(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｘ，ｙ平面を有する地板；
該地板に立てられ、ｘ，ｙ平面と直交するｚ方向に延び、放射電波の波長をλとするとき、長さＡｌを有する放射エレメント；
ｚ方向と直交するｘ方向に前記放射エレメントから距離ｄ離れた位置に、放射エレメントに関して対称に前記地板に立てられ、ｚ方向に延び、長さＤｌを有する、双指向性を定めるための、複数の導波器；および、
前記放射エレメントと接続又は一体で、前記放射エレメントの位置からｙ方向に離れた位置で前記地板に接続された整合器；を備え、
０．２４３λ≦Ａｌ≦０．２５０λ，
０．２３λ≦ｄ≦０．２８λ、および、
０．２１２λ≦Ｄｌ≦０．２２６λ、
であって、前記地板は、頂面と傾斜側面がある裁頭円錐状であり、その頂面がｘｙ面である双指向性アンテナ。
【請求項２】
ｘ，ｙ平面を有する地板；
該地板に立てられ、ｘ，ｙ平面と直交するｚ方向に延び、放射電波の波長をλとするとき、長さＡｌを有する放射エレメント；
ｚ方向と直交するｘ方向に前記放射エレメントから距離ｄ離れた位置に、放射エレメントに関して対称に前記地板に立てられ、ｚ方向に延び、長さＤｌを有する、双指向性を定めるための、複数の導波器；および、
ｙ方向およびｚ方向に延びるΓ型をなす導電体であって、ｙ方向に延びる部分の先端が前記放射エレメントと接続又は一体であり、ｚ方向に延びる部分の先端が地板と接続された、指向方向を整えるための、整合器；を備え、
前記整合器のｙ方向に延びる部分の長さをＭｈ、ｚ方向に延びる部分の長さをＭｖとするとき、
０．２４３λ≦Ａｌ≦０．２５０λ，
０．２３λ≦ｄ≦０．２８λ，
０．２１２λ≦Ｄｌ≦０．２２６λ，
０．０２λ≦Ｍｈ≦０．０９λ、および、
０．０６０８λ≦Ｍｖ≦０．０６８１λ、
であって、前記地板は、頂面と傾斜側面がある裁頭円錐状であり、その頂面がｘｙ面である双指向性アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、双指向性アンテナ、例えばＰＨＳ(Personal handy phone system)の基地局で使用する双指向性アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に電波を発信（あるいは受信）するアンテナには、全方位に電波を放射（あるいは受信）する様な無指向性アンテナ、目的の方位のみを指向する単一指向性アンテナ、あるいはアンテナの前後の双方向に指向性を有する双方性アンテナがある。例えば、高層ビルが林立する市街地の道路沿いにＰＨＳ基地局を設置し、道路沿いに線状にサ−ビスエリアを確保しようとする場合、該ＰＨＳ基地局を中心にして該道路の前後延長線上に沿って指向性を持つアンテナ、すなわち双方向にひとしくゲインを有する双指向性アンテナを使用して電波の送受信を行なうと有効である。
【０００３】
周知の如くＰＨＳは、周波数１８９５〜１９１８ＭＨｚの電波を使用した多数の小出力（最大出力５００ｍＷ）基地局を、１００〜３００ｍ毎に多数設ける。
【０００４】
基地局により構成される基地局エリア（マイクロセル）を前記の様にビル谷間の道路沿いに配置する場合には、双指向性を持つアンテナを使用するのが好ましい。
【０００５】
双指向性を実現する従来技術として、例えば以下のようなものがある：
（１）同一の単一指向性特性を持つアンテナ（パッチアンテナ等）２台を背中合わせにして一対とし、各々のアンテナに分配器を介して同一電力を供給する方法；
（２）Ａ，Ｂ２本のモノポ−ル素子からなる２素子モノポ−ルアンテナを用いる方法。これは特開昭６０−２０９２２号公報に開示されている。同公報の図１に２素子モノポ−ルアンテナの構成が示され、図２にその水平面指向特性が示されている。該公報によれば、図１に示される２素子モノポ−ルアンテナの各素子Ａ，Ｂに、同振幅かつ位相差をつけて給電すれば、その指向性は双方向性となる；
