JP5382706B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘイロー（Ｈａｌｏ）アンテナ装置に関する。

代表的な水平偏波水平面内無指向性アンテナとして、ループアンテナがある。長方形状のループを円環状（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。ヘイローアンテナは、アンテナを小型化できるという特徴があり、風雨などによる劣化を防ぐためにアンテナ素子を円筒レドーム（円筒カバー）に入れる場合、円筒レドームの直径を短くすることができるため、重量や受風荷重の点で有利である。

図１１は、従来におけるヘイローアンテナ素子１００及びアンテナ素子１０１〜１０３と、アンテナ素子１０１〜１０３のそれぞれの給電線２０１〜２０３の配線を示す図である。ただし、アンテナ素子１０１〜１０３は、ヘイローアンテナ素子に限る必要はなく、例えば垂直偏波素子であってもよい。

従来のヘイローアンテナは、ヘイローアンテナ素子の指向性やリターンロス（反射損失）への影響を最小限に抑えるため、図１１に示すように、給電線２０１〜２０３をヘイローアンテナ素子１００によって形成される円環の中心付近を通過するように集めて配線していた。

"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 松野宏己、中野雅之、新井宏之、「寄生素子付きＨａｌｏアンテナ」、２００９年 電気情報通信学会総合大会、Ｂ−１−１４０

アンテナ利得を向上させるためにアンテナ素子の数を増やせば、その素子数に応じた数の給電線も必要となる。この場合、給電線がヘイローアンテナ素子の特性に影響を与えないようにするには、上述の通り各給電線をアンテナ素子によって形成される円環の中心付近を通過するように集めて配線する必要があるので、それぞれの給電線を細径にしなければならない。しかしながら、給電線を細径にすれば給電線損失も増えてしまうため、従来のヘイローアンテナは、アンテナ利得を向上させることができなかった。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ヘイローアンテナ素子の特性に影響を与えずに、アンテナ装置が複数のアンテナ素子を備えることができるようにすることを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、第１の段にヘイローアンテナ素子と、第２の段に他のアンテナ素子と、を有するアンテナ装置であって、前記ヘイローアンテナ素子の給電線は、前記ヘイローアンテナ素子の給電点から、前記ヘイローアンテナ素子のギャップに向けて、前記給電点と前記ギャップとを結ぶ直線上に配線され、前記直線上の所定位置で折り曲げられることにより、前記第２の段に向かう方向とは反対の方向に向けてさらに配線され、前記他のアンテナ素子の給電線は、前記直線上を通過するよう配線され、かつ、前記第２の段に向かう方向とは反対の方向に向けてさらに配線された前記ヘイローアンテナ素子の給電線と並んで配線されることを特徴とするアンテナ装置である。

また本発明は、前記他のアンテナ素子が、ヘイローアンテナ素子又は垂直偏波素子であることを特徴とするアンテナ装置である。

また本発明は、前記他のアンテナ素子の給電線が、マイクロストリップ線路に配線されることを特徴とするアンテナ装置である。

また本発明は、前記他のアンテナ素子の給電線が、前記ギャップの中点と前記給電点とを結ぶ直線からギャップ幅の半分以下の距離を通過するように配線されることを特徴とするアンテナ装置である。

本発明によれば、アンテナ装置は、アンテナ素子の複数の給電線がヘイローアンテナ素子のギャップと給電点とを結ぶ直線上を通過するように配線されるため、それらの給電線がヘイローアンテナ素子の指向性、リターンロス特性に影響を与えない。

本発明の第１の実施形態における多段のヘイローアンテナ素子と、給電線の配線を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるヘイローアンテナ素子の給電線の配線と、ヘイローアンテナ素子のリターンロスとの関係を示す図である。 給電線がｘ軸上を通過するように配線された場合のリターンロスを示す図である。 ヘイローアンテナ素子の電流分布を示す図である。 ヘイローアンテナ素子の給電線の配線と、ヘイローアンテナ素子のリターンロスとの関係を示す図である。 ヘイローアンテナ素子の給電線の配線と、ヘイローアンテナ素子の指向性との関係を示す図である。 ヘイローアンテナ素子の給電線の配線と、ヘイローアンテナ素子の中心周波数との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態における多段のヘイローアンテナ素子とストリップ線路（給電線）の配線を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるマイクロストリップ線路の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態における多段のヘイローアンテナ素子及び垂直偏波素子と、ストリップ線路（給電線）の配線を示す図である。 従来におけるヘイローアンテナ素子１００及びアンテナ素子１０１〜１０３と、アンテナ素子１０１〜１０３のそれぞれの給電線２０１〜２０３の配線を示す図である。

