JP4511382B2

JP4511382B2 - 円偏波ループアンテナ

Info

Publication number: JP4511382B2
Application number: JP2005044133A
Authority: JP
Inventors: 辰彦岩崎
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2025-02-21
Also published as: JP2006229851A

Description

この発明は、円偏波を放射するアンテナ、特に放射信号の１波長分の長さのループ導体から円偏波を放射する円偏波ループアンテナに関するものである。

従来、放射導体をループ状に形成するループアンテナの代表として、円偏波を放射する円偏波ループアンテナと直線偏波を放射する直線偏波ループアンテナが存在する。

円偏波ループアンテナとしては、特許文献１に示すように、放射する円偏波の略１波長分の長さで部分的に導体が切断されたループ状導体と、該ループ状導体から所定間隔離れた位置に配置された反射板とを備え、ループ状導体に対する反射板と対向する側に円偏波を放射する構造のものがある。

また、直線偏波ループアンテナとしては、特許文献２に示すように、所定長さのループ導体と、該ループ導体から信号放射方向に、所定間隔だけ離れた位置に配置された導体板とを備えた構造のものがある。そして、このような直線偏波ループアンテナでは、ループ導体と導体板との間隔が、放射信号の自由空間波長をλとした場合で０．２５λ（＝λ／４）となるときに、放射効率が最大になる。
特許第３４３１０４５号公報特開２００１−２３７６３７公報

特許文献１に示すような円偏波ループアンテナでは、最大利得が９ｄＢ程度であるので、これよりも大きな利得を必要とするインマルサット通信等では、複数の円偏波ループアンテナをアレイ化することにより所定方向に対する所望の利得を実現している。

一方、特許文献２では、ループ導体から放射方向に略λ／４の位置に導波板を設けることで、直線偏波の放射利得を改善している。これは、導体板をループ導体からλ／４の位置に配置し、ループ導体よりも若干小さい面積で形成することにより、導体板が等価的に共振回路とコンデンサとの複合回路になるからである。すなわち、導体板が等価的に共振回路とコンデンサとの複合回路になることで、ループ導体から放射された信号が導体板到達時に９０°位相遅れとなってもこれが補正されて電流定在波が形成されて信号が強め合うからであう。

そして、このような直線偏波ループアンテナの導体板使用構造を特許文献１に記載の円偏波ループアンテナに適用しようとしても、直線偏波のようにλｏ／４の位置に円偏波の定在点が形成されて強め合うメカニズムが円偏波には適用されないので、円偏波ループアンテナの放射利得を改善することができない。さらには、導体板を円偏波が通過する際に損失が生じてしまう。

したがって、この発明の目的は、簡素な構造で従来よりも利得が改善された円偏波ループアンテナを構成することにある。

この発明は、１周の長さが放射信号の略１波長である導体からなる放射ループ部と、放射ループ部形成面に略平行な面を反射面とする反射板と、を備え、放射ループ部に対して反射板と対向する側で、放射ループ部形成面に垂直な方向を放射方向とする円偏波を放射する円偏波ループアンテナにおいて、放射ループ部から放射方向に放射信号の略１／２波長分離れた位置に、放射ループ部形成面と略平行な面に略１波長の長さからなる導体によって形成された導波ループ部を備えたことを特徴としている。

この構成では、放射ループ部から放射された放射信号は、放射ループ部から放射信号の略１／２波長の位置に配置された導波ループ部を介することで、該導波ループ部が無い場合よりも振幅レベルが高くなる。

また、この発明の円偏波ループアンテナは、導波ループ部の長さを、放射信号の１波長をλとした場合に略０．９５λとしたことを特徴としている。

この構成では、導波ループ部の長さを１波長λよりも若干短い略０．９５λとすることで、他の長さで形成した導波ループ部よりも放射信号の振幅レベルが高くなる。

また、この発明の円偏波ループアンテナは、放射ループ部と導波ループ部との距離を、放射信号の１波長をλとした場合に略０．４５λとしたことを特徴としている。

この構成では、導波ループ部と放射ループ部との間隔を略１／２波長よりも若干短い略０．４５λとすることで、他の間隔で形成した場合よりも放射信号の振幅レベルが高くなる。

