(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏波面Ａを励振できる第１のアンテナおよび第２のアンテナと偏波面Ａとは異なる偏波面Ｂを励振できる第３のアンテナと第４のアンテナとを、異なる偏波面のアンテナ同士が交互に隣接するようにして、全体を１列に配列した偏波共用アンテナアレーの２組を、別々の地板上に同一平面で、かつ各組間で同じ偏波面のアンテナ同士が隣接するように列並行に配置した偏波共用アンテナのビーム幅制御方法であって、
上記別々の地板上の２組の偏波共用アンテナアレー同士の間隔を調整して、上記偏波共用アンテナアレーの列方向に直交する方向のビーム幅を制御することを特徴とする偏波共用アンテナのビーム幅制御方法。
【請求項２】
請求項１において、第１のアンテナと第２のアンテナそれぞれの給電線路が第１の結合点に接続され、第３のアンテナと第４のアンテナそれぞれの給電線路が第２の結合点に接続され、さらに第１の結合点には偏波面Ａを励振するための第１の給電手段が接続され、第２の結合点には偏波面Ｂを励振するための第２の給電手段が接続されていることを特徴とする偏波共用アンテナのビーム幅制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水平偏波と垂直偏波のような偏波面が異なる２つの電波を用いて高信頼性通信を行う偏波ダイバーシチ通信システムなどに有用な偏波共用アンテナに関するものであり、特にサービスエリアに応じてアンテナ指向性を変更するためビーム幅の変更が求められる移動通信用基地局アンテナ等に適した偏波共用アンテナのビーム幅制御方法を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の典型的な偏波共用アンテナの例を、参考文献に基づいて説明する。
【０００３】
図１０は、参考文献１［藤本京平，“図解移動体通信用アンテナシステム”，総合電子出版社，pp.128，図4 .26 ］に示されている偏波ダイバーシチ基地局アンテナの構成図である。図１０において、701 は放射素子である円形パッチアンテナ、702 は水平偏波給電点、703 は垂直偏波給電点、704 は誘電体基板、705 はレドーム、706 は無給電素子、707 と708 は給電回路であるマイクロストリップ線路、709 はグランドプレーン（導体）を示す。このアンテナでは、放射素子として円形パッチアンテナ701 を用いており、それをマイクロストリップ線路707 と708 で給電している。また、無給電素子706 を装荷してアンテナを広帯域化し、送受信周波数帯をカバーしている。これにより１つの放射素子で２つの直交する偏波を独立に送受信することができる。また、各素子に対する給電位相を適宜設定することにより、60°〜 120°の範囲でビーム幅を変更することが可能である。
【０００４】
図１１は、参考文献２［魯向栄，苅込正敞，1996年電子情報通信学会総合大会講演論文集B -53 ］に示されている800MHz帯広帯域偏波共用アンテナの構成図である。図１１において、801 は反射器、802 は垂直偏波用のダイポール素子、803 は水平偏波用のダイポール素子、804 、805 、806 は給電線である。垂直偏波用のダイポール素子802 および水平偏波用ダイポール素子803 は、アルミの薄板で構成されている。垂直偏波用ダイポール素子802 の素子間隔を調整して、垂直、水平偏波のビーム幅をそろえている。また、水平偏波用ダイポール素子803 と垂直偏波用ダイポール素子802 は、その中央で互いに交錯して配置される。垂直ダイポール素子の上には無給電素子を配置し、広帯域化を図っている。水平ダイポール素子はこのままで必要な帯域幅を得ている。
【０００５】
図１２は、参考文献３［守安慎吾，松岡徹，中野雅之，新井宏之，1999年電子情報通信学会総合大会B1-150］に示されている“変形した無給電素子を配置した反射器付ダイポールアレイアンテナ”である。図１２において、901 はプリント基板、902 はダイポール素子、903 はアレー用給電回路、904 は背面反射板、905 は側面反射板である。ビーム幅を80°程度とするため、ダイポール素子の中心間隔を 0.325λ0 （λ0 は設計中心周波数のf0における自由空間波長）とし、比誘電率4.1 、厚さ 0.003λ0 の誘電体基板の片面に形成させた。