DE69633597T2

DE69633597T2 - Schleifenantenne für zirkularpolarisation

Info

Publication number: DE69633597T2
Application number: DE69633597T
Authority: DE
Inventors: Hisamatsu Kodaira-shi NAKANO
Original assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Current assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Priority date: 1995-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2016-01-19
Also published as: DE69633597D1; EP0751581A4; JP3431045B2; KR100354361B1; KR970701935A; EP0751581A1; US5838283A; JPH08195617A; WO1996022618A1; EP0751581B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen und insbesondere auf eine Ringantenne, die zur Verwendung in einer Endgerätevorrichtung für ein Kommunikationssystem mit einer Mode zirkulär polarisierter Wellen geeignet ist.
STAND DER TECHNIK
Von den Ringantennen für zirkulär polarisierte Wellen ist eine mit einer dünnen und niedrigen Konstruktion als eine Antenne geeignet, die an Mobileinrichtungen wie etwa Kraftfahrzeugen und Flugzeugen angebracht werden kann, da die durch die angebrachte Antenne gebildeten Vorsprünge offensichtlich nicht sichtbar sind, wobei es verschiedene Vorschläge für die zirkulär polarisierte Antenne gegeben hat. Ein Beispiel ist eine "loop antenna having passive element, B-104", die von Hisamatsu Nakano und drei Koautoren auf der nationalen Frühjahrskonferenz des Japan Electronic Information Communication Institute 1994 angekündigt wurde und auf S. 2–104 beschrieben ist. Die oben erwähnte Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen ist in den 5 bis 7 gezeigt, wobei 6 eine C1-artige Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen als ein erstes Beispiel veranschaulicht und 7 eine C2-artige Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen als ein zweites Beispiel veranschaulicht.
5 ist eine Aufrissansicht der Antenne für zirkulär polarisierte Wellen und 6 ist eine Draufsicht der C1-artigen Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen.
Die C1-artige Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen besitzt ein koaxiales Speiseringelement 100, das parallel zu einer Masseebene 105 angeordnet ist, und ein passives Ringelement 101 mit einem größeren Durchmesser als das koaxiale Speiseringelement 100, das über dem koaxialen Speiseringelement 100 und parallel zu ihm angeordnet ist und eine konzentrische Konfiguration zu ihm aufrecht erhält. Der Zwischenraum zwischen der Masseebene 105 und dem koaxialen Speiseringelement 100 ist als H₁ angegeben und der Zwischenraum zwischen der Masseebene 105 und dem passiven Element 101 ist als Hp angegeben.
In der so konstruierten zirkulär polarisierten Ringantenne wird das koaxiale Speiseringelement 100 so gespeist, dass ein Ende des I-förmigen Leiters 104, wie in 6 gezeigt ist, mit dem koaxialen Speiseringelement 100 verbunden ist, während das andere Ende des I-förmigen Leiters mit einem Speiseleiter 106 verbunden ist. Wie in 5 gezeigt ist, ist der Speiseleiter 106 mit einem Mittelleiter einer Koaxialleitung 102 verbunden.
Das passive Ringelement 101 ist mit einem Unterbrechungsabschnitt 103 versehen; wobei ein von dem Unterbrechungsabschnitt 103 und dem I-förmigen Leiter 104 gebildeter Winkel und eine Länge des Unterbrechungsabschnitts 103 als Φ_p bzw. Δg angegeben sind.
Sofern der Winkel Φ_p so spezifiziert ist, dass er nahe bei +45° oder –135° liegt, wird in diesem Fall durch die Wirkung des Unterbrechungsabschnitts 103 eine linksdrehend zirkulär polarisierte Welle ausgestrahlt; sofern der Winkel Φ_p nahe –45° oder +135° spezifiziert ist, wird durch die Wirkung des Unterbrechungsabschnitts 103 eine rechtsdrehend zirkulär polarisierte Welle ausgestrahlt. Dort fließt in dem koaxialen Speiseringelement 100 und in dem passiven Ringelement 101 ein Strom einer praktisch fortschreitenden Welle. Wenn die Umfangslänge des koaxialen Speiseringelements 100, C1 = 1λ, die Umfangslänge des passiven Ringelements 101, C2 = 1,25λ, H₁ = 0,0667λ, Hp = 0,0792λ, Δg = 0,0104λ, Φ_p = ±42° oder 139° gegeben sind, wobei λ die Freiraumwellenlänge ist, ist die Gewinn-Frequenz-Kennlinie der C1-artigen Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen in 3 als b gezeigt, während die Achsenverhältnis-Frequenz-Kennlinie der zirkulär polarisierten Welle in 4 als b gezeigt ist.
