JP4112456B2 - 偏波アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、単一偏波アンテナ装置と、２つの偏波の共用アンテナ装置とに関し、特に、例えば、移動通信システム等の基地局アンテナとして用いられるスペースダイバーシチ用の、例えば水平偏波又は垂直偏波の単一偏波アンテナ装置と、例えば水平偏波及び垂直偏波のような２つの直交する偏波を独立して送受信し、ダイバーシチ効果が得られる偏波共用アンテナ装置とに関する。

従来、この種のアンテナ装置については電波の受信効率を上げるため、スペースダイバーシチ受信方式を用いていたが、アンテナ類を設置するための鉄塔上部の形状が大きくなり、最近では、鉄塔上部などの基地局設備の簡易化ができる偏波ダイバーシチ受信方式に移行している。

従来の偏波共用アンテナ装置としては、（１）誘電体基板に構成される互いにほぼ直交する２つのスロットアンテナに無給電素子を付加した偏波共用アンテナや、（２）誘電体基板上に構成されるスロットアンテナに無給電素子を付加した水平偏波アンテナと、該水平偏波アンテナの両側に配置して、２面合成したダイポールアンテナからなる垂直偏波アンテナとを、１枚の反射板上に配置した垂直水平偏波共用アンテナがある。

すなわち、前記の前者については、例えば図１１に示すように、誘電体基板に構成された互いにほぼ直交する２つのスロットアンテナに無給電素子が付加された偏波共用アンテナ装置１０１が知られている。

図１１によれば、前記偏波共用アンテナ装置１０１は、水平面から天空に向けた垂直線Ｖに対し、それぞれほぼ４５度傾き、相互にほぼ直角に交差する２個の給電スロット１０２，１０３を有する地導体面１０４が、表面に形成される誘電体板１０５と、前記誘電体板１０５の裏面に、前記給電スロット１０２，１０３のそれぞれに沿って配設される２個の帯状の給電線路１０７，１０６とを備えている。

そして、前記２個の帯状の給電線路１０７，１０６が相互に交差する部分は、一方の給電線路１０７が、他方の給電線路１０６と接触しないように、前記一方の給電線路１０７に、立体交差させる迂回路１０８を形成させるとともに、両給電線路１０７，１０６の、先端からそれぞれの給電端子１０７ａ，１０６ａまでの長さをほぼ同一長さに形成している。また、前記誘電体板１０５の表面側の前方で、前記２個の給電スロット１０２，１０３の交差する中心軸Ｏ上に無給電素子１０９が配設されている。なお、１１０は、金属材からなる反射板である。（特許文献１）
特開２００３−４６３２６号公報：偏波共用アンテナ装置（特願２００１−２３３０４７）

また、他の従来の技術としての前記の後者については、本出願人がすでに提案した特願２００２−２４６８３４に示すものが挙げられる。
すなわち、この技術は、誘電体基板上に構成されたスロットアンテナに無給電素子を付加した水平偏波アンテナと、該水平偏波アンテナの両側に配置される２面合成したダイポールアンテナからなる垂直偏波アンテナとを１枚の反射板上に配置した垂直、水平偏波共用アンテナ装置である。

しかしながら、前記従来の技術の前者の偏波共用アンテナ装置については、素子単体での電圧定在波比の比帯域が、所望の比帯域より、まだ狭いという問題点があった。
また、前記従来の技術の後者の偏波共用アンテナ装置については、その構造が複雑になり、製造コストが増加するという問題点もあった。

本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解消し、例えば移動通信用基地局アンテナとして用いる場合、占有スペースを変えずに、電圧定在波比がよリ広帯域化される特性が得られる単一偏波又は偏波共用の偏波アンテナ装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、その構造が簡易化されるとともに、製造コストが低廉化される単一偏波又は偏波共用の偏波アンテナ装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明の構成は、直交する２つの偏波の電波を放射するため、互いに直交する２つのスロット中心線上に、それぞれの中心が直交するように形成される両方向にそれぞれ対称的な棒状糸巻き形状の２つの給電スロットを設ける地導体面が、表面に形成される誘電体基板と、前記誘電体基板の裏面に、前記給電スロットのそれぞれの前記中心を横断し、かつ前記２つ給電スロットのそれぞれの中心線を直交するように形成される２個の帯状の給電線路とを備えるとともに、前記誘電体基板の前記表面側の前方に無給電素子が配設されるアンテナ装置であって、次のとおりである。
ここで、前記棒状糸巻き形状とは、その中心から前記中心線に沿って両端方向、例えば左右両端方向に進むにつれて、前記中心線に直角な方向の辺の長さが、対称的に直線的に比例して（テーパ状に）長くなるような形状である。

