WO1997040548A1 - Antenne composite - Google Patents

Description

明 細 誊 一 複合アンテナ

技術分野

本発明は、 低仰角から天頂方向にわたって指向性を有し、 中軌道、 低軌道の周 回衛星との通信に好適な円偏波アンテナに関し、 小型化にも有利で衛星通信用の 携帯電話等、 小型の携帯無線機への搭載に好都合なアンテナに関する。

背景技術

近年、 通信衛星に中軌道、 低軌道の周回衛星を用いた携帯電話の構想が各社か ら提案されており、 それらの周波数帯は、 地上の携帯電話から通信衛星へは 1 . 6 G H z帯が、 通信衛星から地上の携帯電話へは 2 . 4 G H z帯が割当てられて いる。 また 6 G H z帯は地上から通信衛星、 通信衛星から地上への双方向の 通信に用いる周波数帯としても割当てられている。 これらの通信には、 回線品質 を確保するために円偏波を用いることが一般的である。

回線品質を改善する手段として、 低仰角の指向性を改善するために平面ァンテ ナの地導体からアンテナ素子の逆側に地導体を伸展させるアンテナが提案されて いる （特開平 7— 1 8 3 7 1 9号公報） 。 第 9図は従来例のアンテナを示す図で、 マイクロストリップ平面アンテナ （M S A) 1は誘電体基板 1 c上にパッチ状放 射素子 1 bと、 底面に地導体 1 dを備え、 この地導体 1 dを下方に伸展した円筒 状地導体 1 eを備え、 低仰角の指向性の改善を実現しょうとするものである。 発明の開示

し力、し、 上記従来例のアンテナでは、 衛星から到来する円偏波を受信したり、 地上から衛星へ送信したりする場合、 低仰角では利得と円偏波での軸比が大きく なりすぎ、 携帯機のアンテナと衛星のアンテナの相対的な位置関係の変動に対す る回線品質に影響を与えており、 全天周方向に対して通信感度を保つことが困難 めつ ΤΖο

本発明は、 以上の錁題に鑑み、 特に、 円偏波モードを有するアンテナの低仰角 の指向性と低仰角での軸比の改善を目的とする。

本発明によれば、 上述の目的は請求の範囲に記載された構成により達成される。 すなわち、 共通の地導体となる導体板を有し、 前記導体板上に誘電体眉を介して パッチ状放射素子力、'平行に配置された円偏波モードを有するマイクロストリツ 平面アンテナ （M S A) が形成され、 前記導体板下に線状放射素子が前記マイク ロストリップ平面アンテナと略同軸にヘリカル状に巻かれ、 該ヘリカル状の線状 放射素子の上端部が前記導体板と電気的に結合されてヘリカルアンテナが形成さ れた複合アンテナである。 ヘリカルアンテナと導体板の電気的結合方法は、 直流 的または容量的に結合させればょ 、。

放射パターンの高仰角方向の指向性は、 M S Aのパッチ状放射素子の平面部に よるところが大きい。 一方、 低仰角方向の指向性は、 M S Aのパッチ状放射素子 の周辺部と地導体との間に生ずる電界と、 ヘリカルアンテナによるところが大き い。

ここで、 従来の様に M S Aの地導体を下方に伸展した場合、 アンテナの軸方向 の偏波 （垂直偏波） 成分の感度は高いが、 水平偏波成分に関する感度は低い。 本発明においては、 前述の様にヘリカルアンテナを M S Aの地導体に電気的に 結合することにより、 水平偏波成分に関する感度の改善がある。 ヘリカルアンテ ナが水平偏波成分に関する感度の改善に寄与することは、 ヘリカルアンテナに流 れる高周波電流の水平成分のためである。 そしてヘリカルの線幅、 ヘリカルの長 さ、 ヘリカルアンテナの高さ、 ヘリカルの巻き数、 ヘリカルのピッチ等は衛星通 信システムに合わせて適宜設計すればょ 、。

図面の簡単な説明

第 1図は本発明の実施の形態で、 （a ) 4角形 M S Aと 4線へリカルアンテナ を略同軸上に配置した複合アンテナ図、 （b ) は 4角形 M S Aと 8線へリカルァ ンテナを略同軸上に配置した複合ァンテナ図、

第 2図は本発明の実施形態を説明する （a ) は M S Aの A— A断面図、 （b ) は M S Aを真上から見た図、

第 3図は本発明の他の実施の形態で、 （a ) は円形 M S Aと 4線へリカルアン テナを略同軸上に配置した複合アンテナ図、 （b ) は指向性調整用の放射素子を 設けた複合アンテナ図、

