(57)【要約】【課題】高い周波数帯ほど電気チルト角を深くすることが可能なアレイアンテナを提供する。【解決手段】放射素子２側から数えてｎ段目の分岐部３を第ｎ分岐部としたとき、第ｍ分岐部にて下方に分岐する分岐給電線路６に設けられ、予め設定した基準波長に対して半波長遅延させる半波長遅延回路７と、ｎがｍより大きい第ｎ分岐路にて下方に分岐する分岐給電線路６に設けられ、基準波長に対して２(n-m-1)波長遅延させるＮ波長遅延回路８と、を備え、半波長遅延回路７を介して給電される放射素子２の給電方向を逆方向としたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に配列され所望の偏波を送受信する複数の放射素子と、
多段の分岐部を含み、給電点から前記各放射素子までに形成されたツリー状の給電線路と、を備え、
複数の周波数帯で使用される多周波共用のアレイアンテナであって、
前記分岐部は、前記給電線路を上下に２つに分岐するように構成され、
前記放射素子側から数えてｎ段目の前記分岐部を第ｎ分岐部としたとき、
第ｍ分岐部にて下方に分岐する分岐給電線路に設けられ、予め設定した基準波長に対して半波長遅延させる半波長遅延回路と、
ｎがｍより大きい第ｎ分岐路にて下方に分岐する分岐給電線路に設けられ、前記基準波長に対して２(n-m-1)波長遅延させるＮ波長遅延回路と、を備え、
前記半波長遅延回路を介して給電される前記放射素子の給電方向を逆方向とした
ことを特徴とするアレイアンテナ。
【請求項２】
前記所望の偏波は、垂直偏波である
請求項１に記載のアレイアンテナ。
【請求項３】
前記放射素子が、ダイポールアンテナまたはスロットアンテナであり、
前記半波長遅延回路を介して給電される前記放射素子への前記給電線路の信号線とグランド線の接続が、前記半波長遅延回路を介さずに給電される前記放射素子と逆になるように構成されている
請求項１又は２に記載のアレイアンテナ。
【請求項４】
前記放射素子が、鉛直方向に平行に配置されたグランド板と、前記グランド板と離間して平行配置された放射板と、前記グランド板と放射板とを電気的に接続する給電ピンと、を備えたパッチアンテナからなり、
前記半波長遅延回路を介して給電される前記放射素子における前記放射板への前記給電ピンの接続位置と、前記半波長遅延回路を介さずに給電される前記放射素子における前記放射板への前記給電ピンの接続位置とは、前記半波長遅延回路を介して給電される前記放射素子と前記半波長遅延回路を介さずに給電される前記放射素子との中心に対して対称の位置となっている
請求項１又は２に記載のアレイアンテナ。
【請求項５】
前記Ｎ波長遅延回路と前記半波長遅延回路が、同軸ケーブルまたはマイクロストリップ線路からなる
請求項１〜４いずれかに記載のアレイアンテナ。
【請求項６】
前記基準波長が、使用する周波数帯の中心周波数に対応した波長である
請求項１〜５いずれかに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、基地局アンテナ等に使用されるアレイアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
放射素子を複数備えたアレイアンテナにおける給電方式として、直列給電方式と並列給電方式が知られている。
【０００３】
直列給電方式は、コリニアアンテナや漏洩同軸ケーブル等に使用される給電方式であり、給電点より直列に放射素子が並んでいる構造となっているため、信号が伝送線路上を進むにつれ、給電位相が順次遅れていく。放射素子の配置間隔は一般に０．５波長〜１波長程度とされており、この間の伝送線路内を進む際に、誘電体等により波長が短縮され、その分位相が変化して給電がなされることになる。
【０００４】
よって、直列給電方式では、放射素子の間隔や誘電体の誘電率を調整することで、電波の放射方向（電気チルト角）を調整することができる。ただし、直列給電方式では、広帯域にわたって使用する場合には、周波数の下限と上限で、電気チルト角が著しく異なってしまうことが知られている。
【０００５】
他方、並列給電方式は、給電点より放射素子に多段に分配して並列に給電する構造となっている。並列給電方式では、給電点から各放射素子までの距離は一定となっているため、広帯域にわたって使用する場合でも、電波の放射方向は一定（同じ電気チルト角）にすることができる。
【０００６】
近年では、基地局アンテナを広帯域で使用することが多くなったため、基地局アンテナでは、並列給電方式が多用されている。
【０００７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１，２がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１３４９０４号公報
