JP2007043342A - ディスコーンアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の携帯電話会社で共用出来る広帯域特性で高効率のアンテナを提供する。
【解決手段】 ディスコーンアンテナの円板導体と円錐状導体との寸法比を実験的な最適値から外れた状態に設定して、ディスコーンアンテナの周波数特性が付加されるインピーダンスの影響を受けるようにし、上記板状導体の中心部と上記円錐状導体の頭頂部とに設定される給電端部に周波数特性調整回路を設けて、ディスコーンアンテナの周波数特性を所望に設定出来るようにして広帯域特性で高効率のアンテナを提供した。
【選択図】 図２

Description

本発明はディスコーンアンテナに関し、特に、携帯電話、無線ローカルエリアネットワーク（無線ＬＡＮ）や超広帯域無線（ＵＷＢ）等に好適に改良したディスコーンアンテナに関する。

携帯電話システムや無線ＬＡＮシステムでは、基幹回線に接続された基地局や中継局と携帯電話機等との間を電波を使用して接続して通信ネットワークを構築している。

しかしながら、携帯電話機や情報端末機器の使用に許諾されている電波形式、電波強度、使用周波数等による電波伝搬特性や使用場所等によって通信が困難な場所が生じている。例えば、地下街やビルの中などでは、外部の該当エリアの基地局からの電波が入りにくいため、携帯電話やインターネット等の使用が困難である。

この対策としては、地下街やビルの中などに中継器を配置し、外部の基地局や当該場所に設置された屋内回線と携帯電話機等とを中継するシステムが有力である。当該中継器は、概略、回線に接続される無線通信装置と天井などに配置される複数のアンテナとによって構成される。例えば、特開平８−２０４４２５号公報には天井に取り付ける移動電話の基地局アンテナの例が開示されている。
特開平８−２０４４２５号公報

しかしながら、携帯電話や情報端末機器の通信サービスを提供する通信事業者は複数あり、複数の電波が使用されている。中継器には各事業者の複数の通信電波を中継することが望まれる。また、携帯電話や情報端末機器の出力電波や当該中継器に許容される出力電波は１０［ｍＷ］程度の微弱なものである。このため、中継器に使用されるアンテナには、広帯域特性で送受信効率の良いアンテナが必要とされる。具体的には、複数の通信電波を含む範囲全体においてＳＷＲ（定在波比）が２以下であることが求められる。また、特定の帯域においては、ＳＷＲが１．５以下であることが求められる。

よって、本発明は広帯域特性で高効率のアンテナを提供することを目的とする。

また、本発明は広帯域特性で高効率のアンテナであって、天井などに設置容易な小型コンパクトなアンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のディスコーンアンテナは、板状導体を含むディスク部と、円錐状導体を含むるコーン部と、上記板状導体の中心部と上記円錐状導体の頭頂部とにそれぞれ設定される給電端と、上記板状導体と上記円錐状導体の頭頂部相互間に接続されるアンテナの周波数特性調整回路と、を備える。

かかる構成とすることにより、一般に広帯域特性であるが、送信時の高利得を得にくいディスコーンアンテナの特性を改善することが可能となる。また、同じ形状のディスコーンアンテナを用いて異なる周波数特性を得ることが可能となる。

好ましくは、上記円錐状導体はそのスロープの途中から水平方向に展開している。それにより、アンテナの高さを低くすることができ、アンテナ装置全体をコンパクトに構成することが可能となって都合がよい。

円錐状導体はそのスロープの下端から上方に６０％程度の部分まで、水平方向に展開する（折り曲げる）ことが可能である。このようにしても、所要のＳＷＲ特性を得ることが可能であり、よりアンテナ装置をコンパクトに形成することが可能となる。よりディスク部に近い部分で円錐状導体を水平展開すると、当該展開部分をディスク部とのキャパシタ成分として機能させることも可能となる。

好ましくは、上記板状導体の直径Ａと上記円錐状導電体のスロープ長Ｂとの比が広帯域特性を得るディスコーンアンテナの最適値（例えば、Ａ：Ｂ＝０．２λ：０．３λ）から外れるように設定される。ここで、λはアンテナの使用可能下限周波数の波長である。それにより、ディスコーンアンテナの周波数特性がくずれ、インピーダンス挿入による周波数特性の変更が可能となる。

