JPH05160630A

JPH05160630A - チルトビーム空中線

Info

Publication number: JPH05160630A
Application number: JP32262191A
Authority: JP
Inventors: Tokio Taga; 登喜雄多賀
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1993-06-25
Anticipated expiration: 2011-10-23
Also published as: JP2545663B2

Abstract

(57)【要約】【目的】外形寸法を小さくし、風圧荷重が小さく、経
済的でかつ放射指向性の良好なチルトビーム空中線を提
供する。【構成】誘電体１１を挟み、同心円状に配設された一
対の円筒導体９，１０と、前記一対の円筒導体９，１０
のうちの外側の円筒導体１０に０．７波長未満の間隔で
周期的に設けられた複数の環状スロット１２と、該複数
の環状スロット１２の周りにそれぞれ各スロットを挟ん
で対称に配設され、円筒形スカートにより形成される複
数の半波長ダイポールアンテナ素子１３と、前記一対の
円筒導体のうちの内側の円筒導体１０の内部を貫通する
ように設けられ、前記一対の円筒導体の内側および外側
の円筒導体９，１０にそれぞれ電気的に接続される外導
体および内導体を有する同軸給電線１４とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セルラ移動通信方式に
おいて隣接ゾーンの基地局間での干渉低減のため適用さ
れるチルトビーム空中線に関し、更に詳しくは、主放射
ビームを水平面方向よりも下方にチルトせしめるチルト
ビーム空中線に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の主ビームを下方にチルトした空中
線としては、移動通信におけるチルトビーム空中線（奈
良、恵比根、中嶋：「自動車電話用オムニゾーン基地局
アンテナ」信学技報ＡＰ８５−２３，ｐｐ．３９−４
５，１９８５年６月）がある。

【０００３】図７はプリント基板上に形成した複数の半
波長ダイポールアンテナ素子を垂直配列したチルトビー
ム空中線の構成を示す概略図である。図中、１は半波長
ダイポールアンテナ素子、２は給電線、３は給電回路
部、４はレドームである。最も上部に配置されたアンテ
ナ素子への給電線の等価電気長を基準として、それより
下部のアンテナ素子に対する給電線の電気長を一定長Δ
Ｌずつ長くするような給電構造とすることにより、各ア
ンテナ素子の給電位相は最も上部に配置されたアンテナ
素子の給電位相を基準として（ｎ−１）・ｋ・ΔＬ（ｒ
ａｄ）ずつ遅れる。但し、ｎは整数で最上部のアンテナ
素子を含み上からｎ番目のアンテナ素子に対応する。ま
たｋは波数で２π／λ（λは波長）である。その結果、
各アンテナ素子より放射された電波が同位相となる放射
方向は図８に示すようにθ＝ｓｉｎ^-1（ΔＬ／Ｓ）（ｒ
ａｄ）だけ下向きにチルトされる。但し、Ｓはアンテナ
素子間隔である。

【０００４】図７のように、アンテナ素子の後部に給電
回路部３を配置して各アンテナ素子への位相を制御する
構成では、給電回路部３における給電線の太さを変える
などの操作により各アンテナ素子への給電電流の振幅を
も制御できるため、例えばアレイ状に並べた各アンテナ
素子に与える電流振幅分布をチェビシェフ分布とするこ
と等により、サイドローブ放射を抑制したチルトビーム
空中線を実現できる等の利点をもつ。

【０００５】図９はアンテナ素子１の間隔を約０．５波
長とした５素子アレイ構造において励振振幅をチェビシ
ェフ分布とした場合の垂直面内指向性であり、上方への
サイドローブ放射が抑圧された特性が実現されている。
しかしながら、図７のような構成のチルトビーム空中線
をレドームの収めて実現した場合、アンテナ素子部分の
みならず給電回路部分をも収納する大きさのレドームが
必要となるため、空中線は平たい構造となり、風圧荷重
が大きくなるという欠点があった。

【０００６】例えば、２ＧＨｚ帯において５素子のアレ
イ構造をもつチルト空中線を製作する場合、レドームの
寸法は奥行き１５cm、幅１〜２cm、高さ約６０cmの寸法
となる。このような平たい構造の空中線では風圧荷重が
大きく、空中線を設置する場合において相当の強度を有
する空中線保持機構が必要となり、設置工事費が高くな
るという経済的な欠点があった。

