別紙 5 周波数選択性素子を用いた 周波数共用アンテナ 千葉工業大学工学部情報通信システム工学科 教授長敬三 平成 30 年 2 月 19 日 Antennas and Wireless Systems Lab. 1
背景 移動通信トラヒックの増加 高速 大容量通信システムの必要性 New Band 周波数帯の追加 4.5GHz Band etc. 1.5/1.7GHz Band 2GHz/800MHz Band 700MHz Band 3.5GHz Band Antennas and Wireless Systems Lab. 2
Antennas and Wireless Systems Lab. 3 基地局アンテナへの要求条件 基地局は全ての周波数で同時に動作 アンテナの設置強度不足 700MHz band 800MHz band 1.5GHz band マルチバンドアンテナが必須. 1.7GHz band 2GHz band 3.5GHz band 4.5GHz band
Antennas and Wireless Systems Lab. 4 基地局アンテナの素子構成例 反射板付ダイポールアンテナ構成 800MHz 帯用 V 偏波素子 1.7/2GHz 帯用 H 偏波素子 1.7/2GHz 帯用 V 偏波素子 800MHz 帯用 H 偏波素子 長さ λ/2 の反射板 偏波共用構成 水村慎, 周波数共用偏波ダイバーシチアンテナにおける指向性の改善, 2008 信学ソ大会,B-1-108, 2008
Antennas and Wireless Systems Lab. 5 マルチバンドアンテナ構成の課題 (800MHz/2GHz 共用 H 偏波アンテナに 3.5GHz 帯を共用した例 ) 放射特性の調整が必要 ( 無給電素子等 ) 低周波数用素子に誘起する電流で高周波数帯パターンが歪む 0.25λ 800MHz band 0.25λ 2GHz band Refelctor 0.25λ 3.5GHz band パターン歪みを避けるため素子間隔は 0.25 波長程度にする必要がある アンテナ性能は反射板および他周波数用素子の両方の影響を受けるため, 素子設計が困難
Antennas and Wireless Systems Lab. 6 提案技術 高周波数帯用アンテナの反射板として周波数選択性反射板 (FSR) を導入. FSR : 3.5GHz 帯で反射板 800MHz 帯,2GHz 帯で電気的に透明 FSR Refelctor Refelctor 高周波数帯用アンテナを, 互いの影響を低減できる位置に移動可能
Antennas and Wireless Systems Lab. 7 実現イメージと課題 2GHz ダイポール素子 3.5GHz イポール素子 反射板 レドーム 0.25λ (3.5GHz) FSR 0.25λ (2.0Hz) 0.25λ (800MHz) 3.5GHz 帯での指向性のひずみを改善. 800MHz ダイポール素子 FSR を基地局アンテナに適用する上での課題 共用する周波数帯が FSR の動作周波数に近い場合,FSR が共用周波数帯アンテナ特性に影響.
Antennas and Wireless Systems Lab. 8 FSR 付アンテナによる 周波数共用構成実現における課題 FSR はアンテナの一部として機能するため,FSR 素子間の結合や FSR からの放射を考慮した設計が必要. 共用する周波数帯が FSR の動作周波数に近い場合, FSR が共用周波数帯アンテナ特性に影響. FSR の反射特性が不十分な場合, 後方反射板からの反射波により指向性に歪が発生.
現状の検討 3.5GHz 帯 /2GHz 帯共用構成を例に移動通信用セクタアンテナを検討 MIMO 伝送への対応を考慮し, 垂直偏波, 水平偏波それぞれで, 構成を検討 基地局アンテナへの要求条件 基地局アンテナ 半値角 セクタ指向性 FB 比 : 15dB 以上半値角 : 60~90 度半値角変動 : 約 5 度 Antennas and Wireless Systems Lab. 9
Antennas and Wireless Systems Lab. 10 FSR を構成する素子 代表的な素子形状 Gang Buster Jerusalem Cross Square Loop Square patch FSR 付ダイポールアンテナとして構成したときの放射指向性の周波数安定性を検討し,Gang Buster 型を採用 谷澤佑亮, 長敬三, 宗秀哉, 安藤篤也, 周波数選択性反射板付ダイポールアンテナの反射板素子形状による放射特性への依存性, 信学技報, vol. 115, no. 164, AP2015-52, pp. 71-76, 2015 年 7 月.
