(57)【要約】【課題】アンテナが長くならず、偏波共用構成のダイポールアンテナであっても広帯域化を実現できるダイポールアンテナを提供する。【解決手段】２枚の短冊形状の金属片９２ａ，９２ｂを長手方向一列に配置してなるダイポール素子９２と、ダイポール素子９２の短手方向をｘ方向、長手方向をｙ方向、ｘ方向とｙ方向の双方に直行する方向をｚ方向とした場合に、ダイポール素子９２とｚ方向に離間し、ｙ方向に互いに離間して、ｙ方向一列に配置された、屈曲部を有する第１、第２の無給電素子１ａ，１ｂと、第１、第２の無給電素子１ａ，１ｂとダイポール素子９２を挟んで対向する位置に、ダイポール素子９２とｚ方向に離間して配置された反射板７を含む。【選択図】図６
2015162888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の短冊形状の金属片を長手方向一列に配置してなるダイポール素子と、
前記ダイポール素子の短手方向をｘ方向、長手方向をｙ方向、前記ｘ方向と前記ｙ方向の双方に直行する方向をｚ方向とした場合に、前記ダイポール素子と前記ｚ方向に離間し、前記ｙ方向に互いに離間して、前記ｙ方向一列に配置された、屈曲部を有する第１、第２の無給電素子とを含む
ダイポールアンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載のダイポールアンテナであって、
前記第１、第２の無給電素子と前記ダイポール素子を挟んで対向する位置に、前記ダイポール素子と前記ｚ方向に離間して配置された反射板を含む
ダイポールアンテナ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のダイポールアンテナであって、
前記第１、第２の無給電素子が、
Ｅ字型形状の金属片である
ダイポールアンテナ。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のダイポールアンテナであって、
前記第１、第２の無給電素子が、
ループ形状の金属片である
ダイポールアンテナ。
【請求項５】
請求項４に記載のダイポールアンテナであって、
前記第１、第２の無給電素子が、
額縁形状の金属片である
ダイポールアンテナ。
【請求項６】
請求項４に記載のダイポールアンテナであって、
前記第１、第２の無給電素子の、前記ダイポール素子の長手方向と平行な線路を流れる電流の方向が互いに等しくなり、前記ダイポール素子の長手方向と垂直な線路を流れる電流の方向が互いに打ち消し合う方向となる
ダイポールアンテナ。
【請求項７】
請求項４に記載のダイポールアンテナであって、
前記第１、第２の無給電素子が、前記ダイポール素子の長手方向と平行な線路と前記ダイポール素子の長手方向と垂直な線路のみからなるループ形状である
ダイポールアンテナ。
【請求項８】
請求項４から７の何れかに記載のダイポールアンテナであって、
前記第１、第２の無給電素子の周囲長が、所定の共振周波数の一波長の長さと等しい
ダイポールアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば移動通信用基地局アンテナとして使用可能な広帯域のダイポールアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
移動通信では、扇形のサービスエリア（セクタと呼ばれる）を構成して通信が行われており、基地局からセクタ指向性を有するセクタアンテナを用いて電波を照射し、サービスエリア内にいるユーザ端末との通信を行っている。セクタ指向性を実現するアンテナ構成としては、ダイポールアンテナに反射板を組み合わせた反射板付きダイポールアンテナが広く用いられている。金属で構成した反射板から０．２波長から０．２５波長の間隔でダイポールアンテナをアレイ状に配置することで、単一指向性のアンテナを実現できる。近年の移動通信サービスの普及に伴い、各基地局では複数の周波数帯を使って同時に通信を行うことによりサービスエリア内に収容するユーザ数を増やしている。そこで基地局からは複数の周波数帯でサービスエリアへ電波を照射するアンテナが必要になる。
【０００３】
