(57)【要約】マルチパス信号の受信を低下させるための小型アンテナシステムを開示する。例示のアンテナシステムは、接地面、接地面の上方に配設され、アンテナシステムの信号を出力する受信アンテナ、および接地面の下方に配設されるパッシブアンテナを備える。
2006500821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線信号を受信するためのアンテナシステムであって、：
前記アンテナシステムにより受信される無線信号を出力する信号ポートと；
第１面、および前記第１面と対向する第２面を有する第１の接地面と；
前記接地面の前記第２面よりも前記第１面の近くに配設される第１のアンテナ素子と； 
前記接地面の前記第１面よりも前記第２面に近くに配設される第２のアンテナ素子とを備え；
前記第１および第２のアンテナ素子は、前記信号ポートへの電気結合度が等しくない；
アンテナシステム。
【請求項２】
前記第１のアンテナ素子が前記信号ポートから電気絶縁され、前記第２のアンテナ素子が前記信号ポートに電気結合される；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項３】
前記第２のアンテナ素子が、前記第１の接地面に対するピーク入力抵抗値を有する第１の周波数を有し；
前記第１の周波数で、前記第２のアンテナ素子は、前記第１のアンテナ素子よりも高い、前記信号ポートへの電気結合度を有する；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項４】
前記第２のアンテナ素子と前記第１の接地面との間に配設される第２の接地面を更に備える；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項５】
前記第１のアンテナ素子と前記第１の接地面との間に配設される第１の誘電体と；
前記第２のアンテナ素子と前記第２の接地面との間に配設される第２の誘電体とを更に備える；
請求項４のアンテナシステム。
【請求項６】
前記第１のアンテナ素子と前記第１の接地面との間に配設される第１の誘電体と；
前記第２のアンテナ素子と前記第１の接地面との間に配設される第２の誘電体を更に備える；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項７】
前記第１のアンテナ素子は、導電路により前記第１の接地面と結合される；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項８】
前記第１の接地面の最大幅寸法が８０ｍｍ以下である；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項９】
前記第１の接地面の最大幅寸法が６５ｍｍ以下である；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項１０】
前記第２のアンテナ素子が、前記第２の接地面に対するピーク入力抵抗値を有する第１の周波数を有し；
前記第１のアンテナ素子が前記第１の接地面に対する共振周波数を有し；
前記共振周波数は前記第１の周波数の−６０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ内である；
請求項４のアンテナシステム。
【請求項１１】
前記第２のアンテナ素子が、前記第２の接地面に対するピーク入力抵抗値を有する第１の周波数を有し；
前記第１のアンテナ素子が前記第１の接地面に対する共振周波数を有し；
前記共振周波数は前記第１の周波数の−５％〜＋２％内である；
請求項４のアンテナシステム。
【請求項１２】
前記信号ポートで前記信号出力と関連付けられる天頂上下比を更に備え；
前記第２のアンテナ素子は、前記第１接地面に対するピーク入力抵抗値を有する第１の周波数を有し；
前記天頂上下比は、前記上下比が最小値となる第２の周波数を有し、前記第２の周波数は前記第１の周波数の−４０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ内である；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項１３】
前記信号ポートで前記信号出力と関連付けられる天頂上下比を更に備え；
前記第２のアンテナ素子は、前記第１接地面に対するピーク入力抵抗値を有する第１の周波数を有し；
前記天頂上下比は、前記上下比が最小値となる第２の周波数を有し、前記第２の周波数は前記第１の周波数の−３．５％〜＋２％内である；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項１４】
前記信号ポートで前記信号出力と関連付けられる天頂上下比を更に備え；
前記第２のアンテナ素子は、前記第２の接地面に対するピーク入力抵抗値を有する第１の周波数を有し；
前記天頂上下比は、前記上下比が最小値となる第２の周波数を有し、前記第２の周波数は前記第１の周波数の−４０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ内である；
請求項４のアンテナシステム。
【請求項１５】
前記信号ポートで前記信号出力と関連付けられる天頂上下比を更に備え；
前記第２のアンテナ素子は、前記第２の接地面に対するピーク入力抵抗値を有する第１の周波数を有し；
前記天頂上下比は、前記上下比が最小値となる第２の周波数を有し、前記第２の周波数は前記第１の周波数の−３．５％〜＋２％内にある；
請求項４のアンテナシステム。
【請求項１６】
前記第２のアンテナ素子は、前記信号ポートでピーク入力抵抗値を有する第１の周波数を有し；
前記アンテナシステムは、前記第１周波数で−１０ｄＢ以下となる前記信号出力と関連付けられる天頂上下比を更に備える；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項１７】
λを前記第１の周波数の自由空間波長とすると、前記第１の接地面はλ2／４以下の面積を有する；
請求項１６のアンテナシステム。
【請求項１８】
λを前記第１の周波数の自由空間波長とすると、前記第１の接地面はλ2／８以下の面積を有する；
請求項１６のアンテナシステム。
【請求項１９】
前期信号ポートへの無線信号の前期受信および結合が最大となる第１の周波数と；
前記第１の周波数で−２０ｄＢ以下となる前記信号ポートで前記信号出力と関連付けられる天頂上下比とを更に備える；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項２０】
λを前記第１の周波数の自由空間波長とすると、前記第１の接地面はλ2／４以下の面積を有する；
請求項１９のアンテナシステム。
【請求項２１】
λを前記第１の周波数の自由空間波長とすると、前記第１の接地面はλ2／８以下の面積を有する；
請求項１９のアンテナシステム。
【請求項２２】
前記信号ポートへの無線信号の受信および結合が最大となる第１の周波数を更に備え；
λを前記アンテナの前記第１の周波数の自由空間波長とすると、前記第１の接地面はλ2／４以下の面積を有する；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項２３】
前記信号ポートへの無線信号の受信および結合が最大となる第１の周波数を更に備え；
λを前記アンテナの前記第１の周波数の自由空間波長とすると、前記第１の接地面はλ2／８以下の面積を有する；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項２４】
前記第２のアンテナ素子がパッチを備える；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項２５】
前記第１の接地面の面積と、前記第２のアンテナ素子のパッチ面積との比が３．５未満である；
請求項２４のアンテナシステム。
【請求項２６】
前記面積比が２．５未満である；
請求項２５のアンテナシステム。
【請求項２７】
前記信号ポートで前記信号出力と関連付けられる信号帯域幅を更に有し、前記信号帯域幅が３％を以上である；
請求項２４のアンテナシステム。
【請求項２８】
前記第１のアンテナ素子がパッチを備える；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項２９】
前記第１のアンテナ素子が、前記接地面の前記第１の面に平行に配設される平面のパッチを備え；
前記第２のアンテナ素子が、前記接地面の前記第２の面に平行に配設される平面のパッチを備える；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項３０】
前記第１の接地面と、前記第１および第２のアンテナ素子の内の１つとの間に配設される第３のアンテナ素子を更に備える；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項３１】
前記第１の接地面と前記第１のアンテナ素子との間に配設される第３のアンテナ素子と；
前記第１の接地面と前記第２のアンテナ素子との間に配設される第４のアンテナ素子とを更に備える；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項３２】
前記第１のアンテナ素子は第１の面積を有するパッチを備え；
前記第２のアンテナ素子は第２の面積を有するパッチを備え；
前記第３のアンテナ素子は前記第１の面積とは異なる第３の面積を有するパッチを備え； 
前記第４のアンテナ素子は前記第２の面積とは異なる第４の面積を有するパッチを備える；
請求項３１のアンテナシステム。
【請求項３３】
前記信号ポートは第１の信号ポートであり；
前記アンテナシステムは、
前記第３および第４のアンテナ素子と等しくなくい電気結合度を有する第２の信号ポートと；
前記第１の信号ポートで前記信号出力と関連付けられる第１の天頂上下比と；
前記第２の信号ポートで前記信号出力と関連付けられる第２の天頂上下比とを更に備え：
前記第２のアンテナ素子は、前記第１の接地面に対するピーク入力抵抗値を有する第１の周波数を有し；
前記第４のアンテナ素子は、前記第１の接地面に対するピーク入力抵抗値を有する第２の周波数を有し；
前記第１の天頂上下比は、前記上下比が最小値となる周波数を有し、前記第１の天頂上下比の前記周波数が、前記第１の周波数の−４０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ内であり；
前記第２の天頂上下比は、前記上下比が最小値となる周波数を有し、前記第２の天頂上下比の前記周波数が、前記第２の周波数の−４０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ内である；
請求項３１のアンテナシステム。
【請求項３４】
前記信号ポートは第１の信号ポートであり；
前記アンテナシステムは更に第２の信号ポートを備え、前記第２の信号ポートは、前記第３および第４のアンテナ素子と等しくない電気結合度を有し；
