JP2007518325A - マイクロ波アンテナのための被覆 - Google Patents

Abstract

マイクロ波アンテナ用の被覆プレート（２）は、公式（Ｉ）に比例して、最低の厚さ（１１）の地点からの距離ｒとともに増加する厚さをもっている。ここで、ε_Rはその被覆プレートの物質の誘電常数であり、ａは正の定数である。

Description

本発明はマイクロ波アンテナを被覆するための被覆プレート、及び、そのような被覆プレートとマイクロ波アンテナとを有するアセンブリに関する。

ポイント−ツウ−ポイントのための高指向性アンテナやポイント−ツウ−マルチポイントのためのセクタアンテナであるかもしれないアンテナはしばしば建物の上では被覆プレートによって覆い、建物の向きによる劣化を回避しなければならない。そのような被覆プレートは必然的にアンテナの放射パターンへの影響がある。この影響を小さく維持するために、
ｄ＝ｍ／２・λ₀／√ε_R
という公式に従って、そのような被覆プレートの厚さｄを、アンテナによって発せられる放射の真空中の波長λ₀と平板物質の誘電常数ε_Rに適合させることが、例えば、特許文献１から知られている。

そのプレート面に垂直に向かい、そのプレートの出口側で反射されるビームは、ｍ波長分だけ遅延して入射側に達し、その結果、それはその境界における位相ずれπのために、その入射ビームに反対の位相で干渉し、従って、被覆プレートにおける反射を抑制する。
ドイツ国特許出願公開第１９９０２５１１号明細書

その被覆プレートに垂直に入射しない波はより長い経路でそのプレートを伝播しなければならず、その結果、反射のない状態をもはや達成できず、その被覆プレートを介した送信はかなり減衰するかもしれない。

図１はこの問題を９０°のセクタアンテナと、そのセクタアンテナのメインビームの方向に直角にあるグラスファイバ強化プラスティックでできている被覆プレートとで形成されるアセンブリの方位角方向の指向性パターンによって例示している。実線として示されている断面は、そのセクタ内部ではその振幅がわずかに許容できるぐらいの角度依存性をもつことを、またそのセクタの外側では低レベルで非常に変動する振幅をもつことを示している。実際上、垂直入射は具体化できないことがしばしばである。なぜなら、その被覆プレートの配置はたいていの場合、建物正面の輪郭により予め決められてしまい、その建物の後ろにアンテナは設置されるが、そのアンテナ配置は、アンテナによりカバーされるセルの位置のような制約により定義され、また、ポイント−ツウ−ポイント接続の場合には、その相手となるアンテナの位置、その制約は建物とは関係がないからである。図１には破線として表現されているように、アンテナのメインビーム方向と水平面において互いに関して２０°の角度を形成する被覆プレートの法線面との場合を考慮すると、その被覆プレートで決して完全には抑圧されない反射が原因となってそのアンテナビームの鏡像が１００°を越える角度で現れることが見出される。同じ場所に位置する４つの９０°のセクタアンテナがそのアンテナの場所に合致する４つの無線セルをカバーする実際上関係のあるアセンブリでは、このことは考慮されるアンテナの無線信号が無視できない強度で他のセルの１つに放射され、その受信に影響を与えることを意味している。

図２は仰角方向の問題を例示している。仰角方向の断面での曲線Ｅで示されているように、そのビームは水平方向に強い指向性があり、送信電力が低い場合でも広い到達範囲を得ている。水平方向を外れると、その放射強度は非常に低くなる。しかし、それはゼロになってはならない。なぜなら、さもなければ、設置されたアンテナ周辺の狭い範囲で仰角のある位置での受信が不可能になるからである。仰角に関する断面の曲線Ｅはそれ故に、２つの制約曲線Ｒ＋とＲ−との間に拡がるべきである。このことは、被覆のないアンテナで実現されるかもしれない。しかし、被覆されたアンテナでは、水平面に関してゼロとならない角度で放射された強度では、水平方向に放射された強度と同時に反射のない条件を達成することはできないという問題が生じてしまう。反射損失のために、被覆のあるアンテナの仰角断面Ｅはある場所では制約曲線Ｒ−以下に落ちてしまう。

