JP5774642B2 - ループアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、円偏波を受信するループアンテナに関する。

従来、円偏波を受信するためのアンテナとして、ループアンテナが広く用いられている。自動車に搭載されるＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）用アンテナは、円偏波を受信するループアンテナの典型例である。地上に到来するＧＰＳ波は微弱であるため、通常、ＧＰＳ波を受信するループアンテナには高い受信利得が求められる。

このような要求に応えるループアンテナとして、例えば、特許文献１に記載のループアンテナが知られている。特許文献１に記載のループアンテナは、ループ状のアンテナ導体（「放射素子」とも呼称し得る）と、一部がアンテナ導体に沿うように配置されたＬ字状の無給電素子とを備えている。また、特許文献１には、アンテナ導体と無給電素子とを取り囲む環状導体（環状の線状導体）を付加することによって、円偏波に対する受信利得を向上し得ることが記載されている。

特開２００９−１１８２６８号公報（２００９年５月２８日公開）

従来のループアンテナの最大利得方向（受信利得が最大となる方向）は、アンテナ形成面と直交する。特許文献１に記載のように、環状導体を付加した場合も同様である。このため、従来のループアンテナにおいては、以下のような問題を生じる。

例えば、非天頂方向（仰角が９０°未満となる方向）に存在する波源から放射された円偏波を受信するために、ループアンテナを自動車のループトップに搭載する場合、アンテナ形成面が波源を向くようループアンテナを傾ける必要がある。このため、ループアンテナを内蔵したアンテナ装置を低背化することが困難となる。その結果、アンテナ装置が上方障害物と接触し易くなったり、アンテナ装置を搭載した自動車の美観が損なわれたりするという問題が生じる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、円偏波に対する最大利得方向が傾いた（円偏波に対する最大利得方向がアンテナ形成面と直交しない）ループアンテナを実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るループアンテナは、両端が互いに近接した帯状の放射素子と、上記放射素子の一端から上記放射素子に囲まれた領域の中心に向かう第１の給電路であって、当該中心に近い方の端部に同軸ケーブルの外側導体が接続される第１の給電路と、上記放射素子の他端から上記放射素子に囲まれた領域の中心に向かう第２の給電路であって、当該中心に近い方の端部に上記同軸ケーブルの内側導体が接続される第２の給電路と、上記放射素子と上記第１の給電路又は上記第２の給電路の何れかの給電路とにより三方向を囲まれた領域を占める面状導体であって、上記三方向の外縁が上記放射素子及び当該給電路に連なる面状導体と、を備えている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、円偏波に対する最大利得方向を傾けることができる。すなわち、円偏波に対する最大利得方向を、アンテナ形成面に直交する方向以外の方向とすることができる。

本発明に係るループアンテナは、少なくとも１つのスリットが形成された第１の帯状導体であって、該スリットが形成された領域を除く内周全体が上記放射素子の外周に接することなく上記放射素子の外周の少なくとも一部に沿うように配置された第１の帯状導体と、上記第１の帯状導体の端点以外の点を始点とする第２の帯状導体であって、該始点を除く内周全体が上記第１の帯状導体の外周に接することなく上記第１の帯状導体の外周の少なくとも一部に沿うように配置された第２の帯状導体とを有する無給電素子を更に備えている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、円偏波に対する受信能力が高い（交差偏波識別度が高く、かつ、円偏波に対する受信利得が高い）ループアンテナを実現することができる。しかも、受信能力が高いループアンテナを実現するために必要となる無給電素子は、その内周全体が放射素子の外周に沿う第１の帯状導体と、内周全体が第１の帯状導体の外周に沿う第２の帯状導体とにより構成されている。このため、上記の構成によれば、アンテナ全体の配置に要する領域の面積が、特許文献１に記載のループアンテナの配置に要する領域の面積よりも小さくなる。すなわち、上記の構成によれば、円偏波に対する受信能力が高いループアンテナであって、特許文献１に記載のループアンテナよりも配置に要する領域の面積が小さいループアンテナを実現することができる。

