JP3754280B2

JP3754280B2 - セクタアンテナ

Info

Publication number: JP3754280B2
Application number: JP2000223351A
Authority: JP
Inventors: 充村本; 金見佐々木; 精彦伊藤; 学山本; 孝介石崎
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: JP2002043836A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、セクタアンテナに関し、特に、同一平面上で仮想円周に沿ってほぼ等間隔で配置された複数の指向性アンテナを有するセクタアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のセクタアンテナは、無線ＬＡＮ等の高速伝送を行う無線システムにおいて重要な構成要素となっており、例えば、特開平７−１３１８４５号公報において、自動車電話および携帯電話等の移動端末との通信システムに使用される基地局送受信装置の例が述べられている。これらの無線ＬＡＮシステムにおいては、図８に示されるような構成が採用されている。すなわち、基地局５１０，５２０は、相互に有線ラインＬＮによって接続され、それぞれのサービスエリア内の移動端末５１１，５１２，５１３；５２１，５２２と無線回線にて接続される。この場合に、これらの基地局送受信装置にはセクタアンテナが用いられている。
【０００３】
このような基地局送受信装置に使用されるセクタアンテナとしては、例えば、３セクタ、６セクタ、１２セクタのものがよく知られているが、そのうちの１２セクタのものが図９に示されている。図９に示されたセクタアンテナ９００は、導体からなる円盤１９１の上に半径方向外側に向かって延びる１２個のリフレクタ１９２が配置され、リフレクタ１９２の一端は中心近くの環状部１９３によって接続されている。２つのリフレクタ１９２と環状部１９３とで囲まれた部分の環状部１９３に近いところにアンテナ素子１９４が配置されている。したがって、２つのリフレクタ１９２と環状部１９３とアンテナ素子１９４とが１組の指向性アンテナを形成している。
【０００４】
上述した従来のセクタアンテナは、不要な反射波や妨害波を受信しないような良好な特性を有しているが、３次元形状を有しているために組み立て工数が多くかかり、コスト高となる問題がある。また、ミリ波等の非常に高い周波数の信号を扱う場合には、その波長が短いためにアンテナ素子の寸法精度が非常に高いことが要求される。例えば、６０ＧＨｚの信号の波長は５ｍｍであり、図１０に示されたセクタアンテナを構成する場合、アンテナ素子１９４の長さを１／４波長とすると、１．２５ｍｍとなり、機械加工については１／１００ｍｍ程度の精度を確保しなければならず、機械加工は容易でなく、ひいては、コスト高をまねくこととなる。
【０００５】
そこで、従来のような機械加工を行わないで誘電体基板の上に複数の指向性アンテナ（例えば、パッチアンテナ）を有するセクタアンテナが特願平１１−２０４６６０号において、複数の指向性アンテナであるキャビティ付きスロットアンテナを使用したセクタアンテナが特願平１１−２０４６６１号においてそれぞれ提案されている。このように提案されたセクタアンテナは、プリント基板の製造方法を応用することで、製作コストを低減し、加工精度を容易に上げることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特願平１１−２０４６６０号および特願平１１−２０４６６１号において述べられたセクタアンテナは、例えば、図１０に示されるセクタアンテナ９０１のように、放射方向が半径方向でその半径方向の中心に向くようにバックワード励振が行われた場合、励振された指向性アンテナの放射方向に非励振の指向性アンテナが存在するとともに、両アンテナの相互結合は大きいために、非励振の指向性アンテナの影響により、励振される指向性アンテナの放射特性が劣化するという問題がある。
【０００７】
