JP4297309B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロストリップアンテナを放射素子としたアンテナ装置であって、放射ビームの幅をその仕様に合わせて広範囲に可変設定することができ、例えば移動体通信における基地局用のアンテナとして好適な簡易な構成のアンテナ装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
マイクロストリップアンテナを放射素子としたアンテナ装置は、地導体板上に誘電体層を介して該地導体板と平行にマイクロストリップアンテナを形成した構造を有する。この種のアンテナ装置によれば、地導体板の幅（長さ）を広くすることにより、マイクロストリップアンテナ（放射素子）からの放射ビームの幅を狭くすること、換言すればそのビーム幅を絞り込むことができる。尚、上記放射ビームの幅は、その最大放射方向からその電波強度から３ｄＢ低下した方向までの角度として定義される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した如く地導体板の幅を変えることによって可変し得る放射ビームの幅は、概略６０°〜７５°程度である。しかもビーム幅を狭めるべく地導体板の幅を広げると、これに伴ってアンテナ装置全体の形状が大型化することが否めない。逆に放射ビームの幅を広げるべく地導体板の幅を狭めると、放射特性の前後比（フロント・バック特性）が劣化すると言う問題が生じる。
【０００４】
この点、ダイポールアンテナ等を放射素子として用いたアンテナ装置においては、その放射素子の後にリフレクタを配置することでその放射ビームの幅を制御している。しかしリフレクタによってビーム幅を絞ることはできるが、逆にリフレクタを用いない場合に比較して、そのビーム幅を広げることはできないと言う問題がある。またこの種のアンテナ装置においては、マイクロストリップアンテナが有する特徴、即ち、構成が簡単でコンパクトであり、安価で製作が容易、しかも軽量で半導体回路との同時集積化が容易である等の利点を活かすことができないと言う問題がある。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、マイクロストリップアンテナを放射素子としたアンテナ装置であって、放射ビームの幅をその使用に応じて広範囲に可変設定することができ、また放射ビームの最大放射方向も変位することができ、例えば移動体通信における基地局用のアンテナとして好適な簡易な構成のアンテナ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係るアンテナ装置は、地導体板上に第１の誘電体層を介して該地導体板と平行に設けられたマイクロストリップアンテナからなる放射素子、およびこの放射素子の上に第２の誘電体層を介して該放射素子と平行に設けられた導体板からなる無給電素子を備えた複数のアンテナ・ユニットを、第４の誘電体層を介して上下に積み重ねて配置してなり、
最下部に位置付けられるアンテナ・ユニットの前記地導体板の下に第３の誘電体層を介して該地導体板と平行に補助導体板を設け、更にこの補助導体板の両側部に該補助導体板と導通させて前記アンテナ・ユニットの放射素子の面に対して所定の角度をなしてリフレクタを設けたことを特徴としている。
【００１０】
より具体的には前記リフレクタは、前記放射素子からの放射ビームの幅をその仕様に応じて決定するべく、その長さＬと前記放射素子の面に対してなす角度θとが決定される（請求項２）。また前記リフレクタの前記放射素子の面に対してなす角度θは、左右独立に非対称に設定されて前記放射素子からの放射ビームの最大放射方向が決定される（請求項３）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るマイクロストリップアンテナを放射素子として用いたアンテナ装置について説明する。
図１は本発明の第１の参考形態に係るアンテナ装置の概略構成を示すもので、(ａ)はその分解斜視図、(ｂ)はその断面構造を模式的に示す図である。図において１は、マイクロストリップアンテナからなる放射素子であって、この放射素子１は平面状の地導体板２上に第１の誘電体層３を介して該地導体板２と平行に設けらている。また上記放射素子１の上には、第２の誘電体層４を介して該放射素子１と平行に導体板からなる無給電素子５が設けられている。この無給電素子５は、前記放射素子１よりも大きな面積を有するもので、主として前記放射素子１から放射される電波の帯域を広げる役割を担う。ちなみに上記第１の誘電体層３は、所定の誘電率を備えた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ；Fiber Reinforced Plastics）やＰＰＥ（Poly Phenyl Ether）等からなる。また第２の誘電体層４は、例えば空気層として実現されるが、ＦＲＰを用いて実現することも勿論可能である。
