JP2017092663A

JP2017092663A - 広帯域無指向性アンテナ

Info

Publication number: JP2017092663A
Application number: JP2015218832A
Authority: JP
Inventors: 中野　久松; Hisamatsu Nakano; 久松中野; 雅俊多田; Masatoshi Tada; 嵩明鴻上; Takaaki Kokami
Original assignee: Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2017-05-25

Abstract

【課題】反射板上に配置される構造が簡易かつ小型でありながら、さらなる広帯域化を可能とする。【解決手段】放射素子として指数曲線の縦断面形状を有する回転対称体からなる素子２を使用し、かつこの放射素子２の周辺に、接地板１と平行な状態で、放射素子２を中心に４個の無給電素子３１〜３４を互いに９０度の角度を隔てて放射状に配置する。そして、無給電素子３１〜３４を、上記放射素子２の周面に一端がギャップΔｇを隔てて配置されたメアンダ部３１３〜３４３と、このメアンダ部３１３〜３４３の他端から水平方向に９０度の角度で折曲形成された水平部３１２〜３４２と、この水平部３１２〜３４２の他端から垂直下方向に折曲形成されて接地板１に接続された短絡部３１１〜３４１とにより構成する。【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、携帯電話の無線信号波やテレビジョン放送の地上波を中継する中継装置、船舶や車両、航空機等の移動局、或いは陸上基地局に使用される広帯域無指向性アンテナに関する。

一般に、携帯電話システムの無線信号波やテレビジョン放送等の地上波を地下街等の不感地帯に再送信する中継装置で使用されるアンテナには、設置場所や美観等の問題から小型軽量のアンテナが要求される。また、中継用アンテナとしては、垂直偏波水平面無指向性のものが使用される場合が多い。

この要求を満たすアンテナ装置として、双指向性偏波アンテナ装置が知られている。このアンテナ装置は、例えば線状もしくは面状のインピーダンス整合素子部に対しその背面より１点給電で励振を行い、かつ上記整合素子部に垂直に設けられ先端を接地するように配置された複数の線状放射素子部を有する水平偏波用双指向性アンテナを、接地板上に配置したものとなっている（例えば、特許文献１参照）。

一方、船舶や車両、航空機等の移動局や、陸上基地局等で使用される通信用アンテナとしては、全ての到来方向からの電波を受信するために水平面指向性が無指向であること、構造的な設置強度等の観点から低姿勢であること、アンテナ本数を削減するために広帯域であることが求められている。さらに近年においては、艦艇及び航空機等の低ＲＣＳ（Rader Cross Section）化のため、船体及び機体形状とアンテナ形状との一体化が求められており、アンテナの低姿勢化および平面化が要求されている。

アンテナを広帯域を維持して低姿勢かつ平面化する技術としては、正方形に形成した導体板上に例えば４本の放射素子を放射状に設けると共に、各放射素子の終端に板状の短絡素子を導体板上に垂直に取付け、上記放射素子の下側中心部に給電素子を介して給電することにより、低姿勢で且つ広帯域特性が得られるようにした技術が知られている（例えば、特許文献２、３または４を参照）。

また、低姿勢で広帯域化を図った広帯域無指向性アンテナの他の例として、特許文献５の図１５に示すように、接地板上に所定の間隔を隔てて、下限動作周波数ｆ_L に対応する波長λ_Lの１／４の長さに設定された４本の放射素子を等角度で放射状に配置し、当該放射素子の中心部の下側に給電点を設けたアンテナも提案されている。このアンテナによれば、低姿勢で垂直偏波水平面指向性を得ることができる。

さらに、広帯域無指向性アンテナの別の例として、特許文献６、７または８に示すように給電点の上方にある構造物により低姿勢、広帯域性を実現したアンテナも提案されている。

特開平１１−２０５０３号公報特開２００８−２１９８５３号公報特開２０１１−２３９０９４号公報特開２００７−３３６２９６号公報特開２０１４−１７９８５９号公報特許第３７９３４５６号公報特許第４２８７２９３号公報特許第３９２７６８０号公報

ところが、特許文献５に記載された広帯域無指向性アンテナでは、低姿勢を可能としているが、水平面指向性の帯域内の偏差、特に２５０MHz、４００MHzの周波数における偏差が５〜１０dBと非常に大きくなっており、安定した無指向性が得られず、また比帯域についても十分な広帯域特性が得られない。また、径方向の寸法が、下限動作周波数ｆ_L に対応する波長λ_Lに対し０．７５λ_Lと大きく、さらなる小型化が求められる。

