JP2010534438A - 多アンテナシステム給電デバイスおよびかかるデバイスを備える無線リンク端末 - Google Patents

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Abstract

本発明は、多アンテナシステム給電デバイスおよびかかるデバイスを含む端末に関する。本デバイスは少なくとも以下を含む:1式のウィルキンソン合成器(45、46、47、48)であって、合成器の分岐(401、402、403、404)がアンテナ(41、42、43、44)に給電し、分岐が給電点への入力として接続されること;それぞれの切替器が、切替器が閉のときアンテナが伝送線路に接続されるように、合成器分岐をその対応するアンテナに切り替える、アンテナおよび合成器の間に接続された1式の切替器(51、52、53、54)。例えばアンテナに給電する分岐(401、403)は、システムの2つの連続した合成器(46、47)に共通になることになる。本発明は、MiMo型の多入力/出力(Multiple Inputs/Outputs)を持つデバイスにおいて特に使用される、多アンテナまたはセクターアンテナシステムの拡張に、およびより詳細には網目状ネットワークアーキテクチャに特に適用される。

Description

本発明は、多アンテナシステム給電(feed)デバイスおよびかかるデバイスを含む端末に関する。より詳細には、本発明は、規格802.11または802.16に対する「Multiple Input−Multiple Output(多入力−多出力)」に関する頭字語のMiMo型であると称される、多入力/出力デバイスと共に特に使用される、多アンテナまたはセクターアンテナシステムの拡張に適用される。これらの概念は、送信チャンネルの容量を最大化することによって、伝送システムの効率を著しく改善する。本発明はまた、多アンテナシステムを使用して、ビーム形成の技法によりデータをネットワークの様々なノードに向けて方向付けすることを可能にする網目状ネットワークに適用される。
アドホック(ad hoc)の移動体ネットワークは、無線媒体を通して互いに接続された移動体ノードのグループによって定義される。これらのノードは、それら自身に関して動的に自由に編成し、アドホックと称されるランダムかつ一時的なネットワークの形状を創成することが可能であり、それにより予め定義された通信基盤がない領域において人および端末が相互接続することを可能にする。
この概念から導出される新しい型のネットワークが出現しようとしている。それは、固定型ノードおよび移動体ノードの組み合わせに基づく無線リンクによって相互接続された網目状ネットワークに関係する。
特に複数RF(Radio−Frequency:無線周波数)システム、MiMo技法、またはビーム形成アンテナを使用する代替手段により、これらの網目状ネットワークの容量を改善するために、多くの研究が実行されている。複数RFシステム技法は、より詳細には、周波数直交性と共に、様々な周波数にて独立に起こるフェーディングとも呼ばれる減衰を使用して、ネットワーク容量を増加させる方法である。MiMo型の複数アンテナシステムは同様に、送信および受信に対して、アンテナ・ダイバーシティおよび空間的多重化…を使用することによって無線リンクの容量および正当性を改善する。
送信された信号に独立ないくつかの応答を受信機に提供するダイバーシティは、干渉およびフェーディングに対処するための効果的な技法である。それでもなお、網目状ネットワークの場合のように、干渉が高いレベルにあり、複数のアクセスから派生しているときには、信号を改善するためにはアンテナのダイバーシティのみでは十分ではない。
干渉に対処するために、スマート・アンテナまたは適応型ネットワーク・アンテナが、放射効率および干渉源をフィルターする可能性を改善する。これをするために、我々はアンテナ・ビーム形成を使用して、それにより受信または送信された信号の方向には有効な高い利得の放射パターンを生成し、他の方向には低い利得で生成する。高いレベルの空間的再利用をする高速伝送を確実にするために、指向性伝送制御で十分である場合がある。
しかしながら、網目状ネットワークに対しては、この技法は、選択されたアンテナの1つまたはいくつかに送信信号を向けると同時に、アンテナの間の分離に関する性能を維持することができることを必要とする。この後者の制約は、所与の方向での放射パターン制御に密接に関連する。
