JP2013131901A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水平面内の指向性が均一で、かつ簡易な構造のアンテナ装置を提供する。
【解決手段】水平偏波用のアンテナ素子１を備えたアンテナ装置において、水平偏波用のアンテナ素子１は、曲げ加工を施した２つの導体板２ａ，２ｂを所定の間隔を隔てて対向配置してなり、全体として鉛直方向に延びる筒状に形成された放射導体２と、放射導体２の２つの導体板２ａ，２ｂに囲まれた内部空間５に配置される電気的に接地されたグランド導体３と、内部空間５に配置されると共に、上面視で導体板２ａ，２ｂの内壁に沿うように配置され、その一端部とグランド導体３との間に給電がなされて逆Ｌアンテナとして動作し、放射導体２に電磁結合により給電する給電素子４と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関するものである。

携帯電話やＰＨＳ（Personal Handyphone System）等の移動体通信の基地局では、基地局を中心とした同心円上にサービスエリアを構成するため、水平面内の指向性が均一なアンテナ装置が用いられている。

一般に、基地局用のアンテナ装置では、アンテナ装置を細径化してアンテナ装置を設置するための構造物を簡素とすることが望まれており、アンテナ装置の細径化が可能なコンパクトな構造のアンテナ素子が望まれている。

水平偏波の水平面内の指向性が均一なアンテナ装置（水平偏波オムニアンテナ）に用いる水平偏波用のアンテナ素子（水平偏波オムニ素子）として、従来より、図２０（ａ），（ｂ）に示すものが知られている。

図２０（ａ）に示す水平偏波用のアンテナ素子２００は、大地（グランド）に対して水平なダイポールアンテナ２０１の腕の部分（導体の部分）を折り曲げてコンパクトな構造にしたものである。

図２０（ｂ）に示す水平偏波用のアンテナ素子２０２は、矩形に折り曲げたパッチアンテナ２０３を無給電素子２０４で取り囲んだ構造のものである（特許文献１参照）。この水平偏波用のアンテナ素子２０２では、パッチアンテナ２０３が放射した電波を無給電素子２０４で整波して水平面内の指向性の均一化を図っている。

図２０（ａ），（ｂ）のような水平偏波用のアンテナ素子と、水平面内の指向性が均一な垂直偏波用のアンテナ素子とを並べてアレー状に配置すると、偏波ダイバーシチ無指向性アンテナが実現できる。

特開２０１０−６２９７９号公報

しかしながら、ダイポールアンテナ２０１を用いた図２０（ａ）の水平偏波用のアンテナ素子２００では、適切に給電を行うためにバラン（平衡−不平衡変換器）を介して給電する必要があり、アンテナ装置の構造が複雑となってしまうという問題がある。

図２０（ｂ）の水平偏波用のアンテナ素子２０２では、パッチアンテナ２０３を用いているためバランは省略可能であり、簡易な構造で小型なアンテナ装置を実現できる。

本発明者は、この従来の水平偏波用のアンテナ素子２０２とは異なる動作原理で動作し、水平面内の指向性がより均一で、かつ、従来と同等に小型で簡易な構造の水平偏波用のアンテナ素子を実現すべく鋭意研究を重ね、その結果、本発明に至った。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、水平面内の指向性が均一で、かつ簡易な構造のアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、水平偏波用のアンテナ素子を備えたアンテナ装置において、前記水平偏波用のアンテナ素子は、曲げ加工を施した２つの導体板を所定の間隔を隔てて対向配置してなり、全体として鉛直方向に延びる筒状に形成された放射導体と、前記放射導体の前記２つの導体板に囲まれた内部空間に配置される電気的に接地されたグランド導体と、前記内部空間に配置されると共に、上面視で前記導体板の内壁に沿うように配置され、その一端部と前記グランド導体との間に給電がなされて逆Ｌアンテナとして動作し、前記放射導体に電磁結合により給電する給電素子と、を備えているアンテナ装置である。

前記グランド導体は、鉛直方向に延びる筒状に形成されると共に、上面視で前記内部空間の中央部に配置され、前記給電素子は、前記導体板と前記グランド導体との間の前記内部空間に配置されてもよい。

前記２つの導体板は、共に上面視でコの字状に形成され、その開口同士を対向させるようにして配置されていてもよい。

前記水平偏波用のアンテナ素子は、水平面上に配置される水平基板と、該水平基板を挟んで対向配置され、表面を外側にして鉛直方向に延びるように配置された２つの鉛直基板と、をさらに備え、前記導体板の一方は、前記両鉛直基板の表面側の一方の側端部にそれぞれ形成された導体パターンと、当該両導体パターンに電気的に接続され、前記両鉛直基板の一方の側端部間に架け渡すように設けられる金属板と、からなり、前記導体板の他方は、前記両鉛直基板の裏面側の他方の側端部にそれぞれ形成された導体パターンと、当該両導体パターンに電気的に接続され、前記両鉛直基板の他方の側端部間に架け渡すように設けられる金属板と、からなり、前記給電素子は、前記水平基板に形成された導体パターンからなってもよい。

前記水平偏波用のアンテナ素子は、水平面上に配置される水平基板と、該水平基板を挟んで対向配置され、表面を外側にして鉛直方向に延びるように配置された２つの鉛直基板と、をさらに備え、前記導体板の一方は、前記両鉛直基板の表面側の一方の側端部にそれぞれ形成された導体パターンと、当該両導体パターンに電気的に接続され、前記両鉛直基板の一方の側端部間に架け渡すように設けられる金属板と、からなり、前記導体板の他方は、前記両鉛直基板の表面側の他方の側端部にそれぞれ形成された導体パターンと、当該両導体パターンに電気的に接続され、前記両鉛直基板の他方の側端部間に架け渡すように設けられる金属板と、からなり、前記給電素子は、前記水平基板に形成された導体パターンからなってもよい。

