JP2006109351A

JP2006109351A - アダプティブアレーアンテナ

Info

Publication number: JP2006109351A
Application number: JP2004296500A
Authority: JP
Inventors: Yasuharu Arai; 康晴新井
Original assignee: Yagi Antenna Co Ltd
Current assignee: Yagi Antenna Co Ltd
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】小型化を可能とすると共にアレーアンテナ素子個々の指向性のバラツキを防止でき、かつ校正用アンテナを配置したことによる悪影響を防止する。
【解決手段】アレーアンテナ素子１１_１〜１１_ｎからなる空中線部１１、復調回路１２_１〜１２_ｎからなる高周波部１２、復調信号に基づいて指向性を制御するベースバンド部１３を備えている。ベースバンド部１３のアダプティブプロセッサ１７は、上記復調信号及び合成回路１６の出力信号から重み付け回路１５_１〜１５_ｎの重み係数を設定し、干渉波を抑圧する放射指向性を形成する。そして、空中線部１１の両側部にダミー素子３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃを配置し、その１つを校正用アンテナとして利用する。校正ユニット２２は上記校正用アンテナの受信信号に基づいて高周波部１２の振幅、位相特性を取得してアダプティブプロセッサ１７に入力し、重み係数を補正して干渉波抑圧能力の劣化を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、校正用アンテナを備え、指向性を制御して干渉波を抑圧するアダプティブアレーアンテナに関する。

近年の無線通信、とりわけ携帯電話に代表される移動通信の発展には目覚しいものがあり、従来の音声のみならずデータ伝送をも含めた高速デジタル通信システムが実用化されてきている。
一般にデジタル通信システムでは、反射、回折、散乱等の複数電波が干渉して発生するマルチパスフェージングにより、符号誤り率特性が劣化する。更に、第４世代携帯電話や高速無線ＬＡＮといった高速デジタル通信システムでは、信号の周波数が広帯域となるため、複数の電波に伝搬遅延時間差が生じると信号の周波数成分が部分的に減衰する周波数選択性フェージングが発生し、符号誤り率特性は一層劣化する。そのためこれらの高速デジタル通信システムでは、様々な方向から到来する干渉波を抑圧する技術が不可欠となる。

そこで近年、指向性を制御して干渉波を抑圧するアダプティブアレーアンテナ（Adaptive Array Antenna）が注目されている（例えば、特許文献１参照。）。

図４は、アダプティブアレーアンテナの一般的な構成を示したものである。アダプティブアレーアンテナは、アレー配置されるＮ個のアレーアンテナ素子１１_１〜１１_ｎからなる空中線部１１、上記アレーアンテナ素子１１_１〜１１_ｎにより受信された信号を復調する復調回路１２_１〜１２_ｎからなる高周波部１２、上記復調回路１２_１〜１２_ｎにより復調された信号に基づいて指向性を制御する制御回路、すなわちベースバンド部１３を備えている。

上記ベースバンド部１３は、重み付け回路１５_１〜１５_ｎ、合成回路１６、アダプティブプロセッサ１７からなり、上記復調回路１２_１〜１２_ｎで復調された信号が重み付け回路１５_１〜１５_ｎ及びアダプティブプロセッサ１７に入力される。上記重み付け回路１５_１〜１５_ｎで重み付けされた信号は、合成回路１６で合成され、アダプティブプロセッサ１７に入力されると共に出力端子１８より外部に出力される。

上記アダプティブプロセッサ１７は、復調回路１２_１〜１２_ｎで復調された信号及び合成回路１６の出力信号に基づいて重み付け回路１５_１〜１５_ｎの重み係数を算出して設定し、干渉波を抑圧するための放射指向性を形成する。

しかし、実際は、温度や環境によって、アンテナを含む高周波回路素子の振幅、位相が変化するために、これらの干渉波抑圧劣化要因の校正が必要になる。
このため従来では、図５に示すように上記アレーアンテナ素子１１_１〜１１_ｎの前方に校正用アンテナ２１を配置し、この校正用アンテナ２１の受信信号を校正ユニット２２に入力し、高周波部１２の振幅、位相特性を取得する。

