JP3114836B2 - プリントダイポールアンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動通信システム等の
無線基地局において、その無線基地局の無線ゾーンに送
信機の出力を放射し、かつ移動局から到来した電波を受
信して受信機に与えるプリントダイポールアンテナに関
する。

【０００２】

【従来の技術】サービスエリアが複数の無線ゾーンから
構成された自動車電話システムその他の移動通信システ
ムでは、個々の無線ゾーンは、そのサービスエリアの地
理的分布に応じて配置された無線基地局によって形成さ
れる。

【０００３】また、このような無線基地局では、形成す
べき無線ゾーンの形状に適合させて指向性の成形が可能
なプリントダイポールアンテナ(反射板付きアレーアン
テナ)が多く用いられる。

【０００４】図１４は、従来のプリントダイポールアン
テナの構成例を示す図である。図において、管状部材か
らなるレドーム５０の内部には、所定の角度でＶ字状に
配置された反射板５１₁ 、５１₂ と、これらの反射板の
交差点に配置されてその角度を二等分するプリント基板
５２とが挿設される。

【０００５】プリント基板５２の両面には、図１５に示
すように、放射素子（ダイポール素子（以下、単に「素
子」という。))５３₁〜５３₄、５４₁〜５４₄が交互に形
成される。プリント基板５２の面の内、素子５３₁ 〜５
３₄ が形成された面には、これらの素子の各給電端を結
ぶ線路５５が形成される。さらに、素子５４₁ 〜５４₄
が形成された面には、これらの素子の各給電端に接続さ
れて線路５５のパターンに対向する接地パターン５６が
形成され、その接地パターンと線路５５との間には給電
点が形成される。なお、図１４に示す添え文字「_k 」
は、上述した添え番号「₁」〜「₄」の何れかを示す。

【０００６】このような構成のプリントダイポールアン
テナでは、素子５３₁ 〜５３₄ 、５４₁〜５４₄の形状お
よび寸法は、上述した給電点から給電される送信波信号
や受信すべき受信波信号の周波数ｆ（例えば、現行の自
動車電話システムに割り付けられた無線周波数８００Ｍ
Hz）の波長λに基づいて最適に設定される。さらに、反
射板５１₁、５１₂の寸法、形状および交差角は素子５３
₁〜５３₄、５４₁ 〜５４₄ の相対的な配置に基づいて設
定され、所望の指向性や偏波が実現される。

【０００７】また、このようなプリントダイポールアン
テナは、例えば、プリント基板５２上に素子５３₁〜５
３₄、５４₁〜５４₄に併せて給電回路（図示されな
い。）その他を形成することにより、容易に軽量化や量
産化をはかることが可能であるために、小ゾーン化に伴
って一般のビルの上に多く設置される無線基地局では、
移動通信システムのサービス開始当初から広く無線基地
局に採用されていた円筒パラボラ反射鏡アンテナやコリ
ニアアレーアンテナに代わって用いられつつある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来のプリントダイポールアンテナでは、設置すべき場
所がビルの屋上のように狭い場所に限られる傾向に応じ
て、設置工事の効率化その他の観点から小型化が要求さ
れつつあり、そのためには、反射板５１₁、５１₂が交差
する接地点と素子５３₁〜５３₄、５４₁〜５４₄との間の
距離（以下、「頂角距離」という。）を短縮し、レドー
ム５０の径を縮めなければならなかった。

【０００９】しかし、一般に、素子５３₁ 〜５３₄ 、５
４₁ 〜５４₄ の個々のインピーダンス整合は上述した頂
角距離が短くなるほどとり難くなり、例えば、電圧定在
波比を「1.5〜2.0」より小さな値に設定することができ
ないために、小型化が阻まれていた。

