JP4167223B2 - 円偏波ストランドアンテナ - Google Patents

Description

本発明は円偏波アンテナに関し、またより正確には軸周りに回転放射パターンを有し、この軸の方向に対して鉛直な面において最大放射を有するアンテナに関する。

本発明は特に、パッチ技術アンテナに関する。

プリントアンテナ（またはパッチアンテナ、あるいはマイクロストリップアンテナ）の概念は［非特許文献１］により１９５３年に登場し、また第１実施例は［非特許文献２］に基づいて１９７０年代に製造された。

パッチまたはプリントアンテナは、接地面上の金属導線を配置する技術によって作られる全ての空中線を１つにしている。この金属導線は、アンテナの放射素子を構成しており、縮小寸法を有しており、また形状は任意であってよい。実際には、四角形、矩形、円形、輪などの単純な幾何形状であることが多い。

このタイプのアンテナは、低質量および小さな空間必要条件、構成可能な平面構造、廉価な製造を可能にする大量生産の実現性といったマイクロストリップの利点を有している。

そのため、この技術は、航空学、宇宙工学、一般公衆通信（携帯電話アンテナ）他などの分野における幅広い応用を経験している。

パッチアンテナ技術は、国際参考資料としての［非特許文献５］、［非特許文献６］、［非特許文献７］において非常に幅広く普及している。
G. A. Deschamps，「マイクロストリップマイクロ波アンテナ」 第３ＵＳＡＦ−アンテナについてのシンポジウム−１９５３ J. Q. Howell 「マイクロストリップアンテナ」、I.E.E.E.、アンテナおよび伝播についての報告書、第ＡＰ−２２巻、９０〜９３頁、１９７５年１月 J. Q. Howell 「マイクロストリップアンテナ」、I.E.E.E.、ＡＰ−Ｓ 国際シンポジウムダイジェスト、１９７２年、１７７〜１８０頁 R. E. Munson 「等角マイクロストリップアンテナおよびマイクロストリップ位相配列」、I.E.E.E.、アンテナおよび伝播についての報告書、第ＡＰ−２２巻、１９７４年、７４〜７８頁 J. R. James & P. S. Hall、「マイクロストリップアンテナのハンドブック」１９８９年。 I. J. Bahl & P. Phartia、「マイクロストリップアンテナ」１９８０年。 J. R. James, P. S. Hall & C. Wood、「マイクロストリップアンテナ理論および設計」

本発明の目的は、既存のアンテナを改善して、製造が簡単であり、寸法の小さなアンテナを提案し、一方で特に明確に自然な円偏波を提供することにある。

この目的は、各放射状ストランド［strand―撚り糸、房、素線―］が単一の導電ワイヤにより電源供給を受ける複数の放射状ストランドの配列を備える共に、前記放射状ストランドを含む主要な幾何形状面に平行すると共に前記アンテナのグランドプレーンとして機能する接地面をさらに備えるアンテナにおいて、前記放射状ストランドの全てが同一の主要面に配置され、前記放射状ストランドのそれぞれが前記主要面に対して鉛直な幾何形状軸に対して放射状である初期区分を描き、前記各ストランドが前記幾何形状軸上に中心がある円弧に沿って拡張し、再び略々放射状の区分を描いて前記幾何形状軸（の方向に向けられ、隣接する放射状ストランドの初期区分に接触しないで平行して延びた形状を備えることを特徴とする円偏波ストランドアンテナによって、本発明に従って得られる。

本発明の他の特徴、目的および利点は、遠近法によって、更に明確にするために大量に開発される分解構造の形で、本発明の好適な代替手段によるアンテナを示す単一の添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことにより明らかとなるであろう。

図において、アンテナは、３つの主要な構成要素、すなわち剛性でかつ直線状の電源ワイヤ１００と、４本の放射ストランドの配列２００と、接地面［ground plane―グランドプレーン―］３００とより構成されている。参照番号２１０、２２０、２３０、２４０が付された４本のストランドは、ワイヤ１００の軸に対して直交する面に配置されており、また接地面３００波ストランドの主要面に平行に配置されている。ストランドによって区切られる一般的な形状と、接地面３００とは、共に電源ワイヤ１００上に幾何学的な中心を置いている。
したがって、ワイヤ１００は、アンテナの対称性の主要軸Ｘを規定している。

各ストランド２１０、２２０、２３０、２４０は、ワイヤ１００に電気的に接続されている。各ストランドは、電源ワイヤ１００から、ストランド２１０の形状と同様の形状を見せているが、次にこれについて説明する。まず、ストランド２１０は、ここでは完全に放射状であり、エルボー［elbow―ヒジ、肘状部分―］２１３で軸Ｘからの放射状の距離を終える初期区分２１２を描いており、またエルボー２１３からは、前記ストランド２１０の円弧部２１４が始まっている。

