JP2009218993A - アンテナ装置およびアレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】ビームエッジ方向の利得を抑制し、セクタ間干渉を抑制することが可能となるアンテナ装置を提供することにある。
【解決手段】反射板と、前記反射板と所定の間隔をおいて配置されるダイポールアンテナ素子と、前記ダイポールアンテナ素子を覆うレドームとを備え、前記ダイポールアンテナ素子から放射される電波の偏波方向が大地に対して垂直方向であるアンテナ装置であって、前記レドームは、前記反射板と対向する正面部と、前記正面部の両側に形成される側壁部とを有し、前記正面部の少なくとも一部の厚さが、前記側壁部の厚さより厚いことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置およびアレイアンテナに係り、特に、ビームエッジ方向の利得を抑制し、セクタ間干渉を抑制することが可能となるアンテナ装置に関する。

例えば、下記特許文献１に記載されているように、偏波方向が大地に対して垂直方向の反射板付きダイポールアンテナが知られている。
図１７は、従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの概略構成を示す図である。
同図において、１は反射板であり、反射板１は、主反射面を構成する底面反射板１０と側面反射板１１とを有する。
この反射板１の底面反射板１０上には、２個の垂直偏波用のダイポールアンテナ素子（以下、アンテナ素子という）（２１、２２）が配置される。ここで、アンテナ素子（２１，２２）は、誘電基板上にプリント配線技術で形成してもよく、あるいは、金属の棒、管などを使用してもよい。
さらに、反射板１上には、アンテナ素子（２１，２２）を覆うようにレドーム３が配置される。

なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
特願２００７−５９９６７号公報

図１７に示す垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの水平面内指向特性（図１７のＸ−Ｙ面内の指向特性）を図２の破線に示す。
図２の破線で示すグラフから分かるように、図１７に示す垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナでは、半幅値（利得量が、−３ｄＢとなるビーム幅）が８０°となっているが、利得量が、−１０ｄＢ以下となるビーム幅は、約１６０°となっている。
携帯電話システムの基地局では３セクタ構成とするとき、それぞれのセクタを構成するアンテナは１２０°離角で同一基地局に配置される。そのときに、各セクタを構成するアンテナの水平面内ビーム幅は１２０°の扇形が望ましいが、例えば、図１７に示す垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナのように、実際には１２０°方向においてもアンテナ利得が存在するために、主にセクタ間において、２つのアンテナの指向特性が重複する。この重複する領域が大きいほどセクタ間の干渉も大きくなり、通信品質の劣化をもたらす。
本発明は、前記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、本発明の目的は、ビームエッジ方向の利得を抑制し、セクタ間干渉を抑制することが可能となるアンテナ装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、前述のアンテナ装置を垂直偏波用のアンテナ装置として使用するアレイアンテナを提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。

本願であって開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）反射板と、前記反射板と所定の間隔をおいて配置される放射素子と、前記放射素子を覆うレドームとを備え、前記放射素子から放射される電波の偏波方向が大地に対して垂直方向であり、前記レドームは、前記反射板と対向する正面部と、前記正面部の両側に形成される２つの側壁部とを有するアンテナ装置であって、前記正面部の少なくとも一部の厚さは、前記２つの側壁部の少なくとも一方の側壁の厚さより厚く、前記正面部の少なくとも一部の厚さをＴａ、λを使用中心周波数の電気長とするとき、０．０６５λ≦Ｔａ≦０．２λを満足する。
（２）（１）において、前記２つの側壁部の中の一方の側壁の厚さは、前記２つの側壁部の中の他方の側壁の厚さよりも厚く、前記厚い方の側壁の厚さをＴｂとするとき、０．０６５λ≦Ｔｂ≦０．２λを満足する。
（３）反射板と、前記反射板と所定の間隔をおいて配置される放射素子と、前記放射素子を覆うレドームとを備え、前記放射素子から放射される電波の偏波方向が大地に対して垂直方向であり、前記レドームは、前記反射板と対向する正面部と、前記正面部の両側に形成される２つの側壁部とを有するアンテナ装置であって、前記放射素子と前記正面部との間、あるいは、前記正面部上に配置される誘電体材料を有する。

（４）反射板と、前記反射板と所定の間隔をおいて配置される放射素子と、前記放射素子を覆うレドームとを備え、前記放射素子から放射される電波の偏波方向が大地に対して垂直方向であり、前記レドームは、前記反射板と対向する正面部と、前記正面部の両側に形成される２つの側壁部とを有するアンテナ装置であって、λｏを使用中心周波数の自由空間における波長とするとき、前記２つの側壁の高さは、λｏ以下であり、前記正面部の前記両側に形成される前記２つの側壁部間の長さが、前記２つの側壁部の高さの３倍以上である。
（５）（１）ないし（４）の何れかにおいて、前記放射素子は、前記レドームの前記２つの側壁部と前記正面部とで構成される凹部の延長方向に複数配置される。
（６）電波の偏波方向が大地に対して水平方向である第１アンテナ装置と、電波の偏波方向が大地に対して垂直方向である第２アンテナ装置とを備えるアレイアンテナであって、前記第２アンテナ装置は、前述の（１）ないし（５）の何れかに記載のアンテナ装置である。
（７）（１）ないし（５）の何れかにおいて、前記放射される電波の偏波方向が大地に対して垂直方向である前記放射素子に代えて、放射される電波の偏波方向が大地に対して、＋４５°の方向、あるいは−４５°の方向である放射素子を使用する。
（８）第１アンテナ装置と、第２アンテナ装置とを備えるアレイアンテナであって、前記第１アンテナ装置は、放射される電波の偏波方向が大地に対して、＋４５°の方向である放射素子を有する前述の（７）に記載のアンテナ装置であり、前記第２アンテナ装置は、放射される電波の偏波方向が大地に対して、−４５°の方向である放射素子を有する前述の（７）に記載のアンテナ装置である。

本願であって開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、ビームエッジ方向の利得を抑制し、セクタ間干渉を抑制することが可能となるアンテナ装置を提供することにある。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図であって、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの概略構成を示す要部断面図である。
図１において、１は反射板、１０は主反射面を構成する底面反射板、１１は側面反射板、２１、２２は、垂直偏波用のダイポールアンテナ素子（以下、アンテナ素子という）、３はレドームである。
本実施例の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの斜視図は、図１７と同じであるので再度の説明は省略する。
図１に示すように、レドーム３は、底面反射板１０と対向する正面部３１と、正面部３１の両側に設けられる側壁部３２とを有する。
本実施例は、この正面部３１の厚さ（図１のＴａ）が、側壁部３２の厚さ（Ｔｂ）よりも厚くなっていることが特徴である。
ここで、正面部３１の厚さ（Ｔａ）は、０．０６５λ≦Ｔａ≦０．２λを満足する必要がある。なお、λは使用中心周波数の電気長である。電気長λはレドームの比誘電率をεr，λｏを使用中心周波数の自由空間における波長とすると、λ≒λｏ/√εrで求められる。

図２の実線で示すグラフが、本実施例の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの水平面内指向特性（図１のＸ−Ｙ面内の指向特性）を示しており、本実施例では、水平面内指向特性の半幅値（利得量が、−３ｄＢとなるビーム幅）は８０°と、図１７に示す従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナと同じであるが、利得量が、−１０ｄＢ以下となるビーム幅は、約１４０°と、図２の破線に示す図１７に示す従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナよりも狭くなっている。
前述したように、一般に、携帯電話システムの基地局では３セクタ構成とするとき、それぞれのセクタを構成するアンテナを１２０°離角で同一基地局に配置するようにしている。
図２に示す本実施例の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナ３個を、基地局アンテナに使用し、１２０°間隔で配置した時の水平面内指向特性を図３（ａ）に示す。また、図１７に示す従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナ３個を、基地局アンテナに使用し、１２０°間隔で配置した時の水平面内指向特性を図３（ｂ）に示す。
図３のグラフから分かるように、図２に示す本実施例の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナを使用することにより、従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナに比して、３個の水平面内指向特性が互いに干渉する領域（図３で灰色の部分）が少なくなる。
これにより、図２に示す本実施例の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナでは、図４に示すように、例えば、１９セルを配置したＣＤＭＡ2000 1ｘＥＶ−ＤＯベースの計算機シミュレーションによる中心セルにおけるＣＩＮＲ（Carrier to Interference and Noise Ratio）を、従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナに比して改善することが可能である。なお、図４の実線が、本実施例の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの場合の、点線が、図１７に示す垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの場合の水平面内指向特性である。

図５−３は、本実施例の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの水平面内指向特性を説明するための模式図であり、同図において、２０はアンテナ素子、３３は水平面内ビーム幅である。
図５−３の（ｂ）が、図１に示す本実施例の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの水平面内指向特性を模式的に示す図であり、水平面内ビーム幅３３の両側の形状を先鋭化していることを表している。
しかしながら、実際のアンテナでは、図５−３の（ａ）、（ｃ）のように、水平面内ビーム幅３３の両側において、形状を先鋭化する必要がなく、片側のみ先鋭化すればよい場合がある。
以下、そのような用途に使用される、実施例の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの変形例について、図５−１、図５−２を用いて説明する。
図５−１に示す変形例は、正面部３１と同様、２つの側壁部の中の一方の側壁（ここでは、３２ａ）の厚さを、他方の側壁（ここでは、３２ｂ）の厚さよりも厚くしたものである。この場合、一方の側壁（３２ａ）の厚さ（Ｔｂｒ）は、０．０６５λ≦Ｔｂｒ≦０．２λを満足する必要がある。なお、λは使用中心周波数の電気長である。

図５−２の実線で示すグラフが、図５−１に示す本実施例の変形例の水平面内指向特性（図５−１のＸ−Ｙ面内の指向特性）を示しており、本実施例の変形例では、水平面内指向特性の半幅値（利得量が、−３ｄＢとなるビーム幅）は８０°と、図５−２の破線で示す図１７に示す従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナと同じであるが、利得量が、−１０ｄＢ以下となる角度は、図５−２の矢印Ａ側では約７０°、図５−２の矢印Ｂ側では、約７５°、同様に、利得量が、−２０ｄＢ以下となる角度は、図５−２の矢印Ａ側では約９０°、図５−２の矢印Ｂ側では、約１０５°となっている。
即ち、本実施例の変形例では、図５−２の矢印Ａ側の方のビーム幅が、図５−２の破線に示す図１７に示す従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナよりも狭くなっており、図５−３の（ｃ）に示す水平面内指向性特性を得ることができる。
なお、図５−１において、正面部３１と同様、他方の側壁（３２ｂ）の厚さを、一方の側壁（３２ａ）の厚さよりも厚くしてもよい。即ち、他方の側壁（３２ｂ）の厚さ（Ｔｂｌ）を、０．０６５λ≦Ｔｂｌ≦０．２λをとしてもよい。この場合には、図５−３の（ａ）に示す水平面内指向性特性を得ることができる。なお、λは使用中心周波数の電気長である。
なお、レドーム３の正面部３１の厚さは、図６、あるいは、図７に示すように、正面部３１の一部がのみが厚くなっていてもよい。

［実施例２］
図８は、本発明の実施例２の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの概略構成を示す要部断面図である。
本実施例では、アンテナ素子（２１，２２）と、正面部３１との間に、アンテナ素子（２１，２２）から所定の間隔を離して、高誘電率材料４を配置したものである。このような構成でも、前述の実施例１と同様の効果を得ることが可能である。
なお、高誘電率材料４の膜厚は、高誘電率材料４の誘電率（ε）に応じて適宜選択する必要がある。
また、高誘電率材料４は、図９、あるいは、図１０に示すように、正面部３１の内側、あるいは外側に配置するようにしてもよい。さらに、高誘電率材料４は、正面部３１の全部に配置するのではなく、正面部３１の一部にのみ配置するようにしてもよい。

［実施例３］
図１１は、本発明の実施例３の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの概略構成を示す要部断面図である。
本実施例では、レドーム３の側壁部３２の高さに比して、正面部３１の両側に形成される側壁部間の長さを大きくしたものである
即ち、図１１に示すように、レドーム３の側壁部３２の高さをＨ、正面部３１の両側に形成される側壁部間の長さをＬとするとき、Ｌ≧３×Ｈを満足し、さらに、Ｈ≦λｏを満足することを特徴とする。
このような構成でも、前述の実施例１と同様の効果を得ることが可能である。

