JP2567688B2

JP2567688B2 - チルトアンテナ

Info

Publication number: JP2567688B2
Application number: JP63328645A
Authority: JP
Inventors: 吉英山田; 誠木島
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Mobile Communications Networks Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-12-26
Filing date: 1988-12-26
Publication date: 1996-12-25
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: JPH02174302A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、移動通信用の基地局用のアンテナとして適
するアレイアンテナで、複数の放射素子を垂直面内に一
定間隔で配列して、各放射素子の励振振幅および位相を
調整して、アンテナの主ビーム方向を水平面下の特定の
角度範囲に制御するチルトアンテナに関する。特に、複
数の放射素子をグループ単位にして、グループごとに放
射素子への給電位相を制御して他の基地局サービスゾー
ンとの干渉を少なくした低サイドローブ特性のチルトア
ンテナに関する。

〔従来の技術〕

第６図は、従来の移動無線、特に自動車電話に利用さ
れる移動通信用基地局アンテナのビームチルトの説明図
で、その基地局アンテナの使用される状態を示してい
る。

第６図で、符号１は一つの基地局３がもつサービスゾ
ーンを示す。符号２は離れた位置にある基地局３のサー
ビスゾーンを示している。符号４は基地局アンテナであ
り、基地局屋上あるいは鉄塔上に鉛直方向に配置されて
いる。破線５は、水平方向を示しアンテナの放射特性を
示す角度θの基線としている。破線６は、この基地局ア
ンテナ４からサービスゾーン１あるいは２の外縁を見込
んだ角度を示し、基地局アンテナ４で必要とされるビー
ムチルト角θ_Ｔに相当する。そして、符号８のビームは
この基地局アンテナ４の主ビームを示している。また第
６図で一点鎖線７で示される方向は、同一周波数を使用
しているサービスゾーンへの干渉波方向を示しており、
水平方向からの角度はθ_１で与えられる。

移動通信用基地局アンテナとして要求される機能は、
自基地局のサービスゾーン内では所要の電界レベルを実
現しつつ、他基地局のサービスゾーンへの電波干渉を生
じないようにすることである。この要求を満たすため、
移動通信用基地局アンテナの指向特性を第６図に示すよ
うに主ビームを水平面下に傾け、放射電波を自局サービ
スゾーンに有効に閉じ込めるようにしている。これをビ
ームチルトという。また、第６図でθ_１に示す角度領域
にあるサイドローブのレベルを十分低くすることによ
り、他局サービスゾーンへの電波干渉を低減するように
している。

ビームチルト特性のアレイアンテナとして、従来は第
７図に示す「多段リニアアレイアンテナ」（特開昭61−
172411）の構成がある。

このアンテナ４は、垂直面内に一定間隔で配置された
複数の放射素子９と、この各放射素子の給電位相を決定
する複数の第１位相器10および第２位相器15とを有す
る。また、各放射素子の給電振幅は全素子で等しくなる
よう電力分配回路11の分配比が設定されている。符号12
は、このアンテナの給電点を示す。

また、第７図において、符号13の破線は、各放射素子
からの放射波の波面を示し、符号14の一点鎖線はチルト
角（θ_Ｔ）方向への波面を示すものである。

この従来のアレイアンテナの作用について説明する。

アンテナ４の主ビームを水平面下にビームチルト角θ
_Ｔ方向に向けるため、第１位相器10をそれぞれ調整し
て、θ_Ｔより大きいθ_Ｅなる波面を形成するように設定
し、さらに第２位相器15により、アンテナ上部の位相を
遅らせることにより、図のような大きな段差のある位相
分布13₁および13₂を形成する。するとθ_Ｅの波面が引き
戻され、θ_Ｔ方向にビームを向けることができる。この
ときの放射特性を第８図に示す。主ビームは５゜近くビ
ームチルトでき、かつ０゜近傍のサイドローブを−25dB
近くに深くすることができるのが、「多段リニアアンテ
ナ」の特徴である。しかしこの方法では、サイドローブ
が低く干渉を抑圧できる角度範囲は、−25dBのサイドロ
ーブ近辺の数度に限定される。チルト角（θ_Ｔ）の変化
は第２位相器15の値を変えることで達成されるが、可変
範囲は低サイドローブの角度範囲内に限定されざるを得
ない制約がある。

