周波数共用アレーアンテナ

【課題】狭ビーム化でき、水平面内指向性のサイドローブを抑えることのできる周波数共用アレーアンテナを実現する。
【解決手段】本発明の周波数共用アレーアンテナは、２組のマルチバンドアンテナと、無給電素子と、反射器とを備える。マルチバンドアンテナは、それぞれ、給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子とを有する。給電アンテナ素子は、給電点を有し、地面に垂直な線状である。無給電アンテナ素子は、給電点近傍に配置され、地面に垂直な線状である。無給電素子は、地面に垂直な線状であり、２つの給電アンテナ素子の両方からほぼ同じ距離にある。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の周波数の電波を同時に伝搬させる周波数共用アレーアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
アンテナは、ビーム幅が細くなればなるほど開口面が大きくなる。その結果、反射器も大きくなっていた。それを避けるために、１つの反射器に同振幅・同位相の２素子ダイポールアレーアンテナの指向性を合成することで狭ビーム化を実現している。しかし、周波数共用アレーアンテナの場合は１つの周波数のパターンを最適化すると、他の周波数のパターンが乱れてしまうという問題点がある。
【０００３】
また、IMT-2000（International Mobile Telecommunication 2000）では、加入者容量を増加させるためにセクタ化をしてサービスを行っているが、他セクタへ漏れるビームは加入者容量を減らすことになる。そのため、他エリアへ影響を与える水平面内指向性のサイドローブを減らす一つの手段として、反射器を付けることがよく知られている。しかし、この方法は、一方の周波数帯では効果があるが、他方の周波数帯では逆効果になる場合がある。また、垂直面内指向性のサイドローブを抑える別の手段として、例えば特許文献１に示された２つの給電点を有するアンテナ素子を用いる技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９７４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、周波数共用した２素子ダイポールアレーアンテナにおいては、水平面内指向性のサイドローブを抑える有効な方法がない。
【０００６】
本発明は、狭ビーム化でき、水平面内指向性のサイドローブを抑えることのできる周波数共用アレーアンテナを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の周波数共用アレーアンテナは、２つ以上の異なる周波数の電波を同時に伝搬させる。本発明の周波数共用アレーアンテナは、２組のマルチバンドアンテナと、無給電素子と、反射器とを備える。マルチバンドアンテナは、それぞれ、給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子とを有する。給電アンテナ素子は、給電点を有し、地面に垂直な線状である。無給電アンテナ素子は、給電点近傍に配置され、地面に垂直な線状である。「給電点近傍」とは、給電点への電力供給によって無給電アンテナ素子が励振される程度に近いという意味である。無給電素子は、地面に垂直な線状であり、２つの給電アンテナ素子の両方からほぼ同じ距離にある。「ほぼ同じ距離」とは、設計上許容される誤差を含んで同じ距離という意味である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の周波数共用アレーアンテナによれば、２組のマルチバンドアンテナを備えるので、狭ビーム化が可能である。また、無給電素子を２組のマルチバンドアンテナの中間に配置することで、水平面内指向性のサイドローブを抑えている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来の周波数共用アレーアンテナの構成例を示す図。
【図２】シミュレーションでの周波数共用アレーアンテナ９００の各部の寸法を示す図。
【図３】図２の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性の８００ＭＨｚ帯のシミュレーション結果を示す図。
【図４】図２の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性の２ＧＨｚ帯のシミュレーション結果を示す図。
