JP2012175422A - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造コストの低減を図ると共に、耐久性、耐候性を向上する。
【解決手段】電波を放射する放射素子2と、放射素子2に電力を供給する給電部3と、放射素子2を覆う、導体からなるケース10と、ケース10の、放射素子2に対向する位置に設けられ、放射素子2から放射された電波と電気的に結合するスロット11と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】電波を放射する放射素子2と、放射素子2に電力を供給する給電部3と、放射素子2を覆う、導体からなるケース10と、ケース10の、放射素子2に対向する位置に設けられ、放射素子2から放射された電波と電気的に結合するスロット11と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、放射素子と、放射素子を覆うレドームとを備えるアンテナ装置に関する。
近年、モバイル携帯端末のインフラストラクチャ用のアンテナ装置としては、小型の平面型アンテナ装置の需要が急増している。これらの小型の平面型アンテナ装置は、主に、不感帯と呼ばれるビル影などで、電波が届きにくいエリアに設置され、モバイル携帯端末があらゆる場所で通信を行うことができるようにするために用いられている。これらのアンテナ装置は、屋外に設置され、耐久性、耐候性が高く、安価であることが求められている。
この種のアンテナ装置としては、1個の放射素子を備える平面型アンテナ装置や、数十個の小型放射素子がアレイ状に配置された平面型アンテナ装置が一般に知られている。平面型アンテナ装置は、パッチ素子やダイポール素子がアレイ化されて構成されており、平面型アンテナ装置を風雨や埃から保護するために、レドームと呼ばれる保護カバーによって放射素子が覆われて構成されている(例えば、特許文献1参照)。一般に、パッチ素子やダイポール素子は、金属材の板金工法やプリント基板を用いて、容易、かつ、安価に構成できる。このため、この種の平面型アンテナ装置では、レドームの部分に対する製造コストの配分が比較的大きくなっている。
上述した平面型アンテナ装置のレドームは、通常、FRP(繊維強化プラスチップ)やポリカーボネイトなどの高価なプラスチックで構成されており、電波の損失を最小に抑えて、かつ、耐久性や耐候性に優れたものとする必要がある。このために、プラスチック製のレドームは、機械的強度を確保するために厚さを厚くしたり、リブを設けたりする必要があり、加えて電気的損失が少ない材料を使用したりする必要がある。このため、プラスチック製のレドームは、必然的に製造コストが嵩んでしまう。
さらに、例えばFRPは、材料の原価が高価であるのに加えて、ハンド・レイアップという手作りの製造方法が主流であり、製造コストがかさんでしまう。また、FRPは、短期間での大量生産が困難であるという問題もある。
また、ポリカーボネイトは、射出成形加工を用いて大量生産が可能であるが、成形金型が非常に高価であるので、製造コストが増えるという欠点がある。また、ポリカーボネイトは、紫外線や塩水に対して弱いので、保護用の塗装を十分に施す必要がある。しかし、長期間屋外で使用した場合、塗装が剥がれることもあるので、定期的なメンテナンスも行う必要がある。また、ポリカーボネイトは、機械的強度がFRPよりも弱いので、厚さを厚く形成したりする必要があり、材料コストが増え、アンテナ装置全体の重量が重くなってしまうという問題がある。
また、FRP、ポリカーボネイトのいずれも、結局のところプラスチックであるので、レドームとしての機械的強度が十分に得られない。すなわち、電波損失の観点からは、損失を最小に抑えるために、レドームの厚さを薄くして使用するのが望ましい。しかしながら、レドームは、強風による破壊や大きな飛来物、例えば雹などから放射素子を保護するために、肉厚さを厚く形成する必要がある。そのため、結果的に、レドームは、電波損失が大きくなって、アンテナ装置の利得が低下し、かつ、高価となってしまうという問題点がある。
関連技術のレドームにおける問題点をまとめると以下になる。
1)樹脂製のレドームは、製造コストがかさむ。
2)樹脂製のレドームは、耐久性、耐候性が乏しい。
3)機械的強度を確保するためにレドームの厚みを厚くすることで、電波損失が大きくなり、アンテナ装置の利得が低下してしまう。
1)樹脂製のレドームは、製造コストがかさむ。
2)樹脂製のレドームは、耐久性、耐候性が乏しい。
3)機械的強度を確保するためにレドームの厚みを厚くすることで、電波損失が大きくなり、アンテナ装置の利得が低下してしまう。
そこで、本発明は、上記関連する技術の課題を解決することができるアンテナ装置を提供することを目的とする。本発明の目的の一例は、製造コストの低減を図ると共に、耐久性、耐候性を向上することができるアンテナ装置を提供することにある。
上述した目的を達成するため、本発明に係るアンテナ装置は、電波を放射する放射素子と、放射素子に電力を供給する給電部と、放射素子を覆う、導体からなる筐体と、筐体の、放射素子に対向する位置に設けられ、放射素子から放射された電波と電気的に結合するスロットと、を備える。
