(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体地板から周波数ｆ1で略１／４波長離れた位置に設けられた周波数ｆ1で共振するダイポールと、上記ダイポールを給電する線路とを備えて構成された周波数ｆ1で動作する素子アンテナを、励振ダイポール素子と上記励振ダイポール素子に隣接するダミー終端した非励振ダイポール素子とし、周波数ｆ1においてのビーム走査時にグレーティングローブの発生しない素子間隔で上記導体地板の一方の面上に複数配列して形成したアレーアンテナにおいて、上記励振ダイポール素子の一つ以上について、上記励振ダイポール素子の近傍に上記導体地板にほぼ垂直に上記一方の面上に複数配置され、上記励振ダイポール素子からの結合波により発生するモノポールモードの誘起電流により上記アレーアンテナのアレー素子パターンとほぼ同相となる再放射パターンを放射するポールを設けたことを特徴とするアレーアンテナ。
【請求項２】
上記周波数ｆ1での波長に対して開口径が小さく、上記アレーアンテナのアレー素子パターンに影響しない大きさの凹状の窪みを上記導体地板に設け、上記ポールを上記凹状の窪み内へ伸長させて設けることを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ。
【請求項３】
上記ポールの少なくとも一部を蛇行形状または螺旋形状に形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアレーアンテナ。
【請求項４】
上記ポールの端部に９０度あるいは鋭角に折り曲げた形状の折り曲げ部を設けたことを特徴とする請求項１、２、又は３記載のアレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ダイポールを素子アンテナとするアレーアンテナにおいて、アレー素子パターンのビーム幅を広げる効果を有する構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動通信では、例えば、ビルの屋上や鉄塔等に設置された基地局アンテナと複数の移動体端末との間で通信が行われている。また、最近はインフラ整備も進み複数の通信システムが混在している。例えば、図７は移動通信の概念を示したものであり、２０は基地局アンテナ、２１は端末である。ここで、基地局アンテナ２０に、他通信システムからの電波（干渉波）を除去するシステムや広範囲での通信品質の向上のためにアレーアンテナが用いられる。アレーアンテナでは広範囲でのビーム走査やマルチビームの構成が瞬時に行える利点がある。
【０００３】
上記アレーアンテナで広角にビーム走査を行う場合、素子アンテナ間距離を狭く配置することが必要となってくる。そのため、素子アンテナ間相互で結合量が増大し、素子アンテナの放射パターン（アレー素子パターン）が乱れビーム走査時のアンテナ利得が低下する。従って、このアレー素子パターンでのビーム幅を広げるというビーム幅制御が必要である。
【０００４】
また、移動通信の分野では現在第２世代と呼ばれるデジタル方式のシステムが主流であるが数年後には広帯域化を図った第３世代、さらには第４世代へとシステムの移り変わりが激しい。このため、上述したように異なる複数の通信システムが混在して使用されると思われる。この場合、基地局アンテナとしては、例えばこの先１０年後位を考えると設置空間の縮小化、低コスト化を踏まえて第３世代と第４世代のシステムを共通使用できるものが必要となってくると思われる。
【０００５】
そこで、上記のような移動通信の基地局アンテナでは、通信品質改善のためにダイバーシチ受信が採用されている。このようなダイバーシチにおけるダイバーシチブランチ構成法としては、スペースダイバーシチがよく用いられるが、２つのアンテナをある一定の間隔以上離して設置しなくてはならず、アンテナ設置空間が大きくなる欠点がある。これに対して設置空間の小さいダイバーシチブランチとしては、異偏波間の多重伝搬特性を利用した偏波ダイバーシチがあり、垂直偏波を有するアンテナと水平偏波を有するアンテナを、それぞれ構成することで実現できる。この際、アンテナ設置空間の縮小を考えた場合、それぞれのアンテナは同一面内に設置することが考えられる。この場合は、アンテナ相互の間隔が狭くなり、隣接アンテナの影響を受けてしまう問題が生じる。以下にダイポールを素子アンテナとする一般的なアレーアンテナを例に従来技術の問題点を説明する。
