JP3600181B2

JP3600181B2 - Ｉｔｓ用基地局アンテナ装置及びアンテナの形成方法

Info

Publication number: JP3600181B2
Application number: JP2001112775A
Authority: JP
Inventors: 伊市若生
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2021-04-11
Also published as: JP2002335124A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＴＳ路車間通信システムにおける基地局アンテナ装置及びアンテナの形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基地局と移動局との間における通信としては、例えば有料道路において、基地局と車両（移動局）との間のＩＴＳ（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＴｒａｎｓｐｏｒｔＳｙｓｔｅｍｓ）による路車間通信がある。
【０００３】
図１０は、従来における路車間通信システムを示したものである。図１０において、１は道路、２は路側帯であり、この路側帯２の側部に沿って基地局３ａ、３ｂ、…を所定の間隔で設けている。上記基地局３ａ、３ｂ、…は、支持柱４ａ、４ｂ、…の頂部に設けられ、それぞれ基地局アンテナ５ａ、５ｂ、…を備えている。上記基地局アンテナ５ａ、５ｂ、…は、道路１上に通信エリアであるセル６ａ、６ｂ、…所定レベルの電波が放射されるように下方向に所定角度傾けると共に、道路１側に所定角度回転させている。すなわち、基地局アンテナ５ａ、５ｂ、…を道路１側に向けて斜めに設置することにより、道路１上にセル６ａ、６ｂ、…を形成し、道路１上を走行する車両７と通信できるようにしている。
【０００４】
一方、車両７は、通信装置及び車載アンテナ（図示せず）を備え、この車載アンテナにより各対応する基地局３ａ、３ｂ、…のアンテナ５ａ、５ｂ、…と通信を行なう。すなわち、車両７は、道路１上を走行中、例えばセル６ａのエリアでは基地局３ａと通信し、その後、次のセル６ｂのエリアに達すると、次の基地局３ｂと通信する。上記のように車両７は、走行しているセル６ａ、６ｂ、…に対応した基地局３ａ、３ｂ、…と順次通信を行なう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の通信システムでは、各基地局３ａ、３ｂ、…のアンテナ５ａ、５ｂ、…を道路側に斜めに傾けることによって、セル６ａ、６ｂ、…をカバーするようにしている。すなわち、基地局アンテナ５ａ、５ｂ、…下方向に所定角度傾けるだけでなく、更に道路１側に所定角度回転させることによって、セル６ａ、６ｂ、…上に電波が放射されるようにしている。
【０００６】
しかし、上記従来のように基地局アンテナ５ａ、５ｂ、…を道路１側に機械的に所定角度回転させて設定することは、その角度調整が非常に面倒であり、基地局アンテナ５ａ、５ｂ、…の設置に時間が掛かるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、セルをカバーする無線ゾーンを形成する際、セル内における遠くと近くの照射電力を均一にすることができるＩＴＳ用基地局アンテナ装置及びアンテナの形成方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、路側帯に沿って基地局アンテナを設け、この基地局アンテナから道路上に設定された通信エリアに電波を放射するＩＴＳ用基地局アンテナ装置において、アンテナ基板と、上記アンテナ基板上に複数のアンテナ素子を原点を除いてアレー配置してなる第１及び第２のアンテナパターンと、上記第１及び第２のアンテナパターンを構成するアンテナ素子に対し、マイクロストリップラインにより給電する給電回路とを具備し、上記第１のアンテナパターンを構成するアンテナ素子と第２のアンテナパターンを構成するアンテナ素子とを上記原点に対して１８０°回転の点対称かつ原点を通る直角座標のｘ軸、ｙ軸に対して非対称に配置し、上記通信エリア内における電波の照射電力をほぼ均一にしたことを特徴とする。