生起する問題は、無線リンク・システムにおいてよく見られ、程度の差はあるが、多機能のRF切替デバイスによって一般的に対処されるような、Nのアンテナから1つのアンテナを選択することによるのではなく、特に多アンテナシステム、より一般的には多セクター型のアンテナシステムに供給し選択する際に、1つのチャンネルにまたはさらにNのアンテナまたはセクターにまで向けて同時に信号を送信することを可能にすることからもたらされる。
本発明の1つの目的は、アンテナの間の分離性の問題を解決することである。従って、本発明の目的は、多アンテナシステム給電システムが、
−1式のWilkinson(ウィルキンソン)合成器であって、1つの合成器分岐が、給電点への入力に接続された分岐群によりアンテナに給電すること;
−アンテナおよび合成器の間に接続された1式の切替器であって、それぞれの切替器が合成器分岐をその対応するアンテナに、切替器が閉のときアンテナが伝送線路に接続されるように切り替えること;
それぞれの合成器は、2つのカスケード接続された基本的ウィルキンソン合成器から成り、1つの基本合成器は、4分の1波伝送線路の間に終端抵抗と、長さが波長の倍数である、それぞれの終端抵抗器およびそれぞれの4分の1波伝送線路の間に接続された追加的伝送線路とを備えることである。
追加的伝送線路は、例えば4分の1波伝送線路と同じインピーダンスを有する。
好適な実施形態において、例えばアンテナに給電する分岐はシステムの2つの連続した合成器に共通であることになる。
例えば、1つの分岐が2つの合成器の4分の1波伝送線路を直列に含みつつ、それぞれの合成器が2つのウィルキンソン型のカスケード接続された基本的合成器から成る。
好適な実施形態において例えば、切替器は無反射型である。
1つの可能な構成において、切替器は開状態では、値が合成器の特性インピーダンスとほぼ等しいインピーダンスにその対応する分岐を接続する。
切替器は、50オームのインピーダンスを有する伝送線路により、対応するアンテナに接続可能である。
アンテナは同一アンテナのアンテナ・セクターであることが可能である。
アンテナシステムは例えば、Vivaldi(ビバルディ)型アンテナから成ることが可能である。
1つの可能な実施形態においては、デバイスは二面の回路上に位置し、第1の面は、
−アンテナ群;
−切替器群;
−基本的合成器群の4分の1波伝送線路群;
−これらの合成器群の終端抵抗器群;
を保持し、そしてこれらにより第1の部分を形成する。
そしてもう1つの面は:
−他の基本的合成器の4分の1波伝送線路群;
−追加的伝送線路群;
−これらの他の合成器群の終端抵抗器群;
を保持し、そして第2の部分を形成し、
これらの面の間のリンク群は2つの部分の間の接続を確実にする。
本発明の1つの目的にはまた、前出の特許請求の範囲の何れかによるアンテナに対する給電デバイスを有する多アンテナシステムを備える無線相互接続端子を有することがある。
本発明の他の特性および利点は、以下の説明および添付された図面から明確になることになる。
網目状ネットワークの一例を表す図である。 前述のネットワークにおいて使用可能な多アンテナ無線リンク端末の簡易化されたアーキテクチャの一例を表す図である。 ウィルキンソン広帯域型合成器の典型的な一例を表す図である。 本発明によるデバイスにおけるウィルキンソン型合成器の可能な使用法を表す図である。 本発明によるデバイスの実施形態の一例を表す図である。 本発明によるデバイスの実施形態の一例を表す図である。 本発明によるデバイスの実施方法の一例を表す図である。 本発明によるデバイスの実施方法の一例を表す図である。
図1は、WiFiおよびWimaxと称される無線リンク技術を使用する網目状ネットワークの一例を例示する。端末1のグループは、電波塔2の先端に取り付けられた送受信機により通信する。これらの端末1は、1式の固定型および移動体のノードを形成する。これらは、規格802.11または802.16にて動作するMiMo型の端末デバイスである。固定型ノードは、規格802.16に合致するWimax型の無線リンク3によって送信機に接続される。移動体ノードは、802.11に合致するWiFi型の無線リンク4によって互いに接続される。また端末5は、例えば任意の型のコンピューターまたは携帯電話であるが、移動体ノードの無線ネットワーク4に組み入れることが可能である。以前に表されたように、これらのノードは動的な方法にてそれぞれを自由に自律的に編成し、「アドホック」と称されるランダムかつ一時的なネットワークの形状を作成することが可能であり、それにより予め定義された通信基盤がない領域において人および端末5が相互接続することを可能にする。
