アンテナ装置

【課題】基地局アンテナの外径サイズを維持したまま水平面内半値幅を狭くすることが可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】平行に対向配置された第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子と、平行に対向配置された第１無給電素子及び第２無給電素子と、第１アンテナ素子と第２アンテナ素子とを含む仮想平面及び第１無給電素子と第２無給電素子とを含む仮想平面に対し平行に対向配置された反射板と、を備え、第１無給電素子は、第１アンテナ素子を含み反射板と直交する仮想平面上に、第１アンテナ素子を挟んで反射板と反対側に、かつ、第１アンテナ素子と平行に対向配置され、第２無給電素子は、第２アンテナ素子を含み反射板と直交する仮想平面上に、第２アンテナ素子を挟んで反射板と反対側に、かつ、第２アンテナ素子と平行に対向配置され、各無給電素子の素子長は、前記各アンテナ素子の素子長の１．０２〜１．１９倍である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動通信における基地局アンテナに用いられるアンテナ装置に関し、特にビームの水平面内半値幅を基地局アンテナの外径サイズを維持したまま狭める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動通信に使用されている基地局アンテナは、一般的に利用する周波数ごとにアンテナが設計され、ビルの屋上、あるいは鉄塔等に設置される。基地局アンテナは、一般にアンテナ装置とそれを収容する円筒状のレドームとから成り、風圧荷重軽減および美観上の観点から、レドームを含めた外径サイズが極力小さくなるように設計する必要がある。基地局の多くは、加入者容量の増大化や周波数の有効利用を図るため、水平面内を角度的に分割するセクタゾーン構成を採用している。分割されたセクタゾーンごとに設けられるアンテナ装置（セクタアンテナ）は、水平面内半値幅（最大利得からの利得低下量が３ｄＢ以内の角度幅）が狭いほどセクタ数を増やすことができ、セクタ数を増やすことで、当該基地局が収容可能な加入者容量をより増やすことができる。また、同じセクタ数でも、セクタ角（分割されたセクタゾーンの角度）と比べて水平面内半値幅が狭い方が、加入者容量をより増やすことができる（非特許文献１参照）。もっとも、隣接セクタとオーバーラップする（重なる）エリアにおけるレベルが大きいと、隣接セクタの電波と干渉を起こし通信品質が低下する恐れがある（非特許文献１）。隣接セクタ間の干渉の抑制度合いを表す指標として、水平面内最大利得からの利得低下量が１０ｄＢ以内の角度幅（水平面内１０ｄＢ幅）があるが、加入者容量を増やすには、この角度幅もなるべく狭くして、隣接セクタ間の電波の干渉を抑える必要がある。
【０００３】
従来技術によるアンテナ装置１０の構成例を示す斜視図を図２０(a)に、正面図を図２０(b)に、側面図を図２０(c)にそれぞれ示す。アンテナ装置１０は、第１アンテナ素子１１と第２アンテナ素子１２と反射板１５を備え、反射板１５から一定の距離の同一平面内に第１アンテナ素子１１と第２アンテナ素子１２が平行に対向配置される。このとき、第１アンテナ素子１１と第２アンテナ素子１２に、同様な振幅及び位相で給電すると、正面方向（Ｚ軸方向）に最大のビームが向くような放射指向性になる。その時の水平面内指向性の一例を図２１に示す。ここで、第１アンテナ素子１１と第２アンテナ素子１２の長さは同じである。図２１からわかるように、正面方向（０度方向）に最大のビームが向き、水平面内半値幅が約６２．４度のアンテナ装置として動作する。なお、反射板１５は一般に金属製の平板であり、図２０に示すように、両側端が各アンテナ素子が設けられている側に折り曲げられている。
【０００４】
このようなアンテナ装置の水平面内半値幅を狭くしたい場合の技術として、例えば、特許文献１や特許文献２に、放射方向が前方であるとしたとき、アンテナ素子の真横又は斜め前方に無給電素子を設置する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７１９４２５号公報
