(57)【要約】【課題】垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅とを一致させることのできる構成を持つ偏波共用アンテナを提供する。【解決手段】共振周波数が同じ二つのダイポールアンテナ２１，２３を直交配置して構成されたクロスダイポールアンテナ２０と、反射器１０とを含む。反射器１０は、一つの球面と一つの平面との交線である円で当該球面を分けて得られる曲面のうち面積が大きくない方の形状を反射面として持つ部分球面反射部１１を含む。クロスダイポールアンテナ２０は、上記球面を表面に持つ球体の中心と上記円の中心とを結ぶ直線と上記反射面との交点から当該直線に沿って上記円に向かって共振周波数に対応する波長の１／４の長さ離れた位置に、当該直線が各ダイポールアンテナ２１，２３を構成するアンテナ素子２１ａ，２３ａそれぞれの延伸方向と直交するように配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振周波数が同じ二つのダイポールアンテナを直交配置して構成されたクロスダイポールアンテナと、
反射器と
を含む偏波共用アンテナであって、
上記反射器は、
一つの球面と一つの平面との交線である円で当該球面を分けて得られる曲面のうち面積が大きくない方の形状を反射面として持つ部分球面反射部を含み、
上記クロスダイポールアンテナは、
上記球面を表面に持つ球体の中心と上記円の中心とを結ぶ直線と上記反射面との交点から当該直線に沿って上記円に向かって上記共振周波数に対応する波長の１／４の長さ離れた位置に、当該直線が上記各ダイポールアンテナを構成するアンテナ素子それぞれの延伸方向と直交するように配置されている
ことを特徴とする偏波共用アンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載の偏波共用アンテナにおいて、
上記反射器は、さらに、上記円の直径と等しい直径の筒状の反射面を持つ筒状反射部を含み、
上記筒状反射部は、
上記筒状反射部の反射面が上記部分球面反射部の反射面に接続するように配置されている
ことを特徴とする偏波共用アンテナ。
【請求項３】
請求項２に記載の偏波共用アンテナにおいて、
上記筒状反射部の反射面の上記直線に平行な方向の長さは上記波長の0.058倍以上0.175倍以下である
ことを特徴とする偏波共用アンテナ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の偏波共用アンテナにおいて、
上記球体の半径は、上記波長の０．３５倍以上０．７０倍以下である
ことを特徴とする偏波共用アンテナ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の偏波共用アンテナにおいて、
上記球体の中心から上記部分球面反射部の反射面を見込んだ開き角は８０°以上である
ことを特徴とする偏波共用アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体無線通信や固定無線通信などに利用可能な偏波共用アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動体通信のトラフィックは２倍／年のペースで増大しているため、無線リソースの効率化が望まれている。このため、移動体通信用基地局アンテナでは、周波数利用効率と無線伝送速度をあげるMIMO（multiple-input and multiple-output）技術が採用されている。MIMO技術によると、多くのアンテナが必要であるが、基地局アンテナを設置するスペースの制約を考慮して、直交する垂直偏波と水平偏波を共用する偏波共用アンテナが多く使われている。しかし、大地と垂直に配置された垂直偏波用ダイポールアンテナと大地と水平に配置された水平偏波用ダイポールアンテナとで構成される偏波共用アンテナによると、垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅とが異なることが知られている。このため、このような偏波共用アンテナにおいて両者の水平面内ビーム幅をできるだけ一致させるために、様々な技術が開発されている（例えば特許文献１、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平09-98019号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】木村泰子、恵比根佳雄、“移動通信における基地局用３セクタ偏波ダイバーシチアンテナの狭ビーム化”、信学技報、AP2005-94、pp.623-67、Oct.2005.