JP6002644B2

JP6002644B2 - アンテナ装置及び反射板配置方法

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Publication number: JP6002644B2
Application number: JP2013186649A
Authority: JP
Inventors: 秀哉宗; 篤也安藤; 杉山　隆利; 隆利杉山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: JP2015053660A

Description

本発明は、複数の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ装置及び該アンテナ装置の反射板配置方法に関する。

下記非特許文献１には、無線ＬＡＮ（Local Area Network）等の無線通信システムにおける基地局と中継装置との間を有線によるバックホール回線で接続することが困難である場合に用いられる無線によるバックホール回線に関する技術が開示されている。上述した技術のように基地局と中継装置とが無線通信によって接続される場合には、基地局と中継装置との間の無線通信に用いられる信号と、中継装置と端末との無線通信に用いられる信号とで、異なる周波数帯の電磁波が用いられる。例えば、下記非特許文献２には、異なる周波数帯の電磁波を送受信可能なものとして、異なる周波数帯の電磁波を送受信可能な１つの周波数共用ダイポールアンテナと、該ダイポールアンテナに対向するように配置された１つの反射器とを備え、該反射器による反射によって各周波数帯の電磁波の指向性を実現する装置が開示されている。

丸田一輝，増野淳，大槻暢朗，杉山隆利，"無線ネットワークコーディング試作装置の屋外伝送実験特性，"信学技報，ＲＣＳ２０１２−１９６，２０１２年１２月．丸山珠美，鹿子嶋憲一，"線路結合給電２周波共用コーナリフレクタアンテナ，"信学論，ｖｏｌ．Ｊ７７−Ｂ−II，ｎｏ．９，ｐｐ，４５９−４６６，１９９４年９月．

ところで、上記従来技術は、指向性の方向が１つの反射器の反射方向に限定されるものであり、周波数帯毎に異なる方向への指向性を実現することができない。つまり、上記従来技術は、中継装置が基地局との無線通信に使用する周波数帯と、端末との無線通信に使用する周波数帯とで異なる方向への指向性を必要とする場合でも、各周波数帯で異なる方向への指向性を実現できない。

一方、周波数帯毎に異なる方向への指向性を実現可能なものとして、異なる周波数帯に対応して設けられたアンテナ素子と、アンテナ素子毎に設けられ、電磁波の反射方向がそれぞれ異なる反射板とを備え、反射方向がそれぞれ異なる反射板によって、周波数帯毎に異なる方向への指向性を実現する装置も考案されている。しかしながら、この装置は、各周波数帯に対応して複数のアンテナ素子を設置する必要があるため、大型化してしまうという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、複数の周波数帯でアンテナ素子を共用することで装置を小型化し、かつ周波数帯毎に異なる方向への指向性を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、アンテナ装置に係る第１の解決手段として、複数の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ素子と、前記周波数毎に設けられ、電磁波を反射する反射板とを具備し、前記反射板同士は、反射方向が異なるように配置される、という手段を採用する。

本発明では、アンテナ装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記アンテナ素子は、前記複数の周波数帯で共用される周波数共用アンテナ素子、あるいは前記複数の周波数帯を含む帯域の電磁波を送受信する広帯域アンテナ素子である、という手段を採用する。

本発明では、アンテナ装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記反射板は、誘電体からなる棒状部材が同一平面上で平行かつ等間隔に配列されてなる複数の反射層が積層され、隣接する反射層の前記棒状部材が直交されているメタマテリアル反射板である、という手段を採用する。

本発明では、アンテナ装置に係る第４の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記反射板は、誘電体基板上に金属箔を周期的に配置、あるいは金属板にスロットを周期的に配置して形成された周波数選択板である、という手段を採用する。

本発明では、アンテナ装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれか１つの解決手段において、基地局と端末との無線通信を中継する中継装置であり、反射板として、基地局に向かう方向を反射方向とする基地局用反射板と、端末に向かう方向を反射方向とする端末用反射板とを具備する、という手段を採用する。

