(57)【要約】【課題】複数偏波に対応可能で均等な水平面内全方向パターンを得ることのできる水平面内全方向性アレイアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置１００は、円筒形の導体２０と、導体２０の円周まわりに外周表面から等距離に互いに等間隔に配置されたパッチアンテナ１０ａ〜１０ｄを有する第１段のパッチアンテナアレイ１１と、導体２０の円周まわりに外周表面から等距離に互いに等間隔に配置されたパッチアンテナ１０ｅ〜１０ｈを有し、導体２０の円筒軸を中心に第１段のパッチアンテナアレイ１１から回転移動させた位置に第１段のパッチアンテナアレイ１１と平行に配置された第２段のパッチアンテナアレイ１２とを備える。第１段および第２段のパッチアンテナアレイ１１および１２を構成する各パッチアンテナ１０ａ〜ｈは、それぞれ同一の給電回路により給電される２つの給電ポートを有し、各給電ポートは位相差給電される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形の導体と、
前記導体の円周まわりに外周表面から等距離に、互いに等間隔に配置された４つのパッチアンテナを有する第１段のパッチアンテナアレイと、
前記導体の円周まわりに外周表面から等距離に、互いに等間隔に配置された４つのパッチアンテナを有し、前記導体の円筒軸を中心に前記第１段のパッチアンテナから回転移動させた位置に前記第１段のパッチアンテナアレイと平行に配置された第２段のパッチアンテナアレイと、
を備え、
前記第１段および第２段のパッチアンテナアレイを構成する前記各パッチアンテナは、それぞれ同一の給電回路により給電される２つの給電ポートを有し、
前記各給電ポートは位相差給電されることを特徴とする複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アレイアンテナ装置。
【請求項２】
円筒形の導体と、
前記導体の円周まわりに外周表面から等距離に、互いに等間隔に配置された４つのパッチアンテナを有する第１段のパッチアンテナアレイと、
前記導体の円周まわりに外周表面から等距離に、互いに等間隔に配置された４つのパッチアンテナを有し、前記導体の円筒軸を中心に前記第１段のパッチアンテナを回転移動させた位置に前記第１段のパッチアンテナアレイと平行に配置された第２段のパッチアンテナアレイと、
を備え、
前記第１段のパッチアンテナアレイと前記第２段のパッチアンテナアレイとを一組として複数の前記組が前記導体の外周に沿って平行に配置され、
前記第１段および第２段のパッチアンテナアレイを構成する前記各パッチアンテナは、それぞれ同一の給電回路により給電される２つの給電ポートを有し、
前記各給電ポートは位相差給電されることを特徴とする複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アレイアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
前記第１段のパッチアンテナアレイと前記第２段のパッチアンテナアレイとは、前記導体の円筒軸を中心に一方が他方から４５°回転移動させた位置に配置され、
前記各パッチアンテナの前記各給電ポートは＋４５°位相差または−４５°位相差で給電され、＋４５°偏波または−４５°偏波の送受信を行うことを特徴とする複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アレイアンテナ装置。
【請求項４】
請求項３に記載のアンテナ装置において、
前記各パッチアンテナの前記各給電ポートはさらに、同相給電、逆相給電、＋９０°位相差給電または−９０°位相差給電され、垂直偏波、水平偏波、右旋円偏波または左旋円偏波の送受信を行うことを特徴とする複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アレイアンテナ装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のアンテナ装置において、
前記各パッチアンテナは、円形またはパッチの中心を通る水平軸、垂直軸若しくは４５°軸に関して対称な４×ｎ多角形の形状を有することを特徴とする複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアンテナ装置に係り、より詳細には移動体通信システムにおける基地局等に用いられる複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話の基地局アンテナにおいて、複数のパッチアンテナをアレイ状に配置して水平面内で全方向性パターンを確保しようとするものが知られている。こうしたアンテナ装置の例として、特許文献１乃至３に記載のアンテナ装置を参照することができる。
特許文献１乃至３に記載のアンテナ装置は、多角形筒や円筒の形状を有する基板の外周表面上に複数のパッチアンテナを用いてアンテナアレイを形成し、これによって水平面内全方向性パターン放射を行うように構成されている。
【特許文献１】米国特許公開第２００４／０１７４３０３Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，７９１，５０７Ｂ２号明細書
