JP2006025027A - ２素子アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】全ての周波数のビーム幅がほぼ同じ値になり、サイドローブレベルとバックローブレベルが他エリアへ干渉を与えないレベルになる２素子アレイアンテナを実現する。
【解決手段】平行に配置されたアレイアンテナ素子３ａ及び３ｂと、反射面が、それらアンテナ素子に対して平行に配置された反射器４ａとを有する２素子アレイアンテナにおいて、アンテナ素子３ａ及び３ｂ同士の間に、導体である反射板４ｂを設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は２素子アレイアンテナに関し、特に移動通信用基地局アンテナとして利用される広帯域２素子アレイアンテナに関する。

移動通信用基地局アンテナとして利用される２素子アレイアンテナが特許文献１に記載されている。同文献に記載されている２素子アレイアンテナは、２つのダイポールアンテナの背面に、反射器を設けた構成である。この構成により、内径が大きい円筒形状カバー内に２つのダイポールアンテナを収容した場合に発生する水平面内ビーム幅の広がりに対して、リターンロス特性を劣化させることなく、その広がった水平面内ビーム幅を狭くすることができる。
特開２００１−３６３３８号公報

ところで、２素子アレーの広帯域なアンテナの場合、周波数が変わるとビーム幅が同じでもバックローブレベルやサイドローブレベルが変化してしまい、サービスエリア外に干渉を与えることになる。このため、広帯域アンテナの実現を難しくしている。
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は全ての周波数のビーム幅がほぼ同じ値になり、サイドローブレベルとバックローブレベルが他エリアへ干渉を与えないレベルになる２素子アレイアンテナを提供することである。

本発明の請求項１による２素子アレイアンテナは、平行に配置された第１及び第２のアレイアンテナ素子と、反射面が、前記第１及び第２のアンテナ素子に対して平行に配置された反射器と、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子との間に設けられた導体とを含むことを特徴とする。このように構成すれば、全ての周波数のビーム幅がほぼ同じ値になり、サイドローブレベルとバックローブレベルが他エリアへ干渉を与えないレベルにできる。

本発明の請求項２による２素子アレイアンテナは、請求項１において、前記導体は、前記反射器の反射面に対して垂直な主面を有する、少なくとも１枚の金属板であることを特徴とする。金属板を少なくとも１枚設けることで、全ての周波数のビーム幅がほぼ同じ値になり、サイドローブレベルとバックローブレベルが他エリアへ干渉を与えないレベルにできる。

本発明の請求項３による２素子アレイアンテナは、請求項１において、前記導体は、前記反射器の反射面に接触する側面を有する、三角柱状の金属体であることを特徴とする。三角柱状の金属体を設けることで、全ての周波数のビーム幅がほぼ同じ値になり、サイドローブレベルとバックローブレベルが他エリアへ干渉を与えないレベルにできる。
本発明の請求項４による２素子アレイアンテナは、請求項１において、前記導体は、前記反射器の反射面に対して平行な中心軸を有する、少なくとも１本の金属棒であることを特徴とする。金属棒を少なくとも１本設けることで、設けることで、全ての周波数のビーム幅がほぼ同じ値になり、サイドローブレベルとバックローブレベルが他エリアへ干渉を与えないレベルにできる。

以上説明したように本発明は、平行に配置された第１及び第２のアレイアンテナ素子と、反射面が、それらアンテナ素子に対して平行に配置された反射器とを有する２素子アレイアンテナにおいて、アンテナ素子同士の間に導体を設けることにより、全ての周波数のビーム幅がほぼ同じ値になり、サイドローブレベルとバックローブレベルが他エリアへ干渉を与えないレベルにすることができるという効果がある。

本発明では、反射器の前に設けられている２素子アレーアンテナの中央（真ん中）に、導体すなわち金属体を配置する。この金属体は背面の反射器の反射面と垂直になるように配置又は配列し、この金属体の高さを変えることでサイドローブレベルとバックローブレベルを低減させる。金属体は金属板でも、金属柱でも、金属導棒でも良い。金属棒で高さを変える場合は、同じ金属棒を並べれば良い。なお、配置する金属の幅や本数に制限はない。
以下、実施例と共に、具体的な構成について説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。

