JP4247845B2 - 無線信号を受信および送信するための装置 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、無線信号を送信および受信するためのアンテナ素子およびアンテナ装置に関するものであり、具体的には移動通信システムの基地局に配置されるアンテナ素子およびアンテナ装置に関するものである。
現在の技術
無線信号の通信システムの立案および規模決定の重要な部分は、アンテナの特性である。これらの特性は、とりわけ、セルの立案（サイズ、パターン、数）に影響する。これらの特性の一つは、アンテナの無線有効範囲（あるいはカバーエリア）である。
当初は、基地局から見て全ての方向に有効範囲を有する、いわゆるオムニアンテナのみが使用された。より大きなカバーエリアが必要であれば、最初のセルに隣接して新たなセルが設けられ、その中心に基地局が配置された。
その後、例えば、１つの円の中の３つのセクタのように、有効範囲を複数のセクタに分割することがシステムの見地から有効であるということが発見された。このような有効範囲を意図したアンテナはセクタアンテナと呼ばれる。これは、基地局がセル間の交差点に位置する場合には、特に有効である。セクタアンテナそれぞれが１つのセルをカバーし、従って基地局はいくつかのセルに同時にサービスする。
セクタアンテナの有効範囲は、水平面におけるアンテナのビーム幅によって決定される。
アンテナの別の重要な特性は、それらの偏波、というよりむしろアンテナによって送信または受信される信号の偏波である。当初は、基地局アンテナでは垂直偏波のみが使用された。今日では、例えばここでは０度および９０度と称する水平および垂直面、あるいはそれらの間の＋／−４５度の傾斜面等の２つの直線偏波が同時に使用される（偏波ダイバーシティ）。通常アンテナは両方の偏波に対して等しい有効範囲を持つ必要がある。
２つの偏波に対して今日使用されるセクタアンテナは、ほぼ６０〜７０度のビーム幅を有している。現在、広いローブを有するアンテナは、１つの偏波方向に対してのみ使用できる。現存するシステムおよび周囲の地形に対して基地局のアンテナの有効範囲を適応させるため、２つの偏波に対して８０〜９０度のビーム幅を有するアンテナを多くのオペレータが望んでいる。
セクタアンテナは、限定された有効範囲内で１つまたは２つの偏波を受信および／または送信するある種類のアンテナ素子を有するコラムあるいは列（column）を備えている。これらのアンテナ素子は、例えば、マイクロストリップ素子と呼ばれる形態で実現される。マイクロストリップ素子は、接地面の面前に位置し、しばしばパッチと呼ばれる、導体表層の形の放射体を有している。それらの間の空間は、誘電材料または空気で充填される。空気は、軽量であり、低コストでありパワー損失がないという利点を有している。マイクロストリップ素子を有効に作動させるためには、パッチの長さは、通常は波長の約半分である偏波方向における共振長に合わせる必要がある。
アンテナのある面でのビーム幅は、同じ平面におけるアンテナの寸法に反比例する。基地局アンテナは５〜１５度の垂直ビーム幅を有することが多く、これは基地局の周囲の地形に影響される。このビーム幅は、アンテナの垂直方向の素子数を変えることによって容易に調整できる。水平方向にはアンテナを１つの素子より狭くすることはできない。例えば、アンテナの偏波が水平であるとき、素子の幅は上記の共振状態によって決定される。
２つの異なった偏波方向を有する既知のアンテナ装置は、放射素子の形状が四角いマイクロストリップ素子を多く備えている。各放射素子は２つの異なったフィーダを有している。１つのフィーダは、他のフィーダで送信または受信される信号とは異なったある偏波を持った信号を送信または受信する。これは、マイクロストリップ素子が（各偏波方向に１つの）２つの方向で共振する必要があり、従って放射素子の幅が波長の半分に対応する必要があることを意味する。そしてこのことは、６０〜７０度より広がったローブを生成することが非常に難しいことを意味する。ローブを広げる既知の方法の１つは、誘電率が１より大きい誘電体でマイクロストリップ素子を充填することである。これは波長を短くし、従って共振寸法も短くする。しかしながらこの方法は、重量およびコストの増加と共に誘電体における必然的パワー損失のため、性能の劣化を引き起こす。
米国特許第５２２３８４８号には、１対の方形放射素子を有するマイクロストリップ素子を備えたアンテナが記載されている。各放射素子は、垂直および水平両方の偏波を同時に送信し受信するために給電される。放射素子は導体表層であるかまたは他の放射素子でよい。対の放射素子両方は、異なった偏波方向の２つの周波数で送信し受信する。
発明の要約
本発明は、平面導体技術を使用して実現されたセクタアンテナで、非常に広い（７０度より大きい）アンテナローブを異なった２つの偏波方向に同時に有効に生成し、かつコンパクト、軽量で高価でないことを同時に達成する際に発生する問題に対処するものである。
より詳細には、アンテナのアンテナ素子が２つの偏波方向で送信および受信が可能となるように２つの方向で共振させる必要がある時に、この問題が発生する。これはコンパクト、軽量で高価でなく損失の少ないアンテナを設計する可能性を制限する。
狭いセクタアンテナを、水平面において、同じ幅の２つのアンテナローブを発生し、２つの異なる偏波方向を有するようにするときにも同様の問題が生じる。
従って本発明の目的は、コンパクト、軽量で高価でなく損失が少なく、ある幅より大きい略同じ幅の２つのアンテナローブを発生し、２つの異なる偏波方向を有するアンテナを実現することである。
より詳細には本発明は、水平面におけるアンテナローブの幅が７０度より大きいアンテナを実現するためのものである。
本発明によれば、１つの共通ユニットに、ユニットを可能な限りコンパクトで軽量にすることができるタイプおよび幾何学的形状の、２つの異なったタイプのアンテナ素子が使用される。アンテナ素子の各タイプは、１つの特定の偏波を送信または受信するように決定される。
より詳細には、本発明によれば、列方向に配置された複数のアンテナユニットを含み、無線信号を送信および受信するためのアンテナであって、各アンテナユニットが、第１の偏波方向に第１のビーム幅での送信および受信を行うための第１のタイプの第１のアンテナ素子と、第２の偏波方向に第２のビーム幅での送信および受信を行うための第２のアンテナ素子とを備え、第２のアンテナ素子が第１のアンテナ素子と異なるタイプであり、第１及び第２のアンテナ素子の各々が１つの偏波方向でのみ送信および受信を行うように配置され、第１および第２のアンテナ素子の偏波方向が互いに異なっており、該アンテナユニットが更に、第１のアンテナ素子の一部を形成するフィーダと、第１の誘電体層と、第１及び第２のアンテナ素子の一部をなすスロットを有する接地面と、第２の誘電体層と、第２のアンテナ素子の一部をなす導電性パッチ素子とを備えており、パッチ素子内に開口が設けられており、該開口の長手方向がパッチ素子の偏波方向と平行であり、第１及び第２のビーム幅が７０度よりも広いことを特徴とするアンテナが提供される。
本発明の１つの利点は、アンテナが２つの偏波方向に対して水平面に非常に広い（７０〜９０度）ローブを有することができる点である。両方のアンテナローブが略等しい幅を有するとき、システムの見地からかなりの効果が達成される。とりわけ、アンテナの全有効範囲において、偏波ダイバーシティを使用することができる。
他の利点はコンパクト、軽量で高価でないアンテナを非常に容易に製造できる点である。これは特にセクタアンテナについて当てはまる。
本発明はまた、アンテナコラム（アンテナ素子の列）間の距離が半波長より短い、２次元アンテナアレイの構成を可能とする。これは、いわゆるグリッドローブが生成されることなしに、大きな出力角度のアンテナローブを１つ以上生成することを可能とする。