一方、基地局において周波数ごとにアンテナを設置すると、アンテナの容積が大きくなるために、アンテナを設置する基部に大きな強度が必要となる。しかし、近年はビル屋上などにアンテナが設置されており、十分な強度を確保するのが難しく、設置するアンテナの本数はできるだけ少なくすることが求められている。またアンテナが林立することは景観上も問題となる。このような背景から、複数の周波数で動作させることが可能な周波数共用アンテナが開発されている。たとえば８００ＭＨｚ，１．７ＧＨｚ，２ＧＨｚの三つの周波数帯を共用するアンテナ構成などが提案されている（例えば非特許文献１参照。）。近年、移動通信システムでは更なる通信容量拡大に向け、７００ＭＨｚ帯の周波数が新たに割り当てられ、使用が予定されている。現在は８００ＭＨｚ帯の周波数が移動通信システムに用いられており、８００ＭＨｚ帯のアンテナはすでに開発されている。今後７００ＭＨｚ帯に対応するためには、既存の８００ＭＨｚ帯の周波数に加え７００ＭＨｚ帯でも動作する新たな周波数共用アンテナ構成を検討して開発していく方法が考えられる。しかし、今後全く新規のアンテナを用いると、８００ＭＨｚ帯アンテナ用に既に製造されている部材がすべて無駄になってしまう。そこで、既存の８００ＭＨｚ帯用のアンテナを流用して７００ＭＨｚ帯の周波数を動作させることができれば、既製造部材が無駄にならず、コストの面でも環境の面でも有効である。
【０００４】
既にあるアンテナ素子を広帯域化する手法としては、無給電素子を配置する手法が考えられる。無給電素子を配置する手法は、既存のアンテナに直接電気的な接続や加工を行う必要なく実現できるため、既存の部材を有効に利用する観点では有効な手法と考えられる。ダイポールアンテナに無給電素子を配置して広帯域化する手法としては例えば、非特許文献２や３の方法などが考えられる。以下、図１を参照して非特許文献２および３におけるダイポールアンテナについて概説する。図１は非特許文献２および３におけるダイポールアンテナの概略斜視図である。図１に示すように、非特許文献２および３におけるダイポールアンテナは、ダイポール素子９と、無給電素子８と、反射板７を含んで構成される。ダイポール素子９は、略短冊形状の金属片である。無給電素子８、反射板７は、短冊形状である。ダイポール素子９の短手方向をｘ方向（図１のｘ（＋）を付した矢印方向である、紙面左上から右下方向を正方向とする）、ダイポール素子９の長手方向をｙ方向（図１のｙ（＋）を付した矢印方向である、紙面下から上方向を正方向とする）、ｘ方向とｙ方向の双方に直行する方向をｚ方向（図１のｚ（＋）を付した矢印方向である、紙面右上から左下方向を正方向とする）とする。このとき、ダイポール素子９と反射板７とはｚ負方向に所定の距離Ｄ１離間して配置されている。ダイポール素子９と無給電素子８はｚ正方向に所定の距離Ｄ２離間して配置されている。ダイポール素子９と無給電素子８はｚ方向から見た場合に、その中心が重なるように配置されている。また、ダイポール素子９と無給電素子８と反射板７は、その長手方向が略平行になるように配置されている。つまり、ダイポール素子９と無給電素子８はダイポールアンテナの給電点の上に重なるように配置される。無給電素子８の長さを調整することにより広帯域化が可能である。しかし、既存の基地局アンテナは近年偏波共用構成（例えば、非特許文献４）となっており、このことが図１のように無給電素子８を配置できない原因となる場合がある。以下、図２を参照して非特許文献４の偏波共用構成のダイポールアンテナについて説明する。図２は、偏波共用構成のダイポールアンテナの概略斜視図である。図２に示すように、偏波共用構成のダイポールアンテナは、反射板７と、この反射板７の長手方向（ｙ方向）に一列に配置されるＮ個のクロスダイポールアンテナ９−１，…９−ｎ，…，９−Ｎを含む。Ｎは２以上の正の整数である。ｎは１以上Ｎ以下の正の整数とする。クロスダイポールアンテナ９−１，…９−ｎ，…，９−Ｎはいずれも同じ構成であるため、これらに代表してクロスダイポールアンテナ９−ｎの構成を説明する。クロスダイポールアンテナ９−ｎは、一対の短冊形状の第１垂直金属片９２ａ、第２垂直金属片９２ｂをｙ方向一列に配置してなる垂直偏波アンテナ（以下、ダイポール素子ともいう）と、垂直偏波アンテナの面と直交する面で構成される第１水平金属片９１ａ、第２水平金属片９１ｂをｘ方向一列に配置してなる水平偏波アンテナを含む。垂直偏波アンテナと水平偏波アンテナは、ｚ方向から見て十字型となるように組み合わされて配置される。図２に示すようなクロスダイポールアンテナ構成が広く用いられている。
