JP2005184526A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は、簡易な構造で高利得、広帯域を実現することのできるアンテナ装置を提供することである。
【解決手段】 上記課題は、電波を放射する第１のアンテナ素子と、第２のアンテナ素子が所定の間隔で直線上に配置され、該第１のアンテナ素子と、第２のアンテナ素子間を給電線で接続して高周波電力を給電する給電手段を備えることを特徴とするアンテナ装置にて達成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動通信用のアンテナ装置に係り、詳しくは、簡易な構造で高利得、広帯域を実現し得る無線基地局のアンテナ装置に関する。

従来、移動通信用の基地局アンテナでは、ビームチルト指向性を実現するためのダイポールアンテナを縦方向に多段配列したコリニアアレイアンテナが用いられることが多い。このコリニアアレイアンテナは、平面内では無指向性、また垂直面内では狭ビームの特性を備えている。

図２７は、この種のコリニアアレイアンテナに適用されるアレイアンテナの原理構成と給電方法を示す図である。同図（ａ）は、半波長（１／２λ）のダイポールアンテナを４素子とし、直列に配置した場合のアレイアンテナの構成例を示している。同図に示されるように、本例に示すダイポールアンテナ２０１〜２０４は、誘導電流が流れないような大地（地板２２０）の影響が無視できる適当な距離が設けられる。また、各ダイポールアンテナ２０１〜２０４には、中心点に給電点（高周波電源）があり、４つの給電点２１１〜２１４に給電線路を接続して給電される。なお、同図中、ダイポールアンテナ上の点線は、電流の大きさを示す。

図２７（ｂ）は、同図（ａ）に示すアレイアンテナにおける給電方法を説明するための図である。同図に示すように、従来のアレイアンテナでは、トーナメント形式（並列給電形）の分配線路により各ダイポールアンテナに給電される。各ダイポールアンテナの給電点インピーダンスは約７５Ωであるので、このアレイアンテナを５０Ω線路で給電するには、各々の接続線路において、インピーダンス変換を行いながら最終的に５０Ωとする必要がある。

以下、インピーダンスの変換方法について説明する。

図２７（ｂ）に示されるように、各ダイポールアンテナ２０１〜２０４の給電点には、それぞれ特性インピーダンスが７５Ωの給電線（通常、マイクロストリップ線路等が用いられる）２３１〜２３４が接続され、給電線２３１と２３２には、インピーダンスを１００Ωに変換するためのインピーダンス変換用線路（通常、マイクロストリップ線路等が用いられる）２４１が接続される。同様にして、給電線２３３と２３４には、インピーダンス変換用線路２４２が接続される。これにより、インピーダンスが７５Ω→１００Ωに変換される。

続いて、上記インピーダンス変換用線路２４１、２４２に並列に給電線２５１、２５２を接続することでインピーダンスを５０Ωにし、さらに、上記給電線２５１、２５２にインピーダンス変換用線路２６１を接続してインピーダンスを５０Ω→１００Ωに変換する。そして、上記インピーダンス変換用線路２６１に並列に給電線２７１を接続することで、インピーダンスを５０Ωに変換し、負荷側のインピーダンス整合（マッチング）がとられる。

このように従来のアレイアンテナでは、インピーダンス変換用線路を多段接続（本例では、２段接続）して、インピーダンス７５／５０Ωを１００Ωに変換しながらインピーダンス整合を図っている。

ところで、上記ダイポールアンテナと並んで基本的なアンテナとして、モノポールアンテナがある。ダイポールアンテナがアンテナの中央部に給電される中央給電方式であるのに対し、モノポールアンテナは、図２８（ａ）に示すように、モノポール素子３０１に給電する高周波電源３００が先端に接続される先端給電式となっている。図２８（ｂ）、（ｃ）は、この種のモノポールアンテナの代表例を示す図であり、同図（ｂ）が円柱モノポールアンテナ３１１、同図（ｃ）が逆円すいモノポールアンテナ３１２を示している。このようなモノポールアンテナは、無限大の完全導体平面地板上にエレメントを垂直に立て、エレメントと地板の間を同軸線で給電した構造となっている。

また、アンテナの給電方法に関する技術として、アンテナ給電線の両端のうち、どちらの端部を励振端とするかをスイッチング手段によって切換え、これにより、フエイズドアレ−の移相器数またはアンテナ数を削減することのできる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６２−３５０８号公報

上述したように、従来のアレイアンテナでは、１アンテナ素子に１給電点が必要であり、かつ給電点インピーダンスが低いため、インピーダンス整合をとるためには、トーナメント形の給電方法のように、インピーダンス変換用線路を多段接続する必要があった。このため、給電系の配線が複雑になり、小型化を図るのが難しいという問題があった。

