JP3232944B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、移動通信用
基地局等に用いられるアンテナ装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、移動通信基地局等に標準的に
使用される同軸ダイポールコリニアアレーアンテナ装置
は、放射用ダイポールと給電用同軸線路の接続構造が複
雑であり加工に難があり、コスト高になる傾向があっ
た。また、従来のコリニアアレーアンテナは、アンテナ
をビームチルトした場合、放射特性・利得が大きく劣化
するという問題点があった。

【０００３】同軸ダイポールアレーアンテナ装置の従来
例は、図１１の形状が代表的である。なお、図１１は、
Ｐ．Ｖｏｌｔａ，“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌ
ｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏ
ｎａｌ Ａｎｔｅｎｎａ Ｗｉｔｈ ａ Ｃｏｌｌｉｎ
ｅａｒ Ａｒｒａｙ ｏｆ Ｓｌｏｔｓ，”Ｍｉｃｒｏ
ｗａｖｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１
２，ｐ．１１１，Ｆｉｇ．１，ｐ．１１５，Ｆｉｇ．
３、１９８２．を参考にして描いた図である。図１１に
おいて、アンテナ形式をコリニアアンテナ１と総称し、
２はチョーク、３は放射用ダイポール、４はダイポール
励振用スリット、５は円形同軸線路の同軸外導体、６は
同軸内導体である。

【０００４】次に動作について説明する。同軸線路に入
力された信号は、同軸＝ダイポール変換スリット４にお
いてアンテナ軸方向にスリット間電位差を生じさせ、ダ
イポール３が励振される。さらに、入力信号の一部は、
上記同軸＝ダイポール変換部から次の素子アンテナの方
向に透過し、同様な動作原理で次の素子アンテナが励振
される。このようにして、各素子アンテナが励振され、
同軸ダイポールはアレーアンテナとして動作する。ま
た、チョーク２は、同軸外導体５上に流れる非平衡電流
を低減するために装荷される。この形式のアンテナは、
ダイポール励振用スリット４の加工が難しく、コスト高
になるという難点がある。アンテナ設計法としては、ア
ンテナ軸方向に直交する方向にアンテナの主ビームを形
成したい場合、各素子アンテナの励振位相をすべて等く
し、グレーティングローブ発生を抑圧するために、素子
アンテナの配置間隔をアンテナ外部の自由空間から見て
使用波長以下に選び、隣接する素子アンテナの給電点間
隔を給電同軸線路の電気長が波長のはぼ整数倍になるよ
うに選ぶのが一般的である。ビームチルトをする場合
は、所望観測方向において各素子が放射する信号の位相
が一致するように進行波給電リニアアレーアンテナの考
え方で素子間隔を定めれば良い。ただし、ビームチルト
をした場合、一般的にアンテナ放射特性・利得が大きく
劣化する傾向がある。たとえば、図１２は、ビームチル
ト有無に対応するアンテナ放射パターンの実測例であ
る。ビームチルトしない場合の放射特性は良好である
が、ビームチルトをした場合、アンテナ放射特性が大き
く乱れていることが見て取れる。これは、素子アンテナ
が給電線路を介して結合しているために各素子アンテナ
励振分布が乱れるために生じる現象であり、同軸ダイポ
ールアレーアンテナに限らず、進行波給電コリニアアレ
ーアンテナ一般に対して問題となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来のコ
リニアアンテナでは、構造が複雑でコスト高で、さら
に、ビームチルトをした場合、アンテナ放射特性が大き
く劣化するという問題点があった。

【０００６】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、簡単な構造、低コストで、ビームチルト
をした場合でもアンテナ放射特性の劣化が低いアンテナ
装置を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に係るアンテナ
装置は、同軸線路と、上記同軸線路の外導体に、同軸線
路の伸長方向に略垂直に設けられ、上記外導体を分断す
るスリットと、その中空内部を上記同軸線路が貫通し、
上記スリットを覆うように配置され、使用周波数帯にお
ける電気長が約１／２波長の長さの導体パイプとを備え
たものである。

【０００８】請求項２に係るアンテナ装置は、円形同軸
線路と、上記円形同軸線路の外導体に、円形同軸線路の
伸長方向に略垂直に設けられ、上記外導体を分断するス
リットと、その中空内部を上記円形同軸線路が貫通し、
上記円形同軸線路の中心軸をその中心軸とし、上記スリ
ットを覆うように配置され、使用周波数帯における電気
長が約１／２波長の長さの円形導体パイプとを備えたも
のである。

【０００９】請求項３に係るアンテナ装置は、請求項１
または２記載のアンテナ装置において、スリットが導体
パイプまたは円形導体パイプの長さ方向略中央に位置す
るように導体パイプまたは円形導体パイプを配置したこ
とを特徴とするものである。

