JP2013542660A - コンパクト高ゲインアンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、次のように構成されたパネルアンテナに関する。グランドプレーン（Ｐ）と、誘電率（ε_１）を有し、グランドプレーン（Ｐ）上に配置された誘電体基板（１１）と、誘電体基板（１１）上において、アンテナ動作周波数に対応する波長λよりも短い距離（ｄ_ｅ）を互いにあけて連続して配置された複数のアンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）で構成される少なくとも１つの放射源（Ｓ_ｉ）とを備えている。アンテナは、さらに、誘電体基板（１１）の誘電率（ε_１）よりも大きい誘電率（ε_２）を有し、各アンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）上に配置される誘電体スーパーストレート（１２）を備え、各アンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）は全て同一であり、動作中における放射特性が同一であることを特徴とする。

Description

本発明は、パネルアンテナの分野に関し、特にセルラネットワークで利用されるパネルアンテナに関する。

無線基地局（ＢＴＳ：Base transceiver stations）は、高さの取り決め（教会のルーバー、保護された建物の正面の浅浮き彫りなど）に関しての主な制約を受ける。

セルラネットワークは、無線到達距離を最大にするために、現在、等方性の高ゲインアンテナに頼っている。パネルの高さを、一般に、１８００／２１００ＭＨｚの帯域に対する１．２ｍ、および９００ＭＨｚの帯域に対する２．４ｍの間で変化させることによって、これらのゲインを得ることができる。

パネルアンテナは、基板上に、垂直列に配置された複数のアンテナ素子で構成される方法がよく知られている。

図１は、既知のタイプのパネルアンテナの例示である。

図１のパネルアンテナは、基板１１上に配列された８個のアンテナ素子Ｅ_ｉ（ｉは１から８）で構成される。各アンテナ素子Ｅ_ｉは、アクセスポイントＡ_ｉを備え、およそ０．９λの距離ｄ_ｅの間隔をあけて配置されている。ここで、λは、アンテナの周波数帯域の中心周波数における真空波長である。距離とは、アンテナ素子Ｅ_ｉの２つのアクセスポイントＡ_ｉ間の距離と解される。

例えば、アンテナ素子Ｅ_ｉは、ツリー構造で提供される。隣り合うアンテナ素子Ｅ_ｉは、第１の供給配線Ｌ_１によって２つずつ接続されて、４組のアンテナ素子が形成される。各組は、第２の供給配線Ｌ_２によってさらに接続されて、２組の４つのアンテナ素子群が形成される。そして、その２組の４つのアンテナ素子群は、最終的に、第３の供給配線Ｌ_３によって相互に接続される。

つまり、各供給配線は、アンテナ素子Ｅ_ｉの２つのアクセスポイントＡ_ｉ間で定義されるとみることができる。

図２（ａ），（ｂ）は、それぞれ、基板１１上に配置されたアンテナ素子Ｅ_ｉの上面図および側面図である。基板上に配置されたアンテナ素子Ｅ_ｉは、「パッチ（patch）」と呼ばれる放射源を形成する。

誘電体基板１１は、誘電率ε_１を有し、グランドプレーン（ground plane）Ｐ上に配置されている。そして、基板１１上にアンテナ素子Ｅ_ｉが配置される。

アンテナ素子Ｅ_ｉは、誘電体基板１１上に配置され、コネクタＡ_ｉに接続されて供給されている。

各アンテナ素子Ｅ_ｉは、動作している間、およそ８ｄＢｉの単位ゲインを示す。したがって、図１のアンテナは、８×０．９λ＝７．２λの高さに対して、８ｄＢｉ＋１０ｌｏｇ（８）＝１７ｄＢｉのゲインを示す。

図３（ａ），（ｂ）の表は、アンテナの周波数帯域の中心周波数でセルラネットワーク（「９００ＭＨｚ」として知られている８８０〜９６０ＭＨｚの帯域と、「２１００ＭＨｚ」として知られている１７１０〜２１７０ＭＨｚの帯域）で使用される２つの主な周波数帯域に対するアンテナのゲインと高さとの間における比率を示す。特に、ゲインを１５ｄＢｉから１７ｄＢｉに増やすためには、所定の中心周波数に対するアンテナの高さをおよそ２倍にする必要があることがわかる。