本発明によれば、導体からなる筐体を備えることによって、製造コストの低減を図ると共に、耐久性、耐候性を向上することができる。また、本発明によれば、筐体に、放射素子から放射された電波と電気的に結合するスロットが設けられたことによって、広帯域のアンテナ装置を実現できる。
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。
図1(a)に、実施形態のアンテナ装置の構成の斜視図を示す。図1(b)に、実施形態のアンテナ装置の断面図を示す。実施形態のアンテナ装置は、金属材などの導体によって形成されたグランド板1と、導体によって形成された放射素子2と、放射素子2を内部に収容するように覆う、導体からなる筐体としてのケース(レドーム)10と、ケース10における放射素子2のほぼ真上の位置に設けられたスロット11と、物理的な穴であるスロット11を塞ぐ閉塞部材としてのカバー12と、を備えて構成されている。
放射素子2は、一般に、パッチアンテナ、または、マイクロストリップアンテナ、マイクロストリップパッチアンテナなどと呼ばれる。図1(b)に示すように、放射素子2は、導体によって構成されており、主面の中央に位置する支持部4が、支持棒7によって支持されている。この構成の場合、支持棒7は、導体と非導体のいずれであっても使用可能である。そして、放射素子2は、外周端部近傍に設けられた給電部3が、導体からなる給電線5の上端に電気的に接続されており、給電線5を介して放射素子2が給電される。給電線5の下端は、同軸コネクタ6の同軸中心導体に電気的に接続されている。
放射素子2から放射される偏波(電界)の方向は、図1中の矢印a方向に示すように、給電部3から放射素子2の中央方向へ向かうベクトルと同じ方向となる。図1(a)に示す構成例では、放射素子2の偏波が、横方向(図1中X方向)の偏波となる。放射素子2の横方向の辺の長さ寸法S1は、使用する周波数の波長の1/2程度の長さに設定されている。
スロット11は、ケース10における放射素子2のほぼ真上に配置されており、放射素子2に対向して配置されている。また、スロット11は、長方形状に形成されており、開口面積が、スロット11に対向する放射素子2の対向面の面積よりも小さい。
そして、図1(a)に示すように、長方形状のスロット11は、長辺の長さS2が、使用する周波数の波長の1/2波長程度となる長さにされ、スロット11の長辺が、放射素子2の偏波の方向と直交するように、ケース10に設けられている。図1(b)に示すように、放射素子2とスロット11との間の距離Hは、0.15波長程度〜0.35波長程度の範囲内になるように調整される。通常、放射素子2から放射された電波とスロット11は、電気的に結合して、複共振の状態となり、広帯域化される。
具体的な構成について説明する。グランド板1及びケース10は、例えばアルミニウムからなる板材が板金加工されて構成されている。電気的な観点から、グランド板1とケース10と間に厳密な境界はなく、ケース10にスロット11以外の開口が設けられていない場合には、電気的に同等と考えられる。放射素子2も同様に、アルミニウムや真鍮からなる板材が、板金加工などされて形成されている。
ケース10におけるスロット11の開口面積が比較的小さいので、カバー12は、FRPやプラスチック板等の非導体によって形成され、接着剤や両面接着テープ等によってケース10に接着されている。また、カバー12は、テトラフルオロエチレンからなるシートや板材によって形成されて、ケース10に熱融着されてもよい。カバー12としてFRPやプラスチック材を使用した場合には、小面積かつ汎用の平板材料が使用できるので、材料、加工の観点からも安価に抑えることができる。簡易的には、シリコンからなるシール材によってカバー12が形成される構成や、閉塞部材としての接着剤でスロット11が埋められる構成も有効である。
上述したように、実施形態のアンテナ装置によれば、導体からなるケース10を備えることによって、射出成形によってケースが形成される構成に比較して製造コストが低減されると共に、耐久性、耐候性を向上することができる。また、実施形態によれば、ケース10に、放射素子2から放射された電波と電気的に結合するスロット11が設けられたことによって、広帯域のアンテナ装置を実現できる。
次に、実施形態のアンテナ装置の種々の変形例について、図面を参照して説明する。
図2に、実施形態のアンテナ装置におけるスロットとカバーの変形例を示す。図2(a)に、ケース10にスロット11が設けられ、スロット11を塞ぐカバー12を備えていない構成を示す。アンテナ装置を屋外ではなく、屋内に設置して使用し、かつ、防水等の対策を行う必要がない場合には、このようなカバー12を省いた構成であっても使用可能である。
図2(b)に、ケース10の上に、スロット11を覆うカバー12が配置された構成を示す。アンテナ装置を屋外に設置して使用する場合には、スロット11が、ケース10の物理的な穴であるので、スロット11からケース10内に雨や雪、埃などが進入してしまう。したがって、これらの進入を防ぐために、スロット11を塞ぐカバー12が必要となる。カバー12は、上述したように、プラスチック等の非導体材料を接着したり、ケース10に融着したりする方法がある。