【図５】従来の別の周波数共用アレーアンテナの構成例を示す図。
【図６】シミュレーションでの周波数共用アレーアンテナ９５０の各部の寸法を示す図。
【図７】図６の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性の８００ＭＨｚ帯のシミュレーション結果を示す図。
【図８】図６の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性の２ＧＨｚ帯のシミュレーション結果を示す図。
【図９】実施例１の周波数共用アレーアンテナの構成例を示す図。
【図１０】シミュレーションでの周波数共用アレーアンテナ１００の各部の寸法を示す図。
【図１１】図１０の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性の８００ＭＨｚ帯のシミュレーション結果を示す図。
【図１２】図１０の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性の２ＧＨｚ帯のシミュレーション結果を示す図。
【図１３】変形例１の周波数共用アレーアンテナの構成例を示す図。
【図１４】シミュレーションでの周波数共用アレーアンテナ２００の各部の寸法を示す図。
【図１５】図１４の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性の８００ＭＨｚ帯のシミュレーション結果を示す図。
【図１６】図１４の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性の２ＧＨｚ帯のシミュレーション結果を示す図。
【図１７】変形例２の周波数共用アレーアンテナの構成例を示す図。
【図１８】無給電素子の長さを変えたときの８００ＭＨｚ帯のビーム幅の変化のシミュレーション結果を示す図。
【図１９】無給電素子の長さを変えたときの２ＧＨｚ帯のビーム幅の変化のシミュレーション結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
【００１１】
［従来の周波数共用アレーアンテナの評価］
図１に、従来の周波数共用アレーアンテナの構成例を示す。周波数共用アレーアンテナ９００は、２つの異なる周波数（第１周波数と第２周波数）の電波を同時に伝搬させる。ここでは、第１周波数の方が第２周波数よりも低いとする。周波数共用アレーアンテナ９００は、２組のマルチバンドアンテナ９１０−１、９１０−２と、背面反射板９３１とを備える。マルチバンドアンテナ９１０は、それぞれ、給電アンテナ素子９１５と無給電アンテナ素子９２０とを有する。給電アンテナ素子９１５は、給電点９１２と地面に垂直な線状のアンテナ素子９１１で構成される。無給電アンテナ素子９２０は、給電点９１２近傍に配置され、地面に垂直な線状のアンテナ素子である。なお、番号の“−１”や“−２”は、２つを区別しなければならないときには付加するが、区別する必要が無いときは省略する。
【００１２】
図２に、シミュレーションでの周波数共用アレーアンテナ９００の各部の寸法を示す。図２（Ａ）は正面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。このシミュレーションでは、第１周波数を８００ＭＨｚ、第２周波数を２ＧＨｚとした。給電アンテナ素子９１５の長さは、第１周波数の電波の半波長分であり、今回の場合は１８０ｍｍである。無給電アンテナ素子９２０の長さは、第２周波数の電波の半波長分であり、今回の場合は７０ｍｍである。また、無給電アンテナ素子９２０は、給電アンテナ素子９１５に対して背面反射板９３１と反対側に配置した。第１周波数（８００ＭＨｚ）でのビーム幅を９０°、第２周波数（２ＧＨｚ）でのビーム幅を４５°とするために、給電アンテナ素子９１５−１と給電アンテナ素子９１５−２との間隔（無給電アンテナ素子９２０−１と無給電アンテナ素子９２０−２との間隔）を、１００ｍｍとした。さらに、背面反射板９３１の大きさは横１２０ｍｍ、縦７００ｍｍ、背面反射板９３１と給電アンテナ素子９１５との間隔は５０ｍｍ、給電アンテナ素子９１５と無給電アンテナ素子９２０との間隔は５ｍｍである。
【００１３】
図３と図４は、図２の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性のシミュレーション結果である。図３は８００ＭＨｚ帯での結果、図４は２ＧＨｚ帯での結果を示している。図３と図４の０°の方向が図２のｘ軸方向、９０°の方向が図２のｙ軸方向である。８００ＭＨｚ帯では水平面内指向性のサイドローブがないが、２ＧＨｚ帯の水平面内指向性のサイドローブが大きいことが分かる。