また、特許文献６または７に記載されたアンテナは、いずれもその構造が複雑もしくは大型であり、動作周波数帯の低域化要求に応じて寸法を拡大することが難しい。特許文献８に記載されたアンテナは、低姿勢アンテナを実現できるが、十分な広帯域性を得ることが困難である。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、反射板上に配置される構造が簡易かつ小型でありながら、さらなる広帯域化を可能とした広帯域無指向性アンテナを提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の第１の態様は、四角形以上の多角形または円形状をなし、中央部に給電部が設けられた接地板と、前記接地板の前記給電部の直上に立設され、縦断面形状が指数曲線または当該指数曲線を近似した折れ線をなす回転対称導体により構成され、下端部が前記給電部に接続された放射素子と、前記放射素子を中心にその周辺に互いに一定の角度を隔てて放射状に配置された複数の無給電素子とを具備する。そして、前記複数の無給電素子の各々を、前記放射素子の周面に対し一定の間隔を隔てた状態で前記接地板に対し平行に配置されたメアンダ部と、該メアンダ部から前記接地板に対し平行な状態を保持して少なくとも１回折曲形成された水平部と、該水平部から前記接地板に対し垂直に折曲形成されて前記接地板に接続された短絡部とにより構成したものである。

この発明の第２の態様は、前記複数の無給電素子を、前記放射素子を中心にその周辺に互いに９０度の角度を隔てて４方向に配置したものである。

この発明の第３の態様は、前記メアンダ部を、動作最低周波数の目標値をｆ_M とするとき、幅方向の外形寸法を０．０３２７ｆ_M（線径を除く）、長さ方向の外形寸法を０．０３５８ｆ_M（線径を除く）、中心位置を０．０３０２ｆ_M、素子径を０．００４０６ｆ_M、反複数を４回（間隔０．００５ｆ_M）にそれぞれ設定したものである。

この発明の第１の態様によれば、低姿勢かつ小型な構造でありながら、低い給電インピーダンスにおいて、きわめて広いＶＳＷＲの比帯域と水平面指向性の比帯域を得ることができ、特に下限動作周波数をさらに低く設定することが可能となる。

この発明の第２の態様によれば、必要十分な無給電素子数で、簡単かつ小型に構造で、安価に所望の帯域特性および指向特性を得ることができる。

この発明の第３の態様によれば、ＶＳＷＲが３．０のときの下限動作周波数をｆ_L とするとき、動作最低周波数の目標値ｆ_Mに対し、ｆ_L ＝０．８５３ｆ_M とすることができる。

この発明の第１の実施形態に係る広帯域無指向性アンテナの全体構成を示す斜視図。図１に示した広帯域無指向性アンテナの無給電素子のサイズを説明するための示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はメアンダ部の一部を拡大して示した図。図１に示した広帯域無指向性アンテナの放射素子のサイズを説明するための図。図２および図３に示した無給電素子および放射素子のサイズの具体例を示す図。図１に示した広帯域無指向性アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図。図１に示した広帯域無指向性アンテナの垂直面指向性および水平面指向性を示す特性図。図１に示した広帯域無指向性アンテナのメアンダ部のサイズの最良値を示す図。図７に示した広帯域無指向性アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図。図１に示した広帯域無指向性アンテナの効果を従来のアンテナと対比して説明するための図。図１に示した広帯域無指向性アンテナの効果を従来のアンテナと対比して説明するための図。図１に示した広帯域無指向性アンテナの効果を従来のアンテナと対比して説明するための図。図１に示した広帯域無指向性アンテナの効果を従来のアンテナと対比して説明するための図。図１に示した広帯域無指向性アンテナの効果を従来のアンテナと対比して説明するための図。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
図１は、この発明の第１の実施形態に係る広帯域無指向性アンテナの全体構成を示す斜視図である。
この発明の第１の実施形態に係る広帯域無指向性アンテナは、円板状をなす接地板１の中央部に配置された給電部４の直上に放射素子２を立設している。放射素子２は、縦断面形状が指数曲線をなす回転対称体からなる導体により構成され、下端部が上記給電部４に接続される。なお、給電部４は、接地板１に形成された給電パターンを介して図示しない無線回路に接続される。

