JP3943140B2 - アンテナ・ユニットにおける装置 - Google Patents

Description

発明の背景
発明の技術分野
本発明は、２つの異なる偏波の電磁波信号を用いた情報の無線送信用のアンテナ装置に関する。
発明の技術背景
電磁波信号を用いた情報の無線送信用のシステム、例えばセルラ電話において、システムによってカバーされるエリアは、いわゆるセルと呼ばれるもっと小さなエリアにしばしば分割される。各セルには、セル内のシステムの各ユーザが通信する、中央に配置されたいわゆる基地局が存在する。これらの基地局のアンテナは、地面から高い位置に、したがって、都市において明確に見通せる例えば屋根や壁上などに設置されることが必要である。美観的な理由により、これは、勿論、可能な限り小型に基地局を作る必要性を生じさせる。
これらの基地局における他の必要条件は、これらが可能な限り小さなエネルギーを消費することである。これまで、広い範囲で、本質的に全方向性である基地局が利用されており、換言すれば、これらは全ての方向へ等量のエネルギーを送信する。しかしながら、最近の技術では、その時点で加入者が存在する方向にのみアンテナのビームすなわちローブが向けられていることを意味するいわゆる「可動アンテナ（steerable antenna）」の構築が可能である。その後、ビームは、セル内での加入者の移動中に加入者を追従するように制御可能にされる。
同じ最近の技術は、１本の同じアンテナが複数のステアド・ビーム（steered beam）を有することを可能にし、複数のステアド・ビームは、その後、その時点で加入者が存在する方向に向けられる。その時点で加入者が存在する方向にのみエネルギーが送信されるのであれば、これはエネルギーを節約することを可能にする。この「エネルギー・ゲイン」は、送信が存在する方向での範囲を増加させるために、または、同一範囲を維持しながらアンテナの出力電力を低下させるために、利用され得る。
可動アンテナを構築する通常の方法は、いわゆるグループ・アンテナである。これらは、その名によって示されているように、実際的には、数個の列を互いに隣接させてカラム状にしばしば配列された複数グループのアンテナである。このような列における各個別のアンテナは、いわゆるマイクロストリップ技術で通常設計された１つのアンテナ素子からなるものでよく、接地面にある複数の開口によって励振される。これらの開口は、各アンテナ素子に対して１グループとし、各開口グループに１個または数個の開口を有する複数のグループに配列され、かつ、更なる面に配列されたフィーダ・ネットワークによって給電される。フィーダ・ネットワークも、マイクロストリップ技術で設計される。フィーダ・ネットワークは、接続点、いわゆる給電点でのみ開口を交差させることができる。これは、かなりの程度で複数の開口グループの中心からのフィーダ・ネットワークの距離が複数の開口の伸張によって決定されることを意味する。
異なる列用のフィーダ・ネットワークは、勿論、互いに交差させることはできない。
いわゆる格子ローブ（grating lobe）、すなわち、好ましくない方向のローブをなくすために、グループ・アンテナの列は、特に１個または数個のローブがアンテナ面の法線に対して大きな角度で向けられるシステムにおいて、可能な限り互いに接近して配置される必要がある。列間の中心距離は、１波長λよりかなり小さくする必要があり、好ましくは０．５λより小さくする必要がある。
換言すれば、グループ・アンテナの効率的な設計は、フィーダ・ネットワークを開口グループの中心に可能な限り接近して配列できる小型アンテナ設計の必要性をもたらす。
システムの有用性を高めるために、いわゆる偏波ダイバーシチがしばしば使用され、このことは、グループ・アンテナ内の各アンテナが２つの偏波方向で使用されることを意味する。これは、例えば、周辺の物体からの反射、都市において特に困難となる恐れのある現象の結果として遷移された偏波を有するに至った信号を受信することを可能にさせる。偏波の方向間の良好な分離を達成するために、アンテナが対称的であることが非常に重要である。
米国特許第４，９０３，０３３号は、フィーダ・ネットワークを有するデュアル偏波アンテナ用の設計を示しているが、２個または数個のこのようなアンテナを互いに接続すれば、かなりのスペースを必要とすると思われる。
「デュアル偏波アンテナについての第１６回ＥＳＡ作業会議の報告」の第８７頁、図１３に、偏波の方向間における高度の分離を可能にするデュアル偏波アンテナ用の設計が記載されているが、２個または数個のこのようなアンテナの列が接続されれば、フィーダ・ネットワーク間の距離は、希望するものよりも列を離して配置させてしまう恐れがある。
したがって、本発明の目的は、アンテナが、小型であり、高度の対称性を有し、かつ、フィーダ・ネットワークを従来よりも開口グループの中心に対してより接近して配置することを可能にする、電磁波信号を用いた情報の無線送信用のグループ・アンテナの一部となることを意図したデュアル偏波アンテナを得ることにある。