【特許文献２】特許第５１８６３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、近年、携帯電話システム等では、高い周波数帯ほど伝送速度の速い方式が採用される方向にある。このときのサービスエリアの構築としては、スモールセルの考えのもと、高い周波数帯ほどエリアを狭く（電気チルト角を深く）することが望まれている。
【００１０】
しかしながら、直列給電方式では、周波数帯ごとに電気チルト角を変化させることが可能であるが、必ずしも高い周波数帯ほど電気チルト角が深くなるわけではなく、また電力分配を細かく制御することが困難であるという問題がある。これに加え、直列給電方式では、給電電力の調整が困難なことから、サイドローブの抑制ができないという問題もある。
【００１１】
他方、並列給電方式の場合には、各周波数帯で同じ電気チルト角となってしまい、近年のエリア構築のニーズとは合致しないという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高い周波数帯ほど電気チルト角を深くすることが可能なアレイアンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、鉛直方向に配列され所望の偏波を送受信する複数の放射素子と、多段の分岐部を含み、給電点から前記各放射素子までに形成されたツリー状の給電線路と、を備え、複数の周波数帯で使用される多周波共用のアレイアンテナであって、前記分岐部は、前記給電線路を上下に２つに分岐するように構成され、前記放射素子側から数えてｎ段目の前記分岐部を第ｎ分岐部としたとき、第ｍ分岐部にて下方に分岐する分岐給電線路に設けられ、予め設定した基準波長に対して半波長遅延させる半波長遅延回路と、ｎがｍより大きい第ｎ分岐路にて下方に分岐する分岐給電線路に設けられ、前記基準波長に対して２(n-m-1)波長遅延させるＮ波長遅延回路と、を備え、前記半波長遅延回路を介して給電される前記放射素子の給電方向を逆方向としたアレイアンテナである。
【００１４】
前記放射素子が、ダイポールアンテナまたはスロットアンテナであり、前記半波長遅延回路を介して給電される前記放射素子への前記給電線路の信号線とグランド線の接続が、前記半波長遅延回路を介さずに給電される前記放射素子と逆になるように構成されていてもよい。
【００１５】
前記放射素子が、鉛直方向に平行に配置されたグランド板と、前記グランド板と離間して平行配置された放射板と、前記グランド板と放射板とを電気的に接続する給電ピンと、を備えたパッチアンテナからなり、前記半波長遅延回路を介して給電される前記放射素子における前記放射板への前記給電ピンの接続位置と、前記半波長遅延回路を介さずに給電される前記放射素子における前記放射板への前記給電ピンの接続位置とは、前記半波長遅延回路を介して給電される前記放射素子と前記半波長遅延回路を介さずに給電される前記放射素子との中心に対して対称の位置となっていてもよい。
【００１６】
前記Ｎ波長遅延回路と前記半波長遅延回路が、同軸ケーブルまたはマイクロストリップ線路からなってもよい。
【００１７】
前記基準波長が、使用する周波数帯の中心周波数に対応した波長であってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高い周波数帯ほど電気チルト角を深くすることが可能なアレイアンテナを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係るアレイアンテナの概略構成図である。
【図２】本発明において、パッチアンテナの逆相給電を説明する図である。
【図３】（ａ）は１９００ＭＨｚ、（ｂ）は２５６０ＭＨｚ、（ｃ）は３５００ＭＨｚの周波数におけるアレイファクタによる指向性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係るアレイアンテナの概略構成図である。
【００２２】
図１に示すように、アレイアンテナ１は、複数の周波数帯で使用される多周波共用のアレイアンテナであり、鉛直方向に配列され所望の偏波を送受信する複数の放射素子２と、多段の分岐部３を含み、給電点４から各放射素子２までに形成されたツリー状（トーナメント状）の給電線路５と、を備えている。アレイアンテナ１は、つまり、給電方式として並列給電方式を採用したものである。なお、本実施形態では、ツリー状（トーナメント状）の給電線路５は、給電点４から各放射素子２までの線路長が等しくなるように形成されている。
【００２３】
ここでは、アレイアンテナ１を、１．９ＧＨｚ帯、２．５ＧＨｚ帯、３．５ＧＨｚ帯の３周波数帯共用のアンテナとする場合について説明する。図１では、放射素子２が垂直偏波のダイポールアンテナである場合を示しているが、放射素子２の具体的な構造はこれに限定されるものではない。
【００２４】
分岐部３は、給電線路５を上下に２つに分岐するように構成されている。ここで、上下に分岐するとは、鉛直方向上方に配置された放射素子２へ給電する分岐給電路６と、鉛直方向下方に配置された放射素子２へ給電する分岐給電路６とに分岐するという意味であり、分岐部２の直近で上下に配線されている必要はない。
