(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接地板、該接地板から絶縁された形態で該接地板に垂設された垂直素子成分、及び前記接地板に平行する形態で前記垂直素子成分に接続された板状アンテナ素子を有し、複数の周波数帯の中の最低の周波数帯に対応する最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナと、
前記最低の周波数帯よりも高い周波数を有する第１、第２、・・・・・第ｎ（ｎは、２以上の整数）の周波数帯にそれぞれ対応する第１周波数帯用アンテナの対、第２周波数帯用アンテナの対、・・・・・第ｎ周波数帯用アンテナの対と、を備え、
前記各アンテナの対のうちの第ｉ（ｉは、１，２，・・・・・ｎ）周波数帯用アンテナの対は、前記最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナの垂直素子成分に平行する形態で前記接地板に直接立設された垂直素子成分と、前記接地板に平行する平行素子成分とをそれぞれ有し、かつ、前記第ｉ周波数帯用アンテナの対は、前記最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナの前記接地板と前記板状アンテナ素子との間において、該最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナの垂直素子成分を中心として対称に配設され、
更に、前記第１周波数帯用アンテナの対、第２周波数帯用アンテナの対、・・・・・第ｎ周波数帯用アンテナの対は、それらにおける前記平行素子成分が対応する前記垂直素子成分の側から先端側に向って拡がる扇形状をなすように、かつ、該各平行素子成分が前記接地板を基準として同じ高さになるように構成され、
前記最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナに対して給電を行うように構成したことを特徴とする多周波共用アンテナ装置。
【請求項２】
前記最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナは、前記板状アンテナ素子と前記接地板との間に介在させたインピーダンス整合用のショートピンを備えることを特徴とする請求項１に記載の多周波共用アンテナ装置。
【請求項３】
前記最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナの接地板と板状アンテナ素子とが、それぞれ円形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の多周波共用アンテナ装置。
【請求項４】
前記各アンテナの対が、容量装荷型モノポールアンテナの対であることを特徴とする請求項１に記載の多周波共用アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陸上移動通信等に使用される多周波共用の基地局アンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の多周波共用アンテナ装置について、自動車携帯電話などに使用される陸上移動通信には、８００ＭＨｚ帯、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の３周波数帯が割り当てられている。
【０００３】
前記各周波数帯に使用される従来のモノポールアンテナとしては、図７に示すものがある。
すなわち、図７に示すアンテナは、１／４波長モノポールアンテナの斜視図であり、該１／４波長モノポールアンテナ１は、円形状接地板２と、該円形接地板２の中心に垂設された、使用周波数の１／４波長のアンテナ素子としての給電素子１ａとからなり、水平面内指向性が無指向性となるアンテナの代表である。
また、その垂直面内指向性は、接地板２の大きさによって変化し、該接地板２が大きいほど、接地板２の後方への回り込みが少なくなる。
【０００４】
陸上移動通信等に使用される基地局アンテナ装置で、特に、室内等において、天井のある場所に用いられる基地局アンテナ装置には、天井の面とアンテナの接地板を同一面に設置でき、天井の影響をほとんど受けることなく、かつ無指向性を維持できる前記１／４波長モノポールアンテナ１のようなアンテナの実現が望ましい。ただし、設置する場合の美観上の問題で、なるべく高さの低い姿勢で、目立たないアンテナが要求されている。
