JP5444167B2 - 無指向性アンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、移動通信システム等において好適に使用することができる無指向性アンテナに関する。
移動通信システムでは、比較的加入者容量の少ない場所で用いられる基地局用アンテナとして、水平面内無指向性を有するアンテナが使用される。
上記基地局用アンテナは、基地局設置コストの低減や、受風荷重軽減のために、可能な限り細径化することが望ましい。そこで、上記水平面内無指向性アンテナとしては、細径化が難しい水平偏波アンテナよりも細径化の容易な垂直偏波アンテナを適用することが多い。
垂直偏波と水平偏波の双方を使用する偏波共用アンテナの実現例が少ないのも、水平偏波アンテナは細径化が難しいという上記の理由に基づいている。
細径化を目的とした水平偏波無指向性アンテナの例としては、例えば、Halo(ヘイロー)アンテナ素子を備える特許文献1に係るHaloアンテナがある。
特開2008−60764号公報
特許文献1に係るアンテナでは、一対の略半円形素子部材を相対向する形態で組み合わせることによってHaloアンテナ素子を構成している。
上記略半円形素子部材は、弾性を持つ合金を金型等によって打ち抜くことによって成形されるので、素子特性の微調整などを容易に実施することができない。そのため、素子特性を微調整する場合には、そのたびに上記略半円形素子部材を再加工することになり、これは、コストアップの要因になる。
また、特許文献1に係るアンテナは、給電に同軸ケーブルを使用しているため、垂直方向に多段配列して多素子化(アレー化)した場合に、トーナメント式の給電系を構成することが不可能であり、その結果、垂直面指向性の設計の自由度が制限されることになる。
なお、印刷配線技術を用いて金属箔からなるトーナメント式給電回路を形成した給電用誘電体基板を内部に配置することが考えられるが、Haloアンテナは内部スペースが狭いため、所望構成のトーナメント式給電回路を形成することが可能な大きさをもつ給電用誘電体基板を内部に配置することは実際上困難である。
そこで、本発明は、コストの低減とアレー化の容易な実用性の高い無指向性アンテナを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る無指向性アンテナは、
素子用誘電体基板に相対向する形態で形成した金属箔からなる第1、第2のC字型導体、前記第2のC字型導体の中央部に形成した一対の給電点、及び前記第1、第2のC字型導体の対称軸線に沿って延びる形態で前記第1、第2の誘電体基板にそれぞれ形成した切込みを有し、前記第1、第2のC字型導体の開放部における一端相互及び他端相互をそれぞれ導電体で接続した水平偏波用素子ユニットと、
給電用誘電体基板に金属箔からなる給電線路を形成した給電ユニットと、を備える。
そして、前記素子用誘電体基板の前記切込に前記給電用誘電体基板を挿入することによってそれらの誘電体基板が交差結合され、その状態で前記第2のC字型導体の前記各給電点が前記給電線路に接続される。
1つの実施の形態では、前記素子用誘電体基板として平行する第1、第2の誘電体基板が使用され、この第1、第2の誘電体基板のうちの一方及び他方にそれぞれ前記第1のC字型導体及び前記第2のC字型導体が形成される。
他の実施の形態では、前記素子用誘電体基板として単一の誘電体基板が使用され、この単一の誘電体基板の一方及び他方の面にそれぞれ前記第1のC字型導体及び前記第2のC字型導体が形成される。
更に別の実施の形態では、帯域特性の向上等を図るために、前記水平偏波用素子ユニットに無給電素子ユニットが併設される。
垂直偏波用の素子ユニットを更に備えることができる。この垂直偏波用の素子ユニットとしては、例えば寄生素子付きループスロットアンテナを構成する素子ユニットが使用される。この場合、ループスロットアンテナを構成する素子ユニットのループスロット部及び給電導体を前記給電用誘電体基板に形成することができる。
前記給電用誘電体基板は、一方の面に金属箔からなる接地導体面をそれぞれ形成した幅狭の第1の誘電体基板と幅広の第2の誘電体基板とを相互の前記接地導体が密着するように重合した構成を有することができ、この場合、前記第2の誘電体基板に前記ループスロットアンテナを構成する素子ユニットのループスロット部及び給電導体が形成される。
そして、本発明は、上述した構成を有する無指向性アンテナを垂直方向に多段配列したアレー構造の無指向性アンテナも提供する。
本発明によれば、金型等を用いて成形する必要がある金属板や金属棒等を用いないので、コストの低減を図ることができるとともに、特性の微調整なども容易となる。また、給電用誘電体基板が組み込まれるので、多素子化(アレー化)を図る上で有利である。