前記給電スロットの前記両方向に対称的な棒状糸巻き形状は、互いに相等しい２つの等脚台形を前記中心線上で短い方の辺を互いに接ぎ合わせて形成される形状で、それぞれの前記中心線方向における全長は使用周波数の波長λの１／２で、かつ、それぞれの先端における幅は前記波長λの１／１０で、かつ、前記それぞれの等脚台形の短い方の辺の幅は、互いの前記給電線路の幅以下であり、さらに、前記２個の帯状の給電線路が互いに交差する部分は、一方の給電線路が他方の給電線路と接触しないように、前記一方の給電線路に、立体交差させる迂回路を形成させる偏波アンテナ装置である。

前記誘電体基板の裏面側の後方に、反射板が配設される偏波アンテナ装置である。

前記偏波アンテナ装置の複数個が、同一の誘電体基板上で水平方向又は垂直方向に、又は、水平方向及び垂直方向に並んで配設され、アレーアンテナとして構成される偏波アンテナ装置である。

本発明は以上のように構成されるので、本発明の偏波アンテナ装置を、例えば移動通信用基地局アンテナとして用いる場合、その占有スベースを変えずに、電圧定在波比がよリ広帯域な特性が求められる。
すなわち、本発明は、前記両方向、例えば左右方向に対称的な棒状糸巻き形状の給電スロットに形成することで、前記無給電素子との結合を強くして１つ（又は１枚）の無給電素子でも電圧定在波比を広帯域化することができ、交差偏波特性も良好になる。
また、このようにアンテナ構造も誘電体基板と無給電素子により構成されるため、小型化及び簡易化することができる。

本発明の偏波アンテナ装置によれば、前記のようにそれぞれ構成されるので、該偏波アンテナ装置を、例えば移動通信用基地局アンテナとして用いるとき、占有スベースを変えずに、電圧定在波比がよリ広帯域化される特性が得られ、かつその構造が簡略化されるとともに、製造コストが低廉化することができるという優れた効果を奏する。

また、本発明の偏波アンテナ装置を、複数個、同一の誘電体基板上で水平方向及び垂直方向に並んで配設され、アレーアンテナとして構成されるので、該アンテナ装置の占有スペースを小さくすることができる。

以下、図面に基づいて本発明の最も好適な実施の形態を詳しく説明する。

図１ないし図５は、本発明の偏波アンテナ装置の実施の形態の実施例１を示す図で、図１は、単一偏波用の偏波アンテナ装置１の構成を示す表側からみた斜視図、図２は、図１の誘電体基板２の表面に形成される給電スロット４と、裏面に形成される給電線路４とを示す正面図、図３は、図２に示す給電スロット４の詳細図、図４は、実線にて本実施例の偏波アンテナ装置の指向性を示す図で、破線にて交差偏波成分の指向性を示す図、図５は、周波数に対する１素子のリターンロス特性図である。

図１及び図２において、周波数２ＧＨｚ帯で使用される前記偏波アンテナ装置１は、単一偏波（例えば、水平偏波又は垂直偏波のいずれかの偏波）の電波を放射するため、誘電体基板（誘電体プリント基板）２の一方の面、すなわち表面に、金属箔により形成される地導体面３に、左右対称の棒状糸巻き形状の給電スロット４が設けられている。

