特許 6968498 円偏波無指向性アンテナ、アレイアンテナ及びそれを用いた偏波ダイバーシティ通信システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6968498

(24)【登録日】2021年10月29日

(45)【発行日】2021年11月17日

(54)【発明の名称】円偏波無指向性アンテナ、アレイアンテナ及びそれを用いた偏波ダイバーシティ通信システム

(51)【国際特許分類】

   H01Q 21/26 20060101AFI20211108BHJP

   H01Q 9/27 20060101ALI20211108BHJP

   H04B 7/10 20060101ALN20211108BHJP

【ＦＩ】

   H01Q21/26

   H01Q9/27

   !H04B7/10 B

【請求項の数】15

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-204315(P2017-204315)

(22)【出願日】2017年10月23日

(65)【公開番号】特開2019-80128(P2019-80128A)

(43)【公開日】2019年5月23日

【審査請求日】2020年9月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000227892

【氏名又は名称】日本アンテナ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102635

【弁理士】

【氏名又は名称】浅見 保男

(74)【代理人】

【識別番号】100197022

【弁理士】

【氏名又は名称】谷水 浩一

(74)【代理人】

【識別番号】100199820

【弁理士】

【氏名又は名称】西脇 博志

(72)【発明者】

【氏名】金子 敦

【審査官】 岸田 伸太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−０３８３２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１０４６２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７２５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０８０３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０９９０８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５５３４８８２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５１０３２３８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１２２９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０１６９９９３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−０９１５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５８−１９４５１４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第６５４２１２８（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｑ ２１／２６

Ｈ０１Ｑ ９／２７

Ｈ０４Ｂ ７／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも水平面に対して水平な第１水平部、水平面に対して所定の立ち上がり角度をなす斜行部及び第２水平部から構成され、前記第1水平部に前記斜行部が連続され、前記斜行部に前記第2水平部が連続されて、折り形状とされた素子からなるダイポールアンテナを所定の間隔を隔てて、少なくとも１対対向して設けた水平面内無指向性円偏波アンテナ。

【請求項2】

前記ダイポールアンテナは、点対称になるよう配置し、
前記ダイポールアンテナは、水平面内の少なくとも２方向から見て垂直、水平方向の電流成分が一致する形状としたことを特徴とする請求項１に記載の水平面内無指向性円偏波アンテナ。

【請求項3】

前記ダイポールアンテナは、前記斜行部の立ち上がり角度が前記所定の角度より大きな素子からなり水平面内の全方向において水平偏波成分より、垂直偏波成分が大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の水平面内無指向性円偏波アンテナ。

【請求項4】

前記ダイポールアンテナは折り返しダイポールアンテナであり、水平面内の全方向において垂直偏波成分より、水平偏波成分が大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の水平面内無指向性円偏波アンテナ。

【請求項5】

前記ダイポールアンテナは、基板を挟んで直流的に分離して設けられ、ホット側素子は基板表面側に、コールド側素子は基板裏面側にオフセットして設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れか1項に記載の水平面内無指向性円偏波アンテナ。

【請求項6】

前記１対のダイポールアンテナは、前記基板上の給電点を中心として点対称位置に配置され、
該給電点からそれぞれ給電部を介して給電されることを特徴とする請求項５に記載の水平面内無指向性円偏波アンテナ。

【請求項7】

ホット側給電部は、給電線のホット側と、コールド側給電部は、給電線のコールド側から給電されることを特徴とする請求項６に記載の水平面内無指向性円偏波アンテナ。

【請求項8】

前記給電部は、給電線のホット側から給電され、コールド側給電部には、ホット側給電部に対し位相を反転する配線部を設けたことを特徴とする請求項６に記載の水平面内無指向性円偏波アンテナ。

【請求項9】

右旋偏波用、左旋偏波用の請求項１〜８の何れか１項に記載の水平面内無指向性円偏波アンテナを素子アンテナとして同軸状に１組積層してアンテナユニットを構成し、
前記アンテナユニットを同軸状に積層したことを特徴とするアレイアンテナ。

