WO2017221290A1 - アンテナ装置 - Google Patents

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ground
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寛明 坂本
崇 柳
深沢　徹
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三菱電機株式会社
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    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/342—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way for different propagation modes
    • H01Q5/357—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way for different propagation modes using a single feed point
    • H01Q5/364—Creating multiple current paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength

Definitions

  • the present invention relates to an antenna device characterized by a small and wide-band circularly polarized radiation.
  • Terminals used in satellite telephone services and location information services using global positioning system (GPS) satellites use circularly polarized radiation antennas that are less prone to polarization loss in order to respond flexibly to user movements. ing.
  • GPS global positioning system
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ Spiral antennas and patch antennas are examples of antenna systems characterized by circular polarization. However, since these antennas are large, miniaturization is required.
  • Patent Document 1 discloses circularly polarized waves that can be reduced in size and thickness by exciting four L-shaped excitation probes with a phase difference of 90 degrees in the circumferential direction with respect to the cavity center. An antenna device capable of radiation is shown.
  • Patent Document 2 discloses a small and wideband antenna device that can easily adjust the resonance frequency by combining an inverted F antenna and an inverted L antenna.
  • Patent Document 1 discloses an antenna device capable of small circularly polarized radiation, but does not describe any means for increasing the bandwidth.
  • Patent Document 2 discloses a small and wide-band antenna device, but does not describe means for radiating circularly polarized waves.
  • an object of the present invention is to provide an antenna device that enables small and broadband circularly polarized radiation.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • the ground conductor extends from the ground conductor vertically from one end to the other end, and becomes horizontal with the ground conductor at a predetermined position.
  • the first conductor which is bent by approximately 90 degrees and whose length is approximately 1 ⁇ 4 wavelength of the operating frequency, and extends vertically from the ground conductor from one end connected to the ground conductor to the other end.
  • the block diagram which shows the antenna apparatus in Embodiment 1 of this invention The block diagram which shows the partial antenna in Embodiment 1 of this invention.
  • the block diagram which shows the antenna apparatus in Embodiment 2 of this invention The block diagram which shows the partial antenna in Embodiment 2 of this invention.
  • the block diagram which shows the antenna apparatus in Embodiment 3 of this invention The block diagram which shows the partial antenna in Embodiment 3 of this invention.
  • the block diagram which shows the antenna apparatus in Embodiment 4 of this invention The figure which shows the electrical property of the antenna apparatus in Embodiment 4 of this invention.
  • the figure which shows the radiation pattern of the antenna apparatus in Embodiment 4 of this invention The block diagram which shows the antenna apparatus in Embodiment 5 of this invention.
  • the figure which shows the electrical property of the antenna apparatus in Embodiment 5 of this invention The block diagram which shows the antenna apparatus in Embodiment 6 of this invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an antenna apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 1 is a first partial antenna
  • 2 is a second partial antenna
  • 3 is a third partial antenna
  • 4 is a fourth partial antenna
  • 5 is a ground conductor.
  • the first partial antenna 1, the second partial antenna 2, the third partial antenna 3, and the fourth partial antenna 4 have the same structure, and the first partial antenna 1 will be described with reference to FIG.
  • the first partial antenna 1, the second partial antenna 2, the third partial antenna 3, and the fourth partial antenna 4 are collectively referred to as an antenna radiating unit.
  • 5 is a ground conductor
  • 101 is a first conductor
  • 102 is a second conductor
  • 103 is a feeding point.
  • the first conductor 101 has one end extending vertically from the ground conductor 5 and is composed of a portion perpendicular to the ground conductor 5 and a horizontal portion. In the example of FIG. 2, the case where the first conductor 101 forms an inverted L-shaped antenna is shown.
  • the second conductor 102 is disposed between the first conductor 101 and the ground conductor 5, and is configured by a portion parallel to the portion perpendicular to the ground conductor 5.
  • the second conductor 102 is arranged such that one end of a portion perpendicular to the ground conductor 5 is short-circuited to the ground conductor 5 and one end of a portion parallel to the ground conductor 5 is oriented in the same direction as the first conductor 101. It is an element.
  • FIG. 2 shows a case where the second conductor 102 forms an inverted L-shaped antenna.
