JP2017041812A - 多周波コーリニアアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域にわたり良好なＶＳＷＲ特性を得ると共に、サイドローブを抑制して利得を向上させ、さらに動作周波数やビームチルト角の変更に対しても簡単に対応できるようにする。【解決手段】第１のＣＲＬＨ線路２ａと第２のＣＲＬＨ線路２ｂとを互いに結合が生じない程度の距離を隔てて平行に配置し、かつＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂの向きを給電点２４および終端抵抗２５が互いに逆方向となるように設定する。そして、第１および第２のＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂの給電点２４，２４に対し等振幅でかつ逆位相の高周波電力を給電し励振する。【選択図】図１

Description

この発明は、例えば移動通信システムの基地局に使用される多周波コーリニアアンテナに関する。

携帯電話システムやＰＨＳ（Personal Handyphone System）等の移動通信システムでは、通信用アンテナとして例えばコーリニアアンテナが用いられている（例えば特許文献１を参照。）。コーリニアアンテナにおける給電方式には、直列給電方式と並列給電方式がある。直列給電方式は、良好な電圧定在波比（ＶＳＷＲ；Voltage Standing Wave Ratio）が得られる帯域が一般に狭くなる。これに対し並列給電方式は、各々の放射素子がダイポールアンテナに近い構成となるため、帯域が比較的広いアンテナを用いることで、コーリニアアレイとして給電しても、原理的には広帯域にわたり良好なＶＳＷＲを維持することが可能となる。

特開２０１１−０８９９１９号公報

ところが、コーリニアアンテナのレドーム径には一般に制約がある。このため、アンテナを多段化した場合、並列給電のために束ねた給電ケーブルが放射素子に近接し、放射素子の特性を劣化させ、これによりコーリニアアンテナ全体としてＶＳＷＲ特性や指向性の劣化を招く。したがって、並列給電方式を採用したからといって、常に良好なＶＳＷＲ特性が得られるとは限らない。

また、給電方式が直列であるか並列であるかにかかわらず、従来のコーリニアアンテナは、放射素子の配置間隔に制約があるため（例えば0.5〜0.95λ）、分配器や整合回路の配置が限られる。一般的に、放射素子は0.35〜0.5λの素子により構成される。また、安定した励振を得るためには、放射素子の近傍に意図しない導体を配置することはできない。このため、放射素子の間隔は0.5λ程度が下限となる。

さらに、アンテナをアレイ化するときは、グレーティングローブを防止する必要がある。グレーティングローブは放射素子の間隔が1.0λ以上になると発生し、グレーティンググローブが発生すると利得が大きく低下する。また、仮にこれよりも短い間隔であっても、放射素子や分配器などの影響によって、サイドローブが大きくなりやすく、利得は低下しやすい。よって、放射素子の間隔は0.95λ程度が上限である。しかしながら、アンテナの最大寸法が一定であり、放射素子の段数が変化したとき、並列給電ではそれにあわせた分配器の分配数、配置、寸法を考慮しなければならない。直列給電方式では、放射素子の間隔が変化すると移相回路を変更しなければならない。しかし、分配器および移相回路は放射素子間の限られたスペースに配置しなければならず、容易に変更することができない。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、広帯域にわたり良好なＶＳＷＲ特性を得ることができると共に、サイドローブを抑制して利得を向上させ、さらに動作周波数やビームチルト角の変更に対しても簡単に対応できるようにした多周波コーリニアアンテナを提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の第１の態様は、第１の面に接地パターンを配置すると共に当該第１の面に対し背面側となる第２の面が開放された誘電体基板を備え、この誘電体基板の上記第２の面に、一方の端部に給電部が設けられると共に他方の端部に整合終端部が設けられた右手／左手系複合伝送線路からなる第１の放射素子を配置する。またそれと共に、上記第１の放射素子と同一の右手／左手系複合伝送線路からなる第２の放射素子を、前記誘電体基板の第２の面に、前記第１の放射素子に対し平行にかつ前記給電部および前記整合終端部が逆向きとなるように配置する。そして、上記第１および第２の放射素子の給電部に、等振幅でかつ逆位相の高周波電力を給電するように構成したものである。

この発明の第２の態様は、前記第１および第２の放射素子の、右手／左手系複合伝送線路が備える集中定数線路の集中定数が、送受信対象となる動作周波数に応じて設定されることを特徴とする。

