(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘイローアンテナの円環の中心に配置された筒状導体と、
前記ヘイローアンテナに給電するため、前記筒状導体の内部に配線された給電線と、
を備え、
前記ヘイローアンテナは、ギャップの向きが互いに異なるよう複数配置されることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記ヘイローアンテナの円環に平行な平面で切った筒状導体の断面形状は、前記ヘイローアンテナのギャップと給電点とを結ぶ直線に関して線対称であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記ヘイローアンテナの円環に平行な平面で切った筒状導体の断面形状は、前記ヘイローアンテナの形状と相似であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記ヘイローアンテナの円環に平行な平面で切った筒状導体の断面形状の半径は、当該断面形状が円形である場合、前記ヘイローアンテナの円環の半径の８割以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘイローアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な水平偏波水平面内無指向性アンテナとして、ループアンテナが知られている。特に、長方形状のループが円環状（円周状）に折り曲げられた形状を有するアンテナは、ヘイロー（Ｈａｌｏ）アンテナと呼ばれる。ヘイローアンテナには、小型化に有利であるという特徴がある。アンテナ素子を円筒レドーム（円筒カバー）に収める場合、ヘイローアンテナは、円筒レドームの直径を短くすることができるので、重量や受風荷重の点でも有利である（特許文献１及び２、非特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６１４９５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０００９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“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
【非特許文献２】松野宏己、中野雅之、新井宏之、「寄生素子付Ｈａｌｏアンテナ」、信学論（Ｂ）、Ｊ９２−Ｂ、ｐ１４３１−１４３９
【非特許文献３】松野宏己、中野雅之、天野良晃、新井宏之、「無線基地局アンテナ用小形細径無指向性偏波共用素子」、２００９年  信学ソ大、Ｂ−１−１４０
【非特許文献４】松野宏己、新井宏之、中野雅之、天野良晃、石川博康、「楕円形状寄生素子付Ｈａｌｏアンテナを用いた偏波ダイバーシチアンテナ」、２０１０年  信学ソ大、Ｂ−１−８６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アンテナ利得を高くするなどの理由により、ヘイローアンテナの段数を増やす場合、各ヘイローアンテナに給電するための給電線の本数は、ヘイローアンテナの段数に応じて増やされる必要がある。ここで、ヘイローアンテナの特性（例えば、水平面内の無指向性）に影響を与えないよう、ヘイローアンテナの給電点及びギャップを結ぶ平面（対称面）内に給電線が配線されるには、各給電線は細径である必要がある。しかしながら、給電線が小径であれば給電線損失も増えてしまうため、アンテナ装置は、ヘイローアンテナのアンテナ利得が低いという問題がある。
【０００６】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ヘイローアンテナのアンテナ利得を高くすることができるアンテナ装置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】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ヘイローアンテナの円環の中心に配置された筒状導体と、前記ヘイローアンテナに給電するため、前記筒状導体の内部に配線された給電線と、を備えることを特徴とするアンテナ装置である。
【０００８】
また、本発明は、前記筒状導体の断面形状が、前記ヘイローアンテナのギャップと給電点とを結ぶ平面に対して対称であることを特徴とするアンテナ装置である。
