JP2013232768A

JP2013232768A - ２周波共用アンテナ

Info

Publication number: JP2013232768A
Application number: JP2012103535A
Authority: JP
Inventors: Haruyuki Watanabe; 晴之渡辺
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-14
Also published as: US20130285866A1; US9059515B2

Abstract

【課題】所定の方向への利得が高く、放射パターンに指向性を有する単一給電の２周波共用アンテナを提供する。
【解決手段】放射素子２の前方に導波素子３を、後方に反射素子４を配置して前方の利得を向上させたアンテナにおいて、放射素子２として、法線方向が前後方向となるように配置された導体板６に、長さの異なる２つのスロット７，８を一直線上に形成し、スロット７，８の一方に給電部１０を設けた２共振ノッチアンテナ５を用い、導波素子３と反射素子４として、２共振ノッチアンテナ５の給電部１０を短絡したものを用いた。
【選択図】図１

Description

本発明は、２周波共用アンテナに関するものである。

所定の方向への利得が高く、放射パターンに指向性を有するアンテナとして、八木・宇田アンテナが広く知られている。八木・宇田アンテナは、ダイポールアンテナからなる放射素子を用い、放射素子の前方に導波素子を配置すると共に、後方に反射素子を配置し、前後比（ＦＢ比）や前方利得を向上させたものである。

八木・宇田アンテナでは、対応できる周波数帯が１つであるため、２周波に対応させるとなると、図８（ａ），（ｂ）に示すように、低周波側の八木・宇田アンテナ８１と高周波側の八木・宇田アンテナ８２を作成し、それら２つの八木・宇田アンテナ８１，８２を組み合わせる必要がある。なお、図８（ａ），（ｂ）における符号８３は放射素子、符号８４は導波素子、符号８５は反射素子を表している。八木・宇田アンテナ８１，８２では、偏波の向きは放射素子８３の長さ方向（アンテナの幅方向）と同じ方向になる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１，２がある。

特開２０１０−９３５８７号公報特許第２００２６３２号公報

しかしながら、上述のように２つの八木・宇田アンテナを組み合わせると、給電が２箇所必要となり、多給電の構成となってしまう。そのため、分配器を設ける必要が生じ、部品コストが高くなってしまうと共に、アンテナ部分以外に分配器の設計が必要になり、設計の手間も増えてしまう。

前後比や前方利得を向上したアンテナは種々提案されているが、単一給電で２周波共用の指向性アンテナは存在しないのが現状である。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、所定の方向への利得が高く、放射パターンに指向性を有する単一給電の２周波共用アンテナ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、放射素子の前方に導波素子を、後方に反射素子を配置して前方の利得を向上させたアンテナにおいて、前記放射素子として、法線方向が前後方向となるように配置された導体板に、長さの異なる２つのスロットを一直線上に形成し、前記スロットの一方に給電部を設けた２共振ノッチアンテナを用い、前記導波素子と前記反射素子として、前記２共振ノッチアンテナの前記給電部を短絡したものを用いた２周波共用アンテナである。

前記２共振ノッチアンテナは、長方形状の前記導体板と、前記導体板の短辺方向の中心に、長辺方向に沿って一直線上に形成され、互いに反対方向に開口するように形成された長さの異なる前記２つのスロットと、前記２つのスロットの間に形成され、前記２つのスロットの上下の前記導体板を電気的に接続する短絡部と、前記２つのスロットのうち短い方のスロットに設けられると共に、前記短絡部に近接して設けられた給電部と、からなるとよい。

前記導波素子に用いる導体板は、前記放射素子に用いる導体板よりも短辺方向および長辺方向の長さが短く形成され、前記反射素子に用いる導体板は、前記放射素子に用いる導体板よりも短辺方向および長辺方向の長さが長く形成されるとよい。

前記放射素子と前記導波素子、および前記放射素子と前記反射素子間の素子間隔は、低周波側の波長をλ_L、高周波側の波長をλ_Hとしたとき、０．０２８λ_L以上０．１２５λ_L以下、かつ、０．０９６λ_H以上０．２４９λ_H以下に設定されるとよい。

前記放射素子と前記導波素子、および前記放射素子と前記反射素子間の素子間隔は、低周波側の前方利得（ｄＢｉ）と前後比（ｄＢ）、高周波側の前方利得（ｄＢｉ）と前後比（ｄＢ）とを全て足し合わせた値が、４０以上となる距離に設定されるとよい。

