JP2005137009A - 高周波マルチビームアンテナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 メッシュネットワーク・アーキテクチャを用いた網の要件を満たし、方位角で３６０°のカバレッジ及び高い利得を有し、高価でない、ミリメートル波アンテナシステムを提供することを提案する。
【解決手段】 高周波マルチビームアンテナシステムは、誘電体レンズの断面（２）をその平面上に置かれた軸（１）回りに回転させることによって形成される回転輪郭を有する集束装置と、縦放射線に対する指向性プリントアンテナの形の放射素子とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波マルチビームアンテナシステムに関連する。より特定的には、本発明は方位角で３６０°に放射するようフォーカシング装置を照射する多数の放射素子（又は一次源）を有する高利得ミリメートル波アンテナに関連する。

本発明は、より特定的には、セルラーアーキテクチャを基礎とするＬＭＤＳ（ローカル・マルチポイント配信サービス）システムを用いた高ビットレートのワイヤレス通信を意図している。このアーキテクチャでは、セルの他の局と通信することを可能とするようアンテナを具備した送信／受信局は、セルのノードとして作用しうる。この場合、アーキテクチャは、「Ｐ−ＭＰ」（ポイント−マルチポイント）と称される。このシステム用の他の可能なアーキテクチャは、各局がワイヤレス網の２つの他の局の間の呼の中継局でありうる「ＭＰ−ＭＰ」（マルチポイント−マルチポイント）である。

ワイヤレス網における情報転送速度を高めるために、ミリメートル周波数（３０乃至３０００ＧＨｚ）即ちＥＨＦ（Extra High Frequencies）が用いられる。かかる周波数では、利用可能な帯域幅は広いが（１ＧＨｚよりも大きい）、距離の関数としての減衰は高い。

従って、カバレッジレートは、かかるワイヤレス網を構成するミリメートル周波数送信局の短いレンジによって、及び、網の送信局と受信局の間に「ＬＯＳ（視野方向）」を有する必要性によって、制限されている。ミリメートル周波数でのＬＭＤＳシステムの低い費用及び性能にもかかわらず、それらのカバレッジが制限されていることは、これらが徹底的に広まることができないことを意味する。

ネットワークの各局が中継局でありうるＭＰ−ＭＰアーキテクチャ、或いは、メッシュネットワーク・アーキテクチャでは、障害物は回避されうる。従って、高いビットレートのワイヤレス網のカバレッジ及び能力は改善される。

高いビットレートのワイヤレス網の２つの局の間の伝送レンジを制限する距離の関数としての減衰は、高いアンテナ利得によってずらされる。アンテナの利得を高めることは、その指向性を改善し、従ってその放射パターンを正確な方向で集中させる。従って、アンテナのアラインメントもまた正確でなくてはならない。

更に、ネットワークの構成を変更することは、各局に対して方位角で３６０°のカバレッジで、網の局のアンテナシステムの信頼性の高い再整列とを行うことを含まねばならない。

レイディアント・ネットワークス（Radiant Networks）社によって提案される解決策は、４つの高利得ミリメートル波アンテナから構成されるアンテナシステムである。システムは、「ＴＤＭＡ／ＴＤＤ」（時分割多重アクセス／時分割二重）として知られるアクセス技術を用いる。この技術では、時間は一定の持続時間のフレームへ分割され、これらは次に「スロット」へ再分割される。スロットは、夫々の局の間での呼のために整列された２つのアンテナ間で送信／受信するために個々に用いられる。アンテナは、モータの中間物を通って機械的に整列される。この解決策は、複雑、効果、且つ、かさばる。更に機械的なアラインメントは、信頼性が高いものでもなく、即時的なものでもない。

他の解決策は、特許文献１に記載されている。特許文献１は、互いに隣接し、方位角で３６０°のカバレッジを得るよう配置された一組の誘電レンズから構成される高周波アンテナを記載する。各レンズの背面は、それ自体が送信及び受信用の幾つかの放射素子から構成される。これらの素子は、異なった、均一に間隔が開けられた角度方向に従ってビームを送信又は受信するように正確に配置され、これらの周期性はレンズ毎に維持される。レンズは、平坦な表面によって各辺で境界が決められ、その方向は光学系の対称の中心軸を通って延びる。このアンテナシステムは、実現するのに複雑である。このシステムでは、同じレンズのために多数の放射素子が用いられる。その結果として、必ず、これらの放射素子のうちの幾つかは焦点が合わない。アンテナシステムは、給電に対応する全ての方向で、同じ放射パターンを表わすのではなく、特に、同じ指向性を表わすのではない。
英国特許出願第２２３８１７４号明細書

