JP5364755B2 - アンテナ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、移動体通信の基地局に使用して有効なアンテナ装置に関し、特に、1つの基地局がカバーするエリアの分割、セクタ化に対応可能なアンテナ装置に関するものである。
移動体通信では、周波数の利用効率を向上する目的で、1つの基地局がカバーするエリアを扇状のセクタゾーンに分割するようにしている。このようなエリア分割のためには、指向性を有する基地局用アンテナアンテナ装置を用いて、希望する扇状の範囲のみに電波を放射する必要がある。
上記のような指向性を有する基地局用アンテナ装置は、例えば、特許文献1に記載されている。図16に平面形状を示すように、このアンテナ装置は、水平方向に間隔Xをおいて配設した2つのダイポールアンテナ素子10と、これらのダイポールアンテナ素子10の背部に配設した反射板20とを備え、例えば、3セクタゾーンに対応可能な指向性が得られるように構成される。
なお、各ダイポールアンテナ素子10は、垂直偏波に適用するため、この図16の紙面に対して垂直な方向に延びている。
特開2007−59967号公報
ところで、セクタ分割角度と同じ角度(3セクタ構成の場合は120°)の水平面半値幅を有するアンテナ装置を使用した場合、隣接セクタとの間での干渉のために通信品質が低下するという問題を生じる。このため、近年の基地局用アンテナ装置は、セクタ分割角度よりも小さい角度の水平面ビーム幅を有するように、すなわち、水平面半値幅が例えば90°以下になるように構成している。
ここで、自セクタのエリア形成を行うために、図16に示す従来のアンテナ装置のビーム幅を約75°とした場合、図17の指向特性図に示すように、フロントバック比(以下、F/B比という)は約22dBであるものの、フロント/90°方向レベル比(以下、F/90°方向レベル比という)がかなり高くなる(−13dB程度)。これは、隣接セクタとの間での干渉を効果的に低減できないことを意味している。
図18のラインa,b及びcは、図16のダイポールアンテナ素子10,10の間隔Xの変化に対する水平面内ビーム幅、F/B比及びF/90°方向レベル比の変化態様をそれぞれ例示したものである。なお、上記素子間隔Xは、使用周波数帯域の中心周波数の波長λを用いて表されている。
上記水平面内ビーム幅は、自セクタのエリア形成についての評価要素となる。また、上記F/B比とF/90°方向レベル比は、隣接セクタに与える干渉についての評価要素となる。なお、サイドローブを有する指向性を示す場合には、フロントサイド比(F/S比)を用いて上記干渉についての評価を行うことができる。
図19のラインA,B及びCは、図16のダイポールアンテナ素子10,10の間隔Xを0、293λ,0、367λ及び0、416λに設定した場合の指向特性をそれぞれ示したものである。
3セクタゾーンに適用可能なビーム幅を70°〜80°と想定した場合、図18に示すように、ビーム幅が小さくなるに従ってF/90°方向レベル比が徐々に改善される。しかし、図18、図19から明らかなように、ビーム幅が70°に設定されている場合(このとき、Xは約0.416λ)でも、F/90°方向レベル比は約14dB(図19では、−14dB)程度に抑えられる。
隣接セクタへの干渉レベルを改善するには、3セクタゾーンに適用可能な一定のビーム幅(例えば、70°〜80°)を有しながらF/90°方向レベル比をより一層改善することが必要である。
そこで、本発明は、従来と同等の水平面半値幅を有しながら隣接セクタへの干渉を抑制すること、つまり、隣接セクタ間の干渉領域でのビーム利得を抑制することができるアンテナ装置を提供することを目的とする。
本発明は、鉛直方向に向けられかつ水平方向に所定の間隔をおいて配置された2つのダイポールアンテナ素子と、それらのダイポールアンテナ素子の背部に配置した反射板とを備え、前記各ダイポールアンテナ素子を同相の電力によって動作させるようにしたアンテナ装置であって、前記目的を達成するために、前記各ダイポールアンテナ素子を含む面に平行するように、かつ、垂直方向中心軸線が各ダイポールアンテナ素子の対称面に含まれるとともに、水平方向中心軸線が前記各ダイポールアンテナ素子の上下中心点を通る水平面に含まれるように配置された金属板からなる指向性調整素子を備え、この指向性調整素子によって水平面指向性を調整するようにしている。
前記指向性調整素子は、2以上備えることができる。また、前記各ダイポールアンテナ素子と前記指向性調整素子は、それらの双方またはいずれか一方を誘電体基板上に形成してもよい。さらに、前記反射板は、後方放射抑制作用を高めるために2以上備えることができる。
前記各ダイポールアンテナ素子の配置間隔は、0.306λ〜0.403λ(λは使用周波数帯域の中心周波数の波長)に設定することが望ましい。
本発明によれば、従来と同等の水平面半値幅を有しながら隣接セクタへの干渉を抑制して通信品質を向上することが可能である。しかも、従来のアンテナに指向性調整素子を付加するだけで上記のような干渉抑制作用が得られるので、実用性が高い。