発明の概要
本発明の目的は、１個または数個の開口セクションからなりかつ２つのエンド・ポイント間に伸張する開口を有する、接地面における開口構成によって達成される。これらの開口は、各アンテナ素子用に１つ、かつ、アンテナが向けられる２つの偏波によって定義された複数の面の両方に対して各開口グループが対称をなす、複数の開口グループに配列される。各開口グループは、グループ内の中心に配置され、かつ、偏波のうちの一方に向けられた少なくとも１つの開口からなり、また、少なくとも２つの外側開口が他方の偏波に対して向けられ、その２つの開口は、これらが直交する各中央開口の片側に対称に配置される。
各グループの開口のうちの少なくとも１つのエンド・ポイント間の直線に沿った距離が、開口の主方向に対して平行な線に沿って見たときに、開口を備えているセクションの長さの総和より小さいので、開口グループによって囲まれたエリアは本発明によって減少される。囲まれたエリアはこのように減少されるので、フィーダ・ネットワークを開口グループの中央により近く持ってくることができる。
【図面の簡単な説明】
本発明は、以下、添付図面を参照して、一実施例により説明される。
図１は、従来技術による対応するフィーダ・ネットワークを有する開口グループの概要平面図である。
図２は、グループ・アンテナの一部として配列された図１の装置の平面図である。
図３は、従来技術と本発明との比較を示す平面図である。
図４は、グループ・アンテナの一部として配列された本発明による開口グループを有するアンテナの平面図である。
図５は、好ましい一実施例における本発明によるアンテナの端面図を概要的に示す。
図６は、本発明による開口グループを有するグループ・アンテナの平面図である。
好ましい実施例
図１および図２は、既知ということができる複数の設計の例を示す。開口１１０，１２０，１４０は、一つの開口グループに配列されている。開口１１０，１２０は、第１の偏波に向けられており、かつ、給電点１７０，１８０でフィーダ・ネットワーク１３０を用いて給電される。開口１４０は、第１の偏波に直交する第２の偏波に向けられている。開口１４０は、給電点１９０で第２のフィーダ・ネットワーク１５０によって給電される。
図２は、グループ・アンテナの一部として配列された図１による開口グループを示す。上述したように、複数の開口の向きが偏波を決定する。二重偏波を用いているときには、２つの偏波が想像垂直線に対して±４５°であればしばしば好都合であって、この理由のために、この例での開口はこのようにして方向付けされている。フィーダ・ネットワーク２３０，２５０は、複数の開口グループを接続することを意図しているので、図１のフィーダ・ネットワークと比較するといくらか異なる形状にされた。
図２の円２６０は、フィーダ・ネットワークが開口グループの中心へどこまで接近できるかについての制限要素を示すことを意図している。フィーダ・ネットワークは、給電点２７０，２８０，２９０で開口を交差させることができるだけである。勿論、同じ問題がフィーダ・ネットワーク２３０，２５０の両方にも生じる。
図３ｂは、どのようにすれば本発明の目的が達成されるかを説明することを意図している。従来知られた技術により設計された図３ａの左の開口グループ３０１が定義する総合エンベロープ領域Ａは、本発明により設計された図３ｂの開口グループ３０２によって、エンベロープ領域Ｂへ減少された。これは、開口グループ３０２の開口３１５，３２５，３４５が複数の開口セクションからなるので、達成される。開口３１５，３２５，３４５は、各開口の主方向に平行な想像直線３５５，３６５に沿った各開口３１５，３２５，３４５のエンド・ポイント間の距離が各開口を構成する開口セクションの長さの総和より小さくなるように、複数の開口セクションによって形成される。ここで、用語「エンド・ポイント」は、前記した線３５５，３６５上で互いに最も離れた各開口の点、換言すれば、図３における点３２７，３２８および点３４７，３４８をそれぞれいう。
ここで、開口の長さはその開口が動作する周波数領域を決定しているが、各開口３１５，３２５，３４５を構成する開口セクションの長さの総和は、従来技術による対応する開口３１０，３２０，３４０の長さと必ずしも同じでなくてもよいことに注意すべきである。本質的に同じ周波数範囲内で動作する２つの開口であって、一方が１つの直線セクションからなり、他方が互いに異なる角度にある複数のセクションからなる２つの開口によって、「非直線」開口の複数のセクションの長さの総和は直線開口の長さに等しくなる必要がないことが示された。
図４は、どのようにして本発明による開口グループがグループ・アンテナの一部となるように配列されたかについて示す。円４６０は、本発明によって、少なくとも複数の偏波のうちの１つ用のフィーダ・ネットワーク４３０を従来よりも開口グループの中心に近く配列できることを示すことを意図している。
