JP4515660B2 - Directional antenna - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指向性アンテナに関し、例えば屋外に設置する無線LAN用の指向性アンテナに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、無線LANの使用が活発に行われている。無線LANにおいてビルやマンション等の建物の各部屋に設けた端末局のアンテナに対して、建物の屋外に配置した基地局アンテナから電波を送受信することがある。この基地局用アンテナとしては、従来、コリニアアンテナ、カージオイド特性アンテナ、パッチアンテナ等が使用されていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、コリニアアンテナは、無指向性のアンテナであり、建物、例えば集合住宅の方向にのみ電波を送受信することができず、建物の反対方向等の不要な方向にも電波が送受信され、アンテナ効率が悪い。また、建物に間隔をおいて設置された複数の端末局の各アンテナと電波を送受信する場合、建物の端に設けられたアンテナとも、建物の中央に設けられたアンテナとも同一の条件で、基地局のアンテナは電波の送受信が行えることが望ましい。そのためには、建物の端、中央に設けられた各アンテナにおける電界強度をほぼ等しくする必要がある。しかし、カージオイド特性アンテナやパッチアンテナを建物の中央付近に対応する位置に設置した場合、建物の中央付近での電界強度が最も高く、建物の両側付近での電界強度が低くなる。従って、建物の各端末局のアンテナと送受信する基地局用のアンテナとしては、上述した各アンテナは不向きである。
【0004】
本発明は、正面方向の両側での電界強度を高めて、ビルやマンション等の建物のどの位置に設けられたアンテナともほぼ同一の条件で送受信が可能な指向性アンテナを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明による指向性アンテナの一態様は、誘電体製の筒状体を有している。この筒状体は、円柱状または角柱状等種々の横断面形状の筒状体とすることができる。この筒状体内に、それの長さ方向に沿ってアンテナ素子が配置されている。このアンテナ素子は、指向特性が少なくともほぼ半円状である部分を有するものである。このようなアンテナ素子としては、例えば指向特性が円形となるモノポールアンテナやコリニアアンテナのような無指向性のアンテナ素子や、指向特性がハート型となるカージオイド特性のアンテナ素子を使用することができる。このアンテナ素子は、指向特性が少なくともほぼ半円状である部分の電界強度が大きい部分、例えば最も電界強度の大きい部分を前記筒状体に接近させて配置してある。
【0006】
このように構成したアンテナでは、アンテナ素子を筒状体に接近して配置したことにより、この筒状体によって反射が生じ、筒状体から離れた側の電界強度が低下する。従って、無指向性やカージオイド特性のアンテナを指向性アンテナとして使用することができる。特に、正面方向と反対方向での電界強度を低下させることができるので、不要な放射が生じず、アンテナ効率を高めることができる。カージオイド特性のアンテナ素子を使用した場合、アンテナ素子に接近している筒状体が抑圧素子としても作用し、接近している部分での電界強度が若干低下する。その結果、マンションやビルのような建物に対する基地局用アンテナとして、この建物に中央に対応する位置付近に設置しても、建物の中央付近と端付近での電界強度をほぼ均等にすることができる。
【0009】
上述したような各態様において、前記アンテナ素子は、導電性の支柱に設けられたディスコーンアンテナを有するものにすることができる。このディスコーンアンテナは、グランド素子とホット素子とを有し、グランド素子は、約1/4λ(λは受信波長)の奇数倍の長さを有し、前記支柱に取り付けられたシュペルトップ構造のものである。ホット素子は、約1/4λの奇数倍の長さを有するオープンスタブ構造で、前記支柱に取り付けられている。このようなディスコーンアンテナを複数個、一直線状に配置し、コリニアアンテナとすることもできる。
【0010】
このように構成した場合、ホット側素子は、高周波的には支柱から離れているが、直流的には支柱と接続されているので、耐雷性に富んでいる。
【0011】
前記ディスコーンアンテナの周囲に共振リング素子を配置することもできる。このように構成した場合、反射の影響によるアンテナ素子のインピーダンスの変化を補正することができる。なお、このようなディスコーンアンテナの外方に、反射素子を設けることにより、カージオイド特性を持つアンテナにすることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の第1の実施の形態の指向性アンテナを図1及び図2に示す。この指向性アンテナは、上述したような基地局用のアンテナとして使用するもので、図1に示すように、アンテナ素子を有している。このアンテナ素子としては、無指向性アンテナ、例えばホイップアンテナ2が使用されている。このホイップアンテナ2は、例えば2GHz帯の電波を送受信可能に、長さが約0.8λ(約122mm)に選択されている直線状のもので、その直径は約12mmで、その基端部には1辺の長さが約30mmの正方形状のアース板3が取り付けられている。
【0013】
このホイップアンテナ2は、筒状体4によって周囲が包囲されている。この筒状体4は、誘電体、例えば合成樹脂、具体的にはFRP製である。この筒状体4は、例えば内径が約70mmで、肉厚が約9mmの円筒状のものである。この肉厚は、例えば約6mmから10mmの範囲で変更可能である。この筒状体4内において、ホイップアンテナ2と筒状体4の内面との距離が5乃至10mmとなるように、筒状体4の内面に接近した状態に配置されている。即ち、ホイップアンテナ2は、筒状体4内に偏心した状態で配置されている。
【0014】