垂直偏波用 3.5GHz/2GHz 帯 共用セクタアンテナ FSR 3.5GHz 帯アンテナの放射特性の歪の原因 FSR の漏れ波 3.5GHz 帯ダイポール 3.5GHz 帯ダイポール素子 2GHz 帯ダイポール素子 反射板からの反射波 Z Y X FSR 2GHz 帯ダイポール 反射板 Z Y X 反射板 2GHz 帯アンテナの放射特性の歪の原因 FSR が放射波をブロックもしくは導波する 3.5GHz 帯ダイポール 検討アンテナ構成 Z Y X 2GHz 帯ダイポール FSR 反射板 Antennas and Wireless Systems Lab. 11
Antennas and Wireless Systems Lab. 12 解決策 FSR 素子配置の最適化 両端素子を前方に配置 平面部の素子数の増加 無給電素子の追加 無給電素子で導波させ, 3.5GHz 帯の後方放射を低減 3.5GHz 帯ダイポール 3.5GHz 帯と 2GHz 帯のアンテナ間隔の最適化 Z Y X FSR 2GHz 帯ダイポール反射板
Antennas and Wireless Systems Lab. 13 FSR の素子数の 3.5GHz 帯 放射特性への影響 HPBW [deg.] 140 110 80 50 3 素子から 5 素子にすることで半値角変動を低減 半値角変動 : 4.8 5 素子 3 素子 半値角変動 : 26.0 Z Y X 300 270 240 330 0 Angle(degree) -20 30 60 90-10 0 (db) 120 3.4GHz 3.6GHz 3.8GHz 20 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 Frequency [GHz] 210 150 180 後方にサイドローブが発生
Antennas and Wireless Systems Lab. 14 無給電素子によるサイドローブの低減 300 330 0 Angle(degree) 30 60 3.4GHz 3.6GHz 3.8GHz 300 330 0 Angle(degree) 30 60 3.4GHz 3.6GHz 3.8GHz 270-20 -10 0 (db) 90 270-20 -10 0 (db) 90 Y Z X 240 210 150 180 Antenna Radiation Pattern 無給電素子なし 120 240 210 150 180 無給電素子あり 120
Antennas and Wireless Systems Lab. 15 3.5GHz 帯と 2GHz 帯の アンテナ間隔の最適化 FSR 3.5GHz 帯ダイポール 無給電素子 Y 反射板 2GHz 帯ダイポール 無給電素子 3.5GHz 帯 13.76 ダイポール 16 16.7 FSR d 1 2GHz 帯 Z ダイポール Y X 27.2 [mm] 反射板 Z X 検討構造
Antennas and Wireless Systems Lab. 16 FB 比特性 Frequency [GHz] Frequency [GHz] 3.5/2GHz アンテナの間隔 d 1 [mm] 3.5GHz 帯 3.5/2GHz アンテナの間隔 d 1 [mm] 2GHz 帯 Y. Tanizawa, K. Cho: Mutual Influence Reduction of Dual Band Reflector Backed Dipole Antenna Using Edge Folded FSR, in Proc. of ISAP 2016, Okinawa, Japan, Oct. 2016.
Antennas and Wireless Systems Lab. 17 半値角特性 平均半値角 [ 度 ] 2GHz 帯 (1.9-2.3GHz) 3.5GHz 帯 (3.4-3.8GHz) 半値角変動 [ 度 ] 3.5GHz 帯 (3.4-3.8GHz) 2GHz 帯 (1.9-2.3GHz) 両周波数帯用アンテナの距離 d1[mm] 平均半値角 両周波数帯用アンテナの距離 d1[mm] 帯域内半値角変動 Y. Tanizawa, K. Cho: Mutual Influence Reduction of Dual Band Reflector Backed Dipole Antenna Using Edge Folded FSR, in Proc. of ISAP 2016, Okinawa, Japan, Oct. 2016.
水平偏波用 3.5GHz/2GHz 帯 共用セクタアンテナ FSR 付ダイポールアンテナの半値角と後方放射 反射板の幅に依存 二列の重なり幅で反射板全体の幅を調整 幅の調整が可能な構成が必要 Gang Buster 素子を互い違いに配置 18 Antennas and Wireless Systems Lab.
Antennas and Wireless Systems Lab. 19 水平偏波用 3.5GHz/2GHz 帯 共用セクタアンテナ 反射板により半値角が狭小化 3.5GHz dipole element FSR 5mm 半値角の拡大が必要 直線状ダイポール素子 素子の折り曲げで対応 放射特性と帯域調整のため FSR 構造も変更 22.6mm 折り曲げダイポール素子
Antennas and Wireless Systems Lab. 20 水平偏波用 3.5GHz/2GHz 帯 共用セクタアンテナ 100 80 2GHz ( 平均 ) 折り曲げダイポール素子 30 折り曲げダイポール素子 半値角 ( 度 ) 60 40 20 直線状タイポール素子 FB 比 (db) 20 10 直線状タイポール素子 0 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 周波数 (GHz) 半値角 0 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 周波数 (GHz) FB 比 長谷川雅人, 長敬三, 安藤篤也, 周波数選択性反射板を用いた 2 周波数共用水平偏波反射板付ダイポールアンテナ, 信学論,Vol.J101-B No.9 pp.737-748, 2018.
Antennas and Wireless Systems Lab. 21 試作評価 ( 試作アンテナ ) FSR 3.5GHz ダイポール素子 FSR 反射板 2GHz ダイポール素子 長谷川雅人, 長敬三, 安藤篤也, 周波数選択性反射板を用いた 2 周波数共用水平偏波反射板付ダイポールアンテナ, 信学論,Vol.J101-B No.9 pp.737-748, 2018.
試作評価 ( 放射特性測定結果 ) 100 30 半値角 ( 度 ) 80 60 40 測定 シミュレーション FB 比 (db) 20 10 測定 シミュレーション 20 0 1.5 2 2.5 3 3.5 4 周波数 (GHz) 半値角 0 1.5 2 2.5 3 3.5 4 周波数 (GHz) FB 比 長谷川雅人, 長敬三, 安藤篤也, 周波数選択性反射板を用いた 2 周波数共用水平偏波反射板付ダイポールアンテナ, 信学論,Vol.J101-B No.9 pp.737-748, 2018. Antennas and Wireless Systems Lab. 22
Antennas and Wireless Systems Lab. 23 今後に向けて 両偏波を組み込んだ偏波共用構成 現在試作評価中 周波数共用化 広帯域 フィルタ急峻化 GA を組み込んだ FSR 素子設計を検討中
Antennas and Wireless Systems Lab. 24 産学連携の経緯 2014 年 -2017 年通信事業者と共同研究実施 企業への期待 本技術は移動通信用基地局アンテナへの適用を想定して検討を進めてきたが, 他のアプリケーションでも周波数共用の必要性があると考えられる. ニーズが異なると, アンテナへの要求条件が異なるため, 新たなアプリケーションへの本技術の適用についての共同研究を期待したい.
お問い合わせ先 千葉工業大学研究支援部産官学融合課富内直樹 秋葉知宏 TEL 047-478 -0325 FAX 047-478 -0434 Antennas and Wireless Systems Lab. 25