JP4309027B2

JP4309027B2 - Adaptive array antenna

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Publication number: JP4309027B2
Application number: JP2000193345A
Authority: JP
Inventors: 弘徳内田; 誠一本間
Original assignee: Maspro Denkoh Corp
Current assignee: Maspro Denkoh Corp
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2020-06-27
Also published as: JP2002016425A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アダプティブアレーアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１７（ａ），（ｂ）に、アダプティブアレーアンテナを構成する各アンテナ素子の従来の配列を示す。図１７（ａ）の配列は、支持マスト１０を中心とした直径ｄの円周上の４等分した位置にアンテナ素子Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１が立設された、いわゆる円形配列であり、一方、図１７（ｂ）の配列は、アンテナ素子Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２が、Ａ２−Ｂ２間及びＣ２−Ｄ２間の間隔ｄ、Ｂ２−Ｃ２間の間隔２ｄで１本の直線上に配置された、いわゆるブロードサイドアレー配列である。又、支持マスト１０はアンテナ素子Ｂ２，Ｃ２の中間に配置されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアダプティブアレーアンテナは、上記のように各アンテナ素子が配列されていたため、図１７（ａ）のように配列された場合、後方のアンテナ素子Ｃ１の放射角内に前方のアンテナ素子Ａ１或いは支持マスト１０が配置されてしまい、障害物となり、後方のアンテナ素子Ｃ１はその障害物を結ぶ延長線上の目標に対して能力を発揮することができず、全てのアンテナ素子を有効に利用できないため、アダプティブアレーアンテナとしての指向性や利得等の特性低下は避けられなかった。又、図１７（ｂ）のように、より少ない素子数で利得を大きくするためアンテナ素子Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２を正面方向に対して横一列に配置した場合には、取り付けスペースが大きくなるため、そのスペースの確保や工事が大掛かりになるし、これらアンテナ素子を支持固定する為の固定部材や支持マスト１０等についても強度が求められ大型化していた。
【０００４】
こうした問題に鑑み、本発明に係るアダプティブアレーアンテナは、小型で、設置が容易であると共に最適なアイソレーションも確保可能とすることを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、左右にアンテナ素子を２本立設して成る第１組のアンテナと、該第１組のアンテナの後方に前記第１組のアンテナより左右に広げて対称にアンテナ素子を２本立設して成る第２組のアンテナと、立設した４本の前記アンテナ素子を一定の位置関係に保たせる支持アームと、前記第２組のアンテナの中間或いはその後方に立設し、前記支持アームで配列された４本の前記アンテナ素子を使用エリアに指向性の向きを合わせて固定して、前記第１組のアンテナと前記第２組のアンテナの双方を支持する支持マストと、を有してなるアダプティブアレーアンテナであって、４本の前記アンテナ素子が、水平面の半値角が略９０°以下の指向性をそれぞれ持ち、前記支持アームが、第１組のアンテナのアンテナ素子間隔が、適用する電波の波長の略３倍であり、かつ、第２組のアンテナのアンテナ素子間隔が、適用する電波の波長の略９倍であり、さらに、前記第１組のアンテナの列と前記第２組のアンテナの列との間隔が、適用する電波の波長の略３倍である位置関係を保たせるように構成される。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１において、前記アンテナ素子が、棒状の１本の放射器と、該放射器後方の前記放射器を中心とした略同一半径上に一定間隔をおいて前記放射器と平行に配置した少なくとも１本の棒状の反射器とを有し、前記放射器及び前記反射器の少なくとも上下端部を支持具で支持して構成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係るアダプティブアレーアンテナの第１の実施形態を示し、（ａ）及び（ｂ）はその平面図及び正面図である。図１に示すように、本アダプティブアレーアンテナは、立設した４本のアンテナ素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを一定の位置関係に保たせる支持アーム１１，１２，１３，１４により、各アンテナ素子相互間で及ぼしあう電磁界の影響を調整し、素子相互間の電磁界の寄与の和からアンテナ全体の放射界を決定しており、支持アーム１１，１２，１３，１４で配列されたアンテナ素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが使用エリアに指向性の向きを合わせて固定される支持マスト１０と、放射電波の発生或いは受信等を制御する制御部３０とで構成される。アンテナ素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、支持マスト１０の上部で水平方向に突設された上下一組の支持アーム１１，１２，１３，１４の先端部に取付けられる。
【００１２】
又、図２は本発明に係るアダプティブアレーアンテナの第２の実施形態を示し、図２に示すように、左右に立設した一組のアンテナ素子Ｅ，Ｆを支持アーム１５，１６の先端で支持して、支持マスト１０で使用エリアに指向性の向きを合わせて固定し、放射電波の発生或いは受信等を制御する制御部３０とでアダプティブアレーアンテナを構成する。
【００１３】