図2は、このアンテナの2.4〜2.5GHzにおける指向特性図を示したものである。ホイップアンテナ2は、本来無指向性のアンテナであるので、指向特性図は円形となるはずである。ところが、このアンテナでは、筒状体4内にホイップアンテナ2を配置している。そのため、反射が生じ、図2に示すような指向特性となっている。なお、ホイップアンテナ2が最も筒状体4の内面に接近しているのが、図2における0度の方向である。この指向特性図から明らかなように、時計方向の約120度から反時計方向の約120度の範囲では電界強度が大きく低下しており、明らかに指向性を有している。また、半値幅は時計方向の約60度から反時計方向の80度までの約140度と広い範囲のものとなる。従って、無指向性のホイップアンテナの外周に、筒状体4を偏心した状態に配置することにより、指向性を持つアンテナとなり、指向性を必要とするアンテナの設置場所に使用することができる。特に、この実施形態では、構成が簡単なホイップアンテナ2に筒状体4を被せるという簡単な作業のみで指向性アンテナを作成できる。
【0015】
図3乃至図5に第2の実施の形態の指向性アンテナを示す。この指向性アンテナも第1の実施の形態の指向性アンテナと同様に、基地局用アンテナとして使用するもので、約2.4〜2.5GHz帯の電波を送受信するためのものである。この指向性アンテナは、図3(a)、(b)及び図4(a)、(b)に示すように、外側筒状体12を有している。この外側筒状体12は、例えば外形が88.6mm(約0.72λ)、内径が約70mm(約0.58λ)で、厚みが約9.3mm(約0.076λ)の円筒状に、誘電体、例えば合成樹脂、具体的にはFRPによって形成されている。この外側筒状体12内にはベース14が設けられている。ベース14は、円板状に形成されている。このベース14に内側筒状体16が取り付けられている。この内側筒状体16は、例えば直径が約38mm(約0.3λ)の円筒状に形成され、その下部に膨大部16aが形成され、これがベース14に取り付けられている。この内側筒状体16の肉厚は約1.5mm(約0.01λ)である。この内側筒状体16の上部に円板状のキャップ18が取り付けられている。ベース14は例えば真鍮製で、内側筒状体16は、誘電体、例えば合成樹脂、具体的にはFRP製で、キャップ18は適当な樹脂材製である。
【0016】
この内側筒状体16内に、図5に示すようにアンテナ素子、例えばディスコーンアンテナ20が配置されている。このディスコーンアンテナ20では、ベース14に対して垂直に設けられた導電性を有する支柱22が、ベース14上に取り付けられている。この支柱22の中心には給電線の中心導体24が挿通され、この中心導体24と支柱22の内面との間に給電線絶縁体26が配置されている。この中心導体24と給電線絶縁体26と支柱22とによって、例えば特性インピーダンスが50Ωの同軸線路が形成されている。この同軸線路は、ベース14における支柱22とは反対側に設けたコネクタ27に結合されている。
【0017】
この支柱22にグランド側素子28が取り付けられている。このグランド素子28は、シュペルトップ構造のもので、下端部が開口された円筒状に導電性金属によって形成されている。その長さ寸法は、送受信波長λの約0.15乃至0.25の長さ、例えば25mm(約0.2λ)に形成され、その上端部が支柱22と同心に配置されている。この上端部の直径は約15mmである。このようにシュペルトップ構造としているので、支柱22には不要な高周波電流が流れない。
【0018】
このグランド側素子28の上方にホット側素子30が支柱22に取り付けられている。このホット側素子30もグランド側素子28と同様な大きさ及び形状に形成され、グランド側素子28の上端部から約4mm上にホット側素子30の下端が位置するように、支柱22に取り付けられている。このホット側素子30には支柱22から導出した中心導体24が接続されている。このようにオープンスタブに構成されているので、高周波的には、ホット側素子30は、支柱22から離れているが、直流的には支柱22に接続されている。従って、耐雷性に富んだものである。
【0019】
このホット側素子30及びグランド側素子28を包囲するように共振リング素子32が配置されている。この共振リング素子32は、その直径が約25mmで、その長さが約27mmの円筒状素子に導電性金属によって形成されている。
【0020】
背面方向にある内側筒状体16の外方に、反射素子、例えば導電金属製のパイプ34が、複数本、例えば2本配置されている。これらパイプ34は、例えば直径が約4mmのもので、図3(b)、図4(b)に示すように背面方向の両側に両者の間隔が約25mmとなるなるように、また内側筒状体16との間に約25mmの間隔を保持するように取り付けられている。これらパイプ34は、ベース14とキャップ18との間に跨って設けられている。
【0021】
ディスコーンアンテナ20は、本来無指向性のアンテナであるが、パイプ34と組み合わせたアンテナ21とすることによって、このアンテナ21は、カージオイド特性を有している。更に、このカージオイド特性の電界強度が最も大きくなる部分である正面方向(パイプ34が設けられている側と反対側)が、外側筒状体12に接近して、即ち偏心して、外側筒状体12内に配置されている。
【0022】
図6は、外側筒状体12を取り除いた状態におけるアンテナ21(ディスコーンアンテナ20とパイプ34との組合せによるアンテナ)の垂直偏波の2.45GHzにおける指向特性図を示したもので、ほぼカージオイド特性を示し、その最大利得は正面方向(0度)の方向にある。図7は、アンテナ21に外側筒状体12を取り付けた状態における垂直偏波の2.45GHzにおける指向特性を示したものである。図7から明らかなように、外側筒状体を偏心した状態に取り付けたことにより、正面方向の利得が低下し、最大利得は正面方向から左右の60乃至70度の付近に存在する。また、背面方向における利得も低下している。図8は、外側筒状体12を取り除いた状態におけるアンテナ21の垂直偏波の正面方向(最大利得)の周波数による変化を示したもので、図9は、外側筒状体12を取り付けた状態における垂直偏波の最大利得の周波数による変化を示したもので、図10は、外側筒状体12を取り付けた状態における垂直偏波の正面方向の利得の周波数による変化を示したものである。これらの比較から明らかなように、外側筒状体を偏心してアンテナ21に取り付けたことにより、正面方向の利得は低下しているが、背面方向への不要な放射が低下しているので、その分だけ最大利得が増加している。図7、図9、図10は、図6のカージオイド特性をもつアンテナ21を、その正面方向(最大利得方向)に約5mm偏移させて外側筒状体12を取り付けて、それぞれ測定したものである。