前記水平基板は、上面視で凹字状に形成され、前記水平偏波用のアンテナ素子は、前記水平基板の開口部を塞ぐようにして設けられ、表面を外側にして鉛直方向に延びるグランド用基板をさらに備え、前記グランド導体は、前記水平基板の凹字状の欠損部に収容され、上面視でコの字状に形成されると共に、その開口部が前記グランド用基板側となるように配置されたグランド用金属板と、前記グランド用基板の裏面に形成されたグランド用導体パターンと、からなり、前記グランド用導体パターンの両端と前記グランド用金属板の両端との間に隙間を形成してもよい。

前記２つの導体板を、その水平方向の側端部同士が重なり合うように配置してもよい。

前記２つの導体板は、共に上面視で円弧状に形成され、その開口同士を対向させるようにして配置されていてもよい。

前記水平偏波用のアンテナ素子を鉛直方向にアレー状に配置してなってもよい。

前記給電素子及び前記グランド導体の配置が同一であり、前記放射導体を上面視で相対的に９０°回転させた２種類の前記水平偏波用のアンテナ素子を形成し、該両水平偏波用のアンテナ素子を交互に配置してもよい。

垂直偏波用のアンテナ素子をさらに備え、該垂直偏波用のアンテナ素子と前記水平偏波用のアンテナ素子とを鉛直方向にアレー状に配置してなってもよい。

本発明によれば、水平面内の指向性が均一で、かつ簡易な構造のアンテナ装置を提供できる。

本発明のアンテナ装置に用いる水平偏波用のアンテナ素子を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。 図１の水平偏波用のアンテナ素子でインピーダンスを整合させる際に用いるスミスチャートを示す図である。 本発明において、水平偏波用のアンテナ素子の他の実施の形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は放射導体とグランド導体を省略した斜視図、（ｃ）は上面図である。 （ａ）は、図３の水平偏波用のアンテナ素子の水平面内の指向性の特性を示す図であり、（ｂ）はその垂直面内の指向性の特性を示す図、（ｃ）はそのＶＳＷＲ特性を示す図である。 図３の水平偏波用のアンテナ素子のＳ１１特性を示す図であり、（ａ）は実測値、（ｂ）は計算値を示す図である。 本発明において、水平偏波用のアンテナ素子の他の実施の形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は放射導体とグランド導体を省略した斜視図、（ｃ）は上面図である。 （ａ）は、図６の水平偏波用のアンテナ素子の水平面内の指向性の特性を示す図であり、（ｂ）はその垂直面内の指向性の特性を示す図、（ｃ）はそのＶＳＷＲ特性を示す図である。 本発明において、水平偏波用のアンテナ素子の他の実施の形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。 （ａ）は、図８の水平偏波用のアンテナ素子の水平面内の指向性の特性を示す図であり、（ｂ）はその垂直面内の指向性の特性を示す図、（ｃ）はそのＶＳＷＲ特性を示す図である。 水平偏波用のアンテナ素子の他の実施の形態を示す斜視図である。 （ａ）は、図１０の水平偏波用のアンテナ素子の水平面内の指向性の特性を示す図であり、（ｂ）はその垂直面内の指向性の特性を示す図、（ｃ）はそのＶＳＷＲ特性を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置を示す斜視図である。 図６の水平偏波用のアンテナ素子の近傍の電界分布を示す図である。 図１３と同位相給電を行ったときの図８の水平偏波用のアンテナ素子の近傍の電界分布を示す図である。 （ａ）は図１２のアンテナ装置の水平面内の指向性の特性を示す図であり、（ｂ）はその垂直面内の指向性の特性を示す図である。 本発明のアンテナ装置の一変形例を示す側面図である。 本発明のアンテナ装置に用いる水平偏波用のアンテナ素子の一変形例を示す斜視図である。 本発明のアンテナ装置に用いる水平偏波用のアンテナ素子の一変形例を示す斜視図である。 図１８の水平偏波用のアンテナ素子の作用を説明する図である。 （ａ），（ｂ）は、従来のアンテナ装置に用いる水平偏波用のアンテナ素子を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

本発明のアンテナ装置は、水平面内の指向性が均一な水平偏波用のアンテナ素子（水平偏波オムニ素子）を備えたアンテナ装置（水平偏波オムニアンテナ）であり、例えば、移動体通信の基地局用のアンテナ装置として用いられるものである。

［水平偏波用のアンテナ素子］
まず、本発明のアンテナ装置に用いる水平偏波用のアンテナ素子について詳細に説明する。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、本発明のアンテナ装置に用いる水平偏波用のアンテナ素子１は、放射導体２と、グランド導体３と、給電素子４と、を主に備えている。

放射導体２は、曲げ加工を施した２つの導体板２ａ，２ｂを所定の間隔を隔てて対向配置してなり、全体として鉛直方向に延びる筒状に形成されている。ここでは、導体板２ａ，２ｂとして矩形状の金属板（銅板など）を用いている。２つの矩形状の導体板２ａ，２ｂは、折り目が導体板２ａ，２ｂの一辺と平行になるように導体板２ａ，２ｂをその一方の面側に折り曲げることにより、共に上面視でコの字状に形成され、その開口同士を対向させるようにして配置される。これにより、全体として鉛直方向に延びる角筒状となるように放射導体２が形成される。なお、両導体板２ａ，２ｂは、所定の間隔を隔てて非接触に配置される。

また、水平偏波用のアンテナ素子１では、一方の導体板２ａの幅（ｘ軸方向の長さ）を、他方の導体板２ｂの幅よりも長く形成しており、２つの導体板２ａ，２ｂを、その水平方向の側端部同士が重なり合うように（導体板２ｂが導体板２ａの内側に入り込むように）オーバーラップして配置している。

グランド導体３は、放射導体２の２つの導体板２ａ，２ｂに囲まれた内部空間５に配置され、電気的に接地される。ここでは、グランド導体３は、鉛直方向に延びる角筒状に形成され、上面視で内部空間５の中央部に配置されている。

給電素子４は、内部空間５に配置されると共に、上面視で導体板２ａ，２ｂの内壁に沿うように配置されている。給電素子４は線状導体からなり、その一端部とグランド導体３との間に給電がなされて逆Ｌアンテナとして動作し、放射導体２に電磁結合により給電する逆Ｌアンテナ給電を行うものである。

