JP2005203841A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１．７ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚの帯域をカバーして±４５°偏波を輻射するのに適した、より部品点数の少ないアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】同一平面上に略Ｔ字状のダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４を複数組その基部７ｃを共通にする形で対向配置し、このダイポールアンテナ素子を励振する給電線２−１、２−２、…２−４を、上記ダイポールアンテナ素子のダイポール素子部７ａに沿って配設し、上記給電線から給電して、各組の対向配置されたダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４を同相で励振し、互いに直交する２つの偏波を輻射することができるように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、携帯電話基地局用アンテナ等に用いられる広帯域偏波共用アンテナを構築するのに好適なアンテナ装置に関するものである。

携帯電話基地局用アンテナでは、空間伝搬におけるフェージングによる電界変動の影響を軽減するため、さまざまなダイバーシティ受信を行っている。近年では、互いに９０°に直交する２つの偏波を受信する偏波ダイバーシティ方式が多く使用されている。この偏波ダイバーシティ方式では、垂直偏波・水平偏波方式と、±４５°偏波方式がある。

特に±４５°偏波ダイバーシティ方式は全世界で採用されており、このアンテナ素子としては、ダイポールアンテナ、パッチアンテナ、スロットアンテナ等がある。

国内においては、１．７ＧＨｚ帯、１．８ＧＨｚ帯と、２ＧＨｚ帯（ＩＭＴ−２０００）を共用するようなシステムはないが、海外においては、１．７ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚ（比帯域２４％）をカバーするアンテナ素子が必要になってきている。これは、１．７１ＧＨｚ〜１．８８ＧＨｚ（ＧＳＭ１８００）、１．８５ＭＨｚ〜１．９９ＧＨｚ（ＰＣＳ）、１．９ＧＨｚ〜２．１７ＧＨｚ（ＩＭＴ−２０００／ＵＭＴＳ）を、１種類の素子でカバーすることを意味する。パッチアンテナやスロットアンテナの場合、一般に比帯域は１０数％程度が限界であるため、比帯域２４％をカバーすることは困難である。

そこで広帯域で使用できるアンテナとしては、ダイポールアンテナを用いることが一般的である。

従来技術の一つとして、特開２００１−１９６８４６号公報（特許文献１）に示すように、２つのダイポールアンテナ素子を１組とし、グランド板上に配置する方法がある。

この特許文献１は、ほぼ垂直方向に立設された誘電体基板上に形成され、給電線路に接続される４個の平衡不平衡変換器と、該平衡不平衡変換器にそれぞれ接続され、基板にほぼ垂直に立設される４対の平衡２線線路と、該平衡２線線路のそれぞれの先端に接続され、水平面に対して、それぞれ約４５度傾斜するとともに、互いに正方形状の菱形を形成するように、誘電体基板に平行する同一平面内に配設される４個の折り返しダイポールアンテナ素子とからなるアンテナ装置であって、 該アンテナ装置が、金属反射板の前方に近接して配設される。

また別の技術として、特開２００１−３１３５１６号公報（特許文献２）がある。これは、プリント基板上にダイポールアンテナを構成するもので、所望帯域にのみ共振させるため、ダイポール素子（所望の低い周波数側を励振）と無給電素子（所望の高い周波数側を励振）をダイポールアンテナの上に配置している。
特開２００１−１９６８４６号公報 特開２００１−３１３５１６号公報

上記特許文献１はアンテナ素子として折り返し型ダイポールを用いており、これによれば比帯域を２０％にできることが述べられている。しかし、１．７ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚをカバーするアンテナ素子に要求される比帯域は２４％以上必要であり、この点で特許文献１のアンテナ装置はまだ十分な性能とはいい難い。また、特許文献１では、アンテナ素子とは別に平衡・不平衡変換器が必要なこと、各素子が独立しており給電系統も独立に必要なこと（部品点数多い）、などの欠点をもつ。

また、特許文献２は、同一基板上に４素子（２素子のアレイ×２偏波）を形成する形態に関するものではなく、垂直偏波を輻射する１素子について記述されており、指向性を変える場合には、後方の反射板（グランド板）の形を変えることで対応している。