これに対し、第８図の０゜以下の方向を全て低サイド
ローブ化する方法が有り、第１位相器10および電力分配
回路11の調整により実現できる。

例えば放射素子９が20個で、その各放射素子間隔を0.
8波長間隔に配置したアレイアンテナでは、第９図に示
す給電振幅および位相をビームチルト角θ_Ｔ方向の位相
量に重畳すれば、第10図に示される放射特性を実現する
ことができる。なお、第10図での放射最大理得は14.5dB
である。ここで、第10図の放射角度θは、ビームチルト
角θ_Ｔ方向からの変化量を示している。第10図で放射角
度θのプラス符号方向が自基地局のサービスゾーン内に
当り、マイナス符号の方向が干渉ゾーン方向に対応す
る。上述の給電振幅および位相の調整により、第10図に
示すように、干渉ゾーン方向のサイドローブレベルを−
30dB程度まで低減できる。このような低サイドローブア
ンテナでは、従来の「多段リニアアンテナ」における給
電の方法は不要となり、第２位相器によるチルト角の可
変範囲の制約は解消できる。しかし、第２位相器による
チルト変化の際には、各位相器が受け持つ放射素子グル
ープの間には、第７図の13で示されるような位相段差が
付随する。低サイドローブアンテナはこの位相段差によ
るサイドローブ上昇が問題となり、チルト角の可変範囲
を限定してしまうことになる。これに対して、アンテナ
構造諸元を如何に設定すればよいか、従来は不明であっ
た。

〔発明が解決しようとする問題点〕

移動通信用の基地局アンテナにおいて、干渉局方向に
低サイドローブとなるように指向性合成を行ったアンテ
ナを、広い角度範囲でチルト角を変化させて使用すると
き、チルト角変化の操作を簡便化するため、放射素子を
グループ化して変化すべき位相器数を低減する構成が用
いられる。このとき、チルト角を初期値から変化させた
場合、グループ化された放射素子間に位相段差が発生
し、チルト角変化を大きくした場合にサイドローブレベ
ルの上昇を招くことが問題となる。

本発明は、上述の欠点に鑑み、アンテナが適用される
状況における最大のチルト角が分り、この条件の下でチ
ルト可変範囲を大きくとることができるアンテナ構造諸
元が決定されたアンテナを提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、一定間隔で垂直面内に一直線上にアレイ状
に配列された複数ｎ個の放射素子と、各放射素子の振幅
および位相を調整するｎ個の第一位相制御手段と、上記
複数の各放射素子を複数ｋ個のグループに分割しこのグ
ループ単位ごとに上記各放射素子の位相を変化させる第
二位相制御手段とを備え、上記第二位相制御手段で各放
射素子の位相を調整して放射特性の主ビーム方向
（θ_Ｔ）が水平面下の特定の角度範囲（θ_TL≦θ_Ｔ≦θ
_TM）にわたり可変に制御されるチルトアンテナにおい
て、上記複数の各放射素子を複数のグループに分割し、こ
のグループ単位毎に上記各放射素子の位相を変化させる
位相制御手段を備え、与えられた波長をλ、上記主ビー
ムの水平面下の最大の角度範囲をθ_TM、各放射素子間の
間隔をｓ、一つのグループを構成する放射素子数をＭと
するとき、θ_TM内にサイドローブのピークが生じない条
件のもとでθ_TM≦sin^-1（λ/Ms）を満足するＭの最大数
を各グループ内の放射素子数として選定し、かつｓ＜λ
としたことを特徴とする。

