JP2981087B2 - Beam antenna - Google Patents

Beam antenna

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JP2981087B2
JP2981087B2 JP5191414A JP19141493A JP2981087B2 JP 2981087 B2 JP2981087 B2 JP 2981087B2 JP 5191414 A JP5191414 A JP 5191414A JP 19141493 A JP19141493 A JP 19141493A JP 2981087 B2 JP2981087 B2 JP 2981087B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は自動車電話あるいは携帯
電話などの移動無線方式における基地局アンテナに利用
する。特に二つの方向に指向性をもつビームアンテナに
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used for a base station antenna in a mobile radio system such as an automobile telephone or a portable telephone. In particular, it relates to a beam antenna having directivity in two directions.

【0002】本明細書では、地上で水平方向に異なる二
つの方向にビームを向けるような利用形態を想定して
「水平」、「垂直」という用語を使用するが、これはビ
ームを向ける方向に対する相対的な方向を意味し、実用
上の方向を限定するものではない。
[0002] In this specification, the terms "horizontal" and "vertical" are used assuming a use form in which a beam is directed in two different directions in the horizontal direction on the ground. It means a relative direction and does not limit a practical direction.

【0003】[0003]

【従来の技術】従来から、二つのアンテナ素子を位相差
90°のハイブリッド回路により合成することにより、
二つの方向に指向性が得られることが知られている。図
2にそのような従来例ビームアンテナの斜視図を示す。
2. Description of the Related Art Conventionally, by combining two antenna elements by a hybrid circuit having a phase difference of 90 °,
It is known that directivity can be obtained in two directions. FIG. 2 shows a perspective view of such a conventional beam antenna.

【0004】図2に示したビームアンテナは、アンテナ
素子として二つの垂直偏波放射素子1、2が水平方向に
並んで配置され、その背面には背面反射板3が設けられ
る。背面反射板3の水平方向の両側には、この背面反射
板3と同一の金属板を折り曲げるか、または別の金属板
を接着した側面反射板4、5が設けられる。二つの垂直
偏波放射素子1、2は給電線6を介してハイブリッド回
路7に接続される。ハイブリッド回路7は二つの垂直偏
波放射素子1、2の送信または受信信号に90°の位相
差を与えて合成し、二つの方向に指向性を得る。
In the beam antenna shown in FIG. 2, two vertically polarized radiation elements 1 and 2 are arranged horizontally as antenna elements, and a back reflector 3 is provided on the back. On both sides of the rear reflector 3 in the horizontal direction, side reflectors 4 and 5 in which the same metal plate as the rear reflector 3 is bent or another metal plate is bonded are provided. The two vertically polarized radiation elements 1 and 2 are connected to a hybrid circuit 7 via a feed line 6. The hybrid circuit 7 combines the transmission or reception signals of the two vertically polarized radiation elements 1 and 2 by giving a phase difference of 90 ° to obtain directivity in two directions.

【0005】図3は図2に示した従来例の動作を説明す
る平面図である。送信の場合について説明すると、二つ
の入出力端子8の一方に入力された信号は、ハイブリッ
ド回路7により90°の位相差が与えられ、垂直偏波放
射素子1、2から放射される。このとき、二つの垂直偏
波放射素子1、2の放射した電磁波に干渉が生じ、ひと
つの素子を単体で用いたときの水平ビームよりも狭い幅
のビームが形成される。また、入出力端子8の他方に入
力された信号は、ハイブリッド回路7により逆の90°
位相差が与えられ、別の方向に狭い幅のビームが形成さ
れる。したがって、異なる方向にビームを向けることが
できる。受信の場合にも同様であり、二つの方向に指向
性が得られる。
FIG. 3 is a plan view for explaining the operation of the conventional example shown in FIG. Explaining the case of transmission, a signal input to one of the two input / output terminals 8 is given a 90 ° phase difference by the hybrid circuit 7 and is emitted from the vertically polarized radiation elements 1 and 2. At this time, interference occurs between the electromagnetic waves emitted by the two vertically polarized radiation elements 1 and 2, and a beam having a width narrower than the horizontal beam when one element is used alone is formed. The signal input to the other of the input / output terminals 8 is inverted by the hybrid circuit 7 by 90 °.
A phase difference is provided and a narrow beam is formed in another direction. Thus, the beams can be directed in different directions. The same applies to the case of reception, and directivity is obtained in two directions.

