JP2012529827A - 交差偏波マルチバンド・アンテナ - Google Patents

Abstract

本発明の主題は、同一直線状にある２つの導電アームをそれぞれが備える交差偏波ダイポールの第１の対を備え、４つの導電アームが、低周波数帯域に対応する第１の放射平面を画定するマルチバンド・アンテナ放射素子である。また、この放射素子は、同一直線状にある２つの導電アームをそれぞれが備える交差偏波ダイポールの少なくとも第２の対からなり、４つの導電アームが、より高い周波数帯域に対応する第２の放射平面を画定する。第１の放射平面と第２の放射平面は平行である。すなわち、第２の放射平面は、第１の放射平面の上方に配置され、第１の放射平面から電気的に絶縁され、ダイポールの第１の対の導電アームを覆う第１の放射平面の表面が、ダイポールの第２の対の導電アームを覆う第２の放射平面の表面より大きい。第１の放射平面は、２重交差偏波ダイポールの第１の対または１つのプリント・ダイポールによって画定することができ、第２の放射平面は、クロス・ダイポール、バタフライ・ダイポール、およびプリント・ダイポールから選択されるダイポールの第２の対によって画定することができる。

Description

本発明は、マルチバンド遠隔通信アンテナ内にあるものなど、放射素子に関する。詳細には、本発明は、セルラ電話応用分野で特に使用される、パネル・アンテナとして知られるマルチバンド・アンテナに関する。

セル電話は、知られている様々な遠隔通信システムに対応する多種多様な周波数帯域を使用する。現在、たとえばＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）（８７０〜９６０ＭＨｚ）、およびユニバーサル移動電話システム（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ Ｓｅｒｖｉｃｅ／ＵＭＴＳ）（１７１０〜２１７０ＭＨｚ）など、いくつかの遠隔通信システムが同時に使用されている。

したがって、遠隔通信ネットワークのオペレータは、使用されている様々な周波数帯域上でデータを伝送するアンテナのネットワークにアクセスしなければならない。一部のオペレータは、そのために追加のアンテナ・ネットワークを設置し、アンテナ・ネットワークのそれぞれがある遠隔通信システムに基づいて動作する。したがって、オペレータは、ＵＭＴＳアンテナのネットワークを設置しているにもかかわらず、ＧＳＭアンテナのネットワークとＤＣＳアンテナのネットワークを使用する。しかし、オペレータは、ネットワークを展開するとなると、新しいアンテナの設置のための許可を得るのが困難であることがわかる。現行の用地は、視覚的な影響の点ですでに極度に詰め込まれすぎている。さらに、アンテナ・ネットワークの数の増加は、オペレータにとっての追加のコスト（アンテナの購入、借地、設置）、ならびに環境損害を生み出しつつある。

これらの理由で、オペレータは、すでに設置されているアンテナの数を増やさないようにしている。この問題に対する１つの解決策は、単一のアンテナ・シャシ内でいくつかの遠隔通信システムにそれぞれ属する放射素子の組合せに基づくマルチバンド・アンテナを使用することであろう。これらのアンテナは、切り詰められた容積内にいくつかのシングルバンド・アンテナを組み込み、一方、同じサービス品質を維持する。

たとえば、各周波数に割り当てられた放射素子が、同じ周波数に対応する放射素子すべてについて同様の無線電気環境（ｒａｄｉｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）を生み出すように、たとえば千鳥配置され交互する長手方向の周期構造に従って、どちらも互いに並行に位置合わせされる２周波数帯域アンテナまたは３周波数帯域アンテナがある。これらの構成は、アンテナの幅を著しく増大し、少なくとも最も高い周波数について、放射性能を劣化させる。どちらのタイプの構成についても、高周波で放射する素子の方位角位置合わせ平面内の非対称性によって引き起こされる方位角図の斜視効果（ｓｔｒａｂｉｓｍｕｓ ｅｆｆｅｃｔ）がある。また、この非対称性により、±６０°の角度区間において、交差偏波の強い劣化が観察される。

２重偏波放射素子は、２つの独立のダイポールからなり、ダイポールのそれぞれが、無線周波数信号を送受信するために所与の偏波（正または負）を有する同一直線上にある２つの導電アームを備える。各アームの長さは、概ね使用電波の波長の４分の１に等しい。放射素子は、反射器の上方にて長手方向位置合わせで組み立てられ、反射器は、ダイポールの後方放射を反射することによって生み出される、そのセットの放射パターンの指向性を改善する。放射素子の各ダイポールは、フィードラインによって外部エネルギー源にリンクされる。これらの放射素子は、信号周波数の送信／受信専用である。