また、上記放射素子２の周辺部には、当該放射素子２を中心に、４個の無給電素子３１〜３４が水平方向に互いに９０度の角度を隔てて放射状に配置されている。これらの無給電素子３１〜３４はいずれも線状導体からなり、上記放射素子２の周面に一端が所定の間隔（ギャップ）を隔てて配置されたメアンダ部３１３〜３４３と、このメアンダ部３１３〜３４３の他端から水平方向に９０度の角度で折曲形成された水平部３１２〜３４２と、この水平部３１２〜３４２の他端から垂直下方向に折曲形成されて接地板１に接続された短絡部３１１〜３４１とから構成される。なお、無給電素子３１〜３４は線状のワイヤに限るものではなく、例えば短冊型や扇型をなす板状体であってもよい。

図２（ａ），（ｂ）は上記無給電素子３１〜３４のサイズを説明するための示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はメアンダ部の一部を拡大して示した図である。また、図３は上記放射素子２のサイズを説明するための図である。

例えば、送受信対象の周波数帯域の動作最低周波数の目標値をｆ_M、当該目標値ｆ_Mに対応する波長をλ_Mとすると、無給電素子３１〜３４のワイヤの半径２ａ、上記短絡部３１１〜３４１の高さＨ、上記メアンダ部３１３〜３４３の先端と上記放射素子２の周面との間隔（ギャップ）Δｇ、メアンダ部３１３〜３４３と水平部３１２〜３４２との合計長Ｌ₀ 、メアンダ部３１３〜３４３の全長Ｌ_bent、メアンダ部３１３〜３４３の個々の折り曲げ部の寸法Ｍ、Ｍ／２、放射素子２の上端部の最大径２Ｘ_p 、放射素子２の全高Ｚ_p 、放射素子２のＺ_q 、Ｘ₀は、上記動作最低周波数の目標値ｆ_M に対応する波長λ_Mに換算して、図４に示すように設定される。

また、放射素子２の断面の指数曲線は、図３に示す回転対称体曲線式により求めることができる。なお、回転対称体曲線は指数曲線に限らず、指数曲線を近似した折れ線を用いてもよい。

以上のように構成された広帯域無指向性アンテナの各部位の寸法を図４に示した値に設定し、周波数比（ｆ_M 比）に対する電圧定在波比（Voltage Standing Wave Ratio：ＶＳＷＲ）を測定したところと、図５に示すような特性が得られた。このＶＳＷＲ特性から明らかなように、ＶＳＷＲが２．０以下について比帯域幅１７７％以上というきわめて広い周波数特性が得られることが分かる。

また、指向性についてみると、先ず垂直面においては例えば図６（ａ）に示すように、０．９６７λ_Mのとき、垂直上方を０度として３０度〜９０度の範囲で−５．００dB以上の利得が得られ、水平面においては例えば図６（ｂ）に示すように、０．９６７λ_Mのとき、全方位にわたり０dB以上の利得が得られる。

ところで、上記メアンダ部３１１〜３４１の構成には、以下のような最良値があることを本発明者は確認した。
すなわち、図７（ａ）に示すような形状のメアンダ部３１１〜３４１の場合、その構成要素は図７（ｂ）に示すように、幅方向の外形寸法Ａと、長さ方向の外形寸法Ｂと、中心位置Ｃと、素子径Ｄと、反復数Ｅにより表される。そして、動作最低周波数の目標値をｆ_M とするとき、上記各要素を、
Ａ＝０．０３２７ｆ_M（線径を除く）
Ｂ＝０．０３５８ｆ_M（線径を除く）
Ｃ＝０．０３０２ｆ_M
Ｄ＝０．００４０６ｆ_M
Ｅ＝４回（間隔０．００５ｆ_M）
にそれぞれ設定する。

図８は、上記最良値を採用した場合の、低周波域から中周波域にかけてのＶＳＷＲ特性のシミュレーション値を示した図である。同図から明らかなように、メアンダ部３１１〜３４１の各要素として上記した最良値を採用すると、ＶＳＷＲが３．０のときの下限動作周波数ｆ_L は、上記動作最低周波数の目標値ｆ_Mに対し、ｆ_L ＝０．８５３ｆ_M となる。

