JP4964294B2 - マルチバンド逆ｌ字状アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、マルチバンド・アンテナに関し、更に特定すれば、グローバル（汎地球）衛星測地システムにおいて用いるためのマルチバンド逆Ｌ字状アンテナに関する。

グローバル測地システム（ＧＰＳ）のようなグローバル・ナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）における受信機は、衛星がブロードキャストする見通し線信号に基づく距離(range)測定値を用いる。受信機は、ブロードキャスト信号の内１つ以上の到達時間を測定する。この到達時間測定値は、疑似距離(pseudo-range)と呼ばれる信号の粗捕獲符号化部分に基づく時間測定値と、位相測定値とを含む。

ＧＰＳでは、衛星がブロードキャストする信号が有する周波数は、Ｌ１帯域（１５６５〜１５８５ＭＨｚ）、Ｌ２帯域（１２１７〜１２３７ＭＨｚ）、Ｌ５帯域（１１６４〜１１８９ＭＨｚ）、及びＬ帯域通信（１５２０〜１５６０ＭＨｚ）を含む、１又は数個の周波数帯域の中にある。他のＧＮＳＳも同様の周波数帯域において信号をブロードキャストする。ブロードキャストされた信号の１つ以上を受信するために、ＧＮＳＳにおける受信機は、衛星がブロードキャストする信号の周波数帯域に対応する多数のアンテナを有することが多い。多数のアンテナ、及び関係するフロント・エンド電子回路のために、ＧＮＳＳの受信機が更に複雑となり、コストが高くなる。加えて、互いに対して物理的に変位する多数のアンテナを使用することによって、距離測定値の精度が低下し、したがって受信機が解明する位置判明(fix)も低下する虞れがある。

したがって、既存のアンテナに伴う問題に取り組むために、ＧＮＳＳにおいて受信機に用いるためのアンテナを改良する必要がある。

マルチバンド・アンテナの実施形態について説明する。幾つかの実施形態では、アンテナが第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントを含む。第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントは、第１周波数帯域及び第２周波数帯域において信号を送信及び受信するように構成されている。第２周波数帯域における周波数が第１周波数帯域における周波数よりも高い。直列に接続されている第１遅延線対が第１アンテナ・エレメントに接続されており、また、直列に接続されている第２遅延線対が第２アンテナ・エレメントに接続されている。第１遅延線対及び第２遅延線対における第１遅延線は、第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントに接続されている電気信号を移相させて、アンテナの第１インピーダンスが第１周波数帯域及び第２周波数帯域においてほぼ等しくなるように構成されている。第１遅延線対及び第２遅延線対における第２遅延線は、第１インピーダンスを第２インピーダンスに変換するように構成されている。
実施形態の一例では、第２インピーダンスは５０Ω、又はほぼ５０Ωである。

アンテナは、第１アンテナ・エレメントに接続されている第１共振回路、及び第２アンテナ・エレメントに接続されている第２共振回路を含んでもよい。第１共振回路及び第２共振回路は各々、第２周波数帯域において所定の値よりも大きいインピーダンスを有し、第１周波数帯域に対応する電気信号が第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントに双方向に接続され、第２周波数帯域に対応する電気信号がほぼ第１アンテナ・エレメントの一部及び第２アンテナ・エレメントの一部に双方向に接続されるように構成されている。

第２周波数帯域における中心周波数は、第１周波数帯域における中心周波数の５／４倍とするとよい。あるいは、第２周波数帯域における中心周波数は、第１周波数帯域における中心周波数の１．２９倍としてもよい。
第１遅延線対及び第２遅延線対における第２遅延線のインピーダンスは、実質的に第１インピーダンスと第２インピーダンスとの幾何学的平均とするとよい。
第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントは、アンテナの第１軸にほぼ沿って配列するとよい。
第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントは各々、アンテナの第１軸に実質的に沿って配列するとよい。単極は、プリント回路ボード上に堆積した金属層を含むこともできる。プリント回路ボードは、マイクロ波用途に適しているとよい。第１アンテナ及び第２アンテナは、各々、逆Ｌ字状アンテナである。

実施形態の中には、単極が、接地面を含む平面に対して実質的に平行な平面内にある場合がある。実施形態の中には、単極が、接地面を含む平面に対して実質的に垂直な平面内にある場合もある。
実施形態の中には、アンテナが更に、第３アンテナ・エレメント及び第４アンテナ・エレメントを含む場合もある。第３アンテナ・エレメント及び第４アンテナ・エレメントは、第１周波数帯域及び第２周波数帯域において信号を送信及び受信するように構成されている。第３遅延線対が第３アンテナ・エレメントに接続されており、第４遅延線対が第４アンテナ・エレメントに接続されている。第３遅延線対及び第４遅延線対における第３遅延線は、第３アンテナ・エレメント及び第４アンテナ・エレメントに接続されている電気信号を移相させて、アンテナの第１インピーダンスが第１周波数帯域及び第２周波数帯域においてほぼ等しくなるように構成されている。第３遅延線対及び第４遅延線対における第４遅延線が、第１インピーダンスを第２インピーダンスに変換するように構成されている。

