JP4626977B2 - マルチバンドアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、無線通信の技術分野に関し、特に複数の周波数に共振するマルチバンドアンテナに関する。

現在及び将来的な移動通信では、８００ＭＨｚ帯、１．５ＧＨｚ帯及び２ＧＨｚ帯のような複数の周波数帯域でサービスが提供される。この場合に、設備投資その他のコストを低減する等の観点から、１つの基地局に配置するアンテナは最径化や軽量化が求められている。更に、周波数帯域毎にアンテナを用意すると、景観上好ましくないことに加えて、設置スペースを多く必要とし、設置場所が著しく制約されてしまう等の問題が生じる。このような不都合に対処するため、複数の周波数に共振するマルチバンドアンテナが使用される。

図１は、従来のマルチバンドアンテナの一例を示す。図示のマルチバンドアンテナは、高低２つの周波数に共振し、第１の長さを有する給電アンテナ素子１１と、第２の長さを有する１対の無給電アンテナ素子１２と、１つの給電点１３とを有する。第１の長さは、低い共振周波数ｆ_Ｌに対応する波長λ_Ｌ（＝ｃ／ｆ_Ｌ，ｃは光速）の２分の１であり、第２の長さは、高い共振周波数ｆ_Ｈに対応する波長λ_Ｈ（＝ｃ／ｆ_Ｈ，ｃは光速）の２分の１である。給電アンテナ素子１１の給電点１３の近傍に無給電アンテナ素子１２が設けられるような高低複数の周波数に共振するマルチバンドアンテナは、例えば非特許文献１や非特許文献２に記載されている。
苅込， "０．９／１．５／２ＧＨｚ帯共用１２０°ビームコーナリフレクタにおける無給電素子の効果，" 信学ソ大， Ｂ−１−８０， ２００２． 中村， 駒田， 恵比根， "携帯電話基地局用３周波共用アンテナ，" 信学総大， Ｂ−１−６６， ２０００

図２は、図１に示されるマルチバンドアンテナを２つ用意し、それらを共通する垂直軸に沿って並べることで、アンテナ利得を高めようとする例を示す。この場合において、各ダイポールアンテナは、λ_Ｌ／２程度の長さを有し、それらの中点に給電点１３−１，２が設けられるので、２つの給電点１３−１，２は少なくともλ_Ｌ／２以上離れていることを要する（Ｄ≧λ_Ｌ／２）。このような物理的寸法が採用され、低周波数用のアンテナ素子１１−１，２の間隔Ｄが１／２波長（λ_Ｌ／２）以上引き離されると、高周波数用のアンテナ素子１２−１，２は、１／２波長（λ_Ｈ／２）より大きく引き離されることになる。一方、２つのアンテナ素子を並べた場合の全体的なアンテナ利得（特に、垂直面内指向特性）では、アンテナ間隔が大きくなるほどグレーティングローブが大きくなることが知られている。従って、高周波数用のアンテナ素子に関するアンテナ利得の合成効果は、低周波数用のアンテナ素子に関するアンテナ利得の合成効果より小さくなる。例えば、Ｄ＝λ_Ｌ／２であり、λ_Ｌ＝４×λ_Ｈ とすると、低周波数用のアンテナ素子１１−１，２は、１波長程度しか離れていないが、高周波数用のアンテナ素子１２−１，２は波長の４倍程度（４λ_Ｈ）も離れていることになる。このため、アンテナ利得の合成効果は、グレーティングローブの増大に起因して目減りしてしまう問題点がある。更に、２つのマルチバンドアンテナ間の相互インピーダンスに配慮する観点からは、アンテナ間隔Ｄは０．７波長以上引き離されていることが望ましい。従って、相互インピーダンスにも配慮する場合には、アンテナ利得の合成効果は更に目減りしてしまう問題点がある。

図３は、図２に示されるような２つのマルチバンドアンテナから構成されるアンテナの水平及び垂直面内指向性に関する指向性パターンを、高低２つの周波数に関して算出したシミュレーション結果を示す。シミュレーションでは、ｆ_Ｌ＝８３０ＭＨｚ及びｆ_Ｈ＝３．３２ＧＨｚ に関する動作特性が計算された。図示の円の外周に沿う目盛は、水平面内及び垂直面内の方位角０〜３６０度を表す。指向性パターンは、絶対利得（ｄＢ）で示され、円の中心は−３０ｄＢに、円の外周部は＋１０ｄＢに対応する。図示されているように、水平面内指向性については、高低２つの周波数各々に関し、無指向性（オムニ指向性）のアンテナ利得が示されている。垂直面内指向性については、何れの周波数でも比較的大きなグレーティングローブが生じていることが分かる（メインローブは、＋９０度及び＋２７０度で約５ｄＢ程度の利得を示す。）。

