特許 7331163 偏波共用折り返しダイポール素子及びアンテナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-14

(45)【発行日】2023-08-22

(54)【発明の名称】偏波共用折り返しダイポール素子及びアンテナ

(51)【国際特許分類】

   H01Q 21/24 20060101AFI20230815BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20230815BHJP

   H01Q 9/26 20060101ALI20230815BHJP

【ＦＩ】

H01Q21/24

H01Q21/06

H01Q9/26

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022007806

(22)【出願日】2022-01-21

(65)【公開番号】P2023106837

(43)【公開日】2023-08-02

【審査請求日】2022-01-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000217653

【氏名又は名称】電気興業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100142996

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡二

(74)【代理人】

【識別番号】100166268

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 祐

(74)【代理人】

【氏名又は名称】有原 幸一

(72)【発明者】

【氏名】牧山 真之

(72)【発明者】

【氏名】小倉 大岳

【審査官】岸田 伸太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１１９５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２０３８４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１９６８４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／００７４３３９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ ２１／２４

Ｈ０１Ｑ ２１／０６

Ｈ０１Ｑ ９／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに隣接して配置される４つの中央部と、該中央部の隣り合った異なる２つから互いに平行して延在する２本の平行線部および該２本の平行線部のそれぞれを遠位端において短絡している短絡部を含む素子部とを有し、該素子部により隣り合う２つの中央部が互いに物理的に接続されており、前記素子部が互いに９０度の角度をもって前記中央部から略同一平面に四方に延びており、前記２本の平行線部は折り返しダイポール素子として動作するものである、偏波共用折り返しダイポール素子。

【請求項2】

前記中央部と前記素子部との一部の上に配置された無給電素子をさらに含む、請求項１に記載の偏波共用折り返しダイポール素子。

【請求項3】

前記無給電素子は略十字形状を有している、請求項２に記載の偏波共用折り返しダイポール素子。

【請求項4】

前記遠位端における前記２本の平行線部のそれぞれの幅は、当該中央部における前記２本の平行線部の幅よりも細くなっている、請求項１～３のいずれか一項に記載の偏波共用折り返しダイポール素子。

【請求項5】

前記中央部から前記遠位端までの長さは、下限周波数の波長をλ_１としてλ_１/４である、請求項１～４のいずれか一項に記載の偏波共用折り返しダイポール素子。

【請求項6】

反射部と、
前記反射部に取り付けられた、少なくとも１つの請求項１～５のいずれか一項に記載の偏波共用折り返しダイポール素子と
を含んでなり、
それぞれの前記偏波共用折り返しダイポール素子の前記平行線部が、前記中央部から偏波方向に対して±４５度方向へと延在するように前記反射部に取り付けられていることを特徴とする、偏波共用折り返しダイポールアンテナ。

【請求項7】

ローバンドとは異なる周波数帯域に対応し、前記反射部に取り付けられる別の放射素子をさらに含み、該別の放射素子は、それぞれの前記偏波共用折り返しダイポール素子の前記偏波方向に配置されている、請求項６に記載の偏波共用折り返しダイポールアンテナ。

【請求項8】

前記異なる周波数帯域はハイバンドである、請求項７に記載の偏波共用折り返しダイポールアンテナ。

【請求項9】

反射部と、
水平方向及び垂直方向へと各放射素子が延在するように前記反射部に取り付けられた、少なくとも１つのローバンド放射素子と、
前記少なくとも１つのローバンド放射素子と所定の素子間隔で隣接して配置され、前記反射部に取り付けられた、請求項１～５のいずれか一項に記載の少なくとも１つの偏波共用折り返しダイポール素子であって、それぞれの前記偏波共用折り返しダイポール素子の前記２本の平行線部が、前記水平方向及び前記垂直方向に対して±４５度方向へと延在するように前記反射部に取り付けられている、少なくとも１つの偏波共用折り返しダイポール素子と
を含んでなる、偏波共用折り返しダイポールアンテナ。

【請求項10】

前記所定の素子間隔は、前記偏波共用折り返しダイポール素子の下限周波数の波長をλ_１とした場合に０．５λ_１以下である、請求項９に記載の偏波共用偏波共用折り返しダイポールアンテナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、移動体通信システム等の基地局アンテナに関し、特に、偏波共用ダイポール素子とそれを含むアンテナに関するものである。

【背景技術】

【0002】

移動通信システムでは複数の広帯域な周波数帯を用いて運用するために各周波数帯の放射素子を１つに収納したアンテナを使用している。また、ＭＩＭＯ通信による通信速度向上のために複数の放射素子を用いることから、アンテナ内部で各放射素子が近接することにより指向性等の電気特性な影響を与えることになる。

