JP5752176B2

JP5752176B2 - オムニアンテナ

Info

Publication number: JP5752176B2
Application number: JP2013098477A
Authority: JP
Inventors: 大島　一郎; 一郎大島
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd
Current assignee: Denki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2033-05-08
Also published as: JP2014220641A

Description

本発明は、主に移動体通信の分野において用いられるオムニアンテナに関し、特に、ＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）通信に好適に使用することができるオムニアンテナに関する。

移動体通信の分野では、大容量・高速化への技術が進められている。送信アンテナおよび受信アンテナをそれぞれ複数用いるＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）もそのような技術の1つであり、既に実用化されている。
ＭＩＭＯ通信に使用する各アンテナは、互いに独立した通信路を確保するために相互の相関を低くすることが求められる。

携帯電話の基地局では、垂直偏波と水平偏波や±４５度偏波など、直交する２つの偏波を使った偏波共用アンテナがよく用いられ、これによって、２系統のアンテナブランチ、すなわち２ブランチのＭＩＭＯ通信を行うことが可能になっている。そして、この偏波共用アンテナの適用により、２つのアンテナ間の相関が低くなり、また、アンテナ間の距離を離す必要がなくなるため、構造をコンパクトにまとめることができる。

ところで、上記のような基地局アンテナがカバーするエリアの広さは通信量によって決められる。すなわち、屋外エリアでは、通信量の多い場所においてセクタアンテナが使われ、通信量の少ない場所においてオムニアンテナが用いられている。上記セクタアンテナアンテナの指向性は、扇型のエリアをカバーするために、エリアに応じたビーム幅をもつように設計される。また、上記オムニアンテナは、円形のエリアを単体でカバーする。一方、屋内のエリアでは、天井取付け用のオムニアンテナが多く用いられている。上記オムニアンテナとしては、主に垂直偏波と水平偏波を共用する構成のものが用いられる。

特許文献１には、垂直偏波と水平偏波を共用する屋外用のオムニアンテナの先行例が記載され、また、非特許文献１には、屋内用の偏波共用オムニアンテナの例が記載されている。

特開２０００−１９６３５１号公報

「屋内用偏波共用オムニアンテナの一設計」電子情報通信学会ソサイエティ大会，B-1-79，Sep. 2009.

特許文献１に記載の偏波共用オムニアンテナにおいては、垂直偏波を放射する素子の素子構成と水平偏波を放射する素子の素子構成が互いに異なるため、両偏波の指向性や利得に違いを生じる場合がある。
また、特許文献１に係るアンテナは、２面合成を行うように構成されているので、つまり、面合成数が少ないので、使用可能な周波数帯域が狭いという欠点がある。

一般的に、水平偏波用のアンテナ素子で無指向性を形成することは困難であるので、帯域を確保するためには多面合成数を増やすことになる。しかし、そのようにすると、構成が複雑になるとともに、アンテナの径が大きくなるという問題を生じる。
非特許文献１に記載の屋内用の偏波共用オムニアンテナは、垂直偏波素子が１素子であるのに対し、水平偏波素子は４面合成を行うように構成されているので、上記の問題を生じる。また、非特許文献１に係るアンテナは、両偏波の指向性に違いを生じている。

以上をまとめると、オムニエリアに対してそのエリアをカバーする垂直偏波・水平偏波共用アンテナを実現するためには、垂直偏波と水平偏波の双方について無指向性を実現する必要があるが、水平偏波についての無指向性を実現するための構成に起因して、垂直偏波についての指向性や利得と水平偏波についてのそれとの間に違いを生じるという問題や、アンテナ外径が大きくなってしまうという問題が発生する。また、垂直偏波と水平偏波のそれぞれに適用する２種類のアンテナ素子を開発する必要があるため、開発期間を多く要するという問題も生じる。

