JP2005191715A - スロット給電型アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 交差偏波識別度が向上し、ダイバーシティ利得が向上するスロット給電型アンテナを提供する。
【解決手段】 基板２の一方の面に、二つの矩形状のスロット片３ａ，３ｂを互いに交差させて形成した略十字形状のスロット３を設けたスロット給電型アンテナ１において、スロット片３ａ，３ｂの交差角度２αが鈍角であるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動体無線通信用基地局アンテナに使用されるスロット給電型アンテナに関するものである。

移動体無線通信において、送受信間を最短距離で到達する直接波と、ビルなどの障害物に電波が反射し位相が遅れて到達する反射波とが合成され、受信電力が変動するフェージングが問題となる。このフェージングを減らす方法のひとつとして偏波ダイバーシティ方式がある。偏波ダイバーシティ方式とは、垂直偏波および水平偏波、または＋４５°偏波および−４５°偏波の２つの電波を受信し、得られる２つの信号を合成したり、あるいは切り替えることで、受信電波のレベルの変動を少なくする方式である。

偏波ダイバーシティ方式を用いた従来のアンテナとして、図１５に示すようなスロット給電型アンテナ１５１がある（例えば、特許文献１参照）。

アンテナ１５１は、垂直に設置される基板１５２にアンテナ素子としての斜め十字形の切り込み（スロット）１５３を形成し、そのスロット１５３に対向させて基板１５２の表方向へ導波するように斜め十字形の無給電素子１５４を設けたものである。

スロット１５３は、二つの矩形状のスロット片１５３ａ，１５３ｂをそれぞれ水平方向Ｈ（垂直方向Ｖ）に対して±４５°で互いに交差させてなる。同様に無給電素子１５４は、二つの矩形状の素子片１５４ａ，１５４ｂをそれぞれ水平方向Ｈ（垂直方向Ｖ）に対して±４５°で互いに交差させてなる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開２００３−３０９４２９号公報

しかしながら、従来のアンテナ１５１は、スロット１５３の十字の角度（交差角度）が直角なので、アンテナ１５１の真正面方向Ｆから見ると±４５°の十字に見えるが、アンテナ１５１の真正面方向Ｆ以外の方位角方向（例えば、真正面から±４０°の水平方向）から見ると、スロット１５３が縦長斜め十字形に見える。

また、スロット片１５３ａから放射される電波の偏波方向は、スロット片１５３ａの短手方向なので、アンテナ１５１の真正面方向Ｆから見ると水平方向Ｈに対して４５°傾斜した図１５の矢印Ｂで示した方向になるが、アンテナ１５１の真正面方向Ｆ以外から見ると水平方向に対する傾斜が４５°よりも大きくなる。これは、スロット片１５３ｂから放射される電波の偏波方向についても同様である。

その結果、アンテナ１５１の真正面方向Ｆ以外で一方の偏波面の偏波で送受信する場合、偏波面が斜め４５°に対してスロット１５３の表面上では見かけ上４５°より垂直に近い角度で共振し、スロット１５３の表面上でもう一方の偏波成分を有する電波を放射するので、交差偏波識別度が悪化し、ダイバーシティ利得が低下するという問題がある。

つまり、従来のアンテナ１５１は、真正面方向では交差偏波識別度が最も良好であり、真正面方向以外では真正面方向からずれるにつれて交差偏波識別度が徐々に悪化する。

ここで、交差偏波識別度とは、所望の偏波面を持つ電波に対して交差する偏波面を持つ電波をどのくらい送受信しているかの度合いであり、交差偏波識別度がよいほどダイバーシティ効果（ダイバーシティ利得）が向上する。

また、アンテナ１５１では、無給電素子１５４の十字の角度も直角なので、やはりアンテナ１５１の真正面方向以外で交差偏波識別度が悪化し、ダイバーシティ利得が低下するという問題がある。

そこで、本発明の目的は、交差偏波識別度が向上し、ダイバーシティ利得が向上するスロット給電型アンテナを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、基板の一方の面に、二つの矩形状のスロット片を互いに交差させて形成した略十字形状のスロットを設けたスロット給電型アンテナにおいて、前記スロット片の交差角度が鈍角であるスロット給電型アンテナである。

