説明

円偏波アンテナおよびこれを搭載した通信装置

【課題】
携帯用端末装置に搭載する円偏波アンテナとして、小型で放射特性の良好な円偏波アンテナを提供する。
【解決手段】
方形地板2と、上記方形地板2面に対し垂直に設けられたヘリカル3と、上記ヘリカルの略中心に上記方形地板面に対して垂直に立てられている中心導体4とからなり、上記ヘリカル3は上記方形地板2の四隅の内の一つに設けられている。これにより、小型で放射特性の良好な円偏波アンテナが実現できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、GPSなどの機能を備えた移動体通信装置等に用いる円偏波アンテナ、およびそれを搭載した通信装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、移動体通信の発展に伴い、移動体通信端末局に搭載する小型かつ高性能な円偏波アンテナの要求が高まっている。すなわち、移動体通信、とりわけ衛星からの電波を利用するGPS端末においては、衛星と端末相互の姿勢が時々刻々と変化するため、その姿勢変化の影響を受けにくい円偏波を利用することで、安定した通信を確保できる。さらに、携帯用端末装置はその性質上、軽量化、小型化が望まれるが、それに伴いアンテナの小型軽量化も要求される。
【0003】
ここで、ヘリカルアンテナは、円偏波アンテナとしてよく知られている。ヘリカルアンテナは、らせん状に導体を巻いて構成されたアンテナであるが、周長(ないし半径)およびピッチの波長に対する大きさを変化させると、放射する電波の特性は大きく異なることが知られている。波長と同程度の周長を有するヘリカルアンテナは、軸方向に最大の放射を得ることができるとともに、円偏波を発生させるのであるが、これは軸モードと呼ばれている。一方、波長に比べて十分小さい周長を有するヘリカルアンテナは、モノポールアンテナと同様の八の字型の放射特性を有するとともに、直線偏波ないし直線偏波に近い楕円偏波を発生させる。これはノーマルモードと呼ばれる。
【0004】
例えば、軸モードを利用したヘリカルアンテナとして(特許文献1)がある。また、ノーマルモードを利用したヘリカルアンテナとして(特許文献2)、(特許文献3)がある。(特許文献2)には、横方向長さが1.12λ、縦方向長さが0.57λの基板(金属板上に絶縁層を形成したもの)の中央に直径0.105λのヘリカルアンテナが設けられた構成が開示されている。(特許文献3)には、大きな地板を用いる必要がないヘリカルアンテナが開示されている。
【0005】
また、市販されている小型GPS用アンテナとしては、(1)高誘電率基板上の正方形パッチアンテナ(20mm角程度)に切り欠きを設けたものや、(2)正方形パッチアンテナの四隅に多数のフィンを設けたもの(12mm角)、および、(3)Quadra−filar helix type antenna(12φ×18.5mm)などがある。その他、市販されている小型アンテナとしては、(4)逆Fタイプや(5)巻き線タイプ、(6)変形逆Fタイプのものがある。
【特許文献1】特開2004−336331
【特許文献2】特開2003−101327
【特許文献3】特開2003−152427
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、(特許文献1)に記載のヘリカルアンテナをはじめ、軸モードを利用するヘリカルアンテナは、円偏波を軸方向に放射するという、姿勢が随時変化する携帯用端末装置にとっては良好な放射特性を有するものの、通常GPSで用いられる軸モードヘリカルアンテナは、ヘリカルの直径が6〜7センチとなるためアンテナ部分の体積が極めて大きくなるという欠点を有しており、携帯用端末装置には不向きであった。携帯用端末装置の例として、GPS端末や、衛星を利用した携帯電話が挙げられる。
【0007】
