JP5568368B2

JP5568368B2 - 広帯域アンテナ装置

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Publication number: JP5568368B2
Application number: JP2010107581A
Authority: JP
Inventors: 健田中; 久松中野
Original assignee: Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: JP2011239094A

Description

本発明は、例えば広帯域特性を要するＵＷＢ（Ultra Wide Band）等の無線通信や１つのアンテナで多数の無線領域をカバーすることが可能な地上デジタル放送（携帯機器を受信対象とする地上デジタル放送：One Segment broadcasting）、携帯電話、無線ＬＡＮ、Ｗｉｍａｘ等において使用される低姿勢の広帯域アンテナ装置に関する。

近年、地下街やビル等で、携帯機器を受信対象とする地上デジタル放送（One Segment broadcasting）、携帯電話、無線ＬＡＮ、Ｗｉｍａｘなどの無線通信において生じる不感地帯が問題となっている。この不感地帯の対策として中継用アンテナによる再放射方式が使用されているが、この方式では屋内の天井にアンテナを設置するため、低姿勢で且つ広帯域のアンテナが必要とされる。また、中継用アンテナとしては、垂直偏波水平面無指向性のものが使用される場合が多い。

従来、垂直偏波水平面無指向性の小型軽量アンテナとしては、一般にモノポールアンテナが使用されている。このモノポールアンテナは、導体板の一方の面に同軸接栓を取付け、その中心導体を導体板と絶縁して反対側の面に約１／４波長延長した構成となっている。

しかし、上記従来のモノポールアンテナは、高さが約１／４波長以上必要であり、それ以上の低姿勢化が困難であるので、地下街等に設ける中継用アンテナとしては好ましくない。また、モノポールアンテナは、単一周波数帯においては良好な特性を得ることが可能であるが、基本的に狭帯域であり、電圧定在波比「ＶＳＷＲ≦２」以下における比帯域は一般に十数％程度であって、広帯域通信により大容量伝送を行うものには適用が困難である。

このため最近では、導体板上に所定の高さで十字形状の放射素子を配置すると共に、この放射素子の下側に給電路を設け、上記放射素子の中心部に上記給電路を介して給電することにより、低姿勢で且つ広帯域特性が得られるようにしたアンテナが考えられている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−２１９８５３号公報

上記導体板上に所定の高さで十字形状の放射素子を配置してなるアンテナは、低姿勢で且つ使用周波数帯域を４７０〜２１７０ＭＨｚ（比帯域は１２８％）の広帯域とすることができる。従って、１つのアンテナで、
（１）携帯機器を受信対象とする地上デジタル放送（One Segment broadcasting）（４７０〜７７０ＭＨｚ）
（２）８００ＭＨｚ帯の携帯電話（８１０〜９５８ＭＨｚ）
（３）１５００ＭＨｚ帯の携帯電話（１４２９〜１５０１ＭＨｚ）
（４）１８００ＭＨｚ帯の携帯電話（１７１０〜１８８０ＭＨｚ）
（５）ＩＭＴ２０００（International Mobile Telecommunications 2000）（１９２０〜２１７０ＭＨｚ）
の帯域をカバーすることができる。