【００１４】
図５に従来の別の周波数共用アレーアンテナの構成例を示す。周波数共用アレーアンテナ９５０は、背面反射板９３１の水平方向の両端に配置された２つの側面反射板９３２も備える点が周波数共用アレーアンテナ９００と異なる。言い換えると、周波数共用アレーアンテナ９５０は、背面反射板９３１と２つの側面反射板９３２とで反射器９３０を構成している。
【００１５】
図６に、シミュレーションでの周波数共用アレーアンテナ９５０の各部の寸法を示す。図６（Ａ）は正面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。このシミュレーションでも、第１周波数を８００ＭＨｚ、第２周波数を２ＧＨｚとした。側面反射板９３２の大きさは、３０ｍｍ×７００ｍｍである。その他の構成部の寸法は周波数共用アレーアンテナ９００と同じである。
【００１６】
図７と図８は、図６の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性のシミュレーション結果である。図７は８００ＭＨｚ帯での結果、図８は２ＧＨｚ帯での結果を示している。図７と図８の０°の方向が図６のｘ軸方向、９０°の方向が図６のｙ軸方向である。図３，４よりもビーム幅が狭くなったが、２ＧＨｚ帯の水平面内指向性のサイドローブのレベルは側面反射板９３２を付けても下がらないことが分かる。
【実施例１】
【００１７】
図９に実施例１の周波数共用アレーアンテナの構成例を示す。周波数共用アレーアンテナ１００は、２つ以上の異なる周波数の電波を同時に伝搬させる。周波数共用アレーアンテナ１００は、２組のマルチバンドアンテナ９１０−１，９１０−２と、無給電素子１４０と、反射器９３０とを備える。マルチバンドアンテナ９１０は、それぞれ、給電アンテナ素子９１５と無給電アンテナ素子９２０とを有する。給電アンテナ素子９１５は、給電点９１２と地面に垂直な線状のアンテナ素子９１１で構成される。給電点９１２は、アンテナ素子９１１の中央部分に設けられる。無給電アンテナ素子９２０は、給電点９１２近傍に配置され、地面に垂直な線状である。無給電素子１４０は、地面に垂直な線状であり、２つの給電アンテナ素子９１５−１，９１５−２の両方からほぼ同じ距離にある。「ほぼ同じ距離」とは、設計上許容される誤差を含んで同じ距離という意味である。反射器９３０は、背面反射板９３１と２つの側面反射板９３２を有する。側面反射板９３２は、背面反射板９３１の水平方向の両端に配置される。
【００１８】
なお、「給電点９１２近傍」とは、給電点９１２への電力供給によって無給電アンテナ素子９２０が励振される程度に近いという意味である。また、給電点９１２に電力を供給する給電線（図示していない）の影響を受けにくくするため、無給電アンテナ素子９２０は、給電アンテナ素子９１５に対して背面反射板９３１と反対側に配置すればよい。このように配置すれば、無給電素子１４０は、２つの無給電アンテナ素子９２０−１，９２０−２の両方からほぼ同じ距離になる。
【００１９】
給電アンテナ素子９１５の長さを周波数が低い方の電波のほぼ半波長とし、無給電アンテナ素子９２０の長さを周波数が高い方の電波のほぼ半波長とすればよい。背面反射板９３１は、２つの給電アンテナ素子９１５から同じ距離に配置され、給電アンテナ素子９１５と無給電アンテナ素子９２０よりも長く、給電アンテナ素子９１５−１，９１５−２同士の間隔よりも広くすればよい。
【００２０】
図１０に、シミュレーションでの周波数共用アレーアンテナ１００の各部の寸法を示す。図１０（Ａ）は正面図であり、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。このシミュレーションでも、第１周波数を８００ＭＨｚ、第２周波数を２ＧＨｚとした。無給電素子１４０の長さは、１００ｍｍであり、背面反射板９３１から５０ｃｍ離れた位置で、給電点９１２−１と給電点９１２−２の中間（どちらからも５０ｃｍ離れた位置）に配置した。その他の構成部の寸法は、周波数共用アレーアンテナ９５０と同じである。
【００２１】
図１１と図１２は、図１０の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性のシミュレーション結果である。図１１は８００ＭＨｚ帯での結果、図１２は２ＧＨｚ帯での結果を示している。図１１と図１２の０°の方向が図１０のｘ軸方向、９０°の方向が図１０のｙ軸方向である。設計どおり、８００ＭＨｚ帯で９０°、２ＧＨｚ帯で４５°のビーム幅が得られている。また、図１２を図８と比較すると、２ＧＨｚ帯で水平面内指向性のサイドローブが大きく抑えられていることが分かる。したがって、周波数共用アレーアンテナ１００は、狭ビーム化と水平面内指向性のサイドローブを抑えることの両方を実現していることが分かる。