また、(特許文献2)、(特許文献3)に記載のアンテナはノーマルモードを利用するものであるが、ノーマルモードのヘリカルアンテナは通常モノポールアンテナと同じ放射特性を有するので、モノポールアンテナをコンパクトにする手段として用いられる。しかし、アンテナ長がλ/19以上と長いため、薄型携帯端末に搭載するには必ずしも適しているとはいえない。しかも、ノーマルモードヘリカルアンテナは、モノポールアンテナと同じ垂直面内で八の字型の指向性を有するので、軸方向にヌル点が存在し、衛星からの電波を受信する際、携帯用端末装置の姿勢によっては受信できない方向が存在するので、携帯用端末装置にとって適当な放射特性を有するアンテナではない。
【0008】
さらに、市販のアンテナについては、(1)(2)(3)は円偏波を放射するものの、携帯用端末装置に搭載するにはサイズが大きい。また(4)(5)(6)は垂直・水平偏波成分を共有するが、軸対称性が良好とはいえず、また、垂直・水平面内で8の字の指向性を有するのでヌル点が存在し、全天空にわたる広角度の受信に不感帯を生じるという課題がある。
【0009】
以上の通り、携帯用端末装置に搭載する円偏波アンテナとして、小型で放射特性の良好な円偏波アンテナが望まれている。
【0010】
そこで、本発明は、携帯用端末装置に搭載する円偏波アンテナとして、小型で放射特性の良好な円偏波アンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の請求項1記載の円偏波アンテナは、方形地板と、上記方形地板面に対し垂直に設けられ下端を接地したヘリカルと、上記ヘリカルの略中心に上記方形地板面に対して垂直に立てられている中心導体とからなり、上記ヘリカルは上記方形地板の四隅の内の一つに設けられていることを特徴とする。
本発明の請求項2記載の円偏波アンテナは、請求項1記載の円偏波アンテナであって、方形地板の寸法は、幅0.263〜0.284λ、長さ0.509〜0.683λ(λ:波長)であることを特徴とする。
本発明の請求項3記載の円偏波アンテナは、請求項1記載の円偏波アンテナであって、ヘリカルが設けられるのは、方形地板の幅方向に対して右上隅、または左下隅であることを特徴とする。
本発明の請求項4記載の円偏波アンテナは、請求項1記載の円偏波アンテナであって、ヘリカルは、外径がλ/19以下であることを特徴とする。
本発明の請求項5記載の通信装置は、請求項1から4記載の円偏波アンテナを搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
請求項1記載の本発明によれば、サイズの小さいヘリカルアンテナから、良好な円偏波が軸方向に発生するという効果を発揮するものである。
請求項2記載の本発明によれば、この幅および長さに収まる方形地板を使うことにより、縦横比が円に近い良好な円偏波を発生するという効果を発揮するものである。また、垂直面内指向性は水平面からの仰角が30°以上で特に良好なレベルを達成しており、衛星からの電波を受けるために必要とされるための条件を十分満たすものである。さらに、水平面内指向性も、全方向でほぼ良好なレベルを達成している。さらに、このサイズは通信装置、特に携帯用端末装置に搭載するのに適したコンパクトなサイズでもある。
請求項3記載の本発明によれば、ヘリカルを方形地板の右上ないし左下隅に配置することで、方形地板に生じる電流分布により、良好な右旋円偏波を発生するという効果を発揮するものである。
請求項4記載の本発明によれば、良好な円偏波を発生するとともに、コンパクトな円偏波アンテナを実現するという効果を発揮するものである。
請求項5記載の本発明によれば、実用上、垂直面、水平面のどの方向にも感度の高い通信装置を実現するという効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
本発明の実施の形態について、図1〜2を参照して以下に説明する。
図1は、本発明の実施形態の一つである円偏波アンテナの概略を示す上面図である。また図2は、図1のA−B線に沿って切断したヘリカルアンテナ部分の断面側面図および上面図である。図1、2に示すように本実施の形態の円偏波アンテナ1は、方形地板2、ヘリカル3、中心導体4を備えている。
【0014】
