JP2007006062A - 無指向性アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 無指向性アンテナとしての性能を損なうことなく一層の細径化と構造の簡略化および低廉化を図ること。
【解決手段】 ２つのダイポール素子20の水平方向距離を限りなく近づけるために、誘電体基板の10-1の長手軸線上をそれぞれ通る給電線路導体40および接地線路導体50によって各ダイポール素子が交差給電され、かつ、各ダイポール素子20を上下に挟む形態で設けられた第１および第２のシュペルトップ30によって各ダイポール素子20からの不要な電波の放射が抑制される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動通信システム等の基地局で使用するのに好適なプリント化した無指向性アンテナに関する。

移動通信システム等の基地局においては、円形の通信エリアを構成することが多く、その場合、基地局周辺に均一に電波を送信するため、水平面内において無指向性のアンテナが用いられる。
この種のアンテナとして、コリニアアンテナが周知である。しかし、このコリニアアンテナは、細径化が可能であるという利点を有する半面、使用可能な周波数帯域が狭いという欠点がある。例えば、誘電体基板に形成したコリニアアンテナでは、電圧定在波比が１．５以下となる帯域を使用可能周波数帯域とした場合、その帯域が使用中心周波数の約２％である。

携帯電話の基地局では、送信と受信の周波数帯域が離れているので、送受信の各帯域の双方に適用可能な広帯域のアンテナを必要とする。しかし、上記コリニアアンテナは、上記のように使用可能周波数帯域が狭いので、携帯電話の基地局用アンテナとして有効でない。
一方、近年の移動通信システムでは、垂直面内におけるビームチルト可変機能が必須である。しかし、上記コリニアアンテナは、放射素子への給電方式が直列給電方式であることから、ビームチルトに必要である各放射素子に対しての給電位相および振幅の制御が困難である。
そこで、上記コリニアアンテナが有する問題点を解決するため、ダイポール素子を使用したプリント化無指向性アンテナが提案されている(例えば、特許文献１参照)。

特開２００３−３２０３４号公報

しかし、特許文献１に記載のプリント化無指向性アンテナは、一対のダイポールアンテナパターンを形成した２つの誘電体基板と、給電回路パターンを形成した１つの誘電体基板とを立体的に組み合わせた構成を有するので、外径寸法が大きくなるとともに、水平面内指向性に若干の偏りが生じる。

移動通信システム等の基地局において使用する無指向性アンテナは、一層の細径化が可能で、かつ、並列給電によるビームチルトが可能であることが理想である。また、その内部構造の簡略化および低廉化を図れること、および、水平面内指向性の偏りの少ないことも重要となる。

本発明は、このような状況に鑑み、無指向性アンテナとしての性能を損なうことなく一層の細径化と構造の簡略化および低廉化を図ることができる無指向性アンテナを提供することを目的としている。また本発明は、上記細径化等を図ることができるとともに、垂直面内におけるビームチルトを変化させることが可能なアレー構成の無指向性アンテナを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る無指向性アンテナは、長尺の誘電体基板と、前記誘電体基板の長手軸線を中心とする左右対称な位置に、該長手軸線に平行する形態で、かつ、一方および他方の素子導体がそれぞれ前記誘電体基板の一方および他方の面に位置される形態でプリント形成された第１および第２のダイポール素子と、前記第１および第２のダイポール素子における前記一方の素子導体に接続され、前記誘電体基板の一方の面において前記長手軸線に沿って延びる給電線路導体と、前記第１および第２のダイポール素子における前記他方の素子導体に接続され、前記誘電体基板の他方の面において前記長手軸線に沿って延びる接地線路導体と、前記第１および第２のダイポール素子を上下に挟む形態で前記誘電体基板の他方の面にプリント形成され、それぞれ一端が前記接地線路導体に短絡された第１および第２のシュペルトップと、を備え、前記給電線路導体と前記接地線路導体とで構成される給電回路を介して前記第１および第２のダイポール素子に対し交差給電を行うように構成されている。

また、本発明に係る無指向性アンテナは、アレー化のため、上述した構成の無指向性アンテナをアンテナブロックとして上下に２つ配列し、それらのアンテナブロックの前記給電回路によって２分配並列給電回路を構成している。

