JP5738246B2 - 偏波共用アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、移動体通信基地局に使用される偏波共用アンテナ装置に関し、詳しくは２つの直交する偏波を独立して送受信することができる偏波ダイバーシチアンテナに関するものである。

移動体通信システム用の基地局アンテナでは、量産性や電気的調整の容易性から、プリントダイポールアンテナ素子を用いることが多い。このプリントダイポールアンテナ素子を用いた偏波ダイバーシチアンテナは、例えば、特許文献１によって提案されている。

この特許文献１のアンテナは、中心部にギャップが形成される形態で同一形状の四つの素子導体を９０°間隔で素子用誘電体基板上に形成し、ｘ軸上に位置された素子導体の対によって水平偏波用の第１のダイポールアンテナ素子を構成するとともに、前記ギャップを挟んでｙ軸上に位置された前記素子導体の対によって垂直偏波用の第２のダイポールアンテナ素子を構成している。上記四つの素子導体は、ギャップ側に位置する頂点部位から途中の部位に至る領域において所定の開き角で徐々に拡がる平面形状を有する。
この特許文献１に係る偏波ダイバーシチアンテナによれば、Ｖ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．＜１．５を満たす比帯域が約４２％であるという広帯域特性を得ることができる。

特開２０１１−２４４２４４号公報

現在、我が国では、携帯電話で使用される周波数帯域として、８００ＭＨｚ帯，９００ＭＨｚ帯，１．５ＧＨｚ帯，２ＧＨｚ帯が割り当てられているが、データ通信の分散を目的に、２．４ＧＨｚ帯（Ｗｉ−Ｆｉ）、２．５Ｇ帯（ＷｉＭＡＸ）も使用され始めている。
ここで、１．５ＧＨｚ帯から２．５ＧＨｚ帯を考慮すると、約６０％の比帯域が必要となるので、更なる広帯域化が求められる。また、移動体通信基地局におけるセクタの品質上、上記帯域内で一定の水平面内ビーム幅が求められる。

本発明は、このような状況に鑑み、広帯域化を一層図れ、かつ、使用帯域内でのビーム幅及び利得の均一化を図ることが可能な偏波共用アンテナを提供することを目的としている。

本発明は、中心部にギャップが形成される形態で形成した第１、第２のダイポールアンテナ素子と、前記第１のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体の外側端部と前記第２のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体の外側端部とが一体接続された環状導体と、を備えている。前記第１、第２のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体は、前記外側端部の幅が中間部の幅よりも小さく設定され、前記第１のダイポールアンテナ素子と前記環状導体とによって第１の偏波に適用する第１の折返しダイポールアンテナ素子を構成するとともに、前記第２のダイポールアンテナ素子と前記環状導体とによって第２の偏波に適用する第２の折返しダイポールアンテナ素子を構成している。

実施の形態として、前記第１、第２のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体及び前記環状導体は、それぞれ素子部誘電体基板にプリント形成されている。

また、実施の形態として、前記第１のダイポールアンテナ素子に給電する給電用導体がプリント形成された第１の給電部誘電体基板と、前記第２のダイポールアンテナ素子に給電する給電用導体がプリント形成された第２の給電部誘電体基板とが備えられる。前記第１、第２の給電部誘電体基板は互いに交差するように組み合わされ、この組み合わされた第１、第２の給電部誘電体基板は前記素子部誘電体基板の面に対して鉛直に結合される。

前記第１、第２の給電部誘電体基板の前記給電用導体は、バランを構成するように設けることができる。
前記第１の偏波及び前記第２の偏波は、例えば、垂直偏波及び水平偏波である。この第１の偏波及び前記第２の偏波は、＋４５°偏波及び−４５°偏波であっても良い。
前記第１のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体と前記第２のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体の形状及び／又は寸法を相違させても良い。

上記構成の波共用アンテナを垂直方向もしくは水平方向あるいは垂直方向と水平方向の双方に多段配列してアレイ構造の偏波共用アンテナを構成することも可能である。また、反射板を併設するとも可能である。

本発明によれば、第１のダイポールアンテナ素子と環状導体とによって第１の偏波に適用する第１の折返しダイポールアンテナ素子を構成するとともに、第２のダイポールアンテナ素子と環状導体とによって第２の偏波に適用する第２の折返しダイポールアンテナ素子アンテナ素子を構成しているので、Ｖ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．（定在波比）の広帯域化を図れるとともに、素子形状を略楕円形状にしてボウタイアンテナのように作用させることによって更なる広帯域特性を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る偏波共用アンテナを示す斜視図である。 素子部の構成例を示す平面図である。 給電部の構成を示す平面図である。 本発明に係る偏波共用アンテナの垂直偏波についてのＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．特性を示すグラフである。 本発明に係る偏波共用アンテナの水平偏波についてのＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．特性を示すグラフである。 本発明に係る偏波共用アンテナの垂直偏波について水平面内指向性を示すグラフである。 本発明に係る偏波共用アンテナの水平偏波について水平面内指向性を示すグラフである。 本発明に係る偏波共用アンテナの利得特性を示すグラフである。 本発明に係るアレー構造の偏波共用アンテナを示す斜視図である。 素子導体の他の形状を示す平面図である。 素子導体の更に別の形状を示す平面図である。