【特許文献２】特許第３８８４０４２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】岩村幹生、石川義裕、大野公士、尾上誠蔵、「Ｗ−ＣＤＭＡ方式におけるセクタアンテナのビーム幅最適化」、電子情報通信学会総合大会、１９９９、Ｂ−５−１５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術として示したアンテナ装置１０において、水平面内半値幅や１０ｄＢ以内角度幅を更に狭くするには、単純には、反射板１３の横幅（Ｘ軸方向の幅）を広くすればよい。しかし、反射板１３の横幅を広くすることでアンテナ装置のサイズが大きくなり、その結果、それを収容するレドームを含めた基地局アンテナの外径サイズも大きくなって、風圧荷重や美観の関係上、設置場所に大きな制約が生じる。
【０００８】
また、特許文献１や特許文献２に開示されているように、無給電素子をアンテナ素子の真横や斜め前方に設置することによっても水平面内半値幅を狭めることができるが、いずれも無給電素子の間隔が広くなることでアンテナ装置の横幅も広くなり、よって、反射板の横幅を広くした場合と同様な問題が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、基地局アンテナの外径サイズを維持したまま、水平面内半値幅を狭くすることが可能なアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のアンテナ装置は、平行に対向配置された第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子と、平行に対向配置された第１無給電素子及び第２無給電素子と、前記第１アンテナ素子と第２アンテナ素子とを含む仮想平面及び前記第１無給電素子と第２無給電素子とを含む仮想平面に対し、平行に対向配置された反射板と、を備え、前記第１無給電素子は、前記第１アンテナ素子を含み前記反射板と直交する仮想平面上に、前記第１アンテナ素子を挟んで前記反射板と反対側に、かつ、前記第１アンテナ素子と平行に対向配置され、前記第２無給電素子は、前記第２アンテナ素子を含み前記反射板と直交する仮想平面上に、前記第２アンテナ素子を挟んで前記反射板と反対側に、かつ、前記第２アンテナ素子と平行に対向配置され、前記各無給電素子の素子長は、前記各アンテナ素子の素子長の１．０２〜１．１９倍である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のアンテナ装置によれば、基地局アンテナの外径サイズを維持したまま、水平面内半値幅を狭くすることが可能なアンテナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のアンテナ装置１００の構成例を示す図。
【図２】アンテナ装置１００による水平面内放射指向性の一例を示す図。
【図３】アンテナ装置１００による水平面内放射指向性の周波数特性を示す図。
【図４】アンテナ装置１００におけるアンテナ素子長と無給電素子長との比と水平面内半値幅との関係を示す図。
【図５】本発明のアンテナ装置２００の構成例を示す図。
【図６】アンテナ装置２００による水平面内放射指向性の一例を示す図。
【図７】アンテナ装置２００から無給電素子を取り除いた場合の水平面内放射指向性を示す図。
【図８】アンテナ装置２００におけるアンテナ素子長と無給電素子長との比及びアンテナ素子と無給電素子との間の距離と水平面内半値幅との関係を示す図。
【図９】アンテナ装置２００におけるアンテナ素子長と無給電素子長との比及びアンテナ素子と無給電素子との間の距離と水平面内１０ｄＢ幅との関係を示す図。
【図１０】アンテナ装置２００におけるアンテナ素子と無給電素子との間の距離と水平面内半値幅との関係を示す図。
【図１１】本発明のアンテナ装置３００の構成例を示す図。
【図１２】アンテナ装置３００による水平面内放射指向性の一例を示す図。
