JP3983237B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、水平面の指向性が無指向性であるアンテナ装置に関し、特に、移動通信システム等の基地局に使用して好適なアンテナ装置に関するものである。

陸上移動通信システムでの基地局アンテナの形態の一つとして、無指向性アンテナ装置が選択される場合がある。一般に、加入者容量が小さい場所にゾーンを形成する場合等がこれにあたる。
従来、この種の無指向性アンテナ装置においては、コリニアアンテナ等が用いられてきた。このコリニアアンテナ等は、一般に、垂直偏波において、水平面無指向性と比較的鋭い垂直面指向性とを有する。（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながら、この種のアンテナは、垂直方向に配列された各アンテナ素子への給電方式がいわゆる直列給電方式であることから、ＶＳＷＲや指向性に周波数特性をもつことが知られている。
また、直列給電ゆえに各アンテナ素子への電力分布を任意に与えることが困難であり、このため、ゾーン構成に関係する垂直面指向性のビーム成形を行うことが困難である。
さらに、垂直面指向性のチルト角度が固定されているので、アンテナ設置後に垂直面指向性のチルト角を変えてゾーンを再構築することが不可能である。

なお、上記チルト角の制御を行うために、コリニアアンテナを複数のブロックに分け、各ブロックにそれぞれ給電ケーブルを接続することが考えられる。しかし、この手法では、下方のブロックのアンテナ素子の近くを給電ケーブルが通ることになるので、この給電ケーブルの影響により水平面の無指向性が乱されることになる。

一方、近年の移動通信の普及による加入者の増加とともに、さらなる通信品質の向上が求められており、このため、ダイバーシチ受信方式を採用して電波の受信効率を上げることが実施されている。ダイバーシチ受信方式の中でも、偏波ダイバーシチの採用例が多く、この場合、通常、アンテナとして偏波共用アンテナが要求されることになる。
そこで、コリニアアンテナ等を用いた従来の無指向性アンテナ装置の上記欠点を解決し得る構成と、垂直偏波と水平偏波を共用し得る構成を有したアンテナ装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

「アンテナ工学」遠藤敬二、佐藤源貞、永井淳 著 昭和５５年２月２０日 総合電子出版社発行 第１８４〜１８６頁 特開２００４―１０４６８２号公報

しかし、上記特開２００４―１０４６８２号公報に係るアンテナ装置は、構造上、部品点数が比較的多くなるという欠点がある。

本発明の目的は、このような実状に鑑み、コリニアアンテナ等を用いた従来の無指向性アンテナ装置の欠点を除去することができ、かつ、垂直偏波と水平偏波を共用し得る機能を持たすことが可能なアンテナ装置を簡易な構成で実現して、材料費および組立費の低減を図ることにある。

そこで、本発明に係るアンテナ装置は、多角状の断面を有し、中心軸線が鉛直方向に向くように配設された筒状の反射板と、垂直偏波アンテナ素子および給電線路が面上に形成され、前記筒状反射板の各側面の内の少なくとも二つの側面にそれぞれ貼設された垂直偏波素子基板と、を備え、前記各垂直偏波素子基板は、それらに形成された前記垂直偏波アンテナ素子が前記筒状反射板の対応する側面から側方に張り出すように、かつ、該各垂直偏波アンテナ素子が前記筒状反射板の中心軸線に対して点対称に位置するように貼付されている。

本発明の一実施の形態では、前記筒状反射板の断面が正四角形状であり、この筒状反射板の全ての側面に前記垂直偏波素子基板をそれぞれ貼設している。
本発明の他の実施の形態では、前記筒状反射板の断面が四角形状であり、この筒状反射板の対向する一対の側面に前記垂直偏波素子基板をそれぞれ貼設している。
本発明の別の実施の形態では、前記筒状反射板の断面が正三角形状であり、この筒状反射板の全ての側面に前記垂直偏波素子基板をそれぞれ貼設している。

前記各垂直偏波素子基板には、前記垂直偏波アンテナ素子を鉛直方向に複数配列形成することができる。その場合、前記各垂直偏波素子基板の給電線路にそれぞれ給電ケーブルを接続し、それらの給電ケーブルを前記筒状反射板の空洞内に通すように構成することができる。

複数の水平偏波アンテナ素子および給電線路が面上に形成された水平偏波素子基板を、前記筒状反射板が中央部に位置する形態で水平に配設して、垂直偏波と水平偏波とを共用する構成を持たすことも可能である。

