JP2001168789A

JP2001168789A - 指向性可変型移動体通信基地局

Info

Publication number: JP2001168789A
Application number: JP35447099A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Shikamata; 義弘鹿又; Katsura Fujiwara; 桂藤原; Takeo Okamura; 武夫岡村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】消費電力を少なくすることができる指向性可変
型移動体通信基地局を提供する。【解決手段】分波・合成回路８では、可変増幅器５と高
出力増幅器７とで増幅された複数の信号をそれぞれ分波
し、分波されたそれぞれの信号を合成し、合成された複
数の信号をアンテナ１０からそれぞれ出力する。マイコ
ン１２は、分波・合成回路８から出力されるそれぞれの
信号が、あらかじめ定めた出力電力になるように、可変
位相器４で遷移させる位相を制御する。可変位相器４
は、複数の信号の位相を指示された位相に、それぞれ遷
移させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動体通信に用い
られるの指向性可変型（アダプティブアンテナ、アクテ
ィブビームフォーミングアンテナ等）の機能を有する基
地局に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２に指向性可変を実現する一般的な送
信回路の一例を示す。図２において、送信信号入力端子
１０１は基地局で送信する送信信号を入力する。ドライ
バ回路１０２は、送信信号を４つに分配する電力分配回
路１０３と、位相を遷移させる可変位相器１０４ａ・ｂ
・ｃ・ｄと、利得を調整できる可変増幅器１０５ａ・ｂ
・ｃ・ｄとを備える。高出力増幅器１０６は、送信信号
をそれぞれ増幅させる高出力増幅器１０７ａ・ｂ・ｃ・
ｄと、高出力増幅器１０７よりも十分大きな飽和電力を
有する高出力増幅器１１４と、結合器１０９ａ・ｂ・ｃ
・ｄとを備える。無指向性アンテナ１１０ａ・ｂ・ｃ・
ｄは、送信信号をそれぞれ出力させる。ＤＡコンバータ
１１１は可変位相器１０４と可変増幅器１０５とに接続
されている。マイコン１１２は高出力増幅器１０６から
出力される信号の位相と電力とを決める。検出復調器１
１３は高出力増幅器１０６から出力される信号の位相と
電力の校正を行う。

【０００３】図２において、高出力増幅器１１４が高出
力増幅器１０７よりの十分大きな飽和電力を有する必要
があるのは、１つのアンテナへ出力する時に高出力電力
増幅を必要とするためである。

【０００４】次に、図２に示すような従来の指向性可変
型のアダプティブアンテナ、アクティブビームアンテナ
等に使用される送信回路の動作について説明する。アダ
プティブアンテナ、アクティブビームアンテナ等の指向
性可変機能を有する基地局は、トラフィックが高い地域
において電波利用効率を上げるため、複数アンテナから
送信する電波の位相を、可変位相器１０４ａ・ｂ・ｃ・
ｄによって制御することにより、特定加入者方向にアン
テナビームを向け、不必要な方向に対し、送信電力を下
げる働きをする。一方、不特定多数の加入者端末に送出
される制御信号は、複数アンテナから電波を送出すると
位相干渉を起こし、均一な電波を送出することができな
い為、１つのアンテナから送出することが必要である。
１つのアンテナで電波を送出するには、高出力電力増幅
が必要となるため高出力増幅器１１４を用いて送出する
必要がある。

【０００５】説明を簡単にするために、高出力増幅器１
０７の最大能力を１Ｗ、高出力増幅器１１４の最大能力
を４Ｗと仮定すると、基地局は特定加入者端末に向けて
送出するときは４つのアンテナから送出される信号の位
相をコントロールし、各アンテナ１Ｗずつ、すなわち総
電力４Ｗで送出する。この時、高出力増幅器１１４も１
Ｗで使用する。一方、不特定多数の加入者端末に送出さ
れる制御信号を送信する時は、１つのアンテナで送出す
るので高出力増幅器１１４を用いて４Ｗで送出する必要
がある。