そこで、本発明の目的は、垂直偏波と水平偏波の指向性及び利得を等しくし、かつ、外径を小さくすることができる簡易構造のオムニアンテナを提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するため、垂直偏波と水平偏波の両偏波を放射し、かつ、該両偏波の合成電界が無指向性を示すように構成され、個別の給電系によって給電されて互いに独立して動作する同一構成の第１及び第２のアンテナ部を備え、前記第１及び第２のアンテナ部を、前記第１のアンテナ部による前記垂直偏波及び水平偏波の放射方向と、前記第２のアンテナ部による前記垂直偏波及び水平偏波の放射方向とが互いに９０°異なるように組み合わせるようにしている。前記第１及び第２のアンテナ部は、１つの水平素子部と２つの垂直素子部をもつ平面状のヘイローアンテナとして構成される。

本発明の他の実施形態における前記第１及び第２のアンテナ部は、１つの水平素子部と２つの垂直素子部をもつように鏡像を実体化した構造を有する逆Ｆアンテナとして構成される。

本発明に係るオムニアンテナは、反射板を付加することもできる。
本発明は、上記構成のオムニアンテナを垂直方向に複数配列したアレイ構造のオムニア
ンテナも提供する。

本発明によれば、同一構成の第１及び第２のアンテナ部を組み合わせるので、アンテナ部の設計コストを低減することができる。また、第１及び第２のアンテナ部についての指向性や利得が互いに等しいため、最大限のＭＩＭＯ伝送特性を得ることができる。また、外径を小さくして受風面積を小さくできるため、設置条件の厳しい場所への設置が可能となる。

本発明に係るオムニアンテナの一実施形態を示す斜視図である。（ａ）は第１のアンテナ部の水平面指向性を示すグラフ、（ｂ）は第１のアンテナ部のｘｚ面での垂直面指向性を示すグラフ、（ｃ）は第１のアンテナ部のｙｚ面での垂直面指向性を示すグラフである。実施形態に係るアンテナの２ＧＨｚ帯におけるＳパラメータの測定果を示すグラフである。アンテナ部の他の構成例を示す斜視図である。アンテナ部の更に別の構成例を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１に本発明に係る２ブランチＭＩＭＯ用アンテナの一実施形態を示す。このアンテナは、同一構成の第１のアンテナ部１０及び第２のアンテナ部２０を有する。第１のアンテナ部１０は、Ｕ形ダイポールアンテナ素子１１及び一対の無給電素子１２を備え、ｘｚ平面内に設けられている。また、第２のアンテナ部１０は、Ｕ形ダイポールアンテナ素子２１及び一対の無給電素子２２を備え、ｙｚ平面内に設けられている。

Ｕ形ダイポールアンテナ素子１１，２１は、それぞれ半波長ダイポールアンテナ素子をＵ形に折り曲げた構成を有している。すなわち、Ｕ形ダイポールアンテナ素子１１は、水平素子部１１ｈと、この水平素子部１１ｈの両端からそれぞれ垂下した垂直素子部１１ｖを有し、また、Ｕ形ダイポールアンテナ素子２１は、水平素子部２１ｈと、この水平素子部２１ｈの両端からそれぞれ垂下した垂直素子部２１ｖを有する。そして、このＵ形ダイポールアンテナ素子１１，２１は、クロスＵ形ダイポールアンテナ素子を構成するように直交的に組み合わされている。
本実施形態では、Ｕ形ダイポールアンテナ素子１１における水平素子部１１ｈの長さＬｈと垂直素子部１１ｖの長さＬｖの比率Ｌｈ／Ｌｖと、Ｕ形ダイポールアンテナ素子２１における同様の比率がそれぞれ６／２〜４／３に設定されているが、必ずしもこの比率に限定されない。

このＵ形ダイポールアンテナ素子１１，２１の水平素子部１１ｈ，２１ｈは、それらの中点の部位において、つまり、該アンテナ素子１１，２１の給電点の部位において互いに交差している。このＵ形ダイポールアンテナ素子１１，２１は、個別の給電系を介して給電され、水平素子部１１ｈ，２１ｈから水平偏波を、垂直素子部１１ｖ，２１ｖから垂直偏波をそれぞれ放射する。このとき、水平偏波の放射量は垂直偏波の放射量に比べて大きくなる。垂直偏波の放射量は、水平素子部１１ｈ，２１ｈに対する垂直素子部１１ｖ，２１ｖの長さの割合を大きくしていくに従って水平偏波の放射量に近づくことになるが、完全に追いつくことはできない。

