移動無線通信用天線的製作方法

2023-05-23 03:26:31 4

專利名稱：移動無線通信用天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及主要在移動無線通信中使用的基地臺用天線。
作為移動無線通信等的基地臺用天線，主要使用被稱為「同軸偶極天線」的結構的偶極天線。

圖15是以往技術的同軸偶極天線的一例(例如，特開平8-139521號公報)。如圖15所示，在同軸饋電線50的外部導體50a的外側，以一端與外部導體50a的上端連接的狀態配置約1/4波長的筒狀金屬管51。另外，同軸饋電線50的內部導體50b從外部導體50a的上端突出，約1/4波長的天線振子52與突出的內部導體50b連接。這樣，就構成了1/2波長偶極天線53。另外，同軸偶極天線的其他例子，已在特開平4-329097號公報中公開，為圖16所示的結構。即，由使同軸饋電線54的內部導體比外部導體的上端向上延長約1/4波長而形成的天線元件55和以將一端與外部導體的上端連接的狀態配置在同軸饋電線54的外側的約1/4波長的筒狀金屬管56構成偶極天線57，由安裝在金屬管56上的支架58支持無源元件59。另外，作為移動無線通信等的基地臺用天線，也可以使用高增益的垂直極化全方向性天線即「直排陣列天線」。以往技術的直排陣列天線已在實開平2-147916號公報中公開，為圖17所示的結構。即，在同軸饋電線60的外部導體60a上，周期性地設置圓環狹縫61。在同軸饋電線60的外部導體60a的外側，位於各圓環狹縫61的兩側，配置一對約1/4波長的筒狀金屬管62，這樣構成多個偶極天線元件63。在最下段的偶極天線元件63與輸入端子64之間，設置多級1/4波長阻抗變換電路65，以此進行阻抗匹配。在圖17中，示出了同軸饋電線60的內部導體。
但是，圖15所示的同軸偶極天線作為垂直極化天線使用時，在同軸饋電線不影響天線特性方面是優異的，但由於筒狀金屬管構成平衡-不平衡變換器，所以，成為窄帶天線。因此，考慮到結構部件尺寸的誤差和在製造工序中加工尺寸的誤差引起的天線共振頻率的偏移，需要比所希望的頻帶寬得多的頻帶。這時，雖然增大筒狀金屬管的直徑可以作為實現寬頻帶化的一個有效的手段使用，但是，如果增大筒狀金屬管的直徑，天線的重量將增加，基地臺配置的支架也將變得龐大。
另外，圖16所示的同軸偶極天線可以利用無源元件將定向模式設定在任意的方向，所以，例如當設置在室內想只覆蓋特定方向的範圍時，就成為有效的基地臺用天線。但是，在上述結構中，由於偶極天線和無源元件露出，所以，當設置在室外時，耐氣候性和機械強度則不足。此外，在這種結構中，由於需要無源元件的支架，所以，製作也麻煩。
通常，在基地臺所使用的高增益的直排陣列天線中，要求在使用頻帶中的駐波比(SWR)小於1.5。在上述以往的結構(圖17)中，為了實現這一點，設置多級1/4波長阻抗變換電路進行阻抗匹配，因此，結構便變得複雜，同時天線的總長度也變長了。為了確保移動無線通信的信道數，在增設基地臺的過程中，這一問題就成了妨礙基地臺的小型化和低成本化的主要原因。
本發明就是為了解決以往技術的上述問題而提案的，目的旨在提供基地臺設置的支架使用簡便的結構就可以解決的細小而輕便的移動無線通信用天線。
另外，本發明的目的還在於提供適合於在室外配置的同時結構簡單、容易製作的移動無線通信用天線。
此外，本發明的目的還在於提供不使用阻抗變換電路便可獲得寬頻帶的匹配特性並且小型的結構簡單的移動無線通信用的直排陣列天線。
為了達到上述目的，本發明的移動無線通信用天線的第1結構的特徵在於具有由將電介質夾在中間配置成同心圓狀的外部導體和內部導體構成的同軸饋電線、使上述內部導體比上述外部導體的上端向上方延長約1/4波長而形成的天線振子、具有以一端與上述外部導體的上端連接的狀態配置在上述同軸饋電線的外側的約1/4波長的筒狀導體的偶極天線和插入到上述筒狀導體的開放端一側內壁的一部分與上述同軸饋電線的一部分之間的絕緣襯墊，通過控制上述絕緣襯墊的插入深度，調整上述偶極天線的共振頻率。假若按照該移動無線通信用天線的第1結構，則因為通過改變絕緣襯墊的插入深度，可以補償尺寸引起的頻率的誤差，所以，可以使天線振子和筒狀導體的直徑為最佳值，從而可以將天線的尺寸和重量限制到最小限度。結果，便可實現基地臺設置的支架使用簡便的結構就可以解決的細小而輕便的移動無線通信用天線。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第1結構中，最好在筒狀導體的開放端一側內壁的一部分，通過攻絲加工或深衝加工形成雌螺紋，在絕緣襯墊的外周形成雄螺紋。按照這種理想的例子，利用由雌螺紋和雄螺紋構成的螺絲連接方法，可以很容易地控制絕緣襯墊的插入深度。特別是按照通過深衝加工形成雌螺紋的結構，由於可以使用管壁薄的筒狀導體，所以，可以實現更輕量的移動無線通信用天線。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第1結構中，在筒狀導體的開放端一側內壁的一部分最好設置多個臺階，將絕緣襯墊的頂端形成陡峭磨合狀。按照這一理想的例子，可以用簡單的結構實現即使受到振動等外部的衝擊絕緣襯墊的插入深度也不變化的移動無線通信用天線。
