JP5139919B2 - クロスダイポールアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、クロスダイポールアンテナの構成に関する。

従来より、２本の半波長ダイポールアンテナを空間的に直交配置し、互いの給電位相差を９０度とすることにより円偏波を発生させるクロスダイポールアンテナが知られている。このようなクロスダイポールアンテナにおいて、９０度位相差を発生させるために２点給電式とすると、回路が複雑になるとともに信頼性が低下してしまう。

この点に関し、クロスダイポールアンテナは、２本のダイポールアンテナのエレメント長に差を与えることにより１つの給電系で円偏波を発生させることもできる。特許文献１及び特許文献２は、１点給電式の円偏波アンテナを開示する。
特開２０００−３４１０３５号公報 特開２００７−２０２１７号公報

しかし、ダイポールアンテナは平衡型の給電を要するため、同軸線路やマイクロストリップ線路などの不平衡型線路で給電するためには変換器（バラン）が必要である。このため、上記特許文献のような１点給電式であっても依然として給電系が複雑であった。また、上記のようにエレメント長に差を与えたタイプのクロスダイポールでは、１つの給電系で円偏波を発生できるものの、その円偏波帯域は狭いものであった。

また、一般的なクロスダイポールアンテナは、ダイポール面に垂直な２つの方向に偏波面の異なる指向性（双方向性）を持つ。このため、指向性を単向性にするためにはダイポール面から１／４波長の距離に反射板を設ける必要があり、薄型化が困難であった。

本願発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、簡単な構成で円偏波を発生可能であり、且つ薄型化が可能なアンテナを提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のクロスダイポールアンテナが提供される。即ち、このクロスダイポールアンテナは、ループ導体と、グランド導体と、放射エレメント導体と、を備える。前記ループ導体は、その一端と他端を近接させてループ状に形成され、当該ループの１周の長さが概ね１波長である。前記グランド導体は、前記ループ導体と平行に配置される。前記放射エレメント導体は、長さが概ね１／４波長である少なくとも３つの導体部材が放射状に接続した形状に形成される。また、前記放射エレメント導体は、前記ループ導体から見て前記グランド導体が配置されている側と反対側に、当該ループ導体との間にギャップを設けて配置される。そして、前記放射エレメント導体は、前記グランド導体の厚み方向で見たときに、前記ループ導体の内周及び外周の少なくとも何れか一方に交差している。なお、「ループの１周の長さが概ね１波長」とは、電気的に見たときのループの１周の長さが概ね１波長であることをいう。また、導体部材の「長さが概ね１／４波長」とは、電気的に見たときの導体部材の長さが概ね１／４波長であることをいう。

これにより、ループ導体によって放射エレメント導体に給電位相差を与え、当該放射エレメント導体によって円偏波を発生させることができる。また、グランド導体によって背面輻射を抑圧することができる。従って、簡単な給電系で円偏波を発生可能であり、しかも反射板を必要としないためコンパクトなアンテナを提供することができる。

前記のクロスダイポールアンテナにおいては、前記放射エレメント導体は、長さが概ね１／２波長である２つの導体部材が当該導体部材の中央部で交差した形状に形成されていることが好ましい。なお、導体部材の「長さが概ね１／２波長」とは、電気的に見たときの導体部材の長さが概ね１／２波長であることをいう。

これにより、放射エレメント導体の導体部材を半波長ダイポールアンテナとして良好に機能させることができる。

前記のクロスダイポールアンテナにおいては、前記放射エレメント導体は、前記２つの導体部材が互いに直交するように形成されていることが好ましい。

これにより、放射エレメント導体に９０度位相差を与え、良好に円偏波を発生させることができる。

前記のクロスダイポールアンテナにおいては、前記ループ導体と前記グランド導体はマイクロストリップラインを構成しており、前記放射エレメント導体は前記ループ導体を介して給電されることが好ましい。

これにより、不平衡型線路であってもバランなどの変換器を必要としないため、給電系を簡素化することができる。

前記のクロスダイポールアンテナにおいては、前記ループ導体は、一端が給電部に接続され、他端は整合終端部に接続されていることが好ましい。

これにより、放射に寄与しなかった余剰電力を吸収することができる。

次に、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るクロスダイポールアンテナ１の外観斜視図である。図２はクロスダイポールアンテナ１の側面図、図３はクロスダイポールアンテナ１の平面図である。

図１から図３に示す本実施形態のクロスダイポールアンテナ１は、ループ導体２と、グランド導体３と、放射エレメント導体４と、を主に備えている。

ループ導体２は一定の厚みを有する扁平な金属部材とされている。また、ループ導体２はその一端と他端を近接させて略Ｃ字形（一部を切り欠いた円形）のループ状に形成されるとともに、当該ループの線幅が一定となるように構成されている。ループ導体２の下側には、前記Ｃ字形（ループ形状）を含む平面と平行になるように平板状のグランド導体３が配置されている。図２に示すように、ループ導体２とグランド導体３との間には空隙（空気）からなる誘電層８が形成されている。以上の構成で、ループ導体２及びグランド導体３によってマイクロストリップラインが形成されている。また、ループ導体２の上側（ループ導体２から見て前記グランド導体３の反対側）には、略十字状に形成された放射エレメント導体４が配置されている。