ここで、この部分または円弧区分２１４は、直角エルボー２１５で再び終わるように、軸を中心として９０°の角度を描いている。次に、この第２エルボー２１５から、対称の軸Ｘに向けられている前記ストランドの終端区分２１６が始まり、接触することなく軸を通るワイヤ１００に近接して終わっている。

各ストランドは同一の構成を有しており、円弧部は各ストランドに対して単一の同一方向（三角法または逆三角法）でワイヤ１００の軸を中心に回転する。ここで、各ストランドは、軸Ｘに対して逆三角方向に回転する。

ストランドの配列は、その輪郭によって、４つの９０°弧において別個の円形を規定している。各ストランドは、その２つの直線的区分とその円弧区分とによって、円板の１／４を構成する１／４の輪郭を描いている。

これらの１／４部分は互いに直接的に隣接しており、またストランドは全て同一の逆三角方向を有しているため、中央線に接続された各放射状区分は、自身が電源ワイヤ１００に接続されていない並行して延びる放射状区分を有している。

このように、４本のストランド２１０〜２４０全てがこの幾何形状の軸Ｘを中心に一般的な円形構成を規定しているだけでなく、これらストランドのそれぞれが互いに９０°に位置する２つのほぼ放射状の区分を別途描いており、また各放射状区分は隣接するストランドに属する隣接する区分に平行に延びている。このように、ストランド２１０、２２０、２３０、２４０の配列は４対の平行な放射状区分を形成しており、対の各前記区分は異なるストランドに属する。これら平行区分の対は、アンテナの対称軸を中心として９０°ごとに存在している。

ここで、電源ワイヤ１００は、ストランドの中心で止まる直線状の線であり、これらストランドの面を越えて延びてはいない。
この電源ワイヤ１００は、同軸ケーブルの中央導線によって構成されている。この同軸ケーブル自身の外部電機子１５０は、同軸ケーブルの内部導線のかなり前で終わっている。
外部同軸電機子１５０は、ストランドの円と同じ直径で、これと平行な導電円板を形成する接地面３００に電気的に接続されている。この完全円板３００は、これらストランドが描く円の直径とほぼ同程度の距離でストランドから離れている。

同軸ケーブルの外部電機子は、ストランドに電源を供給する電位とは異なる電位に円板を接続する。
このように、同軸ケーブルの２つの導電ワイヤ１００および１５０は、ストランドとは反対側で接地面３００を越えて位置されているここには図示していない電源の端子に接続されている。
図示されていない電源は、例えばプレーナ技術におけるプリント回路を用いて、例えばストランドの平面や接地面３００などにおけるアンテナの何れかの部分に代わりに配置可能なこの技術による電源で形成されていてもよい。

電源ワイヤ１００によって構成される機械的軸はまた、放射状パターンの対称軸でもある。最大放射は、水平軸上、換言すれば、ワイヤ１００を中心に、ストランドの平面方向に軸状に発せられ、また最小放射は、対称軸によって規定される方向に存在する。

かなり広い相対周波数帯域（＞１０％）では、アンテナは自然な円偏波を生成する。実際には、この周波数帯域では、アンテナの中央部分、また特にアンテナの垂直電源ワイヤ１００は、水平線の最大値を有する垂直に偏波された電磁場の成分を生成する。

アンテナ自身の円形状における周辺部は、同様に水平線の最大値を有する水平に偏波された電磁場の成分を生成する。
このアンテナで得られるゲインは、０°〜６０°まで上昇する角度に対して一般に２ｄＢである。
アンテナの幾何形状により更に、これら２つの放射成分の間の９０°の位相シフトと、これらそれぞれに対する１つの同一の振幅を得ることができる。
従って、円偏波は、水平線を対象とする最大値で得られる。ストランドの屈曲間隔により、主要偏波が決定される。このように、ここに示す屈曲の逆三角形方向は、右円偏波を意味している。
各ストランドは、使用周波数で約１／２波長の長さ、換言すると、このアンテナに好適な周波数での１／２波長とほぼ同程度の長さを有している。

動作周波数帯域を広げるために、４つの初期ストランドに別のストランドを重ね合わせてもよい。これら別のストランドは、初期ストランドに電気的に接続されてもよいし、されなくてもよく、また初期ストランドと同一の寸法であってもよいし、なくてもよい。

多重周波数モード動作も、ここで説明するように、優先的に異なる直径の平行に重ね合わせた平面に沿ってストランドの幾つかの配列を積み重ねることにより、あるいは同一平面上のストランドの配列に接続されたマルチプレクサを使用することにより可能となる。

