複数周波円偏波アンテナ
【課題】小型で製造が簡単な薄型かつ軽量の複数周波円偏波アンテナを提供する。
【解決手段】複数周波円偏波アンテナ100は、基板と複数周波アンテナ900,901とから構成される。複数周波アンテナ900,901は、アンテナ素子120,220,320,420とシャントインダクタ用導体170,270,370,470とシリーズキャパシタ用導体160(a,b),260(a,b),360(a,b),460(a,b)とシリーズインダクタ用導体140,240,340,440と中心点199と入出力端子110,210,310,410とから構成され、複数周波円偏波アンテナ100は、複数周波アンテナ900,901のシャントインダクタ用導体170,270,370,470を介してその中心点199でほぼ垂直に接続されて構成されている。
【解決手段】複数周波円偏波アンテナ100は、基板と複数周波アンテナ900,901とから構成される。複数周波アンテナ900,901は、アンテナ素子120,220,320,420とシャントインダクタ用導体170,270,370,470とシリーズキャパシタ用導体160(a,b),260(a,b),360(a,b),460(a,b)とシリーズインダクタ用導体140,240,340,440と中心点199と入出力端子110,210,310,410とから構成され、複数周波円偏波アンテナ100は、複数周波アンテナ900,901のシャントインダクタ用導体170,270,370,470を介してその中心点199でほぼ垂直に接続されて構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、小型の複数周波円偏波アンテナに関する。
【背景技術】
【0002】
GPS(Global Positioning System:全地球測位システム)を搭載した携帯端末やカーナビゲーション等の様々な無線通信システムが普及している。ETC(Electronic Toll Collection System)の普及により、カーナビゲーションシステムでは、GPSとETCの複周波の円偏波に対応できる車載用のアンテナの開発が求められている。さらに、カーナビゲーションシステムのみならず携帯電話、デジタルカメラ、PDA、腕時計等、小型な携帯端末の筐体に内蔵可能な小型の円偏波アンテナの開発が求められている。
【0003】
小型円偏波アンテナに関しては、誘電率の高いセラミックスを用いたパッチアンテナが広く使われている。
しかしながら、誘電率の高いセラミックスを用いたパッチアンテナは、重く、製造が困難で、薄型化が困難である。
複数の周波数で小型軽量化が可能で、利得の大きい小型の複数周波アンテナが非特許文献1に開示されている。
しかし、このアンテナは、直線偏波用であり、円偏波には対応していない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】斉藤昭、星野有哉、青木由隆、本城和彦“MIMO用2周波アンテナの放射パターン直交性改善の基礎検討”、電子情報通信学会マイクロ波研究会、2009年9月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
誘電率の高いセラミックスを用いたパッチアンテナは、プリント基板にパターニングして形成されるアンテナと比較して重量があり、製造法も複雑で高価な上、薄型化が困難であるといった問題があった。
【0006】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、小型で製造が簡単な薄型かつ軽量の複数周波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】
【0007】
上記目的を達成するため、本発明に係る複数周波円偏波アンテナは、
第1の入出力端子と、第1のアンテナ導体と、前記第1の入出力端子と前記第1のアンテナ導体とを接続する、第1のインダクタと第1のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第1のアンテナ導体に接続された第2のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第1のアンテナと、
第2の入出力端子と、第2のアンテナ導体と、前記第2の入出力端子と前記第2のアンテナ導体とを接続する、第3のインダクタと第2のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第2のアンテナ導体に接続され、他端が前記第2のインダクタの他端に接続された第4のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第2のアンテナと、
をそれぞれ備え、前記第1のアンテナと前記第2のアンテナとが略鏡像対称に配置された第1及び第2の複数周波アンテナを備える複数周波円偏波アンテナであって、
前記第1の複数周波アンテナと前記第2の複数周波アンテナとが、その中心点で略垂直に交差して配置され、前記第1の複数周波アンテナの第4のインダクタの他端が、前記第2の複数周波アンテナの第4のインダクタの他端とさらに接続されている、
ことを特徴とする。
【0008】
例えば、前記第1のアンテナの複数の共振周波数と、前記第2のアンテナの複数の共振周波数とは、実質的に同一である。
【0009】
また、誘電体板をさらに備え、
前記第1及び第2の入出力端子と前記第1及び第2のアンテナ導体とは、前記誘電体板の一面に形成され、
前記第2及び第4のインダクタは、前記誘電体板の他面に配置され、ビアを介して前記第2のインダクタの一端が前記第1のアンテナ導体に、前記第4のインダクタの一端が前記第2のアンテナ導体に接続され、
前記第1のキャパシタは、前記第1のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第1のアンテナ導体の一部に対向する第1の導電体と、前記第1のアンテナ導体の一部と前記第1の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第2のキャパシタは、前記第2のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第2のアンテナ導体の一部に対向する第2の導電体と、前記第2のアンテナ導体の一部と前記第2の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第1のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第1の導電体と接続され、他端が前記第1の入出力端子に接続され、
前記第3のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第2の導電体と接続され、他端が前記第2の入出力端子に接続されてもよい。
【0010】
また、前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子と前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子とが接続されて1つの入出力端子を形成し、前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子と前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子とが接続されて1つの入出力端子を形成してもよい。
【0011】
例えば、一端が前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続された第1のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続された第2のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続された第3のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続された第4のスイッチング素子と、
をさらに備え、
前記第1及び第4のスイッチング素子がオンである場合に、前記第2及び第3のスイッチング素子がオフとなり、前記第1及び第4のスイッチング素子がオフの場合、前記第2及び第3のスイッチング素子がオンとなるようにしてもよい。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、小型で製造が簡単な薄型かつ軽量の複数周波円偏波アンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナの平面図である。
【図2】図1に示す複数周は円偏波アンテナの底面図である。
【図3】図1に示す複数周波円偏波アンテナを構成する複数周波アンテナの斜視図である。
【図4】図1に示す複数周波円偏波アンテナを構成する複数周波アンテナの断面図である。
【図5】図1に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路の一部分を示す図である。
【図6】図1に示す複数周波円偏波アンテナを構成する複数周波アンテナの等価回路を示す図である。
【図7】図1に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路の全体を示す図である。
【図8】(a)及び(b)は、図1に示す複数周波円偏波アンテナの送信時及び受信時の構成を示す入出力端子部分の拡大図である。
【図9】本発明の第2の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナの平面図である。
【図10】図9に示す複数周波円偏波アンテナの底面図である。
【図11】図9に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路を示す図である。
【図12】図9に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路を示す図である。
【図13】(a)及び(b)は、図9に示す複数周波円偏波アンテナの送信時及び受信時の構成を示す入出力端子部分の拡大図である。
【図14】図9に示す複数周波円偏波アンテナの変形例を示す平面図である。
【図15】図14に示す複数周波円偏波アンテナの底面図である。
【図16】本発明の第3の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナの平面図である。
【図17】(a)及び(b)は、図16に示す複数周波円偏波アンテナの入出力端子部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