前記ループ導体２の一端には第１接続部２ａが形成され、他端には第２接続部２ｂが形成されている。また、前記グランド導体３の裏側（ループ導体２が配置されている側と反対の面）には、給電ポート（給電部）６と整合終端ポート（整合終端部）７が配置されている。

前記給電ポート６及び整合終端ポート７は公知の同軸ケーブルとして構成されており、給電ポート６は図略の給電装置に、整合終端ポート７は図略の整合負荷に、それぞれ接続されている。前記給電ポート６の同軸ケーブルは、中心導体６ａと、当該中心導体６ａの周囲に同軸状に配置される同軸外導体６ｂと、中心導体と同軸外導体の間に配置される図略の絶縁体と、を備えている。また、整合終端ポート７の同軸ケーブルも同様に、中心導体７ａと、同軸外導体７ｂと、図略の絶縁体と、を備えている。

グランド導体３の前記第１接続部２ａ及び第２接続部２ｂに対応する位置には、図略の挿通孔が形成されている。そして、給電ポート６の中心導体６ａ及び整合終端ポート７の中心導体７ａは、グランド導体３の裏面から表面（ループ導体２が配置されている側の面）に前記挿通孔を介して通され、中心導体６ａは第１接続部２ａに、中心導体７ａは第２接続部２ｂに、それぞれ電気的に接続されている。なお、中心導体６ａ及び７ａは、前記挿通孔を非接触で通過しており、グランド導体３に対しては非接続であるように構成されている。

また、給電ポート６の同軸外導体６ｂ及び整合終端ポート７の同軸外導体７ｂは、それぞれグランド導体３と電気的に接続されている。

前記放射エレメント導体４は、２つの導体部材４ａ，４ｂが直交するような形状に構成されている。前記導体部材４ａ，４ｂは、その電気的な長さがそれぞれ約１／２波長とされ、これにより導体部材４ａ，４ｂがそれぞれ半波長ダイポールアンテナの機能を果たす。また、この放射エレメント導体４は、図２に示すようにギャップ５を隔ててループ導体２の上側に配置されている。

以上の構成で、前記給電装置によって高周波電流を供給することにより、ループ導体２に進行波を伝播させることができる。そして、ループ導体２のループ１周の電気的な長さを波長とほぼ一致させることにより、放射エレメント導体４とループ導体２が交差する点での給電位相が９０度ずつシフトする。これにより、ギャップ５を介して導体部材４ａ，４ｂに９０度位相差で給電し、放射エレメント導体４によって円偏波を発生させることができる。

なお、ループ導体２に対して上記のように給電装置及び整合負荷を接続すると右旋円偏波が発生するが、給電装置及び整合負荷の接続先を逆にすることにより左旋円偏波を発生させることができる。また、例えば適宜のスイッチを設けることにより、上記接続先を切替可能とし、右旋と左旋の両方の円偏波に対応できるようにすることもできる。

次に、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１の構成を更に具体的に説明する。この実施形態のクロスダイポールアンテナ１は、５．８ＧＨｚ帯の右旋円偏波クロスダイポールアンテナとして構成されたものである。なお、以下で説明するクロスダイポールアンテナ１の寸法、形状などは、使用する帯域に応じて適宜変更可能であることは勿論である。

以下、主に図２及び図３を参照して説明する。ループ導体２は、一定の厚みを有し、当該ループ導体が構成するＣ字型ループの直径方向の線幅Ｗ１が４ｍｍで一定の円弧形状（Ｃ字形）となるように形成されている。前記Ｃ字の外径Ｄ１は２１ｍｍ、内径Ｄ２は１３ｍｍである。

放射エレメント導体４を構成している導体部材４ａ，４ｂはそれぞれ、グランド導体３の厚み方向（図３の紙面奥行き方向）で見たときに、互いに直交する２本の直線をなしている。この直線の長さＬ１，Ｌ２は何れも２２．５ｍｍとなるように形成されている。各導体部材４ａ，４ｂの厚さｔ１（前記直線の線幅に相当する）は１ｍｍとした。

前記導体部材４ａ，４ｂは、中央部分で互いに垂直をなして交差するように結合され、放射エレメント導体４を構成している。これにより、放射エレメント導体４をクロスダイポールアンテナとして作用させることができる。なお、放射エレメント導体４の高さｈ３は６．５ｍｍとした。

