JP7149307B2 - 電気的に短いアンテナおよび結晶共振器を有するｌｏｒａｎ装置および関連方法 - Google Patents

電気的に短いアンテナおよび結晶共振器を有するｌｏｒａｎ装置および関連方法 Download PDF

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Description

[0001] 本開示は、通信システムの分野に関し、より具体的には、無線周波数アンテナおよび関連方法に関する。
[0002] たとえば、超低周波（ＶＬＦ）、低周波（ＬＦ）、中周波（ＭＦ）の範囲の無線周波数（ＲＦ）通信では、信号送信のために比較的大きな地上アンテナタワーが使用される。このようなアンテナ構成には、高さ数百フィートのタワーが含まれる場合がある。タワーは、その底部が接地し、かつ安定のために多数の支線により地面とつながっている。
[0003] 中波アンテナシステムの一例が、Ｍｅｎｄｅｎｈａｌｌの米国特許第６，８７３，３００号に開示されている。本特許は、地面に対して略垂直に延びる導電性放射マストを含むアンテナシステムを開示している。マストは、動作ＲＦ周波数での放射用のＲＦエネルギーを受ける下端と、上端を有する。Ｎ本（複数）の導電性ラジアル線が設けられ、各ワイヤには、内端と外端が含まれる。ラジアル線は、内端で電気的に接続され、垂直マストに近接して配置される。ラジアル線は、長さ全体にわたり地表面より高く設置され、垂直マストから半径方向外向きに伸びている。調節可能インダクタなどの同調装置が、動作周波数で共振を起こすようにラジアル線に接続され、そのインピーダンスを調整する。
[0004] 大規模タワーに基づくアンテナが用いられる別の例として、長距離電波航法（ＬＯＲＡＮ）システムなどの航法システム用の低周波数送信局がある。ＬＯＲＡＮは、第二次世界大戦中にアメリカで開発された。精度と有用性を向上した後続の実施形態として、ＬＯＲＡＮーＣおよび後続の強化型ＬＯＲＡＮ（ｅＬＯＲＡＮ）実施形態などが提供された。より具体的には、ｅＬＯＲＡＮは、９０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下の周波数帯域で動作する低周波無線航法システムである。低周波数のｅＬＯＲＡＮ送信は、地表に沿って進む表面波の一種である地表波として伝播が可能である。ｅＬＯＲＡＮ波伝播のもう１つの重要なメカニズムとして、電離層反射または上空波がある。典型的な低周波アンテナでは、タワー自体がモノポールアンテナとして使用される。タワーの高さが、動作波長に起因して６００フィート以上になる場合があるため、多くの上部ワイヤがタワー上部に接続され、共振コンデンサを形成する。これらのワイヤは、トップローディングエレメント（ＴＬＥ）として知られ、円錐体に近似する場合がある。
[0005] ｅＬＯＲＡＮは、１００ｋＨｚなどの低周波数で動作し得るため、送信アンテナが物理的に大きくなる。それでもｅＬＯＲＡＮでは、アンテナの電気的サイズは波長に対して小型である。物理特性上、電気的小型アンテナの固定同調帯域幅は制限される場合がある。参考文献『Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｎｔｅｎｎａｓ』ＣｈｕＬ.Ｊ.（１９４８年１２月）、応用物理ジャーナル第１９巻：１１６３～１１７５で説明されているようなＣｈｕ Ｌｉｍｉｔが１つの理論であり、これを本明細書で参照する。Ｃｈｕによる帯域幅限界値の方程式は、Ｑ=１／ｋｒ3で表し得る。ここで、Ｑは帯域幅に関連する無次元数であり、ｋは波数＝２π／λであり、ｒはアンテナを包囲する球状分析体の半径である。次に、小型アンテナの３ｄＢ帯域幅（パーセント）は、２００／Ｑに等しい。Ｃｈｕ Ｌｉｍｉｔを克服するために、フィードバックを伴う「能動負荷インダクタ」を用いる試みがなされているが、このような「能動負荷インダクタ」には半導体装置を必要とし、克服には効率や利得の点で大きな打撃を与える。アンテナの放射帯域幅は、立ち上がり時間が早く急峻なｅＬＯＲＡＮパルスを送信できるという点で、ｅＬＯＲＡＮにとって非常に重要な問題である。
[0006] アンテナ構造のサイズが波長に対して小さい場合、効率と実現利得は小さくなり得る。半径λ／２πの球体に納まるアンテナは、電気的に小型であると定義され、その指向性は０ｄＢｉ以上１．７６ｄＢｉ以下でなければならない。効率が１００の場合、実現利得は０ｄＢｉ以上１．７６ｄＢｉ以下でなければならない。ほとんどの電気的小型アンテナは環状体放射パターン形状を有するが、本出願の譲受人に譲渡されたＰａｒｓｃｈｅの米国特許第８，１６４，５２９号で提供される略球状パターンのような例外もあり得る。
