JP2004266484A - 無指向性アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】垂直面における主ビーム方向が一定で、中心周波数に対して使用周波数帯域の上限や下限での指向性利得の差がなく、サイドローブの抑制が可能で、細径に形成でき、アンテナ周方向における垂直面指向性の差が小さい無指向性アンテナを提供する。
【解決手段】上下に分岐した給電線２を設け、その給電線２の上端及び下端に上下に分岐した次の給電線２又は放射素子３のいずれかを設け、その給電線２の上端及び下端にはさらに次の給電線２又は放射素子３のいずれかを設けることにより、次々に上下二分岐された給電線２の端末にそれぞれ放射素子３を配置した。周波数による位相ずれが小さいので、垂直面における主ビーム方向が周波数によらず一定する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の放射素子を上下に配置し水平面指向性を無指向性にしたアンテナに係り、特に、垂直面における主ビーム方向が一定で、中心周波数に対して使用周波数帯域の上限や下限での指向性利得の差がなく、サイドローブの抑制が可能で、細径に形成でき、アンテナ周方向における垂直面指向性の差が小さい無指向性アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信の基地局用アンテナとして上下に配置した複数の放射素子を有し、水平面指向性が無指向性である無指向性アンテナ（無指向性アレイアンテナ、無指向性オムニアンテナとも言う）を用いる場合、放射素子としては、半波長ダイポールアンテナやパッチアンテナが用いられている。そして、放射素子への給電方式としては、従来一般に、直列給電方式と中央給電方式とがある。直列給電方式は、下端を給電点とし上に延びた一本の給電線に対しこの給電線から等間隔のところに上下に配置された複数の放射素子を各々繋ぐことにより、給電線から放射素子への分岐点が給電線上に直列に並ぶ方式である。また、中央給電方式は、中央を給電点とし上下に延びた一本の給電線に対し上側にも下側にも複数の放射素子を繋ぐことにより、給電点からの電力を上方向と下方向に二分配し、それぞれの方向に直列給電方式で給電する方式である。
【０００３】
近年、標準化が進められている２ＧＨｚ帯ＩＭＴ−２０００システムでは、従来より広い周波数帯域を使用して通信が行われる。このように中心周波数に対して使用周波数帯域の上限と下限が離れている場合には、上記２つの給電方式には、それぞれ周波数による問題がある。即ち、直列給電方式には、上限周波数や下限周波数では垂直面指向性における主ビーム（メインローブ）方向が中心周波数における主ビーム方向と異なるという問題がある。また、中央給電方式には、所定のビーム方向において上限周波数や下限周波数での利得が中心周波数での利得より減少するという問題がある。
【０００４】
アンテナの指向性を改善する先行技術の文献として、特許文献１及び２がある。特許文献１は、上下に配置した複数の放射素子の水平方向の角度を異ならせることにより、それぞれの放射素子が持つ水平面指向性を重畳させてより広い水平面指向性を得ようというものである。また、特許文献２は、上下に配置した複数の放射素子の水平方向の角度を異ならせることにより、それぞれの放射素子が持つ水平面指向性を重畳させて全体で水平面指向性の無指向性を得ようというものである。
【０００５】
特許文献１及び２には、水平面指向性を改善するための構成が示されているが、使用周波数帯域が広い場合について、或いは垂直面指向性を改善することについては何も言及されていない。本発明では、広い周波数帯域内での周波数による垂直面指向性の不一致、並びにアンテナ周方向による垂直面指向性の不一致を改善することを目指す。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２３２８５８号公報
【特許文献２】
