JP4738967B2

JP4738967B2 - 円偏波ループアンテナ

Info

Publication number: JP4738967B2
Application number: JP2005295917A
Authority: JP
Inventors: 長宏孫; 吉鄭
Original assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Current assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2025-10-11
Also published as: JP2007110183A

Description

本発明は、円偏波のビームチルト角を任意のビームチルト角に設定することのできる円偏波ループアンテナに関する。

現在、円偏波を用いる通信が多く採用されている。例えば、古くはレーダに利用されており、最近では衛星放送や移動体における衛星通信等に利用されるようになっている。円偏波を利用する通信においては円偏波アンテナが必要とされ、従来、円偏波アンテナとしてヘリカルアンテナ、クロスダイポールアンテナおよびパッチアンテナなどが知られている。この場合、移動体における衛星通信においては、天頂方向にある衛星からの電波を受信するために、パッチアンテナのような単一指向特性型アンテナが従来から使用されており、移動体のルーフまたは車内において衛星からの電波が届く場所に上記アンテナを取り付けて受信している。あるいは、フィルム上に形成された円偏波を受信可能なフィルムアンテナを、窓ガラスに貼り付けて受信するようにしている。
特許第３４４３８９７号公報特開昭６１−２５２７０１号公報

従来の円偏波アンテナであるパッチアンテナは、ＧＰＳアンテナとして車両のダッシュボードの上等に取り付けられて使用されている。しかし、パッチアンテナは、アンテナ構成部品点数が多くコストが高くされている。さらに、ダッシュボード等に取り付けられることからアンテナ取り付け方法など工夫する必要があり、取り付けるためのスペースが必要になるという問題点があった。また、ヘリカルアンテナは、螺旋状に導電線を巻回することにより構成されており、パッチアンテナと同様に取り付けるためのスペースが必要になるという問題点があった。さらに、クロスダイポールアンテナは、２本の等長のダイポールアンテナを直交させて配置させ、それぞれのダイポールアンテナに互いに位相が９０°異なるように給電をしている。このため、クロスダイポールアンテナにおいては２分配器及び９０°移相器が必要となると共に大型になるという問題点があった。ところで、フィルム上に形成された円偏波を受信可能なフィルムアンテナを、窓ガラスに貼り付けて受信する場合には、取り付けるスペースは必要にならないものの窓ガラスがほぼ垂直あるいは急角度に傾斜していることから、フィルムループアンテナから放射されるビームの仰角が低くなってしまうことになる。すると、ＧＰＳ衛星等の天頂方向もしくは高仰角から到来する電波を受信することが困難になるという問題点があった。また、円偏波を受信可能なフィルムアンテナのゲインが低いという問題点があった。

そこで、本発明は高仰角から到来する円偏波を受信することのできる高ゲインの円偏波ループアンテナを提供することを目的としている。

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、ループ導体と、該ループ導体の一辺に平行に設けられた２本の摂動導体とを備える第１のループ素子と第２のループ素子とを間隔を置いて配置し、第１のループ素子と第２のループ素子とに位相差を与えて給電するようにしたことを最も主要な特徴としている。

本発明によれば、ループ導体と、該ループ導体の一辺に平行に設けられた２本の摂動導体とを備える第１のループ素子と第２のループ素子とを間隔を置いて配置し、第１のループ素子と第２のループ素子とに位相差を与えて給電するようにしたことから、円偏波ループアンテナのビームを給電手段の位相差に応じてチルトすることができるようになる。従って、移動体の窓ガラスに固着してもビームをチルトすることにより高仰角のビームを形成することができるようになる。また、２本のループ導体で受信した信号を合成していることから円偏波ループアンテナのゲインを高くすることができる。