上記したアンテナ装置を１ブロックとし、このブロックを前記筒状反射板の長手方向に多段配設するとともに、各ブロック板に接続される給電ケーブルを該各ブロックの前記筒状反射板の空洞内に順次通して下方に導出した多段状のアンテナ装置を構成することができる。この場合、前記導出した各給電ケーブルに移相器を接続し、この移相器によって垂直面指向性のビームチルト角を制御することができる。

本発明によれば、筒状反射板の側面に垂直偏波素子基板を貼付するという単純な構造を有しているため、材料費および組立に要する費用を低減することができる。
また、給電回路をある一定の面積内に形成することができるため、並列給電方式の給電回路を形成することが可能である。この並列給電方式の給電回路を形成すれば、ＶＳＷＲおよび指向性の周波数特性を抑えることができ、かつ、設計の容易さから各アンテナ素子への電力分布を自由に設定できるので、垂直面指向性の成形が可能となる。

さらに、垂直偏波素子基板において、垂直偏波アンテナ素子を鉛直方向に複数配列形成し、その垂直偏波素子基板の給電線路に接続する給電ケーブルを筒状反射板の空洞内に通すことにより、該給電ケーブルが指向性に与える影響をなくすことができる。
さらにまた、 複数の水平偏波アンテナ素子および給電線路が面上に形成された水平偏波素子基板を、前記筒状反射板が中央部に位置する形態で水平に配設することにより、垂直偏波と水平偏波を共用し得る機能、つまり、偏波ダイバーシチ機能を持たすことが可能である。
また、上記のアンテナ装置を１ブロックとし、このブロックを前記筒状反射板の長手方向に多段配設することにより高利得化を図ることができる。そして、各ブロックに接続される給電ケーブルを該各ブロックの前記筒状反射板の空洞内に順次通して移相器に接続すれば、この移相器によって垂直面指向性のビームチルト角を制御することが可能である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係るアンテナ装置の第１の実施形態を示している。
このアンテナ装置は、中心軸線が垂直方向に向く形態で配設された金属製の筒状反射板１と、この反射板１の４つの側面にそれぞれ貼付した長方形状の垂直偏波素子基板３とを備えている。なお、この例では、筒状反射板１が正四角形状の断面を有している。

各垂直偏波素子基板３は、長方形状の誘電体基板５をベースとし、この誘電体基板５に垂直偏波アンテナ素子としての一対のダイポール素子７をプリント形成してある。
誘電体基板５は、横幅長Ｌ１が反射板1の横幅長Ｌ２よりも大きく設定されていることから、その一側縁部が筒状反射板１の対応する側面の鉛直方向縁端から幅差Ｌ１―Ｌ２分だけ張り出している。

上記一対のダイポール素子７は、誘電体基板５における上記張り出し部に鉛直方向に配列し、かつ、一方の素子部７ａおよび他方の素子部７ｂがそれぞれ誘電体基板５の表面および裏面に位置する形態で形成されている。各ダイポール素子７の素子部７ａは、誘電体基板５の表面にプリント形成された分岐給電線路９ａの一端と他端にそれぞれ接続され、また、素子部７ｂは、誘電体基板５の裏面にプリント形成された給電線路９ｂを介して図２に示す接地導体板１１に接続されている。それゆえ、垂直偏波素子基板３に設けられた各ダイポール素子７は、給電線路９ａ、９ｂを介して並列接続されている。
なお、上記接地導体板１１は、誘電体基板５の裏面にプリント形成されているので、該誘電体基板５が反射板１に貼付された場合に該反射板１と接触する。

図１に示したように、この第１の実施形態に係るアンテナ装置においては、各垂直偏波素子基板３が筒状反射板１の中心軸線に対して点対称に配置されているので、それらの基板３の上半部を横切る同一水平面内に４つのプリントダイポール素子７が点対称に位置し、同様に、上記各基板３の下半部を横切る同一水平面内に４つのプリントダイポール素子７が点対称に位置している。それゆえ、このアンテナ装置は、給電線路９ａ、９ｂを介して合計８つのプリントダイポール素子７に同振幅同位相の電力を供給することにより、水平面内において無指向性の垂直偏波を放射することができる。

上記一対のダイポール素子７を備える垂直偏波素子基板３のブロックは、その給電線路９（９ａ、９ｂ）に個別の給電ケーブル１３がそれぞれ接続されている。各給電ケーブル１３は、筒状反射板１の内部を通って下方に導出された後、分配器１５に接続される。このように、給電ケーブル１３を筒状反射板１の内部に通せば、該給電ケーブル１３が指向性に与える影響をなくすことができる。
なお、このアンテナ装置を受信に使用する場合には、分配器１５に代えて合波器が使用される。また、上記実施の形態では、各垂直偏波素子基板３に二つのダイポール素子７を設けているが、一つのダイポール素子７あるいは二つよりも多いダイポール素子７を設けても良い。

