JP4224055B2 - アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、アンテナに関し、特には無線通信に用いるマイクロストリップアンテナに関する。

携帯電話、ＰＤＡ（Personal Data Assistant）などを含む携帯無線機器の普及は目覚しく、携帯無線機器の出荷数及びユーザ数が飛躍的に増加している。ユーザ数がそれほど多くない初期の基地局用アンテナとしては指向性が水平面で均一な全方向性アンテナが広く使われていた。しかし、近年の急速なユーザ数の増加及び高速通信の要求から、一箇所の基地局に複数のアンテナを配置して、各アンテナに分担されたエリア方向へそれぞれビームを放射するセクタ型基地局用アンテナが要求されている。

セクタ型基地局用アンテナは、例えば水平面において互いに異なる方向を向いた４個のアンテナが配置され、この場合それぞれのアンテナにおいて９０〜１２０度の広い水平ビーム幅が必要である。また、高速通信を実現するために広帯域であることも重要である。

セクタ型基地局用アンテナとしては、アレイ化された反射板付ダイポールアンテナがこれまで代表的に用いられてきたが、反射板とアンテナとの距離が０．２５波長程度必要なために薄型にすることが困難であった。基地局用アンテナは、ビルの屋上などの高所に設置する必要があるために、容積が大となると重量が増加するとともに強風などよる風圧荷重の影響を受けやすくなり不利である。

ところで、薄型化をする一構造としてマイクロストリップアンテナがあるが、広帯域とする一方式として、基板誘電率を小とする方法がある。しかし、例えば基板誘電率を１（空気）とし、基本的なアンテナ構造（アンテナエレメントを正方形とし、アンテナエレメントより十分大きい地板）とした場合の水平ビーム幅は約６０度であり、目的とする９０〜１２０度の水平ビーム幅を得る事ができない。

マイクロストリップアンテナのビーム幅調整方法として、リフレクタを備える技術開示例がある（特許文献１）。しかし、ビーム幅を広げる効果は不十分であり、かつ大型となる点で改善の余地があった。
特開２００１−３２６５２８号公報

本発明は、薄型であり水平ビーム特性が改善されたマイクロストリップアンテナを提供する。

本発明の一態様によれば、アンテナエレメントと、前記アンテナエレメント以下の幅を有する地板と、前記アンテナエレメントと電気的に接続された給電部と、前記アンテナエレメントと前記地板とを固定する支持体と、を備え、前記アンテナエレメントの幅方向は、前記給電部からの励振による共振方向に対して垂直であることを特徴としたマイクロストリップアンテナが提供される。

上記のように幅方向と垂直な方向を共振方向とするアンテナエレメントと、このアンテナエレメント以下の幅を有する地板とを備えたマイクロストリップアンテナにおいて、幅方向を水平と規定した場合には、これらの幅を大とすると水平ビーム幅は小となる。従って、大なる水平ビーム幅を得るためにはアンテナエレメント及び地板幅を小とすることが好ましい。例えば、セクタ型基地局用アンテナなどにおいては、４個のアンテナを使用する場合、水平ビーム幅が９０〜１２０度と大であることが好ましい。さらにアンテナエレメント幅を地板幅以上とすることにより、このビーム幅がより自由に選択できるようになるので、本発明のアンテナを使用する事によって小型化（薄型化）も可能となる。

また本発明の他の一態様によれば、地板と、前記地板よりも大なる幅を有し、前記アンテナエレメントの幅と垂直な方向に共通に配置された複数個のアンテナエレメントと、前記アンテナエレメントとそれぞれに電気的に接続された給電部と、前記アンテナエレメントと前記地板とをそれぞれに固定する支持体と、を備え、前記アンテナエレメントの幅方向は、前記給電部からの励振による共振方向に対して垂直であり、前記地板は、前記アンテナエレメントの幅方向と直交する方向に延在してなることを特徴としたマイクロストリップアンテナが提供される。

上記のように、アンテナエレメントを複数個配置し、地板を共通とする配置にしたアレイ化マイクロストリップアンテナにおいて、アレイ化方向を含む面のビーム形状を制御することが容易となる。地板の長手方向を垂直軸としたアレイ化マイクロストリップアンテナを例えばビルの屋上に設置することにより、例えば第３世代以降のセクタ型基地局用アンテナが可能となる。

本発明により、薄型であり水平ビーム特性が改善されたマイクロストリップアンテナが提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態につき説明する。
図１は、本発明の具体例にかかるマイクロストリップアンテナの模式断面図である。マイクロストリップアンテナは、地板（Ground Plane）１０、アンテナエレメント１２、給電部１４などから構成されている。本図においては、アンテナエレメント１２は、地板１０を挟み、かつ折り返されている。すなわち、この断面において地板１０の幅Ｗｇはアンテナエレメント１２の上部幅Ｗａ１以下である。また、アンテナエレメント１２の高さＷａ２及び折り返された幅Ｗａ３をも含めると、地板１０の幅Ｗｇはアンテナエレメント１２の幅よりさらに小となる。

