JP2013026915A - 多周波共用アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多周波共用アンテナにおいて、特に高周波帯域にて広帯域に動作するアンテナが求められている。
【解決手段】本発明に係る多周波共用アンテナ装置は、低周波帯域にて共振する板状の第１のモノポールアンテナ部と、前記第１のモノポールアンテナの長手方向軸線に沿って該軸線に対して線対称に配置されると共に、高周波帯域にて動作する複数のスロットを備え、該スロットを除く外周縁が略円形状を有する板状の第２のモノポールアンテナ部とを組み合わせてなるアンテナ素子部を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、多周波共用アンテナ装置に関し、例えば、移動体通信用の屋内中継装置として作動する多周波共用アンテナ装置に関する。

これまでに、様々な通信分野にて多周波共用を実現するモノポールアンテナが提案されている。一例として、第１のモノポールアンテナと、これに並列的に接続される第２のモノポールアンテナとを備え、複数の波長について作動する平板アンテナ素子が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。特許文献１のアンテナ素子は、線状に延びる第１のモノポールアンテナと、線状に延び第１のモノポールアンテナより短い第２のモノポールアンテナとをＵ字形状の連結部によって連結した構造を有している。特許文献２のアンテナ素子は基板上に形成され、線状に延びる第１のモノポールアンテナと、この第１のモノポールアンテナを挟んで互いに平行に延びると共に第１のモノポールアンテナよりも長い２つの第２のモノポールアンテナを備えている。上記従来技術に示されるような板状のアンテナ素子は、線状導体又は一枚の平面導体によって形成可能であるため、製造および組立に関するコストの低減を実現することができる。

特開平６−２０９２０５号公報 特開２００８−３０６４３６号公報

上記のような板状のアンテナ素子を用いた多周波共用アンテナ装置について、その構造の一例を図１０に示す。図１０に示す多周波共用アンテナ装置１００は、１つの低周波用モノポールアンテナ部１０１と２つの高周波用モノポールアンテナ部１０２ａ，１０２ｂとを備える。低周波用モノポールアンテナ部１０１と高周波用モノポールアンテナ部１０２ａ，１０２ｂは同一平面上において線状に延び、その下端は連結部１０３によって連結されている。高周波用モノポールアンテナ部１０２ａ，１０２ｂは、低周波用モノポールアンテナ部１０１の長手方向軸線に沿って延び、該軸線に対して線対称に配置されている。接地板１０４と連結部１０３との間には給電点１０５が設けられている。

正規化周波数をｆ_０（波長：λ_０）、低周波帯域の設計周波数をｆ_Ｌ（波長：λ_Ｌ）、高周波帯域の設計周波数をｆ_Ｈ（波長：λ_Ｈ）、とすると、低周波用モノポールアンテナ部１０１は周波数ｆ_Ｌで動作し、高周波用モノポールアンテナ部１０２ａ，１０２ｂは周波数ｆ_Ｈで動作する。多周波共用アンテナ装置１００では、低周波用モノポールアンテナ部１０１の素子高ｈ_Ｌと高周波用モノポールアンテナ部１０２ａ，１０２ｂの素子高ｈ_Ｈを調整し、一例として、各アンテナ素子高をｈ_Ｌ≒０．２５λ_Ｌ、ｈ_Ｈ≒０．２５λ_Ｈとすることで各設計周波数にて良好な電気特性を得ることができる。

図１１に低周波用モノポールアンテナ部１０１の素子高ｈ_Ｌ≒０．２５λ_Ｌとし、高周波用モノポールアンテナ部１０２ａ，１０２ｂの素子高ｈ_Ｈを変化させた場合のＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．（電圧定在波比）の周波数特性を示す。以下、周波数ｆ_Ｌ≒０．６ｆ_０とする。図１１に示すように、高周波用モノポールアンテナ部１０２ａ，１０２ｂの素子高ｈ_Ｈの変化が低周波帯域に与える影響は少ない。一方、高周波帯域は素子高ｈ_Ｈの変化にともない共振周波数が変化し、周波数ｈ_Ｈ≒０．２７５λ_０（ｆ_Ｈ≒１．１ｆ_０）の場合、すなわち、ｈ_Ｈ≒０．２５λ_ＨでＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．が２以下となる比帯域は約１０％となる。このように、多周波共用アンテナ１００では、高周波用モノポールアンテナ部１０２ａ，１０２ｂの素子高を調整することによって、Ｖ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．が２以下となる場合の比帯域を高周波帯域において約１０％まで高めることができる。

