JP6858362B2

JP6858362B2 - 偏波共用アンテナ、偏波共用アンテナシステム

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Publication number: JP6858362B2
Application number: JP2016199163A
Authority: JP
Inventors: 木村　泰子; 泰子木村; 石川　義裕; 義裕石川; 泰介井原; 新井　宏之; 宏之新井; 奏大高橋
Original assignee: NTT Docomo Inc; Yokohama National University NUC
Current assignee: NTT Docomo Inc; Yokohama National University NUC
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2036-10-07
Also published as: JP2018061195A

Description

本発明は、移動体無線通信や固定無線通信などに利用可能な偏波共用アンテナと複数の当該偏波共用アンテナを含む偏波共用アンテナシステムに関する。

建物、地下街、トンネルなどの構造物の内部で使用される移動体通信用アンテナとして、当該アンテナの用途やアンテナを設置するスペースの制約を考慮して、ロープロファイルであって、無指向性または双指向性を持つアンテナが使われている（例えば非特許文献１，２参照）。また、周波数の有効利用を考慮すると、このようなアンテナは、複数の偏波を送受信可能な偏波共用アンテナであることが望ましい。

金本高志、恵比根佳雄、"整合用短絡スタブ付容量装荷型モノポールアンテナの２周波共用化"、信学技報、AP2001-174、pp. 93-98、Jan.2001. 新井宏之、"不感地対策用アンテナの現状と今後の課題"、信学技報、AP2000-04、pp. 31-35、Apr.2000.

上述のように、構造物内部で使用される移動体通信用アンテナとして求められるのは、[１]ロープロファイルである、[２]複数の偏波を送受信できる、[３]各偏波に関して無指向性または双指向性を持つ、という条件を満たすアンテナである。

このようなアンテナとして、例えば、ロープロファイルであって双指向性を持つ垂直偏波用素子と、ロープロファイルであって双指向性を持つ水平偏波用素子と、を組み合わせたアンテナが考えられるであろう。このようなアンテナでは、アンテナ全体としてロープロファイルの条件を満たすために、垂直偏波用素子と水平偏波用素子が互いに近接して配置される必要がある。しかし、異なる素子を互いに近接して配置すると、素子間で電磁結合が生じる虞がある。また、異なる素子を互いに近接して配置すると、各素子の指向性が乱れる虞がある。

従来、上記３条件を満たすアンテナを構成できる垂直偏波用素子の構造と水平偏波用素子の構造と両素子の組合せ条件は知られていなかった。

そこで、本発明は、ロープロファイルでありながら、（１）垂直偏波用素子と水平偏波用素子との素子間相互結合量の低減と（２）偏波ごとの双指向性、の両立が可能な構造を持つ偏波共用アンテナと、複数の当該偏波共用アンテナを含む偏波共用アンテナシステムと、を提供することを目的とする。

本発明の偏波共用アンテナは、垂直偏波用素子と水平偏波用素子を含む。垂直偏波用素子はグラウンド板と第１線状導体を含む伝送線路型アンテナである。第１線状導体は二つの垂直部位と、給電される平行部位を含む。平行部位はグラウンド板と平行であり、二つの垂直部位はそれぞれグラウンド板の法線と平行であり、二つの垂直部位の一方の一端と他方の一端はそれぞれグラウンド板と接続されている。水平偏波用素子は、誘電体板と、当該誘電体板の一方の面上に配置されている平板状導体を含む逆相励振型平面アンテナである。平板状導体は線対称且つ非凸集合の形状を持つ。誘電体板を正視したとき、平板状導体の縁線は、誘電体板の縁線と一致する部分と、誘電体板の縁線と一致しない部分とで構成されている。逆相励振型平面アンテナは、平板状導体によって被覆されていない誘電体板の一方の面の一部であって平板状導体の対称線上に配置され、位相差πで給電される、一対の部位を持つ。逆相励振型平面アンテナは、誘電体板とグラウンド板とが平行になるように、平行部位に関してグラウンド板と反対側に配置されている。グラウンド板を正視したとき、平行部位の中心と対称線による幅の中点はオーバーラップし、且つ、対称線による幅の中点を通り平板状導体の法線とも対称線とも直交する直線と平行部位はオーバーラップする。

本発明の偏波共用アンテナシステムは、本発明の第１の偏波共用アンテナと、本発明の第２の偏波共用アンテナを含む。第１の偏波共用アンテナと第２の偏波共用アンテナは、同一平面上に配置されている。第１の偏波共用アンテナに含まれる平行部位の延伸方向と第２の偏波共用アンテナに含まれる平行部位の延伸方向は直交し、第１の偏波共用アンテナに含まれる平行部位の延伸方向に対して斜め方向に第２の偏波共用アンテナが位置する。

本発明に拠れば、詳しくは後述するように、ロープロファイルでありながら、（１）垂直偏波用素子と水平偏波用素子との素子間相互結合量の低減と（２）偏波ごとの双指向性、の両立が可能である。