グランド導体３は、縦幅Ｌ３及び横幅Ｌ４を何れも５０ｍｍとし、導体部材４ａ，４ｂの長さＬ１，Ｌ２に対して相当に大きいサイズとされている。また、放射エレメント導体４とループ導体２との間のギャップ５の大きさ（図２で示す高さｈ１）は１．２ｍｍ、ループ導体２とグランド導体３との間の誘電層８の大きさ（図２で示す高さｈ２）は、１ｍｍとなっている。

以上のようにクロスダイポールアンテナ１を構成することにより、ループ導体２の１周の電気的な長さが、概ね５．８ＧＨｚ帯の１波長分とされている。また、導体部材４ａ，４ｂの長さＬ１，Ｌ２は、その電気的な長さが５．８ＧＨｚ帯における１／２波長に概ね相当している。

次に図４から図７を参照して、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１のシミュレーション結果について説明する。

図４は、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１の天頂方向の軸比周波数特性を示したグラフである。グラフの縦軸は円偏波の長軸と短軸の軸比であり、長軸の長さと短軸の長さが一致する完全円偏波の軸比が０ｄＢである。また一般に、円偏波アンテナとして良好な特性を得ることができる軸比は３ｄＢ以下とされる。図４に示すように、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１の最適軸比は２ｄＢ以下となっている。また、３ｄＢ比帯域は１９％を超えており、広帯域の円偏波特性が得られている。

図５は、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１の入力インピーダンス（ＶＳＷＲ：電圧定在波比）特性を示したグラフである。縦軸はＶＳＷＲであり、一般的にＶＳＷＲは２ｄＢ以下が実用範囲とされる。本実施形態のクロスダイポールアンテナ１は給電系が整合のとれたマイクロストリップラインで構成されているため、非常に広い帯域（ＶＳＷＲが２．０以下の比帯域が３５％）にわたって良好な特性が得られている。

図６は、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１の右旋円偏波成分の天頂方向の利得周波数特性を示したグラフである。図に示すように、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１は、利得ピークから３ｄＢｉ下がった帯域幅は、比帯域で２９％と顕著な広帯域を実現している。

図７は、５．８ＧＨｚにおける右旋円偏波成分（主偏波）と左旋円偏波（直交偏波）の指向特性を示したグラフである。従来のクロスダイポールアンテナにおいては、天頂方向に主偏波成分、背面方向に直交偏波成分が同程度の強度で輻射されるため、アンテナから１／４波長の距離に反射板を設けて背面輻射を抑圧していた。この点、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１は、図７に示すように主偏波成分に比べて直交偏波成分が約１３ｄＢｉ抑えられている。従って、反射板を設けなくても背面輻射を良好に抑圧することができる。

以上に説明したように、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１は、ループ導体２と、グランド導体３と、放射エレメント導体４と、を備える。ループ導体２は、その一端と他端を近接させてループ状に形成され、当該ループの１周の長さが概ね１波長である。グランド導体３は、ループ導体２と平行に配置される。前記放射エレメント導体４は、長さが概ね１／４波長である４つの導体部材が放射状に接続した形状に形成される（具体的には、長さが概ね１／２波長である２つの導体部材４ａ，４ｂが当該導体部材の中央部で交差した形状に形成されている）。また、放射エレメント導体４は、ループ導体２から見て前記グランド導体３が配置されている側と反対側に、当該ループ導体２との間にギャップ５を設けて配置される。

これにより、ループ導体２によって放射エレメント導体４に給電位相差を与え、当該放射エレメント導体４によって円偏波を発生させることができる。また、グランド導体３によって背面輻射を抑圧することができる。従って、簡単な給電系で円偏波を発生可能であり、しかも反射板を必要としないためコンパクトなアンテナを提供することができる。

また、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１においては、放射エレメント導体４は、前記２つの導体部材４ａ，４ｂが互いに直交するように形成されている。

これにより、放射エレメント導体４に９０度位相差を与え、良好に円偏波を発生させることができる。

また、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１においては、ループ導体２とグランド導体３はマイクロストリップラインを構成しており、放射エレメント導体４はループ導体２を介して給電される。

これにより不平衡型線路であってもバランなどの変換器を必要としないため、給電系を簡素化することができる。

また、本実施形態のクロスダイポールアンテナ１においては、ループ導体２は、一端が給電部に接続され、他端は整合終端部に接続されている。

これにより、放射に寄与しなかった余剰電力を吸収することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態について説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

ループ導体２は、周長が約１波長であれば、上記実施形態で示した円形（Ｃ字形）以外に構成することもできる。即ち、放射エレメント導体に適切に位相差を与えることができる形状である限り、例えば多角形等の任意の形状に変更することができる。