方形地板2は、幅W、長さLの方形である。そして、好ましい実施例として後述するように、波長との関係で所定の幅W、長さLを有するものである。また、方形地板2は、絶縁体の両面に導電体である銅をプリントした構成を有している。絶縁体は、例えば、ガラス繊維からなる板にテフロンコーティングが施されている。そして、方形地板2は、携帯用端末装置の構成部品の一部でもある。例えば、この方形地板2の裏面上に、携帯用端末装置の各種部品、例えば、通信機能部品やワンセグレシーバの部品が搭載されていてもよい。
【0015】
ヘリカル3は、銅線、錫めっき線、エナメル線、燐青銅線、金メッキ線などの導電体のワイヤーをらせん状に形成したものである。そして、このように形成したヘリカル3は、方形地板2の四隅のうちの一つ、望ましくは、図1のように幅方向に対して右上隅に、もしくは図示しない左下隅に、その軸を方形地板2の面に対して垂直となるよう配置されている。右上隅ないし左下隅に配置した場合、本アンテナからは右旋円偏波がヘリカル3の軸方向に発生する。その他の場合は、左旋円偏波となる。そして、ヘリカル3下端部は方形地板2の上面の導電体に接地されている。図2においては、その一例として、金属製のワッシャーを介して、半田付けにより所定の場所に設置されている。
【0016】
そして、中心導体4は、図1,2に示すとおり、ヘリカル3の略中心部分に同心状に、方形地板2に対して垂直に立てられている。中心導体4は、ヘリカル3と同じ材料を用いることができる。中心導体4の下端は、方形地板2に設けられた穴を貫通し、マイクロストリップライン5に接続されている。マイクロストリップライン5は、方形地板2の裏面にプリントされた銅箔を線状に残して形成されている。なお、マイクロストリップラインに代えて、同軸中心導体に接続してもよい。マイクロストリップライン5の先は、図示しない受信機への伝送線路を形成している。このように設けられた中心導体4は、ヘリカル3を励振し、ヘリカル3とともにヘリカルアンテナを構成する。そして、この構成は、インピーダンス整合に重要な役割を有する。つまり、この構成によれば、システムインピーダンスとの整合を取り、かつ放射を最大にすることが可能である。
【0017】
以上の構成により、本円偏波アンテナは、以下の動作により円偏波を発生するものである。
【0018】
無限地板上に設置した小型ヘリカルアンテナは、アンテナ軸に平行な直線偏波を放射する。しかし、方形地板2の隅にヘリカル3を設置し、方形地板2の寸法を適当に選ぶと、方形地板2上に生じる電流分布により地板天頂方向に円偏波が発生する。なぜならば、直線偏波アンテナは、アンテナ装着位置を地板中心からオフセットさせると,アンテナ単体では有しない直交偏波成分を放射するからである。これは、地板上に発生する面電流が給電点をオフセットすると、非対称に発生することに起因している。このとき、発生電流は基板端部に集中し、その波長比で表した縦横寸法に依存した位相を有することとなる。ダイポールアンテナの波長比寸法で入力インピーダンスが変化するのと同様な特性である。したがって、携帯端末装置に小型直線偏波アンテナを基板隅に垂直に立てて装着すると、基板寸法によって天頂方向に円偏波を放射するアンテナが構成出来るのである。
以下に、本発明の円偏波アンテナの実施例を示す。
【実施例】
【0019】
(1)ヘリカルアンテナ
本実施例で採用するヘリカルの外径は、ヘリカル3の直径(6.4mm)にヘリカル3を構成するワイヤの直径(1.2mm)を加えた7.6mmであり、波長比で換算するとλ/25である。周波数は,GPSで用いられている1.575GHzを用い、これに対応する波長λは約190.4mmである。表1に、本実施例のヘリカルアンテナの寸法を示す。なお、アンテナの寸法増加で利得や帯域幅も増大するのであるが、アンテナの小型化のためには外径は10mm以下(波長比換算でλ/19)であることが望ましい。
同様に、ヘリカル3の高さについても携帯用端末装置に用いるためには10mm以下にアンテナ高さを抑えることが要求されることから、ヘリカル3の高さも10mm以下(波長比換算でλ/19)であることが望ましい。
