(57)【要約】【課題】設置面（特に天井）に対し低姿勢な形状であり、かつ、垂直偏波と水平偏波とが送受信に必要な方向の範囲でほぼ同一の指向性特性を持つ偏波共用のアンテナを提供する。【解決手段】本発明のアンテナは、導電性板、導電性箱、スロット、放射素子、スロット給電部、放射素子給電部を備える。導電性板は、例えば矩形状の板であり、上面が天井と接する。導電性箱は、箱型であり、導電性板の片面（下面）に固定される。スロットは、導電性箱の導電性板とほぼ垂直な面に、長手方向が導電性板とほぼ平行となるように設けられる。放射素子は、スロットを設けた導電性箱の面の前方に、長手方向が導電性板とほぼ平行となるように設けられる。スロット給電部は、スロットに給電する。放射素子給電部は、放射素子に給電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性板と、
前記導電性板の片面に固定された箱型の形状である導電性箱と、
前記導電性箱の前記導電性板とほぼ垂直な面に、長手方向が前記導電性板とほぼ平行となるように設けられたスロットと、
前記スロットを設けた前記導電性箱の面の前方に、長手方向が前記導電性板とほぼ平行となるように設けられた放射素子と、
前記スロットに給電するスロット給電部と、
前記放射素子に給電する放射素子給電部と
を備えるアンテナ。
【請求項２】
天井に取り付ける室内用のアンテナであって、
上面が天井と対向する導電性板と、
前記導電性板の下面に、上面が固定されている箱型の形状である導電性箱と、
前記導電性箱の側面に、長手方向が前記導電性板とほぼ平行となるように設けられたスロットと、
前記スロットを設けた前記導電性箱の側面の前方に、長手方向が前記導電性板とほぼ平行となるように設けられた放射素子と、
前記スロットに給電するスロット給電部と、
前記放射素子に給電する放射素子給電部と
を備えるアンテナ。
【請求項３】
請求項１または２記載のアンテナであって、
λを送受信する電波の中心周波数での波長とし、
前記導電性箱１２０の厚さが０．２８λ以上、前記放射素子と前記導電性箱との距離が０．３８λ以下、前記導電性箱から前記導電性板の端までの長さＬが０．２６λ以上である
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のアンテナであって、
前記導電性板に、複数の導電性箱が固定されており、
導電性箱ごとに前記スロットが設けられ、
前記スロットが設けられた導電性箱の面ごとに、前方に前記放射素子が設けられている
前記スロットごとに給電する複数のスロット給電部と、
前記放射素子ごとに給電する複数の放射素子給電部と
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載のアンテナであって、
前記導電性箱の複数の面に前記スロットがそれぞれ設けられ、
前記スロットが設けられた導電性箱の面ごとに、前方に前記放射素子が設けられ、
前記導電性箱は、前記スロットが設けられた面同士を仕切るための仕切り板を有している
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項６】
請求項５記載のアンテナであって、
λを送受信する電波の中心周波数での波長とし、
前記仕切り板同士の隙間は、０．３５λ以下である
ことを特徴とするアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は垂直偏波成分と水平偏波成分を有するアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、屋内のＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）通信において、部屋の側面の角方向への指向性を持つアンテナを用いることで、その通信容量を改善できることが知られている。また、非特許文献１に示されているように、垂直偏波と水平偏波でそれぞれ別々の放射素子を持つアンテナを用いることで、放射素子間の距離によらずにその通信容量を確保できることも知られている。