なお、本発明のチルトアンテナを構成する放射素子、
この放射素子の振幅および位相を調整する手段およびグ
ループ単位で位相を制御する手段は、すべて双方向性で
あって、本発明のチルトアンテナは送受信双方に使用す
ることができる。

〔作用〕

本発明は、従来のチルトアンテナの各放射素子をグル
ープ化し、グループ毎にその給電振幅および位相を調整
して、チルトアンテナの低サイドローブ特性を実現す
る。

この際に低サイドローブ特性を満たすために、一つの
グループ内の放射素子数をＭと、ビームチルトの最大角
θ_TM、放射素子間間隔をｓ、波長λとの関係をθ_TM内に
サイドローブのピークが生じない条件のもとで θ_TM≦sin^-1（λ/Ms）を満足するＭの最大数を各グループ内の放射素子数とし
て選定し、かつｓ＜λとすることで、移動通信用基地局
アンテナに要求される低サイドローブ特性を満たし、か
つ高い放射利得を得ることができ、チルトアンテナの設
計が容易となる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明実施例を説明する。

第１図は本発明一実施例のチルトアンテナの構成を示
す図である。

本実施例のチルトアンテナは、複数の放射素子９と、
各放射素子９の給電位相を決定する第１位相器10と、各
放射素子９の給電振幅を決定する電力分配回路11とを備
え、この各放射素子９、第１位相器10、電力分配回路11
の幾つかをグループとしてまとめ、このグループ化され
たアンテナ4₁〜4₄の各放射素子の位相をまとめて調整す
る第２位相器15₁〜15₄とを備え、この第２位相器15₁〜1
5₄に給電点12から給電される構成となっている。

この第１図に示すチルトアンテナでは、放射素子９は
第１位相器10により符号14で示される波面をなすように
調整されており、さらに第２位相器15により各ブロック
（4₁〜4₅）ごとに破線17の上に位置するように調整され
ている。実線16で示される面が実際に実現される波面と
なる。このように、各放射素子９をグループ化して給電
する方式では、第１図に示すように、主ビーム角θ′_Ｔ
と実際の放射波面との間に２δの位相誤差が存在する。

この位相誤差２δの存在により、低サイドローブ特性
が劣化されることが考えられるが、本発明では、この劣
化特性を定量化し、ビームチルト角θ_Ｔ、１グループ内
の放射素子数Ｍ、放射素子間隔ｓ、波長λとを一定の関
係とすることにより、低サイドローブ特性の劣化を防止
している。

まず、第２図（ａ）ないし（ｄ）に、放射素子をグル
ープ化した場合のアンテナ特性におけるサイドローブ劣
化の計算結果を示す。

このアンテナ特性の計算では、ビームチルト角θ_Ｔの
可変範囲を５゜ないし12゜と想定し、ビームチルト角９
゜方向で全放射素子９の位相が揃うように、各放射素子
９の位相が調整されているものとする。すなわち、ビー
ムチルト角９゜以外のビームチルト角においては、第１
図に示したグループ化に伴う２δの位相誤差が存在す
る。

第２図は、ビームチルト角θ′_Ｔが11゜の場合に、各
グループに含まれる放射素子９の数Ｍを変えた場合の放
射特性の変化の様子を示すものである。放射素子９の数
は20とし、素子間隔を0.8波長として、アンテナの放射
特性を計算した。

なお、各グループ内の放射素子数Ｍは、20の約数であ
る離散的な数値となり、このアンテナの放射特性で注目
すべき角度領域は、主ビームから水平面０゜の近傍まで
の角度範囲であり、そのサイドローブレベルの劣化度を
大きくすることにある。

第２図（ａ）は、放射素子を２分割して、各グループ
の放射素子数Ｍを10とした場合、第２図（ｂ）は、Ｍを
５とした場合、第２図（ｃ）は、Ｍを４とした場合、第
２図（ｄ）はＭを２とした場合である。

