JP4262154B2 - 偏波共用アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、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し、例えば、垂直偏波および水平偏波のような２つの直交する偏波を独立に送受信して、ダイバーシチ効果を得ることができる偏波共用アンテナ装置に関するものである。

近年、移動通信システム用基地局アンテナ装置は、受信効率の向上と簡易化のために、偏波ダイバーシチ方式を採用することが一般的となっている。
この偏波ダイバーシチ方式の基地局アンテナ装置として、加入者容量を上げるためにアンテナに指向性を持たせてセクタ化したものが提案されている。
このアンテナ装置は、誘電体基板上に構成されたスロットアンテナに無給電素子を付加した水平偏波アンテナと、水平偏波アンテナの両側に配置される２面合成したダイポールアンテナからなる垂直偏波アンテナと、を備え、これらを１枚の反射板上に配置した構成を有する。(例えば、特許文献1参照)。
このアンテナ装置によれば、水平面指向性における垂直偏波ビーム幅と水平偏波のビーム幅とを同一にすることが可能であるので、セクタ化した送受信エリアを垂直偏波と水平偏波とで等しく形成することができる。

特開２００２−２４６８３４号公報

しかしながら、上記従来例のアンテナ装置は、構造が複雑で、かつ製造コストが高いという問題点があった。
本発明の目的は、このような状況に鑑み、構造を複雑化することなく垂直偏波および水平偏波の水平面におけるビーム幅を調整することができる偏波共用アンテナ装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る偏波共用アンテナ装置は、表面に地導体面が形成された誘電体基板と、前記地導体面に形成され、垂直偏波用スロット部に水平偏波用スロット部を交差させた構成を有する十字形給電スロットと、前記垂直偏波用スロット部に給電するために前記誘電体基板の裏面に形成された垂直偏波給電線路と、前記水平偏波用スロット部に給電するために前記誘電体基板の裏面に形成された水平偏波給電線路と、前記十字形給電スロットに対向するように前記誘電体基板の表面前方に配設された金属板からなる無給電素子と、を備えている。前記無給電素子は、前記水平偏波用スロット部の長手軸線に沿うラインを中心として２分割され、かつ、個々の分割体を高周波結合するために、それらの分割体の隣接する縁部をそれぞれ直角に折り曲げることによって形成された結合部を備えている。

この偏波共用アンテナ装置は、前記十字形給電スロットを同一の誘電体基板上で水平方向または垂直方向に複数配列するとともに、これらの給電スロットに対して前記無給電素子を個別に対向配置することによって、アレーアンテナ構造を持たせることが可能である。

また、本発明は、別の構成の無給電素子を備える偏波共用アンテナ装置も提供する。このアンテナ装置の無給電素子は、前記垂直偏波用スロット部の長手軸線に沿うラインおよび前記水平偏波用スロット部の長手軸線に沿うラインを中心として４分割され、かつ、個々の分割体を高周波結合するために、それらの分割体の隣接する縁部をそれぞれ直角に折り曲げることによって形成された結合部を備えている。

この偏波共用アンテナ装置も、前記十字形給電スロットを同一の誘電体基板上で水平方向または垂直方向に複数配列するとともに、これらの給電スロットに対して前記無給電素子を個別に対向配置することによって、アレーアンテナ構造を持たせることが可能である。

前記各偏波共用アンテナ装置における前記垂直偏波用スロット部および水平偏波用スロット部は、それぞれ２つの等脚台形の短辺相互を同一面内で結合した形状を有するように形成することができる。

前記各偏波共用アンテナ装置は、前記誘電体基板の裏面後方に反射板を配設しても良い。この場合、水平方向のビーム幅を調整するために、この反射板における前記水平偏波用スロット部に沿う両端部に前記誘電体基版側に向う立ち上げ部を形成することができる。

