JP5513459B2

JP5513459B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP5513459B2
Application number: JP2011207623A
Authority: JP
Inventors: 一之柏原; 敏夫工藤; 雅弘湖東; 亘中岡
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2031-09-22
Also published as: JP2013070257A

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

従来、無指向性のアンテナとして、モノポールアンテナやダイポールアンテナ等が知られている（特許文献１参照）。

特開２００７−２１５１３３号公報

近年、ビルの各室内や地下街でも携帯電話や無線ＬＡＮでの通信が行えるように、屋外の電波を引き込んで、屋内の小出力アンテナで中継するシステムが各所で導入されている。この電波中継システムに於て、室内空間に通信電波の及ばない地域ができるだけ少なくなるように、各アンテナが補う平面視略円形状のサービスエリアを相互に重ね合わせるようにエリア設計を行っていた。
しかし、従来のアンテナは、利得が小さく、夫々が補えるサービスエリアが狭いため、所定面積当りの設置数が多くなるという欠点があった。

そこで、本発明は、効率よく電波を放射・吸収するアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るアンテナ装置は、水平面内で無指向性を示すアンテナ本体を具備し、該アンテナ本体の鉛直方向上下位置に円盤状導体から成る上下一対の無給電素子を水平状に配設し、上記無給電素子は、上記アンテナ本体から上下方向に所定の間隔寸法をもって離間しており、該間隔寸法が、上記アンテナ本体の所定整合周波数に対応する波長の０．５倍〜０．９倍に設定されているものである。

また、水平面内で無指向性を示すアンテナ本体を具備し、該アンテナ本体の鉛直方向上方位置又は下方位置に円盤状導体から成る無給電素子を水平状に配設し、上記無給電素子は、上記アンテナ本体から上下方向に所定の間隔寸法をもって離間しており、該間隔寸法が、上記アンテナ本体の所定整合周波数に対応する波長の０．５倍〜０．９倍に設定されているものである。
また、アンテナ本体は、水平面状に設けたクローバーリーフ型アンテナエレメントから成るものである。
また、上記無給電素子の半径は、上記アンテナ本体の所定整合周波数に対応する波長の０．５倍〜１．１倍に設定されているものである。

本発明のアンテナ装置によれば、アンテナ本体の無指向性を維持しつつ、水平面内の利得を向上でき、効率よく電波を放射・吸収できる。よって、夫々が広い範囲にサービスエリアを形成でき、少ない設置数でも室内空間に通信電波の及ばない地域が少なくなるようにエリア設計できる。

本発明の実施の一形態を示した斜視図である。アンテナ装置の一例を示した断面側面図である。本発明の実施例及び比較例の利得特性を示した図であって、（ａ）は垂直面内での利得特性を示したグラフ図であり、（ｂ）は水平面内での利得特性を示したグラフ図である。本発明の実施例及び比較例のアンテナ装置の垂直面内での利得特性を示したグラフ図である。本発明の実施例のアンテナ装置の垂直面内での利得特性を示したグラフ図である。本発明の実施例及び比較例のアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示したグラフ図である。本発明の実施例のアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示したグラフ図である。

以下、実施の形態を示す図面に基づき本発明を詳説する。
図１と図２に示すように、本発明のアンテナ装置は、水平面内で無指向性を示すアンテナ本体１を具備し、アンテナ本体１の鉛直方向上下位置に円盤状導体から成る上下一対の無給電素子２，２を水平状に配設している。
無給電素子２は、Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｌ等の導体で作製され、円盤板状、又は、円盤網状、又は、円盤状パンチングメタルとして形成されている。なお、無給電素子２は、円盤網状とした場合の網の目、又は、円盤状パンチングメタルの孔の直径が、アンテナ本体１の所定整合周波数Ｆに対応する波長λの１／５０倍（０．０２λ）より小さく形成されているのが好ましい。

アンテナ本体１は、水平面状に設けたクローバーリーフ型アンテナエレメント１０から成る。
クローバーリーフ型アンテナエレメント１０は、全体として略正方形状になるように形成され、望ましくは、一枚の金属薄板をもって構成する。具体的には、クローバーリーフ型アンテナエレメント１０は、略正方形状に成形される４個の薄片面状アンテナ素子１１を一点Ｃ廻りに回転対称として、かつ、微小間隙部１３をもって相互に近接して配設している。薄片面状アンテナ素子１１は、一点Ｃから最も離れた箇所に最外角部１４を備えると共に、一点Ｃから最外角部１４へ向かうラジアルスリット１２を有している。さらに、ラジアルスリット１２の内端は、微小間隙部１３の内端に連続している。図示省略するが、各アンテナ素子１１の外周縁部又は内周端縁に、スリットを切欠形成するも好ましい。
また、アンテナエレメント１０は、一点Ｃを、４個のアンテナ素子１１の共通の第１給電点Ｅ_１とし、ラジアルスリット１２の内端と微小間隙部１３の内端とが連続する内角部１５に第２給電点Ｅ_２を配設している。アンテナ本体１には、アンテナエレメント１０の第１給電点Ｅ_１から第２給電点Ｅ_２に通電するように図示省略の導線が接続されている。

アンテナエレメント１０には、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ等の金属薄板（金属箔）を用いることができ、ガラス、樹脂シート及び樹脂フィルム、電子基板等に貼着して使用できる。また、金属膜、透明導電膜及び導電塗料膜を、直接ガラス及び電子基板等に成膜して使用したり、一旦樹脂シート、樹脂フィルム等に成膜したものを更にガラス及び電子基板に貼設して使用することもできる。この金属膜としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｐｔやこれらを含む合金を使用でき、透明導電膜としては、ＩＴＯ，酸化亜鉛、酸化スズ等の金属酸化物を使用でき、真空蒸着法、スパッタリング法、メッキ、電着等で製造できる。導電塗料膜としては、金属ペーストやカーボンペーストを使用でき、スクリーン印刷、ロールコーティング、転写等で製造することができ、可視光線の透過率を７０％以上にすることが望ましく、このような透明性を求められる用途では金属メッシュ型、極めて薄い（例えば０．０５μｍの）金属箔、あるいは、透明導電膜や金属半透明膜から構成することが好ましい。金属半透明膜としては、Ａｇ−Ｃｕ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｎｉ−Ａｕ等を使用することができる。なお、貼設又は貼着とは、ガラス面の外面に接着剤や粘着剤等で貼ったり、あるいは、焼付けて積層したり、それ以外にもガラス層の間に挟設・挟着させる場合も本発明では包含する。

無給電素子２，２は、アンテナ本体１から上下方向に所定の間隔寸法Ｌをもって離間している。この間隔寸法Ｌが、アンテナ本体１の所定整合周波数Ｆに対応する波長λの０．５倍〜０．９倍に設定されている。
言い換えると、アンテナ本体１と無給電素子２，２との間隔寸法Ｌは、０．５λ≦Ｌ≦０．９λで示す関係式を満たすように設定されている。仮に、間隔寸法Ｌが、０．５λ未満であったり、０．９λを越えた場合には、後述する利得向上の作用効果が薄くなる虞れがある。より好ましくは、間隔寸法Ｌは、０．６３λ≦Ｌ≦０．８３λに設定するのが良い。

また、無給電素子２の半径ｒは、アンテナ本体１の所定整合周波数Ｆに対応する波長λの０．５倍〜１．１倍に設定されている。
言い換えると、無給電素子２の半径ｒは、０．５λ≦ｒ≦１．１λで示す関係式を満たすように設定されている。仮に、無給電素子２の半径ｒが、０．５λ未満であったり、１．１λを越えた場合には、後述する利得向上の作用効果が薄くなる虞れがある。より好ましくは、半径ｒは、０．７５λ≦ｒ≦０．９２λに設定するのが良い。

上述した本発明のアンテナ装置の使用方法（作用）について説明する。
図３は、本発明の実施例及び比較例の利得特性を示した図である。
本発明の実施例として、アンテナ本体１の所定整合周波数Ｆが２０００ＭＨｚ，無給電素子２の半径ｒが０．５８λ，アンテナ本体１と無給電素子２，２との間隔寸法Ｌが０．８３λに設定されたアンテナ装置を用いて得られる利得特性を、図中実線のグラフにて示している。なお、図中２点鎖線にて示されるのは、比較例のアンテナの利得特性であって、前記実施例と同等のアンテナ本体を用い、無給電素子を取り除いた状態で得られるグラフを図示したものである。

図３（ａ）に示すように、本発明のアンテナ装置は、アンテナ本体１の上下に円盤状の無給電素子２，２を配置することで（図２参照）水平方向の利得が向上していることが判る。また、図３（ｂ）に示すように、本発明のアンテナ装置は、水平面内に於て、アンテナ本体１の無指向性を維持したまま、３６０°全方向で利得を向上させ得ることが確認できる。

次に、本発明のアンテナ装置に於て、無給電素子２の半径ｒを０．５８λとし、アンテナ本体１と無給電素子２，２との間隔寸法Ｌを、０．６３λ，０．８３λ，１．００λと変化させた際のＶＳＷＲ特性、及び、利得特性の推移を検証する。間隔寸法Ｌの変化に伴う利得の変化を、表１に示す。

図６に示すように、本発明のアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示すグラフは、アンテナ本体１の上下に円盤状の無給電素子２，２を配置することによって、微動はあるものの、その間隔寸法Ｌとして０．６３λ程度の距離があれば、大きく変化しないことが判る。
図４と表１に示すように、アンテナ本体１と無給電素子２，２との間隔寸法Ｌの変化は、利得に比較的大きな影響を与えており、利得特性を示すグラフは、間隔寸法Ｌの増減に伴って変化する。このことから、アンテナ本体１の上下に、適切な間隔寸法Ｌ（ここでは、０．５λ≦Ｌ≦０．９λ）をもって無給電素子２，２を配置することで、アンテナ本体１の上方向、又は、仰角・俯角（±４０°）方向への放射を抑制し、その分、水平方向への利得が増加していることがわかった。この結果から、無給電素子２，２による利得増加の効果を読み取ると、無給電素子を取り除いた比較例に比べて、間隔寸法Ｌ＝０．８３λで、最大４．０ｄＢの利得向上がみられる。

次に、本発明のアンテナ装置に於て、アンテナ本体１と無給電素子２，２との間隔寸法Ｌを０．８３λとし、無給電素子２の半径ｒを０．５８λ，０．７５λ，０．９２λ，１．３３λと変化させた際のＶＳＷＲ特性、及び、利得特性の推移を検証する。無給電素子２の半径ｒの変化に伴う利得の変化を、表２に示す。

図７に示すように、本発明のアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示すグラフは、アンテナ本体１の上下に無給電素子２，２を適切な間隔寸法Ｌをもって配置しているため、無給電素子２の半径ｒによって大きな影響を受けていないことが判る。
図５と表２に示すように、無給電素子２は、半径ｒの変化によって利得に影響を与えており、無給電素子２の半径ｒが大きくなるにつれて、一旦、仰角・俯角（±４０°）方向への放射の落込みが大きくなり、その後、上下方向に複雑な放射パターンを形成する。このことから、アンテナ本体１の上下に、適切な大きさの半径ｒ（ここでは、０．５λ≦ｒ≦１．１λ）を有する無給電素子２，２を配置することで、放射エネルギーの損失を抑制しつつ水平方向に高い利得を獲得できることがわかった。
つまり、本発明のアンテナ装置に於て、アンテナ本体１と無給電素子２，２との間隔寸法Ｌ、及び、無給電素子２の半径ｒについては、いずれも適切な範囲があり、最適な条件としては、間隔寸法Ｌ＝０．８３λとし、かつ、半径ｒ＝０．７５λとした際に、水平方向の利得が最大限に向上し、その効果は、４．６ｄＢの利得向上が得られることが確認できている。

なお、本発明は、設計変更可能であって、図示省略するが、例えば、アンテナ本体１は、水平面内で無指向性を示すものであれば良く、薄片面状アンテナ素子１１が、３個の略四角形状であって、全体が略正三角形状に成形されるアンテナエレメント１０から成るものであって良い。この場合、最外角部１４は、角度６０°かつ尖鋭状に形成され、第１給電点Ｅ_１（一点Ｃ）を有する中央連結部によって３個の薄片面状アンテナ素子１１を一体に連結している。また、アンテナエレメント１０が、３個の略正六角形状薄片面状アンテナ素子１１を備え、全体が三叉状に形成されているものでも良い。３個の薄片面状アンテナ素子１１は、夫々の最外角部１４を角度１２０°かつ尖鋭状に形成され、第１給電点Ｅ_１（一点Ｃ）を有する中央連結部によって一体状に連結されている。
さらに、アンテナ本体１は、例えばダイポールアンテナのように、一つの平面内で無指向性を示すものであれば良い（図示省略）。
また、無給電素子２，２は、厚み方向に丸みを帯びた半球殻形状、又は、浅皿状に形成された導体をもって構成するも良い。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図示省略するが、本発明に係るアンテナ装置は、水平面内で無指向性を示すアンテナ本体１を具備し、アンテナ本体１の鉛直方向上方位置又は下方位置に円盤状導体から成る無給電素子２を水平状に配設したものであって良い。
つまり、無指向性のアンテナ本体１の上方位置か下方位置の片側だけに（適切な間隔寸法をもって）無給電素子２を設置した場合であっても、アンテナ本体１の放射の一部が局部的に抑制され、その分、水平方向への利得を向上させ得る。
なお、この場合、アンテナ本体１と無給電素子２との間隔寸法Ｌを０．８３λとし、かつ、無給電素子２の半径ｒを０．７５λとした際に、無給電素子を取り除いた比較例に比べて、最大３．５ｄＢの利得向上が得られる。

