WO1996022618A1 - Antenne en boucle pour ondes a polarisation circulaire - Google Patents

Description

明 細 害 円偏波ループアンテナ 技術分野

本発明は、 円偏波用ループアンテナに関するものであり、 特に円偏波 モ一 ド通信システムの端末機器用ァンテナに適用して好適なものであ る。 背景技術

円偏波アンテナのうち、 厚みが薄く構成された低姿勢の円偏波アン テナは、 アンテナを設置したために生じる突出部を目立たなくするこ とができるため、 自動車や飛行機等の移動体に設置されるアンテナと して好適なアンテナであり 、 各種の円偏波アンテナが提案されている 力';、 その一例と して 1 9 9 4年電子情報通信学会春季大会 「 B— 1 0 4 無給電素子付きループアンテナ」 中野久松外 3名著 2— 1 0 4 ベ一ジ に記載されている円偏波用ル一ブアンテナを図 5 から 図 7に示すが、 図 6には第 1 の例である C 1 一 T Y P Eの円偏波用ル —プアンテナを示し、 図 7には第 2の例である C 2— T Y P Eの円偏 波用ループアンテナを示している：

そ して、 図 5は円偏波用ループアンテナの正面図であり 、 図 6は C 1 一 T Y P Eの円偏波ループアンテナの上面図である：

この C 】 — T Y P Eの円偏波ル一ブアンテナは、 同軸給電ル一ブ素 子 1 0 0力；グラン ドブレ一ン 1 0 5 に対向 して平行に配置されてお り 、 同軸給電ループ素子 1 0 0上に同心の関係を保ちながらよ り大きな径 の無給電ル一ブ素子 1 0 1 が平行に配置されている： なお、 グラ ン ド プレーン 1 0 5 と同軸給電ループ素子 1 0 0 との間隔は と され、 グラン ドプレーン 1 0 5 と無給電ループ素子 1 0 1 との間隔は H P と されている。

このよ うに構成された円偏波用ループアンテナにおいては、 給電導 体 1 0 6は、 図 6に示す一端が同軸給電ループ素子 1 0 0に接続され ている I 字形導体 1 0 4の他端に接続されるこ とによ り 、 同軸給電ル ープ素子 1 0 0が給電されている なお、 給電導体 1 0 6は図 5に示 すよ うに、 同軸ライン 1 0 2の中芯導体に接続されている。

また、 無給電ループ素子 1 0 1 には切断都 1 0 3カ^ 1 力所設けられ ており 、 こ の切断部 1 0 3 と I 字形導体 1 0 4 とのなす角が Φ 、 切 断部 1 0 3の長さが△ g と されている。

この場合、 角 Φ が屮 4 5 あるいは一 1 3 5 ^:: 付近と されると、 切断部 1 0 3の作用によ り左旋円偏波が放射され、 角 Φ がー 4 5 " あるいは + 1 3 5 ^ϋ 付近と されると、 ヒ刀断部 1 0 3の作用によ り右旋 円偏波が放射されるよ うになる：， こ の時、 同軸給電ループ素子 1 0 0 と無給電ルーブ素子 1 0 1 には、 電流が進行波に近い状態で流れるよ う になる,： また、 自然空間波長をえ と した時、 同軸給電ループ素子

1 0 0の.円周長 C = 1 え 、 無給電ループ素子 1 0 1 の円周長 C = 1 . 2 5 λ 、 Η = 0. 0 6 6 7 义 、 Η = 0. 0 7 9 2 Α , A g = 0. 0 1 0 4 、 Φ , = ± 4 2 あるレヽは 1 3 9 ^:: と した場合、 この C 1 一 T Y P Eの円偏波ループアンテ十の利得対周波数特性は図 3の bに示ナょ う になり 、 円偏波軸比対周波数特性は図 4の bに示すよ う になる

そ して、 図 7は C 2 — T Y P Eの円偏波 ,レ—ファ ンテナにおける上 面図を示しており 、 こ の C 2 — T Y P Eの円偏波ル一ブアンテナは、 同軸給電ルーフ素子 1 0 0がグラ ン ドフ レーン 1 0 5に対向して平行 に配置されており、 同軸給電ループ素子 1 0 0上に同心の関係を保ち ながらよ り大きな径の無給電ループ素子 1 0 1が平行に配置されてい る。 なお、 グラン ドプレーン 1 0 5 と同軸給電ループ素子 1 00 との 間隔は H , と され、 グラン ドプレーン 1 0 5 と無給電ループ素子 1 0 1 との間隔は H_P と されている。