本発明は、メッシュネットワーク・アーキテクチャを用いた網の要件を満たし、上述の欠点を改善する、より簡単なミリメートル波アンテナシステムを提案する。

特に、本発明は、方位角で３６０°のカバレッジ及び高い利得を有し、高価でないミリメートル波アンテナシステムを提供することを提案する。

このために、本発明は、上述のような高周波アンテナシステムに関連し、このアンテナシステムは、誘電体レンズの断面をその平面上に置かれた軸回りに回転させることによって形成される回転輪郭を有する集束装置と、縦放射線に対する指向性プリントアンテナの形の放射素子とを有する。

本発明によるアンテナシステムは、以下の特徴を提供しうる。
・放射素子は共通基板上に印刷される。
・各放射素子は、「Vivaldi」タイプのプリントスロットアンテナであり、このことはアンテナシステムを照射することは、「Vivaldi」タイプの放射素子を形成するスロットの端で長さ及び幅を調整することにより高い設計柔軟性で調整されうることを意味する。
・アンテナシステムは、共通基板上に配置された送信及び／又は受信及び／又は切換回路を具備する。
・方位角で３６０°のカバレッジを得るよう、集束装置は、環状の回転輪郭を有し、基板は円盤状であり、放射素子は基板の周囲に沿って配置される。
・放射素子は、送信及び／又は受信及び／又は切換回路の周りに配置され、このことはアンテナシステムの大きさを減らすことに役立つ。
・集束装置は合成発泡体から形成される。

本発明は、上述のアンテナシステムを有する送信及び／又は受信局へ拡張され、また、本発明によるアンテナシステムを具備する送信及び／又は受信局を有する通信網へ拡張される。

本発明について、図面を参照して詳述し、説明する。概して、本発明によるミリメートル波アンテナシステム用のフォーカシング装置は、環状の回転の輪郭及び一定の放射断面を有する一種の「ブイ」の形を取る。

図１は、誘電体レンズ２の三日月形の断面がその平面上に位置する軸１回りに回転することによって形成される回転輪郭を有する集束装置の第１の典型的な実施例を示す図である。この例では、全ての焦点を含む集束領域は、円３上に囲まれる。従って、焦点は完全である。

図２は、本発明による集束装置の他の例を示す図である。この集束装置は、誘電体レンズ５の円形の断面がその平面上に位置する軸４回りに回転することによって形成される回転輪郭を有する。この例では、全ての焦点を含む集束領域は、リング６によって囲まれる。従って、焦点は不完全である。

もちろん、本発明は、円形でもなく「三日月」形でもないレンズの断面から得ることができる異なる回転輪郭を有する集束装置に拡張される。

図３は、Vivaldiアンテナ型の放射素子１１と、切換及び送信／受信回路１３とが印刷されたプリント回路基板１０を概略的に示す。この円盤状の基板は、例えば図１又は図２
に示すような集束装置の対称の中心及び水平平面に配置される。

図３からわかるように、Vivaldiアンテナ１１は、方位角で３６０°のカバレッジを与えるよう、基板の周囲の周りの円上に分布される。各Vivaldiアンテナの位相中心は、集束領域３又は６の焦点と一致するはずである。

更に、Vivaldiアンテナは、縦放射線に対して指向性のあるスロットアンテナである。本発明の場合、それらの放射の主な方向は、基板１０の平面に対応する。この種類のアンテナは、「Vivaldi」アンテナの「口」における長さ、輪郭、及び幅の調整によって、集束装置（この場合はブイ）の比較的容易な制御を提要する。集束システムの照射の制御は、放射パターンを制御するために、特に、アンテナシステムの指向性を制御するために使用される。

上述したように、参照番号１３は、送信／受信回路及び切換装置を示し、切換装置は、所定の方位角方向に対応する放射素子を選択する。図３からわかるように、アンテナ１１は、このように基板１０の中心に集中している回路１３の周りに配置される。基板の中心には、信号処理回路を印刷することも可能である。