アンテナ構造を簡略化するため、前記誘電体基板２の他方の面、すなわち裏面には、前記給電スロット４に給電するため、前記表面の該給電スロット４のほぼ中央部分を横断して、前記スロット中心線Ｏ1にほぼ直交するように、金属箔による任意の幅を有する帯状の給電線路５が形成され、中心の給電点ＦＰにおいて、前記給電スロット４は給電されている。このとき、前記給電点ＦＰから前記給電線路５の先端５ａまでの長さは、使用周波数の波長λの約１／４の長さになる。

前記誘電体基板２の前記表面側の前方で、前記給電スロット４のほぼ中心軸上に、一辺が前記使用周波数の波長λの約１／２の長さのほぼ正方形状の金属板からなる無給電素子６が、図示しない支持部材により前記誘電体基板２に対して、前記波長λの約１／４の長さの距離を離間して、平行に配設されるとともに、前記誘電体基板２の前記裏面側の後方で、前記給電スロット４のほぼ中心軸上に金属板からなる反射板７が、図示しない支持部材により前記誘電体基板２に対して、前記アンテナ装置１に適する所定の距離を離間して、平行に配設されている。

前記誘電体基板２に形成される、左右対称の棒状糸巻き形状の前記給電スロット４は、図３に示すように、前記誘電体基板２の中心から前記中心線Ｏ1に沿って左右両端方向に形成され、丁度、互いに相等しい２つの等脚台形を前記スロット中心線Ｏ1上で短い方の辺を互いに接ぎ合わせた形状に形成されている。その具体的な大きさは、該給電スロット４の前記スロット中心線Ｏ1方向における全長が、前記使用周波数の波長λの約１／２、両端における前記スロット中心線Ｏ1に直角な方向のそれぞれの幅（辺の長さ）が、前記の波長λの約１／１０である。

そして、前記給電線路５により、前記２ＧＨｚ帯の周波数の電力を前記給電スロット４側に給電すると、前記偏波アンテナ装置１は、その給電点ＦＰにおいて給電され、前記誘電体基板２の前記表面側の前方に配置されている前記無給電素子６との結合により、単一偏波の電波が放射される。

この場合、前記偏波アンテナ装置１から、周波数が前記２ＧＨｚ帯の単一偏波の電波を放射させたときの、該偏波アンテナ装置１の水平面指向性を、図４中の実線により示し、破線により交差偏波成分の指向性を示す。また、前記単一偏波の電波を放射させたときの、前記２ＧＨｚ付近の周波数において得られた電圧定在波比、すなわちリターンロス特性を図４に示す。
これにより、電圧定在波比が、より広帯域化されていることが分かる。

図６ないし図９は、本発明の偏波アンテナ装置の実施の形態の実施例２を示す図で、図６は、偏波アンテナ装置１１の２つの偏波の共用の場合の構成を示す表側からみた斜視図、図７は、図６の誘電体基板２の表面に形成される、給電スロット４，１４と、裏面に形成される２個の給電線路５，１５とを示す正面図、図８は、図７に示す給電スロット４，１４の詳細図、図９は、図７の裏側における２つの前記給電線路５，１５の交差部分を拡大して示す斜視図である。図１ないし図３に示す部材と同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。

図６及び図７において、周波数２ＧＨｚ帯で使用される前記２つの偏波の共用アンテナ装置１１は、直交する２つの偏波（例えば、水平偏波と垂直偏波）の電波を放射するため、前記誘電体基板（誘電体プリント基板）２の一方の面、すなわち表面に、金属箔により形成される地導体面３に、図で、互いに直交する２つのスロット中心線Ｏ1，Ｏ2上に、その中心が直交するように形成されるそれぞれ左右対称及び上下対称の同一の棒状糸巻き形状の２つの給電スロット４，１４が設けられている。

アンテナ構造を簡略化するため、前記誘電体基板２の他方の面、すなわち裏面には、前記２つの給電スロット４，１４にそれぞれ給電するため、前記表面の該２つの給電スロット４，１４のそれぞれのほぼ中央部分を横断して、前記スロット中心線Ｏ1，Ｏ2のそれぞれにほぼ直交するように、金属箔による任意の幅を有する２個の同一形状の帯状の給電線路５，１５が形成され、それぞれの中心の給電点ＦＰにおいて、前記給電スロット４，１４は給電されている。このとき、前記給電点ＦＰから前記給電線路５，１５の先端５ａ，１５ａまでの長さは、前記波長λの約１／４の長さになる。