第 4図は本発明の複合ァンテナの天頂方向を 9 0度として直線偏波に対する利 得を測定した実施例で、 （a ) はパッチ状放射素子の長辺方向と直線偏波アンテ ナ （送信アンテナ） の電界方向を平行にした放射パターン図、 （b ) はパッチ状 放射素子の長辺方向と直線偏波アンテナ （送信アンテナ） の磁界方向を平行にし た放射パターン図、

第 5図は本発明に係り第 4図の測定状態から複合ァンテナの軸を中心に 9 0度 回転させて同様に測定した実施例で、 （a ) はパッチ状放射素子の短辺と直線偏 波アンテナの電界方向を平行にした放射パターン図、 （b ) はパッチ状放射素子 の短辺と直線偏波ァンテナの磁界方向を平行にした放射パターン図、

第 6図は本発明の複合ァンテナを携帯無線機に搭載した図、

第 7図は本発明の複合ァンテナを搭載した携帯無線機で衛星通信を行う概念図、 第 8図は本発明の複合ァンテナを携帯無線機に搭載する他の例を示す図、 第 9図は第 8図の携帯無線機のァンテナ回路プロック図、

第 1 0図は従来例を示す円形の M S Aの地導体を下方に伸展させたァンテナの 図である。

発明を実施するための最良の形態

本発明の実施形態は、 共通の地導体となる導体板を有し、 前記導体板上に誘電 体層を介してパッチ状放射素子が平行に配置され、 前記導体板内に開口した貫通 孔近傍に給電点を有し該給電点から上方に伸びる給電ピンで前記パッチ状放射素 子に給電されるマイクロストリップ平面アンテナが形成され、 前記導体板下に線 状放射素子が前記マイクロストリップ平面アンテナと略同軸にヘリカル状に巻か れ、 該へリ力ル状の線状放射素子の上端部が前記導体板と直流的もしくは容量的 に結合されて前記給電点を共通にするヘリカルァンテナが形成された複合ァンテ ナである。

第 1図 （a ) ( b ) は本発明の実施の形態で共に四角柱状のアンテナ構成例を 示し、 （a ) は 4線へリカルアンテナを結合した構成例、 （b ) は 8線ヘリカル アンテナを結合した構成例を示す図である。 図において同じ部位は同じ符号で示 し、 1はマイクロストリップ平面アンテナ （以下 M S Aと略す） 、 2はヘリカル アンテナ、 3は M S A 1とへリカルアンテナ 2の共通の給電点、 4は M S A 1の 地導体とヘリカルアンテナ 2の給電を担う平面状の地導体 （導体板） 、 1 2は M S A 1とへリカルアンテナ 2で形成される複合アンテナである。 更に詳しくは、 l aは M S Aの給電ピン、 1 bは M S Aのパッチ状放射素子、 1 cは M S Aの誘電体基板、 2 aはへリカルアンテナを支持する誘電体柱、 2 b はへリカルアンテナの線状放射素子、 2 cはへリカルアンテナの下端の交差部で 放射素子が互いの接触を防ぐ絶縁体である。 また 2 dはへリカルアンテナの下端 に設けた放射素子の交差部である。

まず、 M S A 1は一点背面給電型の平面アンテナである。 第 2図 （a ) に一点 背面給電型で 4角形の M S A 1の A— A断面図、 第 2図 （b ) には M S A 1を真 上から見た図を示すように、 地導体である導体板 4に開口した貫通孔 4 aを通じ 給電ピン 1 aで背面側からパッチ状放射素子 1 bに給電を行う。 形状には 4角形 だけでなく、 円形、 3角形、 5角形等が知られている。 本例のように 4角形のパ ツチ状放射素子 1 bを備えるアンテナの場合、 円偏波で動作する所望の周波数は、 4角形の縦横の辺の長さと誘電体基板 1 cの比誘電率、 誘電体基板 1 cの厚さ等 を調整して得られる。 またヘリカルアンテナ 2の幅やサイズにより数 MH z〜数 1 0 MH zの変動があるのでこの変動を予め考慮する必要がある。

第 1図に示すようにヘリ—カルアンテナ 2の外形 （断面形状とその寸法） を M S A 1と略一致させると、 低仰角から天頂方向のほぼ全方向にわたってほぼ均一な 指向性を得られる。 一方、 ヘリカルアンテナ 2の外形を M S A 1よりも大きくす るほど、 低仰角方向の指向性が弱まり、 天頂方向の指向性が高まる。 逆に、 ヘリ カルアンテナ 2の外形を M S A 1よりも小さくすると、 低仰角方向に十分な指向 性を得られなくなる。