アンテナは、第３アンテナ・エレメントに接続されている第３共振回路、及び第４アンテナ・エレメントに接続されている第４共振回路を含んでもよい。第３共振回路及び第４共振回路は、各々、第２周波数帯域において所定の値よりも大きいインピーダンスを有し、第１周波数帯域に対応する電気信号が第３アンテナ・エレメント及び第４アンテナ・エレメントに双方向に接続され、第２周波数帯域に対応する電気信号が実質的に第３アンテナ・エレメントの一部及び第４アンテナ・エレメントの一部に双方向に接続されるように構成されている。
第３アンテナ・エレメント及び第４アンテナ・エレメントは、アンテナの第２軸に実質的に沿って配列されているとよい。第１軸及び第２軸は、互いから実質的に９０゜回転しているとよい。

実施形態の中には、第１アンテナ・エレメント、第２アンテナ・エレメント、第３アンテナ・エレメント、及び第４アンテナ・エレメントに、フィード・ネットワーク回路を接続する場合もある。フィード・ネットワーク回路は、アンテナへの放射又はアンテナからの放射が円偏波となるように、アンテナ・エレメントに双方向に接続される電気信号を移相するように構成されている。アンテナへの円偏波放射又はアンテナからの円偏波放射は、右円偏波又は左円偏波でもよい。フィード・ネットワーク回路は、アンテナにおいて隣接するアンテナ・エレメントに接続される電気信号をほぼ９０゜移相させるように構成するとよい。

マルチバンド・アンテナの実施形態は、既存のアンテナに伴う前述の問題を少なくとも部分的に克服する。
本発明のその他の目的及び特徴は、以下の詳細な説明及び添付した特許請求の範囲を図面と合わせて検討することにより、一層容易に明らかとなるであろう。
同様の参照番号は、図面の様々な図全体を通じて、対応する部分を示すものとする。

これより、本発明の実施形態について詳細に検討するが、その例を添付図面に示す。以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解が得られるようにするために、多数の具体的な詳細を明記する。しかしながら、本発明はこれらの具体的な詳細がなくても、実用化可能であることは、当業者には明白であろう。他方で、周知の方法、手順、構成要素、及び回路については、本発明の態様を不必要に曖昧にしないようにするために、詳細に説明していない。

マルチバンド・アンテナがカバーする周波数範囲は、既存の単独アンテナを用いた場合にはカバーし切れない程に離れている場合もある。実施形態の一例では、マルチバンド・アンテナは、Ｌ１帯域（１５６５〜１５８５ＭＨｚ）、Ｌ２帯域（１２１７〜１２３７ＭＨｚ）、Ｌ５帯域（１１６４〜１１８９ＭＨｚ）、及びＬ帯域通信（１５２０〜１５６０ＭＨｚ）において信号を送信又は受信するために用いられる。これら４つのＬ帯域は、２つの別個の周波数帯域、即ち、約１１６４〜約１２３７ＭＨｚまでの範囲に及ぶ第１周波数帯域と、約１５２０〜１５８５ＭＨｚまでの範囲に及ぶ第２周波数帯域として扱うことにする。これら２つの帯域の大凡の中心周波数は、１２００ＭＨｚ（ｆ_１）及び１５５２ＭＨｚ（ｆ_２）に位置する。これらの特定的な周波数及び周波数帯域は、一例に過ぎず、別の実施形態では、他の周波数及び周波数帯域を用いてもよい。

また、マルチバンド・アンテナは、第１及び第２周波数帯域において実質的に一定のインピーダンス（場合によっては、共通（コモン）インピーダンスと呼ぶこともある）を有するように構成されている。これらの特性により、ＧＰＳのようなＧＮＳＳにおける受信機は、多数の周波数帯域において信号を受信するために用いるアンテナを減らすことができ、又は１本だけ用いればよい場合もある。

ＧＰＳ用マルチバンド・アンテナの実施形態は、以下に続く論述において代表的な例として用いられるが、マルチバンド・アンテナは、ワイヤレス通信、セルラ・テレフォニ、及びその他のＧＮＳＳを含む種々の用途において適用可能であることは言うまでもない。マルチバンド・アンテナの実施形態は、対象となる２つの周波数帯域における位相関係を利用するが、記載する技法は、異なる周波数範囲において用いるための種々のアンテナ形式及び設計にも広く適用することができる。

これより、マルチバンド・アンテナの実施形態を説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、マルチバンド・アンテナ１００の一実施形態の側面図及び上面図を示すブロック図である。アンテナ１００は、接地面１１０、及び２つの逆Ｌ字状エレメント１１２を含む。逆Ｌ字状エレメント１１２は、アンテナ１００の第１軸にほぼ沿って配列されている。電気信号１３０は、信号線１２２により逆Ｌ字状エレメントに双方向に接続されている。実施形態の中には、信号線１２２が同軸ケーブルであり、接地面１１０がマイクロ波用途に適した金属層（例えば、プリント回路基板内又は上にある）である場合もある。