前記誘電体基板２の前記表面側の前方で、前記給電スロット４，１４のほぼ中心軸上に、一辺が前記使用周波数の波長λの約１／２の長さのほぼ正方形状の金属板からなる無給電素子６が、図示しない支持部材により前記誘電体基板２に対して、前記波長λの約１／４の長さの距離を離間して、平行に配設されるとともに、前記誘電体基板２の前記裏面側の後方で、前記給電スロット４，１４のほぼ中心軸上に金属板からなる反射板７が、図示しない支持部材により前記誘電体基板２に対して、前記アンテナ装置１１に適する所定の距離を離間して、平行に配設されている。

前記誘電体基板２に形成される、左右対称及び上下対称の棒状糸巻き形状の前記給電スロット４，１４は、図８に示すように、前記誘電体基板２の中心から互いに直交する前記２つの中心線Ｏ1，Ｏ2のそれぞれに沿って左右及び上下のそれぞれの両端方向に形成され、丁度、互いに相等しい２つの等脚台形を前記スロット中心線Ｏ1，Ｏ2のそれぞれの線上で、短い方の辺を互いに接ぎ合わせた形状に形成されている。その具体的な大きさは、該給電スロット４，１４の前記スロット中心線Ｏ1，Ｏ2のそれぞれの方向における全長が、前記使用周波数の波長λの約１／２、両端における前記スロット中心線Ｏ1，Ｏ2に直角な方向のそれぞれの幅（辺の長さ）が、前記波長λの約１／１０である。
さらに、前記給電スロット４，１４のそれぞれの等脚台形の短い方の辺の幅は、図７の中心部分拡大図に示すように、垂直偏波給電スロット４の等脚台形の短い方の辺の幅を水平偏波給電線路１５の幅以下に、水平偏波給電スロット１４の等脚台形の短い方の辺の幅を垂直偏波給電線路５の幅以下にしている。

このとき、図９に示すように、前記誘電体基板２の裏面上に、前記表面の該給電スロット４，１４のほぼ中央部分を横断するように形成される前記２個の帯状の給電線路５，１５が、ほぼ直角に交差する部分において、一方の給電線路１５が、他方の給電線路５と接触しないように、該一方の給電線路１５に立体交差させる迂回路１５ｂを形成させるとともに、前記迂回路１５ｂを含む両給電線路５，１５の給電点ＦＰからのそれぞれの先端５ａ，１５ａまでの長さを、ほぼ同一長さの前記波長λの約１／４の長さに形成させている。

そして、前記給電線路５，１５により、前記２ＧＨｚ帯の周波数の電力を前記給電スロット４，１４側に給電すると、前記偏波アンテナ装置１１は、その給電点ＦＰにおいて給電され、前記給電スロット４，１４は前記無給電素子８との結合により、それぞれの偏波の電波が放射される。
この場合における、前記偏波アンテナ装置１１から、周波数が前記２ＧＨｚ帯のそれぞれの偏波の電波を放射させたときの、該偏波アンテナ装置１１の指向性と交差偏波成分の指向性、及び前記それぞれの偏波の電波を放射させたときの、前記２ＧＨｚ付近の周波数において得られた電圧定在波比、すなわちリターンロスの特性は、前記第１実施例とほぼ同様である。

図１０は、本発明の偏波アンテナ装置の実施の形態の実施例３を示す斜視図で、この偏波アンテナ装置２１は、高利得化する場合、前記実施例２に示す前記偏波アンテナ装置１１（又は、前記実施例１に示す前記偏波アンテナ装置１でもよい）を、水平面から天空に向けた垂直線Ｖ方向に複数段（本実施例では２段）を縦列に配設して、垂直方向のアレーアンテナとして構成されている。同時に、それぞれの前記誘電体基板２，２をまとめるように、１個の誘電体板２２を配設するとともに、前記それぞれの無給電素子６，６を個別に、図示しない支持部材により配設する。また、それぞれの前記反射板７，７をまとめるように、１個の反射板２３を、図示しない支持部材により配設している。

