JP6345325B1 - 漏れ波アンテナ及びこれを備えたアンテナシステム - Google Patents
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Abstract
Description
そのような移動通信用の基地局アンテナとしては、(垂直偏波および水平偏波や±45°偏波等の)偏波共用アンテナが主流となっている。偏波共用アンテナは、偏波ダイバーシチまたは偏波間MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output)を行うことが可能である。
また、特許文献1の放射素子は、グランド板立ち上げ部という部品が必要であることから、構成する部品の種類が多くなるので、アンテナの構造が複雑になりコストが高くなる等の課題がある。
さらに、特許文献1に記載した放射素子は、水平面内指向性について垂直偏波と水平偏波との半値角が一致していない。そのため、偏波間での半値角の差を小さくして移動通信基地局でのスモールセルに適した指向性を実現するようにセル設計を行う必要がある。
また、本発明は、スモールセルに適した指向性を実現するために、隣接セルとの干渉を低減し、垂直面内指向性において高チルト角が得られる構造を有する薄型の漏れ波アンテナも提供する。
さらに、本発明は、移動通信用基地局向けに用いることから、交差偏波識別度が20dB以上である高利得を得られる漏れ波アンテナも提供する。
具体的には、本発明は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の下面に形成されたグランド面と、
前記誘電体基板の上面に形成されたグランド部および伝送線路部からなる、
グランド付きコプレーナ線路を用いたCRLH線路であって、該CRLH線路を構成する直列キャパシタが前記誘電体基板の上面に形成されている、CRLH線路と
を含んでなる、漏れ波アンテナを提供する。
一態様として、前記直列キャパシタ(CL)が、インターデジタル構造またはスロットキャパシタ構造を有している。
また、前記直列キャパシタ(CL)に接続された並列インダクタ(LL)が、前記誘電体基板の上面に形成されている。
他の態様として、前記グランド部と前記並列インダクタ(LL)の一端とは、スルーホールまたはグランド板立ち上げ部を介して、前記誘電体基板の下面の前記グランド面に電気的に接続されている。
具体的には、本発明は、
1以上の第1ユニットセル(UC)を含む第1アンテナ部(A1)と、
1以上の第2ユニットセル(UC’)を含む第2アンテナ部(A2)と
を含んでなる漏れ波アンテナであって、
前記第1ユニットセル(UC)は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の下面に形成されたグランド面と、
前記誘電体基板の上面に形成されたグランド部および伝送線路部からなる、
グランド付きコプレーナ線路を用いた第1CRLH線路であって、該第1CRLH線路を構成する直列キャパシタ(CL)および並列インダクタ(LL)が前記誘電体基板の上面に形成されている、第1CRLH線路と
を含み、
前記第2ユニットセル(UC’)は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の下面に形成されたグランド面と、
前記誘電体基板の上面に形成されたグランド部および伝送線路部からなる、
グランド付きコプレーナ線路を用いた第2CRLH線路であって、該第2CRLH線路を構成する直列キャパシタ(CL)および並列インダクタ(LL)が前記誘電体基板の上面に形成されている、第2CRLH線路と
を含み、
前記第1CRLH線路の前記直列キャパシタ(CL)に接続された並列インダクタ(LL)の配置と、前記第2CRLH線路の前記直列キャパシタ(CL)に接続された並列インダクタ(LL)の配置とが、互いに線対称または鏡像となる位置関係で配置されている、漏れ波アンテナを提供する。
一態様として、前記直列キャパシタ(CL)が、インターデジタル構造またはスロットキャパシタ構造を有している。