【0003】

図１３（Ａ）に、従来の偏波共用ダイポール素子１００’の一例を示す。ここで、偏波共用ダイポール素子１００’は、半波長ダイポール構造である２つの直交する放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ’を有する。放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ ’は互いの中央部付近で直交している。直交する中央付近に設けられた給電部（図示せず）から放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ’にそれぞれ給電することによって、偏波共用ダイポール素子１００’をローバンド放射素子（９００ＭＨｚ帯）として使用することができる。従来の±４５°偏波共用ダイポール素子１００’は半波長ダイポール構造である２つの直交する放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ’を有し、各放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ ’は偏波方向（図１３（Ａ）の左側の２つの矢印で示す±４５度方向）に延在するように配置されている。図１３（Ｂ）は、偏波共用ダイポール素子１００’に偏波方向（±４５度方向）で給電した場合の電流分布を示す。図１３（Ｂ）から、偏波方向に給電した場合、偏波共用ダイポール素子１００’の偏波方向に延在している放射素子１１０ａ’に電流が多く分布していることがわかる。一般に、半波長ダイポール構造を有する従来の偏波共用ダイポール素子１００’のインピーダンスは、約７３Ωである（このことは、例えば、非特許文献１の第５１頁に記載がある）。ここで、従来の偏波共用ダイポール素子の構成で例えば、ローバンド（Ｌｏｗ－ｂａｎｄ：９００ＭＨｚ帯）に対応したプリント基板の偏波共用ダイポール素子１００’は２つの放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ’の各幅が２０ｍｍとした場合、従来の偏波共用ダイポール素子１００’のインピーダンスは約６０Ωである。図１３（Ｃ）は、従来の偏波共用ダイポール素子１００’のリターンロスを示すグラフである。図１３（Ｃ）の破線で示すように、従来の偏波共用ダイポール素子１００’は、リターンロス－１０ｄＢ以下が７２０～７８０ＭＨｚの範囲となり比帯域が８％となる。なお、かかる比帯域は、例えば、放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ ’の形状やインピーダンスを変更することによって広くすることができる。

【0004】

次に、図１４は、図１３（Ａ）の従来の偏波共用ダイポール素子１００’一つに対して４つのハイバンド放射素子１２０ａ～１２０ｄとのセットを含み、４セットが反射部１３０に取り付けられた、従来の偏波共用アンテナを示す。図１４では、４つのハイバンド放射素子１２０ａ～１２０ｄは、従来の偏波共用ダイポール素子１００’の４つの放射素子１１０ａ’～１１０ｄ’にそれぞれ隣接して配置されている。ここで、図１４の従来の偏波共用アンテナは、ローバンド放射素子に対応する偏波共用ダイポール素子１００’の４つの放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ’と、ハイバンド放射素子１２０ａ～１２０ｄとが、いずれも偏波方向（±４５度方向）に配置されている（つまり、図１４の従来の偏波共用アンテナでは、ローバンド放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ’とハイバンド放射素子１２０ａ’～１２０ｄ ’とが放射方向において互いに重なりあっている）。そのため、図１４の従来の偏波共用アンテナでは、アンテナの指向性等の電気特性が影響を受ける。

【0005】

次に、図１５（Ａ）は、ハイバンド放射素子１２０ａを構成する４つの素子１２０ａ’～１２０ｄ’の放射方向においてローバンド放射素子１１０ａ”及び１１０ｂ”が重なっていない従来の別の偏波共用アンテナのセットを含み、４セットが反射部１３０に取り付けられた、従来の偏波共用アンテナの一例である。そのような従来の別の偏波共用アンテナや偏波共用アンテナの一例は、例えば、特許文献１の図４に記載されている。ここで、図１５（Ａ）に示す従来のＶＨ偏波共用アンテナとハイブリット回路を用いた構成は、図１４の従来の偏波共用ダイポール素子１００’を偏波方向に対して４５度回転したものとなっているため、ローバンド放射素子１１０ａ”及び１１０ｂ”による影響が軽減される。しかし、図１５（Ａ）に示す従来のＶＨ偏波共用アンテナで±４５度偏波とするには、ローバンド放射素子１１０ａ”に０度の位相信号を入力し、放射素子１１０ｂ”に１８０度位相差をかけて合成するために図１５（Ｂ）に示されるハイブリッド回路を使用する必要がある。そのため、図１５（Ａ）の従来の別の偏波共用アンテナは、図１４の従来の偏波共用アンテナよりも構成が複雑になる。また、図１５（Ａ）の従来の別の偏波共用アンテナは、ハイブリッド回路を使用することによって、偏波間結合量がハイブリッド回路のポート間結合量特性の影響を受ける。また、広帯域である場合に周波数によってハイブリッドの位相量に差異があることから、合成される指向性に違いが生じる。そのため、図１５（Ａ）の従来の別の偏波共用アンテナは、一般に、ハイブリッド回路を使用しない偏波共用アンテナより、偏波間結合量や指向性の電気特性が劣化する傾向にある。

【0006】

次に、図１６（Ａ）は、ハイブリッド回路を使用することなく、偏波方向（±４５度方向）にハイバンド放射素子を配置する空間（４つの破線の円で示す）を確保した、従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００の一例を示す。ここで、従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００は、２つのＸ形のローバンド放射素子２１０ａ及び２１０ｂを互いに直交に配置している。図１６（Ｂ）は、従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００に偏波方向（図１６（Ａ）において矢印で示す方向）で給電した場合の電流分布を示す。図１６（Ｂ）より、従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００は、図１３（Ｂ）の電流分布と同様、給電点から励振されて給電される素子（図１６（Ａ）のＬ字形のローバンド放射素子２１０ａ）について強い電流分布が発生している。そして、従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００は、給電点から励振されて給電される素子（図１６（Ａ）のＸ形のローバンド放射素子２１０ａ）のみならず、かかる給電される素子に隣接する別の素子（図１６（Ａ）のＸ形のローバンド放射素子２１０ｂ）にも、結合に起因する僅かな電流分布が見られる。かかる従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００は、約６０Ωのインピーダンスを有し、一般的なダイポール素子よりも広帯域な特性を得ることができる。また、偏波方向の空間を維持しつつ、さらに広帯域化を図るため無給電素子を配置することができる。図１６（Ｃ）は、従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００のリターンロスを示すグラフである。従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００は、図１６（Ｃ）に破線で示すように、リターンロス－１０ｄＢ以下が６７０～７９０ＭＨｚの範囲となり比帯域が１６％となる。

