(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の誘電体の一方の面にパッチ状の導体と他方の面に地導体板と該パッチ状の導体に給電する少なくとも１本の給電ピンを備える背面給電方式のマイクロストリップ平面アンテナにおいて、前記パッチ状の導体の上に容量性素子と空間的な広がりを有する折れ線状放射素子とを配置し、前記容量性素子を介して前記給電ピンの上端部と前記折れ線状放射素子とを電気的に結合したことを特徴とする共用アンテナ。
【請求項２】
請求請１において、前記マイクロストリップ平面アンテナが円偏波アンテナであって、空間的な広がりを有する折れ線状放射素子が直線偏波アンテナであることを特徴とする共用アンテナ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、共用アンテナを構成するマイクロストリップ平面アンテナの地導体の下方にヘリカルアンテナを電気的に接続したことを特徴とする共用アンテナ。
【請求項４】
請求項１において、前記空間的な広がりを有する折れ線状放射素子が第１の放射素子と第２の放射素子とから成り、前記マイクロストリップ平面アンテナの動作周波数がｆ１であって、折れ線状放射素子の第１の放射素子の動作周波数がｆ２、第２の放射素子の動作周波数がｆ３であることを特徴とする共用アンテナ。
【請求項５】
板状の誘電体の一方の面にパッチ状の導体と他方の面に地導体板と該パッチ状の導体に給電する少なくとも１本の給電ピンを備える背面給電方式のマイクロストリップ平面アンテナの、前記パッチ状の導体の上に容量性素子と空間的な広がりを有する折れ線状放射素子とを配置し、前記容量性素子を介して前記給電ピンの上端部と前記折れ線状放射素子とを電気的に結合したことを特徴とする共用アンテナを用いた携帯無線機。
【請求項６】
請求請５において、前記マイクロストリップ平面アンテナが円偏波アンテナであって、空間的な広がりを有する折れ線状放射素子が直線偏波アンテナであることを特徴とする共用アンテナを用いた携帯無線機。
【請求項７】
請求項５または請求項６において、共用アンテナを構成するマイクロストリップ平面アンテナの地導体の下方にヘリカルアンテナを電気的に接続したことを特徴とする共用アンテナを用いた携帯無線機。
【請求項８】
請求項５において、前記空間的な広がりを有する折れ線状放射素子が第１の放射素子と第２の放射素子とから成り、前記マイクロストリップ平面アンテナの動作周波数がｆ１であって、折れ線状放射素子の第１の放射素子の動作周波数がｆ２、第２の放射素子の動作周波数がｆ３であることを特徴とする共用アンテナを用いた携帯無線機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信分野に懸かり、特に衛星を利用した携帯無線通信と地上に設置した無線基地局を介して行う携帯無線通信に供する共用アンテナとこれを用いた携帯無線機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、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衛星へは１．６ＧＨｚ帯が、衛星から地上の携帯電話へは２．４ＧＨｚ帯が割当てられている。また１．６ＧＨｚ帯では地上から衛星、衛星から地上の双方向の通信に用いる周波数帯としても割当てられる。
【０００３】
さらに、地上通信には従来から８００ＭＨｚ帯、１．５ＧＨｚ帯、１．９ＧＨｚ帯などが割当てられている。特に、前記地上通信の８００ＭＨｚ帯、１．５ＧＨｚ帯では携帯電話から基地局への送信周波数と基地局から携帯電話への送信周波数の隔たりが７２ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚ（送信、受信周波数の下限から上限まで）ある。一般に、偏波形式は衛星通信では円偏波が、地上通信では直線偏波（垂直偏波）が使用される。
