JP2005151230A - 位相差給電アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】２本の放射素子を使用してカーディオイド形指向性を持つ位相差給電アンテナを提供する。
【解決手段】長さが約λ／２の放射素子１１ａ、１１ｂを約λ／４の間隔で平行に配置して２素子アンテナを構成する。そして、給電信号を異電力分配回路２１の入力端子２２ａに入力し、分配比の大きい分配端子２２ｂから出力される信号を位相遅れが例えば約２５°の位相回路２３を介して放射素子１１ａの給電点１２ａに供給し、分配端子２２ｃから出力される分配比の小さい信号を放射素子１１ｂの給電点１２ｂに供給する。上記異電力分配回路２１の分配端子２２ｂ、２２ｃにおける分配比を例えば約３．３５：１に設定して放射素子１１ａ、１１ｂの相互影響による誘起電流の増減を補償し、放射素子１１ａ、１１ｂに誘起する電流が等振幅となるようにしてカーディオイド形指向性を得ている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動体通信の基地局用指向性アンテナに係り、特に２本の放射素子からなる２素子アンテナに所定の位相差を設けて給電する位相差給電アンテナに関する。

従来、移動体通信の基地局用指向性アンテナとして、垂直偏波による指向性アンテナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図７は、従来の垂直偏波による指向性アンテナにおいて、２本の放射素子で構成した２素子アンテナに所定の位相差で給電する位相差給電アンテナの概略構成図である。
図７において、１１ａは指向方向に配置される第１放射素子で、その後方に約λ／４（λ：波長）の間隔を保って第２放射素子１１ｂが平行に配置される。上記放射素子１１ａ、１１ｂとしては、例えば使用周波数に対して約λ／２の長さを持つダイポールアンテナが用いられ、その中央部にそれぞれ給電点１２ａ、１２ｂが設けられている。

そして、無線機（図示せず）から給電線１３により給電される信号は、等分配回路１４の入力端子１５ａに入力され、分配端子１５ｂ、１５ｃにより等分配される。上記等分配回路１４の一方の分配端子１５ｂから出力される給電信号は、例えば９０°の位相回路１６を介して放射素子１１ａの給電点１２ａに給電され、等分配回路１４の他方の分配端子１５ｃから出力される給電信号は放射素子１１ｂの給電点１２ｂに給電される。

上記位相差給電アンテナは、等分配回路１４で等分配されて分配端子１５ｂから出力される給電信号を位相回路１６により遅延して放射素子１１ａの給電点１２ａに給電することにより、放射素子１１ａ側が指向方向となるようにしている。
実公昭６１−２８４０３号公報

上記位相差給電アンテナにおいて、水平面指向性として、ビーム幅が±９０°で１８０°方向の前方後方比特性が２０ｄＢ以上のカーディオイド形指向性としたいという要望がある。この場合、放射素子１１ａ、１１ｂの給電点１２ａ、１２ｂに対し、電流値が等振幅で所定の位相差の信号を給電することにより、カーディオイド形指向性とすることが可能であるが、従来の位相差給電アンテナでは、このようなカーディオイド形指向性とすることは困難であった。これは２本の放射素子１１ａ、１１ｂに等分配回路１４で給電しても、給電信号に位相差をつけた場合、２本の放射素子間１１ａ、１１ｂの相互影響により等振幅の電流が誘起しないためである。

図８は、上記従来の位相差給電アンテナにおいて、位相回路１６の位相遅れを９０°に設定した場合の垂直偏波水平面指向性を示したものである。この場合の指向性は、−３ｄＢにおけるビーム幅が約±６０°、前方後方比特性が約３ｄＢであり、カーディオイド形指向性とはなっていない。

また、図９は、垂直偏波水平面指向性のビーム幅を約±９０°にするため、位相回路１６の位相遅れを約５０°に設定した場合の指向性を示したものである。このときの指向性は、ビーム幅が±９０°となっているが、前方後方比特性は約５ｄＢであり、カーディオイド形指向性とはなっていない。

上記のように従来の位相差給電アンテナでは、垂直偏波水平面指向性をビーム幅が±９０°で１８０°方向の前方後方比特性が２０ｄＢ以上のカーディオイド形指向性とすることができないという問題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、２本の放射素子を使用してカーディオイド形指向性を持つ位相差給電アンテナを提供することを目的とする。