上記で述べたアンテナは、当業者に知られている方法で、それぞれのアンテナ素子に対する個々の無線信号の組み合わせによって、大きな角度領域において１つまたは２つの円偏波も生成することができる。
【図面の簡単な説明】
添付図面を参照して、本発明を以下で説明する。
図１は、上記で述べたセクタアンテナからのアンテナローブの説明図である。
図２は、第１のマイクロストリップ素子の断面図である。
図３は、第２のマイクロストリップ素子の断面図である。
図４は、面導体タイプの供給導体を有する接地面のスロットの断面図である。
図５は、接地面のスロットの正面図である。
図６は、３つの表面素子を含む第１の従来のアンテナの正面図である。
図７は、図６のアンテナの断面図である。
図８は、第２の従来のアンテナの正面図である。
図９は、本発明のアンテナユニットの第１の実施形態の正面図である。
図１０は、図９のアンテナユニットの断面図である。
図１１は、本発明のアンテナユニットの第１の実施形態を含むセクタアンテナの第１の実施形態の正面図である。
図１２は、本発明のアンテナユニットの第２の実施形態の正面図である。
図１３は、図１２のアンテナユニットの断面図である。
図１４は、本発明のアンテナユニットの第２の実施形態を含むセクタアンテナの第２の実施形態の正面図である。
図１５は、本発明のアンテナユニットの第１の実施形態を含むセクタアンテナの第３の実施形態の正面図である。
図１６は、本発明のアンテナユニットの第２の実施形態を含むセクタアンテナの第４の実施形態の正面図である。
図１７は、本発明のアンテナの第２の実施形態を含むアンテナアレイの実施形態の正面図である。
図１８は、上記全てのの実施形態で使用できるスロットの３つの例を示す図である。
図１９は、グリッド化されたパッチの例の正面図である。
好適な実施形態の説明
図１は、特定の方向で送信または受信するアンテナ３０からのアンテナローブの上面図である。このようなアンテナ３０はセクタアンテナと呼ばれる。セクタアンテナからの放射の主要部分は、アンテナのフロントローブと呼ばれる特定の限定された領域３１に現れる。いわゆるサイドローブ３２ａ−ｂおよびバックローブ３３も生じる。アンテナのビーム幅３４は、フロントローブ３１における最大電界強度がＦmaxであるとき、電界強度ＦがＦmax／√２を越えるフロントローブ３１の部分である。
図２−３に示されたマイクロストリップ素子４０、および図４−５に示された接地面のスロットは、様々なタイプのアンテナ素子の例である。
図２は第１のマイクロストリップ素子４０の断面図である。マイクロストリップ素子４０は、ある誘電率εを有する電気的絶縁部分４１、例えば銅などの絶縁部分４１の下方にある電気的導電体からなる接地面４２、および例えば絶縁部分４１の上に配置された四角い銅の表層などの電気的導電体の限定された表層（パッチ）４３を備えている。導電体の表層４３は、空気中の信号の送受信が可能な放射素子の例である。以下において、マイクロストリップ素子４０上の導電体表層４３を表面素子４３と参照する。表面素子４３の寸法は、とりわけ、関連する信号の偏波および波長によって決定される。セクタアンテナは、共通アンテナ構造体中に配置された多数のマイクロストリップ素子４０によって画定される窪みを有するコラムを備えている。
マイクロストリップ素子４０上の表面素子４３は、必要であれば電気的絶縁材料のディスク４４の上に配置されてもよい。表面素子４３は、図２のようにディスク４４の上または下に配置されてもよい。
表面素子は、マイクロストリップ素子４０の別の実施形態を示す図３に示されているように、接地面４２と表面素子４３との間にある１つ以上の支持ユニット５１ａ−ｂの上に配置されてもよい。
図４は、接地面６２にスロット６１と、スロット６１への給電およびスロット６１からの給電のための導体タイプの面のフィーダ６３とを有するアンテナ素子６０の断面図である。接地面６２のスロット６１へのフィーダ６３は、スロット６１の下方に配置されている。電気的絶縁部分６４が、フィーダ６３および接地面６２の間に配置されている。スロット６１への信号およびスロット６１からの信号は、部分６４を介した電気磁気伝導（スロット６１が励起される）によりフィーダ６３へ／から伝達される。
図５は、接地面６２にスロット６１を備えるアンテナ素子６０の正面図である。接地面６２のスロット６１は、既に述べた表面素子４３と同様に、空気中の信号の送受信が可能な放射素子の別の例である。
上記で述べたように、従来のアンテナは、各表面素子から異なった２つの偏波方向で送信および／または受信する表面素子タイプの四角い放射素子を有しているマイクロストリップ素子を使用する。図６は、３つの表面素子８１ａ−ｃを備えたそのようなアンテナ８０を示している。表面素子８１ａ−ｃは、上記で述べた０／９０度の偏波を生成するために、（水平および垂直の）２つの方向で共振する。各表面素子８１ａ−ｃは、水平偏波のためのフィーダ８２ａ−ｃおよび垂直偏波のためのフィーダ８３ａ−ｃを有している。
図７（図２参照）は、表面素子８１ａおよびその下に接地面９１を有するアンテナ８０の断面図である。それらの間に、誘電体部分９２が配置されている。誘電体部分９２が空気であると、図１に示したフロントローブのビーム幅３４は、２つの偏波方向で６０〜７０度の間になるであろう。
アンテナ８０のサイズは、誘電体部分９２の材料として誘電率が例えば２より大きいものを選択することによって小さくすることができ、これにより広いフロントローブが達成される。しかしながらこれは、アンテナ８０の損失を増やすと共に、アンテナの重量を増加させ高価なものとする。
図８は、上記で述べた米国特許５２２３８４８号によるマイクロストリップ素子を有するアンテナ１００を示している。第１および第２の四角い表面素子１０１および１０２は、２つの異なった偏波方向に対するフィーダ１０３−１０６を表面素子毎に２つ有している。各表面素子１０１−１０２は、２つの異なった周波数ｆ１およびｆ２で送受信を行う。第１の周波数ｆ１は第１の表面素子１０１での水平偏波用および第２の表面素子１０２での垂直偏波用に使用され、他の周波数ｆ２は第１の表面素子１０１での垂直偏波用および第２の表面素子１０２での水平偏波用に使用される。これらの表面素子１０１−１０２は、２つのフィーダを有する別のタイプの放射素子で置き換えられる。
以下に記載する実施形態では、アンテナは層状構造で設計されている。アンテナは、水平方向に向けられて、上方層、下方層および中間層を有しているように記載されている。もちろんアンテナは別の方向に向けられていてもよく、例えば直立方向であれば、上方層は前面層に対応し、下方層は後面層に対応し、アンテナの下に位置するものはアンテナの後方に位置するものに対応する。
図９は、０／９０度の偏波で送信および受信を行う、本発明によるアンテナユニットの第１の実施形態１１０の正面図である。ここで示されるアンテナユニット１１０は、矩形で設計されている。アンテナユニット１１０は、上方層にある矩形の表面素子１１２を有するマイクロストリップ素子１１１と、中間層の接地面（図９には接地面は示されていない）にある矩形のスロット１１３との組み合わせを備えている。
表面素子１１２は、所定の長さｌe1幅ｗe1を有している。スロット１１３は、所定の長さｌs1幅ｗs1を有している。これらの長さｌe1およびｌs1は、アンテナユニットが送信および受信する波長によって決定される。幅Ｗe1は水平面における素子のビーム幅を決定する。幅ｗs1はスロットのビーム幅を実質的に決定する。表面素子１１２は、例えば下方端部１１５がスロットの上方端部１１６と同じ高さになるように、アンテナユニット１１０上に配置されている。
