JP4163184B2 - Array antenna device - Google Patents
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本発明は、アレーアンテナ装置に関し、特に一端部と他端部におけるアンテナブロックのアンテナ素子のチルト角が中間部におけるアンテナブロックのアンテナ素子のチルト角とは異なることを特徴とするアレーアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an array antenna device, and more particularly to an array antenna device characterized in that the tilt angle of the antenna element of the antenna block at one end and the other end is different from the tilt angle of the antenna element of the antenna block at the intermediate portion.
従来の移動通信システム用基地局アンテナ装置の一例を図１に概略的に示す。図１に示すアンテナ装置１０は、垂直に配列した４素子のアンテナ素子１１によって構成されるアンテナブロック１２を７個垂直方向に縦列的に並べた合計２８素子から成るアレーアンテナである（N = ４、M = ７）。 An example of a conventional base station antenna device for a mobile communication system is schematically shown in FIG. The antenna device 10 shown in FIG. 1 is an array antenna composed of a total of 28 elements in which seven antenna blocks 12 constituted by four antenna elements 11 arranged vertically are arranged in tandem in the vertical direction (N = 4). , M = 7).
また図２に示すように、アンテナの垂直面内における放射方向（主ビーム方向）を制御するために各アンテナブロックに接続された給電ケーブルの途中に移相器２４を介挿することもある。 In addition, as shown in FIG. 2, a phase shifter 24 may be inserted in the middle of the feeding cable connected to each antenna block in order to control the radiation direction (main beam direction) in the vertical plane of the antenna.
移動通信システムの基地局アンテナは品質ならびに加入者容量を確保するため隣接ゾーンとの干渉を抑えることが望まれる。アンテナの主ビーム方向を下方に傾斜させて俯角を設けると、主ビーム方向より上方向におけるサイドローブが干渉の原因になる。また、都市部における高層化に伴い、基地局アンテナよりも高い位置にある移動局等に対しては、仰角方向（天空方向、すなわち水平方向より上の方向全て）におけるサイドローブが干渉の原因となる。 It is desired that a base station antenna of a mobile communication system suppresses interference with an adjacent zone in order to ensure quality and subscriber capacity. When the main beam direction of the antenna is tilted downward and a depression angle is provided, side lobes above the main beam direction cause interference. Also, with the rise in urban areas, side lobes in the elevation direction (the sky direction, ie all directions above the horizontal direction) cause interference for mobile stations and the like that are higher than the base station antenna. Become.
従って、垂直面内におけるアンテナの指向特性において仰角方向（天空方向、すなわち水平方向より上の方向全て）におけるサイドローブレベルを抑える必要性がある。従来のサイドローブを抑制したアンテナとしてはチェビシェフ分布型アレーアンテナが存在するが放射素子の位置によって励振振幅値を変える必要があるため、電力分配器の設計が非常に複雑となり好ましくない。 Therefore, it is necessary to suppress the side lobe level in the elevation angle direction (the sky direction, that is, all directions above the horizontal direction) in the directivity characteristics of the antenna in the vertical plane. A Chebyshev distributed array antenna exists as a conventional antenna in which side lobes are suppressed. However, since it is necessary to change the excitation amplitude value depending on the position of the radiating element, the design of the power distributor becomes very complicated, which is not preferable.
そこで、本発明はこうした従来アンテナの問題点を解決するものであり、複数のアンテナ素子にて構成されるサブアレーアンテナブロックを垂直方向に配置したアレーアンテナにおいて、最上部と最下部のアンテナブロックのチルト角と最上部と最下部との間に位置するアンテナブロックのチルト角を異ならしめることによって容易にサイドローブレベルを低減することができるようにしたものである。 Therefore, the present invention solves such problems of the conventional antenna. In an array antenna in which sub-array antenna blocks composed of a plurality of antenna elements are arranged in a vertical direction, the tilt of the uppermost and lowermost antenna blocks is tilted. The side lobe level can be easily reduced by making the tilt angle of the antenna block located between the corner and the uppermost part and the lowermost part different.