[0007] もちろん、最も小型のアンテナの場合、材料が少なくなるため、実現利得は０ｄＢｉ以上１．７６ｄＢｉ以下よりもはるかに低くなる。天然の室温絶縁体は、今日の導体よりも優れている。つまり、金属や銅でさえ究極的には実用的小型アンテナの効率に対して根本的な制約となる。超伝導体でさえ解決策とはならない。なぜならアンテナＲＦ電流が、ＲＦ電流を表面に放出する磁場を発生させるか、電流を完全に遮断するためである。
[0008] 全地球測位システム（ＧＰＳ）などの衛星系航法システムの台頭に伴い、ｅＬＯＲＡＮなどの地上系航法システムへの投資またはその開発は、最近までほとんどされてこなかった。衛星航法システムの予備として、このようなシステムへの関心が新たに高まっている。特に、低周波数を用いるｅＬＯＲＡＮ信号は、比較的高い周波数を用いるＧＰＳ信号に比べて電波妨害やスプーフィングの影響を受けにくいためである。したがって、特定の用途において、ｅＬＯＲＡＮアンテナシステムのさらなる開発が望ましい場合がある。
[0009] 上述のように、ｅＬＯＲＡＮシステムの動作周波数と、陸上車両および船舶への一般的な展開を考えると、ｅＬＯＲＡＮアンテナの設計には固有の設計問題が存在する可能性がある。特に、ｅＬＯＲＡＮアンテナの移動用途を考慮すると、移動アンテナは小型で耐久性を備え、かつ共振周波数が安定している必要がある。ところが、ｅＬＯＲＡＮアンテナはその小型さ故に、これらの低周波信号の受信機として本質的に非効率となる。
[0010] 概して、ＬＯＲＡＮ装置は、ハウジングと、前記ハウジングに含まれる電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナと、を備えてよい。前記ＬＯＲＡＮ装置は、前記ハウジングに含まれ、前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナに接続されるＬＯＲＡＮ受信機と、前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナが、強制的にＬＯＲＡＮ受信信号と共振状態になるように前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナに接続され少なくとも１つのＲＦ結晶共振器と、を有してよい。
[0011] 特に、前記少なくとも１つのＲＦ結晶共振器は、少なくとも１つの水晶振動子を備えてよい。前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナは、電気的に浮遊するアンテナ素子を備えてよい。
[0012] いくつかの実施形態では、前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナは、第１アンテナ素子および第２アンテナ素子を有するダイポールアンテナをさらに備えてもよい。前記第１アンテナ素子は電気的に浮遊してよく、前記第２アンテナ素子は接地板の特性を有してもよい。さらに、前記少なくとも１つのＲＦ結晶共振器は、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子のうち一方と直列に接続される第１結晶共振器と、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子と並列に接続される第２結晶共振器と、を備えてよい。
[0013] 例えば、前記少なくとも１つのＲＦ結晶共振器は、０．２５ヘンリー以上０．７５ヘンリー以下の範囲のインダクタンスを提供してよい。前記ＬＯＲＡＮ受信機は、ＲＦアンプと、前記ＲＦアンプに接続されるＬＯＲＡＮ受信機電子部品とを備えてよい。前記ＬＯＲＡＮ装置は、前記ハウジングに含まれ、前記ＬＯＲＡＮ受信機に接続されるディスプレイをさらに備えてよい。さらに、いくつかの実施形態では、前記ＬＯＲＡＮ装置は、ｅＬＯＲＡＮ装置を備える。