したがって、アンテナの高さは、アンテナ素子Ｅ_ｉの数によって左右されるように思われる。それゆえ、アンテナのゲインをより大きくするには、より多くのアンテナ素子が必要であり、アンテナのサイズをより大きくする必要がある。

現在では、パネルアンテナの最大の高さ、あるいは実際に縮小できる高さは制限される傾向にあるため、このことは容易ではない。

パネルアンテナのサイズを縮小するための解決策として、アンテナ素子Ｅ_ｉのいくつかを取り除けばよいことが知られている。しかしながら、そのように取り除くことは、アンテナのゲインが損失し、アンテナのパフォーマンスの悪化を招く。

本発明の目的の１つは、アンテナのサイズを増大することなく、アンテナのゲインを増加可能とすることである。

本発明の別の目的は、アンテナのゲインのいかなる減少を伴わずに、アンテナの高さを縮小可能とすることである。

それゆえ、本発明は、パネルアンテナに関し、グランドプレーンと、前記グランドプレーン上に配置されており、誘電率を有する誘電体基板と、前記誘電体基板上において、アンテナ動作周波数に対応する波長λよりも短い距離を互いにあけて連続して配置された複数のアンテナ素子で形成される少なくとも１つの放射源とを備えている。

本発明に係る前記アンテナは、さらに、前記誘電体基板の誘電率よりも大きい誘電率を有し、前記各アンテナ素子上に配置される誘電体スーパーストレートからなり、前記各アンテナ素子は全て同一であり、動作中において同一の放射特性を有することを特徴とする。

各放射源を形成する複数のアンテナ素子の配置によって、ゲインを一定に保ちながら高さの縮小が可能であるか、あるいは、高さを一定に保ちながらゲインを増加させることができる。

好ましくは、前記アンテナは、さらに、前記誘電体基板の誘電率よりも大きい誘電率を有し、前記各アンテナ素子上に配置される誘電体スーパーストレートからなる。

スーパーストレートと複数のアンテナ素子の配置との組み合わせによって、ゲインを一定に保ちながら高さの縮小が可能であるか、あるいは、高さを一定に保ちながらゲインを増加させることができる。

本発明は、１つあるいは複数の技術的に可能な組み合わせが考えられる、以下の特徴によって有利に補足される。

−前記各放射源は、４つのアンテナ素子が第１の供給配線によって複数の組となるように連続して接続されており、前記複数の組は、第２の供給配線によって互いに接続され、前記第２の供給配線の中心は、前記放射源の電源に適応する、前記放射源のアクセスポイントを構成する。

−上記パネルアンテナは、複数の前記放射源を備え、前記各放射源は、互いに関して、それぞれの前記アクセスポイントが、２つのアンテナ素子の間の距離と等しい距離をあけて離れるように配置されており、前記各放射源は、同一の放射特性を有する。

−前記各アンテナ素子は、互いに関して、ｄ_ｓ（Ｎ−１）／Ｎと等しい距離ｄ_ｅをあけて配置されており、前記ｄ_ｓは、２つの前記放射源の２つの前記アクセスポイントの間の距離であり、前記Ｎは、前記各放射源の前記アンテナ素子の数である。

−前記各放射源は、２〜６個のアンテナ素子を有する。

−前記各アンテナ素子は、四角形、正三角形および楕円形の中から選択される形状を有するパッチである。

−前記各アンテナ素子は、ホーンあるいはワイヤアンテナにかかるテクノロジーから得られる。

−上記パネルアンテナは、前記グランドプレーンと前記各アンテナ素子との間に接続された抵抗素子を有する。

本発明はまた、本発明に係るパネルアンテナを備えたセルラ通信ネットワークに関する。

既知のタイプのパネルアンテナの例示である。 基板上に配置されたアンテナ素子の上面図および側面図である。 ２つの主な周波数帯域に対するアンテナのゲインと高さとの間における比率を示す表である。 本発明の第１の実施形態に係るパネルアンテナの例示である。 本発明の第２の実施形態に係るパネルアンテナの例示である。 本発明に係るアンテナのアンテナ素子の上面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 本発明に係る要素源の例示である。 動作中に、本発明の第１の実施形態に係るアンテナと同じゲインを示す、既知のタイプのパネルアンテナの例示である。 本発明の第２の実施形態に係るアンテナと同じ高さを有する既知のタイプのパネルアンテナの例示である。

