JP4287362B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば移動通信における基地局に用いられるアンテナ装置に関する。

一般的に、移動通信に使用される基地局アンテナは利用する周波数毎に設計され、ビルの屋上あるいは鉄塔などに配置される。最近では、多くの基地局が乱立し、また、複数の通信システムが混在するため、基地局の配置が大きな問題になっている。

また、基地局の設置は大掛かりであるため、設置場所の確保などの問題、また、鉄塔などの建設に多額の費用が発生するため、コスト削減などの問題がある。

また、風圧荷重の観点から、基地局用アンテナは一般的に円筒状の誘電体レドーム内に収められており、その美観上の問題から、基地局用アンテナは極力小さくする必要がある。

しかし、アンテナを小さくすると、比帯域幅なども狭くなる問題がある。しかし、アンテナの広帯域化もしくは異なる周波数を共有させることでアンテナを小さくすることができる。

基地局アンテナ装置について、図１Ａから図１Ｃを参照して説明する。

図１Ａから図１Ｃにおいて、１は誘電体基板、１０はダイポールアンテナ、５と６はマイクロストリップ線路である。マイクロストリップ線路５は給電部のアース部に接続される。７は金属反射板である。

ダイポールアンテナ１０は、ダイポール素子３および４により構成され、それらは誘電体基板１の両面に、プリント配線技術により一方ずつ形成される。各ダイボール素子の内側にはそれぞれ給電線の一端が連結され、給電線はダイポール素子と直角に誘電体基板１に形成される。一方の給電線の他端は誘電体基板１に形成された設置層と連結され、他方の給電線の他端は誘電体基板１を介して接地層上に延長され、ストリップラインを構成する。

このようなプリントダイボールアンテナは製造が容易であり、ダイポールアンテナとしての基本特性は満足する。しかし、このようなダイポールアンテナは広帯域特性と複数の周波数帯、例えば２周波数帯に共振する特性を有していない。

複数の周波数帯、例えば２周波数帯に共振する特性を持たせるためには、図２に示すようにダイボール素子と平行して、その近傍に無給電素子を付けるなどの工夫が必要である。図２において、１は誘電体基枚で、２は無給電素子、１０はダイポールアンテナ、５と６はマイクロストリップ線路である。５は給電部のアース部に接続される。７は金属反射板である。ダイポールアンテナ１０は、ダイポール素子３および４により構成され、それらは誘電体基板１の両面に、プリント配線技術により一方ずつ形成される。無給電素子２は長方形であり、誘電体基板１の両面に形成される。このようにすることによって、２周波数帯に共振させることができる。

尚、上述した背景技術のうちプリントダイボールアンテナは、出願人が出願時点で知る限りにおいて文献公知ではない。

また、出願人は出願時点までに本発明に関連する先行技術文献を発見することができなかった。よって、先行技術文献情報を開示していない。

しかしながら、上述した背景技術には以下の問題がある。

ダイボール素子と平行して、その近傍に無給電素子を付けるなどの工夫により、２周波数に共振する特性を持たせることができる。しかし、広帯域特性もしくは共振した周波数領域で広い帯域を得るためには、無給電素子２の幅を広くする必要がある。無給電素子２の幅が広いほどアンテナの等価半径が大きくなるため、アンテナを収納するための円筒状誘電体レドームを太くする必要がある。それに伴い、アンテナの風圧荷重が大きくなる問題がある。例えば、図２Aに示すように、誘電体基板１に無給電素子２が形成される場合、広帯域特性を得るためには、無給電素子２の幅、すなわちダイポール素子３および４の長手方向と直交する方向（ｘ軸方向）の長さを長くする必要がある。

したがって、図１Ａおよび図２Ａを参照して説明したプリントダイボールアンテナでは、同じ外形サイズ内で広帯域化を図るのが困難である問題がある。

そこで、本発明の目的は、外形サイズを維持したままで広帯域特性を有するアンテナ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のアンテナ装置は、誘電体基板と、該誘電体基板の両面に形成されるダイポール素子と、ダイポール素子の給電点を介して接続される給電線路と、ダイポール素子と近接する箇所に配置される部分円筒状の無給電素子とを備える。