7 ist eine Draufsicht der C2-artigen Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen. Die C2-artige Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen besitzt das koaxiale Speiseringelement 100, das parallel zu einer Masseebene 105 angeordnet ist, und das passive Ringelement 101 mit einem größeren Durchmesser als das koaxiale Speiseringelement 100, das über dem koaxialen Speiseringelement 100 und parallel zu ihm angeordnet ist und eine konzentrische Konfiguration zu ihm aufrecht erhält. Der Zwischenraum zwischen der Masseebene 105 und dem koaxialen Speiseringelement 100 ist als H₁ angegeben und der Zwischenraum zwischen der Masseebene 105 und dem passiven Element 101 ist als Hp angegeben.
In der so konstruierten C2-artigen zirkulär polarisierten Antenne wird das koaxiale Speiseringelement 100 so gespeist, dass ein Ende des I-förmigen Leiters 104, wie in 7 gezeigt ist, mit dem koaxialen Speiseringelement 100 verbunden ist, während das andere Ende des I-förmigen Leiters mit einem Speiseleiter 106 verbunden ist. Wie in 5 gezeigt ist, ist der Speiseleiter 106 mit einem Mittelleiter der Koaxialleitung 102 verbunden.
Das passive Ringelement 101 ist mit zwei Unterbrechungsabschnitten 103 versehen, die einander gegenüberliegend angeordnet sind; wobei ein von dem Unterbrechungsabschnitt 103 und der Achse des I-förmigen Leiters 104 gebildeter Winkel und die Länge des Unterbrechungsabschnitts 103 als Φ_p bzw. Δg angegeben sind.
Sofern der Winkel Φ_p so spezifiziert ist, dass er nahe bei +45° und –135° liegt, wird in diesem Fall durch die Wirkung des Unterbrechungsabschnitts 103 eine linksdrehend zirkulär polarisierte Welle ausgestrahlt; sofern der Winkel Φ_p nahe –45° oder +135° spezifiziert ist, wird durch die Wirkung des Unterbrechungsabschnitts 103 eine rechtsdrehend zirkulär polarisierte Welle ausgestrahlt. Dort fließt in dem koaxialen Speiseringelement 100 und in dem passiven Ringelement 100 ein Strom einer praktisch fortschreitenden Welle, während in dem passiven Ringelement 101 ein Strom einer stehenden Welle fließt.
Wenn die Umfangslänge des koaxialen Speiseringelements 100, C1 = 1λ, die Umfangslänge des passiven Ringelements 101, C2 = 1,25λ, H₁ = 0,0667λ, Hp = 0,1λ, Δg = 0,01042λ, Φ_p = ±23°, –113° oder –23°, +113° gegeben sind, wobei λ die Freiraumwellenlänge ist, ist die Gewinn-Frequenz-Kennlinie in 3 als c gezeigt, während die Achsenverhältnis-Frequenz-Kennlinie der zirkulär polarisierten Welle in 4 als c gezeigt ist.
Allerdings ist die Frequenzbandbreite, in der ein spezifischer Gewinn erzeugt wird, in der herkömmlichen Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen, wie in 3 und 4 gezeigt ist, schmal und die Frequenzbandbreite, in der das Achsenverhältnis der zirkulär polarisierten Welle von 3,0 dB oder weniger gegeben ist, so schmal wie etwa 1,2%, was ein Problem darstellt.
Ferner benötigt die herkömmliche zwei Ringelemente des koaxialen Speiserings und des passiven Rings, was die Konstruktion kompliziert macht und ein weiteres Problem stellt.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen zu schaffen, die die Frequenzbandbreite, in der ein spezifischer Gewinn und eine spezifische Achsenverhältnis-Frequenz-Kennlinie für zirkulär polarisierte Wellen erreicht werden, verbreitern kann, wobei eine weitere Aufgabe die Schaffung einer einfach konstruierten Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der vorstehenden Aufgabe umfasst die Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung alle in Anspruch 1 dargelegten Merkmale.
