JP4642884B2 - 無指向性アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に移動通信システム等の基地局に使用して有効な無指向性アンテナ装置に関する。

陸上移動通信システムでの基地局アンテナ装置の形態の一つとして、無指向性アンテナ装置が選択される場合がある。すなわち、加入者容量が小さい場所にゾーンを形成する場合等においては、一般に、この無指向性アンテナ装置が選択される。
この種の無指向性アンテナ装置は、例えば、特許文献１によって提案されている。この特許文献１に係るアンテナ装置は、水平偏波用アンテナブロックと、垂直偏波用アンテナブロックとを垂直方向に交互に配設した構成を有する。
水平偏波用アンテナブロックには、４本の直線状ダイポール素子が四角形をなすように水平に配置され、また、垂直偏波用アンテナブロックには、４本の直線状ダイポール素子が水平な正四角形の各角点に位置するように垂直に配置されている。

上記水平偏波用アンテナブロックの各ダイポール素子には、同振幅同位相の給電が行われ、同様に、上記垂直偏波用アンテナブロックの各ダイポール素子にも同振幅同位相の給電が行われる。この結果、水平偏波用アンテナブロックの水平面内の指向性および垂直偏波用アンテナブロックの水平面内の指向性は、共に無指向性になる。
特開２００４−１０４６８２号公報

ところで、陸上移動通信システムの基地局アンテナ装置は、受風面積をできるだけ減らして、支柱（鉄塔）にかかる負担を軽減することが必要である。受風面積は、アンテナ装置を小型化および細径化することによって減少することができる。
しかし、上記従来のアンテナ装置は、前述したように、水平偏波用アンテナブロックにおいて４本の直線状ダイポール素子が四角形をなすように水平に配置されることから、その平面形状が大きくなり、このため、その周囲を覆う円筒状カバーの径が大きくなるという問題点、つまり、風圧荷重が大きいという問題点を有する。

そこで、本発明の目的は、特性の劣化を伴うことなく細径化を図ることができる水平偏波用の無指向性アンテナ装置および偏波共用の無指向性アンテナ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明に係る水平偏波用のアンテナ装置は、垂直軸線を中心とする第１の円周上に相対向して水平に配設された第１の円弧状ダイポール素子の対と、前記第１の円周から前記垂直軸線に沿って所定の距離ずれた同径の第２の円周上に相対向して水平に配設された第２の円弧状ダイポール素子の対と、を備え、前記第１の円弧状ダイポール素子の対の対向軸と前記第２のダイポール素子の対の対向軸とが直交するように、かつ、前記第１、第２の円周の長さＣと前記第１、第２の円弧状ダイポール素子の長さＬとが２Ｌ＜Ｃ＜４Ｌの関係を満たすように構成されている。

上記アンテナ装置は、垂直方向に多段配設してアレー化することができる。
本発明の好ましい実施形態においては、前記第１および第２のダイポール素子の対をそれぞれ誘電体基板にプリント形成している。

本発明は、偏波共用のアンテナ装置も提供する。この偏波共用のアンテナ装置は、水平偏波用アンテナブロックと、垂直偏波用アンテナブロックとを備える。
前記水平偏波用アンテナブロックは、垂直軸線を中心とする第１の円周上に相対向して水平に配設された第１の円弧状ダイポール素子の対と、前記第１の円周から前記垂直軸線に沿って所定の距離ずれた同径の第２の円周上に相対向して水平に配設された第２の円弧状ダイポール素子の対と、を備え、前記第１の円弧状ダイポール素子の対の対向軸と前記第２のダイポール素子の対の対向軸とが直交するように、かつ、前記第１、第２の円周の長さＣと前記第１、第２の円弧状ダイポール素子の長さＬとが２Ｌ＜Ｃ＜４Ｌの関係を満たすように構成される。
また、前記垂直偏波用アンテナブロックは、前記第１の円周および第２の円周から前記垂直軸線に沿って所定の距離ずれた円周上に等角度間隔で垂直に配設された３以上の第３のダイポール素子を備える。

