JP3246643B2 - 双方向指向性プリント基板アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は陸上における移動通信方
式に好適な双方向指向性プリント基板アンテナに関し、
特に小型化に係わる。

【０００２】

【従来の技術】携帯電話に代表される移動通信方式は、
加入者数の急増に伴い、従来のように高いビルの屋上等
に基地局アンテナを設置し、比較的広い地域を無線ゾー
ンとする代わりに、例えば一つの広場、一区間の道路、
一つの部屋または一つの廊下等のように、狭い地域をそ
れぞれ一つの独立した無線ゾーンとすると共に、同一周
波数を繰り返し使用することにより、限られた割り当て
周波数の範囲内で加入者の急増に対処しようとしてい
る。

【０００３】そして、この場合に用いられる基地局アン
テナとしては、無線ゾーンに対応した指向性を有する必
要がある。例えば一区間の道路、一つの廊下または地下
街等のように細長い無線ゾーンを想定する場合、無線ゾ
ーンの中央に基地局アンテナを設置し、その前後に、即
ち、無線ゾーンの長手方向に沿ってビームを前方及び後
方に放射する双方向指向性をもたせる必要がある。この
ような指向性を有するアンテナとして、従来は図４に示
すようなアンテナが用いられている。

【０００４】図４において、１及び２はスリーブ形半波
長ダイポールアンテナで、互いに放射波長の２分の１の
間隔を隔ててほぼ平行となるように対向させて設けてあ
る。３は同位相合成器、４は入出力端子である。入出力
端子４への入力信号は同位相合成器３で２等分され、ス
リーブ形半波長ダイポールアンテナ１，２を同位相・等
振幅で励振する。

【０００５】２本の半波長ダイポールアンテナ（全方向
性アンテナ）が同位相・等振幅で励振される場合の放射
指向性は、アンテナの間隔によって変化するが、文献
「アンテナ工学」（遠藤敬三、他著、総合電子出版社、
昭和５９年、８６頁）にその詳細が記載されている。こ
の文献によれば、アンテナの間隔が放射波長の２分の１
に等しいとき、同位相・等振幅励振された２本の全方向
性アンテナは該２本のアンテナ素子から等距離にある方
向で最大放射強度を有し、かつ最も指向性利得の高い８
の字形指向性アンテナとして動作する。

【０００６】従って、スリーブ形半波長ダイポールアン
テナ１，２の放射指向性は、該２本のアンテナ素子間隔
が２分の１波長のとき、同様に１及び２から等距離にあ
る方向で最大放射強度を有する８の字形指向性アンテナ
として動作するので、図５に示すように最大指向性方向
を細長い道路または通路沿い方向に一致させることによ
り、細長い道路または地下街等よりなる無線ゾーンに設
置するのに好適である。図５において５は通路、６は建
物の壁等であり、７は放射パターンの概念図である。

【０００７】図６は図４のアンテナを放射波長に比して
十分薄い誘電体基板９の表面と裏面に被着させた金属皮
膜よりなる半波長ダイポールアンテナ素子及び給電線に
より構成した従来技術の他の構成例を示す。いま、垂直
に配された誘電体基板９の前面（表面）の左から右の方
向を＋ｘ（軸）方向、下から上の方向を＋ｚ（軸）方
向、前面（表面）から背面（裏面）の方向を＋ｙ（軸）
方向に選ぶ。

【０００８】１ａ及び１ｂは誘電体基板９の表面及び裏
面に設けられた放射素子であり、等価的に４分の１波長
の電気長を有している。通常はその放射素子の幅及び誘
電体基板９の誘電率によってこの物理長は変わる。また
１ａ及び１ｂの素子を一対の素子として半波長ダイポー
ルアンテナ１が構成される。２ａ及び２ｂは誘電体基板
９の表面及び裏面に設けられたもう一方の半波長ダイポ
ールアンテナ２の一対の放射素子であり、１ａ及び１ｂ
と同じ形状・構造を有すると共に半波長ダイポールアン
テナ１と２分の１波長の間隔を離して平行に設けられて
いる。またこれら表面のアンテナ素子１ａ及び２ａには
電気長の等しい分岐給電線１１ａ並びに１２ａがそれぞ
れ接続され、これら分岐給電線はさらに整合回路１３を
介して給電線１０ａに接続されている。また、誘電体基
板９の裏面には分岐給電線１１ｂ，１２ｂ及び給電線１
０ｂが金属皮膜により設けられており、１１ｂ，１２ｂ
は放射素子１ｂ，２ｂに接続される。また給電線１０
ａ，１０ｂの端部に入出力端子４が接続されている。こ
の例では、給電線１０ｂは接地電位が与えられる幅広の
グランド板とされ、１０ａと共に一つのマイクロストリ
ップ線路を構成している。