これらの素子１１乃至１３を同一の共通基板上に組み合わせることは、アンテナシステムを簡単化し、これをあまりかさばらないものとする。

図４は、垂直平面２０上及び水平平面２１上の本発明によるアンテナシステムの放射パターンを示す図である。

放射パターンは、放射素子１１を介して、ブイ形状の集束装置の一部を照射することによって得られる。

垂直平面２０上では、得られる放射パターン２２の指向性は、軸対称レンズから得られるものと同じであることが分かる。図４中、θ_eは、−３ｄＢでの仰角でのアンテナの開口角を示す。

逆に、水平平面２１上では、得られる放射パターン２３の指向性は、放射素子による方位角が同じ照射の場合の回転レンズから得られるものよりも小さい。回転レンズの場合、回転パターンを有する放射素子による照射は、位相及び振幅が実質的に均一である均等な放射開口を得るために使用されうる。本発明によるアンテナシステムの場合、集束装置は、その環状の形状により、位相及び振幅の歪みをもたらし、結果として指向性を失わせる。図４中、θ_aは、−３ｄＢでのアジマス開口を示す。

本発明によるVivaldi型のスロットアンテナの使用は、「口」１１におけるスロットの長さの、輪郭の、及び開口の制御を与える。より狭い開口は、集束装置の方位角でより大きい部分（より大きい角度θｖ）の照射を与える。利得、及び従って、方位角でのアンテナの指向性は、照射される領域がより大きくなるため、増加する。しかしながら、集束装置の方位角で幅の広い部分を照射することは、より大きい位相の歪みを生じさせうる。方位角での最大の指向性は、集束装置の半径２４及び水平平面上でのVivaldiアンテナの指向性を調整することによる最適化によって得られる。

本発明によるアンテナシステムは、以下のように構成される。
・焦点距離２５（Ｆ）は、集束装置の断面の形状、おそらくは均質な材料の誘電率、並びに、回転軸１又は４による集束装置の放射断面の高さ２６（Ｄ）によって決定される。
・集束装置の半径２４は、焦点距離２５よりも大きくなくてはならない。これは、基板１０がVivaldiアンテナを含むだけでなく、送信／受信回路及び切換装置１３を含む励起システムも含みうるよう、集束装置の中心により大きい利用可能な空間があるように増加されうる。
・放射素子のパラメータ：−３ｄＢでの垂直開口角θ_v、並びに、−３ｄＢでの水平開口角θ_ｈ。

アンテナの利得Ｇの推定値は、以下の式から得られる。

Ｇ（ｄＢ単位）＝１０log（Ｋ／θ_eθ_a）（１）、但し、Ｋは、アンテナの照射効率に従って略２６０００及び３５０００の間のこれらを含む値を有する定数である。

アンテナ利得は、減衰を距離の関数としてずらすのに十分でなくてはならず、従って、高いビットレートのワイヤレス網の要件と両立せねばならない。

−３ｄＢでの仰角の開口角の近似的な値は、以下の式、
θ_e＝ｋλ／Ｄ （２）
で与えられ、式中、
λは、ワーキング周波数の波長であり、
Ｄは、集束装置の放射断面の高さを示し、
ｋは、アンテナの照射効率に従って６０から８０の間で変化する定数である。

最初の近似では、θ_aは、θ_hに均しいものとされうる。

高さ２６（Ｄ）を大きくすることにより、アンテナ利得の値を増加させることが常に可能である。方位角で３６０°のカバレッジを得るため、及び、Ｇ_min＝Ｇ−３ｄＢよりも大きい利得のために必要な放射素子の数Ｎは、以下の式、
Ｎ＝３６０°／θ_a （３）
によって与えられる。

本発明によるアンテナシステムが生成され、集束装置は、以下の特徴を示す。
・均一なレンズ
・円形の内側輪郭、楕円形の外側輪郭
・集束装置のために用いられる合成発泡体は、一般的には誘電体材料で予め充填されたポリスチレンであり、材料は、ε_r＜２の誘電率を有し、望ましくは１．５６に等しい誘電率を有する。
・１１．５ｃｍの高さＤ
・周波数４２ＧＨｚ。