【００１０】本発明は、頂角距離を短縮しつつ確実にイ
ンピーダンス整合をとることができるプリントダイポー
ルアンテナを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、プリント基板と、プリント基板の特定の層に線状に
形成された接地パターンと、接地パターンと並行にプリ
ント基板の何れかの層に形成されてその接地パターンを
介して高周波信号が給電され、その高周波信号の周波数
に対して共振する一対の放射素子とを備えたプリントダ
イポールアンテナにおいて、一対の放射素子の個々の先
端部近傍にこれらの放射素子の軸長方向と交差させてプ
リント基板の寸法の範囲内の長さで形成され、かつ一端
が接地パターンに接続されると共に、所望の比帯域が確
保できる幅を有する金属箔を備えたことを特徴とする。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のプリントダイポールアンテナにおいて、プリント基板
の何れかの層に形成されて一対の放射素子に密に電磁結
合し、その一対の放射素子と異なる共振周波数を有する
無給電放射素子を備えたことを特徴とする。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２に記載のプリントダイポールアンテナにおい
て、金属箔には、所望の周波数帯域のインピーダンス不
整合が許容限界内となる寸法および形状を有し、かつ一
対の放射素子の軸長方向との交点近傍で交差する突出部
を含むことを特徴とする。

【００１４】請求項４に記載の発明は、請求項１ないし
請求項３に記載のプリントダイポールアンテナを任意の
組合せで複数配置すると共に、これら複数のプリントダ
イポールアンテナを各放射素子の軸長方向および接地パ
ターンを揃えて組み合わせ、かつ所望の放射特性に適応
した間隔で多段に配置してなることを特徴とする。

【００１５】

【作用】請求項１に記載の発明にかかわるプリントダイ
ポールアンテナでは、プリント基板の何れかの層に形成
された一対の放射素子の各先端部近傍に、これらの素子
の軸長方向と交差し、かつ接地パターンに接続された金
属箔が形成される。

【００１６】このような金属箔については、これらの金
属箔を有しない従来例に比べて反射減衰量を減少させる
性質を有し、かつ位置が一対の放射素子に近く長さが長
いほど反射減衰量を小さく設定されることが実測により
確認された。さらに、これらの金属箔の幅については、
その値が大きいほど一対の放射素子が実効的に広帯域化
されることも同様にして確認された。

【００１７】したがって、プリント基板の寸法の範囲内
で確保できる長さと所望の比帯域が確保できる幅とを予
め実測により求め、その実測の結果に基づいて金属箔を
形成することにより、接地パターンから一対の放射素子
にそれぞれ至る頂角距離を短縮しつつ従来例に比べて高
い精度でインピーダンス整合をとることができる。

【００１８】請求項２に記載の発明にかかわるプリント
ダイポールアンテナでは、プリント基板の何れかの層に
無給電放射素子が形成され、その無給電放射素子は一対
の放射素子に対して密に電磁結合してこれらの放射素子
と異なる周波数に共振する。

【００１９】一対の放射素子の反射減衰量についてはこ
のような無給電放射素子がない場合に比べて大幅に劣化
することがなく、その無給電放射素子の放射特性および
インピーダンス整合については金属箔が形成されたこと
によって大幅には変化しないことが実測により確認され
た。

【００２０】したがって、頂角距離を短縮し、かつ従来
例に比べて高い精度でインピーダンス整合をとることが
できる２波共用のアンテナが実現される。請求項３に記
載の発明にかかわるプリントダイポールアンテナでは、
請求項１または請求項２に記載のプリントダイポールア
ンテナに備えられた金属箔の形状が、突出部を含む十字
形あるいは略十字形に設定される。

【００２１】このような突出部についてはその位置が一
対の放射素子の軸長方向との交点近傍であるときにこれ
らの放射素子の反射減衰量が小さな値となり、かつその
反射減衰量の値は請求項１または請求項２に記載のプリ
ントダイポールアンテナに比べて小さな値をとり得るこ
とが実測により確認された。

【００２２】また、これらの突出部は放射素子の一部と
なるので、その寸法および形状については、所望の周波
数帯域におけるインピーダンス不整合が許容限界内に抑
えられる設定が可能である。

