JP6599388B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

陸上移動無線通信用の基地局に設置されるアンテナには、扇状の無線ゾーンをカバーできる周波数選択性反射板（FSR: Frequency Selective Reflector）付ダイポールアンテナが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

図７は、ＦＳＲ付ダイポールアンテナＡＴの一例を示す。図７（ａ）は、正のＺ軸方向からＸＹ平面に射影したＦＳＲ付ダイポールアンテナＡＴを示し、図７（ｂ）は、正のＸ軸方向からＹＺ平面に射影したＦＳＲ付ダイポールアンテナＡＴを示す。ＦＳＲ付ダイポールアンテナＡＴは、誘電体基板１と、複数の導体素子２を有する導体素子列３と、複数の導体素子４を有する導体素子列５と、アンテナ放射素子６とを有する。

図７（ａ）に示すように、長方形状の導体素子２、４の各々は、重心点が一点破線で示した直線７、８上にそれぞれ等間隔に配置される。そして、各導体素子２、４の長手方向が各直線７、８と直交するように配置されることにより、導体素子列３と導体素子列５とがそれぞれ形成される。また、図７（ｂ）に示すように正のＸ軸方向から見た場合、導体素子列３、５の導体素子２、４が互いに重なり合わないように平行に設置される。また、図７に示したアンテナ放射素子６は、例えば、ダイポールアンテナであり、ダイポールアンテナ素子の長手方向すなわちダイポールアンテナの偏波方向と導体素子２、４の長手方向の向きを一致させるように設置される。

図８は、図７に示したＦＳＲ付ダイポールアンテナＡＴの３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域における水平面内の放射パターンの一例を示す。なお、図８では、３．４ＧＨｚ、３．６ＧＨｚ、３．８ＧＨｚの周波数帯域における水平面内の放射パターンをそれぞれ示す。図７に示すように、誘電体基板１上の導体素子列３、５は、３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域において電磁波を反射するＦＳＲとして動作するように各導体素子２、４の寸法と配置間隔が調整されている。このため、導体素子列３、５は、３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域においてアンテナ放射素子６から放射された電磁波を反射し、正のＺ軸方向すなわちＦＳＲの前方にメインビームを形成する。

谷澤 佑亮, 長 敬三, 安藤 篤也,"折り曲げFSRを配置した2 周波数共用反射板付ダイポールアンテナの放射特性", 電子情報通信学会通信ソサイエティ大会, BS-1-6, 2016年9月.

図８は、導体素子列３、５は、ＦＳＲを透過して負のＺ軸方向すなわちＦＳＲ後方にバックローブを形成することを示す。すなわち、図７に示したＦＳＲ付ダイポールアンテナＡＴは、扇状の無線ゾーンをカバーする陸上移動無線通信用の基地局に適用した場合、隣接する扇状無線ゾーンに対して干渉の影響を与え、電力使用効率が劣化することがある。

これは、ＦＳＲを構成する導体素子列３、５を３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域において電磁波を反射するように、導体素子２、４の寸法と配置間隔とは調整されている。しかしながら、導体素子列３、５の配置間隔は、電磁波の波長の半分程度であり、配置される導体素子２、４による金属の密度は金属板等に比べて疎である。このため、ＦＳＲの反射特性は、金属板と等価な特性とはならず、図８に示すように、ＦＳＲを通過して後方に漏れていく電磁波が存在し、ＦＳＲ後方への不要放射が大きいという問題がある。

本発明は、ＦＳＲ後方に漏れる電磁波を低減して、干渉の発生を抑制し電力使用効率を改善することができるアンテナ装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、電磁波を放射する放射素子と、複数の導体素子および誘電体基板を有する反射板とを備え、複数の導体素子の各々は、電磁波の偏波方向と交差する第１方向に平行な複数の直線上に、導体素子の長手方向と偏波方向とを一致させ、かつ隣接する直線上の導体素子と第１方向で互い違いにして、誘電体基板の第１平面または第１平面に対向する誘電体基板の第２平面に配置され、複数の直線は、導体素子の長手方向の長さより短い間隔で偏波方向に並んでいることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、反射板は、少なくとも１つの直線上に配置された導体素子が、第１平面に配置され、少なくとも１つの他の直線上に配置された導体素子が、第２平面に配置されることを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、反射板は、複数の導体素子の各々と交差するように、複数の別の導体素子が、第１平面および第２平面のうち複数の導体素子が配置される平面と異なる平面に配置されることを特徴とする。

