JP2014007687A - アンテナおよびこれを備えた無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
天空方向の放射が抑圧され、地上方向にコセカント２乗カーブとなる放射パターンを有すると共に、高い放射ゲインを維持しつつ電気チルトを有する、アンテナよびこれを備えた無線通信装置を提供する。
【解決手段】
本発明のアンテナ１０は、アレイ状に配置された複数のアンテナ素子２１、２２、…、２ｎと、アンテナ素子２１、２２、…、２ｎに、アレイの両端側に行くに従って低下する振幅および一端側に行くに従って進み量が大きくなると共に他端側に行くに従って遅れ量が大きくなる位相を給電する給電手段３０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アンテナおよびこれを備えた無線通信装置に関し、特に、基地局アンテナとして使用されるアンテナおよびこれを用いた無線通信装置に関する。

移動体通信用に用いられる基地局アンテナは、通常は高所に設置される。アンテナから放射される電波によって、基地局と地上の固定通信端末あるいは移動体通信端末との間でデータの送受信が行われる。基地局アンテナの一つに、垂直方向に複数のアンテナ素子を配置し、アンテナ素子にそれぞれ所定の振幅・位相を給電する給電回路を備えるものがある。

例えば、特許文献１には、複数のアンテナ素子に、奇関数で表される第１の位相分布と偶関数で表される第２の位相分布とが合成された位相を付加することにより、天空方向の放射が抑圧され、地上方向にコセカント２乗カーブとなる、ヌルフィルビームを実現するアンテナが開示されている。

天空方向の放射が抑圧されることにより、基地局アンテナ間や基地局アンテナと衛星通信間との干渉が低減される。また、コセカント２乗カーブの放射特性を有することにより、基地局と通信を行う移動体端末は、基地局アンテナからの距離によらず、地上における電界強度が略一定となる。

特開２００９−２１８６７７号公報

ここで、良好な通信品質を維持するために、アンテナから放射されるビームの放射ゲインは所定レベル以上であることが望ましい。また、地上側の所望方向に電波が放射されるように、メインビームの放射角度を、アンテナ水平面から所定の角度に設定できることが望ましい。

なお、メインビームの放射角度は、アンテナからの放射パターンが一定の角度となるように電気的に設定される電気チルトと、アンテナを傾斜させて設置することによって設定される機械チルトと、によって設定することができる。

本発明の目的は、上記の課題に鑑みなされたものであり、天空方向の放射が抑圧され、地上方向にコセカント２乗カーブとなる放射パターンを有すると共に、高い放射ゲインを維持しつつ電気チルトを有する、アンテナよびこれを備えた無線通信装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係るアンテナは、アレイ状に配置された複数のアンテナ素子と、アンテナ素子に、アレイの両端側に行くに従って低下する振幅、および、一端側に行くに従って進み量が大きくなると共に他端側に行くに従って遅れ量が大きくなる位相を給電する給電手段と、を備える。

上記目的を達成するために本発明に係る無線通信装置は、上記のアンテナを備えた無線通信装置である。

本発明に係るアンテナよびこれを備えた無線通信装置は、天空方向の放射が抑圧され、地上方向にコセカント２乗カーブとなる放射パターンを有すると共に、高い放射ゲインを維持しつつ電気チルトを有する。

本発明の第１の実施形態に係るアンテナ１０の、（ａ）ブロック構成図、（ｂ）給電分布である。 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ１００の設置状態を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ１００の、（ａ）透過斜視図、（ｂ）Ｘ−Ｘ線で切断した時の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプリント基板５００の斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ１００の給電分布である。 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ１００の放射特性である。 本発明の第２の実施形態の第１の変形例に係るアンテナ１００の給電分布である。 本発明の第２の実施形態の第１の変形例に係るアンテナ１００の放射特性である。 本発明の第２の実施形態の第２の変形例に係るアンテナ１００の給電分布である。 本発明の第２の実施形態の第２の変形例に係るアンテナ１００の放射特性である。 本発明の第２の実施形態の第３の変形例に係るアンテナ１００の給電分布である。 本発明の第２の実施形態の第３の変形例に係るアンテナ１００の放射特性である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るアンテナについて説明する。本実施形態に係るアンテナのブロック構成図を図１（ａ）に示す。図１（ａ）において、本実施形態に係るアンテナ１０は、複数のアンテナ素子２１、２２、…、２ｎ（ｎは５以上の整数）および給電手段３０を備える。