【請求項10】

分配ラインを前記素子アンテナの基板上に形成し、他の素子アンテナに給電することを特徴とする請求項９に記載のアレイアンテナ。

【請求項11】

前記アンテナユニットを90°ずつ回転して同軸状に積層したことを特徴とする請求項９〜１０のいずれか1項に記載のアレイアンテナ。

【請求項12】

左旋円偏波と右旋円偏波との偏波ダイバーシティ通信システムに用いることを特徴とする請求項１〜２，請求項１〜２を引用する請求項５〜８の何れか１項に記載の水平面内無指向性円偏波アンテナ。

【請求項13】

垂直偏波と水平偏波との偏波ダイバーシティ通信システムに用いることを特徴とする請求項３〜４、請求項３〜４を引用する請求項５〜８の何れか１項に記載の水平面内無指向性円偏波アンテナ。

【請求項14】

請求項１〜８の何れか1項に記載のアンテナを用いた偏波ダイバーシティ通信システム。

【請求項15】

請求項９〜１１の何れか1項に記載のアレイアンテナを用いた偏波ダイバーシティ通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は無線通信技術に関わるものであり、特に、円偏波無指向性アンテナ及びそれを用いて、左右二つの円偏波を切り替える偏波ダイバーシティ通信システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

移動局と、固定された基地局との間を無線通信にて接続し、移動局側の情報を基地局側に送信するという環境において、移動局と基地局との位置関係が変わることや、様々な障害物による反射等が原因で、フェージング（マルチパス）などが発生し、通信距離・通信の安定性の大きな妨げになっている。このフェージング対策として、通信のマージンを補完するために、送信出力の増大を行えばコストがかかり、一方、受信感度が落ちた通信状態のままでは、伝送レートが低下してしまうなどの課題がある。そこで、受信感度の落ちた通信路ではなく、別の通信路に切り替えることにより、通信を途切れることなく続けるダイバーシティ方式がある。

【0003】

例えば、河川などに設けられた水位計内に移動局があり、その水位計の情報を基地局に送信し、基地局側で水位計の情報（水位、位置情報）を収集することが考えられる。水位が変わることにより、水位計と基地局との位置関係が変わり、水面や、地面又はその他の建物などからの反射波のほうが強く受信され、フェージング（マルチパス）障害が生じる。このようなケースにおいて、円偏波を用いて送受信を行えば、反射波は、逆旋偏波となるため分離度よく、直達波を選択することができる。それでも、反射波が大きくなり、直達波が小さくなった場合には、移動局側のアンテナを別のアンテナに切り替え送信することにより、最も通信に有利な電波により送受信が可能となる。この時、切り替えに用いる通信路は、逆旋偏波の通信路としておくと、元の通信路との混信が少なく、通信が途切れることない。このような、偏波の異なる電波を用いる通信技術を偏波ダイバーシティという。

【0004】

従来、円偏波を用いた通信に用いられてきた円偏波無指向性アンテナは、ヘリカルアンテナが主としても用いられてきた。このヘリカルアンテナは、図１２のような形状を有する進行波型のアンテナで、アンテナのヘリカル部に流れる電流は、ヘリカル部に沿って旋回しながら前方に進む進行波の電流となる。そして、その電流から円偏波の進行波電磁界が前方に向かって放射される(エンドファイアモード)。特許文献１〜５には、従来の進行波型のヘリカルアンテナが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４−３５６９２９号公報