この発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであって、同一平面上に複数の指向性アンテナを有するセクタアンテナにおいて、これらの指向性アンテナのいずれかが励振されるとき、他の指向性アンテナとの結合が小さく、結合による悪影響を受けないセクタアンテナ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】
前述した課題を解決するために、この発明は、同一平面上で仮想円周に沿ってほぼ等間隔で配置された複数の指向性アンテナを有するセクタアンテナにおいて、各指向性アンテナのビーム方向は、各指向性アンテナの中心における仮想円周に対する接線方向よりも仮想円周の中心に近付くように設定され、且つそれぞれの放射パターンのビーム方向が隣接する他の指向性アンテナのヌルを向くように配置されている。
【０００９】
このような構成によれば、各指向性アンテナが放射するビームの方向に存在する隣接する他の指向性アンテナとの結合が極めて小さいことにより、各指向性アンテナは、他の指向性アンテナとの結合による悪影響を受けることが極めて小さく、放射特性を劣化させることがない。また、指向性アンテナ同士を近接させても放射特性が劣化しないことから小型化が容易になる。
【００１０】
そして、この発明の実施の形態では、セクタアンテナ１００は、誘電体基板６０を使用してその表面上における仮想円周ＣＲに沿ってほぼ等間隔で配置された複数の指向性アンテナ１０，２０，〜，５０を有する。この場合、各指向性アンテナ１０，２０，〜，５０は、それぞれのビーム方向Ｄ１，Ｄ２，〜，Ｄ５が半径方向に対して、鋭角である角度δ１，δ２，〜，δ５を有することにより、ビーム方向にあって隣接する指向性アンテナの放射パターンのヌル方向と一致するように配置されている。
【００１１】
また、この発明において、前記各指向性アンテナは、アレー状に配置された複数のスロット素子から構成されている。したがって、形状が単純になり、形状設定が容易である。
【００１２】
また、この発明において、前記指向性アンテナは、誘電体基板にエッチング形成されている。したがって、従来のプリント基板の製造技術を用いて容易に精度よく形成することができる。
【００１３】
さらに、前記指向性アンテナは、バックワード励振される。このことは、小型化に有利である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。図１は、この発明のセクタアンテナの実施の形態の構成を示す平面図、図２は、図１のセクタアンテナにおける各指向性アンテナのビーム方向を説明する図、図３は、誘電体基板を使用したキャビティ付きの指向性アンテナの単体の構成例を示す図、図４（ａ）は、図３の指向性アンテナの放射パターンの垂直面における特性を示す図、図４（ｂ）は、図３の指向性アンテナの放射パターンの円錐面における特性を示す図、図５は、図３で示される形式の指向性アンテナを５組用いたセクタアンテナを示す平面図、図６は、図５のセクタアンテナの隣接する２つの指向性アンテナにおける反射特性と伝送特性とを示すグラフ、図７（ａ）は、図５の指向性アンテナの放射パターンの垂直面における特性を示す図、図７（ｂ）は、図５の指向性アンテナの放射パターンの円錐面における特性を示す図である。
【００１５】
図１のセクタアンテナ１００は、同一平面の上で仮想円周ＣＲに沿ってほぼ等間隔で配置された５組の指向性アンテナ１０，２０，〜，５０を有する。指向性アンテナ１０，２０，〜，５０は、それぞれアンテナ素子１１，１２，１３，１４；２１，２２，２３，２４；〜；５１，５２，５３，５４を有している。この例の場合、指向性アンテナ１０，２０，〜，５０の中心Ｃ１，Ｃ２，〜，Ｃ５は、仮想円周ＣＲの上にある。指向性アンテナ１０，２０，〜，５０のビーム方向（バックワード励振）は、矢印Ｄ１，Ｄ２，〜，Ｄ５で示されるように、指向性アンテナ１０，２０，〜，５０の中心Ｃ１，Ｃ２，〜，Ｃ５における仮想円周ＣＲに対する接線方向よりも仮想円周の中心ＣＣに近付くように、すなわち、半径方向に対して鋭角な角度δ１，δ２，〜，δ５（全ての条件が同一であればδ１，δ２，〜，δ５は同一のδである）を有している。
【００１６】
