JP6556118B2 - アンテナ構成 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナに関し、特にＲＦ電波の複数の偏波を生成するためのアンテナに関する。

ＲＦ電波の垂直偏波、水平偏波、右旋円偏波又は左旋円偏波を生成する様々な形状のＲＦアンテナが知られている。図１に、水平偏波ＲＦ波を生成するための２つの構成を示す。図１ａには、シリンダ内のスロットに結合された同軸線上でＲＦ信号を受け取るスロット付きシリンダ構成を示す。図１ｂには、各々が平面内に配置され誘電体によって分離された２つの平行な導体を有する、アルフォードループとして知られているプリント回路アンテナを示す。

図２には、垂直偏波用アンテナの様々な構成を示す。図２ａはディスコーン構成であり、図２ｂはモノポール構成であり、図２ｃはスリーブ付きダイポール構成である。

円偏波アンテナは、円偏波を生成するように９０°位相シフトした水平に配向された交差ダイポールで形成することができる。

本発明者らは、ＲＦ波の複数の偏波を生成できるコンパクトなアンテナ構成の必要性を理解している。

本発明の改善点は、以下の独立請求項に定められ、以下ではこれを参照することができる。従属請求項には有利な特徴を示す。

大まかに言えば、本発明を具体化する構成は、水平偏波を生成するためのアンテナと、垂直偏波を生成するためのアンテナとを、水平偏波用アンテナが垂直偏波用アンテナの接地として機能するように互いに組み合わせたものを含む。

添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を一例としてさらに詳細に説明する。

水平偏波を生成するための既知の構成を示す図である。 垂直偏波を生成するための既知の構成を示す図である。 本発明を具体化する構成を示す図である。 図３のアンテナ構成との接続部を示す概略図である。 図３のアンテナを組み込んだシステムを示すシステム図である。 各アンテナ入力及び２つの入力間のカップリングについて計算したリターンロス（入力整合）を示す性能プロットである。 左偏波、右偏波、左旋円偏波及び右旋円偏波のそれぞれについて方位角を用いて計算した性能を示す一組の極線図である。

電波の異なる偏波を生成するためのアンテナ構成は、様々な異なるシステムで使用されている。本発明のこの実施形態は、ラジオ、テレビ、データ送信、及び複数の偏波を必要とし得る実質的にあらゆるシステムを含む多くのこのようなシステムに適用可能である。１つのこのようなシステムに、カメラが複数の偏波を送受信する無線カメラ構成がある。

無線カメラは、その携帯性が特に有用である。無線カメラは、３６０°のパンが可能であり、恐らくは±３０°又はそれ以上傾くことができ、撮影対象領域内を動き回ることができる必要がある。この動作のための１つの要件は、送信アンテナが必要な方角全体に放射を行うことである。従来のＳＩＳＯ（単入力単出力）システムでは、ディスコーンアンテナ又は直線アンテナ列などの全方向性直線偏波アンテナが使用され、円偏波システムでは、（フォースクエアダイポールアンテナとしても知られている）リンデンブラッドアレイなどのアンテナアレイが使用される。

このような無線カメラの改善は、ＳＩＳＯシステムに比べて２倍近いスペクトル効率を実現し、ＭＩＭＯ（多入力多出力）技術を用いてこれを行う、いわゆる「ｈａｌｆＲＦ ＨＤラジオカメラ」がある。このカメラは、複数の偏波の使用を必要とし、このためアンテナの設計過程が複雑になる。ＭＩＭＯシステムは、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとを有し、データを複数のストリームにコーディングする。各ストリームは、１又はそれ以上のアンテナから放射することができる。屋内で使用される多くのシステムは、環境からの散乱に依拠して送信アンテナと受信アンテナの間に多くの様々な無相関経路をもたらす。無線カメラを屋外で使用すると、透過散乱がはるかに少なく、従って交差偏波システムを用いて送信アンテナと受信アンテナの間に異なる経路をもたらす。