【００２５】
以下、放射素子２側から数えてｎ段目の分岐部３を第ｎ分岐部と呼称する。本実施形態では、一例として、給電線路５を３段構成とする場合を説明する。図１では、第１分岐部を３ａ、第２分岐部を３ｂ、第３分岐部を３ｃで示している。
【００２６】
本実施形態では、複数（ここでは２個）の放射素子２ごとにブロックを形成しており、第１分岐部３ａにおける分岐点は各ブロックの給電点となっている。第１分岐部３ａは、つまり、各ブロックの各放射素子２に給電を行うべく分岐を行う部分である。なお、ここでは各ブロックの放射素子２の数を２個としているが、放射素子２の数は１個以上であればよく、通常は２〜４個とされる。よって、第１分岐部３ａは３分岐以上であってもよいし、放射素子２の数が１個の場合は省略可能である。このように、放射素子２の数は、偶数個に限らない。
【００２７】
さて、本実施形態に係るアレイアンテナ１は、第ｍ分岐部にて下方に分岐する分岐給電線路６に設けられ、予め設定した基準波長に対して半波長遅延させる半波長遅延回路７（遅延させる位相角は１８０度）と、ｎがｍより大きい第ｎ分岐路にて下方に分岐する分岐給電線路６に設けられ、基準波長に対して２(n-m-1)波長遅延させるＮ波長遅延回路８（Ｎは整数、遅延させる位相角は３６０×Ｎ度）と、を備えている。
【００２８】
ここでは、ｍ＝２とし、第２分岐部３ｂにて下方に分岐する分岐給電線路６に半波長遅延回路７を設け、第３分岐路３ｃにて下方に分岐する分岐給電線路６に、基準波長に対して２(3-2-1)＝１波長遅延させるＮ波長遅延回路（１波長遅延回路）８を設けている。
【００２９】
なお、４段構成とする場合は、第４分岐路にて下方に分岐する分岐給電線路６に、２(4-2-1)＝２波長遅延させるＮ波長遅延回路（２波長遅延回路）８を設け、さらに５段構成とする場合は、第５分岐路にて下方に分岐する分岐給電線路６に、２(5-2-1)＝４波長遅延させるＮ波長遅延回路（４波長遅延回路）８を設けるとよい。
【００３０】
Ｎ波長遅延回路８と半波長遅延回路７は、同軸ケーブルまたはマイクロストリップ線路から構成されてもよい。また、ここでは、基準波長を、使用する周波数帯の中心周波数に対応する波長としたが、基準波長は適宜選択可能であり、例えば、使用する周波数帯の最低周波数に対応する波長としてもよい。
【００３１】
さらに、本実施形態に係るアレイアンテナ１では、半波長遅延回路７を介して給電される放射素子２の給電方向を逆方向としている。
【００３２】
本実施形態で放射素子２として用いているダイポールアンテナでは、給電線路５の信号線（同軸ケーブルの場合は中心導体）を一方の棒状素子に、グランド線（同軸ケーブルの場合は外部導体）をもう一方の棒状素子に接続し励振に寄与させる方式をとっている。また例えば、プリント基板ダイポールアンテナでは、マイクロストリップラインをバラン周辺で折り曲げ、電界を発生してアンテナ素子を励振させている。
【００３３】
このように、放射素子２に給電を行う際には給電方向が存在し、この給電方向を逆方向にすれば、周波数によらず給電は逆相となる。つまり、「放射素子２の給電方向を逆方向とする」とは、給電位相が周波数によらず逆相となるように機械的に給電方向を異ならせることを意味する。以下、「放射素子２の給電方向を逆方向とする」ことを逆相給電という場合がある。
【００３４】
本実施形態に係るアレイアンテナ１では、ダイポールアンテナを用いているため、給電線路５の信号線とグランド線の接続を逆にすれば給電方向が逆方向になる。つまり、アレイアンテナ１では、半波長遅延回路７を介して給電される放射素子２への給電線路５の信号線とグランド線の接続が、半波長遅延回路７を介さずに給電される放射素子２と逆になるように構成されている。なお、これは、放射素子２としてスロットアンテナを用いた場合も同様である。
【００３５】
放射素子２としてパッチアンテナを用いる場合、給電ピンを設ける位置を異ならせることで逆相給電を実現できる。具体的には、図２に示すように、パッチアンテナ２１は、鉛直方向に平行に配置されたグランド板２２と、グランド板２２と離間して平行配置された放射板２３と、グランド板２２と放射板２３とを電気的に接続する給電ピン２４と、を備えているが、この給電ピン２４の放射板２３への接続位置を上下対称の位置（放射板２３の鉛直方向における中心に対して線対称の位置）に移動することで、垂直偏波の逆相給電が実現できる。なお、水平偏波、円偏波でも同様な手段を取れるのは自明である。
【００３６】
このように、放射素子２としてパッチアンテナを用いる場合には、半波長遅延回路７を介して給電される放射素子２における放射板２３への給電ピン２４の接続位置と、半波長遅延回路７を介さずに給電される放射素子２における放射板２３への給電ピン２４の接続位置とは、半波長遅延回路７を介して給電される放射素子２と半波長遅延回路７を介さずに給電される放射素子３との中心に対して対称（本実施形態では、上下対称）の位置とされる。なお、放射素子２が水平に配列されている場合には、半波長遅延回路７を介して給電される放射素子２における放射板２３への給電ピン２４の接続位置と、半波長遅延回路７を介さずに給電される放射素子２における放射板２３への給電ピン２４の接続位置とは、左右対称の位置とされてもよい。
