JP2010509823A - 電気的傾斜制御を有する位相配列アンテナシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電気的傾斜制御を有する位相配列アンテナシステムは、入力信号を3つの中間信号に分割するための傾斜コントローラを組み込み、これらの中間信号のうちの2個は、可変遅延器T1及びT2によって第3のものに対して遅延される。共同給送器は、中間信号を処理してアンテナアレイの要素に対する駆動信号を生成するための分割器S3〜S10及び混成器H1〜H6を収容し、駆動信号は、中間信号の一部であり、その合成ベクトルである。傾斜コントローラ及び共同給送器は、第3の中間信号に対する2つの中間信号の可変遅延に応答して、位相配列ビーム誘導に適するように組み合わせで駆動信号に対して相対的位相整合を課する。
【選択図】図5
Description
(a)妥当なボアサイト利得、
(b)異なるセル内の基地局を用いるモバイルに対する干渉を回避するのに十分に低い第1の上側サイドローブレベル、
(c)アンテナの直近における通信を可能にするのに十分に高い第1の下側サイドローブレベル、及び
(d)アンテナが電気的に傾斜された時に所定の制限範囲に留まるサイドローブレベル。
駆動信号は、アレイにわたって実質的に線形の位相面を伴ってアンテナ素子に供給することができる。それらには、サイドローブを抑制する振幅テーパと、ビーム形状を阻害させることなくアレイのビームを傾斜させる実質的に線形の位相テーパとを備えることができる。
(a)アンテナを変化しない振幅テーパによって傾斜させるアンテナ素子の列(アレイ)に沿った線形で等間隔の位相面、及び
(b)サイドローブを抑制し、アンテナ利得を増大し、アンテナボアサイト領域の外側における干渉を低減するために、アンテナ素子の列を横断する振幅テーパを有する共同給送ネットワーク。
1.特殊な用途を除き、図2(a)、図2(b)及び図2(c)は希にしか用いられない。
2.図2(d)は、セルラー無線システムのためのアンテナにおいて使用が見出されるが、大きいコスト、重量、及びサイズを有する。
3.図3(a)は非対称な共同給送器を有し、非実用的な信号分割器比を招く。
4.図3(b)は、アンテナを正しく傾斜させるのに必要なものよりもより多くの時間遅延デバイスを有する。
5.図3(c)は、現時点での最適な従来技術実施であるが、不適切に多数の遅延器を要求する。
同様にベクトルB及びClは、共同給送器64の下側部分に接続したアンテナ素子E1L〜E5Lへと駆動信号を供給するのに用いられる。電圧分割比b1、b2及びh1、h2を有する第7及び第8の分割器S7及びS8は、それぞれ、傾斜ベクトルBを信号b1.Bと信号b2.Bとに分割し、傾斜ベクトルClを信号h1.Clと信号h2.Clとに分割する。
H1の出力ポート2の信号=H1(2)=a1.H1s23.A+g2.H1s21.Cu
H1の出力ポート4の信号=H1(4)=a1.H1s43.A−g2.H1s41.Cu
H5の出力ポート2の信号=H5(2)=E1Uの信号=H5s21.H1(2)+g1.H5s23.Cu
すなわち、H5(2)=H5s21(a1.H1s23.A+g2.H1s21.Cu)+g1.H5s23.Cu
及び、H5の出力ポート4の信号=H5(4)=E2Uの信号=H5s41.H1(2)−g1.H5s43.Cu
すなわち、H5(4)=H5s41(a1.H1s23.A+g2.H1s21.Cu)−g1.H5s43.Cu
分割器S9は、アンテナ素子E3Uに信号ベクトルを供給する。
すなわち、E3Uの信号=a2.i1.A
混成器(M)の出力ポート(2)及び出力ポート(4)は、要素ベクトルE4A及びE4Aを発生させる。
H3の出力ポート2の信号=H3(2)=E4Uの信号=H1(4).H3s21+a2.i2.H3s23.A
すなわち、E4Uの信号=H3s21.(a1.H1s43.A−g2.H1s41.Cu)+a2.i2.H3s23.A
H3の出力ポート4の信号=H3(4)=E5Uの信号=H1(4).H3s21−a2.i2.H3s23.A
すなわち、E5Uの信号=H3s21.(a1.H1s43.A−g2.H1s41.Cu)−(a2.i2.H3s23.A)
いずれの要素E1U〜E5U、Ec、又はE1L〜E5Lへの駆動信号も時間遅延の基準ゼロとして扱ってもよく、例えば、最も下側の末端要素E5Lへの駆動信号を基準ゼロとして選択すると、想定することができる位相線は、アンテナアレイ66の下側末端を転換軸とすることになり、全ての他の要素E1L〜E4L、Ec、及びE1U〜E5Lへの駆動信号は、最も下側の末端要素の駆動信号に対して全てが正、又は全てが負である時間遅延を有する。しかし、中心要素Ecを時間遅延の基準ゼロとして選択することにより、分割器比における実際的な問題が回避され、選択される時間遅延の基準ゼロが中心要素Ecから離れて行く程、振幅テーパを実施するのに要求される分割器比の値は増大し、取得することがより困難になる。この理由から、中心要素Ecを時間遅延の基準ゼロとして用いることが好ましい。
デシベル比dBrは、ここではアンテナ共同給送器への入力ポートとして取られる、割り当てられた基準レベルの点に対する共同給送器内のいずれかの点のレベルである。
A=g2.s1.V[Ta+Tb]、
B=g1.s1.V[Tb]、
C=h1.s2.V[Tc]、
D=h2.s2.V[Tc+Td].
