JP2004172736A

JP2004172736A - アレイアンテナ

Info

Publication number: JP2004172736A
Application number: JP2002333601A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kusunoki; 正弘楠; Hiroko Ogawa; 裕子小川
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】主にデジタル放送のＳＦＮ放送波中継において要求される低サイドローブ特性を有し、帯域が広く奥行き寸法の小さい受信アンテナを提供する。
【解決手段】放送波中継における受信用のアレイアンテナであって、複数のループアンテナ素子をマトリクス状に配列し、各ループアンテナ素子に給電する給電パワーの分配比をＨ面方向もしくはＥ面方向において両端側に位置するループアンテナ素子の分配比をその内側に位置するループアンテナ素子の分配比より低く設定する。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サイドローブを抑圧したアンテナに関する。特にデジタル放送の同一周波数放送波中継（ＳＦＮ放送波中継）において、自局回り込み波を抑圧する受信アンテナやアナログ−アナログ変換（アナアナ変換）時の非同一周波数放送波中継における、隣接チャンネル波による干渉低減用受信アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
デジタル放送のＳＦＮ放送波中継においては、周波数変換装置が不要となる反面、自局の送信アンテナから出力された放送波を同一局が受信してしまう、いわゆる回り込み現象が生じ得る。回り込みのレベルが規定値以上となると中継局において発振の現象が生じ、例えば保護回路が作動して放送停波に陥る。回り込みを防止するには送受アンテナ間距離を大きくとることが有効であるが、別途アンテナ設置場所の確保、基礎工事などが必要となり現実的に不可能であることが少なくない。そこで同一の鉄塔に送信アンテナ、受信アンテナを設置する必要が生じる。この場合、受信アンテナとしては親局からの放送波を受信する受信性能だけでなく、自局送信アンテナ回り込み波、即ち干渉波を抑圧するため特性が必要となる。図１９は一般的なＳＦＮ放送波中継における送信アンテナ、受信アンテナの設置形態を示すものでありアンテナ鉄塔５１に受信アンテナ５２と送信アンテナ５３が設置されている。この形態においては受信アンテナ５２から送信アンテナ５３を見込む角度は、受信アンテナ５２正面方向からみてほぼ９０°上側の方向（＋９０°）の方向となる。従って少なくともその方向のサイドローブレベルを抑圧し、回り込み波、即ち干渉波を低減することが上記設置形態において受信アンテナに求められる特性となる。また、現状のアナログ放送波においても、アナアナ変換による非同一周波数放送波中継時における、隣接チャンネル波による干渉低減のために低サイドローブ特性が求められている。
【０００３】
そして、従来よりサイドローブを低減した受信アンテナとして、スカートパラボラアンテナや、オフセットグリッドパラボラ（特許文献１参照）が提供されている。しかし、これらのアンテナはいずれも基本的にはパラボラアンテナの縁の部分に遮蔽板を付設しサイドローブの抑圧を図っているため、所望の特性を得るためには主にアンテナの奥行き寸法が大きくなり、積雪、氷結による荷重増の問題が生じる。例えば、特許文献１の実施例に記載されたオフセットグリッドパラボラでは横２４００ｍｍ、縦２４００ｍｍ、奥行き１４４０ｍｍの寸法を要している。オフセットグリッドパラボラではグリッド化はなされているものの、間隔が１／１０波長程度であり、特に奥行きをとる遮蔽板の部分において積雪、氷結により余分な荷重がかかる恐れが有る。とりわけ、寒冷地、豪雪地帯の中継局においては荷重増による鉄塔への負担増が問題となり得る。
