JP5658359B2 - 多帯域アンテナの２重偏波放射素子 - Google Patents

Description

相互参照
本出願は、２０１０年５月２８日出願の仏国特許出願第１０５４１５０号に基づくものであり、その開示全体を参照により本明細書に組み込み、米国特許法第１１９条の下でその優先権を主張する。

本発明は、無線通信用基地局の多帯域アンテナの分野に関する。これらのアンテナは、通常は「パネル」タイプであり、垂直に整列された２重偏波放射素子を備える。

２重偏波放射素子は、一般に４５°の直交偏波で互いに交差する２つのダイポール（またはダイポールのシステム）を備え、一方が第１の偏波信号（−４５°）を生成し、他方が第２の偏波信号（＋４５°）を生成する。放射素子を構成するための技法はさまざまである。

基地局のパネル・アンテナで使用される放射素子に関する主な条件には、特に、
ａ）放射素子の無線性能（インピーダンス、２つの偏波間の絶縁、放射パターン）が、非常に広範な周波数帯にわたって良好で安定していなければならないこと、
ｂ）無線周波数（ＲＦ）電流の分布表面積が、コスト削減を伴いながらアンテナ用小型反射器の使用を可能にするのに十分なものでなければならないこと、
ｃ）放射素子に給電するための構造が、放射素子のそれぞれの偏波を供給するための単一の同軸ケーブルなど、簡単なものでなければならないこと、
ｄ）多帯域アンテナの集積化を可能にするために、放射素子の構造が、共通の軸に沿って整列した複数の放射素子の使用を、優先的に可能にしなければならないこと、
ｅ）放射素子が、可能な限り低コストでなければならない（使用する材料が少量であり、組立て時間が短く、部品数が少なく、労務費が度を越さない）こと、が含まれる。

２重偏波放射のいくつかのファミリは既に周知であり、様々なタイプのアンテナの製造業者によって使用されている。しかし、既存の放射素子には、前述の５つの条件を同時に完全に満たすものがない。

第１のファミリは、それぞれが２つの直交する半波長ダイポールから形成された共軸の放射素子を備える。ダイポールの形状が適切に設計されていれば、これらの放射素子の無線性能は優れている。しかし、これらの放射素子のすべてに、ＲＦ電流を分布させるための表面積が、２つの直交する半波長ダイポール上に集中しているだけであって、限られているという問題がある。したがって、アンテナ上で所与の水平のビーム幅（例えば６５°）を実現するには広い反射器が必要となり、アンテナの構造上の追加コスト（より大きなレーダドームなど）に通じる。したがって、放射素子のこの第１のファミリは、前述の条件（ｂ）を満たさない。

第２のファミリは、それぞれが動作周波数の波長のほぼ２分の１の距離だけ引き離された２つの半波長ダイポールから形成された放射素子を備える。無線性能は優れている。ＲＦ電流の分布表面積が広く、限られたサイズの反射器で所望のアンテナ・ビーム幅を得ることができる。しかし、放射素子は、４ポイント（各偏波に対して２ポイント）で給電する必要があり、給電回路網のさらなる複雑さおよびコストに通じる。したがって、放射素子のこの第２のファミリは、前述の条件（ｃ）および（ｅ）を満たさない。条件（ｄ）を満たすために、多帯域動作用の放射素子の付加を可能にするように、放射素子の中心における若干の表面積が利用可能である。

第２のファミリに属する代替放射素子が存在する。この放射素子は、ＲＦ電流を分布させるための十分な表面積を有し、２ポイント（１つの偏波当たり１ポイント）でしか給電されない。材料の組立ての時間およびコストが、特にミル加工技法の結果として、抑えられ得る。このタイプの放射素子の主な制約は、多周波帯の集積化である。これは、高周波帯域用放射素子を付加するのに、放射素子をオーバラップさせる技法を用いる必要があるためである。これは、上側の放射素子が、その放射パターンを生成するのに共有の反射器を使用することができないことを意味する。そういう訳で、下側の放射素子が反射器として使用されるが、それらの表面積は非常に小さい。放射素子の第２のファミリからのこの代替は、前述の条件（ｄ）を部分的にしか満たさない。

