JP2017139575A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直偏波のＤＵ比に対する影響を抑制しつつ、水平偏波のＤＵ比を改善する。
【解決手段】アンテナ装置１は、容器２と、容器２内に収容された第１反射板１０と、第１反射板１０の一側に第１反射板１０の長手方向に沿って配置された複数のアンテナ素子群２０と、第１反射板１０の他側に第１反射板１０と平行に配置された第２反射板３０と、を有する。それぞれのアンテナ素子群２０は、水平偏波素子２１と、水平偏波素子２１の両側に配置され、水平偏波素子２１を挟んで対向する第１垂直偏波素子２２および第２垂直偏波素子２３と、を含む。また、第２反射板３０には、それぞれのアンテナ素子群２０に含まれる水平偏波素子２１と第１反射板１０を挟んで対向する複数のスリット３１が設けられ、それぞれのスリット３１の長手方向中心は、対向する水平偏波素子２１の真下に位置している。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関するものであり、特に移動体通信の基地局アンテナとしての利用に適したアンテナ装置に関するものである。

移動体通信の基地局アンテナは、当該基地局アンテナが担当するエリア内の複数のセルのそれぞれに対応した複数のアンテナ装置（セクタアンテナ）を有しており、各アンテナ装置は所定のセルに向けて電波を送信し、所定のセルから送信される電波を受信する。

それぞれのアンテナ装置は、一般的に“レドーム”と呼ばれる容器と、容器内に収容された反射板，垂直偏波素子および水平偏波素子を備えている。垂直偏波素子は、反射板の近傍に配置されて垂直偏波を送受信し、水平偏波素子は、反射板の近傍に配置されて水平偏波を送受信する。例えば、水平偏波素子が反射板の一面に垂直に立てられ、この水平偏波素子の両側に一対の垂直偏波素子が反射板の一面に対して斜めに立てられる。換言すれば、一対の垂直偏波素子の間に、１つの水平偏波素子が配置される。それぞれの垂直偏波素子は、反射板の一面から離反するにしたがって互いに離反するように傾斜しており、全体としてＶ字形状またはＹ字形状を呈する。

特開２０１５−３３０１８号公報

複数のアンテナ装置が隣接配置される場合、それぞれのアンテナ装置から放射される電波同士の干渉が問題となる。このような電波同士の干渉に関する指標の１つとして希望波対干渉波比（ＤＵ比／Ｄｅｓｉｒｅｄｔｏ Ｕｎｄｅｓｉｒｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｒａｔｉｏ）がある。

例えば、１２０度間隔で配置された同一特性の３つのアンテナ装置（セクタアンテナ）のうちの任意の１つ（対象セクタアンテナ）に関するＤＵ比は次のようにして求められる。対象セクタアンテナの位置を基準（０度）とし、角度毎に１番大きい電波レベル（相対利得）［ｄＢ］、２番目に大きい電波レベル（相対利得）［ｄＢ］、３番目に大きい電波レベル（相対利得）［ｄＢ］を測定する。このとき、１番大きい電波レベルは、対象セクタアンテナから放射された電波のレベルであり、２番目及び３番目に大きい電波レベルは、対象セクタアンテナ以外のセクタアンテナから放射された電波のレベルである。換言すれば、１番大きいレベルを示す電波は希望波であり、２番目及び３番目に大きなレベルを示す電波は干渉波である。

そこで、角度毎に、当該角度において１番大きい電波レベルから２番目に大きい電波レベルと３番目に大きい電波レベルの和を減算することによって希望波対干渉波比（ＤＵ比）が求められる。

以上のように、ＤＵ比とは、それぞれの角度における希望波レベルから干渉波レベルを減じた値であり、ＤＵ比が高いことは当該角度における干渉波が少ないことを意味する。また、ＤＵ比が所定値よりも高い角度範囲が広いことは、当該アンテナ装置が広範囲において良好なアンテナ特性を示すことを意味する。