特開平１１−２１５０４０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した直列給電方式の問題点を解決し、使用周波数帯域の上限から下限まで垂直面における主ビーム方向が一定である無指向性アンテナが望まれている。垂直面指向性における主ビーム方向が一定しないのは、周波数に依存して各放射素子に生じる位相ずれが原因である。
【０００８】
同時に、前述した中央給電方式の問題点を解決し、上限周波数や下限周波数での利得が中心周波数での利得と差がない無指向性アンテナが望まれている。この原因は、上限周波数や下限周波数において、給電点から上の複数の放射素子によりもたらされる部分的な主ビームの方向と給電点から下の複数の放射素子によりもたらされる部分的な主ビームの方向とが同一でなく、これらの部分的な主ビームの方向が中心周波数における主ビームの方向と上下に食い違っているため、合成された全体の主ビームの上下幅が中心周波数における主ビームの上下幅よりも広くなるからである。
【０００９】
また、不要輻射である垂直面指向性におけるサイドローブを抑制することが望まれている。しかし、サイドローブを抑制するには各々の放射素子に対し個別に給電位相や電力を任意に設定できる必要がある。従来の直列給電方式や中央給電方式では複数の放射素子に対し一括して給電位相や電力を設定することしかできない。
【００１０】
また、無指向性アンテナの全体を細径にすることが望まれている。
【００１１】
また、放射素子を給電線の両側に配置した場合、これら２つの放射素子と給電線とを含む垂直面に対し直角な方向から見た両放射素子の距離は互いに同じであるが、前記垂直面に平行な方向から見た両放射素子の距離は互いに同じでない。よって、前記垂直面における垂直面指向性と前記垂直面に直角な垂直面における垂直面指向性とは同じにならない。即ち、アンテナ周方向によって垂直面指向性が変わるという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、垂直面における主ビーム方向が一定で、中心周波数に対して使用周波数帯域の上限や下限での指向性利得の差がなく、サイドローブの抑制が可能で、細径に形成でき、アンテナ周方向における垂直面指向性の差が小さい無指向性アンテナを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、複数の放射素子を上下に配置したアンテナにおいて、上下に分岐した給電線を設け、その給電線の上端及び下端に上下に分岐した次の給電線又は放射素子のいずれかを設け、その給電線の上端及び下端にはさらに次の給電線又は放射素子のいずれかを設けることにより、次々に上下二分岐された給電線の端末にそれぞれ放射素子を配置したものである。
【００１４】
前記給電線を横に延びた横方向部とその横方向部の端点より上下に延びた上方向部及び下方向部とから構成してもよい。
【００１５】
給電線に対する放射素子の周方向の配置角度を放射素子により異ならせてもよい。
【００１６】
前記放射素子を給電線に平行な線状放射素子とし、これら放射素子及び給電線をひとつの基板の面内に形成し、この基板複数枚を起立させて上下に配置し、基板面が臨む周方向の角度基板の向きを基板により異ならせてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１に示されるように、本発明に係る無指向性アンテナにあっては、給電点１より分岐してその給電点１の上と下にそれぞれ延びた給電線２ａが設けられている。これを第一段の給電線２ａと呼ぶことにする。第一段の給電線２ａの上端には、この上端より分岐してこの上端の上と下にそれぞれ延びた第二段の給電線２ｂが設けられている。同様に、給電線２ａの下端にも、上と下にそれぞれ延びた第二段の給電線２ｃが設けられている。第一段の給電線２ａの上端から分岐している第二段の給電線２ｂの上端には、この上端より分岐してこの上端の上と下にそれぞれ延びた第三段の給電線２ｄが設けられている。そして、この給電線２ｄの上端には一番上の放射素子３ａが設けられ、給電線２ｄの下端には上から数えて２つ目の放射素子３ｂが設けられている。一方、第二段の給電線２ｂの下端には上から数えて３つ目の放射素子３ｃが設けられている。もうひとつの第二段の給電線、即ち、第一段の給電線２ａの下端から分岐している給電線２ｃの上端には、４つ目の放射素子３ｄが設けられている。そして、給電線２ｃの下端には、第三段の給電線２ｅが設けられている。この給電線２ｅの上端には５つ目の放射素子３ｅが設けられ、給電線２ｅの下端には６つ目の放射素子３ｆが設けられている。