【０００４】
また、サイドローブを低減しつつ奥行き寸法を非常に小さくした受信アンテナとして出願人はマイクロストリップアンテナを提案している（特許文献２参照）。これは奥行き１００ｍｍ程度と非常に小型であるが放射素子がパッチであるため適用可能帯域が狭い。例として特許文献２の００１０欄に記載の３×３素子アレイアンテナ、具体的には、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を一辺が１３６０ｍｍの地導体板上にｔａｎδが０．００２の５．０ｍｍ厚の誘電体層を介して３１０ｍｍ（０．５λ）の配列ピッチで３×３にマトリクス配列して構成したもの（以下従来のマイクロストリップアンテナ）を再現追試したＶＳＷＲ値の実測値を図２０に示す。これは、１５ｃｈ、周波数４８５〜４８８ＭＨｚ用のものとして製作されたものであるが１５ｃｈの周波数帯域においてはＶＳＷＲ値は１．４以下に収まっており、受信アンテナの一般的なＶＳＷＲ値の指標である１．５以下となっている。しかしながら、このアンテナを他チャンネルに適用しようとしても、マイクロストリップアンテナ素子の狭帯域性によりそれをアレイ化したアンテナもＶＳＷＲ特性における帯域が狭く、図２０に示すように４８１〜４９２ＭＨｚの範囲でしかＶＳＷＲ値が指標である１．５以下とならない。さらに前記以外の周波数範囲では、急激にＶＳＷＲが劣化しており、インピーダンス整合によるロス増大、指向性劣化が生じアンテナとして正常に動作しない可能性が極めて高い。よって、複数のチャンネルに対応させる場合、このアンテナでは所要のチャンネル数分、即ち複数個必要であり、中継局のトータルコスト、アンテナ設置用鉄塔における設置スペースの確保、あるいは鉄塔の耐荷重の観点から上記スカートパラボラ、オフセットパラボラと比較しても不利であった。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２４６８３３号公報
【特許文献２】
特開２００２−０４３８３５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のとおり、従来の放送波中継用低サイドローブ受信アンテナにおいては所望の特性は得られるもののアンテナサイズ、特に奥行き寸法が大きい、あるいはアンテナは薄くなるが帯域が狭いなど全ての問題点を同時にクリアできなかった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、帯域が広く、奥行き寸法の小さい放送波中継用低サイドローブ受信アンテナを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係るアレイアンテナは、放送波中継における受信用のアレイアンテナであって、複数のループアンテナ素子をマトリクス状に配列し、各ループアンテナ素子に給電する給電パワーの分配比をＨ面方向もしくはＥ面方向において両端側に位置するループアンテナ素子の分配比をその内側に位置するループアンテナ素子の分配比より低くしたことを特徴とする。
【０００９】
係る構成によれば、アレイアンテナのアンテナ素子をループアンテナ素子としたため素子を同一平面上に配列したアレイアンテナの構成が可能になり奥行き寸法を前記オフセットグリッドパラボラと比して大幅に短縮できる。また、前記マイクロストリップアンテナと比して広帯域化が実現できる。また、各ループアンテナ素子に給電する給電パワーの分配比をＨ面方向もしくはＥ面方向において両端側に位置するループアンテナ素子の分配比をその内側に位置するループアンテナ素子より低くしたためＨ面方向もしくはＥ面方向のサイドローブを抑圧できる。即ち、例えばＨ面方向に送信アンテナが位置するよう受信アンテナを設置し、Ｈ面方向における給電パワーの分配比を上述した設定にすれば回り込み現象を抑圧できる。
【００１０】