特許文献２の無給電素子は所望帯域にのみ共振させるものであり、仮に、この無給電素子を用い、これを本発明のようにダイポールアンテナ素子と同一平面上に配置した場合、無給電素子はダイポール素子部から離れた位置になり、周波数の低い帯域（ダイポール素子で励振）と周波数の高い帯域（無給電素子で励振）で放射源が異なってしまう。このため、周波数によって指向性が著しく変わってしまう。すなわち、高い周波数の水平面半値幅が狭くなるという課題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、１．７ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚの帯域をカバーして±４５°偏波を輻射するのに適した、より部品点数の少ないアンテナ装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係るアンテナ装置は、同一平面上に略Ｔ字状のダイポールアンテナ素子を複数組その基部を共通にする形で対向配置し、このダイポールアンテナ素子を励振する給電線を、上記ダイポールアンテナ素子のダイポール素子部に沿って配設し、上記給電線から給電して、各組の対向配置されたダイポールアンテナ素子を同相で励振し、互いに直交する２つの偏波を輻射することができるように構成したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載のアンテナ装置において、上記ダイポールアンテナ素子を４個配置し、その互いに向き合う２つのダイポールアンテナ素子を１組とし、それらを同相で励振させる上記給電線を含む給電回路を備えたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載のアンテナ装置において、上記ダイポールアンテナ素子及びその給電回路が誘電体基板上に構成され、さらに広帯域化を図るための無給電の寄生素子が、上記ダイポールアンテナ素子におけるダイポール素子部の近傍に重ねて配設されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３記載のアンテナ装置において、上記ダイポールアンテナ素子のダイポール素子部が、上記誘電体基板に直角な基準平面に対してそれぞれ約４５度傾斜して互いに正方形状の菱形を形成するように配置されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４記載のアンテナ装置において、水平面指向性に応じて、向き合うダイポールアンテナ素子の相互のダイポール素子部の配置間隔を変えることで、７０°より狭いビーム幅を得る構成にしたことを特徴とする。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

請求項１に記載の発明によれば、同一平面上に略Ｔ字状のダイポールアンテナ素子を複数組その基部を共通にする形で対向配置し、このダイポールアンテナ素子を励振する給電線を、上記ダイポールアンテナ素子のダイポール素子部に沿って配設し、上記給電線から給電して、各組の対向配置されたダイポールアンテナ素子を同相で励振し、互いに直交する２つの偏波を輻射することができるように構成したので、各偏波毎に給電点が一つであるという簡単な構成ながら、１．７ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚの帯域（比帯域２４％）をカバーして±４５°偏波を輻射することが可能である。また、向き合うダイポールアンテナ素子間の間隔を調整することによりビーム幅を設定することができ、帯域内での指向性の周波数特性が小さいアンテナ装置を得ることができる。

請求項２の発明によれば、上記ダイポールアンテナ素子を４個配置し、その互いに向き合う２つのダイポールアンテナ素子を１組とし、それらを同相で励振させる上記給電線を含む給電回路を備えた構成としたので、広帯域、水平面半値幅の制御が可能で、アンテナ素子単体への給電点が＋４５゜偏波用と−４５゜偏波用の各１個ずつであるという、給電点の数が少ない、アンテナ装置を得ることができる。従って、携帯電話基地局用アンテナ等に用いられる広帯域偏波共用アンテナを安価に構築することができる。

請求項３の発明によれば、請求項２記載のアンテナ装置において、上記ダイポールアンテナ素子及びその給電回路が誘電体基板上に構成されるので、安定した構造の広帯域偏波共用アンテナをより安価に構築することができる。

さらに請求項３の発明では、広帯域化を図るための無給電の寄生素子が、上記ダイポールアンテナ素子におけるダイポール素子部の近傍、例えばダイポール素子部に重ねて配設されているので、共振点を２つ持つことになり、２つの共振回路による複同調回路の原理により、１．７ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚの帯域（比帯域２４％）をカバーする広帯域特性を実現することができる。寄生素子は従来の特許文献２のように所望帯域に共振させ、周波数の低い帯域（ダイポールアンテナ素子で励振）と周波数の高い帯域（無給電素子で励振）で放射源を異にするという形式のものではないので、周波数によって指向性が著しく変わってしまうことはない。

請求項４の発明によれば、上記ダイポールアンテナ素子のダイポール素子部が、上記誘電体基板に直角な基準平面に対してそれぞれ約４５度傾斜して互いに正方形状の菱形を形成するように配置されるので、携帯電話基地局用アンテナに適した広帯域偏波共用アンテナを構築することができる。

請求項５の発明によれば、水平面指向性に応じて、向き合うダイポールアンテナ素子の相互のダイポール素子部の配置間隔の設定を変更することで、７０°より狭いビーム幅を得ることができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１、図２、および図３に本発明の内容を示す。本発明による偏波共用アンテナ装置は、図１〜図３に示すアンテナ素子基板９とグランド板１２から成る。アンテナ素子基板９は、図２に示すように、誘電体基板１の裏面側に配設された４個の略Ｔ字状のダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４を有すると共に、その互いに向き合う２つのダイポールアンテナ素子７−１と７−３、７−２と７−４をそれぞれ１組とし、それらを同相で励振させるべく、図１に示すように誘電体基板１の表面側に配設された給電線２−１、２−２、…２−４及び給電用の分配器５−１、５−２を含む給電回路を有し、そして同じく図１に示すように誘電体基板１の表面側に配設された広帯域化を図るための無給電の寄生素子３−１、３−２、…３−４を有して構成されている。

