JP2008011104A

JP2008011104A - アレーアンテナ

Info

Publication number: JP2008011104A
Application number: JP2006178586A
Authority: JP
Inventors: Yasuko Kimura; 泰子木村
Original assignee: Docomo Technology Inc
Current assignee: Docomo Technology Inc
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2008-01-17

Abstract

【課題】従来手法の電気的ビームチルト角制御したときに生じる不要なサイドローブレベルを抑える。
【解決手段】複数の放射素子２０を所定の間隔で垂直面内に配列したアレーアンテナ１０において、放射素子２０は隣接する所定数の放射素子ごとにグループ化されており、各グループ毎に設けられた位相器１１によって主ビームのビームチルト角を電気的に変える制御が行われるとともに、機械チルトBOX３０によって各グループの放射素子をグループ単位に機械的に傾斜させる制御が行われる。
【選択図】図４

Description

本発明は、移動通信用基地局アンテナとして適しているアレーアンテナに関する。より詳しくは、図１に示すようにアレーアンテナの垂直面内指向性ビームにおける仰角方向および俯角方向のサイドローブレベルを抑え周辺エリアや周辺ビルへの影響を改善するものである。

従来、移動通信用基地局アンテナは、図１に示す主ビームをサービスエリア端に向けて射出する。このとき、主ビームの射出方向Ａと水平方向Ｈとの成す角度θをビームチルト角というが、従来の移動通信用基地局アンテナでは、ビームチルト角より上方の俯角のサイドローブレベルと仰角のサイドローブレベルは抑えるように設計していた。このとき図２（ａ）に示すようにアレーアンテナ９１は、ある主ビームの射出方向Ａ１を基準として、放射素子基板毎に位相差を付けて設計することにより、アレーアンテナ９１を垂直に配置しておきながら、主ビームが水平方向Ｈよりビームチルト角θだけ地面側に向くようにしている（特許文献１参照）。

また、各基地局によって適切な主ビーム射出方向は異なる。しかしながら、１本ずつ主ビーム射出方向をカスタマイズしてアンテナを製作するのはコストがかかる。

主ビーム射出方向を個々にカスタマイズすることなく主ビーム射出方向を変える方法には以下の２種類がある。１つは、図２（ｂ）に示すアレーアンテナ９２のように、複数の放射素子から成るグループ毎に位相器９２Ａを配置することでグループ毎にビームチルト角を電気的に変えて、アンテナ設置後に主ビーム射出方向を変える方法であり、もう１つは、図２（ｃ）に示すように、アレーアンテナ９３全体を機械的に傾ける方法である。

なお、図２（ａ）〜（ｃ）の波線で示すグラフは、各放射素子の放射波の位相量を示しており、図２（ａ）の放射波の位相量は、図２（ｂ）の位相器の位相量が0°のときの放射波の位相量と同じになる。

図２（ａ）〜（ｃ）の場合における指向性パターンを、図３（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。なお、図３（ａ）、（ｃ）で用いた計算パラメータは、放射素子数が２０素子、１グループあたりの素子数が４素子、素子間隔が0.67λ、基板上のビームチルト角が10°である。また、図３（ｂ）で用いた計算パラメータは、図３（ａ）の計算パラメータに対し、電気的ビームチルト角の5°を足したものである。
特開平２−１７４３０２号公報特開平６−２０４７３８号公報

図３（ｂ）の指向性パターンからわかるように、ビームチルト角を電気的に変えると仰角方向のサイドローブレベルが高くなる。このようにサイドローブレベルが高くなる原因としては、各素子の位相量が隣り合う素子と同じ量だけ変化する図２（ａ）の場合に対し、図２（ｂ）の場合は各グループ内の隣り合う素子同士の位相量は同じであっても、グループ端で隣接グループと隣り合う素子同士の位相量が変わってしまうことが挙げられる。

一方、図３（ｃ）の指向性パターンは、図３（ａ）の指向性パターンと同様にサイドローブが抑えられた形となる。しかしながら、長いアンテナの全体を傾けることは、当該アンテナを見る者にとって圧迫感がある。例えば周波数が2.045GHzで素子間隔が100mm（0.67λ）、１グループあたりの素子数が４素子で５グループのアレーアンテナの場合、機械的にアンテナを5°傾けたときの最大傾き距離は87.5mm程度になり、15°傾けたときの最大傾き角度は268mm程度になってしまう。このように、ビームチルト角を大きくすればするほど最大傾き角度が大きくなり、見る者に与える圧迫感が非常に大きくなるため、実際には図２（ｃ）の方法はさほど実行されていない。

現在、ほとんどの移動通信用基地局アンテナでは電気的チルト角制御を行っている。しかしながら、先程説明したように電気的チルト角制御を行うと仰角方向のサイドローブレベルが高くなってしまう。このように不要な場所におけるサイドローブレベルが高くなってしまうと、他エリアへの干渉となりシステム容量の低下につながる。また、主ビームの利得も低下するためにサービスエリア半径が小さくなってしまう。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、従来手法の電気的ビームチルト角制御したときに生じる不要なサイドローブレベルを抑えることができるアレーアンテナを提供することを目的とする。

本発明に係るアレーアンテナは、従来手法の電気的ビームチルト角制御したときに生じる不要なサイドローブレベルを抑えるために、複数の放射素子を所定の間隔で垂直面内に配列したアレーアンテナであり、複数の放射素子は、隣接する所定数の放射素子ごとにグループ化され、当該アレーアンテナは、各グループ毎に設けられ電気的な移相量を有し、対応するグループの放射素子から射出される主ビームのビームチルト角を電気的に変えるための位相器を備え、各グループの放射素子は、射出される主ビームのビームチルト角を変えるために、グループ単位に機械的に傾斜可能とされていることを特徴とする。

