JP2006352293A - 偏波ダイバーシチアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型、低廉に構成することができ、かつ、各偏波に同等な電気的特性をもたせることができる偏波ダイバーシチアンテナを提供する。
【解決手段】 第１のプリントダイポールアンテナ部（10）および第２のプリントダイポールアンテナ部（20）を、それらに形成された切込み部（16）および（26）を利用して互いに９０°の角度をなすように交差結合することによって構成される。切込み部（16）および（26）は、バランを構成する給電線路導体（14）および（14）との接触が回避される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動通信システム等の基地局アンテナとして好適なアンテナに関し、詳しくは、２つの直交する偏波を独立して送受信することができる偏波ダイバーシチアンテナに関するものである。

移動通信システム等の基地局アンテナとしては、従来、電波の受信効率を上げる目的でスペースダイバーシチ方式のものを用いていた。しかし、このスペースダイバーシチ方式のアンテナは、その構造上、アンテナ素子類を設置する鉄塔上部の形状が大きくなるという欠点を持つ。そこで、最近では、鉄塔上部のなどに設けられる基地局設備の簡易化を図ることができる偏波ダイバーシチ方式のアンテナに移行している。

図１２は、この偏波ダイバーシチ方式のアンテナの従来例を示している。この偏波ダイバーシチアンテナは、金属筒を使用した同軸型の給電線１により給電される一対のアンテナ素子２を備え、これらのアンテナ素子２を９０°の角度で交差するように給電線１に支持させた構成を有する。各アンテナ素子２は、両端の長さがそれぞれ約λ／２（λは使用周波数の波長）に設定され、互いに接触しないように交差させた一対のジャンパ線３によって給電点が接続されている。なお、符号４は反射板を示している。
一方、アンテナ回路パターンをそれぞれ形成した２枚の誘電体基板を互いに交差させた構成のクロスダイポールアンテナが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−１６８６３７号公報

図１２に示す従来の偏波ダイバーシチアンテナは、構造が複雑であり、しかも、上記同軸型の給電線１の大きさが使用周波数ではなくて給電インピーダンスによって決定されることから、この同軸型の給電線１の寸法の影響で形状が比較的大きくなる。また、使用周波数が高くなってアンテナ素子２の長さ（前述のように約λ／２）が短くなると、相対的に同軸型給電線１が無視できない大きさになり、その結果、ＶＳＷＲ特性や偏波間の結合量特性などが劣化する。

一方、誘電体基板を使用した上記クロスダイポールアンテナでは、アンテナ回路パターンをダイポールアンテナ素子として機能させるために、導体によって該パターンを接続することが必要となり、これは構造の複雑化を招く。この問題を解決するために、個々のダイポール素子の中心をずらした構造のクロスダイポールアンテナなども考案されている。しかし、このような構造のアンテナは、個々のダイポール素子の給電点の位置がずれることから、各偏波の特性がばらつくなどの問題を抱えている。
移動通信用基地局アンテナとして用いるアンテナは、小型、低廉であること、および各偏波の電気的特性が同等なことが要求される。

本発明は、このような実状に鑑み、小型、低廉に構成することができ、かつ、各偏波に同等な電気的特性をもたせることができる偏波ダイバーシチアンテナを提供することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明に係る偏波ダイバーシチアンテナは、誘電体基板の一方の面に、ダイポール素子を構成する一対の素子導体と、前記各素子導体の給電点部位を始端として、互いの間に所定幅のスリットが形成される形態でそれぞれ該各素子導体に対し直角な方向に延びる一対の接地導体と、をそれぞれプリント形成してなる第１および第２のプリントダイポールアンテナ部を備え、前記第１のプリントダイポールアンテナは、前記スリットの軸線上を前記スリットの始端側から終端側に向って延びる所定長の切込み部と、前記各接地導体と共にバランを構成すべく、前記切込み部と接触しない形態で前記誘電体基板の他方の面にプリント形成した給電線路導体とを有し、前記第２のプリントダイポールアンテナは、前記スリットの軸線上を前記スリットの終端側から始端側に向って延びる所定長の切込み部と、前記各接地導体と共にバランを構成すべく、前記切込み部と接触しない形態で前記誘電体基板の他方の面にプリント形成した給電線路導体とを有し、前記第１および第２のプリントダイポールアンテナ部を、それらに形成された前記切込み部を利用して互いに９０°の角度をなすように交差結合している。

