JP6343521B2 - コーリニアアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、移動体通信システム等における基地局用アンテナ装置で使用されるコーリニアアンテナに関するものである。

基地局用アンテナとしては、サービスを提供する通信エリアに応じ、コーリニアアンテナや、セクターアンテナなどを使用する。指向性を絞った八木式などのアンテナもあるが、前述のアンテナの特徴としては、地上に対しての水平面の指向性が無指向性あるいはブロードである。

現在の移動体通信システムでは、複数の周波数を利用する事が多く、システムの設置個所を共通化するケースもあり、アンテナに対しては周波数共用が必須となっている。

特許第３７１９４２５号 特公平５−２８９２２号公報 特許第４４５２０８１号

コーリニアアンテナとしては水平面無指向性である事が通常の仕様であるが、複数の周波数（特に周波数が互いに離れている場合）を共用する事で、無指向性の仕様を満足する事が難しくなる傾向にある。

また、内部構成を２段構成として周波数毎に分けるといった方法も考えられるが、利得を求める場合は段数が必要になり、結果全長が長くなってしまう。

さらに、径を大きくする事で、水平面指向性に対応する方法も考えられるが、耐風面積の増加などが懸念され、構造制約として、コンパクトなものが要求される。

本発明の目的は、複数の周波数で共用する場合に、周波数ごとに水平面の指向性を特定でき、しかもコンパクト化を図り得るコーリニアアンテナを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るコーリニアアンテナは、水平方向に第１の指向性を有し第１周波数用の複数段の第１素子を垂直方向に配列する第１のアンテナ基板を前記垂直方向に複数段配列した第１のダイポールアンテナと、水平方向に前記第１の指向性とは異なる第２の指向性を有し第２周波数用の複数段の第２素子を垂直方向に配列する第２のアンテナ基板を前記垂直方向に複数段配列した第２のダイポールアンテナと、前記第１のダイポールアンテナ及び前記第２のダイポールアンテナを収納するアンテナカバーとを具備し、前記アンテナカバー内で前記第１のダイポールアンテナに対し前記第２のダイポールアンテナを離して配置するようにしている。

また、本発明に係るコーリニアアンテナは、水平方向に第１の指向性を有し第１周波数用の複数段の第１素子を垂直方向に配列する第１のアンテナ基板を前記垂直方向に複数段配列した第１のダイポールアンテナと、水平方向に前記第１の指向性とは異なる第２の指向性を有し第２周波数用の複数段の第２素子を第２のアンテナ基板の中心に対し左右対称に垂直方向に配列し、前記第２のアンテナ基板を前記垂直方向に複数段配列した第２のダイポールアンテナと、前記第１のダイポールアンテナ及び前記第２のダイポールアンテナを収納するアンテナカバーとを具備し、前記アンテナカバー内で前記第１のダイポールアンテナに対し前記第２のダイポールアンテナを離して配置するようにしている。

本発明によれば、複数の周波数で共用する場合に、周波数ごとに水平面の指向性を特定でき、しかもコンパクト化を図り得るコーリニアアンテナを提供することができる。

本発明の実施形態に係るコーリニアアンテナの概略構成を示す図。 図１のコーリニアアンテナを上から見て示した図。 本発明の実施例１及び実施例２におけるｆ１／ｆ２用のダイポールアレイを、側面から見て示した平面図。 図３に示すｆ１／ｆ２用のダイポールアレイを鉛直方向に複数段配置した図。 本発明の実施例１として、ｆ３用のダイポールアレイ（ｆ３_ａ）を、側面から見て示した平面図。 本発明の実施例２として、ｆ３用のダイポールアレイ（ｆ３_ｂ）を、側面から見て示した平面図。 本発明の実施例１として、ｆ１／ｆ２用のダイポールアレイとｆ３用のダイポールアレイ（ｆ３_ａ）とを、直線上に配置した場合の水平面の指向性及び垂直面の指向性を示す図。 本発明の実施例２として、ｆ１／ｆ２用のダイポールアレイとｆ３用のダイポールアレイ（ｆ３_ｂ）とを、Ｔ字型に配置した場合の水平面の指向性及び垂直面の指向性を示す図。 本発明の実施例１として、ｆ１／ｆ２用のダイポールアレイとｆ３用のダイポールアレイ（ｆ３_ａ）とを、直線上に配置した場合の配置関係を示す図。 本発明の実施例２として、ｆ１／ｆ２用のダイポールアレイとｆ３用のダイポールアレイ（ｆ３_ｂ）とを、Ｔ字型に配置した場合の配置関係を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（コーリニアアンテナの構成）
図１は本発明の実施例１に係る多周波共用コーリニアアンテナ１０−１及び実施例２に係る多周波共用コーリニアアンテナ１０−２の概略構成を示し、図２は図１の多周波共用コーリニアアンテナを上から見て示した図である。本実施例１の多周波共用コーリニアアンテナ１０−１は、円筒状のアンテナカバー１１−１に収納され、鉛直方向に起立している。

