(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により所望の振幅及び位相で励振される第１の放射素子群と、
Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により前記第１の放射素子群と異なる主ビーム方向を与える振幅及び位相で励振される第２の放射素子群と、
前記第１の放射素子群と第２の放射素子群との間に、一方の面が第１の放射素子群の方向を指向し、他方の面が第２の放射素子群の方向を指向するように置かれた幅が使用周波数の波長以下の金属板と、
前記第１の放射素子群と第２の放射素子群の入出力を合成あるいは分配し、かつ両放射素子群の入出力の相対位相を調整できる位相回路とを設け、
前記第１の放射素子群と第２の放射素子群が、ともに鉛直方向に多段に配置された放射素子で構成され、Ｍ＝Ｎであり、
隣接素子間の遅れ位相差をψ0とするとき、前記給電分配回路で作られる前記第１の放射素子群と第２の放射素子群の各ｎ番目の素子（１≦ｎ≦Ｎ）の給電位相ψ1n及びψ2nが、各々ψ1n＝−ψ0（ｎ−１）、ψ2n＝ψ0（ｎ−１）であり、
かつ前記位相回路において、前記第２の放射素子群に対する第１の放射素子群の相対遅れ位相差αが、“数１”をほぼ満足する値に設定されていることを特徴とする無線基地局アンテナ。
【数１】
0003547568.tif 000004
【請求項２】
Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により所望の振幅及び位相で励振される第１の放射素子群と、
Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により前記第１の放射素子群と異なる主ビーム方向を与える振幅及び位相で励振される第２の放射素子群と、
前記第１の放射素子群と第２の放射素子群との間に、一方の面が第１の放射素子群の方向を指向し、他方の面が第２の放射素子群の方向を指向するように置かれた幅が使用周波数の波長以下の金属板と、
前記第１の放射素子群と第２の放射素子群の入出力を合成あるいは分配し、かつ両放射素子群の入出力の相対位相を調整できる位相回路とを設け、
前記第１の放射素子群と第２の放射素子群が、ともに鉛直方向に多段に配置された放射素子で構成され、Ｍ＝Ｎであり、
隣接素子間の遅れ位相差をψ0 とするとき、前記給電分配回路で作られる前記第１の放射素子群と第２の放射素子群の各ｎ番目の素子（１≦ｎ≦Ｎ）の給電位相ψ1n及びψ2nが、各々ψ1n＝−ψ0（ｎ−１）、ψ2n＝ψ0 （ｎ−１）であり、
かつ前記位相回路において、前記第２の放射素子群に対する第１の放射素子群の相対遅れ位相差αが“数２”をほぼ満足する値に設定されていることを特徴とする無線基地局アンテナ。
【数２】
0003547568.tif 000005
【請求項３】
Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により所望の振幅及び位相で励振される第１の放射素子群と、
Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により前記第１の放射素子群と異なる主ビーム方向を与える振幅及び位相で励振される第２の放射素子群と、
前記第１の放射素子群と第２の放射素子群との間に、一方の面が第１の放射素子群の方向を指向し、他方の面が第２の放射素子群の方向を指向するように置かれた幅が使用周波数の波長以下の金属板と、
前記第１の放射素子群と第２の放射素子群の入出力を合成あるいは分配し、かつ両放射素子群の入出力の相対位相を調整できる位相回路とを設け、
前記第１の放射素子群と第２の放射素子群が、ともに鉛直方向に多段に配置された放射素子で構成され、Ｍ＝Ｎであり、
前記給電分配回路で作られる前記第１の放射素子群と第２の放射素子群の各ｎ番目の素子（１≦ｎ≦Ｎ）の給電位相ψ1n及びψ2nが、各々ψ1n＝０、ψ2n＝３６０°（ｎ−１）であり、