【０００９】
また、本発明は、前記筒状導体の断面形状が、前記ヘイローアンテナの形状と相似であることを特徴とするアンテナ装置である。
【００１０】
また、本発明は、前記筒状導体の断面形状の半径が、当該断面形状が円形である場合、前記ヘイローアンテナの円環の半径の８割以下であることを特徴とするアンテナ装置である。
【００１１】
また、本発明は、前記ヘイローアンテナが、ギャップの向きが互いに異なるよう複数配置されることを特徴とするアンテナ装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ヘイローアンテナから給電線への電界と、給電線からヘイローアンテナへの電界とを、筒状導体がシールドするので、筒状導体の内部は、筒状導体の外部と電気的に分離される。したがって、給電系の設計自由度が大きくなり、給電線損失が小さい大径の給電線が筒状導体の内部に配置されても、給電線が放射パターンに影響を与えることがない。これにより、アンテナ装置は、ヘイローアンテナのアンテナ利得を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態における、アンテナ装置の構成を表す図である。
【図２】本発明の一実施形態における、筒状導体の寸法と、ヘイローアンテナの寸法とを表す図である。
【図３】本発明の一実施形態における、電圧定在波比（ＶＳＷＲ（Ｓパラメータ））の例を表す図である。
【図４】本発明の一実施形態における、放射パターンの例を表す図である。
【図５】本発明の一実施形態における、ヘイローアンテナのインピーダンス特性の例を表す図である。
【図６】本発明の一実施形態における、筒状導体の半径と、ヘイローアンテナのインピーダンスとの関係例を表す図である。
【図７】本発明の一実施形態における、ヘイローアンテナの最大半径と、帯域幅との関係例を表す図である。
【図８】本発明の一実施形態における、アンテナ装置の素子回転配置モデルを表す図である。
【図９】本発明の一実施形態における、アンテナ装置の素子回転配置と、水平面内の放射パターンの偏差との関係例を表す図である。
【図１０】本発明の一実施形態における、筒状導体の配置と、水平面内の放射パターンの偏差との関係例を表す図である。
【図１１】本発明の一実施形態における、筒状導体の断面形状例と、水平面内の放射パターンの偏差との関係例を表す図である。
【図１２】本発明の一実施形態における、アンテナ装置の楕円形状モデルを表す図である。
【図１３】本発明の一実施形態における、ヘイローアンテナへの給電方法の例を表す図である。
【図１４】本発明の一実施形態における、ヘイローアンテナのループ構造例を表す図である。
【図１５】本発明の一実施形態における、無給電素子であるヘイローアンテナが寄生素子として装荷されたアンテナ装置の構成例を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１には、アンテナ装置の構成が表されている。アンテナ装置は、ヘイローアンテナ１０（アンテナ素子）と、筒状導体２０とを備える。ここで、座標系の原点Ｏは、ヘイローアンテナ１０の円環の中心に定められたとする。この場合、ヘイローアンテナ１０のギャップは、ｙ軸の正方向に配置される。また、ヘイローアンテナ１０の給電点１１は、ｙ軸の負方向に配置される。したがって、座標系の原点Ｏは、ヘイローアンテナ１０の給電点１１及びギャップを通る対称面内に位置することになる。また、ヘイローアンテナ１０の円環内には、ヘイローアンテナ１０と同心となるよう筒状導体２０が配置される。
【００１５】
図２には、筒状導体の寸法と、ヘイローアンテナの寸法とが表されている。図２（Ａ）は、筒状導体及びヘイローアンテナの上面図である。以下、ヘイローアンテナ１０の半径をＲとし、筒状導体２０の半径をｒとし、ヘイローアンテナ１０のギャップ長をｇとする。また、図２（Ｂ）は、ヘイローアンテナの側面の部分図である。以下、ヘイローアンテナの幅をＷとし、ヘイローアンテナ１０の最大半径をＭＲ（＝√（Ｒ２＋Ｗ２））とする。
【００１６】
図３には、電圧定在波比（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ、ＶＳＷＲ（Ｓパラメータ））の例が表されている。ここで、横軸は、周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）［ＧＨｚ］を表す。また、縦軸は、Ｓ１１特性（反射特性）［ｄＢ］を表す。
