JP2011082810A - 天井用アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ素子を建造物の天井に設置し、垂直偏波の電波を建造物内に放射する天井用アンテナ装置において、アンテナ素子の放射特性を劣化させることなく、天井への設置作業を簡単に行うことができるようにする。
【解決手段】天井用アンテナ装置は、筒状部２２と蓋体２３、２４とからなり、筒状部２２の側壁に、その中心軸周りに長尺となるスロットを形成するための導電体パターン２６〜２８を形成したキャビティスロットアンテナを、アンテナ素子として使用する。アンテナ素子は、支持板を介して天井に固定するが、支持板にアンテナ素子を固定する際には、同軸ケーブル３８を介してアンテナ素子の給電点３４、３６に接続された同軸コネクタ４０と支持板との間にプリント配線基板４４を挟む。プリント配線基板４４には、同軸コネクタ４０の外部導体に接続されて外方向に延びる線状パターン４６を形成しておく。
【選択図】図２

Description

本発明は、駅や地下街等の建造物の天井に設置して使用される天井用アンテナ装置に関する。

従来、地下鉄の駅等の地下施設でＦＭ放送等の放送電波を再送信するアンテナ装置として、天井から吊り下げられた表示板にダイポールアンテナを組み込んだものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。

また、このように建造物の天井にアンテナ装置を設置する場合、天井から吊り下げられた表示板等がなければ、ダイポールアンテナ等からなるアンテナ素子を天井に直接設置することになるが、天井がアルミ板などの金属製化粧板である場合には、アンテナ素子を垂直偏波用のものにする必要がある。これは、水平偏波で電波を放射すると、天井を構成している金属板に誘導電流が流れ、アンテナからの放射特性が低下するためである。

従って、ダイポールアンテナを使って垂直偏波の電波を送信するには、エレメントが垂直方向になるように、ダイポールアンテナを設置すればよい。また、ダイポールアンテナをこのように設置すれば、水平面上では略無指向性となり、垂直面上ではダイポールアンテナを中心として水平方向に広がる８の字形若しくは繭形の指向特性が得られることから、地下街等で広範囲に効率よく電波を放射することができるようになる。

しかしながら、地下街の通路等で、ダイポールアンテナを垂直方向にして天井から吊り下げると、通行の邪魔になる。
そこで、本願発明者らは、ダイポールアンテナを使用することなく、天井に設置して、上記のような放射特性が得られるアンテナ素子として、導体壁で囲まれ、筒状で扁平な形状を有するキャビティを利用して構成されるキャビティスロットアンテナを提案している（例えば、特許文献２等参照）。

このキャビティスロットアンテナは、キャビティの側壁（詳しくは筒の中心軸周りの側壁）に、その中心軸周りに長尺なスロットを形成したものであり、その中心軸が垂直方向となるように配置することで、ダイポールアンテナをエレメントが垂直方向になるよう設置したときと同様の指向特性を得られる。

従って、この提案のキャビティスロットアンテナを天井用アンテナ装置として使用すれば、アンテナ素子にダイポールアンテナを使用した場合に比べて、垂直方向の長さが極めて短くなり、地下街の通路等に設置しても通行の邪魔になることはない。

特開２００９−４９８８号公報 特願２００８−４７９４０号

ところで、上記提案のキャビティスロットアンテナをアンテナ素子として天井に設置するには、アンテナ素子を、建造物の天井に取り付け可能な支持部材に固定する必要がある。

この支持部材は、建造物の天井に取り付けるためのものであるため、板状にすることが望ましく、更に、この支持部材（換言すれば支持板）に同軸コネクタを設けて、この同軸コネクタとアンテナ素子の給電点とを同軸ケーブル等で接続しておくようにするとよい。

つまり、このようにすれば、アンテナ装置を、支持板を介して天井に設置した際、送信機等の通信装置に接続された同軸ケーブルを天井裏に配線して、支持板に設けた同軸コネクタに接続すればよく、アンテナ装置設置時の配線作業を簡単にすることができる。

また、この場合、アンテナ素子の給電点から直接同軸ケーブル等のアンテナ線を引き出す必要がないので、支持板にアンテナ素子を囲むカバーを取り付けることにより、アンテナ素子を保護するとか、アンテナ設置時の見栄えをよくする、といったことができる。