無給電素子１２，２２は、垂直偏波の放射量を大きくするために設けたものであり、それぞれＵ形ダイポールアンテナ素子１１，２１の垂直素子部１１ｖ，２１ｖから間隔ｄｓ（例えば、約０．０３λ）を置いて垂直に配置されている。この無給電素子１２，２２は、上記垂直素子部１１ｖ，２１ｖよりも長さが大きいので、波源長を長くして垂直偏波の放射量を大きくするように作用する。
このような構成を有する本実施形態に係るアンテナによれば、その外径を従来の多面合成アンテナの外径の半分以下（約０．３λ）にすることが可能である。

図２（ａ）に第１のアンテナ部１０の水平面指向性を示す。この図２（ａ）から明らかなように、放射電界の垂直偏波成分Ｅθ（太実線）及び水平偏波成分Ｅφ（太点線）は、それぞれ８の字指向性を示し、また、大きさが同じで放射方向が９０°異なっている。
垂直偏波成分Ｅθと水平偏波成分Ｅφの大きさの割合は、前記したように、Ｕ形ダイポール１１の折り曲げの比率Ｌｈ／Ｌｖと、無給電素子１２の長さの調整とによって決定される。

図２（ａ）に示すように垂直偏波成分Ｅθと水平偏波成分Ｅφの大きさが等しい場合、同図中に一点鎖線で示すように、各偏波成分Ｅθ，Ｅφの合成電界が無指向性となる。従って、この合成電界によってオムニエリアを構築することができる。
図２（ｂ）に第１のアンテナ部１０のｘｚ面での垂直面指向性を示し、また、図２（ｃ）に該第１のアンテナ部１０のｙｚ面での垂直面指向性を示す。これらの図から明らかなように、第１のアンテナ部１０によれば、無指向性に近い垂直面指向性が得られる。

第２のアンテナ部２０の指向性は、第１のアンテナ部１０の指向性をｚ軸に関して９０°回転した指向性となる。
すなわち、第２のアンテナ部２０の水平面指向性は、垂直偏波成分Ｅθが±ｙ方向を向き、水平偏波成分Ｅφが±ｘ方向を向くような指向性を示す。また、第２のアンテナ部２０のｘｚ面での垂直面指向性は、図２（ｃ）に示す第１のアンテナ部１０のｙｚ面での垂直面指向性と同様になり、また、第２のアンテナ部２０のｙｚ面での垂直面指向性は、図２（ｂ）に示す第１のアンテナ部１０のｘｚ面での垂直面指向性と同様になる。このように、両アンテナ部１０，２０の指向性は直交する。
この結果、両アンテナ部１０，２０の指向性は、全方向のどの角度においても完全に直交することになる。従って、本実施形態に係るアンテナによれば、従来の垂直偏波・水平偏波共用アンテナと同様に、エリア内において常に直交した偏波成分を送受信することが可能となる。

図３は、本実施形態に係るアンテナの２ＧＨｚ帯におけるＳパラメータの測定結果を示す。この測定結果から明らかなように、第１のアンテナ部１０のリターンロス（Ｓ１１）と第２のアンテナ部２０のリターンロス（Ｓ２２）は共に−１０ｄＢ以下である。これは、両アンテナ部が十分広い周波数帯域で動作していることを示している。また、第１のアンテナ部１０と第２のアンテナ部２０間の結合（Ｓ２１）は、−３０ｄＢ以下と十分に低く抑えられている。