【0007】

次に、図１７（Ａ）は、従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００をより広帯域化するために無給電素子２４０を追加した、従来の別のＸ形偏波共用ダイポール素子３００を示す。そして、図１７（Ａ）の右の図は、従来の別のＸ形偏波共用ダイポール素子３００を、図１７（Ａ）の左の図に示す断面をＸ’方向からみたときの断面図を示す。ここで、無給電素子２４０は、２つのＸ形のローバンド放射素子２１０ａ及び２１０ｂの上にそれぞれ延在する十字型をしている。そして、２つのＸ形のローバンド放射素子２１０ａ及び２１０ｂは、無給電素子２４０と反射部１３０との間に配置されている。

【0008】

図１７（Ｃ）は、図１６（Ｂ）で説明した従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００の電流分布を簡略化したものである。ここで、図１７（Ｃ）は、給電点から励振されて給電される素子（図１６（Ａ）のＸ形のローバンド放射素子２１０ａ）を流れる電流（実線で示す矢印）と、これらの給電される素子に隣接する別の素子（図１６（Ａ）のＸ形のローバンド放射素子２１０ｂ）を流れる電流（不要波：破線で示す矢印）とを示している。一般に、無給電素子２４０は銅またはアルミニウムを含む。そのため、図１７（Ａ）の従来のＸ形偏波共用ダイポール素子３００の場合、給電点から励振される放射素子の偏波成分の電流と、この放射素子に隣接して配置された別の放射素子から結合によって励振される電流（不要波）とが、無給電素子２４０において合成されることになる。

【0009】

図１８は、図１７（Ａ）に示す従来のＸ形偏波共用ダイポール素子３００のリターンロスを示すグラフである。従来のＸ形偏波共用ダイポール素子３００は、リターンロス－１０ｄＢ以下が（図１８に破線で示される）６８０～７７０ＭＨｚの範囲となり比帯域が１２％である。かかる比帯域の値（１２％）は、無給電素子２４０を有しない図１６（Ａ）に示す従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００の比帯域の値（１６％）よりも低いものである。このように比帯域が低くなったのは、図１６（Ａ）のＸ形のローバンド放射素子２１０ｂを流れる電流（不要波）が無給電素子２４０において合成されたためと考えられる。これによって、図１７（Ａ）に示す従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００におけるインピーダンス（６０Ω）は約４０Ωとやや低くなる。無給電素子２４０による励振のピークが小さくなったのは（図１８の９７０ＭＨｚ付近にみられるピークに対応する）、２１０ｂに励振された電流が無給電素子２４０に結合され、無給電素子２４０の励振による比帯域の拡大という効果が得られにくくなったためと考えられる。そのため、図１７（Ａ）に示す、従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００に無給電素子２４０を単に追加した構成を採用したとしても、無給電素子２４０の励振による広帯域化を達成するのは難しい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特表２０１７－５０８４０２号公報

【非特許文献】

【0011】

【文献】「入門アンテナおよび電波の伝わり方」 財団法人電気通信振興会 ２００７年４月初版

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

したがって、偏波方向を±４５度とした場合に、ハイバンドや他の周波数帯の放射素子をローバンド放射素子に近接配置したとしても、指向性の乱れ等の電気特性の影響を受けず、広帯域な特性を有する偏波共用アンテナを提供することが望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するために、本発明は、２つのＬ字形の折り返しダイポール素子を含む偏波共用折り返しダイポール素子を提供する。
すなわち、本発明は、互いに隣接して配置される４つの中央部と、該中央部の隣り合った異なる２つから互いに平行して延在する２本の平行線部および該２本の平行線部のそれぞれを遠位端において短絡している短絡部を含む素子部とを有し、該素子部により隣り合う２つの前記中央部が互いに物理的に接続されており、前記素子部が互いに９０度の角度をもって前記中央部から略同一平面内に四方に延びており、前記２本の平行線部は折り返しダイポール素子として動作するものである、偏波共用折り返しダイポール素子を提供する。
また、上記の偏波共用折り返しダイポール素子は、前記中央部と前記素子部との一部の上に配置された無給電素子をさらに含む態様であってもよい。ここで、前記無給電素子は略十字形状を有している態様であることが好ましい。さらに、前記遠位端における前記２本の平行線部のそれぞれの幅は、当該中央部における前記２本の平行線部の幅よりも細くなっている態様であってもよい。ここで、前記中央部から前記遠位端までの長さは、下限周波数の波長をλ_１としてλ_１/４であることが好ましい。

【0014】

また、本発明は、上記の偏波共用折り返しダイポール素子を含む偏波共用折り返しダイポールアンテナも提供する。
すなわち、本発明は、
反射部と、
前記反射部に取り付けられた、少なくとも１つの上記の偏波共用折り返しダイポール素子であって、それぞれの前記偏波共用折り返しダイポール素子の前記２本の平行線部が、前記中央部から偏波方向に対して±４５度方向へと延在するように前記反射部に取り付けられている、少なくとも１つの請求項１～５のいずれか一項に記載の偏波共用折り返しダイポール素子と
を含んでなる、偏波共用折り返しダイポールアンテナを提供する。
また、上記の偏波共用折り返しダイポールアンテナは、ローバンドとは異なる周波数帯域に対応し、前記反射部に取り付けられる別の放射素子をさらに含み、該別の放射素子は、それぞれの前記偏波共用折り返しダイポール素子の前記偏波方向に配置されている態様であってもよい。ここで、前記異なる周波数帯域はハイバンドである態様であることが好ましい。

