JP4171875B2 - マルチバンドパッチアンテナ及びスケルトンスロット放射器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信システムの基地局で無線信号を送受信するために用いられるマルチバンドパッチアンテナ及びこのアンテナに用いられるスケルトンスロット放射器に関し、さらに詳細には、アンテナの諸特性に優れ、かつ広い帯域幅をカバーすることができるマルチバンドパッチアンテナ及びこのようなアンテナに適用するのに好適なスケルトンスロット放射器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術に係る移動通信基地局アンテナには、通常ダイポール構造の放射器が用いられており、その他にダイポール放射器の構造を一部変更したものも用いられていた。
【０００３】
図1は、従来の技術に係るダイポールアレイ指向性アンテナの構成を示す斜視図である。このアンテナは、65度の水平ビーム幅を実現するために、2個のダイポールを水平に配列し、その配列をさらに2段配置させた構造となっている。すなわち、従来のダイポールアレイ指向性アンテナは、導電性金属材からなるダイポール素子15が2段×2列に配列された構造を有している。
【０００４】
図1に示したように、従来のダイポールアレイ指向性アンテナは、水平面において65度のビーム幅を実現するために、反射板11上の所定の位置に2個のダイポール素子15を水平に配列し、その配列をさらに垂直に2段配置したものである。なお、電流供給ケーブル13から入力される信号の各ダイポール素子への電流供給は、分配器14を介して行なわれる。また、反射板11の両側に長さ方向に設けられた長いチョーク反射器12は、両側面への不要な放射を抑制することによって、アンテナのサイドローブを抑制する効果を持っている。
【０００５】
しかし、前記のような従来のダイポール素子15の場合には、ダイポール素子自体の帯域幅が10%以内という狭帯域である。そればかりでなく、指向性アンテナの形態の場合には、周波数に応じたビーム幅の変化が大きく、使用帯域幅以外の帯域では、電圧定在波比(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)特性が悪くなり、利得が低下するという短所がある。
【０００６】
ただし、一般に既存の移動通信サービスでは、周波数帯域が広帯域ではないので(韓国内でのセルラ移動電話の場合、帯域幅70MHzとして、70/859×100=8.15%、個人携帯通信の場合、帯域幅120MHzとして、120/1810×100=6.63%)、ダイポールアレイ指向性アンテナに、放射素子として既存のダイポール構造を適用しても十分に実用可能であった。しかし、今後サービスが開始される次世代移動通信や２つの帯域における、帯域幅比250/2045×100=12.23%に対応する1920〜2170MHzという周波数、個人用携帯通信サービスや次世代移動通信における帯域幅比420/1960×100=21.4%に対応する1750〜2170MHzという周波数は、広帯域である。一方、既存のダイポール素子自体は、カバーできる帯域幅に限界があるので、要求される所定の電圧定在波比、帯域内におけるビーム幅、利得等の特性を発揮することができないという問題点がある。
【０００７】
上述のように、既存の移動通信用アンテナの場合には、全て単一周波数帯域のみでサービスできるように設計されているので、セルラ移動通信、個人携帯通信及び次世代移動通信などのように、マルチ周波数帯域のサービスに適用するためには、多数のアンテナを設置しなければならないという短所がある。
【０００８】
また、近年、設置されるアンテナ自体が周辺環境にマッチしない構造物と考える傾向がある。このような社会的な理由やコスト低減などの理由により、他の会社間及びサービス業者間で基地局を共有する傾向が強くなってきている。このように、各々のサービス用に、該当する周波数帯域のアンテナを各々設置することは、コスト的な側面のみでなく、環境的な側面からも好ましくないために、マルチ周波数帯域で動作するアンテナの開発が要望されている。
【０００９】
上記の問題点を解決するために、マルチバンドアンテナの開発の一貫として、スケルトンスロット放射器に関する改良された構造が提案された。一般に、スケルトンスロット放射器は、平板状の導体の中央部に四角形のスロットを配置して、スロット部から電波が放射されるように構成されており、導体部の縁面を小さくしても、スロットアンテナとして動作するという点を利用したものである。このようなスケルトンスロット放射器は、Q値が低いために、より広い帯域幅を有し、一つの放射器のみでダイポール2個が配列されたものと同程度の性能を有する。そのために、このスケルトンスロット放射器には、大きさを小さくしても、広帯域、高利得のアンテナを実現することが容易であるという長所がある。以下に、このような基本的なスケルトンスロット放射器の構造及び特性を、図2及び図3を基に説明する。
【００１０】
図2は、基本的なスケルトンスロット放射器の構造の一例を示す平面図である。おおよその大きさは、低い周波数を基準にした場合、横方向（Ｘ軸）が1/2λ、縦方向（Ｙ軸）が1/4λである。図２に示した例は、一辺が約1/4λであるループ放射器で電流供給部の辺を共有する形態の場合である。
【００１１】
また、スケルトンスロット放射器における電流供給ラインには、ブロードサイドカップルドストリップラインが利用されており、一面は反射板に接地され、他の面はマイクロストリップラインに接続されている。
【００１２】
図3は、基本的なスケルトンスロット放射器の反射損失特性を示すグラフである。図３には、図2に示した構造において、反射板からスケルトンスロット放射器までの高さを70mm、33mmにした場合のそれぞれの反射損失特性が示されている。図３に示したように、スケルトンスロット放射器の高さが低い33mmの場合には、低周波帯で狭帯域（Ｓパラメータが大きい）になり、高周波帯で広帯域（Ｓパラメータが小さい）になる。一方、スケルトンスロット放射器の高さが高い70mmの場合には、低周波帯で広帯域になり、高周波帯では狭帯域となり反射損失特性が悪くなる。
【００１３】
基本的なスケルトンスロット放射器の表面電流分布は、ループ放射器の表面電流分布図とほぼ類似している。周波数が相対的に低い900MHzの場合には、電流分布は、左・右の側面に集中し、上・下面にはほとんど存在しない。一方、周波数が相対的に高い1800MHzの場合には、中央部分に電流が集中するのに対し、左・右側面における電流分布はわずかであり電流の向きが上・下で逆になる。
【００１４】
図4は、基本的なスケルトンスロット放射器における水平放射パターンを示すグラフである。図４に示すパターンは、水平放射パターン、すなわちＸ−Ｚ平面における放射パターンである。また、次の表1に、基本的なスケルトンスロット放射器の周波数別に、水平ビーム幅と利得に関する特性値を示す。
【００１５】
【表１】
【００１６】
このように、基本的なスケルトンスロット放射器は、900MHz(0.9GHz)帯域では水平ビーム幅が70度±5度以内に維持される。一方、1.8GHz帯域では、電流分布が不規則になり、周波数に応じたパターン変化も不規則になるという短所がある。
【００１７】
すなわち、基本的なスケルトンスロット放射器には、800MHzから1.7GHzまでは水平ビーム幅が全体的に狭く、1.8GHzから急にビーム幅が広くなるという短所がある。
【００１８】
また、基本的なスケルトンスロット放射器は、反射損失特性も、高い周波数帯域では不十分であるので、特性改良のために構造の改良が必要である。
【００１９】
このように、広帯域の特性を満足させるために、広帯域特性を有するスケルトンスロットタイプの放射器が提案され開発されてきた。しかし、このような基本的なスケルトンスロット放射器の場合には、50%((使用周波数帯域幅/中心周波数)×100%)以上の帯域では、インピーダンス特性が悪化して放射パターンが急激に変わるので、この問題を解決するために、カバーできる帯域幅を拡大することができる技術の確立が要求されている。
