JP6555358B2 - アンテナ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナ装置に関する。
従来、水平方向に配列された共通の複数のアンテナ素子を用いて、2つのビームを異なる方向に放射するアンテナ装置が知られている。このようなアンテナ装置は、一般にデュアルビームアンテナ(ツインビームアンテナともいう)と呼称されている。
デュアルビームアンテナでは、水平方向に配列された複数のアンテナ素子を有するアンテナ素子組を複数段鉛直方向に配列して構成されており、各アンテナ素子組において隣り合うアンテナ素子にそれぞれ所定の位相差、電力差を与えて給電することで、複数のビームを異なる方向に放射可能に構成されている。
また、デュアルビームアンテナとして、電気チルト角を調整可能に構成されたものがある。電気チルト角を調整可能なデュアルビームアンテナでは、鉛直方向に配列された各アンテナ素子組に所定の位相差、電力差を与えて給電することで、鉛直方向におけるビームの放射方向、すなわち電気チルト角を調整することが可能である。
ところで、アンテナ素子を水平方向に一直線状に配置した場合、アンテナ装置の幅を小さくするとアンテナ素子の間隔が小さくなり、アンテナ素子間の結合が大きくなり、所望の放射特性を得られなくなるという問題が生じる。
この問題を解決する方法として、偶数列のアンテナ素子を奇数列のアンテナ素子よりも鉛直方向上側または下側にずれた位置に配置し、アンテナ素子を千鳥状に配置する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。アンテナ素子を千鳥状に配置することで、アンテナ装置の幅を小さくしつつも、各アンテナ素子のアイソレーションを高め、アンテナ素子間の結合による特性劣化を抑制することが可能である。
特開2000−349548号公報
しかしながら、偶数列のアンテナ素子を奇数列のアンテナ素子よりも鉛直方向にずらして配置した場合、各アンテナ素子組が放射するビームの水平面指向性が、鉛直方向に配列された各アンテナ素子組に給電する電力(振幅)や位相の影響(すなわち鉛直面での指向性の設計の影響)を受け易くなってしまうという問題がある。
その結果、例えば初期の電気チルト角で低サイドローブの水平面指向性を得られたとしても、電気チルト角を変更した際に、特定の電気チルト角においてサイドローブが高くなり、所望の放射特性が得られなくなる場合があった。
そこで、本発明は、電気チルト角によらず低サイドローブの放射特性を実現可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決することを目的として、水平方向に配列された複数のアンテナ素子を有し、隣り合う前記アンテナ素子にそれぞれ所定の位相差を与えて給電することで、複数のビームを異なる方向に放射可能に構成されたアンテナ素子組を複数備え、前記複数のアンテナ素子組を鉛直方向に複数段配置して構成されるアンテナ装置であって、鉛直方向上側から少なくとも1段以上の前記アンテナ素子組は、当該アンテナ素子組を構成する前記アンテナ素子のうち、偶数列の前記アンテナ素子が、奇数列の前記アンテナ素子よりも鉛直方向上側または下側の一方にずれた位置に配置された第1アンテナ素子組からなり、前記第1アンテナ素子組よりも鉛直方向下側に配置される前記アンテナ素子組は、当該アンテナ素子組を構成する前記アンテナ素子のうち、偶数列の前記アンテナ素子が、奇数列の前記アンテナ素子よりも鉛直方向上側または下側の他方にずれた位置に配置された第2アンテナ素子組からなる、アンテナ装置を提供する。
本発明によれば、電気チルト角によらず低サイドローブの放射特性を実現可能なアンテナ装置を提供できる。
