JP4066963B2 - 偏波共用アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナの最低共振周波数を低減し、小形に構成可能な偏波共用アンテナ装置の実現に関する。

図７は、従来の技術による偏波共用アンテナ装置の例を示す図であり、（A）は斜視図であり、(B)は断面図である。

図７において、１は第１の円板状導体、２は円錐状導体、３は第１の同軸線路の外導体、４は第１の同軸線路の内導体、６はスロット、７は第２の同軸線路の外導体、８は第２の同軸線路の内導体、９は第２の円筒状導体、１２は誘電体材料である。

図７によると、円錐状導体１は、第１の円板状導体１の下に近接して配置されている。第１の同軸線路の内導体４は、第１の円板状導体１に電気的に接続され、第１の同軸線路の外導体３は、円錐状導体２の頂点部において円錐状導体２に電気的に接続されている。また、第２の円筒状導体９は、円錐状導体２の下段に同心かつ近接して配置されており、電気的には切断された状態となっている。第２の円筒状導体９と円錐状導体２は、発砲スチロールや誘電体材料等からなるスペーサによって空間的に距離を設ける等の方法で電気的に切断することが可能である。

第２の円筒状導体９の円筒面には、スロット６が円筒の軸方向に設けられている。第２の同軸線路の外導体７が、スロット６の一辺の近傍で円筒に電気的に接続され、第２の同軸線路の内導体８が、スロット６を横切って、前記一辺と向かいあう辺の近傍で円筒に電気的に接続された形式でスロット６に給電をしている。

従来の技術による偏波共用アンテナ装置は、上段に第１の円板状導体１及び円錐状導体２等から構成され、主偏波を垂直偏波とするディスコーンアンテナを配置し、下段に軸方向にスロット６を有する第２の円筒状導体９により構成され、主偏波を水平偏波とする円筒スロットアンテナを配置し構成している。これにより垂直及び水平の両偏波を送受信可能なアンテナを一つの棒状で実現している。

主偏波を垂直偏波とするディスコーンアンテナの最低共振周波数は、主に円錐状導体２の稜線の長さ（図７のＨ）で決定され、該稜線の長さは、使用周波数の波長の約0.7倍に設定する必要がある（例えば、非特許文献１参照。）。このため、最低共振周波数を低くするためには円錐状導体２の稜線を長くする必要がある。しかし、稜線を長くすることは、円錐状導体２の水平面内（図７においてはＸ−Ｙ平面）の断面積が大きくなり、ディスコーンアンテナを細い棒状で、かつ、下段の円筒スロットアンテナの円筒直径と同じ直径で小形に実現することは困難であった。

図８は、従来の技術による偏波共用アンテナで、上段にあるディスコーンアンテナの円錐状導体開口部の直径を、下段の円筒スロットアンテナの円筒直径と同じとした場合の共振特性を示す図である。

図８の測定において、第１の円板状導体１の直径は約10mm、円錐状導体２の稜線の長さは（図７のＨ）約13mm、第２の円筒状導体９の直径は約10mm、スロット長は約25mm、スロット幅は約0.2mmとしている。また、誘電体は、幅約4mm、厚さ約1.6mm、長さ約30mm、比誘電率2.6を用いている。

図８に示すとおり、下段の円筒スロットアンテナは5.2GHzを中心とした帯域で共振しているが、上段のディスコーンアンテナは、5.2GHzを中心とした帯域では共振していない。ディスコーンアンテナを、円筒スロットアンテナと同じ5.2GHzを中心とした帯域で共振させるためには、既に述べたように、円錐状導体２の稜線を図８での測定に使用した約13mmより長くする必要がある。

その結果、円錐状導体２の開口部の直径は、円筒状導体９の開口部の直径より大きくなってしまうこととなる。即ち、偏波共用アンテナ装置の大きさが、ディスコーンアンテナにより太くなってしまうという問題があった。

ディスコーンアンテナの小形化に関しては、円板状導体１及び円錐状導体２に切込みを設けることによりアンテナの小形化を図る技術が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平０９−８３２３８号公報 W.L. Stutzman, "Antenna Theory and Design", John Wiley&Sons, 1981年, p.274-278

