JP5143911B2 - セルラー基地局アンテナ用二偏波放射エレメント - Google Patents

Description

本発明は、セルラー基地局アンテナ用二偏波放射エレメントに関する。最近、携帯電話および無線用途のアンテナに対する需要が、劇的に増加している。現在、広範囲の周波数帯域を使用する多数の無線通信用陸上基地システムが存在する。

いくつかの、セルラー基地局アンテナ製造者は、反射器で形成される有限地板上の四分の一波長に配置される電気ダイポールを有するアンテナを提案している。二偏波は、それぞれ、互いに直角を成す電気ダイポールの励磁により得られる、直交する単一偏波の方法により達成される。これらの電気ダイポールは、反射器の中心縦軸に対して反対方向に４５°傾けられる。

残念ながら、そのようなアンテナは、限定された遠方場電磁界パターン性能を提供する。すなわち、水平３ｄＢ ＨＰＢＷ（電力半値ビーム幅）安定性は、大きな変動（例えば、６５°±６°）に直面し、交差偏波レベル（例えば、交差偏波識別度±６０°で約５ｄＢ）は、２５％までのパスバンド（例えば、８０６〜９６０ＭＨｚまたは１７００〜２２００ＭＨｚ）にわたって、あまりに高い。

米国特許出願公開第２００６／０１０９１９３号の文献は、３ｄＢ ＨＰＢＷ安定化を改善するアンテナを開示する。さらに、このアンテナはまた、交差偏波レベルを縮小する。このアンテナは、分極されたラジオ周波数信号を反射するための反射器構造の上に搭載された二偏波放射エレメントの列を備える。反射器構造は、各放射エレメントに対してピラミッドまたは円錐ホーンのような形状を有する。

このアンテナ設計は、製造コストを著しく増加させる。というのは、ホーンのような形状が、特定のモールドの設計を必要とするからである。

交差偏波レベルを縮小するために、他の設計は、反射器の両側に固定された、横に細長いチョーク反射器を含む。これらの設計は、複雑でコストのかかる製造プロセスをもたらす。

米国特許出願公開第２００６／０１０９１９３号

従って、良好な遠方場電磁界性能を提供する、簡単なアンテナ構造に対する必要性が存在する。それゆえ、本発明の目的は、
− 放射エネルギーを反射するための反射器面と、
− 開口領域周りに分配された４つの放射モノポールであって、各放射モノポールが、前記反射器面から突き出る脚と、反射器面の上に配置され、前記脚から外側に半径方向に突き出るフランジであって、隣接するモノポールからのフランジが互いに直角を成して半径方向に延びるフランジとを備える、放射モノポールとを備え、
− それぞれのエレメント・フィードがそれぞれのモノポールと容量的に結合され、開口領域の中でそれぞれのモノポールから半径方向に突き出る、４つのエレメント・フィードと、
− エレメント・フィードに接続された給電手段とをさらに備える、
セルラー基地局アンテナ用二偏波放射エレメントを提供することにある。

４つのエレメント・フィードが、それぞれの脚部と、それぞれの脚部の上部に接続され、それぞれの脚部と直角を成すフランジ部とを備え、各脚部がその脚のレベルでそれぞれのモノポールと容量的に結合され、各フランジ部が開口領域の中でそれぞれの放射モノポールから半径方向に突き出る。

他の実施形態によれば、１対の対向するエレメント・フィードが、２つの対向する脚の間の反射器面の上に延びる。

他の実施形態によれば、各エレメント・フィードが、放射モノポールと容量的に結合される第１の端部を備え、第２の端部が前記放射モノポールから半径方向に突き出ている。

他の実施形態によれば、エレメント・フィードの前記第１の端部が、それぞれの脚と容量的に結合される。

他の実施形態によれば、エレメント・フィードの第１の端部が、その第２の端部とほぼ直角を成す。

他の実施形態によれば、前記給電手段は、
− 電力分配器と、
− 電力分配器をエレメント・フィードに接続する第１の接続線と、
− 電力分配器を対向するエレメント・フィードに接続し、前記第１の接続線に対して１８０°の位相を導く第２の接続線とを備える。

