JP2012049864A - 無指向性アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】コストの低減とアレー化の容易な無指向性アンテナを提供する。
【解決手段】水平偏波用素子ユニット１は、誘電体基板２１、３１に相対向する形態で形成した第１、第２のＣ字型導体２２、３２、第２のＣ字型導体３２の中央部に形成した一対の給電点、及び第１、第２のＣ字型導体２２、３２の対称軸線に沿って延びる形態で第１、第２の誘電体基板２１、３１にそれぞれ形成した切込み２３、３３を有し、第１、第２のＣ字型導体２２、３２の開放部における一端相互及び他端相互をそれぞれ導電体６で接続した構造を有する。給電ユニット４は、水平偏波用素子ユニット１の切込み２３、３３に挿入されて交差結合され、給電線路が水平偏波用素子ユニット１の給電点に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動通信システム等において好適に使用することができる無指向性アンテナに関する。

移動通信システムでは、比較的加入者容量の少ない場所で用いられる基地局用アンテナとして、水平面内無指向性を有するアンテナが使用される。
上記基地局用アンテナは、基地局設置コストの低減や、受風荷重軽減のために、可能な限り細径化することが望ましい。そこで、上記水平面内無指向性アンテナとしては、細径化が難しい水平偏波アンテナよりも細径化の容易な垂直偏波アンテナを適用することが多い。
垂直偏波と水平偏波の双方を使用する偏波共用アンテナの実現例が少ないのも、水平偏波アンテナは細径化が難しいという上記の理由に基づいている。

細径化を目的とした水平偏波無指向性アンテナの例としては、例えば、Ｈａｌｏ（ヘイロー）アンテナ素子を備える特許文献１に係るＨａｌｏアンテナがある。

特開２００８−６０７６４号公報

特許文献１に係るアンテナでは、一対の略半円形素子部材を相対向する形態で組み合わせることによってＨａｌｏアンテナ素子を構成している。
上記略半円形素子部材は、弾性を持つ合金を金型等によって打ち抜くことによって成形されるので、素子特性の微調整などを容易に実施することができない。そのため、素子特性を微調整する場合には、そのたびに上記略半円形素子部材を再加工することになり、これは、コストアップの要因になる。
また、特許文献１に係るアンテナは、給電に同軸ケーブルを使用しているため、垂直方向に多段配列して多素子化（アレー化）した場合に、トーナメント式の給電系を構成することが不可能であり、その結果、垂直面指向性の設計の自由度が制限されることになる。
なお、印刷配線技術を用いて金属箔からなるトーナメント式給電回路を形成した給電用誘電体基板を内部に配置することが考えられるが、Ｈａｌｏアンテナは内部スペースが狭いため、所望構成のトーナメント式給電回路を形成することが可能な大きさをもつ給電用誘電体基板を内部に配置することは実際上困難である。

そこで、本発明は、コストの低減とアレー化の容易な実用性の高い無指向性アンテナを提供することを目的とする。

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、
素子用誘電体基板に相対向する形態で形成した金属箔からなる第１、第２のＣ字型導体、前記第２のＣ字型導体の中央部に形成した一対の給電点、及び前記第１、第２のＣ字型導体の対称軸線に沿って延びる形態で前記第１、第２の誘電体基板にそれぞれ形成した切込みを有し、前記第１、第２のＣ字型導体の開放部における一端相互及び他端相互をそれぞれ導電体で接続した水平偏波用素子ユニットと、
給電用誘電体基板に金属箔からなる給電線路を形成した給電ユニットと、を備える。
そして、前記素子用誘電体基板の前記切込に前記給電用誘電体基板を挿入することによってそれらの誘電体基板が交差結合され、その状態で前記第２のＣ字型導体の前記各給電点が前記給電線路に接続される。

１つの実施の形態では、前記素子用誘電体基板として平行する第１、第２の誘電体基板が使用され、この第１、第２の誘電体基板のうちの一方及び他方にそれぞれ前記第１のＣ字型導体及び前記第２のＣ字型導体が形成される。
他の実施の形態では、前記素子用誘電体基板として単一の誘電体基板が使用され、この単一の誘電体基板の一方及び他方の面にそれぞれ前記第１のＣ字型導体及び前記第２のＣ字型導体が形成される。
更に別の実施の形態では、帯域特性の向上等を図るために、前記水平偏波用素子ユニットに無給電素子ユニットが併設される。

