(57)【要約】【課題】簡易な構成でありながら、複数の異なる動作周波数帯域で同一のセクタ指向性を有する周波数共用指向性アンテナを提供する。【解決手段】放射器１１０と２つの反射器１０１，１０３とを含み、反射器１０３は周波数選択機能を有するように構成されている。周波数選択機能を有する反射器１０３は、複数の周波数帯域のうち特定の周波数帯域で導電性を示すが当該周波数帯域以外の周波数帯域では導電性を示さない反射器であり、放射器１１０と低周波数帯域で導電性を示す反射器１０１との間に、高周波数帯域で導電性を示す反射器１０３が配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の周波数帯域で共用され、当該各周波数帯域で単一方向に指向性を有する周波数共用指向性アンテナであって、
放射器と、少なくとも２つの反射器と、を含み、
上記反射器のうち少なくとも１つは周波数選択機能を有するように構成されていることを特徴とする
周波数共用指向性アンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載の周波数共用指向性アンテナであって、
周波数選択機能を有する上記反射器は、上記複数の周波数帯域のうち特定の周波数帯域で導電性を示すが当該周波数帯域以外の周波数帯域では導電性を示さない反射器であり、
上記放射器と低周波数帯域で導電性を示す上記反射器との間に、高周波数帯域で導電性を示す上記反射器が配置されている
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の周波数共用指向性アンテナであって、
上記放射器と上記反射器との間隔は、上記反射器が導電性を示す周波数帯域における波長の0.25倍以下である
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の周波数共用指向性アンテナであって、
周波数選択機能を有する上記反射器は、上記反射器が導電性を示す周波数帯域における波長と略等しい長さを有する導電性材料で形成されたループ状素子が周期的に配置された構造を有する
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の周波数共用指向性アンテナであって、
周波数選択機能を有する上記反射器は、上記反射器が導電性を示す周波数帯域における波長の略半分の長さを有する導電性材料で形成された線状素子が、各線状素子の延伸方向を揃えて、周期的に配置された構造を有する
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の周波数共用指向性アンテナであって、
周波数選択機能を有する上記反射器は、上記反射器が導電性を示す周波数帯域における波長の略半分の長さを有する導電性材料で形成された二つの線状素子が直交交差する十字形素子が周期的に配置された構造を有する
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。
【請求項７】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の周波数共用指向性アンテナであって、
周波数選択機能を有する上記反射器は、上記反射器が導電性を示す周波数帯域における波長の略半分の長さを有する導電性材料で形成された線状素子が周期的に配置された構造を有し、
上記線状素子のうち一部もしくは全てがメアンダ状に形成されている
ことを特徴とする周波数共用指向性アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の周波数帯域で共用され、各周波数帯域で同一の指向性を有する周波数共用指向性アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートフォン等の急速な普及に伴い、データトラヒックも急激に増大している。日本国総務省の統計によれば平成23年度の1年間で一人当たりの移動通信トラヒックは約2.2倍に増大した。この傾向は今後とも継続するものと予想されており、このような急激なトラヒック増大への対策が急務となっている。
【０００３】
トラヒック増大への対策手段としては、（１）移動通信用に割り当てられる周波数帯域の追加ないし周波数帯域幅の増大、（２）都市部の繁華街等、トラヒックが集中しているエリアに基地局を密に設置すること、が考えられる。
【０００４】
上記（１）について、日本国総務省が電波の利用状況調査の評価結果に基づき、効率的・有効的な電波利用を促進するため「周波数再編アクションプラン」を策定しており、最近においても900MHz帯および700MHz帯が移動通信用の周波数帯域として割り当てが実施されている。さらに将来的にはLTE-Advance用として3.5GHz帯を移動通信用に割り当てることが想定されており、移動通信用の周波数帯域幅は増大しつつある。
