JP2013168717A

JP2013168717A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2013168717A
Application number: JP2012029475A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Shimizu; 隆行清水
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2013-08-29

Abstract

【課題】８ＭＩＭＯを実現できるコンパクトなアンテナ装置を提供する。
【解決手段】２つのアンテナ素子２ａ，２ｂを直交配置したアンテナ素子対２を複数有し、当該複数のアンテナ素子対２を鉛直方向に沿ってアレイ状に配置したアンテナ素子アレイ３を４つ備え、それら４つのアンテナ素子アレイ３を、鉛直方向に２列、水平方向に２列となるように整列配置し、アンテナ素子２ａ，２ｂで送受信する電波の波長をλとしたとき、水平方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の距離が０．３８λ以上であり、鉛直方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の距離が１．２９λ以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動通信用の基地局に用いられるアンテナ装置に関するものである。

近年、通信速度のさらなる高速化と通信データ量の増大化への要求は高まる一方であり、最大１Ｇｂｐｓ、移動通信においても下りで１００Ｍｂｐｓの通信速度を実現するＬＴＥアドバンスト（ＬＴＥ（ＬｏｎｇＴｅｒｍＥｖｏｌｕｔｉｏｎ）−Ａｄｖａｎｃｅｄ）の導入に向けて準備が進められている。

ＬＴＥアドバンストで所望のパフォーマンスを得るための周波数大域幅は１００ＭＨｚ程度必要であり、現在の逼迫した周波数利用状況を考慮し、新たな周波数帯として３．４〜３．６ＧＨｚ帯の利用が有力となっている。

使用する周波数帯が３．４〜３．６ＧＨｚと高い周波帯になると、電波の伝送ロス（空間伝搬時の伝送ロス）が大きくなりスループットが低下するおそれがある。そのため、ＬＴＥアドバンストでは、最大で８ＭＩＭＯ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）を使用することが規定されており、ＭＩＭＯの数を増やすことにより伝送ロスによるスループットの低下をカバーし、スループットの向上を図っている。

このように、ＬＴＥアドバンストに対応させるためには、８ＭＩＭＯに対応したアンテナ装置が必要になる。従来技術で８ＭＩＭＯを実現するためには、アンテナを複数本設置する必要があった。

具体的には、図８（ａ），（ｂ）に示すように、例えば、２つのアンテナ素子を×字状（あるいは＋字状）に直交配置したアンテナ素子対８２を複数有し、当該複数のアンテナ素子対８２を鉛直方向に沿ってアレイ状に配置してその周囲をレドーム８３で覆うように構成された偏波ダイバーシチアンテナ８１を用いる場合、１本の偏波ダイバーシチアンテナ８１で２ＭＩＭＯを実現できるため、８ＭＩＭＯを実現するためには、４本の偏波ダイバーシチアンテナ８１が必要になる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開２０１０−２３３２１４号公報

しかしながら、上述のように複数本の偏波ダイバーシチアンテナ８１を用いて８ＭＩＭＯを実現する場合、図８（ａ）に示すように、４本の偏波ダイバーシチアンテナ８１を水平方向に並べて設置するか、あるいは、図８（ｂ）に示すように、４本の偏波ダイバーシチアンテナ８１を鉛直方向に２列、水平方向に２列となるように整列配置することになるが、いずれの場合においても、偏波ダイバーシチアンテナ８１を支持する支柱の本数が多くなるなど、設置スペースや景観の点で問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、８ＭＩＭＯを実現できるコンパクトなアンテナ装置を提供することを目的とする。

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、２つのアンテナ素子を直交配置したアンテナ素子対を複数有し、当該複数のアンテナ素子対を鉛直方向に沿ってアレイ状に配置したアンテナ素子アレイを４つ備え、それら４つのアンテナ素子アレイを、鉛直方向に２列、水平方向に２列となるように整列配置し、前記アンテナ素子で送受信する電波の波長をλとしたとき、水平方向に隣り合う前記アンテナ素子アレイ間の距離が、０．３８λ以上であり、鉛直方向に隣り合う前記アンテナ素子アレイ間の距離が、１．２９λ以上であるアンテナ装置。

