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JP5704095B2 - アレイアンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナ装置を複数備えてなるアレイアンテナに関する。
従来、反射板に立設された誘電体基板にダイポールアンテナ素子を設けた反射板付ダイポールアンテナが知られている(例えば、特許文献1参照)。また、この種のダイポールアンテナを、1枚の反射板に複数個立設したアレイアンテナが知られている(例えば、特許文献2参照)。
特許文献1に記載の反射板付ダイポールアンテナは、誘電体基板の表面に、給電回路を形成する折り返し導体が設けられている。また、誘電体基板の裏面には、給電回路を形成する接地導体、及びダイポールアンテナ素子が設けられている。
誘電体基板の裏面におけるダイポールアンテナ素子は、三角形状の切込みによって2つの部分に分割されている。また、給電回路を形成する接地導体は、その長手方向に形成された切込みによって、ダイポールアンテナ素子側の一部の領域が2つに分割されている。ダイポールアンテナ素子の切込みと給電回路を形成する接地導体の切込みとは連通しており、ダイポールアンテナ素子と接地導体とは、切込みの両側においてそれぞれ接続され、全体としてT字状を呈している。すなわち、ダイポールアンテナ素子は、接地導体の一部として構成されている。
特開平10−150319号公報 特開2011−87241号公報
特許文献2に記載のように、ダイポールアンテナ素子及び給電回路を形成する接地導体が形成された複数の誘電体基板を反射板に並列させてアレイアンテナを構成した場合には、各誘電体基板の接地導体同士が相互に干渉し、所望の放射特性が得られない場合がある。この相互干渉による放射特性への影響は、例えば利得の低下やVSWR(Voltage Standing Wave Ratio:電圧定在波比)の低下、あるいは設計値どおりのビーム幅が得られない等といった現象として表れる。
この相互干渉による放射特性への影響は、誘電体基板上の接地導体の面積に応じて大きくなることが、本発明者らによって確認されている。
そこで、本発明は、誘電体基板上の接地導体の面積を小さくすることで、相互干渉を低減することが可能なアレイアンテナを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決することを目的として 第1及び第2の主面を有する誘電体基板と、前記誘電体基板の前記第1の主面に設けられ、電気的に接地された接地導体と、前記接地導体との間に前記誘電体基板を挟んで前記第2の主面に設けられ、互いに平行となるように設けられた第1導体部及び第2導体部、ならびに前記第1導体部と前記第2導体部とを接続する第3導体部を有する給電導体と、所定の周波数帯域で共振するアンテナ素子と、を備えた複数のアンテナ装置を有するアレイアンテナであって、前記アンテナ素子は、前記第1導体部に一端が接続されて前記第2の主面に設けられた第1エレメントと、前記第2導体部に一端が接続されて前記第2の主面に設けられた第2エレメントとを有し、前記複数のアンテナ装置は、前記接地導体と前記給電導体とが対向するように共通の反射板に立設されているアレイアンテナを提供する。
また、前記接地導体は、前記給電導体の第1導体部、第2導体部、及び第3導体部に対応して前記第1の主面に設けられ、前記第1エレメントの他端及び前記第2エレメントの他端に対応する前記第1の主面には設けられていないようにするとよい。
また、前記誘電体基板は、反射板に立設され、前記第1エレメント及び前記第2エレメントは、前記給電導体の前記第3導体部よりも前記反射板側に設けられているとよい。
また、前記第1導体部の前記反射板側の端部は、前記第1エレメントよりも前記反射板に近いと共に、前記第2導体部の前記反射板側の端部は、前記第2エレメントよりも前記反射板に近いとよい。
本発明に係るアレイアンテナによれば、誘電体基板上の接地導体の面積を小さくすることで、相互干渉を低減することが可能となる。

