JP4235068B2 - 水平偏波無指向性アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば移動通信基地局等に用いられる水平偏波無指向性アンテナ装置に関する。

従来、携帯電話やＰＨＳ等における移動通信基地局では、移動体との間で通信を行なうためにアンテナの特性は無指向性なものが要求される。このため例えばＰＨＳの移動通信基地局では、現在、垂直偏波無指向性のコリニアアンテナが多く利用されている。
特開２００３−６９３３２号公報

上記のように従来では、移動体通信用アンテナとして垂直偏波無指向性のコリニアアンテナが一般的に使用されているが、最近では水平偏波無指向性アンテナの利用して偏波ダイバシテイも考えられている。しかし、水平偏波無指向性アンテナは、一般に垂直偏波無指向性アンテナに比較してその直径が大きくなってしまい、重量、風圧荷重などの点で不利であるという問題がある。このため従来では、水平偏波無指向性アンテナはあまり使用されていない。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、簡易な構造で、直径が小さく、小型化が可能な水平偏波無指向性アンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る水平偏波無指向性アンテナ装置は、山形状の１対のアンテナ素子を向かい合わせて配置した第１のアンテナと、前記第１のアンテナの上部に所定の間隔を保つと共に該第１のアンテナの各アンテナ素子に対応して配置された山形状の１対のアンテナ素子からなる第２のアンテナと、前記第１のアンテナを構成する各アンテナ素子の一方の端部間に給電する給電手段と、前記第１のアンテナの各アンテナ素子の他方の端部と該端部に対応して位置する前記第２のアンテナの各アンテナ素子の端部間を接続し、前記第１のアンテナと同位相の電流を前記第２のアンテナに供給する給電線路と、前記第２のアンテナを構成する各アンテナ素子の前記給電線路接続端とは反対側の端部から前記第１のアンテナ側に向けて並行に設けられる１対のアームとを具備し、前記１対のアームは、該アームの長さ及び間隔を水平偏波の水平面内指向性が無指向性となるように設定することを特徴とする。

上記の構成とすることにより、簡易な構造で、直径が小さく、小型化が可能であり、かつ、水平面内指向性を偏差が１ｄＢ以内の無指向性とすることができる。また、第２のアンテナを構成するアンテナ素子に設けたアームの長さ及び間隔等を微細調整することにより、水平面内指向性を調整することができる。

本発明によれば、簡易な構造で、直径が小さく、小型化が可能であり、かつ、水平面内指向性を偏差が１ｄＢ以内の無指向性とすることができる高利得の水平偏波無指向性アンテナ装置を提供することができる。また、第２のアンテナを構成するアンテナ素子に設けたアームの長さ及び間隔等を微細調整することにより、水平面内指向性を調整することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る水平偏波無指向性アンテナ装置の基本的な構成を示したものである。

図１において、１は第１のアンテナで、ほぼλ／６の長さを有する例えば山形状の１対のアンテナ素子１ａ、１ｂを向かい合わせて配置し、各アンテナ素子１ａ、１ｂの先端部に設けた給電点２より給電する。

そして、上記第１のアンテナ１の上部にほぼλ／４（λ：波長）の間隔を保って第２のアンテナ３を配置する。この第２のアンテナ３は、第１のアンテナ１と同様にほぼλ／６の長さを有する山形状の１対のアンテナ素子３ａ、３ｂを向かい合わせて配置し、その先端にほぼλ／８のアーム５ａ、５ｂを第１のアンテナ１側に向けて並行に設けている。また、第１のアンテナ１と同位相の電流ｉが第２のアンテナ３に流れるように第１のアンテナ１と第２のアンテナ３の端部間を給電線路４により接続する。

上記の構成において、第２のアンテナ３のアーム５ａ、５ｂの長さ及び間隔Δｇ等を微細調整することにより、水平偏波の水平面内指向性が無指向性となるように調整する。上記アーム５ａと５ｂに流れる電流は逆位相となるので、電波の放射は発生しない。

一方、第１のアンテナ１は、アンテナ素子１ａと１ｂに逆位相の電流が流れるが、流れる方向が同じになるので電波の放射が発生する。また、第２のアンテナ３は、第１のアンテナ１と同じ位相の電流が流れるので、電波の放射が効率的に行なわれる。

次に、上記水平偏波無指向性アンテナ装置の具体的な構成例について、図２ないし図６を参照して説明する。図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る水平偏波無指向性アンテナ装置の正面側の斜視図、同図（ｂ）は裏面側の斜視図である。また、図３はアンテナ素子単体の具体例を示す斜視図、図４（ａ）は給電回路部分を示す正面図、図４（ｂ）は同裏面図、図５は全体の構成を示す側面図、図６はアンテナをレドームに装着した状態を示す断面図である。