そこで、アンテナ装置においては、メインビーム以外の不要な電波（サイドローブ等）をなるべく低減させてＤＵ比を改善することが望まれる。

従来、全体としてＶ字形状またはＹ字形状を呈する一対の垂直偏波素子と、これら垂直偏波素子の間に配置された１つの水平偏波素子と、を備えるアンテナ装置のＤＵ比を改善する手法として、垂直偏波素子と水平偏波素子との間隔を調整する手法がある。具体的には、一対の垂直偏波素子が成す角度（開き角度）を増減させて、垂直偏波素子を水平偏波素子に近接または離反させる。

しかし、上記手法によると、垂直偏波および水平偏波のＤＵ比が同時に変化してしまう。このため、水平偏波のＤＵ比のみを改善することは困難または不可能である。一方、アンテナ装置のＤＵ比改善においては、垂直偏波のＤＵ比に影響を与えず、水平偏波のＤＵ比のみを改善したい場合がある。

本発明の目的は、垂直偏波のＤＵ比に対する影響を抑制しつつ、水平偏波のＤＵ比を改善することである。

本発明のアンテナ装置は、水平偏波および垂直偏波を送受信するアンテナ装置である。このアンテナ装置は、容器と、前記容器内に収容された第１反射板と、前記容器内であって前記第１反射板の一側に、前記第１反射板の長手方向に沿って配置された複数のアンテナ素子群と、前記容器内であって前記第１反射板の他側に、前記第１反射板と平行に配置された第２反射板と、を有する。ぞれぞれの前記アンテナ素子群は、水平偏波素子と、前記水平偏波素子の両側に配置され、前記水平偏波素子を挟んで対向する第１垂直偏波素子および第２垂直偏波素子と、を含む。また、前記第２反射板には、それぞれの前記アンテナ素子群に含まれる前記水平偏波素子と前記第１反射板を挟んで対向する複数のスリットが設けられる。それぞれの前記スリットの長手方向中心は、対向する前記水平偏波素子の真下に位置している。

本発明の一態様では、それぞれの前記スリットの長さは、当該アンテナ装置の使用周波数の１／２波長に相当する長さである。

本発明の他の態様では、それぞれの前記スリットの幅は、１ｍｍ以上かつ１５ｍｍ以下である。

本発明の他の態様では、それぞれの前記スリットの幅は、５ｍｍ以上かつ１０ｍｍ以下である。

本発明によれば、垂直偏波のＤＵ比に対する影響を抑制しつつ、水平偏波のＤＵ比を改善することができる。

本発明が適用されたアンテナ装置の全体構成を示す斜視図である。 本発明が適用されたアンテナ装置の全体構成を示す断面図である。 アンテナ素子群と第２反射板との位置関係を示す断面図である。 第２反射板の平面図である。 （ａ）は、比較例としてのアンテナ装置から放射される水平偏波（Ｈ偏波）の水平面指向性を示すグラフであり、（ｂ）は、比較例としてのアンテナ装置から放射される垂直偏波（Ｖ偏波）の水平面指向性を示すグラフである。 （ａ）は、本発明が適用されたアンテナ装置から放射される水平偏波（Ｈ偏波）の水平面指向性を示すグラフであり、（ｂ）は、本発明が適用されたアンテナ装置から放射される垂直偏波（Ｖ偏波）の水平面指向性を示すグラフである。

以下、本発明のアンテナ装置の実施形態の一例について図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態に係るアンテナ装置は、移動体通信の基地局アンテナを構成するセクタアンテナの１つとして用いられるアンテナ装置である。基地局アンテナは、当該基地局アンテナが担当するエリア内の各セルに対応するアンテナ装置（セクタアンテナ）を備える。例えば、当該基地局アンテナが担当するエリアが水平面において１２０°間隔で３分割されている場合、つまりエリアが３つのセルに分割されている場合、当該基地局アンテナは１２０°間隔で配置される３つのアンテナ装置を備える。それぞれのアンテナ装置は、割り当てられたセル内の通信端末との間で電波の送受信を行う。

図１は、本実施形態に係るアンテナ装置１の全体構成を示す斜視図である。図１に示されるアンテナ装置１は、一般的に“レドーム”と呼ばれる円筒形の容器２を有する。容器２の内部には、対向する二枚の金属板１１，１２と、これら二枚の金属板１１，１２の間に配置された基板１３と、複数のアンテナ素子群２０と、一枚の金属板３０と、が収容されている。

