JP6400839B2 - 移動通信サービス用オムニアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、移動通信(ＰＣＳ、セルラー、ＣＤＭＡ、ＧＳＭ（登録商標）、ＬＴＥなど)ネットワークにおいて、基地局又は中継局に適用されるアンテナに関するもので、特にオムニアンテナに関する。

無指向性(non-directional)アンテナと呼ばれるオムニアンテナは、水平方向に３６０度全方向に均一に電磁波が放射されるように設計されるアンテナを意味する。移動通信ネットワークにおいて、移動通信端末は、その特性上、移動する方向を予測できないため、通常、円形のモノポール(mono-pole)アンテナ構造を採用するオムニアンテナを具備する。移動通信ネットワーク基地局又は中継局に設置されるアンテナとしては、一般的に３セクタに分割された各サービス範囲を指向するための指向性アンテナが設置される。

最近、ＬＴＥ(Long Term Evolution)サービスが本格化されるに従って、建物内部のような陰影領域のスムーズなサービスのために、さらにデータ伝送速度を高めるために、小型セル又は超小型セル装備の構築が要求されている。アウトドア(outdoor)用小型セルは、０.５〜１.５ｋｍのカバレッジでサービスされ、装備に対するサイズも小型を要求されるので、該当装備に適用されるアンテナは、オムニアンテナを採用することが有用であり得る。

一般的に使用されるオムニアンテナは、単一偏波(Ｖ-ｐｏｌ)を主に使用する。しかしながら、ＭＩＭＯ(Multi Input Multi Output)技術は、ＬＴＥサービスのために必然的であり、このために二重偏波アンテナが必ず必要である。オムニアンテナにおいて、従来の二重偏波は、水平偏波(Ｈ-ｐｏｌ；０度)、垂直偏波(Ｖ-ｐｏｌ；９０度)を意味する。

しかしながら、二重偏波(＋/−４５度)は、フェージングが原因で電波の反射又は回折の２つの偏波間の相関度が最も低くて、通常に基地局や中継局に適用される指向性アンテナは、二重偏波(＋/−４５度)を主に使用する。それによって、オムニアンテナでも＋/−４５度の二重偏波を発生するための研究が進められているが、実際に全方向(omni-direction)の均一な放射特性を満たしつつ、＋/−４５度の二重偏波を発生するための構造を実現することは難しい課題であった。さらに、＋/−４５度の二重偏波を発生するとともに、建物内部のように小型セルに設置されることを考慮し、オムニアンテナのサイズを小型で実現することを考慮する場合に、これは、一層難しい課題であった。

したがって、本発明は上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、優れた全方向放射特性を満たしつつ、＋４５度又は−４５度偏波を発生するための移動通信サービス用オムニアンテナを提供することにある。

本発明の他の目的は、＋/−４５度の二重偏波を発生するための移動通信サービス用オムニアンテナを提供することにある。

さらに、本発明の目的は、サイズを小型で実現しつつ、＋/−４５度の二重偏波を発生するための移動通信サービス用オムニアンテナを提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の一態様によれば、移動通信サービス用オムニアンテナが提供される。上記オムニアンテナは、水平面上で相互に同一の角度で配置され、各々ビームを放射する複数の放射素子と、複数の放射素子に各々給電信号を分配して提供する給電部とを含み、複数の放射素子の各々は、２個の放射アームを有する水平偏波用ダイポール放射部と、２個の放射アームを有する垂直偏波用ダイポール放射部の結合構造を有する。

複数の放射素子の各々は、フレキシブルプリント回路基板(Flexible Printed Circuit Board：ＦＰＣＢ）を用いてパターンプリント方式で構成できる。

複数の放射素子はＦＰＣＢに所定の間隔で配置され、ＦＰＣＢは円筒形状の構造で設置できる。

複数の放射素子の各々は、水平偏波用ダイポール放射部の一側又は他側の放射アームと垂直偏波用ダイポール放射部の一側又は他側の放射アームが該当放射素子の中心位置で各々相互に接続され、水平偏波用ダイポール放射部の一側又は他側の放射アームと垂直偏波用ダイポール放射部の他側又は一側の放射アームが該当放射素子の中心位置で各々相互接続される構造を有し、水平偏波用ダイポール放射パターンと垂直偏波用ダイポール放射部が接続される部位に同時に給電されるように設計される。

本発明の他の態様によれば、移動通信サービス用オムニアンテナが提供される。上記オムニアンテナは、水平面上で相互同一の角度で配置され、各々ビームを放射する複数の放射素子を含み、各々垂直方向に連続して配置される複数の放射素子アレイと、複数の放射素子アレイに各々給電信号を分配して提供する給電部を含み、複数の放射素子アレイのそれぞれの複数の放射素子は、各々、２つの放射アームを有する水平偏波用ダイポール放射部と、２つの放射アームを有する垂直偏波用ダイポール放射部との結合構造を有する。

複数の放射素子アレイの各々において、複数の放射素子は、各々水平偏波用ダイポール放射部の一側又は他側の放射アームと垂直偏波用ダイポール放射部の一側又は他側の放射アームが該当放射素子の中心位置で各々相互接続される構造を有する第１タイプの放射素子で構成され、水平偏波用ダイポール放射部の一側又は他側の放射アームと垂直偏波用ダイポール放射部の他側又は一側の放射アームが該当放射素子の中心位置で各々相互に接続される構造を有する第２タイプの放射素子で構成され、水平偏波用ダイポール放射パターンと垂直偏波用ダイポール放射部が接続される部位に同時に給電されるように設計される。