【００２３】したがって、請求項１または請求項２に記
載のプリントダイポールに比べて、さらに頂角距離を短
縮し、かつ同等の精度でインピーダンス整合をとること
が可能である。

【００２４】請求項４に記載の発明にかかわるプリント
ダイポールアンテナは、請求項１ないし請求項３に記載
のプリントダイポールアンテナを任意の組合せで多段に
配置して構成される。

【００２５】このようにして組み合わされるプリントダ
イポールアンテナについては、各放射素子の軸長方向と
接地パターンとが揃えられ、かつ配置間隔が所望の利
得、指向性、偏波その他の放射特性に適応させて設定さ
れるので、頂角距離の短縮化による小型化をはかりつつ
従来例と同等の性能を有するアンテナ系を構成できる。

【００２６】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例につい
て詳細に説明する。図１は、請求項１に記載の発明に対
応した実施例を示す図である。

【００２７】図において、図１４および図１５に示すも
のと構成が同じものについては、同じ参照番号を付与し
て示し、ここではその説明を省略する。なお、本実施例
では、簡単のため、プリント基板５２上に形成される複
数のダイポールアンテナの何れか１つ（参照番号に付加
される添え番号ｋ（１≦ｋ≦Ｎ）で示される。）につい
て示す。

【００２８】本発明の特徴とする構成は、本実施例で
は、プリント基板５２の両面の内、素子５４_kが形成さ
れた面には、長さがＡであって幅がＢである長方形の金
属箔１１_1k、１１_2kが、素子５３_k、５４ _k の先端部から
それぞれ距離Ｌ隔たった位置に接地パターン５６に接続
されて垂直に形成された点にある。

【００２９】以下、本実施例における金属箔１１_1k、１
１_2kの配置および寸法と、給電点から見た素子５３ _k 、
５４ _k のインピーダンス整合との関係について説明す
る。なお、給電点に供給される送信波信号の周波数につ
いては、上述した自動車電話システムに割り付けられた
周波数付近の７５０ＭHz〜１０００ＭHzの周波数帯域で
与えられるものとする。

【００３０】金属箔１１_1k、１１_2kの長さＡを可変して
実測された反射減衰量の値は、図２に示すように、４０
mm〜７０mmの値をとる長さＡの範囲で約５dBの差があ
り、かつ上述した周波数帯域では周波数が下がるほど増
加する。また、長さＡについては、長いほど反射減衰量
の値が小さくなるが、レドームの内径よりは大きくでき
ないために７０mm未満の値としなければならない。

【００３１】したがって、長さＡの最適値は、プリント
基板５２の幅未満の値（例えば、４０mmないし６０mm）
とする。また、金属箔１１_1k、１１_2kの幅Ｂについて
は、これらの金属箔も素子５３ _k 、５４ _k と同様に放射素
子としてとらえられ、その放射素子としての帯域幅は、
一般に、幅Ｂが多くなるほど広くなる。

【００３２】したがって、幅Ｂの値については、図３に
示すようにその幅Ｂの値に対する比帯域を実測し、その
実測の結果に基づいて所望の比帯域（ここでは、簡単の
ため、移動通信システムに要求される１０％〜１５パー
セントとする。）が得られる値（0.05λ≦Ｂ≦0.１λ）
とする。

【００３３】さらに、金属箔１１_1k、１１_2kと素子５３
_k 、５４_k との間の距離Ｌを可変して実測された反射減
衰量の値は、図４に点線で挟まれた所望の周波数帯域で
は、その距離Ｌが小さいほど低下する。

【００３４】したがって、距離Ｌの値については、素子
５３_k 、５４_k に接触しない限り小さな値（例えば、１
mm）とする。このように本実施例によれば、実測によっ
て得られた距離Ｌ、長さＡおよび幅Ｂの最適値の組合せ
に基づいて金属箔１１_1k、１１_2kを形成することによ
り、従来例に比べて頂角距離を短縮しつつ確実にインピ
ーダンス整合がはかられる。