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている発明によると、一つの平板状反射器に対して、二つの垂直偏波用ダイポールアンテナと一つの水平偏波用ダイポールアンテナを組み合わせる必要があり、さらに、二つの垂直偏波用ダイポールアンテナによる水平面内ビーム幅と一つの水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅を一致させるために、各ダイポールアンテナを構成する各アンテナ素子と平板状反射器との距離だけでなく、二つの垂直偏波用ダイポールアンテナを構成する各アンテナ素子の水平距離も調整する必要がある。このため、部品点数ならびに調整すべき要素が多いという問題があった。
【０００６】
本発明は、垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅とを一致させることのできる簡易な構成を持つ偏波共用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】
【０００７】
本発明の偏波共用アンテナは、共振周波数が同じ二つのダイポールアンテナを直交配置して構成されたクロスダイポールアンテナと、反射器とを含む偏波共用アンテナであって、反射器は、一つの球面と一つの平面との交線である円で当該球面を分けて得られる曲面のうち面積が大きくない方の形状を反射面として持つ部分球面反射部を含み、クロスダイポールアンテナは、上記球面を表面に持つ球体の中心と上記円の中心とを結ぶ直線と上記反射面との交点から当該直線に沿って上記円に向かって共振周波数に対応する波長の１／４の長さ離れた位置に、当該直線が各ダイポールアンテナを構成するアンテナ素子それぞれの延伸方向と直交するように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に拠れば、一つの垂直偏波用ダイポールアンテナと一つの水平偏波用ダイポールアンテナとで構成されるクロスダイポールアンテナに対して上記部分球面反射部を組み合わせた簡易な構成でありながら、垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅とを一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態の偏波共用アンテナの正面図。
【図２】実施形態の偏波共用アンテナの断面図（A-A’線断面図）。
【図３】実施形態の偏波共用アンテナにおける、垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅（Ｒ＝0.35λ）。
【図４】実施形態の偏波共用アンテナにおける、垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅（Ｒ＝0.53λ）。
【図５】実施形態の偏波共用アンテナにおける、垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅（Ｒ＝0.70λ）。
【図６】参考例の偏波共用アンテナ。（ａ）正面図。（ｂ）断面図（B-B’線断面図）。
【図７】参考例の偏波共用アンテナにおける、垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１と図２に示すように、本実施形態の偏波共用アンテナ１００は、クロスダイポールアンテナ２０と反射器１０を含む。
【００１１】
＜クロスダイポールアンテナ＞
クロスダイポールアンテナ２０は、従来から知られている構成を持ち、共振周波数ｆが同じ二つのダイポールアンテナ２１，２３で構成されている。また、これら二つのダイポールアンテナ２１，２３は直交配置されている。以下、この構成について説明する。
【００１２】
ダイポールアンテナ２１は、大地に対して垂直な仮想直線Ｌ21に沿って間隔を少し開けて配置された一対のアンテナ素子２１ａと、対向する二つのアンテナ素子２１ａの一端のそれぞれに接続されている給電線２１ｂとで構成されている。ダイポールアンテナ２１が半波長ダイポールアンテナである場合、アンテナ素子２１ａはそれぞれ、通常、仮想直線Ｌ21と平行な方向に延伸形成された形状を持つ電気伝導体であり、共振周波数ｆに対応する波長λの１／４の長さよりも数パーセントの短縮率だけ短い長さを有する。各給電線２１ｂは例えば同軸ケーブルである。以下、ダイポールアンテナ２１を垂直偏波用ダイポールアンテナ２１と呼称する。
