JP2017188850A - 多周波共用アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射板付きダイポールアンテナとリング状アンテナとを組み合わせた構造でありながら構造の小型化を可能にする。
【解決手段】反射板１に対し一定の間隔を隔ててリング状のパッチアンテナ３を設置すると共に、このパッチアンテナ３の中央に設けられた孔部３２を通して上記反射板１にダイポールアンテナ５を立設する。ダイポールアンテナ５は、１枚の金属板を折曲形成することにより２対のダイポールアンテナ素子が一体的に製作される。そして第２の給電ケーブル６を、上記パッチアンテナ３の孔部３２を通したのちダイポールアンテナ５の柱状部５１ｂ，５２ｂに沿わせて配線し、さらに−側の素子部５３ｂ，５４ｂに設けられた孔部５７を通して上方に引き出して、＋側の素子部５３ａ，５４ａに設けられた給電部５６に接続する。
【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で使用される多周波共用アンテナ装置に関する。

一般に移動通信システムのうちマイクロセルを形成するシステムでは、基地局アンテナとして指向性アンテナが使用される。指向性アンテナとしては、複数の偏波を放射すると共に複数の周波数をカバーすることが可能なアンテナが求められており、その一例として反射板付きのダイポールアンテナやパッチアンテナ、或いはこれらを組み合わせたアンテナが提案されている。反射板付きダイポールアンテナは、反射板上にダイポールアンテナ素子を配置することで、反射板に対しダイポールアンテナ素子を配置した側に電波の放射方向を偏らせるアンテナである（例えば特許文献１を参照）。またパッチアンテナは、例えば基板上にリング状のアンテナ素子を配置したものが知られている。（例えば特許文献２を参照）。

特開２０１５−０４３６２２号公報 特開２００５−０２０７１５号公報

ところが、反射板付きダイポールアンテナとパッチアンテナとを組み合わせることで複数の周波数に対応するようにした従来のアンテナ装置は、一般に、周波数ごとにアンテナを構成してこれらを段積み構造としたものとなっている。このため、アンテナ装置の構造が大型化し易い。

また、アンテナ素子数が増えることによる価格上昇を抑制するために、基板を共用化すると共にアンテナ素子を金属板により形成する試みもなされているが、固定点が複数点となり、１素子当たりの金属接点数も増加するため、ＩＭ（相互変調歪）等が発生しやすくなる。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その主たる目的は、反射板付きダイポールアンテナとパッチアンテナとを組み合わせた構造でありながら、構造の小型化を可能にした多周波共用アンテナ装置を提供することにある。

上記課題を解決するためにこの発明に係る多周波共用アンテナの第１の態様は、第１の周波数を送受信するためのアンテナをリング状の構造とし、接地された反射板に対し一定の間隔を隔てて平行に配置すると共に、第２の周波数を送受信するためのダイポールアンテナを、前記反射板に前記リング状アンテナのリング内部を通して垂直に立設配置している。そして、前記リング状をなすアンテナの給電点と分配および整合機能を有する回路との間を第１の給電ケーブルにより接続すると共に、前記リング状をなすアンテナのリング内部を通して第２の給電ケーブルを配線して、当該第２の給電ケーブルにより前記ダイポールアンテナの給電点と前記回路との間を接続するようにしたものである。

この発明に係る多周波共用アンテナの第２の態様は、前記ダイポールアンテナを、前記反射板に垂直に立設され前記第２の周波数の１／４波長の長さを有する少なくとも１対の柱状部と、前記１対の柱状部のそれぞれの先端部から前記反射板に対し平行しかつ互いに反対方向に折曲形成された１対の素子部とから構成し、かつ前記１対の柱状部と前記１対の素子部とを１枚の金属片を折曲形成して構成したものである。

この発明に係る多周波共用アンテナの第３の態様は、前記ダイポールアンテナの一対の素子部の一方に孔部を設けると共に他方に給電点を設け、前記第２の給電ケーブルを、前記柱状部に沿わせた状態で配線すると共に、先端部を前記孔部を通して引き出して前記給電点に接続したものである。

この発明の第１の態様によれば、ダイポールアンテナが、反射板上においてリング状アンテナのリング内部を通して垂直に立設配置され、さらにダイポールアンテナに給電するための第２の給電ケーブルもリング状アンテナのリング内部を通して配線される。このため、リング状アンテナとダイポールアンテナとを反射板上で上下方向に階層化した状態で配置することが可能となる。したがって、リング状アンテナとダイポールアンテナとを反射板面上において面方向に並べて配置する場合に比べ、アンテナ装置の反射板の面方向のサイズを小型化することが可能となる。