しかしながら、最新の移動体通信規格であるＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）では、高周波帯域にて、Ｖ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．が２以下となる比帯域が約４０％を満たすアンテナが必要である。従来の板状のアンテナ素子を用いた多周波共用アンテナにおいて、アンテナ素子の素子高を調整したとしても、高周波帯域にて約４０％の上記比帯域を得ることは困難である。このように、多周波共用アンテナ装置において、特に高周波帯域にて広帯域に動作するアンテナ装置が求められている。

上記課題を解決するために、本発明に係る多周波共用アンテナ装置は、低周波帯域にて共振する板状の第１のモノポールアンテナ部と、前記第１のモノポールアンテナの長手方向軸線に沿って該軸線に対して線対称に配置されると共に、高周波帯域にて動作する複数のスロットを備え、該スロットを除く外周縁が略円形状を有する板状の第２のモノポールアンテナ部とを組み合わせてなるアンテナ素子部を備える。ここで略円形状とは、円弧の一部が欠けたＣ字形状を含む。

一例として、前記第１のモノポールアンテナ部はＴ型モノポールアンテナ部である。前記第１のモノポールアンテナ部と前記第２のモノポールアンテナ部は１枚の導体板から同一平面上に形成され、前記第１のモノポールアンテナ部は前記第２のモノポールアンテナ部の前記外周縁から突出するように延び、該第１のモノポールアンテナ部の外縁の少なくとも一部は前記複数のスロットによって画定されるように構成しても良い。例えば、前記アンテナ素子部を誘電体基板にプリントすることによって形成しても良い。

他の例として、本発明に係る多周波共用アンテナ装置は、前記アンテナ素子部を２個組み合わせて構成したアンテナ素子部を備え、前記２個のアンテナ素子部を、前記第１のモノポールアンテナ部の長手方向軸線を一致させて、互いに略直交するように配置している。例えば、本発明に係る多周波共用アンテナ装置に、無給電素子をさらに備えても良く、又は、前記アンテナ素子部の偏波に対して直交する偏波を放射する他のアンテナを備えることにより、本発明に係る多周波共用アンテナ装置を偏波共用アンテナとして作動するように構成しても良い。

本発明に係る多周波共用アンテナ装置は、第１のモノポールアンテナの長手方向軸線に沿って該軸線に対して線対称に配置され、高周波帯域にて動作する複数のスロットを備え、該スロットを除く外周縁が略円形状を有する板状の第２のモノポールアンテナ部を備えている。この第２のモノポールアンテナ部において、複数のスロットは高周波帯域にて指向性を劣化させることなく広帯域に動作する。高周波帯域では、下限周波数以上の周波数においてＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．を２以下とすることが可能であり、これにより、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）において要求される約４０％の上記比帯域以上の比帯域を達成し、高周波帯域において広帯域に動作するアンテナを実現している。

第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置の斜視図である。 第１の実施形態に係るアンテナ素子部の側面図である。 第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置において素子半径ｒ_Ｖを変化させた場合の、電圧定在波比の周波数特性を示す波形図である。 第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置の指向性図である。 第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置の電磁界シミュレーション図である。 第２の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置におけるアンテナ素子部の斜視図である。 第２の実施形態に係るアンテナ素子部の分解図である。 第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置に無給電素子を配置した場合の斜視図である。 第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置を偏波共用アンテナとして構成した場合の斜視図である。 線状且つ板状に形成されたアンテナ素子部を有する多周波共用アンテナ装置の一例を示す模式図である。 図１０に示す多周波共用アンテナ装置において高周波用モノポールアンテナ部の素子高ｈ_Ｈを変化させた場合の、電圧定在波比の周波数特性を示す波形図である。

以下、本発明の実施の形態を添付の図により説明する。図１に第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置１の斜視図を模式的に示す。本実施形態に係る多周波共用アンテナ装置１は、アンテナ素子部２を接地板３上に配置し、アンテナ素子部２と接地板３との間に給電点４を設けた構造を有している。図２にアンテナ素子部２の側面図を示す。

アンテナ素子部２は、板状のＴ型モノポールアンテナ部５と、このＴ型モノポールアンテナ部５と一体的に形成された板状の円形モノポールアンテナ部６とを備えている。Ｔ型モノポールアンテナ部５は第１の方向に延びる本体部５ａと本体部５ａの上端において第１の方向と直交する第２の方向に延びる端部５ｂとを有し、本体部５ａと端部５ｂとによってＴ字型の形状を構成している。円形モノポールアンテナ部６は、Ｔ型モノポールアンテナ部５との間に２つのスロット７ａ，７ｂを有する。円形モノポールアンテナ部６において該スロット７ａ，７ｂの部分を除いた外周縁６ａは、略円形状を有している。ここで略円形状とは、図２に示すように、円弧の一部が欠けたＣ字形状を含む。Ｔ型モノポールアンテナ部５の本体部５ａは円形モノポールアンテナ部６の外周縁６ａから突出して延びている。

