JP2010141833A - フェーズドアレイアンテナの位相制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通過信号周波数に依存せず、かつ経年変化による影響が少ない高精度なフェーズドアレイアンテナの位相制御装置を提供する。
【解決手段】マイクロコンピュータ４７は、ＰＣ４８から与えられる目標指示値に従ってドライバ４９を駆動し、アクチェータ２４を動作させて同軸可変移相器２１の移相量を設定する。送信信号は、同軸可変移相器２１により位相制御されてアンテナへ送られる。同軸可変移相器２１の入出力信号は、分岐器４２、４３を介して位相検出器４４に入力される。位相検出器４４は、同軸可変移相器２１の入力信号と出力信号との間の位相差を検出し、その位相差をSin信号及びCos信号として出力し、Ａ／Ｄ変換器４５、４６を介してマイクロコンピュータ４７に入力する。マイクロコンピュータ４７は、上記Sin信号及びCos信号がＰＣ４８から与えられている目標指示値に一致するようにアクチェータ２４を制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、可変移相器例えば同軸可変移相器を用いてフェーズドアレイアンテナの給電位相を制御する位相制御装置に関する。

従来、例えば携帯電話基地局等においては、セクターアンテナとしてフェーズドアレイアンテナが使用されている。フェーズドアレイアンテナは、可変移相器を備え、給電位相を制御することによってアンテナの垂直面内指向性を真横よりも下向きに調整することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

また、第三世代携帯電話であるＩＭＴ−２０００（International Mobile Telecommunication 2000）による移動通信システムでは、安定した通信を確立するために、トラヒックに応じて１つのアンテナによるサービスエリアの大きさを頻繁に変更、すなわち、アンテナ垂直面における主ビームの方向（チルト角）を上下に変更する必要がある。このように１つのアンテナによるサービスエリアの大きさを変更する場合においても、可変移相器が使用される。

上記可変移相器としては、高精度の位相設定が可能な同軸可変移相器が使用されている。同軸可変移相器を伸縮する場合、一般的に同軸可変移相器をアクチェータ（１軸テーブル等）に取付け、パルスモータによりアクチェータを駆動して予め決められた伸縮長となるように制御している。この場合、同軸可変移相器を通過する信号の波長に合わせてアクチェータ伸縮長を予め決定し、制御目標値（位相）となるように制御している。
特開２００１−１９６８０４号公報

上記のように同軸可変移相器を使用した可変移相器において、アクチェータにより同軸可変移相器を駆動制御する場合、従来では同軸可変移相器を通過する信号の波長に合わせてアクチェータ伸縮長を予め設定して制御目標値となるようにしているので、通過信号の周波数が変わると制御目標値も変更しなければならなかった。また、アクチェータの経年変化により位置決めに誤差が生じるため、高精度位置決めを希望する場合には経年変化に強い高価なアクチェータを選定する必要があった。また、アクチェータをフィードバック制御する場合には、エンコーダ等の伸縮長測定センサが必要であった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、通過信号周波数に依存せず、かつ経年変化による影響が少なく高精度で位相制御を行うことができるフェーズドアレイアンテナの位相制御装置を提供する。

本発明に係るフェーズドアレイアンテナの位相制御装置は、フェーズドアレイアンテナに給電する送信信号の位相を可変設定する同軸可変移相器と、前記同軸可変移相器の入力信号と出力信号との間の位相差を検出する位相検出器と、前記同軸可変移相器の移相量を上位制御装置からの目標指示値に従って設定すると共に、前記位相検出器により検出された入出力信号間の位相差が前記上位制御装置からの目標指示値に一致するように調整する制御手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、フェーズドアレイアンテナに対する給電位相を正確に制御でき、アンテナ特性を所望の特性とすることができる。また、同軸可変移相器の通過周波数が変わっても制御目標値を変更する必要はなく、常に安定した制御を行うことができる。更に、経年変化により影響が少なく、長期間に亘って高精度の移相制御が可能である。また、同軸可変移相器のフィードバック制御を行う場合、エンコーダ等の伸縮長測定用センサを必要とせず、使用する部品数を低減でき且つコストの低下を図ることができる。

