JP5872001B1 - 偏波共用八木アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】各偏波における磁界面内指向性のビーム幅を電界面内指向性のビーム幅と同等にすることが可能な偏波共用八木アンテナを提供する。【解決手段】放射器（１）は、第１の偏波の偏波面に沿いかつ中心軸線（ｌ１）を中心として所定の間隔で対向する一対の第１のダイポールアンテナ素子と、第２の偏波の偏波面に沿いかつ中心軸線（ｌ１）を中心として所定の間隔で対向する一対の第２のダイポールアンテナ素子と、を備える。導波器（３）は、一対の第１のダイポールアンテナ素子にそれぞれ対向する一対の第１の導波素子及び一対の第２のダイポールアンテナ素子にそれぞれ対向する一対の第２の導波素子を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、移動通信システム等において好適に使用することができる偏波共用八木アンテナに関する。

移動通信システムの指向性アンテナとして、偏波ダイバーシチ効果を有する偏波共用八木アンテナが使用されている（例えば特許文献１参照）。
偏波共用八木アンテナは、図８にその一例を示すように、放射器１００と、該放射器１００より約０．２５波長後方に配置された反射器２００と、放射器１００より約０．２５波長前方に配置された導波器３００とを備えている。

放射器１００は、ダイポール素子１０１，１０２をクロスさせたクロスダイポールアンテナとしての構成を有する。ダイポール素子１０１，１０２は、それぞれ垂直、水平に配置されている。従って、ダイポール素子１０１及びダイポール素子１０２は、それぞれ垂直偏波及び水平偏波に適用される。導波器３００は、十字型導波素子３０１を所定の間隔で複数個（図示の例では３個）配列させた構成を有する。

この偏波共用八木アンテナにおいては、以下の事項が成立する。
・垂直偏波の垂直面内指向性は、放射器１００のダイポール素子１０１の電界面内指向性である。
・水平偏波の垂直面内指向性は、放射器１００のダイポール素子１０２の磁界面内指向性である。
・垂直偏波の水平面内指向性は、放射器１００のダイポール素子１０１の磁界面内指向性である。
・水平偏波の水平面内指向性は、放射器１００のダイポール素子１０２の電界面内指向性である。

特開２０１１−２３９１９８号公報

周知のように、ダイポールアンテナにおいては、電界面内指向性のビーム幅が磁界面内指向性のビーム幅よりも狭くなるという傾向を示す。
上記した従来の偏波共用八木アンテナ（以下、従来アンテナと略称する）も、放射器１００がダイポールアンテナとしての構成を有するので、やはり上記した傾向を示すことになる。

すなわち、図９及び図１０は、従来アンテナの垂直面内指向性及び水平面内指向性をそれぞれ示す。図９から明らかなように、実線で示す垂直偏波の垂直面内指向性（電界面内指向性である）のビーム幅は、点線で示す水平偏波の垂直面内指向性（磁界面内指向性である）のビーム幅よりも狭くなる。図示の例では、垂直偏波の垂直面内指向性のビーム幅が５３．８６°、水平偏波の垂直面内指向性のビーム幅が６４．６３°である。

一方、図１０から明らかなように、点線で示す水平偏波の水平面内指向性（電界面内指向性である）のビーム幅は、実線で示す垂直偏波の水平面内指向性（磁界面内指向性である）のビーム幅よりも狭くなる。図示の例では、水平偏波の水平面内指向性のビーム幅が５３．７１°、垂直偏波の水平面内指向性のビーム幅が６３．７９°である。

移動通信システムに適用する偏波共用八木アンテナは、各偏波において、電界面内指向性のビーム幅と磁界面内指向性のビーム幅との差をできるだけ小さくすることが望ましい。なぜなら、上記ビーム幅の差が大きいと、磁界面内指向性に基づくサービスエリアと電界面内指向性に基づくサービスエリアとが均一でなくなるという問題を生じるからである。
上記の従来アンテナは、前記したように上記ビーム幅の差が比較的大きく（約１０°）、このため上記の問題を生じる。