【００２０】
現在サービスされている移動通信用周波数は、800〜960MHz帯域と1700〜1900MHz帯域が大半である。一方、今後サービスが開始される次世代移動通信用周波数では1920〜2170MHz帯域であり、低い帯域と高い帯域とで2倍以上の周波数差がある。したがって、前記のような基本的なスケルトンスロット放射器をアンテナに適用しても、高い周波数における放射パターンを満足することができないという問題を依然として解決することができない。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の点を解決するためになされたものであり、マルチ周波数帯域において安定でかつ均一な特性を有するマルチバンドパッチアンテナを提供することを目的としている。
【００２２】
また、本発明は、インピーダンス特性に優れ、放射パターンを均一に維持することが可能な、マルチバンドパッチアンテナに適用されるスケルトンスロット放射器を提供することを別の目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナは、電波を放射するための平板状のスケルトンスロット放射手段と、該スケルトンスロット放射手段に信号電流を伝送するための電流供給手段と、前記スケルトンスロット放射手段からの後方放射波を反射させるための反射手段とを含み、前記スケルトンスロット放射手段が、前記電流供給手段に接続された電流供給点と、該電流供給点を中心とする対称形の形状をした第1導電性ループと、該第1導電性ループの両側の外周部に対称に形成され、前記第 1 導電性ループと一辺を共有する四角形の第2導電性ループと、前記電流供給点に接続された第１電流供給ライン、該第 1 電流供給ラインに接続され、その両側に分岐した第 2 及び第 3 電流供給ラインで形成され、前記電流供給点に供給された電流を、前記第 1 導電性ループに分配する電流供給分配部とを備え、前記反射手段の中心部には、前記電流供給手段としての垂直の電流供給部及び前記スケルトンスロット放射手段を接地する垂直の接地部が形成され、前記垂直の電流供給部を中心とする対称位置であり、前記第 2 導電性ループ部に位置し、前記反射手段との間を接続する複数の短絡ピンを備えていることを特徴としている。
【００２４】
また、上記の目的を達成するため、本発明に係るスケルトンスロット放射器は、該スケルトンスロット放射器の中央部に形成された電流供給点と、該電流供給点を中心とする対称形の形状をした第1導電性ループと、該第1導電性ループの両側の外周部に対称に形成され、前記第 1 導電性ループと一辺を共有する四角形の第2導電性ループと、前記電流供給点に接続された第 1 電流供給ライン、該第 1 電流供給ラインに接続され、その両側に分岐した第 2 及び第 3 電流供給ラインで形成され、前記電流供給点に供給された電流を、前記第 1 導電性ループ部に分配する電流供給分配部とを備え、前記電流供給点を中心とする前記第2導電性ループにおける対称位置であり、前記第 2 導電性ループ部に複数の短絡ピン用接続部を備えていることを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図5は、本発明マルチバンドパッチアンテナの一実施の形態に係る構成を示す斜視図である。また、図6は、図5の組立態様の一例を示す分解斜視図である。一般にアンテナは、送信時と受信時に同様の動作をするので、以下においては送信時のみについて説明する。
【００２６】
図5に示したように、外部装置からコネクタ62に入力された信号は、電流供給ケーブル63、中央部に位置するほぼ垂直の電流供給部64を介してスケルトンスロット放射器65に印加される。本発明に係るスケルトンスロット放射器65の構造及び動作について、図6ないし図12を参照し以下に詳細に説明する。
【００２７】
図6に示した組立態様から明らかなように、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナは、大きなスケルトンスロット放射器65と反射板61とを備えている。スケルトンスロット放射器65には、中央部に電流供給点(電流供給/接地接続部)が形成されており、この電流供給点を中心として対称形の内側ループ（第１導電性ループ）66と複数個のスロットが形成されている。また、反射板61は、下部の片側に外部装置との接続用のコネクタ62を具備している。このコネクタ62に入力された信号電流は、電流供給ケーブル63を経由して反射板61の中心部に設けられたほぼ垂直の電流供給部64とほぼ垂直の接地部79とにより、スケルトンスロット放射器65に供給される。この場合、電流供給部64は、電流供給ケーブル63の内部導体と接続されており、内部導体を介して伝達された信号により、スケルトンスロット放射器65にエネルギー（信号電流）を供給する働きをする。また、接地部79は、電流供給ケーブル63の外部導体と接続されており、スケルトンスロット放射器65を接地させる役割をする。
【００２８】
そして、反射板61は、後方への電波を反射させる本来の機能以外に、マルチバンドパッチアンテナの構造を簡素化し、製作を容易にする効果を有する。その効果を得るために、その他に複数の構成要素を具備する。まず、前述のように、スケルトンスロット放射器65への電流供給用に、反射板61の中心部に電流供給部64と接地部79が設けられている。また、第 1 、第 2 、第 3 短絡ピン 78-1 、 78-2 、 78-3 が、スケルトンスロット放射器65を支持するとともに、放射器65の電流が最大になる位置で接地されて電流分布を安定化させている。
【００２９】
さらに、高い周波数帯域における放射パターンを均一に維持するために、上記第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3は、電流供給部64の両側に左右対称に配置されている。この場合、第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3を用いることにより、インピーダンス及び放射パターンの細かなチューニングが可能である。
【００３０】
これと共に、電流供給部64を挟んで、コネクタ62の反対側には、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3が設けられている。なお、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3と、スケルトンスロット放射器65との間には所定の間隔が設けられている。第1及び第3カップリング素子76-1、76-3は、低い周波数帯域(例えば:850MHz以下)でインピーダンス特性を向上させ、第2カップリング素子76-2は、全周波数帯域でインピーダンス特性を向上させる作用を持っている。
【００３１】
図6に示されている第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3と、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3の動作は、次の通りである。第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3と、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3は、各々所定の位置における反射板61のそれぞれの該当個所を切り抜いて、折り曲げて形成したものである。そして、第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3は、各々補助ループ（第２導電性ループ）67と接続されている。これらの3個の短絡ピンを利用して、放射パターンとインピーダンスの細かな調整を行うことができる。なお、第1、第3短絡ピン78-1、78-3は、高い周波数帯域(例えば:1.9GHz以上)における放射パターンを均一に維持するためのものであり、第2短絡ピン78-2は、高い周波数帯域(例えば:1.7GHz以上)におけるインピーダンス特性を向上させ、放射パターンを一定に維持させる作用を持つものである。
