CN1100359C - 移动无线通信用天线 - Google Patents

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Abstract

提供基地台设置的支架使用简便的结构就可以解决的细小而轻便的移动无线通信用天线。将同轴馈电线1的内部导体1b比外部导体1a的上端1c向上方延长1/4波长而形成。利用该延长而形成的内部导体1b构成天线振子3。在同轴馈电线1的外侧，以一端与外部导体1a的上端1c连接的状态配置1/4波长的黄铜制的筒状金属管2。在金属管2的开放端的内周的一部分利用攻丝加工形成雌螺纹2b。外周形成雄螺纹4a的绝缘衬垫4插入到金属管2的开放端内。即，将绝缘衬垫4配置到金属管2的开放端一侧内壁的一部分与同轴馈电线1的外部导体1a的一部分之间。在同轴馈电线1的下端1d，设置用于与外部电路连接的同轴接头5。

Description

移动无线通信用天线
技术领域
本发明涉及主要在移动无线通信中使用的基地台用天线。
背景技术
作为移动无线通信等的基地台用天线，主要使用被称为“同轴偶极天线”的结构的偶极天线。图15是以往技术的同轴偶极天线的一例(例如，特开平8-139521号公报)。如图15所示，在同轴馈电线50的外部导体50a的外侧，以一端与外部导体50a的上端连接的状态配置约1/4波长的筒状金属管51。另外，同轴馈电线50的内部导体50b从外部导体50a的上端突出，约1/4波长的天线振子52与突出的内部导体50b连接。这样，就构成了1/2波长偶极天线53。另外，同轴偶极天线的其他例子，已在特开平4-329097号公报中公开，为图16所示的结构。即，由使同轴馈电线54的内部导体比外部导体的上端向上延长约1/4波长而形成的天线元件55和以将一端与外部导体的上端连接的状态配置在同轴馈电线54的外侧的约1/4波长的筒状金属管56构成偶极天线57，由安装在金属管56上的支架58支持无源元件59。另外，作为移动无线通信等的基地台用天线，也可以使用高增益的垂直极化全方向性天线即“直排阵列天线”。以往技术的直排阵列天线已在实开平2-147916号公报中公开，为图17所示的结构。即，在同轴馈电线60的外部导体60a上，周期性地设置圆环狭缝61。在同轴馈电线60的外部导体60a的外侧，位于各圆环狭缝61的两侧，配置一对约1/4波长的筒状金属管62，这样构成多个偶极天线元件63。在最下段的偶极天线元件63与输入端子64之间，设置多级1/4波长阻抗变换电路65，以此进行阻抗匹配。在图17中，示出了同轴馈电线60的内部导体。
但是，图15所示的同轴偶极天线作为垂直极化天线使用时，在同轴馈电线不影响天线特性方面是优异的，但由于筒状金属管构成平衡-不平衡变换器，所以，成为窄带天线。因此，考虑到结构部件尺寸的误差和在制造工序中加工尺寸的误差引起的天线共振频率的偏移，需要比所希望的频带宽得多的频带。这时，虽然增大筒状金属管的直径可以作为实现宽频带化的一个有效的手段使用，但是，如果增大筒状金属管的直径，天线的重量将增加，基地台配置的支架也将变得庞大。
另外，图16所示的同轴偶极天线可以利用无源元件将定向模式设定在任意的方向，所以，例如当设置在室内想只覆盖特定方向的范围时，就成为有效的基地台用天线。但是，在上述结构中，由于偶极天线和无源元件露出，所以，当设置在室外时，耐气候性和机械强度则不足。此外，在这种结构中，由于需要无源元件的支架，所以，制作也麻烦。
通常，在基地台所使用的高增益的直排阵列天线中，要求在使用频带中的驻波比(SWR)小于1.5。在上述以往的结构(图17)中，为了实现这一点，设置多级1/4波长阻抗变换电路进行阻抗匹配，因此，结构便变得复杂，同时天线的总长度也变长了。为了确保移动无线通信的信道数，在增设基地台的过程中，这一问题就成了妨碍基地台的小型化和低成本化的主要原因。
发明内容
本发明就是为了解决以往技术的上述问题而提案的，目的旨在提供基地台设置的支架使用简便的结构就可以解决的细小而轻便的移动无线通信用天线。
另外，本发明的目的还在于提供适合于在室外配置的同时结构简单、容易制作的移动无线通信用天线。
此外，本发明的目的还在于提供不使用阻抗变换电路便可获得宽频带的匹配特性并且小型的结构简单的移动无线通信用的直排阵列天线。
为了达到上述目的，本发明的移动无线通信用天线的第1结构的特征在于：具有由将电介质夹在中间配置成同心圆状的外部导体和内部导体构成的同轴馈电线、使上述内部导体比上述外部导体的上端向上方延长约1/4波长而形成的天线振子、具有以一端与上述外部导体的上端连接的状态配置在上述同轴馈电线的外侧的约1/4波长的筒状导体的偶极天线和插入到上述筒状导体的开放端一侧内壁的一部分与上述同轴馈电线的一部分之间的绝缘衬垫，通过控制上述绝缘衬垫的插入深度，调整上述偶极天线的共振频率。假若按照该移动无线通信用天线的第1结构，则因为通过改变绝缘衬垫的插入深度，可以补偿尺寸引起的频率的误差，所以，可以使天线振子和筒状导体的直径为最佳值，从而可以将天线的尺寸和重量限制到最小限度。结果，便可实现基地台设置的支架使用简便的结构就可以解决的细小而轻便的移动无线通信用天线。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第1结构中，最好在筒状导体的开放端一侧内壁的一部分，通过攻丝加工或深冲加工形成雌螺纹，在绝缘衬垫的外周形成雄螺纹。按照这种理想的例子，利用由雌螺纹和雄螺纹构成的螺丝连接方法，可以很容易地控制绝缘衬垫的插入深度。特别是按照通过深冲加工形成雌螺纹的结构，由于可以使用管壁薄的筒状导体，所以，可以实现更轻量的移动无线通信用天线。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第1结构中，在筒状导体的开放端一侧内壁的一部分最好设置多个台阶，将绝缘衬垫的顶端形成陡峭磨合状。按照这一理想的例子，可以用简单的结构实现即使受到振动等外部的冲击绝缘衬垫的插入深度也不变化的移动无线通信用天线。