垂直偏波用の素子ユニットを更に備えることができる。この垂直偏波用の素子ユニットとしては、例えば寄生素子付きループスロットアンテナを構成する素子ユニットが使用される。この場合、ループスロットアンテナを構成する素子ユニットのループスロット部及び給電導体を前記給電用誘電体基板に形成することができる。

前記給電用誘電体基板は、一方の面に金属箔からなる接地導体面をそれぞれ形成した幅狭の第１の誘電体基板と幅広の第２の誘電体基板とを相互の前記接地導体が密着するように重合した構成を有することができ、この場合、前記第２の誘電体基板に前記ループスロットアンテナを構成する素子ユニットのループスロット部及び給電導体が形成される。

そして、本発明は、上述した構成を有する無指向性アンテナを垂直方向に多段配列したアレー構造の無指向性アンテナも提供する。

本発明によれば、金型等を用いて成形する必要がある金属板や金属棒等を用いないので、コストの低減を図ることができるとともに、特性の微調整なども容易となる。また、給電用誘電体基板が組み込まれるので、多素子化（アレー化）を図る上で有利である。

本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの実施形態を示す斜視図である。 上側素子部の構成を示す平面図である。 下側素子部の構成を示す平面図である。 本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの他の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの別の実施形態を示す斜視図である。 図５に示すアンテナを用いて構成したアレーアンテナの垂直偏波に係るＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 図５に示すアンテナを用いて構成したアレーアンテナの水平偏波に係るＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 図５に示すアンテナを用いて構成したアレーアンテナの偏波間アイソレーション特性を示すグラフである。 図５に示すアンテナを用いて構成したアレーアンテナの垂直偏波の水平面指向性パターンを示すグラフである。 図５に示すアンテナを用いて構成したアレーアンテナの水平偏波の水平面指向性パターンを示すグラフである。

図１は、本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの実施形態を概略的に示す斜視図である。本実施形態及び後述の他の実施形態に係るアンテナは、例えば８００ＭＨｚ帯に使用されるが、もちろん他の周波数帯にも適用可能である。
本実施形態のアンテナにおいて、水平偏波用素子ユニット１は、上側素子部２および下側素子部３を有する。上側素子部２は、図２に示すように、円形の素子用誘電体基板２１にＣ字型素子導体２２及び直線状の切込み２３を形成した構成を有する。
Ｃ字型素子導体２２は、誘電体基板２１の上面に該誘電体基板２１の周縁に沿う形態で形成されている。このＣ字型素子導体２２は、誘電体基板２１に貼着された金属箔（例えば銅箔）からなり、写真エッチング処理等が行われる印刷配線パターン形成手法を用いて形成される。
切込み２３は、Ｃ字型素子導体２２の対称軸線に沿って延びている。すなわち、この切込み２３は、誘電体基板２１の外周端からＣ字型素子導体２２の開放部２４を通って該素子導体２２の中央部に至る区間に形成されている。

下側素子部３は、図３に示すように、素子用誘電体基板３１にＣ字型素子導体３２及び直線状の切込み３３を形成した構成を有する。
誘電体基板３１は、上記誘電体基板２１と同じ大きさの円形形状を持つ。Ｃ字型素子導体３２は、上記Ｃ字型素子導体２２と同じ径寸法を有し、上記Ｃ字型素子導体２２と同様に金属箔によって誘電体基板３１の下面に形成されている。このＣ字型素子導体３２は、図２示すＣ字型素子導体２２の開放部２４に対応する開放部３４を有する。そして、このＣ字型素子導体３２は、開放部３４と対峙する中央部を切欠き、その切欠き部３５の両側に給電点３６，３７を形成している。
切込み３３は、図２の切込み２３に対応するものであり、Ｃ字型素子導体３２の対称軸線に沿って延びている。すなわち、切込み３３は、誘電体基板３１の外周端から上記開放部３４を通って上記切欠き部３５に至る区間に形成されている。