(第1の実施形態)
以下、本発明の実施形態1に係る複数周波円偏波アンテナ100を説明する。
【0015】
図1〜8を参照して、実施形態1に係る複数周波円偏波アンテナ100の構成を説明する。なお、図中のX,Y,Z軸は、各図に共通の方向を示す。
【0016】
図1に示すように、複数周波円偏波アンテナ100は、複数周波アンテナ900と、複数周波アンテナ901とから構成される。複数周波アンテナ900と複数周波アンテナ901は同様の構成をしており、複数周波円偏波アンテナ100は、複数周波アンテナ900と複数周波アンテナ901とが、中心点199で略垂直に接続されて構成される。具体的には、図2に示すように、複数周波アンテナ900のシャントインダクタ用導体170、270と、複数周波アンテナ901のシャントインダクタ用導体370、470とが、中心点199で略直交するように接続されて構成される。シャントインダクタ用導体170、270、370、470については後述する。
【0017】
複数周波円偏波アンテナ100を構成する複数周波アンテナ900と複数周波アンテナ901の構成について説明する。なお、上記のとおり複数周波アンテナ900と複数周波アンテナ901は同様の構成であることから、複数周波アンテナ901の各構成については括弧書きで示す。
【0018】
複数周波アンテナ900(901)は、図3及び図4に示すように、基板99と、複数周波アンテナ101,102(103,104)と、から構成される。
【0019】
基板99は、板状の誘電体で、例えば、ガラスエポキシ基板(FR4)から構成される。
【0020】
複数周波アンテナ101(103)と複数周波アンテナ102(104)は同様の構成をしており、放射する電磁波の主伝搬方向が同方向になるように、略鏡像対称に基板99に配置されている。複数周波アンテナ101,102(103,104)は、入出力端子110,210(310,410)、アンテナ素子120,220(320,420)、ビア130,150a,150b,230,250a,250b(330,350a,350b,430,450a,450b)、ビア導体150,250(350,450)、シリーズインダクタ用導体140,240(340,440)、シリーズキャパシタ用導体160a,160b,260a,260b(360a,360b,460a,460b)、シャントインダクタ用導体170,270(370,470)から構成されている。
【0021】
入出力端子110,210(310,410)は、基板99の一方の主面のほぼ中央に近接して形成されており、一端部がシリーズインダクタ用導体140,240(340,440)の他端に接続されている。入出力端子110,210(310,410)には、図示せぬ1対の給電線が接続され、差動信号が供給される。入出力端子110,210(310,410)は給電点として機能する。
【0022】
アンテナ素子120,220(320,420)は、上底より下底が長い等脚台形の導体板と、この等脚台形の下底に接続された半円の導体板と、から構成される。アンテナ素子120(320)とアンテナ素子220(420)は、その等脚台形の上底が対向するように、基板99の一方の主面に配置されている。
【0023】
ビア130,230(330,430)は、アンテナ素子120,220(320,420)を構成する等脚台形の2本の対角線のほぼ交点を、基板99の一方の主面から他方の主面に貫通して形成される。ビア130,230(330,430)の内部には、一端部がアンテナ素子120,220(320,420)に接続された導体が充填されている。
【0024】
ビア導体150,250(350,450)は、基板99の一方の主面に配置されている。ビア導体150,250(350,450)は、基板99の一方の主面から他方の主面に貫通して形成される2つのビア150a及び150b,250a及び250b(350a及び350b,450a及び450b)を介してシリーズキャパシタ用導体160a及び160b,260a及び260b(360a及び360b,460a及び460b)に接続されている。
【0025】
シリーズインダクタ用導体140,240(340,440)は、線路導体から構成され、基板99の一方の主面に形成されており、その一端は、ビア導体150,250(350,450)に接続されている。
【0026】
シリーズキャパシタ用導体160a(360a)とシリーズキャパシタ用導体160b(360b)とは、間にシャントインダクタ用導体170(370)を挟むように、基板99の他方の主面に、アンテナ素子120(320)の一部に対向して、配置されている。アンテナ素子120(320)の一部とシリーズキャパシタ用導体160a,160b(360a,360b)の対向部分と、基板99のそれらの間に位置している部分により、アンテナ素子120(320)に直列に接続されたシリーズキャパシタが形成される。
【0027】
同様に、シリーズキャパシタ用導体260a(460a)とシリーズキャパシタ用導体260b(460b)とは、間にシャントインダクタ用導体270(470)を挟むように、基板99の他方の主面に、アンテナ素子220(420)の一部に対向して、配置されている。アンテナ素子220(420)の一部とシリーズキャパシタ用導体260a,260b(460a,460b)の対向部分と、基板99のそれらの間に位置している部分により、アンテナ素子220(420)に直列に接続されたシリーズキャパシタが形成される。
【0028】
シャントインダクタ用導体170,270(370,470)は、線路導体から構成され、基板99の他方の主面上に延在し、一端がビア130,230(330,430)の他端部に接続されている。シャントインダクタ用導体170,270(370,470)の他端は、基板99の他方の主面のほぼ中央の中心点199において、相互に接続されている。つまり、複数周波アンテナ101(103)と複数周波アンテナ102(104)とは、中心点199において、相互に接続される。
【0029】
複数周波アンテナ900(901)は、入出力端子110,210(310,410)との間に供給された送信信号を電波として空間に放射し、受信した電波を電気信号に変換して入出力端子110,210(310,410)から給電線に伝送する。
【0030】
上記構成の複数周波アンテナ900(901)は、例えば、基板99にビア130,150a,150b,230,250a,250b(330,350a,350b,430,450a,450b)を開口し、この開口をメッキ等で充填し、続いて、基板99の両面に銅箔を貼り付け、銅箔をPEP(光エッチング法)等によりパターニングすることにより製造される。
【0031】
上述した物理的構成を有する複数周波アンテナ900(901)を構成する複数周波アンテナ101,102(103,104)の電気的構成は、図5に示す等価回路で表される。
図示するように、複数周波アンテナ101,102(103,104)は、電気的には、シリーズインダクタLserと、シリーズキャパシタCserと、アンテナ素子120,220(320,420)の等価回路ANTと、シャントインダクタLshと、空間との結合の等価回路ANTsと、入出力端子110,210(310,410)と、接続点198(398)と、から構成される。
【0032】
なお、シリーズインダクタLserはシリーズインダクタ用導体140,240(340,440)のインダクタンスに対応し、シャントインダクタLshはシャントインダクタ用導体170,270(370,470)のインダクタンスに対応する。また、シリーズキャパシタCserは、シリーズキャパシタ用導体160a,160b,260a,260b等(360a,360b,460a,460b等)によって形成されるシリーズキャパシタに対応する。
【0033】
アンテナ素子120,220(320,420)の等価回路ANTは、入力インピーダンスを右手系の線路で表現した回路であり、インダクタL1antとインダクタL2antとキャパシタCantから構成される。
【0034】
アンテナ素子120,220(320,420)の等価回路ANTにおけるインダクタL1antのインダクタンス、インダクタL2antのインダクタンス、キャパシタCantのキャパシタンスは、アンテナ素子120,220(320,420)のサイズと形状にほぼ依存し、アンテナ素子120,220(320,420)のサイズと形状が定まるとほぼ定まる。
【0035】
空間との結合の等価回路ANTsは、アンテナ素子120,220(320,420)のサイズと形状に依存し、アンテナ素子120,220(320,420)と空間との結合によるインピーダンスを表現する回路である。空間との結合の等価回路ANTsは、キャパシタCsと、基準インピーダンスRsと、インダクタLsから構成される。
【0036】
入出力端子110,210(310,410)には、シリーズインダクタLserとシリーズキャパシタCserとの直列回路の一端が接続される。
【0037】
シリーズインダクタLserとシリーズキャパシタCserとの直列回路の他端には、アンテナ素子120,220(320,420)の等価回路ANTを構成するインダクタL1antの一端が接続される。インダクタL1antの他端には、キャパシタCantの一端とインダクタL2antの一端が接続される。キャパシタCantの他端は、接続点198(398)に接続される。
【0038】
シャントインダクタLshの一端は、インダクタL2antの他端に接続される。シャントインダクタLshの他端は、接続点198(398)に接続される。
【0039】
空間との結合の等価回路ANTsのキャパシタCsの一端が、インダクタL2antの他端とシャントインダクタLshの一端とに接続される。キャパシタCsの他端には、インダクタLsの一端と基準インピーダンスRsの一端が接続される。インダクタLsの他端と基準インピーダンスRsの他端は、接続点198(398)に接続される。
【0040】
空間との結合の等価回路ANTsにおける基準インピーダンスRsの値は、アンテナ素子120,220(320,420)のサイズと形状に依存する。この基準インピーダンスRsの値は、給電点に目的の周波数の電圧を印加したときの、印加した電圧と流れる電流の比を表すインピーダンスの実成分に相当する。
【0041】
空間との結合の等価回路ANTsにおけるキャパシタCsのキャパシタンスとインダクタLsのインダクタンスは、アンテナ素子120,220(320,420)を内包する球の半径aと基準インピーダンスRsに依存し、次の式(1)と(2)で表される。
Cs=a/(c×Rs) ・・・(1)
Ls=(a×Rs)/c ・・・(2)
ここで、Cs:キャパシタCsのキャパシタンス[F]
Ls:インダクタLsのインダクタンス[H]