本発明によれば、所定の方向への利得が高く、放射パターンに指向性を有する単一給電の２周波共用アンテナを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る２周波共用アンテナを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。（ａ）は、図１の２周波共用アンテナに用いる導波素子の平面図、（ｂ）は放射素子の平面図、（ｃ）は反射素子の平面図である。本発明において、放射素子の各部の寸法の一例を示す図である。図１の２周波共用アンテナのリターンロス特性を示すグラフ図である。（ａ）〜（ｄ）は、図１の２周波共用アンテナの放射パターンを示す図である。図５（ａ）〜（ｄ）の放射パターンに用いている符号を説明する図である。図１の２周波共用アンテナにおいて、放射素子、導波素子、反射素子間の素子間隔と、前方利得および前後比との関係を示すグラフ図である。従来の２周波共用アンテナを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。

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。

図１は、本実施の形態に係る２周波共用アンテナを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。また、図２（ａ）は導波素子の平面図、図２（ｂ）は放射素子の平面図、図２（ｃ）は反射素子の平面図である。

図１，２に示すように、２周波共用アンテナ１は、放射素子２の前方に導波素子３を、後方に反射素子４を配置して前方の利得を向上させる八木・宇田アンテナの構成を採用した指向性アンテナである。

通常の八木・宇田アンテナはダイポールアンテナを用いて構成されるが、本実施の形態に係る２周波共用アンテナ１では、放射素子２として２共振ノッチアンテナ５を用いる。

２共振ノッチアンテナ５は、法線方向が前後方向（図示Ｚ軸方向）となるように配置された導体板６に、長さの異なる２つのスロット７，８を一直線上に形成し、スロット７，８の一方に給電部１０を設けたものである。

より詳細には、２共振ノッチアンテナ５は、長方形状の導体板６と、導体板６の短辺方向（図示Ｙ軸方向）の中心に、長辺方向（図示Ｘ軸方向）に沿って一直線上に形成され、互いに反対方向に開口するように形成された長さの異なる２つのスロット７，８と、２つのスロット７，８の間に形成され、２つのスロット７，８の上下の導体板６を電気的に接続する短絡部９と、２つのスロット７，８のうち短い方のスロット８に設けられると共に、短絡部９に近接して設けられた給電部１０と、からなる。

導体板６としては、銅板などの金属板を用いてもよいし、ガラスエポキシ樹脂などからなる基板に形成した導体パターンを用いてもよい。基板を用いる場合、片面基板を用いギャップ給電により給電を行ったり、あるいは両面基板を用い立体給電を行うことも可能である。本実施の形態では、図示しない同軸ケーブルを給電部１０に直接電気的に接続することにより、給電を行うようにした。

スロット７，８は、幅（図示Ｙ軸方向の長さ）が等しい矩形状に形成される。つまり、導体板６に両スロット７，８を形成したときに、両スロット７，８の間に残された導体板６が、短絡部９となる。

このように構成することで、給電部１０に給電を行うと、両スロット７，８に発生する電流分布に共有部分ができ、１つの給電で２つのスロット７，８がノッチ素子として動作することになる。

換言すれば、導体板６に、２つのスロット７，８、短絡部９、給電部１０を設けることで、給電部１０に給電を行うと、長さの異なる２つのスロット７，８が、それぞれ異なる周波数で共振するノッチ素子として動作する１給電の２共振ノッチアンテナ５が得られる。

導体板６の長辺方向の長さ、スロット７，８の長さは、主に共振周波数に影響を及ぼすので、所望の共振周波数に応じて適宜設定すればよい。また、導体板６の短辺方向の長さは、主に利得に影響するので、所望の利得となるよう適宜設定すればよい。本実施の形態では、携帯電話の基地局での使用を想定し、放射素子２（２共振ノッチアンテナ５）の各部の寸法を図３のように設定し、低周波側の共振周波数を８５０ＭＨｚ、高周波側の共振周波数を１７００ＭＨｚに設定した。なお、用いる共振周波数はこれに限定されるものではないが、本発明の作用効果を確実に得るためには、高周波側が低周波側の共振周波数の約２倍となるように設定することが望ましい。

導波素子３と反射素子４としては、２共振ノッチアンテナ５の給電部１０を短絡したものを用いる。以下、短絡した給電部１０を第２短絡部１１と呼称する。

導波素子３に用いる導体板６は、放射素子２に用いる導体板６よりも短辺方向および長辺方向の長さが短く形成される。本実施の形態では、放射素子２の寸法（長辺方向の長さ×短辺方向の長さ）を１０２ｍｍ×５０ｍｍとしているが、導波素子３の寸法はこれより小さく形成され、本実施の形態では１００ｍｍ×４８ｍｍとした。

また、反射素子４に用いる導体板６は、放射素子２に用いる導体板６よりも短辺方向および長辺方向の長さが長く形成される。本実施の形態では、反射素子４の寸法を１０４ｍｍ×５２ｍｍとした。導体板６の長辺方向および短辺方向の長さは、導波素子３、放射素子２、反射素子４の順に２ｍｍずつ大きくなっていることになる。

なお、図２（ａ），（ｃ）では、放射素子２を破線で示し、図２（ｂ）では、導波素子３と反射素子４を破線で示している。図２（ａ）〜（ｃ）を参照すればわかるように、各素子２，３，４，では、導体板６のサイズが異なるのみであり、その他の寸法は全く同じとなっている。２周波共用アンテナ１では、２周波共用アンテナ１を前方から見ると、各素子２，３，４の短絡部９が重なり、かつ、給電部１０と第２短絡部１１が重なって見えるように、各素子２，３，４が配置される。

２周波共用アンテナ１のリターンロス特性の解析値及び実測値を図４に示す。なお、実測値については、給電ケーブルの影響を確認するため、給電ケーブルを、細径同軸ケーブル（フェライト無し）、細径同軸ケーブル（フェライト有り）、セミリジッドケーブル、セミリジッドかつアイソレートケーブル、としてそれぞれ実測を行った。また、図４では、放射素子２と導波素子３、および放射素子２と反射素子４間の素子間隔ｄを２８ｍｍとした場合を示している。

図４に示すように、２周波共用アンテナ１は８５０ＭＨｚでのリターンロスが解析値で約−５．５ｄＢ、１７００ＭＨｚでのリターンロスが解析値で約−６．５ｄＢであり、アンテナとして十分に動作することが分かる。なお、２周波共用アンテナ１では、低周波側、高周波側ともに、偏波の向きは導体板６の短辺方向（Ｙ軸方向）と同じ方向となり、直線偏波となる。

この解析値に最も近い実測値は、給電ケーブルにセミリジッドかつアイソレートケーブルを用いた場合であり、この場合、８５０ＭＨｚでのリターンロスが約−１３．３ｄＢ、１７００ＭＨｚでのリターンロスが約−７．６ｄＢであった。給電ケーブルとして細径同軸ケーブルを用いた場合には、給電ケーブルでの損失が大きくなりリターンロスが大幅に低下してしまい、また、給電ケーブルの一部がアンテナの一部として動作してしまうため、共振周波数が解析値と比較して高い周波数にずれてしまうことが分かる。なお、セミリジッドケーブルとは、外部導体が銅やニッケル、ステンレスなどの金属パイプからなる同軸線のことであり、セミリジッドかつアイソレートケーブルとは、給電ケーブルにセミリジッドケーブルを使用し、２周波共用アンテナ１と給電ケーブルの電磁干渉を抑制するために、２周波共用アンテナ１と給電ケーブルの間にアイソレートケーブル（アイソレーティングケーブルともいう）を接続したものである。

この結果から、２周波共用アンテナ１を地上デジタルテレビ放送などの受信用アンテナとして用いる場合には、給電ケーブルとしてセミリジッドかつアイソレートケーブルなどを用い、給電ケーブルの影響を最小限に抑えた給電を行うことが望ましいといえる。このように構成することで、受信した電波を、給電ケーブルでの損失を抑えて復調部に送ることが可能となり、増幅器での増幅量を少なくすることができる。

また、２周波共用アンテナ１を携帯電話や無線ＬＡＮなどの送受信アンテナとして用いる場合には、給電ケーブルとして細径同軸ケーブルなどの同軸ケーブルを用い、リターンロスを低くすることで帯域を広げることが望ましいといえる。なお、給電ケーブルとして細径同軸ケーブルを用いることによる共振周波数のずれは、スロット７，８の長さを個別に調整することで、容易に対応可能である。

