(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ利得が、水平方向で最大で、俯角方向においては該俯角のコセカント２乗に沿って低減する利得特性を有し、仰角方向においても該仰角のコセカント２乗特性に沿って低減する利得特性を有することを特徴とする基地局アンテナ。
【請求項２】
アンテナが複数のアンテナ素子の配列で構成され、各素子の振幅と位相を設定することによりコセカント２乗特性に沿った利得特性を得ていることを特徴とする請求項１記載の基地局アンテナ。
【請求項３】
アンテナが反射鏡を有するものであり、コセカント２乗特性が反射面の曲面形状を選ぶことにより得られているものであることを特徴とする請求項１記載の基地局アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基地局アンテナと多数の加入者端末とを無線で結ぶＰ−ＭＰ ＦＷＡシステムの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ｐ−ＭＰ ＦＷＡシステムにおいては、一般的な状況として、図６に示すように、地上３に居る加入者２の地上高ｈよりも高い地上高Ｈ＋ｈの所の基地局１を設け、加入者２が基地局に近づいて来ても遠退いても、基地局１からの電波が加入者２の加入者局でほぼ一定の強さで受信されるように基地局１のアンテナの利得指向特性（単に利得特性とも云う）が設定されている。
【０００３】
今、基地局１のアンテナから加入者２を視た視線と水平線４とのなす角（俯角という）をθとし、アンテナの利得がθによって変化するθの関数Ｇ（θ）とし、アンテナから放射される電力をＰ0 、基地局１と加入者２の高さの差をＨ、基地局１から加入者２までの距離をＲ、加入者２の加入者局が受信する電力をＰR 、Ｋを比例定数とすれば、ＰR は数式１で表される。
【０００４】
【数１】
0003761821.tif 000002
【０００５】
ところで、距離Ｒと、高さの差Ｈと、俯角θの間には数式２の関係が成立する。
【０００６】
【数２】
0003761821.tif 000003
【０００７】
これより距離Ｒは、数式３のように表される。
【０００８】
【数３】
0003761821.tif 000004
【０００９】
このＲを数式１へ代入すると数式４のようになる。
【００１０】
【数４】
0003761821.tif 000005
【００１１】
ここで、加入者２が基地局の方へ近付いたり遠退いたりして俯角θが変化しても加入者局の受信電波ＰR が一定値ＰK になるような利得Ｇ（θ）を数式４から求めると数式５のようになる。
【００１２】
【数５】
0003761821.tif 000006
【００１３】
ところで、ＰK 、Ｈ、Ｐ0 、Ｋはいずれも定数であるから、右辺の括弧内は定数となる。従って、これを新めてＫとすれば数式５は数式６のようになる。
【００１４】
【数６】
0003761821.tif 000007
【００１５】
即ち、アンテナの利得特性を俯角θに応じてcosec2θに比例するよう変化するものにしておけば、加入者が水平移動しても、理論的に受信電波の強度が一定ということになる。
また、このような特性を持たせておくと、可逆性により、加入者局が一定電力で送信しながら水平方向に移動しても、基地局アンテナの出力は一定となる。
このようなアンテナ利得特性をコセカント２乗特性と呼んでいる。
【００１６】
数式６においては、θ＝０°のときには利得が無限大となり、θ＝90°のときには利得がゼロになることになるが、現実に利得が無限大となるようなアンテナができるわけでもなく、また、θ＝90°即ち、真下だからと云って電界強度が完全にゼロとなるアンテナができるわけでもない。また、途中の角度においても数式６の滑らかな理論曲線にぴたり一致したアンテナができるわけでもない。
【００１７】
あくまでも、数式６は非常に単純なケースについての理想的な理論式であって現実にぴたり数式６通りの特性が得られるわけではない。現実的には、無限大とゼロとの間にある有限の範囲内において、可能な限り数式６の曲線に沿った特性を実現させているというのが実情である。
【００１８】
図７に、１６個のアンテナ素子を垂直に配列してコセカント２乗特性に近付けたアンテナの利得特性を示す。図において、横軸が角度で、０度が水平方向である。これを中心として左側が俯角であり、右側が仰角（水平線から上向きの角度）である。縦軸は０度における利得を０ｄＢとしたときの各角度における相対利得をｄＢで表したものである。
【００１９】
図中、点線で示された曲線が、数式６のコセカント２乗理論曲線である。これに対して実線の曲線は、16素子アンテナの各素子に対する振幅および位相をコセカント２乗特性が得られるように設定して得られた利得特性である。
コセカント２乗特性に沿っているのは俯角の1.5 度位のところか67.5度位迄の所である。素子数が有限であるため、上記の範囲でもリップルがどうしても生ずる。素子数を多くしていくとリップルのピッチおよび振幅を小さくして行くことができる。図の７の場合にはリップルの谷が丁度コセカント２乗曲線に載るように設定されている。逆にリップルの山をコセカント２乗曲線に乗せることも、また、山と谷の中間的部分にコセカント２乗曲線が来るように設定することもできる。
