JP2014045278A - Frequency sharing directional antenna - Google Patents

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Taisuke Ihara
泰介 井原
Keizo Cho
敬三 長
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a frequency sharing directional antenna having the same sector directivity in a plurality of different operation frequency bands, with a simple configuration.SOLUTION: The frequency sharing directional antenna includes a radiator 110 and two reflectors 101, 103, and the reflector 103 is configured to have a frequency selection function. The reflector 103 having a frequency selection function is a reflector exhibiting conductivity in a specific frequency band out of a plurality of frequency bands, but does not exhibit conductivity in other frequency bands. The reflector 103 exhibiting conductivity in high frequency bands is disposed between the radiator 110 and the reflector 101 exhibiting conductivity in low frequency bands.

Description

本発明は、複数の周波数帯域で共用され、各周波数帯域で同一の指向性を有する周波数共用指向性アンテナに関する。   The present invention relates to a frequency sharing directional antenna shared by a plurality of frequency bands and having the same directivity in each frequency band.

近年、スマートフォン等の急速な普及に伴い、データトラヒックも急激に増大している。日本国総務省の統計によれば平成23年度の1年間で一人当たりの移動通信トラヒックは約2.2倍に増大した。この傾向は今後とも継続するものと予想されており、このような急激なトラヒック増大への対策が急務となっている。   In recent years, with the rapid spread of smartphones and the like, data traffic has also increased rapidly. According to statistics from the Japanese Ministry of Internal Affairs and Communications, the number of mobile communications traffic per person increased by a factor of about 2.2 in the year 2011. This trend is expected to continue, and there is an urgent need to take measures against such a sudden increase in traffic.

トラヒック増大への対策手段としては、（１）移動通信用に割り当てられる周波数帯域の追加ないし周波数帯域幅の増大、（２）都市部の繁華街等、トラヒックが集中しているエリアに基地局を密に設置すること、が考えられる。   As countermeasures against traffic increase, (1) Addition of frequency band allocated for mobile communication or increase in frequency bandwidth, (2) Base station in an area where traffic is concentrated, such as a downtown area. It is possible to install them closely.

上記（１）について、日本国総務省が電波の利用状況調査の評価結果に基づき、効率的・有効的な電波利用を促進するため「周波数再編アクションプラン」を策定しており、最近においても900MHz帯および700MHz帯が移動通信用の周波数帯域として割り当てが実施されている。さらに将来的にはLTE-Advance用として3.5GHz帯を移動通信用に割り当てることが想定されており、移動通信用の周波数帯域幅は増大しつつある。   Regarding (1) above, the Ministry of Internal Affairs and Communications of Japan has formulated a “Frequency Reorganization Action Plan” to promote efficient and effective use of radio waves based on the evaluation results of radio wave usage surveys. The band and the 700 MHz band are allocated as frequency bands for mobile communications. Furthermore, in the future, it is assumed that the 3.5 GHz band is allocated for mobile communication for LTE-Advance, and the frequency bandwidth for mobile communication is increasing.

また、上記（２）については、都市部では既に高い密度で基地局が設置されており、中には基地局間距離が500m以下という場合も多く、基地局の更なる増設は現実的ではない。現在、都市部で稼働している基地局の多くは、ビルの屋上部分などの狭隘なスペースに設置されている。このため、稼働中の基地局に上記（１）のように周波数帯域の追加を実施しようとすると、周波数帯域追加用のアンテナを追加設置することになるが、スペースに余裕が無く追加設置が困難な場合が多い。また、台風などの強風下でも基地局アンテナが倒壊しないようアンテナ設置基部に十分な強度が必要であり、アンテナ数の増大はアンテナ設置基部に更なる強度を要求することになる。しかし、鉄塔局と比較してビル等では十分な強度の確保が困難であり、この観点からもアンテナ増設が困難な場合が多い。さらには景観上の観点からもアンテナの林立は好ましくない。   Regarding (2) above, base stations are already installed at high density in urban areas, and there are many cases in which the distance between base stations is 500 m or less, and further expansion of base stations is not realistic. . Currently, most base stations operating in urban areas are installed in confined spaces such as the rooftop of buildings. For this reason, if an attempt is made to add a frequency band to an operating base station as described in (1) above, an additional antenna for adding a frequency band will be installed, but there is no space and additional installation is difficult. There are many cases. Also, sufficient strength is required for the antenna installation base so that the base station antenna does not collapse even under strong winds such as typhoons, and an increase in the number of antennas requires further strength from the antenna installation base. However, it is difficult to secure sufficient strength in a building or the like as compared with a tower station, and from this point of view, it is often difficult to increase the number of antennas. Furthermore, from the viewpoint of landscape, it is not preferable to stand an antenna.

このような背景から、複数の周波数帯域で動作可能な周波数共用アンテナが移動通信用基地局アンテナに用いられている。たとえば800MHz、1.7GHz、2GHzの三つの周波数帯域で共用されるアンテナ構成が提案（例えば特許文献１参照）されており、１本のアンテナが３つの周波数帯域で動作可能となっている。今後は、IMT-Advanced用に3.5〜4GHｚ帯のようにさらに高い周波数帯域と周波数共用されるアンテナの実現が期待されている。   From such a background, a frequency sharing antenna that can operate in a plurality of frequency bands is used for a mobile communication base station antenna. For example, an antenna configuration shared in three frequency bands of 800 MHz, 1.7 GHz, and 2 GHz has been proposed (see, for example, Patent Document 1), and one antenna can operate in three frequency bands. In the future, it is expected to realize antennas that share frequencies with higher frequency bands such as 3.5 to 4 GHz for IMT-Advanced.