アンテナカバー１１−１内には、図２に示すように、ｆ１/ｆ２共用のダイポールアレイ１２−１と、ｆ３用のダイポールアレイ１３とが収納されている。なお、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３は、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３の関係を満たすものとする。

ここで、ｆ３用のダイポールアレイ１３は、ダイポールアレイ１２−１に対し、アンテナカバー１１−１の中心を通る平面上に、配置される。

また、アンテナカバー１１−１の中心部（図２では点線で示すエリア）には、ダイポールアレイ１２−１，１３に対し給電信号を供給するための配線が集中する配線集中箇所１５−１が設けられる。これにより、指向性の特定化を安定化させる。

さらに、ダイポールアレイ１２−１上のアンテナ素子とダイポールアレイ１３上のアンテナ素子との間隔（図２の上面図での距離）は上記給電信号の0.05λ以上である。これにより、相互影響によるインピーダンスの変動が給電ライン上の調整で回避できる距離間を維持する。

図３は、ダイポールアレイ１２−１（及び１２−２）を、図２中矢印Ａ２で示す方向から見た平面図である。図３では、ダイポールアンテナの２素子分（２段スタック）のみ示してある。

ダイポールアレイ１２−１は、ｆ１用の複数段のアンテナ素子２１₁，２１₂を、所定のスタック間隔で、アンテナ基板３１ａの長辺（アンテナカバー１１−１の外側寄り）の縁に沿って鉛直方向に配置している。アンテナ素子２１₁，２１₂は、アンテナ基板３１ａ上に印刷パターンにより構成される。また、ダイポールアレイ１２−１は、ｆ２用の複数段のアンテナ素子２２₁，２２₂を、同じスタック間隔で、アンテナ素子２１₁，２１₂と並んで鉛直方向に配置している。アンテナ素子２２₁，２２₂は、アンテナ基板３１ａ上に印刷パターンにより構成される。

アンテナ基板３１ａの裏面にも、ｆ１用の複数段のアンテナ素子４１₁，４１₂、ｆ２用の複数段のアンテナ素子４２₁，４２₂を鉛直方向に配置している。アンテナ素子２１₁とアンテナ素子４１₁とで１つのダイポールアンテナを構成し、その他も同様である。

ダイポールアレイ１２−１は並列給電方式であり、図４に示すように、複数段のアンテナ基板３１ａ〜３１ｄを鉛直方向に配置して１本のコーリニアアンテナとして多段アレー化している。各アンテナ基板３１ａ〜３１ｄには、同軸ケーブル等の給電線５１ａ〜５１ｄを介して給電信号が供給される。これら同軸ケーブルは、配線集中箇所１５−１内に収まるように結束バンド等で固定される。各アンテナ基板３１ａ〜３１ｄには、結束バンドを挿通するための穴が各所に設けられる。