In der vorstehenden Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen ist der Winkel, den der in dem C-artigen Ringelement vorgesehene Unterbrechungsabschnitt und der I-förmige Leiter bilden, als etwa ±35° bis etwa ±45° oder als etwa ±135° bis etwa ±145° spezifiziert; ist die Umfangslänge des C-artigen Ringelements als etwa 1,0λ bis etwa 1,5λ spezifiziert, ist der Zwischenraum zwischen dem C-artigen Ringelement und der Masseebene als etwa 0,05λ bis etwa 0,26λ spezifiziert, ist die Länge des I-förmigen Leiters als etwa 0λ bis etwa 0,47λ spezifiziert, wobei die Freiraumwellenlänge als λ gegeben ist.
Da eine Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Ringelement gebildet sein kann, ist die Konstruktion einfacher und kann die zirkulär polarisierte Ringantenne außerdem in einer kleinen und niedrigen Konstruktion hergestellt sein; womit sie für eine in Mobileinrichtungen eingebaute BS- oder GPS-Antenne geeignet ist.
Da die Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen durch eine Koaxialein speisung gespeist werden kann, kann der Einspeisungsverlust verringert werden, sodass die Ringantenne schwer durch die Bedingungen, die die Einspeisung umgeben, zu beeinflussen ist.
Da die Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung ferner eine breite Frequenzkennlinie gegenüber dem Achsenverhältnis der zirkular polarisierten Wellen und eine breite Gewinn-Frequenz-Kennlinie mit einem hohen Gewinn besitzt, kann sie als eine gemeinsam genutzte Antenne in einem Kommunikationssystem verwendet werden, die mehrere Moden zirkulär polarisierter Wellen mit verschiedenen Frequenzen sendet. Da sie eine breite Antenneneingangsimpedanz-Frequenz-Kennlinie besitzt, kann der Herstellungsprozess einfacher sein, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konstruktion einer Ausführungsform der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, 2 ist eine Aufrissansicht und eine Draufsicht, die eine Konstruktion einer Ausführungsform der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, 3 ist ein Diagramm, das eine Gewinn-Frequenz-Kennlinie der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung und gemäß der herkömmlichen Konstruktion zeigt, 4 ist ein Diagramm, das eine Achsenverhältnis-Frequenz-Kennlinie für zirkulär polarisierte Wellen der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung und gemäß der herkömmlichen Konstruktion zeigt, 5 ist eine Aufrissansicht, die ein Beispiel einer Konstruktion der herkömmlichen Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen zeigt, 6 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel einer Konstruktion der herkömmlichen Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen zeigt, und 7 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Beispiel einer Konstruktion der herkömmlichen Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen zeigt.
BESTE AUSFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konstruktion einer Ausfüh rungsform der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In dieser Figur ist 1 ein C-artiges Ringelement mit einem ausgebildeten Unterbrechungsabschnitt 6, ist 2 ein I-förmiger Leiter, dessen eines Ende mit dem C-artigen Ringelement 1 verbunden ist und dessen anderes Ende als ein Speisepunkt 5 dient, ist 3 eine Masseebene, die parallel zu dem C-artigen Ringelement 1 ist, ist 4 eine Koaxialleitung zum Senden einer Leistung, die in das C-artige Ringelement eingespeist wird, und ist 7 eine Speiseleitung, deren eines Ende mit dem Speisepunkt 5 verbunden ist und deren anderes Ende mit dem Mittelleiter der Koaxialleitung 4 verbunden ist.
Die Draufsicht der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen ist in 2(a) gezeigt und die Aufrissansicht ist in 2(b) gezeigt.
Wie in 2 gezeigt ist, ist das vordere Ende der Speiseleitung 7 mit dem Speisepunkt 5 des anderen Endes des I-förmigen Leiters 2 verbunden, wodurch das C-artige Ringelement 1 durch die Koaxialleitung 4 gespeist wird. Das andere Ende der Speiseleitung 7 ist mit dem Mittelleiter der Koaxialleitung 4 verbunden.
Somit strahlt das C-artige Ringelement 1, wenn es gespeist wird, durch die Wirkung des Unterbrechungsabschnitts 6 zirkulär polarisierte Wellen aus.