【０００６】各ポートｍ〜ｐの位相及び電力は、可変位
相器１０４および可変増幅器１０５の出力によって変わ
るが、可変位相器１０４と可変増幅器１０５はＤＡコン
バータ１１１によって制御されており、ＤＡコンバータ
１１１の制御量はマイコン１１２によって直接コントロ
ールされる。検出復調器１１３は、各ポートｍ〜ｐの電
力と位相の関係を、結合器１０９を介して調べる為の物
である。マイコン１１２は検出復調器１１３を用い、各
ポートｍ〜ｐと各ポートｉ〜ｌの電力と位相との関係を
あらかじめ校正する。

【０００７】図３は、４本の無指向性アンテナを用い指
向性可変型アンテナを構成した時のアンテナパターンイ
メージ例を示す。図３(a)は１つのアンテナから信号を
送出した場合の例であり、図３(b)は位相制御された信
号を４つのアンテナからそれぞれ送出した場合のイメー
ジ例を示す。図３(c)および(d)は２つのアンテナによっ
て信号を送出したイメージ例である。

【０００８】また、他の従来技術として、特公平１０−
０２７４５４５６号公報に記載の衛星搭載マルチビーム
送信系のアンテナ送信回路がある。この従来技術では、
複数の信号を入力し、所望する１つの信号を出力する送
信回路において、同一信号が同じアンプに同時に入力さ
れたときに、信号が互いにキャンセルすることによるア
ンプ不均一動作を防ぐことを目的としている。このた
め、同じ信号が同時に入力されないようにハイブリット
回路を用いている。この従来技術では、複数の信号を入
力しており、一つの信号の出力電力を調整しているもの
ではない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の移動体通信に用
いられる指向性可変機能を有する基地局に使用される送
信回路では、不特定多数の加入者端末に送出される制御
信号を１つのアンテナで送出するために、例えば、図２
の高出力増幅器１１４に示すように、高出力増幅器１０
７よりも十分大きい飽和電力を有する高出力増幅器を用
いる必要がある。高出力増幅器１１４を構成する為に
は、高出力増幅器１１４に合わせた大容量電源と放熱構
造とを必要とする。このため、消費電力が大きくなり、熱
放射も大きくなる。

【００１０】一方、特定加入者に向けて送出する時には
高出力増幅器１１４を終段高出力増幅器とする１つのア
ンテナと、高出力増幅器１０７を終段高出力増幅器とす
る３つのアンテナとの双方の能力に合わせて使用するた
め、効率が悪く、高出力増幅器１１４の電流制御が必要
となる。

【００１１】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、消費電力を少なくすることがで
きる指向性可変型移動体通信基地局を提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、無線で送受信
を行う指向性可変型移動体通信基地局において、位相手
段は、複数の信号の位相をそれぞれ遷移させる。増幅手
段は、前記位相手段から出力された複数の信号をそれぞ
れ増幅させる。分波・合成手段では、前記増幅手段によ
り増幅された複数の信号をそれぞれ分波し、分波された
それぞれの信号を合成し、合成された複数の信号をそれ
ぞれ出力する。アンテナ手段は、前記分波・合成手段か
ら出力される複数の信号をそれぞれ送信する。制御手段
は、前記分波・合成手段から出力されるそれぞれの信号
が、あらかじめ定めた出力電力になるように、前記位相
手段で遷移させる位相を制御する。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施の形態を
示す構成図である。図１は、基地局の送信回路の構成図
を示す。本実施の形態では、４個の９０度ハイブリット
回路による各入力位相と各出力電力の関係を演算し、４
個の出力を持つドライバ回路の各位相と出力レベルとを
制御することでアンテナから出力する信号の出力電力を
制御するようにしている。

