JP4588749B2 - アレイアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、移動通信システム等における基地局用のアンテナとして好適に用いることができるアレイアンテナに関るものである。

移動体通信では、1つの基地局がカバーするエリアを扇状のセクタに分割して、周波数使用効率を向上させるようにしている。このようにエリアを扇状に分割するためには、基地局アンテナに指向性アンテナを用いて、希望する扇状の範囲にのみ電波を放射する必要がある。
上記基地局アンテナとして使用する指向性アンテナは、要求される水平面内指向性が狭い場合（例えば、１００°以下）、特許文献１に記載されているように、アンテナ素子を水平方向に２以上配列して構成する場合がある。
特開平６−６９７１６号公報

しかし、上記のような水平多素子配列アンテナは、２分配器等を用いて各アンテナ素子を合成する必要がある。このため、垂直方向に多段配列してアレイ化した場合、給電回路の構造が複雑化し、それに伴う構成部品数および組立工数の増加によって製造コストが上昇することになる。また、複数の周波数を共用する偏波共用アンテナ等を構成する場合には、個々の周波数に共振するアンテナ素子が近接配置されることになるので、それら相互の電気的な干渉のためにＶＳＷＲ（定在波比）や水平面内指向性などの電気特性の劣化を生じることが多い。

そこで、本発明の目的は、構造の簡単化とコストの低減を図りながら、良好な水平面内指向性を得ることができるアレイアンテナを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、垂直中心軸線を挟んで垂直方向に千鳥状に配列された複数のアンテナ素子ユニットを備える。前記アンテナ素子ユニットは、１または複数の周波数に共振するアンテナ素子によって構成され、前記アンテナ素子ユニットは、前記アンテナ素子を垂直方向に複数配列したサブアレイを有する。

前記アンテナ素子には、垂直偏波アンテナ素子、あるいは、水平偏波アンテナ素子を使用することができる。また、前記アンテナ素子として、水平偏波アンテナ素子と垂直偏波アンテナ素子とを組み合わせた偏波共用アンテナ素子を使用しても良い。
そして、前記アンテナ素子には、例えば、ダイポールアンテナ素子またはパッチアンテナ素子を使用することができる。

本発明に係るアレイアンテナは、垂直中心軸線を挟んで垂直方向に千鳥状に配列された複数のアンテナ素子ユニットを備え、前記アンテナ素子ユニットが１または複数の周波数に共振するアンテナ素子によって構成されるので、アンテナ素子数および分配器等の給電用部品を低減して、大幅なコストダウンを図ることができる。
また、アンテナ素子が千鳥状に配列されるので、該アンテナ素子相互の電気的な干渉を抑制して、良好なＶＳＷＲ特性および水平面内指向性を得ることができる。
また、本発明に係るアレイアンテナは、垂直中心軸線を挟んで垂直方向に千鳥状に配列された複数の第１のアンテナ素子ユニットと、前記垂直中心軸線を挟んで前記第１のアンテナ素子ユニットと重ならない形態で垂直方向に千鳥状に配列された複数の第２のアンテナ素子ユニットと、を備え、前記第１のアンテナ素子ユニットが1または複数の周波数に共振する水平偏波アンテナ素子によって構成され、前記第２のアンテナ素子ユニットが前記1または複数の周波数に共振する垂直偏波アンテナ素子によって構成されるので、上記の効果に加えて、偏波を共用できるという効果が得られる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係るアレイアンテナの第１の実施形態を示す概念図である。本実施形態に係るアレイアンテナは、垂直中心軸線Ｌを挟んで垂直方向に千鳥状に配列された複数のアンテナ素子ユニットＵ１を備えている。

