JPS61172411A - 多段リニアアレイアンテナのビームチルティング角制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は基地局アンテナにおいてビームチルティングに
より垂直面内指向性を成形したとき、干渉領域に生ずる
上側第一サイドロープレベルを抑圧する多段リニアアレ
イアンテナの給電法に関するものである。

（従来の技術） 第１図により、基地局アンテナにビームチルティングを
適用した場合について説明する。いま、１は基地局アン
テナ、２は無線基地局、基地局アンテナ高Ｈ１無線ゾー
ン半径Ｒ，ビームチルティング角θｔとする。

ｔａｌはビームチルティングを行わない場合の垂直面内
指向性をあられし、水平方向に主放射ビームが向いてい
る。

（ｂ）はビームチルティングを行った場合の垂直面内指
向性で、θ工方向において、水平方向に主放射ビームを
向けたときのレベルと同レベルとなるように主放射ビー
ムを傾けている。

なお、基地局アンテナから見た無線ゾーン周辺までの角
度θＸは次式で与えられる θｘ　＝　ｔａｎ−’　（Ｈ／Ｒ）　　　　　　　　”
・（１）基地局アンテナをこのようにビームチルティン
グすると、同一周波数を繰り返し使用する陸上移動通信
では遠方方向の同一周波数を用いる領域でのレベルが低
減することになり、干渉軽減がはかれる。

小無線ゾーン構成を用いる陸上移動通ンサームチルティ
ング効果は、無線ゾーン周辺において、ビームチルティ
ングを行わないときの受信レベルとビームチルティング
を行ったときの受信レベルとの差がないとしたとき、無
線ゾーン外でビームチルティングを行わないときの受信
レベルより、ビームチルティングを行ったときの受信レ
ベルがどの程度低くなったかで評価される。

このビームチルティング効果は（１）式から分かるよう
に基地局アンテナ高が極めて高い場合、あるいは無線ゾ
ーン半径が小さい場合に効果があることがわかる。さら
に、ビームの垂直面内半値幅が狭い場合にも効果がある
。

ビームチルティング効果について具体的に説明する。い
ま、Ｆ４．　＝　３　ｋｍ、基地局アンテナ利得Ｇを約
１２　ｄＢ、適用する基地局アンテナ高を例えば、Ｈ＝
ｔ２ｏｍとする（文献ＮＴＴ国際シンポジウム「大容量
移動通信方式４１９８３．７．１３　）。

リニアアレイアンテナの利得Ｇは近似的に１０１０１ｏ
　１．２２ｎｄ　）で表され、利得Ｇ＝約１２ｄＢであ
るから、素子数ｎ＝１６とすればアンテナ間隔ｄ＝ｌλ
を得る。このときの多段リニアアレイアンテナの従来の
構成例を第２図に示す。２．〜２１６は励振素子、３１
〜３１６は移相器１，５は電力分配器、６は給電端子で
ある。このように構成さ゛れた多段リニアアレイアンテ
ナの垂直面内指向性Ｆ（θ）は次式で表される。

Ｆ（θ）＝ｇ（θ）ΣＩｎ　−ｅｘｐ　（ｊφｎ　）　
・ｅＸｐＣｊ　ｎｋｄ　＊　５ｉｎ（θ））−（２）こ
こで、願θ）：励振素子の垂直面内指向性Ｎ：全励振素
子数 ｎ：励振素子の番号 Ｉｎ：ｎ番目の励振素子の電流の大き さ ｄ：励振素子の間隔（波長で規格化） 佃：励振素子給電位相 に：位相定数 ビームチルティング角θｔと３１〜３１６の給電位相φ
ｎの関係は φｎ＝５ｉｎ（θ１）ＳｃｄＸ（ｎ−１）　　ｎ＝１〜
１６　　　・・・（３）で表される。

（３）弐により、ビームチルティングしない場合はθｉ
＝ｏ°であるから、φｎ＝Ｑ°となる。さらに、（２）
式に素子数ｎ＝１６．アンテナ間隔ｄ＝１λを代入して
垂直面内指向性Ｆ（θ）を計算すると、第３図の指向性
となる。この指向性と市街地伝搬推定曲線を用いて求め
た伝搬損失距離特性図を第４図に示す。

この第４図はビームチルティングしないときの特性であ
るから、これを評価の基準とする。無線ゾーン周辺の３
ｋｍ地点では伝搬損失が１４０ｄＢでピ−ムチルティン
グしたときに、この伝搬損失よりも大きくなってはなら
ない。