上記高周波部１２における振幅、位相特性の校正は、次のようにして行なわれる。
送信系の校正を行なう場合、まず、＃１のアレーアンテナ素子１１_１のみ送信し、他のアレーアンテナ素子１１_２〜１１_ｎの送信を止める。そして、上記アレーアンテナ素子１１_１の電波を校正用アンテナ２１で受信し、アレーアンテナ素子１１_１に接続される復調回路１２_１の振幅、位相特性を校正ユニット２２で取得する。

次に、＃２のアレーアンテナ素子１１_２のみ電波を送信し、アレーアンテナ素子１１_１の場合と同様にアレーアンテナ素子１１_２に接続される復調回路１２_２の振幅、位相特性を取得する。この操作をアンテナ素子数分行なうことで各アレーアンテナ素子１１_１〜１１_ｎに接続される復調回路１２_１〜１２_ｎの振幅、位相特性のばらつきを把握できる。このデータを校正ユニット２２で取得してアダプティブプロセッサ１７に入力することにより、実際の運用時における干渉波抑圧のための重み係数に補正を加え、干渉波抑圧能力の劣化を防止する。

更に、アダプティブアレーアンテナの干渉波抑圧能力劣化を招くもう一つの要因として、アレーアンテナ素子１１_１〜１１_ｎにおける個々の指向性のばらつきがある。干渉波抑圧能力を高めるためには、アンテナ素子個々の指向性の均一性が要求される。従って、アダプティブアレーアンテナにおいては、校正を行なうために配置する校正用アンテナ２１にはアンテナ素子個々の指向性が変化しない配置が望まれる。
特開２００３−１４２９２０号公報

しかし、上記のように空中線部１１の前面に校正用アンテナ２１を配置した場合、空中線部１１と校正用アンテナ２１との距離を十分にとっても、その影響を無くすことは困難である。

図６は、４素子のアレーアンテナ素子１１_１〜１１_４を用いて構成したアダプティブアレーアンテナの前面に校正用アンテナ２１を配置した場合の外観図を示したもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。図７（ａ）〜（ｃ）は、図６のように構成されたアダプティブアレーアンテナにおいて、アレーアンテナ素子１１_１〜１１_４と校正用アンテナ２１との距離を可変設定した場合のアレーアンテナ素子１１_１〜１１_４の指向性に対する校正用アンテナ２１の影響を示したものである。

上記アダプティブアレーアンテナは、使用周波数を２．０４５ＧＨｚに設定した場合の例を示したものである。アレーアンテナ素子１１_１〜１１_４は、長さ６９ｍｍ、半径１ｍｍで、水平面素子間隔ｄ１が７３ｍｍ（０．５λ_０）である。また、校正用アンテナ２１は、長さ６９ｍｍ、半径１ｍｍで、アレーアンテナ素子１１_１〜１１_４との距離ｄ２を可変できるようにした。

上記アダプティブアレーアンテナは、アレーアンテナ素子１１_１〜１１_４の背面に例えば９本の反射板ワイヤ−素子２５を設けている。この反射板ワイヤ−素子２５は、長さ１２０ｍｍ、半径１ｍｍで、その素子間隔ｄ３を３６．５ｍｍ（０．２５λ_０）に設定した。

上記図７（ａ）〜（ｃ）は、上記のように設定されたアダプティブアレーアンテナにおいて、アレーアンテナ素子１１_１〜１１_４と校正用アンテナ２１との距離ｄ２を１４６ｍｍ（１λ_０）、７３０ｍｍ（５λ_０）、１４６０ｍｍ（１０λ_０）に可変設定した場合の＃２アレーアンテナ素子１１_２のＨ面指向性（計算値）を示したもので、横軸に空間角度（度）、縦軸に相対電力値［ｄＢ］及び相対位相［度］をとって示した。

上記図７（ａ）〜（ｃ）において、実線で示す特性ａは校正用アンテナ２１を設けた場合の電力指向性、破線で示す特性ｂは校正用アンテナ２１が無い場合の電力指向性、一点鎖線で示す特性ｃは校正用アンテナ２１を設けた場合の位相指向性、点線で示す特性ｄは校正用アンテナ２１が無い場合の位相指向性である。

