(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの平面上の反射板と、この反射板に平行に距離Ｄだけ離れたところにおかれ、互いに平行な２つのダイポールアンテナと、
上記各ダイポールアンテナを含む上記反射板にそれぞれ垂直な平面上にあり、かつそれぞれのダイポールアンテナから距離Ｇだけ反射板と反対側に離れたところにおかれ、これらダイポールアンテナと平行な無給電素子とを備え、
２つのダイポールアンテナの放射素子を同位相、同振幅で励振させるアンテナ装置において、
上記反射板の両側端に、上記反射板の垂直方向から外側に約２０°傾き、約０．１３波長以上の幅を持つ側面反射板を有し、
上記反射板の幅Ｗは約０．５波長〜０．５７波長であり、ダイポールアンテナと無給電素子との距離Ｇが約０．１７７波長〜約０．１３７波長以下であることを特徴とするアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は例えば移動通信における基地局アンテナ装置に利用され、２素子の指向性放射ビームを同相合成して、水平面内でのビーム幅をほゞ６０°とした指向性を有するアンテナ装置に関し、特に小型化しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２に従来のこの種のアンテナ装置を示す。垂直に立てられた反射板１に対し、その同一側で対向し、垂直方向に延長した半波長ダイポールアンテナ２１，２２が間隔をあけて配される。反射板１とダイポールアンテナ２１，２２との各間隔Ｄは約４分の１波長であり、ダイポールアンテナ２１，２２の水平間隔Ｓは約２分の１波長、垂直間隔Ｈも約２分の１波長である。
【０００３】
このアンテナ装置の水平面内の指向特性の半値幅６０°，いわゆる６０°ビームアンテナとするためには、図１３に示すように反射板１の幅Ｗが約0.９７波長必要であり、このアンテナ装置にかぶせる保護用のレードーム３の直径Ｗo は約0.９９波長必要である。このときの水平面内指向性特性の計算値を図１４に示す。ビーム幅（半値幅３dB低下した幅）が６０°になっていることがわかる。
【０００４】
上記のアンテナ装置をさらに小型化するために、図１５及び図１６に示すように各ダイポールアンテナ２１，２２に対し、これと平行に反射板１と反対側に無給電素子４１，４２を配したものがある。反射板１と各ダイポールアンテナ２１，２２の間隔Ｄは約４分の１波長、ダイポールアンテナ２１と２２の水平間隔Ｓは約２分の１波長、垂直間隔Ｈは約２分の１波長、ダイポールアンテナ２１，２２と無給電素子４１，４２との各間隔Ｇは約４分の１波長である。無給電素子４１，４２の長さは約0.２４波長である。
【０００５】
６０°ビームアンテナを得るためには反射板１の幅Ｗが約0.８３波長必要であり、図１６に示すようにレードーム３の直径は約0.８９波長必要である。その特性は図１７に示すように６０°ビーム幅を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
セルラ移動通信方式における無線ゾーン構成では、加入者容量の増大化および周波数の有効利用などを図るため、水平面内を角度的に分割するセクタゾーン構成を用いている。このとき３６０°を分割するセクタ数は３セクタまたは６セクタ無線ゾーン構成が多く用いられている。６セクタ無線ゾーン構成を採用した場合、３６０°をカバーするには６０°ビームアンテナの装置を６基必要とする。このように多くのアンテナ装置を鉄塔またはビルの屋上に搭載するには、アンテナ荷重と設置空間を軽減したアンテナの小型化が、アンテナ設計上重要な検討課題である。
【０００７】