他の実施形態によれば、前記第１および第２の接続線は、同等のインピーダンスの大きさを有する。

他の実施形態によれば、前記フランジは、共通平面の面内に含まれる。

他の実施形態によれば、前記反射器面は平面であり、前記フランジは、反射器面と平行である。

他の実施形態によれば、前記フランジは、前記反射器面に対して傾けられている。

他の実施形態によれば、各モノポールは、それぞれのフランジから延び、このフランジに対して傾けられている、少なくとも１つの翼をさらに備える。

他の実施形態によれば、前記フランジは、矩形の形状を有する。

他の実施形態によれば、前記脚は、前記フランジと同じ長さを有する矩形の形状を有する。

他の実施形態によれば、前記フランジは、前記開口領域に対して接線方向に延びる貫通孔を備える。

他の実施形態によれば、放射エレメントは、前記反射器面から放射モノポールと同じ側に突き出る側壁をさらに備え、前記放射モノポールは、前記側壁の間に配置される。

他の実施形態によれば、反射器面と横の側壁との間の交差が平行線を形成し、対向するエレメント・フィードの各ペアが、前記平行線とほぼ４５°を成す方向に沿って延びる。

他の実施形態によれば、一方の１対のエレメント・フィードが、他方の１対のエレメント・フィードを部分的に覆う。

本発明の利点は、以下の、添付の図面の参照を伴ういくつかの実施形態の説明から、明らかとなろう。

本発明の第１の実施形態による放射エレメントの斜視図である。 図１の放射エレメントの断面図である。 図１の放射エレメントの反射器の上に作製された電気的接続の上面図である。 本発明による放射エレメントの第２の実施形態の断面図である。 代替のモノポール形状の斜視図である。 他の代替のモノポール形状の斜視図である。 さらに他の代替のモノポール形状の斜視図である。

図１および図２は、セルラー基地局アンテナ用二偏波放射エレメント１を示す。放射エレメント１は、放射エネルギーを反射するための反射器２を備える。この実施形態の反射器２は、反射器面を形成する平面部２１を備える。

放射部３は、４つの放射電気モノポール４ａ〜４ｄを備える。モノポール４ａ〜４ｄは、開口領域（図３に円８で例示）周りに分配される。各モノポール４は、それぞれの壁部で形成される脚４２およびフランジ４１を備える。各モノポール４ａ〜４ｄは、折り曲げられた金属薄板から形成されうる。各フランジ４１ａ〜４１ｄは、平面部２１の上に配置される。各フランジ４１は、それぞれの脚４２から外向きに半径方向に突き出ている。半径方向は、開口領域８の中心から始まるように定義される。二偏波を生成するために、隣接するモノポール４からの２つのフランジ４１が、互いに直角を成して半径方向に延びる。

放射部３はまた、４つのエレメント・フィード５ａ〜５ｄを備える。各エレメント・フィード５ａ〜５ｄは、それぞれのモノポール４ａ〜４ｄと、容量的に結合される。各エレメント・フィード５ａ〜５ｄは、開口領域内で、そのそれぞれのモノポールから突き出ている。電場が開口領域８の中に生成され、磁気源を形成する。磁気源と電気モノポールとの組合せが、３ｄＢ ＨＰＢＷ安定性を改善する。放射部３は、フィード５ａ〜５ｄに接続される給電手段をさらに備え、その給電手段について、以下に、より詳細な説明がなされる。

ラジオ周波数シミュレーションおよび測定によれば、本発明による放射エレメントは、知られている放射エレメントと少なくとも同等の、２５％までのパスバンド（例えば、８０６〜９６０ＭＨｚまたは１７００〜２２００ＭＨｚ）にわたる遠方場電磁界パターン性能（例えば、水平３ｄＢ ＨＰＢＷ安定性、交差偏波識別度、前方対後方比）を提供する。図１および図２に示される実施形態について導かれたシミュレーションおよび測定は、遠方場電磁界パターンに対して以下の結果を提供した：
− ６５°の３ｄＢ ＨＰＢＷ安定性が、２５％のパスバンドにおいて±３ｄＢ、
− １０ｄＢの交差偏波識別度、
− ３０ｄＢの前方対後方比。

さらに、これらの結果は、低い外形および限られた重さを保証する、５４ｍｍの高さを有する放射部によって得られた。

本発明による放射エレメントは、製造コストが特に低い、簡単な構造を、さらに有する。そのような放射エレメント１は、携帯電話ネットワークを装備するアンテナにおいて、使用されうる。

各エレメント・フィード５ａ〜５ｄは、脚部５２ａ〜５２ｄと、それぞれの脚部の上部に接続されるフランジ部５１ａ〜５１ｄとを備える。各フランジ部５１ａ〜５１ｄは、そのそれぞれの脚部５２ａ〜５２ｄと直角を成し、それゆえ、エレメント・フィードは、断面においてＬ字形を有する。各フランジ部５１ａ〜５１ｄは、従って、開口領域８の下に位置する容積の中で、それぞれのモノポール４ａ〜４ｄから半径方向に突き出ている。フランジ部５１ａ〜５１ｄおよび対応するフランジ４１ａ〜４１ｄは、同じ方向であるが反対側に突き出ている。各脚部５２ａ〜５２ｄは、そのそれぞれの放射モノポール４ａ〜４ｄと、その脚４２ａ〜４２ｄのレベルで、容量的に結合される。

