(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信アンテナとしての偏波共用リングアンテナと、
前記偏波共用リングアンテナの上方に設けた送信アンテナとしての偏波共用パッチアンテナと、
前記偏波共用リングアンテナに電磁結合して受信帯周波数の水平偏波及び垂直偏波についての給電を行う第１の給電手段と、
前記偏波共用パッチアンテナに送信帯周波数の水平偏波及び垂直偏波についての給電を行う第２の給電手段と、
を備え、
前記第１の給電手段は、前記偏波共用リングアンテナに対して隣接配置されたプローブを有し、
前記プローブは前記受信帯周波数の垂直偏波と水平偏波のそれぞれについて一対配置され、それらのプローブ対を用いて前記垂直偏波と水平偏波のそれぞれについて逆相給電を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の送受信分離アンテナ装置。
【請求項２】
前記プローブがＬ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の送受信分離アンテナ装置。
【請求項３】
前記第２の給電手段が、前記偏波共用パッチアンテナに電磁結合して給電するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の送受信分離アンテナ装置。
【請求項４】
前記第１の給電手段及び第２の給電手段に接続される給電回路に不要帯域の信号を阻止するフィルタを配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の送受信分離アンテナ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置を多段配置した構成を有する送受信分離アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に移動通信基地局で使用して好適な送受信分離アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
データ伝送速度の高速化に伴って増加するビット当りの電力を確保するためには、給電系の低損失化が有効である。そこで、その低損失化を実現するための手段のひとつとして、図１０に例示するように、送受信フロントエンド回路をアンテナと一体化する構成が提案されている。
この図１０に例示するアンテナ装置では、送受信帯を分離するためのダイプレクサ１０１がアンテナ素子１０１の直下に配設されている。ダイプレクサ１０３の後段には不要な周波数帯を除去するためのバンドパスフィルタ１０５、１０７が、バンドパスフィルタ１０５の後段には受信帯における信号レベルを増大する低雑音増幅器（LNA：Low Noise Amplifier）１０９が、バンドパスフィルタ１０７の後段には送信帯における信号レベルを増大する電力増幅器（PA：Power Amplifier）１１１がそれぞれ配置されている。
【０００３】
上記の構成によれば、受信帯では雑音指数（NF：Noise Figure）の低減が実現され、送信帯では所要放射電力の低減が実現される。しかし、この構成においては、送受信帯の信号を分離するのに必要な不要周波数帯の信号に対する阻止量の要求値が高くなることから、ダイプレクサおよびバンドパスフィルタを多段化してその要求値を実現することになる。このことは、結果として、ダイプレクサおよびバンドパスフィルタの構造が大きくなるという問題を発生させる。
【０００４】
そこで、フィルタの小型化を実現するために、ダイプレクサ機能を付加した送受信分離アンテナ装置が提案されている（例えば、特許文献１）。この送受信分離アンテナ装置は、送信帯アンテナと受信帯アンテナの相互結合（以下、送受信問結合と記述）を低減して、アンテナ素子の後段に配置されるフィルタの段数低減を実現するものである。
【０００５】