本発明は、ＦＳＲ後方に漏れる電磁波を低減して、干渉の発生を抑制し電力使用効率を改善することができる。

アンテナ装置の一実施形態を示す図である。 図１に示したアンテナ装置の３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域における水平面内放射パターンの一例を示す図である。 図１に示したアンテナ装置におけるＦＢ比（Front to Back Ratio：フロントバック比）の分布の一例を示す図である。 図１に示した２組の導体素子列を誘電体基板に配置した場合の一例を示す図である。 アンテナ装置の別の実施形態を示す図である。 アンテナ装置の別の実施形態を示す図である。 ＦＳＲ付ダイポールアンテナの一例を示す図である。 図７に示したＦＳＲ付ダイポールアンテナの３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域における水平面内の放射パターンの一例を示す図である。

以下、図面を用いて実施形態について説明する。

図１は、アンテナ装置の一実施形態を示す。図１（ａ）は、正のＺ軸方向からＸＹ平面に射影したアンテナ装置１００を示し、図１（ｂ）は、正のＸ軸方向からＹＺ平面に射影したアンテナ装置１００を示す。

図１に示したアンテナ装置１００は、ＦＳＲ付ダイポールアンテナであり、誘電体基板１０と、複数の導体素子２０を有する導体素子列３０と、複数の導体素子４０を有する導体素子列５０と、アンテナ放射素子６０とを有する。

誘電体基板１０は、ガラスエポキシ、テフロン（登録商標）やセラミック基板等であり、反射する電磁波の２分の１波長程度の長さをＸ軸方向に有し、１波長程度の長さをＹ軸方向に有する。なお、誘電体基板１０の大きさは、アンテナ装置１００に要求される性能や設置される環境等に応じて適宜決定されることが好ましい。

導体素子２０、４０は、銅等の金属であり、エッチング処理等を用いて誘電体基板１０に配置される。導体素子２０、４０は、例えば、反射する電磁波の波長の０．２波長程度の長さを長手方向（Ｘ軸方向）に有した矩形の形状を有する。そして、導体素子２０は、例えば、導体素子４０とＹ軸方向で互い違いにして、導体素子列３０、５０のＸ軸方向の間隔を導体素子２０の長手方向の長さより短くなるように、アンテナ放射素子６０に対向する誘電体基板１０の正のＺ軸側のＸＹ平面の一点破線で示した直線７０（Ｙ軸方向）上に０．２波長等の等間隔で配置される。また、導体素子４０は、導体素子２０と同じＸＹ平面の一点破線で示した直線８０（Ｙ軸方向）上に、０．２波長等の等間隔で配置される。このため、図１（ｂ）に示すように、正のＸ軸方向から見た場合、導体素子２０と導体素子４０とは、Ｙ軸方向に０．１波長程度の等間隔で配置される。これにより、導体素子列３０、５０と誘電体基板１０とは、反射板（ＦＳＲ）として機能する。以下では、誘電体基板１０の正のＺ軸側のＸＹ平面は、“表面”とも称される。

なお、導体素子２０および導体素子４０の数や大きさ等は、アンテナ装置１００に要求される動作性能や設置される環境等に応じて適宜決定されることが好ましい。また、導体素子２０および導体素子４０のＹ軸方向の間隔、および導体素子列３０と導体素子列５０との間隔についても、アンテナ装置１００に要求される動作性能や設置される電波環境等に応じて適宜決定されることが好ましい。

また、導体素子２０、４０は、誘電体基板１０のＸＹ平面のうち、負のＺ軸側のＸＹ平面（以下、“裏面”とも称される）に配置されてもよい。

アンテナ放射素子６０は、例えば、ダイポールアンテナである。アンテナ放射素子６０は、例えば、不図示の誘電体基板１０に設けられた穴等の開口部を通して、誘電体基板１０の裏面から挿入され、放射する電磁波を給電する銅線等の先端に配置される。なお、アンテナ放射素子６０は、ダイポールアンテナの長手方向すなわちダイポールアンテナの偏波方向と導体素子２０、４０の長手方向の向きと一致するように設置される。また、アンテナ放射素子６０は、誘電体基板１０から４分の１波長の位置に設置される。