[第１の実施形態]
本発明の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。以下、ギャップ、ヘイローアンテナ素子によって形成される円環の中心、給電点がこの順で直線上に並ぶよう、ギャップ及び給電点が各ヘイローアンテナ素子に設けられているものとする。また、ｇは円環のギャップ幅、Ｗはヘイローアンテナ素子の素子高、Ｄはヘイローアンテナ素子の直径を示す。

図１は、本発明の第１の実施形態における多段のヘイローアンテナ素子と給電線の配線を示す図である。図１（Ａ）は、２段のヘイローアンテナ素子と給電線の配線を示す図である。図に示すように、上段のヘイローアンテナ素子の給電線は、そのヘイローアンテナ素子のギャップと給電点とを結ぶ直線上に配線される。さらに、その給電線は、下段のヘイローアンテナ素子のギャップと給電点とを結ぶ直線上を通過するように配線される。

給電線２２は、給電部（不図示）から配線され、ヘイローアンテナ素子１ａのギャップ３ａ及び給電点２ａを結ぶ直線上の点２２ａと、ヘイローアンテナ素子１ｂのギャップ３ｂ及び給電点２ｂを結ぶ直線上の点２２ｂとを通過するように配線され、給電点２ｂに接続される。

また給電線２３は、給電部（不図示）から配線され、ヘイローアンテナ素子１ａのギャップ３ａ及び給電点２ａを結ぶ直線上の点２３ａを通過するように配線され、給電点２ａに接続される。なお、給電線２３が給電線２２を避けて配線される必要がないように、点２３ａは点２２ａよりも給電点２ａに近い点であるとしてもよい。

図１（Ｂ）は、３段のヘイローアンテナ素子と給電線の配線を示す図である。給電線２２は、給電部（不図示）から配線され、ヘイローアンテナ素子１ａのギャップ３ａ及び給電点２ａを結ぶ直線上の点２２ａと、ヘイローアンテナ素子１ｂのギャップ３ｂ及び給電点２ｂを結ぶ直線上の点２２ｂと、ヘイローアンテナ素子１ｃのギャップ３ｃ及び給電点２ｃを結ぶ直線上の点２２ｃとを通過するように配線され、給電点２ｃに接続される。

また給電線２３は、給電部（不図示）から配線され、ヘイローアンテナ素子１ａのギャップ３ａ及び給電点２ａを結ぶ直線上の点２３ａと、ヘイローアンテナ素子１ｂのギャップ３ｂ及び給電点２ｂを結ぶ直線上の点２３ｂとを通過するように配線され、給電点２ｂに接続される。なお、給電線２３が給電線２２を避けて配線される必要がないように、点２３ｂは点２２ｂよりも給電点２ｂに近い点であるとしてもよい。

また給電線２４は、給電部（不図示）から配線され、ヘイローアンテナ素子１ａのギャップ３ａ及び給電点２ａを結ぶ直線上の点２４ａを通過するように配線され、給電点２ａに接続される。なお、給電線２４が給電線２３及び２４を避けて配線される必要がないように、点２４ａは点２２ａ及び点２３ａよりも給電点２ａに近い点であるとしてもよい。また、ヘイローアンテナを多段に積み重ね及び給電線を備えてもよい。

図２は、本発明の第１の実施形態におけるヘイローアンテナ素子の給電線の配線と、ヘイローアンテナ素子のリターンロスとの関係を示す図である。図２（Ａ）は、ヘイローアンテナ素子１ａの上面図である。以下、図２（Ａ）に示すように、ヘイローアンテナ素子１によって形成される円環の中心を原点として、原点からギャップ３の中点の方向をｙ軸の正方向とし、給電点２の方向をｙ軸の負方向とする。また、ｙ軸と直角を成すｘ軸を図のように設定する。さらに、原点から紙面上方向にｚ軸（不図示）を設定する。