【００２０】
このように、現実に実現可能な特性は、数式６のコセカント２乗曲線にぴたり一致するものではないが、以上のように、リップルを含みつつもその低減傾向が数式６のコセカント２乗曲線に有意的に沿った利得特性をコセカント２乗特性と呼んでいる。
【００２１】
本発明における、コセカント２乗特性に沿って低減する、という表現も上記のように、リップルが含まれているなどして、数式６のコセカント２乗曲線にぴたり一致しなくとも低減傾向が数式６のコセカント２乗曲線に有意的に沿って低減するということを意味するものである。
【００２２】
以上は俯角側の方について述べたが、仰角側の方については、従来は、基地局アンテナは加入者より高い所に設置されるという前提で、基地局より高い位置に存在する加入者との通話ということは考えていなかったので、基地局アンテナの設計としては仰角範囲では電波の放射は極力しないよう（即ちアンテナ利得が極力ゼロになるよう）にされていた。
【００２３】
しかし、俯角方向でコセカント２乗特性を持たせなければならないという制約があったため、現実にはアンテナ利得をなくすることができず、図７のように仰角50度位までは谷間の深いリップルを繰り返し、52.3度位の所から90度（真上）までは或程度（−30ｄＢ）の利得を有するという結果になっている。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のＰ−ＭＰ ＦＷＡシステムにおいては、基地局を加入者より高い所に設け、基地局としては俯角方向での通信を前提としていたが、近時、建築物の高層化が進み、従来基地局を設置する高い所と考えられていた電柱の先端や、マンションのペントハウス等より高い位置に加入者が存在することが増加し、基地局としては、従来の俯角方向での通信に加えて仰角方向での通信にも対応せざるを得なくなってきた。
【００２５】
そこで、従来のアンテナのままで仰角通信が充分行えるかについてであるが、図７に見る如く、利得の深い落ち込み箇所が数多く存在し、そのような仰角では電波の強度が低くなり、充分な通信サービスを行えない可能性が大である。
【００２６】
例として、図７に示すような利得特性の基地局アンテナを地上高17ｍに設置し、加入者の、基地局からの水平距離および地上高の各位置について通信可能領域の垂直分布をとってみると、図８のようになる。この図によると、水平距離が10ｍ以遠で地上高がアンテナ地上高の17ｍより高い領域においては通信不能領域が広範囲に拡がっている。
【００２７】
また、図８のうち高さ２ｍと40ｍにおける各升の位置の電界強度を測定してグラフ化すると図９のようになる。
丸印で示されているのが高さ２ｍに於ける電界強度であり、掛け印で示されているのが高さ40ｍにおける電界強度である。高さ２ｍでは、水平距離８ｍ〜700 ｍの間で−60ｄＢｍ以上の良好な特性が得られているが、高さ40ｍでは−70ｄＢｍ以下の部分が存在し通信不能領域となっている。
【００２８】
以上のように、従来の、俯角領域でコセカント２乗特性を持たせた基地局アンテナでは、仰角方向、即ち加入者の高さが基地局アンテナより高い場合における通信サービスが充分確保できないという問題がある。
そこで、アンテナの利得特性を仰角方向へも拡げるということが考えられるが、単にビーム幅を拡げると、水平方向における最大利得が低下して通信可能距離が短くなってしまうという問題がある。
【００２９】
本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑みて、水平方向における最大利得の減少を極力抑えつつ、仰角方向においても従来よりも大幅に改善された通信領域の拡大を図ることができる基地局アンテナを具備したＰ−ＭＰ ＦＷＡシステムを提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、次のような構成を有する。
即ち、Ｐ−ＭＰ ＦＷＡシステムの基地局アンテナとして、アンテナ利得が、水平方向で最大で、俯角方向においては該俯角のコセカント２乗に沿って低減する利得特性を有し、仰角方向においても該仰角のコセカント２乗特性に沿って低減する利得特性を有するアンテナを用いることである。
【００３１】
即ち、アンテナの利得特性を垂直断面で視た場合、水平方向に指向方向（最大利得方向）を有し、俯角方向、仰角方向の両方においてコセカント２乗特性を有するアンテナとすることである。
【００３２】
水平面内の指向特性については、無指向性であってもよいし、あるセクター範囲に指向性を有するものであってもよい。それは、設置に対する要求に応じて選択することになる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明は、基地局アンテナとして、垂直面内の利得特性が、水平方向を最大利得とし、俯角範囲においても仰角範囲においてもコセカント２乗特性を有するアンテナを用いるというものである。
【００３４】
両範囲に、コセカント２乗特性を得る手段としては、アンテナを複数のアンテナ素子の配列（例えば垂直方向直線状配列）で構成し、各アンテナ素子毎に振幅と位相を設定することにより得る手段があるし、また、反射鏡を用いたアンテナでは反射面の曲面形状を選ぶことによりコセカント２乗特性を得ることができる。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、俯角範囲および仰角範囲の利得特性をコセカント２乗特性とし、基地局アンテナ高さを基準として通信可能領域の下限高度差を40ｍとし、上限高度差を33ｍとした場合の理論曲線を示す図である。