好ましくは、上記周波数特性調整回路は、使用周波数帯域の低域特性を設定するインダクタと、使用周波数帯域の高域特性を設定するキャパシタと、を含む。それにより、使用周波数帯域におけるＳＷＲ特性（アンテナ利得特性）を改善することが可能となる。

好ましくは、上記板状導電体の直径がアンテナの使用可能下限周波数の波長λに対して０．０８〜０．２波長、より好ましくは、０．１３波長である。

好ましくは、上記円錐状導電体のスロープ長がアンテナの使用周波数帯域の下限周波数の波長に対して０．３２〜０．５波長、より好ましくは０．３波長である。

好ましくは、上記円錐状導電体の下側１／３がスロープの途中から水平方向に展開している。それにより、アンテナ高さを低くして天井などに設置容易な形状、例えば円錐台形状とすることができる。

本発明のディスコーンアンテナによれば、ディスコーンアンテナのディスク部のサイズを通常値よりも小とし、ディスク部とコーン部との比率を最適値から外して、（最適値では）定入力インピーダンス特性であるディスコーンアンテナの周波数特性が付加されるインピーダンスによって変化するようにする。そして、周波数特性調整回路によって所要の周波数特性を設定する。それにより、外形が同じディスコーンアンテナを用いて複数の周波数帯域特性を設定することができる。そして、選択した所要周波数帯域全般に渡ってＳＷＲが２以下となるアンテナを得ることが可能となる。

（ディスコーンアンテナ）
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。

まず、ディスコーンアンテナについて説明する。

図１は、ディスコーンアンテナの形状を示しており、円板状(disk)の導体であるディスク部１０と、円錐状(cone)の導体であるコーン部２０とを組み合わせ、同軸ケーブル４０の中心導体４２をディスク部の中心に接続し、外部導体を４４をコーン部２０の頂部に接続している。

ディスコーンアンテナは、無限長バイコニカルアンテナを実用的な形に変形したものである。無限長バイコニカルアンテナは自己相似形アンテナの代表的なものであり、入力インピーダンスが周波数に無関係で一定であるという特徴を有する。このため、ディスコーンアンテナは非常に広帯域性で、入力インピーダンスは５０［Ω］で略一定である。同軸ケーブルは、波動インピーダンスが７５［Ω］や５０［Ω］のものが市販されており、５０［Ω］の同軸ケーブルをディスコーンアンテナに直結して使用することができる利点がある。

このような、ディスコーンアンテナは、垂直偏波、全方向性であり、固定局用の広帯域受信や特定の特性の良い周波数部分を送信に用いる送受信用アンテナ等として使用される。

（実施例１）
図２は、本発明の第１の実施例を示している。同図において、図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。

本実施例では、ディスク部１０の直径Ａ、コーン部２０の長さ（スロープ）Ｂ、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの値の設定によって所要の周波数帯域（幅）のＳＷＲを１．５以下とし、あるいは広い周波数範囲においてＳＷＲを２以下に保つことを目的とする。具体的には、実施例のディスコーンアンテナは、携帯電話機用周波数帯である８００ＭＨｚ帯、１５００ＭＨｚ帯、２０００ＭＨｚ帯の複数バンドに対応するアンテナとして設計される。

このため、本発明では、ディスコーンアンテナのディスク部１０の直径Ａとコーン部２０のスロープ長Ｂとの比（Ａ：Ｂ）が実験的あるいは経験的な最適値（通常値）である、０．２λ：０．３λから外れる設定とするため、ディスク部１０の直径Ａをその６０％程度の０．１３λに設定する。なお、スロープ長Ｂによって使用周波数帯域の下限波長が決定される。このようなパラメータ設定にすることで、最適条件では定入力インピーダンスで広帯域特性を示すディスコーンアンテナの周波数特性が外部接続インピーダンスの影響を受けるようになる。なお、コーン部２０のスロープ長Ｂ＝０．３λ、コーン部の半頂角＝４５度で通常のディスコーンアンテナと同様である。

