(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板からなる地導体板上に誘電体層を介して複数のマイクロストリップアンテナ素子をマトリックス配列した平面アンテナ装置であって、
前記地導体板の縁部と該地導体板上に配列されたマイクロストリップアンテナ素子の最外周に位置付けられる縁部との余白幅Ｗを、該マイクロストリップアンテナ素子の自由空間波長λに対して０.３５〜０.７倍に設定して、アンテナ面方向のヌルレベルを抑えたことを特徴とする平面アンテナ装置。
【請求項２】
前記余白幅Ｗを０.４λに設定し、前記地導体板の大きさの最小化を図りながら前記アンテナ面方向のヌルレベルを−４０ｄＢ以下にしたことを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地上波デジタル放送をＳＮＦ（Single Frequency Network）方式により中継するに好適な平面アンテナ装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
地上波デジタル放送の中継は、例えば図７に模式的に示すように基地局１から送られてくる放送波を中継局２の受信アンテナ３にて受信し、該中継局２の送信アンテナ４からその放送サービスエリアに対して再送信することにより実現される。特に最近では放送周波数の有効利用を図るべく、基地局１から送られてきた放送波を、その放送波と同一の周波数で中継局２から再送信（放送）するＳＦＮ（Single Frequency Network）中継が注目されている。
【０００３】
この場合、送信アンテナ４から送信される放送波の上記受信アンテナ３への回り込みが問題となる。ちなみに送信アンテナ４から送信（放射）される放送波が受信アンテナ３に或る程度以上の電界強度で回り込むと、中継局２において発振が生じ、例えば保護回路が作動して放送停波に陥る。そこで従来一般的には上記受信アンテナ３として指向性の鋭いパラボラアンテナ等が用いられているが、アンテナ形状が大きく、しかもその構造が３次元的で大掛かりである等の問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明者らは、上記受信アンテナ３としてマイクロストリップアンテナを放射素子とした平面アンテナ装置を用いることを考えた。この種の平面アンテナ装置は、平板からなる地導体板上に誘電体層を介して複数のマイクロストリップアンテナ素子を配列した構造を有するもので、その構造が簡単である上、コンパクトである等の利点を有する。
【０００５】
しかしながらこの種の平面アンテナ装置（受信アンテナ３）は、一般的にそのアンテナ面方向、即ち、アンテナ面に垂直な方向を該アンテナの指向方向としたとき、この指向方向に対して±９０°の方向のヌル特性が悪い。この為、平面アンテナ装置を送信アンテナ４と同一の放送塔５に上下に並べて取り付けた場合、送信アンテナ４からの電波の回り込みが無視できないと言う本質的な問題を有する。
【０００６】
ちなみに平面アンテナ装置においては、地導体板の大きさを無限大の平面と看做してその理論設計が行われ、所定の指向特性が得られるように、例えば複数のマイクロストリップアンテナ素子の数やその配列間隔等からなるアレイ構造が決定される。従って理論計算上においては、例えば図８に示すように±９０°方向にヌル点を形成したアンテナ特性を得ることができる。しかし実際に製作される平面アンテナ装置における地導体板は、理論計算により決定された複数のマイクロストリップアンテナ素子の配列領域に見合う大きさのものとして実現されるので、例えば図９にそのアンテナ特性を示すように、±９０°方向のヌルレベルを十分に低くすることができないと言う問題がある。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、地導体板上に複数のマイクロストリップアンテナ素子を配列したコンパクトな形状の平面アンテナ装置であって、±９０°方向のヌルレベルを十分に低くすることができ、例えば地上波デジタル放送をＳＮＦ中継する為の受信アンテナとして好適な平面アンテナ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る平面アンテナ装置は、平板からなる地導体板上に誘電体層を介して複数のマイクロストリップアンテナ素子をマトリックス配列した平面アンテナ装置であって、
特に前記地導体板の縁部と該地導体板上に配列されたマイクロストリップアンテナ素子の最外周に位置付けられる縁部との余白幅Ｗを、該マイクロストリップアンテナ素子の自由空間波長λに対して０.３５〜０.７倍に設定して、アンテナ面方向（主ビーム方向に対して±９０°の方向）のヌルレベルを抑えたことを特徴としている。
【０００９】
