JP6421057B2

JP6421057B2 - 広帯域無指向性アンテナ

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Publication number: JP6421057B2
Application number: JP2015046004A
Authority: JP
Inventors: 中野　久松; 久松中野; 雅俊多田; 嵩明鴻上; 一成小林
Original assignee: HYS Engineering Service Inc
Current assignee: HYS Engineering Service Inc
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2035-03-09
Also published as: JP2016167680A

Description

この発明は、例えば、携帯電話の無線信号波やテレビジョン放送の地上波を中継する中継装置、船舶や車両、航空機等の移動局、或いは陸上基地局に使用される広帯域無指向性アンテナに関する。

一般に、携帯電話の無線信号波やテレビ放送等の地上波を地下街等の不感地帯に再送信する中継装置で使用されるアンテナには、設置場所や美観等の問題から小型軽量のアンテナが要求される。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。

この要求を満たすアンテナ装置として、双指向性偏波アンテナ装置が知られている。このアンテナ装置は、例えば線状もしくは面状のインピーダンス整合素子部に対しその背面より１点給電で励振を行い、かつ上記整合素子部に垂直に設けられ先端を接地するように配置された複数の線状放射素子部を有する水平偏波用双指向性アンテナを、接地板上に配置したものとなっている。

一方、船舶や車両、航空機等の移動局や、陸上基地局等で使用される通信用アンテナとしては、全ての到来方向からの電波を受信するために水平面指向性が無指向であること、構造的な設置強度等の観点から低姿勢であること、アンテナ本数を削減するために広帯域であることが求められている。さらに近年においては、艦艇及び航空機等の低ＲＣＳ（Rader Cross Section）化のため、船体及び機体形状とアンテナ形状との一体化が求められており、アンテナの低姿勢化および平面化が要求されている。

アンテナを広帯域を維持して低姿勢かつ平面化する技術としては、正方形に形成した導体板上に例えば４本の放射素子を放射状に設けると共に、各放射素子の終端に板状の短絡素子を導体板上に垂直に取付け、上記放射素子の下側中心部に給電素子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技術が知られている（例えば特許文献１を参照。）。

特開２００７−３３６２９６号公報

ところが、特許文献１に記載されたアンテナでは、低姿勢化を可能にしているが、水平面指向性の帯域内の偏差が非常に大きくなっており、安定した無指向性が得られない。また、比帯域についても十分な広帯域特性が得られないという問題がある。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、水平面指向性の帯域内偏差が小さく、かつ比帯域幅についても十分な広帯域特性を得ることが可能な広帯域無指向性アンテナを提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明に係る広帯域無指向性アンテナの第１の態様は、四角形以上の多角形または円形状をなし、中央部に給電部が設けられた接地板と、逆三角形状をなす複数の導電板を互いに交差する状態で一体化した形状を有し、前記接地板上面に垂直方向に立設されると共に、下端部が前記給電部に接続された放射素子と、前記接地板上面に対し一定の距離を隔てた状態で、前記放射素子を中心にその径方向に放射状に配置され、かつ前記放射素子に対し近接する第１の端部が前記放射素子に対し所定の間隙を隔てて容量結合された複数の無給電素子と、前記複数の無給電素子の前記第１の端部と反対側となる第２の端部を前記接地板に対し個別に接続する、線状をなす複数の短絡素子とを具備することを特徴とするものである。

この発明に係る広帯域無指向性アンテナの第１の態様は、前記複数の無給電素子を、前記放射素子を中心にその径方向へ放射状に配置された第１の部位と、当該第１の部位の先端から前記径方向と直交しかつ前記接地板と平行する方向へ折曲形成された第２の部位とを備えるようにしたものである。

前記複数の無給電素子を４つとしてその相互配置角度φを９０度とし、送信または受信対象とする帯域の下限周波数ｆ_L に対応する波長をλ_L とする場合に、前記放射素子の中心から前記無給電素子の第２の端部までの長さＬを約０．２λ_L、前記無給電素子と前記接地板との間の距離ｈを約０．１λ_L、前記放射素子の中心部から外縁部までの長さＤを約３．５×１０^-2λ_L、前記放射素子の外縁部と前記無給電素子の第１の端部との間隙Ｇａｐを約１．７×１０^-2λ_Lに設定するとよい。

この発明の第１の態様によれば、放射素子として逆三角形をなす導体板を交差させたものを用い、無給電素子および短絡素子として線状導体を用いただけの比較的簡易な構造でありながら、広帯域にわたり水平面指向性の帯域内偏差が小さく、かつ比帯域が広く十分な広帯域特性を得ることができる。