【００１９】
このように、本発明では、上下に分岐した給電線２の上端及び下端にさらに上下に分岐した次の給電線２又は放射素子３のいずれかを設けることにより、次々に上下二分岐された給電線２の端末にそれぞれ放射素子３を配置している。１つの給電線２に対して上下両端に次の給電線２を設ける給電線２が存在する場合も存在しない場合もある。一端に放射素子３を設け他端には次の給電線２を設ける給電線２が存在する場合も存在しない場合もある。両端ともに放射素子３を設ける給電線２は存在する。次の給電線２を設けない上端或いは下端を端末という。端末には必ず放射素子３を設けることになる。このような分岐をするトポロジが勝抜き形式の競技の組合わせ表のトポロジに類似しているので、給電線２の全体形状をトーナメント状と呼ぶことにする。ただし、図１の形態は後述する折り返し配置を適用しているので、給電線２の形状は、日常見られる勝抜き表とは似ていない。
【００２０】
各給電線２は、上下に長く延びた部分とその途中から出て給電点１又は前段の給電線２に繋がる短い部分とからなる。即ち、給電線２は、Ｔ字状に形成されている。給電線２ｂを例にとると、この給電線２ｂは、横に延びた横方向部４とその横方向部４の端点より上下に延びた上方向部５及び下方向部６とから構成されている。符号は付記しないが、給電線２ａ，２ｃ，２ｄ，２ｅも同様に横方向部４、上方向部５及び下方向部６を有する。
【００２１】
給電線２に対する放射素子３の周方向の配置角度は、放射素子３により異ならせてある。従って、給電線２から放射素子３への電気的接続を図る端末部８の延びる方向が放射素子３により異なっている。同時に、給電線２の横方向部４の延びる方向も給電線２により異なっている。図１の形態では、給電線２及び放射素子３を基板７上に形成しているので、端末部８及び横方向部４の向きは左か右になっている。
【００２２】
これらの端末部８及び横方向部４について延び出し方向及び長さを適宜に組み合わせることにより、第一段の給電線２ａと第三段の給電線２ｄ，２ｅが同軸上に位置されていると共に、全ての放射素子３がこの軸から等距離に位置されている。この軸を中心軸Ｏと呼ぶことにする。中心軸Ｏから各放射素子３までの距離をΔｄとする。即ち、放射素子３は、第一段の給電線２ａを中心軸Ｏとし、周方向の任意の配置角度で距離Δｄのところに配置されていることになる。図１の形態では、上から下へ６つ並んだ放射素子３ａ〜３ｆが交互に中心軸Ｏの左右に配置されている。
【００２３】
図１に示した無指向性アンテナは、基板７に印刷したマイクロストリップ線路で給電線２を構成し、同様に基板７に印刷した導体で放射素子３を形成したものである。放射素子３は、給電線２と同じ基板７の面内（表裏いずれでもよい）に設けられ、給電線２と平行な線状放射素子で実現されている。この放射素子３は、上に延びた導体と下に延びた導体とを適宜なギャップで配置した半波長ダイポールとなっている。各放射素子３は、給電線２から延びた端末部８に近接することにより電気的な接続が図られており、端末部８からの高周波電流が伝搬可能である。この基板７を給電線２が上下に長く延びるよう起立させて使用する。
【００２４】
図１に示した無指向性アンテナの作用効果を説明する。
【００２５】
