JP2016012784A - 分配移相器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】分配移相器200は、半径R1、R2、R3の円弧状の固定導体211、212、213と、固定導体211、212、213に交差するように設けられた直線状に延びた可動導体220と、点Oに設けられた回転軸230とを備えている。固定導体212、213は、特性インピーダンスZ01であって、固定導体211は、特性インピーダンスZ01より大きい特性インピーダンスZ02である。よって、固定導体211のパタン幅は、固定導体212、213に比べて小さく構成されている。このようにすることで、固定導体211に対する半径R1が小さくでき、分配移相器200が小型化できる。
【選択図】図4
Description
本発明の目的は、簡易な構造の小型化した分配移相器を提供することにある。
このような分配移相器において、複数の第1の導体において、特性インピーダンスが他の第1の導体よりも高い第1の導体の両端部にそれぞれ整合回路をさらに備えることを特徴とすることができる。
これにより、接続されるアンテナ素子とのインピーダンスの整合がとりやすくなる。
また、第2の導体の一端部に、他の入出力端子をさらに備えることを特徴とすることができる。
これにより、奇数個のアンテナ素子を接続することができる。
さらに、第2の導体の一端部とこの一端部に接続される入出力端子との間に、他の整合回路をさらに備えることを特徴とすることができる。
これにより、送受信部とのインピーダンスの整合がとりやすくなる。
さらにまた、複数の第1の導体の個数は、3であることを特徴とすることができる。
[第1の実施の形態]
<基地局アンテナ1>
図1は、第1の実施の形態が適用される移動通信用の基地局アンテナ1の全体構成の一例を示す図である。図1(a)は、基地局アンテナ1の斜視図であり、図1(b)は、基地局アンテナ1の設置例を説明する図である。
基地局アンテナ1は、例えば、図1(a)に示すように、鉄塔20に保持された複数のセクタアンテナ10−1〜10−3を備えている。そして、図1(b)に示すように、基地局アンテナ1は、セル2内おいて電波を送受信する。
セクタアンテナ10−1〜10−3は、例えば、それぞれの外形が円筒状であって、円筒の中心軸が地面に対して垂直に設けられている。
なお、図1に例として示した基地局アンテナ1は、3個のセクタアンテナ10−1〜10−3を備え、それぞれがセクタ3−1〜3−3に対応しているが、セクタアンテナ10及びセクタ3は、3以外の予め定められた数であってもよい。また、図1(a)では、セクタ3は、セル2を等分に分割して構成されているが、等分でなくともよく、いずれか1つのセクタ3が他のセクタ3に比べ広く又は狭く構成されていてもよい。
分配移相器200は、入出力端子(後述する図3に示すPort1参照)に入力した送信信号の位相を、複数の入出力端子(後述する図3に示すPort2〜7の参照)間でずらして、複数の入出力端子(Port2〜7)からアレイアンテナ100に出力する。
また、分配移相器200は、アレイアンテナ100から複数の入出力端子(Port2〜7)に入力した受信信号の位相を、複数の入出力端子(Port2〜7)間でずらして合成し、入出力端子(Port1)から出力する。
後述するように、分配移相器200のPort1〜7は、入力端子であるとともに、出力端子として機能する。よって、入出力端子と表記する。
送受信ケーブル31は、基地局(不図示)内に設けられた送信信号を生成及び受信信号を受信する送受信部4(後述する図3参照)に接続されている。送受信ケーブル31は、例えば同軸ケーブルである。
このため、図1(a)に示すように、電波(ビーム)の送受信方向(指向性)を水平面から地表方向に角度θ傾けて(ビーム・チルト角θとして)いる。
図2は、第1の実施の形態におけるセクタアンテナ10の一例を示す図である。図2は、1つのセクタアンテナ10を横に置いた斜視図で示している。
セクタアンテナ10は、アレイアンテナ100と、分配移相器200と、レドーム500とを備えている。アレイアンテナ100は、反射板120と、反射板120上に直線状に配列(アレイ)された複数のアンテナ素子110を備えている。レドーム500は、アレイアンテナ100及び分配移相器200を包むように設けられている。
図2では、レドーム500を破線で示し、レドーム500の内部に設けられたアレイアンテナ100が見えるようにしている。また、分配移相器200は、アレイアンテナ100における反射板120の裏面に置かれているので、破線で示している。
なお、図2では、アンテナ素子110を、一例としてダイポールアンテナとして表記している。アンテナ素子110は、ダイポールアンテナでなくともよく、パッチアンテナなど他のアンテナであってもよい。
反射板120のアンテナ素子110に対向する部分は平坦で、反射板120の両端部は、アンテナ素子110が設けられた側とは逆の側に折り曲げられている。なお、反射板120の両端部は折り曲げられてなくともよく、アンテナ素子110が設けられた側に折り曲げられていてもよい。
そして、レドーム500の下蓋503に、分配移相器200と信号を送受信する送受信ケーブル31が接続されるコネクタ(不図示)が設けられている。