本発明の特徴に従ったアレーアンテナ装置は、
第１の所定方向に配列され、所定のチルト角を有するN個のアンテナ素子から構成されるアンテナブロックを第２の所定方向にM個縦列配置し；
該M個のアンテナブロックのうち一端部アンテナブロックの少なくとも一部のアンテナ素子のチルト角θ2及び他端部アンテナブロックの少なくとも一部のアンテナ素子のチルト角θ3が、一端部と他端部との間に位置する（Ｍ−２）個のアンテナブロックの平均チルト角θ1とは異なることを特徴とする。
An array antenna apparatus according to the features of the present invention comprises:
M antenna blocks arranged in a first predetermined direction and composed of N antenna elements having a predetermined tilt angle are arranged in tandem in a second predetermined direction;
Among the M antenna blocks, the tilt angle θ2 of at least some antenna elements of the one end antenna block and the tilt angle θ3 of at least some antenna elements of the other end antenna block are It is characterized by being different from the average tilt angle θ1 of the (M−2) antenna blocks located between them.
上記アレーアンテナ装置において、1.0θ1≦θ2≦2.65θ1、かつ1.0θ1≦θ3≦3.4θ1の条件を実質的に満足するように構成できる。 The array antenna device can be configured to substantially satisfy the conditions of 1.0θ1 ≦ θ2 ≦ 2.65θ1 and 1.0θ1 ≦ θ3 ≦ 3.4θ1.
上記アレーアンテナ装置において、θ3が実質的にθ2と同一であり、1.2θ1 ≦θ2≦ 2.6θ1の条件を満足するように構成できる。 The array antenna apparatus can be configured so that θ3 is substantially the same as θ2, and satisfies the condition of 1.2θ1 ≦ θ2 ≦ 2.6θ1.
上記アレーアンテナ装置において、一端部および他端部のアンテナブロックのうち少なくとも一方のアンテナブロックのチルト角が可変であるように構成できる。 The array antenna device can be configured such that the tilt angle of at least one of the one end block and the other end antenna block is variable.
上記アレーアンテナ装置において、アンテナブロックの各々に対して移相器が接続されており、アンテナブロックへの入力励振電力の位相を調整することのできるように構成できる。 In the array antenna apparatus, a phase shifter is connected to each of the antenna blocks, and the phase of the input excitation power to the antenna block can be adjusted.
上記アレーアンテナ装置において、上記の第２の所定方向が垂直方向であるように構成できる。 In the array antenna apparatus, the second predetermined direction may be a vertical direction.
上記アレーアンテナ装置において、上記の第１の所定方向が垂直方向であるように構成できる。 In the array antenna apparatus, the first predetermined direction may be a vertical direction.
上記アレーアンテナ装置において、一端部が最上部であり、他端部が最下部となるように構成できる。 The array antenna device can be configured such that one end is the top and the other end is the bottom.
本発明の実施例に従ったアンテナ装置によれば、垂直面内における指向特性において仰角方向におけるサイドローブレベルを抑えることができる。 According to the antenna device according to the embodiment of the present invention, the side lobe level in the elevation angle direction can be suppressed in the directivity characteristics in the vertical plane.
以下、図面を参照しながら本発明に従ったアンテナ装置の実施例について説明する。 Hereinafter, embodiments of an antenna device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
［実施例１］
図３に本発明の実施例１に従ったアンテナ装置３０を概略的に示す。アンテナ装置３０は、垂直方向に配列した４素子のアンテナ素子によって構成されるアンテナブロックを７個垂直方向に縦列的に並べた合計28素子から成るアレーアンテナである（N = ４、M = ７であるが、これらに限定されない）。最上部のアンテナブロック３２と最下部のアンテナブロック３５のチルト角（俯角、すなわち水平方向を基準として下方向に傾いた角度）をそれぞれθ２，θ３とする。また最上部と最下部との間に中央部に位置する5個のアンテナブロック３１のチルト角（俯角）をθ１とする。
[Example 1]
FIG. 3 schematically shows an antenna device 30 according to the first embodiment of the present invention. The antenna device 30 is an array antenna composed of a total of 28 elements in which seven antenna blocks composed of four antenna elements arranged in the vertical direction are arranged in a vertical column (N = 4, M = 7). But not limited to). The tilt angles of the uppermost antenna block 32 and the lowermost antenna block 35 (the depression angles, that is, the angles inclined downward with respect to the horizontal direction) are θ2 and θ3, respectively. Further, the tilt angle (the depression angle) of the five antenna blocks 31 located at the center between the uppermost part and the lowermost part is defined as θ1.
