JP4516514B2 - 無指向性アンテナ - Google Patents

Description

この発明は、無指向性アンテナに関し、特に、移動通信（自動車携帯電話等）用の移動局に用いて好適な無指向性アンテナに関する。

移動通信用の移動局では、局周辺の全方角からの電波を送受信する必要があるため、水平面内指向性が無指向性のアンテナが用いられる。
従来の無指向性アンテナとして、例えば、図６に示すようなコリニアアレイアンテナが提案されている(例えば、非特許文献１参照)。
このコリニアアレイアンテナは、それぞれ約１／２波長の長さを有する上部アンテナ素子１００Ａと下部アンテナ素子１００Ｂの間に電気長約１／２波長の位相コイル１０１を挿入した構成を有する。

このコリニアアレイアンテナにおいて、同軸ケーブル１０２および整合部１０３を介して入力された電流は、上記下部アンテナ素子１００Ｂに供給された後、位相コイル１０１を介して上記上部アンテナ素子１００Ａに供給される。上記したように、位相コイル１０１の電気長は、約１／２波長に設定されている。
したがって、このコリニアアレイアンテナでは、上部アンテナ素子１００Ａを励振する電流と下部アンテナ素子１００Ｂを励振する電流の位相が３６０°相違すること、換言すれば、上部アンテナ素子１００Ａと下部アンテナ素子１００Ｂから放射される各電波の位相が３６０°相違することになる。このことから、このコリニアアレイアンテナは、水平方向が最大放射方向となる垂直面内指向性を有することになる。
電子情報通信学会春期全国大会１９８９年Ｂ−７５

しかし、上記コリニアアレイアンテナは、放射素子である上部アンテナ素子１００Ａと下部アンテナ素子１００Ｂが直列給電されるので、給電周波数が使用周波数帯の中心周波数である場合には、上部アンテナ素子１００Ａおよび下部アンテナ素子１００Ｂを設定された位相差（３６０°）で励振することができるものの、給電周波数が上記中心周波数からずれるにつれて、上記位相差が設定位相差からずれることになる。
この位相差のずれは、垂直面内指向性における最大放射方向位置のずれをもたらす。したがって、上記コリニアアレイアンテナでは、給電周波数が上記中心周波数から変化するのに伴って垂直面内指向性における最大放射方向位置が上下にずれるという現象を生じる。

本発明は、このような状況に鑑み、垂直面内指向性における最大放射方向位置のずれを防止するとともに、水平面内指向性のレベル偏差を抑制することができる無指向性アンテナを提供することを目的としている。

本発明に係る無指向性アンテナは、前記課題を解決するため、長手方向中心軸線が鉛直線上に位置するように上下に所定の間隔をおいて配列させた第１および第２のダイポールアンテナ素子と、前記第１および第２のダイポールアンテナ素子に沿って配設され、一端および他端がそれぞれ前記第１および第２のダイポールアンテナ素子に接続された２分配給電線路と、前記２分配給電線路に接続され、前記第１および第２のアンテナ素子の間を通った後、前記第２のダイポールアンテナ素子に沿って下方に導かれた主給電線路とを備え、前記主給電線路の下方に導かれた部位と前記２分配給電線路とを前記第２のアンテナ素子を中心としてほぼ対称に位置させている。

前記第１および第２のアンテナ素子の間隔は、１波長以下に設定することが望ましい。
前記各ダイポールアンテナ素子および前記２分配給電線路は、誘電体基板に接着された金属箔によって形成することができる。

実施形態においては、前記金属箔からなる各ダイポールアンテナ素子は、一方および他方の素子導体が前記誘電体基板の一方および他方の面にそれぞれ形成される。また、前記２分配給電線路は、前記誘電体基板の一方の面に形成した第１の導体線路と、前記誘電体基板の他方の面に前記第１の導体線路に対向して形成した第２の導体線路とによって、平行２線線路による１／４波長整合回路を構成し、前記第１の導体線路を前記各ダイポールアンテナ素子の一方の素子導体に接続し、前記第２の導体線路を前記各ダイポールアンテナ素子の他方の素子導体に接続している。
前記主給電線路としては、例えば前記誘電体基板に密着配置した同軸ケーブルが使用される。

本発明によれば、並列給電が可能であるから、給電周波数が中心周波数から変化した場合でも、垂直面内指向性における最大放射方向位置のずれが防止され、しかも、前記主給電線路と２分配給電線路とがアンテナ素子を中心としてほぼ対称に位置されるので、水平面内指向性のレベル偏差を抑制することができる。