本発明の目的は、マイクロ波アンテナ用の被覆プレート、及び、マイクロ波アンテナとそのマイクロ波アンテナのビームを介して伸長する被覆プレートとを有するアンテナアセンブリとを提供することであり、これにより、たとえ、その被覆プレートとアンテナのメインビーム方向が互いに対して必ずしも正確に直交していなくても、その被覆プレートにおけるアンテナビームの望まれない反射を抑制することが可能になる。

この目的は、請求項１に記載の特徴をもつ被覆プレートと請求項８に記載の特徴をもつアンテナアセンブリとにより達成される。

本発明は、被覆プレートを用いることに基づいており、その被覆プレートの厚さは最低の厚さの中心地点からの距離ｒが増えるに伴って増加する。そのアンテナの与えられた波長に関する最低の厚さは垂直入射における反射をゼロにするために上述した条件を満たす一方、他の地点ではその厚さは厚くなり、その被覆プレートにそのような地点でその内側から入射するビームがその外側で反射され、別の地点で再び内部側に到達する。その場所では、そのビームはアンテナからそこに到達するビームとは反対の位相で干渉する。この要求は、もし被覆プレートの厚さが１／√｛１−（ε_R＋ａ／ｒ²）^-1｝に比例して距離ｒで変化するなら正確に満たされる。ここで、ε_Rは前記被覆プレートの物質の誘電常数であり、ａは正の定数である。

もし、被覆プレートが具体的なアンテナアセンブリに採用されるなら、ａ＝ε_R×Ｄ²が満足されるべきである。ここで、Ｄは被覆プレートからのマイクロ波アンテナまでの距離である。

被覆プレートの高度な光学的品質を保証するために、その厚さプロファイルは好ましくは、大きな物質からのミリング（削り出し）により得られることが好ましい。好ましくは、その物質は層状的に除去され、結果として得られる被覆プレートの厚さのプロファイルが最低の厚さの地点から階段状に増加するようになると良い。

その階段の高さは１００μｍ以下となるべきであり好ましくは数１０μｍ未満が良い。

好ましくは、その被覆プレートは均質の物質、特に、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートなどのようなプラスティックから製造されると良い。

そのような被覆プレートの要求される大きさ寸法により、複数の部品からそれを組立てることを適切にするかもしれない。そのような場合、それらの部品は最低の厚さの地点で接することが実際的であり、その結果、与えられた被覆プレートに関して、同一の厚さプロファイルをもつ複数の部品が経済的にも連続して製造できる。

本発明の更なる特徴と利点については添付図面を参照した次の実施例の説明から明らかになる。

図３は本発明がその基礎とする幾何学形状を図示している。無線送信器が点源であることを想定し、その点源はアスタリスク１としてその図では表現されている。無線送信器１は被覆プレート２から距離Ｄの地点に位置しており、その距離はその被覆プレートの法線面に沿って測定されるものである。点源としての無線送信器１を近似するものが意味をもつように、無線送信器１と被覆プレートとの間の距離は実際上、数波長分、典型的には１０〜２０波長分に相当すべきである。被覆プレートの厚さｄはＤよりはるかに小さいことを想定する。

被覆プレートの法線面に沿った被覆プレート２の最小の厚さ１１の地点で衝突する無線ビーム３は部分的にプレート２の入力側４で反射し、部分的には被覆プレート２の中へと送られる。その送られた部分は再び、その外側５で反射して、その両側４、５で反射した部分が入力側４で干渉する。外側で反射した部分は被覆プレート２から光学的にはより薄い空中へと通過するときに、位相ずれπが生じる。最小反射を達成するために、内側４ですぐに反射した部分と外側５で反射した部分とは位相差πをもたねばならない。もし、ε_Rが被覆プレート２の物質の誘電常数であり、λ₀が無線ビームの真空中における波長であるなら、
ｍλ₀＝２√ε_R・ｄ
が成り立つ。ここで、ｍは整数である。