図１では、作図の便宜上の理由により、アンテナ装置１が横倒しの状態で図示されている。しかし、アンテナ装置１は、基地局アンテナのセクタアンテナとして用いられる際には起立する。具体的には、アンテナ装置１は、容器２の軸線が鉛直または略鉛直となるように起立した状態で用いられる。

基板１３は誘電体材料によって形成されており、基板１３の表裏面には、不図示の導体層がそれぞれ形成されている。すなわち、導体層が形成された基板１３と該基板１３を挟んで対向する一対の金属板１１，１２とは全体としてトリプレート線路を構成しており、このトリプレート線路が各アンテナ素子群２０と電気的に接続されている。つまり、それぞれの金属板１１，１２はトリプレート線路を構成するグランド板として機能する。一方、それぞれの金属板１１，１２は、アンテナ素子群２０から放射される電波を反射する第１反射板としても機能する。そこで以下の説明では、図１に示されている金属板１１を“上側金属板１１”と呼び、金属板１２を“下側金属板１２”と呼ぶ場合がある。また、上側金属板１１および下側金属板１２を“第１反射板１０”と総称する場合がある。また、金属板３０は、アンテナ素子群２０から放射される電波を反射する第２反射板として機能する。そこで以下の説明では、図１に示されている金属板３０を“第２反射板３０”と呼ぶ場合がある。

第１反射板１０は、容器２の軸方向を長手方向とする略矩形の平面形状を有する。第１反射板１０は、容器２の径方向中央または略中央に配置され、容器２の内部空間を二分または略二分している。アンテナ素子群２０は、容器２内であって第１反射板１０の一側に設けられており、第２反射板３０は、容器２内であって第１反射板１０の他側に設けられている。つまり、アンテナ素子群２０と第２反射板３０とは、第１反射板１０を挟んで互いに反対側に位置している。

上側金属板１１及び下側金属板１２の幅方向両端部は、それぞれ直角に折り曲げられて側壁１１ａ，１２ａを形成している。もっとも、上側金属板１１の側壁１１ａと下側金属板１２の側壁１２ａとは互いに逆向きに立ち上がっている。具体的には、上側金属板１１の側壁１１ａは、アンテナ素子群２０が設けられている第１反射板１０の一側に向かって立ち上がっており、下側金属板１２の側壁１２ａは、第２反射板３０が設けられている第１反射板１０の他側に向かって立ち上がっている。また、第２反射板３０の幅方向両端部には、側壁１１ａと同方向に立ち上げられた側壁３０ａが設けられている。

図２に示されるように、第１反射板１０の一側に設けられている複数のアンテナ素子群２０は、第１反射板１０の長手方向に沿って所定ピッチで一列に並んでいる。また、第１反射板１０の他側に設けられている第２反射板３０は、第１反射板１０と平行である。さらに、第２反射板３０には、アンテナ素子群２０と同ピッチで一列に並ぶ複数のスリット３１が設けられている。

図１に示されるように、それぞれのアンテナ素子群２０は、水平偏波を送受信する１つの水平偏波素子２１と、垂直偏波を送受信する２つの垂直偏波素子（第１垂直偏波素子２２，第２垂直偏波素子２３）と、を含んでいる。図３に示されるように、水平偏波素子２１は、互いに逆方向に延びる腕部２１ａ，２１ｂを備えており、第１のダイポールアンテナとして機能する。尚、腕部２１ａは、水平偏波素子２１の上端から第１垂直偏波素子２２に向かって伸びており、腕部２１ｂは、水平偏波素子２１の上端から第２垂直偏波素子２３に向かって伸びている。また、一対の第１垂直偏波素子２２および第２垂直偏波素子２３は、第２のダイポールアンテナとして機能する。つまり、水平偏波素子２１，第１垂直偏波素子２２および第２垂直偏波素子２３を含む各アンテナ素子群２０は、水平偏波および垂直偏波の双方を送受信することができる共用アンテナユニットである。水平偏波素子２１，第１垂直偏波素子２２および第２垂直偏波素子２３の下端は、上側金属板１１を貫通して基板１３に形成されている不図示の導体層に接続されている。つまり、水平偏波素子２１，第１垂直偏波素子２２および第２垂直偏波素子２３が既述のトリプレート線路と電気的に接続されている。