この発明の第２の態様によれば、無給電素子の先端部を折曲形成したことで、無給電素子の第１の部位の長さを短縮して放射器集合部の径を小さくすることが可能となり、これにより放射器集合部の小型化を図ることができる。そして、放射器集合部の径の小型化により、指向性の水平面偏差を小さくして水平面指向性をさらに向上させることが可能となる。

すなわちこの発明の各態様によれば、水平面指向性の帯域内偏差が小さく、かつ比帯域幅についても十分な広帯域特性を得ることが可能な広帯域無指向性アンテナを提供することができる。

この発明の第１の実施形態に係る広帯域無指向性アンテナの全体構成を示す斜視図。図１に示したアンテナの放射器集合部の構成を拡大して示した斜視図。図２に示した放射器集合部の各部の寸法の一例を示した図。図１に示した広帯域無指向性アンテナのＶＳＷＲ特性の一例を示す図。図１に示した広帯域無指向性アンテナの垂直面および水面指向性の一例を示した図。この発明の第２の実施形態に係る広帯域無指向性アンテナの放射器集合部の構成を拡大して示した斜視図。図６に示した広帯域無指向性アンテナにおいて、無給電素子の中間水平屈曲部の長さｒを異ならせたときのＶＳＷＲ特性を比較して示した図。 λ／４ショート回路の構成を模式的に示した図。 λ／４ショート回路の周波数特性を示す図。図１及び図６に示した広帯域無指向性アンテナの動作周波数とアンテナ径との関係を示す図。

以下、図面を参照してこの発明に係わるいくつかの実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
図１は、この発明の第１の実施形態に係る広帯域無指向性アンテナの全体構成を示す斜視図である。本実施形態に係る広帯域無指向性アンテナは、円板状をなす接地板１の中央部に放射器集合部２を配置している。

放射器集合部２は、上記接地板１の中央部に放射素子２１を垂直に立てた状態に配置している。放射素子２１は、逆三角形または逆二等辺三角形をなす２枚の導体板２１１，２１２を角度φ（φ＝９０度）で互いに交差させた状態で一体形成したもので、下方先端部を上記接地板１に設けられた給電点３に接続している。

上記放射素子２１の周辺部には、４本の無給電素子２２１〜２２４が水平方向に放射状に配置されている。これらの無給電素子２２１〜２２４は、いずれも長さＬで直径がｂからなる線状導体により構成される。また、その配置位置は、高さ方向の位置ｈが上記放射素子２１の導体板２１１，２１２の高さと同一の位置に設定され、水平方向の位置が上記導体板２１１，２１２の上端辺（交差中心部からの長さＤ）の延長線上で、かつ当該導体板２１１，２１２の水平方向の先端エッジ部に対し一定の間隔（Ｇａｐ）を隔てて配置されるように設定されている。なお、無給電素子２２１〜２２４は線状に限るものではなく、例えば短冊型や扇型をなす板状体であってもよい。

上記無給電素子２２１〜２２４の先端部にはそれぞれ短絡素子２３１〜２３４が垂直方向に配置されている。この短絡素子２３１〜２３４は、いずれも長さがｈで直径がｂからなる線状導体からなり、上端部が上記無給電素子２２１〜２２４の先端部に接続され、下端部が上記接地板１に接地されている。

このような構成であるから、例えば要求される通信帯域の下限周波数ｆ_L を３．１４GHzに設定し、上記放射素子２１の導体板２１１，２１２、無給電素子２２１〜２２４および短絡素子２３１〜２３４の各部の寸法を図３に示すように設定したとする。そうすると、通信帯域のうち高い周波帯領域が主として放射素子２１により送受波され、低い周波数領域が無給電素子２２１〜２２４および短絡素子２３１〜２３４により送受波される。図４にその電圧定在波比（Voltage Standing Wave Ratio：ＶＳＷＲ）特性を示す。図４に示すように第１の実施形態に係るアンテナによれば、３．１４GHz〜６．８７GHzの広帯域にわたりＶＳＷＲが“３．００”以下となる良好な広帯域特性が得られる。

また指向性について見ると、先ず水平面においては例えば図５（ｂ）に示すように、上記３．１４GHz〜６．８７GHzの全域にわたり−３．００dBi以上の利得が得られ、垂直面においては例えば図５（ａ）に示すように、上記３．１４GHz〜６．８７GHzの全域にわたり垂直上方を０度として１０度〜１０５度の範囲で−３．００dBi以上の利得が得られる。