【０００３】
そして、特定の方向へほぼ同一の指向性特性を持つ偏波共用アンテナとして、特許文献１のアンテナがある。このアンテナは、屋外の基地局に設置する用途を目的としており、直交する偏波を送受信する別々の放射素子を持つ指向性アンテナである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−９８０１９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】内田他，“アクセスポイントに指向性アンテナを用いた屋内MIMOシステムにおける最適条件”，電子通信学会技術報告，AP2008-122, pp.61-66，2008年.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１のアンテナは、屋内の天井に設置する基地局に用いると、次のような問題がある。反射器を天井に対向させると（天井に水平に寝かせた状態で設置すると）、２組のダイポール素子は両方とも水平偏波を送受信することになり、垂直偏波を送受信できない。一方、垂直偏波をいずれかのダイポール素子で送受信しようとすれば、ダイポール素子の長さ分（一端的には波長の１／２）天井から突き出てしまう。したがって、邪魔になったり、景観を損ねたりするという問題がある。さらに、複数のアンテナを用いるＭＩＭＯに使用する場合には、その問題が顕著になる。
【０００７】
本発明の目的は、設置面（特に天井）に対し低姿勢な形状であり、かつ、垂直偏波と水平偏波とが送受信に必要な方向の範囲でほぼ同一の指向性特性を持つ偏波共用のアンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のアンテナは、導電性板、導電性箱、スロット、放射素子、スロット給電部、放射素子給電部を備える。導電性板は、例えば矩形状の板であり、上面が天井と接する。導電性箱は、箱型であり、導電性板の片面（下面）に固定される。スロットは、導電性箱の導電性板とほぼ垂直な面に、長手方向が導電性板とほぼ平行となるように設けられる。放射素子は、スロットを設けた導電性箱の面の前方に、長手方向が導電性板とほぼ平行となるように設けられる。スロット給電部は、スロットに給電する。放射素子給電部は、放射素子に給電する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアンテナの構成であれば、設置面（特に天井）に対し低姿勢な形状であり、かつ、垂直偏波と水平偏波とが送受信に必要な方向の範囲でほぼ同一の指向性特性を持つ偏波共用のアンテナを設計できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１のアンテナの構成例を示す図。
【図２】実施例１のアンテナの構成例を示す図。
【図３】Ｗｇ＝０．３２λ、ｄ＝０．３８λ、Ｌ＝０．５λの場合のスロット１２５と放射素子１３０のｙｚ平面での指向性を示す図。
【図４】２．４ＧＨｚをアンテナの使用中心周波数とし、図３と同じ条件で設計したときのスロット１２５と放射素子１３０のＳパラメータ（リターンロス）の周波数特性を示す図。
【図５】ｄ＝０．３８λ、Ｌ＝０．５λとし、Ｗｇを変化させた場合のｙｚ面の０度から９０度の方向での指向性半値幅を示す図。
【図６】Ｗｇ＝０．３２、Ｌ＝０．５λとし、ｄを変化させた場合のｙｚ面の０度から９０度の方向での指向性半値幅を示す図。
【図７】Ｗｇ＝０．３２λ、ｄ＝０．３８λとし、Ｌを変化させた場合のｙｚ面の０度から９０度の方向での指向性半値幅を示す図。
【図８】Ｗｇ＝０．３２λ、ｄ＝０．３８λ、Ｌ＝０．５λとし、放射素子１３０と導電性板１１０との距離ｈを変化させた場合のｙｚ面の０度から９０度の方向での指向性半値幅を示す図。
【図９】実施例２のアンテナの構成例を示す図。