【０００９】このような構造になっているため、入出力
端子４への入力信号は給電線１０（１０ａ，１０ｂ）を
介して分岐給電線１１（１１ａ，１１ｂ）と１２（１２
ａ，１２ｂ）で２等分され、電気長の等しいこれら給電
線を介して半波長ダイポールアンテナ１（１ａ，１ｂ）
と２（２ａ，２ｂ）とを同位相・等振幅で励振する。こ
の結果、放射指向性は誘電体基板９の面に垂直な±ｙ方
向に８の字形指向性を有するアンテナとなる。このアン
テナ構造では、分岐給電線１１と１２を同形かつ長さの
等しい形状としているため、図４の構造における同位相
合成器３が不要となる構造となっている。

【００１０】しかしながら、上記構成のアンテナでは、
利得の高いアンテナを構成するためには、２本のアンテ
ナの間隔は放射波長の２分の１の長さ分だけ離さねばな
らず、アンテナ全体としての大きさを小型化する上で大
いなる制限を有するものであった。例えば、２ＧHz帯で
は２分の１波長は7.５cmであり、この長さだけ間隔をと
ったアンテナを円筒形のレドームに納める場合、レドー
ム直径は当然7.５cm以上の大きさとなってしまい、アン
テナ全体の占有体積が大きくなるために、様々な設置環
境条件に対してアンテナの設置自由度が制限されるとい
う実用上の問題があった。

【００１１】図７は従来技術のさらに他の構成例のアン
テナを示す図で、１及び２はスリーブ形半波長ダイポー
ルアンテナで、互いに放射波長より短い適宜間隔を隔て
て１及び２を平行となるように対向させて設けてある。
３′は逆位相合成器であり、回路内部の一方の線路長が
他方の線路長に対して電気長で半波長分だけ長くなるよ
うに形成されている。４は入出力端子である。

【００１２】入出力端子４への入力信号は逆位相合成器
３′で２等分され、スリーブ形半波長ダイポールアンテ
ナ１及び２を逆位相・等振幅で励振する。２本の半波長
ダイポールアンテナ（全方向性アンテナ）が逆位相・等
振幅で励振される場合の放射指向性もアンテナの間隔に
よって変化するが、先にあげた文献「アンテナ工学」
（遠藤敬三、他著、総合電子出版社、昭和５９年、８６
頁）にその詳細が記載されている。それによれば、２本
の全方向性アンテナが逆位相・等振幅で励振された場合
には、２本のアンテナ素子の距離が放射波長の２分の１
以下の場合にはその距離にあまり依存せずに８の字形指
向性が得られる。その最大放射方向は図７に示す±ｘ軸
方向（スリーブ形半波長ダイポールアンテナ１及び２を
結ぶ延長線方向）となる。

【００１３】図７に示す従来構成では図４に示した同位
相・等振幅励振の構成と異なりアンテナ間隔を放射波長
の２分の１の長さよりも短くできるため、図４のアンテ
ナに比してアンテナ全体を小型化できるという利点があ
る。しかしながら、２本の全方向性アンテナを逆位相・
等振幅で励振するためには、逆位相合成器３′を必要と
し、部品点数が多い上に製作工程も多くなるなど、実用
に供するには経済性の点で改良すべき余地が残されてい
た。

【００１４】図８は図７のアンテナ構成を放射波長に比
して十分薄い誘電体基板９の表面と裏面に被着させた金
属皮膜よりなる半波長ダイポールアンテナ素子及び給電
線により構成した従来例を示す。図８では図６と対応す
る部分に同じ符号を付けて示し、重複説明を省略する。
この場合には、１ａ，１ｂの放射素子には電気長が（Ｌ
＋２分の１波長）の分岐給電線１１（１１ａ，１１ｂ）
が接続され、２ａ，２ｂのアンテナ素子には電気長がＬ
の分岐給電線１２（１２ａ，１２ｂ）が接続されてい
る。その他は図６と同じである。

