JP5339349B2 - アンテナ装置及びアレーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、ヘイロー（Ｈａｌｏ）アンテナに関する。

従来、水平偏波を励振する水平面内無指向性アンテナは、代表的なものとしてループアンテナが存在する。図１に示すように、ループアンテナは形状によってさまざまであるが、全周は１波長となるアンテナである。図１（ｂ）の方形ループを図２（a）のように長方形とし、それを図２（ｂ）のように円周状に折り曲げたアンテナは特に「ヘイロー（Ｈａｌｏ）アンテナ」と呼ばれる。ヘイローアンテナの円周は約半波長であるので、ループアンテナに対して小型化できる特徴がある。特に、風雨などによるアンテナの劣化を防ぐためにアンテナを円筒カバー（円筒レドームと呼ばれる）に入れる場合、ループアンテナよりもヘイローアンテナのほうが円筒カバーの直径を短くできるため、重量や受風荷重の点で有利である。

ヘイローアンテナについては、例えば非特許文献１，２，３に開示されている。非特許文献３は、３巻き式ヘイローアンテナを開示している。また、特許文献１，２は、無給電素子を追加したループアンテナを開示している。

特開２００６−３３２９８号公報 特開２００６−２９５５４５号公報

"アンテナ工学ハンドブック（第２版）、電子情報通信学会編、オーム社、ｐ．１１８ 図４・２８（ｄ） 多線条ループアンテナ（ｉｉ）、２００８年７月 R.King，"The shunt driven circular loop antenna"，IEEE Trans. Antenna & Propagation，vol. AP-19，no. 5，p.692，１９７１年９月 C. W. Harrison， et. al.，"Folded Dipole and Loops"，IRE Trans.，AP， vol.9， no.2，p.171-187，１９６１年３月

しかし、上述した従来のヘイローアンテナは、小型化の面でループアンテナよりも有利であるが、その反面、周波数帯域が狭くなる。

例えば、図３に示されるように、ループアンテナは、インピーダンスを調整したＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）「２．０」以下である比帯域が９．７％であるのに対して、ヘイローアンテナのそれは１．９％程度である。なお、図３は周波数特性図であり、図３において、グラフの縦軸Ｓ_１１はリターンロスと呼ばれ、−１０ｄＢ以下のレベルがＶＳＷＲ「２．０」以下の状態を示す。携帯電話網の基地局のアンテナは、例えば８１５〜８７５ＭＨｚの周波数帯域をＶＳＷＲ「２．０」以下の規格で満足する必要があり、８３０ＭＨｚを中心周波数とする場合、比帯域として７．１％が必要となる。このため、従来のヘイローアンテナを基地局のアンテナに利用することは、周波数帯域が狭いため難しい。

特許文献１の無給電素子を追加したループアンテナは、方形ループアンテナを同じ平面上に設置しているため、単独の方形ループアンテナよりもさらに大型となる。特許文献２の無給電素子を追加したループアンテナは、方形ループアンテナの一辺に線状の無給電素子を追加しているが、方形ループアンテナの大きさは同じであるので、基地局用アンテナとしての小型化には適さない。

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、ヘイローアンテナを用いてアンテナ装置の小型化及び広帯域化を図ることのできるアンテナ装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るアンテナ装置は、給電部を有するヘイローアンテナと、ヘイローアンテナの形状の無給電素子とを円周面が対向するように配置したことを特徴とする。

本発明に係るアンテナ装置においては、前記ヘイローアンテナと前記無給電素子の巻き数が異なることを特徴とする。

本発明に係るアンテナ装置においては、前記無給電素子を前記ヘイローアンテナの両側にそれぞれ設けたことを特徴とする。

本発明に係るアレーアンテナは、前述のいずれかのアンテナ装置を鉛直方向に多段に設置したことを特徴とする。

本発明によれば、ヘイローアンテナを用いてアンテナ装置の小型化を図ると共に広帯域化を図ることができるという効果が得られる。

従来のループアンテナの構成例である。 従来のヘイローアンテナの構成例（図２（ｂ））である。 従来のヘイローアンテナの周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例１である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例１の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例２である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例２の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例３である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例３の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例４である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例４の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例５である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例５の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例６である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例６の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例７である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例７の周波数特性図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例１〜７の特性をまとめた一覧表である。 本発明に係るアンテナ装置を利用した基地局用アンテナの構成例である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について実施例を挙げて説明する。

