JP4288423B2 - 基地局アンテナ - Google Patents

Description

本発明は基地局アンテナに関し、特に移動体通信システムに用いられる携帯電話用の基地局アンテナの直下方向へのアンテナ利得の向上に関する。

従来、この種の携帯電話用の基地局アンテナにおいては、垂直方向に複数の放射素子を配列して構成し、それらの放射素子を概ね同位相で給電している（例えば、特許文献１参照）。

従来の基地局アンテナでは、図９に示すように、通常、ほぼ水平方向に電界を最大となるように設計し、その放射パターン特性は図１０に示すようになる。図９において、１はアンテナ部、２はレドーム、３はサポート部、４はＵボルト、５はポール、７は同軸ケーブルをそれぞれ示している。

図１０には従来の基地局アンテナの仰角面の放射パターンを示している。横軸は仰角面の角度を示しており、０度が水平方向、＋９０度が天頂方向、−９０度が真下方向を示している。縦軸は、アンテナ利得を示しており、その値が大きいほど、放射電界は強くなる。

従来の基地局アンテナでは、通常、ほぼ水平方向、すなわち、概ね０度方向で電界が最大となるように設計されている。また、従来の基地局アンテナでは、水平よりやや下側方向で、電界が極端に低下しないような放射パターンになるように設計されている。図１０においても、０度から−９０度方向の利得で徐々に利得が下がるような包絡線となっている。

しかしながら、上記のような設計をすると、真下方向、すなわち、−９０度方向の利得は極端に低下する。図１０においても、−９０度方向の利得は、ピーク利得から−２０〜−３０ｄＢ低くなり、非常に小さくなっている。逆に、この種の設計においては、＋９０度の天頂方向では、比較的大きなグレーティングローブが発生するのが普通である。図１０でも、−１０〜−２０ｄＢのグレーティングローブとなっている。

図１１は従来の基地局アンテナの放射ビームを示している。通常、基地局アンテナ５１は高いビル５０の上に設置される。基地局アンテナ５１の主ビーム方向は、概ね水平方向であり、図１１に示す主ビーム５２のようになる。

この時、従来の基地局アンテナ５１では、図１０における真下方向、すなわち、−９０度方向の利得が非常に小さかったため、図１１のアンテナ直下ビームは存在しないことになる。このことは、基地局アンテナ５１の直下の領域において電波がいきとどかないため、この直下の領域では、携帯電話機（図示せず）がつながりにくくなり、不感地帯となることが多い。

特開平９−２０５３２２号公報

上述した従来の基地局アンテナでは、横方向のアンテナ利得が高いが、直下方向のアンテナ利得が非常に小さいため、都心部において、高層ビルの屋上に設置されるような場合に、その直下のビルの根元付近のエリアで通信に必要な電界強度が得られにくく、携帯電話がつながりにくいという問題がある。

そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、直下付近でも通信に必要な電界強度を得ることができ、携帯電話機が良好につながるようにすることができる基地局アンテナを提供することにある。

本発明による基地局アンテナは、垂直方向に配列して並べられかつ概ね水平方向で電界が最大となるように主ビームを放射する複数の放射素子と、前記の複数の放射素子を支える支持部と、前記複数の放射素子及び前記支持部を覆うレドームとからなる基地局アンテナであって、
導体からなりかつ前記複数の放射素子から放射される電波のうちの当該支持部の天頂方向で発生するグレーティングローブを反射して当該支持部の直下方向へと照射する反射板を備え、
前記反射板を、前記複数の放射素子から放射される主ビームの放射方向以外の前記天頂方向に配置したことを特徴とする。

すなわち、本発明の基地局アンテナは、垂直方向に配列して並べられた複数の放射素子と、これら複数の放射素子を支える支持部と、複数の放射素子と支持部とを覆うレドームとから構成され、レドームの上部面の下側または上側に、平板状、円錐状、任意の曲面を有する導体の反射板を具備している。

本発明の基地局アンテナでは、上記の導体の反射板が、上述した直下方向のアンテナ利得が非常に小さいという欠点を解決し、都心部において、高層ビルの屋上に設置されても、直下のビルの根元付近のエリアで、通信に必要な電界強度を得ることが可能となり、携帯電話機がつながりやすくなる。

