JPH02174302A

JPH02174302A - チルトアンテナ

Info

Publication number: JPH02174302A
Application number: JP32864588A
Authority: JP
Inventors: Yoshifusa Yamada; 吉英山田; Makoto Kijima; 木島　誠
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-12-26
Filing date: 1988-12-26
Publication date: 1990-07-05
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: JP2567688B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、移動通信用の基地局用のアンテナとして適す
るアレイアンテナで、複数の放射素子を垂直面内に一定
間隔で配列して、各放射素子の励振振幅および位相を調
整して、アンテナの主ビーム方向を水平面下の特定の角
度範囲に制御するチルトアンテナに関する。特に、複数
の放射素子をグループ単位にして、グループごとに放射
素子への給電位相を制御して他の基地局サービスゾーン
との干渉を少なくした低サイドローブ特性のチルトアン
テナに関する。

〔従来の技術〕

第６図は、従来の移動無線、特に自動車電話に利用され
る移動通信用基地局アンテナのビームチルトの説明図で
、その基地局アンテナの使用される状態を示している。

第６図で、符号１は一つの基地局３がもつサービスゾー
ンを示す。符号２は離れた位置にある基地局３のサービ
スゾーンを示している。符号４は基地局アンテナであり
、基地局屋上あるいは鉄塔上に鉛直方向に設置されてい
る。破線５は、水平方向を示しアンテナの放射特性を示
す角度θの基線としている。破線６は、この基地局アン
テナ４からサービスゾーン１あるいは２の外縁を見込ん
だ角度を示し、基地局アンテナ４で必要とされるビーム
チルト角θ、に相当する。そして、符号８のビームはこ
の基地局アンテナ４の主ビームを示している。また第６
図で一点鎖線７で示される方向は、同一周波数を使用し
ているサービスゾーンへの干渉波方向を示しており、水
平方向からの角度はθ１で与えられる。

移動通信用基地局アンテナとして要求される機能は、自
基地局のサービスゾーン内では所要の電界レベルを実現
しつつ、他基地局のサービスゾーンへの電波干渉を生じ
ないようにすることである。

この要求を満たすため、移動通信用基地局アンテナの指
向特性を第６図に示すように主ビームを水平面下に傾け
、放射電波を自局サービスゾーンに有効に閉じ込めるよ
うにしている。これをビームチルトという。また、第６
図でθ１に示す角度領域にあるサイドローブのレベルを
十分低くスることにより、他局サービスゾーンへの電波
干渉を低減するようにしている。

このような指向特性を実現するため、移動通信基地局ア
ンテナとして、従来は第７図に示す構成のビームチルト
特性のアレイアンテナが使用されている。

このアンテナ４は、垂直面内に一定間隔で配置された複
数の放射素子９と、この各放射素子の給電位相を決定す
る複数の位相器１０と、この各放射素子の給電振幅を決
定する電力分配回路１１とを備えたものであり、符号１
２は、このアンテナの給電点を示す。

また、第７図において、符号１３の実線は、各放射素子
からの放射波の主ビーム方向を示し、符号１４の一点鎖
線で示される面は、放射波の波面を示すものである。

この従来のアレイアンテナの作用について説明する。

まず、アンテナ４の主ビームを水平面下にビームチルト
角θ、方向に向けるため、位相器１０をそれぞれ調整し
て、放射波の波面を鉛直線に対してビームチルト角θ、
だけ傾けて設定する。

さらに、低サイドローブ特性は、位相器１０および電力
分配回路１１の調整により実現する。

例えば放射素子９が２０個で、その各放射素子間隔を０
．８波長間隔に配置したてレイアンテナでは、第８図に
示す給電振幅および位相をビームチルト角θ、方向の位
相量に重畳すれば、第９図に示される放射特性を実現す
ることができる。なお、第９図での放射最大利得は１４
．５ｄＢである。ここで、第９図の放射角度θは、ビー
ムチルト角θ７方向からの変化量を示している。第９図
で放射角度θのプラス符号方向が自基地局のサービスゾ
ーン内に当り、マイナス符号の方向が干渉ゾーン方向に
対応する。上述の給電振幅および位相の調整により、第
９図に示すように、干渉ゾーン方向のサイドローブレベ
ルを一３０ｄＢ程度まで低減でき、同一周波数を使用す
るサービスゾーンを近接することが可能となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この従来のチルトアンテナでは、ビームチルト角θ、を
変化させる方法として、給電位相調整を簡便なものとす
るため、各位相量に応じた必要な長さのケーブルを用意
して、これを取り替える方法で行われている。