本実施形態において、アンテナ１０は基地局アンテナとして用いられ、アンテナ１０は、アンテナ素子２１が地上側に、アンテナ素子２ｎが天頂側に来るように縦長に設置される。

なお、アンテナ１０を移動体通信用に用いられる基地局アンテナとして用いる場合、垂直面で６度程度、水平面で６０〜１８０度のビーム幅のビームパターンに成形することが望ましい。所望のゲインを維持した状態で、垂直面で６度程度のビーム幅を成形するため、アンテナ素子の数は１２〜１４素子程度とすると良い。また、水平面で６０〜１８０度のビーム幅を得るため、アンテナ素子の背面に金属板からなる反射板を配置すると良い。さらに、屋外環境に耐えるために、アンテナ１０をＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）、ＰＰＥ（poly phenylene ether：ポリフェニレンエーテル）、ＡＢＳ等の樹脂で作成したレドームで覆うこともできる。

図１（ａ）の説明に戻る。複数のアンテナ素子２１、２２、…、２ｎはアレイ状に配置され、それぞれ給電手段３０から給電された振幅・位相に応じた電磁波を空間に放射すると共に空間から電磁波を受信する。本実施形態において、アンテナ素子２１、２２、…、２ｎは、アンテナ素子２ｋを中心として、等間隔で一列に配置されている。

給電手段３０は、アレイ状に配置されたアンテナ素子２１、２２、…、２ｎへ、アレイの両端側に行くに従って低下する振幅、および、一端側に行くに従って進み量が大きくなると共に他端側に行くに従って遅れ量が大きくなる位相を給電する。

給電手段３０が７素子のアンテナ素子２１、２２、…、２７に給電する場合について説明する。この場合の給電分布の一例を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係る給電手段３０は、中心に配置されたアンテナ素子２４に最も大きな振幅の電力を供給し、アンテナ素子２ｋから線対象となるように、両端に配置されたアンテナ素子２１およびアンテナ素子２７に向かって給電する電力の振幅を小さくする。

さらに、図１（ｂ）に示すように、給電手段３０は、中心に配置されたアンテナ素子２４から他端側のアンテナ素子２１に向かって変化量が大きくなるように位相を遅らせ、中心に配置されたアンテナ素子２４から一端側のアンテナ素子２７に向かって変化量が大きくなるように位相を進ませる。

アレイ状に配置されたアンテナ素子２１、２２、…、２７に、図１（ｂ）に示した振幅・位相を給電することにより、アンテナ１０の放射特性が、天空方向の放射が抑圧され、地上方向にコセカント２乗カーブとなる放射パターンを有すると共に、高い放射ゲインを維持しつつ電気チルトを有するようになる。

ここで、アンテナ素子２４からアンテナ素子２１、２７に行くに従って、振幅の低下量を大きくする場合、さらに、天空方向の放射を抑圧することができる。一方、アンテナ素子２４からアンテナ素子２１、２７までの振幅の低下量を一定にする場合、放射特性に落ち込み（ヌル）を低減することができる。

以上のように、本実施形態に係るアンテナ１０は、アレイ状に配置された複数のアンテナ素子に、アレイの両端側に行くに従って低下する振幅、および、一端側に行くに従って進み量が大きくなると共に他端側に行くに従って遅れ量が大きくなる位相を給電する。この場合、アンテナ１０の放射特性が、天空方向の放射が抑圧され、地上方向にコセカント２乗カーブとなる放射パターンを有すると共に、高い放射ゲインを維持しつつ電気チルトを有するようになる。

