特開 2024-99228 円形アレーアンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024099228

(43)【公開日】2024-07-25

(54)【発明の名称】円形アレーアンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 21/26 20060101AFI20240718BHJP

   H01Q 13/08 20060101ALI20240718BHJP

【ＦＩ】

H01Q21/26

H01Q13/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023003021

(22)【出願日】2023-01-12

(71)【出願人】

【識別番号】000004330

【氏名又は名称】日本無線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(74)【代理人】

【識別番号】100173716

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 真理

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 仁

(72)【発明者】

【氏名】平林 和雄

(72)【発明者】

【氏名】野呂 崇徳

【テーマコード（参考）】

5J021

5J045

【Ｆターム（参考）】

5J021AA05

5J021AA10

5J021AA11

5J021AB06

5J021CA04

5J021CA06

5J021DB02

5J021DB03

5J021FA07

5J021FA12

5J021FA32

5J021GA06

5J021GA07

5J021HA05

5J021JA05

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5J045AA13

5J045AA21

5J045CA02

5J045CA03

5J045DA10

5J045FA01

5J045JA17

5J045JA20

5J045NA01

(57)【要約】

【課題】本開示は、アンテナの指向性を無指向性とするにあたり、アンテナ素子の高利得化を図るよりもアンテナ全体の高利得化を図るとともに、アンテナ素子の素子間隔を狭くして無指向性の低リップル化も図ることを目的とする。
【解決手段】本開示は、ｍ個（例えば、４個）のアンテナ素子を円形状に配列する円形アレーアンテナを、ｍ個のアンテナ素子の円形状の配列面内と垂直方向にｎ段（例えば、２段）だけ積み上げ、ｎ段の円形アレーアンテナの積み上げ方向に隣接する円形アレーアンテナを、ｎ段の円形アレーアンテナの積み上げ方向をねじれ軸として、３６０／（ｍ×ｎ）度だけねじる多段コリニアアンテナ４、を備える円形アレーアンテナ装置Ｎ２である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｍ個のアンテナ素子を円形状に配列する円形アレーアンテナを、前記ｍ個のアンテナ素子の円形状の配列面内と垂直方向にｎ段だけ積み上げ、ｎ段の円形アレーアンテナの積み上げ方向に隣接する円形アレーアンテナを、前記ｎ段の円形アレーアンテナの積み上げ方向をねじれ軸として、３６０／（ｍ×ｎ）度だけねじる多段コリニアアンテナと、
各段の円形アレーアンテナの円形状の配列面内において、前記多段コリニアアンテナの指向性を無指向性とするように、（ｍ×ｎ）個のアンテナ素子の励振振幅及び励振位相について、同一励振振幅及び同一励振位相に制御する励振振幅位相制御部と、
を備えることを特徴とする円形アレーアンテナ装置。

【請求項2】

前記ｎ段の円形アレーアンテナの積み上げ方向から見て隣接するアンテナ素子の素子間隔は、前記多段コリニアアンテナの中心波長の０．２倍以上かつ０．５倍以下である
ことを特徴とする、請求項１に記載の円形アレーアンテナ装置。

【請求項3】

前記励振振幅位相制御部は、前記各段の円形アレーアンテナの円形状の配列面内において、前記多段コリニアアンテナの指向性のうちの一のアンテナ素子の正面方向にヌルを形成するように、他の（ｍ×ｎ－１）個のアンテナ素子の励振振幅及び励振位相に対して、前記一のアンテナ素子の励振振幅差及び励振位相差を制御する
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の円形アレーアンテナ装置。

【請求項4】

前記励振振幅位相制御部は、前記各段の円形アレーアンテナの円形状の配列面内において、前記多段コリニアアンテナの指向性のうちの隣接するアンテナ素子（前記ｎ段の円形アレーアンテナの積み上げ方向から見て隣接する。）の各正面方向の中間方向にヌルを形成するように、他の（ｍ×ｎ－２）個のアンテナ素子の励振振幅及び励振位相に対して、前記隣接するアンテナ素子の励振振幅差及び励振位相差を制御する
ことを特徴とする、請求項３に記載の円形アレーアンテナ装置。

【請求項5】

各アンテナ素子は、互いに直交する偏波に共用される偏波共用パッチアンテナであり、
放射パッチと、グランド板と、前記放射パッチと前記グランド板との間の誘電体層と、
前記放射パッチに配置され、前記互いに直交する偏波のうちの第１偏波を励振し、前記放射パッチの高次モードの電流分布を回避する位置に配置される第１偏波ポートと、
前記放射パッチに配置され、前記互いに直交する偏波のうちの第２偏波を励振し、前記放射パッチの高次モードの電流分布を回避する位置に配置される第２偏波ポートと、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の円形アレーアンテナ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、複数のアンテナ素子を円形状に配列する円形アレーアンテナに関する。

