JP5252513B2

JP5252513B2 - 複数周波円偏波アンテナ

Info

Publication number: JP5252513B2
Application number: JP2010193530A
Authority: JP
Inventors: 由隆青木; 昭斉藤; 和彦本城
Original assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS; Casio Computer Co Ltd
Current assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS; Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: KR101441832B1; US20130169506A1; JP2012054651A; US9093757B2; KR20130048791A; CN103081226B; WO2012029793A1; CN103081226A

Description

本発明は、小型の複数周波円偏波アンテナに関する。

ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）を搭載した携帯端末やカーナビゲーション等の様々な無線通信システムが普及している。ＥＴＣ（Electronic Toll Collection System）の普及により、カーナビゲーションシステムでは、ＧＰＳとＥＴＣの複周波の円偏波に対応できる車載用のアンテナの開発が求められている。さらに、カーナビゲーションシステムのみならず携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡ、腕時計等、小型な携帯端末の筐体に内蔵可能な小型の円偏波アンテナの開発が求められている。

小型円偏波アンテナに関しては、誘電率の高いセラミックスを用いたパッチアンテナが広く使われている。
しかしながら、誘電率の高いセラミックスを用いたパッチアンテナは、重く、製造が困難で、薄型化が困難である。
複数の周波数で小型軽量化が可能で、利得の大きい小型の複数周波アンテナが非特許文献１に開示されている。
しかし、このアンテナは、直線偏波用であり、円偏波には対応していない。

斉藤昭、星野有哉、青木由隆、本城和彦"ＭＩＭＯ用２周波アンテナの放射パターン直交性改善の基礎検討"、電子情報通信学会マイクロ波研究会、２００９年９月

誘電率の高いセラミックスを用いたパッチアンテナは、プリント基板にパターニングして形成されるアンテナと比較して重量があり、製造法も複雑で高価な上、薄型化が困難であるといった問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、小型で製造が簡単な薄型かつ軽量の複数周波円偏波アンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る複数周波円偏波アンテナは、
第１の入出力端子と、第１のアンテナ導体と、前記第１の入出力端子と前記第１のアンテナ導体とを接続する、第１のインダクタと第１のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第１のアンテナ導体に接続された第２のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第１のアンテナと、
第２の入出力端子と、第２のアンテナ導体と、前記第２の入出力端子と前記第２のアンテナ導体とを接続する、第３のインダクタと第２のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第２のアンテナ導体に接続され、他端が前記第２のインダクタの他端に接続された第４のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第２のアンテナと、
をそれぞれ備え、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとが略鏡像対称に配置された第１及び第２の複数周波アンテナを備える複数周波円偏波アンテナであって、
前記第１の複数周波アンテナと前記第２の複数周波アンテナとが、その中心点で略垂直に交差して配置され、前記第１の複数周波アンテナの第４のインダクタの他端が、前記第２の複数周波アンテナの第４のインダクタの他端とさらに接続されている、
ことを特徴とする。

例えば、前記第１のアンテナの複数の共振周波数と、前記第２のアンテナの複数の共振周波数とは、実質的に同一である。

また、誘電体板をさらに備え、
前記第１及び第２の入出力端子と前記第１及び第２のアンテナ導体とは、前記誘電体板の一面に形成され、
前記第２及び第４のインダクタは、前記誘電体板の他面に配置され、ビアを介して前記第２のインダクタの一端が前記第１のアンテナ導体に、前記第４のインダクタの一端が前記第２のアンテナ導体に接続され、
前記第１のキャパシタは、前記第１のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第１のアンテナ導体の一部に対向する第１の導電体と、前記第１のアンテナ導体の一部と前記第１の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第２のキャパシタは、前記第２のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第２のアンテナ導体の一部に対向する第２の導電体と、前記第２のアンテナ導体の一部と前記第２の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第１のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第１の導電体と接続され、他端が前記第１の入出力端子に接続され、
前記第３のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第２の導電体と接続され、他端が前記第２の入出力端子に接続されてもよい。

また、前記第１の複数周波アンテナの第１の入出力端子と前記第２の複数周波アンテナの第１の入出力端子とが接続されて１つの入出力端子を形成し、前記第１の複数周波アンテナの第２の入出力端子と前記第２の複数周波アンテナの第２の入出力端子とが接続されて１つの入出力端子を形成してもよい。