本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置のアンテナ素子の配置を示す概略構成図である。 アンテナ素子の概略構成を示す断面図である。 アンテナ素子におけるスロット素子と給電線路の関係を示す説明図である。 各アンテナ素子に給電される電力、位相を説明する説明図である。 給電信号を入力した際のビームの放射方向を説明する説明図である。 図1にアンテナ装置において、電気チルト角を変更したときの一方のビームの水平面内での放射特性を示すグラフ図である。 従来のアンテナ装置のアンテナ素子の配置を示す概略構成図である。 図5の従来のアンテナ装置において、電気チルト角を変更したときの一方のビームの水平面内での放射特性を示すグラフ図である。 本発明の一変形例に係るアンテナ装置のアンテナ素子の配置を示す概略構成図である。 本発明の一変形例に係るアンテナ装置のアンテナ素子の配置を示す概略構成図である。
[実施の形態]
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
図1は、本実施の形態に係るアンテナ装置のアンテナ素子の配置を示す概略構成図である。また、図2Aはアンテナ素子の概略構成を示す断面図、図2Bはスロットと給電線路との関係を示す説明図である。
図1に示すように、アンテナ装置1は、水平方向(図示左右方向)に配列された複数のアンテナ素子2を有し、隣り合うアンテナ素子2にそれぞれ所定の位相差を与えて給電することで、複数のビームを異なる方向に放射可能に構成されたアンテナ素子組20を複数備え、複数のアンテナ素子組20を鉛直方向(図示上下方向)に複数段配置して構成されている。本実施の形態に係るアンテナ装置1は、2つのビームを異なる方向に放射可能に構成されたデュアルビームアンテナである。
ここでは、一例として、各アンテナ素子組20が5つのアンテナ素子2を有し、8段のアンテナ素子組20を鉛直方向に配列した場合を示しているが、アンテナ素子組20を構成するアンテナ素子2の数や、アンテナ素子組20の段数は、これに限定されるものではない。
図2Aおよび図2Bに示すように、本実施の形態では、各アンテナ素子2は、スロット結合型のパッチアンテナから構成されている。アンテナ素子2は、誘電体基板3の裏面に形成された導体層からなり当該導体層を貫通するスロット4が形成されたスロット形成層5と、誘電体基板3の表面に形成された給電用の給電線路6と、誘電体基板3の表面に対して離間して対向配置された矩形の板状の放射素子7と、を有している。
本実施の形態では、スロット4の形状をX字状に形成し、鉛直方向に対して45度傾斜した+45度スロット素子8と、鉛直方向に対して−45度傾斜した−45度スロット素子9と、を形成した。
給電線路6は、+45度スロット素子8に給電を行う第1給電線路6aと、−45度スロット素子9に給電を行う第2給電線路6bと、を備えている。
第1給電線路6aは、+45度スロット素子8の長軸方向における中心位置において、平面視で+45度スロット素子8を短軸方向に横切るように形成されている。第1給電線路6aに給電を行うと、+45度スロット素子8が励振され、放射素子7と結合して電波が放射される。このとき放射される電波は、鉛直方向に対して45度傾斜した偏波となる。
同様に、第2給電線路6bは、−45度スロット素子9の長軸方向における中心位置において、平面視で−45度スロット素子9を短軸方向に横切るように形成されている。第2給電線路6bに給電を行うと、−45度スロット素子9が励振され、放射素子7と結合して電波が放射される。このとき放射される電波は、鉛直方向に対して−45度傾斜した偏波となる。
図3Aに示すように、各アンテナ素子組2を構成する5つの+45度スロット素子8には、各+45度スロット素子8に給電する電力および位相を調整する給電回路10が接続されている。なお、図示していないが、各アンテナ素子組2を構成する5つの−45度スロット素子9にも、同様の給電回路が接続されている。
給電回路10は、2つの給電信号A,Bがそれぞれ入力される2つの給電端子10a,10bを有し、給電端子10a,10bから入力された給電信号A,Bを分配して各+45度スロット素子8に給電するように構成されている。ここでは、図示左側から右側にかけて順次+45度スロット素子8a〜8eが配置されているとする。各+45度スロット素子8a〜8eは、水平方向に離間して配置されている。