【００１０】請求項４に係るアンテナ装置は、請求項
１、２または３記載のアンテナ装置において、同軸線路
または円形同軸線路の外導体と導体パイプまたは円形導
体パイプの間の一部または全部に誘電体を設けたことを
特徴とするものである。

【００１１】請求項５に係るアンテナ装置は、請求項
１、２、３または４記載のアンテナ装置を素子アンテナ
とし、上記素子アンテナを同軸線路または円形同軸線路
の伸長方向に複数個備えてアレーアンテナを形成したこ
とを特徴とするものである。

【００１２】請求項６に係るアンテナ装置は、請求項５
記載のアンテナ装置において、複数個の素子アンテナを
同一としたことを特徴とするものである。

【００１３】請求項７に係るアンテナ装置は、同軸線路
と、上記同軸線路の外導体に、同軸線路の伸長方向に略
垂直に設けられ、上記外導体を分断する複数個のスリッ
トと、その中空内部を上記同軸線路が貫通するように設
けられた誘電体パイプと、上記誘電体パイプの外面周上
に、上記複数個のスリットのそれぞれを覆うように形成
され、使用周波数帯における電気長が約１／２波長の幅
の複数個の帯状導体層とを備え、上記それぞれのスリッ
トと帯状導体層から成る素子アンテナが配列されたアレ
ーアンテナを構成したことを特徴とするものである。

【００１４】請求項８に係るアンテナ装置は、請求項
５、６または７記載のアンテナ装置において、スリット
の配置間隔を使用周波数帯における電気長のほぼ整数倍
にしたことを特徴とするものである。

【００１５】請求項９に係るアンテナ装置は、請求項
５、６または７記載のアンテナ装置において、スリット
の配置間隔を素子アンテナの合成指向性を所望のものと
する配置間隔に設定したことを特徴とするものである。

【００１６】請求項１０に係るアンテナ装置は、請求項
５記載のアンテナ装置において、各素子アンテナにおけ
るスリットの寸法と、導体パイプまたは円形導体パイプ
の寸法と、上記スリットと上記導体パイプまたは円形導
体パイプの配置関係とを変化させて選ぶことにより、各
素子アンテナの励振振幅をほぼ等しくしたことを特徴と
するものである。

【００１７】請求項１１に係るアンテナ装置は、請求項
５〜１０のいずれか１項に記載のアンテナ装置におい
て、同軸線路の終端に、短絡、開放または整合終端とす
る負荷インピーダンスを装荷したことを特徴とするもの
である。

【００１８】請求項１２に係るアンテナ装置は、請求項
１〜１１のいずれか１項に記載のアンテナ装置におい
て、導体パイプ、円形導体パイプまたは帯状導体層の外
面を覆う誘電体レドームを設けたことを特徴とするもの
である。

【００１９】

【作用】請求項１のアンテナ装置においては、同軸ダイ
ポールアンテナの放射導体を、給電同軸線路外導体中の
スリットと電磁結合させることにより、簡単な構造のア
ンテナが実現できる。

【００２０】請求項２のアンテナ装置においては、円形
同軸線路と円形導体パイプを中心軸を一致させて配置し
たので、円形同軸線路の伸長方向に垂直な面内で無指向
性放射特性を有するアンテナ装置が得られる。

【００２１】請求項３のアンテナ装置においては、スリ
ットが導体パイプまたは円形導体パイプの長さ方向略中
央に位置するように導体パイプまたは円形導体パイプを
配置したので、導体パイプまたは円形導体パイプ中央部
はほぼ短絡に見え、スリットによる同軸線路の不連続に
より生じる反射が低減できる。

【００２２】請求項４のアンテナ装置においては、誘電
体により導体パイプまたは円形導体パイプを同軸線路に
支持でき、また、誘電体の誘電率や寸法を選定すること
によりアンテナの諸特性を調整可能とし、アンテナ設計
のバリエーションを増加させる。

【００２３】請求項５のアンテナ装置においては、素子
アンテナが同軸給電電磁結合ダイポールアンテナであ
り、これを複数個多段に設けているので、アレーアンテ
ナとしての動作特性が得られる。

【００２４】請求項６のアンテナ装置においては、素子
アンテナを同一形状としたので、部品点数を低減でき、
低コストなアンテナ装置を実現できる。

【００２５】請求項７のアンテナ装置においては、誘電
体パイプの外周面上に帯状導体層を設けて素子アンテナ
を形成するので、素子アンテナをエッチング等で製作で
き、組み立てコストを低減できる。

【００２６】請求項８のアンテナ装置においては、各素
子アンテナ給電位相をほぼ等しく選んでいるので、素子
アンテナの並び方向に直交する方向に主ビームを形成で
きる。

【００２７】請求項９のアンテナ装置においては、スリ
ットの配置間隔を素子アンテナの合成指向性を所望のも
のとする配置間隔に設定したので、多機能であり、たと
えば、ビームチルト特性などが実現できる。