【表1】


表1に示した各部寸法を用いてモーメント法IE3Dによりシミュレーションを行った。ヘリカル巻き数の40/12は、解析に用いた一回り12セグメントに対して40セグメント、すなわち3.33回である。このアンテナを無限地板上に設置した時は、モノポールアンテナと同様の指向性を示し、直線偏波利得:−0.47dBiを得ている。これを、幅W:54mm×長さL:110mmの方形地板2の、幅方向に対して右隅(7mm×7mm)の位置に、方形地板2の面に対して垂直に立てた状態を想定した。以下、このシミュレーションによって得られた値を計算値と呼ぶ。
【0020】
これとは別に、表1の寸法を有するヘリカルアンテナを実際に作成した。ヘリカルには、直径1.2mmの錫メッキ線を用い、表1に示すヘリカル直径、中心導体直径を用いてヘリカルアンテナを実際に作成した。巻数2.7回、高さ5.6mm、中心導体長5.4mmで目的周波数に共振できた。これを上記寸法の地板の同様の位置に設置し、各種の測定を行った。以下、これによって得られた値を実測値と呼ぶ。
【0021】
図3は本発明の円偏波アンテナのリターンロス特性を表す特性図である。図3において、縦軸はリターンロス、横軸は周波数を表し、計算値を点線で、実測値を実線で示す。図3によれば、計算値のリターンロスの最低は−18.6dBであり、実用のアンテナとしての良好な使用目安である−10dB以下の帯域幅は6MHzであった。一方、実測値のリターンロス特性は最低−18.5dBであり、実用のアンテナとしての良好な使用目安の−10dB以下の帯域幅は16MHzであった。以上のように、寸法に若干の違いは認められるものの、実際のアンテナの製作においてもその特性を十分に実現できるものである。
【0022】
図4は、方形地板2上の電流分布を表す模式図である。このように、地板の上縁横方向および右端縦方向に電流が集中して生じる。その波長比寸法は,幅W方向がλ/2より短かく(Capasitive:進み),長さL方向はλ/2より長め(inductive:遅れ)となって、両者の位相が約90度異なり、横から縦方向に位相回転が起こり、基板天頂方向に右旋円偏波を放射するものである。
【0023】
なお、本実施例ではヘリカルアンテナは基板の幅方向に対して右上隅に設置したが、左下隅に設置しても同様の結果が得られる。
【0024】
(2)地板
より良好な円偏波を発生させる円偏波アンテナを実現するため、方形地板2の寸法を、携帯端末装置に採用されている幅W:44mmから54mmの範囲、および長さL:70mmから140mmの範囲で変化させて計算値、実測値を求めた。なお、計算値においては、幅W:44mm、50mm、54mmについてシミュレーションを行い、実測値については、幅W:54mmについて測定を行った。
【0025】
図5は、地板の幅W、長さLを変化させたときの円偏波軸比特性を表す特性図である。図5において縦軸は円偏波軸比、横軸は地板の長さLを表し、点線は幅W:44mmの場合における計算値、実線は幅W:55mmの場合における計算値、太線は幅W:54mmの場合における計算値、楕円は幅W:54mmの場合における実測値を表す。軸比の最低値は、幅W:44mmの場合は、長さL:120mmで、幅W:50mmおよび幅W:54mm(計算値、実測値とも)の場合は長さL:110mmで発生し、このときの軸比はそれぞれ2.2dB、0.5dB、1.0dBであった。このように、計算値と実測値は、その特性がほぼ一致しているので、計算値により実際のアンテナの仕様を決定することが可能であると言える。
【0026】
そして、実用のアンテナとしての良好な使用目安である3dB以下が実現できる地板幅Wは、50mmから54mmであり、地板長さLは、97mmから130mmであり、それぞれ波長比で換算すると、W:0.263〜0.284λ、L:0.509〜0.683λである。さらに好ましくは、2dB以下が実現できる地板長さは、100mmから125mmであり、同様に波長比で換算すると、0.525〜0.657λである。また、6dBの円偏波軸比は、約2対1になるが、この程度の軸比であっても円偏波として十分受信は可能である。このときの地板幅Wは、44mmから54mmであり、地板長さLは、85mm以上であり、それぞれ波長比で換算すると、W:0.231〜0.284λ、L:0.446λ以上である。このように、円偏波は真円でなくても、ある程度円に近ければ実用上使用に耐えうる。