【図１３】アンテナ装置３００から無給電素子を取り除いた場合の水平面内放射指向性を示す図。
【図１４】本発明のアンテナ装置４００の構成例を示す図。
【図１５】アンテナ装置４００による垂直偏波素子の水平面内放射指向性の一例を示す図。
【図１６】アンテナ装置４００による水平偏波素子の水平面内放射指向性の一例を示す図。
【図１７】本発明のアンテナ装置５００の構成例を示す図。
【図１８】アンテナ装置５００による水平面内放射指向性の一例を示す図。
【図１９】アンテナ装置５００から無給電素子を取り除いた場合の水平面内放射指向性を示す図。
【図２０】従来技術によるアンテナ装置１０の構成例を示す図。
【図２１】アンテナ装置１０による水平面内放射指向性の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明のアンテナ装置１００の構成例を示す斜視図を図１(a)に、正面図を図１(b)に、側面図を図１(c)に、上面図を図１(d)に、それぞれ示す。アンテナ装置１００は、第１アンテナ素子１１と第２アンテナ素子１２と第１無給電素子１３と第２無給電素子１４と反射板１５とを備える。つまり、図１７に示した従来技術によるアンテナ装置１０に、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４を加えた構成である。
【００１５】
第１アンテナ素子１１と第２アンテナ素子１２は、例えばダイポールアンテナであり、互いに平行に対向配置される。
【００１６】
第１無給電素子１３と第２無給電素子１４は、例えば金属棒や金属板であり、互いに平行に対向配置される。第１無給電素子１３は、第１アンテナ素子１１を含み反射板１５と直交する仮想平面５１上に、第１アンテナ素子１１を挟んで反射板１５と反対側に、かつ、第１アンテナ素子１１と平行に対向配置される。第２無給電素子１４は、第２アンテナ素子１２を含み反射板１５と直交する仮想平面５２上に、第２アンテナ素子１２を挟んで反射板１５と反対側に、かつ、第２アンテナ素子１２と平行に対向配置される。
【００１７】
反射板１５は、一般的には平らな金属板であり、第１アンテナ素子１１と第２アンテナ素子１２とを含む仮想平面５３及び第１無給電素子１３と第２無給電素子１４とを含む仮想平面５４のそれぞれに対し、平行に対向配置される。なお、反射板１５の両側端は、一般に、図１に示すように各アンテナ素子が設けられている側に折り曲げられている。
【００１８】
図２にアンテナ装置１００の水平面内放射指向性の一例を示す。なお、第１アンテナ素子１１と第２アンテナ素子１２の長さLfや位置関係、反射板１５の横幅Ｄは、図１７に示す従来技術によるアンテナ装置１０と同じに維持している。また、観測周波数についても、アンテナ装置１０の水平面内放射指向性データ（図１８）と同様に７５０ＭＨｚとしている。また、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の長さLpは同じであり、LpとLfの長さの比Lp/Lfは、１．１２である。図２からわかるように、反射板１５の横幅Ｄをアンテナ装置１０と同じに維持したにもかかわらず、水平面内半値幅がアンテナ装置１０における６２．４度（図１８参照）から４４．９度に狭ビーム化できていることがわかる。
【００１９】
また、図３に図２の場合と同様な構成において観測周波数を７３０ＭＨｚ、７５０ＭＨｚ、及び７７０ＭＨｚの３通りに変化させた時の水平面内放射指向性の比較を示す。図３から、観測周波数が変わっても、放射指向性特性は大きく変化せず、水平面内半値幅が５０度以下に維持されていることがわかる。
【００２０】
また、図４はアンテナ装置１００における無給電素子の長さLpと対向するアンテナ素子Lfの長さの比Lp/Lf（横軸）と水平面内半値幅（縦軸）との関係を、対向するアンテナ素子と無給電素子との素子間距離ｄが２５ｍｍ、２７ｍｍ、及び２９ｍｍの場合についてそれぞれ示したものである。図４から、Lp/Lfが約１．０２〜１．１９の範囲である場合に、水平面内半値幅を従来構成による６２．４度より狭くすることができることがわかる。
