JP6002540B2

JP6002540B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP6002540B2
Application number: JP2012235801A
Authority: JP
Inventors: 秀哉宗; 篤也安藤; 杉山　隆利; 隆利杉山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: JP2014086952A

Description

本発明は、複数の周波数を共用するアンテナ装置に関する。

本出願人は、複数の周波数を共用することができ、設置スペースを削減した、アンテナ装置を提案している（たとえば、特許文献１参照）。そのアンテナ装置は、複数の誘電体反射板、および、アンテナ素子、を備えている。そのアンテナ素子は、複数の周波数帯域で動作する多周波数共用または広帯域用として形成されている。

また、誘電体反射板は、メタマテリアル構造に形成されている。このメタマテリアル構造は、角柱状や円柱状の線材などからなる誘電体を、周波数より充分に小さな距離で等間隔に格子状に組み合わせた、周期配列構造に形成されている。このようなメタマテリアル構造の誘電体反射板は、人工的な周期構造により負の誘電率を有している。このようなメタマテリアルからなる誘電体反射板は、その格子状の配列構造の周期間隔に対応したバンドギャップを有している。

特許文献１のアンテナ装置では、メタマテリアル構造の複数の誘電体反射板の各々が、所望の複数の周波数帯域の電波を個々に反射する形状に形成されており、複数の周波数帯域の電波に対応した位置に配置されている。このため、複数の誘電体反射板の各々では、メタマテリアル構造の複数の誘電体の間隔が、各々反射する複数の電波の周波数帯域の比率と同一とされている。また、このようなメタマテリアル構造の略正方形の複数の誘電体反射板は、各々の略直交する二辺のサイズも、各々反射する複数の電波の周波数帯域の比率と同一とされている。さらに、この複数の周波数帯域に対応した個数の誘電体反射板は、その表面が送受信する電波の方向と略直交するように、送受信する電波の方向に配列されている。この複数の周波数帯域に対応した個数の誘電体反射板とアンテナ素子との距離も、電波の複数の周波数帯域の比率と同一の比率の位置に配置されている。

このため、特許文献１のアンテナ装置では、複数の誘電体反射板は、複数の周波数帯域においてバンドギャップを形成する。このようなアンテナ装置は、たとえば、複数の周波数帯で水平面内のビーム幅が同一の放射パターンで同一の無線ゾーンをカバーすることができるので、陸上移動無線通信用の基地局などに適用することができる。なお、上述のようなアンテナ装置に、さらに金属製の平板からなる金属反射板を組み合わせることもできる。

特開２０１１−２４４１３６号公報

しかし、上述のアンテナ装置では、複数の誘電体反射板をメタマテリアル構造に形成している。このようなメタマテリアル構造は、前述のように角柱状や円柱状の線材などからなる誘電体を格子状に組み合わせている。このため、誘電体反射板を極薄に形成することは困難であり、その板厚は無視することができない。

したがって、上述のようなアンテナ装置では、バンドギャップ帯域が相違する複数の誘電体反射板が、その板厚のために接触しないように配置する必要がある。このため、複数の誘電体反射板とアンテナ素子とを、電波の複数の周波数帯域の比率と同一の比率の位置に配置するためには、電波の複数の周波数帯域の組み合わせに制限がある。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、利用する電磁波の複数の周波数帯域の比率と同一の比率の位置に、アンテナ素子に対して複数の反射板を配置する場合でも、利用する電磁波の複数の周波数帯域の組み合わせに制限がない、アンテナ装置を提供するものである。

上述のような課題を解決するため、本発明のアンテナ装置は、複数の周波数帯域の電磁波を通信するアンテナ素子と、複数の前記周波数帯域のうち少なくとも一の電磁波に周波数フィルターとして各々作用する複数の周波数選択板と、前記アンテナ素子に対して電磁波の方向に複数の前記周波数選択板を配置している板配置手段と、を有している。

上述のようなアンテナ装置において、さらなる発明としては、前記板配置手段は、前記アンテナ素子に対して複数の前記周波数選択板を前記電磁波の複数の周波数帯域の比率と同一の比率の位置に配置している。