本実施形態に係るアンテナ１０を基地局アンテナに適用する場合、天空方向の放射が抑圧されることにより、基地局アンテナ間や基地局アンテナと衛星通信装置間等の干渉を低減することができる。また、地上方向にコセカント２乗カーブとなる放射パターンを有することにより、基地局と通信を行う移動体端末が、基地局アンテナからの距離によらない略一定の電界強度の放射特性を得ることができる。また、ヌルが抑制されることにより、通信品質が低いエリアを縮小することができる。

さらに、アンテナ１０を基地局アンテナに適用する場合、高い放射ゲインを維持しつつ電気チルトを有することにより、基地局の足下付近の電界強度を所望の強度に維持できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係るアンテナをアンテナ取り付け用ポールに取り付けた時の斜視図を図２に示す。図２において、本実施形態に係るアンテナ１００は、長手方向が天地方向となるようにして、２つの取付金具７００を介してアンテナ取り付け用ポール８００に固定される。

本実施形態に係るアンテナ１００の透過斜視図を図３（ａ）に、図３（ａ）のアンテナ１００をＸ―Ｘ線で切断した時の断面図を図３（ｂ）に示す。図３（ａ）、（ｂ）において、本実施形態に係るアンテナ１００は、筐体２００、１３個の放射素子３００ａ−３００ｍ、１３個のセンターポール４００ａ−４００ｍ、および、プリント基板５００を備える。

筐体２００は、本体２１０およびカバー２２０を備える。本体２１０は、金属板を折り曲げることによって形成された長尺の箱体である。本体２１０は内部に、低背で上方が解放された矩形型の空間を備える。この空間の内部に、放射素子３００ａ−３００ｍ、センターポール４００ａ−４００ｍおよびプリント基板５００が配置される。

カバー２２０は金属製の板体であり、本体２１０の上方に配置されることにより、放射素子３００ａ−３００ｍ、センターポール４００ａ−４００ｍおよびプリント基板５００が配置された空間を覆う。なお、アンテナ１００の保護のために、筐体２００をＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）やＰＰＣ（ポリプロピレンカーボネート）等の樹脂ケース内に配置することもできる。

放射素子３００ａ−３００ｍはそれぞれ、センターポール４００ａ−４００ｍを介して、プリント基板５００に形成された放射素子５１０ａ−５１０ｍと接続されている。本実施形態において、放射素子３００ａ−３００ｍおよび放射素子５１０ａ−５１０ｍは、センターポール４００ａ−４００ｍを介して接続されることで、パッチアンテナ６００ａ−６００ｍを構成している。

センターポール４００ａ−４００ｍはそれぞれ、放射素子３００ａ−３００ｍおよびプリント基板５００上に形成された放射素子５１０ａ−５１０ｍを接続する。放射素子３００ａ−３００ｍおよび放射素子５１０ａ−５１０ｍをセンターポール４００ａ−４００ｍで接続することにより、パッチアンテナ６００ａ−６００ｍの広帯域化が図られる。

プリント基板５００は、誘電体等によって形成され、筐体２００の本体２１０の内部に配置される。プリント基板５００を本体２１０に配置した時の斜視図を図４に示す。図４に示すように、本実施形態に係るプリント基板５００は本体２１０に固定され、上面に１３個の放射素子５１０ａ−５１０ｍ、給電ポイント５２０、５３０、および、給電回路５４０、５５０が形成されている。

放射素子５１０ａ−５１０ｍは、プリント基板５００の上面に所定の間隔で１列に形成されている。上述のように、放射素子５１０ａ−５１０ｍはそれぞれ、センターポール４００ａ−４００ｍを介して放射素子３００ａ−３００ｍと接続されることにより、パッチアンテナ６００ａ−６００ｍを構成する。

