JP2015050518A - アンテナ - Google Patents

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Abstract

【課題】高い側の周波数帯の水平面内指向性と低い側の周波数帯のそれとの差を小さくし、かつ、干渉方向レベル比を改善する。
【解決手段】反射板(3)の水平方向の幅が送信周波数(>受信周波数)の1波長よりも大きく設定されているアンテナである。ダイポール素子(1)の各先端の外方側に位置した反射板(3)上の各部位にそれぞれ立設された相対向する指向性調整板(3)と、各指向性調整板(3)の外方側に位置した反射板(3)の各部位にそれぞれ形成されたくり抜き孔(3)と、を備え、各くり抜き孔(3)と各指向性調整板(3)とによって水平面内指向性を調整される。
【選択図】図13

Description

本発明は、移動体通信システム等における基地局アンテナとして好適に使用することができるアンテナに関するものである。
特許文献1には、基地局アンテナとして使用されるセクタアンテナが開示されている。このアンテナは、低い側の周波数帯(例えば1.5GHz帯)の水平偏波と高い側の周波数帯(例えば2GHz帯)の水平偏波とを共用するダイポール素子と、このダイポール素子の背部に配置された反射板と、上記ダイポール素子の各先端の外側方にそれぞれ位置された指向性調整板とを備えている。各指向性調整板は、反射板に対して非導通状態となるように、かつ、互いに対向するように配設されている。
このアンテナにおいては、上記ダイポール素子から水平偏波が放射され、その際、反射板によってその水平偏波が主放射方向(扇形セクタの中心方向)に反射される。指向性調整板は、低い側の周波数帯の偏波のビーム幅を広げることなく高い側の周波数帯の偏波のビーム幅を広げる作用をなし、これによって、両周波数帯の偏波のビーム幅の相違が抑制される。なお、反射板の両端に立上げ形成された各側面反射板部は、反射板の背面側に水平偏波が回り込むことを抑制する。
特開2012−147086号公報
ところで、セクタ分割を目的としたセクタアンテナにおいては、ビーム幅が重要な要素となるものの、隣接セクタに与える干渉の度合いを考えた場合には、ビーム幅よりもフロントサイド比やフロントバック比が重要になる。
特許文献1に係るアンテナの反射板は、バックローブ等を抑制して所望の水平角度範囲以外の不要な放射を少なくするように作用する。しかし、この反射板は、水平方向幅が低い側の周波数帯の偏波の波長に基づいて設定されるので、その幅を高い周波数帯側の偏波の波長に換算した場合、該偏波の1波長を超える場合がある。この場合、高い周波数帯の偏波のビーム幅と低い側の周波数帯の偏波のビーム幅との相違が増大し、また、干渉方向レベル比となるフロントサイド比、フロントバック比も劣化する。
そこで、本発明は、反射板の水平方向幅が高い側の周波数帯の偏波の1波長を超える場合においても、この高い側の周波数帯の水平面内指向性と低い側の周波数帯のそれとの差を小さくすることが可能であり、また、干渉方向レベル比となるフロントサイド比、フロントバック比も改善することが可能であるアンテナを提供することを目的とする。
第1の発明に係るアンテナは、水平偏波を送受信するダイポール素子と、該ダイポール素子の背部に配置された反射板とを有し、該反射板の水平方向の幅が送信周波数(>受信周波数)の1波長よりも大きく設定されている。このアンテナは、前記ダイポール素子の各先端の外方側に位置した前記反射板上の各部位にそれぞれ立設された相対向する指向性調整板と、前記各指向性調整板の外方側に位置した前記反射板の各部位にそれぞれ形成されたくり抜き孔と、を備え、前記各くり抜き孔と前記各指向性調整板とによって水平面内指向性が調整される。
