JP4542566B2 - 多周波共用アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、移動通信の車載用アンテナ等の移動体通信用基地局として用いられる多周波共用アンテナ装置に関する。

各辺が１波長よりも小さい矩形の小型地板付きの単周波モノポールアンテナがある。この単周波モノポールアンテナは、地板が小さいため、漏れ電流が生じて不平衡電流が流れることが報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。この単周波モノポールアンテナに流れる不平衡電流を防ぐために、給電線に１／４波長の円筒導体を付ける技術、半波長う回路を用いたバランを付ける技術が知られている（例えば、非特許文献２，３参照。）
新井 宏之，「小形アンテナ：小形化手法とその評価法」，電子情報通信学会論文誌，Vol.J87-B，No.9，pp.1140-1148，2004年9月 安達三郎著，「電磁波工学」，コロナ社，１９８３年４月，ｐ．７８−８０ 電子情報通信学会編，「アンテナ工学ハンドブック」，オーム社，１９８０年１０月，ｐ．２４２−２４３，３１５−３１７

上記の漏れ電流を防ぐための技術は、単周波モノポールアンテナについての技術であり、小型地板を有する多周波共用モノポールアンテナについての漏れ電流を防ぐための技術は知られていない。
本発明は、漏れ電流防止手段を備えた多周波共用アンテナ装置を提供することを目的とする。

基板の一方の面上に設けられ、給電線の一方の導体が接続された地板と、基板を介して地板の一辺の中央部に給電点がある多周波共用モノポールアンテナと、基板の他方の面上に設けられ、一端が給電線の他方の導体に接続され、他端が給電点に接続されたストリップ導体と、ストリップ導体の一端に形成されたインピーダンス変換器と、を備えた多周波共用アンテナ装置において、多周波共用アンテナ装置は複数の共振周波数を有している。地板の基板を介して給電点が位置する一辺の長さは複数の共振周波数のうちのひとつの共振周波数ｆ１の１／２波長であり、ストリップ導体の長さは複数の共振周波数のうちの別の共振周波数ｆ２の１／２波長であり、インピーダンス変換器の長さは複数の共振周波数のうちのさらに別の共振周波数ｆ３の１／４波長である。ここで、共振周波数ｆ１が共振周波数ｆ２及び共振周波数ｆ３よりも低い、または、共振周波数ｆ２が共振周波数ｆ１及び共振周波数ｆ３よりも低い。

ストリップ導体の全長、地板の、給電点が裏側に設けられた一辺の長さ、インピーダンス変換器の長さをそれぞれ、複数ある共振周波数のうちの互いに異なる共振周波数に基づいて適切に定めることにより、各共振周波数において漏れ電流を防ぐことができる。これにより、リターンロスの影響を提言して、ＶＳＷＲを改善することができる。

［実施形態］
図１に、多周波共用アンテナ装置１００を例示する。図１Ａは、多周波共用アンテナ装置１００の正面図であり、図１Ｂは、多周波共用アンテナ装置１００のｘ−ｘ’断面図である。多周波共用アンテナ装置１００は、三周波共用モノポールアンテナである。

多周波共用アンテナ装置１００の共振周波数を低い順にｆＬ、ｆＭ、ｆＨとし、各共振周波数の波長λの長さをそれぞれλ_ｆＬ、λ_ｆＭ、λ_ｆＨとする。なお、本明細書、特許請求の範囲において、波長λを用いて長さを定めた場合には、その実際の長さは、比誘電率を考慮して定めるものとする。

矩形の基板５の裏面の一側端（図１においては、基板５の下端）を覆うように、地板１が形成される。後述する給電点４が裏側に設けられた地板１の一辺ｓの長さＬは、１／２λ_ｆＭ程度である。地板１の高さＨは、任意である。例えば、基板５は、プリント基板によって作られる。

地板１の一辺ｓの中央部の基板５に対して反対側に給電点４が設けられる。言い換えると、給電点４は、基板５を介して地板１の一辺ｓの中央部に位置する。

多周波共用モノポールアンテナ３は、基板５の地板１が設けられていない方の表面に設けられる。多周波共用モノポールアンテナ３は、給電点４において、地板１と後述するストリップ導体７により構成されるマイクロストリップ構造によって給電される。