以上説明したように、従来の偏波共用アンテナ装置においては、主偏波を垂直偏波とするディスコーンアンテナは、最低共振周波数が円錐状導体２の稜線の長さで決定されていたため、ディスコーンアンテナを細い棒状で、かつ、下段の円筒スロットアンテナの円筒直径と同じ直径で設定し、偏波共用アンテナ装置を細い棒状で小形に実現することが困難である欠点があった。

従って、本発明は、ディスコーンアンテナの小形化により、円筒スロットアンテナと同程度の直径の偏波共用アンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、第１の円板状導体と、円錐状導体と、第１の同軸線路と、第２の同軸線路と、第１の円筒状導体と、第２の円筒状導体とを具備し、該第１の円筒状導体は、該円錐状導体の開口部で、該円錐状導体と電気的に接続され、前記第１の同軸線路の外導体は、前記円錐状導体の頂点部で、前記円錐状導体と電気的に接続され、前記第１の同軸線路の内導体は、前記第１の円板状導体と電気的に接続され、前記第２の円筒状導体は、円筒面にスロットを具備し、前記第１の円筒状導体の下段に配置され、前記第２の同軸線路は、前記第２の円筒状導体の円筒面に具備した、前記スロットを給電していることを特徴とする偏波共用アンテナ装置である。

即ち、本発明の偏波共用アンテナ装置は、偏波共用アンテナ装置において主偏波を垂直偏波とするディスコーンアンテナの小形化に関して、ディスコーンアンテナの円錐状導体の円錐開口部に円筒状導体を電気的に接続した構成を採ることにより、ディスコーンアンテナを下段の円筒スロットアンテナの円筒直径と同じ直径に小形化したことを特徴としている。

また、従来検討されてきた、ディスコーンアンテナの円板状導体及び円錐状導体に切込みを設ける方法とは異なる方法によりディスコーンアンテナの小形化を図ったものである。

本発明の偏波共用アンテナ装置における他の実施形態によれば、
第１の円板状導体と、円錐状導体と、第１の同軸線路と、第２の同軸線路と、円筒状導とを具備し、該円筒状導体は、円筒面にスロットを具備し、該円錐状導体の開口部で、該円錐状導体と電気的に接続され、前記第１の同軸線路の外導体は、前記円錐状導体の頂点部で、前記円錐状導体と電気的に接続され、前記第１の同軸線路の内導体は、前記第１の円板状導体と電気的に接続され、前記第２の同軸線路は、前記円筒状導体の円筒面に具備した、前記スロットを給電していることを特徴とする偏波共用アンテナ装置である。

また、本発明の偏波共用アンテナ装置における他の実施形態によれば、
第１の円板状導体と、第２の円板状導体と、円錐状導体と、第１の同軸線路と、第２の同軸線路と、第１の円筒状導体と、第２の円筒状導体とを具備し、該第１の円筒状導体は、該円錐状導体の開口部で、該円錐状導体と電気的に接続され、前記第１の同軸線路の外導体は、前記円錐状導体の頂点部で、前記円錐状導体と電気的に接続され、前記第１の同軸線路の内導体は、前記第１の円板状導体と電気的に接続され、前記第２の円筒状導体は、円筒面にスロットを具備し、前記第１の円筒状導体の下段に配置され、前記第２の同軸線路は、前記第２の円筒状導体の円筒面に具備した前記スロットを給電し、前記第２の円板状導体は、前記第２の円筒状導体の少なくとも一方の開口部において、前記第２の円筒状導体と電気的に接続され、前記第１の同軸線路の外導体は、前記第２の円板状導体に電気的に接続していることを特徴とする偏波共用アンテナ装置である。

本発明の偏波共用アンテナ装置によれば、主偏波を垂直偏波とするディスコーンアンテナを、下段の円筒スロットアンテナの円筒の直径と同じ直径で実現できるので、偏波共用アンテナ装置を従来の偏波共用アンテナ装置に比べて、細い棒状で小形に実現することができる。

（第一実施形態） 図１は、本発明の第一実施形態に係わる偏波共用アンテナ装置の構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。尚、円板状導体、円錐状導体及び円筒状導体とは、導体により円板状、円錐状及び円筒状に構成されたもののみならず、絶縁体等で構成したものの表面を導体で覆ったものも含むものとする。