複数の放射素子アレイの各々において、複数の放射素子は、一つのフレキシブルプリント回路基板(ＦＰＣＢ）を用いてパターンプリント方式で同時に構成される。

複数の放射素子アレイの各々において、複数の放射素子は、第１乃至第３の放射素子で構成され、第１乃至第３の放射素子が形成されるＦＰＣＢは円筒形の構造で設置される。

複数の放射素子アレイは、第１タイプの放射素子で構成される少なくとも一つの放射素子アレイと、第２タイプの放射素子で構成される少なくとも一つの放射素子アレイの組み合わせ構造を有する。

複数の放射素子アレイは、第１乃至第４の放射素子アレイが垂直方向に連続して配置される構造を有し、第１及び第２の放射素子アレイは、第１タイプ又は第２タイプの放射素子で構成され、第３及び第４の放射素子アレイは、第１及び第２の放射アレイとは異なるタイプの放射素子で構成される。

複数の放射素子アレイの各々に給電信号を分配して提供する給電部は、複数の放射素子アレイの各々に給電信号を提供する複数の給電基板を含み、複数の給電基板は、各々基板内層と、基板内層の上面に形成され、対応する放射素子アレイに形成された複数の放射素子に各々カップリング方式で給電するための複数のカップリング給電パターンを有する給電パターンと、基板内層の下面に形成される接地パターンを含む。

複数の給電基板の各々は、複数の給電線路を通じて給電され、異なる給電基板に給電する給電線路のうち少なくとも一つが通るための少なくとも一つの接続通路が貫通孔の形態で形成され、接続通路を通じて通る給電線路は接地パターンと半田付けされる。

本発明による移動通信サービス用オムニアンテナは、優れた全方向放射特性を満たし、かつ＋/−４５度の二重偏波を発生することができる。さらに、本発明は、全体アンテナサイズを小型で実現することもできる。

本発明の第１の実施形態による移動通信サービス用オムニアンテナの概略的な分離構造図である。 図１の一つの放射素子の第１タイプの構造を示す図である。 図１の一つの放射素子の第２タイプの構造を示す図である。 図１のオムニアンテナの放射特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態による移動通信サービス用オムニアンテナを示す斜視図である。 図５のオムニアンテナを示す正面図である。 図５の放射素子アレイ間の偏波方向の組み合わせ特性を示す概略図である。 図５の一つの放射素子アレイを詳細に示す斜視図である。 図５の一つの放射素子アレイの展開平面図である。 図５の他の放射素子アレイの展開平面図である。 図５の一つの放射素子アレイに適用される給電基板を示す平面図である。 図１１の給電基板を示す背面図である。 図５の他の放射素子アレイに適用される給電基板を示す平面図である。 図１３の給電基板を示す背面図である。 図５のオムニアンテナの給電基板に対する給電線路の接続構造を示す図である。 図５のオムニアンテナの放射特性を示すグラフである。 図５のオムニアンテナの放射特性を示すグラフである。 図５のオムニアンテナの放射特性を示すグラフである。 図５のオムニアンテナの放射特性を示すグラフである。 本発明の他の実施形態による放射素子アレイを示す斜視図である。 本発明の他の実施形態による放射素子の構造を示す図である。

以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。

次の説明において、具体的な構成及び構成要素のような特定の詳細は、ただ本発明の実施形態の全般的な理解を助けるために提供されるだけである。したがって、本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく、以下に説明される本発明の様々な変形及び変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。

図１は、本発明の第１の実施形態による移動通信サービス用オムニアンテナの概略的な分離構造を示す。図２は、図１の第１乃至第３の放射素子の各々の第１のタイプによる構造を示す。図１及び図２を参照すると、本発明によるオムニアンテナは、例えば３個の放射素子、すなわち第１乃至第３の放射素子１１(１１-１，１１-２，１１-３）の組み合わせ構造で実現できる。

図１及び図２を参照すると、第１乃至第３の放射素子１１の放射パターン１１０は、各々２個の放射アーム(radiating arm)１１０ｂ，１１０ｄを有する水平偏波用(Ｈ-ｐｏｌ)ダイポール放射部と、２個の放射アーム１１０ａ，１１０ｃを有する垂直偏波用(Ｖ-ｐｏｌ)ダイポール放射部の結合構造を有する。このとき、各々の放射素子１１で水平偏波用ダイポール放射部の一側放射アーム１１０ｄと垂直偏波用ダイポール放射部の一側放射アーム１１０ａは放射素子１１０の中心に位置する給電点Ｐに対応する部位で接続され、水平偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１０ｂと垂直偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１０ｃは、給電点Ｐに対応する部位で相互に接続される構造を有する。

すなわち、水平偏波用ダイポール放射部の一側の放射アーム１１０ｄと垂直偏波用ダイポール放射部の一側の放射アーム１１０ａが対(pair)をなして一体に具備され、水平偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１０ｂと垂直偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１０ｃは、対をなして一体に提供されることがわかる。