多周波共用モノポールアンテナ３は、モノポールアンテナ３１と、２つのモノポールアンテナ３２とを備える。２つのモノポールアンテナ３２は、モノポールアンテナ３１を挟んで互いに平行に、そのモノポールアンテナ３１との間隔が等間隔となるように配置されている。図示してはいないが、モノポールアンテナ３２は、地板１から離れるに従って幅が広がっていてもよい。

基板５の一側面（図１Ａにおいては、基板５の右端面）にコネクタ９が配される。コネクタ９には同軸ケーブル６が接続される。コネクタ９を介して、同軸ケーブル６の外部導体は地板１と導通され、同軸ケーブル６の内部導体はストリップ導体７と導通される。なお、給電線として、必ずしも同軸ケーブル６と同軸ケーブル用のコネクタ９を用いる必要はなく、任意の給電線を用いてもよい。

ストリップ導体７は、多周波共用モノポールアンテナ３が設けられている方の表面に設けられる。言い換えると、ストリップ導体７は、基板５の地板１が設けられていない方の表面に設けられ、基板５を介して地板１と対向している。ストリップ導体７と基板５と地板１によってマイクロストリップラインが形成される。ストリップ導体７は、コネクタ９を介して同軸ケーブル６の内部導体と多周波共用モノポールアンテナ３とを導通する。言い換えると、多周波共用モノポールアンテナ３は、ストリップ導体７と基板５と地板１によって構成されるマイクロストリップ構造により給電点４において給電される。

なお、ストリップ導体７の全長は、共振周波数ｆＬの波長λ_ｆＬの１／２程度とする。ストリップ導体７の全長を所定の波長（この例では、λ_ｆＬ）の１／２程度とするために、例えば図１Ａに示すように、必要に応じてストリップ導体７をメアンダ状に適宜折り返す。ストリップ導体７の全長は、ストリップ導体７上に後述するインピーダンス変換器８が設けられた場合には、インピーダンス変換器８を含む長さである。

ストリップ導体７のコネクタ９を介して同軸ケーブル６が接続されている側の端に、共振周波数ｆＨの波長λ_ｆＨの１／４程度の長さＬ２のインピーダンス変換器８が形成される。例えば、ストリップ導体７の幅を変えることにより、インピーダンス変換器８を構成する。

上記実施形態においては、共振周波数ｆＬについては、ストリップ導体７の全長の長さを１／２λ_ｆＬ程度とすることにより、漏れ電流を防止している。共振周波数ｆＭについては、地板１の基板５を介して給電点４が位置する一辺ｓの長さＬを１／２λ_ｆＭ程度とすることにより、漏れ電流を防止している。共振周波数ｆＨについては、インピーダンス変換器８の長さを１／４λ_ｆＨ程度とすることにより、漏れ電流を防止している。

このように、各共振周波数ｆＬ，ｆＭ，ｆＨの帯域についてそれぞれＶＳＷＲ（電圧定在波比）を向上するための工夫をすることにより、各共振周波数の帯域においてリターンロスを低減し、ＶＳＷＲを改善することができる。

なお、ストリップ導体７の全長、一辺ｓの長さＬ、インピーダンス変換器８の長さをそれぞれ異なる共振周波数に基づいて定めれば、各共振周波数において漏れ電流を低減するという本発明の効果を得ることができる。ただし、ストリップ導体７の全長、または、一辺ｓの長さＬが、最も低い共振周波数ｆＬの波長λ_ｆＬの１／２程度でなければならない。ストリップ導体７の全長と、一辺ｓの長さＬの両方が、共振周波数ｆＬの波長λ_ｆＬの１／２程度でない場合には、共振周波数ｆＬの漏れ電流を低減することはできないためである。

例えば、ストリップ導体７の全長を１／２λ_ｆＬ程度、一辺ｓの長さＬを１／２ｆ_Ｈ程度、インピーダンス変換器８の長さを１／４λ_ｆＭ程度とすることができる。

上記実施形態において、ストリップ導体７の全長を１／２λ_ｆＬ程度、一辺ｓの長さＬを１／２λ_ｆＭ程度、インピーダンス変換器８の長さを１／４λ_ｆＨ程度としたのは、このようにすることにより多周波共用アンテナ装置１００を容易に小さく設計することができるという有利な効果があるためである。