図１において、１は第１の円板状導体、２は円錐状導体、３は第１の同軸線路の外導体、４は第１の同軸線路の内導体、５は第１の円筒状導体、６はスロット、７は第２の同軸線路の外導体、８は第２の同軸線路の内導体、９は第２の円筒状導体、１２は誘電体材料である。

図１によると、円錐状導体１は、第１の円板状導体１の下に近接して配置されている。第１の同軸線路の内導体４は、第１の円板状導体１に電気的に接続され、第１の同軸線路の外導体３は、円錐状導体２の頂点部において円錐状導体２に電気的に接続されている。第１の円筒状導体５は、円錐状導体２の開口部で、円錐状導体２と同心に配置され、かつ、電気的に接続している。また、第２の円筒状導体９は、第１の円筒状導体５の下段に同心かつ近接して配置されており、電気的には切断された状態となっている。第２の円筒状導体９と第１の円筒状導体５は、発泡スチロールや誘電体材料等からなるスペーサによって空間的に距離を設ける等の方法で電気的に切断することが可能である。

本発明の第１の実施形態による偏波共用アンテナ装置は、上段に第１の円板状導体１、円錐状導体２及び第１の円筒状導体５から構成され、主偏波を垂直偏波とするディスコーンアンテナを配置し、下段に軸方向にスロット６を有する第２の円筒状導体９により構成され、主偏波を水平偏波とする円筒スロットアンテナを配置し構成している。これにより垂直及び水平の両偏波を送受信可能なアンテナを一つの棒状で実現している。

図２は、偏波共用アンテナ装置のディスコーンアンテナの共振特性を示す図である。図２において、実線は本発明によるディスコーンアンテナの共振特性を、破線は第１の円筒状導体５を具備しない、従来の技術によるディスコーンアンテナの共振特性を示している。

図２の測定において、第１の円板状導体１の直径は約10mm、円錐状導体２の稜線の長さは約13mm、第１の円筒状導体５の長さは約6mm、直径は10mm、第２の円筒状導体９の直径は約10mm、スロット長は約25mm、スロット幅は約0.2mmとしている。また、誘電体は、幅約4mm、厚さ約1.6mm、長さ約30mm、比誘電率2.6を用いている。尚、上記円筒スロットアンテナの共振特性は図８に示されており、約5.2GHzを中心とした帯域で共振する。

図２によれば、第１の円筒状導体５を具備したことにより、最低共振周波数が低下し、円筒スロットアンテナの共振周波数である5.2GHzを中心とした帯域でも共振していることがわかる。また、第１の円筒状導体５を円錐状導体２に電気的に接続することにより、ディスコーンアンテナを下段の円筒スロットアンテナの円筒直径と同じ直径にしているので、従来のディスコーンアンテナに比べて、円錐状導体２の水平面内（図１においてX-Y平面内）の断面積が小さくなり、ディスコーンアンテナを細い棒状で小形に実現することができる。

更に、ディスコーンアンテナを給電している同軸線路が長い場合には、同軸線路の外導体上に誘起される電流により、垂直面内の放射パターンが乱れ、複数のローブが形成され、水平面内利得が劣化する問題があるが、本実施形態のように円筒スロットアンテナの円筒状導体の内部を通過させることにより、円筒による遮蔽効果があるため、不要放射を抑圧することができるという利点もある。

図３は、本発明の第一実施形態に係わる偏波共用アンテナ装置の、ディスコーンアンテナの水平面内（図１においてはＸ−Ｙ面内）における放射特性である。図３の実線は垂直偏波の放射特性であり、点線は水平偏波の放射特性である。主偏波である垂直偏波については、無指向性の良好な放射特性が実現されている。

以上説明したように、本発明の第一実施形態の偏波共用アンテナ装置によれば、主偏波を垂直偏波とするディスコーンアンテナの円錐状導体２の円錐開口部に第１の円筒状導体５を電気的に接続した構成を採ることにより、ディスコーンアンテナを下段の円筒スロットアンテナの円筒直径と同じ直径で実現できるので、偏波共用アンテナ装置を従来の技術による偏波共用アンテナ装置に比べて、細い棒状で小形に実現することができる。