【特許文献2】特許２７１７７４１号公報

【特許文献3】実開昭６１−４２１１２号公報

【特許文献4】特開昭６３−３０００６号公報

【特許文献5】特公平７−５８８５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、上記のヘリカルアンテナは、ヘリカルの形状を正確に実現しなくてはならず、そのための加工・固定方法が困難で、製造コストがかさんでいた。また、進行波型のヘリカルアンテナは、その形状からコーリニアアレイ化することも困難であるという課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の水平面内無指向性円偏波アンテナは、少なくとも水平面に対して水平な第１水平部、水平面に対して所定の立ち上がり角度をなす斜行部及び第２水平部から構成され、前記第1水平部に前記斜行部が連続され、前記斜行部に前記第2水平部が連続されて、折り形状とされた素子からなるダイポールアンテナを所定の間隔を隔てて、少なくとも１対対向して設けたことを特徴とする。
また、本発明のアレイアンテナは、水平面内無指向性円偏波アンテナを素子アンテナとして同軸状に１組積層してアンテナユニットを構成し、前記アンテナユニットを同軸状に積層したことを特徴とする。
また、本発明の偏波ダイバーシティ通信システムは、上記アンテナ又はアレイアンテナを用いたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ダイポールアンテナを所定の間隔を隔てて、水平面に対して所定の立ち上がり角度で少なくとも１対対向して設けるという単純な構成を採用することで、ロープロファイルな水平面内無指向性の円偏波アンテナを実現するとともに、製造コストを下げることが可能となる。また、アンテナの形状はヘリカルアンテナのように正確に円形にする必要性がなく、さらに四角いケース等に効率よく内蔵させることも可能である。
また、従来は、アレイ化した場合の隣接アンテナ間の結合量を小さくすることがなかなかできなかったが、本発明のアンテナでは、アンテナ間結合量を小さくすることが可能となり、隣り合う異偏波の素子アンテナの間隔を短く出来るため、アレイアンテナ全体としても小型化が可能となる。
そして、トータルとして、安価で、安定した通信が可能な偏波ダイバーシティ通信システムの提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1A】本発明の実施例１の円偏波無指向性アンテナの上面図

【図1B】本発明の実施例１の円偏波無指向性アンテナの正面図

【図1C】本発明の実施例１の円偏波無指向性アンテナの側面図

【図1D】本発明の実施例１の円偏波無指向性アンテナの上斜視図

【図1E】本発明の実施例１の円偏波無指向性アンテナの下斜視図

【図1F】本発明の円偏波無指向性アンテナの変形例

【図2】本発明の実施例１のアンテナの水平面内の軸比を示すグラフ

【図3A】本発明の実施例２の円偏波無指向性アンテナの上斜視図

【図3B】本発明の実施例２の円偏波無指向性アンテナの下斜視図

【図3C】本発明の実施例２の円偏波無指向性アンテナの上面図

【図3D】本発明の実施例２の円偏波無指向性アンテナの正面図

【図3E】本発明の実施例２の円偏波無指向性アンテナの側面図

【図3F】本発明の実施例２の円偏波無指向性アンテナの下面図

【図4】本発明の実施例２のアンテナの指向特性を示すグラフ

【図5】本発明の実施例３の円偏波無指向性アンテナのコーリニアアレイの概観図

【図6】アレイアンテナの給電の説明図

【図7】隣接する素子アンテナの結合量を示すグラフ

【図8】本発明の実施例４のコーリニアアレイアンテナの概観図

【図9】各素子アンテナの向きを変化させた時の結合量を示すグラフ

【図10】本発明の実施例４のアレイアンテナの指向性（軸比、利得）を示すグラフ

【図11】偏波ダイバーシティによる通信システムの説明図

【図12】従来のヘリカルアンテナの概観図

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下で説明する実施例に限定されるものではなく、その技術思想に包含される全てのものに及ぶものである。

【実施例1】

【0011】

＜円偏波無指向性アンテナ＞
円偏波無指向性アンテナの外観を図１に示す。図１Ａは、アンテナ1の上面図、図１Ｂは、アンテナ1の正面図、図１Ｃは、アンテナ1の側面図である。また、図１Ｄは、アンテナ1を左斜め上から見た図、図１Ｅは、アンテナ1を左斜め下から見た図である。
アンテナ1は、水平面内にある絶縁体である基板状のスペーサ50の上面側にホット側素子21,22が設けられ、それぞれホット側給電部A1,A2 により、ホット側給電点10と接続される（図１Ａ）。

【0012】

また、基板状のスペーサ50の下面側には、コールド側素子31,32が設けられそれぞれコールド側給電部B1,B2 によりコールド側給電点13と接続される(図１Ｅ)。ホット側給電点10、コールド側給電点13は、それぞれ給電線路40である平行線路のホット側、コールド側との接続点である。図１A〜Eから分かるように、ホット側素子21,22は、ホット側給電点10を、コールド側素子31,32は、コールド側給電点13を中心として点対称形となっている（図１Ｂ〜Ｃ）。
ホット側素子21,22は、連続する第１水平部21A, 22A、斜行部21B, 22B、第２水平部21C,22Cから構成される。同様に、コールド側素子31,32は、連続する第１水平部31A, 32A、斜行部31B, 32B、第２水平部31C,32Cから構成される。
第１水平部に続く斜行部は、水平面に対して所定の角度オフセットしている。この角度は、アンテナのサイズ、形状によってきまる。