本発明の第1の実施の形態に係るアレイアンテナの構成例を示す斜視図である。 アレイアンテナを構成するアンテナ装置を示し、(a)は表面側の平面図、(b)は裏面側の平面図である。 アンテナ装置の周波数ごとの複素インピーダンスの一例を示すスミスチャートである。 本発明の第2の実施の形態に係るアンテナ装置を示し、(a)は表面側の平面図、(b)は裏面側の平面図である。 本発明の第3の実施の形態に係るアレイアンテナの構成例を示す斜視図である。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るアレイアンテナの構成例を示す斜視図である。図2は、アレイアンテナを構成するアンテナ装置を示し、(a)は表面の平面図、(b)は裏面の平面図である。
このアレイアンテナ1は、図略のアース線に接続され、電気的に接地された反射板10と、反射板10の反射面10a側に立設された複数のアンテナ装置2とを備えている。すなわち、複数のアンテナ装置2は、共通の反射板10に立設されている。アレイアンテナ1は、複数のアンテナ装置2が鉛直方向に沿って並ぶように、アンテナ基地局に設置される。なお、図1に示す例では、水平偏波用のアンテナ装置2のみを示しているが、この他に垂直偏波用のアンテナ素子を設けてもよい。
反射板10は、板状の金属導体からなり、その長手方向が鉛直方向となるように設置される。反射板10には、ボルト11によってL字状の複数の固定金具12が留められている。各アンテナ装置2は、この固定金具12によって反射板10に固定されている。本実施の形態では、それぞれのアンテナ装置2が、2つの導電性の固定金具12によって、互いに平行となるように固定されている。
アンテナ装置2は、誘電体基板20と、誘電体基板20の裏面20b(第1の主面)に設けられ、反射板10に接続された接地導体3と、接地導体3との間に誘電体基板20を挟んで誘電体基板20の表(おもて)面20a(第2の主面)に設けられた給電導体4と、所定の周波数帯域で共振するアンテナ素子5とを備えている。接地導体3、給電導体4、及びアンテナ素子5は、良導電性の金属箔であり、例えば銅(Cu)層、及びこの銅層の表面に形成された半田メッキ層又は金(Au)メッキ層からなる。
誘電体基板20は、例えば液晶ポリマーやガラスエポキシ等の平板状の誘電体からなる。本実施の形態では、誘電体基板20が、反射板10の反射面10aに平行な方向に長辺を有し、かつ反射面10aに垂直な方向に短辺を有する長方形状に形成されている。また、誘電体基板20は、表面20a側及び裏面20b側の2つの固定金具によって反射板10に固定されている。以下、誘電体基板20の長辺に平行な方向を「誘電体基板20の長手方向」といい、誘電体基板20の短辺に平行な方向を「誘電体基板20の短手方向」という。
接地導体3は、固定金具12によって反射板10に接続され、電気的に接地されている。接地導体3は、誘電体基板20の裏面20b側の固定金具12に接続された第1基端部31と、表面20a側の固定金具12に接続された第2基端部32と、第1基端部31に連続して誘電体基板20の短手方向に延びる第1接地導体部33と、第2基端部32に連続して誘電体基板20の短手方向に延びる第2接地導体部34と、第1接地導体部33と第2接地導体部34とを接続する第3接地導体部35とを有している。
第1接地導体部33及び第2接地導体部34は、互いに平行であり、第1接地導体部33と第2接地導体部34との間には、導体が設けられていないスリット部30が形成されている。第1接地導体部33及び第2接地導体部34は、一端が第1基端部31及び第2基端部32に接続され、その反対側の他端が第3接地導体部35に接続されている。
第1基端部31には、誘電体基板20を厚さ方向に貫通する貫通孔21が開口している。この貫通孔21には、図略の同軸ケーブルの中心導体が裏面20bから表面20aに向かって挿通される。同軸ケーブルの外部導体は、貫通孔21に挿通されず、貫通孔21の開口周辺部における第1基端部31に半田付けされる。