另外，本發明的移動無線通信用天線的第2結構的特徵在於具有由將電介質夾在中間配置成同心圓狀的外部導體和內部導體構成的同軸饋電線、在上述外部導體的指定位置作為饋電點而設置的圓環狹縫、在上述外部導體的上述圓環狹縫的兩側具有各自相反的一端連接的一對約1/4波長的筒狀導體的偶極天線和插入到上述一對筒狀導體的開放端一側內壁的一部分與上述同軸饋電線的一部分之間的一對絕緣襯墊，通過控制上述一對絕緣襯墊的插入深度，調整上述偶極天線的共振頻率。按照該移動無線通信用天線的第2結構，通過改變各絕緣襯墊的插入深度，可以修正由尺寸引起的頻率的誤差，所以，可以使筒狀導體的直徑為最佳值，從而可以將天線的尺寸和重量限制到最小限度。結果，便可實現基地臺設置的支架使用簡便的結構就可以解決的細小而輕便的移動無線通信用天線。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第2結構中，最好在筒狀導體的開放端一側內壁的一部分，通過攻絲加工或深衝加工形成雌螺紋，在絕緣襯墊的外周形成雄螺紋。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第2結構中，在筒狀導體的開放端一側內壁的一部分最好設置多個臺階，將絕緣襯墊的頂端形成陡峭磨合狀。
另外，本發明的移動無線通信用天線的第3結構的特徵在於將上述本發明的第1結構的移動無線通信用天線作為第1移動無線通信用天線，將上述本發明的第2結構的移動無線通信用天線作為第2移動無線通信用天線，由上述第1移動無線通信用天線和與上述第1移動無線通信用天線的絕緣襯墊一側連接的至少一個上述第2移動無線通信用天線構成。按照這種移動無線通信用天線的第3結構，通過控制絕緣襯墊的插入深度，可以調整所有的偶極天線的共振頻率，從而可以使各偶極天線的特性一致。結果，可以使天線振子和所有的筒狀導體的直徑為最佳值，從而可以將天線的尺寸和重量限制到最小限度，所以，可以實現基地臺設置的支架使用簡便的結構就可以解決的細小而輕便的移動無線通信用天線。
另外，本發明的移動無線通信用天線的第4結構的特徵在於具有由將電介質夾在中間配置成同心圓狀的外部導體和內部導體構成的同軸饋電線、利用上述同軸饋電線進行饋電的至少一個偶極天線、配置在上述偶極天線附近的至少一個無源元件和覆蓋上述偶極天線及無源元件的天線罩，上述無源元件由上述天線罩支持。按照該移動無線通信用天線的第4結構，可以保護偶極天線和無源元件，同時可以構成不需要支持無源元件的專用支架的簡單結構，所以，可以實現適於室外設置並且製造容易的移動無線通信用天線。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第4結構中，天線罩最好形成為沿偶極天線的長度方向延伸的圓筒狀，上述天線罩的底壁固定在同軸饋電線的下端部，上述偶極天線的前端部插入到設在上述天線罩頂壁上的凹處內。按照這種理想的例子，可以利用天線罩支持偶極天線，所以，可以防止由於偶極天線和無源元件的位置偏離引起特性變化。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第4結構中，偶極天線最好由使同軸饋電線的內部導體比外部導體的上端向上方延長約1/4波長而形成的天線振子和以一端與上述外部導體的上端連接的狀態配置在上述同軸饋電線的外側的約1/4波長的筒狀導體構成。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第4結構中，偶極天線最好由在同軸饋電線的外部導體的指定位置作為饋電點而設置圓環狹縫和在上述圓環狹縫的兩側各自相反的一端連接的一對約1/4波長的筒狀導體構成。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第4結構中，無源元件最好是固定在天線罩的內壁面上的金屬體。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第4結構中，無源元件最好是與天線罩一體形成的金屬體。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第4結構中，無源元件最好是印刷或電鍍到天線罩的內壁面上而形成的金屬體。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第4結構中，無源元件最好是將通過印刷或電鍍形成金屬體的樹脂薄膜粘貼到天線罩的內壁面上而構成。按照這種理想的例子，可以一批形成多個無源元件，從而可以提高尺寸精度。
另外，本發明的移動無線通信用天線的第5結構的特徵在於具有由將電介質夾在中間配置成同心圓狀的外部導體和內部導體構成的同軸饋電線、周期性地設置在上述外部導體上的多個圓環狹縫和在上述多個圓環狹縫的兩側以各自相反的一端連接的狀態配置一對約1/4波長的筒狀導體而構成的多個天線單元，使上述同軸饋電線的特性阻抗以上述多個圓環狹縫的至少一個為界而變化。按照該移動無線通信用天線的第5結構，可以以多個天線單元各自的饋電點即至少一個圓環狹縫為界、與各天線元件的輻射阻抗對應地將同軸饋電線的特性阻抗設定為最佳值。結果，不使用阻抗變換電路便可獲得寬頻帶的匹配特性，並且，可以實現小型且結構簡單的直排陣列天線。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第5結構中，多個天線單元最好分別具有並排設置的至少一個無源元件。