ここで、逆Ｌアンテナ（逆Ｌ型アンテナ）とは、Ｌプローブとも呼ばれるモノポールアンテナの変形であり、逆Ｌアンテナ給電はＬプローブ給電とも呼ばれている。なお、逆Ｌアンテナとは、その形状が逆Ｌ字状に限定されるものではなく、グランド導体に対して平行な成分を有し、グランド導体との間に形成される容量成分を利用する放射導体の総称をいう。

つまり、水平偏波用のアンテナ素子１は、逆Ｌアンテナとして動作する給電素子４に給電することにより、逆Ｌアンテナ給電により２つの導体板２ａ，２ｂからなる放射導体２に給電を行い、放射導体２を励振させて所望の周波数での水平偏波を発生させるものである。

放射導体２の上面視での周囲長（Ｗ＋Ｄ）×２は、長くすると帯域が広がるが水平面内指向性の偏差が大きくなり素子が大型化し、逆に、短くすると水平面内指向性の偏差が小さくなり素子が小型となるが帯域が狭くなるので、これらのバランスをとって適宜な長さに設定するとよい。具体的には、帯域幅、水平面内指向性の偏差、及び素子の大きさのバランスが良好な０．５〜０．６λとすることが望ましい。また、放射導体２（導体板２ａ，２ｂ）の高さＨは、λ／８とすればよい。グランド導体３の一辺の長さは特に規定しないが、後述するように基板を用いる場合（例えば、図３参照）には、給電素子４に給電する５０Ωの給電ライン（後述する）を形成することを考慮して８ｍｍ以上とすることが望ましい。なお、λは送受信する電波の中心周波数ｆ₀に対応する波長である。

この水平偏波用のアンテナ素子１では、送受信する電波の中心周波数ｆ₀を、両導体板２ａ，２ｂのオーバーラップ長で調整することが可能である。中心周波数ｆ₀は、一般に次式で表される。
ｆ₀＝１／（２π（Ｌ・Ｃ）^1/2）
例えば、オーバーラップ長を長くすれば、両導体板２ａ，２ｂ間の容量成分Ｃが大きくなり、中心周波数ｆ₀が小さくなることになる。

また、水平偏波用のアンテナ素子１では、給電素子４に接続される給電ラインと放射導体２間のインピーダンス整合を、給電素子４の長さで調整することが可能である。給電素子４が短いほど周辺との結合が弱くなり、長いほど周辺との結合が強くなる。つまり、給電素子４は、給電ラインと放射導体２間のインピーダンスマッチングの役割を果たしている。

水平偏波用のアンテナ素子１では、中心周波数ｆ₀の調整を行う際には、図２に示すようなスミスチャート（インピーダンスチャート）を用い、スミスチャート上の軌跡が中心位置（正規化インピーダンスが１Ωの位置）にくるように給電素子４の長さを決定し、その後、両導体板２ａ，２ｂのオーバーラップ長を決定するようにすればよく、中心周波数ｆ₀の調整を容易に行うことが可能である。なお、中心周波数ｆ₀の調整は何度も行う必要はなく、給電素子４の長さや両導体板２ａ，２ｂのオーバーラップ長が一度決定すれば、量産時等の調整は不要である。一例として、中心周波数ｆ₀を２６１０ＭＨｚとする場合の各部の寸法を図１（ｂ）に併せて示す。

次に、水平偏波用のアンテナ素子の他の実施の形態を説明する。

図３（ａ）〜（ｃ）に示す水平偏波用のアンテナ素子３１は、基本的には図１の水平偏波用のアンテナ素子１と同じ構造であるが、基板を用いる点が異なっている。

上述の水平偏波用のアンテナ素子１では、空中に各導体を配置する構成としたが、実際には各導体を支持する構造が必要である。図３の水平偏波用のアンテナ素子３１では、この支持構造として４つの基板３２，３３ａ，３３ｂ，３４を組み合わせて用いている。

すなわち、水平偏波用のアンテナ素子３１は、図１の水平偏波用のアンテナ素子１に加え、１つの水平基板３２と、２つの鉛直基板３３ａ，３３ｂと、１つのグランド用基板３４と、をさらに備えている。

本実施の形態では、各基板３２，３３ａ，３３ｂ，３４として、厚さ０．８ｍｍ、比誘電率２．６の誘電体基板（テフロン基板、テフロン厚さ０．７３ｍｍ、Ｃｕ（導体パターン）厚さ３５μｍ、テフロンは登録商標）を用いた。水平基板３２としては、片面のみに導体パターンを形成可能な片面基板を用いることができる。鉛直基板３３ａ，３３ｂとグランド用基板３４としては、両面に導体パターンを形成可能な両面基板を用いる必要がある。

水平基板３２は、水平面上（ＸＹ面上）に配置される。２つの鉛直基板３３ａ，３３ｂは、水平基板３２を挟んで対向配置され、表面Ｓを外側（水平基板３２と反対側）にして鉛直方向に延びるように配置される。ここでは、鉛直基板３３ａ，３３ｂをＹＺ面上に配置し、水平基板３２をＸ軸方向の両側から挟み込むように鉛直基板３３ａ，３３ｂを配置した。水平基板３２と鉛直基板３３ａ，３３ｂとは接着固定され、全体として側面視でＨ字状となるようにされる。

また、水平基板３２は、上面視で凹字状に形成されおり、鉛直基板３３ａ，３３ｂが固定されていない方向（ｙ軸方向、図３（ｃ）では下側）に開口する上面視が矩形状の切欠き３２ａが形成されている。グランド用基板３４は、切欠き３２ａの開口部の幅と等しい幅に形成されており、切欠き３２ａの開口部を塞ぐようにして、表面Ｓを外側（水平基板３２と反対側）にして鉛直方向に延びるように設けられる。ここでは、グランド用基板３４をＸＺ面上に配置した。

