JP4344975B2 - Broadband omnidirectional circularly polarized antenna - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電波を受信する際、その偏波面に関係なく等感度で受信の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】
従来から短波、超短波帯で用いられ円偏波アンテナとして、交差ダイポールアンテナが良く知られている。
この交差アンテナは周知のようにアンテナの交差面に垂直方向に指向性を持ち、垂直方向からずれると次第に楕円偏波の性質が強くなる。
このような指向特性があるため、不特定の方向から入射する電波を同一特性で受信することはできない。
このため、通常は送受信の位置関係を特定した状態で使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
短波、超短波での通信には、特殊な場合を除き直線偏波が使用されるが、特に移動通信の場合、伝播経路の状況やアンテナの動揺で偏波面が変化して、受信点まで必ずしも一定の偏波面が保持されているとは限らない。受信アンテナには通常、水平面無指向性の直線偏波アンテナが使用されるので、受信電波の偏波の動揺によって、受信状態が大きく変化して受信品質が低下するという問題がある。このような場合、偏波面に無関係に受信することのできる円偏波アンテナである交差ダイポールアンテナを使用することが考えられるが、上記のように指向性が鋭く、水平面の全方向を受信の対象とすることはできない。また、アンテナ素子の出力インピーダンスが周波数によって、大きく変化するから、９０度移相に使用される移相器の構成が困難となって実現できない。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、広帯域で、且つ水平面無指向性の円偏波アンテナを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明における広帯域無指向性円偏波アンテナは、直交配置した水平ダイポールアンテナ出力の一方を９０度移相して合成する。また、直交配置した垂直ループアンテナ出力の一方を９０度移相して合成する。さらに、前記２出力の一方を９０度移相して合成する。
このとき、各アンテナ素子の出力端に各アンテナ素子の固有キャパシタンス及びインダクタンスを回路素子とする定抵抗回路を付加して出力インピーダンスを周波数に関係なく定抵抗化するとともに、アンテナの等価実効高が周波数に関係なく等しくなるようにする。
【０００５】
【作用】
波長に比して短い水平ダイポールアンテナは水平偏波に対し互いに９０度異なる８字型指向性を有しているから、この一方を９０度移相して合成して得られる複合アンテナの出力は水平面内無指向性となる。同様に、波長に比して直径の短い垂直ループアンテナは垂直偏波に対し互いの９０度異なる８字型指向性を有しているから、この一方を９０度移相して合成して得られる複合アンテナの出力は垂直偏波に対して水平面無指向性となる。この二つの複合アンテナの出力位相は、アンテナに入射する電波の位相に対して、電波の水平面入射角だけ移相されているが、ダイポールアンテナと、ループアンテナを同一方向に設置しておけば同位相となる。 したがって、二つの複合アンテナの一方の位相を９０度移相して合成すれば水平面無指向性の無指向性アンテナとして動作する。
また、短いダイポールアンテナのインピーダンスは固定のキャパシタンスであり、小さいループアンテナのインピーダンスは固定インダクタンスである。このキャパシタンス、及びインダクタンスを回路内に１素子として定抵抗回路を組み、互いに逆回路となるように構成すれば、各アンテナ素子の出力インピーダンスは周波数に無関係な純抵抗に、また、等価実効高を同一にすることができる。
この結果９０度移相器の広帯域化が可能になる。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明による広帯域無指向性円偏波アンテナの一実施例について、図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例の構造を示す図である。図において、１ｎｓ、１ｅｗは直交配置した水平ダイポールアンテナであって、アンテナ素子の全長は使用周波数の１／２波長より短くし、その出力インピーダンスを容量性にしてある。２ｎｓ、２ｅｗは直交配置した垂直ループアンテナで、その円周長は使用周波数の１／３波長より短くし、水平ダイポールアンテナと同様に水平面で正確な８字型指向性を保つようにしてある。
３は整合箱であって、内部に図２、及び図３に示す回路を組み込んである。
【０００７】
図２はアンテナ素子の出力インピーダンスを周波数に無関係な定抵抗に変換する定抵抗整合回路を示す図である。４はダイポールアンテナの定抵抗整合回路、５はループアンテナの定抵抗回路である。ダイポールアンテナの出力インピーダンスであるキャパシタンスＣａと、ループアンテナの出力インピーダンスであるインダクタンスＬａを回路素子の１部として、互いに逆回路を構成するようにしてある。
アンテナキャパシタンスＣａと並列に付加したＣｃとの和のキャパシタンスＣｔは、そのリアクタンスが、使用下限周波数でループインダクタンスのリアクタンスと逆のリアクタンスを呈するように選ばれる。また、ダイポールアンテナの寸法は、その実効高のＣａ／Ｃｔがループアンテナの下限周波数での実効高と等しくなるようにしてある。回路中の抵抗Ｒは上記リアクタンスの有効値と等しくする。
図２に示す回路を構成すれば、回路の出力インピーダンスＺｏは周波数に無関係に純抵抗Ｒとなり、出力解放端電圧Ｅｏも使用下限周波数以上の周波数ではループアンテナの下限周波数での実効高ｈｅと入射電波の電界強度Ｅｉとの積となり、ほぼ、一定値を呈する。
【０００８】
図３は上記定抵抗整合回路の出力の移相合成を行うための回路構成を示す図である。６Ｌ、６Ｈ、６Ｔは９０度ハイブリッド回路であって、ハイブリッド回路６Ｌは直交垂直ループアンテナの整合後の出力の一方を−９０度移相して合成する。この結果ループアンテナは無指向性となり、その振幅は偏波角の余弦に比例する。
ハイブリッド回路６Ｈは直交水平ダイポールアンテナの整合後の出力の一方を−９０度移相して合成する。この結果ダイポールアンテナは無指向性となり、その振幅は偏波角の正弦に比例する。
ハイブリッド回路６Ｔは、上記２出力の一方を−９０度移相して合成する。この結果、水平面無指向性の円偏波アンテナが得られる。
ハイブリッド回路６Ｔの対向する端子からは、逆旋円偏波出力が得られる。
図３に示した数式は、図１に示した入射信号が各アンテナ素子に誘起した場合の信号の処理過程を示したものである。
ここで、θは入射方位角、ψは信号の偏波角である。
また、Ｌｎｓ、Ｌｅｗはループアンテナの誘起電圧、Ｈｎｓ、Ｈｅｗはダイポールアンテナの誘起電圧である。
【０００９】
また、上記では、終段にハイブリッド回路６Ｔを使用したが、直交水平ダイポールアンテナ１ｎｓ、１ｅｗと、直交垂直ループアンテナ２ｎｓ、２ｅｗの一方の接続を逆にすれば、ハイブリッド回路６Ｌ、６Ｈの出力は互いに９０度の位相を持つので移相する必要がなく、単なる合成器を使用することができる。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば広帯域無指向性円偏波アンテナを構成できるので、不特定の方向から到来する電波を、偏波に関係なく等感度で受信することができる。
