JP4853401B2

JP4853401B2 - 円偏波アンテナ

Info

Publication number: JP4853401B2
Application number: JP2007169853A
Authority: JP
Inventors: 智之小川; 健武井
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: JP2008042894A

Description

本発明は、衛星通信等の無線システムに利用される円偏波アンテナに関する。

ＧＰＳ（Global Positioning System）と呼ばれる位置検出システムや、衛星ラジオ放送などは、円偏波を用いる無線システムである。これらの無線システムに対応する送受信機は、通常、円偏波アンテナを備えている。

円偏波アンテナの代表例として、非特許文献１に記載されている一点給電型マイクロストリップアンテナが知られている。同アンテナは、縮退分離素子を設けることで空間的に直交する２つのモードを生成し、円偏波を送受信している。同アンテナの電気的寸法は、一辺の長さが使用波長の概１／２であり、例えばＧＰＳで用いられる１５７５ＭＨｚでは、およそ９５ｍｍである。同サイズは、モバイル送受信機用のアンテナとしては大きいため、セラミック等の高誘電材料を用いて小型化して、広く実用化されている。

モバイル送受信機には小型の円偏波アンテナが求められるため、これまでに様々な小型の円偏波アンテナが検討されてきた。例えば、特許文献１、２に記載される方法がある。

特許文献１では、互いに直交して位相の異なる２つの共振モード方向に対して、±４５度で直交する直線方向の導体両端に切込みを形成し、上記共振モード方向に対し±４５度で直交する直線のいずれかと給電点の偏位方向を一致させることで、共振周波数を下げ同一周波数におけるアンテナ寸法を縮小している。

特許文献２では、ループを基本素子とする線状アンテナ素子を用いることでアンテナを小型化している。

特開平０５−１５２８３０号公報特開平０８−０５１３１２号公報羽石ほか、小型・平面アンテナ、（社）電子情報通信学会編、コロナ社、1996年、p.142-164 新井、新アンテナ工学、総合電子出版社、2001年、p.9

特許文献１に記載される方法では、円偏波の送受信に必要な空間的に直交する２つのモードを保持したままの小型化が可能であるが、インピーダンスの調整に難しさがあった。リアクタンスを調整する方法は示されているものの、レジスタンスの調整には試行錯誤を重ねる必要があった。

特許文献２に記載される方法では、角型ループ素子のアスペクト比及び素子とグランドとの距離を調整することで円偏波を送受信できるものの、インピーダンスの調整に難しさがあった。放射素子の一部にリアクタンスを装荷してインピーダンスを調整する方法、複数の放射素子を並列接続してインピーダンスを調整する方法が述べられているが、結果として小型化が妨げられるという問題があった。

以上のことから、小型で設計自由度の高い円偏波アンテナが望まれている。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型で設計自由度の高い、高機能の円偏波アンテナを提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、一群の金属導体と一つの給電部から構成され、上記一群の金属導体は、方形の金属導体の集合により構成され、外形が電気長ａとｂの辺からなる矩形の全体から２０〜７０％の上記方形の金属導体を除去することで生成され、上記一群の金属導体の構造を変更し、異なる２つの周波数それぞれにおいて、上記方形の金属導体に励起される電流の、空間的に互いに直交する２軸への射影の総和について絶対値と偏角を計算し、その絶対値が概等しく、偏角の差の絶対値が概９０度となるまで上記構造変更と計算とを繰り返し行うことにより、異なる２つの周波数の円偏波を送受信し、送受信する一つの周波数の円偏波が右旋円偏波であり、もう一つの周波数の円偏波が左旋円偏波であるように設計されたことを特徴とする円偏波アンテナである。

円偏波の送受信には、円偏波の到来方向に垂直な面において、金属導体に励起される電流の、空間的に互いに直交する２軸への射影が、その絶対値が概等しく、偏角の差の絶対値が概９０度であることが必要である。