図３に示されるように、それぞれのアンテナ素子群２０に含まれる水平偏波素子２１は、第１反射板１０の幅方向中央に配置されている。一方、それぞれのアンテナ素子群２０に含まれる第１垂直偏波素子２２および第２垂直偏波素子２３は、当該アンテナ素子群２０に含まれる当該水平偏波素子２１の両側に配置され、当該水平偏波素子２１を挟んで対向している。

さらに、水平偏波素子２１は、第１反射板１０に対して垂直である一方、第１垂直偏波素子２２および第２垂直偏波素子２３は第１反射板１０に対して傾斜している。具体的には、第１垂直偏波素子２２および第２垂直偏波素子２３は、第１反射板１０から離反するに従って互いの対向間隔が拡大するように、互いに逆向きに傾斜している。図３では、第１垂直偏波素子２２は右側に傾斜しており、第２垂直偏波素子２３は左側に傾斜している。

また、第１垂直偏波素子２２および第２垂直偏波素子２３の水平偏波素子２１に対する傾斜角度は同一である。よって、第１垂直偏波素子２２および第２垂直偏波素子２３は、水平偏波素子２１を中心として対称である。

第２反射板３０は、第１反射板１０を挟んでアンテナ素子群２０と対向している。図２，図３に示されるように、第２反射板３０に設けられている複数のスリット３１は、それぞれのアンテナ素子群２０に含まれる水平偏波素子２１と第１反射板１０を挟んで対向している。換言すれば、それぞれのスリット３１は、対応する水平偏波素子２１の真裏（図２，図３では真下）に配置されている。

図４に示されるように、それぞれのスリット３１は、第２反射板３０の長手方向に沿って伸びる帯状の貫通孔であり、その長手方向中心は、対向する水平偏波素子２１の真下に位置している。それぞれのスリット３１の長さ（Ｌ）は、アンテナ装置１の使用周波数の１／２波長に相当する長さである。本実施形態に係るアンテナ装置１の使用周波数帯は、７００［ＭＨｚ］帯と８００［ＭＨｚ］帯である。よって、本実施形態では、それぞれのスリット３１の長さ（Ｌ）が中間周波数（７５０［ＭＨｚ］）の１／２波長に相当する長さに設定されている。また、それぞれのスリット３１の幅（Ｗ）は、１ｍｍ以上かつ１５ｍｍ以下の範囲内であることが好ましく、５ｍｍ以上かつ１０ｍｍ以下の範囲内であることがさらに好ましい。加えて、それぞれのスリット３１の幅（Ｗ）は、アンテナ装置１の使用周波数が高くなるほど狭くすることが好ましい。本実施形態では、それぞれのスリット３１の幅（Ｗ）が５ｍｍに設定されている。

図１に示されている第１反射板１０及び第２反射板３０は、不図示の固定部材を介して容器２の内周面に固定されている。もっとも、第１反射板１０と第２反射板３０とは電気的に絶縁されており、第２反射板３０は電気的に浮いている。また、基板１３と上側金属板１１との間隔および基板１３と下側金属板１２との間隔は、不図示のスペーサによって所定間隔に保たれている。

以上のように、本実施形態に係るアンテナ装置１では、各アンテナ素子群２０に含まれている水平偏波素子２１の真裏に、スリット３１を含む第２反射板３０が配置されており、この第２反射板３０の存在により水平偏波のＤＵ比が改善される。換言すれば、垂直偏波のＤＵ比に対して実質的な影響を与えることなく、水平偏波のＤＵ比の改善が図られる。

図５（ａ）に示されるグラフは、図１等に示されている第２反射板３０が設けられていないアンテナ装置（比較例）から放射される７００［ＭＨｚ］帯および８００［ＭＨｚ］帯の水平偏波（Ｈ偏波）の水平面指向性に関するシミュレーション結果を示すグラフである。また、図５（ｂ）に示されるグラフは、上記比較例から放射される７００［ＭＨｚ］帯および８００［ＭＨｚ］帯の垂直偏波（Ｖ偏波）の水平面指向性に関するシミュレーション結果を示すグラフである。