このよ う に構成された C 2— TY P Eの円偏波ループアンテナにお いては、 給電導体 1 0 6は、 図 7に示す一端が同軸給電ループ素子 1 00に接続されている I字形導体 1 04の他端に接続されることによ り 、 同軸給電ループ素子 1 0 0が給電されている。 なお、 給電導体 1 0 6は図 5に示すよ うに、 同軸ライ ン 1 0 2の中芯導体に接続されて いる。

また、 無給電ループ素子 1 0 1 には切断部 1 0 3が 2力所対向する 位置に設けられており 、 この切断部 1 0 3 と I字形導体 1 04の軸線 とのなす角が φ _Ρ 、 切断部 1 0 3の長さ力； Δ g と されている：

この場合、 角 Φ が + 4 5。 および一 1 3 5。 付近と されると、 切 断部 1 0 3の作用によ り左旋円偏波が放射され、 角 Φ ,> が— 4 5 ^:: お よび ÷ 1 3 5 ^Γ 付近と されると、 切断部 1 0 3の作用によ り右旋円偏 波が放射されるよ う になる。 この時、 同軸給電ルーブ素子 1 0 0には、 電流が進行波に近い状態で流れるよ うになり 、 無給電ループ素子 1 0 1 に流れる電流は定在波形となる c

また、 自由空間波長をえ と した時、 同軸給電ループ素子 1 00の円 周長 C ,. = 1 え 、 無給電ル一ブ素子 1 0 1 の円周長 C , = 1 . 2 5 え 、 Η 0. 0 6 6 7 λ、 Η,, = 0. 1 λ , Δ g = 0. 1 0 4 2 、 Φ ,. = + 2 3 ^c . - 1 1 3 ^: あるいは一 2 3 ， + 1 1 3 ^r と した場合、 利得対周波数特性は図 3の cに示すよ うになり 、 円偏波軸比対周波数 特性は図 4の c に示すよ うになる しかしながら、 図 3および図 4に示す従来の円偏波ループアンテナ においては所定の利得の得られる周波数帯域が狭いと共に、 3 . 0 d B以内の円偏波軸比の得られる周波数帯域が約 1 . 2 %と狭帯域であ るという問題点があった。

また、 同軸給電ループ素子と無給電ループ素子の 2つのループ素子 を必要と し、 構造が複雑になるという問題点があった。

そこで、 本発明は所定の利得の得られる周波数帯城を広く できる と 共に、 円偏波軸比対周波数特性の周波数帯域を広くするこ とができ、 さらに、 構造の簡単な円偏波ループアンテ十を提供するこ と を目的と している。 発明の開示

上記目的を達成するために、 本発明の円偏波ループアンテナは、 切 断部を有する C型ループ素子と、 該 C型ルーブ素子に一端が接続され ている と共に、 他端が給電点と されており 、 かつ、 上記ループ素子の 半径方向に延伸する I 字形導体とを備え、 上記 C型ルーフ素子が、 所 定間隔を介してグラ ン ドフ レーン に対向配置されるよ う に した ので ある■:

また上記円偏波ループアンテナにおいて、 上記 C型ループ素子に設 けられている上記切断部と、 上記 I 字形導体とのなす角度を略 ± 3

5 ^;: 〜土 4 5。 あるいは略 ± 1 3 5。 〜土 1 4 5。 とするよ うにした ものであり 、 自由空間波長をえ とする時、 前記 C型ルーフ素子の円周 長を、 略 1 . 0 え 〜 〗 . 5 λ と したものであり 、 上記 C型ル一ブ素子 と上記グラン ドフ レーン との間隔を、 略 0 . 0 5 え 〜 0 . 2 6 λ と し たものであり 、 上記 I 字形導体長を、 略 0 〜 0 . 4 7 え とするよ う にしたものである： 本発明によれば、 一つのループ素子によ り 円偏波ループアンテナを 構成することができるため、 構造を簡単にするこ とができると共に、 小型 · 低姿勢の円偏波ループアンテナとすることができ、 移動体等に 搭載する B Sアンテナや G P Sアンテナと して好適なァンテナとする こ とができる。

また、 同軸給電線による給電を行う こ とができるため、 給電線損失 が小さ くするこ とができると共に、 給電線の周囲環境の影響を受けに く くすることができる _c

さ らに、 円偏波軸比対周波数特性を広帯域とするこ とができる と共 に、 利得対周波数特性を広帯域 · 高利得とすることができるため、 本 発明の円偏波ループアンテナは、 複数の周波数の異なる円偏波モ一 ド の通信システムにおける共用アンテナと して用いること もできるよ う になる。 また、 アンテナ入力イ ンピーダンス対周波数特性を広帯域 化することができるため、 容易に製造を行う ことができ、 コ ス トダウ ンを図るこ とができる。 図面の簡単な説明