逆Ｌ字状エレメント１２２の各々は、２つのセグメント１２６、１２７を有する。第１エレメント１２６（例えば、逆Ｌ字状エレメント１１２−１の１２６−１）は、長さがＬ_Ａ＋Ｌ_Ｂであり、第２セグメント１２７は、長さがＬ_Ｅである（接地面１１０に投影した場合）。各逆Ｌ字状エレメント１２２の第１及び第２セグメント１２６、１２７は、タンク回路１２４（例えば、逆Ｌ字状エレメント１２２−１のタンク回路１２４−１）によって互いに電気的に分離されている。

第１周波数帯域では、タンク回路１２４は、インピーダンスが低く、したがって、電気信号１３０を逆Ｌ字状エレメント１１２の双方のセグメントに接続することができる。しかしながら、第２周波数帯域では、タンク回路１２４のインピーダンスは高く、事実上電気信号１３０が逆Ｌ字状エレメント１２２の第２セグメント１２７に達するのを阻止する。別の観点からは、第１周波数帯域における信号に対する各アンテナ・エレメント１２２−１、１２２−２の有効長は、Ｌ_Ａ＋Ｌ_Ｂ＋Ｌ_Ｅとなり、一方第２周波数帯域における信号に対する各アンテナ・エレメント１２２−１、１２２−２の有効長は、Ｌ_Ａ＋Ｌ_Ｂとなる。

実施形態の一例では、タンク回路１２４の各実例は、並列なインダクタ及びキャパシタとすればよい。タンク回路１２４は、共振回路と呼ばれる場合もある。例えば、タンク回路１２４は、第２周波数帯域における中心周波数ｆ_２で共振を発生することができる。このように、タンク回路１２４は、第２周波数帯域における電気信号１３０に対してトラップとして作用するために用いることもできる。

逆Ｌ字状エレメント１１２−１のような、逆Ｌ字状エレメント１１２の各々は、接地面１１０の上方に位置する単極を有することができる。アンテナ１００において、単極は、接地面１１０を含む平面に対してほぼ平行な平面内にある。単極は、プリント回路ボード上に配置した金属層を用いて実装することができる。単極は、第２周波数帯域において動作するときには、長さＬ_Ａ＋Ｌ_Ｂ（１１４、１１６）、厚さ１３２、幅１３４を有し、接地面１１０の上方に長さＬ_Ｄ１２０となることができる。先に注記したように、第１周波数帯域において動作するときは、単極の長さはＬ_Ａ＋Ｌ_Ｂ＋Ｌ_Ｅ（１１４、１１６、１１７）となる。２つの逆Ｌ字状エレメント１１２は、距離Ｌ_Ｃ１１８だけ分離することができる。逆Ｌ字状エレメント１１２−１は、傾斜区間があり、の接地面１１０に沿って投影した場合の長さはＬ_Ａ１１４となる。この傾斜区間は、アンテナ１００の放射パターンを変化させることができる。しかしながら、これはアンテナ１００の電気的インピーダンス特性を変更するのではない。

実施形態の中には、アンテナ１００が追加のコンポーネントを含む場合や、コンポーネントがより少なくてもよい場合もある。２つ以上のコンポーネントの機能を合体してもよい。１つ以上のコンポーネントの位置を変更してもよい。例えば、逆Ｌ字状エレメント１１２の単極は、代わりの幾何学的形状を有してもよい。これを図２Ａ及び図２Ｂに示す。図２Ａ及び図２Ｂは、マルチバンド・アンテナ２００の一実施形態の側面図及び上面図を示すブロック図である。マルチバンド・アンテナ２００は、アンテナ１００（図１Ａ及び図１Ｂ）と同様であり、アンテナ１００（図１Ａ及び図１Ｂ）と同様の利得パターン及び電気的インピーダンスを有することができる。アンテナ２００では、逆Ｌ字状エレメント２１１の単極は、接地面１１０を含む面に対して垂直又はほぼ垂直な平面内にある。逆Ｌ字状エレメント２１２−１におけるような、それぞれの単極は、第１周波数帯域において動作するときには長さがＬ_Ａ＋Ｌ_Ｂ＋Ｌ_Ｅ（２１４、２１６、２１７）となり、第２周波数帯域において動作するときには長さがＬ_Ａ＋Ｌ_Ｂ（２１４、２１６）となり、厚さ２２２、幅２２４を有し、更に接地面１１０の上方に長さＬ_Ｄ２２０を有する。２つの逆Ｌ字状エレメント２１２は、距離Ｌ_Ｃ２１８だけ分離することができる。また、逆Ｌ字状エレメント２１２−１は、傾斜区間も有し、その長さは、接地面１１０に沿って投影した場合、Ｌ_Ａ２１２となる。この傾斜区間により、アンテナ２００の放射パターンを変化させることができる。しかしながら、これはアンテナ２００の電気的インピーダンス特性を変更するのではない。