図2は、特に図1のネットワークにおいて使用される多アンテナ無線リンク端末1のアーキテクチャの単純化された一例を示す。端末には、送信および受信のアンテナ20がある。それはまた、規格802.11または802.16に合致するベースバンド回路21、使用される規格に適合するRFインターフェイス回路、および送信または受信に対して送信信号または受信信号を同時に選択された1つまたはいくつかのアンテナの方に向けるために使用されるアンテナ・アクセス管理デバイスを含む。このデバイスは例えば、それぞれアンテナをRFインターフェイス回路22に接続する一連の無線周波数切替器23およびリンク25を含む。このインターフェイス回路22はそれ自身が、同様に既知の型である受信および送信回路に接続される。送信の間、この回路はアンテナに対するRF給電として見える。切替器は、制御回路24によって制御される。
アンテナ給電点とアンテナ群のそれぞれとの間に挿入されたインターフェイス段がアンテナ群の間の分離性の必要な基準を確実にし、給電の見地からの良好な整合性を守るように思われる。しかし、如何なる技術が使用されようとも、RFシステムのこの精緻な点でこの段を挿入することに対する代償として、第1に挿入損失の追加により受信感度を劣化させること、およびまたこれらの損失を補償するための送信電力の増加を招く。これらの欠点は、供給点から直接アンテナシステムに、すなわち星形モードにて供給することを考えるに至る。しかしながら、このような概念の最適化をしたにもかかわらず、シミュレーションによると、アンテナ間にておよそ12dBより良い分離性を期待できる可能性は低く、移動体ノードおよび固定型ノードを有する混在型のネットワーク・アプリケーションに対して殆どの指向性性能を達成するにはほど遠いことが立証されている。
図3は、広帯域のウィルキンソン型合成器を例示する。より詳細には、この合成器は、2つの従来型ウィルキンソン合成器31、32のカスケード配置である。実際、2つの従来型基本的合成器のカスケード接続により、ウィルキンソン型合成器の帯域幅を増加させることが可能である。基本的ウィルキンソン合成器は、2つの4分の1の波の、したがって長さλ/4を有する伝送線路311、312をそれぞれ有し、それぞれ第1の合成器に対してZ1の特性インピーダンスを有し、第2の合成器に対してZ2の特性インピーダンスを有する。カスケードは、第2の合成器32の分岐が第1の合成器31の分岐への終端抵抗器であるように接続する方法にて生成される。負荷抵抗器33、34は、第2の合成器32の分岐の出力に接続される。第1の合成器31の入力は、合成器全体の入力を形成し、第3の負荷抵抗器35が負荷となり、特性インピーダンス36を含む伝送線路を通して第1の合成器に接続される。終端抵抗器37、38はそれぞれの基本的合成器の2つの分岐の間に接続される。
伝送線路の特性インピーダンスおよび終端抵抗を最適化し、所与の周波数帯における必要な分離性を獲得することが可能である。分離性性能および実効的帯域幅の間には、トレードオフがある。
本発明によるデバイスの実施は特に以下に基づく:
−ウィルキンソン広帯域合成器のアーキテクチャの特定の拡張;
−2つの連続したアンテナまたは2つの連続したセクターにおける合成器のそれぞれの分岐311、312の使用;
−デバイスの実際の配置を可能にする合成器の分岐の内の1つのモジュロλアンバランス;
−無反射型のアンテナまたはセクターに対する切替システム。
合成器のカスケード拡張に関する限り、我々が2つのアンテナまたは2つの連続したアンテナ・セクターの給電に対する解決法を考えるなら、整合性および分離性の観点からの性能は、それぞれおよそ20dBおよび30dBである可能性がある。しかしながら、この解決法は、少なくとも4つのアンテナまたはアンテナ・セクターの同時の給電を必要とする。
