JP2011091558A

JP2011091558A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2011091558A
Application number: JP2009242577A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Obata; 将之小幡; Tatsunori Yui; 辰憲油井; Yutaka Saito; 裕斎藤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2011-05-06

Abstract

【課題】水平偏波水平面無指向性と水平面指向性ダイバーシチ特性とを有する小型のアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ素子１０２〜１０５は、動作周波数における略１／４波長の長さを有し、基板１０１の＋Ｚ面側に仰角α傾けて支持され、ターンスタイルアンテナを構成する。アンテナ素子１０６〜１０９は、動作周波数における略１／４波長の長さを有し、基板１０１の−Ｚ面側に仰角β傾けて支持され、直交する指向性を形成する２つのダイポールアンテナを構成する。また、水平面において隣り合うアンテナ素子のなす角が４５度となるようにターンスタイルアンテナを構成するアンテナ素子１０２〜１０５とダイポールアンテナを構成するアンテナ素子１０６〜１０９とを交互に配置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ターンスタイルアンテナとダイバーシチアンテナとを用いたアンテナ装置に関する。

携帯電話をはじめとする移動体通信システムでは、一般的に垂直偏波が用いられている。一方で、例えば、建物などからの回折波を利用して交差点の死角に存在する相手と通信する無線システムなどでは、建物の角で発生する回折による減衰が比較的小さい水平偏波が有効であると考えられる。このような無線システムに限らず、一般的に路側機に求められるアンテナとしては、通信相手の方向が特定できないことから、水平面無指向性や指向性ダイバーシチ方式が望ましい。

このような水平偏波を放射し、かつ、水平面において無指向性を形成するアンテナとして、例えば、特許文献１、特許文献２及び非特許文献１に開示のアンテナが提案されている。特許文献１に開示のアンテナは、２つのスロットアンテナを互いに直交に配置し、９０度の位相差給電を行うことにより、水平偏波水平面無指向性の放射特性を実現している。

また、特許文献２に開示のアンテナは、１／４波長の半円形状の１対のアンテナ素子を１／４波長の間隔を隔てて３素子配列した構成とすることにより、水平偏波水平面無指向性の放射特性を実現している。

また、非特許文献１に開示のアンテナは、ターンスタイルアンテナと呼ばれ、２つのダイポールアンテナを互いに直交に配置し、９０度の位相差給電を行うことにより、水平偏波水平面無指向性の放射特性を実現している。

特開平１１−３４０７３３号公報特開２００３−６９３３２号公報

電子情報通信学会編、「アンテナ工学ハンドブック」、第２版、オーム社、ｐ．１３２

しかしながら、上記特許文献１、特許文献２及び非特許文献１には、送受信アンテナを含めた水平偏波アンテナシステムとしての詳細な構成が開示されていない。また、送受信アンテナの電磁結合の影響を抑えるためには、所定の間隔を離す必要があるため、小型化できないという問題がある。

具体的には、例えば、図１に示すように、非特許文献１に開示の水平偏波水平面無指向性のターンスタイルアンテナ１１を送信用アンテナとし、２つのダイポールアンテナを直交配置したクロスダイポールアンテナを用いた指向性ダイバーシチアンテナ１２を受信用アンテナとして構成したとする。ここで、移相回路１３及び１４では、９０度位相シフトするものとする。

このような構成において、送信用アンテナのターンスタイルアンテナ１１と受信用アンテナの指向性ダイバーシチアンテナ１２とのアンテナ間距離Ｄを１／２波長としたときの水平（ＸＹ）面における水平偏波の放射指向性を図２に示す。図２において、指向性２１（図中、実線で示す）は、ターンスタイルアンテナ１１の指向性を示しており、指向性２２（図中、点線で示す）は、指向性ダイバーシチアンテナ１２のＹ軸方向に配列されたダイポールアンテナの指向性を示している。なお、Ｘ軸方向に配列されたダイポールアンテナは、Ｙ軸方向に配列されたダイポールアンテナに対して水平（ＸＹ）において直交した放射指向性となることから、ここでは省略する。

このように、ターンスタイルアンテナ１１と指向性ダイバーシチアンテナ１２が所望の指向性を得るためには、アンテナ間の電磁結合の影響を考慮すると、アンテナ間距離Ｄは１／２波長以上を必要とする。このため、アンテナシステム全体として大型となり、アンテナ設置場所が限定されてしまうことになる。