Ｔ型モノポールアンテナ部５の本体部５ａと円形モノポールアンテナ部６は一体的に形成されていて、スロット７ａ，７ｂによってＴ型モノポールアンテナ部５の本体部５ａ外縁の少なくとも一部が画定される。スロット７ａ，７ｂは、Ｔ型モノポールアンテナ部５の長手方向軸線に沿って該軸線に対して線対称に配置されている。本実施形態において、スロット７ａ，７ｂは、Ｔ型モノポールアンテナ部５の長手方向軸線と並行に延びている。
Ｔ型モノポールアンテナ部５と円形モノポールアンテナ部６は同一平面上に板状に延びる形状を有していて、本実施形態においては、アンテナ素子部２を１枚の導体板から形成している。

多周波共用アンテナ装置１では、Ｔ型モノポールアンテナ部５は低周波帯域で共振し、スロット７ａ，７ｂは高周波帯域で動作する。Ｔ型モノポールアンテナ部５において、端部５ｂの長さＬと、アンテナ高ｈが（０．５Ｌ＋ｈ）≒０．２８λ_Ｌを満たすように、また、円形モノポールアンテナ部６の素子半径ｒ_Ｖが、ｒ_Ｖ≒０．１４λ_Ｈを満たすように設定している。なお、素子半径ｒ_Ｖは、外周縁６ａによって画定される円形状の中心から外周縁６ａまでの距離である。スロット７ａ，７ｂの長さは一例として、０．２１λ_０であり、幅は一例として、０．０１λ_０である。

図３に素子半径ｒ_Ｖを変化させた場合のＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．の周波数特性を示す。ｒＶの変化による低周波帯域への影響は少なく、ｒ_Ｖ＝０．１４λ_０（ｆ_Ｈ≒ｆ_０）の場合でＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．が２以下となる比帯域は約１６％と算出される。一方、高周波帯域では設計周波数ｆ_Ｈが下限周波数となり、２ｆ_０以上の範囲でＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．２以下が得られる。例えば、ｒ_Ｖ＝０．１４λ_０の場合ではｆ_０を下限周波数として、試験周波数の上限である２ｆ_０にわたりＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．２以下が得られる。比帯域で換算すれば約６６％以上となり、ＬＴＥにて要求される高周波帯域の比帯域を十分に満足する。

多周波共用アンテナ装置１の電界面指向性と磁界面指向性を図４に示す。図４（ａ）は電界面指向性図であり、図４（ｂ）は磁界面指向性図である。図４に示すように、いずれの周波数においても、磁界面指向性（図４（ｂ））は偏差３ｄＢ以下の無指向性となり、電界面指向性（図４（ａ））は８の字パターンとなる。したがって、多周波共用アンテナ装置１の指向性は、低周波帯域および高周波帯域において一般的なモノポールアンテナの指向性と遜色のない指向性を実現している。

次に電磁界シミュレーションによる電流分布を図５に示す。図５（ａ）は周波数０．６ｆ_０、図５（ｂ）は周波数ｆ_０、図５（ｃ）は周波数１．４ｆ_０の場合のシミュレーション図である。図５に示すように、周波数０．６ｆ_０（図５（ａ））ではＴ型モノポールアンテナ部５に強く電流がのっているため、低周波帯域での動作は主にＴ型モノポールアンテナ部５の共振によることが分かる。一方、周波数ｆ_０（図５（ｂ））においてＴ型モノポールアンテナ部５と円形モノポールアンテナ部６のスロット７ａ，７ｂから形成されるノッチに強く電流がのり、周波数１．４ｆ_０（図５（ｃ））においては、Ｔ型モノポールアンテナ部５と円形モノポールアンテナ部６の双方に電流がのっている。したがって、高周波帯域では複数の共振によってアンテナ素子部２が広帯域に動作している。
なお、図４及び図５に示す指向性及び電磁界シミュレーションでは、多周波共用アンテナ装置１の素子半径ｒ_Ｖをｒ_Ｖ＝０．１４λ_０（ｆ_Ｈ≒ｆ_０）と設定している。