ところで、従来の単一周波数帯域（例えば2GHｚ帯のみ）用の基地局アンテナおよび、複数の周波数帯域で共用される周波数共用基地局アンテナとして、水平面内のビーム幅が絞られた指向性アンテナが用いられている。これは、移動通信では、１つの基地局がカバーするエリアを扇形（セクタ）に分割することによって、１つの基地局が収容可能な加入者容量（あるいはトラヒック）を増大させるため、基地局アンテナもそのセクタ形状に適した指向性アンテナ（以後、セクタ指向性と呼称する）が必要なためである。   By the way, as a conventional base station antenna for a single frequency band (for example, only 2 GHz band) and a frequency sharing base station antenna shared by a plurality of frequency bands, a directional antenna with a narrow beam width in a horizontal plane is used. It has been. This is because, in mobile communications, the area covered by one base station is divided into sectors (sectors) to increase the subscriber capacity (or traffic) that can be accommodated by one base station. This is because a directional antenna suitable for the sector shape (hereinafter referred to as sector directivity) is required.

セクタ指向性を実現するアンテナ構成としては、ダイポールアンテナに反射板を組み合わせた反射板付きダイポールアンテナが広く用いられている。金属で構成した反射板から動作周波数における波長の0.2倍から0.25倍の間隔でダイポールアンテナを配置することによって、単一指向性のアンテナを実現できる。   As an antenna configuration for realizing sector directivity, a dipole antenna with a reflector obtained by combining a reflector with a dipole antenna is widely used. A unidirectional antenna can be realized by disposing dipole antennas at a distance of 0.2 to 0.25 times the wavelength at the operating frequency from a reflector made of metal.

特開2001-185945号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-185945

上述のように、反射板付きダイポールアンテナでセクタ指向性を実現するには、ダイポールアンテナ素子と反射板との間隔を動作周波数帯域での波長λの0.25倍以下とする必要がある。図１１は、理想的に無限の大きさを持つ反射板の前にダイポールアンテナが配置された構成において、反射板とダイポールアンテナとの間隔をそれぞれ、1/4λ、1/2λ、3/4λ、λとしたときのH面内の指向性を示した図である。図１１からわかるように、間隔が1/4λより大きくなると複数のビーム（グレーティングローブ）が生じ、サービスエリア方向を適切に照射できなくなることがわかる。例えば850MHzと4GHｚで共用されるダイポールアンテナを850MHｚで1/4λとなるように反射板の前に配置すると、4GHzではダイポールアンテナと反射板の間隔は1.18λとなって沢山のグレーティングローブを含む指向性となり、適切な指向性を有する周波数共用アンテナが実現できない。   As described above, in order to achieve sector directivity with a dipole antenna with a reflector, the distance between the dipole antenna element and the reflector must be 0.25 times or less the wavelength λ in the operating frequency band. FIG. 11 shows a case where a dipole antenna is arranged in front of a reflector having an ideally infinite size, and the intervals between the reflector and the dipole antenna are 1 / 4λ, 1 / 2λ, 3 / 4λ, It is the figure which showed the directivity in H surface when it is set as (lambda). As can be seen from FIG. 11, when the interval is larger than 1 / 4λ, a plurality of beams (grating lobes) are generated, and the service area direction cannot be appropriately irradiated. For example, if a dipole antenna shared by 850 MHz and 4 GHz is placed in front of the reflector so that it becomes 1 / 4λ at 850 MHz, the distance between the dipole antenna and the reflector will be 1.18λ at 4 GHz, including many grating lobes. Thus, a frequency sharing antenna having appropriate directivity cannot be realized.

周波数共用アンテナにおいて、複数の異なる動作周波数帯域で同一のセクタ指向性を実現するためには、それぞれの動作周波数帯域でダイポールアンテナと金属で構成した反射板との距離が0.2倍から0.25倍となるようにする必要がある。このため、周波数共用アンテナでは、複数の異なる周波数帯域で動作するダイポールアンテナと、単一の反射板から構成される複合アンテナ構成とされる場合が多い。しかしながら、このような場合、動作周波数帯域が増大するにつれて構造が複雑化し、動作周波数帯域間の相互作用によってセクタ指向性が歪むことから、反射板の構造の変更や、調整用の寄生素子の追加など、動作周波数帯域の増大に伴いアンテナ設計の困難さが増大するという問題点がある。   In order to achieve the same sector directivity in a plurality of different operating frequency bands in the frequency sharing antenna, the distance between the dipole antenna and the metal reflector is 0.2 to 0.25 times in each operating frequency band. It is necessary to do so. For this reason, the frequency sharing antenna is often configured as a composite antenna configuration including a dipole antenna that operates in a plurality of different frequency bands and a single reflector. However, in such a case, the structure becomes complicated as the operating frequency band increases, and the sector directivity is distorted due to the interaction between the operating frequency bands. Therefore, the structure of the reflector is changed, and parasitic elements for adjustment are added. There is a problem that the difficulty of antenna design increases as the operating frequency band increases.