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、携帯電話基地局用セクターとして使用される送信用フェーズドアレイアンテナ装置の全体の概略構成図である。図１において、１１はアンテナ支持基板で、このアンテナ支持基板１１の前面側には、アンテナ基板１２が装着される。上記アンテナ基板１２には、図示しないが例えば４５°直交偏波パッチアンテナ素子が複数個アレー配置されている。また、アンテナ支持基板１１の背面側には、アンテナ素子の給電位相を制御する複数個の可変移相器１３が設けられると共に、上記可変移相器１３の移相量を制御する制御部１４が設けられる。制御部１４は、可変移相器１３の移相量を制御してアンテナの垂直面における主ビーム２０の方向（チルト角）を上下に変更する。また、上記アンテナは、必要に応じて保護ケース１５内に収納される。

次に上記可変移相器１３及び制御部１４の構成例について図２を参照して説明する。なお、図２は説明を簡単にするため、制御部１４により１つの可変移相器１３を制御する場合について示している。

また、図２では、可変移相器１３として例えば略Ｕ字型に屈曲した同軸ラインをトロンボーンのように伸縮させて通過する信号の位相を可変する同軸可変移相器２１を１軸のアクチェータ２４に取付けて制御する場合の例を示している。このトロンボーン型の同軸可変移相器２１は、所定のインピーダンス例えば５０Ωのインピーダンスを保ったまま同軸管長を変化させて位相を調整する機能を備えている。上記同軸可変移相器２１は、所定の間隔で平行に設けられた固定側同軸管２２ａ、２２ｂ内に略Ｕ字状に形成された移動側同軸管２３が可動可能に挿着されており、固定側同軸管２２ａ、２２ｂは固定側固定金具２５に固定され、移動側同軸管２３は移動側固定金具２６に固定される。また、同軸可変移相器２１の固定側同軸管２２ａ、２２ｂは、先端が固定側固定金具２５から突出して設けられ、この突出部にそれぞれ入力用接栓２７及び出力用接栓２８が設けられる。

上記移動側固定金具２６は、水平方向の中心にネジ穴が設けられ、このネジ穴に駆動軸３１が螺着される。この駆動軸３１は、図示しないが両端部が軸受けにより回転可能に保持されている。上記アクチェータ２４は、パルスモータ３２を備え、このパルスモータ３２により駆動軸３１を回転駆動して移動側固定金具２６を同軸可変移相器２１の移動側同軸管２３を左右方向に移動させ、信号の位相を調整する。

そして、上記同軸可変移相器２１の入力用接栓２７には、送信機の電力増幅器４１から出力される送信信号が入力され、同軸可変移相器２１の出力用接栓２８から出力される送信信号は図１に示したアンテナへ送られ、このアンテナから外部に送信される。また、上記電力増幅器４１と入力用接栓２７との間に分岐器４２が設けられ、電力増幅器４１から同軸可変移相器２１に入力される送信信号が分岐されて位相検出器４４に入力される。また、同軸可変移相器２１の出力用接栓２８とアンテナとの間に分岐器４３が設けられ、同軸可変移相器２１から出力される送信信号が分岐されて位相検出器４４に入力される。

位相検出器４４は、分岐器４２、４３により分岐された信号、即ち同軸可変移相器２１の入力信号と出力信号の位相差を検出するもので、検出した位相差をSin信号、Cos信号として出力する。上記位相検出器４４については詳細を後述する。上記位相検出器４４から出力されるSin信号及びCos信号は、それぞれＡ／Ｄ変換器４５、４６によりデジタル信号に変換され、マイクロコンピュータ４７へ送られる。また、このマイクロコンピュータ４７には、全体を制御する上位の制御装置、例えばパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略称する）４８から目標値指示値が位相値で与えられる。マイクロコンピュータ４７は、ＰＣ４８から与えられる目標指示値（位相値）に従って動作し、ドライバ４９を介してパルスモータ３２を駆動し、アクチェータ２４を動作させる。上記マイクロコンピュータ４７及びドライバ４９には電源部５０から動作電源が供給される。