另外，在上述本發明的移動無線通信用天線的第5結構中，以從同軸饋電線的一端到最接近上述同軸饋電線的上述一端的圓環狹縫的特性阻抗為標準阻抗時，從最接近上述同軸饋電線的上述一端的圓環到上述同軸饋電線的另一端的特性阻抗最好低於上述標準阻抗。按照這種理想的例子，可以獲得以下工作效果。即，直排陣列天線的輸入阻抗成為各天線單元的輻射阻抗的總和。因此，當使輸入阻抗等於標準阻抗進行阻抗匹配時，各天線單元的輻射阻抗必須低於標準阻抗。結果，按照這種理想的例子，通過使同軸饋電線的特性阻抗與各天線單元的輻射阻抗一致並低於標準阻抗，可以獲得寬頻帶的阻抗匹配特性。另外，這時，從最接近同軸饋電線的一端的圓環狹縫到上述同軸饋電線的另一端的特性阻抗最好一定。按照這種理想的例子，多個天線單元各自的輻射阻抗大致相等時，可以獲得最佳的匹配條件。
圖1(a)是本發明的移動無線通信用天線的第1實施例的軸側圖，圖1(b)是沿圖1(a)的A-A的剖面圖。
圖2是表示在本發明的第1實施例中以絕緣襯墊的插入量為參量的VSWR(電壓駐波比)特性變化的情況的頻帶特性圖。
圖3是本發明的移動無線通信用天線的第2實施例的軸側圖。
圖4是表示在本發明的第2實施例中將第1、第2和第3偶極天線的饋電點的間隔取為91mm時的天線的定向特性圖。
圖5是表示在本發明的第2實施例中將第1、第2和第3偶極天線的饋電點的間隔取為106mm時的天線的頻帶特性的VSWR(電壓駐波比)特性圖。
圖6(a)是本發明的移動無線通信用天線的第3實施例的橫剖面圖，圖6(b)是其縱剖面圖。
圖7是表示在本發明的第3實施例中將無源元件即銅板的長度取為80mm、寬度取為2mm、厚度取為0.2mm時的天線的定向特性圖。
圖8是本發明的移動無線通信用天線的第4實施例的縱剖面圖。
圖9是表示在本發明的第4實施例中將第1、第2和第3偶極天線的饋電點的間隔取為91mm時的天線的定向特性圖。
圖10是本發明的移動無線通信用天線的第5實施例的斜視圖。
圖11是本發明的移動無線通信用天線的第5實施例的縱剖面圖。
圖12是本發明第5實施例的移動無線通信用天線(直排陣列天線)的輸入等效電路圖。
圖13是本發明第5實施例的移動無線通信用天線(直排陣列天線)的駐波比(SWR)的頻率特性圖。
圖14是表示本發明第5實施例的移動無線通信用天線(直排陣列天線)的1907MHz的輻射圖形的特性圖。
圖15是表示以往技術的同軸偶極天線的一例的軸側圖。
圖16是表示以往技術的同軸偶極天線的其他例的軸側圖。
圖17是表示以往技術的直排陣列天線的剖面圖。
下面，使用實施例進一步具體地說明本發明。
(第1實施例)圖1(a)是本發明的移動無線通信用天線的第1實施例的軸側圖，圖1(b)是沿圖1(a)的A-A的剖面圖。
如圖1所示，同軸饋電線1由將電介質夾在中間配置成同心圓狀的外部導體1a和內部導體1b構成，內部導體1b比外部導體1a的上端1c向上方延長約1/4波長而形成。由該延長形成的內部導體1b構成天線振子3。在同軸饋電線1的外側，以一端與外部導體1a的上端1c連接的狀態配置1/4波長的黃銅製的筒狀金屬管2。在金屬管2的開放端，在其內周的一部分通過攻絲加工形成雌螺紋2b。外周形成雄螺紋4a的氟樹脂(例如，聚四氟乙烯)制的絕緣襯墊4插入到金屬管2的開放端內。即，絕緣襯墊4配置在金屬管2的開放端一側內壁的一部分與同軸饋電線1的外部導體1a的一部分之間。在絕緣襯墊4的頂端形成兼作制動器的旋鈕4b。這樣，便可將絕緣襯墊4的指定長度(插入深度)擰進到金屬管2的開放端內。在同軸饋電線1的下端1d，設置用於與外部電路連接的同軸接頭5。這裡，天線振子3的直徑為2mm、長度為36mm，金屬管2的直徑為8mm、長度為36mm。絕緣襯墊4的插入部的長度為3mm。這樣，就構成移動無線通信用天線即頻率為1.9GHz的1/2波長偶極天線6。
下面，說明具有上述結構的移動無線通信用天線的頻帶特性。圖2是表示以絕緣襯墊4的插入量為參量的VSWR(電壓駐波比)特性變化的情況的頻帶特性圖。
由圖2可知，通過插入絕緣襯墊4，與偶極天線串聯的負載電容成分增加，諧振頻率降低，在電特性上等效於將偶極天線長度伸長。如果將絕緣襯墊4的插入深度加深，諧振頻率就減小，如果將絕緣襯墊4的插入深度減小，諧振頻率就增大。即，通過改變絕緣襯墊4的插入深度，便可調整諧振頻率。其調整範圍約為50MHz，相對帶寬擴大2.6％，對於修正由於結構部件的尺寸誤差和在製造工序中的加工尺寸的誤差引起的諧振頻率的偏離足夠了。
如上所述，按照本實施例，通過改變絕緣襯墊4的插入深度，可以實現寬頻帶化，所以，使天線振子3和金屬管2的直徑為最佳值，從而可以將天線的尺寸和重量限制到最小限度。結果，可以實現基地臺設置的支架使用簡便的結構就可以解決的細小而輕便的移動無線通信用天線。
另外，按照本實施例，如上所述，可以很容易在寬頻帶範圍內調整諧振頻率，所以，可以將近年來提案並實用化的各種各樣的移動無線通信系統的基地臺用天線用一種天線製造。結果，可以降低成本。
下面，列出1.9GHz帶的系統及其頻帶的一例。
國名系統名頻帶日本PHS1895～1918MHz北美PCS(發射)1850～1910MHz北美PCS(接收)1930～1990MHz歐洲DECT1880～1900MHz(第2實施例)圖3是本發明的移動無線通信用天線的第2實施例的軸側圖。