グランド用基板３４には、グランド用基板３４を水平基板３２に固定するための固定用部材３５が一体に設けられる。固定用部材３５は、グランド用基板３４の鉛直方向（Ｚ軸方向）における中央部の両側から幅方向（Ｘ軸方向）外側に突出するように設けられ、固定用部材３５を設けたグランド用基板３４は、全体として側面視で十字状に形成される。固定用部材３５は、その上端を水平基板３２の上面と一致させた状態で、水平基板３２の側面に接着固定され、これにより、グランド用基板３４が水平基板３２に固定される。

また、一方の固定用部材３５の先端から他方の固定用部材３５の先端までの幅（Ｘ軸方向の長さ）は、水平基板３２の幅と同じに形成されており、固定用部材３５の先端が両鉛直基板３３ａ，３３ｂに接着固定されるようになっている。このように構成することで、固定用部材３５は、グランド用基板３４を水平基板３２に固定する役割のみならず、各基板３２，３３ａ，３３ｂ，３４を組み合わせた構造体の機械的な強度を向上させる役割も果たすことになる。

水平偏波用のアンテナ素子３１では、一方の導体板２ａは、両鉛直基板３３ａ，３３ｂの表面Ｓ側の一方の側端部（図３（ｃ）では下側）にそれぞれ形成された導体パターン３６と、両導体パターン３６に電気的に接続され、両鉛直基板３３ａ，３３ｂの一方の側端部間に架け渡すように設けられる金属板３７と、からなる。他方の導体板２ｂは、両鉛直基板３３ａ，３３ｂの裏面Ｒ側の他方の側端部（図３（ｃ）では上側）にそれぞれ形成された導体パターン３８と、両導体パターン３８に電気的に接続され、両鉛直基板３３ａ，３３ｂの他方の側端部間に架け渡すように設けられる金属板３９と、からなる。金属板３７，３９は、半田付けにより導体パターン３６，３８に固定され、電気的に接続されるようになっている。

なお、図１の水平偏波用のアンテナ素子１では、両導体板２ａ，２ｂ間が空気であるため、両導体板２ａ，２ｂ間の静電容量を確保するために両導体板２ａ，２ｂの側端部同士を重ね合わせるように構成したが、図３の水平偏波用のアンテナ素子３１では、両導体板２ａ，２ｂ間に比誘電率が２．６の誘電体基板（鉛直基板３３ａ，３３ｂ）を挿入していることになるため、図１の水平偏波用のアンテナ素子１と比較して両導体板２ａ，２ｂ間の静電容量は２．６倍となる。よって、水平偏波用のアンテナ素子３１では、両導体板２ａ，２ｂを重ね合わせずＹ軸方向に離間して配置することで、両導体板２ａ，２ｂ間の静電容量を調整して、中心周波数ｆ₀を調整するようにしている。

また、水平偏波用のアンテナ素子３１では、グランド導体３は、凹字状の水平基板３２の欠損部（切欠き３２ａ）に収容され、上面視でコの字状に形成されると共に、その開口部がグランド用基板３４側となるように配置されたグランド用金属板４０と、グランド用基板３４の裏面Ｒに形成されたグランド用導体パターン４１と、からなる。グランド用金属板４０は、半田付けによりグランド用導体パターン４１に固定され、電気的に接続されるようになっている。

グランド用基板３４の裏面Ｒには、全面にグランド用導体パターン４１が形成されており、その表面Ｓには、給電素子４に給電する５０Ωの給電ライン４２が導体パターンにより形成されている。

水平基板３２の上面には、給電素子４となる導体パターンが形成される。給電素子４は放射導体２の鉛直方向の中央に形成されることが望ましく、水平基板３２は、その上面が放射導体２の鉛直方向の中央に位置するように両鉛直基板３３ａ，３３ｂに固定されている。なお、水平基板３２に形成された給電素子４と、グランド用基板３４に形成された給電ライン４２とを接続するために、固定用部材３５を通って両者を接続する導体パターンが形成されているが、この固定用部材３５に形成された導体パターンも給電素子４の一部として扱う。なお、固定用部材３５の導体パターンをグランド用基板３４の表面Ｓ側にのみ形成し、固定用部材３５の導体パターンと水平基板３２の導体パターンとの間（固定用部材３５の側面の部分）を、例えば、すずめっき線をはんだ接続すること等により電気的に接続してもよい。

なお、水平偏波用のアンテナ素子３１では、給電素子４がグランド導体３に直接接続されていないが、給電素子４の基端部（固定用部材３５に形成された導体パターンのグランド用基板３４側の端部）がグランド用基板３４を介してグランド導体３（グランド用導体パターン４１）と容量結合されていることとなり、この給電素子４の基端部に給電ライン４２により給電が行われていることになる。

中心周波数ｆ₀を２６１０ＭＨｚとする場合の各部の寸法を図３（ａ），（ｃ）に併せて示す。なお、図３（ｃ）では給電素子４の幅を省略して描いているが、給電素子４の幅は１ｍｍとし、給電ライン４２の幅は２ｍｍとした。図３（ａ），（ｃ）の寸法で水平偏波用のアンテナ素子３１を作成したときの水平面内の指向性、垂直面内の指向性、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）特性をそれぞれ図４（ａ）〜（ｃ）に示す。

図４（ａ）に示すように、水平偏波用のアンテナ素子３１の水平面内の指向性は略均一であり、その偏差は２．６９ｄＢ（最大２．９８ｄＢｉ、最少０．２９ｄＢｉ）であった。また、図４（ｃ）に示すように、ＶＳＷＲが１．５以下となる帯域幅は４９ＭＨｚであり、比帯域で１．９％と十分な帯域が実現できることが分かる。オムニアンテナでは水平面内の指向性の偏差が３ｄＢ未満である必要があり、また実用上帯域幅は３０ＭＨｚ以上である必要があるが、これら両方の条件を満足した水平偏波用のアンテナ素子３１を実現できることが分かる。