実施形態の偏波共用アンテナ。（ａ）平面図。（ｂ）Ａ-Ａ線断面図。（ｃ）水平偏波用素子の底面図。（ｄ）第１ストリップ導体。実施形態の変形例の偏波共用アンテナ。（ａ）平面図。（ｂ）Ｃ-Ｃ線断面図。（ｃ）水平偏波用素子の底面図。（ｄ）第１ストリップ導体と第２ストリップ導体。実施例１の偏波共用アンテナに含まれる垂直偏波用素子の指向性を示す図。実施例１の偏波共用アンテナに含まれる水平偏波用素子の指向性を示す図。実施例１の偏波共用アンテナに含まれる垂直偏波用素子と水平偏波用素子との素子間結合量を示す図。実施例２の偏波共用アンテナに含まれる垂直偏波用素子と水平偏波用素子のそれぞれの指向性を示す図。実施例３の構成。（ａ）比較例。（ｂ）実施例３。実施例３と比較例のそれぞれにおける偏波共用アンテナ間結合量を示す図（Ｓ１１）。実施例３と比較例のそれぞれにおける偏波共用アンテナ間結合量を示す図（Ｓ２２）。実施例３と比較例のそれぞれにおける偏波共用アンテナ間結合量を示す図（Ｓ２１）。実施例３と比較例のそれぞれにおける偏波共用アンテナ間結合量を示す図（Ｓ３１）。実施例３と比較例のそれぞれにおける偏波共用アンテナ間結合量を示す図（Ｓ４１）。実施例３と比較例のそれぞれにおける偏波共用アンテナ間結合量を示す図（Ｓ３２）。実施例３と比較例のそれぞれにおける偏波共用アンテナ間結合量を示す図（Ｓ４２）。

図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、図１，２，７は本発明の実施形態を説明するためのものであり、寸法比や図同士の縮尺は必ずしも正確ではない。また、図１，２に示された偏波共用アンテナの各構成要素のサイズは後述する実施例の寸法値を正確に反映したものではないことに留意されたい。

＜偏波共用アンテナ＞
実施形態の偏波共用アンテナ１（図１参照）は、１個の垂直偏波用素子と１個の水平偏波用素子を含む。

＜垂直偏波用素子＞
垂直偏波用素子はいわゆる伝送線路型アンテナ１００であり、伝送線路型アンテナ１００はグラウンド板１０１と第１線状導体１０３を含む。

グラウンド板１０１の形状、材質、厚さなどは、所望のアンテナ特性を得られるように設計される。この例では、グラウンド板１０１は薄い、例えば厚さが数ミリ程度の矩形状平板金属（材料は例えば銅などの良導体）である。

第１線状導体１０３は、例えば銅などの良導体である。第１線状導体１０３は、一つの平行部位１０３ａと二つの垂直部位１０３ｂ１，１０３ｂ２を含む。

この例では、一つの平行部位１０３ａと二つの垂直部位１０３ｂ１，１０３ｂ２はそれぞれ細い棒状であって直線分状の形状を持つ。平行部位１０３ａは、グラウンド板１０１の一方の平面と平行であり、グラウンド板１０１の一方の平面から所定の距離だけ離れた位置に位置している。二つの垂直部位１０３ｂ１，１０３ｂ２はそれぞれグラウンド板１０１の一方の平面の法線と平行である。

また、一方の垂直部位１０３ｂ１の一端は短絡終端されており、他方の垂直部位１０３ｂ２の一端も短絡終端されている。具体的には、一方の垂直部位１０３ｂ１の一端と他方の垂直部位１０３ｂ２の一端はそれぞれグラウンド板１０１に接続されている。

また、この例では、一方の垂直部位１０３ｂ１の他端は平行部位１０３ａの一端に接続されており、他方の垂直部位１０３ｂ２の他端は平行部位１０３ａの他端に接続されており、このため、第１線状導体１０３は１個のステープラ用綴り針の如き形状を有している。

グラウンド板１０１を正視したとき、グラウンド板１０１の幾何学的中心（例えば円形状であれば円の中心であり、矩形状であれば対角線の交点である）は平行部位１０３ａの中心（つまり、平行部位１０３ａ上で平行部位１０３ａの長さが半分となる位置）と一致するように、第１線状導体１０３はグラウンド板１０１に配置されている。特に、グラウンド板１０１が矩形状の形状を持つ場合、好ましくは、グラウンド板１０１を正視したときに平行部位１０３ａがグラウンド板１０１のいずれかの辺と平行になるように、第１線状導体１０３はグラウンド板１０１に配置される。“グラウンド板１０１を正視したとき”は、図１の紙面の前後方向でグラウンド板１０１を見た場合を意味し、さらに換言すれば、グラウンド板１０１の一方の平面の法線方向でグラウンド板１０１を見た場合を意味する。

伝送線路型アンテナ１００では平行部位１０３ａに給電される。この例では、伝送線路型アンテナ１００は、一端が平行部位１０３ａに接続されており且つグラウンド板１０１の一方の平面の法線と平行な第２線状導体１０５を含んでおり、平行部位１０３ａは第２線状導体１０５を介して給電される。なお、好ましくは、平行部位１０３ａの中心と異なる平行部位１０３ａ上の位置で、さらに好ましくは、二つの垂直部位１０３ｂ１，１０３ｂ２のうちいずれか一方に近接した平行部位１０３ａ上の位置で、給電される。

例えば同軸ケーブルを用いて給電する場合、第２線状導体１０５が同軸ケーブルの内部導体（図示せず）自体である構成、または、第２線状導体１０５が同軸ケーブルの内部導体と接続する構成を採用できる。より詳細には、例えば、グラウンド板１０１は貫通孔（図示せず）を有し、グラウンド板１０１との絶縁を保ってグラウンド板１０１の貫通孔を挿通している同軸ケーブルの内部導体が第２線状導体１０５そのものである構成、または、グラウンド板１０１との絶縁を保ってグラウンド板１０１の貫通孔を挿通している第２線状導体１０５が同軸ケーブルの内部導体と物理的／機械的に接続する構成が考えられる。この場合、同軸ケーブルの外部導体（図示せず）はグラウンド板１０１に物理的／機械的に接続する。