次に、図２に示すように、アンテナの給電部にインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣの並列接続回路からなる周波数特性調整回路３０を設けて、ＳＷＲの周波数特性の設定を行っている。インダクタンスＬは低域調整用であり、インダクタンスＬの値によって低域のＳＷＲを改善する。キャパシタンスＣは高域調整用であり、インダクタンスＬによって悪化する高域のＳＷＲ特性を改善する。ディスコーンアンテナは基本的に広帯域性であるので、下限周波数の３倍程度の周波数帯域幅で特性を改善することができる。

上述したディスク部１０は、例えば、印刷配線回路基板（ＰＣＢ）によって構成することができ、円板導体は当該基板の片面に形成された金属導体によって形成される。また、インダクタンスＬは当該基板の反対面に形成されたインダクタンスパターンにより形成することができる。

コーン部３０は、後述の図６に示すように、円錐状導体のスロープの途中から水平方向に展開することができる。このように折り曲げても、同様のＳＷＲの周波数特性である。円錐状導体のスロープの下端から上方に６０％程度までのスロープ長の部分を途中から折り曲げても、下限周波数ｆｏの３倍程度の３ｆｏの周波数範囲内では、ＳＷＲの周波数特性への影響が少ない。また、周波数特性調整回路３０によって特性を調整することが可能である。よって、この特徴をアンテナ装置のコンパクト化に利用することができる。
周波数特性調整回路３０の、キャパシタンスＣは円板導体とコーン部３０の頂部との結合によって形成することができる。また、コーン部３０の展開部分を大きくした場合には、ディスク部１０と当該展開部分とによってキャパシタＣを形成することができる。

図３は、ディスコーンアンテナを８１０〜９６０［ＭＨｚ］、１４７０〜１５３０［ＭＨｚ］の２つの周波数帯域で使用する２周波用アンテナとして設計した場合のＳＷＲ特性を示している。

この場合のアンテナパラメータは、ディスク部の直径Ａ＝０．１３λ、コーン部のスロープ長Ｂ＝０．３λ、コーン部の半頂角＝４５度、インダクタＬ＝５［ｎＨ］、キャパシタＣ＝３［ｐＦ］である。

図３は、このアンテナに供給電力１０［ｍＷ］の高周波信号を供給し、周波数を６００［ＭＨｚ］〜２．５［ＧＨｚ］まで掃引したときのＳＷＲ特性をオシロスコープで観察したものである。

同図中、縦軸はＳＷＲ値であり、一目盛りが０．２である。横軸は周波数であり、一目盛りは１９０［ＭＨｚ］である。グラフ中に三角印で示されているマーカー１は８１０［ＭＨｚ］、マーカー２は９５８［ＭＨｚ］、マーカー３は１４２９［ＭＨｚ］、マーカー４は１５０１［ＭＨｚ］、マーカー５は１９２０［ＭＨｚ］、マーカー３は２１７０［ＭＨｚ］をそれぞれ示している。

同図のＳＷＲ特性から判るように、実施例１のディスコーンアンテナによれば、２つの周波数帯域の全帯域においてＳＷＲ１．５以下となる良好な特性を得ている。因みに、ＳＷＲ１．５は電力効率が９６％に相当する。

（実施例２）
図４は、本発明の第２の実施例を示しており、上述したディスコーンアンテナを８１０〜９６０［ＭＨｚ］、１４７０〜１５３０［ＭＨｚ］、１９００〜２２００ＭＨｚの３つの周波数帯域で使用する３周波用アンテナとして設計した場合のＳＷＲ特性を示している。

この場合のアンテナパラメータは、ディスク部の直径Ａ＝０．１３λ、コーン部のスロープ長Ｂ＝０．３λ、コーン部の半頂角＝４５度、インダクタＬ＝３［ｎＨ］、キャパシタＣ＝１［ｐＦ］である。

図４は、このアンテナに供給電力１０［ｍＷ］の高周波信号を供給し、周波数を６００［ＭＨｚ］〜２．５［ＧＨｚ］まで掃引したときのＳＷＲ特性をオシロスコープで観察したものである。なお、マーカー１〜６の周波数は、図３と同様である。