本発明に係るループアンテナにおいて、（１）上記第１の帯状導体は、少なくとも１つの直線部を有し、（２）上記スリットは、上記直線部の一方の端部に形成されており、（３）上記第２の帯状導体の始点は、上記直線部の他方の端部に形成されており、（４）上記第２の帯状導体の終点は、上記スリットに近接している構成を採用した場合、円偏波に対する受信能力が高いループアンテナが実現されることが実験により確かめられている。ただし、円偏波に対する受信能力が高いループアンテナを実現し得る構成は、これに限定されるものではない。

本発明によれば、円偏波に対する最大利得方向が傾いた（円偏波に対する最大利得方向がアンテナ形成面と直交しない）ループアンテナを実現することができる。

本発明の一実施形態に係るループアンテナの構成を示す上面図である。 本発明の一実施例に係るループアンテナの右旋円偏波に対するｘｚ面における受信利得の方向依存性をグラフである。 比較例に係るループアンテナの右旋円偏波に対するｘｚ面における受信利得の方向依存性をグラフである。 図１に示すループアンテナの変形例を示す上面図である。

本発明に係るループアンテナの一実施形態について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施形態に係るループアンテナは、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）波を受信する車載用アンテナである。ただし、本発明は、円偏波（右旋円偏波であっても左旋円偏波であってもよい）を受信するループアンテナ一般に適用することが可能であり、その用途も車載用に限定されない。

〔ループアンテナの構成〕
本実施形態に係るループアンテナ１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るループアンテナ１の上面図である。

ループアンテナ１は、図１に示すように、放射素子１１、第１の給電路１２１と第２の給電路１２２とにより構成される給電路対１２、面状導体１３、及び、第１の帯状導体１４１と第２の帯状導体１４２とにより構成される無給電素子１４を備えている。放射素子１１、給電路対１２、面状導体１３、及び無給電素子１４は、同一の平面（以下、「アンテナ形成面」とも記載する）、例えば、誘電体基板の表面上に形成される。なお、以下においては、説明の便宜上、放射素子１１、給電路対１２、及び面状導体１３を個別の構成として説明するが、これらは一体成形されたものであっても構わない。

放射素子１１は、一方の端部１１ａと他方の端部１１ｂとが互いに近接した帯状導体、すなわち、ループを形成する帯状導体である。これらの端部１１ａ，１１ｂは、放射素子１１により取り込まれた領域の中心に対して６時の方向に位置している。

本実施形態においては、図１に示すように、長方形のループを形成する帯状導体を放射素子１１として用いている。より具体的に言うと、（１）端部１１ａを始点とし、第１の方向（図１におけるｘ軸負方向）に延伸する第１の直線部１１ｐ１と、（２）第１の直線部１１ｐ１の終点を始点とし、第１の方向に直交する方向（図１におけるｙ軸正方向）に延伸する第２の直線部１１ｐ２と、（３）第２の直線部１１ｐ２の終点を始点とし、第１の方向と反対方向（図１におけるｘ軸正方向）に延伸する第３の直線部１１ｐ３と、（４）第３の直線部１１ｐ３の終点を始点とし、第２の方向と反対方向（図１におけるｙ軸負方向）に延伸する第４の直線部１１ｐ４と、（５）第４の直線部１１ｐ４の終点を始点とし、第１の方向（図１におけるｘ軸負方向）に延伸し、端部１１ｂを終点とする第５の直線部１１ｐ５と、により構成された帯状導体を放射素子１１として用いている。

なお、本実施形態においては、長方形のループを形成する帯状導体を放射素子１１として用いているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、放射素子１１が形成するループの形状は任意である。例えば、楕円形（円形を含む）のループを形成する帯状導体を放射素子１１として用いることも可能である。