【図１０】実施例３のアンテナの構成例を示す図。
【図１１】実施例4のアンテナの構成例を示す図。
【図１２】導電性箱内に配置された仕切り板を示すための図。
【図１３】仕切り板同士の隙間とスロット間の結合量との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
【実施例１】
【００１２】
図１と図２に実施例１のアンテナの構成例を示す。図１は、実施例１のアンテナの外観を示す斜視図である。設置面（例えば天井）と平行な面内にｘ軸とｙ軸、天井と垂直の方向にｚ軸を取る。なお、座標の取り方は本明細書中はどの実施例も同じである。図２（Ａ）は放射素子やスロットが設けられた面を正面から見た図、図２（Ｂ）は設置面に向いて見た図（天井に設置する場合ならば、下から見上げた図）、図２（Ｃ）はＡ−Ａ線での断面図である。
【００１３】
アンテナ１００は、導電性板１１０、導電性箱１２０、スロット１２５、放射素子１３０、放射素子支持部１３５、スロット給電部１４０、放射素子給電部１５０を備える。なお、図２ではスロット給電部１４０、放射素子給電部１５０を省略している。導電性板１１０は、例えば矩形状の板であり、上面が天井と接する。導電性箱１２０は、中空の箱型であり、導電性板１１０の片面（下面）に固定される。スロット１２５は、導電性箱１２０の導電性板１１０とほぼ垂直な面に、長手方向が導電性板１１０とほぼ平行となるように設けられる。アンテナ１００を天井に設置した場合には、スロット１２５は垂直偏波を送受信できる。放射素子１３０は、スロット１２５を設けた導電性箱１２０の面の前方に、放射素子支持部１３５によって長手方向が導電性板１１０とほぼ平行となるように固定されている。放射素子１３０は、アンテナ１００を天井に設置した場合には、水平偏波を送受信できる。スロット給電部１４０は、スロット１２５に給電する。放射素子給電部１５０は、放射素子１３０に給電する。
【００１４】
図２では、導電性板１１０のｘ軸方向の長さをＤｂ、ｙ軸方向の長さをＬｂとしている。導電性箱１２０のｘ方向の長さをＤｇ、ｙ軸方向の長さをＬｇ、ｚ軸方向の長さをＷｇとしている。また、導電性箱１２０から導電性板１１０の端までの長さをＬとしている。スロット１２５は、導電性箱１２０の１つの面の中央に設けられており、ｘ軸方向の長さをＤｓ、ｚ軸方向の長さをＷｓとしている。放射素子１３０と導電性箱１２０との距離をｄ、放射素子１３０と導電性板１１０との距離をｈ、放射素子の長さをＤｄとしている。なお、スロット１２５のｘ軸方向の長さＤｓと放射素子１３０の長さＤｄは、周囲に何もない状態であれば、送受信する電波の波長λ（例えば、２．４ＧＨｚであれば１波長は約１２５ｍｍ）の１／２である。しかし、導電性板１１０や導電性箱１２０などによって変化する。そこで、正確な値は、シミュレーションなどによって個別に設計して決めればよい。後述するが、アンテナ１００の指向性に大きく影響を与えるパラメータは、導電性箱１２０のｚ軸方向の長さＷｇ（導電性箱１２０の厚さ）、放射素子１３０と導電性箱１２０との距離ｄ、導電性箱１２０から導電性板１１０の端までの長さＬであり、その他のパラメータはシミュレーションなどの設計手法によって適宜決めればよい。
【００１５】
図３は、Ｗｇ＝０．３２λ、ｄ＝０．３８λ、Ｌ＝０．５λの場合のスロット１２５と放射素子１３０のｙｚ平面での指向性を示す図である。０度の方向はｙ軸の正方向、９０度の方向はｚ軸の正方向を示している。アンテナ１００を天井に取り付けた場合、図１や図２（Ｃ）から分かるように、０度から９０度の方向が電波の送受信に必要な方向の範囲である。そして、この範囲でスロット１２５（垂直偏波）と放射素子１３０（水平偏波）が同様の指向性を有することが分かる。また、この図から指向性半値幅が９０度弱であることが分かる。なお、その他のパラメータは、Ｄｓ≒０．８λ、Ｗｓ＝０．０２λ、Ｄｄ≒０．５λ、Ｌｂ＝Ｄｂ＝２λ、Ｌｇ＝Ｄｇ＝λ、ｈ＝０．１２λとした。また、図４は、２．４ＧＨｚをアンテナの使用中心周波数とし、図３と同じ条件で設計したときのスロット１２５と放射素子１３０のＳパラメータ（リターンロス）の周波数特性を示す図である。横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータを示している。図４から、２．４ＧＨｚで動作していることが分かる。