図2(c)に、図2(b)に示したように、カバー20は、スロット11を覆う材料をケース10に接着する代わりに、スロット11をシール材や接着剤自体で埋めてしまう構成を示す。代表的なシール材としては、シリコンシールなどが挙げられる。また、接着剤としては、エポキシ樹脂系の接着剤や、セメダイン社製のスーパーX(商標)などの汎用接着剤が用いられても有効である。なお、使用する接着剤、シール材は、非導電性を有している必要がある。
図2(d)に、図2(b)に示した構成に加えて、スロット11を塞ぐカバー13を、ケース10の内側から貼り付けた構成を示す。この構成の場合、ケース10の外側と内側において、カバー12、13の構成が同じである必要はない。
図2(e)に、図2(d)に示す構成において、カバー12、13の密着性を更に向上し、機械的強度と耐久性が確保される構成を示す。この構成では、カバー12とカバー13との間の空間であるスロット11の内部に、非導体からなるスペーサ21が嵌め込まれている。この構成の場合、スペーサ21が、FRPやプラスチック材料、シール材によって形成されてもよく、接着剤がスペーサとして使用されてもよい。
図2(f)に、カバー22がケース10の全面を覆うように貼られた構成、あるいは、カバー22がケース10の側面またはケース10の一部を覆う構成を示す。熱収縮チューブのように、加熱することによって融着が可能な部材、例えば熱収縮性が大きな袋またはシートによって、アンテナ装置の全面または全体を包み込むことで、アンテナ装置全体を一括して防水するように構成されてもよい。
なお、図2(b)〜図2(f)に示す構成では、スロット11近傍に、電波の放射に寄与する電流が流れるので、損失が大きな材料を用いることは好ましくない。例えば、カバー22をケース10に接着するために、損失が大きな接着剤を使用したり、カバー12やスペーサ21を形成する材料として、ベーク板などの高周波での損失が大きな材料を用いることは好ましくない。カバー12としては、テトラフルオロエチレンなどの低損失の材料を用いることで、損失が少ないアンテナ装置を実現できる。
図3に、実施形態のアンテナ装置におけるスロットの形状に関する変形例を示す。図3(a)に、上述と同様の長方形状のスロットの形状を示す。長方形状のスロットの開口寸法は、長辺の長さが、使用する周波数の1/2波長程度とする。スロットの短辺の長さは、2GHz程度以下の周波数を用いる場合、概ね1/20波長以下として用いるが、それよりも高い周波数を用いる場合、開口寸法を実現する上で、1/10波長以下に設定する場合もある。例えば、60GHz帯の周波数の電 波を放射する放射素子を用いる場合は、波長が5mmであるので、スロットの短辺の長さを、1/10波長に設定した場合であっても0.5mm程度となる。
図3(b)に示すように、スロット30は、長方形状のスロットの長辺方向の両端部が円弧状に形成され、長穴のような形状に形成されている。スロットの長辺方向の両端部を円弧に形成することによって、長辺方向の長さが、短辺方向の位置に応じて若干異なるので、広帯域化できる。なお、スロット30の形状としては、楕円形状も含まれる。
図3(c)に示すように、スロット31は、直線状のスロットの長辺方向の両端部が、スロットの短辺方向の幅よりも直径が大きな円形状に形成されている。スロット31は、細長い溝の長さ方向の両端部に円形部分が配置された形状であって、2つの円が細い直線で結ばれた形状である。このスロット31は、上述の図3(b)に示したスロット30の形状を発展させた形状であり、更なる広帯域化を図ることができる形状である。
図3(d)に、H字状に形成されたスロット32が示されている。スロット32は、図3(b)及び図3(c)に示した形状と同様に、広帯域化できる効果が得られる。
図3(e)に、縦長の菱柄形状としたスロット33を示す。この構成の場合も、スロット33の図3中の縦方向の長さが、横方向の位置によって異なるので、複数種類の波長に対して共振することが可能になり、広帯域化できる効果が得られる。
図3(f)に、菱形の中心を通る直線で切断し、切断した部分をそれぞれ反転して連結したような鼓状のスロット34を示す。この構成の場合も、図3(e)に示したスロット33と同様、スロット34の図3中の縦方向(長手方向)の長さが、横方向の位置によって異なるので、複数種類の波長に対して共振することが可能になり、広帯域化できる効果が得られる。
図4に、実施形態のアンテナ装置における他のスロットの構成を示す。図4(a)に示すように、スロット35は、外形寸法が同じである長方形状の2つのスロット35a,35bを含み、スロット35a,35bが、スロット35a,35bの短辺方向に並んで配置されて構成されている。2つのスロット35a,35bを並べて配置することで、スロット35に対する結合が強くなり、複共振を更に起こし易くなり、複共振によって、広帯域化を図ることができる。