図１に示すように、上側素子部２と下側素子部３は、上側素子部２のＣ字型素子導体２２及び切込み２３が下側素子部３のＣ字型素子導体３２及び切込み３３と対向する形態で電気絶縁性材料からなる複数本のスペーサ５を介して平行に結合される。そして、Ｃ字型素子導体２２の開放部２４の一端とＣ字型素子導体３２の開放部３４の一端とがピン状の導電体６を介して相互に接続されると共に、Ｃ字型素子導体２２の開放部２４の他端とＣ字型素子導体３２の開放部３４の他端とがピン状導電体６を介して相互に接続される（図２、図３参照）。
このように構成され素子ユニット１は、いわゆるＨａｌｏアンテナ素子としての構造を有している。

本実施形態に係るアンテナは、図１に示す給電ユニット４も備えている。この給電ユニット４は、方形状の給電用誘電体基板４１の一方の面に該誘電体基板４１の長手方向に沿う給電導体４３を形成するとともに、誘電体基板４１の他方の面全域、または給電導体４３をマイクロストリップラインとして動作させるための必要十分な領域に、金属箔からなる接地導体面（図示されていない）を形成した構成を有する。給電導体４３は、上記接地導体面と共に給電用のマイクロストリップラインを構成している。なお、給電導体４３は、上記印刷配線パターン形成手法を用いて形成される。

上記給電ユニット４の誘電体基板４１は、図１に示すように、素子ユニット１の誘電体基板２１,３１の切込み２３，３３に挿入され、これよって、この誘電体基板２１,３１と誘電体基板４１とが交差結合される。給電ユニット４の誘電体基板４１は、図示のように垂直に配されるので、素子ユニット１の誘電体基板２１,３１は水平に向くことになる。
なお、上記切込み２３，３３の終端には、誘電体基板４１に設けられた切欠き部４１の底部縁端が当接する。

上記のように素子ユニット１と給電ユニット４を結合した後、図３に示した給電点３６，３７が前記給電用のマイクロストリップラインに接続される。すなわち、給電点３６が誘電体基板４１の背面に形成された接地導体面に接続されるとともに、給電点３７が誘電体基板４１の表面に形成された給電導体４３に接続される。なお、給電点３６，３７の接続にはハンダ等の手段が使用される。

本実施形態に係るアンテナは、上記のように構成されているので、給電導体４３を含むマイクロストリップラインを介して素子ユニット１に給電することにより、該素子ユニット１がＨａｌｏ水平偏波素子ユニットとして動作する。なお、Ｈａｌｏアンテナ素子は、その特性上、対称面における電界の接線成分が０であるため、該アンテナ素子内における対称面内に給電用誘電体基板４１が存在していても、その特性への影響は極めて小さい。
本実施形態に係るアンテナによれば、金型等を用いて成形する必要がある金属板や金属棒を用いないので、コストの低減を図れ、また、特性の微調整なども容易となる。

図４は、本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの他の実施形態を示す。本実施形態に係るアンテナは、無給電素子ユニット１’を付加した点において図１に示すアンテナと構成が異なる。
無給電素子ユニット１’の上側素子部２’及び下側素子部３’は、いずれも図１に示す上側素子部２と同じ構成（図２参照）を有する。なぜなら、この無給電素子ユニット１’では図３に示す給電点３６，３７が不要であるからである。
素子ユニット１と相似な構成を有する無給電素子ユニット１’は、図示のように、スペーサ７を介して素子ユニット１に併設される。無給電素子ユニット１’を備える本実施形態のアンテナは、広帯域な特性を得ることができる。
なお、図４では、図面の煩雑化を避けるためにスペーサ７が一本のみ示されている。

図５は、本発明に係る水平偏波用無指向性アンテナの更に別の実施形態を示す。本実施形態に係るアンテナは、図４に示したアンテナに垂直偏波素子ユニット１０を付加した構成を有する。本実施形態では、垂直偏波素子ユニット１０として寄生素子付きループスロットアンテナ素子ユニットを使用しているが、誘電体基板上に配置できる形状を有するものであれば、その種類は限定されない。すなわち、例えば、ダイポールアンテナ素子ユニットを垂直偏波素子ユニット１０として適用することも可能である。