給電路対１２は、２つの給電路１２１〜１２２により構成される。

第１の給電路１２１は、放射素子１１のｘ軸正方向側の端部１１ａから、放射素子１１により取り囲まれた領域の中心Ｏに向かって延伸する帯状導体により構成される。第１の給電路１２１の当該中心Ｏに近い方の端部１２１ａには、同軸ケーブルの外側導体が接続される第１の給電点Ｐが設けられる。

第２の給電路１２２は、放射素子１１のｘ軸負方向側の端部１１ｂから、放射素子１１により取り囲まれた領域の中心Ｏに向かって延伸する帯状導体により構成される。第２の給電路１２２の当該中心Ｏに近い方の端部１２２ａには、同軸ケーブルの内側導体が接続される第２の給電点Ｑが設けられる。

このような給電路対１２を設けることによって、放射素子１１により取り囲まれた領域の内部から、同軸ケーブルをアンテナ形成面と直交する方向に引き出す構成を採用することが可能になる。そして、放射素子１１により取り囲まれた領域の内部から、同軸ケーブルをｚ軸負方向に引き出す構成を採用した場合、ｚ軸正方向から到来する右旋円偏波に対する受信利得が高くなる。一方、放射素子１１により取り囲まれた領域の内部から、同軸ケーブルをｚ軸正方向に引き出す構成を採用した場合、ｚ軸負方向から到来する左旋円偏波に対する受信利得が高くなる。

面状導体１３は、放射素子１１及び第２の給電路１２２により三方向を囲まれた領域を占める長方形の面状導体である。もう少し具体的に言うと、面状導体１３は、ｚ軸正方向側から見て（図１を紙面表側から見て）、放射素子１１に取り込まれた領域の中心Ｏから３時の方向に向かう直線と、当該中心Ｏから６時の方向に向かう第２の給電路１２２と、放射素子１１のうち当該中心Ｏに対して３時の方向と６時の方向との間に位置する部分（第４の直線部１１ｐ４の一部と第５の直線部１１ｐ５とからなる部分）とに囲まれた領域を占める。面状導体１３の外縁を構成する四辺のうち、ｘ軸負方向側の辺は、第２の給電路１２２に連なり、ｘ軸正方向側の辺は、放射素子１１の第４の直線部１１ｐ４に連なり、ｙ軸負方向側の辺は、放射素子１１の第５の直線部１１ｐ５に連なる。

面状導体１３の有する技術的意義は以下のとおりである。すなわち、このような面状導体１３を設けなかった場合、右旋円偏波に対する最大利得方向（受信利得が最大になる方向）は、ｚ軸正方向となる。一方、このような面状導体１３を設けた場合、右旋円偏波に対する最大利得方向は、ｘ軸正方向側に傾いた方向（より正確に言うと、ｘｙ平面への射影が正のｘ成分を有する方向）となる。すなわち、このような面状導体１３を設けることによって、右旋円偏波に対する最大利得方向をｘ軸正方向側に傾けることができる。

無給電素子１４は、２つの帯状導体１４１〜１４２により構成されている。

第１の帯状導体１４１は、その内周１４１ａが放射素子１１の外周１１ｃに沿うように配置された帯状導体である。ここで、「第１の帯状導体１４１の内周１４１ａが放射素子１１の外周１１ｃに沿う」とは、第１の帯状導体１４１の内周１４１ａと放射素子１１の外周１１ｃとの間隔が、角の部分を除いて一定に保たれていることを指す。なお、第１の帯状導体１４１は放射素子１１から孤立しており、第１の放射素子１４１の内周１４１ａが放射素子１１の外周１１ｃに接することはない。

