JP4155359B2

JP4155359B2 - 無指向性アンテナ

Info

Publication number: JP4155359B2
Application number: JP2004123664A
Authority: JP
Inventors: 幸男中田; 賢明土澤
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd
Current assignee: DKK Co Ltd
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: JP2005311551A

Description

本発明は、無指向性アンテナに関し、さらに詳しくは、例えば自動車携帯電話等で使用される陸上移動通信用の簡易基地局に用いられる無指向性アンテナに関する。

自動車携帯電話の簡易基地局や、簡易形携帯電話（ＰＨＳ）の基地局では、サービスエリアを扇形のエリアに分割することなく、円形のエリアを構成することが多く、基地局周辺に均一に電波を送信するために、水平面内指向性が無指向性であるアンテナが用いられることが多い。このような基地局では、従来、無指向性アンテナとして、長さが約０.５波長（使用中心周波数の波長に対して約半波長）の放射素子４０及び給電線路４１を、誘電体基板４２上に銅箔を接着することにより形成して、誘電体基板４２の表面４２ａ上の放射素子４０とその裏面４２ｂ上の放射素子４０とを交互に配置して成るコリニアアンテナ４３（図９参照）や、円筒状金属体で構成した半波長ダイポールアンテナ５０を支持柱５１を用いて垂直方向に沿って間隔を隔てて多段に並べて成るアンテナ５２（図１０参照）が使用されている。

しかし、コリニアアンテナ４３は、使用できる周波数帯域が狭いという欠点がある。例えば、図９に示すように誘電体基板４２上に形成したコリニアアンテナ４３にあっては、電圧定在波比が１.５以下となる帯域を使用できる周波数帯域とした場合、その範囲は使用中心周波数の約２％程度である。自動車携帯電話の基地局では、送信と受信の周波数帯域が離れており、送受信帯域ともに使用できるようにするためは、アンテナの使用周波数帯域を広くする必要がある。例えば２ＧＨｚ帯において供用されているＩＭＴ−２０００システム用の全周波数帯域をカバーするためには、使用中心周波数の約１２％の帯域が必要である。このため、図９に示すコリニアアンテナ４３の場合には、１本では全周波数帯域をカバーできず、送信帯域用及び受信帯域のアンテナをそれぞれ別個に設置する必要がある。

また、図１０に示す如く円筒状金属体で放射素子を構成した半波長ダイポールアンテナ５０を垂直に並べたアンテナ５２にあっては、広い使用周波数帯域を確保するためには、半波長ダイポールアンテナ５０の外径を大きくする（太くする）必要がある。そのため、例えば使用中心周波数の１２％程度の使用周波数帯域が必要な場合には、アンテナ５２の外径が使用中心周波数の約０.３波長程度にまで大きくなり、設置時の風圧荷重が大きくなるという不具合がある。また、円筒状金属体である放射素子（半波長ダイポールアンテナ５０）を機械的に支持するためには、その中央に金属棒等でできた支持柱５１を通し、この支持柱５１に絶縁体を介して固定する必要があり、さらに半波長ダイポールアンテナ５０の給電線路として例えば同軸ケーブル等を各放射素子に取り付ける必要があるため、構造が複雑になると共に組立工数が多くなるという不具合がある。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、細径（外径が小さい）で、使用できる周波数帯域が広く、しかも、風圧荷重が小さく、組立工数が少なくて済むような簡素な構造の無指向性アンテナを提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明では、使用中心周波数の０．１８波長の幅の狭い誘電体基板の、幅方向の一方側の縁部における前記誘電体基板の表面及び裏面上に、半波長ダイポールアンテナを形成すると共に、前記半波長ダイポールアンテナに電力を供給する給電回路としてのマイクロストリップライン及び平行２線線路を前記誘電体基板上に形成して、前記マイクロストリッブラインのアース面を、前記半波長ダイポールアンテナを形成した一端部とは反対側に前記誘電体基板の幅の半分である０．０９波長の幅を占め、かつ、前記誘電体基板の幅方向に直交する垂直方向に沿って延びるように配設し、さらに、前記誘電体基板の幅方向の中心位置付近から、前記誘電体基板の表面及び裏面に対してそれぞれ直交する方向に、０．０７波長だけ離れた箇所に、その長さが０．３５波長である無給電素子を、前記半波長ダイポールアンテナの電気的中心と前記無給電素子の電気的中心とが同じ高さになるように配置している。

