JP5314622B2 - 移動通信用基地局アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、偏波共用アンテナおよびアレイアンテナに係り、特に、空間分割多重アクセスを実現する移動通信用基地局アンテナに関するものである。

移動通信に用いられる移動通信用基地局アンテナ（単に、「基地局アンテナ」ともいう）においては、複数のユーザの同時接続を可能とするため、周波数分割多重アクセス（ＦＤＭＡ）、時間分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）などの手法が提案されており、商用の移動通信システムに既に導入されている。

しかし、近年の移動通信の普及に伴うユーザの急激な増加のため、移動通信システムに割り当てられた周波数チャネルの許容量以上の通話要求が発生し、周波数が逼迫するという問題が発生している。

そこで、周波数の利用効率を上げてチャネル容量の拡大を実現するために、１つの周波数帯域で複数のユーザとの通信を実現する空間分割多重アクセス（ＳＤＭＡ）が提案されている。空間分割多重アクセスでは、基地局アンテナの指向性の主ビーム方向を希望のユーザの方向に向け、他のユーザ方向には指向性のヌル方向を向けることで、複数のユーザを空間の違いによって分離している。

空間分割多重アクセスを実現する方法として、複数のアンテナを組み合わせてデータ送受信の帯域を広げるＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）と呼ばれる無線通信技術がある。ＭＩＭＯでは、送信データを複数の信号（ストリーム）に分けて同時送信するため、複数のアンテナを設置する必要がある。

特許文献１では、空間分割多重アクセスを実現する移動通信用基地局アンテナが提案されており、複数ユーザの分解能力を改善すべく、複数のアレイアンテナを水平面内に直線状、もしくは円周上に配置した移動通信用基地局アンテナが提案されている。

また、非特許文献１では、空間分割多重アクセスを実現する移動通信基地局が提案されており、Ｖ−Ｈ偏波および斜め±４５度偏波を用いたアレイアンテナ４本を水平方向に並べた移動通信基地局が提案されている。

特開２００１−３１３５２５号公報

Ｋ．Ｎｉｓｈｉｍｏｒｉ、他２名、「Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ８×２ ＭＩＭＯ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂｙ Ａｎｔｅｎｎａ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ ａｎ Ａｃｔｕａｌ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＡＮＴＥＮＮＡＳ ＡＮＤ ＰＲＯＰＡＧＡＴＩＯＮ、ＶＯＬ．５４、ＮＯ．１１、２００６年１１月、ｐｐ．３２８５−３２９１ 恵比根佳雄、他２名、「陸上移動通信におけるアンテナ垂直配置スペースダイバーシチの検討」、電子情報通信学会論文誌Ｂ−II Ｎｏ．６、１９９０年６月、ｐｐ．２８６−２９２

しかしながら、上述の特許文献１、非特許文献１では、アレイアンテナを水平面内に直線状、もしくは円周上に配置しているため、移動通信用基地局アンテナ全体の設置専有面積が大きくなってしまうという問題がある。また、アレイアンテナを水平面内に直線状、もしくは円周上に配置する場合、スペースダイバーシチ効果を得るためには、アレイアンテナの間隔を広くとる必要があるため、移動通信用基地局アンテナの設置専有面積がさらに大きくなってしまう問題がある。

このように、周波数の利用効率を上げるためにＭＩＭＯを導入すると、アレイアンテナを増設する必要があるため、アンテナの設置専有面積が大きくなってしまう問題が発生する。また、アレイアンテナを増設すると、各々のアレイアンテナの取り付け工事や配線などの付帯設備もアレイアンテナの本数分必要となり、コストが増大してしまう問題もある。

近年、携帯電話をはじめとする高速無線通信の普及により、街中には移動通信用基地局アンテナが満ち溢れている。移動通信用基地局アンテナは、鉄塔や高い建物の屋上などに設置されるため、アレイアンテナの本数を増やすことは、設置費用のアップや景観を損ねることにつながり、好ましくない。

したがって、周波数の利用効率を上げてチャネル容量の拡大を実現するためには、アレイアンテナを複数配置してＭＩＭＯを導入することが必須であるが、設置専有面積が大きくなることは極力避けたいという要求があり、設置専有面積の小さい移動通信用基地局アンテナが強く望まれている。

非特許文献２では、２つの受信アンテナを鉛直軸上に垂直に配列して垂直配置スペースダイバーシチを構成することにより、アンテナ設置専有面積を小さくすることが提案されている。

しかしながら、非特許文献２では、垂直配置スペースダイバーシチアンテナの有効性を、アンテナ間隔と相関係数の観点から理論的、実験的に明らかにしているのみであり、スペースダイバーシチ効果の検証にとどまっている。つまり、非特許文献１では、空間分割多重アクセスを実現するためのアレイアンテナ構成については言及されていない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、従来の移動通信用基地局アンテナの設置専有面積を大幅に増やすことなく、空間分割多重アクセスを実現できる移動通信用基地局アンテナを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、偏波特性が互いに直交する２つのアンテナ素子をそれぞれに含む複数のアンテナ素子対が垂直面内に配列されたアンテナ素子対アレイと、前記２つのアンテナ素子のそれぞれに給電するための２つの給電点と、をそれぞれに含む複数のアレイアンテナを備えた移動通信用基地局アンテナにおいて、前記複数のアレイアンテナが垂直面内に配列され、隣接するアレイアンテナ相互間の少なくとも一部において、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とが交互に配列されていると共に前記アンテナ素子対を正面から見て左右方向に水平間隔を空けて配列されていることを特徴とする移動通信用基地局アンテナである。