このアンテナ素子基板９は、図３に示すようにほぼ垂直に立設されたグランド板１２の前方に近接して、且つスペーサ１０−１、１０−２、１０−３により所定の間隔ｄだけ離れて設けられている。この場合、ダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４の存在する側がグランド板１２と対向する。

図４及び図５にアンテナ素子基板９の表面及び裏面を拡大して示す。

図５に示すように、誘電体基板１の裏面側に配設される４個のダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４は、それぞれＬ字状の導電板ストリップを背中合わせに配置した略Ｔ字状をしており、そのＬ字のアーム（Ｔ字のアームでもある）より構成されるダイポール素子部７ａと、Ｌ字の脚部（Ｔ字の脚部でもある）より構成される平衡線路７ｂとを備えている。そして、これら４個の略Ｔ字状のダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４は、誘電体基板１の同一平面上に２組そのＴ字の脚部の基部７ｃを共通にする形で対向配置されている。

この実施形態の場合、ダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４は、そのダイポール素子部７ａが、誘電体基板１と平行な面内で、誘電体基板１に直角な基準平面に対してそれぞれ約４５度傾斜して互いに正方形状の菱形を形成するように配置されている。そして、左右の平衡線路７ｂと７ｂの一組で一対の平衡線路が形成され、この対の平衡線路７ｂ、７ｂの一端は、ダイポール素子部７ａ、７ａに電気的に接続され、他端は共通部７ｃでの接続によって短絡される、所謂ショートスタブを形成している。平衡線路７ｂの長さは、給電線路とのインピーダンス調整によって決定されるが、平衡線路７ｂの長さを使用周波数の１／４波長にしたときに、ダイポール素子部７ａから見た、所謂ショートスタブ側のインピーダンスが無限大になり、ダイポール素子部７ａのインピーダンスに影響を与えなくすることができる。

図４に示すように、誘電体基板１の表面側に配設される給電回路は、２系統のマイクロストリップ線路から成る。マイクロストリップ線路の第１の系統は、互いに対向するダイポールアンテナ素子７−２、７−４を励振すべくそのダイポールアンテナ素子のダイポール素子部７ａに沿って配設された給電線２−２、２−４と、誘電体基板１のほぼ中央に設けた第１の給電点４−１から分岐して給電線２−２、２−４へと続く給電線路部分（分配器５−１）とから成る。同様に、マイクロストリップ線路の第２の系統は、互いに対向するダイポールアンテナ素子７−１、７−３を励振すべくそのダイポールアンテナ素子のダイポール素子部７ａに沿って配設された給電線２−１、２−３と、第１の給電点４−１と同じく基板１のほぼ中央に設けた第２の給電点４−２から分岐して給電線２−１、２−３へと続く給電線路部分（分配器５−２）とから成る。

互いに対向するダイポールアンテナ素子７−２と７−４又は７−１と７−３を同相で励振するため、上記２系統のマイクロストリップ線路のうち、一方の給電線２−２、２−４は給電線路部分（分配器５−１）から同一方向に折り曲がる形でダイポール素子７ａに沿って配設され、また、他方の給電線２−１、２−３も給電線路部分（分配器５−２）から同一方向に折り曲がる形でダイポール素子７ａに沿って配設されている。

また、一方の給電線路部分（分配器５−１）と他方の給電線路部分（分配器５−２）は中央で交差するため、その交差部８（図５参照）においては、一方の給電線路部分５−２が図６に示すように一旦切断され、その間隔内を他方の給電線路部分５−１が通過する構成とされ、且つ切断された給電線路部分５−２は、ショートピン６−１、短絡片６−３、ショートピン６−２によりＵ字状に接続され、他方の給電線路部分５−１を迂回して、電気的に接触しない構成になっている。

図４に戻り、上記２つの給電点４−１、４−２は、交差部８を避ける形で上記２系統のマイクロストリップ線路に設けられ、これに図３に示すように同軸給電線１１が接続される。その際、同軸給電線１１との接触を避けるため、誘電体基板１及びダイポールアンテナ素子の基部７ｃには孔１８（図５）が設けられている。

１．７ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚの帯域（比帯域２４％）をカバーする広帯域化を図るため、上記ダイポールアンテナ素子におけるダイポール素子７ａの近傍、ここではダイポール素子部７ａに反対面側から重ねる形で、無給電の寄生素子３−１、３−２、…３−４が配設されている。図４の例では、ダイポール素子部７ａの幅内の一部と給電線２−１、２−２、…２−４が重なり、且つ残りの領域の一部と寄生素子３−１、３−２、…３−４が重なる関係で、ダイポール素子部７ａと平行に配置されている。この寄生素子３−１、３−２、…３−４を設けることにより、アンテナ装置は全体として共振点を２つ持つことになり、２つの共振回路による複同調回路の原理により、１．７ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚの帯域（比帯域２４％）をカバーすることが可能になる。これは、低域周波数においては、電流が主としてダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４上にのみ分布するのに対し、高域周波数においては、電流がダイポール素子部のほか無給電の寄生素子３−１、３−２、…３−４上にも分布するようになるためである。

上記したように、本実施形態による偏波共用アンテナ装置は、誘電体基板１上に形成され、給電点４−１、４−２から給電された信号は、２分配器５−１、５−２を介して、給電線２−１、２−２、…２−４により、ダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４を励振する。これらのアンテナ素子の背面側には、グランド板１２が配置され、これにより背面への輻射を抑えるとともに、水平面半値幅を狭める効果を持たせている。

また各ダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４には、帯域を広げるため、それぞれ１個の寄生素子３−１、３−２、…３−４が付加されており、これにより、本アンテナ装置は共振点を２つ持つことになる。リターンロス特性（比帯域を表す）の一例を図９に示す。

この時、向き合うダイポールアンテナ素子（７−１と７−３、７−２と７−４）の相互のダイポール素子部の配置間隔Ｄを広げると水平面半値幅は狭くなり、間隔Ｄを狭めると水平面半値幅は広くなる。また、寄生素子３−１、３−２、…３−４がダイポール素子部７ａの反対面に形成されるため、寄生素子３−１、３−２、…３−４を波源とする場合と、ダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４を波源とする場合で、波源の位置がほぼ等しくなるため、指向性の周波数特性は小さい。また、誘電体基板上にプリントするダイポール素子部７ａの位置を変えて、向き合うダイポールアンテナ素子間の間隔Ｄを変更することで、容易に水平面半値幅を変えることができる。

本発明の実施例を、図７に示す。この実施例では、誘電体基板１として比誘電率３．７、基板厚１mmのものを使用している。

１．７１ＧＨｚ〜２．１７ＧＨｚを使用帯域とする場合、ダイポールアンテナ素子７−１、７−２、…７−４の長さＬ１はそれぞれ６５mm（１．８ＧＨｚにおける誘電体基板上の約１／２波長）であり（図７（ｂ）参照）、寄生素子３−１、３−２、…３−４の長さＬ２はそれぞれ２４mm（２．２ＧＨｚにおける約１／４波長）としてある（図７（ａ）参照）。このときのリターンロス特性（比帯域を表す）を図９に示す。−１４ｄＢ以下の範囲を使用帯域とする。

また互いに向かい合うダイポールアンテナ素子の素子間の間隔Ｄは８１．５mmであり（図７（ｂ）参照）、このときの水平面指向性（１．９４ＧＨｚ）を図８に示す。換言すれば、図８の指向性を得るための間隔例がＤ＝８１．５mmである。

本実施例では、ダイポールアンテナ素子間の間隔Ｄを８１．５mmとしたが、間隔Ｄを短くしたり長くしたり適宜変更可能である。間隔Ｄを短くすると、ビーム幅は広くなり、間隔Ｄを長くするとビーム幅は狭くなる。そこで、水平面指向性に応じて向き合うダイポール素子部７ａの配置間隔Ｄを変えることで、７０°より狭いビーム幅を得る構成とすることが好ましい。

上記実施例によれば、（１）１．７ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚ（比帯域２４％）を帯域とし、（２）±４５°偏波を輻射し、（３）向き合う素子間を調整することによりビーム幅を設定でき、（４）帯域内での指向性の周波数特性が小さく、（５）各偏波毎に給電点が一つである、ことを兼ね備えたアンテナ装置を得ることができる。

＜他の実施例、変形例＞
上記実施例では、誘電体基板１に４個のダイポールアンテナ素子と、その給電回路と、広帯域化のための寄生素子とを備えたアンテナ素子基板９の偏波共用アンテナ装置として説明したが、図１０の如く、かかる構成の複数のアンテナ装置（アンテナ素子基板９−１、９−２、…９−４）を複数個用いてアレイアンテナとして構成することもできる。