本実施形態において用いられている給電用誘電体基板４は、幅狭の誘電体基板８と幅広の誘電体基板９とを組み合わせた構成を有する。両誘電体基板８，９は、それぞれ一方の面に金属箔からなる接地導体面が形成され、それぞれの接地導体面相互が密着する形態で重ねられている。従って、この実施形態において使用される偏波アンテナ素子ユニット１では、図２に示す切込み２３の幅及び図３に示す切込み３３の幅が誘電体基板８，９の厚さの総和以上の大きさに設定される。無給電素子ユニット１’における切込みの幅も同様である。

誘電体基板８は、誘電体基板９の一方の縁部（図５における右方側の縁部）に沿うように位置されている。そして、この誘電体基板８の表面（非接地導体面）には、素子ユニット１に接続される給電用マイクロストリップラインの構成要素である給電導体４３が金属箔によって形成されている。一方、誘電体基板９は、その表面（接地導体面）に垂直偏波素子ユニット１０であるループスロットアンテナ素子ユニットのループスロット部１０１が形成され、その背面（非接地導体面）にループスロットアンテナ素子ユニットの給電導体１０２が形成されている。
ループスロットアンテナ素子ユニットの２枚の寄生素子１０３は、ループスロット部１０１を挟む形態で位置するように図示していないスペーサによって誘電体基板９に支持されている。

この実施形態に係るアンテナによれば、アンテナ素子ユニット１および無給電素子ユニット１’によって水平偏波を送受信することができ、また、垂直偏波素子ユニット１０によって垂直偏波を送受信することができる。つまり、偏波共用アンテナとしての機能を有する。従って、この実施形態に係るアンテナは、細径な構造を有する偏波ダイバーシチアンテナとして動作させることが可能である。

図１、図４及び図５に示したアンテナは、垂直方向に複数個配置することによって、つまり、アレー化することによって利得が増大するとともに垂直面のビーム成形が可能となる。
図１、図４に示したアンテナをアレー化した場合には、誘電体基板４にいわゆるトーナメント式の給電線路を形成して各水平偏波用アンテナ素子ユニット１への給電を行うことができる。
また、図５に示したアンテナをアレー化した場合には、誘電体基板８に各水平偏波用アンテナ素子ユニット１用のトーナメント式給電線路が形成されるとともに、誘電体基板９に各垂直偏波素子ユニット１０用のトーナメント式給電線路が形成される。
このようなトーナメント式給電線路を使用すれば、垂直面のビーム成形が可能となる。

図６は、図５に示す偏波共用アンテナを垂直方向に４段配列したアレーアンテナについての垂直偏波に係るＶＳＷＲ（定在波比）特性である。このアレーアンテナは、８００ＭＨｚ帯の使用帯域内において、ＶＳＷＲが２．０以下を満足している。
図７は、上記アレーアンテナの水平偏波に係るＶＳＷＲ特性を示す。このアレーアンテナは、水平偏波に関してもＶＳＷＲが２．０以下を満足している。
図８は、上記アレーアンテナの、偏波間アイソレーション特性である。このアレーアンテナは、８００ＭＨｚ帯において使用する帯域内において、偏波間のアイソレーションが２５ｄＢ以下を満足している。
図９は上記アレーアンテナの垂直偏波の水平面指向性パターンを、また、図１０は上記アレーアンテナの水平偏波の水平面指向性パターンをそれぞれ示している。これらの図から明らかなように、いずれの偏波についても良好な水平面無指向性が得られている。