鉛直方向に隣り合う前記アンテナ素子アレイ間に、周波数帯が異なるアンテナを設けてもよい。

前記周波数帯が異なるアンテナが、既設のアンテナであってもよい。

鉛直方向に隣り合う前記アンテナ素子アレイ間に、リモート・ラジオ・ヘッドを設けてもよい。

前記各アンテナ素子アレイを、円柱状のレドームに収容してもよい。

本発明によれば、８ＭＩＭＯを実現できるコンパクトなアンテナ装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置の概略構成図である。（ａ），（ｂ）は、本発明において、フェージング相関係数を説明する図である。本発明において、素波の到来角度分布を説明する図である。本発明において、σ＝２°としたときの波長λで規格化した素子間距離ｄ／λに対するフェージング相関係数ρの関係を示す図である。（ａ）は、本発明において、σ＝２０°としたときの波長λで規格化した素子間距離ｄ／λに対するフェージング相関係数ρの関係を示す図であり、（ｂ）はその要部拡大図である。本発明において、σ＝６°としたときの波長λで規格化した素子間距離ｄ／λに対するフェージング相関係数ρの関係を示す図である。本発明において、ＲＲＨを示す概略構成図である。（ａ），（ｂ）は、従来のアンテナ装置を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係るアンテナ装置の概略構成図である。

図１に示すように、アンテナ装置１は、２つのアンテナ素子２ａ，２ｂを直交配置したアンテナ素子対２を複数有し、当該複数のアンテナ素子対２を鉛直方向に沿ってアレイ状に配置したアンテナ素子アレイ３を４つ備え、それら４つのアンテナ素子アレイ３を、鉛直方向に２列、水平方向に２列となるように整列配置して構成される。

本実施の形態では、一方のアンテナ素子２ａを鉛直方向、他方のアンテナ素子２ｂを水平方向に沿うように形成した＋字状の垂直偏波・水平偏波共用のアンテナ素子対２を用いた。ただし、これに限らず、例えば、一方のアンテナ素子を鉛直方向に対して＋４５度に、他方のアンテナ素子を鉛直方向に対して−４５度に斜め配置した±４５度の偏波を共用するアンテナ素子対を用いてもよい。

なお、本実施の形態では、アンテナ素子２ａ，２ｂとして半波長ダイポールアンテナを用いたが、これに限らず、パッチアンテナやその他の偏波ダイバーシチアンテナ素子を用いてもよい。

アンテナ素子２ａ，２ｂの寸法は、使用する周波数や帯域幅により適宜決定するとよい。また、アンテナ素子対２の数は、アンテナ利得やアンテナのビーム幅など、所望のアンテナ仕様に応じて適宜決定するとよい。本実施の形態では、ＬＴＥアドバンストで使用される可能性の高い３．４〜３．６ＧＨｚ帯の電波を送受信するように各アンテナ素子２ａ，２ｂを形成し、１４個のアンテナ素子対２を０．７〜０．８λ程度（λは送受信する電波の波長）の間隔で配置して、鉛直方向の長さＨが９６０ｍｍ程度のアンテナ素子アレイ３を形成した。

各アンテナ素子アレイ３は、垂直偏波・水平偏波共用の偏波ダイバーシチアンテナを構成しており、１つのアンテナ素子アレイ３で２ＭＩＭＯアンテナ構成が実現できる。アンテナ装置１では、このアンテナ素子アレイ３を４つ備えることで、８ＭＩＭＯのアンテナ構成を実現している。

各アンテナ素子アレイ３は、円柱状のレドーム４に収容される。なお、本実施の形態では、４つのアンテナ素子アレイ３全てを一括して覆うようにレドーム４を設けているが、レドーム４は、上側の２つのアンテナ素子アレイ３を覆う部分と、下側の２つのアンテナ素子アレイ３を覆う部分とで分割されていてもよい。

本実施の形態に係るアンテナ装置１では、水平方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の距離ｄが、０．３８λ以上とされ、鉛直方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の距離Ｄが、１．２９λ以上とされる。以下、この理由について説明する。