前記第２のアンテナ素子は、前記第１の信号ポートでピーク入力抵抗値を有する第１の周波数を有し；
前記第４のアンテナ素子は、前記第２の信号ポートでピーク入力抵抗値を有する第２の周波数を有し；
前記アンテナシステムは、
前記第１の周波数で−１０ｄＢ以下である前記第１の信号ポートで前記信号出力と関連付けられる第１の天頂上下比と；
前記第２の周波数で−１０ｄＢ以下である前記第２の信号ポートで前記信号出力と関連付けられる第２の天頂上下比とを更に備える；
請求項３１のアンテナシステム。
【請求項３５】
前記第２の周波数が前記第１の周波数より低く；
λを前記第２の周波数の自由空間波長とすると、前記第１の接地面はλ2／４以下の面積を有する；
請求項３４のアンテナシステム。
【請求項３６】
前記信号ポートは、第１の信号ポートであり；
前記アンテナシステムは、
前記第３および第４のアンテナ素子と等しくない電気結合度を有する第２の信号ポートと；
前記第２アンテナ素子から前記第１の信号ポートへの無線信号の受信および結合が最大となる第１の周波数と；
前記第４アンテナ素子から前記第２の信号ポートへの無線信号の受信および結合が最大となる第２の周波数と；
前記第１の周波数で−２０ｄＢ以下である前記第１の信号ポートで前記信号出力と関連付けられる第１の天頂上下比と；
前記第１の周波数で−２０ｄＢ以下である前記第２の信号ポートで前記信号出力と関連付けられる第２の天頂上下比とを備える：
請求項３１のアンテナシステム。
【請求項３７】
前記第２のアンテナ素子と前記第１の接地面との間に配設される第２の接地面と；
前記第１の接地面と前記第１のアンテナ素子との間に配設される第３のアンテナ素子と；
前記第２の接地面と前記第２のアンテナ素子との間に配設される第４のアンテナ素子とを更に備える；
請求項１のアンテナシステム。
【請求項３８】
前記第１のアンテナ素子は第１の面積を有するパッチを備え；
前記第２のアンテナ素子は第２の面積を有するパッチを備え；
前記第３のアンテナ素子は前記第１の面積とは異なる第３の面積を有するパッチを備え； 
前記第４のアンテナ素子は前記第２の面積とは異なる第４の面積を有するパッチを備える；
請求項３７のアンテナシステム。
【請求項３９】
前記信号ポートが第１の信号ポートであり；
前記アンテナシステムは
前記第３および第４のアンテナ素子と等しくない電気結合度を有する第２の第２の信号ポートと；
前記第１の信号ポートで前記信号出力と関連付けられる第１の天頂上下比と；
前記第２の信号ポートで前記信号出力と関連付けられる第２の天頂上下比とを更に備え：
前記第２のアンテナ素子は前記第２の接地面に対するピーク入力抵抗値を有する第１の周波数を有し；
前記第４のアンテナ素子は前記第２の接地面に対するピーク入力抵抗値を有する第２の周波数を有し；
前記第１の天頂上下比は前記上下比が最小値となる周波数を有し、前記第１の天頂上下比の前記周波数は前記第１の周波数の−４０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ内であり；
前記第２の天頂上下比は前記上下比が最小値となる周波数を有し、前記第２の天頂上下比の前記周波数は前記第２の周波数の−４０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ内である；
請求項３７のアンテナシステム。
【請求項４０】
前記第１と第２の接地面の間に配設される接地筐体を更に備える；
請求項３７のアンテナシステム。
【請求項４１】
無線信号を受信するためのアンテナシステムであって；
前記アンテナシステムにより受信される無線信号を出力する信号ポートと；
接地面と；
前記接地面の上方に配設され、出力信号を前記信号ポートに結合する受信アンテナと；
前記接地面の下方に配設されるパッシブアンテナとを備え；
前記受信アンテナと前記パッシブアンテナとは、前記信号ポートへの電気結合度が等しくない；
アンテナシステム。
【請求項４２】
前記受信アンテナは前記信号ポートへの無線信号の受信および結合が最大となる第１の周波数を有し；
前記パッシブアンテナは共振周波数を有し；
前記共振周波数は、前記受信の第１の周波数の−６０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ内である；
請求項４１のアンテナシステム。
【請求項４３】
前記受信アンテナは前記信号ポートへの無線信号の受信および結合が最大となる第１の周波数を有し；
前記パッシブアンテナは共振周波数を有し；
前記共振周波数は、前記第１の周波数の−５％〜＋２％内である；
請求項４１のアンテナシステム。
【請求項４４】
更に、前記信号ポートで前記信号出力と関連付けられる天頂上下比を備え、
前記受信アンテナは、前記信号ポートへの無線信号の受信および結合が最大となる第１の周波数を有し；そして、
前記天頂上下比は、前記上下比が最小値となる周波数を有し、前記周波数は、前記第１の周波数の−４０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ内にある、
請求項４１のアンテナシステム。
【請求項４５】
前記信号ポートで前記信号出力と関連付けられる天頂上下比を更に備え；
前記受信アンテナは前記信号ポートへの無線信号の受信および結合が最大となる第１の周波数を有し； 
前記天頂上下比は前記上下比が最小値となる周波数を有し、前記周波数は前記第１の周波数の−３．５％〜＋２％内である；
請求項４１のアンテナシステム。
【請求項４６】
前記信号ポートで前記信号出力と関連付けられる天頂上下比を更に備え；
前記受信アンテナは前記信号ポートへの無線信号の受信および結合が最大となる第１の周波数を有し； 
前記第１の周波数での前記天頂上下比は、前記パッシブアンテナがないときに前記第１の周波数で動作する前記受信アンテナの場合の前記天頂上下比より小さい；
請求項４１のアンテナシステム。
【請求項４７】
前記信号ポートで前記信号出力と関連付けられる天頂上下比を更に備え；
前記受信アンテナは前記信号ポートへの無線信号の受信および結合が最大となる第１の周波数を有し； 
前記天頂上下比は前記第１の周波数で−１０ｄＢ以下である；
請求項４１のアンテナシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアンテナに関し、より詳細には、グローバル測位システム等の、マルチパス信号の影響を低下させることが望まれている無線信号ナビゲーションシステム用のアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
衛星ナビゲーションシステムは、グローバル測位システム（ＧＰＳ）、およびグローバル軌道ナビゲーションシステム（ＧＬＯＮＡＳＳ）を含む。これらのシステムを用いて、物体位置、物体速度、および精確な時間の確定に関する様々な課題を解決する。衛星ナビゲーションシステムに基づく受信機の重要な用途として土地測量がある。この受信機は、土地測量用の従来装置と比べて多くの利点をもつ。例えば、衛星ベースの測量システムの方が応答性がよく、ほぼ全天候で一日中動作し、見通しがきかない地域で用いることもできる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、衛星ナビゲーションシステムには幾つかの欠点がある。これらのシステムは、４つ以上の衛星からの信号を受信し、衛星信号からのタイミング情報を抽出するのが普通である。三次元三角測量を用いて、アンテナ受信機素子の位置座標を、抽出したタイミング情報から決定できる。抽出および三角測量処理に混入する多くの誤差の原因があり、これは次いで計算座標の誤差を生じる。大きな誤差原因の１つは、衛星信号の反射成分の受信にある。これらの成分は大地および近傍の物体から反射し、真の衛星信号に含まれるものと異なるタイミング情報を有する。アンテナが受信し、受信機が測定する信号全体は、真の衛星信号と反射成分とを組合せたものとなり、受信機が抽出した最終のタイミング情報は、真の信号のタイミング情報と、反射成分のタイミング情報とを組合せたものとなる。計算座標に生じる誤差は、スタンドアロン処理では数ｍ、ディフェレンシャル（差動）ＧＰＳ処理（ＤＧＰＳ）では数ｃｍとなることがある。
【０００４】
受信機レベルで、マルチパス信号を検出し、除去または低減する回路を内蔵することによりマルチパス誤差に対処できる。アンテナ素子によるマルチパス信号の受信が低下するアンテナレベルでマルチパス誤差に対処することもできる。これが本発明の指向する領域である。
【０００５】
マルチパス信号の受信低下は、「上下比（down/up ratio）」（「前後比」としても知られている）が良好なアンテナシステムを構築することにより達成できる。このようなアンテナシステムは、大きな接地面をアンテナ素子直下に用いて、アンテナ水平面を画定するのが普通であり、アンテナ水平面の下からの受信信号が著しく減少するよう構成されているので、地表およびアンテナより下の他の物体により生じるマルチパス信号の影響が減少する。
【０００６】
「上下比」は、無線ナビゲーションアンテナの最も重要なパラメータの１つであり、アンテナシステムの大地反射抑圧能力を表すのに非常に便利である。発明者は、この比についてここで簡単に説明し、付属書Bでより詳細に解説する。通常、アンテナシステムは、目標地点の上に位置するポール上に取り付けられ、ポールの軸は、実質的に、目標地点の引力方向の線上にある。発明者は、この引力方向を鉛錘位置軸と称する。この構成では、アンテナの接地面は鉛錘位置軸に垂直であり、目標地点から全方向の地平線まで広がる水平面と平行である。水平面に対して仰角θでアンテナ素子に入って来る真の衛星信号があるものと仮定する。真の衛星信号は平面波を形成するので、接地面に対して角度θでアンテナ接地面に入射するとともに、水平面に対して角度θで地面にも入射する。地面に入射する信号の幾つかは、水平面に対して角度θで地面から反射して、アンテナシステムの下面に向かって伝搬する。反射した信号は、アンテナ接地面に対して−θの角度でアンテナシステムの下面（普通は接地面）にも入射する。この反射信号は、上面のアンテナ素子に向かってアンテナシステムの表面の廻りを伝搬し、その一部は、真の衛星信号とともに、アンテナ素子により受信される。アンテナ素子が受信する反射信号の量は、（アンテナ接地面に対して測定した）角度−θに依存するのが一般的である。上記からも分かるように、アンテナが受信する反射信号のレベルは２つの要因に依存する：１つは地面の反射係数であり、もう１つはアンテナの指向性である。第１の要因は、地面の特性およびアンテナの場所に依存するが、第２の要因は、アンテナシステムの特性だけで決まる。第２の要因を特長付けるのは上下比である。上下比は、角度−θと電力レベルＰoとをもつアンテナシステムの下面に向かう信号の受信と、角度θと電力レベルＰoとをもつアンテナシステムの上面に向かう信号の受信との比である。一般に角度θを仰角と呼ぶ。
