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JP3884042B2 - 金属導体を4本用いたアンテナ - Google Patents

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JP3884042B2 JP2004377008A JP2004377008A JP3884042B2 JP 3884042 B2 JP3884042 B2 JP 3884042B2 JP 2004377008 A JP2004377008 A JP 2004377008A JP 2004377008 A JP2004377008 A JP 2004377008A JP 3884042 B2 JP3884042 B2 JP 3884042B2
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  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
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Description

この発明は、例えば第三世代方式(IMT−2000方式)の6セクタ無線ゾーンに対応可能な水平面内ビーム幅を狭めた小型なアンテナに関する。更に詳しくは、無給電の金属導体を複数用いて6セクタ無線ゾーンに好適な水平面内ビーム特性を実現したアンテナに関する。
第三世代方式では隣接するゾーンにおいて同一周波数を繰り返し使用することが特徴の一つになっており、加入者容量を増大するためにはサービスエリアを分割してセクタ数を多くする必要がある。更にセクタ分割角よりも水平面内ビーム幅を狭くすることが加入者容量を増やすのに有効であることが知られている。(参考文献:「W−CDMA方式におけるセクタアンテナのビーム幅最適化」1999年電子情報通信学会総合大会)6セクタ無線ゾーンでは、1セクタの分割角が60°なので加入者容量を増やすためには60°よりも狭い水平面内ビーム幅を備えたアンテナが必要である。
水平面内ビーム幅を狭くするには、一般的に反射器を大きくする手法が知られている。図11にダイポールアンテナと平面反射板とで水平面内ビーム幅を45°にしたアンテナを示す。平面反射板110の前方にダイポールアンテナ111と112が平面反射板110と平行に配置されている。今、使用する中心周波数を例えば2GHzとしてモーメント法によって水平面内ビーム幅を45°にする平面反射板110の開口幅を求めると、150mmとなり2GHzの1波長λ2Gの長さが必要になる。
もう一つの手法としては、アンテナ近傍に金属導体を配置させ、その金属導体に電流が誘起されることでアンテナ開口幅を広げたのと同じ効果を得る方法も良く知られている。図12に60°ビームアンテナの両側に金属導体を配置して水平面内ビーム幅を45°にしたアンテナを示す。反射板120の前方にダイポールアンテナ121と122が平面反射板120と平行に配置されている。ダイポールアンテナ121と122より前方で且つダイポールアンテナ121と122の間隔よりも広い間隔で、反射板120の長手方向の長さに略等しい長さの金属導体123と124がダイポールアンテナ121と122と平行に配置されている。この金属導体123と124によって図11に示した反射板110を広げたのと同じ効果を得て水平面内ビーム幅を45°にしている。
更に金属導体を用いた特許文献1に示す例を図14に示す。図14に示す例は、多周波共用120°ビームアンテナ140の主放射方向に対して±90°の方向にビームアンテナ140から距離Sの位置にアンテナ140と長さが略等しい第1の金属線142を配置し、同方向において距離Sより近い距離Sの位置に第1の金属線142よりも短い第2の金属線143を配置してビーム幅を90°に狭めたものである。
特開2004−15365号公報(段落0004、図1)