この第２図（ａ）ないし（ｄ）に示されるアンテナの
サイドローブ特性で顕著な事項は、各図の矢印に示す位
置でローブが突出することであり、またそのローブの突
出する位置は、グループ内の放射素子数Ｍが大きくなる
にしたがって主ビームに近づくことである。

すなわち、第２図（ａ）に示すようにＭ＝10では、ほ
ぼ主ビームに隣接する位置に突出したローブが存在する
こととなり、他の基地局のサービスゾーンとの干渉角度
範囲でのサイドローブ特性を著しく劣化させる。ところ
が、第２図（ｂ）のようにＭ＝５とすると、突出したロ
ーブは干渉角度範囲の外に存在しゾーン構成上の問題は
無くなる。また、主ビームと突出したローブに挟まれた
角度領域でのサイドローブレベルは、若干劣化するもの
の約−25dB程度のレベルを維持しており、実用上は十分
低いレベルとなっている。結局、第８図の従来技術にお
ける０゜方向でサイドローブが低くなっている角度幅が
数度程度であったものを、第２図（ｂ）、（ｃ）のよう
に分割数を適切に選ぶことにより十分に大きくとること
ができるようになる。

次に、上述の第２図（ａ）ないし（ｄ）に示した結果
から、放射素子９をグループ化した場合の低サイドロー
ブ特性を維持しつつ大きなチルト角を実現するための、
ビームチルト角θ_Ｔ、グループ内の素子数Ｍの関係を求
める。

まず、第２図に示したサイドローブの生成原因を検討
するため、アレイアンテナの放射特性計算の座標を第３
図のように定義する。アンテナの長さをＬとし、各放射
素子間隔をｓとし、全放射素子数をｎとする。このと
き、アンテナの放射強度をΨ（θ）とすると、全放射素
子の給電振幅および位相が全放射素子にわたり同一とし
た場合、次の表示式で表すことができる。

ここで、λは波長を示す。

この（１）式の分子の値の変化の周期については、
（ｎπｓ・sinθ）／λ＝πを満足するθの角度間隔で
与えられ、第２図の各ローブに相当する細かな放射特性
変化を表す。一方、（１）式の分母の周期は、（πｓ・
sinθ）／λ＝πを満足する角度間隔θ_Ｐであるから、 θ_Ｐ＝sin^-1（λ/s） ……（２）となる。これは（１）式の分子のｎ倍となる。今、アレ
イアンテナで良く選定されるように、ｓ＝λとすると、
θ_Ｐ＝90゜となる。また、ｓ＝２λとすると、θ_Ｐ＝30
゜となり、第２図に示した突出ローブ角度に近い値を示
すようになる。

アレイアンテナの放射素子９をＭ個の放射素子単位で
グループに分割して給電した場合の放射特性は、アレイ
アンテナの指向性の積の原理から、Ｍ個の放射素子アン
テナの放射特性と（１）式でｓをMsと置き換えた指向性
との積で表される。この場合の（２）式に相当する成分
の周期は、やはり（２）式のｓをMsと置き換えて次の
（３）式で求められる。

θ_Ｐ＝sin^-1（λ/Ms） ……（３）第４図には、ｓをパラメータとして、Ｍとθ_Ｐとの関
係を（３）式により計算した結果を示す。この第４図の
図中の丸印は、第２図（ａ）ないし（ｄ）の突出ローブ
位置である。この（３）式の表示式の特徴は、θ_Ｐがア
ンテナの全長とは無関係に単にグループ化した放射素子
数のみで決定されることである。

ビームチルト角の最大値θ_TMが与えられた場合の設計
法としては、θ_Ｐがθ_TM以上となるように位置させる必
要があり、次の条件式を満たす必要がある。

θ_Ｔ≦sin^-1（λ/Ms） ……（４）グループを構成する放射素子数Ｍとしては、（４）式
で最大の値を採用すれば、ビームチルトのための可変部
品数を最小にできる。例えば第４図において、θ_TM＝14
゜、ｓ＝0.8λの場合、（４）式よりＭの最大値を求め
るとＭ＝５となる。

