JP4930734B2 - セクタアンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、セクタアンテナ(sector antenna)に関し、特に、携帯電話、無線LAN(local area network)、WiMAX(worldwide interoperability for microwave access)等の無線システムの基地局アンテナとして使用するセクタアンテナに関する。本願は、2007年4月27日に出願された特願2007−118622号に基づき、優先権の利益を主張するものである。そして、特願2007−118622号の内容は本願の明細書の内容に含まれる。
携帯電話、無線LAN、WiMAX等の無線システム、とりわけMIMO(multi input multi output)システムを利用する基地局アンテナの1つとして、例えば、直交偏波のパッチアンテナ(patch antenna)を配列したセクタアンテナがある。
直交偏波用のアンテナとしては、以下のような構成が提案されている。特許文献1には2周波共用ダイポールアンテナ装置の構成が記載され、特許文献2には多周波偏波共用或いは単一周波数アンテナ装置が開示されている。
特開2006−325255号公報 特開2005−33261号公報
パッチアンテナを配列したセクタアンテナに関しては、特許文献1では垂直偏波素子の両側に水平偏波素子が配置される構成をとっているために(特許文献1の図10)、アンテナの構成が複雑になってしまうという課題があった。また、特許文献2の構成では、複数の垂直偏波素子を一方向には配列し、水平偏波素子を一方向と垂直な方向に配列しているために(特許文献2の図3)、アンテナの構成が複雑になるとともに、部品点数が多くなってしまうという課題があった。
従って、構造がより簡単で、製造コストが安くて垂直、水平偏波を共有するアンテナの実現が望まれていた。
本発明の典型的な目的は、上記問題に鑑みてなされたものであり、アンテナの構成を簡単にしたセクタアンテナを提供することにある。
本発明に係るセクタアンテナは、複数の垂直偏波素子と、前記複数の垂直偏波素子に接続される第1の給電回路とを備えた、垂直偏波用の第1のプリント基板と、
複数の水平偏波素子が取り付けられ、前記複数の水平偏波素子に接続される第2の給電回路を備えた水平偏波用の第2のプリント基板と、
一方向に延びた凹部を有する反射板と、
を備え、
前記第1のプリント基板の隣接する二つの垂直偏波素子間には切り欠き部が設けられており、
前記第1のプリント基板の切り欠き部に前記水平偏波素子が配置されるように、前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板とが並行に配置され、
前記複数の垂直偏波素子と前記複数の水平偏波素子とは、前記凹部の内側に、前記一方向に交互に配列されているセクタアンテナである。
本発明によれば、垂直偏波に関してはプリント基板で形成され、水平偏波に関しては水平偏波素子を取り付けたプリント基板で形成されるので、給電回路とアンテナ素子の構成を簡単にすることができる。
本発明に係る第1の実施の形態におけるセクタアンテナの斜視図を示したものである。 本発明に係る第1の実施の形態におけるセクタアンテナを分解した分解斜視を示したものである。 本発明に係る第1の実施の形態におけるセクタアンテナを収納する円筒形の レドームを示したものである。 本発明に係る第1の実施の形態における垂直面の放射パターンを示したもの である。 本発明に係る第1の実施の形態における水平面の放射パターンを示したもの である。 本発明に係る第2の実施の形態におけるセクタアンテナの斜視図を示したも のである。 本発明に係る第3の実施の形態における反射板の断面形状を示したものであ る。 本発明に係る第3の実施の形態における反射板の断面形状を示したものであ る。 本発明に係る第3の実施の形態における反射板の断面形状を示したものであ る。 本発明に係る第4の実施の形態における斜め素子を形成した場合のセクタ アンテナの斜視図である。 本発明に係る第4の実施の形態における斜め素子を形成した場合の垂直面 の放射パターンを示したものである。 プリント基板11の平面図である。 プリント基板12の平面図である。 水平偏波素子15の斜視図である。 反射板20−3の斜視図である。 プリント基板上に銅箔で水平偏波素子を形成した例を示す斜視図である。 反射板20または40の変形例を示す斜視図である。 反射板20または40の他の変形例を示す斜視図である。
符号の説明
11、12 プリント基板
13、17 バラン
14 垂直偏波素子
15 水平偏波素子
16、18 給電回路
19 グランド導体
24 斜め素子
20、21、22、40 反射板
30 サポート板