好ましい実施の形態では、前記第１のプリントダイポールアンテナ部のダイポール素子および前記第２のプリントダイポールアンテナ部のダイポール素子のそれぞれに対し、それらのダイポール素子からビーム投射方向に所定距離はなれる形態で無給電素子を設けている。 前記各ダイポール素子に対する無給電素子は、十字形を成すように一体形成しても良い。

他の好ましい実施の形態では、前記第１のプリントダイポールアンテナ部のダイポール素子および前記第２のプリントダイポールアンテナ部のダイポール素子を、それぞれ傘形に折り曲げて形成している。
なお、上記の各偏波ダイバーシチアンテナは、必要に応じて、反射板を併設することができる。

上記偏波ダイバーシチアンテナのいずれかを所定の間隔をおいて複数個配列することによってアレーアンテナを構成することができる。このアレー構成の偏波ダイバーシチアンテナには、反射板を併設しても良い。

本発明に係る偏波ダイバーシチアンテナは、第１および第２のプリントダイポールアンテナ部を、それらに形成された切込み部を利用して互いに９０°の角度をなすように交差結合することによって構成することができるので、従来の偏波ダイバーシチアンテナに比して小型化、低廉化および組立の容易化を図ることができる。
また、第１および第２のプリントダイポールアンテナ部におけるダイポール素子が中心で給電されるので指向性の偏りがなく、しかも、各ダイポール素子が対称配置されるので、各偏波に同等な電気的特性をもたせることができる。

さらに、誘電体基板上に給電線路導体を形成しているので、給電部分の構造が小型化される。したがって、使用周波数が高い場合でも、つまり、ダイポール素子の長さが小さい場合でも、上記給電部分が電気特性に与える影響を少なくすることができる。
また、各ダイポール素子のビーム方向に適当な間隔を置いて無給電素子を配備すれば、帯域特性を向上することができるので、結果的に、低姿勢化が可能になる。上記各ダイポール素子に対する無給電素子を十字形に一体化すれば、構造が簡略化される。
更にまた、各ダイポール素子を傘形に折り曲げて形成すれば、該各ダイポール素子自体によるビーム幅が広がるため、水平面内のビーム幅の大きい偏波ダイバーシチアンテナを実現することが可能になる。

図１は、本発明に係る偏波ダイバーシチアンテナの一実施形態を示す斜視図である。
この偏波ダイバーシチアンテナＡ１は、図２に示す第１のプリントダイポールアンテナ部１０と、図３に示す第２のプリントダイポールアンテナ部２０とを組み合わせることによって構成されている。
第１のプリントダイポールアンテナ部１０は、方形状の誘電体基板１１と、この誘電体基板１１の一方の面にプリント形成したダイポール素子１２および接地導体１３ａ，１３ｂと、上記誘電体基板１１の他方の面にプリント形成した給電線路導体１４とを備えている。

ダイポール素子１２は、該誘電体基板１１の一端（以下、上端という）に沿って延びる素子導体１２ａ，１２ｂで形成され、約λ／２（λは使用周波数の波長）の長さを有する。接地導体１３ａ，１３ｂは、素子導体１２ａ，１２ｂの給電点部位を始端としてそれぞれ該素子導体１２ａ，１２ｂ対して直角な方向に延びている。すなわち、この接地導体１３ａ，１３ｂは、それら間に長さ約λ／４のスリット１５が形成されるように、誘電体基板１１の他端（以下、下端という）まで延びている。

誘電体基板１１には、上記スリット１５の軸線上に位置する形態で該誘電体基板１１の上端から下端側（スリット１５の始端側から終端側）に向って延びる所定長の切込み部１６が形成されている。この実施の形態における切込み部１６は、その先端がダイポール素子１２の長手軸線に到達する部位まで延びている。

給電線路導体１４は、接地導体１３ａの背面に対向する形態で誘電体基板１１の一端から他端側に向って延びた後、素子導体１２ａの給電点部位の背後で素子導体１２ｂ側に折れ曲がり、その折れ曲がった上半部が該素子導体１２ｂの背面に沿って延びている。上記上半部は、長さが約λ／４に設定され、かつ、上記切込み部１６の先端に接触しないようにダイポール素子１２の長手軸線よりも図における若干下方側にオフセットされている。
なお、上記折れ曲がった上半部は、一点差線で示したように、素子導体１２ｂの給電点部位の背後で再度下方に折り曲げても良い。つまり、給電線路導体１４は、Ｌ字状もしくはＵ字状に形成することができる。