【特許文献３】国際公開第９２／１７９１５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このように筒形の表面上に複数のパッチアンテナをアレイ状に配置して構成されるアンテナ装置においては、通常、水平面内の全方向性パターンが２〜３ｄＢ程度の変動を有しており、均一の全方向性放射パターンを実現することは難しい。また、従来このようなアンテナ装置は単一の偏波にしか対応しておらず、さらなる通信品質向上のために偏波ダイバーシティの適用を想定すれば、複数偏波に対応可能であることが望ましい。
【０００４】
さらに、パッチアンテナアレイを備えた水平偏波全方向性アンテナ装置は、概して、モノポールアンテナやダイポールアンテナ等の代表的な垂直偏波全方向性アンテナ装置と比較して構造が複雑になる。したがって、製造誤差がアンテナの諸特性に与える影響を少なくすることにも考慮が必要である。そして、複数のパッチアンテナを用いることから、アンテナ装置が大型化しないよう配置を工夫することも求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
これらの点に鑑み、本発明が提供する複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アンテナ装置は、円筒形の導体と、導体の円周まわりに外周表面から等距離に互いに等間隔に配置された４つのパッチアンテナを有する第１段のパッチアンテナアレイと、導体の円周まわりに外周表面から等距離に互いに等間隔に配置された４つのパッチアンテナを有し導体の円筒軸を中心に第１段のパッチアンテナから回転移動させた位置に第１段のパッチアンテナアレイと平行に配置された第２段のパッチアンテナアレイとを備える。第１段および第２段のパッチアンテナアレイを構成する各パッチアンテナはそれぞれ同一の給電回路により給電される２つの給電ポートを有し、各給電ポートは位相差給電される。
【０００６】
また、本発明がさらに提供する複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アンテナ装置は、円筒形の導体と、導体の円周まわりに外周表面から等距離に互いに等間隔に配置された４つのパッチアンテナを有する第１段のパッチアンテナアレイと、導体の円周まわりに外周表面から等距離に互いに等間隔に配置された４つのパッチアンテナを有し導体の円筒軸を中心に第１段のパッチアンテナを回転移動させた位置に第１段のパッチアンテナアレイと平行に配置された第２段のパッチアンテナアレイとを備え、第１段のパッチアンテナアレイと第２段のパッチアンテナアレイとを一組として複数の組が導体の外周に沿って平衡に配置され、第１段及び第２段のパッチアンテナアレイを構成する各パッチアンテナはそれぞれ同一の給電回路により給電される２つの給電ポートを有し、各給電ポートは位相差給電される。
【０００７】
これらのアンテナ装置において、第１段のパッチアンテナアレイと第２段のパッチアンテナアレイとは、導体の円筒軸を中心に一方が他方から４５°回転移動させた位置に配置され、各パッチアンテナの各給電ポートは＋４５°位相差または−４５°位相差で給電され、＋４５°偏波または−４５°偏波の送受信を行う。
【０００８】
あるいは、これらのアンテナ装置において、各パッチアンテナの各給電ポートはさらに、同相給電、逆相給電、＋９０°位相差給電または−９０°位相差給電され、垂直偏波、水平偏波、右旋円偏波または左旋円偏波の送受信を行ってもよい。さらに、本発明のアンテナ装置において、各パッチアンテナは、円形またはパッチの中心を通る水平軸、垂直軸若しくは４５°軸に関して対称な４×ｎ多角形の形状を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアンテナ装置は、第１段のパッチアンテナアレイと第２段のパッチアンテナアレイとが、導体の円筒軸を中心に一方が他方から回転移動させた位置に配置された構成とすることによって従来のアンテナ装置よりも水平面内の全方向性を改善し、均等な水平面内全方向パターンを得ることが可能である。また、複数偏波に対する給電回路を同一とすることによって給電ポート間のアイソレーションを高くすることができ、各々の給電ポートの反射特性を良好にすることができる。複数のパッチアンテナは互い違いに配置するため、アンテナ装置の大型化が回避される。
【００１０】
したがって、本発明によれば、小型・細径で２つの給電ポート間のアイソレーション特性が良好であり、且つ各々の給電ポートの反射特性が良好な、複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アンテナ装置を提供することができる。さらに、給電回路の構成により垂直偏波、水平偏波、右旋／左旋円偏波の送受信を可能とすることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を説明する。
図１に示すのは、本発明の一実施例による水平面内全方向性アンテナ装置である。アンテナ装置１００は、円筒形の導体２０と、導体２０の外周に配置された第１段のパッチアンテナアレイ１１および第２段のパッチアンテナアレイ１２とから構成されている。
【００１２】