このアンテナは、垂直偏波を送受信するダイポール素子を更に備えることができる。前記くり抜き孔は例えば方形状に形成され、その水平方向長及び垂直方向長が前記送信周波数の波長の0.15倍以上及び0.25倍以上に設定される。前記反射板の両端には、水平面内指向性を調整するための側面反射板部を立上げ形成することができる。
第2の発明に係るアンテナは、複数の異なる周波数帯に適用される個別の水平偏波用ダイポール素子と、該各水平偏波用ダイポール素子の背部に配置された反射板とを有し、該反射板の水平方向の幅が前記各周波数帯中における最も周波数の高い周波数帯の偏波の1波長よりも大きく設定されている。このアンテナは、前記最も周波数の高い周波数帯に適用されるダイポール素子の各先端の外方側に位置した前記反射板上の各部位にそれぞれ立設された相対向する指向性調整板と、前記各指向性調整板の外方側に位置した前記反射板の各部位にそれぞれ形成されたくり抜き孔と、を備え、前記各くり抜き孔と前記各指向性調整板とによって水平面内指向性が調整される。
このアンテナは、前記複数の異なる周波数帯に適用する個別の垂直偏波用ダイポール素子を更に備えることができる。前記くり抜き孔は例えば方形状に形成され、その水平方向長及び垂直方向長が前記最も周波数の高い周波数帯の水平偏波の波長の0.15倍以上及び0.25倍以上にそれぞれ設定される。前記反射板の両端には、水平面内指向性を調整するための側面反射板部が立上げ形成することができる。
第1の発明に係るアンテナによれば、反射板の水平方向の幅が送信周波数(>受信周波数)の1波長よりも大きく設定されているにもかかわらず、送信周波数についての水平面内指向性と受信周波数についてのそれとの差を小さくすることが可能であり、また、干渉方向レベル比となるフロントサイド比、フロントバック比も改善することが可能である。
また、第2の発明に係るアンテナによれば、反射板の水平方向の幅が各周波数帯中における最も周波数の高い周波数帯の偏波の1波長よりも大きく設定されているにもかかわらず、上記最も周波数の高い周波数帯の偏波のビーム幅と他の周波数帯の偏波のビーム幅の差を小さくすることが可能であり、また、干渉方向レベル比も改善することが可能である。
水平偏波用ダイポール素子を備えるアンテナの基本構成を示す斜視図である。 図1のアンテナにおける反射板幅とビーム幅の関係を示すグラフである。 図1のアンテナにおける反射板幅と干渉方向レベル比の関係を示すグラフである。 図1のアンテナに指向性調整板を配設した状態を示す斜視図である。 図4のアンテナの正面図である。 図4のアンテナにおける指向性調整板の位置とビーム幅の関係を示すグラフである。 図4のアンテナにおける指向性調整板の位置と干渉方向レベル比の関係を示すグラフである。 図1のアンテナにくり抜き孔を形成した状態を示す正面図である。 図8のアンテナにおけるくり抜き孔の垂直方向長とビーム幅の関係を示すグラフである。 図8のアンテナにおけるくり抜き孔の垂直方向長と干渉方向レベル比の関係を示すグラフである。 図8のアンテナにおけるくり抜き孔の水平方向長とビーム幅の関係を示すグラフである。 図8のアンテナにおけるくり抜き孔の水平方向長と干渉方向レベル比の関係を示すグラフである。 本発明に係るアンテナの一実施形態を示す斜視図である。 図13のアンテナの正面図である。 図14のA−A線による断面図である。 図13のアンテナにおけるくり抜き孔の垂直方向長とビーム幅の関係を示すグラフである。 図13のアンテナにおけるくり抜き孔の垂直方向長と干渉方向レベル比の関係を示すグラフである。 図13のアンテナにおけるくり抜き孔の水平方向長とビーム幅の関係を示すグラフである。 図13のアンテナにおけるくり抜き孔の水平方向長と干渉方向レベル比の関係を示すグラフである。 図1のアンテナの水平面内指向性を示すグラフである。 実施例に係るアンテナの水平面内指向性を示すグラフである。 本発明に係るアンテナの他の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナの更に別の実施形態を示す斜視図である。 図23のアンテナの正面図である。