さらに、本発明に係る無指向性アンテナは、前記アレー化された前記無指向性アンテナをアンテナブロックとして上下に複数段配列し、それらのアンテナブロックの前記２分配並列給電回路に、給電位相と振幅を変更するための可変移相器をそれぞれ挿入している。
上記各無指向性アンテナは、とくに屋外にて使用する場合に、円筒状カバーに収容して使用することが好ましい。

本発明に係る無指向性アンテナよれば、２つの半波長ダイポール素子の水平方向距離を限りなく近づけるために、誘電体基板の長手軸線上をそれぞれ通る給電線路導体および接地線路導体によって各ダイポール素子が交差給電され、かつ、各ダイポール素子を上下に挟む形態で設けられた第１および第２のシュペルトップによって該各ダイポール素子からの不要な電波の放射が抑制されるので、無指向性アンテナとしての性能を損なうことなく細径化を図ることができるとともに、その内部構造の簡略化および低廉化を図ることができる。

また、上記無指向性アンテナからなるアンテナブロックを上下に２つ配列した本発明に係るアレー構成の無指向性アンテナによれば、各アンテナブロックのダイポール素子への給電の位相および振幅を並列給電回路によって適切に設定できるため、良好な特性の垂直面内指向性（低サイドローブ化、ビームチルト角の設定）が得られる。

さらに、上記アレー構成の無指向性アンテナからなるアンテナブロックを上下に複数段配列した本発明に係る無指向性アンテナによれば、可変移相器により各アンテナブロックのダイポール素子に対する給電位相を変化させることによって、垂直面内のビームチルト角を容易に変更することが可能である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
図１の（a）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ本発明に係る無指向性アンテナの一実施形態を示す正面図、側面図および背面図である。
この無指向性アンテナＡ１は、横幅ｗが約０．１１λ（λは、使用周波数の波長）に設定された長尺の誘電体基板１０−１に一対のダイポール素子２０および一対のシュペルトップ３０をプリント形成した構成を有する。

各ダイポール素子２０は、長さが約０．４λｇ（λｇは、誘電体基板１０−１上での使用周波数の波長）に設定され、誘電体基板１０−１の長手軸線を中心とする左右対称位置に互いに約０．０８λ離れるように平行に形成されている。
ダイポール素子２０を構成する素子導体２１，２２のうち、一方の素子導体２１は誘電体基板１０−１の表面に、他方の素子導体２１は該誘電体基板１０−１の裏面にそれぞれ設けられている。

誘電体基板１０−１の表面および裏面には、それぞれ該誘電体基板１０−１の長手軸線上を通って延びる給電線路導体４０および接地線路導体５０がプリント形成されている。
給電線路導体４０は、誘電体基板１０−１の下端からダイポール素子２０の中心点の高さ部位に至るように形成され、その上端より左右に延びる各給電線路導体４１を介して左右のダイポール素子２０の素子導体２１の給電点に接続されている。一方、接地線路導体５０は、電体基板１０の下端から上端に至るように形成され、その上下中間点より左右に延びる各給電線路導体５１を介して左右のダイポール素子２０の素子導体２２の給電点に接続されている。

上記各シュペルトップ３０は、約０．３λｇの長さを有し、それぞれ誘電体基板１０−１の裏面に形成されている。
一方のシュペルトップ３０は、ダイポール素子２０の中心点の高さ部位から約０．２２λ上方に離れた部位で上記接地線路導体６０に短絡され、その短絡部位から接地線路導体６０の両側に沿って上方に延びている。また、他方のシュペルトップ３０は、ダイポール素子２０の中心点の高さ部位から約０．２２λ下方に離れた部位で上記接地線路導体６０に短絡され、その短絡部位から接地線路導体５０の両側に沿って下方に延びている。他方のシュペルトップ３０は、ダイポール素子２０の中心点の高さ部位から約０．２２λ下方に離れた部位において上記接地線路導体６０に一端が短絡され、その短絡部位から接地線路導体５０の両側に沿って下方に延びている。