【０００４】
このような通信に使用するアンテナに関連して、本出願人は特願平８−２９０３８８号によりマイクロストリップ平面アンテナの給電ピンの上端部近傍に容量性素子を介して線状放射素子を電気的に結合するようにしたものを提案した。図７は特願平８−２９０３８８号の共用アンテナの構成例を示す斜視図で、１はマイクロストリップ平面アンテナ（ＭＳＡ）、１ａは給電ピン、１ｂはパッチ状の放射素子、１ｃは誘電体基板、３は給電点、４は地導体（導体板）、６は給電線（同軸線）、７は容量性素子、８は線状放射素子（単線ヘリカルアンテナ）を示し、全体で共用アンテナを構成する。図７の通り給電ピン１ａの上端部に容量性素子７を介して線状放射素子８を具備する。
【０００５】
図８は本出願人の特願平８−１９６０３８号に特願平８−２９０３８８号の共用アンテナを組み合わせて全方位に利得を有する複合型の共用アンテナ１２を構成した例で、ＭＳＡ１の下方に配置されるヘリカルアンテナ２はＭＳＡ１の地導体４に線状放射素子２ｂが電気的に接続し給電がされる構造を示す。本例のヘリカルアンテナ２は代表例として４線ヘリカルアンテナを示す。線状放射素子２ｂは誘電体柱（誘電体の支持柱）２ａに巻き付けられている。符号２ｃは各線状放射素子２ｂをヘリカルアンテナ２の下端で非接触に交差させるために介在させる絶縁体である。符号２ｅは絶縁体２ｃにより各線状放射素子２ｂが非接触で交差する交差部である。給電点３はＭＳＡ１とヘリカルアンテナ２の共通の給電点である。
【０００６】
図９は円柱形にしたＭＳＡ１の下方にヘリカルアンテナ２を電気的に接続して形成する複合型の共用アンテナ１２を携帯無線機１１に搭載した様子を示す。複合型の共用アンテナ１２はアンテナ保持円筒１３内に保持される。携帯無線機１１から給電線６の連通部１３ａを通り、さらにヘリカルアンテナ２内を通り中心導体は給電ピン１ａに接続し外部導体は地導体４に接続する。なお、符号３０は、携帯電話機１１の上面に配置した別のマイクロストリップ平面アンテナ（ＭＳＡ）で、これは複合型の共用アンテナ１２との組み合わせでダイバーシティアンテナを形成するとともに、アンテナ保持円筒１３を軸Ａを中心に回転（３３は回転コネクタ）して携帯電話機１１側に折り畳んだ状態にあるとき、主として着信用のアンテナとして機能する。その他、１１ａは受話部、１１ｂは表示部、１１ｃは操作部、１１ｄは送話部である。なお、図１０は図８に準拠した複合型の共用アンテナを単体で測定した例で、衛星通信周波数と地上の携帯電話周波数について測定した放射パターンである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、衛星通信と地上通信の両方に共用できるアンテナを提供し、当該アンテナにより衛星通信と地上通信の両方で通信できる携帯無線機（携帯電話）を提供するものであり、先の特願平８−２９０３８８号発明の改良に関し特に所望の周波数におけるインピーダンス整合とアンテナ利得と放射パターンとを同時に満足させることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の課題は特許請求の範囲に記載された手段により達成されるものであり、本発明は、上記の課題を解決するため、マイクロストリップ平面アンテナに高周波電流を供給する給電ピンの先端近傍に容量性素子を介して空間的に広がりを有する折れ線状放射素子を付加してある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の共用アンテナに関する説明を行う。図１〜図６は本発明に関するもので、従来技術と同一部位には同一の符号を付し、原則的に従来と同様の場合には説明を省略する。
【００１０】