図11に示した反射器を大きくする手法では、既に設置されたアンテナが使えなくなるという課題がある。言うまでも無いが、これはアンテナ交換になり、その為のサービスの中断が避けられず、ユーザーに負担を掛けてしまう。又、反射器を大きくすると受風面積が大きくなり、ビル等の屋上に設置する際の建築物の強度が問題になるために、場合によっては設置予定のアンテナを変更する必要が発生する。このように反射器を大きくする手法は、サービス面、経済面共に負担が大きい。
図12に示したアンテナ近傍に金属導体を配置させる手法は、既存のアンテナが使える利点はある。しかし、従来から知られている方法では、ビーム幅を狭くするとバックローブレベル及びサイドローブレベルが高くなる課題がある。
図13に図12に示した金属導体を用いてビーム幅を狭めたアンテナの水平面内指向特性を実線で示す。図13はアンテナの主放射方向の角度を90°とし、軸の目盛りは最大値が0dBとなるように規格化している。図13の破線で示される図12の金属導体のない場合の半値幅(−3dB)は60°であるが、図13のように金属導体を配置する効果で半値幅は、確かに45°になっている。しかし270°方向のバックローブが約3dB増加している。また、主放射方向から60°ずれた30°,150°方向のアンテナ利得も約−13dBのレベルにあり、ビーム幅を狭くする本来の目的である加入者数の増加を考えるとこれらのバックローブとサイドローブの利得を更に下げることが望ましい。このように従来の金属導体を用いた方法では十分な水平面指向特性が得られていなかった。
この発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、既存の水平面内ビーム幅60°のアンテナのビーム幅を45°にすると共に、サイドローブ及びバックローブも低減させたアンテナを提供することを目的とする。
この発明では、長方形状の反射板と、その反射板の前方に配され反射板の長辺と平行に配列された第1及び第2ダイポールアンテナと、第1、第2ダイポールアンテナから、反射板の短辺と平行な方向において外側にXだけ離れ、反射板と垂直な方向において前方に距離Y離れて、棒状の第1の金属導体がダイポールアンテナとそれぞれ平行に配置され、
第1、第2ダイポールアンテナから反射板の短辺と平行な方向において、互いに外側に距離Xより大きい距離X離れ、反射板と垂直な方向において前方に距離Yより大きな距離Y離れて、棒状の第2の金属導体がダイポールアンテナとそれぞれ平行に配置するようにした。
この構成によれば、既存の水平面内ビーム幅60°のアンテナのビーム幅を45°にすると共にサイドローブ及びバックローブも低減させたアンテナを提供することが出来る。
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
図1にこの発明の金属導体を4本用いたアンテナを示す。図1(a)に斜視図を、図1(b)に平面図を示す。方形平板状の反射板1の前方に第1ダイポールアンテナ2と第2ダイポールアンテナ3が反射板1の長辺と平行(Z軸)に配置され、第1、第2ダイポールアンテナ2,3から反射板1の短辺と平行(X軸)な方向において外側にXだけ離れ、反射板1と垂直(Y軸)な方向において前方に距離Y離れて、棒状の第1の金属導体6,7がダイポールアンテナとそれぞれ平行に配置され、第1ダイポールアンテナ2と第2ダイポールアンテナ3から反射板1の短辺と平行な方向において、互いに外側に距離Xより大きい距離X離れ、反射板1と垂直な方向において前方に距離Yより大きな距離Y離れて、棒状の第2の金属導体8,9がダイポールアンテナとそれぞれ平行に配置されている。第1ダイポールアンテナ2と第2ダイポールアンテナ3の中央部にある4,5は給電点である。
〔反射板とダイポールアンテナの構成〕
まず初めに、この発明の45°ビームアンテナの基になる60°ビームアンテナを図2に示し、反射板及び第1,第2のダイポールアンテナの構成を明確にする。図2(a)にこの発明の基になる60°ビームアンテナの斜視図を、図2(b)にその平面図を示す。反射板1は長方形平板状の主反射板20と主反射板20の両側縁より前方に折り曲げ延長された第1側面反射板21と第2側面反射板22とから成る。上記主反射板20の両側縁から前方に距離d離れて第1及び第2のダイポールアンテナが主反射板20の側縁と平行に配置されている。以降において、形状を説明する都合から主反射板20の短辺の長さをW、主反射板20両端部から前方方向に開く角度をθで且つ、第1及び第2の側面反射板21,22の延長方向の長さをTとしている。