【0006】このように、ひとつのアンテナで二つのビ
ームを形成できるので、基地局に設置するアンテナの本
数を半減させることができ、搭載重量を軽減できる。
As described above, since two beams can be formed by one antenna, the number of antennas installed in the base station can be halved and the mounting weight can be reduced.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来例に示し
たビームアンテナでは、半値幅が60°程度のビームを
発生させようとすると、主ビームと反対方向にサイドロ
ーブが発生する。このサイドローブのレベルは−10d
B程度であるため、目的のエリア以外に混信を与えてし
まう。
However, in the beam antenna shown in the prior art, if it is attempted to generate a beam having a half width of about 60 °, side lobes are generated in the direction opposite to the main beam. The level of this side lobe is -10d
Since it is about B, interference occurs in areas other than the target area.

【0008】一般に、素子間隔dが波長λに対してd≧
0.5λとなると、グレーティングサイドローブが大き
くなる。逆に、d≦0.5λとすると、結合減衰量が小
さく(放射素子間の結合が大きく)なり、インピーダン
スの周波数特性が劣化する問題がある。
In general, the element interval d is d ≧ d with respect to the wavelength λ.
At 0.5λ, the grating side lobe becomes large. Conversely, if d ≦ 0.5λ, there is a problem that the coupling attenuation is small (coupling between radiating elements is large) and the frequency characteristic of impedance is deteriorated.

【0009】本発明は、このような課題を解決し、放射
素子間の間隔を広げることなく大きな素子間結合減衰量
を得ることのできる構造のビームアンテナを提供するこ
とを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a beam antenna having a structure capable of solving such a problem and obtaining a large amount of inter-element coupling attenuation without increasing the distance between radiating elements.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明のビームアンテナ
は、二つの垂直偏波放射素子と、この二つの垂直偏波放
射素子の送信または受信信号に位相差を与えてビーム方
向を合成するハイブリッド回路とを備えたビームアンテ
ナにおいて、二つの垂直偏波放射素子は、水平方向に
0.3ないし0.4波長離れて配置され、さらに垂直方
向に0.4ないし0.5波長ずれて配置されたことを特
徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION A beam antenna according to the present invention comprises two vertically polarized radiating elements and a hybrid which combines the beam directions by giving a phase difference to the transmission or reception signals of the two vertically polarized radiating elements. Circuit, the two vertically polarized radiating elements are arranged at a distance of 0.3 to 0.4 wavelength in the horizontal direction, and are further arranged at a distance of 0.4 to 0.5 wavelength in the vertical direction. It is characterized by having.

【0011】ここで垂直偏波放射素子とは、実質的にひ
とつの直線方向の電磁波を送信または受信するアンテナ
素子であり、それが特定の方向に配置されたものをい
う。
Here, the vertically polarized radiation element is an antenna element for transmitting or receiving an electromagnetic wave in substantially one linear direction, and refers to an element arranged in a specific direction.

【0012】ハイブリッド回路により与えられる位相差
は一般には90°である。
[0012] The phase difference provided by the hybrid circuit is typically 90 °.

【0013】二つの垂直偏波放射素子の背面に配置され
た背面反射板と、この背面反射板の水平方向の両側から
垂直偏波放射素子が設けられた側に突出する側面反射板
とを備え、側面反射板の背面反射板から突出する長さが
0.1ないし0.2波長に設定されることがよい。
[0013] A back reflector disposed on the back of the two vertically polarized radiation elements, and side reflectors protruding from both sides in the horizontal direction of the rear reflector to the side on which the vertically polarized radiation elements are provided. The length of the side reflector protruding from the rear reflector may be set to 0.1 to 0.2 wavelength.

【0014】このようなビームアンテナを垂直方向に複
数配置することができる。
A plurality of such beam antennas can be arranged in the vertical direction.

【0015】[0015]

【作用】垂直偏波放射素子を垂直方向にずらして配置す
ることにより、素子間の結合減衰量が大きくなる。した
がって、水平方向の素子間隔を小さくしてグレーティン
グサイドローブを抑え、それでいて、結合減衰量を大き
くしてインピーダンスの周波数特性を良好に保つことが
できる。
By vertically disposing the vertically polarized radiation elements, the coupling attenuation between the elements is increased. Therefore, it is possible to suppress the grating side lobe by reducing the element spacing in the horizontal direction, and to maintain a good impedance frequency characteristic by increasing the coupling attenuation.

【0016】[0016]

【実施例】図1は本発明第一実施例のビームアンテナを
示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a beam antenna according to a first embodiment of the present invention.