本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を概念的に示す平面図である。 図1のA−A断面図である。 指向性調整素子の長さの変化に対するビーム幅、F/S比、F/B比及びF/90°方向レベル比の変化態様をそれぞれ例示するグラフである。 指向性調整素子を第1〜第5の長さに設定した場合の水平面指向特性をそれぞれ示すグラフである。 各ダイポールアンテナ素子の間隔が0.293λに設定されている状態で各ダイポールアンテナ素子を含む平面に対する指向性調整素子の距離を変化させた場合のビーム幅、F/S比、F/B比及びF/90°方向レベル比の変化態様をそれぞれ例示したグラフである。 各ダイポールアンテナ素子の間隔が0.306λに設定されている状態での同様のグラフである。 各ダイポールアンテナ素子の間隔が0.318λに設定されている状態での同様のグラフである。 各ダイポールアンテナ素子の間隔が0.342λに設定されている状態での同様のグラフである。 各ダイポールアンテナ素子の間隔が0.367λに設定されている状態での同様のグラフである。 各ダイポールアンテナ素子の間隔が0.391λに設定されている状態での同様のグラフである。 各ダイポールアンテナ素子の間隔が0.403λに設定されている状態での同様のグラフである。 各ダイポールアンテナ素子の間隔が0.416λに設定されている状態での同様のグラフである。 各ダイポールアンテナ素子の間隔が0.367λに設定されている状態で各ダイポールアンテナ素子を含む平面に対する指向性調整素子の距離を変化させた場合の指向特性の変化態様を例示したグラフである。 本発明に係るアンテナ装置で実現される指向特性と従来のアンテナ装置による指向特性とを対比するために示したグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の他の実施形態を示す平面図である。 従来のアンテナ装置を概念的に示す平面図である。 従来のアンテナ装置の指向特性を示すグラフである。 従来のアンテナ装置において各ダイポールアンテナ素子の間隔を変化させた場合の水平面内ビーム幅、F/B比及びF/90°方向レベル比の変化態様をそれぞれ例示したグラフである。 従来のアンテナ装置において各ダイポールアンテナ素子の間隔を0、293λ,0、367λ及び0、416λに設定した場合の指向特性をそれぞれ示したグラフである。
以下、図面を参照して、本発明に係るアンテナ装置の実施形態について説明する。
図1は、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を概念的である。また図2は、図1のA−A線による断面図である。これらの図に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置は、2つのダイポールアンテナ素子1、反射板2及び指向性調整素子3を備えている。
各ダイポールアンテナ素子1,1は、それぞれ全長が約0.5λ(λは使用周波数帯域の中心周波数の波長)に設定され、水平方向に間隔Xをおいて、かつ、それぞれの長手軸線が垂直方向に向くように配設されている(図2参照)。従って、これらのダイポールアンテナ素子1は、垂直偏波の送受に適用される。
本実施形態におけるダイポールアンテナ素子1は、図示していない誘電体基板上に貼着された金属箔(例えば銅箔)によって形成されている。すなわち、いわゆるプリント配線技術を用いて形成されている。しかし、このダイポールアンテナ素子1は、他の任意の金属材料(例えば、金属パイプ)を用いて形成することも可能である。
反射板2は、各ダイポールアンテナ素子1の背部に配設されている。この反射板2は、金属板によって形成され、各ダイポールアンテナ素子1を含む面に平行な主反射面2aと、この主反射面2aの一側と他側からそれぞれダイポールアンテナ素子1側にそれぞれ立上げ形成した補助反射面2b、2bとを備えている。
指向性調整素子3は、方形の金属板によって形成され、各ダイポールアンテナ素子1,1を含む面に平行するように、かつ、垂直方向中心軸線が各ダイポールアンテナ素子の対称面に含まれるとともに、水平方向中心軸線が前記各ダイポールアンテナ素子の上下中心点を通る水平面に含まれるように配置されている。
本実施形態における指向性調整素子3は、上記ダイポールアンテナ素子1,1と同様に、図示していない誘電体基板上に貼着された金属箔によって形成されているが、もちろん、適宜な厚さを有する銅板等の板金のみによって形成することも可能である。
以下、指向性調整素子3を備える本実施形態に係るアンテナ装置の作用について説明する。なお、本実施形態では、指向性調整素子3の幅Wを0.073λに設定しているが、これに限定されない。
本実施形態に係るアンテナ装置は、各ダイポールアンテナ素子1,1に同相の電力を供給することによって送信動作する。
図3のラインa,b,c及びdは、指向性調整素子3の長さLの変化(0.2λ〜0.425λ)に対するビーム幅、フロントサイド比(以下、F/S比という)、フロントバック比(以下、F/B比という)及びフロント/90°方向レベル比(以下、F/90°方向レベル比という)の変化特性をそれぞれ例示したものである。
また、図4のラインA,B,C,D及びEは、指向性調整素子3の長さLを0.229λ,0.277λ,0.326λ,0.375λ及び0.424λに設定した場合の水平面指向特性をそれぞれ示したものである。
なお、この図3、図4に示す特性は、各ダイポールアンテナ素子1の配置間隔Xを0.367λに設定し、各ダイポールアンテナ素子1を含む面から指向性調整素子3に至る距離Y(図1参照)を0.073λに設定した場合のものである。また、図4の指向特性は、フロント方向レベルを0dB(基準)とするものである。
