JP2008053953A - アレーアンテナ及び基地局 - Google Patents

Abstract

【課題】基地局及び移動局の受信レベルの低下を防ぐことができ、良好な通信状態を保つことができるアレーアンテナを提供する。
【解決手段】アレーアンテナは、基地局に接続され、アレー２０の位相を制御することにより、特定の方向にメインビームを向け、メインビームをある方向に向けたときの各アレーの位相を基準位相として、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相と、もう一方の端から１以上のアレーの位相とを、基準位相から同方向に変化させることにより、アンテナパターンのヌル点の利得を増加させて、ヌル点を埋める位相振幅制御部１３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、アレーアンテナ及び基地局に関する。

セルラーシステムでは、複数の基地局を用いて、サービスエリアをカバーすることが行われる。又、ＦＤＭＡやＣＤＭＡを用いたシステムでは、隣接する基地局に異なる周波数やコードを与えて移動局との通信を行う。各基地局は、セルと呼ばれる通信エリアを作るが、このとき、隣接するセルに電波を放射すると、隣接セルの通信チャネルに干渉を与えてしまい、システム全体の通信容量が減少してしまう。

これを防ぐために、基地局では、地面に対してアレーを垂直に配置したフェーズドアンテナを用いて、垂直方向のビームが狭いアンテナのメインビーム方向をセル端に向けて電波を放射して、自セル外に放射する電波を抑圧している。本技術は、ビームチルティングと呼ばれており、一般的に水平方向からメインビーム方向の角度をチルト角と呼ぶ。図４にビームとチルト角との関係を示す。フェーズドアレーアンテナでは、位相器及びアッテネータの値を変えることによって、チルト角や再度ローブを変化させることができ、所望のサービスエリアを得られるように調整を行う（例えば、特許文献１参照。）。以降では、アッテネータの制御で与える振幅の大きさ設定を振幅分配と呼ぶ。
特開２００４−３２１６５号公報

しかしながら、他セルへの干渉を抑圧するために、ビーム幅を狭めようとすると、ビーム幅を狭めるにつれて、図５に示すように、アンテナパターンに多数のヌル点が現れてしまう。図６に、このようなアンテナパターンを用いたときの受信レベルの変化を示す。このとき、ヌル方向から電波が到来すると、図６に示す矢印の位置のように、受信レベルの低下につながるという課題があった。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、基地局及び移動局の受信レベルの低下を防ぐことができ、良好な通信状態を保つことができるアレーアンテナ及び基地局を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、基地局に接続されたアレーアンテナであって、アレーアンテナのアレーの位相を制御することにより、特定の方向にメインビームを向け、メインビームをある方向に向けたときの各アレーの位相を基準位相として、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相と、もう一方の端から１以上のアレーの位相とを、基準位相から同方向に変化させることにより、アンテナパターンのヌル点の利得を増加させて、ヌル点を埋める位相振幅制御部を備えるアレーアンテナであることを要旨とする。

第１の特徴に係るアレーアンテナによると、基地局及び移動局の受信レベルの低下を防ぐことができ、良好な通信状態を保つことができる。

本発明の第２の特徴は、基地局に接続されたアレーアンテナであって、アレーアンテナのアレーの位相を制御することにより、特定の方向にメインビームを向け、メインビームをある方向に向けたときの各アレーの位相を基準位相として、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相を、基準位相から同方向に変化させることにより、アンテナパターンのヌル点の利得を増加させて、ヌル点を埋める位相振幅制御部を備えるアレーアンテナであることを要旨とする。

第２の特徴に係るアレーアンテナによると、基地局及び移動局の受信レベルの低下を防ぐことができ、良好な通信状態を保つことができる。

第１及び第２の特徴に係るアレーアンテナの位相振幅制御部は、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相を、基準位相から正の方向に変化させてもよい。

又、第１及び第２の特徴に係るアレーアンテナの位相振幅制御部は、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相を、基準位相から負の方向に変化させてもよい。