次に、第２図に示す従来の構成の多段リニアアレイアン
テナでビームチルティングすると、（１）式から無線ゾ
ーン半径と基地局アンテナの関係からθ、＝２．２９°
が求められ、ビームチルティング角θｔは２θＸで近似
できるためθｔ＝４．５８°を得る。これを（３）式に
代入に各励振素子の給電位相を求めて、（２）式を計算
すると、第５図に示す垂直面内指向性を得る。これを前
述同様に伝搬損失距離特性図を求めると、第６図をうる
。ここで、３ｋｍ地点での伝搬損失は第４図と同様１４
０ｄＢとなっており、無線ゾーン周辺でのレベル劣化は
ない。しかし、２０ｋｍ地点では第４図に比べ約１７ｄ
Ｂ程伝搬損失が大きくなっていることがわかる。これが
ビームチルティング効果である。

ここで、第５図、第６図から分かるように、７〜８ｋｍ
付近で伝搬損失が太き（なっている。本来なら、このま
ま伝搬損失が一定増大していけば、ビームチルティング
効果は非常に大きくなるが、実際には多段リニアアレイ
アンテナの水平方向より上側にある第一サイドローブの
影響でさらに遠方になると再び、伝搬損失が小さくなる
欠点がある。また、第２図に示す給電法は励振素子ごと
に位相器があるため位相調整が繁雑になる欠点もある。

この欠点を軽減するために、第７図に示すように、複数
の励振素子を電力分配器で合成した後に位相器を挿入す
る方法がある。

この場合の指向性Ｆ／（θ）は Ｆ１ａ）＝区θ）ΣＩｎ　’　Ｘ　ｅｘｐ　（ｊｎ’　
ｋｄ−ｇｉｎ（θ）〕×Σφｍ　ｘ　ｅｘｐ　（：　ｊ
ｋｄ’　−５ｉｎ（θ））・（４）ｎ’　＝ｎ／ｍ　　
ｍ＝分割数　ｄ／＝口／ｍ　Ｘ　ｄとなる。

第７図に示した従来の実施例はｎ　＝１６．　ｍ　＝　
４゜ｄ＝１λとした。ビームチルティング角は４．５８
°であるから、各グループごとの位相差は約−１１３°
となる。このときの（４）式の計算結果を第８図に示す
。

また、伝搬損失距離特性図は第９図のよう忙なる。

（発明が解決しようとする問題点） これらの図から、給電方法は簡易になったが、伝搬路中
に生ずる上側の第１サイドロープレベルは抑圧されず、
ビームチルティング効果を損なう欠点が依然として存在
する。

本発明はこれらの欠点を除去するために、グループごと
の移相器の簡易な調整でビームチルティング角を変化さ
せると共に伝搬路中に生じたサイドローブレベルの低減
を図り、ビームチルティング効果を増大させた多段ＩＪ
　ニアプレイアンテナを提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するための本発明の特徴は、複数の励振
素子と、その各々に接続される第１移相器と、複数の第
１移相器に共通に接続される少なくとも１個の第２移相
器と、該第２移相器に給電する給電端子とを有する多段
リニアアレイアンテナにおいて、励振素子毎の第１移相
器は所要の値より大きなビームチルティング角を与える
ように設定し、第１移相器と第２移相器の合成移相によ
り所要のビームチルティング角を提供する多段リニアア
レイアンテナにある。

（実施例） 第１０図は本発明によるアンテナ構成例である。

アンテナ列１０は励振素子２１〜２．６の１６素子から
なりアンテナ間隔ｄは１波長とし、各励振素子２１〜２
、、には移相器１の３１〜３，６が挿入されている。

さらに、アンテナ列１０は４素子ごと１／ｃ４グループ
に分けて、これらの合成端子に各々のグループに移相器
２の４１〜４４を挿入する。

このときの励振素子ごとの位相器２１〜２□６は所要の
ビームチルティング角より大きな角度αになるように設
定しておく。

第１１図にαの選定方法で、横軸は所要ビームチルティ
ング角からの増加させる角度で、ここでは戻し角と呼ぶ
ことにする。いま、基地局アンテナは１２０ｍとすると
所要ビームチルティング角は４．５８°である。第１１
図から、戻し角が大きいとサイドローブレベルの低減効
果は大きいが、利得低下も生ずる。また、戻し角が小さ
いと利得低下は免れるがサイドローブレベル低減効果が
少なくなる。