請求項２に係るアレイアンテナは、放送波中継における受信用のアレイアンテナであって、複数のループアンテナ素子をマトリクス状に配列し、各ループアンテナ素子に給電する給電パワーの分配比をＨ面方向及びＥ面方向において両端側に位置するループアンテナ素子の分配比をその内側に位置するループアンテナ素子の分配比より低くしたことを特徴とする。
【００１１】
係る構成によれば上述したような広帯域化と、Ｈ面方向及びＥ面方向双方サイドローブの低減が実現できる。これにより例えば受信アンテナの垂直上方に送信アンテナを配置し、かつ受信アンテナのＨ面方向が垂直方向となるよう設置した場合、Ｅ面方向は水平方向となるが、Ｈ面方向及びＥ面方向双方においてサイドローブを低減できるので送信アンテナとの回り込み現象のみならず中継局の近傍に建築物などの反射源が存在する場合に、親局からの放送波に反射波が生じるいわゆるマルチパスの状況で受信不能となることを防止できる。
【００１２】
請求項３に係るループアンテナ素子は、スタブを有するループ状に形成した導体の少なくともスタブ部分を誘電体の表面または内部に形成したことを特徴とする。
【００１３】
ところで、ループアンテナの素子として請求項３に係る構成によれば、スタブ部分の誘電体による結合容量の増加によりスタブ寸法の小型化や反射板と素子間の寸法短縮が可能である。また、誘電体の寸法を変更することによりアンテナ特性を可変できるため、設計変更に対処したり、特性を調整することが可能である。さらに量産時には例えば樹脂などの誘電体を射出成形などして構成でき、支持体として使用してループアンテナ素子の強度向上を図ることも可能である。
【００１４】
請求項４に係るアレイアンテナは、請求項１または２に記載のアレイアンテナであって、ループアンテナ素子をスタブを有するループ状に形成した導体の少なくともスタブ部分を誘電体の表面または内部に形成したことを特徴とする。
【００１５】
係る構成によれば、アレイアンテナを好適なループアンテナ素子で構成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
ＵＨＦローチャンネルの帯域（１３ｃｈから十数チャンネル分、周波数でいえば４７０ＭＨｚから＋数ＭＨｚ）での使用を想定したアンテナとしての本発明の実施の形態を以下に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態（以下実施形態１）としての受信用アレイアンテナを示すものである。なお、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示している。アレイアンテナ５０はループアンテナ素子１（１０１乃至１１２）が反射板２上に支柱３により支持されて同一平面上にマトリクス状に配列され同軸ケーブル４によって給電されている。ここで想定適用周波数帯の最低周波数は４７０ＭＨｚなので波長λ１は６３８ｍｍである。素子数はＨ面方向４素子、Ｅ面方向３素子の計１２素子、反射板２の寸法はＨ面方向長さＬｈが１３５０ｍｍ、Ｅ面方向長さＬｅが１１４０ｍｍである。素子１（１０１乃至１１２）から反射板２までの垂直方向距離ｈｓは約０．２５λ１に相当する１５８ｍｍ、素子のＨ面方向間隔ｄｈは３１６ｍｍ、Ｅ面方向間隔ｄｅも同じく３１６ｍｍであり約０．５λ１とした。
【００１８】
ループアンテナ素子１（１０１乃至１１２）の詳細は図２に示すように厚さ７０μｍの銅箔でループ部１１、スタブ部１２、給電部１３を有するループ状に誘電体１４上に形成されている。ループ長Ａはλ１に相当する６３８ｍｍ、ループ部１１の導体幅Ｂは約０．０５λ１に相当する３０ｍｍ、スタブ長Ｃは約０．０５λ１に相当する３２ｍｍとした。誘電体１４は誘電率が３．３でありループ部１１、スタブ部１２、給電部１３を含むループアンテナ素子１全体をその上に形成しうる寸法を有している。また、給電部１３には同軸ケーブル４の内部導体４１、外部導体４２をそれぞれ接続した。アレイアンテナ５０を上述のように構成し誘電体基板上にマイクロストリップラインを形成した分配器（図示せず）で図３に示す分配比で各ループ素子１０１乃至１１２に給電した。即ち中央に位置する素子１０６、１０７について分配比を１６とし、その外側の素子１０２、１０３、１０５、１０８、１１０、１１１の分配比を４、角部に位置する素子１０１、１０４、１０９、１１２について分配比を１とした。このようにして各ループアンテナ素子に給電する給電パワーの分配比をＨ面方向及びＥ面方向において両端側に位置するアンテナ素子の分配比をその内側に位置するアンテナ素子の分配比より低くなる構成を具体化した。