【背景技術】

【0002】

ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）等の基地局等は、通常時ではアンテナの指向性を無指向性とすることが要求されており、干渉除去時ではアンテナの指向性のうちの干渉除去方向にヌルを形成することが要求されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Ｌａｒｓ Ｊоｓｅｆｓｓоｎ ａｎｄ Ｐａｔｒｉｋ Ｐｅｒｓｓоｎ，“Ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ”，Ｗｉｌｅｙ，２００６年２月３日，ｐｐ．１９－２２．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来技術の円形アレーアンテナ装置の構成を図１に示す。円形アレーアンテナ装置Ｎ１は、円形アレーアンテナ１（非特許文献１に開示）、アンテナ送受信部２及び励振振幅位相制御部３を備える。図１の右欄では、円形アレーアンテナ１の平面図を示す。

【0005】

円形アレーアンテナ１は、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８（パッチアンテナ素子）を円形状に配列する。アンテナ送受信部２は、円形アレーアンテナ装置Ｎ１の送受信部である。励振振幅位相制御部３は、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８の円形状の配列面内において、円形アレーアンテナ１の指向性を無指向性とするように、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８の励振振幅及び励振位相について、同一励振振幅及び同一励振位相に制御する。

【0006】

ここで、円形アレーアンテナ装置Ｎ１は、高利得化を図るためには、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８のグランド板を大きくすることが望ましく、低リップル化を図るためには、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８の素子間隔を狭くすることが望ましい。しかし、円形アレーアンテナ装置Ｎ１は、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８のグランド板を大きくしたときには、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８の素子間隔を円形アレーアンテナ１の中心波長λの０．５倍より広くし得るため、高利得化及び低リップル化を両立することができない。

【0007】

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、アンテナの指向性を無指向性とするにあたり、アンテナ素子の高利得化を図るよりもアンテナ全体の高利得化を図るとともに、アンテナ素子の素子間隔を狭くして無指向性の低リップル化も図ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を解決するために、円形アレーアンテナを複数段だけ積み上げ、積み上げ方向に隣接する円形アレーアンテナを３６０／（ｍ×ｎ）度（ｍは円形アレーアンテナのアンテナ素子数、ｎは円形アレーアンテナの積み上げ段数）だけねじることとした。

【0009】

具体的には、本開示は、ｍ個のアンテナ素子を円形状に配列する円形アレーアンテナを、前記ｍ個のアンテナ素子の円形状の配列面内と垂直方向にｎ段だけ積み上げ、ｎ段の円形アレーアンテナの積み上げ方向に隣接する円形アレーアンテナを、前記ｎ段の円形アレーアンテナの積み上げ方向をねじれ軸として、３６０／（ｍ×ｎ）度だけねじる多段コリニアアンテナと、各段の円形アレーアンテナの円形状の配列面内において、前記多段コリニアアンテナの指向性を無指向性とするように、（ｍ×ｎ）個のアンテナ素子の励振振幅及び励振位相について、同一励振振幅及び同一励振位相に制御する励振振幅位相制御部と、を備えることを特徴とする円形アレーアンテナ装置である。

【0010】

この構成によれば、円形アレーアンテナを複数段だけ積み上げるため、アンテナ全体の高利得化を図ることができ、積み上げ方向に隣接する円形アレーアンテナを３６０／（ｍ×ｎ）度だけねじるため、無指向性の低リップル化も図ることができる。

【0011】

また、本開示は、前記ｎ段の円形アレーアンテナの積み上げ方向から見て隣接するアンテナ素子の素子間隔は、前記多段コリニアアンテナの中心波長の０．２倍以上かつ０．５倍以下であることを特徴とする円形アレーアンテナ装置である。

【0012】

この構成によれば、積み上げ方向から見て隣接するアンテナ素子の素子間隔をアンテナの中心波長の０．５倍以下とするため、無指向性の低リップル化を図ることができる。

【0013】

また、本開示は、前記励振振幅位相制御部は、前記各段の円形アレーアンテナの円形状の配列面内において、前記多段コリニアアンテナの指向性のうちの一のアンテナ素子の正面方向にヌルを形成するように、他の（ｍ×ｎ－１）個のアンテナ素子の励振振幅及び励振位相に対して、前記一のアンテナ素子の励振振幅差及び励振位相差を制御することを特徴とする円形アレーアンテナ装置である。

【0014】

この構成によれば、無指向性アンテナとヌルアンテナを一体化するため、省スペース化及び低コスト化を図ることができ、多段コリニアアンテナを電子的に制御するため、干渉除去方向を変化させるときに、干渉除去方向にヌルを高速に形成することができる。

【0015】

また、本開示は、前記励振振幅位相制御部は、前記各段の円形アレーアンテナの円形状の配列面内において、前記多段コリニアアンテナの指向性のうちの隣接するアンテナ素子（前記ｎ段の円形アレーアンテナの積み上げ方向から見て隣接する。）の各正面方向の中間方向にヌルを形成するように、他の（ｍ×ｎ－２）個のアンテナ素子の励振振幅及び励振位相に対して、前記隣接するアンテナ素子の励振振幅差及び励振位相差を制御することを特徴とする円形アレーアンテナ装置である。

