JP2005252396A

JP2005252396A - アレーアンテナ

Info

Publication number: JP2005252396A
Application number: JP2004056709A
Authority: JP
Inventors: Yasuko Kimura; 泰子木村
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-03-01
Also published as: JP3822607B2

Abstract

【課題】指向性利得を下げることなく、サイドローブレベルを低減させ、小型化が可能なアレーアンテナを提供する。
【解決手段】Ｎ及びＭを自然数とし、放射素子Ｎ個を一つのサブアレーブロック内に直線上に垂直に配置し、サブアレーブロックＭ個を直線上に垂直に配置したアレーアンテナであって、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈの外側に配置される複数の第１の移相器１ａ、１ｂ、…、１ｈと、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈの内側に配置される複数の第２の移相器５ａ、５ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、移動体通信システムに用いられるアレーアンテナに関し、特に、垂直面内指向性を制御するアレーアンテナに関する。

従来、自動車、携帯電話等の移動体通信システムにおいては、限られた周波数の電波を効率良く使用するため、１つの基地局で使用する周波数を数種類の組に分け、その組を隣り合うサービスエリアでは使用しないように組み合わせている。

又、その周波数の組で使用可能な加入者は限定されているため、近年の加入者の増加に対処するために１つのサービスエリアを小さくし、基地局数を増加させ、周波数を繰り返し使用することにより、加入者数の増加に対処している。しかし、サービスエリアを小さくすると、同じ周波数を使用する基地局の間隔が狭くなり、他の基地局からの電波が届き、干渉の原因にもなる。

そこで、基地局などに使用されるアンテナは、放射素子を垂直に複数個並べてリニアアレー化し、位相や振幅を調整することにより、垂直面内の指向性の最大放射方向を傾けること、つまりチルトさせることで、上記の電波干渉などに対応している。

従来、図５に示すように、放射素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃを一つのサブアレーブロック１３ａ内に直線上に大地に対して垂直に配置し、サブアレーブロック１３ａ、１３ｂ、…、１３ｈを直線上に大地に対して垂直に配置したリニアアレーアンテナがある。このリニアアレーアンテナは、サブアレーブロック１３ａ、１３ｂ、…、１３ｈ毎に移相器１１ａ、１１ｂ、…、１１ｈ及び振幅制御装置１２ａ、１２ｂ、…、１２ｈを備え、サブアレーブロック１３ａ、１３ｂ、…、１３ｈ毎に、位相及び振幅を調整する（例えば、特許文献１参照）。このように、従来のアレーアンテナでは、移相器の数を減少させるため、サブアレーブロックの外に移相器を配置している。
特開２０００−３４９５４６号公報（「００１１」段落、図１）

図５に示す従来のアレーアンテナでは、希望するチルト角が基準チルト角から離れるとサイドローブレベルが上がってしまい、指向性利得が落ちてしまう。このサイドローブレベルを低減させるためには、振幅分配を変えるか、サブアレーブロックに含まれる放射素子数を減らす必要があり、最終的には、１放射素子毎に振幅と位相を変化させることが必要であった。

しかし、移相器の大きさは位相量の大きさに比例しているので、高チルトになれば位相量が大きくなり、移相器の大きさが大きくなる。このため、１放射素子毎に移相器を備えると、アレーアンテナの大きさが大きくなり、実用に適さないという問題があった。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、指向性利得を下げることなく、サイドローブレベルを低減させ、小型化が可能なアレーアンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、Ｎ及びＭを自然数とし、放射素子Ｎ個を一つのサブアレーブロック内に直線上に垂直に配置し、サブアレーブロックＭ個を直線上に垂直に配置したアレーアンテナであって、（イ）サブアレーブロックの外側に配置される複数の第１の移相器と、（ロ）サブアレーブロックの内側に配置される複数の第２の移相器とを備えるアレーアンテナであることを要旨とする。

本発明の特徴に係るアレーアンテナによると、第１の移相器と第２の移相器とを備え、２段階で位相量を調節するので、移相器それぞれが調節する位相量は小さくなり、第１の移相器及び第２の移相器の小型化が可能となる。又、本発明の特徴に係るアレーアンテナによると、チルトをかけた際に、指向性利得を下げることなく、垂直面内指向性のサイドローブレベルを低減させることができる。

又、本発明の特徴に係るアレーアンテナにおいて、複数の第２の移相器は、放射素子Ｎ個それぞれの位相量を、一つのサブアレーブロック内の中心で対称となるように変化させてもよい。このアレーアンテナによると、一つのサブアレーブロックにおける位相量がバランス良く配分され、特に、指向性利得を下げることなく、垂直面内指向性のサイドローブレベルを低減させることができる。

又、本発明の特徴に係るアレーアンテナにおいて、複数の第２の移相器は、すべて同じ位相量の変化を行ってもよい。このアレーアンテナによると、第２の移相器における位相量の可動範囲が少なくなり、第２の移相器の小型化及びアレーアンテナ全体の小型化を図ることができる。

