JPWO2017221290A1

JPWO2017221290A1 - アンテナ装置

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Publication number: JPWO2017221290A1
Application number: JP2017535842A
Authority: JP
Inventors: 寛明坂本; 崇柳; 深沢　徹; 徹深沢
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: JP6456506B2; WO2017221290A1

Abstract

地導体５と、一端から他端へと、地導体５から鉛直に伸長し、所定の箇所で地導体５と水平になるように略９０度折れ曲がり、長さが使用周波数の略１／４波長である第１の導体１０１、及び、地導体５に接続した一端から他端へと、地導体５から鉛直に伸長し、所定の箇所で地導体５と水平になるように略９０度折れ曲がり、他端が、第１の導体１０１の他端と同一方向を向くよう、地導体５と第１の導体１０１との間に配置した第２の導体１０２、を有する部分アンテナ４つを、地導体５の鉛直方向から見て各々が正方形の各辺に重なる形状に配置し、隣接する部分アンテナの第１の導体の一端間が９０度位相差をつけて発振回路により励振されるアンテナ放射部とを備えたことを特徴とするアンテナ装置。

Description

本発明は、小形で広帯域な円偏波放射を特徴とするアンテナ装置に関するものである。

衛星電話サービスや全地球測位システム（ＧＰＳ）衛星を用いた位置情報サービスなどで用いられる端末は、利用者の動きに柔軟に対応すべく、偏波損が生じにくい円偏波放射アンテナが利用されている。

円偏波を特徴とするアンテナ方式として、スパイラルアンテナやパッチアンテナなどが挙げられる。しかし、これらのアンテナは大型であるため、小形化が求められている。

また、１つのアンテナで複数のシステムを共用したり、多機能化するにあたって、複数の周波数帯を用いたりするための広帯域化も求められている。

これに対し、特許文献１には、４個のＬ字励振プローブをキャビティ中心に対して周方向に９０度毎の位相差をつけて励振することで小型化と薄型化が可能な円偏波放射が可能なアンテナ装置が示されている。

また、特許文献２には、逆Ｆアンテナと逆Ｌアンテナを組み合わせることで共振周波数の調整が容易にできる小形で広帯域なアンテナ装置が示されている。

特開２０１１−３９８４号公報特開２００３−１２４７４２号公報

しかしながら、特許文献１では、小形な円偏波放射が可能なアンテナ装置が開示されているが、広帯域化するための手段に関する記載はされていない。

特許文献２では、小形で広帯域なアンテナ装置が開示されているが、円偏波を放射するための手段に関する記載はされていない。

上記に鑑みて本発明の目的は、小形で広帯域な円偏波放射を可能とするアンテナ装置を提供する点である。

本発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、地導体と、一端から他端へと、前記地導体から鉛直に伸長し、所定の箇所で前記地導体と水平になるように略９０度折れ曲がり、長さが使用周波数の略１／４波長である第１の導体、及び、前記地導体に接続した一端から他端へと、前記地導体から鉛直に伸長し、所定の箇所で前記地導体と水平になるように略９０度折れ曲がり、前記他端が、前記第１の導体の他端と同一方向を向くよう、前記地導体と前記第１の導体との間に配置した第２の導体、を有する部分アンテナ４つを、前記地導体の鉛直方向から見て各々が正方形の各辺に重なる形状に配置し、隣接する部分アンテナの前記第１の導体の一端間が９０度位相差をつけて発振回路により励振されるアンテナ放射部とを備えたことを特徴とするアンテナ装置を提供する。

本発明により、小形で広帯域な円偏波放射するアンテナ装置を提供できる。

本発明の実施形態１におけるアンテナ装置を示す構成図。本発明の実施形態１における部分アンテナを示す構成図。本発明の実施形態１におけるアンテナ装置を地導体上空から見た構成図。本発明の実施形態２におけるアンテナ装置を示す構成図。本発明の実施形態２における部分アンテナを示す構成図。本発明の実施形態２におけるアンテナ装置の電気特性を示す図。本発明の実施形態２におけるアンテナ装置の放射パターンを示す図。本発明の実施形態３におけるアンテナ装置を示す構成図。本発明の実施形態３における部分アンテナを示す構成図。本発明の実施形態４におけるアンテナ装置を示す構成図。本発明の実施形態４におけるアンテナ装置の電気特性を示す図。本発明の実施形態４におけるアンテナ装置の放射パターンを示す図。本発明の実施形態５におけるアンテナ装置を示す構成図。本発明の実施形態５におけるアンテナ装置の電気特性を示す図。本発明の実施形態６におけるアンテナ装置を示す構成図。本発明の実施形態６におけるアンテナ装置の放射パターンを示す図。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図である。