隣接するアレイアンテナ相互間の全部において、前記一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と前記他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とが交互に配列されるとよい。

前記アンテナ素子対が、一方のアンテナ素子を垂直に、他方のアンテナ素子を水平に配置した水平垂直偏波アンテナ素子対であってもよい。

前記アンテナ素子対が、一方のアンテナ素子を鉛直方向に対して＋４５度に、他方のアンテナ素子を鉛直方向に対して−４５度に斜め配置した±４５度偏波アンテナ素子対であるとよい。

前記複数のアレイアンテナの内の少なくとも１つが、一方のアンテナ素子を垂直に、他方のアンテナ素子を水平に配置した水平垂直偏波アンテナ素子対を用いたものであり、その他の前記複数のアレイアンテナが、一方のアンテナ素子を鉛直方向に対して＋４５度に、他方のアンテナ素子を鉛直方向に対して−４５度に斜め配置した±４５度偏波アンテナ素子対を用いたものであるとよい。

前記アレイアンテナにおいて、一方のアンテナ素子を垂直に、他方のアンテナ素子を水平に配置した水平垂直偏波アンテナ素子対と、一方のアンテナ素子を鉛直方向に対して＋４５度に、他方のアンテナ素子を鉛直方向に対して−４５度に斜め配置した±４５度偏波アンテナ素子対とが交互に配列されているとよい。

前記水平間隔が、１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下であるとよい。前記アンテナ素子が、半波長ダイポールアンテナであるとよい。

前記アンテナ素子が、パッチアンテナであるとよい。

本発明によれば、従来の移動通信用基地局アンテナの設置専有面積を大幅に増やすことなく、空間分割多重アクセスを実現できる移動通信用基地局アンテナを提供することができる。

本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの模式図である。 図１の移動通信用基地局アンテナにおいて、アレイアンテナの構造について説明した図（正面図及び側面図）である。 図１の移動通信用基地局アンテナにおいて、アレイアンテナの構造について説明した図（斜視図）である。 図１の移動通信用基地局アンテナにおいて、アレイアンテナを分解して、アンテナ素子構成を説明した図である。 図１の移動通信用基地局アンテナにおいて、アレイアンテナ間のオーバーラップ部の割合を変えることで、アンテナ相関係数を調整することを示す図である。 本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの模式図である。 本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの模式図である。 本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの模式図である。 本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの模式図である。 オーバーラップ部における左右方向の水平間隔ｄ、及び、オーバーラップ部における隣接するアンテナ素子対間の垂直間隔Ｄを示した説明図である。 本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの（ａ）模式図、（ｂ）水平面放射利得グラフ、（ｃ）垂直面放射利得グラフである。 本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの（ａ）模式図、（ｂ）水平面放射利得グラフ、（ｃ）垂直面放射利得グラフである。 本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの（ａ）模式図、（ｂ）水平面放射利得グラフ、（ｃ）垂直面放射利得グラフである。 本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの（ａ）模式図、（ｂ）水平面放射利得グラフ、（ｃ）垂直面放射利得グラフである。 移動通信用基地局アンテナにおける、（ａ）正面から見た場合の座標軸、（ｂ）右側面から見た場合の座標軸を示した説明図である。 移動通信用基地局アンテナにおける、（ａ）水平面ビーム傾き、（ｂ）垂直面ビーム傾きを示した説明図である。 移動通信用基地局アンテナにおける、（ａ）水平面ＨＰＢＷ、（ｂ）垂直面ＨＰＢＷを示した説明図である。 移動通信用基地局アンテナにおける、（ａ）素子放射利得の測定方法、（ｂ）素子放射利得の測定結果を示した説明図である。 本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの模式図である。 本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの模式図である。 本発明の一実施形態を示す移動通信用基地局アンテナの模式図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

本発明の移動通信用基地局アンテナは、空間分割多重アクセス（ＳＤＭＡ）を実現するものであり、複数のアレイアンテナを組み合わせてデータ送受信の通信容量を高めるＭＩＭＯを実現するものである。

図１は、本実施形態に係る移動通信用基地局アンテナの模式図である。

移動通信用基地局アンテナ１０は、アレイアンテナを２つ以上備え、各アレイアンテナを垂直面内に配列して構成される。その際、隣接するアレイアンテナ相互間の少なくとも一部において、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とが交互に配列して構成される。本実施形態では、図１に示すように、２つのアレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２）を垂直面内に配列する場合について説明する。