このように構成することにより、外形サイズを変化させずにアンテナの広帯域化もしくは二共振を実現できる。

本発明の実施例によれば、外形サイズを維持したままで広帯域特性を有するアンテナ装置を実現できる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。

本発明の第１の実施例にかかるアンテナ装置について、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃを参照して説明する。

図３Ａは本実施例にかかるアンテナ装置を示す概略構成図であり、図３Ｂはその平面図、すなわちｙ軸方向から見た図であり、図３Ｃは上から見た図、すなわちｚ軸方向から見た図である。

ここで、金属反射板１０７の一主面に対して、誘電体基板１０１が配置された方向をｘ軸とし、誘電体基板１０１に形成されるダイポール素子１０３および１０４の長手方向をｚ軸とした。ｙ軸は、ｘ軸およびｚ軸と直交する方向である。

図３Ａ〜図３Ｃにおいて、１０１はアンテナパターンすなわちダイポール素子がプリント配線技術により形成される誘電体基板、１０２は無給電素子、１１０は電波を放射するダイポールアンテナ、１０５と１０６はダイボールアンテナを給電するマイクロストリップ線路（給電線路）である。１０７は金属反射板である。

ダイポールアンテナ１１０は、ダイポール素子１０３および１０４により構成される。ダイポール素子１０３および１０４は、所定の周波数に共振するように、誘電体基板１０１の両面で、その中央部にそれぞれ形成された給電線路１０６および１０５に対して、互いに直角に反対方向にそれぞれ形成される。すなわち、ダイポール素子１０３、１０４はダイポールアンテナ１１０の中心軸１１０を中心に１８０°回転した位置に形成される。また、放射素子１０３、１０４の両端の距離は、所定の周波数の波長の約１／２である。給電線路１０５は給電部のアース部に接続される。また、ダイポールアンテナ１１０の短辺方向の中心線と金属反射板１０７との距離は所定の周波数の波長の約１／４である。

また、無給電素子１０２の形状は、部分円筒状、すなわち部分円筒曲板型であり、無給電素子１０２の部分円筒の中心がダイボールアンテナ１１０の正面方向、すなわち図３の＋Ｘ方向になるように設置される。

本実施例にかかるアンテナ装置は、無給電素子１０２の幅、すなわち無給電素子１０２のｙ軸方向の長さを長くすることにより、２共振や広い帯域幅を実現することができる。また、無給電素子１０２の形状を部分円筒状にすることにより、円筒状レドームに収納した場合に、そのカーブに沿って形成することができ、無給電素子１０２の幅の増大によるアンテナの等価半径の増加を最小限に抑えることができる。

次に、本実施例にかかるアンテナ装置と従来のアンテナ装置の反射減衰量の比較について、図４を参照して説明する。図４は、本実施例にかかるアンテナ装置と従来のアンテナ装置の周波数対反射減衰量（Ｓ_１１）特性図である。

本実施例にかかるアンテナ装置では反射減衰量Ｓ_１１が−１４ｄＢ以下（ＶＳＷＲ≦１．５）となる比帯域幅は１４．５％取れることがわかる。一方、従来のアンテナ装置では、最適なパラメータにおける比帯域幅は、例えば図１を参照して説明したアンテナ装置では１０．１％である。したがって、本実施例にかかるアンテナ装置では、従来のアンテナ装置と比較して広帯域化ができることがわかる。

また、本実施例にかかるアンテナ装置では、３ＧＨｚ帯付近で２つ目の共振が存在していることがわかる。一方、従来のアンテナ装置では２つ目の共振が存在しない。したがって、本実施例にかかるアンテナ装置は従来のアンテナ装置と比較して２共振すなわち２周波数帯に共振する特性を実現できる。