また、基地局アンテナの指向特性におけるサイドローブレベルは無線ゾーン間の干渉量を決定する重要な量である。サイドローブレベルを低くすることは、より近くのゾーン間で周波数の繰り返し利用を可能にする。低サイドローブ化もアンテナ設計上、重要な検討課題である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明のアンテナ装置は、２つのダイポールアンテナと、これに対する各無給電素子と反射板で構成された装置において、特に反射板の両側部がダイポールアンテナ側に折り曲げ延長されて側面反射板が設けられ、これら側面反射板は互いにわずか外側に開いている。
【０００９】
この構成により低サイドローブ化とアンテナ装置の小型化を可能としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明の実施例を示す。この例は２素子の１２０°ビームアンテナを同相合成して、６０°ビームアンテナとした移動通信基地局アンテナに適するものである。垂直に設けられた反射板１に対し、同一側で距離Ｄだけ離れたところに、垂直に延長した２つのダイポールアンテナ２１，２２が設けられ、ダイポールアンテナ２１，２２をそれぞれ含み、反射板１に対し直角な平面内に、それぞれダイポールアンテナ２１，２２から距離Ｇだけ離れたところにダイポールアンテナ２１，２２と平行にそれぞれ対向した無給電素子４１，４２が設けられている。
【００１１】
この実施例では反射板１の両側端に、反射板１と垂直な面に対し互いに外側にθ°傾けて配された側面反射板５１，５２が設けられる。一般には、反射板１と側面反射板５１，５２は一体に構成される。
前記Ｄは約４分の１波長であり、ダイポールアンテナ２１と２２の水平間隔Ｓは約２分の１波長、垂直間隔Ｈは約２分の１波長であり、無給電素子４１，４２の長さは約0.２４波長（３６ｍｍ）である。
【００１２】
反射板１の幅Ｗ，側面反射板５１，５２の幅Ｔ，側面反射板５１，５２の傾斜角θと、ダイポールアンテナ２１、２２と対応無給電素子４１、４２との各距離Ｇは、モーメント法による計算値を用いて、各パラメータを決定し、最適化することができる。
モーメント法とは、アンテナを微小区間に分割し、その微小区間に流れる電流を境界条件から求め、アンテナの電流分布を知ることにより、アンテナの作る電磁界、アンテナの入出力インピーダンスなどを導く方法である。
【００１３】
このモーメント法を用いて、反射板１の幅Ｗ，側面反射板５１，５２の幅Ｔ，側面反射板５１，５２の傾斜角θを変化させ、シミュレーションを行うことにより、反射板１の幅Ｗ，側面反射板の幅Ｔ，側面反射板の傾斜角θの各最適な値を決定することができる。この実施例では、これらの最適な値として反射板１の幅Ｗを0.７波長（１０５ｍｍ）、好ましくは、側面反射板５１，５２の幅を約0.１３波長（２０ｍｍ），傾斜角を２０°に設定したもので得られた。また、この時のレードーム直径は約0.８２波長（１２３ｍｍ）となる。
【００１４】
更にダイポールアンテナ２１、２２と対応無給電素子４１、４２との各距離Ｇの値を最適化することにより、更に小型化でき、つまり、反射板１の幅Ｗを０．５〜０．５７波長（７５〜８５ｍｍ）とし、例えば直径が約０．６７波長（１００ｍｍ）のレードームに収まる値として、例えば、Ｗ＝７５ｍｍの時、Ｇ＝２６．５ｍｍ（０．１７７波長）以下、Ｗ＝８５ｍｍの時、Ｇ＝２０．５ｍｍ（０．１３７波長）以下とすることができる。
【００１５】
以下に、上記の数値が最適であることを説明する。
測定は1.９２０ＧHz〜2.１６０ＧHzの周波数帯で、４つの周波数（1.９２０ＧHz，2.０００ＧHz，2.０８０ＧHz，2.１６０ＧHz）において行った。