【００３５】図５は、請求項２に記載の発明に対応した
実施例を示す図である。図において、図１に示すものと
構成が同じものについては、同じ参照番号を付与して示
し、ここではその説明を省略する。

【００３６】本発明の特徴とする構成は、本実施例で
は、プリント基板５２の両面の内，素子５４_kが形成さ
れた面に、一辺が素子５３_k、５４ _k にほぼ同じ長さに渡
って平行に対向する長方形の無給電放射素子２１が形成
された点にある。

【００３７】以下、本実施例の動作を説明する。素子５
３_k、５４ _k は、図１に示す実施例と同様にして８００Ｍ
Hzの周波数に共振する。また無給電放射素子２１の寸法
は、その素子が１５００ＭHz帯の周波数に共振する値に
予め設定される。

【００３８】さらに、無給電放射素子２１は、素子５３
_k、５４ _k に１mmないし２mm隔たって配置されて電磁的に
密結合し、かつ金属箔１１_1k、１１_2kに対してはこのよ
うな間隔より大きく隔たって粗に結合する。

【００３９】したがって、無給電放射素子２１は１５０
０ＭHzの周波数に対して無給電放射素子として動作し、
本実施例にかかわるプリントダイポールアンテナは８０
０ＭHz帯と１５００ＭHz帯との２つの周波数帯に共用可
能となる。

【００４０】また、素子５３_k、５４ _k のインピーダンス
整合については、８００ＭHz帯では、図６および図７に
対比して示すように図１に示す実施例と同様の改善効果
が得られ、かつ１５００ＭHz帯では、図８に示すよう
に、金属箔１１_1k、１１_2kの幅Ｂの値に応じて著しく劣
化することはない。

【００４１】したがって、本実施例によれば、２周波共
用のプリントダイポールアンテナについて、従来例と同
等の性能を保ちつつ所望の１周波について容易にインピ
ーダンス整合をはかり、かつ従来例において頂角距離の
下限値により阻まれていた小型化が可能となる。

【００４２】図９は、請求項３に記載の発明に対応した
実施例を示す図である。図において、図５に示すものと
構成が同じものについては、同じ参照番号を付与して示
し、ここではその説明を省略する。

【００４３】本実施例と図５に示す実施例との構成の相
違点は、金属箔１１_1k、１１_2kに代えて十字形の金属箔
３１_1k、３１_2kが形成された点にある。以下、本実施例
における金属箔３１_1k、３１_2kの配置および寸法と、素
子５３ _k 、５４ _k のインピーダンス整合との関係を説明す
る。なお、給電点に与えられる送信波信号の周波数につ
いては、図１に示す実施例と同様にして７５０ＭHz乃至
１０００ＭHzの周波数帯域で与えられるものとする。

【００４４】金属箔３１_1k、３１_2kの長さＡを可変して
実測された反射減衰量と幅Ｂに応じて得られる比帯域と
は、図２および図３にほぼ一致するので、ここではこれ
らの値の設定値については説明を省略する。

【００４５】金属箔３１_1k、３１_2kは接地パターン５５
から距離ｌ隔たった点に一定の幅Ｃで直角に長さＤに渡
って交差する突出部を有し、その突出部と素子５３_k、
５４_kとの間には距離（以下、「間隙長」という。）ｘ
の間隙が形成される。

【００４６】このような幅Ｃの値については、金属箔３
１_1k、３１_2kが図１に示す金属箔１１_1k、１１_2kと同様
に放射素子の一部となるために、これらの金属箔の幅Ｂ
と同様に、実測の結果に基づいて所望の比帯域が得られ
る値（ここでは、簡単のため５mmとする。）に設定すれ
ばよい。

【００４７】また、長さＤと距離ｘとに対する反射減衰
量の実測値は、図１０に点線で示されるように、所望の
無線周波数帯（８１０ＭHz〜９５７ＭHz）では、長さＤ
が５２mmであって距離ｘが５mmであるときに小さな値と
なる。