また、図５（ａ）〜（ｄ）に、２周波共用アンテナ１の放射パターンを示す。なお、図５および図６に示すように、図５（ａ），（ｃ）のＸＺ平面では、Ｘ軸に対する角度φが０°であるＸＺ平面における垂直な偏波（Ｖｅｒｔｉｃａｌ）Ｅ_φの放射パターンを表し、図５（ｂ），（ｄ）のＹＺ平面では、Ｘ軸に対する角度φが９０°であるＹＺ平面における垂直な偏波Ｅ_θの放射パターンを表している。ＸＺ平面を地面（水平面）とすると、Ｅ_φは垂直編波、Ｅ_θは水平偏波となり、ＹＺ平面を地面（水平面）とすると、Ｅ_φは水平編波、Ｅ_θは垂直偏波となる。図５（ａ）〜（ｄ）とも、θ＝１８０°が２周波共用アンテナ１の前方を表している。

図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、２周波共用アンテナ１では、低周波側（８５０ＭＨｚ）、高周波側（１７００ＭＨｚ）の両者ともに、前方利得が大きく、後方利得が小さいことから前後比も大きくなっていることが分かる。

ここで、素子間隔ｄについて検討する。

素子間隔ｄを１１ｍｍ〜８８ｍｍの範囲で変更し、８５０ＭＨｚ、１７００ＭＨｚの各周波数での前方利得と前後比（ＦＢ比）をシミュレーションにより求めた。結果を表１および図７に示す。本実施の形態では、前方利得と前後比を総合的に評価するため、低周波側の前方利得（ｄＢｉ）と前後比（ｄＢ）、高周波側の前方利得（ｄＢｉ）と前後比（ｄＢ）とを全て足し合わせた値（前方利得＋ＦＢ比）を評価パラメータとして用いた。この評価パラメータ（前方利得＋ＦＢ比）を表１と図７に併せて示す。なお、前方利得（ｄＢｉ）は、前方利得（ｄＢ）に２．１４を足し合わせることで求められる。

表１および図７に示すように、素子間隔ｄが１７ｍｍ〜４４ｍｍで評価パラメータ（前方利得＋ＦＢ比）が大きくなっており、素子間隔ｄは、１７ｍｍ〜４４ｍｍとすることが望ましい。波長に換算して一般化すると、素子間隔ｄは、低周波側の波長をλ_L、高周波側の波長をλ_Hとしたとき、０．０２８λ_L以上０．１２５λ_L以下、かつ、０．０９６λ_H以上０．２４９λ_H以下に設定されることが望ましい。

また、ダイポールアンテナを用いた一般的な八木・宇田アンテナでは、前方利得が７ｄＢｉ、前後比が１３ｄＢ程度あればよいとされているので、前方利得と前後比の和を２つの周波数でそれぞれ２０以上とし、両周波数で合計４０以上とすることがより望ましい。つまり、素子間隔ｄは、低周波側の前方利得（ｄＢｉ）と前後比（ｄＢ）、高周波側の前方利得（ｄＢｉ）と前後比（ｄＢ）とを全て足し合わせた値が、４０以上となる距離に設定されることがより望ましい。

さらに、表１と図７を参照すれば分かるように、評価パラメータ（前方利得＋ＦＢ比）は、素子間隔ｄ＝２８ｍｍで最も大きくなる。よって、最適な素子間隔ｄは、０．０７９λ_L、０．１５９λ_Hに相当する２８ｍｍということになる。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る２周波共用アンテナ１では、放射素子２の前方に導波素子３を、後方に反射素子４を配置して前方の利得を向上させたアンテナにおいて、放射素子２として、法線方向が前後方向となるように配置された導体板６に、長さの異なる２つのスロット７，８を一直線上に形成し、スロット７，８の一方に給電部１０を設けた２共振ノッチアンテナ５を用い、導波素子３と反射素子４として、２共振ノッチアンテナ５の給電部１０を短絡したものを用いている。

このように構成することで、単一給電で、デュアルバンドの八木・宇田アンテナを構成することが可能となり、所定の方向への利得が高く、放射パターンに指向性を有する単一給電の２周波共用アンテナ１を実現できる。その結果、従来のように分配器を設ける必要がなくなるため、部品コストを低減でき、設計の手間も省くことが可能になる。さらに、１素子でデュアルバンドを実現しているため、従来のように２素子を組み合わせる必要が無く、組み立てが簡単である。

