(57)【要約】【課題】指向性のシャープなアンテナ素子を複数個並べ、できるだけ小型の無指向性のセクタアンテナを実現する。【解決手段】円柱状筒型であるアンテナ取付部と、方形の反射器と、方形の放射器とよりなる一対のアンテナ素子と、前記アンテナ取付部の周囲に３個の前記一対のアンテナ素子を略１２０°で配置し取付ける。【選択図】図１
2012160999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状筒型であるアンテナ取付部と、
方形の反射器と、方形の放射器とよりなる一対のアンテナ素子と、
前記アンテナ取付部の周囲に３個の前記一対のアンテナ素子を略１２０°で配置し、取付けたセクタアンテナ。
【請求項２】
前記円柱状筒の内側表面を電波吸収体で塗布した請求項１に記載のセクタアンテナ。
【請求項３】
前記配置により、３個それぞれの前記一対のアンテナ素子の水平指向特性が合成され無指向性となる請求項２に記載のセクタアンテナ。
【請求項４】
前記反射器と前記放射器は基板がガラスエポキシ樹脂であり、該表面の所定部分を銅箔でエッチングしている請求項３に記載のセクタアンテナ。
【請求項５】
前記アンテナ取付部に取付けられた前記略１２０°に配置した３個の一対のアンテナ素子の上部に前記３個の一対のアンテナ素子をさらに取付けた請求項４に記載のセクタアンテナ。
【請求項６】
さらに前記３個の一対のアンテナ素子を上部に取付けた請求項５に記載のセクタアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信に用いられるアンテナに関するもので、複数のアンテナ素子を用いることにより、無指向性を実現するセクタアンテナに関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開平９−１３５１１５号公報
【特許文献２】特開平９−２８４０４５号公報
【背景技術】
【０００３】
上記特許文献に記載された発明は、複数のコーナリフレクタアンテナを使用して無指向性を実現するセクタアンテナに関するものである。
【０００４】
無線ＬＡＮ等の端末装置は基地局がどの方向にあっても電波を受信できるように水平面内３６０°のすべての方向にビームを向けられるようにするのが望ましい。
これを実現するアンテナとして、指向性を有するアンテナ素子を複数用いて，それぞれのアンテナ素子を水平面の３６０°の全方位をカバーする（無指向性とする）ように配置し，状況にあわせて適切なアンテナ素子を選択することができるセクタアンテナが考えられている。  
また、セクタアンテナ用のアンテナ素子としてコーリニアアンテナに反射器を付加したものが多く使用されている。  
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、複数のアンテナ素子を複数個並べて無指向性を実現しようとするとアンテナ素子間の干渉が発生するため、各アンテナ素子を一定距離離さなければならず、全体が大型化してしまう。また、上記の反射器を付加したアンテナ素子の場合、利得を稼ぐためには段数を増やすことが必要となり、このため縦長になる傾向があり、同様に全体が大型化してしまう。
すなわち、セクタアンテナは大きく、小型化することが難しいという問題があった。
また、セクタアンテナは無指向性となっていることから、セクタアンテナによるダイバーシチ対応は難しいという問題もあった。
【０００６】
そこで本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、できるだけ小型でかつ無指向性のダイバーシチ対応セクタアンテナを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセクタアンテナは、円柱状筒型であるアンテナ取付部と、方形の反射器と、方形の放射器とよりなる一対のアンテナ素子と、前記アンテナ取付部の周囲に３個の前記一対のアンテナ素子を略１２０°で配置し、取付けたものである。
また、前記円柱状筒の内側表面を電波吸収体で塗布したものである。
そしてセクタアンテナの指向特性は、上記の配置により、３個それぞれの前記一対のアンテナ素子の水平指向特性が合成されたときに無指向性となるようにしている。
したがって、この発明によりできるだけ小型のセクタアンテナを実現することができる。
【０００８】
さらに本発明のセクタアンテナは、前記反射器と前記放射器は基板がガラスエポキシ樹脂で作ることが可能で、該表面の所定部分を銅箔でエッチングして形成することができる。
また、アンテナ取付部に取付けられた略１２０°に配置した３個の一対のアンテナ素子の上部には、さらに３個の一対のアンテナ素子を取付けるようにしてもよい。