θ１を５度（deg）に固定し、θ２及びθ３を変化させた場合のアンテナ利得を図４に濃淡で示す。仰角方向におけるサイドローブ特性を図５に濃淡で示す。図４及び図５において、横軸及び縦軸はθ１によって正規化した（θ１を１とした）θ２，θ３を示している。図４において濃淡で示したアンテナ利得は、従来アンテナ装置のアンテナ利得によって正規化した値である。図５において濃淡で示したサイドローブ特性は、仰角方向における第１サイドローブ値を示すものである。 The antenna gain when θ1 is fixed at 5 degrees (deg) and θ2 and θ3 are changed is shown by shading in FIG. The side lobe characteristics in the elevation direction are shown in FIG. 4 and 5, the horizontal and vertical axes indicate θ2 and θ3 normalized by θ1 (θ1 is 1). The antenna gain shown in shades in FIG. 4 is a value normalized by the antenna gain of the conventional antenna device. The side lobe characteristics shown by shading in FIG. 5 indicate the first side lobe value in the elevation angle direction.
図４において従来のアンテナ装置からの利得劣化が１ｄＢ以下であり、かつ図５においてサイドローブレベルが−１５ｄＢ以下となるようなθ２，θ３の組み合わせを図６に示す。以上のように利得を確保しつつサイドローブ特性が優れたアンテナ装置を得るためには
1.0θ１ ≦θ２≦ 2.65θ１かつ1.0θ１ ≦θ3≦ 3.4 θ１
の条件を満たす必要がある。
FIG. 6 shows combinations of θ2 and θ3 in which the gain degradation from the conventional antenna apparatus in FIG. 4 is 1 dB or less and the side lobe level is −15 dB or less in FIG. To obtain an antenna device with excellent sidelobe characteristics while ensuring gain as described above
1.0θ1 ≦ θ2 ≦ 2.65θ1 and 1.0θ1 ≦ θ3 ≦ 3.4 θ1
It is necessary to satisfy the conditions.
チルト角θ２は、ケーブル３３からアンテナブロック３２内の各アレーアンテナ素子までの経路の物理的距離に所定の差を設けることにより、設定することが可能である。また、ケーブル３３とアンテナブロック３２内の各アレーアンテナ素子との間にそれぞれ位相器を設けることにより、チルト角θ２を可変にすることもできる。チルト角θ３についても同様に、設定或いは可変にできる。 The tilt angle θ2 can be set by providing a predetermined difference in the physical distance of the path from the cable 33 to each array antenna element in the antenna block 32. Further, by providing a phase shifter between the cable 33 and each array antenna element in the antenna block 32, the tilt angle θ2 can be made variable. Similarly, the tilt angle θ3 can be set or made variable.
実施例１において、θ２ = 9.7 (deg.) ，θ３ = 12.0 (deg.)とした場合のアンテナ装置３０の垂直面内指向性を図７に示す。図７から分かるように、従来のアンテナ装置に比べて天空方向、すなわち仰角（俯角がマイナス）方向の部分におけるサイドローブレベルが改善されており、特に０度付近における仰角サイドローブレベルが大きく改善されている。 FIG. 7 shows the directivity within the vertical plane of the antenna device 30 when θ2 = 9.7 (deg.) And θ3 = 12.0 (deg.) In the first embodiment. As can be seen from FIG. 7, the side lobe level in the sky direction, that is, the elevation angle (the depression angle is minus) direction is improved as compared with the conventional antenna device, and the elevation side lobe level in the vicinity of 0 degrees is greatly improved. ing.