図3に示すように、指向性調整素子3の長さLを0.25λ〜0.35λ近辺に設定した場合には、隣接セクタへの干渉に影響するF/90°方向レベル比についての改善がみられる。そして、長さLが0.4λ以降0.5λに近づくと、指向性調整素子3が無給電素子としての機能を持つようになるため、つまり、放射特性に大きく関係することになるため、上記各特性が急激に劣化する。また、指向性調整素子3の長さLが0.2λ近辺の場合には、上記各特性に対する改善効果は殆ど見られない。
この結果、図3及び図4からは、指向性調整素子3の長さLとして0.3λ近辺が適切であることが考察される。
図5のラインa,b,c及びdは、上記距離Yを変化させた場合の、ビーム幅、F/S比、F/B比及びF/90°方向レベル比の変化態様を例示したものである。ただし、この図5の関係は、素子間隔Xを0.293λとした場合のものである。
そして、図6、図7、図8、図9、図10、図11及び図12は、それぞれ素子間隔Dを0.306λ,0.318λ,0.342λ,0.367λ,0.391λ,0.403λ及び0.416λに設定した場合における同様の関係を例示したものである。
なお、距離Yが負になることは指向性調整素子3が各ダイポールアンテナ素子1を含む面よりも反射板2側に位置していることを意味している。
図5〜図12から明らかなように、各素子間隔Xに対してそれぞれ最適な距離Yが存在する。そして、素子間隔Xが狭くなるにつれて最適距離Yが大きくなる傾向を示す。
X=0.293λに設定した場合には、最適距離Yが0.2λを越えるため、アンテナ装置の形状が大型化する。また、X=0.416λに設定した場合には、ビーム幅70°近辺での指向性調整素子3の調整作用がほとんど望めなくなることから、3セクタゾーン構成において使用することが難しくなる。このため、隣接セクタへの干渉を抑制し得る3セクタゾーン構成を実現するための素子間隔Xは、0.306λ〜0.403λが妥当であるといえる。
図13のA,B,C,D,E,FおよびGは、素子間隔Xを0.367λとして、上記距離Yを−0.098λ,−0.049λ,0λ,0.049λ,0.098λ,0.147λ及び0.196λに設定した場合の水平面指向特性をそれぞれ示したものである。
そこで、例えば、素子間隔Xを0.367λ、指向性調整素子3の長さL、幅W及び上記距離Yをそれぞれ0.308λ、0.073λ及び0.073λに設定することができる。
図14は、この場合の水平面指向特性を実線で示したものである。この指向特性と点線で示す従来アンテナの指向特性(図17に示す特性と同一)との対比から明らかなように、指向性調整素子3を備える本実施形態のアンテナ装置によれば、隣接セクタへの干渉の度合いを抑制して、つまり、隣接セクタ間の干渉領域でのビーム利得を抑制して、通信品質を向上することが可能である。
本発明は上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲の技術的範囲内において種々の変型態様を採り得るものである。
例えば、上記実施形態では、指向性調整素子3として方形の金属板を用いているが、垂直面および水平面のそれぞれに対して面対称な形状を有する金属板であれば使用可能である。
また、反射板及び指向性調整素子は2以上配置することも可能であり、図15には、2つの反射板2,2’と2つの指向性調整素子3,3’を配設した例を示している。なお、反射板2’は反射板2よりも狭幅に設定されている。指向性調整素子3’の幅も指向性調整素子3のそれよりも大もしくは小に設定しても良い。
1 ダイポールアンテナ素子
2,2’ 反射板
2a 主反射面
2b 補助反射面
3,3’ 指向性調整素子














Claims (5)

  1. 鉛直方向に向けられかつ水平方向に所定の間隔をおいて配置された2つのダイポールアンテナ素子と、それらのダイポールアンテナ素子の背部に配置した反射板とを備え、前記各ダイポールアンテナ素子を同相の電力によって動作させるようにしたアンテナ装置であって、
    前記各ダイポールアンテナ素子を含む面に平行するように、かつ、垂直方向中心軸線が各ダイポールアンテナ素子の対称面に含まれるとともに、水平方向中心軸線が前記各ダイポールアンテナ素子の上下中心点を通る水平面に含まれるように配置された金属板からなる指向性調整素子を備え、
    前記指向性調整素子によって水平面指向性を調整するようにしたことを特徴とするアンテナ装置。
  2. 前記指向性調整素子を2以上備えることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記各ダイポールアンテナ素子と前記指向性調整素子の双方またはいずれか一方を誘電体基板上に形成したことを特徴とした請求項1または2に記載のアンテナ装置。
  4. 前記反射板を2以上備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアンテナ装置。
  5. 前記各ダイポールアンテナ素子の配置間隔を0.306λ〜0.403λ(λは使用周波数帯域の中心周波数の波長)に設定したことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
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