本発明に係る位相差給電アンテナは、使用周波数の約λ／４の間隔で平行に配置された２本の放射素子からなる２素子アンテナと、給電電力を異なる分配比で分配して前記２本の放射素子に供給する異電力分配回路と、前記異電力分配回路から大きい分配比で給電される一方の放射素子の給電位相を分配比の小さい他方の放射素子の給電位相より所定量遅らせる位相手段とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、２本の放射素子を所定の間隔で平行に配置してなる位相差給電アンテナにおいて、上記各放射素子に対する給電信号を異電力分配すると共に位相回路により所定の位相差で給電することにより、上記２本の放射素子の相互影響による誘起電流の増減を補償して各放射素子に誘起する電流値を等振幅にでき、垂直偏波水平面指向性のビーム幅を約±９０°、前方後方比特性を２０ｄＢ以上のカーディオイド形指向性とすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る垂直偏波用位相差給電アンテナの構成例を示す図である。この第１実施形態に係る位相差給電アンテナは、使用周波数の約λ／４（λ：波長）の間隔で平行に配置された２本の放射素子からなる２素子アンテナと、所定の分配比とした異電力分配回路と、位相回路とから構成されている。

図１において、１１ａは指向方向に設けられる第１放射素子で、その後方に所定の間隔ｄ例えば使用周波数の約λ／４の間隔を保って第２放射素子１１ｂが平行に配置され、２素子アンテナを構成している。上記放射素子１１ａ、１１ｂは、図示しないがアーム上に取付け金具により垂直に取付けられ、垂直偏波用のアンテナを構成している。上記放射素子１１ａ、１１ｂとしては、例えば使用周波数に対して約半波長（λ／２）の長さ、好ましくは半波長よりやや短い長さのダイポールアンテナが用いられ、その中央部にそれぞれ給電点１２ａ、１２ｂが設けられている。

そして、無線機（図示せず）から給電線１３により給電される信号は、異電力分配回路２１の入力端子２２ａに入力され、分配端子２２ｂ、２２ｃより出力される。一方の分配端子２２ｂは分配比の大きい端子、他方の分配端子２２ｃは分配比の小さい端子である。

上記異電力分配回路２１の分配端子２２ｂから出力される分配比の大きい給電信号は、給電線路（同軸ケーブル）及び位相遅れが例えば約２５°の位相回路２３を介して放射素子１１ａの給電点１２ａに供給される。また、異電力分配回路２１の分配端子２２ｃから出力される分配比の小さい給電信号は、給電線路（同軸ケーブル）により放射素子１１ｂの給電点１２ｂに供給される。

上記位相差給電アンテナは、異電力分配回路２１の分配端子２２ｂから出力される給電信号を位相回路２３により遅延して放射素子１１ａの給電点１２ａに給電することにより、放射素子１１ａ側が指向方向となるようにしている。
また、上記異電力分配回路２１は、分配端子２２ｂ、２２ｃにおける分配比が例えば約３．３５：１に設定され、放射素子１１ａ、１１ｂの相互影響により異なる振幅で誘起する電流をほぼ等振幅となるように補償する。

なお、上記位相回路２３は、特に遅延素子を使用しなくても、同軸ケーブル（給電線路）の長さを調整することにより、任意の位相に設定することができる。例えばある周波数で２５°の位相遅れを波長短縮率６７％の同軸ケーブルで実現するには、
波長×（２５°／３６０°）×波長短縮率
で計算される長さの分、同軸ケーブルを相対的に長くして給電することにより実現できる。例えば使用周波数を１５０ＭＨｚとした場合の２５°の位相遅れは、１波長（λ）が約２０００ｍｍであるから、前述の式で計算すると、同軸ケーブルの長さに換算して約９３ｍｍになる。従って、この場合には、異電力分配回路２１の分配端子２２ｃから放射素子１１ｂの給電点１２ｂに給電する同軸ケーブルの長さに対し、分配端子２２ｂから放射素子１１ａの給電点１２ａに給電する同軸ケーブルの長さを約９３ｍｍ長く設定すれば良い。

次に上記異電力分配回路２１の具体的な構成例について説明する。図２は、電力分配比を例えば３．３５：１に設定したジャンクションボックス型の異電力分配回路２１について示したものである。異電力分配回路２１は、図２に示すように入力端子２２ａに電気的な長さが約λ／４の同軸線路３１を接続し、その先端を分配点３２とし、この分配点３２より電気的な長さが約λ／４の同軸線路３３、３４を介して分配端子２２ｂ、２２ｃに接続する。

上記の構成において、入力端子２２ａに接続する同軸線路３１の特性インピーダンスを約４３．８７Ω、分配端子２２ｂに接続する同軸線路３３の特性インピーダンスを５０Ω、分配端子２２ｃに接続する同軸線路３４の特性インピーダンスを約９１．５１Ωに設定する。上記同軸線路３１、３３、３４の特性インピーダンスは、各同軸線路の中心導体の太さをそれぞれ特性インピーダンスに対応した太さに製作することにより実現することができる。