ＭＩＭＯ通信では、各々の送信アンテナから受信アンテナの相関を表すフェージング相関係数が重要になる。ＭＩＭＯによる伝送容量の増大効果（ＭＩＭＯ効果という）を十分に得るためには、フェージング相関係数を０．７以下とする必要がある。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、基地局に２つのアンテナＡ１，Ａ２を間隔ｄで設けたときに、ｐ軸に沿って移動する移動体Ｍからビル等の反射物Ｒで反射されてアンテナＡ１，Ａ２で受信される受信電圧ｖ₁，ｖ₂は、［数１］に示す式（１），（２）で表される。ただし、位相は波長オーダーの移動により大きく変化するが、入射角度の変化は小さいと仮定する。

位置ｐに関する集合平均より、複素相関係数、すなわちフェージング相関係数ρは、複素数ａにおいて、ａ×ａ^*＝｜ａ｜²となることを利用すると、［数２］に示す式（３）で表される。

ここで、素波の位相φ_i（ｐ）が移動に対してランダムであり、また電圧の平均値が０であると仮定すると、フェージング相関係数ρは、［数３］に示す式（４）で表される。

さらに、素波が連続的に分布し、素波の到来角度分布がＰ（θ）であるとすると、フェージング相関係数ρは、［数４］に示す式（５）で表される。

ところで、素波の到来角度分布Ｐ（θ）は、図３に示すように、市街地では二次元正規分布（ガウス分布）で表されることが知られており、［数５］に示す式（６）で表される。なお、図３におけるθｓは所望波の到来方向（角度）を表しており、σは素波の到来角度分布Ｐ（θ）におけるガウス分布の広がり（以下、素波の到来角度分布Ｐ（θ）の広がりという）を表している。

所望波の到来方向θｓが０°であり、かつ、素波の到来角度分布Ｐ（θ）の広がりσが十分に小さいときには、フェージング相関係数ρは、［数６］に示す式（７）で表される。

一例として、ガウス分布の広がりσを２°とした場合、波長λで規格化した素子間距離ｄ／λに対するフェージング相関係数ρの関係は、図４のようになる。図４に示すように、素子間距離（ｄ／λ）が大きくなるほど、フェージング相関係数ρは低下する。

ここで、水平方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の距離ｄについて検討する。

市街地における水平方向の素波の到来角度分布Ｐ（θ）の広がりσは、経験上２０°程度といわれており、都心部などビル街においてはさらに大きくなるといわれている。上述のように、ＭＩＭＯによる伝送容量の増大効果を十分に得るためには、フェージング相関係数ρを０．７以下とする必要があるため、σ＝２０°に設定した場合にフェージング相関係数ρが０．７以上となるように、水平方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の距離ｄを決定すれば、十分なＭＩＭＯ効果を得ることが可能になる。

素波の到来角度分布Ｐ（θ）の広がりσを２０°とした場合における、波長λで規格化した素子間距離ｄ／λに対するフェージング相関係数ρの関係は、図５（ａ），（ｂ）に示すようになる。なお、図５（ｂ）は図５（ａ）の要部を拡大したものであり、図５（ａ）と同じものである。

図５（ｂ）に示すように、σ＝２０°とした場合には、ｄ＝０．３８λのときにρ＝０．７となる。よって、フェージング相関係数ρを０．７以下とし十分なＭＩＭＯ効果を得るためには、水平方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の距離ｄを０．３８λ以上とすればよい。

同様に、市街地における垂直方向の素波の到来角度分布Ｐ（θ）の広がりσは、経験上６°程度といわれている。σ＝６°とした場合における、波長λで規格化した素子間距離ｄ／λに対するフェージング相関係数ρの関係は、図６に示すようになる。

図６に示すように、σ＝６°とした場合には、ｄ＝１．２９λのときにρ＝０．７となる。よって、フェージング相関係数ρを０．７以下とし十分なＭＩＭＯ効果を得るためには、垂直方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の距離Ｄを１．２９λ以上とすればよい。

