JP5822003B2

JP5822003B2 - セクタアンテナ

Info

Publication number: JP5822003B2
Application number: JP2014145655A
Authority: JP
Inventors: 小川　智之; 智之小川; 伊藤　幹浩; 幹浩伊藤; 村野　慎介; 慎介村野; 涼太鈴木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: JP2014197908A

Description

本発明は、複数の周波数帯で水平偏波を送受信するための周波数共用ダイポール素子を備えるセクタアンテナに関する。

近年、携帯電話などの移動通信端末が急速に普及しており、例えば８００ＭＨｚ帯、１．５ＧＨｚ帯、２ＧＨｚ帯の周波数を共用して高速のデータ通信が行われている。

このような移動通信端末と複数の周波数帯（例えば、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯）で水平偏波の送受信を行うアンテナ装置として、図７（ａ）に示すようなセクタアンテナがある。セクタアンテナは、アンテナを中心（頂点）とする所定角度の扇形セクタに対して送受信を行うためのアンテナ装置である（例えば、特許文献１参照）。

図７（ａ）に示す従来構造のセクタアンテナ７０は、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の水平偏波を送受信する周波数共用ダイポール素子１１と、周波数共用ダイポール素子１１に沿って配置される第１反射板１２と、周波数共用ダイポール素子１１の両先端１４，１４より外側の第１反射板１２上に配置される１対の第２反射板１３ｃ，１３ｃと、第１反射板１２の両端部に配置される側面反射板１５と、を備える。

セクタアンテナ７０から放射される水平偏波は、第１反射板１２により主放射方向１６（扇形セクタの中心方向）へ反射されると共に、１対の第２反射板１３ｃ，１３ｃの間隔によりビーム幅が扇形セクタの角度と同一になるように調整され、さらに側面反射板１５により水平偏波のアンテナ背面への回り込みが抑制される。

このセクタアンテナ７０は、図７（ｂ）に示すような放射特性で１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の水平偏波を放射する。

このようなセクタアンテナを複数（例えば、１２０度の扇形セクタでは３基）組合わせることで、３６０度全方位の通信エリアがカバーされる。

特開２００７−６００６２号公報

ところで、エリア設計の都合上、複数の周波数帯においてビーム幅を概等しくする、また、高い方の周波数帯において、よりビーム幅を広くすることが求められる場合がある。

しかしながら従来のセクタアンテナの構造においては、一般に高い方の周波数帯においてビーム幅が狭くなるという問題がある。

水平偏波のビーム幅は、第２反射板の間隔を変えることにより調整されるが、従来構造のセクタアンテナでは第２反射板の間隔を変えても、高い方の周波数帯のビーム幅は第２反射板の間隔によらず常に低い方の周波数帯より狭くなる。

例えば、図７に示した従来構造のセクタアンテナ７０では、２ＧＨｚ帯の水平偏波の規格化放射利得（ビーム幅）が１．５ＧＨｚ帯よりも狭くなっており、異なる周波数帯の水平偏波で同一のビーム幅を得ることができない。

このため、２ＧＨｚ帯の水平偏波のビーム幅が扇形セクタの角度と同一となるように第２反射板１３ｃの間隔を調整すると、１．５ＧＨｚ帯のビーム幅は扇形セクタの角度より広くなり、複数のセクタアンテナ７０を組合わせて使用する際に、隣接する扇形セクタとの境界近傍で１．５ＧＨｚ帯が干渉してしまう。

他方、１．５ＧＨｚ帯の水平偏波のビーム幅が扇形セクタの角度と同一となるように第２反射板１３ｃの間隔を調整すると、２ＧＨｚ帯のビーム幅は扇形セクタの角度より狭くなり、扇形セクタの境界近傍で２ＧＨｚ帯の不感地帯が形成される。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、複数の周波数帯で水平偏波を送受信する際に、異なる周波数帯のビーム幅を概等しくする、また、高い方の周波数帯において、よりビーム幅を広くすることが可能なセクタアンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、複数の周波数帯で水平偏波を送受信する周波数共用ダイポール素子と、前記周波数共用ダイポール素子に沿って、かつ周波数共用ダイポール素子と離間して配置され、前記周波数共用ダイポール素子からの水平偏波を反射する第１反射板と、前記周波数共用ダイポール素子と前記第１反射板との間に前記第１反射板と非導通状態で配置されると共に、前記周波数共用ダイポール素子の両先端の外側に起立して配置された１対の第２反射板と、を備え、前記１対の第２反射板は、前記複数の周波数帯の水平偏波のビーム幅を調整するものであり、前記複数の周波数帯で水平偏波のビーム幅を概等しくするか、又は前記複数の周波数帯のうち高い方の周波数帯で前記複数の周波数帯のうち低い方の周波数帯よりも水平偏波のビーム幅を広くするセクタアンテナである。