図１０は、アンテナユニット１１０の断面図である。アンテナユニット１１０は、電気的絶縁材料の第１のディスク１２１を表面素子１１２が配置される上方層に備えている。下方層には、スロット１１３へのフィーダ１２４を有する電気的絶縁材料の第２のディスク１２３が配置されている。中間層には、接地面１１４が配置されている。スロット１１３は、接地面上の表面素子１１２の仮想投影部分で覆われないように、接地面１１４に配置されている。例えば空気等の第１の誘電体部分１２２が、電気的絶縁材料の第１のディスク１２１と接地面１１４との間に配置されている。例えば空気等の第２の誘電体部分１２５が、接地面１１４と電気的絶縁材料の第２のディスク１２３との間に配置されている。誘電体部分１２２および１２５が空気からなる場合は、ディスク１２１および１２３と接地面１１４を支持するために、もちろん側壁が適切な方法で設けられる。
接地面１１４は、例えば、スロット１１３を備えた電気的導電材料で構成されても、スロット１１３を有する電気的導電表層がその上に設けられた電気的導電材料のディスクで構成されてもよい。
図１１は、本発明のアンテナユニットを備え、０／９０度の偏波で送信および受信を行う、セクタアンテナの第１の実施形態１３０の正面図である。ここで示されているアンテナ１３０は、矩形の実施形態である。アンテナ１３０は、それぞれ図９および１０に示したものと同様であり、連続して配置されている４つのアンテナユニット１１０ａ−ｄ（図１１には符号を付していない）を備えており、アンテナユニット１１０ａ−ｄは互いに共通の構造体に組み込まれている。
図１１に示された各アンテナユニット１１０ａ−ｄの矩形の表面素子１１２ａ−ｄは、例えば一定のある距離、表面素子の中心間距離である第１の中心距離ｄc1だけ離れて互いに短辺を向き合わせてコラム状に配置されている。表面素子は、それらの長手軸がアンテナの長手軸と平行になるように配置されている。中心距離ｄc1は、フィーダおよびマイクロストリップ素子を通過する時に波が伝搬する媒体中の波長に対応している。
各アンテナユニット１１０ａ−ｄの接地面１１４にあるスロット１１３ａ−ｄも、例えば一定のある距離、スロット１１３ａ−ｄの中心間距離である第２の中心距離ｄc2だけ離れて互いに短辺を向き合わせてコラム状に配置されている。スロットは、それらの長手軸がアンテナの長手軸と平行になるように配置されている。中心距離ｄc2を中心距離ｄc1と等しくすることは実現可能である。
表面素子１１２ａ−ｄを備えるコラムと、スロット１１３ａ−ｄを備えるコラムとは、互いにかつセクタアンテナの長手方向に関して平行に配置されている。２つのコラムは間にある一定の距離ｄkをおいて配置されている。距離ｄkは、スロット１１３ａ−ｄの機能が表面素子１１２ａ−ｄによって妨げられないように選択される。
表面素子１１２ａ−ｄは、中央フィーディングケーブル１３１によって給電され、１１２ｃから１１２ｄおよび１１２ｃから１１２ａへ、表面素子１１２ａ−ｄへのおよびそこからの給電のためのフィーダ１３２ａ−ｃによって、それぞれ順に接続されている。これは表面素子１１２ａ−ｄが、第１の水平ビーム幅３４の垂直偏波で送信または受信できることを意味する。
図１１は、スロット１１３ａ−ｄへのおよびそこからの供給のためのフィーダ１２４ａ−ｄが、各スロット１１３ａ−ｄに並列に接続される方法も示している。フィーダ１２４ａ−ｄは、スロット１１３ａ−ｄが第２の水平ビーム幅３４の水平偏波で送信または受信ができるように、スロット１１３ａ−ｄを励起するように配置されている。第２のビーム幅は第１のビーム幅と実質的に等しい。
スロット１１３ａ−ｄおよび表面素子１１２ａ−ｄへの／からの供給およびフィーダは、図１１に関して図示し説明した以外の方法でも配置することができる。
表面素子１１２ａおよび１１２ｄへのフィーダ１３２ａおよび１３２ｃを、例えば中央供給導体１３１に並列フィーディングによって直接接続することもできる。表面素子１１２ａ−ｄへの／からの供給は、中央供給導体１３１の代わりに、プローブによる供給または開口による供給とすることもできる。
アンテナ１３０の部品を互いに関して固定する器具は、例えば、アンテナ１３０の周囲の棒状部材、適切な側壁、またはアンテナ１３０のいずれかの側の支持ユニットを備えていてもよい。他の例は、例えばレドーム等の収納ハウジングである。部品を固定する器具を設けることは、誘電体部分１２２および１２５が空気からなるときには特に有用である。
第１の実施形態によるセクタアンテナ１３０の波長が１６ｃｍであるときの寸法の例は以下のようになる。すなわち、
表面素子の長さｌe1＝７．５ｃｍ
表面素子の幅Ｗe1＝４ｃｍ
スロットの長さｌs1＝８ｃｍ
スロットの幅ｗs1＝０．５ｃｍ
距離ｄk＝１ｃｍ
第１の誘電体部分の高さｈd1＝１ｃｍ
第２の誘電体部分の高さｈd2＝０．２ｃｍ
である。上記に示した寸法は推定値である。
図１２は、０／９０度の偏波で送信および受信を行う、本発明のアンテナユニットの第２の実施形態１４０の正面図である。ここで示すアンテナユニット１４０は、矩形で設計されている。本実施形態は図９に関した第１の実施形態に基づいており、アンテナユニット１４０は、マイクロストリップ素子内に設けられており、図１３に示されているスロット１５１と、図１２に示されているマイクロストリップ素子１４３上の表面素子１４２内に設けられた開口１４１とを備えている。中に設けられた開口１４１を有する表面素子１４２を、以下で放射ユニット１４４と参照する。開口１４１は、表面素子１４２内において、あらゆる電流経路を妨げないように、その偏波方向に平行に配置されている。これは、アンテナユニット１４０の２つの直交する偏波方向間での信号カップリングの危険性を無視できることを意味する。表面素子１４２は、所定の長さ１e2および幅Ｗe2を有している。長さｌe2は、アンテナユニット１４０が送信および受信する波長によって決定される。幅ｗe2は、水平面における表面素子のビーム幅を決定する。
図１２は、表面素子１４２内に設けられ、所定の長さｌaおよび幅ｗaを有する開口１４１を示している。開口１４１の長さｌaは、図１９に示されているように、表面素子が２つの伸延部１９１ａ−ｂに分割されるように、表面素子の長さｌe2より長くてもよい。表面素子は、間に開口１９２ａ−ｂを有する２つより多い伸延部１９１ａ−ｃを備えていてもよい。そのような表面素子は、１９９３年６月８−９日にオランダ、ノードウィクの「２重偏波アンテナに関する第１６ＥＳＡワークショップの予稿集」のｐｐ７９−８９「２重偏波結合プリントアンテナ」に示されているように、一般的に格子状パッチと呼ばれる。
図１３は、アンテナユニット１４０の断面図である。アンテナユニット１４０は、図１２に示すように、その上に放射ユニット１４４（図１３には符号を付していない）が配置されており、上方層における電気的絶縁材料の第１のディスク１２１と、接地面１１４を有する中間層と、両者の間にあり例えば空気などの第１の誘電体部分１２２とを備えている。接地面１１４にはスロット１５１が設けられている。スロット１５１は、開口１４１の直下に配置されている。例えば空気などの第２の誘電体部分１２５が、接地面１１４と下方層にあり電気的絶縁材料でスロット１５１へのフィーダ１５２が設けられている第２のディスク１２３との間に設けられている。誘電体部分１２２および１２５が空気からなる場合には、もちろん、ディスク１２１および１２３と接地面１１４を支持するために側壁が適切な方法で設けられる。
この場合も接地面１１４は、例えばスロット１５１を有する電気的導電材料や、その上にスロット１５１を含む電気的導電表層がある電気的絶縁材料のディスクから構成されていてもよい。
スロット１５１は、例えば開口１４１の所定の長さｌaおよび幅ｗaと等しい、所定の長さｌs2および幅ｗs2を有している。所定の長さｌs2は、アンテナユニット１４０が送信および受信する波長によって決定される。幅ｗs2は、スロットのバンド幅を実質的に決定する。
アンテナユニット１４０を、大きな角度範囲に円偏波を発生させるように、従来知られた技術と共に使用することができる。
