JP2013034263A - アンテナのためのフィードおよびモジュラフィード - Google Patents

Abstract

【課題】低いシステム損失、広い動作帯域幅、および低複雑さを有するフェーズドアレイアンテナのためのフィードを提供すること。
【解決手段】フェーズドアレイアンテナのためのモジュラーフィード（１０）において、シリーズタイプフィードとコーポレートタイプフィードの利点が組み合わされて、モジュラーフィードのシステム効率および動作帯域幅を増大させる。１段の電力分岐を有するフィードモジュール（４０，５０）が、ゼネラルシリーズタイプフィード構成を有するアレイモジュール（１００，２００，３００，４００）に給電するために使用される。アレイモジュールは、相互交換可能であり、フィードモジュールは、相互交換可能であり、これは、製造コストおよびシステムの複雑さを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フェーズドアレイアンテナのためのフィードに係り、特に、広い動作帯域幅、低いシステム損失、および低い複雑さを有するモジュラフィードに関する。

ワイヤレスシステムのキャパシティは、ワイヤレスサービスエリアをサービスする基地局においてフェーズドアレイアンテナを使用することにより増大され得る。フェーズドアレイアンテナを使用するワイヤレスシステムにおいて、アンテナフィードネットワークに関連するシステム損失および動作帯域幅は、クリティカルである。フィードネットワークにおける高いシステム損失（即ち、低いシステム効率）は、アンテナが所定電力レベルでブロードキャストするために、高い電力要求となる。フィードネットワークの狭い動作帯域幅は、アンテナの低い帯域幅性能となる。

フェーズドアレイアンテナに対する１つの従来のクラスのフィードネットワークは、光スペースフィードである。光スペースフィードは、光信号をピックアップホーン（ｈｏｒｎ）のアレイに送信するための送信機を含む。ピックアップホーンは、フェーズドアレイアンテナからの信号を送信するための放射エレメントに接続されている。光スペースフィードは、大きなボリュームを占めかつ高いシステム損失を有するという大きな不利益を被る。

別のクラスのアンテナフィードネットワークは、強制（ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ）フィードである。第１のタイプの強制フィード、シリーズフィードが、Ｈａｍｐｅｌ等による米国特許第５，９０５，４６２号の図３に示されている。シリーズフィードは、比較的低いシステム損失を有する。しかし、シリーズフィードの動作帯域幅は狭い。

第２のタイプの強制フィードは、パラレルフィードである。パラレルフィードは、ディレイの使用により周波数独立にされ得る。しかし、パラレルフィードは、アンテナの各出力ブランチにおいて異なる位相シフティング値を必要とし、これは、多くのパラレル出力ブランチを有する高利得アンテナにおいて達成することが困難となる。このような位相シフト値は、パラレルフィードをさらに複雑にする。

第３のタイプの強制フィードは、コーポレート（ｃｏｒｐｏｒａｔｅ）フィードである。コーポレートフィードの例が、ｈａｍｐｌｅｌ 等の図１および２に示されている。パラレルフィードにおけるように、コーポレートフィードの帯域幅は広くすることができる。しかし、コーポレートフィードは、非常に複雑であり、製造コストを増大させる。コーポレートフィードは、入力電源の複数の分岐のために大きなシステム損失を有する。

低いシステム損失、広い動作帯域幅、および低い複雑さを有するフェーズドアレイアンテナのためのフィードが必要とされている。

本発明は、伝送ライン長さおよび電力分岐段数の両方を減少させることにより、従来のフィード構成の欠点を克服し、モジュラーフィードの効率を増大させる。

本発明の一実施形態は、フェーズドアレイアンテナに対するモジュラーフィードであり、別個のモジュールを含むモジュラーフィードである。モジュラーフィードにおける第１のタイプのモジュール、アレイモジュールは、シリーズタイプフィード構成を有し、放射エレメントとの接続のための複数の放射エレメント（ｒａｄｉａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）フィードラインを含む。第２のタイプのモジュール、フィードモジュールは、複数のアレイモジュールへ信号を供給するための回路を含む。例示的な実施形態において、電力ディバイダは、２つのフィードモジュールに給電し、各フィードモジュールは２つのアレイモジュールに給電し、各アレイモジュールは、４個の放射エレメントフィードラインを含む。シリーズタイプフィード構成を有するアレイモジュールに給電するためにフィードモジュールを使用することは、伝送ライン長を減少させ、２段の電力分岐のみを必要とする。