給電ポイント５２０、５３０は、給電回路５４０、５５０を介して放射素子５１０ａ−５１０ｍに電力を供給する。

給電回路５４０、５５０は、分配部および遅延部等を含む線路であり、給電ポイント５２０、５３０から供給された電力を所定の励振振幅および位相に制御して、放射素子５１０ａ−５１０ｍに供給する。給電回路５４０、５５０は電力を所望の励振振幅および位相に制御できるように、線路の太さ・長さ等が設計されている。本実施形態において、図４に示すように、給電回路５４０、５５０は、給電ポイント５２０、５３０から放射素子５１０ａ−５１０ｍまで階段状に分岐するように構成されている。

本実施形態において、給電回路５４０は、放射素子５１０ａ−５１０ｍに対して幅方向から給電する。すなわち、図２において、アンテナ１００をアンテナ取り付け用ポール８００に固定した状態で水平方向から給電する。パッチアンテナ６００ａ−６００ｍは、放射素子５１０ａ−５１０ｍに水平方向から給電されることによって、筐体２００の本体２１０の幅およびパッチアンテナの特性に応じた水平方向のビーム幅を有する水平偏波を放射する。

一方、給電回路５５０は、放射素子５１０ａ−５１０ｍに対して長手方向から給電する。すなわち、図２において、アンテナ１００をアンテナ取り付け用ポール８００に固定した状態で垂直方向から給電する。パッチアンテナ６００ａ−６００ｍは、放射素子５１０ａ−５１０ｍに垂直方向から給電されることによって、供給された電力の励振振幅および位相に応じた垂直方向のビームパターンを有する垂直偏波を放射する。

本実施形態に係る給電回路５４０、５５０が、放射素子５１０ａ−５１０ｍに供給するエネルギーの励振振幅・位相（給電分布）を図５に示す。図５において、アンテナ番号ａ−ｍは、パッチアンテナ６００ａ−６００ｍにそれぞれ対応する。また、図２乃至図４において、パッチアンテナ６００ａが下方に位置し（地上方向）、パッチアンテナ６００ｍが上方に位置する（天頂方向）。

図５において、給電回路５４０、５５０により、中心のパッチアンテナ６００ｇに最も大きな振幅の電力が供給され、地上方向および天頂方向に行くに従って給電されるエネルギーの振幅が小さくなる。また、振幅の変化量は、地上方向および天頂方向に行くに従って大きくなるようにする。

さらに、図５において、給電回路５４０、５５０により、中心のパッチアンテナ６００ｇから線対象となるように、天頂方向に行くに従って進み、地上方向に行くに従って遅れる、位相の電力が供給される。また、位相の変化量は、地上方向および天頂方向に行くに従って大きくなる。

そして、パッチアンテナ６００ａ−６００ｍに図５に示した励振振幅・位相の電力が供給されることにより、本実施形態に係るアンテナ１００は、図６に示す放射特性を示す。ここで、図６のElevation Angleθは、図２に示したアンテナ正面での垂直方向の放射角度に対応する。すなわち、Elevation Angleθは、天頂方向が０度、地上方向が１８０度、水平方向が９０度である。

図６において、本実施形態に係るアンテナ１００の放射特性は、水平方向から上方向の天空サイドローブ（０〜９０度）が、２５ｄＢ以下に押さえられている。また、メインローブの放射角度が９２度であり、電気チルト角として２度の角度が初期設定されている。これにより、効率よく基地局側へ偏波を放射することができる。なお、放射パターンのチルト角は、図２において、取り付け金具７００を調整してアンテナ１００の取付け角度を変えることでも変更できる。

また、図６において、本実施形態に係るアンテナ１００は、水平方向から地上方向（９０〜１８０度）の放射ゲインの減衰パターンがコセカント２乗パターンとなっている。この場合、アンテナ１００からの距離に対して、電界強度がほぼ一定となる。