図4(b)に、外形寸法が異なる2つのスロットを並べて配置したスロット36を示す。スロット36は、長辺方向の長さが異なる2つのスロット36a,36bを含み、2つのスロット36a,36bが、スロット36a,36bの短辺方向に並んで配置されて構成されている。2つのスロットを並べて配置することで、複数種類の周波数において共振することが可能になり、広帯域化が可能になる。外形寸法の変更は、特に、スロットの長辺方向の長さを変えることが有効であるが、短辺方向の長さ、間隔、位置の調整も周波数調整やインピーダンス調整に有効である。
図4(c)〜図4(e)に、外形寸法が異なる3つのスロットが短辺方向に並べて配置されたスロット37、38、39を示す。上述のスロット36と同様に、スロット37,38,39は、長辺方向の長さが異なる3つのスロットを短辺方向に並べて配置することで、複数種類の周波数で共振することが可能になり、広帯域化を図ることができる。図4(c)に示すように、スロット37は、特に長辺方向の長さに関して、3つのスロット37a,37b,37cを異なる長さに設定することを特徴としている。3つのスロット37a,37b,37cは、長い順、あるいは、短い順で短辺方向に並べられる構成である。なお、スロット37は、3つのスロット37a,37b,37cの短辺方向の長さが等しくされたが、スロットの短辺方向の長さや、スロットの間隔等についても、等しくする必要はなく、適宜設定されてよい。複数のスロットの長辺、短辺の長さ、間隔等を変化させることで、使用する周波数帯域やインピーダンス整合の調整を行うことができる。
図4(d)に示すように、スロット38は、短辺方向に並べられた3つのスロット38a,38,38cの中央に、長辺の長さが短いスロット38bが配置されている。図4(e)に示すように、スロット39は、短辺方向に並べられた3つのスロット39a,39b,39cの中央に、長辺の長さが長いスロット39bが配置されている。3つのスロットの配列方向において、両端に配置された2つのスロットの長辺の長さは、同じであっても、異なっていてもよい。
図5に、実施形態のアンテナ装置における放射素子の給電構造を示す。図5(a)は、図1(b)に示したアンテナ装置の構成を比較のために再度示した図である。図5(b)に、図5(a)に示すアンテナ装置の給電構造の断面図を示す。図5(c)に、給電構造の他の構成の斜視図を示す。図5(d)に、図5(c)に示す給電構造の断面図を示す。
図5(a)に示す給電構造では、放射素子2の端部に設けられた給電部3に、放射素子2の厚み方向に延ばされた給電線5が、電気的に接続されており、放射素子2の主面内で給電が行われている。この給電構造に対し、図5(c)に示す給電構造では、放射素子2の図5中の左端部に、放射素子2の主面と平行に延びるマイクロストリップライン40が、接続されている点が異なっている。さらに、図5(c)に示す給電構造では、マイクロストリップライン40の図5中の左端に、給電部3が設けられており、給電部3に、放射素子2の厚み方向に延ばされた給電線5が電気的に接続されて給電されている。マイクロストリップライン40は、その幅を調整することで、グランド板1との間で、所定の特性インピーダンスを有するように構成することができる。このため、マイクロストリップライン40の幅と長さを調整することで、放射素子2とのインピーダンス調整を行うことが容易になる。
図6に、実施形態のアンテナ装置における放射素子の他の給電構造を示す。図6(a)に、実施形態のアンテナ装置における放射素子の給電構造の斜視図を示す。図6(b)に、図6(a)に示す給電構造の断面図を示す。図6(a)及び図6(b)に示すように、放射素子2の図6中の左端部に、この左端部から放射素子2の厚み方向の下方に延びる導体の接続部42が設けられており、接続部42を介してマイクロストリップライン41と接続されている。
図6(c)に、実施形態のアンテナ装置における放射素子の他の給電構造の斜視図を示す。図6(d)に、図6(c)に示した給電構造の断面図を示す。図6(c)及び図6(d)に示すように、放射素子2の図6中の左端部には、何も接続されておらず、導体のマイクロストリップライン43の図6中の右端部が、放射素子2の下方に入り込み、空間的に放射素子2と結合して給電するように構成されている。
図6(a)及び図6(b)に示す構成では、マイクロストリップライン41と放射素子2との接続部42に、電気的に不連続なインピーダンスを生じる部分が発生してしまう。しかし、この構成は、マイクロストリップライン41の幅寸法などに制約がある場合に、マイクロストリップライン41の高さ方向の位置、及び放射素子2の高さ方向の位置を自由に設定できるので、設計の自由度が高いというメリットがある。なお、接続部は、グランド板1に対する垂直方向(放射素子2の厚み方向)に延ばす構成に限定されるものではない。接続部は、放射素子2の厚み方向に対してやや傾斜させて延ばして、放射素子と接続する構成であってもよい。この構成はインピーダンスの乱れを緩和する場合に有効である。