【0015】

さらに、本発明は、同じ周波数帯に対応する従来の放射素子と組み合わされた偏波共用折り返しダイポール素子を含む偏波共用折り返しダイポールアンテナも提供する。
すなわち、本発明は、 反射部と、 水平方向及び垂直方向へと各放射素子が延在するように前記反射部に取り付けられた、少なくとも１つのローバンド放射素子と、
前記少なくとも１つのローバンド放射素子と所定の素子間隔で隣接して配置され、前記反射部に取り付けられた、上記の少なくとも１つの偏波共用折り返しダイポール素子であって、それぞれの前記偏波共用折り返しダイポール素子の前記２本の平行線部が、前記水平方向及び前記垂直方向に対して±４５度方向へと延在するように前記反射部に取り付けられている、上記の少なくとも１つの偏波共用折り返しダイポール素子と を含んでなる、偏波共用折り返しダイポールアンテナを提供する。
ここで、前記所定の素子間隔は、前記偏波共用折り返しダイポール素子の下限周波数の波長をλ_１とした場合に０．５λ_１以下である態様であることが好ましい。

【発明の効果】

【0016】

本発明の偏波共用ダイポール素子によれば、従来のダイポール素子とは異なり偏波方向に放射素子を伸ばさない構成を採用しているため、±４５度の偏波方向に他の周波数帯の放射素子を配置することができる。そのため、本発明の偏波共用ダイポール素子は、他の放射素子との近接による電気的な影響を軽減することができ、ハイブリッドを含んだ構成ではないことから周波数による指向性の違いが少なく、良好な偏波間結合量の特性を得ることができる。
また、本発明の偏波共用ダイポール素子によれば、従来のローバンド放射素子と交互に配置した場合に、同一偏波でありながら、従来のローバンド放射素子の素子間隔よりも短い素子間隔で高密度に配置することができる。そのため、本発明の偏波共用ダイポール素子によれば、電気チルトをかける際に発生するグレーティングローブを広帯域にわたって抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施態様である偏波共用折り返しダイポール素子１の概略図である。

【図2】（Ａ）は、一般的な折り返しダイポール素子２’の概略図である。（Ｂ）は、折り返しダイポール素子２’を中央部で変形した、２つのＬ字形の折り返しダイポール素子１及び２を略十字形状となるように配置した偏波共用折り返しダイポール素子１に対して、偏波方向４５度で給電点から給電した場合に、偏波共用折り返しダイポール素子１の２本の平行線部をそれぞれ流れる偏波成分の電流を示す。

【図3】偏波共用折り返しダイポール素子１の電流分布を示す。

【図4】偏波共用折り返しダイポール素子１のリターンロスを示すグラフである。

【図5】（Ａ）は、偏波共用折り返しダイポール素子１に無給電素子４を追加した、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａを示す概略図である。（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す断面をＸ方向からみたときの、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａの断面図である。

【図6】別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａでのリターンロスを示すグラフである。

【図7】別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａの素子単体としてのリターンロスと偏波間結合量との実測値を示すグラフである。

【図8】（Ａ）は、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａと偏波方向に配置された４つのハイバンド放射素子１２０ａ～１２０ｄとが反射部１３０に取り付けられたアンテナセットを複数個含む、偏波共用アンテナ１０を示す。（Ｂ）は、２つのローバンド放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ’と４つのハイバンド放射素子１２０ａ’～１２０ｄ’とが、いずれも偏波方向に配置されて反射部１３０’に取り付けられたアンテナセットを複数個含む、従来の偏波共用アンテナ１０００’を示す。

【図9】（Ａ）は、図８（Ａ）に示す従来の構成でのハイバンドのリターンロスを示すグラフである。（Ｂ）は、ローバンド(９００ＭＨｚ帯）に対応する、図８（Ｂ）に示す本発明の偏波共用折り返しダイポール素子に無給電素子を追加した構成のハイバンドのリターンロスを示すグラフである。（Ｃ）は、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）の構造からローバンド放射素子を取り除いてハイバンド放射素子のみとした構造でのリターンロスを示すグラフである。

【図10】（Ａ）は、図８（Ａ）の従来の構造と図８（Ｂ）に示す本発明の構造とについて、ハイバンド（２０００ＭＨｚ帯）での水平面内指向性を示すグラフである。（Ｂ）は、図８（Ａ）の従来の構造と図８（Ｂ）に示す本発明の構造とについて、ハイバンド（２０００ＭＨｚ帯）での垂直面内指向性を示すグラフである。

【図11】（Ａ）は、水平垂直偏波方向に配置された従来のローバンド放射素子１００と、ＶＨ水平垂直偏波方向から４５度回転して配置された別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａ’とを交互に素子間隔Ｄ’で配置した、本発明の一実施態様であるアンテナ１０’を示す。（Ｂ）は、水平垂直偏波方向に素子間隔Ｄで配置された複数の従来のローバンド放射素子１００を含む、従来のアンテナ１１００を示す。

【図12】電気チルト３０度となる位相を各素子に給電した場合であって、下限周波数の波長をλとした場合に、４つの放射素子を素子間隔０．５λと０．７λとなるようにそれぞれ配置したときに発生するグレーティングローブの違いを示すグラフである。

