JP6397563B2 - 漏れ波アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、移動体通信の基地局アンテナとして好適に使用することができる漏れ波アンテナに関する。

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おり、なかでも、送信アンテナおよび受信アンテナに複数のアンテナを用いるＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）の技術が実用化されている。ＭＩＭＯアンテナに対しては、互いに独立した通信路を確保するために、各アンテナ間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、+４５度偏波と−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ている。この偏波共用アンテナを用いた場合には、２系統のアンテナブランチ、すなわち２ブランチのＭＩＭＯ通信が可能となる利点や、２つのアンテナ間の相関が低くなるという利点、更には、アンテナ間の距離を離す必要がなくなるために構造をコンパクトにまとめることができるという利点が得られる。

ところで、現在使用されている基地局アンテナには、扇型のエリアをカバーするセクタアンテナ、円形のエリアをカバーするオムニアンテナ、スポット的なエリアをカバーする平面アンテナや八木アンテナ、等がある。これらのアンテナは、垂直偏波と水平偏波を共用し得るように構成されることも多い。

垂直偏波と水平偏波を共用する基地局アンテナの多くは、ダイポール素子を用いたアレーアンテナである。この種のアンテナは、地面に垂直なダイポール素子により垂直偏波を放射し、地面に水平なダイポール素子により水平偏波を放射する。上記のセクタアンテナ、オムニアンテナ及び平面アンテナ等は、ダイポール素子の配列（アレー）を工夫することで設計することができる。ただし、八木アンテナは、アレーアンテナではなく、ダイポールの前方に複数の無給電素子を配列した構造を有している。
これらの偏波共用アンテナは、風圧荷重の低減、美観の向上等のために、その体積をできるだけ小さくすることが求められる。そこで、従来からこれらの偏波共用アンテナの小型化及び細径化が試みられているが、その試みも限界が近付いている状況にある。

一方で、メタマテリアルを用いた周期構造のアンテナが検討され、移動通信用アンテナへの応用が試みられている。このメタマテリアルを用いたアンテナは、従来のアンテナでは成しえない特性を持ち、また、小型化も可能とされていることから、移動通信用アンテナへの応用が期待されている。しかし、その実現例はまだ少ない。
メタマテリアルを用いたアンテナとして、ＣＲＬＨ（Composite Ｒight/Ｌeft-Ｈanded）線路を用いた漏れ波アンテナがある。この漏れ波アンテナは、右手系領域において前方に漏れ波を放射するのに加えて、左手系領域において後方に漏れ波を放射するので、広範囲のビーム走査が可能であるという利点をもつ。
非特許文献１は、マイクロストリップ線路を使用したＣＲＬＨ漏れ波アンテナを提案している。また、非特許文献２は、導波管を使用したＣＲＬＨ漏れ波アンテナを提案している。

L. Liu, et al., "Dominant mode leaky-wave antenna with backfire-to-endfire scanning capability, Electronics Letters, wol.38, no.23, pp.1414-1416, Nov. 2002. T. Ikeda, et al., Beam-scanning performance of leaky-wave slot-array antenna on variable stub-loaded left-handed waveguide, Proceedings of ISAP2007, 4E3-2, pp.1462-1465, 2007.

非特許文献１に記載の漏れ波アンテナは、線路に対して平行な方向の偏波成分を放射する。これに対して非特許文献２に記載の漏れ波アンテナは、線路に対して垂直な方向の偏波成分を放射する。このように、従来の漏れ波アンテナは、放射する偏波の方向が上記のどちらか一方にほぼ限られているため、偏波共用とすることが難しい。また、非特許文献１に記載のアンテナは、線路の下方に地板が存在するため放射領域が上半分に限られ、非特許文献２に記載のアンテナにおいても、スロットからの放射が上半分に限られる。
以上のように、従来のＣＲＬＨ漏れ波アンテナは、偏波共用化が難しいことからＭＩＭＯに対応する移動通信用アンテナへの応用が難しく、また、放射領域が片側に限られることからオムニアンテナへの応用も難しいという問題があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は偏波の共用が可能でかつ放射領域が片側に限られることのない漏れ波アンテナを提供することにある。