（第二実施形態） 図４は、本発明の第二実施形態に係わる偏波共用アンテナ装置の構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。

図４において、１は第１の円板状導体、２は円錐状導体、３は第１の同軸線路の外導体、４は第１の同軸線路の内導体、５は第１の円筒状導体、６はスロット、７は第２の同軸線路の外導体、８は第２の同軸線路の内導体である。

図４によると、円錐状導体１は、第１の円板状導体１の下に近接して配置されている。第１の同軸線路の内導体４は、第１の円板状導体１に電気的に接続され、第１の同軸線路の外導体３は、円錐状導体２の頂点部において円錐状導体２に電気的に接続されている。第１の円筒状導体５は、円錐状導体２の開口部で、円錐状導体２と同心に配置され、かつ、電気的に接続している。

第１の円筒状導体５の円筒面には、スロット６が設けられている。第２の同軸線路の外導体７が、スロット６の一辺の近傍で電気的に接続され、第２の同軸線路の内導体８が、スロット６を横切って、前記一辺と向かいあう辺の近傍で電気的に接続された形式でスロット６に給電をしている。

本発明の第二実施形態に係わる偏波共用アンテナ装置は、主偏波を水平偏波とする円筒スロットアンテナを、第１の円筒状導体５の円筒面に配置した構成としている。

主偏波と垂直偏波とするディスコーンアンテナと、主偏波を水平偏波とする円筒スロットアンテナを一つの棒状で一体化し構成しているので、垂直及び水平の両偏波を送受信可能なアンテナを小形に構成できる。

本発明の第二実施形態による偏波共用アンテナ装置によれば、前記第一の実施形態の偏波共用アンテナ装置と同様な効果がえられる。即ち、主偏波を垂直偏波とするディスコーンアンテナの円錐状導体２の円錐開口部に第１の円筒状導体５を電気的に接続した構成を採ることにより、ディスコーンアンテナを下段の円筒スロットアンテナの円筒直径と同じ直径で実現できるので、偏波共用アンテナ装置を従来の偏波共用アンテナ装置に比べて、細い棒状で小形に実現することができる。

（第三実施形態） 図５は、本発明の第三実施形態に係わる偏波共用アンテナ装置の構成図である。

図５において、１０は板状導体である。

図５によると、板状導体１０の上に、本発明による偏波共用アンテナ装置を設置した構成を採ることにより無線LANカード用の偏波共用アンテナ装置として適用した場合の形態である。

図５において、第２の円筒状導体９は必ずしも電気的に板状導体１０に接続されている必要はない。しかし、電気的に接続した場合は、第２の円筒状導体９のシールド効果により、第１の同軸線路の外導体３からの不要放射を効果的に抑圧できる利点がある。また、第１の同軸線路の外導体３及び第２の同軸線路の外導体７についても、電気的に板状導体１０に接続されている必要はない。

本実施形態は、主偏波を垂直偏波とするディスコーンアンテナと、主偏波を水平偏波とする円筒スロットアンテナを一体化して構成しているので、無線LANカードで用いられる偏波共用アンテナを一つの棒状でコンパクトに構成できる。

（第四実施形態） 図６は、本発明の第四実施形態に係わる偏波共用アンテナ装置の構成図である。

図６において、１１は第２の円板状導体である。

図６の（Ａ）によると、第２の円板状導体１１は、第２の円筒状導体９の上面の開口部を覆い、第２の円筒状導体９と電気的に接続している。また、第１の同軸線路の外導体３も、第２の円板状導体１１に電気的に接続されている。その他は第一の実施形態と同じである。

図６の（Ｂ）によると、第２の円板状導体１１は、第２の円筒状導体９の下面の開口部を覆い、第２の円筒状導体９と電気的に接続している。また、第１の同軸線路の外導体３も、第２の円板状導体１１に電気的に接続されている。その他は第一の実施形態と同じである。

図６の（Ａ）及び（Ｂ）の構成では、第２の円板状導体１１と第２の円筒状導体９が電気的に結合し、ディスコーンアンテナから見た場合、第２の円筒状導体９が等価的に円筒状の筐体と見なせ電気的に安定となる。