アレイモジュールは、相互交換可能であり、これは、モジュラーフィードの複雑さおよび製造コストを減少させる。フィードモジュールも、相互交換可能であり、これは、モジュラーフィードの複雑さおよびコストをさらに減少させる。

本発明の一実施形態によるモジュラーフィードを示す概略図。 本発明の一実施形態によるフィードモジュールを示す概略図。 本発明の一実施形態によるアレイモジュールを示す概略図。 本発明の一実施形態によるアレイモジュールを示す概略図。

図１は、本発明の一実施形態におけるモジュラーフィードを示す。図１に示されているように、フェーズドアレイアンテナのためのモジュラーフィード１０は、それぞれ伝送ライン７１，７２により第１および第２のアレイモジュール１００，２００に接続された第１のフィードモジュール４０、それぞれ伝送ライン７３，７４により第３および第４のアレイモジュール３００，４００に接続された第２のフィードモジュール５０、および第１および第２のフィードモジュール４０，５０に接続された電力ディバイダ３０を含む。

電力ディバイダ３０は、例えば、基地局内のハードウェアからの信号を受信することができる入力ライン３２を有する。電力ディバイダ３０は、それぞれ第１および第２のフィードモジュール４０，５０に接続された出力ライン３４および３６に信号を分岐させる。モジュラーフィード１０は、電力ディバイダ３０に対して対称であるので、本発明の構造は、第１のフィードモジュール４０、伝送ライン７１，７２および第１および第２のアレイモジュール１００，２００を含むモジュラーフィード１０の左側について説明される。

図２は、第１のフィードモジュール４０を示す。電力ディバイダ３０の出力ライン３４は、第１のフィードモジュール４０中の電力ディバイダ４４の入力ライン４２に接続されている。電力ディバイダ４４は、出力ライン４６および出力ライン４８に信号を分岐させる。位相シフタ４９は、出力ライン４６中に配置されている。伝送ライン７２は、出力ライン４８を第２のアレイモジュール２００へ接続し、伝送ライン７１は、出力ライン４６を第１のアレイモジュール１００へ接続する。

図３は、第２のアレイモジュール２００を示す。伝送ライン７２は、第２のアレイモジュール２００のアレイフィードライン２２０に接続されている。第１ないし第４の放射エレメントフィードライン２４０，２４２，２４４，２４６は、アレイフィードライン２２０に対して互いに並列に接続されている。第１ないし第４の放射エレメントフィードライン２４０，２４２，２４４，２４６は、各々、ターミナルエンドに接続された（図において、仮想的に示された）第１ないし第４の放射エレメント２８０，２８２，２８４，２８６の対応する１つを有する。

第２のアレイモジュール２００は、第１ないし第３の位相シフタ２６０，２６２，２６４を含み、第１ないし第４の放射エレメント２８０，２８２，２８４，２８６の間の距離を補償し、モジュラフィード１０を使用するアンテナのステアリングを可能にする。第１の位相シフタ２６０は、第１の放射エレメントフィードライン２４０と第２の放射エレメントフィードライン２４２との間のアレイフィードライン２２０中に配置され、第２の位相シフタ２６２は、第２の放射エレメントフィードライン２４２と第３の放射エレメントフィードライン２４４との間のアレイフィードライン２２０中に配置され、第３の位相シフタ２６４は、第３の放射エレメントフィードライン２４４と第４の放射エレメントフィードライン２４６との間のアレイフィードライン２２０中に配置される。したがって、第２のアレイモジュール２００は、全般シリーズフィード構成を有する。

また、第２のアレイモジュール２００は、第１ないし第３のディレイ２５０，２５２，２５４を含み、伝送ライン７２から到着する信号が、第１ないし第４の放射エレメント２８０，２８２，２８４，２８６に同時に、またはほぼ同時に到着することを保証する。第１の放射エレメントフィードライン２４０は、第１の放射エレメントフィードライン２４０中の信号を特定の時間ピリオド遅延させる第１のディレイ２５０を含み、第２の放射エレメントフィードライン２４２は、第１のディレイ２５０よりも短い遅延ピリオドの第２のディレイ２５２を含み、第３の放射エレメントフィードライン２４４は、ディレイ２５２よりも短いディレイピリオドの第３のディレイ２５４を含む。

