JP5386721B2

JP5386721B2 - 移動通信用基地局アンテナ

Info

Publication number: JP5386721B2
Application number: JP2010045510A
Authority: JP
Inventors: 隆行清水; 慎介村野; 智之小川
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2030-03-02
Also published as: JP2010233214A; US20100225552A1; US8692730B2

Description

本発明は、偏波共用アンテナおよびアレイアンテナに係わり、特に、空間分割多重アクセスを実現する移動通信用基地局アンテナに関するものである。

移動通信用基地局アンテナは、他セルへの干渉を抑制するために、図７に示すような鋭い垂直面内指向性を持つのが一般的である。移動通信用基地局アンテナ４２０は、移動通信用基地局アンテナ４２０の主ビーム方向４２２が水平方向に対して垂直面内チルト角度４２１をなす。

移動通信、特に携帯電話通信においてＭＩＭＯ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）の普及が進みつつある。ＭＩＭＯ通信では送信アンテナ、受信アンテナでそれぞれ複数本のアンテナを使用することにより、データ伝送効率を高めることができる。送信アンテナ１本、受信アンテナ１本を使用する場合の通信速度と比較して、送信アンテナ２本、受信アンテナ２本を使用する場合の通信速度は理論上２倍、送信アンテナ４本、受信アンテナ４本を使用する場合の通信速度は理論上４倍となる。

ＭＩＭＯ通信では、各々の送信アンテナから受信アンテナまでの信号の相関が重要となる。特に、送信アンテナであれば各々の送信アンテナの間の相関係数が、受信アンテナであれば各々の受信アンテナの間の相関係数によりその通信容量が影響を及ぼす。例えば送信アンテナ４本、受信アンテナ４本を使用する４×４ＭＩＭＯ通信の場合、相関係数が０に近い無相関になれば、通信速度は理論上の４倍に近づき、相関係数が１に近づくとＭＩＭＯとしての効果が期待できなくなる。実用上、アンテナ間の相関係数は０．７以下が望ましい。

特開２００５−２０３８４１号公報

相関係数を低下させるためには、アンテナを空間的もしくは電気的に分離すればよい。例えば現在携帯電話基地局用アンテナで使用されている特許文献１に示されるような偏波ダイバーシチアンテナ素子は、偏波で分離した２系統のアンテナであるので、そのままアレイアンテナにすれば２×２ＭＩＭＯ用基地局アンテナに転用可能である。

例えば４×４ＭＩＭＯ通信の場合、２本のアンテナの間の距離を離して設置すればするほど相関係数は低下するので、図８又は図９に示すように、並列又は縦列に設置した２本の偏波ダイバーシチアレイアンテナ５０５，５０５の間の距離はできるだけ離したいという要求がある。しかしながら、２本のアンテナの間の距離を離しすぎると、アンテナ設置に要する体積が増加するため、２本の偏波ダイバーシチアレイアンテナ５０５，５０５の間の距離はできるだけ接近させたいという、先ほどとは相反する要求もある。

本発明の目的は、移動通信用基地局アンテナにおいて、アレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度を変える事により、各アレイアンテナブロック間の相関係数を低下させることにある。

上記目的を達成するために本発明は、複数のアンテナ素子が直交に配置されてアンテナ素子対が構成され、該アンテナ素子対が垂直方向に複数配列されてアレイアンテナブロックが構成され、該アレイアンテナブロックが複数配列されて構成されたＭＩＭＯ通信用の移動通信用基地局アンテナにおいて、前記複数のアレイアンテナブロックは、垂直方向に所定間隔をおいて配置され、各々の前記アレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度が、垂直方向の下方に配置されたアレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度よりも小さいものである。

各々の前記アレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度が、前記アレイアンテナブロックの間の相関係数が０．７以下となるように設定されていてもよい。

前記複数のアレイアンテナブロックは、導通板で接続され、共通のグランド電位が提供されていてもよい。

前記複数のアレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度は、移相器により信号の位相を変えることにより任意に設定できてもよい。

前記複数のアレイアンテナブロックは、垂直方向の同一軸上に配置されていてもよい。

移相器は、信号の位相の変化量が自由に設定可能な可変タイプの移相器であってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）各アレイアンテナブロック間の相関係数を低下させることができる。