〔主反射板の幅W〕
主反射板20の幅Wと水平面内ビーム幅とサイドローブとの関係を図3に示す。横軸に主反射板20の幅Wを使用中心周波数2.0GHzとした時の波長換算値で示す。縦軸は左側が水平面内ビーム幅を(deg.)で表し、右側の縦軸はサイドローブの大きさを(dB)で表す。主反射板20の幅Wを0.5λ〜0.75λに変化させたときの水平面内ビーム幅を実線で、サイドローブレベルを破線で示す。
主反射板20の幅Wを大きくして行くと水平面内ビーム幅は、ほぼWに反比例して狭くなる。主反射板20の幅Wが0.5λのとき約61.8°のビーム幅が、W=0.75λで約58.4°のビーム幅までほぼ直線的に狭くなる特性を示す。このように反射板の短辺の長さを長くするとビーム幅が狭くなる。これは背景技術のところでも述べた関係である。
サイドローブも水平面内ビーム幅と同様に主反射板20の幅Wを大きくして行くと反比例してレベルが低下する関係にある。サイドローブは作図の都合でレベルは低下するが右肩上がりの図になっている。
このように主反射板の幅Wは大きくすればする程、水平面内ビーム幅を狭ビーム化することが出来る。但し、単純に主反射板の幅Wを大きくしてしまうと解決すべき課題で述べたような問題が発生する。そこでこの実施例では、主反射板20の幅Wを0.66λ(以下実施例に係わる寸法の波長換算値は小数点以下3桁以下を切り捨てて表記する)とした。
〔側面反射板の長さT〕
側面反射板21,22の延長方向の長さTと水平面内ビーム幅とサイドローブとの関係を図4に示す。横軸は側面反射板の延長方向の長さTをmmで表す。長さTを波長換算で表記すると値が小さくなり過ぎるので、ここでは単位mmで表現する。縦軸は左側が水平面内ビーム幅を(deg.)で表し、右側の縦軸はサイドローブの大きさを(dB)で表す。側面反射板21,22の延長方向の長さTを5〜30mm変化させたときの水平面内ビーム幅を実線で、サイドローブレベルを破線で示す。このデータは主反射板20の幅Wが0.75λの場合である。
長さTが5mmの時の水平面内ビーム幅は約62.5°であり、長さTを10mmにするとビーム幅が約59.8°と急に狭まる。その後、長さTを増加させてもビーム幅の変化は穏やかであり、長さTが30mmまでの増加に概ね反比例の関係で約59.8°のビーム幅が58.4°まで変化する特性を示す。サイドローブの特性も側面反射板20,21の長さTが5〜10mmの範囲と10〜30mmとの範囲における傾きが若干異なるが、概ね長さTの増加に対して直線的にレベルが低下する特性を示す。
このように側面反射板21,22の延長方向の長さTを大きくすることで、水平面内ビーム幅を狭ビーム化することが出来る。この実施例では、側面反射板21,22の延長方向の長さTを20mmとした。波長換算ではT=0.13λである。
〔側面反射板の角度θ〕
主反射板20両端部から第1及び第2の側面反射板21,22が前方方向に対しそれぞれ開く角度θと水平面内ビーム幅との関係を図5に示す。横軸に角度θを(deg.)で表し、縦軸は水平面内ビーム幅を(deg.)で表す。角度θが0°、すなわち主反射板20両端部から前方方向の垂線上に側面反射板21,22が位置するときの水平面内ビーム幅が約60.3°であり、角度θが50°ではビーム幅が57.3°を示す。この間、角度θの増加に対してほぼ直線的にビーム幅が狭くなる特性を示す。このように角度θを大きくすれば、反射板1を前方から見た前方投影面積を形成するその短辺長は長くなるので、主反射板20の幅を広げたのと同じ効果が得られる。この実施例では、角度θを20°とした。
その他の構成について、この実施例では、主反射板1と給電点4,5との距離dを0.25λとしている。
〔この実施例の水平面指向特性〕
図2に示したアンテナに対して、この実施例では第1の金属導体6,7と第2の金属導体8,9を設けた。