【０００７】
一般に、アンテナシステムの上下比は、原理的に接地面のサイズと形状により決まる。理想的には、無限大の平坦な金属製接地面は、アンテナ水平面の下から受信する信号を完全に抑圧する。実際に、大きな接地面を利用して良好な上下比性能を得ているアンテナシステムも多い。とりわけ、ＧＰＳ「チョークリング」が周知であり、接地面の上面に形成される幾つかの同心円状の溝を備える接地面である。それらは、高精度のＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ用途で広く用いられ、良好なマルチパス除去性能を有する。これらのシステムにおける接地面の代表的な直径は３０〜５０ｃｍ程度なので、携帯無線ナビゲーション装置での使用は嵩張るために限界がある。基地局のアンテナ部分として用いられることがほとんどである。
【０００８】
移動局では、サイズが小さく生産性が高いのでマイクロストリップアンテナが用いられる。しかしながら、これらのアンテナは上下比が低く、マルチパス抑圧能力はほとんどない。
【０００９】
本発明は、小型であるにもかかわらず、良好な上下比、および良好なマルチパス抑圧性能を有するアンテナシステムを提供することを目指している。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
概略を述べると、説明した本発明は、互いに近接して配設される受信アンテナおよびパッシブアンテナを備え、受信アンテナにより受信された信号は、パッシブアンテナにより受信された信号と著しい直接結合を何もせずに、処理または伝送のために提供される。
【００１１】
好適な構成では、２つのアンテナは、接地面が互いに向き合うか、または、両アンテナ素子が共通の接地面か共通接地筐体の反対側に位置するように、背面合わせに取り付ける。
本発明者は、この構造が、接地面の小さなマイクロストリップアンテナの上下比性能を大きく改良する、ということを見出した。
【００１２】
予測しなかった利点として、本発明者は、アンテナシステムの帯域幅が増加し、それによりアンテナシステムが、ＩＮＭＡＲＳＡＴ周波数（１５３０ＭＨｚ）で送信される差分補正信号と、グローバル測位衛星信号（１５６０〜１６１０ＭＨｚ）の両方の受信が可能になる、ということを見出した。
【００１３】
本発明の別の局面では、２つ以上の受信アンテナを互いに積み重ねてもよく、複数の帯域から高利得でアンテナ信号を受信できるアンテナシステムが得られる。本発明のさらに別の局面では、２つ以上のパッシブアンテナを互いに積み重ねてもよく、複数の周波数帯域でのマルチパス抑圧性能を増大できる。さらに別の局面では、アンテナシステムが、互いに積み重ねた２つ以上の受信アンテナを備えてもよく、上記説明の利点が得られ、また、互いに積み重ねられた２つ以上のパッシブアンテナを備えてもよく、上記説明の利点が得られる。
従って、本発明の目的は、小型マイクロストリップアンテナの上下比を改良することにある。
【００１４】
本発明の別の目的は、大きな接地面または複雑なチョークリングシステムをもつアンテナと同様か、またはそれ以上のマルチパス除去性能を有するグローバル測位衛星信号受信用の小型アンテナの構築を可能にすることにある。
【００１５】
本発明の別の目的は、マイクロストリップアンテナの帯域幅の増大を可能にすることにある。
【００１６】
さらに本発明の別の目的は、グローバル測位衛星信号と、ＩＮＭＡＲＳＡＴの補正信号および／または類似の補正信号との両方を良好な性能で受信できるアンテナの構築を可能にすることにある。
【００１７】
本発明のこれらの目的、および他の目的は、本発明の以下の詳細な説明、添付図面、および添付請求項から、当該技術に精通する者には明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明によるアンテナシステムの第１の実施例５の分解斜視図を示す。システム５は、信号受信アンテナ１０、低雑音増幅器（ＬＮＡ）を含む接地された筐体１８、およびパッシブアンテナ２０を備える。受信アンテナとパッシブアンテナとの間の強い相互電磁結合のために、かかるアンテナシステムの指向性およびマルチパス抑制能力は、受信アンテナ単体のものとは異なる。
【００１９】
受信アンテナ１０は、第１面と第２面を有する誘電体基板１２、基板１２の第１面の少なくとも一部に配置されるアンテナ素子１１、および基板１２の第２面に配置される導電性接地面１３を備える。アンテナ素子１１と接地面１３とは、共同で従来型パッチアンテナ構成を備える。一般的に接地面１３は、アンテナ素子１１と同じかそれ以上の面積に広がり、誘電体基板１２の第２面の一部または全部を覆う。しかし、接地面１３がアンテナ素子１１より狭い面積を覆うことも可能である。受信アンテナ１０は、アンテナ素子１１から誘電体基板１２を通って形成され、基板１２の少なくとも第２面にまで伸びる導電性供給リード線１５を更に備える。供給線１５は、基板１２の第２面を超えて伸びてもよい。開口部１４を接地面１３に形成して、供給リード線１５と接地面１３とを電気絶縁する（すなわち、リード線１５と面１３との間の直流電流路を妨げる）。開口部１４は、リード線１５を中心として同心円状に配置されて、同軸インターフェースおよび信号ポートを形成するのが好ましい。以下、より詳細に説明するように、低雑音増幅器への入力は、この同軸インターフェースに結合するのが好ましく、増幅器は接地された筐体１８内に収納される。他の実施の形態では、同軸伝送ラインが、同軸インターフェースに結合してもよい。
【００２０】
パッシブアンテナ２０は、第１面と第２面を有する誘電体基板２２、基板２２の第１面の少なくとも一部に配置されるアンテナ素子２１、および基板２２の第２面に配置される導電性接地面２３を備える。アンテナ素子２１と接地面２３とは、共同で従来型パッチアンテナ構成を備える。一般的に、接地面２３は、アンテナ素子２１と同じかそれ以上の面積に広がり、誘電体基板２２の第２面の一部または全部を覆う。しかし、接地面２３がアンテナ素子２１より狭い面積を覆うことも可能である。パッシブアンテナ２０は、アンテナ素子２１から接地面２３まで、誘電体基板２２を通って形成されるスルーホール２５を更に備える。以下に示すように、スルーホール２５は、接地筐体１８から外部環境までケーブルを取り回せるよう提供される。一般的に、スルーホール２５は、導電性材料でメッキを施され、アンテナ素子２１の中心と接地面２３との間の導電パスを形成する。メッキされた導電性材料により、パッシブアンテナ２０の動作に関して有するケーブルの影響は最小化される。しかし、スルーホール２５の断面積がアンテナ素子２１の面積の１５ないし２０分の１しかない場合、このような小さな断面積はパッシブアンテナの動作にほとんど影響を与えないので、スルーホール２５の内面は、メッキを施さなくてもよい。言うまでもなく、ここで説明したメッキを施した各スルーホール、リード線、およびトレースは、導電性パスを提供する。
【００２１】
接地筐体１８は、図２の断面図に概略を示す低雑音増幅器（ＬＮＡ）１６を収容し、電気的にシールドするのに用いられることが好ましい。ＬＮＡ１６を提供するための幾つかのオプションが利用可能である。密閉型ＬＮＡを、受信アンテナ１０の接地面１３に接着してもよい。ＬＮＡ１６の電気入力の構成およびアンテナシステムの所望の動作特性に依っては、ワイヤ、コンデンサ、インピーダンス整合部品、またはインピーダンス整合ネットワークを用いて、リード線１５の先端をＬＮＡ１６の入力に結合してもよい。そして、ＬＮＡの出力を、次に外部環境に取り回す同軸線１７に結合してもよい。別のオプションとして、ＬＮＡ部品を載せる超小型回路基板を接地面１３に接着してもよく、ワイヤ、コンデンサ、インピーダンス整合部品、またはインピーダンス整合ネットワークを用いて、リード線１５の先端を超小型回路基板の入力に電気結合してもよい。そして、超小型回路基板の出力を、次に外部環境に取り回す同軸線１７に結合してもよい。
【００２２】
図１を参照すると、筐体１８は、底面、１つ以上の側面、および、上面周囲に形成される薄い縁をもつ開口上面をもつ薄い箱を備えるのが一般的であり、縁は箱の側面に取り付けられる。筐体１８の薄い箱は、単一の側面を備えて薄い円板形状を有してもよく、または楕円か多角形の形状を有する２つ以上の側面を有してもよい。図１には正方形状が示されている。筐体１８の底面、側面、および、上部の縁は、全体を金属で形成するか、または外側に導電性外膜をもつ複合材料で形成してもよい。受信アンテナ１０の接地面１３は、筐体１８の上部の縁に重ねて配置され、好ましくは金属ベースのハンダにより、上部の縁にシールされる。同様に、パッシブアンテナ２０の接地面２３は、筐体１８の底面に重ねて配置され、好ましくは金属ベースのハンダにより、底面にシールされる。ハンダは、筐体１８の底面の縁に沿って施してもよく、または底面の全面にわたって施してもよい。筐体１８の底面に開口部１９が形成される。開口部１９はスルーホール２５と位置を合わせて、筐体１８から出るケーブル（例えば、同軸線１７）の通路を確保する。別の実施では、筐体１８の底面は、筐体１８の上面と同様の開口構造を有して、接地面２３の外周にシールされる、対応する底面の縁を有してもよい。
【００２３】
電力は、同軸線１７の内側コアにＤＣ電圧を重畳し、ＬＮＡ１６内のフィルタにより受信アンテナ信号からＤＣ電圧を分離することにより、ＬＮＡ１６に提供される。この技法は、当該技術で周知であり、その説明は、本発明をし、また使用するのに不要である。接地ポテンシャルは、同軸線１７の外側接地シールドにより提供される。他のオプションとして、同軸線１７内またはそれに沿わせた別の電力線および／または別の接地線を供給してもよい。
【００２４】
ＬＮＡ１６を用いるのが好ましいが、実施の形態によっては省略してもよい。その場合は、筐体１８は、同軸線１７用の空間を与えてリード線１５の経路を提供する。以下に示すように、リード線１５は、アンテナ素子１１の中心からずれていて、入力インピーダンスの特定レベルを達成し、右旋回偏波（ＲＨＣＰ）衛星信号の受信を強める。ＬＮＡ１６を省略する場合、筐体１８は、経路を提供するとともに、２つのアンテナ接地面１３および２３を互いに電気結合する回路基板により置き換えてもよい。また、図３の５０で説明するように、もっと単純な全体構成を用いてもよい。この実施の形態では、接地面１３および２３に代わりに、単一の接地面５３を用いる。基板１２は、接着剤で接地面５３に接着してもよく、または、多層プリント基板で行うように、全体構成を一体的に構成してもよい。同軸線１７は、スルーホール２５に挿入されるとともに、先端部をリード線１５にハンダ付けされ、同軸シールド周囲の外側絶縁は除去され、シールドの僅かに露出した部分をスルーホール２５のメッキを施した面にハンダ付けしてもよい。代替として、同軸ケーブルコネクタを組み込んだ構造として、同軸線１７のための接続点としてもよい。例えば、このようなコネクタをリード線１５にハンダ付けしてから、基板１２を接地面５３に接着し、その後でコネクタの接地シールドをスルーホール２５にハンダ付けしてもよい。