実施形態の中には、アンテナ２００が追加のコンポーネントを含む場合も、コンポーネントがもっと少なくてもよい場合もある。例えば、図２Ｃ及び図２Ｄは、タンク回路１２４がない実施形態２５０を示す。逆Ｌ字状エレメント２１２−１は、第１周波数帯域及び第２周波数帯域において動作するときに、固定した長さ、すなわち静止長Ｌ_Ａ＋Ｌ_Ｂ（２１４、２６０）を有する。２つ以上のコンポーネントの機能を合体してもよい。１つ以上のコンポーネントの位置を変更してもよい。

他の実施形態では、アンテナ２００又はアンテナ１００（図１Ａ及び図１Ｂ）は、追加の逆Ｌ字状エレメントを含んでいる。これを図３Ａ及び図３Ｂに示す。図３Ａ及び図３Ｂは、３つの逆Ｌ字状エレメント１１２−１〜１１２−４を有するマルチバンド・アンテナ３００の一実施形態を示すブロック図である。図示しないが、アンテナ２００（図２Ａ及び図２Ｂ）又はアンテナ２５０（図２Ｃ及び図２Ｄ）における逆Ｌ字状エレメントの幾何学的形状に対応する４つの逆Ｌ字状エレメントを有する実施形態もある。逆Ｌ字状エレメント１１２−１及び１１２−２は、アンテナ３００の第１軸にほぼ沿って配列されている。逆Ｌ字状エレメント１１２−３及び１１２−４は、アンテナ３００の第２軸にほぼ沿って配列されている。第２軸は、第１軸に対してほぼ９０゜回転したものと考えればよい。

アンテナ３００は、逆Ｌ字状エレメント１１２の各々は、図２に示すタンク回路１２４のような、タンク回路を含まない。実施形態の中には、しかしながら、アンテナ３００の逆Ｌ字状エレメント１１２の各々が、別個のタンク回路（図示せず）を含み、各逆Ｌ字状エレメント１１２の第１及び第２セグメントを分離する場合もある。タンク回路は、前述のタンク回路１２４（図１Ａ及び図１Ｂ）と同様の機能を有する。

実施形態の中には、アンテナ３００が追加のコンポーネントを含む場合や、コンポーネントがより少なくてもよい場合もある。２つ以上のコンポーネントの機能を合体してもよい。１つ以上のコンポーネントの位置を変更してもよい。

図４に示すように、フィード・ネットワーク回路４００をアンテナ３００（図３Ａ及び図３Ｂ）に接続し、しかるべく位相を決めた電気信号３１０を逆Ｌ字状エレメント１１２に供給することができる。１８０゜ハイブリッド回路４１２が電気信号４１０を受け入れて、互いに対して位相がほぼ１８０゜ずれた２つの電気信号を出力する。これらの電気信号の各々を９０゜ハイブリッド回路４１４の１つに接続する。９０゜ハイブリッド回路４１４は電気信号３１０を出力する。したがって、電気信号３１０−１等のそれぞれの電気信号は、隣接する電気信号３１０に対してほぼ９０゜の位相ずれがあると考えることができる。この構成では、フィード・ネットワーク回路４００を直交フィード・ネットワークと呼ぶ。電気信号３１０の位相構成の結果、アンテナ３００（図３Ａ及び図３Ｂ）は、円偏波放射パターンを有することになる。放射は、右円偏波（ＲＨＨＣＰ）又は左円偏波（ＬＨＣＰ）であってもよい。尚、電気信号３１０の相対的位相ずれが９０゜に近づく程、そして電気信号３１０の振幅が互いに接近する程、アンテナ３００（図３Ａ及び図３Ｂ）の軸比率(axial ratio)が向上する。

実施形態の中には、フィード・ネットワーク回路４００が追加のコンポーネントを含む場合や、コンポーネントがより少なくてもよい場合もある。２つ以上のコンポーネントの機能を合体してもよい。１つ以上のコンポーネントの位置を変更してもよい。

以下に、マルチバンド・アンテナの例示的実施形態、及び少なくとも２つの対象となる周波数帯域において生ずる位相関係について説明する。説明はアンテナ３００（図３Ａ及び図３Ｂ）を中心に進めるが、この手法は他のアンテナの実施形態にも適用可能であることは言うまでもない。