  • the feeding point 103 indicates a position where a high-frequency voltage that is a source of electromagnetic waves radiated from the antenna device is applied.
  • the feeding point 103 is schematically drawn, but the feeding point 103 is not formed as a physical component in mounting.
  • the partial antennas 1 to 4 are arranged so as to be 90-degree rotationally symmetric.
  • the tip which is the open end of the first conductor 101 of each of the partial antennas 1 to 4 is counterclockwise and square. It is arranged to be on one side.
  • this distribution circuit gives a +90 degree phase difference in the clockwise direction when viewed from above the ground conductor 5.
  • the distribution circuit may be formed by etching a copper foil pattern using a new dielectric substrate for a circuit.
  • the distribution circuit outputs a high-frequency voltage (signal) to the feeding point 103 of each partial antenna.
  • the signals output to the feed points 103 of the partial antennas have a phase difference of 90 degrees.
  • the feed point 103 of the partial antenna 1 is 0 degrees and the feed point 103 of the partial antenna 2 is A signal with a phase difference of 90 degrees, 180 degrees at the feed point 103 of the partial antenna 3 and 270 degrees at the feed point 103 of the partial antenna 4 is output.
  • a signal input to the antenna element composed of the first conductor 101 is radiated to the space due to a resonance phenomenon when traveling on the line.
  • the antenna element consisting of the first conductor 101 causes the electromagnetic field coupling to occur by arranging the antenna element consisting of the second conductor 102 at a position where the electric field is strengthened, and the current on the line of the second conductor 102 is generated. Flows.
  • the total length of the antenna element composed of the first conductor 101 and the antenna element composed of the second conductor corresponds to the resonance frequency.
  • the total length of the antenna element made of the first conductor 101 and the antenna element made of the second conductor 102 is about 1 ⁇ 4 wavelength of the respective resonance frequency.
  • the resonance frequency of the antenna element made of the first conductor 101, The resonance frequency of the antenna element formed of the second conductor 102 can be shifted.
  • the total length of the antenna element made of the first conductor 101 and the antenna element made of the second conductor 102 are set to different values, the resonance frequency of the antenna element made of the first conductor 101, the second By arranging the partial antennas having the resonance frequency of the antenna element made of the conductor 102 so as to be 90-degree rotationally symmetric, it is possible to increase the frequency and widen the frequency band.
  • the reverse L antenna made of the first conductor 101 has a longer overall length than the reverse L antenna made of the second conductor 102, so that the resonance frequency is the second. It becomes lower than the inverted L antenna composed of the conductor 102.
  • FIG. In the first embodiment one end of the ground conductor 5 is short-circuited, and the first conductor 101 composed of a portion parallel to the portion perpendicular to the ground conductor 5 and one end of the portion perpendicular to the ground conductor 5 are connected to the ground conductor 5.
  • the total length of the second conductor 102 disposed between the first conductor 101 and the ground conductor 5 is different so that one end of the portion parallel to the ground conductor 5 is short-circuited and faces the same direction as the first conductor 101.
  • the partial antennas 1 to 4 are arranged so as to be 90-degree rotationally symmetric, so that the antenna device that radiates circularly polarized waves has a higher frequency and a wider band.
  • the impedance matching when adjusting the resonance frequency between the antenna element consisting of the first conductor 101 and the antenna element consisting of the second conductor 102 for each partial antenna is facilitated. explain.
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing the antenna device according to the embodiment of the present invention.
  • the first partial antenna 1, the second partial antenna 2, the third partial antenna 3 and the fourth partial antenna 4 have the same structure, and FIG.
  • the first partial antenna 1 according to the present embodiment will be described as a representative example. 5, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same or corresponding parts.
  • the basic configuration of the antenna device according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment, except that each partial antenna has a third conductor 104.
  • one end of the third conductor 104 is short-circuited to the ground conductor 5, and the third conductor 104 is composed of a portion parallel to the portion perpendicular to the ground conductor 5, and the other end is connected to the first conductor 101. .
  • FIG. 5 shows a case where the first conductor 101 and the third conductor 104 form an inverted F-shaped antenna.
  • the partial antennas 1 to 4 are arranged so as to be 90-degree rotationally symmetric.