上記のように同軸線路３１、３３、３４の長さ及び特性インピーダンスを設定することにより、電力分配比が３．３５：１の異電力分配回路２１を構成することができる。

上記第１実施形態では、給電系統に異電力分配回路２１を設けて放射素子１１ａ、１１ｂに対する給電電力を異なる比率、すなわち分配端子２２ｂ、２２ｃにおける分配比を例えば約３．３５：１に設定して放射素子１１ａ、１１ｂの相互影響による誘起電流の増減を補償し、放射素子１１ａ、１１ｂに等振幅の電流が誘起するようにし、また、位相回路２３の位相遅れを約２５°に設定することにより、誘起電流の相対の位相遅れが約９０°となるようにしている。これにより２つの放射素子１１ａ、１１ｂからなる位相差給電アンテナの水平面指向性をカーディオイド形指向性とすることができる。

図３は、上記第１実施形態に係る位相差給電アンテナの垂直偏波水平面指向性を示したもので、その水平面指向性は、ビーム幅が約±９０°で、１８０°方向の前方後方比特性が２０ｄＢ以上のカーディオイド形指向性となっている。

なお、上記第１実施形態において、２本の放射素子１１ａ、１１ｂのインピーダンス特性が誘導性、例えば
放射素子１１ａ、１１ｂの抵抗分：約６３Ω、
リアクタンス分：約７Ω、
であった場合には、
異電力分配回路２１の分配比：約４．２４：１、
位相回路２３の位相遅れ ：約２８°、
に設定することにより、図３と同様のカーディオイド形指向性にすることができる。

また逆に、２本の放射素子１１ａ、１１ｂのインピーダンス特性が容量性、例えば
放射素子１１ａ、１１ｂの抵抗分：約６０Ω、
リアクタンス分：約−７Ω、
であった場合には、
異電力分配回路２１の分配比：約２．５９：１、
位相回路２３の位相遅れ ：約２４°、
に設定することにより、図３と同様のカーディオイド形指向性にすることができる。

更にまた、放射素子１１ａと放射素子１１ｂの長さが異なっていてインピーダンスダンスが異なる場合、例えば
放射素子１１ａの抵抗分：約６０Ω、
リアクタンス分：約−７Ω、
放射素子１１ｂの抵抗分：約６３Ω、
リアクタンス分：約７Ω、
の場合には、
異電力分配回路２１の配分比：約３．９９：１、
位相回路２３の位相遅れ：約３７．５°、
に設定することにより、図３と同様のカーディオイド形指向性にすることができる。

また逆に、例えば
放射素子１１ａの抵抗分：約６３Ω、
リアクタンス分：約７Ω、
放射素子１１ｂの抵抗分：約６０Ω、
リアクタンス分：約−７Ω、
の場合には、
異電力分配回路２１の配分比：約３．１７：１、
位相回路２３の位相遅れ： 約１５°、
に設定することにより、図３と同様のカーディオイド形指向性とすることができる。

上記のように約λ／４の間隔で配置した２本の放射素子１１ａ、１１ｂを使用し、放射素子のインピーダンス特性に応じて異電力分配回路２１の電力分配比と位相回路２３の位相遅れを所定の値に設定することにより、垂直偏波水平面指向性をカーディオイド形にした位相差給電アンテナを実現することができる。

図４は、上記図１に示した第１実施形態において、他の設定例すなわち、
放射素子１１ａ、１１ｂの間隔ｄ：λ／８、
放射素子１１ａ、１１ｂのインピーダンス特性
抵抗分 ：約６２Ω、
リアクタンス分：約０Ω、
異電力分配回路２１の分配比：約１．２５：１、
位相回路２３の位相遅れ ：約１７°、
に設定した場合の垂直偏波水平面指向性を示したもので、ビーム幅が約±７１°、１８０°方向の前方後方比特性が２０ｄＢ以上となっており、放射素子１１ａ、１１ｂの間隔ｄがλ／４の場合より、ビーム幅が狭い位相差給電アンテナを実現することができる。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について図５を参照して説明する。
この第２実施形態に係る位相差給電アンテナは、図１に示した第１実施形態における異電力分配回路２１に代えて方向性結合回路４１を使用したものである。放射素子１１ａ、１１ｂの長さは約λ／２、間隔ｄは約λ／４である。

上記方向性結合回路４１は、２本の結合線路及びこの結合線路の各端部に接続される端子４２ａ〜４２ｄを備えており、端子４２ａに無線機（図示せず）から給電線１３を介して送られてくる信号が入力され、端子４２ｂは終端抵抗４３を介して接地される。上記端子４２に入力された信号は、端子４２ｃと端子４２ｄに結合量の設計値に応じた振幅で出力されると共に、端子４２ｄに出力される信号は端子４２ｃに出力される信号に対して位相が約９０°遅れて出力される。また、端子４２ｃ、４２ｄには、結合量の設計値に応じて電力分配された信号が出力される。ここでは端子４２ｄには大きい分配比の信号が出力され、端子４２ｃには小さい分配比の信号が出力されるように、例えば端子４２ｄと端子４２ｃに出力される信号の比が約３．３５：１となるように設定される。

