JP2010074532A - アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】利得を落とすことなくアンテナ直下にも電波を輻射することができ、また給電位相や給電振幅の調整を必要としないアレイアンテナを提供する。
【解決手段】垂直方向に配列された、偏波を輻射する複数の第一のアンテナ素子１−１〜１−１１からなる第一のアンテナ素子群と、第一のアンテナ素子群の下部に配列された、第一のアンテナ素子１−１〜１−１１の輻射する偏波に直交する偏波を輻射する第二のアンテナ素子２とを有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話などの移動体通信の基地局において用いられるアレイアンテナに関するものである。

携帯電話などの移動体通信の基地局において用いられるアレイアンテナでは、サービスエリアを広く取るために、アンテナ素子を垂直方向に多段に配列することにより構成したアレイアンテナが多く用いられている。単体のアンテナ素子ではなく、アレイアンテナを用いることにより、垂直面指向性のメインローブが鋭くなり、これによって遠方まで電波を輻射することが可能となる。

また最近では、アレイアンテナの天空側の不要輻射（サイドローブ）を抑制する技術や、地上側にヌルフレインを施した指向性を持つアンテナが使用されている。

ところがアレイアンテナの場合、アンテナ素子を垂直方向に多段に配列する（利得が高くなる）に伴い、アレイアンテナの足元方向への電波の放射は極端に小さくなり、アレイアンテナの近くであっても、電波の極小点となることがしばしば発生する。

これはアンテナ素子を垂直方向に多段に配列することにより、電波がアレイアンテナの正面方向（多段に配列された線上の垂直方向）に集中するためである（アレイファクタが支配的になる）。

この問題に対して、特許文献１には、励振振幅分布が位相中心に対して点対称となるように励振される第１アンテナアレイと、第１アンテナアレイを構成するアンテナ素子と励振振幅がほぼ同一またはそれよりも小さく、かつ位相中心が第１アンテナアレイの位相中心位置とほぼ同一である第２アンテナアレイとを基板上に配列したヌルフィルアンテナが示されている。

この特許文献１のヌルフィルアンテナでは、各アンテナ素子の給電位相や給電振幅を細かく設定することでアンテナ直下までカバーできるように、目的の方向への輻射、すなわちメインローブを太くして広角のヌルフィルを実現している。

また、特許文献２では、主アンテナと偏波の一致する補助アンテナを用いて、補助アンテナの給電位相や給電振幅を調整して主アンテナに合成することにより、サイドローブ間に存在するヌル方向の放射レベルを規定レベル以上に制御して広範囲の領域で一様な放射レベルを達成している。

特開２００６−１９７５３０号公報 特開２００１−１５６５２３号公報

特許文献１、２はヌルをなくすという観点では同じようなアンテナであるが、特許文献１、２のようなアレイアンテナでは、アンテナの直下付近に不感地が生じやすいという欠点がある。

そこで、本発明の目的は、アンテナの直下付近に不感地が生じにくい指向性を有するアレイアンテナを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、垂直方向に配列された、偏波を輻射する複数の第一のアンテナ素子からなる第一のアンテナ素子群と、前記第一のアンテナ素子群の下部に配列された、前記第一のアンテナ素子の輻射する偏波に直交する偏波を輻射する第二のアンテナ素子とを有するアレイアンテナである。

請求項２の発明は、垂直方向に配列された、偏波を輻射する複数の第一のアンテナ素子からなる第一のアンテナ素子群と、前記第一のアンテナ素子群の下部に配列された、前記第一のアンテナ素子の輻射する偏波に直交する偏波を輻射する複数の第二のアンテナ素子からなる第二のアンテナ素子群とを有するアレイアンテナである。