図３に示した第２のプリントダイポールアンテナ部２０は、上記第１のプリントダイポールアンテナ部１０と類似した構成を有するので、該アンテナ部１０の構成要素に対応する要素に対応する符号を付してある。以下、第１のプリントダイポールアンテナ部１０と異なる構成部分についてのみ説明する。
この第２のプリントダイポールアンテナ部２０の誘電体基板２１には、スリット２５の軸線上に位置する形態で該誘電体基板２１の下端から上端側（スリット２５の終端側から始端側）に向って延びる所定長の切込み部２６が形成されている。この実施の形態における切込み部２６は、その先端がダイポール素子１２の長手軸線に到達する部位まで延びている。

また、このプリントダイポールアンテナ部２０の給電線路導体２４は、折れ曲がった上半部（長さ約λ／４）が上記切込み部２６の先端と接触しないように、ダイポール素子２２の長手軸線よりも若干上方側にオフセットされている。なお、上記給電線路導体２４は、図２に鎖線で示すようにＵ字状に形成しても良い。

図１に示す偏波ダイバーシチアンテナＡ１は、上記第１のプリントダイポールアンテナ部１０と第２のプリントダイポールアンテナ部２０とを交差結合することにより形成することができる。この交差結合は、アンテナ部１０の切込み部１６とアンテナ部２０の切込み部２６とを利用して、アンテナ部１０の上方からアンテナ部２０を押し込むことによって容易に達成することができる。

上記第１のプリントダイポールアンテナ部１０は、接地導体１３ａ，１３ｂと給電線路導体１４がバランを構成するので、図示していない同軸給電線の中心導体および外部導体をそれぞれ給電線路導体１４および接地導体１３ａ，１３ｂの基部に接続して給電することにより、ダイポール素子１２を励振することができる。
同様に、上記第２のプリントダイポールアンテナ部２０は、接地導体２３ａ，２３ｂと給電線路導体２４がバランを構成するので、図示していない別の同軸給電線の中心導体および外部導体をそれぞれ給電線路導体２４および接地導体２３ａ，２３ｂの基部に接続して給電することにより、ダイポール素子２２を励振することができる。
従って、この実施の形態に係る偏波ダイバーシチアンテナＡ１は、アンテナ部１０，２０のうちの一方に水平偏波を送受させ、他方に垂直偏波を送受させることができる。

図４は、図１に示す偏波ダイバーシチアンテナに十字形無給電素子３０を組み合わせた本発明の第２の実施の形態に係る偏波ダイバーシチアンテナＡ２を示す。
上記十字形無給電素子３０は、第１のプリントダイポールアンテナ部１０のダイポール素子１２と第２のプリントダイポールアンテナ部２０のダイポール素子２２から所定距離はなれて併置されており、ダイポール素子１２およびダイポール素子２２に沿う部分の長さが、それぞれ約λ／２に設定されている。

この十字形無給電素子３０を備える偏波ダイバーシチアンテナＡ２によれば、リターンロスを低減して、より広帯域な特性を得ることができる。このように、無給電素子３０は帯域特性を向上させる。従って、図２、図３に示すスリット１５，２５の長さを約λ／４よりも小さく設定して低姿勢化を図った場合でも、無給電素子３０を併用することによって、スリット１５，２６の長さを約λ／４に設定した場合とほぼ同等な帯域特性を得ることが可能になる。

図５は、図６に示す第１のプリントダイポールアンテナ部１００と図７に示す第２のプリントダイポールアンテナ部２００とを交差結合した本発明に係る偏波ダイバーシチアンテナの第３の実施形態を示す。
図５〜図７においては、図１〜図３に示す各要素に対応した要素に対応する符号を付してある。以下、図１〜図３に示す構成と異なる構成部分についてのみ説明する。

この第３の実施形態に係る偏波ダイバーシチアンテナＡ３は、第１のプリントダイポールアンテナ部１００のダイポール素子１２０が傘形状を呈するように、素子導体１２０ａ，１２０ｂを給電点部位もしくは途中部位において斜め下方に折り曲げて形成し、同様に、第２のプリントダイポールアンテナ部２００のダイポール素子２２０が傘形状を呈するように、素子導体２２０ａ，２２０ｂを給電点部位もしくは途中部位において斜め下方に折り曲げて形成してある。
そして、アンテナ部１００および２００の誘電体基板１１０および２１０は、その両肩部をテーパ状に形成して、ダイポール素子１２０および２２０にこの両肩部の縁部を沿わせてある。

