(57)【要約】【課題】  システム容量の増大化を図ることができるアレイアンテナを提供する。【解決手段】  複数の放射素子１０を一定の間隔で鉛直に配列してなるアレイアンテナ１においては、放射素子１０における総配列数の１２．５％〜３７．５％にあたる所定の放射素子１０から放射されるビームの位相に対して、残りの放射素子１０から放射されるビームの位相を６０°〜１５０°の範囲でずらすことにより、システム容量を好適に増大化することができる。これにより、例えばＷ−ＣＤＭＡ方式を用いた移動通信におけるシステム容量を増大化させることができ、サービスエリア内の加入者数の増加やデータ通信速度の高速化に伴うダウンロード量の増加に対して十分な対応が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の放射素子を一定の間隔で鉛直に配列してなるアレイアンテナであって、
前記複数の放射素子における総配列数の１２．５％〜３７．５％にあたる所定の放射素子から放射されるビームの位相が、残りの放射素子から放射されるビームの位相に対して６０°〜１５０°の範囲でずれていることを特徴とするアレイアンテナ。
【請求項２】
前記所定の放射素子は、鉛直に配列された前記複数の放射素子のうち、上半分及び下半分のいずれか一方に位置する放射素子であることを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として移動通信用基地局アンテナとして利用されるアレイアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばＷ−ＣＤＭＡ（Wideband-Code Division Multiple Access）方式を用いる移動通信用の基地局アンテナとして、複数の放射素子を所定の間隔で鉛直に配列してなるアレイアンテナがある。このようなアレイアンテナの一例として、その垂直面内指向性がｃｏｓｅｃθ（θは伏角）に比例する特性（コセカント特性）を有するように、放射素子から放射されるビームの振幅や位相を制御したものがある（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。これにより、他の基地局エリアからの干渉の影響が軽減され、当基地局エリアにおける電界強度が安定化するため、システム容量の増大化が図られる。
【特許文献１】特開平２−１７４３０２号公報
【特許文献２】特開平８−４６４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したような移動通信においては、サービスエリア内の加入者数の増加やデータ通信速度の高速化に伴うダウンロード量の増加に対応するために、システム容量の更なる増大化が要求されている。
【０００４】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、システム容量の増大化を図ることができるアレイ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】
【０００５】
上記課題の解決のため、本発明に係るアレイアンテナは、複数の放射素子を一定の間隔で鉛直に配列してなるアレイアンテナであって、複数の放射素子における総配列数の１２．５％〜３７．５％にあたる所定の放射素子から放射されるビームの位相が、残りの放射素子から放射されるビームの位相に対して６０°〜１５０°の範囲でずれていることを特徴としている。
【０００６】
このアレイアンテナでは、一定の間隔で鉛直に配列された複数の放射素子のうち、所定の放射素子から放射されるビームの位相を上記範囲でずらすことで、システム容量のパラメータを最適化することができると考えられる。これにより、例えばＷ−ＣＤＭＡ方式を用いた移動通信におけるシステム容量を増大化させることができ、サービスエリア内の加入者数の増加やデータ通信速度の高速化に伴うダウンロード量の増加に対して十分な対応が可能となる。
【０００７】
また、所定の放射素子は、鉛直に配列された複数の放射素子のうち、上半分及び下半分のいずれか一方に位置する放射素子であることが好ましい。この場合、システム容量を一層増大化させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るアレイアンテナによれば、システム容量の増大化を図ることができる。これにより、例えば移動通信におけるサービスエリア内の加入者数の増加やデータ通信速度の高速化に伴うダウンロード量の増加に対して十分な対応が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、本発明に係るアレイアンテナの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係るアレイアンテナの構成を示す図である。図１で、アレイアンテナ１は、放射素子１０と、反射器２０とを備え、例えばＷ−ＣＤＭＡ（Wideband-Code Division Multiple Access）方式を用いる移動通信用の基地局アンテナとして構成されている。放射素子１０は、鉛直方向（図１におけるＺ軸方向）に沿うように、所定の間隔をもって複数配列されている。この放射素子１０は、垂直偏波素子にダイポールアンテナが用いられており、垂直偏波の水平面内指向性の半値幅は、例えば１２０°となっている。