ｈａｌｆＲＦ ＨＤ無線カメラシステムは、ＤＶＢ−Ｔ、ＤＶＢ−Ｔ２及び新たなＤＶＢ−ＮＧＨ規格などの様々なＤＶＢ規格からの技術を使用することができる。ＤＶＢ−ＮＧＨは、ＭＩＭＯを含む多くの高度無線周波数技術を用いて、テレビの堅固なハンドヘルド受信を実現する。ＤＶＢ−ＮＧＨで使用される１つの特定の技術は、地上の直線偏波（水平及び垂直）ＭＩＭＯ通信を衛星からの円偏波（左旋及び右旋）ＭＩＭＯ送信と組み合わせて送信ダイバーシティを提供するものである。これを可能にする１つの方法は、水平偏波アンテナ、垂直偏波アンテナ、左旋円偏波アンテナ及び右旋円偏波アンテナという４つの別個のアンテナを使用することであり、これらのアンテナの各々には多くの周知の選択肢が存在する。

図１には、様々な偏波を生成するための既知の構成を示している。全方向性水平偏波アンテナの既知の解決策は、水平偏波を生成するためのプリントアルフォードループ（図１ｂ）又はスロット付きシリンダ（図１ａ）であり、垂直偏波については、考えられるアンテナとして、スリーブ付きダイポール、直線アンテナ列（図２ｂ）、ディスコーンアンテナ（図２ａ）又はモノポールアンテナ（図２ｃ）がある。

円偏波アンテナは、リンデンブラッドアレイ、又は水平に配向された一対の交差ダイポール（これらの位相シフトは９０°）よって製造することができる。２つの円偏波の各々には、１つの円偏波アンテナが必要となる。２本巻き螺旋を用いて全方向性傾斜偏波又は円偏波放射を生成することもできるが、これには同軸ケーブルを巧妙に曲げる必要があり、偏波毎に１つの２本巻きアンテナが必要となる。

上記の各アンテナは比較的単純かつコンパクトであるが、４つのアンテナが必要になり、かさばる上にコストが掛かってしまう。

別の全方向パターン生成法は、（各々が約９０°の水平ビーム幅の）放射状に分布する要素のアレイを用いて、準全方向パターンを合成することである。この技術は、ＶＨＦ及びＵＨＦ放送で一般的に使用されている。実際のアレイの実装では、各アンテナ素子に給電を行うために電力分割器が必要になるが、このアレイは極めて柔軟であり、各アンテナへの入力の位相に応じてあらゆる偏波を放射することができ、ダイポールも、傾斜するのではなく水平及び垂直であることができる。

この実装は、ＶＨＦ及びＵＨＦでは理想的な技術であるが、このようなダイポールアレイの構築は、２ＧＨｚなどの他の周波数では容易でなく、７ＧＨｚでは極めて難しく、これらの周波数では、パッチ素子を用いてアレイを構築する方が賢明である。この実装には、回路基板の外側、又はスクエア内の電力分割器にプリントできる何らかの給電ネットワークも必要になる。各アプローチには、その問題が伴う。例えば、高周波数ではボックスの内寸が小さくなり、従って工具によるアクセスが問題となり、折り畳んだＰＣＢの外側の給電線は、隅部に不連続部を有する。

上述したように、ｈａｌｆＲＦシステムは、４つの偏波を必要とする。本発明者らは、多くの用途にとって理想的なアンテナシステムは、アンテナ間の位相を変化させることによってあらゆる必要な偏波を生成するように使用できる、共同配置された全方向性直交偏波アンテナを有するものになると理解している。この位相変化は、ベースバンドに適当な位相シフトを加えることによって実現することができ、そうすると必要なアンテナが４つから２つになり、各アンテナ対はさらにコンパクトになる。２つの直線偏波アンテナは間隔を空けることができず、依然として円偏波を生成する。これらのアンテナ間のあらゆる距離は、生成されるあらゆるパターンに深いヌルを形成する。２つの直交アンテナは、実質的に同じ空間内に存在する必要がある。この２つのアンテナを何らかの形で組み合わせることができれば、非常にコンパクトな構築しやすい二重偏波アンテナを形成することができる。

本発明者らは、このような二重偏波アンテナを、図３の本発明の実施形態に示すように設計できると理解している。この実施形態では、プリントダイポールアレイ及び給電線はモノポールアンテナの接地面と大差ないように思われるという概念を用いており、従って帯域幅を強化するように修正して下側トレースをモノポール接地面として使用できるように修正したダイポールアレイを使用する。