（３）特開平５−１６０６２９号公報には、４素子垂直アンテナが提示されている。同公報の図１に４素子垂直アンテナの全体配置が示され、図５に各素子の平面配置及びその水平面指向特性が示されている。該公報によれば、その図１に示されるように、地板上に放射器（垂直アンテナ）を、その前後にインダクティブなリアクタンスを持つ反射器を、左右にキャパシティブなリアクタンスを持つ導波器を配置すれば、８字指向特性が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記（１）のアンテナにおいては、１個の高周波信号を２台のアンテナに分岐させるための分配器が必要である。また、分配器を使用すれば当然分配器による高周波電力損失（理想的に２分配した時に生ずる３ｄＢ以上の損失）、及びインピ−ダンスの乱れによる電力反射の発生による効率低下が予想される。またアンテナが２組必要となるため、その構成が大きくなる。上記（２）のアンテナにおいては、１個の高周波信号を２台のアンテナに同振幅かつ位相差をつけて給電分岐させるための分配器が必要であり、（１）と同様に損失を無視することは出来ない。上記（３）の４素子垂直アンテナによる方法は、従来の３素子八木アンテナ（放射エレメントと、その後方に１つの反射器、その前方に１つ以上の導波器を配置）の変形であり、使用する素子数が多い。
【０００７】
本発明は、分配器を使用することなく給電しえて、双指向性の設定が容易な双指向性アンテナを提供することを第１の目的とし、更に、指向方向の整定が容易な双指向性アンテナを提供することを第２の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の双指向性アンテナは、ｘ，ｙ平面を有する地板(1,10)；該地板に立てられ、ｘ，ｙ平面と直交するｚ方向に延び、放射電波の波長をλとするとき、長さＡｌを有する放射エレメント(2)；ｚ方向と直交するｘ方向に前記放射エレメントから距離ｄ離れた位置に、放射エレメントに関して対称に前記地板に立てられ、ｚ方向に延び、長さＤｌを有する、双指向性を定めるための、複数の導波器(3,4)；および、前記放射エレメントと接続又は一体で、前記放射エレメントの位置からｙ方向に離れた位置で前記地板に接続された整合器(5)；を備え、
０．２４３λ≦Ａｌ≦０．２５０λ，
０．２３λ≦ｄ≦０．２８λ、および、
０．２１２λ≦Ｄｌ≦０．２２６λ、
であって、前記地板は、頂面と傾斜側面がある裁頭円錐状であり、その頂面がｘｙ面である。なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の記号を、参考までに付記した。
【０００９】
放射エレメント(2)は、高周波電力が給電されると放射状に電波を発射するが、該電波の一部は導波器(3)に到達する。放射エレメント(2)と導波器(3,4)間の距離ｄが約λ／４相当の距離としてあるので、この間を進行する間に電波の位相は約９０度遅れる。導波器(3,4)は、そのエレメント長Ｄｌが放射器エレメント長Ａｌより若干短いので、キャパシティブなリアクタクスを持っている。従って導波器(3,4)に到達した電波により一方の導波器(3)に誘起する電流は位相が約９０度進む。この電流により再輻射される電波の電圧位相は、誘起電流より約９０度位相が遅れる。すなわち導波器(3)より再輻射される電波は、放射エレメント(2)から発射されて導波器（３）に到達した電波の位相と大略同相となる。従って放射エレメント(2)から導波器（３）方向に向けて発射された電波は、導波器(3)からの輻射電波と加算され強調される。
【００１０】