本発明に係る偏波共用アンテナ装置によれば、分割構造の無給電素子を備えるので、垂直偏波および水平偏波の水平面におけるビーム幅を構造を複雑化することなく容易に調整することができる。それゆえ、特に移動通信の基地局に使用するアンテナ装置として好適である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。
図１は、垂直偏波および水平偏波を放射するように構成された本発明に係る偏波共用アンテナ装置の実施形態を示す斜視図である。
図１において、誘電体基板１０の表面中央部には、十字形の給電スロット２０が設けられ、また、誘電体基板１０の裏面には、垂直偏波給電線路３０および水平偏波給電線路４０が設けられている。

上記十字形給電スロット２０は、互いに直交する垂直偏波用スロット部２１と水平偏波用スロット部２２とで構成され、点対称な形状を有している。この給電スロット２０は、誘電体基板１０の表面に着設された金属箔１１を切り抜くことによって形成することができる。なお、上記金属箔１１は、地導体面を構成している。
垂直偏波用スロット部２１と水平偏波用スロット部２２は、それぞれその中心部から両端部に向かってテーパ状に拡がる形状、換言すれば、２つの等脚台形の短辺相互を同一面内で結合した形状を有する。そして、この垂直偏波用スロット部２１と水平偏波用スロット部２２は、例えばその長手方向長が使用周波数の波長λの約１／２に設定されるともに、その最大幅長（上記等脚台形の長辺の長さ）が上記波長λの約１／１０に設定される。

上記給電線路３０，４０は、帯状の金属箔からなり、給電スロット２０の中心点Ｐ（給電点）を通って誘電体基板１０に直交する軸線Ｌ上で上記垂直偏波用スロット部２１および水平偏波用スロット部２２と直交している。この給電線路３０および４０は、それぞれ垂直偏波および水平偏波を励振するために設けられている。
上記給電線路３０，４０は、上記軸線Ｌ上で交差するので、その交差部位で相互が接触するのを回避する必要がある。そこで、この実施の形態では、図２に示すように、上記交差部位で一方の給電線路４０を他方の給電線路３０上に迂回させて、両者の接触を回避している。

誘電体基板１０の表面前方には、金属板からなる無給電素子５０が対向配設されている。この無給電素子５０は、誘電体基板１０に平行し、かつ上記軸線Ｌ上にその中心が位置するように、図示していない支持手段によって誘電体基板１０等に支持されている。
無給電素子５０の一辺の基準長さは、上記使用周波数の波長λの約１／２に設定され、また、無給電素子５０から誘電体基板１０に至る距離は、例えば上記波長λの約１／４に設定される。

無給電素子５０は、１枚の金属板をラインｍに沿って２分割し、これによって形成された等面積の分割体５３の隣接縁部を誘電体基板１０とは反対の側にそれぞれ直角に折り曲げた構成を有している。折り曲げ部５１，５１は、平行板からなる結合部５２を構成し、この結合部５２によって各分割体５３，５３が高周波的に結合される。
この無給電素子５０は、結合部５２が上記水平偏波用スロット部２２の長手軸線に沿って位置するように配設される。

誘電体基板１０の裏面後方には、後方への放射を抑制する目的で、金属板からなる反射板６０が配設されている。この反射板６０は、上記水平偏波用スロット部２２に沿った各端部をそれぞれ誘電体基板１０側に向かって直角に折り曲げることによって立ち上げ部６１，６１を形成している。これらの立ち上げ部６１は、水平面指向性のビーム幅を調整する役割を担っている。なお、反射板６０と誘電体基板１０の間隔は、良好な後方放射抑制作用が得られるよう、適宜に設定される。

ここで、上記２分割構造の無給電素子５０に代えて、分割構造を有していない一枚板構造の無給電素子（図示せず）を使用した場合について考察する。
上記金属箔１１からなる地導体面が十分広い場合、一般的に水平面指向性における垂直偏波のビーム幅が水平偏波のビーム幅よりも広くなる傾向を示す。すなわち、たとえば、図３（ａ）に示すように垂直偏波のビーム幅が７７°である場合、図３（ｂ）に示すように水平偏波のビーム幅は例えば６３°になる。