【0017】このビームアンテナは、二つの垂直偏波放
射素子1、2を備え、この二つの垂直偏波放射素子1、
2の送信または受信信号に位相差を与えてビーム方向を
合成するハイブリッド回路7を備える。垂直偏波放射素
子1、2は給電線6を介してハイブリッド回路7に接続
される。二つの垂直偏波放射素子1、2の背面には背面
反射板3が配置され、この背面反射板3の水平方向の両
側から垂直偏波放射素子1、2が設けられた側に突出す
る側面反射板4、5を備える。すなわち、背面反射板3
と側面反射板4、5とは「コ」の字形に配置され、この
「コ」の字の内側に垂直偏波放射素子1、2が配置され
る。側面反射板4、5の背面反射板3から突出する長
さ、すなわち幅wh はwh =0.1〜0.2λである。
この側面反射板4、5により、水平方向に生じるサイド
ローブを抑えることができる。
This beam antenna includes two vertically polarized radiation elements 1 and 2, and the two vertically polarized radiation elements 1 and 2
And a hybrid circuit 7 for giving a phase difference to the two transmission or reception signals to combine the beam directions. The vertically polarized radiation elements 1 and 2 are connected to a hybrid circuit 7 via a feed line 6. A rear reflector 3 is disposed on the back of the two vertically polarized radiation elements 1 and 2, and a side surface protruding from both sides in the horizontal direction of the rear reflector 3 to the side where the vertically polarized radiation elements 1 and 2 are provided. It has reflectors 4 and 5. That is, the back reflector 3
The side reflectors 4 and 5 are arranged in a “U” shape, and the vertically polarized radiation elements 1 and 2 are arranged inside the “U” shape. The length of the side reflectors 4 and 5 protruding from the rear reflector 3, that is, the width w h is w h = 0.1 to 0.2λ.
The side lobes 4 and 5 can suppress side lobes generated in the horizontal direction.

【0018】ここで本実施例の特徴とするところは、二
つの垂直偏波放射素子1、2が、水平方向にd=0.3
〜0.4λ離れて配置され、さらに垂直方向にh=0.
4〜0.5λずれて配置されたことにある。
The feature of this embodiment is that the two vertically polarized radiating elements 1 and 2 have d = 0.3 in the horizontal direction.
~ 0.4λ apart, and h = 0.
That is, they are arranged with a deviation of 4 to 0.5λ.

【0019】ハイブリッド回路7により与えられる位相
差は通常は90°であるが、位相器を調整して垂直偏波
放射素子1、2上の位相分布を調整することができる。
Although the phase difference provided by the hybrid circuit 7 is usually 90 °, the phase distribution on the vertically polarized radiation elements 1 and 2 can be adjusted by adjusting the phase shifter.

【0020】図4は本実施例の動作原理を説明する図で
あり、二つの垂直偏波放射素子を水平に並べた場合と垂
直に並べた場合の素子間隔に対する結合減衰量を示す。
この結合減衰量は、 Lcoup=20・log〔2Rr /|Zm |〕 で表される。ここで、Rr は放射抵抗であり、Zm はイ
ンピーダンスである。図4に示したように、素子相互間
の結合減衰量は、垂直に並べた場合と水平に並べた場合
とでは垂直に配置した場合のほうが大きくなっている。
このことから、垂直偏波放射素子1、2を上述したよう
に配置することにより、大きな減衰量が得られ、好結果
が得られるものと考えられる。
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of operation of the present embodiment, and shows the coupling attenuation with respect to the element spacing when two vertically polarized radiation elements are arranged horizontally and vertically.
This coupling attenuation is represented by L coup = 20 · log [2R r / | Z m |]. Here, R r is the radiation resistance and Z m is the impedance. As shown in FIG. 4, the coupling attenuation between the elements is larger in the case where they are arranged vertically and in the case where they are arranged horizontally than in the case where they are arranged vertically.
From this, it is considered that by arranging the vertically polarized radiation elements 1 and 2 as described above, a large amount of attenuation is obtained and a good result is obtained.

【0021】図1に示した構造のビームアンテナを実際
に試作して素子間の結合減衰量と放射指向特性とについ
て測定した。これについて図5ないし図11を参照して
説明する。
A beam antenna having the structure shown in FIG. 1 was actually manufactured as a prototype, and the coupling attenuation between the elements and the radiation directivity were measured. This will be described with reference to FIGS.