アンテナ素子ユニットＵ１は、単一のアンテナ素子１によって構成されている。なお、本実施形態および後述の各実施形態においては、アンテナ素子としてダイポールアンテナ素子が使用されている。アンテナ素子１は、所定の周波数に共振するように構成され、その素子導体が垂直に向く形態で、つまり、垂直偏波アンテナ素子として機能する形態で配置されている。
本実施形態に係るアンテナを移動通信システム等における基地局用アンテナとして使用する場合、上記アンテナ素子は、例えば０．８ＧＨｚ（８００ＭＨｚ）や２ＧＨｚに共振するようにその素子導体の長さが設定される。

本実施形態に係るアンテナによれば、アンテナ素子１が垂直中心軸線Ｌを挟んで垂直方向に千鳥状に配列されているので、アンテナ素子を千鳥状に配列しない従来構成のアレイアンテナに比してアンテナ素子の数を半減することができる。

また、従来構成のアンテナでは、各段の左右のアンテナ素子を結合するために分配器等の給電手段を使用することになるが、本実施形態に係るアンテナでは、このような給電手段が不要になる。したがって、本実施形態に係るアンテナによれば、構成の簡素化を図れ、また、構成部品数および組立工数を減少して大幅なコストダウンを図ることができる。
さらに、本実施形態に係るアンテナは、個々のアンテナ素子１間の距離を大きくとることができるので、それら相互の電気的な干渉を抑制して、良好なＶＳＷＲ（定在波比）特性および水平面内指向性を実現することが可能である。

図２は、本発明に係るアレイアンテナの第２の実施形態を示す概念図である。本実施形態に係るアレイアンテナは、アンテナ素子ユニットＵ１が２つのアンテナ素子１を有している点において図１に示したアンテナと相違している。
アンテナ素子ユニットＵ１における２つのアンテナ素子１は、垂直方向に所定の間隔をおいて配列し、それによって、アンテナ素子１のサブアレイを構成している。

本実施形態に係るアンテナによっても、前述した図１に示したアンテナの効果と同様の効果を得ることができる。なお、サブアレイを構成するアンテナ素子１の配列数は２に限定されず、２以上の任意の数に設定することができる。

図３は、本発明に係る周波数共用アレイアンテナの第３の実施形態を示している。本実施形態に係るアレイアンテナは、偏波共用アンテナ素子３を有する点において図１に示したアンテナと相違する。偏波共用アンテナ素子３は、同一周波数に共振する垂直偏波アンテナ素子１と水平偏波アンテナ素子２を交差配置した構成を有する。
本実施形態に係るアンテナによれば、図１に示したアンテナの効果に加えて、水平偏波と垂直偏波を共用することができるという効果が得られる。

図４は、本発明に係る周波数共用アレイアンテナの第４の実施形態を示す概念図である。本実施形態に係るアレイアンテナは、各アンテナ素子ユニットＵ１が偏波共用アンテナ素子３を２つ有する点で図３に示したアンテナと相違する。

各アンテナ素子ユニットＵ１における２つの偏波共用アンテナ素子３は、所定の間隔をおいて垂直方向に配列し、当該偏波共用アンテナ素子３のサブアレイを構成している。
本実施形態に係るアンテナにおいても、図３に示したアンテナと同等の効果を得ることができる。なお、サブアレイを構成する偏波共用アンテナ素子３の配列数は２に限定されず、２以上の任意の数に設定することができる。

図５は、本発明に係る周波数共用アレイアンテナの第５の実施形態を概念的に示している。本実施形態に係るアレイアンテナは、垂直中心軸線Ｌを挟んで垂直方向に千鳥状に配列された複数のアンテナ素子ユニットＵ１と、上記垂直中心軸線Ｌを挟んで上記第１のアンテナ素子ユニットＵ１と重ならない形態で垂直方向に千鳥状に配列された複数のアンテナ素子ユニットＵ２と、を備えている。本実施形態において、アンテナ素子ユニットＵ１、Ｕ２は、垂直中心軸線Ｌを挟んで相対向している。

アンテナ素子ユニットＵ１は、単一の垂直偏波アンテナ素子１を有し、またアンテナ素子ユニットＵ２は、アンテナ素子１と同じ共振周波数を有する単一の水平偏波アンテナ素子２を有している。
本実施形態に係るアンテナによれば、図１に示したアンテナの効果に加えて、水平偏波と垂直偏波を共用することができるという効果が得られる。