また、水平偏波用のアンテナ素子３１のＳ１１特性の実測値と計算値をそれぞれ図５（ａ），（ｂ）に示す。図５（ａ），（ｂ）を比較すれば分かるように、実測値と計算値はよく一致しており、計算通りの特性が得られていることが分かる。

図６（ａ）〜（ｃ）に示す水平偏波用のアンテナ素子６１は、図３の水平偏波用のアンテナ素子３１において、導体板２ｂを構成する導体パターン３８を、両鉛直基板３３ａ，３３ｂの表面Ｓ側に形成したものである。水平偏波用のアンテナ素子６１では、２つの導体板２ａ，２ｂは同じ形状となる。水平偏波用のアンテナ素子６１では、鉛直基板３３ａ，３３ｂとして片面基板を用いることが可能となり、また両鉛直基板３３ａ，３３ｂに同じものを用いることが可能になるため、上述の水平偏波用のアンテナ素子３１と比較して低コスト化が可能である。

中心周波数ｆ₀を２６１０ＭＨｚとする場合の各部の寸法を図６（ａ），（ｃ）に併せて示す。導体パターン３８を鉛直基板３３ａ，３３ｂの表面Ｓ側に形成することにより、給電素子４の周辺との結合状態が変化するので、水平偏波用のアンテナ素子６１では、インピーダンスを整合させ中心周波数ｆ₀を調整するために、図３の水平偏波用のアンテナ素子３１と比較して、給電素子４の長さと両導体板２ａ，２ｂの間隔を変更している。

図６（ａ），（ｃ）に示した寸法で水平偏波用のアンテナ素子６１を作成したときの水平面内の指向性、垂直面内の指向性、ＶＳＷＲ特性をそれぞれ図７（ａ）〜（ｃ）に示す。

図７（ａ）に示すように、水平偏波用のアンテナ素子６１の水平面内の指向性は略均一であり、その偏差は２．５３ｄＢ（最大２．８６ｄＢｉ、最少０．３３ｄＢｉ）であった。また、図７（ｃ）に示すように、ＶＳＷＲが１．５以下となる帯域幅は５０ＭＨｚであり、十分な帯域が実現できることが分かる。

図８（ａ），（ｂ）に示す水平偏波用のアンテナ素子８１は、図６の水平偏波用のアンテナ素子６１において、給電素子４，グランド導体３，水平基板３２，及びグランド用基板３４の配置を同一としたまま、放射導体２と鉛直基板３３ａ，３３ｂを上面視で時計回りに９０°回転させたものである。水平偏波用のアンテナ素子８１では、水平基板３２をＹ軸方向の両側から挟み込むように鉛直基板３３ａ，３３ｂを配置することになるが、水平基板３２のＹ軸方向の一方の端部（図８（ｂ）では下側）にはグランド用基板３４が固定されており、導体板２ａを水平基板３２に固定することができない。よって、導体板２ｂのみを水平基板３２に接着固定し、導体板２ａを金属板３７，３９を介して導体板２ｂに支持させるように構成する。

中心周波数ｆ₀を２６１０ＭＨｚとする場合の各部の寸法を図８（ａ），（ｂ）に併せて示す。なお、放射導体２を回転させたことによる結合状態の変化に対応するため、図６の水平偏波用のアンテナ素子６１と比較して、給電素子４の長さと両導体板２ａ，２ｂの間隔を適宜変更している。図８（ａ），（ｂ）の寸法で水平偏波用のアンテナ素子８１を作成したときの水平面内の指向性、垂直面内の指向性、ＶＳＷＲ特性をそれぞれ図９（ａ）〜（ｃ）に示す。

図９（ａ）に示すように、水平偏波用のアンテナ素子８１の水平面内の指向性は略均一であり、その偏差は２．９８ｄＢ（最大２．８４ｄＢｉ、最少−０．１４ｄＢｉ）であった。図９（ａ）と図７（ａ）を比較すれば分かるように、放射導体２を上面視で９０°回転させることにより、水平面内の指向性の特性も略上面視で９０°回転させた特性となることが分かる。また、図９（ｃ）に示すように、水平偏波用のアンテナ素子８１におけるＶＳＷＲが１．５以下となる帯域幅は５３ＭＨｚであり、十分な帯域が実現できることが分かる。

図１０に示す水平偏波用のアンテナ素子１０１は、図６の水平偏波用のアンテナ素子６１において、グランド用金属板４０を省略したものである。上述の水平偏波用のアンテナ素子１，３１，６１，８１では、グランド導体３を角筒状としていたが、グランド導体３は必ずしも筒状とする必要はなく、グランド用基板３４の裏面Ｒに形成されたグランド用導体パターン４１のみとしてもよい。なお、図１０では水平基板３２の切欠き３２ａを残したままとしているが、切欠き３２ａを省略し、水平基板３２を矩形状とすることも可能である。また、水平偏波用のアンテナ素子１０１では、グランド用基板３４と固定用部材３５とを一体に形成し、全体として側面視で十字状に形成した一体基板１０２を用いるようにした。

水平偏波用のアンテナ素子１０１の水平面内の指向性、垂直面内の指向性、ＶＳＷＲ特性をそれぞれ図１１（ａ）〜（ｃ）に示す。

図１１（ａ）に示すように、水平偏波用のアンテナ素子１０１の水平面内の指向性は略均一であり、その偏差は２．５ｄＢ（最大２．４５ｄＢｉ、最少−０．０５ｄＢｉ）であった。また、図１１（ｃ）に示すように、水平偏波用のアンテナ素子１０１におけるＶＳＷＲが１．５以下となる帯域幅は５８ＭＨｚであり、十分な帯域が実現できることが分かる。

水平偏波用のアンテナ素子１０１では、グランド用金属板４０を省略したためパーツ数を削減してコストを削減することが可能であり、また、上述の水平偏波用のアンテナ素子１，３１，６１，８１と比較して広い帯域幅を実現可能である。