アレイアンテナである±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２は、複数のアンテナ素子対（±４５度偏波アンテナ素子対１１）が垂直面内に直線状に配列されたものである。アンテナ素子対（±４５度偏波アンテナ素子対１１）は、偏波特性が互いに直交する２つのアンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１２，−４５度偏波アンテナ素子１３）が直交に配置されることにより構成される。

本実施形態では、アンテナ素子対として、一方のアンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１２）を垂直面に対して＋４５度に、他方のアンテナ素子（−４５度偏波アンテナ素子１３）を垂直面に対して−４５度に斜め配置した±４５度偏波アンテナ素子対１１を用いた。つまり、本実施形態に係る移動通信用基地局アンテナは、＋４５度偏波および−４５度偏波を共用する偏波共用アンテナである。

また、本実施形態では、±４５度偏波アレイアンテナ１０１を構成する＋４５度偏波アンテナ素子１２へは第１給電点１１１から給電がなされ、±４５度偏波アレイアンテナ１０１を構成する−４５度偏波アンテナ素子１３へは第２給電点１１２から給電がなされ、±４５度偏波アレイアンテナ１０２を構成する＋４５度偏波アンテナ素子１２へは第３給電点１１３から給電がなされ、±４５度偏波アレイアンテナ１０２を構成する−４５度偏波アンテナ素子１３へは第４給電点１１４から給電がなされる。なお、ここで、−４５度偏波アンテナ素子１３を点線で表したのは、＋４５度偏波アンテナ素子１２と明確に区別するためである。第２給電点１１２及び第２給電点１１２へ繋がる給電線を点線で表したのは、第１給電点１１１及び第１給電点１１１へ繋がる給電線と明確に区別するためである。第４給電点１１４及び第４給電点１１４へ繋がる給電線を点線で表したのは、第３給電点１１３及び第３給電点１１３へ繋がる給電線と明確に区別するためである。以下、同様に、近接するアンテナ素子同士や給電点同士を明確に区別する手段としても適宜点線を用いた。

図２は、図１における±４５度偏波アンテナ素子対１１の構造について説明した図であり、（ａ）は±４５度偏波アンテナ素子対１１の正面図、（ｂ）は±４５度偏波アンテナ素子対１１の側面図である。また、図３は、図２の斜視図である。

図２及び図３に示したように、±４５度偏波アンテナ素子対１１は、反射板９の長手方向に沿ってアレイ状に配置されている。±４５度偏波アンテナ素子対１１は、金属からなるアンテナ素子パターン（図示せず）をアンテナ素子基板８の表面に形成することにより構成されたアンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１２，−４５度偏波アンテナ素子１３）を、断面十字型となるように組み合わせることにより構成される。±４５度偏波アンテナ素子対１１により、＋４５度偏波される電波及び−４５度偏波される電波を共用して送受信することができる。＋４５度偏波アンテナ素子１２，−４５度偏波アンテナ素子１３は給電線（図２，図３には図示せず）を介して、それぞれ異なる給電点（図２，図３には図示せず）に接続される。

つまり、図１では、±４５度偏波アレイアンテナ１０１を構成する＋４５度偏波アンテナ素子１２は、実線により表される給電線により第１給電点１１１に接続され、±４５度偏波アレイアンテナ１０１を構成する−４５度偏波アンテナ素子１３は、点線により表される給電線により第２給電点１１２に接続され、±４５度偏波アレイアンテナ１０２を構成する＋４５度偏波アンテナ素子１２は、実線により表される給電線により第３給電点１１３に接続され、±４５度偏波アレイアンテナ１０２を構成する−４５度偏波アンテナ素子１３は、点線により表される給電線により第４給電点１１４に接続される。

また、本実施形態では、アンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１２，−４５度偏波アンテナ素子１３）として、半波長ダイポールアンテナ素子を用いた。しかし、アンテナ素子はこれに限定されず、パッチアンテナ素子やその他の偏波ダイバーシチアンテナ素子を用いてもよい。

図４は、移動通信用基地局アンテナ１０を分かり易く説明するために、移動通信用基地局アンテナ１０を２つの±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２に分け、更に、各±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２を複数のアンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１２，−４５度偏波アンテナ素子１３）からなるアンテナ素子アレイを偏波角毎に分けた図である。

図４に示すように、移動通信用基地局アンテナ１０は、＋４５度に斜め配置した複数のアンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１２）が垂直面内に直線状に配列されたアンテナ素子アレイ（＋４５度偏波アンテナ素子アレイ１６，１８）と、−４５度に斜め配置した複数のアンテナ素子（−４５度偏波アンテナ素子１３）が垂直面内に直線状に配列されたアンテナ素子アレイ（−４５度偏波アンテナ素子アレイ１７，１９）とを有し、＋４５度偏波アンテナ素子アレイ１６と−４５度偏波アンテナ素子アレイ１７、＋４５度偏波アンテナ素子アレイ１８と−４５度偏波アンテナ素子アレイ１９をそれぞれ重ねることで、偏波ダイバーシチアンテナの一素子であるアンテナ素子対（±４５度偏波アンテナ素子対１１）が、複数個、垂直面内に直線状に配列されたアンテナ素子対アレイ（±４５度偏波アンテナ素子対アレイ１４，１５）を形成する。そして、±４５度偏波アンテナ素子対アレイ１４を含む±４５度偏波アレイアンテナ１０１と±４５度偏波アンテナ素子対アレイ１５を含む±４５度偏波アレイアンテナ１０２とを垂直面内に配列し、その際に、隣接する±４５度偏波アレイアンテナ１０１と±４５度偏波アレイアンテナ１０２の相互間の少なくとも一部において、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とを交互に配列することにより移動通信用基地局アンテナ１０を形成する。