本発明の課題は、グレーティングローブによるアンテナ利得の低下を従来よりも抑制するマルチバンドアンテナを提供することである。

一実施例において使用されるマルチバンドアンテナは、
第１及び第２の給電点を有し、線状のダイポールアンテナを構成する第１の給電アンテナ素子と、
第３及び第４の給電点を有し、線状のダイポールアンテナを構成する第２の給電アンテナ素子と
を有し、前記第１ないし第４の給電点は、前記第１及び第２の給電アンテナ素子の長さ方向に沿って等間隔に並び、前記第１ないし第４の給電点各々の近傍には、給電点間の距離より短い長さを有する１組の無給電アンテナ素子がそれぞれ設けられている、マルチバンドアンテナである。

本発明によれば、グレーティングローブによるアンテナ利得の低下を従来よりも抑制することができる。

本発明の一態様によれば、１以上の給電アンテナ素子と１以上の無給電アンテナ素子とを有するマルチバンドアンテナが使用され、前記１以上の給電アンテナ素子の各々が、ダイポールアンテナを構成し、複数の給電点を有する。従来とは異なり、複数の給電点から給電が行われるので、ダイポールアンテナに関する電流分布を好都合に変化させ、２以上の給電アンテナ素子を、従来よりも接近して配置することができる。例えば、給電点の間隔Ｄをλ_Ｌ／２程度で配置することができる。これにより、グレーティングローブを抑制すると共に、アンテナ間の相互インピーダンスにも悪影響を与えずに済む。

本発明の一態様によれば、２以上の給電アンテナ素子が、１つの軸に沿って並べられる。これにより、例えば３以上の給電点を等間隔に並べることができ、省スペース化を図ることができる。

本発明の一態様によれば、前記無給電アンテナ素子の少なくとも１つの全長が、給電点間の最短距離より長い又は短く設定される。無給電アンテナ素子の長さを様々に変えることができるので、マルチバンドアンテナを様々な周波数に共振させることができる。

図４は、本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナを示す。このようなマルチバンドアンテナは、典型的には基地局に設けられるが、別の装置や設備に設けられてもよい。マルチバンドアンテナは、第１の給電アンテナ素子４１−１と、２組の第２の無給電アンテナ素子４２−１，４４−１と、２つの給電点４３−１，４５−１と、第２の給電アンテナ素子４１−２と、２組の第２の無給電アンテナ素子４２−２，４４−２と、２つの給電点４３−２，４５−２とを有する。

第１，第２の給電アンテナ素子４１−１，２の各々は、ダイポールアンテナを構成する。本実施例では、第１，第２の給電アンテナ素子４１−１，２は、それぞれλ_Ｌ／２の長さを有し、低周波数ｆ_Ｌに共振する。第１，第２の無給電アンテナ素子４２−１，２，４４−１，２は、それぞれλ_Ｈ／２の長さを有し、高周波数ｆ_Ｈに共振する。即ち、図示のマルチバンドアンテナは、高低２つの周波数λ_Ｈ，λ_Ｌに共振する。本実施例では、ｆ_Ｈ＝４×ｆ_Ｌ（λ_Ｌ＝４×λ_Ｈ）としているが、本発明はこのような周波数関係に限定されない。第１の給電アンテナ素子４１−１には、２つの給電点４３−１，４５−１が設けられ、第２の給電アンテナ素子４１−２にも２つの給電点４３−２，４５−２が設けられている。第１及び第２の給電アンテナ素子４１−１，２は、ある１つの軸に沿って並べられており、図示の例では、垂直軸を表すｚ軸に沿って並んでいる。このため、４つの給電点はほぼ等間隔にｚ軸上に並ぶ。無給電アンテナ素子４２−１，２，４４−１，２は、給電点の近傍に設けられ、図示の例ではそれらは総てｙｚ面内に設けられる。従って、図示のマルチバンドアンテナに含まれる各アンテナ素子は総て同一平面内に設けられるが、本発明はこのような配置に限定されない。但し、このような配置を採用することで、アンテナが占有する体積を少なくし、水平面内で実質的に無指向性を達成し、垂直面内でグレーティングローブを抑制することができる（後述）。

図５は、図２，４に示されるマルチバンドアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ：ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅ ｒａｔｉｏ））と共振周波数の関係を示すグラフである。図示されているように、何れのマルチバンドアンテナも、８３０ＭＨｚ近辺及び３．３２ＧＨｚ近辺に共振周波数を有する。

図６は、図４に示されるマルチバンドアンテナの水平及び垂直面内指向性に関する指向性パターンを、高低２つの周波数に関して算出したシミュレーション結果を示す。図３に関して説明されたのと同様に、シミュレーションでは、ｆ_Ｌ＝８３０ＭＨｚ及びｆ_Ｈ＝３．３２ＧＨｚ に関する動作特性が計算された。図示の円の外周に沿う目盛は、水平面内又は垂直面内の方位角０〜３６０度を表す。指向性パターンは、絶対利得（ｄＢ）で示され、円の中心は−３０ｄＢに、円の外周部は＋１０ｄＢに対応する。図示されているように、水平面内指向性については、高低２つの周波数各々に関し、無指向性（オムニ指向性）のアンテナ利得が示されている。垂直面内指向性については、図３に比較して、特に高周波数の場合に、グレーティングローブが著しく抑制されていることが分かる。メインローブは、＋９０度及び＋２７０度で約８ｄＢ程度の利得を示している。これはグレーティングローブを抑制したことで、メインローブの利得を向上させている。

図７は、本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナを示す図である。マルチバンドアンテナは、第１のアンテナ素子７１と、第２のアンテナ素子７２と、第３のアンテナ素子７３，７４とを有する。第１のアンテナ素子７１は、給電アンテナ素子であり、ダイポールアンテナを構成し、２つの給電点７６−１，２を有し、第１の周波数ｆ_１＝８００ＭＨｚで共振する（（ｃ／ｆ_１）／２＝λ_１／２の長さを有する。）。第２のアンテナ素子７２は、無給電アンテナ素子であり、第２の周波数ｆ_２＝１．２ＧＨｚで共振する（（ｃ／ｆ_２）／２＝λ_２／２の長さを有する。）。第２のアンテナ素子７２は、給電点７６−１，２の間の距離より長いアンテナ長を有する。第３のアンテナ素子７３，７４は、無給電アンテナ素子であり、第３の周波数ｆ_４＝３．３２ＧＨｚで共振する（（ｃ／ｆ_４）／２＝λ_４／２の長さを有する。）。第３のアンテナ素子７３，７４は、給電点７６−１，２の間の距離より短いアンテナ長を有する。図８，９，１０は、図７に示されるマルチバンドアンテナの一部を示し、図８は第１のアンテナ素子７１を示し、図９は第１及び第２のアンテナ素子７１，７２を示し、図１０は第１，第３のアンテナ素子７１，７３，７４を示す。

図１１は、図７に示されるマルチバンドアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）と共振周波数の関係を示すグラフである。比較のため、図１２に示されるような１つの給電点を有する従来のダイポールアンテナに関する特性も示されている（従来のダイポールアンテナは、８００ＭＨｚ近辺に共振周波数を有するものとする。）。図１１（図７に関するグラフ）に示されているように、本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナは、８００ＭＨｚ、１．２ＧＨｚ及び３．３２ＧＨｚ近辺に共振周波数を有する。図１１では、各アンテナ素子の寄与が示されるように、図７だけでなく、図８，９，１０に示されるような一部のアンテナからの寄与も描かれている。図８に関するグラフは、第１の周波数（８００ＭＨｚ）近辺にのみ共振周波数を示す。図９に関するグラフは、第１及び第２の周波数（８００ＭＨｚ及び１．２ＧＨｚ）近辺に共振周波数を示す。図１０に関するグラフは、第１及び第３の周波数（８００ＭＨｚ，３．３２ＧＨｚ）近辺に共振周波数を示す。図７に関するグラフは、これら４つの周波数近辺に共振周波数を示す。このように、無給電アンテナ素子の種類を増やすことで、共振周波数の数を増やすことができる。また、無給電アンテナ素子の長さや配置等を調整することで、共振周波数を適切に設定することができる。

従来のマルチバンドアンテナを示す図である。 従来のマルチバンドアンテナを示す図である。 従来のマルチバンドアンテナの指向特性を示す図である。 本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナを示す図である。 マルチバンドアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を示す図である。 本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナの指向特性を示す図である。 本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナを示す図である。 本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナの一部を示す図である。 本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナの一部を示す図である。 本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナの一部を示す図である。 マルチバンドアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を示す図である。 ダイポールアンテナの概念図を示す図である。

符号の説明

１１ 給電アンテナ素子； １２ 無給電アンテナ素子； １３ 給電点；
４１−１，２ 給電アンテナ素子； ４２−１，２，４４−１，２ 無給電アンテナ素子； ４３−１，２，４５−１，２ 給電点；
７１ 第１のアンテナ素子； ７２ 第２のアンテナ素子； ７３ 第３のアンテナ素子； ７４ 第３のアンテナ素子； ７６−１，２ 給電点

Claims (2)

1. 第１及び第２の給電点を有し、線状のダイポールアンテナを構成する第１の給電アンテナ素子と、
   第３及び第４の給電点を有し、線状のダイポールアンテナを構成する第２の給電アンテナ素子と
   を有し、前記第１ないし第４の給電点は、前記第１及び第２の給電アンテナ素子の長さ方向に沿って等間隔に並び、前記第１ないし第４の給電点各々の近傍には、給電点間の距離より短い長さを有する１組の無給電アンテナ素子がそれぞれ設けられている、マルチバンドアンテナ。
2. 前記第１の給電アンテナ素子、前記第１の給電アンテナ素子、及び４組の前記無給電アンテナ素子が、実質的に同一平面内に設けられている、請求項１記載のマルチバンドアンテナ。

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