【0016】

この構成によれば、一のアンテナ素子の正面方向にヌルを形成するとともに、隣接アンテナ素子の各正面方向の中間方向にヌルを形成するため、多段コリニアアンテナの全放射方向（上記の正面方向及び中間方向を含む）に所望のヌルを形成することができる。

【0017】

また、本開示は、各アンテナ素子は、互いに直交する偏波に共用される偏波共用パッチアンテナであり、放射パッチと、グランド板と、前記放射パッチと前記グランド板との間の誘電体層と、前記放射パッチに配置され、前記互いに直交する偏波のうちの第１偏波を励振し、前記放射パッチの高次モードの電流分布を回避する位置に配置される第１偏波ポートと、前記放射パッチに配置され、前記互いに直交する偏波のうちの第２偏波を励振し、前記放射パッチの高次モードの電流分布を回避する位置に配置される第２偏波ポートと、を備えることを特徴とする円形アレーアンテナ装置である。

【0018】

この構成によれば、アンテナ構造を複雑しないで、両偏波ポートの間のアイソレーションを向上させるとともに、主偏波に対する交差偏波を発生させないことができる。

【0019】

なお、上記各開示の発明は、可能な限り組み合わせることができる。

【発明の効果】

【0020】

このように、本開示は、アンテナの指向性を無指向性とするにあたり、アンテナ素子の高利得化を図るよりもアンテナ全体の高利得化を図るとともに、アンテナ素子の素子間隔を狭くして無指向性の低リップル化も図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】従来技術の円形アレーアンテナ装置の構成を示す図である。

【図2】本開示の円形アレーアンテナ装置の構成を示す図である。

【図3】本開示の低リップル化及び高利得化の解決結果を示す図である。

【図4】本開示の低リップル化及び高利得化の解決結果を示す図である。

【図5】本開示の一のアンテナ素子の正面方向のヌル形成を示す図である。

【図6】本開示の低リップル化及び高利得化の解決結果を示す図である。

【図7】本開示のヌル形成の分解能向上の解決課題を示す図である。

【図8】本開示の隣接するアンテナ素子の中間方向のヌル形成を示す図である。

【図9】本開示の励振振幅位相制御部の構成を示す図である。

【図10】本開示の偏波共用パッチアンテナの構成を示す図である。

【図11】本開示の偏波共用パッチアンテナの解決手段を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

【0023】

（本開示の円形アレーアンテナ装置の構成）
本開示の円形アレーアンテナ装置の構成を図２に示す。円形アレーアンテナ装置Ｎ２は、多段コリニアアンテナ４、アンテナ送受信部５及び励振振幅位相制御部６を備える。図２の右欄では、多段コリニアアンテナ４の透視平面図を示す。

【0024】

多段コリニアアンテナ４は、４個のアンテナ素子を円形状に配列する円形アレーアンテナを、４個のアンテナ素子の円形状の配列面内と垂直方向に２段だけ積み上げる。ここで、上段の円形アレーアンテナは、４個のアンテナ素子Ａ１、Ａ３、Ａ５、Ａ７を円形状に配列する。そして、下段の円形アレーアンテナは、４個のアンテナ素子Ａ２、Ａ４、Ａ６、Ａ８を円形状に配列する。そして、多段コリニアアンテナ４は、２段の円形アレーアンテナの積み上げ方向に隣接する円形アレーアンテナを、２段の円形アレーアンテナの積み上げ方向をねじれ軸として、３６０／（４×２）°＝４５°だけねじる。

【0025】

図２では、４個のアンテナ素子が、円形状に配列されているが、変形例として、ｍ個（ｍは３以上の整数）のアンテナ素子が、円形状に配列されてもよい。図２では、２段の円形アレーアンテナが、上下方向に積み上げられているが、変形例として、ｎ段（ｎは２以上の整数）の円形アレーアンテナが、上下方向に積み上げられてもよい。図２では、積み上げ方向に隣接する円形アレーアンテナが、３６０／（４×２）°＝４５°だけねじられているが、変形例として、積み上げ方向に隣接する円形アレーアンテナが、３６０／（ｍ×ｎ）°だけねじられてもよい。図２では、パッチアンテナ素子が、円形状に配列されているが、変形例として、線状アンテナ素子等が円形状に配列されてもよい。ここで、パッチアンテナ素子は、グランド板の大きさに応じて、素子間隔を広げているが、線状アンテナ素子等は、隣接素子間の干渉を減らすように、素子間隔を広げている。