本発明は、上記実施形態に限定されず、以下のような種々の変形態様を含むものである。
（１）図１等に示すアンテナ素子ユニット１では、誘電体基板２１にＣ字型素子導体２２を形成し、誘電体基板３１にＣ字型素子導体３２を形成しているが、１枚の誘電体基板の一方の面及び他方の面にそれぞれＣ字型素子導体２２及びＣ字型素子導体３２を形成するようにしても良い。この場合、図１に示す導電体６に代えていわゆるスルーホールを適用することができる。
アンテナ素子ユニット１を上記のように構成する場合、無給電素子ユニット１’も同様に構成することができる。
（２）図１等に示すアンテナ素子ユニット１では、Ｃ字型素子導体２２、３２が円に沿う形状を有しているが、所望の特性を得ることができるのであれば、他の形状、例えば、楕円や多角形に沿う形状を有していても良い。もちろん、その場合、誘電体基板はＣ字型素子導体２２、３２の形状に沿った形状のものを使用することができる。
アンテナ素子ユニット１を上記のように構成する場合、無給電素子ユニット１’も同様に構成することができる。
（３）図５に示す偏波共用アンテナは、図４に示すアンテナに垂直偏波素子ユニット１０を併用した構成を有するが、もちろん、無給電素子ユニット１’を有していない図１に示すアンテナに垂直偏波素子ユニット１０を併用して偏波共用アンテナを構成することも可能である。

１ 水平偏波用素子ユニット
１’ 水平偏波用無給電素子ユニット
２ 上側素子部
３ 下側素子部
４ 給電ユニット
５，７ スペーサ
６ 導電体
８，９，４１ 給電用誘電体基板
１０ 垂直偏波素子ユニット
２１、３１ 素子用誘電体基板
２２、３２ Ｃ字型素子導体
２３、３３ 切込み
２４、３４ 開放部
３６、３７ 給電点
４２ 切欠き
４３，１０２ 給電導体
１０１ ループスロット部
１０３ 垂直偏波用寄生素子

Claims (9)

1. 素子用誘電体基板に相対向する形態で形成した金属箔からなる第１、第２のＣ字型導体、前記第２のＣ字型導体の中央部に形成した一対の給電点、及び前記第１、第２のＣ字型導体の対称軸線に沿って延びる形態で前記第１、第２の誘電体基板にそれぞれ形成した切込みを有し、前記第１、第２のＣ字型導体の開放部における一端相互及び他端相互をそれぞれ導電体で接続した水平偏波用素子ユニットと、
   給電用誘電体基板に金属箔からなる給電線路を形成した給電ユニットと、を備え、
   前記素子用誘電体基板の前記切込に前記給電用誘電体基板を挿入することによってそれらの誘電体基板を交差結合し、前記第２のＣ字型導体の前記各給電点を前記給電線路に接続したことを特徴とする無指向性アンテナ。
2. 前記素子用誘電体基板として平行する第１、第２の誘電体基板が使用され、この第１、第２の誘電体基板のうちの一方及び他方にそれぞれ前記第１のＣ字型導体及び前記第２のＣ字型導体が形成されることを特徴とする請求項１に記載の無指向性アンテナ。
3. 前記素子用誘電体基板として単一の誘電体基板が使用され、この単一の誘電体基板の一方及び他方の面にそれぞれ前記第１のＣ字型導体及び前記第２のＣ字型導体が形成されることを特徴とする請求項１に記載の無指向性アンテナ。
4. 前記水平偏波用素子ユニットに無給電素子ユニットを併設したことを特徴とする請求項１に記載の無指向性アンテナ。
5. 垂直偏波用の素子ユニットを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の無指向性アンテナ。
6. 前記垂直偏波用の素子ユニットは、寄生素子付きループスロットアンテナを構成する素子ユニットであることを特徴とする請求項５に記載の無指向性アンテナ。
7. 前記ループスロットアンテナを構成する素子ユニットは、ループスロット部及び給電導体が前記給電用誘電体基板に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の無指向性アンテナ。
8. 前記給電用誘電体基板は、一方の面に金属箔からなる接地導体面をそれぞれ形成した幅狭の第１の誘電体基板と幅広の第２の誘電体基板とを相互の前記接地導体が密着するように重合した構成を有し、前記第２の誘電体基板に前記ループスロット部及び給電導体を形成したことを特徴とする請求項７に記載の無指向性アンテナ。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の無指向性アンテナを垂直方向に多段配列したことを特徴とする無指向性アンテナ。

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