Rs:基準インピーダンスRsの抵抗値[Ω]
a:アンテナ素子を内包する球の半径[m]
c:光速[m/s]
【0042】
複数周波アンテナ101,102(103,104)は、接続点198(398)で相互に接続されて複数周波アンテナ900(901)を構成する。複数周波アンテナ900(901)の電気的構成は、図6に示す等価回路で表される。入出力端子110,210(310,410)には、図示せぬ1対の給電線が接続されている。
【0043】
以上が、複数周波円偏波アンテナ100を構成する複数周波アンテナ900,901の構成である。
【0044】
複数周波円偏波アンテナ100は、図2に示すように、複数周波アンテナ900のシャントインダクタ用導体170,270と、複数周波アンテナ901のシャントインダクタ用導体370,470とが、各アンテナの中心点199で略直交するように接続されて構成されている。
【0045】
複数周波円偏波アンテナ100の電気的構成は、図7に示す等価回路で表される。複数周波円偏波アンテナ100で用いるそれぞれの周波数につき、入力インピーダンスの虚数部が0に、実部が50Ωになるように、シャントインダクタ用導体170,270,370,470、シリーズキャパシタ用導体160a,160b,260a,260b,360a,360b,460a,460b、シリーズインダクタ用導体140,240,340,440のパターンが調整される。
【0046】
なお、アンテナ素子120,220,320,420の空間との結合の等価回路ANTsの各インダクタのインダクタンス及びキャパシタのキャパシタンスは、上述した式(1)、(2)により求められる。
【0047】
本実施形態では、2.5GHzと5.2GHzの2つの周波数で、入力インピーダンスの虚数部が0に、実部が50Ωになるように、各パターンが調整されている。
【0048】
複数周波円偏波アンテナ100の入出力端子110,210,310,410は、図8(a)に示すように、給電線を介して信号源1又は2と接続されている。また、図8(b)に示すように、入出力端子110,210,310,410は、給電線を介して増幅部50と接続されている。増幅部50は、例えばオペアンプ等から構成される。
【0049】
複数周波円偏波アンテナ100は、送信時には入出力端子110,210,310,410との間に供給された送信信号を電波として空間に放射し、受信時には受信した電波を電気信号に変換して入出力端子110,210,310,410から給電線に伝送する。
【0050】
送信時の複数周波円偏波アンテナ100の動作について説明する。図8(a)に示すように、対になっている入出力端子110と210には、同信号が供給される。同様に、対になっている入出力端子310と410には、同信号が供給される。
【0051】
入出力端子110と210に供給される信号と、入出力端子310と410に供給される信号との位相差に応じて、複数周波円偏波アンテナ100は、直線偏波若しくは楕円偏波を空間に放射する。
【0052】
具体的には、入出力端子110と210に供給される信号と、入出力端子310と410に供給される信号とが同相(図8(a)の搬送波の位相θ=0)の場合、複数周波アンテナ900及び901が放射する直線偏波も同相となる。直交する2つの直線偏波が同相であるため、その合成波も直線となる。したがって複数周波円偏波アンテナ100は、直線偏波を放射する。
【0053】
これに対し、入出力端子110と210に供給される信号と、入出力端子310と410に供給される信号との間に位相差がある図8(a)の搬送波の位相θ≠0)場合、複数周波アンテナ900及び901が放射する直線偏波にも位相差が生じる。直交する2つの直線偏波に位相差があるため、その合成波は楕円偏波となる。したがって複数周波円偏波アンテナ100は楕円偏波を放射する。
【0054】
特に、入出力端子110と210に供給される信号と入出力端子310と410に供給される信号の位相差が±π/2(図8(a)の搬送波の位相θ=±π/2)であり、かつこれらの信号の振幅が等しい場合、複数周波アンテナ900及び901が放射する2つの直行する直線偏波の位相差は±π/2となる。このため、その合成波は円偏波となり、複数周波円偏波アンテナ100は、円偏波を放射する。
【0055】
次に、受信時の複数周波円偏波アンテナ100の動作について説明する。複数周波円偏波アンテナ100は、図8(b)に示すように、受信した電波を電気信号に変換して対になっている入出力端子110と210から給電線を介して増幅部50へ伝送する。同様に、対になっている入出力端子310と410からも、給電線を介して電気信号を増幅部50へ伝送する。
【0056】
複数周波円偏波アンテナ100は、上述したように、2.5GHzと5.2GHzにおいて、入力インピーダンスの虚数部が0になっており、この周波数で共振し、利得が大きくなる。したがって、複数周波円偏波アンテナ100は、2.5GHzと5.2GHzの2つの周波数において、十分な利得を得ることができる複数周波円偏波アンテナとして機能する。
【0057】
以上のように、複数周波円偏波アンテナ100によれば、位相差がπ/2の信号を給電することにより複数の共振周波数で動作する軽量かつ薄型の小型円偏波アンテナを実現することができる。
【0058】
(変形例)
この発明は、上記第1の実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記第1の実施形態では、2.5GHz付近と5.2GHz付近の2つの周波数帯域において共振し、利得が大きくなる例を示したが、必ずしもこれに限定されない。
【0059】
例えば、任意の2つの周波数帯の組み合わせが可能である。前述のように、アンテナ素子120,220,320,420の等価回路ANT及び空間との結合の等価回路ANTsの素子定数は、アンテナ素子120,220,320,420のサイズによって自動的に定まる。このため、アンテナ素子120,220,320,420のサイズにより定まる各素子定数を考慮し、目的とする複数の周波数近傍に共振点が発生するように、シャントインダクタLshのインダクタンス、シリーズキャパシタCserのキャパシタンス、シリーズインダクタLserのインダクタンス、を適宜設定することにより、任意の複数の周波数帯で十分な利得を得ることができる。
【0060】
(第2の実施形態)
上記第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ100は、2つの入力端子対に、位相差±π/2の信号を供給することにより円偏波を放射した。本実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ200は、アンテナ自体に配置されている集中定数コンポーネントの値を調整することにより、位相線路等による位相制御のための新たな回路を付加することなく位相差±π/2を発生させ、1つの入力端子対で円偏波を放射する。
【0061】
以下、第2の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ200について説明する。
【0062】
複数周波円偏波アンテナ200は、図9及び図10に示すように、第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ100の入出力端子110と310が接続されて1つの入出力端子190が構成され、同様に、第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ100の入出力端子210と410が接続されて1つの入出力端子290が構成されている。その他の構成については、第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ100と同様である。なお、複数周波円偏波アンテナ200の電気的構成は、図11に示す等価回路で表される。
【0063】
入出力端子190と入出力端子290は、図13(a)に示すように、給電線を介して信号源と接続されている。複数周波円偏波アンテナ200は、送信時において、この信号源から入出力端子190及び290に信号が与えられことにより、円偏波を放射する。
【0064】
また、入出力端子190と290は、図13(b)に示すように、増幅部50と接続されている。複数周波円偏波アンテナ200は、受信した円偏波を電気信号に変換して、電気信号を入出力端子190及び290から増幅部50へ伝送する。
【0065】
複数周波円偏波アンテナ200は、入出力端子190と入出力端子290とから構成される1対の入出力端子に与えられる信号を、アンテナ内部で電波合成して位相差±π/2を発生させる。そのため、複数周波円偏波アンテナ200のアンテナ導体にあるシャントインダクタLsh、シリーズキャパシタCser、シリーズインダクタLser等の集中定数コンポーネントの値が調整されている。
【0066】
具体的には、集中定数コンポーネントの値は、以下のように調整される。
【0067】
複数周波円偏波アンテナ200は、入力側が短絡されて構成されているため図12に示す等価回路で表される。Y1の端子を端子1,端子2、Y2の端子を端子3,端子4とし、Y行列を用いてこれを表現すると、
I1=Y11V1+Y12V2
I2=Y21V1+Y12V2
I3=Y33V3+Y34V4
I4=Y43V3+Y44V4
V1=V3=V0
I0=I1+I3
となる。
【0068】
端子1及び端子3が短絡されて3端子の回路になっていると考えられることから、端子1及び端子3の電流と電圧の項を消去すると、Y行列は以下のようになる。
【0069】
【数1】
【0070】
円偏波の条件である位相差±π/2を複数周波円偏波アンテナ200の内部で発生させるためのSパラメータは、以下のように表される。
【0071】
【数2】
【0072】
上記式(3)と式(4)とが一致するよう複数周波円偏波アンテナ200の集中定数コンポーネントの値が調整される。
【0073】
このように集中定数コンポーネントの値が調整されることで、複数周波円偏波アンテナ200の入出力端子190、290に与えられた信号は、アンテナ内部で電波合成され、右旋偏波となって放射される。
【0074】
このように複数周波円偏波アンテナ200の集中定数コンポーネントの値を調整することで、位相線路等による位相制御のための新たな回路を付加することなく、上記第1の実施形態の複数周波円偏波アンテナ100と同等サイズの複数周波円偏波アンテナ200を実現することができる。
【0075】
(変形例)