【０００５】
また、上記（２）については、都市部では既に高い密度で基地局が設置されており、中には基地局間距離が500m以下という場合も多く、基地局の更なる増設は現実的ではない。現在、都市部で稼働している基地局の多くは、ビルの屋上部分などの狭隘なスペースに設置されている。このため、稼働中の基地局に上記（１）のように周波数帯域の追加を実施しようとすると、周波数帯域追加用のアンテナを追加設置することになるが、スペースに余裕が無く追加設置が困難な場合が多い。また、台風などの強風下でも基地局アンテナが倒壊しないようアンテナ設置基部に十分な強度が必要であり、アンテナ数の増大はアンテナ設置基部に更なる強度を要求することになる。しかし、鉄塔局と比較してビル等では十分な強度の確保が困難であり、この観点からもアンテナ増設が困難な場合が多い。さらには景観上の観点からもアンテナの林立は好ましくない。
【０００６】
このような背景から、複数の周波数帯域で動作可能な周波数共用アンテナが移動通信用基地局アンテナに用いられている。たとえば800MHz、1.7GHz、2GHzの三つの周波数帯域で共用されるアンテナ構成が提案（例えば特許文献１参照）されており、１本のアンテナが３つの周波数帯域で動作可能となっている。今後は、IMT-Advanced用に3.5〜4GHｚ帯のようにさらに高い周波数帯域と周波数共用されるアンテナの実現が期待されている。
【０００７】
ところで、従来の単一周波数帯域（例えば2GHｚ帯のみ）用の基地局アンテナおよび、複数の周波数帯域で共用される周波数共用基地局アンテナとして、水平面内のビーム幅が絞られた指向性アンテナが用いられている。これは、移動通信では、１つの基地局がカバーするエリアを扇形（セクタ）に分割することによって、１つの基地局が収容可能な加入者容量（あるいはトラヒック）を増大させるため、基地局アンテナもそのセクタ形状に適した指向性アンテナ（以後、セクタ指向性と呼称する）が必要なためである。
【０００８】
セクタ指向性を実現するアンテナ構成としては、ダイポールアンテナに反射板を組み合わせた反射板付きダイポールアンテナが広く用いられている。金属で構成した反射板から動作周波数における波長の0.2倍から0.25倍の間隔でダイポールアンテナを配置することによって、単一指向性のアンテナを実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2001-185945号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように、反射板付きダイポールアンテナでセクタ指向性を実現するには、ダイポールアンテナ素子と反射板との間隔を動作周波数帯域での波長λの0.25倍以下とする必要がある。図１１は、理想的に無限の大きさを持つ反射板の前にダイポールアンテナが配置された構成において、反射板とダイポールアンテナとの間隔をそれぞれ、1/4λ、1/2λ、3/4λ、λとしたときのH面内の指向性を示した図である。図１１からわかるように、間隔が1/4λより大きくなると複数のビーム（グレーティングローブ）が生じ、サービスエリア方向を適切に照射できなくなることがわかる。例えば850MHzと4GHｚで共用されるダイポールアンテナを850MHｚで1/4λとなるように反射板の前に配置すると、4GHzではダイポールアンテナと反射板の間隔は1.18λとなって沢山のグレーティングローブを含む指向性となり、適切な指向性を有する周波数共用アンテナが実現できない。
【００１１】
周波数共用アンテナにおいて、複数の異なる動作周波数帯域で同一のセクタ指向性を実現するためには、それぞれの動作周波数帯域でダイポールアンテナと金属で構成した反射板との距離が0.2倍から0.25倍となるようにする必要がある。このため、周波数共用アンテナでは、複数の異なる周波数帯域で動作するダイポールアンテナと、単一の反射板から構成される複合アンテナ構成とされる場合が多い。しかしながら、このような場合、動作周波数帯域が増大するにつれて構造が複雑化し、動作周波数帯域間の相互作用によってセクタ指向性が歪むことから、反射板の構造の変更や、調整用の寄生素子の追加など、動作周波数帯域の増大に伴いアンテナ設計の困難さが増大するという問題点がある。
【００１２】
このため、本発明は、簡易な構成でありながら、複数の異なる動作周波数帯域で同一のセクタ指向性を有する周波数共用指向性アンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の周波数共用指向性アンテナは、放射器と少なくとも２つの反射器とを含み、反射器のうち少なくとも１つは周波数選択機能を有するように構成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、周波数選択機能を有する反射器を備えることによって、簡易な構成でありながら複数の異なる動作周波数帯域で同一のセクタ指向性を有する周波数共用指向性アンテナが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す図。