エレメント・フィード５ａと５ｃまたは５ｂと５ｄの各ペアは、平面部２１の上で、対向する２つの脚の間、すなわち、それぞれの脚４２ａと４２ｃ、および４２ｂと４２ｄの間に延びる。一方の１対のフランジ部は、平面部２１の上で、他方の１対のフランジ部より高く配置され、すなわち、フランジ部５１ａと５１ｃは、フランジ部５１ｂと５１ｄを部分的に覆う。対向するフランジ部、例えば５１ａと５１ｃ、および５１ｂと５１ｄは、開口領域８の中央において、エア・ギャップで分離される。各エレメント・フィード５ａ〜５ｄは、折り曲げられた金属薄板から形成されうる。

本実施形態において、フランジ４１ａ〜４１ｄは、矩形の形状を有する。脚４２ａ〜４２ｄもまた、矩形の形状を有する。これらのフランジ４１ａ〜４１ｄは、それらそれぞれの脚４２ａ〜４２ｄと同じ長さを有する。本実施形態のフランジ４１ａ〜４１ｄは、平面部２１に対して平行である。これらのフランジ４１ａ〜４１ｄは、共通平面の面内に含まれる。脚４２ａ〜４２ｄは、平面部２１に対して、およびそれらそれぞれのフランジ４１ａ〜４１ｄに対して直角を成す（モノポール４ａ〜４ｄは、それゆえ、断面においてＬ字形を有する）。

図１〜図３に示される実施形態において、反射器２は、側壁２２および２３を、さらに備える。側壁２２および２３は、平面の表面２１を、単に曲げることによって、形成されうる。モノポール４ａ〜４ｄおよびフィード５ａ〜５ｄは、それらの側壁２２および２３の間に配置される。側壁２２は、側壁２３に平行である。側壁２２および２３は、平面の表面２１と直角を成す。側壁２２および２３と、平面の表面２１との間の交差は、平行線を形成する。フィード５の各ペアは、これらの平行線と約４５°の角度を成す方向に延びる。

図３は、平面の表面２１の上に作製された電気的接続の上面図である。フィードの各ペアに対して、給電手段は、電力分配器と、電力分配器と第１のフィードの間の第１の接続線と、電力分配器と第２のフィードの間の第２の接続線とを含む。例えば、電力分配器６ａｃは、接続線７ａと、他の接続線７ｃと、入り口線（図示せず）とに接続される３ポート接点を備える。電力分配器６ｂｄは、接続線７ｂと、他の接続線７ｄと、入り口線（図示せず）とに接続される３ポート接点を備える。

接続線７ｃは、電力分配器６ａｃを、脚部５２ｃの下端に接続する。接続線７ａは、電力分配器６ａｃを、脚部５２ａの下端に接続する。

接続線７ｄは、電力分配器６ｂｄを、脚部５２ｄの下端に接続する。接続線７ｂは、電力分配器６ｂｄを、脚部５２ｂの下端に接続する。

接続線７ａは、λ／２接続部７ａｃを備える。この接続部７ａｃは、接続線７ｃに対して１８０°の位相を、導く。

電力分配器６ａｃにより供給される電力を等しく分割するために、接続線７ａおよび７ｃのインピーダンスの大きさＺｏｕｔは、等しいことが好ましい。これらのインピーダンスの大きさＺｏｕｔは、Ｚｏｕｔ＝２×Ｚｉｎであるように選択されることが好ましく、Ｚｉｎは、入り口線のインピーダンスの大きさである。入り口線は、５０Ωに等しいインピーダンスの大きさＺｉｎを有することが好ましいであろう。エレメント・フィードの入力ポートにおける大きさを平衡させるために、入力電力はまた、異なるインピーダンスを有する接続線を使用して、不等に分割されうる。λ／２接続部７ａｃの長さは、遠方場電磁界パターンのスキントを補償するために、短く、または長くされうる。接続線は、エア・マイクロストリップ・ライン技術を使用して形成されうる。

図４に示される実施形態において、フランジ４１ａ〜４１ｄは、反射器の平面部２１に対して傾けられている。フランジ４１ａ〜４１ｄはまた、それらそれぞれの脚４２ａ〜４２ｄと、９０°とは異なる角度を成す。側壁２２および２３と、平面の表面２１との間に形成される角度は、９０°より大きい。

図５は、フランジ４１に対する、他の可能性のある形状の斜視図である。フランジ４１は、貫通孔４３を備える。この孔４３は、開口領域８への接線の方向に引き延ばされる。この孔４３は、矩形の形状を有する。そのようなモノポール４を使用する放射部３は、改善された前方対後方比を提供する。

