JP4769629B2 - アンテナ装置及び受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、背面利得が低く耐マルチパス性能を有するアンテナ装置及び該アンテナ装置を用いた受信装置に関する。

従来、衛星を用いた受信システムや放送システムにおいては、電離層を通過するマイクロ波帯の電波が用いられている。このような電波を受信するためのアンテナ装置における最も大きな課題の一つに、マルチパスの影響を除去するということが挙げられる。

アンテナ装置の前面を天頂方向に向けて配置した場合、一般に、衛星からの直接波（右旋円偏波）は水平面より上から入射し、水平面より下から入射しない。そのため、水平面より下から入射する電波は、すべて反射波とみなし、このような電波を受信しないようにすることがマルチパスの影響を除去するための１つの解決策となる。しかしながら、パッチアンテナ等を用いたアンテナ装置の場合、それ単体ではアンテナ装置の背面から入射する電波に対しても感度を有するため、そのままではマルチパスの影響を大きく受けてしまう。したがって、従来からマルチパスの影響を小さくするためにアンテナ装置の背面利得を下げることが要求されてきた。

そこで、低仰角や水平面より下から入射する電波を受けにくくするために、特許文献１には図１２に示すようなアンテナ装置１００が開示されている。なお、図１２中の（Ａ）はアンテナ装置１００の斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＡＡ断面における端面図である。

アンテナ装置１００は、誘電体１０１と、放射導体１０２と、接地導体板１０３ａ及び接地導体板１０３ｂと、導体壁１０４とから構成されている。ここで、誘電体１０１の上面には放射導体が、下面には誘電体１０１よりも底面積の大きい接地導体板１０３ａが設けられている。さらに、この接地導体板１０３ａの下面には導体壁１０４を介して接地導体板１０３ｂが設けられ、アンテナ装置１００はチョーク構造を有している。そして、導体壁１０４は、例えば、接地導体板１０３ｂの縁から受信する電波の１／４波長の距離に設けられる。このチョーク構造により背面から入射する電波をトラップすることができるため、アンテナ装置１００に対するマルチパスの影響を小さくすることができる。

また、特許文献２や特許文献３において、図１３に示すようなアンテナ装置２００が開示されている。なお、図１３中の（Ａ）はアンテナ装置２００の底面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＡＡ断面における端面図である。

アンテナ装置２００は、誘電体２０１と、放射導体２０２と、切欠き部２０３を有する接地導体板２０４とから構成されている。ここで、誘電体２０１の上面のほぼ全領域には放射導体２０２が、また下面のうち切欠き部２０３に相当する部分を除くほぼ全領域には接地導体板２０４が設けられている。そして、この切欠け部２０３は、接地導体板２０４の四辺の略中央を臨む位置にそれぞれ形成されている。

このような構成により、接地導体板２０４に生起される誘導電流のうち、中央部を横切る主たる誘導電流の流れを妨げることなく外周縁部を流れる誘導電流の経路長を切欠き部２０３によって長くすることができる。したがって、接地導体板２０４の誘導電流に起因する下方への放射を弱くし背面利得を下げることで、Ｆ／Ｂ比（背面に対する前面の利得の比）を高くできる。
特開２０００−７７９３０ 特開２００５−２０３８７３ 特許第３７６４２８９号

しかしながら、特許文献２や特許文献３に記載のアンテナ装置２００は、Ｆ／Ｂ比を高くすることができる一方、アンテナ装置２００全体の感度も低減するという問題点が生じる。すなわち、放射導体２０２直下にある接地導体板２０４には電流が多く流れているため、該領域に切欠き部２０３を設けることは、アンテナ装置全体の感度を低減させてしまう。また、円偏波アンテナの場合では、左旋円偏波の感度を下げるだけでなく右旋円偏波の感度も必要以上に下げることになる。

さらに、放射導体２０２直下の領域に切欠き部２０３を設けることは、アンテナ装置２００の周波数特性や指向特性に変動を生じさせることになり、これらを補正するためにアンテナ装置２００の基本設計自体の変更を要することがある。この問題は、衛星などから送信された電波を適切に受信することができなくなるといった根本的な課題に繋がる。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、アンテナ装置全体の感度を一定のレベルに保ちつつ背面利得を低減させることができるアンテナ装置を提供することを目的とする。特に、円偏波を対象としたアンテナ装置においては、右旋円偏波の感度を一定のレベルに保ちつつ左旋円偏波の感度を従来よりも低減することのできるアンテナ装置を提供することを目的とする。これにより、衛星などからの信号を受信する際に弊害となるマルチパスの影響を従来よりも小さくすることができる。

