JP5559259B2 - 無指向性アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、特に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水平面内無指向性のアンテナに関するものである。

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、高利得で水平面内無指向性を有するアンテナが使用される。
近年、基地局設置コストの低減や、受風加重軽減のため、水平面内無指向性アンテナを可能な限り細径化することが望まれている。また、この種のアンテナは、偏波ダイバーシチもしくは偏波間ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）通信を行うために、垂直偏波と水平偏波を共用する偏波共用機能を有したものが主流となっている。

水平偏波アンテナの外径は、一般的に垂直偏波アンテナの径よりも太くなるため、細径な偏波共用アンテナを設計するには、特に水平偏波素子を細径化することが必要になる。
細径の偏波共用無指向性アンテナは、例えば、特許文献１によって提案されている。このアンテナは、矩形状の誘電体基板にプリント形成した水平偏波アンテナ素子および垂直偏波アンテナ素子と、広帯域化のために該各偏波アンテナ素子に併設した無給電素子とを備え、カバー込みのアンテナ径が０．２５波長程度となるように形成することができる。

特許文献２にも、細径化を目的とした水平偏波無指向性アンテナの例が記載されている。このアンテナは、フォールデッドダイポールアンテナを円筒状に折り曲げた構造のアンテナ素子を用いて、アンテナ径が０．１６波長となるように形成されている。

特開２０１０−６２９７９号公報 特開２００８−６０７６４号公報

特許文献１には、上記したアンテナを多段配列したアレー構成のアンテナも示されている。しかし、このアレー構成のアンテナは、各段の水平偏波アンテナ素子と垂直偏波アンテナ素子（いずれもパッチ素子）が誘電体基板上にプリント形成されているため、給電用のマイクロストリップ線路を形成するための十分なスペースが得られない。
そこで、各アンテナ素子へ同軸ケーブルを用いて給電することが考えられるが、その場合、スペースの関係で狭い矩形状誘電体基板内部にケーブルを通すことになるので、アンテナの配列段数が多くなると、必要本数の同軸ケーブルを矩形状誘電体基板内部に通すことができなくなる。

一方、上記特許文献２には、アンテナ素子を多段配列し、それらのアンテナ素子を対応する同軸ケーブルを介して直列給電する構成が記載されている。しかし、この構成のアンテナは、ビームのチルト方向が周波数によって変化することになるので、ＰＨＳ（Personal HandyphoneSystem）で使用する帯域幅の狭いアンテナとしては有用であるものの、携帯電話の基地局などで使用する帯城幅の広いアンテナとしては適さない。

本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、多数のアンテナ素子を垂直面に装荷して並列給電することができる細径な無指向性アンテナを提供することを目的とする。

本発明は、給電点位置が同一の方向に向く形態で鉛直方向に配列した複数のヘイローアンテナ素子と、一方の面が前記各ヘイローアンテナ素子の給電点の側に向く形態で該各ヘイローアンテナ素子を貫通するように配設され、前記各ヘイローアンテナ素子に給電するためのトーナメント式の分配給電回路を前記一方の面にプリント形成するとともに、接地導体面を他方の面に形成した誘電体基板と、前記各ヘイローアンテナ素子の中央部を貫通するよう配設され、前記誘電体基板の他方の面を支持するための支持面を有した支持導体と、を備える。
前記支持導体は、前記誘電体基板の他方の面側にケーブル収容空間が形成され、かつ、前記ヘイローアンテナ素子の給電点とギャップとを結ぶ直線に対して対称となるようにその形状が設定され、前記分配給電回路への給電を行なう給電ケーブルが前記ケーブル収容空間に配置される。前記誘電体基板に形成された前記分配給電回路と前記接地導体面とによって給電用のマイクロストリップ線路が構成される。

この無指向性アンテナにおいては、前記支持導体及び前記誘電体基板の接地導体面による占有面積を０．０２λ^２（λ：自由空間中における共振周波数の波長）以下に設定することが望ましい。
前記支持導体は、例えば四角状の断面を有するように形成される。