なお、ストリップ導体７に少なくとも１つのステップインピーダンス２を設けてもよい。少なくとも１つのステップインピーダンスを形成することにより、ＶＳＷＲを調整及び改善することができる。逆にいうと、望ましいＶＳＷＲを得ることができるように、ステップインピーダンス２は設けられる。例えば、ストリップ導体７の幅を変えることにより、ステップインピーダンス２を構成する。

例えば、図１Ａに示すように、ストリップ導体７の給電点４がある側の端にステップインピーダンス２ａを設ける。また、ストリップ導体７の中央部にステップインピーダンス２ｂを設ける。なお、ステップインピーダンス２ａ，２ｂの何れか一方ではなく、それらの両方を形成してもよい。

本発明は、共振周波数が３つ以上ある多周波共用モノポールアンテナにも適用することができる。例えば、共振周波数が３つ以上ある場合には、ストリップ導体７の全長、一辺ｓの長さＬ、インピーダンス変換器８の長さをそれぞれ、複数ある共振周波数のうちの互いに異なる共振周波数に基づいて上記と同様に定める。望ましくは、ＶＳＷＲを最も改善したい共振周波数に基づいて、ストリップ導体７の全長、一辺ｓの長さＬ、インピーダンス変換器８の長さをそれぞれ定める。なお、共振周波数が３つ以上ある場合においても、ストリップ導体７の全長、または、一辺ｓの長さＬが、ＶＳＷＲの改善を図ろうとする共振周波数のうち最も低い共振周波数の波長の１／２程度でなければならない点に注意する。

また、本発明は、共振周波数が２つである二周波共用モノポールアンテナにも適用することができる。この場合、例えば、ストリップ導体７の全長、一辺ｓの長さＬ、インピーダンス変換器８の長さのうちの少なくとも２つをそれぞれ、２つある共振周波数のうちの異なる共振周波数に基づいて上記と同様に定める。共振周波数が２つである場合も、ストリップ導体７の全長、または、一辺ｓの長さＬが、低い方の共振周波数の波長の１／２程度でなければならない点に注意する。

まとめると、二周波共用モノポールアンテナにおいて、低い方の共振周波数をｆＬ、高い方の共振周波数をｆＨとすると、（１）ストリップ導体７の全長、一辺ｓの長さＬの少なくとも一方は、共振周波数ｆＬの１／２λ_ｆＬ程度であり、かつ、（２）ストリップ導体７の全長、一辺ｓの長さＬのうちλ_ｆＬでないものの長さは、共振周波数ｆＨの１／２λ_ｆＨ程度である、または、インピーダンス変換器８の長さは、共振周波数ｆＨの１／４λ_ｆＨ程度である。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

［実験例］
実験例１は、図２に示す、漏れ電流を防止するための対策をしていない従来の小型地板を有する三周波共用アンテナ装置１００ａについての実験例である。本発明による多周波アンテナ装置の効果を示すための比較例として、まず従来の小型地板を有する三周波共用アンテナ装置１００ａについての実験例を示す。三周波共用アンテナ装置１００ａの使用周波数は、９００ＭＨｚ帯、１．７ＧＨｚ帯、２ＧＨｚ帯の３つである。これらの使用周波数（共振周波数）を低い順に、ｆＬ，ｆＭ，ｆＬとする。

図２に例示するように、三周波共用アンテナ装置１００ａは、基板５の下端に形成された矩形の地板１、地板１が形成された面とは反対側の基板５の面に形成された多周波共用モノポールアンテナ３ａを備える。図２Ａは、三周波共用アンテナ装置１００ａの正面図であり、図２Ｂは、三周波共用アンテナ装置１００ａのｙ−ｙ’断面図である。