横軸は角度であり、中央の０度は水平方向を示し、左側の角度は俯角を示し、右側の角度は仰角を示す。０度を中心として左右若干非対称になっているのは、基地局のアンテナの高さを基準にして通信可能領域の下限高度差と上限高度差が前述のように異なることに起因する。
【００３６】
このようなコセカント２乗特性に沿う利得特性を有するアンテナの実施例として、15素子を垂直直線配列にしたアンテナの例を示す。図２は第１から第15までの15個のアンテナ素子への給電回路を示す。給電ポート５から入力された送信電力はいくつものＴ分岐回路６を経て15の出力ポートから各アンテナ素子へ給電される。この時の各アンテナ素子へ給電される信号の相対振幅強度比および相対位相差を表１に示す。
【００３７】
【表１】
0003761821.tif 000008
【００３８】
素子番号８の素子が配列上中心位置にあり、これを中心として上下の素子に対する振幅比も位相の進み遅れも対称となっている。
相対振幅強度比の設定はＴ分岐回路６での両側のインピーダンスを違えることにより、分配比を調整して行う。また、相対位相差の設定は、Ｔ分岐回路６での分岐点の位置を変えることによりアンテナ素子までの線路長を違えることにより行っている。
【００３９】
このような設定により得られたアンテナの垂直断面内における利得特性を図１に示したコセカント２乗の理論曲線とを併せて図３に示す。
アンテナ素子数が15素子であるため、従来の図７と同様にリップルを生じている。
【００４０】
図３では、リップルの谷が、理論曲線を若干下まわる程度で、俯角、仰角とも０度〜60度の範囲でコセカント２乗特性に沿いつつ低下している。そして、このように、仰角範囲においてコセカント２乗利得特性を持たせたことによる水平方向の最大利得の低下量は、同じく15素子で従来のように俯角側のみコセカント２乗特性にした場合の水平方向最大利得に対して0.5 ｄＢ程度である。
【００４１】
これは、俯角側のみコセカント２乗にした場合と、俯角、仰角の両側でコセカント２乗にした場合とでビームの垂直面における半値幅が殆ど変わらないためである。従って、俯角側をコセカント２乗特性にしたままビーム幅（半値幅）を仰角方向へ拡げた場合に比較して、最大利得の低下が少ない。
【００４２】
このような、図３で示される利得特性を有するアンテナを地上17ｍの位置に設置して通信可能領域の垂直分布を見ると図４のようになる。
図８と比較して、アンテナ設置高17ｍより上の領域における通信不能領域は格段に狭くなっている。
【００４３】
この図４の、高さ２ｍと40ｍにおける各升の位置の電界強度を測定してグラフ化すると、図５のようになる。高さ40ｍでも−65ｄＢｍ以上となり、従来型の図９の場合に較べて、非常に良好な電界強度となっていることがわかる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では基地局のアンテナの利得特性として従来の俯角方向に加えて仰角方向もコセカント２乗特性に沿うようにしたことにより、単に仰角方向へビーム幅を拡げる場合に較べて水平方向の最大利得の低下を抑えつつ、仰角方向において従来の俯角方向におけると同様の通信領域を確保できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】俯角範囲および仰角範囲の利得特性をコセカント２乗特性とした基地局アンテナの理論特性曲線である。
【図２】  15素子垂直配列アンテナの各アンテナ素子への給電回路である。
【図３】表１の設定により得られたアンテナの垂直断面内における利得特性を図１に示したコセカント２乗の理論曲線と併せて表示した利得特性図である。
【図４】図３の利得特性を有するアンテナを地上17ｍの高さに設置した場合の通信可能領域の垂直分布図である。
【図５】図４の高さ２ｍと40ｍにおける各升の位置の電界強度を測定してグラフ化した電界強度図である。
【図６】コセカント２乗特性を導くための説明図である。
【図７】  16個のアンテナ素子を垂直配列したアンテナにおいて俯角方向の利得特性をコセカント２乗特性に沿うようにした場合の利得特性図である。
【図８】図７に示す利得特性を有するアンテナを地上高17ｍに設置した場合の通信可能領域の垂直分布図である。
【図９】図８の高さ２ｍと40ｍにおける各升の位置の電界強度を測定してグラフ化した電界強度図である。
【符号の説明】
１  基地局
２  加入者
３  地上
４  水平線
５  給電ポート
６  Ｔ分岐回路
【図１】
0003761821.tif 000009
【図２】
0003761821.tif 000010
【図３】
0003761821.tif 000011
【図４】
0003761821.tif 000012
【図５】
0003761821.tif 000013
【図６】
0003761821.tif 000014
【図７】
0003761821.tif 000015
【図８】
0003761821.tif 000016
【図９】
0003761821.tif 000017