【０００６】
図８は例えば、稲垣直樹、関口利男、“Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  ＡｎｔｅｎｎａのＡｒｒａｙ−Ｅｌｅｍｅｎｔ  ＰａｔｔｅｒｎとＡｃｔｉｖｅ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅについて”（電子通信学会論文誌‘７０／１２  Ｖｏｌ．５３−Ｂ  Ｎｏ．１２）の図１に示されたダイポールを素子アンテナとするアレーアンテナを参考として記載した従来のアレーアンテナの構成を示す図である。このアレーアンテナは周波数ｆ1で動作するものとする。図８において、３１は導体地板、３２は周波数ｆ1で動作するダイポールであり、３２ａの放射部、３２ｂの給電線路部から構成されている。図８中の（ａ）は構成図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【０００７】
次に動作について説明する。このアレーアンテナでは、周波数ｆ1で動作するダイポール３２の配列において、周波数ｆ1で広角方向にグレーティングローブが発生しないように、上記ｆ1で動作するダイポール３２の素子間隔を決定し、導体地板上に周波数ｆ1で略１／４波長の位置に放射部３２ａがくるように配置し、各ダイポールを励振してアレーアンテナとして動作させる。
【０００８】
アレーアンテナのビーム走査時の性質を知る際、注目する１素子のみ励振し、他素子はダミー終端した状態での放射パターン（これを、アレー素子パターンと呼ぶ）を評価する方法がある。このアレー素子パターンは、励振素する素子とその周囲素子との素子間結合による影響が含まれており、１素子単体での放射パターンとは異なる。ビーム走査を必要とするアレーアンテナでは、広角へのビーム走査時に利得低下を防ぐことから、このアレー素子パターンが広角ビーム幅特性を有することが要求される。
【０００９】
従来のダイポールを素子アンテナとするアレーアンテナでは以上のように構成されていたので、広角ビーム走査特性を有する場合、グレーティングローブの発生を抑えるために素子間隔は、例えば半波長程度といったように狭くする必要がある。また、同一開口上で偏波共用アレーアンテナを実現する際には、他偏波用素子アンテナを同一開口上に配置するためさらに素子間隔は密になる。このため、素子間結合が大きく、注目する素子アンテナ（励振素子）に隣接する素子アンテナ（非励振素子）上には結合波に起因する誘起電流が分布する。この誘起電流、特に隣接素子の給電線路上に分布している誘起電流から再放射が起こり、励振素子からの直接波との畳重で得られるアレー素子パターンはビーム幅の狭い放射パターンとなる。これを図示したものが図９である。図において、３３は励振ダイポール素子、３４は励振ダイポール素子３３の単体における放射パターン、３５は励振ダイポール素子３３に隣接する非励振ダイポール素子、３６はダミー終端した非励振ダイポール素子３５で構成される２素子アレーからの再放射パターン、３７は励振ダイポール素子３３と非励振ダイポール素子３５とで構成される３素子アレー、３８は３素子アレー３７のアレー素子パターンである。
【００１０】
図９（ａ）は励振ダイポール素子３３の単体（左図）での放射パターン３４（右図）を示す。このときのビーム幅をＡとする。放射パターン３４の位相を基準とする。次に、図９（ｂ）の左図は３素子アレー３７において励振ダイポール素子３３からの結合により非励振ダイポール素子３５の特に給電線路部に分布した誘起電流からの再放射の様子を示しており、（ｂ）の右図は非励振ダイポール素子２素子アレーからの再放射パターン３６である。再放射パターン３６は３つのビームを持ち、真中のビームに対して左右のビームは逆相で、かつ、左右のビーム同士で同相となる。