本発明の他の特徴や有利な点は、以下の説明からさらに明らかになるであろう。以下の説明は、単なる例示であって、制限するものではなく、すでに説明した図１、図２（ａ），（ｂ）、および図３（ａ），（ｂ）とは別に添付された図面を参照して読まなければならない。

全ての図面において、類似する要素は同じ数字で参照される。

図４〜図９に関する本発明の２つの実施形態について以下説明する。

“アンテナ素子”とは、好ましくは平坦な導電本体を有する放射素子であると解釈される。

“放射源”とは、いくつかのアンテナ素子の組み合わせであると解釈される。

“パネルアンテナ”とは、いくつかのアンテナ素子からなる平面アンテナであると解釈される。

各実施形態において、パネルアンテナは、誘電率ε_１を有し、グランドプレーンＰ上に配置された誘電体基板１１を有する。さらに、パネルアンテナは、少なくとも１つの放射源Ｓ_ｉを有する。

各放射源Ｓ_ｉは、複数のアンテナ素子Ｅ_ｉｊが、互いに間をあけて連続して配置されて形成される。２つの連続するアンテナ素子は、波長λよりも短い距離ｄ_ｅをあけて離れている。ここで、波長λは、アンテナ動作周波数に対応している。

図４のアンテナは、２つの放射源Ｓ_１，Ｓ_２を備え、図５のアンテナは、６つの放射源を備えている。

好ましくは、各放射源Ｓ_ｉは、４つのアンテナ素子Ｅ_ｉ１，Ｅ_ｉ２，Ｅ_ｉ３，Ｅ_ｉ４が、例えば第１の供給配線Ｌ_１によってツリー状に複数の組となるように接続されてなる。

各アンテナ素子は、供給配線Ｌ_１によって複数の組となるアンテナ素子を接続するためのアクセスポイントＡ_ｉｊを含む。

アンテナ素子Ｅ_ｉｊの複数の組は、第２の供給配線Ｌ_２によって接続される。第２の供給配線Ｌ_２の中央部は、放射源Ｓ_ｉのアクセスポイントＡ_ｉを構成する。このようなアクセスポイントＡ_ｉは、それが参照する放射源Ｓ_ｉの電源に適応される。

これらからわかるように、アクセスポイントＡ_ｉは、放射源Ｓ_ｉと同じ数存在する。それゆえ、図５に示すアンテナは、６つの放射源、つまり６つのアクセスポイントＡ_１，Ａ_２，Ａ_３，Ａ_４，Ａ_５，Ａ_６を備えている。

放射源Ｓ_ｉは、互いに関して、それぞれのアクセスポイントＡ_ｉが、２つの放射源Ｓ_ｉの連続する２つのアクセスポイントの間の距離ｄ_ｓと等しい距離をあけて離れるように配置される。

さらに、放射源Ｓ_ｉのアンテナ素子Ｅ_ｉｊは、互いに関して、ｄ_ｓ（Ｎ−１）／Ｎと等しい距離ｄ_ｅをあけて配置される。ここで、ｄ_ｓは、２つの放射源Ｓ_ｉの間の距離であり、Ｎは、各放射源Ｓ_ｉのアンテナ素子Ｅ_ｉｊの数である。距離ｄ_ｅは、同様に、各アンテナ素子Ｅ_ｉｊの連続する２つのアクセスポイントＡ_ｉｊの間の距離である。

より正確には、各アンテナ素子が左右対称となる中心を通る主軸を定義すると、各アンテナ素子のアクセスポイントＡ_ｉｊは、主軸と垂直、つまり第１および第２の供給配線Ｌ_１，Ｌ_２と平行である軸上に位置する。

好ましくは、各放射源Ｓ_ｉは、４つの放射素子Ｅ_ｉｊで構成されていてもよい。

アンテナ（図４および図５に示す）は、さらに、アンテナ素子Ｅ_ｉｊが配置される基板１１の誘電率ε_１よりも大きい誘電率ε_２を有する誘電体スーパーストレート１２を備えている。

