JP5712964B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動通信用の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。

移動通信用の基地局に用いられるアンテナ装置として、電波を反射するための反射板を備え、反射板の表面側にアンテナ素子を、裏面側にアンテナ素子に給電するための給電回路を配置したものが一般に知られている（例えば特許文献１参照）。

この従来のアンテナ装置では、反射板に形成された穴に給電回路から延びる給電ケーブルを通し、この給電ケーブルをアンテナ素子に半田付けすることで、アンテナ素子と給電回路とを電気的に接続している。

特表２０１０−５０３３５６号公報 特開２００４−１２０１３０号公報

しかしながら、上述の従来のアンテナ装置では、反射板に穴を形成し、給電ケーブルをアンテナ素子に半田付けする、という接続作業が必要となるため、製造に手間がかかり、製造コストが高くなってしまうという問題があった。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、容易に製造でき低コストなアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、基板と、該基板の裏面側に配置される金属シャーシと、前記基板の表面にアレー状に形成された複数のパッチアンテナ素子と、前記基板の表面に形成され、前記複数のパッチアンテナ素子に給電する給電線路と、前記基板の裏面の前記給電線路と対向する位置に設けられたグランド導体と、を備え、前記基板は長方形状に形成され、前記複数のパッチアンテナ素子は、前記基板の短辺方向の中央部に、前記基板の長辺方向に沿って形成され、前記給電線路は、前記基板の短辺方向の両側で前記基板の長辺方向に延びると共に、分岐して前記各パッチアンテナ素子に給電するように構成され、前記グランド導体は、前記基板の裏面全面にわたって形成されたグランドパターンからなり、前記各パッチアンテナ素子の裏側には、前記グランドパターンを除去したパターン除去部が形成され、前記パターン除去部を前記パッチアンテナ素子の上下に延長すると共に、前記パッチアンテナ素子の上側の前記パターン除去部の長さと、前記パッチアンテナ素子の下側の前記パターン除去部の長さを異ならせたアンテナ装置である。

前記グランド導体は、前記基板の短辺方向の両側に離間して形成されたグランドパターンからなってもよい。

前記グランドパターンを金属シャーシに当接させるように前記基板を配置し、離間して形成された前記グランドパターンを前記金属シャーシを介して電気的に接続するように構成してもよい。

前記各パッチアンテナ素子の近傍の前記給電線路の一部を前記基板の裏面に形成し、ビアホールを介して、前記基板の表裏面に形成した前記給電線路同士、および前記基板の裏面に形成した前記給電線路と前記パッチアンテナ素子とをそれぞれ電気的に接続するようにしてもよい。

前記金属シャーシを折り曲げ加工し、前記複数のパッチアンテナ素子を形成する前記基板の短辺方向の中央部と対向する位置に、前記基板と反対側に凹むように凹部を形成してもよい。

本発明によれば、容易に製造でき低コストなアンテナ装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置を示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図である。 図１のアンテナ装置に用いる基板を示す図であり、（ａ）は表面側から見た平面図、（ｂ）は表面側から裏面を透視した図、（ｃ）は（ａ）の拡大図である。 図１のアンテナ装置の一変形例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は基板の表面側から見た平面図、（ｃ）は基板の表面側から裏面を透視した図である。 本発明で用いる基板の一変形例を示す図であり、（ａ）は表面側から見た平面図、（ｂ）は表面側から裏面を透視した図、（ｃ）は（ａ）と（ｂ）を重ねて拡大した図、（ｄ）は（ｃ）をさらに拡大した図である。 本発明で用いる基板の一変形例を示す図であり、（ａ）は表面側から見た平面図、（ｂ）は表面側から裏面を透視した図、（ｃ）は（ａ）と（ｂ）を重ねて拡大した図、（ｄ）は（ｃ）をさらに拡大した図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係るアンテナ装置を示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、アンテナ装置１は、基板２と、基板２の裏面Ｒ側に配置される金属シャーシ５と、基板２の表面Ｓにアレー状に形成された複数のパッチアンテナ素子３と、基板２の表面Ｓに形成され、複数のパッチアンテナ素子３に給電する給電線路（伝送線路）４と、基板２の裏面Ｒの給電線路４と対向する位置に設けられたグランド導体６と、を備えている。