水平面上で互いに直交して配置され、クロス・ボウ・タイ（ｃｒｏｓｓ ｂｏｗ ｔｉｅ）として知られる、４つの概ね三角形の導電アームを備える、あるタイプの放射素子がある。

バタフライとして知られる、軸方向でＶ字形に折り畳まれ、互いに直交して配置された４つの導電アームからなる、別のタイプの放射素子がある。

また、パッチ素子としても知られる、誘電基板に付着された導電層によってマークされた４つの導電アームを備えるプリント素子もある。

したがって、本発明の目的は、占有される空間を削減することが可能なマルチバンド・アンテナ用の放射素子を提供することである。

本発明の主題は、同一直線状にある２つの導電アームをそれぞれが備える２重交差偏波ダイポールの第１の対からなり、４つの導電アームが、低周波数帯域に対応する第１の放射平面を画定するマルチバンド・アンテナ放射素子である。また、この放射素子は、同一直線状にある２つの導電アームをそれぞれが備える交差偏波ダイポールの少なくとも第２の対からなり、４つの導電アームが、より高い周波数帯域に対応する第２の放射平面を画定する。第１の放射平面と第２の放射平面は平行である。すなわち、第２の放射平面は、第１の放射平面の上方に配置され、第１の放射平面から電気的に絶縁され、ダイポールの第１の対の導電アームを覆う第１の放射平面の表面が、ダイポールの第２の対の導電アームを覆う第２の放射平面の表面より大きい。

互いに電気的に絶縁されている２つの別々の放射平面を並行に重ねることが必要である。より低い周波数を有する下部放射平面は、より高い周波数を有する上部放射平面に十分な表面を提供し、それにより上部放射平面に対して接地平面と一致することができるように設計される。これは、可能な限り大きな表面を、下部放射平面のダイポールで覆って達成される。

第１の実施形態によれば、第１の放射平面は、１対のプリント・ダイポールによって画定され、第２の放射平面は、クロス・ダイポール、バタフライ・ダイポール、およびプリント・ダイポールから選択される１対のダイポールによって画定される。

第２の実施形態によれば、第１の放射平面は、１対のクロス・ダイポールによって画定され、第２の放射平面は、クロス・ダイポール、バタフライ・ダイポール、およびプリント・ダイポールから選択される１対のダイポールによって画定される。

第１の実施形態によれば、クロス・ダイポールは、三角形のアームを備える。

第２の実施形態によれば、クロス・ダイポールは、四角形のアームを備える。

第３の実施形態によれば、クロス・ダイポールは、中実のフラクタル・パターンで構成されるアームを備える。

第４の実施形態によれば、クロス・ダイポールは、別々のストランドで構成されるアームを備える。ストランドは、好ましくはλ_ＨＦ／１０以下の距離だけ分離すべきであり、この式でλ_ＨＦは、高周波ＲＦ信号の波長である。

一変形実施形態では、放射素子は、３つの平行の重ねられた放射平面、すなわち第１の下部放射平面と、第１の放射平面の上方に配置され、第１の放射平面から電気的に絶縁された第２の中間放射平面と、第２の放射平面の上方に配置され、第２の放射平面から電気的に絶縁された第３の上部放射平面とを備える。

本発明の他の目的は、上述の放射素子を備えるマルチバンド遠隔通信アンテナを提供することである。

本発明の利点は、アンテナの幅、したがってその表面を削減し、それによりその製造コストが削減され、受風面積（ｗｉｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ）の縮小がもたらされる。

さらに、本発明による素子を備えるアンテナの特性は、２つの理由で従来技術における構成より良好である。一方では、一方の周波数帯域の放射素子が他方の周波数帯域の放射素子によって混乱させられることが少なくなる。というのは、重なり合ったダイポールの位置により、後者が前者によって「見えなく」なるからである。他方では、すべてのダイポールが対称環境にある。

本発明の他の特徴および利点は、当然ながら非限定的な例として与えられた、添付の図面にある一実施形態の以下の説明を読めば、明らかになろう。

第１の実施形態による放射素子の図である。 図１のものと同様の放射素子を備えるマルチバンド・アンテナの図である。 第２の実施形態による放射素子の図である。 第３の実施形態による放射素子の図である。 第４の実施形態による放射素子の図である。 第５の実施形態による放射素子の図である。 第６の実施形態による放射素子の図である。 第７の実施形態による放射素子の図である。