【００１１】
また、反射器２０は、例えば半円の筒状をなし、放射素子１０の配列方向に沿って延在している。これにより、各放射素子１０は、ビームの放射側が開放し、かつその反対側が反射器２０によって一定の間隔をもって囲われた状態となっている。なお、反射器２０の形状は、半円の筒状でなくてもよく、例えば断面多角形の筒を半分に切断したような形状であってもよい。また、無指向性アンテナの場合は、反射器２０を配置しなくてもよい。
【００１２】
このようなアレイアンテナ１において、チルト角度（各放射素子１０から放射されるビームの利得が最大となる角度方向と、水平方向とが成す角度）θは、図２に示すように、俯角方向におよそ５°程度傾くように調整されている。
【００１３】
続いて、上述したアレイアンテナ１において、各種のパラメータを変化させた場合のシステム容量の評価結果について説明する。
【００１４】
システム容量の評価にあたっては、以下の計算式を用いた。
【数１】
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この計算式において、ＳＩＲｒｅｑは通信品質、Ｎはユーザ数、Ｕはユーザ比率、ＰＮは雑音電力、Ｔは送信電力、ＰｉＤはi番目の希望局からの受信電力、μは有音率、Ｐｇはチップレート比、ρは直交係数、ｇiはi番目のジオメトリを表している。以下の評価で変化させるビームの位相、放射素子１０の配列数といった各種のパラメータは、主としてＰｉＤ及びｇiの変動に寄与する。
【００１５】
まず始めに、鉛直に配列されている放射素子１０のうち、所定の放射素子１０から放射されるビームの位相を、残りの放射素子から放射されるビームの位相に対して０°〜３６０°の範囲でずらした場合のシステム容量の変化について評価を行った。この評価においては、放射素子１０，１０間の間隔を０．６７λ（λはビームの波長）とし、放射素子１０の配列数を８素子、１６素子、２４素子と変化させた。
【００１６】
また、各配列数において、位相をずらした放射素子１０の数を変化させた。以下、図３に示すように、例えば上から１番目及び２番目の放射素子１０から放射されるビームの位相を６０°ずらすことを「上２素子：６０°」と記し、下から１番目及び２番目の放射素子から放射されるビームの位相を−６０°ずらすことを「下２素子：−６０°」と記す。また、上から１番目及び２番目の放射素子１０から放射されるビームの位相を６０°ずらし、これと対象となる下から１番目及び２番目の放射素子１０から放射されるビームの位相を−６０°ずらすことを「上下２素子：±６０°」と記す。
【００１７】
なお、図４に示すように、「上２素子：６０」の場合と、「下２素子：−６０」の場合とでは、垂直面内指向性のパターンが略同一であったことから、以下の評価においては、下の放射素子１０のビームの位相を変化させた場合についてのみシステム容量の評価を行った。
【００１８】
図５〜図７は、それぞれ放射素子１０の配列数が８素子、１６素子、２４素子の場合において、下の素子のみの位相をずらした場合の評価結果を示す図である。また、図８〜図１０は、それぞれ放射素子１０の配列数が８素子、１６素子、２４素子の場合において、上下の素子の位相をずらした場合の評価結果を示す図である。各図において、横軸は位相変化量であり、縦軸は、各放射素子１０から放射されるビームの位相を同位相としたときのシステム容量を基準（１００％）とするシステム容量の変化量である。
【００１９】
同図に示す結果から、各放射素子１０のうちの所定の放射素子１０から放射されるビームの位相を、残りの放射素子１０から放射されるビームの位相に対して６０°〜３００°の範囲でずらすことにより、システム容量が増大化することを確認できる。システム容量は、放射素子１０の配列数が多いほど増加する傾向にあり、基準に対して、配列数が８素子の場合では約１１０％（図５及び図８参照）、配列数が１６素子の場合では約１５０％〜約２００％（図６及び図９参照）、配列数が２４素子の場合では約１５０％〜約２５０％（図７及び図１０参照）となっている。
【００２０】
また、放射素子１０の配列数に関わらず、上下の素子の位相をずらした場合に比べて、下の素子のみの位相をずらした場合のほうが、システム容量がより増大化し、かつ位相の変化に対するシステム容量の変化の割合も安定していることが分かる。この効果については、放射素子１０の配列数が多い場合ほど顕著に生じる傾向にある。