本発明に係る漏れ波アンテナは、平行２線路の一端と他端間にＣＲＬＨ構造のユニットセルを周期的に多段接続した構成のＣＲＬＨ伝送線路を素子部として備える。前記ユニットセルは、前記平行２線路のそれぞれに左手系の直列キャパシタを挿入し、前記平行２線路間に左手系の並列インダクタを挿入した構成を有する。
前記平行２線路間への給電によって、該平行２線路と前記直列キャパシタとを垂直偏波成分の放射源として動作させるとともに、前記並列インダクタと前記平行２線路間の導電体とを水平偏波成分の放射源として動作させる。

一態様として、前記素子部は、前記垂直偏波成分の放射量と前記水平偏波成分の放射量とが等しくなるように構成される。
他の態様として、前記素子部は、垂直面指向性がエンドファイア指向性となるように構成される。

別の態様として、前記の漏れ波アンテナを第１、第２のアンテナとして備える漏れ波アンテナを構成することができる。この場合、前記第１、第２のアンテナの前記素子部は、長手方向軸線が同一線上に位置する形態で互いに直交するように組み合わされる。
前記第１、第２のアンテナの前記素子部は、前記ユニットセルの接続周期の半周期分だけ前記長手方向軸線の方向に互いにずれて位置させることが好ましい。
前記第１、第２のアンテナの前記素子部は、必要に応じて垂直面指向性がエンドファイア指向性となるように構成される。

更に別の態様として、水平面のビーム幅を狭くするための反射体を更に備えることができる。
前記直列キャパシタとしては、例えばインターディジタルキャパシタもしくは平行平板キャパシタが使用される。また、前記並列インダクタとしては、例えば直線状の細線もしくはメアンダ形状の線が使用される。更に、前記直列キャパシタおよび前記並列インダクタとしてチップ形状の素子を使用しても良い。

本発明に係る漏れ波アンテナよれば、線路に対して平行な方向の偏波成分と、線路に対して垂直な方向の偏波成分の双方が放射可能であるので、偏波共用化が容易である。従って、ＭＩＭＯに対応する移動通信用アンテナへの応用が可能となる。また、放射領域が片側に限られないので、オムニアンテナへの応用も容易となる。更に、小型化・細径化が可能であるので、移動体通信の基地局アンテナとしての使用にも適する。

ＣＲＬＨ線路のユニットセルの等価回路図である。 本発明に係る漏れ波アンテナの一実施形態を示す模式図である。 キャパシタの一例を示す平面図である。 （ａ）はキャパシタの他の例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 インダクタの一例を示す平面図である。 インダクタの他の例を示す平面図である。 水平面指向性の一例を示すグラフである。 インダクタの数を増やした構成例を示す模式図である。 キャパシタの数を増やした構成例を示す模式図である。 ユニットセルを多段配列（３０セル）した場合の垂直面（ｘｚ面）の指向性を示すグラフである。 ユニットセルを多段配列（３０セル）した場合の垂直面（ｙｚ面）の指向性を示すグラフである。 エンドファイヤ垂直面指向性の例を示すグラフである。 本発明に係る漏れ波アンテナの他の実施形態を模式的に示す斜視図である。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態を詳しく説明する。
図１にＣＲＬＨ（Composite Ｒight/Ｌeft-Ｈanded）構造を有するユニットセルの等価回路を示す。このユニットセルは、長さΔｚを有し、周期的に多段接続することによってＣＲＬＨ伝送線路を構成することができる。通常の伝送線路、すなわち右手系の伝送線路においては、インダクタンス成分Ｌ_Ｒとキャパシタンス成分Ｃ_Ｒのみが含まれている。これに対して、ＣＲＬＨ伝送線路には、左手系の直列キャパシタンスＣ_Ｌ及び並列インダクタンスＬ_Ｌが追加されている。従って、このＣＲＬＨ伝送線路によれば、４つのパラメータＬ_Ｒ，Ｃ_Ｒ，Ｌ_Ｌ，Ｃ_Ｌにより、位相が前方に進む右手系の周波数領域及び位相が後方に進む左手系の周波数領域を作り出すことができる。