請求項３の発明は、前記第二のアンテナ素子の垂直方向に対する傾斜角度θが、０°＜θ≦９０°である請求項１又は２に記載のアレイアンテナである。

請求項４の発明は、前記第一のアンテナ素子の輻射する偏波が、垂直偏波又は水平偏波である請求項１〜３のいずれかに記載のアレイアンテナである。

請求項５の発明は、前記第一のアンテナ素子の輻射する偏波が、＋４５°偏波又は−４５°偏波である請求項１〜３のいずれかに記載のアレイアンテナである。

本発明によれば、アンテナの直下付近に不感地が生じにくい指向性を有するアレイアンテナを提供することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るアレイアンテナの概略図である。

図１に示すように、第１の実施の形態に係るアレイアンテナ１０は、垂直方向に配列された、偏波を輻射する複数の第一のアンテナ素子１−１〜１−１１からなる第一のアンテナ素子群と、第一のアンテナ素子群の下部に配列された、第一のアンテナ素子１−１〜１−１１の輻射する偏波に直交する偏波を輻射する第二のアンテナ素子２とを有する。

より具体的には、複数の第一のアンテナ素子１−１〜１−１１が、地面と垂直に設置した反射板（グランド板）３の表面に、垂直方向（天地方向：図では上下方向）に沿って直線状に配列され、さらに第二のアンテナ素子２が、複数の第一のアンテナ素子１−１〜１−１１の最下部にそれらと同様に垂直方向に配置されたものである。

第一、第二のアンテナ素子１−１〜１−１１、２は、それぞれダイポールアンテナ素子からなる。

ダイポールアンテナ素子としては、例えば、同軸給電線１−１ｃ〜１−１１ｃ、２ｃの先に放射素子として１対のエレメント１−１ａ〜１−１１ａ、１−１ｂ〜１−１１ｂ、２ａ、２ｂを左右対称に取り付けたものを用いる。

エレメント１−１ａ〜１−１１ａ、１−１ｂ〜１−１１ｂ、２ａ、２ｂは、図１では簡略的に示しているが、棒状の導体や、プリント配線されたマイクロストリップ線路などで形成する。

一般に、ダイポールアンテナ素子の各エレメントの長さは１／４波長であり、１対のエレメントを取り付けたときの長さが一番効率のよい１／２波長となるようになっている（厳密にはエレメントの長さを１／４波長とするとインピーダンスが誘導性となり給電線とのインピーダンス整合が難しくなるので１／４波長よりも数％短縮させてインピーダンスを純抵抗に合わせることが多い）。

例えば、携帯電話で用いられる８５０ＭＨｚの電波では、その波長は０．３５３ｍとなる。この場合、各エレメントの長さはこの１／４である８．８２ｃｍにするとよい。

第一のアンテナ素子１−１〜１−１１は、その各エレメント１−１ａ〜１−１１ａ、１−１ｂ〜１−１１ｂが一直線に配列されるようにされる。これに対し、第二のアンテナ素子２は、そのエレメント２ａ、２ｂが第一のアンテナ素子１−１〜１−１１の各エレメント１−１ａ〜１−１１ａ、１−１ｂ〜１−１１ｂと直交するように配置される。

すなわち、図１では、第一のアンテナ素子１−１〜１−１１は垂直偏波ダイポールアンテナ素子であり、第二のアンテナ素子２は水平偏波ダイポールアンテナ素子である。

各アンテナ素子１−１〜１−１１、２は、それぞれのエレメント１−１ａ〜１−１１ａ、１−１ｂ〜１−１１ｂ、２ａ、２ｂが接触しないように間隔ｄが０．６波長となるように配置されている。

各アンテナ素子１−１〜１−１１、２を反射板（グランド板）３の表面に配置するのは、バックローブ（不要輻射のうち最大のもの）をなくすためである。反射板３には、給電端子４から各アンテナ素子１−１〜１−１１、２の同軸給電線１−１ｃ〜１−１１ｃ、２ｃに接続するための分配回路５が配線される。