このため、本発明は、簡易な構成でありながら、複数の異なる動作周波数帯域で同一のセクタ指向性を有する周波数共用指向性アンテナを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a frequency sharing directional antenna having the same sector directivity in a plurality of different operating frequency bands while having a simple configuration.

本発明の周波数共用指向性アンテナは、放射器と少なくとも２つの反射器とを含み、反射器のうち少なくとも１つは周波数選択機能を有するように構成されている。   The frequency sharing directional antenna of the present invention includes a radiator and at least two reflectors, and at least one of the reflectors is configured to have a frequency selection function.

本発明によると、周波数選択機能を有する反射器を備えることによって、簡易な構成でありながら複数の異なる動作周波数帯域で同一のセクタ指向性を有する周波数共用指向性アンテナが実現される。   According to the present invention, by providing a reflector having a frequency selection function, a frequency sharing directional antenna having the same sector directivity in a plurality of different operating frequency bands can be realized with a simple configuration.

本発明の実施形態の構成を示す図。The figure which shows the structure of embodiment of this invention. 周波数選択機能を有する反射器の構成例。（ａ）ループ状素子を用いた例。（ｂ）線状素子を用いた例。（ｃ）十字形素子を用いた例。（ｄ）メアンダ構造を採用した線状素子を用いた例。The structural example of the reflector which has a frequency selection function. (A) An example using a loop-shaped element. (B) An example using a linear element. (C) An example using a cross-shaped element. (D) An example using a linear element adopting a meander structure. シミュレーション用実施例の具体的構成を説明するための図。The figure for demonstrating the specific structure of the Example for simulation. 図３に示す構成（ただし、ループ状素子を用いた例）において4GHzにおける指向性を示す図。（ａ）z−x平面の指向性。（ｂ）x−y平面の指向性。The figure which shows the directivity in 4 GHz in the structure (however, the example using a loop-shaped element) shown in FIG. (A) Directivity in z-x plane. (B) Directivity in the xy plane. 図３に示す構成（ただし、ループ状素子を用いた例）において850MHzにおける指向性を示す図。（ａ）z−x平面の指向性。（ｂ）x−y平面の指向性。The figure which shows the directivity in 850 MHz in the structure (however, the example using a loop-shaped element) shown in FIG. (A) Directivity in z-x plane. (B) Directivity in the xy plane. 図３に示す構成（ただし、線状素子を用いた例）において4GHzにおける指向性を示す図。（ａ）z−x平面の指向性。（ｂ）x−y平面の指向性。The figure which shows the directivity in 4 GHz in the structure (however, the example using a linear element) shown in FIG. (A) Directivity in z-x plane. (B) Directivity in the xy plane. 図３に示す構成（ただし、線状素子を用いた例）において850MHzにおける指向性を示す図。（ａ）z−x平面の指向性。（ｂ）x−y平面の指向性。The figure which shows the directivity in 850 MHz in the structure (however, the example using a linear element) shown in FIG. (A) Directivity in z-x plane. (B) Directivity in the xy plane. ループ状素子を用いた場合と線状素子を用いた場合における2GHzでFB比を比較した図。The figure which compared FB ratio in the case of using a loop-shaped element, and the case where a linear element is used at 2GHz. メアンダ構造を採用した線状素子を用いた場合の2GHzと4GHzでのFB比を示す図。The figure which shows FB ratio in 2GHz and 4GHz at the time of using the linear element which employ | adopted meander structure. 図３に示す構成（ただし、十字形素子を用いた例）において2GHzと4GHzでの指向性を示す図。The figure which shows the directivity in 2 GHz and 4 GHz in the structure (however, the example using a cross-shaped element) shown in FIG. 理想的に無限の大きさを持つ反射板の前にダイポールアンテナが配置された構成において、反射板とダイポールアンテナとの間隔をそれぞれ、1/4λ、1/2λ、3/4λ、λとしたときのH面内の指向性を示した図。In a configuration in which a dipole antenna is placed in front of a reflector having an ideal infinite size, when the spacing between the reflector and the dipole antenna is 1 / 4λ, 1 / 2λ, 3 / 4λ, and λ, respectively. The figure which showed the directivity in the H surface.

図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。各実施形態に共通の構成要素には同じ符号を割り当てて重複説明を省略することとする。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Constituent elements common to the embodiments are assigned the same reference numerals, and redundant description is omitted.

実施形態の周波数共用指向性アンテナ１（図１参照）は、放射器１１０と、少なくとも２つの反射器１０１，１０３とを備えている。この実施形態では、反射器１０１は導電性を有するものであれば特に限定はなく例えば金属平板であり、反射器１０３は周波数選択機能を有するように構成されている。   The frequency sharing directional antenna 1 (see FIG. 1) of the embodiment includes a radiator 110 and at least two reflectors 101 and 103. In this embodiment, the reflector 101 is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, the reflector 101 is a metal flat plate, and the reflector 103 is configured to have a frequency selection function.