【００１６】
図５は、ｄ＝０．３８λ、Ｌ＝０．５λとし、Ｗｇを変化させた場合のｙｚ面の０度から９０度の方向（図３に示した方向と同じ）での指向性半値幅を示している。横軸は導電性箱１２０のｚ軸方向の長さＷｇを示し、縦軸は指向性半値幅を示している。図５から、導電性箱１２０のｚ軸方向の長さＷｇを０．２８λ以上にすれば、指向性をほぼ同じにできることが分かる。
【００１７】
図６は、Ｗｇ＝０．３２、Ｌ＝０．５λとし、ｄを変化させた場合のｙｚ面の０度から９０度の方向での指向性半値幅を示している。横軸は放射素子１３０と導電性箱１２０との距離ｄを示し、縦軸は指向性半値幅を示している。図５から、放射素子１３０と導電性箱１２０との距離ｄを０．３８λより小さくすれば、指向性をほぼ同じにできることが分かる。
【００１８】
図７は、Ｗｇ＝０．３２λ、ｄ＝０．３８λとし、Ｌを変化させた場合のｙｚ面の０度から９０度の方向での指向性半値幅を示している。横軸は導電性箱１２０から導電性板１１０の端までの長さＬを示し、縦軸は指向性半値幅を示している。図７から、導電性箱１２０から導電性板１１０の端までの長さＬを０．２６λより大きくすれば、指向性をほぼ同じにできることが分かる。
【００１９】
図８は、Ｗｇ＝０．３２λ、ｄ＝０．３８λ、Ｌ＝０．５λとし、放射素子１３０と導電性板１１０との距離ｈを変化させた場合のｙｚ面の０度から９０度の方向での指向性半値幅を示している。横軸は放射素子１３０と導電性板１１０との距離ｈを示し、縦軸は指向性半値幅を示している。図８から、放射素子１３０と導電性板１１０との距離ｈは、指向性をほぼ同じにすることには大きな影響を与えないことが分かる。
【００２０】
このように、アンテナ１００は、導電性板１１０と導電性箱１２０とで、スロット１２５と放射素子１３０の指向性を調整する（絞る）ことができる。したがって、アンテナ１００の構成であれば、設置面に対しての出っ張りが小さく（低姿勢な形状であり）、かつ、送受信に必要な方向の範囲で垂直偏波と水平偏波の指向性を調整できるアンテナが実現できる。また、特に垂直偏波と水平偏波の指向性を同等にしたい場合には、導電性箱１２０のｚ軸方向の長さ（導電性箱１２０の厚さ）Ｗｇを０．２８λ以上、放射素子１３０と導電性箱１２０との距離ｄを０．３８λ以下、導電性箱１２０から導電性板１１０の端までの長さＬを０．２６λ以上とすればよい。例えば、２．４ＧＨｚの電波を用いる場合であれば、４ｃｍ以下の厚みのアンテナで、垂直偏波と水平偏波の指向性が同等な偏波共用のアンテナを実現できる。
【実施例２】
【００２１】
図９に実施例２のアンテナの構成例を示す。図９（Ａ）は放射素子やスロットが設けられた面を正面から見た図、図９（Ｂ）は設置面に向いて見た図（天井に設置する場合ならば、下から見上げた図）である。アンテナ２００がアンテナ１００と異なる点は、導電性箱２２０の形状が直方体から三角柱になった点である。
【００２２】
アンテナ２００は、導電性板１１０、導電性箱２２０、スロット２２５、放射素子１３０、放射素子支持部１３５、スロット給電部１４０、放射素子給電部１５０を備える。なお、図９ではスロット給電部１４０、放射素子給電部１５０を省略している。導電性箱２２０は、中空の箱型（三角柱）であり、導電性板１１０の片面（下面）に固定される。スロット２２５は、導電性箱２２０の導電性板１１０とほぼ垂直な面に、長手方向が導電性板１１０とほぼ平行となるように設けられる。アンテナ２００を天井に設置した場合には、スロット２２５は垂直偏波を送受信できる。
【００２３】