次に、本発明に係る典型的な実施の形態(exemplary embodiment)におけるセクタアンテナについて、図面を用いて説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係わるセクタアンテナの斜視図である。図2は、第1の実施の形態におけるセクタアンテナを分解した分解斜視図を示したものである。
図1及び図2に示すセクタアンテナは、プリント基板11と、プリント基板12と、水平偏波素子15と、反射板21と、反射板22と、サポート板30とを備えている。反射板21と反射板22とを組み合わせて反射板20が構成される。
図3は、セクタアンテナを収納する円筒形のレドームを示す図である。図1及び図2に示すセクタアンテナは、円筒形のレドーム(Radome)50に収納される。
図1及び図2に示すように、プリント基板11は、垂直偏波素子14と、給電回路16と、バラン17とを形成している。図12はプリント基板11の平面図を示す。
給電回路16は、表面がマイクロストリップ線路であり、裏面にグラウンド導体を有する。
バラン17は、表面がストリップ線路であり、裏面がテーパ形状のグランド導体により形成される。
垂直偏波素子14は、プリント基板11の表裏に形成される銅箔によりダイポールが形成される。なお、この垂直偏波素子14の長さL1(図12に図示)は、約0.4波長が適している。
プリント基板12は、給電回路18と、バラン13を形成している。図13はプリント基板12の平面図を示す。図13はプリント基板12の裏面を示しており、グランド導体19がその裏面に形成されている。
給電回路18は、プリント基板11の給電回路16と同様に表面がマイクロストリップ線路であり、裏面にグラウンド導体19を有する。
バラン13は、表面がストリップ線路であり、裏面がテーパ形状のグランド導体により形成される。
水平偏波素子15は、板金により形成され、線状素子を折り返した形状をしており、折り返しダイポールを形成している。
図14は水平偏波素子15の斜視図であり、両端部が折り曲げられている。そして、両端部の一方がプリント基板12のバランの表面に接続され、もう一方がバランの裏面にハンダ付けにより接続されている。
なお、水平偏波素子15の長辺の長さL2(図14に図示)は、約0.35〜0.5波長であり、さらに好ましくは約0.4波長である。
プリント基板11及び12の材質は、PTFE(ポリテトラフルオロエチレンの略)が低損失のため適しているが、材料に係るコストを低減する目的で、BTレジン(ビスマレイミドトリアジン樹脂の略)、PPE(ポリフェニレンエーテルの略)などの材料も使用することができる。
反射板21と反射板22は、それぞれの断面がL字型の板金により形成され、一部に、プリント基板11と、プリント基板12のバラン13を通すための切り欠きを有する。そして、反射板21の切り欠きと、反射板22の切り欠きが組み合わされて、プリント基板11と、プリント基板12のバラン13を通すための反射板20の穴が構成される。反射板21と反射板22を結合させた反射板20は、断面が「 ]」状をなし、一方向に延びた凹部が形成される。この凹部の内側に、複数の垂直偏波素子と複数の水平偏波素子とが一方向に交互に配列される。
サポート板30は、板金により形成され、その端部を交互に折り返して、反射板21又は22を固定するためのタブを有する。
プリント基板11とプリント基板12、反射板21と反射板22、サポート板30は、それぞれがネジにより固定される。
これらの構成からなるセクタアンテナは、図3に示す円筒形のレドームに収納される。レドームの直径は、使用波長の約0.8〜1が好ましい。
プリント基板11に形成される垂直偏波素子14と、プリント基板12に搭載されている水平偏波素子15とは、同一直線状に交互に配列されている。配列の個数や間隔は、所望の特性により決定される。プリント基板11の隣接する二つの垂直偏波素子14間には切り欠き部(図12に図示)が設けられており、プリント基板11とプリント基板12とは、プリント基板11の切り欠き部に水平偏波素子15が配置されるように、並行に配置される。
また、それぞれの配列に給電される信号の振幅と位相は、所望の特性になるように給電回路により制御される。例えば、本実施の形態では、マイクロストリップ線路の分岐を使用して、直列に分配し、振幅と位相を制御している。このような、給電回路による振幅と位相の制御の例は特開平7−183724号公報に説明されている。
また、図4は、本実施の形態における垂直面の放射パターンを示したものである。
また、図5は、本実施の形態における水平面の放射パターンを示したものである。
以上により、本発明に係る本実施の形態では、垂直偏波と水平偏波の両偏波を共有するので、偏波を利用したMIMOシステムに適用することができる。
また、本実施の形態のセクタアンテナは、周囲方向にセクタビームを有すると共に、垂直方向にペンシルビームやヌルフィルビーム(コセカント二乗特性など)を有する。