本発明の共用アンテナの概略構成を示す図１（ａ）（ｂ）は、マイクロストリップ平面アンテナ１（以下ＭＳＡと略す）と容量性素子７と空間的に広がりを有する折れ線状放射素子９、１０から構成されるものである。図１（ａ）は本発明の一実施形態を示す共用アンテナの斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）の共用アンテナの側面図である。マイクロストリップ平面アンテナ（ＭＳＡ）１は、給電ピン１ａ、パッチ状の放射素子１ｂ、誘電体基板１ｃ、誘電体基板１ｃの裏面（他方の面）に設けられた地導体（導体板）４からなる。給電ピン１ａ上端にはその近傍に容量性素子７が接続される。第１の折れ線状放射素子９は容量性素子７を介して給電ピン１ａに接続される。同じく第２の折れ線状放射素子１０は容量性素子７を介して給電ピン１ａに接続される。第１の折れ線状放射素子９と第２の折れ線状放射素子１０は後述する理由によりそれぞれ容量性素子７の上端から水平方向にさらに垂直方向にも数回折り曲げられてＭＳＡ１上の空間にあって広がりを有している。
【００１１】
ＭＳＡ１は誘電体基板１ｃの比誘電率・寸法、前記誘電体の厚み等のパラメータ、誘電体基板１ｃの上面へ貼付するパッチ状の放射素子１ｂの寸法、給電ピン１ａの位置等を適切に設計することにより、第１の周波数ｆ１で円偏波アンテナとして動作する。このＭＳＡ１は本出願人が特願平８−２９５３１６号で出願したものであって、パッチ状の導体が４角形（ＡＢＣＤ）で、少なくとも３つの辺の長さが異なることを特徴とするマイクロストリップ平面アンテナで構成した。このパッチ形状をとることで、円偏波の発生に必要な複共振と、効率よく電波を送・受信するためのインピーダンス整合をはかることが容易になる。もちろん、従来の長方形のパッチ状の放射素子を用いたＭＳＡを用いてもよいことは言うまでもない。
【００１２】
また、図２は本出願人の特願平８−１９６０３８号に図１の共用アンテナを組み合わせて全方位に利得を有する複合型の共用アンテナ１２を構成するものである。図２に示す複合型の共用アンテナ１２は、第１の折れ線状放射素子９と第２の折れ線状放射素子１０とはＭＳＡ１の下方に配置（地導体４に電気的に接続）したヘリカルアンテナ２と連携して、それぞれ第２の周波数ｆ２と第３の周波数ｆ３で共振する４分の１波長（１／４λ）接地型アンテナとして動作する。ヘリカルアンテナ２は前述の従来技術と同様である。この構成によりＭＳＡ１とヘリカルアンテナ２で円偏波アンテナ（動作周波数ｆ１）となり、ヘリカルアンテナ２と第１の折れ線状放射素子９で直線偏波アンテナ（動作周波数ｆ２）、ヘリカルアンテナ２と第２の折れ線状放射素子１０で直線偏波アンテナ（動作周波数ｆ３）となる。
【００１３】
発明の実施形態に準拠して作製した共用アンテナの諸元は以下の通りである。図１に示すＭＳＡ１の誘電体基板１ｃのサイズは２８ｍｍ角、基板の厚さは１２ｍｍ，比誘電率は約２０、ＭＳＡのパッチ状の放射素子１ｂの４辺の長さは辺ＡＢ＝２０．０ｍｍ，辺ＢＣ＝１９．０ｍｍ，辺ＣＤ＝１８．３ｍｍ、ＤＡ＝１６．７ｍｍとした。図１のアンテナを用いて図２のアンテナを構成したところ、複共振の中心周波数は１．６５１ＧＨｚとなった。直線偏波アンテナの第１の折れ線状放射素子９は８つの辺からなり、それぞれの辺の長さは容量性素子７の上端から順に３、１４、１２、１０、１７、１０、１６、１１ｍｍで、それらの和は９３ｍｍである。直線偏波アンテナの第２の折れ線状放射素子は９つの辺からなり、それぞれの辺の長さは容量性素子７の上端から順に５、１１、１０、１２、１０、１０、１２、１３、４ｍｍで、それらの和は８７ｍｍである。容量性素子７の容量は数ｐＦ（ピコファラッド）であり、素子の長さはリード線を含めて１２ｍｍである。容量性素子７は直線偏波アンテナの整合に寄与するとともに、前記直線偏波アンテナと円偏波アンテナとの相互干渉を緩和するものである。第１の折れ線状放射素子９と第２の折れ線状放射素子１０はＭＳＡ１と約２ｍｍの距離を保って配置した。
【００１４】