好ましくは請求項２に記載するように前記余白幅Ｗを０.４λに設定し、前記地導体板の大きさの最小化を図りながら前記アンテナ面方向のヌルレベルを、ＳＮＦ中継を実現する上で最低限要求される−４０ｄＢ以下にしたことを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る平面アンテナ装置について説明する。
図１は第１の実施形態に係る平面アンテナ装置の平面構成を示す図であり、図２はその部分断面構造を示す図である。この平面アンテナ装置は、平板からなる地導体板１１上に誘電体層１２を介して複数のマイクロストリップアンテナ素子１３を配列して構成される。具体的にはこの平面アンテナ装置は、例えば１６２ｍｍ×１３９ｍｍの大きさを有する周波数４８５ＭＨzの９個のマイクロストリップアンテナ素子１３を、一辺が１３６０ｍｍの地導体板１１上に、tanδが０.００２の５.０ｍｍ厚の誘電体層１２を介して、３１０ｍｍ（０.５λ）の配列ピッチＰで３行３列（３×３）にマトリックス配列して構成される。
【００１１】
ちなみにマイクロストリップアンテナ素子１３の数やその配列ピッチＰ、更にはこれらのアンテナ素子１３に対する電力配分等は、該平面アンテナ装置に要求されるアンテナ仕様に応じて決定される。特にそのアンテナ面に垂直な主ビーム（主ローブ）方向に対して所定のアンテナ利得を有して所定のビーム幅の放射パターンが得られ、且つ所定の前後比（フロント・バック特性）が得られるように、更には理論計算上、±９０°の方向（アンテナ面の方向）にヌルが形成されるように決定される。
【００１２】
その上でこの平面アンテナ装置においては、特に前記地導体板１１の縁部と該地導体板１１上に配列されたマイクロストリップアンテナ素子１３の最外周に位置付けられる縁部との余白幅Ｗが、アンテナ素子１３の自由空間波長λに対して０.５倍（０.５λ）となるように設定されており、これによって図３に示すようなアンテナ特性を得るものとなっている。即ち、この実施形態に係る平面アンテナ装置においては、特に該平面アンテナ装置のアンテナ面に垂直な主ビーム方向に対して±９０°の方向の放射レベルが−４０ｄＢ以下（実測値において−４３ｄＢ）となるように設定されており、±９０°の方向に実質的なヌル点を設定したアンテナ特性が実現されている。
【００１３】
尚、上記平面アンテナ装置の自由空間波長λは、アンテナ素子１３が送受信する電波の周波数をｆとしたとき、光の速度をｃとして
λ＝ｃ／ｆ
として定義される。ちなみにこの自由空間波長λを用いて前述した地導体板１１における余白幅Ｗを波長換算（無次元数化）して、余白幅Ｗを異ならせた種々の地導体板１１を準備して該余白幅Ｗと±９０°の方向のヌルレベル（減衰量）との関係を調べたところ、図４に示す如き関係があることが見出された。
【００１４】
即ち、地導体板１１上に配列形成する複数のマイクロストリップアンテナ素子１３の数やその配列ピッチＰ、更にはこれらのアンテナ素子１３に対する電力配分等をそのアンテナ仕様に応じて決定し、理論計算上、その±９０°の方向（アンテナ面の方向）にヌルが形成されるようにそのアレイ構造を設計した。その上でその最外周に位置付けられるアンテナ素子１３の縁部と地導体板１１の縁部と余白幅Ｗを変化させて、±９０°の方向のヌルレベル（減衰量）との関係を調べたところ、図４に示すようにその余白幅Ｗが増すに従って、±９０°の方向のヌルレベルが抑えられることが確認された。特にそのヌルレベルと余白幅Ｗとの間に、
［±９０°ヌル減衰量(ｄＢ)］＝−３０×［余白幅（波長換算）］−２８
なる近似関係があることが見出された。そして地導体板１１に形成する余白幅Ｗを波長換算において０.４λ以上に設定することにより、±９０°方向のヌル減衰量を−４０ｄＢ以下に抑え得ることが明らかとなった。尚、この±９０°方向のヌル減衰量が増大は、地導体板１１の縁部と、アレイ構造をなして配列されたアンテナ素子１３中の最外周に位置付けられるアンテナ素子１３との電磁的な結合量が変化する為と考えられる。
【００１５】
かくして上述した如くして地導体板１１の大きさを、アンテナ素子１３との余白幅Ｗに着目して決定してなる平面アンテナ装置によれば、平面アンテナとしてのコンパクト性を活かしながら、そのアンテナ面方向（±９０°方向）のヌル減衰量を大きくし、例えば−４０ｄＢに抑えることができる。従ってこの平面アンテナ装置を地上波デジタル放送波をＦＮＳ中継するための受信アンテナ３として用い、その送信アンテナ４と上下に並べて設置する場合であっても、該送信アンテナ４からの電波（放送波）の回り込みを防いで、その干渉を効果的に防ぐことが可能となる。従ってＦＮＳ中継を実現するアンテナシステムを、放送塔５の限られたアンテナ設備空間を有効に利用して、簡易に、且つコンパクトに構築することが可能となる等の効果が奏せられる。
【００１６】