また、本発明では、反射板配置方法に係る解決手段として、複数の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ素子と、前記周波数毎に設けられ、電磁波を反射する反射板とを具備するアンテナ装置の前記反射板同士を、反射方向が異なるように配置する、という手段を採用する。

本発明によれば、複数の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ素子と、周波数毎に設けられ、電磁波を反射する反射板とを具備し、反射板同士は、反射方向が異なるように配置されることによって、複数の周波数帯でアンテナ素子を共用することでアンテナ装置を小型化し、かつ反射方向が異なる各反射板を用いて周波数帯毎に異なる方向への指向性を実現できる。

本発明の一実施形態に係るアンテナ装置Ａの概略構成を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係るアンテナ装置Ａによって構成される中継装置Ｒを備える無線通信システムのシステム構成図である。本発明の一実施形態に係るアンテナ装置Ａの上面図である。本発明の一実施形態における第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２の周期配列パターンを示す図（ａ）及び周期配列パターンの寸法を示す図（ｂ）である。本発明の一実施形態に係るアンテナ装置Ａの水平面内の２ＧＨｚ帯における放射パターン（ａ）及び８００ＭＨｚ帯における放射パターン（ｂ）を示す図である。本発明の一実施形態に係るアンテナ装置Ａの変形例を示す図である。本発明の一実施形態に係るアンテナ装置Ａの変形例を示す図である。本発明の一実施形態に係るアンテナ装置Ａの変形例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るアンテナ装置Ａは、図１に示すように、アンテナ素子Ｅ、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２を備える。なお、以降においては、図示するように互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の方向を規定して説明する。

上記アンテナ装置Ａは、例えば、無線ＬＡＮ（Local Area Network）等の無線通信システムにおける基地局Ｂと端末Ｔとの通信を中継する中継装置Ｒに搭載される（図２参照）。
例えば、基地局Ｂは、セルＣＬ１を形成し、セルＣＬ１内に位置する端末Ｔあるいは中継装置Ｒと、所定のデジタル変調方式に基づいて変調した電磁波を送受信することによって、通信するものである。

端末Ｔは、例えば、無線ＬＡＮ機能が搭載されたパーソナルコンピュータであり、無線ＬＡＮ機能を用いて、基地局Ｂと、直接あるいは中継装置Ｒを介して通信するものである。
中継装置Ｒは、セルＣＬ２を形成し、基地局Ｂと、セルＣＬ２内に位置する端末Ｔとの通信を中継するものであり、基地局Ｂから受信した電磁波を増幅して端末Ｔに送信すると共に端末Ｔから受信した電磁波を増幅して基地局Ｂに送信する。

このような中継装置Ｒに搭載されるアンテナ装置Ａのアンテナ素子Ｅは、異なる複数の周波数帯の電磁波を大気中へ放射するものである。アンテナ素子Ｅの給電点Ｅ１は、図示しない給電線を介して高周波電源に接続されている。アンテナ素子Ｅは、上記高周波電源から入力される高周波信号に基づいて電磁波を大気中へ放射する。なおアンテナ素子Ｅは、大気中を伝搬する異なる複数の周波数帯の電磁波を吸収して受信する受信素子としても機能する。

つまり、アンテナ素子Ｅは、異なる複数の周波数帯の電磁波を送受信するものである。アンテナ素子Ｅは、例えば、８００ＭＨｚ、２ＧＨｚの２つの異なる周波数帯の電磁波を大気中へ放射する。このようなアンテナ素子Ｅは、例えば、複数の周波数帯で共用される周波数共用アンテナ素子、あるいは複数の周波数帯を含む広範囲な帯域の電磁波を送受信する広帯域アンテナ素子である。

また、アンテナ素子Ｅは、図１に示すように、±ｚ軸に沿って延在したダイポールアンテナとして図示しているが、このような態様に限定されない。例えば、アンテナ素子Ｅは、必要に応じてモノポールアンテナ、パッチアンテナ、またはホーンアンテナ等であってもよい。