上記のように、電気的チルト角制御に機械的チルト角制御を併せて用いることで、従来手法の電気チルト角制御のみを行ったときに生じるサイドローブレベルの上昇を抑圧することができる。また、放射素子は、アレーアンテナ全体で傾斜するのではなく、グループ単位に傾斜可能とされているため、従前のアレーアンテナと比べて直径増加は殆ど無い。このため、風圧荷重の増加は無いまま指向性のみを改善することができる。

また、本発明に係るアレーアンテナでは、複数の放射素子は、グループ共通で同じ角度だけ同時に傾ける構成とすることが望ましい。この場合、例えば、アレーアンテナの近傍に、全グループで共用の機械チルトBOXを置いて同時に制御することで、各グループごとに放射素子を傾ける手間が省け、簡易化することができる。

以上のことから、電気的チルト角制御に機械的チルト角制御を併せて用いることで、従来手法の電気チルト角制御のみを行ったときに生じるサイドローブレベルの上昇を抑圧することができる。

以下、本発明に係るアレーアンテナの一実施形態を説明する。

図４には、本発明に係るアレーアンテナ１０の一構成例を示す。この図４に示すように、アレーアンテナ１０では、隣接する複数（例えば４個）の放射素子２０を１グループとし、計５つのグループを大地と略垂直（図４において上下方向）に配列している。また、アレーアンテナ１０は、各グループ毎に設けられ電気的な移相量を有する位相器１１を備え、位相器１１は、対応するグループの放射素子２０から射出される主ビームのビームチルト角を電気的に変える働きをする。

また、アレーアンテナ１０では、各グループの放射素子２０が、射出される主ビームのビームチルト角を変えるために、グループ単位に機械的に傾斜可能とされていることを特徴とする。また、放射素子２０は、グループ共通で同じ角度だけ同時に傾けることを特徴とする。具体的には、アレーアンテナ１０は、さらに、全グループで共用の機械チルトBOX３０を備え、この機械チルトBOX３０は、各グループの放射素子２０をグループ共通で同じ角度だけ同時に傾けるよう制御する。

以上のように、アレーアンテナ１０は、電気的チルト制御のみが行われている従来のアレーアンテナの各グループのアンテナ（図２（ｂ））を、さらに、グループ共通で同じ角度だけ同時に機械的に傾けた構成とされている。

以上のような構成のアレーアンテナ１０によって、図５に示されるようにサイドローブレベルが低く抑えられた指向性パターンを得ることができる。

なお、このときのパラメータは、図３（ａ）のパラメータに、各グループへ機械的ビームチルト角として5°を傾けたものである。つまり、放射素子数が２０素子、１グループあたりの素子数が４素子、素子間隔が0.67λ、基板上のビームチルト角が10°、各グループへの機械的ビームチルト角が5°である。

また、図６には、このときの１ブロックの長さＬと傾き角θの組合せに対応する最大傾き距離が、表形式で示されている。この図６より、周波数が2.045GHzで素子間隔が100mm（0.67λ）の４素子構成のアレーアンテナについては、１ブロックの長さＬが400mmで傾き角θが5°のとき最大傾き距離は約17.5mmにすぎず、最大傾き距離は低く抑えられる。仮に１ブロックの長さＬが400mmで傾き角θが15°のときでも、最大傾き距離は約53.6mmにすぎない。このように各グループを機械的に少し傾けるだけでサイドローブレベルが抑圧されることがわかる。

以上の発明の実施形態によれば、電気的チルト角制御に機械的チルト角制御を併せて用いることで、従来手法の電気チルト角制御のみを行ったときに生じるサイドローブレベルの上昇を抑圧することができる。

また、放射素子は、アレーアンテナ全体で傾斜するのではなく、グループ単位に傾斜可能とされているため、従前のアレーアンテナと比べて直径増加は殆ど無く、風圧荷重の増加は無いまま指向性のみを改善することができる。

また、複数の放射素子をグループ共通で同じ角度だけ同時に傾ける構成としたため、全グループで共用の機械チルトBOXによる傾斜を実現し、各グループごとに放射素子を傾ける手間が省け、簡易化することができる。

アレーアンテナの垂直面内指向性ビームを示すイメージ図である。従来の各種アレーアンテナの構造とその素子位相量を示す図である。図２の各種アレーアンテナの指向性パターンを示すグラフである。発明の実施形態に係るアレーアンテナの構造とその素子位相量を示す図である。発明の実施形態に係るアレーアンテナの指向性パターンを示すグラフである。ブロック長と傾き角の組合せに対応した最大傾き距離を示す表である。

符号の説明

１０…アレーアンテナ、１１…位相器、２０…放射素子、３０…機械チルトBOX、９１、９２、９３…アレーアンテナ、９２Ａ…位相器。

Claims

複数の放射素子を所定の間隔で垂直面内に配列したアレーアンテナにおいて、
前記複数の放射素子は、隣接する所定数の放射素子ごとにグループ化され、
前記アレーアンテナは、各グループ毎に設けられ電気的な移相量を有し、対応するグループの放射素子から射出される主ビームのビームチルト角を電気的に変えるための位相器を備え、
各グループの放射素子は、射出される主ビームのビームチルト角を変えるために、グループ単位に機械的に傾斜可能とされている、
ことを特徴とするアレーアンテナ。
前記複数の放射素子は、グループ共通で同じ角度だけ同時に傾けることを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ。