(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体と、前記誘電体に設けられたパッチ電極および回路基板と、を備え、
前記パッチ電極には、その中心点に対して点対称に４つの給電端子が形成され、
前記回路基板には、
前記４つの給電端子の各々と１対１に導通する４つの基板側給電端子と、
前記４つの基板側給電端子のうち直近の基板側給電端子から出力された信号をそれぞれ隣り合う信号とシフト方向を逆にして同じ量ずつ位相シフトする４つの第１位相回路と、
前記４つの第１位相回路のうち隣り合う２つの第１位相回路から出力される信号を混合する２つの第１混合回路と、
前記２つの第１混合回路から出力される信号をそれぞれ隣り合う信号とシフト方向を逆にして同じ量ずつ位相シフトする２つの第２位相回路と、
前記２つの第２位相回路の出力信号を混合する第２混合回路と、が設けられている、
アンテナ。
【請求項２】
前記回路基板は、前記誘電体のパッチ電極を設けた面側と反対の面側、に設けられ、
前記４つの給電端子の各々と前記４つの基板側給電端子における対応導通部位とが対向する、
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記パッチ電極に、４つのスロットが形成されている、
請求項１又は２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記４つの給電端子の給電位相が、それぞれ隣り合う他の給電端子の給電位相と９０度異なっている、請求項１から３に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記４つの第１位相回路は、それぞれ入力信号を４５度ずつ位相シフトする、
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記２つの第２位相回路は、それぞれ入力信号を９０度ずつ位相シフトする、
請求項１又は２に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記２つの第１混合回路および前記第２混合回路が、ウィルキンソンデバイダーである、
請求項１から６のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項８】
前記回路基板には、増幅回路がさらに設けられている、
請求項１から７のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項９】
前記増幅回路は、前記第２混合回路の後段に設けられている、
請求項８に記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記増幅回路は、前記第１混合回路又は前記第２混合回路の前段に設けられている、
請求項８に記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記回路基板は、さらに前記４つの基板側給電端子の各々と１対１に導通する４つのマッチング回路が、すべて同じ形状・面積で設けられている、
請求項１から１０のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項１２】
移動体に搭載される情報処理装置であって、
請求項１から１１のいずれか一項に記載のアンテナと、
前記アンテナから出力される信号に基づいて前記移動体の位置情報を算出する位置情報処理回路と、を備える、
情報処理装置。
【請求項１３】
衛星測位システムの第１アンテナと、
前記第１アンテナとは異なる周波数帯の信号を受信する第２アンテナと、
前記第１アンテナと前記第２アンテナとを載置するアンテナベースと、
前記アンテナベースを水密に封止するアンテナケースと、を備え、
前記第１アンテナが、請求項１から１１のいずれか一項に記載のアンテナである、
複合アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車輌、ロボット、ドローンのような移動体に搭載可能なアンテナ、情報処理装置及び複合アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＡＤＡＳ（Advanced Driver-Assistance Systems,先進運転支援システム）のような車輌の自動運転の開発が急速に進められている。このような自動運転では、車輌に取り付けられる衛星測位システムのアンテナが受信する受信信号を用いて当該車輌の現時点の位置情報をできる限り迅速かつ正確に取得することが求められる。位置情報の取得精度を高める簡易な手段は、複数の人工衛星からの多周波数の信号をそれぞれの周波数に対応するアンテナが受信してそれぞれの受信信号を基に位置情報を算出することである。しかし、車載用のアンテナ装置の場合、多周波数の信号を受信するそれぞれのアンテナ以外にＡＭ／ＦＭ帯など他の異なる周波数帯にも対応可能なアンテナ部も実装される。よって、多周波数の信号を受信するそれぞれのアンテナを同一の筐体内に設けると装置自体が大きくなり、車載用に適さなくなる。
【０００３】
このような課題に関し、本願出願人は、特許文献１において、正方形導体から成るパッチ電極に、２対のスロットが形成され、かつ２つの給電点が設けられたスロット付きアンテナを提案した。各スロットは、それぞれ同一形状及びサイズで、正方形導体の中心点に対して点対称に２対配置される。２つの給電点は正方形導体の中心からやや外側に偏心した位置に設けられ、それら２つの給電点に給電を行って円偏波の受信が効率的に行われる。
【０００４】