図１において、１は第１の部分アンテナ、２は第２の部分アンテナ、３は第３の部分アンテナ、４は第４の部分アンテナ、５は地導体である。

第１の部分アンテナ１、第２の部分アンテナ２、第３の部分アンテナ３と第４の部分アンテナ４は同じ構造をしており、図２を用いて第１の部分アンテナ１について説明する。
なお、第１の部分アンテナ１、第２の部分アンテナ２、第３の部分アンテナ３と第４の部分アンテナ４を合わせてアンテナ放射部と称する。

図２において、５は地導体、１０１は第１の導体、１０２は第２の導体、１０３は給電点である。

第１の導体１０１は、一端が地導体５から鉛直に伸長し、地導体５と垂直な部分と水平な部分で構成される。図２の例では、第１の導体１０１が逆Ｌ形のアンテナを形成した場合を示している。

第２の導体１０２は、第１の導体１０１と地導体５の間に配置され、地導体５と垂直な部分と平行な部分で構成される。第２の導体１０２は、地導体５と垂直部分の一端が地導体５に短絡され、地導体５と平行な部分の一端が第１の導体１０１と同一方向を向くように配置された無給電素子である。

なお、図２では、第２の導体１０２が逆Ｌ形のアンテナを形成した場合を示している。

給電点１０３は、アンテナ装置から放射される電磁波の元となる高周波電圧が印加される位置を示す。なお、図２では、模式的に給電点１０３を描画しているが、実装において、給電点１０３が物理的な構成要素として形成されるわけではない。

図１に示すように、部分アンテナ１〜４は、９０度回転対称となるように配置されている。本実施の形態におけるアンテナ素子を、地導体５の上空から見ると、図３に示すように、部分アンテナ１〜４の第１の導体１０１の開放端である先端が反時計回りに、それぞれ正方形の一辺となるように配置されている。

さらに、本実施の形態では、各給電点１０３に同振幅で９０度位相差をつけて励振するための分配回路（図示せず）を備えているものとする。本実施の形態では、この分配回路は、地導体５上空から見て時計回り方向に＋９０度位相差を与えるものとする。
なお、この分配回路は、新たに回路用の誘電体基板を用いて、銅箔パターンをエッチングすることで形成してもよい。

次に動作について説明する。

分配回路は、各部分アンテナの給電点１０３に対し、高周波電圧（信号）を出力する。なお、各部分アンテナの給電点１０３に対し出力される信号は、９０度位相差がつけられており、例えば、部分アンテナ１の給電点１０３には０度、部分アンテナ２の給電点１０３には９０度、部分アンテナ３の給電点１０３には１８０度、部分アンテナ４の給電点１０３には２７０度の位相差がつけられた信号が出力される。

各部分アンテナ内での動作について説明する。
第１の導体１０１からなるアンテナ素子に入力された信号は、線路上を伝わる際に共振現象により空間に放射される。その際、第１の導体１０１からなるアンテナ素子により、電界の強まる位置に第２の導体１０２からなるアンテナ素子を配置することで電磁界結合が発生し、第２の導体１０２の線路上に電流が流れる。

この第１の導体１０１からなるアンテナ素子と、第２の導体からなるアンテナ素子の全長は、共振周波数に対応する。第１の導体１０１からなるアンテナ素子と、第２の導体１０２からなるアンテナ素子の全長はそれぞれの共振周波数の１／４波長程度となる。

そのため、第１の導体１０１からなるアンテナ素子と、第２の導体１０２からなるアンテナ素子の全長が別の値となるようにすることで、第１の導体１０１からなるアンテナ素子の共振周波数と、第２の導体１０２からなるアンテナ素子の共振周波数をずらすことができる。

各部分アンテナの給電点１０３には、同振幅ではあるが、９０度位相差がつけられた信号が入力されるため、アンテナ素子上に流れる電流にも９０度の位相差が発生し、円偏波の放射が可能となる。

以上のように、第１の導体１０１からなるアンテナ素子と、第２の導体１０２からなるアンテナ素子の全長を別の値とし、第１の導体１０１からなるアンテナ素子の共振周波数と、第２の導体１０２からなるアンテナ素子の共振周波数をずらした部分アンテナを９０度回転対称となるように配置することによって、多周波化および周波数帯域を広げる広帯域化が可能となる。