図6(a)及び図6(b)に示した接続部42が、電気的にインピーダンスが不連続になってしまうことを避けるために、図6(c)及び図6(d)に示す構成では、マイクロストリップライン43と放射素子2とを空間的に結合させている。この構成においても、マイクロストリップライン43の幅寸法などに制約がある場合であっても、マイクロストリップライン43の高さ及び放射素子2の高さ方向の位置を自由に設定できるので、設計の自由度が高いというメリットがある。ただし、マイクロストリップライン43の図6中の右端部と、放射素子2との重なり部分における空間的な結合の度合いや、インピーダンス調整を行う必要もある。そのため、マイクロストリップライン43の右端部における重なり部分の長さ、面積の調整を行うことが必要になる。また、この構成では、マイクロストリップライン43の右端部と放射素子2との間の距離も、相互の結合やインピーダンス整合に影響するので、マイクロストリップラインと放射素子とを完全に独立して設計することはできない。
図7に、実施形態のアンテナ装置の放射素子の形状の変形例を示す。図7(a)に示す放射素子44は、導体によって形成された円形状または楕円形状の放射素子を用いた場合である。図7(b)に、導体によって形成された三角形状の放射素子45を用い、放射素子45を支持するために、非導体によって形成されたスペーサ46を用いた構成を示す。この構成の場合、放射素子の形状としては、三角形以外に、五角形、六角形などの多角形や、扇形、馬蹄形、円環などの任意の形状の放射素子を用いることも可能である。
図8に、実施形態のアンテナ装置における放射素子の構造の変形例を示す。図8(a)に、プリント基板50を用いて放射素子51が形成された構成の斜視図を示し、図8(b)に図8(a)に示す構成の断面図を示す。放射素子51の主面内の図8中の左端部近傍に、給電部3が設けられている。
図8(c)に、プリント基板50を用いて放射素子51が形成された構成の斜視図を示し、図8(d)に、図8(c)に示す構成の断面図を示す。放射素子51の図8中の左端部に、マイクロストリップライン53が接続されており、マイクロストリップライン53の図8中の左端部に、給電点3が設けられている。
図8(a)〜図8(d)に示す構成において、放射素子51は、プリント基板50をエッチングすることで形成されており、放射素子51が薄い銅箔によって構成されているので、通常、放射素子51を保護するためにハンダメッキやニッケルなどのメッキが施される。プリント基板50の下面には、通常、グランドとしての銅箔が設けられ、この銅箔がグランド板1と電気的に接続されるように構成される。ただし、図8(a)〜図8(d)に示す構成では、プリント基板50の下面に銅箔が設けられていなくても、グランド板1が導体であれば、機能的に問題はない。通常、プリント基板50の下面に銅箔が設けられている場合は、短絡部52が、スルーホールまたはビヤホールなどによって形成され、放射素子52の中心と、プリント基板50の下面に設けられた銅箔とを短絡させる。この構成は、放射素子51における不要なモードの発生を防ぐことを目的とする構成である。したがって、短絡部52は、必ず必要な部分ではなく、省かれてもよい。
図8(a)及び図8(b)に示す構成は、プリント基板50を用いて放射素子51が構成された構造であり、電気的には、図5(a)及び図5(b)に示す構造と等しい。同様に、図8(c)及び図8(d)に示す構成も、電気的には、図5(c)及び図5(d)に示す構成と等しい。ただし、図8に示す構成では、プリント基板50を用いているので、放射素子を薄く、プリント基板と一体に形成できる点と、プリント基板の比誘電率を「εr」としたときの放射素子の大きさを、1/√(εr)に小さくできる点とがメリットである。なお、この構成では、プリント基板50の材料としての誘電体損失が、アンテナ装置の放射に損失を及ぼし、放射効率が低下することがある。
図9(a)及び図9(b)に、実施形態のアンテナ装置における放射素子が、2偏波である構成の模式的な斜視図を示す。図9(a)及び図9(b)に示すように、放射素子2は、直交する2方向からそれぞれ給電することで、2方向、すなわち、図9中の縦方向(垂直偏波)及び横方向(水平偏波)の両方の偏波を放射することができる。図9(a)に示す構成では、2つの給電部3a,3bが、放射素子2の直交する2方向の端部に配置されている。
同様に、図9(b)に示す構成では、放射素子2の直交する2方向の端部から、図5(c)及び図5(d)に示したようなマイクロストリップライン62a,62bを用いて給電するように構成されている。直交して配置された2つの給電部3a,3bは、電気的に分離されており、それぞれの偏波で独立して動作することが可能である。したがって、これらの両方の偏波にそれぞれ対応するために、スロット60は、十字形状に形成する必要がある。なお、図9(a)及び図9(b)において、直交する2方向に配置された2つの給電部3a,3bに、振幅が同一で、かつ位相が90度異なる高周波信号をそれぞれ給電することによって、円偏波を発生させることができる。このことは、一般的に知られており、本実施形態でも実現が可能である。