【0026】

アンテナ送受信部５は、円形アレーアンテナ装置Ｎ２の送受信部である。励振振幅位相制御部６は、各段の円形アレーアンテナの円形状の配列面内において、多段コリニアアンテナ４の指向性を無指向性とするように、（４×２）個＝８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８の励振振幅及び励振位相について、同一励振振幅及び同一励振位相に制御する。以下に、円形アレーアンテナ装置Ｎ２が、低リップル化及び高利得化を両立する理由を説明する。

【0027】

（本開示の低リップル化及び高利得化）
本開示の低リップル化及び高利得化の解決結果を図３、４に示す。図３、４の左欄では、図１に示した従来技術を示す。図３、４の右欄では、図２に示した本開示を示す。

【0028】

図１に示した従来技術では、円形アレーアンテナ装置Ｎ１は、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８のグランド板を大きくしなければ、アンテナ全体の高利得化を図ることができない。そして、円形アレーアンテナ装置Ｎ１は、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８のグランド板を大きくしたときには、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８の素子間隔を円形アレーアンテナ１の中心波長λの０．５倍より広くし得るため、アンテナ全体の高利得化を図ることができたとしても、無指向性の低リップル化を図ることができない。

【0029】

図３の左欄に示した従来技術では、無指向性の最低利得は２．０ｄＢｉであり、無指向性の最高利得は３．６ｄＢｉであり、無指向性のリップルは１．６ｄＢである。図４の左欄に示した従来技術では、円形アレーアンテナ１の配列面内を無指向性の観測面としたときに、無指向性のリップルが増大している。

【0030】

図２に示した本開示では、円形アレーアンテナ装置Ｎ２は、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８のグランド板を大きくしなくても、２段の円形アレーアンテナを積み上げるため、アンテナ全体の高利得化を図ることができる。そして、円形アレーアンテナ装置Ｎ２は、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８のグランド板を大きくしたとしても、２段の円形アレーアンテナの積み上げ方向から見て隣接するアンテナ素子（例えば、Ａ１、Ａ２）の素子間隔を、多段コリニアアンテナ４の中心波長の０．５倍より狭くし得るため、アンテナ全体の高利得化を図ることができるとともに、無指向性の低リップル化も図ることができる。

【0031】

図３の右欄に示した本開示では、無指向性の最低利得は５．４ｄＢｉであり、無指向性の最高利得は５．７ｄＢｉであり、無指向性のリップルは０．３ｄＢである。図４の右欄に示した本開示では、２段の円形アレーアンテナの中間面内を無指向性の観測面としたときに、無指向性のリップルが低減している。

【0032】

よって、２段の円形アレーアンテナの積み上げ方向から見て隣接するアンテナ素子（例えば、Ａ１、Ａ２）の素子間隔は、多段コリニアアンテナ４の中心波長と比べて、０．５倍以下であることが望ましい。そして、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８のグランド板の大きさを考慮すれば、０．２倍以上であることが望ましいが、８個のアンテナ素子Ａ１～Ａ８のグランド板を小さくすることができれば、０．２倍以下であってもよい。

【0033】

このように、円形アレーアンテナを２段だけ積み上げるため、アンテナ全体の高利得化を図ることができ、積み上げ方向に隣接する円形アレーアンテナを３６０／（４×２）°＝４５°だけねじるため、無指向性の低リップル化も図ることができる。そして、積み上げ方向から見て隣接するアンテナ素子（例えば、Ａ１、Ａ２）の素子間隔をアンテナの中心波長の０．５倍以下とするため、無指向性の低リップル化を図ることができる。

【0034】

なお、円形アレーアンテナ装置Ｎ２は、２段の円形アレーアンテナの積み上げ方向に高さを増大させるが、各段の円形アレーアンテナの配列面内に直径を低減させるため、多段コリニアアンテナ４の体積を低減させることができる。また、円形アレーアンテナ装置Ｎ２は、２段の円形アレーアンテナをあたかも直線フェーズドアレーアンテナのように用いて、無指向性ビームを上下方向に制御することができるが、２段の円形アレーアンテナを多段コリニアアンテナ４の中心波長λの１倍より狭い間隔で配列することが望ましい。

【0035】

（本開示の一のアンテナ素子の正面方向のヌル形成）
本開示の一のアンテナ素子の正面方向のヌル形成を図５に示す。励振振幅位相制御部６は、各段の円形アレーアンテナの円形状の配列面内において、多段コリニアアンテナ４の指向性のうちの一のアンテナ素子（例えば、Ａ１）の正面方向にヌルを形成するように、他の（４×２－１）個＝７個のアンテナ素子（例えば、Ａ２～Ａ８）の励振振幅及び励振位相に対して、当該一のアンテナ素子の励振振幅差及び励振位相差を制御する。

【0036】

具体的には、励振振幅位相制御部６は、当該一のアンテナ素子のみの励振状態における、当該一のアンテナ素子の正面方向の放射振幅を、当該他の７個のアンテナ素子のみの励振状態における、当該一のアンテナ素子の正面方向の放射振幅と等しくすればよい。そして、励振振幅位相制御部６は、当該一のアンテナ素子のみの励振状態における、当該一のアンテナ素子の正面方向の放射位相を、当該他の７個のアンテナ素子のみの励振状態における、当該一のアンテナ素子の正面方向の放射位相と逆位相にすればよい。