【００３２】
また、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3は、スケルトンスロット放射器65と所定の間隔を維持して配置されている。これらのカップリング素子のうち、第1及び第3カップリング素子76-1、76-3は、いずれもスケルトンスロット放射器65の外周部の外側に位置し、850MHz以下の低い周波数帯域でインピーダンス特性を向上させる作用を有するものである。一方、第2カップリング素子76-2は、スケルトンスロット放射器65の中間部、すなわち、第1カップリング素子76-1と第3カップリング素子76-3の中間部で、スケルトンスロット放射器65の下側に位置し、中間部に沿って電流供給点側に長い形状をしており、全体的なインピーダンス特性を向上させる作用を有するものである。
【００３３】
したがって、低い周波数帯域が850MHz程度である場合には、カップリング素子を使用しなくても電圧定在波比を満足し得るので、カップリング素子は、必須のものではなく、必要に応じて設けられる構成要素である。すなわち、カップリング素子は、より低い周波数(850MHz以下)における電圧定在波比を向上させるために付加される構成要素である。
【００３４】
ほぼ垂直の接地部79、第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3、及びケーブルサポート70などは、それぞれの部分の反射板61の一辺を残して切り抜き、折り曲げることによって形成することができる。そのために、マルチバンドパッチアンテナの構成及び製作工程を簡素化することができるので、製造原価を低減する効果が得られる。
【００３５】
次に、スペーサ77は、誘電体等で作製され、ほぼ垂直の電流供給部64と反射板61との間の間隔を一定に維持させるために設けられるものである。
【００３６】
以上、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナについて説明した。次に、本発明に係る改良されたスケルトンスロット放射器65における三つの主要な技術について述べる。
【００３７】
一般に、スケルトンスロット放射器の基本的な構造は、その大きさが、横方向の幅Wが約1/2波長、縦方向の長さLが約1/4波長である（図７参照）。そして、放射は1/4波長部である両側の外周縁部で行なわれる。しかし、設計周波数(最も低い動作周波数)の2倍数以上になると、1/4波長部の長さ（水平距離）Wが1波長を超えることになり、水平面における放射パターンの歪み現象が現れる。
【００３８】
このような現象を防止するために、本発明に係るスケルトンスロット放射器65では、スケルトンスロット放射器65の両側の外周縁に、内側ループ（第１導電性ループ）66に接して、四角形（□形）の補助ループ（第２導電性ループ）67を設ける。この補助ループ67によって、電流がコの字形に分岐するようにする。そして、全体的に電流がスケルトンスロット放射器65の基本ループである内側ループ（第１導電性ループ）と補助ループ（第２導電性ループ）である外側のループ（□形）に分岐するようにして、低い周波数では、電流が外側の補助ループラインと内側のループラインに流れるようにし、高い周波数では、大部分の電流が内側のループに流れるようにする。これによって、２倍以上の高い周波数でも均一な放射パターンを維持することができるようになる。
【００３９】
さらに、広帯域のインピーダンス特性を得るために、スケルトンスロット放射器65の電流供給部を3つに分割し、電流の流れを分ける。この場合、電流供給部64の接続部から3つに分岐する各電流供給部間の幅を相違させて、效率的に電力を分配することができるようにする。それによって、動作周波数の帯域を拡張させ、全体的にインピーダンス特性を向上させるようにする。この場合、電流供給部64との接続部の電流供給ラインの幅を広くする。上記の例では、電流供給ラインを3つに分岐する場合を示したが、5つまたは7つなどのような複数に分岐させるようにしてもよい。
【００４０】
そして、本発明に係るスケルトンスロット放射器65は、スケルトンスロット形態であるが、全体的にスケルトンスロット放射器65のスロット幅を部位別に相違させるようにすると、効率的な放射が行なわれるとともに、インピーダンス特性が向上するようになる。特に、スケルトンスロット放射器65の角部を、複数段の曲がり角を含む経路形とし、かつその縦部と横部の幅が異なるようにすることが効果的である。
【００４１】
本発明に係る改良されたスケルトンスロット放射器の三つの主な技術について、図7ないし図12を参照し、さらに詳細に説明する。
【００４２】
図7は、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナの要部を構成するスケルトンスロット放射器の構造を示す平面図であり、図8は、図7に示した電流供給分配部82の拡大平面図である。また、図9は、図7に示した電流供給/接地接続部83の拡大平面図であり、図10は、図7に示した内側ループ66の角部84の拡大平面図である。
【００４３】
図7に示したように、スケルトンスロット放射器65の基本的な態様は、横方向の幅(図7においてW)が、最も低い共振周波数の1/2波長であり、縦方向の長さ(図7においてL)が、1/4波長である単一スロットである。本発明では、実際に電波が放射される両側の外周縁部に、各々補助ループ67を設けて電流が分岐して流れるようにする。
【００４４】
すなわち、本発明に係るスケルトンスロット放射器65では、スケルトンスロット放射器65の両側の外周縁部に各々四角形の補助ループ67を設けて、電流が分岐して□形部を流れるようにして、全体的に電流が内側ループ66と□形の補助ループ67に分岐するようにする。それによって、低い周波数では、電流が外側ループ66と内側ループ67を流れ、高い周波数では、大部分の電流が内側のループラインを流れるようにする。
【００４５】
そして、図7ないし図9に示したように、スケルトンスロット放射器65へ信号電流を供給する電流供給分配部82で、電流を3つに分岐させる。この場合、電流供給点102側の電流供給部64と接続する電流供給ライン101の幅を広くし、3つに分岐された、幅が相違する電流供給ライン91ないし93により電流を分配する。
【００４６】
例えば、動作周波数の中、低い周波数(850MHz)の波長を基準とする場合には、電流供給点側の電流供給部64と接続する電流供給ライン部a（図７参照）の幅は0.05λ〜0.07λとし、例えば0.057λとする。
【００４７】
また、電流供給ライン部aの両側に分岐した電流供給ライン部bの幅は、0.01λ〜0.02λの範囲とし、例えば0.0125λとする。そして、図7及び図10に示したように、全体的にスケルトンスロット放射器65のスロット幅を部位別に異なるようにするのがよい。特に、スケルトンスロット放射器65の角部84を、複数段の角形の屈曲部を含む経路部とし、その横部（横スロット）の幅111と、縦部（縦スロット）の幅112とが互いに異なるようにするのがよい。例えば、動作周波数の中低い周波数(850MHz)の波長を基準とする場合、上下スロットライン部cの幅は、0.03λ〜0.05λとし、例えば0.04λとする。そして、角部の屈曲部の中、上下側のスロットライン部分dの幅を0.01λ〜0.03λとし、例えば0.0156λとする。また、曲がり角を含む経路形部の中、左右側のスロットライン部eの幅を0.01λ〜0.03λとし、例えば0.0125λとする。
【００４８】
次に、一例として、上記のように改良されたスケルトンスロット放射器を、900MHzと1800MHzの２つの帯域に適用した場合の効果について具体的に説明する。
【００４９】
図11は、改良されたスケルトンスロット放射器を900MHzと1800MHzの２つの帯域に適用した場合の反射損失特性を示すグラフである。図１１に示されているように、２帯域共振と広帯域共振特性を有している。
【００５０】