ここでは、利得低下量を０．５ｄＢ以下にすることとし
、α＝５．５°を選定した。

このときの励振素子ごとの移相器３１〜３１６は（３）
式から−３４，７°Ｘ（ｎ−１）になる。

移相器４１．４２はＯｏ、オ、４４はぎの位相を与え、
所要のビームチルティング角を４．５８°にする。すな
わち、第１２図で位相関係について説明すると、励振素
子ごとにある第１移相器による位相は−（ｉ−１）Ｘ２
πｄ　Ｘ　ｓｉｎ　ａ　（ｉ　＝１〜ｎ　）であり、同
図の破線に示す如く、所要のビームチルティング角より
大きくなっている。同図の実線が所要のビームチルティ
ング角であるから第２移相器によりθｔまで戻す必要が
ある。このとき第２移相器に与えられる位相量は（ｍ−
ｊ）βでｍは第２移相器の数、ｊ＝１〜ｍ　β＆−！、
近似的ニβ＝　”　ｎ−”　”　””θで表わされる。

ｍ＝２であるから、第２移相器の１番目は位相は０．２
番目はβとなり、これらの位相を与えると、点線で示し
た位相となり、等価的に実線で示したθｔとなる。

第１３図にこのときの垂直面内指向性の計算結果を示す
。

第１４図は本発明の給電法による場合の伝搬損失距離特
性図である。３．ｋｍ地点での伝搬損失は１４０＄とビ
ームチルティング無しと同じだが、２０ｋｍでの伝搬損
失は非常に大きなものとなっており、ビームチルティン
グ効果を増大させていることがわかる。

この効果を得るもう一つの給電方法は第１０図と同じ構
成であるが、３Ｉ〜３１６．４１−４４に与える位相量
が異なる。

第１５図には各励振素子に対する給電位相の模式図を示
した。第１０図における３１〜３．、Ｍ＝４とし４素子
ごとに分割し、ｍ　＝　４とし、分割した４素子のなか
でビームチルティング角がαになるように位相を設定す
る。

ｎ＝Ｍ×ｍであり、 第１移相器の位相量は−（ｉ−１−（ｍ−１″ＩＭ）Ｘ
２ｆｆｄｓｉｎａｉ　＝　１〜ｎ ｍ＝１〜４ Ｍ＝ｌ〜４ とすると、第１５図の点線で示した位相となる。このと
きの第２移相器の位相はすべてＯｏであるからαが小さ
いと近似的にはビームチルティング角は０°となる。そ
こで隣接する第２移相器の位相差β′は β・＝’ｌ、ｔｒｋと１１も植１である。

第２移相器に−（ｍ−１）β′となるように位相量を与
えると、第１５図の実線に示したように等価的に所要の
ビームチルティング角になる。このような給電法でも第
１４図と同様の伝搬距離特性を得る。

この給電方法は前述の実施例に比べ４素子ごとの各グル
ープは同じ構造で同じ給電位相でよいためアンテナ構成
上の利点を有する。

４素子ごとのアンテナ列を第１６図のような構成にする
。１１′のアンテナ列はマイクロストリップ線路で構成
された電力分配回路５′とアンテナ列２１〜２４からな
る。

トーナメント状忙構成された電力分配回路の０点に接続
されるようにすると、各励振素子の給電位相はすべて同
相になる。ここでは、ビームチルティング角がαとなる
ように構成する必要があるから各給電点は線路の中心０
点からずれて構成されている。

２、の給電位相はΔＬｌ＋ΔＬ３．２２はΔＬ３−ΔＬ
１．２、はΔＬ２−ΔＬ３．２４は−（ΔＬ２＋ΔＬ３
）となる。

２４が基準で位相差がθ°とすれば、２．〜２．の給電
位相はそれぞれ遅れることになる。アンテナ列１１’は
プリント基板上に構成されているため、エツチング技術
により容易に製作できる。

第１７図は１６素子を構成した場合の実施例を示す。

第１６図に示したアンテナ列を４組縦列に配置し、それ
ぞれのアンテナ列の給電端に４１−４４の位相器を接続
し、これらを電力分配回路５で合成している。４１−４
４の位相器は長さの異なる同軸給電線を用いる。したが
って、給電位相を変える場合は同軸給電線長を変えるだ
けですむ。ビームチルティング角を戻す際忙任意の角度
に設定できる。

（発明の効果） 以上説明したように、ビームチルティング角がαとなる
ように２１〜２，６の励振素子に位相器が挿人できるた
め、予め励振素子と一体化できるためアンテナ設計が容
易となると共に、アンテナ列を分割した後の給電端子に
位相器を挿入して、ビームチルティング角を戻すだけで
、上側の第１サイトローブレベル低減できる利点を有す
る。