また、本発明は、給電点位置が同一の方向に向く形態で鉛直方向に配列した複数のヘイローアンテナ素子と、一方の面が前記各ヘイローアンテナ素子の給電点の側に向く形態で該各ヘイローアンテナ素子を貫通するように配設され、前記各ヘイローアンテナ素子に給電するためトーナメント式の分配給電回路を前記一方の面にプリント形成した誘電体基板と、前記各ヘイローアンテナ素子の中央部を貫通するよう配設され、前記誘電体基板の他方の面全域を支持するための支持面を有した支持導体と、を備える。
前記支持導体は、前記誘電体基板の他方の面側にケーブル収容空間が形成され、かつ、前記ヘイローアンテナ素子の給電点とギャップとを結ぶ直線に対して対称となるようにその形状が設定され、前記分配給電回路への給電を行なう給電ケーブルが前記ケーブル収容空間に配置される。前記分配給電回路と前記支持導体の支持面とによって給電用のマイクロストリップ線路が構成される。

この無指向性アンテナにおいては、前記支持導体の占有面積を０．０２λ^２（λ：自由空間中における共振周波数の波長）以下に設定することが望ましい。
前記支持導体は、例えばＴ型の断面を有するように形成される。

実施の形態として、垂直偏波アンテナ素子を付加することができる。垂直偏波アンテナ素子としては、例えば、筒状のパッチアンテナ素子が適用される。

上記した無指向性アンテナの構造をブロックとして、そのブロックを多段配置することにより、アンテナ素子数を更に増加することができる。また、無給電素子を付加して広帯域化を図ることができる。

本発明によれば、多数のアンテナ素子を垂直面に装荷してそれらを並列給電することができるので、より広帯域・高利得かつ細径なアンテナを設計することが可能になる。また、多数のアンテナに電力の分配が可能であるため、任意の垂直面内ビームパターンを得ることができ、ケーブルの配置も容易である。本発明に係る構造によれば、アンテナの径を０．１５λ（λ：自由空間中における共振周波数の波長）程度にすることが可能であり、この場合、レドームを含めてもアンテナの径が０．１８λ程度となる。

本発明に係る無指向性アンテナの実施形態を示す模式図である。 図1のＡ部分を拡大して示した斜視図である。 支持導体の形状と給電ケーブルの配置形態を示す平面図である。 支持導体の他の形状を示す平面図である。 本発明に係る無指向性アンテナの他の実施形態を示す斜視図である。 図５のアンテナにおける支持導体の形状と給電ケーブルの配置形態を示す平面図である。 図５のアンテナの垂直偏波の水平面内指向性を示すグラフである。 図５のアンテナの水平偏波の水平面内指向性を示すグラフである。 図５のアンテナの垂直偏波の垂直面内指向性を示すグラフである。 図５のアンテナの水平偏波の垂直面内指向性を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１に、本発明に係る無指向性アンテナの実施形態を模式的に示す。このアンテナは、多段配置した上段アンテナブロック１、中段アンテナブロック２及び下段アンテナブロック３を備えている。
上段アンテナブロック１は、所定の間隔をおいて上下に配列する４つのヘイロー（ｈａｌｏ）アンテナ素子４と、これらのヘイローアンテナ素子４を貫通する長方形状の誘電体基板５とを有する。ヘイローアンテナ素子４は、フォールデッドダイポールアンテナ素子を筒状に曲げて形成した周知の構造を有しているので、詳細な説明を省略する。

誘電体基板５の一方の面には、トーナメント式の分配給電回路６が形成されている。分配給電回路６は、誘電体基板５の他方の面に形成された接地導体面と共にマイクロストリップ線路を構成している。
分配給電回路６及び接地導体面は金属箔（例えば銅箔）からなり、プリント配線パターンの形成手法を適用してプリント形成されている。４つのヘイローアンテナ素子４は、上記マイクロストリップ線路によって同時に給電される。

中段アンテナブロック２及び下段アンテナブロック３も上段アンテナブロック１と同様の構成を有する。従って、本実施形態に係る無指向性アンテナは、１２個のヘイローアンテナ素子４が配列するアレーアンテナとして構成されている。
給電ケーブル７−１，７−２及び７−３は、３分配回路８によって分配された電力をそれぞれ上段アンテナブロック１、中段アンテナブロック２及び下段アンテナブロック３の給電用マイクロストリップ線路に伝送するために設けられている。

図２は、図1のブロック３のＡ部分を拡大して示したものである。この図２に示すように、誘電体基板５は、ヘイローアンテナ素子４を貫通する断面四角状の支持導体１１によってその背面中央部が支持されている。本実施形態における支持導体１１は、金属等の導電材料で形成され、図３に平面図を示すように、その長手軸線がヘイローアンテナ素子４の中心軸線上に位置する形態で設けられている。