（２）アンテナ設置に要する体積の増加を抑制することができる。

本発明の一実施形態を示すアンテナの立面図である。図１のアンテナにおいて、アレイアンテナブロックの構造について説明した図（正面図及び側面図）である。図１のアンテナにおいて、アレイアンテナブロックの構造について説明した図（斜視図）である。図１のアンテナにおいて、アレイアンテナブロックの間の間隔を変えることで、相関係数を調整することを示す図である。本発明の携帯電話基地局アンテナの垂直面内指向性を示す側面図である。（ａ）は、本発明の理論的計算による垂直面到来方向に対する、第１ポート１に接続されたアンテナ素子を含むアレイアンテナブロックと第３ポート３に接続されたアンテナ素子を含むアレイアンテナブロックの間の相関係数を示す図、（ｂ）は垂直面到来方向を定義する側面図である。一般的な携帯電話基地局アンテナの垂直面内指向性を示す側面図である。従来の４×４ＭＩＭＯアンテナ配置（並列）の立面図である。従来の４×４ＭＩＭＯアンテナ配置（縦列）の立面図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明は、鋭い垂直面内指向性を持つ基地局アレイアンテナにおいて、各々のアレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度を異なる角度に設定し、各々のアレイアンテナブロックの指向性に差を持たせる。尚、垂直面内チルト角度は固定の場合と可変のアンテナが存在する。

垂直面内チルト角度は、各アンテナ素子に給電する位相を制御することにより、任意の角度に設定することが可能である。

図１に示されるように、本発明の移動通信用基地局アンテナ（アンテナ本体）１００は、複数のアンテナ素子ａ，ｂが直交に配置されてアンテナ素子対ｃが構成され、該アンテナ素子対ｃが複数配列されてアレイアンテナブロックｄが構成され、該アレイアンテナブロックｄが複数配列されて構成された移動通信用基地局アンテナにおいて、各々の前記アレイアンテナブロックｄの垂直面内チルト角度が異なるものである。

複数のアレイアンテナブロックｄ（第１アレイアンテナブロック１０５，第２アレイアンテナブロック１０６）は導通板５で接続される。導通板５は、導通板５により接続された複数のアレイアンテナブロックｄに共通のグランド電位（ＧＮＤ電位）を提供する。導通板５により接続された複数のアレイアンテナブロックｄは、垂直方向に所定の間隔で配置して構成される。

このとき、アレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度は、アレイアンテナブロックから放射される主ビームの垂直面内における水平方向に対する傾斜角度として定義される。

図１の実施形態は、アレイアンテナブロックである偏波ダイバーシチアンテナのアレイアンテナブロック（第１アレイアンテナブロック１０５，第２アレイアンテナブロック１０６）を導通板５を介して垂直面内に縦積みにして組み合わせた構造である。この実施形態の偏波ダイバーシチ素子の組み合わせは、４５度・−４５度偏波ダイバーシチである。

移動通信用基地局アンテナとしてのアンテナ本体１００は、第１ポート１に接続されたアンテナ素子（−４５度偏波アンテナ素子１０１）と第２ポート２に接続されたアンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１０２）とを有する第１アレイアンテナブロック１０５と、第３ポート３に接続されたアンテナ素子（−４５度偏波アンテナ素子１０３）と第４ポート４に接続されたアンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１０４）とを有する第２アレイアンテナブロック１０６とから構成される。第１ポート１，第３ポート３はそれぞれ、−４５度偏波アンテナ素子１０１，−４５度偏波アンテナ素子１０３に電気的に接続するポート（給電点）であり、第２ポート２，第４ポート４はそれぞれ、＋４５度偏波アンテナ素子１０２，＋４５度偏波アンテナ素子１０４に電気的に接続するポート（給電点）である。第１アレイアンテナブロック１０５は、上段に配置されたアレイアンテナブロックであり、第２アレイアンテナブロック１０６は、下段に配置されたアレイアンテナブロックである。
第１アレイアンテナブロック１０５において、−４５度偏波アンテナ素子１０１と＋４５度偏波アンテナ素子１０２とは、互いに交差するように配置され、それにより±４５度偏波アンテナ素子対１０７が構成される。また、それと同様に、第２アレイアンテナブロック１０６において、−４５度偏波アンテナ素子１０３と＋４５度偏波アンテナ素子１０４とは、互いに交差するように配置され、それにより±４５度偏波アンテナ素子対１０８が構成される。