同図に示されるように、３周周波数帯域の全帯域においてＳＷＲ１．８以下（電力効率９２％以上）の性能が得られている。しかも、８１０〜９６０［ＭＨｚ］、１４７０〜１５３０［ＭＨｚ］の２周波数帯域においては、１．６以下であり、良好である。

なお、実施例２においても、コーン部３０は、後述の図６に示すように、円錐状導体のスロープの途中から水平方向に展開することができる。このように折り曲げても、同様のＳＷＲの周波数特性である。円錐状導体のスロープの下端から上方に６０％程度までのスロープ長の部分を途中から折り曲げても、下限周波数ｆｏの３倍程度の３ｆｏの周波数範囲内では、ＳＷＲの周波数特性への影響が少ない。また、周波数特性調整回路３０によって特性を調整することが可能である。よって、この特徴をアンテナ装置のコンパクト化に利用することができる。
周波数特性調整回路３０の、キャパシタンスＣは円板導体とコーン部３０の頂部との結合によって形成することができる。また、コーン部３０の展開部分を大きくした場合には、ディスク部１０と当該展開部分とによってキャパシタＣを形成することができる。

（比較例）
図５は比較例として、通常のアンテナパラメータでマイクロ波帯用に製作したディスコーンアンテナのＳＷＲの周波数特性例を示している。

一般的に、ディスコーンアンテナは、アンテナの使用可能な下限周波数の波長に対して直径０．２波長のディスク部と、長さ０．３波長のコーン部とで構成する。

そこで、比較例のアンテナパラメータは、ディスク部の直径Ａ＝０．２λ、コーン部のスロープ長Ｂ＝０．３λ、コーン部の半頂角＝４５度としている。通常の使い方である波動インピーダンス５０［Ω］の同軸ケーブルをアンテナの給電点に直結した。周波数特性調整回路３０は設けていない。このアンテナに供給電力１０［ｍＷ］の高周波信号を供給し、周波数を６００［ＭＨｚ］〜２．５［ＧＨｚ］まで掃引したときのＳＷＲをオシロスコープで観察したものである。

同図中、縦軸はＳＷＲ値であり、一目盛りが０．２である。横軸は周波数であり、一目盛りは１９０［ＭＨｚ］である。グラフ中に示されているマーカー１は８１０［ＭＨｚ］、マーカー２は９５８［ＭＨｚ］、マーカー３は１４２９［ＭＨｚ］、マーカー４は１５０１［ＭＨｚ］、マーカー５は１９２０［ＭＨｚ］、マーカー３は２１７０［ＭＨｚ］を表している。

同図から判るように、通常の構成では、８００ＭＨｚ〜２ＧＨｚにおいてＳＷＲが１．８〜２．４程度あり、全帯域においてＳＷＲ２以下となるべき条件をクリアすることができない。また、８００ＭＨｚ帯及び１５００ＭＨｚ帯の携帯電話の周波数帯域では、好ましくは、ＳＷＲ１．５が求められるところ、１．８程度が限界である。

（実施例３）
図６は、本発明の第３の実施例を示しており、ディスコーンアンテナを小型化する例を説明する説明図である。同図において、図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。

この実施例では、上述した本発明に係るディスコーンアンテナのコーン部２０の下部３０％程度（約１／３）を水平方向に折り曲げてアンテナ全体の高さを低くしている。このようにしても、使用可能な低域周波数ｆｏの３倍程度の周数帯域幅３ｆｏでは、特性に影響がでない。

なお、前述したように、実例１及び２の構成において、コーン部２０の水平方向への折り曲げは、コーン部２０の下端から上方へ６０％程度（約２／３）までを水平方向に折り曲げても、アンテナの周波数特性があまり変化しない（展開しないものとの差がない）。よって、アンテナ全体の高さをより低くすることができる。
上述したように、実施例は、周波数特性調整回路を備えるので、ディスク部と変形コーン部とのサイズ比率の最適値からのアンバランス状態でＳＷＲの周波数特性を調整することができる。