給電回路10は、水平方向の端(1,5列目)に配置された+45度スロット素子8a,8eに給電される電力P1が等しく、かつ、水平方向の端から2番目(2,4列目)に配置された+45度スロット素子8b,8dに給電される電力P2が等しくなるように給電を行うように構成される。また、給電回路10は、中央(3列目)に配置される+45度スロット素子8cに給電される電力をP3としたとき、P3>P2>P1となるように給電を行うように構成される。
つまり、給電回路10は、中央に配置されるアンテナ素子2ほど給電電力を大きく、端に配置されるアンテナ素子2ほど給電電力を小さくするように構成されている。これにより、不要な放射を抑え、サイドローブを抑制することができる。
また、給電回路10は、給電端子10aから給電信号Aを入力したとき、図示左側から右側にかけて、順次90度ずつ位相が増えるように、各+45度スロット素子8b,8dに給電される給電信号の位相を調整するように構成される。これにより、図3Bに示すように、給電信号Aを入力したときには、図示左側の方向にビームが放射されることになる。
さらに、給電回路10は、給電端子10bから給電信号Bを入力したとき、図示左側から右側にかけて、順次90度ずつ位相が減るように、各+45度スロット素子8に給電される給電信号の位相を調整するように構成される。これにより、図3Bに示すように、給電信号Bを入力したときには、図示右側の方向にビームが放射されることになる。
なお、本実施の形態において、給電回路10の具体的な構成は、特に限定されるものではない。また、隣り合うアンテナ素子2(スロット素子8,9)の位相差は、90度に限らず適宜設定可能である。
ビームの放射方向は、アンテナ素子2の水平方向の間隔により調整することができる。例えば、通信エリアを60度毎に分割し6つのセクタを形成する6セクタ基地局に適用する場合、両給電端子10a,10bから給電された際に出力される2つのビームの放射方向が水平面内でなす角度が60度程度となるように、アンテナ素子2の間隔を調整するとよい。
図示していないが、各給電回路10の上流側には、鉛直方向に配置された各アンテナ素子組20に給電信号を分配し、各アンテナ素子組20に供給する給電信号の電力、位相を調整する上流側給電回路が設けられている。この上流側給電回路にて各アンテナ素子組20に供給する給電信号の電力、位相を調整することで、鉛直方向におけるビームの放射方向、すなわち電気チルト角を調整することができる。
図1に戻り、本実施の形態に係るアンテナ装置1では、鉛直方向上側から少なくとも1段以上のアンテナ素子組20は、当該アンテナ素子組20を構成するアンテナ素子2のうち、偶数列のアンテナ素子2が、奇数列のアンテナ素子2よりも鉛直方向上側にずれた位置に配置された第1アンテナ素子組21からなり、第1アンテナ素子組21よりも鉛直方向下側に配置されるアンテナ素子組20は、当該アンテナ素子組20を構成するアンテナ素子2のうち、偶数列のアンテナ素子2が、奇数列のアンテナ素子2よりも鉛直方向下側にずれた位置に配置された第2アンテナ素子組22からなる。
各第1アンテナ素子組21を構成するアンテナ素子2は、全体としてアンテナ素子2の分布が一様となるように千鳥状に配置されている。同様に、各第2アンテナ素子組22を構成するアンテナ素子2は、全体としてアンテナ素子2の分布が一様となるように千鳥状に配置されている。
第1アンテナ素子組21と第2アンテナ素子組22とにおいて、偶数列のアンテナ素子2と奇数列のアンテナ素子2との鉛直方向の距離(鉛直方向にずらす距離)は、同じとされる。第1アンテナ素子組21と第2アンテナ素子組22は、偶数列のアンテナ素子2をずらす方向が異なるのみで、アンテナ素子2の配置間隔等は同じとされる。
本実施の形態では、偶数列のアンテナ素子2と奇数列のアンテナ素子2とが水平方向に重ならないように、鉛直方向に離間して配置されているが、隣り合うアンテナ素子2間のアイソレーションが十分に確保できる場合には、偶数列のアンテナ素子2と奇数列のアンテナ素子2とが水平方向に重なるようにアンテナ素子2を配置してもよい。この場合、アンテナ素子2の分布が一様となるように、鉛直方向に隣り合う一方のアンテナ素子組20における偶数列のアンテナ素子2と、他方のアンテナ素子組20のアンテナ素子2とが、水平方向に重なるように配置されることになる。