次に、図３には、第１及び第２の実施形態のアダプティブアレーアンテナを構成するアンテナ素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ（以下、「各アンテナ素子」とする）の内、アンテナ素子Ｂ単体の外形を示し、（ａ）及び（ｂ）はその平面図及び正面図である。尚、他のアンテナ素子Ａ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは、アンテナ素子Ｂと同様に構成される。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、アンテナ素子Ｂは、線状アンテナのエレメントを、例えばガラス繊維強化プラスチックで形成した筒状のエレメント保護カバー２３で覆って構成した放射器５０の最下部にベース金具２５をはめ込み、放射器５０の後方に３本の反射器２４を配置させ、これらの上下を支持具２１により支持し形成される。そして、アンテナ素子Ｂは、支持アーム１２の先端部を支持具２１と当板２２とで挟み、ボルト２８とナット２９で締めつけて支持アーム１２に取付けられる。ここで、エレメント保護カバー２３に封入された線状アンテナは、半波長ダイポールアンテナをスリーブアンテナとして複数本積み重ねてカスケード接続されコリニアアレーを構成する。
【００１４】
又、図４には、図３で示した放射器５０と反射器２４との位置関係を示す。放射器５０の真後ろには反射器２４が１本配置され、その反射器２４の左右には放射器５０を中心として５５［°］回転した位置に反射器２４が各１本配置され、計３本の反射器２４が、適用する電波の波長をλとして、放射器５０から略λ／４の距離をおいて配置される。尚、ここでは、反射器２４は、放射器５０を中心とした半径略λ／４上に配置したが、放射器５０の位置を焦点とする放物線上に配置しても良い。
【００１５】
図３，４の構成による各アンテナ素子単体での垂直面指向性能図及び水平面指向性能図を図５（ａ）及び（ｂ）に示す。ここで、適用する電波は、ＰＨＳ（パーソナル・ハンディホン・システム）で使用する電波、すなわち１．９ＧＨｚ帯ＰＨＳの中心周波数ｆ₀＝１．９０６５５［ＧＨｚ］の垂直偏波とした。この時、波長λは約０．１５［ｍ］になる。よって、アンテナ長０．０７５［ｍ］とする半波長ダイポールアンテナをスリーブアンテナとして、これを２０本積み重ねてエレメント保護カバー２３に封入し、全長を約１．６［ｍ］とする放射器５０を構成し、その後方に３本の反射器２４を配置する位置関係をもって各アンテナ素子を構成した結果、各アンテナ素子単体では、図５（ａ）のように垂直面内において、利得１６［ｄＢｉ］の電波を半値角約６．５［°］の指向性で放射することが可能となる。さらに、図５（ｂ）のように水平面内においては、利得１６［ｄＢｉ］の電波を半値角約９０［°］の指向性で放射することが可能となる。
【００１６】
尚、放射器５０の後方に配置する反射器２４の本数は３本に限らず、本数を増減させて配置間隔の疎密を変えることにより目標方向に対する水平面の指向性の幅を調整することができる。また、エレメント保護カバー２３へ封入するスリーブアンテナの本数を変える事により、利得と垂直面内の半値角の調整ができる。つまり、本数を多くして放射器５０の全長を長くすれば、利得を大きくでき、半値角を小さく、指向性を鋭くできる。
【００１７】
このように、各アンテナ素子夫々の放射器５０及び反射器２４の両端は、支持具２１で支持されるため、片側のみの支持の様に、支持されていない開放端側が風雨等によって振動を起こすことが無く、放射器５０と反射器２４、反射器２４と他の反射器２４との間隔が変わる要因を排除することができるから、各アンテナ素子はもちろん、隣接するアンテナ素子相互での干渉による放射及び受信特性の劣化も抑えることができる。尚、放射器５０は複数のスリーブアンテナで構成されるので、放射器５０の中間の特性劣化を起こさない位置、例えば隣り合うスリーブアンテナの接続点が置かれる位置に、支持具２１を置いて、両端だけでなく中間でも固定すれば、放射及び受信特性の劣化につながる振動を防ぐと共に、各アンテナ素子の機械的強度をより高めることができる。
【００１８】
次に、第１の実施形態として示したアダプティブアレーアンテナのアンテナ素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと支持マスト１０の位置関係を図６に示し、並びに、第２の実施形態として示したアンテナ素子Ｅ，Ｆと支持マスト１０の位置関係を図７に示す。図６において、正面方向に対して左右に広げて配置されたアンテナ素子Ｂ，Ｃから成る後方の第２組のアンテナ４２は、その前方に配置されたアンテナ素子Ａ，Ｄから成る第１組のアンテナ４１の外側に左右に広げて配置される。又、
支持マスト１０は、第２組のアンテナ４２のアンテナ素子Ｂ，Ｃの中間に配置される。そして、図７においては、支持マスト１０は、正面方向に対して左右に広げて配置されたアンテナ素子Ｅ，Ｆから成るアンテナの組４３の中間に配置される。
【００１９】
この第１の実施形態では，アンテナ素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを第１組のアンテナ４１と第２組のアンテナ４２とで前後の２列にし、第２組のアンテナ４２を左右に広げることによって各アンテナ素子相互間のアイソレーションが適正な値を保つよう配置すれば、同様の素子間隔で４本のアンテナ素子を横一列に並べて配置する場合と比べ、左右方向への広がりを抑えることができ、アンテナ全体を小型化できる。さらに、アンテナ素子Ｂ，Ｃを支える支持アーム１２，１３を短くできるので、支持アーム１２，１３を初めとした支持マスト１０等のアンテナ素子支持部材全体の機械的強度を増すことができ、使用材料を減らすことができるから製造コストを減らすことができる。
【００２０】
又、第２の実施形態では、アンテナ素子Ｅ，Ｆから成るアンテナの組４３により、最小のアンテナ素子数でアダプティブアレーアンテナを構成することができ、小型及び軽量化を図ることができる。
【００２１】
そして、支持マスト１０は、第１，２組のアンテナ４１，４２又はアンテナの組４３を構成する各２本のアンテナ素子の左右対称軸上に配置されるので、左右方向の重量バランスが良くなるため、調整の手間を省くことができ、取付け作業が簡易になる。
【００２２】