特許文献１に記載されたスロット付きアンテナは、正方形導体の外周寸法に従うアンテナ動作のほか、スロットの寸法に従うスロットアンテナ動作が可能となり、複数の人工衛星から送信される多周波の信号を１つのアンテナで受信することができる。また、ミアンダ形状をスロットに形成することで、アンテナ動作及びスロットアンテナ動作の受信帯域の設定の自由度を向上させ、要求される受信帯域への対応が容易となる。さらに、２点給電により円偏波の受信が効率的になることに加え、広い周波数帯域で軸比（Axial Ratio）を良好にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２０１８／１６４０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
車輌のような移動体は、移動中の姿勢が三次元で絶えず変化するのが一般的である。また、例えば、ＡＤＡＳのような車輌の自動運転における位置情報の精度向上の要求に応えるため、衛星測位システムのアンテナは、人工衛星からの信号を広い周波数帯で軸比がよく、また、広い仰角で軸比が良好なことが望ましい。さらに、車輌以外の移動体であるドローン等に関してもその位置情報の精度向上が求められている。つまり、例えば、車輌の自動運転やドローンの小型無人飛行機などの無人制御での移動体に関しては、これまで以上に位置精度の向上が求められていくこととなる。
【０００７】
本発明の主たる目的は、例えば、アンテナの受信信号に基づいて導出される移動体の位置精度のさらなる向上に貢献することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様となるアンテナは、誘電体と、誘電体に設けられたパッチ電極及び回路基板と、を備え、パッチ電極は４つの給電端子を有し、回路基板には、４つの給電端子の各々と１対１に導通する基板側給電端子と、基板側給電端子から出力された信号を位相シフトする位相回路と、位相回路で位相シフトされた信号を混合する混合回路と、混合回路で混合された信号を増幅する増幅回路と、が設けられている。
【０００９】
本発明の他の一態様となる情報処理装置は、移動体に搭載される情報処理装置であって、少なくとも４つの給電端子を有するパッチ電極と、４つの給電端子の各々と１対１に導通する基板側給電端子、基板側給電端子から出力された信号を位相シフトする位相回路、位相回路で位相シフトされた信号を混合する混合回路、および混合回路で混合された信号を増幅する増幅回路と、を有する回路基板を備えたアンテナと、アンテナから出力される信号に基づいて前記移動体の位置情報を算出する位置情報処理回路と、を備える。
【００１０】
本発明の他の一態様となる複合アンテナ装置は、４つの給電端子を有するパッチ電極、前記パッチ電極からの受信信号を信号処理する回路基板と、を有する衛星測位システムの第１アンテナと、第１アンテナとは異なる周波数帯の信号を受信する第２アンテナと、第１アンテナと前記第２アンテナとを載置するアンテナベースと、前記アンテナベースと共に前記第１アンテナと前記第２アンテナと、を収容するアンテナケースと、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、１点給電もしくは２点給電と比較して、広仰角広周波数に軸比を改善して移動体の位置精度のさらなる向上の実現に貢献することができる。また、多周波数に対応したアンテナであるため、それぞれの周波数に対応する複数のアンテナを設ける必要がなく、省スペース化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態のアンテナの分解組立図。
【図２】本実施形態のアンテナが有するパッチ電極を示す図。
【図３】回路基板に給電部を取付けた様子を示す斜視図。
【図４】給電部の導体パターンを示した図。
【図５】給電回路を等価回路で示した図。
【図６】給電部とレシーバのブロック図。
【図７】（ａ）は参照例となる２給電パッチ電極、（ｂ）は４給電パッチ電極を示す図。
【図８】参照例となる２給電スロット付きパッチ電極を示す図。
【図９】２給電スロット付きパッチ電極に対応する給電回路のブロック図。
【図１０】（ａ）は２給電、（ｂ）は４給電の場合の天頂（０度）の右旋円偏波利得対周波数特性図。
【図１１】（ａ）は２給電２共振、（ｂ）は４給電２共振の場合の天頂（０度）の右旋円偏波利得対周波数特性図。
【図１２】（ａ）は２給電、（ｂ）は４給電の天頂（０度）の軸比対周波数特性図。
【図１３】（ａ）は２給電２共振、（ｂ）は４給電２共振の軸比対周波数特性図。
【図１４】（ａ）は２給電、（ｂ）は４給電の軸比対仰角特性図。
【図１５】（ａ）は２給電２共振、（ｂ）は４給電２共振の軸比対仰角特性図。
【図１６】（ａ）は２給電、（ｂ）は４給電の指向特性図。
【図１７】（ａ）は２給電２共振、（ｂ）は４給電２共振の指向特性図。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）はＬＮＡの挿入箇所の相違によるＮＦ特性の変化を示すグラフ。
【図１９】給電回路の変形例を示したブロック図。
【図２０】給電回路の他の変形例を示したブロック図。
【図２１】給電回路の他の変形例を示したブロック図。
【図２２】衛星測位システムのアンテナのほかに他の周波数帯のアンテナを搭載した複合アンテナ装置の分解組立図。
【図２３】２給電２共振型のアンテナを搭載した車輌が、天頂方向に高架式道路がある第１地域の一般道路を走行したときに算出される位置情報の状態を視覚化した図。
【図２４】４給電２共振型のアンテナを搭載した車輌が、天頂方向に高架式道路がある第１地域の一般道路を走行したときに算出される位置情報の状態を視覚化した図。
【図２５】２給電２共振型のアンテナを搭載した車輌が、天頂方向に高架式道路がある第２地域の一般道路を走行したときに算出される位置情報の状態を視覚化した図。