第1アンテナ素子組21の数と、第2アンテナ素子組22の数は、等しいことが望ましい。本実施の形態では、8段と偶数段のアンテナ素子組20を有しているため、鉛直方向上側から4段のアンテナ素子組20が第1アンテナ素子組21とされ、その下側の4段のアンテナ素子組20が第2アンテナ素子組22とされている。
また、本実施の形態では、第1アンテナ素子組21を構成するアンテナ素子2と、第2アンテナ素子組22を構成するアンテナ素子2とが、上下対称に配置されている。図1では、対称軸を符号Sで表している。本実施の形態では、第1アンテナ素子組21の数と第2アンテナ素子組22の数が等しいため、対称軸Sはアンテナ装置1の鉛直方向における中央部に位置することになる。
アンテナ装置1において、電気チルト角を変更したときの一方のビームの水平面内での放射特性を図4に示す。なお、ここでは、初期の電気チルト角(初期チルト角)を5度とし、電気チルト角を初期チルト角から±5度変化させた。また、給電信号の周波数は1940MHzとし、各列のアンテナ素子2の鉛直方向の間隔を74mm、奇数列同士あるいは偶数列同士のアンテナ素子2の水平方向の間隔を70mmとした。
図4に示すように、アンテナ装置1では、いずれの電気チルト角においても、サイドローブレベルが略−25dB以下となっており、低サイドローブの水平面指向性が得られていることが分かる。
比較のため、図5に示すように、アンテナ素子2を千鳥状に配置した従来のアンテナ装置51について、図4と同条件における放射特性を図6に示す。なお、図5のアンテナ装置51は、図1のアンテナ装置1において、全てのアンテナ素子組20を第1アンテナ素子組21としたものである。
図6に示すように、従来のアンテナ装置51では、初期チルトにてサイドローブレベルが−25dB以下となるように設計した場合であっても、電気チルト角を初期チルトから変更した場合には、サイドローブレベルが高くなっていることが分かる。
これは、従来のアンテナ装置51では、アンテナ装置51の全体において、奇数列のアンテナ素子2が偶数列のアンテナ素子2に対して鉛直方向に(ここでは上側に)ずれた位置となっており、奇数列のアンテナ素子2と偶数列のアンテナ素子2の分布が鉛直方向にずれ、鉛直方向における対称性が大きく崩れてしまっているためと考えられる。
本実施の形態に係るアンテナ装置1では、鉛直方向上側に配置される第1アンテナ素子組21と、鉛直方向下側に配置される第2アンテナ素子組22とで、偶数列のアンテナ素子2に対して奇数列のアンテナ素子2をずらす方向を逆方向としているため、鉛直方向における奇数列のアンテナ素子2と偶数列のアンテナ素子2の分布のずれを改善でき、鉛直方向に配列された各アンテナ素子組20に給電する電力や位相の影響(すなわち鉛直面での指向性の設計の影響)を受けにくくすることができる。その結果、電気チルト角によらず低サイドローブの放射特性を実現できていると考えられる。
従来のアンテナ装置51では、電気チルト角を初期チルト−5度とした際の奇数列と偶数列のアンテナ素子2の位相総和の差は10度程度と大きくなった。これに対して、本実施の形態に係るアンテナ装置1では、奇数列と偶数列のアンテナ素子2の位相総和の差は、最大で1.2度程度と小さくできることが確認できた。つまり、アンテナ装置1によれば、従来のアンテナ装置51と比較して、電気チルト角によらず各アンテナ素子組20におけるアンテナ素子2の位相差を所望の位相差により近づけ、低サイドローブの放射特性を実現することが可能である。
なお、例えば、第1アンテナ素子組21と第2アンテナ素子組22を鉛直方向に交互に配置することによっても、同様な効果を得ることが可能であるが、この場合、偶数列および奇数列のアンテナ素子2が鉛直方向に隣接して配置されることになり、アンテナ素子2間の結合が大きくなり所望の特性が得られなくなるおそれがある。よって、第1アンテナ素子組21と第2アンテナ素子組22とが隣り合う部分はなるべく少なくすることが望ましく、本実施の形態のように、鉛直方向上側に第1アンテナ素子組21を配置し、その下側に第2アンテナ素子組22を配置する構成が望ましいといえる。