隣接するアンテナ素子は所要の放射特性を得るため一定の間隔で配置する必要があるが、図８には、第３の実施形態として、第１の実施形態に係るアンテナ素子の間隔を適用される電波の波長で規定した時のアダプティブアレーアンテナの平面図を、図９には、第４の実施形態として、第２の実施形態に係るアンテナ素子の間隔を適用される電波の波長で規定した時のアダプティブアレーアンテナの平面図を示す。まず、図８に示した本発明に係る第３の実施形態では、半値角が例えば９０±５［°］の指向性を持つアンテナ素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを一定の位置関係に保たせる支持アーム１１，１２，１３，１４により、第１組のアンテナ４１のアンテナ素子Ａ，Ｄの間隔を適用される電波の波長λの略３倍とし、第２組のアンテナ４２のアンテナ素子Ｂ，Ｃの間隔を適用される電波の略９倍とし、第１組と第２組のアンテナ４１，４２の列の間隔を適用される電波の波長λの略３倍として各アンテナ素子間の間隔を規定し、支持マスト１０を第２組のアンテナ４２の中間に位置させる。
【００２３】
この第３の実施形態のようにアンテナ素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの間隔を規定して配置することによって、後方のアンテナ素子Ｂ，Ｃから放射される電波の半値角内に前方のアンテナ素子Ａ，Ｄ及び支持マスト１０が配置されることを無くすことができ、それらの障害物による放射特性の劣化を防ぐことが可能となる。
【００２４】
次に、図９（ａ）に示した本発明に係る第４の実施形態は、半値角が例えば９０±５［°］の指向性を持つアンテナ素子Ｅ，Ｆを一定の位置関係に保たせる支持アーム１５，１６により、アンテナの組４３のアンテナ素子Ｅ，Ｆの間隔を適用される電波の波長λの略３倍とし、支持マスト１０をアンテナ素子Ｅ，Ｆの中間軸上後方へ波長λの略３倍に位置させる。又、第４の実施形態では、図９（ｂ）に示すように、アンテナの組４３のアンテナ素子Ｅ，Ｆの間隔を適用される電波の波長λの略９倍とし、支持マスト１０をアンテナ素子Ｅ，Ｆの中間に位置させることも可能である。
【００２５】
この第４の実施形態のようにアンテナ素子Ｅ，Ｆの間隔を規定し配置することによって、アンテナ素子Ｅ，Ｆから放射される電波の半値角内に支持マスト１０が配置されることを無くすことができ、支持マスト１０による放射特性の劣化を防ぐことが可能となる。
【００２６】
図１０は、より具体的な実施の形態として、図８に示した本発明に係る第３の実施形態を周波数帯域１．８９３５［ＧＨｚ］〜１．９１９６［ＧＨｚ］のＰＨＳ基地局用アンテナに用いた場合のシステム構成図であり、この図を基に、ＰＨＳ端末２とＰＨＳ基地局４との通信動作について具体的に説明する。ＰＨＳ端末２に割り当てられた固有の識別符号を含んだ電波は、ＰＨＳ端末２からその通話開始操作により放射され、ＰＨＳ基地局用アンテナ１の、受信可能に動作電力の供給を受けている４本のアンテナ素子により受信されて通信が開始される。放射ビームの方向を変えるだけでなく、指向性の形をも変えることができるアダプティブアレーアンテナとして機能させるためには、個々のアンテナ素子に位相差を変えて電力を供給すると共に、個々のアンテナ素子に励振振幅を変えて電力を供給する必要があるが、本実施形態においては、その電力供給は、４本のアンテナ素子について時分割的に順番に電力供給可能とする制御部３０の制御により行われる。４本のアンテナ素子によって受信し伝送線を介して伝送されたＰＨＳ端末２の電波から各ＰＨＳ端末２の固有の識別符号を含んだ信号が制御部３０により取り出され、ＰＨＳ端末２は目標ＰＨＳ端末３として認識される。
【００２７】
この時、ＰＨＳ基地局４は、ＰＨＳ基地局４の４本のアンテナ素子の内いずれか１本のアンテナ素子から目標ＰＨＳ端末３への下り応答波を放射した時間と、目標ＰＨＳ端末３からＰＨＳ基地局４への上り応答波を受信するまでの時間との時間差から目標ＰＨＳ端末３との距離を計ることができ、同様に、他のアンテナ素子でも距離を算出して目標ＰＨＳ端末３の方向を求めることができる。そして、制御部３０は、４本のアンテナ素子全てについて各アンテナ素子毎に重み付けを時分割制御して電力を供給することにより、目標ＰＨＳ端末３に対して、最も良好なアンテナの放射特性の形を決定して、目標ＰＨＳ端末３は通信終了処理まで捕捉され通信可能となる。尚、アンテナ素子４本から成る第３の実施形態で構成するＰＨＳ基地局用アンテナ１は、アンテナ素子２本から成る第４の実施形態で構成するアダプティブアレーアンテナでも代替可能である。又、制御部３０の時分割制御及び複数の通話チャネルの割当てにより、複数個のＰＨＳ端末２を目標ＰＨＳ端末３として同時に捕捉通信可能である。
【００２８】
そして、本アダプティブアレーアンテナの設置される好適な場所としては、高速道路やテーマパーク等が挙げられる。つまり、ある一定の範囲内で移動する複数のＰＨＳ端末２との送受信について本アダプティブアレーアンテナの能力がより発揮される。又、このアダプティブアレーアンテナ４基を支持マスト１０から放射状外側４方向に向けて配置すれば、水平面全周方向をサービスエリアとするＰＨＳ基地局の実現も可能である。
【００２９】
次に、図１０に示すように、第３の実施形態をＰＨＳ基地局用アンテナ１として使用した時のアンテナ素子Ａ−Ｂ間，Ｂ−Ｄ間，Ｂ−Ｃ間，Ａ−Ｃ間，Ａ−Ｄ間及びＣ−Ｄ間アイソレーションの周波数特性の測定結果を図１１，１２，１３，１４，１５及び１６に示す。ここで、アンテナ素子Ａ−Ｄ間の間隔ＡＤは０．４５［ｍ］、アンテナ素子Ｂ−Ｃ間の間隔ＢＣは間隔ＡＤの３倍である１．３５［ｍ］、並びにアンテナ素子Ａ，Ｄ列とアンテナ素子Ｂ，Ｃ列との間隔ＡＤ列−ＢＣ列は０．４５［ｍ］である。又、支持マスト１０はアンテナ素子Ｂ，Ｃの中間に配置される。ここで、間隔ＡＤ＝間隔ＡＤ列−ＢＣ列≒０．４５［ｍ］は、１．９ＧＨｚ帯ＰＨＳの中心周波数から算出した波長λ≒０．１５［ｍ］を３倍した３λに対応するものであり、同様に間隔ＢＣ≒１．３５［ｍ］は９λに対応している。
【００３０】
ここで、図９に示した第４の実施形態をＰＨＳ基地局用アンテナ１として使用した場合には、アンテナ素子Ｅ−Ｆ間アイソレーションは、前述の図８に示した第３の実施形態をＰＨＳ基地局用アンテナ１として使用した時の、アンテナ素子Ａ−Ｄ間及びＢ−Ｃ間アイソレーションと同様の特性となることが分っており、図９（ａ）に示した配置の時は図１５に示したアンテナ素子Ａ−Ｄ間アイソレーションの特性結果と、又、図９（ｂ）に示した配置の時は図１３に示したアンテナ素子Ｂ−Ｃ間アイソレーションの特性結果とが夫々対応する。
【００３１】