【図２６】４給電２共振型のアンテナを搭載した車輌が、天頂方向に高架式道路がある第２地域の一般道路を走行したときに算出される位置情報の状態を視覚化した図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）のＬ１バンド（１５６０ＭＨｚ〜１６０５ＭＨｚ）とＧＮＳＳのＬ５バンド（１１５０ＭＨｚ〜１２１０ＭＨｚ）の２周波数帯、あるいは、ＧＮＳＳのＬ１バンドとＧＮＳＳのＬ２バンド（１１９７ＭＨｚ〜１２６０ＭＨｚ）の２周波数帯を同時に受信可能な衛星測位システムのアンテナ（以下、単にアンテナと称する）に適用した場合を一例とし、その実施の形態を図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、説明の便宜上、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の直交三次元軸を図面上に記載する。Ｘ軸はアンテナの長さ方向、Ｙ軸はアンテナの幅方向、Ｚ軸はアンテナの天頂（鉛直上方）方向を表す。また、＋Ｚ軸方向を「上」、「上方」、「天頂」ないし「天頂方向」といい、上方からアンテナを視ることを「上面視」、Ｙ軸からアンテナを視ることを「側面視」と表記する場合がある。
【００１４】
本実施形態のアンテナの部品構造例を図１に示す。図１は、アンテナ１の分解組立図である。図１を参照すると、アンテナ１は、アンテナケース１０内に、緩衝体であるパッキン１１で気密及び水密に封止されたＧＮＳＳ基板アッセンブリ１２を収容して構成される。
【００１５】
アンテナケース１０は、トップカバー１０ａとベースカバー１０ｂとで構成される電波透過性の筐体である。トップカバー１０ａは、若干の丸みを持つ側部と、正方形状の開口部とを有し、上底部が略正方形となる有底筒状の硬質樹脂箱、例えばプラスチック箱であり、開口部の４つの角部が均等に切り欠かれている。また、各角部の内端部には、それぞれネジ１０１に対応するネジ穴が螺刻されている。ベースカバー１０ｂは略正方形の環状体であって、４つの角部には、トップカバー１０ａとの位置決めに用いると共にネジ１０１を貫通させる孔が形成された突起部１１１が形成されている。
【００１６】
この突起部１１１は、ベースカバー１０ｂにトップカバー１０ａを被せたときに、トップカバー１０ａの４つの角部を封止する形状・サイズに成形されている。ベースカバー１０ｂの角部間の４つの辺部の内側にはＧＮＳＳ基板アッセンブリ１２を支持するためのリブ１１２が形成され、１つの辺部には、窪みを有するケーブルガイド１１３が形成されている。ケーブルガイド１１３の窪みは、後述する給電ケーブル１２４の外径以下の径で成形されている。つまり、給電ケーブル１２４を押し込んで保持するように成形されている。
【００１７】
ＧＮＳＳ基板アッセンブリ１２は、表裏面を有する薄い絶縁板から成る回路基板１２１と、回路基板１２１の表面のほぼ中央部に設置される誘電体１２２と、誘電体１２２の表面に取り付けられたパッチ電極１２３と、給電ケーブル１２４と、ゴム、シリコンなどの軟質絶縁体で構成されるパッキン１１と、で構成される。
【００１８】
回路基板１２１の裏面には、４つの基板側給電端子を含む給電部が形成されている。この給電部については、後で詳しく説明する。給電ケーブル１２４の一端は給電部の出力部と導通接続されており、他端はベースカバー１０ｂのケーブルガイド１１３に支持されてアンテナケース１０の外部に露出する。また、給電ケーブル１２４の一端は、パッキン１１によって気密性と水密性が保持されている。なお、ＧＮＳＳ基板アッセンブリ１２は、この形状に限ることはない。取付テープ１３は、ネジ１０１をベースカバー１０ｂの突起部１１１の孔に貫通させるための４つの角部が内側に弧状に切り欠かれており、ベースカバー１０ｂの裏面に貼り付けられている。
【００１９】
パッチ電極１２３は、地導体（例えば車輌ルーフ）と略平行となる正方形状の金属板であり、誘電体１２２の表面の外周から僅かに内側寄りに固着される。パッチ電極１２３の構造例を図２に示す。図２の例では、パッチ電極１２３には、その中心点から等距離、等間隔、かつ点対称となる位置に、回路基板１２１の４つの基板側給電端子と１対１に対応する４つの電極側給電端子ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３，ｐ１４が形成されている。
パッチ電極１２３の中心点と各電極側給電端子ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３，ｐ１４の位置との距離は、使用する周波数帯でパッチ電極１２３のインピーダンスの整合（例えば、５０オーム）がとれる距離に設定される。
【００２０】
パッチ電極１２３には、その外周の内側で、各電極側給電端子ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３，ｐ１４に対しては外側に、正方形の各辺に沿って４つのスロットＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３、ＳＬ４が形成されている。「スロット」は金属板が切り欠かれた部分をいう。各スロットＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３、ＳＬ４は、パッチ電極１２３の中心点を通る対称軸に対して線対称で、かつ、中心点に対して点対称に位置する。
【００２１】
また、４つのスロットＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３、ＳＬ４のうち、各辺と平行となる直線部分の略中間位置にはミアンダ（蛇行）部ＳＬ１ｍ、ＳＬ２ｍ、ＳＬ３ｍ、ＳＬ４ｍが形成されている。電極側給電端子ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３，ｐ１４は、直近のミアンダ（蛇行）部ＳＬ１ｍ、ＳＬ２ｍ、ＳＬ３ｍ、ＳＬ４ｍのほぼ中央部に形成されている。
【００２２】
ミアンダ部ＳＬ１ｍ、ＳＬ２ｍ、ＳＬ３ｍ、ＳＬ４ｍは、それが無い場合よりも電気長を長くし、送受信周波数を低くするために形成される。そのため、ミアンダ部ＳＬ１ｍ、ＳＬ２ｍ、ＳＬ３ｍ、ＳＬ４ｍのサイズを製造後又は製造前に適宜調整することで送受信可能周波数の微調整が可能になり、設計の自由度が増し、要求される送受信帯域に柔軟に対応可能となる。
【００２３】
