JP4930947B2 - 円偏波ラインアンテナ - Google Patents

Description

この発明は、円偏波信号を送受信するための円偏波アンテナ、特に進行波アンテナとして機能する円偏波ラインアンテナに関するものである。

従来、各種の円偏波アンテナが考案、開示されており、大きく分類して共振型と進行波型が存在する。特許文献１〜特許文献５には各種の共振型円偏波アンテナが開示されている。共振型円偏波アンテナは共振を発生させる周波数の電波に対しては高い利得が得られるが、それ以外の周波数での利得を得ることができず、利得帯域幅が狭い。

一方、進行波型円偏波アンテナは、例えば図７に示す構成からなる。図７は従来の進行波型円偏波アンテナの構成を示す外観斜視図である。
図７に示すように、従来の進行波型円偏波アンテナは、所定厚みで所定誘電率からなる誘電体基板２００を備える。誘電体基板２００の一方面には、一部切り欠きを有する略菱形環状に形成された複数の放射電極１０２と、これら放射電極１０２を切り欠き部で接続する回路パターン１０１とが形成されている。この複数の放射電極１０２を回路パターン１０１で直列接続した電極パターン１００の一方端３０１が給電点となり、他方端３０２が整合終端される。誘電体基板２００の他方面の全面には接地電極５００が形成されている。このような構造により、給電点から放射用の信号が入力されると、各放射電極１０２からの輻射により円偏波が放射される。このような進行波型円偏波アンテナは一般に利得帯域が広くなる。
特開平３−３２２０２号公報 特開平５−２９１８１６号公報 特開平７−３８３２８号公報 特開平７−３０７６１３号公報 特開平７−１８３７２１号公報

現在、円偏波アンテナには広帯域化が要求されている。例えば、ＧＰＳでは、Ｌ１波（周波数：１．５７５４２ＧＨｚ）、Ｌ２波（周波数：１．２２７６ＧＨｚ）、Ｌ５波（周波数：１．１７６４５ＧＨｚ）の三周波数が受信可能なアンテナが要求され、さらには、ガリレオ等、他のＧＮＳＳの電波をも受信可能なアンテナが要求されることがある。

これに対して、共振型円偏波アンテナでは、上述のように利得帯域が狭いことを解消するため、複数の異なる周波数を共振させる形状からなる電極パターンを複数形成し、それぞれの電極パターンに個別に給電を行うことで利得帯域幅を広くしたり、給電電極パターンから放射方向に沿った所定位置に無給電電極パターンを設置することで利得帯域を複数設けたりしている。しかしながら、これらの構造は複雑であったり、複数の給電系を必要としてしまう。

一方で、進行波型円偏波アンテナは、上述のように利得帯域は広い。しかしながら、後述の図４（Ｂ）に示すように、軸比（Axial Ratio）の帯域幅が狭いという問題が残る。

したがって、本発明の目的は、利得帯域幅、軸比帯域幅がともに広く、且つ簡素な構造からなる円偏波アンテナを実現することにある。

この発明は、平行する二平面の内の一方面に形成された励振電極パターンと、他方面に形成された接地電極パターンと、二平面間に存在する誘電層と、を備えた円偏波ラインアンテナに関するものである。この円偏波ラインアンテナにおいて、励振電極パターンは、給電電極パターンと無給電電極パターンとを備える。

給電電極パターンは、一方端が給電点であり他方端が整合終端である環状ラインからなり、該環状ラインが特性インピーダンスに基づく第１の所定幅で形成されるとともに、前記環状ラインの外周の長さが第１の特定周波数の略一波長の長さに基づいて形成される。

無給電電極パターンは、給電電極パターンと同一平面に、給電電極パターンに沿って所定の間隔で離間した環形状に形成された第２の所定幅からなり、第１の特定周波数とは異なる第２の特定周波数の略一波長の長さで形成されている。

この構成では、給電電極パターンに沿って給電点から整合終端に向けて信号が伝送されたとき、パターンの内周と外周の電流経路長に差があることから磁流源が生じ、電磁波が放電される。給電された信号の一波長が給電電極パターンの長さと等しくなるとき、電磁波の周期と電界ベクトルの回転周期とが一致するため円偏波となる。さらに、無給電電極パターンは、給電電極パターンと電磁的に結合するため、ここからも同様に電磁波が放射される。この電磁波は、給電された信号の一波長と無給電電極パターンの周囲長と等しくなるときに円偏波となる。無給電電極パターンの周囲長は給電電極パターンの長さよりも長いため、無給電電極パターンからは給電電極パターンよりも長い波長の円偏波が放射される。この際、給電電極パターンからの放射による軸比値の落ち込む極は特定周波数近傍に現れ、無給電電極パターンからの放射による軸比値の落ち込む極は特定周波数よりも低い周波数で現れるので、軸比値の低い帯域が広帯域になる。

