JP5645949B2 - 異なる平面に配置される放射素子の設置方法及びそれを用いるアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、異なる平面に配置される放射素子の設置方法及びその放射素子を備えるアンテナに関するものである。

最近、移動通信システムの基地局又は中継器で広く使われているアンテナは、小型化及び軽量化の要求を満足させるために多様な研究がなされている。特に、二重帯域二重偏波アンテナは、低周波数帯域（例えば、８００ＭＨｚ帯域）の第１の放射素子に高周波数帯域（例えば、２ＧＨｚ帯域)の第２の放射素子を積層する構造として開発されている。

このようなアンテナは、例えば、パッチ（ｐａｔｃｈ）タイプの第１の放射素子上にパッチタイプ又はダイポール（ｄｉｐｏｌｅ）タイプの第２の放射素子が設置された積層構造の第１及び第２の放射素子を有することができる。この積層構造の第１及び第２の放射素子は、第１の周波数帯域の放射素子の配列を満足させるための間隔で複数個が反射板上に配置される。また、第２の放射素子は、第１の放射素子と第２の放射素子との間に第２の周波数帯域の放射素子配列を満足させるために、反射板上に追加的に設けられる。このような配置方式は、全体的にアンテナの小型化を満足させつつ、アンテナ利得を得ることができる。

しかしながら、上記の配置方式では、第１の放射素子と積層されて設置される第２の放射素子と、単独で設置される第２の放射素子とが相互に異なる平面に設置されるため、第２の周波数帯域の信号が放射される場合に位相差が発生するという問題点があった。

このような問題点を解決するために、単独で設けられる第２の放射素子は、第１の放射素子と積層される第２の放射素子の設置平面と同一の平面に設置されるように別途の補助機構などを用いてより高く設置する方式を採用することができる。しかしながら、この方式は、第１の周波数帯域の第１の放射素子の放射に影響して第１の周波数帯域信号の放射特性を悪化させるという問題点を有する。

したがって、現在では、第１の周波数帯域の第１の放射素子の放射に影響を及ぼすが、許可基準を超える深刻な影響は与えない範囲内で、単独で設置される第２の放射素子と、第１の放射素子と積層されるように設置される第２の放射素子との設置平面の差を減少させる方式が採用されている。

したがって、本発明の目的は、上記の従来技術の問題点を解決するために、異なる平面に配置される放射素子の放射信号の位相差を減少する設置方法及びそれを用いるアンテナを提供することにある。

本発明の他の目的は、第１の周波数帯域の第１の放射素子に積層されて設けられる第２の周波数帯域の第２の放射素子と、単独で設けられる第２の周波数帯域の第２の放射素子とを備える二重帯域アンテナにおいて、第１の放射素子の放射特性を悪化させずに第２の放射素子の放射特性を向上させる放射素子の設置方法及びそれを用いるアンテナを提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の一態様によれば、異なる平面に配置される放射素子を有するアンテナが提供される。このアンテナは、一平面に配置される第１の位置の放射素子と、他の平面に配置される第２の位置の放射素子と、第１及び第２の位置の放射素子に接続される給電ケーブルと、を含み、給電ケーブルの長さは、給電ケーブル間の位相差が第１及び第２の位置の放射素子が配置される平面間の位置の差に従って第１及び第２の位置の放射素子から空気中に伝搬される信号の位相差を補償する値を有するように決定される。

本発明の他の態様によれば、異なる平面に配置される放射素子の設置方法が提供される。その方法は、異なる平面に配置される放射素子間の配置平面の位置の差に従って放射素子から空気中に伝搬される信号の位相差を求めるステップと、空気中に伝搬される信号の位相差だけ補償する給電ケーブルの位相差を有するように異なる平面に配置される放射素子間の給電ケーブルを設計するステップとを有する。

また、本発明の他の態様によれば、一平面に配置される第１の位置の第１の放射素子と、他の平面に配置される第２の位置の第２の放射素子と、第１及び第２の位置の放射素子に各々接続される給電ケーブルとを含み、第１の放射素子を通じて放射される第１の信号は前記第２の放射素子を通じて放射される第２の信号との間に位相差を有し、第１及び第２の位置の放射素子に各々接続される給電ケーブルのうちいずれか一つの給電ケーブルの長さは位相差を補償するように決定される。

