JP2013538027A - 無線通信用のスマートアンテナ - Google Patents

Abstract

スマートアンテナは，バラクタを備える複数の無給電アンテナ素子と，バラクタに接続されるように配置され，直流電圧を供給するよう動作する電圧源と，バラクタに印加される直流電圧を調整するように動作する制御部とを含み，各無給電アンテナ素子は，各無給電アンテナ素子に印加される電圧に基づいて反射器または導波器のどちらかとして再構成することができる。励振素子は，それぞれ実質的に２５ｍｍおよび５０ｍｍの半径のところにある無給電素子の第１および第２の環状アレイによって囲まれており，各環状アレイは６個のアンテナ素子を含む。アレイはビームを操縦するために構成することができる。この配置はコンパクトで，効率がよい。

Description

本発明はアンテナに関し，好ましい実施形態では，無線通信用途のためのコンパクトな低コストのスマートアンテナに関する。

スマートアンテナは，干渉信号の方向にヌル形成しながらその主ビームを所望のユーザへ向けることができる。スマートアンテナは，次世代の地上無線通信，衛星通信およびレーダのための主要技術の１つである。スマートアンテナは，スペクトル効率を高めると同時に送信電力を低減することにより，無線通信ネットワークの容量を大幅に増加させることができる。

スマートアンテナは，その利得の増加により，ディジタルリンク上での信号対雑音比（ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ）を低減させることができ，よって，通信リンクのビット誤り率（ＢＥＲ：ｂｉｔ ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ）を低減させることができる。これにより最新の受信機は，より高いデータ転送速度で動作することができる。

従来のスマートアンテナは，多くのアンテナ素子のアレイからなり，各素子は，高周波フィルタ，低雑音増幅器，ミキサ，および高周波電力増幅器を含む個別の受信・送信高周波フロントエンドを必要とする。また各素子は，独自のアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ：ａｎａｌｏｇｕｅ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ）およびディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ：ｄｉｇｉｔａｌ−ｔｏ−ａｎａｌｏｇｕｅ）変換器も必要とする。これらはスマートアンテナを非常に高価でかさばるものにし，それが商用無線通信ネットワークの多種多様な用途におけるスマートアンテナの使用を妨げている。

エスパ（ＥＳＰＡＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ Ｐａｒａｓｉｔｉｃ Ａｒｒａｙ Ｒａｄｉａｔｏｒ）アンテナは，単一の高周波フロントエンドを用いる低コストのスマート・アンテナ・システムを構築するための有望な構造である。エスパアンテナの移相性能は，例えば，低コストのバラクタなどを使用して各素子の無効負荷を調整することによって実現することができる。典型的なエスパ構造は，１個の固定された励振素子と，励振素子を取り囲む複数の可同調無給電素子とからなる。最も広く研究されているエスパアンテナは，垂直に取り付けられ，水平面において走査される７個の１／４波長モノポールを備える。１個の１／４波長モノポールはアレイの中央に配置され，その他６個の１／４波長モノポールはその周囲に，１／２波長の直径の円上に等間隔で配置される。報告されているエスパアンテナでは，２〜４ｄＢｉの領域における利得が報告されている。しかし，これらのアンテナ利得は小さく，多くの場合，求められる高データ転送速度で動作するには小さすぎる。

高利得を有する電子ビーム走査アンテナが，「Ｈ．Ｓｃｏｔｔ ａｎｄ Ｖ．Ｆ．Ｆｕｓｃｏ ｉｎ “３６０°Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｅａｍ ｓｃａｎ ａｒｒａｙ”，ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ．１，Ｊａｎ．２００４」で提示された。このアンテナは，３６０°全方位の走査範囲にわたって１２ｄＢｉの利得を有した。このアンテナは，接地面上に２つの同心円として配置された２５本の線状素子の環状アレイを備えたものであった。各無給電素子は，無給電素子が反射器のアレイとして配置されることを可能とする２状態リアクタンス素子を装荷した。

