JP5656779B2

JP5656779B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP5656779B2
Application number: JP2011190652A
Authority: JP
Inventors: 西本　研悟; 研悟西本; 深沢　徹; 徹深沢; 宮下　裕章; 裕章宮下; 晃田添; 智之森
Original assignee: SPC Electronics Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: SPC Electronics Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: JP2013055407A

Description

この発明は、例えば、移動体通信の基地局用アンテナとして、天井などに設置される低姿勢のアンテナ装置に関するものであり、特に、容量装荷型のモノポールのアンテナ装置に関するものである。

例えば、移動体通信の基地局用アンテナとして、天井などに設置されるアンテナは、水平面内で無指向性であり、かつ、低姿勢で小形である必要がある。
このため、モノポールアンテナの上端に容量板を設置することで、低姿勢化を実現している容量装荷型のモノポールアンテナが用いられることが多い。
容量装荷型のモノポールアンテナでは、インピーダンス整合を取るために、容量板と地板の間に複数のショートピンが設置されている。

ただし、容量装荷型のモノポールアンテナでは、アンテナの高さを低くする程、狭帯域になってしまう特性がある。
そこで、以下の特許文献１に開示されているアンテナ装置では、容量装荷型のモノポールアンテナの地板の端部に側壁を設置することで、低姿勢で広帯域なアンテナが得られるようにしている。

容量装荷型のモノポールアンテナと類似の構造のアンテナとして、円環パッチアンテナの内側に円形パッチアンテナが設置されている２周波共用アンテナがある（特許文献２を参照）。
この２周波共用アンテナは、給電点が２つあり、円環パッチと円形パッチにそれぞれ給電するものであり、各給電点間の結合が小さく、一方のアンテナを送信の周波数で、他方のアンテナを受信の周波数で使用できるという特徴を有している。
なお、容量装荷型のモノポールアンテナはＴＭ０１モードで使用されるが、２周波共用アンテナはＴＭ１１モードで使用されるものである。

特開２００９−２９０４５２号公報（段落番号［００１３］、図１）実開平５−８２１２２号公報（図１）

従来のアンテナ装置は以上のように構成されているので、容量装荷型のモノポールアンテナの地板の端部に側壁を設置することで、低姿勢で広帯域なアンテナを得る場合（特許文献１）、直径が１波長程度の地板が必要となり、アンテナの直径が大きくなってしまう課題があった。
円環パッチアンテナの内側に円形パッチアンテナが設置されている２周波共用アンテナの場合（特許文献２）、水平面内では無指向性にならず、パッチの上方向に指向性を持ってしまう課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、アンテナの直径が小さく、低姿勢で広帯域な水平面内無指向性のアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、グランド導体である地板と、地板と略平行に配置されている第１の導体板と、一端が第１の導体板と接続され、他端と地板の間に給電点が設置されているモノポール導体と、一端が第１の導体板と接続され、他端が地板と接続されている１本以上の短絡導体と、地板と第１の導体板の間に地板と略平行に配置され、中央に施されている穴にモノポール導体及び短絡導体が通される第２の導体板と、一端が第２の導体板と接続され、他端が地板と接続されており、モノポール導体及び短絡導体が通されるスリーブ導体とを備えるものである。

この発明によれば、グランド導体である地板と、地板と略平行に配置されている第１の導体板と、一端が第１の導体板と接続され、他端と地板の間に給電点が設置されているモノポール導体と、一端が第１の導体板と接続され、他端が地板と接続されている１本以上の短絡導体と、地板と第１の導体板の間に地板と略平行に配置され、中央に施されている穴にモノポール導体及び短絡導体が通される第２の導体板と、一端が第２の導体板と接続され、他端が地板と接続されており、モノポール導体及び短絡導体が通されるスリーブ導体とを備えるように構成したので、アンテナの直径が小さく、低姿勢で広帯域な水平面内無指向性のアンテナ装置が得られる効果がある。

この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す斜視図である。この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す上面図である。図２のＡ−Ａ’における断面図である。この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の入力インピーダンスの一例を示す説明図である。この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の水平面での放射パターンの一例を示す説明図である。この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す斜視図である。この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す上面図である。図７のＡ−Ａ’における断面図である。この発明の実施の形態２による他のアンテナ装置を示す斜視図である。この発明の実施の形態２による他のアンテナ装置を示す上面図である。図１０のＡ−Ａ’における断面図である。この発明の実施の形態３によるアンテナ装置を示す斜視図である。この発明の実施の形態３による他のアンテナ装置を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す斜視図であり、図２はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す上面図である。
また、図３は図２のＡ−Ａ’における断面図である。
図１〜３において、地板１は直径がｇの円形のグランド導体であり、地板１の中心部には、モノポール導体３の下端が接続されている。
円形導体板２は地板１から高さｈの位置において、地板１と略平行に配置されている直径がａの円形の導体板である。
円形導体板２の中心部には、モノポール導体３の上端が接続されている。なお、円形導体板２は第１の導体板を構成している。