請求項１に記載の本発明は、使用中心周波数の０．１８波長の幅の狭い誘電体基板の、幅方向の一方側の縁部における誘電体基板の表面及び裏面上に、半波長ダイポールアンテナを形成すると共に、半波長ダイポールアンテナに電力を供給する給電回路としてのマイクロストリップライン及び平行２線線路を誘電体基板上に形成して、マイクロストリッブラインのアース面を、半波長ダイポールアンテナを形成した一端部とは反対側に誘電体基板の幅の半分である０．０９波長の幅を占め、かつ、誘電体基板の幅方向に直交する垂直方向に沿って延びるように配設し、さらに、誘電体基板の幅方向の中心位置付近から、誘電体基板の表面及び裏面に対してそれぞれ直交する方向に、０．０７波長だけ離れた箇所に、その長さが０．３５波長である無給電素子を、半波長ダイポールアンテナの電気的中心と無給電素子の電気的中心とが同じ高さになるように配置したものであるから、本発明によれば、無給電素子を備えたことにより無指向性を得ることができる。すなわち、半波長ダイポールアンテナから放射された電波は無給電素子に導波されることとなるため、マイクロストリップラインのアース面の方向への電波放射レベルが低下することを防ぐことができ、水平面内無指向性アンテナとして動作させることができる。また、本発明によれば、幅狭の誘電体基板上に半波長ダイポールアンテナを設けると共にマイクロストリップライン及び平行２線線路から成る給電回路を介して給電するようにしているので、従来よりも細径で、しかも使用可能な周波数帯域の広い無指向性アンテナを提供することができる。かくして、無指向性アンテナの外径を細くすることが可能であるため、本発明の無指向性アンテナが受ける風圧荷重を小さくすることができ、この無指向性アンテナを設置する鉄塔や鉄柱等の構造物に対しての負担を小さくすることができる。また、使用可能な周波数帯域を広くすることが可能なので、本発明の無指向性アンテナを１本用いるだけで、送信及び受信両帯域ともカバーすることができ、ひいては無線局に設置されるアンテナ本数を減らすことができる。さらに、本発明の無指向性アンテナは、半波長ダイポールアンテナや給電回路（マイクロストリップライン及び平行２線線路）を全て誘電体基板に形成するようにしているので、その構造が単純であり、組立に必要な作業工数を少なくすることができる。

以下、本発明の実施形態について図１〜図８を参照して説明する。なお、以下においては、自動車携帯電話等の陸上移動通信用の無指向性アンテナを例にとって説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る無指向性アンテナ１を示している。本例の無指向性アンテナ１は、横幅（Ｗ）が約０.１８波長で、厚さ（Ｔ）が約０.００７波長である薄型の矩形基板であって、比誘電率が約３.１の誘電体から成る誘電体基板２を備えている。この誘電体基板２の表面２ａ及び裏面２ｂには銅箔が接着されており、その銅箔を写真エッチング法等にて処理することにより誘電体基板２上に、以下に述べるような放射素子としての半波長ダイポールアンテナ３、並びに、マイクロストリップライン及び平行２線線路から構成された給電回路４が形成されている。

半波長ダイポールアンテナ３は、全長（Ｌ）が約０.４波長であり、幅（Ｄ）が約０.０２波長であって、誘電体基板２の表面２ａ及び裏面２ｂにそれぞれ長さが約０.２波長ずつ形成されている。さらに具体的に述べると、半波長ダイポールアンテナ３は、長さがそれぞれ約０.２波長の一対の半波長ダイポールアンテナ素子３ａ，３ｂから成り、一方の半波長ダイポールアンテナ素子３ａが誘電体基板２の幅方向の一端部にほぼ接するよう
ように誘電体基板２の表面２ａの一端縁において上下方向に沿って配置されると共に、他方の半波長ダイポールアンテナ素子３ｂが誘電体基板２の幅方向の一端部にほぼ接するよう誘電体基板２の裏面２ｂの一端縁において上下方向に沿って配置されている。そして、半波長ダイポールアンテナ素子３ａの上端部と半波長ダイポールアンテナ素子３ｂの下端部とは、互いに対向する位置に配置され、その対向位置が半波長ダイポールアンテナ２の電気的中心点（Ｐ）となっている。