【００２８】請求項１０のアンテナ装置においては、各
素子アンテナにおけるスリットの寸法と、導体パイプま
たは円形導体パイプの寸法と、上記スリットと上記導体
パイプまたは円形導体パイプの配置関係とを変化させて
選ぶことにより、複数個の素子アンテナの励振振幅をほ
ぼ等しくしたので、高利得のアンテナ装置を得られる。

【００２９】請求項１１のアンテナ装置においては、同
軸線路の終端に、短絡、開放または整合終端とする負荷
インピーダンスを装荷したので、同軸線路端部に入射し
た電力を再利用でき、アンテナ装置の能率を改善するこ
とができる。

【００３０】請求項１２のアンテナ装置においては、誘
電体レドームが風圧加重に対するアンテナ装置の強度を
向上させ、また、アンテナ装置を外部環境から保護す
る。

【００３１】

【実施例】

実施例１．図１は実施例１に係るアンテナ装置を説明す
る図である。図１において、７は放射用ダイポールとし
て動作する使用周波数における電気長約１／２波長の円
形の中空導体パイプ、８は同軸外導体５の中に形成され
た波長に比べて微小な円環スリットである。中空導体パ
イプ７は、円環スリットを外部から覆う位置に設ける。
また、中空導体パイプ７と同軸線路の同軸外導体５、同
軸内導体６の中心軸は必ずしも一致しないする。

【００３２】次に動作について説明する。同軸線路の同
軸外導体５、同軸内導体６に注入された信号が円環スリ
ット８に到達すると、円環スリット８には、同軸線路延
長方向に対して電位差が生じる。中空導体パイプ７と同
軸外導体５は、別の同軸線路を形成するので、上記電位
差が２次波源となり、中空パイプ内に電磁界が生じる。
中空導体パイプ７と同軸外導体５で形成されるキャビテ
ィーは、基本静電モードに対して電気長が約１／２波長
になっているので、共振周波数に近いことになる。この
場合、中空導体パイプ７には、半波長ダイポールに類似
の電流が生じることになりアンテナ外部に電磁波が放射
される。電磁波の放射は、中空導体パイプ７の両端、お
よび、中空導体パイプ７の外皮から生じていると考えら
れるが、中空導体パイプ７の半径と同軸外導体の半径の
差が波長に比べて小さい場合、中空導体パイプ７の外壁
からの放射が支配的になると考えられる。

【００３３】また、この中空導体パイプ７を用いると次
のような利点もある。給電同軸外導体５に円環スリット
８を設けたので線路に不連続が生じ、反射特性が劣化す
ると考えられるが、中空導体パイプ７の中央部近傍に円
環スリット８配置すれば、上記不連続による反射は低減
される。なぜならば、中空ハイプ７は全長が約１／２波
長であり、端部が開放されているので、キャビティー内
においては中空導体パイプ７中央部はほぼ短絡に見え、
円環スリット８が見込むインピーダンスが０に近くなる
からである。

【００３４】また、中空導体パイプ７と同軸線路の同軸
外導体５、同軸内導体６の中心軸を一致させないように
して、上記円環スリット８が見込むアンテナの入力イン
ピーダンスを調整することもできる。さらに、上記円環
スリット８を中空導体パイプ７の中心からオフセットし
て、上記入力インピーダンスを調整することもできる。

【００３５】次に、図１のアンテナの利点について説明
する。図１のアンテナは、図１１の従来の同軸ダイポー
ルアンテナに用いられる素子に比べて構造が簡単であ
る。特に、同軸外導体５と放射用中空導体パイプ７の接
合が不要なので、加工工程が大きく簡略化される。ま
た、部品点数も少ない。さらに、構造が簡単なので設計
の見通しも良いという利点もある。

【００３６】なお、本実施例では、同軸線路の同軸外導
体５、同軸内導体６、中空導体パイプ７として円形を仮
定しているが、方形同軸等の静電モードが伝ぱんする任
意の断面形状を持つ線路を用いて本発明と同様な形式の
アンテナも構成できる。その場合の動作原理も本実施例
で述べた内容と同様である。

【００３７】実施例２．図２は実施例２に係るアンテナ
装置を説明する図である。図２において、９は同軸外導
体５と中空導体パイプ７の間に挿入された誘電体スペー
サである。また、他の符号は上記と同様である。