本発明の実施例の円偏波ループアンテナの構成を図１に示す。
図１に示す円偏波ループアンテナ１は、第１ループ素子１０と第２ループ素子２０とが所定の距離離隔して配置されている。第１ループ素子１０は、矩形状に形成された第１ループ導体１１を有しており、第１ループ導体１１の上辺に平行に等間隔で第１摂動導体１２と第２摂動導体１３とが配設されている。また、第２ループ素子２０は、矩形状に形成された第２ループ導体２１を有しており、第２ループ導体２１の上辺に平行に等間隔で第１摂動導体２２と第２摂動導体２３とが配設されている。第１ループ素子１０は、第１ループ導体１１の上辺に近接して配置された２本の第１摂動導体１２および第２摂動導体１３の作用により円偏波の送受信が可能となる。第２ループ素子２０も同様であり、第２ループ導体２１の上辺に近接して配置された２本の第１摂動導体２２および第２摂動導体２３の作用により円偏波の送受信が可能となっている。なお、第１ループ素子１０と第２ループ素子２０は、それぞれ有している２本の摂動導体の間隔を調整することにより円偏波特性および軸比特性を容易に調整することができるようになる。

第１ループ導体１１と第２ループ導体２１とは、円偏波ループアンテナ１の動作中心周波数の波長をλとした際に、約１λの長さとされ、その高さＨと幅Ｗは円偏波ループアンテナ１の共振特性に影響を与えそれぞれ約λ／４の長さとされている。また、第１ループ素子１０における第１ループ導体１１の上辺と第１摂動導体１２との間隔Ｄ１と、第１摂動導体１２と第２摂動導体１３との間隔Ｄ２は、円偏波ループアンテナ１の円偏波特性および軸比特性に影響を与え、約０．０２５λ〜０．０３λの間隔とされる。この間隔は、第２ループ素子２０における第２ループ導体２１の上辺と第１摂動導体２２との間隔と、第１摂動導体２２と第２摂動導体２３との間隔と同様であり、その間隔も約０．０２５λ〜０．０３λの間隔とされる。

第１ループ素子１０の下部には給電点１４が設けられており、この給電点１４から第１ループ素子１０に給電される。また、第２ループ素子２０の下部には給電点２４が設けられており、この給電点２４から第２ループ素子２０に給電される。給電点１４には給電線１５が接続されて、給電線１５は第２ループ素子２０から導出されている給電線２５に接続されて給電部３０に接続されている。また、第２ループ素子２０は給電線２５を介して給電部３０に接続されている。そして、第１ループ素子１０の受信信号と第２ループ素子２０の受信信号とが合成されて給電部３０から出力されるようになる。この給電部３０には、円偏波ループアンテナ１がＧＰＳアンテナとされた場合はＧＰＳ受信機から導出されたケーブルが接続される。ここで、給電部３０から見ると、給電部３０から給電点２４までの長さより給電点１４までの長さが給電線１５の長さＬ１だけ長くなっている。このため、給電点１４の受信信号は、長さＬ１に対応する時間だけ位相が遅れて給電部３０に達し、給電点２４の受信信号と合成されるようになる。すなわち、第１ループ素子１０と第２ループ素子２０とにより形成されるビームは天頂方向にチルトするようになる。このビームチルト角は給電線１５の長さＬ１に対応する角度となる。

給電線１５の間隔Ｄ３は、給電線のインピーダンス特性に影響を与え、約０．００３λの間隔とされている。また、給電線２５の間隔も給電線１５の間隔と同様とされている。また、第１ループ導体１０と第２ループ素子２０とが離隔されている距離Ｌ２は、第１ループ導体１０と第２ループ素子２０とのアイソレーション特性に影響を与え、約０．１５λの距離とされている。さらに、長さＤ４は給電線２５の一方が給電線１５の一方に接触しないように跨ぐ長さとされており、極力短くされている。
本発明にかかる円偏波ループアンテナ１は、フィルム上に導電塗料を塗布、あるいは、蒸着や貼着により第１ループ素子１０および第２ループ素子２０や給電線１５，２５を形成してフィルムアンテナとすることができる。また、フィルムに替えてプリント基板上に第１ループ素子１０および第２ループ素子２０や給電線１５，２５をプリントしたプリントアンテナとすることもできる。

