JP4431893B2 - 水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナ - Google Patents

Description

本発明は携帯電話等の移動体通信に使用する平面アンテナに係り、特に、無給電素子を備えた水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナに関するものである。

一般に、携帯電話や車載用トランシーバ等の移動体無線通信においては、送信側から受信側へ最短距離で到達する直接波と、送信側からの電波がビル等の障害物で反射して位相が遅れて到達する反射波とが干渉し合い受信側での受信電力が変動するといった現象（フェージング）が発生する。このため、従来は、垂直偏波、水平偏波や±45°偏波を受信して両偏波を合成したり、各偏波に切り替えたりすることで受信電力の変動に対応する偏波ダイバーシティ方式のアンテナ装置が用いられている。なお、垂直偏波とは、偏波面が大地に対して垂直な偏波をいい、水平偏波とは、水平面に対して平行な偏波をいう。このような偏波ダイバーシティアンテナを評価する場合、交差偏波識別度が用いられる。交差偏波識別度とは、所望の偏波面を持つ電磁波に対して直交偏波がどのくらい受信しているかどうかを表し、単位はdbである。交差偏波識別度が悪化し所定の偏波面を持つ電波に直交偏波が高い割合で受信されると、相互干渉により相関が大きくなってダイバーシティの効果が低下する。そこで、従来、種々のアンテナが検討されている。例えば、誘電体板の表面に、十字型の給電スロットを有する地導体を積層し、誘電体板の裏面に、十字型の給電線路（線路導体）を設けたスロット型のアンテナ素子により45゜偏波された電波を独立して送受信する偏波共用アンテナにおいて、給電線路同士の電気的接触を防止し、各給電線路の電流分布の交差点部分で不均一さに起因するアンテナ素子の指向性、特に、交差偏波識別度の指向性、及び周波数に対する偏波間結合量特性を改善するため、一方の給電線路に対する他方の給電線路の交差点部を立体的な迂回路として、相互の接触を防止することが試みられている（特許文献１）。
また、このようなアンテナ素子で偏波ダイバーシティアンテナを構成する場合、偏波ダイバーシティアンテナを、前記したスロット型のアンテナ素子（図示せず）やパッチ型のアンテナ素子（図示せず）を複数、一列に配置し、可変位相器によるアンテナ素子間の給電位相の調節により、電波の指向性を移動体無線通信機との通信に適した下向きに調節するアレイアンテナ（フェーズドアレイアンテナ）とし、図７に示すように、電柱13の頂部にこの偏波ダイバーシティアンテナ12を設置して電波の指向性を調節することが、通常、実施されている。

特開2003−46326号公報

しかし、給電位相の調節によって垂直偏波（主偏波）の電波の指向性を下向きに調節した場合は垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度が悪化してしまうという問題がある。
すなわち、図８に示すように、偏波ダイバーシティアンテナ（アレイアンテナ）の指向性を、−1°，−10°，−15°，−20°（「−」は下向きを意味する）とした場合の垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度の変化を計算すると、偏波ダイバーシティアンテナの指向性を−1°，−10°，−15°，−20°に調節した場合、3dＢ低い半値幅での垂直偏波（主偏波）の水平面指向性の交差偏波識別度は、それぞれ−37db，−24db，−17.5db，−15db，−13dbとなり、垂直偏波の水平面指向性における交差偏波識別度は、下向きになるほど悪化する。
この理由としては、スロットやパッチが幅を持っていてスロット間でどうしても電磁波の漏れ込みが発生してしまうことが挙げられる。

そこで、本発明は、複数のアンテナ素子を一列に配置し、アンテナ素子間の給電位相の調節により水平偏波、垂直偏波の電波の指向性を下向きとする水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナにおいて、垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度を改善することを目的とする。