別の一態様として、前記グランド部と前記並列インダクタ(LL)の一端とは、スルーホールまたはグランド板立ち上げ部を介して、前記誘電体基板の下面の前記グランド面に電気的に接続されている。
具体的には、本発明は、
1以上の第1アンテナ素子を含む第1アンテナ部(A1)と、該第1アンテナ部の長手方向に対して平行に配置され、1以上の第2アンテナ素子を含む第2アンテナ部(A2)とを含む第1アンテナセット(A1、A2)と、
1以上の第1アンテナ素子を含む第3アンテナ部(A3)と、該第3アンテナ部の長手方向に対して平行に配置され、1以上の第2アンテナ素子を含む第4アンテナ部(A4)とを含む第2アンテナセット(A3、A4)と
を含んでなる漏れ波アンテナであって、
前記第1アンテナ部(A1)は、該第1アンテナ部の一方の端部に第1給電点(P1)を有し、
前記第2アンテナ部(A2)は、該第2アンテナ部の一方の端部に第2給電点(P2)を有し、前記第1給電点と前記第2給電点とが同じ端部に位置するように配置されており、
前記第3アンテナ部(A3)は、該第3アンテナ部の一方の端部に第3給電点(P3)を有し、
前記第4アンテナ部(A4)は、該第4アンテナ部の一方の端部に第4給電点(P4)を有し、前記第3給電点と前記第4給電点とを同じ端部に位置するように配置されており、
前記第1アンテナ素子は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の下面に形成されたグランド面と、
前記誘電体基板の上面に形成されたグランド部および伝送線路部からなる、
グランド付きコプレーナ線路を用いて形成された第1CRLH線路であって、該第1CRLH線路を構成する直列キャパシタ(CL)および並列インダクタ(LL)が前記誘電体基板の上面に形成されている、第1CRLH線路と
を含み、
前記第2アンテナ素子は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の下面に形成されたグランド面と、
前記誘電体基板の上面に形成されたグランド部と、
前記グランド部に隣接して配置され、前記誘電体基板の上面にグランド付きコプレーナ線路を用いて形成された第2CRLH線路であって、該第2CRLH線路を構成する直列キャパシタ(CL)および並列インダクタ(LL)が前記誘電体基板の上面に形成されている、第2CRLH線路と
を含み、
前記第1CRLH線路の前記直列キャパシタ(CL)に接続された並列インダクタ(LL)の配置と、前記第2CRLH線路の前記直列キャパシタ(CL)に接続された並列インダクタ(LL)の配置とが、互いに線対称または鏡像となる位置関係で配置されている、漏れ波アンテナを提供する。
一態様として、漏れ波アンテナは、(後述する図1では、漏れ波アンテナがアンテナ部4列で構成されたものを示しているが、これに限らず)アンテナ部を2N列(N=1、2、…)として、列数を増やす構成とすることも可能である。
例えば、一態様として、漏れ波アンテナは、前記第1アンテナセット(A1、A2)と前記第2アンテナセット(A3、A4)とのいずれかをさらに含むことにより、前記アンテナセットが3セット以上配置されている。
また一態様として、前記直列キャパシタ(CL)が、インターデジタル構造またはスロットキャパシタ構造を有している。
別の態様として、前記各アンテナセットのうちの奇数列を構成する前記各アンテナ部は、各アンテナ部の長手方向に第1ユニットセル(UC)を複数個接続して構成されており、前記各アンテナセットのうちの奇数列を構成する前記各アンテナ部は、各アンテナ部の長手方向に第2ユニットセル(UC’)を複数個接続して構成されている。
他の態様として、前記グランド部と前記並列インダクタ(LL)の一端とは、スルーホールまたはグランド板立ち上げ部を介して、前記誘電体基板の下面の前記グランド面に電気的に接続されている。
また、上記の漏れ波アンテナの第1給電点(P1)と第2給電点(P2)と第3給電点(P3)と第4給電点(P4)とのそれぞれに対して、互いに異なる給電位相を与える給電装置とを備えてなるアンテナシステムも提供する。