この実施の形態に係る無指向性アンテナＡ１は、前記給電線路導体４０に図示していない同軸給電線の中心導体を接続し、前記接地線路導体５０に上記同軸給電線の外部導体を接続することによって送、受信動作させることができる。

通常、ダイポールアンテナは、水平面内において無指向性である。ここで、水平方向に間隔を置いて２つのダイポール素子を平行に配列した２ダイポールアンテナを考えると、それらのダイポール素子の配列距離が使用周波数の波長λに対して限りなく小さくなれば、この２ダイポールアンテナの水平面内指向性もダイポール素子が一つのアンテナと同様に無指向性になる。

上記実施の形態に係る無指向性アンテナＡ１では、２つの半波長ダイポール素子２０の水平方向距離を限りなく近づけるために、それらの半波長ダイポール素子２０の中央部分をそれぞれ通る（誘電体基板１０−１の長手軸線上を通る）マイクロストリップラインからなる給電線路導体４０および接地線路導体５０によって給電回路を構成している。
そして、このアンテナＡ１の各半波長ダイポール素子２０は、周波数に依存する平衡不平衡変換回路を使用することなく上記給電回路を介して交差給電され、そのさい、各半波長ダイポール素子２０の上下に位置された前記シュペルトップ３０が該ダイポール素子２０からの不要な電波の放射を低減もしくは無くすように作用する。

したがって、この実施の形態に係る無指向性アンテナＡ１によれば、無指向性アンテナとしての性能を損なうことなく細径化を図ることができる。
また、この実施の形態に係る無指向性アンテナは、無給電素子などの付属部品を持たず、しかも、誘電体基板１０−１を用いて構成されるため、その構造が極めて単純化され、移動体通信システムにおける送信帯域と受信帯域をカバーすることができる性能が得られる。

本実施形態の無指向性アンテナＡ１を屋外で使用する場合は、繊維強化プラスチック等で製作された図示していないカバーに収納することが望ましい。このカバーは、上記無指向性アンテナＡ１の構造からして、内径約０．１１５λ、外径約０．１３λの円筒状カバーで良く、したがって、受風荷重の小さい構造体にすることが可能である。

図２の（a）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれアレー化した本発明に係る無指向性アンテナの実施形態を示す正面図、側面図および背面図である。このアレー化無指向性アンテナＡ２は、実質的に、図１に示す無指向性アンテナＡ１と同様の構成をもつ２つのアンテナブロックｂ１を縦方向に連結した構成を有する。したがって、このアンテナＡ２の誘電体基板１０−２は、図１に示す誘電体基板１０−１の長さの約２倍の長さを持つ。

このアレー化無指向性アンテナＡ２においては、上段のアンテナブロックｂ１の給電線路導体４０と下段のアンテナブロックｂ１の給電線路導体４０とが誘電体基板１０−２の上下方向略中央部の点Ｐにおいて結合され、同様に、両アンテナブロックｂ１の接地線路導体５０相互も結合されている。

このアレー構成の無指向性アンテナＡ２によれば、各アンテナブロックｂ１の給電線路導体４０および接地線路導体５０が上記結合点Ｐを給電端とする並列給電線路として機能する。したがって、上記結合点Ｐの位置を調整して、各アンテナブロックｂ１のダイポール素子２０に対する給電の位相および振幅を適切に設定すれば、低サイドローブ化されしかも所望のビームチルト角をもつ良好な垂直面内指向性を得ることができる。

図３の（a）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ本発明に係るアレー化無指向性アンテナの他の例を示す正面図、側面図および背面図である。このアレー化無指向性アンテナＡ３は、実質的に、図１に示す無指向性アンテナＡ１と同様の構成をもつ４つのアンテナブロックｂ１を縦方向に連結した構成、換言すれば、図２に示す無指向性アンテナＡ２と同様の構成をもつ２つのアンテナブロックｂ２を縦方向に連結した構成を有する。したがって、このアンテナＡ３の誘電体基板１０−３は、図２に示す誘電体基板１０−２の長さの約２倍の長さを持つ。