[0014] 別の態様は、ＬＯＲＡＮ装置を製造するための方法を対象とする。前記方法は、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナをハウジング上に実装することと、ＬＯＲＡＮ受信機を前記ハウジング内に実装し、前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナに接続することと、少なくとも１つのＲＦ結晶共振器を、前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナが強制的にＬＯＲＡＮ受信信号と共振状態になるように、前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナに接続することと、を含んでよい。
本開示に係るＬＯＲＡＮ通信システムの概略図である。 本開示に係るＬＯＲＡＮ装置の概略図である。 本開示の第１実施形態に係るＬＯＲＡＮ装置の回路図である。 本開示の第２実施形態に係るＬＯＲＡＮ装置の回路図である。 本開示の第３実施形態に係るＬＯＲＡＮ装置の回路図である。 図５のＬＯＲＡＮ装置における利得の図である。 図４のＬＯＲＡＮ装置における電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の図である。 図４のＬＯＲＡＮ装置における掃引利得応答の図である。 本開示に係るＬＯＲＡＮ装置を製造するための方法のフローチャートである。
[0024] 本発明のいくつかの実施形態が示されている添付図面を参照しながら、以下で本開示を詳説する。しかしながら、本開示は、多くの異なる形態で実現されてもよく、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が詳細かつ完全な形で、また本開示の範囲を当業者に完全に伝えるように提供されている。全体を通して、同じ番号は同じ要素を指し、１００番台の参照番号は、代替の実施形態における同様の要素を示すために使用される。
[0025] まず図１および図２を参照して、本開示に係るＬＯＲＡＮ通信システム２０について説明する。ＬＯＲＡＮ通信システム２０は例示的に、複数のＬＯＲＡＮ送信局２１ａ～２１ｃを含む。理解されるように、複数のＬＯＲＡＮ送信局２１ａ～２１ｃは、それぞれ複数のＬＯＲＡＮパルスを送信するように構成されている。ＬＯＲＡＮ通信システム２０は、複数のＬＯＲＡＮ通信規格、例えば、ｅＬＯＲＡＮ、ＬＯＲＡＮ－Ａ、ＬＯＲＡＮ－Ｂ、およびＬＯＲＡＮーＣのうちの１つまたは複数を実装できる。
[0026] ＬＯＲＡＮ通信システム２０は例示的に、複数のＬＯＲＡＮパルスを受信するように構成されたＬＯＲＡＮ装置２２を含み、前記複数のＬＯＲＡＮパルスを利用して前記ＬＯＲＡＮ装置の位置を判定する。特に、当業者によって理解されるように、ＬＯＲＡＮ装置２２は、パルス時間間隔を測定して、前記ＬＯＲＡＮ装置２２の緯度および経度の位置を判定するように構成される。いくつかの実施形態では、前記ＬＯＲＡＮ装置２２は、受信専用装置である。図面上の明確性のため、ＬＯＲＡＮ装置２２は１台だけ示されているが、ＬＯＲＡＮ通信システム２０において、本明細書に開示される教示を、全てでないにしろ、１台以上のＬＯＲＡＮ装置に適用してもよいことが理解されよう。
[0027] ＬＯＲＡＮ装置２２は例示的に、ハウジング２３と、前記ハウジングに含まれる電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４と、を含む。理解されるように、ＬＯＲＡＮ通信が低周波数であるという性質上、特にＬＯＲＡＮパルスが複数である場合、アンテナの共振アンテナ長が非常に長くなる。ＬＯＲＡＮ装置２２では、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４のサイズと長さは、それ自体の自己共振に必要な長さをはるかに下回っている。たとえば、１００ｋＨｚの周波数で共振する半波ダイポール受信アンテナは、長さが約１５００メートルで、１／４波モノポールは、高さが約７５０メートルである。
[0028] いくつかの実施形態では、電気的に短いロランアンテナ２４は、モノポールアンテナを備える（図１～図２）。他の実施形態では、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４は、ダイポールアンテナを備えてよい（図３～図５）。電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４は、ホイップアンテナ、またはパッチアンテナを備えてもよい。