図６および図７は、モノポール４に対する２つの代替形状を示す。これらの実施形態において、各フランジ４１は、フランジ４１から上の方向に突き出し、このフランジ４１に対して傾けられた、少なくとも１つの翼を取り付けられる。そのようなモノポール４を使用する放射部３は、増加されたインピーダンス帯域幅を提供する。この設計は、放射エレメント１のインピーダンス帯域幅性能（ＶＳＷＲ）を遠方場電磁界パターンの帯域幅に適合させることを助ける。

図６に示される実施形態において、１つの翼４４だけが、フランジ４１から突き出ている。フランジ４１と翼４４の両者は、それらの中間部分に貫通孔を有する、矩形の形状を有する。翼４４は、フランジ４１の表面に対して傾けられている。

図７に示される実施形態において、２つの翼４４および４５が、フランジ４１から突き出ている。翼４４および４５は、フランジ４１の表面に対して傾けられている。４４および４５の両翼と、フランジ４１との間の角度は、異なる。フランジ４１も、翼４４および４５も、それらの中間部分の中に貫通孔を有する、矩形形状を有する。任意の他の数の延出翼が、フランジ４１の上に作製されてよい。フランジおよび翼は、適切な切断および曲げにより、単一の金属片の中に形成されうる。

モノポールとフィードの間の金属間接触を避けることにより、受動相互変調歪（ＰＩＭ）のリスクを最小化することができ、それにより、２×４３ｄＢｍトーンに対して−１５０ｄＢｃ未満というＰＩＭ安定性要件が、満足されうる。

例示される放射エレメント１は、放射部３を備えるだけであるが、いくつかの整列された放射部を含む放射エレメントもまた、本発明により作製されうる。

例示される放射モノポール４は、単独の部品であるが、一体形の構成部品としても、作製されうる。

例示されるフランジ部５１ａ〜５１ｄは、矩形である。しかし、他の形状、とりわけ不等辺四辺形の形状もまた、予測されうる。

Claims (11)

1. セルラー基地局アンテナ用二偏波放射エレメントであって、
   放射エネルギーを反射する反射器面と、
   開口領域周りに分配された４つの放射モノポールとを含み、該開口領域は該４つの放射モノポールの内周に配置され、該開口領域では電場が生成されて磁気源を形成し、各放射モノポールが、前記反射器面から突き出る脚と、前記反射器面の上に配置され、前記脚から外側に半径方向に突き出るフランジとを含み、隣接する放射モノポールからのフランジが互いに直角に半径方向に延びており、さらに、
   それぞれの脚部と、前記それぞれの脚部の上部に接続され、前記それぞれの脚部と直角を成すフランジ部とを含む４つのエレメント・フィードを含み、各脚部がその脚のレベルでそれぞれの放射モノポールと容量的に結合され、各フランジ部が前記開口領域の中でそれぞれの放射モノポールから半径方向に突き出ており、さらに、
   前記エレメント・フィードに接続された給電手段を含む、二偏波放射エレメント。
2. １対の対向するエレメント・フィードが、２つの対向する脚の間の前記反射器面の上に延びる、請求項１に記載の二偏波放射エレメント。
3. 前記給電手段が、
   電力分配器と、
   前記電力分配器をエレメント・フィードに接続する第１の接続線と、
   前記電力分配器を対向するエレメント・フィードに接続し、前記第１の接続線に対して１８０°の位相を導く第２の接続線と、を含む請求項１および２のいずれか１項に記載の二偏波放射エレメント。
4. 前記第１および第２の接続線が同等のインピーダンスの大きさを有する、請求項３に記載の二偏波放射エレメント。
5. 前記反射器面が平面であり、前記フランジが共通平面の面内に含まれ、前記フランジが前記反射器面と平行である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二偏波放射エレメント。
6. 前記フランジが前記反射器面に対して傾けられる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二偏波放射エレメント。
7. 各放射モノポールがさらに、それぞれのフランジから延び、このフランジに対して傾けられる少なくとも１つの翼を備える、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の二偏波放射エレメント。
8. 前記脚が、前記フランジと同じ長さを有する矩形の形状を有する、請求項７に記載の二偏波放射エレメント。
9. 前記フランジが、前記開口領域に対して接線方向に延びる貫通孔を含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の二偏波放射エレメント。
10. 前記反射器面から前記放射モノポールと同じ側に突き出る側壁をさらに含み、前記放射モノポールが前記側壁の間に配置される、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の二偏波放射エレメント。
11. 前記反射器面と前記側壁との間の交差が平行線を形成し、対向するエレメント・フィードの各ペアが、前記平行線とほぼ４５°を成す方向に沿って延びる、請求項１０に記載の二偏波放射エレメント。

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