上記アンテナ装置は、垂直方向に多段配設してアレー化することができる。
本発明の好ましい実施形態においては、前記第３のダイポール素子の配設個数を４に設定し、また、前記第１、第２のダイポール素子の対および前記第３のダイポール素子をそれぞれ誘電体基板にプリント形成している。

本発明によれば、第１の円弧状ダイポール素子の対と、第２の円弧状ダイポール素子の対とを、前者の対抗軸と後者の対抗軸が直交する形態で上下に立体的に配設し、かつ、前者および後者が配置された長さＣと、上記第１、第２の円弧状ダイポール素子の長さＬとの関係を２Ｌ＜Ｃ＜４Ｌに設定している
したがって、大幅な細形化が可能となり、これによって、受風面積の少ない、つまり、鉄塔等の支持体にかかる負担を軽減することが可能なアンテナ装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る水平偏波用のアンテナ装置の一実施形態を示す概念図である。このアンテナ装置は、垂直に立設された支柱１と、該支柱１によって支持された素子部２，３とを備えている。
図２（ａ）に示すように、素子部２は、支柱１を中心とする円周２１上に相対向して水平に配設された一対の弧状ダイポール素子２２，２２を有する。このダイポール素子２２，２２は、支柱１に対して点対称な形状を有し、銅等からなる金属箔をプリント処理することによって円形の誘電体基板２３の面に形成されている。
各ダイポール素子２２は、約０．４〜０．５λ（λは、使用周波数帯域の中心周波数の波長）の長さを有する。そして、本実施形態では、ダイポール素子２２の一方の素子導体２２ａを誘電体基板２３の上面に形成し、他方の素子導体２２ｂを該誘電体基板２３の下面に形成している。符号２４は、ダイポール素子２２，２２の対向軸である。

素子部３は、図２（ｂ）に示すように、素子部２と同等の構成を有する。すなわち、この素子部３の各要素３１，３２，３３および３４は、それぞれ素子部２の各要素２１，２２，２３および２４に対応している。
素子部２，３の誘電体基板２３，３３は、それらの中心部に形成された孔を介して支柱１に挿通させた後、適宜なブラケットを用いて該支柱１に固定する。その際、以下のことが留意される。
・ 誘電体基板２３，３３の配置間隔（円周２１,３１の間隔）Ｄは、０．５λ以下に設定する。本実施形態では０．１λに設定されている。
・ 素子部２のダイポール素子２２，２２と素子部３のダイポール素子３２，３２は、図２に示すように、前者の対向軸２４と後者の対向軸３４とが直交するようにその位置を設定する。これにより、ダイポール素子２２，２２の給電点（交番信号マーク参照）は正四角形の一方の対角に、また、ダイポール素子３２，３２の給電点は上記正四角系の他方の対角に位置されることになる。

図２に示す円周２１，３１の長さＣは、ダイポール素子２２，３２の長さをＬ（前記したように、約０．４〜０．５λである）とすると、２Ｌ＜Ｃ＜４Ｌの関係を満たすように設定されている。
したがって、図２に示すダイポール素子２２，２２とダイポール素子３２，３２とを同一平面上に投影した場合、前者の素子導体２２ａの一部と後者の素子導体３２ｂの一部とが重なり合い、また、前者の素子導体２２ｂの一部と後者の素子導体３２ａの一部とが重なり合うことになる。図２（ａ）には、この重なり合った領域がＷで示されている。
上記のような素子導体の重なりは、２つの素子部２，３を上下に立体的に配置したことと、円周２１，３１の長さＣを上記の関係を満たすように設定したことにより実現されるものである。