この発明によれば、放射ループ部から放射方向に放射信号の略１／２波長分離れた位置に導波ループ部を配置することで、従来よりも利得が高く、且つ簡素な構造の円偏波ループアンテナを構成することができる。これにより、所定の通信信号に対する所望の利得を得る場合に、従来よりも簡素な構造で小型のアンテナを構成することができる。

また、この発明によれば、放射信号の波長λに対して０．９５λの長さで導波ループ部を形成することで、さらに利得を高くすることができる。さらに、この発明によれば、導波ループ部と放射ループ部との間隔を０．４５λとすることで、より一層利得を高くすることができる。これにより、所望の利得を得るためのアンテナをさらに小型に構成することができる。

本発明の実施形態に係る円偏波ループアンテナについて図１〜図８を参照して説明する。
図１は本実施形態の円偏波ループアンテナの概略構成を示す外観斜視図である。また、図２（Ａ）は図１に示す円偏波ループアンテナの放射ループ１１の平面図であり、図２（Ｂ）は図１に示す円偏波ループアンテナの導波ループ３の平面図である。また、図３は図１に示す円偏波ループアンテナの側面断面図である。

本実施形態の円偏波ループアンテナ１の放射ループ１１は、その長さが放射信号の自由空間波長λ分に略同じであるループ（円周形）状の導体からなる。放射ループ１１は、円周状の一点（接続部２０１）が同じ導体からなる結合部１２に接続している。

結合部１２は、一方端の接続部２０１で放射ループ１１に接続し、前記λの略１／４の長さに亘り放射ループ１１に沿って延びる形状に形成されている。この際、結合部１２は、放射ループ１１の外側で放射ループ１１の円周面と同じ平面内に、放射ループ１１のλ／４長部１１０に対して所定間隔で離間した状態で配置されている。結合部１２の他方端、すなわち、接続部２０１に対向する端部は給電点２００であり、この給電点２００で給電導体１３に接続している。

給電導体１３は放射ループ１１の円周面に垂直で、放射ループ１１から反射板２方向に延びる形状で形成されており、その一方端が給電点２００であり、他方端が給電導体１４に接続している。給電導体１４は、反射板２の放射ループ１１側表面から所定距離離間した位置で、反射板２の表面に平行方向へ延びる導体により形成されており、その一方端が給電導体１３に接続し、他方端が反射板２に形成された貫通孔を挿通して外部回路に接続している。

反射板２は、放射ループ１１の円周面に対して主面が平行な形状に形成されており、放射ループ１１の円周面から所定距離離間した位置に配置されている。また、反射板２は、少なくとも放射ループ１１により構成される円周面の面積よりも大きい面積で形成されている。さらに、反射板２には放射ループ１１の中心に対応する位置に貫通孔が形成されており、前述のように給電導体１４の一方端がこの貫通孔を挿通して、反射板２の放射ループ１１と対向する側に導かれている。

導波ループ３は、前記波長λに対して１波長分よりも若干短い、例えば０．９５λの長さとなるループ（円周形）状の導体からなり、外部から直接導体を介して給電される給電手段は備えていない。すなわち、導波ループ３は無給電タイプの導体ループにより構成されている。導波ループ３は、円周面が放射ループ１１の円周面に対して平行になるように配置され、放射ループ１１に対して反射板２と対向する側に配置されている。また、導波ループ３は、導波ループ３の円周面に垂直な方向の中心軸Ｏと放射ループ１１円周面に垂直な方向の中心軸Ｏとは一致する位置に配置されている。さらに、導波ループ３と放射ループ１１との距離は前記λに対して略１／２の長さに設定されている。より具体的には、本実施形態では、波長λに対して０．４５λの長さに設定されている。