【００１４】図１において、送信信号入力端子１は基地
局で送信する送信信号を入力する。ドライバ回路２は、
送信信号を４つに分配するための電力分配回路３と、送
信信号の位相を遷移させるための位相手段である可変位
相器４ａ・ｂ・ｃ・ｄと、利得を調整できる可変増幅器
５ａ・ｂ・ｃ・ｄとを備える。送信出力電力まで増幅す
るための高出力増幅部６は、送信信号をそれぞれ増幅さ
せる高出力増幅器７ａ・ｂ・ｃ・ｄと、４個の９０度ハ
イブリットによって構成される分波・合成回路８ａ・ｂ
・ｃ・ｄと、出力をモニタする為の結合器９ａ・ｂ・ｃ
・ｄとを備える。無指向性アンテナ１０ａ・ｂ・ｃ・ｄ
は、送信信号をそれぞれ出力させる。ＤＡコンバータ１
１は、可変位相器４ａ・ｂ・ｃ・ｄと可変増幅器５ａ・
ｂ・ｃ・ｄとにそれぞれ接続されている。マイコン１２
は、出力電力と位相の関係をコントロールする為の制御
手段であり、ＤＡコンバータ１１を介して可変位相器４
ａ・ｂ・ｃ・ｄの位相と、可変増幅器５ａ・ｂ・ｃ・ｄ
の利得とを制御する。検出復調器１３は、結合器９ａ・
ｂ・ｃ・ｄを介して出力電力の一部をモニタし、位相と
出力電力の関係を検出する。なお、図１においては、ド
ライバ回路２より４個に信号を分配し、４つの無指向性
アンテナから出力する構成で説明したが、必ずしも４個
である必要は無く、２のＮ乗（２，８，１６・・・）で
あれば適用できる。また、回路間には、必要であれば、
フィルタや送受信共用回路を備えることができる。

【００１５】つぎに、本実施の形態における指向性可変
型移動体通信基地局の動作について説明する。図１にお
いて、基地局における送信すべき変調信号は、送信信号
入力端子１に入力され、４個の出力を持つドライバ回路
２に入力される。電力分配回路３は変調信号を分配し、
各ポートａ〜ｄにほぼ同じ位相と電力で４分配する。可
変位相器４ａ・ｂ・ｃ・ｄは、ＤＡコンバータ１１を介
してマイコン１２から指示された位相にしたがって、そ
れぞれ変調信号の位相を遷移させる。可変増幅器５ａ・
ｂ・ｃ・ｄでは、ＤＡコンバータ１１を介してマイコン
１２から指示された電力に増幅する。ドライバ回路２に
よって、各ポートｅ〜ｈには、指示された位相で、ま
た、指示された電力レベルに変換された同一信号が出力
される。なお、ドライバ回路２は、図１に示すような構
成である必要は無く、各ポートｅ〜ｈに指示された位相
及び電力レベルに変換できれば良い。例えば、ポート毎
に直交変調器を配し、変調信号を制御する構成でも良
い。

【００１６】出力ドライバ回路２の各ポートｅ〜ｈの変
調信号は、各高出力増幅器７ａ・ｂ・ｃ・ｄによって増
幅され、各ポートｉ〜ｌの信号に変換される。ｉ〜ｌの
信号の信号は９０度ハイブリットの分波・合成回路８ａ
・ｂ・ｃ・ｄを通り、各ポートｍ〜ｐに出力される。各
ポートｍ〜ｐの信号は結合器９ａ・ｂ・ｃ・ｄを介して
無指向性アンテナ１０ａ・ｂ・ｃ・ｄから出力される。

【００１７】各ポートｍ〜ｐの位相及び電力は、可変位
相器４ａ・ｂ・ｃ・ｄと可変増幅器５ａ・ｂ・ｃ・ｄと
によってそれぞれ変わるが、これらはＤＡコンバータ１
１によって制御されており、ＤＡコンバータ１１の制御
量は、マイコン１２によって各ポートｍ〜ｐの出力電力
と位相の関係を演算されて決定される。検出復調器１３
は、各ポートｍ〜ｐの電力および位相の関係を、結合器
９ａ・ｂ・ｃ・ｄを介して調べる。また、マイコン１２
は、検出復調器１３を用い、各ポートｍ〜ｐと各ポート
ｉ〜ｌの電力と位相の関係を校正する。これにより、例
えば、実際のハードウエア上の遅延により生じるポート
ごとの位相差や電力差などを検出し、出荷前に調整して
おくことできる。なお、検出復調器１３は常に動作させ
る必要は無く、校正できれば良い。検出復調器１３は専
用回路である必要は無く、例えば受信回路を用いても良
い。検出復調器１３は送信回路と一体である必要は無
く、校正を行うときに接続されれば良い。