さらに、前記垂直偏波共用アンテナ装置２１の前記誘電体基板２２の横幅を、前記垂直線Ｖに対して、水平方向（幅方向）に広げて、前記それぞれの給電線路５，１５，５，１５，‥‥に給電するための、コーポレート（トーナメント形線図）給電方式による給電スペースとして利用することができる。このため、全体の前記誘電体基板２２を小型化することができる。

なお、本発明の技術は前記実施の形態における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果たす他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更、付加が可能である。

本発明の偏波アンテナ装置の実施の形態の実施例１を示す図で、単一偏波用の偏波アンテナ装置の構成を示す表側からみた斜視図である。 図１の誘電体基板の表面に形成される給電スロットと、裏面に形成される給電線路とを示す正面図である。 図２に示す給電スロットの詳細図である。 本実施例における前記偏波アンテナ装置の指向性と、交差偏波成分の指向性を示す図で、実線は前記偏波アンテナ装置の水平面指向性を示し、破線は交差偏波成分の指向性を示す。 前記偏波アンテナ装置の周波数に対する１素子のリターンロス特性図である。 本発明の偏波アンテナ装置の実施例２を示す図で、偏波アンテナ装置の２つの偏波の共用の場合の構成を示す表側からみた斜視図である。 図６の誘電体基板の表面に形成される、給電スロットと、４個のインピーダンスの整合用スタブと、裏面に形成される２個の給電線路とを示す正面図である。 図７に示す給電スロット４，１４の詳細図である。 図７の裏側における２つの給電線路の交差部分を拡大して示す斜視図である。 本発明の偏波アンテナ装置の実施例３を示す図で、偏波アンテナ装置の２つの偏波の共用の場合で、水平面から天空に向けた垂直線Ｖ方向に複数段（本実施例では２段）を縦列に配設し、垂直方向のアレーアンテナとしての構成を示す斜視図である。 従来のアンテナ装置のうちの偏波共用アンテナ装置を示す斜視図である。

符号の説明

１，１１，２１ 偏波アンテナ装置
２，２２ 誘電体基板
３ 地導体面
４ 給電スロット
５，１５ 給電線路
５ａ，１５ａ 先端
６ 無給電素子
７，２３ 反射板
１５ｂ 迂回路
ＦＰ 給電点
Ｖ 垂直線

Claims (3)

1. 直交する２つの偏波の電波を放射するため、互いに直交する２つのスロット中心線上に、それぞれの中心が直交するように形成される両方向にそれぞれ対称的な棒状糸巻き形状の２つの給電スロットを設ける地導体面が、表面に形成される誘電体基板と、
   前記誘電体基板の裏面に、前記給電スロットのそれぞれの前記中心を横断し、かつ前記２つ給電スロットのそれぞれの中心線を直交するように形成される２個の帯状の給電線路とを備えるとともに、
   前記誘電体基板の前記表面側の前方に無給電素子が配設されるアンテナ装置であって、
   前記給電スロットの前記両方向に対称的な棒状糸巻き形状は、互いに相等しい２つの等脚台形を前記中心線上で短い方の辺を互いに接ぎ合わせて形成される形状で、それぞれの前記中心線方向における全長は使用周波数の波長λの１／２で、かつ、それぞれの先端における幅は前記波長λの１／１０で、かつ、前記それぞれの等脚台形の短い方の辺の幅は、互いの前記給電線路の幅以下であり、
   さらに、前記２個の帯状の給電線路が互いに交差する部分は、一方の給電線路が他方の給電線路と接触しないように、前記一方の給電線路に、立体交差させる迂回路を形成させることを特徴とする偏波アンテナ装置。
2. 前記誘電体基板の裏面側の後方に、反射板が配設されることを特徴とする請求項１に記載の偏波アンテナ装置。
3. 前記偏波アンテナ装置の複数個が、同一の誘電体基板上で水平方向又は垂直方向に、又は、水平方向及び垂直方向に並んで配設され、アレーアンテナとして構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の偏波アンテナ装置。