しかし、基地局の高さの種々の変化に応じてビームチル
ト角０丁を変化させるためには、位相器１０のケーブル
のすべてを取り替える必要があり、放射素子９の数が多
くなると、この作業が甚だ煩雑であるばかりでなく、ア
ンテナの価格の上昇につながる欠点があった。

本発明は、上述の欠点に鑑み、チルトアンテナの取替ケ
ーブル数を減少させて、アンテナの給電部を簡素化して
アンテナ価格を低減し取り扱いを簡易化することができ
るチルトアンテナを提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、複数の放射素子が一定間隔で垂直面内に一直
線状に配列されたアレイ構造であり、このアレイ構造の
放射サイドローブレベルが十分低くなるように各放射素
子の振幅および位相を調整する手段を備え、アレイアン
テナの放射特性の主ビーム方向が水平面下の特定の角度
範囲にわたり可変に制御されるチルトアンテナにおいて
、上記複数の各放射素子を複数のグループに分割し、こ
のグループ単位毎に上記各放射素子の位相を変化させる
位相制御手段を備え、与えられた波長をλ、上記主ビー
ムの水平面下−の特定の角度範囲をθＴ１Ｔ１耐放射素
子間隔をＳ、一つのグループを構成する放射素子数をＭ
とするとき、θＴ≦ｓｉｎ　　１（λ／　Ｍ　ｓ　）と
なるようにグループ内の放射素子数が選定されたことを
特徴とする。

本発明のチルトアンテナを構成する放射素子、この放射
素子の振幅および位相を調整する手段およびグループ単
位で位相を制御する手段は、すべて双方向性であって、
本発明のチルトアンテナは送受信双方に使用することが
できる。

〔作用〕

本発明は、従来のチルトアンテナの各放射素子をグルー
プ化し、グループ毎にその給電振幅および位相を調整し
て、チルトアンテナの低サイドローブ特性を実現する。

この際に低サイドローブ特性を満たすために、一つのグ
ループ内の放射素子数Ｍと、ビームチルト角θＴ１放射
素子間隔Ｓ１波長λとの関係をθＴ≦５ｉｎ−１（λ／
　Ｍ　ｓ　）となるように選定して、移動通信用基地局アンテナに要
求される低サイドローブ特性を満たすようにしている。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明実施例を説明する。

第１図は本発明一実施例のチルトアンテナの構成を示す
図である。

本実施例のチルトアンテナは、複数の放射素子９と、各
放射素子９の給電位相を決定する位相器１０と、各放射
素子９の給電振幅を決定する電力分配回路１１とを備え
、この各放射素子９、各位相器１０、電力分配回路１１
の幾つかをグループとしてまとめ、このグループ化され
たアンテナ４．〜４゜の各放射素子の位ト目をまとめて
調整する位相器１５゜〜１５４　とを備え、この位相器
１ｓ、〜１５４　に給電点１２から給電される構成とな
っている。

この第１図に示すチルトアンテナでは、各グループ毎の
放射素子９の位相を調整する位相器１５により主ビーム
方向を角度θ′、に向けた状態に調整できる。破線１７
に示す面は、角度θ′アに応じた波面を示し、実線１６
で示される面が実際に実現される波面を示す。このよう
に、各放射素子９をグループ化して給電する方式では、
第１図に示すように、主ビーム角θ′７と実際の放射波
面との間に２δの位相誤差が存在する。

この位相誤差２δの存在により、低サイドローブ特性が
劣化されることが考えられるが、本発明では、この劣化
特性を定量化し、ビームチルト角θア、１グループ内の
放射素子数Ｍ、放射素子間隔Ｓ、波長λとを一定の関係
とすることにより、低サイドローブ特性の劣化を防止し
ている。

まず、第２図（ａ）ないしくｄ）に、放射素子をグルー
プ化した場合のアンテナ特性におけるサイドローブ劣化
の計算結果を示す。

このアンテナ特性の計算では、ビームチルト角θアの可
変範囲を５°ないし１２°と想定し、ビームチルト角９
°方向で全放射素子９の位相が揃うように、各放射素子
９の位相が調整されているものとする。すなわち、ビー
ムチルト角９°以外のビームチルト角においては、第１
図に示したグループ化に伴う２δの位相誤差が存在する
。