【００１９】
この実施形態１に係るアレイアンテナのＨ面指向性測定結果を図４に示す。測定周波数はほぼ１００ＭＨｚの帯域中の３点であり曲線５は４７０ＭＨｚの指向性を、曲線６、７は５２１ＭＨｚ、５６９ＭＨｚの指向性をそれぞれ示している。横軸はアンテナから見込んだ角度を示し、縦軸は受信パワーレベルをｄＢで示している。なお、測定はパラボラアンテナを送信アンテナとして使用して上記周波数の電波を発射し、実施形態１に係るアレイアンテナを支柱に設置し支柱を回転させながら、即ちアレイアンテナを回転させながら受信した信号のレベルをプロットしたものである。（但し、最大レベルにおいて規格化してある）。このように本実施の形態に係るアレイアンテナにおいては約１００ＭＨｚにわたる上記帯域でＨ面±９０°方向のサイドローブをほぼ−３２ｄＢ以下に抑えることができた。
【００２０】
次に、本発明の他の実施の形態（以下実施形態２）に係る受信用アレイアンテナについて説明する。実施形態２のアレイアンテナは実施形態１と同様図１及び図２に示すよう構成し図５に示す分配比で（分配比のみを実施形態１と変えて）各ループ素子１０１乃至１１２に給電した。即ち中央に位置する素子１０６、１０７について分配比を３２とし、そのＥ面方向外側の素子１０２、１０３、１１０、１１１の分配比を８、Ｈ面方向外側の素子１０５、１０８の分配比を４、角部に位置する素子１０１、１０４、１０９、１１２について分配比を１とした。このようにして各ループアンテナ素子に給電する給電パワーの分配比をＨ面方向及びＥ面方向において両端側に位置するアンテナ素子の分配比をその内側に位置するアンテナ素子の分配比より低くなる構成を具体化した。
【００２１】
この実施形態２に係るアレイアンテナのＨ面指向性測定結果を図６に、Ｅ面指向性測定結果を図７に示す。測定周波数は実施形態１と同様ほぼ１００ＭＨｚの帯域中の３点であり図６、図７においても曲線５は４７０ＭＨｚの指向性を、曲線６、７は５２１ＭＨｚ、５６９ＭＨｚの指向性をそれぞれ示している。横軸はアンテナから見込んだ角度を示し、縦軸は受信パワーレベルをｄＢで示している。なお、測定はパラボラアンテナを送信アンテナとして使用して上記周波数の電波を発射し、実施形態１に係るアレイアンテナを支柱に設置し支柱を回転させながら、即ちアレイアンテナを回転させながら受信した信号のレベルをプロットしたものである。（但し、最大レベルにおいて規格化してある）。このように本実施の形態に係るアレイアンテナにおいては約１００ＭＨｚにわたる上記帯域でＨ面±９０°方向のサイドローブをほぼ−４０ｄＢ以下に抑えることができた。
【００２２】
また、実施形態２に係るアレイアンテナのＶＳＷＲ値測定結果を図８に示す。図８において曲線８は実施形態２に係るアレイアンテナのＶＳＷＲ値を示し、曲線９は比較のために上述した従来のマイクロストリップアンテナのＶＳＷＲ値を示したものである。このように、放送用受信アンテナのＶＳＷＲ値として一般的な指標値である１．５以下となる帯域は、前記従来のマイクロストリップアンテナではほぼ４８１ＭＨｚから４９２ＭＨｚの約１０ＭＨｚであるが、実施形態２に係るアレイアンテナではほぼ４５５ＭＨｚから５４５ＭＨｚの約９０ＭＨｚであり、チャンネル数にして１１チャンネル分（帯域にして約７０ＭＨｚ）以上の広帯域化が実現できた。
【００２３】