本実施形態のアンテナ１の１つの特徴は、所望の周波数の共振条件に適合する４つのスロットＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３、ＳＬ４が形成されたパッチ電極１２３が存在し、４つの電極側給電端子ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３，ｐ１４が、パッチ電極１２３の中心点から等距離で１つずつ存在し、各電極側給電端子ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３，ｐ１４における給電位相（給電時の位相、以下同じ）が隣り合う他の電極側給電端子ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３，ｐ１４の給電位相と９０度ずつ異なっている点である。
そのため、パッチ電極１２３は、正方形の一辺の長さ及び誘電体１２２の誘電率に起因する共振条件を満たす周波数の電波を送受信するアンテナ動作と、スロットＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３、ＳＬ４、ミアンダ部ＳＬ１ｍ、ＳＬ２ｍ、ＳＬ３ｍ、ＳＬ４ｍの電気長をも考慮した共振条件を満たす周波数の電波を送受信するスロット動作とを行う。つまり「２共振」動作を行う。
【００２４】
共振条件を満たす周波数は、アンテナ動作においては、パッチ電極１２３の一辺の長さ及び誘電体１２２の誘電率から定まる電気長が略１／２波長（及びその整数倍）となる周波数である。スロット動作においては、ミアンダ部ＳＬ１ｍ、ＳＬ２ｍ、ＳＬ３ｍ、ＳＬ４ｍ及びスロットＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３、ＳＬ４の全長及び誘電体１２２の誘電率から定まる電気長が略１／２波長（及びその整数倍）となる周波数である。
なお、ミアンダ部ＳＬ１ｍ、ＳＬ２ｍ、ＳＬ３ｍ、ＳＬ４ｍ及びスロットＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３、ＳＬ４の全長は、例えば、スロットの一端から他端までの縁の長さ及びミアンダ部の一端から他端までの縁の長さである。
線対称及び点対称の位置で、等振幅で順次隣り合う電極側給電端子との間に９０度の位相をシフトしながら４点給電を行うため、パッチ電極で受信される電波は円偏波となる。位相のシフトが右回りの場合は右旋円偏波となり、左回りの場合は左旋円偏波となる。
つまり、本実施形態によれば、ＧＮＳＳの２周波数帯（例えばＬ１バンドとＬ５バンド、あるいは、Ｌ１バンドとＬ２バンド）の円偏波の受信を１つのアンテナ１で実現することが容易になる。
【００２５】
なお、本実施形態では、パッチ電極の正方形の各辺に沿って、ミアンダ部を形成したスロットを設けたことについて説明したが、スロットは、パッチ電極１２３の中心点を通る対称軸に対して線対称で、かつ、中心点に対して点対称に位置していれば、いずれの形状（例えば、ミアンダ部を設けない形状）でも、いずれの箇所（例えば、パッチ電極の正方形の各角部に沿った箇所）でもよい。
【００２６】
次に、回路基板１２１に設けられる給電部２０について説明する。
図３は、給電部２０が回路基板１２１の裏面に設けられた様子を示す斜視図である。図３ではその詳細を省略しているが、給電部２０は、回路基板１２１の裏面にプリント形成された分布定数線路（導体パターン群）と受動素子を含む集中定数回路で構成している。給電部２０は、後述する４つの基板側給電端子、４つのマッチング回路、６つの位相器、ならびに２つの混合器と、で構成される給電回路２０ａとＬＮＡ（低雑音増幅器）と、で構成される。
なお、給電回路２０ａをすべて分布定数線路で構成してもよい。
【００２７】
給電部２０の導体パターンを図４に示す。図５は、図４に示した給電部２０のうち給電回路２０ａを等価回路で示したものであり、図６は図４に示した給電部２０とそれに接続されたレシーバ２７１とを示すブロック図である。便宜上、対応する部品については同一符号を付してある。以下、図４，５，６を総合して、本実施形態における給電部２０の構成を説明する。
【００２８】
給電部２０は、パッチ電極１２３に形成された４つの電極側給電端子ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３，ｐ１４の位置と上面視で給電回路２０の同じ位置に、４つの基板側給電端子ｐ２１，ｐ２２，ｐ２３，ｐ２４が形成されている。直近の電極側給電端子ｐ１１と基板側給電端子ｐ２１，電極側給電端子ｐ１２と基板側給電端子ｐ２２，電極側給電端子ｐ１３と基板側給電端子ｐ２３，電極側給電端子ｐ１４と基板側給電端子ｐ２４は、それぞれ導電ピン等でダイレクトに導通接続される。
【００２９】
４つの基板側給電端子ｐ２１，ｐ２２，ｐ２３，ｐ２４は、それぞれ対応する線路毎にマッチング回路２１１，２１２，２１３，２１４が１対１で導通接続されている。マッチング回路２１１，２１２，２１３，２１４は、パッチ電極１２３と給電部２０との間のインピーダンス整合を行う回路であり、４つの回路がすべて同じ形状・面積の導体パターン及び配置関係で集中定数回路で構成されている。マッチング回路２１１には＋４５度の位相シフトを行う位相器２２１，マッチング回路２１２には−４５度の位相シフトを行う位相器２２２，マッチング回路２１３には＋４５度の位相シフトを行う位相器２２３，マッチング回路２１４には−４５度の位相シフトを行う位相器２２４が、それぞれ接続されている。なお、本実施形態ではマッチング回路２１１,２１２,２１３,２１４を用いた構成について説明するが、これらマッチング回路が無くても本発明の実施は可能である。
【００３０】
マッチング回路２１１，２１２，２１３，２１４の各々は、パッチ電極１２３によって４等分された受信信号（電力）に対しインピーダンス整合を行い、後段の各位相器２２１,２２２,２２３,２２４に出力する。位相器２２１は、マッチング回路２１１から出力された受信信号（電力）に対して＋４５度の位相シフトを行い、後段の混合器２３１に出力する。同様に、位相器２２２は、マッチング回路２１２から出力された受信信号（電力）に対して−４５度の位相シフトを行い、後段の混合器２３１に出力する。位相器２２３は、マッチング回路２１３から出力された受信信号（電力）に対して＋４５度の位相シフトを行い、後段の混合器２３２に出力する。位相器２２４は、マッチング回路２１４から出力された受信信号（電力）に対して−４５度の位相シフトを行い、後段の混合器２３２に出力する。