一般に、 円偏波を直線偏波アンテナで受信すると約 3 d B受信電力が落ちるこ とが知られている。 そのため、 低仰角の通信衛星に備えた円偏波アンテナからの 電波を地上の垂直偏波アンテナで受信すると 3 d Bの損失になる。 本発明の複合 ァンテナでは表 1から分かるように特に水平偏波成分の利得が向上しているので 安定した通信が可能となる。

なお、 上述の発明の実施の形態では、 4角形の M S A 1を用いて四角柱状に複 合アンテナを構成したが、 第 3図 （a ) に示すように円形の M S A 1を用いて円 柱状に複合アンテナを構成してもよいし、 また、 3角柱状等でもよく、 形状に制 限を加えるものではない。 これらの形状は、 本発明の複合アンテナを搭載する携 帯無線機のデザインや用途に合わせて適切に選択すればよい。 第 3図 （b ) に示 すように誘電体柱 2 aに 4線へリカルに巻き付ける線状放射素子 2 bとは別に、 複合ァンテナの指向性調整用に他の線状放射素子 5を図示するように設けてもよ い。 この場合、 4線ヘリカルを形成する各線状放射素子 2 bの間にそれぞれ他の 線状放射素子 5を配し、 地導体 4に一端を線状放射素子 2 bと同様に接続し、 他 端を開放端にしている。

また、 上述の実施形態では、 ヘリカルアンテナ 2の線状放射素子 2 bと他の線 状放射素子 5を地導体 4の端辺に直接接続し直流的に結合する例を図示したが、 直接接続せず間隔を開けて容量的に結合するようにしてもよい。

表 1に本発明の実施例である複合アンテナと、 従来例である M S Aの地導体を 下方に伸展したアンテナの測定結果をまとめた。 なお、 M S Aは 4角形で、 本発 明及び従来例共に同一のものを使用した。 また、 M S Aを支持する誘電体には M S Aと外形がほぼ同寸法に厚紙で形成した 4角柱を用い、 これに本発明に係る実 施例ではへリカルアンテナとして第 1図に示す 4線へリカルを、 そして従来例で は M S Aの地導体が下方に伸展された 4角柱状地導体をそれぞれ銅箔テープで形 成した。 なお、 表 1に示す東西南北は、 第 2図 （b ) に示す 4角形の M S A 1を 真上から見た図に付記した東西南北に対応する。

表 1 仰角約 1 0度のときの利得と軸比の測定例

周波数： 1.6GHz帯、 ァンナテ長：約 1 4 c m

また、 第 4図は本発明における複合アンテナの天頂方向を 9 0度として直線偏 波に対する利得を測定した例であり、 （a) はパッチ状放射素子の長辺方向 （第 2図 （b) の放射素子 1 bの縦辺方向） と直線偏波アンテナ （送信アンテナ） の 電界方向を平行にした放射パターン図、 （b) はパッチ状放射素子の長辺方向と 直線偏波ァンテナの磁界方向を平行にした放射パターン図、 さらに第 5図は第 4 図の測定状態から複合アンテナの軸を中心に 9 0 ° 回転させて同様に測定した例 で、 （a) はパッチ状放射素子の短辺と直線偏波アンテナの電界方向を平行にし た放射パターン図、 （b) はパッチ状放射素子の短辺と直線偏波アンテナの磁界 方向を平行にした放射パターン図で、 それぞれ 1. 6 4 7 GH z, 1. 6 5 0 G H z , 1 . 6 5 3 G H z , 1 . 6 5 6 G H z , 1 . 6 5 9 G H zを測定した。 第 6図は本発明の複合ァンテナを携帯無線機に搭載した様子を示す図、 第 7図 は携帯無線機により衛星との通信を行う概念図である。 第 6図に示す本発明の複 合アンテナ 1 2は、 携帯無線機 1 1に搭載して実用的に携帯可能である。 図中、 符号 1 1 aはィャスピーカ、 1 l bは表示部、 1 1 cは操作部、 1 1 dはマイク 口フォンである。 表示部 1 1 bをィャスピーカ 1 1 aの上に配置したことにより、 通話時に人体頭部による低仰角方向の利得損失を防ぐように工夫されている。 携 帯無線機 1 1に複合アンテナ 1 2を搭載するのに、 携帯無線機 1 1と複合アンテ ナ 1 2との間に複合アンテナ 1 2を支持しかつ同軸線 6等の伝送線路を通す誘電 体の支持部を設け、 複合アンテナ 1 2を人体から遠ざけるためより高い位置に支 持してもよい。 また、 本発明の複合アンテナは低仰角で利得と円偏波での軸比が 改善されるので、 全天周方向に対して通信感度を保つことが可能で、 例えば第 7 図に示すように地球 2 2上にある携帯無線機 1 1は軌道 2 0上の衛星 2 1に対し 天頂方向から低仰角方向にハンドオーバーする際には、 ハンドオーバ一がスムー スに if る。