【０００５】
そこで、図８に示すような、前記１／４波長モノポールアンテナ１のアンテナ素子１ａの上部を導電性の円盤（または円板）３ａに変形させて、そこに容量を持たせることで、低姿勢化した、いわゆる、容量装荷型モノポールアンテナ３がよく用いられている。
この場合、その高さは前記１／４波長モノポールアンテナ１の１／４程度にできる。前記接地板２に対して平行な円盤３ａは、接地板２に近く、該円盤３ａ上の電流はイメージ電流によって打ち消され、該円盤３ａからの放射は寄与しない。放射に寄与するのは、該接地板２に対して垂直な素子成分３ｂのみである。
したがって、その指向性は、前記１／４波長モノポールアンテナ１のものとほぼ同じである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の移動体通信の普及に伴い、利用すべき周波数帯が検討され、様々な周波数帯が提案されている。また、周波数資源の確保の困難さも相まって、一つのシステムで多くの異なる周波数帯の利用が必要となってきている。また、これからもシステムの世代ごとに新しい周波数帯の利用が検討され、新たな周波数帯の利用が決定すると予想され、システム移行期には前世代の周波数帯のサポートも必要である。
【０００７】
この種のアンテナは、基本的には周波数に応じた大きさが必要であり、使用する周波数帯が異なれば、その周波数に対応するアンテナが必要になってくる。
したがって、前述のように複数の周波数帯を用いる移動体通信において、基地局アンテナ装置は、使用する周波数帯のすべてをカバーする必要があるので、それぞれの周波数帯に応じたアンテナを用意しなければならない。
このため、使用する周波数帯が増えると、該アンテナの数が増え、アンテナの設置面積が増えるとともに、設置工事のコスト高やアンテナの美観の悪さが問題点となってくる。
【０００８】
そこで、この問題点を解決するために、前記アンテナを多周波共用アンテナとする方法が考えられる。図９に代表的な２周波共用アンテナの斜視図を示す。これは、パッチアンテナの２周波共用の例であり、図７および図８に示すモノポールアンテナとは、動作モードは異なるが、一般的によく知られており、説明する上で好適であるので、従来例として取り上げた。
この２周波共用パッチアンテナ６は、低い周波数帯に対応する大きい円盤状のパッチアンテナ７の上に、該パッチアンテナ７に平行に、高い周波数帯に対応する小さい円盤状パッチアンテナ８を、重ねるように配設する構造になっている。
【０００９】
高い周波数帯の前記パッチアンテナ８は、直接給電されない、いわゆる円盤状の無給電素子８ａであり、低い周波数帯の前記パッチアンテナ７の円盤状の給電素子７ａを、接地板と見立てて動作しているといえる。この構造は、アンテナの周波数帯域を広げるためにも用いられる方法であり、前記給電素子７ａと無給電素子８ａの大きさ（直径）を変えることにより、それぞれの素子７ａ，８ａに対して、別々の周波数で共振させる方式である。
これにより、見かけ上、前記２周波共用パッチアンテナ６は一つで済み、別個にアンテナを用意する必要がないので、前記アンテナ６の占有面積を小さくすることができる。
【００１０】
しかしながら、この構造は、高い周波数に対応する前記パッチアンテナ８を、低い周波数に対応する前記パッチアンテナ７の上に、重ねるように配設するという構造を採用しているため、上方向、すなわち、高さ方向に体積が増えるという問題点がある。これは、共用しようとする周波数のアンテナの数が増えれば、高さが増えることになる。この高さが増えることは、前記アンテナ６の美観上、問題点があった。
他方、他の形式のアンテナにおいても、無給電素子を、上方向または横方向に設置する場合が多く、単周波の場合に比べて、該アンテナの体積が増えることが多いという問題点があった。
【００１１】