図５は、ダイポールアレイ１３を、図２中矢印Ａ２で示す方向から見た平面図である。

ダイポールアレイ１３は、ｆ３用の複数段のアンテナ素子６１₁，６１₂を、アンテナ基板８１ａの長辺の縁に沿って鉛直方向に配置している。アンテナ素子６１₁，６１₂は、その周波数ｆ３に応じたスタック間隔（アンテナ素子２１、２２とは異なる）で、アンテナ基板８１ａ上に印刷パターンにより構成される。また、ダイポールアレイ１３は、アンテナ基板８１ａの裏面にｆ３用の複数段のアンテナ素子７１₁，７１₂を、アンテナ基板８１ａの長辺の縁に沿って、鉛直方向に配置している。アンテナ素子７１₁，７１₂は、その周波数ｆ３に応じたスタック間隔で、アンテナ基板８１ａ上に印刷パターンにより構成される。

さらに、ダイポールアレイ１３は、複数段のアンテナ基板８１ａ〜８１ｄを鉛直方向に配置して１本のコーリニアアンテナとして多段アレー化している。各アンテナ基板８１ａ〜８１ｄには、同軸ケーブル等の給電線９１ａ〜９１ｄ（図５では給電線９１ａのみ図示）を介して給電信号が供給される。各アンテナ基板８１ａ〜８１ｄに入力された給電信号は、各アンテナ基板８１ａ〜８１ｄ上のアンテナカバー１１−１内側寄りに設けられた平衡線路の給電パターンにより、アンテナ素子６１₁〜６１₈，７１₁〜７１₈（図５ではアンテナ素子６１₁，６１₂、アンテナ素子７１₁，７１₂のみ図示）に給電される。

（コーリニアアンテナの動作）
次に、上記構成における動作について図７及び図９を参照して説明する。

図７は、ダイポールアレイ１２−１とダイポールアレイ１３とを、アンテナ基板３１ａの素子配列面とアンテナ基板８１ａの素子配列面とを揃えて、直線上に配置した場合の動作を示す図である。図９（ａ）はダイポールアレイ１２−１とダイポールアレイ１３とを、上方から見て示した図であり、図９（ｂ）はダイポールアレイ１２−１とダイポールアレイ１３とを、図２中矢印Ａ２で示す方向から見た図である、なお、図９（ｂ）において、ダイポールアレイ１２−１について、アンテナ基板１３ａ、アンテナ素子２１₁，２２₁，４１₁，４２₁のみ示し、ダイポールアレイ１３について、アンテナ基板８１ａ、アンテナ素子６１₁，７１₁のみ示す。

給電線５１ａ〜５１ｄを介してｆ１用の複数段のアンテナ素子２１₁〜２１₈、４１₁〜４１₈に供給された給電信号は、複数段のアンテナ素子２１₁〜２１₈、４１₁〜４１₈により電波として空間に放射される。放射された電波は、配線集中箇所１５−１に集中された給電線５１ａ〜５１ｄ等に反射或いは散乱されることにより、ｆ１用のアンテナ素子２１₁〜２１₈、４１₁〜４１₈から見て配線集中箇所１５−１と逆方向に指向性を有するアンテナパターンとなる（図７中一点鎖線で示す部分）。垂直面においては各素子に給電する信号に位相差を付けることで、位相差に応じた特定角度にメインローブを向けたアンテナパターンとなる（図７中実線で示す部分）。

また、ｆ２用の複数段のアンテナ素子２２₁〜２２₈、４２₁〜４２₈に供給された給電信号は、複数段のアンテナ素子２２₁〜２２₈、４２₁〜４２₈により電波として空間に放射される。放射された電波は、配線集中箇所１５−１に集中された給電線５１ａ〜５１ｄ等に反射或いは散乱されることにより、ｆ２用のアンテナ素子２２₁〜２２₈、４２₁〜４２₈から見て配線集中箇所１５−１と逆方向に指向性を有するアンテナパターンとなる。垂直面においては各素子に給電する信号に位相差を付けることで、位相差に応じた特定角度にメインローブを向けたアンテナパターンとなる。

さらに、ｆ３用のアンテナ素子６１₁〜６１₈，７１₁〜７１₈に供給された給電信号は、アンテナ素子６１₁〜６１₈，７１₁〜７１₈により電波として空間に放射される。放射された電波は、配線集中箇所１５−１に集中された給電線９１ａ〜９１ｄ等に反射或いは散乱されることにより、ｆ３用のアンテナ素子６１₁〜６１₈，７１₁〜７１₈から見て配線集中箇所１５−１と逆方向に指向性を有するアンテナパターンとなる。垂直面においては各素子に給電する信号に位相差を付けることで、位相差に応じた特定角度にメインローブを向けたアンテナパターンとなる。ｆ３の指向性は、ｆ１またはｆ２の指向方向に対して逆方向となる。