請求項２の発明は、前記基板の一方の面に金属板を設け、その金属板に前記スロットを形成し、前記基板の他方の面に、一方のスロット片に対応する一方のマイクロストリップ線路を他方のスロット片に対向させて設けると共に、他方のスロット片に対応する他方のマイクロストリップ線路を一方のスロット片に対向させて設けた請求項１記載のスロット給電型アンテナである。

請求項３の発明は、前記基板は垂直に設置され、前記スロット片はそれぞれ水平に対して４５°よりも大きい角度で設けられる請求項１または２記載のスロット給電型アンテナである。

請求項４の発明は、前記スロット片はそれぞれ水平に対して５０°以下の角度で設けられる請求項３記載のスロット給電型アンテナである。

請求項５の発明は、二つの矩形状の素子片を互いに交差させて形成した無給電素子を備え、一方のスロット片に対応する一方の素子片を他方のスロット片に対向させて設けると共に、他方のスロット片に対応する他方の素子片を一方のスロット片に対向させて設けた請求項１〜４いずれかに記載のスロット給電型アンテナである。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。

（１）交差偏波識別度が向上する。

（２）ダイバーシティ利得が向上する。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１（ａ）は本発明の好適実施の形態を示すスロット給電型アンテナの平面図、図１（ｂ）はその側面図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施の形態に係るスロット給電型アンテナ１は、地面に対して垂直に設置されるアンテナ素子基板２の表面に、アンテナ素子としての斜め十字形の切り込み（スロット）３を形成し、誘電体からなる無給電素子基板４の表面に、スロット３に無給電素子基板４を介して対向させて斜め十字形の導体からなる無給電素子５を設けたものである。

アンテナ素子基板２は、詳細は図示していないが、誘電体基板の表面に金属板を設けた二層構造である。この金属板にスロット３が形成される。無給電素子５は、アンテナ素子基板２の表方向へ導波する導波器である。

スロット３は、長辺と短辺（偏波面）とを有する二つの矩形状のスロット片３ａ，３ｂを、スロット片３ａ，３ｂの交差角度２αが鈍角であり、かつスロット３の形状が対称となるように互いに交差させてなる。

本実施の形態では、スロット３は、スロット片３ａ，３ｂをそれぞれ水平方向Ｈに対して４５°よりも大きい設置角度αで、より好ましくは４５°＜α≦５０°の範囲で、かつスロット３の形状が対称となるように互いに交差させてなる。

同様に、無給電素子５は、長辺と短辺とを有する二つの矩形状の素子片５ａ，５ｂを、それぞれ水平方向Ｈに対して４５°よりも大きい設置角度αで、より好ましくは４５°＜α≦５０°の範囲で、かつ無給電素子５の形状が対称となるように互いに交差させてなる。

各素子片５ａ，５ｂは、スロット片３ａ，３ｂに直角に近い角度で交差するように設けられる。より詳細には、一方のスロット片３ａに対応する素子片５ａは、一方のスロット３ａに対向させて設けられるのではなく、他方のスロット片３ｂに対向させて設けられる。すなわち、素子片５ａは、その長辺がスロット片３ａの偏波方向と平行に設けられる。同様に、他方のスロット片３ｂに対応する素子片５ｂは、他方のスロット片３ｂに対向させて設けられるのではなく、一方のスロット片３ａに対向させて設けられる。

このように、スロット３は、各スロット片３ａ，３ｂの垂直方向Ｖに対する長辺の交差角度βがそれぞれ４５°未満である。同様に、無給電素子５も、各素子片５ａ，５ｂの垂直方向Ｖに対する長辺の交差角度βがそれぞれ４５°未満である。

無給電素子５は、無給電素子基板４の表面に金属箔または金属板を付けて構成される。無給電素子基板４は、プリント基板であってもよい。無給電素子基板４は、アンテナ素子基板２の表面から立ち上げた支柱６により、アンテナ素子基板２の表面から所定の距離隔てて支持される。支柱６は、無給電素子基板４の余白（金属箔がない部分）を利用して無給電素子基板４の上下辺に２箇所ずつ配置されるが、この配置は図示した位置にはこだわらない。図１（ａ）および図１（ｂ）では、無給電素子基板４および無給電素子５をそれぞれ二枚設けたが、一枚でも、三枚以上でもよい。