アンテナの放射特性は、非特許文献２等に記載されるように、金属導体に流れる各電流からの放射特性を各々計算して、各計算結果を重ね合わせることで求められる。しかしながら、地上と衛星間のような、極めて遠方の放射界を考える場合には、アンテナサイズは相対的に極めて小さくなり、衛星から見てアンテナは点であると考えられる。このような場合には、放射界の強度及び位相は、アンテナを構成する一群の金属導体に流れる各電流の総和にて決定される。すなわち、放射界の強度は各電流の総和の強度に比例し、放射界の位相は各電流の総和の位相に等しくなる。本発明の円偏波アンテナは、以上の観点から、一群の金属導体に励起される電流の、空間的に互いに直交する２軸への射影が、その絶対値が概等しく、偏角の差の絶対値が概９０度とすることで、円偏波を送受信している。

請求項１に係る円偏波アンテナは、上記一群の金属導体に励起される複数の電流により円偏波を送受信するという、従来の一点給電型マイクロストリップアンテナとは異なる原理に基づいた円偏波アンテナであり、以下の発明にて述べられるような、これまでにない利点を持った円偏波アンテナを提供する。

請求項１に係る円偏波アンテナは、広く実用化されている、上記一点給電型マイクロストリップアンテナと比べて、一群の金属導体の外形が、必ずしも概正方形である必要がなく、送受信機およびアンテナを備えた受信モジュールの形状の自由度を増す効果がある。

請求項１に係る円偏波アンテナは、一つのアンテナにて、異なる複数の周波数の円偏波を送受信することができ、送受信機の高機能化、アンテナ周辺部の簡略化に効果がある。

請求項２の発明は、請求項１の円偏波アンテナであって、異なる複数の周波数のうち２つの周波数が近接していると共に、該２つの周波数の間の全ての周波数において円偏波を送受信することを特徴とする円偏波アンテナである。

請求項２に係る円偏波アンテナは、一つのアンテナにて、広い周波数帯域の円偏波の送受信ができ、送受信機の高性能化に好適である。

請求項１に係る円偏波アンテナは、一つのアンテナにて、右旋円偏波と左旋円偏波を送受信することができ、送受信機の高機能化、アンテナ周辺部の簡略化に効果がある。

請求項１に係る円偏波アンテナは、計算機を用いて自動設計が可能であり、各仕様に応じた設計が短時間に且つ容易にできる。

本発明は、小型で設計自由度の高い、高機能の円偏波アンテナを実現できる。

以下、本発明の第一の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態の円偏波アンテナＡ１の構造を示す図である。円偏波アンテナＡ１は、一群の金属導体１と一つの給電部２から構成されており、ＧＰＳで用いられる１５７５ＭＨｚの右旋円偏波を送受信するものである。金属導体１の外形は、電気長がそれぞれ４８ｍｍの四角形であり、上記周波数にて各辺の和は送受信周波数における波長（使用波長＝１９０ｍｍ）の概１／２である。一群の金属導体は３ｍｍ角の金属導体の集合により構成されている。小型で薄型であり、モバイル送受信機に搭載して好適である。

図２、図３は、本実施形態のアンテナの設計方法を説明するための図である。

まず、図２に示すように、アンテナを構成する領域を、３ｍｍ角のセグメント３に分解し、各セグメント間に電流４を仮定する。電流４は少なくとも２方向以上を仮定する。さらに、直交する２軸x、yを定義する。

次に、図３のフローチャートに示されるように、アンテナ構造がランダムに選択される（Ｓ１）。一群の金属導体１は、全体から２０〜７０％の３ｍｍ角の金属導体をランダムに除去することで生成される。一つの給電部２は、隣り合う３ｍｍ角の金属導体のいずれかの場所に、ランダムに配置される。さらに、上記アンテナに流れる電流iが少なくとも２方向以上の電流を仮定するモーメント法を用いて導出される（Ｓ２）。ベクトルiの各要素i₁〜i_nは少なくとも一つの互いに直交する２軸x、yに射影され（Ｓ３）、各要素がそれぞれx₁〜x_n及びy₁〜y_nであるときのx₁〜x_nの総和の絶対値とy₁〜y_nの総和の絶対値が計算され（Ｓ４）、x₁〜x_nの総和の偏角とy₁〜y_nの総和の偏角とが計算され（Ｓ５）、電圧定在波比が計算され（Ｓ６）、設計目標が達成されているかどうか判定され（Ｓ７）、設計目標が達成されていればアンテナ構造並びにその特性を出力（Ｓ８）して終了し、達成されていなければＳ１〜Ｓ７を繰り返す。設計目標は、x₁〜x_nの総和の絶対値とy₁〜y_nの総和の絶対値とが概等しく、x₁〜x_nの総和の偏角とy₁〜y_nの総和の偏角との差の絶対値が概９０度である。上記の目標に加えて、電圧定在波比が所定の値より小さいことを設計目標とすることも可能である。本実施形態では、１５７５ＭＨｚにおいて、円偏波性能を示す軸比が３ｄＢ以下であり、且つ給電部のインピーダンスを５０オームとしたときの電圧定在波比が３以下になるよう設計した。