ダイポールアレイ１２−１において、複数段のアンテナ基板３１ａ〜３１ｄは、給電線５１ａ〜５１ｄの長さを調整することによって放射ビームを電気的に所定方向にチルト、例えば水平方向より下方向に、例えば８°等にチルトすることができる。

ダイポールアレイ１３において、複数段のアンテナ基板８１ａ〜８１ｄは、３°のチルト角度に合わせる場合に、給電線９１ａ〜９１ｄの長さＬａ、Ｌｂ、Ｌｃの差をチルト角度８°の場合より小さく設定することができ、一つのアンテナで異なるチルトを実現できる。

以上のように上記実施例１によれば、アンテナカバー１１−１内に、ｆ１／ｆ２用のダイポールアレイ１２−１と、ｆ３用のダイポールアレイ１３とを、アンテナカバー１１−１の中心を通る直線上に配置し、さらにｆ３用のダイポールアレイ１３の放射ビームの指向方向を、ｆ１／ｆ２用のダイポールアレイ１２−１の放射ビームの指向方向と異ならせることにより、１本のアンテナを互いに異なる複数の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３で共用する場合でも、周波数ごとに水平面の指向性を特定でき、これにより、指向性が特定されるコンパクトな構成での高利得アンテナをシステムに導入できる。

（コーリニアアンテナの構成）
本実施例２の多周波共用コーリニアアンテナ１０−２は、アンテナ基板を同一平面に揃えるのではなく、Ｔ字状に配置したものである。図１は本実施例２に係る多周波共用コーリニアアンテナ１０−２の概略構成を示し、図２は図１の多周波共用コーリニアアンテナ１０−２を上から見て示した図である。以下、本実施例２の説明において実施例１と同様の構成については説明を一部省略する。

アンテナカバー１１−２内には、ｆ１/ｆ２共用のダイポールアレイ１２−２と、ｆ３用のダイポールアレイ１４とが収納されている。ｆ３用のダイポールアレイ１４は、ダイポールアレイ１２−２に対し直角に配置され、結果それらはＴ字状をなす。

また、実施例１同様に、アンテナカバー１１−２の中心部（図２では点線で示すエリア）には、実施例１同様に配線集中箇所１５−２を設定し、また、ダイポールアレイ１２−２のアンテナ素子とダイポールアレイ１４のアンテナ素子との間隔は上記給電信号の０．０５λ以上とする。

図６は、ダイポールアレイ１４を、図２中矢印Ｂ１で示す方向から見た平面図である。

ダイポールアレイ１４は、ｆ３用の複数段のアンテナ素子１１１₁，１１１₂，１２１₁，１２１₂をアンテナ基板１３１ａの中心に対し左右対称に鉛直方向に配列している。また、ダイポールアレイ１４は、アンテナ基板１３１ａの裏面にｆ３用の複数段のアンテナ素子１４１₁，１４１₂，１５１₁，１５１₂をアンテナ基板１３１ａの中心に対し左右対称に鉛直方向に配列している。

さらに、ダイポールアレイ１４は、複数段のアンテナ基板１３１ａ〜１３１ｄを鉛直方向に配置して１本のアンテナとして多段アレー化している。各アンテナ基板１３１ａ〜１３１ｄには、同軸ケーブル等の給電線を介して給電信号が供給される。これら同軸ケーブルは、アンテナカバー１１−２の中心寄り側で、結束バンド等により各アンテナ基板１３１ａ〜１３１ｄに固定される。各アンテナ基板１３１ａ〜１３１ｄに入力された給電信号は、アンテナ素子１１１₁〜１１１₈，１２１₁〜１２１₈，１４１₁〜１４１₈，１５１₁〜１５１₈（図６ではアンテナ素子１１１₁，１１１₂，１２１₁，１２１₂，１４１₁，１４１₂，１５１₁，１５１₂のみ図示）に給電される。