また、インピーダンス変換を行うのにある程度の給電線路の長さが必要となることから、給電損失の上昇と帯域の減少が避けられないという問題があった。

一方で、基地局用のアンテナを設置するに当たっては、現在使用されているデジタル携帯電話（ＰＤＣ）、第３世代移動通信システムとして導入されているＷ−ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access ）、及び第４世代移動通信システムなど複数のシステムに対応することが必要とされ、基地局アンテナの所要スペースが小さいことが必要条件となる。したがって、基地局用のアンテナには、より一層の小形化が要求される。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、簡易な構造で高利得、広帯域を実現することのできるアンテナ装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載されるように、電波を放射する第１のアンテナ素子と、第２のアンテナ素子が所定の間隔で直線上に配置され、該第１のアンテナ素子と、第２のアンテナ素子間を給電線で接続して高周波電力を給電する給電手段を備えることを特徴としている。

また、本発明の請求項２によれば、前記アンテナ装置であって、前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子は、１／２波長となる電気長を有する線状アンテナ素子であることを特徴としている。

また、本発明の請求項３によれば、前記アンテナ装置であって、前記給電線にストリップ線路又はマイクロストリップ線路が用いられてインピーダンス変換を行うことを特徴としている。

また、本発明の請求項４によれば、前記アンテナ装置であって、前記ストリップ線路又はマイクロストリップ線路がテーパ構造となることを特徴としている。

また、本発明の請求項５によれば、前記アンテナ装置であって、前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子からなるアンテナ装置を複数個設置することでアレイアンテナを構成し、各アンテナ装置の給電点の入力インピーダンスを、前記アレイアンテナの接続給電線路の特性インピーダンスのＮ倍とし、これらのアンテナ装置を並列に接続して、アレイアンテナの給電点とすることを特徴としている。

また、本発明の請求項６によれば、前記アンテナ装置であって、前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子と平行に２本のアンテナ素子を配置し、それぞれ平行二線状アンテナの組の給電点側でない２つの端を短い線路で接続したことを特徴としている。

また、本発明の請求項７によれば、前記アンテナ装置であって、前記テーパ線路に接続された給電点に平行二線形線路を接続したことを特徴としている。

本願発明によれば、２つのアンテナ素子を１点で給電することで、アンテナの構造および給電系を簡易にでき、アンテナ装置の小型化が図れる。また、給電線路を減らすことにより、アンテナ利得を向上させ、帯域を拡大させることが可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態におけるアンテナ装置の基本原理を説明するための図である。

同図（ａ）において、このアンテナ装置は、１／２波長ダイポールアンテナ（線状アンテナ素子）４素子１〜４で構成されるアレイアンテナを示している。本アレイアンテナで所望の放射パターン特性を得るために重要なのは、アンテナ素子に生じる電流（アンテナ素子上の電流）であり、これ以外の部分は関係なく、アンテナ素子上電流を乱さなければどのよう構造であっても良い。したがって、アンテナ素子上電流を保ったまま、２つのダイポールアンテナの間に給電点を設置することには問題ない。この場合、アンテナ素子の端を高周波電源１０、１１により給電することになり非常に高いインピーダンス（Ｚｉｎ＝高い）となるが、給電は可能である。本発明はこのことに着目し、２つのアンテナ素子を１点で給電するものである。

具体的には、図１（ｂ）に示すように、２つのダイポールアンテナ１、２の端から１／４波長テーパ形線路５を接続して給電を行えばよい。一般に平行二線形線路はその線路の径と線路の間隔でその特性インピーダンスが決まる（「アンテナ工学ハンドブック」電子通信学会編 ６．３．１ 伝送線路 ｐ．２３７ オーム社）。すなわち、線路間隔が広いほどその線路の特性インピーダンスは高くなるといえ、マイクロストリップライン構造の線路の線路幅を漸次変化させてテーパ形状（先端側から末端側にかけて半径が大きくなる）に形成すれば、このテーパ形状により線路の特性インピーダンスが連続的に変化してインピーダンス変換できる（「アンテナ工学ハンドブック」電子通信学会編 ６．３．２ ｐ．２４２ オーム社）。

また、インピーダンス変換に用いるこのテーパ形状のマイクロストリップラインは、広帯域であることがわかっている。そこで、このテーパ形線路を用いて、２つのダイポールアンテナ１、２間の高インピーダンス給電点から、給電線路の特性インピーダンスに等しい低いインピーダンスに変換すればよい。

