JP3623714B2 - 広帯域アンテナ及びアレイアンテナ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は陸上における移動通信に好適な広帯域アンテナ及びアレイアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話に代表される移動体通信における基地局アンテナは、半波長ダイポールアンテナ等の放射素子を垂直方向に多段にアレイ状に配置してアレイアンテナを構成している。例えば、移動体通信に関しては多くの加入者にサービスを提供する為に３６０度のサービスエリアを３あるいは６つのセクタに分けて対応している。したがって、水平面内のビーム幅は、３セクタ構成のサービスエリアの場合は、約１２０度のビーム幅を、６セクタ構成のサービスエリアとした場合は約６０度のビーム幅の指向特性を有するアレイアンテナを開発する必要がある。
【０００３】
比較的狭いビーム幅を有するアンテナを作る際、所謂八木宇田アンテナのようにダイポールアンテナに代表されるような放射素子に、ビームを有する方向とは逆方向に放射素子よりやや長い無給電素子あるいは反射板を設け、さらに必要に応じてビームを有する方向に放射素子よりやや短い無給電素子を設け、それらの間隔や長さ、あるいは形状を調整して所望のビーム幅を得ている。
上記記載の各放射素子と、各反射板、及びその他無給電素子とで構成されるアンテナの水平方向の放射ビーム幅とは、各放射素子と、各反射板、及びその他無給電素子とで構成されるアンテナの水平方向の指向特性において、その正面における利得に対して、その利得が３ｄＢ低下する角度の範囲、つまり、各放射素子と、各反射板、及びその他無給電素子とで構成されるアンテナの水平方向の指向特性の半値幅を意味している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
携帯電話等の移動体通信では通信品質を向上させるため、ダイバシチが用いられ、さらにその方法によってスペースダイバシチや、ハイトダイバシチ、偏波ダイバシチなどに分けられる。なかでも偏波ダイバシチは垂直偏波の電波と水平偏波の電波を同時に受信することで、安定した通話を可能にしている。
このようなシステムの基地局アンテナには垂直偏波素子と、水平偏波素子の両方を持ち合わせ、それぞれの素子がほぼ同じ指向特性を得られる様に配列した偏波ダイバシチアンテナが必要となる。
【０００５】
垂直偏波素子については、半波長ダイポールアンテナが一般に使用されている。周知の如く、半波長ダイポールアンテナはダイポール軸と直交する面内（Ｈ面内）で無指向特性である為、この垂直偏波用の半波長ダイポールアンテナに反射板を組合せることにより、垂直偏波の水平面内の放射ビーム幅を１２０度とすることは容易である。なお、図７において、９ａ、９ｂは半波長ダイポールアンテナの素子、６は反射板を表している。図７のように、１２０度ビームアンテナを水平に２個配置することにより、放射ビーム幅を６０度とすることもまた容易である。
【０００６】
しかしながら、水平偏波用アンテナとして半波長ダイポールアンテナを使用する場合、半波長ダイポールアンテナはダイポール軸を含む面内（Ｅ面内）では８字型の指向特性を有している為、この水平偏波用の半波長アンテナに反射板を組合せても水平偏波の水平面内のビーム幅は７０度程度にしかならない。
このように、従来技術では、水平偏波用の放射素子として半波長ダイポールアンテナを用いた場合、ダイポール軸を含む面内、つまり水平面内のビーム幅を狭くする為に無給電素子の形状、長さ、間隔を調整すると、その反面で、入力インピーダンスの整合が狭い帯域幅でしかとれなくなってしまうという欠点があった。本発明の目的はビーム幅をほとんど変えずに広帯域にわたって入力インピーダンスの整合をとる技術を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本題について開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
自由空間波長に比し、薄い誘電体の表面に各被着させた金属皮膜あるいは線状の半波長ダイポールアンテナの素子を設け、その両側の端部の近傍に自由空間波長に比し、狭い幅で、自由空間波長の約４分の１の長さを有する金属皮膜あるいは線状の１対の無給電素子を半波長ダイポールアンテナの素子と同じ平面状に配置する。
【０００８】
前記半波長ダイポールアンテナの素子で構成される放射素子ならびに無給電素子に、放射方向とは逆方向に線状の反射素子あるいは面状の反射板を有することを特徴とする。
前記放射素子ならびに無給電素子に、反射方向とは逆方向に線状の反射素子あるいは面状の反射板を有し、放射方向に放射素子よりやや短い無給電素子を配置することを特徴とする。
【０００９】
【作用】
自由空間波長に比し薄い誘電体の表面に各被着させた金属皮膜あるいは線状の自由空間波長の２分の１の長さに比し約７割の長さのダイポールアンテナの素子の両側の端部の近傍に、自由空間波長に比し狭い幅で自由空間波長の約４分の１の長さを有する金属皮膜あるいは線状の１対の無給電素子を半波長ダイポールアンテナの素子と同じ平面上に配置する。この時、放射方向とは逆方向に線状の反射素子あるいは面状の反射板を有し、放射方向に放射素子よりやや短い無給電素子を配置した場合においてもビーム幅を変えずに広帯域を実現できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明する為の全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
〈実施例１〉
図１は本発明の１実施例を示す斜視図、即ち、本発明を斜め前方から見た図である。
【００１１】