上述のようなアンテナ装置において、さらなる発明としては、複数の前記周波数選択板は、その表面が前記電磁波の方向と直交しており、前記電磁波の複数の周波数帯域の比率と相互のサイズの比率が同一の相似形状に形成されている。

上述のようなアンテナ装置において、さらなる発明としては、複数の前記周波数選択板のうち少なくとも一は、複数の前記周波数帯域のうち少なくとも一の電磁波を反射するバンドストップ型に形成されている。

上述のようなアンテナ装置において、さらなる発明としては、複数の前記周波数選択板のうち少なくとも一は、複数の前記周波数帯域のうち少なくとも一の電磁波を透過するバンドスルー型に形成されている。

上述のようなアンテナ装置において、さらなる発明としては、電磁波を反射する金属反射板を、さらに有しており、前記板配置手段は、前記電磁波の方向に順番に前記アンテナ素子および複数の前記周波数選択板および前記金属反射板を配置している。

上述のようなアンテナ装置において、さらなる発明としては、前記板配置手段は、前記アンテナ素子に対して前記金属反射板および複数の前記周波数選択板を前記電磁波の複数の周波数帯域の比率と同一の比率の位置に配置している。

上述のようなアンテナ装置において、さらなる発明としては、前記金属反射板および複数の前記周波数選択板は、その表面が前記電磁波の方向と直交しており、前記電磁波の複数の周波数帯域の比率と相互のサイズの比率が同一の相似形状に形成されている。

なお、本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素を一個の部材として形成していること、一つの構成要素を複数の部材で形成していること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。

また、本発明で云う直交とは、直交していることを目標として形成されていればよく、数学的に厳密に直交している必要はなく、いわゆる公差を許容する。さらに、本発明で云う「相似形状の」とは、「相似」した「形状の」ことではなく、「相似形」「状である」ことを意味している。また、本発明で云う特定の周波数帯域の電磁波に周波数フィルターとして作用するとは、特定の周波数帯域の電磁波を反射または透過することを意味している。

本発明のアンテナ装置では、アンテナ素子は、複数の周波数帯域の電磁波を通信する。複数の周波数選択板は、複数の周波数帯域のうち少なくとも一の電磁波に周波数フィルターとして各々作用する。板配置手段は、アンテナ素子に対して電磁波の方向に複数の周波数選択板を配置している。このため、このアンテナ装置は、利用する電磁波の複数の周波数帯域の比率と同一の比率の位置に、複数の周波数選択板とアンテナ素子とを配置する場合でも、利用する電磁波の複数の周波数帯域の組み合わせに制限がない。

本発明の実施の形態におけるアンテナ装置の構造を示す模式的な斜視図である。本発明の実施の形態におけるアンテナ装置の構造を示す模式的な側面図である。本発明の実施の形態におけるアンテナ装置の構造を示す模式的な正面図である。本発明の実施の形態におけるアンテナ装置の、(ａ)はバンドストップ型の周波数選択板の要部を拡大した模式的な正面図、(ｂ)はバンドスルー型の周波数選択板の要部を拡大した模式的な正面図、である。本発明の実施の形態におけるアンテナ装置の一個の周波数選択板の反射係数および透過係数を示す特性図である。本発明の実施の形態におけるアンテナ装置の他の一個の周波数選択板の反射係数を示す特性図である。本発明の実施の形態におけるアンテナ装置の周波数帯域ごとの放射パターンを示す特性図である。

本発明の実施の一形態に関して図面を参照して以下に説明する。なお、本実施の形態では図示するように前後左右上下の方向を規定して説明する。しかし、これは構成要素の相対関係を簡単に説明するために便宜的に規定するものである。したがって、本発明を実施する製品の製造時や使用時の方向を限定するものではない。

本実施の形態のアンテナ装置１００は、図１ないし図３に示すように、一個のアンテナ素子１１０と、複数である第一および第二の周波数選択板１２１，１２２と、一個の金属反射板１３０と、板配置手段である板配置部材（図示せず）と、を有している。アンテナ素子１１０は、多周波数共用型または広帯域型に形成されており、特定の複数の周波数帯域の電磁波である電波の通信として送信および受信を実行する。第一および第二の周波数選択板１２１，１２２は、いわゆるＦＳＳ（Frequency Selective Surface）であり、送信および受信される複数の周波数帯域のうち少なくとも一つの電波に周波数フィルターの作用として反射または各々透過する。一個の金属反射板１３０は、銅などの金属製の平板で形成されており、周波数帯域に関係なく電波を反射する。板配置部材は、たとえば、電波や導通に影響しない絶縁性の樹脂などにより形成されており、電波の方向に順番に前方から後方まで、アンテナ素子１１０および第一および第二の周波数選択板１２１，１２２および金属反射板１３０を配置している。

