JP2014509125A - アンテナパターンを合成するアンテナアレイ及び方法 - Google Patents

Abstract

複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイが開示される。該アンテナアレイは、複数のトランシーバモジュールと、該複数のアンテナ素子の能動型アンテナ素子サブセットであって、該複数のトランシーバモジュールのうちの関連するトランシーバモジュールに対して能動的に結合されている少なくとも１つの能動型アンテナ素子を有する能動型アンテナ素子サブセットと、該複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つのアンテナ素子からなる少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイと、を有する。該アンテナアレイを用いてアンテナパターンを生成する方法も、開示される。

Description

その他の出願に対する相互参照
本出願は、２０１１年１月２８日付で出願された「Antenna Array and Method for Synthesizing Antenna Patterns」という名称の米国特許出願第１３／０１６，４１７号に対する優先権及びその利益を主張するものである。

本発明の分野は、能動型アンテナアレイと、能動型アンテナアレイのアンテナパターンを合成する方法と、に関する。

過去十年にわたり、モバイル通信ネットワークの使用が増大している。モバイル通信ネットワークの事業者は、モバイル通信ネットワークのユーザにおけるサービスに対する需要の増大を満足させるために、基地局の数を増やしている。モバイル通信ネットワークの事業者は、基地局の稼働費用を低減することを所望している。

現在、モバイル通信ネットワークの分野においては、顧客のハンドセットに対して送信されるパワーを低減し、且つ、これにより、基地トランシーバ局の効率を向上させるために、能動型のアンテナアレイが使用されている。基地トランシーバ局は、光ファイバケーブル及びパワーケーブルによって基地トランシーバ局に接続されたアンテナアレイを有する。アンテナアレイは、通常、無線信号を送受信する複数のアンテナ素子を有する。基地トランシーバ局は、１つ又は複数の事業者が稼働させている固定回線の通信ネットワークに結合されている。

通常、基地トランシーバ局は、複数の送信経路及び受信経路を有する。送信経路及び受信経路のそれぞれは、アンテナ素子のうちの１つによって終端されている。複数のアンテナ素子は、通常、アンテナアレイによって送信される無線ビームの操向を可能にしている。ビームの操向には、到来方向（Direction Of Arrival：ＤＯＡ）の検出、ビーム形成、ダウンチルティング、及びビームダイバーシティのうちの少なくとも１つが含まれるが、これに限定されるものではない。これらのビーム操向法については、当技術分野において周知である。

通常、モバイル通信ネットワークにおいて使用される能動型アンテナアレイは、アンテナアレイ素子の垂直柱を有する均一な線形アレイである。能動型アンテナアレイは、通常、マスト又はタワー上に取り付けられる。能動型アンテナアレイは、光ファイバケーブル及びパワーケーブルによって基地トランシーバ局（ＢＴＳ）に結合されている。

マストの基部に位置した機器及びマスト上に取り付けられた能動型アンテナアレイは、通信規格によって規定されたプロトコルを使用して無線信号を送受信するように構成されている。通信規格は、通常、ハンドセットからアンテナアレイ及び基地トランシーバ局までのアップリンク通信及び基地トランシーバ局から加入者装置までのダウンリンク通信のために使用可能な複数のチャネル又は周波数帯域を規定している。

例えば、モバイル通信用の通信規格である「Global System for Mobile Communications（ＧＳＭ）」は、異なる地域において異なる周波数を使用している。北米においては、ＧＳＭは、主モバイル通信帯域である８５０ＭＨｚ及び１９００ＭＨｚにおいて稼働している。欧州、中東、及びアジアにおいては、大部分のプロバイダは、９００ＭＨｚ及び１８００ＭＨｚ帯域を使用している。通信規格のその他の例には、７００ＭＨｚ（米国）又は８００ＭＨｚ（ＥＵ）におけるＵＭＴＳ規格又はＬＴＥ（Long Term Evolution）が含まれる。

技術の進歩に伴って、事業者は、可能な限り小型でありつつも費用効率の優れた能動型アンテナ製品に対するニーズを表明している。アンテナのサイズ及び原価の大幅な増大を伴うことなしに、且つ、アンテナのチルトレンジを大幅に犠牲にすることなしに、アンテナ利得を極大化する必要がある。

図１及び図２は、アンテナアレイ用の従来技術による解決策を示している。図１の受動型アンテナアレイ１０００は、受動型供給ネットワーク１００６によって受動的に結合された８つのアンテナ素子１００１−１〜１００１−８を有する。静的なビーム形成重みｖ₁〜ｖ₈を選択することにより、固定ビームパターンを調節してもよい。このような従来技術による受動型アンテナアレイにおいては、機械的なチルティングを使用することにより（例えば、アンテナ自体の全体を物理的に運動させることにより、受動型アンテナのシステムチルト角を遠隔運動させるステッパモータ又はサーボモータに基づいたシステムを使用することにより）、或いは、「遠隔電気チルト（Remote Electrical Tilt：ＲＥＴ）」システムを使用することにより、ビームのアップチルティング又はダウンチルティングを実現することができる。このようなＲＥＴシステムは、通常、モータ制御された位相シフト要素を利用し、無線信号から形成されたビームのチルトを実現している。これにより、アンテナアレイ１０００のチルトを変更するために、アンテナ素子１００１−１〜１００１−８の位相を相互の関係において漸進的にシフトさせることができる。