携帯電話基地局用アンテナ等に用いられる広帯域偏波共用アンテナは、上記アンテナ装置を単体で使用されることよりも、図１０に示すようにアレイ化して使用することが多い。この場合には、各アンテナ素子基板９−１、９−２、…９−４の給電点を、分配回路１３−１、１３−２で接続して、１つのアレイアンテナにおける給電点１４−１として集約し、ここから給電する。

図１１および図１２は、本発明によるアンテナ装置の変形例である。

図１１のアンテナ装置は、給電線２−１、２−２、…２−４がアンテナ装置の中心側に折れ曲がっている構造とし、折れ曲げ部１５−１、１５−２、…１５−４を付加したものである。

また図１２のアンテナ装置は、給電線２−１、２−２、…２−４の先端部を、ショートピン１６−１、１６−２、…１６−４により、ダイポールアンテナ素子と短絡した構造（ＤＣ短絡形）としたものである。ショートピンの代わりに導電性のスルーホールを設けて、当該スルーホールにより給電線２−１、２−２、…２−４をダイポール素子部７ａに短絡させることもできる。マイクロストリップ線路の給電線２−１、２−２、…２−４より先端の部分は、ダイポール素子に電磁結合させるための、ほぼ１／４波長から成るマイクロストリップ線路であるため、上記のようにスルーホール等を設けて直流的な接続を行っても何ら問題はない。このような構成にすることにより、マイクロストリップ線路の先端の結合線路を配線するための物理的制約を逃れることができる。

いずれもダイポールアンテナ素子の励振方法を変形した例である。

本発明のアンテナ装置を表面側から見た図である。 本発明のアンテナ装置を裏面側から見た図である。 本発明のアンテナ装置の側面図である。 図１のアンテナ装置におけるグランド板を取り去った状態の拡大図である。 図２のアンテナ装置におけるグランド板を取り去った状態の拡大図である。 本発明のアンテナ装置における給電回路の交差部を示した図である。 本発明の実施例のアンテナ装置の寸法を示したもので、（ａ）は寄生素子の寸法Ｌ２を、（ｂ）はダイポールアンテナ素子の寸法Ｌ１と素子間の間隔Ｄを、（ｃ）は誘電体基板とグランド板間の間隔ｄを示した図である。 本発明の実施例におけるアンテナ装置の水平面指向性の一例を示した図である。 本発明の実施例におけるアンテナ装置のリターンロス特性の一例を示した図である。 本発明の他の実施例に係るアレイ化したアンテナ装置の構成例を示す図である。 本発明のアンテナ装置の変形例を示す図である。 本発明のアンテナ装置の他の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 誘電体基板
２−１〜２−４ 給電線
３−１〜３−４ 寄生素子
４−１、４−２ 給電点
５−１、５−２ 分配器
６−１、６−２ ショートピン
７−１〜７−４ ダイポールアンテナ素子
７ａ ダイポール素子部
７ｂ 平衡線路
７ｃ 基部
８ 給電線交差部
９ アンテナ素子基板
Ｄ ダイポールアンテナ素子間の間隔

Claims (5)

1. 同一平面上に略Ｔ字状のダイポールアンテナ素子を複数組その基部を共通にする形で対向配置し、
   このダイポールアンテナ素子を励振する給電線を、上記ダイポールアンテナ素子のダイポール素子部に沿って配設し、
   上記給電線から給電して、各組の対向配置されたダイポールアンテナ素子を同相で励振し、互いに直交する２つの偏波を輻射することができるように構成したことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１記載のアンテナ装置において、
   上記ダイポールアンテナ素子を４個配置し、その互いに向き合う２つのダイポールアンテナ素子を１組とし、それらを同相で励振させる上記給電線を含む給電回路を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２記載のアンテナ装置において、
   上記ダイポールアンテナ素子及びその給電回路が誘電体基板上に構成され、さらに広帯域化を図るための無給電の寄生素子が、上記ダイポールアンテナ素子におけるダイポール素子部の近傍に重ねて配設されていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項３記載のアンテナ装置において、
   上記ダイポールアンテナ素子のダイポール素子部が、上記誘電体基板に直角な基準平面に対してそれぞれ約４５度傾斜して互いに正方形状の菱形を形成するように配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項４記載のアンテナ装置において、
   水平面指向性に応じて、向き合うダイポールアンテナ素子の相互のダイポール素子部の配置間隔を変えることで、７０°より狭いビーム幅を得る構成にしたことを特徴とするアンテナ装置。

Images