図２は、2.０００ＧHzのときの側面反射板の幅Ｔ＝約0.１３波長（２０mm）：一定としたときのθに対するビーム幅をプロットした図である。図より水平面内ビーム幅が６０°を得るには、θは小さい方がよいことがわかる。しかし、上記周波数帯におけるビームの集中を測定すると、側面反射板５１，５２の傾きが小さくなると、高い周波数帯においてビームが鋭くなりすぎ、周波数特性が悪い傾向にある。Ｔ＝２０mmとしてθを変化した時の測定周波数1.９２０ＧHz，2.０００ＧHz，2.０８０ＧHz，2.１６０ＧHzにおけるビーム幅（dB）を図５Ａに示す。ビーム幅が基準として1.９２０ＧHzにおいて、−2.５dBと−3.５dBのビーム幅を求め、2.０００ＧHzと2.０８０ＧHzと2.１６０ＧHzにおける−３dBのビーム幅が、この範囲内におさまっているかどうかで判断してみると、高い周波数帯でビーム幅が小さくなりすぎ、この範囲内におさまらない、つまり周波数特性が悪くなる。周波数特性がよいのはθ＝２０以上である。以上より、ほゞ６０°ビームを得られるのは、Ｔ＝0.１３波長（２０mm）においてはθ＝２０°が最適である。
【００１６】
図３はθ＝２０°：一定としたときのＴに対するビーム幅とサイドローブレベルを2.０００ＧHzの値においてプロットしたものである。Ｔ＝１０mm以下であるとビーム幅が大きくなり、またサイドローブレベルも高くなる。Ｔ＝１０mmが、ビーム幅もよく、サイドローブレベルも−２０dB以下と特性がよい（一般にサイドローブレベルは−２０dB以下であればよいとされている）。しかし、Ｔ＝２０mm以下であると周波数特性が悪い。このことは、θ＝２０°とし、Ｔを変化させたときの各測定周波におけるビーム幅（dB）を図５Ｂに示し、この図の各値から、図５Ａの場合と同様に高い周波数でビーム幅が広がり周波数特性が悪くなる。以上より、θ＝２０°においてはＴ＝２０mmが最適であると判断した。しかし幅Ｔについては0.１３波長（２０mm）以上で、図３からビーム幅はそれ程狭くならず、サイドローブレベルは一層小となる。よって、Ｔは0.１３波長以上でもよい。
【００１７】
反射板１の幅Ｗについては、ダイポールアンテナ水平間隔Ｓを小さくするとビーム幅が大きくなることから、アンテナ水平間隔Ｓは約２分の１波長で一定とし、Ｗの小型化を図った。図６は、反射板１の幅Ｗに対する水平面のビーム幅とサイドローブレベルをプロットしたものである。反射板１の幅Ｗが０．５波長と小さくなってもビーム幅はほぼ６０°ビームを満足している。サイドローブレベルもほぼ−２０ｄＢを満足している。
【００１８】
レードーム直径が１００ｍｍ以下となるべくアンテナ装置を更に小型化するため、ダイポールアンテナ２１、２２と対応無給電素子４１、４２との各距離Ｇを小さくする。側面反射板５１、５２の幅Ｔが約０．１３波長（２０ｍｍ）で、傾斜角を２０°としたとき、直径が１００ｍｍのレードームにおさまる反射板１の幅Ｗは０．５７波長（８５ｍｍ）以下である。一方、アンテナ間隔Ｓは０．５波長（７５ｍｍ）以下にするとビーム幅が大きくなることから、反射板１の幅Ｗは０．５〜０．５７波長（７５ｍｍ〜８５ｍｍ）であることが要求される。
【００１９】
図７にアンテナ装置の平面とレードーム３との関係を示すように、Ｗ＝０．５波長（７５ｍｍ）とすると（破線）距離Ｇの最大値ＧＭ１は約０．１７７波長（２６．５ｍｍ）となり、Ｗ＝０．５７波長（８５ｍｍ）とすると（実線）Ｇの最大値ＧＭ２は約０．１３７波長（２０．５ｍｍ）となる。
ところで図８、図９のＡ、ＢにＷ＝０．５波長（７５ｍｍ）の場合と、Ｗ＝０．５７波長（８５ｍｍ）の場合とで、２．０００ＧＨｚにおけるＧに対するビーム幅とサイドローブレベルの計算値をそれぞれ示す。これらの計算値より、レードーム直径が１００ｍｍにおさまる最大限のＧにおいて、ビーム幅がほぼ６０°となる。しかし、Ｇを小さくしてもビーム幅は急激に大きくなることはないので、Ｇはレードーム直径が１００ｍｍにおさまる最大限の値よりも小さくてもよい。側面反射板５１、５２の幅Ｔに対しては、Ｔが大きくなるほどビーム幅は大きくなるので、Ｔは０．１３波長（２０ｍｍ）が最適である。しかし、それ以上の場合でもほぼ６０°といってよい値を得ている。