また、他の様態として、本発明の実施の形態に係るCRLH線路は、チップキャパシタからなる直列キャパシタと、チップインダクタからなる並列インダクタとによって構成することができる。
さらに、別の様態として、本発明の実施の形態に係るCRLH線路は、並列インダクタをスパイラルインダクタまたはメアンダ状インダクタとして形成することによって、インダクタンス値を変化させることができる。
また、目的の周波数における水平面内指向性については、アンテナ素子の誘電体基板の下面全体にグランド面を設けていることから、垂直偏波と水平偏波ともにセクタ指向性に適した放射指向性を得ることができる。
さらに、CRLH線路のユニットセルにおいて並列インダクタおよび直列キャパシタを調整して分散特性を制御することによって、所望のチルト角を得ることができる。
動作周波数帯は、後述するように、直列キャパシタCLおよび並列インダクタLLの値を調整し、右手系伝送線路を構成するグランド付きコプレーナ線路幅またはギャップ幅を調整することにより可変にすることができる。
図1に示すように、軸の定義として、X軸方向を大地と垂直な方向とし、Y軸およびZ軸によるY−Z平面を大地と水平な方向とする。
図1に、本発明の実施の形態に係る漏れ波アンテナを示す。この漏れ波アンテナは、誘電体基板の下面に形成されたグランド面を有し、上面にはグランド付きコプレーナ線路を用いたCRLH線路をプリントした構成を有している。そして、誘電体基板の上面にプリントされるグランド部および並列インダクタ(LL)の片端と下面のグランド間は、スルーホールによるビアまたは導体によって電気的に接続される。
図1に示すように、本発明の実施の形態に係る漏れ波アンテナは、奇数列のアンテナ部(A1およびA3)と偶数列のアンテナ部(A2およびA4)とを備えている。つまり、図1に示す漏れ波アンテナは、奇数列のアンテナ部A1と偶数列のアンテナ部A2との第1アンテナセットと、奇数列のアンテナ部A3と偶数列のアンテナ部A4との第2アンテナセットとを有している。ここで、各アンテナセットのCRLH線路を構成する並列インダクタの配置は、各アンテナ部の長手方向に対応するX軸を対称軸として互いに対称(線対称または鏡像)となる構造を有している。
具体的には、奇数列のアンテナ部A1およびA3は、図2に示すユニットセル(UC)1を各アンテナ部の長手方向に対応するX軸方向に複数個接続した構成を有している。そして、偶数列のアンテナ部A2およびA4は、図2に示すユニットセル1とは直列キャパシタ3に対する並列インダクタ4の配置が線対称または鏡像な配置を有する別のユニットセル(UC’)を、各アンテナ部の長手方向に対応するX軸方向に複数個接続した構成を有している。
図2に、本発明の実施の形態に係る漏れ波アンテナを構成するユニットセル(UC)1の一例を示す。また、図3に、図2のユニットセル(UC)1を実線部分で切断してA方向から見たときの断面図を示す。図2に示すユニットセル(UC)1は、右手系伝送線路を構成するグランド付きコプレーナ線路に対し、誘電体基板2の上面に形成された、左手系素子である直列キャパシタ(CL)3と並列インダクタ(LL)4とを追加したCRLH線路とした構造を有している。また、ユニットセル(UC)1は、誘電体基板2の上面に配置されたグランド部5、6と、誘電体基板2の下面に配置されたグランド面9と、グランド部5、6とグランド面9とを電気的に接続するスルーホールまたはグランド板立ち上げ部7、8とを有している。
直列キャパシタ(CL)3は、グランド付きコプレーナ線路へ直列に配置している。直列キャパシタ(CL)3は、インターデジタル構造を用いて構成されている。ここで、図13に示すように、櫛の歯の形状を有するインターデジタル部のそれぞれの櫛の長さlc、櫛の幅wc、また櫛の間隙gcの値を変えることによって、直列キャパシタ(CL)3の容量を所望の値に変更することができる。つまり、直列キャパシタ(CL)3の容量を変えることによって、動作周波数帯および所望の分散特性に合わせた調整をすることができる。