【0037】

図５の左欄では、アンテナ素子Ａ１のみの励振状態において、励振振幅は０ｄＢに制御され、励振位相は０°に制御され、放射パターンは電磁界計算又はアレー計算等により計算される。そして、アンテナ素子Ａ２～Ａ８のみの励振状態において、各励振振幅は０ｄＢに制御され、各励振位相は０°に制御され、放射パターンは電磁界計算又はアレー計算等により計算される。なお、多段コリニアアンテナ４の指向性が無指向性であるときには、全ての励振振幅は０ｄＢに制御され、全ての励振位相は０°に制御される。

【0038】

すると、アンテナ素子Ａ１のみの励振状態において、アンテナ素子Ａ２～Ａ８のみの励振状態と比べて、アンテナ素子Ａ１の正面方向の放射振幅は８．１ｄＢだけ大きく、アンテナ素子Ａ１の正面方向の放射位相は４９°だけ遅れる。なお、図９を考慮して、アンテナ素子Ａ１への分配電力は、全電力の１／８倍＝－９ｄＢであり、アンテナ素子Ａ２～Ａ８への分配電力は、全電力の７／８倍＝－０．６ｄＢであり、アンテナ素子Ａ２～Ａ８に対するアンテナ素子Ａ１における分配損失差は、８．４ｄＢである。

【0039】

図５の右欄では、アンテナ素子Ａ１のみの励振状態において、励振振幅は０ｄＢ（～－（８．１－８．４）ｄＢ）に制御され、励振位相は１３１°（＝（１８０－４９）°）に制御される。そして、アンテナ素子Ａ２～Ａ８のみの励振状態において、各励振振幅は０ｄＢのままに維持され、各励振位相は０°のままに維持される。

【0040】

すると、アンテナ素子Ａ１のみの励振状態において、アンテナ素子Ａ２～Ａ８のみの励振状態と比べて、アンテナ素子Ａ１の正面方向の放射振幅は等しくなり、アンテナ素子Ａ１の正面方向の放射位相は逆位相となる。よって、アンテナ素子Ａ１のみの励振状態と、アンテナ素子Ａ２～Ａ８のみの励振状態と、の同振幅・逆位相の放射合成結果として、アンテナ素子Ａ１の正面方向に－３２ｄＢのヌルが形成される。

【0041】

本開示の低リップル化及び高利得化の解決結果を図６に示す。図６の左欄では、図１に示した従来技術を示す。図６の右欄では、図２に示した本開示を示す。

【0042】

図６の左欄に示した従来技術では、ヌルを除く指向性の最低利得は２．０ｄＢｉであり、ヌルを除く指向性の最高利得は３．６ｄＢｉであり、ヌルを除く指向性のリップルは１．６ｄＢであり、アンテナ素子Ａ１の正面方向に－３０ｄＢのヌルが形成される。

【0043】

図６の右欄に示した本開示では、ヌルを除く指向性の最低利得は５．４ｄＢｉであり、ヌルを除く指向性の最高利得は５．７ｄＢｉであり、ヌルを除く指向性のリップルは０．３ｄＢであり、アンテナ素子Ａ１の正面方向に－３２ｄＢのヌルが形成される。

【0044】

このように、無指向性アンテナとヌルアンテナを一体化するため、省スペース化及び低コスト化を図ることができ、多段コリニアアンテナ４を電子的に制御するため、干渉除去方向を変化させるときに、干渉除去方向にヌルを高速に形成することができる。そして、一のアンテナ素子（例えば、Ａ１）の励振状態及び他のアンテナ素子（例えば、Ａ２～Ａ８）の励振状態における、当該一のアンテナ素子の正面方向のそれぞれの放射を弱め合うように合成するため、当該一のアンテナ素子の正面方向にヌルを形成することができる。

【0045】

本開示のヌル形成の分解能向上の解決課題を図７に示す。図７の左欄では、多段コリニアアンテナ４は、それぞれ４個のアンテナ素子を円形状に配列する２段の円形アレーアンテナを、３６０／（４×２）°＝４５°だけねじる。図７の右欄では、多段コリニアアンテナ４’は、それぞれ８個のアンテナ素子を円形状に配列する２段の円形アレーアンテナを、３６０／（８×２）°＝２２．５°だけねじる。図７の左欄及び右欄では、各アンテナ素子の大きさ（パッチ素子のグランド板の大きさ等）は、同一である。

【0046】

図７の左欄では、８個のアンテナ素子の素子間隔ｄ（２段の円形アレーアンテナの積み上げ方向から見て隣接するアンテナ素子の間隔）は、多段コリニアアンテナ４の中心波長λの０．５倍以下となり、多段コリニアアンテナ４の指向性は、リップルを増大させない。そして、多段コリニアアンテナ４の直径は、より小型化される。しかし、多段コリニアアンテナ４のヌル分解能は、８個のアンテナ素子の各正面方向に限定される。