前記１対の第２反射板は、互いの間隔が前記周波数共用ダイポール素子に向けて大きくなるように、外側方向へ傾斜して配置されると良い。

前記第１反射板は、外側方向の両端部に側面反射板を備えると良い。

前記側面反射板は、前記１対の第２反射板よりも外側に配置されると良い。

前記第１反射板と水平平面とに垂直な中心平面に対して面対称形状であると良い。

前記周波数共用ダイポール素子は、複数あり、その長手方向がそれぞれ水平方向となるように配置されると共に垂直方向にそれぞれ平行に配置されると良い。

前記第１反射板は、複数の前記周波数共用ダイポール素子とそれぞれ平行となるように配置されると良い。

本発明によれば、複数の周波数帯で水平偏波を送受信する際に、異なる周波数帯のビーム幅を概等しくする、また、高い方の周波数帯において、よりビーム幅を広くすることが可能なセクタアンテナを提供できる。

（ａ）は第一の実施の形態に係るセクタアンテナの構造を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、（ｃ）はそのセクタアンテナの水平偏波の放射特性を規格化放射利得で表す図である。（ａ）は第二の実施の形態に係るセクタアンテナの構造を示す概略断面図であり、（ｂ）はそのセクタアンテナの水平偏波の放射特性を規格化放射利得で表す図である。（ａ）は実施例のセクタアンテナの概略断面図であり、（ｂ）はその寸法図である。実施例のセクタアンテナの第２反射板の間隔とビーム幅との関係を示す図である。（ａ）は比較例のセクタアンテナの概略断面図であり、（ｂ）はその寸法図である。比較例のセクタアンテナの第２反射板の間隔とビーム幅との関係を示す図である。（ａ）は従来構造のセクタアンテナの構造を示す概略断面図であり、（ｂ）はそのセクタアンテナの水平偏波の放射特性を規格化放射利得で表す図である。

以下に、本発明の好適な実施の形態について図面に基づき説明する。

図１（ａ）は第一の実施の形態に係るセクタアンテナの構造を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、（ｃ）はそのセクタアンテナの水平偏波の放射特性を規格化放射利得で表す図である。ここで規格化放射利得とは、セクタアンテナの主放射方向を０度とし、主放射方向における放射利得を０ｄＢとして規格化したものである。

図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係るセクタアンテナ１０は、複数の周波数共用ダイポール素子１１と、第１反射板１２と、１対の第２反射板１３ｎ，１３ｎと、を主に備える。

複数の周波数共用ダイポール素子１１は、垂直方向（図１（ａ）ではＺ方向）に平行に配置されている。また、周波数共用ダイポール素子１１は、その長手方向が水平方向（図１（ａ）ではＸ方向）となるように配置され、水平偏波の送受信を行うことができる。なお、本実施の形態では、周波数共用ダイポール素子１１は、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯を共用して水平偏波の送受信を行うように構成される。

第１反射板１２は周波数共用ダイポール素子１１に沿って、かつ周波数共用ダイポール素子１１と離間されて配置され、図示しないグラウンドと電気的に接続される。第１反射板１２は、周波数共用ダイポール素子１１から放射された複数の周波数帯の水平偏波を主放射方向１６へ反射するためのものである。なお、本実施の形態では、第１反射板１２は、複数の周波数共用ダイポール素子１１とそれぞれ平行となるように配置されている。

１対の第２反射板１３ｎ，１３ｎは、周波数共用ダイポール素子１１と第１反射板１２との間の空間に、周波数共用ダイポール素子１１の両先端１４，１４の外側に起立して配置されると共に、第１反射板１２およびグラウンドに対して非導通状態で配置される。第２反射板１３ｎは、水平偏波のビーム幅を周波数帯毎に個別に調整するためのものである。

また、第１反射板１２は、外側方向（図１（ｂ）では左右方向）の両端部に側面反射板１５，１５を備える。側面反射板１５は、第１反射板１２の裏面側への水平偏波の回り込みを抑制するためのものである。

またセクタアンテナ１０は、第１反射板１２と水平平面（図１（ｂ）ではＸＹ平面）とに垂直な中心平面に対して面対称形状となるように、周波数共用ダイポール素子１１、第１反射板１２、第２反射板１３ｎ、側面反射板１５の形状および配置位置が決定される。これにより、扇形セクタ内での水平偏波のビームを均質なものとすることができる。