図２は、既知の能動型アンテナアレイ２０００を示しており、この場合には、８つのアンテナ素子２００１−１〜２００１−８のそれぞれが、その独自のトランシーバ要素２００３−１〜２００３−８に接続されている。個々のトランシーバ要素２００３−１〜２００３−８においてビーム形成重みｗ₁〜ｗ₈を動的に調節することにより、ビームの形状及びチルトを柔軟に設計することができる。

本開示の一態様によれば、能動型アンテナアレイが開示され、この能動型アンテナアレイは、複数のトランシーバモジュールと、複数のアンテナ素子の能動型アンテナ素子サブセットと、を有し、能動型アンテナ素子サブセットは、複数のトランシーバモジュールのうちの関連するトランシーバモジュールに対して能動的に結合されている、少なくとも１つの能動型アンテナ素子を有する。能動型アンテナアレイは、複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つのアンテナ素子からなる、少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイを更に有する。

本開示の別の態様によれば、複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイによってアンテナパターンを生成する方法が開示され、本方法は、アンテナアレイの複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つのアンテナ素子からなる少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイのアンテナ素子の静的位相関係を判定するステップと、複数のアンテナ素子の能動型アンテナ素子サブセットの及び少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイの動的ビーム形成パラメータを判定するステップと、静的位相関係と動的ビーム形成パラメータとに基づいて複数のアンテナ素子を通してのアンテナパターンを有する無線信号を中継するステップと、を有する。

本明細書において使用されている「能動型」又は「能動的に」という用語は、動的に適合可能なビーム形成パラメータを有することを意味している。同様に、本明細書において使用されている「受動型」又は「受動的に」は、静的な位相関係を有することを意味している。

従来技術による受動型アンテナアレイを示す。 従来技術による能動型アンテナアレイを示す。 本開示の一態様による能動型アンテナアレイの一例を示す。 本開示による能動型アンテナの別の例を示す。 図４に示されている能動型アンテナアレイの下部の受動的に組み合わされたサブアレイのアンテナパターンを示す。 図４に示されている能動型アンテナアレイの上部の受動的に組み合わされたサブアレイのアンテナパターンを示す。 標準的な６素子能動型アンテナアレイとの比較において、−６°のチルト角における図４に示されている能動型アンテナアレイの全体アンテナパターンを示す。 標準的な６素子能動型アンテナアレイとの比較において、０°のチルト角における図４に示されている能動型アンテナアレイの全体アンテナパターンを示す。 標準的な６素子能動型アンテナアレイとの比較において、６°のチルト角における図４に示されている能動型アンテナアレイの全体アンテナパターンを示す。 標準的な６素子能動型アンテナアレイとの比較において、９°のチルト角における図４に示されている能動型アンテナアレイの全体アンテナパターンを示す。 標準的な６素子能動型アンテナアレイとの比較において、１２°のチルト角における図４に示されている能動型アンテナアレイの全体アンテナパターンを示す。 標準的な６素子能動型アンテナアレイとの比較において、１４°のチルト角における図４に示されている能動型アンテナアレイの全体アンテナパターンを示す。 本発明によるアンテナパターンを生成する方法の一例を示す。

以下、添付図面に基づき、本発明について説明することとする。本明細書に記述されている本発明の実施形態及び態様は、一例に過ぎず、且つ、請求項の保護範囲を決して限定するものではないことを理解されたい。本発明は、請求項及びその均等物によって規定されている。本発明の１つの態様又は実施形態の特徴は、本発明の別の１つ又は複数の態様及び／又は実施形態の特徴と組み合わせることができることを理解されたい。

図３は、本開示の一態様による能動型アンテナアレイ３０００の一例を示している。アンテナアレイ３０００は、垂直柱として配列された複数のアンテナ素子３００１−１〜３００１−８を有する。尚、本発明は、垂直柱として配列されたアンテナ素子３００１−１〜３００１−８を有する能動型アンテナアレイ３０００を対象としてはいるが、このような垂直構成に限定されるものではないことに留意されたい。アンテナ素子３０００−１〜３０００−８は、線形で（即ち、均等な間隔を伴って）又は非線形で（即ち、不均等な間隔を伴って）、垂直方向に又は水平方向に、２つ以上の次元のアレイとして、又は任意のその他の適切な方式により、構成してもよい。更には、アンテナ素子３０００−１〜３０００−８の数も、８つに限定されるものではないことに留意されたい。能動型アンテナアレイ３０００内には、任意の数Ｎのアンテナ素子３００１−１〜３００１−Ｎが存在してもよい。図３に示されている例においては、複数のアンテナ素子３００１−１〜３００１−８のうちの４つの能動型アンテナ素子３００１−３〜３００１−６からなる中央サブセットが存在している。このサブセット内の能動型アンテナ素子３００１−３〜３００１−６の数は、４つに限定されるものではないことに留意されたい。この能動型アンテナ素子サブセットは、任意の数Ｍの複数のＮアンテナ素子３００１−１〜３００１−Ｎを有してもよく、この場合に、Ｍ≦Ｎ−２である。能動型アンテナアレイ３０００は、複数の６つのトランシーバモジュール３００３−１〜３００３−６を更に有してもよく、このうちのトランシーバモジュール３００３−３〜３００３−６は、個々の能動型アンテナ素子３００１−３〜３００１−６と関連付けられると共にこれらに対して能動的に結合されている。