この発明の第３の態様は、前記第１および第２の放射素子の、右手／左手系複合伝送線路が備える集中定数線路の集中定数が、得ようとする放射ビームのチルト角に応じて第１および第２の放射素子間で異なる値に設定されることを特徴とする。

この発明の第１の態様によれば、右手／左手系複合伝送線路が進行波アンテナとして動作するため、広帯域にわたり良好なＶＳＷＲが得られるアンテナを提供することができる。また、右手／左手系複合伝送線路は各々が集中定数線路を構成する複数のユニットを密に直列に配置した構成となっており、しかも各ユニットが放射素子、分配器および位相回路を兼ねるため、サイドローブの発生が低く抑えられ、これにより利得を向上させることができる。さらに、第１および第２の放射素子による放射ビームのチルト角が合成され、その結果周波数によらず放射パターンの方向を誘電体基板面に対し直行する正面方向とすることができる。

この発明の第２の態様によれば、第１および第２の放射素子の右手／左手系複合伝送線路が備える集中定数線路の集中定数を変更するだけで、放射素子長を変えることなく動作周波数を簡単に変更することができる。

この発明の第３の態様によれば、第１および第２の放射素子の右手／左手系複合伝送線路が備える集中定数線路の集中定数を第１および第２の放射素子間で異なる値に変更し、これによりバランス周波数を変更することで、ビームチルトを適切な方向に調整することが可能となる。

すなわちこの発明によれば、広帯域にわたり良好なＶＳＷＲ特性を得ることができると共に、サイドローブを抑制して利得を向上させ、さらに動作周波数やビームチルト角の変更に対しても簡単に対応できるようにした多周波コーリニアアンテナを提供することができる。

この発明の一実施形態に係る多周波コーリニアアンテナの構成を示す斜視図。 図１に示した多周波コーリニアアンテナのＡ−Ａ矢視断面図。 図１に示した多周波コーリニアアンテナの一部を拡大して示した図。 図１に示した多周波コーリニアアンテナの、２．５GHz 、３．０GHz 、３．２GHz および３．５GHz のときの放射パターンの一例を示す図。 図１に示した多周波コーリニアアンテナにより得られるＶＳＷＲの周波数特性を示す図。 図１に示した多周波コーリニアアンテナにより得られる利得の周波数特性を示す図。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
［一実施形態］
図１はこの発明の第１の実施形態に係る多周波コーリニアアンテナの構成を示す斜視図、図２は図１に示した多周波コーリニアアンテナのＡ−Ａ矢視断面図、図３は図１の一部を拡大して示した平面図である。

図１において、１は誘電体基板であり、この誘電体基板１は例えば短冊状に形成された印刷配線基板（プリント基板）により構成される。この誘電体基板１の裏面全面には接地パターンが形成され、また表面には第１および第２の放射素子２ａ，２ｂが例えばマイクロストリップラインを用いて平行に形成されている。

第１および第２の放射素子２ａ，２ｂは、いずれも右手／左手系複合伝送線路（ＣＲＬＨ線路）からなるメタラインアンテナにより構成される。なお、以後ＣＲＬＨ線路にも放射素子２ａ，２ｂと同一の符号を付して説明を行う。ＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂは、各々が集中定数線路を構成する複数のユニットを長手方向に直列に接続したもので、いずれもバランス型の線路を構成する。

１個のユニットは、１個の導電部２０とその両端に配置される導電部２１，２１との間にキャパシタンス素子２２，２２，…を装荷し、さらに上記導電部２０にインダクタンス素子２３，２３，…を接続したものとなっている。インダクタンス素子２３，２３，…は、一端が上記導電部２０に接続され、他端が接地用端子２６に接続される。接地用端子２６は、図２に示すように誘電体基板１の裏面に形成された接地パターン１１に対し、スルーホール１２を介して接続される。なお、１ユニット長は、動作周波数に対応する波長をλとするとき例えばλ／１０に設定される。また、放射素子長は例えば１．２λに設定される。

また、ＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂの一端には給電用導電部２７が配置され、この給電用導電部２７には給電点２４が設けられる。この給電点２４には、給電線路を構成する給電ケーブル（図示せず）が接続される。さらに、ＣＲＬＨ線路２の終端には終端抵抗２５が接続される。この終端抵抗２５はＣＲＬＨ線路２の終端を整合終端する。