次に、本実施例にかかるアンテナ装置と従来のアンテナ装置のスミスチャートの比較について、図５および図６参照して説明する。

図５および図6は従来のアンテナ装置および本実施例にかかるアンテナ装置のスミスチャートであり、インピーダンスの軌跡を示す。

図５および図６において、破線で示した円は、ＶＳＷＲが１．５以下となる周波数領域を示す。

図５および図６によれば、本実施例にかかるアンテナ装置の方が従来のアンテナ装置と比較して、そのインピーダンスが、ＶＳＷＲが１．５以下となる周波数領域に入ることがわかる。したがって、本実施例にかかるアンテナ装置は、従来のアンテナ装置と比較して、広帯域化を図ることができる。

以下、本実施例にかかるアンテナ装置における無給電素子１０２の形状と、給電点からみた素子のインピーダンス整合との関係について、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図８、図９および図１０を参照して説明する。

図７Ａ〜図７Ｃには、本実施例にかかる無給電素子付きプリントダイボールアンテナの形状および寸法のパラメータを示す。

無給電素子１０２とダイポール素子１０３および１０４の短辺方向の中心線との距離をＯｐとし、無給電素子１０２の長さ、すなわちダイポールアンテナ１１０の長手方向と平行である長さをＬとする。また、無給電素子１０２の幅やカーブを表す角度をθとする。ここでは、図７Ｃに示すように、無給電素子１０２の部分円筒部分の端から誘電体基板１０１のｚ軸方向に平行な中心線に引いた垂線と、ｚ軸とのなす角をθとする。

図８は、角度θによるＶＳＷＲ（定在波比）特性を示す。

図８よれば、θが約４０°までは２周波共振が主流であり、θが約４０°を超えると広帯域特性が主流となることがわかる。

図9は、長さＬに対するＶＳＷＲ（定在波比）特性を示す。

図９によれば、無給電素子の長さＬが小さい時には２共振特性であるが、Ｌが一定値を超えると広帯域特性が実現できることがわかる。例えば、無給電素子の長さＬが通信システムの周波数の波長の約０．１５倍から約０．２５倍で、広帯域特性を実現できる。

図１０は、ダイポールアンテナ１１０の短辺の中心線からの距離ＯｐによるＶＳＷＲ（定在波比）特性を示す。

図１０によれば、無給電素子１０２の、ダイポールアンテナ１１０の短辺の中心線からの距離Ｏｐが大きくなるにしたがって、広帯域特性が取れなくなることがわかる。例えば、無給電素子１０２とダイポールアンテナ１１０の短辺の中心線との距離Ｏｐが通信システムの周波数の波長の約０．０３倍から０．０５倍以内で、広帯域特性を実現できる。なお、誘電体基板１０１の比誘電率が変化すると、最適値が変化する可能性がある。

次に、本実施例にかかるアンテナ装置の動作について説明する。

ダイポール素子１０３および１０４は、給電線１０５および１０６により給電され、所望周波数にて動作する。無給電素子１０２の部分円筒の中心がダイボールアンテナ１１０の正面方向、すなわち図３の＋Ｘ方向になるように設置すると、電磁結合により帯域が広がる。さらに、無給電素子１０２の形状を部分円筒状とすることによって、インピーダンスが調整され、入力インピーダンスとマッチング（整合）しやすくなり、広帯域特性が得られる。さらに、無給電素子１０２の形状を部分円筒状とすることによって、外形サイズを変化させることなく、その幅を変化させることができる。基地局用アンテナは円筒状レドーム内に収納されることが多いことから、本実施例にかかるアンテナ装置を用いることで、アンテナの外形サイズを維持したままで、スリムなアンテナで広帯域化もしくは２共振を実現できる。

次に、２共振の実現方法について説明する。

放射素子、すなわちダイポール素子の長手方向長を長くすることにより、ダイポール素子の共振と無給電素子の共振とを分離した構成を有するアンテナ素子の反射減衰量について、図１１を参照して説明する。

図１１によれば、ダイボール素子の長手方向の長さを調節することにより、低い帯域での一つの共振（ダイポールの共振）に加え、無給電素子のみの共振も取れることがわかる。さらに、無給電素子のみの共振の比帯域幅は、約４０％であることがわかる。したがって、ダイポール素子の長さなどを調節することにより、所望の帯域で広帯域な共振を実現できる。

次に、本発明の第２の実施例にかかるアンテナ装置について、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃを参照して説明する。