【0013】

図１のアンテナの設計パラメータは、一例として、次のようなものがある。長さを使用周波数帯域の中心周波数における自由空間波長λで規格化すると、横(x)方向のサイズは、0.21λ、縦(y)方向のサイズが、0.18λ、スペーサ50からの高さ(z)方向が0.08λ、ホット側素子及びコールド側素子の線長は0.23λで、斜行部の角度は、水平面に対して、35°となる（図１Ａ、Ｃ）。このときに円偏波で水平面内無指向性が得られる。
なお、斜行部の角度を逆（図１の例の場合は、-35°）にすると、逆旋偏波が送出されることとなる。
次に、図１のアンテナの動作について定性的な説明する。図１Ａ，Ｂを参照すると、正面方向（０度）からは、ホット側素子21とコールド側素子32のアンテナ素子対が１つのダイポールアンテナを形成し、ホット側素子22とコールド側素子31のアンテナ素子対がもう１つのダイポールアンテナを形成している。それらアンテナ素子対が、0.18λ離れてスペーサ端部に２対、対向して設けられ70°の角度でクロスしているターンスタイル（クロスダイポール）アンテナと見ることもできる。よって、正面方向に円偏波が放出されることが分かる。

【0014】

一方、図１Ａ，Ｃを参照すると、側面方向（９０度）からは、ホット側素子21とコールド側素子31のアンテナ素子対が１つのダイポールアンテナを形成し、ホット側素子22とコールド側素子32のアンテナ素子対がもう１つのダイポールアンテナを形成し、それらアンテナ素子対が、クロスしているターンスタイル（クロスダイポール）アンテナと見ることもできる。よって、側面方向に円偏波が放出されることが分かる。
その他の中間の方向については説明を省略するが、同様に水平面内で円偏波無指向性であることが定性的にも分かる。
なお、本アンテナの形状は、各コールド側素子、ホット側素子は、水平面内の少なくとも２方向（横(x)、縦(y)）から見て垂直(高さ(z軸))、水平方向（横(x軸)、縦(y軸)）に電流成分が一致するような形状であればよい。また、特性として、水平面内の水平偏波、垂直偏波成分が一致するようになる形状であればよい。また、ダイポールアンテナを水平面に対して所定の角度オフセットし、所定の間隔を隔て給電点を中心として点対称になるよう配置するものであれば、どのような形状のものでも良い。
具体的には、図１Ｆに、ホット側素子、コールド側素子の形状の変形例を示す。アンテナ上面から見たときに、０度(縦(y軸))に関して線対称な形状であり、０度(y軸)方向、及び90度(横(x軸))方向から見ても長さを有している形状であれば、鉤型、斜線、円弧、多角形等のどのような形状でもよい。そして、ホット側素子とコールド側素子は基板である水平面に表側、裏側に所定の角度でオフセットすることにより、水平面の直交方向いずれから見ても、ホット側素子、コールド側素子の電流成分が、垂直（z軸）方向、水平方向（x,y軸）の両方向いずれも一致するような形状であるものは、本発明の範囲に含まれる。
また、本実施例は、基板上に給電部、ホット側素子、コールド側素子を設けたが、基板の位置にあたる水平面に対して、各給電部、素子が所定の位置関係で配置されれば、必ずしも基板は必要が無い。

【0015】

続いて、実施例１のアンテナの水平面内の円偏波の軸比について測定結果を図２に示す。
中心周波数(fc)では、その値は、１[dB]以下となっており、水平面内に到るところ良好な円偏波が送出されていることが分かる。また、中心周波数に対して上下10％の比帯域においても軸比が２[dB]以下となっており、十分に良好な円偏波になっていることが分かる。