図３は、本発明に係るアンテナ装置の第２の実施形態を示している。このアンテナ装置は、四角形状（この例では、正四角形状）の断面を有した筒状反射板１７の対向する一対の側面に前記垂直偏波素子基板３をそれぞれ貼設した構成を有する。
この第２の実施形態に係るアンテナ装置は、上記第１の実施の形態に係るアンテナ装置に比してダイポール素子７の数が半減しているものの、水平面内において実用上十分な無指向性を得ることができる。
この第２の実施形態に係るアンテナ装置における筒状反射板１７は、断面形状が長方形や平行四辺形であっても良い。そして、この第２の実施形態に係るアンテナ装置においても、給電ケーブル１３が筒状反射板１７内に布線される。

図４は、本発明に係るアンテナ装置の第３の実施形態を示している。このアンテナ装置は、正三角形状の断面を有した筒状反射板１９の全ての側面に前記垂直偏波素子基板３をそれぞれ貼設した構成を有する。
この第３の実施形態に係るアンテナ装置は、同一水平面内に３つのプリントダイポール素子７が等角度間隔で位置しているので、水平面内において良好な無指向性を得ることができる。なお、この第３の実施形態に係るアンテナ装置においても、筒状反射板１９内に給電ケーブル１３が布線される。

上記各実施形態に係るアンテナ装置によれば、筒状反射板１（１７，１９）の側面に垂直偏波素子基板３を貼付するという単純な構造を有しているため、材料費および組立に要する費用を低減することができる。
また、給電回路をある一定の面積内に形成することができることから、並列給電方式を採用している。このため、ＶＳＷＲおよび指向性の周波数特性を抑えることが可能になる。

図５は、垂直偏波と水平偏波の双方を送信もしくは受信することができる本発明に係るアンテナ装置の第４の実施形態を示している。
このアンテナ装置は、正四角形状の断面を有した筒状反射板２１と、この反射板２１の前側面および後側面にそれぞれ貼付した垂直偏波素子基板２３と、該反射板２１の左側面および右側面にそれぞれ貼付した垂直偏波素子基板２５と、上記反射板２１の鉛直中心軸線に直交する形態で配設された二つの水平偏波素子基板２７とを備えている。

垂直偏波素子基板２３および２５は、図１に示した垂直偏波アンテナ素子基板３と同様に、それぞれ筒状反射板２１の縁端から張り出すように形成された誘電体基板２９および３１をベースとし、この誘電体基板２９および３１の張り出し部に一対のダイポール素子７をプリント形成した構成を有する。

垂直偏波素子基板２３の各ダイポール素子７において、該誘電体基板２９の表面に形成された一方の素子部７ａは、該表面にプリント形成された分岐給電線路３３ａの端に接続され、また、誘電体基板２９の裏面に形成された他方の素子部７ｂは、図６に示すように、該裏面にプリント形成された給電線路３３ｂを介して接地導体板３５に接続されている。それゆえ、上記垂直偏波素子基板２３の各ダイポール素子７は、給電線路３３ａ、３３ｂによって並列接続されている。
なお、上記接地導体板３５は、誘電体基板２３の裏面にプリント形成されているので、該誘電体基板２３が反射板２１に貼付された場合に該反射板２１に接触する。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ上記垂直偏波素子基板２５の表面および裏面を示している。これらの図に示すように、垂直偏波素子基板２５の各ダイポール素子７において、誘電体基板３１の表面に形成された一方の素子部７ａは、該表面にプリント形成された給電線路３７ａに接続され、また、誘電体基板３１の裏面に形成された他方の素子部７ｂは、該裏面にプリント形成された給電線路３７ｂを介して接地導体板３９に接続されている。

上記給電線路３７ａの先端は、いわゆるスルーホール導体によって誘電体基板３１の裏面側に導出され（図７（ｂ）の点４１参照）、一方、図５に示すように、垂直偏波素子基板２３の誘電体基板２９の表面には、分岐給電線路３７ａ'が形成されている。分岐給電線路３７ａ'の各端は、誘電体基板２９が実装された際に、誘電体基板３１の裏面側における上記各点４１上にそれぞれ位置され、ハンダ等の手段によりこれらの点４１に接続される。したがって、垂直偏波素子基板２５の各ダイポール素子７も、給電線路３７ａ、３７ａ'および３７ｂを介して並列接続されている。