なお、本実施の形態で用いた図１の構成の場合では、第１の導体１０１からなる逆Ｌアンテナは第２の導体１０２からなる逆Ｌアンテナよりも全長が長いため、共振周波数は第２の導体１０２からなる逆Ｌアンテナよりも低くなる。
実施の形態２．
実施の形態１では、地導体５に一端が短絡され、地導体５と垂直な部分と平行な部分で構成される第１の導体１０１と、地導体５と垂直部分の一端が地導体５に短絡され、地導体５と平行な部分の一端が第１の導体１０１と同一方向を向くよう、第１の導体１０１と地導体５の間に配置された第２の導体１０２の全長を異なる値にした部分アンテナ１〜４を９０度回転対称となるように配置することによって、円偏波を放射するアンテナ装置の多周波化および広帯域化する場合について説明した。

本実施の形態では、各部分アンテナに係る、第１の導体１０１からなるアンテナ素子と第２の導体１０２からなるアンテナ素子との間で共振周波数を調整する際のインピーダンス整合を取りやすくした場合について説明する。

図４は、本発明の実施の形態によるアンテナ装置を示す構成図である。実施の形態１と同様、図４において、第１の部分アンテナ１、第２の部分アンテナ２、第３の部分アンテナ３と第４の部分アンテナ４は同じ構造をしており、図５を用いて本実施の形態に係る第１の部分アンテナ１を代表例として説明する。図５において、図２と同一符号は同一または相当部分を示している。

本実施の形態によるアンテナ装置は、実施の形態１と基本的な構成は同じであるが、各部分アンテナが第３の導体１０４を有する点が異なる。

第３の導体１０４は、図５に示すよう、一端が地導体５に短絡され、地導体５と垂直な部分と平行な部分で構成され、もう一方の端が第１の導体１０１に接続する。

図５では、第１の導体１０１と第３の導体１０４が逆Ｆ形のアンテナを形成した場合を示している。
なお、実施の形態１と同様、本実施の形態では、部分アンテナ１〜４は９０度回転対称となるように配置されているものとする。
また、実施の形態１と同様、本実施の形態では、各給電点１０３に同振幅で９０度位相差をつけて励振するための分配回路を備えているものとする。

次に動作について説明する。
分配回路は、各部分アンテナの給電点１０３に対し、高周波電圧（信号）を出力する。なお、各部分アンテナの給電点１０３に対し出力される信号は、９０度位相差がつけられており、例えば、部分アンテナ１の給電点１０３には０度、部分アンテナ２の給電点１０３には９０度、部分アンテナ３の給電点１０３には１８０度、部分アンテナ４の給電点１０３には２７０度の位相差がつけられた信号が出力される。
給電点１０３に対し、例えば正弦波電圧源を印加することにより第１の導体１０１からなるアンテナ素子に高周波電圧（信号）が入力される。

この時、第３の導体１０４は、先端が短絡しているショートスタブの効果により、第１の導体１０１のインピーダンスマッチングを行うコンデンサやコイルの代わりとなる。
例えば、本来の特性インピーダンスをＺｓ、ショートスタブを付加した際の特性インピーダンスをＺ、スタブ長をｌ、波数をβ＝２π／λとした場合、ショートスタブは一般的に以下の式であらわされる。
Ｚ＝ｊ＊Ｚｓ＊ｔａｎ（βｌ）
従って、ｌ＜λ／４であれば並列インダクタとして動作し、λ／４＜ｌ＜λ／２であれば並列キャパシタとして動作するため、ショートスタブの寸法を調整することでインピーダンスの調整が可能である。

図６は本実施の形態によるアンテナ装置の電気特性を示す図である。図６の横軸は、規格化周波数、縦軸は反射特性Ｓ１１である。
図６を見てわかるように０．８６ｆ０、１．１ｆ０付近で共振しており、２周波化していることがわかる。さらには、反射特性Ｓ１１が−１０ｄＢ以下であるため良好な特性であると言える。

図７は本実施の形態によるアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図７の横軸は仰角、縦軸は指向性利得であり、主偏波成分であるＲＨＣＰ（ｒｉｇｈｔ−ｈａｎｄｅｄｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｗａｖｅ）を実線で示し、交差偏波成分であるＬＨＣＰ（ｌｅｆｔ−ｈａｎｄｅｄｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｗａｖｅ）を破線で示している。
図７を見て判るように、天頂角であるθ＝０ｄｅｇにおいてＲＨＣＰがピーク利得であり、上記角度ではＬＨＣＰが−４０ｄＢｉ以下であり、軸比良好な円偏波特性が得られている。

以上のように、各部分アンテナの第３の導体１０４を有し、第３の導体１０４の寸法や太さを変化することにより、第１の導体１０１からなるアンテナ素子の共振周波数を調整することが可能となる。