また、この発明の円偏波アンテナは、誘電層が所定誘電率からなる誘電体基板であり、励振電極パターンが誘電体基板の一方面に形成された電極パターンであり、接地電極パターンが誘電体の他方面に全面形成された電極である。

この構成では、円偏波アンテナが両面に電極を形成した誘電体基板により実現されるので、形成が容易であるとともに、構造的強度も得られる。

この発明によれば、利得帯域幅が広く且つ軸比帯域幅が広い円偏波の放射や受信が可能な円偏波アンテナを実現することができる。この際、給電電極パターンおよび無給電電極パターンは同一平面上に形成されるので、簡素且つ小型の円偏波アンテナを実現することができる。

本発明の実施形態に係る円偏波ラインアンテナについて、図を参照して説明する。
図１は本実施形態の円偏波ラインアンテナ１の主要構成を示す外観斜視図である。図２は本実施形態の円偏波ラインアンテナ１の平面図および側面断面図である。図２（Ａ）は円偏波ラインアンテナ１の平面図を示し、（Ｂ）はＡ−Ａ’切断面を見る側面断面図であり、（Ｃ）はＢ−Ｂ’切断面を見る側面断面図である。

円偏波ラインアンテナ１は、所定の厚みからなる円盤状の誘電体基板２を有する。誘電体基板２は、予め設定した誘電率を有するものである。誘電体基板２の一方面（図１における上面）には、円弧状の給電電極３と該給電電極３の外周側に設置された円周状の無給電電極４とが形成されている。一方、誘電体基板２の他方面（図１における下面）には、全面に接地電極５が形成されている。このように誘電体基板２に電極を形成する構造を用いることで、電極のパターン形成が容易であるとともに、誘電体基板２により電極が支持される構造となるので、構造的強度を得ることができる。

給電電極３は、所定幅（第１の所定幅）からなる円周形状の電極の一部を径方向に沿って切り欠くことにより円弧状に形成されている。この幅は、目的とする周波数帯域の特定周波数において給電部と整合のとれた特性インピーダンスとなるように設定されている。給電電極３の外周側の弧長は、目的とする周波数帯域の特定周波数の一波長分の長さとなるように形成されている。

給電電極３の円弧方向に沿った一方端は給電点３１に設定され、図示しない給電部に接続される。給電電極３の円弧方向に沿った他方端は整合終端３２に設定され、図示しない整合用抵抗器等に接続される。これら給電部、整合用抵抗器への接続は、図２（Ｃ）に示すように、給電点３１および整合終端３２から給電電極３に接続する形状で誘電体基板１の厚み方向に延びる接続用電極を形成することで実現される。この際、接地電極５には、これらの接続用電極と接触しないように穴が形成されており、当該穴から外部へ延びるように接続用電極が形成される。そして、この接続用電極に対して給電部や整合用抵抗器が接続される。なお、この接続方法は既知の方法を用いれば良い。

無給電電極４は、給電電極３に対して信号が電磁界的に結合する所定の距離だけ離間した給電電極３の外周側に形成されている。この際、無給電電極４と給電電極３は最適な結合度となるような離間距離をとって形成し、無給電電極４の外周は所望の周波数帯域に合わせて形成することにより、無給電電極４の幅（第２の所定幅）が決定される。

このような構成とすることで、給電電極３の給電点３１から入力された送信用信号が給電電極３で輻射することにより、前記特定周波数を含む周波数帯域において円偏波が放射される。さらに、無給電電極４が給電電極３に対して電磁界的に結合することで、前記特定周波数よりも低い無給電電極４の外周長に応じた周波数を含む周波数帯域においても円偏波が放射される。

この際、図１、図２に示す構成では、給電点３１から整合終端３２へ、平面視して（放射面側から見て）反時計回りに信号が伝搬するので、右旋円偏波（ＲＨＣＰ）が主として放射される。

図３はアンテナ利得の周波数特性を示す図であり、（Ａ）が本実施形態の形状からなる円偏波ラインアンテナの特性を示し、（Ｂ）が従来技術となる無給電電極を備えない円偏波ラインアンテナの特性を示す。

また、図４は軸比の周波数特性を示す図であり、（Ａ）が本実施形態の形状からなる円偏波ラインアンテナの特性を示し、（Ｂ）が従来技術となる無給電電極を備えない円偏波ラインアンテナの特性を示す。

さらに、図５は本実施形態の円偏波ラインアンテナによる各周波数での指向特性を示した図であり、（Ａ）がＬ１波周波数の指向特性を示し、（Ｂ）はＬ２波周波数の指向特性を示し、（Ｃ）がＬ５波周波数の指向特性を示す。