本発明による放射素子の設置方式は、異なる平面に配置される放射素子の放射信号の位相差を減少させ、特に、第１の周波数帯域の第１の放射素子に積層されて設置される第２の周波数帯域の第２の放射素子と、単独で設けられる第２の周波数帯域の第２の放射素子とを備える二重帯域アンテナで、第１の放射素子の放射特性を悪化させずに第２の放射素子の放射特性を向上させることができる。

本発明の一実施形態による異なる平面に配置される放射素子が設置される移動通信基地局アンテナの透視平面図である。 図１の移動通信基地局アンテナを示す透視側面図である。 図２の移動通信基地局アンテナを示す一部拡大図である。 図１の第２の放射素子に設置される給電（ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）ネットワークの概略図である。 図１の第１の放射素子のパッチ構造の特徴を示す概略的な斜視図である。 図１の第１の放射素子の給電構造を示す平面及び背面図である。

以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。

次の説明において、具体的な構成及び構成要素のような特定詳細は、単に本発明の実施形態の全般的な理解を助けるために提供される。したがって、本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく、以下に説明される本発明の様々な変形及び変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。

図１は、本発明の一実施形態による相互に異なる平面に配置される放射素子が設置される移動通信基地局アンテナの透視平面図であり、図２は図１による透視側面図であり、図３は図２による一部拡大図である。図１乃至図３を参照すると、本発明の一実施形態によるアンテナでは、第１の周波数帯域（例えば、８００ＭＨｚ）のパッチタイプの第１の放射素子１１，１２，１３，１４は、反射板１の上面に一定間隔で配置されている。また、第２の周波数帯域（例えば、２ＧＨｚ）のダイポールタイプの第２の放射素子２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７は、第１の放射素子１１，１２，１３，１４に積層され、あるいは第１の放射素子１１，１２，１３，１４の間で反射板１の上面に直接設置される。

第１の放射素子１１，１２，１３，１４の各々は、上部パッチ板１１‐１，１２‐１，１３‐１，１４‐１及び下部パッチ板１１‐２，１２‐２，１３‐２，１４‐２を含む。下部パッチ板１１‐２，１２‐２，１３‐２，１４‐２は、反射板１を通過する補助給電ケーブル１１２を介して反射板１の裏面に付着される給電用導体パターンが形成されたプリント回路基板１１１，１２１，１３１，１４１に接続される。

図１乃至図３に示すように、本発明の一実施形態によるアンテナにおいて、第１の放射素子１１〜１４間の反射板１の上面に直接設けられる第２の放射素子２２，２４，２６は、第１の放射素子１１〜１４の設置平面と同一に設置され、あるいは低く設置され得る。そのため、第２の放射素子２２，２４，２６は、第１の放射素子１１〜１４の放射に及ぼす影響を最小化するように設計することができる。

このような構成において、第１の放射素子１１〜１４上に積層される第２の放射素子２１，２３，２５，２７の設置平面は、反射板１上に直接設置される第２の放射素子２２，２４，２６の設置平面とは相当な高さの差を有する。したがって、第１の放射素子１１〜１４上に積層される高い位置の第２の放射素子２１，２３，２５，２７と、反射板１上に直接設置される低い位置の第２の放射素子２２，２４，２６に接続される給電ケーブルは、給電ケーブルを通じて伝搬される信号間の位相差が放射素子間の高さの差によって、空気中に伝搬される信号間の位相差を補償できる長さを有するように設計される。図４を参照して、本発明による相互に異なる配置平面を有する放射素子間の位相差を補償する方法について、詳細に説明する。

図４は、図１に示した第２の放射素子に設置される給電ネットワークの概略図である。図４を参照すると、高い位置の第２の放射素子２１と低い位置の第２の放射素子２２は、分配器３０により分配される信号を各々該当給電ケーブル２１１，２２１を通じて受信する。