【0023】
図11は、この指向性アンテナにおける周波数変化によるVSWRの変化を示したもので、最小が約1.05で、最大が約1.2であり、VSWRに大きな変化はない。もし共振リング32を設けていないなら、外側筒状体12の厚みでの反射により大きくアンテナインピーダンスが変化する。しかし、共振リング32を設けたことにより、アンテナインピーダンスが安定し、上述したようにほぼ一定のVSWRを生じる。
【0024】
この指向性アンテナは、図7に示すような指向特性を有しているので、図12(a)、(b)に示すような建物、例えば集合住宅6の各部屋に設けた端末局用のアンテナ8と送受信するために、集合住宅6の中央付近に対応する位置に配置する基地局用アンテナとして使用した場合、集合住宅6の端でも、中央でも端末局用アンテナ8においてほぼ同等な電界強度とすることができる。なお、パイプ34の間隔を調整することによって半値幅を変化させることができ、パイプ34同士を近づけると半値幅を広くすることができ、パイプ34同士を離すと半値幅を狭くすることができる。
【0025】
第3の実施の形態の指向性アンテナは、図13に示すようにディスコーンアンテナ40、42を2段に設けたコリニアアンテナに、アンテナ素子が構成されている以外、第2の実施の形態の指向性アンテナと同様に構成されている。同等部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【0026】
第1段目のディスコーンアンテナ40は、支柱22の下側に、例えばシュペルトップ44を有している。このシュペルトップ44は、その直径が約15mmで、長さが約25mmの上端部が開放された短円筒状に導電金属によって構成されたもので、その下端部が支柱22に結合されている。このシュペルトップ44の上部に、ホット側素子46aとグランド素子46bとからなる放射素子が設けられている。これらホット側、グランド側素子46a、46bも、その直径が約15mmで、長さが約25mmの上端部が開放された短円筒状に導電金属によって構成されたもので、それぞれの下端部が支柱22に結合されている。さらに、ホット側素子46aの上端の開放端部は、支柱22内の中心導体に接続されている。なお、シュペルトップ44の上端とホット側素子46aの下端部との間の間隔は、約5mmである。また、ホット側素子46aの上端部とグランド側素子46bの下端部との間隔も約5mmである。
【0027】
2段目のディスコーンアンテナ42も、1段目のディスコーンアンテナ40と同様に、シュペルトップ48と、ホット側素子50aと、グランド側素子50bとを有している。シュペルトップ48、ホット側及びグランド側素子50a、50bは、シュペルトップ44、ホット側及びグランド側素子46a、46bと同じ大きさ、形状に形成されている。ホット側素子50aは、グランド側素子46bから約37mm上方に、その閉塞された下端部が位置するように配置され、その開放された上端部から約5mm上方にグランド側素子50bの閉塞された下端部が位置している。このグランド側素子50bの開放された上端部から約5mm上方に、シュペルトップ48の開放された下端部が位置している。従って、シュペルトップ48は、シュペルトップ44と反対向きに取り付けられている。なお、ホット側素子46a、50aは、支柱22内の中心導体に、それぞれの開放上端部が結合されている。なお、各ディスコーンアンテナには、第2の実施の形態と同様に、共振リング51、52が設けられている。
【0028】
図14は、外側筒状体12を除去した状態での2.45GHzにおけるこのアンテナの垂直偏波の指向特性図である。この指向特性は、概ねカージオイド特性を示し、その最大利得は、正面方向(0度)にある。図15は、外側筒状体12を取り付けた状態での2.45GHzにおける垂直偏波の指向特性図である。正面方向の利得が低下し、最大利得が左右65度方向付近にある。両者の比較から明らかなように、外側筒状体12を取り付けることによって、正面方向(0度)の利得が減少し、最大利得が左右約65度の方向に移動し、半値幅も広がっている。
【0029】
図16は、このアンテナの正面方向の利得の周波数変化を示したもので、図17は、このアンテナの最大利得の周波数変化を示したものである。これらから明らかなように、外側筒状体12を取り付けたことにより、正面方向の利得は低下しているが、背面方向への不要な放射が低下しているので、その分だけ最大利得が増加している。図18は、このアンテナのVSWRの周波数変化を示したもので、その中心周波数2.45GHz付近で1.2乃至1.3の値であり、充分に実用となる。
【0030】
従って、このアンテナも図12に示したような基地局用アンテナとして使用することができる。図15、図16、図17は、図14に示すカージオイド特性をもつアンテナを、正面方向(最大利得方向)に約5mm偏移させて、外側筒状体を取り付けて、それぞれ測定したものである。
【0031】
上記の各実施の形態では、外側筒状体によってアンテナ素子の全体を包囲したが、必ずしも全体を包囲する必要はなく、例えば、或る程度の幅を持たせた誘電体製の抑圧体をアンテナ素子に接近させて、それの正面方向に設けてもよい。また、上記の第2及び第3の実施の形態では、反射素子として間隔をおいて配置した複数のパイプ34を使用したが、或る程度の幅を有する板状体を反射素子として使用することもできる。また、第3の実施形態では、2段のコリニアアンテナとしたが、さらに多くの段数のコリニアアンテナとすることもできる。また、第2及び第3の実施の形態では、内側筒状体16を設けたが、場合によっては不要である。
【0032】
【発明の効果】
以上のように、本発明による指向性アンテナでは、例えば無指向性やカージオイド特性のようなアンテナに対して筒状体を設けることによって、指向性を有するアンテナとすることができ、特に、カージオイド特性のアンテナに対して、それの正面方向の両側での電界強度を高めることができたので、ビルやマンション等の建物のどのような位置に設けられたアンテナともほぼ同一の条件で送受信が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の指向性アンテナの横断面図である。