一方、導波器(3)より再輻射された電波が、放射エレメント(2)方向に向かい、放射エレメント(2)に戻って来た時には、導波器(3)と放射エレメント(2)間の距離ｄが約λ／４相当の距離であるため、該電波の位相は約λ／４（９０度）遅れて到着する。すなわち、最初に放射エレメント(2)から発射された電波から大略１８０度遅れた位相で到達するので、両者は打消し合う。この様にして放射エレメント(2)から発射され導波器(3)側に向って進行した電波は、導波器(3)側に向けた指向性を持つ。
【００１１】
同様にして放射エレメント(2)から発射され他方の導波器(4)側に向って進行した電波は、導波器(4)側に向けた指向性を持つ。従って本アンテナは双指向性を有する。放射エレメント(2)と導波器(3,4)間の距離ｄ及び必要に応じて放射エメント径ａを調整することにより、別の反射器，移相器あるいは分配器等を使用することなく、双方向性が実現する。
【００１２】
整合器(5)で給電線(7)と双指向性アンテナとのインピ−ダンス整合をとっており、裁頭円錐状でありその頂面(9)がｘ，ｙ平面である地板(10)により、ｘｚ面における最大放射方向をほぼｘ方向（水平方向）とした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
前記整合器(5)は、ｙ方向およびｚ方向に延びるΓ型をなす導電体であって、ｙ方向に延びる部分の先端が前記放射エレメントと接続又は一体であり、ｚ方向に延びる部分の先端が地板と接続された、指向方向を整えるための、整合器(5)；を備える。この整合器(5)の水平部長さＭｈおよび垂直部長さＭｖを調整して給電線(7)と双指向性アンテナとのインピ−ダンス整合をとった。
【００１４】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００１５】
【実施例】
−参考例−
図１に本発明の参考例を示す。図１の（ａ）は要部外観を示し、図１の（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり（ａ）に示すコネクタ６を外した状態を示し、図１の（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線断面を示す。この参考例の基準周波数ｆs（放射電波の周波数の設計値）は、1943 MHZ である。
【００１６】
基準周波数ｆs＝1943 MHZ の波長λsは、λs＝15.44 cm、λs/4＝3.86 cm である。
【００１７】
Ｃo＝ｆ・λ
但し  Ｃo：光速、３．０×１０８  ［m/s］
ｆ：周波数［Hz］
λ：波長［m］
地板１には直径Ｄr＝１ｍのアルミニウム製の円板を使用した。地板１の中心に、垂直に長さ(地板上面から上端まで)Ａｌ、線径（直径）ａの放射エレメント２を設置した。
【００１８】
放射エレメント長Ａｌは、約λs／４相当の長さである。この放射エレメント２には、下方からコネクタ６を介して特性インピ−ダンス５０Ωの同軸ケ−ブル７から高周波電力を給電する。
【００１９】
導波器３，４は、放射エレメント２を挟んで、ｘ，ｙ，ｚ直交座標系のｘ軸線上に配置し、放射エレメント２に対して平行かつ対称であり、各々の下端は地板１に接続している。すなわち接地している。導波器３，４のエレメント長Ｄｌは、該放射エレメント長Ａｌより若干短く設定している。導波器３と放射エレメント２の間隔ｄは、約λs／４であり、導波器４と放射エレメント２の間隔もｄである。
【００２０】
インピ−ダンス整合器５は、直棒を９０度折り曲げたΓ形で、ｚ方向に延びる部分の端部（下端）は地板１に接続され、ｙ方向に延びる部分の先端は放射エレメント２に接続されている。整合ライン５のｚ方向に延びる部分の長さＭｖ、及びｙ方向に延びる部分の長さＭｈを調整することにより、アンテナとフィ−ダ（５０Ω）間のインピ−ダンスマッチングを行なっている。
【００２１】