【００２２】
なお、図９から側面反射板が無い構成のシミュレーション結果は示していないが、図４と図８の関係と同じように、側面反射板を取り外すとビーム幅が広がる傾向がある。また、図１２と図８の関係と同じように、側面反射板を外しても無給電素子１４０の効果が得られるので水平面内指向性のサイドローブは抑えられる。
【００２３】
［変形例１］
図１３に変形例１の周波数共用アレーアンテナの構成例を示す。周波数共用アレーアンテナ２００は、２組のマルチバンドアンテナ９６０−１，９６０−２が周波数共用アレーアンテナ１００と異なる。マルチバンドアンテナ９６０は、それぞれ、給電アンテナ素子９６５と２つの無給電アンテナ素子９２１，９２２とを有する。給電アンテナ素子９６５は、２つの給電点９６２，９６３を有し、地面に垂直な線状のアンテナ素子９６１である。給電点９６２，９６３は、アンテナ素子９６１の両端から１／４〜１／３の位置に設ければよい。無給電アンテナ素子９２１は、給電点９６２近傍に配置され、地面に垂直な線状である。無給電アンテナ素子９２２は、給電点９６３近傍に配置され、地面に垂直な線状である。
【００２４】
無給電素子１４０は、すべての給電点９６２−１，９６３−１，９６２−２，９６３−２からほぼ同じ距離とすればよい。また、無給電アンテナ素子９２１，９２２は、給電アンテナ素子９６５に対して背面反射板９３１と反対側に配置すればよい。このように配置すれば、無給電素子１４０は、４つの無給電アンテナ素子９２１−１，９２２−１，９２１−２，９２２−２からほぼ同じ距離になる。
【００２５】
図１４に、シミュレーションでの周波数共用アレーアンテナ２００の各部の寸法を示す。図１４（Ａ）は正面図であり、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。このシミュレーションでも、第１周波数を８００ＭＨｚ、第２周波数を２ＧＨｚとした。無給電素子１４０の長さは、７００ｍｍであり、背面反射板９３１から５０ｃｍ離れた位置で、すべての給電点９６２−１、９６２−２，９６３−１，９６３−２から同じ距離（５０ｃｍ）となる位置に配置した。なお、図１３では、無給電素子１４０の長さは短く描かれているが、図１４のように長くてもかまわない。無給電素子１４０の長さについては後述する。その他の構成部の寸法は、周波数共用アレーアンテナ９５０と同じである。
【００２６】
図１５と図１６は、図１４の周波数共用アレーアンテナでの水平面内指向性のシミュレーション結果である。図１５は８００ＭＨｚ帯での結果、図１６は２ＧＨｚ帯での結果を示している。図１５と図１６の０°の方向が図１４のｘ軸方向、９０°の方向が図１４のｙ軸方向である。設計どおり、８００ＭＨｚ帯で約９０°、２ＧＨｚ帯で約４５°のビーム幅が得られている。また、図１６を図８と比較すると、図１２と同じように２ＧＨｚ帯で水平面内指向性のサイドローブが大きく抑えられていることが分かる。したがって、周波数共用アレーアンテナ２００は、狭ビーム化と水平面内指向性のサイドローブを抑えることの両方を実現していることが分かる。
【００２７】
［変形例２］
図１７に変形例２の周波数共用アレーアンテナの構成例を示す。図１７（Ａ）は斜視図、図１７（Ｂ）は正面図、図１７（Ｃ）は図１７（Ｂ）のＡ−Ａ線での断面図である。周波数共用アレーアンテナ３００は、無給電素子１４５が変形例１と異なる。無給電素子１４５は、第１の無給電素子１４１と第２の無給電素子１４２で構成されている。そして、対向する給電点９６２−１と給電点９６２−２の両方からほぼ同じ距離となる位置に、第１の無給電素子１４１が配置されている。また、対向する給電点９６３−１と給電点９６３−２の両方からほぼ同じ距離となる位置に、第２の無給電素子１４２が配置されている。その他の構成は、周波数共用アレーアンテナ２００と同じである。このように、無給電素子の長さを短くするときには、対向する給電点同士からほぼ同じ距離となるように２つの無給電素子を配置してもよい。この場合も、狭ビーム化と水平面内指向性のサイドローブを抑えることの両方を実現できる。
【００２８】
［無給電素子の長さ］
次に、図１０の無給電素子の長さを変えたときのビーム幅の変化のシミュレーション結果を図１８、図１９に示す。図１８は８００ＭＨｚ帯のビーム幅を示す図、図１９は２ＧＨｚ帯のビーム幅を示す図である。横軸が周波数を示しており、縦軸がＨＰＢＷ（電力半値幅：Half-Power Beamwidth）を示している。また、各線が無給電素子１４０の長さ（１つは、無給電素子がない場合）を示している。