図２において、１１は誘電体基板、例えば銅箔基板で、例えば比誘電率２．６、厚さ１．６ｍｍ程度のものを使用している。そして、上記基板１１の正面側には、図２（ａ）に示すように第１、第２、のアンテナ１、３の一方のアンテナ素子１ａ、３ａをほぼλ／４の間隔で装着する。

また、基板１１の裏面には、図２（ｂ）に示すように第１、第２のアンテナ１、３の他方のアンテナ素子１ｂ、３ｂを上記正面側のアンテナ素子１ａ、３ａに対向する位置に装着する。上記アンテナ１、３の各素子は、例えば銅あるいは真鍮等の導体を使用し、ブルースアンテナと呼ばれる形状（１辺がλ／４のメアンダライン）をＣ型に構成したものである。この場合、アンテナ素子の加工を容易にするために山形状に形成し、また、高効率化のために板状としている。更に、基板１１上には、第２のアンテナ３のアーム５ａ、５ｂを設ける。上記アーム５ａ、５ｂは、長さがλ／８のマイクロストリップラインによって形成する。

図３は、アンテナ素子１ａ、３ａの単体の具体的な構成例を示したものである。第１のアンテナ１及び第２のアンテナ３は、その中央部で給電するためにそれぞれ２つの素子に分割している。

また、図２（ａ）、図４（ａ）に示すように基板１１の正面側には、マイクロストリップライン１２で構成した給電線路を設けている。マイクロストリップライン１２は、基板１１の基部より各アンテナ素子に直列給電する。

一方、基板１１の裏面側の基部には、図２（ｂ）、図４（ｂ）に示すようにテーパーバラン１３を設け、マイクロストリップライン１２と共に第１のアンテナ１のアンテナ素子１ａ、１ｂの給電点に接続する。この場合、マイクロストリップライン１２に対してテーパーバラン１３を基板１１の反対側に位置させ、位相を反転してアンテナ素子１ａ、１ｂに給電するように構成している。

更に、第１のアンテナ１のアンテナ素子１ａ、１ｂと第２のアンテナ３のアンテナ素子３ａ、３ｂとの間は、それぞれ給電線路（マイクロストリップライン）４により接続している。

そして、図４（ａ）、（ｂ）及び図５に示すように、基板１１の基部に外部接続用（給電用）のコネクタ１４を装着し、マイクロストリップライン１２及びテーパーバラン１３に接続する。
更に、上記アンテナは、必要に応じて図６に示すようなレドーム１５を外側に設けて保護する。

上記実施形態で示したように給電線路を形成した基板１１を中央に挟んで両側に第１、第２のアンテナ１、３のアンテナ素子を装着し、また、アンテナ素子を板状に形成することにより、放射抵抗及び帯域を改善することができる。

上記水平偏波無指向性アンテナ装置において、中心周波数を１９０２ＭＨｚ、第１、第２のアンテナ１、３の各アンテナ素子を全長５８ｍｍ（０．３６９λ）、全幅２４ｍｍ（０．１５３λ）に設定し、ＰＨＳアンテナとして構成した場合、図７に示す水平面内指向性、図８に示す垂直面内指向性が得られた。なお、上記アンテナ装置では、レドーム１５として外径２９ｍｍ、厚さ１ｍｍのＦＲＰを使用し、アンテナ装置全体の全長を約２０００ｍｍとした。

図７に示す水平面指向性では、１ｄＢ以内の偏差で無指向性の特性が得られた。また、図８に示す垂直面指向性では、水平方向に利得を有する８の字形の特性となっている。上記のように１枚の基板１１上に簡易な形状のアンテナ素子を構成することにより、アンテナ素子と給電回路を一体化して軽量、かつ小型化が可能となり、細い直径で高利得の水平偏波無指向性アンテナ装置を実現することができた。

なお、上記実施形態では、アンテナを１段構成とした場合について示したが、更に、多段に構成することにより利得を向上することができた。例えば２段構成とした場合には約５ｄＢｉの動作利得、４段構成とした場合には約７ｄＢｉの動作利得を得ることができた。１８段構成とした場合には約１２ｄＢｉの動作利得を得ることができた。

図９は、水平偏波無指向性アンテナ装置を１８段構成とした場合の例を示したものである。基板１１は、多段構成に合わせて長さを設定し、第１段〜第１８段のアンテナ２１ａ〜２１ｒを所定の間隔を保って装着する。この第１段〜第１８段のアンテナ２１ａ〜２１ｒは、前述した１段構成のアンテナと同様の構成であるので、詳細な説明は省略する。

また、基板１１の正面側には、予めマイクロストリップライン１２で構成した給電線路を設けている。

一方、基板１１の裏面側には、上記１段構成の場合と同様にテーパーバラン１３を設け、このテーパーバラン１３及び上記マイクロストリップライン１２により第１段〜第１８段のアンテナ２１ａ〜２１ｒに対して直列給電する。