（コーリニアアンテナの動作）
図８は、ダイポールアレイ１２−２とダイポールアレイ１４とを、Ｔ字型となるように、アンテナカバー１１−２内に配置した場合の動作を示す図である。図１０（ａ）はダイポールアレイ１２−２とダイポールアレイ１４とを、上方から見て示した図であり、図１０（ｂ）はダイポールアレイ１２−２とダイポールアレイ１４とを、図２中矢印Ａ２で示す方向から見た図である、なお、図１０（ｂ）において、ダイポールアレイ１２−２について、アンテナ基板１３ａ、アンテナ素子２１₁，２２₁，４１₁，４２₁のみ示す。

ｆ３用の複数段のアンテナ素子１１１₁，１１１₂、１２１₁，１２１₂、１４１₁，１４１₂、１５１₁，１５１₂に供給された給電信号は、複数段のアンテナ素子１１１₁，１１１₂、１２１₁，１２１₂、１４１₁，１４１₂、１５１₁，１５１₂により電波として空間に放射される。同一平面内に２素子が間隔をもって配置されているため、放射された電波は、配線集中箇所１５−２に集中された給電線等の反射物の影響を軽減し、水平面に対して無指向性を有するアンテナパターンとなり（図８中一点鎖線で示す部分）、垂直面に対して配線集中箇所１５−２を軸に両方向にメインローブを向けたアンテナパターンとなる（図８中実線で示す部分）。

（実施例１及び実施例２に共通の作用効果）
上記実施例１によれば、ｆ１／ｆ２用のダイポールアレイ１２−１について、複数段のアンテナ基板３１ａ〜３１ｄを鉛直方向に配置した構成とし、ｆ３用のダイポールアレイ１３について、複数段のアンテナ基板８１ａ〜８１ｄを鉛直方向に配置した構成とすることにより、周波数ごとに異なるチルト設定が可能となる。上記実施例２についても、上記実施例１と同様に、周波数ごとに異なるチルト設定が可能となる。

また、上記各実施例によれば、アンテナカバー１１−１,１１−２の中心（図２では点線で示すエリア）に、ダイポールアレイ１２−１，１２−２，１３，１４に対し給電信号を供給するための給電線が集中する配線集中箇所１５−１，１５−２を設けることにより、１本のアンテナとして指向性の特定化を安定化できる。

以上説明したように、上記各実施例によれば、ダイポールアレイ１２−１のアンテナ素子とダイポールアレイ１３のアンテナ素子との間隔を給電信号の0.05λ以上とし、ダイポールアレイ１２−２のアンテナ素子とダイポールアレイ１４のアンテナ素子との間隔を給電信号の0.05λ以上とすることにより、相互影響によるインピーダンスの変動が給電線上の調整で回避できる距離間を維持できる。

なお、上記各実施例では、８段のアンテナ素子によりダイポールアレイを構成した場合について説明したが、８段に限定されるものではなく、任意の段数に設定することが可能である。

また、上記各実施例の多周波共用コーリニアアンテナは、単体で用いるものに限らず、ダイバーシティ或いはＭＩＭＯのように１つの基地局装置で複数本を用いる場合にも利用できる。その場合、各多周波共用コーリニアアンテナの特定の周波数におけるメインローブが、互いに異なる方向を向くように設置することができ、例えば２本であれば、互いに反対向きとし、３本であれば、１８０度間隔で３方向を向くようにすることができる。

本発明は、上記各実施例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

１０−１，１０−２…多周波共用コーリニアアンテナ、１１−１,１１−２…アンテナカバー、１２−１,１２−２…ｆ１／ｆ２用のダイポールアレイ、１３,１４…ｆ３用のダイポールアレイ、１５−１，１５−２…配線集中箇所、２１₁〜２１₈，２２₁〜２２₈,４１₁〜４１₈,４２₁〜４２₈,６１₁〜６１₈,７１₁〜７１₈,…アンテナ素子、３１ａ〜３１ｄ, ８１ａ〜８１ｄ, １３１ａ〜１３１ｄ…アンテナ基板、５１ａ〜５１ｄ, ９１ａ〜９１ｄ…給電線。