また、本発明のアンテナを用いて方位測定用アンテナアレィを構成すると、偏波面に無関係に電波の到来方向を測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による広帯域無指向性円偏波アンテナの一実施例のアンテナの構造を示す図である。
【図２】本発明による広帯域無指向性円偏波アンテナのアンテナ素子の整合回路の構成を示す図である。
【図３】本発明による広帯域無指向性円偏波アンテナの移相合成回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ｎｓ、１ｅｗ；水平ダイポールアンテナ
２ｎｓ、２ｅｗ；垂直ループアンテナ
３；整合箱
４；ダイポールアンテナの定抵抗整合回路
５；ループアンテナの定抵抗整合回路
６Ｌ、６Ｈ、６Ｔ；９０度ハイブリッド回路[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a circularly polarized antenna that can receive radio waves with equal sensitivity regardless of the plane of polarization when receiving radio waves.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, crossed dipole antennas are well known as circularly polarized antennas used in the short wave and ultra high frequency bands.
As is well known, this cross antenna has directivity in the vertical direction on the cross plane of the antenna, and when it deviates from the vertical direction, the property of elliptically polarized waves gradually becomes stronger.
Because of such directional characteristics, radio waves incident from an unspecified direction cannot be received with the same characteristics.
For this reason, it is normally used in a state where the positional relationship between transmission and reception is specified.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
For short-wave and ultra-high-frequency communications, linearly polarized waves are used except for special cases. Especially in mobile communications, the plane of polarization changes due to propagation path conditions and antenna fluctuations, and the reception point is not necessarily constant. The polarization plane is not always maintained. Since a linearly polarized antenna that is omnidirectional in the horizontal plane is usually used as the receiving antenna, there is a problem that the reception state is greatly changed due to the fluctuation of the polarization of the received radio wave and the reception quality is deteriorated. In such a case, it is conceivable to use a crossed dipole antenna, which is a circularly polarized antenna that can be received regardless of the plane of polarization. However, as described above, the directivity is sharp and all directions on the horizontal plane are subject to reception. It cannot be. Further, since the output impedance of the antenna element varies greatly depending on the frequency, the configuration of the phase shifter used for the 90-degree phase shift becomes difficult and cannot be realized.
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a circularly polarized antenna having a wide band and a non-directional horizontal plane.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The wide-band omnidirectional circularly polarized antenna according to the present invention synthesizes one of the outputs of the horizontally arranged dipole antennas by 90 degrees. Also, one of the orthogonal loop antenna outputs arranged orthogonally is shifted by 90 degrees and synthesized. Further, one of the two outputs is shifted by 90 degrees and synthesized.