この種のアンテナでは、複数の放射素子３が上下に配置されているため、給電点１から放射素子３までの直線的距離が放射素子３により異なる。給電線２の引き回しにより、給電点１から各放射素子３までの給電距離を調整することができる。各給電距離は、使用周波数帯域の中心周波数Ｆｃで給電距離を評価した給電位相φが一致するように決めるとよい。しかし、中心周波数Ｆｃから離れた周波数、例えば、使用周波数帯域の上限周波数Ｆｈ及び下限周波数Ｆｌについては位相ずれが生じる。従来の直列給電方式や中央給電方式では、給電点１から順次遠くに位置する放射素子３への給電距離が直線的距離にほぼ比例して増大し、ｎ番目に遠い放射素子３に生じる上限周波数Ｆｈ及び下限周波数Ｆｌでの位相ずれは、隣接する放射素子３間での位相ずれφｉをｎ個までトータルした（１−Ｆｈ／Ｆｃ）Σφｉ及び（１−Ｆｌ／Ｆｃ）Σφｉとなる。これに対し、本発明では、給電点１に直線的距離が近い放射素子３ｃであっても、第一段の給電線２ａの上端から第二段の給電線２ｂを経由して給電されるため給電距離は他の放射素子３ａ，３ｂと大差がない。同じ給電線２ｄの端末にある放射素子３ａと放射素子３ｂとでは給電線２ｄの横方向部４を上下の中点に置くことで給電距離を同一にすることができ、前段の給電線２ｂにおける横方向部４の位置を工夫すれば放射素子３ｃに対しても給電距離を同一にすることが可能である。従って、どの放射素子３に生じる上限周波数Ｆｈ及び下限周波数Ｆｌでの位相ずれも、任意の放射素子３間での最も大きい位相ずれ（１−Ｆｈ／Ｆｃ）φｉ及び（１−Ｆｌ／Ｆｃ）φｉを超えることがない。
【００２６】
このように、本発明では、上下に分岐した給電線２の上端及び下端にさらに上下に分岐した次の給電線２又は放射素子３のいずれかを設けるというトーナメント状の給電方式としたので、使用周波数帯域の上限及び下限における位相ずれを小さくすることができる。よって、垂直面における主ビーム方向を使用周波数帯域内で上限から下限までほぼ一定とすることができる。
【００２７】
また、本発明では、垂直面における主ビーム方向が使用周波数帯域内で上限から下限までほぼ一定となると共に、従来の中央給電方式のような上下の放射素子による部分的な主ビーム方向の相違がないことにより、上限周波数Ｆｈや下限周波数Ｆｌにおける主ビームの上下幅が中心周波数Ｆｃにおける主ビームの上下幅と同程度になるので、上限周波数Ｆｈ及び下限周波数Ｆｌでの利得が中心周波数Ｆｃでの利得と差がない。
【００２８】
本発明に係る無指向性アンテナは、図１にその実施形態を示したように、プリント基板を用いて容易に実施することができる。基板７上に給電線２及び複数の放射素子３を配置する場合、既に説明したように、第一段の給電線２ａを中心軸Ｏに配し、上から下へ並んだ複数の放射素子３を交互に中心軸Ｏの左右に配するとよい。基本的には半波長ダイポールアンテナは水平面指向性が無指向性であるが、基板７上に放射素子３を配置するとグランド導体（図示せず）の側への輻射が小さくなり無指向性とはならない。そこで、放射素子３を交互に中心軸Ｏの左右に配すると、グランド導体に対する放射素子３の位置関係が交互に左側、右側となり、各放射素子３毎の輻射を重ね合わせると全体の水平面指向性を無指向性とすることができる。
【００２９】
従来技術の問題点として指摘したように、複数の放射素子３からなるアンテナにおいて、サイドローブを抑制するには各々の放射素子３に対し個別に給電位相や電力を任意に設定できる必要がある。その点、本発明では、Ｔ字状に形成した部分的な給電線２を順次接続して全体の給電線２を構成しているので、各Ｔ字状分岐の幅（横方向部４の長さ）或いは分岐位置（上方向部５の長さ及び下方向部６の長さ）を調整することで、給電点１から各々の放射素子３への給電距離を調整して給電位相を各放射素子３について個別に任意に設定できる。また、Ｔ字状の分岐は、３つの枝（横方向部４、上方向部５及び下方向部６）のインピーダンスの組合わせで電力の分配比が決まり、基板７上に同じ導体厚みで形成される給電線のインピーダンスは給電線幅で決まるので、各枝の給電線幅を調整することにより、給電線２から次段の給電線２或いは放射素子３への分配電力を任意に設定できる。これらにより、垂直面指向性における主ビーム方向が任意に設定できると共に、容易にサイドローブを抑制することができる。
【００３０】