本実施形態においては、図１に示すように、その内周１４１ａ全体（ただし、スリット１４１ｄが形成された領域は除く）が放射素子１１の外周１１ｃ全体に沿うように配置された帯状導体を第１の帯状導体１４１として用いている。より具体的に言うと、（１）その内周が放射素子１１の第１の直線部１１ｐ１及び第５の１１ｐ５の外周に沿うように配置された第１の直線部１４１ｐ１と、（２）その内周が放射素子１１の第２の直線部１１ｐ２の外周に沿うように配置された第２の直線部１４１ｐ２と、（３）その内周が放射素子１１の第３の直線部１１ｐ３の外周に沿うように配置された第３の直線部１４１ｐ３（請求項における「少なくとも１つの直線部」に対応）と、（４）その内周が放射素子１１の第４の直線部１１ｐ４の外周に沿うように配置された第４の直線部１４１ｐ４と、により構成された帯状導体を第１の帯状導体１４１として用いている。

ここで、第１の直線部１４１ｐ１は、第４の直線部１４１ｐ４の終点を始点とし、第２の直線部１４１ｐ２は、第１の直線部１４１ｐ１の終点を始点とし、第４の直線部１４１ｐ４は、第３の直線部１４１ｐ３の終点を始点とする。一方、第３の直線部１４１ｐ３は、その始点が第２の直線部１４１ｐ２の終点から離隔している。すなわち、第２の直線部１４１ｐ２の終点と第３の直線部１４１ｐ３の始点との間（第３の直線部１４１ｐ３の一方の端部）には、第１の帯状導体１４１を横断するスリット１４１ｄが形成されている。このようなスリット１４１ｄを設けることによって、ループアンテナ１の交差偏波識別度を高めることができる。なお、スリット１４１ｄの個数は任意である。ただし、スリット１４１ｄの個数を奇数個とした方が放射特性に優位である。

なお、本実施形態においては、その内周１４１ａ全体が放射素子１１の外周１１ｃ全体に沿うように配置された帯状導体を第１の帯状導体１４１として用いているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、その内周１４１ａ全体が放射素子１１の外周１１ｃの少なくとも一部に沿うように配置された帯状導体であれば、第１の帯状導体１４１として用いることができる。

第２の帯状導体１４２は、第１の帯状導体１４１上の点１４１ｃを始点とし、その内周１４２ａ全体（ただし、始点となる点１４１ｃは除く）が第１の帯状導体１４１の外周１４１ｂに沿うように配置された帯状導体である。ここで、「第２の帯状導体１４２の内周１４２ａが第１の帯状導体１４１の外周１４１ｂに沿う」とは、第２の帯状導体１４２の内周１４２ａと第１の帯状導体１４１の外周１４１ｂとの間隔が、角の部分を除いて一定に保たれていることを指す。なお、第２の帯状導体１４２は第１の帯状導体１４１から孤立しており、第２の帯状導体１４２の内周１４２ａが第１の帯状導体１４１の外周１４１ｂに接することはない。

本実施形態においては、図１に示すように、第１の帯状導体１４１の第３の直線部１４１ｐ３の終点近傍の点１４１ｃ（第３の直線部１４１ｐ３の他方の端部）を始点とし、その内周全体が第１の帯状導体１４１の第３の直線部１４１ｐ３の外周に沿うように配置された帯状導体を第２の帯状導体１４２として用いている。したがって、第２の帯状導体１４２の始点（根本）１４２ｂは、第１の帯状導体１４１の第３の直線部１４１ｐ３の終点近傍に位置し、第２の帯状導体１４２の終点（先端）１４２ｃは、第１の帯状導体１４１の第３の直線部１４１ｐ３の始点近傍に位置する（換言すれば、スリット１４１ｄに近接している）。

なお、本実施形態においては、その内周全体が第１の帯状導体１４１の第３の直線部１４１ｐ３の外周に沿う帯状導体を第２の帯状導体１４２として用いているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、その内周全体が第１の帯状導体１４１の別の部分又は全体の外周に沿うように配置された帯状導体であっても、第２の帯状導体１４として用いることが可能である。

特許文献１に記載のループアンテナにおいては、交差偏波識別度を高めるために、鈍角的に交わる２つの直線部からなるＶ字状の無給電素子を用いている。また、特許文献１に記載のループアンテナにおいては、円偏波に対する受信利得を高めるために、アンテナ導体及び無給電素子を取り囲む環状導体を用いている。このため、特許文献１に記載のループアンテナにおいては、アンテナ全体の配置に要する領域の面積が、アンテナ導体の配置に要する領域の面積と比べて著しく大きくなるという問題を生じる。