実施の形態３．
本実施の形態では、各部分アンテナに係る、第１の導体１０１からなるアンテナ素子と第２の導体１０２からなるアンテナ素子を誘電体基板上のパターンとして形成した場合について説明する。

図８は、本実施の形態によるアンテナ装置を示す構成図である。実施の形態２と同様、図８において、第１の部分アンテナ１、第２の部分アンテナ２、第３の部分アンテナ３と第４の部分アンテナ４は同じ構造をしており、図９を用いて本実施の形態に係る第１の部分アンテナ１を代表例として説明する。図９において、図５と同一符号は同一または相当部分を示している。

本実施の形態によるアンテナ装置は、実施の形態２と基本的な構成は同じであるが、各部分アンテナが誘電体基板１０５を有する点が異なる。

誘電体基板１０５は、その一辺が地導体５に短絡されており、地導体５と垂直に接する一面に、第１の導体１０１、第２の導体１０２、給電点１０３と第３の導体１０４がパターンで実現される分布定数のインダクタンスや伝送線路等の分布定数素子として形成されている。本実施の形態では、誘電体基板１０５としてＦｌａｍｅＲｅｔａｒｄａｎｔＴｙｐｅ４（ＦＲ４）などのガラスエポキシ基板を想定しているが、誘電率が高く安定した材質であれば、セラミックや酸化アルミナなどを用いた基板でもよい。

なお、給電点１０３は、誘電体基板１０５のパターン上に形成されている必要はなく、誘電体基板１０５のパターンと誘電体１００との接地点を用いてもよい。

誘電体基板１０５上のパターンとして形成された分布定数回路の大きさは、基板の誘電率で表せる短縮率で小型化が可能である。

以上のように、誘電体基板１０５上のパターンとして、第１の導体１０１からなるアンテナ素子、第２の導体１０２からなるアンテナ素子、第３の導体１０４を形成することにより、アンテナ装置の小型化が可能となる。
実施の形態４．
実施の形態１〜３では、地導体５の上空から見て、部分アンテナ１〜４の第１の導体１０１の開放端が反時計回りに、それぞれ正方形の一辺となるように配置した場合について説明した。
本実施の形態では、地導体５の上空から見て、部分アンテナ１〜４の第１の導体１０１の先端が時計回りに、それぞれ正方形の一辺となるように配置した場合について説明する。

図１０は本実施の形態によるアンテナ装置を示す構成図である。実施の形態２同様、図１０において、第１の部分アンテナ１、第２の部分アンテナ２、第３の部分アンテナ３と第４の部分アンテナ４は同じ構造をしている。
本実施の形態は、実施の形態２と基本的な構成は同じであり、第１の導体１０１と第３の導体１０４からなるアンテナ素子と、第２の導体１０２からなるアンテナ素子を地導体５上に９０度回転対称となるように配置する時に、地導体５上空から見て第１の導体１０１の先端が時計回り方向を向いている点が異なる。
なお、分配回路については、実施の形態２と同様、地導体５上空から見て時計回り方向に＋９０度位相差を与えるものとする。

図１１は本実施の形態のアンテナ装置の電気特性を示す図で、図１２は本実施の形態によるアンテナ装置の放射パターンを示す図である。

本実施の形態のアンテナ装置の電気特性（図１１）と、実施の形態２のアンテナ装置の電気特性（図６）とを比較すると、インピーダンス特性に大きな変化はないが、本実施の形態のアンテナ装置の放射パターン（図１２）と実施の形態２のアンテナ装置の放射パターン（図７）とを比較すると、ＲＨＣＰが天頂角０度方向（仰角９０度方向）に最大となる軸比良好な円偏波を放射していることがわかる。また、本実施の形態のアンテナ装置の方が、ＲＨＣＰを天頂角０度方向に強く放射しており、ＲＨＣＰの利得が高くなっていることがわかる。
これは、４線巻きヘリカルアンテナと同様の動作原理で、アンテナ素子に流れる電流が右旋円偏波を放射しやすくなっているためである。

以上のように、地導体５の上空から見て、部分アンテナ１〜４の第１の導体１０１の先端が時計回りに、それぞれ正方形の一辺となるように配置することにより、ＲＨＣＰが頂点方向において最大となる。
実施の形態５．
実施の形態１〜５では、各部分アンテナに係る、第１の導体１０１からなるアンテナ素子の幅が均等である場合について説明した。
本実施の形態では、各部分アンテナに係る、第１の導体１０１からなるアンテナ素子の幅を変更した場合について説明する。