図２にＣＲＬＨ伝送線路を用いる本発明に係る漏れ波アンテナの一実施形態を示す。この漏れ波アンテナは、ＣＲＬＨ伝送線路によって構成された素子部ＡＥを備えている。素子部ＡＥは、平行２線路Ｌａ，Ｌｂの一端と他端間にＣＲＬＨ構造を持つ長さΔｚのユニットセルＵＣを周期的に多段接続した構成を有する。ユニットセルＵＣは、線路Ｌａに挿入した直列キャパシタＣ１と、線路Ｌｂに挿入した直列キャパシタＣ２と、線路Ｌａ，Ｌｂ間に挿入した並列インダクタＬ１とを左手系要素として備えている。
なお、各ユニットセルＵＣにおけるキャパシタＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ１の値は、基本的には同一に設定される。しかし、アンテナ特性をより細かく調整するために、１または複数のユニットセルＵＣにおいてキャパシタＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ１の値を微調整することも可能である。

図２において、キャパシタＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ１の配置部位を除いた部位（線で表現されている箇所）は、単なる接続態様を示すものではなく、物理的な導電部材を表している。つまり、図２は等価回路を示したものではなく、上記導電部材を含む実体的な回路を模式的に示したものである。
ＣＲＬＨ伝送線路で構成された素子部ＡＥには、上記物理的な導電部材等によって構成される右手系のインダクタンス成分及びキャパシタンス成分も含まれている。しかし、図２は等価回路図でないので、右手系のインダクタンス成分及びキャパシタンス成分を記号として表示していない。

素子部ＡＥをストリップ線路で構成する場合には、キャパシタＣ１，Ｃ２として、例えば、図３に示すようなインターディジタルキャパシタや図４に示すような平行平板キャパシタを使用することができ、また、インダクタＬ１として、例えば図５に示すような直線状の細線や図６に示すようなメアンダ形状の線を使用することができる。このようなキャパシタＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ１は、プリント基板作製技術などを用いて形成することができる。もちろん、キャパシタＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ１として、チップ形状の素子を用いてもよい。
なお、図２においては、ユニットセルＵＣの配列方向ｚを垂直方向としている。また、図４において、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線による断面図である。

本実施形態の漏れ波アンテナは、図示のように素子部ＡＥの終端（上端）を開放した状態で動作させることができる。ただし、ユニットセルＵＣの配列数が少ない場合には、終端からの反射が大きくなるおそれがあるので、そのようなおそれのある場合には、平行２線路Ｌａ，Ｌｂの特性インピーダンスと同等のインピーダンスをもつ終端抵抗を接続して、終端からの反射を抑制することが好ましい。
次に、本実施形態に係る漏れ波アンテナの動作について説明する。
前記非特許文献１に記載の漏れ波アンテナは、線路に対して平行な方向の偏波成分の放射が支配的となる。
これに対して、本実施形態の漏れ波アンテナは、素子部ＡＥから垂直偏波と水平偏波の双方を放射することができる。すなわち、本発明に係る漏れ波アンテナにおいては、平行２線路Ｌａ，Ｌｂの一端間に接続した信号源ＳＧによって差動モードの給電が行われ、その結果、線路Ｌａ，ＬｂやキャパシタＣ１，Ｃ２から垂直偏波成分が放射され、線路Ｌａ，Ｌｂ間をつなぐ細い線やインダクタＬ１から水平偏波成分が放射される。垂直偏波成分は、ｙ方向の放射がキャンセルされるので、ｘ方向が最大放射方向となる。ｙ方向の放射がキャンセルされるのは、平行２線路Ｌａ，Ｌｂに逆相の電流が流れるからである。一方、水平偏波成分は、ｘ方向には放射されず、従って、ｙ方向が最大放射方向となる。
このように動作する本実施形態の漏れ波アンテナよれば、垂直偏波と水平偏波を放射することが可能であるから、ＭＩＭＯに対応する移動通信用アンテナへの応用が容易である。

本実施形態の漏れ波アンテナにおける垂直偏波成分と水平偏波成分の放射量は、平行２線路Ｌａ，Ｌｂの線路幅や線路間距離、キャパシタＣ１，Ｃ２やインダクタＬ１の構造、ユニットセルＵＣの長さΔｚ等によって調整することができる。図７は、一例として、垂直偏波成分の放射量（点線参照）と水平偏波成分の放射量（一点鎖線参照）とを等量となるように調整した場合を示している。この場合、水平面における合成電界（実線参照）が無指向性となる。このことは、本実施形態に係る漏れ波アンテナがオムニアンテナへの応用も容易であることを示している。

