JP5339349B2 - アンテナ装置及びアレーアンテナ - Google Patents

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本発明は、ヘイロー(Halo)アンテナに関する。
従来、水平偏波を励振する水平面内無指向性アンテナは、代表的なものとしてループアンテナが存在する。図1に示すように、ループアンテナは形状によってさまざまであるが、全周は1波長となるアンテナである。図1(b)の方形ループを図2(a)のように長方形とし、それを図2(b)のように円周状に折り曲げたアンテナは特に「ヘイロー(Halo)アンテナ」と呼ばれる。ヘイローアンテナの円周は約半波長であるので、ループアンテナに対して小型化できる特徴がある。特に、風雨などによるアンテナの劣化を防ぐためにアンテナを円筒カバー(円筒レドームと呼ばれる)に入れる場合、ループアンテナよりもヘイローアンテナのほうが円筒カバーの直径を短くできるため、重量や受風荷重の点で有利である。
ヘイローアンテナについては、例えば非特許文献1,2,3に開示されている。非特許文献3は、3巻き式ヘイローアンテナを開示している。また、特許文献1,2は、無給電素子を追加したループアンテナを開示している。
特開2006−33298号公報 特開2006−295545号公報
"アンテナ工学ハンドブック(第2版)、電子情報通信学会編、オーム社、p.118 図4・28(d) 多線条ループアンテナ(ii)、2008年7月 R.King,"The shunt driven circular loop antenna",IEEE Trans. Antenna & Propagation,vol. AP-19,no. 5,p.692,1971年9月 C. W. Harrison, et. al.,"Folded Dipole and Loops",IRE Trans.,AP, vol.9, no.2,p.171-187,1961年3月
しかし、上述した従来のヘイローアンテナは、小型化の面でループアンテナよりも有利であるが、その反面、周波数帯域が狭くなる。
例えば、図3に示されるように、ループアンテナは、インピーダンスを調整したVSWR(Voltage Standing Wave Ratio)「2.0」以下である比帯域が9.7%であるのに対して、ヘイローアンテナのそれは1.9%程度である。なお、図3は周波数特性図であり、図3において、グラフの縦軸S11はリターンロスと呼ばれ、−10dB以下のレベルがVSWR「2.0」以下の状態を示す。携帯電話網の基地局のアンテナは、例えば815〜875MHzの周波数帯域をVSWR「2.0」以下の規格で満足する必要があり、830MHzを中心周波数とする場合、比帯域として7.1%が必要となる。このため、従来のヘイローアンテナを基地局のアンテナに利用することは、周波数帯域が狭いため難しい。
特許文献1の無給電素子を追加したループアンテナは、方形ループアンテナを同じ平面上に設置しているため、単独の方形ループアンテナよりもさらに大型となる。特許文献2の無給電素子を追加したループアンテナは、方形ループアンテナの一辺に線状の無給電素子を追加しているが、方形ループアンテナの大きさは同じであるので、基地局用アンテナとしての小型化には適さない。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ヘイローアンテナを用いてアンテナ装置の小型化及び広帯域化を図ることのできるアンテナ装置を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明に係るアンテナ装置は、給電部を有するヘイローアンテナと、ヘイローアンテナの形状の無給電素子とを円周面が対向するように配置したことを特徴とする。
本発明に係るアンテナ装置においては、前記ヘイローアンテナと前記無給電素子の巻き数が異なることを特徴とする。
本発明に係るアンテナ装置においては、前記無給電素子を前記ヘイローアンテナの両側にそれぞれ設けたことを特徴とする。
本発明に係るアレーアンテナは、前述のいずれかのアンテナ装置を鉛直方向に多段に設置したことを特徴とする。
本発明によれば、ヘイローアンテナを用いてアンテナ装置の小型化を図ると共に広帯域化を図ることができるという効果が得られる。
従来のループアンテナの構成例である。 従来のヘイローアンテナの構成例(図2(b))である。 従来のヘイローアンテナの周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例1である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例1の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例2である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例2の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例3である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例3の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例4である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例4の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例5である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例5の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例6である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例6の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例7である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例7の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例1〜7の特性をまとめた一覧表である。 本発明に係るアンテナ装置を利用した基地局用アンテナの構成例である。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について実施例を挙げて説明する。
図4は、本発明に係るアンテナ装置の実施例1である。図5は、本発明に係るアンテナ装置の実施例1の周波数特性図である。図4において、アンテナ装置1は、ヘイローアンテナ2と無給電素子4を有する。ヘイローアンテナ2は給電部3を有する。ヘイローアンテナ2の巻き数は2である。無給電素子4は、ヘイローアンテナ2と同形状であるが、給電部を有さない。従って、無給電素子4には給電されない。図4に示されるように、無給電素子4は、円周面がヘイローアンテナ2と対向するように設けられる。無給電素子4は、z軸上で、ヘイローアンテナ2のいずれの側に設けられてもよい。
図5の周波数特性図に示されるように実施例1によれば、無給電素子4を設けたことによって、比帯域が1.9%から3.4%に拡大する。給電素子と無給電素子の間隔dを変更することにより、比帯域を調整することができる。
実施例1は本発明の基本構成であり、給電素子の巻き数、給電素子の給電位置、無給電素子の巻き数、無給電素子の位置などを変更することができる。以下、各実施例を説明する。
図6は、本発明に係るアンテナ装置の実施例2である。図7は、本発明に係るアンテナ装置の実施例2の周波数特性図である。実施例2は、図4の実施例1に対して、給電素子の巻き数を変えて無給電素子の巻き数と異なるようにした場合である。図6において、アンテナ装置10は、3巻き式ヘイローアンテナ12と無給電素子4を有する。3巻き式ヘイローアンテナ12は給電部3を有する。3巻き式ヘイローアンテナ12の巻き数は3である。無給電素子4は、2巻き式ヘイローアンテナと同形状である。つまり、無給電素子4の巻き数は2である。
図7の周波数特性図に示されるように実施例2によれば、給電素子と無給電素子の巻き数を異なるようにすることにより、2共振にすることができる。その一つ一つの周波数帯域幅は広くはないが、合わせて周波数帯域を拡大することが可能となる。
なお、図6では給電素子の巻き数を3としたが、給電素子の巻き数は特に限定しない。
図8は、本発明に係るアンテナ装置の実施例3である。図9は、本発明に係るアンテナ装置の実施例3の周波数特性図である。実施例3は、図6の実施例2に対して、給電素子の給電位置を変えた場合である。図6において、アンテナ装置20は、3巻き式ヘイローアンテナ22と無給電素子4を有する。3巻き式ヘイローアンテナ22は給電部3を有する。給電部3は、図6の実施例2では給電素子の内側の部分に設けたが、本実施例3では図8に示されるように給電素子の外側の部分に設ける。この方が製造しやすい。
図9の周波数特性図に示されるように実施例3によれば、実施例2と同様の周波数特性が得られ、2共振にすることができるが、製造上、有利である。
図10は、本発明に係るアンテナ装置の実施例4である。図11は、本発明に係るアンテナ装置の実施例4の周波数特性図である。実施例4は、給電素子の両側に無給電素子を設けた場合である。図10では図6の実施例2に対して、もう一方の側にも無給電素子4を設けている。図10において、アンテナ装置30は、3巻き式ヘイローアンテナ12と2つの無給電素子4を有する。3巻き式ヘイローアンテナ12は給電部3を有する。無給電素子4は、2巻き式ヘイローアンテナと同形状であるが、給電部を有さない。従って、無給電素子4には給電されない。図6に示されるように、2つの無給電素子4は、それぞれ、円周面が3巻き式ヘイローアンテナ12と対向するように、z軸上で3巻き式ヘイローアンテナ12の両側(z軸上のdの位置と−dの位置)に設けられる。
図11の周波数特性図に示されるように実施例4によれば、第1共振周波数を低域にシフトすることができる。これにより、共振周波数を元に戻す場合は、アンテナサイズを小さくすることになり、結果的にアンテナを小型化することが可能となる。
図12は、本発明に係るアンテナ装置の実施例5である。図13は、本発明に係るアンテナ装置の実施例5の周波数特性図である。実施例5は、図8の実施例3に対して、無給電素子の巻き数を給電素子と同じ「3」に変えた場合である。図12において、アンテナ装置40は、3巻き式ヘイローアンテナ22と無給電素子44を有する。無給電素子44は、3巻き式ヘイローアンテナ22と同形状であるが、給電部を有さない。従って、無給電素子44には給電されない。図12に示されるように、無給電素子44は、円周面が3巻き式ヘイローアンテナ22と対向するように設けられる。無給電素子44は、z軸上で、3巻き式ヘイローアンテナ22のいずれの側に設けられてもよい。
図13の周波数特性図に示されるように実施例5によれば、給電素子と無給電素子の間隔dを変更することにより、比帯域を調整することができる。給電素子と無給電素子の間隔dが70mmの場合に、比帯域として4%を実現することができる。
図14は、本発明に係るアンテナ装置の実施例6である。図15は、本発明に係るアンテナ装置の実施例6の周波数特性図である。実施例6は、図4の実施例1に対して、無給電素子の巻き数を給電素子とは異なる「3」に変えた場合である。図14において、アンテナ装置50は、ヘイローアンテナ2と無給電素子44を有する。ヘイローアンテナ2は給電部3を有する。ヘイローアンテナ2の巻き数は2である。無給電素子44は、3巻き式ヘイローアンテナ22と同形状であり、巻き数は3である。
図15の周波数特性図に示されるように実施例6によれば、給電素子と無給電素子の巻き数を異なるようにすることにより、2共振にすることができる。その一つ一つの周波数帯域幅は広くはないが、合わせて周波数帯域を拡大することが可能となる。
図16は、本発明に係るアンテナ装置の実施例7である。図17は、本発明に係るアンテナ装置の実施例7の周波数特性図である。実施例7は、給電素子の両側に無給電素子を設けた場合である。図17では図4の実施例1に対して、もう一方の側にも無給電素子4を設けている。図16において、アンテナ装置60は、ヘイローアンテナ2と2つの無給電素子4を有する。ヘイローアンテナ2は給電部3を有する。ヘイローアンテナ2の巻き数は2である。無給電素子4は、ヘイローアンテナ2と同形状であり、従って巻き数は2である。図16に示されるように、2つの無給電素子4は、それぞれ、円周面がヘイローアンテナ2と対向するように、z軸上でヘイローアンテナ2の両側(z軸上のdの位置と−dの位置)に設けられる。
図17の周波数特性図に示されるように実施例7によれば、給電素子と無給電素子の間隔dを小さくすることにより、1共振から2共振にする効果が得られる。
図18は、実施例1〜7の特性をまとめた一覧表である。図18に示されるように、本実施形態によれば、給電素子の巻き数、無給電素子の巻き数または無給電素子の配置を変更することによって、周波数帯域幅(比帯域)、共振数または共振周波数を変化させることが可能となる。
図19は、本発明に係るアンテナ装置を利用した基地局用アンテナの構成例である。図19において、基地局用アンテナは、実施例5(図12)のアンテナ装置40(無給電素子付きヘイローアンテナ)を4つ備え、4素子アレーを構成する。4つの無給電素子付きヘイローアンテナは、高利得化のために鉛直方向に4段に重ねて、レドーム(カバー)に収容される。各無給電素子付きヘイローアンテナに対して水平面内の中心部分に給電線を設け、各ヘイローアンテナに給電を行っている。ヘイローアンテナは、円周状に構成されるため、円形レドームに大きな隙間を与えることなく収容できる。これにより、基地局用アンテナの外形の小型化を図ることが可能となる。
上述したように本実施形態によれば、ヘイローアンテナを用いてアンテナ装置の小型化を図ると共に広帯域化を図ることができるという効果が得られる。これにより、より広帯域化した無線システム用の水平偏波無指向性アンテナを実現することが可能となる。利得を向上したい場合は、無給電素子付きヘイローアンテナを鉛直方向に多段に積むことにより実現可能となる。
なお、ヘイローアンテナは水平偏波を励振するアンテナであるが、ヘイローアンテナ素子間にダイポールアンテナ素子などの垂直偏波素子を挿入することにより、偏波共用無指向性アンテナを構成することも可能である。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
1,10,20,30,40,50,60…アンテナ装置、2…ヘイローアンテナ(2巻き式ヘイローアンテナ)、12,22…ヘイローアンテナ(3巻き式ヘイローアンテナ)、3…給電部、4…無給電素子(2巻き式無給電素子)、44…無給電素子(3巻き式無給電素子)

Claims (3)

  1. 給電部を有するヘイローアンテナと、ヘイローアンテナの形状の無給電素子とを円周面が対向するように配置し、前記ヘイローアンテナの巻き数と、前記無給電素子の巻き数とが異なることを特徴とするアンテナ装置。
  2. 前記無給電素子を前記ヘイローアンテナの両側にそれぞれ設けたことを特徴とする請求項に記載のアンテナ装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載のアンテナ装置を鉛直方向に多段に設置したことを特徴とするアレーアンテナ。
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