また、マイクロコンピュータ４７は、位相検出器４４からＡ／Ｄ変換器４５、４６を介して送られてくるSin信号、Cos信号がＰＣ４８から与えられている目標指示値となるようにドライバ４９によりパルスモータ３２を回転駆動する。また、マイクロコンピュータ４７は、位相検出器４４で検出されたSin信号とCos信号から得られるベクトル量から電力量を求め、この電力量に基づいて電力増幅器４１の温度特性、同軸可変移相器減衰量を補正するゲイン制御信号をＤ／Ａ変換器５１を介して電力増幅器４１へ出力する。

図３は、上記位相検出器４４の詳細な回路構成図である。図３において、６１ａ、６１ｂは位相検出器４４の入力端子で、該入力端子６１ａ、６１ｂには図２に示した分岐器４２、４３で分岐された信号がそれぞれ入力される。上記入力端子６１ａに入力された信号は分配器６２により２分配されてミキサ６４、６５の一方の入力端子に入力される。また、入力端子６１ｂに入力された信号は分配器６３により２分配され、一方の分配信号はミキサ６４の他方の入力端子に入力され、他方の分配信号は−９０°の移相器６６を介してミキサ６５の他方の入力端子に入力される。そして、ミキサ６４の出力信号はローパスフィルタ（ＬＰＦ）６７を介してSin信号として取出され、ミキサ６５の出力信号はローパスフィルタ（ＬＰＦ）６８を介してCos信号として取出される。上記ローパスフィルタ６７から出力されるSin信号、及びローパスフィルタ６８から出力されるCos信号は、図２に示したようにＡ／Ｄ変換器４５、４６を介してマイクロコンピュータ４７へ送られる。

次に上記のように構成されたフェーズドアレイアンテナの位相制御装置の動作を図１ないし図３を参照して説明する。ＰＣ４８は、マイクロコンピュータ４７に対して同軸可変移相器２１の目標指示値（位相値）を与える。マイクロコンピュータ４７は、ＰＣ４８から与えられる目標指示値に従ってドライバ４９を駆動し、アクチェータ２４を動作させて同軸可変移相器２１の移相量を設定する。

同時に電力増幅器４１から出力される送信信号は、同軸可変移相器２１の入力用接栓２７に入力され、同軸可変移相器２１で位相が制御されて出力用接栓２８からアンテナへ送られる。このとき同軸可変移相器２１の入力信号及び出力信号は、分岐器４２、４３により位相検出器４４に分配される。位相検出器４４は、分岐器４２、４３から入力される同軸可変移相器２１の入力信号と出力信号との間の位相差を検出し、その位相差をSin信号及びCos信号として出力する。

上記位相検出器４４により検出された同軸可変移相器２１の入力信号と出力信号との間の位相差は、Ａ／Ｄ変換器４５、４６によりデジタル信号に変換されてマイクロコンピュータ４７に入力される。マイクロコンピュータ４７は、位相検出器４４で検出されたSin信号、Cos信号がＰＣ４８から与えられている目標指示値に一致するようにドライバ４９によりパルスモータ３２を回転駆動し、同軸可変移相器２１の移動側固定金具２６を移動させて移動側同軸管２３の位置を調整する。