図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、逆Ｌ字状アンテナ１１２の幾何学的形状は、第１周波数帯域の中心周波数ｆ_１のような、第１周波数帯域に対応する波長λ（真空での波長）に基づいて決定することができる。（中心周波数ｆ_１の波長λは、ｃ／ｆ_１に等しく、ここでｃは真空における光速である。）実施形態の中には、接地面１１０に対して垂直のプリント回路ボードによって、逆Ｌ字状エレメント１１２及び／又は２１２を支持する場合もある。例えば、逆Ｌ字状エレメント１１２及び／又は２１２は、接地面１１０に対して垂直に取り付けたプリント回路ボード上に配置することによって、図１〜図３に示した幾何学的形状を実現することができる。実施形態の一例では、プリント回路ボードの材料は、厚さ０．０３インチのRoger 4003であり、これはマイクロ波の用途に適したプリント回路ボード材料である（低損失特性を有し、その誘電係数εは３．３８であり、非常に安定している）。図２Ａ〜図２Ｄを一例として用いると、長さＬ_Ｄ２２０は０．０８λとなり、長さＬ_Ｃ２１８は０．０９６λとなり、長さＬ_Ｂ２６０は０．１５２λとなり、幅２２４は０．０２４λとなり、厚さ２２２は０．０１７ｍｍとなる。例えば、中心周波数ｆ_１が１２００ＭＨｚである場合、長さＬ_Ｄ１２０は約２０ｍｍとなり、長さＬ_Ｃ１１８は約２４ｍｍとなり、単極長Ｌ_{Ｍｏｎｏｐｏｌｅ}３１２は約３８ｍｍとなり、Ｌ_Ｃ１１８は約２４ｍｍとなり、幅２２４は約６ｍｍとなる。（実施形態３００ではＬ_Ｅは０に等しいので、Ｌ_{Ｍｏｎｏｐｏｌｅ}３１２はＬ_Ａ＋Ｌ_Ｂに等しい。）この実施形態例では、第２周波数帯域における中心周波数ｆ_２は第１周波数帯域における中心周波数ｆ_１の約５／４倍（正確には１．２９３倍よりもいくらか多い）である。したがって、逆Ｌ字状エレメント１１２の第１セグメント１２６の長さは約２９ｍｍとなるはずであり、第２セグメント１２７の長さは約９ｍｍとなるはずである。

逆Ｌ字状エレメントをプリント回路ボードで支持する実施形態では、逆Ｌ字状エレメント１１２及び／又は２１２の幾何学的形状は、プリント回路ボード又は基板の誘電係数の関数となる。図２Ｃ及び図２Ｄを例として用いると、これらの周波数において動作し、厚さが０．０３インチで、誘電係数εである基板を有するアンテナでは、Ｌ_Ｂ２６０、長さＬ_Ｄ２２０及び幅２２４は、更に一般化すると、次のように表すことができる。
Ｌ_Ｂ＝０．１５２λ（−０．０１５７５６ε＋１．０５３２５６）
Ｌ_Ｄ＝０．００８λ（−０．０１５７５６ε＋１．０５３２５６）
幅＝０．０２４λ（−０．０１５７５６ε＋１．０５３２５６）
これよりも誘電係数εが低い基板を用いると、逆Ｌ字状エレメント１１２及び／又は２１２の長さは、所与の中心周波数ｆ_１に関して長くなる。尚、Ｌ_Ｃはεとはほぼ無関係である。

アンテナ３００の幾何学的形状には、有利な特徴がある。これを図５に示す。図５は、スミスチャートと呼ばれる、周波数を関数とする極座標において、逆Ｌ字状エレメント１１２−１のような、逆Ｌ字状エレメントの複素反射率(complex reflectance)５１４（インピーダンスに関係がある）のシミュレーションを示す。複素反射率５１４は、接地面１１０の真上にある逆Ｌ字状エレメント１１２−１と関係付けられており、円弧５１２は一定のリアクタンスを示す。横線５１２−４は、実インピーダンス値、即ち、リアクタンス成分が０の抵抗値に対応する。水平線５１２−４の左端縁は０Ωを表し、右端縁は∞Ω（無限抵抗）を表す。ゼロ交点５１６は、第１周波数帯域における中心周波数ｆ_１に対応する。ゼロ交差５１８は、第２周波数帯域における中心周波数ｆ_２に対応する。実施形態の一例では、ゼロ交差５１６はインピーダンスが１２．５Ωで、１２００ＭＨｚの周波数にあり、ゼロ交差５１８は、インピーダンスが２００Ωで、１５５２ＭＨｚの周波数にある。代わりに、逆Ｌ字状エレメント１１２−１が第１周波数帯域及び第２周波数帯域において約５０Ωのインピーダンスを有する場合、電気信号３１０をアンテナ３００（図３Ａ及び図３Ｂ）に接続する信号線に沿って、反射率はほぼ０となる。このスミスチャートに描いた位相関係が与えられると、インピーダンス変換を実行することによって、これを実現することができる。

図６は、インピーダンス変換ネットワークを実装するために直列に接続された逆Ｌ字状エレメント１１２−１、接地４１０、及び２本の遅延線６１２を含む実施形態６００を示す。遅延線６１２は、異なる位相ずれを異なる周波数において電気信号３１０−１に加える。即ち、遅延線６１２−１の長さｄ_１は６１４−１であり、遅延線６１２−２の長さｄ_２は６１４−２である。長さｄ_１６１４−１は、中心周波数ｆ_１において約３６０゜の位相ずれに対応し、中心周波数ｆ_２において約５４０゜（３６０゜＋１８０゜）の位相ずれに対応する。このように、第１及び第２周波数帯域における逆Ｌ字状エレメント１１２−１のインピーダンスは、ほぼ同一である（即ち、中心周波数ｆ_１におけるインピーダンス）。