【００３１】
各位相器２２１，２２２，２２３，２２４は、図５に示されるように、本例ではπ型回路であり、そのカットオフ周波数（遮断周波数）は、ＧＮＳＳ周波数帯の任意の周波数であるが、本例ではＧＮＳＳ周波数帯のバンドエッジ近傍となる周波数に設定されている。位相器２２１，２２２，２２３，２２４は、ハイパス、ローパスのいずれのフィルタ、あるいはＴ型回路を用いてもよい。なお、本実施形態における位相器２２１,２２２,２２３,２２４が第１位相回路に相当する。
【００３２】
混合器２３１は、位相器２２１と位相器２２２から出力された２つの受信信号（電力）を入力し、１つに合成する。また、混合器２３２は、位相器２２３と位相器２２４から出力された２つの受信信号（電力）を入力し、１つに合成する。回路的には、図５に示されるように、２つのπ型回路及び抵抗で構成される。π型回路は互いに並列に接続され、π型回路の入力端子間に抵抗が接続される。π型回路のカットオフ周波数（遮断周波数）は、ＧＮＳＳ周波数帯の任意の周波数であるが、本例ではＧＮＳＳ周波数帯域のバンドエッジ近傍となる周波数に設定されている。π型回路は、ハイパス、ローパスのいずれのフィルタ、あるいは、Ｔ型回路を用いてもよい。なお、本実施形態の混合器２３１，２３２が第１混合回路に相当する。
【００３３】
混合器２３１の出力は、位相器２４１に入力される。また、混合器２３２の出力は、位相器２４２に入力される。位相器２４１は入力された受信信号（電力）を＋９０度の位相シフトを行い、後段の混合器２５１へ出力する。位相器２４２は入力された受信信号（電力）を−９０度の位相シフトを行い、後段の混合器２５１へ出力する。混合器２５１は、位相器２４１と位相器２４２から出力された受信信号（電力）を入力し、これらの受信信号（電力）を合成してＬＮＡ２６１へ出力する。ＬＮＡ２６１は、合成された受信信号（電力）を所定の増幅率で増幅して後段のレシーバ２７１へ出力する。混合器２３１,２３２,２５１は、例えば、ウィルキンソンデバイダーである。なお、本実施形態の位相器２４１,２４２が第２位相回路に相当し、混合器２５１が第２混合回路に相当する。
【００３４】
次にレシーバ２７１について説明する。レシーバ２７１は、給電部２０から出力される受信信号（電力）からデジタル信号を抽出し、当該抽出されたデジタル信号に基づいて移動体の現在位置をリアルタイムに算出する位置情報処理回路を有する。位置情報処理回路には、位置算出アルゴリズムが組み込まれており、時刻情報と現在位置情報とを出力する。このレシーバ２７１は、回路基板１２１に設けてもよいが、アンテナケース１０外の他の回路基板に設けてもよい。なお、このアンテナ１と位置情報処理回路を有するレシーバ２７１とで、アンテナ１が取り付けられた車輌などの移動体の位置情報を算出する情報処理装置が構成される。
【００３５】
［アンテナ特性］
以下、上記のように構成される本実施形態のアンテナ１のアンテナ特性について説明する。アンテナ特性の解析にはシミュレータを用い、直径１５ｃｍの地導体を用いてシミュレーションを行った。ここで、特徴別の特性比較のため、図７（ａ）に示す２給電スロット無しの参照例電極３２３、同（ｂ）に示す４給電スロット無しの参照例電極４２３、図８に示す２給電スロット付きの参照例電極５２３を有するアンテナについて説明する。
参照例電極３２３，４２３，５２３は、図２に示した本実施形態のパッチ電極と同じ材質・形状・外周サイズである。パッチ電極５２３は、電極側給電端子ｐ３１，ｐ３２が２つである点以外は、図２に示したパッチ電極１２３と同じである。２給電の参照例電極３２３，５２３は、図９に示す２給電の給電回路３０に導通接続され、４給電の参照例電極４２３は、図４，５，６に示す給電回路２０ａに導通接続されるものとする。
【００３６】
図９における給電回路３０は、アンテナで２分配された受信信号（電力）を、マッチング回路３１１，３１２でインピーダンス整合を行った後、位相器３２１,３２２に出力する。各位相器３２１，３２２は、マッチング回路３１１,３１２からの受信信号（電力）を互いに４５度ずつ逆方向に位相をシフトさせ、混合器３３１がこれらの受信信号（電力）を合成する点が図３，４，５，６に示した給電回路２０ａと異なる。比較説明の便宜上、参照例電極３２３を有するアンテナを「２給電」、参照例電極４２３を有するアンテナを「４給電」、参照例電極５２３を有するアンテナを「２給電２共振」、本実施形態のパッチ電極１２３を有するアンテナ１を「４給電２共振」と略称する場合がある。
【００３７】
図１０（ａ）は２給電、（ｂ）は４給電における天頂（０度）の右旋円偏波利得対周波数の特性図であり、縦軸が利得（ｄＢｉｃ）、横軸は周波数帯（ＧＨｚ）である。「天頂（０度）」とはＺ軸の方向をいう。４給電の場合は、２給電と比べてパッチ電極のサイズや地導体からの高さが同じでありながら、利得がＧＮＳＳ周波数帯の全域にわたって高くなり、かつ、ＧＮＳＳ周波数帯における最大利得と最小利得との差が小さくなっている。つまり、４給電により広帯域化が図られることがわかる。
【００３８】
図１１（ａ）は２給電２共振、（ｂ）は４給電２共振の天頂（０度）の右旋円偏波利得対周波数の特性図であり、縦軸、横軸は図１０と同じである。スロットＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４の影響で、実用レベルの利得が得られるのは、ＧＮＳＳのＬ１バンド（１５６０ＭＨｚ〜１６０５ＭＨｚ）、ＧＮＳＳのＬ５バンド（１１５０ＭＨｚ〜１２１０ＭＨｚ）、ＧＮＳＳのＬ２バンド（１１９７ＭＨｚ〜１２６０ＭＨｚ）であるが、本実施形態のような４給電２共振の場合、各バンド付近での利得の低下が緩やかになっている。つまり、２共振の場合も４給電により広帯域化が図られることがわかる。