図９では、導電性箱２２０のｘ方向の長さをＤｇ、ｙ軸方向の長さをＬｇ、ｚ軸方向の長さをＷｇとしている。また、導電性箱２２０から導電性板１１０の端までの長さをＬとしている。スロット２２５は、導電性箱２２０の１つの面の中央に設けられており、ｘ軸方向の長さをＤｓ、ｚ軸方向の長さをＷｓとしている。なお、スロット２２５のｘ軸方向の長さＤｓは、周囲に何もない状態であれば、送受信する電波の波長λ（例えば、２．４ＧＨｚであれば１波長は約１２５ｍｍ）の１／２である。しかし、導電性板１１０や導電性箱１２０などによって変化する。そこで、正確な値は、シミュレーションなどによって個別に設計して決めればよい。アンテナ１００と同じように、アンテナ２００の指向性に大きく影響を与えるパラメータは、導電性箱２２０のｚ軸方向の長さＷｇ（導電性箱２２０の厚さ）、放射素子１３０と導電性箱２２０との距離ｄ、導電性箱２２０から導電性板１１０の端までの長さＬであり、アンテナ１００とこれらのパラメータは基本的に同じである。また、その他のパラメータはシミュレーションなどの設計手法によって適宜決めればよい。
【００２４】
例えば、Ｗｇ＝０．３２λ、ｄ＝０．３８λ、Ｌ＝０．５λ、Ｄｓ≒０．８λ、Ｗｓ＝０．０２λ、Ｄｄ≒０．５λ、Ｌｂ＝Ｄｂ＝２λ、Ｌｇ＝０７１λ、Ｄｇ＝λ、ｈ＝０．１２λとすれば、図３、図４と同様の特性を得られる。したがって、実施例１と同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００２５】
図１０に実施例３のアンテナの構成例を示す。図１０（Ａ）は放射素子１３０−１やスロット２２５−１が設けられた面を正面から見た図、図１０（Ｂ）は設置面に向いて見た図（天井に設置する場合ならば、下から見上げた図）である。アンテナ３００は、アンテナ２００の導電性箱と放射素子と放射素子支持部の組合せを４組備えている。
【００２６】
アンテナ３００は、導電性板１１０、導電性箱２２０−１，…，２２０−４、スロット２２５−１，…，２２５−４（ただし、２２５−２，…，２２５−４は図示されていない）、放射素子１３０−１，…，１３０−４、放射素子支持部１３５−１，…，１３５−４（ただし、１３５−４は図示されていない）、スロット給電部１４０−１，…，１４０−４、放射素子給電部１５０−１，…，１５０−４を備える。ただし、図１０ではスロット給電部１４０−１，…，１４０−４、放射素子給電部１５０−１，…，１５０−４を省略している。導電性箱２２０−ｎ（ただし、ｎは１，…，４）は、中空の箱型（三角柱）であり、導電性板１１０の片面（下面）に、ｘｙ面上で９０度ずつ向きを変えて固定されている。スロット２２５−ｎは、導電性箱２２０−ｎの導電性板１１０とほぼ垂直な面に、長手方向が導電性板１１０とほぼ平行となるように設けられる。アンテナ３００を天井に設置した場合には、スロット２２５−ｎは垂直偏波を送受信できる。放射素子１３０−ｎは、スロット２２５−ｎを設けた導電性箱２２０−ｎの面の前方に、放射素子支持部１３５−ｎによって長手方向が導電性板１１０とほぼ平行となるように固定されている。放射素子１３０−ｎは、アンテナ３００を天井に設置した場合には、水平偏波を送受信できる。スロット給電部１４０−ｎは、スロット１２５−ｎに給電する。放射素子給電部１５０−ｎは、放射素子１３０−ｎに給電する。
【００２７】
ｘｙ面上で９０度ずつ角度を変えてスロット２２５−ｎや放射素子１３０−ｎが配置されているので、天井にアンテナ３００を設置すると、部屋の四方に指向性を有するマルチビームアンテナを構成できる。また、ｙｚ面の指向性はアンテナ１００、２００と同じであり、垂直偏波と水平偏波の指向性は同等にできる。つまり、アンテナ３００には、実施例１と同等の効果の他に、マルチビーム構成を実現できる効果がある。
【実施例４】
【００２８】
