JP6356345B2 - マルチバンドアレーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、建設機械、車両、自動販売機などに搭載可能なマルチバンドアレーアンテナに関する。

モバイル通信の進展は、スマートフォンやタブレットに代表される、音声またはデータ伝送によるコンシューマー利用分野にとどまらず、専用システムとして構築されてきたテレメトリー分野にも及んでいる。近年、低価格かつ小型な無線モジュールを用いたM2M(Machine to Machine)の利用が進んでいる。コンシューマー利用のトラフィックと異なり、M2Mでは定期的かつ少ない情報量のトラフィックが発生する。

M2M向け無線モジュール(以下、単に無線モジュールとも呼称する)は、無線送受信機と外部アンテナで構成される。たとえば、2GHz帯と800MHz帯で適正に動作するように設計された無線送受信機と、2GHz帯と800MHz帯の両方を動作周波数に持つ外部設置ループアンテナが知られている。無線送受信機は例えばハンディターミナルや自動販売機に内蔵される。外部アンテナは無線送受信機のアンテナ端子に接続されており、例えばハンディターミナルのアンテナとして、または、自動販売機の上部に、設置される。無線モジュールでは、一般に、無線送受信機と外部アンテナを一体化して設置する必要はない。このように、コンシューマー向けのスマートフォン、タブレットあるいは携帯電話機と異なり、無線モジュールは自由度の高い実装形態を有する。

外部アンテナとして、さまざまな製品が提供されている（例えば非特許文献１参照）。2GHz帯と800MHz帯の両方を動作周波数に持つ上記のループアンテナは、外形寸法150mm×40mm×60mm、2GHz帯利得 -8dBd以上、800MHz帯利得 -7dBd以上、重量220gの仕様を有する。また、アンテナパターンを印刷したプリント基板をプラスチック筐体に内蔵したアンテナも知られており、電気的特性はループアンテナと同程度である。

従来のM2M向け無線モジュールの一例として、上述したように2GHz帯と800MHz帯の両方で動作する例が知られている。携帯電話向け周波数帯の増加から、無線モジュールで利用可能な周波数帯も増加すると考えられる。また無線モジュールの特性から、無線通信に利用する周波数帯が携帯電話向け周波数帯である必要性は必ずしもなく、特定小電力機器で使用される周波数帯、RFIDなどの周波数帯、無線LANの周波数帯など一定の技術基準を満たす前提条件があるものの、さまざまな周波数帯の利用が考えられる。

株式会社NTTドコモ、ユビキタスモジュールアンテナ（ルーフトップアンテナ02）、[online]、[2016年4月21日検索]、インターネット〈URL:http://www.docomo.biz/img/module/pdf/members/option/manual_rt-ant_02.pdf〉

M2M向け無線モジュール用アンテナとして複数の周波数帯で動作するアンテナ素子（以下、マルチバンドアンテナ素子と呼称する）の構成が望まれる。動作周波数帯の全てをカバーする広帯域アンテナの使用は可能であるが、一般的な広帯域アンテナでは十分な利得を得られない。また、広帯域アンテナは使用しない周波数帯の信号も受信してしまう。

アンテナの利得を向上させる方法として、複数のアンテナ素子を配置してアレーアンテナを構成する方法が知られている。複数の周波数帯で動作する高利得アンテナを実現するためには、マルチバンドアンテナ素子でアレーアンテナを構成すればよい。

無線モジュールの無線送受信機では一つのコネクタに複数の周波数帯の信号が入力されている。したがって、動作周波数帯の数に依らず入力端子の数を一つとする必要がある。このため、複数のマルチバンドアンテナ素子を用いてアレーアンテナを構成する場合、分配回路が用いられる。

このようなアレーアンテナにおいて、多くの動作周波数帯が定められている場合、隣り合うマルチバンドアンテナ素子の間隔の最適化が困難となる。また、一般的な分配回路は電力を等分配するため、分配回路に接続されているマルチバンドアンテナ素子は全て同じ構成を持つことが一般的である。

本発明は、隣り合うマルチバンドアンテナ素子の間隔の最適化が可能であって、且つ、分配回路による適正な電力分配が可能なマルチバンドアレーアンテナを提供することを目的とする。