垂直偏波成分の放射量と水平偏波成分の放射量は、ユニットセル内のキャパシタやインダクタの数によっても調整することができる。すなわち、水平偏波成分を増やす場合には、インダクタの数を増やすことで対応することができ、また、垂直偏波成分を増やす場合には、キャパシタの数を増やすことで対応することができる。
図８は、水平偏波成分を増やすためにユニットセルＵＣ内に並列インダクタＬ１’を追設した例を示す。インダクタＬ１’はキャパシタＣ１，Ｃ２を挟んでインダクタＬ１と対称に配設されている。図９は、垂直偏波成分を増やすためにユニットセルＵＣ内に直列キャパシタＣ１’，Ｃ２’ を追設した例を示す。キャパシタＣ１’，Ｃ２’はそれぞれキャパシタＣ１，Ｃ２に対して直列に配設されている。なお、ユニットセルＵＣにおける並列インダクタの追設数及び直列キャパシタの追設数は1個に限定されない。また、ユニットセルＵＣに並列インダクタと直列キャパシタの双方を追設することも可能である。

ところで、本発明に係る漏れ波アンテナをより細径化するには、素子部ＡＥのユニットセルＵＣを小型に構成して、線路Ｌａ，Ｌｂ間の距離を短縮すればよい。なお、線路Ｌａ，Ｌｂ間の距離を短縮した場合には、特に水平偏波成分の放射量が減少する。これに対応するためには、「ユニットセルＵＣに並列インダクタを追設する」、「ユニットセルＵＣの配列周期（図2のΔｚ参照）を短くして、並列インダクタの配列間隔を短くする」などの手段を講じればよい。
本実施形態に係る漏れ波アンテナによれば、例えば０．１波長以下のアンテナ径を実現することが可能である。

図１０及び図１１は、一例としてユニットセルＵＣの配列段数を３０に設定した場合における素子部ＡＥのｘｚ面及びｙｚ面（いずれも垂直面である）の指向性をそれぞれ例示したものである。なお、ｘｚ面では水平偏波が主偏波になり、また、ｙｚ面では垂直偏波が主偏波になる。
図１０、図１１に示す垂直面指向性は、左手系領域におけるものであるため、下向きにチルトしている。これらの図は、３０度程度の高チルト特性が得られていることを示すとともに、通常のアレーアンテナで発生するグレーティングローブが発生していないことも示している。

図１２は、素子部ＡＥにおけるユニットセルＵＣ間の位相変化量を更に増やして高チルト化した垂直面指向性を示す。この垂直面指向性では、ビームが完全に下方（−ｚ方向）に向けられている。この垂直面指向性は、八木アンテナの指向性と同様のエンドファイア指向性である。従って、本発明のアンテナにこのような指向性を持たせれば、八木アンテナの代替として使用することが可能となる。八木アンテナの幅は約半波長である。これに対して、本発明のアンテナによれば、前記のようにアンテナ径を例えば０．１波長程度にすることが可能であるので、八木アンテナに比して大幅な細径化が可能である。

図１３は、本発明に係る漏れ波アンテナの別の実施形態を示す。この図１３において、素子部ＡＥ１，ＡＥ２は図２に示す素子部ＡＥに対応し、該素子部ＡＥ１，ＡＥ２に接続された信号源ＳＧ１，ＳＧ２は図２に示す信号源ＳＧに対応している。つまり、本実施形態に係る漏れ波アンテナは、図２に示す漏れ波アンテナを２つ組み合わせた構成を有する。
素子部ＡＥ１，ＡＥ２は、相互の長手方向軸線が同一線上に位置する形態で直交するとともに、互いにｚ方向にΔｚ／２だけずれて配置されている。このずれ量Δｚ／２は、図２に示すユニットセルＵＣの配列周期Δｚの半周期分である。