【図2】図1の指向性アンテナの指向特性図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態の指向性アンテナの正面図及び部分破断斜視図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態の指向性アンテナの部分破断側面図及び部分破断背面図である。
【図5】図4の指向性アンテナの部分省略拡大図である。
【図6】図4のアンテナにおける外側筒状体を除去した状態の指向特性図である。
【図7】図4のアンテナの指向特性図である。
【図8】図4のアンテナにおける外側筒状体を除去した状態の正面方向利得と周波数との関係を示す図である。
【図9】図4のアンテナにおける最大利得と周波数との関係を示す図である。
【図10】図4のアンテナにおける正面方向利得と周波数との関係を示す図である。
【図11】図4のアンテナにおけるVSWRと周波数との関係を示す図である。
【図12】第2の実施形態の指向性アンテナの使用状態を示す側面図及び平面図である。
【図13】本発明の第3の実施の形態の指向性アンテナに使用するアンテナ素子を示す図である。
【図14】図13のアンテナにおいて外側筒状体を除去した状態での指向特性図である。
【図15】図13のアンテナの指向特性図である。
【図16】図13のアンテナの正面方向利得と周波数との関係を示す図である。
【図17】図13のアンテナの最大利得と周波数との関係を示す図である。
【図18】図13のアンテナのVSWRと周波数との関係を示す図である。
【符号の説明】
2 ホイップアンテナ(アンテナ素子)
4 筒状体
12 外側筒状体(筒状体)
28 44 48 46b 50b グランド側素子(アンテナ素子)
30 46a 50a ホット側素子(アンテナ素子)
32 51 52 共振リング素子
34 パイプ(反射素子)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a directional antenna, for example, a directional antenna for a wireless LAN installed outdoors.
[0002]
[Prior art]
In recent years, wireless LAN has been actively used. In a wireless LAN, radio waves may be transmitted and received from a base station antenna placed outside a building with respect to an antenna of a terminal station provided in each room of a building such as a building or a condominium. Conventionally, a collinear antenna, a cardioid characteristic antenna, a patch antenna, or the like has been used as the base station antenna.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, a collinear antenna is an omnidirectional antenna, and cannot transmit and receive radio waves only in the direction of a building, for example, a housing complex. Is bad. In addition, when transmitting and receiving radio waves to and from each antenna of a plurality of terminal stations installed at intervals in the building, both the antenna provided at the end of the building and the antenna provided at the center of the building are under the same conditions. It is desirable that the station antenna can transmit and receive radio waves. For this purpose, it is necessary to make the electric field strengths of the antennas provided at the edges and center of the building substantially equal. However, when a cardioid antenna or patch antenna is installed at a position corresponding to the vicinity of the center of the building, the electric field strength is highest near the center of the building, and the electric field strength near both sides of the building is low. Therefore, the antennas described above are unsuitable as base station antennas that transmit and receive with the antennas of the terminal stations of the building.