[0029] 図示の実施形態では、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４は、電気的に浮遊するアンテナ素子を備える。理解されるように、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４は、周囲の部品から電気的に絶縁されている。
[0030] より具体的には、電気的に浮遊する／周囲から絶縁されたアンテナ素子は、ＬＯＲＡＮ装置２２のハウジング２３に含まれて（たとえば、はめ込まれて）おり、このＬＯＲＡＮ装置２２は、例示的な移動式携帯装置の形状因子を有している。さらに、電気的に浮遊するアンテナ素子は、ハウジング２３の最上端に沿って搭載される。もちろん、他の実施形態では、ＬＯＲＡＮ装置２２は、たとえば、携帯型電子機器（ＰＥＤ）、車両プラットフォームなどの電気的に短いアンテナを必要とする他の形状因子を有し得る。
[0031] ＬＯＲＡＮ装置２２は例示的に、ハウジング２３に含まれ、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４に接続されるＬＯＲＡＮ受信機２５と、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナが強制的にＬＯＲＡＮ受信信号（すなわち、１以上のＬＯＲＡＮパルス）と共振状態になるように、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナに接続されるＲＦ結晶共振器２６とを含む。いくつかの実施形態では、ＲＦ結晶共振器２６は、任意の圧電装置と置き換えることができる。
[0032] ＲＦ結晶共振器２６は、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４を強制的にＬＯＲＡＮ周波数に共振させるために、安定した値の負荷インダクタ（誘導性リアクタンスを提供）として作用するように構成されている。いくつかの実施形態では、ＲＦ結晶共振器２６は、屈曲モード水晶などの水晶振動子を含み得る。例えば、ＲＦ結晶共振器２６は、０．２５ヘンリー以上０．７５ヘンリー以下の範囲のインダクタンスを提供してもよい。一般的な手法では、そのような高い値のインダクタンスをコイルで達成するのは難しい場合がある。
[0033] また、ＬＯＲＡＮ受信機２５は例示的に、ＲＦアンプ２７と、前記ＲＦアンプに接続されるＬＯＲＡＮ受信機電子部品３０とを含む。ＬＯＲＡＮ装置２２は、前記ハウジング２３に含まれ、前記ＬＯＲＡＮ受信機２５に接続されるディスプレイ３１をさらに含む。いくつかの実施形態では、前記ＬＯＲＡＮ装置２２の位置は、前記ディスプレイ３１上に提示されてもよい。
[0034] ＬＯＲＡＮ装置２２は例示的に、前記ＬＯＲＡＮ受信機電子部品３０および前記ディスプレイ３１に接続される電源３２を備える。例えば、前記電源３２は、バッテリー電源を備えてよい。
[0035] 次に、図９および図９内のフローチャート９０を簡単に参照し、ＬＯＲＡＮ装置２２の製造方法を説明する。（ブロック９１）。前記方法は、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４をハウジング２３上に実装すること（ブロック９３）と、ＬＯＲＡＮ受信機２５を前記ハウジング内に実装し、前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナに接続すること（ブロック９５）と、ＲＦ結晶共振器２６を、前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナが強制的にＬＯＲＡＮ受信信号と共振状態になるように、前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナに接続することと、を含む。（ブロック９７および９９）。
[0036] ここでさらに図３を参照し、ＬＯＲＡＮ装置１２２の別の実施形態について次に説明する。本実施形態のＬＯＲＡＮ装置１２２では、図１および図２に関してすでに上記で説明した要素は１００番台となり、ここでこれ以上説明する必要はないものとする。本実施形態が先の実施形態と異なる点は、本ＬＯＲＡＮ装置１２２が、第１アンテナ素子１２４ａおよび第２アンテナ素子１２４ｂを有するダイポールアンテナを備える電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナを含むことである。ＬＯＲＡＮ装置１２２は例示的に、ＲＦ結晶共振器１２６およびＬＯＲＡＮ受信機１２５との間に接続される変圧器１３３を備える。前記変圧器１３３は、関連受信機および同時にＲＦ結晶共振器１２６のためにアンテナシステムの抵抗値を効率的な値にする一助を担い、アンテナの導電性構造体を強制的に共振させる。