アンテナ素子基板２の裏面には、２本のマイクロストリップ線路７ａ，７ｂが各スロット片３ａ，３ｂに直角に近い角度で交差するように設けられる。より詳細には、一方のスロット片３ａに対応する（給電するための）マイクロストリップ線路７ａは、他方のスロット片３ｂに基板２を介して対向させて設けられる。一方のスロット片３ａとそれに給電するマイクロストリップ線路７ａとは直角ではないが、このように配線することにより、他方のスロット片３ｂに電流成分が乗るのを回避して交差偏波識別度を向上させている。同様に、他方のスロット片３ｂに対応する（給電するための）マイクロストリップ線路７ｂは、一方のスロット片３ａに基板２を介して対向させて設けられる。

無給電素子５の二つの素子片５ａ，５ｂの交差の中心点とスロット片３ａ，３ｂの交差の中心点とは、アンテナ１の真正面方向Ｆから見て同じ位置にある。

本実施の形態の作用を説明する。

マイクロストリップ線路７ａ，７ｂに給電すると、マイクロストリップ線路７ａ，７ｂの長手方向に給電電流が流れ、その給電電流の誘導によってアンテナ素子基板２の金属面に給電電流と同じ方向の電流が流れる。この電流に対して各スロット片３ａ，３ｂの長辺は直角に近い角度で交差しているので、各スロット片３ａ，３ｂの長辺から対向する長辺に向かって電場が形成される。このため、各スロット片３ａ，３ｂからは、その短辺に平行な偏波面を有する電波が放射される。

スロット３は、スロット片３ａ，３ｂをそれぞれ水平方向Ｈに対して４５°よりも大きい設置角度αで、かつスロット３の形状が対称となるように互いに交差させて設けているので、アンテナ１の真正面方向Ｆから見ると縦斜め十字形に見える。また、スロット３は、アンテナ１の真正面方向Ｆ以外から見ると真正面方向Ｆから見たときよりも傾斜が大きい縦斜め十字形に見える。

また、スロット片３ａから放射される電波の偏波方向は、スロット片３ａの短手方向なので、アンテナ１の真正面方向Ｆから見ると水平方向Ｈに対してγ（＜４５°）傾斜した図１（ａ）の矢印Ａで示した方向になるが、アンテナ１の真正面方向Ｆ以外から見ると水平方向に対する傾斜が４５°に近づく。これは、スロット片３ｂから放射される電波の偏波方向についても同様である。

今、アンテナの水平面において、ある角度（方位角）をもってアンテナ１に到来する電波を受信したとする。このとき、＋４５°偏波の電波は、偏波面の角度と各スロット片３ａ，３ｂの偏波方向とが見かけ上一致する。つまり、電波の到来方向から見て水平に対して＋４５°方向に共振が起きることになり、−４５°方向に共振する電界成分は少ない。

したがって、アンテナ１は、図１５で説明した従来のアンテナ１５１に比べて真正面方向Ｆで交差偏波識別度が若干低下するものの、真正面方向Ｆ以外で交差偏波識別度を向上させることができ、ダイバーシティ利得を向上させることができる。これにより、広いサービスエリアにわたって受信電波のレベルの変動を少なくできる。

また、アンテナ１では、素子片５ａ，５ｂをそれぞれ水平方向Ｈに対して４５°よりも大きい設置角度αで、かつ無給電素子５の形状が対称となるように互いに交差させてなる無給電素子５を、スロット３に対向させて（一方の素子片５ａを他方のスロット片３ｂに対向させて設け、他方の素子片５ｂを一方のスロット片３ａに対向させて）設けている。

一方の素子片５ａと一方のスロット片３ａとは直角ではないが、このように配置することにより、他方の素子片５ｂに電流成分が乗るのを回避して交差偏波識別度をより向上させることができ、ダイバーシティ利得をより向上させることができる。

次に、設置角度αを４５°＜α≦５０°の範囲にした理由を説明する。

以下の説明では、図１（ａ）の一方のスロット片３ａに相当するアンテナ素子のみについて説明するが、二つのスロット片３ａ，３ｂに相当するアンテナ素子についても同様である。また、無給電素子５についても同様である。