本発明は前記目的を達成すべく提案されたもので、請求項１記載の発明は、水平偏波、垂直偏波を放射する平面状の給電素子を複数一列に配置すると共に、平面状の無給電素子を各給電素子の放射方向前方に配置してアンテナ素子列を形成し、前記アンテナ素子間の給電位相の調節により、前記各偏波の放射方向を前方として電波の指向性を前方下向きとするようにした水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナにおいて、前記各アンテナ素子の無給電素子数を１又は複数とし、１又は複数の無給電素子の少なくとも１つを前方下方に傾けたものである。
このように、複数の無給電素子を各給電素子の前方に配置してその少なくとも一つを前方下向きに傾けると垂直偏波の水平指向性の交差偏波識別度が改善される。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナにおいて、前記給電素子が、平板状の誘電体板と、該誘電体板の表面を覆う地導体と、該地導体に設けられ互いに直交する２本のスロットと、前記誘電体板の裏面に設けられ前記２本のスロットとねじれの位置でそれぞれ直交する２本のマイクロストリップ線路とから構成されたものである。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナにおいて、前記垂直偏波の電波のビーム幅を調節すべく前記誘電体板の両脇にビーム幅規制部材を設けたものである。
このようにすると、スロットより放射された垂直偏波の電波のビーム幅の広がりがビーム幅規制部材により規制される。

以上、説明したことから明らかなように本発明によれば、垂直偏波の水平指向性の交差偏波識別度を改善できるという優れた効果を発揮する。

以下、添付図面を参照して複数のアンテナ素子からなるアンテナ素子列を形成し、電波の指向性をアンテナ素子間の給電位相の調節により下向きとする水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナの実施の形態を説明する。

図１は、シャーシに複数のアンテナ素子を取り付けた水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナ１の全体構成を示す解説図である。
図１に示すように、アンテナ素子２，…は、シャーシ３の長手方向に沿って一列に配置されており、アレイアンテナとしてのアンテナ素子列４を構成している。各アンテナ素子２は、平板状の給電素子５と、平板状の無給電素子6−x…とで構成される（−ｘは添え字）。無給電素子6−xは１又は複数設けられ、シャーシ３の被取付面部３ａに固定されている。なお、この実施の形態では３枚の無給電素子6−1，6−2，6−3を取り付けた場合について説明する。

図２は給電素子５、複数の無給電素子6−1，6−2，6−3を備えたアンテナ素子２の組立て状態を示す解説図、図３はアンテナ素子２の組立状態を示す解説図である。
図２又は図３に示すように、給電素子５は、誘電体５ａの表面に２本のスリット（給電スロットともいう）５ｂ，５ｃを設け、誘電体板５ａの裏面に、２本のマイクロストリップ線路（給電線路又は線路導体ともいう）５ｄ，５ｅを設けて構成される。
２本のスリット５ｂ，５ｃは、誘電体板５ａの表面に積層された地導体５ｆに形成され、また、２本のマイクロストリップ線路５ｄ，５ｅは、誘電体板５ａの裏面に積層した金属膜によって構成される。
２本のスロット５ｂ，５ｃは、地導体５ｆの平面内で互いに直交しており、２本のマイクロストリップ線路５ｄ，５ｅは、誘電体板５ａの裏面で互いに直行している。そして、一方スロット５ｂは、ねじれの位置で一方のマイクロストリップ線路５ｄと直交し、他方のスロット５ｃはねじれの位置で他方のマイクロストリップ線路５ｅと直交している。
また、２本のマイクロストリップ線路５ｄ，５ｅ同士、２本のスロット５ｂ，５ｃ同士は、誘電体板５ａを挟んで互いに重なりあっており、２本のマイクロストリップ線路５ｄ，５ｅ同士の交点、２本のスロット５ｂ，５ｃ同士の交点が誘電体板５ａの中心を通る軸線上に位置している。
無給電素子6−1，6−2，6−3は、例えば、十字型の導電膜６ａを誘電体からなる基板６ｂの片面に被着したプリント基板又は十字状の導電性板で構成される。