円周２１，３１の長さＣをＣ＝４Ｌに設定した場合（この場合、上記のような素子導体相互の重なり合いは生じない）には、円周２１，３１の半径をｒ、素子長Ｌを０．５λとすると、Ｃ＝２πｒ＝４×０．５λという関係が成立するので、円周２１，３１の径（２ｒ）が２λ／πになる。すなわち、例えば、使用周波数帯域の中心周波数が８００ＭＨｚの場合には、円周２１，３１の径が約２４０ｍｍになる。
これ対して、本実施形態に係るアンテナによれば、上記素子導体相互の重なりによって円周２１，３１の長さＣが２λ／πよりも短縮される。そして、この円周長Ｃの短縮は、アンテナ径の縮小（細径化）をもたらす。

図示していないが、誘電体基板２３には各ダイポール素子２２の給電点に接続された給電線路が、また、誘電体基板３３には各ダイポール素子３２の給電点に接続された給電線路がそれぞれ形成されている。
一方、支柱１に沿って延びる図示していない給電線路用誘電体基板には、マイクロストリップ線路からなる給電線路が形成され、この給電線路に上記誘電体基板２３，３３に形成された給電線路が接続されている。上記ダイポール素子２２，２２および３２，３２の給電点には、上記の給電線路を介して同相同振幅の給電が行われ、その結果、このダイポール素子２２，２２および３２，３２の合成指向性は水平面で無指向性を示す。
なお、素子部２、３の一方のみで構成されたアンテナ装置では、良好な無指向性を望めない。なぜなら、指向性に谷間を生じるからである。

図３は、上記素子部２，３を用いた本発明に係るアレー構成の水平偏波用アンテナ装置の実施形態を示している。このアンテナ装置は、上記素子部２，３の組み合わせからなるアンテナブロック５を支柱１に沿って所定の間隔で多段配列（例えば、５段配列）した構成を有する。
本実施形態に係るアンテナ装置は、前記実施形態に係るアンテナ装置と同様に、各アンテナブロック５のダイポール素子２２，２２および３２，３２に同相同振幅の給電が行われ、これによって、各アンテナブロック５の指向性が水平面で無指向性を示す。
このアンテナ装置によれば、アレー構成によって利得の向上を図ることができる。

図４は、本発明に係る偏波共用アンテナ装置の一実施形態を示す概念図である。
このアンテナ装置は、水平偏波用アンテナブロック６と、垂直偏波用アンテナブロック７とを備えている。水平偏波用アンテナブロック６は、図３に示すアンテナブロック５と同一の構成を有するので、その説明を省略する。
垂直偏波用アンテナブロック７は、支柱１によって支持された素子部８，９を備えている。
素子部８は、互いに平行する一対の直線状ダイポール素子８１，８１を誘電体基板８２にプリント形成した構成を有し、ダイポール素子８１，８１が垂直に向く形態で配置されている。
各ダイポール素子８１は、約０．４〜０．５λの長さを有する。そして、本実施形態では、ダイポール素子８１の一方の素子導体８１ａを誘電体基板８２の一方の面に形成し、他方の素子導体８１ｂを該誘電体基板８２の他方の面に形成している。
素子部９も同様の構成をもつ。すなわち、素子部９の各要素９１，９１および９２は、それぞれ、素子部８の各要素８１，８１および８２に対応している。

素子部８のダイポール素子８１，８１および素子部９のダイポール素子９１，９２は、図５に示すように、支柱１を中心とする円周１０上に等角度間隔（素子数が４である本実施形態では９０°）間隔で配列している。本実施形態においては、上記円周１０の径を図２に示す円周２１，３１の径と同じ大きさに設定しているが、該径よりも小さく設定しても良い。

図示していないが、誘電体基板８２には各ダイポール素子８１の給電点に接続された給電線路が、また、誘電体基板９２には各ダイポール素子９１の給電点に接続された給電線路がそれぞれ形成されている。
一方、支柱１に沿って延びる図示していない給電線路用誘電体基板には、マイクロストリップ線路からなる水平偏波用給電線路および垂直偏波用給電線路が形成されている。そして、上記水平偏波用給電線路に水平偏波用アンテナブロック６の誘電体基板２３，３３に形成された前記給電線路が接続されるとともに、上記垂直偏波用給電線路に垂直偏波用アンテナブロック７の誘電体基板８２，９２に形成された上記給電線路が接続されている。

素子部８のダイポール素子８１，８１の給電点および素子部９のダイポール素子９１，９２の給電点には、上記の給電線路を介して同相同振幅の給電が行われ、その結果、このダイポール素子８１，８１および９１，９２の合成指向性は水平面で無指向性を示す。
水平偏波用アンテナブロック６のダイポール素子２２，２２および３２，３２の給電点にも同相同振幅の給電が行われるので、この水平偏波用アンテナブロック６の指向性も水平面で無指向性を示す。
したがって、本実施形態に係る偏波共用アンテナ装置によれば、垂直偏波および水平偏波の双方についての無指向性を実現しながら、アンテナ径を縮小して風圧荷重を低減することができる。

図６は、アレー構成の偏波共用アンテナ装置の実施形態を示している。このアンテナ装置は、図４に示す水平偏波用アンテナブロック６と垂直偏波用アンテナブロック７との組み合わせからなるアンテナブロック１１を支柱１に沿って所定の間隔で多段配列（例えば、５段配列）した構成を有する。
本実施形態に係るアンテナ装置は、個々のアンテナブロック１１に対して、図４に示すアンテナ装置と同様の形態の給電が行われる。したがって、各アンテナブロック１１における水平偏波用アンテナブロック６の指向性と垂直偏波用アンテナブロック７の指向性がそれぞれ水平面で無指向性を示す。
このアンテナ装置によれば、アレー構成によって利得の向上を図ることができる。
なお、図６において、上下の垂直偏波用ダイポール素子の間隔をＤ１を例えば０．７λに設定した場合、素子部２，３を配置しえる間隔Ｄ２は約０．２λ（０．７λ−垂直偏波用ダイポール素子の素子長（約０．５λ））になる。

図７および図８は、このアレー構成の偏波共用アンテナ装置における水平偏波および垂直偏波についての水平面内指向性を例示している。これらの図から明らかなように、この偏波共用アンテナ装置は、水平偏波および垂直偏波の双方とも偏差が２ｄＢ以内という良好な水平面内指向性を示す。
一方、図９および図１０は、それぞれこの偏波共用アンテナ装置における水平偏波および垂直偏波についてのリターンロス特性を例示している。
移動体通信の基地局で使用するアンテナ装置は、各通信事業者に割り当てられている約７％以上の比帯域を必要とする。
図９、図１０に示すように、上記偏波共用アンテナ装置によれば、ＶＳＷＲ（定在波比）1．５以下を満たす比帯域が水平偏波で約１８．９％程度、垂直偏波で２９．６％程度になるので、移動体通信の基地局で使用するアンテナ装置に要求される広帯域性が十分に確保される。
なお、図９において、上記比帯域を規定する周波数範囲の中心周波数ｆ０、下限周波数ｆ１および上限周波数ｆ２は、それぞれ８８０ＭＨｚ、７９５ＭＨｚおよび９８０ＭＨｚである。また、図１０において、上記比帯域を規定する周波数範囲の中心周波数ｆ０、下限周波数ｆ１および上限周波数ｆ２は、それぞれ８３０ＭＨｚ、６８０ＭＨｚおよび９８０ＭＨｚである。

本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形態様を含むことができるものである。
例えば、図４の垂直偏波用アンテナブロック７では、４本の垂直偏波用ダイポール素子９１，８１，９１，９１を設けているが、３本もしくは５本以上の垂直偏波用ダイポール素子を設けてもよい。もちろん、個々の垂直偏波用ダイポール素子は、上記ダイポール素子９１，８１，９１，９１と同様に、円周上に等角度間隔で配列される。
また、アレー構成のアンテナ装置においては、給電線路用誘電体基板の給電線路に移相器を接続することにより、垂直面内指向性におけるビームチルト角を変化させることができる。
さらに、前記各実施形態においては、ダイポール素子および給電線路を誘電体基板にプリントした金属箔によって形成しているが、本発明は、誘電体基板に形成しないダイポール素子および給電線路を用いても実施可能である。