本発明はかかる点を鑑みなされたもので,その目的は前記問題点を解消し,多周波共用を可能にするとともに、高さを低くできる、いわゆる低姿勢で、かつ、その占有体積が従来より大きくならない多周波共用アンテナ装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、使用する複数の周波数帯の中で、最も低い周波数帯に対応するアンテナの板状給電素子と接地板との間に、前記最低の周波数帯より高い周波数帯の複数のアンテナ素子が収容できる多周波共用アンテナ装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、接地板、該接地板から絶縁された形態で該接地板に垂設された垂直素子成分、及び前記接地板に平行する形態で前記垂直素子成分に接続された板状アンテナ素子を有し、複数の周波数帯の中の最低の周波数帯に対応する最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナと、  前記最低の周波数帯よりも高い周波数を有する第１、第２、・・・・・第ｎ（ｎは、２以上の整数）の周波数帯にそれぞれ対応する第１周波数帯用アンテナの対、第２周波数帯用アンテナの対、・・・・・第ｎ周波数帯用アンテナの対と、を備える。
前記各アンテナの対のうちの第ｉ（ｉは、１，２，・・・・・ｎ）周波数帯用アンテナの対は、前記最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナの垂直素子成分に平行する形態で前記接地板に直接立設された垂直素子成分と、前記接地板に平行する平行素子成分とをそれぞれ有し、かつ、前記第ｉ周波数帯用アンテナの対は、前記最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナの前記接地板と前記板状アンテナ素子との間において、該最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナの垂直素子成分を中心として対称に配設される。
更に、前記第１周波数帯用アンテナの対、第２周波数帯用アンテナの対、・・・・・第ｎ周波数帯用アンテナの対は、それらにおける前記平行素子成分が対応する前記垂直素子成分の側から先端側に向って拡がる扇形状をなすように、かつ、該各平行素子成分が前記接地板を基準として同じ高さになるように構成される。
そして、前記最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナに対して給電を行うように構成され、これによって、上記の目的を達成している。
【００１４】
前記最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナは、前記板状アンテナ素子と前記接地板との間に介在させたインピーダンス整合用のショートピンを備えることができる。
【００１５】
前記最低周波数帯用容量装荷型モノポールアンテナの接地板と板状アンテナ素子は、それぞれ円形に形成することが望ましい。
【００１７】
前記各アンテナの対は、容量装荷型モノポールアンテナ、半波長ループアンテナ及びＦ型アンテナのうちのいずれかのアンテナの対であってよい。
【００１８】
本発明の多周波共用アンテナ装置は、以上のように構成され、その基本構成を、図１に示す。
図１によれば、前記多周波共用アンテナ装置１１は、使用する複数の周波数の中で最も低い周波数のアンテナの給電素子３ａとして、円盤（または円板）状の容量装荷型モノポールアンテナ３を採用し、該給電素子３ａは、前記接地板２の中心位置に形成された貫通穴２ａを貫通して、該接地板２に垂設される垂直素子成分３ｂを介し、該接地板にほぼ同心で、かつ平行して配設されるとともに、同軸ケーブル等により給電される。
そして、前記アンテナ３の垂直素子成分３ｂに近接して、前記最低の周波数より高い周波数の第１，第２の周波数帯で共振させる複数（図では２個）の容量装荷型モノポールアンテナ１２，１３が無給電で、前記接地板２に配設される構造である。
【００１９】
ここでは、該複数の容量装荷型モノポールアンテナ１２，１３は、使用されるそれぞれの周波数の１／４波長モノポールアンテナを途中で折り曲げた構造のＬ型モノポール素子を使用しており、該アンテナ１２，１３の垂直素子成分１２ｂ，１３ｂは、前記アンテナ３の垂直素子成分３ｂにほぼ平行に設置される。
【００２０】