図10に、放射素子をアレイ化した構成を示す。この構成は、図5(c)及び図5(d)に示したマイクロストリップラインを用いた給電構造において、4つの放射素子2をアレイ化した一例である。マイクロストリップライン70によって、4つの放射素子2を合成し、4つの放射素子2の中央に配置された給電部70から給電を行う。給電部70の下方には、図5(c)及び図5(d)に示した構成と同様に、給電線5、コネクタ6が配置されている。4つの放射素子2をアレイ化することによって、更に高利得のアンテナ装置を実現できる。なお、図10に示す構成において、放射素子2及びマイクロストリップライン70が、図8に示したようにプリント基板によって構成されても有効である。
図11に、2偏波の放射素子を用いてアレイ化した構成を示す。図9(b)に示したマイクロストリップライン62を用いた給電構造において、2つの放射素子2をアレイ化した構成例である。2つのマイクロストリップライン80によって、2つの放射素子2のそれぞれの偏波について独立して合成し、それぞれの偏波に対応した給電部81から放射素子2に給電する。これによって、2つの放射素子2をアレイ化した、2種類の偏波を放射するアンテナ装置が構成される。この構成で用いられるスロットとしては、2偏波に対応するために、図9(a)及び図9(b)に示したスロットと同様に、十字形状のスロット60が用いられる。給電部81の下方には、図5(c)及び図5(d)に示した構成と同様に、給電線5、コネクタ6が配置されている。このように、2偏波の放射素子2を用いる場合においても、放射素子をアレイ化することによって、利得が高いアンテナ装置を実現できる。
図12に、他の放射素子を用いたアンテナ装置の構成を示す。図12(a)に、放射素子90として、逆L型の放射素子を用いた場合の構成の斜視図を示し、図12(b)に、図12(a)に示す構成の断面図を示す。
放射素子90としては、図1に示したように、パッチ素子以外に多種多様な放射素子が使用可能である。これは、本発明のアンテナ装置の基本原理が、剛性を有する金属製のケース(レドーム)を用いて、そのケース上に設けられた小さな穴であるスロットにおいて、ケースの内部に配置された放射素子からの電波と結合、複共振させ、放射させることにあるからである。放射素子90は、逆L型のアンテナであるので、放射素子90が水平に延びるX方向と同一方向の電波(電界)を放射し、この電波が、放射素子90が水平に延びるX方向と直交するY方向に延びるスロット11にて結合、複共振し、スロット11から電波が放射される。
図12(c)及び図12(d)に、放射素子91として、逆F型の放射素子を用いた構成を示す。図12(c)に斜視図を示し、図12(d)に、図12(c)に示す構成の断面図を示す。放射素子91は、逆F型の放射素子であるので、逆L型の放射素子と同様に、放射素子91が水平に延びるX方向と同一方向の電波(電界)を放射し、この電波が、放射素子91が水平に延びるX方向と直交するY方向に延びるスロット11にて結合、複共振し、スロット11から電波が放射される。
図13に、他の放射素子を用いたアンテナ装置の構成を示す。図13(a)に、放射素子100として、モノポールアンテナを用いた場合の構成の斜視図を示し、図13(b)に、図13(a)に示す構成の断面図を示す。放射素子100は、モノポールアンテナであるので、放射素子100の真上方向(Z方向)に向かって電波(電界)が放射されない。したがって、放射素子100がグランド板1の中央に配置され、スロット11が放射素子100の真上に配置された場合には、放射素子100から放射された電波の、スロット11における結合が若干弱い場合もある。このような場合は、放射素子100とスロット11との相対的な位置をずらすことで、スロット11にて更に強い結合を得ることが可能になる。具体的には、放射素子100を、グランド板100の端部にオフセットさせた位置に配置する構成などが有効である。
図13(c)及び図13(d)に、放射素子101として、容量装荷型のモノポールアンテナを用いた場合の構成を示す。図13(c)に斜視図を示し、図13(d)に断面図を示す。放射素子101は、容量装荷型のモノポールアンテナであるので、基本的には、図13(b)に示したモノポールアンテナと同様の放射特性を有している。したがって、放射素子101が、グランド板1の中央に配置され、スロット11が放射素子101の真上に配置された場合には、図13(b)に示す構成と同様に、スロット11における結合が弱い場合もある。このような場合は、上述と同様に、放射素子101をグランド板100の端部にオフセットさせた位置に配置する構成などが有効である。
図14に、他の放射素子を用いたアンテナ装置の構成を示す。図14(a)に、放射素子110として、ダイポールアンテナを用いた場合の構成の斜視図を示す。この構成では、グランド板1側から、Z方向に対して所定の高さまで、同軸ケーブル111を延ばし、同軸ケーブル111の先端がダイポールアンテナに接続されている。ダイポールアンテナの主偏波は、放射素子110が水平に延びるX方向と平行な方向に進み、図14(a)に示す構成においては水平偏波となる。したがって、放射素子110における主偏波が進むX方向と直交するY方向に延びるスロット11にて、主偏波が結合し、スロット11から電波が放射される。