参考例に使用したアンテナのエレメント長等、各寸法の具体的な値を下記に示す：
放射エレメント２：
線径ａ＝3.2λs／1000
長さＡｌ＝0.246λs
整合器５：
Ｍｖ＝0.068λs
Ｍｈ＝0.058λs
導波器３，４：
エレメント長Ｄｌ＝0.221λs２／３，４間距離ｄ＝0.248λs  。
【００２２】
これらの値は、実験により求めて定めた値であるが、以下にこれらの値に定めた理由を説明する。前述の様に、本アンテナの特性には、主に次の６種類の寸法（変数）が影響する：
（１）放射エレメント２の線径ａ
（２）放射エレメント２の長さＡｌ
（３）整合器５のｚ方向長さＭｖ
（４）整合器５のｙ方向長さＭｈ
（５）導波器３，４のエレメント長Ｄｌ
（６）放射エレメント2/導波器3,4間の距離ｄ。先ず上記６寸法について、基本寸法ａs，Ａｌs，Ｍｖs，Ｍｈs，Ｄｌsおよびｄsを定めた。これらの基本寸法の値を、基準波長λsにより正規化した値で、次に示す：基本寸法（ｓ）（１s）放射エレメント２の線径    ａs：2.80λs/1000（２s）放射エレメント２の長さ  Ａｌs：0.246λs
（３s）整合器５のｚ方向長さ    Ｍｖs：0.063λs
（４s）整合器５のｙ方向長さ    Ｍｈs：0.030λs
（５s）導波器3,4のエレメント長 Ｄｌs：0.221λs
（６s）放射エレメント2/導波器3,4間の距離ｄs：0.250λs。
【００２３】
上記６種類の寸法に関し、５つの寸法を固定し１つの寸法を変化させた時の定在波比 VSWR 及びアンテナ指向性利得 GAIN をモ−メント法により計算し、グラフ化した。その結果を図８〜図１４に示す。
【００２４】
図８は、線径ａを変化した場合の定在波比 VSWR 及びアンテナ指向性利得 GAI N を示し、図９は、放射エレメント２の長さＡｌを変化した場合を示し、図１０は、整合器５のｚ方向長さＭｖを変化した場合を示し、図１１は、整合器５のｙ方向長さＭｈを変化した場合を示し、図１２は、導波器３，４のエレメント長Ｄｌを変化した場合を示し、図１３は、放射エレメント２／導波器３，４間距離ｄを変化した場合を示す。また、図１４は、周波数を変化した場合の定在波比特性を示す。図１４において、横軸は周波数であり、基準周波数ｆs＝C0/λs を１とした正規化値ｆ0を示す。
【００２５】
図８〜図１４の結果より、一般的にアンテナとして良好に動作していると判断出来る、定在波比 VSWR が 1.5 以下である寸法範囲を、有効範囲と見なした。この有効範囲は次の通りである：
有効範囲（ｒ）
（１r）放射エレメント２の線径         2.0λs/1000≦ ａ ≦4.4λs/1000
（２r）放射エレメント２の長さ            0.243λs≦Ａｌ≦0.250λs
（３r）整合器５のｚ方向長さ             0.0608λs≦Ｍｖ≦0.0681λs
（４r）整合器５のｙ方向長さ               0.02λs≦Ｍｈ≦0.09λs
（５r）導波器3,4のエレメント長           0.212λs≦Ｄｌ≦0.226λs
（６r）放射エレメント2/導波器3,4間の距離  0.23λs≦ ｄ ≦0.28λs
（７r）周波数                            0.994ｆs≦ ｆ ≦1.016ｆs  。
【００２６】
尚、アンテナ利得 GAIN については、放射方向のロ−ブの広がり度合（半値角）と密接な関係があり、該アンテナ利得と半値角はアンテナの使用される環境（用途）により要求が異なるので、ある基準値を定めることは無意味であり、従って範囲選定条件から外してある。
【００２７】
参考例のアンテナの前述のエレメント長等、各寸法の具体的な値は、以上の方法で求めた有効範囲内で、更に微調整を繰り返し最終的に定めたものである。
【００２８】