【００２１】
このように、本発明のアンテナ装置１００は、従来技術によるアンテナ装置１０の各アンテナ素子１１、１２の主放射方向（図１ではＺ軸方向）の近接した位置に、Lp/Lfが約１．０２〜１．１９となる素子長の第１無給電素子１３及び第２無給電素子１４を設けることで、反射板１５の横幅Ｄを広げることなく、水平面内半値幅を大幅に狭めることができる。基地局アンテナの外径サイズは、反射板１５の横幅Ｄに大きく依存するため、本発明のアンテナ装置１００を用いることで、外径サイズを従来どおりに維持したまま、より水平面内半値幅が狭い基地局アンテナを提供することができる。また、従来構造に無給電素子を加えるだけであるため、構造が簡単であり、製造も容易である。
【００２２】
＜変形例＞
本発明のアンテナ装置１００の変形例であるアンテナ装置２００の構成例を示す斜視図を図５(a)に、正面図を図５(b)に、側面図を図５(c)に、上面図を図５(d)に、それぞれ示す。
【００２３】
アンテナ装置２００は、アンテナ装置１００の反射板１５を反射板２５に置き換えたものである。反射板２５は、２つの凹部２６、２７がそれぞれ第１アンテナ素子１１、第２アンテナ素子１２と対向するように、かつ、折り目２８が第１アンテナ素子１１、第２アンテナ素子１２と平行になるように、反射板１５を略Ｗ字形に主放射方向と逆方向（図５では−Ｚ軸方向）に折り曲げた形状を有する。
【００２４】
反射板にこのような形状のものを用いることで、電波の最大放射方向と反対側における電波の回り込み量（ＦＢ比：フロントバック比）を改善することができる。図６にアンテナ装置２００の水平面内放射指向性の一例を示す。反射板以外のシミュレーション条件は図２の場合と同様である。平板の反射板１５を適用するアンテナ装置１００ではＦＢ比が−１４．２ｄＢ（図２参照）であるのに対し、アンテナ装置２００では図６よりＦＢ比が−１５．７ｄＢに改善されていることがわかる。
【００２５】
また、図７(b)に図６に示すアンテナ装置２００から第１無給電素子１３、第２無給電素子１４を取り除いた場合（図７(a)）の水平面内放射指向性を示す。図６及び図７からわかるように、無給電素子が無い場合には水平面内半値幅が６３．９度であるのに対し、無給電素子を設けた場合には４８．２度と、無給電素子を設けることで大幅に狭幅化されていることがわかる。
【００２６】
また、図８にアンテナ装置２００における無給電素子の長さLpと対向するアンテナ素子の長さLfとの比Lp/Lf、及び対向する無給電素子とアンテナ素子との間の距離ｄと、水平面内半値幅との関係を、図９にアンテナ装置２００における無給電素子の長さLpと対向するアンテナ素子の長さLfとの比Lp/Lf、及び対向する無給電素子とアンテナ素子との間の距離ｄと、水平面内１０ｄＢ幅との関係を、それぞれ示す。図８及び図９から、水平面内半値幅及び水平面内１０ｄＢ幅は、ｄの値の影響も受けるが、Lp/Lfの値に大きく影響を受けることがわかる。また、水平面内１０ｄＢ幅の広狭の傾向は、水平面内半値幅の広狭の傾向と概ね同様であることがわかる。
【００２７】
また、図１０にアンテナ装置２００における無給電素子の長さLpと対向するアンテナ素子Lfの長さの比Lp/Lf（横軸）と水平面内半値幅（縦軸）との関係を、対向するアンテナ素子と無給電素子との素子間距離ｄが２２．５ｍｍ、２５ｍｍ、２７．５ｍｍ、３０ｍｍ、及び３２．５ｍｍの場合についてそれぞれ示したものである。図１０から、ｄの値がいずれの場合も、Lp/Lfの値が１．１近辺のとき水平面内半値幅を最小化し、かつ無給電素子がない場合の６３．９度より狭くすることができることがわかる。
【実施例２】
【００２８】
本発明のアンテナ装置３００の構成例を示す斜視図を図１１(a)に、正面図を図１１(b)に、側面図を図１１(c)に、上面図を図１１(d)に、それぞれ示す。
【００２９】