また、地板１０とアンテナエレメント１２の上部との間隔をｔとする。ｔが一定の場合、地板１０の周囲を空気（比誘電率＝１）とすることにより広帯域化が可能となる。アンテナエレメント１２及び地導体板１０の材質としては、例えばアルミニウムや銅合金などの良導体を用いることができ、表面にメッキ層を設けて保護することも有効である。

まず、マイクロストリップにすると小型（薄型）及び軽量化できることを説明する。
図２は、マイクロストリップアンテナを表す模式断面図であり、
図３は、反射板付ダイポールアンテナをそれぞれ表す模式図である。
図２に例示されるマイクロストリップアンテナにおいて基板誘電率を１とした場合のアンテナエレメント１２の長さＬは約２分の１波長、アンテナエレメント１２と地板１０との距離は一般的に１６分の１波長より小である。

一方、図３に例示される反射板付ダイポールアンテナにおいては、Ｂａｌｕｎ（平衡不平衡変成器）１６が必要であり、さらに反射板を有効に動作させるには高さ（約４分の１波長）がマイクロストリップアンテナの高さより大となり、重量も増す。このように、アンテナエレメント１２が空気中に設置される（Air Suspended）マイクロストリップアンテナでは波長短縮効果は無く、共振方向の長さＬはダイポールアンテナとあまり変わらない。しかし高さが１６分の１波長以下と薄型とできＢａｌｕｎも不要である。

次に、アンテナエレメント１２の幅Ｗ（単位：波長λ）とビーム幅との関係について説明する。説明を簡単にするためにアンテナエレメント１２の幅Ｗと地板１０の幅Ｗｇとが同一の場合の関係を図４に表す。
図４（ａ）は、その断面を表す模式図であり、図４（ｂ）は、水平ビーム幅ＢＷ（度）のアンテナエレメント１２の幅Ｗ依存性を表すグラフ図である。
携帯電話等の垂直偏波を利用する通信システムにおいて、このマイクロストリップアンテナはビルの屋上などに垂直に設置されるがＸ軸がその垂直軸となる。従ってＹ−Ｚ平面は水平面となり、この平面内において放射強度が最大放射方向より３ｄＢ低下した角度を水平ビーム幅ＢＷ（度）と定義する。

アンテナエレメント１２の幅が大となるに従い水平ビーム幅ＢＷ（度）は単調に減少する。従って、水平ビーム幅ＢＷを大とするにはアンテナエレメント１２及び地板１０の幅を小とすればよい。この場合、特にアンテナエレメント１２の幅が地板１２の幅より大なる場合も含まれる。また、水平ビーム幅ＢＷを９０〜１２０度に設定するには、アンテナエレメント１２の幅Ｗを０．４以下０．２１波長以上とすればよいことがわかる。

次に、水平ビーム幅ＢＷのアンテナエレメント１２の合計幅（Ｗａ１＋Ｗａ２＋Ｗａ３）依存性について説明する。
図５は、水平ビーム幅ＢＷ（度）のアンテナエレメント１２の合計幅依存性を表すグラフ図である。
表１は、図５の横軸の各Ｎｏ．におけるｔ、Ｗｇ、Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗａ３の数値を波長（λ）単位で表した一覧表である。

表１において、Ｎｏ．１は、図４（ａ）に表したアンテナに対応する。また、Ｎｏ．２は、図６に表したアンテナに対応し、Ｎｏ．３，Ｎｏ．４，Ｎｏ．５，Ｎｏ．６は、図７に表したアンテナに対応する。また、Ｎｏ．７及びＮｏ．８は、図１に表したアンテナに対応する。

図５に例示されるように、アンテナエレメント１２の合計幅が大となるに従い、水平ビーム幅ＢＷは大とできる。従って、水平ビーム幅ＢＷをより大としたい場合には、図１に例示されるように地板１０を囲むような折り返し構造とすることが有効であることが理解される。

以上、マイクロストリップアンテナの基本的な特徴について説明した。
次に、このようなアンテナエレメント１２の具体例について説明する。
図８は、マイクロストリップアンテナの単体ユニットであり、図８（ａ）は正面図、図８（ｂ）は平面図、図８（ｃ）は側面図である。
図８（ｂ）における破線ＡＡは共振すなわち偏波方向を表し、アンテナエレメント１２のほぼ中心において、地板１０と固定するための支持体２０が接続されている。中央近傍は電位がほぼゼロであるので支持体２０の材質は金属でも絶縁体であっても良い。また高周波回路の特性インピーダンス（例えば５０オーム）と整合をとるために給電点２２の位置がＡＡ線上の適正な位置に設けられる。