【実施例2】

【0016】

実施例１では、平行給電線を用い、ホット側、コールド側をそれぞれ給電線路40から供給するアンテナについて説明した。実施例２では、スペーサ50のプリント配線基板上に形成されたマイクロストリップラインを用いて、ホット側給電点10の１点給電で、それぞれ２つのホット側素子、コールド側素子を給電するアンテナについて説明する。
実施例２の円偏波無指向性アンテナの外観は、図３Ａ〜Ｆに示す。
図３Ａは、アンテナを斜め上方より見た図、図３Ｂは、アンテナを斜め下方より見た図、図３Ｃは上面図、図３Ｄは正面図、図３Ｅは側面図、図３Ｆは下面図である。

【0017】

図３Ａ，Ｂを参照すると、ホット側素子121,122は、プリント配線基板表面側から斜め上方に向かって、５つ折りで円弧状に形成されている。反対に、コールド側素子131,132は、プリント配線基板裏面側から斜め下方に向かって、５つ折りで円弧状に形成されている。ホット側素子121,122は、それぞれ、接続点121A、122Aで給電ラインA1,A2と接続されている。
また、コールド側素子131,132は、それぞれ、接続点131B、132Bで給電ラインB1,B2と接続されている。そして、給電ラインA1,A2,B1,B2は、共通の給電点Oの１点で給電ケーブルのホット側に接続されている。

【0018】

給電ケーブルのコールド側は、プリント配線基板の裏面のグランド51に接続され、給電ラインA1,A2,B1,B2を、プリント配線基板の表面に形成することにより、ストリップラインを構成している。
また、ホット側素子及びコールド側素子の両方が、給電ケーブルのホット側に接続されてため、ホット側素子と、コールド側素子の励振を180°位相反転させなければならない。そのため、ホット側給電ラインA1,A2よりコールド側給電ラインB1,B2が使用周波数帯域の中心周波数におけるストリップラインの管内波長をλ_ｇとするとλ_ｇ/２だけ配線長さを長くするためにミアンダ配線部B1M,B2Mを設けている。
以上のように、ストリップラインで給電系を構成した。

【0019】

次に、実施例２のアンテナの具体的な設計形状を説明する。
図３Ｃの上面図を参照すると、アンテナの円形の直径は、自由空間波長λで規格化すると、0.21λである。ホット側素子、コールド側素子は長さ0.25λ（1/4λ）となっている。また、図３Ｅを参照すると、ホット側素子、コールド側素子はそれぞれプリント配線基板からの高さが0.08λで、その時それぞれの素子は、プリント配線基板と約20°の角度を有している。

【0020】

次に、上記設計パラメータで作られたアンテナの指向特性を図４に示す。
実線が水平面内指向性で、きわめて平坦で水平面内無指向性であることが分かる。これに対して、一点鎖線の垂直面内指向性は、垂直方向である。0°，180°で非常にシャープに利得が落ちている。このアンテナ単体では、垂直面内指向性は、±50°(-3dB)であり、水平面方向に主として円偏波を放射していることが分かる。

【実施例3】

【0021】

＜コーリニアアレイアンテナ＞
次に実施例１のアンテナをコーリニアアレイ化したものについて説明する。
図５は、図１に示した円偏波無指向性アンテナ３つを縦に積層してアレイ化する様子を示している。なお、図中右旋水平、左旋垂直と記載されているが、これは図７で改め説明するが、それぞれ右旋偏波アンテナでホット、コールド側素子を折り返しダイポールとすることで、水平偏波アンテナとして用いること、左旋偏波アンテナでホット、コールド側素子の斜行部の角度を大きくすることにより、垂直偏波アンテナとして用いることを表している。
図５の中部素子アンテナ100Mの形状は、折り返しダイポールアンテナで、水平面内の全方向において垂直偏波成分より、水平偏波成分が大きくなるように、ダイポールアンテナの素子形状及び前記立ち上がり角度を設定している。また、上部素子アンテナ100Tと、下部素子アンテナ100Bの形状は、水平面内の全方向において水平偏波成分より、垂直偏波成分が大きくなるように、ダイポールアンテナの素子形状及び前記立ち上がり角度を設定している。
図５の上部素子アンテナ100Tと、下部素子アンテナ100Bは、同じ垂直偏波（左旋アンテナ）の電波が同相で励振され、中部素子アンテナ100Mとその他のアンテナは,別の水平偏波（右旋アンテナ）の電波が励振される。各アレイ素子アンテナは、図６に示すようにトーナメント方式により各素子アンテナが同相で励振されるように配線されている。図６は、８素子のアレイアンテナの構成例を示している。このトーナメント方式の分配を各素子アンテナの基板内に設けられた分配ラインD1〜D6を用いて行っている。なお、図５は、図６の破線部の構成を図示している。図５では、上部、下部素子アンテナ100T,100Bに対して、中部素子アンテナの分配ラインD3を用いて給電することについて説明する。