[0037] ここでさらに図４を参照し、ＬＯＲＡＮ装置２２２の別の実施形態について次に説明する。本実施形態のＬＯＲＡＮ装置２２２では、図１および図２に関してすでに上記で説明した要素は２００番台となり、ここでこれ以上説明する必要はないものとする。本実施形態が先の実施形態と異なる点は、本ＬＯＲＡＮ装置２２２が、第１アンテナ素子２２４ａおよび第２アンテナ素子２２４ｂを有するダイポールアンテナを備える、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナを含むことである。第１アンテナ素子２２４ａは電気的に浮遊している。破線で示されるように、第２アンテナ素子２２４ｂは、接地板の特性を有してもよく、設基準電圧２３７（例えば、図示されたシャーシグランド）に接続されている。あるいは、第２アンテナ素子２２４ｂは、ＬＯＲＡＮ受信機２２５に接続される。
[0038] ＬＯＲＡＮ装置２２２は例示的に、第１アンテナ素子２２４ａと直列に接続された第１結晶共振器２２６と、前記第１結晶共振器と並列に接続される第１可変コンデンサ２３４と、を備える。ＬＯＲＡＮ装置２２２は、第１アンテナ素子２２４ａおよび第２アンテナ素子２２４ｂと並列に接続された第２結晶共振器２３５と、前記第２結晶共振器と並列に接続される第２可変コンデンサ２３６と、を含む。
[0039] 第１可変コンデンサ２３４および第２可変コンデンサ２３６は、第１結晶共振器２２６および第２結晶共振器２３５とそれぞれ同調し、インダクタンスを調節する。これにより、第１結晶共振器２２６および第２結晶共振器２３５の温度ドリフトへの対処が期待される。第２結晶共振器２３５を追加することにより、ＬＯＲＡＮ装置２２２は、アンテナ抵抗を５０オーム近くの値まで調整することが可能で、これはＲＦ回路では一般的である。
[0040] いくつかの実施形態では、第１結晶共振器２２６と第２結晶共振器２３５は、同一である。他の実施形態では、第１結晶共振器２２６と第２結晶共振器２３５は異なる。また、第１可変コンデンサ２３４と第２可変コンデンサ２３６の静電容量の比率が、受信経路の抵抗となる（たとえば、５０オーム）。また、第１可変コンデンサ２３４と第２可変コンデンサ２３６の静電容量の合計が、アンテナ周波数となる。
[0041] ここでさらに図５および図６を参照して、ＬＯＲＡＮ装置３２２の別の実施形態を説明する。本実施形態のＬＯＲＡＮ装置３２２では、図１および図２に関してすでに上記で説明した要素は３００番台となり、ここでこれ以上説明する必要はないものとする。本実施形態が先の実施形態と異なる点は、本ＬＯＲＡＮ装置３２２が、第１アンテナ素子３２４ａおよび第２アンテナ素子３２４ｂを有するダイポールアンテナを備える電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナを含むことである。第１アンテナ素子３２４ａは電気的に浮遊しており、第２アンテナ素子３２４ｂはＬＯＲＡＮ受信機３２５に接続されている。
[0042] ＬＯＲＡＮ装置３２２は例示的に、第１アンテナ素子３２４ａと直列に接続された第１結晶共振器３２６と、第１結晶共振器と並列に接続される第１コンデンサ３３４と、を備える。ＬＯＲＡＮ装置３２２は、第１アンテナ素子３２４ａおよび第２アンテナ素子３２４ｂと並列に結合された第２結晶共振器３３５と、第２結晶共振器と並列に結合された第２コンデンサ３３６と、を含む。
[0043] ＬＯＲＡＮ装置３２２は例示的に、第１アンテナ素子３２４ａと直列に接続された第３結晶共振器３４０と、第３結晶共振器と並列に接続される第３コンデンサ３４１と、を備える。ＬＯＲＡＮ装置３２２は、第１アンテナ素子３２４ａおよび第２アンテナ素子３２４ｂと並列に接続される第４結晶共振器３４２と、第４結晶共振器と並列に接続された第４コンデンサ３４３と、を含む。
[0044] 言い換えれば、このＬＯＲＡＮ装置３２２は、指定されたリップル振幅に対する制御された周波数応答を可能にするために、結晶共振器の格子回路網を採用している。図表６０は、ＬＯＲＡＮ装置３２２の利得特性を図示している。利得特性には、４次チェビシェフ周波数応答が含まれる。いくつかの実施形態では、ＬＯＲＡＮ装置３２２は、図示された４つの結晶共振器３２６、３３５、３４０、３４２より多くの結晶共振器を備えてよい。有益なことに、より多くの結晶共振器含めることで、フィルター理論で知られている通り、より高効率かつ広域の帯域幅を得られる可能性がある。
