JP6630609B2 - 水平偏波無指向性アンテナ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば航空機に搭載可能な無線中継伝送装置(FPU)に適用して好適な水平偏波無指向性アンテナ装置に関する。
航空機に搭載される無線中継伝送装置(FPU)の送受信アンテナとして、従来では導波管によるスロットアンテナが用いられていた。この導波管によるスロットアンテナは、構造が比較的簡単でかつ堅牢に構成できる反面、機体にかかる重量負担が大きく、設置場所が特定されるなどの課題を有し、特性上においても帯域幅が狭く、使用周波数帯毎に固有の導波管構造が必要になるという課題を有していた。
特開2014−78805号公報
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、軽量かつコンパクトで周波数帯域特性に優れた水平偏波無指向性アンテナ装置を提供することを目的とする。
本発明は、例えば回転翼機や無人機などの軽航空機に搭載されるテレビジョン放送用無線中継伝送装置(FPU)のFPUアンテナに適用して好適な水平偏波無指向性アンテナ装置に係るもので、給電点を有し、複数のアンテナを前記給電点から放射状に設けた第1、第2のアンテナ基板と、これらアンテナ基板の相対向する板面に両端を接して前記各アンテナ基板の間に設けられ、前記各給電点に導電接続された給電基板と、外部の支持体に固定され、前記各アンテナ基板を対向させて所定間隔で保持するアンテナベースと、前記各給電点に給電する給電路と、を備え、前記第1、第2のアンテナ基板と前記給電基板とにより一組のアンテナモジュールを構成し、このアンテナモジュールを複数組備えるとともに、前記アンテナモジュールの間に分配基板を設けて前記アンテナモジュールをスタックしたことを特徴とする。
この構成により、軽量かつコンパクトで、複数のアンテナ基板をアレイ化した、複数のバンド(たとえばCバンドからDバンド(6,425MHz〜7,125MHz)に跨る周波数帯域幅)の水平方向により広帯域のFPU用アンテナが提供できる。
また上記構成の水平偏波無指向性アンテナ装置において、前記アンテナ基板は、前記アンテナ基板の板面に沿う面内方向の向きを、前記アンテナ基板相互を周方向に所定角度異ならせて前記アンテナベースに保持させる指向調整手段を有していることを特徴とする。
この構成により、複数のアンテナ基板を用いて水平面内指向性のリップルを低減した無指向性アンテナが提供できる。
また上記構成の水平偏波無指向性アンテナ装置において、前記アンテナは、前記給電点に一端が導電接続された給電線路と、前記給電線路の他端に導電接続されたアンテナ素子と、前記アンテナ素子に対応させて設けられた無給電素子と、を備えることを特徴とする。
この構成により、アンテナの特性(帯域、利得など)をアンテナ装置に要求される特性に調整することができる。
本発明の実施形態に係る水平偏波無指向性アンテナ装置の構成を示す斜め上方からみた斜視図。 上記実施形態に係る水平偏波無指向性アンテナ装置の構成を示す斜め下方からみた斜視図。 上記実施形態に係るアンテナ素子基板の表面の構成を示す図。 上記実施形態に係るアンテナ素子基板の裏面の構成を示す図。 上記実施形態に係る水平偏波無指向性アンテナ装置の実装例と給電構造を示す模式図。 上記実施形態に係る水平偏波無指向性アンテナ装置のVSWR特性を示す図。 上記実施形態に係る水平偏波無指向性アンテナ装置の放射パターンを示す図。
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