図２は、図１に示したアンテナ装置１００の３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域における水平面内放射パターンの一例を示す。なお、図２は、３．４ＧＨｚ、３．６ＧＨｚ、３．８ＧＨｚの周波数帯域における水平面内の放射パターンをそれぞれ示す。

アンテナ装置１００は、３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域において電磁波を反射するＦＳＲとして動作するように各導体素子２０、４０の寸法と配置間隔が調整されている。これにより、アンテナ装置１００は、誘電体基板１０上の導体素子列３０、５０において、図８の場合と同様に、アンテナ放射素子６０から放射された３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域の電磁波を反射し、正のＺ軸方向すなわちＦＳＲの前方にメインビームを形成する。また、図２に示すように、アンテナ装置１００は、ＦＳＲを透過して負のＺ軸方向すなわちＦＳＲ後方にバックローブを形成する。

図３は、図１に示したアンテナ装置１００におけるＦＢ比の分布の一例を示す。図３の縦軸は、放射パターンのメインビームのピーク値とバックローブのピーク値との比であるＦＢ比を示す。図３の横軸は、反射する電磁波の周波数を示す。また、図３では、図１に示したアンテナ装置１００によるＦＢ比を三角の印と実線とで示し、図７に示したＦＳＲ付ダイポールアンテナＡＴのＦＢ比を四角の印と破線で示す。

図３に示すように、３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域において、図１に示したアンテナ装置１００のＦＢ比は、図７に示したＦＳＲ付きダイポールアンテナＡＴに比べて最大で約８ｄＢ改善されている。これは、アンテナ装置１００において、ＦＳＲを構成する導体素子列３０の導体素子２０と導体素子列５０の導体素子４０とが、Ｙ軸方向に互い違いに配置されることにより、従来に比べて導体素子２０、４０による金属の密度が高くなる。すなわち、ＦＳＲの反射特性が金属板に近くなっていることを示す。

これにより、アンテナ装置１００は、ＦＳＲを通過してＦＳＲ後方に漏れていく電磁波を減少させることができる。そして、アンテナ装置１００は、扇状の無線ゾーンをカバーする陸上移動無線通信用の基地局に適用される場合、隣接する扇状無線ゾーンへの干渉量を低減でき、電力使用効率を改善できる。

なお、導体素子列３０と導体素子列５０との組は、Ｘ軸方向に複数配置されてもよい。

図４は、図１に示した２組の導体素子列３０、５０を誘電体基板１０に配置した場合の一例を示す。導体素子列３０と導体素子列５０との組を複数配置することにより、アンテナ装置１００は、ＦＳＲを通過してＦＳＲ後方に漏れていく電磁波を、一組の場合と比べてより減少させることができる。そして、アンテナ装置１００は、一組の場合と比べて、隣接する扇状無線ゾーンへの干渉量をより低減でき、電力使用効率をより改善できる。

図５は、アンテナ装置の別の実施形態を示す。図１で説明した要素と同一または同様の機能を有する要素については、同一または同様の符号を付し、これらについては、詳細な説明を省略する。図５（ａ）は、正のＺ軸方向からＸＹ平面に射影したアンテナ装置１００Ａを示し、図５（ｂ）は、正のＸ軸方向からＹＺ平面に射影したアンテナ装置１００Ａを示す。

図５に示したアンテナ装置１００Ａは、ＦＳＲ付ダイポールアンテナであり、誘電体基板１０と、複数の導体素子２０を有する導体素子列３０と、複数の導体素子４０を有する導体素子列５０と、アンテナ放射素子６０とを有する。

導体素子２０、４０は、図１の場合と同様に、銅等の金属であり、エッチング処理等を用いて誘電体基板１０に配置される。導体素子２０、４０は、例えば、反射する電磁波の波長の０．２波長程度の長さを長手方向に有した矩形の形状を有する。図５（ａ）に示すように、導体素子２０は、例えば、導体素子４０とＹ軸方向で互い違いにして、導体素子列３０と導体素子列５０とのＸ軸方向の間隔を導体素子２０の長手方向の長さより短くなるように、誘電体基板１０の裏面の直線７０上に０．２波長等の等間隔で配置される。また、導体素子４０は、誘電体基板１０の表面の直線８０上に０．２波長等の等間隔で配置される。すなわち、図５（ｂ）に示すように、正のＸ軸方向から見た場合、導体素子２０と導体素子４０とは、誘電体基板１０の裏面と表面とにそれぞれ配置される。

