(57)【要約】【課題】アンテナの厚さを必要とせず、小面積にて高いアンテナ性能を発揮することができる円偏波用アンテナ装置を提供すること。【解決手段】  円偏波用アンテナ装置１０は、導電性の材料からなり、素子長Ｌ１が動作周波数の略半波長である第１のアンテナ素子１１と、第１のアンテナ素子１１よりも短い第２のアンテナ素子１２と、所定の間隔を隔て、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２を囲むように配置されたループ形状の無給電素子１５と、第１のアンテナ素子１１・第２のアンテナ素子１２の端部に配置された第１の給電端子１３・第２の給電端子１４とを有し、両端子が近接するように、かつ、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とが直交するように配置され、周囲長が動作周波数の略２波長である無給電素子１５が、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２それぞれと平行するように配置される構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の材料からなる誘電体上の第１のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子と同一の誘電体上に形成され、前記第１のアンテナ素子に対し所定の長さだけ短い導電性の材料からなる第２のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子と同一の誘電体上に形成され、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子と所定の間隔を隔て、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子を囲むように配置された導電性の材料からなるループ形状の無給電素子と、
前記第１のアンテナ素子の端部に配置された第１の給電端子と、
前記第２のアンテナ素子の端部に配置された第２の給電端子とを備え、
前記第１のアンテナ素子の素子長は動作周波数の略半波長であり、
前記第１の給電端子と前記第２の給電端子が近接するように、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とが直交して配置され、
前記無給電素子は、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子それぞれと平行するように配置され、周囲長が動作周波数の略２波長としたことを特徴とする円偏波用アンテナ装置。
【請求項２】
前記ループ形状の無給電素子の一部に切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項１記載の円偏波用アンテナ装置。
【請求項３】
前記第１の導体素子および前記第２の導体素子を光透過率８０％以上の透明導電材を用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の円偏波用アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線通信システムに使用され、電波を送信、或いは受信する円偏波用アンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の円偏波用のアンテナ装置として、誘電体基板表面に第１の素子及び第２の素子を備え、第１の素子及び第２の素子は互いに直交するＶ字状に設けられたスロットであり、第１の素子及び第２の素子のうち一方の長さは、他方の長さよりも長いことを特徴とするものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の別の円偏波用のアンテナ装置として、誘電体基板の一主面状に形成された略正方形の放射素子であって、一方の対角方向において対向する２個のコーナー部が切り込まれた切込み部を有する放射素子と、中央部に正方形の開口部を有し、外形が正方形であるアース導体とを備え、放射素子は、アース導体の開口部内に、アース導体に対し所定幅のギャップを設けて配置されているものが知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６６３８号公報
【特許文献２】ＷＯ０３／１０５２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の円偏波用アンテナ装置においては、平面でアンテナを構成できる反面、アンテナ性能は低く、アンテナ性能を高めるためには、素子と所定の距離に反射素子を備える必要があり、アンテナ体積が増加する問題があった。また、アンテナ性能確保のためには放射素子及びアース導体の面積を必要とするため、アンテナ面積が増加する問題があった。
【０００６】
つまりは、上記従来例の円偏波用アンテナ装置は、アンテナ性能を確保するためには、アンテナ面積を大きくすることが必要であり、例えば自動車のナビゲーション装置用のＧＰＳアンテナとして使用する場合には、アンテナが目立ってしまうという問題があった。