第 1 図.は、 本発明の円偏波ループアンテナの一実施例の構成を示す 斜視図であり 、 第 2図は、 本発明の円偏波ループア ンテナの一実施例 の構成を示す正面図及び上面図であり 、 第 3図は、 本発明及び従来の 円偏波ループアンテナの利得対周波数特性を示す図であり 、 第 4図は、 本発明及び従来の円偏波ル一プア ンテナの円偏波軸比対周波数特性を 示す図であり、 第 5図は、 従来の円偏波ループアンテナの構成の一例 を示す正面図であり 、 第 6図は、 従来の円偏波ループアンテナの構成 の一例を示す上面図であり 、 第 7図は、 従来の円偏波ル一ブアンテナ の構成の他の例を示す上面図である- 発明を実施するための最良の形態

本発明の円偏波ループアンテナの一実施例の構成を示す斜視図を図 1 に示す。 この図において、 1 は切断部 6が形成されている C型ル —ブ素子、 2は C型ループ素子 1 に一端が接続され、 他端が給電点 5 と される I字形導体、 3は C型ループ素子 1 に平行に配置されている グラン ドフ レーン、 4は C型ル一ブ素子に給電する電力を伝播するた めの同軸ライ ン、 7は同軸ライン 4 の他端が中芯導体に接統され、 一 端が給電点 5に接続された給電導体である：

また、 この円偏波ル一ブアンテナの上面図を図 2 ( a ) に、 その正 面図を同図 （ b ) に示す

この図 2に示すよ うに、 給電導体 7 の先端は、 I 字形導体 2 の他端 の給電点 5に接続されるこ とによ り 、 同軸ライ ン 4 を介して C型ルー プ素子〗 が給電されている。 なお、 給電導体 7 の他端は同軸ライ ン 4 の中芯 ¾体,'：：接続されている：

二のよ うに C型ループ素子】 が給電される と、 切断部 6 の作用によ り 、 C型ルー フ素子 1 からは円偏波が放射されるよ う になる

と こ ろで、 グラ ン ドプレーン 3 と C型ループ素子 1 と の間隔は h と され、 I 字形導体 2の軸線と切断部 6 とのなす角が Φ .. と され、 切断 部 6の長さが△ g と され、 I 字形導体の長さ力'； 1 と され、 図示されて Iヽな 、が C型ノレ一フ素子 1 の円阖長が C と されている：

次に、 例えば周波数 f が 1 1 . 8 5 [ G H z ] 、 その自由空間波長 を λ と した時、 例えば C = 1 . 3 1 λ . h =: 0 . 1 δ λ . Φ = 3 2 0 ^: ， 1 = 0 . 2 0 8 え . Δ g = 0 . 0 ] 8 え と された時の利得対周 波数特性を図 3に示し、 円偏波軸比対周波数特性を図 4 に示す,：

こ の図 3において、 本発明の円偏波ル一ブア ンテ十の利得特性は a と して示されており、 8 %もの広帯域にわたって約 8 . 6 [ d B i ] の高利得が得られている。 また、 図 4において本発明の円偏波ループ アンテナの軸比特性は a と して示されており、 3 . O d B以下の円偏 波軸比の得られる周波数帯域が約 6 . 1 %もの広带域と されている。

このよ う に、 3 . 0 d B以内の円偏波軸比の得られる周波数帯域を 従来に比べて約 5倍とすることができると共に、 図 3に示すよ うに広 帯域かつ高利得とするこ とができるため、 例えば Lバン ド以上の周波 数における円偏波モー ドの周波数の異なる複数の通信システムのアン テナを、 本発明の円偏波ループアンテナ一つで共用することができる よ うになる。

特に、 本発明の円偏波ループアンテナは小型かつ低姿勢と されるた め、 移動体に搭載される G P Sアンテナや B Sアンテナに適用するの が好適である。

また、 グラン ドブレーン 3 と C型ル一ブ素子 1 との間隔 hは略 0 . 0 5 λ 〜 0 . 2 6 λ の範囲とするこ とができ、 I 字形導体 2 の軸線と 切断部 6 とのなす角 Φ ., は略 3 1 5 ^:: 〜 3 2 5「' の範囲とするこ と力'； でき、 切断部 6 の長さ △ gは略 0 . 0 1 え 〜 0 . 0 2 の範囲とする 二とができ、 I 字形導体の長さ 1 は略 0 λ 〜 0 . 4 7 え の範囲とする こ とができ、 C型ループ素子 1 の円周長 Cは略 1 . 0 え 〜 1 . 5 え の 範囲とすることができる。