【図13】（Ａ）は、従来の偏波共用ダイポール素子１００’の一例である。（Ｂ）は、従来の偏波共用ダイポール素子１００’に給電した場合の電流分布である。（Ｃ）は、従来の偏波共用ダイポール素子１００’のリターンロスを示すグラフである。

【図14】従来の偏波共用ダイポール素子１００’と従来のハイバンド放射素子１２０ａ～１２０ｄとを含む従来の偏波共用アンテナのセットを含む、従来の偏波共用アンテナの一例である。

【図15】（Ａ）は、従来のハイバンド放射素子１２０ａを構成する各素子１２０ａ’～１２０ｂ’の放射方向において従来のローバンド放射素子１１０ａ”及び１１０ｂ”が重なっていない従来の別の偏波共用アンテナのセットを含む、従来の別の偏波共用アンテナの一例である。（Ｂ）は、（Ａ）に示す従来の別の偏波共用アンテナの従来のローバンド放射素子１１０ａ”に０度位相を入力し１１０ｂ”に１８０度位相差をかけて合成するために使用されるハイブリッド回路を示す。

【図16】（Ａ）は、ハイブリッド回路を使用することなく偏波方向である±４５度方向に別の放射素子を配置する空間を確保した、従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００を示す。（Ｂ）は、偏波方向である±４５度方向で給電した場合の従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００の電流分布を示す。（Ｃ）は、従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００のリターンロスを示すグラフである。

【図17】（Ａ）は、従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００に無給電素子２４０を追加した、従来の別のＸ形偏波共用ダイポール素子３００を示す。（Ｂ）は、図１７（Ａ）に示す断面をＸ’方向からみたときの、従来の別のＸ形偏波共用ダイポール素子３００の断面図である。（Ｃ）は、図１６（Ｂ）に示す従来のＸ形偏波共用ダイポール素子２００の電流分布を簡略化したものである。

【図18】従来のＸ形偏波共用ダイポール素子３００のリターンロスを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１に、本発明の一実施態様である偏波共用折り返しダイポール素子１を示す。偏波共用折り返しダイポール素子１は、金属平板である反射部３に取り付けられている。そして、偏波共用折り返しダイポール素子１は、４つの互いに隣接して配置される中央部２０と、中央部２０の隣り合った異なる２つから互いに平行して延在する２本の平行線部２２、２３及び２本の平行線部２２、２３のそれぞれを遠位端において短絡している短絡部２４を含む素子部とを有する。ここで、偏波共用折り返しダイポール素子１は、４つの素子部によって隣り合った前記中央部が互いに物理的に接続されており、各素子部は互いに９０度の角度をもって中央部２０から略同一平面内に四方に延びている。このように、偏波共用折り返しダイポール素子１は、全体として略十字形状を有するので、ハイバンドなどの他の周波数帯の放射素子を、図１において４つの丸い破線で示すように、偏波方向（±４５度方向）に配置できる空間を有している。また、２本の平行線部２２、２３の幅は、短絡部２４の近傍でいずれも細くなっている。短絡部２４の近傍で２本の平行線部２２、２３の幅を細くすることによって、偏波共用折り返しダイポール素子１のインピーダンス整合が容易となる。なお、図１では、反射部３は金属平板としたが、これに限らず、例えば、反射部３は金属メッシュであってもよい。

【0019】

まず、図２（Ａ）を参照して、給電部がある中央部２０’と、中央部２０’から遠位端へと延在する２本の平行線部２２’及び２３’と、２本の平行線部２２’及び２３’を遠位端で短絡する短絡部２４’とを含む、一般的な折り返しダイポール素子２’の動作原理を説明する。ここで、隣接する２本の平行線部２２’及び２３’の間隔がアンテナの基本波長と比べて十分に小さい場合、隣接する２本の平行線部２２’及び２３’を流れる電流は、各線上で位相が等しく、２本の平行線部２２’及び２３’を一括して流れるという特性を有する。かかる特性は、例えば、非特許文献１の７７頁から７８頁に記載されている。このような一般的な折り返しダイポールアンテナ２’のインピーダンスは約３００Ωである。

【0020】

次に、図２（Ｂ）を参照して、偏波方向４５度で中央部２０から給電した場合、図１（Ａ）に示す偏波共用折り返しダイポール素子１の２本の平行線部２２、２３を流れる偏波成分の電流について説明する。ここで、偏波共用折り返しダイポール素子１は、図２（Ａ）に示す折り返しダイポール素子２’を中央部２０’でＬ字形に変形した、（図２（Ｂ）においてそれぞれ破線で囲まれた）２つのＬ字形の折り返しダイポール素子２ａ及び２ｂに分けて考えることができる。そのため、図２（Ｂ）において２つの矢印で示すように、２つのＬ字形の折り返しダイポール素子２ａ及び２ｂのそれぞれの２本の平行線部２２、２３が励振するように動作する。そして、図２（Ｂ）に示すように、２つのＬ字形の折り返しダイポール素子２ａ及び２ｂのそれぞれの２線の平行線部分２２、２３を流れる偏波成分の電流は、位相及び大きさが等しく２線を一括して流れることになる。なお、偏波共用折り返しダイポール素子１のインピーダンスは、２つのＬ字形の折り返しダイポール素子２ａ及び２ｂを含むことから約２００Ωとなる。