ただし、水平偏波用のアンテナ素子１０１では、グランド用金属板４０を省略したために、給電素子４の周辺との結合が弱くなり、これを改善するために給電素子４を長くすると共に、両導体板２ａ，２ｂ間の間隔も小さくする必要が生じる。アンテナ装置では、最外部にＦＲＰなどの誘電体からなるレドームを設けるが、レドームを設けると、給電素子４の周辺との結合状態が変化してしまい、この調整のために給電素子４を長くする必要が生じるのが通常である。水平偏波用のアンテナ素子１０１のように給電素子４が長くなると、レドームを設けたときの調整が困難となってしまう場合も考えられるので、レドームを設けたときの調整しろを残しておくという観点からは、グランド用金属板４０を省略せずに、給電素子４をなるべく短く設定しておくことが望ましい。

［アンテナ装置］
次に、アンテナ装置について説明する。

本実施の形態に係るアンテナ装置は、上述の水平偏波用のアンテナ素子１，３１，６１，８１，１０１を１つ以上備えたものである。ここでは、複数の水平偏波用のアンテナ素子１，３１，６１，８１，１０１を鉛直方向にアレー状に配置したアンテナ装置を説明する。

図１２（ａ），（ｂ）に示すアンテナ装置１２１は、図６の水平偏波用のアンテナ素子６１を２つ、図８の水平偏波用のアンテナ素子８１を２つ備え、水平偏波用のアンテナ素子６１，８１を鉛直方向に交互に配置した４素子のアレーアンテナである。

つまり、アンテナ装置１２１は、給電素子４及びグランド導体３の配置が同一であり、放射導体２を上面視で相対的に９０°回転させた２種類の水平偏波用のアンテナ素子６１，８１を形成し、両水平偏波用のアンテナ素子６１，８１を交互に配置したものである。

各水平偏波用のアンテナ素子６１，８１のグランド用基板３４は共通とされる。グランド用基板３４の裏面Ｒには、全面にわたってグランド用導体パターン４１が形成されており、その表面Ｓには、給電ライン４２が導体パターンにより形成されている。本実施の形態では、グランド用基板３４の鉛直方向（Ｚ軸方向）の中央部に同軸ケーブル等の給電線を接続する給電部１２２を形成し、給電部１２２からトーナメント状に分岐して、各水平偏波用のアンテナ素子６１，８１に給電を行うように、給電ライン４２を形成した。

また、本実施の形態では、給電部１２２から各水平偏波用のアンテナ素子６１，８１に至る給電ライン４２の長さを等しくし、各水平偏波用のアンテナ素子６１，８１に同位相給電を行うようにしている。

図１３，１４は、水平偏波用のアンテナ素子６１，８１に同位相給電を行ったときの水平偏波用のアンテナ素子６１，８１近傍の電界分布を示す図である。図１３，１４に示すように、給電素子４に給電を行うと、導体板２ａ，２ｂが励振されて導体板２ａ，２ｂ間のギャップに逆向きの強い電界が発生し、放射導体２は、あたかも導体板２ａ，２ｂ間の２つのギャップに逆位相かつ同振幅の給電を行ったような挙動を示す。図１３と図１４を比較すると分かるように、同位相給電を行った際の電界の向きは両水平偏波用のアンテナ素子６１，８１で同じとなり、水平偏波用のアンテナ素子６１，８１に同位相給電を行うと、アレー効果により互いに電界を強め合う効果が得られることが分かる。

また、上述のように、水平偏波用のアンテナ素子６１と水平偏波用のアンテナ素子８１は、水平面内の指向性が上面視で略９０°回転された特性となっている（図７（ａ），図９（ａ）参照）。よって、両水平偏波用のアンテナ素子６１，８１を交互に配置することで、放射特性が互いに補完し合い、アンテナ装置１２１全体での水平面内の指向性をより均一化することが可能になる。

なお、例えば、水平偏波用のアンテナ素子８１に代えて、上面視で９０°回転させた水平偏波用のアンテナ素子６１を用いても、同様の特性を得ることが可能である。ただし、この場合、水平偏波用のアンテナ素子６１を回転させる必要があるために、給電位置を同一平面上に形成することができず、給電ライン４２を立体構造とする必要が生じ、構造が複雑となってしまう。よって、構造を簡素とするために、給電素子４及びグランド導体３の配置を同一として給電位置を同一平面上とし、かつ、放射導体２を上面視で相対的に９０°回転させた２種類の水平偏波用のアンテナ素子６１，８１を用いて水平面内の指向性をより均一化することが望ましい。

また、隣り合う水平偏波用のアンテナ素子６１，８１の間隔は、水平面内の指向性が最も良好となる０．８λ程度とすればよい。なお、水平偏波用のアンテナ素子６１，８１間が空気のみである場合には０．８λが最適であるが、実際には水平偏波用のアンテナ素子６１，８１間には基板（グランド用基板３４）が挿入されるので、その誘電率の影響を考慮して微調整を行う必要がある。図１２のアンテナ装置１２１では、その鉛直方向（Ｚ軸方向）の全長は３２０ｍｍである。

さらに、アンテナ装置１２１では、図示していないが、各水平偏波用のアンテナ素子６１，８１や共用のグランド用基板３４を覆うようにレドームが設けられる。上述のように、レドームはＦＲＰなどからなる誘電体であるから、レドームを設けることでアンテナ装置１２１の放射特性は若干変化する。よって、レドームを設けることを考慮して、予め各水平偏波用のアンテナ素子６１，８１の各部の寸法（給電素子４の長さや導体板２ａ，２ｂ間の間隔）を調整しておく必要がある。水平偏波用のアンテナ素子６１，８１の一辺の長さ（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の長さ）は１７ｍｍ前後であるから、公差を厳しくすれば内径φ２５ｍｍのレドームに収容することも可能であり、細径なアンテナ装置１２１を実現できる。

図１２のアンテナ装置１２１の水平面内の指向性、垂直面内の指向性をそれぞれ図１５（ａ），（ｂ）に示す。図１５（ａ）に示すように、アンテナ装置１２１の水平面内の指向性は非常に均一であり、その偏差は０．５８ｄＢ（最大６．５４ｄＢｉ、最少５．９６ｄＢｉ）であった。従来のアンテナ装置で実現されている最も小さい水平面内指向性の偏差は１ｄＢ程度であるから、アンテナ装置１２１によれば、水平面内の指向性の均一化の観点で非常に高い効果が得られていることが分かる。