ここで[..]は、以前と同様に角括弧の内容によって遅延されることを意味する。
F6U=a2.A−b1.B
F5U=a1.A
F4U=a2.A+b1.B
F3U=b2.e2.B−c1.C
F2U=b2.e1.B
F1U=b2.e2.B+c1.C
F1L=c2.f2.C−b3.B
F2L=c2.f1.C
F3L=c2.f2.C+b3.B
F4L=d2.D−c3.C
F5L=d1.D
F6L=d2.D+c3.C
式1
式2
式3
式4
表1及び表2における数量によって示しているものと同様の構造を3個よりも多くの傾斜ベクトルを用いるアンテナシステムに対して導出することができる。入力ベクトルVを用いると、傾斜ベクトルA、B、C、D(等)は、次式のように定めることができる。
式5
ここで、φは、傾斜コントローラ204によって設定される入力角度であり、αX及び(GXφ)は、XがA、B、C、又はDである場合の傾斜ベクトルXの振幅及び位相角それぞれである。
GXは、Xの位相と入力角度φの間のギアリング比である。Xの位相は、φのGX倍の速度で変化する。
式9
式15
式16
出力M及びNに対して作用するベクトル代数は、i番目のアンテナ素子(i)において、m及びnにおける電圧のベクトル和である電圧を発生させる。
式18
式20
式21
従って、次式が得られる。
式22
式23
式24
式26
それによってφが増大する時に位相配列アンテナの傾斜に対して実質的に平坦な位相面が発生し、また、共同給送器206が、隣接する傾斜ベクトルのみを合成する時に最適な位相面の線形性がもたらされる。位相面は、φが小さい限り完全に平坦である(補助定理2)。更に、それによって図7、8、及び9を参照して説明したように、傾斜コントローラ204及び共同給送器206を線路の交差なしに平面形状の回路として実施することが可能になる。
(a)位相配列アンテナにおけるNe個のアンテナ素子に対して、従来技術が1個又は(Ne−1)個の可変遅延器を用いるのに対して2個から(Ne−2)個の可変遅延器を有するもの、
(b)所定のアンテナ素子個数、傾斜範囲、及びサイドローブレベルにおいて最小の合計時間遅延を有するように設計することができるもの、
(c)同じ最大遅延値を有する可変遅延器を有するように設計することができるもの、
(d)このアンテナの電気的傾斜範囲にわたって位相テーパの良好な線形性を維持するもの、
(e)所定のサイドローブレベルにおいて良好な取得可能利得を有するもの、
(f)このアンテナの電気的傾斜範囲にわたって実質的に一定に留まる利得を有するもの、
(g)あらゆるアンテナ素子個数に対して設計することができるもの、
(h)非理想的な性質を有する構成要素に付随する不可避の損失以外には損失のない共同給送器を有するように設計することができるもの、
(i)マイクロ−ストリップ又はトリ−プレート内の回路の交差なしに設計することができるもの、及び
(j)いくつかの搬送波周波数の間、又は各々に対して個々の傾斜角を有するオペレータの間でアンテナ共有を可能にするほど十分に少ない可変遅延器を有するもの。
(a)低いサイドローブレベルのために用いられる台座状振幅テーパに対する余弦の二乗、
(b)等しいサイドローブレベルからの最大利得のために用いられるDolph−Chebyshev振幅テーパ、及び
(c)例えば、等しい地上照明又はヌル誘導のために用いられる特殊振幅テーパ。
式22
これは、アンテナビーム形状の制御が、例えば、傾斜範囲にわたるサイドローブレベル制御、利得制御、並びにヌル充填及びヌル誘導をもたらすことを可能にする。
64 共同給送器
66 アンテナアレイ
H1からH6 混成器
S3からS10 分割器
T1、T2 可変遅延器
Claims (30)
- 送信モードにおいて送信機として作動する、電気的傾斜制御を有する位相配列アンテナシステムであって、
a)アンテナ素子のアレイ、
b)少なくとも第1及び第2の中間信号の各々が第3の中間信号に対して可変遅延可能であるように、入力信号を少なくとも第1、第2、及び第3の中間信号に分割するための傾斜制御手段、
c)前記中間信号を処理して該中間信号の合成ベクトルを少なくとも一部含むアンテナ素子のための駆動信号を生成するための共同給送手段、及び
d)前記第3の中間信号に対する前記少なくとも第1及び第2の中間信号の可変遅延に応答して、位相配列ビーム誘導に適するように前記傾斜制御手段と前記共同給送手段によって組み合わせで課せられる前記駆動信号に対する相対的位相整合、
を組み込むことを特徴とするシステム。 - 受信モードにおいて受信機として作動する、電気的傾斜制御を有する位相配列アンテナシステムであって、
a)アンテナ素子のアレイ、
b)アンテナ素子からの受信信号を処理して、該受信信号の合成ベクトルを少なくとも一部含む少なくとも第1、第2、及び第3の中間信号を生成するための共同給送手段、
