JP5435507B2 - 無指向性アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、無指向性アンテナに係わり、特に、周期構造体と少数の励振素子で、狭ビーム・高利得を実現でき、ビームチルトも容易に実現可能な水平面内無指向性アンテナに関する。

ダイポールアンテナは、大地に垂直に配置することにより、水平面内において、無指向性アンテナとして使用可能である。
このような無指向性アンテナにおいて、利得を増大させるには、複数の素子を垂直方向にアレー化するのが一般的であり(下記、非特許文献１参照)、図８に示すように、多数の放射素子１１に直列に給電を行うシリーズ給電方式と、図９に示すように、分岐合成回路を用いて多数のダイポールアンテナ素子１０に給電を行うトーナメント給電方式とが知られている。

後藤尚久著；「アンテナ工学入門講座」，電波新聞社発行 P271〜P273，5.5.4 N素子アレーアンテナの利得

しかしながら、放射素子数を増大させると、回路の損失が増大し実行利得が低下するばかりか、放射素子を増大させると、必然的に各放射素子に給電するための給電回路が複雑になり、無指向性アンテナのコストが上昇するという問題点があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、周期構造体と少数の励振素子で、狭ビーム・高利得が得られる無指向性アンテナを提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）無指向性アンテナであって、少なくとも１個の励振素子と、前記少なくとも１個の励振素子の周囲を取り囲む筒状の周期構造体とを備え、前記筒状の周期構造体は、展開した状態において、複数の導電体パターンがマトリクス状に配置されており、前記各導電体パターンは、矩形形状であり、前記矩形形状の各導電体パターンは、前記筒状の周期構造体の軸方向と同じ方向に配列されている。
（２）（１）において、前記筒状の周期構造体の軸方向に配置される２個の励振素子を有し、λｏを使用周波数ｆｏの自由空間波長とするとき、前記２個の励振素子の間隔は、１，３λｏ以上である。
（３）（２）において、前記２個の励振素子には、それぞれ位相の異なる励振電力が供給される。
（４）（１）ないし（３）の何れかにおいて、前記周期構造体は、前記筒状の周期構造体の軸方向に直交する方向で切断した断面形状が円形である。
（５）（１）ないし（４）の何れかにおいて、前記励振素子は、前記筒状の周期構造体の軸方向に配置される半波長ダイポール素子である。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、周期構造板と少数の励振素子で、狭ビーム・高利得が得られる無指向性アンテナを提供することが可能となる。

本発明の実施例１の無指向性アンテナを説明するための図である。 展開した状態の、図１（ｂ）に示す周期構造体を示す図である。 本発明の実施例１の無指向性アンテナの水平面内の指向特性（図１（ｂ）に示すＸ−Ｙ面）の一例を示すグラフである。 図１（ａ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子の水平面内の指向特性（図１（ｂ）に示すＸ−Ｙ面）の一例を示すグラフである。 本発明の実施例２の無指向性アンテナを説明するための図である。 本発明の実施例２の無指向性アンテナの水平面内の指向特性（図５（ｂ）に示すＸ−Ｙ面）の一例を示すグラフである。 図５（ａ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子の水平面内の指向特性（図５（ｂ）に示すＸ−Ｙ面）の一例を示すグラフである。 従来の無指向性アンテナにおいて、利得を増大させるためのシリーズ給電方式の概要を示す図である。 従来の無指向性アンテナにおいて、利得を増大させるためのトーナメント給電方式の概要を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施例は、本発明の特許請求の範囲の解釈を限定するためのものではない。
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１の無指向性アンテナを説明するための図であり、図１（ａ）は励振素子２の配置を示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に周期構造体３を配置した本発明の実施例１の無指向性アンテナの構成を示す斜視図である。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例の無指向性アンテナは、励振素子２（本実施例では、半波長ダイポールアンテナ素子）と、励振素子２の周囲を覆う円筒状の周期構造体３とを有する。
図２は、展開した状態の、図１に示す周期構造体３を示す図である。図２に示すように、周期構造体３は、１９×８のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５で構成され、励振素子２は、円筒状の周期構造体３の中心に配置される。ここで、１９×８のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５は、例えば、合成樹脂上に印刷された複数の導電体パターンで構成される。
また、円筒状の周期構造体３の直径（図１のＬＴ）は、０．７５λｏ〜１．０λｏ（λｏは、使用周波数ｆｏの自由空間波長）とされる。即ち、励振素子２と周期構造体３との間隔は、０．３７５λｏ〜０．５λｏとされる。
さらに、図２に示すように、導電体パターン５は、一辺（図２のＬＨ）が、０．２λｏ〜０．３λｏの矩形形状とされる。