[0004]
An object of the present invention is to provide a directional antenna capable of transmitting and receiving under almost the same conditions as an antenna provided at any position of a building such as a building or an apartment building by increasing electric field strength on both sides in the front direction. To do.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
One aspect of the directional antenna according to the present invention has a dielectric cylindrical body. This cylindrical body can be a cylindrical body having various cross-sectional shapes such as a columnar shape or a prismatic shape. An antenna element is disposed in the cylindrical body along the length direction thereof. This antenna element has a portion whose directivity is at least approximately semicircular. As such an antenna element, for example, an omnidirectional antenna element such as a monopole antenna or a collinear antenna having a circular directivity characteristic, or an antenna element having a cardioid characteristic having a heart-shaped directivity characteristic may be used. it can. In this antenna element, a portion where the directivity is at least approximately semicircular and a portion where the electric field strength is high, for example, a portion where the electric field strength is maximum, is arranged close to the cylindrical body.
[0006]
In the antenna configured as described above, since the antenna element is disposed close to the cylindrical body, reflection is generated by the cylindrical body, and the electric field strength on the side away from the cylindrical body is reduced. Accordingly, an omnidirectional or cardioid antenna can be used as a directional antenna. In particular, since the electric field strength in the direction opposite to the front direction can be reduced, unnecessary radiation does not occur and the antenna efficiency can be increased. When an antenna element having a cardioid characteristic is used, the cylindrical body approaching the antenna element also acts as a suppression element, and the electric field strength at the approaching portion is slightly reduced. As a result, even as a base station antenna for a building such as a condominium or a building, the electric field strength near the center and near the edge of the building can be made almost equal even if it is installed near the center of the building. it can.
[0009]
In each aspect as described above, the antenna element may have a discone antenna provided on a conductive column. This discone antenna has a ground element and a hot element, and the ground element has a length that is an odd multiple of about 1 / 4λ (λ is a reception wavelength), and is a super-top structure attached to the column. belongs to. The hot element has an open stub structure having an odd multiple of about 1 / 4λ and is attached to the support column. A plurality of such discone antennas can be arranged in a straight line to form a collinear antenna.
[0010]
In such a configuration, the hot-side element is separated from the support in terms of high frequency, but is connected to the support in terms of direct current, and thus has high lightning resistance.
[0011]
A resonant ring element may be disposed around the discone antenna. When configured in this way, it is possible to correct a change in impedance of the antenna element due to the influence of reflection. In addition, it can be set as the antenna with a cardioid characteristic by providing a reflective element in the outward of such a discone antenna.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 show a directional antenna according to a first embodiment of the present invention. This directional antenna is used as an antenna for a base station as described above, and has an antenna element as shown in FIG. As this antenna element, an omnidirectional antenna such as a whip antenna 2 is used. This whip antenna 2 is a linear antenna whose length is selected to be about 0.8λ (about 122 mm) so that, for example, 2 GHz band radio waves can be transmitted and received, and whose diameter is about 12 mm, A square earth plate 3 having a side length of about 30 mm is attached.
[0013]
The whip antenna 2 is surrounded by a cylindrical body 4. The cylindrical body 4 is made of a dielectric material such as a synthetic resin, specifically FRP. The cylindrical body 4 has a cylindrical shape having an inner diameter of about 70 mm and a thickness of about 9 mm, for example. This thickness can be changed, for example, in the range of about 6 mm to 10 mm. In this cylindrical body 4, it arrange | positions in the state which approached the inner surface of the cylindrical body 4 so that the distance of the whip antenna 2 and the inner surface of the cylindrical body 4 may be 5 to 10 mm. That is, the whip antenna 2 is arranged in an eccentric state in the cylindrical body 4.
[0014]
FIG. 2 shows a directivity characteristic diagram of this antenna at 2.4 to 2.5 GHz. Since the whip antenna 2 is originally an omnidirectional antenna, the directional characteristic diagram should be circular. However, in this antenna, the whip antenna 2 is arranged in the cylindrical body 4. For this reason, reflection occurs, and the directivity characteristics as shown in FIG. 2 are obtained. The whip antenna 2 is closest to the inner surface of the cylindrical body 4 in the direction of 0 degrees in FIG. As is apparent from this directional characteristic diagram, the electric field strength greatly decreases in the range from about 120 degrees in the clockwise direction to about 120 degrees in the counterclockwise direction, and clearly has directivity. The half-value width is a wide range of about 140 degrees from about 60 degrees in the clockwise direction to 80 degrees in the counterclockwise direction. Therefore, by arranging the cylindrical body 4 in an eccentric state on the outer periphery of the omnidirectional whip antenna, the antenna has directivity, and can be used at an antenna installation location that requires directivity. In particular, in this embodiment, a directional antenna can be created only by a simple operation of covering the cylindrical body 4 on the whip antenna 2 having a simple configuration.