図２は、図１における移動通信用基地局アンテナ１００のアレイアンテナブロックｄの構造について説明した図であり、（ａ）はアレイアンテナブロックｄの正面図、（ｂ）はアレイアンテナブロックｄの側面図である。また、図３は、図２における移動通信用基地局アンテナ１００のアレイアンテナブロックｄの斜視図である。
図２及び図３に示したように、アレイアンテナブロックｄは、複数のアンテナ素子対ｃを反射板８の長手方向に沿ってアレイ状に配置した構造となっている。アンテナ素子対ｃ（図２及び図３においては、±４５度偏波アンテナ素子対）は、金属や金属及び誘電体などからなるアンテナ素子パターン（図示せず）をアンテナ素子基板９の表面に形成することにより構成されたアンテナ素子ａ，ｂを、断面十字型となるように組み合わせることにより構成される。アンテナ素子対ｃにより、＋４５度偏波及び−４５度偏波される電波を共用して送受信することができる。アンテナ素子ａ，ｂは給電線（図示せず）を介して、それぞれ異なるポート（図２及び図３には図示せず）に接続される。例えば、図１においては、アンテナ素子ａは第１ポート１又は第３ポート３に接続され、アンテナ素子ｂは第２ポート２又は第４ポート４に接続される。

また、本実施形態では、アンテナ素子ａ，ｂとして、半波長ダイポールアンテナを用いた。このような半波長ダイポールアンテナとしては、この他に、特開２００４−３２３９２号公報、特開２００４−２６６６００号公報に記載のものなどを用いてもよい。また、アンテナ素子ａ，ｂはこれに限定されず、パッチアンテナやその他の偏波ダイバーシチアンテナ素子を用いてもよい。

第１ポート１に接続されたアンテナ素子（−４５度偏波アンテナ素子１０１）と第２ポート２に接続されたアンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１０２）で２×２ＭＩＭＯ用アレイアンテナとして使用でき、同じく、第３ポート３に接続されたアンテナ素子（−４５度偏波アンテナ素子１０３）と第４ポート４に接続されたアンテナ素子（＋４５度偏波アンテナ素子１０４）でも２×２ＭＩＭＯ用アレイアンテナとして利用できる。しかしながら、同じ偏波特性を有する第１ポート１に接続されたアンテナ素子（−４５度偏波アンテナ素子１０１）を含むアレイアンテナブロック（第１アレイアンテナブロック１０５）と第３ポート３に接続されたアンテナ素子（−４５度偏波アンテナ素子１０３）を含むアレイアンテナブロック（第２アレイアンテナブロック１０６）の間の相関係数を低下させるためには、両アレイアンテナブロック（第１アレイアンテナブロック１０５，第２アレイアンテナブロック１０６）間の間隔を、波長の数倍程度に十分離して配置する必要がある。その場合アンテナ本体１００が長くなってしまう。

つまり、こういうことである。図４（ａ），図４（ｂ）は、図１のアンテナ本体（移動通信用基地局アンテナ）１００において、アレイアンテナブロックの間（第１アレイアンテナブロック１０５と第２アレイアンテナブロック１０６の間）の間隔を変えることで、相関係数を調整することを示す説明図である。そして、図４（ａ）は相関係数が大きい場合を示し、図４（ｂ）は相関係数が小さい場合を示す。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、相関係数は、アレイアンテナブロックの間の間隔Ｄを変えることにより調整することが可能である。すなわち、第１アレイアンテナブロック１０５と第２アレイアンテナブロック１０６の間の間隔を変えることにより相関係数を調整することが可能である。

図４（ａ）に示すように、アレイアンテナブロックの間の間隔Ｄ（第１アレイアンテナブロック１０５と第２アレイアンテナブロック１０６の間の間隔）が小さい場合には、相関係数は大きくなり好ましくない。よって、相関係数を小さくするためには、アレイアンテナブロックの間の間隔Ｄを広くする必要があるが、図４（ｂ）に示すように、アレイアンテナブロックの間の間隔Ｄ広くすると、アンテナ本体１００の全長が長くなってしまう。