本発明の目的は、水平偏波水平面無指向性と水平面指向性ダイバーシチ特性とを有する小型のアンテナ装置を提供することである。

本発明のアンテナ装置は、動作周波数における略１／４波長の長さを有し、水平面を基準とする基準面に対して一方の仰角方向へ所定の角度傾け、水平面において隣り合う素子とのなす角度が９０度となるように配置され、かつ、第１の素子及び第２の素子と第３の素子及び第４の素子とが水平面において直交して配置された４本のアンテナ素子と、前記第１の素子の一端と前記第４の素子の一端とを接続し、９０度移相する第１の移相手段と、前記第２の素子の一端と前記第３の素子の一端とを接続し、９０度移相する第２の移相手段と、前記第１の素子の一端及び前記第２の素子の一端から平衡給電する第１の給電手段と、を有するターンスタイルアンテナと、動作周波数における略１／４波長の長さを有し、前記基準面に対して他方の仰角方向へ所定の角度傾け、互いに異なる指向性を形成する複数のダイポールアンテナを構成するアンテナ素子と、前記複数のダイポールアンテナを構成するアンテナ素子を平衡給電する第２の給電手段と、を有する指向性ダイバーシチアンテナと、を具備する構成を採る。

本発明によれば、水平偏波水平面無指向性と水平面指向性ダイバーシチ特性とを有する小型のアンテナ装置を実現することができる。

非特許文献１に開示のターンスタイルアンテナと、ダイポールアンテナとを組み合わせたアンテナの構成を示す図図１に示すアンテナの水平（ＸＹ）面における水平偏波の放射指向性を示す図本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す図本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置を＋Ｚ方向から見た上視図本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置を−Ｚ方向から見た下視図本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置を−Ｙ方向から見た側面図本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置を図４に示す断面Ａ−Ａ’から見た側面図仰角α及びβを４５度に設定した場合のターンスタイルアンテナ及び第１のダイポールアンテナの水平（ＸＹ）面における水平偏波の指向性を示す図仰角α及びβを変化させた場合の水平（ＸＹ）面における水平偏波の指向性を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（一実施の形態）
図３は、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置１００の構成を示す図である。図４は、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置１００を＋Ｚ方向から見た上視図であり、図４（ａ）は全体上視図を、図４（ｂ）は拡大図を示している。図５は、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置１００を−Ｚ方向から見た下視図であり、図５（ａ）は全体下視図を、図５（ｂ）は拡大図を示している。図６は、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置１００を−Ｙ方向から見た側面図である。図７は、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置１００を図４に示す断面Ａ−Ａ’から見た側面図である。以下、これらの図を用いてアンテナ装置１００の構成について説明する。

基板１０１は、正八角形の平面形状を有し、給電回路部が構成されている。なお、基板１０１の形状は、正八角形に限らず、円形でも、方形でも平面形状であれば何でもよい。

アンテナ素子１０２〜１０５は、動作周波数において略１／４波長の長さを有する導体であり、それぞれの一端が基板１０１の＋Ｚ面側に機械的に支持される。このとき、水平（ＸＹ）面から＋Ｚ方向に仰角α傾けて支持される。また、アンテナ素子１０２〜１０５は、水平（ＸＹ）面において隣り合うアンテナ素子のなす角が９０度になるように配置される。また、アンテナ素子１０２及びアンテナ素子１０３は、アンテナ素子１０４及びアンテナ素子１０５と水平（ＸＹ）面において直交して配置される。

また、図４（ｂ）に示すように、アンテナ素子１０２は、アンテナ素子１０５と第１の移相回路１１０を介して電気的に接続され、アンテナ素子１０３は、アンテナ素子１０４と第２の移相回路１１１を介して電気的に接続される。さらに、アンテナ素子１０２とアンテナ素子１０３は、第１の給電端子１１２により平衡給電される。

このような構成において、第１の移相回路１１０及び第２の移相回路１１１の位相シフト量を９０度とすると、アンテナ素子１０２〜１０５は、ターンスタイルアンテナとして動作し、水平偏波を放射し、かつ、水平（ＸＹ）面において無指向性の放射特性が得られる。

アンテナ素子１０６〜１０９は、動作周波数において略１／４波長の長さを有する導体であり、それぞれの一端が基板１０１の−Ｚ面側に機械的に支持される。このとき、水平（ＸＹ）面から−Ｚ方向に仰角β傾けて支持される。また、アンテナ素子１０６〜１０９は、水平（ＸＹ）面において隣り合うアンテナ素子のなす角が９０度になるように配置される。また、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７は、アンテナ素子１０８及びアンテナ素子１０９と水平（ＸＹ）面において直交して配置される。さらに、アンテナ素子１０６〜１０９は、アンテナ素子１０２〜１０５との位置関係において、図４（ａ）に示すように、水平（ＸＹ）面において隣り合うアンテナ素子とのなす角が４５度になるように配置される。