給電導体4は、互いに平行となるように設けられた第1導体部41及び第2導体部42、ならびに第1導体部41と第2導体部42とを接続する第3導体部43を有している。第1導体部41及び第2導体部42は、誘電体基板20の短手方向に沿って互いに平行に延びるように形成されている。つまり、第1導体部41と第2導体部42とは、誘電体基板20の長手方向に沿って、所定の間隔を有して並列している。第3導体部43は、誘電体基板20の長手方向に沿って延びるように形成され、その一端に第1導体部41が接続され、他端に第2導体部42が接続されている。
第1導体部41は、第1接地導体部33の表面20a側に設けられている。つまり、第1導体部41は、裏面20bに設けられた第1接地導体部33との間に誘電体基板20を挟む位置に設けられている。同様に、第2導体部42は、第2接地導体部34の表面20a側に設けられている。また、第3導体部43は、第3接地導体部35の表面20a側に設けられている。すなわち、接地導体3は、給電導体4の第1導体部41、第2導体部42、及び第3導体部43に対応して裏面20bに設けられ、マイクロストリップ線路を形成している。本実施の形態では、第1接地導体部33、第2接地導体部34、第3接地導体部35が、それぞれ第1導体部41、第2導体部42、第3導体部43よりも幅広に形成されている。
第1導体部41の延伸方向の長さは、第2導体部42の延伸方向の長さよりも長く形成されている。第2導体部42の延伸方向の長さは、例えば第1導体部41の延伸方向の長さの半分以下である。第1導体部41の一端には、貫通孔21が開口し、この開口周辺部に同軸ケーブルの中心導体が半田付けされる。
アンテナ素子5は、第1導体部41に一端が接続されて誘電体基板20の表面20aに設けられた第1エレメント51と、第2導体部42に一端が接続されて誘電体基板20の表面20aに設けられた第2エレメント52とを有している。
第1エレメント51及び第2エレメント52は、反射板10の反射面10aとの間に所定の距離を保って、反射面10aと平行に延びるように形成されている。また、第1エレメント51及び第2エレメント52は、第3導体部43よりも反射板10側に設けられている。本実施の形態では、第1エレメント51及び第2エレメント52の長さ(誘電体基板20の長手方向の長さ)及び幅(誘電体基板20の短手方向の幅)が互いに共通である。
第1エレメント51は、第1導体部41に接続された一端部を除き、その裏面20b側に接地導体3が設けられていない。また同様に、第2エレメント52は、第2導体部42に接続された一端部を除き、その裏面20b側に接地導体3が設けられていない。つまり、接地導体3は、第1エレメント51の他端及び第2エレメント52の他端に対応する裏面20bには設けられていない。なお、第1導体部41及び第2導体部42の幅を第1接地導体部33及び第2接地導体部34の幅と同一にし、第1エレメント51及び第2エレメント52の全体について、その裏面20b側に接地導体3が設けられていないように構成してもよい。
誘電体基板20の長手方向におけるアンテナ素子5の長さ(第1エレメント51の他端から第2エレメント52の他端までの長さ)Lは、アンテナ素子5が共振する周波数帯域の中心周波数fの波長をλ(λ(m)=v/f(Hz);v=電波の伝搬速度(m/秒))とすると、λ/2(2分の1波長)と等しい(L=λ/2)。
また、誘電体基板20の反射板10に向かい合う端面を端面20cとし、端面20cとは反対側の端面を端面20dとしたとき、第3導体部43の端面20d側の縁部とアンテナ素子5の端面20d側の縁部との間の距離Lは、第1エレメント51と第2エレメント52とで共通である。また、端面20cとアンテナ素子5の端面20c側の縁部との間の距離Lは、第1エレメント51と第2エレメント52とで共通である。