【0022】

まず、図５の上部素子アンテナ100Tには、ホット側素子121T,122Tが、ホット側給電A1T,A2Tを介してホット側給電点10Tから給電される。同様に、下部素子アンテナ100Bには、ホット側素子121B,122Bが、ホット側給電A1B,A2Bを介してホット側給電点10Bから給電される。
中部素子アンテナ100Mの基板表面には、分配ラインD3,D4が設けられている。なお、この分配ラインD3,D4はインピーダンス整合をとるために、配線長は、λ_g/４に設定されている。なお、図中の中部のアンテナ100M のアンテナ素子部は、上部、下部素子アンテナ100T,100Bと異なり、水平偏波を主偏波とするため折り返しダイポールアンテナとなっている。
励振源からトーナメント方式で分配されてきた給電ラインは、分配ラインD3の給電点FD2に接続される。そして、分配ラインD3の別の端部のFD1から、上部素子アンテナ100Tの給電点10T及び下部素子アンテナ100Bの給電点10Bへ接続される。このようにして、左旋偏波の上部素子アンテナ100Tと下部素子アンテナ100Bに給電が行われる。
一方、右旋偏波のアンテナ100Mについては、上部素子アンテナ100Tに設けられた分配ラインD2の端部FD3から中部素子アンテナ100Mの給電点10Mに接続される。
図６に示すように分配ラインD2,D3を素子アンテナ100T,M,B上に配置することで巧みにアレイアンテナが構成されている。

【0023】

図７(a)には、隣り合う円偏波アンテナを水平、垂直の直線偏波アンテナとして励振した場合のアンテナの結合量を示す。もともと、実施例１の素子アンテナは、垂直面内指向性は垂直方向がほとんど放射しないことから、各素子アンテナの分離がとれている（図４）。そして、本発明の円偏波アンテナの分離が高いので、それを示すために敢えて、水平、垂直の直線偏波で励振した。２つの素子アンテナの距離は、0.6λである。図７(a)からは、点線で表される同一偏波同士（例えば、左旋偏波アンテナ（ex.上部素子アンテナ100T）を垂直偏波で励振し、別の左旋偏波アンテナ（ex.下部素子アンテナ100B）で垂直偏波を受信した場合）であっても、中心周波数(fc)に対して上下10％の比帯域において、結合量は-15〜-20[dB]程度と非常に小さくなっている。実線で表される異なる偏波同士（例えば、左旋偏波アンテナ（ex.上部素子アンテナ100T）を垂直偏波で励振し、右旋偏波アンテナ（ex.中部素子アンテナ100M）で水平偏波を受信した場合）では、-35〜-42[dB]という非常に低い結合量となっている。これは、通常の垂直偏波ダイポールアンテナと、水平偏波ダイポールアンテナとを隣接した場合の結合量が-20[dB]程度であるから、さらに20[dB]も低いこととなる。本発明のアンテナが、形状としてロープロファイルであって、さらに放射方向が水平方向であることから、縦方向にアレイ化するのに好適であることが示された。
また、異偏波でありながら、同様の指向性が得られることから、ＭＩＭＯ用アンテナとしても利用可能である。

【0024】

図７(b)は、次に右旋・左旋の両方の円偏波アンテナをそれぞれ垂直・水平偏波アンテナとして励振した場合の水平面内指向性を示している。実線は右旋偏波アンテナを垂直偏波で励振したときの垂直偏波利得（主偏波）を、点線は、右旋偏波アンテナを垂直偏波で励振したときの水平偏波利得（交差偏波）を、一点鎖線は、左旋偏波アンテナを水平偏波で励振したときの水平偏波利得（主偏波）を、二点鎖線は、左旋偏波アンテナを水平偏波で励振したときの垂直偏波利得（交差偏波）を表している。いずれも、主偏波と交差偏波で、利得が７〜８[dB]程度とれていることが読み取れる。
各アンテナの偏波分離度は高くないが、このアンテナを素子アンテナとしてアレイ化する際に、右旋偏波アンテナを垂直偏波で励振し、左旋偏波アンテナを水平偏波で励振することとすることにより、互いの素子アンテナの結合量を低減させることが可能である。