【０００５】
非特許文献４のダイポールアンテナの場合、給電点に重なるように無給電素子８を配置しようとすると、無給電素子８が他方の偏波のアンテナ（図２における水平偏波アンテナを構成する第１、第２水平金属片９１ａ，９１ｂ）にぶつかってしまうために、無給電素子８を適切に配置できないという問題がある。この問題を解決するためには、水平偏波アンテナを無給電素子８と干渉しない位置に移動させる必要がある。これについて図３を参照して説明する。図３は、偏波共用構成のダイポールアンテナにおける水平偏波アンテナの位置のバリエーションについて説明する図である。図３は、垂直偏波アンテナと水平偏波アンテナをそれぞれ１素子ずつで１ブロックとしてアンテナ３ブロック構成（９−１，９−２，９−３）とした例である。図３Ａは、図２で説明したように、垂直偏波アンテナと水平偏波アンテナがｚ方向から見て十字型となるように組み合わされて配置された例である。図３Ａの条件では、無給電素子８と水平偏波アンテナは物理的に干渉し合う。図３Ｂは、水平偏波アンテナを図３Ａの状態からｙ軸負方向に移動した例である。一般に、構造上の対象性を確保することで指向性歪みの影響を回避するため、垂直偏波アンテナの中心位置（ｙ座標）から隣り合う水平偏波アンテナの位置（ｙ座標）までの距離は等しくなっていることが望ましい。従って、例えば図３Ｂの例の場合、ブロック９−２における垂直偏波アンテナの中心位置（ｙ座標）からブロック９−１内の水平偏波アンテナの位置（ｙ座標）までの距離と、ブロック９−２における垂直偏波アンテナの中心位置（ｙ座標）から同９−２内の水平偏波アンテナの位置（ｙ座標）までの距離とが等しいことが必要である。この点を考慮すると、各ブロックの水平偏波アンテナの位置は、図３Ａのパターンか図３Ｂのパターンの何れかとする必要がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】水村慎、「周波数共用偏波ダイバーシチアンテナにおける指向性の改善」、電子情報通信学会ソサイエティ大会講演論文集、一般社団法人電子情報通信学会、平成20年 9月 2日、通信(1)、108
【非特許文献２】恵比根佳雄、「次世代移動通信用(IMT-2000)基地局アンテナの設計」、電子情報通信学会（アンテナ・伝播研究会）技術研究報告、一般社団法人電子情報通信学会、平成12年 4月20日、100(9)、pp.23-30
【非特許文献３】大嶺裕幸、深沢徹、宮下和仁、茶谷嘉之、「複数の非励振素子で広帯域化を図った３周波数共用ダイポールアンテナ」、電子情報通信学会（アンテナ・伝播研究会）技術研究報告、一般社団法人電子情報通信学会、平成12年 4月20日、100(9)、pp.37-42
【非特許文献４】恵比根佳雄他著、「携帯電話基地局用アンテナの技術と実例」、RFワールド、CQ出版社、平成22年 8月 1日、No.11、第6章、pp.77-78
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図３Ａの構成では、水平偏波アンテナが物理的に干渉するために無給電素子８を適切な位置に配置できず、図３Ｂの構成では、無給電素子８を配置できるものの、水平偏波アンテナの位置をシフトさせた分、アンテナの全長が長くなるという問題があった。
【０００８】
