JP2005167705A - 水平偏波無指向性アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】水平面での充分な無指向性を実現しながら、構造が簡易で生産性に優れ、且つ設置に適した機械的強度を確保する。
【解決手段】垂直方向に支持された長方形板の長辺に沿って端部表裏に平行な一対の給電線路５，５を形成したアンテナ基板１と、上記一対の給電線路５，５に沿って接続配列された複数のダイポールアンテナ６，６，…と、上記アンテナ基板１の基部に形成され、上記一対の給電線路５，５に直列給電を行なわせる平衡／不平衡変換部２とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に移動体通信システムの基地局等に好適な水平偏波無指向性アレイアンテナに関する。

従来、携帯電話やＰＨＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｈａｎｄｙｐｈｏｎｅ Ｓｙｓｔｅｍ：第２世代コードレス電話システム）などの移動体通信システムの基地局で使用される、水平偏波の水平面での無指向性が得られるようにしたアンテナ装置が種々考えられている。（例えば、特許文献１）
特開平１１−３４０７３３号公報

しかしながら、高利得化のためのアレイアンテナ化を考えた場合に、上記特許文献１を含む水平偏波無指向性アンテナはいずれも構造が複雑で製造コストが上昇してしまうか、または反対に構造が簡易すぎてアレイ化した際の機械的強度が保てないという不具合を生じる。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、水平面での充分な無指向性を実現しながら、構造が簡易で生産性に優れ、且つ設置に適した機械的強度を確保することが可能な水平偏波無指向性アレイアンテナを提供することにある。

請求項１記載の発明は、垂直方向に支持された部材軸方向に沿って平行な一対の給電線路を形成したアンテナ支持部材と、上記一対の給電線路に沿って接続配列された複数のダイポールアンテナと、上記アンテナ支持部材の給電側基部に形成され、上記一対の給電線路に直列給電を行なわせる平行／不平行変換部とを具備したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、上記複数のダイポールアンテナは、それぞれ対象周波数の略１／２波長のアンテナ長を有することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、上記複数のダイポールアンテナは、それぞれ給電線路の軸方向に略垂直な平面に沿ってリング状に形成したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、上記複数のダイポールアンテナの間隔により該アンテナの配列方向と直交する面に対する放射のチルト角度を設定することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、上記平行／不平行変換部は、上記複数のダイポールアンテナの整合をとる整合回路部を併設することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、上記アンテナ支持部材は、ＰＰＥ（ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｅｔｈｅｒ：ポリフェニレンエーテル）またはフッ素樹脂で構成することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、構造が簡易で生産性に優れ、且つ設置に適した機械的強度を確保することが可能であるばかりか、直列給電を用いているために給電線路の幅を狭めることができ、結果的にアンテナ支持部材を含むアンテナ全体の外径を小さく、細いものとすることができる。

請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、例えば１．９［ＧＨｚ］帯の電波を使用するＰＨＳで必要なアンテナ長が８０［ｍｍ］弱となり、ダイポールアンテナの形状の工夫次第でアンテナ全体の外径をより小さく、細いものとすることができる。

請求項３記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、水平面における優れた無指向性を実現できると共に、アンテナ全体の外径をより小さくし、且つ丸パイプ状のレドームに納めることができるなど、きわめて実現性に富んだ構造とすることができる。

請求項４記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、例えば基地局アンテナとして市街地のビル屋上に設置する場合は必要なチルト角を設定するなど、必要とされるチルト角の設定をアンテナ間隔により容易に可変できる。

請求項５記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、より高いアンテナ効率でアンテナを運用できる。

請求項６記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、アンテナ素子であるダイポールアンテナと入出力ケーブルとのマッチングがとり易く、無指向性を得やすい。