１は自由空間波長に比し薄い誘電体板、２は誘電体板１の表面に各被着させた金属皮膜で、自由空間波長の２分の１の長さに比し約７割の長さのダイポールアンテナの素子、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは自由空間波長に比し狭い幅で自由空間波長の約４分の１の長さを有する無給電素子で、これらは誘電体板１の表面に設けてある。４ａは整合線路で、これは誘電体板１の裏側に設けてある。５は入出力端子で、例えば同軸接栓より成り、その内部導体を整合線路４ａに接続し、外部導体をダイポールアンテナの素子２に接続している。誘電体板１を例えば、熱硬化ＰＰＥ銅張積層板を用いて形成する場合には、印刷手法と同様の手法によって不要の金属皮膜を除去して誘電体板１の表裏面にダイポールアンテナの素子２、無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、整合線路４ａを被着形成する。これらの製作方法は後述する他の実施例においても同様である。
【００１２】
整合線路４ａによって伝播された高周波エネルギーは、ダイポールアンテナの素子２を励振し、定在波がおきる。また、その励振されたエネルギーの一部は容量結合された無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄにも伝わり、その無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのダイポールアンテナの素子２とは反対側の端部まで伝播し、その高周波電流はその端部で反射されダイポールアンテナの素子２の方向に戻ってくる。無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは自由空間波長の約４分の１の長さを有することから、端部で反射されて戻ってきた高周波電流の位相はおおよそ１８０°ずれることになり、再び、容量結合されたダイポールアンテナの素子２を励振するが、もともとダイポールアンテナの素子２におきていた定在波とは位相が異なる為、一部が打ち消され、整合線路４ａへ戻っていくエネルギーが少なくなる。したがって、ダイポールアンテナの素子２、無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの長さ、及びダイポールアンテナの素子２と無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとの間隔を適切な値にすることで、広帯域にわたり入力反射特性が改善される。
〈実施例２〉
図２は本発明の実施例２を示す斜視図、即ち、本発明を斜め前方から見た図である。
【００１３】
２は自由空間波長の２分の１の長さに比し約７割の長さのダイポールアンテナの素子、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは自由空間波長に比し狭い幅で、自由空間波長の約４分の１の長さを有する無給電素子で、ダイポールアンテナの素子２と同一平面上に設けてある。４ａは整合線路で、６は反射板であり、この反射板６は導電体であれば格子や適宜穴を打ち抜いた金属板（所謂、パンチングメタル）を使用してもよく、また、その形状も適宜選択可能である。
【００１４】
ダイポールアンテナの素子２、及び無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄから放射された電磁波は、その一部は反射板６で反射され、ダイポールアンテナの素子２、及び無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄから反射板６とは反対の方向に放射された電磁波と合成されて、反射板６とは反対方向に電磁波は放射される。半波長ダイポールアンテナを使用する場合、半波長ダイポールアンテナはダイポール軸を含む面内（Ｅ面内）では８字型の指向特性を有している為、ダイポールアンテナの素子２、及び無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに反射板６を組み合わせても水平面内のビーム幅は７０度程度にしかならない。しかし、水平面内のビーム幅を７０度よりも細いビーム幅にしたい場合はダイポールアンテナの素子２、及び無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと、反射板６との距離を通常の自由空間波長の４分の１の長さに比しさらに狭くし、自由空間波長の８分の１程度まで狭くすることで、水平面内のビーム幅は、ダイポールアンテナの素子２、及び無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと、反射板６との距離を通常の自由空間波長の４分の１の長さのときに比しわずかに狭くすることが可能である。このような場合においても無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄをダイポールアンテナの素子２の両側の端部の近傍に配置することにより広帯域とすることができる。
〈実施例３〉
図３は本発明の実施例３を示す斜視図、即ち、本発明を斜め前方から見た図である。
【００１５】
実施例２で構成したダイポールアンテナの素子２と、無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと、反射板６に放射方向に自由空間波長に比し狭い幅で、自由空間波長の２分の１の長さに比し約７割の長さで、ダイポールアンテナの素子２に比し短い長さの無給電素子７を配置した。