図７（ａ）に示すようにアレーアンテナ素子１１_１〜１１_４と校正用アンテナ２１との距離ｄ２が１４６ｍｍ（１λ_０）の場合は、校正用アンテナ２１の有無によって指向性に大きな差があるが、図７（ｂ）に示すように、アレーアンテナ素子１１_１〜１１_４と校正用アンテナ２１との距離ｄ２を７３０ｍｍ（５λ_０）に広げた場合には校正用アンテナ２１の有無による指向性の差が少なくなっている。そして、図７（ｃ）に示すようにアレーアンテナ素子１１_１〜１１_４と校正用アンテナ２１との距離ｄ２を１４６０ｍｍ（１０λ_０）にまで広げると、校正用アンテナ２１の有無による指向性の差は殆ど認められなくなる。
従って、モーメント法の計算結果として校正用アンテナ２１の影響を無くすには、空中線部１１と校正用アンテナ２１との間を１０λ_０以上離すことが必要である。

また、上記アダプティブアレーアンテナの指向性を実測して上記計算値と比較した結果、両者の指向性にかなりのずれが認められた。これは、計算値では空中線部１１の前面から校正用アンテナ２１を１０λ_０以上離して配置することで影響がほぼなくなるが、実際は校正用アンテナ２１に接続されるケーブル等の影響を受けることを示している。

以上のことから、空中線部１１の前面から校正用アンテナ２１を１０λ_０以上離して配置することで影響を少なくできるが、アンテナが大型化し、また、校正用アンテナ２１の取り付け金具などの強度面、接続ケーブルの指向性に対する影響を考慮すると、指向性の均一性が要求されるアダプティブアレーアンテナにおいては、校正用アンテナ２１を空中線部１１の前面に配置することは好ましくない。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、小型化を可能とすると共にアレーアンテナ素子個々の指向性のバラツキを防止でき、また、校正用アンテナを配置したことによる悪影響を防止できるアダプティブアレーアンテナを提供することを目的とする。

第１の発明は、アレーアンテナ素子と、前記アレーアンテナ素子の受信信号に基づいて干渉波を抑圧する放射指向性を形成する制御回路とを備えたアダプティブアレーアンテナにおいて、前記アレーアンテナ素子の両側にダミー素子を配置したことを特徴とする。

第２の発明は、アレーアンテナ素子と、前記アレーアンテナ素子の受信信号に基づいて干渉波を抑圧する放射指向性を形成する制御回路とを備えたアダプティブアレーアンテナにおいて、前記アレーアンテナ素子の両側に配置されるダミー素子と、前記ダミー素子の一部を校正用アンテナとして利用し、その受信信号に基づいて前記制御回路に重み係数補正用信号を入力する校正ユニットとを具備することを特徴とする。

本発明によれば、アレーアンテナ素子の両側部にダミー素子を設けることにより、アレーアンテナ素子の個々の指向性のバラツキを防止することができる。また、アレーアンテナ素子の両側部に設けたダミー素子の１部を校正用アンテナとして利用することにより、アレーアンテナ素子個々の指向性のバラツキを防止できると共に、校正用アンテナを配置したことによる影響及び給電線の影響を無くすことができ、アンテナを含む高周波回路素子の振幅、位相の変化を確実に防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るアダプティブアレーアンテナの構成図である。本実施形態に係るアダプティブアレーアンテナは、図５に示した従来のアダプティブアレーアンテナと同様に、アレー配置されるＮ個のアレーアンテナ素子１１_１〜１１_ｎからなる空中線部１１、上記アレーアンテナ素子１１_１〜１１_ｎにより受信された信号を復調する復調回路１２_１〜１２_ｎからなる高周波部１２、上記復調回路１２_１〜１２_ｎにより復調された信号に基づいて指向性を制御するベースバンド部１３を備えている。

本実施形態に係るアダプティブアレーアンテナでは、空中線部１１の両側部にダミー素子部３１、３２を配置している。ダミー素子部３１、３２は、それぞれ複数例えば３つのダミー素子３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃにより構成している。