モノポール導体３は地板１と略垂直に配置されている直線状の導体であり、モノポール導体３は上端（一端）が円形導体板２の中心部と接続され、下端（他端）と地板１の間に給電点が設置されている。
ショートピン４は地板１と略垂直に配置されている直線状の導体であり、ショートピン４は上端（一端）が円形導体板２と接続され、下端（他端）が地板１と接続されている。
図１の例では、３本のショートピン４が設けられているが、ショートピン４の本数は３本に限るものではなく、１〜２本あるいは４本以上であってもよい。
なお、ショートピン４は短絡導体を構成している。

円環導体板５は地板１から高さｈ_２（ｈ_２＜ｈ）の位置において、地板１と略平行に配置されている円環状の導体板である。
円環導体板５の内径はｂ、外径はｃであり、円環導体板５の中央の穴にモノポール導体３とショートピン４が通されている。特に、モノポール導体３は円環導体板５のほぼ中心に位置している。
なお、円環導体板５は第２の導体板を構成している。

スリーブ導体６は地板１と略垂直に配置されている直径がｂの円筒状の導体であり、上端（一端）が円環導体板５の内円と接続され、下端（他端）が地板１と接続されている。
スリーブ導体６の内側にモノポール導体３とショートピン４が通されており、特に、モノポール導体３はスリーブ導体６のほぼ中心に位置している。

次に動作について説明する。
図４はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置の入力インピーダンスの一例を示す説明図であり、特に、図４（ａ）はアンテナの複素インピーダンスを示すスミスチャート、図４（ｂ）はアンテナの電圧定在波比であるＶＳＷＲ特性を示している。
図５はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置の水平面での放射パターンの一例を示す説明図である。

図１のアンテナ装置において、円環導体板５とスリーブ導体６が実装されていない場合、従来の容量装荷型のモノポールアンテナと同様の構成になり、アンテナの入力インピーダンスが単共振となる。
図１のアンテナ装置のように、円環導体板５とスリーブ導体６が実装されている場合、その円環導体板５とスリーブ導体６が非励振素子として動作するため、アンテナの入力インピーダンスが２重共振となる。
これにより、図１のアンテナ装置は、従来の容量装荷型のモノポールアンテナよりも広帯域化が実現される。

図１のアンテナ装置では、アンテナの入力インピーダンスの整合を取るために、地板１と略垂直にショートピン４を配置している。
ショートピン４の本数と配置の位置を調整することで、アンテナの入力インピーダンスの整合を取ることができる。
図１の例では、３本のショートピン４が配置されている。

また、図１のアンテナ装置では、水平面内でほぼ無指向性の放射パターンを得るために、モノポール導体３を覆うように、円環導体板５とスリーブ導体６を配置している。

以下、図１のアンテナ装置の特性について説明する。
ここでは、アンテナ装置が使用する周波数帯域の中心周波数をｆｃ、中心周波数ｆｃにおける自由空間波長をλｃとする。
また、円形導体板２の直径ａ、円環導体板５の内径ｂ、円環導体板５の外径ｃ、地板１の直径ｇ、地板１からの円形導体板２の高さｈ、地板１からの円環導体板５の高さｈ_２は、下記の通りであるとする。
ａ＝０．１６λｃ
ｂ＝０．０７λｃ
ｃ＝０．３２λｃ
ｇ＝０．３６λｃ
ｈ＝０．０８５λｃ
ｈ２＝０．０５７λｃ