(変形例)
本実施の形態では、第1アンテナ素子組21において偶数列のアンテナ素子2を奇数列のアンテナ素子2よりも鉛直方向上側にずらし、第2アンテナ素子組22において偶数列のアンテナ素子2を奇数列のアンテナ素子2よりも鉛直方向下側にずらすように構成したが、両アンテナ素子組21,22で偶数列のアンテナ素子2と奇数列のアンテナ素子2とをずらす方向を逆にしてもよい。
具体的には、図7に示すように、第1アンテナ素子組21において偶数列のアンテナ素子2を奇数列のアンテナ素子2よりも鉛直方向下側にずらし、第2アンテナ素子組22において偶数列のアンテナ素子2を奇数列のアンテナ素子2よりも鉛直方向上側にずらすように構成してもよい。
また、本実施の形態では、第1アンテナ素子組21の数と第2アンテナ素子組22の数を同じとしたが、両アンテナ素子組21,22の数は異なっていてもよい。両アンテナ素子組21,22が少なくとも1段ずつ存在していれば、従来のアンテナ装置51と比較してサイドローブを抑制する効果を得ることが可能である。
例えば、図8に示すように、アンテナ素子組20の段数が奇数(ここでは7段)である場合には、両アンテナ素子組21,22の数は必然的に異なることになる。ただし、サイドローブの抑制効果は、両アンテナ素子組21,22の数が等しいときに最も大きくなるため、両アンテナ素子組21,22の数の差はできるだけ小さくすることが望ましいといえる。
そのため、アンテナ素子組20の段数が奇数である場合、アンテナ素子組20の段数をnとしたとき、第1アンテナ素子組21の数が(n+1)/2または(n−1)/2であるとよい。図8では、第1アンテナ素子組21が4段、第2アンテナ素子組22が3段である場合を示しているが、第1アンテナ素子組21が3段、第2アンテナ素子組22が4段であってもよい。
(実施の形態の作用及び効果)
以上説明したように、本実施の形態に係るアンテナ装置1では、鉛直方向上側から少なくとも1段以上のアンテナ素子組20は、当該アンテナ素子組20を構成するアンテナ素子2のうち、偶数列のアンテナ素子2が、奇数列のアンテナ素子2よりも鉛直方向上側または下側の一方にずれた位置に配置された第1アンテナ素子組21からなり、第1アンテナ素子組21よりも鉛直方向下側に配置されるアンテナ素子組20は、当該アンテナ素子組20を構成するアンテナ素子2のうち、偶数列のアンテナ素子2が、奇数列のアンテナ素子2よりも鉛直方向上側または下側の他方にずれた位置に配置された第2アンテナ素子組22からなる。
このように構成することで、アンテナ素子2の配置を略千鳥状としてアンテナ装置1の幅の小型化および各アンテナ素子2のアイソレーションを高めつつも、鉛直方向における奇数列のアンテナ素子2と偶数列のアンテナ素子2の分布のずれを改善し、電気チルト角によらず低サイドローブの放射特性を実現可能なアンテナ装置1を実現できる。換言すれば、いずれの電気チルト角においても低サイドローブの放射特性が得られる電気チルト式のデュアルビームアンテナを実現できる。
(実施の形態のまとめ)
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
[1]水平方向に配列された複数のアンテナ素子(2)を有し、隣り合う前記アンテナ素子(2)にそれぞれ所定の位相差を与えて給電することで、複数のビームを異なる方向に放射可能に構成されたアンテナ素子組(20)を複数備え、前記複数のアンテナ素子組(20)を鉛直方向に複数段配置して構成されるアンテナ装置(1)であって、鉛直方向上側から少なくとも1段以上の前記アンテナ素子組(20)は、当該アンテナ素子組(20)を構成する前記アンテナ素子(2)のうち、偶数列の前記アンテナ素子(2)が、奇数列の前記アンテナ素子(2)よりも鉛直方向上側または下側の一方にずれた位置に配置された第1アンテナ素子組(21)からなり、前記第1アンテナ素子組(21)よりも鉛直方向下側に配置される前記アンテナ素子組(20)は、当該アンテナ素子組(20)を構成する前記アンテナ素子(2)のうち、偶数列の前記アンテナ素子(2)が、奇数列の前記アンテナ素子(2)よりも鉛直方向上側または下側の他方にずれた位置に配置された第2アンテナ素子組(22)からなる、アンテナ装置(1)。