另外，本发明的移动无线通信用天线的第2结构的特征在于：具有由将电介质夹在中间配置成同心圆状的外部导体和内部导体构成的同轴馈电线、在上述外部导体的指定位置作为馈电点而设置的圆环狭缝、在上述外部导体的上述圆环狭缝的两侧具有各自相反的一端连接的一对约1/4波长的筒状导体的偶极天线和插入到上述一对筒状导体的开放端一侧内壁的一部分与上述同轴馈电线的一部分之间的一对绝缘衬垫，通过控制上述一对绝缘衬垫的插入深度，调整上述偶极天线的共振频率。按照该移动无线通信用天线的第2结构，通过改变各绝缘衬垫的插入深度，可以修正由尺寸引起的频率的误差，所以，可以使筒状导体的直径为最佳值，从而可以将天线的尺寸和重量限制到最小限度。结果，便可实现基地台设置的支架使用简便的结构就可以解决的细小而轻便的移动无线通信用天线。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第2结构中，最好在筒状导体的开放端一侧内壁的一部分，通过攻丝加工或深冲加工形成雌螺纹，在绝缘衬垫的外周形成雄螺纹。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第2结构中，在筒状导体的开放端一侧内壁的一部分最好设置多个台阶，将绝缘衬垫的顶端形成陡峭磨合状。
另外，本发明的移动无线通信用天线的第3结构的特征在于：将上述本发明的第1结构的移动无线通信用天线作为第1移动无线通信用天线，将上述本发明的第2结构的移动无线通信用天线作为第2移动无线通信用天线，由上述第1移动无线通信用天线和与上述第1移动无线通信用天线的绝缘衬垫一侧连接的至少一个上述第2移动无线通信用天线构成。按照这种移动无线通信用天线的第3结构，通过控制绝缘衬垫的插入深度，可以调整所有的偶极天线的共振频率，从而可以使各偶极天线的特性一致。结果，可以使天线振子和所有的筒状导体的直径为最佳值，从而可以将天线的尺寸和重量限制到最小限度，所以，可以实现基地台设置的支架使用简便的结构就可以解决的细小而轻便的移动无线通信用天线。
另外，本发明的移动无线通信用天线的第4结构的特征在于：具有由将电介质夹在中间配置成同心圆状的外部导体和内部导体构成的同轴馈电线、利用上述同轴馈电线进行馈电的至少一个偶极天线、配置在上述偶极天线附近的至少一个无源元件和覆盖上述偶极天线及无源元件的天线罩，上述无源元件由上述天线罩支持。按照该移动无线通信用天线的第4结构，可以保护偶极天线和无源元件，同时可以构成不需要支持无源元件的专用支架的简单结构，所以，可以实现适于室外设置并且制造容易的移动无线通信用天线。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第4结构中，天线罩最好形成为沿偶极天线的长度方向延伸的圆筒状，上述天线罩的底壁固定在同轴馈电线的下端部，上述偶极天线的前端部插入到设在上述天线罩顶壁上的凹处内。按照这种理想的例子，可以利用天线罩支持偶极天线，所以，可以防止由于偶极天线和无源元件的位置偏离引起特性变化。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第4结构中，偶极天线最好由使同轴馈电线的内部导体比外部导体的上端向上方延长约1/4波长而形成的天线振子和以一端与上述外部导体的上端连接的状态配置在上述同轴馈电线的外侧的约1/4波长的筒状导体构成。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第4结构中，偶极天线最好由在同轴馈电线的外部导体的指定位置作为馈电点而设置圆环狭缝和在上述圆环狭缝的两侧各自相反的一端连接的一对约1/4波长的筒状导体构成。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第4结构中，无源元件最好是固定在天线罩的内壁面上的金属体。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第4结构中，无源元件最好是与天线罩一体形成的金属体。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第4结构中，无源元件最好是印刷或电镀到天线罩的内壁面上而形成的金属体。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第4结构中，无源元件最好是将通过印刷或电镀形成金属体的树脂薄膜粘贴到天线罩的内壁面上而构成。按照这种理想的例子，可以一批形成多个无源元件，从而可以提高尺寸精度。