本発明のマルチバンドアレーアンテナは、ｐ個の周波数帯のそれぞれで動作するｍ個の第１アンテナ素子と、ｑ個の周波数帯のそれぞれで動作するｎ個の第２アンテナ素子と、１個の入力端子とｍ＋ｎ個の出力端子を持つ１個のウィルキンソン型電力分配器と、フィルタと、整合回路とを含む。ｍとｎは、ｍ＝ｎ＋１とｎ＝ｍ＋１とｍ＝ｎのいずれかと、ｍ＋ｎ≧３とを満たす正整数であり、ｐとｑは、ｐ≧１、ｑ≧２、ｑ＞ｐを満たす正整数である。ｐ個の周波数帯は、ｑ個の周波数帯に含まれており、フィルタの個数はｍであり、整合回路の個数はｍである。ｍ個の第１アンテナ素子とｎ個の第２アンテナ素子は互い違いに配置されている。ウィルキンソン型電力分配器のｍ＋ｎ個の出力端子のうちｎ個の出力端子のそれぞれに、１個の第２アンテナ素子が接続されており、ウィルキンソン型電力分配器のｍ＋ｎ個の出力端子のうちｍ個の出力端子のそれぞれに、１個の整合回路と１個のフィルタの直列接続回路部を介して、１個の第１アンテナ素子が接続されている。各フィルタは、ｑ個の周波数帯には含まれるがｐ個の周波数帯には含まれない周波数帯を減衰させ、各整合回路は、当該整合回路が接続されているフィルタが減衰させる周波数帯でフィルタとウィルキンソン型電力分配器との間のインピーダンス整合を行う。各直列接続回路部は、当該直列接続回路部に含まれるフィルタが減衰させる周波数帯で、ウィルキンソン型電力分配器の分岐部が開放端となるように構成されている。

なお、隣り合う第１アンテナ素子と第２アンテナ素子との距離は、ｑ個の周波数帯のそれぞれにおいて、０．６波長以上１波長未満であることが好ましい。

本発明によると、ｍ個の第１アンテナ素子とｎ個の第２アンテナ素子が互い違いに配置されており、各整合回路は、フィルタの減衰周波数帯でフィルタとウィルキンソン型電力分配器との間のインピーダンス整合を行い、各直列接続回路部は、フィルタの減衰周波数帯で、ウィルキンソン型電力分配器の分岐部が開放端となるように構成されているため、隣り合うマルチバンドアンテナ素子の間隔の最適化が可能であって、且つ、分配回路による適正な電力分配が可能である。

図１は、第１実施例の構成を示す。 図２は、第１アンテナ素子の構成例を示す。 図３は、第２アンテナ素子の構成例を示す。 図４は、アンテナ素子の数に応じたアレーアンテナの指向特性を示す。 図５は、アンテナ素子間隔とアンテナレベルの関係を示す図である。 図６は、１個の整合回路と１個のフィルタとの直列接続回路部と２個の遅延回路が接続されている３分配のウィルキンソン型電力分配器の例を示す。 図７は、図６に示す回路のＶＳＷＲ特性を示す。 図８は、図６に示す回路の周波数特性を示す。 図９は、２ブランチダイバーシチ構成例を示す。 図１０は、広帯域２分配回路のレイアウトを示す。 図１１は、広帯域２分配回路の周波数特性と反射特性とアイソレーション特性を示す。 図１２は、第１実施例の変形例を示す。 図１３は、第２実施例の構成を示す。

図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下、各実施形態において共通の構成要素には同じ符号を割り当てて重複説明を省略する。

既述のように、複数のマルチバンドアンテナ素子を用いて構成されるアレーアンテナ（以下、マルチバンドアレーアンテナと呼称する）において、多くの動作周波数帯が定められている場合、隣り合うマルチバンドアンテナ素子の間隔の最適化が困難となる。

アレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔には、周波数帯ごとに最適値がある。アンテナ素子単体が複数の周波数帯で動作する場合、アンテナ素子間隔はどの動作周波数帯においても最適になるのではない。このため、アレーアンテナの利得は思うほど高くならない。例えば、2GHz帯と800MHz帯で同時に動作するデュアルバンドアンテナ素子でアレーアンテナを構成する場合、2GHz帯で最適な間隔は800MHz帯では最適な間隔ではない。同様に800MHz帯で最適な間隔は2GHz帯では最適な間隔ではない。

このため、本発明では、二種類のマルチバンドアンテナ素子を用いてマルチバンドアレーアンテナを構成する。一方のマルチバンドアンテナ素子の動作周波数帯は他方のマルチバンドアンテナ素子の動作周波数帯に含まれるが一致しない。