【００１２】
この参考形態に係るアンテナ装置は、上述した如く地導体板２上に第１の誘電体層３を介して設けられたマイクロストリップアンテナからなる放射素子１と、この放射素子１よりも大きな導体板からなり該放射素子１上に第２の誘電体層４を介して設けられた無給電素子５とによりアンテナとしての基本単位をなすアンテナ・ユニットを構成して実現される。そして放射素子１に対して、例えば地導体板２の裏面側から同軸ケーブル６を介して給電して、該放射素子１から無給電素子５側の方向に向けて１.５ＧＨz帯の電波を放射するものとなっている。
【００１３】
さてこの第１の参考形態に係るアンテナ装置が特徴とするところは、基本的には上述したアンテナ・ユニットを備えて構成されるアンテナ装置において、特に前記地導体板２の両側部に該地導体２と電気的に導通するリフレクタ７を、前記放射素子１の放射面に対して所定の角度θをなして設けた点にある。このリフレクタ７は、例えば地導体板２の幅をその両側に延長させ、その両端部からそれぞれ長さＬの端部領域を、放射素子１の面に対して角度θをなすように折り曲げることによって実現される。この角度θはアンテナ装置の仕様に応じて、特に要求されるビーム幅に応じて、＋９０゜〜−９０°の範囲に設定される。
【００１４】
かくしてこのようなリフレクタ７を備えたアンテナ装置によれば、該リフレクタ７のパラメータ（長さＬと角度θ）を調整することで、後述するように該アンテナ装置から放射されるビームの幅を絞り込むことができることのみならず、該リフレクタ７を備えていない場合よりも広げることが可能となり、要求される仕様に応じたビーム幅で電波を放射し得るアンテナ装置を実現することが可能となる。しかも放射素子１としてマイクロストリップアンテナを用いているので、該マイクロストリップアンテナが備える特徴を十分に活かして、軽量でコンパクトなアンテナ装置を実現することが可能となる。
【００１５】
図２は上述した如く構成されたアンテナ装置において、リフレクタ７の長さＬを異ならせ、またその角度θをとを異ならせたときのビーム幅の変化を示す実験結果を示している。尚、実験に用いたアンテナ装置は、放射素子１が５６ｍｍ×５６ｍｍの大きさの周波数１５.ＧＨzの電波を放射するマイクロストリップアンテナからなり、無給電素子５は７４ｍｍ×７４ｍｍの大きさの導体板からなる。またＦＲＰからなる第１の誘電体層３の厚みｄ１は１.５ｍｍであり、また空気層からなる第２の誘電体層４の厚みｄ２は１２ｍｍである。そしてリフレクタ７については、その長さＬが０ｍｍ（リフレクタなし）,３０ｍｍ,６０ｍｍのものを準備してその実験を行った。但し、角度θの(＋)成分は、地導体板２からリフレクタ７を放射素子１側に向けて折り曲げたときの角度を示しており、(−)成分は逆側にリフレクタ７を折り曲げたときの角度を示している。
【００１６】
この図２に示す実験結果から明らかなように、リフレクタ７がない場合（０ｍｍ）には、そのビーム幅は略６７°であるが、リフレクタ７を設けた場合（３０ｍｍ,６０ｍｍ）には、そのビーム幅は略５８°と大きく絞り込まれる。そして長さ３０ｍｍのリフレクタ７を(＋)方向に折り曲げた場合、リフレクタ７を備えない場合のビーム幅までには至らないが、そのビーム角が徐々に広くなることが確認された。またリフレクタ７を(−)方向に折り曲げた場合にも、そのビーム幅が広くなることが確認された。
【００１７】
また長さ６０ｍｍのリフレクタ７の場合には、該リフレクタ７を＋３０°に折り曲げたとき、そのビーム幅が略５０°と最も狭くなり、その折り曲げ角度を大きくするに従って角度６０°でビーム幅が略５５°、更に折り曲げ角度９０°でビーム幅が略６５°となることが確認された。またこのリフレクタ７を逆向きに折り曲げた場合、−４５°でそのビーム幅が略６８°と大きくなり、更に折り曲げ角を−９０°とした場合にはビーム幅が略７０°と大きくなり、リフレクタ７を備えない場合よりも広がることが確認された。
【００１８】
この実験結果から、地導体板２の両側部に或る長さＬのリフレクタ７を設け、このリフレクタ７の放射素子１の面に対する角度θを可変することにより、そのビーム幅を略５５°から７０°の範囲で広範囲に可変し得ることが確認できた。しかもリフレクタ７を備えていない従来のアンテナ・ユニットにおけるビーム幅よりも、リフレクタ７を(−)方向に折り曲げることでそのビーム幅を広げ得ることも確認できた。また図２には示さないがリフレクタ７の長さＬを長くする程、その角度θによるビーム幅の変化が大きくなることも確認された。