第 8図は本発明の複合ァンテナを携帯無線機に搭載した様子を示す他の例の図、 第 9図は第 8図の携帯無線機のァンテナ回路プロック図である。 第 8図に示す携 帯無線機 1 1は、 複合アンテナ 1 2が回転軸 Aを中心に回転するように構成され、 待ち受け時には複合アンテナ 1 2を携帯無線機 1 1の筐体側に折り畳めるように したものである。 また、 携帯無線機 1 1の筐体上面にマイクロストリップ平面ァ ンテナ （M S A) 3 0を内蔵し、 複合アンテナ 1 2とダイバ一シティアンテナを 形成する。 M S A 3 0は第 2図に示した構成のもので、 複合アンテナ 1 2と同じ 右旋回 （又は左旋回） の円偏波モードの利得を主に天頂方向に有する。 ダイバー シティの構成は、 第 9図に示す複合アンテナ 1 2と、 M S A 3 0と、 無線部 3 1 と、 複合アンテナ 1 2と M S A 3 0の信号合成手段 （または信号選択手段） 3 2 で構成される。 さらに、 第 8図において複合アンテナ 1 2はアンテナ保持円筒 1 3に保持され、 携帯無線機 1 1の筐体から連通部 1 3 aの距離だけ上方に位置し ており、 通話時に人体の頭部による低仰角方向の利得損失を防ぐように工夫され ている。 通話を行うとき、 第 8図のように複合アンテナ 1 2を立てた状態にし、 所定の右旋回 （又は左旋回） の円偏波にて通信を行う。 そして、 待ち受け時には、 複合アンテナ 1 2を携帯無線機 1 1の筐体側面に密着する位置まで回転する。 第 9図に示す回転コネクタ 3 3によって複合アンテナ 1 2は携帯無線機 1 1の筐体 に対して回転する。 第 9図の点線はこの回転により複合アンテナ 1 2が折り畳ま れた状態を示すものである。 この折り畳み状態では、 複合アンテナ 1 2の向きが 使用時の向きから反対になり円偏波の旋回方向が逆になるため、 複合アンテナ 1 2は使用できない。 従って、 待ち受け時は、 M S A 3 0のみが機能する。

なお、 上述の携帯無線機の実施形態では、 折り畳み式のアンテナ収納構造とし たが、 引出し式の構造としても良い。

本発明によれば、 低仰角で利得と円偏波での軸比が改善され、 全天周方向に対 して通信感度を保つ複合ァンテナを容易に実現することが可能となる。 さらに、 給電点がァンテナの上方に配置されるので人体の影響をうけにくく動作が安定す 。

Claims

請 求 の 範 囲 ―

1 . 共通の地導体となる導体板を有し、 前記導体板上に誘電体層を介してパッチ 状放射素子が平行に配置された円偏波モードを有するマイクロストリツプ平面ァ ンテナが形成され、 前記導体板下に線状放射素子が前記マイクロストリップ平面 アンテナと略同軸にヘリカル状に巻かれ、 該ヘリカル状の線状放射素子の上端部 が前記導体板と直流的もしくは容量的に結合されてヘリカルアンテナが形成され たことを特徴とする複合アンテナ。

2 . 前記導体板に開口する貫通孔近傍に共通の給電点を設け、 前記マイクロスト リップ平面ァンテナには該給電点から上方に伸びる給電ピンで背面側より前記パ ツチ状放射素子に給電し、 前記へリカルアンテナには前記導体板を通じ前記線状 放射素子に給電するようにしたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の複合ァ ンテナ。

3 . 前記へリカルアンテナが複数本の線状放射素子で形成され、 ヘリカルアンテ ナ下端面に該線状放射素子が相互に非接触で交差する交差部が設けられているこ とを特徵とする請求の範囲第 1項記載の複合ァンテナ。

4 . 前記へリカルァンテナを形成する線状放射素子に直接接触させることなく指 向性調整用の放射素子が前記導体板に直流的もしくは容量的に結合されたことを 特徴とする請求の範囲第 1項記載の複合ァンテナ。