図４に示された第１のアレイモジュール１００は、第２のアレイモジュール２００と同じ構造を有し、したがって、詳細には説明しない。

第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００は、別個の個別のモジュールであり得る。例えば、第１のアレイモジュール１００は、アレイフィードライン１２０、第１ないし第３のディレイ１５０，１５２，１５４およびその上に形成された残りのアレイモジュール回路を備えた回路基板を含み得る。第１ないし第４の放射エレメント１８０，１８２，１８４，１８６は、第１のアレイモジュール１００の一部として形成される必要はなく、第１ないし第４の放射エレメントフィードライン１４０，１４２，１４４，１４６に合着可能に係合され得る。第２ないし第４のアレイモジュール２００，３００，４００は、同様に形成され得る。

第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００の各々は、それぞれ、伝送ライン７１，７２，７３，７４への接続のためのインターフェースを含み得る。代替的に、第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００は、第１および第２のフィードモジュール４０，５０のうちの一方への直接接続のためのインターフェースを含み得る。両方のタイプのインターフェースは、第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００の融通性を増大させるために含めることができる。

第１および第２のフィードモジュール４０，５０は、その上に含まれるフィードモジュール回路を備えた回路基板も含み得る。第１および第２のフィードモジュール４０，５０は、伝送ライン７１，７２，７３，７４との接続のためのインターフェース、第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００への直接接続のためのインターフェース、または両方のタイプのインターフェースを含み得る。第１および第２のフィードモジュール４０，５０は、電力ディバイダ３０との接続ためのインターフェースも含む。

図１、３および４に示されているように、第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００の各々は、同じであり得る。図１において、第３および第４のアレイモジュール３００，４００は、モジュールフィード１０において異なる物理的方向に配置されていることを除いて、第１および第２のアレイモジュール１００，２００と同じである。アレイモジュールをひっくり返すことにより、アレイモジュールは、モジュールフィード１０の左側または右側のいずれにおいても使用可能である。

例えば、第１のアレイモジュール１００は、第１のアレイモジュール１００をひっくり返すことにより、第３および第４のアレイモジュール３００，４００と相互交換可能である。第２のアレイモジュール２００も、第３および第４のアレイモジュール３００，４００と相互交換可能である。同様に、第１および第２のフィードモジュール４０および５０は、同じであり、かつ相互交換可能であり得る。

同じで、相互交換可能な第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００を使用することにより、モジュールフィード１０の複雑さは、かなり低減される。例示的な実施形態において、１つのタイプのアレイモジュールおよび１つのタイプのフィードモジュールのみが、フェーズドアレイアンテナのためのフィードを構成するために必要とされる。

モジュラーフィード１０の動作を図１ないし４を参照して説明する。図１において、信号は、入力ライン３２においてモジュラーフィード１０に給電される。信号は、出力ライン３４および３６の間で分割される。

図２において、出力ライン３４からの信号は、フィードモジュール４０の入力ライン４２により受信される。これらの信号は、電力ディバイダ４４により分割され、出力ライン４６および４８に送られる。位相シフタ４９は、出力ライン４６に沿って送られる信号の位相をシフトする。位相シフタ４９の動作は、アレイモジュール中の位相シフタの動作の説明との関連で以下に詳細に説明される。

図３において、出力ライン４８からの信号は、伝送ライン７２を介して、第２のアレイモジュール２００のアレイフィードライン２２０へ送られる。伝送ライン７２中の信号の一部は、第１の放射エレメントフィードライン２４０へ取り込まれる。第１の放射エレメントフィードライン２４０中の信号は、第１の放射エレメント２８０に到着する前に、第１のディレイ２５０においてある時間ピリオド遅延させられる。