【0022】図5は実施例の具体的な構造を示し、図6
は比較例の構造を示す。また、図7は垂直偏波放射素子
1、2の詳しい構造を示す。垂直偏波放射素子1、2
は、縦a×横b=200mm×80mm、それぞれの中
心の水平間隔d=120mm、同じく垂直間隔h=15
0mm(比較例の場合はh=0)とし、背面反射板3の
幅W=250mm、側面反射板4、5の幅wh =50m
mとした。垂直偏波放射素子1、2としては、3層構造
のマイクロストリップアンテナを用いた。その構造は、
縦a=200mm、横b=80mmの基板11上に縦方
向の長さc=96mmの金属薄膜12を形成し、その金
属薄膜12から高さe=7mmだけ浮かして縦方向の長
さf1 =f2 =56mmの二つの金属板13、14をg
=8mm離して設け、さらに基板11から高さi=42
mmだけ浮いた位置に縦k=114mm、横j=50m
mの金属板15を配置したものである。金属板13、1
4、15は支柱により取り付けられ、金属薄膜12およ
び金属板13、14、15は空気中に保持されている。
FIG. 5 shows a specific structure of the embodiment, and FIG.
Indicates the structure of the comparative example. FIG. 7 shows a detailed structure of the vertically polarized radiation elements 1 and 2. Vertically polarized radiation elements 1, 2
Is vertical a × b = 200 mm × 80 mm, horizontal distance d at each center is 120 mm, and vertical distance h is 15
0 mm (h = 0 in the case of the comparative example), the width W of the rear reflector 3 is 250 mm, and the width w h of the side reflectors 4 and 5 is 50 m.
m. As the vertically polarized radiation elements 1 and 2, a microstrip antenna having a three-layer structure was used. Its structure is
A metal thin film 12 having a vertical length c = 96 mm is formed on a substrate 11 having a vertical length a = 200 mm and a horizontal width b = 80 mm. The metal thin film 12 is floated from the metal thin film 12 by a height e = 7 mm to have a vertical length f 1. = F 2 = 56 mm for two metal plates 13 and 14
= 8 mm apart, and height i = 42 from the substrate 11
mm = 114 mm, width j = 50 m
m metal plates 15 are arranged. Metal plate 13, 1
Reference numerals 4 and 15 are attached by columns, and the metal thin film 12 and the metal plates 13, 14, and 15 are held in the air.

【0023】図8、図9は図5に示した構造による測定
結果を示し、図10、図11は図6に示した比較例によ
る測定結果を示す。図8、図10は垂直偏波放射素子間
の結合減衰量を示し、図9、図11は900MHzにお
ける放射指向特性を示す。図9、図11において、実線
が垂直偏波の特性を示し、一点鎖線は水平偏波の特性を
示す。これらの図から、実施例の場合には、いくつかの
周波数において大きな結合減衰量が得られ、サイドロー
ブレベルが−20dB程度と小さくなることがわかる。
FIGS. 8 and 9 show the measurement results by the structure shown in FIG. 5, and FIGS. 10 and 11 show the measurement results by the comparative example shown in FIG. 8 and 10 show the coupling attenuation between vertically polarized radiating elements, and FIGS. 9 and 11 show the radiation directivity characteristics at 900 MHz. 9 and 11, the solid line indicates the characteristic of vertical polarization, and the dashed line indicates the characteristic of horizontal polarization. From these figures, it can be seen that in the case of the embodiment, a large coupling attenuation is obtained at some frequencies, and the side lobe level is reduced to about −20 dB.

【0024】ここではマイクロストリップアンテナを用
いた例を示したが、ダイポールアンテナを用いた場合に
も同様の結果が得られた。
Although an example using a microstrip antenna is shown here, similar results were obtained when a dipole antenna was used.

【0025】図12は本発明第二実施例のビームアンテ
ナを示す図である。垂直偏波放射素子および反射板の構
造を斜視図で示す。この実施例は、第一実施例に示した
ビームアンテナを垂直方向に複数配置したことを特徴と
する。すなわち、二個一組の垂直偏波放射素子1、2を
複数組備え、その組ごとにハイブリッド回路7が設けら
れる。これらのハイブリッド回路7にはそれぞれ位相器
9が接続され、垂直偏波放射素子1、2の上の位相分布
を調整することができる。
FIG. 12 is a view showing a beam antenna according to the second embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing the structure of a vertically polarized radiation element and a reflector. This embodiment is characterized in that a plurality of beam antennas shown in the first embodiment are arranged in the vertical direction. That is, a plurality of pairs of vertically polarized radiation elements 1 and 2 are provided, and a hybrid circuit 7 is provided for each pair. A phase shifter 9 is connected to each of these hybrid circuits 7 so that the phase distribution on the vertically polarized radiation elements 1 and 2 can be adjusted.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のビームア
ンテナは、水平方向の素子間隔を小さくしてグレーティ
ングサイドローブを抑えることができ、それでいて、放
射素子間の結合減衰量を大きくしてインピーダンスの周
波数特性を良好に保つことができる効果がある。
As described above, the beam antenna according to the present invention can reduce the grating side lobe by reducing the horizontal element spacing, and increase the coupling attenuation between radiating elements to increase the impedance. This has the effect that the frequency characteristics of can be kept good.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明第一実施例のビームアンテナの構造を示
す斜視図。
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a beam antenna according to a first embodiment of the present invention.