特許文献１に係るアンテナ装置は、送信用円偏波パッチアンテナと受信用円偏波パッチアンテナとを備え、２周波共用マイクロストリップアンテナ装置として構成されている。
図１１に、この特許文献１に係るアンテナ装置を示す。送信用円偏波パッチアンテナは、誘電体基板２０１の表面に形成された放射導体２０３と、この放射導体２０３を切り欠くことによって形成した縮退分離部２０３ａと、誘電体基板２０５の裏面に形成された接地導体２０７と、誘電体基板２０５の表面に形成された放射導体２０９と、接地導体２０７と放射導体２０９を電気的に接続する接続導体２１１と、接地導体２０７に形成された円環スロット２１３と、誘電体基板２１５の裏面に形成された給電線路２１７と、を備えている。
【０００６】
一方、受信用円偏波パッチアンテナは、放射導体２０９と、誘電体基板２１５の裏面に形成された給電線路２１９、２２１と、給電線路２１９、２２１に交差するように接地導体２０７に形成されたスロット２２３、２２５と、を備えている。
なお、誘電体基板２０１，２０５、２１３は互いに重ね合わされた状態で配置される。また、接続導体２１１は、誘電体基板２０５を貫通するスルーホール導体によって形成されている。
【０００７】
上記構成のアンテナ装置において、第１の周波数を有するマイクロ波信号を給電線路２１７に入力すると、このマイクロ波信号に基づく電磁波が円環スロット２１３を介して放射導体２０３に放射されるので、送信用円偏波パッチアンテナが励振される。この結果、縮退分離部２０３ａの縮退分離作用によって放射導体２０３に垂直な方向に円偏波の電磁波が放射される。
また、第２の周波数を有する円偏波の電磁波が受信用円偏波パッチアンテナに入射すると、放射導体２０９が励振される。この結果、第２の周波数の電磁波がスロット２２３、２２５を介して給電線路２１９、２２１に入力されるので、これらの給電線路２１９、２２１に第２の周波数のマイクロ波信号が発生する。この給電線路２１９、２２１に発生する各マイクロ波信号は、互いの位相が９０°相違し、ハイブリッド回路２２７において合成される。
【０００８】
このアンテナ装置の送受信間の相互結合は、受信周波数帯において約−１５ｄＢ、送信周波数帯において約−３５ｄＢとなる。また、リターンロスが−９．５ｄＢ以下となる比帯域は、受信用円偏波パッチアンテナで約２．１％と算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−２４９９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１に係るアンテナ装置は、以下のような問題点を有する。
ａ）送信用と受信用の円偏波パッチアンテナが共に単一の円偏波に対して動作するように構成されている。このため、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）による通信を行うアンテナ装置は、送信、受信共に偏波共用機能を有することが必要である。しかし、送信用円偏波パッチアンテナと受信用の円偏波パッチアンテナが共に単一の円偏波に対して動作するように構成されているので、上記ＭＩＭＯによる通信に対応することができない。
ｂ）スロット給電によって背面方向へ電波が放射するため、利得低下を引き起こす。
ｃ）送受信間の相互結合が受信周波数帯において約−１５ｄＢ程度であるので、つまり、移動通信システムで求められている送受信間の遮断量には到達していないため、フィルタが必要となるが、その際に、フィルタとアンテナポート間の不整合によってアンテナ利得が低下するおそれがある。