そこで、本発明の目的は、各偏波における磁界面内指向性のビーム幅を電界面内指向性のビーム幅と同等にすることが可能な偏波共用八木アンテナを提供することにある。

本発明は、中心軸線に沿って配列する導波器、放射器及び反射器を用いて直交する第１、第２の偏波を共用する偏波共用八木アンテナである。
前記放射器は、前記第１の偏波の偏波面に沿いかつ前記中心軸線を中心として所定の間隔で対向する一対の第１のダイポールアンテナ素子と、前記第２の偏波の偏波面に沿いかつ前記中心軸線を中心として所定の間隔で対向する一対の第２のダイポールアンテナ素子と、を備える。また前記導波器は、前記一対の第１のダイポールアンテナ素子にそれぞれ対向する一対の第１の導波素子及び前記一対の第２のダイポールアンテナ素子にそれぞれ対向する一対の第２の導波素子を備える。
前記一対の第１のダイポールアンテナ素子の磁界面方向での作用の合成によって前記第１の偏波についての磁界面内指向性のビーム幅を狭めるとともに、前記一対の第２のダイポールアンテナ素子の磁界面方向での作用の合成によって前記第２の偏波についての磁界面内指向性のビーム幅を狭め、これによって上記の目的を達成している。
さらに、前記第１、第２のダイポールアンテナ素子は、隣接する端部相互がラップするように形成されている。そのため、放射器の小型化を図ることができる。

一形態として、前記第１、第２のダイポールアンテナ素子及び前記第１、第２の導波素子は、前記中心軸線を中心とする円周に沿った円弧状の外周形状を有するように形成される。
このように形成された前記第１、第２のダイポールアンテナ素子及び前記第１、第２の導波素子は、必要に応じて円筒状のカバーで覆われる。

また、前記第１、第２のダイポールアンテナ素子は折返し構造を有するように形成することができる。

前記反射器は一枚の金属板によって形成しても良い。この場合、この反射器によって前記円筒状のカバーを閉塞することも可能である。
前記第１の直線偏波及び第２の直線偏波は、例えば、水平偏波及び垂直偏波、または＋４５度偏波及び−４５度偏波である。

本発明によれば、一対の第１のダイポールアンテナ素子の磁界面方向での作用の合成によって第１の偏波についての磁界面内指向性のビーム幅が狭められ、また、一対の第２のダイポールアンテナ素子の磁界面方向での作用の合成によって第２の偏波についての磁界面内指向性のビーム幅が狭められる。従って、それぞれの偏波において、磁界面内指向性のビーム幅を電界面内指向性のビーム幅と同等にすることが可能となり、これによって、磁界面内指向性に基づくサービスエリアと電界面内指向性に基づくサービスエリアとの均一化を図ることができる。
また、八木アンテナの導波素子の数量は主に必要とされる利得で決定されるが、本発明によれば、磁界面内指向性のビーム幅が狭くなることに伴う利得の増大により、同じ利得を得るために必要な導波素子の数量を少なくすることが可能となる。これはアンテナ全長の短縮化に寄与する。

本発明に係る偏波共用八木アンテナの実施形態を示す概略斜視図である。 放射器の拡大図である。 導波器の素子ユニットの拡大図である。 放射器の別の例を示す拡大図である。 放射器の更に別の例を示す拡大図である。 本発明に係る偏波共用八木アンテナの垂直偏波及び水平偏波の垂直面内指向性を例示したグラフである。 本発明に係るアンテナの垂直偏波及び水平偏波の水平面内指向性を例示したグラフである。 従来の偏波共用八木アンテナの一例を示す斜視図である。 従来の偏波共用八木アンテナの垂直偏波及び水平偏波の垂直面内指向性を例示したグラフである。 従来の偏波共用八木アンテナの垂直偏波及び水平偏波の水平面内指向性を例示したグラフである。

図１に、本発明に係る偏波共用八木アンテナの実施形態を示す。この偏波共用八木アンテナは、放射器１と、放射器１の後方に配置された反射器２と、放射器１の前方に配置された導波器３とを備えている。この偏波共用八木アンテナの中心軸線ｌ１は、この放射器１、反射器２及び導波器３の中心を貫通している。

図２に放射器１を拡大して示す。この放射器１は、図１の中心軸線ｌ１を中心とする円周に沿って円弧状ダイポールアンテナ素子１１〜１４を均等な間隔で配列した構成を有する。相対向するダイポールアンテナ素子１１，１３は、上記円周の中心点を通る基準線ｌ２上にそれらの給電点が位置され、また、相対向するダイポールアンテナ素子１２，１４は、上記円周の中心点を通りかつ上記基準線ｌ２直交する基準線ｌ３上にそれらの給電点が位置されている。