一方、図６（ａ）に示されるグラフは、アンテナ装置１、つまり第２反射板３０が設けられている本実施形態のアンテナ装置１から放射される７００［ＭＨｚ］帯および８００［ＭＨｚ］帯の水平偏波（Ｈ偏波）の水平面指向性に関するシミュレーション結果を示すグラフである。また、図６（ｂ）に示されるグラフは、アンテナ装置１から放射される７００［ＭＨｚ］帯および８００［ＭＨｚ］帯の垂直偏波（Ｖ偏波）の水平面指向性に関するシミュレーション結果を示すグラフである。尚、本シミュレーションにおいては、図４に示されるスリット３１の長さ（Ｌ）を７００［ＭＨｚ］の１／２波長に相当する長さに設定した。

また、図５（ａ），（ｂ）および図６（ａ），（ｂ）に示されている各グラフ中の網掛け部分は、メインローブ（希望波）以外の不要なローブ（干渉波）が現れている領域（角度範囲）を示している。換言すれば、各グラフ中の２つの網掛け部分の間の領域（角度範囲）は、メインローブ（希望波）が現れている領域（角度範囲）を示している。

図５（ａ）と図６（ａ）とを比較すると、アンテナ装置１では、比較例と比べて、７００［ＭＨｚ］帯および８００［ＭＨｚ］帯の双方の帯域において干渉波の利得が低下していることがわかる。つまり、アンテナ装置１では、比較例と比べて、干渉波の利得に対する希望波の利得が相対的に上昇しており、水平偏波のＤＵ比（希望波対干渉波比）が改善されている。

一方、図５（ｂ）と図６（ｂ）とを比較すると、アンテナ装置１における７００［ＭＨｚ］帯および８００［ＭＨｚ］帯の干渉波の利得と、比較例における７００［ＭＨｚ］帯および８００［ＭＨｚ］帯の干渉波の利得と、は同一である。つまり、アンテナ装置１における垂直偏波のＤＵ比（希望波対干渉波比）と、比較例における垂直偏波のＤＵ比（希望波対干渉波比）と、は同一である。

以上のように、スリット３１を含む第２反射板３０が設けられているアンテナ装置１では、水平偏波のＤＵ比は改善されている一方、垂直偏波のＤＵ比は影響を受けていない。

本件発明者らの行ったシミュレーションによれば、本実施形態に係るアンテナ装置１では、７００［ＭＨｚ］帯において水平偏波のＤＵ比が２５［ｄＢ］よりも大きい角度範囲は１３３．２度であった一方、比較例では８６．４度であった。つまり、アンテナ装置１では、７００［ＭＨｚ］帯において水平偏波のＤＵ比が２５［ｄＢ］よりも大きい角度範囲が４６．８度増加した。同様に、本実施形態に係るアンテナ装置１では、８００［ＭＨｚ］帯において水平偏波のＤＵ比が２５［ｄＢ］よりも大きい角度範囲は１２２．４度であった一方、比較例では１１８．８度であった。つまり、アンテナ装置１では、８００［ＭＨｚ］帯において水平偏波のＤＵ比が２５［ｄＢ］よりも大きい角度範囲が３．６度増加した。

また、本実施形態に係るアンテナ装置１および比較例では、７００［ＭＨｚ］帯において垂直偏波のＤＵ比が２５［ｄＢ］よりも大きい角度範囲は９３．６度で同一であった。同様に、本実施形態に係るアンテナ装置１および比較例では、８００［ＭＨｚ］帯において垂直偏波のＤＵ比が２５［ｄＢ］よりも大きい角度範囲は１１８．８度で同一であった。

上記シミュレーションにより、アンテナ装置１では、使用周波数帯の一方（７００［ＭＨｚ］帯）において、水平偏波のＤＵ比が大幅に改善される一方、垂直偏波のＤＵ比は影響を受けないことが確認された。また、使用周波数帯の他方（８００［ＭＨｚ］帯）については、水平偏波及び垂直偏波の双方のＤＵ比が実質的な影響を受けないことが確認された。本シミュレーションでは、スリット３１の長さ（Ｌ）が７００［ＭＨｚ］の１／２波長に相当する長さに設定されていたため、７００［ＭＨｚ］帯の水平偏波のＤＵ比のみが大幅に改善される結果となった。