そして、上記方向性結合回路４１の端子４２ｄから出力される信号は放射素子１１ａの給電点１２ａの供給され、端子４２ｃから出力される信号は例えば位相遅れが６５°の位相回路４４を介して放射素子１１ｂの給電点１２ｂに供給される。すなわち、放射素子１１ａと放射素子１１ｂに給電する信号の位相差が方向性結合回路４１による放射素子１１ａ側の位相遅れ９０°と一部相殺し、約２５°の位相差になるように位相回路４４の位相量を設定している。

次に上記方向性結合回路４１による異電力分配方法について説明する。電力分配比が３．３５：１の場合について説明すると、方向性結合回路４１の端子４２ａから信号を入力した場合に、端子４２ｄと端子４２ｃにおける出力信号の比が振幅比で約１．８３：１になるように２本の結合線路の間隔を調整することにより実現できる。このときの端子４２ａから入力した信号に対する端子４２ｄに出力される信号の相対振幅と、同じく端子４２ｃに出力される信号の相対振幅は、それぞれ約０．８７７と約０．４７９になり、振幅比は約１．８３になる。

上記のような結合量にした場合の方向性結合回路４１の特性図を図６に示す。図６において、横軸は使用周波数に対する相対周波数を示し、縦軸は端子間の相対振幅比を示している。また、図中の実線ａは端子４２ａ−４２ｄ間の特性を示し、破線ｂは端子４２ａ−４２ｃ間の特性を示している。

そして、上記図５に示した第２実施形態において、放射素子１１ａ及び放射素子１１ｂの長さを調整し、インピーダンス特性のリアクタンス分がほぼ０Ωになるようにして前記設定にすると、垂直偏波水平面指向性として上記図２に示したものと同じカーディオイド形指向性を有する位相差給電アンテナを実現することができる。

なお、上記各実施形態では、放射素子１１ａ、１１ｂとしてダイポールアンテナを使用した場合について示したが、その他、例えばスリーブアンテナやコーリニヤアンテナ等の無指向性アンテナ２本を使用しても、垂直偏波水平面指向性においてカーディオイド形指向性を有する位相差給電アンテナを実現することができる。

また、長さが約λ／４のホイップアンテナ２本をアース板上にλ／４の間隔で配置しても、上記実施形態と同様にしてカーディオイド形指向性を有する位相差給電アンテナを実現することができる。

また、放射素子１１ａ、１１ｂの間隔を使用周波数のλ／４より狭くした場合でも、異電力分配回路２１や方向性結合回路４１の分配比と位相回路２３、４４による位相を所定の値に設定することにより、ビーム幅が±９０°より狭く、１８０°方向の前方後方比特性を２０ｄＢ以上にした単向性アンテナを実現することが可能である。

また、上記実施形態では、垂直偏波の位相差給電アンテナとして実施した場合について示したが、水平偏波用の位相差給電アンテナとしても使用することが可能である。

また、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

本発明の第１実施形態に係る位相差給電アンテナの構成図である。 同実施形態における異電力分配回路の構成例を示す図である。 同実施形態に係る位相差給電アンテナの垂直偏波水平面指向性を示す図である。 同実施形態に係る位相差給電アンテナにおいて、各種設定値を変更した場合の垂直偏波水平面指向性を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る位相差給電アンテナの構成図である。 同実施形態における方向性結合回路の特性例を示す図である。 従来の位相差給電アンテナの構成図である。 従来の位相差給電アンテナの垂直偏波水平面指向性を示す図である。 従来の位相差給電アンテナにおいて、設定値を変更した場合の垂直偏波水平面指向性を示す図である。

符号の説明

１１ａ、１１ｂ…放射素子、１２ａ、１２ｂ…給電点、１３…給電線、１４…等分配回路、１５ａ…入力端子、１５ｂ、１５ｃ…分配端子、１６…位相回路、２１…異電力分配回路、２２ａ…入力端子、２２ｂ、２２ｃ…分配端子、２３…位相回路、３１、３３、３４…同軸線路、３２…分配点、４１…方向性結合回路、４２ａ〜４２ｄ…方向性結合回路の端子、４３…終端抵抗、４４…位相回路

Claims (1)

1. 使用周波数の約λ／４の間隔で平行に配置された２本の放射素子からなる２素子アンテナと、給電電力を異なる分配比で分配して前記２本の放射素子に供給する異電力分配回路と、前記異電力分配回路から大きい分配比で給電される一方の放射素子の給電位相を分配比の小さい他方の放射素子の給電位相より所定量遅らせる位相手段とを具備したことを特徴とする位相差給電アンテナ。

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