図３の能動型アンテナアレイ３０００は、更に、複数のアンテナ素子３００１−１〜３００１−８うちの、それぞれ、２つのアンテナ素子３００１−１、２及び３００１−７、８からなる２つの受動的に組み合わされたサブアレイ３００５−１、２を有する。これら２つのサブアレイ３００５−１、２のうちの第１のサブアレイ３００５−１（上部サブアレイ）は、最上部の２つのアンテナ素子３００１−１、２を有しており、これらは、第１受動型供給ネットワーク３００６−１により、受動的に組み合わせられている。同様に、２つのサブアレイ３００５−１、２のうちの第２のサブアレイ３００５−２（下部サブアレイ）も、最下部の２つのアンテナ素子３００１−７、３００１−８を有しており、これらは、第２受動型供給ネットワーク３００６−２により、受動的に組み合わせられている。この代わりに、能動型アンテナアレイ３０００は、Ｎアンテナ素子３００１−１〜３００１−Ｎからなる１つ又は任意のその他の数Ｋのサブアレイを有してもよく、ここで、Ｋ≦Ｎ／２であることに留意されたい。サブアレイ３００５−１、２は、能動型アンテナ素子サブセット３００１−３〜３００１−６がサブアレイ３００５−１、２の間に配置されるように、それぞれ、アンテナ素子３００１−１〜３００１−８からなる垂直柱の上端及び下端に配置してもよい。この結果、後述するように、所謂「テーパ化」されたアンテナアレイが可能となる。但し、少なくとも１つのサブアレイは、能動型アンテナアレイ３０００内の任意の適切な場所に配置してもよい。能動型アンテナアレイ３０００は、２つの共通トランシーバモジュール３００３−１、２を有しており、これらは、それぞれ、上部サブアレイ３００５−１及び下部サブアレイ３００５−２と関連付けられている。上部サブアレイ３００５−１のアンテナ素子３００１−１、２は、上部サブアレイ３００５−１と関連付けられた共通トランシーバモジュール３００３−１に結合されており、且つ、下部サブアレイ３００５−２のアンテナ素子３００１−７、８は、下部サブアレイ３００５−２と関連付けられた共通トランシーバモジュール３００３−２に結合されている。個々のサブアレイ３００５−１〜３００５−Ｋと関連付けられた共通トランシーバモジュール３００３−１〜３００３−Ｋの数は、Ｎアンテナ素子３００１−１〜３００１−Ｎからなるサブアレイ３００５−１〜３００５−Ｋの数Ｋに対応しており、ここで、１≦Ｋ≦Ｎ／２である。合計において、アンテナアレイ３０００内におけるトランシーバモジュール３００３−１〜３００３−６の数、即ち、図３の例においては、６は、アンテナアレイ３０００内におけるアンテナ素子３００１−１〜３００１−８の数、即ち、図３の例においては、８を下回っている。

上部サブアレイ３００５−１のアンテナ素子３００１−１、２の静的な位相関係ｖ₁ ¹、ｖ₂ ¹を判定することにより、上部サブアレイ３００５−１を上部サブアレイ３００５−１と関連付けられた共通トランシーバモジュール３００３−１と接続している第１受動型供給ネットワーク３００６−１を調節してもよい。このような上部サブアレイ３００５−１の調節は、機械的チルティングにより（例えば、上部サブアレイ３００５−１を物理的に運動させることにより、受動型アンテナのシステムチルト角を遠隔運動させるステッパモータ又はサーボモータに基づいたシステムを使用することにより）、或いは、「遠隔電気チルト（ＲＥＴ）」システムにより、実行してもよい。通常、ＲＥＴシステムは、モータ制御された位相シフト要素を利用し、無線信号から形成されたビームのチルトを実現している。これにより、アンテナアレイ３０００のビームを成形するために、アンテナ素子３００１−１、２の位相及び／又は振幅を相互の関係において漸進的にシフトさせることができる。

同様に、下部サブアレイ３００５−２のアンテナ素子３００１−７、８の静的な位相関係ｖ₁ ²、ｖ₂ ²を判定することにより、下部サブアレイ３００５−２を下部サブアレイ３００５−２と関連付けられた共通トランシーバモジュール３００３−２と接続している第１受動型供給ネットワーク３００６−２を調節してもよい。前の段落に記述されているように、このような下部サブアレイ３００５−２の調節も、機械的なチルティングにより、又はＲＥＴシステムにより、実行してもよい。これにより、アンテナアレイ３０００のビームを成形するために、アンテナ素子３００１−７、８の位相及び／又は振幅を互いの関係において漸進的にシフトさせることができる。

ビーム形成パラメータｗ₃〜ｗ₆により、能動型アンテナ素子サブセット３００１−３〜３００１−６の位相及び／又は振幅を動的に判定してもよい。それぞれ、ビーム形成パラメータｗ₁及びｗ₂により、能動型アンテナ素子サブセット３００１−３〜３００１−６との関係におけるサブアレイ３００５−１、２の位相及び／又は振幅を動的に判定してもよい。