垂直偏波と水平偏波の水平面ビーム幅を同一にするために、垂直偏波のビーム幅を狭くすることを考える。
垂直偏波のビーム幅を狭くする第1の手段として、無給電素子の水平方向の幅（垂直偏波用スロット部２１の長手方向に沿った幅）を広げる方法がある。しかし、この方法では、水平偏波の共振長が大きくなって水平偏波の共振周波数が低い方へずれるため、垂直偏波と水平偏波の共振周波数が異なってしまうという間題が発生する。
垂直偏波のビーム幅を狭くする第２の手段として、反射板６０の立ち上げ部６１の高さを増す方法がある。しかし、この方法では、水平偏波のビーム幅にも影響を与えるので、垂直偏波と水平偏波のビーム幅を等しくするように調整することが困難となる。

このように、一枚板構造の無給電素子を使用した場合には、図３（ａ）の水平面指向性における垂直偏波のビーム幅と図３（ｂ）の水平面指向性における水平偏波のビーム幅を同一に調整することが困難である。

これに対して、上記分割構造の無給電素子５０を備えた本発明に係るアンテナ装置においては、該無給電素子５０の形状を調整することによって水平面におけるビーム幅を容易に調整することが可能である。
以下、水平面における垂直偏波のビーム幅７７°と水平偏波のビーム幅６３°を共に約６０°に調整する例を説明する。
まず、垂直偏波のビーム幅を狭くするために、無給電素子５０の水平方向の幅（垂直偏波用スロット部２１の長手方向に沿った幅）を広げる。つまり、無給電素子５０の両側端５４，５４をそれぞれ延長する。垂直偏波の放射に寄与する電流波源は、上記無給電素子５０の両側端５４，５４に集中している。したがって、上記のように両側端５４，５４の間隔を広げることにより、垂直偏波のビーム幅を狭くすることができる。

上記のように両側端５４，５４の間隔を広げると、前記したように水平偏波の共振長が大きくなるので、該水平偏波の共振周波数が低い方へ移動することになる。しかし、上記無給電素子５０によれば、この水平偏波の共振周波数の変化を補正することができる。
すなわち、平行板で形成される前記結合部５２の間隔と結合面積は、上記水平偏波の共振周波数に影響を与える。そこで、結合部５２の間隔と結合面積のいずれか一方もしくは双方を調整することによって、共振周波数を適正な値へ戻すことができる。

例えば、前記折り曲げ部５１，５１で構成された平行板の高さ（曲げ部５１，５１の高さ）を減少して結合部５２の結合面積を縮小すれば、水平偏波の共振周波数は高い方へ移動する。そこで、上記結合面積を縮小することによって共振周波数を適正な値へ戻すことができる。
このとき、水平偏波の水平面でのビーム幅はほとんど変化しない。すなわち、上記のように無給電素子５０の形状を変化させても、実質上、水平偏波のビーム幅に影響を与えない。
水平偏波のビーム幅は、前記反射板６０の立ち上げ部６１の高さで調整することができる。したがって、この立ち上げ部６１の高さもビーム幅の調整用要素として加えることにより、垂直偏波および水平偏波の水平面指向性におけるビーム幅の調整がさらに容易となる。

図４は、ビーム幅の調整を実施した後の水平面指向性を例示したものである。図４（ａ）に示すように、垂直偏波のビーム幅は図３（ａ）に示した７７°から６３°まで狭められている。また、図４（ｂ）に示すように、水平偏波のビーム幅は６２°であるので、図３（ｂ）に示した６３°からほとんど変化していない。なお、図示していないが、共振周波数に関してはビーム幅の調整を行う前後でほとんど変化していないことが確認された。
このように、この実施形態に係る偏波共用アンテナ装置によれば、簡易な構成にもかかわらず垂直偏波のビーム幅と水平偏波のビーム幅をほぼ等しくすることができる。