以下本発明を１．９［ＧＨｚ］帯の電波を使用するＰＨＳの基地局アンテナに適用した場合の実施の一形態について図面を参照して説明する。

図１は、レドームを除いたアンテナの基本構造を示すものである。同図で、１はその長辺方向が垂直に支持される、長方形板形状のアンテナ基板である。このアンテナ基板１は、例えばＰＰＥ（ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｅｔｈｅｒ：ポリフェニレンエーテル）（誘電率３．３程度）や、テフロン（Ｒ）（誘電率２．３程度）等のフッ素樹脂などで構成されるもので、その給電基部に平行／不平行変換部２が設けられ、コネクタ４を先端に設けた同軸ケーブルでなる給電線３が接続される。

この平行／不平行変換部２は、例えばバランによる整合回路を兼ねており、このアンテナ基板１基部の平行／不平行変換部２を介し、アンテナ基板１の長辺に沿って、一端部側の表裏に平行な一対の給電線路５，５が形成される。

そして、この給電線路５，５に対し、それぞれ半円状に曲げたアンテナ素子６，６，‥‥を対にして配設し、水平方向に載架させることで、複数対のダイポールアンテナを形成する。すなわち、給電線路５，５にそれぞれ接続された１対のアンテナ素子６，６が１つのダイポールアンテナとして機能し、これがアンテナ基板１の長辺方向に沿って複数配列され、給電線路５，５により直列給電されることとなる。

各ダイポールアンテナを構成する一対のアンテナ素子６，６は、そのアンテナ長が合わせて対象周波数の略λ／２λ（λ：波長）となるように設定するもので、ここでは例えば対象周波数を１９００［ＧＨｚ］とすると、λ／２は７８［ｍｍ］程度となる。

加えて、リング状のダイポールアンテナの直径を０．１８λ、すなわち２８［ｍｍ］程度とする。

また、上記各ダイポールアンテナのアレー間隔は、水平方向に対して、必要とされるチルト角度により可変設定するものとする。具体的には、基板上での１λに相当する１００［ｍｍ］をアレー間隔とするとチルトせず、水平方向に輻射するものとなる。

代わって、各ダイポールアンテナのアレー間隔を上記１００［ｍｍ］より小さくすると給電方向、図１では紙面の下方向にチルトし、反対に１００［ｍｍ］より大きくすると給電方向とは逆方向、図１では紙面の上方向にチルトする。

上記のような構成にあって、次に実験の結果得られた各種特性について説明する。

（第１の測定例）
図２乃至図４と図８は、水平方向のチルト角が０°となるようにダイポールアンテナの各アレー間隔を１００［ｍｍ］とし、アンテナ素子６，６，‥‥によるダイポールアンテナを１６対として構成した場合の測定結果である。

ここでは、ＰＨＳの周波数帯をカバーすべく図中に三角記号を併せて示すマーカ「１」〜「３」が次の周波数の値をとる。すなわち、
マーカ「１」：１８８４．６５［ＭＨｚ］
マーカ「２」：１９０２．０５［ＭＨｚ］
マーカ「３」：１９１９．４５［ＭＨｚ］
図２は、上記マーカ「２」の周波数１９０２．０５［ＭＨｚ］を中心として２００［ＭＨｚ］の範囲に渡って測定した結果を示すスミスチャートである。

ここで、マーカ「１」は約６７［Ω］、マーカ「２」は約４９［Ω］、マーカ「３」は約６２［Ω］となっており、中心周波数のマーカ「２」が理想値５０［Ω］に近似した値をとっていることから、ほぼ所望の特性を実現できているものと判断できる。

図３はリターンロスを示すものであり、上述した周波数のマーカ「１」は−１６．２７７［ｄＢ］、マーカ「２」は−２７．８１２［ｄＢ］、マーカ「３」は−１６．６４６［ｄＢ］となっており、ＰＨＳに必要な周波数範囲に渡ってリターンロスを−１４［ｄＢ］以下に抑えることができていることがわかる。

この点は図４のＶＳＷＲ（電圧定在波比）でも顕著であり、上述した周波数のマーカ「１」は１．３６３７、マーカ「２」は１．０８４８、マーカ「３」は１．３４５５の値をとっており、ＰＨＳに必要な周波数範囲に渡ってＶＳＷＲを１．５以下に抑えることができていることがわかる。