図１に示されている実施形態は、クロス・ダイポールの第１の対によって画定される下部放射平面２を備える放射素子１を表し、この対は、互いに直交して配置され±４５°の直交偏波をもたらす第１のダイポール３と第２の２重交差偏波ダイポール４とからなり、第２の２重交差偏波ダイポール４の長さは、概ね１／２λ_ＢＦに等しく、この式で、λ_ＢＦは低周波ＲＦ信号の波長である。第１のダイポール３は、第１の導電アーム５および第２の導電アーム６を備え、これらのアームは、負偏波（−４５°）と同一直線上にあり、それぞれが概ね１／４λ_ＢＦに等しい長さを有する。各導電アーム５、６は、形状が概ね三角形である。これらのアームは、当然ながら別の形状（たとえば、四角形）をとることもできる。第１の導電アーム５と第２の導電アーム６は、それらの頂点が接触することなく互いに近接するように、水平面内で互いの延長として配置される。同様に、第２のダイポール４は、正偏波（＋４５°）と同一直線上にある第１の導電アーム７および第２の導電アーム８を備える。導電アーム７、８は、形状が概ね三角形である。第１の導電アーム７と第２の導電アーム８は、それらの頂点が接触することなく互いに近接するように、水平面内で互いの延長として配置される。クロス・ダイポール３、４は、ベース９によって支持される。４つの導電アーム５、６、７、８は、すべてベース９を形成する共用のベース・プレート１１に取り付けられたシャフト１０によって支持される。各ダイポール３、４は、直線偏波を生成するように平衡電源の供給を受ける。

本発明の一実施形態によれば、放射素子１はまた、クロス・ダイポールの第２の対によって画定される、たとえば下部放射平面２と同様の上部放射平面１３を備え、この対は、互いに直交して配置され±４５°の直交偏波をもたらす第１のダイポール１４と第２の２重交差偏波ダイポール１５とからなり、第２の２重交差偏波ダイポール１５の長さは、概ね１／２λ_ＢＦに等しく、この式で、λ_ＢＦは低周波ＲＦ信号の波長である。ダイポール１４は、第１の導電アーム１６および第２の導電アーム１７を備え、これらのアームは、負偏波（−４５°）と同一直線上にあり、ダイポール１５は、正偏波（＋４５°）と同一直線上にある第１の導電アーム１８および第２の導電アーム１９を備える。アーム１６、１７、１８、１９は、形状が概ね三角形であり、水平面内で互いの延長として配置される。クロス・ダイポール１４、１５は、ベース２０によって支持される。導電アーム１６、１７、１８、１９すべてが、ベース２０を形成する共用のベース・プレート２２に取り付けられたシャフト２１によって支持される。各ダイポール１４、１５は、直線偏波を生成するように平衡電源の供給を受ける。

下部平面２は、そのベース・プレート１１の中間を介して、接地平面として働く平坦な反射器２４上で組み立てられる。上部放射平面１３は、下部平面２の上方に配置され、たとえば誘電材料２３の層によって下部平面２から電気的に絶縁され、そのベース・プレート２０により誘電材料２３に取り付けられる。負偏波（−４５°）を有する導電アーム５、６、１６、１７は、正偏波（＋４５°）を有する導電アーム７、８、１８、１９と同様に重ねられる。この場合、下部平面２上のダイポール３、４の導電アーム５、６、７、８は、上部平面１３用のＲＦエネルギー反射器として働くように十分に考えられた金属表面を有する。

図２は、反射器３２上で組み立てられた放射素子３１を備える遠隔通信アンテナ３０の有利な実施形態を示す。放射素子３１は、ＵＭＴＳ周波数帯域専用の上部放射平面３３と、ＧＳＭ周波数帯域専用の下部放射平面３４とを備える。また、アンテナ３０は、放射素子３１間に点在する、ＵＭＴＳ周波数帯域専用の、上部放射平面３３と同様の放射平面３５を含む素子を備えることができる。放射平面３５と放射平面３３は、平坦な波面を生成するために、同じ高さで物理的に配置するか、またはケーブルの追加によって電気的に補償しなければならない。