もっとも、スリット３１の長さ（Ｌ）を中間周波数（７５０［ＭＨｚ］）の１／２波長に相当する長さに設定すれば、７００［ＭＨｚ］帯および８００［ＭＨｚ］帯の双方において水平偏波のＤＵ比が改善される。また、スリット３１の長さ（Ｌ）を８００［ＭＨｚ］の１／２波長に相当する長さに設定すれば、８００［ＭＨｚ］帯の水平偏波のＤＵ比のみが大幅に改善される。また、使用周波数帯が同一の場合、スリット３１の幅（Ｗ）が広い程、ＤＵ比が２５［ｄＢ］よりも大きい角度範囲が増大する傾向がある。

このように、スリット３１の長さや幅を調整することにより、垂直偏波のＤＵ比に影響を与えることなく、任意の周波数帯における水平偏波のＤＵ比を改善させることができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施形態における水平偏波素子２１，第１垂直偏波素子２２および第２垂直偏波素子２３は、所定形状に加工された金属板である。しかし、これら偏波素子２１，２２，２３は、誘電体基板と、この誘電体基板の表面に形成された導体パターンと、を有する偏波素子（アンテナ素子）に置換することができる。

また、各アンテナ素子群２０に電力を供給する給電線路はトリプレート線路に限られるものではなく、他の構造の線路を介して各アンテナ素子群２０に電力を供給してもよい。

上記実施形態では、容器２内に３つのアンテナ素子群２０が設けられていたが、アンテナ素子群２０の数は適宜増減させることができる。また、アンテナ素子群２０の数が増減される場合には、これに応じてスリット３１の数も増減される。

また、上記実施形態における上側金属板１１には側壁１１ａが設けられ、下側金属板１２には側壁１２ａが設けられ、第２反射板３０には側壁３０ａが設けられている。しかし、これら側壁１１ａ，１２ａ，３０ａは本発明の必須要素ではなく、所望のアンテナ特性を考慮して適宜省略することができる。

１ アンテナ装置
２ 容器
１０ 第１反射板
１１ 上側金属板
１２ 下側金属板
１１ａ，１２ａ，３０ａ 側壁
１３ 基板
２０ アンテナ素子群
２１ 水平偏波素子
２１ａ，２１ｂ 腕部
２２ 第１垂直偏波素子
２３ 第２垂直偏波素子
３０ 第２反射板
３１ スリット

Claims (4)

1. 水平偏波および垂直偏波を送受信するアンテナ装置であって、
   容器と、
   前記容器内に収容された第１反射板と、
   前記容器内であって前記第１反射板の一側に、前記第１反射板の長手方向に沿って配置された複数のアンテナ素子群と、
   前記容器内であって前記第１反射板の他側に、前記第１反射板と平行に配置された第２反射板と、を有し、
   ぞれぞれの前記アンテナ素子群は、水平偏波素子と、前記水平偏波素子の両側に配置され、前記水平偏波素子を挟んで対向する第１垂直偏波素子および第２垂直偏波素子と、を含み、
   前記第２反射板には、それぞれの前記アンテナ素子群に含まれる前記水平偏波素子と前記第１反射板を挟んで対向する複数のスリットが設けられ、
   それぞれの前記スリットの長手方向中心は、対向する前記水平偏波素子の真下に位置している、
   アンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   それぞれの前記スリットの長さが当該アンテナ装置の使用周波数の１／２波長に相当する長さである、
   アンテナ装置。
3. 請求項２に記載のアンテナ装置において、
   それぞれの前記スリットの幅が１ｍｍ以上かつ１５ｍｍ以下である、
   アンテナ装置。
4. 請求項３に記載のアンテナ装置において、
   それぞれの前記スリットの幅が５ｍｍ以上かつ１０ｍｍ以下である、
   アンテナ装置。

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