しかしながら、実際に支持板を使ってアンテナ素子（キャビティスロットアンテナ）を天井に設置し、支持板に設けた同軸コネクタを介して通信装置からアンテナ素子に送信信号を給電すると、アンテナ素子からの放射電波が、同軸コネクタに接続された同軸ケーブルの影響を受けて、所望の放射特性が得られなくなることがわかった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、アンテナ素子を建造物の天井に設置し、垂直偏波の電波を建造物内に放射する天井用アンテナ装置において、キャビティスロットアンテナをアンテナ素子として使用する際、その放射特性を劣化させることなく、天井への設置作業を簡単に行うことができるようにすることを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、
筒状で扁平な形状を有する導体壁にて囲まれたキャビティを有し、前記導体壁の内、筒を形成する側壁には、当該側壁の中心軸周りに長尺なスロットが形成された、キャビティスロットアンテナからなるアンテナ素子と、
建造物の天井に対し、板面が略水平となるよう取り付け可能で、当該板面と前記アンテナ素子の前記中心軸方向一端側の端面とが対向するよう、前記アンテナ素子が固定される支持板と、
を備えた天井用アンテナ装置であって、
前記支持板を非導電性材料にて形成すると共に、
前記支持板の略中央に、前記アンテナ素子の給電点に同軸ケーブルを介して接続された同軸コネクタを固定し、
更に、前記支持板の板面に、前記同軸コネクタの外部導体に接続され、前記アンテナ素子の中心周波数の波長をλとしたとき、電気長がλ／４以上となる線状の導電部材を設けたことを特徴とする。

次に、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の天井用アンテナ装置において、前記導電部材は、前記同軸コネクタの外部導体を中心として、放射状に複数本設けられていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の天井用アンテナ装置において、前記導電部材は、前記同軸コネクタの外部導体から外方向に延び、前記支持板の周縁部分で、当該支持板の外周に沿って折り曲げられていることを特徴とする。

請求項１に記載の天井用アンテナ装置においては、キャビティスロットアンテナからなるアンテナ素子と、このアンテナ素子が板面に固定される支持板を備える。このため、この支持板の他方の板面が上方を向くように建造物の天井に取り付ければ、アンテナ素子を建造物の天井に設置することができる。

また、アンテナ素子は、中心軸方向一端側の端面が対向するように支持板に固定されることから、支持板を介して天井に取り付けられると、垂直偏波の電波を放射することになる。そして、この場合、アンテナ素子の水平面の指向特性は、アンテナ素子を中心として円若しくは楕円形状となり、垂直面の指向特性は、アンテナ素子を中心として水平方向両側に広がる８の字形状若しくは繭型形状となる。従って、天井がアルミ板などの金属製化粧板で構成されていても、建造物内に広範囲に効率よく電波を放射することができる。

また、支持板は非導電性材料にて形成され、しかも、板面の略中央には、アンテナ素子の給電点に同軸ケーブルを介して接続された同軸コネクタが固定されている。このため、当該天井用アンテナ装置を送信機等の通信装置に接続するための同軸ケーブルを天井裏に配線しておけば、支持板を天井に取り付ける際に、同軸コネクタを使って、この配線用の同軸ケーブルとアンテナ素子とを簡単に接続することができるようになり、その接続作業を極めて簡単に行うことができる。また、支持板が非導電性材料にて形成されているので、支持板がアンテナ素子の放射特性に影響を与えることはない。

また、更に、支持板の板面には、同軸コネクタの外部導体に接続され、アンテナ素子の中心周波数の波長をλとしたとき、電気長がλ／４以上となる線状の導電部材が設けられている。

この導電部材は、グランドプレーン若しくはシュペルトップ、或いはトラップとして機能し、アンテナ素子の放射特性が、当該アンテナ装置の設置時に同軸コネクタに接続される同軸ケーブルの影響を受けるのを防止する。

従って、本発明の天井用アンテナ装置によれば、この導電部材により上述した指向特性が安定して得られることになり、天井用アンテナとしての機能を安定して実現できることになる。

ここで、導電部材は、支持板に対し一本だけ設けるようにしてもよいが、より好ましくは、請求項２に記載のように、同軸コネクタの外部導体を中心として、放射状に複数本設けるようにするとよい。そして、このようにすれば、導電部材は、グランドプレーンを複数の線で実現した場合と同様、指向特性の安定化機能をより良好に発揮することができる。

なお、導電部材を、同軸コネクタの外部導体を中心として、外方向に真っ直ぐ形成した場合、支持板の大きさによっては、導電部材の電気長をλ／４以上にすることができないことが考えられるが、この場合には、請求項３に記載のように、導電部材を、支持板の周縁部分で、当該支持板の外周に沿って折り曲げるようにしてもよい。