０°とは異なる角度αで入力側４に入射する無線ビーム６は被覆プレート２を斜めに伝播し、その反射部分７は地点８で入力側に達する。そこはビーム９が衝突するところである。ビーム９は送信器１からビーム６の入射地点までの経路よりも長い経路に沿って伝播する。出力側５で反射したビーム６の一部分７と地点８で反射するビーム９の一部分とが互いにキャンセルするために、被覆プレート２の厚さは次の条件
ｄ＝ｍλ／√（ε_R−sin²α） （１）
を満足しなければならない。

αは入力側４におけるビーム６の入射角である。言い換えると、反射をなくすために、被覆プレートは最低の厚さの地点の回り全てでは１／√｛１−（ε_R＋ａ／ｒ²）^-1｝に比例してその厚さが増えなければならない。

ｒは前記地点からの距離であり、アンテナと被覆プレートとの間の距離Ｄは反射からの最適な解放を保証し、そのＤはＤ＝√（ａ／ε_R）によって定義される。

図４は、最低の厚さの地点からの距離ｒにおけるミリメートル（ｍｍ）で与えられる板の厚さｄの依存性についての数値の例を、誘電常数ε_R＝３．５とε_R＝４．０について夫々、示している。その板の厚さが最も薄い中央地点とその厚さが厚い外側の領域との間の厚さの違いは波長の分数に相当し、その板では厚さの違いはほどんど知覚できない。無線送信器１と被覆プレート２とを互いに対して取り付けるために、最も薄い位置１１を示す印が被覆プレート２にプリントされていたり刻印されているなら有用であるかもしれない。

好適な実施例に従えば、被覆プレート２はポリカーボネートやポリメチルメタクリレートなどのような均質のプラスティックでできている板に窪みを造るようにミリング（削り出し）することにより製造される。もし、そのプレートが図５の被覆プレートの実施例の斜視図に示されるように、連続するレイヤがあるように作られるなら、その結果として階段状の厚さのプロファイルが得られ、そのプロファイルのエッジ１０は被覆プレートの表面で目に見えるようになり、従って、最も薄い場所１１を示すことができ、その結果、無線送信器と被覆プレートとが組立てられたとき、無線送信器１をその最も薄い地点でその平板の法線面に配置することを保証することが容易になる。

被覆プレートの良好な光学的品質を保証するために、その階段部はできるだけ狭く浅くあるべきである。図５の場合には、プレート２の最も薄い場所と最も厚い場所との間には通常、０．５ｍｍ〜０．６ｍｍの厚さの違いが１７段階に分散され、それは平均的な階段の高さが約３５μｍであることに対応する。階段の高さは約１００μｍを越えるべきではない。もちろん、被覆プレート２の厚さのプロファイルをより少ない数の階段にミリング（削り出し）し、その後の仕上げによって結果として得られるエッジ部１０を平らにすることも考えられる。

図５の被覆プレート２は４つのセグメント１２から構成されており、その全ては最も薄い地点で接するようになる。４つのセグメント１２は互いに同一であるので、それらは同じミリングプログラムを用いて次々にミリング機械で製造される。

図６は、図５に示したタイプの厚さプロファイルをもつ被覆プレートと図３に示したように被覆プレートの法線面で最も薄い地点１１に配置される９０°セクタアンテナとを有するアンテナアセンブリについての図１に類似した方位角方向の断面図を示している。そのアンテナのメインビーム方向は図３のビーム３に類似したもので、法線面と一致している。その振幅曲線Ａは拘束曲線Ｒ＋とＲ−との間によくフィットしている。これらの拘束曲線は、方位角の関数として予期される最大、最小振幅を夫々示している。曲線Ｒ＋の外側面だけで振幅曲線Ａと接触している。

図７は図６と同じアンテナと同じ被覆プレートについて類似した方位角方向の断面を示している。この場合にはアンテナのメインビーム方向が２３°の角度で被覆プレートの法線面と交差している。図１の従来例とは対照的に、１４０°〜１５０°に予期されたメインビームの鏡像が図７では完全になくなっている。被覆プレートに斜めの角度で衝突する無線ビームの反射がない。