另外，本发明的移动无线通信用天线的第5结构的特征在于：具有由将电介质夹在中间配置成同心圆状的外部导体和内部导体构成的同轴馈电线、周期性地设置在上述外部导体上的多个圆环狭缝和在上述多个圆环狭缝的两侧以各自相反的一端连接的状态配置一对约1/4波长的筒状导体而构成的多个天线单元，使上述同轴馈电线的特性阻抗以上述多个圆环狭缝的至少一个为界而变化。按照该移动无线通信用天线的第5结构，可以以多个天线单元各自的馈电点即至少一个圆环狭缝为界、与各天线元件的辐射阻抗对应地将同轴馈电线的特性阻抗设定为最佳值。结果，不使用阻抗变换电路便可获得宽频带的匹配特性，并且，可以实现小型且结构简单的直排阵列天线。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第5结构中，多个天线单元最好分别具有并排设置的至少一个无源元件。
另外，在上述本发明的移动无线通信用天线的第5结构中，以从同轴馈电线的一端到最接近上述同轴馈电线的上述一端的圆环狭缝的特性阻抗为标准阻抗时，从最接近上述同轴馈电线的上述一端的圆环到上述同轴馈电线的另一端的特性阻抗最好低于上述标准阻抗。按照这种理想的例子，可以获得以下工作效果。即，直排阵列天线的输入阻抗成为各天线单元的辐射阻抗的总和。因此，当使输入阻抗等于标准阻抗进行阻抗匹配时，各天线单元的辐射阻抗必须低于标准阻抗。结果，按照这种理想的例子，通过使同轴馈电线的特性阻抗与各天线单元的辐射阻抗一致并低于标准阻抗，可以获得宽频带的阻抗匹配特性。另外，这时，从最接近同轴馈电线的一端的圆环狭缝到上述同轴馈电线的另一端的特性阻抗最好一定。按照这种理想的例子，多个天线单元各自的辐射阻抗大致相等时，可以获得最佳的匹配条件。
优选地，根据本发明的的移动无线通信用天线具有：周期性地设置在上述外部导体上的多个圆环狭缝和在上述多个圆环狭缝各自的两侧以一端相对而连接的状态配置一对约1/4波长的筒状导体而构成的多个天线单元，使上述同轴馈电线的特性阻抗以上述多个圆环狭缝的至少一个为界而变化。
附图说明
图1(a)是本发明的移动无线通信用天线的第1实施例的轴侧图，图1(b)是沿图1(a)的A-A的剖面图。
图2是表示在本发明的第1实施例中以绝缘衬垫的插入量为参量的VSWR(电压驻波比)特性变化的情况的频带特性图。
图3是本发明的移动无线通信用天线的第2实施例的轴侧图。
图4是表示在本发明的第2实施例中将第1、第2和第3偶极天线的馈电点的间隔取为91mm时的天线的定向特性图。
图5是表示在本发明的第2实施例中将第1、第2和第3偶极天线的馈电点的间隔取为106mm时的天线的频带特性的VSWR(电压驻波比)特性图。
图6(a)是本发明的移动无线通信用天线的第3实施例的横剖面图，图6(b)是其纵剖面图。
图7是表示在本发明的第3实施例中将无源元件即铜板的长度取为80mm、宽度取为2mm、厚度取为0.2mm时的天线的定向特性图。
图8是本发明的移动无线通信用天线的第4实施例的纵剖面图。
图9是表示在本发明的第4实施例中将第1、第2和第3偶极天线的馈电点的间隔取为91mm时的天线的定向特性图。
图10是本发明的移动无线通信用天线的第5实施例的斜视图。
图11是本发明的移动无线通信用天线的第5实施例的纵剖面图。
图12是本发明第5实施例的移动无线通信用天线(直排阵列天线)的输入等效电路图。
图13是本发明第5实施例的移动无线通信用天线(直排阵列天线)的驻波比(SWR)的频率特性图。
图14是表示本发明第5实施例的移动无线通信用天线(直排阵列天线)的1907MHz的辐射图形的特性图。
图15是表示以往技术的同轴偶极天线的一例的轴侧图。
图16是表示以往技术的同轴偶极天线的其他例的轴侧图。
图17是表示以往技术的直排阵列天线的剖面图。
具体实施方式
下面，使用实施例进一步具体地说明本发明。
(第1实施例)
图1(a)是本发明的移动无线通信用天线的第1实施例的轴侧图，图1(b)是沿图1(a)的A-A的剖面图。
如图1所示，同轴馈电线1由将电介质夹在中间配置成同心圆状的外部导体1a和内部导体1b构成，内部导体1b比外部导体1a的上端1c向上方延长约1/4波长而形成。由该延长形成的内部导体1b构成天线振子3。在同轴馈电线1的外侧，以一端与外部导体1a的上端1c连接的状态配置1/4波长的黄铜制的筒状金属管2。在金属管2的开放端，在其内周的一部分通过攻丝加工形成雌螺纹2b。外周形成雄螺纹4a的氟树脂(例如，聚四氟乙烯)制的绝缘衬垫4插入到金属管2的开放端内。即绝缘衬垫4配置在金属管2的开放端一侧内壁的一部分与同轴馈电线1的外部导体1a的一部分之间。在绝缘衬垫4的顶端形成兼作制动器的旋钮4b。这样便可将绝缘衬垫4的指定长度(插入深度)拧进到金属管2的开放端内。在同轴馈电线1的下端1d，设置用于与外部电路连接的同轴接头5。这里，天线振子3的直径为2mm、长度为36mm，金属管2的直径为8mm、长度为36mm。绝缘衬垫4的插入部的长度为3mm。这样，就构成移动无线通信用天线即频率为1.9GHz的1/2波长偶极天线6。
下面，说明具有上述结构的移动无线通信用天线的频带特性。图2是表示以绝缘衬垫4的插入量为参量的VSWR(电压驻波比)特性变化的情况的频带特性图。