  • a distribution circuit for exciting each feeding point 103 with a phase difference of 90 degrees with the same amplitude is provided.
  • the distribution circuit outputs a high-frequency voltage (signal) to the feeding point 103 of each partial antenna.
  • the signals output to the feed points 103 of the partial antennas have a phase difference of 90 degrees.
  • the feed point 103 of the partial antenna 1 is 0 degrees and the feed point 103 of the partial antenna 2 is A signal with a phase difference of 90 degrees, 180 degrees at the feed point 103 of the partial antenna 3 and 270 degrees at the feed point 103 of the partial antenna 4 is output.
  • a high frequency voltage (signal) is input to the antenna element formed of the first conductor 101.
  • a signal input to the antenna element composed of the first conductor 101 is radiated to the space due to a resonance phenomenon when traveling on the line.
  • the antenna element consisting of the first conductor 101 causes the electromagnetic field coupling to occur by arranging the antenna element consisting of the second conductor 102 at a position where the electric field is strengthened, and the current on the line of the second conductor 102 is generated. Flows.
  • the third conductor 104 substitutes for a capacitor or a coil that performs impedance matching of the first conductor 101 due to the effect of a short stub whose tip is short-circuited.
  • the original characteristic impedance is Zs
  • the characteristic impedance when the short stub is added is Z
  • the stub length is l
  • the short stub is generally expressed by the following equation.
  • Z j * Zs * tan ( ⁇ l) Therefore, if l ⁇ / 4, it operates as a parallel inductor, and if ⁇ / 4 ⁇ l ⁇ / 2, it operates as a parallel capacitor. Therefore, the impedance can be adjusted by adjusting the size of the short stub. is there.
  • FIG. 6 is a diagram showing the electrical characteristics of the antenna device according to the present embodiment.
  • the horizontal axis in FIG. 6 is the normalized frequency, and the vertical axis is the reflection characteristic S11.
  • the reflection characteristic S11 is -10 dB or less, which is a good characteristic.
  • FIG. 7 is a diagram showing a radiation pattern of the antenna device according to the present embodiment.
  • the horizontal axis in FIG. 7 is the elevation angle
  • the vertical axis is the directivity gain
  • the RHCP right-handed circularly polarized wave
  • the LHCP left-handed circularly polarized
  • wave is indicated by a broken line.
  • LHCP is ⁇ 40 dBi or less at the above angle, and a circular polarization characteristic with a good axial ratio is obtained.
  • the resonance frequency of the antenna element composed of the first conductor 101 is adjusted by changing the size and thickness of the third conductor 104 having the third conductor 104 of each partial antenna. Is possible.
  • Embodiment 3 FIG. In the present embodiment, a case will be described in which an antenna element made of the first conductor 101 and an antenna element made of the second conductor 102 are formed as a pattern on a dielectric substrate for each partial antenna.
  • FIG. 8 is a configuration diagram showing the antenna device according to the present embodiment.
  • the first partial antenna 1, the second partial antenna 2, the third partial antenna 3 and the fourth partial antenna 4 have the same structure, and FIG. 9 is used.
  • the first partial antenna 1 according to the present embodiment will be described as a representative example. 9, the same reference numerals as those in FIG. 5 denote the same or corresponding parts.
  • the antenna device according to the present embodiment has the same basic configuration as that of the second embodiment, except that each partial antenna has a dielectric substrate 105.
  • One side of the dielectric substrate 105 is short-circuited to the ground conductor 5, and the first conductor 101, the second conductor 102, the feeding point 103, and the third conductor 104 are disposed on one surface that is perpendicular to the ground conductor 5. It is formed as a distributed constant element such as a distributed constant inductance realized by a pattern or a transmission line.
  • a glass epoxy substrate such as Flame Regentant Type 4 (FR4) is assumed as the dielectric substrate 105, but a substrate using ceramic, alumina oxide, or the like as long as the dielectric constant is high and the material is stable. But you can.
  • the feeding point 103 does not need to be formed on the pattern of the dielectric substrate 105, and a ground point between the pattern of the dielectric substrate 105 and the dielectric 100 may be used.