本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、大きな厚さを必要とせず、さらにはアンテナ面積を小さくすることができ、高いアンテナ性能を確保することのできる円偏波用アンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明は、導電性の材料からなる誘電体上の第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子と同一の誘電体上に形成され、前記第１のアンテナ素子に対し所定の長さだけ短い導電性の材料からなる第２のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子と同一の誘電体上に形成され、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子と所定の間隔を隔て、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子を囲むように配置された導電性の材料からなるループ形状の無給電素子と、前記第１のアンテナ素子の端部に配置された第１の給電端子と、前記第２のアンテナ素子の端部に配置された第２の給電端子とを備え、前記第１のアンテナ素子の素子長は動作周波数の略半波長であり、前記第１の給電端子と前記第２の給電端子が近接するように、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とが直交して配置され、前記無給電素子は、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子それぞれと平行するように配置され、周囲長を動作周波数の略２波長としたことを特徴とする構成を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アンテナの厚さを必要とせず、小面積にて高いアンテナ性能を発揮することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１における円偏波用アンテナ装置の基本構成を示す正面図
【図２】本発明の実施の形態１における円偏波用アンテナ装置を自動車のフロントガラスに搭載した場合の構成図
【図３】本発明の実施の形態１における円偏波用アンテナ装置のアンテナ電流分布を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態１における円偏波用アンテナ装置の指向性利得の効果を示す特性図
【図５】本発明の実施の形態１における円偏波用アンテナ装置の指向性利得を示す特性図
【図６】本発明の実施の形態１における円偏波用アンテナ装置の軸比を示す特性図
【図７】本発明の実施の形態１における円偏波用アンテナ装置の無給電素子の別の形状を示す正面図
【図８】本発明の実施の形態１における円偏波用アンテナ装置のアンテナ素子の別の形状を示す正面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における円偏波用アンテナ装置について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における円偏波用アンテナ装置の基本構成図である。
なお、本実施の形態では、円偏波用アンテナ装置の一例である、周波数１．５７５ＧＨｚ帯のＧＰＳアンテナとして本発明を実施する場合について説明する。
【００１１】
図１における円偏波用アンテナ装置１０は、第１のアンテナ素子１１と、第２のアンテナ素子１２と、無給電素子１５とを有する。円偏波用アンテナ装置１０は、例えば、図２の車両２０のフロントガラス２１の上辺に搭載され、給電部２３と接続される。この給電部２３が、同軸ケーブル２４を介して、ナビゲーション装置２２と接続される。
【００１２】
第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２は、いずれも矩形状の導電性の材料で形成されている。第１のアンテナ素子１１は一端に給電端子１３を、第２のアンテナ素子１２は一端に給電端子１４を備えている。第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２は、給電端子１３と給電端子１４が近接するように、長手方向の辺同士が直交するようにＬ字形状に構成されている。第１のアンテナ素子１１は長手方向の辺がＹ軸と平行するように、第２のアンテナ素子１２は長手方向の辺がＸ軸と平行するように、構成されている。第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とでダイポールアンテナとして動作する。
【００１３】
無給電素子１５は、導電性の材料で形成され、矩形の開口部を備えるループ形状すなわち開口部の周りに等幅の縁（枠）が形成されてなる矩形の環である。開口部の中に位置する第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２それぞれと、無給電素子１５の開口部を構成する４つの辺のうちの１辺とが各平行になるように、かつ、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２と所定の間隔を隔てて、その周囲を囲むように無給電素子１５が配置される。つまりは、＋Ｚ軸方向（図１の紙面手前側）からみた場合、無給電素子１５と第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２は、重なりがなく、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２は、無給電素子１５の開口面の内部に配置され、かつ、これら円偏波用アンテナ装置１０の構成要素は、Ｚ軸に対して直交する同一面（図１ではｘｙ平面）に配置される。
なお、上述したＸＹＺ軸は、図１の左下に示した座標を構成する各軸のことをいう。
【００１４】