【図2】従来例のビームアンテナを示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a conventional beam antenna.

【図3】従来例の動作を説明する平面図。FIG. 3 is a plan view illustrating an operation of a conventional example.

【図4】実施例の動作原理を説明する図。FIG. 4 is a diagram illustrating the operation principle of the embodiment.

【図5】実施例の具体的な構造を示す斜視図。FIG. 5 is a perspective view showing a specific structure of the embodiment.

【図6】比較例の構造を示す斜視図。FIG. 6 is a perspective view showing the structure of a comparative example.

【図7】垂直偏波放射素子の構造を示す斜視図。FIG. 7 is a perspective view showing the structure of a vertically polarized radiation element.

【図8】実施例における垂直偏波放射素子間の結合減衰
量を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing the coupling attenuation between vertically polarized radiation elements in the example.

【図9】実施例における900MHzの放射指向特性を
示す図。
FIG. 9 is a diagram showing a radiation directivity characteristic at 900 MHz in the example.

【図10】比較例における垂直偏波放射素子間の結合減
衰量を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing a coupling attenuation between vertically polarized radiation elements in a comparative example.

【図11】比較例における900MHzの放射指向特性
を示す図。
FIG. 11 is a diagram showing a radiation directivity characteristic at 900 MHz in a comparative example.

【図12】本発明第二実施例のビームアンテナの構造を
示す斜視図。
FIG. 12 is a perspective view showing the structure of a beam antenna according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、2 垂直偏波放射素子 3 背面反射板 4、5 側面反射板 6 給電線 7 ハイブリッド回路 8 入出力端子 9 位相器 11 基板 12 金属薄膜 13、14、15 金属板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Vertically polarized radiation element 3 Back reflector 4, 5 Side reflector 6 Feeding line 7 Hybrid circuit 8 Input / output terminal 9 Phaser 11 Substrate 12 Metal thin film 13, 14, 15 Metal plate

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 二つの垂直偏波放射素子と、 この二つの垂直偏波放射素子の送信または受信信号に位
相差を与えてビーム方向を合成するハイブリッド回路と
を備えたビームアンテナにおいて、 上記二つの垂直偏波放射素子は、水平方向に0.3ない
し0.4波長離れて配置され、さらに垂直方向に0.4
ないし0.5波長ずれて配置されたことを特徴とするビ
ームアンテナ。
1. A beam antenna comprising: two vertically polarized radiation elements; and a hybrid circuit for synthesizing a beam direction by giving a phase difference to transmission or reception signals of the two vertically polarized radiation elements. The two vertically polarized radiating elements are arranged 0.3 to 0.4 wavelengths apart in the horizontal direction, and 0.4
A beam antenna, wherein the beam antenna is arranged to be shifted by 0.5 wavelength.
【請求項2】 上記ハイブリッド回路により与えられる
位相差は90°である請求項1記載のビームアンテナ。
2. The beam antenna according to claim 1, wherein a phase difference provided by said hybrid circuit is 90 °.
【請求項3】 上記二つの垂直偏波放射素子の背面に配
置された背面反射板と、 この背面反射板の水平方向の両側から上記垂直偏波放射
素子が設けられた側に突出する側面反射板とを備え、 上記側面反射板の上記背面反射板から突出する長さが
0.1ないし0.2波長に設定された請求項1または2
記載のビームアンテナ。
3. A back reflector disposed on the back of the two vertically polarized radiation elements, and a side reflection projecting from both sides in the horizontal direction of the back reflector to a side on which the vertically polarized radiation element is provided. And a length of the side reflector protruding from the rear reflector is set to 0.1 to 0.2 wavelength.
The described beam antenna.
【請求項4】 請求項1ないし3のいずれか記載のビー
ムアンテナが垂直方向に複数配置されたことを特徴とす
るアンテナ装置。
4. An antenna device comprising a plurality of the beam antennas according to claim 1 arranged in a vertical direction.
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