例えば、一端が前記第１の複数周波アンテナの第１の入出力端子に接続され、他端が前記第２の複数周波アンテナの第１の入出力端子に接続された第１のスイッチング素子と、
一端が前記第１の複数周波アンテナの第１の入出力端子に接続され、他端が前記第２の複数周波アンテナの第２の入出力端子に接続された第２のスイッチング素子と、
一端が前記第１の複数周波アンテナの第２の入出力端子に接続され、他端が前記第２の複数周波アンテナの第１の入出力端子に接続された第３のスイッチング素子と、
一端が前記第１の複数周波アンテナの第２の入出力端子に接続され、他端が前記第２の複数周波アンテナの第２の入出力端子に接続された第４のスイッチング素子と、
をさらに備え、
前記第１及び第４のスイッチング素子がオンである場合に、前記第２及び第３のスイッチング素子がオフとなり、前記第１及び第４のスイッチング素子がオフの場合、前記第２及び第３のスイッチング素子がオンとなるようにしてもよい。

本発明によれば、小型で製造が簡単な薄型かつ軽量の複数周波円偏波アンテナを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナの平面図である。図１に示す複数周は円偏波アンテナの底面図である。図１に示す複数周波円偏波アンテナを構成する複数周波アンテナの斜視図である。図１に示す複数周波円偏波アンテナを構成する複数周波アンテナの断面図である。図１に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路の一部分を示す図である。図１に示す複数周波円偏波アンテナを構成する複数周波アンテナの等価回路を示す図である。図１に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路の全体を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す複数周波円偏波アンテナの送信時及び受信時の構成を示す入出力端子部分の拡大図である。本発明の第２の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナの平面図である。図９に示す複数周波円偏波アンテナの底面図である。図９に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路を示す図である。図９に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は、図９に示す複数周波円偏波アンテナの送信時及び受信時の構成を示す入出力端子部分の拡大図である。図９に示す複数周波円偏波アンテナの変形例を示す平面図である。図１４に示す複数周波円偏波アンテナの底面図である。本発明の第３の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナの平面図である。（ａ）及び（ｂ）は、図１６に示す複数周波円偏波アンテナの入出力端子部分の拡大図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態１に係る複数周波円偏波アンテナ１００を説明する。

図１〜８を参照して、実施形態１に係る複数周波円偏波アンテナ１００の構成を説明する。なお、図中のＸ，Ｙ，Ｚ軸は、各図に共通の方向を示す。

図１に示すように、複数周波円偏波アンテナ１００は、複数周波アンテナ９００と、複数周波アンテナ９０１とから構成される。複数周波アンテナ９００と複数周波アンテナ９０１は同様の構成をしており、複数周波円偏波アンテナ１００は、複数周波アンテナ９００と複数周波アンテナ９０１とが、中心点１９９で略垂直に接続されて構成される。具体的には、図２に示すように、複数周波アンテナ９００のシャントインダクタ用導体１７０、２７０と、複数周波アンテナ９０１のシャントインダクタ用導体３７０、４７０とが、中心点１９９で略直交するように接続されて構成される。シャントインダクタ用導体１７０、２７０、３７０、４７０については後述する。

複数周波円偏波アンテナ１００を構成する複数周波アンテナ９００と複数周波アンテナ９０１の構成について説明する。なお、上記のとおり複数周波アンテナ９００と複数周波アンテナ９０１は同様の構成であることから、複数周波アンテナ９０１の各構成については括弧書きで示す。

複数周波アンテナ９００（９０１）は、図３及び図４に示すように、基板９９と、複数周波アンテナ１０１，１０２（１０３，１０４）と、から構成される。

基板９９は、板状の誘電体で、例えば、ガラスエポキシ基板（ＦＲ４）から構成される。

複数周波アンテナ１０１（１０３）と複数周波アンテナ１０２（１０４）は同様の構成をしており、放射する電磁波の主伝搬方向が同方向になるように、略鏡像対称に基板９９に配置されている。複数周波アンテナ１０１，１０２（１０３，１０４）は、入出力端子１１０，２１０（３１０，４１０）、アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）、ビア１３０，１５０ａ，１５０ｂ，２３０，２５０ａ，２５０ｂ（３３０，３５０ａ，３５０ｂ，４３０，４５０ａ，４５０ｂ）、ビア導体１５０，２５０（３５０，４５０）、シリーズインダクタ用導体１４０，２４０（３４０，４４０）、シリーズキャパシタ用導体１６０ａ，１６０ｂ，２６０ａ，２６０ｂ（３６０ａ，３６０ｂ，４６０ａ，４６０ｂ）、シャントインダクタ用導体１７０，２７０（３７０，４７０）から構成されている。

