JP5496967B2 - 周波数共用偏波共用アンテナ装置 - Google Patents
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Description
a.f1=0.8GHz、f2=1.5GHz、f3=0.845GHz
b.f1=0.8GHz、f2=1.5GHz、f3=1.466GHz
c.f1=1.5GHz、f2=2.0GHz、f3=1.466GHz
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従って、周波数や偏波を共用するために複数のアンテナユニットを近接配置した場合においても、それらのアンテナユニットのアンテナ素子相互の結合量を低減して、つまり、該アンテナ素子相互の干渉を少なくして、指向性の乱れや利得の減少等の症状を抑制することが可能になる。
図1に示すアンテナ装置A1は、間隔Dをおいて配列するアンテナユニット10、20と、これらのアンテナユニット10、20の背部に配設した反射板30とを備えている。
アンテナユニット10、20の素子部11、21は、一般的なダイポールアンテナ素子(DP)によって構成され、それぞれ約λ1/2、λ2/2の長さを有する。ここで、λ1はアンテナユニット10の使用周波数帯の中心周波数f1の波長であり、λ2はアンテナユニット20の使用周波数帯の中心周波数f2の波長である。このように、このアンテナ装置は図36に示したアンテナ装置と同等な構成を有している。
アンテナユニット10’、20’は、素子部11’、21’がそれぞれ折り返しダイポールアンテナ素子(FD)によって構成されており、この点でアンテナユニット10、20と相違している。
また、周波数f1、f2がf1=1.5GHz、f2=2.0GHzに設定されている場合には、アンテナ装置A1〜A4における周波数f3=1.466GHzについての素子間結合量は、素子間隔Dの変化に伴って図7のa〜dに示すような態様でそれぞれ変化し、また、周波数f3=1.920GHzについての素子間結合量は、図8のa〜dに示すような態様でそれぞれ変化する。
また、図6に示す特性a、bと特性c、dとの対比から明らかなように、f1=0.8GHz、f2=1.5GHz、f3=1.466GHzの場合には、アンテナ装置A1、A2における結合量よりもアンテナ装置A3、A4における結合量が小さくなる。
すなわち、例えば、図2のアンテナユニット20’の折り返しダイポールアンテナ素子21’は、中心周波数f2(例えば、1.5GHz)の周波数帯域について素子間結合量を小さくするのではなく、アンテナユニット20’に近接配置された他のアンテナユニット10に係る中心周波数f1(例えば、0.8GHz)の周波数帯域についての素子間結合量を小さくする作用をなす。
更に図11は、2GHz帯用1/2波長ダイポールアンテナ素子を備えるアンテナユニットの最大利得の周波数特性aと、2GHz帯用3線式折り返しダイポールアンテナ素子を備えるアンテナユニットの同周波数特性bとを例示している。
ここで、0.8GHz帯、1.5GHz帯及び2GHz帯は、それぞれ0.8GHz、1.5GHz及び2GHzを中心周波数とする周波数帯のことである。
3線式折り返しダイポールアンテナ素子の上記のような利得特性は、この3線式折り返しダイポールアンテナ素子とこれに近接して配設した他周波数帯域用のアンテナ素子との間における結合量を改善する上で有効である。
なお、2線式折り返しダイポールアンテナ素子も3線式折り返しダイポールアンテナ素子の利得特性に準じた利得特性をもつ。
各図において、0.8GHz帯以外の周波数帯域におけるリターンロス特性に注目すると、1/2波長ダイポールアンテナ素子のリターンロスが−3dB前後であるのに対し、3線式折り返しダイポールアンテナ素子のリターンロスは−0.3dB以下である。
これは、0.8GHz帯以外の周波数帯において3線式折り返しダイポールアンテナ素子が殆ど放射動作しないことを示している。そして、このことは、1/2波長ダイポールアンテナ素子と3線式折り返しダイポールアンテナ素子が図9〜図11に示すような利得特性を示す根拠となっている。
本実施形態に係る周波数共用偏波共用アンテナ装置は、0.8GHz帯垂直偏波用アンテナユニットV1と、1.5GHz帯垂直偏波用アンテナユニットV2と、0.8GHz帯水平偏波用アンテナユニットH1と、1.5GHz帯水平偏波用アンテナユニットH2とをそれぞれ複数備え、さらに、これらのアンテナユニットV1、V2、H1、H2が立設された給電回路用誘電体基板80と、この給電回路用誘電体基板80の背面に対向する態様でアンテナユニットV1、V2、H1、H2の背部に配設された反射板90と備えている。
なお、上記アンテナユニットV1、V2、H1、H2の使用周波数帯は上記に限定されず、アンテナ素子の長さ等を変更することにより、任意の使用周波数帯に適用可能である。
素子部40は、図23に示すように、素子導体41、42と、これらの素子導体41、42の一側及び他側にそれぞれ所定の間隔をおいて平行に設けられた折り返し導体43、44とを備えている。各折り返し導体43、44は、それらの一端が一方の素子導体41の外端に接続され、また、それらの他端が他方の素子導体42の外端に接続されている。
したがって、上記素子導体41、42及び折り返し導体43、44は、いわゆる3線式の折り返しダイポールアンテナ素子(フォールデッドダイポールアンテナ素子)を構成している。
このように、上記折り返しダイポールアンテナ素子は、折り返し導体43、44の幅が非折り返し部である素子導体41、42の幅よりも小さく設定されている。
この折り返しダイポールアンテナ素子の構成要素である素子導体41、42、折り返し導体43、44及び接続導体は、誘電体基板45の面に貼着された金属箔(例えば銅箔)によって形成されている。すなわち、露光、エッチング等の処理を実施して金属箔からなる所望形状の導体部を得るプリント配線手法を用いて形成されている。
給電導体52a、52bは、誘電体基板51の長手軸線上に位置し、それらの途中に方形状のインピーダンス整合用結合導体板53a、53bがそれぞれ設けられている。給電導体52a、52bは互いに対向し、インピーダンス整合用結合導体板53a、53bも互いに対向している。
給電導体52a、52b及びインピーダンス整合用結合導体板53a、53bも上記プリント配線手法を用いて形成されている。
上記給電導体52a、52bは、特性インピーダンスが50Ωのマイクロストリップラインを構成するようにその幅が設定されている。また、上記インピーダンス整合用結合導体板53a、53bは、上記素子導体41、42の給電点41a、42aより誘電体基板51の長手方向に沿ってλ0.8g/4(λ0.8gは周波数0.8GHzの給電導体52a、52b上での波長)だけ離れた位置にそれぞれ形成されている。
上記インピーダンス整合用結合導体板53a、53bを備えるアンテナユニットV1、H1によれば、図16に示すような良好なリターンロス特性(0.815GHzにおいて−21.209dB、0.845GHzにおいて−20.891dB、0.875GHzにおいて−14.758dB)を実現することができる。
上記給電部50に代えて、図17に示す給電部50’を使用することも可能である。しかし、この給電部50’は、給電導体52a’、52b’がインピーダンス整合用結合導体板を備えていないので、図18に示すようなリターンロス特性(0.815GHzにおいて−10.554dB、0.845GHzにおいて−9.4988dB、0.875GHzにおいて−9.0296dB)を示すことになる。
素子部60は、図24に示すように、素子導体61、62と、これらの素子導体61、62の一側及び他側にそれぞれ所定の間隔をおいて平行に設けられた折り返し導体63、64とを備えている。各折り返し導体63、64は、それらの一端が一方の素子導体61の外端に接続され、また、それらの他端が他方の素子導体62の外端に接続されている。
したがって、上記素子導体61、62及び折り返し導体63、64は、3線式の折り返しダイポールアンテナ素子を構成している。
このように、1.5GHz帯に使用する3線式の折り返しダイポールアンテナ素子も折り返し導体63、64の幅が非折り返し部である素子導体61、62の幅よりも小さく設定されている。そして、この折り返しダイポールアンテナ素子の構成要素である素子導体61、62、折り返し導体63、64及び接続導体も、誘電体基板65の面に貼着された金属箔によって形成されている。つまり、上記プリント配線手法によって形成されている。
給電導体72a、72bは、誘電体基板71の長手軸線上に位置し、それらの途中には方形状のインピーダンス整合用結合導体板73a、73bがそれぞれ設けられている。給電導体72a、72bは互いに対向し、インピーダンス整合用結合導体板73a、73bも互いに対向している。
給電導体72a、72b及びインピーダンス整合用結合導体板73a、73bも上記プリント配線手法を用いてプリント形成されている。