Ｈ．Ｓｃｏｔｔ ａｎｄ Ｖ．Ｆ．Ｆｕｓｃｏ ｉｎ "３６０°Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｅａｍ ｓｃａｎ ａｒｒａｙ"，ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ．１，Ｊａｎ．２００４

本発明は，改善されたスマートアンテナ，および好ましくは，改善された低コストのスマートアンテナを提供しようとするものである。

本発明の一態様によれば，構成装置を備える複数の無給電アンテナ素子と，構成装置に接続され，直流電圧を供給するように配置された電圧源と，構成装置に印加される直流電圧を調整するように動作する制御部とを含み，各無給電アンテナ素子は，各無給電アンテナ素子に印加される電圧に基づいて反射器または導波器のどちらかとして再構成することができるスマートアンテナが提供される。

構成装置は，いくつかの電子部品のいずれかとすることができる。好ましい実施形態では，各構成装置は，バラクタまたはピンダイオードを含む。

有利には，スマートアンテナは，励振素子として再構成可能な指向性アンテナを用いる。これにより，そのビームを，好ましい実施形態では，９０°と２７０°，３０°と２１０°，および１５０°と３３０°の方向に向けることのできる励振素子が得られる。

好ましい実施形態は，１０ｄＢｉを超える利得を達成することのできる，小型で低コストの，電子ビーム切換えまたはビーム走査を行うスマートアンテナを提供する。以下では，そのような小型スマートアンテナの好ましい構造を説明する。ビーム切換えおよびビーム走査という語は，通常同じ機能性を示し，よって区別なく使用され得ることが理解されるであろう。

好ましい実施形態は，２．４５ＧＨｚ〜２．５５ＧＨｚまでの周波数帯域をカバーする，コンパクトな低コストの電子ビーム切換えまたはビーム走査を行うスマートアンテナを提供する。励振素子は，３個の逆Ｆアンテナ（ＩＦＡ：Ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｆ−ｔｙｐｅ Ａｎｔｅｎｎａ）素子を含む指向性アンテナである。励振素子に加えて，好ましい実施形態には，励振素子の周囲に配置され，構成装置（典型的にはバラクタまたはピンダイオード）を装荷した１２個のＩＦＡ無給電素子も含まれる。構成装置に印加される直流電圧を調整することにより，各ＩＦＡ無給電素子を，反射器または導波器のどちらかとして再構成することができる。これによりビームの切換えまたは走査の機構が提供される。アンテナは，好ましくは，５０ｍｍの半径，および４０ｍｍの高さを有する。他のビーム切換えスマートアンテナと比べて，このアンテナはより小型で，低コストで，高利得である。

有利には，励振素子は，無給電素子の少なくとも１つの環状アレイによって囲まれている。これによりスマートアンテナの利得が増加し，その結果，先行技術の装置と比べて小型化することが可能になる。好ましい実施形態では，励振素子は，無給電素子の少なくとも第１の環状アレイおよび第２の環状アレイによって囲まれている。理論上は，無給電素子の環状アレイの数には制限がなく，環状アレイの数が大きいほど理論上はアンテナ利得が増加するが，これはコストの増加およびアンテナ体積の増加の原因となる。無給電素子の２つの環状アレイは，性能とコストとサイズとの間の適正なバランスを提供することが判明している。

各環状アレイは円周方向に対称であることが好ましい。各アレイには，６個または１２個または他の３の偶数倍個のアンテナ素子を含むことができるはずである。

本発明の実施形態を，例として引くにすぎないが，添付の図面を参照して以下で説明する。

励振素子の好ましい実施形態を形成するのに使用されるＩＦＡ構造を概略的に示す図である。 ３個のＩＦＡ放射素子からなる再構成可能な励振素子の一例を示す図である。 ３個のＩＦＡ放射素子からなるエスパアンテナの一例を示す平面図である。 内円における無給電素子の構造を示す図である。 外円における無給電素子の構造を示す図である。 高利得エスパアンテナの好ましい実施形態の３次元モデルを示す図である。 図６の高利得エスパアンテナを示す平面図である。 図６および図７の高利得エスパアンテナの１次放射パターンを示す図である。 図６および図７の高利得エスパアンテナの２次放射パターンを示す図である。