そこで本発明では、アンテナが長くならず、偏波共用構成のダイポールアンテナであっても広帯域化を実現できるダイポールアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のダイポールアンテナは、２枚の短冊形状の金属片を長手方向一列に配置してなるダイポール素子と、ダイポール素子の短手方向をｘ方向、長手方向をｙ方向、ｘ方向とｙ方向の双方に直行する方向をｚ方向とした場合に、ダイポール素子とｚ方向に離間し、ｙ方向に互いに離間して、ｙ方向一列に配置された、屈曲部を有する第１、第２の無給電素子とを含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のダイポールアンテナによれば、アンテナが長くならず、偏波共用構成のダイポールアンテナであっても広帯域化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】非特許文献２および３におけるダイポールアンテナの概略斜視図。
【図２】非特許文献４の偏波共用構成のダイポールアンテナの概略斜視図。
【図３】偏波共用構成のダイポールアンテナにおける水平偏波アンテナの位置のバリエーションについて説明する図。
【図４】無給電素子をｙ方向に二つに分離したダイポールアンテナの例を示す斜視図。
【図５】図４のダイポールアンテナの入力特性を示す図。
【図６】実施例１のダイポールアンテナの構成を示す斜視図。
【図７】実施例１のダイポールアンテナの各部寸法の例を示す斜視図。
【図８】実施例１のダイポールアンテナの入力特性を示す図。
【図９】実施例１のダイポールアンテナの放射特性を示す図。
【図１０】実施例１のダイポールアンテナの無給電素子に流れる電流の方向を示す図。
【図１１】実施例２のダイポールアンテナの構成および各部寸法の例を示す斜視図。
【図１２】実施例２のダイポールアンテナの入力特性を示す図。
【図１３】実施例２のダイポールアンテナの放射特性を示す図。
【図１４】実施例２のダイポールアンテナの無給電素子に流れる電流の方向を示す図。
【図１５】ループ形状の無給電素子のバリエーションを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
以下、図４を参照して、水平偏波アンテナとの物理的な干渉を防ぐために無給電素子をｙ方向に二つに分離したダイポールアンテナの例について説明する。図４は、無給電素子をｙ方向に二つに分離したダイポールアンテナの例を示す斜視図である。図４に示すように、ダイポールアンテナは、無給電素子をｙ方向に二つに分離してなる短冊形状の第１無給電素子６ａ、第２無給電素子６ｂと、第１無給電素子６ａ、第２無給電素子６ｂの双方とｚ方向に離間して配置されるダイポール素子９２と、第１、第２無給電素子６ａ，６ｂとダイポール素子９２を挟んで対向する位置に、ダイポール素子９２とｚ方向に離間して配置された反射板７を含む。ダイポール素子９２は、短冊形状の金属板である前述の第１垂直金属片９２ａ、第２垂直金属片９２ｂからなる。第１無給電素子６ａと第２無給電素子６ｂをまとめてＩ型無給電素子ともいう。
【００１４】
図４の例では、第１無給電素子６ａ、第２無給電素子６ｂはその長手方向をｙ方向とし、ｙ方向一列に配置されている。第１無給電素子６ａと第２無給電素子６ｂをｙ方向に離間させることにより設けられた空間に水平偏波アンテナが配置されることにより、第１、第２無給電素子６ａ、６ｂと水平偏波アンテナとの物理的な干渉を防ぐことができる。図４に示すように、例えば第１、第２無給電素子６ａ、６ｂのｘ方向（短手方向）長さを２０（ｍｍ）、ｙ方向（長手方向）長さを７０（ｍｍ）、第１、第２無給電素子６ａ、６ｂのｙ方向の離間間隔を２０（ｍｍ）、第１、第２無給電素子６ａ、６ｂと、ダイポール素子９２のｚ方向の離間間隔を３．５（ｍｍ）、ダイポール素子９２と反射板７のｚ方向の離間間隔を７０（ｍｍ）、ダイポール素子９２を構成する第１、第２垂直金属片９２ａ、９２ｂのｘ方向（短手方向）長さを２０（ｍｍ）、ｙ方向（長手方向）長さを６９（ｍｍ）とすることができる。なお、第１垂直金属片９２ａと第２垂直金属片９２ｂはｙ方向においてほぼ接しているため、この距離を０とする。従って、ダイポール素子９２のｙ方向全長は１３８（ｍｍ）である。また、反射板７のｘ方向長さは３４０（ｍｍ）、ｙ方向の長さは６８６（ｍｍ）である。上述の条件で、図４のダイポールアンテナの入力特性についてシミュレーションを行った。入力特性についてのシミュレーションの結果について図５を参照して説明する。図５は、図４のダイポールアンテナの入力特性を示す図であって、上述の寸法に基づいたシミュレーションの結果である。