図１４は、０／９０度の偏波で送信および受信を行う、本発明のアンテナユニットの第２の実施形態を備えるセクタアンテナの第２の実施形態１６０の正面図である。ここで示すアンテナ１６０は、矩形で設計されている。アンテナ１６０は、それぞれ図１２および１３に示したものと同様の４つのアンテナユニット１４０ａ−ｄ（図１４には符号を付していない）を備えており、アンテナユニット１４０ａ−ｄは互いに共通の構造体に連続して配置されている。これは、アンテナ１６０が、上方層にある４つの矩形放射ユニット１４４ａ−ｄと、中間層にある４つのスロット１５１ａ−ｄ（図１４には不図示）とを含むことを意味する。
各アンテナユニット１４０ａ−ｄの矩形の放射素子１４４ａ−ｄは、例えば一定のある距離、放射素子の中心間距離である中心距離ｄc3だけ離れて互いに短辺を向き合わせてコラム状に配置されている。放射素子１４４ａ−ｄはまた、それらの長手軸がアンテナの長手軸と平行になるように配置されている。中心距離ｄc3は、フィーダおよびマイクロストリップ素子を通過する時に波が伝搬する媒体中の波長に対応している。
各放射素子１４４ａ−ｄの表面素子１４２ａ−ｄは、中央供給導体１６１によって供給され、１４２ｃから１４２ｄおよび１４２ｃから１４２ａに並列フィーダ１６２ａ−ｃの３つの対によって順に接続されている。直列フィーダにより、表面素子１４２ａ−ｄは垂直偏波および第１の水平ビーム幅３４で送信または受信することができる。並列コネクタ１６２ａ−ｃにより、表面素子間の電流分布は等しくなる。
図１４は、各アンテナユニット１４０ａ−ｄのスロット１５１ａ−ｄ（図１４には不図示）へのおよびそこからの供給のためのフィーダ１５２ａ−ｄが直列に接続される方法も示している。各フィーダ１５２ａ−ｄは、スロットが所定の方法で励起されるように、対応するスロット１５１ａ−ｄの下方に配置されている。スロット１５１ａ−ｄは、第２の水平ビーム幅３４および水平偏波で送信または受信が行えるように、放射ユニット１４４ａ−ｄの開口１４１ａ−ｄを介して順に放射する。第２のビーム幅は第１のビーム幅と実質的に等しい。
スロット１５１ａ−ｄおよび表面素子１４２ａ−ｄへの／からの供給およびフィーダは、図１４に関して図示し説明した以外の方法でも配置することができる。
スロット１５１ａ−ｄへのフィーダ１５２ａ−ｄを、例えば図１１のスロット１１３ａ−ｄへのフィーダ１２４ａ−ｄと同様に配置することもできる。
アンテナ１６０の部品を互いに関して固定する器具は、例えば、アンテナ１６０の周囲の棒状部材、適切な側壁、またはアンテナ１６０のいずれかの側の支持ユニットを備えていてもよい。他の例は、例えばレドーム等の収納ハウジングである。部品を固定する器具を設けることは、誘電体部分１２２および１２５が空気からなるときには特に有用である。
第２の実施形態によるセクタアンテナ１６０の波長が１６ｃｍであるときの寸法の例は以下のようになる。すなわち、
表面素子の長さｌe2＝７．５ｃｍ
表面素子の幅ｗe2＝４ｃｍ
開口の長さｌa＝スロットの長さｌs2＝７ｃｍ
開口の幅ｗa＝スロットの幅ｗs2＝０．５ｃｍ
第１の誘電体部分の高さｈd1＝１ｃｍ
第２の誘電体部分の高さｈd2＝０．２ｃｍ
である。上記に示した寸法は推定値である。
図１５は、図９および１０に示した本発明のアンテナユニットの第１の実施形態を備えたセクタアンテナの第３の実施形態１７０の正面図である。第３の実施形態は、図１１に関する第１の実施形態に基づいている。セクタアンテナ１７０は、連続して配置され、共通の構造体に組み込まれた第１の実施形態による４つのアンテナユニット１１０ａ−ｄを備えている。アンテナユニット１１０ａ−ｄは、図９および１０に関してより詳細に記載されている。アンテナユニット１１０ａ−ｄは、セクタアンテナの第１の実施形態１３０（図１１）に対して、反時計方向に４５度傾けられている。これは、アンテナ１７０が±４５度の偏波で送信および受信ができることを意味する。２つの偏波のビーム幅は実質的に等しい。これ以外のアンテナのデザインはアンテナ１３０と対応する。
アンテナユニット１１０ａ−ｄは、時計方向または反時計方向に任意の角度で傾斜させてもよい。
図１６は、図１２および１３に示した本発明のアンテナユニットの第２の実施形態を備えたセクタアンテナの第４の実施形態１８０を示している。第４の実施形態は、図１４に関する第１の実施形態に基づいている。セクタアンテナ１８０は、連続して配置され、共通の構造体に組み込まれた第２の実施形態による４つのアンテナユニット１４０ａ−ｄを備えている。アンテナユニット１４０ａ−ｄは、図１２および１３に関してより詳細に記載されている。アンテナユニット１４０ａ−ｄは、セクタアンテナの第２の実施形態１６０（図１４）に対して、反時計方向に４５度傾けられている。これは、アンテナ１８０が±４５度の偏波で送信および受信ができることを意味する。２つの偏波のビーム幅は実質的に等しい。これ以外のセクタアンテナのデザインはセクタアンテナ１６０と対応する。
アンテナユニット１４０ａ−ｄは、時計方向または反時計方向に任意の角度で傾斜させてもよい。
図１７は、２つの偏波方向で送信および受信を行う、図１２および１３に示したような本発明のアンテナユニットの第２の実施形態を備える、アンテナアレイの実施形態１９０の正面図である。本実施形態は、図１４に関する第２の実施形態に基づいている。アンテナアレイ１９０は、４つの平行名コラムを備え、各コラムにそれぞれ第２の実施形態による４つのアンテナユニット１４０ａを有している。アンテナユニット１４０は、２次元アンテナアレイ１９０を形成する共通の構造体に組み込まれている。各コラムは、各偏波に対しては独立して、水平面に１つ以上の固定または調整可能なローブを生成するローブ形成ネットワークに公知の方法で接続されてもよい。コラムの中心線間の中心距離ｄc4は、空気中の半波長に対応する距離よりも小さくてよい。これは、アンテナ１９０からの出力角度を大きくし、格子状のローブの生成を防止する。
中心距離ｄc4は、例えば波長１６ｃｍのアンテナアレイに対しては７ｃｍ等に選択される。
以上で説明した本発明の例では、スロット１１３ａ−ｄ、１５１ａ−ｄおよび開口１４１ａ−ｄは矩形である。これらは他の形状であってもよい。図１８は、スロット１１３ａ−ｄおよび１５１ａ−ｄの異なった３つの例を示している。それらの形状は図１８に示されている。
図１９については、図１２に関連して説明した。
本発明は、無線信号を送信および受信するためのアンテナ素子およびアンテナ装置に関するものであり、具体的には移動通信システムの基地局に配置されるアンテナ素子およびアンテナ装置に関するものである。
現在の技術
無線信号の通信システムの立案および規模決定の重要な部分は、アンテナの特性である。これらの特性は、とりわけ、セルの立案（サイズ、パターン、数）に影響する。これらの特性の一つは、アンテナの無線有効範囲（あるいはカバーエリア）である。
当初は、基地局から見て全ての方向に有効範囲を有する、いわゆるオムニアンテナのみが使用された。より大きなカバーエリアが必要であれば、最初のセルに隣接して新たなセルが設けられ、その中心に基地局が配置された。
その後、例えば、１つの円の中の３つのセクタのように、有効範囲を複数のセクタに分割することがシステムの見地から有効であるということが発見された。このような有効範囲を意図したアンテナはセクタアンテナと呼ばれる。これは、基地局がセル間の交差点に位置する場合には、特に有効である。セクタアンテナそれぞれが１つのセルをカバーし、従って基地局はいくつかのセルに同時にサービスする。
セクタアンテナの有効範囲は、水平面におけるアンテナのビーム幅によって決定される。
アンテナの別の重要な特性は、それらの偏波、というよりむしろアンテナによって送信または受信される信号の偏波である。当初は、基地局アンテナでは垂直偏波のみが使用された。今日では、例えばここでは０度および９０度と称する水平および垂直面、あるいはそれらの間の＋／−４５度の傾斜面等の２つの直線偏波が同時に使用される（偏波ダイバーシティ）。通常アンテナは両方の偏波に対して等しい有効範囲を持つ必要がある。
