JP2013207522A - アレイアンテナ、及びアンテナシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アレイアンテナは、複数の第1アンテナ21と、複数の第1アンテナ21の間に配置された1又は複数の第2アンテナ22と、を含んでいる。第1アンテナ21は、複数の周波数(800MHz/1.5GHz/2.0GHz)に共振するよう構成された多周波共用アンテナである。第2アンテナ22は、第1アンテナ21が共振する複数の周波数のうち、少なくとも最も低い周波数(800MHz)を除いた、残りの複数の周波数(1.5GHz/2.0GHz)に共振するよう構成されている。
【選択図】図1
Description
つまり、多周波共用アンテナが共振する複数の周波数のなかで、相対的に高い周波数については、波長λが相対的に短く、相対的に低い周波数については波長λが相対的に長くなる。
したがって、複数の多周波共用アンテナの間隔は、相対的に低い周波数(相対的に長い波長λ)にとっては、適切であっても、相対的に高い周波数(相対的に短い波長λ)にとては、適切な間隔よりも広すぎるおそれがある。
このため、周波数に応じて、アンテナ間隔が実質的に異なることになり、多周波共用アンテナを用いてアレイアンテナを構成した場合においても、グレーティングローブの発生を抑えることができる。
しかも、アレイアンテナを構成するアンテナとして、多周波共用アンテナである第1アンテナのほか、第2アンテナを用いることで、単一種類の多周波共用アンテナだけでアレイアンテナを構成する場合に比べて、複数の周波数それぞれのチルト角設定の制約が緩和される。
しかも、第1位相調整部が、第1アンテナに接続された給電線路のうち、前記第1アンテナが共振する前記複数の周波数の信号に共用される部分に設けられていることで、第1アンテナにおける複数の周波数のビームのチルト角をまとめて調整することができる。
図1は、第1実施形態に係るアンテナシステム1を示している。アンテナシステム1は、例えば、移動体通信システムにおける基地局におけるアンテナシステムとして用いられる。以下の説明では、アンテナシステム1は、送受信用として説明するが、送信専用又は受信専用であってもよい。
本実施形態では、800MHz用の第1送受信機6a、1.5GHz用の第2送受信機6b、及び、2.0GHz用の第3送受信機6cの3つの送受信機がアンテナシステム1に接続されている。なお、送受信機の数は、3個に限定されるものではなく、2個でもよいし、又は4個以上であってもよい。また、各送受信機の周波数も特に限定されるものではない。
1.5GHz用の第2送受信機6bに接続された給電線7b、及び、2.0GHz用の第3送受信機6cに接続された給電線7cが、周波数共用器(第2周波数共用器)4bに接続されている。周波数共用器(第2周波数共用器)4bは、1.5GHzの周波数及び2.0GHzの周波数の合波又は分波をする。
なお、第2周波数共用器4bからアレイアンテナ2側に延びる給電線8bは、アレイアンテナ2側に延びる途中で分岐しており、分岐した一方が、第2周波数共用器4bに接続され、他方は、アレイアンテナ2側に延びている。
第2周波数共用器4bのアレイアンテナ2側に接続された給電線(第2給電線)8bは、2つの周波数(1.5GHz/2.0GHz)の信号に共用される。
可変移相器31a,32a,33a,31b,32b,33bそれぞれは、分配型(2分配型又は3分配型)の可変移相器であり、第1給電線8a又は第2給電線8bを分岐させるとともに、分岐した複数の第1給電線8a又は第2給電線8bそれぞれを流れる信号の位相を調整することができる。なお、位相の調整は、分岐した給電線の経路長の調整によって行われる。
したがって、6個の第1アンテナ21a〜21fにおいて、隣接する第1アンテナ同士には、2Lの経路差(位相差)が形成される。
したがって、5個の第2アンテナ22a〜22eにおいて、隣接する第2アンテナ同士には、2Lの経路差(位相差)が形成される。
なお、位相調整部3a,3bは、制御部5によって制御される。詳細は後述する。