図１に本発明の一実施形態に係る偏波共用アンテナを示す。この偏波共用アンテナＡＮは、素子部１０、給電部２０，３０、支持板４０及び反射板５０を備えている。
図２は、素子部１０の構成例を示す平面図である。この素子部１０は、円形の誘電体基板１１上に同一形状の４つの素子導体１２と環状導体１３を形成した構成を有する。
各素子導体１２は、略楕円状の平面を有し、それらの長軸が９０°の間隔をなすように、かつ、それらの内側端部相互間にギャップ１４が形成されるように配列されている。なお、各素子導体１２の内側端部は、先細となるようにテーパが付されている。

ギャップ１４を挟んでｙ軸上に位置された一対の素子導体１２は、一方の偏波（例えば、垂直偏波）に適用する第１のダイポールアンテナ素子を構成し、また、ギャップ１４を挟んでｘ軸上に位置された一対の素子導体１２は、他方の偏波（例えば、水平偏波）に適用する第２のダイポールアンテナ素子を構成している。

環状導体１３は、誘電体基板１１の外周縁部に沿って形成され、各素子導体１２の外側端部に結合されている。
この環状導体１３は、折返しダイポールアンテナ（フォールデッドダイポールアンテナ）の折返し導体として設けたものであり、上記第１のダイポールアンテナ素子と組み合わされて３線式の第１の折返しダイポールアンテナ素子を構成し、また、上記第２のダイポールアンテナ素子と組み合わされて３線式の第２の折返しダイポールアンテナ素子を構成する。
なお、各素子導体１２及び環状導体１３は、誘電体基板１１上に貼着された金属箔（例えば銅箔）からなり、いわゆるプリント配線パターンの形成手法を用いてプリント形成されている。

本実施形態における素子導体１２は、長さＬ１が約０．２４λ（λは使用周波数帯域の中心周波数の波長）に設定され、中間部幅Ｗ１が約０．１８λに設定されている。また、上記第１、第２のダイポールアンテナ素子は、全長Ｌ２が約０．５λに設定されている。
環状導体１３は、幅が約０．００６λに設定されている。そして、この環状導体１３に対する各素子導体１２の接続幅Ｗ２は、約０．０５λに設定されている。

次に、図３を参照して給電部２０，３０の構成について説明する。
給電部２０は、誘電体基板２１の一方の面に一対の接地導体２２ａ，２２ｂを形成し、該誘電体基板２１の他方の面に給電線路導体２３を形成している。もちろん、この接地導体２２ａ，２２ｂおよび給電線路導体２３も金属箔よってプリント形成されている。
また、給電部２０は、誘電体基板２１の上端部両側に舌片２５ａ，２５ｂをそれぞれ設けるとともに、該誘電体基板２１の下端部両側に舌片２６ａ，２６ｂをそれぞれ設けてある。

接地導体２２ａ，２２ｂは、誘電体基板２１の上下中心軸線に対して線対称の関係になるように該誘電体基板２１の上端から下端に亘って延設されている。この接地導体２２ａ，２２ｂの間に形成された帯状の無金属箔部分２４には、その下端から上方に向かう切り欠き溝２７が形成されている。本実施形態において、無金属箔部分２４の長さは、約０．２５λである。

給電線路導体２３は、一方の接地導体（本実施形態では、接地導体２２ｂ）の背部において誘電体基板２１の下端から上方に延びた後、横に折れ曲って無金属箔部分２４の背部上方を横断し、次いで、他方の接地導体２２ａの背部で下方に折り返すように形成されている。この給電線路導体２３は、無金属箔部分２２の中点に位置する部位から先端に至る部分の長さが約０．２５λに設定されている。また、この給電線路導体２３の下端部は、舌片２６ｂの背面に位置している。

他方の給電部３０は、給電部２０の構成要素２１，２２ａ，２２ｂ，２３、２４，２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ，２７に対応する構成要素３１，３２ａ，３２ｂ，３３、３４，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ，３７を有する。
しかし、切り欠き溝３７は、無金属箔部分３４の上端から下方に向かって延びており、この点で給電部２０の切り欠き溝２７と相違する。この切り欠き溝３７の長さは、上記切り欠き溝２７の上端から無金属箔部分２４の上端に至る距離と同じになるように設定されている。