本発明によると、指向性利得を下げることなく、サイドローブレベルを低減させ、小型化が可能なアレーアンテナを提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（アレーアンテナの構成）
本実施形態に係るアレーアンテナは、Ｎ及びＭを自然数とし、放射素子Ｎ個を一つのサブアレーブロック内に直線上に垂直に配置し、サブアレーブロックＭ個を直線上に垂直に配置するＮ素子×Ｍサブアレーブロックのリニアアレーアンテナである。本実施形態における各構成要素は双方向動作が可能であり、送信アンテナと受信アンテナとのいずれにも使用できる。

本実施形態に係るアレーアンテナは、例えば、図１に示すように、放射素子４ａ、４ｂ、４ｃを一つのサブアレーブロック３ａ内に直線上に大地に対して垂直に配置し、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈを直線上に大地に対して垂直に配置する。又、アレーアンテナは、給電部６と、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈの外側に配置される複数の振幅制御装置２ａ、２ｂ、…、２ｈと、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈの外側に配置される複数の第１の移相器１ａ、１ｂ、…、１ｈと、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈの内側に配置される複数の第２の移相器５ａ、５ｂとを備える。図１は、一つのサブアレーブロック３ａ内に放射素子を３個配置し、サブアレーブロックを８ブロック備えた２４素子のアレーアンテナである。

放射素子４ａ、４ｂ、４ｃは、実質的に等間隔で配列され、アンテナ素子として使用される。放射素子４ａ、４ｂ、４ｃとしては、ダイポールアンテナその他の線状アンテナや、パッチアンテナ、スロットアンテナなどの平面アンテナを用いることができる。

給電部６は、複数の放射素子４ａ、４ｂ、４ｃが形成するビーム方向に対応して、各放射素子の送受信信号の位相差を設定する。

振幅制御装置２ａ、２ｂ、…、２ｈは、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈ毎に配置され、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈの振幅を調整する。

第１の移相器１ａ、１ｂ、…、１ｈは、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈ毎に配置され、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈの位相を調整する。サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈは、基準となるチルト角度においての位相量があらかじめ設定されているが、希望のチルト角度（主ビーム方向）に設定する場合には、第１の移相器１ａ、１ｂ、…、１ｈが、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈの位相を調整する。

第２の移相器５ａ、５ｂは、放射素子４ａ、４ｃの位相を調整する。図１に示すように、第２の移相器５ａは、放射素子４ａの位相を調整し、第２の移相器５ｂは、放射素子４ｃの位相を調整する。

又、第２の移相器５ａ、５ｂは、放射素子４ａ、４ｃそれぞれの位相量を、一つのサブアレーブロック３ａ内の中心で対称となるように変化させる。例えば、図１では、サブアレーブロック３ａの中心に位置する放射素子４ｂを中心として、放射素子４ａ及び放射素子４ｃを同じ位相量に変化させる。サブアレーブロック内に放射素子が偶数個ある場合は、例えば、４個あると仮定すると、上から１番目及び４番目の放射素子に配置された第２の移相器はこれらを同位相に、２番目及び３番目の放射素子に配置された第２の移相器はこれらを同位相に変化させる。

又、第２の移相器５ａ、５ｂは、すべて同じ位相量の変化を行ってもよい。例えば、図１では、第２の移相器５ａ及び第２の移相器５ｂは、放射素子４ａ及び放射素子４ｃに対して、同位相量変化させる。

尚、第２の移相器５ａ、５ｂが、放射素子４ａ、４ｃそれぞれの位相量を、一つのサブアレーブロック３ａ内の中心で対称となるように変化させ、すべて同じ位相量の変化を行うためには、図１に示すように、３素子を一つのサブアレーブロック３ａ内に配置するのがよい。

又、第２の移相器５ａ、５ｂは位相量の可動範囲は、サブアレーブロック内の中心に位置する素子（図１では４ｂ）に対して±２０°程度と少ないので、小型化なものとなる。

（本実施形態に係るアレーアンテナの作用及び効果）
本実施形態に係るアレーアンテナによると、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈの外側に配置される複数の第１の移相器１ａ、１ｂ、…、１ｈと、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈの内側に配置される複数の第２の移相器５ａ、５ｂとを備え、２段階で位相量を調節することができる。このため、移相器それぞれが調節する位相量は小さくなり、第１の移相器１ａ、１ｂ、…、１ｈ及び第２の移相器５ａ、５ｂの小型化が可能となる。又、本実施形態に係るアレーアンテナによると、チルトをかけた際に、指向性利得を下げることなく、垂直面内指向性のサイドローブレベルを低減させることができるので、干渉に強い安定したサービスを提供することができる。

又、第２の移相器５ａ、５ｂは位相量の可動範囲は、サブアレーブロック内の中心に位置する素子（図１では４ｂ）に対して±２０°程度と少ないので、小型化が図れ、サブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈ内に第２の移相器５ａ、５ｂを入れても、外観はさほど大きくならない。

又、本実施形態に係るアレーアンテナによると、複数の第２の移相器５ａ、５ｂは、放射素子４ａ、４ｂ、４ｃそれぞれの位相量を、一つのサブアレーブロック３ａ、３ｂ、…、３ｈ内の中心で対称となるように変化させることができる。このため、一つのサブアレーブロックにおける位相量がバランス良く配分され、特に、指向性利得を下げることなく、垂直面内指向性のサイドローブレベルを低減させることができる。