これは、垂直方向に配列して並べられた複数の放射素子から放射される合成電界の天頂方向に放射せれる成分が反射板で反射され、直下の方向に放射されるためである。

本発明は、以下に述べるような構成及び動作とすることで、直下付近でも通信に必要な電界強度を得ることができ、携帯電話機が良好につながるようにすることができるという効果が得られる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例による基地局アンテナの断面図である。図１において、本発明の第１の実施例による基地局アンテナは垂直方向に配列された複数の放射素子７と支持部８とからなるアンテナ部１と、アンテナ部１の全体をカバーするレドーム２と、レドーム２の上部内壁に付加された導体からなる反射板１０と、アンテナ部１及びレドーム２を支えるサポート３とから構成されている。また、アンテナ部１に給電するために、通常、同軸ケーブル６が下側から接続される。図１において、Ｕボルト４はアンテナ部１をポール５に設置するための取付金具である。

反射板１０はアルミニウムやステンレス等の導体で構成されるが、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）等の誘電体にアルミ等の蒸着やメッキを施した部材を用いても有効である。また、反射板１０としては金属の網状または格子状のネットを用いてもよい。

さらに、反射板１０はレドーム２の上部内壁に付加されているが、これは、レドーム２がＦＲＰの場合、埋め込んでしまってもいいし、接着剤で貼り付けたり、ボルトやネジで固定してもよい。

反射板１０の形状としては、図１において円錐を逆さまにした形状としている。しかしながら、反射板１０の形状としてはいろいろな形状が可能であり、これについては後述する。

図２は本発明の第２の実施例による基地局アンテナの断面図である。図２において、導体からなる反射板１１はアンテナ部１の上部に取り付けられている。また、反射板１１の形状は横からみると平板状であり、厚さは任意である。さらに反射板１１の上から見た形状は、通常、円形であるが、楕円形、四角形等の任意の形状としても、特に問題はない。

図３は本発明の第３の実施例による基地局アンテナの断面図である。図３（ａ），（ｂ）のいずれも、導体からなる反射板１２，１３がレドーム２の上側に固定されている。反射板１２，１３の固定の方法としては、上述した本発明の第１の実施例と同様に、レドーム２がＦＲＰの場合、埋め込んでしまってもいいし、接着剤で貼り付けたり、ボルトやネジで固定してもよい。

反射板１２，１３の形状は横からみると平板状であり、厚さは任意である。また、反射板１２，１３の上から見た形状は、通常、円形であるが、楕円形、四角形等の任意の形状としても、特に問題はない

反射板１２，１３については、アルミニウムやステンレス等の導体で構成しているが、ＦＲＰ等の誘電体にアルミ等の蒸着やメッキを施した部材を用いても有効である。さらに、反射板１２，１３としては、金属の網状または格子状のネットを用いてもよい。

図３（ａ）に示す反射板１２と図３（ｂ）に示す反射板１３との違いは、主にその大きさである。図３（ａ）に示す反射板１２は、その大きさがレドーム２の上部に対して同等または小さくなっているが、図３（ｂ）に示す反射板１３は、その大きさがレドーム２の上部より大きくなっている。

図４は本発明の第４の実施例による基地局アンテナの断面図である。図４（ａ）は、図３（ｂ）と同様に、導体からなる反射板１４がレドーム２の上側に固定されている。反射板１４の固定の方法としては、図１に示す本発明の第１の実施例と同様に、レドーム２がＦＲＰの場合、埋め込んでしまってもいいし、接着剤で貼り付けたり、ボルトやネジで固定してもよい。

本発明の第４の実施例による基地局アンテナの図３（ｂ）に示す基地局アンテナとの違いは、反射板１４の形状が、円錐の先端部を平坦にカットし、逆さまにした形状としていることである。

図４（ｂ），（ｃ）に示す基地局アンテナは、円錐状の反射板１６をレドーム２の上側に配置した構造である。図４（ｂ）に示す基地局アンテナと図４（ｃ）に示す基地局アンテナとの違いは、図４（ｂ）において、反射板１６に独立のレドーム１５を覆い被せていることである。