【０００７】風圧荷重を多少なりとも軽減する方法とし
て、レドーム形状を円筒形にすることが考えられるが、
上記空中線の場合には直径１５cmの円筒形レドームが必
要となり、空中線の大きさが実質的に増大するので、空
中線保持機構はそれほど簡易なものとはならず、設置工
事費が高くなるという経済的な欠点は解消されなかっ
た。

【０００８】また、空中線寸法を小さくしてチルトビー
ム空中線を構成する手段として、図１０に示す同軸型直
列コリニアアンテナが考えられる。図中、５は半波長ダ
イポールアンテナ素子、６は同軸給電線、７は同軸給電
線に設けられた環状スロット、８はレドームである。通
常この種の空中線では、テフロンを誘電体とするセミリ
ジッドケーブルを同軸給電線として使用し、その同軸給
電線の波長短縮率は７０％である。従って、半波長ダイ
ポールアンテナ素子５の間隔を０．７波長とするとき、
各アンテナ素子への給電位相が同位相となって最大放射
方向がアンテナ列に垂直な方向となり、所謂水平面内全
方向性のコリニアアンテナとなる。

【０００９】指向性を下方にチルトさせるには、各アン
テナ素子５への給電位相を更に一定位相ずつ遅らせれば
よく、そのためにはアンテナ素子５の間隔を０．７波長
以上として周期的に配置すればよい。２ＧＨｚ帯におい
て、アンテナ素子５の間隔Ｓを０．８４波長として５素
子配列した本構造のチルトビーム空中線の構造寸法は、
レドームの外形寸法において直径約１cm、高さ約６５cm
となり、図７の構造に比して大幅にアンテナをスリム化
することができる。

【００１０】この構造での垂直面内指向性は図１１に示
すものとなる。セルラ移動通信方式における基地局間干
渉を低減するためには、水平方向への放射を極力低くす
ることが必要なため、水平方向に放射ヌル点を形成する
ようにアンテナ素子間隔を設定している。このとき、主
ビームは下方約１４度方向にチルトされているが、仰角
約６０度方向に比較的大きなグレーティングローブを生
じている。不要な方向への放射が強いということは主ビ
ームの利得低下の大きな要因となるため、良好な指向性
が得られないという欠点があった。グレーティングロー
ブが生じる理由は以下のように説明することができる。

【００１１】図１２（ａ）に示す座標系を考える。図１
２（ａ）において、Ｘ軸方向は水平方向であり、Ｚ軸方
向は垂直方向に対応する。アンテナ素子２４はＺ軸上に
（垂直方向に）間隔Ｓで並べられているものとし、各ア
ンテナ素子にはチルト角度がθt となるような位相差給
電がなされているものとする。また、説明を簡単にする
ため、アンテナ素子２４はＥ_θ成分偏波のみを放射する
等方性アンテナとする。このとき、アンテナの指向性は
次式のように表される。

【００１２】

【数１】ただし、λは波長であり、Ｎはアンテナ素子数である。
上式より明らかなように、各アンテナ素子の放射電波の
位相が同位相となる放射方向は、次式を満足する方向で
ある。

【００１３】

【数２】即ち、次式の条件を満たす方向に強い放射ビームが形成
される。

【００１４】

【数３】このうち、ｃｏｓθ＝−ｓｉｎθt はチルトビームであ
る主ビーム方向を示すものであり、他の２方向がグレー
ティングローブの方向に対応する。チルト角度θt は０
°≦θt ≦９０°の範囲にあるから、アンテナ間隔Ｓが
１λより小さい場合のこれらビームの方向角は図１２
（ｂ）に示す角度となる。即ち、ｃｏｓθ＝−ｓｉｎθ
t −λ／Ｓを満たす解は無く、ｃｏｓθ＝−ｓｉｎθt
を満たす方向２５に主ビームが生じ、ｃｏｓθ＝−ｓｉ
ｎθt ＋λ／Ｓを満たす方向２６にグレーティングロー
ブが生じるのである。アンテナ間隔Ｓを０．８４波長と
してチルト角を１７度とすると、θ＝２６．１°とな
り、水平方向から仰角約６４°の方向にグレーティング
ローブが生じることになる。図１１の指向性はアンテナ
素子が半波長ダイポールであることを考慮すると、ほぼ
上記の方向にグレーティングローブのある指向性となっ
ているといえる。このグレーティングローブを生じない
ようにするためには、 −ｓｉｎθt ＋λ／Ｓ＞１（４）を満たすアンテナ間隔とすればよい。即ちアンテナ間隔
Ｓを１／（１＋ｓｉｎθt ）よりも小さくすることが必
要であるといえる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のチルト
ビーム空中線では、アンテナ素子部分のみならず、給電
回路部分をも収納する大きさのレドームを必要とするた
め、空中線は平たい構造となり、風圧荷重が大きくなる
という問題がある。