上記のフローチャートにより、計算機を用いた自動設計が可能であり、各仕様に応じた円偏波アンテナを、短時間に且つ容易に設計することができる。また、この方法を用いることにより、aとbの和が使用波長の０．４倍以上０．６５倍以下の範囲内に収まるように円偏波アンテナを小型化できることが計算と実験により確認された。

具体的に、１つの周波数の円偏波アンテナを送受信するためのアンテナを計算機により設計を行った結果では、x₁〜x_nの総和の絶対値とy₁〜y_nの総和の絶対値とが等しく、かつx₁〜x_nの総和の偏角とy₁〜y_nの総和の偏角との差の絶対値が９０度となるときに、a+bの和が使用波長の０．４倍となることを確認できた。
また、x₁〜x_nの総和の絶対値とy₁〜y_nの総和の絶対値との比率が０．８倍(または１．２５倍)、かつx₁〜x_nの総和の偏角とy₁〜y_nの総和の偏角との差の絶対値が７０度(または１１０度)となるときに、a+bの和が使用波長の０．６５倍となることを確認できた。
つまり、x₁〜x_nの総和の絶対値とy₁〜y_nの総和の絶対値との比率が１倍(等しく)、かつx₁〜x_nの総和の偏角とy₁〜y_nの総和の偏角との差の絶対値が９０度となるように設計することによって、軸比を小さくし、かつアンテナサイズの小型化も可能となる。

図４は、図１の第一の実施形態の円偏波アンテナＡ１の軸比および電圧定在波比である。１５７５ＭＨｚにおいて、軸比が３ｄＢ以下、電圧定在波比が３以下であり、本実施形態のアンテナは円偏波の良好な送受信が可能である。

次に、本発明の第二の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図５は、本実施形態の円偏波アンテナＡ２の構造を示す図である。円偏波アンテナＡ２は、一群の金属導体１と一つの給電部２から構成されており、ＧＰＳで用いられる１５７５ＭＨｚの右旋円偏波を送受信するものである。金属導体１の外形は、それぞれ３２ｍｍ、６４ｍｍの長方形であり、上記周波数にて各辺の和は使用波長の概１／２である。一群の金属導体は４ｍｍ角の金属導体の集合により構成されている。図３のフローチャートにより設計され、１５７５ＭＨｚにおける軸比が３ｄＢ以下になるよう設計された。

本実施形態の円偏波アンテナは、小型で薄型であり、モバイル送受信機に搭載して好適である。また、その外形が正方形でなく長方形であるため、モバイル送受信機への搭載自由度が高まっている。

図６は、図５の第二の実施形態の円偏波アンテナＡ２の軸比である。１５７５ＭＨｚにおいて、軸比が３ｄＢ以下であり、第二の実施形態のアンテナは円偏波の良好な送受信が可能である。

次に、本発明の第三の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図７は、本実施形態の円偏波アンテナＡ３の構造を示す図である。円偏波アンテナＡ３は、一群の金属導体１と一つの給電部２から構成されており、ＧＰＳで用いられる１５７５ＭＨｚの右旋円偏波と衛星ラジオ放送で用いられる２３００ＭＨｚの左旋円偏波を送受信するものである。金属導体１の外形は、電気長がそれぞれ１００ｍｍの四角形である。一群の金属導体は１０ｍｍ角の金属導体の集合により構成されている。

