JP2006203428A - ６０°ビームアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比帯域約２５％においても良好なＶＳＷＲ特性を得ることが可能な広帯域ビームアンテナ装置を提供する。
【解決手段】 約λ／２（λは、所望周波数帯の中心周波数の波長）の長さを有し、約λ／２の間隔をおいて平行配設された第１及び第２のダイポールアンテナ２，３と、主給電線路５と主給電線路５から分岐して各ダイポールアンテナ２，３の給電点にそれぞれ接続された第１及び第２の分岐給電線路２ｂ，３ｂとを有してなる給電手段と、を備え、主給電線路５の特性インピーダンスを約５０Ωに設定し、第１及び第２の分岐給電線路２ｂ，３ｂの特性インピーダンスを約１００Ωに設定している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２ダイポール構成の６０°ビームアンテナ装置に関し、特に移動通信システム等の基地局におけるスペースダイバーシチアンテナとして好適な６０°ビームアンテナ装置に関するものである。

ビームアンテナ装置を用いた移動体通信では、１つの基地局がカバーするエリアを扇状のセクタゾーンに分割して、周波数利用効率を向上させている。このように、エリアゾーンを扇状に分割するためには、基地局アンテナ装置に指向性アンテナ装置を用いて、希望する扇状の範囲にのみ電波が放射されるようにする必要がある。
一方、移動体通信の周波数帯域は、広くても比帯域１７％程度である。しかし、既存の周波数帯域に新たな周波数帯域が隣接した場合には、２つの周波数帯域を合わせた比帯域は２５％程度と更に広帯域になるので、アンテナ装置自体を広帯域にする必要がある。
６セクタゾーンの構成では、基地局用に水平面内の指向性が６０°のビームアンテナ装置が使用され、図１２にはこのようなアンテナ装置の一例が示されている。このアンテナ装置は、左右に平行に並べられた２組のダイポールアンテナ１００と、この２組のダイポールアンテナ１００から約０．２λ（λは、所望周波数帯の中心周波数の波長）離れた位置に配設された反射板１０１と、上記２組のダイポールアンテナ１００の間に互いに平行して配設された２組の台形状無給電素子１０２とを備えた構成を有する（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−６９７１６号公報

しかし、上記構成を有する従来の２ダイポールアンテナ装置は、図１３に示すように、比帯域が２１％程度である。つまり、この従来のアンテナ装置では、比帯域約２５％を満足するＶＳＷＲ特性が得られない。このため、比帯域の広帯域化に十分対応することができるより実用性の高いビームアンテナ装置の実現が望まれている。
本発明の目的は、このような状況に鑑み、比帯域約２５％においても良好なＶＳＷＲ特性を得ることが可能な広帯域ビームアンテナ装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る６０°ビームアンテナ装置は、約λ／２（λは、所望周波数帯の中心周波数の波長）の長さを有し、約λ／２の間隔をおいて平行配設された第１及び第２のダイポールアンテナと、主給電線路と該主給電線路から分岐して前記各ダイポールアンテナの給電点にそれぞれ接続された第１及び第２の分岐給電線路とを有してなる給電手段と、を備え、前記主給電線路の特性インピーダンスを約５０Ωに設定し、前記第１及び第２の分岐給電線路の特性インピーダンスを約１００Ωに設定している。

この６０°ビームアンテナ装置は、前記第１及び第２のダイポールアンテナおよび前記給電手段を複数配列形成してアレー化することが可能である。

前記第１及び第２のダイポールアンテナと前記第１及び第２の分岐給電線路とを第１の誘電体基板に金属箔で形成し、前記主給電線路を第２の誘電体基板に金属箔で形成してもよい。

単向性を持たせるため、前記第１及び第２のダイポールアンテナの背部に反射板を設けることができる。実施形態において、この反射板は、前記第１及び第２のダイポールアンテナを含む面から約０．２２λの距離をおいて設け、また、前記第１及び第２のダイポールアンテナの配列方向に沿った方向の幅を約０．７５λに設定するとともに、前記各ダイポールアンテナに沿った両縁部を高さ約０．１２λを有するように前記各ダイポールアンテナ側に向って折り曲げている。