【００３７】
つまり、垂直偏波の逆相給電は、放射素子２を上下反転して配置することで実現可能であるともいえる。なお、ここで説明した放射素子２はあくまで一例であり、方向性がある給電を行うものであれば、どのような放射素子２でも用いることができる。また、水平偏波、円偏波でも同様に逆方向の給電をすれば逆相になる。
【００３８】
図１に戻り、図１における最も上の放射素子２のブロックを第１ブロックとし、その下方の放射素子２のブロックを順次第２ブロック、第３ブロック、第４ブロックと呼称する。本実施形態では、第１ブロックには遅延回路を介さずに給電がなされ、第２ブロックには半波長遅延回路７を介して給電がなされると共に逆相給電され、第３ブロックにはＮ波長遅延回路８を介して給電がなされ、第４ブロックには、半波長遅延回路７とＮ波長遅延回路８を介して給電がなされると共に逆相給電される。
【００３９】
よって、基準波長における第ｉブロックの位相遅延量φｉ（°）は、下式（１）
φｉ＝（ｉ−１）×１８０      ・・・（１）
で表すことができる。なお、各ブロック内において、電気チルト角制御用の位相遅延や、サイドローブ抑制のための振幅制御を、複数の放射素子２に対して個別に行うようにしてもよい。
【００４０】
Ｎ波長遅延回路８を設けることで、周波数ごとに位相を異ならせ電気チルト角を異ならせることが可能になるが、使用周波数の幅が広いほど位相差が大きくなってしまう。本実施形態では、これを補正するために、半波長遅延回路７と逆相給電を組み合わせて用いている。
【００４１】
一例として、本実施形態に係るアレイアンテナ１において、給電条件等を表１に示すとおりに設定したときのアレイファクタによる指向性図を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、表１の条件は計算の一例であって、放射素子２の数や給電位相、各放射素子２の給電電力比等の種々の条件は、要求されるサービスエリアの広さ等に応じて適宜選択可能である。
【００４２】
【表１】
2016152589.tif 000003
【００４３】
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、１．９ＧＨｚ帯（１９００ＭＨｚ）では電気チルト角が浅く、２．５ＧＨｚ帯（２５６０ＭＨｚ）、３．５ＧＨｚ帯（３５００ＭＨｚ）と周波数帯が高くなるにしたがって、電気チルト角が深くなっていることがわかる。
【００４４】
電気チルト角が深くなるということはサービスエリアが小さくなるということであり、アレイアンテナ１では、特に２．５ＧＨｚ帯、３．５ＧＨｚ帯でスモールセルが形成できていることがわかる。なお、３．５ＧＨｚ帯では、天空方向に大きなグレーチングローブが発生しているが、放射素子２の垂直面指向性（６０度〜８０度程度）を加味すればこのサイドローブは小さくなり、また上空方向になることから、実用上問題はなくなる。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態に係るアレイアンテナ１では、第ｍ分岐部にて下方に分岐する分岐給電線路６に設けられ、予め設定した基準波長に対して半波長遅延させる半波長遅延回路７と、ｎがｍより大きい第ｎ分岐路にて下方に分岐する分岐給電線路６に設けられ、基準波長に対して２(n-m-1)波長遅延させるＮ波長遅延回路８と、を備え、半波長遅延回路７を介して給電される放射素子２の給電方向を逆方向としている。
【００４６】
これにより、高い周波数帯ほど電気チルト角を深くすることが可能になる。その結果、簡単な構成で、高い周波数帯ほどサービスエリアを狭くしたいという近年の要求に応えることが可能になる。
【００４７】
また、本実施形態では、並列給電方式を採用しているため、パワー分配を任意に設定可能であり、直列給電方式と比較してサイドローブを抑制することが可能である。
【００４８】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【００４９】
例えば、半波長遅延回路７やＮ波長遅延回路８は、各放射素子２の給電回路に設けても構わない。ただし、この場合、半波長遅延回路７やＮ波長遅延回路８が多数必要になるため、高コストとなってしまう。コスト低減の観点からは、半波長遅延回路７やＮ波長遅延回路８は分岐給電線路６に設けることが望ましい。
【符号の説明】
【００５０】
１  アレイアンテナ
２  放射素子
３  分岐部
４  給電点
５  給電線路
６  分岐給電線路
７  半波長遅延回路
８  Ｎ波長遅延回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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