図示のように、ヘイローアンテナ素子４の一方の給電点は、給電導体９を介して分配給電回路６に接続され、また、他方の給電点は、上記給電導体９に平行する他方の給電導体９を介して誘電体基板５の背面側に形成された上記接地導体面に接続されている。
給電ケーブル７−３は、内部導体が誘電体基板５を貫通して給電回路６に接続されるとともに、外部導体が上記接地導体面に接続されている。給電ケーブル７−１，７−２はそれぞれ上段アンテナブロック１，中段アンテナブロック２まで延びて、同様に接続される。

上記のように構成された本実施形態に係る無指向性アンテナは、各アンテナブロック１〜３のヘイローアンテナ素子４が３分配回路８によって分配された電力によって並列給電される。
本実施形態に係る無指向性アンテナの構成によれば、並列給電が可能であるにもかかわらず、多くのヘイローアンテナ素子４を垂直面に装荷することができる。そのため、より広帯域・高利得でかつ細径なアンテナを設計することが可能になる。

また、同軸ケーブル７−１〜７−３と各アンテナブロック１〜３の分配給電回路により、多数のヘイローアンテナ素子４に対する電力の分配が可能なため、任意の垂直面内ビームパターンを得ることができる。
さらに、支持導体１１の側面と誘電体基板５の背面とで構成される空間を利用して、給電ケーブルを容易に配置することができるので、組み立て性も向上する。
しかも、アンテナの径が０．１５λ（λ：自由空間中における共振周波数の波長）程度となるので、レドームを含めても０．１８λ程度のアンテナ径にすることができる。

上記支持導体１１に代えて、図４に示す支持導体１２を用いることも可能である。この支持導体１２は、Ｔ形の断面を有し、薄肉の頂部の面幅が誘電体基板５の幅と一致している。誘電体基板５は、その背面が支持導体１２の頂部面に接する形態で配置されているので、その背面に上記接地導体面を形成しなくても良い。なぜなら、誘電体基板５に形成された分配給電回路６（図２参照）と支持導体１２の頂部面とによってマイクロストリップ線路を構成することができるからである。そこで、図４に示す誘電体基板５では、上記接地導体面を省略している。

図５に他の実施形態を示す。この実施形態に係る無指向性アンテナは、垂直偏波素子としての円筒パッチアンテナ素子１３が付加されている。この円筒パッチアンテナ素子１３は、ヘイローアンテナ素子４に挟まれる形態で、かつ、その中心軸線がヘイローアンテナ素子４の中心軸線上に位置される形態で配置されている。このアンテナは偏波共用アンテナとしての機能を有する。

支持導体１１には、円筒パッチアンテナ素子１３に接続される給電回路がプリント形成された誘電体基板１４が取付けられている。図６に示すように、この誘電体基板１４は支持導体１１を介して誘電体基板５に対向している。誘電体基板５，１４の背面と支持導体１１の一方の側面によって囲まれた空間には、ヘイローアンテナ素子４の給電に使用される給電ケーブル７が収容され、また、誘電体基板５，１４の背面と支持導体１１の他方の側面によって囲まれた空間には、パッチアンテナ素子１３の給電に使用される給電ケーブル１５が収容されている。

上記支持導体１１に代えて、図示していない断面Ｈ形の支持導体を用いることも可能である。この場合、誘電体基板５，１４は、支持導体の平行する２つ平板部の外面にその背面全域が接する形態で設けられるので、図４の断面Ｔ形の支持導体１２を使用する場合と同様に、誘電体基板５，１４の背面に接地導体面を形成しなくて良いことになる。

図７及び図８は、図５に示すパッチアンテナ素子１３を備える偏波共用１２素子アレーアンテナの垂直偏波及び水平偏波の水平面内指向性をそれぞれ示す。このアンテナによれば、良好な無指向性が得られ、また、アンテナ中心部に挿入された支持導体１１の影響も見られない。
図９及び図１０は、上記偏波共用１２素子アレーアンテナの垂直偏波および水平偏波の垂直面内指向性である。このアンテナによれば、ビームが尖鋭化されて、高利得が得られる。