【実施例4】

【0025】

次に、右旋偏波用アンテナと90°回転した左旋偏波用アンテナを１組積層して１アンテナユニットを構成し、さらに各アンテナユニットを90°ずつ回転して４アンテナユニットを同軸状に積層することにより８つの素子アンテナのコーリニアアレイアンテナを構成したものを、図８に示す。図８(a)は、斜め下から見た概観図、図８(b)は斜め上から見た概観図である。
図８のように各ユニット毎90°ずつ回転することにより、それぞれの素子アンテナ特性が重ね合わされることにより、水平面内指向性の偏差を無くし水平面内で均一かつ良好な軸比の特性を得ることが可能である。
なお、図８のコーリニアアレイアンテナは、自由空間波長λで規格化すると、１ユニットの高さが0.34λで、ユニット間隔が0.45λである。
図９は、右旋、左旋の異なる偏波のアンテナを同一の方向に間隔0.2λで配置した場合（破線）と、図８のように、各素子アンテナを90°ずつ回転し、間隔0.17λで配置した場合（実線）との結合量を、中心周波数(fc)に対して上下10％の比帯域において比較している。
実施例４のように素子アンテナを90°ずつ回転して配置を用いることにより、素子アンテナの間隔を小さくしても良好な分離特性が得られていることが分かる。

【0026】

次に、実施例４のアンテナの放射特性について図１０を用いて説明する。
図１０(a)は、実施例４のアンテナの水平面内の軸比を表している。中心周波数(fc)は一点鎖線で、周波数が（fc-10％）が実線、周波数が(fc＋10％)が点線で表されている。
これら全てにおいて、２[dB]を下回っている。一般的に軸比は、３[dB]位までは許容されるところ、本実施例は、十分な特性が得られていることが分かる。また、アンテナを90°ずつオフセットして配置することで水平面内指向性の偏差が抑制されて、均一な特性がえられていることが分かる。
次に図１０(b)は、４段のコーリニアアレイの指向特性を表している。点線が水平面内指向性で、実線が垂直面内指向性である。垂直面内指向性では、0°、180°で非常にシャープに利得が落ちており、放射方向が水平方向となっていることが分かる。

【0027】

＜ダイバーシティ通信システム＞
次に、本発明の実施例である円偏波アンテナが適用された右旋および左旋の円偏波を送受信できるアンテナを備えるダイバーシティ通信システムの構成を示すブロック図を図１１に示す。図１１(a)はダイバーシティ通信システムの構成を示すブロック図であり、図１１(b)はそのダイバーシティ通信機の構成を示すブロック図である。
地上無線通信回線ではフェージングが存在し、通信距離および通信の安定性に対して大きな妨げになっている。このフェージングに対してマージンを補完するために、送信出力の増大を行うとコストが高くなる。また、送信出力を変更しなければ、伝送レートが制限されるようになる。ダイバーシティは、無線技術の一つであり、電波の相互干渉によるフェージングの影響を防ぐために、複数のアンテナから電波を受信し、質の良い信号を選択したり、信号を合成したりして通信の質や信頼性を上げる技術である。ダイバーシティには、距離を離して設置した複数のアンテナで受信する空間ダイバーシティ、複数の異なった偏波を受信するアンテナを設置する偏波ダイバーシティ、信号伝送を一定時間ずらして複数回行う時間ダイバーシティなどがある。

【0028】

図１１(a)に示すダイバーシティ通信システムは、右旋の円偏波と左旋の円偏波とを用いる偏波ダイバーシティによるダイバーシティ通信を行うようにされた構成例を示している。このダイバーシティ通信システムは、右旋および左旋の円偏波を送受信できるアンテナ140-1を備えるダイバーシティ通信機230-1と、右旋および左旋の円偏波を送受信できるアンテナ140-2を備えるダイバーシティ通信機２３０−2とを備えている。アンテナ140-1およびアンテナ140-2に、本発明に係るアンテナ１を適用することができる。