【００１６】また、このような風圧荷重が大きい空中線
を設置する場合には、かなりの強度を有する空中線支持
構造が必要となり、設置工事が高くなるという問題もあ
る。

【００１７】更に、不要な方向である仰角約６０度方向
に比較的大きなグレーティンググローブが生じるため、
主ビームの利得低下の大きな要因となり、良好な指向性
が得られないという問題がある。

【００１８】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、外形寸法を小さくし、風圧荷
重が小さく、経済的でかつ放射指向性の良好なチルトビ
ーム空中線を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のチルトビーム空中線は、誘電体を挟み、同
心円状に配設された一対の円筒導体と、前記一対の円筒
導体のうちの外側の円筒導体に０．７波長未満の間隔で
周期的に設けられた複数の環状スロットと、該複数の環
状スロットの周りにそれぞれ各スロットを挟んで対称に
配設され、円筒形スカートにより形成される複数の半波
長ダイポールアンテナ素子と、前記一対の円筒導体のう
ちの内側の円筒導体の内部を貫通するように設けられ、
前記一対の円筒導体の内側および外側の円筒導体にそれ
ぞれ電気的に接続される外導体および内導体を有する同
軸給電線とを有することを要旨とする。

【００２０】

【作用】本発明のチルトビーム空中線では、アンテナ子
間隔を０．５波長の間隔に近づける構造とするととも
に、外側の円筒導体に０．７波長未満となる間隔で周期
的に環状スロットを設けて、ビームチルトに必要な位相
差給電を実現し、ビームチルトのための給電回路を不要
としている。

【００２１】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

【００２２】図１は本発明の第一の実施例を説明する図
であって、アンテナ素子を５段配列した場合の実施例を
示している。図１（ａ）は断面図を、図１（ｂ）は空中
線上部の外観図（斜視図）を、図１（ｃ）はスロット部
の構造の拡大図を示している。８はレドーム、９は外側
の円筒導体、１０は内側の円筒導体、１１は円筒導体
９，１０間に充填された誘電体、１２は外側の円筒導体
に設けられた環状スロット、１３は各環状スロット１２
のまわりに取付けた対称的なスカートにより形成された
半波長ダイポールアンテナ素子、１４は内側の円筒導体
１０の内部を貫通する同軸給電線である。

【００２３】同軸給電線１４には市販のセミリジッドケ
ーブル（特性インピーダンス５０Ω）等を用いればよ
い。また、誘電体１１には損失の少ないテフロン系誘電
体等を使用すればよく、円筒導体９及び１０の間隔を調
整することにより円筒導体９，１０で形成される伝送路
の特性インピーダンスは同軸給電線１４の特性インピー
ダンス（セミリジッドケーブルの場合は５０Ω）に調整
される。このときこの円筒導体９，１０で形成される伝
送路の波長短縮率は誘電体１１の誘電率によって決ま
り、セミリジッドケーブルの場合と同様にテフロン系誘
電体等を使用すれば、その波長短縮率は７０％となる。

【００２４】また、同軸給電線１４の外導体は内側の円
筒導体１０に電気的に接続され、同軸給電線１４の外導
体を流れてきた電流は内側の円筒導体１０に流れるよう
になる。また同軸給電線１４の内導体は外側の円筒導体
９に電気的に接続され、同軸給電線１４の内導体を流れ
てきた電流は外側の円筒導体９に流れるようになる。こ
のような構成になっているため、環状スロット１２はこ
れら電流によって励起され、各環状スロット１２のまわ
りに取付けた対称的なスカートにより形成された半波長
ダイポールアンテナ素子１３が励振される。