また、図2では、セクタアンテナ10は、1個のアレイアンテナ100により構成されているが、複数のアレイアンテナ100を並べることで構成されてもよい。
次に、分配移相器200とアンテナ素子110との接続関係を説明する。
図3は、第1の実施の形態において、セクタアンテナ10における分配移相器200とアレイアンテナ100との接続関係の一例を示す図である。
ここでは、アレイアンテナ100は、図2で示したように、6個のアンテナ素子110(アンテナ素子110−1〜110−6)を備えているとして説明する。
電波を送信する場合は、送受信部4から送信信号が分配移相器200のPort1に入力される。そして、分配移相器200により、Port2〜7に分配される。このとき、Port1に入力された送信信号は、分配移相器200により位相が互いにずらされる。Port2〜7に分配された送信信号は、Port2〜7からアンテナ素子110−1〜110−6に出力される。アンテナ素子110−1〜110−6は、それぞれが位相のずらされた送信信号を電波として送信する。
ここでは、一例として、Port2は、Port1に入力された送信信号に対して位相が−5φずれた信号を出力する。位相のずれを移相量と呼ぶ。そして、Port3は移相量−3φ、Port4は移相量−φ、Port5は移相量+φ、Port6は移相量+3φ、Port7は移相量+5φである。このように、Port2〜7の隣接するPort間における移相量を2φとしている。Port2〜7は、それぞれが間隔Dpで配置されている6個のアンテナ素子110−1〜110−6に接続されているので、位相差2φによって、セクタアンテナ10から送信される電波のビーム・チルト角θが設定される。
なお、位相差2φにおけるφは、後述するように分配移相器200において可変である。
次に分配移相器200について説明する。
図4は、第1の実施の形態における分配移相器200の一例を示す図である。図4(a)は、分配移相器200の平面図、図4(b)は、図4(a)におけるIVB−IVB線での分配移相器200の断面図である。
図4(a)、(b)に示すように、分配移相器200は、点Oを中心とする半径R1、R2、R3の複数の円環を仮定したとき、これの複数の円環の一部を構成する円弧状の第1の導体の一例としての固定導体211、212、213を備えている。そして、分配移相器200は、固定導体211、212、213に交差するように設けられた直線状に延びた第2の導体の一例としての可動導体220と点Oに設けられた回転軸230とを備えている。さらに、分配移相器200は、基準電位(例えば、接地電位(GND))に設定される基準導体240を備えている。
可動導体220は、回転軸230に一端部がはめ込まれ、他端部が回転軸230を中心に回転軸230の周りで回転するようになっている。すなわち、可動導体220は、アーム状に構成されている。
そして、可動導体220は、固定導体211、212、213と電気的に結合するように、固定導体211、212、213に接触又は近接して設けられている。なお、電気的な結合は、信号の直流成分が伝達されることを要せず、高周波成分が伝達されればよい。
可動導体220と固定導体211、212、213とが近接して設けられる場合、可動導体220と固定導体211、212、213との間に、ポリテトラフルオロエチレンなどの信号の高周波成分に対してロスの小さい誘電材料が設けられていてもよい。
以下では、可動導体220と固定導体211、212、213とが接触する(接する)として説明する。
そして、可動導体220の一端部(回転軸230側)が入出力端子であるPort1に接続されている。
固定導体212、213は、固定導体211における変成線路214、215を備えていない。すなわち、固定導体212、213は、可動導体220と接触する部分である。
固定導体212、213は、特性インピーダンスZ01である。一方、固定導体211は、特性インピーダンスZ01より大きい、特性インピーダンスZ02である(Z02>Z01)。
よって、図4(a)に示すように、固定導体211のパタン幅は、固定導体212、213に比べて小さく(細く)構成されている。
特性インピーダンスZ01は、例えば50Ωである。これに対して、特性インピーダンスZ02は、例えば100Ωである。
一方、固定導体211は、特性インピーダンスZ02であるため、その両端部を、それぞれアンテナ素子110−3、110−4に接続すると、インピーダンスが不整合になる。そこで、固定導体211の特性インピーダンスZ02と、アンテナ素子110の特性インピーダンスZ01とを整合させるために、変成線路214、215が接続されている。変成線路214、215は、特性インピーダンスZ01を特性インピーダンスZ02に変換する。
なお、可動導体220における第1接触部220a、第2接触部220b、第3接触部220cは、Port2〜7に、等しい電力で信号が分配されるように、インピーダンスが設定されている。
可動導体220については、これまで知られた構成が適用しうるので、ここでは説明を省略する。
また、基準導体240と、固定導体211、212、213と、変成線路214、215とのそれぞれは、導電材料の層が片面に設けられた誘電体基板をそれぞれ加工して構成されてもよい。