また、半波長ダイポールアンテナ３を構成する半波長ダイポールアンテナ素子３ａ，３ｂは、誘電体基板２の表面２ａ及び裏面２ｂに形成された平行２線線路５ａ，５ｂにそれぞれ接続されており、この平行２線線路５ａ，５ｂは誘電体基板２の横幅（Ｗ）の中心付近においてマイクロストリップライン６に接続されている。そして、このマイクロストリップライン６は、無指向性アンテナ１の入出力端子となるコネクタ７に接続されている。なお、図１においては、誘電体基板２の裏面２ｂ側の平行２線線路５ｂについての破線による図示は省略されている。

一方、上述の誘電体基板２の裏面２ｂには、半波長ダイポールアンテナ３を配設した側の一端縁とは反対側の半分部分に、マイクロストリップライン６のアース面８が形成されている。このアース面８は、その横幅（Ｅ）が約０.０９波長であり、半波長ダイポールアンテナ３の上下両端部（放射素子の両端部）３ｃ，３ｄからさらに上方及び下方に延びるように形成されている。

さらに、本例の無指向性アンテナ１には、一対の無給電素子（非励振素子）９ａ，９ｂが備えられている。これらの無給電素子９ａ，９ｂは、全長（Ｈ）が約０.３５波長で、幅（Ｋ）が約０.０３波長の金属板にて構成された素子であり、誘電体基板２の横幅（Ｗ）の中心位置付近から、誘電体基板２の表面２ａ及び裏面２ｂに対してそれぞれ直交する方向に約０.０７波長だけ離れた箇所において、半波長ダイポールアンテナ３の電気的中心点（Ｐ）と、無給電素子９ａ，９ｂの電気的中心点（Ｍ，Ｎ）の高さが同じ高さ位置になるように、誘電体基板２の表面側及び裏面側にそれぞれ１枚ずつ配置されている。なお、これらの無給電素子９ａ，９ｂは、プラスチック等の絶縁体（図１においては、図示せず）によって誘電体基板２に固定されている。

従って、本例の無指向アンテナ１にあっては、幅が使用中心周波数の約０.１８波長程度の狭い誘電体基板２の表面２ａ及び裏面２ｂ上に、放射素子としての半波長ダイポールアンテナ素子３ａ，３ｂが誘電体基板２の幅方向における一方側の端部に近い場所に形成され、給電回路４としてマイクロストリップライン及び平行２線線路が用いられ、誘電体基板２の横幅（Ｗ）の他端部すなわち半波長ダイポールアンテナ３を形成した一端部とは反対側の基板半分の片方の面がマイクロストリップライン６のアース面８となされ、さらに、誘電体基板２の横幅（Ｗ）の中心から、誘電体基板２の表裏両面２ａ，２ｂから鉛直方向に約０.０７波長離れた箇所に、無給電素子９ａ，９ｂが、半波長ダイポールアンテナ３の電気的中心点（Ｐ）と無給電素子９ａ，９ｂの電気的中心点（Ｍ，Ｎ）の高さが同じになるように設置されている。

本例の無指向性アンテナ１を屋外で使用する場合には、風雨からの保護や風圧荷重低減のため、ガラス強化プラスチック等で製作したカバーに収容するのが望ましいが、図１の構造では、内径が約０.１８５波長で、外径が約０.２波長の円筒状カバーに収容することが可能であり、このように設計することによって、アンテナ外径が細く、アンテナ設置時の風圧荷重が小さいアンテナ構造体にすることができる。

本例の無指向性アンテナ１の動作原理は、以下の通りである。すなわち、放射素子である半波長ダイポールアンテナ３からは、水平面内無指向性の電波が放射されるが、その近傍にあるマイクロストリップライン６のアース面８が、半波長ダイポールアンテナ３の反射板として作用するため、マイクロストリップライン６のアース面８が存在する方向への電波の放射が弱くなり、水平面内無指向性ではなくなる。しかし、本例の無指向アンテナ１にあっては、無給電素子９ａ，９ｂを所定位置に配置するようにしているため、この無給電素子９ａ，９ｂに電波が導波され、これにより、マイクロストリップライン６のアース面８の方向への電波放射レベルが低下するのが防止されるため、水平面内無指向性アンテナとして動作することとなる。