図２（ａ）および（ｂ）は、第１段のパッチアンテナアレイ１１および第２段のパッチアンテナアレイ１２の各パッチアンテナの位置関係を示すアンテナ装置１００の上面図である。図示するように、第１段のパッチアンテナアレイ１１は、円筒形の導体２０の外周に９０°間隔で配置された４つのパッチアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄから構成されている。また、第２段のパッチアンテナアレイ１２は、円筒軸を中心にパッチアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを４５°回転させた位置に、９０°間隔で配置された４つのパッチアンテナ１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈから構成されている。
【００１３】
各パッチアンテナ１０は、例えば図３（ａ）に示すように導体２０の外周を被覆する誘電体３１の表面上に配置される。あるいは、図３（ｂ）に示すように、誘電体からなる支柱３２を用いて導体２０上に配置されてもよい。このとき、パッチアンテナ１０と導体２０との間の距離が遠すぎると所望しない偏波が放射されてしまい、好ましくない。また、近すぎるとアンテナが狭帯域になってしまうという問題がある。したがって、パッチアンテナ１０はこれらの問題を考慮し、必要な帯域に応じて適宜配置する。
【００１４】
図４は、アンテナ装置１００の構成を平面上に概略的に示したものである。各パッチアンテナ１０ａ〜１０ｈはそれぞれ２つの給電ポート１，１′、２，２′・・・を備えており、各給電ポート１，１′、２，２′・・・はそれぞれ同一の給電回路により＋４５°位相差または−４５°位相差で給電される。給電は、導体２０の内部から図示しないピン等を介して行われる。
ここで、このような２段のパッチアンテナアレイを備えたアンテナ装置１００の動作の説明に先立ち、図６乃至８を参照して、パッチアンテナアレイを１段のみとして構成したアンテナ装置について述べる。
【００１５】
図６に示すのは、円筒形の導体２０と、導体２０の外周に配置された１段のパッチアンテナアレイ１３とからなるアンテナ装置１１０である。このアンテナ装置１１０において、パッチアンテナアレイ１３は、導体２０の外周に９０°間隔で配置された４つのパッチアンテナ１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌから構成される。
【００１６】
図７はアンテナ装置１１０の構成を平面上に概略的に示したものである。各パッチアンテナ１０ｉ〜１０ｌはそれぞれ給電ポート１、２、３、４を備えており、各給電ポート１〜４はパッチアンテナ１０ｉ〜１０ｌの配置の角度に対応する位相差、すなわち９０°の位相差で給電される。このとき、例えば導体２０の外周を３λ、パッチアンテナエレメントの大きさ及び形状を一辺がλ／２の正方形とすると、各パッチアンテナ１０ｉ〜１０ｌは互いにλ／４程度離隔して配置される。各パッチアンテナ１０ｉ〜１０ｌへの給電位相を考えた場合、例えば、位相差は図７の表に示すような２種類が考えられる。
【００１７】
図８は、このアンテナ装置１１０の水平面放射パターン変動を表した図である。図示するように、アンテナ装置１１０の水平面放射パターンは、方位角ＡＺ０°〜３６０°で４Ｈｚの変動を有する。すなわち、パッチアンテナアレイが１段のみであると、水平面の放射パターンにゆらぎが現れ、均一な全方向性を実現することが難しい。
【００１８】
そこで、このゆらぎを打ち消すために、本発明の一実施例によるアンテナ装置１００においては、２段のパッチアンテナアレイを組み合わせて用いる。前述したように、第１段のアンテナアレイ１１と第２段のアンテナアレイ１２とは、導体２０の円筒軸を中心に４５°ずらして配置される。したがって、導体２０上の各パッチアンテナ１０ａ〜１０ｄと１０ｅ〜１０ｈとは互い違いに４５°間隔で配置されることとなる。そして、各パッチアンテナ１０ａ〜１０ｈの給電ポート１〜８では、配置の角度に対応する＋４５°位相差で給電が行われる。
【００１９】
図５はこのようなアンテナ装置１００の水平面でのパターン変動を示すものである。図示するように、このアンテナ装置１００においては、水平面の放射パターンが方位角ＡＺ０°〜３６０°の全方向についてほぼ均一となる。すなわち、アンテナアレイを１段しか有さないアンテナ装置１１０に比べ、水平面内の全方向性を向上できることがわかる。
【００２０】
このように、２段のアンテナアレイ１１および１２を備えることにより、アンテナ装置１００では良好な水平面内全方向性を実現することができる。また、アンテナアレイを複数備えた多段構成とすることで、ゲインアップを図ることができる。よって、例えば図９に示す本発明の別の実施例のように、第１段のアンテナアレイ１１と第２段のアンテナアレイ１２とを１組とし、これを円筒形の導体２０の外周に複数組（１１ａ，１２ａ、１１ｂ，１２ｂ・・・）スタックしたアンテナ装置１２０とすることも可能である。
【００２１】
ところで、図１および図６に示したような２段または１段のアンテナアレイを備えた構成のアンテナ装置１００および１１０においては、実際には、前述した位相給電よりも同相給電を行ったほうが放射パターンの変動を小さく抑えることができる。しかしながら、これらのアンテナ装置において位相給電を行うこととしているのは、次のような利点を有するためである。