図３に、参考例のアンテナのｘｙ面（水平面）に沿う方向の放射指向性を示す。アンテナの座標系は図２に示した。図３上のスケ−ルは真数表示であり、計算値を実線で示し、垂直偏波成分（Ｅθ成分）の測定値を○印で、水平偏波成分（Ｅφ成分；不要成分）の測定値を△印で示す。但し、計算値（実線）は無限大接地板を使用した場合であり、測定値（丸印＆三角印）は、直径１ｍの地板１を使用した場合のものである。図３に示すように、水平面放射指向性の測定値が計算値とほぼ一致しており、参考例のアンテナが略計算通りの双指向性であることが解かる。
【００２９】
図４に、参考例のアンテナのｘｚ面（垂直面）放射指向性を示す。スケ−ルは真数表示であり、計算値を実線で示し、垂直偏波成分（Ｅθ成分）の測定値を○印で、水平偏波成分（Ｅφ成分；不要成分）の測定値を△印で示す。
【００３０】
但し計算値は無限大接地板を使用した場合であり、測定値は、直径１ｍの地板１を使用した場合のものである。垂直面放射指向性については、最大幅射方向は計算値ではθ＝±９０度であるが、測定値ではθ＝±７３度程度である。これは、使用した地板１が有限平面地板（直径Ｄｒ＝１ｍの円板）であるための影響である。
【００３１】
図５に、参考例のアンテナ利得の周波数特性を示す。基準周波数ｆs＝194 3 MHZ におけるゲインは、6.2 dBi である。図６には、アンテナインピ−ダンスの周波数特性をスミスチャ−トで示し、図７には VSWR（定在波比）の周波数特性を示す。アンテナインピ−ダンスは５３．６Ω＋ｊ５．４Ωであり、VSWR は1.29である。
【００３２】
これら図３〜図７より、参考例のアンテナは、良好な双指向性を持つアンテナであることが解かる。
【００３３】
−実施例−
図１５に、実施例の外観を示す。参考例のアンテナの垂直面（ｘｚ面）放射指向性を調整するために、実施例においては、裁頭円錐形の地板１０を用いた。地板１０は、直径Ｄrの頂面９、および、傾斜角αおよび傾斜幅Ｚsの傾斜側面８を有する。ｘｚ面（垂直面）上の放射指向性の最大幅射方向を、ｘ方向（水平方向；θ＝±９０）にするために、円錐周面の傾斜幅及び傾斜角αと頭部直径Ｄrを実質上地面と同等な接地効果を持つに十分な大きさとした。Ｄｒ＝２０ｃｍ、α＝３０度、Ｚｓ＝４０ｃｍ、である。この他の、放射エレメント２，導波器３，４および整合器５等は、参考例と同じ構造および寸法である。
【００３４】
図１６に、実施例のアンテナのｘｙ面（水平面）放射指向性を示す。目盛は真数表示（ｄＢ）であり、計算値を実線で示し、垂直偏波成分（Ｅθ成分）の測定値を○印で、水平偏波成分（Ｅφ成分：不要成分）の測定値を△印で示す。計算値は無限大接地板を使用した場合である。
【００３５】
図１７に、実施例のアンテナのｘｚ面（垂直面）放射指向性を示す。目盛は真数表示（ｄＢ）であり、計算値を実線で示し、垂直偏波成分（Ｅθ成分）の測定値を○印で、水平偏波成分（Ｅφ成分：不要成分）の測定値を△印で示す。計算値は無限大接地板を使用した場合である。図１６および図１７より、垂直偏波成分（Ｅθ成分）は双指向放射特性を示し、水平偏波成分（Ｅθ成分）の最大幅射方向も、ほぼ水平方向（ｘ方向）である。
【００３６】
図１８に、実施例のアンテナ利得の周波数特性を示す。この実施例でも、最大放射方向においては、参考例とほぼ同じ利得である。
【００３７】
図１９に、実施例のアンテナインピ−ダンスの周波数特性をスミスチャ−トで示し、図２０には、VSWR（定在波比）の周波数特性を示す。これらの特性は、参考例とほぼ同様である。従って実施例のアンテナは、参考例のアンテナの水平最大幅射方向のチルトを解消した、良好な双指向性を持つアンテナであると言える。
【００３８】