これは、非励振ダイポール３５の給電線路上の誘起電流はモノポールモードであるのでアンテナ正面方向でナル点をもつが、多少は放射部からの再放射もあるので３つのビームとなる。また、励振ダイポール素子３３の左右に配置する非励振ダイポール３５の給電線路上には互いに逆相の誘起電流が分布し、かつ配置位置の違いがありアレーファクタが生じるため再放射パターン３６は、図に示すようにパターンの左右のビームで位相は同相となるためである。また、励振ダイポール素子３３からの素子間隔を略半波長と仮定すれば、この再放射パターン３６の位相は、励振ダイポール素子３３からの直接波による放射パターン（（ａ）の放射パターン３４としても同じ）とは逆相の関係にある。そのため、（ａ）と（ｂ）の放射パターンの重ね合わせで構成される３素子アレー３７のアレー素子パターン３８は（ｃ）の右図となる。放射パターン３４と再放射パターン３６が逆相の関係にあり打ち消し合うため、アレー素子パターン３８のビーム幅ＢはＡに対して狭くなる。図１０にシミュレーションの一例を示す。なお、この例は、０．３５波長間隔で３素子配置したアレー（両側素子は中央素子に関して直交して配置させる）の中央素子のみ励振したアレー素子パターン計算値です。アレー素子パターンのビーム幅は素子単体のパターンに比べて狭くなっている様子がわかる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のアレーアンテナでは、励振素子に隣接する非励振素子の、特に給電線路に分布する誘起電流からの再放射の影響でアレー素子パターンのビーム幅が狭くなり、広角ビーム走査特性に悪影響を及ぼす課題があった。
【００１２】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、アレー素子パターンのビーム幅を広げる構造のアレーアンテナを得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係わる発明のアレーアンテナは、導体地板から周波数ｆ1で略１／４波長離れた位置に設けられた周波数ｆ1で共振するダイポールと、上記ダイポールを給電する線路とを備えて構成された周波数ｆ1で動作する素子アンテナを、励振ダイポール素子と上記励振ダイポール素子に隣接するダミー終端した非励振ダイポール素子とし、周波数ｆ1においてのビーム走査時にグレーティングローブの発生しない素子間隔で上記導体地板の一方の面上に複数配列して形成したアレーアンテナにおいて、上記励振ダイポール素子の一つ以上について、上記励振ダイポール素子の近傍に上記導体地板にほぼ垂直に上記一方の面上に複数配置され、上記励振ダイポール素子からの結合波により発生するモノポールモードの誘起電流により上記アレーアンテナのアレー素子パターンとほぼ同相となる再放射パターンを放射するポールを設けたものである。
【００１４】
請求項２に係わる発明のアレーアンテナは、上記周波数ｆ1での波長に対して開口径が小さく、上記アレーアンテナのアレー素子パターンに影響しない大きさの凹状の窪みを上記導体地板に設け、上記ポールを上記凹状の窪み内へ伸長させて設けるものである。
【００１５】
請求項３に係わる発明のアレーアンテナは、上記ポールの少なくとも一部を蛇行形状または螺旋形状に形成したものである。
【００１６】
請求項４に係わる発明のアレーアンテナは、上記ポールの端部に９０度あるいは鋭角に折り曲げた形状の折り曲げ部を設けたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
なお、ここで述べるアレーアンテナは広角ビーム走査特性を有するため、素子間隔は例えば略１／２波長程度に狭いものとする。
実施の形態１．
図１（ａ）はこの発明の実施の形態１を示すアレーアンテナの構成図である。また、図１（ｂ）は上記図１（ａ）中に示す点線Ａ−Ａでの断面図である。図１において、１は導体地板、２は周波数ｆ1で動作するダイポール（素子アンテナ）であり、２ａはダイポールの放射部、２ｂはダイポールの給電線路部である。一般に、ダイポールの放射部２ａは導体地板１から周波数ｆ1で略１／４波長上方に設けられている。また、３は導体地板１上に略垂直に設置されたポールであり、ある特定の長さをもち、線状導体または導体面を有するものである。