なお、これらの特性は、本実施形態の構成として図６に示す寸法からなる、円偏波ラインアンテナで行ったシミュレーションにより得られたものである。この円偏波ラインアンテナは、前記特定周波数をＬ１波の周波数に設定して設計されている。この際、従来の円偏波ラインアンテナは、図６の無給電電極を無くした構成である。

図３に示すように、本実施形態の構成の円偏波ラインアンテナは進行波型アンテナであるので、目的とする円偏波である右旋円偏波においては広い周波数帯域で安定した利得が得られる。一方で、左旋円偏波に対しては特定周波数（Ｌ１波周波数）近傍で利得が大きく減衰するとともに、当該特定周波数よりも低い周波数帯域でも利得が低くなる。これにより、図４に示すように、特定周波数近傍およびこれよりも低い周波数帯域で、軸比（Ａｘｉａｌ Ｒａｔｉｏ）が低くなる。図４（Ａ）の例では、軸比の１ｄＢ帯域幅が約６６０ＭＨｚとなり、特定周波数に対して４６％の軸比帯域幅が得られる。これにより、Ｌ１波周波数、Ｌ２波周波数、Ｌ５波周波数の全帯域を軸比帯域幅内に納めることができ、一点給電型の円偏波ラインアンテナとしては非常に広帯域で良好な軸比特性を得ることができる。一方、従来の形状では、図４（Ｂ）に示すように、１ｄＢ帯域幅が約２００ＭＨｚとなり、１４％の軸比帯域幅しか得られず、Ｌ１波周波数、Ｌ２波周波数、Ｌ５波周波数の全帯域を軸比帯域幅内に納めることができない。

さらに、本実施形態の構成を用いた場合、図５に示すように、Ｌ１波周波数、Ｌ２波周波数、Ｌ５波周波数の各周波数で、単指向性で広い指向特性を得ることができる。

以上のように、本実施形態の構成を用いることで、利得の高い帯域および軸比の良好な帯域が広い円偏波ラインアンテナを、簡素且つ小型の構造で実現することができる。

なお、上述の実施形態では、円盤状の誘電体基板を用いた例を説明したが、誘電体基板は他の形状のものとしてもよい。また、誘電体基板を用いることなく、誘電体基板の部分を中空状にしてもよい。さらには、誘電体基板の誘電率を高くすることで、より小型の円偏波ラインアンテナを実現することもできる。

また、上述の実施形態では、円弧状の給電電極を用いた例を示したが、円弧に限ることなく、例えば、菱形や多角形状からなる給電電極であってもよい。

また、上述の実施形態では、右旋円偏波アンテナを例に説明したが、給電点３１と整合終端３２とが入れ替われば、左旋円偏波（ＬＨＣＰ）が主として放射される左旋円偏波アンテナとして機能させることができる。さらには、給電点３１と整合終端３２とを切り替え可能な手段を備えることで、右旋円偏波と左旋円偏波とを切り替える偏波切替アンテナとして機能させることもできる。

また、上述の実施形態では、給電電極の外周側に無給電電極を形成する例を示したが、給電電極の内周側に無給電電極を形成するようにしてもよい。この場合、軸比の良好な帯域が高周波数側にシフトさせることも可能である。

本発明の実施形態の円偏波ラインアンテナ１の主要構成を示す外観斜視図である。 本発明の実施形態の円偏波ラインアンテナ１の平面図および側面断面図である。 アンテナ利得の周波数特性を示す図である。 軸比の周波数特性を示す図である。 各周波数での指向特性を示した図である。 図３、図４、図５のシミュレーションに用いた外形寸法を示す図である。 従来の進行波型円偏波アンテナの構成を示す外観斜視図である。

符号の説明

１−円偏波ラインアンテナ、２−誘電体基板、３−給電電極、４−無給電電極、５−接地電極

Claims (2)

1. 平行する二平面の内の一方面に形成された励振電極パターンと、
   他方面に形成された接地電極パターンと、
   前記二平面間に存在する誘電層と、を備えた円偏波ラインアンテナにおいて、
   前記励振電極パターンは、
   一方端が給電点であり他方端が整合終端である環状ラインからなり、該環状ラインが特性インピーダンスに基づく第１の所定幅で形成されるとともに、前記環状ラインの外周の長さが第１の特定周波数の略一波長の長さで形成された給電電極パターンと、
   該給電電極パターンと同一平面に、前記給電電極パターンに沿って所定の間隔で離間した環形状に形成された第２の所定幅からなり、前記第１の特定周波数とは異なる第２の特定周波数の略一波長の長さで形成された無給電電極パターンと、からなる円偏波ラインアンテナ。
2. 前記誘電層は、所定誘電率からなる誘電体基板であり、
   前記励振電極パターンは、前記誘電体基板の一方面に形成された電極パターンであり、
   前記接地電極パターンは、前記誘電体基板の他方面に全面形成された電極である、請求項１に記載の円偏波ラインアンテナ。

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