図６は、本発明に係る周波数共用アレイアンテナの第６の実施形態を示している。本実施形態に係るアレイアンテナは、アンテナ素子ユニットＵ１に垂直偏波アンテナ素子１が２つ設けられ、アンテナ素子ユニットＵ２に水平偏波アンテナ素子２が２つ設けられている点で図５に示したアンテナと相違する。

各アンテナ素子ユニットＵ１における２つの垂直偏波アンテナ素子１は、所定の間隔おいて垂直方向に配列して当該垂直偏波アンテナ素子１のサブアレイを構成している。同様に、各アンテナ素子ユニットＵ２における２つの水平偏波アンテナ素子２は、所定の間隔おいて垂直方向に配列して当該水平偏波アンテナ素子２のサブアレイを構成している。そして、前者のサブアレイと後者のサブアレイは、垂直中心軸線Ｌを挟んで互いに対向している。

本実施形態に係るアンテナにおいても、図５に示したアンテナと同等の効果を得ることができる。なお、サブアレイを構成する垂直偏波アンテナ素子１の配列数は２に限定されず、２以上の任意の数に設定することができる。サブアレイを構成する垂直偏波アンテナ素子２の配列数も同様である。

ところで、上記した各実施形態に係るアレイアンテナにおけるアンテナ素子１および２は、それぞれ単一の周波数に共振するように構成されているが、これらのアンテナ素子１および２の一方あるいは双方を複数の周波数に共振するように構成することも可能である。図７は、３つ周波数に共振するダイポールアンテナ素子の一例を示している。

図７に示すアンテナ素子１０は、誘電体基板１１の一方の面に形成された金属箔からなる素子導体１２ａ、１３ａおよび１４ａと、該誘電体基板１１の他方の面に形成された金属箔からなる素子導体１２b、１３ｂおよび１４ｂとを備えている。素子導体１２ａおよび１２ｂは周波数ｆ１'に共振するようにその長さが設定され、それぞれ図における左方向および右方向に同軸状に延びている。

素子導体１３ａおよび１３ｂは、それぞれ素子導体１２ａおよび１２ｂに「コ」の字状に設けられた切り込み１６によって周波数ｆ２'に共振する長さとなるように形成され、また、素子導体１４ａおよび１４ｂは、それぞれ素子導体１３ａおよび１３ｂに「コ」の字状に設けられた切り込み１７によって周波数ｆ３'に共振する長さとなるように形成されている。
素子導体１２ａ、１３ａおよび１４ａは、共通の中央給電点１８ａを介して一方の給電線路１５ａに接続され、また、素子導体１２ｂ、１３ｂおよび１４ｂは、それぞれ共通の中央給電点１８ｂを介して給電線路１５ｂに接続されている。なお、符号１９は、給電線路１５ａに接続された接地部を示している。

上記構成のアンテナ素子１０は、素子導体１２ａ、１２ｂが周波数ｆ１'に、素子導体１３ａ、１３ｂが周波数ｆ２'に、また、素子導体１４ａ、１４ｂが周波数ｆ３'にそれぞれ共振するので、例えば、図１、図２に示すアンテナにおけるアンテナ素子１に代用すれば、このアンテナを周波数ｆ１'〜ｆ３'の３周波数に共用することが可能になる。
もちろん、上記のような複数の周波数に共振するアンテナ素子を図３〜図６に示すアンテナにおけるアンテナ素子１、２の一方または双方に代用しても良い。

図８は、図４に示すアレイアンテナと同等な機能を有する比較例としてのアレイアンテナを示す。この比較例に係るアレイアンテナは、従来技術に従って構成したものであり、したがって、各偏波共用アンテナ素子３が垂直中心軸線を挟んで対向配置されている。
図４に示すアレイアンテナおよび図８に示すアレイアンテナにおける偏波共用アンテナ素子３をそれぞれ２ＧＨｚに共振するように構成した場合、水平面内４５°ビームを得るためには、垂直中心軸線Ｌに対する偏波共用アンテナ素子３の水平方向距離が０．２５λ（λは２ＧＨｚの波長)に設定される。