通常、アレーアンテナ素子１１_１〜１１_ｎのみの構成では、最外側に位置するアレーアンテナ素子１１_１、１１_ｎの指向性は、中央に配置されるアレーアンテナ素子の指向性と比べた場合、異なる形状の指向性になることが知られている。これは、反射板の有限性による影響や片側からのみアンテナ素子同士の相互結合を受けることによるものと考えられる。そこで、アレーアンテナ素子個々の指向性の均一性が要求されるアダプティブアレーアンテナにおいて、均一性を高めるためにはアレーアンテナ素子１１_１〜１１_ｎの両側にダミー素子を配置することが有効である。

そして、本実施形態に係るアダプティブアレーアンテナでは、ダミー素子３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃの中でアレーアンテナ素子１１_１〜１１_ｎに最も近い素子例えばダミー素子３２ａを校正用アンテナとして利用する。以下、上記ダミー素子３２ａを校正用アンテナ３２ａと呼称する。上記校正用アンテナ３２ａの受信信号を校正ユニット２２に入力し、高周波部１２の振幅、位相特性を取得してアダプティブプロセッサ１７に入力する。

上記高周波部１２における振幅、位相特性の校正は、従来と同様に次のようにして行なわれる。
送信系の校正を行なう場合、まず、＃１のアレーアンテナ素子１１_１のみ送信し、他のアレーアンテナ素子１１_２〜１１_ｎの送信を止める。そして、上記アレーアンテナ素子１１_１の電波を校正用アンテナ３２ａで受信し、アレーアンテナ素子１１_１に接続される復調回路１２_１の振幅、位相特性を校正ユニット２２で取得する。

図２は、上記空中線部１１及びダミー素子部３１、３２の具体的な構成例を示したもので、空中線部１１を１６個のアレーアンテナ素子１１_１〜１１_１６、ダミー素子部３１、３２をそれぞれ３個のダミー素子３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃにより構成し、ダミー素子３２ａを校正用アンテナとして使用している。

図２に示すように空中線部１１は、長方形に形成された誘電体基板４１の上面にアレーアンテナ素子１１_１〜１１_１６が所定の間隔例えばλ／４（λは波長）の間隔で形成される。この場合、アレーアンテナ素子１１_１〜１１_１６は、誘電体基板４１上に例えばエッチング処理した銅箔パターンにより形成している。そして、上記空中線部１１の長手方向の両側にダミー素子部３１、３２を形成する。すなわち、空中線部１１の長手方向の両側において、誘電体基板４１上にそれぞれ３個のダミー素子３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃを上記アレーアンテナ素子１１_１〜１１_１６と同様にして形成し、アレーアンテナ素子１１_１６に近接するダミー素子３２ａを校正用アンテナとして使用する。

上記アレーアンテナ素子１１_１〜１１_１６としては、例えば図３に示すようにダイポールアンテナが用いられる。ダイポールアンテナを構成するアンテナ素子５１ａ、５１ｂは、微小間隔を保って直線状に設けられる。一方のアンテナ素子５１ａは、他方のアンテナ素子５１ｂに近接する端部がマイクロストリップライン５２を介して給電点５３に接続される。また、アンテナ素子５１ａ、５１ｂには、近接する端部間に電気長が約１／２λの位相反転回路５４が設けられる。すなわち、一方のアンテナ素子５１ａには給電点５３よりマイクロストリップライン５２を介して給電され、他方のアンテナ素子５１ａには更に位相反転回路５４を介して逆相給電される。

また、図２に示すように上記誘電体基板４１の裏面側には、例えばλ／４の間隔を保って反射板４２が対向配置される。この反射板４２には、アレーアンテナ素子１１_１〜１１_１６と対応する位置に給電線挿通用の透孔４３_１〜４３_１６が設けられると共に、ダミー素子３２ａすなわち、校正用アンテナ３２ａの給電線挿通用の透孔４４が設けられる。そして、上記透孔４３_１〜４３_１６、４４内に給電線（図示せず）を挿通させ、アレーアンテナ素子１１_１〜１１_１６と高周波部１２の復調回路１２_１〜１２_１６との間、及び校正用アンテナ３２ａと校正ユニット２２との間を接続する。