【００１９】
ところで上記リフレクタ７については、例えば図３に示すように地導体板２から離して設けることも可能である。この図３は本発明の第２の参考形態に係るアンテナ装置を示すもので、(ａ)はその分解斜視図、(ｂ)はその断面構造を模式的に示している。即ち、この第２の参考形態は、地導体板２の裏面側に第３の誘電体層８を介して該地導体板２と平行に補助導体板９を設け、この補助導体板９の両側部に該補助導体板９と導通させて前記放射素子１の面に対して所定の角度θをなしてリフレクタ７を設けて構成される。尚、上記補助導体板９は、例えば奉仕や素子１に給電する同軸ケーブル６の外被導体（シールド）を介して前記地導体板２と電気的に導通される。また第３の誘電体層８を空気層として実現することも勿論可能である。
【００２０】
図４は、このようにしてリフレクタ７を地導体板２から離して設けた場合のリフレクタ７の長さＬと、その折り曲げ角度θとを変化させた場合のビーム幅の変化特性を示している。尚、アンテナ・ユニットとしては第１の参考形態に示す実験に用いたものと同じものを用いた。またこのときの空気層（第３の誘電体層）を介する地導体板２と補助導体板９との距離ｄ３は２２ｍｍとした。
【００２１】
この図４に示されるように、リフレクタ７を地導体板２から離して設けると共に該リフレクタ７を折り曲げない場合（０°）には、先の参考形態のようにリフレクタ７を地導体板２に設けた場合に比較して、リフレクタ７の長さが３０ｍｍの場合にはビーム幅が略７７°、リフレクタ７の長さが６０ｍｍの場合には略９０°と拡がる。しかしリフレクタ７を(＋)方向に折り曲げることによって、そのビーム幅が大幅に狭められ、また(−)方向に折り曲げることによってそのビーム幅が狭められる。そして長さ３０ｍｍのリフレクタ７においてはそのビーム幅を水平状態（０°）において略７８°、６０°に折り曲げたときに５８°と広範囲に可変することができる。同様に長さ６０ｍｍのリフレクタ７を用いた場合には、リフレクタ７を水平状態（０°）にしたときにビーム幅を略９０°と大きく設定し、６０°に折り曲げたときには略５４°と大きく絞り込むことができる。広範囲に可変することができることが示される。
【００２２】
従ってこの実験結果から、リフレクタ７の長さＬとその角度θとを調整することによって、放射素子１から放射される電波のビーム幅を、９０°〜５４°の範囲において広く可変設定し得ることが分かる。
また図５は長さ３０ｍｍのリフレクタ７と地導体板２との距離を変えながら、その角度θを変化させたときのビーム幅の変化を等高線で３次元的に表した実験結果を示している。この実験データに示されるように、リフレクタ７と地導体板２との距離を変えながらその角度θを変化させることによって、放射ビームの幅を５０°〜１１０°（５５°〜１０５°）の範囲で幅広く設定し得ることが明らかとなった。
【００２３】
尚、ビーム幅は上述したリフレクタ７の長さＬと角度θのみならず、放射素子１の大きさや地導体板２の大きさ、更には第１および第２の誘電体層３,４の厚みｄ１,ｄ２にも関与して変化する。従って実際にアンテナ装置のビーム幅を設定する場合には、これらの幾つかのパラメータを考慮してリフレクタ７の長さＬと角度θを設定するようにすれば良い。
【００２４】
ところで上述した参考形態は、単一周波数の電波を放射するアンテナ装置としての基本的な構成を示すものであるが、複数のアンテナ・ユニットを上下に積み重ねて多周波数共用のアンテナ装置を実現することもできる。図６および図７にそれぞれ示すアンテナ装置は、前述したように地導体板２上に第１の誘電体層３を介して該地導体板２と平行に設けたマイクロストリップアンテナからなる放射素子１と、この放射素子１の上に第２の誘電体層４を介して該放射素子１と平行に導体板からなる無給電素子５を設けた構造のアンテナ・ユニットを基本単位として実現される。
【００２５】
特に図６に示す第３の参考形態に係るアンテナ装置は、第１のアンテナ・ユニットＡの上に第４の誘電体層１１を介して第２のアンテナ・ユニットＢを重ねて配置し、図１に示したアンテナ装置（第１の参考形態）と同様に、その下側のアンテナ・ユニットＡの地導体板２にリフレクタ７を設けて構成される。また図７に示す第４の実施形態に係るアンテナ装置は、第１のアンテナ・ユニットＡの上に第４の誘電体層１１を介して第２のアンテナ・ユニットＢを重ねて配置し、図３に示したアンテナ装置（第２の参考形態）と同様に、その下側のアンテナ・ユニットＡの地導体板２に第３の誘電体層８を介して補助導体板９を設け、この補助導体板９の両側部に該補助導体板９と導通させてリフレクタ７を設けて構成される。
【００２６】