【００３８】次に動作について説明する。まず、誘電体
スペーサは、中空導体パイプ７を同軸外導体５に固定す
る支持機構として動作するという利点がある。また、電
気的には、誘電体スペーサ９は、同軸外導体５と中空導
体パイプ７が形成するキャビティー内に誘電体を満たす
働きをし、誘電体が存在しない場合に比べて、キャビテ
ィー内基本ＴＥＭモードに対するアンテナ延長方向の電
気長を、比誘電率が１より大きい誘電体を使用した場
合、長く見せる働きがある。したがって、アンテナ共振
周波数は長波長側へずれる。この効果を利用すれば、中
空導体パイプ７の長さを誘電体を装荷しない場合にくら
べて短くし、アンテナを小形化することができる。特
に、上記キャビティーを励振する円環スリット８の近傍
に局在するキャビティー内高次モードの励振量を、誘電
体スペーサ９は変化させる効果もあり、アンテナ入力イ
ンピーダンスや、円環スリット８と上記キャビティーの
結合量を調整する新たな自由度も生じさせ、アンテナ設
計のバリエーションが増すという利点もある。

【００３９】図２では、誘電体スペーサ９を中空導体パ
イプ７と同軸外導体５の間に一様に設けた例であるが、
例えば、中空導体パイプ７の両端に誘電体スペーサを２
つ部分的に設けるなどの使用法も考えられる。

【００４０】実施例３．図３は実施例３に係るアンテナ
装置を説明する図である。図３において、ａは、同軸外
導体５と同軸内導体６からなる円形同軸線路の中心から
計った中空導体パイプ７の半径であり、円形中空導体パ
イプ７は、どの方向から上記半径を計ってもａに一致す
るように、アンテナ延長軸に関して回転対称に配置す
る。なお、円環スリット８も同様な回転対称性を持つと
する。

【００４１】次に動作について説明する。図３のように
回転対称に中空導体パイプ７を設け、円環スリット８も
回転対称とし、上記同軸線路の伝ぱんモードが回転対称
である基本ＴＥＭモードであるとすれば、アンテナの物
理特性は全て回転対称になる。したがって、放射指向性
も回転対称となる。つまり、アンテナ延長軸方向を垂直
方向と定めるならば、アンテナの放射パターンは水平面
内無指向性になる。この様にして、実用上重要な垂直偏
波水平面内無指向性アンテナが実現できる。

【００４２】なお、同軸外導体５と中空導体パイプ７の
間に誘電体等を満たしても、満たすものに上記回転対称
性があれば、上記水平面内無指向性は失われない。

【００４３】実施例４．図４は実施例４に係るアンテナ
装置を説明する図である。図４は、給電同軸線路と中空
導体パイプ７と円環スリット８からなるアンテナを同軸
線路の延長方向に多段に設けたものである。

【００４４】次に動作について説明する。素子アンテナ
である電磁結合同軸ダイポール部７、８の動作原理は、
実施例１で述べた通りであり説明は省略する。図４のよ
うに素子アンテナを多段に並べると、アンテナは、いわ
ゆるコリニアアレーアンテナとして動作し、素子アンテ
ナ単体では得られないアレーアンテナ指向特性が実現で
きる。給電同軸線路に信号を入力した場合、まず、第１
段目の素子アンテナに信号は到達し、信号の一部の電力
が外部に放射される。残った電力一部が給電側への反射
になり、他が次の素子アンテナへの入射電力になり、以
後同様の原理でアレーアンテナが励振される。以上は進
行波アレーアンテナの動作原理であり、素子アンテナの
数・給電線路との結合効率が大きく、アンテナ端部まで
信号が到達するまでに十分電力がアンテナ外部へ放射さ
れる場合、もしくは、給電線路がアンテナ終端部で整合
終端されている場合に実現される。

【００４５】また、アンテナは定在波動作させることも
できる。その場合、各素子アンテナと給電線路の結合量
を減らし、アレーアンテナ終端部に入力電力が十分到達
し、そこで、再び素子アンテナ側へ信号が反射され、重
ね合わされるようにする。図４のアンテナは、進行波・
定在波動作どちらにも使用できる。その場合、上で述べ
たように素子アンテナと給電線路の結合量の調整が本質
的であるが、上記結合量の調整は、中空導体パイプ７の
配置位置、中空導体パイプ７の径、円環スリット８の幅
により行うことができる。特に、実際の設計・製造上、
アンテナを微調整する必要が生じる場合があるが、本ア
ンテナは、中空導体パイプ７の位置を微調整する、中空
導体パイプ７を径や長さが異なるものに差し替える、な
ど、比較的簡単に調整をおこなうことができる。図１１
の従来のコリニアアンテナでこの様な調整を行うのは、
加工に手間がかかり容易でない。

【００４６】実施例５．図５は実施例５に係るアンテナ
装置を説明する図である。図５において、電磁結合同軸
ダイポール全素子数をｎ＋１とし、素子アンテナ給電用
円環スリット８の間隔をそれぞれｘ1，ｘ2，．．．，ｘ
nとする。さらにｘ1からｘnは全て等しく、給電同軸線
路の使用波長における電気長のほぼ整数倍になるように
する。