上記のように構成されたアンテナ装置2が電波を放射する場合、同軸ケーブルによって伝送された高周波信号が接地導体3及び給電導体4を介してアンテナ素子5に供給される。すなわち、第1〜第3接地導体部33〜35及び第1〜第3導体部41〜43がアンテナ素子5に給電する給電線路として機能すると共に、第1〜第3導体部41〜43が平衡−不平衡変換を行うバランとしても機能する。また、アンテナ素子5は、ダイポールアンテナ素子として機能し、供給された高周波信号に応じて所定の周波数帯域の電波を放射する。
また、アンテナ装置2が電波を吸収する場合、アンテナ素子5が吸収した電波に応じた電気信号が、接地導体3及び給電導体4を介して同軸ケーブルに出力される。
図3は、アンテナ装置2の周波数ごとの複素インピーダンスの一例を示すスミスチャートである。このスミスチャートでは、アンテナ素子5が放射(送信)又は吸収(受信)する電波の周波数帯域の下限の周波数における複素インピーダンスを▽1で、上限の周波数における複素インピーダンスを▽3で、中心周波数における複素インピーダンスを▽2で、それぞれ示している。
図3に示すように、周波数帯域における複素インピーダンスを示す曲線がスミスチャートの中心座標(1,0)を周回するような軌跡を描き、インピーダンス整合が適切に行われていることが判読できる。アンテナ装置2では、このインピーダンス調整を、距離Lの(図2(a)参照)によって行うことができる。すなわち、アンテナ装置2は、距離Lを加減することによってインピーダンスマッチングがなされている。
より具体的には、距離Lを短くすると複素インピーダンスを示す曲線がスミスチャートの下方に移動し、距離Lを長くするとこの曲線がスミスチャートの上方に移動する。従って、所望の周波数帯域における複素インピーダンスを示す曲線がスミスチャートの中心座標(1,0)を巻き込むような位置に来るように距離Lを調整することで、適切にインピーダンスマッチングを行うことができる。
また、アンテナ装置2の指向性のビーム幅の調整は、距離L(図2(a)参照)によって行うことができる。つまり、距離Lが短いと(アンテナ素子5を反射板10に近づけると)、ビーム幅が広くなり、距離Lが長いと(アンテナ素子5を反射板10から遠ざけると)、ビーム幅が狭くなる。このように、距離Lを加減することにより、所望のビーム幅のアンテナ装置2を得ることができる。
(第1の実施の形態の作用及び効果)
以上説明した第1の実施の形態によれば、以下のような効果が得られる。
(1)アンテナ素子5は、接地導体3が設けられた裏面20bではなく、その反対側の表面20aに設けられている。例えば特許文献1に示す従来のダイポールアンテナでは、ダイポールアンテナ素子が、給電回路を形成する接地導体に接続されているため、実質的にダイポールアンテナ素子が接地されていたが、本実施の形態では、アンテナ素子5が接地導体3に接続されていない。これにより、誘電体基板20の表面20a及び裏面20bに形成された金属箔のうち、電気的に接地された金属箔の面積が減少する。つまり、接地導体の面積が減少するので、複数のアンテナ装置2を反射板10に並べた際のアンテナ装置2同士の相互干渉を低減することが可能となる。
(2)誘電体基板20の裏面20bにおける接地導体3は、第1エレメント51及び第2エレメント52の他端(誘電体基板20の長手方向におけるアンテナ素子5の両端)に対応する裏面20bには設けられていないので、例えば第1エレメント51及び第2エレメント52の裏面20b側の全体に接地導体3が設けられた場合に比較して、接地導体3の面積を小さくすることができ、アンテナ装置2同士の相互干渉をさらに低減することが可能となる。
(3)第1エレメント51及び第2エレメント52は、第3導体部43よりも反射板10側に設けられている。つまり、距離L(図2(a)参照)が0より大きな値であるので、この距離Lによってアンテナ装置2のインピーダンス調整を適切に行うことができる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