第３のファミリは、パッチ・タイプ（半波）の２重偏波放射素子を備える。無線性能は、特に帯域幅の点では、ダイポールから形成された放射素子ほど優れておらず、このため、条件（ａ）は部分的にしか満たされない。この放射素子は、十分なＲＦ電流の分布表面積を有し、その結果、寸法が小さい反射器と共に使用することができる。２本の同軸ケーブルだけで各２重偏波放射素子に給電することができるので、給電機構が簡単である。パッチ放射素子は、低価格に設計され得る。パッチ放射素子の頂部に別の放射素子を付加することができる。この状況では、付加した放射素子には、パッチ要素を介して給電しなければならず、これは簡単ではない。しかし、上側の放射素子は、その放射パターンを生成するのに共有の反射器を使用することができず、その下に反射器として配置されたパッチ放射素子を使用しなければならないため、表面積が低減されるという難点がある。したがって、放射素子のこの第３のファミリは、前述の条件（ｄ）を部分的にしか満たさない。

本発明の目的は、多周波帯アンテナ用に、前述の条件のすべてを同時に完全に満たす２重偏波放射素子を提案することである。

本発明の目的は、
ほぼ円筒状の、回転軸を有する、比誘電率の高い支持体と、
支持体の第１の面上にプリントされた、第１の対のダイポールが第２の対のダイポールに対してほぼ直交する、少なくとも１つの第１のダイポールの対および少なくとも１つの第２のダイポールの対と、
各ダイポールに給電するために、支持体の第２の面にプリントされた導電性ラインとを備える、アンテナ用の２重偏波放射素子である。

本発明の一態様によれば、円筒状の支持体が、平坦な反射器上に設置され、その回転軸は反射器の平面に対して垂直である。

本発明は、指向性アンテナの範囲内にあり、水平面におけるそのビーム幅がセクタに分割されているアンテナを意味する。反射器が、平坦な形状を有し、円筒状の支持体に対して垂直に配置されているので、そのビーム幅の値（−３ｄＢ）を意味する水平面におけるパターンの分割を制御することが可能になる。

優先的に、ダイポールを支持する第１の面は支持体の外面である。

第１の態様によれば、ダイポールの中央を通過する横軸は、反射器から、中心動作周波数の波長のほぼ４分の１の距離だけ離れている。

第２の態様によれば、２つの連続するダイポールの中央を通過する中央の軸は、互いに約２分の１波長離れている。

第３の態様によれば、対のダイポールは単一の同軸ケーブルによって給電される。

第４の態様によれば、支持体は、一般に２．５から４．５という高い比誘電率を有する材料で作製され、一般に０．５ｍｍから２ｍｍと薄い。

一実施形態によれば、放射素子は、ダイポールの少なくとも２つのグループを備える。ダイポールの各グループは、支持体によって支持された、ダイポールの、少なくとも１つの第１の対および少なくとも１つの第２の対を備え、ダイポールの各グループは別々の周波数帯内で動作する。

一変形形態によれば、支持体は、互いに接続された同心の円筒を形成し、各円筒がダイポールのグループを支持し、ダイポールの各グループが別々の周波数帯内で動作する。

一実施形態によれば、同心円筒のそれぞれの直径は、それぞれの周波数帯内の中心動作周波数における波長の関数である。

別の実施形態によれば、同心円筒は、螺旋体を形成するためにダイポールがない支持部品によって互いに接続される。

さらに別の実施形態によれば、より大きな直径の円筒の外面に配置されたダイポールの最初のグループは、より低い周波数帯内で機能し、より小さな直径の円筒の外面に配置されたダイポールの最後のグループは、より高い周波数帯内で機能する。

特定の一実施形態によれば、ダイポールの第１のグループはＧＳＭ周波数帯内で機能し、ダイポールの第２のグループはＤＣＳ周波数帯内で機能し、ダイポールの第３のグループはＬＴＥ周波数帯内で機能する。

本発明のさらなる目的は、前述のように、第１の周波数帯内で動作する少なくとも１つの第１の放射素子と、第２の周波数帯内で動作する少なくとも１つの第２の放射素子とを備える多周波帯アンテナである。第２の放射素子は、第１の放射素子の支持体によって形成された円筒の中心に配置され、第１および第２の放射素子は、共有の平坦な反射器上に配置されている。