そこで、図５に示されるように、本発明の移動通信用基地局アンテナであるＭＩＭＯ基地局アンテナ２３０において、第１ポート１に接続されたアンテナ素子（第１アレイアンテナブロックに含まれる−４５度偏波アンテナ素子２３１）における垂直面内チルト角度２３３をＡ度とし、第３ポート３に接続されたアンテナ素子（第２アレイアンテナブロックに含まれる−４５度偏波アンテナ素子２３２）における垂直面内チルト角度２３４をＢ度とする。Ａ度＜Ｂ度である。

このようにして、同じ偏波特性（−４５度偏波特性）を有する、第１ポート１に接続されたアンテナ素子２３１の垂直面内チルト角度２３３のＡ度と第３ポート３に接続されたアンテナ素子２３２の垂直面内チルト角度２３４のＢ度に差をつける。図５の実施形態は、第１ポート１に接続されたアンテナ素子２３１の垂直面内チルト角度２３３のＡ度を３度、第３ポート３に接続されたアンテナ素子２３２の垂直面内チルト角度２３４のＢ度を６度にした場合のものである。

移動通信用基地局アンテナは、先に述べたように、鋭い垂直面内指向性を有するので、垂直面内チルト角度を変えると三次元的な指向性、特に主ビームの指向性が大きく変化する。従って、各々のアレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度を異なる角度に設定し、各々のアレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度に差をつけることにより、各々のアレイアンテナブロックの指向性に差を持たせた結果、各々のアレイアンテナブロックの指向性の重なりが少なくなり、相関係数を低下させることができる。

アレイアンテナブロックに含まれるアンテナ素子の垂直面内チルト角度は、アレイアンテナブロックの方向を機械的に変えることにより任意に設定できる。また、アレイアンテナブロックに含まれるアンテナ素子の垂直面内チルト角度は、移相器（図示せず）により信号の位相を変えることにより任意に設定できる。移相器は、信号の位相の変化量が固定された不変タイプの移相器であってもよい。移相器は、信号の位相の変化量が自由に設定可能な可変タイプの移相器であってもよい。

この操作は、同じ偏波特性（＋４５度偏波特性）を有する、第２ポート２に接続されたアンテナ素子を含むアレイアンテナブロックと第４ポート４に接続されたアンテナ素子を含むアレイアンテナブロックでも、垂直面内チルト角度に差をつけることにより相関係数を低下させることが可能である。

また、異なる偏波特性を有するアンテナ素子間においても同様である。

図６に、シミュレーション計算により求めた、垂直面内チルト角度と相関係数の関係を示す。

図６（ａ）は、第１ポート１に接続されたアンテナ素子（第１アレイアンテナブロックに含まれる−４５度偏波アンテナ素子２３１）の垂直面内チルト角度の３度を基準にして、同じ偏波面の第３ポート３に接続されたアンテナ素子（第２アレイアンテナブロックに含まれる−４５度偏波アンテナ素子２３２）の垂直面内チルト角度が、３度の場合と６度の場合について、垂直面到来方向角度４１０（端末４１１から移動通信用基地局アンテナ４００へ到来するビームの、垂直面上における到来方向と、垂直方向とが形成する鈍角；図６（ｂ））をパラメータにして、相関係数を表したものである。具体的には、移動通信用基地局アンテナ４００（１００）の設置高さを５０ｍとして計算を行ったが、この場合、移動通信用基地局アンテナ４００と端末４１１間との距離（ｍ）は、垂直面到来方向角度４１０が９３°のときは９５４ｍ、垂直面到来方向角度４１０が９４°のときは７１５ｍ、垂直面到来方向角度４１０が９５°のときは５７２ｍ、垂直面到来方向角度４１０が９６°のときは４７６ｍ、垂直面到来方向角度４１０が９７°のときは４０７ｍ、垂直面到来方向角度４１０が９８°のときは３５６ｍである。なお、このとき、第１アレイアンテナブロックと第２アレイアンテナブロックの間の間隔Ｄは１００ｍｍとした。

図６（ａ）から、第１ポート１に接続されたアンテナ素子を含むアレイアンテナブロック１０５と第３ポート３に接続されたアンテナ素子を含むアレイアンテナブロック１０６の間の相関係数は、垂直面内チルト角度に差をつけた場合、垂直面到来方向角度が９６度以下では、ＭＩＭＯの効果が期待できる目標の０．７以下になることがわかる。