入出力端子１１０，２１０（３１０，４１０）は、基板９９の一方の主面のほぼ中央に近接して形成されており、一端部がシリーズインダクタ用導体１４０，２４０（３４０，４４０）の他端に接続されている。入出力端子１１０，２１０（３１０，４１０）には、図示せぬ１対の給電線が接続され、差動信号が供給される。入出力端子１１０，２１０（３１０，４１０）は給電点として機能する。

アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）は、上底より下底が長い等脚台形の導体板と、この等脚台形の下底に接続された半円の導体板と、から構成される。アンテナ素子１２０（３２０）とアンテナ素子２２０（４２０）は、その等脚台形の上底が対向するように、基板９９の一方の主面に配置されている。

ビア１３０，２３０（３３０，４３０）は、アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）を構成する等脚台形の２本の対角線のほぼ交点を、基板９９の一方の主面から他方の主面に貫通して形成される。ビア１３０，２３０（３３０，４３０）の内部には、一端部がアンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）に接続された導体が充填されている。

ビア導体１５０，２５０（３５０，４５０）は、基板９９の一方の主面に配置されている。ビア導体１５０，２５０（３５０，４５０）は、基板９９の一方の主面から他方の主面に貫通して形成される２つのビア１５０ａ及び１５０ｂ，２５０ａ及び２５０ｂ（３５０ａ及び３５０ｂ，４５０ａ及び４５０ｂ）を介してシリーズキャパシタ用導体１６０ａ及び１６０ｂ，２６０ａ及び２６０ｂ（３６０ａ及び３６０ｂ，４６０ａ及び４６０ｂ）に接続されている。

シリーズインダクタ用導体１４０，２４０（３４０，４４０）は、線路導体から構成され、基板９９の一方の主面に形成されており、その一端は、ビア導体１５０，２５０（３５０，４５０）に接続されている。

シリーズキャパシタ用導体１６０ａ（３６０ａ）とシリーズキャパシタ用導体１６０ｂ（３６０ｂ）とは、間にシャントインダクタ用導体１７０（３７０）を挟むように、基板９９の他方の主面に、アンテナ素子１２０（３２０）の一部に対向して、配置されている。アンテナ素子１２０（３２０）の一部とシリーズキャパシタ用導体１６０ａ，１６０ｂ（３６０ａ，３６０ｂ）の対向部分と、基板９９のそれらの間に位置している部分により、アンテナ素子１２０（３２０）に直列に接続されたシリーズキャパシタが形成される。

同様に、シリーズキャパシタ用導体２６０ａ（４６０ａ）とシリーズキャパシタ用導体２６０ｂ（４６０ｂ）とは、間にシャントインダクタ用導体２７０（４７０）を挟むように、基板９９の他方の主面に、アンテナ素子２２０（４２０）の一部に対向して、配置されている。アンテナ素子２２０（４２０）の一部とシリーズキャパシタ用導体２６０ａ，２６０ｂ（４６０ａ，４６０ｂ）の対向部分と、基板９９のそれらの間に位置している部分により、アンテナ素子２２０（４２０）に直列に接続されたシリーズキャパシタが形成される。

シャントインダクタ用導体１７０，２７０（３７０，４７０）は、線路導体から構成され、基板９９の他方の主面上に延在し、一端がビア１３０，２３０（３３０，４３０）の他端部に接続されている。シャントインダクタ用導体１７０，２７０（３７０，４７０）の他端は、基板９９の他方の主面のほぼ中央の中心点１９９において、相互に接続されている。つまり、複数周波アンテナ１０１（１０３）と複数周波アンテナ１０２（１０４）とは、中心点１９９において、相互に接続される。

複数周波アンテナ９００（９０１）は、入出力端子１１０，２１０（３１０，４１０）との間に供給された送信信号を電波として空間に放射し、受信した電波を電気信号に変換して入出力端子１１０，２１０（３１０，４１０）から給電線に伝送する。

上記構成の複数周波アンテナ９００（９０１）は、例えば、基板９９にビア１３０，１５０ａ，１５０ｂ，２３０，２５０ａ，２５０ｂ（３３０，３５０ａ，３５０ｂ，４３０，４５０ａ，４５０ｂ）を開口し、この開口をメッキ等で充填し、続いて、基板９９の両面に銅箔を貼り付け、銅箔をＰＥＰ（光エッチング法）等によりパターニングすることにより製造される。

上述した物理的構成を有する複数周波アンテナ９００（９０１）を構成する複数周波アンテナ１０１，１０２（１０３，１０４）の電気的構成は、図５に示す等価回路で表される。
図示するように、複数周波アンテナ１０１，１０２（１０３，１０４）は、電気的には、シリーズインダクタＬｓｅｒと、シリーズキャパシタＣｓｅｒと、アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）の等価回路ＡＮＴと、シャントインダクタＬｓｈと、空間との結合の等価回路ＡＮＴｓと、入出力端子１１０，２１０（３１０，４１０）と、接続点１９８（３９８）と、から構成される。