この実施形態に係る偏波ダイバーシチアンテナＡ３によれば、各ダイポール素子１２０，２２０自体によるビーム幅が広がるため、水平面内ビーム幅の拡大を図ることができる。
図９は、素子導体１２０ａ，１２０ｂの折り曲げ角度と水平面内ビーム幅との関係を例示したグラフである。このグラフに示すように、水平面内ビーム幅は上記折り曲げ角度の増大に伴って拡大される。

なお、この実施形態では、製造の容易化等を図るために給電線路導体１４０および２４０を共にＵ字状に形成しているが、これらの給電線路導体１４０および２４０の上半部位がそれぞれ素子導体１２０ｂ，２２０ｂの背後に位置するように形成することも可能である。
また、上記給電線路導体１４０および２４０は、上半部の一部が接地導体１３０ａ，１３０ｂの上方にはみ出しているが、これは、このような形態で給電線路導体１４０および２４０を配した場合に素子導体１２０ａ，１２０ｂに対する給電インピーダンスが最適に調整されたからである。したがって、素子導体１２０ａ，１２０ｂの形状や折り曲げ角度によっては、給電線路導体１４０および２４０が接地導体１３０ａ，１３０ｂからはみ出さない形態で配されることや、より大きくはみだすこともあり得る。もちろん、切込み部１６０，２６０の長さは、給電線路導体１４０，２４０のはみ出し量に応じて、適宜その長さが調整されることになる。

図８は、図１に示す偏波ダイバーシチアンテナＡ１を所定の間隔で複数個(この例では２個)配列したアレー構成の偏波ダイバーシチアンテナを示している。
このアレー構成の偏波ダイバーシチアンテナは、誘電体基板４０と、この誘電体基板４０の背面側に配置した反射板５０とを備え、誘電体基板４０の表面全域に設けられた接地導体４１上に各アンテナＡ１を配置してある。

各アンテナＡ１は、接地導体１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂの基部を上記接地導体４１に半田付け等の手段で電気的に接続し、また、給電線路導体１４および２４を誘電体基板４０の下面にプリント形成された給電線路導体４２および４３にそれぞれ接続してある。
なお、反射板５０は、長手方向に沿う両サイドが誘電体基板４０側に折り曲げられている。また、双方のアンテナＡ１は、誘電体基板４０の長手軸線を含みかつ該誘電体基板４０に垂直な面に対して誘電体基板１１，２１が４５°の角度をなすように向けられている。

このアレー構成の偏波ダイバーシチアンテナでは、給電線路導体４２、４３の端子部４２ａ、４３ａに図示していない格別な同軸給電線の中心導体がそれぞれ接続され、それらの給電線の外部導体が接地導体４１に接続される。
なお、このアレー構成の偏波ダイバーシチアンテナは、各アンテナＡ１を共通する誘電体基板４０上に配列させているが、該各アンテナＡ１を個別の誘電体基板に取り付けた状態で配列させても良い。
また、上記各アンテナＡ１に代えて、図４に示す前記偏波ダイバーシチアンテナＡ２あるいは図５に示す前記偏波ダイバーシチアンテナＡ３を上記誘電体基板４０に配置することも可能であり、その場合、これらのアンテナＡ２，Ａ３の特徴を生かしたアレー構成の偏波ダイバーシチアンテナを構成することができる

図１に示した偏波ダイバーシチアンテナＡ１および図４に示した偏波ダイバーシチアンテナＡ２によれば、それぞれ図１０に示すようなＶＳＷＲ特性Ｃ１およびＣ２を得ることができる。すなわち、アンテナＡ１では、ＶＳＷＲ１．５で比帯域約１７％が得られ、また、前記十字形無給電素子３０によって広帯域化を図ったアンテナＡ１では、同比帯域約２０％が得られる。

図１１は、図１に示した偏波ダイバーシチアンテナＡ１の水平面内指向性を実線で示し、図５に示した偏波ダイバーシチアンテナＡ３の同指向性を点線でそれぞれ示したものである。この図１１から明らかなように、アンテナＡ３によれば水平面内ビーム幅を拡大することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形態様を含むものである。たとえば、図１、図４および図５に示すアンテナＡ１，Ａ２およびＡ３においても、必要に応じて、図８に示す反射板５０に準ずる反射板を併用することができる。