【００１７】
図３には、比較のため、ヘイローアンテナ１０の円環内に筒状導体２０が配置されている場合（導体ありの場合）と、ヘイローアンテナ１０の円環内に筒状導体２０が配置されていない場合（導体なしの場合）との電圧定在波比が表されている。図３に表されているように、筒状導体２０は、ヘイローアンテナ１０のインピーダンス特性に影響を与える。より具体的には、ヘイローアンテナ１０の円環内に筒状導体２０が配置されている場合、ヘイローアンテナ１０のＳ１１特性は劣化する。
【００１８】
図４には、放射パターンの例が表されている。ここで、横軸は、方位（Ａｎｇｌｅ）［度］を表す。また、縦軸は、指向性（Ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ）［ｄＢｉ］を表す。図４には、ヘイローアンテナ１０のＳ１１特性が劣化した場合でも（図３を参照）、筒状導体２０はヘイローアンテナ１０の放射パターンに影響を与えないことが表されている。つまり、ヘイローアンテナ１０の無指向性水平偏波素子としての機能は、ヘイローアンテナ１０のＳ１１特性が劣化した場合でも保たれる。
【００１９】
図５には、ヘイローアンテナのインピーダンス特性（スミスチャート）の例が表されている。図５（Ａ）には、ヘイローアンテナ１０の円環の中心に筒状導体２０のみが配置された場合における、ヘイローアンテナ１０のインピーダンス特性が表されている。また、図５（Ｂ）には、ヘイローアンテナ１０の円環内の任意の位置に給電線３０（給電系）のみが配線された場合における、ヘイローアンテナ１０のインピーダンス特性が表されている。図５（Ａ）及び（Ｂ）の違いに表されているように、ヘイローアンテナ１０のインピーダンス調整は、給電線３０の断面形状及び配置に応じて必要となる。また、給電線３０の配置に応じて放射パターンが歪むので、ヘイローアンテナ１０の無指向性水平偏波素子としての性能は、給電線３０の配置に応じて著しく劣化する。
【００２０】
一方、図５（Ｃ）には、ヘイローアンテナ１０の円環の中心に筒状導体２０が配置され、且つ、筒状導体２０内部の任意の位置に給電線３０が配線された場合における、ヘイローアンテナ１０のインピーダンス特性が表されている。このように配置された場合、ヘイローアンテナ１０から給電線３０への電界と、給電線３０からヘイローアンテナ１０への電界とを、筒状導体２０がシールドするので、筒状導体２０の内部は、筒状導体２０の外部と電気的に分離される。したがって、ヘイローアンテナ１０のインピーダンス特性に影響を与えるのは筒状導体２０のみとなり、筒状導体２０内部の任意の位置に給電線３０が配線されても、給電線３０は、ヘイローアンテナ１０のインピーダンス特性に影響を与えないことが、図５（Ａ）及び（Ｃ）に表されている。
【００２１】
このように、筒状導体２０の内部に給電線３０が配線されるようにすれば、給電系の設計自由度が大きくなり、給電線損失が小さい大径の給電線３０が筒状導体２０内の任意の位置に配置されても、ヘイローアンテナ１０の放射パターンに給電線３０が影響を与えることがない。
【００２２】
図６には、筒状導体の半径と、ヘイローアンテナのインピーダンスとの関係例が表されている。ここで、横軸は、（筒状導体の半径ｒ）／（ヘイローアンテナの半径Ｒ）を表す。また、縦軸は、ヘイローアンテナの円環内に筒状導体が配置されていない場合のインピーダンスを基準とするインピーダンス比を表す。筒状導体２０の半径ｒが０〜０．６Ｒの範囲にある場合、インピーダンスＺ０が「１−０．５πｒ２」に比例するので、アンテナ装置は、この比例関係に基づいて、Ｓ１１特性を補償することができる。したがって、筒状導体２０の断面形状の半径ｒは、ヘイローアンテナ１０の半径Ｒの８割（＝０．６Ｒ＋マージン０．２Ｒ）以下でもよい。
【００２３】
図７には、ヘイローアンテナの最大半径と、比帯域との関係例が表されている。ここで、横軸は、（ヘイローアンテナの最大半径ＭＲ）／（中心周波数λ）を表す。また、縦軸は、比帯域［％］を表す。図７では、印が左上に位置するほど、小型かつ広帯域に対応したアンテナ装置であることを表す。図７には、アンテナ装置は４［％］以上の比帯域を確保できることが表されている。
【００２４】