本発明に係るビームアンテナ装置によれば、主給電線路の特性インピーダンスを約５０Ωに設定し、この主給電線路から分岐して第１及び第２のダイポールアンテナに接続される第１及び第２の分岐給電線路の特性インピーダンスを約１００Ωに設定しているので、ＶＳＷＲ特性を広帯域化して、比帯域約４０％を実現することが可能である。また、無給電素子などを配備しない構造を有するので、低姿勢化および低廉化を図ることが可能である。それゆえ、本発明に係るビームアンテナ装置は、特に移動通信システム等の基地局におけるスペースダイバーシチアンテナとして好適である。

図１は、本発明に係る６０°ビームアンテナ装置の実施形態を示した斜視図である。また、図２及び図３は、それぞれ図１に示す誘電体基板１の表面図及び背面図である。
図２、図３に示すように、誘電体基板１には、該誘電体基板１の中心軸線Ｌを中心とする対称位置にダイポールアンテナ２，３が設けられている。
互いに平行する上記一対のダイポールアンテナ２，３は、長さが約λ／２（λは、所望周波数帯の中心周波数の波長）に設定され、また、それらの間隔が約λ／２に設定されている。

ダイポールアンテナ２は、誘電体基板１の表面および背面にそれぞれ形成された金属箔からなるアンテナ素子２ａおよび２ａ’を備え、同様に、ダイポールアンテナ３は、誘電体基板１の表面および背面にそれぞれ形成された金属箔からなるアンテナ素子３ａおよび３ａ’を備えている。

誘電体基板１の表面および背面には、金属箔からなる分岐導体２ｂ，３ｂおよび分岐導体２ｂ’，３ｂ’がそれぞれ設けられている。
分岐導体２ｂ，３ｂは、誘電体基板１の中心点からアンテナ素子２ａ，３ａの給電点に至るように形成され、同様に、分岐導体２ｂ’，３ｂ’は、誘電体基板１の中心点からアンテナ素子２ａ’，３ａ’の給電点に至るように形成されている。

図１に示すように、誘電体基板１の背面側には、誘電体基板４が設けられている。この誘電体基板４は、図３に示す対称軸線Ｌ上に当接するように上記誘電体基板１の背面に対して直角に設けられ、その一方および他方の面には、図４に示す導体５および導体（接地導体）６がそれぞれ金属箔によって形成されている。
導体５は、誘電体基板１の表面中心点において上記分岐導体２ｂ，３ｂに接続され、また接地導体６は、誘電体基板１の背面中心点において上記分岐導体２ｂ’，３ｂ’に接続されている。

上記分岐導体２ｂ，２ｂ’および３ｂ，３ｂ’は、それぞれ特性インピーダンスが約１００Ωの分岐給電線路８および９を構成するように形成され、また上記導体５，６は、特性インピーダンスが約５０Ωの主給電線路１１を構成するように形成されている。

図１に示すように、誘電体基板１の背部には反射板７が設けられている。この反射板７は、誘電体基板４を挟んで誘電体基板１に平行するように該誘電体基板１から距離ｄをおいて設けられ、かつ、上記ダイポールアンテナ２および３に沿った両縁部が誘電体基板１側に向かって直角に折り曲げられている。
この反射板７において、第１、第２のダイポールアンテナ２，３の配列方向に沿った方向の幅Ｗは例えば０．６５〜０．８５λに設定され、また、各折曲げ部７ａの高さｈは例えば０．０９〜０．１５λに設定される。また、ダイポールアンテナ２，３を含む面に対する上記反射板７の配置距離ｄは、例えば０．１７〜０．２７λに設定される。なお、この実施形態では、ｗ、ｈ及びｄがそれぞれ約０．７５λ、０．１２λ及び０．２２λに設定されている。