由图2可知，通过插入绝缘衬垫4，与偶极天线串联的负载电容成分增加，谐振频率降低，在电特性上等效于将偶极天线长度伸长。如果将绝缘衬垫4的插入深度加深，谐振频率就减小，如果将绝缘衬垫4的插入深度减小，谐振频率就增大。即，通过改变绝缘衬垫4的插入深度，便可调整谐振频率。其调整范围约为50MHz，相对带宽扩大2.6％，对于修正由于结构部件的尺寸误差和在制造工序中的加工尺寸的误差引起的谐振频率的偏离足够了。
如上所述，按照本实施例，通过改变绝缘衬垫4的插入深度，可以实现宽频带化，所以，使天线振子3和金属管2的直径为最佳值，从而可以将天线的尺寸和重量限制到最小限度。结果，可以实现基地台设置的支架使用简便的结构就可以解决的细小而轻便的移动无线通信用天线。
另外，按照本实施例，如上所述，可以很容易在宽频带范围内调整谐振频率，所以，可以将近年来提案并实用化的各种各样的移动无线通信系统的基地台用天线用一种天线制造。结果，可以降低成本。
下面，列出1.9GHz带的系统及其频带的一例。
国名系统名频带
日本PHS1895～1918MHz
北美PCS(发射)1850～1910MHz
北美PCS(接收)1930～1990MHz
欧洲DECT1880～1900MHz
(第2实施例)
图3是本发明的移动无线通信用天线的第2实施例的轴侧图。
如图3所示，第2偶极天线8与第1偶极天线7的下方连接，第3偶极天线9与第2偶极天线8的下方连接。以此构成直排阵列天线。
在图3中，由于第1偶极天线7与上述第1实施例的结构相同，所以，省略其说明。第2和第3偶极天线8、9按如下方式构成。即，在同轴馈电线10的外部导体的指定位置，通过设置宽度3mm的圆环狭缝10x形成馈电点。在同轴馈电线10的外部导体的外侧，在圆环狭缝10x的两侧配置一对1/4波长的黄铜制的筒状金属管11。这时，一对金属管11相对的端部与外部导体连接。与上述第1实施例一样，氟树脂(例如，聚四氟乙烯)制的绝缘衬垫12插入到金属管11的开放端内。在这样构成的第2和第3偶极天线8、9中通过改变各绝缘衬垫的插入深度，也可以实现宽频带化，所以，可以使金属管11的直径为最佳值，从而可以将天线的尺寸和重量限制到最小限度。
另外，在从第3偶极天线9的下方延伸出的同轴馈电线10的下端，设置用于与外部电路连接的同轴接头14。天线振子13的直径为2mm、长度为36mm，金属管11的直径为8mm、长度为36mm。绝缘衬垫12的插入部的长度为3mm。
下面，说明具有上述结构的移动无线通信用天线的定向特性。图4是将第1、第2和第3偶极天线7、8、9的馈电点的间隔取为91mm时的天线的定向特性图。xyz轴以图3为基准。如图4所示，垂直面(yz面和zx面)的最大增益方向向下方倾斜，倾斜角约为15°。由于该馈电点的间隔小于1波长，所以，如图4所示，其最大增益方向向下方倾斜。即，1.9GHz在自由空间的波长为：λo＝3×108m·s-1/1.9×109s-1＝157.9mm，而在同轴馈电线内的波长为：λg≈λo×0.67＝105.8mm。这里，0.67是波长缩短率。因此，由于第1、第2和第3偶极天线7、8、9的馈电点的间隔91mm小于105.8mm，所以，馈电点的间隔小于1波长。当馈电点的间隔大于1波长时，最大增益方向就向上方倾斜，当馈电点的间隔与1波长的长度相同时，最大增益方向为水平方向。即，利用馈电点的间隔可以控制垂直面(yz面和zx面)的最大增益方向。这是因为，从各偶极天线发射出的电波的相位随馈电点的间隔与同轴馈电线内的电波波长的关系而变化。这就是直排阵列天线的一个有用的特征，应根据用途分开使用。
下面，说明具有上述结构的移动无线通信用天线的频带特性。图5是表示将第1、第2和第3偶极天线7、8、9的馈电点的间隔取为106mm时的天线的频带特性的VSWR特性图。在图5中，(a)表示第1、第2和第3偶极天线7、8、9的谐振频率均调整为1.9GHz时的VSWR特性，(b)表示第1偶极天线7在1.9GHz谐振、第2偶极天线8在1.85GHz谐振、第3偶极天线9在1.95GHz谐振时的VSWR特性。如图5所示，(b)与(a)相比，在频率1.9GHz处，VSWR特性恶化。这是因为，第2和第3偶极天线8、9的谐振频率偏离1.9GHz，在1.9GHz处，对于整个直排阵列天线成为不匹配状态。
由图5可知，为了充分发挥直排阵列天线的特性，最好将各偶极天线的特性调整一致。如果采用本实施例的结构，通过改变绝缘衬垫12的插入深度，便可调整所有的偶极天线7、8、9的谐振频率，从而可以将各偶极天线7、8、9的特性调整一致。结果，便可使天线振子13和所有的金属管11的直径为最佳值，从而可以将天线的尺寸和重量限制到最小限度，所以，可以实现基地台设置的支持机架使用简便的结构就可以解决的细小而轻便的移动无线通信用的直排阵列天线。
在本实施例中，构成直排阵列天线的偶极天线的数量取为3，但是，不一定限于这一结构，偶极天线的数量也可以是3以外的数字。如果增加偶极天线的数量，可以提高直排阵列天线的最大增益。
另外，在上述第1和第2实施例中，是通过攻丝加工在金属管的开放端的内壁形成雌螺纹的，但是，不一定限于这一方法，例如，也可以通过金属管的深冲加工形成雌螺纹。这时，由于可以使用管壁薄的金属管，所以，可以实现更轻量化的移动无线通信用天线。