各放射素子１１に給電信号を供給する給電部の構成を説明すると、各放射素子１１の給電点Ｐは、給電線路(例えば、図１の参照番号１４)に接続されて給電され、給電点Ｐを通じて、水平偏波用ダイポール放射パターンの一側の放射アーム１１０ｄと垂直偏波用ダイポール放射部の一側の放射アーム１１０ａが接続される接続部と、水平偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１０ｂと垂直偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１０ｃが接続される接続部に同時に給電されるように設計される。

第１乃至第３の放射素子１１の各々の放射パターンは、薄い金属板(例えば、銅板）を成形して構成することもできる。さらに、図２の例に示すように、フレキシブルプリント回路基板(ＦＰＣＢ)１１２を用いてパターンプリント方式を通じる回路パターンで実現できる。

ここで、複数の放射素子１１がＦＰＣＢに実現される技術を例に挙げて説明する。複数の放射素子は、ＰＣＢに限定することなく、円形又は楕円形で曲げられた銅板を用いて形成できる。また、ＦＰＣＢの代わりに一般的な平板(flat)ＰＣＢを三角形や四角形のような多角形で構成して複数の放射素子を配置してもよい。少なくとも一つ以上の放射素子は、各平板ＰＣＢに配置してもよい。

図２に示すように、このような第１乃至第３の放射素子１１が、小型化されたボウタイ(bow tie)型の水平偏波用ダイポールアンテナと、ボウタイ型の垂直偏波用ダイポールアンテナを結合し、例えば、＋４５度方向の偏波を発生する(第１タイプの)構造であることがわかる。このとき、水平偏波用ダイポール放射部と垂直偏波用ダイポール放射部は、相互対称になるように設計され、正確な＋４５度(又は−４５度)偏波を発生できる。一方、図３は、図１に示した各放射素子１１の第２タイプによる構造を示す。図３に示す第２タイプの構造による各放射素子１１の放射パターン１１３は、図２に示した構造のように、各々２個の放射アーム１１３ｂ，１１３ｄを有する水平偏波用(Ｈ-ｐｏｌ)ダイポール放射部と、２個の放射アーム１１３ａ，１１３ｃを有する垂直偏波用(Ｖ-ｐｏｌ)ダイポール放射部の結合構造を有する。

このとき、各々の放射素子において、水平偏波用ダイポール放射部の一側の放射アーム１１３ｄと垂直偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１３ｃは、放射素子１１３の中心に位置する給電点Ｐに対応する部分で相互接続し、水平偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１３ｂと垂直偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１３ｃが給電点Ｐに対応する部分で接続する構造を有する。すなわち、水平偏波用ダイポール放射部の一側の放射アーム１１３ｄと垂直偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１３ｃが対をなして一体に形成され、水平偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１３ｂと垂直偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１３ｃが対をなして一体に具備されることがわかる。

このとき、給電点Ｐを通じて、水平偏波用ダイポール放射パターンの一側の放射アーム１１３ｄと垂直偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１３ｃが接続される接続部分と、水平偏波用ダイポール放射部の他側の放射アーム１１３ｂと垂直偏波用ダイポール放射部の一側の放射アーム１１３ａが接続される接続部分に同時に給電されるように設計される。

このような構造は、−４５度方向の偏波を発生する構造であることがわかる。このように、図２又は図３に示すような構造で、要求される＋４５度又は−４５度の偏波は、第１乃至第４の放射素子の放射パターンを形成することによって選択的に発生できる。

本発明の実施形態によるオムニアンテナは、図２又は図３に示す構成を有する各々の第１乃至第３の放射素子１１を相互に結合して形成され、水平面上に一つの基準点から水平方向に所定の角度に従って一定の間隔で配置され得る。例えば、図１に示すように、第１乃至第３の放射素子１１は、全体３６０度の水平面上で１２０度角度の同一の角度で相互に背面を突き合せて設置され、設置された位置から水平方向にビームを放射するように構成してもよい。このとき、第１乃至第３の放射素子１１の各給電点Ｐは、一つの給電線路１４から１/３に分配される信号を各々受信するように構成される。その他にも、本発明の第１の実施形態によるオムニアンテナは、一般的なアンテナ構造と同様に、オムニアンテナの全体外形を形成するレドーム構造を含むケース(図示せず)と、各放射素子１１及び給電線路を支持するための支持物(図示せず)などを具備できる。さらに、上記アンテナは、送受信信号を処理するための信号処理装置をさらに具備してもよい。

上記図２と図３に示すように、４個の放射アームは、相互対称形の構造で同一の形状に設計されていることがわかる。このように、４個の放射アームが相互対称形に、かつ同一の形状に設計される場合には、放射アームが非対称構造である場合に必ず実行すべきダイポール放射部の振幅(amplitude)、位相(phase)などを調整するシミュレーション作業を省略できるという長所がある。したがって、製造工程を単純化し、製造時間を短縮することができ、大量生産を容易に実行できる。

図４は、図１のオムニアンテナの放射特性を３次元的に示すグラフである。図４に示すように、図１乃至図３に示すように構成される本発明の第１の実施形態によるオムニアンテナは、非常に優れた全方向放射特性を満たすことがわかる。