【００２０】
サイドローブレベルについてもＧをレードーム直径１００ｍｍで最大値以下としてもほぼ−２０ｄＢ以下を満足している。
以上より、反射板１の幅Ｗは約０．５〜０．５７波長、ダイポールアンテナ２１、２２と無給電素子４１、４２の各距離Ｇは、直径が１００ｍｍとなるレードームにおさまる最大値かそれより小さい値、が最適と言える。例として、Ｗ＝７５ｍｍ（０．５波長）・Ｔ＝２０ｍｍ・Ｇ＝２６．５ｍｍ（０．１７７波長）の場合の水平面内指向性を図１０に、Ｗ＝８５ｍｍ（０．５７波長）・Ｔ＝２０ｍｍ・Ｇ＝２０．５ｍｍ（０．１３７波長）の場合の水平面内指向性を図１１にそれぞれ示す。水平ビーム幅がほぼ６０°、サイドローブレベルがほぼ−２０ｄＢ以下を満足している。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば側面反射板を反射板に対して斜めにつけることにより、レードームの直径が小さいアンテナ装置を設計することができた。側面反射板をつけないアンテナ装置に対し、レードーム直径は約２５〜３３％小さくなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａはこの発明の実施例を示す斜視図、Ｂは図１に示すアンテナ装置にレードームを被せた平面図である。
【図２】図１の実施例におけるＴ＝２０mm（一定）のときのθに対するビーム幅の変化特性のシミュレーション結果を示す図。
【図３】図１の実施例におけるθ＝２０°（一定）のときのＴに対するビーム幅の変化およびサイドローブレベルの変化特性のシミュレーション結果を示す図。
【図４】図１の実施例の最適設計における水平面内指向特性（2.０００ＧHzにおける）を示す図。
【図５】ＡはＴ＝２０mmとし、θを変化されたときの各周波数におけるビーム幅を示す図、Ｂはθ＝２０°とし、Ｔを変化させたときの各周波数におけるビーム幅を示す図である。
【図６】図１の実施例におけるθ＝２０°（一定）、ダイポールアンテナ間隔Ｓを約２分の１波長の一定としたときの反射板の幅Ｗに対する水平面ビーム幅とサイドローブレベルの変化特性のシミュレーション結果を示す図。
【図７】直径が１００ｍｍのレードームに収まるようにしたこの発明の実施例を示す平面図。
【図８】反射板幅Ｗを０．５波長とした場合のダイポールアンテナと無給電素子との距離Ｇと側面反射板の幅Ｔの変化に対する水平ビーム幅（図Ａ）と、サイドローブレベル（図Ｂ）の各計算値を示す図。
【図９】Ｗを０．５７波長とした場合の距離ＧとＴの変化に対する水平面ビーム幅（図Ａ）と、サイドローブレベル（図Ｂ）の各計算値を示す図。
【図１０】Ｗ＝７５ｍｍ、Ｔ＝２０ｍｍ、Ｇ＝２６．５ｍｍの場合のこの発明アンテナ装置の水平面内指向特性を示す図。
【図１１】Ｗ＝８５ｍｍ、Ｔ＝２０ｍｍ、Ｇ＝２０．５ｍｍの場合のこの発明アンテナ装置の水平面内指向特性を示す図。
【図１２】従来のアンテナ装置を示す斜視図。
【図１３】図１２に示すアンテナ装置にレードームを付けた平面図。
【図１４】図１２のアンテナ装置の水平面内指向特性を示す図。
【図１５】従来のアンテナ装置の他のものを示す斜視図。
【図１６】図１５に示すアンテナ装置にレードームを付けた平面図。
【図１７】図１５に示したアンテナ装置の水平面内指向特性を示す図。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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