ちなみに、メアンダ部３１１〜３４１の幅方向の外形寸法Ａを増加させると、下限動作周波数ｆ_L は低下して１．２ｆ_L付近で極大となり、ＶＳＷＲが３．０を超える。また、長さ方向の外形寸法Ｂを増加させた場合にも、下限動作周波数ｆ_L は低下して１．２ｆ_L付近で極大となり、ＶＳＷＲが３．０を超える。中心位置Ｃを放射素子２へ近づけると、動作周波数帯域の全域にわたってＶＳＷＲは増加する傾向が見られた。素子径Ｄを太くすると、下限動作周波数ｆ_L は漸近的に低下して、隣接する素子と接触すると下限動作周波数ｆ_L は増加する。これに対し素子径Ｄを細くすると、動作周波数帯域の全域にわたってＶＳＷＲは増加する傾向がある。反復数Ｅを増やすと、下限動作周波数ｆ_L は変化せず、１．２ｆ_L 付近で極大となりＶＳＷＲが３．０を超える。

以上詳述したように、第１の実施形態の広帯域無指向性アンテナでは、放射素子として指数曲線の縦断面形状を有する回転対称体からなる素子２を使用し、かつこの放射素子２の周辺に、接地板１と平行な状態で、放射素子２を中心に４個の無給電素子３１〜３４を互いに９０度の角度を隔てて放射状に配置する。そして、無給電素子３１〜３４を、上記放射素子２の周面に一端がギャップΔｇを隔てて配置されたメアンダ部３１３〜３４３と、このメアンダ部３１３〜３４３の他端から水平方向に９０度の角度で折曲形成された水平部３１２〜３４２と、この水平部３１２〜３４２の他端から垂直下方向に折曲形成されて接地板１に接続された短絡部３１１〜３４１とにより構成している。

したがって、給電インピーダンスが５０Ωにおいて、きわめて広いＶＳＷＲの比帯域と水平面指向性の比帯域を得ることができ、特に下限動作周波数ｆ_Lをさらに低く設定することが可能となる。また、接地板１を除いたアンテナ素子部分の全高Ｈが０．１λ_L、幅寸法が０．２９λ_Lという低姿勢かつ小型な構造を維持できるので、重量および受風荷重がともに大幅に小さくなり、高い耐風速性能を持つアンテナを提供することができる。特に低重量化により材料費を抑えてアンテナの低価格化を実現できる。

さらに、誘電体材料を必要としないので耐火性があり、難燃性および耐熱性設計に対応できるため、地下施設やトンネルなどの耐火規定のある環境に適したアンテナを提供できる。また、アンテナ素子や給電線路は接地板１の同一平面上（表面）に配置され、接地板１の裏面は反射面となるため、金属筐体や壁面への直付けが可能となる。このため、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）などを採用した超広帯域無線通信用システムに適したアンテナを提供できる。

すなわち、アンテナ素子部分の全高Ｈが０．１λ_L、幅寸法が０．２９λ_Lという低姿勢かつ小型な構造でありながら、給電インピーダンスが５０Ωにおいて、きわめて広いＶＳＷＲの比帯域と水平面指向性の比帯域を得ることができ、特に下限動作周波数ｆ_Lをさらに低く設定可能とした広帯域無指向性アンテナを提供することができる。

次に、第１の実施形態に係る広帯域無指向性アンテナの効果を、従来の各種アンテナと対比して説明する。
先ず図９に示すような最も基本的なモノポールアンテナ２０では、基準動作周波数ｆ_Aに対応する波長をλ_Aとすると、素子長がλ_A／４と高くなる。これに対し、第１の実施形態のアンテナであれば、先に述べたように下限動作周波数ｆ_Lの波長λ_Lに対し全高Ｈが０．１λ_Lと低くすることができる。

次に、アンテナの高さを低くするために、図１０に示すように素子２１をコ型に折り曲げてループアンテナの半分の形に構成する。このようにすると、アンテナの高さＨをλ_A／８相当と低くすることができる。しかし、この構造のアンテナ２１では、水平面内において無指向性を得ることができない。

そこで、図１０に示すように、給電部４に接続された垂直素子２１０の先端部から、４方向に等角度で放射状に素子２１１〜２１４を配置した十文字アンテナを構成したとする。この場合、アンテナ高を低くした上で水平面内無指向性を得ることが可能となる。しかしながら、この十文字アンテナでは給電インピーダンスが２００〜１kΩに増加してしまうという別の問題が発生し、さらに広帯域特性を得ることができない。