つまり、このようにすれば、支持板の大きさが小さく、導電部材を直線状に形成した際、その電気長をλ／４以上にすることができない場合であっても、導電部材全体の電気長をλ／４以上にすることができる。そして、この場合、支持板の大きさ（面積）を小さくすることができるので、アンテナ装置全体を小型化し、天井へのアンテナ装置の設置面積を小さくすることができる。

実施形態の天井用アンテナ装置の外観を表す説明図であり、（ａ）はその側面図、（ｂ）は底面図である。 実施形態の天井用アンテナ装置の内部構成を表す分解斜視図である。 実施形態の天井用アンテナ装置を構成する各部の寸法を説明する説明図である。 実施形態の天井用アンテナ装置の垂直面指向特性を測定した測定結果を表す説明図である。 実施形態の天井用アンテナ装置の水平面指向特性を測定した測定結果を表す説明図である。 実施形態の天井用アンテナ装置の電圧定在波比を同軸コネクタから測定した測定結果を表す説明図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１に示すように、本実施形態の天井用アンテナ装置は、地下街等の建造物の天井を構成するボード２に固定して使用されるものであり、複数（本実施形態では４本）の取付用ボルト４を介して、板面が略水平となるようにボード２に取り付けられる支持板１０を備える。

支持板１０の天井とは反対側の面には、アンテナ素子２０がねじ（図示せず）を介して固定されており、支持板１０の周縁には、アンテナ素子２０を保護するカバー５０が嵌合されている。

アンテナ素子２０は、支持板１０及びカバー５０に対向する上・下面が略正方形で、側面の高さが上・下面の各辺よりも短い、扁平な箱形形状のキャビティスロットアンテナにて構成されている。

支持板１０は、アンテナ素子２０の上・下面よりも大きい円形に形成されており、アンテナ素子２０は、４つの側壁で形成される筒の中心軸を支持板１０の中心軸と一致させた状態で、支持板１０に固定されている。

また、カバー５０は、支持板１０の周縁に嵌合可能な径を有し、中心軸方向の長さ（高さ）がアンテナ素子２０よりも長い円筒形状であり、支持板１０との嵌合部とは反対側は閉塞されている。

そして、カバー５０及び支持板１０は、アンテナ素子２０の放射特性に影響を与えることのないよう、非導電性の合成樹脂にて形成されている。
次に、アンテナ素子２０の構成を、図２を用いて説明する。

図２に示すように、アンテナ素子２０は、キャビティの４つの側壁を構成する中空の筒状部２２と、その上下の開口面を閉塞する上下一対の蓋体２３、２４とからなる。
筒状部２２は、例えば、プリント配線基板等の合成樹脂製の基板を、各側面の大きさに切断して、その長手方向両端同士を接続することにより、略正方形の中空部を有する筒状に形成されている。

そして、各側壁の内外面には、長手方向の上下の辺に沿って、所定の幅を有する帯状の導電体パターン２６、２８がそれぞれ形成されており、更に、一つの側壁の外面には、上下の導電体パターン２６同士を接続する導電体パターン２７が形成されている。

なお、これらの導電体パターン２６〜２８は、合成樹脂製の基板に導電体シール等を貼り付けることによっても形成できるが、プリント配線基板を利用すればエッチング等により簡単に形成することができる。

一方、蓋体２３、２４は、金属製の導電板にて略正方向に形成されており、各４辺には、筒状部２２の上下端縁に当接されることにより、蓋体２３、２４を筒状部２２の上下開口端に位置決めする鍔部３０が形成されている。

また、蓋体２３、２４の各４辺には、筒状部２２の上下開口端に位置決めした際、筒状部２２の各側壁の内側に嵌合されて、各側壁の内面に形成された導電体パターン２８と電気的に接続される接続片３２が形成されている。

そして、この接続片３２にはねじ孔３２ａが形成されており、筒状部２２の各側壁には、このねじ孔３２ａに対応する透孔２２ａが形成されている。このため、各蓋体２３、２４を筒状部２２の上下開口端に位置決めした際、透孔２２ａを介して、固定用のねじ（図示せず）をねじ孔３２ａに螺入することで、蓋体２３、２４を筒状部２２の上下開口部にしっかりと固定できるようになる。