如圖3所示，第2偶極天線8與第1偶極天線7的下方連接，第3偶極天線9與第2偶極天線8的下方連接。以此構成直排陣列天線。
在圖3中，由於第1偶極天線7與上述第1實施例的結構相同，所以，省略其說明。第2和第3偶極天線8、9按如下方式構成。即，在同軸饋電線10的外部導體的指定位置，通過設置寬度3mm的圓環狹縫10x形成饋電點。在同軸饋電線10的外部導體的外側，在圓環狹縫10x的兩側配置一對1/4波長的黃銅製的筒狀金屬管11。這時，一對金屬管11相對的端部與外部導體連接。與上述第1實施例一樣，氟樹脂(例如，聚四氟乙烯)制的絕緣襯墊12插入到金屬管11的開放端內。在這樣構成的第2和第3偶極天線8、9中通過改變各絕緣襯墊的插入深度，也可以實現寬頻帶化，所以，可以使金屬管11的直徑為最佳值，從而可以將天線的尺寸和重量限制到最小限度。
另外，在從第3偶極天線9的下方延伸出的同軸饋電線10的下端，設置用於與外部電路連接的同軸接頭14。天線振子13的直徑為2mm、長度為36mm，金屬管11的直徑為8mm、長度為36mm。絕緣襯墊12的插入部的長度為3mm。
下面，說明具有上述結構的移動無線通信用天線的定向特性。圖4是將第1、第2和第3偶極天線7、8、9的饋電點的間隔取為91mm時的天線的定向特性圖。xyz軸以圖3為基準。如圖4所示，垂直面(yz面和zx面)的最大增益方向向下方傾斜，傾斜角約為15°。由於該饋電點的間隔小於1波長，所以，如圖4所示，其最大增益方向向下方傾斜。即，1.9GHz在自由空間的波長為λo＝3×108m·s-1/1.9×109s-1＝157.9mm，而在同軸饋電線內的波長為λg≈λo×0.67＝105.8mm。這裡，0.67是波長縮短率。因此，由於第1、第2和第3偶極天線7、8、9的饋電點的間隔91mm小於105.8mm，所以，饋電點的間隔小於1波長。當饋電點的間隔大於1波長時，最大增益方向就向上方傾斜，當饋電點的間隔與1波長的長度相同時，最大增益方向為水平方向。即，利用饋電點的間隔可以控制垂直面(yz面和zx面)的最大增益方向。這是因為，從各偶極天線發射出的電波的相位隨饋電點的間隔與同軸饋電線內的電波波長的關係而變化。這就是直排陣列天線的一個有用的特徵，應根據用途分開使用。
下面，說明具有上述結構的移動無線通信用天線的頻帶特性。圖5是表示將第1、第2和第3偶極天線7、8、9的饋電點的間隔取為106mm時的天線的頻帶特性的VSWR特性圖。在圖5中，(a)表示第1、第2和第3偶極天線7、8、9的諧振頻率均調整為1.9GHz時的VSWR特性，(b)表示第1偶極天線7在1.9GHz諧振、第2偶極天線8在1.85GHz諧振、第3偶極天線9在1.95GHz諧振時的VSWR特性。如圖5所示，(b)與(a)相比，在頻率1.9GHz處，VSWR特性惡化。這是因為，第2和第3偶極天線8、9的諧振頻率偏離1.9GHz，在1.9GHz處，對於整個直排陣列天線成為不匹配狀態。
由圖5可知，為了充分發揮直排陣列天線的特性，最好將各偶極天線的特性調整一致。如果採用本實施例的結構，通過改變絕緣襯墊12的插入深度，便可調整所有的偶極天線7、8、9的諧振頻率，從而可以將各偶極天線7、8、9的特性調整一致。結果，便可使天線振子13和所有的金屬管11的直徑為最佳值，從而可以將天線的尺寸和重量限制到最小限度，所以，可以實現基地臺設置的支持機架使用簡便的結構就可以解決的細小而輕便的移動無線通信用的直排陣列天線。
在本實施例中，構成直排陣列天線的偶極天線的數量取為3，但是，不一定限於這一結構，偶極天線的數量也可以是3以外的數字。如果增加偶極天線的數量，可以提高直排陣列天線的最大增益。
另外，在上述第1和第2實施例中，是通過攻絲加工在金屬管的開放端的內壁形成雌螺紋的，但是，不一定限於這一方法，例如，也可以通過金屬管的深衝加工形成雌螺紋。這時，由於可以使用管壁薄的金屬管，所以，可以實現更輕量化的移動無線通信用天線。
另外，在上述第1和第2實施例中，作為控制絕緣襯墊的插入深度的方法，是利用由雌螺紋和雄螺紋構成的擰合的方法，但是，不一定限於這一方法，例如，也可以使用多級陡峭磨合方法。這時，金屬管的開放端內壁的臺階可以是鋸齒狀也可以是矩形狀。
另外，在上述第1和第2實施例中，作為絕緣襯墊的材料，是使用氟樹脂(例如，聚四氟乙烯)，但是，不一定限於這一材料，例如，在考慮了必要的高頻特性與介電常數的平衡後，可以選擇聚乙烯、聚丙烯、ABS等。通常，高頻特性好的介電常數小，在相同的插入深度下，諧振頻率的調整範圍窄。另一方面，高頻特性差的介電常數大，在相同的插入深度下，諧振頻率的調整範圍寬。
(第3實施例)圖6(a)是本發明的移動無線通信用天線的第3實施例的橫剖面圖，圖6(b)是其縱剖面圖。如圖6所示，同軸饋電線15由將電介質夾在中間配置成同心圓狀的外部導體和內部導體構成，內部導體比外部導體的上端15a向上方延長約1/4波長而形成。由其延長而形成的內部導體構成天線振子16。在同軸饋電線15的外側，以一端17a與外部導體的上端15a連接的狀態配置約1/4波長的黃銅製的金屬管18。在金屬管18的開放端18b，在其內壁與同軸饋電線15之間插入氟樹脂(例如，聚四氟乙烯)制的襯墊16a，以此支持金屬管18的另一端18b。在同軸饋電線15的下端15b，設置用於與外部電路連接的同軸接頭19。這樣，便構成偶極天線20。