アレイフィードライン２２０は、伝送ライン７２中の信号の残りの部分を第２ないし第４の放射エレメントフィードライン２４２，２４４，２４６へ運ぶ。第１ないし第３の位相シフタ２６０，２６２，２６４の各々は、位相シフト角Δφだけ、第１の放射エレメントフィードライン２４０中の信号の位相に対して、アレイフィードライン２２０中の信号の位相をシフトする。したがって、第２の放射エレメントフィードライン２４２中の信号の位相は、Δφだけシフトされ、第３の放射エレメントフィードライン２４４中の信号の位相は、２Δφだけシフトされ、第４の放射エレメントフィードライン２４６中の信号の位相は、３Δφだけシフトされる。

第３の放射エレメントフィードライン２４４中の位相シフトは、第２の放射エレメントフィードライン２４２中の位相シフトよりも大きく、第３の放射エレメントフィードライン２４４と第１の放射エレメントフィードライン２４０との間のより大きな距離による。したがって、第４の放射エレメントフィードライン２４６中の３Δφの位相シフトは、第２のアレイモジュール２００中で最大である。

第１のディレイ２５０の遅延ピリオドは、第２のディレイ２５２の遅延ピリオドより長く、第３のディレイ２５４は、最短の遅延ピリオドを有する。第１ないし第３のディレイ２５０，２５２，２５４は、伝送ライン７２から到着する信号が、同時に、またはほぼ同時に、第１ないし第４の放射エレメント２８０，２８２，２８４，２８６に到着することを保証するために含められる。

図２において、位相シフタ９８は、出力ライン４６中の信号の位相をシフトし、これは、第１のアレイモジュール１００へ送られる。一般に、第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００の各々は、ｎ個の放射エレメントフィードラインを含み得る。位相シフタ４９は、アレイモジュール１００へ送られる信号の位相をシフトしなければならず、これは、アレイモジュール２００中の第１の放射エレメントフィードライン２４０からの第１のアレイモジュール１００の距離による。

位相シフタ４９による位相シフタは、ｎΔφとなる。図１−４中に示された実施形態において、第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００の各々は、４個の放射エレメントフィードラインを有し、位相シフタ４９による位相シフトは、４Δφである。伝送ライン７１は、位相シフタ４９によりシフトされた信号を第１のアレイモジュール１００へ運ぶ。

図４において、伝送ライン７１中の信号は、第２のアレイモジュール２００中の第１の放射エレメントフィードライン２４０中の信号に対して、４Δφ（または、より一般的にはｎΔφ）だけ位相をシフトされて、アレイフィードライン１２０、および第１の放射エレメントフィードライン１４０に到着する。４Δφの位相シフトおよび第１ないし第３の位相シフタ１６０，１６２，１６４による位相シフトは、以下のように、第１ないし第３の放射エレメントフィードライン１４２，１４４，１４６中の信号の位相をシフトする。第２の放射エレメントフィードライン１４２は５Δφ、第３の放射エレメントフィードライン１４４は６Δφ、第４の放射エレメントフィードライン１４６は７Δφである。

図１において、モジュラーフィード１０の右側は、モジュラーフィード１０の左側と同様に動作する。第３および第４のアレイモジュール３００，４００は、第１および第２のアレイモジュール１００，２００に対してひっくり返されており、第２のフィードモジュール５０は、第１のフィードモジュール４０に対してひっくり返されているので、フィードモジュール１０の右側におけるフェーズシフタによる位相シフトは、負の符号となる。

モジュラーフィード１０が対称的であるので、第３のアレイモジュール３００中の第１の放射エレメントフィードライン３４０中の信号の位相は、第２のアレイモジュール２００中の第１の放射エレメントフィードライン２４０中の信号に対してシフトされない。しかし、モジュラーフィード１０の右側（モジュラーフィード１０の中心から外側）における連続的な放射エレメントフィードライン中の信号の位相は、例示的な実施形態において、−Δφ，−２Δφ，−３Δφ，−４Δφ，−５Δφ，−６Δφおよび−７Δφだけシフトされる。

次に、フィードライン中のディレイの動作が説明される。第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００中で使用されるディレイは、モジュラーフィード１０の動作帯域幅を増大させる。しかし、ディレイは、それぞれの放射エレメントフィードライン間を進むために信号により必要とされる時間を正確に補償する必要はない。即ち、モジュラーフィード１０に対して制限のない動作帯域幅、または周波数インピーダンスを生じる構成である。ディレイが、この進行時間を完全に補償するように設計される場合、モジュラーフィード１０の電力要求条件は、不必要に高くなり得る。