また、マイクロコンピュータ４７は、位相検出器４４で検出されたSin信号、Cos信号から得られるベクトル量の大きさ（絶対値）から電力量を求め、この電力量から電力増幅器４１の温度特性、同軸可変移相器の減衰量を補正するゲイン制御信号を生成し、このゲイン制御信号によりＤ／Ａ変換器５１を介して電力増幅器４１を制御する。この場合、位相検出器４４により検出されたSin信号及びCos信号を直交軸で表現すると、図４に示すようになり、ベクトル量の大きさ（絶対値）ｒの角度θから同軸可変移相器２１の入出力間の位相差、ベクトル量の大きさｒから電力量を知ることができる。

上記のようにＰＣ４８から出力される目標値指示に従ってマイクロコンピュータ４７によりアクチェータ２４を駆動して同軸可変移相器２１の伸縮量即ち移相量を制御し、かつ、同軸可変移相器２１の入出力間の位相差を位相検出器４４で検出してマイクロコンピュータ４７にフィードバックし、アクチェータ２４を介して同軸可変移相器２１の移相量を微調整することにより、同軸可変移相器２１の高精度の移相量の設定が可能となる。このためフェーズドアレイアンテナに対する給電位相を正確に制御でき、アンテナ特性を所望の特性とすることができる。

更に、アクチェータ２４の経年変化等により機構的に多少の位置決め誤差を生じるような場合であっても、同軸可変移相器２１の入出力間の位相差を検出し、その検出位相差が目標位相差に一致するようにアクチェータ２４を制御することにより、高精度に位相の設定が可能である。このため経年変化に強い高価なアクチェータを使用する必要はなく、比較的安価なアクチェータであっても長期間に亘って高精度で且つ安定した移相量の設定行うことができる。

また、アクチェータ２４のフィードバック制御を行う場合、エンコーダ等の伸縮長測定用センサを必要とせず、使用する部品数を低減し得ると共にコストの低下を図ることができる。

なお、上記実施形態では、アンテナ基板１２に４５°直交偏波パッチアンテナ素子を複数個アレー配置してなるフェーズドアレイアンテナを用いた場合について説明したが、その他、例えばクロスダイポールアンテナ素子や多素子八木式アンテナ、更には多段コーリニヤアンテナ等を用いた構成したフェーズドアレイアンテナにおいても、上記実施形態と同様にして実施し得るものである。

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フェーズドアレイアンテナ装置の全体の概略構成図である。 同実施形態における可変移相器及び制御部の構成例を示すブロック図である。 同実施形態における位相検出器の詳細を示す回路構成図である。 同実施形態において、位相検出器により検出されたSin信号及びCos信号を直交軸で表現した図である。

符号の説明

１１…アンテナ支持基板、１２…アンテナ基板、１３…可変移相器、１４…制御部、１５…保護ケース、２０…主ビーム、２１…同軸可変移相器、２２ａ、２２ｂ…固定側同軸管、２３…移動側同軸管、２４…アクチェータ、２５…固定側固定金具、２６…移動側固定金具、２７…入力用接栓、２８…出力用接栓、３１…アクチェータの駆動軸、３２…パルスモータ、４１…電力増幅器、４２、４３…分岐器、４４…位相検出器、４５、４６…Ａ／Ｄ変換器、４７…マイクロコンピュータ、４８…パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、４９…パルスモータのドライバ、５０…電源部、５１…Ｄ／Ａ変換器、６１ａ、６１ｂ…位相検出器の入力端子、６２、６３…分配器、６４、６５…ミキサ、６６…−９０°の移相器、６７、６８…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）。

Claims (1)

1. フェーズドアレイアンテナに給電する送信信号の位相を可変設定する同軸可変移相器と、前記同軸可変移相器の入力信号と出力信号との間の位相差を検出する位相検出器と、前記同軸可変移相器の位相量を上位制御装置からの目標指示値に従って設定すると共に、前記位相検出器により検出された入出力信号間の位相差が前記上位制御装置からの目標指示値に一致するように調整する制御手段とを具備することを特徴とするフェーズドアレイアンテナの位相制御装置。

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