実施例１のアンテナ装置１００は、図１からわかるように、第１アンテナ素子１１と第２アンテナ素子１２が垂直偏波素子である場合を例にとって説明したが、アンテナ装置１００を据え付ける向きにより垂直偏波用としても水平偏波用としても利用することができる。そのため、２つのアンテナ装置１００を９０度ずらして組み合わせることにより、本発明における水平面内半値幅の狭幅化効果を、垂直偏波と水平偏波の双方について得ることが可能な偏波共用アンテナを構成することができる。本実施例のアンテナ装置３００は、そのような偏波共用アンテナである。
【００３０】
具体的には、アンテナ装置３００は、アンテナ装置１００の各構成要素に加え、第１アンテナ素子１１と第２アンテナ素子１２と第１無給電素子１３と第２無給電素子１４との位置関係を維持したまま、これらを平面的に９０度回転させた位置に、これらのそれぞれと対応する、第３アンテナ素子１６と第４アンテナ素子１７と第３無給電素子１８と第４無給電素子１９とを更に備える。
【００３１】
図１２にアンテナ装置３００の水平偏波素子（第３アンテナ素子１６と第４アンテナ素子１７）の水平面内放射指向性の一例を示す。また、図１３(b)に図１２に示すアンテナ装置３００から第３無給電素子１８と第４無給電素子１９を取り除いた場合（図１３(a)）の水平面内放射指向性を示す。無給電素子を設けない図１３の構成によると水平面内半値幅が７０．９度であるのに対し、本発明による図１２の構成では４９．７度であり、偏波素子の向きによらず、無給電素子を設けることで大幅に狭幅化できることがわかる。
【実施例３】
【００３２】
本発明のアンテナ装置４００の構成例を示す斜視図を図１４(a)に示す。
【００３３】
基地局アンテナは所望の利得を得るために、複数個のアンテナ装置をレドーム内に配置する構成となっている。アンテナ装置４００は、実施例１、２のアンテナ装置１００、３００を複数個アレー配置したものである。図１４に示す構成例は、実施例２のアンテナ装置３００を、反射板１５を共用する形で合計３セットアレー配置したものである。
【００３４】
図１５、１６は、図１４に示す構成例における水平面内放射指向性を示したものである。具体的には、図１５はアレー化した垂直偏波素子（第１アンテナ素子１１及び第２アンテナ素子１２）の水平面内放射指向性であり、図１６はアレー化した水平偏波素子（第３アンテナ素子１６及び第４アンテナ素子１７）の水平面内放射指向性である。図１５のアレー化した垂直偏波素子の水平面内指向性は、図２に示す単体の垂直偏波素子の水平面内指向性と概ね一致している。また、図１６のアレー化した水平偏波素子の水平面内指向性は、図１２に示す単体の水平偏波素子の水平面内指向性と概ね一致している。したがって、アレー構造の場合でも、本発明の狭幅化効果が得られることがわかる。
【実施例４】
【００３５】
実施例１〜３では、アンテナ素子と無給電素子との組が２組である構成を説明したが、１組であっても水平面内半値幅の狭幅化効果を得ることができる。
【００３６】
アンテナ素子と無給電素子との組が１組であるアンテナ装置５００の構成例を示す斜視図を図１７(a)に、正面図を図１７(b)に、側面図を図１７(c)に、上面図を図１７(d)に、それぞれ示す。アンテナ装置５００は、第１アンテナ素子１１と第１無給電素子１３と反射板１５とを備える。
【００３７】
第１アンテナ素子１１は、例えばダイポールアンテナである。第１無給電素子１３は、例えば金属棒や金属板である。第１無給電素子１３は、第１アンテナ素子１１を含み反射板１５と直交する仮想平面５１上に、第１アンテナ素子１１を挟んで反射板１５と反対側に、かつ、第１アンテナ素子１１と平行に対向配置される。
【００３８】
反射板１５は、一般的には平らな金属板であり、第１アンテナ素子１１を含む仮想平面５３及び第１無給電素子１３を含む仮想平面５４のそれぞれに対し、平行に対向配置される。
【００３９】
図１８にアンテナ装置５００の水平面内放射指向性の一例を示す。なお、第１無給電素子１３の長さLpと第１アンテナ素子１１の長さLfとの長さの比Lp/Lfは１．１２であり、すなわちLp＞Lfである。また、図１９にアンテナ装置１０１から第１無給電素子１３を取り除いた場合の水平面内放射指向性の一例を示す。図１８と図１９から、第１無給電素子１３を設けない場合には水平面内半値幅が１２１．４度であるのに対し、第１無給電素子１３を設けた場合には、５１．１度と大幅に狭幅化できていることがわかる。