さらに、左旋円偏波の感度を低減させる際に、アンテナ装置の周波数特性または指向特性の変動といったものをほとんど生じさせることがなく、またそれらの補正のための基本設計の変更を要しないアンテナ装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明におけるアンテナ装置は、複数の接地導体と、前記接地導体上の一部に誘電体を介して設けられた放射導体とを備え、前記複数の接地導体の少なくとも一つには切込みが形成され、該切込みは前記放射導体と対面する領域の外側に形成されたことを特徴とする。

さらに、前述のアンテナ装置において、前記複数の接地導体間の少なくとも一つに導体壁を備え、前記導体壁と該導体壁が備えられた前記複数の接地導体とはチョーク構造を成すことを特徴とする。

さらに、前述のアンテナ装置において、前記複数の接地導体は略鉛直方向に並行して配置され、前記切込みは最上段に配置された前記接地導体に設けられたことを特徴とする。

さらに、前述のアンテナ装置において、前記切込みは該切込みの長手方向を放射導体側から接地導体の外縁側に向けて形成されたことを特徴とする。

さらに、前述のアンテナ装置はパッチアンテナであり、前記切込みは多角形若しくは波型のスロットであることを特徴とする。

また、前記課題を解決するために本発明におけるアンテナ装置は、複数の接地導体と、前記接地導体上の一部に誘電体を介して設けられた放射導体と、前記複数の接地導体間の少なくとも一つに設けられた導体壁とを備え、前記導体壁と該導体壁が設けられた前記複数の接地導体とはチョーク構造を成し、前記複数の接地導体の少なくとも一つには切込みが形成され、該切込みは前記チョーク構造内部に放射される電波の放射量を増加させることを特徴とする。

また、前記課題を解決するために本発明における受信装置はアンテナ装置を備え、前記アンテナ装置は、複数の接地導体と、該接地導体上の一部に誘電体を介して設けられた放射導体とを備え、前記複数の接地導体の少なくとも一つには切込みが形成され、該切込みは前記放射導体と対面する領域の外側に形成されたことを特徴とする。

本発明におけるアンテナ装置によれば、接地導体のうち放射導体と対面する領域の外側に切込みを設けることで、直線偏波アンテナの場合には、アンテナ装置全体の感度を一定のレベルに保ちつつ背面利得を低減することができ、従来よりもＦ／Ｂ比を高くすることができる。また、その際にはアンテナ装置の周波数特性または指向特性の変動をほとんど生じさない。さらに、切込みを設けることでアンテナ装置の材料費の削減や軽量化を図ることもできる。

また、円偏波アンテナの場合には、右旋円偏波の感度を一定のレベルに保ちつつ、左旋円偏波の背面利得を従来よりも低減させることができる。したがって、従来よりも耐マルチパス性能の高いアンテナ装置を提供することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置１０の構成の一例を示す図である。なお、図１中の（Ａ）はアンテナ装置１０の斜視図、（Ｂ）は（Ａ）中のＡＡ断面における端面図である。

アンテナ装置１０は直線偏波アンテナであり、誘電体１と、放射導体２と、切込み４を有する接地導体３ａと、接地導体３ｂと、導体壁６とから構成されている。ここで、誘電体１、放射導体２、及び接地導体３ａは上から誘電体１、放射導体２、接地導体３ａの順で積層され、それぞれの中心位置が等しくなるように配置されている。また、放射導体２には給電点５が一つ設けられている。この給電点５は、接地導体３ａに誘起される誘導電流７の向きが同図中の矢印方向となるように設けられている。さらに、接地導体３ａと接地導体３ｂの間には導体壁６が設けられており、これらがチョーク構造を成している。

接地導体３ａは、誘電体１及び放射導体２の底面積よりも広く、放射導体２と対面する領域の外側に切込み４が形成されている。この切込み４は長方形のスロットであり、放射導体２に対して略対称に４本ずつ並行して形成されている。また、切込み４の長手方向は放射導体２側から接地導体３ａの外縁側に向けて形成されている。以上のような構成により、アンテナ装置全体の感度を一定のレベルに保ちつつ背面利得を低減させることができ、従来よりもＦ／Ｂ比を高くすることができる。なお、詳細については図６を用いて後述する。