図４は、本発明によるアンテナアレイ４０００の別の例を示しており、これは、例えば、３ＧＰＰ稼働帯域の第１２番（下部７００ＭＨｚ）、第１３番（上部７００ＭＨｚ）、及び第１４番（上部７００ＭＨｚ、公衆安全／プライベート）などの７００ＭＨｚの範囲において使用可能である。アンテナアレイの垂直方向の長さは、１８００ｍｍ（約６フィート）のレベルである。アンテナアレイ４０００は、垂直柱の形態でペアとして配列された８つのアンテナ素子４００１−１〜４００１−１６の柱状体を有しており、この場合に、すべての２つの隣接するアンテナ素子が、互いに交差偏波されたアンテナ素子のペアを形成している。偶数番号のアンテナ素子４００１−２、４００１−４、…、４００１−１６は、第１偏波を有し、奇数番号のアンテナ素子４００１−１、４００１−３、…、４００１−１５は、第１偏波とは異なる第２偏波を有する。又、アンテナアレイ４０００は、多次元であってもよく、且つ、相互に交差偏波されたアンテナ素子のペアは、必ずしも、互いに隣接するか又は近隣のアンテナ素子ではないことに留意されたい。

図４に示されている例においては、複数のアンテナ素子４００１−１〜４００１−１６のうちの能動型アンテナ素子の４つのペアからなる中央のサブセット４００１−５〜４００１−１２が存在している。能動型アンテナ素子のペアの数は、４つに限定されるものではないことに留意されたい。この中央能動型アンテナ素子サブセットは、任意の数Ｍの複数のＮアンテナ素子４００１−１〜４００１−Ｎを有してもよく、ここで、Ｍ≦Ｎ−２である。更には、能動型アンテナアレイ４０００は、合計で１２個のトランシーバモジュール４００３−１〜４００３−１２を有してもよく、これらのうちのトランシーバモジュールの中央の４つのペア４００３−３〜４００３−１０は、能動型アンテナ素子サブセットの個々の中央の４つのペア４００１−５〜４００１−１２と関連付けられると共にこれらに対して能動的に結合されている。

図４の能動型アンテナアレイ４０００は、受動的に組み合わされたサブアレイの２つのペア４００５−１〜４００５−４を更に有する。２つのアンテナ素子４００１−１、３は、第１偏波を有し、且つ、２つのアンテナ素子４００１−２、４は、第２偏波を有する。同様に、アンテナ素子４００１−１３、１５は、第１偏波を有し、且つ、アンテナ素子４００１−１４、１６は、第２偏波を有する。）第１サブアレイ４００５−１は、第１受動型供給ネットワーク４００６−１によって受動的に組み合わされた第１偏波を有する最上部の２つのアンテナ素子４００１−１、３を有する。第２サブアレイ４００５−２は、第２受動型供給ネットワーク４００６−２によって受動的に組み合わされた第２偏波を有する最上部の２つのアンテナ素子４００１−２、４を有する。同様に、第３サブアレイ４００５−３は、第３受動型供給ネットワーク３００６−３によって受動的に組み合わされた第１偏波を有する最下部の２つのアンテナ素子４００１−１３、１５を有する。第４サブアレイ４００５−４は、第４受動型供給ネットワーク４００６−４によって受動的に組み合わされた第２偏波を有する最下部の２つのアンテナ素子４００１−１４、１６を有する。

この代わりに、能動型アンテナアレイ４０００は、Ｎアンテナ素子４００１−１〜４００１−Ｎの１つ又は任意のその他の数Ｋのサブアレイを有してもよく、ここで、Ｋ≦Ｎ／２であることに留意されたい。サブアレイ４００５−１〜４００５−４は、アンテナ素子４００１−１〜４００１−１６の垂直柱の上端及び下端に配置されたそれぞれの偏波用の１つのサブアレイが存在するように、構成してもよい。中央能動型アンテナ素子サブセット４００１−５〜４００１−１２は、サブアレイ４００５−１、２及び４００５−３、４の間に配置されている。この結果、後述するように、所謂「テーパ化」されたアンテナアレイが可能となる。但し、少なくとも１つの中央サブアレイは、能動型アンテナアレイ４０００内の任意の適切な場所に配置してもよい。更には、能動型アンテナアレイ４０００は、共通トランシーバモジュールの２つのペア４００３−１、２、１１、１２を有してもよく、これらは、それぞれ、上部サブアレイ４００５−１、２及び下部サブアレイ４００５−３、４と関連付けられている。第１上部サブアレイ４００５−１のアンテナ素子４００１−１、３は、第１上部サブアレイ４００５−１に関連付けられた共通トランシーバモジュール４００３−１に対して結合されており、第２上部サブアレイ４００５−２のアンテナ素子４００１−２、４は、第２上部サブアレイ４００５−２と関連付けられた共通トランシーバモジュール４００３−２に対して結合されており、第１下部サブアレイ４００５−３のアンテナ素子４００１−１３、１５は、第１下部サブアレイ４００５−３に関連付けられた共通トランシーバモジュール４００３−１１に対して結合されており、且つ、第２下部サブアレイ４００５−４のアンテナ素子４００１−１４、１６は、第２下部サブアレイ４００５−４と関連付けられた共通トランシーバモジュール４００３−１２に対して結合されている。サブアレイ４００５−１〜４００５−Ｋと関連付けられた共通トランシーバモジュール４００３−１〜４００３−Ｋの数は、Ｎアンテナ素子４００１−１〜４００１−Ｎのサブアレイ４００５−１〜４００５−Ｋの数Ｋに対応しており、ここで、１≦Ｋ≦Ｎ／２である。合計において、アンテナアレイ４０００内におけるトランシーバモジュール４００３−１〜３００３−１２の数、即ち、図４の例においては、１２は、アンテナアレイ４０００内におけるアンテナ素子４００１−１〜４００１−１６の数、即ち、図４の例においては、１６を下回っている。