また、その背面に無給電素子と２電力分配器、およびＱ変成回路からなる給電回路を、マイクロストリップ伝送線路により形成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示した従来のアンテナ装置の例のように、パッチアンテナ１素子で偏波共用アンテナを構成すると、２つの偏波で水平面のビーム幅をそろえることが困難であることが知られている。なお、アンテナは内部に充填する誘電体の材料定数により物理寸法が変化するため、この現象を用いてビーム幅を制御することが可能ではあるが、コスト等の問題から、制御できる範囲には限界がある。またパッチアンテナのビーム幅は地板の寸法に依存するため、これらを考慮して設計せねばならない。さらにパッチアンテナは本来狭帯域であるため、無給電素子を装荷して広帯域化が図られることが多い。しかし、無給電素子を装荷するとアンテナに高次モードが励振されるため、偏波間のアイソレーションが劣化するという問題もあった。
【０００７】
図１０に示した従来のアンテナ装置の例では、水平面のビーム幅を制御するために直交給電パッチアンテナが横方向にも配列されており、それらはすべて一枚のプリント基板上に構成されている。ただし実際の基地局アンテナでは鉄塔等への取り付けを行うために、十分な強度を有した金属取り付け部分が必要となる。またプリント基板だけではアンテナ自体としての強度も不足するため、プリント基板の背後に、適宜加工された金属板が設置されることが多い。図１０に示したアンテナ装置では、プリント基板の裏面の銅箔が反射板として動作するため、取り付け用金属板とプリント基板の間のスペースが無駄になるという問題が起こる。また、図１０のアンテナ装置では、隣接する給電系の位相を制御することによりビーム幅を変更できるが、基地局のような広帯域での利用を想定した場合、位相の周波数特性によるビーム幅変動が問題となる。
【０００８】
図１１に示した従来のアンテナ装置の例では、垂直偏波のビーム幅制御が可能であるが、水平偏波のビーム幅制御に関する自由度が少ない。また垂直偏波用にダイポール素子を用いているため、アンテナ側面方向への放射を反射板等を用いて抑制する必要がある。反射板を用いない場合には、水平方向への放射を打ち消すために、ダイポール素子間隔を約半波長程度にする必要があるため、実現できるビーム幅が制限されてしまうという問題がある。またダイポール素子への給電線が、素子及び背面反射板に対して垂直に設置されているため、アレー化した場合、構造が複雑になるという問題がある。また、アンテナ素子部分とアレー用給電回路を独立に製作するため、製作コストが高くなるという問題がある。
【０００９】
また図１２のアンテナ装置では、２つのダイポール素子を一点給電で同時に励振するために、インピーダンス変換回路付き分岐回路が必要である。この分岐回路は、各ダイポール素子の中央部分を接続している導体帯上に完全に配置する必要がある。このような構造の場合、アンテナ素子とアレー用給電回路を同時に製作できないため、製作に手間がかかり、コストの増加につながる。また、ビーム幅の任意制御を行うためには側面反射板が必要となるという問題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記のような従来の偏波共用アンテナに内在する課題を解決するために、本発明においては、以下のように構成する。
（１）  偏波面Ａを励振できる第１のアンテナおよび第２のアンテナと偏波面Ａとは異なる偏波面Ｂを励振できる第３のアンテナと第４のアンテナとを、異なる偏波面のアンテナ同士が交互に隣接するようにして、全体を１列に配列した偏波共用アンテナアレーの２組を、別々の地板上に同一平面で、かつ各組間で同じ偏波面のアンテナ同士が隣接するように列並行に配置した偏波共用アンテナのビーム幅制御方法であって、
上記別々の地板上の２組の偏波共用アンテナアレー同士の間隔を調整して、上記偏波共用アンテナアレーの列方向に直交する方向のビーム幅を制御することを特徴とする偏波共用アンテナのビーム幅制御方法の構成。
（２）  前項（１）の構成において、第１のアンテナと第２のアンテナそれぞれの給電線路が第１の結合点に接続され、第３のアンテナと第４のアンテナそれぞれの給電線路が第２の結合点に接続され、さらに第１の結合点には偏波面Ａを励振するための第１の給電手段が接続され、第２の結合点には偏波面Ｂを励振するための第２の給電手段が接続されていることを特徴とする偏波共用アンテナのビーム幅制御方法の構成。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施例について説明する。
実施例１