このとき第１の共振周波数は８９８ＭＨｚでＶＳＷＲは２．４、第２の共振周波数は９６０ＭＨｚでＶＳＷＲは２．１、ピーク利得は基準ダイポール（２分の１波長）比で表すと−２〜−３ｄＢｄであり実用レベルにある。
【００１５】
ここで、真空中の光の速度を３０万ｋｍ／ｓとすると、第１の折れ線状放射素子９の共振周波数ｆ２は８０６ＭＨｚ、第２の折れ線状の放射素子１０の共振周波数ｆ３は８６２ＭＨｚと計算できるが、測定結果はそれぞれ、８９８ＭＨｚ、９６０ＭＨｚであり約１００ＭＨｚ高くなっている。これは容量性素子７や折れ線形状による効果と考えられる。ただし、共振周波数ｆ２とｆ３の差に関しては計算値と測定値ともに約６０ＭＨｚになり非常に良い相関を示している。折れ線形状を図１のようにしたのは、インピーダンス整合をとりつつ、２つの離れた周波数帯域において、垂直偏波の無指向性を維持したいがためと、小型化にある。ちなみに、ＰＤＣ８００（日本における８００ＭＨｚ帯のセル式無線電話の１つ）の受信周波数は８１０〜８３０ＭＨｚ、送信周波数は９４０ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚである。折れ線状放射素子の最適化により、共振周波数ｆ２、ｆ３の調整と定在波比（ＶＳＷＲ）の改善が可能である。
【００１６】
ＭＳＡ１の地導体４の下方に配置したヘリカルアンテナ２の諸元は次の通りである。円筒（誘電体柱）２ａは直径３０ｍｍのアクリル樹脂（肉厚２ｍｍ）からなり、その表面に幅４．５ｍｍの銅箔テープ（線状放射素子２ｂ）を４本、ヘリカル状に高さ１３３ｍｍの間を１８０度巻下げて、円筒２ａ下端に於いては絶縁体２ｃを間に介在させて向かいあった銅箔テープ２ｂ同志を被覆導線で電気的に結合したものである。また下端部で交差した被覆導線は直流的には接続しない。ヘリカル状の放射素子２ｂである銅箔テープと地導体４は直接接続させず約８ｍｍの辺縁部２ｄ（導体部）を設けて互いに電気的に接続するようにしている。給電線６（同軸線）は円筒２内を通じて地導体４に設けた貫通孔（図示せず）に至らしめ、給電線６の中心導体が給電ピン１ａに接続しパッチ状の放射素子１ｂに給電する。また給電線６の外部導体は地導体４に接続する。本例により、ＭＳＡ１単体よりも円偏波アンテナ（第１の周波数＝１．６ＧＨｚ帯）低仰角の利得が向上し、低仰角から天頂方向への全方位に指向性を有し、軸比を３ｄＢ程度にすることが可能となる。
【００１７】
また図３はＭＳＡ１を円柱形にした図２の複合型の共用アンテナ１２を携帯無線機（携帯電話）に搭載した様子を示す図で、複合型の共用アンテナ１２はアンテナ保持円筒１３内に支持され、その位置は携帯無線機（携帯電話）１１から高さ方向に連通部１３ａを設けて離されている。符号１１ａは受話部、１１ｂは表示部、１１ｃは操作部、１１ｄは送話部である。符号３０は携帯無線機１１の上面に別途配置されたマイクロストリップ平面アンテナ（ＭＳＡ）であり、複合型の共用アンテナ１２とダイバーシティアンテナを構成する。ダイバーシティの構成ブロック図は図４に示してある。ダイバーシティの構成は、複合型の共用アンテナ１２と、ＭＳＡ３０と、無線部３１と、複合型の共用アンテナ１２とＭＳＡ３０の信号合成手段（または信号選択手段）３２で構成される。さらに、図３において複合型の共用アンテナ１２はアンテナ保持円筒１３に保持され、携帯無線機１１の筺体から連通部１３ａ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、図３のように複合型の共用アンテナ１２を立てた状態にして、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、複合型の共用アンテナ１２を携帯無線機１１の筺体側面に密着する位置まで回転軸Ａを中心に回転する。回転コネクタ３３によって複合型の共用アンテナ１２は回転する。図４の点線はこの回転により複合型の共用アンテナ１２が折り畳まれた状態を示すものである。この折り畳まれた状態では、複合型の共用アンテナ１２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、複合型の共用アンテナ１２の感度は著しく劣化する。従って、待ち受け時は、主にＭＳＡ３０が機能する。