本発明に係る偏波ダイバーシチアンテナの第１の実施形態を示す斜視図である。 図１のアンテナおける第１のプリントダイポールアンテナ部の構成を示す立面図である。 図１のアンテナおける第２のプリントダイポールアンテナ部の構成を示す立面図である。 本発明に係る偏波ダイバーシチアンテナの第２の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る偏波ダイバーシチアンテナの第３の実施形態を示す斜視図である。 図５のアンテナおける第１のプリントダイポールアンテナ部の構成を示す立面図である。 図５のアンテナおける第２のプリントダイポールアンテナ部の構成を示す立面図である。 図１に示す偏波ダイバーシチアンテナを所定の間隔で複数個配列したアレー構成の偏波ダイバーシチアンテナを示す斜視図である。 図５のアンテナおける素子導体の折り曲げ角度と水平面内ビーム幅との関係を示すグラフである。 図１のアンテナおよび図４のアンテナのＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 図１のアンテナおよび図５のアンテナの水平面内指向性を示すグラフである。 従来の偏波ダイバーシチアンテナの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０，１００ 第１のプリントダイポールアンテナ部
１１，１１０ 誘電体基板
１２，１２０ ダイポール素子
１３ａ，１３ｂ，１３０ａ，１３０ｂ 接地導体
１４，１４０ 給電線路導体
２０，２００ 第２のプリントダイポールアンテナ部
２１，２１０ 誘電体基板
２２，２２０ ダイポール素子
２３ａ，２３ｂ，２３０ａ，２３０ｂ 接地導体
２４，２４０ 給電線路導体
３０ 十字形無給電素子
４０ 誘電体基板
４１ 接地導体
４２，４３ 給電線路導体
５０ 反射板

Claims (7)

1. 誘電体基板の一方の面に、ダイポール素子を構成する一対の素子導体と、前記各素子導体の給電点部位を始端として、互いの間に所定幅のスリットが形成される形態でそれぞれ該各素子導体に対し直角な方向に延びる一対の接地導体と、をそれぞれプリント形成してなる第１および第２のプリントダイポールアンテナ部を備え、
   前記第１のプリントダイポールアンテナは、前記スリットの軸線上を前記スリットの始端側から終端側に向って延びる所定長の切込み部と、前記各接地導体と共にバランを構成すべく、前記切込み部と接触しない形態で前記誘電体基板の他方の面にプリント形成した給電線路導体とを有し、
   前記第２のプリントダイポールアンテナは、前記スリットの軸線上を前記スリットの終端側から始端側に向って延びる所定長の切込み部と、前記各接地導体と共にバランを構成すべく、前記切込み部と接触しない形態で前記誘電体基板の他方の面にプリント形成した給電線路導体とを有し、
   前記第１および第２のプリントダイポールアンテナ部を、それらに形成された前記切込み部を利用して互いに９０°の角度をなすように交差結合したことを特徴とする偏波ダイバーシチアンテナ。
2. 前記第１のプリントダイポールアンテナ部のダイポール素子および前記第２のプリントダイポールアンテナ部のダイポール素子のそれぞれに対し、それらのダイポール素子からビーム投射方向に所定距離はなれる形態で無給電素子を設けたことを特徴とする請求項１に記載の偏波ダイバーシチアンテナ。
3. 前記各ダイポール素子に対する無給電素子は、十字形を成すように一体形成されていることを特徴とする請求項２に記載の偏波ダイバーシチアンテナ。
4. 前記第１のプリントダイポールアンテナ部のダイポール素子および前記第２のプリントダイポールアンテナ部のダイポール素子を、それぞれ傘形に折り曲げて形成したことを特徴とする請求項１に記載の偏波ダイバーシチアンテナ。
5. 反射板を併設したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の偏波ダイバーシチアンテナ。
6. アレーアンテナを構成するため、請求項１，２，４に記載の偏波ダイバーシチアンテナのいずれかを所定の間隔をおいて複数個配列したことを特徴とする偏波ダイバーシチアンテナ。
7. 反射板を併設したことを特徴とする請求項６に記載の偏波ダイバーシチアンテナ。
   
   

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