このとき、アンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１２，−４５度偏波アンテナ素子１３）の各寸法は、使用する周波数や帯域幅により適宜決定するとよい。また、アンテナ素子対（±４５度偏波アンテナ素子対１１）の数は、アンテナ放射利得やアンテナのビーム幅など、所望のアンテナ仕様に応じて適宜決定するとよい。

移動通信用基地局アンテナ１０は、±４５度の斜めダイバーシチアンテナを構成しているため、偏波特性が互いに直交するアンテナ素子アレイ間、つまり、＋４５度偏波アンテナ素子アレイ１６と−４５度偏波アンテナ素子アレイ１７との間及び＋４５度偏波アンテナ素子アレイ１８と−４５度偏波アンテナ素子アレイ１９との間のアンテナ相関係数は、理想的には０に近い値となる。よって、偏波共用アンテナであるアレイアンテナを用いることで、通常のアンテナを２つ設置したのと同じ効果を得ることが可能となり、２ＭＩＭＯアンテナ構成が実現できることになる。

ところで、複数のアレイアンテナを用いる場合、各アレイアンテナ間のアンテナ相関係数が問題となる。アンテナ相関係数が大きいと、各々のアレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２）で受信する信号の相関が高くなり、十分な通信容量の向上を得ることができないためである。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、アンテナ相関係数は、アレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２）間のオーバーラップ部（±４５度偏波アレイアンテナ１０１に含まれるアンテナ素子対１１と±４５度偏波アレイアンテナ１０２に含まれるアンテナ素子対１１とが交互に配列された部分）の移動通信用基地局アンテナ１０全体に占める割合（以下、単に「オーバーラップ部の割合」という）を変えることにより、調整することが可能である。

図５（ａ）に示すように、両アレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２）間のオーバーラップ部の割合が大きい場合は、アンテナ相関係数は大きくなり、より大きな通信容量を確保するという点においては好ましくないが、小型化や（±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２間の共通化部分が増加することによる）低重量化、それらに伴う低コスト化を実現するという点においては好ましい。また、その逆に、両アレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２）間のオーバーラップ部の割合が小さい場合は、アンテナ相関係数は小さくなり、小型化や（±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２間の共通化部分が増加することによる）低重量化、それらに伴う低コスト化を実現するという点においては好ましくないが、より大きな通信容量を確保するという点においては好ましい。よって、オーバーラップ部の割合をどの程度にするのかは、移動通信用基地局アンテナを設置する環境や必要とされる通信容量との兼ね合いで適宜決定すればよい。

本実施形態では、２つのアレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２）を用いた場合を説明したが、アレイアンテナは２つに限定されず、２つ以上であればよい。

本実施形態の作用を説明する。

本実施形態に係る移動通信用基地局アンテナ１０では、アンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１２，−４５度偏波アンテナ素子１３）の偏波特性が互いに直交する複数のアンテナ素子対（±４５度偏波アンテナ素子対１１）が垂直面内に配列されたアレイアンテナ（図１では、±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２のみ記載しているが、２つに限定されず、２つ以上であればよい）を２つ以上備え、各アレイアンテナが垂直面内に配列されている。また、上記配列は特定の間隔に限定されず、得ようとするアンテナ特性に応じた所定の間隔でなされればよい。

アレイアンテナを上下方向（垂直面内）に２つ以上配列することにより、設置専有面積を大幅に増やすことなく、垂直方向の空間分割多重アクセスを実現することが可能となる。よって、ＭＩＭＯによるデータ通信容量を大きくすることができ、従来方式より高速なデータ通信が実現できる。

さらに、アレイアンテナを上下方向（垂直面内）に２つ以上配列して移動通信用基地局アンテナ１０とするため、アンテナ増設に伴い、別途アンテナ（アレイアンテナ）を取り付けるための専用支柱や取り付け金具などを追加する必要がなくなり、そのための費用を削減することが可能である。

また、本実施形態では、設置専有面積を大幅に増やすことなく、多くのＭＩＭＯアンテナを実現できる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

図６に示す移動通信用基地局アンテナ２０は、図１の移動通信用基地局アンテナ１０において、±４５度偏波アンテナ素子対１１を垂直面内に直線状に配列したアレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０１，１０２）に替えて、水平垂直偏波アンテナ素子対２１を垂直面内に直線状に配列したアレイアンテナ（水平垂直偏波アレイアンテナ２０１，２０２）を用いたものである。水平垂直偏波アンテナ素子対２１は、一方のアンテナ素子を垂直に配置したもの（垂直偏波アンテナ素子２２）と、他方のアンテナ素子を水平に配置したもの（水平偏波アンテナ素子２３）とを組み合わせたものである。