この実施形態に係る水平偏波無指向性アンテナ装置の具体的な説明をするに際し同アンテナ装置の概要を説明する。この実施形態では、無線伝送周波数帯をデジタル無線伝送機器(FPU)の水平偏波無指向性アンテナ装置を例に挙げている。この水平偏波無指向性アンテナ装置は、円形の基板上に3つのダイポールアンテナを120°間隔で配置することによって、水平偏波を無指向に放射させている(図1および図2参照)。また、ダイポールアンテナ単体では十分な帯域特性あるいは利得が得られないため、それぞれのアンテナ素子に無給電素子を設けて広帯域特性あるいはより高い利得を実現している(図3参照)。ダイポールアンテナへの給電は基板中央に設けた給電点から3分配された平行線路で行われている。また水平方向に5dBi以上の利得を得るため、同一構成のアンテナ基板を4枚用いてアレイ化している。これらアンテナ基板の間隔の設定および保持は、同基板を囲むように等間隔で配置された3本の支柱で行っている。アンテナ基板への給電は第1分配基板と2枚の給電基板(第2分配基板)とを用いたトーナメント方式で行っている。給電構造はコネクタから第2分配基板までの接続を同軸ケーブルで行い、第2分配基板とアンテナ基板の接続はマイクロストリップラインにより行っている(図1および図2と図5参照)。
このアンテナ構造により、VSWRが15%の範囲で2以下(図6参照)、水平面内指向性のリップルを2dB以下(図7参照)とした広帯域無指向性アンテナを実現している。またアンテナ径を導波管を用いた従来品より約10%(50mm)小径化し、全長を5%(190mm)短縮し、重量を50%軽量化(390g)して小型・軽量化を図っている。
本発明の実施形態に係る水平偏波無指向性アンテナ装置の構成を図1および図2に示し、このアンテナ装置の構成要素をなすアンテナ基板の構成を図3および図4に示し、上記アンテナ装置の実装例と給電構造を図5に模式図で示している。
図1および図2に示すように、本発明の実施形態に係る水平偏波無指向性アンテナ装置10は、給電点fpを有し、複数(ここでは3つ)のダイポールアンテナ11を給電点fpを中心に放射状に設けた対をなす同一構成の第1、第2のアンテナ基板12,12と、これら対をなすアンテナ基板12,12相互の間に、上記アンテナ基板12,12の板面に直交した状態で上記給電点fp間に亘って設けられ、上記給電点fpに導電接合された給電基板14と、上記アンテナ基板12,12相互を対向させて平行に保持するとともに、上記給電点fpを対をなすアンテナ基板12,12を貫通する同一直線上(図5に示す符号VD参照)に位置決めして配置させる複数本(ここでは3本)の支柱16,16,…と、上記給電点fpに給電する外部接続用のコネクタ10Cを有し、上記3本の支柱16,16,…が上記コネクタ10Cを中心にその周囲に等間隔に立設されたアンテナベース10Aとを具備して構成される。アンテナベース10Aのアンテナ支持面には、アンテナ特性に係わる指向性、利得、VSWRなどの測定結果から定めたサイズの円板状電波吸収体シート18が貼着され、アンテナベース10Aの周縁部には、水平偏波無指向性アンテナ装置10を航空機の機体底部に据え付けるための複数のボルト貫通孔Hが設けられている。
円形のアンテナ基板12には、図3および図4に示すように、板面の周縁部に、同基板をアンテナベース10Aに固定するための支柱16のねじ部が貫通する3つの第1取付孔haと3つの第2取付孔hbがそれぞれ同一円周上に交互に等間隔で設けられている。この3つの第1取付孔haと3つの第2取付孔hbは、ダイポールアンテナ11の上記板面に沿う面内方向の向きを、対をなすアンテナ基板12,12相互間で給電点fpを中心とした周方向に所定角度(ここでは60°)異ならせて支柱16,16,…に保持させる指向調整手段を構成している。
また上記アンテナ基板12には、図3および図4に示すように、表面12aと裏面12bのそれぞれに、板面の中央を給電点fpとした同一形状のダイポールアンテナを構成するアンテナパターン(ダイポールアンテナとなる導電性材料(たとえば銅箔)からなるパターン)が設けられ、この表裏両板面12a,12bのアンテナパターンと表面12aに印刷された無給電素子パターンとにより3つの水平偏波ダイポールアンテナ11,11,11が形成されている。アンテナ基板12の表面12aに給電側のアンテナパターンが形成され、その裏面12bにグランド(GND)側のアンテナパターンが形成されている。