図1に示すアンテナは、半波長ダイポール素子1と、このダイポール素子1の背部に配置された長方形状の反射板3とを備えている。
ダイポール素子1は、使用周波数帯の水平偏波を送受すべく、その長手軸線が水平方向(x方向)に向く形態で反射板3の中央部上方に配置されている。反射板3は、その長手軸線が垂直方向(z方向)に向く形態で配置され、その両側端には側面反射板部3aがそれぞれ立上げ形成されている。
このアンテナにおける送信周波数と受信周波数は、(送信周波数の波長)=0.864×(受信周波数の波長)の関係になるように設定される。そこで、このアンテナの使用周波数帯を2GHz帯とした場合、例えば、送信周波数が2.2GHzに、受信周波数が1.9GHzにそれぞれ設定される。なお、使用周波数帯、受信周波数及び送信周波数は、上記に限定されない。
このアンテナにおいては、上記反射板3の水平方向幅Wの変化に対して、受信周波数1.9GHzに係る水平面内ビーム幅(以下、1.9GHzビーム幅という)と送信周波数2.2GHzに係る水平面内ビーム幅(以下、2.2GHzビーム幅という)がそれぞれ図2に示す形態で変化する。なお、図2における横軸の数値の単位は、送信周波数2.2GHzの波長λ2.2である。
反射板3の水平方向幅Wは、低い方の周波数である受信周波数1.9GHzに適合するように該受信周波数の波長λ1.9に基づいて設定される。このため、この反射板3の幅Wを高い方の周波数である送信周波数2.2GHzの波長λ2.2に換算した場合、1.0×λ2.2を超える場合がある。
反射板3の水平方向幅Wが波長λ2.2の大きさを超えると、図2に示すように1.9GHzビーム幅と2.2GHzビーム幅との差が大きくなり、また、図3に示すように干渉方向レベル比となるフロントサイド比(以下、FS比という)及びフロントバック比(以下、FB比という)も劣化する。
一方、上記反射板3の側面反射板部3aは、水平面内のビーム幅を調整するように作用する。しかし、この側面反射板部3aは、反射板3の水平方向幅Wと同様に、受信周波数1.9GHzに対して最適なものとなるように設計されるので、送信周波数2.2GHzに対するビーム幅調整手段としては有効に機能しない。
なお、このアンテナでは、反射板3の水平方向幅Wが1.28λ2,2に、側面反射板部3aの高さが0.11λ2.2に、反射板3の面からのダイポール素子1の高さが0.33λ2.2にそれぞれ設定されている。
図4に示したアンテナは、図1のアンテナに一対の指向性調整板5を付加した構成を有する。各指向性調整板5は、ダイポール素子1の各先端の外方側に位置した反射板3の各部位にそれぞれ立設されている。すなわち、各指向性調整板5は、反射板3の長手方向軸線を含むyz平面を中心として対称にかつ互いに対向して立設されている。このアンテナでは、指向性調整板5のy方向長、z方向長がそれぞれ0.168λ2.2、0.293λ2.2に設定されている。
図5に示すように、指向性調整板5から対応する反射板3の水平方向端に至る距離をDとすると、この距離Dの変化に伴って、つまり、各指向性調整板5の間隔の変化に伴って、1.9GHzビーム幅及び2.2GHzビーム幅が図6に示すように変化し、また、1.9GHzFS比、1.9GHzFB比、2.2GHzFS比及び2.2GHzFB比が図7に示すように変化する。
図6及び図7から明らかなように、指向性調整板5のみでは1.9GHzビーム幅及び2.2GHzビーム幅の差を十分に小さくすることができず、また、FS比及びFB比も改善されない。これは、指向性調整板5によって回折された電波がその先にある反射板3の影響を受けているためである。
図8に示したアンテナは、図1のアンテナの反射板3に一対の方形状の孔7をくり抜き形成した構成を有する。くり抜き孔7は、ダイポール素子1の各先端の外側方に位置され、側面反射板部3aの内面下端から反射板3の内方に向かう形態で形成されている。