このように二種類のマルチバンドアンテナ素子の動作周波数が一致しない場合、分配回路の出力のうち動作周波数のみを通過させるフィルタを分配回路の出力端子に接続した構成が考えられる。しかし、分配回路は出力端子数に応じて電力を等分配するため、マルチバンドアンテナ素子で動作しない周波数成分はフィルタで反射されて分配回路内部の抵抗などで吸収される。このため、この周波数成分に関して分配回路による損失が増加したことになる。例えば、マルチバンドアレーアンテナを構成する３個のアンテナ素子のうち２個のアンテナ素子は800MHz帯と2GHz帯で動作するように構成されており、残り１個のアンテナ素子は2GHz帯で動作するように構成されている場合、800MHz帯で動作するアンテナ素子に対して２等分配されるべきところ分配回路によって３等分配されるため、800MHz帯に給電するレベルが低下する。

このため、本発明では、分配回路による適正な電力分配を実現するため、ウィルキンソン型電力分配器の一部の出力端子とフィルタとの間に整合回路を設け、さらに、フィルタの減衰周波数帯にてウィルキンソン型電力分配器の分岐部が開放端となるようにフィルタと整合回路が構成される。

以上の観点から、本発明の実施形態のマルチバンドアレーアンテナは、ｐ個の周波数帯のそれぞれで動作するｍ個の第１アンテナ素子と、ｑ個の周波数帯のそれぞれで動作するｎ個の第２アンテナ素子と、１個の入力端子とｍ＋ｎ個の出力端子を持つ１個のウィルキンソン型電力分配器と、フィルタと、整合回路とを含む。

ｍとｎは、ｍ＝ｎ＋１とｎ＝ｍ＋１とｍ＝ｎのいずれかと、ｍ＋ｎ≧３とを満たす正整数であり、ｐとｑは、ｐ≧１、ｑ≧２、ｑ＞ｐを満たす正整数である。

ｐ個の周波数帯は、ｑ個の周波数帯に含まれている。また、フィルタの個数はｍであり、整合回路の個数はｍである。

ｍ個の第１アンテナ素子とｎ個の第２アンテナ素子は互い違いに配置されており、ウィルキンソン型電力分配器のｍ＋ｎ個の出力端子のうちｎ個の出力端子のそれぞれに、１個の第２アンテナ素子が接続されている。また、ウィルキンソン型電力分配器のｍ＋ｎ個の出力端子のうちｍ個の出力端子のそれぞれに、１個の整合回路と１個のフィルタの直列接続回路部を介して、１個の第１アンテナ素子が接続されている。

各フィルタは、ｑ個の周波数帯には含まれるがｐ個の周波数帯には含まれない周波数帯を減衰させる。各整合回路は、当該整合回路が接続されているフィルタが減衰させる周波数帯でフィルタとウィルキンソン型電力分配器との間のインピーダンス整合を行う。各直列接続回路部は、直列接続回路部に含まれるフィルタが減衰させる周波数帯で、ウィルキンソン型電力分配器の分岐部が開放端となるように構成されている。

以下、本発明の具体的な実施例を説明する。
＜第1実施例＞
図１に示すマルチバンドアレーアンテナ１００は、ｐ＝３、ｑ＝４、ｍ＝１、ｎ＝２の場合の構成である。即ち、マルチバンドアレーアンテナ１００は、３個の周波数帯のそれぞれで動作する１個の第１アンテナ素子１０と、４個の周波数帯のそれぞれで動作する２個の第２アンテナ素子１２−１，１２−２と、１個の入力端子１４−９と３個の出力端子１４−１，１４−２，１４−３を持つ１個のウィルキンソン型電力分配器１４と、１個のフィルタ１６と、１個の整合回路１８とを含む。直列接続回路部１７は、フィルタ１６と整合回路１８とで構成される。

１個の第１アンテナ素子１０と２個の第２アンテナ素子１２−１，１２−２は互い違いに配置されており、ウィルキンソン型電力分配器１４の３個の出力端子１４−１，１４−２，１４−３のうち第１の出力端子１４−１に、遅延回路２０−１を介して１個の第２アンテナ素子１２−１が接続されており、第２の出力端子１４−２に、遅延回路２０−２を介して１個の第２アンテナ素子１２−２が接続されている。また、ウィルキンソン型電力分配器１４の第３の出力端子１４−３に、１個の整合回路１８と１個のフィルタ１６の直列接続回路部１７を介して、１個の第１アンテナ素子１０が接続されている。遅延回路２０−１，２０−２は、１個の整合回路１８と１個のフィルタ１６の直列接続回路部１７による遅延に相当する遅延を信号に与える。