このように、多周波共用アンテナ装置１では、Ｔ型モノポールアンテナ部５の端部５ｂの長さＬと、アンテナ素子部２の高さｈと、円形モノポールアンテナ部６の素子半径ｒ_Ｖとを適切に設定することにより、指向性を劣化させることなく、低周波帯域（中心周波数：ｆ_Ｌ）および高周波帯域（下限周波数：ｆ_Ｈ）において良好なＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．が得られる。特に高周波帯域では、下限周波数ｆ_Ｈ以上の周波数においてＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．が２以下となり、従来技術では得られない広帯域なアンテナ特性を獲得することができる。
さらに、第１の実施形態では、アンテナ素子部２を１枚の導体板から形成しているため、製造および組立に関するコストを低減できる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置のアンテナ素子部１２について、その斜視図を図６に示す。アンテナ素子部１２は、上記第１の実施形態において述べた多周波共用アンテナ装置１のアンテナ素子部２を２個組み合わせたものである。２個のアンテナ素子部２を、第１のモノポールアンテナ部５の長手方向軸線を一致させ、互いに略直交するように交差させて組み合わせることにより、アンテナ素子部１２を構成している。
図７に、アンテナ素子部１２を形成するために用いるアンテナ素子部２の一例を示す。各アンテナ素子部２において図示のような切り込み１３を形成しておくことによって簡易にアンテナ素子部２を組み合わせることができる。組み合わせた後、切り込み１３の周囲を導電性材料で接着しても良い。
アンテナ素子部１２では、アンテナ素子部２を互いに略直交するように配置しているため、第１の実施形態において述べた利点に加えて、磁界面指向性の偏差が改善されるというさらなる利点も有している。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、図８に示すように、第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置１において、アンテナ素子部２の周囲に接地板３に対して基部が短絡または開放された無給電素子１５を配置しても良い。アンテナ素子部２の周囲に無給電素子１５を配置することにより、主に高周波帯域での磁界面指向性の偏差が改善する。

また、図９に示すように、第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置１において、アンテナ素子部２の直近に、アンテナ素子部２の偏波と直交する偏波を放射する他のアンテナ１６を配置し、多周波共用アンテナ装置１を偏波共用としても良い。偏波共用構成にすることで、ＬＴＥの主要技術であるＭＩＭＯ（２ブランチ）に対応が可能となる。図９に示す実施形態では、４素子のダイポールアンテナ１６を使用している。各ダイポールアンテナ１６は、円弧状に形成され、アンテナ素子部２のＴ型モノポールアンテナ部５の長手方向軸線を中心とする同一円周上に均等な角度間隔で位置している。なお、他のアンテナ１６は、４素子のダイポールアンテナに限定されるものではなく、例えば、アンテナ素子部２の偏波と直交する偏波を放射する周波数共用ダイポールアンテナやパッチアンテナなどを配置し、偏波共用構成を実現することも可能である。

上記第１の実施形態においては、アンテナ素子部２を１枚の導体板によって形成しているが、アンテナ素子部２の形成方法はこれに限定されない。例えば、印刷配線技術を利用して、1枚の誘電体基板上にアンテナ素子部２をプリント形成しても良い。この場合、アンテナ素子部２は金属箔（例えば銅箔）によって形成することができる。

１，１００ 多周波共用アンテナ装置
２，１２ アンテナ素子部
５ Ｔ型モノポールアンテナ部（第１のモノポールアンテナ部）
６ 円形モノポールアンテナ部（第２のモノポールアンテナ部）
６ａ 円形モノポールアンテナ部の外周縁
７ａ，７ｂ スロット
１５ 無給電素子
１６ 他のアンテナ

Claims (7)

1. 低周波帯域にて共振する板状の第１のモノポールアンテナ部と、
   前記第１のモノポールアンテナの長手方向軸線に沿って該軸線に対して線対称に配置されると共に、高周波帯域にて動作する複数のスロットを備え、該スロットを除く外周縁が略円形状を有する板状の第２のモノポールアンテナ部と
   を組み合わせてなるアンテナ素子部を備える、多周波共用アンテナ装置。
2. 前記第１のモノポールアンテナ部はＴ型モノポールアンテナ部であることを特徴とする、請求項１に記載の多周波共用アンテナ装置。
3. 前記第１のモノポールアンテナ部と前記第２のモノポールアンテナ部は１枚の導体板から同一平面上に形成され、前記第１のモノポールアンテナ部は前記第２のモノポールアンテナ部の前記外周縁から突出するように延び、該第１のモノポールアンテナ部の外縁の少なくとも一部は前記複数のスロットによって画定されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の多周波共用アンテナ装置。
4. 前記アンテナ素子部を誘電体基板にプリントすることによって形成したことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多周波共用アンテナ装置。
5. 前記アンテナ素子部を２個組み合わせて構成したアンテナ素子部を備え、
   前記２個のアンテナ素子部を、前記第１のモノポールアンテナ部の長手方向軸線を一致させて、互いに略直交するように配置したことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多周波共用アンテナ装置。
6. 無給電素子をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に多周波共用アンテナ装置。
7. 前記アンテナ素子部の偏波に対して直交する偏波を放射する他のアンテナを備えることにより、偏波共用アンテナとして作動することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に多周波共用アンテナ装置。
   
   

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