【００２５】
さらに別の実施では、ＬＮＡ部品を載せる超小型回路基板をパッシブアンテナ素子２１のパッチに取り付けることにより、ＬＮＡを実施の形態５０に用いてもよい。
【００２６】
上記の好適な実施例では、ＬＮＡ１６を用いるかどうかに拘わらず、リード線１５および最も近い接地面が信号ポートを提供し、そのポートにおいて、ＬＮＡによる処理に対して、またはケーブルによる外部ＬＮＡかプロセッサへの伝送に対して、受信したアンテナ信号が利用可能となる。この信号ポートは、図２および図３で参照符号６により示す。ＬＮＡ１６または同軸線１７のいずれかが信号ポート６に結合される。受信アンテナのアンテナ素子１１は、リード線１５に電気結合するので、アンテナ素子１１は信号ポート６にも電気結合される。対照的に、パッシブアンテナ２０のアンテナ素子２１は、リード線１５に電気結合しないので、信号ポート６から電気絶縁される（すなわち、電気結合されない）。本明細書で用いる場合、「電気絶縁」は、アンテナ素子２１から信号ポート６のリード線１５までの直流電流（ＤＣ）路がないことを意味する。従って、受信アンテナ素子と信号ポート（およびＬＮＡまたは同軸線）との間の電気結合度（例えば、信号の供給量）は、パッシブアンテナ素子と信号ポート（およびＬＮＡまたは同軸線）との間の電気結合度よりも高い。
【００２７】
上記説明の実施の形態は、放射素子（素子１１）に電気結合され、かつアンテナ素子２１等の他のアンテナ素子から電気絶縁される供給リード線１５を有する同軸供給構造を用いるが、本発明の他の実施の形態では、当該技術で周知の他の供給構造を用いてもよい。他の供給構造の実施例は：マイクロストリップライン供給、近接結合、および開口結合である。（多様な供給構造に関する優れた分類が、「マイクロストリップアンテナ：マイクロストリップアンテナおよびアレイの解析と設計。選定再版」ＩＥＥＥ ＰＲＥＳＳ １９９５年、からのＤａｎｉｅｌ Ｈ．Ｓｃｈａｕｂｅｒｔによる「幾つかのマイクロストリップアンテナ特性のレビュー」に与えられている）。これらの供給構造の幾つかは、アンテナ素子２１等の他のアンテナ素子はもとより、放射素子にＤＣ接点を有する供給ラインを用いる（但し、受信周波数で結合度が異なる）。そして、これらの構造の幾つかは、放射素子および他のアンテナ素子から電気絶縁される供給ラインを有することができる。しかし、これらの構造の全てを本発明に適用する場合、用語が信号供給に関する当該技術で知られかつ使用されているところでは、受信アンテナ素子は「供給」と考えられ、一方、パッシブアンテナ素子は「非供給」であると考えられる。言いかえると、受信アンテナ素子１１と信号ポート（およびＬＮＡまたは同軸ケーブル）との間の電気結合度（例えば、信号の供給量）は、特に、受信アンテナの受信周波数（動作周波数）および受信周波数周辺の周波数帯域（例えば、ＶＳＷＲ≦２で定義される帯域幅）では、パッシブアンテナ素子２１と信号ポート（およびＬＮＡまたは同軸ケーブル）との間の電気結合度よりも高い。これは、結合度（供給量）が全周波数で同一である全方向性アンテナシステムと対照的である。
【００２８】
供給構造の上記形式について、一般的に、例えば、ＬＮＡまたは伝送ケーブル等によって、受信アンテナ素子から受信する無線信号が使用できるようになる場所として、信号ポートを定義する。より一般的には、本発明によるアンテナシステムの信号ポートを、アンテナシステムが選択的に受信または送信するよう構成される無線信号を提供するポートとして定義する。以下に、複数の周波数を選択的に受信するよう構成されるアンテナシステムの例を示すが、この実施の形態は、好適に受信する周波数毎に１つずつの、２つ以上の信号ポートを有する。
【００２９】
一般的に、アンテナ素子１１がポート６で接地面１３に対し（図１および図２の実施の形態）、または信号ポート６で接地面５３に対し（図３の実施の形態）、入力抵抗値のピークを有する周波数が存在する（入力抵抗は入力インピーダンスの実部である）。本発明者は、この周波数をアンテナ素子１１の「受信周波数」、または「動作周波数」と呼ぶ。入力抵抗のピークは、ベクトルインピーダンスメータ、ネットワークアナライザ等の、当該技術で周知の幾つかの測定器により周波数の関数として測定できる。動作周波数の値は、主として、アンテナ素子１１のサイズと形状、アンテナ素子に取り付ける同調素子のサイズ（その例を図６に関して以下で説明する）、および誘電体基板１２の誘電率と厚さに依存する。充分に低い度合いまで動作周波数の値は、接地面１３（または５３）と誘電体基板１２の表面積、開口１４（または５４）のサイズ、およびリード線１５のサイズと経路に依存する。
【００３０】
一般的に、アンテナ素子１１から信号ポート６への無線信号の受信および結合は、受信周波数で最大、または最大に近似する。本発明者が注目したのは、ユーザは、受信最大化に加えて他の目的を満たすために、上記定義による「受信周波数」とは僅かに異なる周波数でアンテナを動作させるよう選択してもよく、メーカーは、また他の目的を満たすために、アンテナが動作すると公表した周波数とは僅かに異なる「受信周波数」を有するようアンテナを構築することを選択してもよい、ということである。これらの場合、動作周波数は、アンテナ帯域幅内（ＶＳＷＲ≦２）であるのが普通である。
【００３１】
実際には、シミュレーションソフトウエア、または従来の設計公式を用いて、所望の動作周波数より僅かに低い動作周波数に対するアンテナ素子１１の大まかな寸法を求めることができる。アンテナを作成し、動作周波数を上記参照した装置のいずれかを用いて測定する。次いで、アンテナ素子１１の部分を少しずつトリミングして動作周波数を所望の値にまで上げる。タブ（耳）を同調素子としてアンテナ素子１１の端部にあらかじめ形成しておき、同調処理を容易にしてもよい（その例を図６に示す）。ソフトウエアまたは設計公式を用いる代わりに、試験構造のマトリックスを構築して、素子１１のそれぞれの寸法毎に、素子１１の大まかな寸法を決定できる。付属書Ａは、矩形パッチアンテナの構造に関する幾つかの基本的な情報を提供する。その情報を用いて、所望の共振周波数または動作周波数に対する方形、矩形、および円形アンテナ素子の大まかな寸法を求めることができる。
【００３２】
グローバル測位用途では、アンテナ素子１１の動作周波数を、Ｌ１帯域（ＧＰＳでは１５７５．４２ＭＨｚ±１２ＭＨｚ、ＧＬＯＮＡＳＳでは１６０２．５６２５ＭＨｚ〜１６１５．５ＭＨｚ）の内の１つか両方に、またはそれに近い値に、もしくは、Ｌ２帯域（ＧＰＳでは１２２７．６０ＭＨｚ±１２ＭＨｚ、ＧＬＯＮＡＳＳでは１２４０ＭＨｚ〜１２６０ＭＨｚ）の内の１つか両方に、またはそれに近い値に設定する。
【００３３】
パッシブアンテナ２０の存在により、受信アンテナ１０の動作周波数を２〜３％偏移し、受信アンテナ１０の帯域幅を著しく拡大（２倍以上に）でき、その効果は、ＧＰＳ用途に対して望外の利点となる。図４は、１５６８ＭＨｚ（ＧＰＳのＬ１帯域）に近い動作周波数をもつ例示の受信アンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を示す。破線はパッシブアンテナ２０がないときのＶＳＷＲを示し、実線はパッシブアンテナ２０があるときのＶＳＷＲを示す。ＶＳＷＲの最小値は、受信アンテナ１０の動作周波数と極めて相関している。（リード線１５のインダクタンスにより、動作周波数とＶＳＷＲが最小になる周波数との間で若干の差を生ずる）。従来の定義の１つによるアンテナ帯域幅は、ＶＳＷＲの値が２．０以下となる周波数範囲である。この定義によれば、破線は、受信アンテナ１１はそれ自身が１５６５ＭＨｚ付近の動作周波数、および約３０ＭＨｚの帯域幅（２％までの帯域幅）を有することを示す。パッシブアンテナ２０が受信アンテナ１０の下に位置する場合、動作周波数は１５４０ＭＨｚに移動し、帯域幅は約７０ＭＨｚ（約４．８％の帯域幅）に増加する。さらに、第２の最小値がＧＰＳのＬ１帯域の中心である１５７５ＭＨｚに現れる。この例では、パッシブアンテナ２０は、１５８０ＭＨｚの共振周波数を有する。（共振周波数は以下で定義する）。
【００３４】
アンテナ素子１１への供給リード線１５の位置は、適切なインピーダンス整合を提供し、かつ右旋回偏波信号の受信を強めるよう選択した。このオフセット技法はマイクロストリップ技術では周知であり、実施詳細は、Ｒａｍｅｓｈ Ｇａｒｇ、Ｐｒａｋａｓｈ Ｂｈａｒｔｉａ、Ｉｎｄｅｒ Ｂａｈｌ、Ａｐｉｓａｋ Ｉｔｔｉｐｉｂｏｏｎ共著による「マイクロストリップアンテナ設計ハンドブック（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」（Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ社２００１年）と題する書籍にあり、特に、３１７〜３９４頁を参照されたい。これによりインピーダンス整合が改善できるが、幅広い応用および実施の形態では特に、本発明をし、実施し、そして使用するのに必ずしも必要ではない。オフセットも、円形素子１１が同調素子とともに用いられる場合、または矩形素子１１が用いられる場合、円偏波アンテナ信号の受信を改善する。しかし、アンテナ素子１１の他の構成を用いて、円偏波アンテナ信号の受信を改良することもできる（例えば、２点および４点の供給構成）。
【００３５】
パッシブアンテナ２０は、共振周波数が受信アンテナ１０の動作周波数に近くなるように構成する。グローバル測位のＬ１帯域およびＬ２帯域では、パッシブアンテナ２０の共振周波数は、受信アンテナ１０の動作周波数の−６０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ内であることが好ましい（中心周波数の−５％〜＋２％）。パッシブアンテナ２０の共振周波数は、受信アンテナ１０で実施したものと同じ方法で測定できる。これを行うために、補助プローブをパッシブアンテナ２０に挿入し（図５に示すように）、励起周波数の関数として入力インピーダンスを同軸プローブ出力端で測定する。これらの測定中、受信アンテナは外さなければならず、さもないと共振周波数への影響は予測できないものとなる。入力インピーダンスの実部が最大となる周波数が、共振周波数を示す。
【００３６】
好適な実施では、パッシブアンテナのパッチサイズは、天頂／反天頂の方向（θ＝９０°）で上下比が最小となる間で、最終的に同調する。これを行うために、この方向の上下比の値が周波数とともにどのように変化するかを示す周波数曲線を無響室で測定する。初めに、この周波数曲線にはある周波数に最小値がある。同調処理中は、パッシブアンテナのパッチサイズを変更することによって、その上下比の最小値を所望の周波数に偏移することができる。
【００３７】
ＧＰＳのＬ１周波数帯域に対する本発明の実施例のための寸法をここに提供する。
受信アンテナ１０の寸法：
基板１２の厚さ．．６．３５ｍｍ（０．２５０”）
基板１２の誘電率．．９．２
基板１２の形状．．矩形（方形）
基板１２のサイズ．．４５ｍｍ×４５ｍｍ（１．７７”×１．７７”）
