JP2013021406A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ装置を大型化することなく、且つ、共用する周波数の垂直面ビームチルトを周波数帯ごとに独立に可変することが可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】複数の周波数帯で送受信する複数の周波数帯共用アンテナ素子１１ｅを垂直方向に並べて形成される周波数共用アンテナ１１と、周波数共用アンテナ１１の垂直方向のビームチルトを周波数帯ごとに変えるために、複数の周波数帯ごとに設けられ、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅの送受信信号の位相制御を行う複数の移相器１２，１３と、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅと複数の移相器１２，１３との間に接続され、各周波数帯ごとに位相制御された送信信号を、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅにそれぞれ伝送し、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅで受信された各周波数帯の受信信号を、対応する周波数帯の移相器１２，１３に伝送する複数のデュプレクサ１４と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話向けの基地局アンテナで使用され、複数の周波数帯で送受信するアンテナ装置に係り、特に、ビームチルトを周波数帯ごとに独立に変更して送受信を行うアンテナ装置に関する。

従来、携帯電話向けの基地局アンテナで使用される周波数共用アンテナは、通信に使用する周波数帯ごと（例えば、８００ＭＨｚ、１．５ＧＨｚ、２ＧＨｚ帯）に専用のアンテナ素子を設けていた。

近年では、異なる周波数帯を別の通信システムに（例えば、１．５ＧＨｚ帯をＬＴＥ（Long Term Evolution）に、２ＧＨｚ帯をＷ−ＣＤＭＡ（Wideband Code Division Multiple Access）に）割り当て、システムごとにビームチルトを独立に設計することが望まれており、各周波数帯のアンテナからのビームチルトを、周波数帯ごとに独立に変更できるアンテナ装置が開発されている。

複数の周波数帯で送受信する従来のアンテナ装置の構成例を図６に示す。

このアンテナ装置５０は、第１周波数帯（例えば１．５ＧＨｚ帯）ｆ₁および第２周波数帯（例えば２ＧＨｚ帯）ｆ₂の２つの周波数帯を共用して送受信するための装置であり、第１周波数帯ｆ₁で送受信する複数の第１アンテナ素子５１ｅを並べて形成された第１アンテナ５１と、第２周波数帯ｆ₂で送受信する複数の第２アンテナ素子５２ｅを並べて形成された第２アンテナ５２と、第１及び第２アンテナ５１，５２の各アンテナ素子５１ｅ，５２ｅにそれぞれ接続され、対応する周波数帯の送受信信号の位相制御を行う第１及び第２移相器１２，１３と、を主に備える。

このアンテナ装置５０では、第１及び第２アンテナ５１，５２の各アンテナ素子５１ｅ，５２ｅを垂直方向に並べ、これら各アンテナ５１，５２の送信信号を対応する各移相器１２，１３で位相制御し、各アンテナ５１，５２の垂直方向（垂直面）のビームチルトを周波数帯ごとに独立に調整して送受信するようにしている。

特開２００３−３０９４１７号公報 特開２００６−１８６８４１号公報 特開２００７−０７４０２６号公報

しかしながら、アンテナ装置に周波数帯ごとに専用のアンテナ素子を設けるようにすると、各素子を配置するために必要なスペース、すなわちアンテナ装置が大きくなることから、複数の周波数帯で送受信するアンテナ装置の作製や設置には新たなコストが必要となる。そこでコスト低減のために、既設のアンテナ装置の大きさを変えずに複数の周波数帯で使用するアンテナ装置のニーズが高まっている。

このニーズに対し、周波数帯の広い、複数の周波数帯で送受信できるアンテナ素子を開発し、複数の周波数帯でアンテナ素子を共用するということが考えられる。

但し、この場合、垂直方向のビームチルトを調整するための移相器が複数の周波数帯で共用されることになるので、異なる周波数帯のビームチルトの設計を同一角度に限定しない限り、従来構成のアンテナ装置のように、アンテナ素子を周波数帯ごとに分離して、各々の移相器経由で垂直方向のビームチルトを変える必要があるという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、アンテナ装置を大型化することなく、且つ、共用する周波数の垂直面ビームチルトを周波数帯ごとに独立に可変することが可能なアンテナ装置を提供するものである。

上記目的を達成するために創案された本発明は、複数の周波数帯で送受信する複数の周波数帯共用アンテナ素子を垂直方向に並べて形成される周波数共用アンテナと、前記周波数共用アンテナの垂直方向のビームチルトを周波数帯ごとに変えるために、前記複数の周波数帯ごとに設けられ、前記周波数帯共用アンテナ素子の送受信信号の位相制御を行う複数の移相器と、前記周波数帯共用アンテナ素子と前記複数の移相器との間に接続され、各周波数帯ごとに位相制御された送信信号を、前記周波数帯共用アンテナ素子にそれぞれ伝送し、前記周波数帯共用アンテナ素子で受信された各周波数帯の受信信号を、対応する周波数帯の移相器に伝送する複数のデュプレクサと、を備えたアンテナ装置である。