図１に示す無給電素子５０では、前記折り曲げ部５１，５１で形成された平行板によって結合部５２を構成している。しかし、分割構造の無給電素子における結合部は、上記のような構造に限定されず、水平偏波の共振周波数を調整できる構造であれば種々のものを採用することができる。

図５は、２分割構造の無給電素子の他の例を示している。この無給電素子７０は、平板状の２つの分割体７１，７１の一部を重ね合わせることによって結合部７２を形成している。この無給電素子７０によれば、分割体７１，７１の重ね合わせ部分の面積が結合部７２の結合面積になるので、分割体７１，７１の重なり量を変化させることによって水平偏波の共振周波数を調整することができる。

図６は、２分割構造の無給電素子の更に別の例を示している。この無給電素子８０は、平板状の２つの分割体８１，８１を併置し、これらの分割体８１，８１の隣接縁部に跨るように平板状の結合素子８２を重ね合わせることによって結合部８３を形成している。この無給電素子８０によれば、結合素子８２の重ね合わせ部分の面積が結合部８３の結合面積になるので、結合素子８２の面積を変化させることによって水平偏波の共振周波数を調整することができる。

図７は、４分割構造の無給電素子を示している。この無給電素子９０は、直交するラインｍ、ｎによって等分割された４つの分割体９１を備え、これらの分割体９１の隣接縁部を図１に示す誘電体基板１０とは反対の側にそれぞれ直角に折り曲げた構成を有している。
折り曲げ部９２，９２は、平行板からなる結合部９３を構成し、この結合部９３によって各分割体９１，９１が高周波的に結合される。

この無給電素子９０は、分割ラインｍおよびｎがそれぞれ図１に示した水平偏波用スロット部２２および垂直偏波用スロット部２１の長手軸線に沿うように配設される。
この無給電素子９０によれば、分割ラインｍに沿った結合部９３の結合面積および／または結合間隔の変化によって水平偏波の共振周波数を調整することができ、また、分割ラインｎに沿った結合部９３の結合面積および／または結合間隔の変化によって垂直偏波の共振周波数を調整することができる。それゆえ、垂直偏波のビーム幅および水平偏波のビーム幅の調整の自由度が一層高められる。

図８は、アレーアンテナ構造を有する本発明に係る偏波共用アンテナ装置の他の実施形態を示している。このアンテナ装置は、図１に示す誘電体基板１０を２個連接した形状の誘電体基板１００と、図１に示す反射板６０を２個連接した形状を有する反射板６００とを有している。誘電体基板１００の表面に設けられた地導体面１１０には、前記給電スロット２０が２個配列形成され、かつ各給電スロット２０の前方には、それぞれ前記無給電素子５０が対向配設されている。なお、符号６１０は、反射板６００の立ち上げ部を示している。

この偏波共用アンテナ装置では、誘電体基板１００の裏面に形成されたトーナメント形式の垂直偏波給電線路３００および水平偏波給電線路４００によって各スロット２０が同時励振される。
このアレーアンテナ構造を有する偏波共用アンテナ装置は、特に移動体通信用の基地局アンテナとして好適である。

なお、給電スロット２０が更に多くの個数配列するように構成することも可能である。また、上記の例では、給電スロット２０を垂直方向に配列させているが、該給電スロット２０が水平方向に複数個配列するように構成しても良い。更に、無給電素子５０に代えて、図５、図６および図７に示した無給電素子７０、８０および９０を使用することも可能である。

本発明に係る偏波共用アンテナ装置は、例えば、移動体通信用の偏波共用アンテナ装置として適用することができる。このアレーアンテナ装置は、水平面指向性におけるビーム幅を垂直偏波と水平偏波とで同一にすることが可能であるので、セクタ化した送受信エリアを垂直偏波と水平偏波とで等しく形成することができる。しかも、構造が簡単であるので、製造の容易化とコストの低減を図ることができる。