接地面１３のサイズ．．４５ｍｍ×４５ｍｍ（１．７７”×１．７７”）
アンテナ素子１１の形状．．同調素子をもつ円形
アンテナ素子１１の主要部分の直径．．３０．５ｍｍ（１．２００”）
供給リード線１５の位置
中心からのＸオフセット．．２ｍｍ（０．０８０”）
中心からのＹオフセット．．２ｍｍ（０．０８０”）
供給線１５用のメッキ孔直径．．２．５ｍｍ（０．０９８”）
【００３８】
図６は、円形アンテナ素子１１の平面図である。同調素子の位置、および供給線１５のＸとＹのオフセットを図に示す。一つの軸に沿う同調素子を別の軸の素子より多くして、円偏波信号受信のために非対称とする。供給線１５のオフセットとともに図６に示す同調素子の分布は、右旋回偏波信号の受信を強める。同調素子のトリミングは、アンテナ１０の受信周波数を高め、アンテナ特性の最終的な同調をもたらすようトリミングする。ここで、および本発明の他の実施の形態で用いる同調素子は、寸法がおよそ３ｍｍ×３ｍｍのほぼ正方形であってもよい。
パッシブアンテナ２０の寸法は：
基板２２の厚さ．．６．３５ｍｍ（０．２５０”）
基板２２の誘電率．．９．２
基板２２の形状．．矩形（方形）
基板２２のサイズ．．４５ｍｍ×４５ｍｍ（１．８”×１．８”）
接地面２３のサイズ．．４５ｍｍ×４５ｍｍ（１．８”×１．８”）
アンテナ素子２１の形状．．同調素子をもつ円形
アンテナ素子２１の直径．．３１．０ｍｍ（１．２２０”）
スルーホール２５の位置．．素子２１の中心
スルーホール２５の直径．．５．８０ｍｍ（０．２３”）
【００３９】
図７は、例示の本実施の形態のマルチパス除去能力を、その上下比を様々なサイズの接地面を有する幾つかの従来型ＧＰＳ Ｌ１帯域アンテナの上下比と比較して説明する。上下比については先に説明したが、付属書Ｂでさらに充分に説明する。上記のように、上下比は、アンテナ接地面の平面に対して入って来る衛星信号の仰角θの関数として測定する（先に説明したように、アンテナを鉛錘位置に配置する場合、接地面は目標地点で水平面に平行である）。一般的に、負の数が大きいほどマルチパス除去特性が良好であることを示す。定義により、上下比は、仰角がゼロ、すなわちθ＝０、では０ｄＢとなる。本発明者が一般に関心を抱いている上下比の値は、２０°≦θ≦９０°の範囲、特に、４０°≦θ≦９０°の範囲である。
【００４０】
従来型アンテナの動作周波数は、約１５７５ＭＨｚであった。全ての従来型アンテナは、同一のアンテナ素子（３０ｍｍパッチアンテナ）、および同一の誘電体厚さ（６．３５ｍｍ）と誘電率（９．２）を有していたが、以下の異なる接地面直径、３６ｍｍ、６０ｍｍ、１２０ｍｍ、そして１６０ｍｍを有していた。これらのアンテナの上下比を以下の曲線の注記とともに図７に示す：丸印の実線（直径３６ｍｍ）、破線（直径６０ｍｍ）、Ｘ印の実線（直径１２０ｍｍ）、および三角印の実線（直径１６０ｍｍ）である。一般的に、上下比は接地面の直径が大きくなると向上する。しかし、２０°〜５３°の仰角では、１２０ｍｍの接地面は、１６０ｍｍの接地面よりも性能が１ｄＢ〜２．５ｄＢ良好である。しかし、５３°〜９０°の仰角では、１６０ｍｍの接地面は、性能が１ｄＢ〜７ｄＢ良好である。
【００４１】
本発明による上記例示のアンテナシステムに対する上下比は、図７の無印実線で示す。０°〜６０°の仰角では、１６０ｍｍのアンテナの上下比とほぼ一致するが、接地面積は、２０１ｃｍ2に対して１／１０の２０．２５ｃｍ2で済む。これは、アンテナサイズが１／１０になるので大きな利点となる。更なる利点として、本発明による例示のアンテナシステムの性能は、６０°〜９０°の仰角では、１６０ｍｍのアンテナの性能を１ｄＢ〜１２ｄＢ上回る。９０°（天頂）では、本発明の本実施の形態は、−２５ｄＢを超える良好な上下比を有する。
【００４２】
パッシブアンテナはアンテナ構造となるので、電磁放射の受信周波数に対して共振作用を有する。この共振により、上下比を受信周波数の関数とすることができ、そうなることも多い。これを図８に示し、上下比を仰角９０°で信号周波数の関数としてプロットする。この仰角での上下比を、ここでは天頂上下比と呼ぶ。１５７０ＭＨｚ付近にこの比の最小値があり、その値は約−２７．５ｄＢである。この比は、最小点の両側で値が上昇（悪化）し、ＧＰＳ Ｌ１帯域、およびＧＬＯＮＡＳＳ Ｌ１帯域をカバーする周波数範囲の両端で約−１５ｄＢの値に上昇する。
【００４３】
実際に同調する方法は、受信アンテナ１０のアンテナ素子１１上の同調素子を同調して、所望の動作周波数の受信アンテナを提供し、パッシブアンテナのアンテナ素子２１上の同調素子をトリミングして、仰角９０°で測定する天頂上下比を、所望の動作周波数に対して負の最大値になるよう設定する。
【００４４】
本発明者は、受信アンテナ素子１１を、導電供給線１５により信号ポート６に電気結合するのを優先したが、言うまでもなく、受信アンテナ素子１１が受信する信号を、スロットラインカプラまたは容量カプラ等によって、別の種類のカプラにより信号ポートに結合してもよい。これらの場合、信号ポートは、受信アンテナ素子１１から受信する無線信号がＬＮＡまたは伝送ケーブル等により使用可能となる場所である。このような別の種類のカプラは、信号ポートとアンテナ素子との間の導電結合、または導電接続を必ずしも必要とはしない。にもかかわらず、受信アンテナ素子と信号ポートとの間の電気結合度は、特に、受信アンテナの受信周波数（動作周波数）、および受信周波数（例えば、ＶＳＷＲ≦２で定義される帯域幅）付近の周波数帯域で、パッシブアンテナ素子と信号ポートとの間の電気結合度よりも高い。すなわち、全方向性アンテナシステムとは対照的に、受信アンテナ素子とパッシブアンテナ素子とでは、アンテナシステムの信号出力（または入力）を提供する信号ポートとの電気結合度が等しくない。以下の説明を含むこのパラグラフの記述は、本発明のすべての実施の形態に適用可能である。
【００４５】
双周波数の実施の形態
システム５の上下比は、一方のＧＰＳ周波数帯域（例えば、Ｌ２帯域）では、他方（例えば、Ｌ１帯域）ほど良好ではない。両帯域とも性能を改善するには、以下の構成の内の１つを含むアンテナシステム構造により対処できる：
（１）組合せるとＬ１およびＬ２帯域の受信周波数をカバーする２つの受信アンテナ、および両帯域の内の１つか、または２つの帯域間に共振周波数を有するパッシブアンテナ素子；
（２）両帯域の内の１つか、または２つの帯域間に動作周波数を有する１つの受信アンテナ、および両帯域付近、または２つの帯域間に共振周波数をもつ２つのパッシブアンテナ；
（３）組合せるとＬ１およびＬ２帯域の受信周波数をカバーする２つの受信アンテナ、および両帯域付近、または２つの帯域間に共振周波数をもつ２つのパッシブアンテナ。
【００４６】
第３の構造の例を説明する。この説明と本明細書で提供される他の情報から、当該技術に普通に精通する者なら、第１および第２の構造の実施の形態を構成できる。
【００４７】
図９〜図１１を参照して、次に、２個の受信アンテナ１１０と１３０、２つのパッシブアンテナ１２０と１４０、および接地筐体１１８を備える本発明のアンテナシステム１５０を説明する。図９は、アンテナシステム１５０の断面図を示し、図１０は、受信アンテナ１１０と１３０のアセンブリ分解斜視図を示し、図１１は、パッシブアンテナ１２０と１４０のアセンブリ分解斜視図を示す。受信アンテナ１１０は、Ｌ１帯域（ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、またはその両方）の信号を受信するよう構成され、受信アンテナ１３０は、Ｌ２帯域（ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、またはその両方）の信号を受信するよう構成される。パッシブアンテナ１２０は、アンテナ１１０のＬ１帯域か、それに近い共振周波数を有するよう構成され、パッシブアンテナ１３０は、アンテナ１２０のＬ２帯域か、それに近い共振周波数を有するよう構成される。接地筐体１１８は、上記の接地筐体１８と同じ方法で構成してもよい。
【００４８】
受信アンテナ１１０は、受信アンテナ１０（図１〜図２に示す）のものと類似の構造を有する。図９と図１０を参照して、受信アンテナ１１０は、第１面および第２面を有する誘電体基板１１２、基板１１２の第１面の少なくとも一部に配設されるアンテナ素子１１１、および基板１１２の第２面に配設される導電性接地面１１３を備えている。アンテナ素子１１１および接地面１１３は、両方で従来型のパッチアンテナ構成を備えている。一般的に、接地面１１３は、アンテナ素子１１１と同じかそれ以上の面積に広がり、誘電体基板１１２の第２面の一部または全てを覆う。しかし、接地面１１３がアンテナ素子１１１より狭い面積を覆うことも可能である。受信アンテナ１１０は更に、アンテナ素子１１１から誘電体基板１１２を通って形成され、基板１１２の少なくとも第２面にまで伸びる導電性供給リード線１１５を備える。供給線１１５は、基板１１２の第２面を超えて伸びてもよい。開口部１１４を接地面１１３に形成して、供給リード線１１５と接地面１１３とを電気絶縁する（すなわち、リード線１１５と面１１３との間の直流路を妨げる）。開口部１１４は、リード線１１５の周囲に同心円状に配置して、同軸インターフェースおよび信号ポート１０６を形成するのが好ましい。
【００４９】
供給線１１５をオフセットして、ＲＨＣＰ信号の受信を強める。２点または４点の供給配列を用いることもできる。
【００５０】
受信アンテナ１３０は、第１面と第２面を有する誘電体基板１３２、基板１３２の第１面の少なくとも一部に配設されるアンテナ素子１３１、および基板１３２の第２面に配設される導電性接地面１３３を備える。アンテナ素子１３１と接地面１３３とは、両方で従来型パッチアンテナ構成を備える。一般的に、接地面１３３は、アンテナ素子１３１と同じかそれ以上の面積に広がり、誘電体基板１３２の第２面の一部または全てを覆う。しかし、接地面１３３がアンテナ素子１３１より狭い面積を覆うことも可能である。受信アンテナ１３０は更に、２本の導電性供給リード線１３６を備え、それぞれアンテナ素子１３１から誘電体基板１３２を通って、基板１３２の少なくとも第２面にまで伸びる。各供給線１３６は、基板１３２の第２面を超えて伸びてもよい。開口部１３４を各供給リード線１３６を中心として接地面１３３に形成して、リード線を接地面１３３から電気絶縁する（すなわち、リード線１３６と面１３３との間の直流路を妨げる）。開口部１３４は、リード線１３６の周囲に同心円状に配置して、同軸インターフェースおよび信号ポートを形成するのが好ましい。
【００５１】
リード線１３６の内の一本を図９に示し、両方を図１０に示す。アンテナ素子１３１は、本体円形形状を備える。供給リード線１３６はアンテナ素子１３１の中心からオフセットし、かつ素子１３１の本体円形形状の９０°の扇形により分離される。供給リード線１３６は、接地筐体１１８の内側のＬＮＡ内に収納される従来型３ｄＢハイブリッドカプラにより結合してもよい。この構成は、円偏波信号の受信を強める。当該技術で周知のごとく、ハイブリッドカプラの２つの入力は、位相が９０°ずれていて、２本の供給リード線１３６をハイブリッドカプラの２つの入力に結合する方法は、右側円偏波または左側円偏波信号のいずれを優先してアンテナで受信するかを決定する。この場合は、結合は、優先受信として右側円偏波信号を選択するようなされている。