又、本実施形態に係るアレーアンテナによると、複数の第２の移相器５ａ、５ｂは、すべて同じ位相量の変化を行うことができる。このため、第２の移相器における位相量の可動範囲が少なくなり、第２の移相器の小型化及びアレーアンテナ全体の小型化を図ることができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上述した実施形態において、３素子×８サブアレーブロックのアレーアンテナについて説明したが、素子数やブロック数はこれに限らないことは勿論である。

又、図１では、第２の移相器５ａ、５ｂは、１つのサブアレーブロック内に２つ備えられているが、すべての放射素子４ａ、４ｂ、４ｃに対して備えられていてもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

以下に実施例を挙げて、本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。

本発明の効果を確かめるために、本発明が適用された実施例のアレーアンテナ、従来例のアレーアンテナについて、垂直面内指向性を測定した。

実施例は、図１に示す３素子×８サブアレーブロックのアレーアンテナであり、サブアレーブロックの外側に配置される第１の移相器と、サブアレーブロック内の両端の放射素子について配置された第２の移相器とを備える。一方、従来例は、図５に示す３素子×８サブアレーブロックのアレーアンテナであり、第２の移相器を有さないこと以外は、実施例（図１）と同様の構成とする。

実施例及び従来例共に、振幅制御装置の振幅分配は、振幅制御装置２ａ、１２ａ＝０．３、振幅制御装置２ｂ、１２ｂ＝０．５、振幅制御装置２ｃ、１２ｃ＝０．７、振幅制御装置２ｄ、１２ｄ＝１．０、振幅制御装置２ｅ、１２ｅ＝１．０、振幅制御装置２ｆ、１２ｆ＝０．７、振幅制御装置２ｇ、１２ｇ＝０．５、振幅制御装置２ｈ、１２ｈ＝０．３とした。

図２は、従来例において、基準チルト角が１０°であり、主ビーム方向が１０°である場合の垂直面内指向性を示す。このとき、第１の移相器１１ａ、１１ｂ、…、１１ｈの位相量は０°であった。

図３は、従来例において、基準チルト角が１０°であり、主ビーム方向が１５°である場合の垂直面内指向性を示す。このとき、第１の移相器１１ａ、１１ｂ、…、１１ｈの位相量は５°であった。

図４は、実施例において、基準チルト角が１０°であり、主ビーム方向が１５°である場合の垂直面内指向性を示す。このとき、第１の移相器１ａ、１ｂ、…、１ｈの位相量は５°であり、第２の移相器５ａ、５ｂの位相量は、サブアレーブロックの中心素子（図２では、４ｂ）に対して±２０°であった。

（結果）
図２と比較すると、図３は、サイドローブレベルが上がっていることが分かる。このように、従来のアレーアンテナでは、希望するチルト角が基準チルト角から離れるとサイドローブレベルが上がる。

一方、図４では、サイドローブレベルが上がっていないことが分かる。このように、実施例に係るアレーアンテナでは、第２の移相器を備えることにより、希望するチルト角が基準チルト角から離れてもサイドローブレベルは上がらない。又、図２、図３における指向性利得は、それぞれ１４．５ｄＢｉ、１４．１ｄＢｉであり、図４における指向性利得は１４．５ｄＢｉであることから、指向性利得を下げることなく、サイドローブレベルを低減させることが分かる。

又、基準チルト角と主ビーム方向の位相差分（ここでは、５°）を、第１の移相器で調整し、第２の移相器でサブアレーブロックの中心素子に対して±２０°程度の調整を行うと、特に良好な結果が得られることが分かる。

本発明の実施形態に係るアレーアンテナの構成ブロック図である。従来例の垂直面内指向性を示すグラフである（その１）。従来例の垂直面内指向性を示すグラフである（その２）。実施例の垂直面内指向性を示すグラフである。従来のアレーアンテナの構成ブロック図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、…、１ｈ、１１ａ、１１ｂ、…、１１ｈ第１の移相器
２ａ、２ｂ、…、２ｈ、１２ａ、１２ｂ、…、１２ｈ振幅制御装置
３ａ、３ｂ、…、３ｈ、１３ａ、１３ｂ、…、１３ｈサブアレーブロック
４ａ、４ｂ、４ｃ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ放射素子
５ａ、５ｂ第２の移相器

Claims

Ｎ及びＭを自然数とし、放射素子Ｎ個を一つのサブアレーブロック内に直線上に垂直に配置し、前記サブアレーブロックＭ個を直線上に垂直に配置したアレーアンテナであって、
前記サブアレーブロックの外側に配置される複数の第１の移相器と、
前記サブアレーブロックの内側に配置される複数の第２の移相器と
を備えることを特徴とするアレーアンテナ。
前記複数の第２の移相器は、放射素子Ｎ個それぞれの位相量を、一つのサブアレーブロック内の中心で対称となるように変化させることを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。
前記複数の第２の移相器は、すべて同じ位相量の変化を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のアレーアンテナ。