図４は鉄塔に対しての水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナ１を取付けた状態を示している。同図に示すように、シャーシ３は、シャーシ３の被取付面部３ａが鉛直面に沿うように鉄塔８に対して取り付けられている。この場合、図３に示すように、各給電素子５の誘電体５ａの一方のスロット５ｂは、鉛直線方向に沿ようにシャーシ３が取り付けられる。無給電素子6−1，6−2，6−3は、給電素子５の前面側に並行に配置され、少なくとも一つが傾けられている。
この場合、無給電素子6−1，6−2，6−3の少なくとも一つと、水平線との交角θは、水平線方向を０°とし、時計回り方向を−として、時計回り方向、すなわち、前方下方に−１°〜−３°の範囲内に決定される。
なお、前記誘電体板５ａは、例えば、アルミニウム、銅等の誘電体からなる板材で構成され、前記地導体５ｆ及び２本のマイクロストリップ線路５ｄ，５ｅは、例えば、金又は銀等の導電膜で構成される。また、図１、図２に示すように、各給電素子５の両脇部（両側部）には、ビーム幅を規制するため、例えば、はね状のビーム幅規制部材５ｇ，５ｇが取り付け台７を介して取り付けられ、これらのビーム幅規制部材５ｇ，５ｇ、無給電素子6−1，6−2，6−3を両側から挟んでいる。

図４に示すように、シャーシ３に複数のアンテナ素子２を取付け、鉄塔８にシャーシ３を取り付けた後は、アンテナ素子２間の給電位相を調節し電波の指向性を移動体通信機との送受信に適した前方下向きとする。この後、各アンテナ素子２の給電素子５の２本のマイクロストリップ線路５ｄ，５ｅに高周波電流を供給すると、２本のスロット５ｂ，５ｃにはそれぞれ電磁誘導によりスロット長手方向に沿った電流が発生する。そして、各スロット５ｂ，５ｃで電磁波の共振が発生すると、一方のスロット５ｂから垂直偏波の電波が、移動体通信機側へ向けた前方下向に照射され、他方のスロット５ｃから、水平偏波の電波が放出される。一方のスロット５ｂから放出された垂直偏波の電波は、無給電素子６が傾けられていない場合は、図８で説明したように、垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度が悪化してしまうが、無給電素子6−1，6−2，6−3の少なくとも一つを傾けた場合には、垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度を改善することができた。また、無給電素子の数を複数とすると、水平面指向性のビーム幅が狭くなるので、これによっても交差偏波識別度を改善することができた。さらに、各アンテナ素子２のビーム幅がビーム幅規制部材５ｇ，５ｇにより規制されるので、前方下向きに対して指向性の強い水平偏波、垂直偏波の電波を放射することも可能となった

図５は２又３の無給電素子6−ｘを給電素子５の前方に配置し、給電素子５側の無給電素子6−1を、−１°〜−３°の範囲内で傾け、電波の指向性を、−1°，―5°，−10°，−15°，−20°（符号「−」は下向きを意味する）とした場合の直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度の変化を示す。同図に示すように、給電位相の調節による電波の指向性を−1°，―5°，−10°，−15°，−20°とした場合、3dＢ低い半値幅（電力半値幅）での垂直偏波（主偏波）の水平面指向性の交差偏波識別度の偏波利得は、従来のアンテナの水平面指向性の交差偏波識別度の偏波利得（図８）の−37dＢ°，−24dＢ，−17.5dＢ，−15dＢ，−13dＢからそれぞれ−27.5dＢ，−36.5dＢ，−27.5dＢ，−21dＢ，−17dＢに変化し、垂直偏波（主偏波）の水平面指向性の交差偏波識別度が改善された。なお、給電位相の調節により電波の指向性を−１°に傾けた場合、すなわち、ほぼ水平線方向とした場合には、交差偏波識別度が逆に悪化する結果となった。従って、本実施の形態にかかるダイバーシティアンテナ１は、電波の指向性を大きく前方下方に傾けた場合に効果的であると言える。