本実施の形態における垂直偏波の送信の場合の動作について、マイクロ波信号の流れに沿って説明する。
垂直偏波の入出力ポートから入力されたマイクロ波信号は、マイクロストリップ線路の分岐を通り、適切な振幅と位相を持った分配比に分配される。
適切に分配されたマイクロ波信号は、バランで不平衡信号から平衡信号へ変換される。
平衡信号へ変換されたマイクロ波信号は、垂直偏波素子14へ給電され、空間へマイクロ波を放射する。
垂直偏波素子14から放射されたマイクロ波は、遠方にて所望のパターンを形成する。
本実施の形態においては、水平面はセクタビームを、垂直面においてはコセカント二乗ビームを有する。
本実施の形態の水平偏波の送信の場合の動作は、アンテナ素子が水平偏波素子15であることを除き、垂直偏波素子14の場合と同じであるので、詳細の説明を省略する。
本実施の形態の受信の場合の動作は、送信の場合のマイクロ波信号の流れが逆になることを除き、同じであるので、詳細の説明を省略する。
本実施の形態によれば、セクタアンテナは、給電回路とアンテナ素子の構成方法について、垂直偏波に関しては、垂直偏波素子のプリント基板で形成し、水平偏波に関しては、水平偏波素子を取り付けたプリント基板で形成することができる。
これにより、第1の実施の形態によるセクタアンテナは、給電回路とアンテナ素子の構成を簡単に形成することができる。
また、本実施の形態のセクタアンテナは、垂直偏波素子と水平偏波素子を同一直線状に配列し、反射板を共有することができるので、直径約0.8波長の円筒形レドームに収納することができる。
これにより、セクタアンテナの小型化を図ることができる。
また、本実施の形態のセクタアンテナは、少ない部品点数で構成しているため、部品価格が安価であり、かつ構成が簡単であるため組立が容易であり、製造コストを低減することができる。
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態におけるセクタアンテナについて図を用いて説明する。 図6は、本発明の第2の実施の形態に係わるセクタアンテナの斜視図である。
図6に示すセクタアンテナは、プリント基板11及び12と、水平偏波素子15と、反射板40と、サポート板30とを備えている。なお、サポート板30は図6に示したような大きさでなく、L字金具のように小さい金具でもよい。垂直偏波素子14はプリント基板11の一部より構成される。
図6に示す第2の実施の形態では、図1の第1の実施の形態に対し、プリント基板11とプリント基板12、サポート板30とが、反射板40の内側に配置されている点で異なる。
これに伴い、以下のような各部品の形状が簡素化される。
第1の実施の形態では反射板21及び22にプリント基板11及び12を貫くための切り欠きを設けていた。すなわち、反射板20にプリント基板11及び12を貫くための穴を設けていた。本実施形態では、反射板40に穴を設ける必要がなく形状が簡素化されている。
プリント基板11及び12の大きさは、短辺方向の距離(反射板40からの垂直偏波素子14又は水平偏波素子15までの距離)を、第1の実施の形態のプリント基板11及び12よりも短縮できるので、第1の実施の形態に対し、プリント基板11及び12の面積を狭くすることができる。
本実施の形態によれば、セクタアンテナは、部品の簡素化により、部品と組立コストの低減を図ることができる。
なお、本実施の形態における垂直面の放射パターンは、第1の実施の形態の場合と同様である。
一方、本実施の形態における水平面の放射パターンは、第1の実施の形態の場合と垂直偏波素子又は水平偏波素子と反射板の形状との位置関係が異なるため、異なるビーム幅を示す。しかしながら、反射板の形状や素子の位置を調節することにより、所望のビーム幅を達成できる。
(第3の実施の形態)
次に、図7(a)〜(c)、図8(a)〜(c)、図9(a)〜(c)に、第1の実施の形態の反射板20の形状に変化を加えた場合の実施形態を示す。本願において、略H字型とは、図7(a)〜(c)、図8(a)〜(c)、図9(a)〜(c)に示した反射板20−1〜20−9の形状も含まれる。第2の実施形態の反射板40を反射板20−1〜20−9と同様の形状としてもよい。
本実施の形態によれば、反射板40の端部に流れる電流を抑制し、バックローブ特性、とりわけ水平偏波のバックローブ特性を改善する効果を奏する。
なお、その他の効果や動作は、第1の実施の形態の場合と同様である。
まず、図7(a)の実施の形態は、第1の実施の形態の反射板20の断面形状を、H型の反射板20−1にしている。
本実施の形態によれば、第1の実施の形態より、後方(反射板に対して、垂直偏波素子及び水平偏波素子の配置側と反対の側)への電波の散乱を抑制することができ、バックローブを小さくすることができる。