複数の第1アンテナ21は、それぞれ、3波共用アンテナであり、800MHz/1.5GHz/2.0GHzの3つの周波数に共振するよう構成されている。
第2アンテナ22は、それぞれ、2波共用アンテナであり、1.5GHz/2.0GHzの2つの周波数に共振するよう構成されている。
また、第1アンテナ21の間に存在する第2アンテナの数は、1個に限らず、複数個であってもよい。
また、第2アンテナ22は、複数の第1アンテナ21の間だけに位置している必要はなく、複数の第1アンテナのうちの最上位置にある第1アンテナの上にも存在していてもよいし、複数の第1アンテナのうちの最下位置にある第1アンテナの下にも存在していてもよい。
なお、第1アンテナ21及び第2アンテナ22は、不等間隔で配置されていてもよい。
しかし、800MHzの周波数に着目すると、800MHzの周波数に共振するのは第1アンテナ21だけであるため、6個の第1アンテナ21だけでアレイアンテナが構成されているのと等価である。
800MHzの周波数に着目すると、アレイアンテナ2において、考慮すべきアンテナ間隔は、800MHzの周波数に共振する第1アンテナ21の間隔である2Wである。
ここでは、グレーティングローブの発生を抑制するための適切なアンテナ間隔2Wは、800MHzの1波長を越えない値、例えば、1波長(λ800M=約356mm)の0.8倍(0.8λ800M=約285mm)以下とする。
なお、グレーティングローブの発生を抑制するという観点からは、アンテナの間隔は、0.8λ以下であれば、いくら小さくても良いが、実際には、隣接するアンテナ同士が接触しない程度の間隔を確保する必要があるため、間隔を狭くするのには限界がある。例えば、アンテナをダイポールアンテナで構成した場合、ダイポールアンテナは、0.5λ程度の大きさを持つため、800MHzの場合、隣接するアンテナの間隔としては、0.5λ800M(=178mm)以上、必要となる。
つまり、1.5GHzの周波数にとって、グレーティングローブの発生を抑制するための適切なアンテナ間隔は、1.5GHzの1波長(λ1.5G=約204mm)の0.8倍(0.8λ1.5G=約163mm)以下であり、第1アンテナ21の間隔(240mm)は広すぎ不適切である。
また、2.0GHzの周波数にとって、グレーティングローブの発生を抑制するための適切なアンテナ間隔は、2.0GHzの1波長(λ2.0G=約156mm)の0.8倍(0.8λ2.0G=約125mm)以下であり、第1アンテナ21の間隔(240mm)は広すぎ不適切である。
そして、隣接する第1アンテナ21と第2アンテナ22との間隔W(120mm)は、0.8λ1.5G(=約163mm)以下であるとともに、0.8λ2.0G(=約125mm)以下であり、1.5GHz/2.0GHzの双方の周波数からみて、グレーティングローブの発生を抑制するための適切なアンテナ間隔となっている。
これにより、複数の多周波共用アンテナ21,22の各段の間隔Wは、全ての周波数(800MHz/1.5GHz/2.0GHz)について同一であるものの、実質的には、周波数に応じた適切なアンテナ間隔(2W又はW)が得られ、グレーティングローブの発生を抑制することができる。
制御部5は、2種類の制御を実行可能である。一つ目の制御は、複数の周波数(800MHz/1.5GHz/2.0GHz)全てのビームのチルト角を同一角度で変更させる制御(同一チルト角制御)であり、二つ目の制御は、周波数によってビームのチルト角を異ならせる制御(非同一チルト角制御)である。
同一チルト角制御では、制御部5は、チルト角を変更するため、第1位相調整部3aによる位相差の変更と、第2位相調整部3bによる位相差の変更を同時に行う。また、可変移相器31bによって形成される位相差(6D)は、可変移相器31aによって形成される位相差(6L)と同一とされ(6L=6D)、可変移相器32b,33bによって形成される位相差(2D)は、可変移相器32a,33aによって形成される位相差(2L)と同一とされる(2L=2D)。
第1アンテナ21aと第2アンテナ22aの位相差=L、
第1アンテナ21aと第1アンテナ21bの位相差=2L、