上記ｗ、ｈは、指向性のビーム幅、サイドロープに影響する。通常、ｗは所望指向性（６０°ビーム）に基づいてほぼ決定されるが、アンテナ装置の寸法に制限があって、所望指向性に適合するｗを確保することが困難となる場合には、上記折り曲げ部７ａを利用してダイポールアンテナ２，３からの反射板７の見かけ上の大きさを大きくする。
上記実施形態に係るアンテナ装置の場合、周波数１．１３ｆに関してはｗを０．５λ程度に設定することによって良好な指向性を得ることができる。しかし、周波数０．８７ｆに関してはｗを０．７５λ程度の大きさに設定してもその大きさが不足し、このためビーム幅が広くなる。また、ｗを必要以上に大きくすると、周波数１．１３ｆに関してのビームのサイドローブが影響を受けることになる。そこで、所望周波数帯域０．８７ｆ〜１．１３ｆにおいて良好な指向性が得られるように、上記各折曲げ部７ａの高さｈが調整される。

一方、上記ｄは、指向性のバックローブに影響する。このｄは、通常であれば約０．２５λに設定されるが、所望周波数帯域０．８７ｆ〜１．１３ｆを考慮して設定することが望ましい。
図５には、ｗ＝０．７５、ｄ＝０．１２λ下でｄを０．１〜０．４λの範囲で変化させた場合の周波数０．８７ｆ、ｆおよび１．１３ｆ（ｆは中心周波数）についてのビーム幅の変化特性ａ、ｂおよびｃがそれぞれ例示され、また、図６には、同一条件下での周波数０．８７ｆ、ｆおよび１．１３ｆについてのフロントバック比の変化特性ａ、ｂおよびｃがそれぞれ例示されている。
図５及び図６に示すように、ｗ＝０．７５、ｄ＝０．１２λ下では、ｄを約０．２２λに設定することにより良好なビーム幅とフロントバック比が得られる。

ところで、移動体通信用アンテナ装置においては、１つの入力信号を２つ以上の信号に変換するときに、通常、分岐器として電力分配器が使用される。この電力分配器は、λ／４もしくは約λ／４の長さと適切な特性インピーダンスとを有する１／４波長インピーダンス整合回路を用いて構成される。
上記１／４波長インピーダンス整合回路の帯域幅は、アンテナのＶＳＷＲ特性を良好に保つために、通常、ＶＳＷＲ１．１以下ぐらいに設計される。この１／４波長インピーダンス整合回路の比帯域は、約１７％程度であることから、目的とする比帯域２５％を実現するには、２段構成の１／４波長インピーダンス整合回路を使用しなければならないことになる。

しかし、上記実施形態に係る６０°ビームアンテナ装置の構造では、スペース上の制約のために、１段構成の１／４波長整合回路しか使用できない。すなわち、上記実施形態に係るアンテナ装置においては、分岐給電線路８および９の形成部位にそれぞれ上記１／４波長整合回路を形成することになるが、誘電体基板の中心点からダイポールアンテナ２および３の給電点に至る距離がそれぞれ約λ／４であることから、上記分岐給電線路８および９の形成部位に全長が約λ／２である２段構成の１／４波長インピーダンス整合回路を挿入することは不可能である。

そこで、この実施形態に係る６０°ビームアンテナ装置では、前記したように、分岐給電線路８，９の特性インピーダンスを約１００Ωに固定し、これらの分岐給電線路８，９分岐点に特性インピーダンスが約５０Ωの主給電線路１０を接続するようにしている。
このような構成を有するこの実施形態に係る６０°ビームアンテナ装置によれば、２段構成の１／４波長インピーダンス整合回路を挿入することなく給電線路とダイポールアンテナ２および３とが良好に整合されるので、ダイポールアンテナ２，３に給電する給電線路の周波数特性をなくして、広帯域特性を得ることができる。
しかも、前記反射板７を備えていることから、広帯域にわたって水平面内の指向性を良好にすることができる。