図８には、アンテナ装置の素子回転配置モデルが表されている。アンテナ装置は、ヘイローアンテナ１０のギャップ長ｇが長くなるに従い、水平面内の放射パターン（指向性）の偏差が大きくなることで、無指向性とならないことがある。このような場合、アンテナ装置を無指向性にするため、アンテナ装置は、ヘイローアンテナ１０が多段に装荷されたコリニアアレイとされてもよい。
【００２５】
図８では、ヘイローアンテナ１０−１がｚ軸周りに任意に回転配置（素子回転配置）されることで、ヘイローアンテナ１０−１のギャップが、ｙ軸の正方向に定められている。また、ヘイローアンテナ１０−２がｚ軸周りに任意に回転配置されることで、ヘイローアンテナ１０−２のギャップが、ｘ軸の負方向に定められている。
【００２６】
図９には、アンテナ装置の素子回転配置と、水平面内の放射パターンの偏差との関係例が表されている。ここで、方位０［度］は、ｙ軸の正方向を表す。図９（Ａ）には、ヘイローアンテナ１０−１（図８を参照）の水平面内の放射パターンが表されている。また、図９（Ｂ）には、ヘイローアンテナ１０−２（図８を参照）の水平面内の放射パターンが表されている。
【００２７】
また、図９（Ｃ）には、ヘイローアンテナ１０−１の水平面内の放射パターンと、ヘイローアンテナ１０−２の水平面内の放射パターンとが合成された、水平面内の放射パターンが表されている。このように、ギャップの向きが互いに異なるよう各ヘイローアンテナ素子が回転配置されることで、アンテナ装置は、水平面内の放射パターンの偏差を改善することができる。
【００２８】
図１０には、筒状導体の配置と、水平面内の放射パターンの偏差との関係例が表されている。図１０（Ａ）は、座標（ｘ，ｙ）＝（０．１Ｒ，０．１Ｒ）に筒状導体２０の断面中心が配置されたアンテナ装置の上面図である。また、図１０（Ｂ）には、そのアンテナ装置の交差偏波が表されている。また、図１０（Ｃ）には、そのアンテナ装置の主偏波が表されている。
【００２９】
ヘイローアンテナ１０の円環の中心から外れた位置に、筒状導体２０の断面中心が配置された場合、筒状導体２０は、ヘイローアンテナ１０のインピーダンス特性だけでなく、ヘイローアンテナ１０の放射パターンにも影響を与えることが、図１０（Ｂ）及び（Ｃ）に表されている。したがって、ヘイローアンテナ１０の放射パターンに筒状導体２０が影響を与えないようにするには、筒状導体２０は、ヘイローアンテナ１０と同心に配置される必要がある。
【００３０】
筒状導体２０は、正円、楕円又は多角形の断面形状を有する。図１１には、筒状導体の断面形状例と、水平面内の放射パターンの偏差との関係例が表されている。図１１（Ａ）は、筒状導体２１の断面形状（四角形）が、ヘイローアンテナ１０のギャップと給電点１１とを結ぶ平面に対して対称であるアンテナ装置の上面図である。また、図１１（Ｂ）には、そのアンテナ装置の交差偏波が表されている。また、図１１（Ｃ）には、そのアンテナ装置の主偏波が表されている。
【００３１】
筒状導体２１の断面形状（四角形）が、ヘイローアンテナ１０のギャップと給電点１１とを結ぶ平面に対して対称である場合、筒状導体２１に流れる散乱電流が互いに打ち消し合うので、筒状導体２１は、ヘイローアンテナ１０の放射パターンにほとんど影響を与えないことが、図１１（Ｂ）及び（Ｃ）に表されている。したがって、ヘイローアンテナ１０の放射パターンに筒状導体２１が影響を与えないようにするには、筒状導体２１は、ヘイローアンテナ１０のギャップと給電点１１とを結ぶ平面に対して、筒状導体２１の断面形状が対称となるよう配置される必要がある。
【００３２】
また、筒状導体２０は、ヘイローアンテナ１０と相似する断面形状を有していてもよい。例えば、ヘイローアンテナ１０が楕円形状である場合、筒状導体２０の断面形状の楕円軸比は、ヘイローアンテナ１０の形状の楕円軸比に応じて定められる。
【００３３】
図１２には、アンテナ装置の楕円形状モデルが表されている。図１２（Ａ）には、ヘイローアンテナ１０のギャップ及び給電点１１を結ぶ線が楕円の長軸となるよう定められた場合の楕円形状モデルが表されている。また、図１２（Ｂ）には、ヘイローアンテナ１０のギャップ及び給電点１１を結ぶ線が楕円の短軸となるよう定められた場合の楕円形状モデルが表されている。
【００３４】