【図２】周波数選択機能を有する反射器の構成例。（ａ）ループ状素子を用いた例。（ｂ）線状素子を用いた例。（ｃ）十字形素子を用いた例。（ｄ）メアンダ構造を採用した線状素子を用いた例。
【図３】シミュレーション用実施例の具体的構成を説明するための図。
【図４】図３に示す構成（ただし、ループ状素子を用いた例）において4GHzにおける指向性を示す図。（ａ）z−x平面の指向性。（ｂ）x−y平面の指向性。
【図５】図３に示す構成（ただし、ループ状素子を用いた例）において850MHzにおける指向性を示す図。（ａ）z−x平面の指向性。（ｂ）x−y平面の指向性。
【図６】図３に示す構成（ただし、線状素子を用いた例）において4GHzにおける指向性を示す図。（ａ）z−x平面の指向性。（ｂ）x−y平面の指向性。
【図７】図３に示す構成（ただし、線状素子を用いた例）において850MHzにおける指向性を示す図。（ａ）z−x平面の指向性。（ｂ）x−y平面の指向性。
【図８】ループ状素子を用いた場合と線状素子を用いた場合における2GHzでFB比を比較した図。
【図９】メアンダ構造を採用した線状素子を用いた場合の2GHzと4GHzでのFB比を示す図。
【図１０】図３に示す構成（ただし、十字形素子を用いた例）において2GHzと4GHzでの指向性を示す図。
【図１１】理想的に無限の大きさを持つ反射板の前にダイポールアンテナが配置された構成において、反射板とダイポールアンテナとの間隔をそれぞれ、1/4λ、1/2λ、3/4λ、λとしたときのH面内の指向性を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。各実施形態に共通の構成要素には同じ符号を割り当てて重複説明を省略することとする。
【００１７】
実施形態の周波数共用指向性アンテナ１（図１参照）は、放射器１１０と、少なくとも２つの反射器１０１，１０３とを備えている。この実施形態では、反射器１０１は導電性を有するものであれば特に限定はなく例えば金属平板であり、反射器１０３は周波数選択機能を有するように構成されている。
【００１８】
放射器１１０は、複数の異なる周波数帯域で動作する構成を有すれば特に限定はなく、例えばダイポールアンテナ素子である。この実施形態では、周波数共用指向性アンテナ１を二つの異なる周波数帯域で動作させることを想定しており、放射器１１０は、低周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ａと高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂとを含む。この実施形態では、低周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ａと高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂは近接配置されている。なお、放射器１１０は、動作周波数帯域ごとに個別にアンテナ素子を含む構成に限らず、複数の異なる周波数帯域で動作するように構成された単一の装置であってもよい。
【００１９】
反射器１０３は、複数の周波数帯域のうち特定の周波数帯域で導電性を示すが当該周波数帯域以外の周波数帯域では導電性を示さない反射器である。この実施形態では、周波数共用指向性アンテナ１を二つの異なる周波数帯域で動作させることを想定しており、反射器１０３は、高周波数帯域で導電性を示すが低周波数帯域では導電性を示さないように構成されている。例えば、図２に示すように、矩形板状の誘電体基板１０３ａの表面に形成された導電性材料をエッチング加工してパターニング形成された導体１０３ｂを含んで構成される。
【００２０】
導体１０３ｂの形状や導体１０３ｂの配置パターンは、いわゆるFSS（Frequency Selective Surface）として、種々の形状や配置を採用することができる。例えば、図２（ａ）に示す例では、導体１０３ｂは、反射器１０３が導電性を示す周波数帯域（この例では高周波数帯域）における波長と略等しい長さを有する導電性材料で形成されたループ状素子であり、複数の導体１０３ｂは、誘電体基板１０３ａの表面に周期的に配置されている。また、図２（ｂ）に示す例では、導体１０３ｂは、反射器１０３が導電性を示す周波数帯域（この例では高周波数帯域）における波長の略半分の長さを有する導電性材料で形成された線状素子であり、複数の導体１０３ｂは、その延伸方向を揃えて、周期的に配置されている。図２（ｃ）に示す例では、導体１０３ｂは、反射器１０３が導電性を示す周波数帯域（この例では高周波数帯域）における波長の略半分の長さを有する導電性材料で形成された二つの線状素子が直交交差する十字形素子であり、複数の導体１０３ｂは、誘電体基板１０３ａの表面に周期的に配置されている。なお、線状素子のうち一部もしくは全ては、図２（ｄ）に示すように、両端部がメアンダ状に形成されていてもよい。