另外，在上述第1和第2实施例中，作为控制绝缘衬垫的插入深度的方法，是利用由雌螺纹和雄螺纹构成的拧合的方法，但是，不一定限于这一方法，例如，也可以使用多级陡峭磨合方法。这时，金属管的开放端内壁的台阶可以是锯齿状也可以是矩形状。
另外，在上述第1和第2实施例中，作为绝缘衬垫的材料，是使用氟树脂(例如，聚四氟乙烯)，但是，不一定限于这一材料，例如，在考虑了必要的高频特性与介电常数的平衡后，可以选择聚乙烯、聚丙烯、ABS等。通常，高频特性好的介电常数小，在相同的插入深度下，谐振频率的调整范围窄。另一方面，高频特性差的介电常数大，在相同的插入深度下，谐振频率的调整范围宽。
(第3实施例)
图6(a)是本发明的移动无线通信用天线的第3实施例的横剖面图，图6(b)是其纵剖面图。如图6所示，同轴馈电线15由将电介质夹在中间配置成同心圆状的外部导体和内部导体构成，内部导体比外部导体的上端15a向上方延长约1/4波长而形成。由其延长而形成的内部导体构成天线振子16。在同轴馈电线15的外侧，以一端17a与外部导体的上端15a连接的状态配置约1/4波长的黄铜制的金属管18。在金属管18的开放端18b，在其内壁与同轴馈电线15之间插入氟树脂(例如，聚四氟乙烯)制的衬垫16a，以此支持金属管18的另一端18b。在同轴馈电线15的下端15b，设置用于与外部电路连接的同轴接头19。这样，便构成偶极天线20。
FRP(玻璃纤维增强塑料或玻璃钢)制的圆板状的天线罩底盖21b的中央部用粘接剂固定到同轴接头19的接头罩19a上。FRP制的圆筒状的天线罩侧壁21c的下端部固定在天线罩底盖21b上，这样，天线罩侧壁21c便配置到偶极天线20的周围。这时，在天线罩底盖21b的上面，沿其外周设置沟槽，天线罩侧壁21c的下端部嵌入到该沟槽内。这样，便可提高天线罩底盖21b与天线罩侧壁21c的密闭度。FRP制的圆板状的天线罩顶盖21a固定在天线罩侧壁21c的上端部。这时，在天线罩顶盖21a的下面，沿其外周设置沟槽，天线罩侧壁21c的上端部嵌入到该沟槽内。这样，便可提高天线罩侧壁21c与天线罩顶盖21a的密闭度。这样，偶极天线20就成为由圆筒状的天线罩21覆盖的状态。铜板23利用粘接剂固定到天线罩侧壁21c的内壁面上。并且，该铜板23起无源元件的功能，决定偶极天线20的定向特性。另外，在天线罩顶盖21a的下面，在其中央设置突起部22，在该突起部22的下端面上形成凹洞。并且，天线振子16的上端插入到上述凹洞内。以此支持偶极天线20。因此，在外部的冲击和重力的作用下，无源元件即铜板23与偶极天线20之间的间隔也不发生变化。
如上所述，按照本实施例的结构，可以保护偶极天线20和无源元件即铜板23，同时可以构成不需要支持无源元件支架的简单结构，所以，可以实现适于室外配置并且制作容易的移动无线通信用天线。
天线振子16的直径为2mm，金属管18的直径为8mm，长度均为35mm，由这两者构成移动无线通信用天线即频率为1.9GHz的半波长偶极天线20。无源元件即铜板23的长度是控制水平面(xy面)定向特性的因子，铜板23的长度大于1/2波长时，起反射器作用，铜板23的长度小于1/2波长时，起导波器作用。另外，无源元件即铜板23与偶极天线20的中心间距离是决定输入阻抗的因子，该距离小时，输入阻抗小，该距离大时，输入阻抗大。在本实施例中，天线罩21的内径设定为30mm，无源元件即铜板23与偶极天线20的中心间距离设定为15mm。另外，设在天线罩顶盖21a上的凹洞的深度为6mm，直径为2.2mm。
下面，说明具有上述结构的移动无线通信用天线的定向特性。图7是将无源元件即铜板23的长度取为80mm、宽度取为2mm、厚度取为0.2mm时的天线的定向特性图。xyz轴以图6为基准。如图7所示，水平面(xy面)的定向特性成为在-x方向扇形化的图形。即，铜板23起着无源元件的作用，利用其长度控制水平面的定向特性。在本实施例所示尺寸的情况下，由于无源元件(铜板23)的长度大于1/2波长，所以，无源元件起反射器的作用。当这种无源元件(铜板23)的长度小于1/2波长时，无源元件起导波器的作用，成为存在无源元件(铜板23)的+x方向扇形化的图形。这些特征应根据用途分开使用。
(第4实施例)
图8是本发明的第4实施例的移动无线通信用天线的纵剖面图。如图8所示，第2偶极天线25与第1偶极天线24的下方连接，第3偶极天线26与第2偶极天线25的下方连接。这样，构成直排阵列天线。
在图8中，由于第1偶极天线24的结构和上述第3实施例相同，所以，省略其说明。第2和第3偶极天线25、26按如下方式构成。即，在同轴馈电线31的外部导体的指定位置，通过设置宽度3mm的圆环狭缝31x形成馈电点。在同轴馈电线31x的外部导体的外侧，在圆环狭缝31x的两侧，配置一对1/4波长的金属管27。这时，一对金属管27相对的端部与同轴馈电线31的外部导体连接。另外，在各金属管27的开放端，氟树脂(例如，聚四氟乙烯)制的衬垫28插入到其内壁与同轴馈电线31之间，以此支持金属管27的开放端。这些金属管27与上述第3实施例的金属管18(图6)相同。在同轴馈电线31的下端，设置用于与外部电路连接的同轴接续器29。
FRP制的圆板状的天线罩底盖30b的中央部利用粘接剂固定到同轴接头29的接头罩29a上。FRP制的圆筒状的天线罩侧壁30c的下端部固定到天线罩底盖30b上，这样，天线罩侧壁30c就配置到直排阵列天线的周围。这时，在天线罩30b的上面，沿其外周设置沟槽，天线罩侧壁30c的下端部嵌入到该沟槽内。这样，便可提高天线罩底盖30b与天线罩侧壁30c的密闭度。FRP制的圆板状的天线罩顶盖30a固定在天线罩侧壁30c的上端部。这时，在天线罩顶盖30a的下面，沿其外周设置沟槽，天线罩侧壁30c的上端部嵌入到该沟槽内。这样，便可提高天线罩侧壁30c与天线罩顶盖30a的密闭度。这样，直排阵列天线就成为由圆筒状的天线罩30覆盖的状态。与第1、第2和第3偶极天线24、25、26对应地3块铜板34利用粘接剂固定到天线罩侧壁30c的内壁面上。并且，这些铜板34起无源元件的作用，分别决定第1、第2和第3偶极天线24、25、26的定向特性。另外，在天线罩顶盖30a的下面，在其中央部设置突起部33，在该突起部33的下端面上，形成凹洞。并且，天线振子32的上端插入到上述凹洞内，以此支持直排阵列天线。因此，在外部的冲击和重力作用下，无源元件即3块铜板34与第1、第2和第3偶极天线24、25、26之间的间隔不发生变化。
如上所述，按照本实施例的结构，可以保护第1、第2和第3偶极天线24、25、26和无源元件即3块铜板34，同时，可以构成不需要支持无源元件支架的简单结构，所以，可以实现适于在室外配置并且制作容易的移动无线通信用天线。
下面，说明具有上述结构的移动无线通信用天线的定向特性。图9是将第1、第2和第3偶极天线24、25、26的馈电点的间隔取为91mm时的天线的定向特性图。xyz轴以图8为基准。另外，无源元件即铜板34的长度设定为80mm、宽度设定为2mm、厚度设定为0.2mm。如图9所示，垂直面(yz面和zx面)的最大增益方向向下方倾斜，倾斜角约为15°。由于该馈电点的间隔小于1波长，所以，如图9所示，其最大增益方向向下方倾斜。馈电点的间隔大于1波长时，最大增益方向向上方倾斜，馈电点的间隔与1波长的长度相同时，最大增益方向为水平方向。即，利用馈电点的间隔，可以控制垂直面(yz面和zx面)的最大增益方向。这是因为，从各偶极天线发出的电波相位随馈电点的间隔与同轴馈电线内电波波长的关系而变化。这是直排阵列天线的一个有用的特征，应根据用途分开使用。铜板34起无源元件的作用，水平面(xy面)的定向特性成为在-x方向扇形化的图形，这些都和上述第3实施例一样。
在本实施例中，使用3个偶极天线构成直排阵列天线，但是，不一定限于这一结构，偶极天线的个数可以是2个，也可以是4个以上。如果增加偶极天线的个数，可以提高直排阵列天线的最大增益。
另外，在上述第3和第4实施例中，作为无源元件，使用了用粘接剂固定在天线罩21(或31)内壁面上的铜板23(或34)，但是，不一定限于这一结构。作为无源元件，也可以使用与天线罩一体成形的金属体。另外，作为无源元件，还可以使用通过复印印刷将导电油墨印刷到天线罩的内壁面上的图案而形成的金属体或在该印刷了图案的表面进行金属电镀的金属体。此外，将通过印刷或电镀形成金属体的树脂薄膜粘贴到天线罩的内壁面上构成无源元件时，也可以具有与直接印刷到天线罩的内壁面上时相同的功能。这时，具有可以使用丝网印刷的廉价工艺的优点。另外，这时可以一批形成多个无源元件，从而可以提高尺寸精度。
另外，在上述第3和第4实施例中，与各偶极天线并列设置一个无源元件，但是，不一定限于这一结构，也可以与各偶极天线并列设置多个无源元件。这时，可以进而实现特殊的定向特性。
(第5实施例)
图10是本发明的移动无线通信用天线的第5实施例的轴侧图，图11是其纵剖面图。如图10、图11所示，同轴馈电线35由外部导体35a、内部导体35b和填充在外部导体35a的内壁与内部导体35b之间的电介质35c构成。在外部导体35a上，相隔指定的间隔形成圆环狭缝36a、36b。这里，圆环狭缝36a、36b通过将外部导体35a沿圆周方向切削而形成。在外部导体35a的外侧，在圆环缝隙36a、36b的两侧，配置一对1/4波长的筒状金属管37，以此构成偶极天线单元38a、38b。这时，一对金属管37相对的端部与外部导体35a连接。另外，一对金属管37的另一端开放。另外，在外部导体35a的外侧，以一端与外部导体35a的上端35j连接的状态配置1/4波长的筒状金属管37。这时，金属管37的另一端开放。同轴馈电线35的内部导体35b比外部导体35a的上端35j向上方延长1/4波长而形成。这样，便构成最上段的偶极天线单元38c。各托架状的衬垫39的一端固定在构成偶极天线单元38a、38b的下段的金属管37和构成偶极天线单元38c的金属管37上，与各偶极天线单元38a、38b、38c平行的棒状无源元件40支持在各衬垫39的另一端。在同轴馈电线35的外部导体35a的下端35I，设置用于与外部电路连接的同轴接头41。这样，就构成了由3个偶极天线单元组成的直排阵列天线。
在具有上述结构的直排阵列天线中，同轴馈电线35的外部导体35a的内径，从下段的圆环狭缝36a到下端35I的内径粗，从圆环狭缝36a到上端35j的内径变细。这样，就以圆环缝隙36a为界，将上端35j一侧的同轴馈电线35的特性阻抗设定得小于下端35I一侧的同轴馈电线35的特性阻抗。
下面，说明以在1907±13MHz频带使用为目的的由3个偶极天线单元构成的直排阵列天线。金属管37是内径7.6mm、外径8mm的黄铜制的圆筒，其长度设定为35mm，以使其在频带的中心约为1/4波长。另外，无源元件40是直径3mm的黄铜制的棒，其长度设定为81mm，以使其在频带的中心略大于1/2波长。该无源元件40的长度是决定水平面(xy面)内的辐射图形的因子，无源元件40的长度大于1/2波长时，起反射器的作用，无源元件40的长度小于1/2波长时，起导波器的作用。因此，无源元件40的长度根据用途适当地设定。这里，设定为作为前者的反射器使用时的长度。金属管37和无源元件40利用氟树脂(例如，聚四氟乙烯)制的衬垫39所保持，两者的中心间距离设定为12mm。该距离越接近，偶极天线单元38a、38b、38c的辐射阻抗越小。这里，从后面所述的阻抗匹配的观点出发，设定为匹配良好的间隔。同轴馈电线35的内部导体35b是直径为1.5mm的铜线。同轴馈电线35的外部导体35a从下段的圆环狭缝36a到下端35I是内径5.0mm的铜制的圆筒，从圆环狭缝36a到上端35j是内径1.9mm的铜制的圆筒。另外，作为填充在外部导体35a的内壁面与内部导体35b之间的电介质35c，使用介电常数为2的聚四氟乙烯。这样，从圆环狭缝36a到下端35I的同轴馈电线35的特性阻抗约为50Ω，从圆环狭缝36a到上端35j的同轴馈电线35的特性阻抗约为10Ω。圆环狭缝36a、36b分别通过将外部导体35a沿圆周方向切削3mm宽而形成，两者的间隔设定为与在同轴馈电线35中传输的电波的波长相等的111mm。另外，从上段的圆环狭缝36b到外部导体35a的上端35j的间隔也设定为111mm。这些圆环36a、36b和外部导体35a的上端35j分别是偶极天线单元38a、38b、38c的馈电点，它们的间隔是决定垂直面(yz面和zx面)的辐射图形的因子。即，这些间隔大于在同轴馈电线35中传输的电波的波长时，最大增益方向向上方倾斜，小于在同轴馈电线35中传输的电波的波长时，最大增益方向向下方倾斜。因此，圆环狭缝36a、36b和外部导体35a的上端35j之间的间隔根据用途适当地设定。这里，这些间隔设定为与在同轴馈电线35中传输的电波的波长相等，最大增益方向为水平方向。具有上述结构的直排阵列天线的总长度为330mm。
下面，说明具有上述结构的直排阵列天线的输入阻抗特性。图12是直排阵列天线的输入等效电路图。如图12所示，直排阵列天线的输入等效电路，是各偶极天线单元38a、38b、38c的辐射阻抗Za、Zb、Zc通过同轴馈电线35串联的电路。这里，由于偶极天线单元38a、38b、38c的馈电点(即，圆环狭缝36a、36b和外部导体35a的上端j)的间隔Lab和Lbc设定为与在同轴馈电线35中传输的电波的波长相等，所以，在频带的中心频率，Za、Zb、Zc成为以同相位相互匹配，从下段的偶极天线单元38a看另一端35j的阻抗(即输入阻抗)Zin为等于Za、Zb、Zc的总和的值。为了不使用阻抗变换电路而使该阻抗Zin使电路系统的标准阻抗匹配，必须就Za、Zb、Zc的总和设定为与标准阻抗相等的值。这里，将标准阻抗设定为50Ω。由于通常的偶极天线的辐射阻抗高达约70Ω，所以，通过在适当的位置设置无源元件40，将该值减小，从而将偶极天线单元38a、38b、38c的辐射阻抗Za、Zb、Zc分别设定为约17Ω(用单元数3除标准阻抗50Ω而得到的值)。并且，为了保持该阻抗Zin的匹配状态，将从下段的偶极天线单元38a的馈电点(即，圆环狭缝36a)到下端35I的同轴馈电线35的特性阻抗Z。设定为与标准阻抗相等的50Ω。
下面，说明频带附近的驻波比(SWR)特性。图13是直排阵列天线的SWR的频率特性图。如图13所示，直排阵列天线的频带附近的SWR特性随在各偶极天线单元38a、38b、38c之间连接的同轴馈电线35的特性阻抗Z0′(参见图12)而变化。并且，随着同轴馈电线35的特性阻抗Z0′降低，频带附近的SWR的值减小，从而可以获得宽频带的匹配状态。根据上述理由，由于频带中心的偶极天线单元38a、38b、38c的辐射阻抗Za、Zb、Zc的值小于标准阻抗，所以，通过使在各偶极天线单元38a、38b、38c之间连接的同轴馈电线35的特性阻抗Z0′也相应地减小，便可使两者适当地平衡，从而可以获得宽频带的匹配特性。因此，为了获得这一效果，将从下段的偶极天线单元38a的馈电点(即，圆环狭缝36a)到上端35j的同轴馈电线35的特性阻抗Z0′设定为10Ω，实现宽频带的匹配特性。
通过按上述方式构成直排阵列天线，便可以不用阻抗变换电路而以小型并且简单的结构使所需频带内的SWR小于1.5。
下面，说明具有上述结构的直排阵列天线的辐射特性。图14是表示本直排阵列天线在1907MHz的辐射图形的特性图。在图14中，令直排阵列天线的长度方向为z方向，设置无源元件40的方向为x方向，在水平面内从x方向逆时针旋转90°的方向为y方向(参见图10)。如图14所示，在xy面(水平面)内的辐射图形表示在-x方向即无源元件40的相反一侧的方向具有大的增益。这是由于将无源元件40的长度设定得大于1/2波长之故，所以，表示无源元件40起反射器作用。另外，yz面和zx面(垂直面)内的辐射图形表示最大增益方向为水平方向(y轴或x轴的方向)。这是由于使偶极天线单元38a、38b、38c的馈电点间隔与波长相等的缘故。