なお、本発明は第２反射板１３ｎを非導通状態で配置するための手段を特に限定するものではなく、例えば樹脂スペーサ１７などを用いることができる。

このようにされることで、本実施の形態に係るセクタアンテナ１０は、図１（ｃ）に示すように、１．５ＧＨｚ帯のビーム幅（規格化放射利得）を広げることなく、２ＧＨｚ帯のビーム幅を広げ、両周波数帯のビーム幅を概等しくすることができる。

この第２反射板１３ｎの作用について本発明者らは、２ＧＨｚ帯の水平偏波により第２反射板１３ｎで励起される電流分布の強度が１．５ＧＨｚ帯より大きいため、ビーム幅が広がったものと推察している。

次に本発明の第二の実施の形態について説明する。

図２（ａ）に示すように、本実施の形態に係るセクタアンテナ２０は、その基本構造を第一の実施の形態のセクタアンテナ１０と同じくすると共に、第１反射板１２およびグラウンドに対して非導通状態で、周波数共用ダイポール素子１１と第１反射板１２との間の空間に配置される１対の第２反射板１３ｔ，１３ｔを備える。１対の第２反射板１３ｔ，１３ｔは、周波数共用ダイポール素子１１の両先端１４，１４の外側に起立して、かつ互いの間隔が周波数共用ダイポール素子１１に向けて大きくなるように外側方向へ傾斜して配置される。

このようにされることで、本実施の形態に係るセクタアンテナ２０は、図２（ｂ）に示すように、１．５ＧＨｚ帯のビーム幅（規格化放射利得）を広げることなく、２ＧＨｚ帯のビーム幅を１．５ＧＨｚ帯より広くすることができる。

ここで表１に、本発明のセクタアンテナ１０，２０および従来構造のセクタアンテナ７０の、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の水平偏波の３ｄＢビーム幅（規格化放射利得−３ｄＢの角度）を示す。

表１に示すように、第１反射板１２およびグラウンドに対して導通状態で第２反射板１３ｃが配置される従来構造のセクタアンテナ７０（従来）では、１．５ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅が７３度であるのに対し、２ＧＨｚ帯は６８度であり、高い方の周波数帯で、ビーム幅が狭くなっていることがわかる。

一方、第１反射板１２およびグラウンドに対して非導通状態で第２反射板１３ｎが配置されるセクタアンテナ１０（発明１）は、従来構造で得られた１．５ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅７３度を変化させることなく、２ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅を広げ、１．５ＧＨｚ帯と同じ７３度としていることがわかる。

また、第１反射板１２およびグラウンドに対して非導通状態かつ外側に傾斜して第２反射板１３ｔが配置されるセクタアンテナ２０（発明２）は、従来構造で得られた１．５ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅７３度を変化させることなく、２ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅をさらに広げ、１．５ＧＨｚ帯よりも大きい７６度としていることがわかる。

以上要するに、本発明のセクタアンテナでは、第１反射板１２およびグラウンドに対して非導通状態で第２反射板１３ｎを配置することにより、低周波数帯の水平偏波のビーム幅を変化させることなく、両周波数帯のビーム幅を概ね同じくすることが可能である。

また第１反射板１２およびグラウンドに対して非導通状態で、かつ外側方向へ傾斜させて第２反射板１３ｔを配置することにより、低周波数帯の水平偏波のビーム幅を変化させることなく、高周波数帯のビーム幅を低周波数帯より広げることが可能である。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば８００ＭＨｚ帯などの他の周波数帯を共用するセクタアンテナに対しても適用可能である。

以下に、本発明の実施例について説明する。

［実施例］
図３（ａ）に示すように、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の水平偏波を共用する周波数共用ダイポール素子１１から、平行に４０ｍｍ離間させて第１反射板１２（幅：１８４ｍｍ）を配置すると共に、その第１反射板１２と周波数共用ダイポール素子１１との間に１対の第２反射板１３ｔ（幅：約３１．６ｍｍ）を第１反射板１２との間隔が５ｍｍとなるように非導通状態で配置し、第二の実施の形態に係るセクタアンテナ２０を構成した。第１反射板１２は両端部に高さ５ｍｍの側面反射板１５を有し、グラウンドと電気的に接続した。また、１対の第２反射板１３ｔ，１３ｔは内幅１１６ｍｍで離間すると共に、外幅が１３６ｍｍとなるように外側へ約１８．４度傾斜して配置した。ここでは、樹脂スペーサを用いて第２反射板１３ｔを第１反射板１２上に固定し、第１反射板１２およびグラウンドに対して非導通状態となるようにした。このセクタアンテナ２０の寸法を図３（ｂ）に示す。

このように構成したセクタアンテナの放射特性を評価したところ、図２（ｂ）に示したような規格化放射利得が得られ、１．５ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅が７３度であったことに対して、２ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅は７６度となり、低周波数帯のビーム幅よりも高周波数帯のビーム幅を広くすることができた。