一方、本実施形態に係るループアンテナ１においては、無給電素子１４を用いることによって、放射素子１１及び無給電素子１４を取り込む環状導体を用いることなく、交差偏波識別度を高めると共に、円偏波に対する受信利得を高めることに成功している。ここで、無給電素子１４は、その内周１４１ａ全体が放射素子１１の外周１１ｃに沿う第１の帯状導体１４１と、その内周１４２ａ全体が第１の帯状導体１４１の外周１４１ｂに沿う第２の帯状導体１４２とにより構成されている。このため、本実施形態に係るループアンテナ１においては、アンテナ全体の配置に要する領域の面積が、放射素子１１の配置に要する領域の面積と比べて著しく大きくなるという問題を生じない。

以上のように、本実施形態に係るループアンテナ１は、円偏波に対する受信能力が高いループアンテナであって、特許文献１に記載のループアンテナよりも配置に要する領域の面積が小さいループアンテナとなる。

〔実施例〕
ループアンテナ１の一実施例について、図２を参照して説明する。なお、本実施例に係るループアンテナ１の各部の形状は、図１に示したとおりである。

本実施例においては、放射素子１１の幅を１ｍｍとし、放射素子１１を構成する各直線部１１ｐ１〜１１ｐ５の長さを以下のように定めた。すなわち、第１の直線部１１ｐ１の長さを１９ｍｍとし、第２の直線部１１ｐ２の長さを３７ｍｍとし、第３の直線部１１ｐ３の長さを３９ｍｍとし、第４の直線部１１ｐ４の長さを３７ｍｍとし、第５の直線部１１ｐ５の長さを１９ｍｍとした。

また、本実施例においては、第１の給電路１２１の幅を、端部１２１ａを除き、１ｍｍとし、第２の給電路１２２の幅を、端部１２２ａを除き、１ｍｍとした。また、本実施例においては、面状導体１３として、１７ｍｍ×１４ｍｍの長方形の面状導体を用いた。

また、本実施例においては、第１の帯状導体１４１の幅を１ｍｍとし、第１の帯状導体１４１を構成する各直線部１４１ｐ１〜１４１ｐ４の長さを以下のように定めた。すなわち、第１の直線部１４１ｐ１の長さを４４ｍｍとし、第２の直線部１４１ｐ２の長さを４３ｍｍとし、第３の直線部１４１ｐ３の長さを４３ｍｍとし、第４の直線部１４１ｐ４の長さを４２ｍｍとした。また、本実施例においては、第２の帯状導体１４２の幅を１ｍｍとし、第２の帯状導体１４２の長さを４１．８ｍｍとした。

本実施例に係るループアンテナ１の特性を図２に示す。

図２は、本実施例に係るループアンテナ１の右旋円偏波に対するｘｚ面における受信利得の方向依存性を示すグラフである。なお、受信利得の測定にあたっては、同軸ケーブルをｚ軸負方向に引き出す構成を採用した。

図２に示す通り、本実施例に係るループアンテナ１の右旋円偏波に対するｘｚ面における最大利得方向は、ｚ軸正方向からｘ軸正方向側に約３０°傾いた方向となることが確かめられた。すなわち、面状導体１３を設けることによって、右旋円偏波に対する最大利得方向がｘ軸正方向側に傾くことが確かめられた。

本実施例に係るループアンテナ１から面状導体１３を取り去ったものを比較例に係るループアンテナとして、本比較例に係るループアンテナの特性を図３に示す。

図３は、本比較例に係るループアンテナの右旋円偏波に対するｘｚ面における受信利得の方向依存性を示すグラフである。なお、受信利得の測定にあたっては、同軸ケーブルをｚ軸負方向に引き出す構成を採用した。