図３は、放射平面４２の下に取り付けられたベース４１を備える放射素子４０の第２の実施形態を示す。下部放射平面４２は、２重交差偏波を有する２つのダイポール４３、４４で構成されたクロス・ダイポールの第１の対によって画定される。負偏波（−４５°）を有するダイポール４３は、第１の導電アーム４５および第２の導電アーム４６を備え、正偏波（＋４５°）を有するダイポール４４、第１の導電アーム４７および第２の導電アーム４８を備える。パッチ型ダイポールとして知られる、２重偏波プリントまたは金属ダイポールの第１の対によって画定される上部放射平面４９が、下部放射平面４２の下に取り付けられ、下部放射平面４２から電気的に絶縁される。上述のように、導電アーム４５、４６、４７、４８は、すべてベース・プレート５１に取り付けられたシャフト５０によって支持される。各ダイポール４３、４４は、直線偏波を生成するように平衡電源の供給を受ける。

図４は、本発明による放射素子の第３の実施形態を示す。放射素子６０は、十字形に配置された第１のダイポール６３および第２のダイポール６４からなる交差２重偏波ダイポールの第１の対によって画定される下部放射平面６２を支持するベース６１を備え、各ダイポールがそれぞれ２つのアーム６５、６６と２つのアーム６７、６８を有する。各アーム６５、６６、６７、６８は、別々のストランドで構成され、ストランドの長さは、概ね１／４λ_ＢＦに等しく、この式で、λ_ＢＦは低周波ＲＦ信号の波長である。ストランドは、λ_ＨＦ／１０以下の距離だけ分離され、この式でλ_ＨＦは、高周波ＲＦ信号の波長である。

上部放射平面６９は、下部放射平面６２上に重ねられ、下部放射平面６２から電気的に絶縁される。上部放射平面６９は、ベース７０によって支持された２重交差偏波ダイポールの第２の対によって画定され、第１のダイポール７１および第２のダイポール７２が十字形に配置され、各ダイポールが、形状が概ね三角形であり水平面内で互いの延長として配置されるそれぞれ２つのアーム７３、７４と２つのアーム７５、７６を有する。

同様にして、異なる数の重ねられた放射平面、たとえば下部放射平面、中間放射平面、および上部放射平面からなる放射素子を作成することが可能である。この場合、下部放射平面は、当然ながら、上部放射平面に関してすでに述べたものと同じ特性を、中間平面に関して含まなければならない。同様に、中間放射平面は、下部放射平面に関してすでに述べたものと同じ特性を、上部放射平面に関して含まなければならない。

図５に表されている放射素子８０は、本発明による放射素子の第４の実施形態である。放射素子８０は、ダイポール８２、８３を形成するプリント回路であるダイポールの第１の対によって画定される下部放射平面８１を備え、ダイポール８２、８３のそれぞれは、導電性ライン８８によって給電されるそれぞれ２つのアーム８４、８５と２つのアーム８６、８７を有する。２重交差偏波ダイポールの第２の対によって画定される放射平面８９は、下部放射平面８１上に重ねられ、下部放射平面８１から電気的に絶縁される。上部放射平面８９は、すでに述べた図４における上部放射平面６９と同様のベースによって支持された２つのクロス・ダイポールを備える。

図６は、本発明による放射素子の第５の実施形態を示す。放射素子９０は、すでに述べた図５における下部放射平面８１と同様の十字形でダイポール９２、９３を形成するプリント回路であるダイポールの第１の対によって画定される下部放射平面９１を備える。クロス・ダイポールの第２の対によって画定される放射平面９４は、下部放射平面９１上に重ねられ、下部放射平面９１から電気的に絶縁される。上部放射平面９４は、直交して配置され、ベース９７によって支持された「バタフライ」型の２つのクロス・ダイポール９５、９６を備える。各ダイポール９５、９６は、軸方向でＶ字形に折り畳まれた２つの導電アームからなる。

図７は、本発明による放射素子の第７の実施形態を示す。放射素子１００は、すでに述べた図５における下部放射平面８１と同様の十字形でダイポール１０２、１０３を形成するプリント回路であるダイポールの第１の対によって画定される下部放射平面１０１を備える。上部放射平面１０４は、下部放射平面１０１上に重ねられ、下部放射平面１０１から電気的に絶縁される。上部放射平面１０４は、十字形でダイポール１０５、１０６を形成するプリント回路である。