又、第１及び第２の特徴に係るアレーアンテナの位相振幅制御部は、各アレーの位相変化量を、同量になるように制御してもよい。

又、第１及び第２の特徴に係るアレーアンテナの位相振幅制御部は、各アレーの位相変化量を、それぞれ異なるように制御してもよい。

又、第１及び第２の特徴に係るアレーアンテナの位相振幅制御部は、各アレーの位相変化量を、アレー端になるほど増加するように制御してもよい。

又、第１及び第２の特徴に係るアレーアンテナは、複数のアレーを１ブロックとし、ブロックを複数備えてもよい。

本発明の第３の特徴は、アレーアンテナを備える基地局であって、アレーアンテナのアレーの位相を制御することにより、特定の方向にメインビームを向け、メインビームをある方向に向けたときの各アレーの位相を基準位相として、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相と、もう一方の端から１以上のアレーの位相とを、基準位相から同方向に変化させることにより、アンテナパターンのヌル点の利得を増加させて、ヌル点を埋める位相振幅制御部を備える基地局であることを要旨とする。

第３の特徴に係る基地局によると、基地局及び移動局の受信レベルの低下を防ぐことができ、良好な通信状態を保つことができる。

又、第３の特徴に係る基地局は、アレーアンテナを複数備えてもよい。

本発明によると、基地局及び移動局の受信レベルの低下を防ぐことができ、良好な通信状態を保つことができるアレーアンテナ及び基地局を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。

本実施形態では、移動通信システムにおいて、サービスエリアを構成する基地局について説明する。又、本実施形態に係る基地局は、アレーアンテナを備える。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る基地局は、図１に示すように、アンテナパターン制御部１０と、アンテナアレー２０とを備えるアレーアンテナ１００に接続される。

アンテナアレー２０は、基地局が設置されている地面に対し垂直方向に配置される。又、アンテナアレー２０は、実質的に等間隔で配列され、アンテナ素子として使用される放射素子を含む。放射素子としては、ダイポールアンテナその他線状アンテナやパッチアンテナ、スロットアンテナなどの平面アンテナを用いることができる。

制御用ＰＣ３０は、後述する位相振幅制御部１３に接続され、位相振幅制御部１３の設定を変更することができるＰＣである。

アンテナパターン制御部１０は、位相器１１と、アッテネータ１２と、位相振幅制御部１３と、給電部１４とを備える。

位相器１１は、アンテナアレー２０毎に配置され、各アンテナアレー２０の位相を制御する。

アッテネータ１２は、アンテナアレー２０毎に配置され、各アンテナアレー２０の振幅を制御する。

給電部１４は、アンテナアレー２０が形成するビーム方向に対応して、各アンテナアレー２０の送受信信号の位相差を設定する。

位相振幅制御部１３は、位相器１１を制御することにより、アンテナアレー２０の位相を制御する。そして、位相振幅制御部１３は、アレーアンテナのアレーの位相を制御することにより、特定の方向にメインビームを向け、メインビームをある方向に向けたときの各アレーの位相を基準位相として、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相と、もう一方の端から１以上のアレーの位相とを、基準位相から同方向に変化させることにより、アンテナパターンのヌル点の利得を増加させて、ヌル点を埋める。

次に、第１の実施形態に係るビームチルティングの方法について説明する。図１に示すように、アレーアンテナをアレー番号ｉ＝０の方を下側、アレー番号ｉ＝ｎの方を上側に設置した場合を考える。このとき、振幅をある一定値とすると、各アレーの位相を以下の式のように設定することにより、メインビーム方向を水平方向からθ度の方向に向けることができる。ここで、θは前述したチルト角を表す。又、ここでは、θが正の値のときに、水平方向より下側の方向を表す。

ｗ（ｉ）＝ｅ^{-j*2π/λ*di*sinθ} …… 式（１）
式（１）において、λは波長、ｄはアレーの間隔である。

以下、８素子のアレーアンテナで、振幅分配を等しくしたときを例に、ヌル点を埋める方法について説明する。

図２に、アレーを垂直に配置した場合に、アレーの位相を制御して、チルト角を１５°に設定したときの、基地局と移動局間距離と受信電力との関係を実線で示す。

ここで，図2に示すように，受信電力を、位相合成により計算されるアンテナ利得と市街地の伝搬損失の推定式より求めると、ヌル点の影響で、受信レベルの落ち込みが見られる。そこで、アレーの位相を操作して、ヌル点を埋める。