図１は、本発明による２素子アレイアンテナの実施例１の構成を示す斜視図である。同図に示されているように、本実施例の２素子アレイアンテナは、平行に配置されたアレイアンテナ素子３ａ及び３ｂと、反射面がアレイアンテナ素子３ａ及び３ｂに対して平行に配置された反射器４ａと、アレイアンテナ素子３ａとアレイアンテナ素子３ｂとの間に設けられた導体である反射板４ｂとを含んで構成されている。反射板４ｂは、反射器４ａの反射面に対して垂直な主面を有している。反射器４ａ及び反射板４ｂの長さは、波長の２倍程度あれば良い。

ここで、反射板４ｂが設けられていない構成、すなわち特許文献１に記載されている構成が図２に示されている。以下、同図の構成、及び、図１の構成において、周波数を１．７ＧＨｚから２．２ＧＨｚまで、０．１ＧＨｚ毎に変えた場合のビーム幅の変化についてそれぞれ説明する。
なお、本例ではアレイアンテナ素子には、６０度ビームアンテナを用いる。

反射板４ｂの高さＨ（すなわち、反射器の反射面からの距離）を変えたときのビーム幅の変化が図３に、反射板４ｂの高さを変えたときのＦＢ（Ｆｒｏｎｔ／ｂａｃｋ）比の変化が図４に、それぞれ示されている。両図においては、四角形が１．７ＧＨｚ、丸が１．８ＧＨｚ、三角形が１．９ＧＨｚ、逆三角形が２．０ＧＨｚ、菱形が２．１ＧＨｚ、左向き三角形が２．２ＧＨｚ、の場合の特性をそれぞれ示している。なお、ＦＢ比とは、フロント方向のメインローブを基準値０ｄＢとし、どれくらいのバックローブがあるのかを示す値である。

両図において、反射板４ｂの高さが０（零）のときは、図２のように反射板４ｂが設けられていない場合である。
図３を参照すると、反射板４ｂの高さＨが０[ｍｍ]から５０[ｍｍ]まで変化しても、ＨＰＢＷ（Ｈａｌｆ Ｐｏｗｅｒ Ｂａｎｄ Ｗｉｄｔｈ）の値はほとんど変化していないことが分かる。

一方、図４を参照すると、ＦＢ比（図中の「Ｆ/Ｂ」）は、最大利得を０ｄＢとしたとき、サイドローブレベルやバックローブレベルが主ビーム方向から９０度〜２７０度の最悪値をとった。
また、図２の構成における水平面内指向性パターンが図５に、図１の構成における水平面内指向性パターンが図６に、それぞれ示されている。図６は、金属板の高さを４０[ｍｍ]としたときの水平面内指向性パターンである。両図を比較すると、図５の場合よりも図６の場合の方が、サイドローブやバックローブのレベルが小さくなっている。

以上の結果から、反射板４ｂの高さを変えてもビーム幅はほとんど変わらないが、ＦＢ比には影響があることがわかる。図４を参照すると、ＦＢ比は低いことが望ましいので、反射板４ｂの高さＨは３０[ｍｍ]〜５０[ｍｍ]であることが好ましい。特に、ほとんどの周波数においてＦＢ比が−１５[ｄＢ]以下になる、高さＨが３０[ｍｍ]が最適値である。
なお、反射器の長さは水平面内ビーム幅にほとんど影響を与えない。このことは、論文「細い金属導体を近接配置することによる移動通信用基地局アンテナの水平面内指向性制御」（木村泰子、恵比根佳雄、電子情報通信学会論文誌 B Vol.J87-B No.5 pp.673-684 2004年５月）の６７５ページの図４において明らかにされている。

図７は、本発明による２素子アレイアンテナの実施例２の構成を示す斜視図である。同図に示されているように、本実施例の２素子アレイアンテナは、アレイアンテナ素子３ａと３ｂとの間に、２枚の反射板４ｂ１、４ｂ２を有している。すなわち、反射器４ａに短絡した２枚の反射板４ｂ１、４ｂ２を、アレイアンテナ素子３ａと３ｂと平行で、かつ、反射器４ａと垂直となるように配置している。２枚の反射板４ｂ１、４ｂ２の間隔は任意で良い。

図７の構成において、周波数を１．７ＧＨｚから２．２ＧＨｚまで、０．１ＧＨｚ毎に変えたときの水平面内指向性パターンが図８に示されている。同図を参照すると、図５の場合よりもサイドローブやバックローブのレベルが小さくなっている。
以上の結果から、アレイアンテナ素子間に反射板を２枚配置した構成でも、ＦＢ比は改善されることがわかる。