【００４８】さらに、距離ｌの値については、図１１に
示すように、素子５３_k、５４_kの頂角距離（≒５０mm）
にほぼ等しいときに、反射減衰量が実測により最小とな
ることが確認された。

【００４９】また、このようにして設定された突出部の
幅Ｃ、長さＤ、素子５３_k 、５４_kとの間の間隙長ｘお
よび接地パターン５６に対する距離ｌの最適値に対する
反射減衰量は、図１１と図７とに対比されるように、図
５に示す実施例よりさらに小さな値となる。

【００５０】このように本実施例によれば、図５に示さ
れる長方形の金属箔１１_1k、１１_2kに代えて十字形の金
属箔３１_1k、３１_2kを用いることにより、小さな頂角距
離に対してさらに高い精度でインピーダンス整合がはか
られる。

【００５１】なお、本実施例では、金属箔３１_1k、３１
_2kの形状が十字形となっているが、本発明は、このよう
な形状に限定されず、インピーダンス整合の精度を向上
しつつ所望の特性を有するアンテナ系を構成することが
できるならば、例えば、図１２(a)、(b)に示すように略
十字形としてもよい。

【００５２】図１３は、請求項４に記載の発明に対応し
た実施例を示す図である。図において、図５に示すもの
と構成が同じものについては、同じ参照番号を付与して
示し、ここではその説明を省略する。

【００５３】本発明の特徴とする構成は、本実施例で
は、図５に示すプリントダイポールアンテナが複数個組
合せて直線状に多段に配置され、かつ互いに隣接して配
置されるプリントダイポールアンテナに付加されるべき
金属箔１１₂₁、１１₃₁、１１₄₁について、それぞれ金属
箔１１₁₂、１１₂₂、１１₃₂と併合することにより、単一
のプリント基板上に形成された点ある。

【００５４】このようにして構成されたプリントダイポ
ールアンテナでは、素子５３₁ 〜５３₄ 、５４₁ 〜５４
₄ の頂角距離を短縮して従来例と同等の利得、指向性、
偏波面を得ることができ、図１１に示す従来例に比べて
外形が小さなレドームに収納することができる。

【００５５】なお、本実施例では、図５に示すプリント
ダイポールアンテナが多段に配置されているが、本発明
は、このようなプリントダイポールアンテナに限定され
ず、例えば、図１や図９に示すプリントダイポールを同
様に多段に配置してもよい。

【００５６】また、上述した各実施例では、素子５３₁
〜５３₄、５４₁〜５４₄の形状が長方形となっている
が、本発明は、このような形状の素子に限定されず、例
えば、折り曲げることにより広帯域化をはかったり、個
々の素子の途中にローディングコイルその他を付加する
ことにより短縮をはかってもよい。 さらに、上述した
各実施例では、素子５３₁ 〜５３₄ 、５４₁ 〜５４₄ の
給電端に至る給電路がプリント基板５２上に形成された
線路５５および接地パターン５６から構成されている
が、本発明は、このような構成に限定されず、例えば、
送受信機やアンテナ共用器に接続された同軸ケーブルの
芯線を線路５５に代えて用い、かつその芯線を素子５３
₁ 〜５３₄ の給電端に直接接続してもよい。

【００５７】また、上述した各実施例では、反射板が付
加されていないが、本発明は、このような構成に限定さ
れず、図１４に示す従来例と同様にして反射板５１を付
加したり、レドーム５０内に収容してもよい。

【００５８】さらに、上述した各実施例では、両面のプ
リント基板５２に、各素子や金属箔が形成されている
が、本発明は、このようなプリント基板に限定されず、
例えば、多層のプリント基板を用いてもよく、かつ各素
子や金属箔が形成されるべき層については、所望の特性
が得られるならばどのように選択してもよい。