次に、本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置１０において、３次元電磁界シミュレーターを用いて遠方界解析を行い、指向性を計算したシミュレーション結果を図３に示す。また比較として、図２に示すように、切込み４を放射導体２側から接地導体３ａ側に並列させた時のシミュレーション結果を図４に示す。さらに、切込み４を設けないときのシミュレーション結果を図５に示す。なお、図３から図５中において、図の円周方向は方向角を表し、半径方向は放射の強さを表す。また、アンテナ特性には可逆性が成り立つので、シミュレーション結果による放射の強さは、アンテナ装置の受信感度と見ることができる。

ここで、該シミュレーションにおける各値は、誘電体１は５１．３ｍｍ角とし、放射導体２は比誘電率３．２７及び厚さ１．６ｍｍの５５．０ｍｍ角とし、また接地導体板３ａ及び接地導体３ｂは厚さ０．８ｍｍの１１５．０ｍｍ円としている。また、給電点５の位置は誘電体１の中心位置から垂線上に８．０ｍｍ離し、誘導電流７の向きは図１（Ａ）中における矢印方向である。さらに、切込み４として設けられるスロットは、幅２．０ｍｍ及び長さ２０．０ｍｍの長方形とし、スロット同士の間隔は５．０ｍｍとしている。

これら図３から図５に示すシミュレーション結果からわかるように、図５よりも図４、図４よりも図３の方が１８０°付近における感度が低くなっている。すなわち、接地導体３ａに切込み４を設けることでアンテナ装置１０の背面利得は低減することがわかる。さらに、切込み４の長手方向を放射導体２側から接地導体３ａの外縁側に向けて形成したとき、より背面利得は低減することがわかる。

次に、本発明の物理的意味を図６を用いて説明する。なお、図６中の（Ａ）は放射導体から放射される電波の指向特性を定性的に表した図、（Ｂ）はチョーク構造内部で励起された電波の指向特性を定性的に表した図、（Ｃ）はアンテナ装置全体から放射される電波の指向特性（つまり、（Ａ）と（Ｂ）の合成）を定性的に表した図である。また、アンテナ特性には可逆性が成り立つので、図６における放射特性は、受信特性と見ることができる。

図１に示すようなアンテナ装置１０において、その放射導体２から放射される電波のみに着目した時の指向性は図６（Ａ）のように表すことができる。ここで、放射導体２から電波が放射されたとき、その一部が接地導体３ａの外側を回り込むことで、アンテナ装置１０の下面に設置されたチョーク部分に新たな電波が励起される。

例えば、導体壁６を接地導体３ａの縁から１／４波長の距離に設けた場合には、このチョーク部分で励起された電波は、図６（Ｂ）に示すように上下方向のみに高い指向性を持つ。なお、導体壁６を接地導体３ａの縁から１／４波長より短い距離に設けた場合には、同図６（Ｂ）で示した指向性よりも水平方向に拡がった指向性が得られる。

これら放射導体２から放射される電波に対してチョーク部分に励起される電波が逆位相となるようにすれば、アンテナ装置１０全体として、上下方向における電波の放射を抑制することができる。しかしながら、図１２に示すような従来装置において、チョーク部分で励起される電波の放射量（以下、抑制量とする）は少なく、十分な抑制量を得ることができなかった。

そこで、接地導体３ａのうちの放射導体２と対面する領域の外側に切込み４を設け、接地導体３ａの下面に放射される電波の放射量を増加させる。つまり、放射導体２から放射された電波を、接地導体３ａの縁からの回り込みに加えて、切込み４からもチョーク構造内部に放射させる。これにより、チョーク部分の抑制量を大きくすることができるので、アンテナ装置１０全体の感度を一定のレベルに保ちつつ背面利得を低減させることができる。なお、電波の放射量を増加させるとは、該領域における電界強度を強くさせるということと同義である。

また、この抑制量は、図２に示すような切込み４を形成したときよりも、図１に示すように切込み４の長手方向を、放射導体２側から接地導体３ａの外縁側に向かうように形成したときの方が、効率よく増加させることができる。つまり、接地導体３ａ上に誘起される誘導電流７の方向に対して平行するよりも、直行するように切込み４を形成したとき、より効果的にチョーク部分の抑制量を大きくさせることができる。さらに、導体壁６の設ける位置によりチョーク部分で励起される電波の指向性を変化させることもできるので、アンテナ装置１０の水平方向における電波の放射を抑制させるといったことも容易に可能になる。