【０００９】
上記のようにアンテナ基板上に複数のアンテナ素子をアンテナ面の原点を除いてアレー配置することにより、マイクロストリップラインの給電においても、セルをカバーする無線ゾーンを形成する際、セル内での受信電力の変動を少なくすることができる。もし、アンテナ面の原点にアンテナ素子を配置した場合、原点のアンテナ素子に対して過度に電力の集中がおこり、マイクロストリップの給電では、所定の領域に対して照射電力を均一にすることができない。
【００１０】
第２の発明は、アンテナ基板に複数のアンテナ素子を形成するマイクロストリップアレーアンテナの形成方法において、アンテナ素子が原点を含んで配置されるアンテナパターンに対し、アンテナ素子の数を縦及び横方向共に２倍にしてアンテナ素子間隔を１／２にするステップと、上記素子間隔が１／２のアンテナパターンについて高速フーリエ変換により励振分布を求めるステップと、上記アンテナ素子を中央行を含んで１行置きに間引くと共に、中央列を含んで１列置きに間引いてアンテナ素子間隔を元の状態に戻すステップと、上記アンテナ素子間隔を元の状態に戻したアンテナパターンに対しマイクロストリップラインにより給電回路を構成するステップとを具備したことを特徴とする。
【００１１】
上記の方法によれば、アンテナ面の原点にアンテナ素子が配列されない状態とすることができるので、マイクロストリップラインにより給電回路を実現することが可能となり、所定の領域に対して遠くと近くの照射電力を均一にすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るＩＴＳ路車間通信システムの概略構成図である。図１において、１は車線幅が例えば４ｍの道路、２は幅が例えば１ｍの路側帯であり、この路側帯２の側部に沿って基地局３ａ、…を所定の間隔で設けている。上記基地局３ａ、…は、支持柱４ａ、…の頂部に設けられ、詳細を後述する基地局アンテナ１０ａ、…を備えている。上記基地局アンテナ１０ａ、…は、その正面方向が道路１と平行するように設置され、且つ下方向に所定角度傾けて設置される。
【００１３】
また、上記基地局アンテナ１０ａ、…は、道路１上に通信エリアであるセル６ａ、６ｂ、…に電波が放射されるように指向性を持たせ、道路１上を走行する車両７が対応するセル６ａ、６ｂ、…を走行している間、車両７と通信できるように設定されている。上記セル６ａ、６ｂ、…は、基地局３ａ、…から所定距離Ａ例えば４ｍ手前に一定長さ形成される。例えば道路１の車線幅が４ｍであった場合、セル６ａ、６ｂ、…の大きさは、４×２０ｍ程度の大きさに設定される。
【００１４】
一方、上記車両７は、通信装置及び車載アンテナ（図示せず）を備え、この車載アンテナにより基地局アンテナ１０ａ、…と通信を行なう。上記基地局３ａ、…と車両７との間の通信には、例えばミリ波帯における周波数が使用される。
【００１５】
次に上記基地局アンテナ１０ａ、…の詳細について説明する。
図２（ａ）は基地局アンテナ１０ａ、…の正面図、同図（ｂ）は同側面図である。図２（ａ）、（ｂ）において、１１は例えば円状に形成されたアンテナ本体で、吊り金具１２に例えばボルト１３により取り付けられる。このボルト１３を緩めることにより、吊り金具１２に対するアンテナ本体１１の傾き角度（俯角）θｄを任意に調整できるようになっている。上記アンテナ本体１１の傾き角度θｄは、例えば２０°程度に設定される。また、上記アンテナ本体１１には、内部にアンテナ基板１４が設けられると共に、その前面開口部にアンテナ基板１４を保護するための保護板１５が設けられる。そして、アンテナ本体１１の背面に給電導波管１６が設けられる。
