帯全域に渡って約２．３ｄＢの利得を示し、第２の実施の形態の複合アンテナでも約０．２ｄＢの利得を測定周波数帯全域に渡って示し、充分に実用となる。

図８に第１の実施の形態の複合アンテナにおけるクロスダイポールアンテナ４の２．３３８８GHｚにおける指向特性図を示す。これから明らかなように、半値幅が約８０度と広いものであり、この約８０度の範囲内から到来する電波を良好に受信することができる。なお、ディスコーンアンテナは無指向性を示す。

上記の各実施の形態では、基板２として矩形のものを示したが、これに限ったものではなく、円形等の種々の形状のものを使用することができる。上記の各実施の形態では、クロスダイポールアンテナは、通常のダイポールアンテナを使用した構成したが、例えば折り返しダイポールアンテナを２組使用して構成することもできる。上記の各実施の形態では、クロスダイポールアンテナとディスコーンアンテナとは、受信周波数帯がほぼ同一とされたが、異なる周波数帯の電波を受信するように構成することもできる。上記の各実施形態では、クロスダイポールアンテナは左旋円偏波を受信するように伝送パターン１８を構成したが、右旋円偏波を受信するように伝送パターン１８を構成することもできる。

本発明の第１実施形態の複合アンテナの平面図及び部分破断側面図である。 図１の複合アンテナにおいて使用している基板の底面図である。 本発明の第２実施形態の複合アンテナの平面図及び側面図である。 第１及び第２の実施形態の複合アンテナ並びに第１の実施形態の複合アンテナにおいてシュペルトップを除去したもののクロスダイポールアンテナにおけるＶＳＷＲ対周波数特性図である。 第１及び第２の実施形態の複合アンテナ並びに第１の実施形態の複合アンテナにおいてシュペルトップを除去したもののクロスダイポールアンテナにおける利得対周波数特性図である。 第１及び第２の実施形態の複合アンテナ並びに第１の実施形態の複合アンテナにおいてシュペルトップを除去したもののディスコーンアンテナにおけるＶＳＷＲ対周波数特性図である。 第１及び第２の実施形態の複合アンテナ並びに第１の実施形態の複合アンテナにおいてシュペルトップを除去したもののディスコーンアンテナにおける利得対周波数特性図である。 第１の実施の形態の複合アンテナにおけるクロスダイポールアンテナ４の指向特性図である。

符号の説明

２ 基板
２ｂ 主表面
４ クロスダイポールアンテナ
６ ８ ダイポールアンテナ
１２ １４ １６ １８ ２４ 給電線路
１２ａ １４ａ １６ａ ２４ａ 外部導体
１２ｂ １４ｂ １６ｂ ２４ｂ 中心導体
１２ｃ １４ｃ １６ｃ ２４ｃ 誘電体
２２ ディスコーンアンテナのホット側素子

Claims (5)

1. 対向する２つの主表面を有する基板と、
   一方の前記主表面の上方にこの主表面とほぼ平行に位置する平面内に、互いに直交配置された２組のダイポールアンテナからなり、各組のダイポールアンテナは、アース側素子と、ホット側素子とからなり、前記２組のダイポールアンテナの交差位置側に前記各アース側素子及びホット側素子の給電部が位置する円偏波用クロスダイポールアンテナと、
   このクロスダイポールアンテナと前記基板との間に、前記クロスダイポールアンテナにおける前記２組のダイポールアンテナの交差位置に、ほぼ中心が位置しかつ給電部を前記２組のダイポールアンテナの交差位置側に位置させたホット側素子のみからなる、前記クロスダイポールアンテナと同一周波数の直線偏波用ディスコーンアンテナと、
   前記２組のダイポールアンテナのホット側素子の給電部にそれぞれ接続された第１及び第２の給電線路と、前記２組のダイポールアンテナのアース側素子の給電部に共通に接続された第３の給電線路と、前記ディスコーンアンテナのホット側素子の給電部に接続された第４の給電線路とを、有する給電線路とを、
   具備する複合アンテナ。
2. 請求項１記載の複合アンテナにおいて、前記各給電線路は、前記ディスコーンアンテナのホット側素子の内部を通って前記基板に設けられ、第１乃至第４の給電線路は、前記基板の前記一方の主表面にほぼ垂直に立てられた中空の金属製外部導体と、これら筒状体の内部に配置された中心導体と、前記金属製外部導体内にあって、これの内周面と前記中心導体とに密着している誘電体とから、それぞれ構成されている複合アンテナ。
3. 請求項２記載の複合アンテナにおいて、第１乃至第４の給電線路は、密接して配置され、これら第１乃至第４の給電線路の外部導体に内部が接触している状態で前記一方の主表面にほぼ垂直に金属製筒状体を立てている複合アンテナ。
4. 請求項１記載の複合アンテナにおいて、前記ディスコーンアンテナのホット側素子にシュペルトップが設けられている複合アンテナ。
5. 請求項１記載の複合アンテナにおいて、前記クロスダイポールアンテナは、前記平面内に配置された別の基板上に形成されている複合アンテナ。

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