また、伝送線路型アンテナ１００は、第２線状導体１０５と二つの垂直部位１０３ｂ１，１０３ｂ２のいずれか一方とを接続する第３導体１０７を含んでもよい。第３導体１０７によって伝送線路型アンテナ１００の整合を調整することができる。例えば、図２に示す偏波共用アンテナ１の変形例である偏波共用アンテナ２（後述する）では、直線分状の第３導体１０７は、第２線状導体１０５と一方の垂直部位１０３ｂ１とを接続している。また、この変形例では、第３導体１０７は、グラウンド板１０１の一方の平面と平行であり、平行部位１０３ａとグラウンド板１０１とのほぼ中央の位置に位置している。

なお、いわゆるイメージ理論に従うと、グラウンド板１０１を鏡映面として、第１線状導体１０３と第２線状導体１０５のそれぞれの鏡像を考えることができる。この場合、あたかも、第２線状導体１０５と第２線状導体１０５の鏡像に関して右側と左側のそれぞれに１個の垂直ループアンテナが存在すると考えることができる。このため、偏波共用アンテナ１に含まれる垂直偏波用素子を、２個の垂直ループアンテナが組み合わされた複合垂直ループアンテナと見なすことも可能である。このように偏波共用アンテナ１に含まれる垂直偏波用素子の理解の仕方は一義的ではない。しかし、垂直偏波用素子の理解の仕方は垂直偏波用素子自体の作用及び効果に対して差異をもたらすものではないので、この明細書では「伝送線路型アンテナ」との呼称を採用する。

偏波共用アンテナ１に含まれる垂直偏波用素子の高さ（つまり、グラウンド板１０１の一方の平面の法線方向におけるサイズ）は、複合垂直ループアンテナの高さと比較しておよそ半分であるから、偏波共用アンテナ１に含まれる垂直偏波用素子はロープロファイルアンテナである。また、簡単に述べると、グラウンド板１０１が存在するため第２線状導体１０５と二つの垂直部位１０３ｂ１，１０３ｂ２が伝送線路型アンテナ１００固有の指向性に大きく寄与し、このため、偏波共用アンテナ１に含まれる垂直偏波用素子は、単独で、水平面内（グラウンド板１０１の一方の平面と平行な平面内）で８の字状であり、垂直面内（グラウンド板１０１の一方の平面の法線と平行であり平行部位１０３ａを含む平面内）で蝶の羽状であるような双指向性を持つ。つまり、偏波共用アンテナ１に含まれる垂直偏波用素子は、単独で、双指向性を持つロープロファイルアンテナである。

＜水平偏波用素子＞
水平偏波用素子はいわゆる逆相励振型平面アンテナ２００であり、逆相励振型平面アンテナ２００は誘電体板２０１と平板状導体２０３を含む。

誘電体板２０１の比誘電率、厚さ、形状などは、所望のアンテナ特性を得られるように設計される。この例では、誘電体板２０１は、矩形平板状のセラミック基板である。

平板状導体２０３は、例えば銅箔などの薄い、例えば厚さ数十ミクロン程度の良導体であり、誘電体板２０１の一方の平面上に配置されている。平板状導体２０３は線対称且つ非凸集合の形状を持つ。ここで「非凸集合の形状」とは、“平板状導体２０３に含まれる任意の２点について、当該２点を結ぶ線分上の任意の点が平板状導体２０３に含まれる”ことが成立しない形状である。

さらに、平板状導体２０３は、平板状導体２０３を正視したとき平板状導体２０３の全体が誘電体板２０１に含まれるような形状を持っている。“平板状導体２０３を正視したとき”は、図１の紙面の前後方向で平板状導体２０３を見た場合を意味し、さらに換言すれば、平板状導体２０３の法線方向で平板状導体２０３を見た場合を意味し、“誘電体板２０１を正視したとき”（つまり、誘電体板２０１の一方の平面の法線方向で誘電体板２０１を見た場合）と言い換えてもよい。

誘電体板２０１を正視したときの平板状導体２０３の縁線は、誘電体板２０１を正視したときの誘電体板２０１の縁線と一致する部分と、誘電体板２０１を正視したときの誘電体板２０１の縁線と一致しない部分とで構成される。ここで「平板状導体２０３の縁線」とは、単純閉曲線（自身と交わらない閉じた曲線）であって、当該単純閉曲線による有界領域と当該単純閉曲線とで構成される集合が誘電体板２０１を正視したときの平板状導体２０３を含む集合の下限となるようなものをいう（この単純閉曲線は単純多辺形を含む。平面上のｎ個(ｎ≧３)の点Ｐ₁，Ｐ₂，…，Ｐ_nをこの順番で結んで得られる線分Ｐ₁Ｐ₂，Ｐ₂Ｐ₃，…，Ｐ_n-1Ｐ_n，Ｐ_nＰ₁で構成される図形を閉折線といい、各点Ｓ_kを頂点、各線分Ｐ₁Ｐ₂，Ｐ₂Ｐ₃，…，Ｐ_n-1Ｐ_n，Ｐ_nＰ₁をそれぞれ辺という。このとき、閉折線のうち、どの２辺についても隣り合う２辺の共通の頂点以外には共有点を持たないものを単純多辺形という）。同様に、「誘電体板２０１の縁線」とは、単純閉曲線であって、当該単純閉曲線による有界領域と当該単純閉曲線とで構成される集合が誘電体板２０１を正視したときの誘電体板２０１を含む集合の下限となるようなものをいう（この単純閉曲線は単純多辺形を含む）