ちなみにこれらのアンテナ装置は、アンテナ・ユニットＡに比較してその上段のアンテナ・ユニットＢの周波数が高く設定される。従ってアンテナ・ユニットＢの放射素子１および無給電素子５は、下側のアンテナ・ユニットＡの放射素子１および無給電素子５よりもそれぞれ小さく設定される。またアンテナ・ユニットＢの地導体板２は、アンテナ・ユニットＡの地導体板２と同じ大きさか、或いは小さく設定される。
【００２７】
尚、図６に示すアンテナ装置においては、アンテナ・ユニットＡ,Ｂの各地導体板２は、同軸ケーブル６ａ,６ｂの各外被導体を介して電気的に導通され、またリフレクタ７とも導通される。しかし図７に示すアンテナ装置においては、例えばアンテナ・ユニットＡ,Ｂをそれぞれ給電する同軸ケーブル６ａ,６ｂの外被導体を、各アンテナ・ユニットＡ,Ｂの地導体板２と補助導体板９（リフレクタ７）との間でのみ導通させることで、ループが形成されないように配慮することが望ましい。具体的には、アンテナ・ユニットＡの地導体板２と２本の同軸ケーブル６ａ,６ｂの各外被導体と補助導体板９との間で電流ループが形成されることがないように、例えばアンテナ・ユニットＡの地導体板２と同軸ケーブル６ｂとの間の絶縁する等して、その一部を開放しておくようにしておけば良い。
【００２８】
かくしてこのように構成されたアンテナ装置によれば、上下に重ね合わせられた２つ（複数）のアンテナ・ユニットＡ,Ｂはそれぞれ独立に給電されて動作して、各アンテナ・ユニットＡ,Ｂに設定された周波数の電波を放射する。従って上下に積層一体化された２つのアンテナ・ユニットＡ,Ｂからそれぞれ所定周波数の電波を得ることができるので、個々に２周波数共用型のアンテナ装置を実現することができる。
【００２９】
しかもリフレクタ７が上記各アンテナ・ユニットＡ,Ｂに対してそれぞれ作用するので、各アンテナ・ユニットＡ,Ｂから放射される電波のビーム幅をそれぞれ可変設定することができる。また上述した構成であれば、リフレクタ７の長さＬと角度θ、また地導体板２とリフレクタ７との距離を適切に設定することにより、各アンテナ・ユニットＡ,Ｂからそれぞれ放射される電波ビーム幅をそれぞれ独立に設定することも可能である。
【００３０】
即ち、図５にＸ１,Ｘ２として示すように、リフレクタ７の長さＬと角度θ（−４５°）とを一定にしておいても、アンテナ・ユニットＡ,Ｂの各地導体板２とリフレクタ７との距離が異なれば、各アンテナ・ユニットＡ,Ｂのビーム角を異ならせることができる。この状態においてリフレクタ７の角度θを（−２３°）に変更すれば、図５においてＹ１,Ｙ２としてそのビーム幅を示すように、アンテナ・ユニットＢのビーム幅を略一定に保ったまま、アンテナ・ユニットＡのビーム幅を絞り込むことができる。また或いはリフレクタ７の長さＬとその角度θとを一定に保ちながら、アンテナ・ユニットＡ,Ｂの積層間隔を変化させれば、これによって一方のアンテナ・ユニットＡ,Ｂのビーム幅だけを変化させることも可能となる。
【００３１】
従ってリフレクタ７と地導体板２との距離、またはリフレクタ７の角度θを変化させることで、アンテナ・ユニットＡ,Ｂの各ビーム幅をそれぞれその仕様に応じたものに設定することができる。例えば１.５ＧＨz帯のアンテナ・エレメントと２.０ＧＨz帯のアンテナ・エレメントとを上下に積層配置した構造のアンテナ装置においてリフレクタ７の角度θを可変した場合、それぞれ独立した変化の傾向を示しながらも、図７に示すようにそのビーム幅を５０°〜９０°の範囲で可変設定し得ることが確認できた。そしてこのようにしてビーム幅を広範囲に設定可能なアンテナ装置によれば、例えば移動通信における基地局用のアンテナとして用いるに十分なビーム幅を確保し、軽量で小型のアンテナとして用いるに好適であることが確認できた。
【００３２】
ところで上述したリフレクタ７の角度θについては、必ずしも左右対称に設定する必要はない。例えばリフレクタ７の片側の角度を９０°に固定した状態において、他方のリフレクタ７の角度を変化させた場合、図９に示すようにそのビームの最大放射方向が変化することが確認された。この実験結果に示されるようにリフレクタ７を左右非対称に角度設定することにより、この実験例においてはその最大放射方向を最大略１５°の範囲に変更することが可能であることが確認できた。このようにリフレクタ７の角度θを左右非対称に設定すれば、これによってアンテナ・エレメントから放射される電波の向きを、その放射面に直角な方向から変位させることができ、従ってアンテナ装置を物理的に固定したまま、電波の放射方向を変位させることが可能となる等の効果も奏せられる。