また、本実施形態では、水平垂直偏波アレイアンテナ２０１を構成する垂直偏波アンテナ素子２２へは、実線により表される給電線により第１給電点２１１から給電がなされ、水平垂直偏波アレイアンテナ２０１を構成する水平偏波アンテナ素子２３へは、点線により表される給電線により第２給電点２１２から給電がなされ、水平垂直偏波アレイアンテナ２０２を構成する垂直偏波アンテナ素子２２へは、実線により表される給電線により第３給電点２１３から給電がなされ、水平垂直偏波アレイアンテナ２０２を構成する水平偏波アンテナ素子２３へは、点線により表される給電線により第４給電点２１４から給電がなされる。

移動通信用基地局アンテナ２０は、図１の移動通信用基地局アンテナ１０において、±４５度偏波アンテナ素子対１１を水平垂直偏波アンテナ素子対２１に変更したものであるから、図１の移動通信用基地局アンテナ１０と同様の効果を得ることができる。

図７に示す移動通信用基地局アンテナ３０は、±４５度偏波アンテナ素子対１１を垂直面内に直線状に配列したアレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０３）と、水平垂直偏波アンテナ素子対２１を垂直面内に直線状に配列したアレイアンテナ（水平垂直偏波アレイアンテナ２０３）とを同一の垂直面内に配列したものである。

また、本実施形態では、±４５度偏波アレイアンテナ１０３を構成する＋４５度偏波アンテナ素子１２へは、実線により表される給電線により第１給電点３１１から給電がなされ、±４５度偏波アレイアンテナ１０３を構成する−４５度偏波アンテナ素子１３へは、点線により表される給電線により第２給電点３１２から給電がなされ、水平垂直偏波アレイアンテナ２０３を構成する垂直偏波アンテナ素子２２へは、実線により表される給電線により第３給電点３１３から給電がなされ、水平垂直偏波アレイアンテナ２０３を構成する水平偏波アンテナ素子２３へは、点線により表される給電線により第４給電点３１４から給電がなされる。

±４５度偏波アレイアンテナ１０３と水平垂直偏波アレイアンテナ２０３とは偏波の方向が異なるので、±４５度偏波アレイアンテナ１０３と水平垂直偏波アレイアンテナ２０３とを隣り合わせて配置すると、±４５度偏波アレイアンテナ同士、水平垂直偏波アレイアンテナ同士を隣り合わせて配置した場合と比較して、アレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０３，水平垂直偏波アレイアンテナ２０３）間のアンテナ相関係数を小さくすることができる。よって、±４５度偏波アレイアンテナ１０３，水平垂直偏波アレイアンテナ２０３間のオーバーラップ部の割合を大きくすることが可能となり、移動通信用基地局アンテナ３０の上下方向（垂直面内）の寸法を小さくすることができる。

図７では、±４５度偏波アレイアンテナ１０３，水平垂直偏波アレイアンテナ２０３をそれぞれ１つ用いた場合を示しているが、これに限定されず、±４５度偏波アレイアンテナ１０３，水平垂直偏波アレイアンテナ２０３は同数でなくてもよい。

図８に示す移動通信用基地局アンテナ４０は、水平垂直偏波アンテナ素子対２１と±４５度偏波アンテナ素子対１１とを交互に配列したアレイアンテナ（混合アレイアンテナ３０１，３０２）を用い、これらアレイアンテナ（混合アレイアンテナ３０１，３０２）を上下方向（垂直面内）に２つ配列したものである。

また、本実施形態では、混合アレイアンテナ３０１を構成する＋４５度偏波アンテナ素子１２，垂直偏波アンテナ素子２２へは、実線により表される給電線により第１給電点４１１から給電がなされ、混合アレイアンテナ３０１を構成する−４５度偏波アンテナ素子１３，水平偏波アンテナ素子２３へは、点線により表される給電線により第２給電点４１２から給電がなされ、混合アレイアンテナ３０２を構成する＋４５度偏波アンテナ素子１２，垂直偏波アンテナ素子２２へは、実線により表される給電線により第３給電点４１３から給電がなされ、混合アレイアンテナ３０２を構成する−４５度偏波アンテナ素子１３，水平偏波アンテナ素子２３へは、点線により表される給電線により第４給電点４１４から給電がなされる。

図８のように移動通信用基地局アンテナ４０を構成しても、図１の移動通信用基地局アンテナ１０と同様の効果が得られる。

なお、これまでの実施形態においては、複数のアレイアンテナを垂直面内に直線状に配列するものであったが、例えば、隣接するアレイアンテナ相互間の少なくとも一部において、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と、他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とを、当該アンテナ素子対を正面から見て左右方向に（以下、単に「左右方向に」ともいう）水平方向の間隔（以下、単に「水平間隔」ともいう）を空けて配列してもよい。