給電線は、ヘイローアンテナ素子のギャップと給電点とを結ぶ直線上で、かつヘイローアンテナ素子１によって形成される円環を通過するように配線される。図２（Ａ）は、ヘイローアンテナ素子１を５段（１ａ〜１ｅ）とした場合に、それぞれの給電線２０〜２４がヘイローアンテナ素子１ａのｙ軸上を通過する位置（点２０ａ〜２４ａ）を示す図である。図２（Ａ）に示すように、給電線２０〜２４は、ヘイローアンテナ素子１ａのギャップ３ａと給電点２ａとを結ぶ直線上（ｙ軸上）に並んで、かつヘイローアンテナ素子１によって形成される円環を通過するように配線される。

図２（Ｂ）は、ヘイローアンテナ素子のリターンロスを示す図である。横軸は周波数、縦軸はリターンロス（反射損失）を示す。図２（Ａ）に示すように、給電線がｙ軸上を通過するように配線された場合、リターンロスは給電線がない場合と同じ曲線で（曲線が重なって）示される。すなわち、ギャップと給電点とを結ぶ直線上を通過するように配線された給電線は、ヘイローアンテナ素子のリターンロスに影響を与えないことが判る。

比較のため、給電線がｘ軸上を通過するように配線された場合のリターンロスを図３に示す。図３（Ａ）は、ヘイローアンテナ素子１ａの上面図であり、ヘイローアンテナ素子１を５段（１ａ〜１ｅ）とした場合に、それぞれの給電線２０〜２４がヘイローアンテナ素子１ａのｘ軸を通過する位置（点１０ａ〜１３ａ及び２２ａ）を示す図である。図３（Ａ）において、給電線２０〜２４は、ｘ軸上に並んで、かつヘイローアンテナ素子１によって形成される円環を通過するように配線されたとする。

図３（Ｂ）は、ヘイローアンテナ素子のリターンロスを示す図である。横軸は周波数、縦軸はリターンロス（反射損失）を示す。図３（Ａ）に示すように、給電線がｘ軸上に並んで、かつヘイローアンテナ素子１によって形成される円環を通過するように配線された場合、リターンロスは給電線がない場合とは異なる曲線で示され、中心周波数が低くなる。すなわち、ｘ軸上に並んで、かつヘイローアンテナ素子１によって形成される円環を通過するように配線された給電線は、ヘイローアンテナ素子のリターンロスに影響を与えてしまうことが判る。

図４は、ヘイローアンテナ素子の電流分布を示す図である。ここで、複数の給電線を導体板に置き換えて、ヘイローアンテナ素子及び導体板の電流分布をシミュレーションしている。図４上段では、導体板４がギャップ３と給電点２を通るｙ軸上を通過するように配置され、図４下段では、導体板４がｘ軸上を通過するように配置されている。

導体板４がｙ軸上を通過するように配置された場合、図４上段が示すように、ヘイローアンテナ素子の電流分布は、給電点２の付近にのみ強い領域が広がっている。一方、導体板４がｘ軸上を通過するように配置された場合、図４下段が示すように、ヘイローアンテナ素子の電流分布はギャップ３の付近まで強い領域が広がっている（破線内）。このことが、給電線がｘ軸上を通過するように配線された場合に、ヘイローアンテナ素子の周波数特性に強く影響する。

図５は、ヘイローアンテナ素子の給電線の配線と、ヘイローアンテナ素子のリターンロスとの関係を示す図である。以下、ヘイローアンテナ素子によって形成される円環の半径を「１ｒ」とする。

図５（Ａ）は、ヘイローアンテナ素子１ａの上面図である。図５（Ａ）において、「Ｏ」は、原点を通過するように配線された給電線を示す。また、「０．４ｒ」及び「０．８ｒ」は、原点からｘ軸正方向に「０．４ｒ」及び「０．８ｒ」だけオフセットされた位置を通過するように配線された給電線を示す。