放射器１１０は、複数の異なる周波数帯域で動作する構成を有すれば特に限定はなく、例えばダイポールアンテナ素子である。この実施形態では、周波数共用指向性アンテナ１を二つの異なる周波数帯域で動作させることを想定しており、放射器１１０は、低周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ａと高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂとを含む。この実施形態では、低周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ａと高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂは近接配置されている。なお、放射器１１０は、動作周波数帯域ごとに個別にアンテナ素子を含む構成に限らず、複数の異なる周波数帯域で動作するように構成された単一の装置であってもよい。   Radiator 110 is not particularly limited as long as it has a configuration that operates in a plurality of different frequency bands, and is, for example, a dipole antenna element. In this embodiment, it is assumed that the frequency sharing directional antenna 1 is operated in two different frequency bands, and the radiator 110 includes a low frequency band dipole antenna element 110a and a high frequency band dipole antenna element 110b. including. In this embodiment, the low-frequency band dipole antenna element 110a and the high-frequency band dipole antenna element 110b are arranged close to each other. Radiator 110 is not limited to a configuration including an antenna element individually for each operating frequency band, and may be a single device configured to operate in a plurality of different frequency bands.

反射器１０３は、複数の周波数帯域のうち特定の周波数帯域で導電性を示すが当該周波数帯域以外の周波数帯域では導電性を示さない反射器である。この実施形態では、周波数共用指向性アンテナ１を二つの異なる周波数帯域で動作させることを想定しており、反射器１０３は、高周波数帯域で導電性を示すが低周波数帯域では導電性を示さないように構成されている。例えば、図２に示すように、矩形板状の誘電体基板１０３ａの表面に形成された導電性材料をエッチング加工してパターニング形成された導体１０３ｂを含んで構成される。   The reflector 103 is a reflector that exhibits conductivity in a specific frequency band among a plurality of frequency bands, but does not exhibit conductivity in a frequency band other than the frequency band. In this embodiment, it is assumed that the frequency sharing directional antenna 1 is operated in two different frequency bands, and the reflector 103 exhibits conductivity in the high frequency band but does not exhibit conductivity in the low frequency band. It is configured as follows. For example, as shown in FIG. 2, it is configured to include a conductor 103b formed by patterning a conductive material formed on the surface of a rectangular plate-shaped dielectric substrate 103a by etching.

導体１０３ｂの形状や導体１０３ｂの配置パターンは、いわゆるFSS（Frequency Selective Surface）として、種々の形状や配置を採用することができる。例えば、図２（ａ）に示す例では、導体１０３ｂは、反射器１０３が導電性を示す周波数帯域（この例では高周波数帯域）における波長と略等しい長さを有する導電性材料で形成されたループ状素子であり、複数の導体１０３ｂは、誘電体基板１０３ａの表面に周期的に配置されている。また、図２（ｂ）に示す例では、導体１０３ｂは、反射器１０３が導電性を示す周波数帯域（この例では高周波数帯域）における波長の略半分の長さを有する導電性材料で形成された線状素子であり、複数の導体１０３ｂは、その延伸方向を揃えて、周期的に配置されている。図２（ｃ）に示す例では、導体１０３ｂは、反射器１０３が導電性を示す周波数帯域（この例では高周波数帯域）における波長の略半分の長さを有する導電性材料で形成された二つの線状素子が直交交差する十字形素子であり、複数の導体１０３ｂは、誘電体基板１０３ａの表面に周期的に配置されている。なお、線状素子のうち一部もしくは全ては、図２（ｄ）に示すように、両端部がメアンダ状に形成されていてもよい。   As the shape of the conductor 103b and the arrangement pattern of the conductor 103b, various shapes and arrangements can be adopted as so-called FSS (Frequency Selective Surface). For example, in the example shown in FIG. 2A, the conductor 103b is formed of a conductive material having a length substantially equal to a wavelength in a frequency band (in this example, a high frequency band) in which the reflector 103 exhibits conductivity. It is a loop element, and the plurality of conductors 103b are periodically arranged on the surface of the dielectric substrate 103a. In the example shown in FIG. 2B, the conductor 103b is formed of a conductive material having a length approximately half of the wavelength in the frequency band in which the reflector 103 exhibits conductivity (in this example, the high frequency band). The plurality of conductors 103b are periodically arranged with their extending directions aligned. In the example shown in FIG. 2 (c), the conductor 103b is formed of a conductive material having a length approximately half of the wavelength in the frequency band (in this example, the high frequency band) in which the reflector 103 exhibits conductivity. The two linear elements are cross-shaped elements orthogonally intersecting, and the plurality of conductors 103b are periodically arranged on the surface of the dielectric substrate 103a. Note that some or all of the linear elements may be formed in a meander shape at both ends as shown in FIG.

反射器１０１と反射器１０３の各形状に限定はないが、図に示す例では矩形平板状である。この例では、反射器１０３は高周波数帯域で導電性を示す、つまり、反射器１０３は高周波数帯域で高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂに対する反射器の役割を果たすので、放射器１１０（特に高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂ）から反射器１０３を正面に見たときに反射器１０１が見えないような大きさや形状を反射器１０３が有していることが好ましい。   Although there is no limitation in each shape of the reflector 101 and the reflector 103, in the example shown to a figure, it is a rectangular flat plate shape. In this example, the reflector 103 exhibits conductivity in a high frequency band, that is, the reflector 103 serves as a reflector for the high frequency band dipole antenna element 110b in the high frequency band. It is preferable that the reflector 103 has such a size and shape that the reflector 101 cannot be seen when the reflector 103 is viewed in front from the frequency band dipole antenna element 110b).