分配移相器200の可動導体220の一端部に設けられたPort1に入力した入力信号は、可動導体220の第1接触部220aを伝搬し、固定導体211との接触部分αにおいて、固定導体211に分配される。そして、固定導体211に分配された信号の一部は、接触部分αから左側(図4(a)において左側、以下同様)に固定導体211及び変成線路214を伝搬して、Port4に至って出力される。同様に、固定導体211に分配された信号の残りは、接触部分αから右側に固定導体211及び変成線路215を伝搬して、Port5に至って出力される。
また、回転軸230の周りに、可動導体220の他端部を回転させることで、固定導体211、212、213と可動導体220との接触部分α、β、γの位置が変えられる。これにより、Port2〜7の間における位相差(移相量におけるφ)が変更される。
また、接続するアンテナの特性インピーダンスによっては、変成線路214、215を設けなくてもよく、固定導体212、213のいずれか一方又は両方の両端又は一端に別の変成線路を設けてもよい。
図4(a)、(b)では、固定導体211の特性インピーダンスを、特性インピーダンスZ01より大きい特性インピーダンスZ02とした。
しかし、図5では、固定導体211を固定導体212、213と同様に、特性インピーダンスZ01としている。よって、固定導体211を図4の固定導体211と区別するため、固定導体211′と表記する。
固定導体211′は、特性インピーダンスZ01であるので、そのパタン幅は、図4(a)に示した固定導体211のパタン幅より大きく(広く)なっている。また、図4(a)に示した固定導体211に接続した変成線路214、215を要しない。
そして、特性インピーダンスZ01の固定導体211′とした場合においても、可動導体220(図4の可動導体220と区別するため、以下では可動導体220′と表記する。)における第1接触部220a′、第2接触部220b′、第3接触部220c′は、Port2〜7に、等しい電力で信号が分配されるように、インピーダンスが設定されている。
ここでは、固定導体211′は、図4における固定導体211の特性インピーダンスZ02より小さい特性インピーダンスZ01である。よって、可動導体220′における第1接触部220a′の特性インピーダンスは、図4に示した場合に比べて小さくすることが求められる。このため、可動導体220′における第1接触部220a′は、図4の可動導体220の第1接触部220aに比べ広く(太く)構成されることが必要となる。
他の構成は、図4(a)、(b)に示した同様であるので、説明を省略する。
したがって、図5に示す構成の分配移相器200の場合、インピーダンス整合をとりつつ、Portに等しく電力を分配するとともに、所望の移相変化量を得ようとすると、固定導体211′の半径R1を大きく設定することが必要になる。このことは、半径R1に比例させて、固定導体212の半径R2、固定導体213の半径R3を大きくせざるを得なくなり、分配移相器200が大型化することになる。
よって、固定導体211と可動導体220との接触部分αの円周方向(移動する方向)の長さ(幅)が、図5の場合に比べて小さく(短く)なる。このようにすることで、固定導体211に対する半径R1が小さくとも、Port4、5からは、回転角に比例した位相差の信号が得られ易くなっている。
すなわち、分配移相器200が小型化される。
第1の実施の形態では、分配移相器200のPort1の特性インピーダンスは、Port1から入力した信号の電力が、Port2〜7において、均等に分配されるように設定される。しかしながらこの場合、Port1の特性インピーダンスは、特性インピーダンスZ01と異なるケースがある。すると、特性インピーダンスZ01をケーブルや回路において広く使用されている50Ωとした場合、Port1に、特性インピーダンスが50Ωのケーブルや回路を直接接続できない。
図6は、第2の実施の形態における分配移相器200の構成を示す平面図である。第2の実施の形態における分配移相器200は、可動導体220の一端部(回転軸230側)とPort1との間に、整合回路250をさらに備えている。
他の構成は第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
整合回路250により、Port1から見た特性インピーダンスをインピーダンスZ01に変換する。
S11は、Port1における反射特性を示し、規格化された周波数(f/f0)が0.9〜1.16の範囲において、リターンロスが−20dB以下となっていることが分かる。
一方、Port1からPort2〜7のそれぞれに対する伝達特性を示すS21、S31、S41、S51、S61、S71は、規格化された周波数(f/f0)が0.9〜1.16の範囲において、いずれも約−8dBであって、Port1に入力した信号が、Port2〜7にほぼ同じ電力で分配されていることを示している。
図6に示した第2の実施の形態の分配移相器200は、6出力(Port2〜7)の分配移相器200であった。この分配移相器200は、図2、3に示した6個のアンテナ素子110−1〜110−6を備えるセクタアンテナ10に適用できる。
図8は、第3の実施の形態において、セクタアンテナ10における分配移相器200とアレイアンテナ100との接続関係の一例を示す図である。