【0021】

図３は、偏波方向４５度で給電した場合における、偏波共用折り返しダイポール素子１の電流分布を示す。偏波共用折り返しダイポール素子１は、２線の平行線部分２２、２３の全体にわたって同一方向に強い電流分布を有している。そのため、偏波共用折り返しダイポール素子１は、素子全体として放射していることがわかる。

【0022】

図４は、偏波共用折り返しダイポール素子１のリターンロスを示すグラフである。偏波共用折り返しダイポール素子１は、（図４の破線で示される）リターンロス－１０ｄＢ以下の範囲が７４０～７８０ＭＨｚとなり比帯域が５％となる。

【0023】

図５（Ａ）は、偏波共用折り返しダイポール素子１に無給電素子４を追加した、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａを示す。ここで、無給電素子４は、偏波共用折り返しダイポール素子１の中央部２０と２線の平行線部分２２、２３との上に配置された金属板でありうる。例えば、無給電素子４は銅またはアルミニウムを含みうる。そして、無給電素子４は、偏波共用折り返しダイポール素子１の中央部２０から、２線の平行線部分２２、２３の遠位端へとそれぞれ延在している。そのため、無給電素子４は、全体として略十字形状を有する。また、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す断面をＸ方向からみたときの、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａの断面図を示す。偏波共用折り返しダイポール素子１ａの２線の平行線部分２２、２３が、いずれも無給電素子４と反射部３との間に配置されている。
ここで、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａは、例えば、偏波共用折り返しダイポール素子１の素子部の各遠位端へと延在する無給電素子４の長さを調整することによって、（図６の９７０ＭＨｚ付近のピーク位置に対応する）無給電素子４に起因するピーク位置を調整することができる。図２（Ｂ）において説明したように、偏波共用折り返しダイポール素子１では、２つのＬ字形の折り返しダイポール素子２ａ及び２ｂのそれぞれの２線の平行線部分２２、２３を流れる電流は、位相及び大きさが等しく２線を一括して流れる（つまり、偏波共用折り返しダイポール素子１では、図１６（Ｂ）や図１７（Ｂ）で説明した結合に起因する不要波が発生しない）。このことは、（偏波共用折り返しダイポール素子１を含む）別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａにも同様に当てはまる。そのため、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａのインピーダンスを、上記の不要波の影響を受けることなく、所定の値に維持することができる。なお、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａのインピーダンスは、無給電素子４を追加したことにより２００Ωから約１５０Ωとなり、無給電素子がない時よりマッチングが取れやすくなる。

【0024】

図６は、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａのリターンロスを示すグラフである。別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａによれば、リターンロス－１０ｄＢが７６０～１０００ＭＨｚの範囲となり比帯域が２７％となるため、広帯域化が実現されている。これは、偏波共用折り返しダイポール素子１と無給電素子４との間で共振が得られたことによって、無給電素子４に起因するピーク（図６の９７０ＭＨｚ付近のピーク）が大きくなったことによるものと考えられる。

【0025】

図７（Ａ）～図７（Ｃ）は、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａの素子単体としての実測値を示す。ここで、図７（Ａ）は、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａの素子単体としての＋４５度偏波のリターンロスの実測値を示すグラフである。また、図７（Ｂ）は、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａの素子単体としての－４５度偏波のリターンロスの実測値を示すグラフである。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に実線で示すように、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａは、素子単体として、リターンロス－１０ｄＢ以下が６５０～９５０ＭＨｚの範囲となり比帯域が３７％となる。また、図７（Ｃ）は、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａの素子単体としての偏波間結合量の実測値を示すグラフである。図７（Ｃ）に実線で示すように、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａは、素子単体として、リターンロス－１０ｄＢ以下が６５０～９５０ＭＨｚの範囲となり、偏波間結合量が－２５ｄＢ程度となる。

【0026】

ここまでは、偏波共用折り返しダイポール素子１と、偏波共用折り返しダイポール素子１に無給電素子４を追加した別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａとの素子単体としての特徴について説明してきた。次に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）を参照して、ローバンドやハイバンドなどの互いに異なる周波数帯に対応する異なる放射素子を含む偏波共用アンテナについて説明する。
ここで、図８（Ａ）は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａと偏波方向（図８（Ｂ）の下側に２つの矢印で示す±４５度方向）に配置された４つのハイバンド放射素子１２０ａ～１２０ｄとが反射部１３０に取り付けられたアンテナセットを複数個含む、偏波共用アンテナ１０を示す。また、図８（Ａ）との比較のために、図８（Ｂ）は、２つのローバンド放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ’と４つのハイバンド放射素子１２０ａ’～１２０ｄ’とが、いずれも偏波方向（図８（Ｂ）の下側に２つの矢印で示す±４５度方向）に配置されて反射部１３０’に取り付けられたアンテナセットを複数個含む、従来の偏波共用アンテナ１０００’を示す。ここで、図８（Ｂ）では、（図１４において説明したのと同様に）従来の偏波共用アンテナ１０００’の各セットは、２つのローバンド放射素子１１０ａ’及び１１０ｂ’と４つのハイバンド放射素子１２０ａ’～１２０ｄ ’とが放射方向において互いに重なりあっている。そのため、偏波共用アンテナ１０００’は、ハイバンド放射素子１２０ａ’～１２０ｄ’がローバンド放射素子１１０ａ’～１１０ｂ ’との干渉によって顕著な影響を受ける。