図１は本発明の第１の実施例のアンテナ装置の構成図である。なお、ここでは垂直偏波と水平偏波を用いた偏波共用アレーアンテナ装置に基づいて本発明の説明をする。
【００１２】
図１において、１、２は垂直偏波用パッチ素子、３、４は水平偏波用パッチ素子、５は水平偏波用パッチ素子３のための給電線路であるマイクロストリップ線路、６は水平偏波用パッチ素子４のための給電線路であるマイクロストリップ線路、７は垂直偏波用パッチ素子１のための給電線路であるマイクロストリップ線路、８は垂直偏波用パッチ素子２のための給電線路であるマイクロストリップ線路、９は誘電体基板である。マイクロストリップ線路５、６、７、８は、誘電体基板９の背面に形成されている。
【００１３】
一般に、パッチアンテナから放射された電磁波は地板端部において回折するが、その影響は偏波により異なることが知られている。またパッチアンテナ本来の指向性も、電界面と磁界面で異なるため、偏波共用アンテナを構成した場合、垂直偏波と水平偏波では水平面ビーム幅が一致しないという問題が生ずる。そこで、水平偏波と垂直偏波のビーム幅を独立に設計できるアンテナが必要となる。
【００１４】
一方、移動体通信基地局用にアレーアンテナを構成する場合、使用周波数の上限において素子間隔が一波長以下となるように配置するのが一般的である。素子間隔が一波長以上になるとグレーティングローブが生ずるため、アレーアンテナの利得が低下するからである。一方で大きな指向性利得を得て、かつ素子間相互結合によるアンテナ効率低下を防ぐために、この範囲内で素子間隔をできる限り大きくする。ここでアレーアンテナをプリント基板を用いて構成した場合、誘電率により素子が小型化するため、見かけ上の素子間隔が更に広がる。例えば、間隔ｓで配列された垂直偏波用アレーアンテナと、間隔ｓで配列された水平偏波用アレーアンテナをs/2 だけずらして同一基板上に配置し、それぞれ地板裏面に構成されたアレー指向性成形用給電回路に接続する。アレー用給電回路は垂直偏波用および水平偏波用それぞれに対して、独立に設けられる。これにより各偏波とも独立にビーム幅の制御を行うことが可能となる。たとえば、垂直偏波用パッチ素子１および２の間隔と、水平偏波用パッチ素子３および４の間隔を適宜調節して、両偏波における水平面ビーム幅を一致させればよい。また、本構造は水平偏波用アンテナと垂直偏波用アンテナが空間的に分離されているため、大きな偏波間アイソレーションを確保できる利点もある。
【００１５】
なお、送信用アンテナと受信用アンテナの構造としては、直交する２偏波に感度を有するものであればパッチアンテナ以外のものでも良いことは言うまでもない。当然、偏波も垂直偏波と水平偏波の組み合わせである必要もない。さらに、垂直偏波用アレーアンテナと水平偏波用アレーアンテナを同一平面上に一次元配列する際に、素子が物理的に接触しなければ、ｓ/2以下、もしくはｓ/2以上ずらして配置することもできる。
実施例２
図２は、本発明の第２の実施例のアンテナ装置の構成図である。なお、ここでは垂直偏波と水平偏波を用いた偏波共用アレーアンテナ装置に基づいて本発明実施例を説明する。
【００１６】
図２において、11、12は垂直偏波用パッチ素子、13、14は水平偏波用パッチ素子、15は水平偏波用パッチ素子13のための給電線路であるマイクロストリップ線路、16は水平偏波用パッチ素子14のための給電線路であるマイクロストリップ線路、17は垂直偏波用パッチ素子11のための給電線路であるマイクロストリップ線路、18は垂直偏波用パッチ素子12のための給電線路であるマイクロストリップ線路、19と20は誘電体基板である。
【００１７】
上記実施例２では、垂直偏波用パッチ素子11および水平偏波用パッチ素子13で構成されたアレーアンテナと、垂直偏波用パッチ素子12および水平偏波用パッチ素子14で構成されたアレーアンテナが異なるプリント基板上に構成されているため、それら２枚のプリント基板の設置間隔を調整することで、地板端部の電磁界回折による影響を軽減でき、かつビーム幅を任意に制御できる。なお、一枚のプリント基板上にアンテナ回路を全て形成し、回路パターンの間隔を調整することでも同様な効果が得られる。
実施例３
図３は本発明の第３の実施例のアンテナ装置の構成図である。ここでは垂直偏波と水平偏波を用いた偏波共用アレーアンテナ装置に基づいて本発明実施例を説明する。
【００１８】
図３において、11、12は垂直偏波用パッチ素子、13、 14 は水平偏波用パッチ素子、15は水平偏波用パッチ素子13のための給電線路であるマイクロストリップ線路、16は水平偏波用パッチ素子14のための給電線路であるマイクロストリップ線路、17は垂直偏波用パッチ素子11のための給電線路であるマイクロストリップ線路、18は垂直偏波用パッチ素子12のための給電線路であるマイクロストリップ線路、19、20は誘電体基板、21は反射板である。