２つの偏波に対して今日使用されるセクタアンテナは、ほぼ６０〜７０度のビーム幅を有している。現在、広いローブを有するアンテナは、１つの偏波方向に対してのみ使用できる。現存するシステムおよび周囲の地形に対して基地局のアンテナの有効範囲を適応させるため、２つの偏波に対して８０〜９０度のビーム幅を有するアンテナを多くのオペレータが望んでいる。
セクタアンテナは、限定された有効範囲内で１つまたは２つの偏波を受信および／または送信するある種類のアンテナ素子を有するコラムあるいは列（column）を備えている。これらのアンテナ素子は、例えば、マイクロストリップ素子と呼ばれる形態で実現される。マイクロストリップ素子は、接地面の面前に位置し、しばしばパッチと呼ばれる、導体表層の形の放射体を有している。それらの間の空間は、誘電材料または空気で充填される。空気は、軽量であり、低コストでありパワー損失がないという利点を有している。マイクロストリップ素子を有効に作動させるためには、パッチの長さは、通常は波長の約半分である偏波方向における共振長に合わせる必要がある。
アンテナのある面でのビーム幅は、同じ平面におけるアンテナの寸法に反比例する。基地局アンテナは５〜１５度の垂直ビーム幅を有することが多く、これは基地局の周囲の地形に影響される。このビーム幅は、アンテナの垂直方向の素子数を変えることによって容易に調整できる。水平方向にはアンテナを１つの素子より狭くすることはできない。例えば、アンテナの偏波が水平であるとき、素子の幅は上記の共振状態によって決定される。
２つの異なった偏波方向を有する既知のアンテナ装置は、放射素子の形状が四角いマイクロストリップ素子を多く備えている。各放射素子は２つの異なったフィーダを有している。１つのフィーダは、他のフィーダで送信または受信される信号とは異なったある偏波を持った信号を送信または受信する。これは、マイクロストリップ素子が（各偏波方向に１つの）２つの方向で共振する必要があり、従って放射素子の幅が波長の半分に対応する必要があることを意味する。そしてこのことは、６０〜７０度より広がったローブを生成することが非常に難しいことを意味する。ローブを広げる既知の方法の１つは、誘電率が１より大きい誘電体でマイクロストリップ素子を充填することである。これは波長を短くし、従って共振寸法も短くする。しかしながらこの方法は、重量およびコストの増加と共に誘電体における必然的パワー損失のため、性能の劣化を引き起こす。
米国特許第５２２３８４８号には、１対の方形放射素子を有するマイクロストリップ素子を備えたアンテナが記載されている。各放射素子は、垂直および水平両方の偏波を同時に送信し受信するために給電される。放射素子は導体表層であるかまたは他の放射素子でよい。対の放射素子両方は、異なった偏波方向の２つの周波数で送信し受信する。
発明の要約
本発明は、平面導体技術を使用して実現されたセクタアンテナで、非常に広い（７０度より大きい）アンテナローブを異なった２つの偏波方向に同時に有効に生成し、かつコンパクト、軽量で高価でないことを同時に達成する際に発生する問題に対処するものである。
より詳細には、アンテナのアンテナ素子が２つの偏波方向で送信および受信が可能となるように２つの方向で共振させる必要がある時に、この問題が発生する。これはコンパクト、軽量で高価でなく損失の少ないアンテナを設計する可能性を制限する。
狭いセクタアンテナを、水平面において、同じ幅の２つのアンテナローブを発生し、２つの異なる偏波方向を有するようにするときにも同様の問題が生じる。
従って本発明の目的は、コンパクト、軽量で高価でなく損失が少なく、ある幅より大きい略同じ幅の２つのアンテナローブを発生し、２つの異なる偏波方向を有するアンテナを実現することである。
より詳細には本発明は、水平面におけるアンテナローブの幅が７０度より大きいアンテナを実現するためのものである。
本発明によれば、１つの共通ユニットに、ユニットを可能な限りコンパクトで軽量にすることができるタイプおよび幾何学的形状の、２つの異なったタイプのアンテナ素子が使用される。アンテナ素子の各タイプは、１つの特定の偏波を送信または受信するように決定される。
より詳細には、本発明によれば、列方向に配置された複数のアンテナユニットを含み、無線信号を送信および受信するためのアンテナであって、各アンテナユニットが、第１の偏波方向に第１のビーム幅での送信および受信を行うための第１のタイプの第１のアンテナ素子と、第２の偏波方向に第２のビーム幅での送信および受信を行うための第２のアンテナ素子とを備え、第２のアンテナ素子が第１のアンテナ素子と異なるタイプであり、第１及び第２のアンテナ素子の各々が１つの偏波方向でのみ送信および受信を行うように配置され、第１および第２のアンテナ素子の偏波方向が互いに異なっており、該アンテナユニットが更に、第１のアンテナ素子の一部を形成するフィーダと、第１の誘電体層と、第１及び第２のアンテナ素子の一部をなすスロットを有する接地面と、第２の誘電体層と、第２のアンテナ素子の一部をなす導電性パッチ素子とを備えており、パッチ素子内に開口が設けられており、該開口の長手方向がパッチ素子の偏波方向と平行であり、第１及び第２のビーム幅が７０度よりも広いことを特徴とするアンテナが提供される。
本発明の１つの利点は、アンテナが２つの偏波方向に対して水平面に非常に広い（７０〜９０度）ローブを有することができる点である。両方のアンテナローブが略等しい幅を有するとき、システムの見地からかなりの効果が達成される。とりわけ、アンテナの全有効範囲において、偏波ダイバーシティを使用することができる。
他の利点はコンパクト、軽量で高価でないアンテナを非常に容易に製造できる点である。これは特にセクタアンテナについて当てはまる。
本発明はまた、アンテナコラム（アンテナ素子の列）間の距離が半波長より短い、２次元アンテナアレイの構成を可能とする。これは、いわゆるグリッドローブが生成されることなしに、大きな出力角度のアンテナローブを１つ以上生成することを可能とする。
上記で述べたアンテナは、当業者に知られている方法で、それぞれのアンテナ素子に対する個々の無線信号の組み合わせによって、大きな角度領域において１つまたは２つの円偏波も生成することができる。
【図面の簡単な説明】
添付図面を参照して、本発明を以下で説明する。
図１は、上記で述べたセクタアンテナからのアンテナローブの説明図である。
図２は、第１のマイクロストリップ素子の断面図である。
図３は、第２のマイクロストリップ素子の断面図である。
図４は、面導体タイプの供給導体を有する接地面のスロットの断面図である。
図５は、接地面のスロットの正面図である。
図６は、３つの表面素子を含む第１の従来のアンテナの正面図である。
図７は、図６のアンテナの断面図である。
図８は、第２の従来のアンテナの正面図である。
図９は、本発明のアンテナユニットの第１の実施形態の正面図である。
図１０は、図９のアンテナユニットの断面図である。
図１１は、本発明のアンテナユニットの第１の実施形態を含むセクタアンテナの第１の実施形態の正面図である。
図１２は、本発明のアンテナユニットの第２の実施形態の正面図である。
図１３は、図１２のアンテナユニットの断面図である。
図１４は、本発明のアンテナユニットの第２の実施形態を含むセクタアンテナの第２の実施形態の正面図である。
図１５は、本発明のアンテナユニットの第１の実施形態を含むセクタアンテナの第３の実施形態の正面図である。
図１６は、本発明のアンテナユニットの第２の実施形態を含むセクタアンテナの第４の実施形態の正面図である。
図１７は、本発明のアンテナの第２の実施形態を含むアンテナアレイの実施形態の正面図である。
図１８は、上記全てのの実施形態で使用できるスロットの３つの例を示す図である。