図８は、図２の場合のような、種々の入射角とアンテナとその被覆プレートとの間の距離とに関して、アンテナアセンブリの仰角方向の断面を示している。図２では明らかに目に見えた減衰がここでは完全になくなっている。

本発明に従う厚さが変化する被覆プレートによりその被覆プレートとアンテナとが互いに関して位置を可変にすることが可能になり、その結果、たとえ被覆されたアンテナのメインビームの方向が建物正面の法線方向とは著しく異なったとしても、被覆プレートの配置がその平板がフィットしなければならない建物の正面にマッチできる。

既に検討した従来のアンテナアセンブリの方位角方向の断面を示す図である。 従来のアンテナアセンブリの仰角方向の断面を示す図である。 本発明に従うアンテナアセンブリの断面を模式的に示す図である。 本発明に従う被覆プレートの厚さのプロファイルの具体例を示す図である。 複数の部品から組立てられた被覆プレートを示す図である。 被覆プレートに対する垂直入射における、本発明に従うアンテナアセンブリの方位角方向の断面を示す図である。 斜め入射における方位角方向の断面を示す図である。 種々の入射角における仰角方向の断面を示す図である。

Claims (11)

1. マイクロ波アンテナ用の被覆プレート（２）であって、
   前記被覆プレート（２）の厚さは、
   １／√｛１−（ε_R＋ａ／ｒ²）^-1｝
   に比例して、最低の厚さ（１１）地点からの距離ｒとともに増加し、
   ε_Rは前記被覆プレートの物質の誘電常数であり、
   ａは正の定数である
   ことを特徴とする被覆プレート。
2. 前記厚さは、前記最低の厚さ（１１）地点から増加し、
   前記被覆プレート（２）の厚さのプロファイルはミリングにより創成されることを特徴とする請求項１に記載の被覆プレート。
3. 前記厚さは、前記最低の厚さ（１１）地点から階段状に増加することを特徴とする請求項２に記載の被覆プレート。
4. 前記厚さの階段高は、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の被覆プレート。
5. 前記被覆プレートは均質な物質で作られることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の被覆プレート。
6. 前記被覆プレートは、多様な部品（１２）から組立てられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の被覆プレート。
7. 前記部品（１２）は、前記最低の厚さ（１１）となる地点で接することを特徴とする請求項６に記載の被覆プレート。
8. マイクロ波アンテナ（１）と前記マイクロ波アンテナ（１）のビーム（６，９）に交差する請求項１乃至７のいずれかに記載の被覆プレート（２）とを有し、
   前記被覆プレートの厚さが最低の厚さ（１１）の地点からの距離（ｒ）に従って増加するアンテナアセンブリであって、
   前記マイクロ波アンテナ（１）は前記被覆プレート（２）の最低の厚さ（１１）の地点からの法線面上に置かれることを特徴とするアンテナアセンブリ。
9. 前記最低の厚さ（１１）の地点における厚さは
   ｄ_min＝ｍ／２・λ₀／√ε_R
   によって与えられ、
   ｍは整数であり、
   λ₀は真空中における前記アンテナ（１）の動作波長であり、
   ε_Rは前記被覆プレートの物質の誘電常数であり、
   前記被覆プレート（２）の最大の厚さは
   ｄ_max＜ｍ／２・λ₀／√（ε_R−１）
   によって与えられることを特徴とする請求項８に記載のアンテナアセンブリ。
10. 前記被覆プレート（２）の厚さは、１／√｛１−（ε_R＋ａ／ｒ²）^-1｝に比例して、前記最低の厚さ（１１）の地点からの距離とともに増加し、
    ａ＝ε_RＤ²であり、
    Ｄは前記被覆プレート（２）からの前記マイクロ波アンテナ（１）の距離を示すことを特徴とする請求項８又は９に記載のアンテナアセンブリ。
11. 前記距離Ｄは好ましくは、前記アンテナにより放射或は受信される無線信号の１０乃至２０波長分であることを特徴とする請求項１０に記載のアンテナアセンブリ。