そして、逆相励振型平面アンテナ２００は、（１）誘電体板２０１の一方の平面の一部であって、（２）平板状導体２０３によって被覆されておらず、且つ、（３）平板状導体２０３の対称線２０３ｓ上に配置されている、一対の部位２０１ａを持つ。一対の部位２０１ａのそれぞれは、誘電体板２０１を正視したときの平板状導体２０３の縁線の一部と誘電体板２０１を正視したときの誘電体板２０１の縁線の一部とで囲まれた領域として特定される。

一対の部位２０１ａは平板状導体２０３の対称線２０３ｓ上に配置されているので、一対の部位２０１ａのそれぞれの形状はこの対称線２０３ｓに関して線対称の形状を持つ。例えば、一対の部位２０１ａのそれぞれは、平行な二辺のうち一方が誘電体板２０１を正視したときの誘電体板２０１の縁線の一部であり、他方が誘電体板２０１を正視したときの平板状導体２０３の縁線の一部であり、当該一方の長さが当該他方の長さよりも長い台形状の領域である。このような領域は、この発明が属する技術分野でノッチ（notch）としばしば呼ばれるが、台形やＶ字の形状に限定されない。図示する例では、一対の部位２０１ａのそれぞれは、一辺が誘電体板２０１を正視したときの誘電体板２０１の縁線の一部であり、残りの三辺が誘電体板２０１を正視したときの平板状導体２０３の縁線の一部である矩形状の領域である（換言すれば、図１に示す例では、平板状導体２０３はＨ字状の形状を持っている）。なお、一対の部位２０１ａのそれぞれは、好ましくは、長くはない一対の辺の一方が誘電体板２０１を正視したときの誘電体板２０１の縁線の一部である矩形状領域である。

水平偏波用素子２００では一対の部位２０１ａに位相差π（つまり、位相差１８０度）で給電される。給電方法に限定は無いが、一例としてマイクロストリップ線路構造を利用した電磁結合給電方式を採用できる。

この給電方式によると、誘電体板２０１の他方の平面上には線状の第１ストリップ導体２０５が配置されている。誘電体板２０１を正視したとき、第１ストリップ導体２０５の一対の末梢部位２０５ａ（図１にて寸法線ｍ₃で示す部位）のそれぞれは、平板状導体２０３の対称線２０３ｓによる幅の中点２０３ｒを通り平板状導体２０３の法線とも平板状導体２０３の対称線２０３ｓとも直交する直線２０３ｔと平行である。さらに、第１ストリップ導体２０５の一対の末梢部位２０５ａは第１ストリップ導体２０５の中点（つまり、第１ストリップ導体２０５上で第１ストリップ導体２０５の長さが半分となる位置であり、この例では、誘電体板２０１を正視したときの中点２０３ｒとオーバーラップする）に関して点対称に位置している。ここで「末梢部位」とは、第１ストリップ導体２０５の端部２０５ｂを含む端部２０５ｂの近傍領域であって、端部２０５ｂを一端として持つ連続する線状領域である。また、ここで「平板状導体２０３の対称線２０３ｓによる幅の中点２０３ｒ」とは、平板状導体２０３の対称線２０３ｓに沿って測定した平板状導体２０３の幅が半分となる位置である。

一対の末梢部位２０５ａは一対の部位２０１ａと対向している。ここで「対向」とは、誘電体板２０１を正視したときに、一対の末梢部位２０５ａと一対の部位２０１ａとの間でオーバーラップする部分が存在することをいう。

このことは、この例のように一対の部位２０１ａのそれぞれが矩形状領域である場合、一対の末梢部位２０５ａのそれぞれの延伸方向が、矩形状領域の辺と平行となるように、好ましくは矩形状領域の長くない辺と平行となるように、一対の末梢部位２０５ａが一対の部位２０１ａと対向している、と言い換えることもできる。

また、好ましくは、一対の末梢部位２０５ａ以外の第１ストリップ導体２０５の部位は、誘電体板２０１を正視したときに、一対の部位２０１ａとの間でオーバーラップする部分を持たない。

第１ストリップ導体２０５が上述の構造を持つため、第１ストリップ導体２０５の対称点（この例では、誘電体板２０１を正視したときの中点２０３ｒとオーバーラップする）に給電すると、一対の部位２０１ａに位相差πで給電されることになる。

偏波共用アンテナ１に含まれる水平偏波用素子は、平面アンテナであるから、ロープロファイルアンテナである。また、簡単に述べると、一対の部位２０１ａのそれぞれの指向性はダイポールアンテナのそれと類似するが、一対の部位２０１ａに逆相給電されるので、偏波共用アンテナ１に含まれる水平偏波用素子は、単独で、水平面内（つまり、誘電体板２０１と一方の平面の平行な面内）と垂直面内（ただし、誘電体板２０１の一方の平面の法線と平行であり平板状導体２０３の対称線２０３ｓを含む平面内）のそれぞれで８の字状であるような双指向性を持つ。つまり、偏波共用アンテナ１に含まれる水平偏波用素子は、単独で、双指向性を持つロープロファイルアンテナである。