図4は、本実施の形態に係るアンテナ装置2Aを示し、(a)は表面20a側の平面図、(b)は裏面20b側の平面図である。このアンテナ装置2Aは、接地導体3A及び給電導体4Aの形状が、第1の実施の形態に係るアンテナ装置2の接地導体3及び給電導体4の形状と異なり、その他はアンテナ装置2と共通である。アンテナ装置2Aの構成要素のうち、アンテナ装置2と共通するものについては、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
給電導体4Aは、第1導体部41A、第2導体部42A、及び第3導体部43Aからなり、第1導体部41Aと第2導体部42Aとは、互いに平行である。第1導体部41A及び第2導体部42Aは、誘電体基板20の短手方向に延びるように形成され、第3導体部43Aは、誘電体基板20の長手方向に延びるように形成されている。第1導体部41Aは第2導体部42Aよりも長く、第1導体部41Aと第2導体部42Aとは、第3導体部43Aによって接続されている。
接地導体3Aは、給電導体4Aの第1導体部41A、第2導体部42A、及び第3導体部43Aに対応して、誘電体基板20の裏面20bに設けられている。本実施の形態では、接地導体3Aの全体が、誘電体基板20の短手方向に長辺を有する長方形状に形成されている。また、接地導体3Aには、貫通孔21の開口が形成されている。貫通孔21の開口周辺部には、図略の同軸ケーブルの外部導体が半田付けされ、これにより接地導体3Aが電気的に接地される。
誘電体基板20の表面20aには、第1エレメント51A及び第2エレメント52Aからなるアンテナ素子5Aが設けられ、第1エレメント51Aの一端が第1導体部41Aに、第2エレメント52Aの一端が第2導体部42Aに、それぞれ接続されている。本実施の形態では、第2エレメント52Aが、第2導体部42Aの先端部(端面20c側の端部)に設けられ、第1エレメント51Aは、誘電体基板20の端面20cとの間隔(距離L)が第2エレメント52Aと等しくなるように設けられている。
接地導体3Aの短辺の長さは、誘電体基板20の長手方向における給電導体4Aの幅に対応した長さであり、第1エレメント51Aの他端、及び第2エレメント52Aの他端に対応する裏面20bには、接地導体3Aが設けられていない。
本実施の形態に係るアンテナ装置2Aにおいても、第3導体部43Aの端面20d側の縁部とアンテナ素子5Aの端面20d側の縁部との間の距離L(L>0)を変えることにより、すなわち第2導体部42Aの長さを変えることにより、インピーダンスマッチングを行うことができる。また、端面20cとアンテナ素子5Aの端面20c側の縁部との間の距離Lを変えることにより、アンテナ装置2Aの指向性のビーム幅を調整することができる。なお、アンテナ素子5Aの誘電体基板20の長手方向における長さLは、アンテナ素子5Aが共振する周波数帯域の中心周波数に対応する波長の約2分の1の長さである。
(第2の実施の形態の作用及び効果)
本実施の形態によっても、第1の実施の形態について説明したものと同様の作用及び効果が得られる。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
図5は、本発明の第3の実施の形態に係るアレイアンテナ1Aの構成例を示す斜視図である。第1の実施の形態では、共通の諸元を有する複数のアンテナ装置2を共通の反射板10に配列してアレイアンテナ1を構成したが、本実施の形態に係るアレイアンテナ1Aは、放射又は吸収する電波の周波数帯域が異なる複数のアンテナ装置及び反射板10によって、アレイアンテナ1Aが構成されている。
アレイアンテナ1Aの反射板10には、第1〜第4のアンテナ装置2B〜2Eがそれぞれ複数(図5に示す例では2個ずつ)固定されている。より具体的には、反射板10には、長手方向の一端(図5の右側)から順に、第1のアンテナ装置2B,第2のアンテナ装置2C,第3のアンテナ装置2D,第4のアンテナ装置2E,第2のアンテナ装置2C,第3のアンテナ装置2D,第1のアンテナ装置2B,第4のアンテナ装置2Eがこの順に並んで固定されている。