なお、導体素子２０および導体素子４０の数や大きさ等は、アンテナ装置１００Ａに要求される動作性能や設置される環境等に応じて適宜決定されることが好ましい。また、導体素子２０および導体素子４０のＹ軸方向の間隔、および導体素子列３０と導体素子列５０との間隔についても、アンテナ装置１００Ａに要求される動作性能や設置される電波環境等に応じて適宜決定されることが好ましい。

アンテナ装置１００Ａは、図１に示したアンテナ装置１００と同様に、３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域において電磁波を反射するＦＳＲとして動作するように各導体素子２０、４０の寸法と配置間隔が調整されている。これにより、アンテナ装置１００Ａは、導体素子列３０、５０において、図１の場合と同様に、アンテナ放射素子６０から放射された３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域の電磁波を反射し、正のＺ軸方向すなわちＦＳＲの前方にメインビームを形成する。また、図２に示すように、アンテナ装置１００Ａは、ＦＳＲを透過して負のＺ軸方向すなわちＦＳＲ後方にバックローブを形成する。

しかしながら、アンテナ装置１００Ａは、図３に示すように、ＦＳＲを構成する導体素子列３０の導体素子２０と導体素子列５０の導体素子４０とが、互い違いに配置されることにより、従来に比べて導体素子２０、４０による金属の密度が高くなる。これにより、ＦＳＲの反射特性が金属板に近くなり、アンテナ装置１００Ａは、図１に示したアンテナ装置１００と同様に、ＦＳＲを通過してＦＳＲ後方に漏れていく電磁波を減少させることができる。そして、アンテナ装置１００Ａは、扇状の無線ゾーンをカバーする陸上移動無線通信用の基地局に適用される場合、隣接する扇状無線ゾーンへの干渉量を低減でき、電力使用効率を改善できる。

なお、導体素子列３０と導体素子列５０との組は、Ｘ軸方向に複数配置されてもよい。これにより、アンテナ装置１００Ａは、ＦＳＲを通過してＦＳＲ後方に漏れていく電磁波を、一組の場合と比べてより減少させることができる。また、アンテナ装置１００Ａは、一組の場合と比べて、隣接する扇状無線ゾーンへの干渉量をより低減でき、電力使用効率をより改善できる。

図６は、アンテナ装置の別の実施形態を示す。図１で説明した要素と同一または同様の機能を有する要素については、同一または同様の符号を付し、これらについては、詳細な説明を省略する。図６（ａ）は、正のＺ軸方向からＸＹ平面に射影したアンテナ装置１００Ｂを示し、図６（ｂ）は、正のＸ軸方向からＹＺ平面に射影したアンテナ装置１００Ｂを示す。

図６に示したアンテナ装置１００Ｂは、ＦＳＲ付ダイポールアンテナであり、誘電体基板１０と、複数の導体素子２０、２５を有する導体素子列３０ａと、複数の導体素子４０、４５を有する導体素子列５０ａと、アンテナ放射素子６０、６５とを有する。

導体素子２０、２５、４０、４５は、銅等の金属であり、エッチング処理等を用いて誘電体基板１０に配置される。導体素子２０、２５、４０、４５は、例えば、反射する電磁波の波長の０．２波長程度の長さを長手方向に有した矩形の形状を有する。図６（ａ）に示すように、導体素子２０は、図１に示したアンテナ装置１００と同様に、導体素子４０とＹ軸方向で互い違いにして、導体素子列３０と導体素子列５０とのＸ軸方向の間隔を導体素子２０の長手方向の長さより短くなるように、誘電体基板１０の表面の直線７０上に０．２波長等の等間隔で配置される。また、導体素子４０は、導体素子２０と同じ表面の直線８０上に０．２波長等の所定の間隔で配置される。

一方、各導体素子２５は、配置される導体素子２０の重心点で交差するように、直線７０（Ｙ軸方向）に沿って、誘電体基板１０の裏面に配置される。また、各導体素子４５は、配置される導体素子４０の重心点で交差するように、直線８０（Ｙ軸方向）に沿って、誘電体基板１０の裏面に配置される。なお、図６（ｂ）では、導体素子２５は、導体素子４５と区別するために、網掛けの矩形で示す。