図１９は、グリッド化されたパッチの例の正面図である。
好適な実施形態の説明
図１は、特定の方向で送信または受信するアンテナ３０からのアンテナローブの上面図である。このようなアンテナ３０はセクタアンテナと呼ばれる。セクタアンテナからの放射の主要部分は、アンテナのフロントローブと呼ばれる特定の限定された領域３１に現れる。いわゆるサイドローブ３２ａ−ｂおよびバックローブ３３も生じる。アンテナのビーム幅３４は、フロントローブ３１における最大電界強度がＦmaxであるとき、電界強度ＦがＦmax／√２を越えるフロントローブ３１の部分である。
図２−３に示されたマイクロストリップ素子４０、および図４−５に示された接地面のスロットは、様々なタイプのアンテナ素子の例である。
図２は第１のマイクロストリップ素子４０の断面図である。マイクロストリップ素子４０は、ある誘電率εを有する電気的絶縁部分４１、例えば銅などの絶縁部分４１の下方にある電気的導電体からなる接地面４２、および例えば絶縁部分４１の上に配置された四角い銅の表層などの電気的導電体の限定された表層（パッチ）４３を備えている。導電体の表層４３は、空気中の信号の送受信が可能な放射素子の例である。以下において、マイクロストリップ素子４０上の導電体表層４３を表面素子４３と参照する。表面素子４３の寸法は、とりわけ、関連する信号の偏波および波長によって決定される。セクタアンテナは、共通アンテナ構造体中に配置された多数のマイクロストリップ素子４０によって画定される窪みを有するコラムを備えている。
マイクロストリップ素子４０上の表面素子４３は、必要であれば電気的絶縁材料のディスク４４の上に配置されてもよい。表面素子４３は、図２のようにディスク４４の上または下に配置されてもよい。
表面素子は、マイクロストリップ素子４０の別の実施形態を示す図３に示されているように、接地面４２と表面素子４３との間にある１つ以上の支持ユニット５１ａ−ｂの上に配置されてもよい。
図４は、接地面６２にスロット６１と、スロット６１への給電およびスロット６１からの給電のための導体タイプの面のフィーダ６３とを有するアンテナ素子６０の断面図である。接地面６２のスロット６１へのフィーダ６３は、スロット６１の下方に配置されている。電気的絶縁部分６４が、フィーダ６３および接地面６２の間に配置されている。スロット６１への信号およびスロット６１からの信号は、部分６４を介した電気磁気伝導（スロット６１が励起される）によりフィーダ６３へ／から伝達される。
図５は、接地面６２にスロット６１を備えるアンテナ素子６０の正面図である。接地面６２のスロット６１は、既に述べた表面素子４３と同様に、空気中の信号の送受信が可能な放射素子の別の例である。
上記で述べたように、従来のアンテナは、各表面素子から異なった２つの偏波方向で送信および／または受信する表面素子タイプの四角い放射素子を有しているマイクロストリップ素子を使用する。図６は、３つの表面素子８１ａ−ｃを備えたそのようなアンテナ８０を示している。表面素子８１ａ−ｃは、上記で述べた０／９０度の偏波を生成するために、（水平および垂直の）２つの方向で共振する。各表面素子８１ａ−ｃは、水平偏波のためのフィーダ８２ａ−ｃおよび垂直偏波のためのフィーダ８３ａ−ｃを有している。
図７（図２参照）は、表面素子８１ａおよびその下に接地面９１を有するアンテナ８０の断面図である。それらの間に、誘電体部分９２が配置されている。誘電体部分９２が空気であると、図１に示したフロントローブのビーム幅３４は、２つの偏波方向で６０〜７０度の間になるであろう。
アンテナ８０のサイズは、誘電体部分９２の材料として誘電率が例えば２より大きいものを選択することによって小さくすることができ、これにより広いフロントローブが達成される。しかしながらこれは、アンテナ８０の損失を増やすと共に、アンテナの重量を増加させ高価なものとする。
図８は、上記で述べた米国特許５２２３８４８号によるマイクロストリップ素子を有するアンテナ１００を示している。第１および第２の四角い表面素子１０１および１０２は、２つの異なった偏波方向に対するフィーダ１０３−１０６を表面素子毎に２つ有している。各表面素子１０１−１０２は、２つの異なった周波数ｆ１およびｆ２で送受信を行う。第１の周波数ｆ１は第１の表面素子１０１での水平偏波用および第２の表面素子１０２での垂直偏波用に使用され、他の周波数ｆ２は第１の表面素子１０１での垂直偏波用および第２の表面素子１０２での水平偏波用に使用される。これらの表面素子１０１−１０２は、２つのフィーダを有する別のタイプの放射素子で置き換えられる。
以下に記載する実施形態では、アンテナは層状構造で設計されている。アンテナは、水平方向に向けられて、上方層、下方層および中間層を有しているように記載されている。もちろんアンテナは別の方向に向けられていてもよく、例えば直立方向であれば、上方層は前面層に対応し、下方層は後面層に対応し、アンテナの下に位置するものはアンテナの後方に位置するものに対応する。
図９は、０／９０度の偏波で送信および受信を行う、本発明によるアンテナユニットの第１の実施形態１１０の正面図である。ここで示されるアンテナユニット１１０は、矩形で設計されている。アンテナユニット１１０は、上方層にある矩形の表面素子１１２を有するマイクロストリップ素子１１１と、中間層の接地面（図９には接地面は示されていない）にある矩形のスロット１１３との組み合わせを備えている。
表面素子１１２は、所定の長さｌe1幅ｗe1を有している。スロット１１３は、所定の長さｌs1幅ｗs1を有している。これらの長さｌe1およびｌs1は、アンテナユニットが送信および受信する波長によって決定される。幅Ｗe1は水平面における素子のビーム幅を決定する。幅ｗs1はスロットのビーム幅を実質的に決定する。表面素子１１２は、例えば下方端部１１５がスロットの上方端部１１６と同じ高さになるように、アンテナユニット１１０上に配置されている。
図１０は、アンテナユニット１１０の断面図である。アンテナユニット１１０は、電気的絶縁材料の第１のディスク１２１を表面素子１１２が配置される上方層に備えている。下方層には、スロット１１３へのフィーダ１２４を有する電気的絶縁材料の第２のディスク１２３が配置されている。中間層には、接地面１１４が配置されている。スロット１１３は、接地面上の表面素子１１２の仮想投影部分で覆われないように、接地面１１４に配置されている。例えば空気等の第１の誘電体部分１２２が、電気的絶縁材料の第１のディスク１２１と接地面１１４との間に配置されている。例えば空気等の第２の誘電体部分１２５が、接地面１１４と電気的絶縁材料の第２のディスク１２３との間に配置されている。誘電体部分１２２および１２５が空気からなる場合は、ディスク１２１および１２３と接地面１１４を支持するために、もちろん側壁が適切な方法で設けられる。
接地面１１４は、例えば、スロット１１３を備えた電気的導電材料で構成されても、スロット１１３を有する電気的導電表層がその上に設けられた電気的導電材料のディスクで構成されてもよい。
図１１は、本発明のアンテナユニットを備え、０／９０度の偏波で送信および受信を行う、セクタアンテナの第１の実施形態１３０の正面図である。ここで示されているアンテナ１３０は、矩形の実施形態である。アンテナ１３０は、それぞれ図９および１０に示したものと同様であり、連続して配置されている４つのアンテナユニット１１０ａ−ｄ（図１１には符号を付していない）を備えており、アンテナユニット１１０ａ−ｄは互いに共通の構造体に組み込まれている。
図１１に示された各アンテナユニット１１０ａ−ｄの矩形の表面素子１１２ａ−ｄは、例えば一定のある距離、表面素子の中心間距離である第１の中心距離ｄc1だけ離れて互いに短辺を向き合わせてコラム状に配置されている。表面素子は、それらの長手軸がアンテナの長手軸と平行になるように配置されている。中心距離ｄc1は、フィーダおよびマイクロストリップ素子を通過する時に波が伝搬する媒体中の波長に対応している。