なお、シリーズインダクタＬｓｅｒはシリーズインダクタ用導体１４０，２４０（３４０，４４０）のインダクタンスに対応し、シャントインダクタＬｓｈはシャントインダクタ用導体１７０，２７０（３７０，４７０）のインダクタンスに対応する。また、シリーズキャパシタＣｓｅｒは、シリーズキャパシタ用導体１６０ａ，１６０ｂ，２６０ａ，２６０ｂ等（３６０ａ，３６０ｂ，４６０ａ，４６０ｂ等）によって形成されるシリーズキャパシタに対応する。

アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）の等価回路ＡＮＴは、入力インピーダンスを右手系の線路で表現した回路であり、インダクタＬ１ａｎｔとインダクタＬ２ａｎｔとキャパシタＣａｎｔから構成される。

アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）の等価回路ＡＮＴにおけるインダクタＬ１ａｎｔのインダクタンス、インダクタＬ２ａｎｔのインダクタンス、キャパシタＣａｎｔのキャパシタンスは、アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）のサイズと形状にほぼ依存し、アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）のサイズと形状が定まるとほぼ定まる。

空間との結合の等価回路ＡＮＴｓは、アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）のサイズと形状に依存し、アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）と空間との結合によるインピーダンスを表現する回路である。空間との結合の等価回路ＡＮＴｓは、キャパシタＣｓと、基準インピーダンスＲｓと、インダクタＬｓから構成される。

入出力端子１１０，２１０（３１０，４１０）には、シリーズインダクタＬｓｅｒとシリーズキャパシタＣｓｅｒとの直列回路の一端が接続される。

シリーズインダクタＬｓｅｒとシリーズキャパシタＣｓｅｒとの直列回路の他端には、アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）の等価回路ＡＮＴを構成するインダクタＬ１ａｎｔの一端が接続される。インダクタＬ１ａｎｔの他端には、キャパシタＣａｎｔの一端とインダクタＬ２ａｎｔの一端が接続される。キャパシタＣａｎｔの他端は、接続点１９８（３９８）に接続される。

シャントインダクタＬｓｈの一端は、インダクタＬ２ａｎｔの他端に接続される。シャントインダクタＬｓｈの他端は、接続点１９８（３９８）に接続される。

空間との結合の等価回路ＡＮＴｓのキャパシタＣｓの一端が、インダクタＬ２ａｎｔの他端とシャントインダクタＬｓｈの一端とに接続される。キャパシタＣｓの他端には、インダクタＬｓの一端と基準インピーダンスＲｓの一端が接続される。インダクタＬｓの他端と基準インピーダンスＲｓの他端は、接続点１９８（３９８）に接続される。

空間との結合の等価回路ＡＮＴｓにおける基準インピーダンスＲｓの値は、アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）のサイズと形状に依存する。この基準インピーダンスＲｓの値は、給電点に目的の周波数の電圧を印加したときの、印加した電圧と流れる電流の比を表すインピーダンスの実成分に相当する。

空間との結合の等価回路ＡＮＴｓにおけるキャパシタＣｓのキャパシタンスとインダクタＬｓのインダクタンスは、アンテナ素子１２０，２２０（３２０，４２０）を内包する球の半径ａと基準インピーダンスＲｓに依存し、次の式（１）と（２）で表される。
Ｃｓ＝ａ／（ｃ×Ｒｓ）・・・（１）
Ｌｓ＝（ａ×Ｒｓ）／ｃ・・・（２）
ここで、Ｃｓ：キャパシタＣｓのキャパシタンス［Ｆ］
Ｌｓ：インダクタＬｓのインダクタンス［Ｈ］
Ｒｓ：基準インピーダンスＲｓの抵抗値［Ω］
ａ：アンテナ素子を内包する球の半径［ｍ］
ｃ：光速［ｍ／ｓ］

複数周波アンテナ１０１，１０２（１０３，１０４）は、接続点１９８（３９８）で相互に接続されて複数周波アンテナ９００（９０１）を構成する。複数周波アンテナ９００（９０１）の電気的構成は、図６に示す等価回路で表される。入出力端子１１０，２１０（３１０，４１０）には、図示せぬ１対の給電線が接続されている。