この場合のアンテナ装置の入力インピーダンスは、図４（ａ）に示すように、２重共振特性が得られる。
このときのアンテナ装置の直径は、地板１の直径ｇ＝０．３６λｃに相当し、アンテナ装置の高さは、地板１からの円形導体板２の高さｈ＝０．０８５λｃに相当するが、図４（ｂ）に示すように、アンテナ直径０．３６λｃ、アンテナ高さ０．０８５λｃでＶＳＷＲが２以下となる比帯域は１４％となり、アンテナ直径が小さく、かつ、低姿勢でありながら、広帯域な特性が得られていることが分かる。
また、中心周波数ｆｃにおける水平面（ｘｙ面）の放射パターンは、図５に示すように、水平面内で垂直偏波がほぼ無指向性であることが確認される。なお、水平偏波はレベルが非常に低く、図５のレンジ外（図５の中心の−３０［ｄＢ］より小さい）にある。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、グランド導体である地板１と、地板１と略平行に配置されている円形導体板２と、上端が円形導体板２と接続され、下端と地板１の間に給電点が設置されているモノポール導体３と、上端が円形導体板２と接続され、下端が地板１と接続されている１本以上のショートピン４と、地板１と円形導体板２の間に地板１と略平行に配置され、中央の穴にモノポール導体３とショートピン４が通される円環導体板５と、上端が円環導体板５の内円と接続され、下端が地板１と接続されており、モノポール導体３及びショートピン４が通されるスリーブ導体６とを備えるように構成したので、アンテナの直径が小さく、低姿勢で広帯域な水平面内無指向性のアンテナ装置が得られる効果がある。
即ち、アンテナ直径（地板１の直径ｇ＝０．３６λｃ）が１波長以下で、アンテナ高さ（地板１からの円形導体板２の高さｈ＝０．０８５λｃ）が０．２波長以下となるため、従来のアンテナ装置よりも、アンテナ直径が小さく、低姿勢で広帯域な水平面内無指向性のアンテナ装置が得られる効果がある。

この実施の形態１では、スリーブ導体６が円筒状の導体であるものを示したが、筒状の導体であればよく、例えば、スリーブ導体６の断面が方形の形状であるものや、三角形の形状であるものでもよい。

また、この実施の形態１では、円環導体板５が円環状の導体板であるものを示したが、内部に穴があって、モノポール導体３を覆う形状であれば、円環状の導体板に限るものではない。
円環導体板５の穴の形状及び外形は、例えば、方形や三角形など、あらゆる形状が考えられる。

この実施の形態１では、スリーブ導体６の上端が円環導体板５の内円と接続されているものを示したが、スリーブ導体６と円環導体板５の接続位置が内円の位置に限るものではなく、スリーブ導体６の上端が、円環導体板５の内円よりも外径寄りの位置に接続されていてもよい。

また、この実施の形態１では、円形導体板２の形状が円形であるものを示したが、形状が円形であるものに限定するものではなく、例えば、方形や三角形など、あらゆる形状が考えられる。
また、地板１の形状が円形であるものを示したが、形状が円形であるものに限定するものではなく、例えば、方形や三角形など、あらゆる形状が考えられる。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す斜視図であり、図７はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す上面図である。
また、図８は図７のＡ−Ａ’における断面図である。
図６〜８において、図１〜３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
非励振導体である直線状導体７は地板１と略垂直にモノポール導体３の周囲に配置されており、上端（一端）が円環導体板５の内円と接続され、下端（他端）が地板１と接続されている。

上記実施の形態１では、円環導体板５と地板１の間にスリーブ導体６が設置されているものを示したが、そのスリーブ導体６の代わりに、複数の直線状導体７を設置するようにしてもよい。

図６のアンテナ装置では、４本の直線状導体７が設置され、２本のショートピン４が設置されている例を示しているが、直線状導体７の本数やショートピン４の本数は、これに限るものではなく、例えば、図９〜１１に示すように、３本の直線状導体７が設置され、１本のショートピン４が設置されているものであってもよい。
なお、直線状導体７が設置される位置は、特に限定するものではないが、複数の直線状導体７を等間隔で配置する方が、水平面の放射パターンがより無指向性となる。
図６及び図９のアンテナ装置では、複数の直線状導体７が等間隔で円周上に配置されている。

上記実施の形態１では、円環導体板５と地板１の間にスリーブ導体６が設置されているが、そのスリーブ導体６には、ｚ方向に電流が強く流れるので、そのスリーブ導体６の代わりに、複数の直線状導体７を設置しても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
即ち、円環導体板５と複数の直線状導体７が非励振素子として動作して、アンテナの入力インピーダンスが２重共振となり、従来の容量装荷型のモノポールアンテナよりも広帯域化が実現される。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、グランド導体である地板１と、地板１と略平行に配置されている円形導体板２と、上端が円形導体板２と接続され、下端と地板１の間に給電点が設置されているモノポール導体３と、上端が円形導体板２と接続され、下端が地板１と接続されている１本以上のショートピン４と、地板１と円形導体板２の間に地板１と略平行に配置され、中央の穴にモノポール導体３とショートピン４が通される円環導体板５と、モノポール導体３の周囲に配置されており、上端が円環導体板５の内円と接続され、下端が地板１と接続されている複数の直線状導体７とを備えるように構成したので、アンテナの直径が小さく、低姿勢で広帯域な水平面内無指向性のアンテナ装置が得られる効果がある。
即ち、アンテナ直径（地板１の直径ｇ＝０．３６λｃ）が１波長以下で、アンテナ高さ（地板１からの円形導体板２の高さｈ＝０．０８５λｃ）が０．２波長以下となるため、従来のアンテナ装置よりも、アンテナ直径が小さく、低姿勢で広帯域な水平面内無指向性のアンテナ装置が得られる効果がある。