上記したように給電線１５の長さＬ１により位相調整を行って、ビームチルト角を設定することができるようになるが、その給電線路長Ｌ１とビームチルト角の対応表を図２に示す。図２を参照すると、ビームチルト角として２０度を得たい場合は給電線路長Ｌ１を約０．１５λとすればよく、ビームチルト角として４５度を得たい場合は給電線路長Ｌ１を約０．３２λとすればよく、ビームチルト角として７０度を得たい場合は給電線路長Ｌ１を約０．４５λとすればよいことがわかる。このように、ビームチルト角として任意の角度に設定することができる。このため、フィルムアンテナとした円偏波ループアンテナ１を移動体の窓ガラスに貼着して取り付けても、円偏波ループアンテナ１が形成するビームの仰角を天頂方向にチルトすることができ、ＧＰＳ衛星をはじめとする通信衛星にビームを向けることができるようになる。また、通信衛星に限らず所望の通信局の仰角方向に円偏波ループアンテナ１のビームを向けることができるようになる。

円偏波ループアンテナ１において給電線路長Ｌ１を約０．３５λとすると共に、上記した寸法とした際の円偏波ループアンテナ１のＸ−Ｚ平面の放射特性を図３に示す。図３において、Ｚ方向が天頂方向でありＸ−Ｙ平面が地平面に平行な水平面となる。図３を参照すると、約５０度の仰角が得られている。また、円偏波ループアンテナ１は第１ループ素子１０と第２ループ素子２０とによりそれぞれ受信された信号を合成して出力していることから、単一のループアンテナより高いゲイン特性を示すようになる。
さらに、円偏波ループアンテナ１において給電線路長Ｌ１を約０．３５λとすると共に、上記した寸法とした際の円偏波ループアンテナ１のＸ−Ｙ平面の放射特性を図４に示す。図４において、Ｘ−Ｙ平面が地平面に平行な水平面であり、紙面に垂直な方向（Ｚ方向）が天頂方向となる。図４を参照すると、ほぼ無指向性とされて良好な軸比特性が得られていることがわかる。なお、図３および図４における放射特性は周波数１．５７５４２ＧＨｚとされており、この周波数はＧＰＳで用いられている周波数である。なお、ＧＰＳにおける周波数占有帯域幅は２．０４６ＭＨｚとされている。

次に、円偏波ループアンテナ１において給電線路長Ｌ１を約０．３５λとすると共に、上記した寸法とした際の円偏波ループアンテナ１の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数特性を図５に示し、その際のインピーダンスの周波数特性を示すスミスチャートを図６に示す。図５および図６を参照すると、周波数が約１５３０ＭＨｚ〜１７００ＭＨｚにおいて正規化したインピーダンスが１近傍の値となってＶＳＷＲ２．０以下の良好なＶＳＷＲ値が得られていることがわかる。なお、図５および図６におけるマーカ１の周波数１．５７５４２ＧＨｚはＧＰＳで用いられている周波数であり、マーカ１で示す周波数において１．４９の良好なＶＳＷＲ値が得られている。マーカ２の周波数１．５８９３ＧＨｚは最良のＶＳＷＲが得られている周波数であり、マーカ２で示す周波数においてＶＳＷＲ１．４７７の最良の値が得られている。

以上説明したように、本発明の円偏波ループアンテナ１は窓ガラス等のほぼ垂直な面に取り付けられた場合に上下に離隔して配置された第１ループ素子１０と第２ループ素子２０を備え、第１ループ素子１０と第２ループ素子２０とによりそれぞれ受信された信号を合成して出力している。この際に、給電線１５の長さＬ１により上に配置された第１ループ素子１０の受信信号を遅延して合成していることから、ほぼ垂直な面に取り付けられた円偏波ループアンテナ１のビームを天頂方向へチルトすることができるようになる。すなわち、図７に示すように車両４０の後部の窓ガラスに円偏波ループアンテナ１を取り付けると図示するような高仰角のビーム４１を形成することができるようになる。ビーム４１のビームチルト角は給電線１５の長さＬ１の長さを変更することにより調整することができる。

