(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体製の筒状体と、
この筒状体内に、その長さ方向に沿って配置され、指向特性が少なくともほぼ半円状である部分を有するアンテナ素子とを、
具備し、このアンテナ素子は、前記少なくともほぼ半円状の指向特性を示す側の電界強度が大きい部分を前記筒状体に接近させて配置して、前記筒状体において反射を生じさせ、前記筒状体から離れた側の電界強度を低下させている指向性アンテナ。
【請求項２】
請求項１記載の指向性アンテナであって、前記アンテナ素子がカージオイド特性を有し、その電界強度の最も大きい方向を前記筒状体に接近させている指向性アンテナ。
【請求項３】
請求項１または２記載の指向性アンテナであって、前記アンテナ素子は、導電性の支柱に設けられたディスコーンアンテナを有し、このディスコーンアンテナは、約１／４λ（λは受信波長）の奇数倍の長さを有し前記支柱に取り付けられたシュペルトップ構造のグランド素子と、約１／４λの奇数倍の長さを有するオープンスタブで前記支柱に取り付けられたホット素子とを有する指向性アンテナ。
【請求項４】
請求項３記載の指向性アンテナにおいて、前記アンテナ素子は、前記アンテナ素子が前記筒状体と接近している部分と反対側に、反射素子を有するものである指向性アンテナ。
【請求項５】
請求項３または４記載の指向性アンテナであって、前記ディスコーンアンテナの周囲に共振リング素子が配置されている指向性アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指向性アンテナに関し、例えば屋外に設置する無線LAN用の指向性アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、無線LANの使用が活発に行われている。無線LANにおいてビルやマンション等の建物の各部屋に設けた端末局のアンテナに対して、建物の屋外に配置した基地局アンテナから電波を送受信することがある。この基地局用アンテナとしては、従来、コリニアアンテナ、カージオイド特性アンテナ、パッチアンテナ等が使用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、コリニアアンテナは、無指向性のアンテナであり、建物、例えば集合住宅の方向にのみ電波を送受信することができず、建物の反対方向等の不要な方向にも電波が送受信され、アンテナ効率が悪い。また、建物に間隔をおいて設置された複数の端末局の各アンテナと電波を送受信する場合、建物の端に設けられたアンテナとも、建物の中央に設けられたアンテナとも同一の条件で、基地局のアンテナは電波の送受信が行えることが望ましい。そのためには、建物の端、中央に設けられた各アンテナにおける電界強度をほぼ等しくする必要がある。しかし、カージオイド特性アンテナやパッチアンテナを建物の中央付近に対応する位置に設置した場合、建物の中央付近での電界強度が最も高く、建物の両側付近での電界強度が低くなる。従って、建物の各端末局のアンテナと送受信する基地局用のアンテナとしては、上述した各アンテナは不向きである。
【０００４】
本発明は、正面方向の両側での電界強度を高めて、ビルやマンション等の建物のどの位置に設けられたアンテナともほぼ同一の条件で送受信が可能な指向性アンテナを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による指向性アンテナの一態様は、誘電体製の筒状体を有している。この筒状体は、円柱状または角柱状等種々の横断面形状の筒状体とすることができる。この筒状体内に、それの長さ方向に沿ってアンテナ素子が配置されている。このアンテナ素子は、指向特性が少なくともほぼ半円状である部分を有するものである。このようなアンテナ素子としては、例えば指向特性が円形となるモノポールアンテナやコリニアアンテナのような無指向性のアンテナ素子や、指向特性がハート型となるカージオイド特性のアンテナ素子を使用することができる。このアンテナ素子は、指向特性が少なくともほぼ半円状である部分の電界強度が大きい部分、例えば最も電界強度の大きい部分を前記筒状体に接近させて配置してある。
【０００６】