図３および図４に示されているように、本発明による開口グループは、２つの偏波方向によって定義されたこれらの面で完全な対称性を有する縮小されたエンベロープ・エリアを有する。対称性に対する必要条件は給電点４７０，４８０，４９０にも適用されること、換言すれば、これらは２つの偏波方向に沿って対称的に配置される必要があることに注意すべきである。
更に、対称性に対する必要条件は、放射を意図したアンテナの複数の部分、換言すれば、図４における開口グループおよび複数の給電点と図４に示されていない複数のアンテナ素子とにのみ適用されることを強調する必要がある。
図５は、本発明による好ましい一実施例におけるアンテナ装置５００の側面図を示す。アンテナ装置５００の全体は、導電材料のＵ字状支持構造５１１内に配置される。この構造において、支持板５２１が挿入された溝５１７が存在する。支持構造５１１はＵ字状をなすので、背面方向における絶縁効果が達成される。壁５１３は側面方向に絶縁をし、これは、互いに隣接した数個の列のアンテナを有するグループ・アンテナを設計したいときに、特に重要となる。このようなグループ・アンテナは、互いに列を機械的および電気的に分離する共通の背面セクションおよび分離壁を有する、図５のものとほぼ同じ支持構造によって形成される。
図示の例では、アンテナ素子５３１からなるアンテナ・プレーン５３３が存在する。更に、上述したように、誘電体材料で設計された支持板５２１が存在する。フィーダ・ネットワークは、プレート５２１のアンテナ・プレーン５３３から離れた側に配置された導電層５１９から作成される。本発明による開口グループは、プレート５２１のアンテナ・プレーン５３３に対面する側に配置された接地面５２３に作成される。
アンテナ素子５３１および接地面５２３は、誘電体材料で作成された間隔５２５，５２７によって相互に分離される。
誘電体間隔を用いる理由は、多くの場合、分離する誘電体材料として空気が好ましいためである。空気中での電力損失は、例えば、他の大抵の誘電体材料よりも小さい。
最後に、本発明による開口グループを有するグループ・アンテナ６００の平面図が、図６に概要的に示されている。図示の例において、グループ・アンテナ６００は、互いに接して配列された２つのアンテナ列６９８，６９９からなる。上述したように、このようなグループ・アンテナの支持構造は、図５におけるものとほぼ同じである。換言すれば、それは、共通の背面セクションを有する導電性材料から作成され、また、列６９８，６９９は、互いに分離され、かつ、壁６１３によって外側が画定されている。この説明での一致のために、複数のアンテナ素子は、１つのフィーダ・ネットワークを介して給電されているように示されている。本発明によるアンテナは、勿論、完全に相互的であり、換言すれば、送信中および受信中に同じようによく動作する。したがって、用語「給電する」は、例えば、アンテナ素子「に給電する」および「から給電する」ことを共に含んでいる。
この装置は、勿論、上述した実施例に限定されない。開口の形状に主として係わる非常に多数の変形が可能であり、本質的な原理は、開口グループが２つの偏波方向に対して対称性を保持しているということである。
中央開口４４５は、例えば、複数の図で一貫して２方向を指示する矢印として示された。これに代わって、例えば、中央セクションの２つの端から出発して矢印の先端を形成するセクションは、中央開口セクションに対して異なる角度を有するように形成されてもよい。中央セクションの２つの端から開始するセクションの数は２つに必ずしも限定されないが、対称性を考慮して、同数のセクションが両端から開始する必要がある。
外側開口４１５，４２５は、複数の図において一貫して、本質的に中央開口の主方向に直交する３つのセクションと、中央開口の主方向と平行な２つのセクションとからなるものとして示された。代替的な解決法の例は、中央開口４４５の主方向に直交する第１のセクションと第１のセクションに対して他の角度をなす２つのセクションとから外側開口がなるようにすることである。
外側開口に関する上述した実施例の変形は、第１のセクションに対してある角度をなす２つのセクションのそれぞれから更なるセクションが伸張することであり、そのセクションは、伸張しているセクションに対してある角度をなす。
更に、前記の例では、アンテナ素子５３１および接地面５２３を分離するとともに、接地面５２３およびフィーダ・ネットワーク用の層５１９が誘電体プレート５２１によって分離された誘電体間隔５２５，５２７が示された。達成したいものは、アンテナ素子５３１，接地面５２３およびフィーダ・ネットワーク用の層５１９が互いに直流電気的に分離されていることである。このために、誘電体プレートと誘電体間隔とを組み合わせたかなり多数の他の実施例が可能である。
更なる他の実施例では、フィーダ・ネットワーク用の層５１９は、よく機能する装置を提供するために示されたので、接地面５２３とアンテナ素子５３１との間に配置されてもよい。