第２遅延線６１２−２の長さｄ_２６１４−２は、第１及び第２周波数帯域に近接する周波数において９０゜（λ／４）の位相ずれに対応するように選択される。このため、第２遅延線６１２−２は、１／４波形線と呼ばれることもある。加えて、第２遅延線６１２−２の特性インピーダンスは、中心周波数ｆ_１におけるインピーダンスと所望の最終インピーダンスである５０Ωとの幾何学的平均に等しいか、又はほぼ等しい。このように、逆Ｌ字状エレメント１１２−１のインピーダンスは、第１周波数帯域及び第２周波数帯域において、ほぼ５０Ωに変換される。同様のインピーダンス変換ネットワークを、アンテナ１００（図１Ａ及び図１Ｂ）、アンテナ２００（図２Ａ、図２Ｂ）、アンテナ２５０（図２Ｃ及び図２Ｄ）及び／又はアンテナ３００（図３Ａ及び図３Ｂ）における別の逆Ｌ字状アンテナ・エレメント１１２に適用することができる。

実施形態の一例では、１００ＭＨｚにおいて、３６０゜の位相ずれは０．２５０ｍに対応する。１５５２ＭＨｚでは、２７０゜の位相ずれは０．２４２ｍに対応する。これら２つの長さは、互いに３％以内である。その結果、長さｄ_１６１４−１が０．２４２から０．２５０の範囲内にある場合、１２００ＭＨｚにおけるインピーダンスはほぼ不変のまま（１２．５Ω）であり、１５５２ＭＨｚにおけるインピーダンスは更に１８０゜移相されて、その結果、インピーダンスは１２００ＭＨｚにおけるインピーダンスとほぼ同一となる。折衷案として、長さｄ_２６１４−２は１３７７ＭＨｚ（１００及び１５５２ＭＨｚのほぼ中央）に対応する。一実施形態では、１／４波遅延線６１２−２の特性インピーダンスは約２５Ωである。その結果、１２００及び１５５２ＭＨｚでは、インピーダンスは約５０Ωとなる。

実施形態の中には、実施形態６００が追加のコンポーネントを含む場合や、コンポーネントがより少なくてもよい場合もある。２つ以上のコンポーネントの機能を合体してもよい。１つ以上のコンポーネントの位置を変更してもよい。実施形態６００は、アンテナの２つのモードに適用するインピーダンス変換を例示するが、他の実施形態では、同様のインピーダンス変換をアンテナの２つよりも多いモードに適用することもできる。

図７は、前述のようなマルチバンド・アンテナの実施形態について、周波数７１０の関数とした直交座標において、振幅７１２及び位相７１４を含む、複素反射率をシミュレートして示す。アンテナ３００（図３Ａ及び図３Ｂ）のようなアンテナは、１２００及び１５５２ＭＨｚの近傍において低反射減衰量(return loss)及び優れた整合（反射率の大きさ７１２が小さいことから明白である）を呈する。図８を参照して以下で説明するが、これらの周波数は第１周波数帯域及び第２周波数帯域の中心周波数に対応する。これは、アンテナ設計が少なくとも二重帯域動作を支援できることを示す。

図８は、Ｌ１帯域（１５６５〜１５８５ＭＨｚ）、Ｌ２帯域（１２１７〜１２３７ＭＨｚ）、Ｌ５帯域（１１６４〜１１８９ＭＨｚ）、及びＬ帯域通信（１５２０〜１５６０ＭＨｚ）を含む、グローバル衛星ナビゲーション・システムに対応する周波数帯域を示す。前述のマルチバンド・アンテナの実施形態の例では、第１周波数帯域８１２−１が１１６４〜１２３７ＭＨｚを含み、第２周波数帯域８１２−２が１５２０〜１５８５ＭＨｚを含んでいる。尚、１２００及び１５５２ＭＨｚは正確にはこれらの帯域の中心周波数（帯域中心周波数とも呼ぶ）に等しくないが、これらは帯域中心周波数に十分近いので、所望のアンテナ特徴を達成することができる。（実際には、中心周波数は１２００．５ＭＨｚ及び１５５２．５ＭＨｚであり、図６における遅延線６１２及び図１Ａにおけるタンク回路１２４を設計する際に用いられるノミナル値よりも０．５ＭＨｚ高いに過ぎない）。即ち、マルチバンド・アンテナは、第１周波数帯域８１２−１及び第２周波数帯域８１２−２において反射減衰量が低い。加えて、第１周波数帯域８１２−１はＬ２及びＬ５帯域を包含し、第２周波数帯域８１２−２はＬ１帯域及びＬ−帯域通信を包含する。つまり、１つのマルチバンド・アンテナがこれら４つのＧＰＳ帯域における信号を送信及び／又は受信することができるのである。

これより、マルチバンド・アンテナを用いるプロセスの実施形態を説明する。図９は、マルチバンド・アンテナを用いる実施形態９００を示すフロー・チャートである。アンテナにおける第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントに接続される電気信号を移相させる（ステップ９１０）。アンテナの第１インピーダンスが第２インピーダンスに変換されるように、電気信号を変換する（ステップ９１２）。

実施形態の中には、実施形態９００に含まれる工程を減少又は増加させてもよい場合もある。動作の順序を変更してもよい。少なくとも２つの動作を１つの動作に組み合わせてもよい。