基板２としては、エポキシ基板など誘電体からなるリジッド基板を用いる。本実施の形態では、基板２として、長方形状に形成された厚さ０．８ｍｍの両面基板を用いた。なお、図１（ａ）では、図を見やすくするために、基板２を実際よりも厚く描いている。

図１および図２に示すように、複数のパッチアンテナ素子３は、基板２の短辺方向の中央部に、基板２の長辺方向に沿って等間隔に形成される。本実施の形態では、略矩形状のパッチアンテナ素子３を形成したが、パッチアンテナ素子３の形状はこれに限定されるものではない。また、本実施の形態では、９個のパッチアンテナ素子３を形成する場合を示しているが、パッチアンテナ素子３の個数はこれに限定されるものではない。

給電線路４は、基板２の表面Ｓに形成されたマイクロストリップ線路からなり、給電部４ａに給電された給電信号を分岐して各パッチアンテナ素子３に給電するように構成される。より具体的には、給電線路４は、基板２の短辺方向の両側で基板２の長辺方向に延びると共に、分岐して各パッチアンテナ素子３に給電するように構成される。なお、給電線路４の導体幅が場所によって異なっているのは、導体幅でインピーダンスを調整してインピーダンスの整合をとるためである。

全てのパッチアンテナ素子３に効率よく給電を行うため、給電線路４に給電する給電部４ａは、基板２の長辺方向の略中央部に形成されることが望ましい。給電部４ａには、図示しない無線機より延びる給電ケーブルの中心導体が半田付けされ、電気的に接続される。この給電ケーブルの外部導体はグランド導体６に電気的に接続される。

本実施の形態では、グランド導体６を、基板２の短辺方向の両側に離間して形成されたグランドパターン６ａで構成している。両グランドパターン６ａの間には、グランドパターン６ａを除去したパターン除去部６ｂが形成されており、パッチアンテナ素子３の裏側にはグランドパターン６ａを形成しないようにしている。

金属シャーシ５は、その幅方向の両側の縁部が基板２側に垂直に折り曲げられて断面視で凹字状に形成されると共に、その凹字状の底面にさらに折り曲げ加工が施され、複数のパッチアンテナ素子３を形成する基板２の短辺方向の中央部と対向する位置に、基板２と反対側に凹むように凹部５ａが形成されている。本実施の形態では、金属シャーシ５として、厚さ１．２ｍｍのアルミニウムからなるもの（アルミシャーシ）を用いた。

本実施の形態では、金属シャーシ５の凹部５ａの幅をパターン除去部６ｂの幅と略同じに形成し、凹部５ａの周縁の金属シャーシ５に、グランドパターン６ａの基板２と反対側の面を当接させるように基板２を配置した。これにより、離間して形成されたグランドパターン６ａが金属シャーシ５を介して電気的に接続されることになる。金属シャーシ５は、パッチアンテナ素子３が放射する電波を反射する反射板の役割と、給電線路４のグランド導体６としての役割を兼ねている。また、金属シャーシ５の凹部５ａは、パッチアンテナ素子３と金属シャーシ５（グランド導体６）との距離を大きくする役割を果たしている。

一般に、アンテナ素子とグランド導体が接近しすぎると、アンテナ素子から放射される周波数の幅（帯域）が狭くなり、設計が困難になるという問題が生じる。アンテナ素子は電磁界を空間に放出するため、グランド導体との距離は遠い方が効率がよく、帯域も広くとりやすい。そこで、アンテナ装置１では、パッチアンテナ素子３の裏側にはグランドパターン６ａを形成しないようにし、かつ、パッチアンテナ素子３と対向する部分の金属シャーシ５のみを基板２から離すように凹部５ａを形成し、アンテナとしての機能を向上させるようにしている。

なお、ここでは金属シャーシ５を折り曲げ加工して凹部５ａを形成することにより、パッチアンテナ素子３と金属シャーシ５（グランド導体６）との距離を確保するようにしたが、これに限らず、例えば、金属シャーシ５が厚く形成される場合には、凹部５ａを形成する代わりに金属シャーシ５に溝を形成するようにしてもよい。

本実施の形態では、金属シャーシ５としてアルミニウムからなるものを用いており、アルミニウムには通常一般に用いられている半田による接続が適用できないことから、給電ケーブルの外部導体は、グランドパターン６ａに接続することが望ましい。換言すれば、グランドパターン６ａを形成することで、給電ケーブルの外部導体の接続を容易にすることが可能になる。