より具体的には、本実施の形態のアンテナ装置１００では、金属反射板１３０および第一および第二の周波数選択板１２１，１２２は、その表面である前面が電波の方向と直交しており、電波の複数の周波数帯域の比率と、相互のサイズの比率が同一の、相似形状である正方形に形成されている。このため、第一の周波数選択板１２１は、８００ＭＨｚおよび２ＧＨｚを中心周波数とする二つの周波数帯域の電波を各々透過する、バンドスルー型に形成されている。また、第二の周波数選択板１２２は、８００ＭＨｚを中心周波数とする周波数帯域の電波を透過する、バンドスルー型に形成されている。そして、金属反射板１３０は、周波数帯域に関係なく電波を反射する金属板として形成されている。

なお、上述のようなバンドスルー型の第一および第二の周波数選択板１２１，１２２は、周波数フィルターとして機能するものであり、図４(ｂ)に示すように、たとえば、金属板やプリント基板の銅箔に、微細な所定形状の空隙を所定配列で緻密に形成することで実現されている。たとえば、その空隙が四角形の四辺として形成されている場合、その四辺の合計が透過する周波数帯域の中心周波数の波長となる。

たとえば、８００ＭＨｚなどの一つの中心周波数の周波数帯域の電波を透過する第二の周波数選択板１２２は、一種類のサイズの四角形の空隙を緻密に配列させて形成することで実現される。一方、８００ＭＨｚおよび２ＧＨｚなどのように二つの中心周波数の周波数帯域の電波を透過する第一の周波数選択板１２１は、二種類のサイズの四角形の空隙を緻密に配列させて形成することで実現される。そして、板配置部材は、アンテナ素子１１０に対して金属反射板１３０および第一および第二の周波数選択板１２１，１２２を、電波の複数の周波数帯域の比率と同一の比率の位置に配置している。

つまり、板配置部材は、アンテナ素子１１０に対して第一の周波数選択板１２１を、４ＧＨｚを中心周波数とする所定の周波数帯域に対応した、４ＧＨｚの波長(≒７５ｍｍ)の数分の一である、１９(≒７５／４)ｍｍなどの間隔に配置している。また、アンテナ素子１１０に対して第二の周波数選択板１２２を、２ＧＨｚを中心周波数とする所定の周波数帯域に対応した、２ＧＨｚの波長(≒１５０ｍｍ)の数分の一である、３７．５(≒１５０／４)ｍｍなどの間隔に配置している。そして、アンテナ素子１１０に対して金属反射板１３０を、８００ＭＨｚを中心周波数とする所定の周波数帯域に対応した、８００ＭＨｚの波長(≒３７５ｍｍ)の数分の一である、９４(≒３７５／４)ｍｍなどの間隔に配置している。

なお、図５は、本実施の形態におけるアンテナ装置１００の第二の周波数選択板１２２の反射係数および透過係数を示す特性図、図６は、本実施の形態におけるアンテナ装置１００の第一の周波数選択板１２１の反射係数を示す特性図、図７は、本実施の形態におけるアンテナ装置１００の周波数帯域ごとの放射パターンを示す特性図、である。図５に示すように、第二の周波数選択板１２２は、８００ＭＨｚを中心周波数とする周波数帯域の電波を透過し、それ以外の周波数帯域の電波を反射する。また、図６に示すように、第一の周波数選択板１２１は、８００ＭＨｚおよび２ＧＨｚを中心周波数とする周波数帯域の電波を透過し、それ以外の周波数帯域の電波を反射するので、４ＧＨｚを中心周波数とする周波数帯域の電波を反射する。そして、図７に示すように、本実施の形態のアンテナ装置１００では、８００ＭＨｚおよび２ＧＨｚおよび４ＧＨｚの各々を中心周波数とする周波数帯域ごとの電波を、第一および第二の周波数選択板１２１，１２２および金属反射板１３０により反射する。