このアレー化無指向性アンテナＡ３においては、両アンテナブロックｂ２の接地線路導体が相互に結合され、かつ、上段のアンテナブロックｂ２の給電端Ｐおよび下段のアンテナブロックｂ２の給電端Ｐがそれぞれケーブル６０および７０を介して分配器８０もしくは可変移相器９０に接続される。

このアンテナＡ３において、上記分配器８０を使用した場合には、その垂直面内指向性が固定される。一方、可変移相器９０を使用した場合には、各アンテナブロックｂ２の並列給電回路にそれぞれこの可変移相器９０が挿入されることになるので、この可変移相器９０で各アンテナブロックｂ２の各ダイポール素子に対する給電位相を変化させることによって、垂直面内のビームチルト角を容易に変更することが可能になる。
なお、図２および図３に示すアレー化無指向性アンテナも、円筒状等のカバーに収容することができる。

図４、図５および図６は、図３に示すアレー化無指向性アンテナのＶＳＷＲ特性、水平面内指向性および垂直面内指向性をそれぞれ例示したものである。
図４から明らかなように、このアレー化無指向性アンテナによれば、ＶＳＷＲが１．５以下となる周波数帯が約１８％という広帯域特性を得ることができる。
また、図５から明らかなように、このアレー化無指向性アンテナは、水平面内指向性のレベル偏差が非常に少なくなる（偏差１ｄＢ以内）。
なお、図１に示したアンテナＡ１および図２に示したアンテナＡ２のＶＳＷＲ特性と水平面内指向性も、図３に示したアンテナＡ３のそれに近似したものとなる。

（a）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ本発明に係る無指向性アンテナの一実施形態を示す正面図、側面図および背面図である。 （a）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれアレー化した本発明に係る無指向性アンテナの実施形態を示す正面図、側面図および背面図である。 （a）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ本発明に係るアレー化無指向性アンテナの他の例を示す正面図、側面図および背面図である。 図３に示すアレー化無指向性アンテナのＶＳＷＲ特性を例示したグラフである。 図３に示すアレー化無指向性アンテナの水平面内指向性を例示したグラフである。 図３に示すアレー化無指向性アンテナの垂直面内指向性を例示したグラフである。

符号の説明

１０−１，１０−２，１０−３ 誘電体基板
２０ ダイポール素子
２１，２２ 素子導体
３０ シュペルトップ
４０ 給電線路導体
５０ 接地線路導体
６０，７０ ケーブル
８０ 分配器
９０ 可変移相器

Claims (4)

1. 長尺の誘電体基板と、
   前記誘電体基板の長手軸線を中心とする左右対称な位置に、該長手軸線に平行する形態で、かつ、一方および他方の素子導体がそれぞれ前記誘電体基板の一方および他方の面に位置される形態でプリント形成された第１および第２のダイポール素子と、
   前記第１および第２のダイポール素子における前記一方の素子導体に接続され、前記誘電体基板の一方の面において前記長手軸線に沿って延びる給電線路導体と、
   前記第１および第２のダイポール素子における前記他方の素子導体に接続され、前記誘電体基板の他方の面において前記長手軸線に沿って延びる接地線路導体と、
   前記第１および第２のダイポール素子を上下に挟む形態で前記誘電体基板の他方の面にプリント形成され、それぞれ一端が前記接地線路導体に短絡された第１および第２のシュペルトップと、を備え、
   前記給電線路導体と前記接地線路導体とで構成される給電回路を介して前記第１および第２のダイポール素子に対し交差給電を行うように構成されていることを特徴とする無指向性アンテナ。
2. アレー化のため、請求項１に記載の無指向性アンテナをアンテナブロックとして上下に２つ配列し、それらのアンテナブロックの前記給電回路によって２分配並列給電回路を構成したことを特徴とする無指向性アンテナ。
3. 請求項２に記載の無指向性アンテナをアンテナブロックとして上下に複数段配列し、それらのアンテナブロックの前記２分配並列給電回路に、給電位相と振幅を変更するための可変移相器をそれぞれ挿入したことを特徴とする無指向性アンテナ。
4. 円筒状カバーに収容したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の無指向性アンテナ。

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