既知のタイプである、パッチタイプの放射源を形成するアンテナ素子Ｅ_ｉに関して、アンテナ素子Ｅ_ｉｊは、高い誘電率の媒体に浸される。そして、これにより、アンテナ素子の動作波長を減らすためというよりも、動作波長を保持しつつ物理的な寸法を縮小するために、アンテナ素子のサイズを縮小することができる。

基板１２を用いることで、より高いアンテナ素子の放射特性と同一の放射特性を維持することができる。

さらに、抵抗素子Ｒは、グランドプレーンＰと各アンテナ素子Ｅ_ｉｊ（図６（ａ），（ｂ）参照）との間に接続される。抵抗素子Ｒは、典型的には任意のオームである。この抵抗素子Ｒは、アンテナ素子の放射側の１つを短絡するものである。この短絡により、２つの単極子が形成され、双極子の両側のサイズがそれぞれλ／４である、λ／２のサイズの放射素子を、サイズがλ／４である１つの単極子に変換し、その結果として、放射素子の電気的な寸法を半分にすることができる。

また、この抵抗素子Ｒにより、アンテナの共鳴動作における、アンテナの通過帯域を十分に増大することができる。

最後に、誘電率ε_１は例えば１〜４の間の値をとり、好ましくは２．２に等しい。誘電率ε_２は例えば１０〜５０の間の値をとり、好ましくは３０に等しい。

例証によると、既知のタイプのパッチタイプのアンテナ素子Ｅ_ｉに関して、９２０ＭＨｚの中心周波数のＧＳＭ（登録商標）帯域における動作周波数に対して、アンテナ素子Ｅ_ｉの横幅の寸法は、９４ｍｍに等しく、アンテナ素子Ｅ_ｉｊ（スーパーストレートの）の横幅の寸法は２１．５ｍｍに等しい。

さらに、例証によると、アンテナ素子Ｅ_ｉｊは正方形、正三角形、楕円形、あるいは、小さいサイズか小放射の穴のための源の組み合わせが可能なホーンかワイヤアンテナの技術から得られると考えてもよい。

−高さの縮小、一定のゲイン−
図４に示すアンテナは、１７ｄＢｉと同じゲインを維持しつつ、既知のタイプのパネルアンテナの高さを縮小することができる。

距離ｄ_ｓ＝０．９λをあけて離れた２つの放射源Ｓ_１，Ｓ_２のそれぞれは、距離ｄ_ｓ＝０．９λ（４−１）／４＝０．６７５λをあけて離れた４つのアンテナ素子で構成される（図７参照）。

各放射源は、図４のアンテナが１７ｄＢｉのゲインで動作しているとき、１４ｄＢｉのゲインを示す。

それでも、図８に例示されたようなアンテナに関して、その高さは半分となる。具体的には、高さは、７．２λ（８×０．９λ）から３．６λ（４×０．９λ）に縮小される。

放射源Ｓ_１，Ｓ_２のそれぞれは、源Ｓ_ｉのアクセスポイントＡ_ｉが同じ距離ｄ_ｓをあけるように、アンテナ（図４参照）の縦軸に沿って入れ子になっている、アクセスポイントＡ_１，Ａ_２を有する。異なる源の電源回路を容易に理解するために、それぞれのアクセスポイントは、次のアクセスポイントの反対側に配置される。

異なる２つの放射源に属する、２つの連続する放射素子の間の距離は、ｄ_ｓ／Ｎとｄ_ｓ（Ｎ−１）／Ｎとの間、すなわち、０．２２５λと０．６７５λとの間で変化する。

−ゲインの増加、一定の高さ−
図５に例示されたアンテナは、既知のタイプのパネルアンテナと同じ高さを維持しつつ、アンテナのゲインを増加することができる。

６つの放射源のそれぞれは、４つのアンテナ素子で構成される（図７参照）。

上述した実施形態のように、図９に例示されるように、同じ高さ（７．２λと等しい高さ）のアンテナによって１７ｄＢｉのゲインが得られる代わりに、図５に示すアンテナが２１．８ｄＢｉのゲインを示すように動作しているとき、各放射源は１４ｄＢｉのゲインを示す。