また、放射素子２と導波素子３、および放射素子２と反射素子４間の素子間隔ｄを０．０２８λ_L以上０．１２５λ_L以下、かつ、０．０９６λ_H以上０．２４９λ_H以下に設定することで、２周波数帯ともに、導波素子３、反射素子４により指向性を鋭くし、良好な前方利得および前後比を実現できる。

また、従来のダイポールアンテナを用いた２周波共用アンテナでは、偏波の向きと同じ方向にアンテナの幅が広くなっていた（図８（ａ）参照）が、本実施の形態に係る２周波共用アンテナ１では、偏波の向きと同じ方向（Ｙ軸方向）の幅が狭くなり、偏波の向きと垂直な方向（Ｘ軸方向）の幅が広くなる。つまり、従来の２周波共用アンテナと本発明の２周波共用アンテナ１とでは、設置する際のスペースの取り方が逆になるので、今まで八木・宇田アンテナを設置することができなかった狭いスペースにも設置することが可能になる。

さらに、２周波共用アンテナ１では、導体板６の短辺方向の長さを調整することにより、利得を調節することが可能である。従来は、前後比や前方利得を向上させるためには導波素子の数を増やすしかなく、導波素子の数を増やすと、約１／４λ×導波素子の数の分前後方向に大きくなってしまうという課題があったが、本発明によれば、導体板６の短辺方向の長さを大きくし、スロット７，８の周囲の導体板６の面積を増加させることにより、前後比や前方利得を向上させることが可能である。

また、導波素子３を増やすことにより利得を向上させるという従来技術と、導体板６の短辺方向の長さを大きくして利得を向上させる方法を組み合わせることで、利得の増加幅を従来よりも拡大することが可能である。

本発明の２周波共用アンテナ１は、例えば、中継局アンテナ、基地局アンテナ、放送波受信アンテナとして用いることができ、携帯電話、無線ＬＡＮ、地上デジタルテレビ放送などの通信システムに好適に用いることができる。

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。

１２周波共用アンテナ
２放射素子
３導波素子
４反射素子
５２共振ノッチアンテナ
６導体板
７，８スロット
９短絡部
１０給電部
１１第２短絡部

Claims

放射素子の前方に導波素子を、後方に反射素子を配置して前方の利得を向上させたアンテナにおいて、
前記放射素子として、法線方向が前後方向となるように配置された導体板に、長さの異なる２つのスロットを一直線上に形成し、前記スロットの一方に給電部を設けた２共振ノッチアンテナを用い、
前記導波素子と前記反射素子として、前記２共振ノッチアンテナの前記給電部を短絡したものを用いた
ことを特徴とする２周波共用アンテナ。
前記２共振ノッチアンテナは、
長方形状の前記導体板と、
前記導体板の短辺方向の中心に、長辺方向に沿って一直線上に形成され、互いに反対方向に開口するように形成された長さの異なる前記２つのスロットと、
前記２つのスロットの間に形成され、前記２つのスロットの上下の前記導体板を電気的に接続する短絡部と、
前記２つのスロットのうち短い方のスロットに設けられると共に、前記短絡部に近接して設けられた給電部と、からなる
請求項１記載の２周波共用アンテナ。
前記導波素子に用いる導体板は、前記放射素子に用いる導体板よりも短辺方向および長辺方向の長さが短く形成され、
前記反射素子に用いる導体板は、前記放射素子に用いる導体板よりも短辺方向および長辺方向の長さが長く形成される
請求項２記載の２周波共用アンテナ。
前記放射素子と前記導波素子、および前記放射素子と前記反射素子間の素子間隔は、低周波側の波長をλ_L、高周波側の波長をλ_Hとしたとき、０．０２８λ_L以上０．１２５λ_L以下、かつ、０．０９６λ_H以上０．２４９λ_H以下に設定される
請求項１〜３いずれかに記載の２周波共用アンテナ。
前記放射素子と前記導波素子、および前記放射素子と前記反射素子間の素子間隔は、低周波側の前方利得（ｄＢｉ）と前後比（ｄＢ）、高周波側の前方利得（ｄＢｉ）と前後比（ｄＢ）とを全て足し合わせた値が、４０以上となる距離に設定される
請求項１〜４いずれかに記載の２周波共用アンテナ。