【００２５】更に、環状スロット１２の間隔Ｓが０．７
波長未満となる構成となっているため、図中最上部のア
ンテナ素子の給電位相を基準としてそれより下方のアン
テナ素子の給電位相はΔφ＝（ｎ−１）・ｋ・（０．７
λ−Ｓ）／０．７ずつ遅れる。但し、ｎ＝１は図中最上
部のアンテナ素子の場合を示す。従って、各アンテナ素
子１３から放射される電波の等位相面は図２に示すよう
に θt ＝ｓｉｎ^-1（（０．７λ−Ｓ）／０．７Ｓ）（ｒａｄ）（５）だけ下方にチルトする。図２において、１５は半波長ダ
イポールアンテナ素子１３に励起される電流分布を表
し、１６は放射された電波の等位相面を表す。但し、図
２では説明のため一方向のみに対する等位相面を示して
いる。

【００２６】図３はアンテナ素子を５段配列し、そのア
ンテナ間隔を０．５６波長とした場合の本発明空中線の
指向性を示したものであるが、グレーティングローブの
無い良好な放射特性が達成されている。グレーティング
ローブを生じない最大チルト角を式（４）から評価する
と、アンテナ間隔が０．５６波長の場合は５１．７°と
なるから、図３に示されるように２０°程度のビームチ
ルトをかけて水平方向に放射ヌル点を形成するようにし
てもグレーティングローブを生じることがないのであ
る。また、この場合の空中線寸法は直径約１cm、高さ約
４９cmとなり、図７の従来の構成例での空中線に比して
大幅なスリム化及び小型化が達成される。

【００２７】図４は本発明の第二の実施例を説明する図
であって、第一の実施例と同様にアンテナ素子を５段直
列配置した場合の実施例を示している。図４（ａ）は断
面図を、図４（ｂ）は空中線上部の斜視図を示してい
る。８はレドーム、９は外側の円筒導体、１２は外側の
円筒導体に設けられた環状スロット、１３は各環状スロ
ット１２のまわりに取付けた対称的なスカートにより形
成された半波長ダイポールアンテナ素子、１４は同軸給
電線、１７は円筒導体９と同軸給電線１４の外導体との
間に充填された誘電体であり、同軸給電線１４の外導体
を第一の実施例における内側の円筒導体として利用する
構成となっている。

【００２８】この同軸給電線１４には市販のセミリジッ
ドケーブル（特性インピーダンス５０Ω）を用いてもよ
い。また、誘電体１７には損失の少ないテフロン系誘電
体等を使用すればよく、円筒導体９と同軸給電線１４の
外導体との間隔を調整することにより円筒導体９と同軸
給電線１４の外導体とで形成される伝送路の特性インピ
ーダンスは５０Ωに調整される。このときこの伝送路の
波長短縮率はセミリジッドケーブルの場合と同様に７０
％となる。同軸給電線１４の内導体は外側の円筒導体９
に電気的に接続され、同軸給電線１４の内導体を流れて
きた電流は外側の円筒導体９に流れるようになる。また
同軸給電線１４の外導体の内側を流れてきた電流は同軸
給電線の上端部で同軸給電線１４の外導体の外側を流れ
るようになる。

【００２９】このような構成となっているから、環状ス
ロット１２はこれら電流によって励起され、各環状スロ
ット１２のまわりに取付けた対称的なスカートにより形
成された半波長ダイポールアンテナ素子１３が励振され
る。更に環状スロット１２の間隔Ｓが０．７波長未満と
なる構成となっているため、図中最上部のアンテナ素子
の給電位相を基準としてそれより下方のアンテナ素子の
給電位相は第一の実施例で説明した位相Δφずつ進む。
従って、各アンテナ素子１３から放射される電波の同位
相面は、第一の実施例と同一の角度θだけ下方にチルト
する。即ち、アンテナ素子を５段配列し、そのアンテナ
間隔（環状スロット１１の間隔Ｓ）を０．５６波長とし
た場合の本発明空中線の指向性は第一の実施例と同一の
ものとなり、グレーティングローブの無い良好な放射特
性が達成される。また、空中線の直径は第一の実施例の
場合よりも多少小さくなり、よりスリムな空中線が実現
できる。