同様にして、異なる数の放射平面からなる放射素子を作成することが可能である。たとえば、放射素子１１０が、図８に示されているように重ねられた下部放射平面１１１、中間放射平面１１２、および上部放射平面１１３を備える。この場合、下部放射平面１１１は、当然ながら、上部放射平面１１３に関してすでに述べたものと同じ特性を、中間平面１１２に関して含まなければならない。同様に、中間放射平面１１２は、下部放射平面１１１に関してすでに述べたものと同じ特性を、上部放射平面１１３に関して含まなければならない。

ダイポールの第１の対によって画定される下部放射平面１１１は、すでに述べた図５における下部放射平面８１と同様の十字形でダイポール１１４、１１５を形成するプリント回路である。クロス・ダイポールの第２の対によって画定される中間放射平面１１２は、下部放射平面１１１上に重ねられ、下部放射平面１１１から電気的に絶縁される。中間放射平面１１２もまた、十字形でダイポール１１６、１１７を形成するプリント回路である。ダイポールの第３の対によって画定される上部放射平面１１３は、中間放射平面１１２上に重ねられ、中間放射平面１１２から電気的に絶縁される。上部放射平面１１３もまた、十字形でダイポール１１８、１１９を形成するプリント回路である。

Claims (10)

1. 同一直線状にある２つの導電アームをそれぞれが備える２重交差偏波ダイポールの第１の対を備え、前記４つの導電アームが、低周波数帯域に対応する第１の放射平面を画定する、マルチバンド・アンテナ用の放射素子であって、また、同一直線状にある２つの導電アームをそれぞれが備える交差偏波ダイポールの少なくとも第２の対からなり、前記４つの導電アームが、より高い周波数帯域に対応する第２の放射平面を画定し、前記第１の放射平面と前記第２の放射平面が平行である、すなわち、前記第２の放射平面が、前記第１の放射平面の上方に配置され、前記第１の放射平面から電気的に絶縁され、ダイポールの前記第１の対の前記導電アームを覆う前記第１の放射平面の表面が、ダイポールの前記第２の対の前記導電アームを覆う前記第２の放射平面の表面より大きい、放射素子。
2. 前記第１の放射平面が、１対のプリント・ダイポールによって画定され、前記第２の放射平面が、クロス・ダイポール、バタフライ・ダイポール、およびプリント・ダイポールから選択される１対のダイポールによって画定される、請求項１に記載の放射素子。
3. 前記第１の放射平面が、１対のクロス・ダイポールによって画定され、前記第２の放射平面が、クロス・ダイポール、バタフライ・ダイポール、およびプリント・ダイポールから選択される１対のダイポールによって画定される、請求項１に記載の放射素子。
4. 前記クロス・ダイポールが三角形のアームを備える、請求項２または３に記載の放射素子。
5. 前記クロス・ダイポールが三角形のアームを備える、請求項２または３に記載の放射素子。
6. 前記クロス・ダイポールが、中実のフラクタル・パターンで構成されるアームを備える、請求項２乃至５のいずれか１項に記載の放射素子。
7. 前記クロス・ダイポールが、別々のストランドで構成されたアームを備える、請求項２または３に記載の放射素子。
8. 前記ストランドが、λ_ＨＦ／１０以下の距離だけ分離され、この式でλ_ＨＦは、高周波ＲＦ信号の波長である、請求項７に記載の放射素子。
9. ３つの平行の重ねられた放射平面、すなわち第１の下部放射平面と、前記第１の放射平面の上方に配置され、前記第１の放射平面から電気的に絶縁された第２の中間放射平面と、前記第２の放射平面の上方に配置され、前記第２の放射平面から電気的に絶縁された第３の上部放射平面とからなる、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放射素子。
10. 同一直線状にある２つの導電アームをそれぞれが備える２重交差偏波ダイポールの第１の対からなり、前記４つの導電アームが、低周波数帯域に対応する第１の放射平面を画定する、少なくとも１つの放射素子を備えるマルチバンド・アンテナであって、前記放射素子がまた、同一直線状にある２つの導電アームをそれぞれが備える交差偏波ダイポールの少なくとも第２の対からなり、前記４つの導電アームが、より高い周波数帯域に対応する第２の放射平面を画定し、前記第１の放射平面と前記第２の放射平面が平行である、すなわち、第２の放射平面は、第１の放射平面の上方に配置され、第１の放射平面から電気的に絶縁され、ダイポールの第１の対の導電アームを覆う第１の放射平面の表面が、ダイポールの第２の対の導電アームを覆う第２の放射平面の表面より大きい、マルチバンド・アンテナ。

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