以上の記載では、説明の目的上、本発明の完全な理解が得られるように、具体的な用語法を用いた。しかしながら、本発明を実用化するためには具体的な詳細は必要でないことは当業者には明白であろう。実施形態は、本発明の原理及びその実用的な用途を最良に説明し、それによって当業者が本発明及び種々の実施形態を、想定される個々の使用に合わせた種々の変更を伴って、最良に利用できるように選択し記載した。つまり、前述の開示は、余さず記載することや、開示した形態通りに本発明を限定することは意図していない。前述の教示を基に、多くの修正や変形が可能である。
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲及びその均等物によって定義されるものとする。

マルチバンド・アンテナの一実施形態の側面図を示すブロック図である。 マルチバンド・アンテナの一実施形態の上面図を示すブロック図である。 マルチバンド・アンテナの一実施形態の側面図を示すブロック図である。 マルチバンド・アンテナの一実施形態の上面図を示すブロック図である。 マルチバンド・アンテナの一実施形態の側面図を示すブロック図である。 マルチバンド・アンテナの一実施形態の上面図を示すブロック図である。 マルチバンド・アンテナの一実施形態の側面図を示すブロック図である。 マルチバンド・アンテナの一実施形態の上面図を示すブロック図である。 フィード・ネットワーク回路の一実施形態を示すブロック図である。 マルチバンド・アンテナの一実施形態について、周波数の関数として、極座標においてシミュレートした複素反射率を示す。 アンテナ・エレメントの一実施形態を示すブロック図である。 マルチバンド・アンテナの一実施形態について、直交座標においてシミュレートした複素反射率を示す図である。 グローバル衛星ナビゲーション・システムに対応する周波数帯域を示す図である。 マルチバンド・アンテナの使用方法の一実施形態を示すフロー・チャートである。

Claims (21)