ヌル点を埋める方法は、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相と、もう一方の端から１以上のアレーの位相とを、基準位相から同方向に変化させればよい。図２では、一番上の一つのアレーの位相を、最初の状態から２０°又は４０°正方向に回転させて、一番下の一つのアレーの位相を、２０°又は４０°負方向に回転させたときの、受信電力を示す。図２よりヌル点が埋まっていることが分かる。尚、図２の点線は、位相操作前と位相操作後との相対受信電力の平均値を示す。

位相を変化させる方向は、基準位相から両方とも正方向に変化させてもよく、両方とも負方向に変化させてもよい。変化させる量は、すべてが同じでもよく、それぞれが異なる量でもよい。又、アレーアンテナの端に向かうにしたがって、変化量を増加するように設定してもよい。アレーの位相の変化量によって、ヌル点の埋まり具合は変化するので、望みの結果が得られるよう、変化量は自由に設定することができる。

第１の実施形態に係るアレーアンテナ１００及び基地局によると、アレーアンテナのアレーの位相を制御することにより、特定の方向にメインビームを向け、メインビームをある方向に向けたときの各アレーの位相を基準位相として、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相と、もう一方の端から１以上のアレーの位相とを、基準位相から同方向に変化させることにより、アンテナパターンのヌル点の利得を増加させて、ヌル点を埋めることができる。このため、基地局及び移動局の受信レベルの低下を防ぐことができ、良好な通信状態を保つことができる。

又、アレーアンテナの位相振幅制御部１３は、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相を、基準位相から正の方向に変化させてもよく、基準位相から負の方向に変化させてもよい。

又、アレーアンテナの位相振幅制御部１３は、各アレーの位相変化量を、同量になるように制御してもよく、各アレーの位相変化量を、それぞれ異なるように制御してもよい。

又、アレーアンテナの位相振幅制御部１３は、各アレーの位相変化量を、アレー端になるほど増加するように制御してもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る基地局は、図１に示すように、アンテナパターン制御部１０と、アンテナアレー２０とを備えるアレーアンテナ１００に接続される。

アンテナパターン制御部１０は、位相器１１と、アッテネータ１２と、位相振幅制御部１３と、給電部１４とを備える。

位相振幅制御部１３は、位相器１１を制御することにより、アンテナアレー２０の位相を制御する。そして、位相振幅制御部１３は、アレーアンテナのアレーの位相を制御することにより、特定の方向にメインビームを向け、メインビームをある方向に向けたときの各アレーの位相を基準位相として、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相を、基準位相から同方向に変化させることにより、アンテナパターンのヌル点の利得を増加させて、ヌル点を埋める。

位相器１１、アッテネータ１２、給電部１４については、第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。

次に、ヌル点を埋める方法について説明する。

アレーアンテナの一方の端から１以上のアレーの位相を同方向に変化させて、ヌル点を埋めることができる。又、位相の変化量によって、ヌルの埋まり方は変わるので、望む結果に応じて、変化量を決めればよい。又、変化させる量は、すべて同じでもよく、それぞれ異なるようにしてもよい。アレーアンテナの端に向かうにしたがって、変化量を増加するように設定してもよい。変化のさせ方によって、ヌルの埋まり方は変わるので、望む特性に応じて自由に変化のさせ方を決めればよい。

又、アレーを図１に示すように垂直にしたときに、上段のアレーの位相を変化させてもよく、下段のアレーの位相を変化させてもよい。変化させる側に応じて、ヌルの埋まり方は変わるので、望む特性に応じて、変化させるほうを決定すればよい。又、位相は正方向に変化させてもよく、負方向に変化させてもよい。変化させる方向に応じて、ヌルの埋まり方は変わるので、望む特性に応じて、変化させる方向を決定すればよい。又、位相を変化させるアレーは１つだけでもよい。１つだけの場合でも、上記したように、位相を変化させることによって、ヌル点を埋めることができるので、望む特性に応じて、自由に変化のさせ方を決定すればよい。