【００１８】
次に動作について説明する。
周波数ｆ1において広角にビーム走査してもグレーティングローブの発生しない条件から決まる素子位置に周波数ｆ1で動作するダイポール２を配置している。そして、周波数ｆ1で動作させる場合、導体地板１の裏面に設置されている入力端（図１中に図示省略）からの信号は、ダイポールの給電線路部２ｂを伝わりダイポールの放射部２ａを給電し、このダイポールの放射部２ａから放射される。ダイポール２の放射部２ａの導体地板１からの高さは周波数ｆ1で略１／４波長であり、各ダイポールからの放射波はアンテナ正面方向で最大となる。
【００１９】
しかし、アレー特性を知る際に重要なアレー素子パターンをみてみると、このままでは前記従来例で述べたように、注目する励振ダイポール素子に隣接する非励振ダイポール素子からの再放射の影響でビーム幅が狭くなる問題が生じ、広角にビーム走査できなくなる。そこで、前記ポール３を設けることでこの問題を解決する。図２にその様子を示す。ここでは、説明を簡略化するために３素子アレーで説明する。図中、４は励振ダイポール素子、５は励振ダイポール素子４に隣接するダミー終端した非励振ダイポール素子、６は励振ダイポール素子４と非励振ダイポール素子５とで構成される３素子アレー、７は３素子アレーのアレー素子パターン、８は励振ダイポール素子４からの結合波に起因するポール３上に分布した誘起電流からの再放射パターン、９は３素子アレー６とポール３とで構成されるアレーアンテナ、１０はアレーアンテナ９のアレー素子パターンである。
【００２０】
図２を用いてアレー素子パターンのビーム幅が広がる効果について示す。（ａ）の左図は３素子アレー６を示し、右図は３素子アレー６の中心素子を励振した場合のアレー素子パターン７を示す。便宜上、このときのビーム幅をＢとする。ビーム幅Ｂは、励振ダイポール素子４に隣接する非励振ダイポール素子５上の特に給電線路部に分布する結合波に起因した誘起電流からの再放射の影響で励振ダイポール素子４の単体での放射パターンのビーム幅からは狭くなっている。次に、（ｂ）の左図に示すようにある特定の長さを持つポール３は励振素子近傍に複数配列しており、励振ダイポール素子４からの結合波により誘起電流が分布する。これら誘起電流からの再放射パターンは右図のようなパターン形状となる。すなわち、ポール３上の誘起電流はモノポールモードであるのでアンテナ正面方向でナル点をもつ。また、励振ダイポール素子４の左右に配置するポール３上には互いに逆相の誘起電流が分布し、ポール３同士で配置位置の違いがありアレーファクタが生じるため複数のポール３上の誘起電流からの再放射パターンは、パターンの左右で位相は同相である。かつ、この再放射パターンは、励振ダイポール素子４の近傍に同相となるようにポール３を配置するためアレー素子パターン７とは略同相となる。ポール３からの再放射パターン８と３素子アレーでのアレー素子パターン７との畳重で構成されるアレーアンテナ９（（ｃ）左図）のアレー素子パターン１０は（ｃ）の右図となる。畳重される両放射パターンは互いに略同相であるので、アレー素子パターン１０のビーム幅Ｃはアレー素子パターン７のビーム幅Ｂに対して広くなる。図１（ａ）に示すように、周波数ｆ1で動作するダイポール２全ての近傍にポール３を設けることで、全てのダイポール２のアレー素子パターンのビーム幅を広げることができる。図３にシミュレーションの一例を示す。ポールを設けることでビーム幅が広がる効果があるのがわかる。
【００２１】
以上のように、この実施の形態１によれば、周波数ｆ1で動作するダイポール２を素子アンテナとするアレーアンテナに、ある特定の長さをもつポール３を各ダイポール２の近傍に、導体地板１に対して略垂直に複数配置しているので、ポール３上に分布する誘起電流からの再放射の影響でアレー素子パターンのビーム幅を広げる効果がある。
【００２２】
なお、図１では、ポール３は規則正しく配列されているが、その必要性は必ずしもある訳ではない。このポール配置位置はビーム幅を制御する際のパラメータとなす。また、ポール３の長さは周波数ｆ1における波長に依存し、長さの変化によりビーム幅を微調することが可能である。さらに、ポール３とダイポールの給電線路部２ｂが平行になっている必要はなく、ポール３の傾きによってもビーム幅を微調することが可能である。