c)前記少なくとも第1及び第2の中間信号を前記第3の中間信号に対して可変遅延し、該遅延中間信号を該第3の中間信号と合成して出力信号を形成することにより、前記中間信号を該出力信号へと変換するための傾斜制御手段、及び
d)前記第3の中間信号に対する前記少なくとも第1及び第2の中間信号の可変遅延に応答して、位相配列ビーム誘導に適するように前記共同給送手段と前記傾斜制御手段によって組み合わせで課せられる前記中間信号に対する相対的位相整合、
を組み込むことを特徴とするシステム。 - 前記傾斜制御手段は、前記少なくとも第1及び第2の中間信号の各々を前記第3の中間信号に対して可変遅延するためのそれぞれの可変遅延手段を含み、該可変遅延手段は、同様の割合で変化して1つの遅延が増大する間に別の遅延が低減する遅延をもたらすように配置されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の位相配列アンテナシステム。
- 前記可変遅延手段は、互いにマグニチュードが等しいそれぞれの遅延を印加するように配置されることを特徴とする請求項3に記載の位相配列アンテナシステム。
- 前記共同給送手段は、隣接する位置の信号を合成して回路の交差を回避するように配置されることを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3、又は請求項4に記載の位相配列アンテナシステム。
- 前記共同給送手段は、隣接する位置の中間信号を合成してアンテナ素子のための駆動信号を生成し、回路の交差を回避するように配置されることを特徴とする請求項1に記載の位相配列アンテナシステム。
- 前記傾斜制御手段及び前記共同給送手段は、アンテナ素子のための駆動信号に対して前記アレイにわたって実質的に線形の位相面を備えるように配置されることを特徴とする請求項1に記載の位相配列アンテナシステム。
- 前記傾斜制御手段及び前記共同給送手段は、アンテナ素子のための駆動信号に対してサイドローブを抑制する振幅テーパと、ビーム形状を阻害せずに前記アレイのビームを傾斜させる実質的に線形の位相テーパとを備えるように配置されることを特徴とする請求項1に記載の位相配列アンテナシステム。
- 前記傾斜制御手段は、第1の傾斜制御手段であり、
システムが、異なる周波数の送信及び/又は受信信号を分離して各傾斜制御手段に関連付けられたそれぞれの独立した電気的傾斜角を形成する少なくとも1つの他の傾斜制御手段及びフィルタリング手段を含む、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の位相配列アンテナシステム。 - 前記傾斜制御手段及び前記共同給送手段は、余弦、余割、又はDolph−Chebyshev振幅テーパのような振幅テーパを実施する分割手段を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の位相配列アンテナシステム。
- 前記傾斜制御手段は、第1及び第2の中間信号のみを前記第3の中間信号に対して可変遅延するための可変遅延手段を2つのみ含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の位相配列アンテナシステム。
- 前記傾斜制御手段は、第1、第2、第4、及び第5の中間信号のみを前記第3の中間信号に対して可変遅延するための可変遅延手段を4つのみ含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の位相配列アンテナシステム。
- 前記アンテナ素子のアレイは、7個、11個、15個、又は19個のアンテナ素子を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の位相配列アンテナシステム。
- 前記傾斜制御手段及び前記共同給送手段は、信号を分割して合成するための、かつ二重ボックス直交混成器及び和と差の混成器として実施された分割手段及び混成合成手段を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の位相配列アンテナシステム。
- 前記駆動信号の一部は、個々の中間信号の一部であり、他の駆動信号は、2つの中間信号の一部のベクトル和又はベクトル差であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の位相配列アンテナシステム。
- アンテナ素子のアレイを有するアンテナを組み込み、電気的傾斜制御を有する位相配列アンテナシステムを送信モードにおいて送信機として作動させる方法であって、
a)入力信号を少なくとも第1、第2、及び第3の中間信号に分割する段階、
b)前記少なくとも第1及び第2の中間信号を前記第3の中間信号に対して可変遅延させる段階、
c)前記中間信号を処理して、該中間信号の合成ベクトルを少なくとも一部含むアンテナ素子のための駆動信号を生成する段階、及び