また、図１２は、改良されたスケルトンスロット放射器の水平放射パターンを示す図である。図１２から、次の点が理解される。改良されたスケルトンスロット放射器を900MHzと1800MHzの２つの帯域に適用した場合の表面電流分布は、中央部の供給電流分配部82から3つに分岐させて電流を供給すると、両側に分岐された部分で構成された小さいループ部分では、中央部の電流供給部の電流と左・右部分に流れる電流の流れが撹乱される。また、四角形の補助ループ（第２導電性ループ）の分岐点及びループ（第１導電性ループ）の角部の影響により、900MHzの低い周波数では、外側と内側に電流が分配されるのに対し、1.8GHzの高い周波数では、内側に多くの電流が流れる。
【００５１】
これは基本的なスケルトンスロット放射器において示したものとは異なる形態であって、高い周波数では、内側のループに多くの電流が流れることによって、結果的に放射部分の水平間隔を1波長より小さくする効果が得られると共に、中央部と両側外周部の3個所では均一な電流分布を有する。したがって、2倍以上の周波数でも水平面における放射パターンを均一に維持できる。
【００５２】
表2は、改良されたスケルトンスロット放射器の周波数別の水平ビーム幅と利得の関係を示す特性表である。
【００５３】
【表２】
【００５４】
なお、本発明の技術的範囲は、上記の実施の形態に限られるものではない。本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様の変更、改良を行うことが可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。
【００５５】
【発明の効果】
上述したように、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナによれば、次世代移動通信の単一帯域やセルラ移動通信、さらには個人携帯通信及び次世代移動通信に至るマルチバンドのような広い周波数帯域で共振され、均一な放射特性を有するスケルトンスロット放射器が適用されているので、広帯域移動通信システムにおいてサービスの品質を高めることができるという優れた効果が得られる。
【００５６】
また、本発明係るマルチバンドパッチアンテナは、マルチバンド及び広帯域特性を有するので、一つのアンテナでマルチバンドのサービスを行うことができる。したがって、既存のセルラ移動通信または個人携帯通信アンテナが設置された基地局に、従来のアンテナに代えて、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナを設置ことだけでも、セルラ移動通信、個人携帯通信、または次世代移動通信のいずれをもサービスすることができる。そのために、設置されるアンテナの数を減らすことができるのみでなく、環境的な側面においても有利であり、既存の基地局の鉄塔及びケーブルなどをそのまま利用することによって、コスト低減も可能となる。
【００５７】
一方、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナは、スケルトンスロット放射器の両側の外周縁に四角形の補助ループを有し、低い周波数では、電流が補助ループと内側ループを流れ、高い周波数では、大部分の電流が内側のループを流れるようにして、二倍以上の高い周波数でも均一な放射パターンを維持することができるという特性を有する。
【００５８】
また、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナによれば、スケルトンスロット放射器の電流供給部を3つに分割して電流の流れを分け、各分岐ラインの幅を異なるようにして、效率的に電力を分配することによって、動作周波数の帯域を拡張させ、全体的にインピーダンス特性を向上させることができるという効果が得られる。
【００５９】
さらに、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナによれば、全体的にスケルトンスロット放射器のスロット幅を部位別に異なるようにして、効率的な放射が行われるよにして、インピーダンス特性が向上させる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の技術に係るダイポールアレイ指向性アンテナの構成を示す斜視図である。
【図２】 基本的なスケルトンスロット放射器の構成例を示す平面図である。
【図３】 基本的なスケルトンスロット放射器の反射損失特性を示すグラフである。
【図４】 基本的なスケルトンスロット放射器の水平放射パターンを示すグラフである。
【図５】 本発明のマルチバンドパッチアンテナの一実施の形態に係る構成を示す斜視図である。
【図６】 図5に示したマルチバンドパッチアンテナの組立態様を示す分解斜視図である。
【図７】 本発明のマルチバンドパッチアンテナの要部であるスケルトンスロット放射器の一実施の形態の係る構造を示す平面図である。
【図８】 図7における電流供給分配部を示す拡大平面図である。
【図９】 図7における電流供給/接地接続部を示す拡大平面図である。
【図１０】 図7における複数段の曲がり角を有する経路形部を示す拡大平面図である。
【図１１】 改良されたスケルトンスロット放射器を900MHzと1800MHzの２つの帯域に適用した場合の反射損失特性を示すグラフである。
【図１２】 改良されたスケルトンスロット放射器の水平放射パターンを示すグラフである。
【符号の説明】
11、61 反射板
12 チョーク反射器
13、63 電流供給ケーブル
14 分配器
15 ダイポール素子
62 コネクタ
64 電流供給部
65 スケルトンスロット放射器
66 内側ループ（第１導電性ループ）
67 外側ループ（補助ループ、第２導電性ループ）
70 ケーブルサポート
76-1 第1カップリング素子
76-2 第2カップリング素子
76-3 第3カップリング素子
77 スペーサ
78-1 第1短絡ピン
78-2 第2短絡ピン
78-3 第3短絡ピン
79 接地部
82 電流供給分配部
83 電流供給/接地接続部
84 複数段の角形の屈曲を含む経路部
W 放射器の横方向の幅
L 放射器の縦方向の長さ
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信システムの基地局で無線信号を送受信するために用いられるマルチバンドパッチアンテナ及びこのアンテナに用いられるスケルトンスロット放射器に関し、さらに詳細には、アンテナの諸特性に優れ、かつ広い帯域幅をカバーすることができるマルチバンドパッチアンテナ及びこのようなアンテナに適用するのに好適なスケルトンスロット放射器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術に係る移動通信基地局アンテナには、通常ダイポール構造の放射器が用いられており、その他にダイポール放射器の構造を一部変更したものも用いられていた。
【０００３】
図1は、従来の技術に係るダイポールアレイ指向性アンテナの構成を示す斜視図である。このアンテナは、65度の水平ビーム幅を実現するために、2個のダイポールを水平に配列し、その配列をさらに2段配置させた構造となっている。すなわち、従来のダイポールアレイ指向性アンテナは、導電性金属材からなるダイポール素子15が2段×2列に配列された構造を有している。
【０００４】
図1に示したように、従来のダイポールアレイ指向性アンテナは、水平面において65度のビーム幅を実現するために、反射板11上の所定の位置に2個のダイポール素子15を水平に配列し、その配列をさらに垂直に2段配置したものである。なお、電流供給ケーブル13から入力される信号の各ダイポール素子への電流供給は、分配器14を介して行なわれる。また、反射板11の両側に長さ方向に設けられた長いチョーク反射器12は、両側面への不要な放射を抑制することによって、アンテナのサイドローブを抑制する効果を持っている。
【０００５】
しかし、前記のような従来のダイポール素子15の場合には、ダイポール素子自体の帯域幅が10%以内という狭帯域である。そればかりでなく、指向性アンテナの形態の場合には、周波数に応じたビーム幅の変化が大きく、使用帯域幅以外の帯域では、電圧定在波比(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)特性が悪くなり、利得が低下するという短所がある。