分配回路５は、給電端子４から各アンテナ素子１−１〜１−１１、２までの線路長ができるだけ等しくなるようにトーナメント状に配線される。これにより、各アンテナ素子１−１〜１−１１、２での給電位相のずれが最小限になる。分配回路５としては、同軸線路やマイクロストリップ線路を用いるとよい。

第一のアンテナ素子１−１〜１−１１として垂直偏波ダイポールアンテナ素子を、第二のアンテナ素子２として水平偏波ダイポールアンテナ素子を用いた場合の垂直面指向性を図３に示す。

図３は、図１のアレイアンテナ１０において、各アンテナ素子１−１〜１−１１、２の間隔を０．６波長、各アンテナ素子１−１〜１−１１、２に同位相・同振幅で給電した場合の垂直面指向性を示す図である。

図３に示すように、図１のアレイアンテナ１０は、１１素子の垂直偏波ダイポールアンテナ素子（第一のアンテナ素子１−１〜１−１１）からなるアレイになっていることから、１素子に比較して利得の高い指向性が得られる。この指向性が主にエリアを構築することになる。

しかしながら、各サイドロープ（不要輻射）間にはヌル点が存在しており、特にアンテナ直下においては、直接伝播になることが多いため、不感地（ヌル）となる可能性が高い。

そこで、第一のアンテナ素子１−１〜１−１１からなるアレイの最下部に設けられた水平偏波ダイポールアンテナ素子（第二のアンテナ素子２）から輻射される電波（垂直偏波とは直交する偏波）によって、この不感地も補完することができる。

これは、近年の携帯機では受信ダイバーシチ機能を有しているため（又は強電界であれば）、水平偏波であっても、問題なく送受信ができることを利用したものである。

以上のようなアレイアンテナ１０によれば、複数の第一のアンテナ素子１−１〜１−１１の最下部に第一のアンテナ素子１−１〜１−１１の輻射する偏波に直交する偏波を輻射する第二のアンテナ素子２を設けることにより、給電位相や給電振幅を調整することなく、また利得を落とすことなくアンテナ直下にも電波を輻射することができ、不感地を補完できる。

図１では、第一のアンテナ素子１−１〜１−１１として垂直偏波を輻射する垂直偏波ダイポールアンテナ素子を多段に設け、第二のアンテナ素子２として水平偏波を輻射する水平偏波ダイポールアンテナ素子を設けているが、逆に、第一のアンテナ素子１−１〜１−１１として水平偏波ダイポールアンテナ素子を多段に設け、第二のアンテナ素子２として垂直偏波ダイポールアンテナ素子を設けるようにしてもよい。

次に、第２の実施の形態に係るアレイアンテナを説明する。

図２は、第２の実施の形態に係るアレイアンテナの概略図である。

図２のアレイアンテナ２０は、図１のダイポールアンテナ素子からなる第一のアンテナ素子１−１〜１−１１、２に代えて、パッチアンテナ素子からなる偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１、２２を用いたものであり、基本的な構造は図１のアレイアンテナ１０と同様である。

パッチアンテナ素子としては、例えば、誘電体基板の両面に絶縁体を介して銅などの金属を被覆し、一方の面をグランドとし、他方の面にエッチングなどを施して寸法が１／２波長程度の方形のマイクロストリップ線路を形成したものを用いる。

マイクロストリップ線路は、複数（図では２つ）の給電点２１−１ａ〜２１−１１ａ、２１−１ｂ〜２１−１１ｂ、２２ａ、２２ｂを有する。複数の給電点２１−１ａ〜２１−１１ａ、２１−１ｂ〜２１−１１ｂ、２２ａ、２２ｂのそれぞれがマイクロストリップ線路の対角線を隔てて対称の位置にあることが望ましい。給電は、パッチアンテナ素子のグランド側から線路を実装して行う。

この複数の給電点２１−１ａ〜２１−１１ａ、２１−１ｂ〜２１−１１ｂ、２２ａ、２２ｂを切り替えることで電界発生位置を切り替えて、水平偏波と垂直偏波を切り替えることができる。