なお、垂直方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の距離Ｄは１．２９λ以上とすればよいが、距離Ｄは大きくすればするほどＭＩＭＯ効果を向上できるので、垂直方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の間隔をより大きくして、垂直方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間に形成される空間５（図１参照）を有効に利用することがより好ましい。

例えば、鉛直方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の空間５に、既設のアンテナなど周波数帯が異なるアンテナを設けるようにしてもよい。この場合、上側の２つのアンテナ素子アレイ３と、下側の２つのアンテナ素子アレイ３とで分割してレドーム４を形成し、既設のアンテナの上下に分割したレドーム４を取り付けるように構成すればよい。なお、既設のアンテナと４つのアンテナ素子アレイ３を一括して覆うようにレドーム４を形成することも勿論可能である。

このように構成することで、従来より用いていた周波数帯と、アンテナ装置１を設けることによる新たな周波数帯（ここでは３．４〜３．６ＧＨｚ）の８ＭＩＭＯを実現することが可能になる。また、既設のアンテナの支柱をそのまま利用し、小さい設置スペースに、景観を損ねることなくアンテナ装置１を設置することが可能になる。なお、従来一般的に用いられているアンテナのレドームの径は１８０〜２５０ｍｍ程度であるが、３．４〜３．６ＧＨｚ帯で使用する場合、略同じ径のレドーム４に全てのアンテナ素子アレイ３を収容することが可能である。

また、鉛直方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の空間５に、リモート・ラジオ・ヘッド（ＲｅｍｏｔｅＲａｄｉｏＨｅａｄ、以下ＲＲＨという）を設けてもよい。

携帯電話をはじめとする無線基地局では、ビル内などに設置される基地局本体と、ＲＲＨと呼ばれる無線増幅器とを分けて構成することが増えている。これは、無線増幅部をＲＲＨとして基地局本体から分離し光ファイバケーブルで接続することで、基地局本体の設置に自由度が増すとともに、アンテナ近くに無線増幅部を設置することで、アンテナと無線増幅部間のケーブルロスが減り、同じアンテナ出力を得るための増幅部出力が小さくて済み、低消費電力化が図れるためである。

無線基地局では、基地局本体とアンテナ間で１００ｍ以上のケーブルを敷設する場合も多いが、３．４〜３．６ＧＨｚ帯では、従来用いられている２ＧＨｚ帯と比較して約２ｄＢ程度損失が増大する（一例として、２ＧＨｚの減衰量が４．４３（ｄＢ／１００ｍ）、３．３ＧＨｚの減衰量が６．０２（ｄＢ／１００ｍ）のケーブルがある）。アンテナで利得を２ｄＢ底上げするのは至難の業であり、基本的にはアンテナアレー長(アンテナの長さ）を長くするしかなく大型化してしまうが、ＲＲＨをアンテナ直近に配置することでこのような問題は解決可能である。

図７に示すように、ＲＲＨ７１は、送受信用のコントロール基板（ＴＲＸＣＯ）７２と、送信用の増幅器（ＰＡ）７３ａ，７３ｂと、コントロール基板７２や送信用の増幅器７３ａ，７３ｂに電源を供給する電源ユニット７４と、を備えている。なお、図７では、便宜上、アンテナ素子アレイ３の各アンテナ素子対２の一方のアンテナ素子２ａで構成されるアンテナをアンテナ７０ａ，他方のアンテナ素子２ｂで構成されるアンテナをアンテナ７０ｂとして示している。また、図７では、１つのアンテナ素子アレイ３に対しての構成のみ示しているが、実際には、アンテナ素子アレイ３毎に同様の構成が備えられることになる。

ＲＲＨ７１は、デュプレクサユニット７５を介してアンテナ素子アレイ３と接続される。デュプレクサユニット７５は、２つの異なる周波数帯域のフィルタからなり、送信経路と受信経路を電気的に分離するデュプレクサ７６ａ，７６ｂと、受信用の増幅器７７ａ，７７ｂと、を備えている。また、ＲＲＨ７１は、光ファイバケーブル７８を介して図示しない基地局本体と接続されている。