【００１８】合成・分波回路８の構成図を図４に示す。
図４において、合成・分波回路８ａ・ｂ・ｃ・ｄのそれ
ぞれは、２入力×２出力であって、各端子は、遅延線な
どの遅延回路８０ａ・ｂ・ｃ・ｄにより接続され、それ
ぞれ入力信号の波長λ／４、すなわち位相差９０度の遅
延が生じるように構成されている。入力１から入力され
た信号は、２分配され、一方は遅延回路８０ａを経由して
９０度遅延して出力端子１に出力され、また、もう一方は
遅延回路８０ｂおよびｃを経由して１８０度遅延して出
力端子２にも出力される。同様に、入力２から入力され
た信号は２分配されて、一方は遅延回路８０ｃを経由し
て９０度遅延して出力端子２に出力され、また、もう一方
は遅延回路８０ｃおよびｄを経由して１８０度遅延して
出力端子１にも出力される。

【００１９】図４に示す９０度ハイブリット回路の４個
が、図１に示すように構成されたと

【００２０】きに、出力ポートｍ〜ｐと入力ポートｉ〜
ｌとの関係式を

【数１】〜

【数４】に示す。

【００２１】

【数１】m＝(i/2)∠0゜+(j/2)∠-90゜+(k/2)∠-90゜+(l
/2)∠-180゜

【００２２】

【数２】n＝(i/2)∠-90゜+(j/2)∠-180゜+(k/2)∠0゜+
(l/2)∠-90゜

【００２３】

【数３】o＝(i/2)∠-90゜+(j/2)∠0゜+(k/2)∠-180゜+
(l/2)∠-90゜

【００２４】

【数４】p＝(i/2)∠-180゜+(j/2)∠-90゜+(k/2)∠-90゜
+(l/2)∠-0゜数１〜数４において、入力ポートｉ〜ｌにそれぞれ入力
された信号をｉ〜ｌとおき、出力ポートｍ〜ｐに出力す
る信号をｍ〜ｐおくと、合成・分波回路８ａ・ｂ・ｃ・
ｄを経由したそれぞれの信号ｉ〜ｌは、各信号が各々遅
延されて合成されて、出力ポートｍ〜ｐにそれぞれ出力
されることになる。

【００２５】つぎに、制御信号の送信時等に、一つのア
ンテナで出力する必要がある時の動作について説明す
る。表１は単一出力を送出した時の各部ｅ〜ｐの状態を
示した一実施の形態である。

【００２６】

【表１】

【００２７】例えば、図１に示す出力ドライバ回路２の
出力を表１のポートｅ〜ｈに示すように、各ポートにそ
れぞれの位相と、Saなる信号レベルを出力するように、
可変位相器４ａ・ｂ・ｃ・ｄと可変増幅器５ａ・ｂ・ｃ
・ｄとをマイコン１２により設定する。図１に示すポー
トｅ〜ｈの各信号は４つの高出力増幅器７ａ・ｂ・ｃ・
ｄによってそれぞれＧ倍され、表１のｉ〜ｌに示す信号
にそれぞれ増幅される。各ポートｉ〜ｌの信号は合成・
分波回路８ａ・ｂ・ｃ・ｄを通ることにより、数１〜数
４に示すような変換が行われ、ポートｐにのみ合成され
た信号Sa×２Ｇが出力される。すなわち、各高出力増幅
器の利得Ｇに対し、合成・分波回路を通すことにより＋
６ｄＢの利得が得られる。この現象は９０度ハイブリッ
トに９０度の位相差をもって増幅された信号が入力され
ると一方の出力は逆相になるため打ち消し合い、もう一
方の出力は同相になり合成されて出力することによって
起こる。なお、説明ではポートｐに出力する条件で説明
したが、回路構成がそれぞれに対称構造であるため、入
力信号の位相を調整することにより、ｍ〜ｐのいずれか
のポートに単一出力を送出する事ができる。