[0045] ここで図７および図８を参照し、図表６１および６２は、それぞれＬＯＲＡＮ装置２２２の例示的実装例におけるＶＳＷＲおよび掃引利得応答を示している。本シミュレーションでは、第１アンテナ素子２２４ａと第２アンテナ素子２２４ｂは、それぞれ長さ１０インチの１８ゲージ（米国ワイヤゲージ規格）導電体ワイヤで構成されている。第１可変コンデンサ２３４と第２可変コンデンサ２３６の容量値はそれぞれ７ｐＦ以上４０ｐＦ以下である。第１結晶共振器２２６と第２結晶共振器２３５はそれぞれ、６９．５４５ＭＨｚの共振器を備えている。明らかなように、本シミュレーションは１．９／１ＶＳＷＲで２３．２８７２８８ＭＨｚの共振を示している。図表６２は、２３．２９０３４８ＭＨｚでの共振（つまり、ピーク利得）を示す。
[0046] 電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４の放射パターンは、半波ダイポールによって提供されるものと同様の、正弦関数（３Ｄ環状体形状）である。垂直に保持されたｅＬＯＲＡＮ受信機の場合、偏光は垂直である。３ｄＢのビーム幅は約８５度である。実現利得は、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４要素サイズと、ＲＦ結晶共振器２６のＱとの関数である。放射効率ηは、η＝ｒｒ／（ｒｒ＋ｒｃ）で求められる。ここで、ｒｒ＝アンテナの放射抵抗であり、ｒｃは水晶振動子の等価直列抵抗または損失抵抗である。短いＬＯＲＡＮアンテナ２４のアンテナ金属導体の損失は、通常無視できる。小型アンテナの指向性は基本的に０以上１．５以下であり、より一般的には１．５であるため、実現利得Ｇは、Ｇ＝１０ＬＯＧ１０（１．５η）ｄＢｉ．３となる。
[0047] ｅＬＯＲＡＮで典型的な１００ｋＨｚなどの低周波数では、電離層やその他の自然発生源からの電光放射や電子ジャイロ共鳴により、大気ノイズレベルが高くなる。同様に、近隣の電力線導体およびスイッチング電源からの人為的干渉が存在する可能性もある。この現実に対して、世界的なノイズレベルおよび干渉レベルが、スイスのジュネーブにある国際電気通信連合の出版物『Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ ＩＴＵ－Ｒ Ｐ．３７２－１３（０９－２０１６）Ｒａｄｉｏ Ｎｏｉｓｅ』で説明されている。本書の図３「Ｆａ Ｖｅｒｓｕｓ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ」では、これらの大気ノイズおよび人為的干渉レベルが、室温における１００ｋＨｚ受信アンテナでの熱ノイズに対して、７５デシベルから１４０デシベル大きい振幅で変動することを示している。電気的小型アンテナの指向性Ｄが小さいことを考慮すると（０ｄＢｉ＜Ｄ＜１．７６ｄＢｉ）、本レポートは、電気的小型アンテナが１００ｋＨｚでアンテナの熱雑音を克服するために必要な実現利得が、季節および地球上の位置によって、－７３ｄＢｉから－１４０ｄＢｉの間で変化することを示している。電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４試作品の試験では、すべての試作品において、アメリカの冬の人工干渉のない遠隔地のテスト環境で、１００ｋＨｚ動作周波数で十分に大気ノイズを解決した。言い換えれば、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナ２４は、サイズに対して非常に優れた感度と利得があるので、意図されるｅＬＯＲＡＮの目的としてこれ以上の感度が必要とされないところまで十分に感度が高い。
[0048] 次に動作原理について説明する。アンテナ２４は波長に対して小型であるため、アンテナ２４要素として多くの形状が考えられる。これは、ほとんどの場合、アンテナの放射パターンがアンテナ形状にあまり関係がないことを意味する。アンテナ２４の放射パターンは環状となるが、放射パターンが球状に近似するようアンテナ２４を並べた形状も考えられる。閉回路を有さないダイポール、モノポール、ウィップ、パッチ、またはその他のアンテナ２４要素が考えられるため、電気的に小型アンテナ２４要素をＲＦ動作周波数に強制するために必要な負荷リアクタンスは、誘導負荷リアクタンスである。たとえば水晶振動子２６などのＲＦ結晶共振器２６の動作周波数は、ＲＦ結晶共振器２６回路インピーダンス曲線の誘導リアクタンス領域にあることが有利であり、この領域は一般的に、水晶の直列および並列共振周波数の間にあり得る。したがって、電気的に短いモノポールアンテナ２４の誘導負荷の場合、ＲＦ受信周波数はＲＦ結晶共振器２４の並列共振周波数のすぐ下であってよい。したがって、ＲＦ結晶共振器２６とＲＦ受信周波数の共振周波数は、わずかに異なる可能性がある。