各ディレイは、フェーズドアレイアンテナ１０を周波数独立にするものよりも小さいディレイを有し得る。これは無制限な動作帯域幅は、モジュラーフィード１０に必要とされないので、重要な実際的な考慮である。第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００中のディレイは、その代わりに、モジュラーフィード１０に対して望ましい制限された動作帯域幅を提供するように設計され得る。この方法において、ディレイは、かなり短くすることができ、モジュラフィード１０の電力要求条件を低減する。

図面に示された例示的な実施形態は、高いシステム効率を有する。第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００へ給電するための第１および第２のフィードモジュール４０および５０を使用することは、比較的短いライン長の使用を可能にする。図１に示されているように、モジュラーフィード１０は、１６個の放射エレメントに給電するために、２段のみの電力分岐を必要とする。電力ディバイダ３０における第１段、および第１および第２のフィードモジュール４０，５０中の電力ディバイダにおける第２段である。対照的に、純粋なコーポレートフィードは、１６個の放射エレメントを給電するために４段の分岐を必要とする。分岐の各段は、フィードの電力要求条件を増大させるので、分岐は望ましくない。

第１および第２のフィードモジュール４０，５０は、好ましくは、ジェネラルシリーズタイプ（ｇｅｎｅｒａｌ ｓｅｒｉｅｓ−ｔｙｐｅ）フィード構造を有する第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００と結合される。モジュラーフィード１０は、複数のアレイモジュールを含むので、各アレイモジュールは、余計な数の放射エレメントフィードラインを含む必要はない。

上述した利点に加えて、第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００の周波数依存性は、放射エレメントフィードライン中のディレイの使用により低減され得る。したがって、モジュラーフィード１０は、システム効率の増大に加えて、広い動作帯域幅を有する。

図１に示されたモジュラーフィード１０は、対称的構成において、第１ないし第４のアレイモジュール１００，２００，３００，４００を含む。この構成は、例示目的で使用されており、モジュラーフィード１０は、図示されているような４個の同じアレイモジュールを含む必要がないことが理解されるべきである。

図１において、４個の放射エレメントフィードラインの例示的な値は、各アレイモジュールを含むものとして示されている。この数は例示目的のために使用されており、本発明を限定的に解釈すべきでない。
［発明の効果］

以上述べたように、本発明によれば、低いシステム損失、広い動作帯域幅、および低複雑さを有するフェーズドアレイアンテナのためのフィードを提供することができる。

１０ モジュラーフィード
３０ 電力ディバイダ
３２ 入力ライン
３４，３６ 出力ライン
４０，５０ フィードモジュール
７１，７２，７３，７４ 伝送ライン
１００，２００，３００，４００ アレイモジュール
３４，４６ 出力ライン
４０ フィードモジュール
４２ 入力ライン
４４ 電力ディバイダ
４９ 位相シフタ
７１ 転送ライン
７２ 伝送ライン
７２ 伝送ライン
２００ アレイモジュール
２２０ アレイフィードライン
２４０ 放射エレメントフィードライン
２５０ ディレイ
２６０ 位相シフタ
２８０ 放射エレメント

Claims (1)

1. 入力ラインおよび第１および第２の出力ラインを有する第１の電力ディバイダと、
   前記第１の電力ディバイダの前記第１の出力ラインに接続された入力ラインおよび少なくとも２つの出力ラインを有する第２の電力ディバイダと、
   前記第１の電力ディバイダの前記第２の出力ラインに接続された入力ラインおよび少なくとも２つの出力ラインを有する第３の電力ディバイダと、
   各々が、前記第２および第３の電力ディバイダの前記出力ラインの１つに接続された４個のアレイフィードとを有し、
   前記アレイフィードの各々が、
   アレイフィードラインと、
   前記アレイフィードラインに接続された少なくとも２つの放射エレメントフィードラインとを有し、
   前記放射エレメントフィードラインの各々が、放射エレメントに給電することを特徴とするアンテナのためのフィード。

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