さらにループアンテナ素子の各実施の形態を図９乃至１６に示す。ここで図９乃至図１６においては図１及び図２と同一部分には同一符号を付してしている。図９はスタブ部１２の下面に誘電体１４を貼付しスタブ部１２を誘電体の表面に形成したものであり誘電体の結合容量によりスタブ部１２の小型化を図ったり誘電体の厚さ等寸法を可変させて調整や設計変更への対処が可能である。図１０はスタブ部１２の下面及び上面に誘電体１４、１４´を添付し誘電体の内部にスタブ部１２を形成したものであり前記誘電体の効果をより増強させることができる。図１１はスタブ部１２の下面に誘電体１４を添付し給電部１３を折り曲げた形態でありアンテナ素子をコンパクトに構成できる。図１２はさらにスタブ部１２の上面にも誘電体１４´を添付して前記誘電体の効果を増強したものである。図１３はスタブ部１２及び給電部１３の下面に誘電体１４を添付して給電部１３の補強を兼ねたものである。図１４はループアンテナ素子１全体の下面に誘電体１４を貼付してループアンテナ素子全体の補強も兼ねたものである。図１５は給電部１３を折り曲げ、スタブ部１２及び給電部１３の両面に誘電体１４、１４´を貼付し折り曲げた給電部１３の補強を兼ねたものである。図１６は誘電体１４がさらにループアンテナ素子１の支柱を兼ねた形態である。このようにループアンテナ素子はさまざまな形態とすることが可能である。
【００２４】
本発明に係るアレイアンテナによれば上述の通り±９０°方向のサイドローブを低減できるのでＳＦＮ中継局用受信アンテナとして適用することが可能である。例えば図１７に示すように上述の実施形態１又は実施形態２に係るアレイアンテナ５０を受信アンテナとしてＨ面が垂直となるよう設置し送信アンテナ５３をアレイアンテナ５０の垂直上方に設置すると送信アンテナ５３からの直接波はもちろん、地表からの一回反射波も効果的に抑圧可能である。これは実施形態１、２において給電分配比に対称性があることに起因する。また、この場合にアレイアンテナ５０のＥ面方向は水平方向となるが、Ｅ面方向においてもサイドローブの低減が達成されているので中継局近傍の建築物等の反射源からの反射波の影響も抑圧することができる。また、中継局の近傍に反射源が存在しない、即ち水平面内での反射波の影響が想定されない状況においては垂直面指向性においてのみサイドローブ抑圧を行い、水平面（この場合にはＥ面）方向のサイドローブ抑圧を図らない、即ちＥ面方向の給電パワー分配比を統一（例えば１：１：１：１）した構成も可能である。
【００２５】
さらに他の本発明の実施形態として、図１８（ａ）の平面図、（ｂ）の側面図に示すよう放射素子保護の観点からループアンテナ素子１を覆う形でレドーム２１を反射板２上に設置した形態が可能である。この場合寸法についてはレドーム２１と反射板２との距離はレドーム２１とループアンテナ素子１との距離の２倍弱程度確保すればよく、また反射板２においても分配器２２を反射板２の下面に収容できかつ所定の強度を保つ厚さがあればすむため、トータルの奥行き寸法ｔは２５０ｍｍから３００ｍｍ程度に抑えることができる。例えば実施形態１、２に係るアレイアンテナ５０にレドーム２１を設置して奥行き寸法ｔを２６０ｍｍとした形態が可能であった。従って、前述のオフセットグリッドパラボラ（特許文献１に記載のもの）と比較して同程度の９０°方向サイドローブ特性を有しているにもかかわらず奥行き寸法は遥かに小さく、氷結、積雪による荷重増加をさけ設置上の制約を少なくする観点から有利である。
【００２６】