以上が、複数周波円偏波アンテナ１００を構成する複数周波アンテナ９００，９０１の構成である。

複数周波円偏波アンテナ１００は、図２に示すように、複数周波アンテナ９００のシャントインダクタ用導体１７０，２７０と、複数周波アンテナ９０１のシャントインダクタ用導体３７０，４７０とが、各アンテナの中心点１９９で略直交するように接続されて構成されている。

複数周波円偏波アンテナ１００の電気的構成は、図７に示す等価回路で表される。複数周波円偏波アンテナ１００で用いるそれぞれの周波数につき、入力インピーダンスの虚数部が０に、実部が５０Ωになるように、シャントインダクタ用導体１７０，２７０，３７０，４７０、シリーズキャパシタ用導体１６０ａ，１６０ｂ，２６０ａ，２６０ｂ，３６０ａ，３６０ｂ，４６０ａ，４６０ｂ、シリーズインダクタ用導体１４０，２４０，３４０，４４０のパターンが調整される。

なお、アンテナ素子１２０，２２０，３２０，４２０の空間との結合の等価回路ＡＮＴｓの各インダクタのインダクタンス及びキャパシタのキャパシタンスは、上述した式（１）、（２）により求められる。

本実施形態では、２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚの２つの周波数で、入力インピーダンスの虚数部が０に、実部が５０Ωになるように、各パターンが調整されている。

複数周波円偏波アンテナ１００の入出力端子１１０，２１０，３１０，４１０は、図８（ａ）に示すように、給電線を介して信号源１又は２と接続されている。また、図８（ｂ）に示すように、入出力端子１１０，２１０，３１０，４１０は、給電線を介して増幅部５０と接続されている。増幅部５０は、例えばオペアンプ等から構成される。

複数周波円偏波アンテナ１００は、送信時には入出力端子１１０，２１０，３１０，４１０との間に供給された送信信号を電波として空間に放射し、受信時には受信した電波を電気信号に変換して入出力端子１１０，２１０，３１０，４１０から給電線に伝送する。

送信時の複数周波円偏波アンテナ１００の動作について説明する。図８（ａ）に示すように、対になっている入出力端子１１０と２１０には、同信号が供給される。同様に、対になっている入出力端子３１０と４１０には、同信号が供給される。

入出力端子１１０と２１０に供給される信号と、入出力端子３１０と４１０に供給される信号との位相差に応じて、複数周波円偏波アンテナ１００は、直線偏波若しくは楕円偏波を空間に放射する。

具体的には、入出力端子１１０と２１０に供給される信号と、入出力端子３１０と４１０に供給される信号とが同相（図８（ａ）の搬送波の位相θ＝０）の場合、複数周波アンテナ９００及び９０１が放射する直線偏波も同相となる。直交する２つの直線偏波が同相であるため、その合成波も直線となる。したがって複数周波円偏波アンテナ１００は、直線偏波を放射する。

これに対し、入出力端子１１０と２１０に供給される信号と、入出力端子３１０と４１０に供給される信号との間に位相差がある図８（ａ）の搬送波の位相θ≠０）場合、複数周波アンテナ９００及び９０１が放射する直線偏波にも位相差が生じる。直交する２つの直線偏波に位相差があるため、その合成波は楕円偏波となる。したがって複数周波円偏波アンテナ１００は楕円偏波を放射する。

特に、入出力端子１１０と２１０に供給される信号と入出力端子３１０と４１０に供給される信号の位相差が±π／２（図８（ａ）の搬送波の位相θ＝±π／２）であり、かつこれらの信号の振幅が等しい場合、複数周波アンテナ９００及び９０１が放射する２つの直行する直線偏波の位相差は±π／２となる。このため、その合成波は円偏波となり、複数周波円偏波アンテナ１００は、円偏波を放射する。

次に、受信時の複数周波円偏波アンテナ１００の動作について説明する。複数周波円偏波アンテナ１００は、図８（ｂ）に示すように、受信した電波を電気信号に変換して対になっている入出力端子１１０と２１０から給電線を介して増幅部５０へ伝送する。同様に、対になっている入出力端子３１０と４１０からも、給電線を介して電気信号を増幅部５０へ伝送する。

複数周波円偏波アンテナ１００は、上述したように、２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚにおいて、入力インピーダンスの虚数部が０になっており、この周波数で共振し、利得が大きくなる。したがって、複数周波円偏波アンテナ１００は、２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚの２つの周波数において、十分な利得を得ることができる複数周波円偏波アンテナとして機能する。

以上のように、複数周波円偏波アンテナ１００によれば、位相差がπ／２の信号を給電することにより複数の共振周波数で動作する軽量かつ薄型の小型円偏波アンテナを実現することができる。