図５のグラフの縦軸はＳ１１パラメータ（ｄＢ）、横軸は周波数（ＧＨｚ）であって、ダイポール素子９２にＩ型無給電素子（６ａ、６ｂ）を加えた条件（図４の条件）におけるシミュレーション結果を実線で、Ｉ型無給電素子（６ａ、６ｂ）を除いた構成におけるシミュレーション結果を破線で示す。図５に示すように、図４のダイポールアンテナでは、動作周波数帯を下方にずらす（約０．８７ＧＨｚ近傍→約０．８１ＧＨｚ近傍）ことはできたが、もともとのダイポールアンテナの動作周波数帯（約０．８７ＧＨｚ近傍）で動作させながら他の周波数帯で拡張して使用することはできないことが分かる。
【実施例１】
【００１５】
以下、図６を参照して図４のダイポールアンテナを改良した実施例１のダイポールアンテナについて説明する。図６に示すように本実施例のダイポールアンテナ１００は、三叉矛形状（Ｅ字型形状）の第１、第２無給電素子１ａ，１ｂと、図４の例と同様のダイポール素子９２と、反射板７を含む。反射板７は、第１、第２無給電素子１ａ，１ｂとダイポール素子９２を挟んで対向する位置に、ダイポール素子９２とｚ方向に離間して配置される。以下、第１、第２無給電素子１ａ，１ｂをまとめてＥ型無給電素子ともいう。Ｅ型無給電素子（第１、第２無給電素子１ａ，１ｂ）は、Ｉ型無給電素子（６ａ，６ｂ）のような直線形状ではなく、ｘ方向からｙ方向に、またはｙ方向からｘ方向に屈曲する複数の屈曲部を有する構成である。Ｅ型無給電素子（第１、第２無給電素子１ａ，１ｂ）は、ｘｙ平面と平行な面上で屈曲する複数の屈曲部を有するとも表現できる。Ｅ型無給電素子（第１、第２無給電素子１ａ，１ｂ）は、ｚ方向を除く何れかの方向に屈曲する複数の屈曲部を有するとも表現できる。ダイポール素子９２、反射板７については図４の例と同様であるから説明を割愛する。第１無給電素子１ａは、ｘ正方向を０°方向とし、ｚ方向から見てＥ字型を反時計回りに９０°回転させた形状である。別の表現では、第１無給電素子１ａは三叉の矛（トライデント、またはフォーク）の刃（歯）の部分をｙ軸正方向に向けた形状ということもできる。第２無給電素子１ｂは、ｘ正方向を０°方向とし、ｚ方向から見てＥ字型を時計回りに９０°回転させた形状である。別の表現では、第２無給電素子１ｂは三叉の矛（トライデント、またはフォーク）の刃（歯）の部分をｙ軸負方向に向けた形状ということもできる。第１無給電素子１ａの三叉のうちもっともｘ方向負方向側にある歯形状を切片１ａ−１という。同様に、第１無給電素子１ａの三叉のうち中心の歯を切片１ａ−２という。同様に、第１無給電素子１ａの三叉のうちもっともｘ方向正方向側にある歯を切片１ａ−３という。切片１ａ−１と切片１ａ−２と切片１ａ−３を接続するｘ方向に伸びる柄の部分を接続部１ａ−４という。同様に、第２無給電素子１ｂの三叉のうちもっともｘ方向負方向側にある歯形状を切片１ｂ−１という。同様に、第２無給電素子１ｂの三叉のうち中心の歯を切片１ｂ−２という。同様に、第２無給電素子１ｂの三叉のうちもっともｘ方向正方向側にある歯を切片１ｂ−３という。切片１ｂ−１と切片１ｂ−２と切片１ｂ−３を接続するｘ方向に伸びる柄の部分を接続部１ｂ−４という。
【００１６】
図４の例と同様に、第１無給電素子１ａ、第２無給電素子１ｂはｙ方向一列に配置されている。第１無給電素子１ａと第２無給電素子１ｂをｙ方向に離間させることにより設けられた空間に水平偏波アンテナが配置されることにより、第１、第２無給電素子１ａ、１ｂと水平偏波アンテナとの物理的な干渉を防ぐことができる。以下、図７を参照して本実施例のダイポールアンテナ１００の寸法の例について説明する。図７は、本実施例のダイポールアンテナ１００の各部寸法の例を示す斜視図である。図７に示すように、例えば、切片１ａ−１、切片１ａ−３、切片１ｂ−１、切片１ｂ−３のｙ方向長さを７０（ｍｍ）とし、切片１ａ−２、切片１ｂ−２のｙ方向長さを６０（ｍｍ）とし、各切片のｘ方向の離間間隔を１０（ｍｍ）とし、各切片のｘ方向幅を２０（ｍｍ）とし、第１、第２無給電素子１ａ、１ｂのｙ方向の離間間隔を２０（ｍｍ）、第１、第２無給電素子１ａ、１ｂとダイポール素子９２のｚ方向の離間間隔を３.