第１のアンテナ素子１１の素子長Ｌ１は、動作周波数の略半波長である。ここで、略半波長とは、動作周波数の波長の０．４波長〜０．６波長の範囲内のことをいう。本実施形態では、ＧＰＳ帯の動作周波数に対して上記範囲内となる素子長Ｌ１とする。第２のアンテナ素子１２の素子長Ｌ２は、第１のアンテナ素子１１の素子長Ｌ１に対して所定の長さだけ短く構成されている。図１に示した素子長Ｌ２は、素子長Ｌ１の略９０％である。つまり、第１のアンテナ素子１１の素子長Ｌ１は、第２のアンテナ素子１２の素子長Ｌ２よりも長い。また、第１のアンテナ素子１１および第２のアンテナ素子１２と無給電素子１５の距離Ｄ１は、近接して配置されている。距離Ｄ１は、例えば、ＧＰＳ帯の動作周波数の波長に対し、略１／２５とすればよい。
【００１５】
第１のアンテナ素子１１、第２のアンテナ素子１２および無給電素子１５は、例えば厚さが１０μｍの導電性の材料にて形成され、例えば厚さが１００μｍの透明フィルム基材上に構成される。
無給電素子１５の開口面の素子長Ｃ１は、ＧＰＳ帯の動作周波数の波長に対し、略２波長である。
円偏波用アンテナ装置１０は、例えば誘電率７のフロントガラス２１上に配置されているために波長短縮され、例えば、素子長Ｌ１の長さは５５ｍｍ、素子長Ｌ２の長さは５０ｍｍ、素子長Ｃ１の長さは２７０ｍｍ、距離Ｄ１の間隔は５ｍｍである。
ここで、素子長Ｌ１および素子長Ｌ２の長さとは、第１のアンテナ素子１１および第１のアンテナ素子１２の長手方向の辺の長さをいう。素子長Ｃ１とは、無給電素子１５の開口部を形成する内側の辺の長さの合計をいう。距離Ｄ１は、第１のアンテナ素子１１または第２のアンテナ素子１２の長手方向の２辺のうちの無給電素子１５側の辺と、当該辺に隣接する無給電素子１５の内側辺との距離をいう。
上記の長さで構成された円偏波用アンテナ装置１０の特性は図４〜図６に示した通りである。各特性については、各図を参酌しつつ後に説明する。
【００１６】
素子長Ｃ１を動作周波数の波長の略２波長とすることにより、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とで構成されるダイポールアンテナの利得を向上することができるという効果が得られる。ここで「略２波長」とは、上述した効果が得られる範囲をいうが、具体的には、１．８波長以上３．４波長以下の範囲とすることが好ましく、１．８波長以上２．６波長以下の範囲とすることがより好ましい。
【００１７】
以上のように構成された円偏波用アンテナ装置１０について、以下にその動作を説明する。
図１に示すように、第１のアンテナ素子１１素子長Ｌ１は、第２のアンテナ素子１２の素子長Ｌ２よりも長い。このため、円偏波用アンテナ装置１０において、第１のアンテナ素子１１の給電端子１３と第２のアンテナ素子１２の給電端子１４に給電された場合、ＧＰＳ帯の動作周波数に対する周期をＴとすると、Ｔ＝０におけるアンテナ電流は、第１のアンテナ素子１１上を−Ｙ軸方向に分布する。Ｔ＝１／４のとき、アンテナ電流は、第２のアンテナ素子１２上を＋Ｘ軸方向に分布する。Ｔ＝１／２のとき、アンテナ電流は、第１のアンテナ素子１１上を＋Ｙ軸方向に分布する。つまり、時間の経過と共に、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２上に分布するアンテナ電流は、＋Ｚ軸方向に向かって周期をＴとし、右回りに分布することになる。このとき、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とで構成されるＬ字形状のダイポールアンテナは、右旋円偏波の特性を有することとなる。ＧＰＳ衛星から放射される電波も右旋円偏波特性を有するため、結果、ＧＰＳ衛星からの電波を良好に受信できるようになる。
【００１８】
第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２に給電されたとき、近接して配置される無給電素子１５にもアンテナ電流が分布する。ある時間における円偏波用アンテナ装置１０に分布するアンテナ電流は図３のようになる。なお、図１と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
【００１９】
図３は本実施の形態における円偏波用アンテナ装置のアンテナ電流分布を示す模式図である。同図に示すように、第２のアンテナ素子１２においては、−Ｘ軸方向にアンテナ電流３０が分布する。無給電素子１５の開口面の素子長Ｃ１はＧＰＳ帯の動作周波数の波長に対し２波長の長さである。このため、無給電素子１５の各辺の長さは略１／２波長となり、無給電素子１５の各辺に流れるアンテナ電流が逆向きとなるように、アンテナ電流３１〜３４が矢印の方向に分布する。このとき、アンテナ電流３０とアンテナ電流３３は、同一方向に分布し、かつ、第２のアンテナ素子１２とアンテナ電流３３が流れる無給電素子１５の辺との距離Ｄ２は略１／２波長となる。このため、アレー効果によりＹ軸方向の放射を抑え、Ｚ軸方向の放射が強くなる。
【００２０】
図４（ａ）は、無給電素子１５の有無による円偏波用アンテナ装置１０の垂直面（ＸＺ面）の仰角θに対する右旋円偏波利得を示した図であり、図４（ｂ）は、座標系を示した図である。
図４（ａ）において、破線で示した指向性パターン４０は、無給電素子１５が無い場合、つまりは、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２で構成されるＬ字形状のダイポールアンテナの右旋円偏波利得を示す。実線で示した指向性パターン４１は、円偏波用アンテナ装置１０の右旋円偏波利得を示す。このとき、指向性パターン４１は、仰角θが−３０〜１１０度の範囲で指向性パターン４０に対し右旋円偏波利得が向上し、仰角０度（＋Ｚ軸方向、アンテナ正面方向）で＋２ｄＢ利得が向上し、＋４．０ｄＢｉを得ることができる。