また、本実施の形態のアンテナは、円筒形のレドーム50に収納されるが、レドームをなるべく細径化するために反射板の形状は、レドームに収納されるような小さい形状でなければならない。
図7(b)の実施の形態では、レドームに収容できるように反射板を折り曲げて、図7(a)よりも後方に反射板を延長して反射板20−2とした。こうすることにより、図7(a)よりも電波の散乱を更に抑制する効果を奏する。
なお、H型の側面の長さは、使用波長の約4分の1またはそれ以上がよい。
次に、図7(c)の実施の形態では、図7(b)の反射板の一部に厚みを持たせて(凹部の側面が折り返されることで厚くなっている)反射板20−3とすることにより、反射板端部からの散乱を抑制する効果を更に奏する。図15は反射板20−3の斜視図である。厚さL3は反射板の厚さよりも厚くなっている
次に、図8(a)の実施の形態では、反射板20−4の平面にチョーク23−1を設けることにより、反射板背面に流れる電流を抑制している.
チョークの深さは、使用波長の約4分の1がよい。
次に、図8(b)の実施の形態では、H型の反射板20−5の側面にチョーク23−2を設けている。
これにより、反射板端部での電流を抑制している。
次に、図8(c)の実施の形態では、図8(b)の実施の形態の反射板を後方へ延長して反射板20−6とした。
これにより、図8(b)の実施の形態よりも、電波の散乱を更に抑制する効果を奏する。
次に、図9(a)の実施の形態では、H型の反射板20−7の側面に厚みを持たせている。
これにより、反射板の端部からの散乱を抑制している。
次に、図9(b)の実施の形態では、図9(a)で示した実施の形態の反射板を、上下逆に構成して反射板20−8とした。
これにより、図9(a)の実施の形態と同様の効果を有している。
次に、図9(c)の実施の形態では、図8(b)の実施の形態の反射板を、上下逆に構成して反射板20−9とした。
これにより、図8(b)の実施の形態と同様の効果を有している。
(第4の実施の形態)
次に、第4の実施の形態におけるセクタアンテナを、図10に示す。
図10に示すセクタアンテナは、図1の第1の実施の形態で示したセクタアンテナの垂直偏波素子14を、斜めに配置することにより、斜め素子24(V偏波素子ともいう。)を形成するようにしたものである。
ここで、垂直偏波素子14を斜めに配置し、斜め素子24を形成する場合の下方に傾ける角度(斜めに配置する角度)は、図10に示すTOPの方向に対して、約40度までが好ましい。ここで、TOPの方向とはセクタアンテナを地面に対して垂直に配置したときに、地面に対して上方向をいう。
更に好ましくは、垂直偏波素子14を、図10に示すTOPの方向に対して約30度傾け、斜め素子24を形成することが望ましい。
図10に示した斜め素子24を形成したセクタアンテナについて、垂直面の放射パターンの利得向上を示す特性図を図11に示す。
図11に示す第4の実施の形態の垂直面の放射パターンは、図中の矢印で示すように、セクタアンテナの直下付近において、図4で示した第1の実施の形態の垂直面の放射パターンよりも、利得が向上していることを示している。
すなわち、図11に示すように、図10の斜め素子24を形成することにより、セクタアンテナの直下付近(特に図11の約60度から90度付近)の利得を、大幅に向上させることができる。
これにより、斜め素子24を形成するセクタアンテナは、セクタアンテナの直下付近の電波環境(通信状況)を改善することができる。
以上説明した各実施形態において、水平偏波素子15は板金により形成したが、プリント基板により形成してもよい。図16(a)、(b)はプリント基板15A、15Bの上にそれぞれ銅箔で水平偏波素子を形成した例を示している。プリント基板15A、15Bの中央は開口されており、銅箔で作成された水平偏波素子はプリント基板12のバランとハンダで接続される。また、反射板20は「 ]」型形状をなる場合について説明したが、「 ]」型形状を変形した図18に示す「 〕」型形状の反射板20−11であってもよい。さらに、図17に示すように、「 〕」形状の端部を折り曲げ延長した断面形状の反射板20−10であってもよい。本願において、略「 ]」型形状(略角かっこ型の形状(substantially square bracket shape))とは、「 〕」型形状(角かっこ型の形状の両端部がテーパ状に広がった形状)や図17に示す形状(角かっこ型の形状の両端部がテーパ状に広がり、テーパ状の端部を折り曲げた形状)も含まれる。第2の実施形態の反射板40を反射板20−10、20−11と同様の形状としてもよい。