フィルタ１６は、４個の周波数帯には含まれるが３個の周波数帯には含まれない周波数帯を減衰させる。整合回路１８は、整合回路１８が接続されているフィルタ１６が減衰させる周波数帯でフィルタ１６とウィルキンソン型電力分配器１４との間のインピーダンス整合を行う。整合回路１８とフィルタ１６の直列接続回路部は、この直列接続回路部に含まれるフィルタ１６が減衰させる周波数帯で、ウィルキンソン型電力分配器１４の分岐部１４−８が定在波の開放端となるように構成されている。

図２に第１アンテナ素子の例を、図３に第２アンテナ素子の例を示す。第１アンテナ素子は、1.8GHz帯のダイポールアンテナ素子と、2GHz帯のダイポールアンテナ素子と、2.5GHz帯のダイポールアンテナ素子とで構成されており、各ダイポールアンテナ素子は共通の給電点を持っている。給電線はこの給電点に接続される。第２アンテナ素子は、800MHz帯のダイポールアンテナ素子と、1.8GHz帯のダイポールアンテナ素子と、2GHz帯のダイポールアンテナ素子と、2.5GHz帯のダイポールアンテナ素子とで構成されており、各ダイポールアンテナ素子は共通の給電点を持っている。給電線はこの給電点に接続される。

第１アンテナ素子１０と第２アンテナ素子１２−１，１２−２はフィルムアンテナとして形成されている。フィルム７０は、厚さ0.1mm、長さ35cm、幅3cm、比誘電率2.7である。第１アンテナ素子１０と第２アンテナ素子１２−１，１２−２は導電性インクによってフィルム７０上に印刷されている。２個の第２アンテナ素子１２−１，１２−２の間隔は850MHzにて0.65波長であり、第１アンテナ素子１０と第２アンテナ素子１２−１の間隔および第１アンテナ素子１０と第２アンテナ素子１２−２の間隔はそれぞれ1.850GHzにて0.70波長である。

複数のアンテナ素子を配置してアレーアンテナを構成する場合、アンテナ素子間隔は主ビームとグレーディングローブなどのサイドローブを考慮して決定されなければならない。一般に、多くのアンテナ素子がアレーアンテナに含まれるほど、主ビームの利得が向上し、サイドローブが低下する。逆に、少数のアンテナ素子でアレーアンテナが構成される場合、主ビームの利得向上よりもサイドローブのレベルが問題となる。

図４に、アンテナ素子数が４、１６、２５６の各場合の規格化指向特性を示す。図４では、サイドローブ、特にグレーディングローブを評価するため、これらの利得は主ビームの利得で規格化されている。図４からわかるように、アンテナ素子数の増加は、サイドローブを主ビームよりも十分に低いレベルにすることができる。アンテナ素子数が４の場合では、角度が-1 rad、-2 rad, 1 rad, 2 rad付近にてサイドローブが見られる。本発明のマルチバンドアレーアンテナを例えば建設機械の限られたスペースに設置する場合、アンテナ素子の数に限界がある。現実的な最大アンテナ素子数は５あるいは６であろう。図４からサイドローブを考慮した設計が必要であることが理解できるが、通常、十分なアンテナ素子数を確保できるため、サイドローブレベルを考慮したアンテナ素子の配置の決定がなされていなかった。

図５に、アンテナ素子数が４の場合における、波長換算でのアンテナ素子間隔と、主ビームのレベルとサイドローブのレベルをそれぞれ示す。主ビームのレベルは波長換算でのアンテナ素子間隔を大きくしても数%の低下であるが、サイドローブのレベルは波長換算でのアンテナ素子間隔が0.9を超えると大幅に増大する。この結果から、本発明のマルチバンドアレーアンテナでは、波長換算でのアンテナ素子間隔は、アレーアンテナ構成によるアンテナ利得向上とサイドローブレベルの観点から、0.6から0.9程度でなければならない。

1.8GHz帯は周波数に関して800MHz帯の約２倍であることから、その比率でアンテナ素子の配置を行うことによって、800MHz帯を動作周波数帯として含むアンテナ素子と、800MHz帯を動作周波数帯として含まないアンテナ素子を互い違いに配置したアレーアンテナを構成できる。