この発明の第２の態様によれば、ダイポールアンテナを構成する１対のアンテナ素子が、１枚の金属片を折曲形成することにより一体的に製作される。このため、ダイポールアンテナを少ない部品で簡単かつ安価に作製できる。また、柱状部が反射板に対し１点で固定され、かつ１／４波長ショート構造部としての機能と素子間の間隔を保持する機能を兼ねるため、各素子の位置を機械的にかつ電気的に安定的に維持することができ、金属接点数が少なくなるため、相互変調歪みの発生が抑えられて特性上の安定性の高いアンテナ装置を提供することが可能となる。

この発明の第３の態様によれば、第２の給電ケーブルは、ダイポールアンテナの柱状部に沿わせた状態で配線されるため電位的に安定した状態を保持することができる。さらに、第２の給電ケーブルの先端部がダイポールアンテナの素子部に設けられた孔部を通して引き出されて給電点に接続されるため、第２の給電ケーブルを無理に曲げることなく最短距離で給電点に接続することが可能となる。

すなわち、この発明の各態様によれば、反射板付きダイポールアンテナとリング状アンテナとを組み合わせた構造でありながら構造の小型化を可能にした多周波共用アンテナ装置を提供することができる。

この発明の第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置の構成を示す斜視図。 この発明の第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置の構成を示す側面図。 ダイポールアンテナの折曲形成前の構成を示す平面図。 ダイポールアンテナの折曲形成後の構成を示す斜視図。 この発明の第１の実施形態に係る多周波共用アンテナによるＶＳＷＲ特性の一例を示した図。 この発明の第１の実施形態に係る多周波共用アンテナによる周波数ごとの代表的な垂直面指向性および水平面指向性を示した図。 この発明の第２の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置の構成を示す斜視図。

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。
［第１の実施形態］
（構成）
図１はこの発明の第１の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置の構成を示す斜視図、図２はその側面図である。
図１、２において、１は反射板を示している。反射板１は、例えばアルミニウム板の表面にクロムメッキを施したものである。反射板１の裏面側には、支持部材１１，１１を介して、分配および整合回路を備える回路基板２が固定される。

一方、上記反射板１の表面側には、当該反射板１に対し所定の間隔を隔てた状態で、絶縁性支持部材１２，１２を介してパッチアンテナ３のアンテナ素子が設置される。パッチアンテナ３は、直交する２偏波に対応するもので、正方形をなす導電性金属板３１の中央部位に正方形の孔部３２を形成したリング状のアンテナ素子を有する。また、上記導電性金属板３１の対角線上には、給電部３３，３３が設けられる。給電部３３，３３は、第１の給電ケーブル４を介して上記回路基板２の分配および整合回路に接続される。

なお、パッチアンテナ３の反射板１との間隔は、送受信対象となる第１の周波数ｆ₁に応じて設定される。例えば、第１の周波数ｆ₁の波長をλ₁とすると、０．０５λ₁に設定される。また、給電部３３，３３のアンテナ中心からの距離は、アンテナインピーダンスが５０Ωになるように設定される。例えば第１の周波数ｆ₁を２．６GHzとした場合には１８〜２０mmに設定される。

また、反射板１の表面上には、上記パッチアンテナ３の孔部（リング内部）３２を通してダイポールアンテナ５が立設される。ダイポールアンテナ５は、直交する２偏波を送受信するために、互いに直交する方向を向く２対のダイポールアンテナ素子を備える。ダイポールアンテナ素子の各対は、図４に示すように柱状部５１ａ，５１ｂおよびその先端から上記反射板１に対し平行しかつ互いに反対方向に折曲形成された素子部５３ａ，５３ｂと、柱状部５２ａ，５２ｂおよびその先端から上記反射板１に対し平行しかつ互いに反対方向に折曲形成された素子部５４ａ，５４ｂにより構成される。柱状部５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂの高さは、ダイポールアンテナ５が送受信しようとする第２の周波数ｆ₂の波長をλ₂とするとき、λ₂／４に設定される。すなわち、柱状部５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂは、ダイポールアンテナ素子のλ₂／４ショート構造部として機能する。

ダイポールアンテナ５は、図３に示すように例えば打ち抜き加工により十字型に形成された金属片を、図中破線位置で折曲形成することにより製作される。すなわち、２対のダイポールアンテナ素子は、図４に示すように共通基端部５０により接続された状態で一体的に作製される。