また、この実施の形態２によれば、円環導体板５と地板１の間に複数の直線状導体７を設置する際、複数の直線状導体７と複数のショートピン４を、例えば、六角柱等の金属製のスペーサとして、円環導体板５及び地板１にネジ止めすることで実現できるため、円環導体板５と地板１の間にスリーブ導体６を設置する場合よりも、材料コストを削減することができる。

この実施の形態２では、複数の直線状導体７の上端が円環導体板５の内円と接続されているものを示したが、複数の直線状導体７と円環導体板５の接続位置が内円の位置に限るものではなく、複数の直線状導体７の上端が、円環導体板５の内円よりも外径寄りの位置に接続されていてもよい。

実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、モノポール導体３が直線状の導体であるものを示したが、モノポール導体３は直線状の導体に限るものではなく、例えば、モノポール導体が三角形状の平面導体であってもよい。
図１２はこの発明の実施の形態３によるアンテナ装置を示す斜視図であり、図１２の例では、モノポール導体として、三角形状の平面導体８が設置されている。
図１２のアンテナ装置では、円環導体板５と地板１の間にスリーブ導体６が設置されているが、複数の直線状導体７が設置されていてもよい。

図１２のアンテナ装置では、三角形状の平面導体８が地板１と略垂直に配置され、三角形状の平面導体８の頂点（図中、平面導体８の下部）と地板１の間に給電点が設置されている。
また、三角形状の平面導体８における２つの底角の点を結ぶ辺の中点が、円形導体板２の中心と一致するように、平面導体８の上部が円形導体板２と接続されている。

この実施の形態３では、直線状の導体ではなく、平面導体８をモノポール導体として設置しているので、直線状のモノポール導体よりも電流が流れる経路が増え、上記実施の形態１，２のアンテナ装置よりも、広帯域化を実現することができる。

この実施の形態３では、モノポール導体として、三角形状の平面導体８が設置されているものを示したが、平面導体８の形状は三角形状に限るものではなく、あらゆる形状のものが考えられる。
図１３は長方形状の平面導体９がモノポール導体として設置されているアンテナ装置の例を示している。

図１３のアンテナ装置では、長方形状の平面導体９が地板１と略垂直に配置され、長方形の下辺の中点と地板１の間に給電点が設置されている。
また、長方形の上辺の中点が、円形導体板２の中心と一致するように、平面導体９の上部が円形導体板２と接続されている。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１地板、２円形導体板（第１の導体板）、３モノポール導体、４ショートピン（短絡導体）、５円環導体板（第２の導体板）、６スリーブ導体、７直線状導体（非励振導体）、８三角形状の平面導体、９長方形状の平面導体。

Claims

グランド導体である地板と、
上記地板と略平行に配置されている第１の導体板と、
一端が上記第１の導体板と接続され、他端と上記地板の間に給電点が設置されているモノポール導体と、
一端が上記第１の導体板と接続され、他端が上記地板と接続されている１本以上の短絡導体と、
上記地板と上記第１の導体板の間に上記地板と略平行に配置され、中央に施されている穴に上記モノポール導体及び上記短絡導体が通される第２の導体板と、
一端が上記第２の導体板と接続され、他端が上記地板と接続されており、上記モノポール導体及び上記短絡導体が通されるスリーブ導体と
を備えたアンテナ装置。
第１の導体板が円形導体板、短絡導体が直線状の導体、第２の導体板が円環状の導体板、スリーブ導体が円筒状の導体であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
グランド導体である地板と、
上記地板と略平行に配置されている第１の導体板と、
一端が上記第１の導体板と接続され、他端と上記地板の間に給電点が設置されているモノポール導体と、
一端が上記第１の導体板と接続され、他端が上記地板と接続されている１本以上の短絡導体と、
上記地板と上記第１の導体板の間に上記地板と略平行に配置され、中央に施されている穴に上記モノポール導体及び上記短絡導体が通される第２の導体板と、
上記モノポール導体の周囲に配置されており、一端が上記第２の導体板と接続され、他端が上記地板と接続されている複数の非励振導体と
を備えたアンテナ装置。
第１の導体板が円形導体板、短絡導体が直線状の導体、第２の導体板が円環状の導体板、複数の非励振導体が直線状の導体であり、上記複数の非励振導体が等間隔で円周上に配置されていることを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
モノポール導体が直線状の導体であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。
モノポール導体が三角形状の平面導体であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。
モノポール導体が長方形状の平面導体であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。