本発明の他の特性および利点が、限定的でなく純粋に説明の目的で示されている以下の実施形態の説明および添付図面を読み取れば明らかになるであろう。

本発明の第１の実施形態による放射素子を示す図である。 図２ａ及び図２ｂはそれぞれ図１の放射素子のダイポールおよび給電ラインを示す図である。 図１の放射素子に関して、それぞれの対のダイポールの定在波比ＳＷＲを、周波数Ｆ（ＭＨｚ）の関数として示す図である。 図１の放射素子に関して、ダイポールの２つの対の間の減結合Ｋ（ｄＢ）を、周波数Ｆ（ＭＨｚ）の関数として示す図である。 本発明の第２の実施形態による放射素子を示す図である。 本発明の第３の実施形態による放射素子を示す図である。 本発明の第４の実施形態による放射素子の概略斜視図である。 図８ａ及び図８ｂはそれぞれ図７の放射素子のダイポールおよび給電ラインを示す図である。

図１、図２ａ、および図２ｂに示された第１の実施形態では、２重偏波放射素子１は、それぞれが導電性給電ライン３を備える２つの半波長ダイポール２から形成される。ダイポール２は、反射器５に固定された共有の支持体４によって支持されている。放射素子１は、共有の支持体４を円筒状に形成することにより構成される。それによって得られた円筒状の支持体４は、次いで、複数の放射素子１を有する共有の平坦な反射器５上に垂直に位置決めされる。

この例示的実施形態では、ダイポール２は、共有の支持体４の第１の外面６にプリントされる。各ダイポール２は、支持体４の反対側の第２の内面７に配置された導電性ライン３で給電される。もちろん、内面にダイポールをプリントして外面に給電ラインをプリントすることも可能である。導電性給電ライン３は、例えば支持体４に直接プリントされた「マイクロストリップ」である。この共有の支持体４は、周囲が約２波長２λであり、高い比誘電率（一般に２．５から４．５）を有する絶縁材料で作製され、薄くて（一般に０．５ｍｍから２ｍｍ）低コストである。あるいは、空気が支持体を構成してもよく、その場合、ダイポールおよび給電マイクロストリップは、絶縁要素で接続された金属板から形成されてよい。それぞれの対のダイポール２は、反射器５を通過する同軸ケーブル８によって単一のポイントで給電される。

したがって、動作周波数帯域の中央の周波数において、２対の半波長ダイポール２のグループが実現される。ダイポール２の中央を通過する横軸９は、反射器５の面より上に約４分の１波長（λ／４）の距離Ｌだけ離れて配置されている。隣接したダイポール２の中央を通過する中央の軸１０は、互いからおよそ半波長（λ／２）の距離Ｄだけ離れている。第１の対のダイポール２のそれぞれの中央を通過する対角軸１１は、−４５°偏波を生成するために、反射器５の縦軸１２に対して４５°角度で位置決めされ、第２の対のダイポール２のそれぞれの中央を通過する対角軸１３は、同様に＋４５°偏波を生成する。

６００〜１１００ＭＨｚの周波数帯内で測定された、放射素子の２対のダイポールの伝送パラメータおよび反射パラメータが、図３および図４に示されている。これらの結果は、広い周波数帯の範囲内で非常に安定した特性を示す。

図３は、それぞれの対のダイポールの定在波比ＳＷＲを、周波数Ｆ（ＭＨｚ）の関数として検知する。定在波比ＳＷＲは、６５０〜１０５０ＭＨｚの範囲、すなわち周波数帯の中央の周波数の４７％に相当する帯域幅の周波数領域Ｆに関して１．５未満である。

図４は、ダイポールの２つの対の間の減結合Ｋ（ｄＢ）を、周波数Ｆ（ＭＨｚ）の関数として示す。減結合Ｋは、６５０〜１１００ＭＨｚの範囲の周波数領域に関して２０ｄＢより大きい。

次に図５を考えると、２重偏波放射素子５０の別の実施形態が示されており、これは、例えば９００ＭＨｚ程度のＧＳＭ周波数で動作し、２つの周波数帯で動作するアンテナを形成することが可能になる。