このアンテナ構成は、誘電体の上面に配置された第１の導体１を含む。ここでは、誘電体は、プリント基板４であり、導体は、プリント基板上に敷設されたトラックである。プリント基板４の下面には、上面の第１のトラックと平行な部分を有する第２の導体２が配置される。第１の導体１が存在する平面は、第２の導体２が存在する平面と平行である。

第１の導体１には、中心位置から互いに反対方向に延びるトラックが配置される。この導体は、互いに反対方向に延びるこれらのトラックと直交して中心位置から十字形を形成するように広がるトラックも有する。第１の導体は、十字形の各端部に、アンテナの周波数の生成調整を可能にするように設けられたフィラメント導体８も有する。第２の導体２は第１の導体１に類似し、ここではプリント基板である誘電体の下面に存在する。第２の導体も、中心位置から互いに反対方向に延びる部分と、ほぼ十字形の構成を形成するように第１の部分と直角に互いに反対方向に延びる追加部分とを有する。また、第２の導体の中心領域７は、同軸コネクタ５及び６からの接続空間を提供するように拡大される。従って、領域７は接続領域と見なすことができる。

ＰＣＢの平面とほぼ垂直に、従って第１及び第２の導体とほぼ垂直に、第３の導体３が延びる。この第３の導体は、同軸ケーブル内の導体の延長部などのワイヤ又は同様のフィラメント部品とすることができる。第３の導体は、第１及び第２の導体の中心位置７から延びる。

このアンテナには、水平放射と垂直放射を同時に生成するように２つの独立した給電線を用いて給電することも、或いは左旋円（ＬＨＣＰ）放射と右旋円（ＲＣＨＰ）放射を同時に提供するように複合信号を用いて給電することもできる。構造は、プリント基板に接続する２つの等しい長さの同軸ケーブルと、垂直モノポールの機能を果たす短いワイヤ片とを必要とするという点で非常に単純である。

フィラメント導体８を含む説明した第１及び第２の導体は、ＲＦ波の水平全方向性偏波を生成するダイポールアレイを協働的に形成する。第３の導体は、垂直偏波を生成するためのモノポールである。第２の導体は、以下で図４に接続部を示して説明するように、第３の導体の接地としての機能を果たす。図４で分かるように、同軸テーブル５は、下面の２つの導体２のうちの下側の導体への外側接続部と、プリント基板に接続されずに貫通して延びて第３の導体３を形成する中心導体とを有する。他方の同軸コネクタ６は、下面の第２の導体２への外側接続部を有し、同軸コネクタの中心部は、上面の上側導体１に接続される。従って、これらの同軸ケーブルは、下面の第２の導体２への共通の外側接続部を有する。このようにして、第２の導体は、第３の導体の接地としての機能を果たす。

従って、共同配置された２つの部品を有するコンパクトな二重極性全方向性アンテナが提供される。一方の部品は、水平偏波放射を生成し、他方の部品は、垂直偏波放射を生成する。このことは、２つの半部品間に９０°の位相シフトを加えることによって円偏波を生成できることを意味する。この設計では、水平アンテナが垂直アンテナの一部を形成し、２つの半部品間の距離を最小化することができる。

本発明者らは、このようなアプローチには、垂直偏波と水平偏波の間のカップリングが増加するという点でコストが掛かり得ることを理解している。しかしながら、このシステムでは、水平及び垂直信号を、円偏波に必要な位相シフトを生成するようにプリコーディングし、このプリコーディングを、偏波間のカップリングを打ち消すように修正することができる。

水平アンテナが垂直偏波アンテナの接地面を形成してアンテナの共同配置を可能にするという共通の特徴を有する他の実施形態も可能である。ある実施形態では、コンパクトな全方向性円偏波アンテナを形成することができる。このようなコンパクト性は、携帯用途にとって特に有用である。

図５に、画像センサ、電子部品及びストレージを収容する本体１１とレンズ１０とを有し、後部１２に２つのアンテナが取り付けられたカメラを含む、本発明を具体化するカメラシステムを示す。これらのアンテナは、各々が上記の図３に関連して図示し説明した構成を有する上側アンテナ１３及び下側アンテナ１４を含むように構成される。２つのアンテナの一方は、別個の水平偏波及び垂直偏波を放送するように別個の信号を用いて給電される。他方のアンテナは、９０°の位相シフトを有する信号を用いて給電され、これによって左旋円偏波及び右旋円偏波が生成される。これにより、このシステムは、２つの小型アンテナから、水平偏波、垂直偏波、左旋円偏波及び右旋円偏波という４つの別個の偏波を生成する。カメラ後部１２は、異なるアンテナ構成を容易に所定位置に入れ換え可能な、アンテナが取り付けられた着脱可能ユニットとすることができる。