このように構成したアンテナでは、アンテナ素子を筒状体に接近して配置したことにより、この筒状体によって反射が生じ、筒状体から離れた側の電界強度が低下する。従って、無指向性やカージオイド特性のアンテナを指向性アンテナとして使用することができる。特に、正面方向と反対方向での電界強度を低下させることができるので、不要な放射が生じず、アンテナ効率を高めることができる。カージオイド特性のアンテナ素子を使用した場合、アンテナ素子に接近している筒状体が抑圧素子としても作用し、接近している部分での電界強度が若干低下する。その結果、マンションやビルのような建物に対する基地局用アンテナとして、この建物に中央に対応する位置付近に設置しても、建物の中央付近と端付近での電界強度をほぼ均等にすることができる。
【０００９】
上述したような各態様において、前記アンテナ素子は、導電性の支柱に設けられたディスコーンアンテナを有するものにすることができる。このディスコーンアンテナは、グランド素子とホット素子とを有し、グランド素子は、約１／４λ（λは受信波長）の奇数倍の長さを有し、前記支柱に取り付けられたシュペルトップ構造のものである。ホット素子は、約１／４λの奇数倍の長さを有するオープンスタブ構造で、前記支柱に取り付けられている。このようなディスコーンアンテナを複数個、一直線状に配置し、コリニアアンテナとすることもできる。
【００１０】
このように構成した場合、ホット側素子は、高周波的には支柱から離れているが、直流的には支柱と接続されているので、耐雷性に富んでいる。
【００１１】
前記ディスコーンアンテナの周囲に共振リング素子を配置することもできる。このように構成した場合、反射の影響によるアンテナ素子のインピーダンスの変化を補正することができる。なお、このようなディスコーンアンテナの外方に、反射素子を設けることにより、カージオイド特性を持つアンテナにすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態の指向性アンテナを図１及び図２に示す。この指向性アンテナは、上述したような基地局用のアンテナとして使用するもので、図１に示すように、アンテナ素子を有している。このアンテナ素子としては、無指向性アンテナ、例えばホイップアンテナ２が使用されている。このホイップアンテナ２は、例えば２ＧＨｚ帯の電波を送受信可能に、長さが約０．８λ（約１２２ｍｍ）に選択されている直線状のもので、その直径は約１２ｍｍで、その基端部には１辺の長さが約３０ｍｍの正方形状のアース板３が取り付けられている。
【００１３】
このホイップアンテナ２は、筒状体４によって周囲が包囲されている。この筒状体４は、誘電体、例えば合成樹脂、具体的にはＦＲＰ製である。この筒状体４は、例えば内径が約７０ｍｍで、肉厚が約９ｍｍの円筒状のものである。この肉厚は、例えば約６ｍｍから１０ｍｍの範囲で変更可能である。この筒状体４内において、ホイップアンテナ２と筒状体４の内面との距離が５乃至１０ｍｍとなるように、筒状体４の内面に接近した状態に配置されている。即ち、ホイップアンテナ２は、筒状体４内に偏心した状態で配置されている。
【００１４】
図２は、このアンテナの２．４〜２．５ＧＨｚにおける指向特性図を示したものである。ホイップアンテナ２は、本来無指向性のアンテナであるので、指向特性図は円形となるはずである。ところが、このアンテナでは、筒状体４内にホイップアンテナ２を配置している。そのため、反射が生じ、図２に示すような指向特性となっている。なお、ホイップアンテナ２が最も筒状体４の内面に接近しているのが、図２における０度の方向である。この指向特性図から明らかなように、時計方向の約１２０度から反時計方向の約１２０度の範囲では電界強度が大きく低下しており、明らかに指向性を有している。また、半値幅は時計方向の約６０度から反時計方向の８０度までの約１４０度と広い範囲のものとなる。従って、無指向性のホイップアンテナの外周に、筒状体４を偏心した状態に配置することにより、指向性を持つアンテナとなり、指向性を必要とするアンテナの設置場所に使用することができる。特に、この実施形態では、構成が簡単なホイップアンテナ２に筒状体４を被せるという簡単な作業のみで指向性アンテナを作成できる。
【００１５】
図３乃至図５に第２の実施の形態の指向性アンテナを示す。この指向性アンテナも第１の実施の形態の指向性アンテナと同様に、基地局用アンテナとして使用するもので、約２．４〜２．５ＧＨｚ帯の電波を送受信するためのものである。この指向性アンテナは、図３（ａ）、（ｂ）及び図４（ａ）、（ｂ）に示すように、外側筒状体１２を有している。この外側筒状体１２は、例えば外形が８８．６ｍｍ（約０．７２λ）、内径が約７０ｍｍ（約０．５８λ）で、厚みが約９．３ｍｍ（約０．０７６λ）の円筒状に、誘電体、例えば合成樹脂、具体的にはＦＲＰによって形成されている。この外側筒状体１２内にはベース１４が設けられている。ベース１４は、円板状に形成されている。このベース１４に内側筒状体１６が取り付けられている。この内側筒状体１６は、例えば直径が約３８ｍｍ（約０．３λ）の円筒状に形成され、その下部に膨大部１６ａが形成され、これがベース１４に取り付けられている。この内側筒状体１６の肉厚は約１．５ｍｍ（約０．０１λ）である。この内側筒状体１６の上部に円板状のキャップ１８が取り付けられている。ベース１４は例えば真鍮製で、内側筒状体１６は、誘電体、例えば合成樹脂、具体的にはＦＲＰ製で、キャップ１８は適当な樹脂材製である。