【００２９】
図１８では、無給電素子１４０の長さが１７０ｍｍのときに、ビーム幅が急激に変化している。１７０ｍｍは、８８０ＭＨｚの電波の半波長、８４０ＭＨｚの電波の約０．４８波長、８２０ＭＨｚの電波の約０．４６波長である。つまり、無給電素子１４０が半波長よりも少し短いときに、ビーム幅が周波数に大きく依存して変化する。したがって、このような長さの無給電素子１４０を利用すべきでないことがわかる。
【００３０】
図１９では、無給電素子１４０の長さが５０ｍｍのときに、ビーム幅の変化が大きい。５０ｍｍは、２ＧＨｚの電波の約０．３３波長、２．２ＧＨｚの電波の約０．３７波長である。つまり、１／３波長よりも少し長いときにも、ビーム幅が周波数に大きく依存して変化する。したがって、このような長さの無給電素子１４０も利用すべきでないことがわかる。
【００３１】
以上の結果から、通信に使用する帯域全般に渡って同じような電力半値幅を確保したい場合は、無給電素子１４０の長さを、周波数共用アレーアンテナの伝播の対象となっているすべての電波の波長の１／３〜１／２ではないように調整すればよい。また、変形例１の第１の無給電素子１４１、第２の無給電素子１４２も同じように、周波数共用アレーアンテナの伝播の対象となっているすべての電波の波長の１／３〜１／２ではないように調整すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、垂直偏波の周波数共用の移動通信用基地局アンテナとして利用できる。
【符号の説明】
【００３３】
１００、２００、９００、９５０周波数共用アレーアンテナ
１４０無給電素子
９１０、９６０マルチバンドアンテナ
９１１、９６１アンテナ素子
９１２、９６２、９６３給電点
９１５、９６５給電アンテナ素子
９２０、９２１、９２２無給電アンテナ素子
９３０反射器
９３１背面反射板
９３２側面反射板

【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の異なる周波数の電波を同時に伝搬させるための周波数共用アレーアンテナであって、
２組のマルチバンドアンテナと、無給電素子と、反射器とを備え、
前記マルチバンドアンテナは、それぞれ
給電点を有し、地面に垂直な線状の給電アンテナ素子と、
前記給電点近傍に配置され、地面に垂直な線状の無給電アンテナ素子と、
を有し、
前記無給電素子は、地面に垂直な線状であり、２つの前記給電アンテナ素子の両方からほぼ同じ距離にある
ことを特徴とする周波数共用アレーアンテナ。
【請求項２】
請求項１記載の周波数共用アレーアンテナであって、
前記給電アンテナは、それぞれ１つまたは２つの給電点を有し、
前記無給電素子は、すべての給電点からほぼ同じ距離にある
ことを特徴とする周波数共用アレーアンテナ。
【請求項３】
請求項１または２記載の周波数共用アレーアンテナであって、
前記無給電素子の長さは、どの前記電波の波長の１／３〜１／２にも該当しない
ことを特徴とする周波数共用アレーアンテナ。
【請求項４】
請求項１記載の周波数共用アレーアンテナであって、
前記給電アンテナは、それぞれ第１の給電点と第２の給電点を有し、
前記無給電素子は、第１の無給電素子と第２の無給電素子で構成され、
前記第１の給電点同士が対向し、前記第１の無給電素子は前記第１の給電素子の両方からほぼ同じ距離にあり、
前記第２の給電点同士が対向し、前記第２の無給電素子は前記第２の給電素子の両方からほぼ同じ距離にある
ことを特徴とする周波数共用アレーアンテナ。
【請求項５】
請求項４記載の周波数共用アレーアンテナであって、
前記第１の無給電素子の長さと前記第２の無給電素子の長さは、どの前記電波の波長の１／３〜１／２にも該当しない
ことを特徴とする周波数共用アレーアンテナ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の周波数共用アレーアンテナであって、
前記反射器は、前記２つの給電アンテナ素子から同じ距離に配置され、前記給電アンテナ素子と前記無給電アンテナ素子よりも長く、前記給電アンテナ素子同士の間隔よりも広い背面反射板
を有することを特徴とする周波数共用アレーアンテナ。
【請求項７】
請求項６記載の周波数共用アレーアンテナであって、
前記反射器は、
前記背面反射板の水平方向の両端に配置された２つの側面反射板も
有することを特徴とする周波数共用アレーアンテナ。

【図１】