なお、前述の説明では、周期構造体３は、１９×８のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５で構成されているが、この数値に限定されるものではなく、要求される指向特性によってマトリックスの数値を増減することができる。
本実施例において、励振素子２で励振・放射された電波は、周期構造体３の間で反射を繰り返すが、周期構造体３の直径が、約４×ｎλｏ／５（ｎは整数）の場合、間隙から放射された電波は同相で放射される。
周期構造体３は、核となる導電体パターン５のインダクタンスと、隣接する導電体パターン５との間でキャパシタンスを形成するため、固有のインピーダンス面を作り出す。そして、周期構造体３の導電体パターン５の大きさと間隔を適切に選ぶことにより適切なインピーダンス面を実現し、大きな利得を得ることができる。
従って、核となる導電体パターン５のパターンが小さい場合には、隣接する導電体パターン５との間隔を狭め、核となる導電体パターン５のパターンが大きい場合には、隣接する導電体パターン５との間隔を広げる必要がある。

本実施例１のパラメータの一例を以下に示す。
（１）周期構造体３の直径が、０．８３λｏ
（２）導電体パターン５の一辺（図２のＬＨ）が、０．２６λｏ
（３）中心周波数は５．６ＧＨｚ
図３は、本発明の実施例１において、上記パラメータの条件下の水平面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｙ面）の一例を示すグラフである。また、図４は、図１（ａ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子の水平面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｙ面）の一例を示すグラフである。
図３に示すグラフにおいて、中心は、−２０ｄＢ、外側の円は、１０ｄＢであり、図４に示すグラフにおいて、中心は、−２５ｄＢ、外側の円は、５ｄＢである。
図４に示すグラフにおいて、最大利得は約２．５３ｄＢであるのに対して、図３に示すグラフでは、最大利得は約１０．２８ｄＢである。このように、本実施例の無指向性アンテナは、図１（ｂ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子よりも、利得が大幅に向上していることが分かる。
さらに、図３と、図４のグラフを比較することにより、本実施例の無指向性アンテナは、図１（ｂ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子よりも、狭ビーム化されていることが分かる。

［実施例２］
図５は、本発明の実施例２の無指向性アンテナを説明するための図であり、図５（ａ）は２個の励振素子（２_１，２_２）の配置を示す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に周期構造体３を配置した本発明の実施例２の無指向性アンテナの構成を示す斜視図である。
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例の無指向性アンテナは、２個の励振素子（２_１，２_２）（本実施例では、ダイポールアンテナ素子）と、２個の励振素子（２_１，２_２）の周囲を覆う円筒状の周期構造体３とを有する。
本実施例でも、前述の図２に示すように、周期構造体３は、１９×８のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５で構成され、励振素子２は、円筒状の周期構造体３の中心に配置される。ここで、１９×８のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５は、例えば、合成樹脂上に印刷された複数の導電体パターンで構成される。
また、前述の実施例１と同様、円筒状の周期構造体３の直径（図１のＬＴ）は、０．７５λｏ〜１．０λｏ（λｏは、使用周波数ｆｏの自由空間波長）とされる。即ち、励振素子２と周期構造体３との間隔は、０．３７５λｏ〜０．５λｏとされる。また、導電体パターン５は、一辺（図２のＬＨ）が、０．２λｏ〜０．３λｏの矩形形状とされる。
本実施例では、２_１と、２_２の２個の励振素子の間隔（図５（Ｂ）のＳｄ）は、１．３λｏ〜２．０λｏ（λｏは、使用周波数ｆｏの自由空間波長）とされる。

前述の説明では、周期構造体３は、１９×８のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５で構成されているが、この数値に限定されるものではなく、要求される指向特性によってマトリックスの数値を増減することができる。
本実施例において、励振素子（２_１，２_２）で励振・放射された電波は、周期構造体３の間で反射を繰り返すが、周期構造体３の直径が、約４×ｎλｏ／５（ｎは整数）の場合、間隙から放射された電波は同相で放射される。
周期構造体３は、核となる導電体パターン５のインダクタンスと、隣接する導電体パターン５との間でキャパシタンスを形成するため、固有のインピーダンス面を作り出す。そして、周期構造体３の導電体パターン５の大きさと間隔を適切に選ぶことにより適切なインピーダンス面を実現し、大きな利得を得ることができる。
従って、核となる導電体パターン５のパターンが小さい場合には、隣接する導電体パターン５との間隔を狭め、核となる導電体パターン５のパターンが大きい場合には、隣接する導電体パターン５との間隔を広げる必要がある。