さらに、各々のブロックの位相器４１〜４４を戻すだけ
で、基地局アンテナ高に対する最適ビームチルティング
角を簡易に設定できるため、アンテナ建設後の調整も簡
易になり施工性に優れていることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はビームチルティングの概念図、第２図は従来の
素子ごとに位相器が挿入されたリニアプレイアンテナの
給電系統図、第３図は従来の素子ごとに位相器が挿入さ
れたリニアアレイアンテナのビームチルティング角０°
の垂直面内指向性を示す図、第４図は従来素子ごとに位
相器が挿入されたリニアプレイアンテナのビームチルテ
ィング角０°の伝搬距離特性図、第５図は素子ごとに位
相器が挿入されたリニアアレイアンテナのビームチルテ
ィング角４，５８°の垂直面内指向性を示す図、第６図
は素子ごとに位相器が挿入されたりニアアレイアンテナ
のビームチルティング角４．５Ｆｆ′の伝搬距離特性図
、第７図は従来の４素子ごとに位相器が挿入されたリニ
アアレイアンテナの給電系統図、第８図は従来の４素子
ごとに位相器が挿入されたりニアアレイアンテナのビー
ムチルティング角４．５８°の垂直面内指向性を示す図
、第９図は従来の４素子ごとに位相器が挿入されたリニ
アアレイアンテナのビームチルティング角４．５８°の
伝搬距離特性図、第１０図は本発明のビームチルティン
グ用リニアアレイアンテナの給電系統図、第１１図は戻
し角に対するサイドローブレベルと利得低下量の関係を
示す図、第１２図はアンテナ列に対する位相を示した模
式図、第１３図は本発明のビームチルティング用リニア
アレイアンテナのビームチルティング角４．５８°の垂
直面内指向性を示す図、第１４図は本発明のビームチル
ティング用リニアアレイアンテナのビームチルティング
角４．５　綻の垂直面内指向性を用いたときの伝搬距離
特性図、第１５図はアンテナ列に対する位相を示した模
式図、第１６図はビームチルティング用４素子のアンテ
ナ構成例、第１７図はビームチルティング用基地局アン
テナ構成例である。 ｌ・・・基地局アンテナ、　　　２・・・無線基地局、
１１〜１４・・・４素子からなるアンテナ列、１１′〜
１４’・・・マイクロストリップで構成された４素子か
らなるアンテナ列、　　２Ｉ〜２１６・・・励振素子、
２１′〜冴′・・・マイクロストリップで構成された励
振素子、　３１〜３１６・・・位相器、　　４１〜材・
・・位相器、５・・・電力分配器、　　５′・・・マイ
クロストリップ線路の電力分配器、　６・・・給電端子
、１０・・・アンテナ列。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の励振素子と、その各々に接続される第１移
   相器と、複数の第１移相器に共通に接続される少なくと
   も１個の第２移相器と、該第２移相器に給電する給電端
   子とを有する多段リニアアレイアンテナにおいて、励振
   素子毎の第１移相器は所要の値より大きなビームチルテ
   ィング角を与えるように設定し、第１移相器と第２移相
   器の合成移相により所要のビームチルティング角を提供
   することを特徴とする多段りエアアレイアンテナ。
2. （２）前記第１移相器による位相量を −（ｉ−１）×２π×ｄ×ｓｉｎα ｉ＝１〜ｎ（ｎ＝Ｍ×ｍ）でｉは第１移相器の端からの
   順番、 ｄ；素子間隔／波長、 α：第１移相器によるビームチルティング 角、 ｎ；励振素子の数、 ｍ：第２移相器の数、 とし、第２移相器による位相量を （ｍ−ｊ）β ｊ；第２移相器の端からの順番、 β；隣接する第２移相器の位相差、 とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の多
   段リニアアレイアンテナ。
3. （３）前記第１移相器による位相量を −（ｉ−１−（ｍ−１）Ｍ）×２π×ｄ×ｓｉｎαｉ＝
   １〜ｎ（ｎ＝Ｍ×ｍ）でｉは第１移相器の端からの順番
   、 ｄ；素子間隔／波長、 α；第１移相器によるビームチルティング 角、 ｎ；励振素子の数、 ｍ：第２移相器の数、 とし、第２移相器による位相量を −（ｍ−１）β′ ｊ；第２移相器の端からの順番 β′：隣接する第２移相器の位相差、 とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の多
   段リニアアレイアンテナ。