図８は、本実施形態のアンテナの設計方法を説明するためのフローチャートであり、図３のフローチャートに示される処理を、異なる２つの周波数において実行している。Ｓ２からＳ６により、第一の周波数における特性を求め、Ｓ７からＳ１１により、第二の周波数における特性を求めている。１５７５ＭＨｚにおいて右旋円偏波を送受信し、軸比が３ｄＢ以下、給電部のインピーダンスを５０オームとしたときの電圧定在波比が４以下になるようにＳ２からＳ６の処理が実行された。さらに、２３００ＭＨｚにおいて左旋円偏波を送受信し、軸比が３ｄＢ以下、給電部のインピーダンスを５０オームとしたときの電圧定在波比が４以下になるようにＳ７からＳ１１の処理が実行された。

図９は、図７の本実施形態の円偏波アンテナＡ３の軸比および電圧定在波比である。１５７５ＭＨｚと２３００ＭＨｚの両方において、軸比が３ｄＢ以下、電圧定在波比が４以下であり、本実施形態の円偏波アンテナは円偏波の良好な送受信が可能である。

第三の実施形態のアンテナは、一つのアンテナで２つの周波数の円偏波を送受信することができるため、モバイル送受信機の高機能化に好適であり、アンテナ周辺部の簡略化にも効果がある。

次に、本発明の第四の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１０は、本実施形態の円偏波アンテナＡ４の構造を示す図である。円偏波アンテナＡ４は、一群の金属導体１と一つの給電部２から構成されており、近接する２つの周波数３．５ＧＨｚと４．５ＧＨｚの間の周波数において、円偏波を送受信するものである。ここで、「近接する」とは、２つの周波数をｆ１、ｆ２（ｆ１＜ｆ２）としたとき、ｆ１、ｆ２とその中心周波数ｆ３（＝（ｆ１＋ｆ２）／２）とが、およそ、ｆ２−ｆ１≦０．２５×ｆ３の関係を満たすものをいう。本実施形態のアンテナは、図８のフローチャートを用いて設計され、３．５ＧＨｚおよび４．５ＧＨｚにおいて、右旋円偏波を送受信し、軸比が３ｄＢ以下、給電部のインピーダンスを５０オームとしたときの電圧定在波比が４以下になるよう設計された。

図１１は、図１０の本実施形態の円偏波アンテナＡ４の軸比および電圧定在波比である。結果として、３．５ＧＨｚと４．５ＧＨｚの間の周波数において、軸比が３ｄＢ以下、電圧定在波比が３以下であり、広い周波数帯域にて円偏波の良好な送受信が可能である。

第四の実施形態のアンテナは、一つのアンテナで、広い周波数帯域にて円偏波の送受信が可能であり、送受信機の高機能化に好適である。

本発明の円偏波アンテナを示す構造図である。本発明の円偏波アンテナの設計方法を説明するための構造図である。本発明の円偏波アンテナの設計方法を説明するためのフローチャートである。本発明の円偏波アンテナの特性を示す特性図である。本発明の円偏波アンテナを示す構造図である。本発明の円偏波アンテナの特性を示す特性図である。本発明の円偏波アンテナを示す構造図である。本発明の円偏波アンテナの設計方法を説明するためのフローチャートである。本発明の円偏波アンテナの特性を示す特性図である。本発明の円偏波アンテナを示す構造図である。本発明の円偏波アンテナの特性を示す特性図である。

１金属導体
２給電部
３セグメント
４電流
Ｓ１〜Ｓ１３演算
Ａ１〜Ａ４円偏波アンテナ

Claims

一群の金属導体と一つの給電部から構成され、
上記一群の金属導体は、方形の金属導体の集合により構成され、外形が電気長ａとｂの辺からなる矩形の全体から２０〜７０％の上記方形の金属導体を除去することで生成され、
上記一群の金属導体の構造を変更し、異なる２つの周波数それぞれにおいて、上記方形の金属導体に励起される電流の、空間的に互いに直交する２軸への射影の総和について絶対値と偏角を計算し、その絶対値が概等しく、偏角の差の絶対値が概９０度となるまで上記構造変更と計算とを繰り返し行うことにより、異なる２つの周波数の円偏波を送受信し、送受信する一つの周波数の円偏波が右旋円偏波であり、もう一つの周波数の円偏波が左旋円偏波であるように設計されたことを特徴とする円偏波アンテナ。
上記異なる複数の周波数のうち２つの周波数が近接していると共に、該２つの周波数の間の全ての周波数において円偏波を送受信することを特徴とする請求項１記載の円偏波アンテナ。