【００５２】
受信アンテナ１３０は更に、接地面１３３を受信アンテナ１３１と結合する第１の複数の接地リード線１３７を備える。接地リード線１３７は、アンテナ素子１３１の中心に対して同心円状である円の廻りに、かつ供給リード線１３６の内側に（言いかえると、アンテナ素子１３１の中心から短い半径距離で）分散される。その円を破線で示す。８本の接地リード線１３７を用いる。それらアンテナ素子１１０および１３０の別々の機能の可能性をもたらす。それらがない場合、接地リード線１３８および供給リード線１３５を備える素子１１０の供給ユニットは、アンテナ素子１３０の動作に影響を与えることになる。受信アンテナ１３０は更に、アンテナ１１０の供給リード線１１５を接地筐体１１８内のＬＮＡ（または同軸ライン）に結合するための供給リード線１３５を備える。代替の方法として、スルーホール開口でリード線１３５を置き換えてもよく、リード線１１５は、この開口を貫通してＬＮＡと接続する長いピンまたはワイヤを備えていてもよい。受信アンテナ１３０は更に、接地面１３３と受信アンテナ１３１との間を結合する第２の複数の接地リード線１３８を備える。接地リード線１３８は、接地リード線１３７により提供される遮蔽された空間内に配置され、供給リード線１３５に対して同心円状となる円の廻りに分散される。その円を破線で示す。５本の接地リード線１３８が用いられる。これらは、供給リード線１３５とともに適切な波動インピーダンスをもつ同軸ケーブルの短片を形成することにより、アンテナ素子１１０に整合するインピーダンスを提供する。すなわち、接地リード線１３８は、前記同軸ケーブルの外側導電体を形成し、供給リード線１３５は、内側の同軸導電体となる。接地リード線を配置する円の半径、それ自体の半径、および供給リード線１３５の半径は、同軸の波動インピーダンスを定義する。
【００５３】
受信アンテナ１１０の接地面１１３は、受信アンテナ１３０の受信素子１３１とハンダ付けされるか、そうでなければ導電接着される。接着は、接地面１１３の表面全体を覆うようにしても、接地面１１３の縁に沿わせても、または接地面１１３上に配置されるスポットパターンとしてもよい。受信アンテナ１３０の接地面１３１は、接地面１３を接地筐体１８に結合する上記説明のいずれかの方法により、導電性の筐体１１８に結合してもよい。
【００５４】
パッシブアンテナ１２０は、パッシブアンテナ２０（図１〜図２に示す）と同様な構造を有する。図９および図１１を参照すると、パッシブアンテナ１２０は、第１面と第２面を有する誘電体基板１２２、基板１２２の第１面の少なくとも一部に配設されるアンテナ素子１２１、および基板１２２の第２面に配設される導電性接地面１２３を備える。アンテナ素子１２１と接地面１２３とは、両方で従来型パッチアンテナ構成を備える。一般的に、接地面１２３は、アンテナ素子１２１と同じかそれ以上の面積に広がり、誘電体基板１２２の第２面の一部または全てを覆う。しかし、接地面１２３がアンテナ素子１２１より狭い面積を覆うことも可能である。パッシブアンテナ１２０は更に、アンテナ素子１２１から接地面１２３まで、誘電体基板１２２を通って形成されるスルーホール１２５を備える。前期の実施の形態のスルーホールと同様に、スルーホール１２５は、接地筐体１１８から外部環境までのケーブルの取り回しを可能にするよう提供される。一般的に、スルーホール１２５は、導電性材料でメッキを施され、アンテナ素子１２１の中心と接地面１２３との間の導電路を形成する。メッキされた導電性材料により、パッシブアンテナ１２０の動作に対してケーブルが有する影響が最小化される。しかし、スルーホール１２５の断面積がアンテナ素子１２１の面積の１５ないし２０分の１しかなければ、このような小さな断面積はパッシブアンテナの動作にほとんど影響を与えないので、スルーホール１２５の内面は、メッキを施さなくてもよい。別の実施として、スルーホール２５は、アンテナ素子１２１の中心と同心円上である円の中に配設される複数の小さなメッキしたスルーホールを備えていてもよい。別のスルーホールをアンテナ素子１２１の中心に提供して、同軸ケーブルおよび／または他のケーブルが接地筐体１１８から出るようにしてもよい。
【００５５】
パッシブアンテナ１４０は、第１面と第２面を有する誘電体基板１４２、基板１４２の第１面の少なくとも一部に配設されるアンテナ素子１４１、および基板１４２の第２面に配設される導電性接地面１４３を備える。アンテナ素子１４１と接地面１４３とは、両方で従来型パッチアンテナ構成を備える。一般的に、接地面１４３は、アンテナ素子１４１と同じかそれ以上の面積に広がり、誘電体基板１４２の第２面の一部または全てを覆う。しかし、接地面１４３がアンテナ素子１４１より狭い面積を覆うことも可能である。パッシブアンテナ１４０は更に、誘電体基板１４２を通って形成されるとともに、パッシブアンテナ１２０のスルーホール１２５と位置を合わせたスルーホール１４４を備える。スルーホール１４４と１２５は、接地筐体１１８から外部環境までのケーブルの取り回しを可能にするよう提供される。スルーホール１４４に導電性材料でメッキを施す必要はないが、メッキしてもよい。受信アンテナ１３０と同様に、パッシブアンテナ１４０は、接地面１４３を受信アンテナ１４１に結合する複数の接地リード線１４７を備える。接地リード線１４７は、アンテナ素子１４１の中心に対して同心円となる円の廻りに分散している。その円を破線で示す。８本の接地リード線１４７を用いる。それらは、実質的に受信アンテナ１３０の接地リード線１３７とほぼ同一のパターンに従う。このことは必要ではないが、パッシブアンテナ１４０の構造を受信アンテナ１３０のものと同様にすることによって、製造が簡略化される。
【００５６】
パッシブアンテナ１２０の接地面１２３は、パッシブアンテナ１４０の受信素子１４１とハンダ付けされるか、そうでなければ導電接着される。接着は、接地面１２３の表面全体を覆うようにしても、接地面１２３の縁に沿わせても、または接地面１２３上に配置されるスポットパターンとしてもよい。受信アンテナ１４０の接地面１４１は、接地面２３を接地筐体１８に結合する上記説明のいずれかの方法により、導電性の筐体１１８に結合してもよい。
【００５７】
高周波数アンテナ１１０および１２０の形状とパラメータは、単一周波数の実施の形態の場合と同様に選択する。３ｍｍ×３ｍｍのサイズが普通である同調素子を、素子１１１および１２１に追加して、動作周波数および共振周波数の同調を可能にする。低周波数アンテナ１３０および１４０では、高周波数アンテナ１１０および１２０の基板１１２および１２２が、低周波数アンテナ素子１３１および１４１が見込む実効誘電率に対し影響する。一般的に、素子１３１および１４１は、それらを単一周波数（Ｌ２帯域）のアンテナシステムで単独に用いる場合と比べて、サイズが小さくなる。低周波数アンテナ１３０および１４０の形状とパラメータを選択する良好なアプローチは、完全な三次元電磁波解析を実行するコンピュータシミュレーションプログラムにより幾つかの異なる設計（高周波数アンテナを含む）をシミュレーションし、次いで、低周波数アンテナについて所望の動作周波数と共振周波数とをもたらす設計を選択する。一般に、単一周波数アンテナシステムに適切な設計から開始し、次いで、幾つかのステップで寸法を縮小し、縮小版毎の性能をシミュレーションする。これを達成するシミュレーションプログラムが幾つか市販されている（例えば、ＷＩＰＬ−Ｄソフトウエア社のＷＩＰＬ−Ｄシミュレーションプログラム）。ソフトウエアシミュレーションの代わりに、幾つかの縮小版を作成して、その結果の周波数を測定してもよい。高周波数アンテナ１１０および１２０と同様に、同調素子を素子１３１および１４１に含め、素子の一部をトリミングすることにより周波数を所望の値に同調することができる。
【００５８】
筐体１１８内でＬＮＡを用いることが好ましいが、実施の形態によっては省略してもよい。この場合、筐体１１８は、同軸線および／または信号接続器用に、供給リード線１３５および１３６に取り回すための空間を提供する。また、ＬＮＡ１６を用いない場合、筐体１１８は、経路を提供するとともに、アンテナ接地面１３３および１４３を互いに電気結合する多層回路基板と置き換えられてもよい。供給リード線１３６用の３ｄＢハイブリッドカプラは、このような多層回路基板内に形成されてもよい。
【００５９】
ここで本発明者は、本発明の実施の形態の例示的な、ＧＰＳおよびＧＬＯＮＡＳＳ衛星の両方を受信するＬ１帯域およびＬ２帯域アンテナシステムのための双周波数用の寸法を提供する。
受信アンテナ１１０（ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳのＬ１帯域）の寸法：
基板１１２の厚さ．．６．３５ｍｍ（０．２５０”）
基板１１２の誘電率．．９．２
基板１１２の形状．．矩形（方形）
基板１１２のサイズ．．４５．２ｍｍ×４５．２ｍｍ（１．７８０”）
接地面１１３の形状．．円形
接地面１１３の直径．．４０．６ｍｍ（１．６００”）
アンテナ素子１１１の形状．．同調素子をもつ円形
アンテナ素子１１１の中央部分の直径．．３０．５ｍｍ（１．２００”）
供給リード線１１５の位置
中心からのＸオフセット．．１．９ｍｍ（０．０７５”）
中心からのＹオフセット．．２．２ｍｍ（０．０８５”）
供給線１１５用のメッキ孔直径．．２．１ｍｍ（０．０８４”）
受信アンテナ１３０（ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳのＬ２帯域）の寸法：
基板１３２の厚さ．．５．０８ｍｍ（０．２００”）
基板１３２の誘電率．．６．０
基板１３２の形状．．円形
基板１３２の直径．．７３ｍｍ（２．８７０”）
接地面１３３の直径．．７３ｍｍ（２．８７０”）
アンテナ素子１３１の形状．．同調素子をもつ円形
アンテナ素子１３１の円形部分の直径．．４５．２ｍｍ（１．７８０”）
供給リード線１３６の中心から素子１３１の中心までの距離．．１０．９ｍｍ（０．４３０”）
供給リード線１３６の直径．．１．５２ｍｍ（０．０６０”）
接地リード線１３７の中心を配置する円の直径．．１１．２ｍｍ（０．４４０”）
接地リード線１３７の直径．．１．５２ｍｍ（０．０６０”）
接地リード線１３８の中心を配置する円の直径．．５．０８ｍｍ（０．２００”）
接地リード線１３８の直径．．１．２７ｍｍ（０．０５０”）
パッシブアンテナ１２０（ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳのＬ１帯域）の寸法：
基板１２２の厚さ．．６．３５ｍｍ（０．２５０”）
基板１２２の誘電率．．９．２
基板１２２の形状．．矩形（方形）
基板１２２のサイズ．．４５．２×４５．２ｍｍ（１．７８０”）