【００３９】
図１２（ａ）は２給電、（ｂ）は４給電の天頂（０度）の軸比対周波数特性図であり、縦軸は軸比（ｄＢ）、横軸は周波数帯（ＧＨｚ）を表す。２給電の場合、Ｌ１バンド付近と一部の他の周波数の軸比（ｄＢ）が低下するが、４給電では、Ｌ５バンドのＧＮＳＳ周波数帯だけでなく全体の周波数帯域にわたって、軸比が劇的に改善されることがわかる。
【００４０】
図１３（ａ）は２給電２共振、（ｂ）は４給電２共振の軸比対周波数特性図であり、縦軸、横軸は図１２と同じである。２給電２共振の場合、スロットＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４の影響があまりにも大きく、ＧＮＳＳのＬ１バンド、ＧＮＳＳのＬ５バンド、ＧＮＳＳのＬ２バンドのすべてのバンドにおいても軸比が１（ｄＢ）以上となるが、４給電２共振では、図１２（ｂ）とほぼ同じ特性が得られている。つまり、スロットＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４の影響を殆ど受けていないことがわかる。
【００４１】
図１４（ａ）は２給電、（ｂ）は４給電の軸比対仰角特性図であり、縦軸は軸比（ｄＢ）、横軸は仰角（天頂０度から水平面に向かう角度）を表す。周波数は、１．５５ＧＨｚと１．６１ＧＨｚを選定した。ＧＮＳＳのＬ１バンドを考慮したものである。２給電の場合、１．６１ＧＨｚではどの仰角においても軸比（ｄＢ）は改善されない。１．５５ＧＨｚでは、仰角が３０度付近から軸比が１ｄＢ以下となるが、４５度付近でも０．７ｄＢ以上のままである。これに対し、４給電では、１５度付近の仰角まで軸比はほぼ０ｄＢであり、４０度を超えるあたりから軸比が１ｄＢを超える。つまり、４給電により、軸比が改善されることがわかる。
【００４２】
図１５（ａ）は２給電２共振、（ｂ）は４給電２共振の軸比対仰角特性図であり、縦軸、横軸は図１４と同じである。周波数は、１．５５ＧＨｚと１．６１ＧＨｚのほか、１．１６ＧＨｚ、１．２１ＧＨｚを選定した。これらの周波数は、ＧＮＳＳのＬ５バンドのほか、ＧＮＳＳのＬ１バンドとＧＮＳＳのＬ２バンドを考慮したものである。
２給電２共振の場合、どの仰角においても軸比が１ｄＢ以下にならず、特に、１．２１ＧＨｚでは、仰角が０度であっても軸比は４ｄＢを超える。また、１．６１ＧＨｚでは仰角が０度で軸比が約２ｄＢであり、仰角が増えるにつれて軸比も大きくなる。そのため、２給電２共振の場合、ＧＮＳＳのＬ２バンドとＧＮＳＳのＬ１バンドでは、受信信号から正確な位置情報を取得することが困難となる。これに対して４給電２共振では、どの周波数でも仰角が０度の場合、軸比が０ｄＢ近傍であり、特に、１．１６ＧＨｚでは、仰角が４５度を超えても軸比が０．６程度であり、軸比が劇的に改善されることがわかる。
【００４３】
図１６（ａ）は２給電、（ｂ）は４給電における、右旋円偏波に対する垂直面内の指向特性図である。図１６中、地導体に垂直でパッチ電極３２３，４２３の中心を通るＺ軸の上方が天頂（０度）、つまり、パッチ電極３２３，４２３の真上、右旋９０度の方向がＹ軸であり、右旋２７０度（左旋９０度）がＸ軸である。同心円は、利得（ｄＢｉｃ）を表す。周波数は、１．５５ＧＨｚと１．６１ＧＨｚが選定されている。
２給電では、周波数によって指向特性にバラツキがあるが、４給電では周波数と無関係に天頂方向に指向性が向くことがわかる。
【００４４】
図１７（ａ）は２給電２共振、（ｂ）は４給電２共振の指向特性図であり、グラフの内容は図１６と同じである。周波数は、１．５５ＧＨｚ、１．６１ＧＨｚ、１．１６ＧＨｚ、１．２１ＧＨｚである。周波数によって指向性にバラツキが出るのは、２給電２共振も４給電２共振も同じであるが、４給電２共振の方が、バラツキの度合いは少ないことがわかる。
【００４５】
以上の説明は、給電回路２０ａの後段にＬＮＡ２６１を配置しない場合の特性を示しているが、給電回路２０ａの後段にＬＮＡ２６１を配置した場合でもＬＮＡ２６１により利得が変化するだけであり特性自体は変わらない。なお、ＬＮＡ２６１は、その配置位置によってアンテナ１のトップロス、すなわち、パッチ電極１２３から初段増幅器（本例ではＬＮＡ２６１）までの電力通過損失が変わる場合がある。
【００４６】
図１８は、ＧＮＳＳ周波数帯にわたる雑音指数の特性比較のためのグラフである。図１８（ａ）は、本実施形態の配置による場合の特性例である。この場合の配置例を現在例と呼ぶ。図１８（ｂ）は、初段の混合器２３１，２３２の前段にＬＮＡ２６１を２つ配置した場合の特性例である。このような配置を変形例１と呼ぶ。図１８（ｃ）は、２段目の混合器２５１の前段にＬＮＡ２６１を配置した場合の特性例である。このような配置例を変形例２と呼ぶ。これらのグラフにおいて、縦軸は雑音指数（ｎｆ）であり、横軸はＧＮＳＳ周波数（ＧＨｚ）である。測定ポイントは、ｍ１３が１．６１５ＧＨｚ、ｍ１４が１．５６０ＧＨｚ、ｍ１５が１．２１５ＧＨｚ、ｍ１６が１．１６５ＧＨｚである。
【００４７】
これらの図を参照すると、図１８（ａ）の現在例では、雑音指数が、ｍ１３の測定ポイントで１．２２０、ｍ１４の測定ポイントで１．１７０、ｍ１５の測定ポイントで０．９７８、ｍ１６の測定ポイントで０．９６５である。これに対して、図１８（ｂ）の変形例１では、雑音指数が、ｍ１３の測定ポイントで０．８４３、ｍ１４の測定ポイントで０．７８８、ｍ１５の測定ポイントで０．７３７、ｍ１６の測定ポイントで０．７４７である。
また、図１８（ｃ）の変形例２では、雑音指数が、ｍ１３の測定ポイントで０．８６６、ｍ１４の測定ポイントで０．８２５、ｍ１５の測定ポイントで０．８２０、ｍ１６の測定ポイントで０．８３２である。
【００４８】
つまり、現在例の雑音指数を、ｍ１３，ｍ１４の測定ポイントで１、ｍ１５，ｍ１６の測定ポイントで１．２とすると、変形例１では、ｍ１３、ｍ２４の測定ポイントで０．８、ｍ１５、ｍ１６の測定ポイントで０．７に改善されている。また、変形例２では、ｍ１３の測定ポイントで０．９、ｍ１４、ｍ２５，ｍ２６の測定ポイントで０．８に改善されている。つまり、パッチ電極１２３になるべく近い位置、つまり、位相器２２１〜２２４，２４１，２４２と混合器２３１，２３２，２５１の前段にＬＮＡ２６１を配置することで、アンテナ１のトータル雑音指数を良くすることができることが判明した。