本発明に係る偏波共用アンテナ装置の実施形態を示す斜視図である。 給電線路の迂回構造を示す斜視図である。 （ａ）は垂直偏波のビーム幅を示す水平面指向性図、（ｂ）は水平偏波のビーム幅を示す水平面指向性図である。いずれも、ビーム幅の調整前の指向性図である。 （ａ）は垂直偏波のビーム幅を示す水平面指向性図、（ｂ）は水平偏波のビーム幅を示す水平面指向性図である。いずれも、ビーム幅の調整後の指向性図である。 無給電素子の他の構成例を示す斜視図である。 無給電素子の別の構成例を示す斜視図である。 無給電素子の更に別の構成例を示す斜視図である。 アレーアンテナ構造を有する本発明に係る偏波共用アンテナ装置の他の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１０，１００ 誘電体基板
１１ 金属箔
２０ 給電スロット
２１ 垂直偏波用スロット部
２２ 水平偏波用スロット部
３０ 垂直偏波給電線路
４０ 水平偏波給電線路
５０，８０，９０ 無給電素子
５３，８１，９１ 分割体
５２，７２，８３，９３ 結合部
６０，６００ 反射板
６１，６１０ 立ち上げ部

Claims (6)

1. 表面に地導体面が形成された誘電体基板と、
   前記地導体面に形成され、垂直偏波用スロット部に水平偏波用スロット部を交差させた構成を有する十字形給電スロットと、
   前記垂直偏波用スロット部に給電するために前記誘電体基板の裏面に形成された垂直偏波給電線路と、
   前記水平偏波用スロット部に給電するために前記誘電体基板の裏面に形成された水平偏波給電線路と、
   前記十字形給電スロットに対向するように前記誘電体基板の表面前方に配設された金属板からなる無給電素子と、を備え、
   前記無給電素子は、前記水平偏波用スロット部の長手軸線に沿うラインを中心として２分割され、かつ、個々の分割体を高周波結合するために、それらの分割体の隣接する縁部をそれぞれ直角に折り曲げることによって形成された結合部を備えることを特徴とする偏波共用アンテナ装置。
2. 前記十字形給電スロットを同一の誘電体基板上で水平方向または垂直方向に複数配列するとともに、これらの給電スロットに対して前記無給電素子を個別に対向配置して、アレーアンテナ構造を持たせたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 表面に地導体面が形成された誘電体基板と、
   前記地導体面に形成され、垂直偏波用スロット部に水平偏波用スロット部を交差させた構成を有する十字形給電スロットと、
   前記垂直偏波用スロット部に給電するために前記誘電体基板の裏面に形成された垂直偏波給電線路と、
   前記水平偏波用スロット部に給電するために前記誘電体基板の裏面に形成された水平偏波給電線路と、
   前記十字形給電スロットに対向するように前記誘電体基板の表面前方に配設された金属板からなる無給電素子と、を備え、
   前記無給電素子は、前記垂直偏波用スロット部の長手軸線に沿うラインおよび前記水平偏波用スロット部の長手軸線に沿うラインを中心として４分割され、かつ、個々の分割体を高周波結合するために、それらの分割体の隣接する縁部をそれぞれ直角に折り曲げることによって形成された結合部を備えることを特徴とする偏波共用アンテナ装置。
4. 前記十字形給電スロットを同一の誘電体基板上で水平方向または垂直方向に複数配列するとともに、これらの給電スロットに対して前記無給電素子を個別に対向配置して、アレーアンテナ構造を持たせたことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記垂直偏波用スロット部および水平偏波用スロット部は、それぞれ２つの等脚台形の短辺相互を同一面内で結合した形状を有することを特徴とする請求項１または３に記載の偏波共用アンテナ装置。
6. 前記誘電体基板の裏面後方に反射板を配設したことを特徴とする請求項１または３に記載の偏波共用アンテナ装置。

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