上記分岐給電線路３３ａ、３７ａ'は、それらの中央部が共通接続され、この共通接続部に一方の給電ケーブル１３が接続される。他方の給電ケーブル１３は、筒状反射板２１の後側面に貼付された他方の垂直偏波素子基板２３における分岐給電線路３３ａ、３７ａ'の共通接続部（図示されていない）に接続される。もちろん、各給電ケーブル１３は、筒状反射板２１内で下方に導かれ、その下端に分配器１５もしくは合波器が接続される。
上記のように、給電ケーブル１３を筒状反射板２１の空洞内に通すことにより、該給電ケーブル１３が指向性に与える影響をなくすことができる。

次に、前記水平偏波素子基板２７について説明する。この水平偏波素子基板２７は、中央部に筒状反射板２１を貫通させる孔を形成した円形の誘電体基板４３と、この誘電体基板４３の周縁部に該反射板２１の各側面にそれぞれ沿う形態でプリント形成した水平偏波アンテナ素子としての４つのダイポール素子４５とを備えている。

この水平偏波素子基板２７における互いに隣接して対を成す二つのダイポール素子４５は、誘電体基板４３の表面に形成された素子部４５ａが該表面にプリント形成された分岐給電線路４７ａの一端と他端に接続され、また、図８に示すように、該誘電体基板４３の裏面に形成された素子部４５ｂが該裏面にプリント形成された給電線路４７ｂを介して接地導体板４９に接続されている。
したがって、上記対をなす各ダイポール素子４５は、給電線路４７ａ、４７ｂを介して並列接続されている。他の対を成す二つのダイポール素子４５も同様である。

上記のように構成された水平偏波素子基板２７は、筒状反射板２１の中心軸線に直交する形態で二つ配設されている。すなわち、一方の水平偏波素子基板２７は、垂直偏波素子基板２３、２５の上部のダイポール素子７の上方に位置するように水平配置され、また、他方の水平偏波素子基板２７は、垂直偏波素子基板２３、２５における上部のダイポール素子７と下部のダイポール素子７との間に位置するように水平配置されている。

ところで、図７（ａ）に示すように、前記垂直偏波素子基板２５の誘電体基板３１の表面には、前記給電線路３７ａの他に給電線路４７ａ'が形成されている。この給電線路４７ａ'の上端および下端は、上方に位置された水平偏波素子基板２７の分岐給電線路４７ａの中央部（分岐点）および下方に位置された水平偏波素子基板２７の分岐給電線路４７ａの中央部（分岐点）にそれぞれ位置され、ハンダ等の手段によりこれらの中央部に接続される。
上記給電線路４７ａ'は、二つの垂直偏波素子基板２５のそれぞれに形成される。そして、これらの給電線路４７ａ'の中央部には、それぞれ給電ケーブル５１が接続される。各給電ケーブル５１は、筒状反射板２１内で下方に導かれ、その下端に分配器５３もしくは合波器が接続される。
上記のように、給電ケーブル５１を筒状反射板２１の空洞内に通すことにより、該給電ケーブ５１が指向性に与える影響をなくすことができる。

この第４の実施形態に係るアンテナ装置においては、筒状反射板２１の上部側に位置する四つのダイポール素子７が該筒状反射板２１の中心軸線に対して点対称に配置され、また、筒状反射板２１の下部側に位置する四つのダイポール素子７が上記中心軸線に対して点対称に配置されているので、各給電線路１３を介して合計８つの上記ダイポール素子７に同振幅同位相の電力を供給することにより、水平面内において無指向性の垂直偏波を放射することができる。

一方、この第４の実施形態に係るアンテナ装置においては、上側に位置する水平偏波素子基板２７の四つのダイポール素子４５が該筒状反射板２１の中心軸線に対して点対称に配置され、同様に、下側に位置する水平偏波素子基板２７の四つのダイポール素子４５が上記中心軸線に対して点対称に配置されているので、各給電線路５３を介して合計８つの上記ダイポール素子４５に同振幅同位相の電力を供給することにより、水平面内において無指向性の水平偏波を放射することができる。
したがって、この第４の実施形態に係るアンテナ装置によれば、前述した効果に加えて、偏波ダイバーシチ機能を得ることができる。

上記第１〜第４の実施形態に係るアンテナ装置は、いずれも多段化することができる。
図９は、図１のアンテナ装置を１ブロックとして、このブロックを多段配置した多段構成のアンテナ装置を示している。このように多段化したアンテナ装置によれば、垂直面指向性が鋭くなるので、利得を向上することができる。