なお、本発明者等は、(1)無給電素子6−xの数を単数とし、これを給電素子５の前方に配置して同様に傾けた場合でも垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度が改善されること、(2)複数の無給電素子6−xを互いに間隔を隔てて給電素子５の前方に配置し、その少なくとも一つを傾けると、同様に、垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度が改善されることを確認しており、(3)さらに、複数の無給電素子6−xを互いに間隔を隔てて給電素子５の前方に配置し、その少なくとも一つを前方下方に−1°〜−3°の範囲内で傾けた場合には、垂直偏波の電波の水平方向のビーム幅が狭くなり、垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度が改善されることを確認している。
したがって、垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度を改善するには、前記各アンテナ素子２の無給電素子数を１又は複数とし、１又は複数の無給電素子6−xの少なくとも１つを、前記各偏波の放射方向を前方として前方下方に傾けることが有効となり、また、垂直偏波の電波の水平方向のビーム幅を狭め、垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度改善するには、無給電素子６−ｘの数を複数としたり、ビーム幅規制部材５ｇを無給電素子６−ｘの両脇に配置してビーム幅を狭めることが有効となる。

以下、図６を参照して無給電素子６−ｘを傾ける場合の具体的な取り付け構造について説明する。図６（a）は３枚の無給電素子6−1，6−2，6−3の全てを前方下方に傾けた場合、図６（ｂ）は給電素子５寄りの無給電素子6−1のみを下方に傾けた場合を示す。なお、図６（ａ）〜（ｄ）において、支持部材9xxは、簡略化して表示しているが、それぞれスペーサ（カラー）9axと、スペーサ9axを貫通するボルト9bxによって構成されている（ax，bxは添え字）。なお、スペーサ9ax及びボルト9bxはプラスチック等の電気的絶縁材料で構成されている。

図６（ａ）に示すように、３枚の無給電素子6−1，6−2，6−3を同じ方向に傾ける場合は、前記鉄塔８の高さ方向（シャーシ３の長手方向）において、上位のスペーサ9a1を下位のスペーサ9a2よりも厚くし（長くし）て、給電素子５寄りの無給電素子（以下、第１の無給電素子という）6−1を、−1°〜−3°の範囲内で傾ける。そして、第１の無給電素子6−1の孔（図示せず）とスペーサ9a1，9a2の孔（図示せず）にボルト9b1、9b2を挿通し、これらのボルト9b1、9b2のねじ部（図示せず）を給電素子５のねじ孔（図示せず）に螺入して第１の無給電素子6−1を給電素子５に固定する。なお、給電素子５は、図1に示されているように、あらかじめ、前記シャーシ３に固定されている。
次に、厚みが同じ（長さが同じ）スペーサ9a3と長さが同じボルト９b3とを用い、第１の無給電素子6−1に次の無給電素子（以下、第２の無給電素子という）6−2を取り付ける。この場合、第１の無給電素子6−1と第２の無給電素子6−2との間に、スペーサ9a3を配置し、第２の無給電素子6−2の孔とスペーサ9a3の孔にボルト9ｂ3を挿入し、このボルト9b3を第１の無給電素子６−1のねじ孔に螺入して両者を連結する。上位のスペーサ9a3、下位のスペーサ9a3の厚みは互いに同じなので、第１の無給電素子6−1に対して第２の無給電素子6−2が平行になる。さらに、第１の無給電素子6−1に対する第２の無給電素子6−2の取り付けと同様に、第２の無給電素子6−2に次の無給電素子（以下、第３の無給電電素子という）6−3を取り付け、第２の無給電素子６−2と第３の無給電素子6−3とを平行にする。