アンテナ放射素子６０、６５は、例えば、ダイポールアンテナである。アンテナ放射素子６０、６５は、例えば、不図示の誘電体基板１０に設けられた穴等の開口部を通して、誘電体基板１０の裏面から挿入され、放射する電磁波を給電する銅線等の先端に配置される。なお、アンテナ放射素子６０は、ダイポールアンテナ素子の長手方向すなわちダイポールアンテナの偏波方向と導体素子２０、４０の長手方向の向きを一致するように設置される。また、アンテナ放射素子６５は、ダイポールアンテナ素子の長手方向すなわちダイポールアンテナの偏波方向と導体素子２５、４５の長手方向の向きを一致するように設置される。これにより、アンテナ装置１００Ｂは、アンテナ放射素子６５がアンテナ放射素子６０と直交する偏波を持つため、偏波が直交する２つのメインビームを形成することができる。

アンテナ装置１００Ｂは、図１に示したアンテナ装置１００と同様に、３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域において電磁波を反射するＦＳＲとして動作するように各導体素子２０、２５、４０、４５の寸法と配置間隔が調整されている。これにより、アンテナ装置１００Ｂは、誘電体基板１上の導体素子列３０ａおよび導体素子列５０ａにおいて、図１の場合と同様に、アンテナ放射素子６０、６５から放射された３ＧＨｚから４ＧＨｚの周波数帯域の電磁波を反射し、正のＺ軸方向すなわちＦＳＲの前方にメインビームを形成する。また、図２に示すように、アンテナ装置１００Ｂは、ＦＳＲを透過して負のＺ軸方向すなわちＦＳＲ後方にバックローブを形成する。

しかしながら、アンテナ装置１００Ｂは、図３に示すように、ＦＳＲを構成する導体素子列３０ａの導体素子２０、２５と導体素子列５０ａの導体素子４０、４５とが、互い違いに配置されることにより、従来に比べて導体素子２０、２５、４０、４５による金属の密度が高くなる。これにより、ＦＳＲの反射特性が金属板に近くなり、アンテナ装置１００Ｂは、図１に示したアンテナ装置１００と同様に、ＦＳＲを通過してＦＳＲ後方に漏れていく電磁波を減少させることができる。そして、アンテナ装置１００Ｂは、扇状の無線ゾーンをカバーする陸上移動無線通信用の基地局に適用される場合、隣接する扇状無線ゾーンへの干渉量を低減でき、電力使用効率を改善できる。

なお、導体素子列３０ａと導体素子列５０ａとの組は、Ｘ軸方向に複数配置されてもよい。これにより、アンテナ装置１００Ｂは、ＦＳＲを通過してＦＳＲ後方に漏れていく電磁波を、一組の場合と比べてより減少させることができる。そして、アンテナ装置１００Ｂは、一組の場合と比べて、隣接する扇状無線ゾーンへの干渉量をより低減でき、電力使用効率をより改善できる。

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。

１，１０…誘電体基板；２，４，２０，２５，４０，４５…導体素子；３，３０，３０ａ，５，５０，５０ａ…導体素子列；６，６０，６５…アンテナ放射素子；１００，１００Ａ，１００Ｂ…アンテナ装置；ＡＴ…ＦＳＲ付ダイポールアンテナ

Claims (3)

1. 電磁波を放射する放射素子と、
   複数の導体素子および誘電体基板を有する反射板とを備え、
   前記複数の導体素子の各々は、前記電磁波の偏波方向と交差する第１方向に平行な複数の直線上に、前記導体素子の長手方向と前記偏波方向とを一致させ、かつ隣接する前記直線上の前記導体素子と前記第１方向で互い違いにして、前記誘電体基板の第１平面または前記第１平面に対向する前記誘電体基板の第２平面に配置され、
   前記複数の直線は、前記導体素子の長手方向の長さより短い間隔で前記偏波方向に並んでいる
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記反射板は、少なくとも１つの前記直線上に配置された前記導体素子が、前記第１平面に配置され、少なくとも１つの他の前記直線上に配置された前記導体素子が、前記第２平面に配置されることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記反射板は、前記複数の導体素子の各々と交差するように、複数の別の導体素子が、前記第１平面および前記第２平面のうち前記複数の導体素子が配置される平面と異なる平面に配置されることを特徴とするアンテナ装置。

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