FRP(玻璃纖維增強塑料或玻璃鋼)制的圓板狀的天線罩底蓋21b的中央部用粘接劑固定到同軸接頭19的接頭罩19a上。FRP制的圓筒狀的天線罩側壁21c的下端部固定在天線罩底蓋21b上，這樣，天線罩側壁21c便配置到偶極天線20的周圍。這時，在天線罩底蓋21b的上面，沿其外周設置溝槽，天線罩側壁21c的下端部嵌入到該溝槽內。這樣，便可提高天線罩底蓋21b與天線罩側壁21c的密閉度。FRP制的圓板狀的天線罩頂蓋21a固定在天線罩側壁21c的上端部。這時，在天線罩頂蓋21a的下面，沿其外周設置溝槽，天線罩側壁21c的上端部嵌入到該溝槽內。這樣，便可提高天線罩側壁21c與天線罩頂蓋21a的密閉度。這樣，偶極天線20就成為由圓筒狀的天線罩21覆蓋的狀態。銅板23利用粘接劑固定到天線罩側壁21c的內壁面上。並且，該銅板23起無源元件的功能，決定偶極天線20的定向特性。另外，在天線罩頂蓋21a的下面，在其中央設置突起部22，在該突起部22的下端面上形成凹洞。並且，天線振子16的上端插入到上述凹洞內。以此支持偶極天線20。因此，在外部的衝擊和重力的作用下，無源元件即銅板23與偶極天線20之間的間隔也不發生變化。
如上所述，按照本實施例的結構，可以保護偶極天線20和無源元件即銅板23，同時可以構成不需要支持無源元件支架的簡單結構，所以，可以實現適於室外配置並且製作容易的移動無線通信用天線。
天線振子16的直徑為2mm，金屬管18的直徑為8mm，長度均為35mm，由這兩者構成移動無線通信用天線即頻率為1.9GHz的半波長偶極天線20。無源元件即銅板23的長度是控制水平面(xy面)定向特性的因子，銅板23的長度大於1/2波長時，起反射器作用，銅板23的長度小於1/2波長時，起導波器作用。另外，無源元件即銅板23與偶極天線20的中心間距離是決定輸入阻抗的因子，該距離小時，輸入阻抗小，該距離大時，輸入阻抗大。在本實施例中，天線罩21的內徑設定為30mm，無源元件即銅板23與偶極天線20的中心間距離設定為15mm。另外，設在天線罩頂蓋21a上的凹洞的深度為6mm，直徑為2.2mm。
下面，說明具有上述結構的移動無線通信用天線的定向特性。圖7是將無源元件即銅板23的長度取為80mm、寬度取為2mm、厚度取為0.2mm時的天線的定向特性圖。xyz軸以圖6為基準。如圖7所示，水平面(xy面)的定向特性成為在-x方向扇形化的圖形。即，銅板23起著無源元件的作用，利用其長度控制水平面的定向特性。在本實施例所示尺寸的情況下，由於無源元件(銅板23)的長度大於1/2波長，所以，無源元件起反射器的作用。當這種無源元件(銅板23)的長度小於1/2波長時，無源元件起導波器的作用，成為存在無源元件(銅板23)的+x方向扇形化的圖形。這些特徵應根據用途分開使用。
(第4實施例)圖8是本發明的第4實施例的移動無線通信用天線的縱剖面圖。如圖8所示，第2偶極天線25與第1偶極天線24的下方連接，第3偶極天線26與第2偶極天線25的下方連接。這樣，構成直排陣列天線。
在圖8中，由於第1偶極天線24的結構和上述第3實施例相同，所以，省略其說明。第2和第3偶極天線25、26按如下方式構成。即，在同軸饋電線31的外部導體的指定位置，通過設置寬度3mm的圓環狹縫31x形成饋電點。在同軸饋電線31x的外部導體的外側，在圓環狹縫31x的兩側，配置一對1/4波長的金屬管27。這時，一對金屬管27相對的端部與同軸饋電線31的外部導體連接。另外，在各金屬管27的開放端，氟樹脂(例如，聚四氟乙烯)制的襯墊28插入到其內壁與同軸饋電線31之間，以此支持金屬管27的開放端。這些金屬管27與上述第3實施例的金屬管18(圖6)相同。在同軸饋電線31的下端，設置用於與外部電路連接的同軸接續器29。
FRP制的圓板狀的天線罩底蓋30b的中央部利用粘接劑固定到同軸接頭29的接頭罩29a上。FRP制的圓筒狀的天線罩側壁30c的下端部固定到天線罩底蓋30b上，這樣，天線罩側壁30c就配置到直排陣列天線的周圍。這時，在天線罩30b的上面，沿其外周設置溝槽，天線罩側壁30c的下端部嵌入到該溝槽內。這樣，便可提高天線罩底蓋30b與天線罩側壁30c的密閉度。FRP制的圓板狀的天線罩頂蓋30a固定在天線罩側壁30c的上端部。這時，在天線罩頂蓋30a的下面，沿其外周設置溝槽，天線罩側壁30c的上端部嵌入到該溝槽內。這樣，便可提高天線罩側壁30c與天線罩頂蓋30a的密閉度。這樣，直排陣列天線就成為由圓筒狀的天線罩30覆蓋的狀態。與第1、第2和第3偶極天線24、25、26對應地3塊銅板34利用粘接劑固定到天線罩側壁30c的內壁面上。並且，這些銅板34起無源元件的作用，分別決定第1、第2和第3偶極天線24、25、26的定向特性。另外，在天線罩頂蓋30a的下面，在其中央部設置突起部33，在該突起部33的下端面上，形成凹洞。並且，天線振子32的上端插入到上述凹洞內，以此支持直排陣列天線。因此，在外部的衝擊和重力作用下，無源元件即3塊銅板34與第1、第2和第3偶極天線24、25、26之間的間隔不發生變化。