なお、実施形態１、２はＨ面方向に４ヶ、Ｅ面方向に３ヶのループアンテナ素子を配列したが、素子数については必要とされるサイドローブレベル抑制量に基づきＨ面方向、Ｅ面方向ともに任意の数を選ぶことが可能である。実際にはアンテナの風圧荷重への耐性、送信及び受信アンテナが設置される鉄塔の強度等の制約を考慮し素子数を設定できる。また、送信アンテナが垂直偏波（Ｅ面が垂直面）となるＳＦＮ中継局用の受信アンテナとしてはＥ面方向のサイドローブ低減を主眼とする、即ちＥ面方向の給電パワー分配比を所定の値に設定することで水平偏波の場合と同様の効果を得ることができる。さらに、本発明の実施形態にかかるアレイアンテナは、現状のアナログ放送波におけるチャンネル変更（アナアナ変換）に適用した場合には、隣接チャンネル干渉低減、さらには親局波のマルチパス波抑圧の観点から、水平面内、垂直面内双方において９０°もしくはその近辺の方向のサイドローブ抑圧を実現することも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、以上説明した通り、帯域が広く、奥行き寸法の小さい放送波中継用低サイドローブ受信アンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態であるアレイアンテナを表す図。
【図２】本発明の実施形態であるループアンテナ素子を表す図。
【図３】実施形態１における給電パワー分配比を表す図。
【図４】実施形態１に係るアレイアンテナのＨ面指向性測定結果を表す図。
【図５】実施形態２における給電パワー分配比を表す図。
【図６】実施形態２に係るアレイアンテナのＨ面指向性測定結果を表す図。
【図７】実施形態２に係るアレイアンテナのＥ面指向性測定結果を表す図。
【図８】実施形態２に係るアレイアンテナのＶＳＷＲ値測定結果を表す図
【図９】誘電体を貼付したループアンテナ素子の実施形態を表す図。
【図１０】誘電体を貼付したループアンテナ素子の実施形態を表す図。
【図１１】誘電体を貼付したループアンテナ素子の実施形態を表す図。
【図１２】誘電体を貼付したループアンテナ素子の実施形態を表す図。
【図１３】誘電体を貼付したループアンテナ素子の実施形態を表す図。
【図１４】誘電体を貼付したループアンテナ素子の実施形態を表す図。
【図１５】誘電体を貼付したループアンテナ素子の実施形態を表す図。
【図１６】誘電体を貼付したループアンテナ素子の実施形態を表す図。
【図１７】アレイアンテナの設置形態を表す図
【図１８】レドームを付したアレイアンテナの形態を表す図。
【図１９】一般的なＳＦＮ放送波中継における送信アンテナ、受信アンテナの設置形態を表す図。
【図２０】従来のマイクロストリップアンテナのＶＳＷＲ値測定結果を表す図。
【符号の説明】
１、１０１〜１１２ループアンテナ素子
１１、ループ部
１２、スタブ部
１３、給電部
２、反射板
３、支柱
４、同軸ケーブル
４１、内部導体
４２、外部導体
５、４７０ＭＨｚの指向性を示す曲線
６、５２１ＭＨｚの指向性を示す曲線
７、５６９ＭＨｚの指向性を示す曲線
８、実施形態２のアレイアンテナのＶＳＷＲ特性を示す曲線
９、従来のマイクロストリップアンテナのＶＳＷＲ特性を示す
曲線
１４、１４´ 誘電体
２１、レドーム
２２、分配器
５０、アレイアンテナ
５１、アンテナ鉄塔
５２、受信アンテナ
５３、送信アンテナ

Claims

放送波中継における受信用のアレイアンテナであって、複数のループアンテナ素子をマトリクス状に配列し、各ループアンテナ素子に給電する給電パワーの分配比をＨ面方向もしくはＥ面方向において両端側に位置するループアンテナ素子の分配比をその内側に位置するループアンテナ素子の分配比より低くしたことを特徴とするアレイアンテナ。
放送波中継における受信用のアレイアンテナであって、複数のループアンテナ素子をマトリクス状に配列し、各ループアンテナ素子に給電する給電パワーの分配比をＨ面方向及びＥ面方向において両端側に位置するループアンテナ素子の分配比をその内側に位置するループアンテナ素子の分配比より低くしたことを特徴とするアレイアンテナ。
スタブを有するループ状に形成した導体の少なくともスタブ部分を誘電体の表面または内部に形成したことを特徴とするループアンテナ素子。
請求項１または２に記載のアレイアンテナであって、ループアンテナ素子をスタブを有するループ状に形成した導体の少なくともスタブ部分を誘電体の表面または内部に形成したことを特徴とするアレイアンテナ。