前記移相器の後段に接続されるバンドパスフィルタをさらに備えると良い。

前記複数の周波数帯は、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯であると良い。

本発明によれば、アンテナ装置を大型化することなく、且つ、共用する周波数の垂直面ビームチルトを周波数帯ごとに独立に可変することが可能なアンテナ装置を提供できる。

本発明の一実施の形態を示す模式図である。 本発明に使用できるデュプレクサの一例を示す図である。 本発明に使用できるデュプレクサの特性の一例を示す図である。 本発明に係るアンテナ装置から放射される送信信号（電波）の垂直面ビームチルトを示したデータであり、（ａ）は１４９１ＭＨｚでの、（ｂ）は２１２０ＭＨｚでの垂直面指向性を示すグラフ図である。 本発明の他の実施の形態を示す模式図である。 従来のアンテナ装置の構成例を示す模式図である。

以下、本発明の一実施の形態について図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るアンテナ装置１０は、第１及び第２周波数帯ｆ₁，ｆ₂（ここでは、第１周波数帯ｆ₁＜第２周波数帯ｆ₂とする）の２つの周波数帯で送受信する周波数共用アンテナ１１と、周波数共用アンテナ１１の送受信信号の位相制御を周波数帯ごとに行う移相器１２，１３と、周波数共用アンテナ１１と移相器１２，１３との間に接続されるデュプレクサ１４と、を主に備える。さらに、アンテナ装置１０の移相器１２，１３の後段はベースバンド側へ接続される。

周波数共用アンテナ１１は、第１及び第２周波数帯ｆ₁，ｆ₂の２つの周波数帯で送受信する複数（例えば、１４個）の周波数帯共用アンテナ素子１１ｅを垂直方向に並べて形成される。本実施の形態では、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅは第１及び第２周波数帯ｆ₁，ｆ₂として１．５ＧＨｚ帯及び２ＧＨｚ帯の周波数帯を共用して信号を送受信するものである。

移相器１２，１３は、周波数共用アンテナ１１が送受信する信号のうち、それぞれ対応する周波数帯の送受信信号の位相制御を行い、周波数共用アンテナ１１の垂直方向のビームチルトを変更するためのものである。本発明では周波数共用アンテナ１１で共用する周波数帯の数（すなわち、本実施の形態では２つ）だけ設けられる。

第１周波数帯ｆ₁での送受信に使用される移相器１２は、その後段が第１周波数帯ｆ₁のベースバンド側に接続されると共に、その前段は周波数帯共用アンテナ素子１１ｅ側の全て（後述の各デュプレクサ１４の全て）に並列に接続される。例えば周波数帯共用アンテナ素子１１ｅが１４個である場合、移相器１２はベースバンド側から見ると送信信号を１入力１４出力で周波数共用アンテナ１１側に伝送する。

また、第２周波数帯ｆ₂での送受信に使用される移相器１３も同様に、第２周波数帯ｆ₂のベースバンド側に接続されると共に、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅ側の全てに並列に接続され、１入力多出力でベースバンド側と周波数帯共用アンテナ素子１１ｅ側とに接続される。

これら移相器１２，１３は、ベースバンド側から入力された送信信号を複数の送信信号に分割すると共にその位相をずらして（移相して）、各周波数帯共用アンテナ素子１１ｅ側に伝送する。これにより、電波として放射された送信信号同士が干渉して強めあう領域（主ビーム）の角度を所望の角度に設定することができる。例えば、垂直方向に並べた周波数帯共用アンテナ素子１１ｅのうち、大地側の素子に伝送する送信信号の位相をより遅延させるように移相すると、ビームチルトを大きくして主ビーム方向を大地に向けることができる。逆に天空側の素子への送信信号の位相をより遅延させるように移相すると、ビームチルトを小さくして主ビーム方向を天空に向けることができる。なお移相器１２，１３は、各周波数帯共用アンテナ素子１１ｅ側から受信信号が伝送されたときには、それら信号の位相を送信時とは逆にずらして合成し、多入力１出力にてベースバンド側に受信信号を伝送する。

デュプレクサ１４は、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅと複数の移相器１２，１３との間に接続される。より具体的には、デュプレクサ１４は周波数共用アンテナ１１が備える周波数帯共用アンテナ素子１１ｅの数だけ設けられ、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅとデュプレクサ１４は１対１で接続される。また、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅに１対１で接続された各デュプレクサ１４は、それぞれが複数の移相器１２，１３に接続される。つまり移相器１２，１３は、それぞれがデュプレクサ１４の全てに接続されている。本実施の形態では、デュプレクサ１４は複数の周波数帯共用アンテナ素子１１ｅのそれぞれに接続されると共に、各デュプレクサ１４は１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の移相器１２，１３の双方と接続される。