本実施例１のパラメータの一例を以下に示す。
（１）周期構造体３の直径が、０．８３λｏ
（２）導電体パターン５の一辺（図２のＬＨ）が、０．２６λｏ
（３）２_１と２_２の２個の励振素子の間隔（図５（Ｂ）のＳｄ）が、１．７３λｏ
（４）中心周波数は５．６ＧＨｚ
図６は、本発明の実施例２において、上記パラメータの条件下の水平面内の指向特性（図５に示すＸ−Ｙ面）の一例を示すグラフである。また、図７は、図５（ｂ）に示す２_１と２_２の２個の励振素子の水平面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｙ面）の一例を示すグラフである。
図６に示すグラフにおいて、中心は、−２５ｄＢ、外側の円は、１５ｄＢであり、図７に示すグラフにおいて、中心は、−２０ｄＢ、外側の円は、１０ｄＢである。
図７に示すグラフにおいて、最大利得は約５．４６ｄＢであるのに対して、図６に示すグラフでは、最大利得は約９．５４ｄＢである。このように、本実施例の無指向性アンテナは、図５（ａ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子よりも、利得が大幅に向上していることが分かる。
さらに、図６と、図４のグラフを比較することにより、本実施例の無指向性アンテナは、図５（ａ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子よりも、狭ビーム化されていることが分かる。
その上、図５（ｂ）に示すように、励振素子２_１と、励振素子２_２とに、それぞれ６０°位相が異なる励振電力（２_１の励振素子に、０°の励振電力、２_２の励振素子に、６０°の励振電力）を供給することにより、ビームがチルトされていることが分かる。

例えば、従来の６素子コーナーレフレクタアンテナにおいて、サイドローブの顕著な劣化を招くことなしにビームチルトを実現するには、各放射素子の励振位相を順番に変えてやる必要があるため、電気長の異なる給電線路を放射素子の数だけ用意し、さらにそれらを分岐させるための分岐端子も用意したり、チルト角可変の場合は、最低３個の差動型移相器とそれに付随する給電線路や分岐端子を用意したりする必要がある。
それに対し、本実施例では、２つの励振素子（２_１，２_２）の間に励振位相差を持たせるだけでよいので、電気長の異なる２本の給電線路と分岐端子１個を用意するだけ、あるいはチルト角可変の場合は、可変移相器１個と給電線路２本と分岐端子１個を用意するだけでよく、ビームチルトの実現は極めて容易である。
なお、前述の各実施例の無指向性アンテナにおいて、周期構造体３を構成する導電体パターン５の形状は正方形に限らず、円形でも、三角形でも、長方形でも、多角形でもよく、さらに板状でなくループ状であってもよい。
また、前述の各実施例の無指向性アンテナにおいて、周期構造体３は、円筒状に限らず、励振素子２の延長方向で切断した断面形状が、６角形、８角形などの多角形形状であってもよい。
さらに、前述の各実施例の無指向性アンテナにおいて、励振素子は、ダイポールアンテナ素子に限定されるものではなく、パッチ素子等も使用可能である。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

２，２_１，２_２ 励振素子
３ 周期構造体
５ 導電体パターン
１０ ダイポールアンテナ素子
１１ 放射素子

Claims (5)

1. 少なくとも１個の励振素子と、
   前記少なくとも１個の励振素子の周囲を取り囲む筒状の周期構造体とを備え、
   前記筒状の周期構造体は、展開した状態において、複数の導電体パターンがマトリクス状に配置されており、
   前記各導電体パターンは、矩形形状であり、
   前記矩形形状の各導電体パターンは、前記筒状の周期構造体の軸方向と同じ方向に配列されていることを特徴とする無指向性アンテナ。
2. 前記筒状の周期構造体の軸方向に配置される２個の励振素子を有し、
   λｏを使用周波数ｆｏの自由空間波長とするとき、前記２個の励振素子の間隔は、１，３λｏ以上である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２個の励振素子には、それぞれ位相の異なる励振電力が供給されることを特徴とする請求項２に記載の無指向性アンテナ。
4. 前記周期構造体は、前記筒状の周期構造体の軸方向に直交する方向で切断した断面形状が円形であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の無指向性アンテナ。
5. 前記励振素子は、前記筒状の周期構造体の軸方向に配置される半波長ダイポール素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の無指向性アンテナ。

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