各アンテナユニット１１０ａ−ｄの接地面１１４にあるスロット１１３ａ−ｄも、例えば一定のある距離、スロット１１３ａ−ｄの中心間距離である第２の中心距離ｄc2だけ離れて互いに短辺を向き合わせてコラム状に配置されている。スロットは、それらの長手軸がアンテナの長手軸と平行になるように配置されている。中心距離ｄc2を中心距離ｄc1と等しくすることは実現可能である。
表面素子１１２ａ−ｄを備えるコラムと、スロット１１３ａ−ｄを備えるコラムとは、互いにかつセクタアンテナの長手方向に関して平行に配置されている。２つのコラムは間にある一定の距離ｄkをおいて配置されている。距離ｄkは、スロット１１３ａ−ｄの機能が表面素子１１２ａ−ｄによって妨げられないように選択される。
表面素子１１２ａ−ｄは、中央フィーディングケーブル１３１によって給電され、１１２ｃから１１２ｄおよび１１２ｃから１１２ａへ、表面素子１１２ａ−ｄへのおよびそこからの給電のためのフィーダ１３２ａ−ｃによって、それぞれ順に接続されている。これは表面素子１１２ａ−ｄが、第１の水平ビーム幅３４の垂直偏波で送信または受信できることを意味する。
図１１は、スロット１１３ａ−ｄへのおよびそこからの供給のためのフィーダ１２４ａ−ｄが、各スロット１１３ａ−ｄに並列に接続される方法も示している。フィーダ１２４ａ−ｄは、スロット１１３ａ−ｄが第２の水平ビーム幅３４の水平偏波で送信または受信ができるように、スロット１１３ａ−ｄを励起するように配置されている。第２のビーム幅は第１のビーム幅と実質的に等しい。
スロット１１３ａ−ｄおよび表面素子１１２ａ−ｄへの／からの供給およびフィーダは、図１１に関して図示し説明した以外の方法でも配置することができる。
表面素子１１２ａおよび１１２ｄへのフィーダ１３２ａおよび１３２ｃを、例えば中央供給導体１３１に並列フィーディングによって直接接続することもできる。表面素子１１２ａ−ｄへの／からの供給は、中央供給導体１３１の代わりに、プローブによる供給または開口による供給とすることもできる。
アンテナ１３０の部品を互いに関して固定する器具は、例えば、アンテナ１３０の周囲の棒状部材、適切な側壁、またはアンテナ１３０のいずれかの側の支持ユニットを備えていてもよい。他の例は、例えばレドーム等の収納ハウジングである。部品を固定する器具を設けることは、誘電体部分１２２および１２５が空気からなるときには特に有用である。
第１の実施形態によるセクタアンテナ１３０の波長が１６ｃｍであるときの寸法の例は以下のようになる。すなわち、
表面素子の長さｌe1＝７．５ｃｍ
表面素子の幅Ｗe1＝４ｃｍ
スロットの長さｌs1＝８ｃｍ
スロットの幅ｗs1＝０．５ｃｍ
距離ｄk＝１ｃｍ
第１の誘電体部分の高さｈd1＝１ｃｍ
第２の誘電体部分の高さｈd2＝０．２ｃｍ
である。上記に示した寸法は推定値である。
図１２は、０／９０度の偏波で送信および受信を行う、本発明のアンテナユニットの第２の実施形態１４０の正面図である。ここで示すアンテナユニット１４０は、矩形で設計されている。本実施形態は図９に関した第１の実施形態に基づいており、アンテナユニット１４０は、マイクロストリップ素子内に設けられており、図１３に示されているスロット１５１と、図１２に示されているマイクロストリップ素子１４３上の表面素子１４２内に設けられた開口１４１とを備えている。中に設けられた開口１４１を有する表面素子１４２を、以下で放射ユニット１４４と参照する。開口１４１は、表面素子１４２内において、あらゆる電流経路を妨げないように、その偏波方向に平行に配置されている。これは、アンテナユニット１４０の２つの直交する偏波方向間での信号カップリングの危険性を無視できることを意味する。表面素子１４２は、所定の長さ１e2および幅Ｗe2を有している。長さｌe2は、アンテナユニット１４０が送信および受信する波長によって決定される。幅ｗe2は、水平面における表面素子のビーム幅を決定する。
図１２は、表面素子１４２内に設けられ、所定の長さｌaおよび幅ｗaを有する開口１４１を示している。開口１４１の長さｌaは、図１９に示されているように、表面素子が２つの伸延部１９１ａ−ｂに分割されるように、表面素子の長さｌe2より長くてもよい。表面素子は、間に開口１９２ａ−ｂを有する２つより多い伸延部１９１ａ−ｃを備えていてもよい。そのような表面素子は、１９９３年６月８−９日にオランダ、ノードウィクの「２重偏波アンテナに関する第１６ＥＳＡワークショップの予稿集」のｐｐ７９−８９「２重偏波結合プリントアンテナ」に示されているように、一般的に格子状パッチと呼ばれる。
図１３は、アンテナユニット１４０の断面図である。アンテナユニット１４０は、図１２に示すように、その上に放射ユニット１４４（図１３には符号を付していない）が配置されており、上方層における電気的絶縁材料の第１のディスク１２１と、接地面１１４を有する中間層と、両者の間にあり例えば空気などの第１の誘電体部分１２２とを備えている。接地面１１４にはスロット１５１が設けられている。スロット１５１は、開口１４１の直下に配置されている。例えば空気などの第２の誘電体部分１２５が、接地面１１４と下方層にあり電気的絶縁材料でスロット１５１へのフィーダ１５２が設けられている第２のディスク１２３との間に設けられている。誘電体部分１２２および１２５が空気からなる場合には、もちろん、ディスク１２１および１２３と接地面１１４を支持するために側壁が適切な方法で設けられる。
この場合も接地面１１４は、例えばスロット１５１を有する電気的導電材料や、その上にスロット１５１を含む電気的導電表層がある電気的絶縁材料のディスクから構成されていてもよい。
スロット１５１は、例えば開口１４１の所定の長さｌaおよび幅ｗaと等しい、所定の長さｌs2および幅ｗs2を有している。所定の長さｌs2は、アンテナユニット１４０が送信および受信する波長によって決定される。幅ｗs2は、スロットのバンド幅を実質的に決定する。
アンテナユニット１４０を、大きな角度範囲に円偏波を発生させるように、従来知られた技術と共に使用することができる。
図１４は、０／９０度の偏波で送信および受信を行う、本発明のアンテナユニットの第２の実施形態を備えるセクタアンテナの第２の実施形態１６０の正面図である。ここで示すアンテナ１６０は、矩形で設計されている。アンテナ１６０は、それぞれ図１２および１３に示したものと同様の４つのアンテナユニット１４０ａ−ｄ（図１４には符号を付していない）を備えており、アンテナユニット１４０ａ−ｄは互いに共通の構造体に連続して配置されている。これは、アンテナ１６０が、上方層にある４つの矩形放射ユニット１４４ａ−ｄと、中間層にある４つのスロット１５１ａ−ｄ（図１４には不図示）とを含むことを意味する。
各アンテナユニット１４０ａ−ｄの矩形の放射素子１４４ａ−ｄは、例えば一定のある距離、放射素子の中心間距離である中心距離ｄc3だけ離れて互いに短辺を向き合わせてコラム状に配置されている。放射素子１４４ａ−ｄはまた、それらの長手軸がアンテナの長手軸と平行になるように配置されている。中心距離ｄc3は、フィーダおよびマイクロストリップ素子を通過する時に波が伝搬する媒体中の波長に対応している。
各放射素子１４４ａ−ｄの表面素子１４２ａ−ｄは、中央供給導体１６１によって供給され、１４２ｃから１４２ｄおよび１４２ｃから１４２ａに並列フィーダ１６２ａ−ｃの３つの対によって順に接続されている。直列フィーダにより、表面素子１４２ａ−ｄは垂直偏波および第１の水平ビーム幅３４で送信または受信することができる。並列コネクタ１６２ａ−ｃにより、表面素子間の電流分布は等しくなる。
図１４は、各アンテナユニット１４０ａ−ｄのスロット１５１ａ−ｄ（図１４には不図示）へのおよびそこからの供給のためのフィーダ１５２ａ−ｄが直列に接続される方法も示している。各フィーダ１５２ａ−ｄは、スロットが所定の方法で励起されるように、対応するスロット１５１ａ−ｄの下方に配置されている。スロット１５１ａ−ｄは、第２の水平ビーム幅３４および水平偏波で送信または受信が行えるように、放射ユニット１４４ａ−ｄの開口１４１ａ−ｄを介して順に放射する。第２のビーム幅は第１のビーム幅と実質的に等しい。