【００１６】
上記アンテナ基板１４には、アンテナパターン１７が形成され、上記給電導波管１６によって給電される。上記アンテナパターン１７は、放射ビームを道路１側に例えば１０°〜２０°の範囲でチルトするように設定される。また、上記アンテナ基板１４は、道路１の位置する方向に対応させて、例えば左側通行道路の場合、図２（ａ）に示すように基準位置から時計回りに所定角度Ｒ回転させて設けられる。この角度Ｒは、後述するように例えば４０°前後に設定される。
【００１７】
図３は基地局アンテナ１０ａにおけるセル６ａの見え方を示したもので、基地局アンテナ１０ａを下方向に２０°傾けた場合で、アンテナ基板１４は回転させていない状態となっている。また、基地局アンテナ１０ａの正面方向は、道路１と平行になっている。図３において、２１はセル６ａの進行方向中心線、２２は道路１の幅員方向中心線であり、上記進行方向中心線２１と幅員方向中心線２２の交点がセル６ａの中心点２３となっている。また、２４は基地局アンテナ１０ａから正面ｚ方向に放射されるビームの中心点であり、上記道路１の幅員方向中心線２２より少し手前にある。
【００１８】
上記のように基地局アンテナ１０ａを下方向に傾けた場合、その放射パターンのｘ軸は路側帯２と平行するＹ軸と同方向であり、放射パターンのｙ軸は道路１の幅員方向Ｘと同方向となっている。
【００１９】
図４は、上記図３の状態におけるアンテナ基板１４を基準位置から時計回りに所定角度回転させた場合の基地局アンテナ１０ａにおけるセル６ａの見え方を示したものである。図３の状態からアンテナ基板１４を時計回りに回転させると、それに伴って放射パターンのｘ軸及びｙ軸が一緒に回転する。このとき放射パターンのｙ軸がセル６ａの中心点２３に一致した所でアンテナ基板１４の回転を止める。このときのアンテナ基板１４の回転角度は、条件によって異なるが、略４０°程度である。
上記のようにして基地局アンテナ１０ａの下方向への傾き角度及び、アンテナ基板１４の回転角度を設定する。
【００２０】
上記基地局アンテナ１０ａでは、セル６ａをカバーする無線ゾーンを形成するとき、セル６ａ内での受信電力変動を少なくするために、成形ビームアンテナとする必要がある。
【００２１】
成形ビームアンテナにおいて、遠くと近くの照射電力を均一にするためには、図５に示すアンテナ座標系において、下記（１）式に示すアンテナ放射電界強度Ｅ（ｒ，θ，φ）を求める一般式における指向性関数Ｄ（θ，φ）を距離ｒに比例させればよい。
【００２２】
Ｅ（ｒ，θ，φ）＝Ｋ（ｅｘｐ（−ｊｋ_０ｒ）／ｒ）Ｄ（θ，φ）…（１）
図５に示したアンテナ座標系において、２５はアンテナ、２６はアンテナ素子である。また、Ａは観測点（ｒ，θ，φ）を示し、ｒはアンテナ面２５との距離、θはアンテナ面２５のｚ軸に対する角度、φはアンテナ面２５のｘ軸に対する角度である。
【００２３】
上記（１）式における指向性関数Ｄ（θ，φ）を距離ｒに比例させる場合、それを計算するために、任意の指向性関数Ｄ（θ，φ）を指向性合成できる２次元フーリエ変換を用いる必要がある
２次元フーリエ変換を用いるためには、セル６ａをカバーするエリアとアンテナ面の傾きを含めた位置関係を定める必要がある。本実施形態では、上記したようにアンテナ面を下向きに２０度傾け、更に４０度回転させることにより、指向性合成を容易にしている。
【００２４】
また、照射電力を均等にするには、計算の結果、指向性を図６に示すような電力値等高線の分布の形とすることが良いことが分かった。図６は横軸にアンテナの回転角、縦軸にアンテナ傾け時の俯角をとって示した。また、相対電力値を示す等高線は２ｄＢ間隔である。
【００２５】
そして、２次元フーリエ変換によって指向性合成を行なった場合、素子配置は図７に示すようにアンテナ面２５の原点を必ず含むという問題点が出てくる。これにより電力分配の対称性が悪くなり、マイクロストリップラインによる給電回路の構成が困難になる。上記図７に示したアンテナ面２５における各アンテナ素子２６の間隔は、ｘ軸方向がｄｘ、ｙ軸方向がｄｙである。