更に、図６の（Ｂ）の構成において、ディスコーンアンテナを給電している同軸線路が長い場合には、同軸線路の外導体上に誘起される電流により、垂直面内の放射パターンが乱れ、複数のローブが形成され、水平面内利得が劣化する問題があるが、本実施形態のように円筒スロットアンテナの円筒状導体の内部を通過させることにより、円筒による遮蔽効果があるため、不要放射を抑圧することができるという利点もある。

本発明の第一実施形態に係わる偏波共用アンテナ装置の構成図である。 偏波共用アンテナ装置のディスコーンアンテナの共振特性を示す図である。 本発明の第一実施形態に係わる偏波共用アンテナ装置の、ディスコーンアンテナの水平面内における放射特性図である。 本発明の第二実施形態に係わる偏波共用アンテナ装置の構成図である。 本発明の第三実施形態に係わる偏波共用アンテナ装置の構成図である。 本発明の第四実施形態に係わる偏波共用アンテナ装置の構成図である。 従来の技術による偏波共用アンテナ装置の例を示す図である。 従来の技術による偏波共用アンテナで、上段のディスコーンアンテナを下段の円筒スロットアンテナと同じ円筒直径とした場合の共振特性を示す図である。

符号の説明

１ 第１の円板状導体
２ 円錐状導体
３ 第１の同軸線路の外導体
４ 第１の同軸線路の内導体
５ 第１の円筒状導体
６ スロット
７ 第２の同軸線路の外導体
８ 第２の同軸線路の内導体
９ 第２の円筒状導体
１０ 板状導体
１１ 第２の円板状導体
１２ 誘電体材料
Ｈ 円錐状導体の稜線の長さ

Claims (3)

1. 第１の円板状導体と、円錐状導体と、第１の同軸線路と、第２の同軸線路と、第１の円筒状導体と、第２の円筒状導体とを具備し、
   該第１の円筒状導体は、該円錐状導体の開口部で、該円錐状導体と電気的に接続され、
   前記第１の同軸線路の外導体は、前記円錐状導体の頂点部で、前記円錐状導体と電気的に接続され、
   前記第１の同軸線路の内導体は、前記第１の円板状導体と電気的に接続され、
   前記第２の円筒状導体は、円筒面にスロットを具備し、前記第１の円筒状導体の下段に配置され、
   前記第２の同軸線路は、前記第２の円筒状導体の円筒面に具備した、前記スロットを給電していることを特徴とする偏波共用アンテナ装置。
2. 第１の円板状導体と、円錐状導体と、第１の同軸線路と、第２の同軸線路と、円筒状導とを具備し、
   該円筒状導体は、円筒面にスロットを具備し、該円錐状導体の開口部で、該円錐状導体と電気的に接続され、
   前記第１の同軸線路の外導体は、前記円錐状導体の頂点部で、前記円錐状導体と電気的に接続され、
   前記第１の同軸線路の内導体は、前記第１の円板状導体と電気的に接続され、
   前記第２の同軸線路は、前記円筒状導体の円筒面に具備した、前記スロットを給電していることを特徴とする偏波共用アンテナ装置。
3. 第１の円板状導体と、第２の円板状導体と、円錐状導体と、第１の同軸線路と、第２の同軸線路と、第１の円筒状導体と、第２の円筒状導体とを具備し、
   該第１の円筒状導体は、該円錐状導体の開口部で、該円錐状導体と電気的に接続され、
   前記第１の同軸線路の外導体は、前記円錐状導体の頂点部で、前記円錐状導体と電気的に接続され、
   前記第１の同軸線路の内導体は、前記第１の円板状導体と電気的に接続され、
   前記第２の円筒状導体は、円筒面にスロットを具備し、前記第１の円筒状導体の下段に配置され、
   前記第２の同軸線路は、前記第２の円筒状導体の円筒面に具備した、前記スロットを給電し、
   前記第２の円板状導体は、前記第２の円筒状導体の少なくとも一方の開口部において、
   前記第２の円筒状導体と電気的に接続され、
   前記第１の同軸線路の外導体は、前記第２の円板状導体に電気的に接続していることを特徴とする偏波共用アンテナ装置。

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