（変形例）
この発明は、上記第１の実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記第１の実施形態では、２．５ＧＨｚ付近と５．２ＧＨｚ付近の２つの周波数帯域において共振し、利得が大きくなる例を示したが、必ずしもこれに限定されない。

例えば、任意の２つの周波数帯の組み合わせが可能である。前述のように、アンテナ素子１２０，２２０，３２０，４２０の等価回路ＡＮＴ及び空間との結合の等価回路ＡＮＴｓの素子定数は、アンテナ素子１２０，２２０，３２０，４２０のサイズによって自動的に定まる。このため、アンテナ素子１２０，２２０，３２０，４２０のサイズにより定まる各素子定数を考慮し、目的とする複数の周波数近傍に共振点が発生するように、シャントインダクタＬｓｈのインダクタンス、シリーズキャパシタＣｓｅｒのキャパシタンス、シリーズインダクタＬｓｅｒのインダクタンス、を適宜設定することにより、任意の複数の周波数帯で十分な利得を得ることができる。

（第２の実施形態）
上記第１の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ１００は、２つの入力端子対に、位相差±π／２の信号を供給することにより円偏波を放射した。本実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ２００は、アンテナ自体に配置されている集中定数コンポーネントの値を調整することにより、位相線路等による位相制御のための新たな回路を付加することなく位相差±π／２を発生させ、１つの入力端子対で円偏波を放射する。

以下、第２の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ２００について説明する。

複数周波円偏波アンテナ２００は、図９及び図１０に示すように、第１の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ１００の入出力端子１１０と３１０が接続されて１つの入出力端子１９０が構成され、同様に、第１の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ１００の入出力端子２１０と４１０が接続されて１つの入出力端子２９０が構成されている。その他の構成については、第１の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ１００と同様である。なお、複数周波円偏波アンテナ２００の電気的構成は、図１１に示す等価回路で表される。

入出力端子１９０と入出力端子２９０は、図１３（ａ）に示すように、給電線を介して信号源と接続されている。複数周波円偏波アンテナ２００は、送信時において、この信号源から入出力端子１９０及び２９０に信号が与えられことにより、円偏波を放射する。

また、入出力端子１９０と２９０は、図１３（ｂ）に示すように、増幅部５０と接続されている。複数周波円偏波アンテナ２００は、受信した円偏波を電気信号に変換して、電気信号を入出力端子１９０及び２９０から増幅部５０へ伝送する。

複数周波円偏波アンテナ２００は、入出力端子１９０と入出力端子２９０とから構成される１対の入出力端子に与えられる信号を、アンテナ内部で電波合成して位相差±π／２を発生させる。そのため、複数周波円偏波アンテナ２００のアンテナ導体にあるシャントインダクタＬｓｈ、シリーズキャパシタＣｓｅｒ、シリーズインダクタＬｓｅｒ等の集中定数コンポーネントの値が調整されている。

具体的には、集中定数コンポーネントの値は、以下のように調整される。

複数周波円偏波アンテナ２００は、入力側が短絡されて構成されているため図１２に示す等価回路で表される。Ｙ１の端子を端子１，端子２、Ｙ２の端子を端子３，端子４とし、Ｙ行列を用いてこれを表現すると、
Ｉ_１＝Ｙ_１１Ｖ_１＋Ｙ_１２Ｖ_２
Ｉ_２＝Ｙ_２１Ｖ_１＋Ｙ_１２Ｖ_２
Ｉ_３＝Ｙ_３３Ｖ_３＋Ｙ_３４Ｖ_４
Ｉ_４＝Ｙ_４３Ｖ_３＋Ｙ_４４Ｖ_４
Ｖ_１＝Ｖ_３＝Ｖ_０
Ｉ_０＝Ｉ_１＋Ｉ_３
となる。

端子１及び端子３が短絡されて３端子の回路になっていると考えられることから、端子１及び端子３の電流と電圧の項を消去すると、Ｙ行列は以下のようになる。

円偏波の条件である位相差±π／２を複数周波円偏波アンテナ２００の内部で発生させるためのＳパラメータは、以下のように表される。

上記式（３）と式（４）とが一致するよう複数周波円偏波アンテナ２００の集中定数コンポーネントの値が調整される。

このように集中定数コンポーネントの値が調整されることで、複数周波円偏波アンテナ２００の入出力端子１９０、２９０に与えられた信号は、アンテナ内部で電波合成され、右旋偏波となって放射される。

このように複数周波円偏波アンテナ２００の集中定数コンポーネントの値を調整することで、位相線路等による位相制御のための新たな回路を付加することなく、上記第１の実施形態の複数周波円偏波アンテナ１００と同等サイズの複数周波円偏波アンテナ２００を実現することができる。