第２図は、ビームチルト角θ′７が１１°の場合に、各
グループに含まれる放射素子９の数Ｍを変えた場合の放
射特性の変化の様子を示すものである。放射素子９の数
は２０とし、素子間隔を０．８波長として、アンテナの
放射特性を計算した。

なお、各グループ内の放射素子数Ｍは、２０の約数であ
る離散的な数値となり、このアンテナの放射特性で注目
すべき角度領域は、主ビームから水平面０°の近傍まで
の角度範囲であり、そのサイドローブレベルの劣化度を
大きくすることある。

第２図（ａ）は、放射素子を２分割して、各グループの
放射素子数Ｍを１０とした場合、第２図ら）は、Ｍを５
とした場合、第２図（Ｃ）は、Ｍを４とした場合、第２
図（ｄ）はＭを２とした場合である。

この第２図（ａ）ないしくｄ）に示されるアンテナのサ
イドローブ特性で顕著な事項は、各図の矢印に示す位置
でローブが突出することであり、またそのローブの突出
する位置は、グループ内の放射素子数Ｍが大きくなるに
したがって主ビームに近づくことである。

すなわち、第２図（ａ）に示すようにＭ＝１０では、は
ぼ主ビームに隣接する位置に突出したローブが存在する
こととなり、他の基地局のサービスゾーンとの干渉角度
範囲でのサイドローブ特性を著しく劣化させる。ところ
が、第２図わ）のようにＭ＝５とすると、突出したロー
ブは干渉角度範囲の外に存在しゾーン構成上の問題は無
くなる。一方、主ビームと突出したローブに挟まれた角
度領域でのサイドローブレベルは、若干劣化するものの
約−２５ｄＢ程度のレベルを維持しており、実用上は十
分低いレベルとなっている。

次に、上述の第２図（ａ）ないしくｄ）に示した結果か
ら、放射素子９をグループ化した場合の低サイドローブ
特性を維持しつつ大きなチルト角を実現するための、ビ
ームチルト角θＴ、グループ内の素子数Ｍの関係を求め
る。

まず、第２図に示したサイドローブの生成原因を検討す
るため、アレイアンテナの放射特性計算の座標を第３図
のように定義する。アンテナの長さをＬとし、各放射素
子間隔をＳとし、全放射素子数をｎとする。このとき、
アンテナの放射強度を重（θ）とすると、全放射素子の
給電振幅および位相が全放射素子にわたり同一とした場
合、次の表示式で表すことができる。

ここで、λは波長を示す。

この（１）式の分子の値の変化の周期については、（ｎ
πＳ・ｓｉｎ　θ）／λ＝πを満足するθの角度間隔で
与えられ、第２図の各ローブに相当する細かな放射特性
変化を表す。一方、（１）式の分母の周期は、（π５−
ｓｉｎ　θ）／λ＝πを満足する角度間隔θ、であるか
ら、 θＰ＝　５ｉｒｒ１（λ／ｓ　）　　　　　　　　　　
　−（２）となる。これは（１）式の分子のｎ倍となる
。今、アレイアンテナで良く選定されるように、Ｓ＝λ
とすると、θ、＝９０°となる。また、Ｓ＝２λとする
と、θ、＝３０°となり、第２図に示した突出ローブ角
度に近い値を示すようになる。

アレイアンテナの放射素子９をＭ個の放射素子単位でグ
ループに分割して給電した場合の放射特性は、アレイア
ンテナの指向性の積の原理から、Ｍ個の放射素子アンテ
ナの放射特性と（１）式でＳをＭｓと置き換えた指向性
との積で表される。この場合の（２）式に相当する成分
の周期は、やはり（２）式のＳをＭｓと置き換えて次の
（３）式で求められる。

θ、　＝　ｓｉｎ　Ｊ　λ／Ｍｓ）（３）第４図には、
Ｓをパラメータとして、Ｍとθ。

との関係を（３）式により計算した結果を示す。この第
８図の図中の丸印は、第２図（ａ）ないしくｄ）の突出
ローブ位置である。この（３）式の表示式の特徴は、θ
Ｐがアンテナの全長とは無関係に単にグループ化した放
射素子数のみで決定されることである。

ビームチルト角の最大値θアが与えられた場合の設計法
としては、θ、が００以上となるように位置させる必要
があり、次の条件式を満たす必要がある。

θ、　≦　ｓｉｎ　−五　（λ／Ｍｓ＞　　　　　　　
　　　　　　　（４）グループを構成する放射素子数Ｍ
としては、（４）式で最大の値を採用すれば、ビームチ
ルトのための可変部品数を最小にできる。例えば第４図
において、θ丁＝１４°、Ｓ＝０．８　λの場合、（４
）式よりＭの最大値を求めるとＭ＝５となる。