上述のような構成において、本実施の形態のアンテナ装置１００では、アンテナ素子１１０は、８００ＭＨｚおよび２ＧＨｚおよび４ＧＨｚを中心周波数とする三つの周波数帯域の電波を送信および受信する。第一の周波数選択板１２１は、送信および受信される８００ＭＨｚおよび２ＧＨｚを中心周波数とする二つの周波数帯域の電波を各々透過し、第二の周波数選択板１２２は、８００ＭＨｚを中心周波数とする周波数帯域の電波を透過する。金属反射板１３０は、周波数帯域に関係なく電波を反射する。そして、板配置部材は、上述のような８００ＭＨｚおよび２ＧＨｚおよび４ＧＨｚを中心周波数とする三つの周波数帯域の比率と同一の比率で、第一および第二の周波数選択板１２１，１２２および一個の金属反射板１３０を、アンテナ素子１１０に対して配置している。

このため、本実施の形態のアンテナ装置１００では、８００ＭＨｚおよび２ＧＨｚおよび４ＧＨｚを中心周波数とする三つの周波数帯域の電波を、良好に送信および受信することができる。しかも、本実施の形態のアンテナ装置１００では、上述のように送信および受信される８００ＭＨｚおよび２ＧＨｚを中心周波数とする二つの周波数帯域の電波を第一の周波数選択板１２１が各々透過し、８００ＭＨｚを中心周波数とする周波数帯域の電波を第二の周波数選択板１２２が透過する。

このような第一および第二の周波数選択板１２１，１２２は、図４(ｂ)に示すように、構造的にメタマテリアルなどとは相違して、板厚を実質的に無視することができる。このため、本実施の形態のアンテナ装置１００では、アンテナ素子１１０および金属反射板１３０に対し、第一および第二の周波数選択板１２１，１２２を、接触させることなく容易に近接させて配置することができる。したがって、本実施の形態のアンテナ装置１００は、上述のように利用する電波の三つの周波数帯域の比率と同一の比率の位置に、第一および第二の周波数選択板１２１，１２２および金属反射板１３０を、アンテナ素子１１０に対して配置する場合でも、利用する電波の共用周波数の組み合わせに制限がない。

さらに、本実施の形態のアンテナ装置１００では、電波の方向に順番にアンテナ素子１１０および第一および第二の周波数選択板１２１，１２２および金属反射板１３０を板配置部材が配置しており、このように配置されている金属反射板１３０が、周波数帯域に関係なく電波を反射する。このため、第一の周波数選択板１２１が、三つの周波数帯域のうち二つの電波の各々を良好に透過することができ、第二の周波数選択板１２２が、三つの周波数帯域のうち一つの電波を良好に透過することができ、一個の金属反射板１３０が、周波数帯域に関係なく電波を良好に反射することができる。

しかも、本実施の形態のアンテナ装置１００では、金属反射板１３０および第一および第二の周波数選択板１２１，１２２は、その表面が電波の方向と直交しており、電波の三つの周波数帯域の比率と相互のサイズの比率が同一の正方形に形成されている。したがって、このアンテナ装置１００では、電波の方向と表面が直交している三つの正方形の周波数選択板および一つの金属反射板１３０の相互のサイズの比率が、電波の三つの周波数帯域の比率と一致している。

このため、第一の周波数選択板１２１が、三つの周波数帯域のうち二つの電波の各々を良好に透過することができ、第二の周波数選択板１２２が、三つの周波数帯域のうち一つの電波を良好に透過することができ、一個の金属反射板１３０が、周波数帯域に関係なく電波を良好に反射することができる。さらに、本実施の形態のアンテナ装置１００では、第一および第二の周波数選択板１２１，１２２がバンドスルー型に形成されている。このため、三つの周波数帯域のうち二つの電波を、第一の周波数選択板１２１で透過することができるとともに、二つの周波数帯域の一つの電波を、第二の周波数選択板１２２で透過することができる。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。たとえば、上記形態ではアンテナ装置１００がアンテナ素子１１０により、電波の送信および受信を実行することを例示した。しかし、アンテナ装置１００がアンテナ素子１１０により、電波の送信のみ実行してもよく、受信のみ実行してもよい。