一方、上記した本発明の第１の実施形態によるオムニアンテナの構成において、オムニアンテナは、第１乃至第３の放射素子１１を図２に示す第１のタイプの構造で構成される場合に全体的に＋４５度偏波を発生し、第１乃至第３の放射素子１１を図３に示す第２タイプの構造で構成される場合には全体的に−４５度偏波を発生する。それによって、本発明の他の実施形態では、第１タイプ及び第２タイプの放射素子をすべて使用して＋/−４５度の二重偏波を発生するための構造を提案する。このような構造は、例えば、第１タイプの放射素子で構成される図１に示したようなオムニアンテナ構造と、第２タイプの放射素子で構成されるオムニアンテナ構造を垂直方向に複数個配置して構成できる。

図５は、本発明の第２の実施形態による移動通信サービスのためのオムニアンテナの斜視図である。図６は、図５のオムニアンテナの正面図であり、図７は、図５の放射素子アレイ間の偏波方向の組み合わせ特性を示す概略図である。図５乃至図７を参照すると、本発明の第２の実施形態によるオムニアンテナは、図１に示した複数のオムニアンテナ構造が組み合わせられた構造を有する。以下、複数の組み合わせられたオムニアンテナ構造は、各々‘放射素子アレイ’と称される。

すなわち、本発明の第２の実施形態によるオムニアンテナは、第１乃至第４の放射素子アレイ２１，２２，２３，２４が垂直方向に連続して配置されて構成される。このとき、第１及び第２の放射素子アレイ２１，２２は、図３に示す第２タイプの放射素子で構成されて−４５度偏波を全方向に発生する構成を有してもよい。また、第３及び第４の放射素子アレイ２３，２４は、図２に示す第１タイプの放射素子で構成されて＋４５度偏波を全方向に発生する構成を有してもよい。

それによって、本発明の第２の実施形態によるオムニアンテナは、図７に示すように、第１及び第２の放射素子アレイ２１，２２で発生する−４５度偏波と、第３及び第４の放射素子アレイ２３，２４で発生する＋４５度偏波が相互に組み合わせ、全体的に＋/−４５度の二重偏波を発生する。このとき、図７に示すように、＋/−４５度偏波間の隔離度(isolation)を高めるために、同一の偏波を有する放射素子アレイ間を相互に結合させて隣接するように配置する構造を有することができる。

異なる偏波を発生する放射素子アレイ(例えば、第２及び第３の放射素子アレイ)間の離隔距離Ｓが大きいほど、隔離度特性が向上する。しかしながら、アンテナの小型化のために離隔距離Ｓを短縮する必要がある。離隔距離Ｓに影響を与えるいくつかの要因があり、各放射素子アレイの放射ビーム幅が減少すると、放射素子アレイ間に干渉が減少し、離隔距離Ｓもさらに短縮させることができる。また、離隔距離Ｓは、放射素子アレイの数が増加する場合、それに反比例する。

また、同一の偏波放射素子アレイ(例えば、第１及び第２の放射素子アレイ、または第３及び第４の放射素子アレイ)間の離隔距離ｇは、サイドローブ特性及び利得を考慮して適切に設定される。例えば、離隔距離ｇは、処理周波数に対しておよそ０.７５〜０.８λ(λ：波長）に設定され得る。離隔距離ｇは、利得とサイドローブのサイズに比例するので、離隔距離ｇが小さいほどサイドローブを減少させることができる。それによって、オムニアンテナをもう少し小型化させることが可能である。

また、同一の偏波を有する放射素子アレイ間にはより高い隔離度を確保するために、水平面上で相対的に約６０度の差を有するように設置される。例えば、図６により明確に示すように、第１の放射素子アレイ２１に配置された放射素子が水平面で、０度、１２０度、２４０度に向かう位置に設置される場合に、第２の放射素子アレイ２２に配置された各放射素子は、例えば６０度、１８０度、３００度に向かう位置に設置される。

本発明の第２の実施形態によるオムニアンテナは図５乃至図７に示すように構成される。図５及び図６は、本発明の第２の実施形態によるオムニアンテナが通常にアンテナ構造のように、オムニアンテナの全体外形を形成するケースとして上部キャップ２８と下部キャップ２９を含み、さらに上部キャップ２８と下部キャップ２９との間に放射素子アレイを取り囲むレドーム２７を具備することを示す。また、本発明の第２の実施形態によるオムニアンテナは、放射素子アレイを支持する複数、例えば電波特性に影響を与えない材質(プラスチック、テフロン（登録商標）等）の第１乃至第３の支持台２６１，２６２，２６３を含む。さらに、オムニアンテナは、各放射素子アレイに給電するための給電構造及び送受信信号を処理するための信号処理装置をさらに含んでもよい。

図８は、図５の一つの放射素子アレイ、例えば第３の放射素子アレイ２３の詳細斜視図であり、図９は、図５の一つの放射素子アレイ、例えば第３の放射素子アレイ２３の展開平面図であり、図１０は、図５の他の放射素子アレイ、例えば第１の放射素子アレイ２１の展開平面図である。図８乃至図１０を参照すると、図５に示した第１乃至第４の放射素子アレイ２１-２４は、各々一つのフレキシブルプリント回路基板２３２又は２１２上に複数の、例えば３個の放射素子２３-１、２３-２、２３-３、又は２１-１、２１-２、２１-３がパターンプリント方式でプリントされて所定の間隔で(例えば、連続して配置されるように)形成される構成を有することができる(図８では、説明の便宜上、プリント回路基板に該当する構成に対する図示は省略する)。