このような構成とすることで、給電導体１４，１３を介して送信信号（電力）が入力されると、結合部１２を介して放射ループ１１に信号電力が給電される。放射ループ１１に信号電力が供給されると、放射ループ１１がλの長さであることから、円周面に垂直な方向を放射方向（アンテナの正面方向）として円偏波が導波ループ３方向に放射される。放射された円偏波は、放射ループ１１から０．４５λの位置に配置された導波ループ３により振幅レベルの減衰が抑制されて、導波ループ３が無い場合よりも放射信号の振幅レベルが高くなる。これにより、単に、放射ループ１１から０．４５λの位置に無給電導体ループである導波ループを配置するだけの簡素な構造で放射効率に優れる円偏波ループアンテナを構成することができる。

次に、本実施形態の構成を用いた円偏波ループアンテナのシミュレーション結果について説明する。

図４は、θ，φの定義を示す図である。
図４に示すように、φは放射ループ１１を含む平面に水平（平行）な方向の角で、放射ループ１１の中心Ｏに対して、給電点２００方向がφ＝０°となり、接続部２０１方向がφ＝９０°となる、反時計回りを正方向とする水平角である。また、θは放射ループ１１の中心軸方向（すなわち、アンテナ正面方向）で且つ導波ループ３方向を天頂（θ＝０°）する。また、θは、水平角φが互いに１８０°の角度差を有する水平方向に対して、角度が小さい側に向かう方向を正方向として角度が大きい側に向かう方向を負方向とする天頂角である。

図５は、図１〜図３に示した形状の円偏波ループアンテナの約１．５７ＧＨｚの円偏波に対する放射特性のシミュレーション結果を示したグラフであり、ＲＨＣＰは右旋円偏波の放射特性を示し、ＬＨＣＰは左旋円偏波の放射特性を示す。また、ＲＨＣＰ（φ０，１８０）、ＬＨＣＰ（φ０，１８０）は、図４に示すφ＝０°，１８０°断面の放射特性を示し、ＲＨＣＰ（φ９０，２７０）、ＬＨＣＰ（φ９０，２７０）は、図４に示すφ＝９０°，２７０°断面の放射特性を示す。
図６は、図１〜図３に示した形状の本発明の円偏波ループアンテナと、導波ループを用いない従来の円偏波ループアンテナとの放射特性を示したグラフであり、本グラフにおいてもＲＨＣＰは右旋円偏波の放射特性を示し、ＬＨＣＰは左旋円偏波の放射特性を示す。これらの放射特性は、図４に示すφ＝０°，１８０°断面の放射特性を示す。

なお、図５に示すシミュレーション結果に用いた円偏波ループアンテナについて、放射ループ１１と導波ループ３は、径が約２ｍｍのエナメル線であり、放射ループ１１の長さは約１９２ｍｍであり、導波ループ３の長さは約１８２ｍｍである。また、放射ループ１１と反射板２との距離は約２４ｍｍであり、放射ループ１１と導波ループ３との距離は約８５ｍｍである。

本シミュレーション結果から分かるように、従来の円偏波ループアンテナではアンテナ正面方向の右旋円偏波の利得が１０ｄＢに満たなかったものが、本実施形態の円偏波ループアンテナを用いることで、アンテナ正面方向の右旋円偏波の利得が約１１．８ｄＢまで向上する。すなわち、本実施形態の構成を用いることにより、円偏波アンテナ正面方向の利得を従来よりも高くすることができる。

次に、導波ループ３の長さ（径）、および、導波ループと放射ループとの距離による放射特性の影響に関する実験結果について説明する。
図７は、導波ループ３の半径ｒ［ｍｍ］、導波ループ３と放射ループ１１との距離ｄ［ｍｍ］とをパラメータにして得た放射特性の変化を示した図である。