次に、このような本発明の実施形態について説明する。

図９に示す移動通信用基地局アンテナ５０は、図１の移動通信用基地局アンテナ１０において、±４５度偏波アンテナ素子対１１を垂直面内に直線状に配列するのではなく、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とを交互に配列した部分（オーバーラップ部５０１）において、一方のアレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０１）に含まれるアンテナ素子対と、他方のアレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０２）に含まれるアンテナ素子対とを、左右方向に水平間隔を空けて配列したものである。なお、図１０に示したように、図９に示す移動通信用基地局アンテナ５０においては、左右方向に水平間隔を空けて配列したアンテナ素子対から、複数のアレイアンテナを直線状に配列した垂直面までの水平間隔を（１／２）ｄとしたが、これに限定されることはなく、左右方向に水平間隔を空けて配列したアンテナ素子対から、複数のアレイアンテナを直線状に配列した垂直面までの水平間隔をそれぞれ異ならせてもよい。

図１１（ａ）、図１２（ａ）、図１３（ａ）、及び、図１４（ａ）は、移動通信用基地局アンテナの本発明の一実施形態を示したものであり、これらはそれぞれ、オーバーラップ部におけるアンテナ素子対の個数ｎと、オーバーラップ部における、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対との間の左右方向の水平間隔ｄ（図１０参照；以下、単に「左右方向の水平間隔」ともいう）とを異ならせている。

図１１（ａ）、図１２（ａ）、図１３（ａ）、及び、図１４（ａ）における個数ｎ及び左右方向の水平間隔ｄの値を表１に示した。なお、図１１（ａ）、図１２（ａ）、図１３（ａ）、及び、図１４（ａ）の移動通信用基地局アンテナにおいては、それらに共通する構成として、±４５度偏波アンテナ素子対をアンテナ素子対として用い、移動通信用基地局アンテナにおけるアンテナ素子対の個数Ｎを２８（個）とし、オーバーラップ部における、隣接するアンテナ素子対間の垂直方向の間隔（垂直間隔）Ｄ（図１０参照）を０．３９λ（ｍｍ）（このとき、λ＝２ＧＨｚ）とした。

図１１（ａ）、図１２（ａ）、図１３（ａ）、及び、図１４（ａ）の移動通信用基地局アンテナにおけるシミュレーションの結果（グラフ）をそれぞれ、図１１（ｂ）、（ｃ）、図１２（ｂ）、（ｃ）、図１３（ｂ）、（ｃ）、及び、図１４（ｂ）、（ｃ）に示した。

図１１（ｂ）、図１２（ｂ）、図１３（ｂ）、及び、図１４（ｂ）においては、水平面放射利得を縦軸とし、図１５に示した座標軸を用いた場合におけるｘｙ平面上の角度（水平角度φ）を横軸とした。また、図１１（ｃ）、図１２（ｃ）、図１３（ｃ）、及び、図１４（ｃ）においては、垂直面放射利得を縦軸とし、図１５に示した座標軸を用いた場合におけるｙｚ平面上の角度（垂直角度θ）を横軸とした。

また、上記シミュレーションの結果（グラフ）を表にまとめた（表２参照）。

表２において、ビーム傾きとは、アレイアンテナが放射するビーム（電波）のピークとアレイアンテナを基準にして定義される面とのなす角のことである。そして、水平面ビーム傾きとは、図１６（ａ）に示したように、アレイアンテナが放射するビームのピークとアレイアンテナの水平面（ｘｙ平面）とのなす角のことである。また、垂直面ビーム傾きとは、図１６（ｂ）に示したように、アレイアンテナが放射するビームのピークとアレイアンテナの垂直面（ｙｚ平面）とのなす角のことである。

また、表２において、ＨＰＢＷ（Ｈａｌｆ Ｐｏｗｅｒ Ｂａｎｄ Ｗｉｄｔｈ）とは、アレイアンテナが放射するビームの半値幅のことである。そして、水平面ＨＰＢＷとは、図１７（ａ）に示したように、アレイアンテナが放射するビームの水平面（ｘｙ平面）における半値幅のことである。また、垂直面ＨＰＢＷとは、図１７（ｂ）に示したように、アレイアンテナが放射するビームの垂直面（ｙｚ平面）における半値幅のことである。

表２に示したシミュレーションの結果を見て明らかなように、図１２の移動通信用基地局アンテナにおいては、図１１の移動通信用基地局アンテナと比較して、ビーム傾き（水平面ビーム傾き、垂直面ビーム傾き）やビーム幅（水平面ＨＰＢＷ、垂直面ＨＰＢＷ）を維持したまま、放射利得（水平面ピーク放射利得、垂直面ピーク放射利得）を増加させることができた。また、図１３の移動通信用基地局アンテナにおいては、図１１の移動通信用基地局アンテナと比較して、設置専有面積が小さく、且つ、同等の放射利得が得られているものの、ビーム傾きやビーム幅が増加する結果となった。また、図１４の移動通信用基地局アンテナにおいては、図１１の移動通信用基地局アンテナと比較して設置専有面積が小さいものの、放射利得が減少し、且つ、ビーム傾きやビーム幅が増加する結果となった。