【００２６】
このため本実施形態では、図７に示したアンテナに対し、図８に示すようにアンテナ素子２６の数をｘ，ｙ軸方向それぞれに２倍し、ｘ軸方向の素子間隔をｄｘ／２、ｙ軸方向の素子間隔をｄｙ／２として高速フーリエ変換により励振分布を求め、その後、奇数番目の素子を残し、偶数番目の素子を間引く。すなわち、ｘ軸方向（列方向）のアンテナ素子２６については中央列を含んで１列置きに間引き、ｙ軸方向（行方向）のアンテナ素子２６については中央行を含んで１行置きに間引いて、素子間隔を元の状態に戻す。図８では、ハッチングされたアンテナ素子２６が残り、その他の素子が間引かれる。この結果、アンテナ面２５の原点にアンテナ素子２６が配列されない状態となり、給電回路の構成はマイクロストリップラインにより実現することが可能となる。
【００２７】
すなわち、複数のアンテナ素子２６をアンテナ面２５の原点を除いてアレー配置することにより、マイクロストリップラインの給電においても、セルをカバーする無線ゾーンを形成する際、セル内での受信電力の変動を少なくすることができる。もし、アンテナ面２５の原点にアンテナ素子２６を配置した場合、原点のアンテナ素子２６に対して過度に電力の集中がおこり、マイクロストリップの給電では、所定の領域に対して照射電力を均一にすることができなくなる。
【００２８】
図９は、上記図８に示した処理を行なうことによって、アンテナ基板１４に３４素子マイクロストリップアレーアンテナを構成した場合のアンテナパターン１７の一例を示したものである。このアンテナパターン１７は、複数のアンテナ素子、すなわち複数のパッチ素子３１、及び給電路を構成するマイクロストリップライン３２によって構成される。上記マイクロストリップライン３２は、銅箔等により形成される。上記パッチ素子３１には、それぞれ円偏波用の切込３３が設けられている。また、アンテナ基板１４の中心部、すなわち原点に給電用の透孔３４が設けられ、この透孔３４内に設けられる導電部及び上記アンテナ基板１４上に設けられるマイクロストリップライン３２を介してパッチ素子３１に給電される。上記マイクロストリップライン３２のそれぞれの長さによって給電位相を調整し、幅によってインピーダンスを調整する。また、各列を構成するパッチ素子３１の数によって放射特性の各部分のゲインを調整する。
【００２９】
上記アンテナパターン１７は、アンテナ基板１４の上半分に形成される第１のアンテナパターン１７ａと、下半分に形成される第２のアンテナパターン１７ｂとからなっている。上記第１及び第２のアンテナパターン１７ａ、１７ｂは、それぞれ複数のパッチ素子３１が原点（透孔３４）を通る水平軸を除いてアレー配置される。この場合、第１のアンテナパターン１７ａを構成するパッチ素子３１と第２のアンテナパターン１７ｂを構成するパッチ素子３１とを原点を中心として１８０°回転の点対称に配置している。すなわち、図９の状態において、第１のアンテナパターン１７ａあるいは第２のアンテナパターン１７ｂを原点を中心として１８０°回転すると、第１及び第２のアンテナパターン１７ａ、１７ｂを構成する各パッチ素子３１の位置が一致するように配置されている。
【００３０】
上記アンテナパターン１７は、例えば右旋円偏波とし、上記各パッチ素子３１の数、切込３３の位置、マイクロストリップライン３２の長さ及び幅等によって道路１側に１０°〜２０°程度の範囲で放射ビームをチルトさせる。
【００３１】