また、図１６に示すように、水平面内の指向性が均一な垂直偏波用のアンテナ素子１６１をさらに備え、隣り合う水平偏波用のアンテナ素子６１，８１間に垂直偏波用のアンテナ素子１６１を配置して、垂直偏波用のアンテナ素子１６１と水平偏波用のアンテナ素子６１，８１とを鉛直方向にアレー状に配置すれば、偏波ダイバーシチ無指向性アンテナが実現できる。

以上説明したように、本発明のアンテナ装置では、曲げ加工を施した２つの導体板２ａ，２ｂを所定の間隔を隔てて対向配置してなり、全体として鉛直方向に延びる筒状に形成された放射導体２と、放射導体２の２つの導体板２ａ，２ｂに囲まれた内部空間５に配置される電気的に接地されたグランド導体３と、内部空間５に配置されると共に、上面視で導体板２ａ，２ｂの内壁に沿うように配置され、その一端部とグランド導体３との間に給電がなされて逆Ｌアンテナとして動作し、放射導体２に電磁結合により給電する給電素子４と、を備えた水平偏波用のアンテナ素子を備えている。

このように構成することで、水平面内の指向性が均一で従来同様にコンパクトな水平偏波用のアンテナ素子を実現でき、帯域幅が十分に広く、水平面内の指向性が均一なアンテナ装置を実現できる。また、アンテナ装置では、モノポールアンテナの変形である逆Ｌアンテナを給電素子４として用いているため、ダイポールアンテナを用いた場合のようにバランが不要であり、構造が簡易である。

より具体的には、本発明によれば、中心周波数を２６１０ＭＨｚとした場合において、ＶＳＷＲが１．５以上となる帯域幅を４９ＭＨｚ以上とし、かつ、水平面内の指向性の偏差を３ｄＢ未満とすることが可能である。このとき、水平偏波用のアンテナ素子は、その高さが１５ｍｍ、放射導体２の一辺の長さが１７ｍｍ前後とコンパクトであり、内径φ２５ｍｍのレドームに収容することも可能となり細径なアンテナ装置を実現できる。

また、本発明のアンテナ装置では、給電素子４の長さや導体２ａ，２ｂの間隔（あるいはオーバーラップ長）によって、インピーダンスの整合や中心周波数の調整を行うことが可能であり、インピーダンスの整合や中心周波数の調整が容易である。

さらに、グランド導体３を、上面視で内部空間５の中央部に配置され鉛直方向に延びる筒状に形成することで、給電素子４の周辺との結合を強め、給電素子４を短くすることが可能になり、レドームを設けた際の調整しろを十分に残すことが可能になる。

さらにまた、２枚の導体板２ａ，２ｂを上面視でコの字状に形成し、その開口同士を対向させるように配置することで、導体パターンを形成した基板と金属板を用いて、簡単に水平偏波用のアンテナ素子を構成することが可能になる。

また、給電素子４及びグランド導体３の配置が同一であり、放射導体２を上面視で相対的に９０°回転させた２種類の水平偏波用のアンテナ素子を形成し、両水平偏波用のアンテナ素子を交互に配置することで、水平面内の指向性の偏差を０．５８ｄＢと非常に小さくすることが可能になる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、２枚の導体板２ａ，２ｂを上面視でコの字状に形成したが、これに限らず、角部を丸めるなどして、レドームに収容しやすくしてもよい。さらには、図１７に示す水平偏波用のアンテナ素子１７１のように、２つの導体板２ａ，２ｂを共に上面視で円弧状に形成し、その開口同士を対向させるように配置するようにしてもよい。図１７では、両導体板２ａ，２ｂを上面視で半円形状に形成し、全体として円筒状の放射導体２を形成した場合を示している。この場合、給電素子４は、導体板２ａ，２ｂの内壁に沿うように円弧状に形成されることになる。なお、グランド導体３も放射導体２の形状に合わせて円筒状に形成することが望ましい。

また、上記実施の形態では、別々に形成した基板３２，３３ａ，３３ｂ，３４および金属板３７，３９を接着固定や半田固定することにより、水平偏波用のアンテナ素子を形成する場合を説明したが、これらをインサート成型により一体に形成してもよい。さらには、例えば、図１２に示したアンテナ装置１２１（つまり複数の水平偏波用のアンテナ素子と共用のグランド用基板３４）全体をインサート成型により一括形成することも可能である。

さらに、上記実施の形態では、導体パターン３６，３８と金属板３７，３９、およびグランド用導体パターン４１とグランド用金属板４０とを半田付けにより固定する場合を説明したが、これに限らず、溝と突起などの係止構造を設け、両者を係止し接触させて電気的に接続するようにしてもよい。ただし、上記実施の形態のように高周波（２６１０ＭＨｚ）を用いる場合には、信頼性の高い半田付けとすることが望ましい。

また、上記実施の形態では、上面視でコの字状に形成されたグランド用金属板４０の両端と、グランド用基板３４の裏面Ｒに形成されたグランド用導体パターン４１の両端とを、半田付けにより直接電気的に接続してグランド導体３を形成する場合を説明したが、これに限らず、図１８に示す水平偏波用のアンテナ素子１８１のように、グランド用導体パターン４１の両端とグランド用金属板４０の両端との間に隙間（スリット）１８２を形成するようにしてもよい。図１８では、図３の水平偏波用アンテナ素子３１に隙間１８２を形成した場合を示している。

隙間１８２を形成する際には、グランド用基板３４の両側に、隙間１８２となるグランド用導体パターン４１が形成されない部分を形成し、グランド用金属板４０の両端をグランド用基板３４に接着固定するように構成すればよい。なお、グランド用金属板４０の両端部を内側に折り曲げて接着固定すると、接着強度を高めることができる。ただし、グランド用金属板４０の両端部を内側に折り曲げる幅は、グランド用導体パターン４１が形成されない部分の幅よりも小さくする必要がある。