本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの実施形態を示す斜視図である。 上側素子部の構成を示す平面図である。 下側素子部の構成を示す平面図である。 本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの他の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの別の実施形態を示す斜視図である。 図5に示すアンテナを用いて構成したアレーアンテナの垂直偏波に係るVSWR特性を示すグラフである。 図5に示すアンテナを用いて構成したアレーアンテナの水平偏波に係るVSWR特性を示すグラフである。 図5に示すアンテナを用いて構成したアレーアンテナの偏波間アイソレーション特性を示すグラフである。 図5に示すアンテナを用いて構成したアレーアンテナの垂直偏波の水平面指向性パターンを示すグラフである。 図5に示すアンテナを用いて構成したアレーアンテナの水平偏波の水平面指向性パターンを示すグラフである。
図1は、本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの実施形態を概略的に示す斜視図である。本実施形態及び後述の他の実施形態に係るアンテナは、例えば800MHz帯に使用されるが、もちろん他の周波数帯にも適用可能である。
本実施形態のアンテナにおいて、水平偏波用素子ユニット1は、上側素子部2および下側素子部3を有する。上側素子部2は、図2に示すように、円形の素子用誘電体基板21にC字型素子導体22及び直線状の切込み23を形成した構成を有する。
C字型素子導体22は、誘電体基板21の上面に該誘電体基板21の周縁に沿う形態で形成されている。このC字型素子導体22は、誘電体基板21に貼着された金属箔(例えば銅箔)からなり、写真エッチング処理等が行われる印刷配線パターン形成手法を用いて形成される。
切込み23は、C字型素子導体22の対称軸線に沿って延びている。すなわち、この切込み23は、誘電体基板21の外周端からC字型素子導体22の開放部24を通って該素子導体22の中央部に至る区間に形成されている。
下側素子部3は、図3に示すように、素子用誘電体基板31にC字型素子導体32及び直線状の切込み33を形成した構成を有する。
誘電体基板31は、上記誘電体基板21と同じ大きさの円形形状を持つ。C字型素子導体32は、上記C字型素子導体22と同じ径寸法を有し、上記C字型素子導体22と同様に金属箔によって誘電体基板31の下面に形成されている。このC字型素子導体32は、図2示すC字型素子導体22の開放部24に対応する開放部34を有する。そして、このC字型素子導体32は、開放部34と対峙する中央部を切欠き、その切欠き部35の両側に給電点36,37を形成している。
切込み33は、図2の切込み23に対応するものであり、C字型素子導体32の対称軸線に沿って延びている。すなわち、切込み33は、誘電体基板31の外周端から上記開放部34を通って上記切欠き部35に至る区間に形成されている。
図1に示すように、上側素子部2と下側素子部3は、上側素子部2のC字型素子導体22及び切込み23が下側素子部3のC字型素子導体32及び切込み33と対向する形態で電気絶縁性材料からなる複数本のスペーサ5を介して平行に結合される。そして、C字型素子導体22の開放部24の一端とC字型素子導体32の開放部34の一端とがピン状の導電体6を介して相互に接続されると共に、C字型素子導体22の開放部24の他端とC字型素子導体32の開放部34の他端とがピン状導電体6を介して相互に接続される(図2、図3参照)。
このように構成され素子ユニット1は、いわゆるHaloアンテナ素子としての構造を有している。
本実施形態に係るアンテナは、図1に示す給電ユニット4も備えている。この給電ユニット4は、方形状の給電用誘電体基板41の一方の面に該誘電体基板41の長手方向に沿う給電導体43を形成するとともに、誘電体基板41の他方の面全域、または給電導体43をマイクロストリップラインとして動作させるための必要十分な領域に、金属箔からなる接地導体面(図示されていない)を形成した構成を有する。給電導体43は、上記接地導体面と共に給電用のマイクロストリップラインを構成している。なお、給電導体43は、上記印刷配線パターン形成手法を用いて形成される。
上記給電ユニット4の誘電体基板41は、図1に示すように、素子ユニット1の誘電体基板21,31の切込み23,33に挿入され、これよって、この誘電体基板21,31と誘電体基板41とが交差結合される。給電ユニット4の誘電体基板41は、図示のように垂直に配されるので、素子ユニット1の誘電体基板21,31は水平に向くことになる。
なお、上記切込み23,33の終端には、誘電体基板41に設けられた切欠き部41の底部縁端が当接する。
上記のように素子ユニット1と給電ユニット4を結合した後、図3に示した給電点36,37が前記給電用のマイクロストリップラインに接続される。すなわち、給電点36が誘電体基板41の背面に形成された接地導体面に接続されるとともに、給電点37が誘電体基板41の表面に形成された給電導体43に接続される。なお、給電点36,37の接続にはハンダ等の手段が使用される。