無指向性アンテナの細径化は、本発明において、次のように達成されている。まず、給電線２をマイクロストリップ線路で構成すると共に放射素子３を給電線２と平行な線状放射素子で構成したので、径方向への大きなスペースはとらない。さらに、本発明では、放射素子３を中心軸Ｏにできるだけ近付けて配置することができる。即ち、第一段の給電線２ａに対する第二段の給電線２ｂからの横方向部４の延ばし方向と第二段の給電線２ｂに対する第三段の給電線２ｄからの横方向部４の延ばし方向とを左右逆にしてある。これにより、第三段の給電線２ｄは第一段の給電線２ａと同じく中心軸Ｏに位置している。このように、多段に分岐する給電線２を同一方向にだんだん離して配置していくのではなく、場所により反対方向に折り返して相互に近付けるように配置したので、給電線２の端末に配置される放射素子３を中心軸Ｏの近くに配置することができる。よって、複数の給電線２が横並びするにもかかわらず、基板７の横幅を小さくすることができ、無指向性アンテナ全体の細径化が達成される。
【００３１】
次に、図２の実施形態を説明する。
【００３２】
図２に示した本発明に係る無指向性アンテナは、基板７を２枚起立させて上下に配置し、基板の向き（基板面が臨む周方向の角度）を基板７により異ならせたものである。それぞれの基板７は、放射素子３が２個ずつであるほかは図１で説明したのと同じ技術思想に基づくものである。上に位置した基板７による無指向性アンテナをユニット９ａ、下に位置した基板７による無指向性アンテナをユニット９ｂとする。図示のように、ユニット９ａは、方向Ａ，Ｃに基板面を臨ませ、方向Ｂ，Ｄに対して基板面が平行になっている。一方、ユニット９ｂは、方向Ｂ，Ｄに基板面を臨ませ、方向Ａ，Ｃに対して基板面が平行になっている。
【００３３】
ここで図１に戻り、周方向の複数角度における垂直面指向性を相互比較する。図１の左方向（矢印；基板面に平行）から見ると、放射素子３ａ，３ｃ，３ｅは中心軸ＯよりΔｄ近い位置にある。一方、放射素子３ｂ，３ｄ，３ｆは中心軸ＯよりΔｄ遠い位置にある。この距離差により生じる位相差は、使用電波の周波数をλとすると、４πΔｄ／λとなる。これに対し図１の紙面垂直方向（基板面に垂直）から見ると、放射素子３ａ〜３ｆは全て等距離にあり、位相差は０である。この位相差の違いにより、それぞれの角度における垂直面指向性が異なることになる。
【００３４】
図３（ａ）に、図１の無指向性アンテナにおける基板面垂直方向での垂直面指向性を示し、図３（ｂ）に、基板面平行方向での垂直面指向性を示す。横軸は角度を示し、０°が水平に相当する。縦軸は利得である。図示されるように、基板面に垂直な方向でも平行な方向でも、ほぼ水平でやや地上側よりに現れる主ビーム３１は殆ど同じプロファイルである。しかし、基板面平行方向では、天空側３０°及び地上側４５°に顕著なサイドローブ３２が存在する。
【００３５】
そこで、図２の実施形態では、１つの基板７による無指向性アンテナを１つのユニット９とし、このユニット９を上下に複数重ねてそれぞれのユニット９の向きを異ならせた。図２の実施形態では、ユニット９が２つであるため、ユニット９ａ，９ｂを互いの周方向角度を９０°異ならせた（θ＝９０°）。ユニット数がさらに多い場合は、周方向角度を１８０°／ユニット数ずつ異ならせるとよい。この構成により、４つの方向Ａ〜Ｄから見た放射特性の諸元（位相中心、位相遅れ、位相進み）が方向によらずほぼ等しくなり、垂直面指向性もほぼ等しくなる。
【００３６】
図４に示した実施形態にあっては、図１と同様な６つの放射素子３を有する無指向性アンテナを１つのユニット９とし、このユニット９を上下に２個重ねてそれぞれのユニット９の向きを異ならせたものである。各ユニット９ａ，９ｂの給電点１に対し、分配器１０で等配分された電力が給電されるようになっている。給電線２の引き回しは図１と多少異なっている。例えば、第一段の給電線２ａは給電点１のやや上で屈曲して横方向に一旦延びてから上に延びている。その他の給電線２にも屈曲が見られる。これは、放射素子３までの給電距離を調整すると共に、さらなる細径化のために放射素子３を中心軸Ｏに近付けて配置したことによるものである。
【００３７】