d)前記第3の中間信号に対する前記少なくとも第1及び第2の中間信号の可変遅延に応答して、位相配列ビーム誘導に適するように前記駆動信号を相対的に位相整合する段階、
を有することを特徴とする方法。 - アンテナ素子のアレイを有するアンテナを含み、電気的傾斜制御を有する位相配列アンテナシステムを受信モードにおいて受信機として作動させる方法であって、
a)アンテナ素子からの受信信号を処理して、該受信信号の合成ベクトルを少なくとも一部含む少なくとも第1、第2、及び第3の中間信号を生成する段階、
b)前記少なくとも第1及び第2の中間信号を前記第3の中間信号に対して可変遅延し、該遅延中間信号を該第3の中間信号と合成して出力信号を形成することにより、前記中間信号を該出力信号へと変換する段階、及び
c)前記第3の中間信号に対する前記少なくとも第1及び第2の中間信号の可変遅延に応答して、位相配列ビーム誘導のために前記中間信号を相対的に位相整合する段階、
を有することを特徴とする方法。 - 同様の割合で変化し、かつ1つの遅延が増大する間に別の遅延が低減する遅延を用いて前記少なくとも第1及び第2の中間信号の各々を前記第3の中間信号に対して可変遅延させる段階を含むことを特徴とする請求項16又は請求項17に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- 前記可変遅延させる段階は、互いにマグニチュードが等しいそれぞれの遅延を印加することを特徴とする請求項18に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- 隣接する位置の信号を合成して回路の交差を回避する段階を含むことを特徴とする請求項16、請求項17、請求項18、又は請求項19に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- 隣接する位置の中間信号を合成してアンテナ素子のための駆動信号を生成し、回路の交差を回避する段階を含むことを特徴とする請求項16に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- アンテナ素子のための駆動信号に前記アレイにわたって実質的に線形の位相面を備える段階を含むことを特徴とする請求項16に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- アンテナ素子のための駆動信号にサイドローブを抑制する振幅テーパと、ビーム形状を阻害することなく前記アレイのビームを傾斜させる実質的に線形の位相テーパとを備える段階を含むことを特徴とする請求項16に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- 異なる周波数の送信及び/又は受信信号を分離して、異なる傾斜制御に関連付けられた独立した電気的傾斜角を形成する段階を含むことを特徴とする請求項16又は請求項17に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- 余弦、余割、又はDolph−Chebyshev振幅テーパのような振幅テーパを実施する信号分割する段階を含むことを特徴とする請求項16又は請求項17に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- 第1及び第2の中間信号のみを前記第3の中間信号に対して可変遅延させる段階を含むことを特徴とする請求項16又は請求項17に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- 第1、第2、第4、及び第5の中間信号のみを前記第3の中間信号に対して可変遅延させる段階を含むことを特徴とする請求項16又は請求項17に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- 前記アンテナ素子のアレイは、7個、11個、15個、又は19個のアンテナ素子を有することを特徴とする請求項16又は請求項17に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- 二重ボックス直交混成器及び和と差の混成器を用いて信号を分割して合成する段階を含むことを特徴とする請求項16又は請求項17に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
- 前記駆動信号の一部は、個々の中間信号の一部であり、他の駆動信号は、2つの中間信号の一部のベクトル和又はベクトル差であることを特徴とする請求項16又は請求項17に記載の位相配列アンテナシステムを作動させる方法。
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