また上述した如く定められる地導体板１１の縁部とアンテナ素子１３との余白幅Ｗは、該地導体板１１の大きさを決定する上での大きな指針となる。即ち、上述した図４に示す実験結果は、理論計算上、その±９０°の方向（アンテナ面の方向）にヌルが形成されるようにそのアレイ構造を設計した際に、その±９０°方向にヌル点を設定する上での指針となる。従ってこの指針に従って地導体板１１の大きさを決定すれば、±９０°方向のヌル特性を満足させながら該地導体板１１を必要最小限の大きさにコンパクトに設計することができ、受信アンテナ３として好適な平面アンテナ装置を実現することが可能となる。
【００１７】
ちなみにこのような平面アンテナ装置によれば、従来のパラボラアンテナに比較してその構成の簡素化と大幅なコンパクト化とを図ることができ、放送塔５に設置した場合において雨風に強い構造とし、また軽量であるが故に放送塔５に与える負荷も軽減し得る等の効果が奏せられる。
ここで本発明の他の実施形態として、周波数５０９ＭＨzの９個のマイクロストリップアンテナ素子１３を３行３列（３×３）にマトリックス配列し、一辺が１２００ｍｍの地導体板１１上に形成し、その余白幅Ｗを０.４λとした平面アンテナ装置を試作したところ、その±９０°方向のヌル減衰量が−４１ｄＢであった。更に周波数７５２ＭＨzの平面アンテナ装置を実現するべく、図５に示すように１２個のマイクロストリップアンテナ素子１３を４行３列（４×３）にマトリックス配列し、一辺が１２００ｍｍの地導体板１１との余白幅Ｗを０.６λとした。するとこの平面アンテナ装置におけるアンテナ特性が、図６に示すように求められ、±９０°方向のヌル減衰量が−４３.５ｄＢにも達することが確認された。これらの変形例からも、マトリックス配列されたマイクロストリップアンテナ素子１３の最外周縁部と地導体板１１の縁部との余白幅Ｗを０.４λ以上に設定することで、該平面アンテナ装置の±９０°方向にヌル点を確実に設定し得ることが確認できた。
【００１８】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば地導体板１１の大きさを考慮し、平面アンテナ装置としてのコンパクト性を満たした上で±９０°方向にヌル点を設定する場合には、上述した余白幅Ｗを０.３５〜０.７λとすることが好ましく、より最適には０.４λとすることが望ましい。しかし±９０°方向のヌル減衰量が−３５ｄＢ程度で良い場合には、その余白幅Ｗを０.２５λとすれば十分であり、更にそのコンパクト化を図ることが可能となる。
【００１９】
また複数のマイクロストリップアンテナ素子１３のアレイ構造化の条件については、従来より種々提唱されているアンテナ設計の手法を用いれば良く、その電力配分については、ここでは３素子アレイにおいて素子間隔０.５λで［１：４：１］となるように設定したが、チェビシェフ型ウェイト等を用いて適宜設定するようにすれば十分である。また実施形態においては±９０°方向にヌル点を得る例について示したが、±１００°方向等、その他の方向にヌル点を確実に得る場合にも、本発明を同様に適用することができる。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数のマイクロストリップアンテナ素子からなるアレイ構造を、理論計算上、その±９０°の方向（アンテナ面の方向）にヌルが形成されるように設計した上で、最外周に位置付けられるアンテナ素子の縁部と地導体板の縁部との余白幅Ｗを、波長換算において０.３５〜０.７λ、好ましくは０.４λとしたので、地導体板の大きさを最小化しながらその±９０°方向にヌル点を設定した平面アンテナ装置を実現することができる。特にＳＮＦ中継において送信アンテナとの干渉を防ぐに必要な−４０ｄＢ以上のヌルレベルを確保することのできる、ＳＮＦ中継用の受信用アンテナとして好適なコンパクトな平面アンテナ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る平面アンテナ装置の平面構成を示す図。
【図２】図１に示す平面アンテナ装置の部分断面構造を示す図。
【図３】図１に示す平面アンテナ装置のアンテナ特性を示す図。
【図４】平面アンテナ装置における地導体板の縁部とアンテナ素子との余白幅Ｗと、その±９０°方向のヌルレベル（減衰量）との関係を示す図。
【図５】本発明の別の実施形態に係る平面アンテナ装置の平面構成を示す図。
【図６】図５に示す平面アンテナ装置のアンテナ特性を示す図。
【図７】地上波デジタル放送のＳＮＦ中継の態様を模式的に示す図。
【図８】平面アンテナ装置の理論計算により求められるアンテナ特性を示す図。
【図９】従来の平面アンテナ装置の一般的なアンテナ特性を示す図。
【符号の説明】
１１  地導体板
１２  誘電体層
１３  マイクロストリップアンテナ素子
Ｗ  余白幅
【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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