本実施例にかかるアンテナ装置は、図３Ａから図３Ｃを参照して説明した第１の実施例にかかるアンテナ装置の無給電素子１０２の両側、すなわち部分円筒曲板の円弧部分の両端に、無給電素子１０２を反射板１０７に固定するためのフィン１０８を備える。このフィン１０８の形状は、平板状であり、反射板１０７と平行に配置される。このように構成することにより、フィン１０８により、無給電素子１０２の幅、すなわち無給電素子１０２のｙ軸方向の長さを長くすることができ、２共振や広い帯域幅を実現することができる。

図１２Ａは本実施例にかかるアンテナ装置を示す概略構成図であり、図１２Ｂはその平面図、すなわちｙ軸方向から見た図であり、図１２Ｃは上から見た図、すなわちｚ軸方向から見た図である。

ここで、金属反射板１０７の一主面に対して、誘電体基板１０１が配置された方向をｘ軸とし、誘電体基板１０１に形成されたダイポール素子１０３および１０４の長手方向をｚ軸とした。ｙ軸は、ｘ軸およびｚ軸と直交する方向である。

図１２Ａ〜図１２Ｃにおいて、１０１はアンテナパターン、すなわちダイポール素子がプリント配線技術により形成される誘電体基板、１０２は無給電素子、１１０は電波を放射するダイポールアンテナ、１０５と１０６はダイボールアンテナを給電するマイクロストリップ線路（給電線路）である。１０７は金属反射板である。１０８は無給電素子１０２を反射板１０７に固定するためのフィンとなる金属板である。

ダイポールアンテナ１１０は、ダイポール素子１０３および１０４により構成される。ダイポール素子１０３および１０４は、所定の周波数に共振するように、誘電体基板１０１の両面で、その中央部にそれぞれ形成された給電線路１０６および１０５に対して、互いに直角に反対方向にそれぞれ形成される。すなわち、ダイポール素子１０３、１０４はダイポールアンテナの中心軸１１０を中心に１８０°回転した位置に形成される。また、放射素子１０３、１０４の両端の距離は、所定の周波数の波長の約１／２である。給電線路１０５は給電部のアース部に接続される。また、ダイポールアンテナ１１０の短辺方向の中心線と金属反射板１０７との距離は所定の周波数の波長の約１／４である。

次に、本実施例にかかるアンテナ装置の反射減衰量について、図１３を参照して説明する。

図１３によれば、第１の実施例にかかるアンテナ装置と比べ、本実施例にかかるアンテナ装置は比帯域幅が広く取れることがわかる。

次に、本実施例にかかるアンテナ装置のスミスチャートについて、図１４を参照して説明する。図１４によれば、５０Ω付近で、２番目のキンクが得られるのがわかる。したがって、２共振や広帯域が取れることがわかる。

次に、第３の実施例にかかるアンテナ装置について、図１５Ａ〜図１５Ｃを参照して説明する。

本実施例にかかるアンテナ装置は、図３Ａから図３Ｃを参照して説明した第１の実施例にかかるアンテナ装置の無給電素子１０２の両側、すなわち部分円筒曲板の円弧部分の両端に、無給電素子１０２を誘電体基板１０１に固定するためのフィンを備える。このフィン１０８の形状は、平板状であり、反射板１０７と垂直に配置される。このように構成することにより、フィン１０８により、無給電素子１０２の幅、すなわち無給電素子１０２のｙ軸方向の長さを長くすることができ、２共振や広い帯域幅を実現することができる。

図１５Ａは本実施例にかかるアンテナ装置を示す概略構成図であり、図１５Ｂはその平面図、すなわちｙ軸方向から見た図であり、図１５Ｃは上から見た図、すなわちｚ軸方向から見た図である。

ここで、金属反射板１０７の一主面に対して、誘電体基板１０１が配置された方向をｘ軸とし、誘電体基板１０１に形成されたダイポール素子１０３および１０４の長手方向をｚ軸とした。ｙ軸は、ｘ軸およびｚ軸と直交する方向である。