各給電点２１−１ａ〜２１−１１ａ、２１−１ｂ〜２１−１１ｂ、２２ａ、２２ｂには、給電端子２３又は給電端子２４から給電点２１−１ａ〜２１−１１ａ、２１−１ｂ〜２１−１１ｂ、２２ａ、２２ｂまでの線路長ができるだけ等しくなるようにトーナメント状に配線された分配回路２５、２６が接続される。

この分配回路２５、２６により偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１と偏波ダイバーシチアンテナ素子２２の給電点を異ならせることで、最下部の偏波ダイバーシチアンテナ素子２２が輻射する偏波と、それ以外の偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１が輻射する偏波は互いに直交することになる。

例えば、図２に示す給電端子２３から給電した場合は、各偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１には分配回路２５を通じて下側の給電点２１−１ａ〜２１−１１ａから給電され、偏波ダイバーシチアンテナ素子２２には同じく分配回路２５を通じて左側の給電点２２ｂから給電されるので、偏波ダイバーシチアンテナ素子２２が輻射する偏波と、偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１から輻射される偏波は互いに直交することになる。

また、給電端子２４から給電した場合は、各偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１には分配回路２６を通じて右側の給電点２１−１ｂ〜２１−１１ｂから給電され、偏波ダイバーシチアンテナ素子２２には同じく分配回路２６を通じて下側の給電点２２ａから給電されるので、偏波ダイバーシチアンテナ素子２２が輻射する偏波と、偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１から輻射される偏波は互いに直交することになる。

図２の説明で用いた互いに直交する偏波とは垂直偏波と水平偏波のことであるが、偏波ダイバーシチアンテナにおける給電点を適宜変更することにより、互いに直交する偏波を＋４５°偏波と−４５°偏波にすることもできる。

また、パッチアンテナ素子に代えて偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１、２２として＋４５°偏波ダイポールアンテナと−４５°偏波ダイポールアンテナからなる偏波ダイポールアンテナを垂直方向に配列することにより構成したアレイアンテナを用いることもでき、この場合には、偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１では偏波ダイポールアンテナの＋４５°偏波ダイポールアンテナに給電し、偏波ダイバーシチアンテナ素子２２では偏波ダイポールアンテナの−４５°偏波ダイポールアンテナに給電することにより、偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１から輻射される偏波と偏波ダイバーシチアンテナ素子２２から輻射される偏波も互いに直交することになる。

また、偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１では−４５°偏波ダイポールアンテナに給電し、偏波ダイバーシチアンテナ素子２２では＋４５°偏波ダイポールアンテナに給電することにより、偏波ダイバーシチアンテナ素子２１−１〜２１−１１から輻射される偏波と偏波ダイバーシチアンテナ素子２２から輻射される偏波も互いに直交することにしてもよい。

以上のようなアレイアンテナ２０によれば、図１のアレイアンテナ１０と同様に、給電位相や給電振幅を調整することなく、また利得を落とすことなくアンテナ直下にも電波を輻射することができ、不感地を補完できる。

次に、第３の実施の形態に係るアレイアンテナを説明する。

図４は、第３の実施の形態に係るアレイアンテナの概略図である。

図４のアレイアンテナ４０は、図１のアレイアンテナ１０と基本的に同様の構成であり、第二のアンテナ素子２を垂直方向（第一のアンテナ素子１−１〜１−１１の設置面）に対して傾斜角度θ（０°＜θ≦９０°）で傾けて配置した点が異なる。

第二のアンテナ素子２に傾斜をかけるため、反射板（グランド板）３に代えて、第二のアンテナ素子２を取り付ける部分（傾斜部）４３ａが傾斜角度θで屈曲した反射板（グランド板）４３を用いる。

傾斜部４３ａは、アレイアンテナ４０の設置場所に応じて自由に傾斜角度θを変えられるような構造としてもよいし、取り付け場所が予め決まっている場合にはその場所に合わせた傾斜角度θで固定されていてもよい。