能動型アンテナ素子サブセットのペア４００１−５〜４００１−１２は、約２５０ｍｍという非限定的な間隔を有する。約２５０ｍｍという同一の距離Ａが、能動型アンテナ素子サブセット４００１−５〜４００１−１２とサブアレイ４００５−１、２との間の間隔として選択されている。但し、上部第１及び第２サブアレイ４００５−１、２のアンテナ素子のペア４００１−１〜４００１−４は、約１４０ｍｍという小さな非限定的な間隔Ｂを有している。又、対称的な方式により、下部の第３及び第４サブアレイ４００５−３、４のアンテナ素子のペア４００１−１３〜４００１−１６も、約１４０ｍｍという非限定的な間隔Ｂを有する。従って、厳密に言えば、図４のアンテナアレイ４００は、線形アレイではなく、その理由は、間隔が、アンテナ素子４００１−１〜４００１−１６のすべての間において同一ではないためである。但し、要すれば、アンテナアレイの合計長Ｌは、約１８００ｍｍ（約６フィート）である。これにより、３００ｍｍの間隔を有する６つのペアのみのアンテナアレイを収容する同一の長さＬ内において、アンテナ素子の８つのペア４００１−１〜４００１−１６を配置することができる。中央の能動型アンテナ素子サブセット４００１−５〜４００１−１２の間隔と比べた場合の、又は能動型アンテナ素子サブセット４００１−５〜４００１−１２とサブアレイ４００５−１、２との間の間隔と比べた場合の、サブアレイ４００５−１〜４００５−４のアンテナ素子４００１−１〜４００１−４及び４００１−１３〜４００１−１６の不均等な間隔により、アンテナ全体のチルトレンジをカバーする角度範囲内における相当にフラットなアンテナダイアグラムを有する２つのサブアレイパターンの合成が可能となる。この結果、（６ペアの線形アレイと比較した場合に）、アンテナ利得を大幅に犠牲にすることなしに、ビームチルティングのための十分な柔軟性を維持することができる（図５ａ及び図５ｂを参照されたい）。

６ペア線形アンテナアレイと比べた場合に、図４に示されている８ペア非線形アンテナアレイ４０００は、多数のアンテナ素子４００１−１〜４００１−８に起因し、相対的に大きなアンテナ利得と、良好なサイドローブ抑圧と、を提供する。但し、能動型アンテナアレイ４０００の長さ及び原価は、アンテナ素子４００１−１〜４００１−８の数の増大に伴って線形で増大することはない。８ペアの非線形アンテナアレイ４０００においては、受動的に組み合わされたサブアレイ４００５−１〜４００５−４が使用されているため、トランシーバモジュールの合計長及び数を６ペアの線形アレイの場合と同一にすることができる。

図５ａは、度を単位とした仰角における下部サブアレイ４００５−３、４００５−４のアンテナパターンを示している。全体的な能動型アンテナアレイ４０００のチルトレンジ（通常は、２０度未満）内において、アンテナパターンは、相対的にフラットである。この結果、ビームチルティングにおける柔軟性が得られる。度を単位とする仰角における上部サブアレイ４００５−１、２の同様にフラットなアンテナパターンが図４に示されている。適切な最適化法を使用することにより、最下部のサブアレイ４００５−３、４の２つの静的な位相関係ｖ₁ ²、ｖ₂ ²は、複素重み（complex weight）であり、且つ、次式のように選択され、

最上部のサブアレイ４００５−１、２の複素静的位相関係ｖ₁ ¹、ｖ₂ ¹は、次式のように判定され、

これにより、ψ₁ 及び ψ₂ は、位相を表している。

これらの数式から理解することができるように、最上部サブアレイ及び最下部サブアレイ４００５−１〜４００５−４の場合には、複素静的位相関係ｖ₁ ¹、ｖ₂ ¹及びｖ₁ ²、ｖ₂ ²の振幅は、それぞれ、２つの受動的に組み合わされたアンテナ素子の間において均等に分散してはいない。この結果、テーパ化されたアンテナアレイパターンの実現が可能となり、これにより、重要なことには、性能の大幅な劣化を伴うことなしに、相対的に良好なサイドローブ抑圧が得られる。これとは対照的に、６ペアの線形アンテナアレイによれば、アンテナアレイのテーパ化は、線形アンテナアレイの端部に位置したアンテナ素子の信号パワーを低減することによってのみ、可能となろう。但し、信号パワーの低減は、全体出力パワーを減少させ、且つ、従って、アンテナアレイの全体パワー効率が低下する。