また、受信周波数帯の比帯域が２．１％程度と狭いので、移動通信用の基地局アンテナとして有効に適用することができない。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、広帯域でかつ相互結合を抑制し得る直線偏波共用の送受信分離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】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するため、受信アンテナとしての偏波共用リングアンテナと、  前記偏波共用リングアンテナの上方に設けた送信アンテナとしての偏波共用パッチアンテナと、前記偏波共用リングアンテナに電磁結合して受信帯周波数の水平偏波及び垂直偏波についての給電を行う第１の給電手段と、前記偏波共用パッチアンテナに送信帯周波数の水平偏波及び垂直偏波についての給電を行う第２の給電手段と、を備える。
前記第１の給電手段は、前記偏波共用リングアンテナに対して隣接配置されたプローブを有する。前記プローブは前記受信帯周波数の垂直偏波と水平偏波のそれぞれについて一対配置され、それらのプローブ対を用いて前記垂直偏波と水平偏波のそれぞれについて逆相給電を行う。
【００１３】
実施形態においては、前記プローブがＬ状に形成されている。
変形態様として、前記第２の給電手段は前記偏波共用パッチアンテナに電磁結合して給電するように構成される。
【００１４】
前記第１の給電手段及び第２の給電手段に接続される給電回路に不要帯域の信号を阻止するフィルタを配置してもよい。
また、本発明は、上記のアンテナ装置を多段配置した構成を有する送受信分離アンテナ装置も提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、目的の周波数において相互結合を抑制した直線偏波共用の送受分離アンテナを実現することができる。
また、送受信帯ともに直線偏波共用を実現することで、現在の移動通信に必須の技術であるＭＩＭＯに対応することができる。
さらに、受信帯の給電方式として、電磁結合による逆相給電方式を適用することにより、偏波間結合の改善およびＶＳＷＲの広帯域化をより確実に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るアンテナ装置の実施形態を示す分解斜視図である。
【図２】（ａ）は図１のアンテナ装置の平面図であり、（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ａ断面図である。
【図３】リターンロス特性のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】送受信間結合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】偏波間結合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】本発明に係るアンテナ装置の他の実施形態を示す分解斜視図である。
【図７】図６のアンテナ装置についての同一偏波間における送受信間結合の実測値を示すグラフである。
【図８】本発明に係るアンテナ装置の更に別の実施形態を示す分解斜視図である。
【図９】アレー構成のアンテナ装置の構成を示す平面図である。
【図１０】従来のアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】従来の２周波共用アンテナ装置を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明に係るアンテナ装置の実施形態について説明する。
なお、以下の説明においては、受信帯下限周波数と送信帯上限周波数の中心の周波数をｆ０（波長λ０）、受信帯中心周波数をｆＲ（波長λＲ）、送信帯中心周波数をｆＴ（波長λＴ）とし、ｆＲ＝０．９５３ｆ０（波長λＲ＝１．０４９λ０）、ｆＴ＝１．０４７ｆ０（波長λＴ＝０．９５５λ０）とする。
【００１８】
図１に本発明の実施形態に係る送受信分離アンテナ装置の分解斜視図を、図２（ａ）にこのアンテナ装置の平面図を、図２（ｂ）に図２（ａ）のＡ−Ａ断面図をそれぞれ示す。これらの図においては、z軸方向を大地に対して垂直な方向と定義し、ｘｙ平面を大地に対して水平な面と定義する。