[0015]
3 to 5 show a directional antenna according to the second embodiment. Similar to the directional antenna of the first embodiment, this directional antenna is also used as a base station antenna, and is used for transmitting and receiving radio waves of about 2.4 to 2.5 GHz band. As shown in FIGS. 3A and 3B and FIGS. 4A and 4B, the directional antenna has an outer cylindrical body 12. The outer cylindrical body 12 has, for example, a cylindrical shape having an outer shape of 88.6 mm (about 0.72λ), an inner diameter of about 70 mm (about 0.58λ), and a thickness of about 9.3 mm (about 0.076λ). It is made of a dielectric material such as synthetic resin, specifically FRP. A base 14 is provided in the outer cylindrical body 12. The base 14 is formed in a disk shape. An inner cylindrical body 16 is attached to the base 14. The inner cylindrical body 16 is formed in, for example, a cylindrical shape having a diameter of about 38 mm (about 0.3λ), and a huge portion 16 a is formed in the lower portion thereof, and this is attached to the base 14. The wall thickness of the inner cylindrical body 16 is about 1.5 mm (about 0.01λ). A disk-shaped cap 18 is attached to the upper part of the inner cylindrical body 16. The base 14 is made of, for example, brass, the inner cylindrical body 16 is made of a dielectric, for example, synthetic resin, specifically, FRP, and the cap 18 is made of a suitable resin material.
[0016]
An antenna element such as a discone antenna 20 is disposed in the inner cylindrical body 16 as shown in FIG. In the discone antenna 20, a conductive pillar 22 provided perpendicular to the base 14 is mounted on the base 14. A center conductor 24 of the feed line is inserted into the center of the support 22, and a feed line insulator 26 is disposed between the center conductor 24 and the inner surface of the support 22. For example, a coaxial line having a characteristic impedance of 50Ω is formed by the central conductor 24, the feeder insulator 26 and the support 22. This coaxial line is coupled to a connector 27 provided on the side of the base 14 opposite to the support 22.
[0017]
A ground side element 28 is attached to the column 22. The ground element 28 has a super-top structure and is formed of a conductive metal in a cylindrical shape having an open lower end. The length is about 0.15 to 0.25 of the transmission / reception wavelength λ, for example, 25 mm (about 0.2λ), and the upper end portion is arranged concentrically with the column 22. The diameter of this upper end is about 15 mm. Thus, since it has a super top structure, an unnecessary high-frequency current does not flow through the column 22.
[0018]
A hot-side element 30 is attached to the support 22 above the ground-side element 28. The hot-side element 30 is also formed in the same size and shape as the ground-side element 28, and is attached to the column 22 so that the lower end of the hot-side element 30 is positioned about 4 mm above the upper end of the ground-side element 28. ing. A central conductor 24 led out from the column 22 is connected to the hot side element 30. Since it is configured as an open stub in this way, the hot-side element 30 is separated from the support 22 in terms of high frequency, but is connected to the support 22 in terms of DC. Therefore, it is rich in lightning resistance.
[0019]
A resonant ring element 32 is arranged so as to surround the hot side element 30 and the ground side element 28. The resonant ring element 32 is formed of a conductive metal in a cylindrical element having a diameter of about 25 mm and a length of about 27 mm.
[0020]
A plurality of, for example, two, for example, two conductive metal pipes 34 are arranged outside the inner cylindrical body 16 in the back direction. These pipes 34 have a diameter of about 4 mm, for example, and as shown in FIGS. 3 (b) and 4 (b), the distance between them is about 25 mm on both sides in the back direction, and the inner cylindrical shape is also used. It is attached to the body 16 so as to maintain a distance of about 25 mm. These pipes 34 are provided between the base 14 and the cap 18.
[0021]
The discone antenna 20 is originally an omnidirectional antenna, but the antenna 21 has a cardioid characteristic by being an antenna 21 combined with the pipe 34. Further, the front direction (the side opposite to the side where the pipe 34 is provided), which is the portion where the electric field strength of the cardioid characteristic is the largest, approaches the outer cylindrical body 12, that is, decentered, and becomes the outer cylindrical shape. It is arranged in the body 12.
[0022]
FIG. 6 shows a directional characteristic diagram at 2.45 GHz of vertical polarization of the antenna 21 (antenna combined with the discone antenna 20 and the pipe 34) with the outer cylindrical body 12 removed. It exhibits a geoid characteristic, and its maximum gain is in the front direction (0 degree). FIG. 7 shows the directivity characteristics of vertically polarized waves at 2.45 GHz when the outer cylindrical body 12 is attached to the antenna 21. As is apparent from FIG. 7, the front-side gain is reduced by attaching the outer cylindrical body in an eccentric state, and the maximum gain exists in the vicinity of 60 to 70 degrees on the left and right from the front direction. Further, the gain in the back direction is also reduced. FIG. 8 shows the change of the vertical polarization of the antenna 21 with the frequency in the front direction (maximum gain) with the outer cylindrical body 12 removed, and FIG. 9 shows the state where the outer cylindrical body 12 is attached. FIG. 10 shows the change of the gain of the vertical polarization in the front direction with the frequency when the outer cylindrical body 12 is attached. As is clear from these comparisons, the outer cylindrical body is eccentric and attached to the antenna 21, so that the gain in the front direction is reduced, but unnecessary radiation in the rear direction is reduced. The maximum gain is increased by minutes. 7, 9, and 10 are obtained by shifting the antenna 21 having the cardioid characteristic of FIG. 6 by about 5 mm in the front direction (maximum gain direction) and attaching the outer cylindrical body 12, respectively. It is.