上記の給電手段により、第１段〜第１８段のアンテナ２１ａ〜２１ｒに対して同一の条件で給電することができる。

上記１８段構成の水平偏波無指向性アンテナ装置では、図１０に示すリターンロス特性では、１８８４．５〜１９１９．６ＭＨｚにおいて、−１４ｄＢ（ＶＳＷＲ１．５）以下が得られた。また、図１１に示す水平面内指向性、図１２に示す垂直面内指向性が得られた。このときの動作利得は、約１２ｄＢｉであった。

図１１に示す水平面内指向性では、１段構成のアンテナ装置と同様に１ｄＢ以内の偏差で無指向性の特性が得られた。また、図１２に示す垂直面内指向性では、動作利得の向上により、１段構成のアンテナ装置よりも鋭い８の字形の特性が得られた。

なお、上記実施形態では、アンテナ素子を山形状に形成した場合について説明したが、その他、例えば半円形に近似させた多角形例えば台形状等に形成しても、上記実施形態と同様の特性を得ることができる。

また、上記実施形態では、１．９ＧＨｚ帯のＰＨＳアンテナを例として説明したが、その他、例えば携帯電話の基地局や、更に高い周波数の無線ＬＡＮ機器等においても実施し得るものである。

本発明の一実施形態に係る水平偏波無指向性アンテナ装置の基本構成図。 （ａ）は同実施形態における水平偏波無指向性アンテナ装置の具体的な構成例を示す正面側の斜視図、（ｂ）は同裏面側の斜視図。 同実施形態におけるアンテナ素子単体の具体例を示す斜視図。 （ａ）は同実施形態における給電回路部分を示す正面図、（ｂ）は同裏面図。 同実施形態における水平偏波無指向性アンテナ装置の側面図。 同実施形態における水平偏波無指向性アンテナ装置の断面図。 同実施形態における水平偏波無指向性アンテナ装置の水平面内指向性を示す図。 同実施形態における水平偏波無指向性アンテナ装置の垂直面内指向性を示す図。 本発明に係る水平偏波無指向性アンテナ装置を１８段構成とした場合の正面図。 同実施形態における１８段構成の水平偏波無指向性アンテナ装置のリターンロス特性を示す図。 １８段構成の水平偏波無指向性アンテナ装置の水平面内指向性を示す図。 １８段構成の水平偏波無指向性アンテナ装置の垂直面内指向性を示す図。

符号の説明

１…第１のアンテナ、１ａ、１ｂ…アンテナ素子、２…給電点、３…第２のアンテナ、３ａ、３ｂ…アンテナ素子、４…給電線路、５ａ、５ｂ…アーム、１１…基板、１２…マイクロストリップライン、１３…テーパーバラン、１４…コネクタ、１５…レドーム、２１ａ〜２１ｒ…第１段〜第１８段のアンテナ。

Claims (5)

1. 山形状の１対のアンテナ素子を向かい合わせて配置した第１のアンテナと、前記第１のアンテナの上部に所定の間隔を保つと共に該第１のアンテナの各アンテナ素子に対応して配置された山形状の１対のアンテナ素子からなる第２のアンテナと、前記第１のアンテナを構成する各アンテナ素子の一方の端部間に給電する給電手段と、前記第１のアンテナの各アンテナ素子の他方の端部と該端部に対応して位置する前記第２のアンテナの各アンテナ素子の端部間を接続し、前記第１のアンテナと同位相の電流を前記第２のアンテナに供給する給電線路と、前記第２のアンテナを構成する各アンテナ素子の前記給電線路接続端とは反対側の端部から前記第１のアンテナ側に向けて並行に設けられる１対のアームとを具備し、
   前記１対のアームは、該アームの長さ及び間隔を水平偏波の水平面内指向性が無指向性となるように設定することを特徴とする水平偏波無指向性アンテナ装置。
2. 請求項１に記載の水平偏波無指向性アンテナ装置において、前記第１及び第２のアンテナを構成する各アンテナ素子の長さをほぼλ／６（λ：中心周波数の波長）の長さに設定すると共に、前記第２のアンテナ素子に設けられるアームの長さをほぼλ／８に設定したことを特徴とする水平偏波無指向性アンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載の水平偏波無指向性アンテナ装置において、前記第１及び第２のアンテナを構成する各アンテナ素子の一方及び前記アームの一方を誘電体基板の一方の面に設け、前記各アンテナ素子の他方及び前記アームの他方を前記誘電体基板の他方の面に設けたことを特徴とする水平偏波無指向性アンテナ装置。
4. 請求項１、２又は３に記載の水平偏波無指向性アンテナ装置の外側にレドームを設けたことを特徴とする水平偏波無指向性アンテナ装置。
5. 請求項１、２、３又は４に記載の水平偏波無指向性アンテナ装置を多段に設けたことを特徴とする水平偏波無指向性アンテナ装置。

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