式（２）から仰角の開口角が求められ、（ｋが約６５のとき）θ_e＝４°である。

放射素子１１は、水平方向（θ_h）及び垂直方向（θ_v）に対して−３ｄＢのとき２８°の開口角を有する。最初の近似でθ_aはθ_hに等しいと仮定する場合、式（３）によって与えられる方位角で３６０°のカバレッジを有するのに必要な放射素子の数Ｎは、Ｎ＝３６０／２８＝１３に等しい。

このアンテナシステム構成では、
１．Ｋ＝２６０００のときＧ＝２３．６ｄＢ
２．Ｋ＝３５０００のときＧ＝２４．９ｄＢ
であるアンテナ利得が得られ、ビームの縁において３ｄＢの損失を考慮に入れると、アンテナシステムについての最小利得は、２０．６と２１．９ｄＢを含みこれらの間の値である。

本発明によるアンテナシステムの上述の例では、Vivaldiスロットアンテナの寸法は、アンテナシステムに対して、スロットの輪郭の長さが２６ｍｍであり、開口が９ｍｍでなくてはならないとき、２０．６と２１．９ｄＢを含みこれらの間の最小利得を与えるよう計算されている。

約８ｃｍの直径を有し、中心の２５ｍｍの直径の空間に切換回路と送信／受信回路１３を含む円盤状の基板１０の集束領域に沿った円上に、１３個のVivaldiアンテナが分布される。必要であれば、円盤１０の直径は、残るアンテナ回路を含めるために中心により多くの空間を与えるよう大きくされうる。

本発明による集束装置は、例えばグレーデッド・インデックスを有する不均一な誘電体レンズの断面から得られる輪郭を有しうる。

本発明はまた、メッシュネットワークアーキテクチャで特に６０ＧＨｚで家庭内通信ネットワークに適用されうる。

本発明によるアンテナシステムでは、放射素子は、Vivaldiアンテナの場合のように水平分極を有する。一般的に、これらの放射素子は、ブイ形の集束装置の対称の水平平面上に延びる基板上に配置されたプレーナな、又はコプレーナな放射素子である。２重分極の場合、又は、垂直分極の場合、放射素子としてホーンが使用されうる。

本発明によるアンテナシステムの第１の例を概略的に示す図である。 本発明によるアンテナシステムの第２の例を概略的に示す図である。 放射素子の、並びに、共通基板上の切換及び送信／受信回路の配置を概略的に示す図である。 本発明によるアンテナシステムのフォーカシング装置の放射パターンを示す図である。

符号の説明

１ 軸
２ 誘電体レンズ
３ 円

Claims (10)

1. 誘電体レンズの断面（２；５）をその平面上に置かれた軸（１；６）回りに回転させることによって形成される回転輪郭を有する集束装置を有する高周波マルチビームアンテナシステムであって、
   縦放射線に対する指向性プリントアンテナの形の放射素子（１１）を有することを特徴とするアンテナシステム。
2. 前記放射素子は共通基板（１０）上に印刷される、請求項１記載のアンテナシステム。
3. 各放射素子は、「Vivaldi」タイプのプリントスロットアンテナ（１１，１２）である、請求項１又は２記載のアンテナシステム。
4. 前記共通基板（１０）上に配置された送信及び／又は受信及び／又は切換回路（１３）を有する、請求項２記載のアンテナシステム。
5. 前記集束装置は、環状の回転輪郭を有し、前記基板は円盤状であり（１０）、前記放射素子（１１）は前記基板の周囲に沿って配置される、請求項４記載のアンテナシステム。
6. 前記放射素子（１１）は、送信及び／又は受信及び／又は切換回路（１３）の周りに配置される、請求項５記載のアンテナシステム。
7. 前記集束装置は合成発泡体から形成され、円形の放射断面（５）を有する、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のアンテナシステム。
8. 前記集束装置は合成発泡体から形成され、三日月形の放射断面（２）を有する、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のアンテナシステム。
9. メッシュネットワーク・アーキテクチャのワイヤレス通信ネットワーク用の送信／受信局であって、
   請求項１乃至８のうちいずれか一項記載のアンテナシステムを有することを特徴とする送信／受信局。
10. 請求項９による１つ又はそれ以上の送信／受信局を有することを特徴とする、メッシュネットワーク・アーキテクチャのワイヤレス通信ネットワーク。

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