尚、アンテナ素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの素子間隔は上述のように波長の整数倍で規定されているが、アンテナ素子を構成する部材の誘電率のバラツキ等により、目標とする中心周波数の設定値と、実際に励振される放射電波の中心周波数とは、異なる値になることが予想される。したがって、アンテナ素子間隔が目標中心周波数から導き出した波長の丁度整数倍になることは難しく、本実施の形態での素子間隔も、励振条件に応じた変位幅を持つ。
【００３２】
ところで、アダプティブアレーアンテナにおける、目標物に対する最大の指向性及び利得を得るための指標としてアンテナ素子間のアイソレーションがあるが、本実施の形態では、−５５〜−２５［ｄＢ］の範囲に含まれることがアンテナの放射特性を最適化するための望ましい値としてＰＨＳ基地局４の制御部３０の仕様により決められており、アンテナ素子の素子間隔は、アンテナ素子間のアイソレーションの変動に大きな影響を与える重要な要素である。よって、適正な素子間隔で各素子が配列されているか否かは、より高性能なアダプティブアレーアンテナを得るために必須の検討事項である。
【００３３】
図１１〜１６の結果から明らかなように、ＰＨＳの周波数帯域１．８９３５［ＧＨｚ］〜１．９１９６［ＧＨｚ］では、２本のアンテナ素子全ての組合せについて、そのアイソレーションは、−５５〜−２５［ｄＢ］の範囲内に含まれていることがわかる。このことにより、図８及び図９（ａ）、（ｂ）のような配列でアンテナ素子間隔を決定すれば、１．９ＧＨｚ帯ＰＨＳ基地局用アダプティブアレーアンテナとしての放射特性を適正に確保可能なより最適なアイソレーションを得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１の発明によれば、左右方向へのアンテナ素子配置の広がりを抑えることができるので、アンテナ全体を小型化できる。
加えて、支持マストは、第２組のアンテナの中間、或いは、その後方に立設されるので、左右方向の重量バランスが良いため設置が容易になり、又、放射特性の劣化につながる障害物を排除することができる。
加えて、４本の前記アンテナ素子は、水平面の半値角が略９０°以下の指向性をそれぞれ持ち、支持アームは、第１組のアンテナのアンテナ素子間隔が、適用する電波の波長の略３倍であり、かつ、第２組のアンテナのアンテナ素子間隔が、適用する電波の波長の略９倍であり、さらに、第１組のアンテナの列と前記第２組のアンテナの列との間隔が、適用する電波の波長の略３倍である位置関係を保たせるので、隣接するアンテナ素子等が相互の半値角内に配置されることが無いのでそれら障害物による放射特性の劣化を防止することができる。さらに、アダプティブアレーアンテナとして最適なアイソレーションを得ることができるので放射特性を適正に確保可能となり、より高性能なアダプティブアレーアンテナを得ることができる。
【００３９】
請求項２の発明によれば、請求項１の効果に加えて、放射器の両端はもちろん中間でも支持マストに固定できるので、風雨等により放射器や反射器の配置間隔が変化せず、放射特性の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアダプティブアレーアンテナの第１の実施形態を示し、（ａ）は本アンテナ外形の平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】本発明に係るアダプティブアレーアンテナの第２の実施形態を示し、（ａ）は本アンテナ外形の平面図、（ｂ）は正面図である。
【図３】第１或いは第２の実施形態のアダプティブアレーアンテナを構成するアンテナ素子単体の外形図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図４】本発明に係るアダプティブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の放射器と反射器との位置関係を示すアンテナ素子の平面図である。
【図５】（ａ）は図３，４の構成による各アンテナ素子単体での垂直面指向性能特性を示し、（ｂ）は水平面指向性能特性を示す。
【図６】第１の実施形態のアンテナ素子と支持マストの位置関係を示す。
【図７】第２の実施形態のアンテナ素子と支持マストの位置関係を示す。
【図８】第３の実施形態として、第１の実施形態のアンテナ素子の間隔を適用される電波の波長で規定したアダプティブアレーアンテナの平面図である。
【図９】第４の実施形態として、第２の実施形態のアンテナ素子の間隔を適用される電波の波長λで規定したアダプティブアレーアンテナの平面図であり、（ａ）はアンテナ素子の間隔が３λ、（ｂ）は９λの場合である。
【図１０】本発明に係るアダプティブアレーアンテナを１．９ＧＨｚ帯ＰＨＳ基地局用アンテナに用いた場合のシステム構成図である。
【図１１】図８に示したアダプティブアレーアンテナにおける、アンテナ素子Ａ−Ｂ間アイソレーションの測定結果を示す。
【図１２】図８に示したアダプティブアレーアンテナにおける、アンテナ素子Ｂ−Ｄ間アイソレーションの測定結果を示す。
【図１３】図８に示したアダプティブアレーアンテナにおける、アンテナ素子Ｂ−Ｃ間アイソレーションの測定結果を示す。
【図１４】図８に示したアダプティブアレーアンテナにおける、アンテナ素子Ａ−Ｃ間アイソレーションの測定結果を示す。
【図１５】図８に示したアダプティブアレーアンテナにおける、アンテナ素子Ａ−Ｄ間アイソレーションの測定結果を示す。
【図１６】図８に示したアダプティブアレーアンテナにおける、アンテナ素子Ｃ−Ｄ間アイソレーションの測定結果を示す。
【図１７】従来のアンテナ素子の配列を示し、（ａ）は円形配列を、（ｂ）はブロードサイドアレー配列を示す。
【符号の説明】
１・・ＰＨＳ基地局用アンテナ、２・・ＰＨＳ端末、３・・目標ＰＨＳ端末、４・・ＰＨＳ基地局、１０・・支持マスト、１１，１２，１３，１４，１５，１６・・支持アーム、２１・・支持具、２４・・反射器、３０・・制御部、４１・・第１組のアンテナ、４２・・第２組のアンテナ、４３・・アンテナの組、５０・・放射器、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ・・アンテナ素子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an adaptive array antenna.