図14(b)に、放射素子112として、ループアンテナを用いた場合の構成の斜視図を示す。ループアンテナの主偏波は、放射素子112の給電部が位置する一端側から、対向する他端側に向かうX方向と平行な方向に進み、図14(b)に示す構成においては水平偏波となる。したがって、放射素子112における主偏波が進むX方向と直交するY方向に延びるスロット11にて、主偏波が結合し、スロット11から電波が放射される。
図14(c)に、放射素子113として、ハーフループアンテナを用いた場合の構成の斜視図を示す。ハーフループアンテナの主偏波は、ハーフループ面と直交するY方向に進み、図14(c)に示す構成においては垂直偏波となる。したがって、放射素子113における主偏波が進むY方向と直交するX方向に延ばされたスロット11にて、主偏波が結合し、スロット11から電波が放射される。
次に、実際にアンテナ装置を製作し、効果を確認した実施例の構成を示す。図15に、実際のアンテナ装置の構成例を示す。設計上での中心周波数を1.96GHzとし、波長を153mmとした。アンテナ装置の構成は、図1に示した構成と同じである。
本実施例において、図15(a)及び図15(b)に示すように、図1に示したグランド板1がグランド200に相当しており、ケース10に相当する部分が、側板201と上板202によって構成されている。スロット11は、スロット203に相当しており、カバー12に相当する部分が設けられていない。しかし、カバー12は、アンテナ装置を気密構造にするための保護用のシート部材であり、本実施例のアンテナ装置の電気的な原理の特性を確認するためには影響がないので、本実施例では省いた。本実施例において、放射素子2が放射素子204に相当し、支持棒7が支持棒205に相当し、給電部3が給電部207に相当し、給電線5が給電線208に相当し、コネクタ6がコネクタ209に相当する。
正方形状のグランド200、側板201及び上板202によって構成される内側の空間は、正方形をなす内壁の一辺の長さが0.92波長にされ、高さが0.33波長にされている。上板202は、厚さtが1mmに形成されている。放射素子204は、一辺の長さが0.46波長の正方形状に形成されている。放射素子204は、グランド200の中央に位置され、グランド200から0.06波長の高さの位置に、支持棒205とナット206によって固定されている。
給電部207は、放射素子204の中心から0.2波長離れた位置の給電点に、給電線208の一端がハンダ付けによって接続されて構成されている。給電線208の他端は、グランド200に設けられたコネクタ209の同軸中心導体に接続されている。なお、各部材を形成する材料としては、グランド200、側板201、及び上板202が、アルミニウムによって形成されており、放射素子204、支持棒205、ナット206、及び給電線208が、真鍮によって形成されている。
図16に、図15に示した構成におけるリターンロス特性の実測値を示す。実線が、図15に示した構成におけるリターンロス特性を示し、点線が、スロット203を有する上板202及び側板201を取り外した状態における放射素子204単体でのリターンロス特性を示している。図15に示した構成では、実線において、最大振幅と最小振幅の比をVSWR(電圧定在波比)とすれば、「VSWR<2」に相当するリターンロスが「−9.5dB」以下になる帯域は、1.83GHz〜2.10GHzである。これは、比帯域で14%となり、広帯域な特性が得られている。放射素子204が単体で使用される場合における点線で示すリターンロス特性と比べて、実線で示すリターンロス特性では、単共振の狭い帯域の特性が、複共振になることで、広帯域化されている。
図17に、図15に示した構成における放射パターン特性の実測値を示す。図17(b)に示すようにアンテナ装置を観たとき、主偏波は垂直偏波となる。図17(a)において、実線は、H面(H-plane)、すなわち、Z−X平面での放射パターンである。また、点線は、E面(E-plane)、すなわちZ−Y平面での放射パターンである。3dBビーム幅(半電力ビーム幅)は、H面で67度、E面で92度であり、利得として6.6dBiが得られている。
最後に、本発明の技術と、本発明に関連する技術との相違点について説明する。本発明に係るアンテナ装置の構成の主眼である、アンテナ装置の製造コストを低減するという観点に関し、関連技術では、レドームが、FRPやポリカーボネイトによって形成されていた。これに対して、本発明は、レドームを、金属製のケース10と、ケース10に設けられたスロット11と、スロット11を閉塞するカバー12と、を備えて構成され、製造コストの低減を実現するものである。
続いて、電気的な原理として、スロットとパッチ素子とを組み合わせた関連技術のアンテナ装置について、以下に説明する。図18(a)に、関連技術のアンテナ装置の模式的な斜視図を示す。図18(b)に、関連技術のアンテナ装置の模式的な断面図を示す。