この発明は、上記第2の実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記第2の実施形態では、入出力端子190及び290が、上記第1の実施形態の複数周波円偏波アンテナ100の入出力端子110と310、入出力端子210と410とが接続されて構成される例を示したが、必ずしもこれに限定されない。入出力端子190及び290は、上記第1の実施形態の複数周波円偏波アンテナ100の入出力端子110と410、入出力端子210と310とが接続されて構成されてもよい。この場合、複数周波円偏波アンテナ200の入出力端子190、290に与えられた信号は、アンテナ内部で電波合成され、左旋偏波となって放射される。
【0076】
また、上記第2の実施形態では、図9及び図10に示すように、複数周波円偏波アンテナ200が略十字形に構成された例を示したが、必ずしもこれに限定されない。複数周波円偏波アンテナ200は、例えば図14及び図15に示すように、隣接する入出力端子の一方と接続されていれば、十字形に構成されなくてもよい。
【0077】
(第3の実施形態)
上記第2の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ200は、1つの入力端子対に信号を供給することにより右旋偏波若しくは左旋偏波の円偏波を放射した。本実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ300は、上記第1の複数周波円偏波アンテナ100の各入出力端子間にスイッチング素子を設け、スイッチング動作により円偏波の旋回方向を切り替える。
【0078】
以下、第3の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ300について説明する。なお、複数周波円偏波アンテナ300の集中定数コンポーネントの値は、第2の実施形態と同様に調整されているものとする。
【0079】
複数周波円偏波アンテナ300は、図16に示すように、第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ100の隣接する入出力端子同士を相互に接続するスイッチング素子390を備えている。
【0080】
スイッチング素子390は、半導体スイッチなどから構成され、外部から送信される制御信号に応じてON/OFFする。スイッチング素子390は、各入出力端子間に接続され、隣接する一方の入出力端子間のスイッチング素子390がONである場合、隣接する他方の入力端子間のスイッチング素子390がOFFになるように動作する。
【0081】
具体的には、図17(a)に示すように、入出力端子110と入出力端子310との間に接続されたスイッチング素子390がON(実線で表示)の場合は、入出力端子110と入出力端子410との間に接続されたスイッチング素子390はOFF(破線で表示)となる。同様に、入出力端子210と入出力端子410との間に接続されたスイッチング素子390がONの場合は、入出力端子210と入出力端子310との間に接続されたスイッチング素子390はOFFとなる。
【0082】
この場合、複数周波円偏波アンテナ300は、上記第2の実施形態と同様に、右旋偏波の円偏波を放射する。
【0083】
これに対し、図17(b)に示すように、入出力端子110と入出力端子410との間に接続されたスイッチング素子390がONの場合は、入出力端子110と入出力端子310との間に接続されたスイッチング素子390はOFFとなる。同様に、入出力端子210と入出力端子310との間に接続されたスイッチング素子390がONの場合は、入出力端子210と入出力端子410との間に接続されたスイッチング素子390はOFFとなる。
【0084】
この場合、複数周波円偏波アンテナ300は、左旋偏波の円偏波を放射する。
【0085】
このような構成によれば、複数周波円偏波アンテナ300は、スイッチング素子390のオン/オフにより円偏波の旋回方向を切り替えることができる。
【0086】
そのため複数周波円偏波アンテナ300は、左右いずれの旋回方向も可能な円偏波アンテナとなり、地域等により制限されることなく使用可能となる。
【0087】
(変形例)
本発明は、上記第1乃至第3の実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
【0088】
例えば、上記第1乃至第3の実施形態では、基板99の、一方の主面に配置されたパターンと、他方の主面に配置されたパターンとは、ビアによって接続されていた。しかし、ビアではなく、容量結合や誘導結合などで接続しても良い。
【0089】
また、上記第1乃至第3の実施形態では、線路(回路パターン)によってインダクタおよびコンダクタなどを構成したが、例えば、チップ部品などによって一部又は全てのインダクタおよびコンダクタなどを構成しても良い。
【0090】
また、上記第1乃至第3の実施形態では、回路を基板99の一方の主面と他方の主面に配置したが、一方の主面のみに配置してもよい。
【0091】
また、上記第1乃至第3の実施形態では、誘電体の基板上に回路素子を配置する構成例を示したが、各回路素子を保持できるならば、基板は配置しなくてもよい。
【符号の説明】
【0092】
100,200,300・・・複数周波円偏波アンテナ、101,102,103,104,900,901・・・複数周波アンテナ、99・・・基板、110,210,310,410,190,290・・・入出力端子、120,220,320,420・・・アンテナ素子、130,150a,150b,230,250a,250b,330,350a,350b,430,450a,450b・・・ビア、150,250,350,450・・・ビア導体、140,240,340,440・・・シリーズインダクタ用導体、160a,160b,260a,260b,360a,360b,460a,460b・・・シリーズキャパシタ用導体、170,270,370,470・・・シャントインダクタ用導体、198,398・・・接続点、199・・・中心点、390・・・スイッチング素子、50・・・増幅部
【技術分野】
【0001】
本発明は、小型の複数周波円偏波アンテナに関する。
【背景技術】
【0002】
GPS(Global Positioning System:全地球測位システム)を搭載した携帯端末やカーナビゲーション等の様々な無線通信システムが普及している。ETC(Electronic Toll Collection System)の普及により、カーナビゲーションシステムでは、GPSとETCの複周波の円偏波に対応できる車載用のアンテナの開発が求められている。さらに、カーナビゲーションシステムのみならず携帯電話、デジタルカメラ、PDA、腕時計等、小型な携帯端末の筐体に内蔵可能な小型の円偏波アンテナの開発が求められている。
【0003】
小型円偏波アンテナに関しては、誘電率の高いセラミックスを用いたパッチアンテナが広く使われている。
しかしながら、誘電率の高いセラミックスを用いたパッチアンテナは、重く、製造が困難で、薄型化が困難である。
複数の周波数で小型軽量化が可能で、利得の大きい小型の複数周波アンテナが非特許文献1に開示されている。
しかし、このアンテナは、直線偏波用であり、円偏波には対応していない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】斉藤昭、星野有哉、青木由隆、本城和彦“MIMO用2周波アンテナの放射パターン直交性改善の基礎検討”、電子情報通信学会マイクロ波研究会、2009年9月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
誘電率の高いセラミックスを用いたパッチアンテナは、プリント基板にパターニングして形成されるアンテナと比較して重量があり、製造法も複雑で高価な上、薄型化が困難であるといった問題があった。
【0006】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、小型で製造が簡単な薄型かつ軽量の複数周波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】
【0007】
上記目的を達成するため、本発明に係る複数周波円偏波アンテナは、
第1の入出力端子と、第1のアンテナ導体と、前記第1の入出力端子と前記第1のアンテナ導体とを接続する、第1のインダクタと第1のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第1のアンテナ導体に接続された第2のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第1のアンテナと、
第2の入出力端子と、第2のアンテナ導体と、前記第2の入出力端子と前記第2のアンテナ導体とを接続する、第3のインダクタと第2のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第2のアンテナ導体に接続され、他端が前記第2のインダクタの他端に接続された第4のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第2のアンテナと、
をそれぞれ備え、前記第1のアンテナと前記第2のアンテナとが略鏡像対称に配置された第1及び第2の複数周波アンテナを備える複数周波円偏波アンテナであって、
前記第1の複数周波アンテナと前記第2の複数周波アンテナとが、その中心点で略垂直に交差して配置され、前記第1の複数周波アンテナの第4のインダクタの他端が、前記第2の複数周波アンテナの第4のインダクタの他端とさらに接続されている、
ことを特徴とする。
【0008】
例えば、前記第1のアンテナの複数の共振周波数と、前記第2のアンテナの複数の共振周波数とは、実質的に同一である。
【0009】
また、誘電体板をさらに備え、
前記第1及び第2の入出力端子と前記第1及び第2のアンテナ導体とは、前記誘電体板の一面に形成され、
前記第2及び第4のインダクタは、前記誘電体板の他面に配置され、ビアを介して前記第2のインダクタの一端が前記第1のアンテナ導体に、前記第4のインダクタの一端が前記第2のアンテナ導体に接続され、
前記第1のキャパシタは、前記第1のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第1のアンテナ導体の一部に対向する第1の導電体と、前記第1のアンテナ導体の一部と前記第1の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第2のキャパシタは、前記第2のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第2のアンテナ導体の一部に対向する第2の導電体と、前記第2のアンテナ導体の一部と前記第2の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第1のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第1の導電体と接続され、他端が前記第1の入出力端子に接続され、