【0027】

次に、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）を参照して、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）において破線でそれぞれ囲まれたハイバンド放射素子（いずれも左列の上から５番目に配置されたハイバンド放射素子）について、＋４５度偏波で給電した場合のリターンロス特性を比較したグラフを示す。図９（Ａ）は、図８（Ａ）において破線で囲まれたハイバンド放射素子の素子単体としてのリターンロスを示すグラフである。かかるハイバンド放射素子のリターンロスは、（図９（Ａ）において破線で囲まれた）２．５ＧＨｚ付近ではローバンド放射素子の影響を受けているものの、それ以外の周波数帯ではローバンド放射素子による影響が軽減されている。一方、図９（Ｂ）は、図８（Ｂ）において破線で囲まれたハイバンド放射素子の素子単体としてのリターンロスを示すグラフである。かかるハイバンド放射素子のリターンロスは、（図９（Ｂ）において破線で囲まれた）２ＧＨｚ～３ＧＨｚの範囲にわたって、ローバンド放射素子による影響を受けている。なお、図９（Ｃ）は、比較のために、図８（Ｂ）に示す従来の偏波共用アンテナ１０００’からローバンド放射素子を全て取り除き、ハイバンド放射素子のみとしたアンテナセットでのリターンロスを示すグラフである。ここで、図９（Ａ）及び図９（Ｃ）の２ＧＨｚ～３ＧＨｚの範囲と、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）の２ＧＨｚ～３ＧＨｚの範囲とを比較すると、図９（Ａ）のハイバンド放射素子のリターンロス特性は、図９（Ｂ）のリターンロス特性よりも、図９（Ｃ）のリターンロス特性に近い。つまり、図８（Ａ）に示す偏波共用アンテナセット１０は、図８（Ｂ）の従来のアンテナセット１０００’と比較して、ローバンド放射素子による影響、つまり結合量に与える影響が軽減されている。

【0028】

図１０（Ａ）は、図８（Ａ）の偏波共用アンテナ１０と図８（Ｂ）の従来の偏波共用アンテナ１０００’とについて、ハイバンド（２０００ＭＨｚ帯）での水平面内指向性を示すグラフである。また、図１０（Ｂ）は、図８（Ａ）の偏波共用アンテナ１０と図８（Ｂ）の従来の偏波共用アンテナ１０００’とについて、ハイバンド（２０００ＭＨｚ帯）での垂直面内指向性を示すグラフである。なお、比較のために、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、図８（Ｂ）の従来の偏波共用アンテナ１０００’から全てのローバンド放射素子を取り除いた構造について、ハイバンド（２０００ＭＨｚ帯）での水平面内指向性及び垂直面内指向性も点線で示している。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）において実線で示される偏波共用アンテナ１０は、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）において破線で示される従来の偏波共用アンテナ１０００’と比較して、水平面内指向性及び垂直面内指向性の劣化が軽減されている。特に、偏波共用アンテナ１０は、図１０（Ａ）において破線で囲まれた３０度～９０度付近と、図１０（Ｂ）において破線で囲まれた４５度～６０度付近において、従来の偏波共用アンテナ１０００’よりも水平面内指向性及び垂直面内指向性の劣化が軽減されている。なお、（図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）において点線で示される）従来の偏波共用アンテナ１０００’から全てのローバンド放射素子を取り除いた構造と、従来の偏波共用アンテナ１０００’とを比較すると、従来の偏波共用アンテナ１０００’は、水平面内指向性及び垂直面内指向性についてローバンド放射素子の影響を受けていることがわかる。

【0029】

次に、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）を参照して、水平、垂直偏波（ＶＨ偏波共用）において、ローバンドなどの所定の周波数帯に対応する放射素子を複数個含むアンテナについて説明する。一般に、図１１（Ｂ）に示すように、従来の放射素子１００の素子長Ｌは、下限周波数の波長をλ_１として約０．５λ_１の長さとすることが好ましい。そのため、水平、垂直偏波において、所定の周波数帯に対応する同じ放射素子を複数個含むアンテナの場合、放射素子同士の機械的な接触を避けるために、図１１（Ｂ）に示すように、放射素子の素子間隔Ｄは、素子長Ｌと同程度である約０．５λ_１とする必要がある。
なお、下限周波数の波長λ_１からみた素子間隔Ｄは０．５λ_１程度であるが、上限周波数の波長λ_２からみた素子間隔Ｄは、波長比で０．５よりも大きくなる。例えば、周波数帯域が７００～１０００ＭＨｚ（比帯域：３５％）の場合、下限周波数の波長λ_１が７００ＭＨｚ（波長λ_１：４２８ｍｍ）であり、上限周波数の波長λ_２が１０００ＭＨｚ（波長λ_２：３００ｍｍ）である。そのため、放射素子の素子長Ｌ（Ｌ＝２２０ｍｍ）は、波長λ_１及び波長λ_２を用いて０．５１λ_１または０．７３λ_２と表せる。つまり、広帯域であって比帯域の周波数が高くなるほど、上限周波数の波長λ_２で表される素子間隔Ｌは、下限周波数λ_１との波長比で大きくなることに留意する必要がある。