[0002]
[Prior art]
17 (a) and 17 (b) show a conventional arrangement of each antenna element constituting the adaptive array antenna. The arrangement of FIG. 17A is a so-called circular arrangement in which antenna elements A1, B1, C1, and D1 are erected at positions equally divided into four on the circumference of the diameter d with the support mast 10 as the center. On the other hand, in the arrangement of FIG. 17B, the antenna elements A2, B2, C2, and D2 are arranged on one straight line with a distance d between A2 and B2 and a distance d between C2 and D2, and a distance 2d between B2 and C2. This is a so-called broadside array arrangement. The support mast 10 is disposed between the antenna elements B2 and C2.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional adaptive array antenna, since the antenna elements are arranged as described above, when arranged as shown in FIG. 17A, the front antenna element A1 or the support is within the radiation angle of the rear antenna element C1. Since the mast 10 is arranged and becomes an obstacle, the rear antenna element C1 cannot exert its ability with respect to the target on the extension line connecting the obstacles, and cannot use all the antenna elements effectively. Degradation in characteristics such as directivity and gain as an adaptive array antenna is inevitable. Also, as shown in FIG. 17B, when the antenna elements A2, B2, C2, and D2 are arranged in a horizontal line with respect to the front direction in order to increase the gain with a smaller number of elements, the mounting space becomes larger. Therefore, securing of the space and construction are large, and the fixing member and the supporting mast 10 for supporting and fixing these antenna elements are required to be strong and large.
[0004]
In view of these problems, the adaptive array antenna according to the present invention is small in size, easy to install, and capable of ensuring optimum isolation.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 is directed to a first set of antennas that are provided with two antenna elements standing on the left and right sides, and to the left and right of the first set of antennas behind the first set of antennas. A second set of antennas formed by extending two antenna elements in a symmetrical manner in an expanded manner, a support arm for maintaining the above-mentioned four antenna elements in a fixed positional relationship, and the middle of the second set of antennas or Both the first set of antennas and the second set of antennas are set up on the rear side, and the four antenna elements arranged by the support arms are fixed to the use area so that the directivity is aligned. An adaptive array antenna having a support mast for supporting the antenna, wherein the four antenna elements each have directivity with a half-value angle of approximately 90 ° or less in a horizontal plane, and the support arm has a first A pair of antennas The antenna element interval is approximately three times the wavelength of the applied radio wave, the antenna element interval of the second set of antennas is approximately nine times the wavelength of the applied radio wave, and the first set of antennas And the second set of antenna rows are arranged so as to maintain a positional relationship that is approximately three times the wavelength of the applied radio wave .
[0010]
The invention according to claim 2, Oite to claim 1, wherein the antenna element is at one and the radiator rod-shaped, at regular intervals on substantially the same radius, wherein around the radiator of the radiator rearward And at least one bar-like reflector arranged in parallel with the radiator, and at least upper and lower ends of the radiator and the reflector are supported by a support tool.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first embodiment of an adaptive array antenna according to the present invention, wherein (a) and (b) are a plan view and a front view thereof. As shown in FIG. 1, the adaptive array antenna includes four antenna elements A, B, C, and D which are erected, and each antenna element is supported by support arms 11, 12, 13, and 14. An antenna element arranged by support arms 11, 12, 13, and 14, which adjusts the influence of electromagnetic fields exerted on each other and determines the radiation field of the entire antenna from the sum of contributions of electromagnetic fields between elements. A, B, C, and D are configured by a support mast 10 that is fixed in a use area with a directivity oriented, and a control unit 30 that controls generation or reception of radiated radio waves. The antenna elements A, B, C, and D are attached to the distal ends of a pair of upper and lower support arms 11, 12, 13, and 14 that protrude in the horizontal direction above the support mast 10.
[0012]
FIG. 2 shows a second embodiment of the adaptive array antenna according to the present invention. As shown in FIG. 2, a pair of antenna elements E and F standing up and down are arranged at the tips of the support arms 15 and 16, respectively. In addition, the support mast 10 fixes the direction of the directivity to the use area and configures an adaptive array antenna with the control unit 30 that controls generation or reception of radiated radio waves.
[0013]
Next, in FIG. 3, among the antenna elements A, B, C, D, E, and F (hereinafter referred to as “each antenna element”) constituting the adaptive array antenna of the first and second embodiments, The external shape of the antenna element B is shown, and (a) and (b) are a plan view and a front view thereof. The other antenna elements A, C, D, E, and F are configured in the same manner as the antenna element B. As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the antenna element B includes a radiator 50 formed by covering an element of a linear antenna with a cylindrical element protective cover 23 formed of, for example, glass fiber reinforced plastic. The base metal fitting 25 is fitted in the lowermost part, and three reflectors 24 are arranged behind the radiator 50, and these upper and lower parts are supported and formed by the support tool 21. The antenna element B is attached to the support arm 12 by sandwiching the distal end portion of the support arm 12 between the support tool 21 and the contact plate 22 and tightening the bolt 28 and the nut 29. Here, a plurality of linear antennas sealed in the element protection cover 23 are stacked and connected in cascade using half-wave dipole antennas as sleeve antennas to constitute a collinear array.
[0014]
FIG. 4 shows the positional relationship between the radiator 50 and the reflector 24 shown in FIG. One reflector 24 is arranged directly behind the radiator 50, and one reflector 24 is arranged at a position rotated 55 [°] about the radiator 50 on the left and right sides of the reflector 24, for a total of three. The reflector 24 of the book is arranged at a distance of approximately λ / 4 from the radiator 50, where λ is the wavelength of the radio wave to be applied. Here, the reflector 24 is disposed on a radius of about λ / 4 with the radiator 50 as the center, but may be disposed on a parabola whose focal point is the position of the radiator 50.