[0023]
FIG. 11 shows changes in VSWR due to frequency changes in this directional antenna. The minimum is about 1.05 and the maximum is about 1.2, and there is no significant change in VSWR. If the resonance ring 32 is not provided, the antenna impedance changes greatly due to reflection at the thickness of the outer cylindrical body 12. However, the provision of the resonant ring 32 stabilizes the antenna impedance, resulting in a substantially constant VSWR as described above.
[0024]
Since this directional antenna has directivity characteristics as shown in FIG. 7, it is for a terminal station provided in each room of a building as shown in FIGS. When used as a base station antenna disposed at a position corresponding to the vicinity of the center of the apartment house 6 for transmission / reception with the antenna 8, the field strength is substantially equal at the terminal station antenna 8 at the end of the apartment house 6 or at the center. It can be. Note that the half width can be changed by adjusting the interval between the pipes 34, the half width can be increased when the pipes 34 are brought closer to each other, and the half width can be reduced when the pipes 34 are separated from each other.
[0025]
As shown in FIG. 13, the directional antenna of the third embodiment is the same as that of the second embodiment except that the collinear antenna having the discone antennas 40 and 42 provided in two stages has an antenna element. It is configured in the same way as a directional antenna. Equivalent parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0026]
The first-stage discone antenna 40 includes, for example, a super top 44 below the support 22. The super top 44 has a diameter of about 15 mm and a length of about 25 mm and is formed of a conductive metal in a short cylindrical shape with an open upper end. The lower end of the super top 44 is coupled to the column 22. . A radiating element including a hot-side element 46 a and a ground element 46 b is provided on the upper part of the super top 44. These hot-side and ground-side elements 46a and 46b are also made of conductive metal in a short cylindrical shape having a diameter of about 15 mm and a length of about 25 mm, with the upper end open, and each lower end is a column. 22. Further, the open end of the upper end of the hot side element 46 a is connected to the central conductor in the support column 22. Note that the distance between the upper end of the super top 44 and the lower end of the hot-side element 46a is about 5 mm. The distance between the upper end of the hot side element 46a and the lower end of the ground side element 46b is also about 5 mm.
[0027]
Similarly to the first-stage discone antenna 40, the second-stage discone antenna 42 also includes a super top 48, a hot-side element 50a, and a ground-side element 50b. The super top 48, the hot side and ground side elements 50a, 50b are formed in the same size and shape as the super top 44, the hot side and ground side elements 46a, 46b. The hot-side element 50a is arranged so that the closed lower end portion is positioned approximately 37 mm above the ground-side element 46b, and the closed lower end of the ground-side element 50b is approximately 5 mm above the opened upper end portion. The part is located. The open lower end portion of the super top 48 is located approximately 5 mm above the open upper end portion of the ground element 50b. Therefore, the super top 48 is attached in the opposite direction to the super top 44. Note that the open upper ends of the hot-side elements 46 a and 50 a are coupled to the center conductor in the support column 22. Each discone antenna is provided with resonant rings 51 and 52 as in the second embodiment.
[0028]
FIG. 14 is a diagram showing the directivity characteristic of vertical polarization of this antenna at 2.45 GHz with the outer cylindrical body 12 removed. This directivity characteristic generally shows a cardioid characteristic, and its maximum gain is in the front direction (0 degree). FIG. 15 is a directional characteristic diagram of vertical polarization at 2.45 GHz with the outer cylindrical body 12 attached. The gain in the front direction decreases, and the maximum gain is in the vicinity of the 65 ° direction on the left and right. As is clear from the comparison between the two, by attaching the outer cylindrical body 12, the gain in the front direction (0 degree) decreases, the maximum gain moves in the direction of about 65 degrees to the left and right, and the half-value width also increases. .
[0029]
FIG. 16 shows the frequency change of the gain in the front direction of this antenna, and FIG. 17 shows the frequency change of the maximum gain of this antenna. As is clear from these figures, the gain in the front direction is reduced by attaching the outer cylindrical body 12, but the unnecessary radiation in the rear direction is reduced, so the maximum gain is increased accordingly. is doing. FIG. 18 shows the frequency change of the VSWR of this antenna, which is a value of 1.2 to 1.3 near the center frequency of 2.45 GHz, which is sufficiently practical.
[0030]
Therefore, this antenna can also be used as a base station antenna as shown in FIG. 15, 16, and 17 were measured by shifting the antenna having the cardioid characteristic shown in FIG. 14 by about 5 mm in the front direction (maximum gain direction) and attaching the outer cylindrical body. is there.