このダイポールアンテナ11は、同アンテナの給電点fpから放射状に延長された給電線路11aと、この給電線路11aから折曲し延長されたアンテナ素子11bとを有した同一形状のアンテナパターンがアンテナ基板12の両板面12a,12bに給電線路11aを重ねた線対称(図3に波線で示す符号11b参照)に形成されている。上記両板面12a,12bの給電線路11aはインピーダンスが一定の平行線路を形成している。またアンテナ基板12の表面12aにはアンテナ素子11bの水平面内指向方向に間隙を存して同素子と平行に無給電素子11cを構成する無給電素子パターンが形成されている。この無給電素子11cは導波素子を構成し、水平偏波の指向特性を調整している。上記した3つの水平偏波ダイポールアンテナ11,11,11の各給電線路11aが集結するアンテナ基板12の中心部に、同基板の板面に直交して設けられる給電基板14の給電端(後述するマイクロストリップラインの端部)にはんだ接合されるスルーホールが設けられ、給電点fpを構成している。
さらに上記アンテナ基板12には、給電線路11a相互間の板面(給電点fp近傍の板面)に、後述する給電用同軸ケーブル15が貫通する複数(ここでは3つ)のケーブル貫通孔hcが穿設されている。このケーブル貫通孔hcを用いて、コネクタ10Cと分配基板13との間、および分配基板13と給電基板14との間の同軸ケーブル15の配線を行うことで、4枚のアンテナ基板12,12,…に対して分配給電路を最短にした低損失の給電回路が構築される。
上記した対をなすアンテナ基板12,12は、互いに裏面12bが向かい合う状態で、その一方のアンテナ基板12が第1取付孔haを用い、他方のアンテナ基板12が第2取付孔hbを用いて、それぞれ3本の支柱16,16,…に保持されている。このように、対をなすアンテナ基板12,12を取付孔を異ならせて支柱16,16,…に保持することで、ダイポールアンテナ11,11,…の上記板面に沿う面内方向の向きを、対をなすアンテナ基板12,12相互間で給電点fpを中心とした周方向に60°異ならせて保持させることができ、これにより水平面内指向性のリップルを低減して水平偏波の無指向性を実現している。また、上記各アンテナ基板12,12,…をその周囲を囲むように周方向に等間隔で設けられた3本の支柱16,16,…により均等に保持する基板保持構造として、外部応力に強い堅牢なアンテナ構造を実現している。
この実施形態では、上記第1、第2のアンテナ基板12,12と上記給電基板14と上記支柱16および支柱16に取り付けられたホルダ17とにより一組のアンテナモジュールDAを構成し、このアンテナモジュールDAを複数組(ここでは2組)具備するとともに、上記コネクタ10Cに接続された給電ケーブル15と、この給電ケーブル15に接続された分配基板13とを具備して、上記2組のアンテナモジュールDA,DAを分配基板13を介在して上記同一直線上を軸にスタックした構成としている。この2組のアンテナモジュールDA,DAにより上記同一直線上に沿う方向(垂直面内)に4枚のアンテナ基板12,12,…が一軸上に配列されたアレイアンテナを構成している。この一軸上にスタックされたアンテナモジュールDA,DAが円筒状のレドーム(カバー)10Bに収められアンテナベース10Aに固定されて水平偏波無指向性アンテナ装置10が構成される。この水平偏波無指向性アンテナ装置10は、アンテナベース10Aが航空機の機体外底部にボルト締めされることで図5に示すようにレドーム10Bの先端を下に向け機体外部に露出した状態で取り付けられる。
上記水平偏波無指向性アンテナ装置10は、分配基板13を第1分配基板、2つの給電基板14,14を第2分配基板として、4枚のアンテナ基板12,12,…に給電が行われる。
第1分配基板となる分配基板13は、同軸ケーブル15が接続される3つの分配端子T1,T2,T2を有し、コネクタ10Cに同軸ケーブル15を介して接続された分配端子T1を入力端として、2つの分配端子T2,T2に同軸ケーブル15を介して分配給電を行う。この際、同軸ケーブル15はそれぞれアンテナ基板12の中央近傍に設けられたケーブル貫通孔hcを介し最短距離で配線される。