以上のように、本実施形態において、給電回路５４０、５５０のパターンの太さおよび長さを調整することにより、図５に示した振幅・位相をパッチアンテナ６００ａ−６００ｍに供給する。すなわち、中心のパッチアンテナｇを最大値とする線対象の振幅を設定し、地上方向および天頂方向に行くに従って供給する電力の振幅を小さくする。また、中心のパッチアンテナｇを中心に点対称の位相を設定し、天頂方向に向かって進ませ、地上方向に向かって遅らせる。さらに、振幅および位相の変化量は、地上方向および天頂方向に行くに従って大きくする。パッチアンテナ６００ａ−６００ｍに上述の励振振幅・位相の電力を供給することにより、図６に示すように、アンテナ１００が、天空方向の放射が抑圧され、地上方向にコセカント２乗カーブとなる放射パターンを有すると共に、高い放射ゲインを維持しつつ電気チルトを有するようになる。

なお、本実施形態では、放射素子３００ａ−３００ｍおよび放射素子５１０ａ−５１０ｍで構成されるアンテナ素子として、丸形状のパッチアンテナを適用したが、これに限定されない。例えば、四角形状のパッチアンテナを適用することもできるし、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ等のアンテナ素子を適用することもできる。

また、本実施形態では、パッチアンテナに、給電回路５４０によって水平方向から給電し、給電回路５５０によって垂直方向から給電することにより、アンテナ１００から垂直偏波と水平偏波とを同時に放射または受波したが、これに限定されない。例えば、給電回路５４０または給電回路５５０のどちらか一方だけを用い、垂直偏波または水平偏波のどちらか一方のみを扱うこともできる。また、給電ポイント５２０、５３０の位置を変更することにより、例えば、＋４５度および−４５度の偏波を放射または受波することもできる。さらに、本実施形態に係るアンテナ１００は、１３個のアンテナ素子を用いたが、アンテナ素子の数は１３に限定されない。

（第２の実施形態の変形例）
第２の実施形態の変形例について説明する。第２の実施形態では、中心のパッチアンテナ６００ｇを最大値として地上方向および天頂方向に行くに従って小さくなる線対象の振幅を設定すると共に中心のパッチアンテナ６００ｇを中心にして天頂方向に向かって進み、地上方向に向かって遅れる点対称の位相を設定し、振幅および位相の変化量を地上方向および天頂方向に行くに従って大きくした（図５）。これにより、アンテナ１００の放射特性において、天空方向の放射が抑圧され、地上方向にコセカント２乗カーブとなる放射パターンを有すると共に、高い放射ゲインを維持しつつ電気チルトを有する（図６）。

ここで、図３に示したアンテナ１００の給電回路５４０、５５０の線路パターンを変更することにより、パッチアンテナ６００ａ−６００ｍに供給する電力の振幅・位相分布を変更することができる。図５に示した振幅・位相分布をベースに、振幅分布または／および位相分布を変更することにより、アンテナ１００の放射特性を目的に応じて調節することができる。

第１の変形例として、振幅分布を変更する場合について説明する。本実施形態に係る振幅・位相分布を図７に、この時のアンテナ１００の放射特性を図８に示す。図７に示すように、本実施形態では、第２の実施形態で説明したパッチアンテナ６００ａ−６００ｍに、図５と同様の位相分布の電力を供給するとともに、中心のパッチアンテナ６００ｇを最大値として地上方向および天頂方向に行くに従って一定の割合で小さくなる振幅を給電する。

図６と図８とを比較すると、振幅の変化量を一定値にすることにより、天空サイドローブレベルの抑制がやや低下（最大で約５ｄＢ）する一方、足下方向（θ＝１５０度付近）の放射ゲインが高くなる。この場合、基地局の足下付近の電界強度の低下を低減することができる。

次に、第２の変形例として、位相分布を変更する場合について説明する。本実施形態に係る振幅・位相分布を図９に、この時のアンテナ１００の放射特性を図１０に示す。図９に示すように、本実施形態では、第２の実施形態で説明したパッチアンテナ６００ａ−６００ｍに、図５と同様の振幅分布の電力を供給するとともに、中心のパッチアンテナ６００ｇから天頂方向に向かって位相を大きく進ませ、地上方向に向かって位相を若干遅らせた電力を供給する。なお、位相の変化量は、地上方向および天頂方向に行くに従って大きくする。