【００１６】
この内側筒状体１６内に、図５に示すようにアンテナ素子、例えばディスコーンアンテナ２０が配置されている。このディスコーンアンテナ２０では、ベース１４に対して垂直に設けられた導電性を有する支柱２２が、ベース１４上に取り付けられている。この支柱２２の中心には給電線の中心導体２４が挿通され、この中心導体２４と支柱２２の内面との間に給電線絶縁体２６が配置されている。この中心導体２４と給電線絶縁体２６と支柱２２とによって、例えば特性インピーダンスが５０Ωの同軸線路が形成されている。この同軸線路は、ベース１４における支柱２２とは反対側に設けたコネクタ２７に結合されている。
【００１７】
この支柱２２にグランド側素子２８が取り付けられている。このグランド素子２８は、シュペルトップ構造のもので、下端部が開口された円筒状に導電性金属によって形成されている。その長さ寸法は、送受信波長λの約０．１５乃至０．２５の長さ、例えば２５ｍｍ（約０．２λ）に形成され、その上端部が支柱２２と同心に配置されている。この上端部の直径は約１５ｍｍである。このようにシュペルトップ構造としているので、支柱２２には不要な高周波電流が流れない。
【００１８】
このグランド側素子２８の上方にホット側素子３０が支柱２２に取り付けられている。このホット側素子３０もグランド側素子２８と同様な大きさ及び形状に形成され、グランド側素子２８の上端部から約４ｍｍ上にホット側素子３０の下端が位置するように、支柱２２に取り付けられている。このホット側素子３０には支柱２２から導出した中心導体２４が接続されている。このようにオープンスタブに構成されているので、高周波的には、ホット側素子３０は、支柱２２から離れているが、直流的には支柱２２に接続されている。従って、耐雷性に富んだものである。
【００１９】
このホット側素子３０及びグランド側素子２８を包囲するように共振リング素子３２が配置されている。この共振リング素子３２は、その直径が約２５ｍｍで、その長さが約２７ｍｍの円筒状素子に導電性金属によって形成されている。
【００２０】
背面方向にある内側筒状体１６の外方に、反射素子、例えば導電金属製のパイプ３４が、複数本、例えば２本配置されている。これらパイプ３４は、例えば直径が約４ｍｍのもので、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように背面方向の両側に両者の間隔が約２５ｍｍとなるなるように、また内側筒状体１６との間に約２５ｍｍの間隔を保持するように取り付けられている。これらパイプ３４は、ベース１４とキャップ１８との間に跨って設けられている。
【００２１】
ディスコーンアンテナ２０は、本来無指向性のアンテナであるが、パイプ３４と組み合わせたアンテナ２１とすることによって、このアンテナ２１は、カージオイド特性を有している。更に、このカージオイド特性の電界強度が最も大きくなる部分である正面方向（パイプ３４が設けられている側と反対側）が、外側筒状体１２に接近して、即ち偏心して、外側筒状体１２内に配置されている。
【００２２】
図６は、外側筒状体１２を取り除いた状態におけるアンテナ２１（ディスコーンアンテナ２０とパイプ３４との組合せによるアンテナ）の垂直偏波の２．４５ＧＨｚにおける指向特性図を示したもので、ほぼカージオイド特性を示し、その最大利得は正面方向（０度）の方向にある。図７は、アンテナ２１に外側筒状体１２を取り付けた状態における垂直偏波の２．４５ＧＨｚにおける指向特性を示したものである。図７から明らかなように、外側筒状体を偏心した状態に取り付けたことにより、正面方向の利得が低下し、最大利得は正面方向から左右の６０乃至７０度の付近に存在する。また、背面方向における利得も低下している。図８は、外側筒状体１２を取り除いた状態におけるアンテナ２１の垂直偏波の正面方向（最大利得）の周波数による変化を示したもので、図９は、外側筒状体１２を取り付けた状態における垂直偏波の最大利得の周波数による変化を示したもので、図１０は、外側筒状体１２を取り付けた状態における垂直偏波の正面方向の利得の周波数による変化を示したものである。これらの比較から明らかなように、外側筒状体を偏心してアンテナ２１に取り付けたことにより、正面方向の利得は低下しているが、背面方向への不要な放射が低下しているので、その分だけ最大利得が増加している。図７、図９、図１０は、図６のカージオイド特性をもつアンテナ２１を、その正面方向（最大利得方向）に約５ｍｍ偏移させて外側筒状体１２を取り付けて、それぞれ測定したものである。