図１３は、本実施の形態によるアンテナ装置の部分アンテナを示す構成図である。図１３において、図５と同一の符号は同一または相当部分を示している。
本実施の形態によるアンテナ装置は、実施の形態２と基本的な構成は同じであるが、各部分アンテナの第１の導体１０１の先端の幅が狭い点が異なる。
本実施の形態における第１の導体１０１は、図１３に示すように、第１の導体１０１が第３の導体１０４との接続部から先端にかけて徐々に細く変化している。
なお、本実施の形態では、実施の形態２と比べて第２の導体１０２からなるアンテナ素子の寸法や位置は変えないこととする。
第１の導体１０１の先端部を徐々に細くすることにより、従来通り電流が流れる部分に、電流の流れる経路が長くなる部分が加わることで複数の経路が発生し、広帯域化が可能となる。

図１４は本実施の形態の構成を用いた場合での電気特性を示す図である。第１の導体１０１の幅を先端にかけて細くした場合（図１４）と第１の導体１０１の幅が均等の場合（図１１）を比較すると、低周波帯の帯域が広帯域に変化していることが判る。

以上のように、各部分アンテナに係る、第１の導体１０１からなるアンテナ素子の幅を変更することにより、低周波帯の帯域を広帯域化することが可能となる。
実施の形態６．
本実施の形態では、部分アンテナ１〜４を９０度回転対称となるように配置する際、更に歯車状となるように構成した場合について説明する。

図１０は本実施の形態によるアンテナ装置を示す構成図である。
本実施の形態によるアンテナ装置は、実施の形態２と同じく、部分アンテナ１〜４を地導体５上に９０度回転対称となるように配置するが、地導体５上空から見て部分アンテナ１〜４の先端が突出し、歯車状になるように配置した構成となっている。

図１６は本実施の形態によるアンテナ装置の電気特性を示す図である。

主偏波成分であるＲＨＣＰを実線で示し、交差偏波成分であるＬＨＣＰを破線で示している。部分アンテナ１〜４を図１５に示す構成とすることにより、実施の形態４での放射パターン図１２と比べてＬＨＣＰを大幅に低減できていることがわかる。
本構成としたことにより、電界が強まる範囲を地導体５の中央付近に配置することができるため、地導体５の後方への放射を抑えることが可能となる。

以上のように、部分アンテナ１〜４を地導体５上に９０度回転対称となるように配置する際、歯車状となるように構成したことにより、ＬＨＣＰを大幅に低減することができたことでマルチパスの影響を受けにくくなり、衛星からの信号を誤りなく受信することが可能となる。
つまり、位置情報サービスで用いる端末等に本アンテナ装置を利用した場合、測位精度を向上させることが可能となる。

１第１の部分アンテナ、２第２の部分アンテナ、３第３の部分アンテナ、４第４の部分アンテナ、５地導体、１０１第１の導体、１０２第２の導体、１０３給電点、１０４第３の導体、１０５誘電体基板。

Claims

地導体と、
一端から他端へと、前記地導体から鉛直に伸長し、所定の箇所で前記地導体と水平になるように略９０度折れ曲がり、長さが使用周波数の略１／４波長である第１の導体、及び、前記地導体に接続した一端から他端へと、前記地導体から鉛直に伸長し、所定の箇所で前記地導体と水平になるように略９０度折れ曲がり、前記他端が、前記第１の導体の他端と同一方向を向くよう、前記地導体と前記第１の導体との間に配置した第２の導体、を有する部分アンテナ４つを、前記地導体の鉛直方向から見て各々が正方形の各辺に重なる形状に配置し、隣接する部分アンテナの前記第１の導体の一端間が９０度位相差をつけて発振回路により励振されるアンテナ放射部と
を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
前記部分アンテナの少なくとも１つは、一辺が前記地導体と接し、面上に前記第１の導体、前記第２の導体を形成する誘電体基板を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記部分アンテナの少なくとも１つは、前記地導体に接続した一端から他端へと、前記地導体から鉛直に伸長し、所定の箇所で前記地導体と水平になるように略９０度折れ曲がり、他端が前記第１の導体の他端と同一方向を向くとともに前記第１の導体の折れ曲がり部と接続する第３の導体を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記部分アンテナの少なくとも１つは、一辺が前記地導体と接し、面上に前記第１の導体、前記第２の導体、前記第３の導体を形成する誘電体基板を有することを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
前記部分アンテナ４つは、前記第１導体の他端が前記地導体上空から見て時計回り方向を向き、前記発振回路は前記地導体上空から見て時計回りに９０度位相差をつけて励振することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
前記第１の導体は前記折れ曲がり部から前記他端にかけて導体の太さが徐々に細くなることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
前記部分アンテナの少なくとも１つの前記第１の導体の他端は、前記地導体の鉛直方向から見て前記正方形の外にはみ出して配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。