ただし、スロット片３ａは、偏波方向が長手方向に対して垂直な方向（短手方向）の電波を送信するが、説明を簡単にするため、偏波方向が長手方向の電波を送信するダイポールアンテナとして説明する。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、設置角度を４５°にした斜め４５°偏波のアンテナ素子２１を真正面方向Ｆから見ると、アンテナ素子２１が垂直方向に対して斜め４５°に見える。しかし、図２（ａ）および図２（ｃ）に示すように、アンテナ素子２１を真正面方向Ｆから水平方向に角度θずれた方向Ｍから見た場合、アンテナ素子２１が垂直方向に対して角度φ（φ＜４５°）となって縦に傾いて見えてしまい、見かけの長さが短くなる。特に、図２（ａ）および図２（ｄ）に示すように、アンテナ素子２１を真横方向Ｓ（θ＝９０°方向）から見た場合は、アンテナ素子２１が垂直に見え、見かけの長さが最も短くなる。

したがって、アンテナ素子２１の交差偏波識別度は、その素子自身の交差偏波識別度がいくらよくても、真正面方向Ｆ以外の方向では悪化する。

そこで、本発明者らは、以下のようにして、アンテナ素子の真正面方向以外の方向における交差偏波の強度を求め、交差偏波識別度の指標とした。

ここで、交差偏波の強度とは、主偏波の強度に対する交差偏波の強度の相対値（単位：−ｄＢ）をいう。主偏波の強度と交差偏波の強度との差が交差偏波識別度である。つまり、交差偏波の強度が小さいほど、交差偏波識別度がよいことになる。

交差偏波強度の計算に先立ち、計算を簡単にするため、以下の1)〜5)の仮定をおいた。図３（ａ）に示すように、
１） アンテナ素子３１は長さ１の線状とする。
２） アンテナ素子３１は長手方向の偏波の電波を放射、あるいは受信するものとする（アンテナ素子３１の垂直方向の電界成分は０）。
３） アンテナ素子３１は真正面方向から見たとき垂直方向に対して設置角度β（＝９０°−α）で斜めに設置されているものとする。
４） 測定される電界の大きさは、アンテナ素子３１を真正面方向から水平方向に角度θずれた方向の位置から見こんだときの、アンテナ素子３１の見かけ上の長さに比例するものとする。測定される電界の向きは、アンテナ素子３１を真正面方向から水平方向に角度θずれた方向の位置から見こんだときの、アンテナ素子３１の長手方向とする。
５） アンテナ素子３１は無指向性（すべての方向で一定）とする。

図３（ｂ）に示すように、アンテナ素子３１を真正面方向から水平方向に角度θずれた方向から見た場合、アンテナ素子３１が垂直方向に対して角度φ（φ＜β）となって縦に傾いて見え、見かけの長さａが１よりも短くなる。このときのアンテナ素子３１の見かけの長さａと、角度φとは、数１のようになる。

図３（ｃ）に示すように、このときの主偏波方向成分ｂは、見かけの長さａの、アンテナ素子３１の一端３１ｄを通り垂直方向に対して４５°傾いた直線Ｌ１への正射影であり、交差偏波方向成分ｃは、見かけの長さａの、アンテナ素子３１の他端３１ｕを通り直線Ｌ１に平行な直線Ｌ２への正射影なので、それぞれ数２によって求められる。

よって、交差偏波成分の強度Ｃは、数３によって求めることができる。

ただし、交差偏波成分の強度Ｃは、正面方向（θ＝０°）で測定される斜めβ方向の電力を０ｄＢとしたときの相対値である。

ここで、角度θを０°〜９０°の範囲で様々に変え、アンテナ素子３１の設置角度αを４５°〜５０°にしたときの交差偏波の強度を図４〜図９にそれぞれ示す。また、角度θを０°〜９０°の範囲で様々に変え、アンテナ素子３１の設置角度αを４４°〜４０°にしたときの交差偏波の強度を図１０〜図１４にそれぞれ示す。

図４〜図１４では、横軸を角度θ（°）にとり、縦軸を交差偏波の強度（ｄＢ）にとった。また、図４〜図１４では＋θ方向のみで描いているが、−θ方向は各図を０°と０ｄＢとを結ぶ直線に対して線対称になる。

図４に示すように、アンテナ素子の設置角度αをα＝４５°にすると、θ＝４０°の方向で交差偏波の強度がサービスエリアの最低基準となる−２０ｄＢを超えてしまう。

これに対し、図５〜図９に示すように、アンテナ素子の設置角度αをα＝４６°、４７°、４８°、４９°、５０°にすると、θ＝０°〜４０°の方向で交差偏波の強度がサービスエリアの最低基準となる−２０ｄＢ以下になる。すなわち、交差偏波識別度が向上し、ダイバーシティ利得が向上する。特に、α＝４９°では、θ＝０°の正面方向で交差偏波の強度が約−２３ｄＢであり、θ＝約４７°で交差偏波の強度が−２０ｄＢなので、広いサービスエリアにわたって受信電波のレベルの変動を少なくできる最適値であることがわかる。