上記のように、３個の放射素子２３-１、２３-２、２３-３、又は２１-１、２１-２、２１-３が連続して形成されるフレキシブルプリント回路基板２３２又は２１２は、以後円筒形に巻かれ、相互に接するようになる両側面が相互に付着されて固定する形態で設置される。このようなフレキシブルプリント回路基板２３２又は２１２に設置される放射素子は、後述するように、給電パターンが形成されるプリント回路基板構造の給電基板(例えば、図８の３３)を通じて各々給電される構造を有してもよい。このとき、給電基板は、フレキシブルプリント回路基板２３２，２１２に対応するサイズを有する円形に形成され、フレキシブルプリント回路基板２３２，２１２は、円形の給電基板を取り囲まれる形態で丸く巻かれて設置され得る。

このとき、各フレキシブルプリント回路基板２３２又は２１２において、各々の放射素子２３-１、２３-２、２３-３、又は２１-１、２１-２、２１-３に対して、水平偏波用ダイポール放射部の２個の放射アームは、給電点と隣接する部分に各々形成される貫通孔２３５又は２１５を有する。また、給電基板(例えば、図８の３３)にはこのような貫通孔２３５、２１５が形成される位置に対応する位置に対応するサイズに各々突出部ａが形成され得る。このような構造を通じてフレキシブルプリント回路基板２３２、２１２が給電基板を取り囲まれる形態で丸く巻かれて設置される場合に、貫通孔２３５，２１５に給電基板の突出部ａが組み込まれる形態で設置できる。

図８において、一点鎖線で示す円領域Ａにはフレキシブルプリント回路基板２３２の貫通孔２３５を通じて給電基板３３の突出部ａが挟まれる形態をより詳細に示す。このとき、給電基板３３は、エポキシなどの材質の基板内層３３０の下部面に(突出部ａまで延びる)接地パターン３３４が形成され、突出部ａがフレキシブルプリント回路基板２３２の貫通孔２３５に挟まれた状態で部分ｂに示すように、以後半田付け作業を実行する。それによって、フレキシブルプリント回路基板２３２と給電基板３３は一層安定するように固定され、かつフレキシブルプリント回路基板２３２の各貫通孔２３５の部分に形成された各放射素子２３-１、２３-２、２３-３の水平偏波用ダイポール放射パターン２３０と給電基板３３の接地パターン３３４を電気的に接続できる。

図８乃至図１０に示す構成から明らかにわかるように、本発明の一部実施形態によるオムニアンテナでは、それぞれの放射素子２３-１、２３-２、２３-３、又は２１-１、２１-２、２１-３が各フレキシブルプリント回路基板２３２又は２１２に形成され、以後各フレキシブルプリント回路基板２３２又は２１２が丸く巻かれた形態で設置されることにより、各々の放射素子２３-１，２３-２、２３-３、又は２１-１、２１-２、２１-３は全体的に完全な平面でなく、左右の縁に比べて中間部分が凸状の曲面を有することがわかる。このような形態は、放射素子アレイ及びこれによるオムニアンテナの全体横方向サイズを減少する設計を可能にする。さらに各放射素子２３-１、２３-２、２３-３、又は２１-１、２１-２、２１-３から放射される放射ビームの組み合わせは、最適化されて最適の全方向放射特性を有することができる。

図１１及び図１２は、図５の一つの放射素子アレイ、例えば第３の放射素子アレイ２３に適用される第１タイプの給電基板３３の平面図及び背面図である。図１３及び図１４は、図５の他の放射素子アレイ、例えば第１の放射素子アレイ２１に適用される第２のタイプの給電基板３１の平面図及び背面図である。図１１乃至図１４を参照して、各放射素子アレイに給電信号を提供する給電部の構成として、給電基板３３又は３１の構成をより詳細に説明すると、第１タイプの給電基板３３は、エポキシ材質などで構成される基板内層３３０と、基板内層３３０の上面に形成される給電パターン３３２(２３２-１、２３２-２、２３２-３）と、基板内層３３０の下面に形成される接地パターン３３４とを含む。また、第１タイプの給電基板３３に複数の支持台(例えば、図５及び図６の２６１、２６２、２６３)が貫通され、複数の支持台により支持されるための複数の貫通孔ｈ１１、ｈ１２、ｈ１３が形成される。さらに、後述するように、給電線路が通るための複数の接続通路ｈ２１、ｈ２２、ｈ２３が適切な位置に貫通孔の形態に形成され得る。

給電パターン３３２(３３２-１、３３２-２、３３２-３）は、対応する放射素子アレイ２３に形成される３個の放射素子に各々カップリング方式で給電するための第１乃至第３のカップリング給電パターン３３２-２、３３２-１、３３２-３を含む。第１乃至第３のカップリング給電パターン３３２-２、３３２-１、３３２-３は、給電基板３３と放射素子アレイ２３が相互に結合する突出部ａで該当放射素子アレイ２３の各放射素子にカップリング方式で給電するためのパターンを有する。第１乃至第３のカップリング給電パターン３３２-２、３３２-１、３３２-３は、給電基板３３の中央に形成される一つの給電点Ｐから給電信号が各々分配される構造でパターンが形成される。給電点Ｐは、同軸ケーブルで構成される給電線路(例えば、４３)を介して給電信号を受信するように構成される。