図６と図１０とを比較すると、天頂方向に向かって位相を大きく進ませ、地上方向に向かって位相を若干遅らせることにより、メインローブと第１サイドローブとの間の放射特性の落ち込み（第１ヌル）を低減させることができる。第１ヌルがアンテナ１００から最も遠い位置において最も広範囲に通信品質の低下等の影響を与えることから、第１ヌルを低減させることにより、通信品質の低下を効率よく改善することができる。

さらに、図９では、中心のパッチアンテナ６００ｇから天頂方向に向かって位相を大きく進ませ、地上方向に向かって位相を若干遅らせたが、中心のパッチアンテナ６００ｇから天頂方向に向かって位相を若干進ませ、地上方向に向かって位相を大きく遅らせることでも、第１ヌルを低減させることができる。

第３の変形例として、この場合の振幅・位相分布を図１１に、この時のアンテナ１００の放射特性を図１２に示す。図１２の放射特性は、図１０の放射特性と同様になる。つまり、図１１に示す振幅・位相分布をパッチアンテナ６００ａ−６００ｍに供給することにより、第１ヌルを低減させることができる。

さらに、図９および図１１において、図５に示した振幅分布ではなく図７に示した振幅分布を適用することもできる。すなわち、パッチアンテナ６００ａ−６００ｍに、中心のパッチアンテナ６００ｇを最大値として地上方向および天頂方向に行くに従って一定の割合で小さくなる振幅を給電する。パッチアンテナ６００ａ−６００ｍに、図９または図１１に示した位相分布および図７に示した振幅分布の電力を供給することにより、第１ヌルを低減することができると共に足下方向の放射ゲインを高くすることができる。

なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

１０ アンテナ
２１、２２、…、２ｎ アンテナ素子
３０ 給電手段
１００ アンテナ
２００ 筐体
３００ａ−３００ｍ 放射素子
４００ａ−４００ｍ センターポール
５００ プリント基板
５１０ａ−５１０ｍ 放射素子
５２０、５３０ 給電ポイント
５４０、５５０ 給電回路
６００ａ−６００ｍ パッチアンテナ
７００ 取付金具
８００ アンテナ取り付け用ポール

Claims (10)

1. アレイ状に配置された複数のアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子に、前記アレイの両端側に行くに従って低下する振幅、および、一端側に行くに従って進み量が大きくなると共に他端側に行くに従って遅れ量が大きくなる位相を給電する給電手段と、
   を備えるアンテナ。
2. 前記振幅は、前記アレイの両端側に行くに従って低下量が大きくなる、請求項１記載のアンテナ。
3. 前記振幅は、一定の割合で低下する、請求項１記載のアンテナ。
4. 前記位相の進み量の変化率は、前記位相の遅れ量の変化率よりも大きい、請求項１乃至３のいずれか１項記載のアンテナ。
5. 前記位相の遅れ量の変化率は、前記位相の進み量の変化率よりも大きい、請求項１乃至３のいずれか１項記載のアンテナ。
6. 前記複数のアンテナ素子はアレイ状に等間隔で配置され、
   前記振幅および前記位相は、前記アレイの中心に配置されたアンテナ素子を基準に変化する、請求項１乃至５のいずれか１項記載のアンテナ。
7. 前記アンテナ素子は、対向する２つの放射素子をセンターポールで接続することにより構成されたパッチアンテナである、請求項１乃至６のいずれか１項記載のアンテナ。
8. 前記給電手段は、基板上に形成された給電ポイントおよび該給電ポイントと前記複数のアンテナ素子とを階段状に分岐しながら接続する回路パターンである、請求項１乃至７のいずれか１項記載のアンテナ。
9. 前記複数のアンテナ素子および前記給電手段は、金属製の筐体内に配置される、請求項１乃至８のいずれか１項記載のアンテナ。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項記載のアンテナを備えた無線通信装置。

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