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は、本願の請求の範囲によって規定される、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の種々の形で実施することができる。そのため、前述した各実施形態は単なる例示にすぎず、限定的に解釈されるべきではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書や要約書の記載には拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更はすべて本発明の範囲内のものである。

Claims (16)

  1. 複数の垂直偏波素子を備えた第1のプリント基板と、
    複数の水平偏波素子が取り付けられた第2のプリント基板と、
    一方向に延びた凹部を有する反射板と、
    を備え、
    前記第1のプリント基板の隣接する二つの垂直偏波素子間には切り欠き部が設けられており、
    前記第1のプリント基板の切り欠き部に前記水平偏波素子が配置されるように、前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板とが並行に配置され、
    前記複数の垂直偏波素子と前記複数の水平偏波素子とは、前記凹部の内側に、前記一方向に交互に配列されているセクタアンテナ。
  2. 前記第1のプリント基板及び前記第2のプリント基板は、バランを更に備えることを特徴とする請求項1に記載のセクタアンテナ。
  3. 前記第1のプリント基板は前記複数の垂直偏波素子に接続される第1の給電回路を備え、前記第2のプリント基板は前記複数の水平偏波素子に接続される第2の給電回路を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のセクタアンテナ。
  4. 前記第1及び第2の給電回路は、マイクロストリップ線路を備えていることを特徴とする請求項に記載のセクタアンテナ。
  5. 前記第1及び第2のプリント基板は、前記反射板に設けられた穴を貫くように配置されることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載のセクタアンテナ。
  6. 前記反射板は、略H字型の断面形状を有することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載のセクタアンテナ。
  7. 前記反射板は、略角かっこ型の断面形状を有することを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載のセクタアンテナ。
  8. 前記凹部を構成する前記反射板の側壁は、前記側壁以外の部分よりも厚くなっていることを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載のセクタアンテナ。
  9. 前記反射板の一部にチョークを有することを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載のセクタアンテナ。
  10. 前記垂直偏波素子は、前記一方向から所定の角度傾いて形成されていることを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載のセクタアンテナ。
  11. 前記第1のプリント基板及び前記第2のプリント基板は、前記反射板の凹部内に設けられていることを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載のセクタアンテナ。
  12. 前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板を支持するサポート板と、を更に備え、
    前記サポート板は、第1及び第2のプリント基板、前記反射板を支持していることを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載のセクタアンテナ。
  13. 前記第1のプリント基板、前記第2のプリント基板及び前記サポート板は、前記反射板の凹部内に設けられていることを特徴とする請求項12に記載のセクタアンテナ。
  14. 前記反射板の2つの側壁板は、前記複数の垂直偏波素子及び前記複数の水平偏波素子の配置側とは反対の側に伸びていることを特徴とする請求項6に記載のセクタアンテナ。
  15. 前記反射板の2つの側壁板は、前記複数の垂直偏波素子及び前記複数の水平偏波素子の配置側で折り返され、該配置側とは反対の側に伸びていることを特徴とする請求項6又は8に記載のセクタアンテナ。
  16. 前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板と前記反射板とを収容するレドームを備え、前記反射板の2つの側壁板の各伸長部は前記レドームに収容されるように折り曲げられていることを特徴とする請求項15に記載のセクタアンテナ。
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