給電基板３３と給電線路４３の接続構造は、図１１に一点鎖線で示す円領域Ａにより詳細に示し、給電基板３３の下部で給電線路４３に接続され得る。同軸ケーブルで構成される給電線路４３の内部導体４３２は、給電点Ｐに形成される貫通孔ｈ１を通じて挿入されて給電基板３３を貫通し、給電基板３３の上面の給電パターン３３２に接続される。このとき、給電線路４３の外部導体４３４は、給電基板３３の下面の接地パターン３３４に接続される。以後、給電基板３３の上面で給電パターン３３２と給電線路４３の内部導体３３２が半田付けされ、給電基板３３の下面で接地パターン３３４と給電線路４３の外部導体４３４が半田付けされる。

図１３及び図１４は、第２タイプの給電基板３１を示し、第２タイプの給電基板３１は、第１タイプの給電基板３３のように、基板内層３１０、基板内層３１０の上面に形成される給電パターン３１２(３１２-１、３１２-２、３１２-３）、及び基板内層３１０の下面に形成される接地パターン３１４を含む。また、複数の支持台が貫通され、複数の支持台により支持するための複数の貫通孔ｈ１１、ｈ１２、ｈ１３と、複数の給電線路が通るための複数の接続通路ｈ２１，ｈ２２、ｈ２３が適切な位置に形成される。

給電パターン３１２(３１２-１、３１２-２、３１２-３）は、対応する放射素子アレイ２１に形成された３個の放射素子に各々カップリング方式で給電するための第１乃至第３のカップリング給電パターン３１２-２、３１２-１、３１２-３を有する。第１乃至第３のカップリング給電パターン３１２-２、３１２-１、３１２-３は、給電基板３１の中央に形成される一つの給電点Ｐから給電信号が各々分配される構造でパターンが形成される。給電点Ｐは、同軸ケーブルで構成される給電線路を通じて給電信号を受信するように構成される。

このとき、第２タイプの給電基板３１に形成される第１乃至第３のカップリング給電パターン３１２-１、３１２-２、３１２-３は、図１１及び図１２に示す給電基板３３に形成されるパターンと多少差がある。すなわち、第２タイプの給電基板３１に形成される第１乃至第３のカップリング給電パターン３１２-２、３１２-１、３１２-３は、図１１及び図１２に示す給電基板３３に形成されるパターンに比べて信号カップリング部分で給電信号の進行方向が相互に反対になるように形成される。

図１５は、図５のオムニアンテナの給電基板に対する給電線路の接続構造を示す。図１５は、４個の放射素子アレイの各々に対応する第１乃至第４の給電基板３１，３２，３３，３４が上側から連続して設置される状態を概略的に示す。図１５を参照すると、第１乃至第４の給電基板３１，３２，３３，３４は、各々第１乃至第４の給電線路４１，４２，４３，４４により給電される。このとき、第１及び第２の給電線路４１，４２は、第１の共通給電線路４０-１から第１の分配器５２を通じて分配された信号を各々受信するように構成される。同様に、第３及び第４の給電線路４３，４４は、第２の共通給電線路４０-２から第２の分配器５４を通じて分配された信号を各々受信するように構成される。

このような構成で、各給電線路４１-４４のうち異なる給電基板部分を通る給電線路(図１５の例では、４１，４３，４０-１）は、各給電基板３１-３４に形成された接続通路(ｈ２：例えば、図１１乃至図１４のｈ２１，ｈ２２，ｈ２３)を通過するように設計される。図１５において、一点鎖線で示した円領域Ａには、例えば第２の給電基板３２の接続通路ｈ２を通じて第１の給電線路４１が通る構造をより詳細に示す。このとき、同軸ケーブルで構成される第１の給電線路４１(の外部導体)は、第２の給電基板３２の下面に形成される接地パターン３２４と半田付けされる。同様に、各給電基板の接続通路を通じて通る給電線路は、該当給電基板の下面に形成された接地パターン３２４と半田付けされる。それによって、各々の給電線路に該当する同軸ケーブルのケーブル接地と各給電基板の接地が相互に半田付けされ、接地特性がより安定化される。

一方、上記した構成において、各給電基板と接続される給電線路の長さは、各放射素子アレイから放射されるビームの位相を合せるために、例えば同一に設計される。それによって、例えば、第１の分配器５２に接続される第１の給電線路４１と第２の給電線路４２の長さは、同一に設計される。この場合、第１の給電基板３１と第２の給電基板３２は、同一のタイプの給電基板を用いて位相が同一であるので、２個の基板間に位相差はない。第１タイプの給電基板と第２タイプの給電基板は、該当給電パターンの差に従って相互間の給電信号が１８０度の位相差を有する構造を有しつつ、各放射素子アレイに設置される給電基板のタイプを適切に異なって設計し、どの一側の給電基板に接続される給電線路の長さを１８０度の位相差に対応するように相当な長さを短縮させる。このとき、短縮される給電線路の長さは、波長、誘電率に従って変わることがある。例えば、第１の給電線路４１が１００ｍｍである場合、第２の給電線路４２は、２ＧＨｚで６０ｍｍ、２.６ＧＨｚで４０ｍｍに長さを短縮させることができる。

このような給電線路の構成は、従来の複数の給電ケーブルが複雑に接続されることを単純化できる。したがって、アンテナの設計において構造的便利性を向上させ、ケーブルによる電力損失も低減させ、小型軽量化の目的にも適合する。