図７は、アレー化した本発明に係る６０°ビームアンテナ装置の実施形態を示している。この図７においては、図１に示す要素と同一の要素に共通の符号を付してある。
このアレー化ビームアンテナ装置は、実質的に図１に示すアンテナ装置をダイポールアンテナ２，３の長手方向に沿って２個配列した構成をもつ。したがって、誘電体基板１０、誘電体基板６０及び反射板７０は、それぞれ図１に示す誘電体基板１、誘電体基板６及び反射板７の約２倍の長さを有するように形成されている。また、各導体５はトーナメント式に接続され、導体６０と共に特性インピーダンスが約５０Ωの主給電線路を構成している。
なお、図１に示すアンテナ装置を２よりも多い数配列させたアレー化ビームアンテナ装置を構成することも当然可能である。

図８は、図１及び図７に示す６０°ビームアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を例示している。この図８から明らかなように、本発明に係る６０°ビームアンテナ装置によれば、ＶＳＷＲ特性を広帯域化して、比帯域約４０％を実現することが可能である。
図９、図１０及び図１１は、図１と図７に示す６０°ビームアンテナ装置の周波数０．８７ｆ、ｆ及び１．１３ｆについての水平面内指向性をそれぞれ示している。これらの図から明らかなように、前記反射板７、７０を備える本発明に係るビームアンテナ装置によれば、広帯域にわたって良好な水平面内指向性を実現することができる。

本発明に係るビームアンテナ装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示す第１の誘電体基板の表面図である。 図１に示す第１の誘電体基板の背面図である。 図１に示す第２の誘電体基板の側面図である。 反射板の配設距離とビーム幅との関係を例示したグラフである。 反射板の配設距離とフロントバック比との関係を例示したグラフである。 本発明に係るアレー化ビームアンテナ装置の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係るビームアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を例示した特性図である。 本発明に係るビームアンテナ装置の周波数０．８７ｆについての水平面内指向性を例示した特性図である。 本発明に係るビームアンテナ装置の周波数ｆについての水平面内指向性を例示した特性図である。 本発明に係るビームアンテナ装置の周波数１．１３ｆについての水平面内指向性を例示した特性図である。 従来のアンテナ装置の構成を例示した斜視図である。 従来のアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を例示した特性図である。

符号の説明

１，４，１０，４０ 誘電体基板
２，３ ダイポールアンテナ
５ 導体
６，６０ 導体
７、７０ 反射板
７ａ，７０ａ 折曲げ部
８，９ 分岐給電線路
１１ 主給電線路

Claims (6)

1. 約λ／２（λは、所望周波数帯の中心周波数の波長）の長さを有し、約λ／２の間隔をおいて平行配設された第１及び第２のダイポールアンテナと、
   主給電線路と該主給電線路から分岐して前記各ダイポールアンテナの給電点にそれぞれ接続された第１及び第２の分岐給電線路とを有してなる給電手段と、を備え、
   前記主給電線路の特性インピーダンスを約５０Ωに設定し、前記第１及び第２の分岐給電線路の特性インピーダンスを約１００Ωに設定したことを特徴とする６０°ビームアンテナ装置。
2. 前記第１及び第２のダイポールアンテナおよび前記給電手段を複数配列形成してアレー化したことを特徴とする請求項１に記載の６０°ビームアンテナ装置。
3. 前記第１及び第２のダイポールアンテナと前記第１及び第２の分岐給電線路とを第１の誘電体基板に金属箔で形成し、前記主給電線路を第２の誘電体基板に金属箔で形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の６０°ビームアンテナ装置。
4. 前記第１及び第２のダイポールアンテナの背部に、反射板を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の６０°ビームアンテナ装置。
5. 前記反射板は、第１及び第２のダイポールアンテナを含む面から約０．２２λの距離をおいて設けたことを特徴とする請求項４に記載の６０°ビームアンテナ装置。
6. 前記反射板は、前記第１及び第２のダイポールアンテナの配列方向に沿った方向の幅を約０．７５λに設定し、かつ、前記各ダイポールアンテナに沿った両縁部を高さ約０．１２λを有するように前記各ダイポールアンテナ側に向って折り曲げたことを特徴とする請求項５に記載の６０°ビームアンテナ装置。
   

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