並列インダクタ(LL)4に対応する導体パターンは、その一方の端部をグランド部5へ接続し、もう一方の端部を伝送線路部分へ接続したスタブ構造を有している。つまり、この並列インダクタ(LL)4に対応する導体パターンは、スルーホールまたはグランド板立ち上げ部7を介して、グランド付きコプレーナの伝送線路部分と誘電体基板2のグランド部5とを電気的に接続するよう配置している。ここで、図14Aには、並列インダクタ(LL)4のスタブが直線状に形成されたものを示し、図14Bには、並列インダクタ(LL)4のスタブがメアンダ形状(またはジグザグ形状)に形成されたものを示す。図14Aおよび図14Bに示すように、並列インダクタ(LL)4のスタブ幅wlおよびスタブ長llの値を変えることによって、並列インダクタ(LL)4のインダクタンス値を変えることができる。つまり、所望の動作周波数帯および分散特性に合わせて並列インダクタ(LL)4のインダクタンス値を調整することができる。
次に、図2のCRLH線路を有するユニットセル(UC)1の等価回路を図12に示す。複数のユニットセル(UC)1を所定の方向に複数個接続することによってCRLH線路を形成することができる。通常の伝送線路(右手系の伝送線路)は、インダクタンス成分(LR)とキャパシタンス成分(CR)のみを含んでいる。これに加えて、CRLH線路は、左手系の直列キャパシタンス(CL)と並列インダクタンス(LL)をさらに含んでいる。そのため、このようなCRLH線路によれば、4つのパラメータCR、LR、CL、LLにより、位相が前方に進む右手系の周波数領域と、位相が後方に進む左手系の周波数領域とを作り出すことができる。
θ=sin-1(β/k)
ここで、kは波数、βは位相定数を示す。
図6に示す例では、使用周波数f0における分散特性βpの値は15°である。図6には、Airlineの分散特性を併記している。Airlineの線の内側において速波帯となり、CRLH線路から漏れ波が生じる。ここで、「Airline」とは、自由空間中における周波数f0でのユニットセル長あたりの位相変化量である。f0におけるβpはAirlineの内側に位置しているため、速波帯領域に存在する。このことから、各ユニットセルから位相差15°の漏れ波が生じる。ユニットセル長p=8mmであり、使用周波数f0=3.5GHzの場合には、推定チルト角θはθ=26.5°となる。
なお、以上においては左手系領域における特性について述べた。本発明に係る漏れ波アンテナにおいては、図6に示す分散特性において示した、速波帯領域内における右手系領域での使用も可能である。右手系領域での使用においては、上向きチルトを有する垂直面指向性を示すとともに、X軸方向への放射も可能となる。
図1に示す各アンテナ部(A1〜A4)を構成するアンテナ素子は、例えば、図2に示すユニットセル(UC)1を各アンテナ部の長手方向であるX軸方向に複数個接続して構成している。このアンテナ素子は、底部側に配置された給電点P1〜P4を有し、底部側とは反対に位置する上部側に配置された線路終端(解放終端)を有する。アンテナ素子の給電点P1への給電によってアンテナ部A1が励振される(その他の給電点P2〜P4およびアンテナ部A2〜A4も同様である)。 各アンテナ部A1〜A4は、接続するユニットセル数を増減することによって利得を制御することができる。ここで、接続するユニットセル数をユニットセルあたりの放射量に対して適切に設定することにより、終端抵抗を取り付けることなくアンテナ端部での反射を抑制することができる。接続するユニットセル数を少なくする場合には、各アンテナ部の端部に終端抵抗を取り付けることもできる。終端抵抗を取り付けることによって、天空側のサイドローブを抑制することができる。
各アンテナ部A1〜A4は、複数のユニットセルが水平方向にアレイ状に配置されている。図1においてX−Y平面をZ軸正方向から見た場合、奇数列のアンテナ部A1およびA3では並列インダクタが左側に分岐したユニットセル(UC)を有しており、偶数列のアンテナ部A2およびA4では並列インダクタが右側に分岐した別のユニットセル(UC’)を有している。つまり、奇数列のアンテナ部A1およびA3と、偶数列のアンテナ部A2およびA4とを比較すると、各アンテナ部の長手方向であるX軸を対称軸としたときに、各アンテナ部の並列インダクタの分岐方向は、互いに線対称または鏡像の関係となっている。