[0049] アンテナ２４の効率および実現利得について。ダイポール、モノポール、ホイップ、またはパッチアンテナ２４素子など、開回路を有する先行技術による電気的小型アンテナ素子は、コイルインダクタを使用することによって頻繁に共振状態に装荷される。ただし、水晶のＱ値は１００，０００に達する可能性があり、銅コイルインダクタのＱ値は、たとえば１００であってよいため、水晶振動子２６の等価直列抵抗または損失抵抗は、銅コイル負荷インダクタの１０００分の１になり得る。よって、ＲＦ結晶共振器２６は、電気的小型アンテナの装荷および強制共振を、従来技術で利用可能な銅コイルよりも、効率的な形で提供する。ＲＦ結晶共振器は、銅コイルよりもはるかに小さいことがある。水晶の安定性を考えると、対応するアンテナ同調の安定性は非常に優れている。
[0050] 典型的な手法では、小型ダイポールには、共振を強制するため負荷インダクタが必要となる場合がある。本手法の潜在的な欠点は、負荷インダクタの金属材料によって損失が大きくなることである。さらに、これらの手法によると、利得結果が低くなり、受信機の反応が鈍くなり、および／または製品サイズが過剰になる可能性がある。
[0051] 本明細書に開示されたＬＯＲＡＮ装置２２、１２２、２２２、および３２２は、ＬＯＲＡＮ装置を小型形状因子の携帯機器に配置するための手法を提供する。言い換えれば、ＬＯＲＡＮアンテナが必ず電気的に短い適用条件である。さらに、ＬＯＲＡＮ装置２２、１２２、２２２、および３２２は、ＬＯＲＡＮアンテナ同調と、より強力な受信性能とを提供することができる。特に、結晶共振器はＬＯＲＡＮ信号のインダクタとして用いられ、通常の手法では大型のインダクタを代替することができる。たとえば、必要なインダクタンスのコイルインダクタは、値が１／２ヘンリーまでの範囲であり、費用と大きさの観点から望ましくない。
[0052] 通信システムに関連するその他の特徴は、２０１８年５月１６日に出願された同時係属中の米国特許出願第１５／９８０，８５７号に開示されており、その内容全体を参照により本明細書に援用する。
[0053] 本開示の多くの修正および他の実施形態は、当業者であれば、前述の説明および関連する図面に提示された教示を利用して想到し得るものである。したがって、本開示は、開示された特定の実施形態に限定されるべきではなく、修正および実施形態は、特許請求の範囲内に含まれるということが意図されることが理解される。

Claims (17)

  1. 長距離電波航法（ＬＯＲＡＮ）装置であって、
    ハウジングと、
    前記ハウジングに含まれ、第１アンテナ素子および第２アンテナ素子を有するダイポールを備える電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナと、
    前記ハウジングに含まれ、前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナに接続される、ＬＯＲＡＮ受信機と、
    前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナが強制的にＬＯＲＡＮ受信信号と共振状態になるための、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子のうち一方と直列に接続される第１無線周波数（ＲＦ）結晶共振器、並びに前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子と並列に接続される第２ＲＦ結晶共振器と、
    を備える、ＬＯＲＡＮ装置。
  2. 前記第１ＲＦ結晶共振器および前記第２ＲＦ結晶共振器のうち少なくとも１つが水晶振動子を備える、請求項１に記載のＬＯＲＡＮ装置。
  3. 前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナが、電気的に浮遊するアンテナ素子を備える、請求項１に記載のＬＯＲＡＮ装置。