また、図１で、前記容量装荷型モノポールアンテナ３を給電し、前記第１，第２の周波数帯の容量装荷型モノポールアンテナ１２，１３を無給電としているが、本発明の多周波共用アンテナ装置は、これにかかわらず、前記モノポールアンテナ３と前記モノポールアンテナ１２，１３のうち、ひとつが給電されていればよい。すなわち、前記最低の周波数帯に対応する前記アンテナを含む全体の前記モノポールアンテナのうち、ひとつが給電されていればよい。この場合、給電する前記アンテナには、対応する周波数帯の電力が給電される。
【００２１】
前記高い周波数の第１，第２の周波数帯でそれぞれ共振させる前記アンテナ１２，１３の素子は、最も低い周波数の前記アンテナ３の給電素子３ａに比べて、構造的に小さくできるため、該最低の周波数の該アンテナ３の給電素子３ａの内部に完全に収容され、隠れる構造となる。このため、前記多周波数共用アンテナ１１の全体積は、全く増えることはない。
前記第１，第２の周波数用アンテナ１２，１３の平行素子成分（前記接地板２に平行な素子成分）１２ａ，１３ａと垂直素子成分１２ｂ，１３ｂのそれぞれの長さは、場合に応じて自由に設定できる。
【００２２】
さらに、前記最低の周波数より高い使用周波数帯の数が増えても、長さの異なる無給電の容量装荷型モノポールアンテナを増やすことで対応することが可能である。
このとき、放射に寄与する素子成分は、前記接地板２に対して垂直な素子成分であるので、各素子の他の周波数帯における指向性に対する影響は少ない。したがって、どの周波数帯においても、同じような水平面内に無指向性が得られる。
【００２４】
また、前記最低の周波数より高い、複数の周波数帯のそれぞれのアンテナ素子は、必ずしも容量装荷型モノポールアンテナである必要はなく、前記最低の周波数に対応するアンテナ３の前記板状給電素子３ａと接地板２との間に収まれば、通常の１／４波長モノポールアンテナを用いてもよい。
さらに、前記最低の周波数より高い、複数の周波数帯のそれぞれのアンテナの種類は、前述のほか、半波長ループアンテナやＦ型アンテナ等も使用が可能である。また、直接給電される素子は、必ずしも前記最低の周波数帯に対応する素子である必要はなく、前述のとおり、状況に応じて他の周波数に対応する素子に変えることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
図２ないし図６は、本発明の多周波共用アンテナ装置の一実施例を示す図で、図２は、８００ＭＨｚ，１．５ＧＨｚおよび２ＧＨｚの３周波数帯が共用されたアンテナ装置の構成を示す斜視図、図３は、図２のアンテナ装置の周波数に対する反射減衰量（リターンロス）を示す図、図４ないし図６は、図２のアンテナ装置の各周波数、８００ＭＨｚ，１．５ＧＨｚ，２ＧＨｚにおける、垂直面および水平面のそれぞれの指向性を示す図である。
【００２６】
図２において、３周波数共用アンテナ装置３１は、８００ＭＨｚ帯用の円盤型容量装荷型モノポールアンテナ３２と、１．５ＧＨｚ帯用のＬ型変形容量装荷型モノポールアンテナ３３と、２ＧＨｚ帯用のＬ型変形容量装荷型モノポールアンテナ３４とからなる。
【００２７】
使用する前記３周波数帯の中で、最も低い前記８００ＭＨｚ帯用の円盤型容量装荷モノポールアンテナ３２は、比較的大きい半径を有する円盤状の接地板２と、該接地板２の中心位置に形成された貫通穴２ａを、絶縁しながら貫通して、該接地板２に垂設される垂直素子成分３２ｂと、これに導通する給電素子３２ａとからなる。該給電素子３２ａは、前記接地板２と同心上に、２個の導電性のショートピン（支持部材を兼ねる）２６により、該接地板２とある間隔を置いて、平行に配設されるとともに、導電材、例えば金属材からなる、比較的小さい半径を有する円盤状で、その中心位置に前記垂直素子成分３２ｂが接続されている。
そして、前記アンテナ３２は、前記垂直素子成分３２ｂの下端から、給電線路（例えば同軸ケーブル）を介して所要の電力が、直接給電されている。
【００２８】
前記給電素子３２ａ側のインピーダンスを、前記給電線路の特性インピーダンス５０Ωと整合させるため、該給電素子３２ａと前記接地板２との間に、２本の前記ショートピン２６が設けられている。このときの前記垂直素子成分３２ｂの高さ、すなわち前記アンテナ３２の高さは、該接地板２から約２５ｍｍで、８００ＭＨｚ帯で換算すると、約０．０６７波長となり、極めて低い高さである。また、前記給電素子３２ａの直径は約８０ｍｍであり、該アンテナ３２全体の体積は、小さく抑えられている。