図4は、本発明に関するウィルキンソン型合成器の使用法を表現するブロック図である。図4において例示されるように、本発明によるデバイスは、広帯域のウィルキンソン合成器に基づき、セクター次数n−1およびセクター次数n+1の両方に対して合成器のそれぞれの分岐を同時に使用することによって、この解決法をNのセクターまたはアンテナまで拡張する。図4の例は、ビバルディ型の4つのセクター41、42、43、44があるアンテナの場合に関係する。最初の2つのアンテナ・セクター41および42を考えると、それらは中心点(示されない)からそれぞれ第1のウィルキンソン型合成器45の第1の分岐401および第2の分岐402によって給電される。同様に、第2および第3のセクター42、43は、第2の合成器46の第1の分岐402および第2の分岐403によって同時に給電され、分岐402は第1および第2の合成器45、46に共通の第2のセクター42に給電する。
同様に、第3および第4のセクター43、44は、それぞれ第3の合成器47の第1の分岐403および第2の分岐404によって給電され、そして第4および第1のセクター44、41はそれぞれ第4の合成器48の第1の分岐404および第2の分岐401によって給電される。第3のセクター43に給電する分岐403は、第2および第3の合成器46、47に共通であり、一方第4のセクション44に給電する分岐404は、第3および第4の合成器47、48に共通であり、そして第1のセクター41に給電する分岐401は第4および第1の合成器48、45に共通である。それぞれの合成器の入力はまた、中心給電点に接続される。
使用されるアンテナまたはアンテナ・セクターの数によって、このアーキテクチャをこの方法にて繰り返すことが可能である。
図5は、図4に示された型のアーキテクチャに対するアンテナまたはアンテナ・セクターの切り替えの原理を例示する。このようにして、図5のシステムは、1つまたはいくつかのアンテナ・セクター1、42、43、44の方に同時に送信されるべき信号の選択を可能にし、その結果例えば固定端末および移動体端末を一緒に混在させるネットワークのように、使用されるネットワーク・プロトコル管理に従い、全体的な放射パターンの修正を可能にする。したがって、全体的なアンテナの分離性および整合性の性能を変更するかも知れない、1つまたはいくつかのセクターが同時に非活性化することは最小限になるよう回避することが重要である。
本発明によるとアンテナの切り替えは、ウィルキンソン合成器に基づく給電システムの後で、例えば無反射型の1式のセレクター切替器51、52、53、54によって実行される。これにより特に:
−一方では、1つまたはいくつかのアンテナ・チャンネルが非活性化されることがないため、そしてそれゆえこのまたはこれらの合成器の分岐の内の1つは、アンテナが提示する負荷が最早見えないため、合成器の何れのアンバランスをも回避し、
−さらにこの1式の切替器の分離性性能にはほとんど影響を受けないままである、
ことが可能になる。
使用されるウィルキンソン合成器は、図3において使用されるものと同一の型である。図5は、それぞれ第1 41、第2 42、第3 43,および第4のセクター44に給電する、4つの分岐401、402、403、404を示し、それぞれの分岐は2つの連続した合成器に共通である。例として2つの合成器46、47が図5において示され、第3のセクターに給電する分岐403はこれら2つの合成器に共通である。例えばそれぞれの合成器45、46、47、48は2つの基本的合成器で構成され、それぞれの分岐は、連続的にカスケード接続された合成器の4分の1波伝送線路60、59を含む。
分岐401、402、403、404は、入力にて中心給電点50に接続される。それぞれの分岐は、出力にてセレクター切替器51、52、53、54に接続される。
切替器が開のとき、その対応する分岐はインピーダンス55に接続され、このインピーダンス55がその分岐の負荷になる。例えばセレクター切替器を無反射型にするために、この負荷インピーダンス55は合成器の特性インピーダンス、例えば50オームに等しくなる。セレクター切替器が閉のとき、それはその対応する分岐をそのアンテナまたはその関連付けられたアンテナ・セクターに、あるいは例えば特性インピーダンスZ3、例えば50オームを持つ伝送線路を介して接続する。