図２は、無指向性アンテナ１の水平面内指向性を示すグラフであり、図３は、この無指向性アンテナ１の垂直面内指向性を示すグラフである。なお、図２及び図３に示す指向特性の測定に際しての測定周波数は、共に、２.１３ＧＨｚである。図２を参照すると、無指向性アンテナ１の水平面内指向性は、レベルの偏差が小さい無指向性となっていることが分かる。そして、図３を参照すると、無指向性アンテナ１の垂直面内指向性は、ほぼ「８の字」指向性となっていることが分かる。

図４は、無指向性アンテナ１の電圧定在波比特性を示すグラフである。図４から分かるように、広い周波数範囲において電圧定在波比が低くなっており、電圧定在波比が１.５以下となる周波数帯域は、帯域中心周波数の約１３.６％［計算式：（Ｂ−Ａ）／｛（Ａ＋Ｂ）／２｝×１００］となっている。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る無指向性アンテナ１０を示している。本例の無指向性アンテナ１０は、既述の第１の実施形態に係る無指向性アンテナ１を垂直方向（上下方向）に複数（図５では、４個）並べて成るものである。具体的には、１枚の誘電体基板１１上に、上下方向若しくは垂直方向（誘電体基板１１の長手方向）において一定の間隔を離して複数の半波長ダイポールアンテナ１２，１３，１４，１５が形成されており、これらの半波長ダイポールアンテナ１２〜１５には、誘電体基板１１上に形成されたマイクロストリップラインから成る並列分配回路１６（図５では、４分配回路）を通して給電されるように構成されている。また、無給電素子１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４も同じく垂直方向に複数配置されている。

このような構成の無指向性アンテナ１０の場合、並列分配回路１６を構成するマイクロストリップラインの長さや幅を適切に設定することにより、各半波長ダイポールアンテナ１２〜１５の励振位相や振幅を自由に設定できるため、垂直面内の放射ビームのチルト角を所望の固定角度に設定することができる。また、半波長ダイポールアンテナ１２〜１５及び給電回路１６は、全て、誘電体基板１１上に形成するようにしているため、構造が単純であり、組立も容易である。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る無指向性アンテナ３０の配線系統を示している。本例の無指向性アンテナ３０は、第２の実施形態に係るアンテナ１０を垂直方向に複数（図６では、２個）並べ、その下部に可変位相器３１を配置して成るものである。この場合、可変位相器３１と第２の実施形態に係る無指向性アンテナ１０とは、同軸ケーブルから成る給電線路３２，３３を介してそれぞれ接続されている。なお、この給電線路３２，３３は、同軸ケーブルを用いたものに限定されることなく、その他の給電線路、例えば誘電体基板上に形成したマイクロストリップライン等を用いたものとしても良い。なお、給電線路として同軸ケーブルを用いる場合には、第２の実施形態に係る無指向性アンテナ１０の並列分配回路１６として使用している、誘電体基板２上に形成したマイクロストリップライン６のアース面８に同軸ケーブルを密着して配置することにより、アンテナの電気的特性に影響を与えることなく配線することができる。

上述の可変位相器３１は、入出力端子３４から入力された信号を分配した後に、それぞれの信号の位相や振幅を変化させて出力させるものであり、位相や振幅の変化の度合いは、適宜変更することが可能である。このため、第３の実施形態に係る無指向性アンテナ３０においては、可変位相器３１の出力の位相や振幅を変化させて、各無指向性アンテナ１０から放射される電波の位相や振幅を変化させることにより、垂直面内の放射ビームのチルト角を、随時、自由に変更することができる。なお、垂直面内の放射ビームのチルト角を随時変更する必要が無く、一定のチルト角に固定する場合には、図６において可変移相器３１の代わりに、出力の位相や振幅を予め設定した値に固定した分配回路を用いることができる。