第１アンテナ素子は1.8GHz帯、2GHz帯、2.5GHz帯のそれぞれで動作するアンテナのため、各周波数帯での波長換算距離が異なる。このため、1.8GHz帯、2GHz帯、2.5GHz帯において、第１アンテナ素子と第２アンテナ素子の各間隔が0.6波長から0.9波長程度となる条件が必要である。これは互い違いに配置された第１アンテナ素子と第２アンテナ素子の各間隔と動作周波数帯での波長換算距離との関係による。

フィルムアンテナの全長が35cmであることから、第２アンテナ素子１２−１と第２アンテナ素子１２−２の間隔を850MHzで0.65波長となる22.8cmとした。第１アンテナ素子１０と第２アンテナ素子１２−１，１２−２の各間隔は、1.850GHzにて0.70波長となる11.4cmとした。このアンテナ素子間隔(11.4cm)は、1.850GHzは850MHzに対して周波数比で約2.17倍であることによる。なお、このアンテナ素子間隔(11.4cm)は、2.150GHzにて0.82波長、2.450GHzにて0.93波長となる。いずれも0.9波長程度以下であることから、アンテナ素子間隔として適切である。

マルチバンドアレーアンテナ１００は、例えば、建設機械の運転席の正面ピラーに沿うように貼付される。このため水平面は無指向性となる。マルチバンドアレーアンテナ１００は800MHz帯にて２素子アレーアンテナとして動作し、1.8GHz帯、2GHz帯、2.5GHz帯にて３素子アレーアンテナとして動作する。このため、単一のダイポールアンテナと比較して、理想状態で3dBまたは4.7dBの指向性利得の向上が見込まれる。

図６に、１個の整合回路１８と１個のフィルタ１６との直列接続回路部１７と遅延回路２０−１，２０−２が接続されている３分配のウィルキンソン型電力分配器１４の構成を示す。一般的な無線モジュールは送受信端子が一つであることから、無線モジュールの動作周波数すべてにおいて機能する分配回路が必要である。ウィルキンソン型電力分配器１４は、入力端子１４−９に入力された無線モジュールからの入力信号を等電力かつ等遅延で各出力端子１４−１，１４−２，１４−３に分配する回路である。フィルタ１６は、800MHz帯の周波数成分を除去する回路であり、例えば800MHz帯を減衰させるノッチフィルタである。ノッチフィルタを用いるので、第２アンテナ素子１２−１，１２−２が接続する出力端子１４−１，１４−２には遅延回路２０−１，２０−２が接続されている。遅延回路２０−１，２０−２を使用する理由は、第１アンテナ素子１０と第２アンテナ素子１２−１，１２−２による理想的な指向特性を実現するためである。

３分配のウィルキンソン型電力分配器１４の動作を説明する。ウィルキンソン型電力分配器１４の入力端子１４−９に800MHz帯、1.8GHz帯、2GHz帯、2.5GHz帯の４種類の周波数帯の信号が入力される。第２アンテナ素子１２−１，１２−２には、ウィルキンソン型電力分配器１４によって３等分配された信号が伝達される。第１アンテナ素子１０には、フィルタ１６によって800MHz帯が除去された、1.8GHz帯、2GHz帯、2.5GHz帯の３種類の周波数帯の信号が伝達される。フィルタ１６と整合回路１８の直列接続回路部１７は、ウィルキンソン型電力分配器１４の３分岐部１４−８が800MHz帯で開放端となる条件を設定している。即ち、３分岐部１４−８から整合回路１８を経由してフィルタ１６までの電気長によって３分岐部１４−８で開放端条件が満たされており、整合回路１８によって800MHz帯でのインピーダンス整合が行われる。整合回路１８は、フィルタ１６側の特性インピーダンスZnと、ウィルキンソン型電力分配器１４の抵抗器１４−７が付加された箇所から入力端子１４−９側を見た特性インピーダンスZdとを整合させる。整合回路１８は、例えば、特性インピーダンス(Zn×Zd)^0.5の1/4波長線路で実現される。ウィルキンソン型電力分配器１４の入力端子１４−９から見ると、フィルタ１６で除去される周波数帯では、ウィルキンソン型電力分配器１４の分岐部１４−８にて、第１アンテナ素子１０が接続される出力端子１４−３側が開放端となり、入力信号を２等分配する機能を実現している。フィルタ１６で除去されない周波数帯では、分岐部１４−８にて開放端条件とならないため、各出力端子１４−１，１４−２，１４−３の特性インピーダンスが見え、入力信号を３等分配する機能を実現している。このように、２等分配するべき周波数帯の信号成分を２等分配し、３等分配するべき周波数帯の信号成分を３等分配しており、アンテナ素子の動作周波数帯に応じて最適な分配を実現している。