（変形例）
この発明は、上記第２の実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記第２の実施形態では、入出力端子１９０及び２９０が、上記第１の実施形態の複数周波円偏波アンテナ１００の入出力端子１１０と３１０、入出力端子２１０と４１０とが接続されて構成される例を示したが、必ずしもこれに限定されない。入出力端子１９０及び２９０は、上記第１の実施形態の複数周波円偏波アンテナ１００の入出力端子１１０と４１０、入出力端子２１０と３１０とが接続されて構成されてもよい。この場合、複数周波円偏波アンテナ２００の入出力端子１９０、２９０に与えられた信号は、アンテナ内部で電波合成され、左旋偏波となって放射される。

また、上記第２の実施形態では、図９及び図１０に示すように、複数周波円偏波アンテナ２００が略十字形に構成された例を示したが、必ずしもこれに限定されない。複数周波円偏波アンテナ２００は、例えば図１４及び図１５に示すように、隣接する入出力端子の一方と接続されていれば、十字形に構成されなくてもよい。

（第３の実施形態）
上記第２の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ２００は、１つの入力端子対に信号を供給することにより右旋偏波若しくは左旋偏波の円偏波を放射した。本実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ３００は、上記第１の複数周波円偏波アンテナ１００の各入出力端子間にスイッチング素子を設け、スイッチング動作により円偏波の旋回方向を切り替える。

以下、第３の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ３００について説明する。なお、複数周波円偏波アンテナ３００の集中定数コンポーネントの値は、第２の実施形態と同様に調整されているものとする。

複数周波円偏波アンテナ３００は、図１６に示すように、第１の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ１００の隣接する入出力端子同士を相互に接続するスイッチング素子３９０を備えている。

スイッチング素子３９０は、半導体スイッチなどから構成され、外部から送信される制御信号に応じてＯＮ／ＯＦＦする。スイッチング素子３９０は、各入出力端子間に接続され、隣接する一方の入出力端子間のスイッチング素子３９０がＯＮである場合、隣接する他方の入力端子間のスイッチング素子３９０がＯＦＦになるように動作する。

具体的には、図１７（ａ）に示すように、入出力端子１１０と入出力端子３１０との間に接続されたスイッチング素子３９０がＯＮ（実線で表示）の場合は、入出力端子１１０と入出力端子４１０との間に接続されたスイッチング素子３９０はＯＦＦ（破線で表示）となる。同様に、入出力端子２１０と入出力端子４１０との間に接続されたスイッチング素子３９０がＯＮの場合は、入出力端子２１０と入出力端子３１０との間に接続されたスイッチング素子３９０はＯＦＦとなる。

この場合、複数周波円偏波アンテナ３００は、上記第２の実施形態と同様に、右旋偏波の円偏波を放射する。

これに対し、図１７（ｂ）に示すように、入出力端子１１０と入出力端子４１０との間に接続されたスイッチング素子３９０がＯＮの場合は、入出力端子１１０と入出力端子３１０との間に接続されたスイッチング素子３９０はＯＦＦとなる。同様に、入出力端子２１０と入出力端子３１０との間に接続されたスイッチング素子３９０がＯＮの場合は、入出力端子２１０と入出力端子４１０との間に接続されたスイッチング素子３９０はＯＦＦとなる。

この場合、複数周波円偏波アンテナ３００は、左旋偏波の円偏波を放射する。

このような構成によれば、複数周波円偏波アンテナ３００は、スイッチング素子３９０のオン／オフにより円偏波の旋回方向を切り替えることができる。

そのため複数周波円偏波アンテナ３００は、左右いずれの旋回方向も可能な円偏波アンテナとなり、地域等により制限されることなく使用可能となる。

（変形例）
本発明は、上記第１乃至第３の実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。

例えば、上記第１乃至第３の実施形態では、基板９９の、一方の主面に配置されたパターンと、他方の主面に配置されたパターンとは、ビアによって接続されていた。しかし、ビアではなく、容量結合や誘導結合などで接続しても良い。

また、上記第１乃至第３の実施形態では、線路（回路パターン）によってインダクタおよびコンダクタなどを構成したが、例えば、チップ部品などによって一部又は全てのインダクタおよびコンダクタなどを構成しても良い。