なお、グランドパターン６ａを省略して金属シャーシ５のみをグランド導体６として用いることも当然に可能である。この場合、基板２として片面基板（誘電体基板の一方の面のみに配線パターンが形成されたもの）を用いることが可能となり、低コスト化が可能になる。ただし、この場合、給電線路４と金属シャーシ５との距離が変化するとインピーダンスが変化して設計が困難となるため、金属シャーシ５の加工精度を高めたり、基板２と金属シャーシ５を密着して保持する機構等を別途設けたりする必要がある。

基板２と金属シャーシ５とは、図示していないが、円筒状のレドーム（カバー）に収容される。レドームとしては、例えばＦＲＰ（繊維強化プラスチック）からなるものを用いるとよい。アンテナ装置１は、その長さ方向（基板２の長辺方向）が鉛直方向に沿うように設置される。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係るアンテナ装置１は、基板２と、基板２の裏面Ｒ側に配置される金属シャーシ５と、基板２の表面Ｓにアレー状に形成された複数のパッチアンテナ素子３と、基板２の表面Ｓに形成され、複数のパッチアンテナ素子３に給電する給電線路４と、基板２の裏面Ｒの給電線路４と対向する位置に設けられたグランド導体６と、を備えている。

このように構成することで、パッチアンテナ素子３と給電線路４とが予め電気的に接続された状態となっているので、従来のように、組み立て時に反射板に穴をあけたり、給電回路から延びる給電ケーブルをアンテナ素子に半田付けするといった手間がなくなり、組み立て時に人手作業による接続作業を必要としない簡易な構成のアンテナ装置１を実現できる。その結果、組み立て時間を短縮することが可能となり、容易に製造でき低コストなアンテナ装置１を実現できる。

また、本実施の形態では、グランドパターン６ａの基板２と反対側の面を金属シャーシ５に当接させるように基板２を配置し、離間して形成されたグランドパターン６ａを金属シャーシ５を介して電気的に接続するように構成している。

両グランドパターン６ａを電気的に遮断したままだと、グランドレベルに差が生じるなどして動作が不安定になるおそれがあるが、両グランドパターン６ａを金属シャーシ５を介して電気的に接続することで、動作の安定化を図ることが可能となる。また、基板２を金属シャーシ５に直接支持させることができるため、組み立てが簡単になる。なお、グランドパターン６ａと金属シャーシ５とを電気的に接続することは必須ではなく、例えば、グランドパターン６ａと金属シャーシ５間に絶縁膜や絶縁シートを挟んだような場合も、当然に本発明に含まれる。

さらに、本実施の形態では、金属シャーシ５を折り曲げ加工し、複数のパッチアンテナ素子３を形成する基板２の短辺方向の中央部と対向する位置に、基板２と反対側に凹むように凹部５ａを形成しているため、パッチアンテナ素子３とグランド導体６との距離を確保することが可能となり、帯域が広く設計が容易なアンテナ装置１を実現できる。

なお、本実施の形態では、給電線路４の全体を基板２の表面Ｓに形成する場合を説明したが、インピーダンスの調整やアンテナ特性の調整が困難な場合は、給電線路４の一部を基板２の裏面Ｒに形成することも可能である。

より具体的には、図３（ａ）〜（ｃ）に示すアンテナ装置３１のように、各パッチアンテナ素子３の近傍の給電線路４の一部を基板２の裏面Ｒ（パターン除去部６ｂ）に形成し、ビアホール（スルーホール）３２を介して、基板２の表裏面に形成した給電線路４同士、および基板２の裏面Ｒに形成した給電線路４とパッチアンテナ素子３とをそれぞれ電気的に接続するようにすればよい。

給電線路４全体を基板２の表面Ｓに形成した場合、パッチアンテナ素子３の中央に寄った位置に給電を行うためには、パッチアンテナ素子３に切欠きを形成する必要が生じる（図２（ｃ）参照）。そのため、パッチアンテナ素子３の形状が複雑となり、設計が難しくなる場合がある。