図６に示すように、１個の整合回路１８と１個のフィルタ１６との直列接続回路部１７と遅延回路２０−１，２０−２が接続されている３分配のウィルキンソン型電力分配器１４は、マイクロストリップラインで構成できる。使用したプリント基板は比誘電率2.2、誘電体厚さ0.787mm、両面銅張、銅厚さ18μmである。３分配のウィルキンソン型電力分配器１４は、入力信号を特性インピーダンス86.5Ωの1/4波長線路に3分配する。ここでの1波長は800MHzと2.5GHzの中心である1.65GHzとした。ウィルキンソン型電力分配器１４を構成する抵抗器１４−７として100Ω抵抗器を用いた。フィルタ１６と整合回路１８の直列接続回路部１７はインピーダンス変換回路と開放端線路で構成される。インピーダンス変換器は、ウィルキンソン電力分配器１４の出力端子１４−３のインピーダンス50Ωと開放端線路側のインピーダンスとを整合させるために用いられる。遅延回路２０−１，２０−２はフィルタ１６の遅延時間と合うように線路長を調整した50Ω線路である。図６に示す構成では、各遅延回路を長さ10cm、幅5mmの線路で構成できる。

フィルタ１６はノッチフィルタに限定されない。第１実施例では、800MHz帯を減衰させることからフィルタ１６はハイパスフィルタでもよい。もし2.5GHz帯を減衰させる場合にはフィルタ１６はローパスフィルタでもよい。同様に1.8GHz帯を減衰させる場合にはフィルタ１６はバンドパスフィルタでもよい。フィルタ１６に相当する部分をコイルとキャパシタで構成してもよい。

図７に、３等分配のウィルキンソン電力分配器１４のVSWR特性の計算結果を示す。図７中のPort1は入力端子１４−９、Port2は第２アンテナ素子１２−１への出力端子１４−１、Port3は第１アンテナ素子１０への出力端子１４−３、Port4は第２アンテナ素子１２−２への出力端子１４−２を意味する。800MHz帯と、1.8GHzから2.5GHzまでの範囲で、VSWR 2以下を達成していることがわかる。

図８に、３等分配のウィルキンソン電力分配器１４の周波数特性を示す。図８中のS21はPort1からPort2への通過特性、S31はPort1からPort3への通過特性、S41はPort4からPort1への通過特性を表す。S31から第１アンテナ素子１０への分配では800MHz帯が10dB以上抑圧され、1.8GHz帯から2.5GHz帯の最大挿入損失が5dBであることがわかる。これに対して各第２アンテナ素子１２−１，１２−２への分配では800MHz帯から2.5GHz帯までの挿入損失はおよそ5dBである。特に、800MHz帯の損失は4dBであり、1.8GHzから2.5GHzでの最大挿入損失と比較して少ない。

このように、第１実施例のマルチバンドアレーアンテナ１００では、800MHz帯、1.8GHz帯、2GHz帯、2.5GHz帯の４バンドについて、２素子アレーアンテナと３素子アレーアンテナを実現している。

また、２個のマルチバンドアレーアンテナ１００と広帯域２分配回路１５０によって図９に示す２ブランチダイバーシチアンテナを構成できる。広帯域２分配回路１５０は、800MHz帯から2.5GHz帯の入力信号を等電力かつ等遅延で分配する。広帯域２分配回路１５０として、３ステージウィルキンソン電力分配回路が用いられる。図１０に３ステージウィルキンソン電力分配回路のレイアウトを示す。使用したプリント基板はウィルキンソン電力分配器１４で用いたプリント基板と同じである。サイズは縦4.25cm、横3cmである。設計動作周波数は800MHzと2.5GHzの中心である1.65GHzである。入力信号は特性インピーダンス86.8Ωの1/4波長線路に分配され、各線路は91Ω抵抗器に接続される。91Ω抵抗器に特性インピーダンス71.56Ωの1/4波長線路が接続されており、各線路は240Ω抵抗器に接続される。240Ω抵抗器に特性インピーダンス63.47Ωの1/4波長線路が接続されており、各線路は200Ω抵抗器に接続される。図１０に示すレイアウトでは、省スペースのために６本の1/4波長線路は適切に曲げられている。