この実施例のW=0.66λ,d=0.25λ,T=0.13λ,θ=20°,X=0.6λ,Y=−0.13λ,X=0.73λ,Y=0.26λとしたアンテナの水平面内指向特性を図6に示す。図6はアンテナの主放射方向の角度を90°とし、半径はアンテナ利得であり中心を−40dB、外周を0dBとしている。この実施例の水平面内指向特性を実線で、背景技術で述べた従来技術による45°ビームアンテナの水平面内指向特性を破線で示す。
実線、破線の両方は、共に45°ビームアンテナを実現している。しかし、破線で示す従来技術によるアンテナでは、90°±45°よりも外側のアンテナ利得が大きい。従来技術の破線の特性に対して、実線で示すこの実施例では、主ビーム方向(90°)に対して±50°から±90°の範囲におけるアンテナ利得が破線で示す従来技術より減衰している。特に±60°の角度におけるアンテナ利得が、従来のアンテナでは約−13dBあったところが約−20dBと大きく改善されている。つまりサイドローブの利得が減少している。更に主ビーム方向と反対の方向である270°方向、つまりバックローブのレベルも従来技術の−17dBに対して約−20dBと3dB程度改善が見られる。
この様に第1の金属導体6,7と第2の金属導体8,9を配置することで、狭ビーム化が可能であり、更にサイドローブ及びバックローブ共に低減させることが出来る。この特性の変化は、加入者数の増加に寄与する。
〔第1、第2の金属導体の長さ〕
図7に第1及び第2の金属導体6,7の長さと水平面内ビーム幅との関係を示す。横軸は第1及び第2の金属導体6,7の長さLを使用中心周波数2.0GHzとした時の波長換算値で示し、長さLを0.13λ〜1.0λまで可変したときの水平面内ビーム幅を縦軸にdeg.で示す。図7の実線はダイポールアンテナと金属導体との距離が0.4λの場合、破線はその距離が0.53λの場合である。
長さLが0.13λから0.27λの範囲では、長さLを大きくすると水平面内ビーム幅が広くなる特性を示すが、その後、長さLが0.4λで急激に狭まる。実線の特性では長さLが0.27λで約132°あったビーム幅が、長さLが0.4λでは約71°に狭まる。その後、長さLの増加に対して穏やかにビーム幅が広がる傾向を示し、長さLが1.0λにおいて約78°に変化する。
この傾向は、ダイポールアンテナからの距離が0.4λ、0.53λと替わっても同じである。したがって、第1及び第2の金属導体6,7の長さは、0.4λ以上の長さあれば一定の効果が得られると考えられる。
そこでこの実施例では、第1及び第2の金属導体6,7の長さを第1、第2ダイポールアンテナ2,3の長さより長くし、反射板1の長辺の長さにほぼ等しい長さにしている。
〔第1、第2の金属導体の太さ〕
図8に第1及び第2の金属導体6,7の太さと水平面内ビーム幅との関係を示す。横軸は第1及び第2の金属導体6,7の太さDを使用中心周波数2.0GHzとした時の波長換算値で示し、太さDを0.01λ〜0.24λまで可変したときの水平面内ビーム幅を縦軸にdeg.で示す。図7の実線は、ダイポールアンテナと金属導体との距離が0.27λの場合、破線はその距離が0.53λの場合である。
太さDが0.01λから0.24λの範囲では、太さDを太くして行くと水平面内ビーム幅が穏やかに狭くなる特性を示す。実線の特性では太さDが0.01λで約96°あったビーム幅が、太さDが0.24λでは約79°に狭まる。この傾向は、ダイポールアンテナからの金属導体の距離が0.27λから0.53λに替わっても同じである。
太さDが0.1λ以上であれば水平面内ビーム幅の変化は少なくなる。この実施例では太さDを0.04λとした。
〔第1、第2の金属導体の位置〕
第1及び第2の金属導体の最適な位置を見出す為に第2の金属導体8,9の位置を固定し、第1の金属導体6,7の位置を可変して水平面内ビーム幅とFS比の変化をモーメント法を用いて計算した。