しかし、上記十字形状の放射素子を使用したアンテナでは、２１７０ＭＨｚより高い周波数帯域までカバーすることができず、２４００〜２５００ＭＨｚ帯のワイヤレスＬＡＮや２５４５〜２６２５ＭＨｚ帯のＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）には対応することができなかった。このため２４００〜２５００ＭＨｚ帯のワイヤレスＬＡＮや２５４５〜２６２５ＭＨｚ帯のＷｉＭＡＸに対しては、別個にアンテナを設置する必要があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、地下街など設置スペースが狭い場所に設置される中継装置や広帯域通信などに適し、携帯機器を受信対象とする地上デジタル放送（One Segment broadcasting）からＷｉＭＡＸを含む広い周波数帯域をカバーすることができる低姿勢の広帯域アンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る広帯域アンテナ装置は、導体板と、前記導体板上の中央部に所定の高さで設けられる板状の第１の放射素子と、前記第１の放射素子を中心とし、その外側に所定の間隔を保って放射状に設けられる板状の第２の放射素子と、前記第２の放射素子の外側端と前記導体板の間を短絡接続する短絡素子と、前記導体板の中央部に設けられる給電端子と、前記第１の放射素子の下側に設けられ、上端が該第１の放射素子に接続され、下端が前記給電端子に接続される導体素子とを具備し、前記導体素子は下端よりも上端を拡幅して形成し、かつ当該上端の直径が前記第１の放射素子の外径より小さい値に設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、低姿勢でありながら地上デジタル放送からＷｉＭＡＸを含む非常に広い周波数帯域を確実にカバーでき、地下街など設置スペースが狭い場所に設置される中継装置や広帯域通信に適した低姿勢の広帯域アンテナ装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る広帯域アンテナ装置の構成を示す斜視図である。同実施例１に係る広帯域アンテナ装置のアンテナ素子部分を示す平面図である。図１に示す広帯域アンテナ装置のＡ−Ａ線矢視断面図である。同実施例１に係る広帯域アンテナ装置のＶＳＷＲ特性図である。同実施例１に係る広帯域アンテナ装置において、円形素子及び十字形素子を省略した場合のＶＳＷＲ特性図である。同実施例１に係る広帯域アンテナ装置において、リング状の溝を設けずに円形素子と十字形素子とを一体に構成した場合のＶＳＷＲ特性図である。同実施例１に係る広帯域アンテナ装置のθ＝６０°方向の利得特性図である。同実施例１に係る広帯域アンテナ装置の４７０ＭＨｚにおける垂直偏波垂直面指向性（Ｚ−Ｘ面）を示す特性図である。同実施例１に係る広帯域アンテナ装置の４７０ＭＨｚにおける垂直偏波水平面指向性（θ＝６０°、Ｘ−Ｙ面）を示す特性図である同実施例１における導体素子の他の構成例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る広帯域アンテナ装置の構成を示す斜視図、図２は同広帯域アンテナ装置のアンテナ素子部分を示す上面図、図３は図１に示す広帯域アンテナ装置のＡ−Ａ線矢視断面図である。

図１〜図３において、１１は例えば正方形状に形成された導体板（接地板）で、その一辺の長さＷ１は約０．９６λ_Ｌ以上（λ_Ｌは使用周波数帯における最低周波数の波長）に設定される。

上記導体板１１の下面中央部には、給電端子として例えばＮＪ型の同軸コネクタ１２が装着される。この同軸コネクタ１２には、図示しないが無線装置のアンテナ入力回路からの給電用同軸ケーブルが接続される。上記同軸コネクタ１２は、外導体１３及び中心導体１４を備え、外導体１３が導体板１１に電気的に接続される。また、中心導体１４は、導体板１１の中央部に設けられた透孔１５内を通り、導体板１１と絶縁した状態で上方に所定長さ（０〜数ｍｍ）突出して設けられる。

上記導体板１１の上側には、厚さが約１〜２ｍｍの金属板（導体板）により十字状に形成されたアンテナ素子２１が所定の高さＨに設けられる。上記アンテナ素子２１の高さＨは、約０．０５５λ_Ｌに設定される。この場合、アンテナ素子２１は、例えば十字状に突出して形成された部分が導体板１１の各角部（四隅）の方向に一致するように設けられる。上記アンテナ素子２１は、中央に位置して第１の放射素子を構成する円形素子２２と、該円形素子２２を中心とし、その外側に位置して第２の放射素子を構成する十字形素子２３からなり、円形素子２２と十字形素子２３との間にリング状の溝（間隙）２４を設けて円形素子２２と十字形素子２３とを分離している。上記リング状の溝２４を設けることにより、円形素子２２と十字形素子２３とは容量結合により結合される。上記リング状の溝２４の外径Ｄoutは約０．０９λ_Ｌ、内径Ｄinすなわち円形素子２２の外径は約０．０８λ_Ｌに設定される。

上記十字形素子２３は、幅Ｗ２が約０．１８λ_Ｌ、全長Ｌが約０．２９λ_Ｌに設定される。また、十字形素子２３の各外側端の中央部と導体板１１との間に高さＨの短絡素子２５ａ〜２５ｄが設けられる。この短絡素子２５ａ〜２５ｄは、十字形素子２３の各外側端と導体板１１との間を電気的に短絡接続するもので、例えば各外側端の中央部を幅Ｗｓで下方に折り曲げる等の手段により形成される。上記短絡素子２５ａ〜２５ｄの幅Ｗｓは、約６ｍｍ程度に設定される。

一方、上記円形素子２２の下側には、導体素子２６が設けられる。この導体素子２６は、半球状の外周面を指数関数の曲線をなすように形成したもので、下端よりも上端が拡幅して形成される。上記導体素子２６は、上側円形部分が円形素子２２の下側面に接続され、下側に位置する指数関数曲線の頂部が導体板１１の上部に導出した同軸コネクタ１２の中心導体１４に半田付け等により接続される。上記円形素子２２と導体素子２６との間は、数個所でネジ止め等により固定されて電気的に接続される。上記導体素子２６は、円形素子２２を十字形素子２３と同じ高さＨに保持する。また、導体素子２６の上側円形部分の直径Ｄ１は、円形素子２２の外径Ｄｉｎ（約０．０８λ_Ｌ）より小さい値、例えば約０．０５λ_Ｌに設定される。