【００２３】
実施の形態２．
前記実施の形態１では、特定の長さを持つ複数個のポールをアレーアンテナに設けていたが、この実施の形態２ではポールの配置のしかたを変えた場合のアレーアンテナについて説明する。
図４はこの実施の形態２のアレーアンテナにおける断面図である。図４において、１１は導体地板１のポール３を配置する位置に設けた凹状のくぼみである。
【００２４】
次に動作について説明する。
アレーアンテナとしての動作、結合波に起因するポール３上に分布する誘起電流からの再放射の影響でアレー素子パターンのビーム幅が広がる動作については、前記実施の形態１で述べたことと同様であるため、ここでは省略する。
【００２５】
ところで、この実施の形態２では、導体地板１上のポール３配置位置に設けた凹状のくぼみ１１によりポール３の上方への伸びを抑制しつつ所定の長さに伸長することができる。このため、ダイポールの放射部２ａへの干渉や製作上の不都合なくアレーアンテナの動作周波数ｆ1で共振しやすい長さにポール３の長さを調節することが可能で、アレー素子パターンビーム幅を調節できる効果を有する。また、凹状のくぼみ１１の開口径の大きさは周波数ｆ1の波長に対して十分に小さいとするので、このくぼみ１１がアレー素子パターンに影響を及ぼすことはない。なお、凹状のくぼみ１１は、導体地板１を窪ませてつくってもよく、または導体地板１をえぐって設けるなどしてもよい。
【００２６】
実施の形態３．
前記実施の形態２では、ポールの配置のしかたを変えた場合であったが、この実施の形態３ではポールの形状を変えた場合のアレーアンテナについて説明する。
図５（ａ）はこの実施の形態３のアレーアンテナにおける断面図である。また、図５（ｂ）、（ｃ）は他のポール形状を示したものである。図において、１２ａはジグザグに蛇行させたポール、１２ｂはメアンダ状に蛇行させたポール、１２ｃは螺旋状ポールである。
【００２７】
次に動作について説明する。
アレーアンテナとしての動作、結合波に起因するポール上に分布する誘起電流からの再放射の影響でアレー素子パターンのビーム幅が広がる動作については、前記実施の形態１で述べたことと同様であるため、ここでは省略する。
【００２８】
さて、この実施の形態３では、図５（ａ）に示すようにジグザグに蛇行させたポール１２ａを配置している。このため、低姿勢のままポールの長さを適宜に伸長することができ、ポール上に分布する誘起電流の大きさを変えることが可能である。すなわち、低周波数においてビーム幅を広げる効果を低姿勢のポールで実現できる。また、図５（ｂ）に示すメアンダ状に蛇行させたポール１２ｂ、（ｃ）に示す螺旋状ポール１２ｃを用いても同様の効果が得られる。
【００２９】
実施の形態４．
この実施の形態４ではポールの形状を９０度に折り曲げた形状（Γ字状）あるいは導体地板との成す角度が９０度より小さくなるまで折り曲げた場合のアレーアンテナについて説明する。
図６はこの実施の形態４のアレーアンテナにおける断面図である。図において、１３は先端をΓ字状に折り曲げたポールである。
【００３０】
次に動作について説明する。
図６に示すように先端をΓ字状に折り曲げたポール１３を配置させることで、ポール１３からの再放射パターンはアンテナ正面方向で急激なナル点とならず、アレー素子パターン正面方向での利得低下を防ぐ効果を有する。これは、Γ字状に折れ曲がった部分に分布した誘起電流からの再放射分はアンテナ正面方向に向いているためである。また、先端を折り曲げることでポールの導体地板１からの高さを抑えて、その長さを伸ばすことができ、ビーム幅の調整ができる利点も有する。
【００３１】
また、図中に示すようにΓ字状よりもさらに鋭角に先端を折り曲げ、導体地板との成す角度が９０度より小さくした形状のポールに関しても同様の効果を有する。この場合は、成す角度の調整でビーム幅を制御できる利点もある。
【００３２】