【００２１】
ここで、図１１は、放射素子１０の配列数を１６素子、素子間隔を０．６７λとした場合において、下３素子から放射されるビームの位相をそれぞれ０°、−６０°、−２４０°ずらした場合のアレイアンテナ１の垂直面内指向性を示す図である。同図に示すように、位相を−２４０°ずらした場合には、天空方向の第１サイドローブレベルが高くなっている。この天空方向の第１サイドローブレベルが大地方向の第１サードローブレベルよりも高いと、基地局の無線ゾーン間における干渉の影響が大きくなり、近接する無線ゾーン間での周波数の繰り返し利用が困難となる。したがって、システム容量の増大化と、天空方向の第１サイドローブレベルの抑制とを両立させるためには、下の素子から放射されるビームの位相のずれ量を１８０°以下にすることが好ましい。
【００２２】
これに加え、図５〜図１０に示すように、ビームの位相のずれ量が１８０°の近傍である場合、ビームのピークが２つ以上現れる、いわゆるビーム割れが生じ、システム容量の評価ができないことがある。このため、ビーム割れの発生を抑制するという観点から、ビームの位相のずれ量を１５０°以下にすることが好ましい。以上の結果から、下の素子から放射されるビームの位相に対して、残りの放射素子１０から放射されるビームの位相を６０°〜１５０°の範囲でずらすと、システム容量を安定化させつつ増大化できることが分かる。
【００２３】
次に、ビームの位相を変化させる放射素子１０の数の最適化についての評価を行った。この評価においては、放射素子１０，１０の間隔を０．６７λとし、放射素子１０の配列数を８素子、１６素子、２４素子とした各場合において、ビームの位相を変化させる下の素子の数を変化させた。また、位相の変化量は、−６０°及び−１２０°とした。
【００２４】
図１２〜図１４は、それぞれ放射素子１０の配列数が８素子、１６素子、２４素子の場合の評価結果を示す図である。各図において、横軸はビームの位相を変化させた下の素子の数であり、縦軸は、各放射素子１０から放射されるビームの位相を同位相としたときのシステム容量を基準（１００％）とするシステム容量の変化量である。
【００２５】
同図に示す結果から、配列数が８素子である場合には、下１素子〜下３素子についてビームの位相をずらすと、システム容量が約１１０％に増加することを確認できる。また、配列数が１６素子である場合には、下２素子〜下６素子についてビームの位相をずらすと、システム容量が約１８０％に増加することを確認できる。そして、配列数が２４素子である場合には、下３素子〜下９素子についてビームの位相をずらすと、システム容量が約２５０％に増加することが確認できる。この結果から、放射素子１０の総配列数の１２．５％〜３７．５％にあたる放射素子１０から放射されるビームの位相を、残りの放射素子から放射されるビームの位相に対してずらすと、システム容量を効果的に増大化できることが分かる。
【００２６】
続いて、放射素子１０，１０の間隔とシステム容量の関係について評価を行った。この評価においては、放射素子１０の配列数を１６素子とし、放射素子１０，１０の間隔を変化させた。そして、上述した評価と同様に、所定の放射素子１０から放射されるビームの位相の変化量、及び位相を変化させる放射素子１０の数をそれぞれ変化させた。
【００２７】
図１５及び図１６は、放射素子１０，１０の間隔が０．５λである場合の評価結果を示す図である。図１７及び図１８は、放射素子１０，１０の間隔が１．０λである場合の評価結果を示す図である。図１５に示すように、素子の間隔が０．５λの場合には、位相の変化量が６０°〜１５０°の範囲でシステム容量が約１２０％であるのに対し、図１７に示すように、素子の間隔が１．０λの場合には、システム容量が約１８０％となっている。
【００２８】
また、図１６に示すように、素子の間隔が０．５λの場合には、位相を変化させる素子の数が２素子〜６素子の範囲でシステム容量が約１２０％であるのに対し、図１８に示すように、素子の間隔が１．０λの場合には、システム容量が約１８０％となっている。同図に示す結果から、ビームの位相の変化量、及び位相を変化させる放射素子１０の数が同じ条件である場合には、放射素子１０，１０の間隔を０．５λよりも大きくする方が、システム容量を増大化できることを確認できる。
【００２９】