ここで、図1では、奇数列のアンテナ部A1(A3)と偶数列のアンテナ部A2(A4)との並列インダクタを、CRLH線路から互いに外側に向かって分岐する構造としている。ただし、その他の様態として、この並列インダクタを逆方向に分岐することもできる。つまり、奇数列のアンテナ部A1(A3)と偶数列のアンテナ部A2(A4)との並列インダクタの分岐方向を、CRLH線路から互いに内側に向かって分岐する構造とすることもできる。また、アンテナ部の配列数を増加させることにより水平面内指向性の制御が可能である。
なお、交差偏波を抑制する観点から、各アンテナ部(A1〜A4)の長手方向であるX軸を対称軸とした場合、並列インダクタ(LL)が伝送線路から分岐する方向は、奇数列ではY軸負方向、偶数列ではY軸正方向となるように対称に配置することが好ましい。
本発明の実施の形態に係る漏れ波アンテナによれば、奇数列のアンテナ部(A1、A3)と偶数列のアンテナ部(A2、A4)とをそれぞれ組み合わせた2つのアンテナセットを配置することによって、水平面内における交差偏波の発生を抑制することができる。水平面内指向性を制御するその他の方法として、各アンテナ部(A1〜A4)の下面側に金属反射板を配置することで制御することもできる。
図4および図5には、グランド付きコプレーナ線路により構成されるCRLH線路を用いた偏波共用漏れ波アンテナの各偏波(垂直偏波および水平偏波)を示す。この偏波共用漏れ波アンテナは、対となっているCRLH線路への給電位相を変えることにより、複数の直線偏波を生成することや、使用する偏波を変更することや、異なる偏波を同時励振して共用することができる。
図4に、奇数列を構成するアンテナ部A1(A3)と、偶数列を構成するアンテナ部A2(A4)とによる垂直偏波励振時の電流分布を示す。アンテナ部A1(A3)と、アンテナ部A2(A4)のCRLH線路を同位相により給電することにより、直列キャパシタ部は大地と垂直方向となるX軸方向にアンテナ部A1(A3)と、アンテナ部A2(A4)とで同一方向の電流ベクトルを生成する。これに対し、並列インダクタ部においては大地と水平方向となるY軸方向に、アンテナ部A1(A3)とアンテナ部A2(A4)とで互いに逆方向の電流ベクトルを生成する。そのため、X軸方向の電流ベクトルは同一方向のベクトルとなるので強められるが、Y軸方向の電流ベクトルは逆方向のベクトルとなるので相殺される。よって、X軸方向の電流が支配的となり、垂直偏波を励振する。
図9に、P1〜P4の各給電点に対して同相給電した場合(垂直偏波励振)の、規格化周波数が1の場合における水平面内指向性を示す。図10に、P1およびP3に対してP2およびP4の給電点に180°の位相差をつけて給電した場合(水平偏波励振)の、規格化周波数が1の場合における水平面内指向性を示す。水平面内指向性は、垂直面内指向性における最大値の角度での指向性である。垂直偏波および水平偏波ともに、ほぼ同じ水平面半値角が得られていることがわかる。
また、図9および図10には、主偏波指向性と共に交差偏波指向性も併せて示している。本発明の実施の形態に係る漏れ波アンテナを4列のアンテナ部(A1〜A4)で構成することにより、垂直偏波および水平偏波共に、交差偏波識別度(XPD:Cross Polarization Discrimination)を20dB以上確保することができる。
このように、図11に示すハイブリッドカプラに所望の入力信号(IN(1)、IN(2))を与えることによって、上記の実施形態に係る漏れ波アンテナ(A1〜A4)を偏波アンテナとして動作させることができる。
2 誘電体基板
3 直列キャパシタ(CL)
4 並列インダクタ(LL)
5、6 グランド部
7、8 スルーホールまたはグランド板立ち上げ部
9 グランド面
A1〜A4 アンテナ
P1〜P4 給電点
Claims (6)