【００４７】次に動作原理について説明する。図５の構
成を用いた場合、各素子アンテナが同相で給電されるた
め、アレーアンテナの主ビームは、アンテナ延長方向に
直交する方法に形成される。このアンテナ垂直方向にピ
ークを持つ放射パターンは、移動通信基地局用アンテナ
などの標準的仕様に合致する重要なものである。なお、
偏波はアンテナ延長軸方向を垂直と定めた場合、垂直偏
波である。図５では、各素子アンテナの形状が異なるよ
うに描いているが、これは、以下の理由によるものであ
る。アンテナの励振位相は、各素子においてほぼ等しい
と考えられ、アレーアンテナ主ビーム方向は素子アンテ
ナ励振位相から定まる。しかしながら、アレーアンテナ
励振自由度としては、素子アンテナ励振振幅もある。図
５のように、各素子アンテナの形状を変化させること
は、素子アンテナの励振振幅に変化を与えることにな
る。つまり、アレーアンテナ指向性合成の観点から、図
５のアンテナ装置は、アレー励振振幅分布を与える自由
度を実現することになる。このような構成によれば、た
とえば、低サイドローブパターンなどが形成でき、アン
テナの機能性が増すという利点が生じることになる。

【００４８】実施例６．図６は実施例６に係るアンテナ
装置を説明する図である。図６において、電磁結合同軸
ダイポール全素子数をｎ＋１とし、素子アンテナ給電用
円環スリット８の間隔をそれぞれｘ1，ｘ2，．．．，ｘ
nとし、ｘ1からｘnは、アレー合成指向性パターンが所
望になるように定めるとする。

【００４９】次に動作原理について説明する。図６の構
成の場合、ｘ1からｘnの位置を適当に選ぶことにより、
素子アンテナの励振位相を自由に設定でき、アレーアン
テナの位相による指向性合成が実現できる。たとえば、
円環スリット８の間隔を全て等しくし、かつ、素子アン
テナの励振位相に線形テーパをつければ、主ビームをチ
ルトすることができる。このビームチルトアンテナは、
移動通信基地局アンテナに標準的に使用される重要なも
のである。このビームチルトにかぎらず、様々な所望の
放射パターンが位相による指向性合成で得られるので、
本アンテナは多機能であると考えられる。

【００５０】実施例７．図７は、実施例７に係るアンテ
ナ装置を説明する図である。図７では、同軸線路と中空
金属パイプ７の間に誘電体スペーサ９を挿入し、円環ス
リット８で各素子アンテナを励振するものである。さら
に、各素子アンテナを構成する中空導体パイプ７の径ａ
・長さｌ・円環スリット８と中空導体パイプ７との距離
ｂ、および、円環スリット８の寸法は各素子アンテナに
関して全て等しく選んである。

【００５１】次に動作について説明する。アンテナの物
理的動作原理については、実施例１、２、４などで述べ
たので省略し、各素子アンテナの形状を等しく選んだ場
合の固有の動作、利点について以下説明する。まず、各
素子アンテナの形状が等しいので、部品点数を低く押さ
えることができ、コストが低減される。また、例えば、
図７の構成では、以下のような加工法も可能である。ま
ず、素子アンテナ放射部は、誘電体スペーサにエッチン
グなどにより一体化して製作できる。そのようにして製
作した放射部を同軸線路に差し込むようにすれば、短時
間にアンテナが製作でき、組み立てコストが低減され
る。さらに、アンテナの段数についても、上記中空導体
パイプ７と誘電体スペーサ９を一体加工したものを複数
用意し、それらを重ね継ぎ合わせるような製作法も考え
られる。もしくは、多くの段数を有す放射部をあらかじ
め製作しておき、必要に応じて短く切って使用する、な
どの製作法も考えられ、加工工程の省力化が実現でき
る。また、図７のようなアンテナ装置では、アンテナ全
体を誘電体スペーサ９が覆う型になっているので、アン
テナの機械的強度が増し、風圧加重に強いアンテナが実
現できるという利点もある。

【００５２】実施例８．図８は、実施例８に係るアンテ
ナ装置の電気特性を記述する等価回路であり、アンテナ
装置の構成図は図４と類似である。上記等価回路は、同
軸給電線路にＴＥＭモードが伝ぱんする場合において、
各素子アンテナ＃１〜＃ｎの励振点である各々の円環ス
リット８から対応する素子アンテナを見たインピーダン
スを、それぞれ、Ｚ1〜Ｚnとしたものである。また、Ｚ
LDは同軸線路の端部における負荷インピーダンスであ
り、たとえば、図４の紙面に向かって同軸給電線路の左
側からアレーアンテナを給電した場合、ＺLDは同軸線路
の右端の負荷インピーダンスである。この場合、同軸線
路は開放されているので、ＺLDは無限大である。同軸線
路の端部に整合終端を負荷したり、短絡したりすること
により、ＺLDの値は変化できる。以上の構成において、
この実施例は、図８の等価回路を用いて、各素子アンテ
ナの励振振幅をはぼ等しくなるように選ぶものである。