＜偏波共用アンテナの構造＞
偏波共用アンテナ１は、垂直偏波用素子である伝送線路型アンテナ１００と水平偏波用素子である逆相励振型平面アンテナ２００をグラウンド板１０１の一方の平面の法線方向に近接配置した構造を持っている。

具体的には、逆相励振型平面アンテナ２００は、誘電体板２０１とグラウンド板１０１とが平行になるように（より詳細には、誘電体板２０１の一方の平面とグラウンド板１０１の一方の平面とが平行になるように）、平行部位１０３ａに関してグラウンド板１０１と反対側に配置されている。好ましくは、逆相励振型平面アンテナ２００は、誘電体板２０１の一方の平面とグラウンド板１０１の一方の平面とが平行であって且つ平行部位１０３ａが平板状導体２０３と対向するように、平行部位１０３ａに関してグラウンド板１０１と反対側に配置されている。

なお、誘電体板２０１は、グラウンド板１０１を正視したとき誘電体板２０１の全体がグラウンド板１０１に含まれるような大きさを持っている。“グラウンド板１０１を正視したとき”は“誘電体板２０１を正視したとき”と言い換えてもよい。

このような配置構造において、グラウンド板１０１を正視したとき、平行部位１０３ａの中心と平板状導体２０３の対称線２０３ｓによる幅の中点２０３ｒはオーバーラップし、且つ、平板状導体２０３の対称線２０３ｓによる幅の中点２０３ｒを通り平板状導体２０３の一方の平面の法線とも平板状導体２０３の対称線２０３ｓとも直交する直線２０３ｔと平行部位１０３ａはオーバーラップする。

もちろん、このような配置関係において、平行部位１０３ａが平板状導体２０３と接触する条件は排除されるが、後述する実施例１で明らかなように、水平偏波用素子が垂直偏波用素子にかなり近接していても垂直偏波用素子と水平偏波用素子との素子間結合量は十分に小さい。また、垂直偏波用素子がグラウンド板を持つ場合、水平偏波用素子を垂直偏波用素子に近接配置すると、一般的に、水平偏波用素子の指向性はグラウンド板の影響で大きく歪む。しかし、偏波共用アンテナ１によると、後述する実施例１で明らかなように、水平偏波用素子が垂直偏波用素子にかなり近接していても、各偏波で水平面内双指向性が保たれる。偏波共用アンテナ１は、このように二つのアンテナをグラウンド板１０１の法線方向に近接配置した構造であるが、それぞれのアンテナがロープロファイルアンテナであるから偏波共用アンテナ１は全体としてロープロファイルアンテナであると評価でき、（１）垂直偏波用素子と水平偏波用素子との素子間相互結合量の低減と（２）偏波ごとの双指向性の両立が可能な構造を持っている。

平行部位１０３ａが平板状導体２０３と対向するように伝送線路型アンテナ１００と逆相励振型平面アンテナ２００が配置されている場合、平板状導体２０３は、平行部位１０３ａと対向する部位の一部にスロット２０１ｃ（つまり、誘電体板２０１が露出している部分）を有してもよい（図２参照）。後述する実施例１で明らかなように偏波共用アンテナ１では伝送線路型アンテナ１００と逆相励振型平面アンテナ２００との間の素子間結合量が十分に小さいが、平板状導体２０３がスロット２０１ｃを持つことによって、伝送線路型アンテナ１００と逆相励振型平面アンテナ２００との間の素子間結合量の更なる低減を期待できる。スロット２０１ｃの形状に限定は無いが、平板状導体２０３を正視したとき、長手方向が平行部位１０３ａの延伸方向とオーバーラップするような細長い矩形状であることが好ましい。この場合、平板状導体２０３を正視したとき、スロット２０１ｃの幾何学的中心は、平行部位１０３ａの中心とオーバーラップする。また、図２に示す例の平板状導体２０３には、スロット２０１ｃを持つ以外に、図１に示す例の平板状導体２０３の形状（Ｈ字状）の四隅が欠けた形状を持つという特徴がある。このように、平板状導体２０３の面積を少しでも小さくすることで、伝送線路型アンテナ１００と逆相励振型平面アンテナ２００との間の素子間結合量の更なる低減が期待される。

＜変形例＞
図２を参照して、偏波共用アンテナ１の変形例である偏波共用アンテナ２を説明する。偏波共用アンテナ２は、偏波共用アンテナ１において伝送線路型アンテナ１００が逆相励振型平面アンテナ２００を支持する構造の一例に関する。

誘電体板２０１の他方の平面上に、さらに、第１ストリップ導体２０５の中点に一端が接続する線状の第２ストリップ導体２０７が配置されている。第２ストリップ導体２０７は直線分状の線路であり、誘電体板２０１を正視したとき、第２ストリップ導体２０７は、平板状導体２０３の対称線２０３ｓによる幅の中点２０３ｒを通り平板状導体２０３の法線とも平板状導体２０３の対称線２０３ｓとも直交する直線２０３ｔとオーバーラップしている。別の観点から説明すれば、誘電体板２０１を正視したとき、第２ストリップ導体２０７と平行部位１０３ａとの間にオーバーラップする部分が存在する。