上記のように構成された広帯域アンテナ装置は、例えば地下街の天井に設置する場合には、アンテナ素子２１を下側、同軸コネクタ１２を上側にして所定の間隔で複数設置される。なお、上記広帯域アンテナ装置には、アンテナ素子２１を保護する保護カバー（レドーム）が必要に応じて設けられる。

そして、地上に例えば地上波（テレビ、携帯電話）受信用の屋外アンテナを設置し、この屋外アンテナで受信した地上波を中継用受信装置で受信・増幅し、同軸ケーブルにより上記アンテナの同軸コネクタ１２に給電する。広帯域アンテナ装置は、同軸コネクタ１２に給電されると、導体素子２６から円形素子２２及び十字形素子２３を介して短絡素子２５ａ〜２５ｄの方向に給電電流が流れ、円形素子２２及び十字形素子２３から下方に向けて垂直偏波の電波が放射される。

従って、地上波が直接届かない地下街等においても、上記地下街に設置されたアンテナ装置から再送信される電波を、携帯電話、テレビ受信機、あるいはテレビ受信機能を備えたモバイル機器により受信することが可能となる。

図４は上記のように構成された広帯域アンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示したもので、横軸に周波数［ＧＨｚ］をとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。なお、上記図４は、導体板１１の一辺の長さＷ１、円形素子２２十字形素子２３との間に設けたリング状の溝２４の外径Ｄout及び内径Ｄin、十字形素子２３の全長Ｌ及び幅Ｗ２、十字形素子２３の高さＨ、短絡素子２５ａ〜２５ｄの幅Ｗｓ、導体素子２６の上側円形部分の直径Ｄ１を下記のように設定した場合のＶＳＷＲ特性を示している。

Ｗ１：０．９６λ_Ｌ
Ｄout：０．０９λ_Ｌ
Ｄin：０．０８λ_Ｌ
Ｌ：０．２９λ_Ｌ
Ｗ２：０．１８λ_Ｌ
Ｈ：０．０５５λ_Ｌ
Ｗｓ：６ｍｍλ_Ｌ
Ｄ１：０．０５λ_Ｌ
上記実施例１に示した広帯域アンテナ装置によれば、図４から明らかなようにＶＳＷＲ２以下において４７０〜３１５０ＭＨｚの広い周波数帯域をカバーでき、約１４８％の比帯域が得られている。また、アンテナ素子２１の高さＨは約０．０５５λ_Ｌ（約３５ｍｍ）であり、低姿勢とすることができる。

図５は、上記実施例１において、円形素子２２及び十字形素子２３を省略し、導体板１１上に設けた導体素子２６から電波を放射させた場合のＶＳＷＲ特性を比較参考のために示したものである。導体素子２６から電波を放射させた場合、約１．６ＧＨｚ以上の高い周波数帯域においてＶＳＷＲが２以下となっているが、約１．６ＧＨｚより低い周波数帯域においてはＶＳＷＲが急激に悪化している。従って、導体素子２６は、高い周波数帯域部分においてＶＳＷＲ特性を改善する作用があることが分かる。

また、図６は、上記実施例１において、リング状の溝２４を設けずに、円形素子２２と十字形素子２３とを一体に構成した場合のＶＳＷＲ特性を比較参考のために示したものである。円形素子２２と十字形素子２３とを一体に構成した場合、約２．３ＧＨｚ以上の高い周波数帯域ではＶＳＷＲが２以上となるが、約０．４〜０．７ＧＨｚの低い周波数帯域においてＶＳＷＲが２以下となる。従って、十字形素子２３は、低い周波数帯域においてＶＳＷＲ特性を改善する作用があることが分かる。

本発明は、実施例１に示したように円形素子２２と十字形素子２３との間にリング状の溝２４を設け、円形素子２２と十字形素子２３とを容量結合し、円形素子２２、十字形素子２３及び導体素子２６の良好な作用を組み合わせることにより、アンテナの低姿勢化を図ると共に、ＶＳＷＲ２以下において４７０〜３１５０ＭＨｚの広い周波数帯域をカバーすることができる。すなわち、導体板１１と円形素子２２との間に導体素子２６を設け、同軸コネクタ１２の外導体１３を導体板１１に接続し、同軸コネクタ１２の中心導体１４を導体素子２６に接続することにより、高い周波数帯域の特性を改善し、また、導体素子２６に接続した円形素子２２を容量結合により十字形素子２３に接続し、更にこの十字形素子２３から短絡素子２５ａ〜２５ｄを介して導体板１１に接続することにより、低い周波数帯域の特性を改善している。