無給電素子７は、所謂八木宇田アンテナの導波器と同じ作用をしているため、水平面内のビーム幅を実施例２に比し狭くすることが可能である。一般に無給電素子数が多い八木宇田アンテナの場合、比帯域幅が広く取れないという欠点があるが、本実施例においては、無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを配置することにより、広帯域化が可能である。
【００１６】
図４は実施例３のダイポールアンテナの素子２における周波数と反射減衰量との関係を示すグラフである。
なお、図４において横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は反射減衰量（ｄＢ）である。
図４から明らかなように本実施例のダイポールアンテナの素子２において反射減衰量が１４ｄＢ（電圧定在波比ＶＳＷＲ＝１．５）以下の周波数領域は約３８０ＭＨｚであり、これは、２ＧＨｚにおいて、比帯域幅１９％を実現していることを意味している。
〈実施例４〉
図５は本発明の実施例４を示す斜視図、即ち、本発明を斜め前方から見た図である。
【００１７】
実施例３で構成したダイポールアンテナの素子２と、無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと、無給電素子７を縦方向に４素子配置し、一連の反射板６で構成し、図５に示すように配置をすることで、動作利得を増加させるとともに、それぞれのダイポールアンテナの素子２にそれぞれ位相差や、振幅差をつけた高周波電流を給電することで、地面に対して垂直な面内の指向特性を変化させることが可能である。
【００１８】
図６は本発明の他の実施例を示す斜視図、即ち、本発明を斜め前方から見た図である。
実施例３で構成したダイポールアンテナの素子２と、無給電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと、無給電素子７を縦方向に４素子配置し、一連の反射板６で構成し、各素子の間に垂直偏波用のダイポールアンテナの素子８ａ、８ｂを配置した図で、４ｂは垂直偏波用のダイポールアンテナの素子８ａ、８ｂにそれぞれ給電する為の整合線路である。
【００１９】
図６に示すように各素子を配置することで、水平偏波素子と垂直偏波素子を効率よく配置され、垂直偏波、及び水平偏波の水平方向の放射ビーム方向を６０度とすることが可能である。したがって、これらの素子を移動通信用基地局の偏波ダイバシチアンテナとして使用することにより、水平偏波、及び垂直偏波の電波をバランス良く送受信することが可能である。
また、それぞれの水平偏波用ダイポールアンテナの素子２、及び垂直偏波用のダイポールアンテナの素子８ａ、８ｂにそれぞれ位相差や、振幅差をつけた高周波電流を給電することで、地面に対して垂直な面内の指向特性を変化させることが可能である。
【００２０】
以上、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であることは勿論である。
【００２１】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
本発明のアンテナは、水平偏波用の放射素子として半波長ダイポールアンテナを用いた場合、水平面内のビーム幅を狭くする為に無給電素子の形状、長さ、間隔を調整すると、入力インピーダンスの整合が狭い帯域幅でしかとれなくなってしまう欠点を、半波長ダイポールアンテナの素子と同じ平面上で半波長ダイポールアンテナの素子の両側に無給電素子を配置することで、ビーム幅をほとんど変えずに広帯域にわたって入力インピーダンスの整合をとることが可能である。
【００２２】
本発明のアンテナは、水平偏波素子と垂直偏波素子を効率よく配置し、垂直偏波、及び水平偏波の水平方向の放射ビーム方向を６０度とすることが可能である。したがって、これらの素子を移動通信用基地局の偏波ダイバシチアンテナとして使用することにより、水平偏波、及び垂直偏波の電波をバランス良く送受信することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を示す概略図。
【図２】本発明の実施例２を示す概略図。
【図３】本発明の実施例３を示す概略図。
【図４】本発明の実施例３の周波数と反射減衰量の関係との一実測例を示すグラフ。
【図５】本発明の実施例４を示す概略図。
【図６】本発明の他の実施例を示す概略図。
【図７】従来のアンテナを説明するための概略図。
【符号の説明】
１ 誘電体板
２、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ ダイポールアンテナの素子
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、７ 無給電素子
４ａ、４ｂ 整合線路
５ 入出力端子
６ 反射板

Claims (2)

1. 金属皮膜の自由空間波長の２分の１の長さに比し７割の長さの水平に配されたダイポールアンテナの素子と、ダイポールアンテナの素子の両側の端の上下の角部とそれぞれ容量結合し、それぞれダイポールアンテナの素子の長さ方向に延長され、自由空間波長の４分の１の長さを有する金属皮膜の第１〜第４無給電素子とが自由空間波長に比し薄い一枚の平面状誘電体の表面に各被着され、
   電波の放射方向とは逆方向に格子状あるいは面状の反射板を備え、
   電波の放射方向に、上記ダイポールアンテナ素子の放射電波に対し導波器と作用する第５無給電素子がダイポールアンテナ素子と並行に対向して配置されていることを特徴とする広帯域アンテナ。
2. 請求項１に記載の広帯域アンテナの複数を垂直方向に配列してアレイ化し、それぞれのダイポールアンテナ素子に位相差及び振幅差の高周波電流を給電する給電装置を備え、それぞれの放射素子を励振することで垂直面内の指向特性を変化させることを特徴とするアレイアンテナ装置。

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