本発明は、上記実施形態に限定されず、例えば、以下のような変形態様も含み得るものである。
（ａ）図２に示すヘイローアンテナ素子４は金属板によって形成されているが、金属棒によって形成しても良い。また、誘電体基板上にこのヘイローアンテナ素子４をプリント形成することも可能である。この場合、給電導体９に代わるマイクロストリップ線路を上記誘電体基板上に形成することができる。さらに、上記ヘイローアンテナ素子４は、円環状に形成されているが、楕円環状、多角環状等に形成しても同等の特性を得ることができる。なお、給電導体９に代えて同軸ケーブルを用いることも可能である。
（ｂ）広帯域化を図るため、上記ヘイローアンテナ素子４に無給電素子を併設することができる。この無給電素子は、ヘイローアンテナ素子４の上部または下部、あるいはその双方に適当な間隔をおいて適数個配設される。この無給電素子には、給電点の無い構造のヘイローアンテナ素子を適用することができる。
（ｃ）図５に示す実施形態では、垂直偏波素子として円筒パッチアンテナ素子１３を使用しているが、他のアンテナ素子、例えばダイポールアンテナ素子を垂直偏波素子として適用することも可能である。この場合、複数のダイポールアンテナ素子が支持導体１１を中心とする円周上に所定の間隔を置いて配列設置される。

１ 上段アンテナブロック
２ 中段アンテナブロック
３ 下段アンテナブロック
４ ヘイローアンテナ素子
５ 誘電体基板
６ 分配給電回路
７ 給電ケーブル
８ ３分配回路
９ 給電導体
１１，１２ 支持導体
１３ 円筒パッチアンテナ素子
１４ 誘電体基板
１５ 給電ケーブル

Claims (10)

1. 給電点位置が同一の方向に向く形態で鉛直方向に配列した複数のヘイローアンテナ素子と、
   一方の面が前記各ヘイローアンテナ素子の給電点の側に向く形態で該各ヘイローアンテナ素子を貫通するように配設され、前記各ヘイローアンテナ素子に給電するためのトーナメント式の分配給電回路を前記一方の面にプリント形成するとともに、接地導体面を他方の面に形成した誘電体基板と、
   前記各ヘイローアンテナ素子の中央部を貫通するよう配設され、前記誘電体基板の他方の面を支持するための支持面を有した支持導体と、を備え、
   前記支持導体は、前記誘電体基板の他方の面側にケーブル収容空間が形成され、かつ、前記ヘイローアンテナ素子の給電点とギャップとを結ぶ直線に対して対称となるようにその形状が設定され、
   前記分配給電回路への給電を行なう給電ケーブルが前記ケーブル収容空間に配置され、
   前記誘電体基板に形成された前記分配給電回路と前記接地導体面とによって給電用のマイクロストリップ線路を構成したことを特徴とする無指向性アンテナ。
2. 前記支持導体及び前記誘電体基板の接地導体面による占有面積を０．０２λ^２（λ：自由空間中における共振周波数の波長）以下に設定したことを特徴する請求項１に記載の無指向性アンテナ。
3. 前記支持導体は、四角状の断面を有するように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の無指向性アンテナ。
4. 給電点位置が同一の方向に向く形態で鉛直方向に配列した複数のヘイローアンテナ素子と、
   一方の面が前記各ヘイローアンテナ素子の給電点の側に向く形態で該各ヘイローアンテナ素子を貫通するように配設され、前記各ヘイローアンテナ素子に給電するためトーナメント式の分配給電回路を前記一方の面にプリント形成した誘電体基板と、
   前記各ヘイローアンテナ素子の中央部を貫通するよう配設され、前記誘電体基板の他方の面全域を支持するための支持面を有した支持導体と、を備え、
   前記支持導体は、前記誘電体基板の他方の面側にケーブル収容空間が形成され、かつ、前記ヘイローアンテナ素子の給電点とギャップとを結ぶ直線に対して対称となるようにその形状が設定され、
   前記分配給電回路への給電を行なう給電ケーブルが前記ケーブル収容空間に配置され、
   前記分配給電回路と前記支持導体の支持面とによって給電用のマイクロストリップ線路を構成したことを特徴とする無指向性アンテナ。
5. 前記支持導体の占有面積を０．０２λ^２（λ：自由空間中における共振周波数の波長）以下に設定したことを特徴とする請求項４に記載の無指向性アンテナ。
6. 前記支持導体は、Ｔ型の断面を有するように形成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の無指向性アンテナ。
7. 垂直偏波アンテナ素子を付加したことを特徴する請求項１〜６のいずれかに記載の無指向性アンテナ。
8. 前記垂直偏波アンテナ素子が、筒状のパッチアンテナ素子である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に記載の無指向性アンテナの構造をブロックとして、そのブロックを多段配置したことを特徴とする無指向性アンテナ。
10. 無給電素子を付加したことを特徴する請求項１〜９のいずれかに記載の無指向性アンテナ。
    

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