図１５Ａ〜図１５Ｃにおいて、１０１はアンテナパターン、すなわちダイポール素子がプリント配線技術により形成される誘電体基板、１０２は無給電素子、１１０は電波を放射するダイポールアンテナ、１０５と１０６はダイボールアンテナを給電するマイクロストリップ線路（給電線路）である。１０７は金属反射板である。１０８は無給電素子１０２を誘電体基板１０１に固定するためのフィンとなる金属板である。

ダイポールアンテナ１１０は、ダイポール素子１０３および１０４により構成される。ダイポール素子１０３および１０４は、所定の周波数に共振するように、誘電体基板１０１の両面で、その中央部にそれぞれ形成された給電線路１０６および１０５に対して、互いに直角に反対方向にそれぞれ形成される。すなわち、ダイポール素子１０３、１０４はダイポールアンテナの中心軸１１０を中心に１８０°回転した位置に形成される。また、放射素子１０３、１０４の両端の距離は、所定の周波数の波長の約１／２である。給電線路１０５は給電部のアース部に接続される。また、ダイポールアンテナ１１０の短辺方向の中心線と金属反射板１０７との距離は所定の周波数の波長の約１／４である。

次に、本実施例にかかるアンテナ装置の反射減衰量について、図１６を参照して説明する。

図１６によれば、第１の実施例にかかるアンテナ装置と比べ、本実施例にかかるアンテナ装置は比帯域幅が広く取れることが分かる。

本実施例によれば、簡単な構造でアンテナの交差偏波を抑えながら広帯域化と２共振が実現できる。

また、小型、簡易な構造、かつ製造が容易であるアンテナ装置を実現できる。

本発明にかかるアンテナ装置は、移動通信における基地局アンテナ装置に適用できる。

プリントダイポールアンテナの構成を示す模式図である。 プリントダイポールアンテナの構成を示す模式図である。 プリントダイポールアンテナの構成を示す模式図である。 プリントダイポールアンテナの構成を示す模式図である。 プリントダイポールアンテナの構成を示す模式図である。 プリントダイポールアンテナの構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の反射減衰量特性を示す特性図である。 プリントダイポールアンテナのスミスチャートを示す説明図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置のスミスチャートを示す説明図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す特性図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す特性図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す特性図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の反射減衰量特性を示す特性図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の反射減衰量特性を示す特性図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置のスミスチャートを示す説明図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例にかかるアンテナ装置の反射減衰量特性を示す説明図である。

符号の説明

１ 誘電体基板
２ 無給電素子
３、４ ダイポール素子
５、６ マイクロストリップ線路
７ 反射板
１０ ダイポールアンテナ
１０１ 誘電体基板
１０２ 無給電素子
１０３、１０４ ダイポール素子
１０５、１０６ マイクロストリップ線路
１０７ 反射板
１０８ フィン
１１０ ダイポールアンテナ

Claims (3)

1. 金属反射板と、
   該金属反射板の一主面に配置された誘電体基板と、
   該誘電体基板の両面に、所定の周波数に共振するように形成されるダイポール素子と、
   該ダイポール素子の給電点とアースとを接続する給電線路と、
   前記ダイポール素子と近接する箇所に配置される部分円筒状の無給電素子と
   を備え、
   前記ダイポール素子は、前記金属反射板に対して前記誘電体基板が配置された所定の方向に対して垂直となる方向に、前記ダイポール素子の長手方向が互いに反対方向になるように形成され、
   前記無給電素子は、該無給電素子の長手方向が前記ダイポール素子の長手方向と平行であり、該長手方向と平行部分の長さが前記所定の周波数の波長の約０．１５倍以上、０.２５倍以下であり、
   前記無給電素子と前記ダイポール素子における前記所定の方向の中心線との距離は前記所定の周波数の波長の約０．０２倍以上、約０．０５倍以下であり、
   前記ダイポール素子における前記所定の方向の中心線と前記金属反射板との距離は前記所定の周波数の波長の約０．２５倍であることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において：
   前記無給電素子は、前記金属反射板に対して、前記所定の方向に配置されることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナ装置において：
   前記無給電素子を前記金属反射板もしくは誘電体基板に固定するためのフィン
   を備えることを特徴とするアンテナ装置。