アンテナ基板１４のアンテナパターン１７を上記のように構成することによって、セル６ａ内で遠くと近くの照射電力を均一にすることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、アンテナ素子が原点を含んで配置されるアンテナパターンに対してアンテナ素子の数を縦及び横方向共に２倍にし、アンテナ素子間隔を１／２にして高速フーリエ変換により励振分布を求め、その後、上記アンテナ素子を中央行を含んで１行置きに間引くと共に、中央列を含んで１列置きに間引いてアンテナ素子間隔を元の状態に戻すようにしたので、アンテナ基板上に複数のアンテナ素子をアンテナ面の原点を除いてアレー配置することが可能となり、このためマイクロストリップラインにより給電回路を実現でき、セルをカバーする無線ゾーンを形成する際、セル内での受信電力の変動を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るＩＴＳ路車間通信システムの構成図。
【図２】（ａ）は同実施形態における基地局アンテナの正面図、（ｂ）は同側面図。
【図３】同実施形態において、基地局アンテナを下方に傾けた時のセルの見え方を示す図。
【図４】同実施形態において、基地局アンテナを下方に傾けると共に、回転した時のセルの見え方を示す図。
【図５】同実施形態において、アンテナ基板にマイクロストリップアレーアンテナを構成した場合の例を示す図。
【図６】同実施形態における目標とする指向性を示す図。
【図７】２次元フーリエ変換によって指向性合成を行なった場合の素子配置を示す図。
【図８】マイクロストリップラインにより給電回路の構成を実現可能とするアンテナ素子配置を示す図。
【図９】本発明の方法によりマイクロストリップアレーアンテナを構成した場合のアンテナパターン例を示す図。
【図１０】従来におけるＩＴＳ路車間通信システムを示す構成図。
【符号の説明】
１道路
２路側帯
３ａ、３ｂ、… 基地局
４ａ、４ｂ、… 支持柱
５ａ、５ｂ、… 基地局アンテナ
６ａ、６ｂ、… セル
７車両
１０ａ、… 基地局アンテナ
１１アンテナ本体
１２吊り金具
１３ボルト
１４アンテナ基板
１５保護板
１６給電導波管
１７アンテナパターン
２１進行方向中心線
２２幅員方向中心線
２３セルの中心点
２４ビームの中心点
２５アンテナ面
２６アンテナ素子
３１パッチ素子
３２マイクロストリップライン
３３切込
３４透孔

Claims

路側帯に沿って基地局アンテナを設け、この基地局アンテナから道路上に設定された通信エリアに電波を放射するＩＴＳ用基地局アンテナ装置において、
アンテナ基板と、
上記アンテナ基板上に複数のアンテナ素子を原点を除いてアレー配置してなる第１及び第２のアンテナパターンと、
上記第１及び第２のアンテナパターンを構成するアンテナ素子に対し、マイクロストリップラインにより給電する給電回路とを具備し、
上記第１のアンテナパターンを構成するアンテナ素子と第２のアンテナパターンを構成するアンテナ素子とを上記原点に対して１８０°回転の点対称かつ原点を通る直角座標のｘ軸、ｙ軸に対して非対称に配置し、上記通信エリア内における電波の照射電力をほぼ均一にしたことを特徴とするＩＴＳ用基地局アンテナ装置。
請求項１に記載のＩＴＳ用基地局アンテナ装置において、上記第１及び第２のアンテナパターンによる放射ビームを道路方向に所定角度チルトするように設定したことを特徴とするＩＴＳ用基地局アンテナ装置。
アンテナ基板に複数のアンテナ素子を形成するマイクロストリップアレーアンテナの形成方法において、
アンテナ素子が原点を含んで配置されるアンテナパターンに対し、アンテナ素子の数を縦及び横方向共に２倍にしてアンテナ素子間隔を１／２にするステップと、
上記素子間隔が１／２のアンテナパターンについて高速フーリエ変換により励振分布を求めるステップと、
上記アンテナ素子を中央行を含んで１行置きに間引くと共に、中央列を含んで１列置きに間引いてアンテナ素子間隔を元の状態に戻すステップと、
上記アンテナ素子間隔を元の状態に戻したアンテナパターンに対しマイクロストリップラインにより給電回路を構成するステップと、
を具備したことを特徴とするマイクロストリップアレーアンテナの形成方法。
請求項３に記載のマイクロストリップアレーアンテナの形成方法において、放射ビームを側方に所定角度チルトするように設定したことを特徴とするマイクロストリップアレーアンテナの形成方法。