かつ前記位相回路において、前記第２の放射素子群に対する前記第１の放射素子群の相対遅れ位相差αが、ほぼ１８０°の値に設定されていることを特徴とする無線基地局アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロセルを用いた移動通信における無線基地局のアンテナ装置に関し、特に、任意の方向の主ビームを実現し得る簡潔な構造の基地局アンテナに係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロセルを用いた移動通信においては、基地局アンテナとして、水平面内無指向性のコリニアアンテナが用いられることが多い。マイクロセルの基地局は、様々な地形のところにおかれるため、場所に応じていろいろなビーム形状を有するアンテナが要求される。これに対応して、今までに、主ビーム方向を下方へビームチルトした水平面内無指向性アンテナや、ストリートセルに適した双指向性のビームを有するアンテナ等が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、移動通信システムを適用する実際の地形としては、急な坂道や、崖っぷち、台地と斜面の境界等、従来のアンテナでは、照射しにくい場所が多々あり、これらの場所で用いるアンテナの実現が望まれていた。
本発明は、従来とほぼ同等の簡潔な構造のアンテナで、任意の方向に指向性を持つアンテナを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上述の課題は前記特許請求の範囲に記載した手段により解決される。
【０００５】
すなわち、請求項１の発明は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により所望の振幅及び位相で励振される第１の放射素子群と、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により前記第１の放射素子群と異なる主ビーム方向を与える振幅及び位相で励振される第２の放射素子群と、前記第１の放射素子群と第２の放射素子群との間に、一方の面が第１の放射素子群の方向を指向し、他方の面が第２の放射素子群の方向を指向するように置かれた幅が使用周波数の波長以下の金属板と、前記第１の放射素子群と第２の放射素子群の入出力を合成あるいは分配し、かつ両放射素子群の入出力の相対位相を調整できる位相回路とを設け、前記第１の放射素子群と第２の放射素子群が、ともに鉛直方向に多段に配置された放射素子で構成され、Ｍ＝Ｎであり、
【０００６】
隣接素子間の遅れ位相差をψ0とするとき、前記給電分配回路で作られる前記第１の放射素子群と第２の放射素子群の各ｎ番目の素子（１≦ｎ≦Ｎ）の給電位相ψ1n及びψ2nが、各々ψ1n＝−ψ0（ｎ−１）、ψ2n＝ψ0（ｎ−１）であり、かつ前記位相回路において、前記第２の放射素子群に対する第１の放射素子群の相対遅れ位相差αが、“数１”をほぼ満足する値に設定されていることを特徴とする無線基地局アンテナである。
【０００７】
請求項２の発明は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により所望の振幅及び位相で励振される第１の放射素子群と、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により前記第１の放射素子群と異なる主ビーム方向を与える振幅及び位相で励振される第２の放射素子群と、前記第１の放射素子群と第２の放射素子群との間に、一方の面が第１の放射素子群の方向を指向し、他方の面が第２の放射素子群の方向を指向するように置かれた幅が使用周波数の波長以下の金属板と、前記第１の放射素子群と第２の放射素子群の入出力を合成あるいは分配し、かつ両放射素子群の入出力の相対位相を調整できる位相回路とを設け、前記第１の放射素子群と第２の放射素子群が、ともに鉛直方向に多段に配置された放射素子で構成され、Ｍ＝Ｎであり、
【０００８】
隣接素子間の遅れ位相差をψ0 とするとき、前記給電分配回路で作られる前記第１の放射素子群と第２の放射素子群の各ｎ番目の素子（１≦ｎ≦Ｎ）の給電位相ψ1n及びψ2nが、各々ψ1n＝−ψ0（ｎ−１）、ψ2n＝ψ0 （ｎ−１）であり、かつ前記位相回路において、前記第２の放射素子群に対する第１の放射素子群の相対遅れ位相差αが“数２”をほぼ満足する値に設定されていることを特徴とする無線基地局アンテナである。
【０００９】