そこで、角度δ１，δ２，〜，δ５について説明する。上述の指向性アンテナ１０，２０，〜，５０が励振されたとき、指向性アンテナ１０，２０，〜，５０は、それぞれ図２の主ビームＢＭ１，ＢＭ２，〜，ＢＭ５を有するような放射パターンを発生させる。この場合、図２を見やすくするために、放射パターンを対応する指向性アンテナと重ねずに、各指向性アンテナの外側に図示している。一般にアンテナの放射パターンは、主ビームとサイドローブとを有し、主ビームとサイドローブとの間には利得の極めて小さい“ヌル方向”が存在する。これらの主ビームＢＭ１，ＢＭ２，〜，ＢＭ５は、半径方向に対して角度δ１，δ２，〜，δ５を有することにより、これらの主ビームが形成される方向にある隣接する指向性アンテナのビームの“ヌル方向”を向くように設定されている。例えば、指向性アンテナ１０が発生するビームＢＭ１のビーム方向は、指向性アンテナ５０が励振された場合に発生するビームＢＭ５の“ヌル方向”に向けられている。
【００１７】
各指向性アンテナ１０，２０，〜，５０は、上述したように配置されているので、例えば、指向性アンテナ１０が励振され、指向性アンテナ５０が励振されない場合、指向性アンテナ１０と指向性アンテナ５０との間の結合は極めて小さいから、指向性アンテナ１０は、指向性アンテナ５０との結合による悪影響を受けることが極めて少なく（他方、指向性アンテナ５０は、指向性アンテナ１０から放射される電磁界の影響を受けるのが極めて少ない）、放射特性が劣化する恐れがない。換言すれば、励振された指向性アンテナ１０からは、励振されていない指向性アンテナ５０は、電気的に見えない配置となっている。これらのことは、指向性アンテナ１０，２０，〜，５０の相互の距離が相当に近くても効果があるので、セクタアンテナ１００の全体を小型に形成することが可能である。図１および図２で示されたセクタアンテナ１００の場合、各主ビームＢＭ１，ＢＭ２，〜，ＢＭ５は、正５角形の一辺をなすような放射パターンを有しており、加工上および小型化等に有利であるが、隣接する指向性アンテナとの関係が“ヌル方向”を向くという上述の関係を有しておれば、正５角形の関係に制限されるものではないということは言うまでもない。
【００１８】
上述のセクタアンテナ等に使用するために単体の指向性アンテナをキャビティ付きスロットアンテナで構成した具体的な例について図４を参照して説明する。図４の単体の指向性アンテナは、動作周波数が１９．５ＧＨｚである場合に対応して設計されている。誘電体基板６０の上面には直線的にストラップ形状で延びるスタブ７０が形成されている。誘電体基板６０の下面には、グランドプレート８０として導体層が形成され、その導体層にはその導体層を部分的に除いたスロット＃１〜＃ｎ（ただし、この例では“ｎ”は４）が形成されている。これらは、現状のプリント基板の製造方法を応用することで、製作コストを低減し、容易に精度よく形成されることは明らかである。グランドプレート８０の下にはキャビティ９０が配置される。この場合、指向性アンテナは、以下の条件で形成される。
【００１９】
上述の条件は、図３に示されるパラメータに対応して
ε_ｒ＝２．１７，ｄ＝０．３８ｍｍ，ｗ_ｆ＝１．２ｍｍ
ｌ_ｆ＝２．８ｍｍ，ｗ_ｓ＝１ｍｍ，ｌ_ｃ＝２２．５ｍｍ
ｗ_ｃ＝７．５ｍｍ，ｄ_ｃ＝１ｍｍ
また、スロット＃１〜＃ｎに関して、
ｎｌ_ｓ［ｍｍ］ｏ_ｓ［ｍｍ］
１６．３０３．１０
２６．３０３．００
３６．５０３．１０
４６．７０３．３０
である。
【００２０】
このように形成された指向性アンテナの放射パターンを測定すると図４（ａ）および図４（ｂ）のような特性を有することが分かる。これらの図において、実線で示されているのが実際の測定結果であり、点線で示されているのが計算による理論値である。図４（ａ）に示される垂直面パターンにおいては、θがほぼ６０度を向いていることが分かる。また、θをこの角度に固定したときの図４（ｂ）に示される円錐面パターンにおいては、φに関する半値角がほぼ７９度であることが分かり、これによって５セクタを有するセクタアンテナに適合していることが分かる。そこで、図１で示される指向性アンテナ１０，２０，〜，５０の位置に、上述のような条件で形成したものを指向性アンテナ１０ａ，２０ａ，〜，５０ａとして配置したのが図５に示されるセクタアンテナ２００である。この場合、スタブ７０の一端が給電点にされている。この場合、誘電体基板の大きさは、直径６２ｍｍのもので充分である。
【００２１】