- 1以上の第1アンテナ素子を含む第1アンテナ部(A1)と、該第1アンテナ部の長手方向に対して平行に配置され、1以上の第2アンテナ素子を含む第2アンテナ部(A2)とを含む第1アンテナセット(A1、A2)と、
1以上の第1アンテナ素子を含む第3アンテナ部(A3)と、該第3アンテナ部の長手方向に対して平行に配置され、1以上の第2アンテナ素子を含む第4アンテナ部(A4)とを含む第2アンテナセット(A3、A4)と,
を含んでなり、前記第1アンテナセットと前記第2アンテナセットとが、各アンテナ部の長手方向に対して垂直となる水平方向に配置された漏れ波アンテナであって、
前記第1アンテナ部(A1)は、該第1アンテナ部の一方の端部に第1給電点(P1)を有し、
前記第2アンテナ部(A2)は、該第2アンテナ部の一方の端部に第2給電点(P2)を有し、前記第1給電点と前記第2給電点とが同じ端部に位置するように配置されており、
前記第3アンテナ部(A3)は、該第3アンテナ部の一方の端部に第3給電点(P3)を有し、
前記第4アンテナ部(A4)は、該第4アンテナ部の一方の端部に第4給電点(P4)を有し、前記第3給電点と前記第4給電点とを同じ端部に位置するように配置されており、
前記第1アンテナ素子は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の下面に形成されたグランド面と、
前記誘電体基板の上面に形成されたグランド部および伝送線路部からなる、
グランド付きコプレーナ線路を用いて形成された第1CRLH線路であって、該第1CRLH線路を構成する直列キャパシタ(CL)および並列インダクタ(LL)が前記誘電体基板の上面に形成されている、第1CRLH線路と
を含み、
前記第2アンテナ素子は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の下面に形成されたグランド面と、
前記誘電体基板の上面に形成されたグランド部および伝送線路部からなる、
グランド付きコプレーナ線路を用いて形成された第2CRLH線路であって、該第2CRLH線路を構成する直列キャパシタ(CL)および並列インダクタ(LL)が前記誘電体基板の上面に形成されている、第2CRLH線路と
を含み、
前記第1CRLH線路の前記直列キャパシタ(CL)に接続された並列インダクタ(LL)の配置と、前記第2CRLH線路の前記直列キャパシタ(CL)に接続された並列インダクタ(LL)の配置とが、互いに線対称または鏡像となる位置関係で配置されている、漏れ波アンテナ。 - 前記第1アンテナセット(A1、A2)と前記第2アンテナセット(A3、A4)とのいずれかをさらに含むことにより、前記アンテナセットが3セット以上前記水平方向に配置された、請求項1に記載の漏れ波アンテナ。
- 前記直列キャパシタ(CL)が、インターデジタル構造またはスロットキャパシタ構造を有している、請求項1に記載の漏れ波アンテナ。
- 前記各アンテナセットのうちの奇数列を構成する前記各アンテナ部は、各アンテナ部の長手方向に第1ユニットセル(UC)を複数個接続して構成されており、前記各アンテナセットのうちの偶数列を構成する前記各アンテナ部は、各アンテナ部の長手方向に第2ユニットセル(UC’)を複数個接続して構成されている、請求項1〜3に記載の漏れ波アンテナ。
- 前記グランド部と前記並列インダクタ(LL)の一端とは、スルーホールまたはグランド板立ち上げ部を介して、前記誘電体基板の下面の前記グランド面に電気的に接続されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の漏れ波アンテナ。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の漏れ波アンテナと、
前記第1給電点と前記第2給電点と前記第3給電点と前記第4給電点とのそれぞれに対して、互いに異なる給電位相を与える給電装置と
を備えてなるアンテナシステム。
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