また、テーパ形伝送線路上の特性インピーダンスはテーパの形状に従って無段階に連続的に変化するから、このようなテーパ形線路を用いることにより、インピーダンスを任意に決めることが可能である。したがって、図１（ｂ）に示すように、４つのダイポールアンテナ１〜４を２つずつ給電し、その給電点を、例えば１００Ωとすれば、そのまま並列に接続することで容易にインピーダンスを５０Ωに変換でき、一般の給電線で給電ができる。

このように本実施形態におけるアンテナ装置によれば、従来、２段のトーナメント形式で給電していたものが、１段のトーナメント形式で給電可能となり、アンテナの構造を簡易にでき、アンテナの小型化が可能となる。

また、アンテナの構造を簡易にすることで、給電損失が少なくなり、帯域を広くすることができる。

次に本発明のアンテナ装置をシミュレーションした結果及び実験を示す。

図２は、本発明の第１の実施形態を示すアンテナ装置の構成例を示す図である。

（第１の実施形態）
同図に示すように、本実施形態におけるアンテナ装置では、５ｃｍのダイポールアンテナ３１、３２が２ｃｍ離して設置（素子間隔７ｃｍ）され、２つのダイポールアンテナ３１、３２の端にテーパ線路４１、４２が接続されて高周波電源５０より給電される。

次に、上記のように構成した第１の実施形態におけるアンテナ装置のシミュレーション結果を説明する。本シミュレーションでは地板はなく、かつ平衡系で給電したと仮定して計算を行った。

図３〜図６にシミュレーション結果を示す。図３は、本実施形態におけるアンテナ装置についてインピーダンス整合の様子を説明するためのスミスチャートであり、インピーダンスの軌跡を示している。図４は指向性利得特性（縦軸は利得（ｄＢ）、横軸は周波数）を、図５は入力インピーダンス特性（縦軸は実数部（Ｒｉｎ）と虚数部（Ｘｉｎ）についての入力インピーダンス（Ω）、横軸は周波数）を、図６はリターンロス、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を示す図である。図６の左側の縦軸はリターンロス（ｄＢ）を表し、右側の縦軸はＶＳＷＲを表し、ともに横軸は周波数を表している。

また、各ダイポールアンテナは上記で説明したように、４素子アレイアンテナとして構成することを考え、１００Ωで整合がとれるようにテーパ線路を調整したものである。したがって、各グラフはＺＯ＝１００Ωとなっている。

本シミュレーションでは、１〜５ＧＨｚの広い範囲で入力インピーダンス特性を計算したが、図３に示すスミスチャートに示されるように上記１〜５ＧＨｚの周波数帯域において、良好なインピーダンス特性とされている。また、図６の矢印ａに示されるように、３ＧＨｚ付近（アンテナ共振周波数：２．８ＧＨｚ）でリターンロスが低下し共振（能率よく電波が放射される点をいう）していることが本シミュレーション結果によりわかる。これは、ダイポールアンテナの素子長５ｃｍで見たときの１／２波長に相当し、明らかに２つのダイポールアンテナ３１、３２がそれぞれ１／２波長アンテナとして動作しているといえる。このことは、図４に示す指向性利得特性を見ても明らかである。すなわち、指向性利得も３ＧＨｚ付近で最大となり、約６ｄＢのゲインが得られている。これは、２つのダイポールアンテナ３１、３２が１／２波長線状アンテナとして動作したことによる各々のゲイン（２．１５ｄＢ）と２つのアンテナが０．７波長間隔で配置されたことによるアレイ利得（約４ｄＢ）が合わされたものである。

すなわち、本発明法によるアンテナ給電法で２つのアレイアンテナ素子を給電でき、かつ給電点インピーダンスを１００Ωに調整可能であることが上に示したシミュレーション結果からわかる。

なお、本実施形態におけるアンテナ装置の場合、従来の２つのアンテナ素子を別々に給電する場合と利得は同じである。

続いて、本実施形態について実験を行った結果について説明する。図７は、本実施形態におけるインピーダンス特性の実験結果を示すスミスチャート、図８は、本実施形態におけるリターンロス特性の実験結果を示す図である。

なお、本実施形態における実験では、地板を設置し、テーパ線路の一方は地板に接続し、地板ともう一方のテーパ線路の間を不平衡系の同軸ケーブルで給電した。

本実験の場合、測定機器であるネットワークアナライザのプローブ同軸線路のインピーダンスが５０Ωなので、ＺＯ＝５０Ωで測定した結果を示している。図８のリターンロスの実験結果が示すように、約２．６ＧＨｚで共振（矢印ａ参照）しており、ほぼ前述したシミュレーション結果と同じ結果が得られていることがわかる。したがって、本実験により、地板を設置した具体的なアンテナ構造においてもほほ同様の結果が得られたことになる。