1. アンテナであって、
   第１周波数帯域及び第２周波数帯域において信号を送信及び受信するように構成されている第１及び第２アンテナ・エレメントであって、第２周波数帯域における周波数が第１周波数帯域における周波数よりも高い、第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントと、
   前記第１アンテナ・エレメントに接続されている第１遅延線対及び前記第２アンテナ・エレメントに接続されている第２遅延線対であって、前記第１遅延線対及び第２遅延線対における第１遅延線が、前記第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントに接続されている電気信号を移相させて、前記アンテナの第１インピーダンスが第１周波数帯域及び第２周波数帯域においてほぼ等しくなるように構成されており、前記第１遅延線対及び第２遅延線対における第２遅延線が、前記第１インピーダンスを第２インピーダンスに変換するように構成されている、第１遅延線対及び第２遅延線対と、
   を備えていることを特徴とするアンテナ。
2. 請求項１記載のアンテナにおいて、前記第２インピーダンスはほぼ５０Ωであることを特徴とするアンテナ。
3. 請求項１記載のアンテナにおいて、前記第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントは各々、接地面の上方に配された単極を含むことを特徴とするアンテナ。
4. 請求項３記載のアンテナにおいて、前記第１アンテナ及び第２アンテナは各々、逆Ｌ字状アンテナであることを特徴とするアンテナ。
5. 請求項３記載のアンテナにおいて、前記単極は、接地面を含む平面に対して実質的に平行な平面内にあることを特徴とするアンテナ。
6. 請求項３記載のアンテナにおいて、前記単極は、接地面を含む平面に対して実質的に垂直な平面内にあることを特徴とするアンテナ。
7. 請求項３記載のアンテナにおいて、前記単極は、プリント回路ボード上に堆積した金属層を含み、前記プリント回路ボードは、マイクロ波用途に適していることを特徴とするアンテナ。
8. 請求項１記載のアンテナにおいて、前記第１周波数帯域は１１６４〜１２３７ＭＨｚを含み、前記第２周波数帯域は１５２０〜１５８５ＭＨｚを含むことを特徴とするアンテナ。
9. 請求項１記載のアンテナにおいて、前記第２周波数帯域における中心周波数は、前記第１周波数帯域における中心周波数の５／４倍であることを特徴とするアンテナ。
10. 請求項１記載のアンテナにおいて、前記第１遅延線対及び第２遅延線対における第２遅延線のインピーダンスは、前記第１インピーダンスと第２インピーダンスとの幾何学的平均であることを特徴とするアンテナ。
11. 請求項１記載のアンテナにおいて、前記第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントは、前記アンテナの第１軸に実質的に沿って配列されていることを特徴とするアンテナ。
12. 請求項１記載のアンテナにおいて、該アンテナは更に、
    前記第１周波数帯域及び第２周波数帯域において信号を送信及び受信するように構成されている第３アンテナ・エレメント及び第４アンテナ・エレメントと、
    前記第３アンテナ・エレメントに接続されている第３遅延線対及び前記第４アンテナ・エレメントに接続されている第４遅延線対であって、前記第３遅延線対及び第４遅延線対における第３遅延線が、前記第３アンテナ・エレメント及び第４アンテナ・エレメントに接続されている電気信号を移相させて、前記アンテナの第１インピーダンスが前記第１周波数帯域及び第２周波数帯域においてほぼ等しくなるように構成されており、前記第３遅延線対及び第４遅延線対における第４遅延線が、前記第１インピーダンスを第２インピーダンスに変換するように構成されている、第３遅延線対及び第４遅延線対と、
    を備えていることを特徴とするアンテナ。
13. 請求項１２記載のアンテナにおいて、前記第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントは、前記アンテナの第１軸に沿って配列されており、前記第３アンテナ・エレメント及び第４アンテナ・エレメントは、前記アンテナの第２軸に沿って配列されていることを特徴とするアンテナ。
14. 請求項１３記載のアンテナにおいて、前記第１軸及び第２軸は、相互にほぼ９０゜回転していることを特徴とするアンテナ。
15. 請求項１３記載のアンテナにおいて、該アンテナは更に、前記第１アンテナ・エレメント、第２アンテナ・エレメント、第３アンテナ・エレメント、及び第４アンテナ・エレメントに接続されたフィード・ネットワーク回路を備えており、前記フィード・ネットワーク回路は、前記アンテナへの放射又は前記アンテナからの放射が円偏波となるように、前記第１アンテナ・エレメント、第２アンテナ・エレメント、第３アンテナ・エレメント、及び第４アンテナ・エレメントに双方向に接続される電気信号を移相するように構成されていることを特徴とするアンテナ。
16. 請求項１５記載のアンテナにおいて、前記フィード・ネットワーク回路は、前記アンテナにおいて隣接するアンテナ・エレメントに接続される電気信号をほぼ９０゜移相させるように構成されていることを特徴とするアンテナ。
17. 請求項１６記載のアンテナにおいて、前記アンテナへの円偏波放射又は前記アンテナからの円偏波放射は、右円偏波であることを特徴とするアンテナ。
18. 請求項１２記載のアンテナにおいて、前記第３アンテナ・エレメントは、第１共振回路によって相互に接続されている第１及び第２セグメントを備えており、前記第４アンテナ・エレメントは、第２共振回路によって相互に接続されている第３及び第４セグメントを備えており、前記第１共振回路及び第２共振回路は各々、前記第２周波数帯域における所定の値よりも大きいインピーダンスを有し、前記第１周波数帯域に対応する電気信号が前記第３アンテナ・エレメントの第１及び第２セグメント、並びに前記第４アンテナ・エレメントの第３及び第４セグメントに双方向に接続され、前記第２周波数帯域に対応する電気信号が前記第３アンテナ・エレメントの第１セグメント及び前記第４アンテナ・エレメントの第３セグメントに双方向に接続されるが、前記第３アンテナ・エレメントの第２セグメント及び前記第４アンテナ・エレメントの第４セグメントには接続されないように構成されていることを特徴とするアンテナ。
19. 請求項１記載のアンテナにおいて、前記第１アンテナ・エレメントは、第１共振回路によって互いに接続されている第１及び第２セグメントを備えており、前記第２アンテナ・エレメントは、第２共振回路によって互いに接続されている第３及び第４セグメントを備えており、前記第１共振回路及び第２共振回路は各々、前記第２周波数帯域における所定の値よりも大きいインピーダンスを有し、前記第１周波数帯域に対応する電気信号が前記第１アンテナ・エレメントの第１及び第２セグメント並びに前記第２アンテナ・エレメントの第３及び第４セグメントに双方向に接続され、前記第２周波数帯域に対応する電気信号が前記第１アンテナ・エレメントの第１セグメント及び前記第２アンテナ・エレメントの第３セグメントに双方向に接続されるが、前記第１アンテナ・エレメントの第２セグメント及び前記第２アンテナ・エレメントの第４セグメントには接続されないように構成されていることを特徴とするアンテナ。
20. アンテナであって、
    第１周波数帯域及び第２周波数帯域において信号を送信及び受信する第１放射手段及び第２放射手段であって、前記第２周波数帯域における周波数が前記第１周波数帯域における周波数よりも高い、第１放射手段及び第２放射手段と、
    前記第１放射手段に接続されている第１遅延手段及び前記第２放射手段に接続されている第２遅延手段であって、前記アンテナの第１インピーダンスが前記第１周波数帯域及び第２周波数帯域においてほぼ等しくなるように、前記第１放射手段及び第２放射手段に接続される電気信号を移相させ、前記第１遅延手段及び第２遅延手段が前記第１インピーダンスを第２インピーダンスに変換させる、第１及び第２遅延手段と、
    を備えていることを特徴とするアンテナ。
21. アンテナにおける方法であって、
    アンテナにおける第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントに接続される電気信号を移相させるステップであって、前記第１アンテナ・エレメント及び第２アンテナ・エレメントは、第１周波数帯域及び第２周波数帯域において信号を送信及び受信するように構成されており、前記第２周波数帯域における周波数が前記第１周波数帯域における周波数よりも高く、前記移相に応じて、前記アンテナの第１インピーダンスが前記第１周波数帯域及び第２周波数帯域においてほぼ等しくなるようにした、ステップと、
    前記第１インピーダンスを第２インピーダンスに変換するように前記電気信号を変換するステップと、
    からなることを特徴とする方法。

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