一方、広帯域特性を得るために、図１１に示すように給電部４に接続された放射素子２２との間にギャップを介して４個の無給電素子２２１〜２２４を配置したギャップ装荷十字型アンテナが知られている。このアンテナであれば、２つの共振周波数をギャップにより形成される容量により結合させ、これにより上限動作周波数ｆ_H と下限動作周波数ｆ_L との比（ｆ_H／ｆ_L）の２倍程度の広帯域特性を得ることができる。しかし、この構造のアンテナでは、９０Ω程度の給電インピーダンスのときに最も広帯域になるため、給電インピーダンスを５０Ωに設定した状態で広帯域を得ることが難しい。

また、給電インピーダンスを５０Ωにするために、図１２に示すように４個の無給電素子２３１〜２３４の中間部位を水平方向に折曲したギャップ装荷折り曲げ十字型アンテナが考えられる。この構造のアンテナであれば、給電インピーダンスが５０Ωに調整され、アンテナ径を小型化することができる。しかし、上限動作周波数ｆ_H をさらに高くすることができない。

そこで、上限動作周波数ｆ_H をさらに高くするために、図１３に示すように放射素子を、指数曲線の断面形状を有する回転対称体により構成することが提案されている。指数曲線の断面形状を有する回転対称体からなる放射素子２を使用すると、高周波域をさらに広帯域化することができる。しかし、低周波域については広帯域化が困難である。

これに対し第１の実施形態に係る高周波無指向性アンテナでは、先に述べたように４個の無給電素子３１〜３４の水平部位にメアンダ部３４１〜３４４設けているので、無給電素子３１〜３４の素子長をアンテナ径を大きくすることなく長くすることができ、これにより低周波域をさらに広帯域化することが可能となる。例えば、ＶＳＷＲが３．０のときに、下限動作周波数ｆ_Lを３．１６GHz から２．８４GHz に低下させることが可能となる。これにより動作周波数の高低比を１９以上にすることができる。なお、下限動作周波数ｆ_Lを２．８４GHz に低下させた場合には、無給電素子３１〜３４の素子径を０．２mmのまま変更せずに、アンテナ高Ｈを０．０９５λ_L とさらに低くすることができる。

［他の実施形態］
第１の実施形態では、無給電素子３１〜３４の水平部３１２〜３４２を、メアンダ部３１３〜３４３に対し接地板１と平行な状態で１回９０度に折曲形成したものとしたが、接地板１と平行な状態で複数回折曲形成したものとしてもよい。その他、接地板の形状、放射素子および各無給電素子の寸法については、目標動作周波数に応じてどのように設定してもよい。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…接地板、２…放射素子、３１〜３４…無給電素子、３１１〜３４１…短絡部、３１２〜３４２…水平部、３１３〜３４３…メアンダ部、４…給電部。

Claims

四角形以上の多角形または円形状をなし、中央部に給電部が設けられた接地板と、
前記接地板の前記給電部の直上に立設され、縦断面形状が指数曲線または当該指数曲線を近似した折れ線をなす回転対称導体により構成され、下端部が前記給電部に接続された放射素子と、
前記放射素子を中心にその周辺に互いに一定の角度を隔てて放射状に配置された複数の無給電素子と
を具備し、
前記複数の無給電素子の各々は、前記放射素子の周面に対し一定の間隔を隔てた状態で前記接地板に対し平行に配置されたメアンダ部と、該メアンダ部から前記接地板に対し平行な状態を保持して少なくとも１回折曲形成された水平部と、該水平部から前記接地板に対し垂直に折曲形成されて前記接地板に接続された短絡部とを有することを特徴とする広帯域無指向性アンテナ。
前記複数の無給電素子は、前記放射素子を中心にその周辺に互いに９０度の角度を隔てて４方向に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の広帯域無指向性アンテナ。
前記メアンダ部は、動作最低周波数の目標値をｆ_M とするとき、幅方向の外形寸法を０．０３２７ｆ_M（線径を除く）、長さ方向の外形寸法を０．０３５８ｆ_M（線径を除く）、中心位置を０．０３０２ｆ_M、素子径を０．００４０６ｆ_M、反複数を４回（間隔０．００５ｆ_M）にそれぞれ設定したことを特徴とする請求項２記載の広帯域無指向性アンテナ。