【００１５】このような構造になっているため、入出力
端子４への入力信号は給電線１０ａを介して分岐給電線
１１ａ並びに１２ａで２等分され、電気長が半波長分異
なるこれら分岐給電線を介して半波長ダイポールアンテ
ナ１（１ａ，１ｂ）並びに２（２ａ，２ｂ）を逆位相・
等振幅で励振する。この結果、放射指向性は誘電体基板
９の面に平行な±ｘ軸方向に双方向指向性を有するアン
テナとなる。このアンテナ構造では、左右の半波長ダイ
ポールアンテナ１，２への給電線を電気長が半波長分異
なる形状としているため、図７の構造における逆位相合
成器３′が不要となる構造となっている。

【００１６】しかしながら、図８に示すように、左右の
分岐給電線の電気長が半波長分異なる形状とするために
分岐給電線１１の長さを半波長分長くする給電回路１１
ａ−１，１１ｂ−１が必要となり、アンテナの小型化・
小径化に制限があった。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、双方
向指向性のプリント基板形で、左右一対のダイポールア
ンテナ（２対の放射素子）を用いるアンテナにおいて、
占有体積のより小さな（小径化が可能な）アンテナを実
現しようとする点にある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、波長に比し薄
い誘電体基板の両面に金属皮膜を被着せしめ、基板の表
面及び裏面において、それぞれの左右にダイポールアン
テナ素子を適宜間隔を隔てて平行に配置し、これら左右
のアンテナ素子に電気長の等しい分岐給電線を接続し、
かつ誘電体基板の表面及び裏面において、アンテナ素子
の分岐給電線からの延長方向を、左側のアンテナ素子の
延長方向と右側のアンテナ素子の延長方向とを互いに逆
向きにすることにより、左右のダイポールアンテナ１，
２を互いに逆位相・等振幅で励振して双方向指向性アン
テナを実現することを特徴とする。

【００１９】

【作 用】薄い誘電体基板に左右一対の電気長の等しい
分岐給電線と、左右一対のダイポールアンテナ１，２と
を形成し、各面において分岐給電線からの左右の放射素
子の延長方向を互いに逆向きに形成すると、表面の左右
の放射素子同士及び裏面の左右の放射素子同士には同位
相・等振幅の給電電流が入力されるが、各面において左
右の放射素子の延長方向を逆向きにしているため、左右
のダイポールアンテナ１，２の給電電流が互いに空間的
に逆位相で流れる。このような構成となっているため、
分岐給電線における位相反転部分（λ／２給電回路１１
ａ−１，１１ｂ−１）を不要にでき、アンテナが簡易・
経済的に形成可能となると共に、さらにアンテナ間隔を
狭める上での制約条件となっていた位相差反転部分のス
ペースも取り除くことが可能となるため、左右のアンテ
ナ間隔を従来よりも小さくでき、従って小径化が実現で
き占有体積を小さくすることができる。以下実施例にも
とづいて説明する。

【００２０】

【実施例】図１は請求項１の発明の実施例を示す図であ
る。図１では従来の図６，図８と対応する部分に同じ符
号を付けて示し、重複説明を省略する。給電線１０がマ
イクロストリップ線路を構成していることも従来例と同
じである。入出力端子４への入力信号は給電線１０を介
して左右の長さの等しい分岐給電線１１，１２で２等分
され、ダイポールアンテナを形成する図の右側の放射素
子１ａ，１ｂ並びに図の左側の放射素子２ａ，２ｂに同
位相・等振幅の給電電流として供給される。表面の左右
の放射素子１ａと２ａ及び裏面の左右の放射素子１ｂと
２ｂは対応する分岐給電線の延長端、つまり給電点に対
して、上下に互いに逆方向に延長される。この結果、表
面の左右の放射素子１ａ，２ａの各々に流れる給電電流
は空間的に互いに逆方向に流れ、同様にして裏面の左右
の放射素子１ｂ，２ｂの各々に流れる給電電流も互いに
逆方向に流れる。この逆方向電流は、従来技術である図
６に示した左右の同形のダイポールアンテナ素子（表裏
各面の左右の放射素子が同方向配置）を互いに逆位相で
給電した状態と同一であり、従って本発明のアンテナは
左右同一の電気長を有する分岐給電線１１ａ，１２ａ等
を介して同位相・等振幅給電する構造を持ちながら、左
右のダイポールアンテナを逆位相・等振幅励振する従来
アンテナ（図７及び図８）と同様に動作する。なお、図
１では放射素子１ａが下方、２ａが上方、また１ｂが上
方、２ｂが下方に延長されているが、それぞれの延長方
向は図１と逆方向でもよい。