図１１に実施例4のアンテナの構成例を示す。図１１（Ａ）は放射素子１３０−１やスロット４２５−１が設けられた面を正面から見た図、図１１（Ｂ）は設置面に向いて見た図（天井に設置する場合ならば、下から見上げた図）である。アンテナ４００は、１つの導電性箱に４つのスロットを形成した例である。実施例３は、４つの導電性箱に１つずつスロットを形成したので、スロット同士の間は導電性箱で完全に仕切られていた。一方、アンテナ４００は、導電性箱の中に仕切り板を備えているが、完全には仕切らなくてもよい（もちろん、完全に仕切ってもよい）。図１２は、導電性箱内に配置された仕切り板を示すための図であり、実線が仕切り板を、点線が導電性箱を示している。
【００２９】
アンテナ４００は、導電性板１１０、導電性箱４２０、スロット４２５−１，…，４２５−４（ただし、４２５−２，…，４２５−４は図示されていない）、放射素子１３０−１，…，１３０−４、放射素子支持部１３５−１，…，１３５−４（ただし、１３５−４は図示されていない）、スロット給電部１４０−１，…，１４０−４、放射素子給電部１５０−１，…，１５０−４を備える。ただし、図１１ではスロット給電部１４０−１，…，１４０−４、放射素子給電部１５０−１，…，１５０−４を省略している。導電性箱４２０は、中空の箱型（直方体）であり、スロットが設けられた面同士を仕切るための４つの仕切り板４２１−１，…，４２１−４を備える。仕切り板同士の間には隙間ａを設けてもよい。スロット４２５−１，…，４２５−４は、ｘｙ面上で９０度ずつ向きを変えて形成されている。スロット４２５−ｎ（ただし、ｎは１，…，４）は、導電性箱４２０の導電性板１１０とほぼ垂直な面に、長手方向が導電性板１１０とほぼ平行となるように設けられる。アンテナ４００を天井に設置した場合には、スロット４２５−ｎは垂直偏波を送受信できる。放射素子１３０−ｎは、スロット４２５−ｎを設けた導電性箱４２０の面の前方に、放射素子支持部１３５−ｎによって長手方向が導電性板１１０とほぼ平行となるように固定されている。放射素子１３０−ｎは、アンテナ４００を天井に設置した場合には、水平偏波を送受信できる。スロット給電部１４０−ｎは、スロット４２５−ｎに給電する。放射素子給電部１５０−ｎは、放射素子１３０−ｎに給電する。
【００３０】
図１３に、仕切り板４２１−１，…，４２１−４同士の隙間とスロット４２５−１，…，４２５−４間の結合量との関係を示す。横軸は隙間ａを示し、縦軸はスロット間の結合量を示している。この結果から隙間ａが０．３５λ以下であれば、結合量を−２０ｄＢ以下にできる。もし、結合量−３０ｄＢ以下が必要な環境であれば、０．３２λ以下にすればよい。
【００３１】
アンテナ４００もアンテナ１００と同じように、指向性に大きく影響を与えるパラメータは、導電性箱４２０のｚ軸方向の長さＷｇ（導電性箱１２０の厚さ）、放射素子１３０と導電性箱４２０との距離ｄ、導電性箱４２０から導電性板１１０の端までの長さＬであり、その他のパラメータはシミュレーションなどの設計手法によって適宜決めればよい。そして、例えば、Ｗｇ＝０．３２λ、ｄ＝０．３８λ、Ｌ＝０．５λとすれば、アンテナ１００とｙｚ面の指向性はと同じであり、垂直偏波と水平偏波の指向性は同等にできる。また、ｘｙ面上で９０度ずつ角度を変えてスロット２２５−ｎや放射素子１３０−ｎが配置されているので、天井にアンテナ３００を設置すると、部屋の四方に指向性を有するマルチビームアンテナを構成できる。つまり、アンテナ４００には、実施例１と同等の効果の他に、マルチビーム構成を実現できる効果がある。
【符号の説明】
【００３２】
１００、２００、３００、４００  アンテナ    １１０  導電性板
１２０、２２０、４２０  導電性箱            １２５、２２５、４２５  スロット
１３０  放射素子                            １３５  放射素子支持部
１４０  スロット給電部                      １５０  放射素子給電部
４２１  仕切り板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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