本実施形態のアンテナ装置は、平板状の接地導体１と、受信用アンテナとしての偏波共用リングアンテナ３と、送信用アンテナとしての偏波共用パッチアンテナ５とを備え、これらのアンテナ３、５を個別に設定された使用周波数帯域のみで動作させるように構成されている。
【００１９】
偏波共用リングアンテナ３は、中央部に正方形状の穴３１を形成した金属板からなる素子導体３２と、金属からなる四角筒状の短絡板３３とを備えている。短絡板３３は、上端が上記穴３１の縁端に接合され、下端が接地導体１に接合されている。したがって、素子導体３２は、穴３１の縁端が短絡板３３を介して接地導体１に短絡されている（図２（ｂ）参照）。
短絡板３３の外方には、ｘｙ平面に含まれる一対の水平偏波給電用のＬ状プローブ７Ｈと、ｙｚ平面に含まれる一対の垂直偏波給電用のＬ状プローブ７Ｖとが設けられている。これらのプローブ７Ｈ、７Ｖは、図２（ｂ）に示すように、折り曲げられた上端部が素子導体３２の下面に隣接している。
【００２０】
偏波共用パッチアンテナ５は、上記素子導体３２に形成された穴３１の面積よりも大きな面積を有した正方形状の金属板からなる素子導体５１を備えている。この素子導体５１は、穴３１の中心軸上にその中心点が位置する状態で素子導体３２の上方に配置されている。
短絡板３３の内方には、水平偏波給電用の給電線９Ｈ及び垂直偏波給電用の給電線９Ｖが設けられている。給電線９Ｈ及び給電線９Ｖは、それぞれｘｙ平面及びｙｚ平面に含まれるように設けられ、それらの上端が図１のＰ１点及びＰ２点において素子導体５１にそれぞれ接続される。
【００２１】
本実施形態においては、接地導体１からの素子導体３２の高さｈＲが約０．０３λＲに、該素子導体３２の辺幅ＷＲが０．４５λＲに、該素子導体３２に設けられた穴３１の辺幅ＷＳ（＝短絡板３３の辺幅）が０．１５λＲに、アンテナ装置中心軸線と接地導体１の交点からＬ状プローブ７Ｈに至る距離ｇＲが約０．１７λＲにそれぞれ設定されている。
また、本実施形態においては、接地導体１からの素子導体５０の高さｈＴが約０．０６λＲに、該素子導体５１の辺幅ＷＴが０．３５λＴに、上記アンテナ装置中心軸線と接地導体１の交点から給電線９Ｈに至る距離ｇＴが約０．０６λＴにそれぞれ設定されている。
なお、本実施形態におけるｚ軸上（ｘ＝０）の構造は、ｘ軸上（ｚ＝０）の構造を上記アンテナ装置中心軸線を中心として９０度回転させた構造と同等であるので、ｚ軸上の構造値も上記したｘ軸上の構造値と同等になる。
【００２２】
上記構成の本実施形態のアンテナ装置において、周波数ｆＲの電磁波が偏波共用リングアンテナ３に入射すると、素子導体３２が励振される。素子導体３２には、各Ｌ状プローブ７Ｈ及び各Ｌ状プローブ７Ｖが電磁結合している。従って、各Ｌ状プローブ７Ｈに周波数ｆＲの水平偏波による信号が発生するとともに、各Ｌ状プローブ７Ｖに周波数ｆＲの垂直偏波による信号が発生する。そして、各Ｌ状プローブ７Ｈに発生した信号の合成信号が水平偏波に基づく受信信号として出力され、また、各Ｌ状プローブ７Ｖに発生した信号の合成信号が垂直偏波の受信信号として出力される。
【００２３】
一方、周波数ｆＴの信号が給電線路９Ｈ，９Ｖに入力されると、この信号は該給電線路９Ｈ，９Ｖを介して偏波共用リングアンテナ３の素子導体５１のＰ１，Ｐ２点にそれぞれ直接給電されて、該素子導体５１を励振する。この結果、素子導体５１からは、周波数ｆＴの水平偏波の電磁波と周波数ｆＴの垂直偏波の電磁波が放射される。
【００２４】
図３に、本実施形態に係るアンテナ装置のリターンロス特性のシミュレーション結果を示す。なお、本実施形態においては、水平、垂直の両偏波についての構造値が等しいため、該両偏波に係るリターンロス特性も等しく、そのため、図３には一方の偏波についてのリターンロス特性をのみ記載してある。