【０００６】
ただし、一般に既存の移動通信サービスでは、周波数帯域が広帯域ではないので(韓国内でのセルラ移動電話の場合、帯域幅70MHzとして、70/859×100=8.15%、個人携帯通信の場合、帯域幅120MHzとして、120/1810×100=6.63%)、ダイポールアレイ指向性アンテナに、放射素子として既存のダイポール構造を適用しても十分に実用可能であった。しかし、今後サービスが開始される次世代移動通信や２つの帯域における、帯域幅比250/2045×100=12.23%に対応する1920〜2170MHzという周波数、個人用携帯通信サービスや次世代移動通信における帯域幅比420/1960×100=21.4%に対応する1750〜2170MHzという周波数は、広帯域である。一方、既存のダイポール素子自体は、カバーできる帯域幅に限界があるので、要求される所定の電圧定在波比、帯域内におけるビーム幅、利得等の特性を発揮することができないという問題点がある。
【０００７】
上述のように、既存の移動通信用アンテナの場合には、全て単一周波数帯域のみでサービスできるように設計されているので、セルラ移動通信、個人携帯通信及び次世代移動通信などのように、マルチ周波数帯域のサービスに適用するためには、多数のアンテナを設置しなければならないという短所がある。
【０００８】
また、近年、設置されるアンテナ自体が周辺環境にマッチしない構造物と考える傾向がある。このような社会的な理由やコスト低減などの理由により、他の会社間及びサービス業者間で基地局を共有する傾向が強くなってきている。このように、各々のサービス用に、該当する周波数帯域のアンテナを各々設置することは、コスト的な側面のみでなく、環境的な側面からも好ましくないために、マルチ周波数帯域で動作するアンテナの開発が要望されている。
【０００９】
上記の問題点を解決するために、マルチバンドアンテナの開発の一貫として、スケルトンスロット放射器に関する改良された構造が提案された。一般に、スケルトンスロット放射器は、平板状の導体の中央部に四角形のスロットを配置して、スロット部から電波が放射されるように構成されており、導体部の縁面を小さくしても、スロットアンテナとして動作するという点を利用したものである。このようなスケルトンスロット放射器は、Q値が低いために、より広い帯域幅を有し、一つの放射器のみでダイポール2個が配列されたものと同程度の性能を有する。そのために、このスケルトンスロット放射器には、大きさを小さくしても、広帯域、高利得のアンテナを実現することが容易であるという長所がある。以下に、このような基本的なスケルトンスロット放射器の構造及び特性を、図2及び図3を基に説明する。
【００１０】
図2は、基本的なスケルトンスロット放射器の構造の一例を示す平面図である。おおよその大きさは、低い周波数を基準にした場合、横方向（Ｘ軸）が1/2λ、縦方向（Ｙ軸）が1/4λである。図２に示した例は、一辺が約1/4λであるループ放射器で電流供給部の辺を共有する形態の場合である。
【００１１】
また、スケルトンスロット放射器における電流供給ラインには、ブロードサイドカップルドストリップラインが利用されており、一面は反射板に接地され、他の面はマイクロストリップラインに接続されている。
【００１２】
図3は、基本的なスケルトンスロット放射器の反射損失特性を示すグラフである。図３には、図2に示した構造において、反射板からスケルトンスロット放射器までの高さを70mm、33mmにした場合のそれぞれの反射損失特性が示されている。図３に示したように、スケルトンスロット放射器の高さが低い33mmの場合には、低周波帯で狭帯域（Ｓパラメータが大きい）になり、高周波帯で広帯域（Ｓパラメータが小さい）になる。一方、スケルトンスロット放射器の高さが高い70mmの場合には、低周波帯で広帯域になり、高周波帯では狭帯域となり反射損失特性が悪くなる。
【００１３】
基本的なスケルトンスロット放射器の表面電流分布は、ループ放射器の表面電流分布図とほぼ類似している。周波数が相対的に低い900MHzの場合には、電流分布は、左・右の側面に集中し、上・下面にはほとんど存在しない。一方、周波数が相対的に高い1800MHzの場合には、中央部分に電流が集中するのに対し、左・右側面における電流分布はわずかであり電流の向きが上・下で逆になる。
【００１４】
図4は、基本的なスケルトンスロット放射器における水平放射パターンを示すグラフである。図４に示すパターンは、水平放射パターン、すなわちＸ−Ｚ平面における放射パターンである。また、次の表1に、基本的なスケルトンスロット放射器の周波数別に、水平ビーム幅と利得に関する特性値を示す。
【００１５】
【表１】
このように、基本的なスケルトンスロット放射器は、900MHz(0.9GHz)帯域では水平ビーム幅が70度±5度以内に維持される。一方、1.8GHz帯域では、電流分布が不規則になり、周波数に応じたパターン変化も不規則になるという短所がある。
【００１７】
すなわち、基本的なスケルトンスロット放射器には、800MHzから1.7GHzまでは水平ビーム幅が全体的に狭く、1.8GHzから急にビーム幅が広くなるという短所がある。
【００１８】
また、基本的なスケルトンスロット放射器は、反射損失特性も、高い周波数帯域では不十分であるので、特性改良のために構造の改良が必要である。
【００１９】
このように、広帯域の特性を満足させるために、広帯域特性を有するスケルトンスロットタイプの放射器が提案され開発されてきた。しかし、このような基本的なスケルトンスロット放射器の場合には、50%((使用周波数帯域幅/中心周波数)×100%)以上の帯域では、インピーダンス特性が悪化して放射パターンが急激に変わるので、この問題を解決するために、カバーできる帯域幅を拡大することができる技術の確立が要求されている。
【００２０】
現在サービスされている移動通信用周波数は、800〜960MHz帯域と1700〜1900MHz帯域が大半である。一方、今後サービスが開始される次世代移動通信用周波数では1920〜2170MHz帯域であり、低い帯域と高い帯域とで2倍以上の周波数差がある。したがって、前記のような基本的なスケルトンスロット放射器をアンテナに適用しても、高い周波数における放射パターンを満足することができないという問題を依然として解決することができない。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の点を解決するためになされたものであり、マルチ周波数帯域において安定でかつ均一な特性を有するマルチバンドパッチアンテナを提供することを目的としている。
【００２２】
また、本発明は、インピーダンス特性に優れ、放射パターンを均一に維持することが可能な、マルチバンドパッチアンテナに適用されるスケルトンスロット放射器を提供することを別の目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナは、電波を放射するための平板状のスケルトンスロット放射手段と、該スケルトンスロット放射手段に信号電流を伝送するための電流供給手段と、前記スケルトンスロット放射手段からの後方放射波を反射させるための反射手段とを含み、前記スケルトンスロット放射手段が、前記電流供給手段に接続された電流供給点と、該電流供給点を中心とする対称形の形状をした第1導電性ループと、該第1導電性ループの両側の外周部に対称に形成され、前記第 1 導電性ループと一辺を共有する四角形の第2導電性ループと、前記電流供給点に接続された第１電流供給ライン、該第 1 電流供給ラインに接続され、その両側に分岐した第 2 及び第 3 電流供給ラインで形成され、前記電流供給点に供給された電流を、前記第 1 導電性ループに分配する電流供給分配部とを備え、前記反射手段の中心部には、前記電流供給手段としての垂直の電流供給部及び前記スケルトンスロット放射手段を接地する垂直の接地部が形成され、前記垂直の電流供給部を中心とする対称位置であり、前記第 2 導電性ループ部に位置し、前記反射手段との間を接続する複数の短絡ピンを備えていることを特徴としている。