図5において例示されるデバイスはこのように、どんな切り替えがセレクター切替器51、52、53、54にて実行されたとしても、すべてのアクティブなセクターにおいて同じ分離性能を維持する。その上この解決法は、PIRE(Equivalent Radiated Isotropic Power:等価等方放射電力)をセクター単位で、給電回路の損失および全体的なアンテナの利得を除外して、例えば電力増幅器の出力50での電力マイナス6dBに等しく一定に維持することを可能にする。特にこれは、規格および標準を実現することを可能にすると同時に、簡単にセクター41、42、43、44当たりの最大放射電力を確実にする。
それにもかかわらず、この解決法は、電力増幅器によって送信される電力の部分が無反射セレクター切替器の負荷55によって吸収されることを必要とする。増幅器出力電力が十分であるなら、これは制約にはならずに、かつ網目状ネットワーク管理目的に対しては放射電力の制御をむしろ簡略化できる。
受信方向においては、選択されたアンテナ・セクターが放射点50の方に向けられるため、セレクター切替器51、52、53、54に関する感度の無損失が可能であることが必要である。
図6は、実際的な実施方法を提供するときの、使用される周波数スペクトルにおける電気的性能を保証する別の実施形態を例示する。実際に図5において示された型の解決法を使用する際には、特に2.4ギガヘルツWiFi帯に、周波数帯がそれぞれ2.7ギガヘルツ、3.5ギガヘルツ、または5.8ギガヘルツに設定されているWimaxアプリケーションに適用する周波数の場において、あるいはさらにまた5ギガヘルツ範囲のWiFi帯において、その実際的な実施方法に由来する1つの困難性が起こることがあり得る。
これらの無線周波数場において合成器から最適な挙動を得るためには、終端抵抗器37はそれぞれの4分の1波伝送線路の可能な限り近くに位置せねばならない。例えば、5.8ギガヘルツでのアプリケーションに対して図4において例示されたビバルディ型アンテナを考慮すると、合成器の4分の1波伝送線路は7.4mmになる。従って図4において例示される十字型の給電線路401、402、403、404は、例えばインピーダンスZ1を有する最初の4つの4分の1波区間を表現し、終端抵抗器37をその十字型の末端に、すなわち5.8ギガヘルツにておよそ10mmの距離にて接続することを意味する。そのような距離は、著しく禁止的であり、整合性および特に分離性性能をかなり低下させ、ことによるとこの解決法を無効なものとする。
図6における配置は、実際に実施可能な実施形態との互換性を確実にしつつ、電気的性能を保証する。この典型的な実施形態においては、終端抵抗器37の長さを最小にするため、合成器の分岐の内の1つが長さが波長λの倍数であり、例えば最初の分岐60と同じ特性インピーダンスZ1を有する、追加的伝送線路61によりアンバランスになる。従ってそれぞれの終端抵抗器37が、図6で例示されるように長さλ/4を有する分岐60および長さ5λ/4を有する分岐61の間に接続される。この配置は、例えば表面および裏面の2層を有する多層回路に有利に適合する。
図7aおよび図7bは、両面印刷配線回路上の図6の配置の実施方法の一例を示し、図7aが1つの面を示しそして図7bが他方を示す。図7aにおいて例示される第1の面上には、以下のものが置かれている:
−例えばパッチの形体のアンテナ・セクター41、42、43、44;
−セレクター切替器51、52、53、54;
−第2の基本的合成器の4分の1波伝送線路59;
−これらの合成器の終端抵抗器38;
図7bで例示される第2の側の上には:
−第1の基本的合成器の4分の1波伝送線路61;
−示された例における波長λに等しいモジュロλ60の長さの伝送線路;
−終端抵抗器37。
これらの側の間のリンク71は2つの部分の間の接続を確実にする。
図7aおよび図7bにおいて例示される回路が、アンテナ・パターンの間で極めて良好な非相関性を保証しつつ、特に5.15ギガヘルツおよび5.875ギガヘルツの間を含むWiFi帯に亘って、30dBを上回る分離性を有し、20dBを上回る整合性を生み出すことを測定値が示している。
特に本発明は、MiMoシステムにおいて、および特に網目状ネットワークアーキテクチャに対して使用される多アンテナシステムまたは多セクター・アンテナに対して理想的に適合する。アンテナの間の分離性による性能により、本発明は放射効率および干渉をフィルターすることができる可能性を著しく改善することになる。このように指向性送信を制御することにより、高いレベルの空間的な再使用による高速の送信が可能になるであろう。
