JP2007074026A

JP2007074026A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2007074026A
Application number: JP2005255568A
Authority: JP
Inventors: Yasuko Kimura; 泰子木村
Original assignee: Docomo Technology Inc
Current assignee: Docomo Technology Inc
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-22

Abstract

【課題】周辺エリアや周辺ビルへの影響を考えてチルト角度を10°以上にしたときに、経済性（装置コスト）を考慮しながら利得をあまり落とさずに広いチルト角度の可変範囲で、仰角方向0°〜20°と俯角方向におけるサイドローブレベルをなるべく小さくする。
【解決手段】複数の多周波共用放射素子２０を一定の間隔で鉛直面内に配列したアンテナ装置１において、最も低い周波数の１波長を１λ_Lとしたときに上記素子２０の配列間隔を0.36λ_L以下にし、２つの素子２０を１グループ１０としてグループ毎に当該素子２０の移相を制御する構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、移動通信用基地局アンテナとして適した、複数の多周波共用放射素子を一定の間隔で鉛直面内に配列したアンテナ装置に関するものであり、より詳しくは、図１に示すように当該アンテナ装置の鉛直面内指向性の仰角方向0°〜20°および俯角方向におけるサイドローブレベルを抑えることで、周辺エリアや周辺ビルへの影響の改善に関するものである。

従来、携帯電話では0.8GHz帯、1.5GHz帯、2GHz帯の３つの周波数帯域が割り当てられている。上記の各周波数帯域を共振させるダイポールアンテナ装置としては、下記の特許文献１に記載されているように１素子で３つの周波数帯域を共振するアンテナが用いられてきた。特許文献１に記載された発明の特徴は、素子が簡素化されていながら広帯域を有する小型なアンテナである。

チルト角度を制御する際に、１素子ずつ移相を制御すれば仰角方向と俯角方向のサイドローブレベルはあまり高くならないが、２素子またはそれ以上の複数の素子を１グループとしてグループ毎に移相を制御すると、仰角方向と俯角方向のサイドローブレベルは高くなるため、主ビーム方向の利得が小さくなる。しかし、移相器が多くなるほどアンテナ装置の価格が高くなり、移相器を収納する給電部のサイズが大きくなるため、なるべく移相器が少ないことが望まれている。また、従来のチルト角度は最大で10°程度までとしていた。
特開２００３−３０９４１７号公報

しかしながら、上記のアンテナ装置は、１素子で３つの周波数帯域を共振しているため、複数の多周波共用放射素子を所定間隔で鉛直面内に配列した当該アンテナ装置における素子間隔は、低い周波数帯域に物理的に依存することとなり、高い周波数帯域にとっては素子間隔が広くなっていた。一般に、素子間隔は利得の効率から考えると0.5λ程度が最適であり、１λ以上離れてしまうとグレイティングローブが発生してしまうので、主ビームの利得は劣化することが知られている。特に、チルト角度を深くすると、仰角方向と俯角方向のグレイティングローブが発生しやすくなる、という問題があった。

そこで、本発明は、周辺エリアや周辺ビルへの影響を考えてチルト角度を10°以上にしたときに、経済性（装置コスト）を考慮しながら利得をあまり落とさずに広いチルト角度の可変範囲で、仰角方向0°〜20°と俯角方向におけるサイドローブレベルをなるべく小さくするアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るアンテナ装置は、複数の多周波共用放射素子を一定の間隔で鉛直面内に配列したアンテナ装置において、最も低い周波数の１波長を１λ_Lとしたときに前記多周波共用放射素子の配列間隔を0.36λ_L以下にし、２つの多周波共用放射素子を１グループとしてグループ毎に当該多周波共用放射素子の移相を制御することを特徴とする。

このように本発明に係るアンテナ装置では、多周波共用放射素子のそれぞれに移相器を付けることは経済性と小型化に反するため、２つの多周波共用放射素子で１グループとした。高い周波数帯域の素子間隔が広いためにチルト角度を深くするときに発生するサイドローブを抑える目的で、多周波共用放射素子の配列間隔を0.36λ_L以下とすることを特徴とする。

本発明によれば、経済性（装置コスト）を考慮しながら利得をあまり落とさずに広いチルト角度の可変範囲で、仰角方向0°〜20°と俯角方向におけるサイドローブレベルをなるべく小さくすることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るアンテナ装置の実施の形態を説明する。