【0047】

図７の右欄では、多段コリニアアンテナ４’のヌル分解能は、１６個のアンテナ素子の各正面方向に拡張される。しかし、１６個のアンテナ素子の素子間隔ｄ（２段の円形アレーアンテナの積み上げ方向から見て隣接するアンテナ素子の間隔）は、多段コリニアアンテナ４’の中心波長λの０．５倍より大きく、多段コリニアアンテナ４’の指向性は、リップルを増大させる。そして、多段コリニアアンテナ４’の直径は、より大型化される。

【0048】

（本開示の隣接するアンテナ素子の中間方向のヌル形成）
本開示の隣接するアンテナ素子の中間方向のヌル形成を図８に示す。多段コリニアアンテナ４は、それぞれ４個のアンテナ素子を円形状に配列する２段の円形アレーアンテナを、３６０／（４×２）°＝４５°だけねじる構造を維持する。励振振幅位相制御部６は、各段の円形アレーアンテナの円形状の配列面内において、多段コリニアアンテナ４の指向性のうちの隣接するアンテナ素子（例えば、Ａ１、Ａ２。２段の円形アレーアンテナの積み上げ方向から見て隣接する。）の各正面方向の中間方向にヌルを形成するように、他の（４×２－２）個＝６個のアンテナ素子（例えば、Ａ３～Ａ８）の励振振幅及び励振位相に対して、当該隣接するアンテナ素子の励振振幅差及び励振位相差を制御する。

【0049】

具体的には、励振振幅位相制御部６は、当該隣接するアンテナ素子のみの励振状態における、当該隣接するアンテナ素子の各正面方向の中間方向の放射振幅を、当該他の６個のアンテナ素子のみの励振状態における、当該隣接するアンテナ素子の各正面方向の中間方向の放射振幅と等しくすればよい。そして、励振振幅位相制御部６は、当該隣接するアンテナ素子のみの励振状態における、当該隣接するアンテナ素子の各正面方向の中間方向の放射位相を、当該他の６個のアンテナ素子のみの励振状態における、当該隣接するアンテナ素子の各正面方向の中間方向の放射位相と逆位相にすればよい。

【0050】

図８の左欄では、アンテナ素子Ａ１、Ａ２のみの励振状態において、各励振振幅は０ｄＢに制御され、各励振位相は０°に制御され、放射パターンは電磁界計算又はアレー計算等により計算される。そして、アンテナ素子Ａ３～Ａ８のみの励振状態において、各励振振幅は０ｄＢに制御され、各励振位相は０°に制御され、放射パターンは電磁界計算又はアレー計算等により計算される。なお、多段コリニアアンテナ４の指向性が無指向性であるときには、全ての励振振幅は０ｄＢに制御され、全ての励振位相は０°に制御される。

【0051】

すると、アンテナ素子Ａ１、Ａ２のみの励振状態において、アンテナ素子Ａ３～Ａ８のみの励振状態と比べて、アンテナ素子Ａ１、Ａ２の各正面方向の中間方向の放射振幅はａｄＢ（具体的な数値は不図示）だけ大きく、アンテナ素子Ａ１、Ａ２の各正面方向の中間方向の放射位相はθ°（具体的な数値は不図示）だけ遅れる。なお、図９を考慮して、アンテナ素子Ａ１、Ａ２への分配電力は、全電力の２／８倍＝－６ｄＢであり、アンテナ素子Ａ３～Ａ８への分配電力は、全電力の６／８倍＝－１．２ｄＢであり、アンテナ素子Ａ３～Ａ８に対するアンテナ素子Ａ１、Ａ２における分配損失差は、４．８ｄＢである。

【0052】

図８の右欄では、アンテナ素子Ａ１、Ａ２のみの励振状態において、各励振振幅は（４．８－ａ）ｄＢ（＝－（ａ－４．８）ｄＢ）に制御され、各励振位相は（１８０－θ）°に制御される。そして、アンテナ素子Ａ３～Ａ８のみの励振状態において、各励振振幅は０ｄＢのままに維持され、各励振位相は０°のままに維持される。

【0053】

すると、アンテナ素子Ａ１、Ａ２のみの励振状態において、アンテナ素子Ａ３～Ａ８のみの励振状態と比べて、アンテナ素子Ａ１、Ａ２の各正面方向の中間方向の放射振幅は等しくなり、アンテナ素子Ａ１、Ａ２の各正面方向の中間方向の放射位相は逆位相となる。よって、アンテナ素子Ａ１、Ａ２のみの励振状態と、アンテナ素子Ａ３～Ａ８のみの励振状態と、の同振幅・逆位相の放射合成結果として、アンテナ素子Ａ１、Ａ２の各正面方向の中間方向に－３０ｄＢ（図５の－３２ｄＢと同等）のヌルが形成される。