このシミュレーション結果から、リターンロスが−９．６ｄＢ以下となる比帯域は受信帯で約２．９％、送信帯で約１．７％と算出される。すなわち、受信帯の給電方式をＬ状プローブ７Ｈ，７Ｖによる電磁結合給電とした本実施形態の係るアンテナ装置によれば、図１１に示した従来例のアンテナ装置と比較して、受信帯において約１％程度の広帯域化を実現することができる。
【００２５】
図４に、本実施形態のアンテナ装置における送受信間結合のシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果から明らかなように、本実施形態のアンテナ装置によれば、同一偏波間の結合値が受信帯で−１７．７ｄＢ以下、送信帯で−１４．７ｄＢ以下となる。また、直交偏波間の結合値は、受信帯で−４４．８ｄＢ以下、送信帯で−３７．３ｄＢ以下となる。このように、直交偏波間の結合値は、偏波間の直交性に起因して同一偏波間のそれよりも良好になる。
【００２６】
図５に、本実施形態のアンテナ装置における偏波間結合のシミュレーション結果を示す。使用周波数帯域におけるこのシミュレーション結果から明らかなように、本実施形態のアンテナ装置は、受信帯で−４２ .０ｄＢ以下、送信帯で−２２．７ｄＢ以下という良好な偏波間結合値を示す。
受信帯での結合値は、送信帯のそれと比較して良好である。これは、受信用の偏波共用リングアンテナ３が上記のような給電方式、すなわち、水平偏波に基づく信号及び垂直偏波に基づく信号をそれぞれをＬ状プローブ７Ｈの対及びＬ状プローブ７Ｖの対に逆相給電するという給電方式を採用しているからである。
【００２７】
図６に、本発明に係るアンテナ装置の他の実施形態を示す。本実施形態に係るアンテナ装置は、誘電体基板１５の裏面に金属箔（例えば銅箔）からなる接地導体１が貼着形成され、この誘電体基板１５の表面に金属箔からなる給電回路及びフィルタ１１Ｈ，１１Ｖ，１３Ｈ，１３Ｖがプリント形成されている。
フィルタ１１Ｈ，１１Ｖは、送信帯周波数の信号を遮断する特性を有する。フィルタ１１Ｈは、その出力端子が出力ポートＰＲＨに接続されるとともに、その入力端子が分岐給電線路を介して一方及び他方のＬ状プローブ７Ｈの基端に接続され、また、フィルタ１１Ｖは、その出力端子が出力ポートＰＲＶに接続されるとともに、その入力端子が分岐給電線路を介して一方及び他方のＬ状プローブ７Ｖの基端に接続されている。なお、各プローブ７Ｈの基端及び各プローブ７Ｖの基端は、いずれも受信用偏波共用リングアンテナ３の給電ポートとなる。
ここで、一方のＬ状プローブ７Ｈからフィルタ１１Ｈに至る給電線路の長さと、一方のＬ状プローブ７Ｖの給電ポートからフィルタ１１Ｖに至る給電線路の長さは共にＬＲに設定され、また、他方のＬ状プローブ７Ｈの給電ポートからフィルタ１１Ｈに至る給電線路の長さ及び他方のＬ状プローブ７Ｖの給電ポートからフィルタ１１Ｖに至る給電線路の長さは共にＬＲ＋０．５λＲにそれぞれ設定されている。
【００２８】
フィルタ１３Ｈ，１３Ｖは、受信帯周波数の信号を遮断する特性を有し、それらの入力端子が入力ポートＰＴＨ，ＰＴＶにそれぞれ接続されるとともに、それらの出力端子が長さＬＴの給電線路を介して給電線９Ｈ，９Ｖの基端にそれぞれ接続されている。なお、各給電線９Ｈ，９Ｖの基端は、いずれも送信用偏波共用パッチアンテナ５の給電ポートとなる。
【００２９】
上記給電線路の長さＬＲは、フィルタ１１Ｈ，１１Ｖの入出力部分の不整合による受信用偏波共用リングアンテナ３の利得への影響が最小となるように調整され、本実施形態では、ＬＲ≒０．６５λRに設定されている。同様に、上記給電線路の長さＬＴは、フィルタ１３Ｈ，１３Ｖの入出力部分の不整合による送信用偏波共用パッチアンテナ５の利得への影響が最小となるように調整され、本実施形態では、ＬＴ≒０．５６λＴに設定されている。
上記フィルタ１１Ｈ，１１Ｖ及びフィルタ１３Ｈ，１３Ｖは、給電回路を形成する面積内に配置することができ、かつ、不使用帯域を遮断できるものであれば、種類（帯域通過フィルタ、帯域阻止フィルタ、ローパスフィルタなど）や構造（誘電体フィルタ、マイクロストリップフィルタなど）を問わない。