[0015]
FIGS. 5A and 5B show a vertical plane directivity performance chart and a horizontal plane directivity performance chart of each antenna element having the configuration shown in FIGS. Here, the applied radio wave is a radio wave used in a PHS (Personal Handyphone System), that is, a vertically polarized wave having a center frequency f ₀ = 1.90655 [GHz] of a 1.9 GHz band PHS. At this time, the wavelength λ is about 0.15 [m]. Therefore, a half-wave dipole antenna having an antenna length of 0.075 [m] is used as a sleeve antenna, and 20 of these are stacked and enclosed in the element protection cover 23, and the radiator 50 having a total length of about 1.6 [m] is provided. As a result of configuring each antenna element with a positional relationship in which three reflectors 24 are arranged behind it, each antenna element alone has a gain of 16 [dBi] in the vertical plane as shown in FIG. Can be radiated with a directivity of about 6.5 [°] half-value angle. Further, as shown in FIG. 5B, in a horizontal plane, a radio wave having a gain of 16 [dBi] can be radiated with a directivity having a half-value angle of about 90 [°].
[0016]
The number of reflectors 24 arranged behind the radiator 50 is not limited to three, and the directivity width of the horizontal plane with respect to the target direction can be adjusted by increasing or decreasing the number of the reflectors to change the density of the arrangement interval. . Further, by changing the number of sleeve antennas enclosed in the element protective cover 23, the gain and the half-value angle in the vertical plane can be adjusted. That is, if the number is increased to increase the total length of the radiator 50, the gain can be increased, the half-value angle can be decreased, and the directivity can be sharpened.
[0017]
As described above, since both ends of the radiator 50 and the reflector 24 of each antenna element are supported by the support 21, the unsupported open end side vibrates due to wind and rain as in the case of supporting only one side. Therefore, it is possible to eliminate the factor that the distance between the radiator 50 and the reflector 24 and the distance between the reflector 24 and the other reflector 24 is changed, so that each antenna element is of course caused by interference between adjacent antenna elements. Degradation of radiation and reception characteristics can also be suppressed. Since the radiator 50 is composed of a plurality of sleeve antennas, the support tool 21 is placed at a position where the characteristics of the radiator 50 are not deteriorated, for example, at a connection point between adjacent sleeve antennas. If it is fixed not only at both ends but also in the middle, vibrations leading to deterioration of radiation and reception characteristics can be prevented, and the mechanical strength of each antenna element can be further increased.
[0018]
Next, the positional relationship between the antenna elements A, B, C, D of the adaptive array antenna shown as the first embodiment and the support mast 10 is shown in FIG. 6, and the antenna element E shown as the second embodiment is shown. , F and the support mast 10 are shown in FIG. In FIG. 6, a rear second antenna 42 composed of antenna elements B and C arranged so as to extend left and right with respect to the front direction is a first set of antenna elements A and D arranged in front thereof. The antenna 41 is arranged outside the antenna 41 in the left and right directions. or,
The support mast 10 is disposed between the antenna elements B and C of the second set of antennas 42. In FIG. 7, the support mast 10 is disposed in the middle of the antenna set 43 including the antenna elements E and F that are disposed so as to be spread left and right with respect to the front direction.
[0019]
In the first embodiment, the antenna elements A, B, C, and D are arranged in two rows on the front and rear sides of the first set of antennas 41 and the second set of antennas 42, and the second set of antennas 42 is extended to the left and right. If the antenna elements are arranged so that the isolation between the antenna elements is maintained at an appropriate value, the spread in the horizontal direction can be suppressed as compared with the case where four antenna elements are arranged in a horizontal row with the same element spacing. The entire antenna can be reduced in size. Furthermore, since the support arms 12 and 13 that support the antenna elements B and C can be shortened, the mechanical strength of the entire antenna element support member such as the support mast 10 including the support arms 12 and 13 can be increased, and the material used Manufacturing cost can be reduced.
[0020]
In the second embodiment, an adaptive array antenna can be configured with the minimum number of antenna elements by the antenna set 43 including the antenna elements E and F, and the size and weight can be reduced.
[0021]
And since the support mast 10 is arrange | positioned on the left-right symmetric axis of each two antenna elements which comprise the 1st, 2nd antennas 41 and 42 or the antenna group 43, the weight balance of the left-right direction becomes good. Therefore, the adjustment work can be saved and the installation work is simplified.
[0022]
Adjacent antenna elements need to be arranged at a constant interval in order to obtain a required radiation characteristic. In FIG. 8, the interval between the antenna elements according to the first embodiment is applied as the third embodiment. FIG. 9 is a plan view of an adaptive array antenna when specified by the wavelength of the radio wave. FIG. 9 shows a case where the distance between the antenna elements according to the second embodiment is specified by the wavelength of the applied radio wave as the fourth embodiment. A plan view of the adaptive array antenna of FIG. First, in the third embodiment according to the present invention shown in FIG. 8, antenna elements A, B, C, and D having a directivity with a half-value angle of, for example, 90 ± 5 [°] are maintained in a fixed positional relationship. The support arms 11, 12, 13, and 14 make the distance between the antenna elements A and D of the first set of antennas 41 approximately three times the wavelength λ of the applied radio waves, and the antenna elements B and B of the second set of antennas 42. The interval between the antenna elements is set so that the interval of C is approximately nine times the applied radio wave, and the interval between the first and second sets of antennas 41 and 42 is approximately three times the wavelength λ of the applied radio wave. Define and position the support mast 10 in the middle of the second set of antennas 42.
[0023]
By arranging the antenna elements A, B, C, and D at predetermined intervals as in the third embodiment, the front antenna element is within the half-value angle of the radio wave radiated from the rear antenna elements B, C. Arrangement of A, D and the support mast 10 can be eliminated, and deterioration of radiation characteristics due to these obstacles can be prevented.