第1アンテナ21aと第2アンテナ22bの位相差=3L、
第1アンテナ21aと第1アンテナ21cの位相差=4L、
第1アンテナ21aと第2アンテナ22cの位相差=5L、
第1アンテナ21aと第1アンテナ21dの位相差=6L、
第1アンテナ21aと第2アンテナ22dの位相差=7L、
第1アンテナ21aと第1アンテナ21eの位相差=8L、
第1アンテナ21aと第2アンテナ22eの位相差=9L、
第1アンテナ21aと第1アンテナ21fの位相差=10L、
となるように制御される。
同一チルト角制御では、複数の周波数についてまとめてチルト角の変更をできる。しかも、複数の周波数毎に位相差を調整する必要がなく、可変移相器の数を少なくでき、アンテナシステム1の構成も簡素化できる。
第1アンテナ21aと第1アンテナ21bの位相差=2L
第2アンテナ22aと第2アンテナ22bの位相差=2D
第1アンテナ21bと第1アンテナ21cの位相差=2L
第2アンテナ22bと第2アンテナ22cの位相差=2D
第1アンテナ21cと第1アンテナ21dの位相差=2L
第2アンテナ22cと第2アンテナ22dの位相差=2D
第1アンテナ21dと第1アンテナ21eの位相差=2L
第2アンテナ22dと第2アンテナ22eの位相差=2D
第1アンテナ21eと第1アンテナ21fの位相差=2L
となるように制御される。
図6の1.5GHz及び2.0GHzならびに図7の1.5GHzの場合、両アンテナ21,22のビームそれぞれの向きが比較的近いため、合成されたビームのピークは一つとなる。これに対し、図7の2.0GHzの場合、両アンテナ21,22のビームそれぞれの向きが比較的離れているため、合成されたビームのピークは二つとなる。
なお、ビームのピークを複数の方向に指向させるという着想は、第1アンテナ21及び第2アンテナ22が多周波共用アンテナではない場合にも利用することができる。
図示のループアンテナ素子11は、矩形状のループとして形成されており、短辺11aの長さが60mm、長辺11bの長さが118mmに設定されている。
なお、ループアンテナ素子11の具体的形状やその寸法は、特に限定されるものではなく、円形状又は楕円状のループなどの他の形状を採用することもできる。
アンテナ本体10を構成するアンテナ素子11,12,13、給電点15、及び後述の線路16は、平面状の基板上に形成されている。
第3アンテナ素子13は、ループ状の第1アンテナ素子11と、ダイポール素子である第2アンテナ素子12との間に配置されている。
線路16の全長(一方の第2アンテナ素子12から他方の第2アンテナ素子12までの長さ=第2アンテナ素子12,12の素子間隔)は、λ1.5G/2=102mmである。なお、給電点15から一方の第2アンテナ素子12までの長さ、及び、給電点15から他方の第2アンテナ素子12までの長さは、λ1.5G/4=51mmである。
対の第3アンテナ素子13,13の間に設けられている矩形ループ状の第1アンテナ素子11は、その矩形短辺11aに沿った方向と、線路16の長手方向と、が一致するように形成されている。そして、矩形短辺11aの長さは、前述のように60mmである。
なお、線路16の長手方向に沿ってみたときに、給電点15からループ状の第1アンテナ素子11における対向する2点16c,16cそれぞれまでの距離は、矩形状ループの短辺の長さの1/2=30mmに等しい。
したがって、線路16の全長は、対をなす800MHz用ダイポール素子同士の間隔に等しくなる。その間隔は、λ800M/2=178mmとなる。
また、800MHz用ダイポール素子の素子長は、λ800M/2=178mmであり、複数のダイポール素子の中で最も長くなる。
したがって、多周波共用アンテナである第1アンテナ21a,21bが大型化する。
つまり、大型化の原因となる最小周波数(ここでは、800MHz)用のアンテナ素子11として、第1アンテナ21a,21bでは、ダイポール素子ではなく、ループアンテナを用い、ダイポール素子12,13の内側に配置した。
これにより、線路16の長手方向両端に位置するはずの800MHz用ダイポール素子が存在しない分、線路16の長手方向におけるアンテナ本体10の大きさ(102mm)を小さくでき、第2アンテナ22aを配置するのが容易となる。