図５（Ｂ）は、ヘイローアンテナ素子のリターンロスを示す図である。横軸は周波数、縦軸はリターンロス（反射損失）を示す。リターンロスは給電線がない場合とは異なる曲線で示され、給電線のｘ軸上のオフセットが増えるほど中心周波数が低くなる。すなわち、ｙ軸近くを通過するように配線されれば、給電線はヘイローアンテナ素子のリターンロスに影響を与えないことが判る。

図６は、ヘイローアンテナ素子の給電線の配線と、ヘイローアンテナ素子の指向性との関係を示す図である。図６（Ａ）は、給電線が図５（Ａ）の「Ｏ」（原点）を通過するように配線された場合の指向性を示す。また図６（Ｂ）は、給電線が図５（Ａ）の「０．４ｒ」を通過するように配線された場合の指向性を示す。さらに図６（Ｃ）は、給電線が図５（Ａ）の「０．８ｒ」を通過するように配線された場合の指向性を示す。ここで、「Ｅθ」は垂直偏波成分であり、「Ｅφ」は水平偏波成分を示す。

図６（Ａ）において、「Ｅθ」及び「Ｅφ」は左右対称の波形を示している。したがって、ヘイローアンテナ素子１によって形成される円環の中心を通過するように配線された給電線は、ヘイローアンテナ素子の指向性に影響を与えないことが判る。しかし、図６（Ｂ）及び（Ｃ）の「ｚｘ−ｐｌａｎｅ」が示すように、ｙ軸から離れた位置を通過するように配線された場合、給電線はヘイローアンテナ素子の指向性に影響を与えてしまうことが判る。

図７は、ヘイローアンテナ素子の給電線の配線と、ヘイローアンテナ素子の中心周波数との関係を示す図である。図７（Ａ）は、ヘイローアンテナ素子１ａの上面図である。図７（Ａ）において、「ｙ＝０ｒ」は、原点からｘ軸正方向にオフセットされた位置を通過するように配線された給電線を示す。また、「ｙ＝−０．５ｒ」、「ｙ＝−０．７５ｒ」、「ｙ＝−１．２５ｒ」は、「ｙ＝０ｒ」からｙ軸負方向に、それぞれ「０．５ｒ」、「０．７５ｒ」、「１．２５ｒ」だけオフセットされた位置を通過するように配線された給電線を示す。ここで、ヘイローアンテナ素子１によって形成される円環の半径「１ｒ＝２８ｍｍ」、ギャップ「ｇ＝１５ｍｍ」とする。

図７（Ｂ）は、給電線のｘ軸正方向オフセットと、ヘイローアンテナ素子の中心周波数との関係を示す図である。横軸はｘ軸正方向オフセット、縦軸は中心周波数を示す。図７（Ｂ）が示すように、ｙ軸からギャップ幅ｇの半分以下の距離を通過するように配線された給電線は、ヘイローアンテナ素子の中心周波数に大きな影響を与えないことが判る。したがって、給電線は、ギャップ３の中点と給電点２とを結ぶ直線からギャップ幅ｇの半分以下の距離を通過するように配線されるのがよい。

このように、本発明の第１の実施形態におけるアンテナ装置は、アンテナ素子の複数の給電線が、ヘイローアンテナ素子のギャップと給電点とを結ぶ直線上を通過するように配線されるため、給電線がヘイローアンテナ素子の特性に影響を与えることなく、高いアンテナ利得を得ることができる。

[第２の実施形態]
本発明の第２の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。第２の実施形態におけるアンテナ装置は、給電線がマイクロストリップ線路に配線される点のみが第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態におけるアンテナ装置との相違点についてのみ説明する。

図８は、本発明の第２の実施形態における多段のヘイローアンテナ素子とストリップ線路（給電線）の配線を示す図である。マイクロストリップ線路３０は、その表面に配線された各ストリップ線路（給電線）が各ヘイローアンテナ素子１のギャップ３と給電点２とを結ぶ直線上を通過するように配置される。