本発明に係る水平偏波用のアンテナ装置の実施形態を概念的に示す斜視図である。 各素子部の構成を示す平面図である。 本発明に係るアレー構成の水平偏波用アンテナ装置の実施形態を概念的に示す斜視図である。 本発明に係る偏波共用アンテナ装置の実施形態を概念的に示す斜視図である。 垂直偏波用のダイポール素子の配置態様を示す平面図である。 本発明に係るアレー構成の偏波共用アンテナ装置の実施形態を概念的に示す斜視図である。 水平偏波についての水平面内指向性を示すグラフである。 垂直偏波についての水平面内指向性を示すグラフである。 水平偏波についてのリターンロス特性を示すグラフである。 垂直偏波についてのリターンロス特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 支柱
２，３ 素子部
５，６，７，１１ アンテナブロック
８，９ 素子部
１０，２１，３１ 円周
２２，３２，８１，９１ ダイポール素子
２２ａ，２２ｂ，３２ａ、３２ｂ 素子導体
２３，３３ 誘電体基板
２４，３４ 対向軸
８２，９２ 誘電体基板
８１ａ，８１ｂ，９１ａ、９１ｂ 素子導体

Claims (7)

1. 垂直軸線を中心とする第１の円周上に相対向して水平に配設された第１の円弧状ダイポール素子の対と、
   前記第１の円周から前記垂直軸線に沿って所定の距離ずれた同径の第２の円周上に相対向して水平に配設された第２の円弧状ダイポール素子の対と、を備え、
   前記第１の円弧状ダイポール素子の対の対向軸と前記第２のダイポール素子の対の対向軸とが直交するように、かつ、前記第１、第２の円周の長さＣと前記第１、第２の円弧状ダイポール素子の長さＬとが２Ｌ＜Ｃ＜４Ｌの関係を満たすように構成されていることを特徴とする無指向性アンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置を垂直方向に多段配設したことを特徴とする無指向性アンテナ装置。
3. 前記第１および第２のダイポール素子の対は、それぞれ誘電体基板にプリント形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の無指向性アンテナ装置。
4. 水平偏波用アンテナブロックと、垂直偏波用アンテナブロックとを備え、
   前記水平偏波用アンテナブロックは、
   垂直軸線を中心とする第１の円周上に相対向して水平に配設された第１の円弧状ダイポール素子の対と、
   前記第１の円周から前記垂直軸線に沿って所定の距離ずれた同径の第２の円周上に相対向して水平に配設された第２の円弧状ダイポール素子の対と、を備え、
   前記第１の円弧状ダイポール素子の対の対向軸と前記第２のダイポール素子の対の対向軸とが直交するように、かつ、前記第１、第２の円周の長さＣと前記第１、第２の円弧状ダイポール素子の長さＬとが２Ｌ＜Ｃ＜４Ｌの関係を満たすように構成され、
   前記垂直偏波用アンテナブロックは、
   前記第１の円周および第２の円周から前記垂直軸線に沿って所定の距離ずれた円周上に等角度間隔で垂直に配設された３以上の第３のダイポール素子を備えることを特徴とする無指向性アンテナ装置。
5. 請求項４に記載のアンテナ装置を垂直方向に多段配設したことを特徴とする無指向性アンテナ装置。
6. 前記第３のダイポール素子の配設個数が４であることを特徴とする請求項４または５に記載の無指向性アンテナ装置。
7. 前記第１、第２のダイポール素子の対および前記第３のダイポール素子は、それぞれ誘電体基板にプリント形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の無指向性アンテナ装置。

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