  • the size of the distributed constant circuit formed as a pattern on the dielectric substrate 105 can be reduced by a shortening rate that can be expressed by the dielectric constant of the substrate.
  • the antenna device is made smaller by forming the antenna element made of the first conductor 101, the antenna element made of the second conductor 102, and the third conductor 104 as the pattern on the dielectric substrate 105.
  • Embodiment 4 FIG.
  • the case where the open ends of the first conductors 101 of the partial antennas 1 to 4 are arranged counterclockwise so as to be one side of the square when viewed from above the ground conductor 5 will be described. did.
  • a case will be described in which the tips of the first conductors 101 of the partial antennas 1 to 4 are arranged clockwise so as to be one side of the square when viewed from above the ground conductor 5.
  • FIG. 10 is a block diagram showing an antenna device according to the present embodiment.
  • the first partial antenna 1, the second partial antenna 2, the third partial antenna 3 and the fourth partial antenna 4 have the same structure.
  • the basic configuration of the present embodiment is the same as that of the second embodiment, and the antenna element including the first conductor 101 and the third conductor 104 and the antenna element including the second conductor 102 are connected to the ground conductor 5.
  • the difference is that the tip of the first conductor 101 faces in the clockwise direction when viewed from above the ground conductor 5 when arranged so as to be rotationally symmetric 90 degrees upward.
  • a phase difference of +90 degrees is given in the clockwise direction when viewed from above the ground conductor 5 as in the second embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing electrical characteristics of the antenna device according to the present embodiment
  • FIG. 12 is a diagram showing a radiation pattern of the antenna device according to the present embodiment.
  • each RHCP is in the apex direction.
  • Embodiment 5 FIG.
  • the widths of the antenna elements made of the first conductor 101 related to the partial antennas are uniform.
  • the width of the antenna element made of the first conductor 101 relating to each partial antenna is changed.
  • FIG. 13 is a configuration diagram showing a partial antenna of the antenna device according to the present embodiment.
  • the antenna device according to the present embodiment has the same basic configuration as that of the second embodiment, but differs in that the width of the tip of the first conductor 101 of each partial antenna is narrow.
  • the first conductor 101 in the present embodiment gradually changes from the connecting portion with the third conductor 104 to the tip thereof. Note that in this embodiment, the dimensions and position of the antenna element formed of the second conductor 102 are not changed as compared with the second embodiment.
  • By gradually narrowing the tip of the first conductor 101 a portion through which a current flows is added to a portion through which a current flows as usual, so that a plurality of routes are generated, and a wide band can be realized.
  • FIG. 14 is a diagram showing electrical characteristics when the configuration of the present embodiment is used. Comparing the case where the width of the first conductor 101 is narrowed toward the tip (FIG. 14) and the case where the width of the first conductor 101 is equal (FIG. 11), the low frequency band is changed to a wide band. I understand.
  • Embodiment 6 FIG.
  • the partial antennas 1 to 4 are arranged so as to have a gear shape when arranged so as to be 90-degree rotationally symmetric.
  • FIG. 10 is a block diagram showing an antenna device according to the present embodiment.
  • the partial antennas 1 to 4 are arranged on the ground conductor 5 so as to be 90 degrees rotationally symmetric as in the second embodiment, but the partial antennas 1 to 4 are viewed from above the ground conductor 5.
  • the tip of 4 protrudes and it has the structure arrange
  • FIG. 16 is a diagram showing the electrical characteristics of the antenna device according to the present embodiment.
  • the main polarization component RHCP is indicated by a solid line
  • the cross polarization component LHCP is indicated by a broken line.
  • the LHCP can be greatly reduced by being configured to have a gear shape. Therefore, it becomes difficult to be affected by multipath, and signals from satellites can be received without error. That is, when this antenna device is used for a terminal or the like used in the location information service, it is possible to improve positioning accuracy.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

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

アンテナ装置
　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。
　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－ｈａｎｄｅｄ　ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｗａｖｅ）を実線で示し、交差偏波成分であるＬＨＣＰ（ｌｅｆｔ－ｈａｎｄｅｄ　ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｗａｖｅ）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Ｆｌａｍｅ　Ｒｅｔａｒｄａｎｔ　Ｔｙｐｅ　４（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 (7)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
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