グランド用導体パターン４１の両端とグランド用金属板４０の両端との間に隙間１８２を形成することで、隙間１８２に電界が集中し、給電素子４の周辺との結合を強めることが可能となり、給電素子４の長さを短縮できる。

図１８の水平偏波用のアンテナ素子１８１で水平基板３２を省略した場合において、隙間１８２が有る場合と無い場合の、給電素子４の長さと導体２ａ，２ｂの間隔のシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図１９に示す。図１９におけるＰ１は導体板２ａの先端（側端）の位置、Ｐ２は導体板２ｂの先端（側端）の位置を表している。なお、水平基板２を省略したのは、隙間１８２による影響を顕著として理解し易くするためである。中心周波数ｆ₀は上述の実施の形態と同様に２６１０ＭＨｚとした。

図１９に示すように、隙間１８２が無い場合には、給電素子４が非常に長くなり、かつ、導体板２ａ，２ｂ間の間隔が非常に狭くなっており、レドームを設けた際の調整しろが不足して中心周波数ｆ₀の調整が困難となるおそれがある。これに対して、隙間１８２が有る場合には、給電素子４を比較的短くでき、導体板２ａ，２ｂ間の間隔も比較的広くできる。

１ 水平偏波用のアンテナ素子
２ 放射導体
２ａ，２ｂ 導体板
３ グランド導体
４ 給電素子
５ 内部空間

Claims (11)

1. 水平偏波用のアンテナ素子を備えたアンテナ装置において、
   前記水平偏波用のアンテナ素子は、
   曲げ加工を施した２つの導体板を所定の間隔を隔てて対向配置してなり、全体として鉛直方向に延びる筒状に形成された放射導体と、
   前記放射導体の前記２つの導体板に囲まれた内部空間に配置される電気的に接地されたグランド導体と、
   前記内部空間に配置されると共に、上面視で前記導体板の内壁に沿うように配置され、その一端部と前記グランド導体との間に給電がなされて逆Ｌアンテナとして動作し、前記放射導体に電磁結合により給電する給電素子と、を備えている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記グランド導体は、鉛直方向に延びる筒状に形成されると共に、上面視で前記内部空間の中央部に配置され、
   前記給電素子は、前記導体板と前記グランド導体との間の前記内部空間に配置される
   請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記２つの導体板は、共に上面視でコの字状に形成され、その開口同士を対向させるようにして配置されている
   請求項１または２記載のアンテナ装置。
4. 前記水平偏波用のアンテナ素子は、
   水平面上に配置される水平基板と、
   該水平基板を挟んで対向配置され、表面を外側にして鉛直方向に延びるように配置された２つの鉛直基板と、をさらに備え、
   前記導体板の一方は、前記両鉛直基板の表面側の一方の側端部にそれぞれ形成された導体パターンと、当該両導体パターンに電気的に接続され、前記両鉛直基板の一方の側端部間に架け渡すように設けられる金属板と、からなり、
   前記導体板の他方は、前記両鉛直基板の裏面側の他方の側端部にそれぞれ形成された導体パターンと、当該両導体パターンに電気的に接続され、前記両鉛直基板の他方の側端部間に架け渡すように設けられる金属板と、からなり、
   前記給電素子は、前記水平基板に形成された導体パターンからなる
   請求項３記載のアンテナ装置。
5. 前記水平偏波用のアンテナ素子は、
   水平面上に配置される水平基板と、
   該水平基板を挟んで対向配置され、表面を外側にして鉛直方向に延びるように配置された２つの鉛直基板と、をさらに備え、
   前記導体板の一方は、前記両鉛直基板の表面側の一方の側端部にそれぞれ形成された導体パターンと、当該両導体パターンに電気的に接続され、前記両鉛直基板の一方の側端部間に架け渡すように設けられる金属板と、からなり、
   前記導体板の他方は、前記両鉛直基板の表面側の他方の側端部にそれぞれ形成された導体パターンと、当該両導体パターンに電気的に接続され、前記両鉛直基板の他方の側端部間に架け渡すように設けられる金属板と、からなり、
   前記給電素子は、前記水平基板に形成された導体パターンからなる
   請求項３記載のアンテナ装置。
6. 前記水平基板は、上面視で凹字状に形成され、
   前記水平偏波用のアンテナ素子は、
   前記水平基板の開口部を塞ぐようにして設けられ、表面を外側にして鉛直方向に延びるグランド用基板をさらに備え、
   前記グランド導体は、前記水平基板の凹字状の欠損部に収容され、上面視でコの字状に形成されると共に、その開口部が前記グランド用基板側となるように配置されたグランド用金属板と、前記グランド用基板の裏面に形成されたグランド用導体パターンと、からなり、
   前記グランド用導体パターンの両端と前記グランド用金属板の両端との間に隙間を形成した
   請求項４または５記載のアンテナ装置。
7. 前記２つの導体板を、その水平方向の側端部同士が重なり合うように配置した
   請求項１〜４いずれかに記載のアンテナ装置。
8. 前記２つの導体板は、共に上面視で円弧状に形成され、その開口同士を対向させるようにして配置されている
   請求項１または２記載のアンテナ装置。
9. 前記水平偏波用のアンテナ素子を鉛直方向にアレー状に配置してなる
   請求項１〜８いずれかに記載のアンテナ装置。
10. 前記給電素子及び前記グランド導体の配置が同一であり、前記放射導体を上面視で相対的に９０°回転させた２種類の前記水平偏波用のアンテナ素子を形成し、該両水平偏波用のアンテナ素子を交互に配置した
    請求項９記載のアンテナ装置。
11. 垂直偏波用のアンテナ素子をさらに備え、
    該垂直偏波用のアンテナ素子と前記水平偏波用のアンテナ素子とを鉛直方向にアレー状に配置してなる
    請求項９または１０記載のアンテナ装置。