以上のように、本発明におけるアンテナ装置は、接地導体のうちの放射導体と対面する領域の外側に切込みを設けることにより、背面利得を従来よりも低減させることができる。さらに、切込みを設けたことにより、材料費の削減やアンテナ装置の軽量化を図ることもできる。

なお、本発明におけるアンテナ装置は、接地導体の少なくとも何れか一つに切込みを設けることでも同様の効果を得ることができる。また、切込み自体も長方形のようなスロットではなく、波形のスロットや接地導体の縁まで切込みをいれたスリットでもよい。特に、波形のスロットを設けた場合には、接地導体の底面積に対して長方形のスロットなどよりも切込みの面積を大きくすることができるため、より大きな効果を得ることができる。また、チョーク構造は、接地導体間の少なくとも何れか一つに導体壁を設けることで形成すればよい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２を図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態１と同様の構成については説明を省略する。

図７は、本発明の実施の形態２によるアンテナ装置２０の構成の一例を示す図である。なお、図７中の（Ａ）はアンテナ装置２０の斜視図、（Ｂ）は（Ａ）中のＡＡ断面における端面図である。ここで、アンテナ装置２０は２点給電を行う円偏波アンテナであり、本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置１０とは、接地導体３ａ上に設けられた切込み４の位置が相違する。

図７に示すように、放射導体２に給電点５が二つ設けられている。これらの給電点５は、図１に示した実施の形態１における給電点５に対して９０°回転させたものがさらに加えられている。また、切込み４も、図１に示した実施の形態１における切込み４に放射導体２の中心に対して９０°回転させたものがさらに加えられている。この切込み４は長方形のスロットであり、放射導体２に対して略対称に４本ずつ並行して形成されている。また、切込み４の長手方向は放射導体２側から接地導体３ａの外縁側に向けて形成されている。このような切込み４を形成することによって実施の形態１と同様に抑制量を調節することができ、右旋円偏波の利得を一定のレベルに保ちつつ、左旋円偏波の背面利得を従来よりも低減させることができる。

次に、本発明の実施の形態２におけるアンテナ装置２０において、３次元電磁界シミュレーターを用いて遠方界解析を行い、指向性を計算したシミュレーション結果を図８に示す。また比較として、切込み４を設けていないときのシミュレーション結果を図９に示す。ここで、図８および図９中の概ね外側にある線が右旋円偏波の指向性、概ね内側にある線が左旋円偏波の指向性を表している。また、図８及び図９における円周方向が方向角、半径方向が放射の強さを表す。なお、シミュレーションにおいて設定した各値は本発明の実施の形態１と同様である。

これら図８及び図９に示すシミュレーション結果からわかるように、図９よりも図８に示すシミュレーション結果の方が１８０°付近における左旋円偏波の感度が低くなっている。しかしながら、右旋円偏波の感度にはあまり変化が見られない。すなわち、接地導体３ａに切込み４を設けることで、右旋円偏波の感度を一定のレベルに保ちつつ、左旋円偏波の背面利得を従来よりも低減できることがわかる。

なお、実施の形態２における物理的意味は、実施の形態１で説明した物理的意味と同様に考えることができる。したがって、切込み４の長手方向を放射導体２側から接地導体３ａの外縁側に向けて形成したとき、より大きな効果を得られる。つまり、接地導体３ａ上に誘起される誘導電流の方向に対して直行するように切込み４を形成したとき、より効果的にチョーク部分の抑制量を大きくさせることができる。また、切込み４の他の形状として、スロットを波型としたときの形態を図１０に示す。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３を図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態１と同様の構成については説明を省略する。

図１１は、本発明の実施の形態３によるアンテナ装置３０の構成の一例を示す図である。なお、図１１中の（Ａ）はアンテナ装置３０の斜視図、（Ｂ）はその側面図である。ここで、該アンテナ装置３０はヘリカルアンテナであり、パッチアンテナの形態について説明した本発明の実施の形態１、２と相違する。

アンテナ装置３０は、放射導体２と、切込み４を有する接地導体３ａと、接地導体３ｂと導体壁６とから構成されている。ここで、放射導体２は螺旋上に形成されており、接地導体３ａと中心を等しくして設けられている。また、放射導体２と接地導体３ａの間には誘電体としてエアギャップがある。

また、切込み４は長方形のスロットであり、接地導体３ａのうち放射導体２と対面する領域の外側に形成されている。つまり、切込み４は、接地導体３ａのうち放射導体２からの投影領域（鉛直方向）よりも外側に設けられている。また、切込み４は放射導体２の中心となる点に対して略対称に形成されている。