【００２８】つぎに、通話信号の送信時等、各ポートに
同じ信号を出力し、位相を異ならせて４つのアンテナよ
り出力する必要がある時の動作について説明する。表２
は各アンテナより出力を送出した時の各部ｅ〜ｐの状態
を示した一実施の形態である。

【００２９】

【表２】

【００３０】例えば、図１に示す出力ドライバ回路２の
出力を表２の各ポートｅ〜ｈに示すように、同じ位相の
信号Saを出力するように、可変位相器４ａ・ｂ・ｃ・ｄ
と可変増幅器５ａ・ｂ・ｃ・ｄとをマイコン１２により
設定する。高出力増幅器７ａ・ｂ・ｃ・ｄによってポー
トｅ〜ｈの信号はそれぞれＧ倍され、表２のｉ〜ｌに示
す信号にそれぞれ増幅される。各ポートｉ〜ｌの信号は
図１に示す合成・分波回路８ａ・ｂ・ｃ・ｄを通ること
により、数１〜数４に示すような変換が行われ、各信号が
分配合成され、表２のｍ〜ｐに示すようにSa×Ｇなる同
位相信号が各ポートに出力される。

【００３１】つぎに、通話信号送信時等、４個の出力を
持つドライバ回路の特定２ポートに信号を入力すること
により特定の２つのアンテナより出力するような動作に
ついて説明する。表３は特定の２つのアンテナより出力
を送出した時の各部ｅ〜ｐの状態を示した一実施の形態
である。

【００３２】

【表３】

【００３３】例えば、図１に示す出力ドライバ回路２の
出力を表３の各ポートｅ〜ｈに示すように、特定の２ポ
ートｅ、ｆに位相-45度、ｇ、ｈに位相-135度の信号を
出力するように、可変位相器４ａ・ｂ・ｃ・ｄと可変増
幅器５ａ・ｂ・ｃ・ｄとをマイコン１２により設定す
る。各ポートｅ〜ｈの信号は、高出力増幅器７ａ・ｂ・
ｃ・ｄによってそれぞれＧ倍され、９０度ハイブリット
によって構成される合成・分波回路８ａ・ｂ・ｃ・ｄを
通り、入力部と同様に分配合成され、特定２ポートに合
成された信号√２Ｓａ×Ｇが出力される。

【００３４】２つのアンテナから信号を出力する場合の
各ポートの位相の組み合わせを表４に示す。

【００３５】

【表４】

【００３６】つぎに、信号の出力において各高出力増幅
部の出力レベルを可変させ、４個の高出力増幅器を効率
よく動作させ、４つの出力の電力和が常に一定となるよ
うな制御方法について説明する。上記説明において、表
１から表３に示した通り、４つの出力ドライバ回路２の
出力をSaで一定とし、各位相のみを可変することにより
各ポートｅ〜ｈに示された高出力増幅部の入力レベル
は、すべて１倍となる。すなわち、高出力増幅器の動作
点を一定に保つことができるので、４つの高出力増幅器
の入力レベルを使用可能な最大値に設定することによ
り、常に効率的に動作させる事が可能になる。また、そ
れぞれの分波・合成回路の出力ポートｉ〜ｌの値の電力
和は、各レベルの２乗和で求められ、表１〜表３に示す
電力和の値はすべて一定になる。

【００３７】以上説明した実施の形態では、常に出力が
一定になる説明をしたが、必ず出力が一定にする必要は
無く、例えば、アンテナ指向性利得に合わせて低減する
など、目的に合わせて出力を下げて使用しても良い。ま
た、４ポート及び２ポートドライバ回路の出力は各ポー
ト同じであると各高出力増幅器は均一に動作するが、常
に同じである必要は無く、位相がそろっていれば目的に
合わせて重み付けをして出力しても良い。いずれの場合
も信号は各高出力増幅器に分散されて増幅されるため、
効率良く増幅される。

【００３８】上記実施の形態によれば、簡易に出力ドラ
イバ回路の位相を変えることにより送出アンテナの切換
ができる。また、高出力増幅器を効率的に使用できるた
め、大きな飽和出力の高出力増幅器を使用する必要がな
く、消費電力を少なくすることができる。また、熱効率
を良くすることができる。上記実施の形態によれば、小
型化、低コスト化を実現できる。また、各出力アンテナ
の選択に合わせた高出力増幅器の設計をする必要がない
等の設計が容易になる効果を奏する。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、常に高出力増幅器を効
率良く使用するため消費電力を少なくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における基地局の構成図で
ある。