図９および図１０は、上記４５°ビームを得るように構成した図４および図８のアンテナの水平面内指向性をそれぞれ示すグラフである。なお、図９および図１０おいて、実線は垂直偏波の水平面内指向性を示し、点線は水平偏波の水平面内指向性を示している。

図９と図１０の対比から明らかなように、図４に示す本発明に係るアレイアンテナによれば、アンテナ素子３の数が図８に示す従来構成のアンテナのそれの１／２であるにもかかわらず、この従来構成のアンテナの指向性に対して遜色のない指向性が得られる。

以上の説明から明らかなように、前記各実施形態に係るアレイアンテナは、アンテナ素子数が従来構成のアレイアンテナの半数でよく、しかも、このアンテナ素子数の削減に伴って分配器等を含む給電回路の構成部品数が削減されるため、大幅なコストダウンが可能になる。

本発明は上記実施形態の構成に限定されず、種々の変形態様を含むものである。すなわち、上記各実施形態では、アンテナ素子１、２としてダイポールアンテナ素子を使用しているが、これに代えて、パッチアンテナ素子等の他のアンテナ素子を使用しても良い。
また、図１および図２に示した実施形態では、アンテナ素子１として垂直偏波アンテナ素子を使用しているが、この垂直偏波アンテナ素子に代えて水平偏波アンテナ素子を使用することも可能である。
さらに、図５および図６に示した実施形態では、左右のアンテナ素子ユニットＵ１、Ｕ２を垂直中心軸線Ｌを挟んで対向配置しているが、水平面内指向性に歪みが生じない範囲で上記ユニットＵ１、Ｕ２の垂直方向相対位置をずらしても良い。

本発明に係るアレイアンテナの第１の実施形態を示す概念図である。 本発明に係るアレイアンテナの第２の実施形態を示す概念図である。 本発明に係るアレイアンテナの第３の実施形態を示す概念図である。 本発明に係るアレイアンテナの第４の実施形態を示す概念図である。 本発明に係るアレイアンテナの第５の実施形態を示す概念図である。 本発明に係るアレイアンテナの第６の実施形態を示す概念図である。 ３つ周波数に共振するダイポールアンテナ素子の一例を示す正面図である。 比較例に係るアレイアンテナの構成を示す概念図である。 図４のアンテナにおける２ＧＨｚについての垂直偏波および水平偏波の水平面内指向性をそれぞれ示すグラフである。 図８のアンテナにおける２ＧＨｚについての垂直偏波および水平偏波の水平面内指向性をそれぞれ示すグラフである。

符号の説明

Ｕ１，Ｕ２ アンテナ素子ユニット
Ｌ 垂直中心軸線
１，２ アンテナ素子
３ 偏波共用アンテナ素子

Claims (5)

1. 垂直中心軸線を挟んで垂直方向に千鳥状に配列された複数のアンテナ素子ユニットを備え、
   前記アンテナ素子ユニットは、１または複数の周波数に共振するアンテナ素子によって構成され、
   前記アンテナ素子ユニットは、前記アンテナ素子を垂直方向に複数配列したサブアレイを有することを特徴とするアレイアンテナ。
2. 前記アンテナ素子は、垂直偏波アンテナ素子であることを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ。
3. 前記アンテナ素子は、水平偏波アンテナ素子であることを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ。
4. 前記アンテナ素子は、水平偏波アンテナ素子と垂直偏波アンテナ素子とを組み合わせた偏波共用アンテナ素子であることを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ。
5. 前記アンテナ素子は、ダイポールアンテナ素子またはパッチアンテナ素子であることを特徴とする請求項１に記載の周波数共用アレイアンテナ。

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