さらに、各放射素子１０におけるビームの振幅分配とシステム容量の関係について評価を行った。この評価においては、各放射素子１０のビームの振幅分配について、図１９に示す３つのパターンを用意した。パターン１では、全ての素子の振幅を１．０（基準値）とした。パターン２では、１番上及び１番下の素子の振幅を０．７とし、上から２番目及び下から２番目の素子の振幅を０．９とした。パターン３では、１番上及び１番下の素子の振幅を０．３とし、上から２番目及び下から２番目の素子の振幅を０．７とした。また、放射素子１０の配列数を１６素子とし、放射素子１０，１０の間隔を０．６７λとし、各振幅分配のパターン毎に、ビームの位相を変化させる下の素子の数を変化させた。位相の変化量は、−６０°及び−１２０°とした。
【００３０】
図２０は、その評価結果を示す図である。同図においては、横軸はビームの位相を変化させた下の素子の数であり、縦軸は、振幅分配をパターン１とした場合のシステム容量を基準（１００％）とするシステム容量の変化量である。同図に示す結果から、下１素子のビームの位相をずらした場合は、振幅分配を付けたことでシステム容量が３０％程度ばらつくが、下２素子〜下４素子の位相をずらした場合は、システム容量のばらつきがそれぞれ１０％程度になっていることが分かる。このことから、振幅分配がパターン１〜パターン３のいずれの場合であっても、システム容量の増大化についてほぼ同等の効果が得られることを確認できる。
【００３１】
以上説明したように、複数の放射素子１０を一定の間隔で鉛直に配列してなるアレイアンテナ１においては、放射素子１０における総配列数の１２．５％〜３７．５％にあたる所定の放射素子１０から放射されるビームの位相に対して、残りの放射素子１０から放射されるビームの位相を６０°〜１５０°の範囲でずらすことにより、システム容量を好適に増大化することができる。これにより、例えばＷ−ＣＤＭＡ方式を用いた移動通信におけるシステム容量を増大化させることができ、サービスエリア内の加入者数の増加やデータ通信速度の高速化に伴うダウンロード量の増加に対して十分な対応が可能となる。
【００３２】
さらに、放射素子１０のうち、上半分及び下半分のいずれか一方に位置する放射素子１０から放射されるビームの位相をずらすことにより、システム容量のパラメータの更なる最適化が可能となると考えられる。これにより、システム容量を一層増大化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るアレイアンテナの一実施形態を示す図である。
【図２】図１に示したアレイアンテナの垂直面内指向性を示す図である。
【図３】放射素子から放射されるビームの位相のずらし方の一例を示す図である。
【図４】ビームの位相をずらす放射素子の位置を変化させた場合の垂直面内指向性を示す図である。
【図５】配列数が８素子の場合において、下の素子から放射されるビームの位相変化量とシステム容量の関係を示す図である。
【図６】配列数が１６素子の場合において、下の素子から放射されるビームの位相変化量とシステム容量の関係を示す図である。
【図７】配列数が２４素子の場合において、下の素子から放射されるビームの位相変化量とシステム容量の関係を示す図である。
【図８】配列数が８素子の場合において、上下の素子から放射されるビームの位相変化量とシステム容量の関係を示す図である。
【図９】配列数が１６素子の場合において、上下の素子から放射されるビームの位相変化量とシステム容量の関係を示す図である。
【図１０】配列数が２４素子の場合において、上下の素子から放射されるビームの位相変化量とシステム容量の関係を示す図である。
【図１１】ビームの位相のずれ量とアンテナアレイの垂直面内指向性との関係を示す図である。
【図１２】配列数が８素子の場合において、ビームの位相をずらす素子の数とシステム容量との関係を示す図である。
【図１３】配列数が１６素子の場合において、ビームの位相をずらす素子の数とシステム容量との関係を示す図である。
【図１４】配列数が２４素子の場合において、ビームの位相をずらす素子の数とシステム容量との関係を示す図である。
【図１５】素子の間隔が０．５λである場合において、下の素子から放射されるビームの位相変化量とシステム容量の関係を示す図である。
【図１６】素子の間隔が０．５λである場合において、ビームの位相をずらす素子の数とシステム容量との関係を示す図である。
【図１７】素子の間隔が１．０λである場合において、下の素子から放射されるビームの位相変化量とシステム容量の関係を示す図である。
【図１８】素子の間隔が１．０λである場合において、ビームの位相をずらす素子の数とシステム容量との関係を示す図である。
【図１９】振幅分配の各パターンを示す図である。
【図２０】振幅分配の各パターンとシステム容量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…アレイアンテナ、１０…放射素子。
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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