図９は、本発明の第２の実施形態におけるマイクロストリップ線路の構成を示す図である。マイクロストリップ線路３０は、ストリップ線路３１及び３２と、誘電体基板３３と、導体３４を備える。導体３４はグランド電位にあり、誘電体基板３３の底面に設けられる。また、ストリップ線路３１及び３２は導体であって、誘電体基板３３の上面（表面）に配線される。なお、マイクロストリップ線路３０は、さらに多くのストリップ線路を配線してもよい。

このように、本発明の第２の実施形態におけるアンテナ装置は、アンテナ素子の複数のストリップ線路（給電線）がヘイローアンテナ素子のギャップと給電点とを結ぶ直線上を通過するように配線されるため、給電線がヘイローアンテナ素子の指向性、リターンロス特性に影響を与えない。

[第３の実施形態]
本発明の第３の実施形態について図面を参照して説明する。アンテナ装置は、ヘイローアンテナ素子間に垂直偏波素子を配置することで、偏波共用アンテナとしてもよい。第３の実施形態におけるアンテナ装置は、ヘイローアンテナ素子間に垂直偏波素子が配置される点のみが第２の実施形態と異なる。以下、第２の実施形態におけるアンテナ装置との相違点についてのみ説明する。

図１０は、本発明の第３の実施形態における多段のヘイローアンテナ素子及び垂直偏波素子と、ストリップ線路（給電線）の配線を示す図である。垂直偏波素子４０は、多段の各ヘイローアンテナ素子１の間に配置される。また図８と同様に、マイクロストリップ線路３０は、ヘイローアンテナ素子１及び垂直偏波素子４０の各ストリップ線路（給電線）が、ヘイローアンテナ素子１のギャップ３と給電点２とを結ぶ直線上を通過するように配置される。

このように、本発明の第３の実施形態におけるアンテナ装置は、偏波共用アンテナであって、アンテナ素子の複数のストリップ線路（給電線）がヘイローアンテナ素子のギャップと給電点とを結ぶ直線上を通過するように配線されるため、給電線がヘイローアンテナ素子の指向性、リターンロス特性に影響を与えない。

また、本発明の第３の実施形態におけるアンテナ装置は、複数のアンテナ素子を備えても、それらの給電線がヘイローアンテナ素子の特性に影響を与えることなく、偏波ダイバーシチ効果を得ることができる。

以上、この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、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

また、本発明に記載のヘイローアンテナ素子は、ヘイローアンテナ素子１に対応し、他のアンテナ素子は、ヘイローアンテナ素子１と、垂直偏波素子４０とに対応する。

１…ヘイローアンテナ素子 ２…給電点 ３…ギャップ １０〜１３…給電線 ２０〜２４…給電線 ３０…マイクロストリップ線路 ３１及び３２…ストリップ線路 ３３…誘電体基板 ３４…導体 ３５…ストリップ線路 ４０…垂直偏波素子 ５０〜５２…ギャップと給電点とを結ぶ直線 １００…ヘイローアンテナ素子 １０１〜１０３…アンテナ素子 ２０１〜２０３…給電線

Claims (4)

1. 第１の段にヘイローアンテナ素子と、第２の段に他のアンテナ素子と、を有するアンテナ装置であって、
   前記ヘイローアンテナ素子の給電線は、前記ヘイローアンテナ素子の給電点から、前記ヘイローアンテナ素子のギャップに向けて、前記給電点と前記ギャップとを結ぶ直線上に配線され、前記直線上の所定位置で折り曲げられることにより、前記第２の段に向かう方向とは反対の方向に向けてさらに配線され、
   前記他のアンテナ素子の給電線は、前記直線上を通過するよう配線され、かつ、前記第２の段に向かう方向とは反対の方向に向けてさらに配線された前記ヘイローアンテナ素子の給電線と並んで配線されることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記他のアンテナ素子は、ヘイローアンテナ素子又は垂直偏波素子であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記他のアンテナ素子の給電線は、マイクロストリップ線路に配線されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記他のアンテナ素子の給電線は、前記ギャップの中点と前記給電点とを結ぶ直線からギャップ幅の半分以下の距離を通過するように配線されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のアンテナ装置。