図７に示すように、本実施形態の構成では、導波ループ３の半径の変化や、導波ループと放射ループとの距離の変化により放射利得が変化することが分かる。しかしながら、半径ｒを約２１ｍｍ〜約３１ｍｍに変化させても、距離ｄが適正であれば従来よりも高利得を得ることができる。また、距離を約４７ｍｍ〜１１３ｍｍに変化させても、半径ｒが適正であれば従来以上の高利得を得ることができる。すなわち、略１波長λの長さの導波ループを、放射ループから略λ／２の位置に配置することにより、若干の長さの誤差や位置誤差が存在しても、従来よりも高利得を得ることができる。そして、半径ｒ（長さに相当）、距離ｄが最適であれば、１１．８８［ｄＢ］と、従来よりも約２ｄＢも放射効率を向上することができる。

なお、前述の説明では、導波ループを線状導体により形成する例を示したが、誘電体基板上に形成した電極ラインにより形成しても良い。

また、前述の説明では、放射ループおよび導体ループを円周状に形成した例を示したが、ループ長を前述の条件に設定すれば、それぞれ多角形状等に形成してもよい。この際、放射ループの角の位置と導体ループの角の位置が一致するように設置することで、より高利得を得ることができる。
また、前述の説明では、結合部が放射ループの外周側に配置される例を示したが、結合部が放射ループの内周側に配置されたり、結合部が放射ループの反射板側に配置されるような構成であってもよい。

また、前述の構成は、図８に示すような構造の円偏波ループアンテナにも適用することができる。
図８は、他の構成の円偏波ループアンテナを示し、（Ａ）はカールアンテナと導波ループとからなる円偏波ループアンテナを示し、（Ｂ）はＣ型アンテナと導波ループとからなる円偏波ループアンテナを示す。
このように、図８（Ａ）に示すようなカールアンテナを用いる場合でも、例えば、カール形状の放射ループ２１の内径と略同じ径の導波ループ２３を形成することで、放射効率を向上することができる。また、図８（Ｂ）に示すようなＣ型アンテナを用いる場合でも、例えば、Ｃ型放射ループ３１の径と略同じ径の導波ループ３３を形成することで、放射効率を向上することができる。
さらには、このような円偏波を発生するループ状の放射部を備えるアンテナであれば、前述の構成を適用することができ、前述の効果を奏することができる。

本発明の円偏波ループアンテナの概略構成を示す外観斜視図図１に示す円偏波ループアンテナの放射ループ１１および円偏波ループアンテナの導波ループ３の平面図図１に示す円偏波ループアンテナの側面断面図 θ，φの定義を示す図図１〜図３に示した形状の円偏波ループアンテナの放射特性のシミュレーション結果を示したグラフ本発明の円偏波ループアンテナと従来の円偏波ループアンテナとの放射特性を示したグラフ導波ループ３の半径、および、導波ループ３と放射ループ１１との距離をパラメータにした放射特性の変化を示した図他の構成の円偏波ループアンテナの外観斜視図

符号の説明

１−ループアンテナ
１１，２１，３１−放射ループ
１２−結合部
１３，１４−給電導体
２００−給電点
２０１−接続部
２−反射板
３，２３，３３−導波ループ

Claims

１周の長さが放射信号の略１波長である導体からなる放射ループ部と、
放射ループ部形成面に略平行な面を反射面とする反射板と、を備え、
前記放射ループ部に対して前記反射板と対向する側で、前記放射ループ部形成面に垂直な方向を放射方向とする円偏波を放射する円偏波ループアンテナにおいて、
前記放射ループ部から放射方向に前記放射信号の略１／２波長分離れた位置に、前記放射ループ部形成面と略平行な面に略１波長の長さからなる導体によって形成された導波ループ部を備えたことを特徴とする円偏波ループアンテナ。
前記導波ループ部の長さは、前記１波長をλとした場合に略０．９５λである請求項１に記載の円偏波ループアンテナ。
前記放射ループ部と前記導波ループ部との距離は、前記１波長をλとした場合に略０．４５λである請求項１または請求項２に記載の円偏波ループアンテナ。