JP2011217109A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型細径のレドームを装着しても、アンテナ放射特性に影響を受けないヘイローアンテナ素子を実現する。
【解決手段】楕円ヘイローアンテナ素子１１と、他のアンテナ素子と、給電線回路と、レドーム３０を有するアンテナ装置であって、楕円ヘイローアンテナ素子１１が楕円形状であり、同楕円の焦点が給電点２１とギャップ１１ｇを結ぶ線分上に配置され、楕円の長径１１ｂが同線分長である楕円ヘイローアンテナ素子であって、給電線回路は楕円ヘイローアンテナ素子１１の給電点２１とギャップ１１ｇを結ぶ線分上を通過するよう配線される。
【選択図】図２

Description

本発明は、水平偏波の電波を送受でき、水平面において無指向性を有する、ヘイローアンテナ素子を用いたアンテナ装置に関する。

代表的な水平偏波水平面内無指向性アンテナとして、ループアンテナがある。長方形状のループを円環状（円周状）に折り曲げたアンテナは、特に「ヘイロー（Ｈａｌｏ）アンテナ」と呼ばれる。ヘイローアンテナは、円環状にすることでアンテナを小型細径化できるという特徴があり、風雨などによる劣化を防ぐためアンテナ素子を円筒状のレドーム（円筒カバー）に入れる場合でも、円筒レドームの直径を小さくすることができる。そのため、小型細径により設置工事時の取り扱いが容易になるだけでなく、受風荷重を低減できるため設置箇所の緩和・設置用治具の小型軽量化ができ、設置工事のコスト及び期間を削減できる。また、小型細径により、景観に対する視覚的な影響も緩和できる。

図９は、従来におけるヘイローアンテナ素子２１１〜２２３と、それぞれの給電線１１０〜１３０の配線を示す図である。基地局等向けアンテナに適用する場合、図９のように指向性形成及び利得向上を実現すべく、複数素子を並べたアレー構成にする。この場合、各アンテナ素子に対する複数の給電線が必要となるが、ヘイローアンテナ素子は素子内の給電点とギャップ（円環状に折り曲げた長方形状ループの短辺の間隔）を結ぶ各線分４１〜４３については回路等の内装によるヘイローアンテナ素子の放射特性への影響がほぼない。そのため、アンテナ素子内に給電線回路を構築することが可能である。なお、線分４１〜４３を通るヘイローアンテナ素子２１１〜２１３内の平面に挿入できるものは、給電回路に限る必要はなく、例えば垂直偏波アンテナ素子であってもよい。

従って、ヘイローアンテナ素子は、円筒状の形状となっており、かつ給電線回路を内装することができるため、受風荷重の小さい円筒状でかつ短い直径のレドームを装着することができ、小型細径化を実現できる。

"アンテナ工学ハンドブック（第２版）"、電子情報通信学会編、オーム社、ｐ．１１８ 図４・２８（ｄ） 多線状ループアンテナ（ｉｉ）、２００８年７月 松野宏己、中野雅之、新井宏之、「寄生素子付きＨａｌｏアンテナ」、２００９年 電気情報通信学会総合大会、Ｂ−１−１４０

ヘイローアンテナ素子にレドームを装着する場合、細径化を図るため、円筒状のレドームの直径をヘイローアンテナ素子よりわずかに大きく設計することが一般的である。しかし、レドームは強化プラスチック等の誘電体素材であるため、ヘイローアンテナ素子に接近すると、ヘイローアンテナ素子の共振周波数帯が低域にシフトする現象が生じる。特にヘイローアンテナ素子の場合、レドームと同じ円筒形状であるため、アンテナ素子とレドームが一様に近接するため、近接する面積が大きくなり、本現象が著しく生じてしまう。

本共振周波数シフトを補正するため、ヘイローアンテナ素子のサイズをシフトした共振周波数と所望の共振周波数の比率に応じて小型化する調整方法が考えられる。しかしながら、ヘイローアンテナ素子の中心に給電線回路や垂直偏波素子等を挿入する場合、物理的な大きさが必要であるため、ヘイローアンテナ素子のサイズを小型化できない課題が生じる。

例えば、挿入する給電線間の間隔を狭めると、結合が生じてしまい、またその太さを細くすると損失が大きくなり、ヘイローアンテナ素子の放射特性の劣化が発生してしまう。また、レドームの直径を大きくして、レドームとヘイローアンテナ素子間隔を確保すればよいが、細径化と相反することとなり、受風荷重が増加してしまう。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、小型細径のレドームを装着しても、アンテナ放射特性に影響を受けないヘイローアンテナ素子を実現することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ヘイローアンテナ素子と、他のアンテナ素子と、給電線回路と、レドームを有するアンテナ装置であって、前記ヘイローアンテナ素子が楕円形状であり、同楕円の焦点が給電点とギャップを結ぶ線分上に配置され、楕円の長径が同線分長である楕円ヘイローアンテナ素子であって、前記給電線回路は前記ヘイローアンテナ素子の給電点とギャップを結ぶ線分上を通過するよう配線されることを特徴とするアンテナ装置である。