給電部２０，３０は、次のように組み合わされる。すなわち、給電部２０の切り欠き溝２７に給電部３０における切り欠き溝３７の下端よりも下方に位置した部分が挿入され、給電部３０の切り欠き溝３７に給電部２０における切り欠き溝２７の上端よりも上方の部分が挿入される。これによって、給電部２０，３０は、図１のように、互いが交差する形態で組み合わされて一体化される。

図２に示すように、素子部１０の各素子導体１２の内側端部には、誘電体基板１１を貫通する長方形状の孔１５がそれぞれ形成されている。この４つの孔１５には、上記一体化された給電部２０，３０から上方に突出する舌片２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂが図１に示すように挿入され、これによって、素子部１０の面に給電部２０，３０が鉛直に結合される。

誘電体基板１１の上面側に突出した舌片２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂには、図３に示す接地導体２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂがそれぞれ貼着されている。そこで、図２のｘ軸上に位置された一方と他方の素子導体１２がそれぞれ舌片２５ａ，２５ｂの接地導体２２ａ，２２ｂにハンダ等の手段を用いて電気的に接続され、図２のｙ軸上に位置された一方と他方の素子導体１２がそれぞれ舌片３５ａ，３５ｂの接地導体３２ａ，３２ｂに同様の手段を用いて電気的に接続される。

図１の支持板４０は誘電体で形成されている。上記一体化された給電部２０，３０は、それらから下方に突出する舌片２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂをこの支持板４０に形成された孔に挿入することによって該支持板４０に固定支持されている。
挿入された舌片２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂの表面に貼着された接地導体２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ、及び、挿入された舌片２６ｂ，３６ｂの背面に貼着された給電線路導体２３，３３の基端部（図３参照）は、支持板４０にプリント形成された図示していない給電線路導体にハンダ等の手段を用いて電気的に接続される。
反射板５０は、支持板４０の背部に設けられている。本実施形態における反射板５０は、素子部１０の素子導体１２から約０．２６λ離隔した位置に設けられている。

以上のように構成された本実施形態に係る偏波共用アンテナＡＮは、図３に示す舌片２６ａ、２６ｂ上の接地導体２２ａ，２２ｂ（接地部）が上記支持板４０の給電線路導体を介して図示していない第１の同軸ケーブルの外部導体に接続され、また、給電線路導体２３の基端部が上記支持板４０の給電線路導体を介して上記第１の同軸ケーブルの内部導体に接続される。

同様に、図３に示す舌片３６ａ、３６ｂ上の接地導体３２ａ，３２ｂ（接地部）が図１に示す支持板４０の給電線路導体を介して図示していない第２の同軸ケーブルの外部導体に接続され、また、給電線路導体３３の基端部が上記支持板４０の給電線路導体を介して上記第２の同軸ケーブルの内部導体に接続される。

次に、本実施形態に係る偏波共用アンテナＡＮの動作について説明する。ただし、ここでは、図２におけるｙ軸上に位置された素子導体１２の対を含む第１の折返しダイポールアンテナ素子を垂直偏波に適用し、ｘ軸上に位置された素子導体１２の対を含む第２の折返しダイポールアンテナ素子を水平偏波に適用するものとする。

上記垂直偏波用の第１の折返しダイポールアンテナ素子は給電部２０を介して給電され、また、上記水平偏波用の第２の折返しダイポールアンテナ素子は給電ユニット３０を介して給電される。
すなわち、第１の折返しダイポールアンテナ素子は、図３に示す給電線路導体２３の折り曲げ横断部から給電されて励振動作し、また、第２の折返しダイポールアンテナ素子は、図３に示す給電線路導体３３の折り曲げ横断部から給電されて励振動作する。
このとき、接地導体２２ａ，２２ｂと給電線路導体２３は、バラン（平衡−不平衡変換器）として機能し、また、接地導体３２ａ，３２ｂと給電線路導体３３もバランとして機能する。

ところで、上記第１、第２の折返しダイポールアンテナ素子は、折返し導体として設けられた図２に示す環状導体１３を共用しているので、この環状導体１３を介した相互間の影響をできるだけ低減することが望ましい。
本実施形態に係る偏波共用アンテナＡＮでは、素子導体１２の外側端部の幅を中間部の幅よりも小さく設定して、環状導体１３に対する素子導体１２の接続面積を小さくしているので、上記第１、第２の折返しダイポールアンテナ素子間の影響を低減して、後述するような広帯域特性を得ることが可能である。

図４及び図５は、本実施形態に係る偏波共用アンテナＡＮの垂直偏波及び水平偏波についてのＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．特性をそれぞれ示す。これらの図から明らかなように、本実施形態に係る偏波共用アンテナＡＮによれば、Ｖ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．１．５以下を満たす比帯域を約６０％にすること、つまり広帯域特性を向上することが可能である。なお、ｆ_０は中心周波数である。