【００２３】
図１１は、この指向性アンテナにおける周波数変化によるＶＳＷＲの変化を示したもので、最小が約１．０５で、最大が約１．２であり、ＶＳＷＲに大きな変化はない。もし共振リング３２を設けていないなら、外側筒状体１２の厚みでの反射により大きくアンテナインピーダンスが変化する。しかし、共振リング３２を設けたことにより、アンテナインピーダンスが安定し、上述したようにほぼ一定のＶＳＷＲを生じる。
【００２４】
この指向性アンテナは、図７に示すような指向特性を有しているので、図１２（ａ）、（ｂ）に示すような建物、例えば集合住宅６の各部屋に設けた端末局用のアンテナ８と送受信するために、集合住宅６の中央付近に対応する位置に配置する基地局用アンテナとして使用した場合、集合住宅６の端でも、中央でも端末局用アンテナ８においてほぼ同等な電界強度とすることができる。なお、パイプ３４の間隔を調整することによって半値幅を変化させることができ、パイプ３４同士を近づけると半値幅を広くすることができ、パイプ３４同士を離すと半値幅を狭くすることができる。
【００２５】
第３の実施の形態の指向性アンテナは、図１３に示すようにディスコーンアンテナ４０、４２を２段に設けたコリニアアンテナに、アンテナ素子が構成されている以外、第２の実施の形態の指向性アンテナと同様に構成されている。同等部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２６】
第１段目のディスコーンアンテナ４０は、支柱２２の下側に、例えばシュペルトップ４４を有している。このシュペルトップ４４は、その直径が約１５ｍｍで、長さが約２５ｍｍの上端部が開放された短円筒状に導電金属によって構成されたもので、その下端部が支柱２２に結合されている。このシュペルトップ４４の上部に、ホット側素子４６ａとグランド素子４６ｂとからなる放射素子が設けられている。これらホット側、グランド側素子４６ａ、４６ｂも、その直径が約１５ｍｍで、長さが約２５ｍｍの上端部が開放された短円筒状に導電金属によって構成されたもので、それぞれの下端部が支柱２２に結合されている。さらに、ホット側素子４６ａの上端の開放端部は、支柱２２内の中心導体に接続されている。なお、シュペルトップ４４の上端とホット側素子４６ａの下端部との間の間隔は、約５ｍｍである。また、ホット側素子４６ａの上端部とグランド側素子４６ｂの下端部との間隔も約５ｍｍである。
【００２７】
２段目のディスコーンアンテナ４２も、１段目のディスコーンアンテナ４０と同様に、シュペルトップ４８と、ホット側素子５０ａと、グランド側素子５０ｂとを有している。シュペルトップ４８、ホット側及びグランド側素子５０ａ、５０ｂは、シュペルトップ４４、ホット側及びグランド側素子４６ａ、４６ｂと同じ大きさ、形状に形成されている。ホット側素子５０ａは、グランド側素子４６ｂから約３７ｍｍ上方に、その閉塞された下端部が位置するように配置され、その開放された上端部から約５ｍｍ上方にグランド側素子５０ｂの閉塞された下端部が位置している。このグランド側素子５０ｂの開放された上端部から約５ｍｍ上方に、シュペルトップ４８の開放された下端部が位置している。従って、シュペルトップ４８は、シュペルトップ４４と反対向きに取り付けられている。なお、ホット側素子４６ａ、５０ａは、支柱２２内の中心導体に、それぞれの開放上端部が結合されている。なお、各ディスコーンアンテナには、第２の実施の形態と同様に、共振リング５１、５２が設けられている。
【００２８】
図１４は、外側筒状体１２を除去した状態での２．４５ＧＨｚにおけるこのアンテナの垂直偏波の指向特性図である。この指向特性は、概ねカージオイド特性を示し、その最大利得は、正面方向（０度）にある。図１５は、外側筒状体１２を取り付けた状態での２．４５ＧＨｚにおける垂直偏波の指向特性図である。正面方向の利得が低下し、最大利得が左右６５度方向付近にある。両者の比較から明らかなように、外側筒状体１２を取り付けることによって、正面方向（０度）の利得が減少し、最大利得が左右約６５度の方向に移動し、半値幅も広がっている。