［実施例４］
図１２は、本発明の実施例４のアレイアンテナの概略構成を示す斜視図である。また、図１３（ａ）は、本発明の実施例４のアレイアンテナの垂直偏波用アンテナ素子の部分の要部断面図、図１３（ｂ）は、本発明の実施例４のアレイアンテナの水平偏波用アンテナ素子の部分の要部断面図である。
図１２に示すように、本実施例のアレイアンテナは、反射板１上で、レドーム３の側壁部３２と正面部３１とで構成される凹部の延長方向に、２個の垂直偏波用のダイポールアンテナ素子（２１，２２）と、１個の水平偏波用のダイポールアンテナ素子５を所定の間隔をおいて配置したものである。
本実施例では、レドーム３の水平偏波用アンテナ素子の部分において、正面部３１と側壁部３２の厚さは同一であるが、レドーム３の垂直偏波用アンテナ素子の部分において、前述の実施例１のように、正面部３１の厚さが、側壁部３２の厚さよりも厚くなっている。
このような構成でも、前述の実施例１と同様の効果を得ることが可能である。また、本実施例のアレイアンテナにおいて、レドーム３の垂直偏波用アンテナ素子の部分の構成として、前述の図６〜図１０に示す構成を採用するようにしてもよい。

なお、前述の説明では、水平面内指向特性の半幅値を８０°にするために、アンテナ素子２１と、アンテナ素子２２の２つのダイポールアンテナ素子を使用する場合について説明したが、ダイポールアンテナ素子は１個でも、ビームエッジ方向の利得を抑制することが可能である。
また、前述したダイポールアンテナ素子（２１、２２）に代えて、図１４に示すように、偏波方向が大地に対して時計回りで４５°の方向のダイポールアンテナ素子６、あるいは、偏波方向が大地に対して時計回りで−４５°の方向のダイポールアンテナ素子（図１４に示すダイポールアンテナ素子６を左右反転させたもの）を使用するようにしてもよい。
また、前述の各実施例では、放射素子として、ダイポールアンテナ素子（２１，２２）を使用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、放射素子として、例えば、図１５に示すパッチアンテナ素子を使用することも可能である。なお、図１５において、１３は誘電体板、１４は誘電体基板１３の裏面側に形成された接地電極、１５はパッチアンテナ素子である。
さらに、レドーム３は、図１６に示すように、円筒状のレドームであってもよく、この場合、図１６に示すＸ１―Ｘ２の破線とＹ１―Ｙ２の一点鎖線の交点を原点とし、Ｘ２方向を中心とした±８５°（図１６のθ）内の領域のレドーム３の厚さを、レドーム３における、図１６に示すＹ１―Ｙ２の一点鎖線と交差する部分の厚さよりも厚くする、あるいは、図１６に示すＸ１―Ｘ２の破線とＹ１―Ｙ２の一点鎖線の交点を原点とし、Ｘ２方向を中心とする±８５°内の領域において、放射素子（ダイポールアンテナ素子２０）とレドーム３との間、あるいは、レドーム３の表面または裏面上に誘電体材料を配置することにより、前述の実施例１、実施例２と同様の効果を得ることが可能である。
なお、図１６において、２０は垂直偏波用ダイポールアンテナ素子であるが、垂直偏波用ダイポールアンテナ素子として、例えば、２１、２２の２つのダイポールアンテナ素子を使用する場合には、図１６に示すＹ１―Ｙ２の一点鎖線は、２つのダイポールアンテナ素子を通る線で、図１６に示すＸ１―Ｘ２の破線は、２つのダイポールアンテナ素子の間の中心を通る線とすればよい。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲であって種々変更可能であることは勿論である。

本発明の実施例１の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの概略構成を示す要部断面図である。 本発明の実施例１の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナと、図１７に示す従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの水平面内指向特性の一例を示すグラフである。 本発明の実施例１の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナと、図１７に示す従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナとを、基地局アンテナに使用した水平面内指向特性の一例を示すグラフである。 本発明の実施例１の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナと、図１７に示す従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナとのＣＩＮＲ（Carrier to Interference and Noise Ratio）を示すグラフである。 本発明の実施例１の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの変形例の概略構成を示す要部断面図である。 図５−１に示す垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの水平面内指向特性の一例を示すグラフである。 本発明の実施例１の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの水平面内指向特性を説明するための模式図である。 本発明の実施例１の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの変形例の概略構成を示す要部断面図である。 本発明の実施例１の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの変形例の概略構成を示す要部断面図である。 本発明の実施例２の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの概略構成を示す要部断面図である。 本発明の実施例２の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの変形例の概略構成を示す要部断面図である。 本発明の実施例２の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの変形例の概略構成を示す要部断面図である。 本発明の実施例３の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの概略構成を示す要部断面図である。 本発明の実施例４のアレイアンテナの概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例４のアレイアンテナの概略構成を示す要部断面図である。 本発明の各実施例に使用可能な４５°偏波用のダイポールアンテナ素子を示す斜視図である。 本発明の各実施例に使用可能なパッチアンテナ素子を示す斜視図である。 本発明の各実施例のレドームの変形例を説明するための要部断面図である。 従来の垂直偏波用反射板付きダイポールアンテナの概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 反射板
３ レドーム
４ 高誘電率材料
５ 水平偏波用ダイポールアンテナ素子
６ ４５°偏波用ダイポールアンテナ素子
１０ 底面反射板
１１ 側面反射板
１３ 誘電体基板
１４ 接地電極
１５ パッチアンテナ素子
２０，２１，２２ 垂直偏波用ダイポールアンテナ素子
３１ 正面部
３２，３２ａ，３２ｂ 側壁部
３３ 水平面内ビーム幅