このように、本実施形態に係るアンテナは、第１のアンテナ部１０と第２のアンテナ部２０の指向性が互いに直交し、かつ、これらのアンテナ部１０，２０間の結合が十分低いため、該アンテナ部１０，２０間の相関も十分低く、したがって、ＭＩＭＯ用アンテナとして有用である。
本実施形態に係るアンテナは、反射板を付加することも可能である。そして、反射板を付加した場合、屋内用の天井取付け用オムニアンテナとしての使用も可能となる。もちろん、反射板は、その面がｚ軸に直交するように配置される。
さらに、本実施形態に係るアンテナは、垂直方向に複数配列することも可能である。このアレイ構造によれば、垂直面の指向性を鋭くして利得を上昇させることができるので、高利得で細径なオムニアンテナを実現することができる。

図１に示す第１のアンテナ部１０に代えて、図４に示すようなアンテナ部３０あるいは図５に示すようなアンテナ部４０を使用することができる。
アンテナ部３０は、ヘイローアンテナとしての構成を有している。従来のヘイローアンテナは、フォールデッドダイポールアンテナの素子導体を丸めた立体構造を有するが、上記アンテナ部３０は平面的に構成されている。
一方、アンテナ部４０は、逆Ｆアンテナとしての構成を有している。通常の逆Ｆアンテナは、接地板上に配置されるが、このアンテナ部４０は、接地板を取り除いた構造、つまり、鏡像を実体化した構造を有する。

上記アンテナ部３０，４０は、そのアンテナ素子３１，４１が１つの水平素子部と２つの垂直素子部をもち、かつ、全長が約半波長であるという点において図１に示すアンテナ部１０と共通しているので、該アンテナ部１０の指向性と同様の指向性を示す。
従って、図１に示すアンテナ部１０に代えて上記アンテナ部３０（４０）を配置するとともに、同図に示すアンテナ部２０に代えて上記アンテナ部３０（４０）と同一構成のアンテナ部を配置すれば、図１に示すオムニアンテナと同等の特性を持つオムニアンテナを構成することができる。

なお、本発明の技術は前記実施の形態における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果たす他の態様の手段によってもよい。また、本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更、付加が可能である。

１０第１のアンテナ部
１１Ｕ形ダイポールアンテナ素子
１１ｈ水平素子部
１１ｖ垂直素子部
１２無給電素子
２０第２のアンテナ部
２１Ｕ形ダイポールアンテナ素子
２１ｈ水平素子部
２１ｖ垂直素子部
２２無給電素子
３０アンテナ部
３１アンテナ素子
４０アンテナ部
４１アンテナ素子

Claims

垂直偏波と水平偏波の両偏波を放射し、かつ、該両偏波の合成電界が無指向性を示すように構成され、個別の給電系によって給電されて互いに独立して動作する同一構成の第１及び第２のアンテナ部を備え、
前記第１及び第２のアンテナ部を、前記第１のアンテナ部による前記垂直偏波及び水平偏波の放射方向と、前記第２のアンテナ部による前記垂直偏波及び水平偏波の放射方向とが互いに９０°異なるように組み合わせ、
前記第１及び第２のアンテナ部は、１つの水平素子部と２つの垂直素子部をもつ平面状のヘイローアンテナとして構成されることを特徴とするオムニアンテナ。
垂直偏波と水平偏波の両偏波を放射し、かつ、該両偏波の合成電界が無指向性を示すように構成され、個別の給電系によって給電されて互いに独立して動作する同一構成の第１及び第２のアンテナ部を備え、
前記第１及び第２のアンテナ部を、前記第１のアンテナ部による前記垂直偏波及び水平偏波の放射方向と、前記第２のアンテナ部による前記垂直偏波及び水平偏波の放射方向とが互いに９０°異なるように組み合わせ、
前記第１及び第２のアンテナ部は、１つの水平素子部と２つの垂直素子部をもつように鏡像を実体化した構造を有する逆Ｆアンテナとして構成されることを特徴とするオムニアンテナ。
反射板を付加したことを特徴とする請求項１または２に記載のオムニアンテナ。
請求項１または２に記載のオムニアンテナを垂直方向に複数配列したことを特徴とするアレイ構造のオムニアンテナ。