すなわち、第１の実施形態に係る広帯域無指向性アンテナによれば、放射素子２１として逆三角形をなす導体板２１１，２１２を用い、無給電素子２２１〜２２４および短絡素子２３１〜２３４として線状導体を用いただけの比較的簡易な構造でありながら、３．１４GHz〜６．８７GHzの全域にわたり、水平面指向性の帯域内偏差が小さく、かつ比帯域が７０％以上の十分な広帯域特性を得ることができる。

さらに、放射器集合部２の直径をλ_L／２以下、放射素子２１のみであればλ_L／１０以下にすることができるので、重量および受風荷重を共に大幅に小さくすることができ、これにより安価でありながら高い耐風速性能を持つアンテナを提供できる。

さらに、誘電体材料を用いずに金属材料のみにより構成することができるので、耐火性が高く、地下施設やトンネルなどの耐火規定のある環境に適したアンテナを提供することができる。

さらに、放射素子２１、無給電素子２２１〜２２４および短絡素子２３１〜２３４と給電線路を接地板１の同一面上に配置することができ、接地板１の裏面は接地面であるため、金属筐体や壁面への直付けが可能である。

また、短絡素子２３１〜２３４を直径ｂが０．２mmという細い線状導体により構成している。このように短絡素子２３１〜２３４として細径の線状導体を用いると、次のような効果が得られる。すなわち、λ／４短絡回路は、図８にその等価回路を示すように反共振回路であるため、Ｑ値が大きいほど、周波数が変化しても大きなインピーダンスを維持でき、共振周波数近傍の周波数の通過特性は影響を受けにくくなる。Ｑ値が高いときは、図９に示す式からも明らかなようにインダクタンスＬが大きく、キャパシタンスＣと抵抗値Ｒが小さいときである。このとき、短絡回路の伝送線路は、より高いインピーダンスＺb となる。よって、短絡素子２３１〜２３４は径の細いものが望ましい。ちなみに、短絡素子２３１〜２３４の径は０．２mm〜１．０mmに設定するとよい。

［第２の実施形態］
図６は、この発明の第２の実施形態に係る広帯域無指向性アンテナの放射器集合部の構成を示す斜視図である。なお、同図において前記図１と同一部分には同一符号を付して詳しい説明は省略する。

無給電素子２５１〜２５４の各々は、放射素子２１から遠ざかる方向に配置される第１の部位２５１ａ〜２５４ａと、これら第１の部位２５１ａ〜２５４ａの先端を水平方向に円弧状に屈曲形成した第２の部位２５１ｂ〜２５４ｂとから構成される。なお、短絡素子２３１〜２３４の上端部は、上記第２の部位２５１ｂ〜２５４ｂの先端部に接続される。

無給電素子２５１〜２５４に求められる素子長を第１の実施形態と同様にＬとすると、上記第１の部位２５１ａ〜２５４ａおよび第２の部位２５１ｂ〜２５４ｂの長さは、それぞれｒ、Ｌ−ｒに設定される。なお、図６図中のθは上記第２の部位２５１ｂ〜２５４ｂの長さＬ−ｒに対応する中心角である。

以上のように構成すると、第１の部位２５１ａ〜２５４ａの長さを短くすることで、放射器集合部２の径を小さくすることが可能となり、これにより放射器集合部２の小型化を図ることができる。そして、放射器集合部２の径の小型化により、必然的に指向性の水平面偏差が小さくなり、これにより水平面指向性をさらに向上させることが可能となる。

また、広帯域特性について調べるために、放射器集合部２の各部位の寸法を図３に例示した値に設定し、無給電素子２５１〜２５４の第１の部位２５１ａ〜２５４ａと第２の部位２５１ｂ〜２５４ｂとの合計長Ｌを変えずにその比率を変化させてＶＳＷＲ特性を測定したところ、図７に示すような特性が得られた。なお、図７では第１の部位２５１ａ〜２５４ａの長さｒを１８mm、１４mm、１０mm、８mmとした場合の特性を例示している。この特性に基づいて動作周波数とアンテナ径との関係を求めると図１０に示す結果が得られる。