図４は、本発明に係るアンテナ装置の実施例１である。図５は、本発明に係るアンテナ装置の実施例１の周波数特性図である。図４において、アンテナ装置１は、ヘイローアンテナ２と無給電素子４を有する。ヘイローアンテナ２は給電部３を有する。ヘイローアンテナ２の巻き数は２である。無給電素子４は、ヘイローアンテナ２と同形状であるが、給電部を有さない。従って、無給電素子４には給電されない。図４に示されるように、無給電素子４は、円周面がヘイローアンテナ２と対向するように設けられる。無給電素子４は、ｚ軸上で、ヘイローアンテナ２のいずれの側に設けられてもよい。

図５の周波数特性図に示されるように実施例１によれば、無給電素子４を設けたことによって、比帯域が１．９％から３．４％に拡大する。給電素子と無給電素子の間隔ｄを変更することにより、比帯域を調整することができる。

実施例１は本発明の基本構成であり、給電素子の巻き数、給電素子の給電位置、無給電素子の巻き数、無給電素子の位置などを変更することができる。以下、各実施例を説明する。

図６は、本発明に係るアンテナ装置の実施例２である。図７は、本発明に係るアンテナ装置の実施例２の周波数特性図である。実施例２は、図４の実施例１に対して、給電素子の巻き数を変えて無給電素子の巻き数と異なるようにした場合である。図６において、アンテナ装置１０は、３巻き式ヘイローアンテナ１２と無給電素子４を有する。３巻き式ヘイローアンテナ１２は給電部３を有する。３巻き式ヘイローアンテナ１２の巻き数は３である。無給電素子４は、２巻き式ヘイローアンテナと同形状である。つまり、無給電素子４の巻き数は２である。

図７の周波数特性図に示されるように実施例２によれば、給電素子と無給電素子の巻き数を異なるようにすることにより、２共振にすることができる。その一つ一つの周波数帯域幅は広くはないが、合わせて周波数帯域を拡大することが可能となる。

なお、図６では給電素子の巻き数を３としたが、給電素子の巻き数は特に限定しない。

図８は、本発明に係るアンテナ装置の実施例３である。図９は、本発明に係るアンテナ装置の実施例３の周波数特性図である。実施例３は、図６の実施例２に対して、給電素子の給電位置を変えた場合である。図６において、アンテナ装置２０は、３巻き式ヘイローアンテナ２２と無給電素子４を有する。３巻き式ヘイローアンテナ２２は給電部３を有する。給電部３は、図６の実施例２では給電素子の内側の部分に設けたが、本実施例３では図８に示されるように給電素子の外側の部分に設ける。この方が製造しやすい。

図９の周波数特性図に示されるように実施例３によれば、実施例２と同様の周波数特性が得られ、２共振にすることができるが、製造上、有利である。

図１０は、本発明に係るアンテナ装置の実施例４である。図１１は、本発明に係るアンテナ装置の実施例４の周波数特性図である。実施例４は、給電素子の両側に無給電素子を設けた場合である。図１０では図６の実施例２に対して、もう一方の側にも無給電素子４を設けている。図１０において、アンテナ装置３０は、３巻き式ヘイローアンテナ１２と２つの無給電素子４を有する。３巻き式ヘイローアンテナ１２は給電部３を有する。無給電素子４は、２巻き式ヘイローアンテナと同形状であるが、給電部を有さない。従って、無給電素子４には給電されない。図６に示されるように、２つの無給電素子４は、それぞれ、円周面が３巻き式ヘイローアンテナ１２と対向するように、ｚ軸上で３巻き式ヘイローアンテナ１２の両側（ｚ軸上のｄの位置と−ｄの位置）に設けられる。

図１１の周波数特性図に示されるように実施例４によれば、第１共振周波数を低域にシフトすることができる。これにより、共振周波数を元に戻す場合は、アンテナサイズを小さくすることになり、結果的にアンテナを小型化することが可能となる。

図１２は、本発明に係るアンテナ装置の実施例５である。図１３は、本発明に係るアンテナ装置の実施例５の周波数特性図である。実施例５は、図８の実施例３に対して、無給電素子の巻き数を給電素子と同じ「３」に変えた場合である。図１２において、アンテナ装置４０は、３巻き式ヘイローアンテナ２２と無給電素子４４を有する。無給電素子４４は、３巻き式ヘイローアンテナ２２と同形状であるが、給電部を有さない。従って、無給電素子４４には給電されない。図１２に示されるように、無給電素子４４は、円周面が３巻き式ヘイローアンテナ２２と対向するように設けられる。無給電素子４４は、ｚ軸上で、３巻き式ヘイローアンテナ２２のいずれの側に設けられてもよい。