[2]前記各第1アンテナ素子組(21)を構成する前記アンテナ素子(2)は、千鳥状に配置されており、前記各第2アンテナ素子組(22)を構成する前記アンテナ素子(2)は、千鳥状に配置されている、[1]に記載のアンテナ装置(1)。
[3]前記アンテナ素子組(20)を偶数段有し、前記第1アンテナ素子組(21)の数と、前記第2アンテナ素子組(22)の数が等しい、[1]または[2]に記載のアンテナ装置(1)。
[4]前記第1アンテナ素子組(21)を構成する前記アンテナ素子(2)と、前記第2アンテナ素子組(22)を構成する前記アンテナ素子(2)とが、上下対称に配置されている、[3]に記載のアンテナ装置(1)。
[5]前記アンテナ素子組(20)を奇数段有し、前記アンテナ素子組(20)の段数をnとしたとき、前記第1アンテナ素子組(21)の数が(n+1)/2または(n−1)/2である、[1]または[2]に記載のアンテナ装置(1)。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
例えば、上記実施の形態では、アンテナ素子2としてスロット結合型のパッチアンテナを用いる場合を説明したが、アンテナ素子2の具体的な形状等はこれに限定されず、例えば、アンテナ素子2はダイポールアンテナであってもよい。
また、上記実施の形態では、アンテナ装置1が、2つのビームを異なる方向に放射可能に構成されたデュアルビームアンテナである場合を説明したが、これに限らず、2つ以上のビームをそれぞれ異なる方向に放射可能に構成されたマルチビームアンテナであってもよい。
1…アンテナ装置
2…アンテナ素子
20…アンテナ素子組
21…第1アンテナ素子組
22…第2アンテナ素子組

Claims (5)

  1. 水平方向に配列された複数のアンテナ素子を有し、隣り合う前記アンテナ素子にそれぞれ所定の位相差を与えて給電することで、複数のビームを異なる方向に放射可能に構成されたアンテナ素子組を複数備え、
    前記複数のアンテナ素子組を鉛直方向に複数段配置して構成されるアンテナ装置であって、
    鉛直方向上側から少なくとも1段以上の前記アンテナ素子組は、当該アンテナ素子組を構成する前記アンテナ素子のうち、偶数列の前記アンテナ素子が、奇数列の前記アンテナ素子よりも鉛直方向上側または下側の一方にずれた位置に配置された第1アンテナ素子組からなり、
    前記第1アンテナ素子組よりも鉛直方向下側に配置される前記アンテナ素子組は、当該アンテナ素子組を構成する前記アンテナ素子のうち、偶数列の前記アンテナ素子が、奇数列の前記アンテナ素子よりも鉛直方向上側または下側の他方にずれた位置に配置された第2アンテナ素子組からなる、
    アンテナ装置。
  2. 前記各第1アンテナ素子組を構成する前記アンテナ素子は、千鳥状に配置されており、
    前記各第2アンテナ素子組を構成する前記アンテナ素子は、千鳥状に配置されている、
    請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記アンテナ素子組を偶数段有し、
    前記第1アンテナ素子組の数と、前記第2アンテナ素子組の数が等しい、
    請求項1または2に記載のアンテナ装置。
  4. 前記第1アンテナ素子組を構成する前記アンテナ素子と、前記第2アンテナ素子組を構成する前記アンテナ素子とが、上下対称に配置されている、
    請求項3に記載のアンテナ装置。
  5. 前記アンテナ素子組を奇数段有し、
    前記アンテナ素子組の段数をnとしたとき、前記第1アンテナ素子組の数が(n+1)/2または(n−1)/2である、
    請求項1または2に記載のアンテナ装置。
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