複数のアンテナ素子12,13としては、1.5GHz、2.0GHzの2つの周波数で共振し、それらの周波数の電波を放射するため、2種類設けられている。
2波共用アンテナである第2アンテナ22aは、3波共用アンテナである第1アンテナ21a,21bから、ループアンテナ素子である第1アンテナ素子11を除いたものに相当する。
第2アンテナ22aは、第1アンテナ21a,21bから、最内側の第1アンテナ素子11を除いたものであるので、全体の大きさは、第1アンテナ21a,21bと同様である。
第2アンテナ22aに関し、説明を省略した点については、第1アンテナ21a,21bと同様である。
また、図8のアレイアンテナ2及び図9のアレイアンテナ2を組み合わせることで、水平偏波及び垂直偏波に対応したアレイアンテナを構成することができる。
このループアンテナ素子12は、1波長ループアンテナである。つまり、ループアンテナ素子12の周長(ループ1周分の長さ)は、1.5GHzの約1波長(λ1.5G=204mm)分の長さを有している。
図示のループアンテナ素子12は、矩形状のループとして形成されており、短辺11aの長さが35mm、長辺12bの長さが67mmに設定されている。
なお、ループアンテナ素子12の具体的形状やその寸法は、特に限定されるものではなく、円形状又は楕円状のループなどの他の形状を採用することもできる。
第2アンテナ22aの線路16の全長(一方のアンテナ素子13から他方のアンテナ素子13までの長さ=アンテナ素子13,13の素子間隔)は、λ2.0G/2=84mmである。
したがって、図10では、第2アンテナ22aも小型化されており、第1アンテナ21a,21bの間に配置することがさらに容易となっている。
また、図10のアレイアンテナ2及び図11のアレイアンテナ2を組み合わせることで、水平偏波及び垂直偏波に対応したアレイアンテナを構成することができる。
図12は、第2実施形態として、アレイアンテナ2を構成する第1アンテナ21を、2波共用アンテナ(800MHz/2.0GHz)とし、第2アンテナ22を、1波アンテナ(2.0GHz)としたものを示している。
第2実施形態では、第1アンテナ21の間には、二つの第2アンテナ22が設けられている。
また、第2実施形態においても、第1実施形態と同様の位相調整を行うことができる。
図13は、アンテナシステム1のアレイアンテナ2を、1種類の多周波共用アンテナ(3波共用アンテナ;第1アンテナ)21だけで構成したものを示している。
チルト角は、アンテナ21間の位相差Lに依存して決まるため、複数の周波数の信号が合成された状態で流れる部分において位相差を調整することで、複数の周波数全てのチルト角を調整できる。
[4.1 付記1]
本発明に関して、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
ビームを複数の方向に指向させることができるアンテナシステムの構成は次の通りである。アンテナシステムは、複数の第1アンテナと、前記複数の第1アンテナの間に配置された1又は複数の第2アンテナと、を含むアレイアンテナを備え、複数の前記第1アンテナそれぞれの間の給電位相差と、複数の前記第2アンテナそれぞれの間の給電位相差と、が異なっていることで、前記アレイアンテナにおけるビームが複数の方向に指向している。
アレイアンテナのチルト角制御に関する発明は、次のとおりである。アンテナシステムは、複数のアンテナを有するアレイアンテナと、前記複数のアンテナそれぞれの間の給電位相差を調整して、ビームのチルト角を変化させる位相調整部と、を備え、前記複数のアンテナは、それぞれ、複数の周波数に共振するよう構成された多周波共用アンテナであり、前記位相調整部は、前記多周波共用アンテナに接続された給電線路のうち、前記複数の周波数の信号に共用される部分に設けられている。
2 アレイアンテナ
3a 第1位相調整部
3b 第2位相調整部
4a 第1周波数共用器
4b 第2周波数共用器
5 制御部
6a,6b,6c 送受信機
7a,7b,7c 給電線
8a,8b 給電線
