JP2014150374A - 直交八木宇田アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量で製作が容易であり、且つ良好な電気特性が得られると共に１ＧＨｚを超える高い周波数帯でも有用な直交八木宇田アンテナを提供する。
【解決手段】プリント基板２０の前面に、放射素子２１、導波素子２２ａ、２２ｂ、…を所定の間隔で設ける共に放射素子２１の後方にバラン２４及び反射素子２３を設け、基板裏面には給電線路２６を設ける。プリント基板３０の前面に、放射素子３１、導波素子３２ａ、３２ｂ、…を所定の間隔で設けると共に放射素子３１の後方にバラン３４及び反射素子３３を設け、基板裏面には給電線路３６を設ける。プリント基板２０には下方中央の長手方向にスリットを設け、プリント基板３０にはプリント基板２０のスリットから上方に位置するように中央長手方向にスリットを設ける。プリント基板２０、３０を上記スリットに差し込んで直交した状態に組み立て、スリットにより切断された素子間を半田付けして接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば移動体通信、ローカル・エリア・ネットワーク、ＴＶ放送等に使用される２偏波の直交八木宇田アンテナに関する。

直交八木宇田アンテナに用いられる従来の直交ダイポールアンテナは、図１２に示すように構成されている。この直交ダイポールアンテナは、第１のダイポールアンテナを構成する放射素子１１ａ、１１ｂと、第２のダイポールアンテナを構成する放射素子１２ａ、１２ｂとを９０°の角度で交差させて放射状に配置し、給電部１６にバラン（平衡不平衡変換素子）１３を接続している。このバラン１３は、同軸ケーブルを用いた給電ケーブル１４ａ、１４ｂと、導電ケーブルを用いたバラン用ケーブル１５ａ、１５ｂからなり、給電部１６では異なる偏波の芯線が接触しないようにブリッジされている。また、バラン１３は、給電部１６からλ／４（λは使用周波数の波長）下方の位置で金属リング１７によりショートされている。

上記従来の直交ダイポールアンテナの構造では、部品点数が多く、調整箇所も限られていると共に、アンテナを支持する支柱を必要としている。また、従来の直交ダイポールアンテナは、１ＧＨｚより低い周波数において用いられていることが多く、これより高い周波数での製作が難しいという問題がある。これは、放射器が一般的なダイポールアンテナである場合、０．４〜０．５λの素子長となるが、バラン１３の構造を小さくする限界から給電間隔が大きくなってしまい、放射器に励振される電流を阻害してしまって電気特性が不安定となるからである。

また、本発明に関連する公知技術として、第１の多素子八木アンテナと第２の多素子八木アンテナとを直線状のアームに直交配置してダイバーシティの送受信を可能とした偏波ダイバーシティアンテナ装置（例えば、特許文献１参照。）や、２つの誘電体基板上にそれぞれアンテナパターンを形成し、該２つの誘電体基板を直交配置してなるクロスダイポールアンテナ（例えば、特許文献２、３参照。）等が知られている。

特開２００６−８７１３８号公報 特開２００１−１６８６３７号公報 特開２００９−１２４４０３号公報

上記図１２に示した従来の直交ダイポールアンテナでは、部品点数が多く、調整箇所も限られていると共に、アンテナを支持する支柱を必要とし、且つ１ＧＨｚより高い周波数での製作が難しいという問題がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、部品点数が少なく、小型軽量で製作が容易であり、且つ良好な電気特性が得られると共に１ＧＨｚを超える高い周波数帯でも有用な直交八木宇田アンテナを提供することを目的とする。

第１の発明は、主偏波用のアンテナ素子を備えた第１のプリント基板及び逆偏波用のアンテナ素子を備えた第２のプリント基板を直交した状態に構成してなる直交八木宇田アンテナにおいて、
前記第１のプリント基板及び第２のプリント基板は、それぞれ前面の長手方向の一方の端部側に近接して設けられる放射素子と、前記放射素子から他方の端部側に向かって順次所定の間隔で設けられる複数の導波素子と、前記放射素子から一方の端部側に所定の間隔で設けられる反射素子と、前記放射素子と前記反射素子との間に設けられる平衡不平衡変換素子と、基板裏面に設けられて前記放射素子の給電点にスルーホールにより接続される給電線路とを備え、且つ、
前記第１のプリント基板は、長手方向中央に沿って形成されて一方の端部に開口する基板差し込み用スリットを備え、
前記第２のプリント基板は、長手方向中央に沿って形成されて他方の端部に開口する基板差し込み用スリットを備え、
前記第１のプリント基板及び第２のプリント基板を相互に前記基板差し込み用スリットに差し込んで直交状態に保持し、前記基板差し込み用スリットにより切断された素子間を半田付けして接続することを特徴とする。

第２の発明は、前記第１の発明に係る直交八木宇田アンテナにおいて、前記第１のプリント基板及び第２のプリント基板に設けられる給電線路は、放射素子の給電点に接続される線路位置の高さを異ならせ、相互に絶縁した状態で交差するように構成したことを特徴とする。

第３の発明は、前記第１の発明又は第２の発明に係る直交八木宇田アンテナにおいて、前記基板差し込み用スリットにより切断された素子間の接続は、該切断された素子近傍の基板差し込み用スリット及びプリント基板に設けた貫通溝に導体片を挿入して半田付け処理を行うことを特徴とする。

本発明によれば、部品点数が少なく、小型軽量であり、組立て手順が少なく製作が容易で十分な強度を確保でき、且つ良好な電気特性が得られ、１ＧＨｚを超える高い周波数帯に対しても対応可能な直交八木宇田アンテナを構成することができる。

本発明の一実施形態に係る直交八木宇田アンテナの要部の構成を示す斜視図である。 同実施形態に係る直交八木宇田アンテナにおいて、プリント基板の前面に形成されるアンテナパターンの構成例を示す図である。 同実施形態に係る直交八木宇田アンテナにおいて、プリント基板の裏面に形成される給電線路のパターン構成例を示す図である。 同実施形態に係る直交八木宇田アンテナにおいて、基板前面に形成されるアンテナパターン、基板裏面に形成される給電線路のパターン、及び基板差し込み用スリットの配置関係を示すプリント基板の正面図である。 同実施形態に係る直交八木宇田アンテナにおいて、２つのプリント基板に設けられたアンテナ素子間の接続方法を示す要部断面図である。 同実施形態に係る直交八木宇田アンテナにおいて、２つのプリント基板に設けられたアンテナ素子間の他の接続方法を示す要部断面図である。 同実施形態に係る直交八木宇田アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。 同実施形態に係る直交八木宇田アンテナの特性を示すスミスチャートである。 同実施形態に係る直交八木宇田アンテナの主偏波給電点と逆偏波給電点の端子間結合量を示す図である。 同実施形態に係る直交八木宇田アンテナの指向性パターンを示す図である。 同実施形態に係る直交八木宇田アンテナの主偏波の利得特性を示す図である。 従来の直交ダイポールアンテナの構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る直交八木宇田アンテナの要部の構成を示す斜視図である。本発明に係る直交八木宇田アンテナは、主偏波用の第１のプリント基板２０及び逆偏波用の第２のプリント基板３０を備え、該２枚のプリント基板２０、３０が直交した状態に組み立てられる。上記プリント基板２０、３０は、厚さが例えば約１．６ｍｍの誘電体により長方形状に形成される。

上記第１のプリント基板２０の前面には図２（ａ）に示すアンテナパターンが左右対称に形成され、第２のプリント基板３０の前面には図２（ｂ）に示すアンテナパターンが左右対称に形成される。すなわち、第１のプリント基板２０の前面には、図２（ａ）に示すように一方の端部に近接して例えば折返しダイポールによる放射素子２１が設けられると共に、この放射素子２１の上方（前方）に複数の導波素子２２ａ〜２２ｆが所定の間隔で設けられる。放射素子２１の下方（後方）には、所定の間隔で反射素子２３が設けられると共に、放射素子２１と反射素子２３との間にバラン（平衡不平衡変換器）２４が設けられる。また、放射素子２１には、素子端部に給電点２８が設けられる。

また、第２のプリント基板３０の前面には、図２（ｂ）に示すように一方の端部に近接して例えば折返しダイポールによる放射素子３１が設けられると共に、この放射素子３１の上方（前方）に複数の導波素子３２ａ〜３２ｆが所定の間隔で設けられる。放射素子３１の下方（後方）には、所定の間隔で反射素子３３が設けられると共に、放射素子３１と反射素子３３との間にバラン３４が設けられる。また、放射素子３１には、素子端部に給電点３８が設けられる。

上記第１のプリント基板２０の前面に形成されるアンテナパターンと第２のプリント基板３０の前面に形成されるアンテナパターンは、ほぼ同じ形状となっている。

そして、第１のプリント基板２０及び第２のプリント基板３０の裏面には、図３に示すように給電線路のパターンが形成される。すなわち、第１のプリント基板２０の裏面には、図３（ａ）に示すように前面側の放射素子２１に対応させて給電線路２６が設けられる。この給電線路２６は、第１のプリント基板２０の下方部位において基板の長手方向に沿って直線状に設けられ、その上端部が９０°折曲げられる。この給電線路２６の上部折曲げ部２９は、基板前面側の放射素子２１の下方側の素子に対応して設けられ、その先端はスルーホール２８ａにより放射素子２１の給電点２８に接続される。また、給電線路２６の下端部は給電ケーブル接続点２７となっており、第１の偏波の給電ケーブル芯線が接続される。そして、第１のプリント基板２０には、給電線路２６の上部折曲げ部２９の下側に近接する中央位置から基板の下側縁まで、基板差し込み用スリット２５が設けられる。この基板差し込み用スリット２５の幅ｔは、第２のプリント基板３０の厚さより少し広く形成され、この基板差し込み用スリット２５内に第２のプリント基板３０を差し込めるようになっている。

また、第２のプリント基板３０の裏面には、図３（ｂ）に示すように前面側の放射素子３１に対応させて給電線路３６が設けられる。この給電線路３６は、第２のプリント基板３０の下方部位において基板の長手方向に沿って直線状に設けられ、その上端部が９０°折曲げられる。この給電線路３６の上部折曲げ部３９は、基板前面側の放射素子３１の下方側の素子に対応して設けられ、その先端はスルーホール３８ａにより放射素子２１の給電点３８に接続される。この場合、上部折曲げ部３９は、第１のプリント基板２０側の上部折曲げ部２９より所定距離低い位置に形成され、第１のプリント基板２０と第２のプリント基板３０を直交して組み立てたとき、両者が接触しないようにブリッジ構造としている。上記上部折曲げ部２９、３９によるブリッジ構造は、図１２に示した従来の直交ダイポールアンテナにおける給電部１６のブリッジ構造に対応している。また、給電線路３６の下端部は、給電ケーブル接続点３７となっており、第２の偏波の給電ケーブル芯線が接続される。そして、第２のプリント基板３０には、上側縁中央から給電線路３６の上部折曲げ部３９に近接する位置まで、基板差し込み用スリット３５が設けられる。この場合、第１のプリント基板２０の基板差し込み用スリット２５の上部高さ位置と、第２のプリント基板３０の基板差し込み用スリット３５の下部高さ位置が一致するように設定される。また、基板差し込み用スリット３５の幅ｔは、プリント基板２０の厚さより少し広く形成され、この基板差し込み用スリット３５内に第１のプリント基板２０を差し込めるようになっている。

図４（ａ）は第１のプリント基板２０の正面図、同図（ｂ）は第２のプリント基板３０の正面図で、図２に示すように基板前面に形成されるアンテナパターン、図３に示すように基板裏面に形成される給電線路２６、３６のパターン、及び基板差し込み用スリット２５、３５の配置関係を示している。

上記図４（ａ）に示すように構成された第１のプリント基板２０を図４（ｂ）に示すように構成された第２のプリント基板３０の上方において、直交するように位置させ、第１のプリント基板２０を下端側から第２のプリント基板３０の基板差し込み用スリット３５に差し込み、基板差し込み用スリット３５の下端部まで達した後は、第１のプリント基板２０の基板差し込み用スリット２５内に第２のプリント基板３０の下部を差し込む。

第１のプリント基板２０と第２のプリント基板３０とを、基板差し込み用スリット２５及び基板差し込み用スリット３５を利用して相互に差し込むことによって、図１に示したように第１のプリント基板２０と第２のプリント基板３０とが直交して位置するように組み合わせる。このとき基板差し込み用スリット２５及び基板差し込み用スリット３５によって切断されてしまった、本来は導体であった箇所、すなわち、放射素子２１、３１、導波素子２２ａ〜２２ｆ、３２ａ〜３２ｆ、反射素子２３、３３、バラン２４、３４等に対して適宜に半田付けを行って接続する。