【００５３】次に動作について説明する。動作状態での
各素子の励振振幅が全て等しい場合、つまり、 図８の
等価回路においてＺ1〜Ｚnで消費される電力が全て等し
い場合、アレーアンテナは、一様振幅分布励振となる。
さらに各素子の励振位相が全て等しい場合、つまり、各
素子アンテナを接続する同軸線路の電気長が全て等しい
場合、アンテナは一様分布で励振され、指向性利得が最
大となる。また、上記同軸線路の電気長に線形テーパを
付け素子アンテナにビーム走査位相を与えた場合にも、
各素子の励振振幅が等しければ高利得が実現できる。つ
まり、この実施例に係るアンテナは高利得を実現でき
る。

【００５４】次に、素子アンテナの寸法の決定法につい
て説明する。図８の等価回路は、通常の回路理論で使わ
れる手法、たとえば、Ｆマトリクス法などにより容易に
解析することができる。まず、素子アンテナ励振位相を
素子アンテナ同志を接続する同軸線路の電気長を等位
相、ビーム走査位相など、所望励振位相を実現する長さ
に選ぶことによりに与えておく。上記条件のもとに、図
８の等価回路の解、つまり、線路各点における電圧、電
流分布が、Ｚ1〜Ｚnの関数として求まる。ここで、Ｚ1
〜Ｚnで消費される電力が全て等しいという条件を課す
と、Ｚ1〜Ｚnが満たすべき条件式が得られ、Ｚ1〜Ｚnの
値を決定することができる。前記Ｚ1〜Ｚnの値が、＃１
〜＃ｎの各素子アンテナの単体インピーダンス設計目標
値になる。後は、各々の素子アンテナパラメータを各素
子アンテナごとに独立に上記Ｚ1〜Ｚnが実現されるよう
に定めればよい。素子アンテナには、中空金属パイプ７
の長さ、半径、円環スリット８の幅など、十分な設計自
由度があり、目標値を達成することができる。素子アン
テナ入力インピーダンスの設計指針としては、以下のよ
うな解析モデルが考えられる。中空導体パイプ７を外導
体、同軸外導体５を内導体とする同軸線路を考える。こ
の同軸線路は、円環スリットから線路延長方向への中空
導体パイプの長さを全長とする端部が開放された２つの
同軸線路と考えることができる。素子アンテナは、近似
的に、上記２つの同軸線路を給電点である円環スリット
部で直列に接続したモデルで与えることができる。この
モデルを用いて、概略寸法を定め、後は、実験的に微調
整をすれば、容易に素子アンテナは実現できる。以上述
べた設計法は、図８の等価回路を用いているので、素子
アンテナが給電線路を介して結合する効果も考慮でき、
正確である。図１２を用いて先に従来例で説明したビー
ムチルト時のアンテナ特性の劣化は、上記給電線路を介
した素子間結合によるものであり、本設計法によれば、
素子アンテナ設計目標値がこの効果を考慮した形で与え
られるので、アンテナ特性劣化を防ぐことができ、高性
能なアンテナが実現できる。

【００５５】本実施例では、各素子の励振振幅が全て等
しくなるような設計法について述べたが、各素子に任意
の振幅位相を与えてる設計法も上とほぼ同様に実現する
ことができる。この場合、各素子アンテナの励振振幅、
位相を所望量にするという条件で、実現可能なＺ1から
Ｚnの範囲を与え、さらに、素子間隔もパラメータにし
て、図８の等価回路パラメータを非線形計画法で決定す
るなどの手法が考えられる。

【００５６】実施例９．図９は、本発明に係るアンテナ
装置の実施例９を説明する斜視図および側面図である。
図において、１０はアンテナの外部に装荷された誘電体
レドームである。

【００５７】次に動作について説明する。まず、誘電体
レドーム１０を装荷することにより、雨などの周囲環境
からの影響が軽減される。また、一般的に、コリニアア
ンテナは細い径を要求されることが多く、風圧加重が常
に問題になる。本発明における、誘電体レドーム１０は
風圧加重に対するアンテナ強度の向上にも役立つ。アン
テナがアンテナ延長軸に対する回転対称性を有してお
り、アンテナ延長方向を垂直方向として、アンテナが水
平面内無指向特性を有している場合、誘電体レドーム１
０を円筒型にし円形回転対称に形成すれば、アンテナ強
度を保ち、かつ、水平面内無指向性を保持できる。