上記のような形態で組み合わされた２つのアンテナは、それら間の相関がほとんど無い状態となる。したがって、この実施形態に係る漏れ波アンテナは、２ブランチのＭＩＭＯアンテナとして使用することができる。しかも、この漏れ波アンテナによれば、２つの素子部ＡＥ１，ＡＥ２を備えるにもかかわらず、アンテナ径が該素子部ＡＥ１，ＡＥ２の径と同じになることから、２ブランチのＭＩＭＯアンテナを非常に細い形状で構成することができる。
２つのアンテナ間の相関は、素子部ＡＥ１，ＡＥ２を直交配置するだけで十分に低くすることができる。しかし、上記のように素子部ＡＥ１，ＡＥ２相互をｚ方向にΔｚ／２だけずらして配置すれば、素子部ＡＥ１のユニットセルの構成要素と素子部ＡＥ２のユニットセルの構成要素とが上下対称に位置することになるので、各アンテナ間の相関がより低下する。
本実施形態のアンテナにおける素子部ＡＥ１，ＡＥ２は、図８に示す構成の素子部ＡＥや図９に示す構成の素子部ＡＥと置換してもよい。また、本実施形態のアンテナは、組み合わされた各アンテナの垂直面指向性がエンドファイア指向性（図１２参照）となるように、素子部ＡＥ１，ＡＥ１におけるユニットセル間の位相変化量を設定することができる。

上記各実施形態に係る漏れ波アンテナは、金属板、壁等の反射体を構成要素として含むことができる。この場合、反射体は素子部ＡＥの背部に例えば約１／４波長の間隔を置いて配置される。この反射体を備える漏れ波アンテナは、水平面のビーム幅を反射体によって絞ることができるので、例えばセクタアンテナとしての使用も可能となる。

以上では、左手系領域での特性を述べた。しかし、本発明に係る漏れ波アンテナは、右手系領域での使用も可能であり、その場合、上向きにチルトする垂直面指向性を示すとともに、ｚ方向への放射も可能となる。

本発明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を用いても実施可能である。また、本発明は請求の範囲の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更、付加が可能である。

本発明に係る漏れ波アンテナは、移動体通信用基地局アンテナに適用することができる。すなわち、従来の代表的な偏波共用基地局アンテナである、セクタアンテナ、オムニアンテナ、八木アンテナの代替として使用可能である。また、細径化が可能となるので、風圧荷重の低減や美観の向上を図ることができる。

ＡＥ，ＡＥ１，ＡＥ２ 素子部
ＳＧ，ＳＧ１，ＳＧ２ 信号源
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１’，Ｃ２’ キャパシタ
Ｌ１，Ｌ１’ インダクタ
ＵＣ ユニットセル

Claims (10)

1. 平行２線路の一端と他端間にＣＲＬＨ構造のユニットセルを周期的に多段接続した構成のＣＲＬＨ伝送線路を素子部として備え、
   前記ユニットセルは、前記平行２線路のそれぞれに左手系の直列キャパシタを挿入し、前記平行２線路間に左手系の並列インダクタを挿入した構成を有し、
   前記平行２線路間への給電によって、該平行２線路と前記直列キャパシタとを垂直偏波成分の放射源として動作させるとともに、前記並列インダクタと前記平行２線路間の導電体とを水平偏波成分の放射源として動作させるようにしたことを特徴とする漏れ波アンテナ。
2. 前記素子部は、前記垂直偏波成分の放射量と前記水平偏波成分の放射量とが等しくなるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の漏れ波アンテナ。
3. 前記素子部は、垂直面指向性がエンドファイア指向性となるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の漏れ波アンテナ。
4. 請求項１に記載の漏れ波アンテナを第１、第２のアンテナとして備え、
   前記第１、第２のアンテナの前記素子部は、長手方向軸線が同一線上に位置する形態で互いに直交するように組み合わされていることを特徴とする漏れ波アンテナ。
5. 前記第１、第２のアンテナの前記素子部は、前記ユニットセルの接続周期の半周期分だけ前記長手方向軸線の方向に互いにずれて位置されることを特徴とする請求項４に記載の漏れ波アンテナ。
6. 前記第１、第２のアンテナの前記素子部は、垂直面指向性がエンドファイア指向性となるように構成されることを特徴とする請求項４に記載の漏れ波アンテナ。
7. 水平面のビーム幅を狭くするための反射体を更に備えることを特徴とする請求項１または４に記載の漏れ波アンテナ。
8. 前記直列キャパシタとしてインターディジタルキャパシタもしくは平行平板キャパシタを使用したことを特徴とする請求項１または４に記載の漏れ波アンテナ。
9. 前記並列インダクタとして直線状の細線もしくはメアンダ形状の線を使用したことを特徴とする請求項１または４に記載の漏れ波アンテナ。
10. 前記直列キャパシタおよび前記並列インダクタとしてチップ形状の素子を使用したことを特徴とする請求項１または４に記載の漏れ波アンテナ。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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