Claims (8)

1. 反射板と、
   前記反射板と所定の間隔をおいて配置される放射素子と、
   前記放射素子を覆うレドームとを備え、
   前記放射素子から放射される電波の偏波方向が大地に対して垂直方向であり、
   前記レドームは、前記反射板と対向する正面部と、
   前記正面部の両側に形成される２つの側壁部とを有するアンテナ装置であって、
   前記正面部の少なくとも一部の厚さは、前記２つの側壁部の少なくとも一方の側壁の厚さより厚く、
   前記正面部の少なくとも一部の厚さをＴａ、λを使用中心周波数の電気長とするとき、０．０６５λ≦Ｔａ≦０．２λを満足することを特徴とするアンテナ装置。
2. （新規の請求項）
   前記２つの側壁部の中の一方の側壁の厚さは、前記２つの側壁部の中の他方の側壁の厚さよりも厚く、
   前記厚い方の側壁の厚さをＴｂとするとき、０．０６５λ≦Ｔｂ≦０．２λを満足することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 反射板と、
   前記反射板と所定の間隔をおいて配置される放射素子と、
   前記放射素子を覆うレドームとを備え、
   前記放射素子から放射される電波の偏波方向が大地に対して垂直方向であり、
   前記レドームは、前記反射板と対向する正面部と、
   前記正面部の両側に形成される２つの側壁部とを有するアンテナ装置であって、
   前記放射素子と前記正面部との間、あるいは、前記正面部上に配置される誘電体材料を有することを特徴とするアンテナ装置。
4. 反射板と、
   前記反射板と所定の間隔をおいて配置される放射素子と、
   前記放射素子を覆うレドームとを備え、
   前記放射素子から放射される電波の偏波方向が大地に対して垂直方向であり、
   前記レドームは、前記反射板と対向する正面部と、
   前記正面部の両側に形成される２つの側壁部とを有するアンテナ装置であって、
   λｏを使用中心周波数の自由空間における波長とするとき、前記２つの側壁の高さは、λｏ以下であり、
   前記正面部の前記両側に形成される前記２つの側壁部間の長さが、前記２つの側壁部の高さの３倍以上であることを特徴とするアンテナ装置。
5. 前記放射素子は、前記レドームの前記２つの側壁部と前記正面部とで構成される凹部の延長方向に複数配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 電波の偏波方向が大地に対して水平方向である第１アンテナ装置と、
   電波の偏波方向が大地に対して垂直方向である第２アンテナ装置とを備えるアレイアンテナであって、
   前記第２アンテナ装置は、前記請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のアンテナ装置であることを特徴とするアレイアンテナ。
7. 前記放射される電波の偏波方向が大地に対して垂直方向である前記放射素子に代えて、放射される電波の偏波方向が大地に対して、＋４５°の方向、あるいは−４５°の方向である放射素子を使用することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 第１アンテナ装置と、
   第２アンテナ装置とを備えるアレイアンテナであって、
   前記第１アンテナ装置は、放射される電波の偏波方向が大地に対して、＋４５°の方向である放射素子を有する請求項７に記載のアンテナ装置であり、
   前記第２アンテナ装置は、放射される電波の偏波方向が大地に対して、−４５°の方向である放射素子を有する請求項７に記載のアンテナ装置であることを特徴とするアレイアンテナ。

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