放射素子５０の支持体５１の円筒状の形状には、その中心に、空いている大きな領域５２が残っている。この空いている領域５２は、放射素子５０の中心に、（この実例ではＤＣＳの１８００ＭＨｚ）より高い周波数範囲で動作する別の放射素子５３を付加するのに利用されてよい。

放射素子５３は、２つの直交する半波長ダイポールから形成されてよい。これは、例えば前述の第１のファミリに属する放射素子でよく、またはその他の形状を有し得る放射素子でもよい。高周波帯域で動作するこの放射素子５３の高さは、約４分の１波長（λ／４）である。高周波帯域を有する放射素子５３が共有の反射器５４上に設置されるとき、その放射パターンの特性が保たれる。

図６には、２重偏波放射素子６０の別の実施形態が示されており、これは、例えば８００ＭＨｚ程度のＣＤＭＡ周波数で動作し、２つの周波数帯で動作するアンテナを形成することが可能になる。

放射素子６０の支持体６２によって形成された円筒の中央の空いている領域６１が非常に大きいので、より大きな寸法を有してより低い周波数で動作する放射素子６３を挿入することができる。円筒状の支持体６２の直径は、最も高い周波数帯の中心動作周波数の（この実例では８００ＭＨｚ）波長次第である。「バタフライ」タイプと称される放射素子６３は、±４５°の直交偏波で互いに交差する２つのダイポールから形成される。円筒状の支持体６２の中心に挿入された放射素子６３は、低周波帯域（例えばＬＴＥの７００ＭＨｚ）で動作する。それによって、２重偏波放射素子６２から作用する、ＬＴＥの７００ＭＨｚおよびＣＤＭＡの８００ＭＨｚなどの比較的類似の周波数においてデュアルバンドで動作するアンテナを構成することができる。同心に配置された２つの放射素子６２および６３は共有の反射器６４を利用して、結果的にアンテナの幅を縮小することができる。

図７、図８ａ、および図８ｂは、複数の周波数帯で動作することができる２重偏波放射素子７０を示す。多帯域放射素子７０は、単一の部品から構成される。放射素子を動作させる７０のに必要なすべてのダイポールおよび給電ラインは、共有の反射器７２上に固定された共有の支持体７１によって支持されている。この基板７１は、低価格で、絶縁材料の量も低減され得る。

この実例では、放射素子７０は、３帯域の要素である。それぞれ４つのダイポール７３ａ．．．７３ｄ、７４ａ．．．７４ｄ、７５ａ．．．７５ｄの３つのグループ７３、７４、７５が、共有の支持体７１の第１の外面７６にプリントされている。各グループ７３、７４、７５が、別々の周波数帯に対応する。それぞれのダイポール７３ａ．．．７３ｄ、７４ａ．．．７４ｄ、７５ａ．．．７５ｄは、共有の支持体７１の反対側の第２の下部面７７にプリントされたマイクロストリップ・ライン７３ｅ．．．７３ｈ、７４ｅ．．．７４ｈ、７５ｅ．．．７５ｈによって個々に給電される。４つのダイポールの各グループ７３、７４、７５は、反射器７２を横切るたった２本の同軸ケーブル７８によって給電され、３帯域の２重偏波放射素子７０に対して同軸ケーブル７８は合計６本ということになる。

単一の共有されている支持体７１は、別々の直径の３つの円筒状の形状によって、支持体７１の、各グループ７３、７４、７５と関係する部分が、同心の円筒を形成するように形成され、同心円筒の直径は、周波数帯のそれぞれの中心動作周波数の波長次第である。支持体７１の長さは、３つの同心円筒が、ダイポールを有しない支持体部分７９によって互いに接続されるように計算されている。直径が最大の円筒の外側に配置されているダイポール７３ａ．．．７３ｄのグループ７３は、より低い周波数で動作し、直径が最小の円筒の内側に配置されているダイポール７５ａ．．．７５ｄのグループ７５は、最高の周波数で動作する。したがって、それぞれが２対の半波長ダイポールである３つのグループ７３、７４、７５が得られ、それぞれが、例えばＧＳＭの９００ＭＨｚ（７３）、ＤＣＳの１８００ＭＨｚ（７４）、ＬＴＥの２６００ＭＨｚ（７５）といったそれぞれの動作周波数帯域の中心周波数を有する。