以上に説明した第１および実施例では、１本の放射エレメント２と、２本の導波器３，４を備えるが、１本の放射エレメント２と４本以上の導波器を組合わせて高利得の双方向性アンテナとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は、本発明の参考例の外観を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図２】  図１に示すアンテナの座標軸を示す斜視図であり、垂直偏波成分の方向θおよび水平偏波成分の方向φを示す。
【図３】  図１に示す参考例のアンテナの、水平面指向性を示すグラフである。
【図４】  図１に示す参考例のアンテナの、垂直面指向性を示すグラフである。
【図５】  図１に示す参考例のアンテナの、放射電波の周波数に対する利得を示すグラフである。
【図６】  図１に示す参考例のアンテナの、放射電波の周波数に対するインピ−ダンスを示すスミスチャ−トである。
【図７】  図１に示す参考例のアンテナの、放射電波の周波数に対する VSWR（定在波比）を示すグラフである。
【図８】  図１に示すアンテナの、放射エレメント２の線径ａを変化した場合の、定在波比 VSWR 及びアンテナ指向性利得 GAIN の計算値を示すグラフである。
【図９】  図１に示すアンテナの、放射エレメント２の長さＡｌを変化した場合の、定在波比 VSWR 及びアンテナ指向性利得 GAIN の計算値を示すグラフである。
【図１０】  図１に示すアンテナの、整合器５のｚ方向長さＭｖを変化した場合の、定在波比 VSWR 及びアンテナ指向性利得 GAIN の計算値を示すグラフである。
【図１１】  図１に示すアンテナの、整合器５のｙ方向長さＭｈを変化した場合の、定在波比 VSWR 及びアンテナ指向性利得 GAIN の計算値を示すグラフである。
【図１２】  図１に示すアンテナの、導波器の長さ長Ｄｌを変化した場合の、定在波比 VSWR 及びアンテナ指向性利得 GAIN の計算値を示すグラフである。
【図１３】  図１に示すアンテナの、放射エレメント２／導波器３，４間の距離ｄを変化した場合の、定在波比 VSWR 及びアンテナ指向性利得 GAIN の計算値を示すグラフである。
【図１４】  図１に示すアンテナの、放射周波数を変化した場合の、定在波比 VSWR 及びアンテナ指向性利得 GAIN の計算値を示すグラフである。
【図１５】  本発明の実施例の外観を示す斜視図である。
【図１６】  図１５に示すアンテナの、水平面指向性を示すグラフである。
【図１７】  図１５に示すアンテナの、垂直面指向性を示すグラフである。
【図１８】  図１５に示すアンテナの、放射する電波の周波数に対する利得を示すグラフである。
【図１９】  図１５に示すアンテナの、放射する電波の周波数の対するインピ−ダンスを示すスミスチャ−トである。
【図２０】  図１５に示すアンテナの、放射する電波の周波数に対するSWR（定在波比）を示すグラフである。
【符号の説明】
１：地板                  ２：放射エレメント
３：導波器                ４：導波器
５：整合器                ６：コネクタ
７：同軸ケ−ブル          ８：側面
９：頂面                  １０：地板
Ａｌ：放射エレメント長    ｄ：放射エメント／導波器間距離
Ｄｌ：導波器エレメント長  Ｍｈ：整合器のｙ方向長さ
Ｍｖ：整合器のｚ方向長さ
【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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【図１９】
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【図２０】
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