反射器１０３は、放射器１１０と低周波数帯域で導電性を示す反射器１０１との間に配置されている。このとき、放射器１１０（低周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ａ）と低周波数帯域用の反射器１０１との間隔Dlowは、低周波数帯域における波長の0.25倍以下であり、放射器１１０（高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂ）と高周波数帯域用の反射器１０３との間隔Dhighは、高周波数帯域における波長の0.25倍以下である。 The reflector 103 is disposed between the radiator 110 and the reflector 101 that exhibits conductivity in a low frequency band. At this time, the distance D low between the radiator 110 (low frequency band dipole antenna element 110a) and the low frequency band reflector 101 is not more than 0.25 times the wavelength in the low frequency band, and the radiator 110 (high frequency band). The distance D high between the band dipole antenna element 110b) and the high frequency band reflector 103 is not more than 0.25 times the wavelength in the high frequency band.

なお、図１では図示していないが、反射器１０１と反射器１０３とは例えば誘電体の支柱で連結されている。また、周波数共用指向性アンテナ１には給電線（図示せず）が接続されており、給電線の内導体（図示せず）は放射器１１０の給電部（この例では、低周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ａの給電部および高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂの給電部）に接続しており、給電線の外導体（図示せず）は反射器１０１と反射器１０３に接続している。より詳細には、給電点にて反射器１０１と反射器１０３のそれぞれに貫通孔が設けられており、給電線の内導体は反射器１０１と反射器１０３との絶縁を保って貫通孔を挿通しており、さらに、給電線の内導体は放射器１１０の給電部と物理的／機械的に接続していることによって、給電線の内導体と放射器１１０の給電部との電気的接続が確保されている。また、給電線の外導体は反射器１０１と反射器１０３に物理的／機械的に接続していて、給電線の外導体と反射器１０１と反射器１０３との電気的接続が確保されている。   Although not shown in FIG. 1, the reflector 101 and the reflector 103 are connected by, for example, a dielectric support. In addition, a feed line (not shown) is connected to the frequency sharing directional antenna 1, and an inner conductor (not shown) of the feed line is a feed part of the radiator 110 (in this example, a dipole for a low frequency band). The antenna element 110 a and the high frequency band dipole antenna element 110 b are connected to each other, and the outer conductor (not shown) of the feeder line is connected to the reflector 101 and the reflector 103. More specifically, a through hole is provided in each of the reflector 101 and the reflector 103 at the feeding point, and the inner conductor of the feeding line is inserted through the through hole while maintaining insulation between the reflector 101 and the reflector 103. In addition, since the inner conductor of the feeder line is physically / mechanically connected to the feeder section of the radiator 110, the electrical connection between the inner conductor of the feeder line and the feeder section of the radiator 110 is improved. It is secured. Further, the outer conductor of the feeder line is physically / mechanically connected to the reflector 101 and the reflector 103, and the electrical connection between the outer conductor of the feeder line and the reflector 101 and the reflector 103 is ensured. .

このような実施形態によると、高周波数帯域では反射器１０３が導電性を示して反射器として機能し、低周波数帯域では反射器１０１が導電性を示して反射器として機能し、反射器１０１と放射器１１０の間隔と反射器１０３と放射器１１０の間隔はそれぞれ、対応する動作周波数の0.25波長以下であるから、周波数共用指向性アンテナ１は、低周波数帯域では、電波が反射器１０３を透過して反射器１０１と放射器１１０との間で構成された反射器付きアンテナとして機能し、高周波数帯域では、反射器１０３と放射器１１０との間で構成された反射器付きアンテナとして機能する。このため、両周波数帯域でグレーティングローブのない指向性を有する単一指向性アンテナを実現することができる。また、各反射器１０１，１０３の大きさを独立に設計することができるため、両周波数帯域でのビーム幅等の指向性の調整を独立に行うことも可能となる。   According to such an embodiment, in the high frequency band, the reflector 103 exhibits conductivity and functions as a reflector, and in the low frequency band, the reflector 101 exhibits conductivity and functions as a reflector. Since the distance between the radiator 110 and the distance between the reflector 103 and the radiator 110 are 0.25 wavelengths or less of the corresponding operating frequency, the frequency sharing directional antenna 1 transmits radio waves through the reflector 103 in the low frequency band. Then, it functions as an antenna with a reflector configured between the reflector 101 and the radiator 110, and functions as an antenna with a reflector configured between the reflector 103 and the radiator 110 in a high frequency band. . Therefore, it is possible to realize a unidirectional antenna having directivity without grating lobes in both frequency bands. In addition, since the sizes of the reflectors 101 and 103 can be designed independently, directivity adjustment such as beam width in both frequency bands can be performed independently.