なお、 上記の説明においては角 Φ；, を略 3 1 5。 〜 3 2 5 ^ΰ と した 力；、 これと対角の略 1 3 5。 〜 1 4 5。 の位置に切断部 6 を設けるよ うにしても、 前記した特性の円偏波ル―ブアンテナとするこ とができ る： また、 逆旋回モー ドの円偏波ループアンテナとするには、 C型ル —プ素子 1 に形成した切断部 6のなす角 Φ を略 3 5 〜 4 5。 （ 2 1 δ： 〜 2 2 5。 ) とすれば良い.- すなわち、 本発明の円偏波ルーフ アンテナにおいては、 角 Φ ₃ を ± 3 5 ° 〜土 4 5 ° あるいは略 ± 1 3 5 ^c 〜土 1 4 5 ° となるよ うにすればよい。

また、 本発明の円偏波ループアンテナのアンテナ入力イ ンピーダン ス対周波数特性は、 従来のものに比較して少なく と も 1 . 5倍以上広 帯域となるため、 製造上の寸法許容範囲および使用材料の性能のバラ ツキの許容範囲を広くすることができる： 従って、 容易に製造をする こ とができコス トダウンを図ることができる。

また、 前記図 1及び図 2に示す本発明の円偏波ループアンテナは同 軸ライン 4 によ り給電されているため、 同軸ライ ン 4 の給電損失を小 さ くすることができると共に、 同軸ライ ン 4の周囲環境の影饗を受け にく くすることができ、 円偏波ループアンテナ本来の性能を維持する ことができる。

なお、 C型ル一ブ素子 1 を誘電体基板上にマイ ク ロ ス ト リ ップライ ンによ り形成して円偏波ルーフ ア ンテナを構成するこ とができるが、 誘電体を誘電体の機能をほとんど奏しない発泡体に置き換えて構成す るこ と もできる：

さ らに、 円筒形キヤビテ ィ あるいは直状の導波管に、 その長手方向 に沿って小さい穴を複数形成し、 この穴のそれぞれに本発明の円偏波 ループアンテナの給電導体を挿入するよ う に して、 複数の円偏波ルー プアンテ十に給電を行う 二 とができる： 二（ハ構成によ り 、 ア レーア ン テナを構成するこ とができ、 よ り高利得のアンテナとするこ とができ る,：

また、 ラジアル導波管上に本発明の円偏波ル一ブアンテナを多数配 設するこ とによ り 、 高利得の得られる平面型のァ レーアンテ十を構成 するこ と もできる 産業上の利用可能性

本発明は以上説明したよ うに、 一つのループ素子によ り 円偏波ルー プアンテナを構成することができるため、 構造を簡単にすることがで きると共に、 小型 · 低姿勢の円偏波ループアンテナとすることができ 移動体等に搭載する B Sアンテナや G P Sアンテナと して好適なアン テナとすることができる。

また、 同軸給電ラインによる給電を行う ことができるため、 給電線 損失を小さ くすることができると共に、 給電線の周囲環境の影響を受 けにく くするこ とができ、 アンテナ本来の性能を維持するこ とができ る _c

さらに、 円偏波軸比対周波数特性を広帯域とするこ とができると共 に、 利得対周波数特性を広帯域 ， 高利得とすることができるため、 複 数の周波数の異なる円偏波モー ドの通信システムにおける共用アンテ ナと して、 本発明の円偏波ル一ブアンテナを使用することができる： また、 アンテナ入力インヒーダンス対周波数特性を広帯域化するこ とができるため、 容易に製造を行う ことができコス ト ダウンを図るこ とができる _c

Claims

請求の範囲

1 . 切断部を有する C型ループ素子と、

該 C型ループ素子に一端が接続されていると共に、 他端が給電点と されており、 かつ、 上記ループ素子の半径方向に延伸する I 字形導体 とを備え、

上記 C型ループ素子が、 所定間隔を介してグラン ドプレーンに対向 配置されているこ とを特徴とする円偏波ループアンテナ。

2. 上記 C型ループ素子に設けられている上記切断部と、 上記 I 字形 導体とのなす角度が略 ± 3 5。 〜土 4 5 ° あるレ、は略 ± 1 3 5。 〜土 1 4 5 ° と されているこ とを特徴とする請求項 1記載の円偏波ループ アンテナ。

3. 自由空間波長をえ とする時、 前記 C型/レープ素子の円周長が、 略 1 . 0 λ〜 1 . 5 λ と されているこ とを特徴とする請求項 1 あるレ、は 2記載の円偏波ループアンテナ _c

4. 自由空間波長を λ とする時、 上記 C型ループ素子と上記グラン ド ブレーンとの間隔が、 略 0. 0 5 え〜 0. 2 6 え と されているこ とを 特徴とする請求項 1 ないし 3のいずれかに記載の円偏波ループアンテ ナ

5. 自由空間波長を λ とする時、 上記 I 字形導体長が、 略 0 え〜 0.

4 7 λ と されている こ とを特徴とする請求項 1 ないし 4のいずれ力 こ 記載の円偏波ループアンテナ。