また、図８に示すように車両５０の両サイドの窓ガラスに円偏波ループアンテナ１をそれぞれ取り付けると図示するような高仰角のビーム５１ａ、５１ｂを両サイドに形成することができるようになる。ビーム５１ａ、５１ｂのビームチルト角は給電線１５の長さＬ１の長さを変更することによりそれぞれ調整することができる。
なお、本発明の円偏波ループアンテナ１はほぼ水平な面に取り付けられてもよく、この場合は水平方向に離隔して第１ループ素子１０と第２ループ素子２０が配置される。このため、ほぼ水平な面に取り付けられた円偏波ループアンテナ１のビームを天頂方向からチルトすることができるようになる。また、傾斜した面に本発明の円偏波ループアンテナ１を取り付けても良いことは云うまでもないことである。

以上の説明では移動体の窓ガラスに取り付け可能なフィルムアンテナに適用する円偏波ループアンテナとして説明したが、これに限ることはなく移動体以外に使用されるフィルムアンテナの円偏波ループアンテナに適用することができる。また、導電線や導電パイプを折曲することにより図１に示す形状の円偏波ループアンテナ１を構成するようにしてもよい。また、本発明の円偏波ループアンテナは、ＧＰＳに限らず種々の円偏波を用いる通信に利用することができる。

本発明の実施例の円偏波ループアンテナの構成を示す図である。本発明の実施例の円偏波ループアンテナにおけるの給電線路長とビームチルト角の対応表を示す図表である。本発明の実施例の円偏波ループアンテナのＸ−Ｚ平面の放射特性を示す図である。本発明の実施例の円偏波ループアンテナのＸ−Ｙ平面の放射特性を示す図である。本発明の実施例の円偏波ループアンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。本発明の実施例の円偏波ループアンテナのインピーダンスの周波数特性を示すスミスチャートである。本発明の円偏波ループアンテナを車両の後部の窓ガラスに取り付けた際に形成されるビームの一例を示す図である。本発明の円偏波ループアンテナを車両の両サイドの窓ガラスに取り付けた際に形成されるビームの一例を示す図である。

符号の説明

１円偏波ループアンテナ、１０ループ導体、１０ループ素子、１１ループ導体、１２摂動導体、１３摂動導体、１４給電点、１５給電線、２０ループ素子、２１ループ導体、２２摂動導体、２３摂動導体、２４給電点、２５給電、２５給電線、３０給電部、４０車両、４１ビーム、５０車両、５１ａビーム、５１ｂビーム

Claims

第１のループ導体と、該第１のループ導体の一辺にほぼ平行に所定の間隔毎に設けられた２本の摂動導体とを有している第１のループ素子と、
第２のループ導体と、該第２のループ導体の一辺にほぼ平行に所定の間隔毎に設けられた２本の摂動導体とを有し、前記第１のループ素子に間隔を置いて配置されている第２のループ素子と、
前記第１のループ素子と前記第２のループ素子とに、位相差を与えて給電する給電手段と、
前記第１のループ素子と前記第２のループ素子、および、前記給電手段が形成されている絶縁フィルムとを備え、
前記第１のループ素子および前記第２のループ素子において、動作中心周波数の波長をλとした際に、前記ループ導体の一辺と前記２本の摂動導体の内の一方の第１摂動導体との間隔、および、前記第１摂動導体と前記２本の摂動導体の内の他方の第２摂動導体との間隔が約０．０２５λ〜０．０３λの間隔とされており、移動体に於ける窓ガラス上に貼着可能なフィルムアンテナとされていることを特徴とする円偏波ループアンテナ。
前記第１のループ素子と前記第２のループ素子とが上下に間隔を置いて配置されており、前記第１のループ素子と前記第２のループ素子とに給電する給電線の長さにより前記位相差を与え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。