図９は、本発明による２素子アレイアンテナの実施例３の構成を示す斜視図である。同図に示されているように、本実施例の２素子アレイアンテナは、図１中の反射板の代わりに、反射器４ａに短絡させた三角柱状の金属体５を、その長手方向がアレイアンテナ素子３ａ及び３ｂと平行で、かつ、その底面が反射器４ａと垂直となるように配置している。この三角柱状の金属体５は、その側面が反射器４ａの反射面に接触している。

図９の構成において、周波数を１．７ＧＨｚから２．２ＧＨｚまで、０．１ＧＨｚ毎に変えたときの指向性パターンが図１０に示されている。同図を参照すると、図５の場合よりもサイドローブやバックローブのレベルが小さくなっている。
以上の結果から、アレイアンテナ素子間に三角柱状の金属体による反射器を配置した構成でも、ＦＢ比は改善されることがわかる。

図１１は、本発明による２素子アレイアンテナの実施例４の構成を示す斜視図である。同図に示されているように、本実施例の２素子アレイアンテナでは、図１中の反射板の代わりに、３本の金属棒６ａ、６ｂ、６ｃを、それぞれの中心軸がアレイアンテナ素子３ａ及び３ｂと平行になるように、設けている。金属棒６ａは、各アンテナ素子３ａ、３ｂからの距離が等しくなる位置に設けられている。金属棒６ｂ、６ｃについても同様である。金属棒同士の間隔は任意で良い。

図１１の構成において、周波数を１．７ＧＨｚから２．２ＧＨｚまで、０．１ＧＨｚ毎に変えたときの指向性パターンが図１２に示されている。同図を参照すると、図５の場合よりもサイドローブやバックローブのレベルが小さくなっている。
以上の結果から、アレイアンテナ素子間に金属棒を置くことでも、ＦＢ比は改善されることがわかる。

（まとめ）
以上のように、２素子アレイアンテナ素子同士の間に、それらアンテナ素子と平行になるように導体すなわち金属体を配置することで、サイドローブレベルやバックローブレベルが低減できることが明らかになった。
この金属体については、金属板であれば少なくとも１枚、金属棒であれば少なくとも１本、設ければ良い。また、金属体は反射器と電気的に短絡状態（すなわちショート）になっていても良いし、電気的に開放状態（すなわちオープン）になっていても良い。

本発明による２素子アレイアンテナは、移動通信用基地局アンテナとして利用できる。

本発明による２素子アレイアンテナの実施例１の構成を示す斜視図である。 反射板を設けていない２素子アレーアンテナの構成を示す斜視図である。 図１中の反射板４ｂの高さＨを変えたときのビーム幅の変化を示す図である。 図１中の反射板４ｂの高さを変えたときのＦＢ比の変化を示す図である。 図２の構成における水平面内指向性パターンを示す図である。 図１の金属板の高さを４０[ｍｍ]としたときの水平面内指向性パターンを示す図である。 本発明による２素子アレイアンテナの実施例２の構成を示す斜視図である。 図７の構成における水平面内指向性パターンを示す図である。 本発明による２素子アレイアンテナの実施例３の構成を示す斜視図である。 図９の構成における水平面内指向性パターンを示す図である。 本発明による２素子アレイアンテナの実施例４の構成を示す斜視図である。 図１１の構成における水平面内指向性パターンを示す図である。

符号の説明

３ａ、３ｂ アレイアンテナ素子
４ａ 反射器
４ｂ、４ｂ１、４ｂ２ 反射板
５ 金属体
６ａ、６ｂ、６ｃ 金属棒

Claims (4)

1. 平行に配置された第１及び第２のアレイアンテナ素子と、反射面が、前記第１及び第２のアンテナ素子に対して平行に配置された反射器と、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子との間に設けられた導体とを含むことを特徴とする２素子アレイアンテナ。
2. 前記導体は、前記反射器の反射面に対して垂直な主面を有する、少なくとも１枚の金属板であることを特徴とする請求項１記載の２素子アレイアンテナ。
3. 前記導体は、前記反射器の反射面に接触する側面を有する、三角柱状の金属体であることを特徴とする請求項１記載の２素子アレイアンテナ。
4. 前記導体は、前記反射器の反射面に対して平行な中心軸を有する、少なくとも１本の金属棒であることを特徴とする請求項１記載の２素子アレイアンテナ。

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