その結果、この発明により適切なダイバーシチ効果を得ることもできる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、アンテナ素子間の干渉を防止することができ、各アンテナ素子の水平指向特性が合成され無指向性の小型のセクタアンテナを実現できる。さらに、ダイバーシチ対応の小型のセクタアンテナを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態のセクタアンテナの外観図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態のセクタアンテナの外観図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態のセクタアンテナの外観図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態のセクタアンテナを製品状態にした構造図である。
【図５】本発明のアンテナ素子の外観図である。
【図６】本発明のセクタアンテナの定在波比の実測値である。
【図７】本発明の水平面内指向性の実測値である。
【図８】本発明の垂直面内指向性の実測値である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を次の順序で説明する。
＜１．実施の形態のアンテナ素子の概要＞
＜２．第１の実施の形態＞
＜３．第２の実施の形態＞
＜４．第３の実施の形態＞
＜５．実験結果＞
【００１２】
＜１．実施の形態のアンテナ素子の概要＞
まず図５で、本発明にかかるセクタアンテナを構成するアンテナ素子について説明する。図５（ａ）は、アンテナ素子３０の外観を表した斜視図である。図５（ｂ）は給電線８が接続されているアンテナ素子３０の上面図である。図５（ｃ）は給電線８が接続されているアンテナ素子３０の側面図である。
図５（ａ）にみられるように、アンテナ素子３０は、例えば幅Ｗ１、高さＬ１とされている反射板４と幅Ｗ２、高さＬ２とされている放射器（ラジエータ）３で構成されている。
また、図５（ｃ）に示されているように反射器４には、放射器３がスペーサ７を介して一定間隔ｒ離して取り付けられている。スペーサ７は、例えばガラスエポキシ樹脂で形成されており、反射板４はガラスエポキシ樹脂全面に銅箔が被覆された基板で作ることができる。
【００１３】
反射板４は高周波信号（電波）の放射を特定の方向に集中させる機能を有する。したがって、反射板４の大きさ（面積）は、アンテナ素子３０の水平面指向性の電力半値幅（ 以下「水平面半値幅」と称する） やＦ ／ Ｂ 比に大きな影響を与える。
水平面指向性とは、電波が水平面方向にどれだけの強さで放射されるかを表す特性のことである。水平面半値幅は、アンテナの水平面指向性を表すものであり、この値が小さいほど指向性がシャープ（鋭く）になる。また、Ｆ／Ｂ比とは、フロント／バック比のことであり、アンテナ正面に放射される電力とアンテナ後方に放射される電力との比により示され、Ｆ／Ｂ比の値が大きいほど、アンテナ正面方向の利得が大きい事を表す。
【００１４】
一つのアンテナ素子３０として好ましい特性は、サイドローブおよびバックローブを小さくしつつ、Ｆ／Ｂ値を適正な値とし、例えば３個のアンテナ素子を使用したときは全体として、水平面指向特性が３６０°となるような指向性を持たせることが好ましい。
言い換えると、その特性は半値幅が１２０°となることが好ましい。
【００１５】
上記Ｆ／Ｂ比の値を大きくするためには、反射板４の横幅Ｗ１ を大きくし、アンテナ後方に放射される電力を小さくすれば良い。
また、反射器４と放射器３との間隔ｒも水平面指向性特性に影響する。
【００１６】
本実施の形態では、反射板４の形状は方形（四角形）で、反射板４の幅Ｗ１と高さＬ１および反射板４と放射器３の間隔ｒの大きさで水平面指向性特性を制御する。
【００１７】
反射器４の幅Ｗ１と高さＬ１および反射器４と放射器３の間隔ｒとアンテナ素子３０の水平面指向性との関係は以下のとおりである。
【００１８】
すなわち、反射器４の幅Ｗ１と長さＬ１が大きいと水平面指向特性はシャープになる。逆に幅Ｗ１と長さＬ１が小さいとその特性は拡がる。
【００１９】
また、反射器４と放射器３との間隔ｒが小さいと水平面指向性は拡がり、間隔ｒが大きいと水平面指向性はシャープとなる。
【００２０】
本実施の態様では、Ｗ１、Ｌ１およびｒの最適な値として、Ｗ１≒１８ｍｍ、Ｌ１≒７０ｍｍおよびｒ≒１０ｍｍとしている。
【００２１】