At this time, a constant resistance circuit having the circuit element as the intrinsic capacitance and inductance of each antenna element is added to the output end of each antenna element to make the output impedance constant regardless of the frequency, and the equivalent effective height of the antenna is the frequency. To be equal regardless of
[0005]
[Action]
Since the horizontal dipole antenna, which is shorter than the wavelength, has an 8-shaped directivity that is 90 degrees different from each other with respect to the horizontal polarization, the output of the composite antenna obtained by phase-synthesizing these 90 degrees is It becomes omnidirectional in the horizontal plane. Similarly, a vertical loop antenna having a short diameter compared to the wavelength has an 8-shaped directivity that is 90 degrees different from each other for vertically polarized waves. The output of the resulting composite antenna is omnidirectional with respect to vertical polarization. The output phase of the two composite antennas is shifted by the horizontal plane incidence angle of the radio wave with respect to the phase of the radio wave incident on the antenna. It becomes a phase. Therefore, if one phase of the two composite antennas is phase-shifted by 90 degrees and combined, it operates as a horizontal omnidirectional omnidirectional antenna.
In addition, the impedance of the short dipole antenna is a fixed capacitance, and the impedance of the small loop antenna is a fixed inductance. If a constant resistance circuit is assembled with this capacitance and inductance as one element in the circuit, and the circuit is configured so as to be opposite to each other, the output impedance of each antenna element becomes a pure resistance independent of frequency, and the equivalent effective height is increased. Can be the same.
As a result, the 90-degree phase shifter can be widened.
[0006]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of a broadband omnidirectional circularly polarized antenna according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing the structure of an embodiment of the present invention. In the figure, 1 ns and 1 ew are horizontal dipole antennas arranged orthogonally, and the total length of the antenna element is shorter than ½ wavelength of the operating frequency, and its output impedance is capacitive. 2ns and 2ew are orthogonally arranged vertical loop antennas whose circumferential length is shorter than 1/3 wavelength of the operating frequency, and in the same manner as a horizontal dipole antenna, an accurate 8-shaped directivity is maintained on a horizontal plane.
Reference numeral 3 denotes a matching box in which the circuits shown in FIGS. 2 and 3 are incorporated.
[0007]
FIG. 2 is a diagram showing a constant resistance matching circuit that converts the output impedance of the antenna element into a constant resistance independent of frequency. 4 is a constant resistance matching circuit of the dipole antenna, and 5 is a constant resistance circuit of the loop antenna. The circuit Ca is an output impedance of the dipole antenna, and an inductance La is an output impedance of the loop antenna.
The capacitance Ct, which is the sum of the antenna capacitance Ca and Cc added in parallel, is selected so that the reactance exhibits a reactance opposite to the reactance of the loop inductance at the lower limit frequency of use. Also, the dimensions of the dipole antenna are such that the effective height of Ca / Ct is equal to the effective height at the lower limit frequency of the loop antenna. The resistance R in the circuit is made equal to the effective value of the reactance.
If the circuit shown in FIG. 2 is configured, the output impedance Zo of the circuit becomes a pure resistance R regardless of the frequency, and the output open end voltage Eo is incident at an effective high he at the lower limit frequency of the loop antenna at a frequency higher than the lower limit frequency of use. It is a product of the electric field strength Ei of the radio wave and exhibits a substantially constant value.
[0008]
FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration for performing phase shift synthesis of the output of the constant resistance matching circuit. 6 L , 6 H , and 6 T are 90-degree hybrid circuits, and the
From the terminal facing the
The mathematical expression shown in FIG. 3 shows a signal processing process when the incident signal shown in FIG. 1 is induced in each antenna element.
Here, θ is the incident azimuth angle and ψ is the polarization angle of the signal.
Lns and Lew are induced voltages of the loop antenna, and Hns and Hew are induced voltages of the dipole antenna.
[0009]
Further, in the above, was used a hybrid circuit 6 T in the last stage, the orthogonal horizontal dipole antenna 1 ns, and 1Ew, orthogonal vertical loop antenna 2 ns, be reversed one of the connections 2Ew, hybrid circuit 6 L, 6 H Since their outputs are 90 degrees out of phase with each other, there is no need to shift the phase, and a simple synthesizer can be used.
[0010]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a broadband omnidirectional circularly polarized antenna can be configured, so that radio waves arriving from an unspecified direction can be received with equal sensitivity regardless of polarization.
Further, when an azimuth measuring antenna array is configured using the antenna of the present invention, it is possible to measure the direction of arrival of radio waves regardless of the plane of polarization.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the structure of an antenna according to an embodiment of a broadband omnidirectional circularly polarized antenna according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a matching circuit for an antenna element of a broadband omnidirectional circularly polarized antenna according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a phase shift combining circuit of a broadband omnidirectional circularly polarized antenna according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1ns, 1ew; horizontal dipole antenna 2ns, 2ew; vertical loop antenna 3; matching box 4; dipole constant resistance matching circuit of the
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