【0030】

図１１（Ａ）は、水平垂直偏波方向に配置された従来のローバンド放射素子１００と、水平垂直偏波方向から４５度回転して配置された別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａ’とを交互に素子間隔Ｄ’で配置した、本発明の一実施態様であるアンテナ１０’を示す。一方、図１１（Ｂ）は、水平垂直偏波方向に素子間隔Ｄで配置された複数の従来のローバンド放射素子１００を含む、従来の偏波共用アンテナ１１００を示す。図１１（Ａ）の偏波共用アンテナ１０’では、別の偏波共用折り返しダイポール素子１ａ’が水平垂直偏波方向から４５度回転して配置されているため、図１１（Ａ）の素子間隔Ｄ’は、図１１（Ｂ）の素子間隔Ｄよりも短くすることができる。すなわち、図１１（Ａ）の偏波共用アンテナ１０’は、図１１（Ｂ）の従来の偏波共用アンテナ１１００よりも、ローバンド放射素子を反射板１３０上に高密度に配置することができる。そのため、図１１（Ａ）の偏波共用アンテナ１０’は、広帯域にわたってグレーティングローブを抑制することが可能になる。なお、複数のローバンド放射素子の素子間隔を短く配置（つまり、高密度に配置）することによってグレーティングローブを抑制することができることについては、図１２を用いて説明する。

【0031】

図１２は、電気チルト３０度となる位相を各素子に給電した場合であって、下限周波数の波長をλとし、４つの同じローバンド放射素子の素子間隔をそれぞれ０．５λと０．７λとなるように配置した場合に発生するグレーティングローブの違いを示すグラフである。図１２から、素子間隔が０．５λよりも０．７λの方が＋３０度付近のメインローブとは異なる方向で多くのグレーティングローブが発生している。つまり、ローバンド放射素子の素子間隔が短い方（高密度に配置する方）がグレーティングローブの発生が抑制されている。なお、このようなグレーティングローブのレベルは、より大きな電気チルトを与えることによってより高くなる。

【産業上の利用可能性】

【0032】

移動体通信システム等の基地局アンテナの一例として本発明について説明してきた。しかしながら、当業者であれば、そのような移動体通信システム等の基地局アンテナに限らず、あらゆる用途のアンテナについて本発明を適用できることについて理解できるであろう。
なお、本願の出願当初の開示事項を維持するために、本願の出願当初の請求項１～１０の記載内容を以下に追加する。
（請求項１）
互いに隣接して配置される４つの中央部と、該中央部の隣り合った異なる２つから互いに平行して延在する２本の平行線部および該２本の平行線部のそれぞれを遠位端において短絡している短絡部を含む素子部とを有し、該素子部により隣り合う２つの中央部が互いに物理的に接続されており、前記素子部が互いに９０度の角度をもって前記中央部から略同一平面に四方に延びている、偏波共用折り返しダイポール素子。
（請求項２）
前記中央部と前記素子部との一部の上に配置された無給電素子をさらに含む、請求項１に記載の偏波共用折り返しダイポール素子。
（請求項３）
前記無給電素子は略十字形状を有している、請求項２に記載の偏波共用折り返しダイポール素子。
（請求項４）
前記遠位端における前記２本の平行線部のそれぞれの幅は、当該中央部における前記２本の平行線部の幅よりも細くなっている、請求項１～３のいずれか一項に記載の偏波共用折り返しダイポール素子。
（請求項５）
前記中央部から前記遠位端までの長さは、下限周波数の波長をλ _１ としてλ _１ /４である、請求項１～４のいずれか一項に記載の偏波共用折り返しダイポール素子。
（請求項６）
反射部と、
前記反射部に取り付けられた、少なくとも１つの請求項１～５のいずれか一項に記載の偏波共用折り返しダイポール素子と
を含んでなり、
それぞれの前記偏波共用折り返しダイポール素子の前記平行線部が、前記中央部から偏波方向に対して±４５度方向へと延在するように前記反射部に取り付けられていることを特徴とする、偏波共用折り返しダイポールアンテナ。
（請求項７）
前記ローバンドとは異なる周波数帯域に対応し、前記反射部に取り付けられる別の放射素子をさらに含み、該別の放射素子は、それぞれの前記偏波共用折り返しダイポール素子の前記偏波方向に配置されている、請求項６に記載の偏波共用折り返しダイポールアンテナ。
（請求項８）
前記異なる周波数帯域はハイバンドである、請求項７に記載の偏波共用折り返しダイポールアンテナ。
（請求項９）
反射部と、
水平方向及び垂直方向へと各放射素子が延在するように前記反射部に取り付けられた、少なくとも１つのローバンド放射素子と、
前記少なくとも１つのローバンド放射素子と所定の素子間隔で隣接して配置され、前記反射部に取り付けられた、請求項１～５のいずれか一項に記載の少なくとも１つの偏波共用折り返しダイポール素子であって、それぞれの前記偏波共用折り返しダイポール素子の前記２本の平行線部が、前記水平方向及び前記垂直方向に対して±４５度方向へと延在するように前記反射部に取り付けられている、少なくとも１つの偏波共用折り返しダイポール素子と
を含んでなる、偏波共用折り返しダイポールアンテナ。
（請求項１０）
前記所定の素子間隔は、前記偏波共用折り返しダイポール素子の下限周波数の波長をλ _１ とした場合に０．５λ _１ 以下である、請求項９に記載の偏波共用偏波共用折り返しダイポールアンテナ。

【符号の説明】

【0033】

１ 偏波共用折り返しダイポール素子
１ａ 別の偏波共用折り返しダイポール素子
２０ 中央部
２２、２３ 平行線部
２４ 短絡部
３、１３０、１３０’ 反射部
４、２４０ 無給電素子
１０、１０’偏波共用アンテナ
１００、１００’、１００” 偏波共用ダイポール素子（従来例）
１１０ａ’～１１０ｄ’、１１０ａ”～１１０ｄ” ローバンド放射素子（従来例）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】