如上所述，按照本實施例的結構，可以保護第1、第2和第3偶極天線24、25、26和無源元件即3塊銅板34，同時，可以構成不需要支持無源元件支架的簡單結構，所以，可以實現適於在室外配置並且製作容易的移動無線通信用天線。
下面，說明具有上述結構的移動無線通信用天線的定向特性。圖9是將第1、第2和第3偶極天線24、25、26的饋電點的間隔取為91mm時的天線的定向特性圖。xyz軸以圖8為基準。另外，無源元件即銅板34的長度設定為80mm、寬度設定為2mm、厚度設定為0.2mm。如圖9所示，垂直面(yz面和zx面)的最大增益方向向下方傾斜，傾斜角約為15°。由於該饋電點的間隔小於1波長，所以，如圖9所示，其最大增益方向向下方傾斜。饋電點的間隔大於1波長時，最大增益方向向上方傾斜，饋電點的間隔與1波長的長度相同時，最大增益方向為水平方向。即，利用饋電點的間隔，可以控制垂直面(yz面和zx面)的最大增益方向。這是因為，從各偶極天線發出的電波相位隨饋電點的間隔與同軸饋電線內電波波長的關係而變化。這是直排陣列天線的一個有用的特徵，應根據用途分開使用。銅板34起無源元件的作用，水平面(xy面)的定向特性成為在-x方向扇形化的圖形，這些都和上述第3實施例一樣。
在本實施例中，使用3個偶極天線構成直排陣列天線，但是，不一定限於這一結構，偶極天線的個數可以是2個，也可以是4個以上。如果增加偶極天線的個數，可以提高直排陣列天線的最大增益。
另外，在上述第3和第4實施例中，作為無源元件，使用了用粘接劑固定在天線罩21(或31)內壁面上的銅板23(或34)，但是，不一定限於這一結構。作為無源元件，也可以使用與天線罩一體成形的金屬體。另外，作為無源元件，還可以使用通過複印印刷將導電油墨印刷到天線罩的內壁面上的圖案而形成的金屬體或在該印刷了圖案的表面進行金屬電鍍的金屬體。此外，將通過印刷或電鍍形成金屬體的樹脂薄膜粘貼到天線罩的內壁面上構成無源元件時，也可以具有與直接印刷到天線罩的內壁面上時相同的功能。這時，具有可以使用絲網印刷的廉價工藝的優點。另外，這時可以一批形成多個無源元件，從而可以提高尺寸精度。
另外，在上述第3和第4實施例中，與各偶極天線並列設置一個無源元件，但是，不一定限於這一結構，也可以與各偶極天線並列設置多個無源元件。這時，可以進而實現特殊的定向特性。
(第5實施例)圖10是本發明的移動無線通信用天線的第5實施例的軸側圖，圖11是其縱剖面圖。如圖10、圖11所示，同軸饋電線35由外部導體35a、內部導體35b和填充在外部導體35a的內壁與內部導體35b之間的電介質35c構成。在外部導體35a上，相隔指定的間隔形成圓環狹縫36a、36b。這裡，圓環狹縫36a、36b通過將外部導體35a沿圓周方向切削而形成。在外部導體35a的外側，在圓環縫隙36a、36b的兩側，配置一對1/4波長的筒狀金屬管37，以此構成偶極天線單元38a、38b。這時，一對金屬管37相對的端部與外部導體35a連接。另外，一對金屬管37的另一端開放。另外，在外部導體35a的外側，以一端與外部導體35a的上端35j連接的狀態配置1/4波長的筒狀金屬管37。這時，金屬管37的另一端開放。同軸饋電線35的內部導體35b比外部導體35a的上端35j向上方延長1/4波長而形成。這樣，便構成最上段的偶極天線單元38c。各託架狀的襯墊39的一端固定在構成偶極天線單元38a、38b的下段的金屬管37和構成偶極天線單元38c的金屬管37上，與各偶極天線單元38a、38b、38c平行的棒狀無源元件40支持在各襯墊39的另一端。在同軸饋電線35的外部導體35a的下端35I，設置用於與外部電路連接的同軸接頭41。這樣，就構成了由3個偶極天線單元組成的直排陣列天線。
在具有上述結構的直排陣列天線中，同軸饋電線35的外部導體35a的內徑，從下段的圓環狹縫36a到下端35I的內徑粗，從圓環狹縫36a到上端35j的內徑變細。這樣，就以圓環縫隙36a為界，將上端35j一側的同軸饋電線35的特性阻抗設定得小於下端35I一側的同軸饋電線35的特性阻抗。
下面，說明以在1907±13MHz頻帶使用為目的的由3個偶極天線單元構成的直排陣列天線。金屬管37是內徑7.6mm、外徑8mm的黃銅製的圓筒，其長度設定為35mm，以使其在頻帶的中心約為1/4波長。另外，無源元件40是直徑3mm的黃銅製的棒，其長度設定為81mm，以使其在頻帶的中心略大於1/2波長。該無源元件40的長度是決定水平面(xy面)內的輻射圖形的因子，無源元件40的長度大於1/2波長時，起反射器的作用，無源元件40的長度小於1/2波長時，起導波器的作用。因此，無源元件40的長度根據用途適當地設定。這裡，設定為作為前者的反射器使用時的長度。金屬管37和無源元件40利用氟樹脂(例如，聚四氟乙烯)制的襯墊39所保持，兩者的中心間距離設定為12mm。該距離越接近，偶極天線單元38a、38b、38c的輻射阻抗越小。這裡，從後面所述的阻抗匹配的觀點出發，設定為匹配良好的間隔。同軸饋電線35的內部導體35b是直徑為1.5mm的銅線。同軸饋電線35的外部導體35a從下段的圓環狹縫36a到下端35I是內徑5.0mm的銅製的圓筒，從圓環狹縫36a到上端35j是內徑1.9mm的銅製的圓筒。另外，作為填充在外部導體35a的內壁面與內部導體35b之間的電介質35c，使用介電常數為2的聚四氟乙烯。這樣，從圓環狹縫36a到下端35I的同軸饋電線35的特性阻抗約為50Ω，從圓環狹縫36a到上端35j的同軸饋電線35的特性阻抗約為10Ω。