【0029】

ダイバーシティ通信機230-1及びダイバーシティ通信機230-2の構成は同様とされていることから、代表としてダイバーシティ通信機230-1の構成を示すブロック図を図１１(b)に示して説明する。ダイバーシティ通信機230-1は、例えば水位計などからのデータを符号化および変調して送信信号を送出する送信機２３３と、受信信号を復調および複合化して元のデータとする受信機234と、送信と受信とを切り替える送・受切替器232と、アンテナ140-1が送受信する円偏波の旋回方向を右旋と左旋とで切り替えるアンテナ切替器231と、各部の制御を行うマイクロコントローラ235とで構成されている。
ダイバーシティ通信機230-1の動作を説明するが、各部の動作はマイクロコントローラ235により制御されている。送信時においては、送・受切替器232が送信に切り替えられることから、送信機233より送出された送信信号は、送・受切替器232を介してアンテナ切替器231に送られる。アンテナ切替器231では、例えば右旋の円偏波アンテナに切り替えられて、アンテナ140-1から右旋の円偏波で送信信号が送信される。送信された右旋の円偏波の送信信号は、受信側のダイバーシティ通信機230-2におけるアンテナ240-2で受信され、アンテナ切替器231により右旋の円偏波アンテナで受信された受信信号が送・受切替器232に送られるように切り替えられる。送・受切替器232では受信信号を受信機234に供給するよう切り替える。受信機234で受信された信号の受信レベルが、規定の受信レベルに達している場合は受信可と判断されて、元のデータを受信することができる。

【0030】

また、受信機234で受信された信号の受信レベルが、規定の受信レベルに達していない場合は、受信側のダイバーシティ通信機230-2において、左旋の円偏波アンテナで受信された受信信号が送・受切替器232に送られるようにアンテナ切替器231が切り替えられる。これにより、受信機234で受信された信号の受信レベルが、規定の受信レベルに達している場合は受信可と判断して、元のデータを受信することができる。これは、円偏波は反射されると逆旋の偏波になると共に、１回反射された電波のレベルは比較的大きく、逆旋の偏波を受信した方が、受信レベルが高くなる場合があるからである。
このように、ダイバーシティ通信システムでは、以下の（１）ないし（４）の組み合わせで通信を行うことができ、規定の受信レベルが得られるまで以下の（１）ないし（４）の組み合わせに順次切り替えて通信を行うようにしてもよい。
（１）［送信側］右旋円偏波：［受信側］右旋円偏波
（２）［送信側］右旋円偏波：［受信側］左旋円偏波
（３）［送信側］左旋円偏波：［受信側］左旋円偏波
（４）［送信側］左旋円偏波：［受信側］右旋円偏波
なお、ダイバーシティ通信システムでは、規定の受信レベルが得られた際に、受信側が送信側に通信が確立したことを報せるデータを送信するようにしてもよい。

【0031】

上記したダイバーシティ通信システムでは、降雨や降雨による地面の変化および水田や河川の水位の変化、もしくは、潮位の変化などにより生じるフェージングの影響を低減することが可能である。このことから、水位計のデータを送信する場合には、上記したダイバーシティ通信システムを用いると特に効果を発揮することになる。また、右旋と左旋の円偏波アンテナの物理的な位置が異なることから、空間ダイバーシティとしても機能するため、伝搬路の相関性が下がり、偏波ダイバーシティおよび空間ダイバーシティの双方の効果が得られ、フラットフェージングだけでなく、車等の遮蔽等に基づく選択性フェージングにも効果を発揮し安定した通信が可能となる。なお、本発明の、本発明の円偏波アレイアンテナ1を、図１１の第１局のアンテナ140-1、第2局のアンテナ140-2に適用した通信システムについて説明したが、本発明のアンテナを両方の局に適用しなくても十分に効果を発揮するものである。

【符号の説明】

【0032】

10 ホット側給電点
13 コールド側給電点
21,22 ホット側素子
31,32 コールド側素子
50 スペーサ

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図1F】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図3F】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】