このように本実施形態におけるアンテナ装置によれば、２つのアンテナ素子を１点で給電することが可能であり、かつその給電点インピーダンスも任意に設定できる。また、給電線路を減らすことでアンテナ利得の向上と広帯域化が実現できるとともに、従来問題となっていたアンテナの構造および給電系を簡易にすることができ、アンテナの小型化を図ることができる。

（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態を示すアンテナ装置の構成例を示す図である。本実施形態におけるアンテナ装置は、第１の実施形態において用いたアンテナ装置にさらにアンテナ素子を追加し、２共振および帯域拡大を図ったものである。

本実施形態におけるアンテナ装置のシミュレーション結果を図１０〜図１３に示す。図１０はスミスチャートを、図１１は指向性利得特性を、図１２は入力インピーダンス特性を、図１３はリターンロス、ＶＳＷＲを示す図である。図１３のリターンロス、ＶＳＷＲが示すように、前述した第１の実施形態のアンテナ装置と比して、明らかに共振点が増えていることがわかる。図１３に示すシミュレーション結果によれば、２．５ＧＨｚ付近と、３．２ＧＨｚ付近に共振点（矢印ａ、ｂ参照）が確認されている。

図１４、図１５は、本実施形態におけるアンテナ装置の実験結果を示している。図１４はインピーダンス特性の実験結果を示すスミスチャートを、図１５はリターンロス特性の実験結果を示す図である。

図１５に示すリターンロスの実験結果によれば、非常に低い１．５ＧＨｚ付近に新たな共振（矢印ａ参照）が現れており、図１３に示すシミュレーション結果と比して、低くなっているが、２共振特性が得られたことは明らかである。すなわち、このようなアンテナ構造とすることで、アレイアンテナ素子を個別に給電せず、２つの素子を同時に給電しても２共振化が可能であるといえる。

このように本実施形態におけるアンテナ装置においても、アンテナの構造および給電系を簡易にし、給電線路を減らすことでアンテナの小型化が図れ、かつ２共振特性を得てアンテナ利得の向上および広帯域化を実現させることが可能である。

（第３の実施形態）
図１６は、本発明の第３の実施形態を示すアンテナ装置の構成例を示す図である。本実施形態では、第２の実施形態の２共振アンテナにさらに給電点に整合回路となる平行二線のスタブ１３１、１３２を設置しさらに広帯域化を図るものである。

本実施形態におけるアンテナ装置のシミュレーション結果を図１７〜図２０に示す。図１７はスミスチャートを、図１８は指向性利得特性を、図１９は入力インピーダンス特性を、図２０はリターンロス、ＶＳＷＲを示す図である。

また、図２１、図２２は、本実施形態におけるアンテナ装置の実験結果を示す。図２１はインピーダンス特性の実験結果を示すスミスチャートを、図２２はリターンロス特性の実験結果を示す図である。

図２０に示すシミュレーションによるリターンロス特性を見て明らかなように、２つの共振が近接してさらに間がつながって非常に広帯域となっている様子がシミュレーション結果からわかる。また、このことは、図２２に示す実験結果からみてもわかる。

本実施形態におけるシミュレーションではＶＳＷＲ＜３において、約３ＧＨｚを中心周波数として１．５ＧＨｚの帯域が得られており、比帯域幅は５０％にもなる。

すなわち、所望の帯域幅が得られるように調整した平行二線のスタブ１３１、１３２（整合回路）を付加することで反射量を低減することができ、より帯域幅の広いアンテナ装置を実現することができる。

図２３〜図２６は、本実施形態におけるアンテナ装置のアンテナ放射パターンを示す図である。図２３は周波数２．０ＧＨｚのとき、図２４は周波数２．２５ＧＨｚのとき、図２５は周波数２．５ＧＨｚのとき、図２６は周波数２．７５ＧＨｚのときのアンテナ放射パターンを示す図である。

図２３〜図２６に示されるように、周波数によって放射パターンは変形しているが、ほぼ線状アンテナの放射特性となっており、アンテナとして十分動作していることがわかる。このような放射パターン形状の変形は入力インピーダンスにおいて非常に広い帯域を確保しているため、やむを得ないのである。すなわち、アンテナ素子を個別に給電せず、２つの素子を同時に給電しても、アンテナ素子および給電系の工夫によって非常に広い帯域を得ることが可能である。