図１は、本発明に係る無指向性アンテナの実施形態を示している。
この無指向アンテナは、放射素子として２つの１／２波長ダイポールアンテナ素子１０（１０Ａ，１０Ｂ）を備えている。各ダイポールアンテナ素子１０は、その長手方向軸線が鉛直線上に位置する形態で上下に配列している。
上段のダイポールアンテナ素子１０Ａと下段のダイポールアンテナ素子１０Ｂとのなす間隔は、それら相互が接触しないという条件と、それら間に後述の同軸ケーブル４０を通し得るスペースが確保されるという条件とが満たされれば、任意に設定することができる。しかし、この間隔は、垂直面内指向性を考慮した場合、グレーティングローブが発生しない１波長以下に設定することが望ましい。そこで、この実施の形態では、上記間隔を約０．６波長に設定してある。

ダイポールアンテナ素子１０を構成する素子導体１１，１２は、誘電体基板２０に接着された金属箔（例えば、銅箔）により形成されている。金属箔からなるこの素子導体１１，１２および後述の２分配給電線路３０は、いわゆるプリント化技術によって形成することができる。
上記素子導体１１は、誘電体基板２０の表面に形成されている。また、上記素子導体１２は、誘電体基板２０を裏面側から見た図２に示すように、この誘電体基板２０の裏面に形成されている。

誘電体基板２０には、ダイポールアンテナ素子１０の長手方向軸線に平行する形態で２分配給電線路３０が形成されている。この２分配給電線路３０は、誘電体基板２０の表面に形成した導体線路３１と、この導体線路３１に対向する形態で誘電体基板２０の裏面に形成した導体線路３２(図２参照)とによって構成され、上記ダイポールアンテナ素子１０の長手方向軸線から所定距離、例えば、約０．０７波長だけ側方(図１における右側方)に離れた位置に設けられている。

上記導体線路３１および３２は、各ダイポールアンテナ素子１０の素子導体１１，１２と同様に、誘電体基板２０に接着された金属箔により形成されている。
図１に示すように、導体線路３１の上端および下端は、それぞれアンテナ素子１０Ａおよび１０Ｂの素子導体１１に接続され、また、図２に示すように、導体線路３２の上端および下端は、それぞれアンテナ素子１０Ａおよび１０Ｂの素子導体１２に接続されている。
なお、上記誘電体基板２０としては、例えば、比誘電率約４、厚さ約０．００７波長のものを用いることができるが、これに限定されない。

誘電体基板２０の表面には、主給電線路である同軸ケーブル４０が密着配設されている。この同軸ケーブル４０は、中心導体が上記導体線路３１の分岐点に接続され、外部導体が上記導体線路３２の分岐点に接続されている。
この同軸ケーブル４０は、アンテナ素子１０Ａおよび１０Ｂ間、具体的には、アンテナ素子１０Ａの素子導体１２とアンテナ素子１０Ｂの素子導体１１との間を通った後、アンテナ素子１０Ｂの長手方向中心軸線に平行する形態で下方に導かれている。つまり、同軸ケーブル４０は、上記下方に導かれた部位が図１におけるアンテナ素子１０Ｂの左側方に位置するよう設けられている。
アンテナ素子１０Ｂの長手方向中心軸線から同軸ケーブル４０に至る距離は、該軸線から２分配給電線路３０に至る距離にほぼ一致している。したがって、同軸ケーブル４０と２分配給電線路３０は、アンテナ素子１０Ｂを中心としてほぼ対称に位置している。

本実施形態の無指向アンテナの動作原理は、以下のとおりである。
この無指向アンテナにおいては、放射素子である１／２波長ダイポールアンテナ素子１０Ａ，１０Ｂからそれぞれ水平面内無指向性の電波が放射され、その際、各ダイポールアンテナ素子１０Ａ，１０Ｂの近傍に位置した２分配給電線路３０および同軸ケーブル４０が反射導体として作用する。
しかし、この無指向アンテナによれば、２分配給電線路３０および同軸ケーブル４０がアンテナ素子１０Ｂを中心としてほぼ対称に位置していることから、それらの反射作用によって生じる放射レベルの低下が相殺されて、最大放射電力レベルと最小放射電力レベルの差であるレベル偏差が低減される。

図３は、本実施形態に係る無指向性アンテナの水平面内指向性（測定周波数は２０４５ＭＨｚ）を例示したものである。この指向性は、最大放射電力を０ｄＢとした相対電力で表されている。この指向性図において、上記同軸ケーブル４０および２分配給電線路３０は、それぞれは＋９０°方向および−９０°方向に配置されている。

