JP4163184B2 - アレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

従来の移動通信用基地局アンテナ装置の概略図である。 従来の移動通信用基地局用の位相器付きアンテナ装置の概略図である。 本発明の実施例１に従ったアンテナ装置の概略図である。 実施例１のアンテナ装置のアンテナ利得特性を示すグラフである。 実施例１のアンテナ装置のサイドローブレベル特性を示すグラフである。 実施例１のアンテナ装置において優れたアンテナ利得とサイドローブ特性を示すθ2およびθ3の分布図である。 実施例１のアンテナ装置における垂直面内指向性を示すグラフである。 本発明の実施例２に従ったアンテナ装置の概略図である。 実施例２のアンテナ装置におけるアンテナ利得特性を示すグラフである。 実施例２のアンテナ装置のサイドローブレベル特性を示すグラフである。 実施例２のアンテナ装置における垂直面内指向性を示すグラフである。 本発明の実施例３に従ったアンテナ装置の概略図である。 本発明の実施例４に従ったアンテナ装置の概略図である。

符号の説明

３０ アンテナ装置
３１，３２，３５ アンテナブロック
３３ ケーブル

Claims (7)

1. アレーアンテナ装置であって：
   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。
2. 1.0θ1≦θ2≦2.65θ1、かつ1.0θ1≦θ3≦3.4θ1の条件を実質的に満足する請求項1に記載のアレーアンテナ装置。
3. θ3が実質的にθ2と同一であり、1.3θ1 ≦θ2≦ 2.6θ1の条件を満足する請求項1に記載のアレーアンテナ装置。
4. 前記最上部および最下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ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかの請求項に記載のアレーアンテナ装置。
5. 前記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請求項1乃至請求項3のいずれかの請求項に記載のアレーアンテナ装置。
6. 前記第２の所定方向が垂直方向である、上記請求項のうちいずれかの請求項に記載のアレーアンテナ装置。
7. 前記第１の所定方向が垂直方向である、上記請求項のうちいずれかの請求項に記載のアレーアンテナ装置。