また、この固定により、蓋体２３、２４と、筒状部２２の内外面に形成された導電体パターン２７〜２８とが電気的に接続される。
この結果、筒状部２２と蓋体２３、２４とにより、導体壁で囲まれたキャビティが形成され、筒状部２２の各側壁の外面に形成された導電体パターン２６、２７により、キャビティの中心軸周りに長尺なスロットが形成されて、これら各部は、キャビティスロットアンテナとして機能することになる。

また次に、筒状部２２において、導電体パターン２７が形成された側壁と対向する側壁には、その外面に、キャビティスロットアンテナの給電点となる給電用パターン３４、３６が形成されている。

この給電用パターン３４、３６は、スロットの略中間点で、筒状部２２の外面に形成された上下開口端側の導電体パターン２６とそれぞれ接続されるものであり、上方の給電用パターン３４は、インピーダンス整合用の抵抗３７を介して、上方の開口端側の導電体パターン２６に接続され、下方の給電用パターン３６は、下方の開口端側の導電体パターン２６と直接接続されている。

なお、これら各給電用パターン３４、３６は、Ｔ字状に形成され、導電体パターン２６の長さ方向に張り出した部分があるが、これはインピーダンス整合用パターンである。
そして、これら各給電用パターン３４、３６には、キャビネット内に設けられた同軸ケーブル３８と接続するためのスルーホール（図示せず）が形成されており、給電用パターン３４には、スルーホールを介して同軸ケーブル３８の中心導体（芯線）が接続され、給電用パターン３６には、スルーホールを介して同軸ケーブル３８の外部導体が接続される。

次に、同軸ケーブル３８の他端には、同軸コネクタ４０が接続されている。この同軸コネクタ４０は、支持板１０の略中心位置に形成された透孔に挿通されて、支持板１０の外側から外部の通信装置（詳しくは通信装置に接続された同軸ケーブル）を接続できるようにするためのものであり、同軸ケーブル３８側端部には、支持板１０にねじで固定するための透孔４１が穿設された鍔部４２が形成されている。

また、この同軸ケーブル３８を支持板１０に固定する際には、鍔部４２と支持板１０との間に、支持板１０と同形状で取付用ボルト４の取り付け位置に切り欠きが形成されたプリント配線基板４４を挟む。そして、鍔部４２及びプリント配線基板４４に形成された透孔４１、４５にねじを通して、支持板１０に形成されたねじ孔（図示せず）にねじを螺入することで、同軸コネクタ４０とプリント配線基板４４とを同時に支持板１０に固定する。

なお、アンテナ素子２０を構成する蓋体２３には、この同軸コネクタ４０を挿通するための透孔２３ａが形成されている。また、図示しないが、蓋体２３及びプリント配線基板４４には、アンテナ素子２０及びプリント配線基板４４を支持板１０にねじで固定するための透孔も形成されている。

プリント配線基板４４には、上記のように支持板１０に固定されることにより、同軸コネクタ４０の鍔部４２（換言すれば外部導体）と電気的に接続されて、その接続点から外方向に延びる４つの線状パターン４６が形成されている。

この線状パターン４６は、給電線である同軸ケーブル３８の外部導体から同軸コネクタ４０を介して外部の同軸ケーブルへと不要電波が出力されて、アンテナ素子２０本来の放射特性が得られなくなるのを防止するためのものであり、アンテナ素子２０の中心周波数の波長をλとしたとき、電気長がλ／４以上となるように形成されている。

具体的には、４つの線状パターン４６は、同軸コネクタ４０を中心として、互いに略９０度の角度をなすよう、外方向に放射状に延びており、プリント配線基板４４（換言すれば支持板１０）の周縁部分で、その外周に沿って円弧状に折り曲げられることにより形成されている。

このように、本実施形態の天井用アンテナ装置においては、キャビティスロットアンテナからなるアンテナ素子２０を備え、このアンテナ素子２０を支持板１０に固定する際には、導電部材としての４つの線状パターン４６を形成したプリント配線基板を、支持板１０に積層するようにされている。

このため、本実施形態の天井用アンテナ装置を天井のボード２に固定して使用する際、４つの線状パターン４６は、グランドプレーン若しくはシュペルトップ、或いはトラップとして機能し、キャビティスロットアンテナ本来の放射特性が得られなくなるのを防止することができる。

次に、この効果（つまりキャビティスロットアンテナ本来の放射特性が得られること）を確認するため、本実施形態の天井用アンテナ装置の放射特性を測定したので、その測定結果を図４〜図６に記載する。