放射器３は、電波を放射または取り込む素子である。放射器３の形状は方形（四角形）で、その幅Ｗ２と高さＬ２がアンテナ素子３０の動作周波数を決定する。ガラスエポキシ樹脂を基板とし、反射板４の反対側の面の縁部３ａが銅箔で被覆することにより形成できる。給電点６が反射器３の中央部の下側に設けられるとされている。放射器３はいわゆるパッチアンテナといわれるものである。
【００２２】
図５（ｂ）、（ｃ）に示されているように、給電点６には給電線８が接続がされ、その芯線が給電点６を経由して反射器３の縁部３ａの銅箔に接続される。給電線８のシールド線は反射部４の表面上の銅箔に接続される。
【００２３】
図５（ｃ）に示されているように、反射器４と放射器３とはスペーサ７を介して一定間隔ｒ離して取り付けられている。
【００２４】
放射器３の大きさはアンテナ素子の動作周波数に関係する。本実施の態様では、縁部３ａの縦または横の長さが動作周波数の半波長となるようにしている。このとき、放射器３の材料の比誘電率の値によりその長さが調整される。
【００２５】
本実施形態では、動作周波数は２．４ＧＨｚを想定しており、放射器３の材料（ガラスエポキシ樹脂の比誘電率が問題となる）等を考慮に入れ、Ｗ２≒２７ｍｍ、Ｌ２≒３７ｍｍとしている。
【００２６】
＜２．第１の実施の形態＞ 
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態としてのセクタアンテナ１の外観図である。以下の説明において、既に説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
図１（ａ）は、アンテナ取付部５に先に述べた反射板４と放射器３で構成された３個のアンテナ素子３０を固定、取付けた斜視図であり、アンテナ取付部５は円柱状筒型とされている。
【００２７】
図１（ｂ）に示されているようにアンテナ取付部５の断面方向からみると、アンテナ取付部５の円周表面上にアンテナ素子３０を一対として３個のアンテナ素子が略１２０°でそれぞれ配置、取り付けられている。これにより、各アンテナ素子３０の水平指向特性が合成されたときは無指向性のセクタアンテナ１となるものである。
【００２８】
本発明の実施の形態では、アンテナ取付部５の内側表面の全面には電波吸収体５が貼られている。これは、アンテナ素子３０をアンテナ取付部に略１２０°で取り付けたとき各アンテナ素子３０の干渉によるＦ／Ｂ比の悪化を改善するものである。
これにより、アンテナ素子３０をできるだけ近接することができる。
【００２９】
本実施の形態では、電波吸収体５は材料がＭｎ−Ｚｎフェライトで構成され、透磁率が１２程度のものを使用しているが、同様な電波吸収体を使用することもできる。
【００３０】
電波吸収体５は、アンテナ取付部５の内側表面に限らず、アンテナ取付部５の表側の表面でも、内側表面と表側表面の間でも、何れの箇所に形成しても、同様の効果を発揮できる。
【００３１】
本発明によれば、アンテナ素子間３０の干渉を防止することができ、各アンテナ素子３０の水平面指向特性が合成されたときは無指向性の小型のセクタアンテナ１を実現できる。
【００３２】
＜２．第２の実施の形態＞
図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態としてのセクタアンテナ１０の外観図である。以下の説明において、既に説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
図２（ａ）に示されているようにセクタアンテナ１０は、第１の実施の形態のセクタアンテナ１を２つ重ねたものである。２つ重ねることによりダイバーシチ効果を得ようとするものである。
また、図２（ｂ）に示されているようにアンテナ取付部５の断面方向からみると、アンテナ取付部５の円周表面上にアンテナ素子３０を一対として３個のアンテナ素子が略１２０°でそれぞれ配置、取り付けられている。これにより、第１の実施の形態と同様に各アンテナ素子３０の水平指向特性が合成されたときは無指向性となるものである。
【００３３】
ダイバーシチ対応のアンテナとして、水平方向に２つのアンテナを並べることが行われている。例えば空間ダイバーシチ場合、２つのアンテナが１／２波長以上離れていれば、それぞれのアンテナの受信状態に相関はないと言われているので、ダイバ−シチ効果を得ることができる。
【００３４】
しかし、水平軸に広角なアンテナの場合、水平方向にそのアンテナを並べたとしてもダイバーシチ効果を得ることはむつかしい。互いの干渉をなくすために間隔を離しても同じである。また、水平方向に並べると大型化してしまう。
そこで、垂直方向に上記広角なアンテナを重ねてダイバーシチ効果を得ようとするものである。