図３から明らかなように、本実施形態に係る無指向性アンテナによれば、上記レベル偏差の小さい（約１．８ｄＢ）良好な水平面内指向性を得ることができる。
無指向性アンテナに要求される性能の１つとして、水平面内指向性のレベル偏差が小さいことがあげられる。なぜなら、水平面内指向性のレベル偏差が大きい場合、電波の到来方向によって送受信レベルが変化して、通信の劣化が発生する方角が生じることになるからである。レベル偏差が小さい本実施形態に係る無指向性アンテナによれば、通信の質と信頼性を向上することができる。

なお、並列給電方式を採用した本実施形態の無指向アンテナによれば、上下２つのダイポールアンテナ素子１０Ａ，１０Ｂが使用周波数の中心周波数以外の周波数においても同位相で励振されるので、周波数によって垂直面内指向性の最大放射方向がずれるという現象、つまり図６に示したコリニアアレイアンテナが持つ問題も生じない。
本実施形態に係る無指向性アンテナは、以上のような利点を有するので、自動車携帯電話等の移動通信に用いるアンテナとして好適であるが、もちろん、別の用途にも適用可能である。

図４は、比較例としての無指向アンテナを示している。
このアンテナにおいても、２分配給電線路３０および同軸ケーブル４０が反射導体として作用する。しかし、このアンテナは、ダイポールアンテナ素子１０Ａ，１０Ｂに対して２分配給電線路３０および同軸ケーブル４０を同じ側に配設した構成を有するので、それらが配設された方角への電波の放射が弱くなるという現象を生じる。

図５は、この比較例に係るアンテナの水平面内指向性（測定周波数は２０４５ＭＨｚ）を例示したものである。この指向性図において、上記同軸ケーブル４０および２分配給電線路３０は、それぞれは＋９０°方向に配置されている。
この指向性が示すように、上記比較例に係るアンテナでは、最大放射電力レベルと最小放射電力レベルの差であるレベル偏差が大きくなる（約４．７ｄＢ）。

本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形態様を含むことができる。すなわち、上記実施形態では、アンテナ素子や２分配給電線路を誘電体基板上に接着した金属箔によって形成しているが、アンテナ素子を金属円筒で形成すること、および２分配給電線路をその他の形態の線路、例えば、対向した金属板によって形成した線路や同軸線路等によって構成することも可能である。更に、上記実施形態では、主給電線路として同軸ケーブル４０を使用しているが、この主給電線路を上記金属箔によって形成することも可能である。

本発明に係る無指向性アンテナの実施形態を示す正面図である。 図１の無指向性アンテナの裏面図である。 図１の無指向アンテナの水平面内指向性を例示したグラフである。 図１の無指向性アンテナの比較例を示す正面図である。 図４の無指向アンテナの水平面内指向性を例示したグラフである。 コリニアアレイアンテナの外観図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ ダイポールアンテナ素子
１１，１２ 素子導体
２０ 誘電体基板
３０ ２分配給電線路
３１，３２ 導体線路
４０ 同軸ケーブル

Claims (5)

1. 長手方向中心軸線が鉛直線上に位置するように上下に所定の間隔をおいて配列させた第１および第２のダイポールアンテナ素子と、
   前記第１および第２のダイポールアンテナ素子に沿って配設され、一端および他端がそれぞれ前記第１および第２のダイポールアンテナ素子に接続された２分配給電線路と、
   前記２分配給電線路に接続され、前記第１および第２のアンテナ素子の間を通った後、前記第２のダイポールアンテナ素子に沿って下方に導かれた主給電線路とを備え、
   前記主給電線路の下方に導かれた部位と前記２分配給電線路とを前記第２のアンテナ素子を中心としてほぼ対称に位置させたことを特徴とする無指向性アンテナ。
2. 前記第１および第２のアンテナ素子の間隔を１波長以下に設定したことを特徴とする請求項１に記載の無指向性アンテナ。
3. 前記各ダイポールアンテナ素子および前記２分配給電線路を、誘電体基板に接着された金属箔によって形成したことを特徴とする請求項１に記載の無指向性アンテナ。
4. 前記各ダイポールアンテナ素子は、一方および他方の素子導体が前記誘電体基板の一方および他方の面にそれぞれ形成され、
   前記２分配給電線路は、前記誘電体基板の一方の面に形成した第１の導体線路と、前記誘電体基板の他方の面に前記第１の導体線路に対向して形成した第２の導体線路とによって、平行２線線路による１／４波長整合回路を構成し、
   前記第１の導体線路を前記各ダイポールアンテナ素子の一方の素子導体に接続し、前記第２の導体線路を前記各ダイポールアンテナ素子の他方の素子導体に接続したことを特徴とする請求項３に記載の無指向性アンテナ。
5. 前記主給電線路は、前記誘電体基板に密着配置した同軸ケーブルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の無指向性アンテナ。

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