アンテナ同士を近接して配置すると、性能に若干の影響が生じる。図６は、各アンテナ入力及び２つの入力間のカップリングについて計算したリターンロス（入力整合）を示す性能プロットである（カップリングは相互依存性によって両方向で同じなので、１方向のみを示す）。このグラフでは、ｙ軸上に０〜−３０ｄＢまでのリターンロスをｄＢで示し、ｘ軸上に周波数をＧＨｚで示す。

図形からは、２つの偏波の近接性に起因して予想される若干のカップリングが偏波間に存在することが分かるが、このカップリングは大きなものではなく、このことは、放射パターンに示される交差偏波放射の欠如に反映されている。必要であれば、ＭＩＭＯコーディングを上述したように修正することにより、交差偏波放射のレベルを低下させることもできる。

図６に示す性能からは、アンテナの２つの部分（上側の曲線２０が水平部分であり、下側の曲線２２が垂直部分である）の各々が、約１０％の帯域幅で−１０ｄＢよりも良好な入力整合を有することが分かる。２つのアンテナ間のカップリング（プロット２４）は、アンテナ同士の近接性に起因して理想よりも高い。

図７に示す計算した放射パターンは、各所望の入力を用いて給電した時の計算したアンテナ利得を示す。これらのパターンは、全て非常に似た利得を示しており、方位変動が非常に少ない。水平アンテナ又は垂直アンテナのいずれかのみに通電した時には、望ましくない交差偏波放射が低い。左旋円偏波又は右旋円偏波のいずれかを形成するように両アンテナに通電した時には、利得のみに交差偏波放射が加わり、非常に低い交差偏波放射が達成される。

ＤＶＢ−ＮＧＨ（次世代ハンドヘルド）規格では、改善されたサービス耐久性及び容量を実現するために多くの高度ＲＦ技術が使用される。マルチパスチャネルにおける信号フェージングは、有意な信号損失を引き起こす可能性があり、これに対処するための１つの方法は、送信ダイバーシティを導入することである。複数の送信機によって伝送路間に十分な非相関性が生じると、フェージングが低下してシステムの信頼性が高まる。

ＤＶＢ−ＮＧＨは、地上送信機からの直線偏波された２×２のＭＩＭＯと、衛星からの円偏波された２×２のＭＩＭＯとを生成し、コーディングに応じてスループットの強化又は送信ダイバーシティのいずれかに使用できる４×４のＭＩＭＯスキームを生成することによって送信ダイバーシティを実装する。

ＭＩＭＯは、１又はそれ以上のデータストリームを取得し、ＭＩＭＯコーディングマトリクスを乗じることによって生成される。このマトリクスは、線状アンテナから円偏波を生成するために必要な９０°を生じるための位相項を含むように修正することができる。各ストリームは、独立した位相シフトを有することができ、従って１つの交差偏波アンテナ対から左旋円偏波放射と右旋円偏波放射を同時に得ることができる。

直線偏波アンテナを用いて円偏波を生成すると、望ましくない偏波間カップリング、従って望ましくない交差偏波放射が生じる可能性がある。このカップリングは、ベースバンドに逆アンテナカップリングを加えて実際の望ましくない交差偏波放射を打ち消すようにコーディングマトリクスのさらなる修正を修正することによって除去することができる。