このように、本発明の実施例によれば、仰角サイドローブ特性が大きく改善される。
［実施例２］
図８に本発明の実施例２に従ったアンテナ装置８０を概略的に示す。本アンテナ装置８０は、垂直方向に配列した４素子のアンテナ素子によって構成されるアンテナブロックを７個垂直方向に縦列的に並べた合計２８素子から成るアレーアンテナである（N = ４、M = ７であるが、これらに限定されない）。最上部のアンテナブロック８２と最下部のアンテナブロック８５のチルト角は同様とし、いずれもθ２とする。また最上部と最下部との間に位置する５個のアンテナブロック８１のチルト角（俯角）をθ１とする。
Thus, according to the embodiment of the present invention, the elevation sidelobe characteristic is greatly improved.
[Example 2]
FIG. 8 schematically shows an antenna device 80 according to the second embodiment of the present invention. This antenna device 80 is an array antenna composed of a total of 28 elements in which seven antenna blocks configured by four antenna elements arranged in the vertical direction are arranged in a vertical direction (N = 4, M = 7). But not limited to these). The tilt angles of the uppermost antenna block 82 and the lowermost antenna block 85 are the same, and both are θ2. Further, the tilt angle (the depression angle) of the five antenna blocks 81 located between the uppermost part and the lowermost part is defined as θ1.
θ１を５度（deg）に固定し、θ２を変化させた場合のアンテナ利得を図９に曲線で示す。仰角方向におけるサイドローブ特性を図１０に曲線で示す。図９及び図１０の横軸はθ１によって正規化したθ２を示してある。図９のアンテナ利得は従来のアンテナ装置のアンテナ利得によって正規化した値であり、図１０のサイドローブ特性は仰角方向における第１サイドローブ値をデシベルで示したものである。 The antenna gain when θ1 is fixed at 5 degrees (deg) and θ2 is changed is shown by a curve in FIG. The side lobe characteristics in the elevation direction are shown by curves in FIG. The horizontal axes of FIGS. 9 and 10 indicate θ2 normalized by θ1. The antenna gain in FIG. 9 is a value normalized by the antenna gain of the conventional antenna apparatus, and the side lobe characteristic in FIG. 10 is the first side lobe value in the elevation angle direction expressed in decibels.
図９より分かるように、従来のアンテナ装置からの利得劣化を１ｄＢ以下にするためには−０．５θ１≦θ２≦２．６θ１とすべきである。また、図１０より分かるように、サイドローブレベルを−１５ｄＢ以下にするためには１．３θ１ ≦θ２≦ ３．４θ１とすべきである。従って、上記のように利得を確保しつつサイドローブ特性が優れたアンテナ装置を得るためには、
１．３θ１ ≦θ２≦ ２．６θ１の条件を満たす必要がある。
As can be seen from FIG. 9, in order to reduce the gain deterioration from the conventional antenna apparatus to 1 dB or less, it should be −0.5θ1 ≦ θ2 ≦ 2.6θ1. Further, as can be seen from FIG. 10, in order to set the side lobe level to −15 dB or less, it should be 1.3θ1 ≦ θ2 ≦ 3.4θ1. Therefore, in order to obtain an antenna device with excellent sidelobe characteristics while ensuring gain as described above,
It is necessary to satisfy the condition of 1.3θ1 ≦ θ2 ≦ 2.6θ1.
実施例２において、θ２ = 10.9 (deg.)とした場合のアンテナ装置８０の垂直面内指向性を図１１に示す。図１１から分かるように、従来のアンテナ装置に比べて天空方向、すなわち仰角（俯角がマイナス）方向の部分におけるサイドローブレベルが改善されており、特に０度付近における仰角サイドローブレベルが大きく改善されている。 FIG. 11 shows the directivity in the vertical plane of the antenna device 80 when θ2 = 10.9 (deg.) In the second embodiment. As can be seen from FIG. 11, the side lobe level in the sky direction, that is, the elevation angle (the depression angle is minus) direction, is improved as compared with the conventional antenna device, and the elevation side lobe level particularly in the vicinity of 0 degrees is greatly improved. ing.