ところで、上記第１および第２のＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂは、図１に示すように給電点２４および終端抵抗２５が互いに逆向きとなるように配置される。このときＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂの配置間隔は、互いに結合しない程度の間隔（例えばλ／１０以上）に設定される。

以上のように構成された多周波コーリニアアンテナは、以下ように動作する。すなわち、第１および第２のＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂの給電点２４，２４に等振幅でかつ逆位相の高周波電力を給電すると、これらのＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂでは各ユニットにおいて同相で同振幅の電流が生成され、これによりＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂはいずれも進行波アンテナとして動作する。その結果、多周波コーリニアアンテナの正面方向に水平面指向性が形成され、また水平方向にビームチルトが形成される。

ところで、ＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂは単独では周波数によりビームの放射方向が変化する傾向性を持つ。すなわち、バランス周波数においては誘電体基板１面に対し垂直の方向（正面方向）にビームを放射するが、低域の周波数帯では終端抵抗２５側へ、高域の周波数帯では給電点２４側へそれぞれビームの放射方向が変化する。つまり、ＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂを単独で動作させると、放射ビームにチルト角が生じる。

これに対し本実施形態の多周波コーリニアアンテナでは、上記したように第１のＣＲＬＨ線路２ａと第２のＣＲＬＨ線路２ｂとを互いに結合が生じない程度の距離を隔てて平行に配置し、かつＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂの向きを給電点２４および終端抵抗２５が互いに逆方向となるようにしている。このため、第１のＣＲＬＨ線路２ａによる放射ビームのチルト角θと、第２のＣＲＬＨ線路２ｂによる放射ビームのチルト角θとが合成され、その結果低域の周波数帯および高域の周波数帯においても放射ビームのチルト角θはθ＝０となり、放射パターンの方向は正面方向となる。

図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ２．５GHz 、３．０GHz 、３．２GHz および３．５GHz のときのビームの放射パターンの計測結果を示したものである。計測条件は、図１に例示したように誘電体基板１の大きさを長辺ＧＰ_x ＝１２０mm、短辺ＧＰ_y ＝５０mmとすると共に、接地パターン１１から線路２ａ，２ｂまでの高さＢをＢ＝３．２mmとし、さらに比誘電率ε_r をε_r ＝２．６、キャパシタンス素子２２，２２，…の容量を２Ｃ_z ＝１．３pF、インダクタンス素子２３，２３，…のインダクタンスをＬ_Y ＝１．２nHとしている。同図からも明らかなように、本実施形態に係る多周波コーリニアアンテナによれば、放射ビームＥθは周波数によらず正面方向（ｚ方向）となる。

また、先に述べたように第１および第２のＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂはいずれも進行波アンテナとして動作する。このため、広帯域に渡り良好なＶＳＷＲが得られる。図５は先に述べた条件の下で計測したＶＳＷＲの周波数特性を示すものである。同図に示すように本実施形態に係る多周波コーリニアアンテナによれば、２GHz から４GHz の全域にわたりＶＳＷＲは２以下となる。

さらに、第１および第２のＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂはλ／１０の放射素子が密に並んだ構成となっており、ＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂ自体が放射素子と移相回路を兼ねているため、分配器や移相回路など放射素子以外の部品が不要である。その結果、サイドローブが低く抑えられ、容易に高利得が得られる。図６はアンテナ利得の周波数特性の計測結果を例示したものである。同図から明らかなように、正面方向への利得Ｇθを見ると、２．５〜３．５GHzの広帯域に渡り利得が一定となる周波数帯域が得られることがわかる。３dB減少帯域は３３％と算出される。

また、本実施形態に係る多周波コーリニアアンテナでは、誘電体基板１に装着されているキャパシタンス素子２２およびインダクタンス素子２３の定数を変更することにより、周波数の変更を容易に行うことができる。その場合、ＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂの構成単位の長さ（ユニット長）の変更は不要である。ただし、極度に高い周波数への変更は、ユニット長が波長に比べ十分小さい状態から乖離するため、設計は難しい。

さらに、放射ビームのチルト角も容易に設計変更することができる。すなわち、使用周波数範囲の動作周波数（バランス周波数）おいて、ＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂのキャパシタンス素子２２のキャパシタンスおよびインダクタンス素子２３のインダクタンスを個別に適宜設定して、放射ビームのチルト角が同一方向となるようにすることで、使用周波数範囲においても一様に同一方向を向く放射ビームのチルト角を得ることができる。