このように本実施形態におけるアンテナ装置においても、アンテナの構造および給電系を簡易にし、給電線路を減らすことでアンテナの小型化が図れ、かつ２共振特性を得てアンテナ利得の向上および広帯域化を実現させることが可能である。

本実施形態におけるアンテナ装置の基本原理を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態を示すアンテナ装置の構成例を示す図である。 第１の実施形態におけるアンテナ装置のインピーダンス特性を示すスミスチャートのシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態におけるアンテナ装置の指向性利得特性のシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態におけるアンテナ装置の入力インピーダンス特性のシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態におけるアンテナ装置のリターンロス特性、ＶＳＷＲのシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態におけるアンテナ装置のインピーダンス特性の実験結果を示すスミスチャートを示す図である。 第１の実施形態におけるアンテナ装置のリターンロス特性の実験結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示すアンテナ装置の構成例を示す図である。 第２の実施形態におけるアンテナ装置のインピーダンス特性を示すスミスチャートのシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態におけるアンテナ装置の指向性利得特性のシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態におけるアンテナ装置の入力インピーダンス特性のシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態におけるアンテナ装置のリターンロス特性、ＶＳＷＲのシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態におけるアンテナ装置のインピーダンス特性の実験結果を示すスミスチャートを示す図である。 第２の実施形態におけるアンテナ装置のリターンロス特性の実験結果を示す図である。 本発明の第３の実施形態を示すアンテナ装置の構成例を示す図である。 第３の実施形態におけるアンテナ装置のインピーダンス特性を示すスミスチャートのシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態におけるアンテナ装置の指向性利得特性のシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態におけるアンテナ装置の入力インピーダンス特性のシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態におけるアンテナ装置のリターンロス特性、ＶＳＷＲのシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態におけるアンテナ装置のインピーダンス特性の実験結果を示すスミスチャートを示す図である。 第３の実施形態におけるアンテナ装置のリターンロス特性の実験結果を示す図である。 第３の実施形態におけるアンテナ装置のアンテナ放射パターン（ｆ＝２．０ＧＨｚ）のシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態におけるアンテナ装置のアンテナ放射パターン（ｆ＝２．２５ＧＨｚ）のシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態におけるアンテナ装置のアンテナ放射パターン（ｆ＝２．５ＧＨｚ）のシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態におけるアンテナ装置のアンテナ放射パターン（ｆ＝２．７５ＧＨｚ）のシミュレーション結果を示す図である。 従来のアンテナ装置の構成と給電方法を説明するための図である。 モノポールアンテナの構成例を示す図である。

符号の説明

１〜４，３１，３２，７１，７２，１１１，１１２，２０１〜２０４ １／２波長ダイポールアンテナ
５，６，４１，４２，８１，８２，１２１，１２２ テーパ形線路
２３１〜２３４，２５１，２５２，２７１ 給電線路
２４１，２４２，２６１ インピーダンス変換用線路
１０，１１，５０，９０，１４０，２１１〜２１４，３００ 高周波電源
２０，６０，１００，１５０，２２０，３１０ 地板
１３１，１３２ 平行二線のスタブ
３０１ モノポール素子

Claims (7)

1. 電波を放射する第１のアンテナ素子と、第２のアンテナ素子が所定の間隔で直線上に配置され、該第１のアンテナ素子と、第２のアンテナ素子間を給電線で接続して高周波電力を給電する給電手段を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子は、１／２波長となる電気長を有する線状アンテナ素子であることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナ装置であって、
   前記給電線にストリップ線路又はマイクロストリップ線路が用いられてインピーダンス変換を行うことを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項３に記載のアンテナ装置であって、
   前記ストリップ線路又はマイクロストリップ線路がテーパ構造となることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載のアンテナ装置であって、
   前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子からなるアンテナ装置を複数個設置することでアレイアンテナを構成し、
   各アンテナ装置の給電点の入力インピーダンスを、前記アレイアンテナの接続給電線路の特性インピーダンスのＮ倍とし、これらのアンテナ装置を並列に接続して、アレイアンテナの給電点とすることを特徴とするアンテナ装置.
6. 請求項１乃至５いずれかに記載のアンテナ装置であって、
   前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子と平行に２本のアンテナ素子を配置し、それぞれ平行二線状アンテナの組の給電点側でない２つの端を短い線路で接続したことを特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項４乃至６いずれかに記載のアンテナ装置であって、
   前記テーパ線路に接続された給電点に平行二線形線路を接続したことを特徴とするアンテナ装置。

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