【００２４】
また、上記の目的を達成するため、本発明に係るスケルトンスロット放射器は、該スケルトンスロット放射器の中央部に形成された電流供給点と、該電流供給点を中心とする対称形の形状をした第1導電性ループと、該第1導電性ループの両側の外周部に対称に形成され、前記第 1 導電性ループと一辺を共有する四角形の第2導電性ループと、前記電流供給点に接続された第 1 電流供給ライン、該第 1 電流供給ラインに接続され、その両側に分岐した第 2 及び第 3 電流供給ラインで形成され、前記電流供給点に供給された電流を、前記第 1 導電性ループ部に分配する電流供給分配部とを備え、前記電流供給点を中心とする前記第2導電性ループにおける対称位置であり、前記第 2 導電性ループ部に複数の短絡ピン用接続部を備えていることを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図5は、本発明マルチバンドパッチアンテナの一実施の形態に係る構成を示す斜視図である。また、図6は、図5の組立態様の一例を示す分解斜視図である。一般にアンテナは、送信時と受信時に同様の動作をするので、以下においては送信時のみについて説明する。
【００２６】
図5に示したように、外部装置からコネクタ62に入力された信号は、電流供給ケーブル63、中央部に位置するほぼ垂直の電流供給部64を介してスケルトンスロット放射器65に印加される。本発明に係るスケルトンスロット放射器65の構造及び動作について、図6ないし図12を参照し以下に詳細に説明する。
【００２７】
図6に示した組立態様から明らかなように、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナは、大きなスケルトンスロット放射器65と反射板61とを備えている。スケルトンスロット放射器65には、中央部に電流供給点(電流供給/接地接続部)が形成されており、この電流供給点を中心として対称形の内側ループ（第１導電性ループ）66と複数個のスロットが形成されている。また、反射板61は、下部の片側に外部装置との接続用のコネクタ62を具備している。このコネクタ62に入力された信号電流は、電流供給ケーブル63を経由して反射板61の中心部に設けられたほぼ垂直の電流供給部64とほぼ垂直の接地部79とにより、スケルトンスロット放射器65に供給される。この場合、電流供給部64は、電流供給ケーブル63の内部導体と接続されており、内部導体を介して伝達された信号により、スケルトンスロット放射器65にエネルギー（信号電流）を供給する働きをする。また、接地部79は、電流供給ケーブル63の外部導体と接続されており、スケルトンスロット放射器65を接地させる役割をする。
【００２８】
そして、反射板61は、後方への電波を反射させる本来の機能以外に、マルチバンドパッチアンテナの構造を簡素化し、製作を容易にする効果を有する。その効果を得るために、その他に複数の構成要素を具備する。まず、前述のように、スケルトンスロット放射器65への電流供給用に、反射板61の中心部に電流供給部64と接地部79が設けられている。また、第 1 、第 2 、第 3 短絡ピン 78-1 、 78-2 、 78-3 が、スケルトンスロット放射器65を支持するとともに、放射器65の電流が最大になる位置で接地されて電流分布を安定化させている。
【００２９】
さらに、高い周波数帯域における放射パターンを均一に維持するために、上記第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3は、電流供給部64の両側に左右対称に配置されている。この場合、第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3を用いることにより、インピーダンス及び放射パターンの細かなチューニングが可能である。
【００３０】
これと共に、電流供給部64を挟んで、コネクタ62の反対側には、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3が設けられている。なお、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3と、スケルトンスロット放射器65との間には所定の間隔が設けられている。第1及び第3カップリング素子76-1、76-3は、低い周波数帯域(例えば:850MHz以下)でインピーダンス特性を向上させ、第2カップリング素子76-2は、全周波数帯域でインピーダンス特性を向上させる作用を持っている。
【００３１】
図6に示されている第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3と、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3の動作は、次の通りである。第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3と、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3は、各々所定の位置における反射板61のそれぞれの該当個所を切り抜いて、折り曲げて形成したものである。そして、第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3は、各々補助ループ（第２導電性ループ）67と接続されている。これらの3個の短絡ピンを利用して、放射パターンとインピーダンスの細かな調整を行うことができる。なお、第1、第3短絡ピン78-1、78-3は、高い周波数帯域(例えば:1.9GHz以上)における放射パターンを均一に維持するためのものであり、第2短絡ピン78-2は、高い周波数帯域(例えば:1.7GHz以上)におけるインピーダンス特性を向上させ、放射パターンを一定に維持させる作用を持つものである。
【００３２】
また、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3は、スケルトンスロット放射器65と所定の間隔を維持して配置されている。これらのカップリング素子のうち、第1及び第3カップリング素子76-1、76-3は、いずれもスケルトンスロット放射器65の外周部の外側に位置し、850MHz以下の低い周波数帯域でインピーダンス特性を向上させる作用を有するものである。一方、第2カップリング素子76-2は、スケルトンスロット放射器65の中間部、すなわち、第1カップリング素子76-1と第3カップリング素子76-3の中間部で、スケルトンスロット放射器65の下側に位置し、中間部に沿って電流供給点側に長い形状をしており、全体的なインピーダンス特性を向上させる作用を有するものである。
【００３３】
したがって、低い周波数帯域が850MHz程度である場合には、カップリング素子を使用しなくても電圧定在波比を満足し得るので、カップリング素子は、必須のものではなく、必要に応じて設けられる構成要素である。すなわち、カップリング素子は、より低い周波数(850MHz以下)における電圧定在波比を向上させるために付加される構成要素である。
【００３４】
ほぼ垂直の接地部79、第1、第2、第3短絡ピン78-1、78-2、78-3、第1、第2、第3カップリング素子76-1、76-2、76-3、及びケーブルサポート70などは、それぞれの部分の反射板61の一辺を残して切り抜き、折り曲げることによって形成することができる。そのために、マルチバンドパッチアンテナの構成及び製作工程を簡素化することができるので、製造原価を低減する効果が得られる。
【００３５】
次に、スペーサ77は、誘電体等で作製され、ほぼ垂直の電流供給部64と反射板61との間の間隔を一定に維持させるために設けられるものである。
【００３６】
以上、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナについて説明した。次に、本発明に係る改良されたスケルトンスロット放射器65における三つの主要な技術について述べる。