【００２９】
この８００ＭＨｚ帯用の前記アンテナ３２の垂直素子成分３２ｂの周囲を取り囲むように、無給電の前記１．５ＧＨｚ帯用の２本のＬ型変形容量装荷型モノポールアンテナ３３と、無給電の前記２ＧＨｚ帯用の４本のＬ型変形容量装荷型モノポールアンテナ３４とが、該垂直素子成分３２ｂを中心に、対称的に計６本が配設されている。そして、前記それぞれのアンテナ３３，３４の垂直素子成分３３ｂ，３４ｂは、前記８００ＭＨｚ帯用の前記垂直素子成分３２ｂに平行に、前記接地板２に直接、立設され、かつ前記それぞれの垂直素子成分３３ｂ，３４ｂの端に接続される、扇形状の平行素子成分３３ａ，３４ａは、それぞれ前記接地板２に平行に形成されている。
【００３０】
前記１．５ＧＨｚ帯用の前記アンテナ３３の扇形状の平行素子成分３３ａは、前記２ＧＨｚ帯用の前記アンテナ３４の扇形状の平行素子成分３４ａに比べて、前記８００ＭＨｚ帯用の前記給電素子３２ａの半径範囲内で、半径方向に長く、その中心角が小さく形成されており、前記両平行素子成分３３ａ，３４ａは、それぞれの周波数帯で共振するようになっている。
【００３１】
１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯のそれぞれの前記アンテナ３３，３４のうち、垂直素子成分３３ｂ，３４ｂの長さが８００ＭＨｚ帯の垂直素子成分３２ｂの長さの約１／２であり、また、平行成分素子３３ａ，３４ａの長さが、８００ＭＨｚ帯の給電素子３２ａの半径以下のため、該１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯のそれぞれのアンテナ３３，３４は、前記８００ＭＨｚ帯の給電素子３２ａの内部、すなわち図２の一点鎖線で示す空間２７内に、完全に収容されて、隠れた形の構造になっている。
【００３２】
ここで、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯のそれぞれの前記アンテナ３３，３４の垂直成分素子３３ｂ，３４ｂの長さを同じにした理由は、それぞれの平行素子成分３３ａ，３４ａが同じ高さになるので、プリント基板等で、一括して製作が可能となり、部品点数を減らすことができるからである。また、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の該アンテナ３３，３４の、それぞれの位置関係を、前記８００ＭＨｚ帯の垂直素子成分３２ｂを中心に、対称的に配置することにより、その指向性の対称性を良くしている。
【００３３】
本実施例の多周波共用アンテナ装置３１のリターンロス特性（周波数対反射減衰量特性）の例を図３に示す。図３によれば、８００ＭＨｚ帯、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の３周波で共振が見られる。また、優先順位の最も低い１．５ＧＨｚ帯の共振が、他の周波数帯に比べて低くなっており、期待通りの特性が得られている。
【００３４】
さらに、前記アンテナ装置３１の垂直面および水平面の指向性の例を図４ないし図６に示す。８００ＭＨｚ帯、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の３周波で水平面無指向性が得られている。また、垂直面指向性も乱れることなく、どの周波数帯においても、同様な指向性が得られている。
【００３５】
以上は、８００ＭＨｚ帯の前記アンテナ３２を給電し、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯のそれぞれの前記アンテナ３３，３４を無給電としているが、本実施例の多周波共用アンテナ装置３１は、これにかかわらず、全体の前記アンテナ３２，３３，３４のうち、ひとつが給電されていればよい。そして、給電しようとする該ひとつのアンテナに、対応する周波数帯の電力を給電する。
【００３６】