またデュプレクサ１４は、各移相器１２，１３で周波数帯ごとに位相制御された周波数共用アンテナ１１への送信信号を、各周波数帯共用アンテナ素子１１ｅに伝送すると共に、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅで受信した信号を、周波数帯ごとに分離して対応する周波数帯ｆ₁，ｆ₂の各移相器１２，１３に伝送するものである。なお、本明細書ではデュプレクサとは周波数分離フィルタを指すものであり、２つの周波数帯を分離するものに留まらず、２つ以上の複数の周波数帯を周波数帯ごとに分離するものをも含む。換言すると、本明細書ではデュプレクサはマルチプレクサをも意味するものである。

本発明は周波数帯共用アンテナ素子１１ｅおよび移相器１２，１３の構成・形状などを特に限定するものではなく公知のものを利用可能である。但し、本発明ではデュプレクサ１４を周波数帯共用アンテナ素子１１ｅごとに（例えば、１４個）接続する必要があるため、小型でかつコストの低い部品でデュプレクサ１４を構成することが好ましい。そのため、典型的にはプリント基板のマイクロストリップラインで設計したフィルタ（デュプレクサ）をアンテナ素子直下に配置することが好ましい。

本発明に好適なデュプレクサ１４の一例を図２に示している。

ここではデュプレクサ１４は、プリント基板上にマイクロストリップラインで設計され、２ＧＨｚ帯（第２周波数帯ｆ₂）を阻止し１．５ＧＨｚ帯（第１周波数帯ｆ₁）のみを通過させるローパスフィルタ（あるいはバンドパスフィルタ）１５と、１．５ＧＨｚ帯を阻止し２ＧＨｚ帯のみを通過させるハイパスフィルタ（あるいはバンドパスフィルタ）１６の２種のフィルタより構成され、５０ｍｍ×５０ｍｍ×１５ｍｍの寸法であり、表１および図３に示すような仕様およびフィルタ特性を有する。

図３は、デュプレクサ１４に好適なバンドパスフィルタ１５のフィルタ特性の一例を示す図であり、図中、Ｓ２１はバンドパスフィルタ１５の通過帯域を、Ｓ１１はバンドパスフィルタ１５の阻止帯域を表している。

本発明ではこのようなデュプレクサ１４を使用することができるが、その他アンテナに要求される所望の特性に合わせ、仕様・フィルタ特性は適宜変更可能である。

次に、このアンテナ装置１０を用いて送受信を行う際の各部の動作について説明する。

信号送信時、このアンテナ装置１０では、周波数共用アンテナ１１の送信信号を、周波数帯ごとに設けた複数の移相器１２，１３で独立に位相制御すると共に、位相制御された送信信号を各デュプレクサ１４を介して周波数帯共用アンテナ素子１１ｅに伝送する。すなわち、ベースバンド側から移相器１２（１３）に入力された送信信号は、移相器１２（１３）にて複数の送信信号に分割されると共に、その位相が所定量ずつ移相されて各デュプレクサ１４に伝送される。このとき、各移相器１２，１３からの各送信信号の周波数帯は、デュプレクサ１４の各フィルタ１５，１６の通過帯域と一致するので、デュプレクサ１４の各フィルタ１５，１６は各送信信号を阻止することなく、そのまま周波数帯共用アンテナ素子１１ｅへ伝送する。

各デュプレクサ１４から伝送された送信信号は、各デュプレクサ１４に接続された各周波数帯共用アンテナ素子１１ｅから電波として放射される。周波数帯共用アンテナ素子１１ｅから放射される第１及び第２周波数帯ｆ₁，ｆ₂の送信信号は、それぞれ独立に対応する移相器１２，１３で位相制御されているため、周波数共用アンテナ１１は移相器１２，１３で行った位相制御に応じて、周波数帯ごとに所望のビームチルトを得ることができる。

一方の信号受信時には、各周波数帯共用アンテナ素子１１ｅで受信した受信信号は、各周波数帯共用アンテナ素子１１ｅにそれぞれ接続されたデュプレクサ１４に伝送される。このとき、デュプレクサ１４のローパスフィルタ１５は第２周波数帯ｆ₂の信号を阻止して第１周波数帯ｆ₁の信号のみを通過させると共に、ハイパスフィルタ１６は第１周波数帯ｆ₁の信号を阻止して第２周波数帯ｆ₂の信号のみを通過させる（但し、第１周波数帯ｆ₁＜第２周波数帯ｆ₂）。これら各フィルタ１５，１６により、デュプレクサ１４は周波数帯ごとに受信信号を分離して、その各信号を対応する周波数帯の各移相器１２，１３に伝送し、各移相器１２，１３はその受信信号を周波数帯ごとに位相制御してベースバンド側へ伝送する。