【００３７】
一般に、スケルトンスロット放射器の基本的な構造は、その大きさが、横方向の幅Wが約1/2波長、縦方向の長さLが約1/4波長である（図７参照）。そして、放射は1/4波長部である両側の外周縁部で行なわれる。しかし、設計周波数(最も低い動作周波数)の2倍数以上になると、1/4波長部の長さ（水平距離）Wが1波長を超えることになり、水平面における放射パターンの歪み現象が現れる。
【００３８】
このような現象を防止するために、本発明に係るスケルトンスロット放射器65では、スケルトンスロット放射器65の両側の外周縁に、内側ループ（第１導電性ループ）66に接して、四角形（□形）の補助ループ（第２導電性ループ）67を設ける。この補助ループ67によって、電流がコの字形に分岐するようにする。そして、全体的に電流がスケルトンスロット放射器65の基本ループである内側ループ（第１導電性ループ）と補助ループ（第２導電性ループ）である外側のループ（□形）に分岐するようにして、低い周波数では、電流が外側の補助ループラインと内側のループラインに流れるようにし、高い周波数では、大部分の電流が内側のループに流れるようにする。これによって、２倍以上の高い周波数でも均一な放射パターンを維持することができるようになる。
【００３９】
さらに、広帯域のインピーダンス特性を得るために、スケルトンスロット放射器65の電流供給部を3つに分割し、電流の流れを分ける。この場合、電流供給部64の接続部から3つに分岐する各電流供給部間の幅を相違させて、效率的に電力を分配することができるようにする。それによって、動作周波数の帯域を拡張させ、全体的にインピーダンス特性を向上させるようにする。この場合、電流供給部64との接続部の電流供給ラインの幅を広くする。上記の例では、電流供給ラインを3つに分岐する場合を示したが、5つまたは7つなどのような複数に分岐させるようにしてもよい。
【００４０】
そして、本発明に係るスケルトンスロット放射器65は、スケルトンスロット形態であるが、全体的にスケルトンスロット放射器65のスロット幅を部位別に相違させるようにすると、効率的な放射が行なわれるとともに、インピーダンス特性が向上するようになる。特に、スケルトンスロット放射器65の角部を、複数段の曲がり角を含む経路形とし、かつその縦部と横部の幅が異なるようにすることが効果的である。
【００４１】
本発明に係る改良されたスケルトンスロット放射器の三つの主な技術について、図7ないし図12を参照し、さらに詳細に説明する。
【００４２】
図7は、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナの要部を構成するスケルトンスロット放射器の構造を示す平面図であり、図8は、図7に示した電流供給分配部82の拡大平面図である。また、図9は、図7に示した電流供給/接地接続部83の拡大平面図であり、図10は、図7に示した内側ループ66の角部84の拡大平面図である。
【００４３】
図7に示したように、スケルトンスロット放射器65の基本的な態様は、横方向の幅(図7においてW)が、最も低い共振周波数の1/2波長であり、縦方向の長さ(図7においてL)が、1/4波長である単一スロットである。本発明では、実際に電波が放射される両側の外周縁部に、各々補助ループ67を設けて電流が分岐して流れるようにする。
【００４４】
すなわち、本発明に係るスケルトンスロット放射器65では、スケルトンスロット放射器65の両側の外周縁部に各々四角形の補助ループ67を設けて、電流が分岐して□形部を流れるようにして、全体的に電流が内側ループ66と□形の補助ループ67に分岐するようにする。それによって、低い周波数では、電流が外側ループ66と内側ループ67を流れ、高い周波数では、大部分の電流が内側のループラインを流れるようにする。
【００４５】
そして、図7ないし図9に示したように、スケルトンスロット放射器65へ信号電流を供給する電流供給分配部82で、電流を3つに分岐させる。この場合、電流供給点102側の電流供給部64と接続する電流供給ライン101の幅を広くし、3つに分岐された、幅が相違する電流供給ライン91ないし93により電流を分配する。
【００４６】
例えば、動作周波数の中、低い周波数(850MHz)の波長を基準とする場合には、電流供給点側の電流供給部64と接続する電流供給ライン部a（図７参照）の幅は0.05λ〜0.07λとし、例えば0.057λとする。
【００４７】
また、電流供給ライン部aの両側に分岐した電流供給ライン部bの幅は、0.01λ〜0.02λの範囲とし、例えば0.0125λとする。そして、図7及び図10に示したように、全体的にスケルトンスロット放射器65のスロット幅を部位別に異なるようにするのがよい。特に、スケルトンスロット放射器65の角部84を、複数段の角形の屈曲部を含む経路部とし、その横部（横スロット）の幅111と、縦部（縦スロット）の幅112とが互いに異なるようにするのがよい。例えば、動作周波数の中低い周波数(850MHz)の波長を基準とする場合、上下スロットライン部cの幅は、0.03λ〜0.05λとし、例えば0.04λとする。そして、角部の屈曲部の中、上下側のスロットライン部分dの幅を0.01λ〜0.03λとし、例えば0.0156λとする。また、曲がり角を含む経路形部の中、左右側のスロットライン部eの幅を0.01λ〜0.03λとし、例えば0.0125λとする。
【００４８】
次に、一例として、上記のように改良されたスケルトンスロット放射器を、900MHzと1800MHzの２つの帯域に適用した場合の効果について具体的に説明する。
【００４９】
図11は、改良されたスケルトンスロット放射器を900MHzと1800MHzの２つの帯域に適用した場合の反射損失特性を示すグラフである。図１１に示されているように、２帯域共振と広帯域共振特性を有している。
【００５０】
また、図１２は、改良されたスケルトンスロット放射器の水平放射パターンを示す図である。図１２から、次の点が理解される。改良されたスケルトンスロット放射器を900MHzと1800MHzの２つの帯域に適用した場合の表面電流分布は、中央部の供給電流分配部82から3つに分岐させて電流を供給すると、両側に分岐された部分で構成された小さいループ部分では、中央部の電流供給部の電流と左・右部分に流れる電流の流れが撹乱される。また、四角形の補助ループ（第２導電性ループ）の分岐点及びループ（第１導電性ループ）の角部の影響により、900MHzの低い周波数では、外側と内側に電流が分配されるのに対し、1.8GHzの高い周波数では、内側に多くの電流が流れる。
【００５１】
これは基本的なスケルトンスロット放射器において示したものとは異なる形態であって、高い周波数では、内側のループに多くの電流が流れることによって、結果的に放射部分の水平間隔を1波長より小さくする効果が得られると共に、中央部と両側外周部の3個所では均一な電流分布を有する。したがって、2倍以上の周波数でも水平面における放射パターンを均一に維持できる。
【００５２】
表2は、改良されたスケルトンスロット放射器の周波数別の水平ビーム幅と利得の関係を示す特性表である。
【００５３】
【表２】
なお、本発明の技術的範囲は、上記の実施の形態に限られるものではない。本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様の変更、改良を行うことが可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。
【００５５】
【発明の効果】
上述したように、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナによれば、次世代移動通信の単一帯域やセルラ移動通信、さらには個人携帯通信及び次世代移動通信に至るマルチバンドのような広い周波数帯域で共振され、均一な放射特性を有するスケルトンスロット放射器が適用されているので、広帯域移動通信システムにおいてサービスの品質を高めることができるという優れた効果が得られる。
【００５６】