第2分配基板となる矩形状の給電基板14は、一面に給電パターンpaを配し、他面にグランドパターンpbを配したマイクロストリップライン(以下単にストリップ線と称す)を有し、このストリップ線の両端がそれぞれ対をなすアンテナ基板12,12の給電点fpにはんだ接合されている。このストリップ線は、同線を二分したストリップ線の中間部に給電分配点となる分配端子T3を有して、ストリップ線を介し各給電点fp,fpに分配給電を行う。
この給電回路を図5に模式図で示している。この図5に示すように、コネクタ10Cから分配端子T3までの間(10C−T1−T2−T3)の給電路に同軸ケーブル15を用い、給電基板14の分配端子T3から対をなすアンテナ基板12,12の給電点fpまでの間の給電路に、給電基板14に形成したストリップ線の二分された片半部を用い、さらにストリップ線の端をアンテナ基板12の中心部に設けた給電点fpに直交配置した状態で直にはんだ接合することで、コネクタ10Cと2組のアンテナモジュールDA,DAに設けられた各給電基板14、14、および各アンテナ基板12,12の各給電点fp,fp,…とを上記同一直線上に相当する一軸(VD)上に配置した、コンパクトで空気抵抗が小さいスリムな円筒形の水平偏波無指向性アンテナ装置10を実現し提供できる。
上記実施形態の構成により実際に製作した水平偏波無指向性アンテナ装置10のVSWR(電圧定在波比)特性を図6に示している。上記した無給電素子11cおよび給電回路の調整により、15%の範囲でVSWRが2以下となった。このアンテナ装置のVSWRにおけるf1,f2の放射パターンを図7(a),(b)に示している。測定結果から明らかなように、水平面内指向性のリップルが2dB以下となり、水平偏波の指向特性が大幅に改善された水平偏波無指向性アンテナ10が実現された。
上記実施形態に示したように、給電点を有し、複数のダイポールアンテナを上記給電点を中心に放射状に設けた第1、第2のアンテナ基板と、これらアンテナ基板相互間に、上記アンテナ基板の板面に直交した状態で上記給電点間に亘って設けられ、上記給電点に導電接続された給電基板と、上記給電点に給電する外部接続用のコネクタを有したアンテナベースと、このアンテナベースに、上記アンテナ基板相互を対向させて平行に保持するとともに、上記給電点を上記アンテナ基板を貫通する同一直線上に配置させる基板保持手段とを具備した構成により、軽量かつコンパクトで、CバンドからDバンド(6,425MHz〜7,125MHz)に跨る周波数帯域幅の広い水平偏波無指向性アンテナ装置が提供できる。
また上記構成の水平偏波無指向性アンテナ装置において、上記第1、第2のアンテナ基板と上記給電基板とにより一組のアンテナモジュールを構成し、このアンテナモジュールを複数組具備するとともに、上記コネクタに接続された給電ケーブルと、上記給電ケーブルに接続された分配基板とをさらに具備して、上記複数組のアンテナモジュールを上記同一直線上に上記分配基板を介在してスタックした構成により、少なくとも4枚のアンテナ基板をアレイ化した、水平方向により広帯域のFPU用アンテナが提供できる。
また上記構成の水平偏波無指向性アンテナ装置において、上記ダイポールアンテナは、上記給電点から放射状に延長された給電線路と、上記給電線路から折曲し延長されたアンテナ素子とを有した同一形状の導電性材料からなるパターンが上記アンテナ基板の両板面に上記給電線路を重ねた線対称に形成され、一方の板面に上記アンテナ素子に対応させて無給電素子を構成する導電性材料からなるパターンが並置されていることにより、使用するアンテナ基板のすべてを同一構成として部品点数を削減した軽量でコンパクトな水平面内無指向性のダイポールアンテナ装置が提供できる。
また上記構成の水平偏波無指向性アンテナ装置において、上記アンテナ基板は上記ダイポールアンテナの上記板面に沿う面内方向の向きを、上記アンテナ基板相互間で上記給電点を中心とした周方向に所定角度異ならせて上記支柱に保持させる指向調整手段を有し構成により、同一構成の複数のアンテナ基板を用いて水平面内指向性のリップルを低減した無指向性ダイポールアンテナが提供できる。