上記給電導体72a、72bは、特性インピーダンスが50Ωのマイクロストリップラインを構成するようにその幅が設定されている。また、上記インピーダンス整合用結合導体板73a、73bは、上記素子導体61、62の給電点61a、62aよりλ1.5g/4(λ1.5gは周波数1.5GHzの給電導体72a、72b上での波長)だけ離れた位置にそれぞれ形成されている。
上記インピーダンス整合用結合導体板73a、73bを備えるアンテナユニットV2、H2によれば、図20に示すような良好なリターンロス特性(1.4370GHzにおいて−22.320dB、1.4665GHzにおいて−36.637dB、1.4960GHzにおいて−17.276dB)を実現することができる。
上記給電部70に代えて、図21に示す給電部70’を使用することも可能である。しかし、この給電部70’は、給電導体72a’、72b’がインピーダンス整合用結合導体板を備えていないので、図22に示すようなリターンロス特性(1.4370GHzにおいて−8.3160dB、1.4665GHzにおいて−8.6535dB、1.4960GHzにおいて−8.3011dB)を示すことになる。
すなわち、0.8GHz帯垂直偏波用アンテナユニットV1は、水平方向Hに0.352λ0.8の間隔をおいて対向する対が垂直方向Vに0.676λ0.8の間隔をおいて2段配置されている。
各アンテナユニットV1は、図15に示す給電部50の誘電体基板51の基部を給電回路用誘電体基板80に嵌挿させることによって該誘電体基板80に支持される。このとき、このアンテナユニットV1の素子部40は、反射板90から例えば0.099λ0.8だけ離れて位置される。
一方、0.8GHz帯用水平偏波アンテナユニットH1は、垂直方向に0.676λ0.8の間隔をおいて2段配置されている。このアンテナユニットH1も、給電部50の誘電体基板51を介して給電回路用誘電体基板80に支持される。このとき、このアンテナユニットH1の素子部40は、反射板90から例えば0.155λ0.8だけ離れて位置される。
このアンテナユニットV2は、図19に示す給電部70の誘電体基板71の基部を給電回路用誘電体基板80に嵌挿させることによって支持される。このとき、その素子部60は、反射板90から例えば0.196λ1.5だけ離れて位置される。
一方、1.5GHz帯用水平偏波アンテナユニットH2は、垂直方向に0.587λ1.5の間隔をおいて4段配置されている。このアンテナユニットV2も、給電部70の誘電体基板71を介して給電回路用誘電体基板80に支持され、このとき、その素子部60が反射板90から例えば0.244λ1.5だけ離れて位置される。
すなわち、アンテナユニットV1のV.S.W.R.は、図26に示すように、周波数0.815GHz、0.845GHz及び0.875GHzにおいてそれぞれ1.0343、1.1577及び1.0595という低値を示す。アンテナユニットH1のV.S.W.R.も、図27に示すように、同各周波数においてそれぞれ1.0686、1.0480及び1.0524という低値を示す。
また、アンテナユニットV2のV.S.W.R.は、図28に示すように、周波数1.4370GHz、1.4665GHz及び1.4960GHzにおいてそれぞれ1.1348、1.0132及び1.1690という低値を示し、更に、アンテナユニットH1のV.S.W.R.は、図29に示すように、同各周波数においてそれぞれ1.0456、1.0654及び1.0121という低値を示す。
各アンテナユニットV1、H1、V2、H2がこのような良好なV.S.W.R.特性を示すのは、これらのンテナユニットV1、H1、V2、H2のアンテナ素子として前記3線式の折り返しダイポールアンテナ素子が用いられているからである。
すなわち、アンテナユニットV1、H1のポート間結合量は、図30に示すように、周波数0.815GHz、0.875GHz、1.4370GHz、1.4960GHzにおいてそれぞれ−56.003dB、−38.029dB、−45.793dB、−42.660dBという大きさを示す。
ここで、ポート間結合量について説明する。図14に示す給電回路用誘電体基板80には、各アンテナユニットV1に接続される分岐給電路、各アンテナユニットV2に接続される分岐給電路、各アンテナユニットH1に接続される分岐給電路及び各アンテナユニットH2に接続される分岐給電路がそれぞれ形成されるとともに、これらの分岐給電路に対する個別の給電ポートとが形成されている。
ポート間結合量とは、ある1つの給電ポートと別の1つの給電ポートとの間の結合量を意味し、従って、例えばアンテナユニットV1、H1のポート間結合量は、図14における4つのアンテナユニットV1が接続される上記分岐給電路の給電ポートと、同図における2つのアンテナユニットH1が接続される上記分岐給電路の給電ポートとの間の結合量を意味する。
アンテナユニットV1、V2のポート間結合量は、図31に示すように、同各周波数においてそれぞれ−26.703dB、−30.117dB、−47.738dB、−39.974dBという大きさを示し、アンテナユニットH1、V2のポート間結合量は、図32に示すように、上記の各周波数においてそれぞれ−37.475dB、−46.790dB、−40.504dB、−49.024dBという大きさを示す。
また、アンテナユニットV1、H2のポート間結合量は、図34に示すように、同各周波数においてそれぞれ−41.664dB、−49.925dB、−44.501dB、−44.599dBという大きさを示し、アンテナユニットH1、H2のポート間結合量は、図35に示すように、同各周波数においてそれぞれ−26.843dB、−32.170dB、−64.937dB、−46.318dBという大きさを示す。
また、上記実施形態では、各アンテナユニットV1、H1、V2、H2の構成要素を誘電体基板に貼着された金属箔によって形成しているが、他の金属材料によってこの構成要素を形成することも可能である。
更に、図14に示すアンテナ装置は、垂直方向に多段配置(アレイ化)することも可能である。
11、21、11’、21’ 素子部
30 反射板
V1 0.8GHz帯垂直偏波用アンテナユニット
H1 0.8GHz帯水平偏波用アンテナユニット
V2 1.5GHz帯垂直偏波用アンテナユニット
H2 1.5GHz帯水平偏波用アンテナユニット
40 素子部
41、42 素子導体
43、44 折り返し導体
45 誘電体基板
50 給電部
51 誘電体基板
52a、52b 給電導体
53a、53b インピーダンス整合用結合導体板
60 素子部
61、62 素子導体
63、64 折り返し導体43、44
65 誘電体基板
70 給電部
71 誘電体基板
72a、72b 給電導体
73a、73b インピーダンス整合用結合導体板
80 給電回路用誘電体基板
90 反射板
Claims (7)
- 直交する2つの異なる偏波に適用するアンテナ素子を有した個別のアンテナユニットを複数の周波帯域のそれぞれについて設けた周波数共用偏波共用アンテナ装置であって、
前記各アンテナユニットのアンテナ素子として、直線状の素子導体とこの素子導体の側方に平行に設けられた折り返し導体とを有する折り返しダイポールアンテナ素子を用いたことを特徴とする周波数共用偏波共用アンテナ装置。 - 前記各アンテナユニットは、それぞれ、
前記折り返しダイポールアンテナ素子を金属箔によって形成した第1の誘電体基板と、
前記折り返しダイポールアンテナ素子に給電する給電線路を金属箔によって形成し、かつ、前記第1の誘電体基板の中央部から該第1の誘電体基板の面に対して鉛直な方向に延びるように前記第1の誘電体基板に結合した第2の誘電体基板と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の周波数共用偏波共用アンテナ装置。 - 前記給電線路は、前記折り返しダイポールアンテナ素子と前記給電線路とをインピーダンス整合するためのインピーダンス整合用結合板を備え、このインピーダンス整合用結合板は、前記第2の誘電体基板に金属箔によって形成されていることを特徴とする請求項2に記載の周波数共用偏波共用アンテナ装置。
- 前記各アンテナユニットの背部に配設した第3の誘電体基板を更に備え、該第3の誘電体基板には、前記各アンテナユニットの前記給電線路を接続するための給電回路が金属箔によって形成されていることを特徴とする請求項2に記載の周波数共用偏波共用アンテナ装置。
- 前記各アンテナユニットの背部に配設した反射板を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の周波数共用偏波共用アンテナ装置。
- 前記折り返しダイポールアンテナ素子は、前記折り返し導体の幅が非折り返し部である前記素子導体の幅よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項1に記載の周波数共用偏波共用アンテナ装置。
- 前記折り返しダイポールアンテナ素子が3線式の折り返しダイポールアンテナ素子であることを特徴とする請求項1に記載の周波数共用偏波共用アンテナ装置。
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