以上の結果から明らかなように、第１の部位２５１ａ〜２５４ａの長さｒを１０mm以下にすると、第１の実施形態のように第２の部位２５１ｂ〜２５４ｂを設けない場合、つまり第１の部位２５１ａ〜２５４ａの長さｒをＬ＝２０mmとした場合に比べ比帯域は低下する。しかし、第１の部位２５１ａ〜２５４ａの長さｒを１８mmに設定すると、放射器集合部２の直径を２mm小型化した上でｒ＝Ｌ＝２０mmの場合と同等以上の比帯域を得ることができる。さらに特筆すべきは、第１の部位２５１ａ〜２５４ａの長さｒを１４mmに、つまり第２の部位２５１ｂ〜２５４ｂの長さを６mmに設定すると、放射器集合部２の直径を６mm小型化した上で、比帯域を８６．２％に高めることが可能となる。すなわち、放射器集合部２の直径を小型化した上で通信帯域幅をさらに広帯域化することが可能となる。

［その他の実施形態］
第１及び第２の実施形態では、いずれも無給電素子２２１〜２２４および２５１〜２５４を放射素子２１の導体板２１１，２１２に対応して、その上端辺の延長線上に配置するようにした。しかしこれに限らず、無給電素子２２１〜２２４および２５１〜２５４を、導体板２１１，２１２間の中間位置（例えば導体板２１１，２１２に対し４５度となる位置）に対応して配置するようにしてもよい。

また、前記第１及び第２の実施形態では、２枚の導体板２１１，２１２により放射素子２１を構成したが、３枚以上の導体板を等間隔で交差させて放射素子を構成してもよい。さらに、無給電素子および短絡素子についても４個に限るものではなく、３個或いは５個以上であってもよく、また放射素子２１に対する無給電素子および短絡素子の配置位置関係も適宜設定することができる。

さらに、第１および第２の実施形態では通信帯域の下限周波数ｆ_L を３．１４GHzに設定した場合について述べたが、求められる通信帯域の下限周波数ｆ_L に応じて放射素子２１の導体板２１１，２１２、無給電素子２２１〜２２４および短絡素子２３１〜２３４の各部の寸法を適宜設定することで、如何なる通信帯域にも対応可能である。

さらに、第１及び第２の実施形態では接地板１として円板を用いたが、四角形以上の多角形を用いることも可能である。接地板の直径は、下限周波数に対応する波長に対し１．５倍以上の大きさが望ましい。

その他、放射素子、無給電素子および短絡素子の構成、サイズ等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。

要するにこの発明は、上記各実施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。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…接地板、２…放射器集合部、３…給電点、２１…放射素子、２１１，２１２…導体板、２２１〜２２４，２５１〜２５４…無給電素子、２３１〜２３４…短絡素子、２５１ａ〜２５４ａ…無給電素子の第１の部位、２５１ｂ〜２５４ｂ…無給電素子の第２の部位。

Claims

四角形以上の多角形または円形状をなし、中央部に給電部が設けられた接地板と、
逆三角形状をなす複数の導電板を互いに交差する状態で一体化した形状を有し、前記接地板上面に垂直方向に立設されると共に、下端部が前記給電部に接続された放射素子と、
前記接地板上面に対し一定の距離を隔てた状態で、前記放射素子を中心にその径方向に放射状に配置され、かつ前記放射素子に対し近接する第１の端部が前記放射素子に対し所定の間隙を隔てて容量結合された複数の無給電素子と、
前記複数の無給電素子の前記第１の端部と反対側となる第２の端部を前記接地板に対し個別に接続する、線状をなす複数の短絡素子と
を具備することを特徴とする広帯域無指向性アンテナ。
前記複数の無給電素子は、
前記放射素子を中心にその径方向へ放射状に配置された第１の部位と、
当該第１の部位の先端から前記径方向と直交しかつ前記接地板と平行する方向へ折曲形成された第２の部位と
を備えることを特徴とする請求項１記載の広帯域無指向性アンテナ。
前記複数の無給電素子を４つとしてその相互配置角度φを９０度とし、送信または受信対象とする帯域の下限周波数ｆ_L に対応する波長をλ_L とする場合に、前記放射素子の中心から前記無給電素子の第２の端部までの長さＬを約０．２λ_L、前記無給電素子と前記接地板との間の距離ｈを約０．１λ_L、前記放射素子の中心部から外縁部までの長さＤを約３．５×１０^-2λ_L、前記放射素子の外縁部と前記無給電素子の第１の端部との間隙Ｇａｐを約１．７×１０^-2λ_Lに設定することを特徴とする請求項１または２記載の広帯域無指向性アンテナ。