図５のセクタアンテナ２００は、指向性アンテナ１０ａ，２０ａ，〜，５０ａを有するが、例として、指向性アンテナ１０ａと指向性アンテナ５０ａとの間の反射特性ＳＲと伝送特性ＳＴとを測定すると、その結果は、図６の実線および点線のように示される。すなわち、１９．５ＧＨｚ付近において反射特性ＳＲが小さくなっており、また、伝送特性ＳＴも同周波数帯において−４０ｄＢ以下の極めて小さな値をとり、隣接する指向性アンテナ間で相互結合が非常に小さいことが分かる。また、図５のセクタアンテナ２００の指向性アンテナ１０ａを励振したときの放射パターンを測定すると、図７（ａ）および図７（ｂ）のような特性を有することが分かる。すなわち、図３の単体の指向性アンテナが有する図４（ａ）および図４（ｂ）で示されるのとほぼ同様な特性を有することが分かる。
【００２２】
上述のことから、一例として図３の単体で示される指向性アンテナを図１に従って５組配置すれば、各指向性アンテナの放射パターンで示される放射特性が劣化するのを防止することができることが分かる。また、誘電体基板を用いてセクタアンテナを構成する場合に、図１０のような従来の形式のものであって、各指向性アンテナを４つのアンテナ素子で構成しようとすれば、直径９０ｍｍの誘電体基板を要する。しかし、本発明による図５のようなセクタアンテナであれば、既に述べたように直径６２ｍｍで充分であり、小型化に有利である。このことは、特に、ミリ波による高速無線伝送システムにおいて安価で特性のよいセクタアンテナを提供できることとなる。したがって、この発明のセクタアンテナは、目的に合った極めて良好な特性を有したものであることが分かる。
【００２３】
【発明の効果】
この発明は以上において詳述したように構成されていることにより、複数の指向性アンテナを含むセクタアンテナにおいて、各指向性アンテナの放射方向は、影響し合うべき指向性アンテナの“ヌル方向”を向いているので、何れかの指向性アンテナが励振されたときに、他の指向性アンテナとの結合が小さく、結合による悪影響を受けることがないので、放射特性を劣化させることがない。また、このように各指向性アンテナが近接しても、各指向性アンテナが悪影響し合うことが少ないから、バックワード励振とともに小型化を容易にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のセクタアンテナの実施の形態の構成を示す平面図である。
【図２】図１のセクタアンテナにおける各指向性アンテナのビーム方向を説明する図である。
【図３】誘電体基板を使用したキャビティ付きの指向性アンテナの単体の構成例を示す図である。
【図４】（ａ）は、図３の指向性アンテナの放射パターンの垂直面における特性を示す図である。（ｂ）は、図３の指向性アンテナの放射パターンの円錐面における特性を示す図である。
【図５】図３で示される形式の指向性アンテナを５組用いたセクタアンテナを示す平面図である。
【図６】図５のセクタアンテナの隣接する２つの指向性アンテナにおける反射特性と伝送特性とを示すグラフである。
【図７】（ａ）は、図５の指向性アンテナの放射パターンの垂直面における特性を示す図である。（ｂ）は、図５の指向性アンテナの放射パターンの円錐面における特性を示す図である。
【図８】従来の無線ＬＡＮシステムを示すブロック図である。
【図９】図９の無線ＬＡＮシステムにおいて使用される送受信アンテナの構成を示す斜視図である。
【図１０】誘電体基板の上にプリント基板の製造技術を用いて平面的に形成されたセクタアンテナの従来例を示す図である。
【符号の説明】
１０，２０，〜，５０；１０ａ，２０ａ，〜，５０ａ指向性アンテナ
１１，１２，〜，５４アンテナ素子
６０誘電体基板
７０スタブ
８０グランドプレート
９０キャビティ
１００，２００セクタアンテナ

Claims

同一平面上で仮想円周に沿ってほぼ等間隔で配置された複数の指向性アンテナを有するセクタアンテナにおいて、
各指向性アンテナのビーム方向は、各指向性アンテナの中心における仮想円周に対する接線方向よりも仮想円周の中心に近付くように設定され、且つそれぞれの放射パターンのビーム方向が隣接する他の指向性アンテナのヌルを向くように配置されていることを特徴とするセクタアンテナ。
前記各指向性アンテナは、アレー状に配置された複数のスロット素子から構成されている請求項１記載のセクタアンテナ。
前記指向性アンテナは、誘電体基板にエッチング形成されている請求項２記載のセクタアンテナ。
前記指向性アンテナは、バックワード励振される請求項２または３記載のセクタアンテナ。