これは、図４（ｃ）に示す構造では、反射板１６を固定するのに強度が不足する場合、図４（ｂ）に示すように、レドーム１５によって取り付け強度を向上させる試みである。

図５は本発明の基地局アンテナに用いる反射板の形状例を示す図である。反射板の形状は原則として任意であるが、図５（ａ−１），（ａ−２），（ｂ−１），（ｂ−２），（ｃ−１），（ｃ−２），（ｄ−１），（ｄ−２）にそれぞれ示すような形状が比較的よく用いられる。図５（ａ−１）〜（ｄ−１）は横から見た図であり、図５（ａ−２）〜（ｄ−２）は斜視図である。

図５（ａ−１），（ａ−２）においては、円錐状の形状の反射板を示している。図５（ｂ−１），（ｂ−２）においては、回転双曲面や通常の２次または３次の回転対称な曲面を用いる形状の反射板を示している。

図５（ｃ−１），（ｃ−２）においては、図５（ａ−１），（ａ−２）に示す円錐形状の先端を平らにした形状の反射板を示している。図５（ｄ−１），（ｄ−２）においては、平たい円板状の形状の反射板を示している。

図６は本発明の基地局アンテナの動作原理を示す図である。図６において、アンテナ部１から放射される電波のうち、上方への電波３０は、反射板１０に反射されて反射波３１となって下方へと照射される。この反射波３１は基地局アンテナの直下の方向に照射される。したがって、基地局アンテナの直下の領域でも、電波が良好に照射されるので、携帯電話機（図示せず）の接続の度合いが良好となる。

このことを従来の基地局アンテナの場合と比較して説明すると、以下のようになる。すなわち、従来の基地局アンテナを図９に示す。従来の基地局アンテナは、図１に示す本発明の第１の実施例による基地局アンテナと比較すると、反射板１０がない点だけが異なる。

図９に示すような従来の基地局アンテナでは、通常、ほぼ水平方向に電界を最大となるように設計し、その放射パターン特性が図１０に示すようになる。図１０は従来の基地局アンテナの仰角面の放射パターンを示している。横軸は仰角面の角度を示しており、０度が水平方向、＋９０度が天頂方向、−９０度が真下方向を示している。縦軸は、アンテナ利得を示しており、その値が大きいほど、放射電界が強くなる。

従来の基地局アンテナでは、通常、ほぼ水平方向、すなわち、概ね０度方向で電界が最大となるように設計され、かつ水平よりやや下側方向で、電界が極端に低下しないような放射パターンになるように設計されている。図１０においても、０度から−９０度方向の利得で徐々に利得が下がるような包絡線となっている。

しかしながら、上記のような設計を行うと、真下方向、すなわち、−９０度方向のアンテナ利得が極端に低下する。図１０においても、−９０度方向の利得がピーク利得から−２０〜−３０ｄＢ低くなり、非常に小さくなっている。逆に、この種の設計においては、＋９０度の天頂方向では、比較的大きなグレーティングローブが発生するのが普通である。図１０でも、−１０〜−２０ｄＢのグレーティングローブとなっている。

図１１は従来の基地局アンテナの放射ビームを示している。図１１において、通常、基地局アンテナ５１は、高いビル５０の上に設置される。基地局５１の主ビーム方向は、概ね水平方向であり、図１１に示す主ビーム５２のようになる。この時、従来の基地局アンテナでは、図１０において真下方向、すなわち、−９０度方向の利得が非常に小さかったため、図１１に示すように、アンテナ直下ビームが存在しないことになる（図１１ではアンテナ直下ビーム５３を破線で示す）。

そのため、従来の基地局アンテナでは、アンテナ直下の領域において、電波がいきとどかないため、この直下の領域で携帯電話がつながりにくくなり、不感地帯となることが多い。しかしながら、図６に示すように、反射板１０を付加することで、反射波３１によってアンテナ直下方向に電波が照射されるようになる。

図７は本発明の基地局アンテナの放射パターンを示す図である。図７においては、図１０と同様に、横軸が仰角面の角度を示し、縦軸がアンテナ利得を示している。また、図７においては、図１０と同様に、通常、ほぼ水平方向、すなわち、概ね０度方向で電界が最大となるように設計されているが、反射板１０が存在するために、−９０度周辺の利得が上昇している。

これは、図７において、＋９０度方向のグレーティングローブが、図６の反射板１０に反射され、反射波３１となって真下方向に照射されるため、図７のー９０度方向の利得が改善されたことを示している。