多周波共用モノポールアンテナ３ａは、矩形の地板１の一辺ｓの中央部に配されたＳＭＡコネクタ９ａを介して同軸ケーブル６ａにより給電される。すなわち、矩形の地板１の一辺ｓの中央部において、多周波共用モノポールアンテナ３はＳＭＡコネクタ９ａを介して同軸ケーブル６ａの内部導体に接続され、地板１はＳＭＡコネクタ９ａを介して同軸ケーブル６ａの外部導体に接続される。地板１の一辺ｓの長さは、共振周波数ｆＭの１／２波長とする。

ＳＭＡコネクタ９ａは、内部導体の直径が１．１２ｍｍであり、絶縁体の直径が４ｍｍであり、外部導体の直径が５ｍｍである。絶縁体として、比誘電率２．０８のテフロン（登録商標）を用いた。上記したように、ＳＭＡコネクタ９ａの一端は、地板１の一辺ｓの中央部に垂直に接続され、他端には同軸ケーブル６ａが接続されている。

同軸ケーブル６ａの長さを０、２００ｍｍ、２５０ｍｍ、３００ｍｍとした場合の三周波共用アンテナ装置１００ａのＶＳＷＲを図３に示す。なお、同軸ケーブル６ａの長さが０ではない場合には、ＳＭＡコネクタ９ａは、同軸ケーブル６ａが鉛直下方向に延伸するようにＬ字型に曲げられている。同軸ケーブル６ａの直径は５ｍｍであり、鉛直下方向に延伸する同軸ケーブル６ａと基板５は１０ｍｍ離れている。

図３から、漏れ電流の対策を施していない場合には、同軸ケーブル６ａに漏れ電流の流れるため、同軸ケーブル６ａの長さが変わるとｆＬ（９００ＭＨｚ帯）の共振周波数が大きく変わってしまうことがわかる。

実験例２として、図１に示した多周波共用アンテナ装置１００において、ｆＬを９００ＭＨｚ、ｆＭを１．７Ｇｈｚ、ｆＨを２ＧＨｚとして、地板１の一辺ｓの長さＬを１／２λ_ｆＭ、ストリップ導体７の長さを１／２λ_ｆＬ、インピーダンス変換器８の長さＬ２を１／４λ_ｆＨとした場合のＶＳＷＲを図４に示す。なお、実験例１と同様に、同軸ケーブル６の長さを０、２００ｍｍ、２５０ｍｍ、３００ｍｍと変えた場合のそれぞれのＶＳＷＲを示す。実験例２においては、ストリップ導体７に、ステップインピーダンス２は形成されていない。

図４から、漏れ電流を防ぐための対策を施すことにより、同軸ケーブル６に漏れ電流が流れなくなるため、同軸ケーブル６ａの長さを変えても共振周波数が大きく変わらないことがわかる。

実験例３として、図１に示した多周波共用アンテナ装置１００において、ｆＬを９００ＭＨｚ、ｆＭを１．７Ｇｈｚ、ｆＨを２ＧＨｚとして、地板１の一辺ｓの長さＬを１／２λ_ｆＭ、ストリップ導体７の長さを１／２λ_ｆＬ、インピーダンス変換器８の長さＬ２を１／４λ_ｆＨとして、図１Ａに示すようにステップインピーダンス２をストリップ導体７に形成した場合のＶＳＷＲを図５に示す。なお、実験例３では、同軸ケーブル６の長さを考慮していない。つまり、同軸ケーブル６の長さを０とした場合の実験結果である。図５において、一点鎖線は、ステップインピーダンス２ａを設けた場合の実験結果、二点鎖線は、ステップインピーダンス２ｂを設けた場合の実験結果、太線は、ステップインピーダンス２ａ，２ｂの両方を設けた場合の実験結果を示す。

また、比較のために、インピーダンス変換器８とステップインピーダンス２を設けなかった場合の実験結果を実線で示し、インピーダンス変換器８を設けたが、ステップインピーダンス２を設けなかった場合の実験結果を点線で示す。

図５から、インピーダンス変換器８を形成しない場合には、ｆＨ（２ＧＨｚ）付近で、ＶＳＷＲが２．５程度になってしまうことがわかる。また、インピーダンス変換器８を入れることで、１．７ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚ当たりまでＶＳＷＲを改善できることがわかる。