また、本発明係るマルチバンドパッチアンテナは、マルチバンド及び広帯域特性を有するので、一つのアンテナでマルチバンドのサービスを行うことができる。したがって、既存のセルラ移動通信または個人携帯通信アンテナが設置された基地局に、従来のアンテナに代えて、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナを設置ことだけでも、セルラ移動通信、個人携帯通信、または次世代移動通信のいずれをもサービスすることができる。そのために、設置されるアンテナの数を減らすことができるのみでなく、環境的な側面においても有利であり、既存の基地局の鉄塔及びケーブルなどをそのまま利用することによって、コスト低減も可能となる。
【００５７】
一方、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナは、スケルトンスロット放射器の両側の外周縁に四角形の補助ループを有し、低い周波数では、電流が補助ループと内側ループを流れ、高い周波数では、大部分の電流が内側のループを流れるようにして、二倍以上の高い周波数でも均一な放射パターンを維持することができるという特性を有する。
【００５８】
また、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナによれば、スケルトンスロット放射器の電流供給部を3つに分割して電流の流れを分け、各分岐ラインの幅を異なるようにして、效率的に電力を分配することによって、動作周波数の帯域を拡張させ、全体的にインピーダンス特性を向上させることができるという効果が得られる。
【００５９】
さらに、本発明に係るマルチバンドパッチアンテナによれば、全体的にスケルトンスロット放射器のスロット幅を部位別に異なるようにして、効率的な放射が行われるよにして、インピーダンス特性が向上させる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の技術に係るダイポールアレイ指向性アンテナの構成を示す斜視図である。
【図２】 基本的なスケルトンスロット放射器の構成例を示す平面図である。
【図３】 基本的なスケルトンスロット放射器の反射損失特性を示すグラフである。
【図４】 基本的なスケルトンスロット放射器の水平放射パターンを示すグラフである。
【図５】 本発明のマルチバンドパッチアンテナの一実施の形態に係る構成を示す斜視図である。
【図６】 図5に示したマルチバンドパッチアンテナの組立態様を示す分解斜視図である。
【図７】 本発明のマルチバンドパッチアンテナの要部であるスケルトンスロット放射器の一実施の形態の係る構造を示す平面図である。
【図８】 図7における電流供給分配部を示す拡大平面図である。
【図９】 図7における電流供給/接地接続部を示す拡大平面図である。
【図１０】 図7における複数段の曲がり角を有する経路形部を示す拡大平面図である。
【図１１】 改良されたスケルトンスロット放射器を900MHzと1800MHzの２つの帯域に適用した場合の反射損失特性を示すグラフである。
【図１２】 改良されたスケルトンスロット放射器の水平放射パターンを示すグラフである。
【符号の説明】
11、61 反射板
12 チョーク反射器
13、63 電流供給ケーブル
14 分配器
15 ダイポール素子
62 コネクタ
64 電流供給部
65 スケルトンスロット放射器
66 内側ループ（第１導電性ループ）
67 外側ループ（補助ループ、第２導電性ループ）
70 ケーブルサポート
76-1 第1カップリング素子
76-2 第2カップリング素子
76-3 第3カップリング素子
77 スペーサ
78-1 第1短絡ピン
78-2 第2短絡ピン
78-3 第3短絡ピン
79 接地部
82 電流供給分配部
83 電流供給/接地接続部
84 複数段の角形の屈曲を含む経路部
W 放射器の横方向の幅
L 放射器の縦方向の長さ
Claims (12)
- 電波を放射するための平板状のスケルトンスロット放射手段と、
該スケルトンスロット放射手段に信号電流を伝送するための電流供給手段と、
前記スケルトンスロット放射手段からの後方放射波を反射させるための反射手段とを含み、
前記スケルトンスロット放射手段が、
前記電流供給手段に接続された電流供給点と、
該電流供給点を中心とする対称形の形状をした第1導電性ループと、
該第1導電性ループの両側の外周部に対称に形成され、前記第 1 導電性ループと一辺を共有する四角形の第2導電性ループと、
前記電流供給点に接続された第１電流供給ライン、該第 1 電流供給ラインに接続され、その両側に分岐した第 2 及び第 3 電流供給ラインで形成され、前記電流供給点に供給された電流を、前記第 1 導電性ループに分配する電流供給分配部とを備え、
前記反射手段の中心部には、前記電流供給手段としての垂直の電流供給部及び前記スケルトンスロット放射手段を接地する垂直の接地部が形成され、
前記垂直の電流供給部を中心とする対称位置であり、前記第 2 導電性ループ部に位置し、前記反射手段との間を接続する複数の短絡ピンを備えていることを特徴とするマルチバンドパッチアンテナ。 - さらに、
前記信号を受信するためのコネクタと、
該コネクタから前記電流供給手段に前記信号を伝送するための電流供給ケーブルとを備えていることを特徴とする請求項1に記載のマルチバンドパッチアンテナ。 - 前記第1、第2及び第3導電性ラインの幅が、各々異なることを特徴とする請求項1 又は 2に記載のマルチバンドパッチアンテナ。
- 前記第1導電性ループの形状が四角形で、該第1導電性ループの角部が複数段の角形の屈曲を含む経路部を備え、該経路部の縦部と横部の幅が異なることを特徴とする請求項1に記載のマルチバンドパッチアンテナ。
- 前記第2導電性ループが、一辺を第1導電性ループと共有する四角形であることを特徴とする請求項1に記載のマルチバンドパッチアンテナ。
- 前記第1及び第2導電性ループの各辺の幅が、各々異なることを特徴とする請求項1に記載のマルチバンドパッチアンテナ。
- 前記反射手段上に形成されたカップリング手段をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載のマルチバンドパッチアンテナ。
- 前記カップリング手段が、
前記スケルトンスロット放射手段の外周部の一辺に近接して設けられた第1及び第3カップリング素子と、
前記スケルトンスロット放射手段の外周部の下部で、前記第1カップリング素子と前記第3カップリング素子との間に設けられた第2カップリング素子とを含むことを特徴とする請求項7に記載のマルチバンドパッチアンテナ。 - 前記接地部及び短絡手段が、前記反射手段に一辺を残して切り抜かれ、折り曲げられることにより形成されていることを特徴とする請求項1に記載のマルチバンドパッチアンテナ。
- マルチバンドを有する電波を放射するための平板状のスケルトンスロット放射器において、
該スケルトンスロット放射器の中央部に形成された電流供給点と、
該電流供給点を中心とする対称形の形状をした第1導電性ループと、
該第1導電性ループの両側の外周部に対称に形成され、前記第 1 導電性ループと一辺を共有する四角形の第2導電性ループと、
前記電流供給点に接続された第 1 電流供給ライン、該第 1 電流供給ラインに接続され、その両側に分岐した第 2 及び第 3 電流供給ラインで形成され、前記電流供給点に供給された電流を、前記第 1 導電性ループ部に分配する電流供給分配部とを備え、
前記電流供給点を中心とする前記第2導電性ループにおける対称位置であり、前記第 2 導電性ループ部に複数の短絡ピン用接続部を備えていることを特徴とするスケルトンスロット放射器。 - 前記第1導電性ループの形状が四角形で、前記第1導電性ループの角部が複数段の角形の屈曲を含む経路部を備え、該経路部の縦部と横部の幅が異なることを特徴とする請求項10に記載のスケルトンスロット放射器。
- 前記第1導電性ループ及び第2導電性ループの幅が、各々異なることを特徴とする請求項10 又は 11に記載のスケルトンスロット放射器。
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