以上のように、本発明に係るアンテナ装置は、水平面内で無指向性を示すアンテナ本体１を具備し、アンテナ本体１の鉛直方向上下位置に円盤状導体から成る上下一対の無給電素子２，２を水平状に配設したので、アンテナ本体１の水平面内の無指向性を維持しつつ、利得を向上でき、３６０°全方向に効率よく電波を放射・吸収できる。夫々が広い範囲（面積）にサービスエリアを形成でき、少ない設置数でも室内空間等に通信電波の及ばない地域が、少なくなるようにエリア設計できる。

また、水平面内で無指向性を示すアンテナ本体１を具備し、アンテナ本体１の鉛直方向上方位置又は下方位置に円盤状導体から成る無給電素子２を水平状に配設したので、アンテナ本体１の水平面内の無指向性を維持しつつ、利得を向上でき、３６０°全方向に効率よく電波を放射・吸収できる。夫々が広い面積範囲にサービスエリアを形成でき、少ない設置数でも室内空間等に通信電波の及ばない地域が、少なくなるようにエリア設計できる。

また、アンテナ本体１は、水平面状に設けたクローバーリーフ型アンテナエレメント１０から成るので、無指向性の特性を有しつつ、周波数域の異なる複数の電波に対応可能（広帯域化）となり、例えば、携帯電話や無線ＬＡＮ等の双方向無線通信等に於て、周波数分割複信（ＦＤＤ）における複数の周波数全体を、ひとつのアンテナでカバーすることができる。

また、無給電素子２は、アンテナ本体１から上下方向に所定の間隔寸法Ｌをもって離間しており、間隔寸法Ｌが、アンテナ本体１の所定整合周波数Ｆに対応する波長λの０．５倍〜０．９倍に設定されているので、水平方向への利得向上が確実に得られる。

また、無給電素子２の半径ｒは、アンテナ本体１の所定整合周波数Ｆに対応する波長λの０．５倍〜１．１倍に設定されているので、水平方向への利得向上が確実に得られる。

１アンテナ本体
２無給電素子
１０クローバーリーフ型アンテナエレメント
Ｌ間隔寸法
Ｆ整合周波数
λ 波長
ｒ半径

Claims

水平面内で無指向性を示すアンテナ本体（１）を具備し、該アンテナ本体（１）の鉛直方向上下位置に円盤状導体から成る上下一対の無給電素子（２）（２）を水平状に配設し、
上記無給電素子（２）は、上記アンテナ本体（１）から上下方向に所定の間隔寸法（Ｌ）をもって離間しており、該間隔寸法（Ｌ）が、上記アンテナ本体（１）の所定整合周波数（Ｆ）に対応する波長（λ）の０．５倍〜０．９倍に設定されていることを特徴とするアンテナ装置。
水平面内で無指向性を示すアンテナ本体（１）を具備し、該アンテナ本体（１）の鉛直方向上方位置又は下方位置に円盤状導体から成る無給電素子（２）を水平状に配設し、
上記無給電素子（２）は、上記アンテナ本体（１）から上下方向に所定の間隔寸法（Ｌ）をもって離間しており、該間隔寸法（Ｌ）が、上記アンテナ本体（１）の所定整合周波数（Ｆ）に対応する波長（λ）の０．５倍〜０．９倍に設定されていることを特徴とするアンテナ装置。
上記アンテナ本体（１）は、水平面状に設けたクローバーリーフ型アンテナエレメント（１０）から成る請求項１又は２記載のアンテナ装置。
上記無給電素子（２）の半径（ｒ）は、上記アンテナ本体（１）の所定整合周波数（Ｆ）に対応する波長（λ）の０．５倍〜１．１倍に設定されている請求項１，２又は３記載のアンテナ装置。