一方の垂直部位１０３ｂ１の一端はグラウンド板１０１と接続している。一方の垂直部位１０３ｂ１の他端は平板状導体２０３と接続している。一方の垂直部位１０３ｂ１の中間部は平行部位１０３ａと接続している。ここで「中間部」は一方の垂直部位１０３ｂ１の一端と他端を除く部位の一部を意味する。

他方の垂直部位１０３ｂ２は、内部導体１０３ｂ２１と絶縁体（図示せず）と当該絶縁体で当該内部導体１０３ｂ２１と電気的に絶縁されている外部導体１０３ｂ２２とを含んでいる。つまり、他方の垂直部位１０３ｂ２は、例えば、シース（sheath）を持たない（換言すれば、外部導体が露出している）同軸ケーブルの構造を持っている。

他方の垂直部位１０３ｂ２の短絡終端されている一端は他方の垂直部位１０３ｂ２の外部導体１０３ｂ２２の一端であり、この例では、他方の垂直部位１０３ｂ２の外部導体１０３ｂ２２の一端はグラウンド板１０１と接続している。他方の垂直部位１０３ｂ２の外部導体１０３ｂ２２の他端は平板状導体２０３と接続している。他方の垂直部位１０３ｂ２の外部導体１０３ｂ２２の中間部は平行部位１０３ａと接続している。ここで「中間部」は他方の垂直部位１０３ｂ２の一端と他端を除く部位の一部を意味する。

他方の垂直部位１０３ｂ２の内部導体１０３ｂ２１は第２ストリップ導体２０５の他端に接続している。より詳細には、平板状導体２０３は貫通孔（図示せず）を有し、平板状導体２０３との絶縁を保って平板状導体２０３の貫通孔を挿通している他方の垂直部位１０３ｂ２の内部導体１０３ｂ２１が第２ストリップ導体２０５の他端に接続している。

このように、偏波共用アンテナ２では、逆相励振型平面アンテナ２００は二つの垂直部位１０３ｂ１，１０３ｂ２によって支持されており、他方の垂直部位１０３ｂ２の内部導体１０３ｂ２１と第２ストリップ導体２０７を介して第１ストリップ導体２０５に給電される。

＜偏波共用アンテナシステム＞
本発明の偏波共用アンテナシステムは、複数の本発明の偏波共用アンテナを用いて構築される。例えば、実施形態である偏波共用アンテナシステム５（図７参照）は、２個の上述した偏波共用アンテナ１（以下、一方を第１の偏波共用アンテナ１ａと呼称し、他方を第２の偏波共用アンテナ１ｂと呼称する）を含む。

第１の偏波共用アンテナ１ａと第２の偏波共用アンテナ１ｂは、同一平面上に、第１の偏波共用アンテナ１ａに含まれる平行部位の延伸方向と第２の偏波共用アンテナ１ｂに含まれる平行部位の延伸方向が直交するように、配置されている。なお、図７に示す例では、第１の偏波共用アンテナ１ａに含まれるグラウンド板と第２の偏波共用アンテナ１ｂに含まれるグラウンド板は同じ１枚の金属板である。加えて、第１の偏波共用アンテナ１ａに含まれる平行部位の延伸方向に対して斜め方向、好ましくはおよそ４５度の方向、に第２の偏波共用アンテナ１ｂが位置している。もちろん、この配置関係において、第１の偏波共用アンテナ１ａが第２の偏波共用アンテナ１ｂと重なったり接触したりする条件は排除されるが、後述する実施例３において明らかなように、第１の偏波共用アンテナ１ａが第２の偏波共用アンテナ１ｂとかなり近接していても第１の偏波共用アンテナ１ａと第２の偏波共用アンテナ１ｂとのアンテナ間結合量は十分に小さい。

ここでは、２個の上述した偏波共用アンテナ１を含む偏波共用アンテナシステム５を説明したが、他の実施形態として、２個の上述した偏波共用アンテナ１の変形例を含む偏波共用アンテナシステムも許されるし、１個の上述した偏波共用アンテナ１と１個の上述した偏波共用アンテナ１の変形例を含む偏波共用アンテナシステムも許される。このように、偏波共用アンテナシステムに含まれる複数の偏波共用アンテナは全て同じ構造を持っていてもよいし、複数の偏波共用アンテナの一部がその他と異なる構造を持っていてもよい。

＜実施例１＞
偏波共用アンテナ１の実施例のシミュレーション結果を図３〜図５に示す。このシミュレーションでは、グラウンド板１０１の一方の平面（つまり、逆相励振型平面アンテナ２００に向かう面）を吸収境界に設定した。シミュレーション対象の偏波共用アンテナ１の実施例は次のような仕様を持つ。なお、記号および採寸については、図１中の寸法線を参照のこと。
設計周波数：3.5GHz
グラウンド板の大きさ：B₁×B₂＝150mm×150mm
第１線状導体の平行部位の長さ：d₁=37.5mm
第１線状導体の幅：b=1mm
第２線状導体と、第１線状導体の二つの垂直部位のうち第２線状導体と遠い方との距離：d₂=33mm
グラウンド板と第１線状導体の平行部位との距離＝第１線状導体の二つの垂直部位のそれぞれの長さ＝第２線状導体の長さ：h₁=7mm
グラウンド板と平板状導体との距離：h₂=10mm
誘電体板の大きさ：l₁×l₂＝35.5mm×19mm
誘電体板の厚み：h₃=0.8mm
誘電体板の比誘電率：2.6
第１ストリップ導体の幅：m₀=1mm
誘電体板を正視したときに第１線状導体の平行部位とオーバーラップする第１ストリップ導体の部位の長さ：m₁=17mm
平板状導体の対称線と平行な第１ストリップ導体の部位の長さ：m₂=7mm
第１ストリップ導体の末梢部位の長さ：m₃=11.5mm
第１ストリップ導体の全長：m₁+m₂+2×m₃=47mm
誘電体板の長辺から一対の部位までの距離：W₁=3mm
一対の部位の間の距離：W₂=6.5mm