５（ｍｍ）、ダイポール素子９２と反射板７のｚ方向の離間間隔を７０（ｍｍ）、ダイポール素子９２を構成する第１、第２垂直金属片９２ａ、９２ｂのｘ方向長さを２０（ｍｍ）、ｙ方向長さを６９（ｍｍ）とすることができる。なお、第１垂直金属片９２ａと第２垂直金属片９２ｂは図４の例と同じようにｙ方向においてほぼ接しているため、この距離を０とする。従って、ダイポール素子９２のｙ方向全長は１３８（ｍｍ）である。また、反射板７のｘ方向長さは３４０（ｍｍ）、ｙ方向の長さは６８６（ｍｍ）である。図７の条件で、本実施例のダイポールアンテナ１００の入力特性についてシミュレーションを行った。入力特性についてのシミュレーションの結果について図８を参照して説明する。図８は、本実施例のダイポールアンテナ１００の入力特性を示す図であって、図７の寸法例に基づいたシミュレーションの結果である。図８のグラフの縦軸はＳ１１パラメータ（ｄＢ）、横軸は周波数（ＧＨｚ）であって、ダイポール素子９２にＥ型無給電素子（１ａ、１ｂ）を加えた条件（図７の条件）におけるシミュレーション結果を実線で、Ｅ型無給電素子（１ａ、１ｂ）を除いた構成におけるシミュレーション結果を破線で示す。図８に示すように、本実施例のダイポールアンテナ１００では、第１、第２無給電素子１ａ、１ｂ各切片の長さを調整することにより二共振特性を得ることができる。図８の例では６２０ＭＨｚおよび９１０ＭＨｚ付近で共振している。この２つの共振特性を調整することで帯域拡大を実現することができる。図７の寸法例に基づいて本実施例のダイポールアンテナ１００の放射特性についてもシミュレーションを行った。放射特性についてのシミュレーションの結果について図９を参照して説明する。図９は、本実施例のダイポールアンテナ１００の放射特性を示す図であって、図７の寸法例に基づいたシミュレーションの結果である。図９の動径は、放射量（ｄＢ）、偏角は放射方向を表す。ただし０（ｄｅｇ）は、正面方向（図７におけるｚ軸正方向）、１８０（ｄｅｇ）は、背面方向（図７におけるｚ軸負方向）を示す。９１０ＭＨｚにおけるシミュレーション結果を実線で、６２０ＭＨｚにおけるシミュレーション結果を破線で示す。図９に示��ように、高い周波数帯（９１０ＭＨｚ）において正面方向の指向性にヌルが生じている。この原因について図１０を参照して考察する。図１０は、本実施例のダイポールアンテナ１００の第１無給電素子１ａに流れる電流の方向を示す図である。図８に示すように、第１無給電素子１ａの中心の切片を流れる電流の方向（ｙ軸負方向）に対して両サイドの切片を流れる電流の方向は逆方向（ｙ軸正方向）であるため、両者の電流により放射が打ち消しあう現象が起こるためと考えられる。
【００１７】
本実施例のダイポールアンテナ１００によれば、アンテナが長くならず、偏波共用構成のダイポールアンテナであっても広帯域化を実現できる。
【実施例２】
【００１８】
以下、図１１を参照して、実施例１のダイポールアンテナ１００の正面方向の指向性を改善した実施例２のダイポールアンテナについて説明する。図１１は、本実施例のダイポールアンテナ２００の構成および各部寸法の例を示す斜視図である。図１１に示すように本実施例のダイポールアンテナ２００は、額縁形状（ロ字型形状、あるいは方形枠形状）の第１、第２無給電素子２ａ，２ｂと、図４の例、実施例１と同様のダイポール素子９２と反射板７を含む。以下、第１、第２無給電素子２ａ，２ｂをまとめてループ型無給電素子ともいう。ループ型無給電素子（第１、第２無給電素子２ａ，２ｂ）は、Ｉ型無給電素子（６ａ，６ｂ）のような直線形状ではなく、ｘ方向からｙ方向に、またはｙ方向からｘ方向に屈曲する複数の屈曲部を有する構成である。ループ型無給電素子（第１、第２無給電素子２ａ，２ｂ）は、ｘｙ平面と平行な面上で屈曲する複数の屈曲部を有するとも表現できる。ループ型無給電素子（第１、第２無給電素子２ａ，２ｂ）は、ｚ方向を除く何れかの方向に屈曲する複数の屈曲部を有するとも表現できる。ダイポール素子９２、反射板７については図４の例、実施例１と同様であるから説明を割愛する。第１、第２無給電素子２ａ，２ｂは、長方形形状の金属片の中心部に相似な長方形形状の穴を設けてなる額縁形状（ロ字型形状、あるいは方形枠形状）である。