【００２１】
図５（ａ）は、円偏波用アンテナ装置１０の垂直面（ＸＺ面）の仰角θに対する右旋円偏波利得および左旋円偏波利得を示した図であり、図５（ｂ）は、座標系を示した図である。なお、図４と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
破線で示した指向性パターン５１は、左旋円偏波利得を示している。図５（ｂ）に示したように、指向性パターン５１において最大の利得となる仰角θが、右旋円偏波利得を示す実線で示した指向性パターン４１と１８０度異なっている。このように、本実施形態の円偏波用アンテナ装置１０によって良好な円偏波特性が得られている。
【００２２】
図６（ａ）は、円偏波用アンテナ装置１０の垂直面（ＸＺ面）の仰角θに対する軸比を示した図であり、図６（ｂ）は、座標系を示した図である。図６（ａ）の軸比は、電界の最大と最小の比であり、この比が小さいほど円偏波に近くなり、大きいほど長軸と短軸との比が大きい楕円偏波となる。
図６（ａ）に示すように、軸比においても仰角θが０度において、１ｄＢ以下となり良好な円偏波特性が得られている。
【００２３】
よって、円偏波用アンテナ装置１０を図２に示すように、車両２０の内側からフロントガラス２１に貼付する場合は、フロントガラス２１に対して直交した方向に右旋円偏波が最大利得となるようにすることができる。このため、アンテナ指向性をＧＰＳ衛星の方向に向けることができる。また、フロントガラス２１に貼付可能な平面構成で、かつ、アンテナ面積を小さくすることができ、高い右旋円偏波利得を有するアンテナを実現することができる。
【００２４】
なお、本実施の形態では、円偏波用アンテナ装置１０をＧＰＳアンテナとして説明したが、円偏波特性が必要なＥＴＣ用、ＤＳＲＣ（Dedicated Short Range Communications）用であっても、同様な効果が得られる。
【００２５】
なお、本実施の形態では、円偏波用アンテナ装置１０の第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２と近接して配置される無給電素子１５をループ状として説明したが、図７に示すように一部に切り欠き部１６を設けた形状の無給電素子１５であっても良い。つまりは、無給電素子１５は、開口部を備える形状であり、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２それぞれと２辺が略平行になるように、かつ、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２と所定の間隔を隔てて、周囲に配置されるような形状であれば良い。この場合、図２に記載のアンテナ搭載を想定した場合に、給電部２３および同軸ケーブル２４装着による円偏波用アンテナ装置１０の性能への影響を低減することができる。
【００２６】
なお、本実施の形態では、第１のアンテナ素子１１を給電端子１３から−Ｙ軸方向に、第２のアンテナ素子１２を給電端子１４から＋Ｘ軸方向に配置し、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２の長さをＬ１＞Ｌ２とした例を示した。しかし、Ｌ１＞Ｌ２の関係を満足すれば、図８（ａ）〜（ｃ）にＬ字形状の変形例１〜３として示した配置でも＋Ｚ軸方向に右旋円偏波特性を有するため、同様な効果が得られる。
【００２７】
なお、本実施の形態では、第１のアンテナ素子１１、第２のアンテナ素子１２および無給電素子１５を導電性の材料として説明したが、例えば、線幅が細い導電材がメッシュ状、格子状に構成され、シート抵抗が１Ω／□以下で、光透過率が８０％以上である透明導電材で円偏波用アンテナ装置１０を構成しても同様な効果が得られる。この構成によれば、さらに、アンテナ線が目立たないという効果を得ることができる。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態の円偏波用アンテナ装置１０は、上述した構成を備えていることにより、大きな厚さを必要とせず、さらにはアンテナ面積を小さくすることができ、かつ、高いアンテナ性能を発揮することができる効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の円偏波用アンテナ装置は、大きな厚さを必要とせず、さらにはアンテナ面積を小さくすることができ、かつ、高いアンテナ性能を発揮することができる効果を有し、例えば車両用フロントガラスに搭載する円偏波用アンテナ装置などに有用である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  円偏波用アンテナ装置
１１  第１のアンテナ素子
１２  第２のアンテナ素子
１３  第１のアンテナ素子の給電端子
１４  第２のアンテナ素子の給電端子
１５  無給電素子
１６  切り欠き部
２０  車両
２１  フロントガラス
２２  ナビゲーション装置
２３  給電部
２４  同軸ケーブル
３０  第２のアンテナ素子上のアンテナ電流
３１、３２、３３、３４  無給電素子上のアンテナ電流
４０、４１、５１  指向性パターン
【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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