【００１８】
図５（ａ）は図２に示す複合型の共用アンテナ１２のスミスチャート、（ｂ）はそのＶＳＷＲの測定例である。また、図６は図２に示す複合型の共用アンテナ１２の放射パターン測定例である。
【００１９】
従って携帯無線機１１が本発明の共用アンテナを搭載することにより１本のアンテナで衛星通信と地上通信とを可能とする小型な装置を実現することが容易になる。以上１．６ＧＨｚ帯の円偏波アンテナと８００ＭＨｚ帯の直線偏波アンテナについて述べたが、これらの偏波形式・周波数帯の組み合わせは所望のシステムにあわせて適宜設計すれば良い。
【００２０】
【発明の効果】
以上の構成によれば、整合回路を用いないので、円偏波アンテナのインピーダンス整合とそのアンテナ利得、直線偏波アンテナのインピーダンス整合とそのアンテナ利得をほぼ独立に調整でき、かつ、円偏波アンテナの低仰角・天頂方向での放射パターン、直線偏波アンテナの送信周波数帯と受信周波数帯の放射パターンが相互に殆ど干渉しないため理想的な共用アンテナを容易に構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す共用アンテナで、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図。
【図２】本発明の実施形態を示す共用アンテナで、下方にヘリカルアンテナを接続した複合型の共用アンテナの斜視図。
【図３】本発明の実施形態を示すもので、図２の複合型の共用アンテナのうちマイクロストリップ平面アンテナを円柱形にして携帯無線機に搭載した様子を示す図。
【図４】図３の携帯無線機におけるダイバーシティの構成ブロック図。
【図５】図２の複合型の共用アンテナを単体で測定した例で、（ａ）はスミスチャート、（ｂ）ＶＳＷＲの測定図。
【図６】図２の複合型の共用アンテナを単体で衛星通信周波数と地上の携帯電話周波数について測定した例で、（ａ）の０°方向は図２のアンテナの左斜下に１８０°方向は右斜上に対応する放射パターン、（ｂ）の０°方向は図２のアンテナの左斜上に、１８０°方向は右斜下に対応する放射パターン。
【図７】従来例を示す共用アンテナの斜視図。
【図８】従来例を示し、下方にヘリカルアンテナを接続した複合型の共用アンテナの斜視図。
【図９】従来例を示し、図８の複合型の共用アンテナのうちマイクロストリップ平面アンテナを円柱形にして携帯無線機に搭載した様子を示す図。
【図１０】図８に準拠した複合型の共用アンテナを単体で衛星通信周波数と地上の携帯電話周波数について測定したアンテナ放射パターン。
【符号の説明】
１：マイクロストリップ平面アンテナ（ＭＳＡ）
１ａ：給電ピン
１ｂ：パッチ状の放射素子
１ｃ：誘電体基板
２：ヘリカルアンテナ
２ａ：円筒（誘電体の支持柱）
２ｂ：線状放射素子（銅箔テープ）
２ｃ：絶縁体
２ｄ：辺縁部（導体部）
２ｅ：交差部
３：給電点
４：地導体（導体板）
６：給電線（同軸線）
７：容量性素子
８：線状放射素子（単線ヘリカルアンテナ）
９：第１の折れ線状放射素子（第１の折れ線素子）
１０：第２の折れ線状放射素子（第２の折れ線素子）
１１：携帯無線機（携帯電話）
１１ａ：受話部
１１ｂ：表示部
１１ｃ：操作部
１１ｄ：送話部
１２：複合型の共用アンテナ
１３：アンテナ保持円筒
１３ａ：連通部
３３：回転コネクタ
３０：マイクロストリップ平面アンテナ（ＭＳＡ）
３１：無線部
３２：信号合成部（又は信号選択部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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