上記実施形態において放射エレメント導体４は、長方形の板状部材として形成された導体部材４ａ，４ｂを立てた状態（図１参照）で交差させた形状に構成されている。この構成に代えて、図８の斜視図に示すように、放射エレメント導体９を、長方形の板状部材として形成された導体部材９ａ，９ｂを寝かせた状態で交差させた形状に構成しても良い。

上記実施形態では、導体部材４ａ，４ｂは長方形の板状部材としたが、辺長が概ね１／２波長であれば長方形以外であっても良い。また、小型化などを考慮して折り曲げて形成することも可能である。

また、上記導体部材４ａ，４ｂは直交させる構成としたが、これに限らず、導体部材４ａと導体部材４ｂとを９０度以外の角度で交差させた形状に形成しても良い。また、放射エレメント導体４は、長さが概ね１／４波長の板状導体（導体部材４ａ，４ｂの半分）が９０度の等間隔で並ぶ構成としているが、必ずしも等間隔で配置する必要は無い（即ち、導体部材４ａ，４ｂがその交点で折れ曲がっていてもよい）。更には、前記長さが概ね１／４波長の板状部材は、４つである必要は無く、例えば、長さが概ね１／４波長の板状部材を、１２０度間隔で３つ放射状に接続した形状に放射エレメント導体を形成しても良い。この変形例によっても円偏波を発生させることが可能である。即ち、放射エレメント導体は、電気的な長さが１／４波長である板状導体が少なくとも３つ放射状に接続された形状に形成されていれば良く、しかも当該板状導体間の間隔は必ずしも一定でなくて良い。

本実施形態では誘電層８を空気層（空隙）としたが、この構成に代えて、ループ導体２とグランド導体３を誘電体基板上に配置する構成に変更することができる。なお、このように構成を変更した場合にはループ導体２や導体部材４ａ，４ｂの電気的な長さが変わるため、ループ導体２や放射エレメント導体４等の形状及び寸法等を適宜変更する。

給電方式はグランド導体３の背面からの同軸給電のほか、ループ導体２と同一面の共平面給電方式としても良い。

上記実施形態では送信アンテナとしての構成を説明したが、第１接続部２ａに給電装置に代えて受信回路を接続することにより、クロスダイポールアンテナ１を受信アンテナとして機能させることができる。

本発明の一実施形態に係るクロスダイポールアンテナの外観斜視図。 本実施形態のクロスダイポールアンテナの側面図。 本実施形態のクロスダイポールアンテナの平面図。 本実施形態のクロスダイポールアンテナの天頂方向の軸比周波数特性を示したグラフ。 本実施形態のクロスダイポールアンテナの入力インピーダンス（ＶＳＷＲ）特性を示したグラフ。 本実施形態のクロスダイポールアンテナの右旋円偏波成分の天頂方向の利得周波数特性を示したグラフ。 本実施形態のクロスダイポールアンテナの５．８ＧＨｚにおける右旋円偏波成分（主偏波）と左旋円偏波成分（直交偏波）の指向特性を示したグラフ。 変形例に係るクロスダイポールアンテナの外観斜視図。

符号の説明

１ クロスダイポールアンテナ
２ ループ導体
３ グランド導体
４ 放射エレメント導体
４ａ，４ｂ 導体部材
５ ギャップ
６ 給電ポート（給電部）
７ 整合終端ポート（整合終端部）

Claims (5)

1. 一端と他端を近接させてループ状に形成され、当該ループの１周の長さが概ね１波長であるループ導体と、
   前記ループ導体と平行に配置されたグランド導体と、
   放射エレメント導体と、
   を備え、
   前記放射エレメント導体は、長さが概ね１／４波長である少なくとも３つの導体部材が放射状に接続した形状に形成され、
   前記放射エレメント導体は、前記ループ導体から見て前記グランド導体が配置されている側と反対側に、当該ループ導体との間にギャップを設けて配置されており、
   前記放射エレメント導体は、前記グランド導体の厚み方向で見たときに、前記ループ導体の内周及び外周の少なくとも何れか一方に交差していることを特徴とするクロスダイポールアンテナ。
2. 請求項１に記載のクロスダイポールアンテナであって、
   前記放射エレメント導体は、長さが概ね１／２波長である２つの導体部材が当該導体部材の中央部で交差した形状に形成されていることを特徴とするクロスダイポールアンテナ。
3. 請求項２に記載のクロスダイポールアンテナであって、
   前記放射エレメント導体は、前記２つの導体部材が互いに直交するように形成されていることを特徴とするクロスダイポールアンテナ。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載のクロスダイポールアンテナであって、
   前記ループ導体と前記グランド導体はマイクロストリップラインを構成しており、
   前記放射エレメント導体は前記ループ導体を介して給電されることを特徴とするクロスダイポールアンテナ。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載のクロスダイポールアンテナであって、
   前記ループ導体は、一端が給電部に接続され、他端は整合終端部に接続されていることを特徴とするクロスダイポールアンテナ。

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