図３，４に垂直偏波用素子と水平偏波用素子のそれぞれの指向性を示す。図３から明らかなように、偏波共用アンテナ１の実施例では、各偏波で双指向性を保っている。各偏波の水平面内双指向性は互いに直交している。また、図５に示すように、垂直偏波用素子と水平偏波用素子の間隔がh₂-h₁=0.035λ（3mm）であっても素子間結合量は十分に小さい。つまり、偏波共用アンテナ１の実施例は、各偏波で互いに直交する双指向性を持つ高さ約0.13λ（≒h₂+h₃）のロープロファイルアンテナである。

＜実施例２＞
偏波共用アンテナ２の実施例のシミュレーション結果を図６に示す。このシミュレーションでは、グラウンド板１０１の一方の平面（つまり、逆相励振型平面アンテナ２００に向かう面）を吸収境界に設定した。シミュレーション対象の偏波共用アンテナ２の実施例は次のような仕様を持つ。なお、記号および採寸については、図２中の寸法線を参照のこと。
設計周波数：3.5GHz
グラウンド板の大きさ：B₁×B₂＝200mm×200mm
第１線状導体の平行部位の長さ：d₁=41mm
第１線状導体の幅：b=1mm
第２線状導体と、第１線状導体の二つの垂直部位のうち第２線状導体と遠い方との距離：d₂=38mm
グラウンド板と第１線状導体の平行部位との距離＝第１線状導体の二つの垂直部位のそれぞれの長さ＝第２線状導体の長さ：h₁=8mm
グラウンド板と平板状導体との距離：h₂=13mm
グラウンド板と第３導体との距離：h₄=3mm
誘電体板の大きさ：l₁×l₂＝34.75mm×46mm
誘電体板の厚み：h₃=0.8mm
誘電体板の比誘電率：2.6
第１ストリップ導体の幅：m₀=0.8mm
第１ストリップ導体の中点を通り、平板状導体の対称線と平行な第１ストリップ導体の部位の長さ：m₁=7mm
平板状導体の対称線と直交する方向に平行な第１ストリップ導体の部位（ただし、末梢部位ではない）の長さ：m₂=8mm
第１ストリップ導体の中点を通らない、平板状導体の対称線と平行な第１ストリップ導体の部位の長さ：m₃=2.5mm
第１ストリップ導体の末梢部位の長さ：m₄=15.5mm
第１ストリップ導体の全長：m₁+2×m₂+2×m₃+2×m₄=59mm
第２ストリップ導体の長さ：m₅=22mm
矩形状の一対の部位の短辺の長さ：W₃=9mm
一対の部位の短辺を挟む平板状導体の幅（平板状導体の対称線と直交する方向の長さ）：W₁=3mm
一対の部位の間の距離：W₂=8mm
第２ストリップ導体と対向する平板状導体の部位の最小幅：l₃=3mm
スロットの大きさ：t₁×t₂＝3.5mm×13.5mm

図６に垂直偏波用素子と水平偏波用素子のそれぞれの指向性を示す。図６から明らかなように、偏波共用アンテナ２の実施例では、各偏波で双指向性を保っている。各偏波の水平面内双指向性は互いに直交している。つまり、偏波共用アンテナ２の実施例は、各偏波で互いに直交する水平面内双指向性を持つ高さ約0.16λ（≒h₂+h₃）のロープロファイルアンテナである。

＜実施例３＞
偏波共用アンテナシステムの実施例のシミュレーション結果を図８〜図１４に示す。第１の偏波共用アンテナ１ａと第２の偏波共用アンテナ１ｂはそれぞれ実施例１の偏波共用アンテナと同じである。実施例３では、第１の偏波共用アンテナ１ａに含まれる平行部位の延伸方向に対して４５度の方向に第２の偏波共用アンテナ１ｂが位置している。比較のために、第１の偏波共用アンテナ１ａに含まれる平行部位の延伸方向に対して０度の方向に第２の偏波共用アンテナ１ｂが位置している比較例とそのシミュレーション結果を図８〜図１４に示す。図８〜図１４に示すように、第１の偏波共用アンテナ１ａに含まれる平行部位の延伸方向に対して４５度の方向に第２の偏波共用アンテナ１ｂを配置した場合、アンテナ間結合量がより小さくなることがわかる。

実施形態の説明で使用している「接続」との用語は、当該「接続」との用語に係る構成要素が直接的に（換言すれば、他の構成要素を全く介さずに）接続されていることに限定する意味ではなく、実際の必要に応じて、また、本発明のアンテナとしての特性に本質的な変更を及ぼさない限りにおいて、当該「接続」との用語に係る構成要素が間接的に（換言すれば、他の構成要素を介して）接続されている場合も許容することを含意する。