【００５８】実施例１０．図１０は、本発明のアンテナ
装置に係る実施例１０を説明するための図である。図１
０は、同軸電磁結合ダイポールアレーアンテナの給電線
路終端部に関する説明図である。図１０（ｂ）（ｃ）
（ｄ）は図１０（ａ）の端部拡大図であり、（ｂ）は端
部を開放終端する場合、（ｃ）は短絡終端する場合、
（ｄ）は整合終端する場合、の構成例である。１１は、
導体キャップ１２を同軸外導体５と同軸内導体６に電気
的に接続して固定するための固定ネジ、１３は同軸外導
体５と同軸内導体６に半田付け等により固定されたチッ
プ抵抗であり、同軸内導体６と同軸外導体５を抵抗を介
して電気的に接続している。特に、チップ抵抗１３の抵
抗値を同軸線路の特性インピーダンスに等しく取れば、
簡易的な整合終端が実現される。また、図１１のＬは、
アンテナ終端点から、終端点に最も近い素子アンテナの
給電点である円環スリット８までの距離である。

【００５９】次に動作について説明する。アンテナを定
在波励振する場合、開放終端もしくは短絡終端が適して
いる。この場合、図１０の開放終端もしくは短絡終端を
用い、給電線路端部からの反射波が所望の位相で再び素
子アンテナに重ね合わされるようにＬを定める。たとえ
ば、各素子アンテナが等位相で励振される場合、開放終
端ならばＬは給電同軸線路の電気長でほぼ１／２波長、
短絡終端ならばＬは給電同軸線路の電気長でほぼ１／４
波長に選ぶのが一般的であり、この場合、反射波が素子
アンテナ給電点において入射波と同相で重ねあわされ
る。このような構成を使用すれば、放射されきれずに給
電線路端部に入射した電力を再利用できるので、アンテ
ナ能率が上がるという利点が生じる。

【００６０】アンテナを進行波励振する場合は、整合終
端が利用できる。たとえば、素子アンテナを等しい間隔
に配置し、励振位相に線形テーパをつけてビームチルト
特性を得る場合、アンテナ端部からの反射波が再放射さ
れると所望ビームと逆方向の不要ビームが生じ、アンテ
ナ特性が劣化する。図１０のように整合終端を用いれ
ば、このような、不要放射を低減することができる。た
だし、アンテナ整合終端部で消費される電力はロスとな
るので、アンテナ能率は開放終端や短絡終端を用いる場
合に比べて低下する。このビームチルト時におけるアン
テナ能率低下を改善するためには、十分な電力を最終素
子アンテナに信号が到達する前に放射させておき、端部
に開放または短絡終端を用い、終端からの反射電力は最
終素子アンテナにおいてのみ再放射されるようにアンテ
ナを設計すれば良い。その工夫により、不要ビームが無
く、能率の高いビームチルトアンテナが実現できる。

【００６１】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、同軸外導体と放射用中空導体パイプの接合が不要な
ので、構造が簡単で加工工程を簡略化できる。

【００６２】請求項２の発明によれば、円形同軸線路の
伸長方向に垂直な面内で無指向性放射特性を有するアン
テナ装置が得られる。

【００６３】請求項３の発明によれば、スリットによる
同軸線路の不連続により生じる反射が低減できる。

【００６４】請求項４の発明によれば、導体パイプまた
は円形導体パイプを同軸線路に支持でき、また、アンテ
ナの諸特性を調整可能とし、アンテナ設計のバリエーシ
ョンを増加させる。

【００６５】請求項５の発明によれば、素子アンテナが
同軸給電電磁結合ダイポールアンテナであり、これを複
数個多段に設けているので、アレーアンテナとしての動
作特性が得られる。

【００６６】請求項６の発明によれば、素子アンテナが
同一形状であるため、部品点数を低減でき、低コストな
アンテナ装置を実現できる。

【００６７】請求項７の発明によれば、素子アンテナを
エッチング等で製作でき、組み立てコストを低減でき
る。

【００６８】請求項８の発明によれば、各素子アンテナ
給電位相をほぼ等しく選んでいるので、素子アンテナの
並び方向に直交する方向に主ビームを形成でき、移動通
信基地局用アンテナ等の標準的仕様に合致したアンテナ
装置を得られる。

【００６９】請求項９の発明によれば、各素子アンテナ
の励振位相を所望の合成指向性が実現されるように設定
しているので、多機能であり、たとえば、ビームチルト
特性などが実現でき、移動通信基地局用アンテナ等の標
準的仕様に合致したアンテナ装置を得られる。

【００７０】請求項１０の発明によれば、高利得のアン
テナ装置を得られる。

【００７１】請求項１１の発明によれば、アンテナ装置
の能率を改善することができる。

【００７２】請求項１２の発明によれば、風圧加重に対
するアンテナ装置の強度を向上させ、また、アンテナ装
置を外部環境から保護することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明のアンテナ装置に係る実施例１を説
明する図である。