各ダイポールアンテナ素子１１〜１４の全長Ｌ１は、λを使用周波数帯域の中心周波数の波長とすると、約０．５λに設定される。この放射器１におけるダイポールアンテナ素子１１，１３（１２，１４）の間隔Ｄ１は、上記全長Ｌ１よりも長くなる。
放射器１のダイポールアンテナ素子１１〜１４は、誘電体基板上に貼着した金属箔（例えば銅箔）によって形成することができる。この金属箔からなるダイポールアンテナ素子１１〜１４は、いわゆる印刷配線パターンの作成手法を用いて形成することができる。

反射器２は、直径が約０．７λの円形状金属板によって形成されている。
導波器３は、中心軸線ｌ１に沿って所定の間隔で配列する複数個（図示の例では３個）の素子ユニット３０を有する。
図３に拡大して示すように、素子ユニット３０は、外周が円弧形状を有する４つの導波素子３１〜３４を図１の中心軸線ｌ１を中心とする円周上に均等な間隔で配列した構成を有する。
導波素子３１〜３４の長さＬ２は及び導波素子３１，３３（３２，３４）間の距離Ｄ２は、該導波素子３１〜３４をそれぞれ図２に示す放射器１のダイポールアンテナ素子１１〜１４に対向させ得るように設定される。なお、導波素子３１〜３４は、上記ダイポールアンテナ素子１１〜１４と同様に、誘電体基板上に貼着された金属箔によって形成することができる。

放射器１と反射器２との間隔及び放射器１と導波器３との間隔は、それぞれ例えば約０．１８λに設定される。また、導波器３における各素子ユニット３０の配列間隔も約０．１８λに設定される。
上記構成の本実施形態の偏波共用八木アンテナは、放射器１のダイポールアンテナ素子１１〜１４及び導波器３の導波素子３１〜３４が使用周波数帯域の周波数に共振する。
ここで、図２に示すように放射器１の基準線ｌ２が垂直に向けられているものとする。この場合、ダイポールアンテナ素子１１，１３は水平偏波の偏波面に沿うことになるので、水平偏波の放射素子として機能する。また、ダイポールアンテナ素子１２，１４は垂直偏波の偏波面に沿うことになるので、垂直偏波の放射素子として機能する。

水平偏波用のダイポールアンテナ素子１１，１３は、垂直方向にスタック配置されているので、それらの磁界面方向での作用が合成される。同様に、垂直偏波用のダイポールアンテナ素子１２，１４は、水平方向にスタック配置されているので、それらの磁界面方向での作用が合成される。この結果、上記放射器１によれば、水平偏波についての磁界面内指向性のビーム幅及び垂直偏波についての磁界面内指向性のビーム幅が共に狭められることになる。

従って、本実施形態の偏波共用八木アンテナによれば、それぞれの偏波において、磁界面内指向性のビーム幅を電界面内指向性のそれに近づけて、磁界面内指向性に基づくサービスエリアと電界面内指向性に基づくサービスエリアとの均一化を図ることが可能になる。
また、八木アンテナの導波素子の数量は主に必要とされる利得で決定されるが、本実施形態の偏波共用八木アンテナによれば、磁界面内指向性のビーム幅が狭くなるのに伴って利得が増加するので、同じ利得を得るために必要な導波素子３０の数量を少なくすることが可能となる。これはアンテナ全長の短縮化に寄与する。

ところで、放射器１及び導波器３は、屋外設置時の着水や着雪による悪影響を回避するため、カバーに収容することが望ましい。本実施形態では、放射器１のダイポールアンテナ素子１１〜１４及び導波器３の導波素子３１〜３４が円周上に位置するように配置されているので、上記カバーとして円筒形カバーを適用することができ、これはアンテナの小型化に寄与する。なお、上記カバーを使用する場合には、このカバーを閉塞するための蓋体として反射器２を利用することも可能である。