上述の説明における「第○」との用語は、実施形態の構成を明確に説明するために使用した用語である。当該用語それ自体によって、つまり、構成要素の序列それ自体によって、本発明は限定されるものではない。また、当該用語の使用は、そのような限定を意図するものでもない。

本明細書で説明した各態様／実施形態は、LTE(Long Term Evolution)、LTE-A(LTE-Advanced)、SUPER 3G、IMT-Advanced、4G、5G、FRA(Future Radio Access)、W-CDMA（登録商標）、GSM（登録商標）、CDMA2000、UMB(Ultra Mobile Broadband)、IEEE 802.11(Wi-Fi)、IEEE 802.16(WiMAX)、IEEE 802.20、UWB(Ultra-WideBand)、Bluetooth（登録商標）、その他の適切なシステムを利用するシステム及び／又はこれらに基づいて拡張された次世代システムに適用されてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、当業者にとって、本発明が本明細書中で説明された実施形態に限定されないことは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載によって定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施され得る。本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、特段の断りが無い限り、本発明に対して何ら制限的な意味を有しない。

Claims

垂直偏波用素子と水平偏波用素子とを含む偏波共用アンテナであって、
上記垂直偏波用素子は、グラウンド板と第１線状導体とを含む伝送線路型アンテナであり、
上記第１線状導体は、二つの垂直部位と、給電される平行部位とを含み、
上記平行部位は上記グラウンド板と平行であり、
上記二つの垂直部位はそれぞれ上記グラウンド板の法線と平行であり、
上記二つの垂直部位の一方の一端と他方の一端はそれぞれ上記グラウンド板と接続されており、
上記水平偏波用素子は、誘電体板と、当該誘電体板の一方の面上に配置されている平板状導体とを含む逆相励振型平面アンテナであり、
上記平板状導体は線対称且つ非凸集合の形状を持ち、
上記誘電体板を正視したとき、上記平板状導体の縁線は、上記誘電体板の縁線と一致する部分と、上記誘電体板の縁線と一致しない部分とで構成されており、
上記逆相励振型平面アンテナは、上記平板状導体によって被覆されていない上記誘電体板の一方の面の一部であって上記平板状導体の対称線上に配置され、位相差πで給電される、一対の部位を持ち、
上記逆相励振型平面アンテナは、上記誘電体板と上記グラウンド板とが平行になるように、上記平行部位に関して上記グラウンド板と反対側に配置されており、
上記グラウンド板を正視したとき、上記平行部位の中心と上記対称線による幅の中点はオーバーラップし、且つ、上記対称線による幅の中点を通り上記平板状導体の法線とも上記対称線とも直交する直線と上記平行部位はオーバーラップする
偏波共用アンテナ。
請求項１に記載の偏波共用アンテナにおいて、
上記平行部位は上記平板状導体と対向している
ことを特徴とする偏波共用アンテナ。
請求項２に記載の偏波共用アンテナにおいて、
線状の第１ストリップ導体と線状の第２ストリップ導体とが上記誘電体板の他方の面上に配置されており、
上記誘電体板を正視したとき、上記第２ストリップ導体は上記直線とオーバーラップし、
上記第２ストリップ導体の一端は上記第１ストリップ導体の中点に接続されており、
上記誘電体板を正視したとき、上記第１ストリップ導体の一対の末梢部位のそれぞれは上記直線と平行であり、且つ、上記第１ストリップ導体の一対の末梢部位は上記第１ストリップ導体の中点に関して点対称に位置しており、
上記一対の末梢部位は上記一対の部位と対向しており、
上記二つの垂直部位の一方の上記一端は上記グラウンド板と接続しており、
上記二つの垂直部位の一方の他端は上記平板状導体と接続しており、
上記二つの垂直部位の一方の中間部は上記平行部位と接続しており、
上記二つの垂直部位の他方は内部導体と絶縁体と当該絶縁体で当該内部導体と電気的に絶縁されている外部導体とを含み、
上記二つの垂直部位の他方の上記一端は上記外部導体の一端であり、上記外部導体の一端は上記グラウンド板と接続しており、
上記外部導体の他端は上記平板状導体と接続しており、
上記外部導体の中間部は上記平行部位と接続しており、
上記内部導体は上記第２ストリップ導体の他端に接続している
ことを特徴とする偏波共用アンテナ。
請求項２または請求項３に記載の偏波共用アンテナにおいて、
上記平板状導体は、上記平行部位と対向する部位にスロットを有する
ことを特徴とする偏波共用アンテナ。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の偏波共用アンテナにおいて、
上記伝送線路型アンテナは、
上記平行部位に接続されており、当該グラウンド板の法線と平行な第２線状導体と、
上記第２線状導体と上記二つの垂直部位のいずれか一方とを接続する第３導体と
を含む
ことを特徴とする偏波共用アンテナ。
請求項１から請求項５のいずれかに記載の第１の偏波共用アンテナと、
請求項１から請求項５のいずれかに記載の第２の偏波共用アンテナと
を含み、
上記第１の偏波共用アンテナと上記第２の偏波共用アンテナは、同一平面上に配置されており、
上記第１の偏波共用アンテナに含まれる上記平行部位の延伸方向と上記第２の偏波共用アンテナに含まれる上記平行部位の延伸方向は直交し、
上記第１の偏波共用アンテナに含まれる上記平行部位の延伸方向に対して斜め方向に上記第２の偏波共用アンテナが位置する
偏波共用アンテナシステム。