請求項３の発明は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により所望の振幅及び位相で励振される第１の放射素子群と、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の放射素子からなり、給電分配回路により前記第１の放射素子群と異なる主ビーム方向を与える振幅及び位相で励振される第２の放射素子群と、前記第１の放射素子群と第２の放射素子群との間に、一方の面が第１の放射素子群の方向を指向し、他方の面が第２の放射素子群の方向を指向するように置かれた幅が使用周波数の波長以下の金属板と、前記第１の放射素子群と第２の放射素子群の入出力を合成あるいは分配し、かつ両放射素子群の入出力の相対位相を調整できる位相回路とを設け、前記第１の放射素子群と第２の放射素子群が、ともに鉛直方向に多段に配置された放射素子で構成され、Ｍ＝Ｎであり、
【００１０】
前記給電分配回路で作られる第１の放射素子群と第２の放射素子群の各ｎ番目の素子（１≦ｎ≦Ｎ）の給電位相ψ1n及びψ2nが、各々ψ1n＝０、ψ2n＝３６０°（ｎ−１）であり、かつ前記位相回路において、前記第２の放射素子群に対する第１の放射素子群の相対遅れ位相差αが、ほぼ１８０°の値に設定されていることを特徴とする無線基地局アンテナである。
【００１１】
一般に、アレーアンテナの指向性は、アレーアンテナを構成する放射素子の励振振幅と励振位相を制御することにより任意に決定できる。従って、異なる指向性を合わせ持つアンテナを実現するためには、異なる２種のアレーアンテナを合成して所望の棒状アンテナを構成するのが簡単である。２種のアンテナの放射指向性が互いにｙ軸を境に半空間のみにしか存在しない場合は、それぞれの指向性を合成することにより所望の放射指向性が実現できる。しかし、両アンテナの相互結合により、通常は、所望の特性を得ることは難しい。
【００１２】
今、第１の放射素子群の給電分配回路で作られる第ｍ番目の素子（１≦ｍ≦Ｍ）の給電位相ψ１ｍをψ１ｍ＝ψ１ｏ（ｍ−１）、第２の放射素子群の給電分配回路で作られる第ｎ番目の素子（１≦ｎ≦Ｎ）の給電位相ψ２ｎをψ２ｎ＝ψ２ｏ（ｎ−１）とする。ここで、ψ１ｏ及びψ２ｏは各々第１及び第２の放射素子群の隣接素子間の遅れ位相差である。ここで、第１と第２の放射素子群を合成するとき、第１と第２の放射素子群の相対遅れ位相差αの変化によって、合成された放射指向性は大きく変化する。従って、本発明の構成により相対遅れ位相差αを最適な値に選ぶことにより、所望の放射指向性を得ることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例の形態について説明する。
図１にこの発明の実施の形態の第１の例を示す。同図は、細幅の金属板の前後に放射素子群として４素子のダイポールアレーを配置し、斜め双方向にビームを持つ例について示している。同図において、数字符号１−１は第１のダイポールアレー、１−２は第２のダイポールアレー、１−３は細幅の金属板、１−４は第１のダイポールアレーの給電分配回路、１−５は第２のダイポールアレーの給電分配回路、１−６は第１及び第２のダイポールアレーの入出力を合成あるいは分配し、かつ両ダイポールアレーの入出力の相対位相を調整する位相回路である。
【００１４】
金属板の幅は一般的には使用周波数の波長以下であり、後述する図２の特性の計算では０．２波長としている。また、金属板の長さは、第１の放射素子群の放射素子と第２の放射素子群の放射素子と直接の結合が遮られる程度であれば良い。図右上方に示す座標のθ，φなどの表示は図２と対応しており、また、矢印を付した線で示す○Ｐは観測点の方向を示すベクトルを表わしている。これは後述する図４についても同様である。
【００１５】
図１において、第１のダイポールアレー１−１及び第２のダイポールアレー１−２の各々の給電分配回路で作られる第ｎ番目の放射素子（１≦ｎ≦Ｎ）の給電位相ψ１ｎ及びψ２ｎを、各々ψ１ｎ＝−ψｏ  （ｎ−１）、ψ２ｎ＝ψｏ  （ｎ−１）で与える。ここで、ψｏ  は隣接素子間の遅れ位相差であり、素子番号（Ｎ０１〜Ｎ０４）は上から下へ順に付けている。第１及び第２のダイポールアレーは、単独では、各々下及び上方向にビームチルトした水平面内無指向性のパターンを有している。この第１及び第２のダイポールアレーを細幅の金属板１−３の両面に配置し、各々のダイポールアレーの入出力の相対位相を調整する位相回路に接続する。
【００１６】
位相回路１−６において、第２のダイポールアレーに対する第１のダイポールアレーの相対遅れ位相量をαとする。この位相回路１−６を用いたとき、実際に、第１及び第２のダイポールアレーの第ｎ番目の放射素子に給電される遅れ位相は、各々α−ψｏ  （ｎ−１）、ψｏ  （ｎ−１）となる。