なお、給電回路を形成する面積は、最小の場合、図２に示す素子導体３２の面積ＷＲ×ＷＲに等しい。
【００３０】
図７に、本実施形態のアンテナ装置についての同一偏波間における送受信間結合の実測値を示す。この図７から明らかなように、このアンテナ装置の送受信間結合値は、フィルタ１１Ｈ，１１，１３Ｈ，１３Ｖを装荷したことにより改善され、受信帯で−２８．７ｄＢ以下、送信帯で−３７．０ｄＢ以下となる。
【００３１】
図８に、図１に示す給電線９Ｈ，９Ｖに代えてＬ状プローブ１７Ｈ，１７Ｖを使用した本発明の更に別の実施形態に係るアンテナ装置を示す。
本実施形態のアンテナ装置によれば、送信用素子導体５１にＬ状プローブ１７Ｈ，１７Ｖを電磁結合すればよいので、つまり、給電要素を送信用素子導体５１に直接結合する必要がないので、偏波共用パッチアンテナ５の製作が簡易になるなどの利点が得られる。
なお、Ｌ状プローブ１７Ｈ，１７Ｖを使用した場合には、アンテナインピーダンスが低くなるなどの電気特性の変化をもたらすことがある。そこで、給電要素の選択は、アンテナ高や給電点などアンテナインピーダンスに影響を与える構造パラメータの値を勘案して決定すればよい。
【００３２】
図９に、上述した各実施形態に係るアンテナ装置を多段配列したアンテナ装置の上面図を示す。このアレー構成のアンテナ装置は、垂直方向の配列段数がＭ（２〜∞）、水平方向の配列段数がＮ（１〜∞）に設定される。段数Ｍ，Ｎの値は、ビームフォーミング（放射方向、サイドローブレベル、半値幅の可変）の設計範囲によって自由に選択すればよい。
【００３３】
本発明は上記実施形態に限定されず、以下に例示するような種々の変形態様を含み得るものである。
１）  上記実施形態では、素子導体３２に電磁結合させる水平偏波用のＬ状プローブ７Ｈと垂直偏波用のＬ状プローブ７Ｖとをそれぞれ２つずつ使用しているが、これらのプローブ７Ｈ，７Ｖを１つのみ使用して実施することも可能である。ただし、図５に示すような偏波間結合を実現するには、プローブ７Ｈ，７Ｖをそれぞれ２つ用いて逆相給電を行う必要がある。
２）  図１に示す各Ｌ状プローブ７Ｈは、それらの先端が対向するように設けられているが、例えば、一方及び他方のプローブ７Ｈをそれぞれ時計回り方向及び反時計回り方向に９０°旋回させた状態となるように設けても良い。各Ｌ状プローブ７Ｖも同様である。
３）  電磁結合用プローブは、Ｌ状でなくてもよく、例えばＴ状でもよい。また、電磁結合用プローブは、素子導体３２と対向する面を有したものでもよい。
４）  図１に示す素子導体３２、穴３１、素子導体５１及び短絡板３３は円形に形成してもよい。
５）  図１に示す接地導体、素子導体３２及び素子導体５１は、必要に応じて誘電体基板に設けてもよい。
６）  図１に示す短絡板３３に代えて、この短絡板３３のプロフィルに沿って所定の間隔で配列する棒状金属導体を使用しても良い。
【符号の説明】
【００３４】
１  接地導体
３  偏波共用リングアンテナ
３１  穴
３２  素子導体
３３  短絡板
５  偏波共用パッチアンテナ
５１  素子導体
７Ｈ，７Ｖ  Ｌ状プローブ
９Ｈ，９Ｖ  給電線
１１Ｈ，１１Ｖ  フィルタ
１３Ｈ，１３Ｖ  フィルタ
１５  誘電体基板
１７Ｈ，１７Ｖ  Ｌ状プローブ
【図１】
0005639217.tif 000002
【図２】
0005639217.tif 000003
【図３】
0005639217.tif 000004
【図４】
0005639217.tif 000005
【図５】
0005639217.tif 000006
【図６】
0005639217.tif 000007
【図７】
0005639217.tif 000008
【図８】
0005639217.tif 000009
【図９】
0005639217.tif 000010
【図１０】
0005639217.tif 000011
【図１１】
0005639217.tif 000012