前記第3のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第2の導電体と接続され、他端が前記第2の入出力端子に接続されてもよい。
【0010】
また、前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子と前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子とが接続されて1つの入出力端子を形成し、前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子と前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子とが接続されて1つの入出力端子を形成してもよい。
【0011】
例えば、一端が前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続された第1のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続された第2のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続された第3のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続された第4のスイッチング素子と、
をさらに備え、
前記第1及び第4のスイッチング素子がオンである場合に、前記第2及び第3のスイッチング素子がオフとなり、前記第1及び第4のスイッチング素子がオフの場合、前記第2及び第3のスイッチング素子がオンとなるようにしてもよい。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、小型で製造が簡単な薄型かつ軽量の複数周波円偏波アンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナの平面図である。
【図2】図1に示す複数周は円偏波アンテナの底面図である。
【図3】図1に示す複数周波円偏波アンテナを構成する複数周波アンテナの斜視図である。
【図4】図1に示す複数周波円偏波アンテナを構成する複数周波アンテナの断面図である。
【図5】図1に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路の一部分を示す図である。
【図6】図1に示す複数周波円偏波アンテナを構成する複数周波アンテナの等価回路を示す図である。
【図7】図1に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路の全体を示す図である。
【図8】(a)及び(b)は、図1に示す複数周波円偏波アンテナの送信時及び受信時の構成を示す入出力端子部分の拡大図である。
【図9】本発明の第2の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナの平面図である。
【図10】図9に示す複数周波円偏波アンテナの底面図である。
【図11】図9に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路を示す図である。
【図12】図9に示す複数周波円偏波アンテナの等価回路を示す図である。
【図13】(a)及び(b)は、図9に示す複数周波円偏波アンテナの送信時及び受信時の構成を示す入出力端子部分の拡大図である。
【図14】図9に示す複数周波円偏波アンテナの変形例を示す平面図である。
【図15】図14に示す複数周波円偏波アンテナの底面図である。
【図16】本発明の第3の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナの平面図である。
【図17】(a)及び(b)は、図16に示す複数周波円偏波アンテナの入出力端子部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
(第1の実施形態)
以下、本発明の実施形態1に係る複数周波円偏波アンテナ100を説明する。
【0015】
図1〜8を参照して、実施形態1に係る複数周波円偏波アンテナ100の構成を説明する。なお、図中のX,Y,Z軸は、各図に共通の方向を示す。
【0016】
図1に示すように、複数周波円偏波アンテナ100は、複数周波アンテナ900と、複数周波アンテナ901とから構成される。複数周波アンテナ900と複数周波アンテナ901は同様の構成をしており、複数周波円偏波アンテナ100は、複数周波アンテナ900と複数周波アンテナ901とが、中心点199で略垂直に接続されて構成される。具体的には、図2に示すように、複数周波アンテナ900のシャントインダクタ用導体170、270と、複数周波アンテナ901のシャントインダクタ用導体370、470とが、中心点199で略直交するように接続されて構成される。シャントインダクタ用導体170、270、370、470については後述する。
【0017】
複数周波円偏波アンテナ100を構成する複数周波アンテナ900と複数周波アンテナ901の構成について説明する。なお、上記のとおり複数周波アンテナ900と複数周波アンテナ901は同様の構成であることから、複数周波アンテナ901の各構成については括弧書きで示す。
【0018】
複数周波アンテナ900(901)は、図3及び図4に示すように、基板99と、複数周波アンテナ101,102(103,104)と、から構成される。
【0019】
基板99は、板状の誘電体で、例えば、ガラスエポキシ基板(FR4)から構成される。
【0020】
複数周波アンテナ101(103)と複数周波アンテナ102(104)は同様の構成をしており、放射する電磁波の主伝搬方向が同方向になるように、略鏡像対称に基板99に配置されている。複数周波アンテナ101,102(103,104)は、入出力端子110,210(310,410)、アンテナ素子120,220(320,420)、ビア130,150a,150b,230,250a,250b(330,350a,350b,430,450a,450b)、ビア導体150,250(350,450)、シリーズインダクタ用導体140,240(340,440)、シリーズキャパシタ用導体160a,160b,260a,260b(360a,360b,460a,460b)、シャントインダクタ用導体170,270(370,470)から構成されている。
【0021】
入出力端子110,210(310,410)は、基板99の一方の主面のほぼ中央に近接して形成されており、一端部がシリーズインダクタ用導体140,240(340,440)の他端に接続されている。入出力端子110,210(310,410)には、図示せぬ1対の給電線が接続され、差動信号が供給される。入出力端子110,210(310,410)は給電点として機能する。
【0022】
アンテナ素子120,220(320,420)は、上底より下底が長い等脚台形の導体板と、この等脚台形の下底に接続された半円の導体板と、から構成される。アンテナ素子120(320)とアンテナ素子220(420)は、その等脚台形の上底が対向するように、基板99の一方の主面に配置されている。
【0023】
ビア130,230(330,430)は、アンテナ素子120,220(320,420)を構成する等脚台形の2本の対角線のほぼ交点を、基板99の一方の主面から他方の主面に貫通して形成される。ビア130,230(330,430)の内部には、一端部がアンテナ素子120,220(320,420)に接続された導体が充填されている。
【0024】
ビア導体150,250(350,450)は、基板99の一方の主面に配置されている。ビア導体150,250(350,450)は、基板99の一方の主面から他方の主面に貫通して形成される2つのビア150a及び150b,250a及び250b(350a及び350b,450a及び450b)を介してシリーズキャパシタ用導体160a及び160b,260a及び260b(360a及び360b,460a及び460b)に接続されている。
【0025】
シリーズインダクタ用導体140,240(340,440)は、線路導体から構成され、基板99の一方の主面に形成されており、その一端は、ビア導体150,250(350,450)に接続されている。
【0026】
シリーズキャパシタ用導体160a(360a)とシリーズキャパシタ用導体160b(360b)とは、間にシャントインダクタ用導体170(370)を挟むように、基板99の他方の主面に、アンテナ素子120(320)の一部に対向して、配置されている。アンテナ素子120(320)の一部とシリーズキャパシタ用導体160a,160b(360a,360b)の対向部分と、基板99のそれらの間に位置している部分により、アンテナ素子120(320)に直列に接続されたシリーズキャパシタが形成される。
【0027】
同様に、シリーズキャパシタ用導体260a(460a)とシリーズキャパシタ用導体260b(460b)とは、間にシャントインダクタ用導体270(470)を挟むように、基板99の他方の主面に、アンテナ素子220(420)の一部に対向して、配置されている。アンテナ素子220(420)の一部とシリーズキャパシタ用導体260a,260b(460a,460b)の対向部分と、基板99のそれらの間に位置している部分により、アンテナ素子220(420)に直列に接続されたシリーズキャパシタが形成される。
【0028】
シャントインダクタ用導体170,270(370,470)は、線路導体から構成され、基板99の他方の主面上に延在し、一端がビア130,230(330,430)の他端部に接続されている。シャントインダクタ用導体170,270(370,470)の他端は、基板99の他方の主面のほぼ中央の中心点199において、相互に接続されている。つまり、複数周波アンテナ101(103)と複数周波アンテナ102(104)とは、中心点199において、相互に接続される。
【0029】
複数周波アンテナ900(901)は、入出力端子110,210(310,410)との間に供給された送信信号を電波として空間に放射し、受信した電波を電気信号に変換して入出力端子110,210(310,410)から給電線に伝送する。
【0030】
上記構成の複数周波アンテナ900(901)は、例えば、基板99にビア130,150a,150b,230,250a,250b(330,350a,350b,430,450a,450b)を開口し、この開口をメッキ等で充填し、続いて、基板99の両面に銅箔を貼り付け、銅箔をPEP(光エッチング法)等によりパターニングすることにより製造される。