また、図１に示した無線基地局アンテナにおいて、素子数Ｎ、隣接素子間の位相差ψｏ  及び、素子間隔の値を変化させることによって、垂直面内の主ビーム方向を任意の方向へ向けることが可能となる。
【００１７】
図  ２は、位相回路１−６の相対遅れ位相差αを変化したときの、主ビーム方向の利得、金属板面（ｙｚ面）内及び水平面（ｘｙ面）内の最大レベルの計算値を示したものである。ここで、隣接素子間の遅れ位相差ψｏ  は３０°、素子間隔は０．７波長としている。また、金属板の幅は０．２波長、ダイポールアレーの金属板からの距離は０．１波長としている。図２から、第２のダイポールアレーに対する第１のダイポールアレーの相対遅れ位相差αの変化により、指向性利得が大きく変化することが分かる。
【００１８】
図３、図４に、図１に示した無線基地局アンテナの代表的な例として、水平面内指向性が無指向性及び、８の字指向性となる場合について相対遅れ位相差αが９０°と２７０°のときの放射指向性の計算値を示す。図３に示すように、相対遅れ位相差αが９０°のとき、水平面（ｘｙ面）とθｏ  ＝８°をなす面内でほぼ無指向性の放射指向性が実現できている。ここでθｏ  は、隣接素子間遅れ位相差ψｏ  に対応するビーム変位量である。このとき、相対遅れ位相差αと給電分配回路で作られる各給電位相との間に、“数３”の関係がある。
【００１９】
【数３】
0003547568.tif 000002
【００２０】
一方、図４に示すように、相対遅れ位相差αが２７０°のとき、双指向性の放射指向性が実現できている。主ビームのビーム変位量θｏ  は５°である。このとき、相対遅れ位相差αと給電分配回路で作られる各給電移相とのあいだに、“数４”の関係がある。
【００２１】
【数４】
0003547568.tif 000003
【００２２】
上記の実施の形態の第１の例においては、素子数が４素子、素子間隔０．７波長の場合で、隣接素子間の遅れ位相差ψｏ  が３０°の場合について示したが、素子数Ｎ、素子間隔、隣接素子間の遅れ位相差ψｏ  が別の値であっても、同様に最適な相対遅れ位相差αを決定することが可能であり、本発明の効果が得られることは明らかである。なお、本実施例においては、振幅分布について言及しなかったが、均一分布は言うまでもなく、チェビシェフ分布等の分布に対しても同様の結果が得られる。
【００２３】
放射素子についても、図１に示した無線基地局アンテナにおいては、水平面内無指向性のダイポールアンテナについて述べたが、水平面内無指向性のスリーブアンテナはもちろんのこと、単一指向性を有するプリントアンテナをはじめとするどんなアンテナ素子についても、同様の効果があることは言うまでもない。
【００２４】
また、上述の例においては、鉛直方向に多段配置したアレーアンテナについて述べたが、２次元あるいは３次元的に配置されたアンテナについても、金属板を間に置いて配置し、最適な相対位相差αを決定することにより、本発明と同様の効果を得ることが可能である。
【００２５】
なお、金属板の幅を０．２波長、ダイポールアンテナの金属板からの距離を０．１とした場合についての計算結果を示したが、これらの値が波長に比べて非常に大きくない範囲においては、十分に同じ結果が得られる。
【００２６】
図５にこの発明の実施の形態の第２の例を示す。図５では、細幅の金属板の前後に６素子のダイポールアレーを配置し、水平方向と斜め方向にビームを持つ例を示す。同図において、数字符号４−１は第１のダイポールアレー、４−２は第２のダイポールアレー、４−３は細幅の金属板、４−４は第１のダイポールアレーの給電分配回路、４−５は第２のダイポールアレーの給電分配回路、４−６は第１及び第２のダイポールアレーの入出力を合成あるいは分配し、かつ、両ダイポールアレーの入出力の相対位相を調整する位相回路である。
【００２７】
図５において、第１及び第２のダイポールアレーの給電分配回路で作られる第ｎ番目の素子（１≦ｍ≦Ｎ）の給電位相ψ１ｎ及びψ２ｎを、各々ψ１ｎ＝０、ψ２ｎ＝３６０°（ｎ−１）／Ｎで与える。このとき、第１のダイポールアレーの放射素子は同相で給電されているため、主ビームは水平方向（配列面に直交方向）を向き、一方、第２のダイポールアレーは、隣接素子間の位相差ψｏ  を３６０°／Ｎとしたことにより、第１ナルが水平方向（配列面に直交方向）を向く。
【００２８】