図７は、第３の実施形態に係る無指向性アンテナ３０の水平面内指向性を示すグラフであり、図８は、この無指向性アンテナ３０の垂直面内指向性を示すグラフである。なお、図７及び図８に示す指向特性の測定に際しての測定周波数は、共に、２.１３ＧＨｚであり、第１の実施形態に係る無指向性アンテナ１を約０.６７波長の間隔で４素子だけ垂直方向に並べて成る第２の実施形態に係る無指向性アンテナ１０を垂直方向に２個並べ、給電位相や振幅は、垂直面内の放射ビームのチルト角が水平方向から６°だけ下方に向くように可変位相器３１を設定して指向特性を測定した。図７を参照すると、無指向性アンテナ１０の無指向性アンテナ３０の水平面内指向性は、レベルの偏差が小さい無指向性となっていることが分かる。また、図８を参照すると、無指向性アンテナ３０の無指向性アンテナ３０の垂直面内指向性は、放射ビームが所望の方向に傾いていることが分かる。

以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、本発明は、自動車携帯電話等の陸上移動通信用の無指向性アンテナに限らず、その他の用途の無指向性アンテナにも適用可能である。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従来よりも細径で、使用できる周波数帯域が広く、垂直面内の放射ビームのチルト角を変えることができる無指向性アンテナを得ることができる。そのため、従来のアンテナでは、使用周波数帯域が狭く、送信用と受信用のアンテナを個別に設置していたが、本発明の無指向性アンテナによれば、１本のアンテナで送信及び受信の両帯域ともカバーすることができ、無線局に設置すべきアンテナの本数を減らすことができる。また、従来のアンテナよりもアンテナ外径が細いため、アンテナが受ける風圧荷重が小さくなり、アンテナを設置するための鉄塔や鉄柱等の構造物に対しての負担が小さくなる。さらに、本発明の無指向性アンテナの構造は単純なため、組立に必要な工数を少なくすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る無指向性アンテナを示す斜視図である。図１に示す無指向性アンテナの水平面内指向性を示す図である。図１に示す無指向性アンテナの垂直面内指向性を示す図である。図１に示す無指向性アンテナの電圧定在波比特性を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る無指向性アンテナを示す斜視図である。本発明の第３の実施形態に係る無指向性アンテナの配線系統図である。図６に示す無指向性アンテナの水平面内指向性を示す図である。図６に示す無指向性アンテナの垂直面内指向性を示す図である。従来の無指向性アンテナを示す平面図である。従来の別の無指向性アンテナを示す斜視図である。

符号の説明

１，１０，３０無指向性アンテナ
２，１１誘電体基板
２ａ表面
２ｂ裏面
３，１２〜１５半波長ダイポールアンテナ
３ａ，３ｂ半波長ダイポールアンテナ素子
４給電回路
５ａ，５ｂ平行２線線路
６マイクロストリップライン
７コネクタ
８アース面
９ａ，９ｂ，１７〜２４無給電素子
１６並列分配回路
３１可変位相器
３２，３３給電線路
３４入出力端子
Ｍ，Ｎ無給電素子の電気的中心点
Ｐ半波長ダイポールアンテナの電気的中心点
Ｗ横幅

Claims

使用中心周波数の０．１８波長の幅の狭い誘電体基板の、幅方向の一方側の縁部における前記誘電体基板の表面及び裏面上に、半波長ダイポールアンテナを形成すると共に、前記半波長ダイポールアンテナに電力を供給する給電回路としてのマイクロストリップライン及び平行２線線路を前記誘電体基板上に形成して、前記マイクロストリッブラインのアース面を、前記半波長ダイポールアンテナを形成した一端部とは反対側に前記誘電体基板の幅の半分である０．０９波長の幅を占め、かつ、前記誘電体基板の幅方向に直交する垂直方向に沿って延びるように配設し、さらに、前記誘電体基板の幅方向の中心位置付近から、前記誘電体基板の表面及び裏面に対してそれぞれ直交する方向に、０．０７波長だけ離れた箇所に、その長さが０．３５波長である無給電素子を、前記半波長ダイポールアンテナの電気的中心と前記無給電素子の電気的中心とが同じ高さになるように配置したことを特徴とする無指向性アンテナ。