さらに、外側に傾斜して配置した１対の第２反射板１３ｔの間隔を変化させてセクタアンテナの放射特性を測定し、第２反射板の間隔と３ｄＢビーム幅の関係について評価した結果を図４に示す。

図４に示すように、２ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅は第２反射板の外幅Ｗの変化に関わらず、１．５ＧＨｚ帯よりも広くなっており、非導通状態で外側に傾斜させて第２反射板を配置することにより、より高い方の周波数帯においてビーム幅を広くできることがわかる。

また、第２反射板の外幅Ｗを１２６ｍｍとしたときには、１．５ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅が７４度であることに対して２ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅は８２度とさらに広くなっており、非導通状態の第２反射板の配置を調整することにより、水平偏波のビーム幅を周波数帯毎に個別に調整できることがわかる。

次に、比較例について説明する。

［比較例］
図５（ａ）に示すように、１．５ＧＨｚ帯および２ＧＨｚ帯の水平偏波を共用する周波数共用ダイポール素子１１から、平行に４０ｍｍ離間させて第１反射板１２（幅：１８４ｍｍ）を配置すると共に、その第１反射板１２上に１対の第２反射板１３ｃ（幅：２５ｍｍ）を第１反射板１２と導通状態で配置し、従来構造のセクタアンテナ７０を構成した。第１反射板１２は両端部に高さ５ｍｍの側面反射板１５を有し、グラウンドと電気的に接続した。また、１対の第２反射板１３ｃは間隔１４０ｍｍで離間して第１反射板１２に対して垂直に配置した。ここでは、第２反射板１３ｃが第１反射板１２およびグラウンドに対して導通状態となるようにした。このセクタアンテナ７０の寸法を図５（ｂ）に示す。

このように構成したセクタアンテナの放射特性を評価したところ、図７（ｂ）に示したような規格化放射利得が得られ、１．５ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅が７３度であることに対して２ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅は６８度であった。

さらに、１対の第２反射板１３ｃの間隔を変化させたセクタアンテナの放射特性を測定し、第２反射板の間隔と３ｄＢビーム幅の関係について評価した結果を図６に示す。

図６に示すように、２ＧＨｚ帯の３ｄＢビーム幅は第２反射板の間隔Ｗの変化に関わらず、１．５ＧＨｚ帯よりも常に狭くなる傾向を示しており、第１反射板と導通状態で配置される第２反射板では、異なる周波数帯のビーム幅を同じくする、また、より高い方の周波数帯のビーム幅を広くできないことがわかる。

以上説明した実施例および比較例により、本発明のセクタアンテナは第２反射板を非導通状態とし、その寸法および配置を調整することで、水平偏波のビーム幅を周波数帯毎に個別に調整できることがわかる。

１０セクタアンテナ
１１周波数共用ダイポール素子
１２第１反射板
１３ｎ第２反射板
１４周波数共用ダイポール素子の先端

Claims

複数の周波数帯で水平偏波を送受信する周波数共用ダイポール素子と、
前記周波数共用ダイポール素子に沿って、かつ周波数共用ダイポール素子と離間して配置され、前記周波数共用ダイポール素子からの水平偏波を反射する第１反射板と、
前記周波数共用ダイポール素子と前記第１反射板との間に前記第１反射板と非導通状態で配置されると共に、前記周波数共用ダイポール素子の両先端の外側に起立して配置された１対の第２反射板と、
を備え、
前記１対の第２反射板は、前記複数の周波数帯の水平偏波のビーム幅を調整するものであり、前記複数の周波数帯で水平偏波のビーム幅を概等しくするか、又は前記複数の周波数帯のうち高い方の周波数帯で前記複数の周波数帯のうち低い方の周波数帯よりも水平偏波のビーム幅を広くすることを特徴とするセクタアンテナ。
前記１対の第２反射板は、互いの間隔が前記周波数共用ダイポール素子に向けて大きくなるように、外側方向へ傾斜して配置される請求項１記載のセクタアンテナ。
前記第１反射板は、外側方向の両端部に側面反射板を備える請求項１又は２記載のセクタアンテナ。
前記側面反射板は、前記１対の第２反射板よりも外側に配置される請求項３記載のセクタアンテナ。
前記第１反射板と水平平面とに垂直な中心平面に対して面対称形状である請求項１〜４いずれか記載のセクタアンテナ。
前記周波数共用ダイポール素子は、複数あり、その長手方向がそれぞれ水平方向となるように配置されると共に垂直方向にそれぞれ平行に配置される請求項１〜４いずれか記載のセクタアンテナ。
前記第１反射板は、複数の前記周波数共用ダイポール素子とそれぞれ平行となるように配置される請求項６記載のセクタアンテナ。