図４は、放射器の別の例を示す。この放射器１０は、図２に示すダイポールアンテナ素子１１〜１４に代わるダイポールアンテナ素子１５〜１８を備えている。図示のように、ダイポールアンテナ素子１５〜１８は、隣接する端部相互がラップするように配置されている。すなわち、ダイポールアンテナ素子１５〜１８は、一端部の内周側に切欠部１５ａ〜１８ａをそれぞれ形成するとともに、他端部の外周側に切欠部１５ｂ〜１８ｂをそれぞれ形成し、これらの切欠部１５ａ〜１８ａ，１５ｂ〜１８ｂを利用して隣接する端部相互を接触することなくラップさせている。例えば、ダイポールアンテナ素子１５は、その内周側切欠部１５ａとダイポールアンテナ素子１８の外周側切欠部１８ｂとを利用してその一端部を該ダイポールアンテナ素子１８にラップさせ、また、その外周側切欠部１５ｂとダイポールアンテナ素子１６の内周側切欠部１６ａとを利用してその他端部を該ダイポールアンテナ素子１６にラップさせている。

この放射器１０によれば、ダイポールアンテナ素子１５，１７（１６，１８）の間隔Ｄ３が図１に示すダイポールアンテナ素子１１，１３（１４，１６）の間隔Ｄ１よりも小さくなるので、外周形状が小型化される。上記放射器１０の素子間隔Ｄ３は、約０．４５λに設定されている。
なお、この小型化された放射器１０を適用する場合には、図３に示す導波素子ユニット３０の導波素子３１〜３４を放射器１０のダイポールアンテナ素子１５〜１８に対向させるために、図示の素子長Ｌ２及び素子間隔Ｄ２が例えば約０．３２λ及び約０．４λにそれぞれ設定される。つまり、放射器１０の形状に対応するように導波器３の形状も小型にされる。
このような放射器１０及び導波器３を使用すれば、上記した円筒形カバーとしてより細径なもの（例えば、内径が約０．５５λのもの）を使用することができ、これはアンテナの小型化と風荷重の軽減に寄与する。

図５は、放射器の更に別の例を示す。この放射器１０’は、折返しダイポールアンテナ（フォールデッドダイポールアンテナ）素子１９〜２２を備えている。この折返しダイポールアンテナ素子１９〜２２は、折返し部１９ｃ〜２２ｃを有する点を除き図４に示すダイポールアンテナ素子１５〜１８と同等な形状を有する。

図６、図７は、上記放射器１０’を用いた場合の本発明に係る偏波共用八木アンテナの垂直面内指向性及び水平面内指向性をそれぞれ示す。
図６に示すように、この偏波共用八木アンテナによれば、実線で示す垂直偏波の垂直面内指向性（電界面内指向性である）のビーム幅が５４．３１°となり、また、点線で示す水平偏波の垂直面内指向性（磁界面内指向性である）のビーム幅が５４．５３°となる。
つまり、この偏波共用八木アンテナでは、ダイポールアンテナ素子１９，２１の磁界面方向での作用の合成によって水平偏波についての磁界面内指向性のビーム幅が狭められる結果、該ビーム幅が垂直偏波についての垂直面内指向性のビーム幅とほぼ同等になる。

一方、図７に示すように、この偏波共用八木アンテナによれば、点線で示す水平偏波の水平面内指向性（電界面内指向性である）のビーム幅が５４．２７°となり、また、実線で示す垂直偏波の水平面内指向性（磁界面内指向性である）のビーム幅が５４．６１°となる。
つまり、この偏波共用八木アンテナでは、ダイポールアンテナ素子２０，２２の磁界面方向での作用の合成によって垂直偏波についての磁界面内指向性のビーム幅が狭められる結果、該ビーム幅が垂直偏波についての水平面内指向性のビーム幅とほぼ同等になる。
この結果、上記の偏波共用八木アンテナによれば、磁界面内指向性に基づくサービスエリアと電界面内指向性に基づくサービスエリアとの均一化を図ることができる。

上記の偏波共用八木アンテナは、次のような利点も有する。すなわち、前述した従来構成の偏波共用八木アンテナは、垂直偏波の指向性利得が１０．７５ｄＢｉ程度、水平偏波の指向性利得が１０．６ｄＢｉ程度である。これに対して、上記の偏波共用八木アンテナによれば、磁界面内指向性のビーム幅が狭くなること（指向性がシャープになること）に伴って該磁界面内指向性の指向性利得が増加するので、垂直偏波の指向性利得が１１．３ｄＢｉ程度、水平偏波の指向性利得が１１．２４ｄＢｉ程度となる。
上記のように指向性利得が増加すると、同じ利得を得るために必要な導波素子の数量を少なくすることが可能となり、これはアンテナ全長の短縮化に寄与する。すなわち、従来構成の偏波共用八木アンテナの全長が約１．０２λ程度であるのに対して、上記の偏波共用八木アンテナによれば、全長を約０．９１λ程度まで短縮することが可能になる。