また、図１０〜図１４に示すように、アンテナ素子の設置角度αをα＝４４°、４３°、４２°、４１°、４０°にしても、θ＝４０°の方向で交差偏波の強度がサービスエリアの基準となる−２０ｄＢを超えてしまう。

従来、θ＝０°方向の交差偏波識別度のレベルを下げると、±θ方向で交差偏波識別度のレベルが上がり、θ＝０°方向の交差偏波識別度のレベルを上げると、±θ方向で交差偏波識別度のレベルが下がることは経験上わかっていたが、異なるサービスエリアの範囲に逐一対応させることは困難であった。

本発明によって、異なるサービスエリアの範囲に逐一対応した交差偏波識別度を計算で容易かつ正確に求められることがわかった。

また、真正面方向から±４０°の範囲のサービスエリアにおいて、交差偏波識別度を平均して良好にするには、アンテナ素子の設置角度αを４５°よりも大きい角度に、より好ましくは４５°＜α≦５０°の範囲にすればよいことがわかった。

図１（ａ）は本発明の好適実施の形態を示す正面図、図１（ｂ）はその側面図である。 図２（ａ）は偏波面が４５°のスロット片を模式的に示した正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＦ方向矢視図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＭ方向矢視図、図２（ｄ）は図２（ａ）のＳ方向矢視図である。 図３（ａ）は偏波面が角度βのスロット片を模式的に示した正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のθ方向矢視図、図３（ｃ）は図３（ｂ）のときの主偏波方向成分と交差偏波方向成分を説明する図である。 スロット給電型アンテナ（α＝４５°）の特性図である。 本実施の形態に係るスロット給電型アンテナ（α＝４６°）の特性図である。 本実施の形態に係るスロット給電型アンテナ（α＝４７°）の特性図である。 本実施の形態に係るスロット給電型アンテナ（α＝４８°）の特性図である。 本実施の形態に係るスロット給電型アンテナ（α＝４９°）の特性図である。 本実施の形態に係るスロット給電型アンテナ（α＝５０°）の特性図である。 スロット給電型アンテナ（α＝４４°）の特性図である。 スロット給電型アンテナ（α＝４３°）の特性図である。 スロット給電型アンテナ（α＝４２°）の特性図である。 スロット給電型アンテナ（α＝４１°）の特性図である。 スロット給電型アンテナ（α＝４０°）の特性図である。 従来のスロット給電型アンテナの正面図である。

符号の説明

１ スロット給電型アンテナ
２ アンテナ素子基板
３ スロット
３ａ，３ｂ スロット片
４ 無給電素子基板
５ 無給電素子
５ａ，５ｂ 素子片
α 設置角度
２α スロット片の交差角度

Claims (5)

1. 基板の一方の面に、二つの矩形状のスロット片を互いに交差させて形成した略十字形状のスロットを設けたスロット給電型アンテナにおいて、前記スロット片の交差角度が鈍角であることを特徴とするスロット給電型アンテナ。
2. 前記基板の一方の面に金属板を設け、その金属板に前記スロットを形成し、前記基板の他方の面に、一方のスロット片に対応する一方のマイクロストリップ線路を他方のスロット片に対向させて設けると共に、他方のスロット片に対応する他方のマイクロストリップ線路を一方のスロット片に対向させて設けた請求項１記載のスロット給電型アンテナ。
3. 前記基板は垂直に設置され、前記スロット片はそれぞれ水平に対して４５°よりも大きい角度で設けられる請求項１または２記載のスロット給電型アンテナ。
4. 前記スロット片はそれぞれ水平に対して５０°以下の角度で設けられる請求項３記載のスロット給電型アンテナ。
5. 二つの矩形状の素子片を互いに交差させて形成した無給電素子を備え、一方のスロット片に対応する一方の素子片を他方のスロット片に対向させて設けると共に、他方のスロット片に対応する他方の素子片を一方のスロット片に対向させて設けた請求項１〜４いずれかに記載のスロット給電型アンテナ。
   

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