接地面１２３の形状．．円形
接地面１２３の直径．．４０．６ｍｍ（１．６００”）
アンテナ素子１２１の形状．．同調素子をもつ円形
アンテナ素子１２１の直径．．３２．８ｍｍ（１．２９０”）
スルーホール１２５の位置．．素子１２１の中心
スルーホール１２５は、直径１０ｍｍ（０．４００”）の円に配設される８個のメッキ孔を備える。これらのメッキ孔は、実質的に均等に離間されていて、それぞれ１．５２ｍｍ（０．０６０”）の直径を有する。
パッシブアンテナ１４０（ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳのＬ２帯域）の寸法：
基板１４２の厚さ．．５．０８ｍｍ（０．２００”）
基板１４２の誘電率．．６．０
基板１４２の形状．．円形
基板１４２の直径．．７０．６ｍｍ（２．７８０”）
接地面１４３の直径．．７０．６ｍｍ（２．７８０”）
アンテナ素子１４１の形状．．同調素子をもつ円形
アンテナ素子１４１の円形部分の直径．．４５．２ｍｍ（１．７８０”）
接地リード線１４７の中心を配置する円の直径．．１１．２ｍｍ（０．４４０”）
接地リード線１４７の直径．．１．５２ｍｍ（０．０６０”）
【００６０】
接地面１３３と１４３との間の距離、すなわち、筐体１１８の厚さは、約１７ｍｍ（０．６７０”）である。Ｌ２帯域アンテナ１３０の供給リード線１３６の端は接地され、アンテナ信号のＬＮＡへの経路となる供給リード線１３６上には引出し点がある。各引出し点と接地点との間の距離は、ほぼ５ｍｍである（周波数１２３０ＭＨｚの波長のほぼ０．０５倍の電気的長さをもつ）。これはＬＮＡ（または同軸ケーブル）の入力にＤＣ電流路を提供する一方で、アンテナの受信周波数ではＬＮＡ（または同軸ケーブル）に対する電気接地を提供しない。この形式の構造には、引出点から供給リード線１３６の接地端までの距離を選択することにより、引出し点で見られる入力インピーダンスのレベルを調整できるという利点がある。また、供給リード線１３６の接地は、受信アンテナ素子１３１と、パッシブアンテナ素子１２１および１４１との間のＤＣ電流路を生成するが、アンテナ素子１３１は引出し点の配置により、パッシブアンテナ素子よりも高いＬＮＡ（または同軸ケーブル）の入力への信号供給量（電気結合度）を有する。
【００６１】
受信アンテナ１１０およびパッシブアンテナ１２０に対して上記パラメータを選択して、Ｌ１帯域の所望の上下性能にするとともに、受信アンテナ１３０およびパッシブアンテナ１４０に対して上記パラメータを選択して、Ｌ２帯域の所望の上下性能にする。Ｌ１およびＬ２帯域両方のＧＰＳおよびＧＬＯＮＡＳＳ信号を受信するために、同調素子をトリミングして、１５６３ＭＨｚ〜１６１６ＭＨｚの周波数範囲において受信アンテナ１１０でＬ１帯域を受信（ＶＳＷＲ≦２．０）し、１２１６ＭＨｚ〜１２６０ＭＨｚの周波数範囲において受信アンテナ１３０でＬ２帯域を受信（ＶＳＷＲ≦２．０）する。このために、Ｌ１のパッシブアンテナ１２０の共振周波数を、Ｌ１帯域（〜１５９０ＭＨｚ）の中心周波数近傍（ー６０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ）に同調させ、Ｌ２のパッシブアンテナ１４０の共振周波数を、上記Ｌ２帯域（〜１２４０ＭＨｚ）の中心周波数近傍（ー５０ＭＨｚ〜＋２０ＭＨｚ）に同調させるのが好ましい。一例として、同調処理を以下によって反復してもよい：
１．受信アンテナ１１０を同調して、動作周波数をＬ１帯域の所望の値の２％以内となるようにし、パッシブアンテナ１２０を同調して、天頂上下比（Ｌ１帯域）の最小値が所望の周波数値（典型的には、アンテナ１１０の所望の動作周波数か、またはその近傍）の２％以内となる周波数にし；
２．次いで、受信アンテナ１３０を同調して、動作周波数をＬ２帯域の所望の値の２％以内となるようにし、パッシブアンテナ１４０を同調して、天頂上下比（Ｌ２帯域）の最小値が所望の周波数値（典型的には、アンテナ１３０の所望の動作周波数か、またはその近傍）の２％以内となる周波数にし；
３．上記ステップ（１）を再度実行して、周波数値を、その目標値により近く、例えば、１％以内にして；
４．上記ステップ（２）を再度実行して、周波数値を、その目標値により近く、例えば、１％以内にして；
５．上記ステップ（１）を再度実行して、周波数値を、目標値の所望の公差内に、例えば、０．５％以内にして；そして、
６．上記ステップ（２）を再度実行して、周波数値を、目標値の所望の公差内に、例えば、０．５％以内にする。
同調素子を上記方法によりトリミングして、各帯域毎の所望の性能を得てもよい。
【００６２】
本発明の別の応用分野は、Ｏｍｎｉｓｔａｒ、Ｒａｓｃａｌ、およびＳａｔｌｏｃ等の広域補強システム（ＷＡＡＳ）にある。これらのシステムでは、ＩＮＭＡＲＳＡＴ衛星を用いて、差分補正をＧＰＳ信号のユーザー（例えば、ＧＰＳ受信機のユーザー）に送信する。これら差分補正は、ＧＰＳ Ｌ１帯域（１５７５．４±１０．２ＭＨｚ）に近い１５３０ＭＨｚ付近の周波数で送信される。本発明が提供する拡張帯域幅により、単一アンテナ素子で、ＧＰＳ Ｌ１帯域信号および差分補正信号の両方が受信可能となる。
【００６３】
ＩＮＭＡＲＳＡＴ衛星は、静止しているので、ユーザーが赤道から遠い場所にいる場合、ユーザーは低い仰角でこれらの衛星からの信号を見ることになる。例えば、緯度５５°、高度１５０ｍのユーザーには、静止衛星は仰角２０°で見える。この場合、差分補正信号の高品位受信を達成するためには、アンテナシステムは、低い仰角での十分に高い利得を提供しなければならない。低い仰角でのアンテナ利得を増大するためには、マイクロストリップアンテナの接地面を、より小さく作成しなければならない。しかし、このような小型化はマルチパス信号受信を増加させる。本発明は、小さな接地面を用いつつ、ＧＰＳ Ｌ１帯域のマルチパス除去を良好にすることにより、このジレンマを解決する。更に、図８に示すように、パッシブアンテナがＩＮＭＡＲＳＡＴ衛星信号の受信を著しく低下させることがないように、本発明のマルチパス打ち消し効果を狭帯域化することができる。特に、パッシブアンテナはＬ１帯域の外側で十分共振せず、受信パターンのアンテナ利得パターンは、小さな接地面をもつマイクロストリップアンテナに対するものとほぼ同一である。このようなアンテナは低い仰角で比較的高利得を有する。これにより、本発明によるアンテナシステムをＷＡＡＳ用途に対するＧＰＳ／ＩＮＭＡＲＳＡＴ組合せアンテナとして用いることができる。
【００６４】
図１２は、１５３０ＭＨｚ、１５４５ＭＨｚ、１５６０ＭＨｚ、１５７５ＭＨｚ、および１５９０ＭＨｚの５つの周波数に対応する本発明による例示のＬ１帯域アンテナシステムの５つのアンテナ利得パターンを示す。各パターンは、アンテナ利得を仰角の関数としてプロットする。１５７５ＭＨｚのＬ１帯域の中心周波数では、天頂仰角（θ＝９０°）と、水平仰角（θ＝０°）との間の利得の差は約１０ｄＢである。１５３０ＭＨｚのＩＮＭＡＲＳＡＴ周波数では、これらの利得間の差は約７．５ｄＢであり、概ね２．５ｄＢ良好である。利得差は、パッシブアンテナが最高のマルチパス除去性能を発揮するＧＰＳ周波数帯域で最大となる。ＩＮＭＡＲＳＡＴ帯域では、低い仰角の信号に対する感度は良好である。
【００６５】
ＩＮＭＡＲＳＡＴ衛星信号を受信するのにＧＰＳアンテナを用いる別の難しさは、従来のマイクロストリップアンテナの狭い帯域幅にある。しかし、図４で指摘したように、パッシブアンテナにより、本発明のシステムで用いるパッチアンテナが帯域幅を拡大できる。
【００６６】
ここで、ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳのＬ１帯域信号、およびＯＭＮＩＳＴＡＲ信号を受信するための、本発明による例示のアンテナシステムの形状とパラメータを提供する：
Ｌ１受信アンテナ：
基板の厚さ．．６．３５ｍｍ（０．２５０”）
誘電率．．４．５
パッチ形状．．同調素子をもつ円形
パッチの円形部分の直径．．４５．２ｍｍ（１．７８０”）
３ｄＢハイブリッドカプラに結合した２本の供給リード線により提供されるＲＨＣＰの選択的受信。
各供給点の中心からパッチアンテナ素子の中心までの距離．．８．１ｍｍ（０．３２０”）
基板の形状．．円形
基板の直径．．７２．８ｍｍ（２．８６６”）
接地面の直径．．７２．８ｍｍ（２．８６６”）
Ｌ１パッシブアンテナ：
基板の厚さ．．１２．７ｍｍ（０．５００”）
誘電率．．４．５
基板の形状．．円形
基板の直径．．７０．６ｍｍ（２．７８０”）
パッチの円形部分の直径．．４１．４ｍｍ（１．６３０”）
直径０．０６０”（１．５ｍｍ）の８個のメッキ孔（接地供給）が、直径０．４４０”（１１．２ｍｍ）でＬ１パッシブアンテナの中心に円を形成する。
Ｌ２アンテナの接地面と、Ｌ２パッシブアンテナの接地面との距離は約１７ｍｍ（０．６７０”）である。
【００６７】
本発明の例示の実施の形態の特徴
上記の例示の実施の形態は、λをアンテナの動作周波数ｆの自由空間波長とすると、λ2／４以下、より典型的には、λ2／８以下、およびλ2／１２以下の面積をもつ接地面を用いながら、動作周波数ｆで、一般に−２０ｄＢ以下、より典型的には、−２５ｄＢ以下の非常に低い天頂上下比を提供する。更に、接地面の面積とアンテナ素子の面積との比は、一般に３．５未満、より典型的には３．０、２．５、および２．０未満である。場合によっては、それら面積の比は１．５未満でもよい。接地面の最も広い寸法（例えば、円形の接地面の直径、および矩形の接地面の対角線）は、８０ｍｍ以下であり、ＧＰＳ及びＧＬＯＮＡＳＳ用途では一般に６５ｍｍ以下、とすることができる。更に、パッチ受信素子で３％以上、および４％以上のアンテナ帯域幅を本発明により達成できる（帯域幅は２以下のＶＳＷＲとして定義する）。
【００６８】
本発明の好適な実施の形態では、パッシブアンテナの共振周波数は、対応する受信アンテナの受信周波数の−６０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ以内である。また、好適な実施の形態では、天頂上下比が最小（最大の負の値）となる周波数は、アンテナ素子の動作周波数の−４０ＭＨｚ〜＋２５ＭＨｚ（−３．５％〜＋２％）以内である。典型的には、この周波数は、ＯＭＮＩＳＴＡＲ補正信号の受信を強めるために構成する実施の形態では、ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ信号を受信するだけの実施の形態における場合よりも低い。
【００６９】
本発明の一般化した実施の形態
パッチアンテナ素子を用いて、アクティブおよびパッシブアンテナの実施の形態を説明したが、言うまでもなく、他のマイクロストリップアンテナ素子を用いてもよい（例えば、クロスダイポール）。同じく言うまでもないが、マイクロストリップベースのアンテナに加えて、他の形式のアンテナを受信アンテナおよびパッシブアンテナに対して用いてもよい。本発明は、マイクロストリップパッシブアンテナを、へリックスアンテナ等の非マイクロストリップ受信アンテナとともに用いる実施の形態をも含む。これらの実施の形態、および先に説明した実施の形態は、受信アンテナを単独で用いる場合よりも良好な上下比を達成し、一般に−１０ｄＢより良好（低い）であり、−２０ｄＢより良好（低い）であることも多い。