図18(b)に示すように、プリント基板300は、4層の導体層である第1層300a〜第4層300dを有している。プリント基板300の最上面である第1層300aには、パッチ素子としての放射素子301が配置されている。第2層300bには、グランド302が設けられており、放射素子301の直下の位置にスロット303が配置される。第3層300cには、マイクロストリップライン304が配置され、第4層300dには、グランド305が設けられている。
マイクロストリップライン304は、グランド303、305をグランド面として高周波信号を伝送し、高周波がスロット303に結合し、スロット303を介して、さらに放射素子301に結合し、放射素子301へ給電する。関連技術のアンテナ装置の特徴は、マイクロストリップライン304が、グランド302とグランド305との間に挟み込まれていることで、漏出する電波を最小限に抑えて、給電損失が少ない給電回路を実現している点にある。加えて、このアンテナ装置では、スロット303を介して放射素子301に給電することによって、物理的な接触を必要とせずに給電できるので、給電構造の信頼性の向上が図られている。
上述した関連技術は、スロットとパッチ素子とを組み合わせて用いるという観点において、本発明の技術と類似しているように見える。しかし、この関連技術では、スロットを「給電構造の一部」として使用しているのに過ぎず、本発明の技術思想とは根本的に異なる。一方、本発明では、スロットを「放射素子の一部」として用いている点で、関連技術と大きく異なり、かつ、この構成によって、レドームを廉価で堅牢な金属材によって形成できるという優位点を有している。
なお、図18(a)及び図18(b)に示した関連技術は、1992年3月開催の電子情報通信学会春季大会 論文番号 B−57 “ミリ波帯スロット結合型マイクロストリップアレイアンテナ”として発表されたものである。
なお、本発明に係るアンテナ装置は、例えば携帯電話や無線LANなどのモバイル端末の通信を行う基地局のアンテナ装置、特に、主たる基地局の電波がビルなどで遮断されてしまい、通信ができない不感帯と呼ばれる場所に設置される小型基地局のアンテナ装置、あるいは、トンネル内や、ビルの高層階、地下街などに設置される小型基地局のアンテナ装置に用いられて好適である。これらの用途の応用例としては、モバイル用途及びデジタルテレビ用途のリピータ局用のアンテナ装置、多様な通信方式に適合したコグニティブ無線システム、ソフトウエア無線システム等の基地局のアンテナ装置へ応用されてもよい。
1 グランド板
2 放射素子
3 給電部
10 ケース
11 スロット
2 放射素子
3 給電部
10 ケース
11 スロット
Claims (10)
- 電波を放射する放射素子と、
前記放射素子に電力を供給する給電部と、
前記放射素子を覆う、導体からなる筐体と、
前記筐体の、前記放射素子に対向する位置に設けられ、前記放射素子から放射された電波と電気的に結合するスロットと、を備えるアンテナ装置。 - 前記スロットの開口面積は、前記スロットに対向する前記放射素子の対向面の面積よりも小さい、請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記筐体の前記スロットを塞ぐ非導体からなる閉塞部材を備える、請求項1または2に記載のアンテナ装置。
- 前記スロットは、長方形状に形成され、
前記スロットの短辺の長さは、前記放射素子から放射する電波の周波数が2GHz以下である場合に、1/20波長以下である、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアンテナ装置。 - 前記スロットは、長方形状に形成され、
前記スロットの短辺の長さは、前記放射素子から放射する電波の周波数が2GHzを超える場合に、1/10波長以下である、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアンテナ装置。 - 前記筐体は、1つの前記放射素子に対向して設けられた複数の前記スロットを有している、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記複数のスロットは、開口寸法が異なっている、請求項6に記載のアンテナ装置。
- 前記スロットは、前記スロットの開口面上で互いに直交する第1の方向及び第2の方向において、前記第1の方向の位置に応じて、前記第2の方向の開口寸法が変化する形状に形成されている、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記放射素子は、プリント基板上に形成されている、請求項1ないし8のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記放射素子は、四角形状に形成され、
前記放射素子の隣接する各辺に、第1の給電部及び第2の給電部が設けられ、
前記スロットは、十字状に形成されている、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
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