【００１９】
上記実施例３では、垂直偏波用パッチ素子11および水平偏波用パッチ素子13で構成されたアレーアンテナと、垂直偏波用パッチ素子12および水平偏波用パッチ素子14で構成されたアレーアンテナが異なるプリント基板上に構成されているため、それら２枚のプリント基板の設置間隔を調整することで、地板端部および反射板端部の電磁界回折による影響を軽減することができる。またプリント基板背後の反射板により、後方への放射を抑制することができる。
実施例４
図４は、本発明の第４の実施例のアンテナ装置の構成図である。ここでは垂直偏波と水平偏波を用いた偏波共用アンテナ装置に基づいて説明をする。
【００２０】
図４において、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図であり、61は水平偏波用放射素子、62は垂直偏波用放射素子、63は垂直偏波励振用プローブ、64は水平偏波励振用マイクロストリップ線路、65は垂直偏波励振用マイクロストリップ線路、66は銅箔等の導電層を持つ地板、67は反射板、68は水平偏波用放射素子61を励振するために地板66に形成されたスロット、69はマイクロストリップ線路64、65等の回路が配設される誘電体基板を示す。誘電体基板69は、地板66の裏面に接して取り付けられている。水平偏波用放射素子61は、誘電体基板69上のマイクロストリップ線路64に結合されたスロット68により背面から励振される。垂直偏波用放射素子62は、地板66を貫通して誘電体基板69上のマイクロストリップ線路65に結合されている垂直偏波励振用プローブ63により励振される。
【００２１】
次に本アンテナの原理について説明する。一般に、プリント基板のような誘電体材料を用いてアンテナを構成すると、アンテナを物理的に小型化できるが、その一方で、入力特性が狭帯域化するという問題がある。例えば代表的なプリント型アンテナであるパッチアンテナでは、放射素子と地板の間隔が狭いため、その帯域は極めて狭い。そこで地板を素子よりも狭くすることによりアンテナのＱを低下させ、かつ、その背後に反射板を設置すれば、広帯域で後方放射の少ないアンテナを実現できる。なお本例では、放射パッチと給電回路をプローブにより直流的に結合させたものを垂直偏波用とし、また、スロットを介して電磁気的に結合させたものを水平偏波用としている。これにより、簡易な構造でアンテナの広帯域化が実現できる。
実施例５
図５は、本発明の第５の実施例のアンテナ装置の構成図である。地板の形状が上記実施例４とは異なっている。
【００２２】
図５において、71は水平偏波用放射素子、72は整合用地板突起、73は垂直偏波用放射素子、74は垂直偏波励振用プローブ、75は水平偏波励振用マイクロストリップ線路、76は垂直偏波励振用マイクロストリップ線路、77は地板、78は反射板、78a はマイクロストリップ線路等の回路が配設される誘電体基板、79は水平偏波用放射素子71を励振するために地板77に形成されたスロットである。
【００２３】
一般に一方向への放射が求められる環境でスロットアンテナを用いる場合には、スロットアンテナの背後に反射板を設置するが、反射板の影響により入力特性が狭帯域化するという問題がある。またスロットアンテナをマイクロストリップ線路のような低インピーダンス線路を用いて励振する場合、スロット端部付近にマイクロストリップ線路を配置するオフセット給電方式によりアンテナとの整合を得ることができるが、オフセットを行った面内での指向性の対称性が崩れるなどの問題がある。そこで整合用地板突起72のように、スロット側面の地板のみを変形することにより、スロット中央において対称な給電を採用した場合でも、マイクロストリップ線路との整合が可能になる。なお、地板突起72の形状は必ずしも長方形である必要はない。
【００２４】
図６は、図５の地板突起をＴ字型にし、これを横に配列した変型例である。図６において、81は水平偏波用放射素子、82は地板、82a は地板82に形成されたスロット、83はＴ字型地板突起、84は垂直偏波用放射素子、85は垂直偏波用放射素子84を励振するための給電プローブ、86は垂直偏波励振用マイクロストリップ線路、87は水平偏波励振用マイクロストリップ線路である。なお、上記アンテナと同一形状のアンテナが、同じ平面内に２つ配列されている。88はこれら２つのアンテナ配列の垂直偏波用放射素子を結合し、同時に給電するための給電線路、89は同じ２つのアンテナ配列の水平偏波用放射素子を結合し、同時に給電するための給電線路、90は反射板、90a はマイクロストリップ線路や回路が配設される誘電体基板である。