【0031】
上述した物理的構成を有する複数周波アンテナ900(901)を構成する複数周波アンテナ101,102(103,104)の電気的構成は、図5に示す等価回路で表される。
図示するように、複数周波アンテナ101,102(103,104)は、電気的には、シリーズインダクタLserと、シリーズキャパシタCserと、アンテナ素子120,220(320,420)の等価回路ANTと、シャントインダクタLshと、空間との結合の等価回路ANTsと、入出力端子110,210(310,410)と、接続点198(398)と、から構成される。
【0032】
なお、シリーズインダクタLserはシリーズインダクタ用導体140,240(340,440)のインダクタンスに対応し、シャントインダクタLshはシャントインダクタ用導体170,270(370,470)のインダクタンスに対応する。また、シリーズキャパシタCserは、シリーズキャパシタ用導体160a,160b,260a,260b等(360a,360b,460a,460b等)によって形成されるシリーズキャパシタに対応する。
【0033】
アンテナ素子120,220(320,420)の等価回路ANTは、入力インピーダンスを右手系の線路で表現した回路であり、インダクタL1antとインダクタL2antとキャパシタCantから構成される。
【0034】
アンテナ素子120,220(320,420)の等価回路ANTにおけるインダクタL1antのインダクタンス、インダクタL2antのインダクタンス、キャパシタCantのキャパシタンスは、アンテナ素子120,220(320,420)のサイズと形状にほぼ依存し、アンテナ素子120,220(320,420)のサイズと形状が定まるとほぼ定まる。
【0035】
空間との結合の等価回路ANTsは、アンテナ素子120,220(320,420)のサイズと形状に依存し、アンテナ素子120,220(320,420)と空間との結合によるインピーダンスを表現する回路である。空間との結合の等価回路ANTsは、キャパシタCsと、基準インピーダンスRsと、インダクタLsから構成される。
【0036】
入出力端子110,210(310,410)には、シリーズインダクタLserとシリーズキャパシタCserとの直列回路の一端が接続される。
【0037】
シリーズインダクタLserとシリーズキャパシタCserとの直列回路の他端には、アンテナ素子120,220(320,420)の等価回路ANTを構成するインダクタL1antの一端が接続される。インダクタL1antの他端には、キャパシタCantの一端とインダクタL2antの一端が接続される。キャパシタCantの他端は、接続点198(398)に接続される。
【0038】
シャントインダクタLshの一端は、インダクタL2antの他端に接続される。シャントインダクタLshの他端は、接続点198(398)に接続される。
【0039】
空間との結合の等価回路ANTsのキャパシタCsの一端が、インダクタL2antの他端とシャントインダクタLshの一端とに接続される。キャパシタCsの他端には、インダクタLsの一端と基準インピーダンスRsの一端が接続される。インダクタLsの他端と基準インピーダンスRsの他端は、接続点198(398)に接続される。
【0040】
空間との結合の等価回路ANTsにおける基準インピーダンスRsの値は、アンテナ素子120,220(320,420)のサイズと形状に依存する。この基準インピーダンスRsの値は、給電点に目的の周波数の電圧を印加したときの、印加した電圧と流れる電流の比を表すインピーダンスの実成分に相当する。
【0041】
空間との結合の等価回路ANTsにおけるキャパシタCsのキャパシタンスとインダクタLsのインダクタンスは、アンテナ素子120,220(320,420)を内包する球の半径aと基準インピーダンスRsに依存し、次の式(1)と(2)で表される。
Cs=a/(c×Rs) ・・・(1)
Ls=(a×Rs)/c ・・・(2)
ここで、Cs:キャパシタCsのキャパシタンス[F]
Ls:インダクタLsのインダクタンス[H]
Rs:基準インピーダンスRsの抵抗値[Ω]
a:アンテナ素子を内包する球の半径[m]
c:光速[m/s]
【0042】
複数周波アンテナ101,102(103,104)は、接続点198(398)で相互に接続されて複数周波アンテナ900(901)を構成する。複数周波アンテナ900(901)の電気的構成は、図6に示す等価回路で表される。入出力端子110,210(310,410)には、図示せぬ1対の給電線が接続されている。
【0043】
以上が、複数周波円偏波アンテナ100を構成する複数周波アンテナ900,901の構成である。
【0044】
複数周波円偏波アンテナ100は、図2に示すように、複数周波アンテナ900のシャントインダクタ用導体170,270と、複数周波アンテナ901のシャントインダクタ用導体370,470とが、各アンテナの中心点199で略直交するように接続されて構成されている。
【0045】
複数周波円偏波アンテナ100の電気的構成は、図7に示す等価回路で表される。複数周波円偏波アンテナ100で用いるそれぞれの周波数につき、入力インピーダンスの虚数部が0に、実部が50Ωになるように、シャントインダクタ用導体170,270,370,470、シリーズキャパシタ用導体160a,160b,260a,260b,360a,360b,460a,460b、シリーズインダクタ用導体140,240,340,440のパターンが調整される。
【0046】
なお、アンテナ素子120,220,320,420の空間との結合の等価回路ANTsの各インダクタのインダクタンス及びキャパシタのキャパシタンスは、上述した式(1)、(2)により求められる。
【0047】
本実施形態では、2.5GHzと5.2GHzの2つの周波数で、入力インピーダンスの虚数部が0に、実部が50Ωになるように、各パターンが調整されている。
【0048】
複数周波円偏波アンテナ100の入出力端子110,210,310,410は、図8(a)に示すように、給電線を介して信号源1又は2と接続されている。また、図8(b)に示すように、入出力端子110,210,310,410は、給電線を介して増幅部50と接続されている。増幅部50は、例えばオペアンプ等から構成される。
【0049】
複数周波円偏波アンテナ100は、送信時には入出力端子110,210,310,410との間に供給された送信信号を電波として空間に放射し、受信時には受信した電波を電気信号に変換して入出力端子110,210,310,410から給電線に伝送する。
【0050】
送信時の複数周波円偏波アンテナ100の動作について説明する。図8(a)に示すように、対になっている入出力端子110と210には、同信号が供給される。同様に、対になっている入出力端子310と410には、同信号が供給される。
【0051】
入出力端子110と210に供給される信号と、入出力端子310と410に供給される信号との位相差に応じて、複数周波円偏波アンテナ100は、直線偏波若しくは楕円偏波を空間に放射する。
【0052】
具体的には、入出力端子110と210に供給される信号と、入出力端子310と410に供給される信号とが同相(図8(a)の搬送波の位相θ=0)の場合、複数周波アンテナ900及び901が放射する直線偏波も同相となる。直交する2つの直線偏波が同相であるため、その合成波も直線となる。したがって複数周波円偏波アンテナ100は、直線偏波を放射する。
【0053】
これに対し、入出力端子110と210に供給される信号と、入出力端子310と410に供給される信号との間に位相差がある図8(a)の搬送波の位相θ≠0)場合、複数周波アンテナ900及び901が放射する直線偏波にも位相差が生じる。直交する2つの直線偏波に位相差があるため、その合成波は楕円偏波となる。したがって複数周波円偏波アンテナ100は楕円偏波を放射する。
【0054】
特に、入出力端子110と210に供給される信号と入出力端子310と410に供給される信号の位相差が±π/2(図8(a)の搬送波の位相θ=±π/2)であり、かつこれらの信号の振幅が等しい場合、複数周波アンテナ900及び901が放射する2つの直行する直線偏波の位相差は±π/2となる。このため、その合成波は円偏波となり、複数周波円偏波アンテナ100は、円偏波を放射する。
【0055】
次に、受信時の複数周波円偏波アンテナ100の動作について説明する。複数周波円偏波アンテナ100は、図8(b)に示すように、受信した電波を電気信号に変換して対になっている入出力端子110と210から給電線を介して増幅部50へ伝送する。同様に、対になっている入出力端子310と410からも、給電線を介して電気信号を増幅部50へ伝送する。
【0056】
複数周波円偏波アンテナ100は、上述したように、2.5GHzと5.2GHzにおいて、入力インピーダンスの虚数部が0になっており、この周波数で共振し、利得が大きくなる。したがって、複数周波円偏波アンテナ100は、2.5GHzと5.2GHzの2つの周波数において、十分な利得を得ることができる複数周波円偏波アンテナとして機能する。
【0057】
以上のように、複数周波円偏波アンテナ100によれば、位相差がπ/2の信号を給電することにより複数の共振周波数で動作する軽量かつ薄型の小型円偏波アンテナを実現することができる。
【0058】
(変形例)
この発明は、上記第1の実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記第1の実施形態では、2.5GHz付近と5.2GHz付近の2つの周波数帯域において共振し、利得が大きくなる例を示したが、必ずしもこれに限定されない。
【0059】
例えば、任意の2つの周波数帯の組み合わせが可能である。前述のように、アンテナ素子120,220,320,420の等価回路ANT及び空間との結合の等価回路ANTsの素子定数は、アンテナ素子120,220,320,420のサイズによって自動的に定まる。このため、アンテナ素子120,220,320,420のサイズにより定まる各素子定数を考慮し、目的とする複数の周波数近傍に共振点が発生するように、シャントインダクタLshのインダクタンス、シリーズキャパシタCserのキャパシタンス、シリーズインダクタLserのインダクタンス、を適宜設定することにより、任意の複数の周波数帯で十分な利得を得ることができる。
【0060】
(第2の実施形態)