上記のようにアレーアンテナ素子１１_１〜１１_１６の両側部にダミー素子３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃを設けることにより、アレーアンテナ素子個々の指向性のバラツキを防止できる。すなわち、ダミー素子３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃが最外側のアレーアンテナ素子１１_１、１１_１６の指向性に与える相互結合を積極的に利用することで、最外側に位置するアレーアンテナ素子１１_１、１１_１６の指向性を中央に配置されるアレーアンテナ素子の指向性と同等にできる。
また、上記ダミー素子３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃの１つ例えばダミー素子３２ａを校正用アンテナとして利用することにより、校正用アンテナを配置したことによる影響及び給電線の影響を無くすことができ、アンテナを含む高周波回路素子の振幅、位相の変化を確実に防止することができる。

この結果、アダプティブアレーアンテナの干渉波抑圧効果を低下させる２つの要因、すなわち、アレーアンテナ素子個々の指向性のバラツキ、及び高周波回路素子の振幅、位相の変化を同時に無くすことができる。

なお、上記実施形態では、アレーアンテナ素子１１_１〜１１_１６の両側部にそれぞれ３つのダミー素子３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃを設けた場合について示したが、ダミー素子は３素子に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、ダミー素子の１つを校正用アンテナとして用いた場合について示したが、複数のダミー素子を校正用アンテナとして用いても良い。

また、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

本発明の一実施形態に係るアダプティブアレーアンテナの構成図である。同実施形態におけるアレーアンテナ素子及びダミー素子部分の構成を示す外観斜視図である。同実施形態におけるアレーアンテナ素子の詳細な構成例を示す図である。従来のアダプティブアレーアンテナの一般的な構成図である。従来の校正用アンテナを備えたアダプティブアレーアンテナの構成図である。従来の校正用アンテナを備えたアダプティブアレーアンテナのアンテナ素子部の外観図を示したもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。図６のアダプティブアレーアンテナにおいて、アレーアンテナ素子と校正用アンテナ２１との距離を可変設定した場合のアレーアンテナ素子の指向性に対する校正用アンテナの影響を示したもので、（ａ）はアレーアンテナ素子と校正用アンテナとの距離を１４６ｍｍ（１λ_０）に設定した場合、（ｂ）はアレーアンテナ素子と校正用アンテナとの距離を７３０ｍｍ（５λ_０）に設定した場合、（ｃ）はアレーアンテナ素子と校正用アンテナとの距離を１４６０ｍｍ（１０λ_０）に設定した場合のＨ面指向性を示す図である。

符号の説明

１１…空中線部、１１_１〜１１_ｎ…アレーアンテナ素子、１２…高周波部、１２_１〜１２_ｎ…復調回路、１３…ベースバンド部、１５_１〜１５_ｎ…特開重み付け回路、１６…合成回路、１７…アダプティブプロセッサ、１８…出力端子、２１…校正用アンテナ、２２…校正ユニット、２５…反射板ワイヤ−素子、３１、３２…ダミー素子部、３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃ…ダミー素子、３２ａ…校正用アンテナ、４１…誘電体基板、４２…反射板、４３_１〜４３_１６、４４…透孔、５１ａ、５１ｂ…アンテナ素子、５２…マイクロストリップライン、５３…給電点、５４…位相反転回路。

Claims

アレーアンテナ素子と、前記アレーアンテナ素子の受信信号に基づいて干渉波を抑圧する放射指向性を形成する制御回路とを備えたアダプティブアレーアンテナにおいて、
前記アレーアンテナ素子の両側にダミー素子を配置したことを特徴とするアダプティブアレーアンテナ。
アレーアンテナ素子と、前記アレーアンテナ素子の受信信号に基づいて干渉波を抑圧する放射指向性を形成する制御回路とを備えたアダプティブアレーアンテナにおいて、
前記アレーアンテナ素子の両側に配置されるダミー素子と、前記ダミー素子の一部を校正用アンテナとして利用し、その受信信号に基づいて前記制御回路に重み係数補正用信号を入力する校正ユニットとを具備することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ。