JP2004266333A - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型無線機に搭載するのに適し、水平方向にチルトした水平偏波又は垂直偏波の主ビームを形成するアンテナ装置を実現すること。
【解決手段】線状素子１０１ａ〜１０１ｄは、素子長Ｌ１が半波長の長さを有する導体であり、正方形に配置される。遅延素子１０２ａ及び遅延素子１０２ｂは、全長が１／４波長であり、長さＬ２が１／８波長で折り返された導体である。線状素子１０１ａ及び線状素子１０１ｃは遅延素子１０２ａを介して、線状素子１０１ｂ及び線状素子１０１ｄは遅延素子１０２ｂを介してそれぞれ接続される。給電部１０３は、線状素子１０１ａ及び線状素子１０１ｂの一端に接続され、線状素子に給電を行う。線状素子１０１ｃ及び線状素子１０１ｄの先端は長さＬ３の間隔で開放されている。反射板１０４は、遅延素子付ひし形アンテナから距離ｈが０．４２波長−Ｚ側に離れた位置に配置される。
【選択図】 図１
【解決手段】線状素子１０１ａ〜１０１ｄは、素子長Ｌ１が半波長の長さを有する導体であり、正方形に配置される。遅延素子１０２ａ及び遅延素子１０２ｂは、全長が１／４波長であり、長さＬ２が１／８波長で折り返された導体である。線状素子１０１ａ及び線状素子１０１ｃは遅延素子１０２ａを介して、線状素子１０１ｂ及び線状素子１０１ｄは遅延素子１０２ｂを介してそれぞれ接続される。給電部１０３は、線状素子１０１ａ及び線状素子１０１ｂの一端に接続され、線状素子に給電を行う。線状素子１０１ｃ及び線状素子１０１ｄの先端は長さＬ３の間隔で開放されている。反射板１０４は、遅延素子付ひし形アンテナから距離ｈが０．４２波長−Ｚ側に離れた位置に配置される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信に用いるアンテナ装置に関し、例えば、無線ＬＡＮシステムの固定無線機及び無線端末に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
無線ＬＡＮシステムなどの広帯域無線通信においては、マルチパスフェージングやシャドーイングにより伝送品質が劣化するという問題があり、特に屋内では顕著である。このため、マルチパスフェージングやシャドーイングなどの劣悪な電波伝搬環境でも伝送品質を適度に維持できるように、無線機に搭載される指向性アンテナには主ビームを全ての方向に向けるように制御できるアンテナ装置が求められている。
【０００３】
また、机上に置かれて使用されるノートＰＣ型の端末無線機や天井に設置される固定無線機に搭載されるアンテナには、それら無線機の構造上の理由から平面構造であることが求められると共に、主ビームの仰角がアンテナ面に対して垂直方向から水平方向に傾斜（チルト）していることが求められる。
【０００４】
このような放射特性を実現するセクタアンテナとして、スロット八木・宇田アレー平面マルチセクタアンテナが非特許文献１に開示されている。以下、このセクタアンテナについて簡単に説明する。
【０００５】
図１３は、従来のセクタアンテナの構成を示す図である。この図に示すように、スロットアレー１１ａ〜１１ｆは、それぞれ５素子のスロットが配列されている。セクタアンテナは、このスロットアレー１１ａ〜１１ｆを放射状に円形配列した構成である。このスロットアレー単体（例えば１１ａのみ）の主ビームは、垂直面の仰角θが４５度〜６０度の方向にチルトし、水平面においてＹ方向に向く。このようなスロットアレーを水平面（ＸＹ面）に６０度間隔で配列し、各スロットアレー１１ａ〜１１ｆを選択的に給電することで、３６０度を６分割した各セクタに対して主ビームの指向性を切り替えることができる。このセクタアンテナの寸法は、例えば、動作周波数が５ＧＨｚの場合、直径Ｌ１７が１９８ｍｍ（３．３波長）であり、面積は３０７９０平方ｍｍとなる。
【０００６】
また、他のアンテナとして、先端開放ひし形アンテナが特許文献１及び非特許文献２に開示されている。図１４は、従来のひし形アンテナの構成図である。この図に示すように、線状素子２１及び２２は、動作周波数の１波長の長さを有し、素子中央が所定の角度で折り曲げられ、２本の線状素子でひし形形状となるように配置される。このアンテナでは、給電点２３が給電することにより、アンテナ面（ＸＹ面）に対して垂直なＺ方向に主ビームが得られる。
【０００７】
【非特許文献１】
電子情報通信学会論文誌（Ｂ）Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｂ， Ｎｏ．９， ｐｐ．１６３３−１６４３， ２００２．
【特許文献１】
特開平１１−３５５０３０号公報
【非特許文献２】
電子情報通信学会論文誌（Ｂ）Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｂ， Ｎｏ．１０， ｐｐ．１９１５−１９２２， １９９９．
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のスロット八木・宇田アレー平面マルチセクタアンテナでは、６セクタアンテナの平面寸法が大きく、また円形形状であるため、小型無線機に搭載しにくいという問題がある。
【０００９】
また、上記従来の先端開放ひし形アンテナでは、主ビーム方向がアンテナ面に対して垂直方向であるので、水平方向にチルトした主ビームが得られず、ノートＰＣ型の無線端末や天井に設置される固定無線機に搭載されるアンテナとしては適さないという問題がある。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型無線機に搭載するのに適し、水平方向にチルトした水平偏波又は垂直偏波の主ビームを形成するアンテナ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明のアンテナ装置は、動作周波数の半波長の長さを有し、平面上にひし形形状に配置される４本の線状素子と、ひし形形状の一つの頂点に設けられ、第１線状素子の一端及び第２線状素子の一端に給電する給電手段と、第１線状素子の他端と第３線状素子の一端とに接続され、アンテナ電流の位相を所定の位相分遅延させる第１遅延手段と、第２線状素子の他端と第４線状素子の一端とに接続され、アンテナ電流の位相を前記第１遅延手段と同一の位相分遅延させる第２遅延手段と、前記線状素子が配置された平面と平行に所定の間隔を隔てて配置された反射板と、を具備し、先端が開放された構成を採る。
【００１２】
この構成によれば、第１及び第２遅延手段によりアンテナ電流の位相を所定の位相分遅延させるので、第１及び第２線状素子のアンテナ電流の位相と第２及び第４線状素子のアンテナ電流の位相がずれ、これにより放射される電波と、反射板によって反射される電波の合成により、水平方向にチルトした水平偏波の主ビームを形成するアンテナ装置を実現することができる。
【００１３】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記第１及び第２遅延手段が、所定の範囲内の長さを有し、折り返し形状の線状素子である構成を採る。
【００１４】
この構成によれば、折り返し形状の線状素子を所定の範囲内で長さを変えることで、アンテナ電流の位相の遅延量が変わり、チルト角を変えることができるので、所望のチルト角を得ることができる。
【００１５】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記第１及び第２遅延手段が、集中定数部品である構成を採る。
【００１６】
この構成によれば、集中定数部品の定数を変えることで、アンテナ電流の位相の遅延量が変わり、チルト角を変えることができるので、所望のチルト角を得ることができる。
【００１７】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、半波長以下の長さを有し、前記線状素子の開放端から所定の間隔を隔てて配置された少なくとも一つの導波素子を具備する構成を採る。
【００１８】
この構成によれば、ひし形形状のアンテナ装置から放射される電波を導波素子方向に集中させることができるので、導波素子方向の利得を向上させることができる。
【００１９】
本発明のアンテナ装置は、同一の長さを有する２本の線状素子と、前記２本の線状素子を当該素子の中央で所定の範囲内の長さで折り返して形成された折り返し部と、前記２本の線状素子の一端に接続され、給電を行う給電手段と、前記２本の線状素子を含む平面と平行に所定の間隔を隔てて配置された反射板と、を具備し、前記２本の線状素子を用いて一辺が動作周波数の半波長のひし形形状となるように折り曲げて配置され、前記２本の線状素子の他端が開放された構成を採る。
【００２０】
この構成によれば、２本の線状素子を折り曲げて配置することにより、遅延素子付きひし形形状とすることができるため、少ない部品点数で構成することができ、容易に製造することができる。
【００２１】
本発明のアンテナ装置は、所定の誘電率の誘電体基板と、前記誘電体基板面に形成された導体層と、前記導体層に形成され、一辺が動作周波数の半波長の長さを有するひし形形状のスロット素子と、ひし形形状の対向する一組の頂点にそれぞれ設けられ、アンテナ電流の位相を遅延させる第１及び第２遅延手段と、ひし形形状の対向する他の一組の頂点のうち一方に設けられ、前記スロット素子に給電する給電手段と、ひし形形状の対向する他の一組の頂点のうち他方に形成され、スロット素子を終端させる終端部と、前記導体層から基板を挟んで所定の間隔を隔てた位置に、前記導体層と平行に設けられた反射板と、を具備する構成を採る。
【００２２】
この構成によれば、遅延手段でアンテナ電流の位相を遅延させることができるので、給電手段から遅延手段までのスロット素子と遅延手段から終端部までのスロット素子のアンテナ電流の位相がずれ、これにより放射される電波と、反射板によって反射される電波の合成により、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを形成するアンテナ装置を実現することができる。
【００２３】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記第１及び第２遅延手段が、所定の範囲内の長さを有し、前記導体層に形成された折り返し形状のスロット素子である構成を採る。
【００２４】
この構成によれば、折り返し形状のスロット素子を所定の範囲内で長さを変えることで、アンテナ電流の位相の遅延量が変わり、チルト角を変えることができるので、所望のチルト角を得ることができる。
【００２５】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記給電手段は、前記導体層が形成された基板の裏面に設けられたマイクロストリップラインを用いて給電する構成を採る。
【００２６】
この構成によれば、マイクロストリップラインによりインピーダンス整合がとれた状態で給電することができ、給電を容易に行うことができると共に、アンテナ装置の小型化を図ることができる。
【００２７】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、半波長以下の長さを有し、前記スロット素子の終端部から所定の間隔を隔てて形成された少なくとも一つの導波スロット素子を具備する構成を採る。
【００２８】
この構成によれば、ひし形形状のアンテナ装置から放射される電波を導波スロット素子方向に集中させることができるので、導波スロット素子方向の利得を向上させることができる。
【００２９】
本発明のセクタアンテナ装置は、上記いずれかのアンテナ装置を複数用いて、前記複数のアンテナ装置を平面上にそれぞれ等角度ずつ回転させて配列する構成を採る。
【００３０】
この構成によれば、所望の方向に主ビームを形成するセクタアンテナを実現することができる。
【００３１】
本発明のセクタアンテナ装置は、上記構成において、６個のアンテナ装置を所定の長方形の面上に１列に配列し、かつ、前記６個のアンテナ装置をそれぞれ６０度ずつ回転させて配列する構成を採る。
【００３２】
この構成によれば、６個のアンテナ装置をそれぞれ６０度ずつ回転させて配列することにより、等間隔に６方向に主ビームを形成する６セクタアンテナを実現することができ、ひし形形状のアンテナ装置６個を長方形の面上に配列するので、小型無線機に搭載するのに適したセクタアンテナ実現することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の骨子は、一辺が半波長の先端開放ひし形アンテナにおいて、対向する一組の頂点に遅延素子をそれぞれ設け、かつ、素子の配置面に対して平行に所定の間隔を隔てた位置に反射板を設けることである。また、遅延素子を設けたひし形アンテナを長方形の面上に等角度ずつ回転させて配列することである。
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００３５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。以下、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。
【００３６】
線状素子１０１ａ〜１０１ｄは、素子長Ｌ１が半波長（３０ｍｍ）の長さを有し、素子幅が例えば１ｍｍの導体である。これらの線状素子１０１ａ〜１０１ｄは図１に示すように正方形に配置される。
【００３７】
遅延素子１０２ａ及び遅延素子１０２ｂは、全長が１／４波長（１５ｍｍ）であり、長さＬ２が１／８波長（７．５ｍｍ）で折り返された素子幅１ｍｍの導体である。線状素子１０１ａ及び線状素子１０１ｃは遅延素子１０２ａを介して接続され、線状素子１０１ｂ及び線状素子１０１ｄは遅延素子１０２ｂを介して接続される。
【００３８】
給電部１０３は、線状素子１０１ａ及び線状素子１０１ｂの一端に接続され、線状素子に給電を行う。なお、線状素子１０１ｃ及び線状素子１０１ｄの先端は長さＬ３の間隔で開放されている。
【００３９】
このような線状素子１０１ａ〜１０１ｄ、遅延素子１０２ａ及び１０２ｂ、給電部１０３により、図１に示す遅延素子付ひし形アンテナが構成される。
【００４０】
反射板１０４は、遅延素子付ひし形アンテナが配置された面から距離ｈが０．４２波長（２５ｍｍ）だけ−Ｚ側に離れた位置に配置される。反射板１０４は一辺の長さが１波長（６０ｍｍ）程度以上である方形導体板である。遅延素子付ひし形アンテナと反射板１０４とを固定して距離ｈを安定させる方法として、例えば、樹脂製のスペーサで機械的に支持する方法があり、この方法によればアンテナ性能に及ぼす影響が少ない。
【００４１】
次に、上述した構成を有するアンテナ装置の動作について、図を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の電流分布を示す概念図である。
【００４２】
図２（Ａ）において、線状素子１０１ａ、１０１ｂ上に分布するアンテナ電流はそれぞれ矢印１０５ａ、１０５ｂのようになり、この矢印の向きは線状素子１０１ａ、１０１ｂ上のアンテナ電流の位相が同相であることを示している。線状素子１０１ｃ、１０１ｄ上に分布するアンテナ電流は、遅延素子１０２ａ、１０２ｂによって電流の位相が１０５ａ及び１０５ｂより１／４波長遅れるので、１０５ａ及び１０５ｂが最大となるとき０となる。図２（Ａ）ではこの場合を表している。ここで、線状素子１０１ａと線状素子１０１ｂの二つの素子を一組と見なした場合、アンテナ電流は矢印１０５ａ、１０５ｂをベクトル合成したものと見なすことができ、Ｙ方向偏波の１波長ダイポールに近い動作になると考えられる。
【００４３】
また、図２（Ｂ）において、同様に、線状素子１０１ｃ、１０１ｄ上に分布するアンテナ電流はそれぞれ矢印１０６ａ、１０６ｂのようになり、この矢印の向きはアンテナ電流の位相が同相であることを示している。線状素子１０１ｃと線状素子１０１ｄの二つを一組と見なした場合、アンテナ電流は矢印１０６ａ、１０６ｂをベクトル合成したものと見なすことができ、Ｙ方向偏波の１波長ダイポールとして考えられる。
【００４４】
ここで、仮に、遅延素子１０２ａ及び１０２ｂが存在せず線状素子１０１ａ及び１０１ｃと線状素子１０１ｂ及び１０１ｄがそれぞれ接続されているとすると、主ビームはＺ方向に向き主偏波方向はＹ方向となる。これが、図１４に示す従来のひし形アンテナの動作である。
【００４５】
次に、遅延素子１０２ａ及び１０２ｂが接続された図１に示すアンテナ装置の動作を、垂直ＸＺ面に着目して説明する。
【００４６】
垂直ＸＺ面のみに着目したモデルとして、図３に示す点波源モデルがある。図３は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の動作を点波源モデルを用いて示した模式図である。線状素子１０１ａ及び１０１ｂの組を点波源３０１で、線状素子１０１ｃ及び１０１ｄの組を点波源３０２でモデル化する。ここで、遅延素子１０２ａと１０２ｂの素子長は１／４波長であるので、点波源３０１の励振位相は点波源３０２のそれに対して９０度だけ位相が進むことになる。
【００４７】
また、反射板１０４による効果をモデル化するため、点波源３０１及び３０２から２ｈ（０．８４波長：５０ｍｍ）離れた位置に点波源３０３及び３０４を考える。写像の原理から、点波源３０３及び３０４の励振位相は点波源３０１及び３０２のそれに対してそれぞれ１８０度反転するものと考えられる。
【００４８】
また、各点波源のＸ方向の位置を各線状素子の中央に想定しているので、各点波源のＸ方向の間隔Ｌ４は０．７１波長（４２．４ｍｍ）となる。
【００４９】
このように配置された４つの点波源３０１〜３０４によりアレーの放射は、Ｚ方向からチルト角度α（４５度）だけ傾斜（チルト）した方向に主ビームが得られるものとなる。特に、反射板１０４を設けたことにより、本実施の形態のように実効的なチルト角を実現することができる。
【００５０】
図４は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。この図４（Ａ）において、指向性４０１は、垂直（ＸＺ）面の水平偏波（Ｅφ）成分の指向性を示しており、これからθが４５度方向にチルトした主ビームを確認できる。
【００５１】
また、図４（Ｂ）において、指向性４０２は、θが４５度における円錐（コニカル）面の水平偏波（Ｅφ）成分の指向性を示しており、これからＸ方向に主ビームが向けられており水平面の半値幅（利得が最大利得に対して−３［ｄＢ］以内の角度）が６０度であることが確認できる。この時、主ビームの指向性利得は９．９［ｄＢ］が得られる。
【００５２】
このように本実施の形態のアンテナ装置によれば、半波長の長さを有する線状素子を正方形に配置し、対向する一組の頂点に遅延素子を設け、小型な平面構造とすることにより、小型無線機に搭載するのに適したアンテナ装置を実現することができると共に、チルト角４５度の水平偏波の主ビームを形成することができる。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、線状素子から反射板までの距離ｈを０．４２波長として説明したが、距離ｈを変化させることによりチルト角αを変化させることができる。距離ｈを小さくするとチルト角αは小さくなり、距離ｈを大きくするとチルト角αは大きくなる傾向にある。ただし、距離ｈを大きくしていくと、−Ｘ方向に主ビーム方向以外の方向に不要な指向性の極大点（マイナーローブ）が生じてしまう。このため、用途に応じた距離ｈを１／４波長から１／２波長の範囲で適切に選ぶことにより、アンテナ利得の向上を図ることができる。本実施の形態ではｈ＝０．４２波長としており、これはチルト角と指向性を最適にする値である。
【００５４】
また、本実施の形態においては、遅延素子の長さを１／４波長として説明したが、遅延素子の長さを変化させることによりチルト角αを変化させることができる。遅延素子の長さを短くするとチルト角αは小さくなり、遅延素子の長さを長くするとチルト角αは大きくなる傾向にある。ただし、遅延素子の長さを長くしていくと、−Ｘ方向にマイナーローブが生じてしまう。このため、用途に応じた遅延素子の長さを０．２波長から０．３５波長の範囲で適切に選ぶことにより、アンテナ利得の向上を図ることができる。本実施の形態では遅延素子の長さを１／４波長としており、これはチルト角と指向性を最適にする値である。
【００５５】
また、本実施の形態においては、遅延素子として導体の遅延線路を用いたが、例えばインダクタのような集中定数部品を用いても同様な効果が得られる。
【００５６】
また、本実施の形態においては、線状素子を正方形に配置して説明したが、本発明はこれに限らず、ひし形形状であり、４つの半波長素子のうち二素子ずつ遅延素子を介して接続すれば、基本的に同様な効果が得られる。
【００５７】
また、本実施の形態では、４本の線状素子を用いて説明したが、本発明は、２本の線状素子を折り曲げて線状遅延素子を形成して遅延素子付きひし形アンテナを構成することも可能である。この場合、４本の線状素子を用いる場合に比べ、部品点数を削減することができるうえ、製造も容易に行うことができる。
【００５８】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。ただし、図５が図１と共通する部分には図１と同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。図５が図１と異なる点は、導波素子５０１を追加した点である。以下、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。
【００５９】
図５において、導波素子５０１は、長さＬ５が０．４６波長（２７．６ｍｍ）で素子幅が１ｍｍの導体である。導波素子５０１は線状素子１０１ｃ及び１０１ｄの先端から間隔Ｌ６（１ｍｍ）だけＸ方向に離れた位置に配置される。
【００６０】
図６は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。図６（Ａ）において、指向性６０１は、垂直（ＸＺ）面の水平偏波（Ｅφ）成分の指向性を示しており、これからθが４５度方向にチルトした主ビームが確認できる。また、図６（Ｂ）において、指向性６０２は、θが４５度における円錐（コニカル）面の水平偏波（Ｅφ）成分の指向性を示している。この時、主ビームの指向性利得は１１．２［ｄＢ］が得られる。このように、導波素子５０１を設けることにより、Ｘ方向への放射を集中させることができるため、遅延素子付きひし形アンテナのＸ方向の利得を向上させることができる。すなわち、実施の形態１で説明したアンテナ装置に対して２ｍｍというわずかな寸法の増加により１．３［ｄＢ］高い利得が得られることになる。
【００６１】
このように本実施の形態のアンテナ装置によれば、実施の形態１で説明したアンテナ装置に導波素子を設けることにより、導波素子方向の利得を向上させることができる。
【００６２】
なお、本実施の形態において説明した導波素子５０１と線状素子１０１ｃ及び１０１ｄとの間隔Ｌ６と導波素子５０１の長さＬ５は一例であり、これらのパラメータを変化させると指向性と利得が変化することになり、用途に応じたパラメータを適切に選ぶことができる。
【００６３】
また、導波素子の数は１に限らず、２以上としてＸ方向へ列状に配列することにより、さらに高い利得が得られる。
【００６４】
（実施の形態３）
この実施の形態では、実施の形態１で示したアンテナ装置の線状素子をスロット（空隙）素子に置き換えた場合について説明する。
【００６５】
図７は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。ただし、図７が図１と共通する部分には図１と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。以下、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。
【００６６】
図７において、基板７０１は、誘電率εｒが例えば２．６で、厚さが１．６ｍｍである誘電体である。ここで、基板７０１上における実効的な波長（λｅ）は、自由空間の波長（λｏ）に対して８４％となっている。すなわち、λｅ＝０．８４λｏの関係がある。このため、以下において、実効的な波長（λｅ）を用いて説明する。基板１６の一辺の長さＬ１１は１．１０７λｅ（５６ｍｍ）である。
【００６７】
銅箔層７０２は、基板７０１のＺ側面に接着された銅箔を示している。スロット素子７０３ａ〜７０３ｄは、銅箔層７０２を削剥して形成されたスロット素子である。スロット遅延素子７０４ａ及び７０４ｂも銅箔層７０２を削剥して形成される。スロット素子７０３ａ〜７０３ｄの長さＬ７は、１／２λｅ（２５ｍｍ）に設定される。また、スロット遅延素子７０４ａ及び７０４ｂの素子長は１／４λｅ（１２．６ｍｍ）であり、折り返し長さＬ８は１／８λｅ（６．３ｍｍ）に設定される。
【００６８】
スロット素子７０３ｃ及び７０３ｄの先端の間隙はＬ１０＝２ｍｍであり、この間隙には銅箔層７０２が削剥されずに残っている。スロット素子７０３ａと７０３ｂとはスロット（空隙）が接続されている。
【００６９】
以上のように形成されたスロット素子７０３ａ〜７０３ｄとスロット遅延素子７０４ａ及び７０４ｂとは遅延素子付スロットひし形アンテナを構成しており、長さＬ９は０．７０２λｅ（３５．４ｍｍ）となる。
【００７０】
基板７０１の−Ｚ側面において、スロット素子７０３ａと７０３ｂとの接続点近傍にマイクロストリップライン７０５がＸ方向に沿って銅箔層によって形成される。マイクロストリップライン７０５の幅Ｗは４．３ｍｍであり、その特性インピーダンスは５０Ωに設定される。マイクロストリップライン７０５の先端とスロット素子７０３ａと７０３ｂとの接続点との距離Ｌ１２は例えば４．５ｍｍに設定される。
【００７１】
以上のように構成することにより、マイクロストリップライン７０５と遅延素子付スロットひし形アンテナは電磁的に結合され、マイクロストリップライン７０５は給電線路として動作する。これにより、インピーダンス整合がとれた状態で給電が可能となり、誘電体基板は平面回路であるマイクロストリップラインからの給電が容易となる。さらに、アンテナ装置の小型化を図ることができる。
【００７２】
図７に示す本実施の形態の遅延素子付スロットひし形アンテナは、図１に示す遅延素子付ひし形アンテナの線状素子をスロット素子に置き換えたものとなり、その動作は電界と磁界を置き換えて説明することができる。したがって、図１に示す遅延素子付ひし形アンテナの主偏波成分は水平（Ｅφ）成分であるのに対して、図７に示す遅延素子付スロットひし形アンテナの主偏波成分は垂直（Ｅθ）成分となる。
【００７３】
図８は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。図８（Ａ）において、指向性８０１は、垂直（ＸＺ）面の垂直偏波（Ｅθ）成分の指向性を示しており、これからθが３５度方向にチルトした主ビームが確認できる。
【００７４】
また、図８（Ｂ）において、指向性８０２は、θが３５度における円錐（コニカル）面の垂直偏波（Ｅθ）成分の指向性を示しており、これからＸ方向に主ビームが向けられていることが分かる。また、水平面の半値幅が６０度であることが確認できる。この時、主ビームの指向性利得は１０．６［ｄＢ］が得られる。
【００７５】
このように本実施の形態のアンテナ装置によれば、半波長の長さを有するスロット素子を正方形に配置し、対向する一組の頂点に遅延スロット素子を設け、小型な平面構造とすることにより、小型無線機に搭載するのに適したアンテナ装置を実現することができると共に、チルト角を３５度にすることができ、さらに、主偏波成分を垂直（Ｅθ）偏波成分とすることができる。
【００７６】
なお、本実施の形態においては、スロット素子が誘電体基板上の銅箔層によって形成されているが、例えば、導体板にスロット（空隙）を設けても同様な効果が得られる。
【００７７】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図である。ただし、図９が図７と共通する部分は図７と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。図９が図７と異なる点は、導波スロット素子９０１を追加した点である。以下、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。
【００７８】
図９において、導波スロット素子９０１は長さＬ１３が０．４λｅ（２０．４ｍｍ）で素子幅が１ｍｍの導体である。導波スロット素子９０１はスロット素子７０３ｃ及び７０３ｄの先端から間隔Ｌ１４（２ｍｍ）だけＸ方向に離れた位置にＹ軸と平行に配置される。なお、λｅ＝０．８４λｏとする。
【００７９】
このように、導波スロット素子９０１を形成することにより、遅延素子付スロットひし形アンテナからのＸ方向への放射を集中させることができるため、Ｘ方向の利得と−Ｘ方向の利得との比（Ｆ／Ｂ比）を向上させることができる。
【００８０】
図１０は、本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。図１０（Ａ）において、指向性１００１は、垂直（ＸＺ）面の垂直偏波（Ｅθ）成分の指向性を示しており、これからθが４５度方向にチルトした主ビームが確認できる。また、図１０（Ｂ）において、指向性１００２は、θが４５度における円錐（コニカル）面の垂直偏波（Ｅθ）成分の指向性を示している。
【００８１】
図１０から分かるように、導波スロット素子９０１を形成することにより、チルト角を４０度まで大きくすることができ、また、Ｆ／Ｂ比は１２［ｄＢ］が得られる。
【００８２】
このように本実施の形態のアンテナ装置によれば、実施の形態３で説明したアンテナ装置に導波スロット素子を形成したことにより、チルト角を大きくすることができると共に、さらに高いＦ／Ｂ比を得ることができる。
【００８３】
なお、本実施の形態において説明した導波スロット素子９０１とスロット素子７０３ｃ及び７０３ｄとの間隔Ｌ１４と導波スロット素子９０１の長さＬ１３は一例であり、これらのパラメータを変化させると指向性と利得が変化することになり、用途に応じたパラメータを適切に選ぶことが望ましい。
【００８４】
また、導波スロット素子の数は１に限らず、２以上としてＸ方向へ列状に配列することにより、さらに高いＦ／Ｂ比が得られる。
【００８５】
（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の構成を示す図である。この図が示すアンテナ装置は、図７に示す遅延素子付スロットひし形アンテナを直線状に６個配置したものである。
【００８６】
図１１において、遅延素子付スロットひし形アンテナ１１０１ａ〜１１０１ｆは、それぞれ図７に示すアンテナ装置と同一の構成である。また、各アンテナ１１０１ａ〜１１０１ｆは、それぞれの主ビーム方向（図中点線矢印）が水平（ＸＹ）面において３６０度を６分割して、６０度ずつ異なるように回転させて配置される。
【００８７】
図１１に示す６セクタアンテナの外形寸法は、アンテナの動作周波数が５ＧＨｚの場合、Ｌ１５が３６．６ｍｍ（０．６１波長）、Ｌ１６が２１８．４ｍｍ（３．６４波長）であり、面積は７９９３平方ｍｍとなる。この面積は、図１３に示す従来の６セクタアンテナの面積が３０７９０平方ｍｍであるのに対して、ほぼ１／４の大きさであり大幅に小型化されている。
【００８８】
また、アンテナの動作周波数が２５ＧＨｚの場合、図１１に示す６セクタアンテナの外形は、７．３ｍｍ×４３．７ｍｍの長方形となり、例えばノートＰＣなどの小型無線機に搭載する際に適した形状及び大きさとなる。
【００８９】
図１２は、本発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。この図では、遅延素子付スロットひし形アンテナ１１０１ａ〜１１０１ｆの主ビームの円錐（コニカル）面における垂直偏波（Ｅθ）成分の指向性１２０１ａ〜１２０１ｆを示している。
【００９０】
図１２から分かるように、水平（ＸＹ）面において６０度ずつ異なる方向に指向性が得られており、隣り合うセクタの中間点（例えば３０度方向）では利得が最も低くなるが、この方向でも最大利得より−３［ｄＢ］の利得が得られている。このため、全放射方向にわたって高い利得が得られることになる。
【００９１】
上記のように構成された遅延素子付スロットひし形アンテナ１１０１ａ〜１１０１ｆを選択的に給電することで、水平（ＸＹ）面の３６０度を６分割したセクタの切り替えを行うことができる。これにより、６セクタアンテナを実現することができる。
【００９２】
このように本実施の形態によれば、６個の遅延素子付きスロットひし形アンテナを長方形の面上に６０度ずつ回転させて配置し、アンテナを選択的に給電することで、各放射方向に高い利得が得られ、小型の６セクタアンテナを実現することができる。
【００９３】
なお、本実施の形態では、６セクタアンテナを実現する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、複数セクタアンテナを実現する場合にも適用することができる。
【００９４】
また、本実施の形態では、実施の形態３で示したアンテナ装置を用いて説明したが、他の実施の形態で示したアンテナ装置を用いてもよい。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、一辺が半波長の先端開放ひし形アンテナにおいて、対向する一組の頂点に遅延素子をそれぞれ設け、かつ、素子の配置面に対して平行に所定の間隔を隔てた位置に反射板を設けることにより、水平方向にチルトした水平偏波又は垂直偏波の主ビームを形成することができる。また、遅延素子を設けたひし形アンテナを長方形の面上に等角度ずつ回転させて配列することにより、小型無線機に搭載する際に適したセクタアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の電流分布を示す概念図
【図３】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の動作を点波源モデルで示す模式図
【図４】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図５】本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図
【図６】本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図７】本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す図
【図８】本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図９】本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図
【図１０】本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図１１】本発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の構成を示す図
【図１２】本発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図１３】従来のセクタアンテナの構成を示す図
【図１４】従来のひし形アンテナの構成を示す図
【符号の説明】
１０１ａ〜１０１ｄ 線状素子
１０２ａ、１０２ｂ 遅延素子
１０３ 給電点
１０４ 反射板
５０１ 導波素子
７０１ 基板
７０２ 銅箔層
７０３ａ〜７０３ｄ スロット素子
７０４ａ、７０４ｂ 遅延スロット素子
７０５ マイクロストリップライン
９０１ 導波スロット素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信に用いるアンテナ装置に関し、例えば、無線ＬＡＮシステムの固定無線機及び無線端末に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
無線ＬＡＮシステムなどの広帯域無線通信においては、マルチパスフェージングやシャドーイングにより伝送品質が劣化するという問題があり、特に屋内では顕著である。このため、マルチパスフェージングやシャドーイングなどの劣悪な電波伝搬環境でも伝送品質を適度に維持できるように、無線機に搭載される指向性アンテナには主ビームを全ての方向に向けるように制御できるアンテナ装置が求められている。
【０００３】
また、机上に置かれて使用されるノートＰＣ型の端末無線機や天井に設置される固定無線機に搭載されるアンテナには、それら無線機の構造上の理由から平面構造であることが求められると共に、主ビームの仰角がアンテナ面に対して垂直方向から水平方向に傾斜（チルト）していることが求められる。
【０００４】
このような放射特性を実現するセクタアンテナとして、スロット八木・宇田アレー平面マルチセクタアンテナが非特許文献１に開示されている。以下、このセクタアンテナについて簡単に説明する。
【０００５】
図１３は、従来のセクタアンテナの構成を示す図である。この図に示すように、スロットアレー１１ａ〜１１ｆは、それぞれ５素子のスロットが配列されている。セクタアンテナは、このスロットアレー１１ａ〜１１ｆを放射状に円形配列した構成である。このスロットアレー単体（例えば１１ａのみ）の主ビームは、垂直面の仰角θが４５度〜６０度の方向にチルトし、水平面においてＹ方向に向く。このようなスロットアレーを水平面（ＸＹ面）に６０度間隔で配列し、各スロットアレー１１ａ〜１１ｆを選択的に給電することで、３６０度を６分割した各セクタに対して主ビームの指向性を切り替えることができる。このセクタアンテナの寸法は、例えば、動作周波数が５ＧＨｚの場合、直径Ｌ１７が１９８ｍｍ（３．３波長）であり、面積は３０７９０平方ｍｍとなる。
【０００６】
また、他のアンテナとして、先端開放ひし形アンテナが特許文献１及び非特許文献２に開示されている。図１４は、従来のひし形アンテナの構成図である。この図に示すように、線状素子２１及び２２は、動作周波数の１波長の長さを有し、素子中央が所定の角度で折り曲げられ、２本の線状素子でひし形形状となるように配置される。このアンテナでは、給電点２３が給電することにより、アンテナ面（ＸＹ面）に対して垂直なＺ方向に主ビームが得られる。
【０００７】
【非特許文献１】
電子情報通信学会論文誌（Ｂ）Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｂ， Ｎｏ．９， ｐｐ．１６３３−１６４３， ２００２．
【特許文献１】
特開平１１−３５５０３０号公報
【非特許文献２】
電子情報通信学会論文誌（Ｂ）Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｂ， Ｎｏ．１０， ｐｐ．１９１５−１９２２， １９９９．
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のスロット八木・宇田アレー平面マルチセクタアンテナでは、６セクタアンテナの平面寸法が大きく、また円形形状であるため、小型無線機に搭載しにくいという問題がある。
【０００９】
また、上記従来の先端開放ひし形アンテナでは、主ビーム方向がアンテナ面に対して垂直方向であるので、水平方向にチルトした主ビームが得られず、ノートＰＣ型の無線端末や天井に設置される固定無線機に搭載されるアンテナとしては適さないという問題がある。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型無線機に搭載するのに適し、水平方向にチルトした水平偏波又は垂直偏波の主ビームを形成するアンテナ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明のアンテナ装置は、動作周波数の半波長の長さを有し、平面上にひし形形状に配置される４本の線状素子と、ひし形形状の一つの頂点に設けられ、第１線状素子の一端及び第２線状素子の一端に給電する給電手段と、第１線状素子の他端と第３線状素子の一端とに接続され、アンテナ電流の位相を所定の位相分遅延させる第１遅延手段と、第２線状素子の他端と第４線状素子の一端とに接続され、アンテナ電流の位相を前記第１遅延手段と同一の位相分遅延させる第２遅延手段と、前記線状素子が配置された平面と平行に所定の間隔を隔てて配置された反射板と、を具備し、先端が開放された構成を採る。
【００１２】
この構成によれば、第１及び第２遅延手段によりアンテナ電流の位相を所定の位相分遅延させるので、第１及び第２線状素子のアンテナ電流の位相と第２及び第４線状素子のアンテナ電流の位相がずれ、これにより放射される電波と、反射板によって反射される電波の合成により、水平方向にチルトした水平偏波の主ビームを形成するアンテナ装置を実現することができる。
【００１３】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記第１及び第２遅延手段が、所定の範囲内の長さを有し、折り返し形状の線状素子である構成を採る。
【００１４】
この構成によれば、折り返し形状の線状素子を所定の範囲内で長さを変えることで、アンテナ電流の位相の遅延量が変わり、チルト角を変えることができるので、所望のチルト角を得ることができる。
【００１５】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記第１及び第２遅延手段が、集中定数部品である構成を採る。
【００１６】
この構成によれば、集中定数部品の定数を変えることで、アンテナ電流の位相の遅延量が変わり、チルト角を変えることができるので、所望のチルト角を得ることができる。
【００１７】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、半波長以下の長さを有し、前記線状素子の開放端から所定の間隔を隔てて配置された少なくとも一つの導波素子を具備する構成を採る。
【００１８】
この構成によれば、ひし形形状のアンテナ装置から放射される電波を導波素子方向に集中させることができるので、導波素子方向の利得を向上させることができる。
【００１９】
本発明のアンテナ装置は、同一の長さを有する２本の線状素子と、前記２本の線状素子を当該素子の中央で所定の範囲内の長さで折り返して形成された折り返し部と、前記２本の線状素子の一端に接続され、給電を行う給電手段と、前記２本の線状素子を含む平面と平行に所定の間隔を隔てて配置された反射板と、を具備し、前記２本の線状素子を用いて一辺が動作周波数の半波長のひし形形状となるように折り曲げて配置され、前記２本の線状素子の他端が開放された構成を採る。
【００２０】
この構成によれば、２本の線状素子を折り曲げて配置することにより、遅延素子付きひし形形状とすることができるため、少ない部品点数で構成することができ、容易に製造することができる。
【００２１】
本発明のアンテナ装置は、所定の誘電率の誘電体基板と、前記誘電体基板面に形成された導体層と、前記導体層に形成され、一辺が動作周波数の半波長の長さを有するひし形形状のスロット素子と、ひし形形状の対向する一組の頂点にそれぞれ設けられ、アンテナ電流の位相を遅延させる第１及び第２遅延手段と、ひし形形状の対向する他の一組の頂点のうち一方に設けられ、前記スロット素子に給電する給電手段と、ひし形形状の対向する他の一組の頂点のうち他方に形成され、スロット素子を終端させる終端部と、前記導体層から基板を挟んで所定の間隔を隔てた位置に、前記導体層と平行に設けられた反射板と、を具備する構成を採る。
【００２２】
この構成によれば、遅延手段でアンテナ電流の位相を遅延させることができるので、給電手段から遅延手段までのスロット素子と遅延手段から終端部までのスロット素子のアンテナ電流の位相がずれ、これにより放射される電波と、反射板によって反射される電波の合成により、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを形成するアンテナ装置を実現することができる。
【００２３】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記第１及び第２遅延手段が、所定の範囲内の長さを有し、前記導体層に形成された折り返し形状のスロット素子である構成を採る。
【００２４】
この構成によれば、折り返し形状のスロット素子を所定の範囲内で長さを変えることで、アンテナ電流の位相の遅延量が変わり、チルト角を変えることができるので、所望のチルト角を得ることができる。
【００２５】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記給電手段は、前記導体層が形成された基板の裏面に設けられたマイクロストリップラインを用いて給電する構成を採る。
【００２６】
この構成によれば、マイクロストリップラインによりインピーダンス整合がとれた状態で給電することができ、給電を容易に行うことができると共に、アンテナ装置の小型化を図ることができる。
【００２７】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、半波長以下の長さを有し、前記スロット素子の終端部から所定の間隔を隔てて形成された少なくとも一つの導波スロット素子を具備する構成を採る。
【００２８】
この構成によれば、ひし形形状のアンテナ装置から放射される電波を導波スロット素子方向に集中させることができるので、導波スロット素子方向の利得を向上させることができる。
【００２９】
本発明のセクタアンテナ装置は、上記いずれかのアンテナ装置を複数用いて、前記複数のアンテナ装置を平面上にそれぞれ等角度ずつ回転させて配列する構成を採る。
【００３０】
この構成によれば、所望の方向に主ビームを形成するセクタアンテナを実現することができる。
【００３１】
本発明のセクタアンテナ装置は、上記構成において、６個のアンテナ装置を所定の長方形の面上に１列に配列し、かつ、前記６個のアンテナ装置をそれぞれ６０度ずつ回転させて配列する構成を採る。
【００３２】
この構成によれば、６個のアンテナ装置をそれぞれ６０度ずつ回転させて配列することにより、等間隔に６方向に主ビームを形成する６セクタアンテナを実現することができ、ひし形形状のアンテナ装置６個を長方形の面上に配列するので、小型無線機に搭載するのに適したセクタアンテナ実現することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の骨子は、一辺が半波長の先端開放ひし形アンテナにおいて、対向する一組の頂点に遅延素子をそれぞれ設け、かつ、素子の配置面に対して平行に所定の間隔を隔てた位置に反射板を設けることである。また、遅延素子を設けたひし形アンテナを長方形の面上に等角度ずつ回転させて配列することである。
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００３５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。以下、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。
【００３６】
線状素子１０１ａ〜１０１ｄは、素子長Ｌ１が半波長（３０ｍｍ）の長さを有し、素子幅が例えば１ｍｍの導体である。これらの線状素子１０１ａ〜１０１ｄは図１に示すように正方形に配置される。
【００３７】
遅延素子１０２ａ及び遅延素子１０２ｂは、全長が１／４波長（１５ｍｍ）であり、長さＬ２が１／８波長（７．５ｍｍ）で折り返された素子幅１ｍｍの導体である。線状素子１０１ａ及び線状素子１０１ｃは遅延素子１０２ａを介して接続され、線状素子１０１ｂ及び線状素子１０１ｄは遅延素子１０２ｂを介して接続される。
【００３８】
給電部１０３は、線状素子１０１ａ及び線状素子１０１ｂの一端に接続され、線状素子に給電を行う。なお、線状素子１０１ｃ及び線状素子１０１ｄの先端は長さＬ３の間隔で開放されている。
【００３９】
このような線状素子１０１ａ〜１０１ｄ、遅延素子１０２ａ及び１０２ｂ、給電部１０３により、図１に示す遅延素子付ひし形アンテナが構成される。
【００４０】
反射板１０４は、遅延素子付ひし形アンテナが配置された面から距離ｈが０．４２波長（２５ｍｍ）だけ−Ｚ側に離れた位置に配置される。反射板１０４は一辺の長さが１波長（６０ｍｍ）程度以上である方形導体板である。遅延素子付ひし形アンテナと反射板１０４とを固定して距離ｈを安定させる方法として、例えば、樹脂製のスペーサで機械的に支持する方法があり、この方法によればアンテナ性能に及ぼす影響が少ない。
【００４１】
次に、上述した構成を有するアンテナ装置の動作について、図を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の電流分布を示す概念図である。
【００４２】
図２（Ａ）において、線状素子１０１ａ、１０１ｂ上に分布するアンテナ電流はそれぞれ矢印１０５ａ、１０５ｂのようになり、この矢印の向きは線状素子１０１ａ、１０１ｂ上のアンテナ電流の位相が同相であることを示している。線状素子１０１ｃ、１０１ｄ上に分布するアンテナ電流は、遅延素子１０２ａ、１０２ｂによって電流の位相が１０５ａ及び１０５ｂより１／４波長遅れるので、１０５ａ及び１０５ｂが最大となるとき０となる。図２（Ａ）ではこの場合を表している。ここで、線状素子１０１ａと線状素子１０１ｂの二つの素子を一組と見なした場合、アンテナ電流は矢印１０５ａ、１０５ｂをベクトル合成したものと見なすことができ、Ｙ方向偏波の１波長ダイポールに近い動作になると考えられる。
【００４３】
また、図２（Ｂ）において、同様に、線状素子１０１ｃ、１０１ｄ上に分布するアンテナ電流はそれぞれ矢印１０６ａ、１０６ｂのようになり、この矢印の向きはアンテナ電流の位相が同相であることを示している。線状素子１０１ｃと線状素子１０１ｄの二つを一組と見なした場合、アンテナ電流は矢印１０６ａ、１０６ｂをベクトル合成したものと見なすことができ、Ｙ方向偏波の１波長ダイポールとして考えられる。
【００４４】
ここで、仮に、遅延素子１０２ａ及び１０２ｂが存在せず線状素子１０１ａ及び１０１ｃと線状素子１０１ｂ及び１０１ｄがそれぞれ接続されているとすると、主ビームはＺ方向に向き主偏波方向はＹ方向となる。これが、図１４に示す従来のひし形アンテナの動作である。
【００４５】
次に、遅延素子１０２ａ及び１０２ｂが接続された図１に示すアンテナ装置の動作を、垂直ＸＺ面に着目して説明する。
【００４６】
垂直ＸＺ面のみに着目したモデルとして、図３に示す点波源モデルがある。図３は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の動作を点波源モデルを用いて示した模式図である。線状素子１０１ａ及び１０１ｂの組を点波源３０１で、線状素子１０１ｃ及び１０１ｄの組を点波源３０２でモデル化する。ここで、遅延素子１０２ａと１０２ｂの素子長は１／４波長であるので、点波源３０１の励振位相は点波源３０２のそれに対して９０度だけ位相が進むことになる。
【００４７】
また、反射板１０４による効果をモデル化するため、点波源３０１及び３０２から２ｈ（０．８４波長：５０ｍｍ）離れた位置に点波源３０３及び３０４を考える。写像の原理から、点波源３０３及び３０４の励振位相は点波源３０１及び３０２のそれに対してそれぞれ１８０度反転するものと考えられる。
【００４８】
また、各点波源のＸ方向の位置を各線状素子の中央に想定しているので、各点波源のＸ方向の間隔Ｌ４は０．７１波長（４２．４ｍｍ）となる。
【００４９】
このように配置された４つの点波源３０１〜３０４によりアレーの放射は、Ｚ方向からチルト角度α（４５度）だけ傾斜（チルト）した方向に主ビームが得られるものとなる。特に、反射板１０４を設けたことにより、本実施の形態のように実効的なチルト角を実現することができる。
【００５０】
図４は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。この図４（Ａ）において、指向性４０１は、垂直（ＸＺ）面の水平偏波（Ｅφ）成分の指向性を示しており、これからθが４５度方向にチルトした主ビームを確認できる。
【００５１】
また、図４（Ｂ）において、指向性４０２は、θが４５度における円錐（コニカル）面の水平偏波（Ｅφ）成分の指向性を示しており、これからＸ方向に主ビームが向けられており水平面の半値幅（利得が最大利得に対して−３［ｄＢ］以内の角度）が６０度であることが確認できる。この時、主ビームの指向性利得は９．９［ｄＢ］が得られる。
【００５２】
このように本実施の形態のアンテナ装置によれば、半波長の長さを有する線状素子を正方形に配置し、対向する一組の頂点に遅延素子を設け、小型な平面構造とすることにより、小型無線機に搭載するのに適したアンテナ装置を実現することができると共に、チルト角４５度の水平偏波の主ビームを形成することができる。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、線状素子から反射板までの距離ｈを０．４２波長として説明したが、距離ｈを変化させることによりチルト角αを変化させることができる。距離ｈを小さくするとチルト角αは小さくなり、距離ｈを大きくするとチルト角αは大きくなる傾向にある。ただし、距離ｈを大きくしていくと、−Ｘ方向に主ビーム方向以外の方向に不要な指向性の極大点（マイナーローブ）が生じてしまう。このため、用途に応じた距離ｈを１／４波長から１／２波長の範囲で適切に選ぶことにより、アンテナ利得の向上を図ることができる。本実施の形態ではｈ＝０．４２波長としており、これはチルト角と指向性を最適にする値である。
【００５４】
また、本実施の形態においては、遅延素子の長さを１／４波長として説明したが、遅延素子の長さを変化させることによりチルト角αを変化させることができる。遅延素子の長さを短くするとチルト角αは小さくなり、遅延素子の長さを長くするとチルト角αは大きくなる傾向にある。ただし、遅延素子の長さを長くしていくと、−Ｘ方向にマイナーローブが生じてしまう。このため、用途に応じた遅延素子の長さを０．２波長から０．３５波長の範囲で適切に選ぶことにより、アンテナ利得の向上を図ることができる。本実施の形態では遅延素子の長さを１／４波長としており、これはチルト角と指向性を最適にする値である。
【００５５】
また、本実施の形態においては、遅延素子として導体の遅延線路を用いたが、例えばインダクタのような集中定数部品を用いても同様な効果が得られる。
【００５６】
また、本実施の形態においては、線状素子を正方形に配置して説明したが、本発明はこれに限らず、ひし形形状であり、４つの半波長素子のうち二素子ずつ遅延素子を介して接続すれば、基本的に同様な効果が得られる。
【００５７】
また、本実施の形態では、４本の線状素子を用いて説明したが、本発明は、２本の線状素子を折り曲げて線状遅延素子を形成して遅延素子付きひし形アンテナを構成することも可能である。この場合、４本の線状素子を用いる場合に比べ、部品点数を削減することができるうえ、製造も容易に行うことができる。
【００５８】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。ただし、図５が図１と共通する部分には図１と同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。図５が図１と異なる点は、導波素子５０１を追加した点である。以下、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。
【００５９】
図５において、導波素子５０１は、長さＬ５が０．４６波長（２７．６ｍｍ）で素子幅が１ｍｍの導体である。導波素子５０１は線状素子１０１ｃ及び１０１ｄの先端から間隔Ｌ６（１ｍｍ）だけＸ方向に離れた位置に配置される。
【００６０】
図６は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。図６（Ａ）において、指向性６０１は、垂直（ＸＺ）面の水平偏波（Ｅφ）成分の指向性を示しており、これからθが４５度方向にチルトした主ビームが確認できる。また、図６（Ｂ）において、指向性６０２は、θが４５度における円錐（コニカル）面の水平偏波（Ｅφ）成分の指向性を示している。この時、主ビームの指向性利得は１１．２［ｄＢ］が得られる。このように、導波素子５０１を設けることにより、Ｘ方向への放射を集中させることができるため、遅延素子付きひし形アンテナのＸ方向の利得を向上させることができる。すなわち、実施の形態１で説明したアンテナ装置に対して２ｍｍというわずかな寸法の増加により１．３［ｄＢ］高い利得が得られることになる。
【００６１】
このように本実施の形態のアンテナ装置によれば、実施の形態１で説明したアンテナ装置に導波素子を設けることにより、導波素子方向の利得を向上させることができる。
【００６２】
なお、本実施の形態において説明した導波素子５０１と線状素子１０１ｃ及び１０１ｄとの間隔Ｌ６と導波素子５０１の長さＬ５は一例であり、これらのパラメータを変化させると指向性と利得が変化することになり、用途に応じたパラメータを適切に選ぶことができる。
【００６３】
また、導波素子の数は１に限らず、２以上としてＸ方向へ列状に配列することにより、さらに高い利得が得られる。
【００６４】
（実施の形態３）
この実施の形態では、実施の形態１で示したアンテナ装置の線状素子をスロット（空隙）素子に置き換えた場合について説明する。
【００６５】
図７は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。ただし、図７が図１と共通する部分には図１と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。以下、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。
【００６６】
図７において、基板７０１は、誘電率εｒが例えば２．６で、厚さが１．６ｍｍである誘電体である。ここで、基板７０１上における実効的な波長（λｅ）は、自由空間の波長（λｏ）に対して８４％となっている。すなわち、λｅ＝０．８４λｏの関係がある。このため、以下において、実効的な波長（λｅ）を用いて説明する。基板１６の一辺の長さＬ１１は１．１０７λｅ（５６ｍｍ）である。
【００６７】
銅箔層７０２は、基板７０１のＺ側面に接着された銅箔を示している。スロット素子７０３ａ〜７０３ｄは、銅箔層７０２を削剥して形成されたスロット素子である。スロット遅延素子７０４ａ及び７０４ｂも銅箔層７０２を削剥して形成される。スロット素子７０３ａ〜７０３ｄの長さＬ７は、１／２λｅ（２５ｍｍ）に設定される。また、スロット遅延素子７０４ａ及び７０４ｂの素子長は１／４λｅ（１２．６ｍｍ）であり、折り返し長さＬ８は１／８λｅ（６．３ｍｍ）に設定される。
【００６８】
スロット素子７０３ｃ及び７０３ｄの先端の間隙はＬ１０＝２ｍｍであり、この間隙には銅箔層７０２が削剥されずに残っている。スロット素子７０３ａと７０３ｂとはスロット（空隙）が接続されている。
【００６９】
以上のように形成されたスロット素子７０３ａ〜７０３ｄとスロット遅延素子７０４ａ及び７０４ｂとは遅延素子付スロットひし形アンテナを構成しており、長さＬ９は０．７０２λｅ（３５．４ｍｍ）となる。
【００７０】
基板７０１の−Ｚ側面において、スロット素子７０３ａと７０３ｂとの接続点近傍にマイクロストリップライン７０５がＸ方向に沿って銅箔層によって形成される。マイクロストリップライン７０５の幅Ｗは４．３ｍｍであり、その特性インピーダンスは５０Ωに設定される。マイクロストリップライン７０５の先端とスロット素子７０３ａと７０３ｂとの接続点との距離Ｌ１２は例えば４．５ｍｍに設定される。
【００７１】
以上のように構成することにより、マイクロストリップライン７０５と遅延素子付スロットひし形アンテナは電磁的に結合され、マイクロストリップライン７０５は給電線路として動作する。これにより、インピーダンス整合がとれた状態で給電が可能となり、誘電体基板は平面回路であるマイクロストリップラインからの給電が容易となる。さらに、アンテナ装置の小型化を図ることができる。
【００７２】
図７に示す本実施の形態の遅延素子付スロットひし形アンテナは、図１に示す遅延素子付ひし形アンテナの線状素子をスロット素子に置き換えたものとなり、その動作は電界と磁界を置き換えて説明することができる。したがって、図１に示す遅延素子付ひし形アンテナの主偏波成分は水平（Ｅφ）成分であるのに対して、図７に示す遅延素子付スロットひし形アンテナの主偏波成分は垂直（Ｅθ）成分となる。
【００７３】
図８は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。図８（Ａ）において、指向性８０１は、垂直（ＸＺ）面の垂直偏波（Ｅθ）成分の指向性を示しており、これからθが３５度方向にチルトした主ビームが確認できる。
【００７４】
また、図８（Ｂ）において、指向性８０２は、θが３５度における円錐（コニカル）面の垂直偏波（Ｅθ）成分の指向性を示しており、これからＸ方向に主ビームが向けられていることが分かる。また、水平面の半値幅が６０度であることが確認できる。この時、主ビームの指向性利得は１０．６［ｄＢ］が得られる。
【００７５】
このように本実施の形態のアンテナ装置によれば、半波長の長さを有するスロット素子を正方形に配置し、対向する一組の頂点に遅延スロット素子を設け、小型な平面構造とすることにより、小型無線機に搭載するのに適したアンテナ装置を実現することができると共に、チルト角を３５度にすることができ、さらに、主偏波成分を垂直（Ｅθ）偏波成分とすることができる。
【００７６】
なお、本実施の形態においては、スロット素子が誘電体基板上の銅箔層によって形成されているが、例えば、導体板にスロット（空隙）を設けても同様な効果が得られる。
【００７７】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図である。ただし、図９が図７と共通する部分は図７と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。図９が図７と異なる点は、導波スロット素子９０１を追加した点である。以下、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。
【００７８】
図９において、導波スロット素子９０１は長さＬ１３が０．４λｅ（２０．４ｍｍ）で素子幅が１ｍｍの導体である。導波スロット素子９０１はスロット素子７０３ｃ及び７０３ｄの先端から間隔Ｌ１４（２ｍｍ）だけＸ方向に離れた位置にＹ軸と平行に配置される。なお、λｅ＝０．８４λｏとする。
【００７９】
このように、導波スロット素子９０１を形成することにより、遅延素子付スロットひし形アンテナからのＸ方向への放射を集中させることができるため、Ｘ方向の利得と−Ｘ方向の利得との比（Ｆ／Ｂ比）を向上させることができる。
【００８０】
図１０は、本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。図１０（Ａ）において、指向性１００１は、垂直（ＸＺ）面の垂直偏波（Ｅθ）成分の指向性を示しており、これからθが４５度方向にチルトした主ビームが確認できる。また、図１０（Ｂ）において、指向性１００２は、θが４５度における円錐（コニカル）面の垂直偏波（Ｅθ）成分の指向性を示している。
【００８１】
図１０から分かるように、導波スロット素子９０１を形成することにより、チルト角を４０度まで大きくすることができ、また、Ｆ／Ｂ比は１２［ｄＢ］が得られる。
【００８２】
このように本実施の形態のアンテナ装置によれば、実施の形態３で説明したアンテナ装置に導波スロット素子を形成したことにより、チルト角を大きくすることができると共に、さらに高いＦ／Ｂ比を得ることができる。
【００８３】
なお、本実施の形態において説明した導波スロット素子９０１とスロット素子７０３ｃ及び７０３ｄとの間隔Ｌ１４と導波スロット素子９０１の長さＬ１３は一例であり、これらのパラメータを変化させると指向性と利得が変化することになり、用途に応じたパラメータを適切に選ぶことが望ましい。
【００８４】
また、導波スロット素子の数は１に限らず、２以上としてＸ方向へ列状に配列することにより、さらに高いＦ／Ｂ比が得られる。
【００８５】
（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の構成を示す図である。この図が示すアンテナ装置は、図７に示す遅延素子付スロットひし形アンテナを直線状に６個配置したものである。
【００８６】
図１１において、遅延素子付スロットひし形アンテナ１１０１ａ〜１１０１ｆは、それぞれ図７に示すアンテナ装置と同一の構成である。また、各アンテナ１１０１ａ〜１１０１ｆは、それぞれの主ビーム方向（図中点線矢印）が水平（ＸＹ）面において３６０度を６分割して、６０度ずつ異なるように回転させて配置される。
【００８７】
図１１に示す６セクタアンテナの外形寸法は、アンテナの動作周波数が５ＧＨｚの場合、Ｌ１５が３６．６ｍｍ（０．６１波長）、Ｌ１６が２１８．４ｍｍ（３．６４波長）であり、面積は７９９３平方ｍｍとなる。この面積は、図１３に示す従来の６セクタアンテナの面積が３０７９０平方ｍｍであるのに対して、ほぼ１／４の大きさであり大幅に小型化されている。
【００８８】
また、アンテナの動作周波数が２５ＧＨｚの場合、図１１に示す６セクタアンテナの外形は、７．３ｍｍ×４３．７ｍｍの長方形となり、例えばノートＰＣなどの小型無線機に搭載する際に適した形状及び大きさとなる。
【００８９】
図１２は、本発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。この図では、遅延素子付スロットひし形アンテナ１１０１ａ〜１１０１ｆの主ビームの円錐（コニカル）面における垂直偏波（Ｅθ）成分の指向性１２０１ａ〜１２０１ｆを示している。
【００９０】
図１２から分かるように、水平（ＸＹ）面において６０度ずつ異なる方向に指向性が得られており、隣り合うセクタの中間点（例えば３０度方向）では利得が最も低くなるが、この方向でも最大利得より−３［ｄＢ］の利得が得られている。このため、全放射方向にわたって高い利得が得られることになる。
【００９１】
上記のように構成された遅延素子付スロットひし形アンテナ１１０１ａ〜１１０１ｆを選択的に給電することで、水平（ＸＹ）面の３６０度を６分割したセクタの切り替えを行うことができる。これにより、６セクタアンテナを実現することができる。
【００９２】
このように本実施の形態によれば、６個の遅延素子付きスロットひし形アンテナを長方形の面上に６０度ずつ回転させて配置し、アンテナを選択的に給電することで、各放射方向に高い利得が得られ、小型の６セクタアンテナを実現することができる。
【００９３】
なお、本実施の形態では、６セクタアンテナを実現する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、複数セクタアンテナを実現する場合にも適用することができる。
【００９４】
また、本実施の形態では、実施の形態３で示したアンテナ装置を用いて説明したが、他の実施の形態で示したアンテナ装置を用いてもよい。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、一辺が半波長の先端開放ひし形アンテナにおいて、対向する一組の頂点に遅延素子をそれぞれ設け、かつ、素子の配置面に対して平行に所定の間隔を隔てた位置に反射板を設けることにより、水平方向にチルトした水平偏波又は垂直偏波の主ビームを形成することができる。また、遅延素子を設けたひし形アンテナを長方形の面上に等角度ずつ回転させて配列することにより、小型無線機に搭載する際に適したセクタアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の電流分布を示す概念図
【図３】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の動作を点波源モデルで示す模式図
【図４】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図５】本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図
【図６】本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図７】本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す図
【図８】本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図９】本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図
【図１０】本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図１１】本発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の構成を示す図
【図１２】本発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図１３】従来のセクタアンテナの構成を示す図
【図１４】従来のひし形アンテナの構成を示す図
【符号の説明】
１０１ａ〜１０１ｄ 線状素子
１０２ａ、１０２ｂ 遅延素子
１０３ 給電点
１０４ 反射板
５０１ 導波素子
７０１ 基板
７０２ 銅箔層
７０３ａ〜７０３ｄ スロット素子
７０４ａ、７０４ｂ 遅延スロット素子
７０５ マイクロストリップライン
９０１ 導波スロット素子
Claims (11)
- 動作周波数の半波長の長さを有し、平面上にひし形形状に配置される４本の線状素子と、
ひし形形状の一つの頂点に設けられ、第１線状素子の一端及び第２線状素子の一端に給電する給電手段と、
第１線状素子の他端と第３線状素子の一端とに接続され、アンテナ電流の位相を所定の位相分遅延させる第１遅延手段と、
第２線状素子の他端と第４線状素子の一端とに接続され、アンテナ電流の位相を前記第１遅延手段と同一の位相分遅延させる第２遅延手段と、
前記線状素子が配置された平面と平行に所定の間隔を隔てて配置された反射板と、
を具備し、
先端が開放されたことを特徴とするアンテナ装置。 - 前記第１及び第２遅延手段は、所定の範囲内の長さを有し、折り返し形状の線状素子であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
- 前記第１及び第２遅延手段は、集中定数部品であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
- 半波長以下の長さを有し、前記線状素子の開放端から所定の間隔を隔てて配置された少なくとも一つの導波素子を具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のアンテナ装置。
- 同一の長さを有する２本の線状素子と、
前記２本の線状素子を当該素子の中央で所定の範囲内の長さで折り返して形成された折り返し部と、
前記２本の線状素子の一端に接続され、給電を行う給電手段と、
前記２本の線状素子を含む平面と平行に所定の間隔を隔てて配置された反射板と、
を具備し、
前記２本の線状素子を用いて一辺が動作周波数の半波長のひし形形状となるように折り曲げて配置され、前記２本の線状素子の他端が開放されたことを特徴とするアンテナ装置。 - 所定の誘電率の誘電体基板と、
前記誘電体基板面に形成された導体層と、
前記導体層に形成され、一辺が動作周波数の半波長の長さを有するひし形形状のスロット素子と、
ひし形形状の対向する一組の頂点にそれぞれ設けられ、アンテナ電流の位相を遅延させる第１及び第２遅延手段と、
ひし形形状の対向する他の一組の頂点のうち一方に設けられ、前記スロット素子に給電する給電手段と、
ひし形形状の対向する他の一組の頂点のうち他方に形成され、スロット素子を終端させる終端部と、
前記導体層から基板を挟んで所定の間隔を隔てた位置に、前記導体層と平行に設けられた反射板と、
を具備することを特徴とするアンテナ装置。 - 前記第１及び第２遅延手段は、所定の範囲内の長さを有し、前記導体層に形成された折り返し形状のスロット素子であることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。
- 前記給電手段は、前記導体層が形成された基板の裏面に設けられたマイクロストリップラインを用いて給電することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のアンテナ装置。
- 半波長以下の長さを有し、前記スロット素子の終端部から所定の間隔を隔てて形成された少なくとも一つの導波スロット素子を具備することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかに記載のアンテナ装置。
- 請求項１から請求項９のいずれかに記載のアンテナ装置を複数用いて、前記複数のアンテナ装置を平面上にそれぞれ等角度ずつ回転させて配列することを特徴とするセクタアンテナ装置。
- ６個のアンテナ装置を所定の長方形の面上に１列に配列し、かつ、前記６個のアンテナ装置をそれぞれ６０度ずつ回転させて配列することを特徴とする請求項１０に記載のセクタアンテナ装置。
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