図に提示された典型的な実施形態は、4つのアンテナまたはアンテナ・セクターを含む。当然ながら、より多い数のアンテナに本発明を適用することが可能である。
例えば図2において示された型に無線リンク端末を配備するために、本発明によるデバイスを有利に使用することができる。この場合においては、切替器23およびリンク25のシステムは、以前に説明されたように、入力にてインターフェイス22に、および出力にてアンテナに接続されて、本発明によるデバイスに置き替えられる。

Claims (11)

  1. −合成器の分岐(401、402、403、404)がアンテナ(41、42、43、44)に給電し、前記分岐が給電点に入力として接続されている、ウィルキンソン合成器(45、46、47、48)のシステムと;
    −切替器が閉状態のときに前記アンテナが前記伝送線路に接続されるように、それぞれの前記切替器が合成器分岐を自身の対応するアンテナに切り替える、前記アンテナと前記合成器との間に接続された1式の切替器(51、52、53、54)と
    を少なくとも含む多アンテナシステム給電デバイスであって、
    それぞれの合成器(45、46、47、48)が2つのカスケード接続された基本的ウィルキンソン合成器を備えることであって、1つの基本的合成器が、4分の1波伝送線路(60)の間の終端抵抗(37)と、長さが波長の倍数である、それぞれの終端抵抗器とそれぞれの4分の1波伝送線路(60)との間に接続された追加的伝送線路(61)とを備えること
    を特徴とするデバイス。
  2. アンテナに給電する分岐(401、403)が、前記システムの2つの連続した合成器(46、47)に共通であることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  3. 分岐(401、402、403、404)が、合成器の前記2つの基本的合成器の前記4分の1波伝送線路(60、59)を直列的に含むことを特徴とする前の何れかの請求項に記載のデバイス。
  4. セレクター切替器(51、52、53、54)が、反射性ではないことを特徴とする前の何れか1つの請求項に記載のデバイス。
  5. 開状態にて切替器が、値が前記合成器の特性インピーダンスにほとんど等しいインピーダンス(55)に自身の対応する分岐を接続することを特徴とする請求項4に記載のデバイス。
  6. それぞれの終端抵抗器およびそれぞれの4分の1波伝送線路の間に接続された追加的伝送線路(61)が、前記4分の1波伝送線路(60)と同一のインピーダンス(Z1)を有することを特徴とする請求項6に記載のデバイス。
  7. セレクター(51、52、53、54)が、インピーダンス(Z3)によって自身の対応するアンテナに接続されることを特徴とする前の何れか1つの請求項に記載のデバイス。
  8. 前記アンテナが、同一アンテナのアンテナ・セクター(41、42、43、44)であることを特徴とする前の何れか1つの請求項に記載のデバイス。
  9. 前記アンテナシステムが、ビバルディ型のアンテナを備えることを特徴とする前の何れか1つの請求項に記載のデバイス。
  10. デバイスが2面の回路上に置かれており、第1の面が:
    −アンテナ(41、42、43、44);
    −切替器(51、52、53、54);
    −前記第2の基本的合成器の4分の1波伝送線路(59);
    −これらの合成器の終端抵抗器(38);
    を保持し、かつこれらより成る第1の部分を形成することと、他の面上にて:
    −前記第1の基本的合成器の4分の1波伝送線路(61);
    −追加的伝送線路(60);
    −これらの他の合成器の終端抵抗器(37);
    を保持し、かつこれらより成る第2の部分を形成することと、
    前記2つの部分の間の接続を確実にするこれらの面の間のリンク(71)と
    を特徴とする前の何れか1つの請求項に記載のデバイス。
  11. 前の何れかの請求項に記載のアンテナ給電デバイスを備える多アンテナシステム(41、42、43、44)を備えることを特徴とする無線リンク端末。
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