【００４９】
給電回路２０ａについては、図４，図５，図６以外にも様々な形態で実施することができる。図１９は、図６に示した位相器２２１〜２２４，２４１，２４２と混合器２３１，２３２，２５１の機能を一纏めにした、１つの４等分配各位相９０度デバイス４１を用いた場合の例である。この４等分配各位相９０度デバイス４１を用いることで、アンテナ１をより小型軽量にすることができる。
【００５０】
図２０は、図６に示した位相器２２１〜２２４に代えて、入力信号の位相を＋９０度シフトさせて出力する位相器５１１、＋１８０度シフトさせて出力する位相器５１２、＋２７０度シフトさせて出力する位相器５１３、＋３６０度シフトさせて出力する位相器５１４を設置するとともに、混合器２３１，２３２，２５１と位相器２４１，２４２に代えて、４等分デバイス６１を設置したものである。混合器２３１，２３２，２５１を用いないので、より小型、簡略な給電回路を実現することができる。
【００５１】
図２１は、図６に示した位相器２２１〜２２４と混合器２３１，２３２に代えて２つの３ｄＢカプラー７１，７２、位相器２４１，２４２と混合器２５１に代えて、入力信号の位相を−９０度シフトさせる１つの位相器８１と３ｄＢカプラー９１とを設置したものである。各３ｄＢカプラー７１，７２，９１は、それぞれ５０オームで終端される。３ｄＢカプラー７１，７２，９１は、混合器であっても良いが、ディスクリート部品である市販の汎用品カプラーを用いることもできる。このような構成の給電回路を用いることで、図６に示した給電回路２０ａを有するアンテナ１よりも小型・軽量にすることができる。
【００５２】
本実施形態のアンテナ１は、それ自体で、ロボット、ドローンのような移動体に搭載可能であるが、近年、様々な周波数帯のアンテナ部を１つのケースに混載した車載用のアンテナ装置においても使用可能である。
【００５３】
図２２は、本実施形態のアンテナ１を装備した車載用の複合アンテナ装置の分解組立図である。この複合アンテナ装置は、アンテナカバー１０ａ’によって気密、水密に封止されるアンテナベース１０ｂ’上に、アンテナ１と、他の周波数帯の平面アンテナ１０２、デジタルテレビジョン放送用のポール状アンテナ１０３、ＡＭ／ＦＭ用の立体アンテナ１０４を収容して構成される。
アンテナ１は、天頂方向に指向性があり、かつ、天頂方向の軸比がこれまでのアンテナよりも格段に改善されているので、他の周波数帯のアンテナ１０２，１０３，１０４が近接して配置してあっても、少なくともＧＮＳＳ周波数帯においては、位置情報算出のための信号を正確に受信することができる。
【００５４】
＜実証実験＞
図２及び図６に示される構成の４給電２共振（レシーバ２７１搭載）のアンテナ１と、図８及び図９に示される構成の２給電２共振（レシーバ２７１搭載）の参照例アンテナとを用いた位置精度比較の実証実験について説明する。
実証実験は、各アンテナのレシーバ２７１で出力された位置情報を表示するための表示装置を当該レシーバ２７１に接続して車輌に搭載し、電波の受信環境が良くない道路を走行したときに算出される車輌の位置情報を当該表示装置に地図と共に表示して、その地図に対する位置情報の精度をそれぞれ視覚的に確認した。車輌の走行した道路は、高架式の有料道路の直下に存在する一般道路、つまり各アンテナの天頂方向に高架式の有料道路がある一般道路である。
【００５５】
図２３は、第１地域の一般道路を走行しているときの参照例アンテナによる車輌の走行位置（車輌の走行に伴い算出される複数の位置情報から成る走行軌跡）６０１を表示した画面であり、算出された車輌の走行位置６０１は、高架式の有料道路６０１aの影響を受けて、地図上では実際の一般道路から左側に大きくずれた位置を示していることが確認された。これに対し、図２４は、同じ一般道路を走行しているときのアンテナ１による走行位置６０２を表示した画面である。アンテナ１で検出された車輌の走行位置６０２は、高架式の有料道路の存在に拘らず、地図上では実際の一般道路から逸脱することなく正しい位置を示していることが確認された。
【００５６】
図２５は、第１地域と異なる第２地域の一般道路を走行しているときの参照例アンテナによる車輌の走行位置７０１を表示した画面であり、算出された車輌の走行位置７０１は、高架式の有料道路７０１aの影響を受けて、地図上では実際の一般道路から左側に大きくた位置を示していることが確認された。これに対し、図２６は、同じ一般道路を走行しているときのアンテナ１による走行位置７０２を表示した画面である。アンテナ１で算出された車輌の走行位置７０２は、地図上では実際の一般道路から逸脱することなく正しい位置を示していることが確認された。
【００５７】
このように、本実施形態のアンテナ１は、第１地域と第２地域のいずれの天頂方向に障害物がある道路を走行しているときであっても位置情報を２給電２共振の第１参照例アンテナよりも高精度に算出できることが実証された。
【００５８】
＜本実施形態の要点＞
以上の本実施形態の説明より、例えば下記の構成及びそれによる作用効果が導出される。
（１）誘電体と、前記誘電体に設けられたパッチ電極及び回路基板と、を備え、前記パッチ電極は４つの給電端子を有し、前記回路基板には、前記４つの給電端子の各々と１対１に導通する基板側給電端子と、前記基板側給電端子から出力される信号を位相シフトする位相回路と、前記位相回路で位相シフトされた信号を混合する混合回路と、前記混合回路で混合された信号を増幅する増幅回路と、が設けられているアンテナ。
この構成のアンテナでは、天頂方向のアンテナ特性が、例えば図７（ａ），（ｂ）に示したパッチ電極、あるいは、図８に示したパッチ電極を有するアンテナよりも格段に改善する。そのため、上記実証実験から明らかな通り、このアンテナを搭載した移動体の位置精度が格段に向上する。