アンテナ７０ａ，７０ｂで受信した信号は、デュプレクサユニット７５のディプレクサ７６ａ，７６ｂを通って受信用の増幅器７７ａ，７７ｂで増幅され、ＲＲＨ７１のコントロール基板７２で光信号に変換されて、光ファイバケーブル７８に出力される。他方、光ファイバケーブル７８からＲＲＨ７１に入力された光信号は、コントロール基板７２で電気信号に変換され、送信用の増幅器７３ａ，７３ｂで増幅され、デュプレクサユニット７５のディプレクサ７６ａ，７６ｂを通ってアンテナ７０ａ，７０ｂに出力される。

なお、ここでは、鉛直方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の空間５に、既設のアンテナまたはＲＲＨ７１を設ける場合を説明したが、空間５に既設のアンテナとＲＲＨ７１の両者を配置することも可能である。また、空間５に、無線システムに関連のないもの、例えば監視カメラや広告灯を設けることも勿論可能である。

以上説明したように、本実施の形態に係るアンテナ装置１では、２つのアンテナ素子２ａ，２ｂを直交配置したアンテナ素子対２を複数有し、当該複数のアンテナ素子対２を鉛直方向に沿ってアレイ状に配置したアンテナ素子アレイ３を４つ備え、それら４つのアンテナ素子アレイ３を、鉛直方向に２列、水平方向に２列となるように整列配置し、水平方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の距離を０．３８λ以上、鉛直方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の距離を１．２９λ以上としている。

このように構成することで、８ＭＩＭＯを実現し、十分なＭＩＭＯ効果を得つつも、コンパクトなアンテナ装置１を実現できる。また、鉛直方向に隣り合うアンテナ素子アレイ３間の空間５に、周波数帯が異なるアンテナやＲＲＨ７１を設けることが可能となり、従来より用いていた周波数帯と新たな周波数帯（３．４〜３．６ＧＨｚ帯）の８ＭＩＭＯを実現したり、アンテナ装置１と基地局本体間での伝送損失を低減したりすることが可能になる。さらに、既設のアンテナに取り付ける場合、同じ支柱を用いることができるため低コストであり、設置スペースを小さくでき、複数のアンテナが林立するようなこともないので景観も損ねない。

なお、１つ１つのアンテナ素子アレイ３をレドームに収容して偏波ダイバーシチアンテナとし、その偏波ダイバーシチアンテナを本発明と同じ条件で配置することも考えられるが、この場合、各偏波ダイバーシチアンテナを一体化した際に平面化して受風荷重が大きくなってしまったり、機械的な取り付け強度が問題となる。これに対して、本発明のアンテナ装置１は、従来より一般に使用されているφ１８０〜２５０ｍｍ程度の円柱状のレドーム４に収容可能であり、既設の支柱を使用することも可能であるため、受風荷重や機械的な取り付け強度の問題はない。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１アンテナ装置
２アンテナ素子対
２ａ，２ｂアンテナ素子
３アンテナ素子アレイ
４レドーム
５空間

Claims

２つのアンテナ素子を直交配置したアンテナ素子対を複数有し、当該複数のアンテナ素子対を鉛直方向に沿ってアレイ状に配置したアンテナ素子アレイを４つ備え、
それら４つのアンテナ素子アレイを、鉛直方向に２列、水平方向に２列となるように整列配置し、
前記アンテナ素子で送受信する電波の波長をλとしたとき、
水平方向に隣り合う前記アンテナ素子アレイ間の距離が、０．３８λ以上であり、
鉛直方向に隣り合う前記アンテナ素子アレイ間の距離が、１．２９λ以上である
ことを特徴とするアンテナ装置。
鉛直方向に隣り合う前記アンテナ素子アレイ間に、周波数帯が異なるアンテナを設けた
請求項１記載のアンテナ装置。
前記周波数帯が異なるアンテナが、既設のアンテナである
請求項２記載のアンテナ装置。
鉛直方向に隣り合う前記アンテナ素子アレイ間に、リモート・ラジオ・ヘッドを設けた
請求項１〜３いずれかに記載のアンテナ装置。
前記各アンテナ素子アレイを、円柱状のレドームに収容した
請求項１〜４いずれかに記載のアンテナ装置。