２つの給電ケーブル２１１，２２１が同じ長さである場合、第２の放射素子２１，２２から放射される信号間の位相差は、これらの間の高さの差ΔＬによる空気中に伝搬される信号間の位相差と同一である。すなわち、低い位置の第２の放射素子２２から放射される信号の位相は、高い位置の第２の放射素子２１から放射される信号の位相に比べてある程度遅延される。

したがって、本発明では、低い位置の第２の放射素子２２から放射される信号の位相遅延を該当する給電ケーブル２２１を用いて補償する。すなわち、低い位置の第２の放射素子２２の給電ケーブル２２１は、位相遅延量だけ、第２の放射素子２２の給電ケーブル２２１上に伝搬される信号の位相を高い位置の第２の放射素子２１の給電ケーブル２１１上に伝搬される信号の位相と同一になる長さを有するように設計される。そのため、第２の放射素子２１，２２から放射される信号は、例えば、高い位置の第２の放射素子２１の設置平面の観点から見れば、位相差がなくなる。

高い位置の第２の放射素子２１から放射される信号と低い位置の第２の放射素子２２から放射される信号の位相差Δρは、下記の式（１）により計算される。

ここで、βｃΔＬ_ｃは、給電ケーブル間の位相差を表す。βｃは給電ケーブルの伝搬定数を、ΔＬ_ｃは給電ケーブル間の長さの差を、各々表す。また、βａΔＬ_ａは、２つの放射素子間の高さの差による空気中の位相差を表す。βａは空気中の電波整数を、ΔＬ_ａは空気中の距離の差（すなわち、２つの放射素子の設置平面の高さの差）を、各々表す。

特定媒体の伝搬定数が（２π×（媒体伝送率）)／（周波数の波長）であるため、式（１）で、第１の行は第２の行の式として表すことができる。ここで、√（ξｒ）は給電ケーブルの誘電率であり、λは波長である。

分配器３０から２つの放射素子２１，２２が直接的または間接的に設けられる反射板１までの２つの給電ケーブル２１１，２２１の長さがΔＬ_ｃだけ差があり、ΔＬ_ａだけ空気中の距離の差がある場合、式（１）は、式（２）として示すことができる。

本発明では、高い位置の第２の放射素子２１から低い位置の第２の放射素子２２に放射される信号との位相差Δρは０でなければならない。したがって、βｃΔＬ_ｃ−βａΔＬ_ａ＝０を満足させるために、２つの放射素子２１，２２間の配置平面の高さの差及び／又は給電ケーブル２１１，２２１間の長さの差が決定される。実際の製造において、２つの放射素子２１，２２を設置した後に、上記のような式（２）を用いてこれら放射素子２１，２２間の信号位相差Δρを求める。その後、低い位置の第２の放射素子２２の給電ケーブル２２１の長さは、事前に作られた給電ケーブルの単位長さ当たりの位相変化量に関する情報に従って信号位相差Δρを補償するように製造される。

一方、上記のように設置される第２の放射素子２１〜２７のうち、第１の放射素子１１〜１４に積層された第２の放射素子２１，２３，２５，２７は、第１の放射素子１１〜１４のグラウンド部分である上部パッチ板１１‐１，１２‐１，１３‐１，１４‐１をグラウンドとして共有し、第２の放射素子２２，２４，２６は、低周波帯域である第１の放射素子１１〜１４と同一のグラウンドを使用する。したがって、グラウンドサイズは、相対的に大きくなり、それによって水平ビーム幅が狭く形成される短所がある。これを解決するために、第１の放射素子１１〜１４の上部パッチ板１１‐１，１２‐１，１３‐１，１４‐１のコーナー部分を広げたり、曲げたりする構成を有し、補助側壁２２２，２４２，２６２が設置されるように構成される。

図５は、図１に示した第１の放射素子のパッチ構造の特徴を示す斜視図である。説明の便宜のために、図５に、反射板１と第１の放射素子のうちいずれか一つの上部及び下部パッチ板１１‐１，１１‐２のみを示し、それ以外の構成は省略する。図５の上部パッチ板１１‐１のコーナーＡは、曲げられるように構成される。