以下、１つのコーディングマトリクス修正法について説明する。

以下のマトリクスＭの形を取る直線偏波のためのＭＩＭＯ回転プリコーディングを用いて交差極性ＭＩＭＯシステム性能を高めることができる。

（１）

このマトリクスを、（成分ｓ₀及びｓ₁を有する）元々の複合ベースバンド信号ｓに以下のように適用する。

（２）
すなわち、

（３）
式中、

及び

は、結果として得られるプリコーディング信号である。

アンテナは、それ自体が非理想的であり、以下の交差カップリングマトリクスＰによって特徴付けられると仮定する。

（４）

ここでは、

（５）
であり、ｘ_V及びｘ_Hは、それぞれ所望の垂直項及び水平項であり、

及び

は、マトリクスＰによる望ましくない交差カップリング後の実際の信号である。

この場合、Ｐが可逆的であると仮定すると、この回転プリコーディングマトリクスは、以下の補償を行うように修正することができる。

（６）
式中、

（７）である。

直線（Ｈ／Ｐ）アンテナアレイに（さらなる）円偏波を与えるための補足的プリコーディングは、以下のように記述することができる。

（８）
式中、

及び

は、上述した回転プリコーディング信号であり、

及び

は、所望の円偏波をさらに特徴付ける。

この場合、交差結合マトリクスＰの存在下で、本発明者らは、プリコーディング全体を以下のように修正することができる。

（９）

従って、ある実施形態では、説明したような交差カップリング係数を選択することにより、２つのアンテナの近接性に起因する交差カップリングを打ち消すことができる。

カメラシステムに関連してアンテナ構成を説明したが、誤解のないように言えば、基地局、放送システム、テレビ放送装置、モバイル装置、携帯電話機、及び複数の偏波を生成できるアンテナを使用する実質的にあらゆるシステム又は装置を含む他のシステムも、説明したアンテナ構成の１つ又はそれ以上を使用することができると想定される。

１ 第１の導体
２ 第２の導体
３ 第３の導体
４ プリント基板
５ 同軸コネクタ
６ 同軸コネクタ
７ 接続領域
８ フィラメント導体

Claims (7)

1. 無線信号の２又はそれ以上の偏波を送信するためのＲＦアンテナ構成を有する放送システムであって、
   プリント基板上に敷設されたトラックを含み、前記プリント基板によって分離された平行面上に配置され、水平偏波ＲＦ信号を生成するためのＲＦ給電線のための接続部を有する第１の導体及び第２の導体を含むダイポールアレイと、
   前記平行面と実質的に直交し、前記第１の導体及び前記第２の導体の中心位置から延び、垂直偏波ＲＦ信号を生成するためのＲＦ給電線のための接続部を有する第３の導体を含むモノポール構成と、
   を備え、前記モノポール構成の前記接続部は、前記第１の導体又は前記第２の導体の一方が前記第３の導体の接地としての機能を果たすことによってコンパクトな２極性全方向性アンテナを提供するようになっており、
   前記アンテナ構成を２つ有し、該アンテナ構成の一方は、水平偏波及び垂直偏波のために構成され、前記アンテナ構成の他方は、左旋円偏波及び右旋円偏波のために構成される放送システム。
2. 前記アンテナ構成は、ＭＩＭＯ信号を放送するように構成される、
   請求項１に記載の放送システム。
3. 前記放送システムは、ＤＶＢ規格の１つに合わせて構成される、
   請求項２に記載の放送システム。
4. 無線信号の２又はそれ以上の偏波を送信するためのＲＦアンテナ構成であって、
   プリント基板上に敷設されたトラックを含み、前記プリント基板によって分離された平行面上に配置され、水平偏波ＲＦ信号を生成するためのＲＦ給電線のための接続部を有する第１の導体及び第２の導体を含むダイポールアレイと、
   前記平行面と実質的に直交し、前記第１の導体及び前記第２の導体の中心位置から延び、垂直偏波ＲＦ信号を生成するためのＲＦ給電線のための接続部を有する第３の導体を含むモノポール構成と、
   を備え、前記モノポール構成の前記接続部は、前記第１の導体又は前記第２の導体の一方が前記第３の導体の接地としての機能を果たすことによってコンパクトな２極性全方向性アンテナを提供するようになっている、ことを特徴とするＲＦアンテナ構成を２つ有し、該アンテナ構成の一方は、水平偏波及び垂直偏波のために構成され、前記アンテナ構成の他方は、左旋円偏波及び右旋円偏波のために構成されることを特徴とするテレビカメラ。
5. 前記２つのアンテナ構成は、使用時に一方が他方から垂直に変位して接近して取り付けられる、
   請求項４に記載のテレビカメラ。
6. 前記アンテナ構成は、ＭＩＭＯ信号を放送するように構成される、
   請求項４に記載のテレビカメラ。
7. ＭＩＭＯ信号をプリコーディングするように構成された回路を有する、請求項６に記載のテレビカメラ。

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