【図２】 この発明のアンテナ装置に係る実施例２を説
明する図である。

【図３】 この発明のアンテナ装置に係る実施例３を説
明する図である。

【図４】 この発明のアンテナ装置に係る実施例４を説
明する図である。

【図５】 この発明のアンテナ装置に係る実施例５を説
明する図である。

【図６】 この発明のアンテナ装置に係る実施例６を説
明する図である。

【図７】 この発明のアンテナ装置に係る実施例７を説
明する図である。

【図８】 この発明のアンテナ装置に係る実施例８を説
明する図である。

【図９】 この発明のアンテナ装置に係る実施例９を説
明する図である。

【図１０】 この発明のアンテナ装置に係る実施例１０
を説明する図である。

【図１１】 従来のアンテナ装置を説明する図である。

【図１２】 従来のアンテナ装置の放射特性を説明する
図である。

【符号の説明】

１ コリニアアンテナ、２ チョーク、３ 放射用ダイ
ポール、４ ダイポール励振用スリット、５ 同軸外導
体、６ 同軸内導体、７ 中空導体パイプ、８ 円環ス
リット、９ 誘電体スペーサ、１０ 誘電体レドーム、
１１ 固定ネジ、１２ 導体キャップ、１３ チップ抵
抗。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 茶谷 嘉之 鎌倉市上町屋325番地 三菱電機株式会 社 鎌倉製作所内 (56)参考文献 特開 昭49−89460（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−206705（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−69719（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−280902（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−147916（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−157314（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭64−44707（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭50−23583（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭40−15240（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 13/10 H01Q 13/20 H01Q 21/08 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同軸線路と、上記同軸線路の外導体に、
   同軸線路の伸長方向に略垂直に設けられ、上記外導体を
   分断するスリットと、その中空内部を上記同軸線路が貫
   通し、上記スリットを覆うように配置され、使用周波数
   帯における電気長が約１／２波長の長さの導体パイプと
   を備えたアンテナ装置。
2. 【請求項２】 円形同軸線路と、上記円形同軸線路の外
   導体に、円形同軸線路の伸長方向に略垂直に設けられ、
   上記外導体を分断するスリットと、その中空内部を上記
   円形同軸線路が貫通し、上記円形同軸線路の中心軸をそ
   の中心軸とし、上記スリットを覆うように配置され、使
   用周波数帯における電気長が約１／２波長の長さの円形
   導体パイプとを備えたアンテナ装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のアンテナ装置に
   おいて、スリットが導体パイプまたは円形導体パイプの
   長さ方向略中央に位置するように導体パイプまたは円形
   導体パイプを配置したことを特徴とするアンテナ装置。
4. 【請求項４】 同軸線路または円形同軸線路の外導体と
   導体パイプまたは円形導体パイプの間の一部または全部
   に誘電体を設けたことを特徴とする請求項１、２または
   ３記載のアンテナ装置。
5. 【請求項５】 請求項１、２、３または４記載のアンテ
   ナ装置を素子アンテナとし、上記素子アンテナを同軸線
   路または円形同軸線路の伸長方向に複数個備えてアレー
   アンテナを形成したことを特徴とするアンテナ装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載のアンテナ装置において、
   複数個の素子アンテナを同一としたことを特徴とするア
   ンテナ装置。
7. 【請求項７】 同軸線路と、上記同軸線路の外導体に、
   同軸線路の伸長方向に略垂直に設けられ、上記外導体を
   分断する複数個のスリットと、その中空内部を上記同軸
   線路が貫通するように設けられた誘電体パイプと、上記
   誘電体パイプの外面周上に、上記複数個のスリットのそ
   れぞれを覆うように形成され、使用周波数帯における電
   気長が約１／２波長の幅の複数個の帯状導体層とを備
   え、上記それぞれのスリットと帯状導体層から成る素子
   アンテナが配列されたアレーアンテナを構成したことを
   特徴とするアンテナ装置。
8. 【請求項８】 請求項５、６または７記載のアンテナ装
   置において、スリットの配置間隔を使用周波数帯におけ
   る電気長のほぼ整数倍にしたことを特徴とするアンテナ
   装置。
9. 【請求項９】 請求項５、６または７記載のアンテナ装
   置において、スリットの配置間隔を素子アンテナの合成
   指向性を所望のものとする配置間隔に設定したことを特
   徴とするアンテナ装置。
10. 【請求項１０】 請求項５記載のアンテナ装置におい
    て、各素子アンテナにおけるスリットの寸法と、導体パ
    イプまたは円形導体パイプの寸法と、上記スリットと上
    記導体パイプまたは円形導体パイプの配置関係とを変化
    させて選ぶことにより、各素子アンテナの励振振幅をほ
    ぼ等しくしたことを特徴とするアンテナ装置。
11. 【請求項１１】 同軸線路の終端に、短絡、開放または
    整合終端とする負荷インピーダンスを装荷したことを特
    徴とする請求項５〜１０のいずれか１項に記載のアンテ
    ナ装置。
12. 【請求項１２】 導体パイプ、円形導体パイプまたは帯
    状導体層の外面を覆う誘電体レドームを設けたことを特
    徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のアンテ
    ナ装置。