【0054】

このように、一のアンテナ素子（例えば、Ａ１）の正面方向にヌルを形成するとともに、隣接アンテナ素子（例えば、Ａ１、Ａ２）の各正面方向の中間方向にヌルを形成するため、多段コリニアアンテナ４の全放射方向（上記の正面方向及び中間方向を含む）に所望のヌルを形成することができる。そして、隣接アンテナ素子（例えば、Ａ１、Ａ２）の励振状態及び他のアンテナ素子（例えば、Ａ３～Ａ８）の励振状態における、当該隣接アンテナ素子の各正面方向の中間方向のそれぞれの放射を弱め合うように合成するため、当該隣接アンテナ素子の各正面方向の中間方向にヌルを形成することができる。

【0055】

本開示の励振振幅位相制御部の構成を図９に示す。励振振幅位相制御部６は、８分配部６１及び励振振幅位相切替部６２－１～６２－８を備える。

【0056】

８分配部６１は、アンテナ素子Ａ１～Ａ８へ電力を等分配する。これは、励振振幅位相制御部６が、多段コリニアアンテナ４の指向性を無指向性とするためである。

【0057】

励振振幅位相切替部６２－１～６２－８は、アンテナ素子Ａ１～Ａ８の各励振振幅及び各励振位相を切り替える。これは、励振振幅位相制御部６が、多段コリニアアンテナ４の指向性を無指向性とするか、多段コリニアアンテナ４の指向性にヌルを形成するか、を切り替えるためである。励振振幅位相切替部６２－１～６２－８を代表して、励振振幅位相切替部６２は、固定減衰器６３、遅延線路６４（固定長さ）、固定減衰器６５、遅延線路６６（固定長さ）、スルー線路６７（固定長さ）、スイッチ６８及びスイッチ６９を備える。

【0058】

励振振幅位相制御部６が、一のアンテナ素子（例えば、Ａ１）の正面方向にヌルを形成するときには、（１）当該一のアンテナ素子に対応する励振振幅位相切替部６２は、固定減衰器６３（図５の０ｄＢに対応）及び遅延線路６４（図５の１３１°に対応）を有する経路に、スイッチ６８、６９で切り替え、（２）他の７個のアンテナ素子（例えば、Ａ２～Ａ８）に対応する励振振幅位相切替部６２は、スルー線路６７を有する経路（図５の０ｄＢ及び０°に対応）に、スイッチ６８、６９で切り替える。

【0059】

励振振幅位相制御部６が、隣接するアンテナ素子（例えば、Ａ１、Ａ２）の各正面方向の中間方向にヌルを形成するときには、（１）当該隣接するアンテナ素子に対応する励振振幅位相切替部６２は、固定減衰器６５（図８の（４．８－ａ）ｄＢに対応）及び遅延線路６６（図８の（１８０－θ）°に対応）を有する経路に、スイッチ６８、６９で切り替え、（２）他の６個のアンテナ素子（例えば、Ａ３～Ａ８）に対応する励振振幅位相切替部６２は、スルー線路６７を有する経路（図８の０ｄＢ及び０°に対応）に、スイッチ６８、６９で切り替える。

【0060】

励振振幅位相制御部６が、多段コリニアアンテナ４の指向性を無指向性とするときには、全てのアンテナ素子Ａ１～Ａ８に対応する励振振幅位相切替部６２は、スルー線路６７を有する経路（図５、８の０ｄＢ及び０°に対応）に、スイッチ６８、６９で切り替える。

【0061】

このように、励振振幅位相切替部６２は、可変減衰器及び移相器に代えて、固定減衰器６３、６５及び遅延線路６４、６６を備える。よって、円形アレーアンテナ装置Ｎ２は、低コスト化を図ることができ、各励振振幅及び各励振位相を無調整とすることができる。

【0062】

（本開示の偏波共用パッチアンテナの構成）
本開示の偏波共用パッチアンテナの構成を図１０に示す。アンテナ素子Ａ１～Ａ８を代表してアンテナ素子Ａは、偏波共用パッチアンテナであり、矩形パッチ１１、グランド板、矩形パッチ１１とグランド板との間の誘電体層、水平偏波電源１２Ｈ、垂直偏波電源１２Ｖ、外部インピーダンス整合回路１３Ｈ及び外部インピーダンス整合回路１３Ｖを備える。矩形パッチ１１は、水平偏波ポート１１１Ｈ及び垂直偏波ポート１１１Ｖを備える。

【0063】

水平偏波ポート１１１Ｈは、矩形パッチ１１に配置され、互いに直交する偏波のうちの水平偏波を励振し、矩形パッチ１１の高次モードの電流分布を回避する位置（矩形パッチ１１の中央近傍）に配置される。具体的には、水平偏波ポート１１１Ｈの配置位置と矩形パッチ１１の中心位置１１２との間の、水平偏波と平行方向における距離δは、矩形パッチ１１の中心波長λの１／８倍以下であるが、０ではない（ショートを回避するため）。