また、図５（ｂ）に示すように、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７は第２の給電端子１１３により平衡給電され、アンテナ素子１０８及びアンテナ素子１０９は第３の給電端子１１４により平衡給電される。

このように構成することにより、アンテナ素子１０６とアンテナ素子１０７は第１のダイポールアンテナを構成し、アンテナ素子１０８とアンテナ素子１０９は第２のダイポールアンテナを構成する。第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナは、直交に配列されているため、水平（ＸＹ）面において互いに直交した指向性が得られ、水平偏波を有する指向性ダイバーシチアンテナとして動作する。

次に、上記のように構成されたターンスタイルアンテナと第１のダイポールアンテナの放射指向性について説明する。なお、第２のダイポールアンテナは、第１のダイポールアンテナに対して水平（ＸＹ）面において直交した放射指向性となるため、ここではその説明を省略する。また、ターンスタイルアンテナの移相回路１１０及び１１１は、それぞれ略１／４波長の長さを有する同軸線路を用いて構成する。

図８は、仰角α及び仰角βをそれぞれ４５度に設定した場合のターンスタイルアンテナ及び第１のダイポールアンテナの水平（ＸＹ）面における水平偏波の指向性を示す図である。指向性６０１（図中、実線で示す）はターンスタイルアンテナの指向性を、指向性６０２（図中、点線で示す）は第１のダイポールアンテナの指向性を示している。

図８より、ターンスタイルアンテナは水平偏波水平面無指向性を形成し、第１のダイポールアンテナは水平面８の字指向性を形成することが確認できる。これは、図１に示したアンテナの放射指向性（図２参照）と同等であることから、アンテナ装置１００がターンスタイルアンテナとダイポールアンテナとを近接しているにもかかわらず、これらの電磁結合による劣化を低減できることが分かる。また、このような指向性を形成することから、ターンスタイルアンテナを送信用アンテナとし、ダイポールアンテナを受信用アンテナとして用いることができる。

一方で、このようにターンスタイルアンテナとダイポールアンテナとを近接して配置することにより、アンテナ装置１００のアンテナ寸法は、図１に示したアンテナにおいてＤ＝１／２波長とした場合に比べ、高さ方向及び幅方向においてそれぞれ大きさを３０％削減し、約６５％の体積を削減することができる。

図９は、仰角α及び仰角βを変化させた場合の水平（ＸＹ）面における水平偏波の指向性を示す図である。図９（ａ）はターンスタイルアンテナの指向性を、図９（ｂ）は第１のダイポールアンテナの指向性を示している。指向性７０１及び７０４（図中、実線で示す）は仰角α及び仰角βがそれぞれ４５度、指向性７０２及び７０５（図中、点線で示す）は仰角α及び仰角βがそれぞれ３０度、指向性７０３及び７０６（図中、一点鎖線で示す）は仰角α及び仰角βがそれぞれ１５度のときの指向性である。

図９より、仰角α及び仰角βをそれぞれ３０度とした場合においても、ターンスタイルアンテナは、水平偏波水平面無指向性、第１のダイポールアンテナは水平面８の字指向性が得られている。これに対して、仰角α及び仰角βをそれぞれ１５度とした場合は、アンテナ間の電磁結合により指向性が大きく変化していることが分かる。このことから、ターンスタイルアンテナとダイポールアンテナの電磁結合を低減するためには、仰角α及び仰角βはそれぞれ３０度以上が必要である。

なお、仰角α及び仰角βは、アンテナ間結合が小さく、放射特性の劣化が小さくなるように設定すればよい。ただし、仰角αを大きくした場合、ターンスタイルアンテナを構成するアンテナ素子間隔が狭くなり、これらの素子間でアンテナ間結合が生じ、放射特性が劣化すると同時に、水平偏波成分が小さくなる傾向にある。このため、仰角αを６０度以下に設定することが望ましい。

同様に、仰角βを大きくした場合、ダイポールアンテナを構成するアンテナ素子間隔が狭くなり、これらの素子間でアンテナ間結合が生じ、放射特性が劣化すると同時に、水平偏波成分が小さくなる傾向にある。このため、仰角βを６０度以下に設定することが望ましい。