図9に第2の金属導体8,9の位置をX=0.73λ,Y=0.26λに固定した状態で、第1の金属導体6,7の位置を可変して水平面内ビーム幅とFS比の変化を計算した結果を示す。図9(a)に水平面内ビーム幅をグレースケールの階調表示で表す。図9の図中の実線上に記載された数値がその線上のビーム幅を表している。横軸は第1の金属導体のX軸方向の距離を、縦軸はそのY軸方向の距離を使用中心周波数2.0GHzの波長換算値で示している。
ビーム幅が45°狙いなので40°〜50°の範囲を図9から求めると、Xの範囲は0.46λ〜0.73λ、Yは−0.4λ〜約0.06λの範囲の破線で示す領域になる。
次に同じ条件におけるFS比(前と横のアンテナ利得の比)を図9(b)に示す。図9(b)は主ビーム方向を90°としたときの180〜0°の範囲内のFS比の最悪値をグレースケールの階調表示で表した図である。図9(b)からFS比−17dB以下の領域を求めると、Xの範囲は0.46λ〜0.6λ、Yは−0.13λ〜約0.08λの範囲の破線で示す領域になる。
FS比を例えば−15dB以下とするとXの範囲は、0.46λ〜0.7λに広がり、Yの範囲は−0.13λ〜約0.02λとやや狭くなる。
このように取るべきビーム幅とFS値の大きさによって第1の金属導体6,7を置くべき位置が変化するが、FS値を−17dB以下とするとXは0.46λ〜0.6λ、Yは−0.13λ〜0.06λの範囲となる。
ここで特に注意したいのは、距離とビーム幅及びFS比との関係が一方向の単調な関係では無いことである。図9(a)のX=0.69λ〜0.75λのところにビーム幅47〜50°の領域が突然発生している。また、図9(b)では、X=0.86λ,Y=0λの位置に突然−13dBの領域が発生している。このように単調な関係でないことは、今回の検討で初めて分かったことであり、予想もつかないことである。前記したX,Yの範囲は、研究の成果に基づくものである。
図10に第2の金属導体8,9の位置をX=0.8λ,Y=0.13λに固定した状態で第1の金属導体6,7の位置を可変して水平面内ビーム幅とFS比の変化を計算した結果を示す。上記した図9と同様に図10(a)に水平面内ビーム幅を階調表示で表す。ビーム幅が45°狙いなので40°〜50°の範囲を図9から求めると、Xが凡そ0.46λ〜0.63λで、Yが−0.2λ〜約0.03λの範囲の破線で示す領域になる。
次に同じ条件におけるFS比(前と横のアンテナ利得の比)を図10(b)に示す。図10(b)からFS比−17dB以下の領域を求めると、Xの範囲は0.4λ〜0.6λ、Yの範囲は−0.2λ〜約0.01λの範囲の破線で示す領域になる。
FS比を例えば−15dB以下とすると、Xの範囲は0.4λ〜約0.64λ、Yは−0.2λ〜約0.06λの範囲になる。
図9と図10に示す結果から、水平面内ビーム幅を45°、FS比を−17dB以下とする為には、第1の金属導体6,7の位置をX=0.46λ〜0.6λ、Y=−0.13λ〜0.01λに、第2の金属導体の位置をX=0.73λ〜0.8λ、Y=0.13λ〜0.26λにすれば良いことが分かる。
以上述べたようにアンテナの反射板に対して左右に2本ずつ合計4本の金属導体を配置することによって、ビーム幅を狭めつつサイドビーム及びバックローブのレベルを低減させることが可能になった。
また、この実施例によれば、主反射板20の短辺方向の幅が0.66λでビーム幅45°が実現出来た。これは従来技術の単純に反射板の短辺長を延長してビーム幅を狭くする手法と比較すると、空気抵抗を約3割以上低減したことになる。ここで、主反射板の長辺方向の長さを問題にしないのは、主反射板の長辺方向の長さが求められるアンテナ利得によって変化するからである。アンテナ利得を高めるためには、アレー化されるダイポールアンテナ素子の数が増やされる。それに伴い主反射板も延長される。したがって、アンテナ利得が同一であれば、主反射板の短辺方向の幅Wで空気抵抗の比較が可能である。
また、金属導体を2本用いた従来技術と比較しても、6セクタ無線ゾーンに好適な水平面内指向特性を実現することが出来る。
この実施例の説明では、第1及び第2の金属導体を円柱形状で説明したが角柱形状でも構わない。
また、反射板を方形平板状の主反射板と側面反射板から構成される形態で説明したが、側面反射板の無い主反射板だけの構成でも第1及び第2の金属導体を用いることで、ビーム幅を狭めつつサイドビーム及びバックローブのレベルを低減させることが出来る。