【００２１】
反射器１０１と反射器１０３の各形状に限定はないが、図に示す例では矩形平板状である。この例では、反射器１０３は高周波数帯域で導電性を示す、つまり、反射器１０３は高周波数帯域で高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂに対する反射器の役割を果たすので、放射器１１０（特に高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂ）から反射器１０３を正面に見たときに反射器１０１が見えないような大きさや形状を反射器１０３が有していることが好ましい。
【００２２】
反射器１０３は、放射器１１０と低周波数帯域で導電性を示す反射器１０１との間に配置されている。このとき、放射器１１０（低周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ａ）と低周波数帯域用の反射器１０１との間隔Dlowは、低周波数帯域における波長の0.25倍以下であり、放射器１１０（高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂ）と高周波数帯域用の反射器１０３との間隔Dhighは、高周波数帯域における波長の0.25倍以下である。
【００２３】
なお、図１では図示していないが、反射器１０１と反射器１０３とは例えば誘電体の支柱で連結されている。また、周波数共用指向性アンテナ１には給電線（図示せず）が接続されており、給電線の内導体（図示せず）は放射器１１０の給電部（この例では、低周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ａの給電部および高周波数帯域用ダイポールアンテナ素子１１０ｂの給電部）に接続しており、給電線の外導体（図示せず）は反射器１０１と反射器１０３に接続している。より詳細には、給電点にて反射器１０１と反射器１０３のそれぞれに貫通孔が設けられており、給電線の内導体は反射器１０１と反射器１０３との絶縁を保って貫通孔を挿通しており、さらに、給電線の内導体は放射器１１０の給電部と物理的／機械的に接続していることによって、給電線の内導体と放射器１１０の給電部との電気的接続が確保されている。また、給電線の外導体は反射器１０１と反射器１０３に物理的／機械的に接続していて、給電線の外導体と反射器１０１と反射器１０３との電気的接続が確保されている。
【００２４】
このような実施形態によると、高周波数帯域では反射器１０３が導電性を示して反射器として機能し、低周波数帯域では反射器１０１が導電性を示して反射器として機能し、反射器１０１と放射器１１０の間隔と反射器１０３と放射器１１０の間隔はそれぞれ、対応する動作周波数の0.25波長以下であるから、周波数共用指向性アンテナ１は、低周波数帯域では、電波が反射器１０３を透過して反射器１０１と放射器１１０との間で構成された反射器付きアンテナとして機能し、高周波数帯域では、反射器１０３と放射器１１０との間で構成された反射器付きアンテナとして機能する。このため、両周波数帯域でグレーティングローブのない指向性を有する単一指向性アンテナを実現することができる。また、各反射器１０１，１０３の大きさを独立に設計することができるため、両周波数帯域でのビーム幅等の指向性の調整を独立に行うことも可能となる。
【００２５】
図３はシミュレーション用の実施例である周波数共用指向性アンテナ１を示している。動作周波数帯域は850MHzと4GHzとした。X軸、Y軸、Z軸と、放射器１１０、反射器１０１、反射器１０３の位置関係は図３に示すとおりである。ダイポールアンテナ素子である放射器１１０の給電部が（25mm，40mm，120mm）に位置し、ダイポールエレメントがY軸と平行となるように、放射器１１０を配置した。放射器１１０と反射器１０３の間隔は15mmである。また、192mm×64mmの金属板で構成された反射器１０１と放射器１１０との間隔は70mmである。同様に、反射器１０３を構成する誘電体の大きさを192mm×64mmとした。反射器１０３は、一辺が20mm、幅が1mmの導電体で形成された正方形ループ状素子が縦に9個、横に３列、誘電体基板上に配置された構成を有している（図２（ａ）参照）。各ループ状素子の中心間の間隔はいずれも22mmとした。なお、解析空間を115mm×80mm×240mmとした。
【００２６】