図2を参照して前述したように、反射板3の水平方向幅Wが1.0×λ2,2を超えると指向性が劣化する。上記くり抜き孔7は、このような考察に基づき、低い方の周波数である受信周波数1.9GHzについての動作への影響を抑制しながらダイポール素子1の配置部位における反射板3の水平方向幅を狭くする、という意図で形成したものである。
図9に上記くり抜き孔7の垂直方向長Lの変化に対する1.9GHzビーム幅及び2.2GHzビーム幅の変化を示し、図10に上記垂直方向長Lの変化に対する1.9GHzFS比、1.9GHzFB比、2.2GHzFS比及び2.2GHzFB比の変化を示す。
また、図11に上記くり抜き孔7の水平方向長Lの変化に対する1.9GHzビーム幅及び2.2GHzビーム幅の変化を示し、図12に上記水平方向長Lの変化に対する1.9GHzFS比、1.9GHzFB比、2.2GHzFS比及び2.2GHzFB比の変化を示す。
この図9〜図12から明らかなように、くり抜き孔7のみによっては1.9GHzビーム幅及び2.2GHzビーム幅の差を十分に小さくすることができず、また、FS比及びFB比も改善されない。
図13に本発明の一実施形態に係るアンテナの斜視図を、図14にこのアンテナの正面図を、図15に図14のA−A線による断面図をそれぞれ示す。
本実施形態に係るアンテナは、図1のアンテナに図5に示す指向性調整板5及び図8に示すくり抜き孔7を設けた構成を有する。この場合、各くり抜き孔7は、各指向性調整板5の外方側に位置した反射板3の各部位にそれぞれ形成される。このアンテナにおいても、反射板3の水平方向幅Wが1.28×λ2.2に設定されるとともに、側面反射板部3aの高さが0.11λ2.2に設定され、また、指向性調整板5のy方向長、z方向長がそれぞれ0.168λ2.2、0.293λ2.2に設定されている。なお、指向性調整板5は、対応するくり抜き孔7の内方側縁端に臨む反射板3の部位に立設されている。
ここで、くり抜き孔7の水平方向長Lを0.33λ2.2に設定した状態で該くりぬき孔7の垂直方向長Lを変化させると、1.9GHzビーム幅及び2.2GHzビーム幅が図16に示す形態で変化し、また、1.9GHzFS比、1.9GHzFB比、2.2GHzFS比及び2.2GHzFB比が図17に示す形態で変化する。
この図16及び図17から明らかなように、くり抜き孔7の垂直方向長Lが0.25λ2.2以上である場合に、1.9GHzビーム幅と2.2GHzビーム幅の差が小さくなるとともに、干渉方向レベル比が改善される。
一方、くり抜き孔7の垂直方向長Lを0.33λ2.2に設定した状態で該くり抜き孔7の水平方向長Lを変化させると、1.9GHzビーム幅及び2.2GHzビーム幅が図18に示す形態で変化し、また、1.9GHzFS比、1.9GHzFB比、2.2GHzFS比及び2.2GHzFB比が図19に示す形態で変化する。
図18及び図19から明らかなように、くり抜き孔7の水平方向長Lが0.15λ2.2以上である場合に、送信周波数2.2GHzのビーム幅特性と受信周波数1.9GHzのビーム幅特性の差が小さくなるとともに、干渉方向レベル比が改善される。
このように、本実施形態に係るアンテナによれば、反射板3の水平方向幅が波長λ2.2を超える場合においても、ダイポール素子1の送信周波数及び受信周波数についての水平面内ビーム幅特性の差を小さくすることが可能であり、かつ、干渉方向のレベルも大きく改善することが可能となる。
実施例
ダイポール素子1として、2GHz帯において使用可能な半波長の水平偏波用ダイポール素子を用いる。
受信周波数を1.9GHzとし、送信周波数を2.2GHzとする。
反射板3の水平方向幅Wを1.28λ2.2に設定する。
側面反射板部3aの立上げ高さ(y方向高さ)を0.11λ2.2に設定する。
くり抜き孔7の水平方向長L、垂直方向長Lをそれぞれ0.238λ2.2、0.33λ2.2に設定する。
指向性調整板5を対応するくり抜き孔7の内方側縁端部位に位置させ、この指向性調整板5のy方向長、z方向長をそれぞれ0.168λ2.2、0.293λ2。2に設定する。