圓環狹縫36a、36b分別通過將外部導體35a沿圓周方向切削3mm寬而形成，兩者的間隔設定為與在同軸饋電線35中傳輸的電波的波長相等的111mm。另外，從上段的圓環狹縫36b到外部導體35a的上端35j的間隔也設定為111mm。這些圓環36a、36b和外部導體35a的上端35j分別是偶極天線單元38a、38b、38c的饋電點，它們的間隔是決定垂直面(yz面和zx面)的輻射圖形的因子。即，這些間隔大於在同軸饋電線35中傳輸的電波的波長時，最大增益方向向上方傾斜，小於在同軸饋電線35中傳輸的電波的波長時，最大增益方向向下方傾斜。因此，圓環狹縫36a、36b和外部導體35a的上端35j之間的間隔根據用途適當地設定。這裡，這些間隔設定為與在同軸饋電線35中傳輸的電波的波長相等，最大增益方向為水平方向。具有上述結構的直排陣列天線的總長度為330mm。
下面，說明具有上述結構的直排陣列天線的輸入阻抗特性。圖12是直排陣列天線的輸入等效電路圖。如圖12所示，直排陣列天線的輸入等效電路，是各偶極天線單元38a、38b、38c的輻射阻抗Za、Zb、Zc通過同軸饋電線35串聯的電路。這裡，由於偶極天線單元38a、38b、38c的饋電點(即，圓環狹縫36a、36b和外部導體35a的上端j)的間隔Lab和Lbc設定為與在同軸饋電線35中傳輸的電波的波長相等，所以，在頻帶的中心頻率，Za、Zb、Zc成為以同相位相互匹配，從下段的偶極天線單元38a看另一端35j的阻抗(即輸入阻抗)Zin為等於Za、Zb、Zc的總和的值。為了不使用阻抗變換電路而使該阻抗Zin使電路系統的標準阻抗匹配，必須就Za、Zb、Zc的總和設定為與標準阻抗相等的值。這裡，將標準阻抗設定為50Ω。由於通常的偶極天線的輻射阻抗高達約70Ω，所以，通過在適當的位置設置無源元件40，將該值減小，從而將偶極天線單元38a、38b、38c的輻射阻抗Za、Zb、Zc分別設定為約17Ω(用單元數3除標準阻抗50Ω而得到的值)。並且，為了保持該阻抗Zin的匹配狀態，將從下段的偶極天線單元38a的饋電點(即，圓環狹縫36a)到下端35I的同軸饋電線35的特性阻抗Z。設定為與標準阻抗相等的50Ω。
下面，說明頻帶附近的駐波比(SWR)特性。圖13是直排陣列天線的SWR的頻率特性圖。如圖13所示，直排陣列天線的頻帶附近的SWR特性隨在各偶極天線單元38a、38b、38c之間連接的同軸饋電線35的特性阻抗Z0′(參見圖12)而變化。並且，隨著同軸饋電線35的特性阻抗Z0′降低，頻帶附近的SWR的值減小，從而可以獲得寬頻帶的匹配狀態。根據上述理由，由於頻帶中心的偶極天線單元38a、38b、38c的輻射阻抗Za、Zb、Zc的值小於標準阻抗，所以，通過使在各偶極天線單元38a、38b、38c之間連接的同軸饋電線35的特性阻抗Z0′也相應地減小，便可使兩者適當地平衡，從而可以獲得寬頻帶的匹配特性。因此，為了獲得這一效果，將從下段的偶極天線單元38a的饋電點(即，圓環狹縫36a)到上端35j的同軸饋電線35的特性阻抗Z0′設定為10Ω，實現寬頻帶的匹配特性。
通過按上述方式構成直排陣列天線，便可以不用阻抗變換電路而以小型並且簡單的結構使所需頻帶內的SWR小於1.5。
下面，說明具有上述結構的直排陣列天線的輻射特性。圖14是表示本直排陣列天線在1907MHz的輻射圖形的特性圖。在圖14中，令直排陣列天線的長度方向為z方向，設置無源元件40的方向為x方向，在水平面內從x方向逆時針旋轉90°的方向為y方向(參見圖10)。如圖14所示，在xy面(水平面)內的輻射圖形表示在-x方向即無源元件40的相反一側的方向具有大的增益。這是由於將無源元件40的長度設定得大於1/2波長之故，所以，表示無源元件40起反射器作用。另外，yz面和zx面(垂直面)內的輻射圖形表示最大增益方向為水平方向(y軸或x軸的方向)。這是由於使偶極天線單元38a、38b、38c的饋電點間隔與波長相等的緣故。
通過採用上述結構，使用由3個偶極天線單元構成的直排陣列天線可以獲得最大增益大於10dB的高輻射特性。這樣，在水平面(xy面)內，在特定的方向具有高增益的天線稱為「扇形天線」，在將基地臺的通信區域限定在一定的方向時以及利用多個天線進行角度分集時等是有用的天線。
在本實施例中，使同軸饋電線35的特性阻抗以下段的圓環狹縫36a為界發生變化，但是，這是為了將偶極天線單元38a、38b、38c的輻射阻抗Za、Zb、Zc基本上設定為一定，當輻射阻抗Za、Zb、Zc不同時，也可以使特性阻抗以其他圓環狹縫為界發生進一步變化。
另外，在本實施例中，通過減小從下段的圓環狹縫36a到上端35j的外部導體35a的內徑來降低上端35j一側的同軸饋電線35的特性阻抗，但是，不一定限於這一結構。例如，也可以通過增大從下段的圓環狹縫36a到上端35j的內部導體35b的直徑來降低上端35j一側的同軸饋電線35的特性阻抗，另外，還可以通過提高填充在下段的圓環狹縫36a到上端35j之間的電介質的介電常數來降低上端35j一側的同軸饋電線35的特性阻抗。
權利要求