このマイクロストリップアンテナは、携帯電話等の垂直偏波を利用する通信システムにおいてＡ−Ａ線が略鉛直となるように設置される。地板１０の幅Ｗｇがアンテナエレメント１２の幅Ｗよりも小となっているために広い水平ビーム幅が得られる。また、共振方向は、Ｗｇに対して垂直な方向（図８（ｂ）において左右方向）すなわちＡ−Ａ線方向であり、この方向においては地板１０のサイズはアンテナエレメント１２より充分に大であるのでマイクロストリップアンテナとしての安定動作が可能となる。

図９は、図８に例示したアンテナエレメント１２を４個アレイ化したマイクロストリップアンテナの一例を表す斜視図である。４個のアンテナエレメント１２がアレイ状に配置され、地板１０が共通に設けられている。それぞれのアンテナエレメント１２は給電部１４により電波が励振されてアンテナエレメント１２のアレイ幅方向（Ｘ方向）が共振方向となる。共通の地板１０は、共振方向に対して平行に延在するように設けられている。アンテナエレメント１２と比較してＸ方向に長い地板１０が共通に配置されているのでマイクロストリップアンテナとしての安定動作が可能となっている。

隣接するアンテナエレメント１２の間隔は、例えば０．２波長以上とできる。このように９０〜１２０度と大なる水平ビーム幅を有するアレイ化マイクロストリップアンテナをビルの屋上などに、Ｘ軸方向が垂直軸となるように設置する。アレイ化されているために垂直面（アレイ化方向を含む面）のビーム形状を制御することが容易となる。例えば、同相合成すればビームの放射強度がより大とでき、より長距離まで通信可能とすることができろ。

さらに（３６０／セクタ数）度以上の水平ビーム幅を有するアレイ化マイクロストリップアンテナをセクタ数と同数設置することにより設置箇所を中心とした全水平方向の通信エリアを１箇所の基地局で担当できる。このようにして小型（薄型）化され、軽量かつ低価格であるセクタ型基地局用アンテナが実現できる。

以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態につき説明した。しかし本発明は以上の具体例に限定されるものではない。マイクロストリップアンテナを構成するアンテナエレメント、地板、給電部、給電点などの構成要素において、当業者が形状、サイズ、材質などに各種設計変更を行ったものであっても。本発明の要旨を逸脱しない限り本発明に包含される。

本発明の具体例にかかるマイクロストリップアンテナを表す模式図である。 マイクロストリップアンテナを表す模式図である。 反射板付ダイポールアンテナを表す模式図である。 図４（ａ）はアンテナエレメントと地導体板の幅が同一の構造を表す模式図であり、図４（ｂ）は水平ビーム幅のアンテナエレメント幅依存性を表すグラフ図である。 水平ビーム幅のアンテナエレメント幅合計長さ依存性を表すグラフ図である。 アンテナエレメントの上部幅が地導体板幅より大なる構造を現す模式図である。 アンテナエレメントが折れ曲げられ地導体板の上部を囲む構造を表す模式図である。 本発明のマイクロストリップアンテナの単体ユニットを表す模式図であり、図８（ａ）は正面図、図８（ｂ）は平面図、図８（ｃ）は側面図である。 アレイ化されたマイクロストリップアンテナを表す斜視図である。

符号の説明

１０ 地板
１２ アンテナエレメント
１４ 給電部
２０ 支持体
２２ 給電点

Claims (4)

1. アンテナエレメントと、
   地板と、
   前記アンテナエレメントと電気的に接続された給電部と、
   前記アンテナエレメントと前記地板とを固定する支持体と、
   を備え、
   前記給電部からの励振による共振軸方向に垂直な断面内で、前記地板の幅は、前記アンテナエレメントの幅以下であり、
   前記地板は、前記共振軸方向に延在することを特徴としたマイクロストリップアンテナ。
2. 地板と、
   複数個のアンテナエレメントと、
   前記アンテナエレメントとそれぞれに電気的に接続された給電部と、
   前記アンテナエレメントと前記地板とをそれぞれに固定する支持体と、
   を備え、
   前記給電部からの励振による共振軸方向に垂直な断面内で、前記アンテナエレメントの幅は、前記地板の幅より大きく、
   前記地板は、前記共振軸方向に延在し、
   前記複数個のアンテナエレメントは、前記共振軸方向に共通に配置されることを特徴としたマイクロストリップアンテナ。
3. 前記給電部からの励振による共振軸方向に垂直な断面内で、前記アンテナエレメントは、前記地板を囲むように設けられた折り返し部を有することを特徴とした請求項１または２に記載のマイクロストリップアンテナ。
4. 前記アンテナエレメントと前記地板との間は、実質的に空気であることを特徴とした請求項１〜３のいずれか１つに記載のマイクロストリップアンテナ。

Images