[0024]
Next, in the fourth embodiment according to the present invention shown in FIG. 9A, the antenna elements E and F having directivity with a half-value angle of, for example, 90 ± 5 [°] are maintained in a fixed positional relationship. By the support arms 15 and 16, the distance between the antenna elements E and F of the antenna set 43 is approximately three times the wavelength λ of the applied radio wave, and the support mast 10 is moved backward on the intermediate axis of the antenna elements E and F to the wavelength λ. Is positioned approximately three times as large as. Further, in the fourth embodiment, as shown in FIG. 9B, the distance between the antenna elements E and F of the antenna set 43 is set to about nine times the wavelength λ of the applied radio wave, and the support mast 10 is an antenna. It is also possible to position it between the elements E and F.
[0025]
By defining and arranging the distance between the antenna elements E and F as in the fourth embodiment, the support mast 10 is not disposed within the half-value angle of the radio wave radiated from the antenna elements E and F. It is possible to prevent deterioration of radiation characteristics due to the support mast 10.
[0026]
FIG. 10 shows a more specific embodiment in which the third embodiment according to the present invention shown in FIG. 8 is applied to a PHS base station antenna having a frequency band of 1.8935 [GHz] to 1.9196 [GHz]. FIG. 2 is a system configuration diagram when used, and a communication operation between the PHS terminal 2 and the PHS base station 4 will be specifically described based on this diagram. The radio waves including the unique identification code assigned to the PHS terminal 2 are radiated from the PHS terminal 2 by the call start operation, and the PHS base station antenna 1 is supplied with operating power so as to be received. Is received by the antenna element and communication is started. In order to function as an adaptive array antenna that can change not only the direction of the radiation beam but also the directivity, the power is supplied to each antenna element by changing the phase difference. However, in this embodiment, the power supply is performed by the control of the control unit 30 that enables power supply to the four antenna elements in order in a time-sharing manner. Is called. A signal including a unique identification code of each PHS terminal 2 is extracted from the radio wave of the PHS terminal 2 received by the four antenna elements and transmitted via the transmission line, and the PHS terminal 2 is the target PHS terminal. Recognized as 3.
[0027]
At this time, the PHS base station 4 radiates the downlink response wave from any one of the four antenna elements of the PHS base station 4 to the target PHS terminal 3, and the target PHS terminal 3 The distance from the target PHS terminal 3 can be measured from the time difference from the time until the uplink response wave to the base station 4 is received. Similarly, the direction of the target PHS terminal 3 can be calculated by calculating the distance using other antenna elements. Can be requested. Then, the control unit 30 supplies power by time-sharing control for each of the four antenna elements for each antenna element, so that the shape of the best antenna radiation characteristic is obtained for the target PHS terminal 3. And the target PHS terminal 3 is captured until the communication end processing and can communicate. Note that the PHS base station antenna 1 configured in the third embodiment including four antenna elements can be replaced by the adaptive array antenna configured in the fourth embodiment including two antenna elements. Further, by the time division control of the control unit 30 and the allocation of a plurality of call channels, a plurality of PHS terminals 2 can be simultaneously captured and communicated as target PHS terminals 3.
[0028]
And as a suitable place where this adaptive array antenna is installed, a highway, a theme park, etc. are mentioned. That is, the ability of the adaptive array antenna is exhibited more for transmission / reception with a plurality of PHS terminals 2 moving within a certain range. Further, if the four adaptive array antennas are arranged from the support mast 10 toward the radially outward four directions, it is possible to realize a PHS base station having the service area in the entire horizontal plane.
[0029]
Next, as shown in FIG. 10, when the third embodiment is used as the PHS base station antenna 1, the antenna elements are A to B, B to D, B to C, A to C, A FIGS. 11, 12, 13, 14, 15 and 16 show the measurement results of the frequency characteristics of -D and CD isolation. Here, the distance AD between the antenna elements AD is 0.45 [m], the distance BC between the antenna elements BC is 1.35 [m], which is three times the distance AD, and the antenna elements A and D. The distance AD column-BC column between the column and the antenna elements B and C column is 0.45 [m]. The support mast 10 is disposed between the antenna elements B and C. Here, the interval AD = interval AD sequence−BC sequence≈0.45 [m] corresponds to 3λ, which is three times the wavelength λ≈0.15 [m] calculated from the center frequency of the 1.9 GHz band PHS. Similarly, the interval BC≈1.35 [m] corresponds to 9λ.
[0030]
Here, when the fourth embodiment shown in FIG. 9 is used as the PHS base station antenna 1, the isolation between the antenna elements EF is the same as that of the third embodiment shown in FIG. When it is used as the antenna 1 for PHS base station, it has been found that the characteristics are the same as the isolation between the antenna elements A and D and between B and C. When the arrangement shown in FIG. The characteristic results of the isolation between the antenna elements A and D shown in FIG. 15 and the characteristic result of the isolation between the antenna elements B and C shown in FIG. 13 in the arrangement shown in FIG. Each corresponds.
[0031]
Note that the element spacing of the antenna elements A, B, C, and D is defined as an integer multiple of the wavelength as described above. However, due to variations in the dielectric constant of the members constituting the antenna element, the target center frequency It is expected that the set value will be different from the center frequency of the radiated radio wave actually excited. Therefore, it is difficult for the antenna element interval to be exactly an integral multiple of the wavelength derived from the target center frequency, and the element interval in the present embodiment also has a displacement width corresponding to the excitation condition.
[0032]
By the way, although there is isolation between antenna elements as an index for obtaining the maximum directivity and gain with respect to the target in the adaptive array antenna, it is included in the range of −55 to −25 [dB] in the present embodiment. Is determined by the specification of the control unit 30 of the PHS base station 4 as a desirable value for optimizing the radiation characteristics of the antenna, and the element spacing of the antenna elements has a great influence on the variation in isolation between the antenna elements. Is an important element. Therefore, whether or not the elements are arranged at an appropriate element interval is an essential consideration for obtaining a higher-performance adaptive array antenna.