第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、誘電体基板の板面に導体の格子状周期配列パターンが形成された周波数選択板（ＦＳＳ：Frequency Selective Surface）である。この第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、例えば、板面が導体（金属箔）で皮膜された誘電体基板（プリント基板）の導体被膜部分を、所定の格子状周期配列パターンでパターニングして作製される。第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、導体及び誘電体の格子状周期配列パターンに基づいて定まる特定の周波数帯域に属する電磁波のみを透過し、それ以外の周波数帯の電磁波を反射する特性を有している。

第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、それぞれ異なる周期配列パターンが形成されている。このため、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、互いに異なる特性を有している。つまり、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、アンテナ素子Ｅが放射する電磁波のうち、互いに異なる周波数帯の電磁波のみを反射するように構成されている。

例えば、第１反射板Ｍ１は、アンテナ素子Ｅが放射する電磁波（２ＧＨｚ、８００ＭＨｚ）のうち、２ＧＨｚの電磁波のみを反射するように構成されている。また、第２反射板Ｍ２は、アンテナ素子Ｅが放射する電磁波のうち、８００ＭＨｚの電磁波のみを反射するように構成されている。なお、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２の周期配列パターン及びその特性の例については後述する。

このような第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、図３に示すように、アンテナ素子Ｅと、それぞれ一定の離間距離をもち、かつアンテナ素子Ｅを挟むようにして対向配置される。また、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、いずれもその板面が互いに平行になるように配置されている。つまり、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、アンテナ素子Ｅから所定距離だけ離間されながら、それぞれの板面が平行となって、各板面の法線の向きが一致し、かつアンテナ素子Ｅを挟むようにして対向配置される。

なお、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、例えば、一辺がそれぞれ異なる正方形をなしている。この第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２の大きさは、アンテナ装置Ａが扱う電磁波の放射特性（ビーム幅）に基づいて決定される。ここでビーム幅とは、アンテナ装置Ａの水平面（ｘｙ平面）についての半値ビーム幅（水平面内強度分布が半値となる方位間の角度）のことである。

上述した構成からなるアンテナ装置Ａによれば、アンテナ素子Ｅから放射される複数の周波数帯の電磁波が、その周波数帯に応じて第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２のいずれかによる反射の影響を受け、それぞれが所望する指向性を得る仕組みとなっている。

次に、このように構成された本アンテナ装置Ａの作用について説明する。
例えば、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２の周期配列パターンは、図４（ａ）に示すように形成されている。なお、図４（ａ）において、網掛けされた領域は導体の部分を示しており、それ以外の領域は誘電体の部分を示している。
第１反射板Ｍ１の周期配列パターンは、図４（ｂ）に示すように、各パラメータがｄ１＝１１５．３ｍｍ、ａ１＝８２．３ｍｍ、ｗ１＝１１．５ｍｍと設定されている。また、正方形である第１反射板Ｍ１の一辺Ｌ１は、１８０.０ｍｍと設定されている。

このような第１反射板Ｍ１は、２ＧＨｚを中心とした周波数帯においては、高い反射特性を有し、一方８００ＭＨｚを中心とした周波数帯において低い反射特性を有している。つまり、第１反射板Ｍ１には、アンテナ素子Ｅが放射する電磁波（２ＧＨｚ、８００ＭＨｚ）のうち、最大周波数の２ＧＨｚの電磁波のみを反射可能とし、それ以外の周波数である８００ＭＨｚの電磁波を透過する特性を有するように周期配列パターンが形成されている。

ここで、「透過する」とは、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２が特定の周波数帯域に属する周波数の電磁波を完全に透過するという意味ではなく、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２の反射特性が所定値以下（例えば−１０ｄＢ以下）であることを表している。

一方、第２反射板Ｍ２の周期配列パターンは、図４（ｂ）に示すように、各パラメータがｄ２＝４８.１ｍｍ、ａ２＝３０．９ｍｍ、ｗ２＝６．６ｍｍと設定されている。また、正方形である第２反射板Ｍ２の一辺Ｌ２は、３７５.０ｍｍと設定されている。