なお、本発明の技術は前記実施例における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果たす他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更、付加が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の多周波共用アンテナ装置によれば、使用する複数の周波数帯の中で、最低の周波数帯に対応するアンテナを容量装荷型モノポールアンテナとし、その内部に、その他の使用する周波数帯に対応する複数のアンテナが収容されるように配設されるとともに、前記最低の周波数帯に対応する前記アンテナと複数の前記アンテナのうち、ひとつが給電されるので、多周波共用を可能にするとともに、高さが低姿勢で、その占有体積が従来より大きくならないという優れた効果を奏し、また、使用する周波数帯の中で、最低の周波数帯に対応するアンテナの板状給電素子とを接地板との間に、前記最低の周波数帯より高い周波数帯の複数のアンテナ素子を、隠すように、収容することができるという効果を奏する。
【００３８】
すなわち、使用する周波数帯の中で、最低の周波数帯に対応するアンテナを容量装荷モノポールアンテナとし、極力高さの低い姿勢とした上で、他の高い周波数帯に対応するアンテナ素子を、前記最低周波数帯のアンテナの内部に、完全に隠すように収容、設置することにより、アンテナの大きさを最低の周波数帯に対応するアンテナの大きさ以内にできるので、非常に容易に低い姿勢の多周波数共用アンテナ装置を実現することができる。
【００３９】
また、ひとつの周波数帯以外は、直接給電する必要がない無給電素子を使用するので、構造の単純化を図ることができる。さらに、前記周波数帯の共振の優先順位に応じた設計方法が明確になっており、様々な要求に対処できる多周波共用アンテナ装置となっている。
同時に、使用するアンテナ素子には、様々な種類のものが利用でき、設計の自由度も高くなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多周波共用アンテナ装置の基本構成を示す、３周波共用アンテナ装置の斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の多周波共用アンテナ装置の一実施例を示し、８００ＭＨｚ，１．５ＧＨｚおよび２ＧＨｚの３周波数帯が共用されたアンテナ装置の構成を示す斜視図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ部拡大図である。
【図３】図２の同アンテナ装置の周波数対反射減衰量特性を示す図である。
【図４】図２の同アンテナ装置の周波数８００ＭＨｚにおける指向性を示す図で、図４（ａ）は垂直面指向性を示す図、図４（ｂ）は水平面のそれぞれの指向性を示す図である。
【図５】図２の同アンテナ装置の１．５ＧＨｚにおける指向性を示す図で、図５（ａ）は垂直面指向性を示す図、図５（ｂ）は水平面のそれぞれの指向性を示す図である。
【図６】図２の同アンテナ装置の２ＧＨｚにおける指向性を示す図で、図６（ａ）は垂直面指向性を示す図、図６（ｂ）は水平面のそれぞれの指向性を示す図である。
【図７】従来の１／４波長モノポールアンテナを示す斜視図である。
【図８】従来の容量装荷モノポールアンテナを示す斜視図である。
【図９】従来の２周波共用バッチアンテナを示す斜視図である。
【符号の説明】
１  １／４波長モノポールアンテナ
２  接地板
３，１２，１３  容量装荷型モノポールアンテナ
３ａ  円盤（給電素子）
３ｂ，１２ｂ，１３ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂ  垂直素子成分
１１  多周波共用アンテナ装置
１２ａ，１３ａ，３３ａ，３４ａ  平行素子成分
２６  ショートピン
２７  空間
３１  ３周波共用アンテナ装置
３２  円盤型容量装荷型モノポールアンテナ
３３，３４  Ｌ型変形容量装荷型モノポールアンテナ
３２ａ  給電素子
【図１】
0004405051.tif 000002
【図２】
0004405051.tif 000003
【図３】
0004405051.tif 000004
【図４】
0004405051.tif 000005
【図５】
0004405051.tif 000006
【図６】
0004405051.tif 000007
【図７】
0004405051.tif 000008
【図８】
0004405051.tif 000009
【図９】
0004405051.tif 000010