図３はシミュレーション用の実施例である周波数共用指向性アンテナ１を示している。動作周波数帯域は850MHzと4GHzとした。X軸、Y軸、Z軸と、放射器１１０、反射器１０１、反射器１０３の位置関係は図３に示すとおりである。ダイポールアンテナ素子である放射器１１０の給電部が（25mm，40mm，120mm）に位置し、ダイポールエレメントがY軸と平行となるように、放射器１１０を配置した。放射器１１０と反射器１０３の間隔は15mmである。また、192mm×64mmの金属板で構成された反射器１０１と放射器１１０との間隔は70mmである。同様に、反射器１０３を構成する誘電体の大きさを192mm×64mmとした。反射器１０３は、一辺が20mm、幅が1mmの導電体で形成された正方形ループ状素子が縦に9個、横に３列、誘電体基板上に配置された構成を有している（図２（ａ）参照）。各ループ状素子の中心間の間隔はいずれも22mmとした。なお、解析空間を115mm×80mm×240mmとした。   FIG. 3 shows a frequency sharing directional antenna 1 which is an embodiment for simulation. The operating frequency band was 850 MHz and 4 GHz. The positional relationship among the X axis, the Y axis, and the Z axis and the radiator 110, the reflector 101, and the reflector 103 is as shown in FIG. Radiator 110 is arranged so that the feeding portion of radiator 110 which is a dipole antenna element is located at (25 mm, 40 mm, 120 mm) and the dipole element is parallel to the Y axis. The distance between the radiator 110 and the reflector 103 is 15 mm. The distance between the reflector 101 and the radiator 110 made of a metal plate of 192 mm × 64 mm is 70 mm. Similarly, the size of the dielectric constituting the reflector 103 is 192 mm × 64 mm. The reflector 103 has a configuration in which nine square loop-shaped elements formed of a conductor having a side of 20 mm and a width of 1 mm are arranged on a dielectric substrate in nine vertical rows and three horizontal rows (see FIG. 2 (a)). The distance between the centers of the loop elements was 22 mm. The analysis space was 115 mm x 80 mm x 240 mm.

図４に、図３に示す構成において放射器１１０を4GHｚのダイポールアンテナとして動作させたときのH面放射指向性を示す（図４にて、実線［with FSS reflector］で示されている）。図４では、図３に示す構成において反射器１０３を除去した構成（つまり、放射器１１０に対して反射器１０１のみが存在する従来構成である）のH面放射指向性も併せて示している（図４にて、破線［w/o FSS reflector］で示されている）。図４中のX軸、Y軸、Z軸は図３に示すとおりである。図４から、反射器１０３が存在しない従来構成では４GHｚでのH面放射指向性が歪んでいるのに対し、本発明による実施例の構成では、４GHｚでのH面放射指向性の歪が改善できていることがわかる。図５は、図３に示す構成において放射器１１０を850MHｚのダイポールアンテナとして動作させたときのH面放射指向性を示している。図５でも、反射器１０３を具備する場合（図５にて、実線［with FSS reflector］で示されている）と具備しない場合（図５にて、破線［w/o FSS reflector］で示されている）の両構成のH面放射指向性を示しているが、ほぼ同じH面放射指向性となっている。つまり、図５から、850MHｚでは反射器１０３が存在しても指向性に影響がないことが確認できる。   FIG. 4 shows the H-plane radiation directivity when the radiator 110 is operated as a 4 GHz dipole antenna in the configuration shown in FIG. 3 (indicated by a solid line [with FSS reflector] in FIG. 4). 4 also shows the H-plane radiation directivity of a configuration in which the reflector 103 is removed from the configuration shown in FIG. 3 (that is, a conventional configuration in which only the reflector 101 is present with respect to the radiator 110). (Indicated by a broken line [w / o FSS reflector] in FIG. 4). The X axis, Y axis, and Z axis in FIG. 4 are as shown in FIG. From FIG. 4, the H-plane radiation directivity at 4 GHz is distorted in the conventional configuration without the reflector 103, whereas the distortion of the H-plane radiation directivity at 4 GHz is improved in the configuration of the embodiment according to the present invention. You can see that it is made. FIG. 5 shows the H-plane radiation directivity when radiator 110 is operated as a 850 MHz dipole antenna in the configuration shown in FIG. Also in FIG. 5, the case where the reflector 103 is provided (indicated by a solid line [with FSS reflector] in FIG. 5) and the case where the reflector 103 is not provided (indicated by a broken line [w / o FSS reflector] in FIG. 5). The H-plane radiation directivity of both configurations is shown, but the H-plane radiation directivity is almost the same. That is, it can be confirmed from FIG. 5 that the directivity is not affected even if the reflector 103 exists at 850 MHz.