本実施形態に係るアンテナは、上記のように構成されているので、給電導体43を含むマイクロストリップラインを介して素子ユニット1に給電することにより、該素子ユニット1がHalo水平偏波素子ユニットとして動作する。なお、Haloアンテナ素子は、その特性上、対称面における電界の接線成分が0であるため、該アンテナ素子内における対称面内に給電用誘電体基板41が存在していても、その特性への影響は極めて小さい。
本実施形態に係るアンテナによれば、金型等を用いて成形する必要がある金属板や金属棒を用いないので、コストの低減を図れ、また、特性の微調整なども容易となる。
図4は、本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの他の実施形態を示す。本実施形態に係るアンテナは、無給電素子ユニット1’を付加した点において図1に示すアンテナと構成が異なる。
無給電素子ユニット1’の上側素子部2’及び下側素子部3’は、いずれも図1に示す上側素子部2と同じ構成(図2参照)を有する。なぜなら、この無給電素子ユニット1’では図3に示す給電点36,37が不要であるからである。
素子ユニット1と相似な構成を有する無給電素子ユニット1’は、図示のように、スペーサ7を介して素子ユニット1に併設される。無給電素子ユニット1’を備える本実施形態のアンテナは、広帯域な特性を得ることができる。
なお、図4では、図面の煩雑化を避けるためにスペーサ7が一本のみ示されている。
図5は、本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの更に別の実施形態を示す。本実施形態に係るアンテナは、図4に示したアンテナに垂直偏波素子ユニット10を付加した構成を有する。本実施形態では、垂直偏波素子ユニット10として寄生素子付きループスロットアンテナ素子ユニットを使用しているが、誘電体基板上に配置できる形状を有するものであれば、その種類は限定されない。すなわち、例えば、ダイポールアンテナ素子ユニットを垂直偏波素子ユニット10として適用することも可能である。
本実施形態において用いられている給電用誘電体基板4は、幅狭の誘電体基板8と幅広の誘電体基板9とを組み合わせた構成を有する。両誘電体基板8,9は、それぞれ一方の面に金属箔からなる接地導体面が形成され、それぞれの接地導体面相互が密着する形態で重ねられている。従って、この実施形態において使用される偏波アンテナ素子ユニット1では、図2に示す切込み23の幅及び図3に示す切込み33の幅が誘電体基板8,9の厚さの総和以上の大きさに設定される。無給電素子ユニット1’における切込みの幅も同様である。
誘電体基板8は、誘電体基板9の一方の縁部(図5における右方側の縁部)に沿うように位置されている。そして、この誘電体基板8の表面(非接地導体面)には、素子ユニット1に接続される給電用マイクロストリップラインの構成要素である給電導体43が金属箔によって形成されている。一方、誘電体基板9は、その表面(接地導体面)に垂直偏波素子ユニット10であるループスロットアンテナ素子ユニットのループスロット部101が形成され、その背面(非接地導体面)にループスロットアンテナ素子ユニットの給電導体102が形成されている。
ループスロットアンテナ素子ユニットの2枚の寄生素子103は、ループスロット部101を挟む形態で位置するように図示していないスペーサによって誘電体基板9に支持されている。
この実施形態に係るアンテナによれば、アンテナ素子ユニット1および無給電素子ユニット1’によって水平偏波を送受信することができ、また、垂直偏波素子ユニット10によって垂直偏波を送受信することができる。つまり、偏波共用アンテナとしての機能を有する。従って、この実施形態に係るアンテナは、細径な構造を有する偏波ダイバーシチアンテナとして動作させることが可能である。
図1、図4及び図5に示したアンテナは、垂直方向に複数個配置することによって、つまり、アレー化することによって利得が増大するとともに垂直面のビーム成形が可能となる。
図1、図4に示したアンテナをアレー化した場合には、誘電体基板4にいわゆるトーナメント式の給電線路を形成して各水平偏波用アンテナ素子ユニット1への給電を行うことができる。
また、図5に示したアンテナをアレー化した場合には、誘電体基板8に各水平偏波用アンテナ素子ユニット1用のトーナメント式給電線路が形成されるとともに、誘電体基板9に各垂直偏波素子ユニット10用のトーナメント式給電線路が形成される。
このようなトーナメント式給電線路を使用すれば、垂直面のビーム成形が可能となる。
図6は、図5に示す偏波共用アンテナを垂直方向に4段配列したアレーアンテナについての垂直偏波に係るVSWR(定在波比)特性である。このアレーアンテナは、800MHz帯の使用帯域内において、VSWRが2.0以下を満足している。
図7は、上記アレーアンテナの水平偏波に係るVSWR特性を示す。このアレーアンテナは、水平偏波に関してもVSWRが2.0以下を満足している。