11 第1アンテナ素子
12 第2アンテナ素子
13 第3アンテナ素子
21a〜21f 第1アンテナ(多周波共用アンテナ)
22a〜22e 第2アンテナ(多周波共用アンテナ)
31a,32a,33a 可変移相器
31b,32b,33b 可変移相器
Claims (9)
- 複数の第1アンテナと、
複数の前記第1アンテナの間に配置された1又は複数の第2アンテナと、
を含み、
前記第1アンテナは、複数の周波数に共振するよう構成された多周波共用アンテナであり、
前記第2アンテナは、前記第1アンテナが共振する前記複数の周波数のうち、少なくとも最も低い周波数を除いた、残りの1又は複数の周波数に共振するよう構成されている
アレイアンテナ。 - 請求項1記載のアレイアンテナと、
複数の前記第1アンテナそれぞれの間の給電位相差を調整して、ビームのチルト角を変化させる第1位相調整部と、
複数の前記第2アンテナそれぞれの間の給電位相差を調整して、ビームのチルト角を変化させる第2位相調整部と、
を備え、
前記第1位相調整部は、前記第1アンテナに接続された給電線路のうち、前記第1アンテナが共振する前記複数の周波数の信号に共用される部分に設けられている
アンテナシステム。 - 前記第2位相調整部は、前記第2アンテナに接続された給電線路のうち、前記第2アンテナが共振する前記複数の周波数の信号が合成された状態で流れる部分に設けられている
請求項2記載のアンテナシステム。 - 前記ビームのチルト角を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、前記給電位相差が変化するように前記第1位相調整部及び第2位相調整部を制御することで、前記第1アンテナが共振する前記複数の周波数それぞれのビームのチルト角を同一角度で変更させる
請求項2又は3記載のアンテナシステム。 - 前記ビームのチルト角を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、複数の前記第1アンテナそれぞれの間の給電位相差と、複数の前記第2アンテナそれぞれの間の給電位相差と、を独立して制御することで、前記第1アンテナが共振する前記複数の周波数のうち、前記第2アンテナにおいても共振する1又は複数の周波数のビームのチルト角と、それ以外の周波数のビームのチルト角と、を異ならせる
請求項2又は3記載のアンテナシステム。 - 前記制御部は、前記第1アンテナが共振する前記複数の周波数のうち、前記第2アンテナにおいても共振する1又は複数の周波数のビームが、それ以外の周波数のビームよりも上方を向くように制御する
請求項5記載のアンテナシステム。 - 前記第1アンテナは、前記第1アンテナが共振する前記複数の周波数それぞれに対応して共振する複数のアンテナ素子を備え、
前記複数のアンテナ素子として、ダイポール素子と、ループ状のアンテナ素子と、を含み、
前記ループ状のアンテナ素子は、前記第1アンテナが共振する前記複数の周波数のうち最も低い周波数で共振するアンテナ素子であり、
前記ダイポール素子は、前記ループ状のアンテナ素子の外周側に配置され、前記ループ状のアンテナ素子の内周側には非配置である
請求項1記載のアレイアンテナ。 - 前記第2アンテナは、前記第2アンテナが共振する前記複数の周波数それぞれに対応して共振する複数のアンテナ素子を備え、
前記複数のアンテナ素子として、ダイポール素子と、ループ状のアンテナ素子と、を含み、
前記ループ状のアンテナ素子は、前記第2アンテナが共振する前記複数の周波数のうち最も低い周波数で共振するアンテナ素子であり、
前記ダイポール素子は、前記ループ状のアンテナ素子の外周側に配置され、前記ループ状のアンテナ素子の内周側には非配置である
請求項1又は7記載のアレイアンテナ。 - 前記第1アンテナが共振する前記複数の周波数のうち最も高い周波数は、前記第1アンテナが共振する前記複数の周波数のうち最も低い周波数の1.5倍以上である
請求項1,7,及び8のいずれか1項に記載のアレイアンテナ。
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