JP2010028193A - 水平偏波アンテナ及びその特性調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の周波数帯において共振する水平偏波アンテナにおいて、広帯域にわたりビーム幅が同等程度となり、また所望帯域で共振をとることができる特性調整方法を提供する。
【解決手段】地面と平行に配された円弧形状の給電素子１１０を備える水平偏波アンテナ１００において、円弧の半径Ｒｅを一定として円弧の中心角θｅを変化させて給電素子１１０の長さを変化させることにより水平面内のビーム幅の周波数特性を調整する。更に、給電素子１１０の長さを変化させた結果ずれてしまった共振周波数を、給電素子１１０の両端に線状導体を接続することにより所望帯域で共振するよう調整する。
【選択図】図２

Description

この発明は、水平偏波を送受信するアンテナに係るものであり、特に、広い周波数帯域にわたって同程度のビーム幅を得ることが可能な水平偏波アンテナの実現技術に関する。

移動通信では、複数の周波数帯域を用いたりセクタ分割をしたりすることで、多数のユーザを収容できるようにし、通信効率を高めている。例えば、ＩＭＴ−２０００方式（第三世代方式）では隣接ゾーンにおいて同一周波数を繰り返し使用するため、無線ゾーン間のオーバーラップ部分を減らすことで干渉を低減させ、加入者容量を増やしている。そのため、基地局用アンテナの水平方向のビーム幅（最大利得に対して利得が半値となる角度範囲）は、サービスエリアのセクタ分割角（３セクタ無線ゾーン構成の場合、１セクタあたりの分割角は１２０°）よりも狭いことが求められる。もっとも、狭すぎるとセクタ内に電波が届かない領域が生じてしまうため、ビーム幅は１２０°に近いこと（例えば１００°±１０°程度）が望ましい。これに関する実現技術として、特許文献１に素子を円弧形状にすることにより水平面内について無指向性とした上で、更に反射器を背後に挿入することにより１２０°程度のビーム幅を実現するダイポールアンテナが開示されている。

また、基地局用アンテナにおいては、設置スペースや導入コストの削減の観点からアンテナの数はできるだけ少ないことが望まれる。このような要望に対しては特許文献１に、円弧形状の給電素子に近接して更に当該給電素子より高い共振周波数を有する円弧形状の無給電素子を配することにより、２つの周波数帯で共振する水平偏波アンテナを構成する方法が開示されている。
特開平１１−６８４４６号公報 志村、苅込、恵比根、「８００／１５００ＭＨｚ帯周波数・偏波共用１２０°ビーム移動通信基地局アンテナ」、電子情報通信学会総合大会、２００１年、Ｂ−１−１３６

ＩＭＴ−２０００で用いられている周波数帯は、８００ＭＨｚ帯、１．７ＧＨｚ帯、２ＧＨｚ帯の３つの周波数帯であり、今後更に異なる帯域が追加されることが想定される。複数の周波数帯において共振する水平偏波アンテナは、特許文献１に示された技術（円弧形状の給電素子に円弧形状の無給電素子を近接配置）により一応は実現可能である。しかし特許文献１に示された技術により構成した水平偏波アンテナは、共振周波数が異なる複数の素子で１つの反射器を共用することになるが、最適なビーム幅を得るための、素子と反射器との間の距離は各々の素子により異なるため、たとえ複数の周波数帯で共振するアンテナを構成できても周波数帯によりビーム幅にばらつきが生じてしまい、セクタ分割による効果を十分に享受できない。

図１、図２は特許文献１にて開示された発明に基づき、円弧形状の給電素子の上下に当該給電素子より高い共振周波数を有する円弧形状の無給電素子を配した水平偏波アンテナ１００の構成例である。図１(a)は斜視図、図１(b)は平面図、図２は図１(b)の平面図から無給電素子の表記を省略し、素子の形状に係る各パラメータに対応する符号を示したものである。

水平偏波アンテナ１００は、給電素子１１０と第１無給電素子１２０と第２無給電素子１３０と反射板１５０とからなり、給電素子１１０には給電素子１１０がなす円弧の線分の中点（給電点１１１）から給電される。給電素子１１０は地面と平行に配され、また、無給電素子１２０及び無給電素子１３０は給電素子１１０の上下に平行に配され、かつ、無給電素子１２０及び無給電素子１３０がなす円弧の線分のそれぞれの中点は、図１(b)に示すように給電素子１１０がなす円弧の線分の中点とｚ軸方向（地面に対して垂直方向）で一直線になるように配される。なお、給電素子１１０と無給電素子１２０、１３０とのｚ軸方向の間隔ｓはそれぞれ５ｍｍである。反射板１５０は、給電素子１１０及び無給電素子１２０、１３０がなす円弧から所定の間隔ｄを隔てた外周部分に図１に示すように配される。