第２の実施形態に係るアレーアンテナ１００及び基地局によると、アレーアンテナのアレーの位相を制御することにより、特定の方向にメインビームを向け、メインビームをある方向に向けたときの各アレーの位相を基準位相として、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相を、基準位相から同方向に変化させることにより、アンテナパターンのヌル点の利得を増加させて、ヌル点を埋めることができる。このため、基地局及び移動局の受信レベルの低下を防ぐことができ、良好な通信状態を保つことができる。

又、アレーアンテナの位相振幅制御部１３は、アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相を、基準位相から正の方向に変化させてもよく、基準位相から負の方向に変化させてもよい。

又、アレーアンテナの位相振幅制御部１３は、各アレーの位相変化量を、同量になるように制御してもよく、各アレーの位相変化量を、それぞれ異なるように制御してもよい。

又、アレーアンテナの位相振幅制御部１３は、各アレーの位相変化量を、アレー端になるほど増加するように制御してもよい。

（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態において説明した方法は、図３に示すように、複数のアレー２０がブロック２２化されているアレーアンテナ１００を用いた場合にも適用できる。第１の実施形態と同様に、アンテナパターン制御部１０を制御することにより、実現できる。

第１及び第２の実施形態に係るアレーアンテナの構成ブロック図である。 第１の実施形態に係るアレーアンテナの距離特性を示す図である。 第３の実施形態に係るアレーアンテナの構成ブロック図である。 チルト角を説明するための図である。 アンテナのヌル点と到来波との関係を示す図である。 従来のヌル点制御を行った場合の基地局からの距離と受信レベルとの関係を示す図である。

符号の説明

１０…アンテナパターン制御部
１１…位相器
１２…アッテネータ
１３…位相振幅制御部
１４…給電部
２０…アンテナアレー
２２…ブロック
３０…制御用ＰＣ
１００…アレーアンテナ

Claims (10)

1. 基地局に接続されたアレーアンテナであって、
   前記アレーアンテナのアレーの位相を制御することにより、特定の方向にメインビームを向け、前記メインビームをある方向に向けたときの各アレーの位相を基準位相として、前記アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相と、もう一方の端から１以上のアレーの位相とを、基準位相から同方向に変化させることにより、アンテナパターンのヌル点の利得を増加させて、ヌル点を埋める位相振幅制御部を備えることを特徴とするアレーアンテナ。
2. 基地局に接続されたアレーアンテナであって、
   前記アレーアンテナのアレーの位相を制御することにより、特定の方向にメインビームを向け、前記メインビームをある方向に向けたときの各アレーの位相を基準位相として、前記アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相を、前記基準位相から同方向に変化させることにより、アンテナパターンのヌル点の利得を増加させて、ヌル点を埋める位相振幅制御部を備えることを特徴とするアレーアンテナ。
3. 前記位相振幅制御部は、前記アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相を、前記基準位相から正の方向に変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載のアレーアンテナ。
4. 前記位相振幅制御部は、前記アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相を、前記基準位相から負の方向に変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載のアレーアンテナ。
5. 前記位相振幅制御部は、各アレーの位相変化量を、同量になるように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
6. 前記位相振幅制御部は、各アレーの位相変化量を、それぞれ異なるように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
7. 前記位相振幅制御部は、各アレーの位相変化量を、アレー端になるほど増加するように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
8. 複数の前記アレーを１ブロックとし、前記ブロックを複数備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
9. アレーアンテナを備える基地局であって、
   前記アレーアンテナのアレーの位相を制御することにより、特定の方向にメインビームを向け、前記メインビームをある方向に向けたときの各アレーの位相を基準位相として、前記アレーアンテナの片方の端から１以上のアレーの位相と、もう一方の端から１以上のアレーの位相とを、基準位相から同方向に変化させることにより、アンテナパターンのヌル点の利得を増加させて、ヌル点を埋める位相振幅制御部を備えることを特徴とする基地局。
10. 前記アレーアンテナを複数備えることを特徴とする請求項９に記載の基地局。

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