図６は、図３に示す構成において、反射器１０３が、長さ36mm、幅2mmの導電体で形成された線状素子を、誘電体基板上に、線状素子の中心間距離が38mmになるように縦に並べ、線状素子の中心間距離が38mmになるように横にも並べた構造（図２（ｂ）参照）を有する場合に、放射器１１０を4GHｚのダイポールアンテナとして動作させたときのH面放射指向性を示す（図６にて、実線［with FSS reflector］で示されている）。図６では、図３に示す構成において反射器１０３を除去した構成（つまり、放射器１１０に対して反射器１０１のみが存在する従来構成である）のH面放射指向性も併せて示している（図６にて、破線［w/o FSS reflector］で示されている）。図６中のX軸、Y軸、Z軸は図３に示すとおりである。図６から、反射器１０３が存在しない従来構成では４GHｚでのH面放射指向性が歪んでいるのに対し、本発明による実施例の構成では、４GHｚでのH面放射指向性の歪が改善できていることがわかる。図７は、上述のように線状素子を用いた構成において放射器１１０を850MHｚのダイポールアンテナとして動作させたときのH面放射指向性を示している。図７でも、反射器１０３を具備する場合（図７にて、実線［with FSS reflector］で示されている）と具備しない場合（図７にて、破線［w/o FSS reflector］で示されている）の両構成のH面放射指向性を示しているが、ほぼ同じH面放射指向性となっている。つまり、図７から、850MHｚでは反射器１０３が存在しても指向性に影響がないことが確認できる。つまり、ダイポールエレメントの偏波方向と平行になるように線状素子の延伸方向を揃えて線状素子を配置することによって、ループ状素子を用いた構成と同様に850MHzでは電波は反射器１０３を透過し、反射器１０３は４GHｚでは反射器として動作していることがわかる。   FIG. 6 shows a configuration in which, in the configuration shown in FIG. 3, the reflector 103 has a linear element formed of a conductor having a length of 36 mm and a width of 2 mm on a dielectric substrate so that the distance between the centers of the linear elements is 38 mm. The radiator 110 is operated as a 4 GHz dipole antenna when it has a structure (see FIG. 2 (b)) that is vertically arranged so that the distance between the centers of the linear elements is 38mm. H-plane radiation directivity is shown (indicated by a solid line [with FSS reflector] in FIG. 6). 6 also shows the H-plane radiation directivity of a configuration in which the reflector 103 is removed from the configuration shown in FIG. 3 (that is, a conventional configuration in which only the reflector 101 is present with respect to the radiator 110). (Indicated by a broken line [w / o FSS reflector] in FIG. 6). The X axis, Y axis, and Z axis in FIG. 6 are as shown in FIG. From FIG. 6, the H-plane radiation directivity at 4 GHz is distorted in the conventional configuration without the reflector 103, whereas the distortion of the H-plane radiation directivity at 4 GHz is improved in the configuration of the embodiment according to the present invention. You can see that it is made. FIG. 7 shows the H-plane radiation directivity when the radiator 110 is operated as a 850 MHz dipole antenna in the configuration using linear elements as described above. Also in FIG. 7, the case where the reflector 103 is provided (indicated by a solid line [with FSS reflector] in FIG. 7) and the case where the reflector 103 is not provided (indicated by a broken line [w / o FSS reflector] in FIG. 7). The H-plane radiation directivity of both configurations is shown, but the H-plane radiation directivity is almost the same. That is, from FIG. 7, it can be confirmed that the directivity is not affected even if the reflector 103 exists at 850 MHz. In other words, by arranging the linear elements so that the extending directions of the linear elements are aligned so as to be parallel to the polarization direction of the dipole elements, the radio wave is reflected from the reflector 103 at 850 MHz, similarly to the configuration using the loop elements. It can be seen that the reflector 103 operates as a reflector at 4 GHz.

以下に説明する実施例では、反射器１０３の透過・反射特性を示すために、図３に示す構成において反射器１０１が除去された構成を検討した。
図８は、放射器１１０として2GHzのダイポールアンテナ素子を用い、FSSを実現する導電体素子としてループ状素子を用いた場合と線状素子を用いた場合のそれぞれのX-Z面指向性を示す。ただし、ループ状素子および線状素子をともに線径0.1mmの線路とした。図８からわかるように、ループ状素子を用いた場合には２GHzでは10dB以上のFB比（前方対後方比）になってしまうが、線状素子を用いるとFB比は2dB程度になっており、2GHzでも反射器１０３の透過性が高くなることが確認できる。 In the embodiment described below, in order to show the transmission / reflection characteristics of the reflector 103, a configuration in which the reflector 101 is removed from the configuration shown in FIG.
FIG. 8 shows XZ plane directivities when a 2 GHz dipole antenna element is used as radiator 110 and a loop element is used as a conductor element for realizing FSS and when a linear element is used. However, both the loop element and the linear element were lines having a wire diameter of 0.1 mm. As can be seen from FIG. 8, when using a loop element, the FB ratio (front to rear ratio) is 10 dB or more at 2 GHz, but when using a linear element, the FB ratio is about 2 dB. It can be confirmed that the transparency of the reflector 103 is increased even at 2 GHz.

図９は、図２（ｄ）に示すように各線状素子にメアンダ構造を採用した場合の、４GHzと２GHzのそれぞれのX-Z面指向性を示す。メアンダ構造を採用することによって線状素子の共振帯域が狭くなり、２GHｚでのFB比がさらに改善し１ｄB以下とできていることがわかる。   FIG. 9 shows the X-Z plane directivities at 4 GHz and 2 GHz when the meander structure is adopted for each linear element as shown in FIG. It can be seen that by adopting the meander structure, the resonance band of the linear element is narrowed, and the FB ratio at 2 GHz is further improved to 1 dB or less.