Der Zwischenraum zwischen der Masseebene 3 und dem C-artigen Ringelement 1 ist hier als h angegeben, während der durch die Achse des I-förmigen Leiters 2 und den Unterbrechungsabschnitt 6 gebildete Winkel als Φ_a, die Länge des Unterbrechungsabschnitts 6 als Δg, die Länge des I-förmigen Leiters als l und die Umfangslänge des C-artigen Ringelements 1, obgleich dies nicht veranschaulicht ist, als c angegeben sind.
Nachfolgend werden in 3 und 4 unter der Annahme, dass die Frequenz 11,85 [GHz], die Freiraumwellenlänge λ und c = 1,31λ, h = 0,15λ, Φ_a = 320°, l = 0,208λ, Δg = 0,018λ gegeben sind, die Gewinn-Frequenz-Kennlinie und die Achsenverhältnis-Frequenz-Kennlinie der zirkulär polarisierten Wellen gezeigt.
Die Gewinnkennlinie der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung ist wie in 3 gezeigt, wobei sie über einen breiten Frequenzbereich von 8% einen hohen Gewinn von etwa 8,6 [dBi] angibt. Die Achsenverhältniskennlinie der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung ist wie in 4 gezeigt, wobei sie einen breiten Frequenzbereich von etwa 6,1% angibt, in dem das Achsenverhältnis der zirkulär polarisierten Welle von 3,0 dB oder weniger erreicht wird.
Somit kann die zirkulär polarisierte Ringantenne gemäß der vorliegenden Erfindung den Frequenzbereich, in dem das Achsenverhältnis der zirkulär polarisierten Welle von 3,0 dB oder weniger erreicht wird, im Vergleich zur herkömmlichen um das Fünffache verbreitern und den Gewinn über einen breiten Frequenzbereich wie in 3 gezeigt hoch machen; somit kann das eine Stück der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung Antennen in einem Kommunikationssystem ersetzen, die in einem Frequenzbereich, der höher als das L-Band ist, mehrere Moden zirkulär polarisierter Wellen mit verschiedenen Frequenzen senden.
Insbesondere ist die Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung, da sie klein und niedrig gemacht werden kann, für die Anwendung als eine in Mobileinrichtungen eingebaute GPS- oder BS-Antenne geeignet.
Der Zwischenraum h zwischen der Masseebene 3 und dem C-artigen Ringelement 1 kann im Bereich von etwa 0,05λ bis 0,26λ eingestellt werden, der durch die Achse des I-förmigen Leiters 2 und den Unterbrechungsabschnitt 6 gebildete Winkel Φ_a kann im Bereich von etwa 315° bis etwa 325° eingestellt werden, die Länge Δg des Unterbrechungsabschnitts 6 kann im Bereich von 0,01λ bis etwa 0,02λ eingestellt werden, die Länge l des I-förmigen Leiters kann im Bereich von etwa 0λ bis etwa 0,47λ eingestellt werden und die Umfangslänge c des C-artigen Ringelements 1 kann im Bereich von etwa 1,0λ bis etwa 1,5λ eingestellt werden.
In der vorstehenden Beschreibung war der Winkel Φ_a im Bereich von etwa 315° bis etwa 325° spezifiziert; allerdings erzeugt das Ausbilden des Unterbrechungsabschnitts 6 an der zu dem obigen Winkel entgegengesetzten Stelle, etwa 135° bis etwa 145°, ebenfalls eine Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen mit den oben beschriebenen Kennlinien. Außerdem braucht zur Herstellung einer Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen einer umgekehrt drehenden Mode der durch den Unterbrechungsabschnitt 6 gebildete Winkel Φ_a, der in dem C-artigen Ringelement 1 und in dem I-förmigen Teil 2 vorgesehen ist, lediglich etwa 35° bis etwa 45° (etwa 215° bis etwa 225°) zu sein. Das heißt, es ist ausreichend, den Winkel Φ_a in der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung auf ±35° bis ±45° oder ±135° bis ±145° einzustellen.
Da die Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung eine breite Antenneneingangsimpedanz-Frequenz-Charakteristik besitzt, die wenigstens 1,5-mal breiter als die herkömmliche ist, können die Abmessungstoleranzen an einer Fertigungsstraße und die Toleranzen der charakteristischen Dispersionen der Werkstoffe im Gebrauch breiter eingestellt werden. Somit kann der Herstellungsprozess einfacher sein, was zur Senkung der Produktionskosten führt.