この無指向性アンテナにおいて、ユニット９ａの基板面に正対する方向Ａ，Ｃでは各放射素子３から放射された電波には距離による位相差は生じないが、基板の端の方向Ｂ，Ｄでは中心軸Ｏより手前に位置する放射素子３から放射された電波と中心軸Ｏの向う側に位置する放射素子３から放射された電波との間で距離による位相差が生じる。ユニット９ｂに関しては、逆に、方向Ａ，Ｃの電波に距離による位相差が生じ、方向Ｂ，Ｄの電波には距離による位相差が生じない。ユニット９ａによる垂直面指向性とユニット９ｂ垂直面指向性とを重ね合わせると、位相差を生じる角度と生じない角度とが補完し合うことになり、どの角度においても一定の垂直面指向性を得ることができる。
【００３８】
図５（ａ）に、図４の無指向性アンテナにおける基板面垂直方向での垂直面指向性を示し、図５（ｂ）に、基板面平行方向での垂直面指向性を示す。横軸は角度を示し、０°が水平に相当する。縦軸は利得である。各軸のスケールは図３と同一にしてある。図５に示されるように、基板面に垂直な方向でも平行な方向でも、ほぼ水平でやや地上側よりに現れる主ビーム５１は殆ど同じプロファイルである。そして、図３のものと比べると、顕著なサイドローブが存在しない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００４０】
（１）上下に分岐した給電線２の上端及び下端にさらに上下に分岐した次の給電線２又は放射素子３のいずれかを設けるというトーナメント状の給電方式としたので、使用周波数帯域の上限及び下限における位相ずれを小さくし、垂直面における主ビーム方向を周波数によらず一定とすることができる。
【００４１】
（２）中心周波数に対して使用周波数帯域の上限や下限での指向性利得の差がない。
【００４２】
（３）Ｔ字状に形成した部分的な給電線２を順次接続して全体の給電線２を構成しているので、サイドローブの抑制を容易に行うことができる。
【００４３】
（４）放射素子３を線状放射素子で構成したこと、及び多段に分岐する給電線２を相互に近付けるように配置したことにより、無指向性アンテナを細径に形成することができる。
【００４４】
（５）基板の向きを基板７により異ならせたので、アンテナ周方向における垂直面指向性の差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す無指向性アンテナの正面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す無指向性アンテナの斜視図である。
【図３】（ａ）は、図１の無指向性アンテナにおける基板面垂直方向の垂直面指向性を示す特性図であり、（ｂ）は無指向性アンテナにおける基板面平行方向での垂直面指向性を示す特性図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す無指向性アンテナの斜視図である。
【図５】（ａ）は、図４の無指向性アンテナにおける基板面垂直方向の垂直面指向性を示す特性図であり、（ｂ）は無指向性アンテナにおける基板面平行方向での垂直面指向性を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 給電点
２ 給電線
３ 放射素子
７ 基板

Claims (4)

1. 複数の放射素子を上下に配置したアンテナにおいて、上下に分岐した給電線を設け、その給電線の上端及び下端に上下に分岐した次の給電線又は放射素子のいずれかを設け、その給電線の上端及び下端にはさらに次の給電線又は放射素子のいずれかを設けることにより、次々に上下二分岐された給電線の端末にそれぞれ放射素子を配置したことを特徴とする無指向性アンテナ。
2. 前記給電線を横に延びた横方向部とその横方向部の端点より上下に延びた上方向部及び下方向部とから構成したことを特徴とする請求項１記載の無指向性アンテナ。
3. 給電線に対する放射素子の周方向の配置角度を放射素子により異ならせたことを特徴とする請求項１又は２記載の無指向性アンテナ。
4. 前記放射素子を給電線に平行な線状放射素子とし、これら放射素子及び給電線をひとつの基板の面内に形成し、この基板複数枚を起立させて上下に配置し、基板の向きを基板により異ならせたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の無指向性アンテナ。

Images