図１０は、図３に示す構成において放射器１１０であるダイポールアンテナ素子を９０度回転させて配置し、反射器１０３の誘電体基板上に配置する導電体素子を十字形素子（図２（ｃ）参照）とした場合の、４GHzと２GHzのそれぞれのX-Z面指向性を示す。図１０からわかるように、ダイポールアンテナ素子をX軸と平行に配置しても反射器１０３にX軸成分の線状素子を有する十字形素子が配置されていることによって、２GHｚでは電波は反射器１０３を透過し、４GHｚでは反射器１０３は反射器として動作する特性となることが確認できる。   FIG. 10 shows a configuration in which the dipole antenna element, which is the radiator 110, is rotated by 90 degrees in the configuration shown in FIG. 3, and the conductor element placed on the dielectric substrate of the reflector 103 is a cross-shaped element (FIG. ))), The XZ plane directivities of 4 GHz and 2 GHz are shown. As can be seen from FIG. 10, even if the dipole antenna element is arranged parallel to the X axis, the radio wave does not reflect at 2 GHz because the cross element having the linear element of the X axis component is arranged in the reflector 103. It is possible to confirm that the reflector 103 operates as a reflector at 4 GHz.

Claims (7)

複数の周波数帯域で共用され、当該各周波数帯域で単一方向に指向性を有する周波数共用指向性アンテナであって、
放射器と、少なくとも２つの反射器と、を含み、
上記反射器のうち少なくとも１つは周波数選択機能を有するように構成されていることを特徴とする
周波数共用指向性アンテナ。 A frequency-sharing directional antenna shared by a plurality of frequency bands and having directivity in a single direction in each frequency band,
A radiator and at least two reflectors;
The frequency sharing directional antenna, wherein at least one of the reflectors is configured to have a frequency selection function. 請求項１に記載の周波数共用指向性アンテナであって、
周波数選択機能を有する上記反射器は、上記複数の周波数帯域のうち特定の周波数帯域で導電性を示すが当該周波数帯域以外の周波数帯域では導電性を示さない反射器であり、
上記放射器と低周波数帯域で導電性を示す上記反射器との間に、高周波数帯域で導電性を示す上記反射器が配置されている
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。 The frequency sharing directional antenna according to claim 1,
The reflector having a frequency selection function is a reflector that exhibits conductivity in a specific frequency band among the plurality of frequency bands, but does not exhibit conductivity in a frequency band other than the frequency band,
A frequency sharing directional antenna, wherein the reflector exhibiting conductivity in a high frequency band is disposed between the radiator and the reflector exhibiting conductivity in a low frequency band. 請求項１または請求項２に記載の周波数共用指向性アンテナであって、
上記放射器と上記反射器との間隔は、上記反射器が導電性を示す周波数帯域における波長の0.25倍以下である
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。 The frequency sharing directional antenna according to claim 1 or 2,
The frequency sharing directional antenna, wherein an interval between the radiator and the reflector is not more than 0.25 times a wavelength in a frequency band where the reflector exhibits conductivity. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の周波数共用指向性アンテナであって、
周波数選択機能を有する上記反射器は、上記反射器が導電性を示す周波数帯域における波長と略等しい長さを有する導電性材料で形成されたループ状素子が周期的に配置された構造を有する
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。 The frequency sharing directional antenna according to any one of claims 1 to 3,
The reflector having a frequency selection function has a structure in which loop elements formed of a conductive material having a length substantially equal to a wavelength in a frequency band in which the reflector exhibits conductivity are periodically arranged. A frequency-sharing directional antenna. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の周波数共用指向性アンテナであって、
周波数選択機能を有する上記反射器は、上記反射器が導電性を示す周波数帯域における波長の略半分の長さを有する導電性材料で形成された線状素子が、各線状素子の延伸方向を揃えて、周期的に配置された構造を有する
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。 The frequency sharing directional antenna according to any one of claims 1 to 3,
In the reflector having a frequency selection function, the linear elements formed of a conductive material having a length approximately half the wavelength in the frequency band where the reflector exhibits conductivity are aligned in the extending direction of each linear element. A frequency sharing directional antenna having a periodically arranged structure. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の周波数共用指向性アンテナであって、
周波数選択機能を有する上記反射器は、上記反射器が導電性を示す周波数帯域における波長の略半分の長さを有する導電性材料で形成された二つの線状素子が直交交差する十字形素子が周期的に配置された構造を有する
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。 The frequency sharing directional antenna according to any one of claims 1 to 3,
The reflector having a frequency selection function is a cross-shaped element in which two linear elements formed of a conductive material having a length approximately half the wavelength in a frequency band in which the reflector exhibits conductivity are orthogonally crossed. A frequency sharing directional antenna, characterized by having a periodically arranged structure. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の周波数共用指向性アンテナであって、
周波数選択機能を有する上記反射器は、上記反射器が導電性を示す周波数帯域における波長の略半分の長さを有する導電性材料で形成された線状素子が周期的に配置された構造を有し、
上記線状素子のうち一部もしくは全てがメアンダ状に形成されている
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。 The frequency sharing directional antenna according to any one of claims 1 to 3,
The reflector having a frequency selection function has a structure in which linear elements formed of a conductive material having a length approximately half the wavelength in a frequency band in which the reflector exhibits conductivity are periodically arranged. And
A frequency sharing directional antenna, wherein a part or all of the linear elements are formed in a meander shape.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017005453A (en) * 2015-06-09 2017-01-05 日本電信電話株式会社 Antenna device
JP2018191281A (en) * 2017-05-01 2018-11-29 パロ アルト リサーチ センター インコーポレイテッド Multi-band radio frequency transparency window in conductive film

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