図５は、アンテナパターン例えば第１のプリント基板２０の導波素子２２ａ及び第２のプリント基板３０の導波素子３２ａについて、基板差し込み用スリット３５によって切断された箇所を接続する場合の例を示したものである。この場合の例では、Ｌ字形に形成した導体片４１ａ、４１ｂを使用して切断箇所の接続及び補強を行っている。スリット３５によって切断された導波素子３２ａとプリント基板２０の導波素子２２ａとを接続する場合、プリント基板２０に対し、導波素子３２ａに近接する位置に導体片４１ａを挿入するための貫通溝、すなわち、基板前面と裏面との間を貫通する貫通溝４２を設ける。この貫通溝４２内にＬ字形の導体片４１ａを挿入し、基板２０側の導波素子２２ａと基板３０側の導波素子３２ａに接触させ、半田付けにより両者を接続する。また、スリット３５により切断された導波素子３２ａに対しては、導波素子３２ａ近傍のスリット３５内にＬ字形の導体片４１ｂを挿入し、基板３０側の導波素子３２ａと基板２０側の導波素子２２ａに接触させ、半田付けして両者を接続する。更に、導体片４１ａ、４１ｂ間も近接する部位において、半田付けを行って接続する。

上記のようにして基板２０側の導波素子２２ａと基板３０側の導波素子３２ａとを電気的に接続し、且つ導波素子２２ａ、３２ａ間の接続を導体片４１ａ、４１ｂによって補強する。

また、図６（ａ）は、スリット３５によって切断されたプリント基板３０の導波素子３２ａとプリント基板２０の導波素子２２ａとを接続する場合の他の接続例を示している。この例では、第１のプリント基板２０と第２のプリント基板３０の両方に、スリット３５の近傍で、導波素子２２ａ及び導波素子３２ａにそれぞれ接続するスルーホール４５ａ〜４５ｄを設ける。そして、プリント基板２０、３０が交差する各角部において、スルーホール４５ａ〜４５ｄと導波素子２２ａ、３２ａとの間、あるいはスルーホール４５ａ、４５ｃ間にて半田付け４６ａ〜４６ｄを行い、導波素子２２ａ、３２ａ間を一体的に接続する。

上記のようにスルーホール４５ａ〜４５ｄを設けて導波素子２２ａ、３２ａ間の接続を行った場合には、図５に示したような貫通溝４２を設ける必要は無い。

また、図６（ｂ）は、同図（ａ）に示したようにスルーホールを設けて素子間を接続する場合において、第１のプリント基板２０に対し、スリット３５の近傍で導波素子２２ａに接続する１つのスルーホール４５ａを設けた場合の例を示している。このときスルーホール４５ａとプリント基板３０に設けた導波素子３２ａとが近接する角部にて、スルーホール４５ａと導波素子３２ａとの間を半田付け４６ａにより接続すると共に、プリント基板２０の導波素子２２ａとプリント基板３０の導波素子３２ａが交差する角部にて、導波素子２２ａ、３２ａ間を半田付け４６ｂにより接続する。

上記図６（ｂ）に示した例では、１つのスルーホール４５ａを設けるだけで、半田付けにより導波素子２２ａ、３２ａ間を一体的に接続することが可能である。

なお、上記図６の例では、素子接続箇所にそれぞれ１つのスルーホールを設けた場合について示したが、各接続箇所に複数のスルーホールを設けて接続の密度を高くするようにしても良い。また、スルーホールに対して導体片を介在して半田付けするようにしても良い。

また、図５及び図６では、導波素子２２ａ、３２ａ間を一体的に接続する場合について示したが、その他の導波素子や放射素子等においても同様にして接続することが可能である。

上記第１のプリント基板２０及び第２のプリント基板３０は、基板差し込み用スリット２５、３５を利用して直交した状態に組立て、スリット２５、３５によって切断された各アンテナ素子を半田付けした接続した後、反射素子２３、３３側の端部を保持基板に装着し、保護ケースに収納する。

図７は、上記のように構成された直交八木宇田アンテナにおいて、使用周波数帯を２ＧＨｚ帯に設定した場合のＶＳＷＲ特性であり、横軸に周波数［ＧＨｚ］をとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。図７において、実線で示す特性ａ１は主偏波系のＶＳＷＲ特性、破線で示す特性ｂ１は逆偏波系のＶＳＷＲ特性を示している。上記主偏波系のＶＳＷＲ特性ａ１及び逆偏波系のＶＳＷＲ特性ｂ１は、ほぼ同様の特性で２ＧＨｚ以上の周波数領域においても良好な特性を示している。

図８は上記直交八木宇田アンテナにおけるスミスチャートで、図中のａ２は主偏波系におけるインピーダンス整合状態、ｂ２は逆偏波系におけるインピーダンス整合状態で、上記ａ２、ｂ２の始端位置は２．２ＧＨｚの周波数、終端位置は２．５ＧＨｚの周波数における状態を示している。

図９は上記直交八木宇田アンテナにおける主偏波給電点と逆偏波給電点の端子間結合量を示したもので、横軸に周波数［ＧＨｚ］をとり、縦軸に端子間結合量［ｄＢ］をとって示した。この場合の主偏波給電点と逆偏波給電点の端子間結合量は、設定周波数帯域において［−２０ｄＢ］以下の値となっており、良好な特性を示している。