このような第２反射板Ｍ２は、８００ＭＨｚを中心とした周波数帯においては、高い反射特性を有し、一方２ＧＨｚを中心とした周波数帯において低い反射特性を有している。つまり、第２反射板Ｍ２には、アンテナ素子Ｅが放射する周波数（２ＧＨｚ、８００ＭＨｚ）のうち８００ＭＧＨｚの電磁波のみを反射可能とし、それ以外の周波数である２ＧＨｚの電磁波を透過する特性を有するように周期配列パターンが形成されている。

このように構成された第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、上述したように、アンテナ素子Ｅと、それぞれ一定の離間距離をもち、かつアンテナ素子Ｅを挟むようにして対向配置される。ここで、アンテナ素子Ｅと第１反射板Ｍ１との距離を３７．５ｍｍとし、一方アンテナ素子Ｅと第２反射板Ｍ２との距離を９３．８ｍｍとする。

第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２が上述したように配置されることで、第１反射板Ｍ１によって反射された２ＧＨｚ帯の電磁波と、第２反射板Ｍ２によって反射された８００ＭＨｚ帯の電磁波とを異なる方向への指向性を実現できる。つまり、図５（ａ）、（ｂ）に示すよう、２ＧＨｚ帯の電磁波と８００ＭＨｚ帯の電磁波との逆方向への指向性を実現できる。なお、図５に示す水平放射特性の水平面は、ｘｙ平面（図１を参照）である。また、図５は、アンテナ装置Ａが配された位置を中心として、その水平面（ｘｙ平面）に沿った全方位についての電磁波の放射強度を図示したものである。

例えば、２ＧＨｚ帯の電磁波を基地局Ｂに送信し、一方８００ＭＨｚ帯の電磁波を端末Ｔに送信する必要がある場合には、第１反射板Ｍ１によって反射された２ＧＨｚ帯の電磁波が基地局Ｂに向かう方向への指向性を示すと共に、第２反射板Ｍ２によって反射された８００ＭＨｚ帯の電磁波が端末Ｔに向かう方向への指向性を示すように、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２を配置すればよい。

この際、第１反射板Ｍ１によって反射された２ＧＨｚ帯の電磁波は、第２反射板Ｍ２を透過するので、電磁波の伝送が第２反射板Ｍ２によって阻害されてない。また、第２反射板Ｍ２によって反射された８００ＭＧＨｚ帯の電磁波も、第１反射板Ｍ１を透過するので、電磁波の伝送が第１反射板Ｍ１によって阻害されてない。

このような本実施形態によれば、複数の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ素子Ｅと、周波数毎に設けられ、電磁波を反射する第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２とを具備し、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２同士は、反射方向が異なるように配置されることによって、複数の周波数帯でアンテナ素子Ｅを共用することでアンテナ装置Ａを小型化し、かつ反射方向が異なる第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２を用いて周波数帯毎に異なる方向への指向性を実現できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２が対向配置されているが、本発明はこれに限定されない。つまり、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２を対向配置ではなく、基地局Ｂや端末Ｔの方向に応じて、例えば、図７に示すように、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２の角度を設定すればよい。

（２）上記実施形態では、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２として周波数選択板を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、周波数選択板の代わりに、図７に示すような、誘電体からなる棒状部材が同一平面上で平行かつ等間隔に配列されてなる複数の反射層が積層され、隣接する反射層の棒状部材が直交されているメタマテリアル反射板を、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２として用いてもよい。また、周波数選択板として、金属板にスロットを周期的に配置して形成されたものを使用するようにしてもよい。

（３）アンテナ装置Ａが搭載された中継装置Ｒは、基地局Ｂ及び端末Ｔのみと信号を送受信しているだけであるため、反射板を２つしか備えていないが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８（ａ）に示すように、基地局Ｂに加えて、基地局Ｃと通信する中継装置Ｒである場合には、図８（ｂ）に示すように、３つの反射板Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３及び２つのアンテナ素子Ｅ１１、Ｅ１２を備える必要がある。