【００１３】
また、ダイポールアンテナ２３は、大地に対して水平な仮想直線Ｌ23に沿って間隔を少し開けて配置された一対のアンテナ素子２３ａと、対向する二つのアンテナ素子２３ａの一端のそれぞれに接続されている給電線２３ｂとで構成されている。ダイポールアンテナ２３が半波長ダイポールアンテナである場合、アンテナ素子２３ａはそれぞれ、通常、仮想直線Ｌ23と平行な方向に延伸形成された形状を持つ電気伝導体であり、上記波長λの１／４の長さよりも数パーセントの短縮率だけ短い長さを有する。各給電線２３ｂは例えば同軸ケーブルである。以下、ダイポールアンテナ２３を水平偏波用ダイポールアンテナ２３と呼称する。
【００１４】
仮想直線Ｌ21および仮想直線Ｌ23に垂直な方向から垂直偏波用ダイポールアンテナ２１と水平偏波用ダイポールアンテナ２３を見たとき（図１参照）、対向する二つのアンテナ素子２１ａ間の空隙と対向する二つのアンテナ素子２３ａ間の空隙とが部分一致するように、垂直偏波用ダイポールアンテナ２１と水平偏波用ダイポールアンテナ２３が配置されている。特に、本実施形態では、仮想直線Ｌ21と仮想直線Ｌ23は交点Ｐ（図示せず）を持ち、一対のアンテナ素子２１ａは、この交点Ｐに関して対称となるように仮想直線Ｌ21に沿って配置されており、一対のアンテナ素子２３ａは、この交点Ｐに関して対称となるように仮想直線Ｌ23に沿って配置されている。
【００１５】
＜反射器＞
反射器１０は、部分球面を反射面として持つ部分球面反射部１１と、必要に応じて、筒状の反射面を持つ筒状反射部１３を含む。以下、この構成について説明する。
【００１６】
上記部分球面は、正確には、一つの球面と一つの平面Ｈとの交線である円でこの球面を分けて得られる曲面のうち面積が大きくない方の形状を有する。部分球面反射部１１は、このような部分球面を電磁波の反射面として持てば十分であり、この他の条件に特段の限定は無いが、例えば、肉薄の金属で形成される。
【００１７】
筒状反射部１３の筒状反射面の直径は上記円の直径と等しい。筒状反射部１３は、このような筒状反射面を電磁波の反射面として持てば十分であり、この他の条件に特段の限定は無いが、例えば、肉薄の金属で形成される。筒状反射部１３は、筒状反射部１３の反射面が部分球面反射部１１の反射面に接続するように配置されている。特に、本実施形態では、部分球面反射部１１と筒状反射部１３は一体に形成されており、筒状反射部１３の反射面は部分球面反射部１１の反射面に連続的に接続している。
【００１８】
＜クロスダイポールアンテナと反射器の配置関係＞
クロスダイポールアンテナ２０は、上記球面を表面に持つ球体の中心Ｇと上記円の中心とを結ぶ仮想直線Ｌ1と部分球面反射部１１の反射面との交点Ｃ（図示せず）から仮想直線Ｌ1に沿って上記円に向かって上記波長λのほぼ１／４の長さｄだけ離れた位置に配置されている。特に、本実施形態では、仮想直線Ｌ21と仮想直線Ｌ23との交点Ｐは仮想直線Ｌ1上にあり、交点Ｐと上記交点Ｃとの距離がｄである。また、各ダイポールアンテナ２１，２３を構成するアンテナ素子２１ａ，２３ａそれぞれの延伸方向（つまり、仮想直線Ｌ21および仮想直線Ｌ23）は仮想直線Ｌ1と直交している。換言すれば、仮想直線Ｌ21が上記平面Ｈと平行であるか平面Ｈ上にあり、且つ、仮想直線Ｌ23が上記平面Ｈと平行であるか平面Ｈ上にあるように、反射器１０に対してクロスダイポールアンテナ２０が配置されている。
【００１９】
部分球面反射部１１は、上記交点Ｃの近傍に、４個の貫通孔（図示せず）が形成されている。垂直偏波用ダイポールアンテナ２１の各給電線２１ｂは対応する貫通孔を挿通しており、例えば図示しない絶縁体を介して給電線２１ｂと部分球面反射部１１との電気的絶縁が保たれている。同様に、水平偏波用ダイポールアンテナ２３の各給電線２３ｂは対応する貫通孔を挿通しており、例えば図示しない絶縁体を介して給電線２３ｂと部分球面反射部１１との電気的絶縁が保たれている。各給電線２１ｂは、必要に応じて、バラン（balun）などを介して垂直偏波用ダイポールアンテナ２１用の給電回路（図示せず）に接続されている。また、各給電線２３ｂは、必要に応じて、バランなどを介して水平偏波用ダイポールアンテナ２３用の給電回路（図示せず）に接続されている。給電方法などは、従来のクロスダイポールアンテナと同じであるから説明を省略する。
【００２０】
＜水平面内ビーム幅＞