図４の例、実施例１と同様に、第１無給電素子２ａ、第２無給電素子２ｂはｙ方向一列に配置されている。第１無給電素子２ａと第２無給電素子２ｂをｙ方向に離間させることにより設けられた空間に水平偏波アンテナが配置されることにより、第１、第２無給電素子２ａ、２ｂと水平偏波アンテナとの物理的な干渉を防ぐことができる。以下、引き続き図１１を参照して本実施例のダイポールアンテナ２００の寸法の例について説明する。図１１に示すように、第１、第２無給電素子２ａ、２ｂのｘ方向長さを１１０（ｍｍ）とし、ｙ方向長さを７０（ｍｍ）とし、フレーム（額縁）の幅を１５（ｍｍ）とし、第１、第２無給電素子２ａ、２ｂのｙ方向の離間間隔を可変とし（Ｓ（ｍｍ））、第１、第２無給電素子２ａ、２ｂとダイポール素子９２のｚ方向の離間間隔を３．５（ｍｍ）、ダイポール素子９２と反射板７のｚ方向の離間間隔を７０（ｍｍ）とし、ダイポール素子９２を構成する第１、第２垂直金属片９２ａ、９２ｂのｘ方向長さを２０（ｍｍ）、ｙ方向長さを６９（ｍｍ）とし、ダイポール素子９２のｙ方向全長を１３８（ｍｍ）とし、反射板７のｘ方向長さを３４０（ｍｍ）、ｙ方向長さを６８６（ｍｍ）とすることができる。なお、第１垂直金属片９２ａと第２垂直金属片９２ｂは図４の例と同じようにｙ方向においてほぼ接しているため、この距離を０とする。ループ状の無給電素子は周囲長がほぼ一波長となる周波数で共振する。ここでは、第１、第２無給電素子２ａ、２ｂの周囲長がほぼ一波長となる周波数で共振が発生すると考えられる。共振周波数は第１、第２無給電素子２ａ、２ｂの配置位置に影響して変動する。
【００１９】
図１１の条件で、本実施例のダイポールアンテナ２００の入力特性についてシミュレーションを行った。入力特性についてのシミュレーションの結果について図１２を参照して説明する。図１２は、本実施例のダイポールアンテナ２００の入力特性を示す図であって、図１１の寸法例に基づいたシミュレーションの結果である。図１２のグラフの縦軸は図８同様Ｓ１１パラメータ（ｄＢ）、横軸は周波数（ＧＨｚ）であって、ダイポール素子９２にループ型無給電素子（２ａ、２ｂ）を加えた条件（図１１の条件）におけるシミュレーション結果のうち、Ｓ＝４０（ｍｍ）の条件を実線で、Ｓ＝３０（ｍｍ）の条件を一点鎖線で、Ｓ＝２４（ｍｍ）の条件を二点鎖線で、ループ型無給電素子（２ａ、２ｂ）を除いた構成におけるシミュレーション結果を破線で示す。図１２に示すように、本実施例のダイポールアンテナ２００では、第１、第２無給電素子２ａ、２ｂのｙ方向の離間間隔を調整することにより共振する二つの周波数を調整することができる。Ｓ＝２４（ｍｍ）の条件では８１０ＭＨｚ付近および８７０ＭＨｚ付近の周波数帯で共振している。Ｓ＝３０（ｍｍ）の条件では７８０ＭＨｚ付近および９５０ＭＨｚ付近の周波数帯で共振している。Ｓ＝４０（ｍｍ）の条件では７４０ＭＨｚ付近および１１００ＭＨｚ付近の周波数帯で共振している。このように、第１、第２無給電素子２ａ、２ｂのｙ方向の離間間隔が大きくなるにつれ、共振周波数が２つに分離していく。低い方の共振周波数は第１、第２無給電素子２ａ、２ｂ上に分岐して流れる電流によるものである。よって、第１、第２無給電素子２ａ、２ｂのｙ方向の離間間隔が大きくなるにつれ、等価素子長が長くなるため、共振周波数が下がっていく。一方、高い方の共振周波数は第１、第２無給電素子２ａ、２ｂの周囲長に依存するものである。第１、第２無給電素子２ａ、２ｂとダイポール素子９２の重なり部分が大きく結合が大きい場合、結合容量により共振周波数が下がるため、第１、第２無給電素子２ａ、２ｂのｙ方向の離間間隔が大きくなるにつれ、ループ単体の共振周波数に近づいていく。２つの共振特性を適度に合成することにより、広帯域な動作を実現することができる。
【００２０】