【００４０】
なお、実施例４の場合も、実施例１の変形例と同様に、凹部が第１アンテナ素子と対向するように、かつ、折り目が第１アンテナ素子と平行になるように、主放射方向と逆方向に略Ｖ字形に折り曲げた反射板を用いることで、電波の最大放射方向と反対側における電波の回り込み量を改善することができる。また、実施例２と同様に、アンテナ素子と無給電素子との組をもう１組、互いに９０度の角をなす位置関係で設けることで、水平面内半値幅の狭幅化効果を、垂直偏波と水平偏波の双方について得ることが可能な偏波共用アンテナを構成することができる。また、実施例３と同様に、アレー配置した場合にも狭幅化効果を得ることができる。
【００４１】
以上説明した、本発明の各アンテナ装置の構成は、上記の実施例の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０、１００、２００、３００、４００、５００アンテナ装置
１１第１アンテナ素子１２第２アンテナ素子１３第３アンテナ素子
１４第４アンテナ素子１５、２５反射板１６第１無給電素子
１７第２無給電素子１８第３無給電素子１９第４無給電素子
２５、２６凹部５１〜５４仮想平面

【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行に対向配置された第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子と、
平行に対向配置された第１無給電素子及び第２無給電素子と、
前記第１アンテナ素子と第２アンテナ素子とを含む仮想平面及び前記第１無給電素子と第２無給電素子とを含む仮想平面に対し、平行に対向配置された反射板と、
を備え、
前記第１無給電素子は、前記第１アンテナ素子を含み前記反射板と直交する仮想平面上に、前記第１アンテナ素子を挟んで前記反射板と反対側に、かつ、前記第１アンテナ素子と平行に対向配置され、
前記第２無給電素子は、前記第２アンテナ素子を含み前記反射板と直交する仮想平面上に、前記第２アンテナ素子を挟んで前記反射板と反対側に、かつ、前記第２アンテナ素子と平行に対向配置され、
前記各無給電素子の素子長は、前記各アンテナ素子の素子長の１．０２〜１．１９倍である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ装置であって、
前記反射板は、２つの凹部がそれぞれ前記第１アンテナ素子、前記第２アンテナ素子と対向するように、かつ、折り目が前記各アンテナ素子と平行になるように、略Ｗ字形に折り曲げられている
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のアンテナ装置であって、
前記第１アンテナ素子と前記第２アンテナ素子と前記第１無給電素子と前記第２無給電素子との位置関係を維持したまま、これらを平面的に９０度回転させた位置に、これらのそれぞれと対応する、第３アンテナ素子と第４アンテナ素子と第３無給電素子と第４無給電素子とを更に備える
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１又は３に記載のアンテナ装置を複数個連ねて構成されたアンテナ装置。
【請求項５】
アンテナ素子と、
無給電素子と、
反射板と、
を備え、
前記無給電素子は、前記アンテナ素子を含み前記反射板と直交する仮想平面上に、前記アンテナ素子を挟んで前記反射板と反対側に、かつ、前記アンテナ素子と平行に対向配置され、
前記無給電素子の素子長は、前記アンテナ素子の素子長の１．０２〜１．１９倍である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のアンテナ装置であって、
前記反射板は、凹部がそれぞれ前記アンテナ素子と対向するように、かつ、折り目が前記アンテナ素子と平行になるように、略Ｖ字形に折り曲げられている
ことを特徴とするアンテナ装置。

【図１】