【００２５】
図７は、図６に示す偏波共用アンテナのリターンロス特性と偏波間結合度の実測例グラフである。偏波間結合度は−35dB以下であり、各素子アンテナが独立して動作していることが分かる。これは図１０に示した従来例アンテナの偏波間結合度よりも小さいため、実用上きわめて有利である。
【００２６】
図８は、上記偏波共用アンテナの水平面内指向性の実測例グラフであり、スロット間隔0.58λに対し水平面内ビーム幅は45度となっている。この値は横方向の配列間隔により変化することは言うまでもない。
【００２７】
また、図５において放射素子71と放射素子73の横幅を調整することにより、水平偏波および垂直偏波に関して独立にビーム幅の制御を行うこともできる。これら放射素子71および放射素子73はプリント基板上に印刷して構成可能であることはいうまでもない。図４と図６の例においても同様である。
実施例６
図９は、本発明の第６の実施例のアンテナ装置の構成図である。地板突起が一方の側のみに非対称に設置されている点が、実施例５とは異なっている。
【００２８】
図９において、91は水平偏波用放射素子、92は地板、92a は地板92に形成されたスロット、93はＴ字型地板突起、94は垂直偏波用放射素子、95は垂直偏波用放射素子94を励振するための給電プローブ、96は垂直偏波励振用マイクロストリップ線路、97は水平偏波励振用マイクロストリップ線路である。なお、上記アンテナと同一形状のアンテナが、同じ平面内に２つ配列されている。98はこれら２つのアンテナ配列の垂直偏波用放射素子を結合し、同時に給電するための給電線路、99は同じ２つのアンテナ配列の水平偏波用放射素子を結合し、同時に給電するための給電線路、100 は反射板、101 はマイクロストリップ線路や回路が配設される誘電体基板である。
【００２９】
本例では、配列した２つの地板の間にＴ字型突起がないため、上記実施例５のアンテナよりも水平面における素子配列を近接化することができ、ビーム幅制御の範囲が増加する利点がある。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により、比較的簡単な構造と低いコストで、直交する２つの偏波のビームの各水平ビーム幅をそれぞれ容易に変更調整することができ、偏波ダイバーシチ方式の移動体通信に有用な偏波共用アンテナのビーム幅制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例による偏波共用アンテナの構成図である。
【図２】  本発明の第２の実施例による偏波共用アンテナの構成図である。
【図３】  本発明の第３の実施例による偏波共用アンテナの構成図である。
【図４】  本発明の第４の実施例による偏波共用アンテナの構成図である。
【図５】  本発明の第５の実施例による偏波共用アンテナの構成図である。
【図６】  地板突起をＴ字形にした第５の実施例の変型構成図である。
【図７】  本発明の第５の実施例による偏波共用アンテナのリターンロス特性と偏波間結合度の実測例グラフである。
【図８】  本発明の第５の実施例による偏波共用アンテナの水平面内指向性の実測例グラフである。
【図９】  本発明の第６の実施例による偏波共用アンテナの構成図である。
【図１０】  参考文献１に示す従来例アンテナの構成図である。
【図１１】  参考文献２に示す従来例アンテナの構成図である。
【図１２】  参考文献３に示す従来例アンテナの構成図である。
【符号の説明】
１、２：垂直偏波用パッチ素子
３、４：水平偏波用パッチ素子
５：水平偏波用パッチ素子３のための給電線路であるマイクロストリッ            プ線路
６：水平偏波用パッチ素子４のための給電線路であるマイクロストリッ            プ線路
７：垂直偏波用パッチ素子１のための給電線路であるマイクロストリッ            プ線路
８：垂直偏波用パッチ素子２のための給電線路であるマイクロストリッ            プ線路
９：誘電体基板
【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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