【００２１】本発明は、このように逆位相・等振幅励振
されるアンテナとして動作させることができるため、同
じ電気長を有する分岐給電線１１，１２の長さはアンテ
ナ放射素子と給電線（マイクロストリップ線路）１０の
電気的結合の影響（あまり近すぎるとアンテナ効率が低
下する）が無視し得る範囲で短くでき（例えば0.１３λ
程度）、また逆位相給電を実現するための位相器（λ／
２給電回路１１ａ−１，１１ｂ−１）を不要とする優れ
た構造を有している。即ち、左右のダイポールアンテナ
１，２の間隔を狭めてアンテナ全体の小型化を達成（円
筒型レドームに組み込む場合、細径化を達成）すること
が可能となると共に、誘電体基板の両面に形成されたア
ンテナ素子及び給電線のみで位相器を必要とせずに所望
の特性を実現できることから、極めて小型・経済的かつ
簡易な構造のアンテナが実現できる。

【００２２】図２は請求項２の発明の実施例を示す図で
ある。図２でも従来の図６，図８と対応する部分に同じ
符号を付けて示し、重複説明を省略する。しかし上段の
アンテナの符号にダッシュ( ′) を付けてある。この場
合には、共通の誘電体基板に図１に示したアンテナが２
個（一般的には複数個）形成される。その第１のアンテ
ナの給電線１０の延長端に、第２のアンテナの給電線１
０′の基部が接続され、２個（複数個）のアンテナが２
段（多段）に接続される。また各段のアンテナの間隔、
つまり第１段を除く各段の給電線１０の長さＬは放射波
長に誘電体基板の誘電率ε_r の平方根の逆数を乗じた長
さに等しくなるように設定される。その他は図１の場合
と同じである。ここで、誘電体基板９はマイクロストリ
ップ線路１０，１０′が垂直となるように垂直面内に置
かれているとして以下説明する。

【００２３】入出力端子４への入力信号はマイクロスト
リップ線路１０を介してまず左右各一対の分岐給電線１
１と１２に入力電力の４分の１ずつが配分される。入力
電力の残り２分の１はさらにマイクロストリップ線路１
０′を介して分岐給電線１１′と１２′で２等分され
る。このとき、上下のアンテナの間隔Ｌが放射波長に誘
電体基板９の誘電率ε_r の平方根の逆数を乗じた長さに
等しくなるように配置されているため、下段の分岐給電
線１１，１２に分岐された給電電流と上段の分岐給電線
１１′，１２′に分岐された給電電流とは同位相とな
る。従って、ダイポールアンテナ１と２及び１′と２′
は、それぞれ図１の場合と同様に逆位相・等振幅給電し
た状態となる。従って本発明のアンテナは同一の電気長
を有する分岐給電線１１，１２，１１′，１２′を介し
て同位相・等振幅励振する構造をもちながら、逆位相・
等振幅励振された図７及び図８の従来アンテナと同様に
動作するため、図のｘｙ平面上で、±ｘ軸方向（左右方
向）に最大指向性利得をもつ８の字形指向性アンテナと
して動作する。

【００２４】図２の実施例におけるｘｙ平面内放射指向
性の測定結果を図３に示す。図３において、ｘ軸方向は
誘電体基板上にある平行２対のダイポールアンテナを含
む面に一致しており、ｙ軸は誘電体基板に直交する方向
に対応している。このアンテナは±ｘ軸方向に指向性の
ピークを有し、図８に示した従来技術の場合と同様、双
方向指向性が得られていることがわかる。