図１６乃至図１９は、図５のオムニアンテナの放射特性を示すグラフである。図１６はオムニアンテナの放射特性を３次元的に示し、図１７は垂直方向の放射特性を示し、図１８及び図１９は水平方向の放射特性を示す。図１５乃至図１９に示すように、本発明の実施形態によるオムニアンテナは、全方向放射特性が非常に優れるように形成されることがわかる。特に、図１８及び図１９に示すように、全方向放射パターンで水平方向のリップル(ripple)特性が設計周波数帯域(例えば、２.５ＧＨｚ、２.６ＧＨｚ、２.７ＧＨｚ)で約０.２ｄＢであって、非常に優れた放射パターンを示すことがわかる。

上記のように本発明の実施形態による移動通信サービス用オムニアンテナの構成及び動作が実行できる。一方、上記した本発明の説明では具体的な実施形態に関して説明したが、多様な変形が本発明の範囲を逸脱することなく実施可能である。

例えば、上記の実施形態に関する説明では、オムニアンテナ又は放射素子アレイが３個の放射素子に形成することを開示しているが、これは、放射素子アレイ及びオムニアンテナのサイズを最小化するための構成である。放射素子アレイ及びオムニアンテナの設計の際にサイズ制約が大きくない場合、放射素子を４個以上組み合わせて一つの放射素子アレイ又はオムニアンテナを形成することも可能である。さらに、場合によっては放射素子を２個のみを組み合わせてもよい。アンテナ使用環境によって放射素子数を変換して設計することもできる。例えば、高周波帯域で放射直径に比例して大きくなるリップルの影響を減少させるために、放射素子を減少させ、低周波帯域では放射素子の数を増加させてもよい。

また、上記の説明では、複数の放射素子が形成されるフレキシブルプリント回路基板が円筒形であると説明したが、それ以外にも、多面体形態を有することもできる。例えば、図２０に示す放射素子アレイ２５は、３個の放射素子２５２-１、２５２-２、２５２-３がフレキシブルプリント回路基板に形成されることを示す。このとき、フレキシブルプリント回路基板は、例えば三角柱状に折れ、各側面に各々の放射素子２５２-１、２５２-２、２５２-３が一つずつ配置される形態で構成され得る。また、上記の説明では一つのオムニアンテナ又は一つの放射素子アレイを形成する放射素子は、すべて＋４５度偏波を発生する第１のタイプで構成するか、あるいは−４５度の偏波を発生する第２のタイプで構成すると説明したが、その他にも第１タイプ及び第２タイプの放射素子が混じる構造も可能である。例えば、一つの放射素子アレイは、＋４５度偏波を発生する第１タイプの放射素子と−４５度偏波を発生する第２タイプの放射素子が交互に配置される形態で構成することもできる。

また、第２の実施形態によるオムニアンテナは、４個の放射素子アレイが組み合わせられる構造を示したが、その他にも、放射素子アレイが２個又は６個以上組み合わせられる構造も可能である。さらに、第２の実施形態によるオムニアンテナは、同一の偏波を有する放射素子アレイを相互に結合して隣接するように配置する構造を有することを説明した。さらに、＋４５度偏波を発生する放射素子アレイと−４５度偏波を発生する放射素子アレイが垂直方向に交互に配置される形態で構成できる。

さらに、上記の説明では、各放射素子の４個の放射アームが製造工程を単純化して製造時間を短縮させるように、相互対称形構造の同一の形状を有するように設計されることに関して説明したが、それ以外にも４個の放射アームが異なる形状で実現されることもできる。例えば、図２１に示す本発明の他の実施形態による放射素子の放射パターン１１０’の構造は、同様に２個の放射アーム１１０ｄ’，１１０ｂ’を有する水平偏波用ダイポール放射部と、２個の放射アーム１１０ａ’，１１０ｃ’を有する垂直偏波用ダイポール放射部の結合構造を有する。このとき、水平偏波用ダイポール放射部の放射アーム１１０ｄ’，１１０ｂ’と、垂直偏波用ダイポール放射部の放射アーム１１０ａ’，１１０ｃ’は、相互に同一の形状でないことを示す。このとき、水平偏波用ダイポール放射部の２個の放射アーム１１０ｄ’，１１０ｂ’は、相互に同一の形状を有し、同様に、垂直偏波用ダイポール放射部の２個の放射アーム１１０ａ’，１１０ｃ’も相互に同一の形状を有することができる。

以上、本発明の詳細な説明においては具体的な実施形態に関して説明したが、特許請求の範囲を外れない限り、様々な変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。したがって、本発明の範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。

１１ 放射素子
１４ 給電線路
２１−２５ 放射素子アレイ
２７ レドーム
２８ 上部キャップ
２９ 下部キャップ
３１ 給電基板
３３ 給電基板
４１−４４ 給電線路
５２ 分配器
５４ 分配器
１１０ 放射アーム
１１２ フレキシブルプリント回路基板
１１３ 放射アーム
２１５ 貫通孔
２３０ 水平偏波用ダイポール放射パターン
２３２ フレキシブルプリント回路基板
２３５ 貫通孔
２５２−１ 放射素子
２５２−２ 放射素子
２５２−３ 放射素子
２６１ 支持台
２６２ 支持台
２６３ 支持台
３１０ 基板内層
３１２ 給電パターン
３２４ 接地パターン
３３０ 基板内層
３３２ 給電パターン
３３４ 接地パターン
４３２ 内部導体
４３４ 外部導体