ここでは、セクタアンテナ10におけるアレイアンテナ100は、7個のアンテナ素子110(アンテナ素子110−1〜110−7)を備えている。そして、分配移相器200は、Port1〜8を備え、Port1を入力とし、Port2〜8を出力とする、7出力の移相器である。
この場合、Port5から出力される信号を移相量0とし、Port2が移相量−3φ、Port3が移相量−2φ、Port4が移相量−φ、Port6が移相量+φ、Port7が移相量+2φ、Port8が移相量+3φとなるようにしている。すなわち、Port2〜8の隣接するPort間における位相差をφとしている。このようにすれば、位相差φによって、セクタアンテナ10から送信される電波のビーム・チルト角θが設定される。
図9は、第3の実施の形態における分配移相器200の構成を示す平面図である。
分配移相器200は、第1の実施の形態、第2の実施の形態における分配移相器200と同様に、固定導体211、212、213を備えている。さらに、分配移相器200は、第1の実施の形態、第2の実施の形態における分配移相器200と同様に、可動導体220、回転軸230、基準導体240を備えている。さらに、分配移相器200は、整合回路250、260を備えている。
そして、固定導体211の両端部がPort4、6、固定導体212の両端部がPort3、7、固定導体213の両端部がPort2、8である。
整合回路250は、一端部が、第2の実施の形態の分配移相器200と同様に、Port1であって、他端部が可動導体220の一端部(回転軸230側)に接続されている。
整合回路260は、一端部がPort5であって、他端部が可動導体220の一端部(回転軸230側)に接続されている。
他の構成は、第1の実施の形態、第2の実施の形態で説明したのと同様であるので説明を省略する。
また、整合回路260により、Port1から見た特性インピーダンスをインピーダンスZ01となるよう調整するとともに、Port5と、他のPortとの電力分配比を設定している。
よって、固定導体211と可動導体220との接触部分αの円周方向(移動する方向)の長さ(幅)が、図5の場合に比べて小さく(短く)なる。このようにすることで、固定導体211に対する半径R1が小さくとも、Port4、6からは、回転角に比例した位相差の信号が得られ易くなっている。
すなわち、分配移相器200が小型化されている。
なお、特性インピーダンスを高くする固定導体の数は、1個でなく、複数であってもよい。
また、第1の実施の形態、第2の実施の形態、第3の実施の形態では基準導体240は1個としたが、基準導体を2個とし、固定導体211、212、213を挟み込むトリプレート構造としてもよいし、固定導体211、212、213と同一平面上に、基準電位に設定される導体を配置して、コプレーナ構造としてもよい。
このような分配移相器において、複数の第1の導体において、特性インピーダンスが他の第1の導体よりも高い第1の導体の両端部にそれぞれ整合回路をさらに備えることを特徴とすることができる。
これにより、接続されるアンテナ素子とのインピーダンスの整合がとりやすくなる。
また、第2の導体の一端部に、他の入出力端子をさらに備えることを特徴とすることができる。
これにより、奇数個のアンテナ素子を接続することができる。
さらに、第2の導体の一端部とこの一端部に接続される入出力端子との間に、整合回路をさらに備えることを特徴とすることができる。
これにより、送受信部とのインピーダンスの整合がとりやすくなる。
さらにまた、複数の第1の導体の個数は、3であることを特徴とすることができる。
Claims (5)
- 予め定められた一点を中心とする複数の円環を仮定したとき、それぞれが、当該複数の円環におけるいずれかの円環の一部を構成する円弧状を有し、それぞれの両端部がそれぞれ入出力端子に接続される複数の第1の導体と、
前記複数の第1の導体と交差するように設けられるとともに、一端部が前記中心に配置され、他端部が当該中心の周りに回転でき、当該一端部が入出力端子に接続される第2の導体と、を備え、
前記複数の第1の導体のうち、少なくとも一つの第1の導体の特性インピーダンスが他の第1の導体の特性インピーダンスよりも高い
ことを特徴とする分配移相器。 - 前記複数の第1の導体において、特性インピーダンスが他の第1の導体よりも高い第1の導体の両端部にそれぞれ整合回路をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の分配移相器。
- 前記第2の導体の前記一端部に、他の入出力端子をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の分配移相器。
- 前記第2の導体の前記一端部と当該一端部に接続される入出力端子との間に、他の整合回路をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の分配移相器。
- 前記複数の第1の導体の個数は、3であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の分配移相器。
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