以上詳述したように本実施形態に係る多周波コーリニアアンテナは、第１のＣＲＬＨ線路２ａと第２のＣＲＬＨ線路２ｂとを互いに結合が生じない程度の距離を隔てて平行に配置し、かつＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂの向きを給電点２４および終端抵抗２５が互いに逆方向となるようにしている。そして、第１および第２のＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂの給電点２４，２４に対し等振幅でかつ逆位相の高周波電力を給電するようにしている。

したがって、第１および第２のＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂの放射ビームのチルト角θが合成され、その結果低域の周波数帯および高域の周波数帯においても、放射パターンの方向を正面方向とすることができる。また、ＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂはいずれも進行波アンテナとして動作するため、広帯域に渡り良好なＶＳＷＲを得ることができる。さらに、ＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂ自身が放射素子と移相回路を兼ねているため、分配器や移相回路など放射素子以外の部品を不要にすることができ、これによりサイドローブを低く抑えてアンテナ利得を高めることができる。

それに加え、キャパシタンス素子２２およびインダクタンス素子２３の集中定数を適宜変更することで、動作周波数の変更や放射ビームのチルト角の変更を容易に行うことができる。さらに、径の細いアンテナが得られ、構造が単純であることから、軽量で堅牢な多周波コーリニアアンテナを提供することができる。

また、本実施形態の多周波コーリニアアンテナは、誘電体基板にＣＲＬＨ線路のパターンを形成することで製作できるので、通常のプリント配線パターンの製造手法と部品の表面実装手法により容易に製作でき、大量生産に適する。このため、多周波アンテナを安価に提供することができる。

［他の実施形態］
前記一実施形態では２本のＣＲＬＨ線路２ａ，２ｂを平行配置した１個のコーリニアアンテナを例にとって説明した。しかしそれに限らず、同様の構成の複数のコーリニアアンテナを同心円状に配置してそれぞれのコーリニアアンテナを水平方向の異なる方向に向けることで、水平面無指向性アンテナを構成することができる。その際、ＣＲＬＨ線路の特性インピーダンスを、コーリニアアンテナの数に応じて変更することで、無線機側の給電線路とのインピーダンス整合のための分配整合器を不要にできる。さらに、複数のコーリニアアンテナにより囲まれた筒状体の内部に太いケーブルや多数の導体を収めるようにすれば、細径の柱状アンテナ装置を構成できる。

前記実施形態で述べたコーリニアアンテナを多段に構成してもよい。この場合、ケーブルが密集する根元を覆うようにアンテナを配置することができ、スペースを有効利用できる利点がある。

その他、個々のＣＲＬＨ線路の構成や数、設置数、サイズ、カバーしようとする周波数帯とその中心周波数等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。

要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…誘電体基板、２ａ，２ｂ…右手／左手系複合伝送線路（ＣＲＬＨ線路）、１１…接地パターン、１２…スルーホール、２０，２１…導電部、２２…キャパシタンス素子、２３…インダクタンス素子、２４…給電点、２５…終端抵抗、２６…接地用端子、２７…給電用導電部。

Claims (3)

1. 第１の面に接地パターンを配置すると共に当該第１の面に対し背面側となる第２の面が開放された誘電体基板と、
   一方の端部に給電部が設けられると共に他方の端部に整合終端部が設けられた右手／左手系複合伝送線路からなり、前記誘電体基板の第２の面に配置される第１の放射素子と、
   一方の端部に整合終端部が設けられると共に他方の端部に給電部が設けられた右手／左手系複合伝送線路からなり、前記誘電体基板の第２の面に、前記第１の放射素子に対し平行にかつ前記給電部および前記整合終端部が逆向きとなるように配置される第２の放射素子と、
   前記第１および第２の放射素子の給電部に等振幅でかつ逆位相の高周波電力を給電する給電線路と
   を具備することを特徴とする多周波コーリニアアンテナ。
2. 前記第１および第２の放射素子は、前記右手／左手系複合伝送線路が備える集中定数線路の集中定数値が、送受信対象となる動作周波数に応じて設定されることを特徴とする請求項１記載の多周波コーリニアアンテナ。
3. 前記第１および第２の放射素子は、前記右手／左手系複合伝送線路が備える集中定数線路の集中定数値が、得ようとする放射ビームのチルト角に応じて前記第１および第２の放射素子間で異なる値に設定されることを特徴とする請求項１記載の多周波コーリニアアンテナ。