スロット１５１ａ−ｄおよび表面素子１４２ａ−ｄへの／からの供給およびフィーダは、図１４に関して図示し説明した以外の方法でも配置することができる。
スロット１５１ａ−ｄへのフィーダ１５２ａ−ｄを、例えば図１１のスロット１１３ａ−ｄへのフィーダ１２４ａ−ｄと同様に配置することもできる。
アンテナ１６０の部品を互いに関して固定する器具は、例えば、アンテナ１６０の周囲の棒状部材、適切な側壁、またはアンテナ１６０のいずれかの側の支持ユニットを備えていてもよい。他の例は、例えばレドーム等の収納ハウジングである。部品を固定する器具を設けることは、誘電体部分１２２および１２５が空気からなるときには特に有用である。
第２の実施形態によるセクタアンテナ１６０の波長が１６ｃｍであるときの寸法の例は以下のようになる。すなわち、
表面素子の長さｌe2＝７．５ｃｍ
表面素子の幅ｗe2＝４ｃｍ
開口の長さｌa＝スロットの長さｌs2＝７ｃｍ
開口の幅ｗa＝スロットの幅ｗs2＝０．５ｃｍ
第１の誘電体部分の高さｈd1＝１ｃｍ
第２の誘電体部分の高さｈd2＝０．２ｃｍ
である。上記に示した寸法は推定値である。
図１５は、図９および１０に示した本発明のアンテナユニットの第１の実施形態を備えたセクタアンテナの第３の実施形態１７０の正面図である。第３の実施形態は、図１１に関する第１の実施形態に基づいている。セクタアンテナ１７０は、連続して配置され、共通の構造体に組み込まれた第１の実施形態による４つのアンテナユニット１１０ａ−ｄを備えている。アンテナユニット１１０ａ−ｄは、図９および１０に関してより詳細に記載されている。アンテナユニット１１０ａ−ｄは、セクタアンテナの第１の実施形態１３０（図１１）に対して、反時計方向に４５度傾けられている。これは、アンテナ１７０が±４５度の偏波で送信および受信ができることを意味する。２つの偏波のビーム幅は実質的に等しい。これ以外のアンテナのデザインはアンテナ１３０と対応する。
アンテナユニット１１０ａ−ｄは、時計方向または反時計方向に任意の角度で傾斜させてもよい。
図１６は、図１２および１３に示した本発明のアンテナユニットの第２の実施形態を備えたセクタアンテナの第４の実施形態１８０を示している。第４の実施形態は、図１４に関する第１の実施形態に基づいている。セクタアンテナ１８０は、連続して配置され、共通の構造体に組み込まれた第２の実施形態による４つのアンテナユニット１４０ａ−ｄを備えている。アンテナユニット１４０ａ−ｄは、図１２および１３に関してより詳細に記載されている。アンテナユニット１４０ａ−ｄは、セクタアンテナの第２の実施形態１６０（図１４）に対して、反時計方向に４５度傾けられている。これは、アンテナ１８０が±４５度の偏波で送信および受信ができることを意味する。２つの偏波のビーム幅は実質的に等しい。これ以外のセクタアンテナのデザインはセクタアンテナ１６０と対応する。
アンテナユニット１４０ａ−ｄは、時計方向または反時計方向に任意の角度で傾斜させてもよい。
図１７は、２つの偏波方向で送信および受信を行う、図１２および１３に示したような本発明のアンテナユニットの第２の実施形態を備える、アンテナアレイの実施形態１９０の正面図である。本実施形態は、図１４に関する第２の実施形態に基づいている。アンテナアレイ１９０は、４つの平行名コラムを備え、各コラムにそれぞれ第２の実施形態による４つのアンテナユニット１４０ａを有している。アンテナユニット１４０は、２次元アンテナアレイ１９０を形成する共通の構造体に組み込まれている。各コラムは、各偏波に対しては独立して、水平面に１つ以上の固定または調整可能なローブを生成するローブ形成ネットワークに公知の方法で接続されてもよい。コラムの中心線間の中心距離ｄc4は、空気中の半波長に対応する距離よりも小さくてよい。これは、アンテナ１９０からの出力角度を大きくし、格子状のローブの生成を防止する。
中心距離ｄc4は、例えば波長１６ｃｍのアンテナアレイに対しては７ｃｍ等に選択される。
以上で説明した本発明の例では、スロット１１３ａ−ｄ、１５１ａ−ｄおよび開口１４１ａ−ｄは矩形である。これらは他の形状であってもよい。図１８は、スロット１１３ａ−ｄおよび１５１ａ−ｄの異なった３つの例を示している。それらの形状は図１８に示されている。
図１９については、図１２に関連して説明した。
Claims (6)
- 列方向に配置された複数のアンテナユニット（１４４ａ〜ｄ）を含み、無線信号を送信および受信するためのアンテナ（１６０、１８０）であって、各アンテナユニット（１４４ａ〜ｄ）が、
第１の偏波方向に第１のビーム幅（３４）での送信および受信を行うための第１の形状の第１のアンテナ素子（１５２ａ〜ｄ）と、
第２の偏波方向に第２のビーム幅（３４）での送信および受信を行うための第２のアンテナ素子（１４２ａ〜ｄ）とを備え、
前記第２のアンテナ素子（１４２ａ〜ｄ）が、開口（１４１）を備え、前記第１のアンテナ素子（１５２ａ〜ｄ）と異なる形状であり、前記第１（１５２ａ〜ｄ）及び第２（１４２ａ〜ｄ）のアンテナ素子の各々が１つの偏波方向でのみ送信および受信を行うように配置され、前記第１および第２のアンテナ素子の偏波方向が互いに異なっており、
該アンテナユニットが更に、
前記第１のアンテナ素子（１５２ａ〜ｄ）の一部を形成するフィーダ（１５２）と、
第１の誘電体層（１２２）と、
前記第１及び第２のアンテナ素子で共通に使用されるスロット（１５１）を有する接地面（１１４）と、
第２の誘電体（１２５）と、
前記第２のアンテナ素子（１４２ａ〜ｄ）の一部をなす導電性のパッチ素子（１４２）とを備えており、
前記パッチ素子（１４２）内に前記開口（１４１）が設けられており、
該パッチ素子（１４２）は、前記接地面（１１４）と前記第１の誘電層（１２２）により隔てられ、
前記フィーダ（１５２）は、前記スロット（１５１）と前記第２の誘電層（１２５）により隔てられ、
前記接地面（１１４）は、該前記第１の誘電層（１２２）と前記第２の誘電層（１２５）との間に配置され、
前記スロット（１５１）は前記開口（１４１）の真下に位置するように配置され、
該開口（１４１）の長手方向が前記パッチ素子（１４２）の偏波方向と平行であり、前記第１及び第２のビーム幅が７０度よりも広いことを特徴とするアンテナ。 - 前記パッチ素子の短辺側が互いに対向していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のアンテナ。
- アンテナ（１８０）内の複数のアンテナユニット（１４０ａ〜ｄ）が、該アンテナ（１８０）の長手軸に対して所定の角度で傾けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のアンテナ。
- アンテナ（１８０）内の複数のアンテナユニット（１４０ａ〜ｄ）が、該アンテナ（１８０）の長手軸に対して４５度傾けられていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のアンテナ。
- 各アンテナユニットについて、前記開口の幅が前記スロットの幅と実質的に等しいことを特徴とする請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項に記載のアンテナ。
- 前記開口（１４１）の対称軸と前記スロット（１５１）の対称軸のそれぞれが、前記接地面（１１４）に対して垂直な平面内に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれか１項に記載のアンテナ。
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