【００７０】
本発明を図示の実施の形態に関して特に説明したが、言うまでもなく、様々な代替、改変および適合が本開示に基づいて成されてもよく、本発明の適用範囲内にあるべく意図している。本発明を最も実用的で好適な実施の形態であると現時点で考えられるものと関連させて説明したが、言うまでもなく、本発明は開示した実施の形態に制限されず、逆に、添付の請求の範囲内に含まれる様々な改変および均等な組合せを含むよう意図している。
【００７１】
付属書Ａ：矩形パッチアンテナの近似寸法
矩形パッチアンテナの共振周波数ｆresは、アンテナ素子の最長側面の実効長Ｌeffを選択することにより選択できる。実効長Ｌeffは、最長側面の実際の側面長さＬよりも僅かに長く、Ｌeffの増加量は、アンテナ素子の遠い端部（すなわち、遠位端）でのフリンジ電界の原因となる。当該技術で周知のように、共振周波数ｆresは、対応する自由空間波長λresを有し、ｃを光速とすると、λres＝ｃ／ｆresである。ｆresの所与の値に対して、実効長Ｌeffは通常、次の量と等しくなるよう選定する：
【数１】
2006500821.tif 000003
ここで、εr,effは、アンテナ素子から見た支持基板の実効相対誘電率である。アンテナ素子の実効相対誘電率は、一般に当該技術で周知の次の公式により近似できる：
【数２】
2006500821.tif 000004
ここで、εrは、基板を形成する材料の実効相対誘電率、Ｗは、アンテナ素子の狭い方の側面の幅、ｄsは、基板の厚さであり、この公式はＷ＞ｄsの場合について適用できる。本発明者が考えている実施の形態では、幅Ｗは、厚さｄsより遙かに大きい。
εr,effおよびλresから、パッチアンテナの実効長Ｌeffは、上記の式［Ａ１］および［Ａ２］により推定できる。
【００７２】
ここで、Ｌeffからパッチアンテナの実際の長さＬを推定するために、フリンジ電界の範囲を推定する。フリンジ電界を求めるための当該技術での通常の手法では、フリンジ電界は、基板の厚さの半分の距離だけ大きくなるものとしており、すなわち、アンテナの長さの各遠位端（すなわち、遠い端部）で０．５・ｄsであるから：Ｌeff≒Ｌ＋ｄsとなり、これは、Ｌ≒Ｌeff−ｄsと等しい。フリンジ電界の真の実効範囲、および効果は、３Ｄ電磁シミュレータによるシミュレーションにより、さらに良く推定できる。
【００７３】
Ｌの増加は共振周波数ｆresを低下させ、Ｌの減少はｆresを上昇させる。上記に加えて、当該技術に普通に精通する者は、市販されている幾つかの三次元電磁ソフトウエアシミュレーションプログラムのいずれかを用いて、パッチアンテナの別の寸法をシミュレーションし、所望の動作周波数を提供する寸法を見出すことができる。このようなソフトウエアは直ちに利用可能であり、幾つかの企業により生産されていて、そのタスクは、当該技術に普通に精通する者が比較的容易に過度の実験をせずに実行できる。
【００７４】
方形のアンテナ素子の場合には、Ｗ＝Ｌ≒Ｌeff−ｄsとなる。これは、公式［Ａ１］および［Ａ２］を用いる際に、εr,effがこの場合のＬeffに依存するようになるので、ある程度複雑になる。式［Ａ１］と［Ａ２］との間を数回反復して適用し、所望の共振周波数に対するＬeffの値を生成することができる。一例として、最初にεr,effを、εr,eff＝１＋０．７５・（εr−１）と推定し、次いで、この推定値を式［Ａ１］に用いてＬeffの初期推定値を求める。次に、このＬeffの推定値からｄsを減じ、式［Ａ２］に用いるＷの値を得て、εr,effのより良い推定値を求める。次いで、より良いこのεr,effの推定値を式［Ａ１］で再度用いる。さらに繰り返して実行してもよい。
【００７５】
アンテナ素子への供給点の配置は、共振周波数にあまり影響しないが、共振周波数での入力インピーダンスのレベルには、実質的に影響する。エッジに配置すると、インピーダンスは最大になり、中心に配置するとインピーダンスはゼロになる。入力インピーダンスの所望のレベルに対する供給点配置の最初の近似を選択するには、単純な送信ラインモデルを用いることができる（例えば、Ｒａｍｅｓｈ Ｇａｒｇ、Ｐｒａｋａｓｈ Ｂｈａｒｔｉａ、Ｉｎｄｅｒ Ｂａｈｌ、Ａｐｉｓａｋ Ｉｔｔｉｐｉｂｏｏｎ共著による「マイクロストリップアンテナ設計ハンドブック」Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ社  ２００１年、８０〜８２頁；１１５頁を参照のこと）。このモデルにより、マイクロストリップラジエータの共振周波数における入力インピーダンスの実部は：
【数３】
2006500821.tif 000005
【００７６】
３Ｄシミュレーションソフトウエアを用いても、共振周波数での入力インピーダンスの所望レベルに対する供給点の位置を選択できる。
円形アンテナ素子の寸法は、円形アンテナ素子のパッチ面積と等しいパッチ面積を有する方形アンテナ素子から推定してもよい。
【００７７】
付属書Ｂ：上下比の説明
図７は、本発明および従来技術による幾つかの装置の上下比の図を、仰角θの関数として示し、仰角は、アンテナから水平線への方向と、アンテナから衛星への方向との間の角度である。θ＝０°の値の意味は、衛星信号がアンテナの位置で地表と平行であり、θ＝＋９０°の値の意味は、衛星信号がアンテナの真上（天頂）にある。上下比測定では、衛星放送信号をエミュレーションする試験信号を信号源からアンテナに送信する。信号を送信しているときに、アンテナを中心とする大きな半円上で信号源を移動する。試験は、電波反射が最小になる特別な部屋、無響室、で行われる。半円の一端は、θ＝−９０°の値をもつアンテナの真下にあり、他端は、θ＝＋９０°の値をもつアンテナの真上にある。試験半円は、地表と垂直で、アンテナ中心点を通る面内にある。試験半円の半径は、アンテナの寸法よりずっと大きい。信号源が円内を移動している際に、アンテナが受信する信号電力を測定する。
【００７８】
接地面の水平レベル（水平線レベルともいう）の上の方向から送信される試験信号は、直接受信する信号をエミュレーションする。これらの試験信号は０°と＋９０°との間の範囲にある角度θを有する。接地面の水平レベルの下の方向から送信される試験信号は、マルチパス信号をエミュレーションする。これらの試験信号は０°と−９０°との間の範囲にある角度θを有する。角度値θに対する上下比は、信号源角度−θでアンテナが受信した信号電力を、信号源角度θでアンテナが受信した信号電力で除した比と等しい。従って、上下比は、マルチパス信号電力を、水平線からの等しい角度で、かつ等しい送信電力のレベルを用いて測定した直接受信信号の信号電力で除したものである。上下比が低いということは、マルチパス信号が少ないことを意味する。比は電力レベルで表すので、上下比はｄＢ（デシベル）単位で表されることが多い。
【００７９】
実際問題としては、上下比測定は、位置を固定した試験信号源で実施し、信号源を回転させるのではなく、アンテナを回転させるのが普通である。さらに実際問題として、試験信号源およびアンテナは、それらの間の軸が垂直ではなく水平になるように配設するのが普通である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、本発明によるアンテナシステムの第１の実施例の分解斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す本発明による第１の実施例の断面図である。
【図３】図３は、本発明によるアンテナシステムの第２の実施例の断面図である。
【図４】図４は、本発明による受信アンテナ単体および、受信アンテナおよびパッシブアンテナの組み合わせの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）のグラフである。
【図５】図５は、本発明によるパッシブアンテナの共振周波数を測定するための構成の断面図を示す。
【図６】図６は、本発明による同調素子をもつ円形アンテナ素子の平面図を示す。
【図７】図７は、本発明による実施例の上下比性能と、幾つかの従来型アンテナの性能を比較するグラフである。
【図８】図８は、本発明による例示アンテナシステムの、信号周波数の関数としての上下比のグラフである。
【図９】図９は、本発明によるデュアル周波数アンテナシステムの断面図である。
【図１０】図１０は、本発明による図９に示す例示システムの受信アンテナのアセンブリの拡大斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明による図９に示す例示システムのパッシブアンテナのアセンブリの拡大斜視図である。
【図１２】図１２は、本発明による例示のＬ１帯域アンテナシステムの５つのアンテナ利得パターンのセットを示す。
【符号の説明】
【００８１】
５  アンテナシステム
６  信号ポート
１０  信号受信アンテナ
１１  アンテナ素子
１２  誘電体基板
１３  導電性接地面
１４  開口部
１５  導電性供給リード線
１６  低雑音増幅器（ＬＮＡ）
１７  同軸線
１８  接地された筐体
１９  開口部
２０  パッシブアンテナ
２１  アンテナ素子
２２  誘電体基板
２３  導電性接地面
２５  スルーホール
１１０  受信アンテナ
１１１  アンテナ素子
１１２  誘電体基板
１１３  導電性設置面
１１４  開口部
１１５  導電性供給リード線
１１８  接地筐体
１２０  パッシブアンテナ
１２１  アンテナ素子
１２２  誘電体基板
１２３  導電性接地面
１２５  スルーホール
１３０  受信アンテナ
１３１  アンテナ素子
１３２  誘電体基板
１３３  導電性接地面
１３４  開口部
１３５  供給リード線
１３６  供給リード線
１３７  接地リード線
１３８  接地リード線
１４０  パッシブアンテナ
１４１  アンテナ素子
１４２  誘電体基板
１４３  導電性接地面
１４４  スルーホール
１４７  接地リード線
【図１】
2006500821.tif 000006
【図２】
2006500821.tif 000007
【図３】
2006500821.tif 000008
【図４】
2006500821.tif 000009
【図５】
2006500821.tif 000010
【図６】
2006500821.tif 000011
【図７】
2006500821.tif 000012
【図８】
2006500821.tif 000013
【図９】
2006500821.tif 000014
【図１０】
2006500821.tif 000015
【図１１】
2006500821.tif 000016
【図１２】
2006500821.tif 000017
【国際調査報告】
2006500821.tif 000018