【００２５】

【発明の効果】本発明になる双方向指向性プリント基板
アンテナでは、誘電体基板の両面に金属皮膜を被着させ
て形成する左右一対のダイポールアンテナを逆位相・等
振幅励振して双方向指向性を得るアンテナにおいて、誘
電体基板の表面の左右の放射素子及び裏面の左右の放射
素子を一方が上方なら他方を下方と言うように互いに逆
方向に延長したことにより、同位相・等振幅給電する分
岐給電線を用いて逆位相・等振幅励振できる構造を得て
いる。このために逆位相給電用の位相器を特段必要とせ
ず、給電回路を簡単化し、かつ誘電体基板１枚の表裏に
アンテナ放射素子及び給電線の回路パターンをプリント
したものと入出力端子のみで構成できるため部品点数を
大幅に減らすことができる。

【００２６】また左右のアンテナ素子間隔を狭めるため
に特段の制約を受けない構成を実現したため占有体積を
減らすことができる。従って、本発明によれば従来のア
ンテナに比べ、簡易、経済的かつ小型な双方向指向性の
アンテナを実現でき、さらに様々な設置環境条件に対し
てアンテナをより柔軟に設置することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明の実施例を示す斜視図。

【図２】請求項２の発明の実施例を示す斜視図。

【図３】図２の実施例の放射特性を示す図。

【図４】従来の双方向指向性アンテナの一例を示す斜視
図。

【図５】図４のアンテナを用いて、細長い一区間の道
路、廊下または地下街等に無線ゾーンを構成した場合の
アンテナの設置方法を示す平面図。

【図６】従来の双方向指向性プリント基板アンテナの一
例を示す斜視図。

【図７】従来の双方向指向性アンテナの他の例を示す斜
視図。

【図８】従来の双方向指向性プリント基板アンテナの他
の例を示す斜視図。

【符号の説明】

１，２ 半波長ダイポールアンテナ １ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ ダイポールアンテナの放射
素子 ３ 同位相合成器 ３′ 逆位相合成器 ４ 入出力端子 ６ 建物の壁 ７ 放射パターン ９ 誘電体基板 １０（１０ａ，１０ｂ） 給電線（マイクロストリッ
プ線路） １１（１１ａ，１１ｂ），１２（１２ａ，１２ｂ）
分岐給電線 １３，１４ 整合回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 9/20 H01Q 1/38

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の帯状の給電線（１０ａ，１０ｂ）
   が、垂直に配された誘電体基板の表面及び裏面にそれぞ
   れ対向して下から上方に延長形成され、 それら両面の給電線（１０ａ，１０ｂ）の延長端より表
   面から見て右及び左方向に、左右が同じ長さの分岐給電
   線（表面の１１ａと１２ａ及び裏面の１１ｂと１２ｂ）
   が基板の両面にそれぞれ対向して延長され、 基板の表面より見て右方向に分岐された表面及び裏面の
   分岐給電線（１１ａ，１１ｂ）の各延長端より下（また
   は上）方向及び上（または下）方向に、帯状の一対の半
   波長ダイポールアンテナ素子（１ａ及び１ｂ）がそれぞ
   れ導出され、 基板の表面より見て左方向に分岐された表面及び裏面の
   分岐給電線（１２ａ，１２ｂ）の各延長端より上（また
   は下）方向及び下（または上）方向に、帯状の一対の半
   波長ダイポールアンテナ素子（２ａ及び２ｂ）がそれぞ
   れ導出されていることを特徴とする、 双方向指向性プリント基板アンテナ。
2. 【請求項２】 共通の誘電体基板に請求項１記載のアン
   テナが複数個形成され、 その第１のアンテナの給電線（１０ａ，１０ｂ）の延長
   端に、第２のアンテナの給電線（１０ａ′，１０ｂ′）
   の基部が接続され、以下同様にして複数のアンテナが多
   段に接続され、 第１のアンテナを除く各アンテナの前記給電線の長さ
   は、放射波長に誘電体基板の誘電体ε_r の平方根の逆数
   を乗じた長さに設定されていることを特徴とする、 双方向指向性プリント基板アンテナ。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記両面の
   対向する一対の給電線（１０；１０ａ，１０ｂ）により
   マイクロストリップ線路が形成されていることを特徴と
   する双方向指向性プリント基板アンテナ。
4. 【請求項４】 請求項１または２において、前記両面の
   給電線（１０；１０ａ，１０ｂ）の延長端に帯状の整合
   回路（１３）が形成されていることを特徴とする双方向
   指向性プリント基板アンテナ。