図６（ｂ）に示すように、第１の無給電素子6−1のみを、−1°〜−3°の範囲内で傾け、他の複数の無給電素子6−2，6−3を給電素子５に対して平行にする場合は、まず、図６（ａ）で説明したように、給電素子５に第１の無給電素子６−1を取り付け、次に、第１の無給電素子6−1と第２の無給電素子6−2との間に、厚さが薄い（長さが短い）上位のスペーサ9a4と、厚さが厚い（長さが長い）下位のスペーサ9a5を介設し、この状態で、第２の無給電素子6−2の孔と各スペーサの孔(図示せず)にそれぞれ対応する長さのボルト9b4，9b5を挿入し、挿入したボルト9b4，9b5のねじ部を第１の無給電素子6−1のねじ孔に螺入して締結する。次に、第１の無給電素子6−2と第３の無給電素子6−3との間に厚み（長さ）が同じスペーサ9a3，9a3をそれぞれ上位のスペーサ、下位のスペーサとして配置し、第２の無給電素子6−２の孔と各スペーサ9ａ3の孔にそれぞれボルト9b3を挿入し、このボルト9b3を第２の無給電素子6−2のねじ孔に螺入して両者を連結する。

図６（ｃ）及び図６（ｄ）はワッシャ10によって第１の無給電素子6−1の傾きを調節する場合を示している。図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示すように、ボルト11の頭部座面と対応する無給電素子6−1，6−2，6−3との間にワッシャ10を挟みこむと、ワッシャ10の厚み分、無給電素子6−ｘの傾きを変えることができる。ワッシャ10には市販品、あるいは、特別に厚みを調整した加工品を用いるが、複数のワッシャ10を挟み込みこむことによって傾きを調節してもよい。
また、前記支持部材9xxとして、カラー、ボルト、ワッシャの組み合わせを例示したが段付ボルト及び段付ボルトとワッシャの組み合わせとしてもよいし、無給電素子6−xや給電素子５の孔に係合する係合部材を用いるようにしてもよい。
さらに、本発明の実施の形態では、アンテナ素子２にスロット型のアンテナ素子２を用いる説明をしたが、前記アンテナ素子２に代えて、水平偏波、垂直偏波を放射するパッチ式のアンテナ素子を用いるようにしてもよい。
このようにすると、パッチ式のアンテナ素子を用いた水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナの場合でも垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度が改善することができる。

本発明に係る水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナの構成を示す解説図である。 アンテナ素子の構造を示す解説図である。 アンテナ素子の組立て状態を示す解説図である。 本発明に係る水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナの鉄塔の取付け状態、電波の放射方向及び無給電素子の取り付け状態を示す解説図である。 本発明に係る水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナの垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度を示す図である。 給電素子に対する無給電素子取り付け構造を示す解説図である。 地上における移動体通信用アレイアンテナの設置図である。 従来のアンテナ素子を使用した水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナに関する垂直偏波の水平面指向性の交差偏波識別度を示す図である。

符号の説明

１ 水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナ
３ シャーシ
５b スロット
５ｃ スロット
５ｄ マイクロストリップ線路
５ｅ マイクロストリップ線路
6−1 無給電素子
6−2 無給電素子
6−3 無給電素子
７ ビーム幅規制部材
８ 鉄塔
10 ワッシャ

Claims (3)

1. 水平偏波、垂直偏波を放射する平面状の給電素子を複数一列に配置すると共に、平面状の無給電素子を各給電素子の放射方向前方に配置してアンテナ素子列を形成し、前記アンテナ素子間の給電位相の調節により、前記各偏波の放射方向を前方として電波の指向性を前方下向きとするようにした水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナにおいて、前記各アンテナ素子の無給電素子数を１又は複数とし、１又は複数の無給電素子の少なくとも１つを前方下方に傾けたことを特徴とする水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナ。
2. 請求項１記載の水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナにおいて、前記給電素子が、平板状の誘電体板と、該誘電体板の表面を覆う地導体と、該地導体に設けられ互いに直交する２本のスロットと、前記誘電体板の裏面に設けられ前記２本のスロットとねじれの位置でそれぞれ直交する２本のマイクロストリップ線路とから構成された水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナ。
3. 請求項１又は２に記載の水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナにおいて、前記垂直偏波の電波のビーム幅を調節すべく前記誘電体板の両脇にビーム幅規制部材を設けたことを特徴とする水平偏波・垂直偏波ダイバーシティアンテナ。

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