一方、仰角α及び仰角βを小さくした場合、ターンスタイルアンテナとダイポールアンテナとのアンテナ素子間隔が狭くなり、これらアンテナの素子間でアンテナ間結合が生じ、互いの放射特性が劣化する傾向にある。このことから、仰角αと仰角βの和を６０度以上に設定することが望ましい。

以上のことから、アンテナの設置場所や用途に応じて、仰角αと仰角βの和を６０度以上で、かつ、仰角α及び仰角βをそれぞれ６０度以下の範囲で適切に設定することが望ましい。なお、本実施の形態で述べたように、仰角α及び仰角βを４５度に設定した場合は、アンテナ素子間隔が９０度になることから、アンテナ素子間の電磁結合が最も小さく、共に高いアンテナ性能が得られることになる。

このように本実施の形態によれば、ターンスタイルアンテナを構成するアンテナ素子を基板の一面に所定の仰角傾けて配置し、２つのダイポールアンテナを構成するアンテナ素子を基板の他面に所定の仰角傾けて配置し、水平面において隣り合うアンテナ素子のなす角が４５度となるようにターンスタイルアンテナを構成するアンテナ素子とダイポールアンテナを構成するアンテナ素子とを交互に配置することにより、ターンスタイルアンテナとダイポールアンテナの電磁結合を低減することができ、また、水平偏波水平面無指向性を有するターンスタイルアンテナと２つのダイポールアンテナで構成する水平面指向性ダイバーシチアンテナとを近接して配置することができるため、装置規模を小型化することができる。

なお、本実施の形態では、アンテナ素子を支持する給電回路部を基板により構成したが、この構成に限らず、ターンスタイルアンテナを構成するアンテナ素子と、２つのダイポールアンテナを構成するアンテナ素子とを近接して機械的に支持できる構造であればよい。

また、本実施の形態では、ターンスタイルアンテナの移相回路として、１／４波長の長さを有する同軸線路を用いたが、この構成に限らず、リアクタンス素子を用いるなど他の構成を用いてもよい。

また、本実施の形態では、ターンスタイルアンテナを構成するアンテナ素子と、ダイポールアンテナを構成するアンテナ素子の水平面における軸方向の角度を４５度に設定したが、これに限るものではなく、アンテナ間結合が小さく、放射特性の劣化が小さくなるように角度を適切に設定すればよい。

また、本実施の形態では、２つのダイポールアンテナを用いる場合について説明したが、これに限るものではなく、２つ以上のダイポールアンテナで指向性ダイポールアンテナを構成できればよい。ただし、アンテナ素子の本数が多すぎると、ダイポールアンテナの素子間でアンテナ間結合が大きくなってしまい、アンテナ性能が劣化してしまうので、適度な本数にする必要がある。

本発明にかかるアンテナ装置は、水平偏波水平面無指向性と水平面指向性ダイバーシチ特性とを有し、装置規模を小型化することができるという効果を奏し、移動体通信システムの基地局や、路側機等に適用できる。

１０１基板
１０２〜１０９アンテナ素子
１１０第１の移相回路
１１１第２の移相回路
１１２第１の給電端子
１１３第２の給電端子
１１４第３の給電端子

Claims

動作周波数における略１／４波長の長さを有し、水平面を基準とする基準面に対して一方の仰角方向へ所定の角度傾け、水平面において隣り合う素子とのなす角度が９０度となるように配置され、かつ、第１の素子及び第２の素子と第３の素子及び第４の素子とが水平面において直交して配置された４本のアンテナ素子と、
前記第１の素子の一端と前記第４の素子の一端とを接続し、９０度移相する第１の移相手段と、
前記第２の素子の一端と前記第３の素子の一端とを接続し、９０度移相する第２の移相手段と、
前記第１の素子の一端及び前記第２の素子の一端から平衡給電する第１の給電手段と、
を有するターンスタイルアンテナと、
動作周波数における略１／４波長の長さを有し、前記基準面に対して他方の仰角方向へ所定の角度傾け、互いに異なる指向性を形成する複数のダイポールアンテナを構成するアンテナ素子と、
前記複数のダイポールアンテナを構成するアンテナ素子を平衡給電する第２の給電手段と、
を有する指向性ダイバーシチアンテナと、
を具備するアンテナ装置。
前記指向性ダイバーシチアンテナは、２本のダイポールアンテナを構成する４本のアンテナ素子を有し、
前記ターンスタイルアンテナが有する４本のアンテナ素子と、前記指向性ダイバーシチアンテナが有する４本のアンテナ素子とが水平面において隣り合う素子とのなす角度が４５度となるように配置された請求項１に記載のアンテナ装置。