図１１に広帯域２分配回路１５０の周波数特性の計算結果を示す。図１１中のS11は入力端子１５０−９での反射特性、S22は一方の出力端子１５０−１の反射特性、S33は他方の出力端子１５０−２の反射特性、S21は入力端子１５０−９から一方のマルチバンドアレーアンテナ１００への通過特性、S31は入力端子１５０−９から他方のマルチバンドアレーアンテナ１００への通過特性、S32は一方の出力端子１５０−１と他方の出力端子１５０−２とのアイソレーションを表す。広帯域2分配回路１５０は、800MHz帯から2.5GHz帯までおよそ3dB損失で電力分配を可能にしている。

広帯域２分配回路の構成として、広帯域ブランチラインカプラを採用することもできる。ブランチラインカプラの各端子に広帯域整合回路を設けることによって、広帯域にて良好な分配特性を実現できる。第１実施例のマルチバンドアレーアンテナ１００を用いた上述のダイバーシチアンテナは、等遅延で２合成するダイバーシチ回路である。したがって、２個のマルチバンドアレーアンテナ１００で受信したそれぞれの振幅と位相を等遅延で合成するため、等利得合成ダイバーシチに相当する特性を期待できる。建設機械が山間部など弱電界領域にある場合において、ダイバーシチ回路によって、より確実な無線通信が可能となる。

＜第１実施例の変形例＞
図１２に示すマルチバンドアレーアンテナ２００は、ｐ＝１、ｑ＝２、ｍ＝２、ｎ＝３の場合の構成である。即ち、マルチバンドアレーアンテナ２００は、１個の周波数帯（2GHz）で動作する２個の第１アンテナ素子１０−１，１０−２と、２個の周波数帯（800MHz，2GHz）のそれぞれで動作する３個の第２アンテナ素子１２−１，１２−２，１２−３と、１個の入力端子１４−９と５個の出力端子１４−１，１４−２，１４−３，１４−４，１４−５を持つ１個のウィルキンソン型電力分配器１４ａと、２個のフィルタ１６−１，１６−２と、２個の整合回路１８−１，１８−２とを含む。

２個の第１アンテナ素子１０−１，１０−２と３個の第２アンテナ素子１２−１，１２−２，１２−３は互い違いに配置されており、ウィルキンソン型電力分配器１４ａの５個の出力端子１４−１，１４−２，１４−３，１４−４，１４−５のうち第１の出力端子１４−１に、遅延回路２０−１を介して１個の第２アンテナ素子１２−１が接続されており、第２の出力端子１４−２に、遅延回路２０−２を介して１個の第２アンテナ素子１２−２が接続されており、第３の出力端子１４−３に、遅延回路２０−３を介して１個の第２アンテナ素子１２−３が接続されている。また、ウィルキンソン型電力分配器１４ａの第４の出力端子１４−４に、１個の整合回路１８−１と１個のフィルタ１６−１の直列接続回路部１７−１を介して、１個の第１アンテナ素子１０−１が接続されており、第５の出力端子１４−５に、１個の整合回路１８−２と１個のフィルタ１６−２の直列接続回路部１７−２を介して、１個の第１アンテナ素子１０−２が接続されている。遅延回路２０−１，２０−２，２０−３は、直列接続回路部１７−１，１７−２による遅延に相当する遅延を信号に与える。

各フィルタ１６−１，１６−２は、２個の周波数帯には含まれるが１個の周波数帯には含まれない周波数帯を減衰させる。各整合回路１８−ｉ（ｉ＝１，２）は、その整合回路１８−ｉが接続されているフィルタ１６−ｉが減衰させる周波数帯でフィルタ１６−ｉとウィルキンソン型電力分配器１４ａとの間のインピーダンス整合を行う。整合回路１８−ｉとフィルタ１６−ｉの直列接続回路部１７−ｉは、この直列接続回路部１７−ｉに含まれるフィルタ１６−ｉが減衰させる周波数帯で、ウィルキンソン型電力分配器１４ａの分岐部が定在波の開放端となるように構成されている。

５分配のウィルキンソン型電力分配器１４ａは、入力信号を特性インピーダンス111.8Ωの1/4波長線路に５分配する。各1/4波長線路端には50Ω抵抗器の一端が接続されており、各抵抗器の他端は接地されている。この構成によって、入力信号の電力を等しい遅延で等分配できる。