また上記構成の水平偏波無指向性アンテナ装置において、上記給電基板は、一面に給電パターンを配し、他面にグランドパターンを配したマイクロストリップラインを有し、上記マイクロストリップラインの中間部に分配給電点を有して、二分された片方のマイクロストリップラインを介し上記給電点に給電する分配基板を構成していることにより、対をなすアンテナ基板に対して簡素な給電構造で低損失の分配給電を可能にした経済的に有利な構成の水平偏波無指向性アンテナ装置を提供することができる。
また上記構成の水平偏波無指向性アンテナ装置において、上記アンテナ基板は、上記マイクロストリップラインの端部にはんだ接合されるスルーホールを有し、そのはんだ接合部を上記給電点として、上記給電点を中心に円板状に形成され、上記アンテナ基板に120°間隔で3つの上記ダイポールアンテナを設けた構成により、外観形状を円筒にした小型かつ堅牢で複数バンドに跨る水平偏波を無指向に放射させることのできる水平偏波無指向性アンテナ装置が提供できる。
また上記構成の水平偏波無指向性アンテナ装置において、上記アンテナ基板は、同基板の周部に、周方向に等間隔に、同基板を貫通して、上記指向調整手段を構成する複数の取付孔を有し、上記基板保持手段は、上記取付孔に挿通されて上記アンテナ基板を上記アンテナベースに固定する複数本の支柱により構成されていることにより、上記各アンテナ基板をその周囲を囲むように複数本の支柱で均等に保持する基板保持構造を有して、外部応力に強い堅牢なアンテナ構造を実現した水平偏波無指向性アンテナ装置が提供できる。
以上詳記したように本発明の実施形態によれば、軽量かつコンパクトで周波数帯域特性に優れた高性能の水平偏波無指向性アンテナ装置が提供できる。
また、上記した実施形態は、航空機などの飛翔体に搭載されるFPUの送受信アンテナに適用して好適な構成としているが、例えば外筐構造を変形して若しくは実施形態と同様に円筒方のドーム構造として、車両や船舶などの移動体や地上の固定局などにも適用することができる。
また、上記した実施形態では、アンテナモジュールDAを2組実装したアンテナ構造であったが、これに限らず、例えばアンテナモジュールDAを4組実装したアンテナ構造であってもよい。また、アンテナ基板12の基板形状やパターン形状も図示する形状に限らず、例えば基板形状を多角形とし、アンテナ素子のパターン形状を弧状としり若しくは素子相互で長さを違えたりした基板構造であってもよい。また、アンテナモジュールDAを構成する基板相互の配置並びに接続構造、給電構造、支持構造なども本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形、変更が可能である。
以上、実施形態を例に本発明を説明したが、各要素の構成については本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形、変更が可能である。以下、変形例について触れる。
変形例1:上記実施形態ではアンテナとしてダイポールアンテナを用いているが、他のアンテナ、たとえば円形や多角形のパッチアンテナなど、基板上に形成するのに適したアンテナであれば、どのようなアンテナを用いてもよい。この構成により、要求される帯域(C、Dバンド以外の帯域も含む)や利得に適したアンテナを形成した水平偏波無指向性アンテナ装置が提供できる。
変形例2:上記実施形態では基板上に3つのアンテナを120°間隔で配置しているが、4つ以上のアンテナをより狭い間隔(たとえば、4つのアンテナを90°間隔)で配置してもよい。この構成により、単体ではビーム幅が狭い(指向性が鋭い)アンテナを用いた場合であっても、全体として無指向性の水平偏波無指向性アンテナ装置が提供できる。
変形例3:上記実施形態では複数の同一形状のアンテナを基板上に形成しているが、各アンテナは同一形状(形状には大きさも含むものとする、以下同じ)でなくてもよい。たとえば、基板上に2種類の形状のアンテナを交互に形成して、帯域特性を異にしたアンテナを組み合わせ配置した構成としてもよい。この構成により、同一形状のアンテナからなる場合よりも広帯域化された水平偏波無指向性アンテナ装置が提供できる。