このような構成により、アンテナ装置３０のようなヘリカルアンテナにおいても、背面利得を低減させることができる。

最後に、本発明におけるアンテナ装置は、アンテナ装置で受信した信号を利用する受信装置に実装される。例えば、この受信装置はインマルサットに用いられる受信機やＧＰＳコンパスなどである。

本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による接地導体に切込みを入れた場合のシミュレーション結果を表す図である。 本発明の実施の形態１による接地導体に切込みを入れた場合のシミュレーション結果を表す図である。 本発明の実施の形態１による接地導体に切込みを入れない場合のシミュレーション結果を表す図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナの指向特性を定性的に表した図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による接地導体に切込みを入れた場合のシミュレーション結果を表す図である。 本発明の実施の形態２による接地導体に切込みを入れない場合のシミュレーション結果を表す図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 従来のアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 従来のアンテナ装置の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１ 誘電体
２ 放射導体
３ 接地導体
４ 切込み
５ 給電点
６ 導体壁
７ 誘導電流
１０ アンテナ装置
２０ アンテナ装置
３０ アンテナ装置
１００ アンテナ装置
１０１ 誘電体
１０２ 放射導体
１０３ 接地導体
１０４ 導体壁
２００ アンテナ装置
２０１ 誘電体
２０２ 放射導体
２０３ 切欠き部
２０４ 接地導体板

Claims (8)

1. 第１の接地導体と、
   前記第１の接地導体と所定の間隔をおいて配置された第２の接地導体と、
   前記第１の接地導体と前記第２の接地導体間に配置された導体壁と、
   前記第１の接地導体において前記第２の接地導体とは反対側の面に誘電体を介して配置された放射導体と、を備えたアンテナ装置であって、
   前記第１の接地導体、前記第２の接地導体、および前記導体壁によりチョーク構造が形成され、
   前記第１の接地導体には切込みが形成され、
   前記切込みの長手方向は前記放射導体側から前記第１の接地導体の外縁側に向けて形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 第１の接地導体と、
   前記第１の接地導体と所定の間隔をおいて配置された第２の接地導体と、
   前記第１の接地導体と前記第２の接地導体間に配置された導体壁と、
   前記第１の接地導体において前記第２の接地導体とは反対側の面に誘電体を介して配置された放射導体と、を備えたアンテナ装置であって、
   前記第１の接地導体、前記第２の接地導体、および前記導体壁によりチョーク構造が形成され、
   前記第１の接地導体には複数の切込みが形成され、
   前記複数の切込みはすべて平行に形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   前記放射導体より放射された電波が前記切込みを介して前記チョーク構造内部に放射されることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のアンテナ装置において、
   前記第１の接地導体に形成される前記切込みは、前記放射導体の外縁より外側に形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載のアンテナ装置において、
   前記第１の接地導体、前記第２の接地導体、および前記放射導体は、略鉛直方向に平行して配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載のアンテナ装置において、
   前記アンテナ装置はパッチアンテナであり、
   前記切込みは多角形若しくは波型のスロットであることを特徴とするアンテナ装置。
7. アンテナ装置を備えた受信装置において、
   前記アンテナ装置は、
   第１の接地導体と、
   前記第１の接地導体と所定の間隔をおいて配置された第２の接地導体と、
   前記第１の接地導体と前記第２の接地導体間に配置された導体壁と、
   前記第１の接地導体において前記第２の接地導体とは反対側の面に誘電体を介して配置された放射導体と、を備え、
   前記第１の接地導体、前記第２の接地導体、および前記導体壁によりチョーク構造が形成され、
   前記第１の接地導体には切込みが形成され、
   前記切込みの長手方向は前記放射導体側から前記第１の接地導体の外縁側に向けて形成されていることを特徴とする受信装置。
8. アンテナ装置を備えた受信装置において、
   前記アンテナ装置は、
   第１の接地導体と、
   前記第１の接地導体と所定の間隔をおいて配置された第２の接地導体と、
   前記第１の接地導体と前記第２の接地導体間に配置された導体壁と、
   前記第１の接地導体において前記第２の接地導体とは反対側の面に誘電体を介して配置された放射導体と、を備え、
   前記第１の接地導体、前記第２の接地導体、および前記導体壁によりチョーク構造が形成され、
   前記第１の接地導体には複数の切込みが形成され、
   前記複数の切込みはすべて平行に形成されていることを特徴とする受信装置。

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