また、上記形態では第一の周波数選択板１２１が三つの周波数帯域のうち二つの電波を各々透過するバンドスルー型に形成されており、第二の周波数選択板１２２が三つの周波数帯域のうち一つの電波を透過するバンドスルー型に形成されていることを例示した。しかし、複数の周波数選択板の一部ないし全部が、複数の周波数帯域のうち少なくとも一つの電波を反射するバンドストップ型に形成されていてもよい。このようなバンドストップ型の周波数選択板は、図４(ａ)に示すように、たとえば、微細な所定形状の金属を所定配列で緻密に位置させて平板状に形成することで実現される。

さらに、上記形態ではアンテナ装置１００が二個の周波数選択板１２１，１２２を有していることを例示した。しかし、当然ながら、このような周波数選択板の個数は任意に設定することができる。また、上記形態ではアンテナ装置１００が金属反射板１３０を有していることを例示した。しかし、このような金属反射板１３０を有することなく複数の周波数選択板のみでアンテナ装置を実現してもよい（図示せず）。

さらに、上記形態では第一および第二の周波数選択板１２１，１２２および金属反射板１３０が、相似形状である正方形に各々形成されていることを例示した。しかし、このような複数の周波数選択板および金属反射板１３０が、相似形状である円形や六角形などの正面形状に形成されていてもよい（図示せず）。

なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

１００アンテナ装置
１１０アンテナ素子
１２１第一の周波数選択板
１２２第二の周波数選択板
１３０金属反射板

Claims

複数の周波数帯域の電磁波を通信するアンテナ素子と、
複数の前記周波数帯域のうち少なくとも一の電磁波に周波数フィルターとして各々作用する複数の周波数選択板と、
前記アンテナ素子に対して電磁波の方向に複数の前記周波数選択板を配置している板配置手段と、
を有し、
前記周波数選択板は、複数の所定形状の金属を所定配列で位置させて平板状に形成した構成、もしくは、金属板または基板上の金属箔に複数の所定形状の空隙を所定配列で形成した構成であり、
前記板配置手段は、前記電磁波の方向に順番に前記アンテナ素子および複数の前記周波数選択板を配置している、
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記板配置手段は、前記アンテナ素子に対して複数の前記周波数選択板を前記電磁波の複数の周波数帯域の比率と同一の比率の位置に配置している、
請求項１に記載の、アンテナ装置。
複数の前記周波数選択板は、
その表面が前記電磁波の方向と直交しており、前記電磁波の複数の周波数帯域の比率と相互のサイズの比率が同一の相似形状に形成されている、
請求項１または２に記載の、アンテナ装置。
複数の前記周波数選択板のうち少なくとも一は、複数の所定形状の金属を所定配列で位置させて平板状に形成した構成であり、複数の前記周波数帯域のうち少なくとも一の電磁波を反射するバンドストップ型に形成されている、
請求項１ないし３の何れか一項に記載の、アンテナ装置。
複数の前記周波数選択板のうち少なくとも一は、金属板または基板上の金属箔に複数の所定形状の空隙を所定配列で形成した構成であり、複数の前記周波数帯域のうち少なくとも一の電磁波を透過するバンドスルー型に形成されている、
請求項１ないし４の何れか一項に記載の、アンテナ装置。
電磁波を反射する金属反射板を、さらに有しており、
前記板配置手段は、前記電磁波の方向に順番に前記アンテナ素子および複数の前記周波数選択板および前記金属反射板を配置している、
請求項１ないし５の何れか一項に記載の、アンテナ装置。
前記板配置手段は、前記アンテナ素子に対して前記金属反射板および複数の前記周波数選択板を前記電磁波の複数の周波数帯域の比率と同一の比率の位置に配置している、
請求項６に記載の、アンテナ装置。
前記金属反射板および複数の前記周波数選択板は、その表面が前記電磁波の方向と直交しており、前記電磁波の複数の周波数帯域の比率と相互のサイズの比率が同一の相似形状に形成されている、
請求項７に記載の、アンテナ装置。