図20は前述した図1に示すアンテナの水平面内指向性を示し、また、図21は上記実施例に係るアンテナの水平面内指向性を示す。図21に示すように、上記実施例に係るアンテナによれば、受信周波数1.9GHzについての水平面内指向性と送信周波数2.2GHzについての水平面内指向性をほぼ一致させることが可能であり、また、干渉方向のレベルも改善される。
図22は、本発明に係るアンテナの他の実施形態を示す。本実施形態に係るアンテナは、図13に示すアンテナに垂直偏波用のダイポール素子9を付加した構成を有する。ダイポール素子9は、垂直偏波を送受するためその長手軸線が垂直方向(z方向)に向くように、かつ、水平偏波用のダイポール素子1に直交するように配置されている。このアンテナは偏波共用アンテナとして動作させることができる。
図23及び図24は、周波数ならびに偏波を共用する本発明に係るアンテナの更に別の実施形態を示す斜視図及び正面図である。
本実施形態のアンテナは、0.8GHz帯で使用される水平偏波用ダイポール素子11と、2GHz帯で使用される水平偏波用ダイポール素子13と、0.8GHz帯で使用される垂直偏波用ダイポール素子15と、2GHz帯で使用される垂直偏波用ダイポール素子17と、これらのダイポール素子11〜17の背部に設けた反射板19とを備えている。ダイポール素子11〜17は、いずれも半波長ダイポール素子であり、その長さ等を変更することにより、上記とは異なる任意の使用周波数帯に適用可能である。
ここで、周波数0.8GHzの波長をλ0.8、周波数2GHzの波長をλ2.2とする。0.8GHz帯水平偏波用ダイポール素子11は、垂直方向(z方向)に0.676λ0.8の間隔をおいて2段配列されている。この水平偏波用ダイポール素子11は、反射板19からの高さが例えば0.155λ0.8に設定され、かつ、その中心点が反射板19の長手軸線を含むyz平面内に位置されている。
また、2GHz帯水平偏波用ダイポール素子13は、垂直方向に0.88λ2.2の間隔をおいて4段配列されている。この水平偏波用ダイポール素子13は、反射板19からの高さが例えば0.33λ2.2に設定され、かつ、その中心点が反射板19の長手軸線を含むyz平面内に位置されている。
一方、0.8GHz帯垂直偏波用ダイポール素子15は、反射板19の長手軸線を含むyz平面を中心として対称に配置され、かつ、垂直方向(z方向)に0.676λ0.8の間隔をおいて2段配列されている。各垂直偏波用ダイポール素子15は、反射板19からの高さが例えば0.099λ0.8に設定され、かつ、水平方向(x方向)の配置間隔が0.352λ0.8に設定されている。
2GHz帯垂直偏波用ダイポール素子17は、反射板19の長手軸線を含むyz平面を中心として対称に配置され、かつ、垂直方向(z方向)に0.88λ2.2の間隔をおいて4段配列されている。各垂直偏波用ダイポール素子17は、反射板19からの高さが例えば0.33λ2.2に設定され、かつ、水平方向(x方向)の配置間隔が0.416λ2.2に設定されている。
反射板19の水平方向幅は1.28×λ2.2に設定され、また、この反射板19の側面反射板部19aの高さは0.11×λ2.2に設定されている。この反射板19には、くり抜き孔21及び指向性調整板23が形成されている。このくり抜き孔21及び指向性調整板23は、図14に示すくり抜き孔7及び指向性調整板5に対応するものであって、ダイポール素子13の各先端の外側方に位置されている。そして、指向性調整板23のy方向長とz方向長がそれぞれ0.168λ2.2と0.293λ2.2に設定されている。