このアンテナ装置１０を用いて放射した１４９１ＭＨｚおよび２１２０ＭＨｚの送信信号（電波）の垂直面指向性を計測し、それぞれの垂直面ビームチルトを独立に変える実証実験を行った。

計測した電波の利得と、水平面に対する角度と、垂直面ビームチルトとの関係を図４に示す。図４において、縦軸の利得（ｄＢ）は、主放射方向における利得を０ｄＢとして規格化したものである。

図４に示すように、１４９１ＭＨｚ（図４（ａ））および２１２０ＭＨｚ（図４（ｂ））のそれぞれについて、垂直面ビームチルトの設定を−１，＋４，＋９度と自由に変更できたことがわかる。

このようにされるアンテナ装置１０は、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅを用いて送受信を行い、周波数帯ごとの移相器１２，１３と周波数帯共用アンテナ素子１１ｅとをデュプレクサ１４を介して接続しているので、アンテナ装置１０を大型化することなく、且つ、共用する周波数の垂直面ビームチルトを周波数帯ごとに独立に可変することができる。また、アンテナ装置１０の大型化を抑制するだけでなく、アンテナ装置１０を小型化してアンテナ装置１０の製造コストを低下させることも可能である。

次に、本発明の他の実施の形態について説明する。

図５に示すように、このアンテナ装置４０は、上記したアンテナ装置１０と基本構成を同じくするので、同じ部材には同一の符号を付してその説明を省略する。

さて、上述したように、本発明ではデュプレクサ１４を小型でかつコストの低い部品で構成することが好ましいが、素子直下のプリント基板タイプのデュプレクサの場合、小型化の制限があるため、異なる周波数帯間でのアイソレーションが、要求される仕様（例えば、３０ｄＢ程度）に満たない可能性がある。すなわち、小型で低コストなデュプレクサ１４ではフィルタ性能が低下して、異なる周波数帯の受信信号を十分に分離できず、アイソレーションが２２ｄＢ〜２５ｄＢ程度となり、通信品質が低下する場合が考えられる。

そこで本実施の形態に係るアンテナ装置４０では、各移相器１２，１３の後段（ベースバンド側）に、それぞれフィルタ性能が１０ｄＢ程度のバンドパスフィルタ（ｆ₂帯阻止フィルタ４１およびｆ₁帯阻止フィルタ４２）を接続し、異なる周波数帯間のポート間アイソレーションを確保するように構成される。

このアンテナ装置４０では、デュプレクサ１４の小型化により周波数帯間のアイソレーションが不足して２２ｄＢ〜２５ｄＢ程度となっても、フィルタ４１，４２によりポート間アイソレーションを例えば３０ｄＢ以上に確保することができるので、アンテナ装置の小型化を図りつつ、通信品質を維持することができる。

なお、上記のアンテナ装置１０，４０では、周波数帯共用アンテナ素子１１ｅは１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の２つの周波数帯を共用して送受信するものを用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば８００ＭＨｚ帯、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の３つの周波数帯を共用するものでも良い。この場合、共用する周波数帯の数に合わせて移相器を設け、それら移相器と各周波数帯共用アンテナ素子とをデュプレクサ（マルチプレクサ）で接続し、周波数帯ごとに独立に位相制御を行うようにすればよい。また４つ以上の周波数帯を共用する素子を用いても良い。またさらに、周波数共用アンテナを幾つかのブロック（複数の周波数帯共用アンテナ素子からなる小グループ）に分割し、各ブロックごとにデュプレクサを接続して、ブロック単位で位相制御を行うようにしても良い。

１０ アンテナ装置
１１ｅ 周波数帯共用アンテナ素子
１１ 周波数共用アンテナ
１２ 移相器（第１移相器）
１３ 移相器（第２移相器）
１４ デュプレクサ

Claims (3)

1. 複数の周波数帯で送受信する複数の周波数帯共用アンテナ素子を垂直方向に並べて形成される周波数共用アンテナと、
   前記周波数共用アンテナの垂直方向のビームチルトを周波数帯ごとに変えるために、前記複数の周波数帯ごとに設けられ、前記周波数帯共用アンテナ素子の送受信信号の位相制御を行う複数の移相器と、
   前記周波数帯共用アンテナ素子と前記複数の移相器との間に接続され、各周波数帯ごとに位相制御された送信信号を、前記周波数帯共用アンテナ素子にそれぞれ伝送し、前記周波数帯共用アンテナ素子で受信された各周波数帯の受信信号を、対応する周波数帯の移相器に伝送する複数のデュプレクサと、
   を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記移相器の後段に接続されるバンドパスフィルタをさらに備える請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記複数の周波数帯は、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯である請求項１又は２記載のアンテナ装置。