図8は、上記アレーアンテナの、偏波間アイソレーション特性である。このアレーアンテナは、800MHz帯において使用する帯域内において、偏波間のアイソレーションが25dB以下を満足している。
図9は上記アレーアンテナの垂直偏波の水平面指向性パターンを、また、図10は上記アレーアンテナの水平偏波の水平面指向性パターンをそれぞれ示している。これらの図から明らかなように、いずれの偏波についても良好な水平面無指向性が得られている。
本発明は、上記実施形態に限定されず、以下のような種々の変形態様を含むものである。
(1)図1等に示すアンテナ素子ユニット1では、誘電体基板21にC字型素子導体22を形成し、誘電体基板31にC字型素子導体32を形成しているが、1枚の誘電体基板の一方の面及び他方の面にそれぞれC字型素子導体22及びC字型素子導体32を形成するようにしても良い。この場合、図1に示す導電体6に代えていわゆるスルーホールを適用することができる。
アンテナ素子ユニット1を上記のように構成する場合、無給電素子ユニット1’も同様に構成することができる。
(2)図1等に示すアンテナ素子ユニット1では、C字型素子導体22、32が円に沿う形状を有しているが、所望の特性を得ることができるのであれば、他の形状、例えば、楕円や多角形に沿う形状を有していても良い。もちろん、その場合、誘電体基板はC字型素子導体22、32の形状に沿った形状のものを使用することができる。
アンテナ素子ユニット1を上記のように構成する場合、無給電素子ユニット1’も同様に構成することができる。
(3)図5に示す偏波共用アンテナは、図4に示すアンテナに垂直偏波素子ユニット10を併用した構成を有するが、もちろん、無給電素子ユニット1’を有していない図1に示すアンテナに垂直偏波素子ユニット10を併用して偏波共用アンテナを構成することも可能である。
1 水平偏波用素子ユニット
1’ 水平偏波用無給電素子ユニット
2 上側素子部
3 下側素子部
4 給電ユニット
5,7 スペーサ
6 導電体
8,9,41 給電用誘電体基板
10 垂直偏波素子ユニット
21、31 素子用誘電体基板
22、32 C字型素子導体
23、33 切込み
24、34 開放部
36、37 給電点
42 切欠き
43,102 給電導体
101 ループスロット部
103 垂直偏波用寄生素子

Claims (9)

  1. 素子用誘電体基板に相対向する形態で形成した金属箔からなる第1、第2のC字型導体、前記第2のC字型導体の中央部に形成した一対の給電点、及び前記第1、第2のC字型導体の対称軸線に沿って延びる形態で前記第1、第2の誘電体基板にそれぞれ形成した切込みを有し、前記第1、第2のC字型導体の開放部における一端相互及び他端相互をそれぞれ導電体で接続した水平偏波用素子ユニットと、
    給電用誘電体基板に金属箔からなる給電線路を形成した給電ユニットと、を備え、
    前記素子用誘電体基板の前記切込に前記給電用誘電体基板を挿入することによってそれらの誘電体基板を交差結合し、前記第2のC字型導体の前記各給電点を前記給電線路に接続したことを特徴とする無指向性アンテナ。
  2. 前記素子用誘電体基板として平行する第1、第2の誘電体基板が使用され、この第1、第2の誘電体基板のうちの一方及び他方にそれぞれ前記第1のC字型導体及び前記第2のC字型導体が形成され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. 前記素子用誘電体基板として単一の誘電体基板が使用され、この単一の誘電体基板の一方及び他方の面にそれぞれ前記第1のC字型導体及び前記第2のC字型導体が形成され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。
  4. 前記水平偏波用素子ユニットに無給電素子ユニットを併設したことを特徴とする請求項1に記載の無指向性アンテナ。
  5. 垂直偏波用の素子ユニットを更に備え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。
  6. 前記垂直偏波用の素子ユニットは、寄生素子付きループスロットアンテナを構成する素子ユニットであることを特徴とする請求項5に記載の無指向性アンテナ。
  7. 前記ループスロットアンテナを構成する素子ユニットは、ループスロット部及び給電導体が前記給電用誘電体基板に形成されていることを特徴とする請求項6に記載の無指向性アンテナ。
  8. 前記給電用誘電体基板は、一方の面に金属箔からなる接地導体面をそれぞれ形成した幅狭の第1の誘電体基板と幅広の第2の誘電体基板とを相互の前記接地導体が密着するように重合した構成を有し、前記第2の誘電体基板に前記ループスロット部及び給電導体を形成したことを特徴とする請求項7に記載の無指向性アンテナ。
  9. 請求項1〜8のいずれかに記載の無指向性アンテナを垂直方向に多段配列したことを特徴とする無指向性アンテナ。
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