また本発明は、楕円ヘイローアンテナ素子と同形状の給電を伴わない寄生素子を備えることを特徴とするアンテナ装置である。

また本発明は、前記他のアンテナ素子が、ヘイローアンテナ素子又は垂直偏波素子であることを特徴とするアンテナ装置である。

また本発明は、前記給電回路が、マイクロストリップ線路に配線されることを特徴とするアンテナ装置である。

また本発明は、前記給電線が、前記ギャップの中点と前記給電点とを結ぶ線分からギャップ幅の半分以下の距離を通過するように配線されることを特徴とするアンテナ装置である。

また本発明は、前記楕円ヘイローアンテナ素子の長径と短径の比が、１．０より大きく、２．０より小さいことを特徴とするアンテナ装置である。

本発明によれば、アンテナ装置は、ヘイローアンテナ素子の円環形状を楕円環形状にすることにより、給電回路の構成及びレドームの形状を変更することなく、レドームを装着した場合について、レドームを装着しない場合の円環状ヘイローアンテナ素子の放射特性と同等の放射特性を実現できる。

本発明の第１の実施形態における多段の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナとレドームの構造及び給電線配線を示す図である。 本発明の第１の実施形態における楕円ヘイローアンテナとレドームの構造及び給電線配線を示す図である。 長径ｂを固定して楕円軸比率ＡＲを変えた場合の、寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Ｄｈに対する共振周波数オフセット比率特性を示す図である。 長径ｂを固定して楕円軸比率ＡＲを変えた場合の、楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Ｄｈに対する周波数帯域オフセット比率特性を示す図である。 長径ｂを固定して楕円軸比率ＡＲを変えた場合の、リターンロス特性を示す図である。 長径ｂを固定して楕円軸比率ＡＲを変えた場合の放射パターン特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態における多段の楕円ヘイローアンテナとレドームの構造及び給電線配線を示す図である。 本発明の第３の実施形態における多段の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子及び垂直偏波アンテナ素子レドームと給電線基板及びマイクロストリップ線路を用いた給電線の配線を示す図である。 従来における多段のヘイローアンテナと給電線配線を示す図である。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における多段の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子とレドームの構造と給電線の配線を示す図である。図１では、例として３段としているが、これに限らない。

楕円ヘイローアンテナ素子１１〜１３は、長方形上のループアンテナ素子を長辺について楕円環状（楕円周状）に折り曲げたアンテナ素子である。前記楕円環の焦点は、それぞれ折り曲げたループアンテナ素子の短辺間の間隔であるギャップと、給電点２１〜２３を結ぶ線分上に配置される。前記楕円環の長径は、前記ギャップと、給電点２１〜２３を結ぶ線分と一致し、従来の円環状のヘイローアンテナの直径と同じ長さと同じであり、短径のみが小さく設定されている。

楕円ヘイロー寄生素子５１〜５３は、楕円ヘイローアンテナ素子と同様な形状で給電を伴わない素子である。各楕円ヘイロー寄生素子５１〜５３は、それぞれの楕円形状の中心が、楕円ヘイローアンテナ素子１１〜１３の楕円形状の中心を結ぶ直線上に並び、対応する楕円ヘイローアンテナ素子１１〜１３の上部に配置される。また、各楕円ヘイロー寄生素子の楕円形状の２つの焦点及びギャップを結ぶ直線は、対応する楕円ヘイローアンテナ素子１１〜１３の楕円形状の２つの焦点、給電点２１〜２３及びギャップを結ぶ直線４１〜４３と平行となるように配置される。

なお、楕円ヘイロー寄生素子は、楕円ヘイロー素子の下部に配置されてもよく、この限りでない。なお、本構成は、楕円ヘイローアンテナの放射可能な周波数帯域を広げるために一般に用いられる手法であり、楕円ヘイロー寄生素子がない場合についても、楕円ヘイローアンテナ素子の楕円形状の効果は損なわれない。

給電線１３０は、給電部（不図示）から配線され、楕円ヘイローアンテナ素子１１のギャップ及び給電点２１を結ぶ直線４１上の点１３１と、楕円ヘイローアンテナ素子１２のギャップ及び給電点２２を結ぶ直線４２上の点１３２と、楕円ヘイローアンテナ素子１３のギャップ及び給電点２３を結ぶ直線４３上の点１３３とを通過するように配線され、給電点２３に接続される。