図５は、図４のアレイアンテナ４０の垂直面指向性を示す図である。

図１のアレイアンテナ１０では最下部の第二のアンテナ素子２が輻射する電波は水平方向に輻射されるが、図４のアレイアンテナ４０では第二のアンテナ素子２が傾斜（図４では、垂直方向に対して２０°の傾斜をかけている）しているので、図５に示すようにアンテナ下部方向に電波を集中することが可能である。

どの程度の傾斜をかけるのかは、アレイアンテナ４０の足元に存在する構造物の種類や大きさによって適宜設定するとよい。

以上のようなアレイアンテナ４０によれば、図１のアレイアンテナ１０と同様に、給電位相や給電振幅を調整することなく、また利得を落とすことなくアンテナ直下にも電波を輻射することができ、不感地を補完できる。

上述の第１〜３の実施の形態のように、アレイアンテナの足元方向の不感地を解消するという目的を達成するという点においては、第一のアンテナ素子群の最下部に配置する、他の第一のアンテナ素子の輻射する偏波に直交する偏波を輻射する第二のアンテナ素子は１個であることが望ましい。

ただ、アレイアンテナの足元方向の不感地を解消するという性能を多少犠牲にすることになるものの、指向性が増すように、第一のアンテナ素子群の下部に第一のアンテナ素子の輻射する偏波に直交する偏波を輻射する複数の第二のアンテナ素子からなる第二のアンテナ素子群を設けるようにしてもよい。

また、この場合において、最下部に配列された第二のアンテナ素子群の傾斜角度を適宜変更してもよいし、各アンテナ素子が輻射する偏波を、垂直偏波又は水平偏波、＋４５°偏波又は−４５°偏波としてもよい。

上述の実施の形態においては、各アンテナ素子への給電位相・給電電力を同位相・同振幅としたが、電気チルトをかけたりするために、異なる位相・電力で給電しても、同様な効果が期待できることは自明である。

また、第一、第二のアンテナ素子としては、ダイポールアンテナ素子やパッチアンテナ素子、偏波ダイポールアンテナ素子に限らず、マイクロストリップアンテナ素子、八木アンテナ素子、スロットアンテナ素子などを用いても同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施の形態を示すアレイアンテナの概略図である。 本発明の他の形態を示すアレイアンテナの概略図である。 図１のアレイアンテナの垂直面指向性を示す図である。 本発明の他の形態を示すアレイアンテナの概略図である。 図４のアレイアンテナの垂直面指向性を示す図である。

符号の説明

１−１〜１−１１ 第一のアンテナ素子
２ 第二のアンテナ素子
３ 反射板（グランド板）
１０ アレイアンテナ

Claims (5)

1. 垂直方向に配列された、偏波を輻射する複数の第一のアンテナ素子からなる第一のアンテナ素子群と、
   前記第一のアンテナ素子群の下部に配列された、前記第一のアンテナ素子の輻射する偏波に直交する偏波を輻射する第二のアンテナ素子とを有することを特徴とするアレイアンテナ。
2. 垂直方向に配列された、偏波を輻射する複数の第一のアンテナ素子からなる第一のアンテナ素子群と、
   前記第一のアンテナ素子群の下部に配列された、前記第一のアンテナ素子の輻射する偏波に直交する偏波を輻射する複数の第二のアンテナ素子からなる第二のアンテナ素子群とを有することを特徴とするアレイアンテナ。
3. 前記第二のアンテナ素子の垂直方向に対する傾斜角度θが、０°＜θ≦９０°であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアレイアンテナ。
4. 前記第一のアンテナ素子の輻射する偏波が、垂直偏波又は水平偏波であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアレイアンテナ。
5. 前記第一のアンテナ素子の輻射する偏波が、＋４５°偏波又は−４５°偏波であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアレイアンテナ。

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