[0033]
As is clear from the results of FIGS. 11 to 16, in the PHS frequency band 1.8935 [GHz] to 1.9196 [GHz], the isolation of all the combinations of the two antenna elements is −55 to − It can be seen that it falls within the range of 25 [dB]. As a result, if the antenna element spacing is determined in the arrangement as shown in FIGS. 8 and 9A and 9B, the radiation characteristics as an adaptive array antenna for a 1.9 GHz PHS base station can be appropriately secured. More optimal isolation can be obtained.
[0034]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the first aspect of the present invention, since the spread of the antenna element arrangement in the left-right direction can be suppressed, the entire antenna can be reduced in size.
Pressurized forte, supporting mast, the second set of antennas intermediate, or because it is erected at the back, makes it easy to install because the weight balance between the left and right direction is good, also obstacle leading to degradation of the radiation characteristic Can be eliminated.
Pressurized forte, four of the antenna elements will have half angle of the horizontal plane is approximately 90 ° or less directional, respectively, the support arm, the antenna element spacing of the first set of antennas, substantially 3 of wavelength of a radio wave to be applied And the antenna element spacing of the second set of antennas is approximately nine times the wavelength of the applied radio wave, and the spacing between the first set of antenna rows and the second set of antenna rows. However, since the positional relationship that is approximately three times the wavelength of the applied radio wave is maintained, adjacent antenna elements and the like are not disposed within the half-value angle of each other, so that deterioration of radiation characteristics due to these obstacles is prevented. be able to. Furthermore, since optimal isolation can be obtained as an adaptive array antenna, radiation characteristics can be appropriately ensured, and a higher performance adaptive array antenna can be obtained.
[0039]
According to the invention of claim 2 , in addition to the effect of claim 1, since the radiator can be fixed to the support mast not only at both ends but also at the middle, the arrangement interval of the radiator and the reflector does not change due to wind and rain. The characteristics can be stabilized.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a first embodiment of an adaptive array antenna according to the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view of the outer shape of the antenna, and FIG.
FIGS. 2A and 2B show a second embodiment of an adaptive array antenna according to the present invention, wherein FIG. 2A is a plan view of the outer shape of the antenna, and FIG. 2B is a front view;
FIGS. 3A and 3B are outline views of a single antenna element constituting the adaptive array antenna of the first or second embodiment, where FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a front view;
FIG. 4 is a plan view of an antenna element showing a positional relationship between a radiator and a reflector of the antenna element constituting the adaptive array antenna according to the present invention.
5A shows the vertical plane directivity performance characteristics of each antenna element having the configuration shown in FIGS. 3 and 4, and FIG. 5B shows the horizontal plane directivity performance characteristics.
FIG. 6 shows the positional relationship between the antenna element and the support mast of the first embodiment.
FIG. 7 shows the positional relationship between the antenna element and the support mast of the second embodiment.
FIG. 8 is a plan view of an adaptive array antenna in which the distance between the antenna elements of the first embodiment is defined by the wavelength of the applied radio wave as the third embodiment.
FIG. 9 is a plan view of an adaptive array antenna in which the distance between antenna elements according to the second embodiment is defined by the wavelength λ of a radio wave to which the second embodiment is applied, and FIG. 3λ and (b) are for 9λ.
FIG. 10 is a system configuration diagram when an adaptive array antenna according to the present invention is used as an antenna for a 1.9 GHz band PHS base station.
11 shows a measurement result of isolation between antenna elements AB in the adaptive array antenna shown in FIG.
12 shows a measurement result of isolation between antenna elements BD in the adaptive array antenna shown in FIG.
13 shows a measurement result of isolation between antenna elements B and C in the adaptive array antenna shown in FIG.
14 shows a measurement result of antenna element AC isolation in the adaptive array antenna shown in FIG.
15 shows measurement results of isolation between antenna elements A and D in the adaptive array antenna shown in FIG.
16 shows a measurement result of isolation between antenna elements CD in the adaptive array antenna shown in FIG.
17A and 17B show the arrangement of conventional antenna elements, where FIG. 17A shows a circular arrangement and FIG. 17B shows a broadside array arrangement.
[Explanation of symbols]
1 .... Antenna for PHS base station, 2 .... PHS terminal, 3 .... Target PHS terminal, 4 .... PHS base station, 10 .... Support mast, 11, 12, 13, 14, 15, 16, ... Support arm , 21 .. Supporting tool, 24 .. Reflector, 30 .. Control unit, 41 .. First set of antennas, 42 .. Second set of antennas, 43 .. Set of antennas, 50. A, B, C, D, E, F. Antenna elements.

Claims

A first set of antennas each having two antenna elements standing on the right and left;
A second set of antennas formed by extending two antenna elements in a symmetric manner in the rear of the first set of antennas so as to extend laterally from the first set of antennas;
A support arm that keeps the four standing antenna elements in a fixed positional relationship;
The four antenna elements arranged in the middle or the rear of the second set of antennas and arranged by the support arm are fixed to the use area so that the directivity is aligned, and the first set of antennas is fixed. And a supporting mast that supports both the second set of antennas;
An adaptive array antenna comprising:
The four antenna elements are
Each has a directivity with a half-value angle of the horizontal plane of approximately 90 ° or less,
The support arm is
The antenna element spacing of the first set of antennas is approximately three times the wavelength of the applied radio wave, and the antenna element spacing of the second set of antennas is approximately nine times the wavelength of the applied radio wave; Maintaining a positional relationship in which an interval between the first set of antenna rows and the second set of antenna rows is approximately three times the wavelength of the applied radio wave;
An adaptive array antenna characterized by that.

The antenna element is
A rod-shaped radiator,
And at least one rod-like reflector arranged in parallel with the radiator at a regular interval on substantially the same radius centered on the radiator behind the radiator,
The upper and lower ends of the radiator and the reflector are supported by a support tool.
The adaptive array antenna according to claim 1.