また、ポール２個をほぼ同一位置に略平行に配置しても同様の効果を有し、ポールに誘起される電流の量を変えることもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、導体地板から周波数ｆ1で略１／４波長離れた位置に設けられた周波数ｆ1で共振するダイポールと、上記ダイポールを給電する線路とを備えて構成された周波数ｆ1で動作する素子アンテナを、励振ダイポール素子と上記励振ダイポール素子に隣接するダミー終端した非励振ダイポール素子とし、周波数ｆ1においてのビーム走査時にグレーティングローブの発生しない素子間隔で上記導体地板の一方の面上に複数配列して形成したアレーアンテナにおいて、上記励振ダイポール素子の一つ以上について、上記励振ダイポール素子の近傍に上記導体地板にほぼ垂直に上記一方の面上に複数配置され、上記励振ダイポール素子からの結合波により発生するモノポールモードの誘起電流により上記アレーアンテナのアレー素子パターンとほぼ同相となる再放射パターンを放射するポールを設けたので、アレー素子パターンにポールからの再放射パターンが重畳され、ビーム幅を広げたアレーアンテナを得られる効果がある。
【００３４】
また、請求項２の発明によれば、上記周波数ｆ1での波長に対して開口径が小さく、上記アレーアンテナのアレー素子パターンに影響しない大きさの凹状の窪みを上記導体地板に設け、上記ポールを上記凹状の窪み内へ伸長させて設けるので、ポールの上方への伸びを抑制しつつ所定の長さに伸長することができ、ダイポールの放射部への干渉や製作上の不都合なくアレーアンテナの動作周波数ｆ1で共振しやすい長さにポールの長さを調節できる効果がある。
【００３５】
また、請求項３の発明によれば、上記ポールの少なくとも一部を蛇行形状または螺旋形状に形成したので、低姿勢のままポールの長さを適宜に伸長することができ、ポール上に分布する誘起電流の大きさを変えられる効果がある。
【００３６】
また、請求項４の発明によれば、上記ポールの端部に９０度あるいは鋭角に折り曲げた形状の折り曲げ部を設けたので、アレー素子パターン正面方向での利得低下を防ぐ効果がある。さらに、導体地板からの高さを抑えてその長さを伸ばすことができてビーム幅の調整ができ、また、角度の調整でビーム幅を制御できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１を示すアレーアンテナの構成説明図である。
【図２】  この発明のアレーアンテナにおいて、アレー素子パターンのビーム幅が広がる効果が得られることについて示す説明図である。
【図３】  この発明のアレーアンテナにおいて、アレー素子パターンのビーム幅が広がる効果が得られることのシミュレーション結果を示す説明図である。
【図４】  この発明の実施の形態２を示すアレーアンテナの構成説明図である。
【図５】  この発明の実施の形態３を示すアレーアンテナのポールの形状を示す構成説明図である。
【図６】  この発明の実施の形態４を示すアレーアンテナのポールの形状を示す構成説明図である。
【図７】  従来の移動通信の概念を示す説明図である。
【図８】  従来のダイポールを素子アンテナとするアレーアンテナを示す構成説明図である。
【図９】  従来のアレーアンテナにおいて、アレー素子パターンのビーム幅が狭くなることについて示す説明図である。
【図１０】  従来のアレーアンテナにおいて、アレー素子パターンのビーム幅が狭くなることのシミュレーション結果を示す説明図である。
【符号の説明】
１  導体地板、２  ダイポール、２ａ  放射部、２ｂ  給電線路部、３  ポール、４  励振ダイポール素子、５  非励振ダイポール素子、６  ３素子アレー、７  アレー素子パターン、８  再放射パターン、９  アレーアンテナ、１０  アレー素子パターン、１１  凹状のくぼみ、１２ａ  ジグザグに蛇行させたポール、１２ｂ  メアンダ状に蛇行させたポール、１２ｃ  螺旋状ポール、１３  Γ字状に折り曲げたポール、２０  基地局アンテナ、２１  端末。
【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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