【0027】
図6は、地板幅W:50mmの場合における、地板長さLを変化させたときの、X−Z面内、地板天頂方向(θ=0)でのEθ成分、およびEφ成分の利得(dBi)の変化を表した特性図である。なお、θは地板天頂方向からの角度、φはXY平面内におけるX軸からの角度を表す。図6によれば、方形地板2の長さLの変化でEθは大きく変化しないが、Eφのレベルは徐々に減少している。これは地板長さL方向の発生電流の振幅が変化したためであり,長さL:110mmで、長さL:80mmの最大値:0dBiより3dB低下してEφとほぼ一致している。このとき、図5より、円偏波軸比:0.5dBiが得られていることがわかる。
【0028】
なお、通信装置に搭載する場合に生じるヘリカルアンテナ部分の突出を避けるため、ヘリカルアンテナ搭載部分の方形地板を窪ませて形成しておいてもよい。
このように、有限地板隅に小型ヘリカルアンテナを設置して、その地板寸法を適当に選べば、良好な円偏波を発生するという効果を発揮するものである。
【0029】
(3)円偏波の放射特性(指向性と利得)
図7、8は、方形地板2の寸法が,幅W:54mm×長さL:110mmにおける、φ=0°(XZ面内)、およびφ=90°(YZ面内)での垂直面内右旋円偏波指向性を表す特性図である。点線は計算値を、実線は測定値を示す。ひと目盛りは10dBを表す。右旋円偏波の最大値は、ヘリカルアンテナ軸方向電流と基板上XおよびY方向電流とのベクトル和でθ=−30°付近で発生し、これより±60°の範囲で5dB程度減少している。θ=0°での利得は−0.2dBicであった。なお、図7において、θ=90°でレベルの低下があるが、これはヘリカル3自身が存在するために生じる影響である。また、実測値と計算値とは後方ローブおよびヌル点深さに違いが認められるが、特性はほぼ一致している。したがって、実際のアンテナの設計に計算値を用いてもよいといえる。
【0030】
図9は、水平面内(XY面内)の円偏波指向性を表す特性図である。点線は計算値を、実線は測定値を表す。図9の上方がφ=0°、すなわち,基板の横方向(アンテナ側)であり,この方向にレベルの落ち込みが認められる。これは図7におけるθ=90°でのレベル低下に対応し、上述の利得最大値のθ=−30°からは150°離れており、携帯端末装置を使用する際、実用上使用することのない範囲での落ち込みである。また、実測値と計算値とは、特性はほぼ一致している。したがって、実際のアンテナの設計に計算値を用いてもよいといえる。
【0031】
(4)通信装置(携帯用端末装置)
図10は、本発明の円偏波アンテナが搭載されている携帯用端末装置の使用状態を説明する図である。方形地板2の上には通常数字等の入力キーが配置されているが、説明のためこれは省略している。方形地板2の寸法は、ほぼ携帯用端末装置の幅や長さに近いものである。このように、本発明の方形地板2は、通常の携帯端末装置に適した大きさとなっている。
【0032】
図10のように、携帯用端末装置を手に持って操作するときは、通常、水平面から約30度程度傾けて保持している。図10は、説明のため、図7から9の特性図を縮小して表示している。図7、8でも説明したとおり、利得の最大値は方形地板2の面に対して垂直方向から約30°、ヘリカルアンテナとは逆の方向に倒れていることがわかる。そして、これは、図10のように、携帯用端末装置を所持している使用者の左斜め後方を向いている。しかし、図7から9で説明した通り、少なくとも方形地板2のヘリカルアンテナ側の円偏波指向性はほぼ均一であり、またθ=±60°でのレベル変化も5dBの減少に収まっているので、使用者が携帯用端末装置をどの方位に向けても良好な受信が可能である。
【0033】