図２には、本発明に係るアンテナ装置１の一構成例を示す。この図２に示すように、アンテナ装置１では、２つの多周波共用放射素子（以下「素子」という）２０を１グループ１０とし、計９つのグループを大地と垂直（図２において上下方向）に並べ、そのグループ毎に移相器１１を配置する。主ビームのチルト角度を変更するときは、移相器１１の値を調整する（即ち、各グループ毎に調整する）ことで、主ビームのチルト角度を変更する。製造の段階で基準チルト角度θtを持たせ、そこからチルト角度をチルト角可変範囲θsからθu（チルト角度を浅くしたときをθs、チルト角度を深くしたときをθu）以内で変えると仮定する（θs＜基準チルト角度θt＜θu）。

ここで、「チルト角度」とは主ビームの一番利得の高い位置を示し、
θs＜チルト角度＜θu
となる。なお、「俯角方向」とは図１に示すようにチルト角度から0°方向（大地と平行な角度）までを意味し、「仰角方向」とは0°方向（大地と平行な角度）から天空側を意味する。

また、アンテナ装置１では、最も低い周波数の１波長を１λ_Lとしたときに素子２０の配列間隔（以下「素子間隔」という）を0.36λ_L以下に設定したことを特徴とする。

以下、素子間隔を0.36λ_L以下とし、２つの素子２０を１グループ１０としてグループ毎に素子の移相を制御することとしたアンテナ装置１の効果を説明する。

図２のように２素子×９グループで基準チルト角度θtを16°としたときの素子間隔0.35λ_L、0.36λ_L、0.37λ_L、0.4λ_Lの各々の場合でのアンテナ利得を図３（ａ）に、仰角方向0°〜20°におけるサイドローブレベルの最悪値を図３（ｂ）に、それぞれ示す。なお、アンテナの使用周波数は0.8GHz帯、1.5GHz帯、2GHz帯とし、１λ_Lが0.8MHzの１波長、計算周波数は、問題となる2GHzとした。また、チルト角度の可変範囲は10°から20°とした。

図３（ａ）より明らかなようにアンテナ利得は、チルト角度を変えると１dB程度変動するが、素子間隔を変えてもほとんど変わらないことがわかる。また、図３（ｂ）より明らかなように、サイドローブレベルを所定の基準値（例えば、−１５dB）以下に抑えたい場合は、素子間隔がより狭い方が、チルト角度の可変範囲が広いことがわかる。

次に、２素子×９グループの構成とされたアンテナ装置１において、素子間隔、基準チルト角度θt、及びチルト角度をさまざまな条件に設定した場合の指向性パターンについて、図４〜図６を用いて説明する。

図４には、素子間隔を0.36λ_L、基準チルト角度θtを16°に設定した場合の指向性パターンを示し、このうち図４（ａ）はチルト角度が10°の場合の指向性パターンを、図４（ｂ）はチルト角度が19°の場合の指向性パターンを、それぞれ示す。

図５には、素子間隔を0.36λ_L、基準チルト角度θtを22°に設定した場合の指向性パターンを示し、このうち図５（ａ）はチルト角度が19°の場合の指向性パターンを、図５（ｂ）はチルト角度が25°の場合の指向性パターンを、それぞれ示す。

図６には、素子間隔を0.31λ_L、基準チルト角度θtを22°に設定した場合の指向性パターンを示し、このうち図６（ａ）はチルト角度が10°の場合の指向性パターンを、図６（ｂ）はチルト角度が25°の場合の指向性パターンを、それぞれ示す。

上記図４〜図６では、何れも縦軸が利得、横軸が角度を示しており、横軸の0°は0°方向（大地と平行な角度）に相当し、横軸のプラスは俯角方向の角度に、横軸のマイナスは仰角方向の角度に相当する。

これら図４〜図６の何れの指向性パターンにおいても、通常問題となる範囲（仰角方向0°〜20°と俯角方向）のサイドローブレベルが−１５dB以下になることが確認できる。これにより、２素子×９グループの構成とされたアンテナ装置１では、素子間隔を0.36λ_L以下とすることにより、通常問題となる範囲（仰角方向0°〜20°と俯角方向）のサイドローブレベルを−１５dB以下に抑えることができる。

次に、アンテナ装置を６素子×３グループの構成とした場合について説明する。図７に示すように６素子×３グループで基準チルト角度θtを16°としたときの素子間隔0.35λ_L、0.4λ_Lの各々の場合でのアンテナ利得を図７（ａ）に、仰角方向0°〜20°におけるサイドローブレベルの最悪値を図７（ｂ）に、それぞれ示す。なお、アンテナの使用周波数は0.8GHz帯、1.5GHz帯、2GHz帯とし、１λ_Lが0.8MHzの１波長、計算周波数は、問題となる2GHzとした。また、チルト角度の可変範囲は10°から20°とした。