また、給電線１２０は、給電部（不図示）から配線され、楕円ヘイローアンテナ素子１１のギャップ及び給電点２１を結ぶ直線４１上の点１２１と、楕円ヘイローアンテナ素子１２のギャップ及び給電点２２を結ぶ直線４２上の点１２２とを通過するように配線され、給電点２２に接続される。なお、給電線１３０が給電線１２０を避けて配線される必要がないように、点１２２は点１３２よりも給電点２２に近い点であるとしてもよい。

また、給電線１１０は、給電部（不図示）から配線され、楕円ヘイローアンテナ素子１１のギャップ及び給電点２１を結ぶ直線４１上の点１１１を通過するように配線され、給電点２１に接続される。なお、給電線１１０が給電線１２０及び１３０を避けて配線される必要がないように、点１１１は点１２１及び点１３１よりも給電点２１に近い点であるとしてもよい。また、ヘイローアンテナを多段に積み重ね及び給電線を備えてもよい。

レドーム３０は、円筒状の構造であり、強化プラスチック等の誘電体素材で作成された、アンテナ素子を保護するための筐体である。レドームは、その円筒の中心が、楕円ヘイローアンテナ素子１１〜１３の楕円形状の中心を結ぶ直線上に並び、多段の楕円ヘイローアンテナ１１〜１３全てを覆うように配置されている。

図２は、本発明の第１の実施形態における楕円ヘイローアンテナ素子及びレドームの構造及び給電線の配線を示す図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、楕円ヘイローアンテナ素子１１のそれぞれ上面図及び側面図である。図２（Ａ）に示すように、楕円ヘイローアンテナ素子１１によって形成される楕円環の中心を原点として、原点からギャップの中点の方向をｙ軸の正方向とし、給電点の方向をｙ軸の負方向とする。また、ｙ軸と直角を成す原点を通る軸をｘ軸として図のように設定する。さらに、原点から紙面上方向にｚ軸を設定する。図２（Ｂ）のｙ及びｚ軸は図２（Ａ）に対応して設定する。

楕円ヘイローアンテナ素子１１は、図２（Ａ）に示すように上面からみた場合は短径１１ａと長径１１ｂの楕円環状であり、長径１１ｂは従来の円環状のヘイローアンテナの直径と同じ長さである。その焦点はギャップ１１ｇと給電点２１を結ぶ線分上（ｙ軸上）に並ぶよう配置される。従って、楕円の長径１１ｂがギャップ１１ｇと給電点２１を結ぶ直線上（ｙ軸上）に、短径１１ａがギャップ１１ｇと給電点２１を結ぶ線分と楕円中心で直交する水平面上の直線上（ｘ軸上）に配置される。また、図２（Ｂ）のように、楕円ヘイローアンテナ素子１１の高さ１１ｈは、上下の楕円を結ぶループスロットアンテナの短辺に相当し、ｚ軸と平行に配置される。

レドーム３０は円環状であり、その中心は、楕円ヘイローアンテナ素子１１のギャップ１１ｇと給電点２１を結ぶ直線と楕円中心で直交する垂直面上の直線上（ｚ軸上）に位置する。ここで、レドーム３０と楕円ヘイローアンテナ素子１１との距離はＤｈとする。

給電線１１０、１２０、１３０は、図２（Ａ）のように楕円ヘイローアンテナ素子１１のギャップ１１ｇと給電点２１とを結ぶ直線上を、かつ図２（Ｂ）のように楕円ヘイローアンテナ素子１１によって形成される楕円環をｚ軸と平行に、通過するように配線される。

図３は、レドーム３０を装着した寄生素子５１付き楕円ヘイローアンテナ素子１１単体について、楕円ヘイロー寄生素子５１及び楕円ヘイローアンテナ素子１１のいずれも長径１１ｂを固定して楕円軸比率ＡＲを変えた場合の、図２に示す楕円ヘイローアンテナ素子１１とレドーム３０間の距離Ｄｈに対する共振周波数オフセット比率特性である。

横軸が楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Ｄｈであり、縦軸が共振周波数オフセット比率特性である。ここで、楕円軸比率ＡＲは、楕円ヘイローアンテナ素子１１の長径１１ｂと短径１１ａの比率である。従って、ＡＲ＝１は従来のヘイローアンテナ素子に相当する。また、共振周波数オフセット比率は、レドームを装着しない場合の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子の共振周波数を基準にした場合のオフセット比率である。