通过采用上述结构，使用由3个偶极天线单元构成的直排阵列天线可以获得最大增益大于10dB的高辐射特性。这样，在水平面(xy面)内，在特定的方向具有高增益的天线称为“扇形天线”，在将基地台的通信区域限定在一定的方向时以及利用多个天线进行角度分集时等是有用的天线。
在本实施例中，使同轴馈电线35的特性阻抗以下段的圆环狭缝36a为界发生变化，但是，这是为了将偶极天线单元38a、38b、38c的辐射阻抗Za、Zb、Zc基本上设定为一定，当辐射阻抗Za、Zb、Zc不同时，也可以使特性阻抗以其他圆环狭缝为界发生进一步变化。
另外，在本实施例中，通过减小从下段的圆环狭缝36a到上端35j的外部导体35a的内径来降低上端35j一侧的同轴馈电线35的特性阻抗，但是，不一定限于这一结构。例如，也可以通过增大从下段的圆环狭缝36a到上端35j的内部导体35b的直径来降低上端35j一侧的同轴馈电线35的特性阻抗，另外，还可以通过提高填充在下段的圆环狭缝36a到上端35j之间的电介质的介电常数来降低上端35j一侧的同轴馈电线35的特性阻抗。

Claims (13)

1.一种移动无线通信用天线，具有由将电介质夹在中间配置成同心圆状的外部导体和内部导体构成的同轴馈电线、使上述内部导体比上述外部导体的上端向上方延长约1/4波长而形成的天线振子、具有以一端与上述外部导体的上端连接的状态配置在上述同轴馈电线的外侧的约1/4波长的筒状导体的偶极天线和插入到上述筒状导体的开放端一侧内壁的一部分与上述同轴馈电线的一部分之间的绝缘衬垫，
其特征在于所述绝缘衬垫配置为可以控制上述绝缘衬垫的插入深度，以调整上述偶极天线的谐振频率。
2.按权利要求1所述的移动无线通信用天线，其特征在于：利用攻丝加工或深冲加工在筒状导体的开放端一侧内壁的一部分形成雌螺纹，在绝缘衬垫的外周形成雄螺纹。
3.按权利要求1所述的移动无线通信用天线，其特征在于：在筒状导体的开放端一侧内壁的一部分设置多个台阶，将绝缘衬垫的前端形成为陡峭磨合状。
4.一种移动无线通信用天线，具有由将电介质夹在中间配置成同心圆状的外部导体和内部导体构成的同轴馈电线、在上述外部导体上作为馈电点而设置的圆环狭缝、在上述外部导体的上述圆环狭缝的两侧具有各自相反的一端连接的一对约1/4波长的筒状导体的偶极天线和插入到上述一对筒状导体的开放端一侧内壁的一部分与上述同轴馈电线的一部分之间的一对绝缘衬垫，
其特征在于通过将所述一对绝缘衬垫配置为可以控制上述一对绝缘衬垫的插入深度，来调整上述偶极天线的共振频率。
5.按权利要求4所述的移动无线通信用天线，其特征在于：利用攻丝加工或深冲加工在筒状导体的开放端一侧内壁的一部分形成雌螺纹，在绝缘衬垫的外周形成雄螺纹。
6.按权利要求4所述的移动无线通信用天线，其特征在于：在筒状导体的开放端一侧内壁的一部分设置多个台阶，将绝缘衬垫的前端形成为陡峭磨合状。
7.一种移动无线通信用天线，包括第1移动无线通信用天线，和至少一个第2移动无线通信用天线，
第1移动无线通信用天线具有：由将电介质夹在中间配置成同心圆状的外部导体和内部导体构成的同轴馈电线、使上述内部导体比上述外部导体的上端向上方延长约1/4波长而形成的天线振子、具有以一端与上述外部导体的上端连接的状态配置在上述同轴馈电线的外侧的约1/4波长的筒状导体的偶极天线和插入到上述筒状导体的开放端一侧内壁的一部分与上述同轴馈电线的一部分之间的绝缘衬垫，
其特征在于：通过将所述绝缘衬垫配置为可以控制上述绝缘衬垫的插入深度，来调整上述偶极天线的谐振频率；
所述第2移动无线通信用天线具有：由将电介质夹在中间配置成同心圆状的外部导体和内部导体构成的同轴馈电线、在上述外部导体上作为馈电点而设置的圆环狭缝、在上述外部导体的上述圆环狭缝的两侧具有各自相反的一端连接的一对约1/4波长的筒状导体的偶极天线和插入到上述一对筒状导体的开放端一侧内壁的一部分与上述同轴馈电线的一部分之间的一对绝缘衬垫，通过将所述一对绝缘衬垫配置为可以控制上述一对绝缘衬垫的插入深度，来调整上述偶极天线的共振频率；
上述至少一个第2移动无线通信用天线与上述第1移动无线通信用天线的绝缘衬垫一侧连接。
8.根据权利要求7所述的移动无线通信用天线，特征在于：配置在上述偶极天线附近的至少一个无源元件和覆盖上述偶极天线及无源元件的天线罩，上述无源元件由上述天线罩支持。
9.按权利要求8所述的移动无线通信用天线，其特征在于：天线罩形成为沿偶极天线的长度方向延伸的圆筒状，上述天线罩的底壁固定在同轴馈电线的下端部，上述偶极天线的前端部插入到设在上述天线罩的顶壁上的凹洞内。
10.按权利要求8所述的移动无线通信用天线，其特征在于：无源元件是固定在天线罩的内壁面上的金属体。
11.按权利要求8所述的移动无线通信用天线，其特征在于：无源元件是与天线罩一体成形的金属体。
12.按权利要求8所述的移动无线通信用天线，其特征在于：无源元件是通过印刷或电镀在天线罩的内壁面上形成的金属体。
13.按权利要求8所述的移动无线通信用天线，其特征在于：无源元件通过将利用印刷或电镀形成金属体的树脂薄膜粘贴到天线罩的内壁面上而构成。
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