図１１の寸法例に基づいて本実施例のダイポールアンテナ２００の放射特性についてもシミュレーションを行った。放射特性についてのシミュレーションの結果について図１３を参照して説明する。図１３は、本実施例のダイポールアンテナ２００の放射特性を示す図であって、図１１の寸法例に基づいたシミュレーションの結果である。図１３の動径は、放射量（ｄＢ）、偏角は放射方向を表す。ただし０（ｄｅｇ）は、正面方向（図１１におけるｚ軸正方向）、１８０（ｄｅｇ）は、背面方向（図１１におけるｚ軸負方向）を示す。９４０ＭＨｚのシミュレーション結果を実線で、８００ＭＨｚにおけるシミュレーション結果を破線で示す。なお、図１３のシミュレーションは、第２無給電素子２ａ、２ｂのｙ方向の離間間隔Ｓ＝３０（ｍｍ）としたときのシミュレーション結果である。前述したように、Ｅ形無給電素子（１ａ、１ｂ）では高周波数帯での放射特性は正面方向にヌルを持つ放射特性であったが、本実施例のダイポールアンテナ２００では、図１３に示すように、正面方向にピークを持つ放射特性となっていることが分かる。この原因について図１４を参照して考察する。図１４は、本実施例のダイポールアンテナ２００の第１無給電素子２ａに流れる電流の方向を示す図である。図１４に示すように、ループ状の第１無給電素子２に流れるダイポール素子９２の長手方向と平行な方向の線路を流れる電流が同方向となり、ダイポール素子９２の長手方向と直交する方向の線路を流れる電流が線路の中心を境に逆方向に流れることにより打ち消し合うためである。なお、図１２、図１３では、反射板７が存在する状態で入力特性、放射特性をシミュレーションしたが、反射板７は必須ではなく、省略することも可能である。ただし、反射板７を取り除いた場合には、ダイポールアンテナの入力特性や、放射特性にも変動が生じるため、所望の入力特性、放射特性を得るために、他のパラメータ（例えばダイポール素子９２や第１、第２無給電素子２ａ，２ｂのサイズ、配置間隔など）を調整する必要が生じる。
【００２１】
本実施例のダイポールアンテナ２００によれば、実施例１の効果に加え、正面方向の放射特性を改善し、既存の周波数帯で動作しながら低い周波数帯に動作周波数を拡大するアンテナを実現することができる。
【００２２】
［変形例］
以下、図１５を参照して実施例２の変形例について説明する。図１５は、ループ形状の無給電素子のバリエーションを示す図である。前述したように、ループ状の第１無給電素子２に流れるｙ方向の電流が同方向となり、ｘ方向の電流が逆方向に流れることにより、正面方向（ｚ軸正方向）の放射特性を改善できることを考慮すれば、ループ形状は、実施例２のような額縁形状に限定されず、様々な形状で実現可能である。例えば図１５の左に示すように十字型枠形状の第１無給電素子３ａであっても、ｙ方向の電流が同方向となり、ｘ方向の電流が逆方向に流れるために、正面方向（ｚ軸正方向）の放射特性が良好となる。また、同図右に示すように凸の字枠型の第１無給電素子４ａであっても、ｙ方向の電流が同方向となり、ｘ方向の電流が逆方向に流れるために、正面方向（ｚ軸正方向）の放射特性が良好となる。ループ状の第１、第２無給電素子の形状のバリエーションは、図１５に示すものの他にも多数考えられる。ループ状の無給電素子として充たすべき条件は、ダイポール素子９２の長手方向と平行な方向の線路を流れる電流が同方向となり、ダイポール素子９２の長手方向と直交する方向の線路を流れる電流が境に逆方向に流れることにより打ち消し合うことである。この条件を充たすためには、ループ状の無給電素子が、ダイポール素子９２の長手方向と平行な方向の線路と、ダイポール素子９２の長手方向と垂直な方向の線路のみから構成されており、閉じた（ループ）形状になっていればよい。なお前述したように、第１、第２無給電素子のｙ方向の離間間隔が大きくなればなるほど、高い方の共振周波数は第１、第２無給電素子２ａ、２ｂの周囲長を一波長とする周波数に近づく。従って、第１、第２無給電素子のループ周囲長が共振させたい所定の周波数の一波長と等しくなっていればさらに好適である。
【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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【図１４】
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【図１５】
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