Dadurch, dass die Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung wie in 1 und 2 durch die Koaxialleitung 4 gespeist wird, kann sie die Speiseverluste senken und schwer durch die Umgebungsbedingungen der Koaxialleitung 4 beeinflusst werden, wodurch die intrinsische Eigenschaft der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen aufrechterhalten wird.
Die Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen kann so hergestellt werden, dass das C-artige Ringelement 1 durch Mikrostreifenleiter auf einem dielektrischen Substrat ausgebildet wird; allerdings kann sie ebenfalls dadurch hergestellt werden, dass das dielektrische Material durch ein geschäumtes Material ersetzt wird, das kaum eine dielektrische Funktion ausübt.
Ferner werden in einen zylindrischen Hohlraum oder in einen geraden Wellenleiter entlang der Längsrichtung mehrere kleine Bohrungen gebohrt, wobei die Speiseleitungen der Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung in jede der Bohrungen eingeführt werden, wodurch mehrere der Ringantennen für zirkulär polarisierte Wellen gespeist werden können. Durch diese Konstruktion kann eine Antennengruppe gebildet werden, die einen höheren Gewinn erzeugt.
Außerdem kann dadurch, dass in einem radialen Wellenleiter mehrere Ringantennen für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden, eine flache Antennengruppe mit hohem Gewinn ausgebildet werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Da die Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben durch ein Ringelement hergestellt sein kann, ist die Konstruktion einfacher und kann die zirkulär polarisierte Ringantenne ebenfalls klein und niedrig hergestellt werden; wobei sie somit für eine in Mobileinrichtungen eingebaute BS- oder GPS-Antenne geeignet ist.
Da die Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen durch eine Koaxialeinspeisung gespeist werden kann, kann der Einspeisungsverlust gesenkt werden, was die Ringantenne schwer durch die Bedingungen, die die Einspeisung umgeben, zu beeinflussen macht, wodurch die intrinsische Eigenschaft der Ringantenne aufrechterhalten wird.
Da die Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung eine breite Frequenzcharakteristik in Abhängigkeit von dem Achsenverhältnis der zirkulär polarisierten Welle und eine breite Gewinn-Frequenz-Charakteristik mit einem hohen Gewinn besitzt, kann sie ferner als gemeinsam genutzte Antenne in einem Kommunikationssystem verwendet werden, die mehrere Moden zirkulär polarisierter Wellen mit verschiedenen Frequenzen aussendet. Da sie eine breite Antenneneingangsimpedanz-Frequenz-Charakteristik besitzt, kann der Herstellungsprozess einfacher sein, wodurch die Produktionskosten gesenkt werden.

Claims

Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen, mit – einem C-artigen Ringelement (1), das einen Unterbrechungsabschnitt (6) besitzt und mit einem gegebenen Zwischenraum parallel zu einer Masseebene (3) angeordnet ist, und – einem I-förmigen Leiter (2), der in radialer Richtung des Ringelements (1) verläuft, wobei die Länge des I-förmigen Leiters streng positiv ist, wobei ein Ende des I-förmigen Leiters als ein Speisepunkt (5) dient, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Ende des I-förmigen Leiters direkt mit dem C-artigen Ringelement (1) verbunden ist.
Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen nach Anspruch 1, bei der der Winkel, der durch den in dem C-artigen Ringelement vorgesehenen Unterbrechungsabschnitt und dem I-förmigen Leiter gebildet wird, im Bereich von etwa ±35° bis etwa ±45° oder im Bereich von etwa ±135° bis etwa ±145° liegt.
Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Umfangslänge des C-artigen Ringelements im Bereich von etwa 1,0λ bis etwa 1,5λ liegt, wobei λ eine Freiraumwellenlänge ist.
Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Zwischenraum zwischen den C-artigen Ringelement und der Masseebene im Bereich von etwa 0,05λ bis etwa 0,26λ liegt, wobei λ eine Freiraumwellenlänge ist.
Ringantenne für zirkulär polarisierte Wellen nach einem der Ansprüche 1–4, bei der die Länge des I-förmigen Leiters mehr als 0λ und nicht mehr als 0,47λ beträgt, wobei λ eine Freiraumwellenlänge ist.