【図２】従来の基地局の構成図である。

【図３】指向性可変アンテナを構成した時のアンテナパ
ターンイメージを示す説明図である。

【図４】合成・分波回路８の構成図である。

【符号の説明】

１…送信信号入力端子２…ドライバ回路３…電力分配回路４ａ・ｂ・ｃ・ｄ…可変位相器５ａ・ｂ・ｃ・ｄ…可変増幅器６…高出力増幅部７ａ・ｂ・ｃ・ｄ…高出力増幅器８ａ・ｂ・ｃ・ｄ…合成・分波回路９ａ・ｂ・ｃ・ｄ…結合器１０ａ・ｂ・ｃ・ｄ…無指向性アンテナ１１…ＤＡコンバータ１２…制御部１３…検出復調器１５…アンテナ指向性パターンイメージ例２１…処理回路２２…受信回路２５…基地局８０ａ・ｂ・ｃ・ｄ…遅延回路１０１…送信信号入力端子１０２…ドライバ回路１０３…電力分配回路１０４ａ・ｂ・ｃ・ｄ…可変位相器１０５ａ・ｂ・ｃ・ｄ…可変増幅器１０６…高出力増幅器１０７ａ・ｂ・ｃ・ｄ…高出力増幅器１０９ａ・ｂ・ｃ・ｄ…結合器１１０ａ・ｂ・ｃ・ｄ…無指向性アンテナ１１１…ＤＡコンバータ１１２…制御部１１３…検出復調器１１４…高出力増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡村武夫神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所通信システム事業本部内Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA06 CA06 DB03 EA04 FA05 FA14 FA15 FA16 FA17 FA20 FA24 FA26 FA29 FA32 GA02 GA08 HA03 HA05 HA07 HA10 5K067 AA42 AA43 AA44 CC24 EE10 KK02 KK03 5K072 AA19 AA20 BB13 BB25 CC03 DD16 EE19 EE33 GG02 GG12 GG22 GG35 GG38

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送信信号を複数に分配するドライバ部と、
前記ドライバ部により分配された信号を増幅する増幅部
と、前記信号の送出を制御する制御部とを有する指向性
可変型移動体通信基地局において、前記ドライバ部は、送信すべき信号を複数に分配する分
配手段と、当該複数の信号の位相をそれぞれ遷移させる
位相手段とを備え、前記増幅部は、前記ドライバ部から出
力された複数の信号をそれぞれ増幅させる増幅手段と、
前記増幅手段により増幅された複数の信号をそれぞれ分
波し、分波されたそれぞれの信号を合成し、合成された
複数の信号をそれぞれ出力する分波・合成手段とを備
え、前記制御部は、前記分波・合成手段から出力される
それぞれの信号が、あらかじめ定めた電力で出力される
ために、前記位相手段で遷移させる位相を、前記あらか
じめ定めた電力に対応する位相に制御することを特徴と
する指向性可変型移動体通信基地局。
【請求項２】請求項1に記載の指向性可変型移動体通信
基地局において、前記ドライバ部は、前記位相手段から
出力された複数の信号をそれぞれ増幅させ、利得を調整
できる可変増幅手段をさらに備え、前記制御部は、前記可
変増幅手段における利得をさらに制御することを特徴と
する指向性可変型移動体通信基地局。
【請求項３】請求項1に記載の指向性可変型移動体通信
基地局において、前記分波・合成手段は、４個の９０度
ハイブリット回路を備えることを特徴とする指向性可変
型移動体通信基地局。
【請求項４】請求項1に記載の指向性可変型移動体通信
基地局において、あらかじめ定められた位相の信号が入
力された前記分波・合成手段から出力される複数の信号
を検出復調し、位相と電力との関係をあらかじめ校正す
る校正手段をさらに備えることを特徴とする指向性可変
型移動体通信基地局。