＜第２実施例＞
図１３に示すマルチバンドアレーアンテナ３００は、ｐ＝１、ｑ＝２、ｍ＝１、ｎ＝２の場合の構成である。即ち、マルチバンドアレーアンテナ３００は、１個の周波数帯（2GHz）で動作する１個の第１アンテナ素子１０と、２個の周波数帯（800MHz，2GHz）のそれぞれで動作する２個の第２アンテナ素子１２−１，１２−２と、１個の入力端子１４−９と３個の出力端子１４−１，１４−２，１４−３を持つ１個のウィルキンソン型電力分配器１４と、１個のフィルタ１６と、１個の整合回路１８とを含む。

１個の第１アンテナ素子１０と２個の第２アンテナ素子１２−１，１２−２は互い違いに配置されており、ウィルキンソン型電力分配器１４の３個の出力端子１４−１，１４−２，１４−３のうち第１の出力端子１４−１に、遅延回路２０−１を介して１個の第２アンテナ素子１２−１が接続されており、第２の出力端子１４−２に、50Ω線路を介して１個の第２アンテナ素子１２−２が接続されている。また、ウィルキンソン型電力分配器１４の第３の出力端子１４−３に、１個の整合回路１８と１個のフィルタ１６の直列接続回路部１７と遅延回路２０−２を介して、１個の第１アンテナ素子１０が接続されている。遅延回路２０−１，２０−２は、第２の出力端子と第２アンテナ素子１２−２までの距離による遅延に等しくなるような遅延を信号に与える。

フィルタ１６は、２個の周波数帯には含まれるが１個の周波数帯には含まれない周波数帯を減衰させる。整合回路１８は、その整合回路１８が接続されているフィルタ１６が減衰させる周波数帯でフィルタ１６とウィルキンソン型電力分配器１４との間のインピーダンス整合を行う。整合回路１８とフィルタ１６の直列接続回路部１７は、この直列接続回路部１７に含まれるフィルタ１６が減衰させる周波数帯で、ウィルキンソン型電力分配器１４の分岐部が定在波の開放端となるように構成されている。第２実施例では、一枚のプリント基板７１にマルチバンドアレーアンテナが形成されている。

この他、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

Claims (2)

1. ｐ個の周波数帯のそれぞれで動作するｍ個の第１アンテナ素子と、
   ｑ個の周波数帯のそれぞれで動作するｎ個の第２アンテナ素子と、
   １個の入力端子とｍ＋ｎ個の出力端子を持つ１個のウィルキンソン型電力分配器と、
   フィルタと、
   整合回路と
   を含み、
   上記ｍと上記ｎは、ｍ＝ｎ＋１とｎ＝ｍ＋１とｍ＝ｎのいずれかと、ｍ＋ｎ≧３とを満たす正整数であり、
   上記ｐと上記ｑは、ｐ≧１、ｑ≧２、ｑ＞ｐを満たす正整数であり、
   上記ｐ個の周波数帯は、上記ｑ個の周波数帯に含まれており、
   上記フィルタの個数は上記ｍであり、
   上記整合回路の個数は上記ｍであり、
   ｍ個の上記第１アンテナ素子とｎ個の上記第２アンテナ素子は互い違いに配置されており、
   上記ウィルキンソン型電力分配器のｍ＋ｎ個の上記出力端子のうちｎ個の上記出力端子のそれぞれに、１個の上記第２アンテナ素子が接続されており、
   上記ウィルキンソン型電力分配器のｍ＋ｎ個の上記出力端子のうちｍ個の上記出力端子のそれぞれに、１個の上記整合回路と１個の上記フィルタの直列接続回路部を介して、１個の上記第１アンテナ素子が接続されており、
   各上記フィルタは、上記ｑ個の周波数帯には含まれるが上記ｐ個の周波数帯には含まれない周波数帯を減衰させ、
   各上記整合回路は、当該整合回路が接続されている上記フィルタが減衰させる周波数帯で上記フィルタと上記ウィルキンソン型電力分配器との間のインピーダンス整合を行い、
   各上記直列接続回路部は、当該直列接続回路部に含まれる上記フィルタが減衰させる周波数帯で、上記ウィルキンソン型電力分配器の分岐部が開放端となるように構成されている
   マルチバンドアレーアンテナ。
2. 請求項１に記載のマルチバンドアレーアンテナにおいて、
   隣り合う上記第１アンテナ素子と上記第２アンテナ素子との距離は、上記ｑ個の周波数帯のそれぞれにおいて、０．６波長以上１波長未満である
   ことを特徴とするマルチバンドアレーアンテナ。

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