さらに、第５図に、ビームチルト角を種々に変化させた
場合の、水平面下のサイドローブレベルとアンテナ利得
の変化の様子を表す。給電分割数を４グループとし、各
グループ内の放射素子数を５とした場合まで少なくして
も、ビームチルト角が５°ないし１２°の範囲で、−１
２ｄＢ以下のサイドローブ特性が得られることがわかる
。また、アンテナ利得の変化幅も、１．５ｄＢ以下で問
題とならない値となっている。

なお、上記実施例では、放射素子９、位相器１０、電力
分配回路１１、位相器１５、給電点１２について、その
動作で放射あるいは給電という言葉を使用したが、これ
らのチルトアンテナ構成素子はすべて双方向性のある素
子であり、本発明のチルトアンテナは送信のみでなく、
受信にも使用されるものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は、チルトアンテナの放射素
子をグループに分割して、グループ毎に位相変化を与え
るようにすることにより、低サイドローブ特性を劣化さ
せることなく、広い角度範囲の放射特性を備えた移動通
信基地局用アンテナに適するチルトアンテナを実現でき
る。

このチルトアンテナの構造は、ビームチルト角変化を実
施するための給電ケーブル等の取替部品を減少できるた
め、構成を簡素化してアンテナを経済化することができ
、また位相調整工数を減少でき取扱の簡易化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例のチルトアンテナの構成を示す
図。第２図は放射素子をグループ化したときの放射特性の変
化を示す。第３図は本実施例での放射特性計算のためのアンテナの
座標系を示す図。第４図はグループ化された放射素子数と突出ローブ位置
との関係を示す図。第５図はビームチルト角を変化させた場合のサイドロー
ブおよびアンテナの利得の変化の様子を示す図。第６図は移動通信基地局におけるビームチルトの説明図
。第７図は従来例チルトアンテナの構成を示す図。第８図は従来例チルトアンテナの給電振幅および位相の
調整例。第９図は従来例の低サイドローブアンテナの放射特性を
示す図。 ■、２・・・サービスゾーン、３・・・無線基地局、４
・・・アンテナ、５・・・水平方向を示す線、６・・・
ビームチルト角度を示す線、７・・・同一周波数を使用
しているサービスゾーンへの干渉方向を示す図。８・・
・主ビーム、９・・・放射素子、１０．１５・・・位相
器、１１・・・電力分配回路、１２・・・アンテナの給
電点、１３・・・アンテナからの放射波、１４．１６・
・・放射波の波面。特許出願人　日本電信電話株式会社代理人　弁理士　井　出　直　孝 ′？Ｆ４１　回角度　（ｄｅｇ　）（Ｏ）２分割０う合（Ｍ：ＩＯ） ―雇（ｄｅｇ　）（ｂ）４分割ｎｙ％８（Ｍ＝５）角度（ｄｅｇ　）（Ｃ）５分割０４合（Ｍ＝４）角度　（ｃｌｅｇ　）（（１）　１０勺割の場合（Ｍ：２）肩図扇ビームチルト角（ｄｅｇ　）昂回１り゛ルーフ゛＋：　＠ａ　ＩＩＬ６棄＋委ξＭ尾ビーム十ルト既明図肩　６　旧肩肩図試射肉屋・Ｇ　（ｃｌｅｇ）？ｆ１９　　図

Claims

【特許請求の範囲】１、複数の放射素子が一定間隔で垂直面内に一直線状に
配列されたアレイ構造であり、このアレイ構造の放射サイドローブレベルが十分低くな
るように各放射素子の振幅および位相を調整する手段を
備え、アレイアンテナの放射特性の主ビーム方向が水平面下の
特定の角度範囲にわたり可変に制御されるチルトアンテ
ナにおいて、上記複数の各放射素子を複数のグループに分割し、この
グループ単位毎に上記各放射素子の位相を変化させる位
相制御手段を備え、与えられた波長をλ、上記主ビームの水平面下の特定の
角度範囲をθ＿Ｔ、各放射素子間の間隔をｓ、一つのグ
ループを構成する放射素子数をＭとするとき、 θ＿Ｔ≦ｓｉｎ＾−＾１（λ／Ｍｓ）となるようにグループ内の放射素子数が選定されたこと
を特徴とするチルトアンテナ。