同一の理由で、第２の放射素子２１〜２７の中で、反射板１上に直接設けられる第２の放射素子２２，２４，２６は、両側に反射板上に補助側壁２２２，２４２，２６２をさらに備え、水平ビーム幅を所望する規格により容易に設計することができる。

図６は、図１の第１の放射素子の給電構造を示す。図６(ａ)は平面図であり、図６(ｂ)は背面図である。図６では、説明の便宜のために、第１の放射素子のうちいずれか一つの上部パッチ板１１‐１、下部パッチ板１１‐２、及び給電用導体パターンが形成されたプリント回路基板１１１を示し、その他の構成に対しては省略する。図６及び図３を参照すると、第１の放射素子１１の下部パッチ板１１‐２は、反射板１を通過する補助給電ケーブル１１２を通じて反射板１の背面に付着される給電用導体パターンが形成されるプリント回路基板１１１，１２１，１３１，１４１に接続される。すなわち、本発明によるアンテナにおいて、第１の放射素子の給電用導体パターンは、プリント回路基板１１１上にプリント方式で形成され、プリント回路基板１１１の給電ポイントａ〜ｄと、下部パッチ板１１‐２の給電ポイントａ〜ｄとは、補助給電ケーブル１１２を介して接続される構成を有するので、回路構成が簡素化される。

上記のように、本発明の一実施形態による放射素子の設置方法及びこれを使用するアンテナの構成及び動作を実現することができる。一方、上記の本発明の説明では、具体的な実施形態に関して説明したが、多様な変形が本発明の範囲を逸脱することなく実施されることは明らかである。

例えば、上記の説明では、第１の放射素子はパッチタイプであり、第２の放射素子はダイポールタイプであることを説明したが、第１及び第２の放射素子はすべてパッチタイプであり、あるいはダイポールタイプであり得る。また、上記の説明では、第１及び第２の周波数帯域のための第１及び第２の放射素子で構成される二重帯域アンテナに本発明が適用されることを例として説明したが、本発明は、いかなる形態でも相互に異なる平面に配置される放射素子に適用することができる。

以上、本発明の詳細な説明においては具体的な実施形態に関して説明したが、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められる本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく、形式や細部の様々な変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。

１ 反射板
１１，１２，１３，１４ 第一の放射素子
１１‐１，１２‐１，１３‐１，１４‐１ 上部パッチ板
１１‐２，１２‐２，１３‐２，１４‐２ 下部パッチ板
２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７ 第二の放射素子
１１１，１２１，１３１，１４１ プリント回路基板
１１２ 補助給電ケーブル
２１１，２２１ 給電ケーブル
２２２，２４２，２６２ 補助側壁

Claims (10)