図３に水平偏波アンテナ１００のビーム幅の周波数特性を例示する。ここで図１の各パラメータの値は、給電素子１１０がなす円弧の半径Ｒｅが４０ｍｍ、中心角θｅが１２０°、無給電素子１２０がなす円弧の半径Ｒｅが２５ｍｍ、中心角θｅが１４６°、無給電素子１３０がなす円弧の半径Ｒｅが２０ｍｍ、中心角θｅが１６０°であり、それぞれ８００ＭＨｚ、１．５ＧＨｚ、２ＧＨｚ帯において共振する素子長となっており、図４に示すようなＶＳＷＲの周波数特性を有する。また、反射器１５０がなす円弧の半径Ｒｒは６０ｍｍ、反射器１５０がなす円弧の中心角θｒは１６０°、放射素子１１０と反射器１５０との距離ｄは５０ｍｍ、反射器１５０のｚ軸方向の長さｈは３００ｍｍである。

図３及び図４からわかるように、たとえ８００ＭＨｚ、１．５ＧＨｚ、２ＧＨｚの３つの周波数帯で良好なＶＳＷＲ特性が得られたとしても、ビーム幅は周波数帯により大きくばらついてしまう。

本発明は、複数の周波数帯において共振する水平偏波アンテナにおいて、広帯域にわたりビーム幅が同等程度（例えば１００°±１０°程度）となり、更に所望帯域で共振をとることができる特性調整方法を提供することを目的とする。

地面と平行に配された円弧形状の放射素子を備える水平偏波アンテナにおいて、円弧の半径を一定として円弧の中心角を変化させて放射素子の長さを変化させることにより、水平面内のビーム幅の周波数特性を調整する。更に、放射素子の長さを変化させたことによりずれてしまった共振周波数を、放射素子の両端に線状導体を接続することにより、所望帯域で共振するよう調整する。

本発明の特性調整方法により、複数の周波数帯において共振する水平偏波アンテナにおいて、広帯域にわたりビーム幅を同等程度とすることが可能となるとともに、所望帯域で共振をとることが可能となる。

〔第１実施形態〕
まず、給電素子単体である場合のビーム幅の調整方法について明らかにする。
図５は、図１に示した水平偏波アンテナ１００から無給電素子１２０、１３０を取り除いた水平偏波アンテナ２００の外観図であり、図５(a)は斜視図、図５(b)は平面図である。素子の形状に係る各パラメータに対応する符号については図２と共通である。

図６に水平偏波アンテナ２００の給電素子１１０がなす円弧の半径Ｒｅを３５ｍｍで一定とし、中心角θｅを８０°、２００°、２４６°の３通りに変化させたときのビーム幅の周波数特性を例示する。なお、円弧の半径Ｒｅを一定としているため、中心角θｅを変化させることで給電素子の長さも変化し、中心角θｅ＝８０°は８００ＭＨｚ帯の共振長にあたり、中心角θｅ＝２００°は１．５ＧＨｚ帯の共振長にあたり、中心角θｅ＝２４６°は２ＧＨｚ帯の共振長にあたる。また、その他のパラメータ値は、反射器１５０がなす円弧の半径Ｒｒは６０ｍｍ、中心角θｒは１６０°、放射素子１１０と反射器１５０との距離ｄは４５ｍｍ、反射器１５０のｚ軸方向の長さｈは３００ｍｍである。

図６からわかるように、θｅの値によりビーム幅の周波数特性は大きく異なり、逆に言えばθｅを適宜変化させることによりビーム幅の周波数特性を調整することが可能であると言える。もっとも、このような単体素子において広帯域にわたり同等程度のビーム幅（例えば１００°±１０°程度）にすることは実質的には困難である。

〔第２実施形態〕
次に、給電素子に加え、無給電素子を備えた場合のビーム幅の調整方法について明らかにする。なお、構成は図１、図２に示したものと同様であり、パラメータ値も給電素子の中心角を除いては「発明が解決しようとする課題」にて記したものと同様である。

水平偏波アンテナ１００において給電素子１１０がなす円弧の半径Ｒｅを４０ｍｍに固定した時に、中心角θｅを１２０°、１８０°、２４０°の３通りに変化させたときのビーム幅の周波数特性を、図７に例示する。ここで、θｅが１２０°（８００ＭＨｚ帯における共振素子長に相当）のときの特性曲線は、図３に示したものと同じである。図７からわかるように、無給電素子がある場合においても、中心角θｅの値によりビーム幅の周波数特性は大きく異なる。特に、この構成において中心角θｅを１８０°とした場合には、１．７ＧＨｚ付近を除き、５００ＭＨｚ〜２．１ＧＨｚの範囲でビーム幅が１００°±１０°となり、広帯域にわたり同等程度のビーム幅にすることができることがわかる。

上記では中心角θｅの調整を給電素子に対して行ったが、無給電素子に対して行うことによってもビーム幅の周波数特性を調整することは可能である。

なお、上記では円弧の半径Ｒｅを４０ｍｍで固定して中心角θｅを変化させることにより給電素子１１０の素子長を変化させたが、給電素子１１０の素子長を一定にして中心角θｅを変化させることにより給電素子１１０がなす円弧の半径Ｒｅを３５ｍｍ、４０ｍｍ、４５ｍｍと変化させた場合のビーム幅の周波数特性を図８に示す。図８から、給電素子１１０の素子長を一定にして中心角θｅを変化させることによっては、ビーム幅の周波数特性はほとんど変化しないことがわかる。