これら図２乃至図４の結果から、給電に際して反射等がきわめて少なく、非常に効率よく輻射駆動することが可能なアンテナ構造となっていることがわかる。

図８は、垂直面の放射パターンの測定例であり、上述した如くほとんどチルト角を０度として、水平面でアンテナ放射していることが理解できる。したがって、この種の数値設定で構成したアンテナ構造とすることで、比較的人工密度が低く、広い範囲に渡って送受信を行なう必要がある郊外などに基地局を設置する場合に、この種のチルト角を設定しない水平面での特性を重視したアンテナが使用されることとなる。

（第２の測定例）
図５乃至図７と図９は、チルト角が（給電側の下方向に）８°となるようにダイポールアンテナの各アレー間隔を９３［ｍｍ］とし、アンテナ素子６，６，‥‥によるダイポールアンテナを２０対として構成した場合の測定結果である。

ここでも、ＰＨＳの周波数帯をカバーすべく図中に三角記号を併せて示すマーカ「１」〜「３」が次の周波数の値をとる。すなわち、
マーカ「１」：１８８４．６５［ＭＨｚ］
マーカ「２」：１９０２．０５［ＭＨｚ］
マーカ「３」：１９１９．４５［ＭＨｚ］
図５は、上記マーカ「２」の周波数１９０２．０５［ＭＨｚ］を中心として２００［ＭＨｚ］の範囲に渡って測定した結果を示すスミスチャートである。

ここで、マーカ「１」は約３９［Ω］、マーカ「２」は約４８［Ω］、マーカ「３」は約５０［Ω］となっており、中心周波数のマーカ「２」とマーカ「３」が理想値５０［Ω］に概ね近似した値をとっていることから、ほぼ所望の特性を実現できているものと判断できる。

図６はリターンロスを示すものであり、上述した周波数のマーカ「１」は−１７．７００［ｄＢ］、マーカ「２」は−３３．１７９［ｄＢ］、マーカ「３」は−２３．５９１［ｄＢ］となっており、ＰＨＳに必要な周波数範囲に渡ってリターンロスを−１４［ｄＢ］以下に抑えることができていることがわかる。

この点は図７のＶＳＷＲでも顕著であり、上述した周波数のマーカ「１」は１．２９９６、マーカ「２」は１．０４４８、マーカ「３」は１．１４１５の値をとっており、ＰＨＳに必要な周波数範囲に渡ってＶＳＷＲを１．５以下に充分余裕をもって抑えることができていることがわかる。

これら図５乃至図７の結果から、給電に際して反射等がきわめて少なく、非常に効率よく輻射駆動することが可能なアンテナ構造となっていることがわかる。

図９は、垂直面の放射パターンの測定例であり、上述した如くほとんどチルト角を（下方向に）８度としている。したがって、この種の数値設定で構成したアンテナ構造とすることで、比較的人工密度が高く、限定した範囲内で送受信を行なう必要がある、例えば市街地のビルの屋上に基地局を設置する場合などに、この種の水平面からやや下向きのチルト角に設定したアンテナが使用されることとなる。

最後に、上記第１の測定例で説明した、チルト角を０°とした場合の水平面での放射パターンを図１０に示す。同図に示すように、３６０°ほぼ全周に渡ってむらなく良好な放射特性を得ており、所望される無指向性をほぼ文句なしに実現できているものと言える。

このように、上記図１に示したようなアンテナ構造とすることにより、アンテナ基板１の短辺を図示する如くリング状のダイポールアンテナの外径以下とすることで、このアンテナ全体を図示しない丸パイプ状のレドーム内に納めることが可能となる。