[0031]
In each of the above embodiments, the entire antenna element is surrounded by the outer cylindrical body. However, it is not always necessary to surround the entire antenna element. For example, a dielectric suppressor having a certain width is used as the antenna. You may approach the element and provide it in the front direction. In the second and third embodiments, the plurality of pipes 34 arranged at intervals are used as the reflective elements. However, a plate-like body having a certain width is used as the reflective elements. You can also. In the third embodiment, a collinear antenna having two stages is used. However, a collinear antenna having a larger number of stages may be used. In the second and third embodiments, the inner cylindrical body 16 is provided, but may be unnecessary depending on circumstances.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, in the directional antenna according to the present invention, for example, by providing a cylindrical body with respect to an antenna having omnidirectionality or cardioid characteristics, a directional antenna can be obtained. Since the electric field strength on both sides in the front direction of a geoid antenna can be increased, transmission and reception can be performed under almost the same conditions as the antenna installed at any location in a building such as a building or apartment. Is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a directional antenna according to a first embodiment of the present invention.
2 is a directional characteristic diagram of the directional antenna of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a front view and a partially cutaway perspective view of a directional antenna according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are a partially broken side view and a partially broken rear view of a directional antenna according to a second embodiment of the present invention. FIGS.
5 is a partially omitted enlarged view of the directional antenna of FIG. 4;
6 is a directional characteristic diagram in a state where an outer cylindrical body in the antenna of FIG. 4 is removed.
7 is a directional characteristic diagram of the antenna of FIG. 4;
8 is a diagram showing a relationship between front gain and frequency in a state where an outer cylindrical body in the antenna of FIG. 4 is removed. FIG.
9 is a diagram showing the relationship between the maximum gain and the frequency in the antenna of FIG.
10 is a diagram showing a relationship between front gain and frequency in the antenna of FIG. 4;
11 is a diagram showing the relationship between VSWR and frequency in the antenna of FIG. 4; FIG.
12A and 12B are a side view and a plan view showing a usage state of the directional antenna of the second embodiment.
FIG. 13 is a diagram illustrating an antenna element used for a directional antenna according to a third embodiment of the present invention.
14 is a directional characteristic diagram with the outer cylindrical body removed in the antenna of FIG. 13; FIG.
15 is a directivity characteristic diagram of the antenna of FIG. 13;
16 is a diagram showing the relationship between the front gain and frequency of the antenna of FIG.
17 is a diagram showing the relationship between the maximum gain and frequency of the antenna of FIG.
18 is a diagram showing a relationship between VSWR and frequency of the antenna of FIG.
[Explanation of symbols]
2 Whip antenna (antenna element)
4 cylindrical body 12 outer cylindrical body (cylindrical body)
28 44 48 46b 50b Ground side element (antenna element)
30 46a 50a Hot side element (antenna element)
32 51 52 Resonant ring element 34 Pipe (reflective element)

Claims (5)

誘電体製の筒状体と、
この筒状体内に、その長さ方向に沿って配置され、指向特性が少なくともほぼ半円状である部分を有するアンテナ素子とを、
具備し、このアンテナ素子は、前記少なくともほぼ半円状の指向特性を示す側の電界強度が大きい部分を前記筒状体に接近させて配置して、前記筒状体において反射を生じさせ、前記筒状体から離れた側の電界強度を低下させている指向性アンテナ。
A dielectric cylinder;
In this cylindrical body, an antenna element that is disposed along the length direction thereof and has a portion whose directivity is at least approximately semicircular,
The antenna element has a portion where the electric field strength on the side showing the at least substantially semicircular directivity is close to the cylindrical body to cause reflection in the cylindrical body, A directional antenna that reduces the electric field strength on the side away from the cylindrical body .
請求項1記載の指向性アンテナであって、前記アンテナ素子がカージオイド特性を有し、その電界強度の最も大きい方向を前記筒状体に接近させている指向性アンテナ。The directional antenna according to claim 1, wherein the antenna element has a cardioid characteristic and a direction in which the electric field strength is greatest is made to approach the cylindrical body . 請求項1または2記載の指向性アンテナであって、前記アンテナ素子は、導電性の支柱に設けられたディスコーンアンテナを有し、このディスコーンアンテナは、約1/4λ(λは受信波長)の奇数倍の長さを有し前記支柱に取り付けられたシュペルトップ構造のグランド素子と、約1/4λの奇数倍の長さを有するオープンスタブで前記支柱に取り付けられたホット素子とを有する指向性アンテナ。 3. The directional antenna according to claim 1 or 2 , wherein the antenna element has a discone antenna provided on a conductive column, and the discone antenna has about 1 / 4λ (λ is a reception wavelength). And a hot element attached to the support with an open stub having an odd multiple of about 1 / 4λ. Directional antenna. 請求項3記載の指向性アンテナにおいて、前記アンテナ素子は、前記アンテナ素子が前記筒状体と接近している部分と反対側に、反射素子を有するものである指向性アンテナ。 4. The directional antenna according to claim 3, wherein the antenna element has a reflective element on a side opposite to a portion where the antenna element is close to the cylindrical body . 請求項3または4記載の指向性アンテナであって、前記ディスコーンアンテナの周囲に共振リング素子が配置されている指向性アンテナ。 5. The directional antenna according to claim 3, wherein a resonant ring element is disposed around the discone antenna.
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