【００５９】また、上述した各実施例では、送信専用の
プリントダイポールアンテナについて説明したが、本発
明は、このような送信だけではなく、アンテナ特性の可
逆性に基づいて受信専用や送受兼用のアンテナにも同様
に適用可能である。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、放射素
子の近傍に配置すると頂角距離が短縮された状態におけ
るインピーダンス整合の精度が向上することが実測によ
り確認された金属箔について、その実測に基づき所望の
放射特性に適応した位置、寸法および形状を求め、これ
らの放射素子と共にプリント基板の何れかの層に形成す
る。

【００６１】すなわち、頂角距離を短縮しつつインピー
ダンス整合の精度を高く保つことができるので、従来例
において阻まれていた小型化が性能を確保しつつ可能と
なる。

【００６２】したがって、本発明を適用した無線基地局
では、ビルの屋上のような狭い場所にアンテナを効率的
に設置することが可能となり、アンテナ系の保守や運用
にかかわる作業環境の改善や低廉化がはかられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載の発明に対応した実施例を示す
図である。

【図２】金属箔の長さＡに対する反射減衰量の変化を示
す図である。

【図３】金属箔の幅Ｂに対する比帯域の変化を示す図で
ある。

【図４】距離Ｌに対する反射減衰量の変化を示す図であ
る。

【図５】請求項２に記載の発明に対応した実施例を示す
図である。

【図６】金属箔がない場合のインピーダンス整合特性を
示す図である。

【図７】本実施例のインピーダンス整合特性を示す図で
ある。

【図８】金属箔の幅Ｂに対する反射減衰量の変化を示す
図である。

【図９】請求項３に記載の発明に対応した実施例を示す
図である。

【図１０】長さＤおよび間隙長ｘに対する反射減衰量の
変化を示す図である。

【図１１】金属箔の突出部の位置に対する反射減衰量の
変化を示す図である。

【図１２】略十字形の金属箔の構成例を示す図である。

【図１３】請求項４に記載の発明に対応した実施例を示
す図である。

【図１４】従来のプリントダイポールアンテナの構成例
を示す図である。

【図１５】プリント基板上における各素子の配置を示す
図である。

【符号の説明】

１１，３１ 金属箔 ２１ 無給電放射素子 ５０ レドーム ５１ 反射板 ５２ プリント基板 ５３，５４ 放射素子 ５５ 線路 ５６ 接地パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 19/10 H01Q 1/38 H01Q 5/02 H01Q 9/18 H01Q 21/10 H01Q 23/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プリント基板と、 前記プリント基板の特定の層に線状に形成された接地パ
   ターンと、 前記接地パターンと平行に前記プリント基板の何れかの
   層に形成されてその接地パターンを介して高周波信号が
   給電され、その高周波信号の周波数に対して共振する一
   対の放射素子とを備えたプリントダイポールアンテナに
   おいて、 前記一対の放射素子の個々の先端部近傍にこれらの放射
   素子の軸長方向と交差させて前記プリント基板の寸法の
   範囲内の長さで形成され、かつ一端が前記接地パターン
   に接続されると共に、所望の比帯域が確保できる幅を有
   する金属箔を備えたことを特徴とするプリントダイポー
   ルアンテナ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のプリントダイポールア
   ンテナにおいて、 プリント基板の何れかの層に形成されて一対の放射素子
   に密に電磁結合し、その一対の放射素子と異なる共振周
   波数を有する無給電放射素子を備えたことを特徴とする
   プリントダイポールアンテナ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載のプリン
   トダイポールアンテナにおいて、 金属箔には、所 望の周波数帯域のインピーダンス不整合が許容限界内
   となる寸法および形状を有し、一対の放射素子の軸長方
   向との交点近傍で交差する突出部を含むことを特徴とす
   るプリントダイポールアンテナ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３に記載のプリン
   トダイポールアンテナを任意の組合せで複数配置すると
   共に、これら複数のプリントダイポールアンテナを各放
   射素子の軸長方向および接地パターンを揃えて組み合わ
   せ、かつ所望の放射特性に適応した間隔で多段に配置し
   てなることを特徴とするプリントダイポールアンテナ。