Claims (12)

1. 互いに直交する第１および第２の偏波の電磁波信号を用いた情報の無線送信用の二重偏波アンテナ装置（５００）であって、
   少なくとも１つのアンテナ素子（５３１）を有する少なくとも１つのアンテナ・プレーン（５３３）と、第１の導電層から作成された少なくとも１つの接地面（５２３）と、第２の導電層（５１９）から作成された少なくとも１つのフィーダ・ネットワーク（４３０，４５０）と、前記接地面（５２３）に作成された複数の開口（４１５，４２５，４４５）であって、各開口が１個または数個の開口セクションからなるとともに２つのエンド・ポイント（４２７−４２８，４４７−４４８）間を伸張し、複数の開口（４１５，４２５，４４５）が開口グループ内に配列された、複数の開口と、を備え、
   各開口グループが、前記２つの偏波によって定義された複数の面に対して対称であり、
   各開口グループが、前記グループ内の中央に配置された、前記第１の偏波用に向けられた少なくとも１つの第１の開口（４４５）と、前記中央開口（４４５）の各片側に対称に配置された、前記第２の偏波用に向けられた少なくとも２つの外側開口（４１５，４２５）とからなる、
   二重偏波アンテナ装置において、
   前記開口の主方向に平行な想像線（４６５，４５５）に沿った、前記複数の開口（４１５，４２５，４４５）の少なくとも１つの、エンド・ポイント（４２７−４２８，４４７−４４８）間の直線に沿った間隔が、前記開口の前記複数のセクションの長さの総和より小さいことを特徴とする、二重偏波アンテナ装置。
2. 前記中央開口（４４５）が、２方向矢印を互いに形成する複数の開口セクションからなる、請求項１に記載の装置。
3. 前記中央開口（４４５）が、中央開口セクションと付加的な偶数個の開口セクションとからなり、
   前記中央開口セクションの主方向が、前記外側開口（４１５，４２５）の主方向に直交しており、
   前記付加的な偶数個の開口セクションが、前記中央開口セクションに対して、直角でないある角度で前記中央開口セクションの各端から等しい量だけ延伸していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記２つの外側開口（４１５，４２５）が、少なくとも第１のセクションが前記中央開口（４４５）の主方向に直交して延伸するとともに、少なくとも２つのセクションが前記第１のセクションに対して斜めの角度にある複数の開口セクションからなることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の装置。
5. 更なるセクションが、前記少なくとも２つの斜めのセクションのそれぞれから、該更なるセクションが延伸する該少なくとも２つの斜めのセクションの角度に対してある角度で延伸することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記接地面（５２３）および前記フィーダ・ネットワーク用の層（５１９）が、誘電体材料から作成された少なくとも１つの支持構造（５２１）によって互いに分離されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の装置。
7. 前記接地面（５２３）および前記フィーダ・ネットワーク用の層（５１９）が、誘電体材料から作成された少なくとも１つの間隔によって互いに分離されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の装置。
8. 前記フィーダ・ネットワーク用の層（５１９）が、前記接地面（５２３）の前記アンテナ・プレーン（５３３）から離れた側に配列されていることを特徴とする、請求項６または請求項７に記載の装置。
9. 前記フィーダ・ネットワーク用の層（５１９）が、前記接地面（５２３）の前記アンテナ・プレーン（５３３）に対向する側に配列されていることを特徴とする、請求項６または請求項７に記載の装置。
10. 前記アンテナ・プレーン（５３３）が、少なくとも１つアンテナ素子（５３１）を備え、かつ、誘電体材料から作成された少なくとも１つ間隔（５２５，５２７）によって前記接地面（５２３）および前記フィーダ・ネットワーク用の層（５１９）から分離されていることを特徴とする、請求項８または請求項９に記載の装置。
11. 前記アンテナ・プレーン（５３３）が、支持構造により支持された、最も近い下位面まで空洞を完全にまたは部分的に満たす少なくとも１つアンテナ素子（５３１）からなることを特徴とする、請求項８または請求項９に記載の装置。
12. 前記開口（４１５，４２５，４４５）用の給電点（４７０，４８０，４９０）が、前記開口グループの対称面の周辺に対称に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の装置。

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