図３より、楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Ｄｈが近い場合、楕円軸比ＡＲが大きいほど共振周波数オフセット比率が小さいことが判る。これは、ヘイローアンテナ素子を楕円形状にすることにより、アンテナ素子とレドームの間が離れ、レドームの影響が軽減されたため、共振周波数オフセット比率が小さくなったのである。

図４は、レドーム３０を装着した寄生素子５１付き楕円ヘイローアンテナ素子１１単体について、楕円ヘイロー寄生素子５１及び楕円ヘイローアンテナ素子１１のいずれも長径１１ｂを固定して楕円軸比率ＡＲを変えた場合の、図２に示す楕円ヘイローアンテナ素子１１とレドーム３０間距離Ｄｈに対する周波数帯域オフセット比率特性である。

横軸が楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Ｄｈであり、縦軸が周波数帯域オフセット比率特性である。ここで、楕円軸比率ＡＲは、楕円ヘイローアンテナ素子１１の長径１１ｂと短径１１ａの比率である。従って、ＡＲ＝１は従来のヘイローアンテナ素子に相当する。また、周波数帯域オフセット比率は、レドームを装着しない場合の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子の周波数帯域を基準にした場合のオフセット比率である。

図４より、楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Ｄｈが近い場合、楕円軸比ＡＲが大きいほど周波数帯域オフセット比率が小さいことが判る。これは、ヘイローアンテナ素子を楕円形状にすることにより、アンテナ素子とレドームが近接する面積が小さくなり、アンテナ素子に対するレドームの影響が軽減されたため、周波数帯域オフセット比率が小さくなったのである。

図５は、寄生素子５１付き楕円ヘイローアンテナ素子１１単体について、寄生素子５１及びアンテナ素子１１の両方いずれも長径１１ｂを固定して楕円軸比率ＡＲを変えた場合の、寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子１１のリターンロス特性である。横軸が周波数であり、縦軸がリターンロス特性である。

例として、リターンロス−１０ｄＢ以下を満たす所要周波数帯を中心周波数８５０ＭＨｚ、周波数帯域６０ＭＨｚとした場合を想定する。この場合、楕円軸比率ＡＲ＝１．１では、レドームを装着していない場合は所要周波数帯域を満たしているが、レドームを装着した場合に中心共振周波数が約５０ＭＨｚ低域にシフトし、所要周波数帯からリターンロス特性が外れてしまうことが判る。

ところが、楕円軸比率ＡＲ＝１．２５に設定することにより、レドームを装着していない場合は中心共振周波数が９００ＭＨｚであるが、レドームを装着した場合に所要周波数帯を満足することがわかる。これは、ヘイローアンテナ素子を楕円形状にすることにより、アンテナ素子とレドームが近接する面積が小さくなり、アンテナ素子に対するレドームの影響が軽減されたこと、また、楕円環状の長径１１ｂを固定して短径１１ａを小さくしたことにより共振周波数帯が低域にシフトしたことによる。

図６は、寄生素子５１付き楕円ヘイローアンテナ素子１１単体について、寄生素子５１及びアンテナ素子１１の両方いずれも長径１１ｂを固定して楕円軸比率ＡＲを変えた場合の、寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子１１の放射パターン特性である。

図６には、楕円軸比率ＡＲを従来のヘイローアンテナ素子に相当する１．０を中心として、０．８及び１．２とした場合の放射パターン特性が示してある。図よりわかるように、楕円軸比率ＡＲを変えても放射パターンはほとんど変化せず、楕円環形状にしても所定の放射パターンを実現できることがわかる。

このように、本発明の第１の実施形態におけるアンテナ装置は、ヘイローアンテナ素子の円環形状を楕円環形状にすることにより、レドームを装着した場合について、内部の給電回路の構成及びレドーム形状を変更することなく、レドームを装着しない場合の円環状ヘイローアンテナ素子の放射特性と同等の放射特性を実現できる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。第２の実施形態におけるアンテナ装置は、楕円ヘイローアンテナ素子と同様な形状で給電を伴わない楕円ヘイロー寄生素子を省いた点についてのみが第１の実施形態と異なる。

図７は、本発明の第２の実施形態における多段の楕円ヘイローアンテナ素子とレドームと給電線の配線を示す図である。図７では、例として３段としているが、この限りでない。
楕円ヘイロー寄生素子は、楕円ヘイローアンテナ素子が放射可能な周波数帯域を広げるために付属した素子である。そのため、楕円ヘイロー寄生素子がない場合は、周波数帯域が狭くなるだけで、楕円環状による効果は第１の実施形態と同様に得られる。