【0064】

垂直偏波ポート１１１Ｖは、矩形パッチ１１に配置され、互いに直交する偏波のうちの垂直偏波を励振し、矩形パッチ１１の高次モードの電流分布を回避する位置（矩形パッチ１１の中央近傍）に配置される。具体的には、垂直偏波ポート１１１Ｖの配置位置と矩形パッチ１１の中心位置１１２との間の、垂直偏波と平行方向における距離δは、矩形パッチ１１の中心波長λの１／８倍以下であるが、０ではない（ショートを回避するため）。

【0065】

本開示の偏波共用パッチアンテナの解決手段を図１１に示す。アンテナ素子Ａのリターンロスの広帯域特性を重視して、矩形パッチ１１とグランド板との間の誘電体層厚さを増加すると、矩形パッチ１１の高次モードが意図せず励振される。

【0066】

図１１の上段では、水平偏波ポート１１１Ｈが、水平偏波を励振すると、矩形パッチ１１の水平偏波の基本モードが、所望通り励振されるとともに、矩形パッチ１１の水平偏波の高次モードが、意図せず励振される。図１１の中段では、垂直偏波ポート１１１Ｖが、垂直偏波を励振すると、矩形パッチ１１の垂直偏波の基本モードが、所望通り励振されるとともに、矩形パッチ１１の垂直偏波の高次モードが、意図せず励振される。

【0067】

ここで、水平偏波ポート１１１Ｈ及び垂直偏波ポート１１１Ｖは、矩形パッチ１１の高次モードの電流分布を回避する位置（矩形パッチ１１の中央近傍）に配置される。よって、水平偏波ポート１１１Ｈ及び垂直偏波ポート１１１Ｖの配置位置は、矩形パッチ１１の高次モードの電流分布と重複しない。そして、水平偏波ポート１１１Ｈと垂直偏波ポート１１１Ｖとの間で結合が低減されるためアイソレーションが向上するとともに、主偏波（水平／垂直偏波）に対する交差偏波（垂直／水平偏波）が発生しない。

【0068】

よって、アンテナ素子Ａの構造を複雑しないで、水平偏波ポート１１１Ｈと垂直偏波ポート１１１Ｖとの間のアイソレーションを向上させるとともに、主偏波（水平／垂直偏波）に対する交差偏波（垂直／水平偏波）を発生させないことができる。そして、互いに直交する偏波を励振する水平偏波ポート１１１Ｈと垂直偏波ポート１１１Ｖを、矩形パッチ１１の高次モードの電流分布を回避する位置に配置することができる。

【0069】

外部インピーダンス整合回路１３Ｈは、水平偏波ポート１１１Ｈと水平偏波電源１２Ｈとの間に接続され、矩形パッチ１１の入力インピーダンスと水平偏波電源１２Ｈの出力インピーダンスとの間の整合を図る。外部インピーダンス整合回路１３Ｖは、垂直偏波ポート１１１Ｖと垂直偏波電源１２Ｖとの間に接続され、矩形パッチ１１の入力インピーダンスと垂直偏波電源１２Ｖの出力インピーダンスとの間の整合を図る。

【0070】

よって、互いに直交する偏波を励振する水平偏波ポート１１１Ｈと垂直偏波ポート１１１Ｖを、矩形パッチ１１の端部近傍に配置するのではなく、矩形パッチ１１の中央近傍に配置したとしても、インピーダンス整合を図ることができる。

【産業上の利用可能性】

【0071】

本開示の円形アレーアンテナ装置は、ＬＴＥ等の基地局等に適用されることができ、通常時ではアンテナの指向性を無指向性とすることができ、干渉除去時ではアンテナの指向性のうちの干渉除去方向にヌルを形成することができる。

【符号の説明】

【0072】

Ｎ１：円形アレーアンテナ装置
１：円形アレーアンテナ
２：アンテナ送受信部
３：励振振幅位相制御部
Ａ１～Ａ８：アンテナ素子
Ｎ２：円形アレーアンテナ装置
４、４’：多段コリニアアンテナ
５：アンテナ送受信部
６：励振振幅位相制御部
Ａ、Ａ１～Ａ８：アンテナ素子
６１：８分配部
６２、６２－１～６２－８：励振振幅位相切替部
６３、６５：固定減衰器
６４、６６：遅延線路
６７：スルー線路
６８、６９：スイッチ
１１：放射パッチ
１２Ｈ：水平偏波電源
１２Ｖ：垂直偏波電源
１３Ｈ：外部インピーダンス整合回路
１３Ｖ：外部インピーダンス整合回路
１１１Ｈ：水平偏波ポート
１１１Ｖ：垂直偏波ポート
１１２：中央位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】