図７は、図６に示した変形ディスコーンアンテナをドームに収めた例を説明する断面図である。図７において、図６と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明を省略する。

図７に示すように、ディスコーンアンテナは円形の絶縁物であるベースプレート１１０の上に取り付けられ、ポット状のドーム１２０で覆われる。図示しない高周波電源に接続された同軸ケーブルがコネクタ１３０に接続される。コネクタ１３０とディスコーンアンテナの給電点とは内部の同軸ケーブル４４で接続される。

実施例のディスコーンアンテナはディスク部１０が一般的な直径の長さの６０％程度であり、高さが２／３程度であるので、例えば、高さが８０ｍｍ、底部の幅が２００ｍｍ程度であり、アンテナ装置全体を小型コンパクトに構成することができる。

このように組み立てられたアンテナ装置１００は、逆向きにして地下街やビル内の天井に取り付けられ、使用される。

なお、実施例では、板状体によって構成されたディスコーンアンテナについて説明したが、これを線状の放射状の素子によって構成することができる。これも、ディスコーンアンテナに属する。

以上説明したように、本発明の実施例によれば、ディスコーンアンテナのディスク部の直径を約０．１３波長程度にして、ディスコーンアンテナにおけるディスク部とコーン部との最適条件（例えば、最適比率Ａ：Ｂ＝０．２λ：０．３λ）から外し、安定した広帯域特性を持つ状態からディスコーンアンテナの特性が接続されたインダクタンス及びキャパシタンスによる影響を受ける状態にして、インダクタンスによって低域のＳＷＲ特性が改善なするように調整し、この調整に伴って悪化する高域のＳＷＲ特性をキャパシタによって改善するようにしたので所要の比較的に広範囲の周波数帯域で良好なＳＷＲ特性を有するディスコーンアンテナを得ることが可能となる。

また、ディスコーンアンテナのコーン部を水平方向に展開させることによって、アンテナ装置の高さを低くして、コンパクトなアンテナ装置を得ることが可能となり、天井面等に設置する場合に都合がよい。

図１は、ディスコーンアンテナを説明する説明図である。 図２は、実施例のディスコーンアンテナの特徴を説明する説明図である。 図３は、第１の実施例のＳＷＲ特性を説明するグラフである。 図４は、第２の実施例のＳＷＲ特性を説明するグラフである。 図５は、比較例のＳＷＲ特性を説明するグラフである。 図６は、第３の実施例を説明する説明図である。 図７は、第３の実施例のアンテナを組み立てた状態を説明する断面図である。

符号の説明

１０ ディスク部、２０ コーン部、３０ 周波数調整回路 ４０ 同軸ケーブル

Claims (7)

1. 板状導体を含むディスク部と、
   円錐状導体を含むコーン部と、
   前記板状導体の中心部と前記円錐状導体の頭頂部とにそれぞれ設定される給電端と、
   前記板状導体と前記円錐状導体の頭頂部相互間に接続されるアンテナの周波数特性調整回路と、
   を備えるディスコーンアンテナ。
2. 前記円錐状導体がそのスロープの途中から水平方向に展開している、請求項１に記載のディスコーンアンテナ。
3. 前記板状導体の直径と前記円錐状導電体のスロープ長との比が広帯域特性を得るディスコーンアンテナの最適値から外れるように設定される、請求項１又は２に記載のディスコーンアンテナ。
4. 前記周波数特性調整回路は、使用周波数帯域の低域特性を設定するインダクタと、使用周波数帯域の高域特性を設定するキャパシタと、を含む請求項１乃至３のいずれかに記載のディスコーンアンテナ。
5. 前記板状導電体の直径がアンテナの使用可能下限周波数の波長λに対して０．１３λである、請求項１乃至４のいずれかに記載のディスコーンアンテナ。
6. 前記円錐状導電体のスロープがアンテナの使用周波数帯域の下限周波数の波長λに対して０．３λである、請求項１乃至５のいずれかに記載のディスコーンアンテナ。
7. 前記円錐状導電体の下側１／３が水平方向に展開している、請求項１乃至６のいずれかに記載のディスコーンアンテナ。

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