Claims (14)

1. 移動通信サービス用オムニアンテナであって、
   水平面上の一つの基準点から水平方向に所定の角度に従って相互に一定の間隔で配置され、各々ビームを放射する複数の放射素子と、
   前記複数の放射素子に各々給電信号を分配して提供する給電部と、を具備する放射素子アレイを含み、
   前記複数の放射素子の各々は、
   ２個の放射アームを有する水平偏波用ダイポール放射部と、２個の放射アームを有する垂直偏波用ダイポール放射部とを含み、
   前記放射素子アレイは垂直方向に複数個が連続配置されており、
   垂直方向に並ぶ前記複数の放射素子アレイは、
   前記複数の放射素子の放射パターンが、前記水平偏波用ダイポール放射部の一側の放射アームと前記垂直偏波用ダイポール放射部の一側の放射アームが対をなして一体に具備され、前記水平偏波用ダイポール放射部の他側の放射アームと前記垂直偏波用ダイポール放射部の他側の放射アームが対をなして一体に具備され、全体的に＋４５度偏波を発生する第１のタイプと、
   前記複数の放射素子の放射パターンが、前記水平偏波用ダイポール放射部の一側放射アームと前記垂直偏波用ダイポール放射部の他側放射アームが対をなして一体で具備され、前記水平偏波用ダイポール放射部の他側放射アームと前記垂直偏波用ダイポール放射部の一側放射アームが対をなして一体で具備され、全体的に−４５度偏波を発生する第２のタイプとを含み、
   前記給電部は、円形または多角形のプリント回路基板を有する給電基板を含み、
   前記複数の放射素子の各々は、前記給電基板を取り囲む円筒形または多面体形態のフレキシブルプリント回路基板にパターンとして形成されていることを特徴とするオムニアンテナ。
2. 前記複数の放射素子は、前記フレキシブルプリント回路基板に所定間隔で連続して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のオムニアンテナ。
3. 前記水平偏波用ダイポール放射部の放射アームと前記垂直偏波用ダイポール放射部の放射アームに同時に給電されることを特徴とする請求項１に記載のオムニアンテナ。
4. 前記水平偏波用ダイポール放射部の放射アームと前記垂直偏波用ダイポール放射部の放射アームは、少なくとも２個以上が同一の形状であることを特徴とする請求項１に記載のオムニアンテナ。
5. 前記一体型の対で具備された水平偏波用放射部の放射アームと垂直偏波用放射部の放射アームは相互に対称形状であることを特徴とする請求項４に記載のオムニアンテナ。
6. 前記水平偏波用ダイポール放射部の放射アームは相互に同一の形状であり、前記垂直偏波用ダイポール放射部の放射アームは相互に同一の形状であることを特徴とする請求項４に記載のオムニアンテナ。
7. 前記複数の放射素子の個数が３個であることを特徴とする請求項１に記載のオムニアンテナ。
8. 前記複数の放射素子アレイは、第１の偏波及び第２の偏波を発生する少なくとも２個以上が垂直方向に連続して配置され、偏波方向が他の放射素子アレイが垂直方向に極性が相互対称であり、かつ同一の個数で配置されることを特徴とする請求項１に記載のオムニアンテナ。
9. 前記偏波方向が異なる放射素子アレイ間の距離は放射素子アレイの数に反比例することを特徴とする請求項８に記載のオムニアンテナ。
10. 前記複数の放射素子アレイは、第１の偏波を発生する放射素子アレイと第２の偏波を発生する放射素子アレイで構成され、
    前記複数の放射素子アレイの各々に給電信号を分配して提供する前記給電部は、
    前記複数の放射素子アレイごとに給電信号を提供する給電パターンを具備する複数の給電基板を含み、
    前記複数の給電基板は、
    前記給電パターンの差により給電信号が相互に位相差を有する第１のタイプと第２のタイプに区分して構成され、
    前記第１のタイプと第２のタイプの給電基板は、同一の偏波を発生する放射素子アレイに交互に提供されることを特徴とする請求項１に記載のオムニアンテナ。
11. 前記複数の放射素子アレイは、第１の偏波を発生する放射素子アレイと第２の偏波を発生する放射素子アレイで構成され、
    同一の偏波を発生する放射素子アレイは、水平面上で相互に所定の角度差をおいて配置されることを特徴とする請求項１に記載のオムニアンテナ。
12. 前記所定の角度は６０度であることを特徴とする請求項１１に記載のオムニアンテナ。
13. 前記複数の放射素子アレイに各々給電信号を分配して提供する前記給電部は、前記複数の放射素子アレイごとに給電信号を提供する複数の給電基板を含み、
    前記複数の給電基板の各々は、
    基板内層と、
    前記基板内層の上面に形成され、対応する放射素子アレイに形成された複数の放射素子に各々カップリング方式で給電するための複数のカップリング給電パターンを有する給電パターンと
    前記基板内層の下面に形成される接地パターンと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のオムニアンテナ。
14. 前記複数の給電基板の各々は、
    複数の給電線路を通じて給電され、
    異なる給電基板に給電する給電線路のうち少なくとも一つが通るための少なくとも一つの接続通路が貫通孔の形態に形成され、
    前記接続通路を通じて通る給電線路は前記接地パターンと半田付けされることを特徴とする請求項１３に記載のオムニアンテナ。

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