図４に、図３に示す構成において放射器１１０を4GHｚのダイポールアンテナとして動作させたときのH面放射指向性を示す（図４にて、実線［with FSS reflector］で示されている）。図４では、図３に示す構成において反射器１０３を除去した構成（つまり、放射器１１０に対して反射器１０１のみが存在する従来構成である）のH面放射指向性も併せて示している（図４にて、破線［w/o FSS reflector］で示されている）。図４中のX軸、Y軸、Z軸は図３に示すとおりである。図４から、反射器１０３が存在しない従来構成では４GHｚでのH面放射指向性が歪んでいるのに対し、本発明による実施例の構成では、４GHｚでのH面放射指向性の歪が改善できていることがわかる。図５は、図３に示す構成において放射器１１０を850MHｚのダイポールアンテナとして動作させたときのH面放射指向性を示している。図５でも、反射器１０３を具備する場合（図５にて、実線［with FSS reflector］で示されている）と具備しない場合（図５にて、破線［w/o FSS reflector］で示されている）の両構成のH面放射指向性を示しているが、ほぼ同じH面放射指向性となっている。つまり、図５から、850MHｚでは反射器１０３が存在しても指向性に影響がないことが確認できる。
【００２７】
図６は、図３に示す構成において、反射器１０３が、長さ36mm、幅2mmの導電体で形成された線状素子を、誘電体基板上に、線状素子の中心間距離が38mmになるように縦に並べ、線状素子の中心間距離が38mmになるように横にも並べた構造（図２（ｂ）参照）を有する場合に、放射器１１０を4GHｚのダイポールアンテナとして動作させたときのH面放射指向性を示す（図６にて、実線［with FSS reflector］で示されている）。図６では、図３に示す構成において反射器１０３を除去した構成（つまり、放射器１１０に対して反射器１０１のみが存在する従来構成である）のH面放射指向性も併せて示している（図６にて、破線［w/o FSS reflector］で示されている）。図６中のX軸、Y軸、Z軸は図３に示すとおりである。図６から、反射器１０３が存在しない従来構成では４GHｚでのH面放射指向性が歪んでいるのに対し、本発明による実施例の構成では、４GHｚでのH面放射指向性の歪が改善できていることがわかる。図７は、上述のように線状素子を用いた構成において放射器１１０を850MHｚのダイポールアンテナとして動作させたときのH面放射指向性を示している。図７でも、反射器１０３を具備する場合（図７にて、実線［with FSS reflector］で示されている）と具備しない場合（図７にて、破線［w/o FSS reflector］で示されている）の両構成のH面放射指向性を示しているが、ほぼ同じH面放射指向性となっている。つまり、図７から、850MHｚでは反射器１０３が存在しても指向性に影響がないことが確認できる。つまり、ダイポールエレメントの偏波方向と平行になるように線状素子の延伸方向を揃えて線状素子を配置することによって、ループ状素子を用いた構成と同様に850MHzでは電波は反射器１０３を透過し、反射器１０３は４GHｚでは反射器として動作していることがわかる。
【００２８】
以下に説明する実施例では、反射器１０３の透過・反射特性を示すために、図３に示す構成において反射器１０１が除去された構成を検討した。
図８は、放射器１１０として2GHzのダイポールアンテナ素子を用い、FSSを実現する導電体素子としてループ状素子を用いた場合と線状素子を用いた場合のそれぞれのX-Z面指向性を示す。ただし、ループ状素子および線状素子をともに線径0.1mmの線路とした。図８からわかるように、ループ状素子を用いた場合には２GHzでは10dB以上のFB比（前方対後方比）になってしまうが、線状素子を用いるとFB比は2dB程度になっており、2GHzでも反射器１０３の透過性が高くなることが確認できる。
【００２９】
図９は、図２（ｄ）に示すように各線状素子にメアンダ構造を採用した場合の、４GHzと２GHzのそれぞれのX-Z面指向性を示す。メアンダ構造を採用することによって線状素子の共振帯域が狭くなり、２GHｚでのFB比がさらに改善し１ｄB以下とできていることがわかる。
【００３０】
図１０は、図３に示す構成において放射器１１０であるダイポールアンテナ素子を９０度回転させて配置し、反射器１０３の誘電体基板上に配置する導電体素子を十字形素子（図２（ｃ）参照）とした場合の、４GHzと２GHzのそれぞれのX-Z面指向性を示す。図１０からわかるように、ダイポールアンテナ素子をX軸と平行に配置しても反射器１０３にX軸成分の線状素子を有する十字形素子が配置されていることによって、２GHｚでは電波は反射器１０３を透過し、４GHｚでは反射器１０３は反射器として動作する特性となることが確認できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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