この点は、平行な一対の給電線路５，５によりアンテナ素子６，６，‥‥を直列給電することで、給電線路の幅を含めてアンテナ基板１の短辺方向の寸法を小さく設定できることも寄与しており、アンテナ自体の構造が簡易で生産性に優れ、且つ設置に適した機械的強度を確保することが可能であるばかりか、アンテナ基板１を含むアンテナ全体の外径を小さく、細いものとすることができる。

したがって、上述した良好な無指向性とアンテナ効率とを確保しながらも、アンテナを大変コンパクトで設置等の取扱いが容易な、且つ耐候性にも優れたものとすることができる。

なお、上記図１に示したアンテナ基板１の短辺方向の寸法をリング状のダイポールアンテナの直径と略等しいものとして設定し、ダイポールアンテナを構成する各アンテナ素子６，６，‥‥の先端をアンテナ基板１の給電線路５，５を設けた側とは反対側の端部でそれぞれ支持するものとすれば、アンテナ素子６，６，‥‥の機械的強度をさらに上げることができる。

また、本発明はアンテナ基板１のような長方形板状の形状に限定するものではなく、例えば丸棒状のアンテナ支持部材に平行／不平行変換部２と給電線路５，５とを設けてアンテナ素子６，６，‥‥を配列するものとしても良い。

さらに、上記実施の形態は、１．９［ＧＨｚ］帯の電波を使用するＰＨＳの基地局アンテナに適用した場合について説明したものであるが、本発明は使用する周波数帯や用途、各アンテナ素子の形状や配列間隔、配列数等を限定するものでもない。

その他、本発明は上記実施の形態に限らず、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能であるものとする。

さらに、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明の実施の一形態に係るＰＨＳ基地局用の水平偏波無指向性アレイアンテナの基本構造を示す斜視図。 同実施の形態に係る第１の測定結果を示すスミスチャート。 同実施の形態に係る第１の測定結果のリターンロスを示す図。 同実施の形態に係る第１の測定結果のＶＳＷＲを示す図。 同実施の形態に係る第２の測定結果を示すスミスチャート。 同実施の形態に係る第２の測定結果のリターンロスを示す図。 同実施の形態に係る第２の測定結果のＶＳＷＲを示す図。 同実施の形態に係る第１の測定結果の垂直方向の放射パターンを示す図。 同実施の形態に係る第２の測定結果の垂直方向の放射パターンを示す図。 同実施の形態に係る第１の測定結果の水平方向の放射パターンを示す図。

符号の説明

１…アンテナ基板、２…平行／不平行変換部、３…給電線、４…コネクタ、５…給電線路、６…アンテナ素子。

Claims (6)

1. 垂直方向に支持された部材軸方向に沿って平行な一対の給電線路を形成したアンテナ支持部材と、
   上記一対の給電線路に沿って接続配列された複数のダイポールアンテナと、
   上記アンテナ支持部材の給電側基部に形成され、上記一対の給電線路に直列給電を行なわせる平行／不平行変換部と
   を具備したことを特徴とする水平偏波無指向性アレイアンテナ。
2. 上記複数のダイポールアンテナは、それぞれ対象周波数の略１／２波長のアンテナ長を有することを特徴とする請求項１記載の水平偏波無指向性アレイアンテナ。
3. 上記複数のダイポールアンテナは、それぞれ給電線路の軸方向に略垂直な平面に沿ってリング状に形成したことを特徴とする請求項１記載の水平偏波無指向性アレイアンテナ。
4. 上記複数のダイポールアンテナの間隔により該アンテナの配列方向と直交する面に対する放射のチルト角度を設定することを特徴とする請求項１記載の水平偏波無指向性アレイアンテナ。
5. 上記平行／不平行変換部は、上記複数のダイポールアンテナの整合をとる整合回路部を併設することを特徴とする請求項１記載の水平偏波無指向性アレイアンテナ。
6. 上記アンテナ支持部材は、ＰＰＥ（ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｅｔｈｅｒ：ポリフェニレンエーテル）またはフッ素樹脂で構成することを特徴とする請求項１記載の水平偏波無指向性アレイアンテナ。

Images