このように、本発明の実施例によれば、仰角サイドローブ特性が大きく改善される。
［実施例３］
図１２に本発明の実施例３に従ったアンテナ装置１２０を概略的に示す。本アンテナ装置１２０は、図３に示した実施例１のアンテナ装置３０において、各アンテナブロックに接続される給電ケーブルに移相器１２４を接続した構成である。位相器１２４を一斉に調整することにより、主ビームの方向を制御することができ、柔軟なエリア構成が可能となる。
［実施例４］
図１３に本発明の実施例４に従ったアンテナ装置１３０を概略的に示す。本アンテナ装置１３０は、図８に示した実施例２のアンテナ装置８０において、各アンテナブロックに接続される給電ケーブルに移相器１３４を接続した構成である。位相器１３４を一斉に調整することにより、主ビームの方向を制御することができ、柔軟なエリア構成が可能となる。
Thus, according to the embodiment of the present invention, the elevation sidelobe characteristic is greatly improved.
[Example 3]
FIG. 12 schematically shows an antenna device 120 according to a third embodiment of the present invention. The antenna device 120 has a configuration in which a phase shifter 124 is connected to a power feeding cable connected to each antenna block in the antenna device 30 of the first embodiment shown in FIG. By adjusting the phase shifters 124 all at once, the direction of the main beam can be controlled, and a flexible area configuration is possible.
[Example 4]
FIG. 13 schematically shows an antenna device 130 according to a fourth embodiment of the present invention. The antenna device 130 has a configuration in which the phase shifter 134 is connected to a power feeding cable connected to each antenna block in the antenna device 80 of the second embodiment illustrated in FIG. 8. By adjusting the phase shifter 134 all at once, the direction of the main beam can be controlled, and a flexible area configuration is possible.
少なくとも一部のアンテナブロック内の４素子のアンテナ素子は、水平方向に配列しても良い。暗転ブロック内の素子の配列方向と、アンテナブロックどうしの配列方向は異なっていても良い。また、アンテナブロックどうしの配列は水平方向であっても良く、その場合には、所定の右半球または左半球方向へのサイドローブを抑制することが可能となる。 At least four antenna elements in at least some of the antenna blocks may be arranged in the horizontal direction. The arrangement direction of the elements in the dark block and the arrangement direction of the antenna blocks may be different. Further, the arrangement of the antenna blocks may be in the horizontal direction. In this case, side lobes in a predetermined right hemisphere or left hemisphere direction can be suppressed.
θ２、θ３は、最上部、最下部のアンテナブロック内の一部のアンテナ素子のチルト角であっても良い。その場合、残りのアンテナ素子のチルト角はθ１であって良い。 θ2 and θ3 may be tilt angles of some antenna elements in the uppermost and lowermost antenna blocks. In that case, the tilt angle of the remaining antenna elements may be θ1.
θ１は、中央部のアンテナブロック内の平均的なチルト角であっても良い。 θ1 may be an average tilt angle in the central antenna block.
３０ アンテナ装置
３１，３２，３５ アンテナブロック
３３ ケーブル
30 Antenna device 31, 32, 35 Antenna block 33 Cable
Claims (7)
第１の所定方向に配列され、N個のアンテナ素子から構成され所定のチルト角を有するアンテナブロックを第２の所定方向にM個配置し；
該M個のアンテナブロックのうち最上部アンテナブロックのチルト角θ2及び最下部アンテナブロックのチルト角θ3が、最上部と最下部との間の中央部に位置する（Ｍ−２）個のアンテナブロックの平均チルト角θ1とは異なることを特徴とするアレーアンテナ装置。 An array antenna device:
M antenna blocks arranged in a first predetermined direction and composed of N antenna elements and having a predetermined tilt angle are arranged in a second predetermined direction;
Among the M antenna blocks, (M−2) antenna blocks in which the tilt angle θ2 of the uppermost antenna block and the tilt angle θ3 of the lowermost antenna block are located at the center between the uppermost part and the lowermost part. An array antenna apparatus, which is different from the average tilt angle θ1 of the antenna.
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