上記実施例１に係るアンテナ装置は、４７０〜３１５０ＭＨｚの広帯域特性を備えており、１つのアンテナで、
（１）携帯機器を受信対象とする地上デジタル放送（One Segment broadcasting）（４７０〜７７０ＭＨｚ）
（２）８００ＭＨｚ帯の携帯電話（８１０〜９５８ＭＨｚ）
（３）１５００ＭＨｚ帯の携帯電話（１４２９〜１５０１ＭＨｚ）
（４）１８００ＭＨｚ帯の携帯電話（１７１０〜１８８０ＭＨｚ）
（５）ＩＭＴ２０００（International Mobile Telecommunications 2000）（１９２０〜２１７０ＭＨｚ）
（６）２４００〜２５００ＭＨｚ帯のワイヤレスＬＡＮ
（７）２５４５〜２６２５ＭＨｚ帯のＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）
の全ての帯域をカバーすることができる。

図７は上記実施例１に係る広帯域アンテナ装置のθ＝６０°方向の利得特性を示したもので、地上デジタル放送（４７０〜７７０ＭＨｚ）からＷｉＭＡＸ（２５４５〜２６２５ＭＨｚ）を含む広い帯域に亘って約４［ｄＢｉ］前後の高い利得となっている。

図８は上記実施例１に係る広帯域アンテナ装置の４７０ＭＨｚにおける垂直偏波垂直面指向性（Ｚ−Ｘ面）であり、良好な指向性特性を示している。

図９は上記実施例１に係るアンテナ装置の４７０ＭＨｚにおける垂直偏波水平面指向性（θ＝６０°、Ｘ−Ｙ面）を示す図である。この実施例１に係るアンテナ装置の水平面指向性は、２ｄＢ以下の偏差に抑えられた無指向性となっている。

なお、上記実施例１では、導体素子２６は半球状の外周面を指数関数の曲線をなすように形成した場合について示したが、半球状の外周面を略半楕円形状に形成しても良い。

また、上記導体素子２６は、その他、例えば図１０に示すように直径の異なる円形の金属板３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、…を複数枚重ねて外周面が指数関数曲線または半楕円形状に近似した形状、すなわち下端よりも上端を拡幅させた形状に形成しても良い。

更に、上記導体素子２６は、下端よりも上端を拡幅した形状であれば、その他、例えば円錐形状、三角錐形状、四角錐形状、半球状、台形状等任意の形状に形成し得るものである。

また、上記実施例１では、アンテナ素子２１の中央部に円形素子２２を用いた場合について示したが、円形に限らず、その他、例えば四角形等の多角形に形成しても良い。

また、上記実施例１では、アンテナ素子２１として円形素子２２の外側に十字形素子２３を設けた場合について示したが、この十字形素子２３は十字形以外に例えば複数本の素子を放射状に設けても良い。

また、上記実施例１では、十字形素子２３の外側端部を折り曲げて短絡素子２５ａ〜２５ｄを設けた場合について示したが、十字形素子２３とは別体に短絡素子２５ａ〜２５ｄを設け、この短絡素子２５ａ〜２５ｄを十字形素子２３の外側先端部にネジ止め等により取付けるようにしても良い。

また、上記実施例１では、十字形素子２３を導体板１１の対角線上に配置した場合について示したが、その他の位置、例えば導体板１１の各辺部に対応させて十字形素子２３を設けても良い。

更に本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

１１…導体板、１２…同軸コネクタ、１３…外導体、１４…中心導体、１５…透孔、２１…アンテナ素子、２２…円形素子、２３…十字形素子、２４…リング状の溝、２５ａ〜２５ｄ…短絡素子、２６…導体素子、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、…、…金属板。

Claims

導体板と、
前記導体板上の中央部に所定の高さで設けられる板状の第１の放射素子と、
前記第１の放射素子を中心とし、その外側に所定の間隔を保って放射状に設けられる板状の第２の放射素子と、
前記第２の放射素子の外側端と前記導体板の間を短絡接続する短絡素子と、
前記導体板の中央部に設けられる給電端子と、
前記第１の放射素子の下側に設けられ、上端が該第１の放射素子に接続され、下端が前記給電端子に接続される導体素子と
を具備し、
前記導体素子は、下端よりも上端を拡幅して形成し、かつ当該上端の直径が前記第１の放射素子の外径より小さい値に設定されていることを特徴とする広帯域無指向性アンテナ。