一般に，従来のエスパアンテナでは，中央の励振素子１は全方向性アンテナであり，すべての無給電素子２および３を均一に励振する。アンテナ利得を増加させるために，スマートアンテナは，好ましくは，励振素子１として再構成可能な指向性アンテナを用いる。これにより，そのビームを，好ましい実施形態では，９０°と２７０°，３０°と２１０°，および１５０°と３３０°の方向に向けることのできる励振素子が得られる。
好ましいアンテナは，図７の平面図に詳細に示されるような無給電素子２および３の２つの円を用いる。二重円構造の目的はアンテナ利得をさらに増加させることである。各無給電素子２および３は，必要に応じて，反射器または導波器のどちらかとして再構成することができる。

Ａ．放射素子
１）ＩＦＡ構造
逆Ｆアンテナ（ＩＦＡ）の好ましい実施形態は，典型的には，３つの要素，すなわち，接地面上に位置する矩形線状アンテナ，給電機構，および地面へ接続された短絡ピンを含む。ＩＦＡは，短絡ピンの位置を慎重に調整することによりその入力インピーダンスを容易に整合させることができるため，電気的小型アンテナに適した選択肢である。

図１に，電気的に小型であると同時に再構成可能でもある励振素子に好んで使用されるＩＦＡ構造を示す。アンテナは，アンテナの各要素を支持するための基板２を含む。ＩＦＡの銅放射素子１が基板上に配置されており，励振素子３も同様である。実際には５０オーム（代表値）の同軸ケーブルが励振素子３に接続される。無給電素子では，これはバラクタがはんだ付けされる。

ＩＦＡ接地面４は，図２に示すように，基板の裏面へ続いている。接地面４と阻止コンデンサ５との間には直流回路網６が施されている。

励振素子はＰＩＮダイオード７によって与えられる。そのような構成では，コンデンサ５は無給電素子に使用される。ＩＦＡ内の短絡ピンは，ＰＩＮダイオード７を介して地面へ接続される。

２）動作状態の説明
励振素子として，図１の放射素子は，２つの動作モード，アクティブモードとダミーモードとに再構成することができる。これらのモードは次表のように動作する。

無給電素子として，図４および図５の放射素子は，２つの動作モード，反射器モードと導波器モードとに再構成することができる。これらのモードは次表のように動作する。

上記は，励振素子がピンダイオードを備え，無給電素子が構成装置としてバラクタを備える１つの実施形態を示すにすぎないことが理解されるであろう。他の実施形態は，異なる構成装置を使用し，それらはピンダイオード，バラクタ，または他の適切な装置である。

Ｂ．励振素子
１）励振アンテナ構造
図１に示すように３つの要素を構成することにより，１つの５０オーム高周波ポートの周囲に励振素子を構築することができる。図２および図３にこの構造が示されている。図３は平面図であり，各素子が，好ましくは，方位角で１２０°ずつ，等間隔をおいて配置されることを示している。３個の素子はすべて中央に位置する同軸ケーブルにはんだ付けされている。このようにして，３個の素子は同じ高周波源によって励振される。

ＩＦＡ放射素子を同軸ケーブルにはんだ付けすることにより，これら３個のＩＦＡ放射素子は相互に接続される。すべてのＩＦＡ放射素子を同じ高周波源によって励振することができる。

２）励振素子の動作状態
各励振素子は，その０°，１２０°，および２４０°の角位置によって定義される。ビームの方向は次表のとおりである。

Ｃ．無給電素子
無給電素子は反射器または導波器のどちらかとして再構成することができる。バラクタが提供するキャパシタンスを変更することにより，無給電素子の反射位相を調整することができる。