また、上記第１乃至第３の実施形態では、回路を基板９９の一方の主面と他方の主面に配置したが、一方の主面のみに配置してもよい。

また、上記第１乃至第３の実施形態では、誘電体の基板上に回路素子を配置する構成例を示したが、各回路素子を保持できるならば、基板は配置しなくてもよい。

１００，２００，３００・・・複数周波円偏波アンテナ、１０１，１０２，１０３，１０４，９００，９０１・・・複数周波アンテナ、９９・・・基板、１１０，２１０，３１０，４１０，１９０，２９０・・・入出力端子、１２０，２２０，３２０，４２０・・・アンテナ素子、１３０，１５０ａ，１５０ｂ，２３０，２５０ａ，２５０ｂ，３３０，３５０ａ，３５０ｂ，４３０，４５０ａ，４５０ｂ・・・ビア、１５０，２５０，３５０，４５０・・・ビア導体、１４０，２４０，３４０，４４０・・・シリーズインダクタ用導体、１６０ａ，１６０ｂ，２６０ａ，２６０ｂ，３６０ａ，３６０ｂ，４６０ａ，４６０ｂ・・・シリーズキャパシタ用導体、１７０，２７０，３７０，４７０・・・シャントインダクタ用導体、１９８，３９８・・・接続点、１９９・・・中心点、３９０・・・スイッチング素子、５０・・・増幅部

Claims

第１の入出力端子と、第１のアンテナ導体と、前記第１の入出力端子と前記第１のアンテナ導体とを接続する、第１のインダクタと第１のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第１のアンテナ導体に接続された第２のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第１のアンテナと、
第２の入出力端子と、第２のアンテナ導体と、前記第２の入出力端子と前記第２のアンテナ導体とを接続する、第３のインダクタと第２のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第２のアンテナ導体に接続され、他端が前記第２のインダクタの他端に接続された第４のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第２のアンテナと、
をそれぞれ備え、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとが略鏡像対称に配置された第１及び第２の複数周波アンテナを備える複数周波円偏波アンテナであって、
前記第１の複数周波アンテナと前記第２の複数周波アンテナとが、その中心点で略垂直に交差して配置され、前記第１の複数周波アンテナの第４のインダクタの他端が、前記第２の複数周波アンテナの第４のインダクタの他端とさらに接続されている、
ことを特徴とする複数周波円偏波アンテナ。
前記第１のアンテナの複数の共振周波数と、前記第２のアンテナの複数の共振周波数とは、実質的に同一である、
ことを特徴とする請求項１に記載の複数周波円偏波アンテナ。
誘電体板をさらに備え、
前記第１及び第２の入出力端子と前記第１及び第２のアンテナ導体とは、前記誘電体板の一面に形成され、
前記第２及び第４のインダクタは、前記誘電体板の他面に配置され、ビアを介して前記第２のインダクタの一端が前記第１のアンテナ導体に、前記第４のインダクタの一端が前記第２のアンテナ導体に接続され、
前記第１のキャパシタは、前記第１のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第１のアンテナ導体の一部に対向する第１の導電体と、前記第１のアンテナ導体の一部と前記第１の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第２のキャパシタは、前記第２のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第２のアンテナ導体の一部に対向する第２の導電体と、前記第２のアンテナ導体の一部と前記第２の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第１のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第１の導電体と接続され、他端が前記第１の入出力端子に接続され、
前記第３のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第２の導電体と接続され、他端が前記第２の入出力端子に接続されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の複数周波円偏波アンテナ。
前記第１の複数周波アンテナの第１の入出力端子と前記第２の複数周波アンテナの第１の入出力端子とが接続されて１つの入出力端子を形成し、前記第１の複数周波アンテナの第２の入出力端子と前記第２の複数周波アンテナの第２の入出力端子とが接続されて１つの入出力端子を形成する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複数周波円偏波アンテナ。
一端が前記第１の複数周波アンテナの第１の入出力端子に接続され、他端が前記第２の複数周波アンテナの第１の入出力端子に接続された第１のスイッチング素子と、
一端が前記第１の複数周波アンテナの第１の入出力端子に接続され、他端が前記第２の複数周波アンテナの第２の入出力端子に接続された第２のスイッチング素子と、
一端が前記第１の複数周波アンテナの第２の入出力端子に接続され、他端が前記第２の複数周波アンテナの第１の入出力端子に接続された第３のスイッチング素子と、
一端が前記第１の複数周波アンテナの第２の入出力端子に接続され、他端が前記第２の複数周波アンテナの第２の入出力端子に接続された第４のスイッチング素子と、
をさらに備え、
前記第１及び第４のスイッチング素子がオンである場合に、前記第２及び第３のスイッチング素子がオフとなり、前記第１及び第４のスイッチング素子がオフの場合、前記第２及び第３のスイッチング素子がオンとなる、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複数周波円偏波アンテナ。