図７（ａ）より明らかなようにアンテナ利得は、チルト角度を変えると３dB程度変動するが、素子間隔を変えてもほとんど変わらないことがわかる。また、図７（ｂ）より明らかなように、サイドローブレベルを所定の基準値（例えば、−１５dB）以下に抑えたい場合、素子間隔0.35λ_L、0.4λ_Lのいずれでも、チルト角度の可変範囲は５°程度の狭い範囲に制限されてしまうことがわかる。

次に、６素子×３グループの構成とされたアンテナ装置において、素子間隔を0.36λ_L、基準チルト角度θtを16°に設定した場合の指向性パターンを図８に示す。このうち図８（ａ）はチルト角度が10°の場合の指向性パターンを、図８（ｂ）はチルト角度が19°の場合の指向性パターンを、それぞれ示す。図８でも、図４〜図６と同様に、縦軸が利得、横軸が角度を示しており、横軸の0°は0°方向（大地と平行な角度）に相当し、横軸のプラスは俯角方向の角度に、横軸のマイナスは仰角方向の角度に相当する。

これら図８（ａ）、（ｂ）より明らかなように、たとえ素子間隔が0.36λ_L以下であっても、俯角方向のサイドローブレベルが非常に高いことがわかる。これにより、１グループ当りの素子数が「６つ」と多いことにより、たとえ素子間隔が狭くても、サイドローブレベルが高くなってしまい利得が低下していることがわかる。

以上のことから、利得が低下することを抑えるために振幅分配を変えずに２つの素子を１グループとし、素子間隔を0.36λ_L以下とすることで、チルト角度の可変範囲10°〜19°における、通常問題となる範囲（仰角方向0°〜20°と俯角方向）におけるサイドローブレベルを抑制できることがわかる。

垂直面内指向性のイメージ図である。本発明に係るアンテナ装置１の一構成例を示す図である。（ａ）は２素子×９グループで基準チルト角度θtを16°とした場合のさまざまな素子間隔でのアンテナ利得を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）の条件での仰角方向0°〜20°におけるサイドローブレベルの最悪値を示すグラフである。２素子×９グループの構成とされたアンテナ装置において、素子間隔を0.36λ_L、基準チルト角度θtを16°に設定した場合の指向性パターンを示すグラフであり、（ａ）はチルト角度が10°の場合の指向性パターンを、（ｂ）はチルト角度が19°の場合の指向性パターンを、それぞれ示す。２素子×９グループの構成とされたアンテナ装置において、素子間隔を0.36λ_L、基準チルト角度θtを22°に設定した場合の指向性パターンを示すグラフであり、（ａ）はチルト角度が19°の場合の指向性パターンを、（ｂ）はチルト角度が25°の場合の指向性パターンを、それぞれ示す。２素子×９グループの構成とされたアンテナ装置において、素子間隔を0.31λ_L、基準チルト角度θtを22°に設定した場合の指向性パターンを示すグラフであり、（ａ）はチルト角度が10°の場合の指向性パターンを、（ｂ）はチルト角度が25°の場合の指向性パターンを、それぞれ示す。（ａ）は６素子×３グループで基準チルト角度θtを16°とした場合のさまざまな素子間隔でのアンテナ利得を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）の条件での仰角方向0°〜20°におけるサイドローブレベルの最悪値を示すグラフである。６素子×３グループの構成とされたアンテナ装置において、素子間隔を0.36λ_L、基準チルト角度θtを16°に設定した場合の指向性パターンを示すグラフであり、（ａ）はチルト角度が10°の場合の指向性パターンを、図８（ｂ）はチルト角度が19°の場合の指向性パターンを、それぞれ示す。

符号の説明

１…アンテナ装置、１０…１グループ、１１…移相器、２０…多周波共用放射素子、θt…基準チルト角度。

Claims

複数の多周波共用放射素子を一定の間隔で鉛直面内に配列したアンテナ装置において、
最も低い周波数の１波長を１λ_Lとしたときに前記多周波共用放射素子の配列間隔を0.36λ_L以下にし、
２つの多周波共用放射素子を１グループとしてグループ毎に当該多周波共用放射素子の移相を制御する
ことを特徴とするアンテナ装置。