第1のアンテナ装置2Bは、800MHz帯の水平偏波用のアンテナ装置である。第2のアンテナ装置2Cは、1.5GHz帯の水平偏波ならびに2GHz帯の水平及び垂直偏波の共用アンテナ装置である。第3のアンテナ装置2Dは、1.5GHz帯の垂直偏波用のアンテナ装置である。第4のアンテナ装置2Eは、800MHz帯の垂直偏波用のアンテナ装置である。
第1〜第4のアンテナ装置2B〜2Eは、周波数帯域の違い等に応じて、その形状や大きさがそれぞれ異なっているが、誘電体基板の表面に給電導体及びアンテナ素子が設けられ、裏面に接地導体が設けられた構成は、第1及び第2の実施の形態に係るアンテナ装置2,2Aと共通である。この構成により、第1〜第4のアンテナ装置2B〜2Eに設けられた接地導体の面積を小さくすることができ、第1〜第4のアンテナ装置2B〜2Eの間の相互干渉を低減することが可能となる。すなわち、放射又は吸収する電波の周波数帯域が互いに異なる複数のアンテナ装置を組み合わせてアレイアンテナを構成する場合でも、第1の実施の形態について説明したものと同様の作用及び効果を得ることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
また、本発明は上記第1乃至第3の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。例えば、第1及び第2の実施の形態に係るアンテナ装置2,2Aに、ビーム幅を絞るための寄生素子を追加して設けてもよい。また、誘電体基板20は、長方形状に限らず、例えば接地導体3,3A、給電導体4,4A、及びアンテナ素子5,5Aが設けられていない領域を切り欠いてもよい。この場合には、誘電体基板20の重量を軽減することができる。
1,1A…アレイアンテナ、2,2A…アンテナ装置、2B〜2E…第1〜第4のアンテナ装置、3,3A…接地導体、4,4A…給電導体、5,5A…アンテナ素子、10…反射板、10a…反射面、11…ボルト、12…固定金具、20…誘電体基板、20a…表面、20b…裏面、20c,20d…端面、21…貫通孔、30…スリット部、31…第1基端部、32…第2基端部、33…第1接地導体部、34…第2接地導体部、35…第3接地導体部、41,41A…第1導体部、42,42A…第2導体部、43,43A…第3導体部、51,51A…第1エレメント、52,52A…第2エレメント

Claims (4)

  1. 第1及び第2の主面を有する誘電体基板と、
    前記誘電体基板の前記第1の主面に設けられ、電気的に接地された接地導体と、
    前記接地導体との間に前記誘電体基板を挟んで前記第2の主面に設けられ、互いに平行となるように設けられた第1導体部及び第2導体部、ならびに前記第1導体部と前記第2導体部とを接続する第3導体部を有する給電導体と、
    所定の周波数帯域で共振するアンテナ素子と、を備えた複数のアンテナ装置を有するアレイアンテナであって、
    前記アンテナ素子は、前記第1導体部に一端が接続されて前記第2の主面に設けられた第1エレメントと、前記第2導体部に一端が接続されて前記第2の主面に設けられた第2エレメントとを有し、
    前記複数のアンテナ装置は、前記接地導体と前記給電導体とが対向するように共通の反射板に立設されている
    アレイアンテナ
  2. 前記接地導体は、前記給電導体の第1導体部、第2導体部、及び第3導体部に対応して前記第1の主面に設けられ、前記第1エレメントの他端及び前記第2エレメントの他端に対応する前記第1の主面には設けられていない、
    請求項1に記載のアレイアンテナ
  3. 前記誘電体基板は、反射板に立設され、
    前記第1エレメント及び前記第2エレメントは、前記給電導体の前記第3導体部よりも前記反射板側に設けられている、
    請求項1又は2に記載のアレイアンテナ
  4. 前記第1導体部の前記反射板側の端部は、前記第1エレメントよりも前記反射板に近いと共に、前記第2導体部の前記反射板側の端部は、前記第2エレメントよりも前記反射板に近い
    請求項1〜3の何れかに記載のアレイアンテナ。
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