上記共通基端部５０には孔部５５が設けられている。この孔部５５は、ダイポールアンテナ５を反射板１にネジ止めするために用いられる。また、上記２対の素子部５３ａ，５３ｂおよび５４ａ，５４ｂにおいて、＋側の素子部５３ａ，５４ａには給電部５６が設けられ、−側の素子部５３ｂ，５４ｂには孔部５７が設けられている。孔部５７は、第２の給電ケーブル６を上記素子部５３ａ，５４ａの給電部５６に接続する際に、通し孔として用いられる。

このように構成された多周波共用アンテナ装置は、以下のように組み立てられる。すなわち、先ず反射板１の裏面側に支持部材１１，１１を介して回路基板２を固定する。続いて、反射板１の表面側に、絶縁性支持部材（スペーサ）１２，１２を介してパッチアンテナ３を固定し、このパッチアンテナ３の給電部３３，３３と回路基板２との間を第１の給電ケーブル４を用いて接続する。

次に、図３に示した十字型をなす金属片を折曲形成することにより製作した図４に示すダイポールアンテナ５を、共通基端部５０を先端として上記パッチアンテナ３の孔部３２に挿入し、共通基端部５０を反射板１にネジ止めする。その際、ダイポールアンテナ５の２対の素子部５３ａ，５３ｂおよび５４ａ，５４ｂの向きを、反射板１に対し４５°回転した方向に設定する。このように配置することで、±４５°偏波に対応したダイポールアンテナを構成することができる。

最後に、同軸ケーブルからなる第２の給電ケーブル６を、反射板１に設けたケーブル引き出し用の孔部（図示省略）を通して回路基板２から反射板１の表面側に引き出し、しかるのち当該第２の給電ケーブル６をパッチアンテナ３の孔部３２を通してパッチアンテナ３の上方側に引き出す。このとき、第２の給電ケーブル６はダイポールアンテナ５の柱状部５１ｂ，５２ｂに沿わせて配線する。そして、当該第２の給電ケーブル６の先端部を、−側の素子部５３ｂ，５４ｂに設けられた孔部５７を通してダイポールアンテナ５の上方側に引き出した後、＋側の素子部５３ａ，５４ａに設けられた給電部５６に半田付けにより接続する。なお、第２の給電ケーブル６の接地用被覆は、柱状部５１ｂ，５２ｂの上部において半田付けされる。

このように構成された多周波共用アンテナ装置を用いて、第１の周波数ｆ₁＝２．６GHz帯、および第２の周波数ｆ₂＝３．５GHz帯を送受信する場合をシミュレートする。この場合の周波数ｆ₁，ｆ₂ごとの各偏波の電圧定在波比（Voltage Standing Wave Ratio：ＶＳＷＲ）特性は、図５に示すようにいずれもＶＳＷＲ＝１．５以下を維持することができる。

また、第１の周波数ｆ₁＝２．６GHz帯および第２の周波数ｆ₂＝３．５GHzのそれぞれにおける垂直面および水平面の代表指向性は、それぞれ図６（ａ），（ｂ）となる。なお、図６（ａ），（ｂ）中では、実線が垂直面の指向性を、破線が水平面の指向性をそれぞれ示す。この指向特性から明らかなように、第１の周波数ｆ₁＝２．６GHz帯および第２の周波数ｆ₂＝３．５GHzのいずれにおいても、垂直面および水平面の両方向に良好な指向性を得ることができる。

（効果）
以上詳述したように第１の実施形態では、反射板１に対し一定の間隔を隔ててリング状のパッチアンテナ３を設置すると共に、このパッチアンテナ３の中央に設けられた孔部３２を通して上記反射板１にダイポールアンテナ５を立設している。ダイポールアンテナ５は、１枚の金属板を折曲形成することにより２対のダイポールアンテナ素子が一体的に製作される。また、このダイポールアンテナ５の給電部５６と反射板１の裏面側に配置された回路基板２との間を第２の給電ケーブル６を用いて接続する際に、当該第２の給電ケーブル６を、上記パッチアンテナ３の孔部３２を通したのちダイポールアンテナ５の柱状部５１ｂ，５２ｂに沿わせて配線し、さらに−側の素子部５３ｂ，５４ｂに設けられた孔部５７を通して上方に引き出して、＋側の素子部５３ａ，５４ａに設けられた給電部５６に接続するようにしている。

したがって、パッチアンテナ３とダイポールアンテナ５とを反射板１上で上下に階層化された状態で配置することが可能となる。このため、パッチアンテナ３とダイポールアンテナ５とを反射板１上に並べて配置する場合に比べ、アンテナ装置の反射板１のサイズを小型化することが可能となる。