図１３には、ヘイローアンテナへの給電方法の例が表されている。図１３（Ａ）では、ヘイローアンテナ１０の給電点１１及びギャップを通る対称面内に、給電線３０として同軸ケーブルが配線されている。この場合、給電点１１には、筒状導体２０の内部から引き出された同軸ケーブルを介して給電される。また、図１３（Ｂ）では、ヘイローアンテナ１０の給電点１１及びギャップを通る対称面内に、マイクロストリップライン状の給電線３０が配線されている。この場合、給電点１１には、筒状導体２０の内部から引き出されたマイクロストリップライン状の給電線３０を介して給電される。また、図１３（Ｃ）では、素子回転配置モデル（図８を参照）のヘイローアンテナ１０の給電点１１及びギャップを通る対称面内に、給電線３０として同軸ケーブルが配線されている。この場合、給電点１１には、筒状導体２０の内部から引き出された同軸ケーブルを介して給電される。
【００３５】
図１４は、ヘイローアンテナのループ構造例が表されている。ヘイローアンテナは、３線構造を有していてもよい。図１４（Ａ）では、ヘイローアンテナ１０−３は、双ループ構造を有している（中央給電モデル）。また、図１４（Ｂ）では、ヘイローアンテナ１０−４は、重ループ構造を有している（下部給電モデル）。
【００３６】
図１５には、無給電素子であるヘイローアンテナが寄生素子として装荷されたアンテナ装置の構成例が表されている。ヘイローアンテナの鉛直方向（ｚ軸方向）には、寄生素子が装荷されてもよい。図１５（Ａ）には、ヘイローアンテナ１０−１の鉛直方向の片側に、無給電素子であるヘイローアンテナ１０−５が装荷されたアンテナ装置のモデルが表されている。また、図１５（Ｂ）には、ヘイローアンテナ１０−１の鉛直方向の両側に、無給電素子であるヘイローアンテナ１０−５及びヘイローアンテナ１０−６がそれぞれ装荷されたアンテナ装置のモデルが表されている。
【００３７】
以上のように、アンテナ装置は、ヘイローアンテナ１０の円環の中心に配置された筒状導体２０と、ヘイローアンテナ１０に給電するため、筒状導体２０の内部に配線された給電線３０と、を備える。
この構成により、ヘイローアンテナから給電線への電界と、給電線からヘイローアンテナへの電界とを、筒状導体がシールドするので、筒状導体の内部は、筒状導体の外部と電気的に分離される。したがって、給電系の設計自由度が大きくなり、給電線損失が小さい大径の給電線が筒状導体の内部に配置されても、給電線が放射パターンに影響を与えることがない。これにより、アンテナ装置は、ヘイローアンテナのアンテナ利得を高くすることができる。
【００３８】
また、筒状導体２０の断面形状、及び筒状導体２１の断面形状は、ヘイローアンテナ１０のギャップと給電点とを結ぶ平面に対して対称である。
また、筒状導体２０の断面形状は、ヘイローアンテナ１０の形状と相似でもよい。
また、筒状導体２０の断面形状の半径は、その断面形状が円形である場合、ヘイローアンテナ１０の円環の半径の８割以下でもよい。
【００３９】
また、ヘイローアンテナ１０は、ギャップの向きが互いに異なるよう複数配置される。  これにより、アンテナ装置は、水平面内の放射パターンの偏差を改善することができる。
【００４０】
以上、この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、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００４１】
例えば、アンテナ装置は、筒状導体２０の内部に移相器などの複雑な回路を更に備えてもよい。これにより、アンテナ装置は、ビームチルト機能を実行することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０…ヘイローアンテナ、１１…給電点、２０…筒状導体、２１…筒状導体、３０…給電線
【図１】
0005702673.tif 000002
【図２】
0005702673.tif 000003
【図３】
0005702673.tif 000004
【図４】
0005702673.tif 000005
【図５】
0005702673.tif 000006
【図６】
0005702673.tif 000007
【図７】
0005702673.tif 000008
【図８】
0005702673.tif 000009
【図９】
0005702673.tif 000010
【図１０】
0005702673.tif 000011
【図１１】
0005702673.tif 000012
【図１２】
0005702673.tif 000013
【図１３】
0005702673.tif 000014
【図１４】
0005702673.tif 000015
【図１５】
0005702673.tif 000016