この発明の金属導体を4本用いたアンテナを示す図である。 この発明の基になる60°ビームアンテナを示す図である。 主反射板の幅Wと水平面内ビーム幅とサイドローブとの関係を示す図である。 側面反射板の延長方向の長さTと水平面内ビーム幅とサイドローブとの関係を示す図である。 主反射板両端部から第1及び第2の側面反射板が前方方向に開く角度と水平面内ビーム幅との関係を示す図である。 この実施例のアンテナの水平面内指向特性を示す図である。 第1及び第2の金属導体の長さと水平面内ビーム幅との関係を示す図である。 第1及び第2の金属導体の太さと水平面内ビーム幅との関係を示す図である。 第2の金属導体の位置をX=0.73λ,Y=0.26λに固定した状態で第1の金属導体の位置を可変して水平面内ビーム幅とFS比の変化を計算した結果を示す図である。 第2の金属導体の位置をX=0.8λ,Y=0.13λに固定した状態で第1の金属導体の位置を可変して水平面内ビーム幅とFS比の変化を計算した結果を示す図である。 ダイポールアンテナと平面反射板とで水平面内ビーム幅を45°にしたアンテナを示す図である。 60°ビームアンテナの両側に金属導体を配置して水平面内ビーム幅を45°にしたアンテナを示す図である。 図12に示した金属導体を用いたアンテナの水平面内指向特性を示す図である。 金属導体を用いた公知文献の例を示す図である。

Claims (3)

  1. 長方形平板状の反射板と
    その主反射板の両側縁より前方に折り曲げ延長された第1及び第2側面反射板と、
    その反射板の前方に配され反射板の長辺と平行に配列された単一周波数帯で動作する第1及び第2ダイポールアンテナと、
    上記第1、第2ダイポールアンテナから、反射板の短辺と平行な方向において外側に距離だけ離れ、反射板と垂直な方向において前方に距離Y離れて棒状の第1の金属導体が、上記第1、第2ダイポールアンテナとそれぞれ平行に配置され、
    上記第1、第2ダイポールアンテナから反射板の短辺と平行な方向において、互いに外側に距離Xより大きい距離X離れ、反射板と垂直な方向において前方に距離Yより大きな距離Y離れて棒状の第2の金属導体が、上記第1、第2ダイポールアンテナとそれぞれ平行に配置され、使用中心周波数の波長をλとしたときに、
    上記第1、第2の金属導体の長さが互いに等しく0.4λ以上の長さであり、
    上記第1の金属導体の上記距離X が0.4λ〜0.6λ、上記距離Y が0.01λ〜−0.13λとされ、上記第2の金属導体の上記距離X が0.73λ〜0.8λ、上記距離Y が0.13λ〜0.26λとされたことを特徴とする金属導体を4本用いたアンテナ。
  2. 上記主反射板の短辺の長さWが0.66λであり、
    上記主反射板の前方方向に対する第1及び第2側面反射板の角度は互いに外側でそれぞれ20°であり、
    上記第1及び第2側面反射板の延長方向の長さTが0.13λであり、
    上記第1及び第2ダイポールアンテナと上記主反射板との距離dが0.25λであり

    上記距離Xが0.6λ、距離Yが0λの位置に配置され、
    上記距離Xが0.73λ、距離Yが0.26λの位置に配置されたことを特徴とする請求項に記載の金属導体を4本用いたアンテナ。
  3. 上記主反射板の短辺の長さWが0.66λであり、
    上記主反射板の前方方向に対する第1及び第2側面反射板の角度は互いに外側でそれぞれ20°であり、
    上記第1及び第2側面反射板の延長方向の長さTが0.13λであり、
    上記第1及び第2ダイポールアンテナと上記主反射板との距離dが0.25λであり

    上記距離Xが0.46λ、距離Yが−0.13λの位置に配置され、
    上記距離Xが0.8λ、距離Yが0.13λの位置に配置されたことを特徴とする請求項に記載の金属導体を4本用いたアンテナ。
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