ダイポールの各グループの中央を通過する横軸８０は、反射器７２の面より上に中心動作周波数の波長の約４分の１（λ／４）の距離Ｌだけ離れて配置されている。２つの連続するダイポールの中央を通過する中央の軸８１は、互いに中心動作周波数の波長のおよそ半分（λ／２）だけ離れている。ダイポール７３ａ．．．７３ｄ、７４ａ．．．７４ｄ、７５ａ．．．７５ｄは、３つの動作周波数帯域のうち、それぞれの動作周波数帯域において、２つの直交偏波信号を生成するように位置決めされる。

必要であれば、周波数帯を分離するデバイスは、マイクロストリップ・ライン７３ｅ．．．７３ｈ、７４ｅ．．．７４ｈ、７５ｅ．．．７５ｈを支持する共有の支持体７１の内面７７にプリントされてよい。これらのデバイスにより、総計で２本の同軸ケーブル（すなわち１つの偏波当たり１本のケーブル）だけを使用して３帯域の２重偏波放射素子に給電することが可能になる。

もちろん、本発明は、説明された実施形態に限定されず、本発明の精神から逸脱することなく、当業者に利用可能な多くの変形形態の対象となる。具体的には、前述の、３つの周波数帯に関する原理は、３つを上回る周波数帯で動作する多周波帯の２重偏波放射素子の設計に拡張され得る。

Claims (11)

1. ほぼ円筒状の、回転軸を有する、誘電性の支持体と、
   前記支持体の第１の面にプリントされた、ダイポールの対が直交偏波で互いに交差し、導電性ラインからそれぞれ給電される、少なくとも１つの第１のダイポールの対および少なくとも１つの第２のダイポールの対と、
   前記支持体の第２の面にプリントされ、各ダイポールに給電する前記導電性ラインと、
   少なくとも２つのダイポールのグループとを備え、ダイポールの各グループが、支持体によって支持された、ダイポールの少なくとも１つの第１の対および少なくとも１つの第２の対を備え、ダイポールの各グループが別々の周波数帯内で動作し、
   前記支持体が平坦な反射器上に設置され、前記円筒状の支持体の回転軸が前記反射器の面に対して垂直であり、
   前記支持体が、互いに接続された同心の複数の円筒を形成し、各円筒がダイポールのグループを支持し、ダイポールの各グループが別々の周波数帯内で動作する、アンテナ用の２重偏波放射素子。
2. 前記ダイポールを支持する前記第１の面が前記支持体の外面である、請求項１に記載の放射素子。
3. 前記ダイポールの中央を通過する横軸が、前記反射器から、中心動作周波数の波長のほぼ４分の１の距離だけ離れている、請求項１または２に記載の放射素子。
4. ２つの連続するダイポールの中央を通過する中央の軸が、互いから約２分の１波長離れている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射素子。
5. 前記ダイポールの対が、単一の同軸ケーブルによって給電される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放射素子。
6. 前記同心円筒のそれぞれの直径が、前記周波数帯のそれぞれの中心動作周波数における波長の関数である、請求項１に記載の放射素子。
7. 前記同心円筒が、螺旋体を形成するために、ダイポールを有さない支持部品によって互いに接続されている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の放射素子。
8. より大きな直径の円筒の外面に配置されたダイポールの最初のグループが、より低い周波数帯内で機能し、より小さな直径の円筒の外面に配置されたダイポールの最後のグループが、より高い周波数帯内で機能する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の放射素子。
9. ダイポールの第１のグループがＧＳＭ周波数帯内で機能し、ダイポールの第２のグループがＤＣＳ周波数帯内で機能し、ダイポールの第３のグループがＬＴＥ周波数帯内で機能する、請求項８に記載の放射素子。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の、第１の周波数帯内で動作する少なくとも１つの第１の放射素子と、第２の周波数帯内で動作する少なくとも１つの第２の放射素子とを備える多周波帯アンテナであって、前記第２の放射素子が、前記第１の放射素子の前記支持体によって形成された前記円筒の中心に配置され、前記第１および第２の放射素子が、共有の平坦な反射器上に配置されている、多周波帯アンテナ。
11. 前記第２の放射素子が、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放射素子である、請求項１０に記載の多周波帯アンテナ。

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