【００５９】
（２）前記回路基板は、前記誘電体の前記パッチ電極が設けられた面側と反対の面側に設けられ、前記４つの給電端子の各々と前記基板側給電端子における対応導通部位とが対向するアンテナ。
この構成のアンテナでは、４つの給電端子の各々と基板側給電端子における対応導通部位とが誘電体の厚みによって定まる最短距離で導通接続されるので、外部からの影響が受けにくくなる。
【００６０】
（３）前記パッチ電極に４つのスロットが形成されているアンテナ。
この構成のアンテナは、パッチ電極のサイズ及び誘電体の誘電率に起因する共振条件を満たす周波数の電波を送受信するアンテナ動作と、スロットの電気長をも考慮した共振条件を満たす周波数の電波を送受信するスロット動作とを行う。つまり「２共振」動作が可能になる。
【００６１】
（４）前記４つの給電端子の給電位相が、それぞれ隣り合う他の給電端子の給電位相と９０度異なっているアンテナ。
この構成のアンテナによれば、円偏波の軸比の向上が可能となる。
【００６２】
（５）前記位相回路は、第１位相回路と第２位相回路とを含み、前記混合回路は、第１混合回路と第２混合回路とを含み、前記第１位相回路は、前記基板側給電端子の後段に配置され、前記第２位相回路は前記第１位相回路の後段に配置され、前記第１混合回路は、前記第１位相回路の後段で、前記第２位相回路の前段に配置され、前記第２混合回路は、前記第２位相回路の後段に配置され、前記増幅回路は前記第２混合回路の後段に配置されているアンテナ。
前記第１位相回路は、例えば、入力信号を正方向４５度に位相シフトする２つの位相器と、入力信号を負方向４５度に位相シフトする２つの位相器とを有するものである。
また、前記第２位相回路は、例えば、入力信号を正方向９０度に位相シフトする位相器と、入力信号を負方向９０度に位相シフトする位相器とを有するものである。
この構成のアンテナでは、複数の位置で受信され、分配入力された複数の信号をそれぞれ所定量ずつ位相シフトさせた後に混合するので、複数の方向から伝搬されてくる円偏波を高精度に受信することができる。
【００６３】
ある実施の態様では、前記混合回路が、ウィルキンソンデバイダーである。このような構成によれば、回路の主たる部分を基板への印刷による導体パターン群によって実現することができ、アンテナの量産化が容易になる。
【００６４】
（６）前記増幅回路は、前記混合回路の前段に設けられている、アンテナ。  また、このアンテナでは、例えば、前記位相回路は、第１位相回路と第２位相回路とを含み、前記混合回路は、第１混合回路と第２混合回路とを含み、前記第１位相回路は、前記基板側給電端子の後段に配置され、前記第２位相回路は前記第１位相回路の後段に配置され、前記第１混合回路は、前記第１位相回路の後段で、前記第２位相回路の前段に配置され、前記第２混合回路は、前記第２位相回路の後段に配置され、前記増幅回路は、前記第１混合回路または前記第２混合回路の前段に配置されている。
この構成のアンテナでは、混合回路の前段で受信信号を増幅することで、通過損失を抑制できるとともに、信号対雑音比に優れた信号を出力することができる。
【００６５】
（７）移動体に搭載される情報処理装置であって、上記のいずれかのアンテナと、前記アンテナから出力される信号に基づいて当該アンテナの位置情報を算出する位置情報処理回路とを備える、情報処理装置。この構成の情報処理装置によれば、例えば、自動運転の車輌の位置情報を高精度に算出することができる。
（８）４つの給電端子を有するパッチ電極と、前記パッチ電極からの受信信号を信号処理する回路基板とを有する衛星測位システムの第１アンテナと、前記第１アンテナとは異なる周波数帯の信号を受信する第２アンテナと、前記第１アンテナと前記第２アンテナとを載置するアンテナベースと、前記アンテナベースと共に前記第１アンテナと前記第２アンテナとを収容するアンテナケースと、を備える複合アンテナ装置では、多周波に対応する第１アンテナを他のアンテナ（第２アンテナ）と共に同一の収容空間に収容することで、装置の小型化、省スペース化することができる。
（９）誘電体と、前記誘電体に設けられたパッチ電極と、前記パッチ電極に設けられた４つの給電端子と、を備え、前記４つの給電端子の各々の給電位相がそれぞれ隣り合う他の給電端子の給電位相と９０度異なると共に、その各々には、前記パッチ電極からの受信信号を信号処理する回路基板側に設けられた基板側給電端子と直接導通する、アンテナでは、円偏波の軸比の向上が可能となる。
【００６６】
（１０）なお、パッチ電極における前記４つのスロットを、それぞれ、ミアンダ部を有する同一形状のスロットである構成にしてもよい。このような構成では、共振条件を満たす周波数をスロットで調整することができるので、アンテナ設計の自由度を増すことができる。
【符号の説明】
【００６７】
１…アンテナ
１２…ＧＮＳＳ基板アッセンブリ
２０…給電部
２０ａ…給電回路
１２１…回路基板
１２２…誘電体
１２３,３２３,４２３,５２３…パッチ電極
ｐ１１,ｐ１２,ｐ１３,ｐ１４…電極側給電端子
ｐ２１,ｐ２２,ｐ２３,ｐ２４…基板側給電端子
８１,２２１,２２２,２２３,２２４,２４１,２４２,３２１,３２２,５１１,５１２,５１３,
５１４…位相器
２３１，２３２，２５１,３３１…混合器
２６１…ＬＮＡ
２７１…レシーバ
【要約】
【課題】軸比に優れ、複数周波数帯に対応するアンテナを提供する。
【解決手段】本発明のアンテナは、パッチ電極を有する誘電体と給電部を有する回路基板とを備える。パッチ電極には、４つの電極側給電端子ｐ１１〜ｐ１４が形成されている。給電回路には、４つの電極側給電端子ｐ１１〜ｐ１４と導通接続する４つの基板側給電端子が形成されている。電極側給電端子ｐ１１〜ｐ１４には、等振幅で９０度ずつ位相シフトした受信信号（電力）が給電される。
【選択図】図２【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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