図１０は上記直交八木宇田アンテナにおける指向性パターンで、図中のＡ１は主偏波系の磁界面指向性、Ａ２は主偏波系の電界面指向性、Ｂ１は逆偏波系の磁界面指向性、Ｂ２は逆偏波系の電界面指向性を示している。なお、図１０は、主偏波系のアンテナ側からみた指向性パターンを示している。

図１１は上記直交八木宇田アンテナにおける主偏波系の利得特性を示し、横軸に周波数［ＧＨｚ］をとり、縦軸に利得［ｄＢｉ］をとって示した。設定周波数帯域の全体において十分な利得が得られており、特に２．３５ＧＨｚを中心とする２．３０〜２．４０ＧＨｚの範囲で高い利得が得られている。また、図示しないが、逆偏波系においても主偏波系と同様に良好な利得特性が得られている。

上記実施形態によれば、第１のプリント基板２０と第２のプリント基板３０とを直交した状態に組み合わせて直交八木宇田アンテナを構成しているので、部品点数が少なく、小型軽量であり、且つ組立て手順が少なく製作が容易で、十分な強度を確保することができる。また、放射素子や導波素子だけでなくバラン２４、３４及び給電線路２６、３６等も基板上にプリントしているので、プリントパターンと形状を工夫することによって、独立した直交２偏波を有しつつも、給電部を簡略化でき、良好な電気特性を得ることができる。なお、偏波間結合容量、逆偏波分離度については、従来とほぼ同等である。

また、プリント基板２０、３０を使用することにより、給電部のブリッジ構造も簡易化して構成することが可能である。更にバラン２４、３４の構造を簡略化して小さくできるので、放射素子に励振される電流の阻害を防止して電気特性を安定化し、２ＧＨｚを超える高周波帯においても対応することができる。

更に、プリント基板２０、３０を用いて製作できるので、大量生産する場合にも、効率的に対応することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

２０…第１のプリント基板、２１…放射素子、２２ａ〜２２ｆ…導波素子、２３…反射素子、２４…バラン（平衡不平衡変換素子）、２５…基板差し込み用スリット、２６…給電線路、２７…給電ケーブル接続点、２８…給電点、２８ａ…スルーホール、３０…第２のプリント基板、３１…放射素子、３２ａ〜３２ｆ…導波素子、３３…反射素子、３４…バラン（平衡不平衡変換素子）、３５…基板差し込み用スリット、３６…給電線路、３７…給電ケーブル接続点、３８…給電点、３８ａ…スルーホール、４１ａ、４１ｂ…導体片、４２…貫通溝、４５ａ〜４５ｄ…スルーホール。

Claims (3)

1. 主偏波用のアンテナ素子を備えた第１のプリント基板及び逆偏波用のアンテナ素子を備えた第２のプリント基板を直交した状態に構成してなる直交八木宇田アンテナにおいて、
   前記第１のプリント基板及び第２のプリント基板は、それぞれ前面の長手方向の一方の端部側に近接して設けられる放射素子と、前記放射素子から他方の端部側に向かって順次所定の間隔で設けられる複数の導波素子と、前記放射素子から一方の端部側に所定の間隔で設けられる反射素子と、前記放射素子と前記反射素子との間に設けられる平衡不平衡変換素子と、基板裏面に設けられて前記放射素子の給電点にスルーホールにより接続される給電線路とを備え、且つ、
   前記第１のプリント基板は、長手方向中央に沿って形成されて一方の端部に開口する基板差し込み用スリットを備え、
   前記第２のプリント基板は、長手方向中央に沿って形成されて他方の端部に開口する基板差し込み用スリットを備え、
   前記第１のプリント基板及び第２のプリント基板を相互に前記基板差し込み用スリットに差し込んで直交状態に保持し、前記基板差し込み用スリットにより切断された素子間を半田付けして接続することを特徴とする直交八木宇田アンテナ。
2. 前記第１のプリント基板及び第２のプリント基板に設けられる給電線路は、放射素子の給電点に接続される線路位置の高さを異ならせ、相互に絶縁した状態で交差するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の直交八木宇田アンテナ。
3. 前記基板差し込み用スリットにより切断された素子間の接続は、該切断された素子近傍の基板差し込み用スリット及びプリント基板に設けた貫通溝に導体片を挿入して半田付け処理を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の直交八木宇田アンテナ。

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