この第１及び第２のダイポールアレーを細幅の金属板４−３の両面に配置し、各々のダイポールアレーの入出力の相対位相を調整する位相回路に接続する。
位相回路４−６において、第２のダイポールアレーに対する第１のダイポールアレーの相対遅れ位相量をαとする。この位相回路４−６を用いたとき、実際に、第１及び第２のダイポールアレーの第ｎ番目の放射素子に給電される位相は、各々α、３６０°（ｎ−１）／Ｎとなる。
【００２９】
図６は、第１の実施の形態の例と同様に、位相回路４−６の相対遅れ位相差αを変化したときの、主ビーム方向の利得、金属板面（ｙｚ面）内及び水平面（ｘｙ面）内の最大レベルの計算値を示したものである。ここでは、６素子アレーを考えているため、隣接素子間の遅れ位相差ψｏ  は６０°としている。素子間隔は０．７波長としている。
【００３０】
また、金属板の幅は０．２波長、ダイポールアレーの金属板からの距離は０．１波長としている。図６から、第２のダイポールアレーに対する第１のダイポールアレーの相対遅れ位相差αの変化により、指向性利得が大きく変化することが分かる。また、図６において、相対遅れ位相差αが１８０°近辺で、θ＝９０°方向の主ビーム（第１のダイポールアレーの主ビーム）の利得が最大になっている。
【００３１】
図７に、相対遅れ位相差αが１８０°のときの放射指向性の計算値を示す。図７に示すように、水平方向（θ＝９０°）と、斜め方向（θｏ  ＝１４°）に主ビームが向いたアンテナが実現できている。
【００３２】
上記の第２の実施の形態の例においては、素子数が６素子、素子間隔０．７波長の場合について示したが、素子数Ｎ、素子間隔が別の値であっても、また、金属板の前後で異なる値であっても同様に、本発明の効果がある。なお、以上の説明においては、振幅分布について言及しなかったが、均一分布は言うまでもなく、チェビシェフ分布等の分布に対しても同様の結果が得られる。
【００３３】
放射素子についても、第１の実施の形態の例においては、水平面内無指向性のダイポールアンテナを取り上げて述べたが、水平面内無指向性のスリーブアンテナはもちろんのこと、単一指向性を有するプリントアンテナをはじめとする各種アンテナ素子についても、同様の効果があることは言うまでもない。
【００３４】
また、第１の実施の形態の例と同様に第２の実施の形態の例においては、鉛直方向に多段配置したアレーアンテナについて述べたが、２次元あるいは３次元的に配置されたアンテナについても、金属板を介して配置し、最適な相対位相差αを決定することにより、本発明と同様の効果を得ることが可能である。
【００３５】
なお、図６においては、第１の実施の形態の例の場合と同様に、金属板の幅を０．２波長、ダイポールアレーの金属板からの距離を０．１波長とした場合についての計算結果を示したが、これらの値が波長に比べて非常に大きくない範囲においては、ほぼ同じ結果が得られる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来の基地局アンテナとほぼ同様の簡潔な形状のままで、任意の方向に指向性を有するアンテナを実現できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１の例を示す図である。
【図２】本発明のアンテナの指向性利得の例を示す図である。
【図３】本発明のアンテナの放射指向性の例を示す図である。
【図４】本発明のアンテナの放射指向性の例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の第２の例を示す図である。
【図６】本発明のアンテナの指向性利得の例を示す図である。
【図７】本発明のアンテナの放射指向性の例を示す図である。
【符号の説明】
１−１，４−１    第１のダイポールアレー
１−２，４−２    第２のダイポールアレー
１−３，４−３    金属板
１−４，１−５，４−４，４−５    給電分配回路
１−６，４−６    位相回路
【図１】
0003547568.tif 000006
【図２】
0003547568.tif 000007
【図３】
0003547568.tif 000008
【図４】
0003547568.tif 000009
【図５】
0003547568.tif 000010
【図６】
0003547568.tif 000011
【図７】
0003547568.tif 000012