このように、オーバーラップ部において、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と、他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とを、左右方向に水平間隔を空けて配列することにより、放射利得（水平面ピーク放射利得、垂直面ピーク放射利得）を増加させることができた。これは、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と、他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とを、左右方向に水平間隔を空けて配列することにより、アンテナ素子間の干渉が減少するからである。

しかし、オーバーラップ部において、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と、他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とを、左右方向に水平間隔を空けて配列するだけでなく、オーバーラップ部におけるアンテナ素子対の数の、移動通信用基地局アンテナの全体におけるアンテナ素子対の数に対する割合を増加させた場合には、それに伴いアンテナ素子間の干渉が増加し、それが放射利得を減少させる方向に作用するので、上記水平間隔を空けて配列することにより増加した放射利得が徐々に相殺される。よって、オーバーラップ部において、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と、他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とを、左右方向に水平間隔を空けて配列するだけでなく、オーバーラップ部におけるアンテナ素子対の数の、移動通信用基地局アンテナの全体におけるアンテナ素子対の数に対する割合を増加させることは、他の特性を変化させずに放射利得のみを増加させたい場合には好ましくないが、多少、放射利得を犠牲にしてでも他の特性、例えば、アンテナ設置専有面積を小さくしたいなどの場合には好ましい。

図１８（ｂ）は、オーバーラップ部内のアンテナ素子（単体）の素子放射利得を表したシミュレーションの結果である。具体的には、オーバーラップ部における、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対との間の左右方向の水平間隔ｄを０ｍｍから５０ｍｍまで１０ｍｍ間隔で変更した場合における素子放射利得を表したものである。シミュレーションのモデルとしては、図１８（ａ）に示したように、アンテナ素子対を３つ、縦に並べたものを用いた。その際、オーバーラップ部における、隣接するアンテナ素子対間の垂直間隔Ｄを０．３９λ（ｍｍ）（このとき、λ＝２ＧＨｚ）とし、２つのアンテナ素子対に挟まれた素子６０１のみに給電するものとした（あるアンテナ素子の素子放射利得にもっとも大きな影響を与えるのは当該アンテナ素子に隣接するアンテナ素子なので、シミュレーションのモデルとして、アンテナ素子対を３つのみ含むものを用いた）。

上記シミュレーションの結果、左右方向の水平間隔ｄ＝１０（ｍｍ）から徐々に素子放射利得が増加し始めることが明らかになった。よって、左右方向の水平間隔ｄは１０ｍｍ以上が好ましい。また、左右方向の水平間隔ｄが大きければ大きいほど素子放射利得は増加するが、その場合には、左右方向の水平間隔ｄが４０ｍｍを越えたあたりから水平面ビーム傾きが増加し始めることから（水平間隔ｄ＝０（ｍｍ）のときには０°、ｄ＝１０（ｍｍ）のときには０°、ｄ＝２０（ｍｍ）のときには１°、ｄ＝３０（ｍｍ）のときには１°、ｄ＝４０（ｍｍ）のときには２°、ｄ＝５０（ｍｍ）のときには２°）、また、左右方向の水平間隔ｄが大きくなると設置専有面積が大きくなることから、左右方向の水平間隔ｄがあまり大きくても好ましくない。よって、左右方向の水平間隔ｄは４０ｍｍ以下が好ましい。

なお、アンテナ素子の各寸法は、使用する周波数や帯域幅により適宜決定するとよい。また、アンテナ素子対の数は、アンテナ放射利得やアンテナのビーム幅など、所望のアンテナ仕様に応じて適宜決定するとよい。

図１９に示す移動通信用基地局アンテナ６０において図６の移動通信用基地局アンテナ２０と異なるのは、隣接するアレイアンテナ（水平垂直偏波アレイアンテナ２０１，２０２）相互間の少なくとも一部（オーバーラップ部５０２）において、一方のアレイアンテナ（水平垂直偏波アレイアンテナ２０１）に含まれるアンテナ素子対（水平垂直偏波アンテナ素子対２１）と、他方のアレイアンテナ（水平垂直偏波アレイアンテナ２０２）に含まれるアンテナ素子対（水平垂直偏波アンテナ素子対２１）とを、左右方向に水平間隔を空けて配列した点である。このように形成することにより、図９に記載の実施形態と同様に、放射利得を増加させる効果を得ることができる。

図２０に示す移動通信用基地局アンテナ７０において図７の移動通信用基地局アンテナ３０と異なるのは、隣接するアレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０３、水平垂直偏波アレイアンテナ２０３）相互間の少なくとも一部（オーバーラップ部５０３）において、一方のアレイアンテナ（±４５度偏波アレイアンテナ１０３）に含まれるアンテナ素子対（±４５度偏波アンテナ素子対１１）と、他方のアレイアンテナ（水平垂直偏波アレイアンテナ２０３）に含まれるアンテナ素子対（水平垂直偏波アンテナ素子対２１）とを、左右方向に水平間隔を空けて配列した点である。このように形成することにより、図９に記載の実施形態と同様に、放射利得を増加させる効果を得ることができる。