本開示は、アンテナ素子のうちの個々のアンテナ要素が異なる出力パワーを有することを要することなしに（これは、システムの複雑性を増大させ、合計出力パワーを低減し、且つ、システム効率を低減することになろう）、テーパ化されたアンテナアレイパターンを提供するための解決策を提供しており、その理由は、アンテナアレイ４０００の端部に位置した受動的に組み合わされたサブアレイ４００５−１〜４００５−４のアンテナ素子４００１−１〜４００１−４と４００１−１３〜４００１−１６との間における静的位相関係ｖ₁ ¹、ｖ₂ ¹、及びｖ₁ ²、ｖ₂ ²が適切に判定されているためである。図３に示されているアンテナアレイ３０００により、同様にテーパ化されたアンテナアレイパターンを実現することも可能であることを理解されたい。

サブアレイの静的位相関係ｖ₁ ¹、ｖ₂ ¹及びｖ₁ ²、ｖ₂ ²が判定されたら、ビームパターンの形状及びチルト角に関する要件の条件下において適切な最適化法を適用することによってトランシーバモジュール４００３−１〜４００３−１２のうちのそれぞれのトランシーバモジュールの複素ビーム形成重みｗ₁〜ｗ₁₂を判定することにより、全体パターンの合成が可能である。１２個のトランシーバモジュール４００３−１〜４００３−１２の複素ビーム形成重みｗ₁〜ｗ₁₂は、サブアレイ４００５−１〜４００５−４及び能動型アンテナ素子４００１−５〜４００１−１２のビームパターンの重ね合わせが望ましい全体的なビームパターンをもたらすように、選択しなければならない。複素ビーム形成重みｗ₁〜ｗ₁₂は、一般に、従来の線形アレイにおいて一般的に実行されているように、位相進行（phase progression）によって簡単には得られないが、複素ビーム形成重みｗ₁〜ｗ₁₂は、動作の際に動的に変更することができない固定サブアレイ４００５−１〜４００５−４のビームパターンを考慮して設計しなければならない。

それぞれのサブアレイｉの静的サブアレイ重みｖ₁ ⁱ、ｖ₂ ⁱとそれぞれの能動型トランシーバモジュールｊの調節可能なビーム形成重みｗ_jを得るために、適切な最適化法に基づいた合成法を使用することができる。一般に、このような最適化法は、非線形目的関数又は制約を必要とすることになろう。群最適化法に基づいた最適化アルゴリズム及び／又は遺伝的アルゴリズム（例えば、D. W. Boeringer、D. H. Wernerの「Particle Swarm Optimization Versus Genetic Algorithms for Phased Array Synthesis」(IEEE Transactions on Antennas And Propagation、第５２巻、第３号、２００４年３月）に記述されているもの）が、このような目的に非常に適していることが判明している。

群最適化に基づいた最適化アルゴリズム及び遺伝的アルゴリズムを使用することにより、図６ａ〜図６ｆに示されている全体アンテナパターンがチルト角−６°、０°、６°、９°、１２°、及び１４°について得られる。図４の８ペア非線形アンテナアレイ４０００のアンテナパターンは、約１８００ｍｍ（約６フィート）という同一の長さを有する６ペア線形アレイ（破線）のアンテナパターンとの比較において、実線で示されている。これらの図から、仰角−６°、０°、６°、９°、１２°、及び１４°のすべてにおけるアンテナ利得が、メインローブ方向において１ｄＢを上回るだけ、６ペア線形アレイよりも大きな利得を有することを観察することができる。更には、８ペア非線形アンテナアレイ４０００は、仰角−６°、０°、６°、９°、１２°、及び１４°のすべてにおいて、第１上部サイドローブの相対的に良好な抑圧を有している。

図７は、本発明による複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイによってアンテナパターンを生成する方法の一例を示している。本方法の第１判定ステップ７００１は、アンテナアレイの複数のＮアンテナ素子のうちのＫⁱアンテナ素子からなるＭ個の受動的に組み合わされたサブアレイのそれぞれｉのＫⁱアンテナ素子の静的な位相関係ｖ₁ ⁱ〜ｖ_Ki ⁱを判定するステップを有しており、ここで、

であり、且つ、Ｍ≦Ｎ／２である。第２判定ステップ７００２は、複数のＮアンテナ素子のｎ能動型アンテナ素子のサブセットのそれぞれＪの及び該Ｍサブアレイのそれぞれｉの動的ビーム形成パラメータｗ₁〜ｗ_Jを判定するステップを有しており、ここで、ｎ＋Ｍ＝Ｊ≦Ｎ−１である。第３判定ステップ７００３は、静的位相関係ｖ₁ ⁱ〜ｖ_Ki ⁱ及び動的ビーム形成パラメータｗ₁〜ｗ_Jに基づいて複数のＮアンテナ素子を通じてアンテナパターンを有する無線信号を中継するステップを有する。第２判定ステップ７００２は、第１判定ステップ７００１の前、後、又はこれと同時に実行してもよいことに留意されたい。但し、群最適化法に基づいた最適化アルゴリズム及び／又は遺伝的アルゴリズムを使用した計算の場合には、動的ビーム形成パラメータｗ₁〜ｗ_Jの前に、静的位相関係ｖ₁ ⁱ〜ｖ_Ki ⁱを判定することが有利である。第２判定ステップ７００２は、第１判定ステップ７００１に基づいたものであってもよい。