【００２２】
アンテナ装置１００および１１０において、各パッチアンテナ１０は円筒形の導体２０上に対称配置されており、各々の反射特性および直交ポート間（例えばポート１とポート１′との間）の通過特性は同一である。ここで、図１０に示すのは給電回路の一例である。本発明において、第１段のアンテナアレイ１１を構成するパッチアンテナ１０ａ〜１０ｄの給電回路を図１０に示すように構成した場合、各パッチアンテナ１０ａ〜１０ｄの反射波は、９０°ハイブリッド回路４０ａ〜４０ｄのアイソレーションポートには現れるが、１８０°ハイブリッド回路５０１および５０２につながるポートには現れない。同様に、各パッチアンテナ１０ａ〜１０ｄの通過波も、９０°ハイブリッド回路４０ａ〜４０ｄのアイソレーションポートのみに現れ、１８０°ハイブリッド回路５０１および５０２につながるポートには現れない。
【００２３】
このように、製造誤差等によって発生する反射特性、アイソレーション特性、全方向性等の特性不良の大部分を９０°ハイブリッド回路のアイソレーションポートによって吸収することができるため、製品不良率の改善に大きく貢献することができる。
【００２４】
これに対し、同相給電を行った場合、各パッチアンテナ１０ａ〜１０ｄの反射特性、直交ポート間通過特性はそのまま±４５°偏波ポートに現れる。すなわち、位相差給電の場合と異なり、製造誤差等によって発生する反射特性、アイソレーション特性、全方向性等の特性不良はそのまま±４５°偏波ポートに現れてしまう。さらに、±４５°偏波ポートが完全整合でなければ給電回路内の多重反射が発生し、全方向性や偏波分離特性を劣化させてしまうという問題もある。そのため、位相差給電を行うことがより好ましいといえる。
【００２５】
なお、図１０に示す給電回路には、１８０°ハイブリッド回路５０１および５０２の±４５°偏波ポートに図１１（ａ）に示すような９０°ハイブリッド回路や図１１（ｂ）に示すような１８０°ハイブリッド回路をさらに接続することも可能である。これにより、右旋／左旋円偏波、垂直／水平偏波の２偏波用アンテナを構成することができる。
【００２６】
また、本発明のアンテナ装置において、パッチアンテナのアンテナエレメント形状は正方形に限られず、直交２偏波が放射できる形状、すなわちパッチの中心を通る水平軸、垂直軸、４５°軸に関して対称な形状であればどのような形であってもよい。したがって、図１２（ａ）に示すように円形としてもよいし、あるいは図１２（ｂ）〜（ｄ）に示すような４×ｎ多角形とすることができる。いずれの形状であっても、正方形の場合と同様の性能を実現することが可能である。
【００２７】
以上、本発明の好適な実施例を説明したが、本発明はこれに限られることなく、例えばパッチアンテナの配置や給電方法を適宜変更することにより、他にも様々に実施することができる。
したがって、各パッチアンテナの給電ポートで同相給電、逆相給電、＋９０°位相差給電または−９０°位相差給電を行い、垂直偏波、水平偏波、右旋円偏波または左旋円偏波の送受信を行うことのできるアンテナ装置とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のアンテナ装置の一実施例を示す図。
【図２】本発明のアンテナ装置におけるパッチアンテナの配置を説明する図。
【図３】本発明のアンテナ装置におけるパッチアンテナの配置を説明する図。
【図４】本発明のアンテナ装置の構成を説明する図。
【図５】本発明のアンテナ装置の水平面内放射パターン変動を示す図。
【図６】本発明との比較用のアンテナ装置を示す図。
【図７】比較用のアンテナ装置の構成を説明する図。
【図８】比較用のアンテナ装置の水平面内放射パターン変動を示す図。
【図９】本発明のアンテナ装置の別の実施例を示す図。
【図１０】本発明のアンテナ装置の給電回路の一例を示す図。
【図１１】本発明のアンテナ装置の給電回路に追加可能なハイブリッド回路を示す図。
【図１２】本発明のアンテナ装置に用いるパッチアンテナの形状の変形例を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１００、１１０、１２０  アンテナ装置
１０、１０ａ〜１０ｌ  パッチアンテナ
１１、１１ａ〜１１ｅ  第１段のパッチアンテナアレイ
１２、１２ａ〜１２ｅ  第２段のパッチアンテナアレイ
１３  パッチアンテナアレイ
２０  導体
３１、３２  誘電体
４０ａ〜４０ｄ  ９０°ハイブリッド回路
５０１、５０２  １８０°ハイブリッド回路
【図１】
2009159225.tif 000003
【図２】
2009159225.tif 000004
【図３】
2009159225.tif 000005
【図４】
2009159225.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2009159225.tif 000009
【図８】
2009159225.tif 000010
【図９】
2009159225.tif 000011
【図１０】
2009159225.tif 000012
【図１１】
2009159225.tif 000013
【図１２】
2009159225.tif 000014