このように、本発明の第２の実施形態におけるアンテナ装置は、ヘイローアンテナ素子の円環形状を楕円環形状にすることにより、レドームを装着した場合について、内部の給電回路の構成及びレドームの形状を変更することなく、レドームを装着しない場合の円環状ヘイローアンテナ素子の放射特性と同等の放射特性を実現できる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。第３の実施形態おけるアンテナ装置は、給電線基板及びマイクロストリップ線路を用いた給電線の配線と、楕円ヘイローアンテナ素子の間への垂直偏波アンテナ素子の配置に関する点のみが、第１の実施形態と異なる。アンテナ装置は、楕円ヘイローアンテナ素子の間に垂直偏波アンテナ素子を配置することで、偏波共用アンテナとしてもよい。

図８は、本発明の第３の実施形態における多段の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子及び垂直偏波アンテナ素子レドームと給電線基板及びマイクロストリップ線路を用いた給電線の配線を示す図である。図８では、例として２段としているが、この限りでない。
垂直偏波アンテナ素子７１〜７２は多段の各ヘイローアンテナ素子１１〜１２の下部に配置される。ただし、上部に配置されても、その組合せであってもよく、この限りでない。

給電線用基板２００は、楕円ヘイローアンテナ素子１１〜１２のそれぞれの長径を含みギャップと給電点２１〜２２とを結ぶ直線４１〜４２を含むように配置される。各マイクロストリップ線路を用いた給電線２１０〜２２０、３１０〜３２０は、給電線基板２００の表面に配置され、各ヘイローアンテナ素子１１〜１２のそれぞれの長径を含みギャップと給電点２１〜２２とを結ぶ直線４１〜４２上を通過するように配置される。

このように、本発明の第３の実施形態におけるアンテナ装置は、ヘイローアンテナ素子の円環形状を楕円環形状にすることにより、レドームを装着した場合について、給電線用基板とマイクロストリップ線路を用いた給電線の構成、垂直偏波アンテナ素子及びレドームの形状を変更することなく、レドームを装着しない場合の円環状ヘイローアンテナ素子の放射特性と同等の放射特性を実現できる。

また、本発明の第３の実施形態におけるアンテナ装置は、複数のアンテナ素子を備えても、それらの給電線が楕円ヘイローアンテナ素子の特性に影響を与えることなく、偏波ダイバーシチ効果を得ることができる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して記述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

また、本発明に記載の楕円ヘイローアンテナ素子は、楕円ヘイローアンテナ素子１１〜１２に対応し、他のアンテナ素子は、楕円ヘイローアンテナ素子１１〜１３と、垂直偏波素子７１〜７２とに対応する。

１１〜１３…楕円ヘイローアンテナ素子 １１ａ…短径ａ １１ｂ…長径ｂ １１ｄ…レドーム距離Ｄｈ １１ｇ…ギャップ、１１ｈ…楕円ヘイローアンテナ素子高 ２１〜２３…給電点 ３０…レドーム ４１〜４３…ギャップと給電点を通る直線 ５１〜５３…楕円ヘイロー寄生素子 ７１〜７２…垂直偏波アンテナ素子 １１０、１２０、１３０…給電線 １１１、１２１〜１２２、１３１〜１３３…ギャップと給電点を通る直線と給電線の交点 ２００…給電線用基板 ２１０、２２０、３１０、３２０…給電線（マイクロストリップ線路） ２１１〜２１３…ヘイローアンテナ素子

Claims (6)

1. ヘイローアンテナ素子と、他のアンテナ素子と、給電線回路と、レドームを有するアンテナ装置であって、前記ヘイローアンテナ素子が楕円形状であり、同楕円の焦点が給電点とギャップを結ぶ線分上に配置され、楕円の長径が同線分長である楕円ヘイローアンテナ素子であって、前記給電線回路は前記ヘイローアンテナ素子の給電点とギャップを結ぶ線分上を通過するよう配線されることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記楕円ヘイローアンテナ素子は、楕円ヘイローアンテナ素子と同形状の給電を伴わない寄生素子を備えることを特徴とするアンテナ装置。
3. 前記他のアンテナ素子は、ヘイローアンテナ素子又は垂直偏波素子であることを特徴とするアンテナ装置。
4. 前記給電回路が、マイクロストリップ線路に配線されることを特徴とするアンテナ装置。
5. 前記給電線が、前記ギャップの中点と前記給電点とを結ぶ線分からギャップ幅の半分以下の距離を通過するように配線されることを特徴とするアンテナ装置。
6. 前記楕円ヘイローアンテナ素子の長径と短径の比が、１．０より大きく、２．０より小さいことを特徴とするアンテナ装置。

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