【００３０】図５は本発明の第三の実施例を説明する図
であって、第一及び第二の実施例において、同軸給電線
１４の特性インピーダンスと、外側の円筒導体９とその
内側の円筒導体とにより形成される伝送線路の特性イン
ピーダンスとの間のインピーダンス整合を達成する構成
例を示したものである。図中、１８は導体片であり、図
６に示すような形状を有するものである。この導体片１
８は、同軸給電線と円筒導体との電気的接続部分に非接
触状態で近接配置される構造になっているため、導体片
１８の形状及び給電点との空間的距離を変えることによ
って給電点に生じるリアクタンス成分を可変することが
でき、同軸給電線１４の特性インピーダンスと外側の円
筒導体９とその内側の円筒導体とにより形成される伝送
線路の特性インピーダンスとの良好な整合を達成できる
ものである。

【００３１】前記導体片１８は、図６に示すように、円
形状導体片１８ａ、穴あき導体片１８ｂ、リング状導体
片１８ｃ、冠状導体片１８ｄ、穴あき冠状導体片１８ｅ
等のように種々のものがある。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
チルトビーム空中線は構造的に円筒状の空中線を提供す
るものであるから最も風圧荷重を小さくする構造を有し
ており、しかも外側の円筒導体に設けた環状スロットを
０．７波長未満の間隔で周期的に配置することによりビ
ームチルトに必要となる環状スロットへの位相差給電構
造を実現しているため、従来の給電回路を必要とするチ
ルトビーム空中線に比して直径で１／１５の小型・スリ
ム化が達成されるので、風圧荷重を大幅に軽減でき、従
って空中線支持機構の大幅な簡易化によるシステムコス
トの経済化が達成できるという大きな効果をもつもので
ある。しかも、放射指向性において不要なグレーティン
グローブをもたない良好なチルトビーム特性を同時に実
現できるため、空中線に供給される送信電力を有効に使
用することができると共に、セルラー移動通信システム
等に適用した場合のゾーン間の電波干渉を軽減できると
いう効果を合わせもつものであり、極めて重要かつ有効
なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例に係わるチルトビーム空
中線の構造を示す図である。

【図２】図１に示す第一の実施例のチルトビーム空中線
の放射電波の等位相面を示す図である。

【図３】図１に示す第一の実施例による垂直面内指向性
を示す図である。

【図４】本発明の第二の実施例に係わるチルトビーム空
中線の構造を示す図である。

【図５】本発明の第三の実施例に係わるチルトビーム空
中線の構造を示す図である。

【図６】本発明の第四の実施例に係わるチルトビーム空
中線の構造を示す図である。

【図７】従来のプリント基板上に形成されたチルトビー
ム空中線を示す図である。

【図８】図７に示す従来のチルトビーム空中線の放射電
波の等位相面を示す図である。

【図９】図７に示す従来のチルトビーム空中線の垂直面
内指向性例を示す図である。

【図１０】従来の同軸型直列コリニアアンテナによるチ
ルトビーム空中線を示す図である。

【図１１】図１０に示すチルトビーム空中線により実現
される垂直面内のチルトビーム指向性例を示す図であ
る。

【図１２】チルトビーム空中線におけるグレーティング
ローブの発生機構を説明するための図である。

【符号の説明】

８レドーム９外側の円筒導体１０内側の円筒導体１１誘電体１２環状スロット１３半波長ダイポールアンテナ素子１４同軸給電線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体を挟み、同心円状に配設された一
対の円筒導体と、前記一対の円筒導体のうちの外側の円
筒導体に０．７波長未満の間隔で周期的に設けられた複
数の環状スロットと、該複数の環状スロットの周りにそ
れぞれ各スロットを挟んで対称に配設され、円筒形スカ
ートにより形成される複数の半波長ダイポールアンテナ
素子と、前記一対の円筒導体のうちの内側の円筒導体の
内部を貫通するように設けられ、前記一対の円筒導体の
内側および外側の円筒導体にそれぞれ電気的に接続され
る外導体および内導体を有する同軸給電線とを有するこ
とを特徴とするチルトビーム空中線。
【請求項２】前記一対の円筒導体のうちの内側の円筒
導体は前記同軸給電線の外導体を兼用していることを特
徴とする請求項１記載のチルトビーム空中線。
【請求項３】前記同軸給電線と前記円筒導体との電気
的接続部に非接触状態で近接配設された導体を有するこ
とを特徴とする請求項１または２記載のチルトビーム空
中線。