上記第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ100は、2つの入力端子対に、位相差±π/2の信号を供給することにより円偏波を放射した。本実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ200は、アンテナ自体に配置されている集中定数コンポーネントの値を調整することにより、位相線路等による位相制御のための新たな回路を付加することなく位相差±π/2を発生させ、1つの入力端子対で円偏波を放射する。
【0061】
以下、第2の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ200について説明する。
【0062】
複数周波円偏波アンテナ200は、図9及び図10に示すように、第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ100の入出力端子110と310が接続されて1つの入出力端子190が構成され、同様に、第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ100の入出力端子210と410が接続されて1つの入出力端子290が構成されている。その他の構成については、第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ100と同様である。なお、複数周波円偏波アンテナ200の電気的構成は、図11に示す等価回路で表される。
【0063】
入出力端子190と入出力端子290は、図13(a)に示すように、給電線を介して信号源と接続されている。複数周波円偏波アンテナ200は、送信時において、この信号源から入出力端子190及び290に信号が与えられことにより、円偏波を放射する。
【0064】
また、入出力端子190と290は、図13(b)に示すように、増幅部50と接続されている。複数周波円偏波アンテナ200は、受信した円偏波を電気信号に変換して、電気信号を入出力端子190及び290から増幅部50へ伝送する。
【0065】
複数周波円偏波アンテナ200は、入出力端子190と入出力端子290とから構成される1対の入出力端子に与えられる信号を、アンテナ内部で電波合成して位相差±π/2を発生させる。そのため、複数周波円偏波アンテナ200のアンテナ導体にあるシャントインダクタLsh、シリーズキャパシタCser、シリーズインダクタLser等の集中定数コンポーネントの値が調整されている。
【0066】
具体的には、集中定数コンポーネントの値は、以下のように調整される。
【0067】
複数周波円偏波アンテナ200は、入力側が短絡されて構成されているため図12に示す等価回路で表される。Y1の端子を端子1,端子2、Y2の端子を端子3,端子4とし、Y行列を用いてこれを表現すると、
I1=Y11V1+Y12V2
I2=Y21V1+Y12V2
I3=Y33V3+Y34V4
I4=Y43V3+Y44V4
V1=V3=V0
I0=I1+I3
となる。
【0068】
端子1及び端子3が短絡されて3端子の回路になっていると考えられることから、端子1及び端子3の電流と電圧の項を消去すると、Y行列は以下のようになる。
【0069】
【数1】
【0070】
円偏波の条件である位相差±π/2を複数周波円偏波アンテナ200の内部で発生させるためのSパラメータは、以下のように表される。
【0071】
【数2】
【0072】
上記式(3)と式(4)とが一致するよう複数周波円偏波アンテナ200の集中定数コンポーネントの値が調整される。
【0073】
このように集中定数コンポーネントの値が調整されることで、複数周波円偏波アンテナ200の入出力端子190、290に与えられた信号は、アンテナ内部で電波合成され、右旋偏波となって放射される。
【0074】
このように複数周波円偏波アンテナ200の集中定数コンポーネントの値を調整することで、位相線路等による位相制御のための新たな回路を付加することなく、上記第1の実施形態の複数周波円偏波アンテナ100と同等サイズの複数周波円偏波アンテナ200を実現することができる。
【0075】
(変形例)
この発明は、上記第2の実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記第2の実施形態では、入出力端子190及び290が、上記第1の実施形態の複数周波円偏波アンテナ100の入出力端子110と310、入出力端子210と410とが接続されて構成される例を示したが、必ずしもこれに限定されない。入出力端子190及び290は、上記第1の実施形態の複数周波円偏波アンテナ100の入出力端子110と410、入出力端子210と310とが接続されて構成されてもよい。この場合、複数周波円偏波アンテナ200の入出力端子190、290に与えられた信号は、アンテナ内部で電波合成され、左旋偏波となって放射される。
【0076】
また、上記第2の実施形態では、図9及び図10に示すように、複数周波円偏波アンテナ200が略十字形に構成された例を示したが、必ずしもこれに限定されない。複数周波円偏波アンテナ200は、例えば図14及び図15に示すように、隣接する入出力端子の一方と接続されていれば、十字形に構成されなくてもよい。
【0077】
(第3の実施形態)
上記第2の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ200は、1つの入力端子対に信号を供給することにより右旋偏波若しくは左旋偏波の円偏波を放射した。本実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ300は、上記第1の複数周波円偏波アンテナ100の各入出力端子間にスイッチング素子を設け、スイッチング動作により円偏波の旋回方向を切り替える。
【0078】
以下、第3の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ300について説明する。なお、複数周波円偏波アンテナ300の集中定数コンポーネントの値は、第2の実施形態と同様に調整されているものとする。
【0079】
複数周波円偏波アンテナ300は、図16に示すように、第1の実施形態に係る複数周波円偏波アンテナ100の隣接する入出力端子同士を相互に接続するスイッチング素子390を備えている。
【0080】
スイッチング素子390は、半導体スイッチなどから構成され、外部から送信される制御信号に応じてON/OFFする。スイッチング素子390は、各入出力端子間に接続され、隣接する一方の入出力端子間のスイッチング素子390がONである場合、隣接する他方の入力端子間のスイッチング素子390がOFFになるように動作する。
【0081】
具体的には、図17(a)に示すように、入出力端子110と入出力端子310との間に接続されたスイッチング素子390がON(実線で表示)の場合は、入出力端子110と入出力端子410との間に接続されたスイッチング素子390はOFF(破線で表示)となる。同様に、入出力端子210と入出力端子410との間に接続されたスイッチング素子390がONの場合は、入出力端子210と入出力端子310との間に接続されたスイッチング素子390はOFFとなる。
【0082】
この場合、複数周波円偏波アンテナ300は、上記第2の実施形態と同様に、右旋偏波の円偏波を放射する。
【0083】
これに対し、図17(b)に示すように、入出力端子110と入出力端子410との間に接続されたスイッチング素子390がONの場合は、入出力端子110と入出力端子310との間に接続されたスイッチング素子390はOFFとなる。同様に、入出力端子210と入出力端子310との間に接続されたスイッチング素子390がONの場合は、入出力端子210と入出力端子410との間に接続されたスイッチング素子390はOFFとなる。
【0084】
この場合、複数周波円偏波アンテナ300は、左旋偏波の円偏波を放射する。
【0085】
このような構成によれば、複数周波円偏波アンテナ300は、スイッチング素子390のオン/オフにより円偏波の旋回方向を切り替えることができる。
【0086】
そのため複数周波円偏波アンテナ300は、左右いずれの旋回方向も可能な円偏波アンテナとなり、地域等により制限されることなく使用可能となる。
【0087】
(変形例)
本発明は、上記第1乃至第3の実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
【0088】
例えば、上記第1乃至第3の実施形態では、基板99の、一方の主面に配置されたパターンと、他方の主面に配置されたパターンとは、ビアによって接続されていた。しかし、ビアではなく、容量結合や誘導結合などで接続しても良い。
【0089】
また、上記第1乃至第3の実施形態では、線路(回路パターン)によってインダクタおよびコンダクタなどを構成したが、例えば、チップ部品などによって一部又は全てのインダクタおよびコンダクタなどを構成しても良い。
【0090】
また、上記第1乃至第3の実施形態では、回路を基板99の一方の主面と他方の主面に配置したが、一方の主面のみに配置してもよい。
【0091】
また、上記第1乃至第3の実施形態では、誘電体の基板上に回路素子を配置する構成例を示したが、各回路素子を保持できるならば、基板は配置しなくてもよい。
【符号の説明】
【0092】
100,200,300・・・複数周波円偏波アンテナ、101,102,103,104,900,901・・・複数周波アンテナ、99・・・基板、110,210,310,410,190,290・・・入出力端子、120,220,320,420・・・アンテナ素子、130,150a,150b,230,250a,250b,330,350a,350b,430,450a,450b・・・ビア、150,250,350,450・・・ビア導体、140,240,340,440・・・シリーズインダクタ用導体、160a,160b,260a,260b,360a,360b,460a,460b・・・シリーズキャパシタ用導体、170,270,370,470・・・シャントインダクタ用導体、198,398・・・接続点、199・・・中心点、390・・・スイッチング素子、50・・・増幅部
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の入出力端子と、第1のアンテナ導体と、前記第1の入出力端子と前記第1のアンテナ導体とを接続する、第1のインダクタと第1のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第1のアンテナ導体に接続された第2のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第1のアンテナと、