これに対して、パッチアンテナ素子３の近傍の給電線路４を基板２の裏面Ｒに形成した場合は、裏面Ｒの給電線路４をパッチアンテナ素子３の裏側まで延ばしてビアホール３２を介して接続することが可能になるため、パッチアンテナ素子３を単純な矩形状に形成でき、設計を容易とすることができる。

また、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、グランド導体６を、基板２の裏面Ｒ全面にわたって形成されたグランドパターン６ｃで構成し、各パッチアンテナ素子３の裏側に、グランドパターン６ｃを除去したパターン除去部６ｂを形成するようにしてもよい。パターン除去部６ｂは、パッチアンテナ素子３より若干大きい矩形状に形成される。

この場合、基板２の両側のグランドパターン６ｃが一体となりグランドレベルの差による動作の不安定等が生じないので、金属シャーシ５とグランドパターン６ａとを当接させる必要がなくなり、基板２と金属シャーシ５とを離間して配置することが可能になる。よって、基板２と金属シャーシ５との距離が十分に離間させれば、金属シャーシ５の凹部５ａを省略することも可能である。

また、図４（ｄ）に太線破線で囲んだ部分を参照すればわかるように、パッチアンテナ素子３の直前の給電線路４の裏側にもグランドパターン６ｃが形成されることになるので、パッチアンテナ素子３への入力直前までインピーダンスの不整合なく給電を行うことが可能となり、この部分の給電線路４がアンテナとして動作してしまうことがなくなる。よって、設計をより容易とすることが可能になる。

さらに、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、パターン除去部６ｂをパッチアンテナ素子３の上下に延長すると共に、パッチアンテナ素子３の上下のパターン除去部６ｂの長さを異ならせてもよい。なお、ここでいう上下とは、鉛直方向、すなわち基板２の長辺方向のことである。

パッチアンテナ素子３の上下のパターン除去部６ｂの長さを異ならせることで、垂直面内指向性を変化させることが可能となる。アンテナ装置はビルの屋上など高い場所に設けられるので、放射方向を大地寄りに数度傾けるだけでも、天空側サイドローブを抑えて利得を大きくすることが可能である。

このように、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１ アンテナ装置
２ 基板
３ パッチアンテナ素子
４ 給電線路
５ 金属シャーシ
５ａ 凹部
６ グランド導体
６ａ グランドパターン
６ｂ パターン除去部

Claims (5)

1. 基板と、
   該基板の裏面側に配置される金属シャーシと、
   前記基板の表面にアレー状に形成された複数のパッチアンテナ素子と、
   前記基板の表面に形成され、前記複数のパッチアンテナ素子に給電する給電線路と、
   前記基板の裏面の前記給電線路と対向する位置に設けられたグランド導体と、
   を備え、
   前記基板は長方形状に形成され、
   前記複数のパッチアンテナ素子は、前記基板の短辺方向の中央部に、前記基板の長辺方向に沿って形成され、
   前記給電線路は、前記基板の短辺方向の両側で前記基板の長辺方向に延びると共に、分岐して前記各パッチアンテナ素子に給電するように構成され、
   前記グランド導体は、前記基板の裏面全面にわたって形成されたグランドパターンからなり、
   前記各パッチアンテナ素子の裏側には、前記グランドパターンを除去したパターン除去部が形成され、
   前記パターン除去部を前記パッチアンテナ素子の上下に延長すると共に、前記パッチアンテナ素子の上側の前記パターン除去部の長さと、前記パッチアンテナ素子の下側の前記パターン除去部の長さを異ならせた
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記グランド導体は、前記基板の短辺方向の両側に離間して形成されたグランドパターンからなる
   請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記グランドパターンを金属シャーシに当接させるように前記基板を配置し、離間して形成された前記グランドパターンを前記金属シャーシを介して電気的に接続するように構成した
   請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記各パッチアンテナ素子の近傍の前記給電線路の一部を前記基板の裏面に形成し、ビアホールを介して、前記基板の表裏面に形成した前記給電線路同士、および前記基板の裏面に形成した前記給電線路と前記パッチアンテナ素子とをそれぞれ電気的に接続するようにした
   請求項２または３記載のアンテナ装置。
5. 前記金属シャーシを折り曲げ加工し、前記複数のパッチアンテナ素子を形成する前記基板の短辺方向の中央部と対向する位置に、前記基板と反対側に凹むように凹部を形成した
   請求項１〜４いずれかに記載のアンテナ装置。