さらに、第５図に、ビームチルト角を種々に変化させ
た場合の、水平面下のサイドローブレベルとアンテナ利
得の変化の様子を表す。サイドローブ特性では、−20dB
を満足できる角度範囲が、分割数４のとき、５゜≦θ_Ｔ
≦11.5゜であり分割数５のとき５≦θ_Ｔ≦13゜と、第８
図の従来アンテナの２〜３倍の広さのチルト角可変範囲
を実現できる。また、アンテナ利得の変化幅も、1.5dB
以下で問題とならない値となっている。

なお、上記実施例では、放射素子９、位相器10、電力
分配回路11、位相器15、給電点12について、その動作で
放射あるいは給電という言葉を使用したが、これらのチ
ルトアンテナ構成素子はすべて双方向性のある素子であ
り、本発明のチルトアンテナは送信のみでなく、受信に
も使用されるものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は、チルトアンテナの放射
素子をグループに分割して、チルト角の可変範囲に応じ
た分割数を設定し、そのグループ内の最大放射素子数を
求めることにより、低サイドローブ特性を劣化させるこ
となく広い角度範囲にわたるチルト角の可変範囲を備え
た移動通信基地局用アンテナに適するチルトアンテナを
実現できる。

このチルトアンテナの構造は、ビームチルト角変化を
実施するための給電ケーブル等の取替部品を減少できる
ため、構成を簡素化してアンテナを経済化することがで
き、また位相調整工数を減少でき取扱の簡易化を図るこ
とができ、また設計の容易化を図ることができる。さら
に放射利得を低下させる水平方向より上向きのグレーテ
ィングローブを低減させるので放射利得が高い利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のチルトアンテナの構成を示
す図。第２図は放射素子をグループ化したときの放射特性の変
化を示す。第３図は本実施例での放射特性計算のためのアンテナの
座標系を示す図。第４図はグループ化された放射素子数と突出ローブ位置
との関係を示す図。第５図はビームチルト角を変化させた場合のサイドロー
ブおよびアンテナの利得の変化の様子を示す図。第６図は移動通信基地局におけるビームチルトの説明
図。第７図は従来例チルトアンテナの構成を示す図。第８図は従来例チルトアンテナの放射特性を示す図。第９図は従来例チルトアンテナの給電振幅および位相の
調整例。第10図は従来例の低サイドローブアンテナの放射特性を
示す図。１、２……サービスゾーン、３……無線基地局、４……
アンテナ、５……水平方向を示す図、６……ビームチル
ト角度を示す線、７……同一周波数を使用しているサー
ビスゾーンへの干渉方向を示す図。８……主ビーム、９
……放射素子、10、15……位相器、11……電力分配回
路、12……アンテナの給電点、13……アンテナからの放
射波、14、16……放射波の波面。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一定間隔で垂直面内に一直線上にアレイ状
に配列された複数ｎ個の放射素子と、各放射素子の振幅および位相を調整するｎ個の第一位相
制御手段と、上記複数の各放射素子を複数ｋ個のグループに分割しこ
のグループ単位ごとに上記各放射素子の位相を変化させ
る第二位相制御手段とを備え、上記第二位相制御手段で各放射素子の位相を調整して放
射特性の主ビーム方向が水平面下の特定の角度範囲にわ
たるように可変に制御されるチルトアンテナにおいて、与えられた波長をλ、上記主ビームの水平面下の最大の
角度範囲をθ_TM、各放射素子間の間隔をｓとして、θ_TM
内にサイドローブのピークが生じない条件のもとで θ_TM≦sin^-1（λ/Ms）を満足するＭの最大数を各グループ内の放射素子数とし
て選定し、かつｓ＜λ としたことを特徴とするチルトアンテナ。