本発明の他の実施形態として、アンテナ素子の配置例や組み合わせがある。偏波ダイバーシチ素子の組み合わせであれば、図１のような４５度・−４５度偏波ダイバーシチの組み合わせだけでなく垂直偏波・水平偏波ダイバーシチでもよい。４５度・−４５度偏波ダイバーシチ素子と垂直偏波・水平偏波ダイバーシチ素子を組み合わせてもよい。直線偏波を放射する素子の組み合わせであれば、素子形状は問わない。また、これまでの実施形態においては、各々のアレイアンテナブロックを垂直面内に縦積みする際には、同一軸上に縦積みするのを基本とするが、本発明の技術思想に逸脱していない範囲であれば、例えば、複数のアレイアンテナブロックに係る軸を前後方向（左右方向）にずらして、つまり、複数のアレイアンテナブロックに係る軸が互いに平行状態になるように、複数のアレイアンテナブロックを垂直面内に縦積みしてもよい。

本発明は、垂直面内チルト角度を上下のアレイアンテナブロックで変えることにより指向性を変化させることができ、これによって、各アレイアンテナブロック間の相関係数を低下させることができる。また、各アンテナブロック間の相関係数を低下させることによりＭＩＭＯの空間多重効果がより有効になり、データ伝送効率を高めることができる。さらに、アンテナ設置に要する体積の増加を抑制することができる。

１第１ポート
２第２ポート
３第３ポート
４第４ポート
５導通板
１００アンテナ本体
１０１第１ポート１に接続されたアンテナ素子（第１アレイアンテナブロック１０５に含まれる−４５度偏波アンテナ素子）
１０２第２ポート２に接続されたアンテナ素子（第１アレイアンテナブロック１０５に含まれる＋４５度偏波アンテナ素子）
１０３第３ポート３に接続されたアンテナ素子（第２アレイアンテナブロック１０６に含まれる−４５度偏波アンテナ素子）
１０４第４ポート４に接続されたアンテナ素子（第２アレイアンテナブロック１０６に含まれる＋４５度偏波アンテナ素子）
１０５第１アレイアンテナブロック
１０６第２アレイアンテナブロック
１０７アンテナ素子対（第１アレイアンテナブロック１０５に含まれる±４５度偏波アンテナ素子対）
１０８アンテナ素子対（第２アレイアンテナブロック１０６に含まれる±４５度偏波アンテナ素子対）
２３０ＭＩＭＯ基地局アンテナ（移動通信用基地局アンテナ）
２３１第１ポート１に接続されたアンテナ素子
２３２第３ポート３に接続されたアンテナ素子
２３３第１ポート１に接続されたアンテナ素子の垂直面内チルト角
２３４第３ポート３に接続されたアンテナ素子の垂直面内チルト角

Claims

複数のアンテナ素子が直交に配置されてアンテナ素子対が構成され、該アンテナ素子対が垂直方向に複数配列されてアレイアンテナブロックが構成され、該アレイアンテナブロックが複数配列されて構成されたＭＩＭＯ通信用の移動通信用基地局アンテナにおいて、
前記複数のアレイアンテナブロックは、垂直方向に所定間隔をおいて配置され、垂直方向の上方に配置されたアレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度が、垂直方向の下方に配置されたアレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度よりも小さいことを特徴とする移動通信用基地局アンテナ。
請求項１記載の移動通信用基地局アンテナにおいて、
各々の前記アレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度が、前記アレイアンテナブロックの間の相関係数が０．７以下となるように設定されていることを特徴とする移動通信用基地局アンテナ。
請求項１又は２記載の移動通信用基地局アンテナにおいて、
前記複数のアレイアンテナブロックは、導通板で接続され、共通のグランド電位が提供されていることを特徴とする移動通信用基地局アンテナ。
請求項１記載の移動通信用基地局アンテナにおいて、
前記複数のアレイアンテナブロックの垂直面内チルト角度は、移相器により信号の位相を変えることにより任意に設定できることを特徴とする移動通信用基地局アンテナ。
請求項１〜４のいずれかに記載の移動通信用基地局アンテナにおいて、
前記複数のアレイアンテナブロックは、垂直方向の同一軸上に配置されていることを特徴とする移動通信用基地局アンテナ。
請求項４記載の移動通信用基地局アンテナにおいて、
前記移相器は、信号の位相の変化量が自由に設定可能な可変タイプの移相器であることを特徴とする移動通信用基地局アンテナ。