一方、図６及び図７は、本実施形態に係る偏波共用アンテナＡＮの垂直偏波及び水平偏波についての水平面内指向性特性をそれぞれ示す。これらの図から明らかなように、本実施形態に係る偏波共用アンテナＡＮによれば、比帯域内においてほぼ一定のビーム幅を得ることが可能である。
さらに、本実施形態に係る偏波共用アンテナＡＮによれば、図８に示すように、垂直偏波及び水平偏波とも比帯域においてほぼ一定の利得特性を得ることができる。

図９は、上記偏波共用アンテナＡＮを垂直方向に所定の間隔で複数（この例では２個）配設したアレー構成の偏波ダイバーシチアンテナの実施形態を示す。このアレー構成の偏波ダイバーシチアンテナでは、各アンテナＡＮにおいて共通使用される支持板４０’及び反射板５０’が設けられている。このアレー構成の偏波共用アンテナによれば、利得の向上を図ることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されず、以下に例示するような種々の変形態様を含み得るものである。
（a）素子部１０に形成される素子導体の形状は、図２に示す形状に限定されない。すなわち、中間部の幅よりも内側端部および外側端部の幅が小さいという条件が満たされるなら、例えば図１０、図１１に示すような素子導体１２’，１２”を用いることができる。図１０に示す素子導体１２’は多角形状に形成されている。また、図１１に示す素子導体素子１２”は、略楕円形状の主部１２ａの内側に四角状の副部１２Ｂを付加した形状を有する。
（ｂ）反射板を配置した場合やアレー構造とした場合、それらがアンテナの動作に与える影響は一方の偏波についてのものと他方の偏波についてのものとで相違することがある。本発明に係るアンテナにおいては、一方の偏波用の素子導体の形状（寸法）と他方の偏波用の素子導体の形状（寸法）とを相違させることによって上記の相違を補正することが可能である。
（ｃ）素子導体１２の配列形態を変えて、±４５度偏波で共用できるように構成することも可能である。
（ｄ）図９の実施形態では、垂直方向に多段化しているが、水平方向に多段化することも可能である。また、必要に応じて垂直方向と水平方向の双方に多段化しても良い。

１０ 素子部
１１ 誘電体基板
１２、１２’，１２” 素子導体
１３ 環状導体
１４ ギャップ
１５ 孔
２０，３０ 給電部
２１，３１ 誘電体基板
２２ａ，２２ｂ 接地導体
２３，３３ 給電線路導体
２４，３４ 無金属箔部分
２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂ 舌片
２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂ 舌片
４０，４０’ 支持板
５０，５０’ 反射板

Claims (9)

1. 中心部にギャップが形成される形態で形成した第１、第２のダイポールアンテナ素子と、
   前記第１のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体の外側端部と前記第２のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体の外側端部とが一体接続された環状導体と、を備え、
   前記第１、第２のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体は、前記外側端部の幅が中間部の幅よりも小さく設定され、
   前記第１のダイポールアンテナ素子と前記環状導体とによって第１の偏波に適用する第１の折返しダイポールアンテナ素子を構成するとともに、前記第２のダイポールアンテナ素子と前記環状導体とによって第２の偏波に適用する第２の折返しダイポールアンテナ素子を構成したことを特徴とする偏波共用アンテナ。
2. 前記第１、第２のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体及び前記環状導体は、それぞれ素子部誘電体基板にプリント形成されていることを特徴とする請求項１に記載の偏波共用アンテナ。
3. 前記第１のダイポールアンテナ素子に給電する給電用導体がプリント形成された第１の給電部誘電体基板と、
   前記第２のダイポールアンテナ素子に給電する給電用導体がプリント形成された第２の給電部誘電体基板と、を備え、
   前記第１、第２の給電部誘電体基板を互いに交差するように組み合わせるとともに、この組み合わせた第１、第２の給電部誘電体基板を前記素子部誘電体基板の面に対して鉛直に結合したことを特徴とする請求項２に記載の偏波共用アンテナ。
4. 前記第１、第２の給電部誘電体基板の前記給電用導体がバランを構成するように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の偏波共用アンテナ。
5. 前記第１の偏波及び前記第２の偏波がそれぞれ垂直偏波及び水平偏波であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の偏波共用アンテナ。
6. 前記第１の偏波及び前記第２の偏波がそれぞれ＋４５°偏波及び−４５°偏波であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の偏波共用アンテナ。
7. 前記第１のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体と前記第２のダイポールアンテナ素子を構成する各素子導体の形状及び／又は寸法が相違することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の偏波共用アンテナ。
8. 請求項１ないし７に記載の偏波共用アンテナを垂直方向もしくは水平方向あるいは垂直方向と水平方向の双方に多段配列したことを特徴とするアレイ構造の偏波共用アンテナ。
9. 反射板を併設したことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の偏波共用アンテナ。

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