1.移動無線通信用天線的特徵在於具有由將電介質夾在中間配置成同心圓狀的外部導體和內部導體構成的同軸饋電線、使上述內部導體比上述外部導體的上端向上方延長約1/4波長而形成的天線振子、具有以一端與上述外部導體的上端連接的狀態配置在上述同軸饋電線的外側的約1/4波長的筒狀導體的偶極天線和插入到上述筒狀導體的開放端一側內壁的一部分與上述同軸饋電線的一部分之間的絕緣襯墊，通過控制上述絕緣襯墊的插入深度，調整上述偶極天線的諧振頻率。
2.按權利要求1所述的移動無線通信用天線，其特徵在於利用攻絲加工或深衝加工在筒狀導體的開放端一側內壁的一部分形成雌螺紋，在絕緣襯墊的外周形成雄螺紋。
3.按權利要求1所述的移動無線通信用天線，其特徵在於在筒狀導體的開放端一側內壁的一部分設置多個臺階，將絕緣襯墊的前端形成為陡峭磨合狀。
4.移動無線通信用天線的特徵在於具有由將電介質夾在中間配置成同心圓狀的外部導體和內部導體構成的同軸饋電線、在上述外部導體的指定位置作為饋電點而設置的圓環狹縫、在上述外部導體的上述圓環狹縫的兩側具有各自相反的一端連接的一對約1/4波長的筒狀導體的偶極天線和插入到上述一對筒狀導體的開放端一側內壁的一部分與上述同軸饋電線的一部分之間的一對絕緣襯墊，通過控制上述一對絕緣襯墊的插入深度，調整上述偶極天線的共振頻率。
5.按權利要求4所述的移動無線通信用天線，其特徵在於利用攻絲加工或深衝加工在筒狀導體的開放端一側內壁的一部分形成雌螺紋，在絕緣襯墊的外周形成雄螺紋。
6.按權利要求4所述的移動無線通信用天線，其特徵在於在筒狀導體的開放端一側內壁的一部分設置多個臺階，將絕緣襯墊的前端形成為陡峭磨合狀。
7.移動無線通信用天線的特徵在於將上述本發明的第1結構的移動無線通信用天線作為第1移動無線通信用天線，將上述本發明的第2結構的移動無線通信用天線作為第2移動無線通信用天線，由上述第1移動無線通信用天線和與上述第1移動無線通信用天線的絕緣襯墊一側連接的至少一個上述第2移動無線通信用天線構成。
8.移動無線通信用天線的特徵在於具有由將電介質夾在中間配置成同心圓狀的外部導體和內部導體構成的同軸饋電線、利用上述同軸饋電線進行饋電的至少一個偶極天線、配置在上述偶極天線附近的至少一個無源元件和覆蓋上述偶極天線及無源元件的天線罩，上述無源元件由上述天線罩支持。
9.按權利要求8所述的移動無線通信用天線，其特徵在於天線罩形成為沿偶極天線的長度方向延伸的圓筒狀，上述天線罩的底壁固定在同軸饋電線的下端部，上述偶極天線的前端部插入到設在上述天線罩的頂壁上的凹洞內。
10.按權利要求8所述的移動無線通信用天線，其特徵在於偶極天線由將同軸饋電線的內部導體比外部導體的上端向上方延長約1/4波長而形成的天線振子和以一端與上述外部導體的上端連接的狀態配置在上述同軸饋電線的外側的約1/4波長的筒狀導體構成。
11.按權利要求8所述的移動無線通信用天線，其特徵在於偶極天線由在同軸饋電線的外部導體的指定位置作為饋電點而設置的圓環狹縫和在上述圓環狹縫的兩側各自相反一端連接的一對約1/4波長的筒狀導體構成。
12.按權利要求8所述的移動無線通信用天線，其特徵在於無源元件是固定在天線罩的內壁面上的金屬體。
13.按權利要求8所述的移動無線通信用天線，其特徵在於無源元件是與天線罩一體成形的金屬體。
14.按權利要求8所述的移動無線通信用天線，其特徵在於無源元件是通過印刷或電鍍在天線罩的內壁面上形成的金屬體。
15.按權利要求8所述的移動無線通信用天線，其特徵在於無源元件通過將利用印刷或電鍍形成金屬體的樹脂薄膜粘貼到天線罩的內壁面上而構成。
16.移動無線通信用天線的特徵在於具有由將電介質夾在中間配置成同心圓狀的外部導體和內部導體構成的同軸饋電線、周期性地設置在上述外部導體上的多個圓環狹縫和在上述多個圓環狹縫各自的兩側以一端相對而連接的狀態配置一對約1/4波長的筒狀導體而構成的多個天線單元，使上述同軸饋電線的特性阻抗以上述多個圓環狹縫的至少一個為界而變化。
17.按權利要求16所述的移動無線通信用天線，其特徵在於多個天線單元分別具有與其並排設置的至少1個無源元件。
18.按權利要求16所述的移動無線通信用天線，其特徵在於從同軸饋電線的一端到與上述同軸饋電線的上述一端最接近的圓環狹縫的特性阻抗設定為標準阻抗時，從與上述同軸饋電線的上述一端最接近的圓環狹縫到上述同軸饋電線的另一端的特性阻抗小於上述標準阻抗。
19.按權利要求18所述的移動無線通信用天線，其特徵在於從同軸饋電線的一端最接近的圓環狹縫到上述同軸饋電線的另一端的特性阻抗一定。
全文摘要
提供基地臺設置的支架使用簡便的結構就可以解決的細小而輕便的移動無線通信用天線。將同軸饋電線1的內部導體1b比外部導體1a的上端1c向上方延長1/4波長而形成。利用該延長而形成的內部導體1b構成天線振子3。在同軸饋電線1的外側，以一端與外部導體1a的上端1c連接的狀態配置1/4波長的黃銅製的筒狀金屬管2。在金屬管2的開放端的內周的一部分利用攻絲加工形成雌螺紋2b。外周形成雄螺紋4a的絕緣襯墊4插入到金屬管2的開放端內。即，將絕緣襯墊4配置到金屬管2的開放端一側內壁的一部分與同軸饋電線1的外部導體1a的一部分之間。在同軸饋電線1的下端1d，設置用於與外部電路連接的同軸接頭5。
文檔編號H01Q1/24GK1163495SQ9710247
公開日1997年10月29日 申請日期1997年2月20日 優先權日1996年2月20日
發明者湯田直毅, 小川晃一, 大友康宏, 中村弘幸, 山林正明 申請人:松下電器產業株式會社