〔第３実施形態〕
第２実施形態で示したように、中心角θｅを調整することによって広帯域にわたり同等程度のビーム幅にすることは可能となるが、給電素子の半径Ｒｅを一定として中心角θｅを変化させているため、素子の長さが変化して共振周波数も変化してしまうという新たな問題が生じる。具体的には、給電素子１１０は中心角θｅが１２０°の場合には、図９に示すように８００ＭＨｚ帯で共振するが、中心角θｅを１８０°に広げることで素子長が短くなり、８００ＭＨｚ帯にあった共振点が高周波側に移動してしまう。そこで、本発明においては短くなった素子の両端に、例えば図１０に示すように線状導体１４０を接続する。

図１１に線状導体１４０を接続していない場合と接続した場合のビーム幅の周波数特性を、図１２に線状導体１４０を接続していない場合と接続した場合のＶＳＷＲの周波数特性をそれぞれ例示する。なお、線状導体１４０を接続した場合については「図１０(a)のように素子と直角に接続し全長Ｌ＝３５ｍｍの場合」、「図１０(a)のように素子と直角に接続しＬ＝４０ｍｍの場合」、「図１０(b)のように素子がなす円弧の内側に傾けて接続しＬ＝４０ｍｍの場合」、「図１０(c)のように素子がなす円弧の外側に傾けて接続しＬ＝４０ｍｍの場合」の４通りについてシミュレーションを行った。ここで、線状導体１４０は両端からそれぞれ長さＬ１、Ｌ２の位置で素子と接続され、Ｌ１の長さ：Ｌ２の長さ＝３：１としている。

図１１よりいずれの場合も、１．７ＧＨｚ付近を除き、５００ＭＨｚ〜２．１ＧＨｚで概ねビーム幅が１００°±１０°の範囲に入っており、線状導体１４０を接続してもビーム幅にはほとんど影響を与えていないことがわかる。一方、図１２より「図１０(a)のＬ＝３５ｍｍ」の場合以外は、θｅを１８０°に広げる前の８００ＭＨｚ帯の共振周波数近辺で共振していることがわかる。

このように、線状導体１４０を接続することで、ビーム幅の周波数特性を維持しつつ、所望帯域で共振させることができる。なお、線状導体１４０の接続形態は上記に限られず、図１０では直線状の導体を示したが、例えば、素子との接続部分でくの字型に折れ曲げることによりよっても調整が可能である。

本発明は上述の実施例に限定されるものではない。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

本発明は、水平偏波を送受信する基地局において、少ないアンテナ数で複数の周波数帯域を用い、かつセクタ分割を行いたい場合に特に有効である。

水平偏波アンテナ１００の構成例を示した斜視図及び平面図。 水平偏波アンテナ１００の素子の形状に係る各パラメータに対応する符号を記した平面図。 水平偏波アンテナ１００のビーム幅の周波数特性の例を示した図。 水平偏波アンテナ１００のＶＳＷＲの周波数特性の例を示した図。 水平偏波アンテナ２００の構成例を示した斜視図及び平面図。 水平偏波アンテナ２００の中心角θｅごとのビーム幅の周波数特性の相違の例を示した図。 水平偏波アンテナ１００の中心角θｅごとのビーム幅の周波数特性の相違の例を示した図。 水平偏波アンテナ１００の給電素子１１０の半径Ｒｅごとのビーム幅の周波数特性の相違の例を示した図。 水平偏波アンテナ１００の中心角θｅごとのＶＳＷＲの周波数特性の相違の例を示した図。 線状導体１４０の素子への接続イメージを示す図。 水平偏波アンテナ１００に線状導体１４０を接続した場合のビーム幅の周波数特性の例を示した図。 水平偏波アンテナ１００に線状導体１４０を接続した場合のＶＳＷＲの周波数特性の例を示した図。

Claims (5)

1. 地面と平行に配された円弧形状の放射素子を備える水平偏波アンテナの特性調整方法であって、当該円弧の半径を一定として当該円弧の中心角を変化させて当該放射素子の長さを変化させることにより水平面内のビーム幅の周波数特性を調整する水平偏波アンテナの特性調整方法。
2. 請求項１に記載の水平偏波アンテナの特性調整方法において、
   更に、上記放射素子の両端にそれぞれ線状導体を接続することによって、共振周波数の調整を行うことを特徴とする水平偏波アンテナの特性調整方法。
3. 地面と平行に配された円弧形状の放射素子を備える水平偏波アンテナであって、当該放射素子の両端にそれぞれ線状導体が接続されていることを特徴とする水平偏波アンテナ。
4. 請求項３に記載の水平偏波アンテナにおいて、
   上記放射素子は給電素子であり、
   更に、上記放射素子と平行に配され、当該放射素子より高い共振周波数で共振する円弧形状の無給電素子を１本以上備える
   ことを特徴とする水平偏波アンテナ。
5. 請求項３又は４に記載の水平偏波アンテナにおいて、
   更に、上記放射素子から所定の間隔を隔てた外周部分に反射板を備える
   ことを特徴とする水平偏波アンテナ。

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