内円における無給電素子の構造が図４に示されている。ＩＦＡの銅放射素子１０が基板上に配置されている。１０ｎＨのインダクタが位置１３のところではんだ付けされており，バラクタが１２のところではんだ付けされている。１０μＦの直流フィルタコンデンサが１４のところではんだ付けされており，１００ｎＨの高周波チョッキングインダクタが，放射素子１１とはんだパッド１５との間の１６のところではんだ付けされている。外円における無給電素子の構造が図５に示されている。ＩＦＡの銅放射素子２０が基板上に配置されている。２５ｎＨのインダクタが位置２３のところではんだ付けされており，バラクタが２２のところではんだ付けされている。１０μＦの直流フィルタコンデンサが２４のところではんだ付けされており，１００ｎＨの高周波チョッキングインダクタが，放射素子２１とはんだパッド２５との間の２６のところではんだ付けされている。

Ｄ．提案のエスパアンテナの全体的構造
図６に，高利得エスパアンテナの好ましい実施形態の３次元モデルを示す。無給電素子２および３は，２つの同心円において，中央に位置する再構成可能な励振素子１を取り囲んでいる。内円は実質的に５０ｍｍの直径を有し，外円は実質的に１００ｍｍの直径を有する（それぞれ，２５ｍｍおよび５０ｍｍの半径）。各環は６個のＩＦＡを有する。図６には，このレイアウトが鳥瞰図として示されている。

図８に，高利得エスパアンテナの１次放射パターンを示す。１次パターンの選択可能な方向は，０°と９０°，３０°と２１０°，および１５０°と３３０°である。１次放射パターンでは，１つの無給電素子が各円において導波器として構成される。逆バイアス制御電圧がかかる無給電素子は導波器として構成されることに留意されたい。他のすべての無給電素子は反射器として構成される。

高利得エスパアンテナの好ましい実施形態の２次放射パターンが図９に示されている。１次パターンの選択可能な方向は，１２０°と３００°，６０°と２４０°，および０°と１８０°である。２次放射パターンでは，各円において２つの無給電素子が導波器として構成される。他のすべての無給電素子は反射器として構成される。

適応ビームステアリング法は，エスパアンテナが所望の信号の方向を推定し，所望の信号へ向けて主ローブを形成することを可能にする。好ましい実施形態で用いられる適応アルゴリズムは非ブラインド（ｕｎ−ｂｌｉｎｄｅｄ）アルゴリズムであり，適応アルゴリズムを実行するのに基準信号が使用される。

まず，アルゴリズムは，それら６個の主パターンから最良の相互相関係数（ＣＣＣ：ｃｒｏｓｓ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）値を探索し，後続の反復の開始点を決定する。開始点を決定した後，アルゴリズムは，ＣＣＣの最も急な勾配をたどることを繰り返す。

ビーム形成は，バラクタの両端に印加される電圧を制御することによって実現される。バラクタの無効負荷を調整することにより，無給電素子上の表面電流の位相を制御することができる。

以上，高利得を有する低コストの小型スマートアンテナを説明した。ビームを電気的に切り換えることにより，アンテナは３６０°の全範囲をカバーすることができる。シミュレーション結果の示すところでは，再構成可能なＩＦＡ素子からなるビーム切換えスマートアンテナは，８．５〜１０．５ｄＢｉの利得を達成することができる。このスマートアンテナは，これまで報告されたほとんどのエスパアンテナの利得より高い利得を達成する。このアンテナは，０．４λの半径，および０．３λの高さを有するにすぎない。よってこのアンテナは，コンパクトなサイズで，低コストなものとすることができ，よって，無線ルータ，移動通信基地局，方向探知などといった用途に役立てることができる。

前述の実施形態は好ましい実施形態にすぎず，これらの実施形態は，所望の機能性を失わずに変更することもできるはずであることを理解すべきである。例えば，励振素子は，３個の逆Ｆアンテナ（ＩＦＡ）素子からなる指向性アンテナである必要はなく，異なる数のＩＦＡ素子を使用することもできるはずである。同様に，励振素子の周囲に配置され，バラクタを装荷した１２個のＩＦＡ無給電素子の代わりに，アンテナは，異なる数のＩＦＡ無給電素子を備えることもできる。