【００３３】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば放射素子１を２点給電することにより、図１０に模式的に示すようにマイクロストリップアンテナの放射面内に、互いに直交する向きに電流分布を生起して、該アンテナを偏波ダイバーシチアンテナとして機能させることも可能である。このようにして偏波ダイバーシチアンテナを構成する場合であっても、上述したリフレクタ７が前述した実施形態と同様に作用するので、その放射ビームの幅を効果的に可変することが可能となる。
【００３４】
またリフレクタ７の角度θについては、予めその設計時にアンテナ仕様に応じて設定しても良いが、その設置時に調整するようにしても良い。またアクチュエータ機構を用いて、その使用形態に応じて適宜可変調整可能に設けることも可能である。また誘電体層８,１１を空気層にて構成する場合には、これらの厚みを調整可能に設けることで、そのビーム幅を可変設定可能に設けることも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明しように本発明によれば、マイクロストリップアンテナが有する特徴を有効に活かしながら、その裏面側にリフレクタを設けてその角度を調整すると言う簡易な構成により、その放射ビームの幅を広範囲に可変することの可能なアンテナ装置を実現することができる。しかも多周波数共用のアンテナ装置としたり、偏波ダイバーシチアンテナとして実現することも容易である。従ってアンテナ仕様に応じたビーム幅の放射特性を容易に設定可能な軽量・小型のアンテナ装置として実現することが容易なので、例えば移動通信における基地局用のアンテナとして実用的利点が高い等の効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の参考形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す分解斜視図とその断面構成図。
【図２】 図１に示すアンテナ装置におけるリフレクタの長さＬおよび角度θとビーム幅との関係を示す図。
【図３】 本発明の第２の参考形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す分解斜視図とその断面構成図。
【図４】 図２に示すアンテナ装置におけるリフレクタの長さＬおよび角度θとビーム幅との関係を示す図。
【図５】 図２に示すアンテナ装置におけるリフレクタの角度θおよび該リフレクタと地導体との距離によって変化するビーム幅を３次元的に等高線表示した図。
【図６】 本発明の第３の参考形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す断面図。
【図７】 本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す断面図。
【図８】 積み重ねて配置された周波数の異なる２つのアンテナ・ユニットに対するリフレクタの角度とそのビーム幅の関係を示す図。
【図９】 リフレクタの角度を左右非対称に設定したときのビームの最大放射方向の変位を示す図。
【図１０】 マイクロストリップアンテナを２点給電して実現される偏波ダイバーシチの電流分布の方向を示す図。
【符号の説明】
１ 放射素子（マイクロストリップアンテナ）
２ 地導体板
３ 第１の誘電体層
４ 第２の誘電体層
５ 無給電素子（導電板）
６ 同軸ケーブル（給電線）
７ リフレクタ
８ 第３の誘電体層
９ 補助導体板
１１ 第４の誘電体層

Claims (3)

1. 地導体板上に第１の誘電体層を介して該地導体板と平行に設けられたマイクロストリップアンテナからなる放射素子、およびこの放射素子の上に第２の誘電体層を介して該放射素子と平行に設けられた導体板からなる無給電素子を備えた複数のアンテナ・ユニットを、第４の誘電体層を介して上下に積み重ねて配置してなり、
   最下部に位置付けられるアンテナ・ユニットの前記地導体板の下に第３の誘電体層を介して該地導体板と平行に補助導体板を設け、更にこの補助導体板の両側部に該補助導体板と導通させて前記アンテナ・ユニットの放射素子の面に対して所定の角度をなしてリフレクタを設けたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記リフレクタは、その長さＬと前記放射素子の面に対してなす角度θとにより、前記放射素子からの放射ビームの幅を決定するものである請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記リフレクタは、前記放射素子の面に対してなす角度θを左右独立に設定されて、前記放射素子からの放射ビームの最大放射方向を決定するものである請求項１ないし２に記載のアンテナ装置。

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