図１は多周波共用アンテナ装置１００の構成を例示する図。図１Ａは多周波共用アンテナ装置１００の正面図、図１Ｂは多周波共用アンテナ装置１００のｘ−ｘ’断面図。 図２は三周波共用アンテナ装置１００ａの構成を例示する図。図２Ａは三周波共用アンテナ装置１００の正面図、図２Ｂは三周波共用アンテナ装置１００のｙ−ｙ’断面図。 実験例１の実験結果を表す図。 実験例２の実験結果を表す図。 実験例３の実験結果を表す図。

符号の説明

１ 地板
２ ステップインピーダンス
２ａ ステップインピーダンス
２ｂ ステップインピーダンス
３ 多周波共用モノポールアンテナ
３ａ 多周波共用モノポールアンテナ
４ 給電点
５ 基板
６ 同軸ケーブル
６ａ 同軸ケーブル
７ ストリップ導体
８ インピーダンス変換器
９ コネクタ
９ａ コネクタ
３１ モノポールアンテナ
３２ モノポールアンテナ
１００ 多周波共用アンテナ装置
１００ａ 三周波共用アンテナ装置

Claims (5)

1. 基板の一方の面上に設けられ、給電線の一方の導体が接続された地板と、
   上記基板を介して上記地板の一辺の中央部に給電点がある多周波共用モノポールアンテナと、
   上記基板の他方の面上に設けられ、一端が給電線の他方の導体に接続され、他端が上記給電点に接続されたストリップ導体と、
   上記ストリップ導体の上記一端に形成されたインピーダンス変換器と、
   を備えた多周波共用アンテナ装置において、
   上記多周波共用アンテナ装置は複数の共振周波数を有しており、
   上記地板の上記基板を介して給電点が位置する一辺の長さは上記複数の共振周波数のうちのひとつの共振周波数ｆ１の１／２波長であり、上記ストリップ導体の長さは上記複数の共振周波数のうちの別の共振周波数ｆ２の１／２波長であり、上記インピーダンス変換器の長さは上記複数の共振周波数のうちのさらに別の共振周波数ｆ３の１／４波長であり、
   共振周波数ｆ１が共振周波数ｆ２及び共振周波数ｆ３よりも低い、または、共振周波数ｆ２が共振周波数ｆ１及び共振周波数ｆ３よりも低い、
   ことを特徴とする多周波共用アンテナ装置。
2. 請求項１に記載の多周波共用アンテナ装置において、
   上記多周波共用アンテナ装置は、三周波共用モノポールアンテナ装置であり、
   三周波共用モノポールアンテナ装置の共振周波数を低い順にｆＬ，ｆＭ，ｆＨとすると、上記地板の上記基板を介して給電点が位置する一辺の長さは共振周波数ｆＭの１／２波長であり、上記ストリップ導体の長さは共振周波数ｆＬの１／２波長であり、上記インピーダンス変換器の長さは共振周波数ｆＨの１／４波長である、
   ことを特徴とする多周波共用アンテナ装置。
3. 請求項１に記載の多周波共用アンテナ装置において、
   上記多周波共用アンテナ装置は、二周波共用モノポールアンテナ装置であり、
   二周波共用モノポールアンテナの共振周波数を低い順にｆＬ，ｆＨとすると、
   上記地板の上記基板を介して給電点が位置する一辺の長さと上記ストリップ導体の長さの少なくとも一方は、共振周波数ｆＬの１／２波長であり、
   上記地板の上記基板を介して給電点が位置する一辺の長さと上記ストリップ導体の長さのうち共振周波数ｆＬの１／２波長でないものの長さは共振周波数ｆＨの１／２波長である、または、上記インピーダンス変換器の長さは共振周波数ｆＨの１／４波長である、
   ことを特徴とする多周波共用アンテナ装置。
4. 請求項１から３の何れかに記載の多周波共用アンテナ装置において、
   上記ストリップ導体に少なくとも１つのステップインピーダンスを設けたことを特徴とする多周波共用アンテナ装置。
5. 請求項１から４の何れかに記載の多周波共用アンテナ装置において、
   上記基板はプリント基板で作られている、
   ことを特徴とする多周波共用アンテナ装置。

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