1. 異なる平面に配置される放射素子を有するアンテナであって、
   一平面に配置される第１の位置の放射素子と、
   他の平面に配置される第２の位置の放射素子と、
   前記第１及び第２の位置の放射素子に接続される給電ケーブルと、を含み、
   前記第１の位置の放射素子又は前記第２の位置の放射素子は、他の周波数帯域の放射素子上に積層される構造で設置され、
   前記他の周波数帯域の放射素子は、上部及び下部パッチ板を備えるパッチタイプの放射素子であり、
   前記給電ケーブルの長さは、前記給電ケーブル間の位相差が前記第１及び第２の位置の放射素子が配置される平面間の位置の差に従って前記第１及び第２の位置の放射素子から空気中に伝搬される信号の位相差を補償する値を有するように決定され、
   前記パッチタイプの放射素子は、前記アンテナの反射板の表面に設置され、前記パッチタイプの放射素子の前記下部パッチ板は、前記反射板を通過する補助給電ケーブルを介して前記反射板の裏面に付着される給電用導体パターンが形成されるプリント回路基板に接続される構造を有することを特徴とするアンテナ。
2. 前記第１及び第２の位置の放射素子のうち、前記他の周波数帯域の放射素子上に積層される放射素子は、ダイポールタイプ又はパッチタイプの放射素子であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記上部パッチ板はコーナーの少なくとも一部分が曲げられることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記第１の位置の放射素子に基づいて前記第２の位置の放射素子との信号位相差Δρは下記の式（１）により求められ、これを用いて前記給電ケーブルが設計されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ。
   ここで、βｃΔＬ_ｃは前記第１及び第２の位置の放射素子の給電ケーブル間の位相差を、βｃは給電ケーブルの伝搬定数を、ΔＬ_ｃは給電ケーブル間の長さの差を、βａΔＬ_ａは空気中の位相差を、βａは空気中の伝搬定数を、ΔＬ_ａは空気中の２つの設置平面の位置の差を、各々表す。
5. 異なる平面に配置される放射素子の設置方法であって、
   前記異なる平面に配置される放射素子間の配置平面の位置の差に従って前記放射素子から空気中に伝搬される信号の位相差を求めるステップと、
   前記空気中に伝搬される信号の位相差だけ補償する給電ケーブルの位相差を有するように前記異なる平面に配置される放射素子間の給電ケーブルを設計するステップと、
   を有し、
   第１の位置の前記放射素子又は第２の位置の前記放射素子は、他の周波数帯域の放射素子上に積層される構造で設置され、
   前記他の周波数帯域の放射素子は、上部及び下部パッチ板を備えるパッチタイプの放射素子であり、
   前記パッチタイプの放射素子は、アンテナの反射板の表面に設置され、前記パッチタイプの放射素子の前記下部パッチ板は、前記反射板を通過する補助給電ケーブルを介して前記反射板の裏面に付着される給電用導体パターンが形成されるプリント回路基板に接続される構造を有することを特徴とする設置方法。
6. 前記空気中に伝搬される信号の位相差及び前記給電ケーブルの位相差は、下記の式（２）によって求められることを特徴とする請求項５に記載の設置方法。
   ここで、Δρは異なる平面に配置される放射素子の全位相差を、βｃΔＬ_ｃは前記第１及び第２の位置の放射素子の給電ケーブル間の位相差を、βｃは給電ケーブルの伝搬定数を、ΔＬ_ｃは給電ケーブル間の長さの差を、βａΔＬ_ａは空気中の位相差を、βａは空気中の伝搬定数を、ΔＬ_ａは空気中の２つの設置平面の位置の差を、各々表す。
7. 異なる平面に配置される放射素子を有するアンテナであって、
   反射板と、
   前記反射板の上に設置され、第１の周波数帯域で動作し、上部及び下部パッチ板を備えるパッチタイプの第１の放射素子と、
   前記反射板の上に設置され、また、前記第１の放射素子の上部パッチ板に積層設置され、第２の周波数帯域で動作するダイポールタイプの第２の放射素子とを含み、
   前記第２の放射素子が積層される前記第１の放射素子の上部パッチ板はグラウンドされ、
   前記第１の放射素子の前記下部パッチ板は、前記上部パッチ板とは独立に給電され、前記上部パッチ板は給電されないことを特徴とするアンテナ。
8. 前記第２の放射素子が積層された第１の放射素子の上部パッチ板は、コーナーの少なくとも一部分が曲げられることを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。
9. 前記第１及び第２の放射素子はそれぞれ給電ケーブルを介して給電され、
   前記第２の放射素子の給電ケーブルの長さは、
   前記反射板に設置された第２の放射素子と、第１の放射素子に積層設置された第２の放射素子の設置位置の差によって空気中に伝搬される信号の位相差を補償する値を有するように決定されたことを特徴とする請求項７または８に記載のアンテナ。
10. 前記第１の放射素子に積層設置された第２の放射素子に基づいて、前記反射板上に設置された第２の放射素子との信号位相差Δρは下記の式（３）により求められ、これを用いて前記第２の放射素子の給電ケーブルが設計されることを特徴とする請求項９に記載のアンテナ。
    前記数式３でβｃΔＬ_ｃは前記異なる位置の第２の放射素子間の給電ケーブルでの位相差を表し、βｃは該給電ケーブルの伝搬定数、ΔＬ_ｃは給電ケーブル間の長さの差を表し、βａΔＬ_ａは空気中での位相差を表し、βａは異なる位置の第２の放射素子間の空気の伝搬定数、ΔＬ_ａは空気中の２つの設置平面の位置の差を表し、√（ξｒ）は該給電ケーブルの誘電率であり、λは波長を表す。