【００３５】
第１の実施の形態のセクタアンテナ１を２つ重ねて、適切なダイバーシチ効果を得るためには垂直軸方向の指向性が互いに干渉しないようにすることが望ましい。
本発明の第２の実施形態においては、上記の反射器４の高さＬ１を変えることで垂直軸の指向性を調整することができる。
【００３６】
すなわち、垂直方向に反射器４の高さＬ１を延ばすことにより、垂直面の指向性を狭くすることができ、これによりダイバーシチ効果を得ることができる。
【００３７】
図４は、第１の実施の形態のセクタアンテナ１を最終の製品１１の形にした構造図である。
高さ１５４ｍｍ、幅８４ｍｍのコンパクトな構造となっている。
【００３８】
本発明によれば、小型でダイバーシチ対応のセクタアンテナ１０を実現できる。
【００３９】
＜２．第３の実施の形態＞
図３は、本発明の第３の実施形態としてのセクタアンテナ２０の外観図である。以下の説明において、既に説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
図３のセクタアンテナ２０は、第１の実施の形態のセクタアンテナ１を３つ重ねたものである。３つ重ねることによりＭＩＭＯ用セクタアンテナ２０としたものである。
ＭＩＭＯとは、送信と受信にそれぞれ複数アンテナを用いる伝送技術で、送信機と受信機の双方に複数のアンテナを配列し空間上で並列伝送を行なうものである。
すなわち、送信データを複数の信号列（ストリーム）に分け、複数のアンテナでそれらの信号列を同時に送信する方式であり、３つのアンテナを組み合わせれば、理論上３倍の信号列を伝送することが可能となる。
【００４０】
ＭＩＭＯのアンテナ数は決まっていないが、３つの指向性アンテナの組み合わせが一般的とされる。
屋内環境において、ＭＩＭＯ用アンテナとして求められる重要課題の１つに、到来波の方向に対する無線性能の依存性を抑制することがあげられる。すなわち、到来波の方向によって無線性能が変わらないことが必要である。これを実現するには、無指向性の複数のアンテナを配置すればよい。
しかし、３本のロッドアンテナ、ヘリカルアンテナ等を峡間隔で配置すると、各アンテナの指向性に切れ込みを生じ、方向によっては、理論的な信号列の確保が困難となる。
【００４１】
本発明の第３の実施形態のセクタアンテナ２０は、３枚で無指向性を構成するセクタアンテナを縦方向に配置することで、外形的には小型で、性能的には完全な無指向特性を得ることができ、且つ、セクタアンテナを用いることにより、妨害波等の到来方向の利得を低下させることができ、より効率的に信号列の伝送を可能とするものである。
【００４２】
＜５．実験結果＞
図６〜図８は第１の実施の形態に係るセクタアンテナ１の必要となる特性の実験結果である。
図６はＶＳＷＲ（定在波比）の実験結果である。横軸を周波数、縦軸をＶＳＷＲとしている。２．４ＧＨｚでＶＳＷＲ＝１．２３、２．４４２ＧＨｚでＶＳＷＲ＝１．１５、２．４８４ＧＨｚでＶＳＷＲ＝１．２２、２．５ＧＨｚでＶＳＷＲ＝１．２７となっており、２．４ＧＨｚ帯で所望の性能を有している。
【００４３】
図７は第１の実施の形態に係るセクタアンテナ１の水平面指向特性の実験結果である。
図７（ａ）は１セクタのみを選択したときの水平面指向特性である。水平面半値幅は１２０°となっている。利得は４．２ｄＢｉである。
【００４４】
図７（ｂ）は２セクタのみを選択したときの水平面指向特性である。水平面半値幅は２４０°となっている。利得は１．９ｄＢｉである。
【００４５】
図７（ｃ）は３セクタを選択したときの水平面指向特性である。水平面指向特性は無指向性となっている。利得は−０．１ｄＢｉである。
【００４６】
図８は第１の実施の形態に係るセクタアンテナ１の垂直面指向特性である。垂直面半値幅は６０°となっており、所望の値となっている。
【００４７】
以上の実験結果より、本実施の形態に係るセクタアンテナ１のＶＳＷＲの値は、１．５以下（この値は一般的にアンテナの理想値といわれる）となっており、適切な値となっている。
また、水平面指向特性は１セクタの場合が水平面半値幅１２０°であり、２セクタの場合が水平面半値幅２４０°となり、３セクタの場合にはそれらが合成され無指向性となっている
【００４８】
１、１０、２０  セクタアンテナ、３  放射器、４  反射板、５  アンテナ取付部、６  給電点、７  スペーサ、８  給電線、３０  アンテナ素子
【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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