【００２９】
図１６は、このアンテナの正面方向の利得の周波数変化を示したもので、図１７は、このアンテナの最大利得の周波数変化を示したものである。これらから明らかなように、外側筒状体１２を取り付けたことにより、正面方向の利得は低下しているが、背面方向への不要な放射が低下しているので、その分だけ最大利得が増加している。図１８は、このアンテナのＶＳＷＲの周波数変化を示したもので、その中心周波数２．４５ＧＨｚ付近で１．２乃至１．３の値であり、充分に実用となる。
【００３０】
従って、このアンテナも図１２に示したような基地局用アンテナとして使用することができる。図１５、図１６、図１７は、図１４に示すカージオイド特性をもつアンテナを、正面方向（最大利得方向）に約５ｍｍ偏移させて、外側筒状体を取り付けて、それぞれ測定したものである。
【００３１】
上記の各実施の形態では、外側筒状体によってアンテナ素子の全体を包囲したが、必ずしも全体を包囲する必要はなく、例えば、或る程度の幅を持たせた誘電体製の抑圧体をアンテナ素子に接近させて、それの正面方向に設けてもよい。また、上記の第２及び第３の実施の形態では、反射素子として間隔をおいて配置した複数のパイプ３４を使用したが、或る程度の幅を有する板状体を反射素子として使用することもできる。また、第３の実施形態では、２段のコリニアアンテナとしたが、さらに多くの段数のコリニアアンテナとすることもできる。また、第２及び第３の実施の形態では、内側筒状体１６を設けたが、場合によっては不要である。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明による指向性アンテナでは、例えば無指向性やカージオイド特性のようなアンテナに対して筒状体を設けることによって、指向性を有するアンテナとすることができ、特に、カージオイド特性のアンテナに対して、それの正面方向の両側での電界強度を高めることができたので、ビルやマンション等の建物のどのような位置に設けられたアンテナともほぼ同一の条件で送受信が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の指向性アンテナの横断面図である。
【図２】図１の指向性アンテナの指向特性図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の指向性アンテナの正面図及び部分破断斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の指向性アンテナの部分破断側面図及び部分破断背面図である。
【図５】図４の指向性アンテナの部分省略拡大図である。
【図６】図４のアンテナにおける外側筒状体を除去した状態の指向特性図である。
【図７】図４のアンテナの指向特性図である。
【図８】図４のアンテナにおける外側筒状体を除去した状態の正面方向利得と周波数との関係を示す図である。
【図９】図４のアンテナにおける最大利得と周波数との関係を示す図である。
【図１０】図４のアンテナにおける正面方向利得と周波数との関係を示す図である。
【図１１】図４のアンテナにおけるＶＳＷＲと周波数との関係を示す図である。
【図１２】第２の実施形態の指向性アンテナの使用状態を示す側面図及び平面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態の指向性アンテナに使用するアンテナ素子を示す図である。
【図１４】図１３のアンテナにおいて外側筒状体を除去した状態での指向特性図である。
【図１５】図１３のアンテナの指向特性図である。
【図１６】図１３のアンテナの正面方向利得と周波数との関係を示す図である。
【図１７】図１３のアンテナの最大利得と周波数との関係を示す図である。
【図１８】図１３のアンテナのＶＳＷＲと周波数との関係を示す図である。
【符号の説明】
２  ホイップアンテナ（アンテナ素子）
４  筒状体
１２  外側筒状体（筒状体）
２８  ４４  ４８  ４６ｂ  ５０ｂ  グランド側素子（アンテナ素子）
３０  ４６ａ  ５０ａ  ホット側素子（アンテナ素子）
３２  ５１  ５２  共振リング素子
３４  パイプ（反射素子）
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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