静的位相関係ｖ₁ ⁱ〜ｖ_Ki ⁱは、複素重みであり、且つ、動的ビーム形成パラメータｗ₁〜ｗ_Jも、複素重みである。本方法は、アンテナアレイの複数のＮアンテナ素子のうちのＫⁱアンテナ素子からなるＭ個の受動的に組み合わされたサブアレイのそれぞれのものｉのＫⁱアンテナ素子の静的振幅関係を判定する更なるステップを有してもよい。全体的な中継パワーを低減することなしにテーパ化の効果を実現するために、静的振幅関係は、サブアレイのＫⁱアンテナ素子の間において不均等に分散している。従って、判定ステップ７００１は、アンテナアレイの複数のアンテナ素子の垂直柱のうちの少なくとも２つの最上部のアンテナ素子の静的位相関係を判定するステップを含み、この場合に、該サブアレイのうちの１つは、少なくとも２つの最上部アンテナ素子を有する。これとは対称的に、判定ステップ７００２は、垂直柱のうちの少なくとも２つの最下部のアンテナ素子の静的位相関係を判定するステップを含んでもよく、該サブアレイのうちの別のものは、少なくとも２つの最下部アンテナ素子を有する。

判定ステップ７００１及び／又は７００２は、群最適化法に基づいた最適化アルゴリズム及び／又は遺伝的アルゴリズムを使用してもよく、これらのアルゴリズムは、具体的には、ビーム形成又はチルトレンジにおけるアンテナパターンの柔軟性を大幅に制限しない様々なビーム形成パラメータが極大化されるという条件下において、実行してもよい。この代わりに、又はこれに加えて、ビーム形成又はチルトレンジにおける柔軟性を大幅に制限しない様々なビーム形成パラメータが極大化されるという条件下において、判定ステップ７００１及び／又は７００２を実行してもよい。

所望のアンテナパターンに近いアンテナパターンを実現するために、判定ステップ７００１及び／又は７００２を繰り返し反復してもよい。但し、第２判定ステップ７００２は、アンテナアレイの動作の際の任意の時点において又はアンテナアレイのアイドル状態において、動的に実行してもよいのに対して、第１判定ステップ７００１は、アンテナアレイのアイドル状態においてのみ、実行してもよい。

以上、本発明の様々な実施形態について説明したが、これらは、限定としてではなく、一例として提示されたものに過ぎないことを理解されたい。本発明の範囲を逸脱することなしに、形態及び詳細における様々な変更を実施可能であることは、当業者には、明らかであろう。（例えば、中央処理装置（「ＣＰＵ」）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、プロセッサコア、システムオンチップ（「ＳＯＣ」）、又は任意のその他の装置内における又はこれに結合された）ハードウェアの使用に加えて、例えば、ソフトウェアを保存するように構成されたコンピュータ使用可能（例えば、可読）媒体内に配設されたソフトウェア（例えば、ソース、オブジェクト、又は機械語などの任意の形態において配設されたコンピュータ可読コード、プログラムコード、及び／又は命令）において、実装形態を実施してもよい。例えば、このようなソフトウェアは、本明細書に記述されている装置及び方法の動作、製造、モデル化、シミュレーション、表現、及び／又は試験を可能にすることができる。例えば、これは、汎用プログラミング言語（例えば、Ｃ、Ｃ＋＋）、Verilog ＨＤＬやＶＨＤＬなどを含むハードウェア記述言語（ＨＤＬ）、或いは、その他の利用可能なプログラムを使用して実現することができる。このようなソフトウェアは、半導体、磁気ディスク、又は光ディスク（例えば、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭなど）などの任意の既知のコンピュータ使用可能媒体内に配設することができる。又、ソフトウェアは、コンピュータ使用（例えば、可読）送信媒体（例えば、搬送波又はデジタル、光学、アナログに基づいた媒体を含む任意のその他の媒体）内において実施されたコンピュータデータ信号として配設することもできる。本発明の実施形態は、装置を記述するソフトウェアを提供すると共にその後にインターネット及びイントラネットを含む通信ネットワーク上においてコンピュータデータ信号としてソフトウェアを送信することによって本明細書に記述された装置を提供する方法を含んでもよい。

本明細書に記述されている装置及び方法は、マイクロプロセッサコア（例えば、ＨＤＬにおいて実施されたもの）などの半導体ＩＰ（Intellectual Property）コア内に含まれてもよく、且つ、集積回路の製造においてハードウェアに変換されてもよいことを理解されたい。更には、本明細書に記述されている装置及び方法は、ハードウェア及びソフトウェアの組合せとして実施してもよい。従って、本発明は、上述の例示用の実施形態のいずれかに限定されるものではなく、添付の請求項及びその均等物によってのみ、規定される。

Claims (19)