図８は本発明の基地局アンテナの放射ビームを示す図である。図８において、高いビル５０の上に設置された基地局アンテナ５１の主ビーム方向は、概ね水平方向であり、図８に示す主ビーム５２のようになる。

この場合、基地局アンテナ５１の真下方向、すなわち、−９０度方向においてはアンテナ直下ビーム５３が存在することになる。これは、図７における−９０度付近の利得が高くなった分が図８に示すアンテナ直下ビーム５３となって現れているものである。

上記のように、反射板１０の有無によって、図８と図１１とに示すように、アンテナ直下ビーム５３の有無の差が明確となり、反射板１０の存在によって、図８では図１１に示す不感地帯が解消されていることがわかる。

尚、反射板１０〜１４，１６の設置方法や形状については、図１〜図５に示しているが、それらのいずれも動作原理は同じである。特に、照射したい直下のエリアの調整のために、図５に示すいろいろな形状が有効である。

このように、本発明では、基地局アンテナのアンテナ部１の上部に導体の反射板１０〜１４，１６を付加することによって、基地局アンテナの直下方向におけるアンテナ利得を改善（増加）することができ、その基地局アンテナの直下付近でも、通信に必要な電界強度が得られるようになり、携帯電話機が良好につながるようになる。

尚、本発明では、従来のアンテナの放射パターンとして、図１０に示す放射パターン形状を基準として説明しているが、従来のアンテナの放射パターンが図１０に示す形状とかけはなれている場合においても、図６の動作原理に示すように、上方への電波３０は反射板１０によって、反射波３１となって下方向を照射することは変わりないので、本発明の有効性はかわらない。

本発明は、移動体通信システムの携帯電話用の基地局アンテナに適用可能かつ有効な技術であり、公衆用無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）用の基地局アンテナやホットスポット用の基地局アンテナにも適用可能かつ有効な技術である。

本発明の第１の実施例による基地局アンテナの断面図である。 本発明の第２の実施例による基地局アンテナの断面図である。 本発明の第３の実施例による基地局アンテナの断面図である。 本発明の第４の実施例による基地局アンテナの断面図である。 本発明の基地局アンテナに用いる反射板の形状例を示す図である。 本発明の基地局アンテナの動作原理を示す図である。 本発明の基地局アンテナの放射パターンを示す図である。 本発明の基地局アンテナの放射ビームを示す図である。 従来の基地局アンテナの断面図である。 従来の基地局アンテナの放射パターンを示す図である。 従来の基地局アンテナの放射ビームを示す図である。

符号の説明

１ アンテナ部
２，１５ レドーム
３ サポート部
４ Ｕボルト
５ ポール
６ 同軸ケーブル
７ 放射素子
８ 支持部、
１０〜１４，１６ 反射板
３０ 上方への電波
３１ 反射波
５０ ビル
５１ 基地局アンテナ
５２ 主ビーム
５３ アンテナ直下ビーム

Claims (8)

1. 垂直方向に配列して並べられかつ概ね水平方向で電界が最大となるように主ビームを放射する複数の放射素子と、前記の複数の放射素子を支える支持部と、前記複数の放射素子及び前記支持部を覆うレドームとからなる基地局アンテナであって、
   導体からなりかつ前記複数の放射素子から放射される電波のうちの当該支持部の天頂方向で発生するグレーティングローブを反射して当該支持部の直下方向へと照射する反射板を有し、
   前記反射板を、前記複数の放射素子から放射される主ビームの放射方向以外の前記天頂方向に配置したことを特徴とする基地局アンテナ。
2. 前記反射板は、前記レドームの上部面の裏側に配設されることを特徴とする請求項１記載の基地局アンテナ。
3. 前記反射板は、レドームの上部面の表側、すなわち上側に配置された請求項１記載の基地局アンテナ。
4. 前記反射板は、その形状が平坦な板状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか記載の基地局アンテナ。
5. 前記反射板は、その形状が円錐状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか記載の基地局アンテナ。
6. 前記反射板は、その形状において回転対称な双曲面カーブを持つことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか記載の基地局アンテナ。
7. 前記反射板は、その形状において断面が台形であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか記載の基地局アンテナ。
8. 前記反射板は、その形状が任意であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか記載の基地局アンテナ。

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