Claims (12)

1. 水平方向に第１の指向性を有し第１周波数用の複数段の第１素子を垂直方向に配列する第１のアンテナ基板を前記垂直方向に複数段配列した第１のダイポールアンテナと、
   水平方向に前記第１の指向性とは異なる第２の指向性を有し第２周波数用の複数段の第２素子を垂直方向に配列する第２のアンテナ基板を前記垂直方向に複数段配列した第２のダイポールアンテナと、
   前記第１のダイポールアンテナ及び前記第２のダイポールアンテナを収納するアンテナカバーとを具備し、
   前記アンテナカバー内で前記第１のダイポールアンテナに対し前記第２のダイポールアンテナを離して配置することを特徴とするコーリニアアンテナ。
2. 前記第１のダイポールアンテナは、水平方向に前記第１及び第２の指向性とは異なる第３の指向性を有し第３周波数用の複数段の第３素子を前記第１のアンテナ基板に垂直方向に配列することを特徴とする請求項１記載のコーリニアアンテナ。
3. 前記第２のダイポールアンテナは、前記第１のダイポールアンテナに対し、前記第１のアンテナ基板の第１素子配列面と前記第２のアンテナ基板の第２素子配列面とを揃えて直線上に配置されることを特徴とする請求項１または２記載のコーリニアアンテナ。
4. 前記第１のダイポールアンテナは、第１のチルト角を有し、前記第２のダイポールアンテナは、前記第１のチルト角とは異なる第２のチルト角を有することを特徴とする請求項１記載のコーリニアアンテナ。
5. 前記複数段の第１素子及び前記複数段の第２素子に対し給電信号を給電するための複数の配線を、前記第１のアンテナ基板と前記第２のアンテナ基板との間に集中させることを特徴とする請求項１記載のコーリニアアンテナ。
6. 前記第１のアンテナ基板と前記第２のアンテナ基板との間隔は、前記給電信号の０．０５波長以上とすることを特徴とする請求項５記載のコーリニアアンテナ。
7. 水平方向に第１の指向性を有し第１周波数用の複数段の第１素子を垂直方向に配列する第１のアンテナ基板を前記垂直方向に複数段配列した第１のダイポールアンテナと、
   水平方向に前記第１の指向性とは異なる第２の指向性を有し第２周波数用の複数段の第２素子を第２のアンテナ基板の中心に対し左右対称に垂直方向に配列し、前記第２のアンテナ基板を前記垂直方向に複数段配列した第２のダイポールアンテナと、
   前記第１のダイポールアンテナ及び前記第２のダイポールアンテナを収納するアンテナカバーとを具備し、
   前記アンテナカバー内で前記第１のダイポールアンテナに対し前記第２のダイポールアンテナを離して配置することを特徴とするコーリニアアンテナ。
8. 前記第１のダイポールアンテナは、水平方向に前記第１及び第２の指向性とは異なる第３の指向性を有し第３周波数用の複数段の第３素子を前記第１のアンテナ基板に垂直方向に配列することを特徴とする請求項７記載のコーリニアアンテナ。
9. 前記第２のダイポールアンテナは、前記第２のアンテナ基板の第２素子配列面が、前記第１のダイポールアンテナの前記第１のアンテナ基板の第１素子配列面に対し、垂直に配置されることを特徴とする請求項７または８記載のコーリニアアンテナ。
10. 前記第１のダイポールアンテナは、第１のチルト角を有し、前記第２のダイポールアンテナは、前記第１のチルト角とは異なる第２のチルト角を有することを特徴とする請求項７記載のコーリニアアンテナ。
11. 前記複数段の第１素子及び前記複数段の第２素子に対し給電信号を給電するための複数の配線を、前記第１のアンテナ基板と前記第２のアンテナ基板との間に集中させることを特徴とする請求項７記載のコーリニアアンテナ。
12. 前記第１のアンテナ基板と前記第２のアンテナ基板との間隔は、前記給電信号の０．０５波長以上とすることを特徴とする請求項１１記載のコーリニアアンテナ。