変形例4:上記の実施形態では基板上に複数のアンテナを等角度間隔で配置しているが、複数のアンテナを不等角度間隔で配置してもよい。たとえば、指向性の異なる複数のアンテナを用い、ビーム幅に応じた角度間隔で各アンテナを配置することにより、アンテナ装置全体として水平偏波無指向性を示す水平偏波無指向性アンテナ装置が提供できる。
変形例5:上記実施形態では外部接続用のコネクタを介して給電点にアンテナ装置外部からの電力を供給しているが、これ以外の給電方法であってもよい。たとえば、同軸ケーブルをアンテナ装置の外部に直接導出して外部から電力を供給する構造とすることで、コネクタを不要にして、より軽量化を図ることができ、またはアンテナ装置に(ドーム内に)電源を設けた構造とすることで、外部電源を不要にした水平偏波無指向性アンテナ装置が提供できる。
変形例6:上記実施形態では、アンテナ基板を相互に対向させて平行に保持しているが、アンテナ基板相互が対向していればよく平行でなくてもよい。たとえば、アンテナ基板相互が平行の場合を0°としたときに、0°から45°の範囲内で傾けて保持してもよい。要はアンテナ装置全体で水平面無指向性を達成すればよく、これにより組込みの自由度の高い水平偏波無指向性アンテナ装置を提供することができる。
変形例7:上記実施形態ではアンテナモジュールを分配基板を介在して同一直線上を軸にスタックした構成としているが、これ以外の構成であってもよい。上記の実施形態では、アンテナモジュールが円筒状のレドーム(カバー)に収められているが、たとえば、途中で曲がりや屈折などをしているカバーにアンテナモジュールを収める場合は、アンテナモジュールを同一直線上を軸にスタックせず、カバーに沿ってスタックしてもよく、これにより設置場所に応じた、形状の自由度の高い構成の水平偏波無指向性アンテナ装置が提供できる。
変形例8:上記実施形態では給電点はアンテナ基板中央に設けられているが、アンテナ装置全体で無指向性を有するのであれば、アンテナ基板中央以外に設けてもよい。たとえば、大きさの異なる複数のアンテナをアンテナ基板に設ける場合に給電点をアンテナ基板中央からずらして設けることが挙げられる。これにより種類や大きさの異なるアンテナを組み合わせた自由度の高い水平偏波無指向性アンテナ装置が提供できる。
10…水平偏波無指向性アンテナ、10A…アンテナベース、10B…レドーム(カバー)、10C…コネクタ、11…ダイポールアンテナ、fp…給電点、11a…給電線路、11b…アンテナ素子、11c…無給電素子、12…アンテナ基板、13…分配基板(第1分配基板)、14…給電基板(第2分配基板)、T1,T2,T3…分配端子、15…同軸ケーブル、16…支柱、17…ホルダ、DA…アンテナモジュール。

Claims (3)

  1. 給電点を有し、複数のアンテナを前記給電点から放射状に設けた第1、第2のアンテナ基板と、
    これらアンテナ基板の相対向する板面に両端を接して前記各アンテナ基板の間に設けられ、前記各給電点に導電接続された給電基板と、
    外部の支持体に固定され、前記各アンテナ基板を対向させて所定間隔で保持するアンテナベースと、
    前記各給電点に給電する給電路と、を備え
    前記第1、第2のアンテナ基板と前記給電基板とにより一組のアンテナモジュールを構成し、このアンテナモジュールを複数組備えるとともに、
    前記アンテナモジュールの間に分配基板を設けて前記アンテナモジュールをスタックしたことを特徴とする水平偏波無指向性アンテナ装置。
  2. 前記アンテナ基板は、前記アンテナ基板の板面に沿う面内方向の向きを、前記アンテナ基板相互を周方向に所定角度異ならせて前記アンテナベースに保持させる指向調整手段を有していることを特徴とする請求項に記載の水平偏波無指向性アンテナ装置。
  3. 前記アンテナは、前記給電点に一端が導電接続された給電線路と、前記給電線路の他端に導電接続されたアンテナ素子と、前記アンテナ素子に対応させて設けられた無給電素子と、を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の水平偏波無指向性アンテナ装置。
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