第2の入出力端子と、第2のアンテナ導体と、前記第2の入出力端子と前記第2のアンテナ導体とを接続する、第3のインダクタと第2のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第2のアンテナ導体に接続され、他端が前記第2のインダクタの他端に接続された第4のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第2のアンテナと、
をそれぞれ備え、前記第1のアンテナと前記第2のアンテナとが略鏡像対称に配置された第1及び第2の複数周波アンテナを備える複数周波円偏波アンテナであって、
前記第1の複数周波アンテナと前記第2の複数周波アンテナとが、その中心点で略垂直に交差して配置され、前記第1の複数周波アンテナの第4のインダクタの他端が、前記第2の複数周波アンテナの第4のインダクタの他端とさらに接続されている、
ことを特徴とする複数周波円偏波アンテナ。
【請求項2】
前記第1のアンテナの複数の共振周波数と、前記第2のアンテナの複数の共振周波数とは、実質的に同一である、
ことを特徴とする請求項1に記載の複数周波円偏波アンテナ。
【請求項3】
誘電体板をさらに備え、
前記第1及び第2の入出力端子と前記第1及び第2のアンテナ導体とは、前記誘電体板の一面に形成され、
前記第2及び第4のインダクタは、前記誘電体板の他面に配置され、ビアを介して前記第2のインダクタの一端が前記第1のアンテナ導体に、前記第4のインダクタの一端が前記第2のアンテナ導体に接続され、
前記第1のキャパシタは、前記第1のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第1のアンテナ導体の一部に対向する第1の導電体と、前記第1のアンテナ導体の一部と前記第1の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第2のキャパシタは、前記第2のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第2のアンテナ導体の一部に対向する第2の導電体と、前記第2のアンテナ導体の一部と前記第2の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第1のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第1の導電体と接続され、他端が前記第1の入出力端子に接続され、
前記第3のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第2の導電体と接続され、他端が前記第2の入出力端子に接続されている、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の複数周波円偏波アンテナ。
【請求項4】
前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子と前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子とが接続されて1つの入出力端子を形成し、前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子と前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子とが接続されて1つの入出力端子を形成する、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の複数周波円偏波アンテナ。
【請求項5】
一端が前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続された第1のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続された第2のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続された第3のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続された第4のスイッチング素子と、
をさらに備え、
前記第1及び第4のスイッチング素子がオンである場合に、前記第2及び第3のスイッチング素子がオフとなり、前記第1及び第4のスイッチング素子がオフの場合、前記第2及び第3のスイッチング素子がオンとなる、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の複数周波円偏波アンテナ。
【請求項1】
第1の入出力端子と、第1のアンテナ導体と、前記第1の入出力端子と前記第1のアンテナ導体とを接続する、第1のインダクタと第1のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第1のアンテナ導体に接続された第2のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第1のアンテナと、
第2の入出力端子と、第2のアンテナ導体と、前記第2の入出力端子と前記第2のアンテナ導体とを接続する、第3のインダクタと第2のキャパシタとの直列回路と、一端が前記第2のアンテナ導体に接続され、他端が前記第2のインダクタの他端に接続された第4のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第2のアンテナと、
をそれぞれ備え、前記第1のアンテナと前記第2のアンテナとが略鏡像対称に配置された第1及び第2の複数周波アンテナを備える複数周波円偏波アンテナであって、
前記第1の複数周波アンテナと前記第2の複数周波アンテナとが、その中心点で略垂直に交差して配置され、前記第1の複数周波アンテナの第4のインダクタの他端が、前記第2の複数周波アンテナの第4のインダクタの他端とさらに接続されている、
ことを特徴とする複数周波円偏波アンテナ。
【請求項2】
前記第1のアンテナの複数の共振周波数と、前記第2のアンテナの複数の共振周波数とは、実質的に同一である、
ことを特徴とする請求項1に記載の複数周波円偏波アンテナ。
【請求項3】
誘電体板をさらに備え、
前記第1及び第2の入出力端子と前記第1及び第2のアンテナ導体とは、前記誘電体板の一面に形成され、
前記第2及び第4のインダクタは、前記誘電体板の他面に配置され、ビアを介して前記第2のインダクタの一端が前記第1のアンテナ導体に、前記第4のインダクタの一端が前記第2のアンテナ導体に接続され、
前記第1のキャパシタは、前記第1のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第1のアンテナ導体の一部に対向する第1の導電体と、前記第1のアンテナ導体の一部と前記第1の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第2のキャパシタは、前記第2のアンテナ導体の一部と、前記誘電体板の他面に配置され前記第2のアンテナ導体の一部に対向する第2の導電体と、前記第2のアンテナ導体の一部と前記第2の導電体との間に位置する前記誘電体板と、から構成され、
前記第1のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第1の導電体と接続され、他端が前記第1の入出力端子に接続され、
前記第3のインダクタは、前記誘電体板の一面に配置され、一端がビアを介して前記第2の導電体と接続され、他端が前記第2の入出力端子に接続されている、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の複数周波円偏波アンテナ。
【請求項4】
前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子と前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子とが接続されて1つの入出力端子を形成し、前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子と前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子とが接続されて1つの入出力端子を形成する、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の複数周波円偏波アンテナ。
【請求項5】
一端が前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続された第1のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続された第2のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第1の入出力端子に接続された第3のスイッチング素子と、
一端が前記第1の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続され、他端が前記第2の複数周波アンテナの第2の入出力端子に接続された第4のスイッチング素子と、
をさらに備え、
前記第1及び第4のスイッチング素子がオンである場合に、前記第2及び第3のスイッチング素子がオフとなり、前記第1及び第4のスイッチング素子がオフの場合、前記第2及び第3のスイッチング素子がオンとなる、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の複数周波円偏波アンテナ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【公開番号】特開2012−54651(P2012−54651A)
【公開日】平成24年3月15日(2012.3.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−193530(P2010−193530)
【出願日】平成22年8月31日(2010.8.31)
【出願人】(000001443)カシオ計算機株式会社 (8,748)
【出願人】(504133110)国立大学法人電気通信大学 (383)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年3月15日(2012.3.15)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年8月31日(2010.8.31)
【出願人】(000001443)カシオ計算機株式会社 (8,748)
【出願人】(504133110)国立大学法人電気通信大学 (383)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]