  4. 前記第１アンテナ素子が電気的に浮遊しており、前記第２アンテナ素子が接地板の特性を有する、請求項１に記載のＬＯＲＡＮ装置。
  5. 前記第１ＲＦ結晶共振器および前記第２ＲＦ結晶共振器のうち少なくとも１つが、０．２５ヘンリー以上０．７５ヘンリー以下の範囲のインダクタンスを提供する、請求項１に記載のＬＯＲＡＮ装置。
  6. 前記ＬＯＲＡＮ受信機が、ＲＦアンプと、
    前記ＲＦアンプに接続されるＬＯＲＡＮ受信機電子部品と、
    を備える、請求項１に記載のＬＯＲＡＮ装置。
  7. 前記ハウジングに含まれ、前記ＬＯＲＡＮ受信機に接続されるディスプレイをさらに備える、請求項１に記載のＬＯＲＡＮ装置。
  8. 前記ＬＯＲＡＮ装置が、強化型ＬＯＲＡＮ（ｅＬＯＲＡＮ）装置を備える、請求項１に記載のＬＯＲＡＮ装置。
  9. 長距離電波航法（ＬＯＲＡＮ）装置であって、
    ハウジングと、
    前記ハウジングに含まれ、電気的に浮遊する第１アンテナ素子、および接地板の特性を有する第２アンテナ素子を備える、電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナと、
    前記ハウジングに含まれるＬＯＲＡＮ受信機と、
    前記第１アンテナ素子および前記ＬＯＲＡＮ受信機の間に直列に接続される第１無線周波数（ＲＦ）水晶振動子と、
    前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子と並列に接続される第２ＲＦ水晶振動子と、
    を備える、ＬＯＲＡＮ装置。
  10. 前記第１ＲＦ水晶振動子および前記第２ＲＦ水晶振動子のうち少なくとも１つが、０．２５ヘンリー以上０．７５ヘンリー以下の範囲のインダクタンスを提供する、請求項９に記載のＬＯＲＡＮ装置。
  11. 前記ＬＯＲＡＮ受信機が、
    ＲＦアンプと、
    前記ＲＦアンプに接続されるＬＯＲＡＮ受信機電子部品と
    を備え、
    前記ハウジングに含まれ、前記ＬＯＲＡＮ受信機に接続されるディスプレイをさらに備える、請求項９に記載のＬＯＲＡＮ装置。
  12. 前記ＬＯＲＡＮ装置が、強化型ＬＯＲＡＮ（ｅＬＯＲＡＮ）装置を備える、請求項９に記載のＬＯＲＡＮ装置。
  13. 長距離電波航法（ＬＯＲＡＮ）装置を製造するための方法であって、
    電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナをハウジングに取付け、第１アンテナ素子および第２アンテナ素子を有するダイポールを具備させるステップと、
    ＬＯＲＡＮ受信機を前記ハウジングに取付け、前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナに接続させるステップと、
    前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナが強制的にＬＯＲＡＮ受信信号と共振状態になるように、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子のうち一方と直列になる第１無線周波数（ＲＦ）結晶共振器と、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子と並列になる第２ＲＦ結晶共振器とを接続するステップと、
    を含む、方法。
  14. 前記第１ＲＦ結晶共振器および前記第２ＲＦ結晶共振器のうち少なくとも１つが水晶振動子を備える、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記電気的に短いＬＯＲＡＮアンテナが、電気的に浮遊するアンテナ素子を備える、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記第１アンテナ素子が電気的に浮遊しており、前記第２アンテナ素子が接地板の特性を有する、請求項１３に記載の方法。
  17. 前記ＬＯＲＡＮ装置が、強化型ＬＯＲＡＮ（ｅＬＯＲＡＮ）装置を備える、請求項１３に記載の方法。
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Handbook et al. A WORLD HISTORY OF ELECTRICALLY SMALL ANTENNAS

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