図２１に示す移動通信用基地局アンテナ８０において図８の移動通信用基地局アンテナ４０と異なるのは、隣接するアレイアンテナ（混合アレイアンテナ３０１，３０２）相互間の少なくとも一部（オーバーラップ部５０４）において、一方のアレイアンテナ（混合アレイアンテナ３０１）に含まれるアンテナ素子対(±４５度偏波アンテナ素子対１１、水平垂直偏波アンテナ素子対２１)と、他方のアレイアンテナ（混合アレイアンテナ３０２）に含まれるアンテナ素子対（±４５度偏波アンテナ素子対１１、水平垂直偏波アンテナ素子対２１）とを、左右方向に水平間隔を空けて配列した点である。このように形成することにより、図９に記載の実施形態と同様に、放射利得を増加させる効果を得ることができる。

なお、これまでの実施形態においては、複数のアレイアンテナを垂直面内に直線状に配列するものや、隣接するアレイアンテナ相互間の少なくとも一部において、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と、他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とを、左右方向に水平間隔を空けて配列したものであったが、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内であれば、例えば、隣接するアレイアンテナ相互間の少なくとも一部において、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と、他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とを、前後方向に水平間隔を空けて配列してもよい。

このように、本発明は、上記実施形態には限定されず、当業者にとって想到し得る本明細書に説明された基本的教示の範囲に含まれる全ての変更、および代替的構成を具体化するものとして解釈されるべきである。

１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０ 移動通信用基地局アンテナ
１１ ±４５度偏波アンテナ素子対
１２ ＋４５度偏波アンテナ素子
１３ −４５度偏波アンテナ素子
１４，１５ アンテナ素子対アレイ（±４５度偏波アンテナ素子対アレイ）
１６，１８ アンテナ素子アレイ（＋４５度偏波アンテナ素子アレイ）
１７，１９ アンテナ素子アレイ（−４５度偏波アンテナ素子アレイ）
２１ 水平垂直偏波アンテナ素子対
２２ 垂直偏波アンテナ素子
２３ 水平偏波アンテナ素子
１０１，１０２，１０３ ±４５度偏波アレイアンテナ
２０１，２０２，２０３ 水平垂直偏波アレイアンテナ
３０１，３０２ 混合アレイアンテナ
１１１，２１１，３１１，４１１ 第１給電点
１１２，２１２，３１２，４１２ 第２給電点
１１３，２１３，３１３，４１３ 第３給電点
１１４，２１４，３１４，４１４ 第４給電点
５０１．５０２，５０３，５０４ オーバーラップ部
１１００，１２００，１３００，１４００ オーバーラップ部

Claims (9)

1. 偏波特性が互いに直交する２つのアンテナ素子をそれぞれに含む複数のアンテナ素子対が垂直面内に配列されたアンテナ素子対アレイと、前記２つのアンテナ素子のそれぞれに給電するための２つの給電点と、をそれぞれに含む複数のアレイアンテナを備えた移動通信用基地局アンテナにおいて、
   前記複数のアレイアンテナが垂直面内に配列され、
   隣接するアレイアンテナ相互間の少なくとも一部において、一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とが交互に配列されていると共に前記アンテナ素子対を正面から見て左右方向に水平間隔を空けて配列されていることを特徴とする移動通信用基地局アンテナ。
2. 隣接するアレイアンテナ相互間の全部において、前記一方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対と前記他方のアレイアンテナに含まれるアンテナ素子対とが交互に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の移動通信用基地局アンテナ。
3. 前記アンテナ素子対が、一方のアンテナ素子を垂直に、他方のアンテナ素子を水平に配置した水平垂直偏波アンテナ素子対であることを特徴とする請求項１又は２に記載の移動通信用基地局アンテナ。
4. 前記アンテナ素子対が、一方のアンテナ素子を鉛直方向に対して＋４５度に、他方のアンテナ素子を鉛直方向に対して−４５度に斜め配置した±４５度偏波アンテナ素子対であることを特徴とする請求項１又は２に記載の移動通信用基地局アンテナ。
5. 前記複数のアレイアンテナの内の少なくとも１つが、一方のアンテナ素子を垂直に、他方のアンテナ素子を水平に配置した水平垂直偏波アンテナ素子対を用いたものであり、その他の前記複数のアレイアンテナが、一方のアンテナ素子を鉛直方向に対して＋４５度に、他方のアンテナ素子を鉛直方向に対して−４５度に斜め配置した±４５度偏波アンテナ素子対を用いたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の移動通信用基地局アンテナ。
6. 前記アレイアンテナにおいて、一方のアンテナ素子を垂直に、他方のアンテナ素子を水平に配置した水平垂直偏波アンテナ素子対と、一方のアンテナ素子を鉛直方向に対して＋４５度に、他方のアンテナ素子を鉛直方向に対して−４５度に斜め配置した±４５度偏波アンテナ素子対とが交互に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の移動通信用基地局アンテナ。
7. 前記水平間隔が、１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の移動通信用基地局アンテナ。
8. 前記アンテナ素子が、半波長ダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の移動通信用基地局アンテナ。
9. 前記アンテナ素子が、パッチアンテナであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の移動通信用基地局アンテナ。

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