この多段化したアンテナ装置においては、各段のブロックに接続される給電ケーブルを該各ブロックの筒状反射板の空洞を通して最下段のブロックの下方で集合導出し、この導出した各給電ケーブルに移相器５５を接続してある。したがって、移相器５５によって各段のブロックに対する給電位相を調整することにより垂直面指向性のチルト角度を制御することが可能である。

本発明に係るアンテナ装置の第１の実施形態を示す斜視図である。 図１の実施形態における垂直偏波素子基板の裏面を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナ装置の第２の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナ装置の第３の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナ装置の第４の実施形態を示す斜視図である。 図５の実施形態における一方の垂直偏波素子基板の裏面を示す斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ図５に実施形態における他方の垂直偏波素 子基板の表面および裏面を示す斜視図である。 図５の実施形態における水平偏波素子基板の裏面を示す斜視図である。 多段化した本発明に係るアンテナ装置の実施形態を示す概念図である。

符号の説明

１，１７，１９，２１ 筒状反射板
３，２３，２５ 垂直偏波素子基板
５，２９，３１，４３ 誘電体基板
７，４５ ダイポール素子
９ａ，９ｂ，３７ａ，３７ａ'，３７ｂ，３３ａ，３３ｂ，４７ａ，４７ａ'，４７ｂ 給電線路
１３，５１ 給電ケーブル
１５，５３ 分配器
２７ 水平偏波素子基板
５５ 移相器

Claims (5)

1. 四角状の断面を有し、中心軸線が鉛直方向に向くように配設された筒状の反射板（２１）と、
   それぞれ垂直偏波アンテナ素子（７）が形成され、前記筒状反射板（２１）の前側面および後側面にそれぞれ貼設された一対の第１の垂直偏波素子基板（２３）と、
   それぞれ前記垂直偏波アンテナ素子（７）と同一形状の垂直偏波アンテナ素子（７）が形成され、前記筒状反射板（２１）の左側面および右側面にそれぞれ貼設された一対の第２の垂直偏波素子基板（２５）と、
   複数の水平偏波アンテナ素子（４５）が形成され、前記筒状反射板（２１）が中央部に位置する形態で水平に配設された水平偏波素子基板（４３）と、を備え、
   前記第１、第２の垂直偏波素子基板（２３，２５）は、その横幅長Ｌ１と前記筒状反射板（２１）の横幅長Ｌ２（＜Ｌ１）との幅の差Ｌ１−Ｌ２だけ該筒状反射板（２１）の鉛直方向側縁から張り出し、かつ、その張り出し部位に前記垂直偏波アンテナ素子（７）が位置されるように形成され、
   前記第１の垂直偏波素子基板（２３）には、該第１の垂直偏波素子基板（２３）に形成された前記垂直偏波アンテナ素子（７）に接続される一方の分岐（３３ａ）と、該第１の垂直偏波素子基板（７）の非張り出し側の端まで延びる他方の分岐（３７ａ'）とを有する分岐構成の第１の給電線路（３３ａ，３７ａ'）が設けられ、
   前記第２の垂直偏波素子基板（２５）には、前記水平偏波素子基板（４３）に形成された前記水平偏波アンテナ素子（４５）に接続される第２の給電線路（４７ａ'）が設けられるとともに、該第２の垂直偏波素子基板（２５）に形成された前記垂直偏波アンテナ素子（７）を前記第１の給電線路（３３ａ，３７ａ'）の他方の分岐（３７ａ'）に接続するためのスルーホール導体（４１）が設けられる
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記一対の第１の垂直偏波素子基板（２３）および前記一対の第２の垂直偏波素子基板（２５）には、前記垂直偏波アンテナ素子（７）が鉛直方向に複数配列され、かつ、前記水平偏波素子基板（４３）が鉛直方向に複数配列されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１の給電線路（３３ａ，３７ａ'）および第２の給電線路（４７ａ'）にそれぞれ給電ケーブル（１３，５１）を接続し、それらの給電ケーブル（１３，５１）を前記筒状反射板（２１）の空洞内に通すように構成したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 請求項１〜３に記載のアンテナ装置を１ブロックとし、このブロックを前記筒状反射板（２１）の長手方向に多段配設するとともに、各ブロックに接続される給電ケーブルを該各ブロックの前記筒状反射板（２１）の空洞内に順次通して下方に導出したことを特徴とするアンテナ装置。
5. 前記導出した各給電ケーブルに移相器（５５）を接続し、この移相器（５５）によって垂直面指向性のビームチルト角を制御するようにしたことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。

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