偏波共用アンテナ１００について、垂直偏波用ダイポールアンテナ２１の水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナ２３の水平面内ビーム幅を図３〜図５に示す。各図では、縦軸は水平面内ビーム幅である電力半電幅（half power beamwidth）[°]を表し、横軸は開き角θ[°]を表している。また、各図において、ｈは筒状反射部１３の高さ（仮想直線Ｌ1に平行な方向の長さ）を表しており、Ｒは上記球体の半径を表している。開き角θは、上記球体の中心Ｇから部分球面反射部１１の反射面を見込んだ角度であり、換言すれば、仮想直線Ｌ1を含む任意の平面と上記円との二つの交点と上記球体の中心Ｇとが成す三角形において当該二つの交点を結ぶ線分を底辺としたときの頂角である。
【００２１】
図３〜図５からわかるように、上記球体の半径Ｒが少なくとも上記波長λの０．３５倍以上０．７０倍以下の範囲内において、開き角θと筒状反射部１３の高さｈの組み合わせに応じて、垂直偏波用ダイポールアンテナ２１の水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナ２３の水平面内ビーム幅とを一致させることができる。また、筒状反射部１３は必須ではないが（つまり、高さｈ＝０の場合）、高さｈが少なくとも上記波長λの0.058倍以上0.175倍以下の範囲内であれば、筒状反射部１３が無い場合に比べて、垂直偏波用ダイポールアンテナ２１の水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナ２３の水平面内ビーム幅との差が著しく大きくなってしまうようなことはなく、むしろ、高さｈが概ね上記波長λの0.110倍以上0.120倍以下の範囲内では、開き角θに依らず、垂直偏波用ダイポールアンテナ２１の水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナ２３の水平面内ビーム幅との差が実用上十分に小さくなり（約１０°以下）、筒状反射部１３の有用性を確認できる。また、開き角θが小さくなると垂直偏波用ダイポールアンテナ２１の水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナ２３の水平面内ビーム幅との差が大きくなる傾向があるので、実用上、開き角θは８０°以上であることが好ましい。
【００２２】
参考までに、上述の偏波共用アンテナ１００とは異なる偏波共用アンテナ９００における垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅を図７に示す。なお、偏波共用アンテナ９００は、反射器１０に替えて反射器５０を持っている点で、偏波共用アンテナ１００と異なる（図６参照）。反射器５０は、部分球面反射部ではなく、正方形平板状の平板反射部を持っている。また、比較のため、平板反射部の四辺それぞれに矩形平板状の側壁反射部がクロスダイポールアンテナに向かって延伸形成されている場合（ただし、図６に示すように隣接する側壁反射部は互いに接続している）の各水平面内ビーム幅も図７に示している。クロスダイポールアンテナは、平板反射部から長さｄ＝λ/4だけ離れた位置に配置されている。図７からわかるように、図６に示す偏波共用アンテナ９００によると、平板反射部の辺の長さＷと側壁反射部の高さｇとの組み合わせに応じて、垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅との差をある程度小さくすることはできるものの、垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅とを一致させることはできない。このことから、部分球面反射部の有用性を確認できる。
【００２３】
このように、本発明によると、従来のクロスダイポールアンテナに少なくとも部分球面反射部を持つ反射器を組み合わせた簡易な構成でありながら、垂直偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅と水平偏波用ダイポールアンテナの水平面内ビーム幅とを一致させることができる。
【００２４】
この他、本発明は上述の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適宜変更が可能である。
【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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