本実施形態に係るアンテナは、0.8GHz帯と2GHz帯の二周波数帯を共用しかつこれらの周波数帯の水平偏波と垂直偏波を共用することができる。そして、シミュレーションの結果、くり抜き孔21のx方向長(水平方向長)及びz方向長(垂直方向長)をそれぞれ波長λ2.2の0.15倍以上及び0.25倍以上(例えば、x方向長=0.238λ2.2、z方向長=0.33λ2.2)に設定した場合に、2GHz帯受信周波数(1.9GHzまたはその近辺)の水平偏波の水平面内ビーム幅特性と2GHz帯送信周波数(2.2GHzまたはその近辺)の水平偏波の水平面内ビーム幅特性との差が小さくなることが見出され、かつ、干渉方向のレベルが改善されることが見出された。
なお、前記したように、本実施形態に係るアンテナは、ダイポール素子11〜17の長さ等を変更することによって上記とは異なる二周波数帯にも適用可能である。また、本実施形態に係るアンテナは、三周波数帯以上の周波数帯に適用し得るように構成することも可能である。
1 水平偏波用ダイポール素子
3 反射板
3a 側面反射板部
5 指向性調整板
7 くり抜き孔
9 垂直偏波用ダイポール素子
11 水平偏波用ダイポール素子
13 水平偏波用ダイポール素子
15 垂直偏波用ダイポール素子
17 垂直偏波用ダイポール素子
19 反射板
19a 側面反射板部
21 くり抜き孔
23 指向性調整板

Claims (8)

  1. 水平偏波を送受信するダイポール素子と、該ダイポール素子の背部に配置された反射板とを有し、該反射板の水平方向の幅が送信周波数(>受信周波数)の1波長よりも大きく設定されているアンテナであって、
    前記ダイポール素子の各先端の外方側に位置した前記反射板上の各部位にそれぞれ立設された相対向する指向性調整板と、
    前記各指向性調整板の外方側に位置した前記反射板の各部位にそれぞれ形成されたくり抜き孔と、を備え、
    前記各くり抜き孔と前記各指向性調整板とによって水平面内指向性を調整するようにしたことを特徴とするアンテナ。
  2. 垂直偏波を送受信するダイポール素子を更に備えることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
  3. 前記くり抜き孔は方形状に形成され、その水平方向長及び垂直方向長が前記送信周波数の波長の0.15倍以上及び0.25倍以上にそれぞれ設定されていることを特徴とする請求項1または2に記載のアンテナ。
  4. 前記反射板の両端に水平面内指向性を調整するための側面反射板部が立上げ形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアンテナ。
  5. 複数の異なる周波数帯に適用される個別の水平偏波用ダイポール素子と、該各水平偏波用ダイポール素子の背部に配置された反射板とを有し、該反射板の水平方向の幅が前記各周波数帯中における最も周波数の高い周波数帯の偏波の1波長よりも大きく設定されているアンテナであって、
    前記最も周波数の高い周波数帯に適用されるダイポール素子の各先端の外方側に位置した前記反射板上の各部位にそれぞれ立設された相対向する指向性調整板と、
    前記各指向性調整板の外方側に位置した前記反射板の各部位にそれぞれ形成されたくり抜き孔と、を備え、
    前記各くり抜き孔と前記各指向性調整板とによって水平面内指向性を調整するようにしたことを特徴とするアンテナ。
  6. 前記複数の異なる周波数帯に適用する個別の垂直偏波用ダイポール素子を更に備えることを特徴とする請求項5に記載のアンテナ。
  7. 前記くり抜き孔は方形状に形成され、その水平方向長及び垂直方向長が前記最も周波数の高い周波数帯の水平偏波の波長の0.15倍以上及び0.25倍以上にそれぞれ設定されていることを特徴とする請求項5または6に記載のアンテナ。
  8. 前記反射板の両端に水平面内指向性を調整するための側面反射板部が立上げ形成されていることを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載のアンテナ。
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