Claims (22)

1. 構成装置を備える複数の無給電アンテナ素子と，前記構成装置に接続され，直流電圧を供給するように配置された電圧源と，前記構成装置に印加される直流電圧を調整するように動作する制御部とを含み，各無給電アンテナ素子は，前記各無給電アンテナ素子に印加される前記電圧に基づいて反射器または導波器として再構成することができるスマートアンテナ。
2. 各構成装置はバラクタまたはピンダイオードを含む，請求項１に記載のスマートアンテナ。
3. 励振素子が再構成可能な指向性アンテナである，請求項１または２に記載のスマートアンテナ。
4. 前記励振素子は放射状に相互に間隔をおいて配置された３個のアンテナ素子を含む，請求項３に記載のスマートアンテナ。
5. 前記アンテナ素子は放射状に１２０度ずつ相互に間隔をおいて配置された３個のアンテナ素子を含む，請求項４に記載のスマートアンテナ。
6. 前記アンテナ素子は共通の中央に位置する同軸ケーブルに接続されている，請求項４または５に記載のスマートアンテナ。
7. 前記励振素子は，第１，第２および第３の逆Ｆアンテナ（ＩＦＡ：ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｆ−ｔｙｐｅ ａｎｔｅｎｎａ）素子を含む指向性アンテナである，請求項４〜６のいずれか一項に記載のスマートアンテナ。
8. 前記励振素子の周囲に配置され，バラクタを装荷した１２個のＩＦＡ無給電素子を含む，請求項７に記載のスマートアンテナ。
9. 前記バラクタに印加される前記直流電圧は，各ＩＦＡ無給電素子を反射器または導波器のどちらかとして再構成するように同調可能である，請求項８に記載のスマートアンテナ。
10. 前記同調可能であることによりアンテナビームの切換えまたは走査の機構が提供される，請求項９に記載のスマートアンテナ。
11. 前記励振素子は，無給電素子の少なくとも１つの環状アレイによって囲まれている，請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスマートアンテナ。
12. 前記励振素子は，無給電素子の少なくとも第１の環状アレイおよび第２の環状アレイによって囲まれている，請求項１１に記載のスマートアンテナ。
13. 前記第１の無給電素子および前記第２の無給電素子は，それぞれ，実質的に２５ｍｍおよび５０ｍｍの半径のところにある，請求項１２に記載のスマートアンテナ。
14. 各環状アレイは円周方向に対称である，請求項１０または１１に記載のスマートアンテナ。
15. 各環状アレイは，６個または１２個または他の３の偶数倍個のアンテナ素子を含む，請求項１４に記載のスマートアンテナ。
16. １次放射パターンの生成では，１個の無給電素子が各環状アレイにおいて導波器として構成される，請求項１１〜１５のいずれか一項に記載のスマートアンテナ。
17. 前記導波器は，逆バイアス制御電圧によって励振される前記無給電素子である，請求項１６に記載のスマートアンテナ。
18. 他のすべての無給電素子が反射器として構成される，請求項１６または１７に記載のスマートアンテナ。
19. ２次放射パターンでは，２個の無給電素子が各環状アレイにおいて導波器として構成され，他のすべての無給電素子が反射器として構成される，請求項１１〜１８のいずれか一項に記載のスマートアンテナ。
20. 実質的に５０ｍｍの半径を有し，実質的に４０ｍｍの高さを有する，請求項１〜１９のいずれか一項に記載のスマートアンテナ。
21. 前記励振素子は再構成可能なアンテナであり，９０°と２７０°，３０°と２１０°，および１５０°と３３０°の方向に向けることのできるビームを生成するように動作する，請求項１〜２０のいずれか一項に記載のスマートアンテナ。
22. 実質的に２．４５ＧＨｚ〜２．５５ＧＨｚまでの周波数帯域において動作する，請求項１〜２１のいずれか一項に記載のスマートアンテナ。

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