また、図11に示すとおり、アンテナ設置位置を現位置と逆対称の左下隅に置き換えると、携帯用端末装置を手に取ったとき、利得の最大値は方形地板2の面に対して垂直方向から約30°、ヘリカルアンテナとは逆の方向に倒れることから、使用者の右斜め前方側、つまりほぼ天頂方向に利得最大が生じる。そして同様に、θ=±60°でのレベル変化は5dBの減少に収まっているので、ヘリカルアンテナを右上隅に設ける場合に比べて、より良好な受信が可能である。
なお、本実施例では、方形地板2を数字入力キーの下に配置したが、これに限られるものではない。
【0034】
本発明の円偏波アンテナは、円偏波を利用する通信装置に搭載して用いることができるものであり、特に小型化が要求される携帯用端末装置、例えば電話用送信機、受信機、ワンセグ受信機、GPS受信機に使用できるものである。もちろん、携帯用のみならず、移動を伴わない通信装置にも用いることができるものである。
また、移動体通信の端末のみならず,GPS機能搭載通信モジュールを用いた広域RFIDに適用して、GPS、CDMA(815〜925MHz)アンテナを基板上に一体化すれば、より利便性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【0035】
本発明の円偏波アンテナは、円偏波を採用しうるあらゆる通信装置、一例として移動体通信用端末に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】本発明の円偏波アンテナの概略を示す上面図
【図2】本発明の円偏波アンテナのヘリカルアンテナ部分の断面側面図
【図3】本発明の円偏波アンテナのリターンロス特性を表す特性図
【図4】本発明の円偏波アンテナの方形地板上の電流分布を表す模式図
【図5】本発明の円偏波アンテナの円偏波軸比特性を表す特性図
【図6】本発明の円偏波アンテナの利得Eθ、およびEφの変化を表した特性図
【図7】本発明の円偏波アンテナの垂直面内における円偏波指向性を表す特性図
【図8】本発明の円偏波アンテナの垂直面内における円偏波指向性を表す特性図
【図9】本発明の円偏波アンテナの水平面内における円偏波指向性を表す特性図
【図10】本発明の円偏波アンテナが搭載されている携帯用端末装置の使用状態を説明する説明図
【図11】本発明の円偏波アンテナが搭載されている携帯用端末装置の使用状態を説明する説明図
【符号の説明】
【0037】
1 円偏波アンテナ
2 方形地板
3 ヘリカル
4 中心導体


【特許請求の範囲】
【請求項1】
方形地板と、上記方形地板面に対し垂直に設けられ下端を接地したヘリカルと、上記ヘリカルの略中心に上記方形地板面に対して垂直に立てられている中心導体とからなり、上記ヘリカルは上記方形地板の四隅の内の一つに設けられている円偏波アンテナ。
【請求項2】
方形地板の寸法は、幅0.263〜0.284λ、長さ0.509〜0.683λ(λ:波長)であることを特徴とする請求項1記載の円偏波アンテナ。
【請求項3】
ヘリカルが設けられるのは、方形地板の幅方向に対して右上隅、または左下隅であることを特徴とする請求項1記載の円偏波アンテナ。
【請求項4】
ヘリカルは、外径がλ/19以下であることを特徴とする請求項1記載の円偏波アンテナ。
【請求項5】
請求項1から4記載の円偏波アンテナを搭載した通信装置。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【公開番号】特開2010−50895(P2010−50895A)
【公開日】平成22年3月4日(2010.3.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−215426(P2008−215426)
【出願日】平成20年8月25日(2008.8.25)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.テフロン
【出願人】(899000057)学校法人日本大学 (650)
【出願人】(000110147)トクセン工業株式会社 (44)