図１３の周波数特性図に示されるように実施例５によれば、給電素子と無給電素子の間隔ｄを変更することにより、比帯域を調整することができる。給電素子と無給電素子の間隔ｄが７０ｍｍの場合に、比帯域として４％を実現することができる。

図１４は、本発明に係るアンテナ装置の実施例６である。図１５は、本発明に係るアンテナ装置の実施例６の周波数特性図である。実施例６は、図４の実施例１に対して、無給電素子の巻き数を給電素子とは異なる「３」に変えた場合である。図１４において、アンテナ装置５０は、ヘイローアンテナ２と無給電素子４４を有する。ヘイローアンテナ２は給電部３を有する。ヘイローアンテナ２の巻き数は２である。無給電素子４４は、３巻き式ヘイローアンテナ２２と同形状であり、巻き数は３である。

図１５の周波数特性図に示されるように実施例６によれば、給電素子と無給電素子の巻き数を異なるようにすることにより、２共振にすることができる。その一つ一つの周波数帯域幅は広くはないが、合わせて周波数帯域を拡大することが可能となる。

図１６は、本発明に係るアンテナ装置の実施例７である。図１７は、本発明に係るアンテナ装置の実施例７の周波数特性図である。実施例７は、給電素子の両側に無給電素子を設けた場合である。図１７では図４の実施例１に対して、もう一方の側にも無給電素子４を設けている。図１６において、アンテナ装置６０は、ヘイローアンテナ２と２つの無給電素子４を有する。ヘイローアンテナ２は給電部３を有する。ヘイローアンテナ２の巻き数は２である。無給電素子４は、ヘイローアンテナ２と同形状であり、従って巻き数は２である。図１６に示されるように、２つの無給電素子４は、それぞれ、円周面がヘイローアンテナ２と対向するように、ｚ軸上でヘイローアンテナ２の両側（ｚ軸上のｄの位置と−ｄの位置）に設けられる。

図１７の周波数特性図に示されるように実施例７によれば、給電素子と無給電素子の間隔ｄを小さくすることにより、１共振から２共振にする効果が得られる。

図１８は、実施例１〜７の特性をまとめた一覧表である。図１８に示されるように、本実施形態によれば、給電素子の巻き数、無給電素子の巻き数または無給電素子の配置を変更することによって、周波数帯域幅（比帯域）、共振数または共振周波数を変化させることが可能となる。

図１９は、本発明に係るアンテナ装置を利用した基地局用アンテナの構成例である。図１９において、基地局用アンテナは、実施例５（図１２）のアンテナ装置４０（無給電素子付きヘイローアンテナ）を４つ備え、４素子アレーを構成する。４つの無給電素子付きヘイローアンテナは、高利得化のために鉛直方向に４段に重ねて、レドーム（カバー）に収容される。各無給電素子付きヘイローアンテナに対して水平面内の中心部分に給電線を設け、各ヘイローアンテナに給電を行っている。ヘイローアンテナは、円周状に構成されるため、円形レドームに大きな隙間を与えることなく収容できる。これにより、基地局用アンテナの外形の小型化を図ることが可能となる。

上述したように本実施形態によれば、ヘイローアンテナを用いてアンテナ装置の小型化を図ると共に広帯域化を図ることができるという効果が得られる。これにより、より広帯域化した無線システム用の水平偏波無指向性アンテナを実現することが可能となる。利得を向上したい場合は、無給電素子付きヘイローアンテナを鉛直方向に多段に積むことにより実現可能となる。

なお、ヘイローアンテナは水平偏波を励振するアンテナであるが、ヘイローアンテナ素子間にダイポールアンテナ素子などの垂直偏波素子を挿入することにより、偏波共用無指向性アンテナを構成することも可能である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１，１０，２０，３０，４０，５０，６０…アンテナ装置、２…ヘイローアンテナ（２巻き式ヘイローアンテナ）、１２，２２…ヘイローアンテナ（３巻き式ヘイローアンテナ）、３…給電部、４…無給電素子（２巻き式無給電素子）、４４…無給電素子（３巻き式無給電素子）

Claims (3)

1. 給電部を有するヘイローアンテナと、ヘイローアンテナの形状の無給電素子とを円周面が対向するように配置し、前記ヘイローアンテナの巻き数と、前記無給電素子の巻き数とが異なることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記無給電素子を前記ヘイローアンテナの両側にそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置を鉛直方向に多段に設置したことを特徴とするアレーアンテナ。

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