1. 複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイであって、
   −複数のトランシーバモジュールと、
   −該複数のアンテナ素子の能動型アンテナ素子サブセットであって、該複数のトランシーバモジュールのうちの関連するサブセットトランシーバモジュールに対して能動的に結合されている少なくとも１つの能動型アンテナ素子を有する、能動型アンテナ素子サブセットと、
   −該複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つのアンテナ素子からなる、少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイと、
   を有するアンテナアレイ。
2. 該アンテナアレイの該複数のアンテナ素子は、垂直柱として配列される、請求項１に記載のアンテナアレイ。
3. 少なくとも２つの受動的に組み合わされたサブアレイを有し、該能動型アンテナ素子サブセットは、該少なくとも２つの受動的に組み合わされたサブアレイの間に配置される、請求項１又は請求項２に記載のアンテナアレイ。
4. 該少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイの該少なくとも２つのアンテナ素子は、該能動型アンテナ素子サブセット内の能動型アンテナ素子と該少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイ内のアンテナ素子との間の間隔を下回る該少なくとも２つのアンテナ素子の個々のアンテナ素子の間の間隔を有する、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
5. 前記少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイのうちの少なくとも１つは、該複数のトランシーバモジュールのうちの関連するサブアレイトランシーバモジュールに対して能動的に結合される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
6. 該複数のトランシーバモジュールにおけるトランシーバモジュールの数は、該複数のアンテナ素子におけるアンテナ素子の数を下回る、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
7. 前記少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイの該少なくとも２つのアンテナ素子は、受動型供給ネットワークによって受動的に組み合わせられている、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
8. 複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイによってアンテナパターンを生成する方法であって、
   −該アンテナアレイの該複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つのアンテナ素子からなる少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイのアンテナ素子の静的位相関係を判定するステップと、
   −該複数のアンテナ素子の能動型アンテナ素子サブセットのアンテナ素子の及び前記少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイの動的ビーム形成パラメータを判定するステップと、
   −該静的位相関係と該動的ビーム形成パラメータとに基づいて該複数のアンテナ素子を通してのアンテナパターンを有する無線信号を中継するステップと、
   を有する方法。
9. 該静的位相関係は、複素重みであり、且つ、該動的ビーム形成パラメータは、複素ビーム形成重みである、請求項８に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイの該アンテナ素子の静的振幅関係を判定するステップ、を更に有する、請求項８又は請求項９に記載の方法。
11. 該静的振幅関係は、前記少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイの該アンテナ素子の間において不均等に分散している、請求項１０に記載の方法。
12. 不均等なパワー値を該複数のアンテナ素子のうちの異なるアンテナ素子に供給するステップ、を更に有する、請求項８から請求項１１までのいずれか一項に記載の方法。
13. 前記静的位相関係を判定する該ステップは、該アンテナアレイの該複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つの第１の最外側のアンテナ素子の静的位相関係を判定するステップを有し、少なくとも２つの受動的に組み合わされたサブアレイのうちの第１のサブアレイは、該少なくとも２つの外側のアンテナ素子を有し、且つ、前記静的位相関係を判定する該ステップは、少なくとも２つの第２の最外側のアンテナ素子の静的位相関係を判定するステップを含み、少なくとも２つの受動的に組み合わされたサブアレイのうちの第２のサブアレイは、該少なくとも２つの第２の最外側のアンテナ素子を有する、請求項８から請求項１２までのいずれか一項に記載の方法。
14. 前記静的位相関係を判定する該ステップは、ビーム形成又はチルトレンジにおける柔軟性を大幅に制限しない様々なビーム形成パラメータが極大化される条件下において実行される、請求項８から請求項１３までのいずれか一項に記載の方法。
15. 前記静的位相関係又は前記ビーム形成パラメータのうちの少なくとも１つを判定する該ステップは、群最適化アルゴリズム又は遺伝的アルゴリズムのうちの少なくとも１つに基づく最適化アルゴリズムを使用するステップ、を有する、請求項８から請求項１４までのいずれか一項に記載の方法。
16. 前記動的ビーム形成パラメータを判定する該ステップは、前記判定された静的位相関係に基づいている、請求項８から請求項１５までのいずれか一項に記載の方法。
17. 前記位相関係を判定する該ステップと前記ビーム形成パラメータを判定する該ステップとは、望ましいアンテナパターンを実現するために繰り返し反復される、請求項８から請求項１６までのいずれか一項に記載の方法。
18. 一時的ではないコンピュータ可読媒体上で具体化されるコンピュータプログラムプロダクトであって、該コンピュータ可読媒体は、複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイの製造のための実行可能な命令を有する、コンピュータプログラムプロダクトであって、該アンテナアレイは、
    −複数のトランシーバモジュールと、
    −該複数のアンテナ素子の能動型アンテナ素子サブセットであって、該複数のトランシーバモジュールのうちの関連するトランシーバモジュールに対して能動的に結合されている少なくとも１つの能動型アンテナ素子を有する能動型アンテナ素子サブセットと、
    −該複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つのアンテナ素子からなる少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイと、
    を有する、コンピュータプログラムプロダクト。
19. 一時的ではないコンピュータ可読媒体上で具体化されるコンピュータプログラムプロダクトであって、該コンピュータ可読媒体は、複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイを用いてアンテナパターンを生成する方法の実行のための実行可能命令を有する、コンピュータプログラムプロダクトであって、該方法は、
    −該アンテナアレイの該複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つのアンテナ素子からなる少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイのアンテナ素子の静的位相関係を判定するステップと、
    −該複数のアンテナ素子の能動型アンテナ素子サブセットの及び該少なくとも１つの受動的に組み合わされたサブアレイの動的ビーム形成パラメータを判定するステップと、
    −該静的位相関係と該動的ビーム形成パラメータとに基づいて該複数のアンテナ素子を通してのアンテナパターンを有する無線信号を中継するステップと、
    を有する、コンピュータプログラムプロダクト。

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