提案するアンテナの総厚さは、小型化を実現する波長（一般には約０．０４λ）を考慮して小さくなる。
ここに示すアンテナは、そのストランドが折りたたまれているため、非常に小型である。
４つの放射ストランドからなる円の外径は約０．２５λであり、ここでλはこのアンテナの好適な使用波長である。
このような小さな直径により、波長から見て、アンテナの空間必要条件を縮小することが可能となる。
このアンテナの異なる要素は、金属製であってもよい。
このアンテナの質量は、すでに小さくはあるが、適合した材料を選択することにより、更に小さくてもよい。
アンテナは単一のワイヤによって電力供給を受け、電気的な観点と機械的な観点の両方から簡単な構造とするその動作に対して位相シフト回路が別途必要となることはない。
このアンテナ、また特にストランドの配列は、パッチ技術において、換言すると、例えば基板膜のプリント回路の形でストランドの配列を形成することによって、簡単に作ることができる。
また一般には、本発明によるアンテナは、大量生産によって簡単に製造できる。

この発明の実施形態によるアンテナの全体構成を示す斜視図である。

Claims (11)

1. 各放射状ストランド（２１０，２２０，２３０，２４０）が単一の導電ワイヤ（１００）により電源供給を受ける複数の放射状ストランドの配列（２００）を備える共に、前記放射状ストランドを含む主要な幾何形状面に平行すると共に前記アンテナのグランドプレーンとして機能する接地面（３００）をさらに備えるアンテナにおいて、
   前記放射状ストランドの全て（２１０，２２０，２３０，２４０）が同一の主要面に配置され、前記放射状ストランドのそれぞれ（２１０）が前記主要面に対して鉛直な幾何形状軸（Ｘ）に対して放射状である初期区分（２１２）を描き、前記各ストランド（２１０）が前記幾何形状軸（Ｘ）上に中心がある円弧（２１４）に沿って拡張し、再び略々放射状の区分（２１６）を描いて前記幾何形状軸（Ｘ）の方向に向けられ、隣接する放射状ストランド（２２０）の初期区分（２２２）に接触しないで平行して延びた形状を備えることを特徴とする円偏波ストランドアンテナ。
2. 前記放射状ストランド（２１０、２２０、２３０、２４０）の前記導電ワイヤ（１００）が、前記幾何形状軸（Ｘ）と結合された剛性でかつ直線形状のワイヤ（１００）によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の円偏波ストランドアンテナ。
3. 各放射状ストランド（２１０、２２０、２３０、２４０）に対して、この放射状ストランド（２１０、２２０、２３０、２４０）の端部の前記放射状区分（２１６）が隣接するストランド（２２０）の初期放射状区分（２２２）に沿って延びるように、各放射状ストランド（２１０、２２０、２３０、２４０）が、前記幾何形状軸（Ｘ）を中心とした同一の回転方向に沿って円弧（２１４）を描くことを特徴とする請求項１または２に記載の円偏波ストランドアンテナ。
4. 放射状ストランド（２１０、２２０、２３０、２４０）の配列が、λ／４にほぼ等しい直径の円周を描いており、ここでλが前記アンテナの使用に好適な波長であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の円偏波ストランドアンテナ。
5. 前記接地面（３００）は、前記複数のストランドにより形成される円周と同じ直径で、前記複数のストランドが配列された前記主要面と平行して設けられた完全円板（３００）より構成され、前記完全円板（３００）は前記複数のストランドが描く円の直径と略々同程度の距離でストランドから離れていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の円偏波ストランドアンテナ。
6. 前記電源線（１００）が同軸導線の中央導電ワイヤ（１００）により構成されており、また前記接地面（３００）がこの同軸導線の外部電機子（１５０）によって電源供給を受けることを特徴とする請求項５に記載の円偏波ストランドアンテナ。
7. 前記同軸ケーブルの前記中央導線が前記放射状ストランド（２１０、２２０、２３０、２４０）に接触する端部を有しており、また前記同軸ケーブルの前記外部電機子（１５０）が前記接地面（３００）と接触する端部を有していることを特徴とする請求項６に記載の円偏波ストランドアンテナ。
8. 前記接地面（３００）が、放射状ストランド（２１０、２２０、２３０、２４０）の配列が描く前記形状の直径にほぼ等しい直径の完全円板を形成していることを特徴とする請求項５ないし７の何れかに記載の円偏波ストランドアンテナ。
9. 前記放射状ストランドの数が４であり、それぞれがその円形部によって約９０°の角度を描く円弧（２１４）を描いていることを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載の円偏波ストランドアンテナ。
10. 数組の放射状ストランド（２１０、２２０、２３０、２４０）を有しており、各組が特定の主要面の同一平面ストランドによって形成されており、これらのストランド（２１０、２２０、２３０、２４０）の各組が一般的な円板形状を描いており、またこれらの円板が異なる直径で互いに重ね合わされていることを特徴とする請求項１ないし９の何れかに記載の円偏波ストランドアンテナ。
11. ほぼ同一または異なる直径の複数の放射状ストランド（２１０、２２０、２３０、２４０）が重ね合わされており、前記放射状ストランドは、多重周波数モード動作が得られるよう、互いに接触しているか、または接触していないことを特徴とする請求項１ないし１０の何れかに記載の円偏波ストランドアンテナ。

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