上述したように、放射源のそれぞれは、源Ｓ_ｉのアクセスポイントＡ_ｉが同じ距離ｄ_ｓをあけるように、アンテナ（図５参照）の縦軸に沿って入れ子になっている、アクセスポイントＡ_１，Ａ_２，Ａ_３，Ａ_４，Ａ_５，Ａ_６を有する。異なる源の電源回路を容易に理解するために、それぞれのアクセスポイントは、次のアクセスポイントの反対側に配置される。

異なる２つの放射源に属する、２つの連続する放射素子の間の距離は、ｄ_ｓ／Ｎとｄ_ｓ（Ｎ−１）／Ｎとの間、すなわち、０．２２５λと０．６７５λとの間で変化する。

Claims (9)

1. グランドプレーン（Ｐ）と、
   前記グランドプレーン（Ｐ）上に配置されており、誘電率（ε_１）を有する誘電体基板（１１）と、
   前記誘電体基板（１１）上において、アンテナ動作周波数に対応する波長λよりも短い距離（ｄ_ｅ）を互いにあけて連続して配置された複数のアンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）で構成される少なくとも１つの放射源（Ｓ_ｉ）と、
   前記誘電体基板（１１）の誘電率（ε_１）よりも大きい誘電率（ε_２）を有し、前記各アンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）上に配置される誘電体スーパーストレート（１２）とを備え、
   前記各アンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）は全て同一であり、動作中において同一の放射特性を有する
   ことを特徴とするパネルアンテナ。
2. 請求項１のパネルアンテナにおいて、
   前記各放射源（Ｓ_ｉ）は、４つのアンテナ素子（Ｅ_ｉ１，Ｅ_ｉ２，Ｅ_ｉ３，Ｅ_ｉ４）が第１の供給配線（Ｌ_１）によって複数の組となるように連続して接続されており、
   前記複数の組は、第２の供給配線（Ｌ_２）によって互いに接続され、
   前記第２の供給配線（Ｌ_２）の中心は、前記放射源（Ｓ_ｉ）の電源に適応する、前記放射源（Ｓ_ｉ）のアクセスポイント（Ａ_ｉ）を構成する
   ことを特徴とするパネルアンテナ。
3. 請求項２のパネルアンテナにおいて、
   複数の前記放射源（Ｓ_ｉ）を備え、
   前記各放射源（Ｓ_ｉ）は、互いに関して、それぞれの前記アクセスポイント（Ａ_ｉ）が、２つのアンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）の間の距離と等しい距離をあけて離れるように配置されており、
   前記各放射源（Ｓ_ｉ）は、同一の放射特性を有する
   ことを特徴とするパネルアンテナ。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１つのパネルアンテナにおいて、
   前記各アンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）は、互いに関して、ｄ_ｓ（Ｎ−１）／Ｎと等しい距離ｄ_ｅをあけて配置されており、
   前記ｄ_ｓは、２つの前記放射源（Ｓ_ｉ）の２つの前記アクセスポイント（Ａ_ｉ）の間の距離であり、
   前記Ｎは、前記各放射源（Ｓ_ｉ）の前記アンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）の数である
   ことを特徴とするパネルアンテナ。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか１つのパネルアンテナにおいて、
   前記各放射源（Ｓ_ｉ）は、２〜６個のアンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）を有する
   ことを特徴とするパネルアンテナ。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか１つのパネルアンテナにおいて、
   前記各アンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）は、四角形、正三角形および楕円形の中から選択される形状を有するパッチである
   ことを特徴とするパネルアンテナ。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか１つのパネルアンテナにおいて、
   前記各アンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）は、ホーンあるいはワイヤアンテナにかかるテクノロジーから得られる
   ことを特徴とするパネルアンテナ。
8. 請求項１乃至７のうちいずれか１つのパネルアンテナにおいて、
   前記グランドプレーン（Ｐ）と前記各アンテナ素子（Ｅ_ｉｊ）との間に接続された抵抗素子（Ｒ）を有する
   ことを特徴とするパネルアンテナ。
9. 請求項１乃至８のうちいずれか１つのパネルアンテナを備えた
   ことを特徴とするセルラ通信ネットワーク。