図３に示す通り、本比較例に係るループアンテナの右旋円偏波に対するｘｚ面における最大利得方向は、ｚ軸正方向（天頂方向）となることが確かめられた。すなわち、最大利得方向が傾くという本実施例に係るループアンテナ１が奏する効果は、面状導体１３の作用によるものであることが確かめられた。

〔変形例〕
本実施形態においては、放射素子１１と第２の給電路１２２とにより三方向を囲まれた領域に面状導体１３を配置する構成（図１参照）について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、放射素子１１と第１の給電路１２１とにより三方向を囲まれた領域に面状導体１３を配置する構成を採用しても、円偏波に対する最大利得方向を傾けることが可能である。

図４は、本変形例に係るループアンテナ１の構成を示す上面図である。

本変形例において、面状導体１３は、ｚ軸正方向側から見て（図４を紙面表側から見て）、放射素子１１に取り込まれた領域の中心Ｏから９時の方向に向かう直線と、当該中心Ｏから６時の方向に向かう第１の給電路１２１と、放射素子１１のうち当該中心Ｏに対して６時の方向と９時の方向との間に位置する部分（第２の直線部１１ｐ２の一部と第１の直線部１１ｐ１とからなる部分）とに囲まれた領域を占める。面状導体１３の外縁を構成する四辺のうち、ｘ軸負方向側の辺は、第２の直線部１１ｐ２に連なり、ｘ軸正方向側の辺は、第１の給電路１２１に連なり、ｙ軸負方向側の辺は、放射素子１１の第１の直線部１１ｐ１に連なる。

その他の構成については、図１に示したものと同様であるので、ここではその説明を割愛する。

〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、円偏波を受信するループアンテナに広く適用することができる。例えば、ＧＰＳ波を受信するループアンテナに好適である。

１ ループアンテナ
１１ 放射素子
１１ａ，１１ｂ 一方の端部，他方の端部（両端）
１２ 給電路対
１２１ 第１の給電路
１２１ａ 端部
Ｐ 第１の給電点
１２２ 第２の給電路
１２２ａ 端部
Ｑ 第２の給電点
１３ 面状導体
１４ 無給電素子
１４１ 第１の帯状導体
１４２ 第２の帯状導体
Ｏ 放射素子に取り囲まれた領域の中心

Claims (4)

1. 両端が互いに近接した帯状かつループ状の放射素子と、
   上記放射素子の一端から上記放射素子に囲まれた領域の中心に向かう第１の給電路であって、当該中心に近い方の端部に同軸ケーブルの外側導体が接続される第１の給電路と、
   上記放射素子の他端から上記放射素子に囲まれた領域の中心に向かう第２の給電路であって、当該中心に近い方の端部に上記同軸ケーブルの内側導体が接続される第２の給電路と、
   上記放射素子と上記第１の給電路又は上記第２の給電路の何れかの給電路とにより三方向を囲まれた領域を占める面状導体であって、上記三方向の外縁が上記放射素子及び当該給電路に連なる面状導体と、を備えている、ことを特徴とするループアンテナ。
2. 少なくとも１つのスリットが端点間に形成された第１の帯状導体であって、該スリットが形成された領域を除く内周全体が上記放射素子の外周に接することなく上記放射素子の外周の少なくとも一部に沿うように配置された第１の帯状導体と、上記第１の帯状導体の端点以外の点を始点とする第２の帯状導体であって、該始点を除く内周全体が上記第１の帯状導体の外周に接することなく上記第１の帯状導体の外周の少なくとも一部に沿うように配置された第２の帯状導体とを有する無給電素子を更に備えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のループアンテナ。
3. 上記第１の帯状導体は、少なくとも１つの直線部を有し、
   上記スリットは、上記直線部の一方の端部に形成されており、上記第２の帯状導体の始点は、上記直線部の他方の端部に形成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載のループアンテナ。
4. 上記第２の帯状導体の終点は、上記スリットに近接している、
   ことを特徴とする請求項３に記載のループアンテナ。

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