また、ダイポールアンテナ５を構成する２対のアンテナ素子が、１枚の十字型金属板を折曲形成することにより一体的に製作される。このため、ダイポールアンテナ５を少ない部品で簡単かつ安価に作製できることができる。また、共通基端部５０が反射板１に対し１点で固定され、かつ柱状部５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂがλ／４ショート構造部としての機能とアンテナ素子間の間隔を保持する機能を兼ねるため、素子部５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂの位置を機械的にかつ電気的に安定的に設定することができ、これにより相互変調歪みの発生が抑えられて特性上の安定性の高いアンテナ装置を提供することが可能となる。

さらに、第２の給電ケーブル６は、ダイポールアンテナ５のショート構造部としての柱状部５１ｂ，５２ｂに沿わせた状態で配線されるため、第２の給電ケーブル６を電位的に安定した状態を保持することができる。また、第２の給電ケーブル６の先端部が−側の素子部５３ｂ，５４ｂに設けられた孔部５７を通して引き出されて、＋側の素子部５３ａ，５４ａに設けられた給電部５６に接続されるため、第２の給電ケーブル６を無理に曲げることなく最短距離でダイポールアンテナ５の給電部５６に接続することが可能となる。

［第２の実施形態］
図７は、この発明の第２の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置の構成を示す斜視図である。なお、同図において前記図１および図２と同一部分には同一符号を付して詳しい説明は省略する。

第２の実施形態に係る多周波共用アンテナ装置は、縦長に構成された反射板１０の表面側に、リング状のパッチアンテナ３とダイポールアンテナ５とからなる複数のアンテナユニット７１，７２，…を一列に配設した、いわゆるスタック構造をなすものである。
このようなアンテナ装置であれば、アンテナ利得を高めることができ、より広範囲のセルをカバーすることが可能となる。

［その他の実施形態］
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第１の実施形態では、第２の給電ケーブル６をダイポールアンテナ５の柱状部５１ｂ，５２ｂに沿わせて配線するようにしたが、第２の給電ケーブル６を柱状部５１ｂ，５２ｂと柱状部５１ａ，５１ａとの隙間に配線するようにしてもよい。また第１の実施形態では、第２の給電ケーブル６を−側の素子部５３ｂ，５４ｂに設けられた孔部５７を通して上方に引き出すようにしたが、第２の給電ケーブル６を柱状部５１ｂ，５２ｂと柱状部５１ａ，５１ａとの隙間を通して引き出し、給電部５６に接続するようにしてもよい。さらに、第１の実施形態では、アンテナ素子をリング状に形成したパッチアンテナを用いた場合を例にとって説明したが、リング状アンテナ素子を有するアンテナであればその他のアンテナであってもよい。

その他、反射板およびダイポールアンテナの構成とサイズ等についても、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、上記各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、上記各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…反射板、２…回路基板、３…パッチアンテナ、４…第１の給電ケーブル、５…ダイポールアンテナ、６…第２の給電ケーブル、１１…支持部材、１２…絶縁性支持部材、３１…導電性金属板、３２…パッチアンテナの孔部、３３，３３…パッチアンテナの給電部、５０…共通基端部、５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ…柱状部、５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂ…素子部、５５…ネジ止め用の孔部、５６…ダイポールアンテナの給電部、５７…給電ケーブル通し用の孔部。

Claims (3)

1. 接地された反射板と、
   前記反射板に対し一定の間隔を隔てて平行に配置され、第１の周波数を送受信するためのリング状アンテナと、
   前記反射板に、前記リング状アンテナのリング内部を通して垂直に立設され、第２の周波数を送受信するためのダイポールアンテナと、
   前記リング状アンテナの給電点と分配および整合機能を有する回路との間を接続する第１の給電ケーブルと、
   前記リング状アンテナのリング内部を通して配線され、前記ダイポールアンテナの給電点と前記回路との間を接続する第２の給電ケーブルと
   を具備することを特徴とする多周波共用アンテナ装置。
2. 前記ダイポールアンテナは、前記反射板に垂直に立設され前記第２の周波数の１／４波長の長さを有する少なくとも１対の柱状部と、前記１対の柱状部のそれぞれの先端部から前記反射板に対し平行しかつ互いに反対方向に折曲形成された１対の素子部とを、１枚の金属片を折曲形成して構成したものである請求項１記載の多周波共用アンテナ装置。
3. 前記ダイポールアンテナは、前記１対の素子部の一方に孔部を備えると共に他方に給電点を備え、
   前記第２の給電ケーブルは、前記柱状部に沿わせた状態で配線されると共に、先端部が前記孔部を通して引き出されて前記給電点に接続されることを特徴とする請求項２記載の多周波共用アンテナ装置。