上記２つのアンテナ素子Ｅ１１、Ｅ１２は、それぞれ基地局Ｂあるいは基地局Ｃと通信すると共に、端末Ｔと通信するためのものである。
反射板Ｍ１１は、アンテナ素子Ｅ１１によって放射された端末Ｔに向けた所定の周波数の電磁波を反射すると共に、アンテナ素子Ｅ１１によって放射された基地局Ｂに向けた所定の周波数の電磁波を透過する特性を有するものである。
反射板Ｍ１２は、アンテナ素子Ｅ１２によって放射された端末Ｔに向けた所定の周波数の電磁波を反射すると共に、アンテナ素子Ｅ１２によって放射された基地局Ｃに向けた所定の周波数の電磁波を透過する特性を有するものである。

反射板Ｍ１３は、アンテナ素子Ｅ１１によって放射された基地局Ｂに向けた所定の周波数及びアンテナ素子Ｅ１２によって放射された基地局Ｃに向けた所定の周波数両方の電磁波を反射すると共に、アンテナ素子Ｅ１１及びアンテナ素子Ｅ１２によって放射された端末Ｔに向けた所定の周波数の電磁波を透過する特性を有するものである。上記３つの反射板Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３及び２つのアンテナ素子Ｅ１１、Ｅ１２を、図８（ｂ）に示すように配置することによって、基地局Ｂ及び端末Ｔに加え、基地局Ｂや端末Ｔと方向の異なる基地局Ｃと通信することが可能になる。本発明は、電磁波を送受信する対象相手の数に応じて３つ以上の反射板を備えるようにしてもよい。また、本アンテナ装置Ａは、中継装置Ｒに搭載されているが、中継装置Ｒ以外の他の装置に搭載されて使用されてもよい。

Ａ…アンテナ装置、Ｅ、Ｅ１１、Ｅ１２…アンテナ素子、Ｍ１…第１反射板、Ｍ２…第２反射板、Ｂ…基地局、Ｔ…端末、Ｒ…中継装置、Ｅ１…給電点、ＣＬ１、ＣＬ２…セル、Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３…反射板

Claims

第１および第２の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ素子と、
前記第１の周波数帯の電磁波を反射し前記第２の周波数帯の電磁波を透過する第１の反射板と、
前記第２の周波数帯の電磁波を反射し前記第１の周波数帯の電磁波を透過する第２の反射板と
を具備し、
前記第１および第２の反射板は、前記アンテナ素子とそれぞれ所定の離間距離をもち、かつ前記アンテナ素子を挟んで板面が互いに平行になるように対向配置される
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記アンテナ素子は、前記第１および第２の周波数帯で共用される周波数共用アンテナ素子、あるいは前記第１および第２の周波数帯を含む帯域の電磁波を送受信する広帯域アンテナ素子であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記第１および第２の反射板は、誘電体からなる棒状部材が同一平面上で平行かつ等間隔に配列されてなる複数の反射層が積層され、隣接する反射層の前記棒状部材が直交されているメタマテリアル反射板であることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
前記第１および第２の反射板は、誘電体基板上に金属箔を周期的に配置、あるいは金属板にスロットを周期的に配置して形成された周波数選択板であることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
基地局と端末との無線通信を中継する中継装置であり、前記第１の反射板として、基地局に向かう方向を反射方向とする基地局用反射板と、前記第２の反射板として、端末に向かう方向を反射方向とする端末用反射板とを具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
第１および第２の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ素子と、前記第１の周波数帯の電磁波を反射し前記第２の周波数帯の電磁波を透過する第１の反射板と、前記第２の周波数帯の電磁波を反射し前記第１の周波数帯の電磁波を透過する第２の反射板とを具備するアンテナ装置の前記第１および第２の反射板を、前記アンテナ素子とそれぞれ所定の離間距離をもち、かつ前記アンテナ素子を挟んで板面が互いに平行になるように対向配置する反射板配置方法。