なお、この測定には、天井用アンテナ装置を、テレビの地上デジタル放送で使用されている４７０〜５６０ＭＨｚ帯のテレビ放送電波を建造物内で再送信するものとして作製した。

具体的には、図３に示すように、アンテナ素子２０を構成する筒状部２２の側壁の長手方向の長さを１１７ｍｍ、側壁の高さを４８ｍｍ、導電体パターン２６（２８）の高さを１０ｍｍ、アンテナ素子２０とプリント配線基板との間隔を２ｍｍ、給電点から同軸コネクタ４０迄の同軸ケーブル３８の長さを１００ｍｍとした。

また、プリント配線基板４４に形成される線状パターン４６において、同軸コネクタ４０の中心から周縁部までの長さを７５ｍｍ、折り曲げられた円弧の長さを１１０ｍｍとした。また、同軸コネクタ４０には、鍔部４２の厚みが２ｍｍ、鍔部４２から同軸ケーブル３８側の長さが１０ｍｍ、これとは反対側（つまり外部の同軸ケーブルを接続するコネクタ部）の長さが３３ｍｍのものを使用した。

そして、このように構成された天井用アンテナ装置によれば、使用周波数範囲（４７０ＭＨｚ〜５６０ＭＨｚ）内で、垂直偏波の電波の垂直面の指向特性が、自身を中心として水平方向両側に広がる繭型形状となり（図４参照）、垂直偏波の電波の水平面の指向特性が、自身を中心として略無指向性の楕円形状となり（図５参照）、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）も値：３以下になり、地下街等で地上デジタル放送のテレビ放送電波を再送信するのに適した特性が得られることが分かった。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて、種々の態様をとることができる。
例えば、上記実施形態では、アンテナ素子からの放射特性の劣化を防止する導電部材を、プリント配線基板４４に形成した線状パターン４６で実現しているが、この導電部材は、電線等の線状部材を支持板１０に固定することによって構成してもよく、或いは、支持板１０自体に導電シール等で線状パターンを形成してもよい。

また、上記実施形態では、線状パターン４６の長さを確保するために、プリント配線基板４４（換言すれば支持板１０）の周縁部分で折り曲げているが、支持板１０の径が大きく、線状パターン４６を直線にするだけで、所望の長さが得られる場合には、折り曲げる必要はない。また、線状パターン４６（つまり導電部材）は、４本に限らず、１本にしてもよく、５本以上にしてもよい。

また、上記実施形態では、キャビティスロットアンテナは、プリント配線基板等の合成樹脂基板を使って四角形の箱形状にするものとして説明したが、その形状は円筒形であってもよいし、金属板を金型にてプレス成形することにより、金属板だけで形成してもよい。

２…ボード(天井）、４…取付用ボルト、１０…支持板、２０…アンテナ素子、２２…筒状部、２２ａ…透孔、２３，２４…蓋体、２３ａ…透孔、２６〜２８…導電体パターン、３０…鍔部、３２…接続片、３２ａ…ねじ孔、３４，３６…給電用パターン、３７…抵抗、３８…同軸ケーブル、４０…同軸コネクタ、４１…透孔、４２…鍔部、４４…プリント配線基板、４６…線状パターン、５０…カバー。

Claims (3)

1. 筒状で扁平な形状を有する導体壁にて囲まれたキャビティを有し、前記導体壁の内、筒を形成する側壁には、当該側壁の中心軸周りに長尺なスロットが形成された、キャビティスロットアンテナからなるアンテナ素子と、
   建造物の天井に対し、板面が略水平となるよう取り付け可能で、当該板面と前記アンテナ素子の前記中心軸方向一端側の端面とが対向するよう、前記アンテナ素子が固定される支持板と、
   を備えた天井用アンテナ装置であって、
   前記支持板を非導電性材料にて形成すると共に、
   前記支持板の略中央に、前記アンテナ素子の給電点に同軸ケーブルを介して接続された同軸コネクタを固定し、
   更に、前記支持板の板面に、前記同軸コネクタの外部導体に接続され、前記アンテナ素子の中心周波数の波長をλとしたとき、電気長がλ／４以上となる線状の導電部材を設けたことを特徴とする天井用アンテナ装置。
2. 前記導電部材は、前記同軸コネクタの外部導体を中心として、放射状に複数本設けられていることを特徴とする請求項１に記載の天井用アンテナ装置。
3. 前記導電部材は、前記同軸コネクタの外部導体から外方向に延び、前記支持板の周縁部分で、当該支持板の外周に沿って折り曲げられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の天井用アンテナ装置。

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