図２に示す放射器１や図４に示す放射器１０を用いる偏波共用八木アンテナも、磁界面内指向性のビーム幅を狭めるという作用をなすので、上記放射器１０’を用い偏波共用八木アンテナと同等の効果を得ることができる。

本発明は上記実施形態に限定されず、他の種々の変形態様を含み得るものである。以下にその一例を示す。
・ 図２に示す放射器１の円弧状ダイポールアンテナ素子１１〜１４は、直線状のダイポールアンテナ素子に置換しても良い。その場合、図３に示す素子ユニット３０の導波素子３１〜３４も直線状のものに置換される。
・ 図２に示す放射器１のダイポールアンテナ素子１１〜１４は、折返しダイポールアンテナ素子に置換しても良い。。
・ 図１に示す反射板２は円形でなくても良く、また、１枚の金属板で形成する必要もない。
・ 共用する偏波は垂直偏波と水平偏波に限定されず、＋４５度偏波と−４５度偏波であっても良い。
・ 上記放射器１，１０，１０’は、誘電体基板にプリント形成されているが、適宜な厚さを有する汎用の金属板で形成しても良い。各導波器３０も同様である。なお、各導波器３０の内のいくつかをプリント形成し、他を汎用の金属板で形成することも可能である。

１ 放射器
１１〜１４ ダイポールアンテナ素子
１０ 放射器
１５〜１８ ダイポールアンテナ素子
１５ａ〜１８ａ，１５ｂ〜１８ｂ 切欠
１０’ 放射器
１９〜２２ ダイポールアンテナ素子
１９ａ〜２２ａ，１９ｂ〜２２ｂ 切欠
２ 反射器
３ 導波器
３０ 素子ユニット
３１〜３４ 導波素子

Claims (7)

1. 中心軸線に沿って配列する導波器、放射器及び反射器を用いて直交する第１、第２の偏波を共用する偏波共用八木アンテナであって、
   前記放射器は、
   前記第１の偏波の偏波面に沿いかつ前記中心軸線を中心として所定の間隔で対向する一対の第１のダイポールアンテナ素子と、
   前記第２の偏波の偏波面に沿いかつ前記中心軸線を中心として所定の間隔で対向する一対の第２のダイポールアンテナ素子と、を備え、
   前記導波器は、前記一対の第１のダイポールアンテナ素子にそれぞれ対向する一対の第１の導波素子及び前記一対の第２のダイポールアンテナ素子にそれぞれ対向する一対の第２の導波素子を備え、
   前記一対の第１のダイポールアンテナ素子の磁界面方向での作用の合成によって前記第１の偏波についての磁界面内指向性のビーム幅を狭めるとともに、前記一対の第２のダイポールアンテナ素子の磁界面方向での作用の合成によって前記第２の偏波についての磁界面内指向性のビーム幅を狭めるようにし、
   前記第１、第２のダイポールアンテナ素子は、隣接する端部相互がラップするように形成されていることを特徴とする偏波共用八木アンテナ。
2. 前記第１、第２のダイポールアンテナ素子及び前記第１、第２の導波素子は、前記中心軸線を中心とする円周に沿った円弧状の外周形状を有するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の偏波共用八木アンテナ。
3. 前記第１、第２のダイポールアンテナ素子及び前記第１、第２の導波素子を円筒状のカバーで覆ったことを特徴とする請求項２に記載の偏波共用八木アンテナ。
4. 前記第１、第２のダイポールアンテナ素子が折返し構造を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の偏波共用八木アンテナ。
5. 前記反射器が一枚の金属板によって形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の偏波共用八木アンテナ。
6. 前記反射器が一枚の金属板によって形成され、この反射器によって前記円筒状のカバーを閉塞するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の偏波共用八木アンテナ。
7. 前記第１の直線偏波及び第２の直線偏波は、水平偏波及び垂直偏波、または＋４５度偏波及び−４５度偏波であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の偏波共用八木アンテナ。

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