JP2015053576A - フェーズドアレイ無線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力された信号を逓倍することでキャリア信号を生成するフェーズドアレイ無線装置において、各サブアレイモジュールに入力される信号の位相ずれを軽減する。
【解決手段】信号入力部２０２０は入力信号を受信する。信号線路２０４０は信号入力部２０２０とサブアレイモジュール２０６０とを接続する。サブアレイモジュール２０６０は、信号線路２０４０から入力信号を受信する内部信号入力部２０６２、その入力信号の周波数を m 倍（m > 0）する逓倍部２０６４、及びその入力信号を移相する移相部２０６６を有する。第１のサブアレイモジュール２０６０の内部信号入力部２０６２と信号入力部２０２０との間の信号線路長と、第２のサブアレイモジュール２０６０の内部信号入力部２０６２と信号入力部２０２０との間の信号線路長との差は、信号線路を伝搬する入力信号の波長の n/m である（n は正の整数）。
【選択図】図１

Description

本発明は、フェーズドアレイ無線装置に関する。

多数の放射素子が配置されたフェーズドアレイ無線装置では、各放射素子に給電する信号の位相を変えることによって、放射するビームの方向を任意の方向に制御できる。給電する位相を変化させる手段として、異なる移相を有する複数の移相器を組み合わせた移相回路が利用される。例えば、それぞれの移相器に1 ビットを割り当て、デジタル制御信号によって各移相器のオン／オフを制御することで、移相回路全体で 0°から 360°の給電位相が得られる。例えば４ビット移相回路の場合、移相が 22.5°、45°、90°、180°の移相器を組み合わせることで 0°から 360°の移相が実現できる。

これまで、マイクロ波やミリ波などの高周波帯では、GaAs に代表される化合物半導体を用いて移相回路が実現されてきた。このような化合物半導体で移相回路を実現する場合、移相器それぞれのサイズが大きくなる。そのため移相回路全体のサイズも大きくなり、放射素子数に応じた複数の移相回路を半導体回路上に集積することは困難であった。

しかし近年、CMOS 微細化プロセスを利用することで複数の移相器を半導体回路上に集積できるようになったため、小型のフェーズドアレイ無線装置が実現されている。例えば、非特許文献1は、アクティブフェーズドアレイ無線回路を開示している。このアクティブフェーズドアレイ無線回路では、1つの集積回路（8.95mm x 8.12mm）上に 32 個の送信用放射素子と 4 個の受信用放射素子に対応した無線回路が集積されている。このような無線回路は、例えば非特許文献２に開示されているように、アレイアンテナが形成された多層セラミック基板にフリップチップ実装されることで、無線モジュールが作製される。

非特許文献１において更に通信距離を長くする必要がある場合、放射素子と無線回路の数を増加させる必要がある。しかしながら、サイズの大きなセラミック基板を平坦に作製することは難しい。また、サイズの大きなチップをセラミック基板へフリップチップ実装することは、チップへ均一に荷重する観点から困難である。

この問題を解決するため、複数のサブアレイ無線モジュールを作成し、それらを並べてセラミック基板へ実装して、大きなモジュールにする方法が提案されている。例えば特許文献１では、4 x 4 個の放射素子を備えた多層構造のモジュールを同一基板上に3 x 3 個配置することで、12 x 12個の放射素子を備えたフェーズドアレイアンテナを構成する方法が提案されている。

特許文献１は、フェーズドアレイ無線装置におけるビーム方向の制御に関する技術を開示している。特許文献１の装置は、パイロット信号を用いてアレーアンテナのビーム方向を制御する。特許文献１において、アレーアンテナは複数のアンテナ素子を有しており、パイロット信号が各アンテナ素子に対応するミキサに入力するまでの移相差を、遅延線路（移相器）によって制御する。そして、各ミキサに入力されるパイロット信号の位相差に基づいて、アレーアンテナのビーム方向が制御される。

Sohrab Emami、外 11 名、「A 60GHz CMOS Phased-Array Transceiver Pair for Multi-Gb/s Wireless Communications」、IEEE、2011 IEEE international Solid-State Circuits Conference（ISSCC 2011）、pp.164-164、2011 年 2 月 20 日 Shuya Kishimoto、外 4 名、「A 60-GHz Band CMOS Phased Array Transmitter utilizing Compact Baseband Phase Shifters」、IEEE、Radio Frequency Integrated Circuits Symposium（RFIC 2009）、pp.215-218、2009 年 6 月 7 日

特開２００３−６０４２４号公報

マイクロ波やミリ波帯のキャリア信号を扱う無線モジュールにおいて、高周波帯でキャリア信号を生成せず、無線モジュール外部から低周波の信号を無線回路へ入力し、無線回路内で逓倍する方法がある。この方法では、外部から入力する信号の周波数と逓倍数を最適に組み合わせることで、発振器で直接高周波帯のキャリア信号を生成する場合よりも、低位相雑音のキャリア信号を生成できる。

この方法を多数のサブアレイモジュールを組み合わせたフェーズドアレイ無線装置に適用する場合、各サブアレイモジュールへ低周波信号を分配する。ここで、ビームの方向が制御できるフェーズドアレイ無線装置では、放射素子間の移相差が重要である。サブアレイモジュールに入力される低周波信号の位相がずれてしまうと、サブアレイモジュール間の移相差が所望の値からずれてしまう。結果的に、意図した通りにビームの方向を制御できなくなる。

そこで、意図した通りにビームの方向を制御するためには、移相器において、各サブアレイモジュールへ入力される信号の位相ずれを校正する必要がある。しかし、このようにサブアレイモジュール間の移相差を校正する機能をサブアレイモジュールに持たせると、様々な問題が生じする。例えば、１）サブアレイモジュールのサイズが大きくなる、２）サブアレイモジュールの消費電力が大きくなる、及び３）サブアレイモジュールの製造コストが高くなるなどといった問題が生じる。各先行技術文献は、各サブアレイモジュールへ入力される信号の位相ずれについて言及していない。

本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、入力された信号の周波数を逓倍するフェーズドアレイ無線装置において、各サブアレイモジュールに入力される信号の位相ずれを軽減する技術を提供することである。

本発明が提供するフェーズドアレイ無線装置は、複数のサブアレイモジュールを有する。また、このフェーズドアレイ無線装置は、入力信号を受信する信号入力部と、前記信号入力部と各前記サブアレイモジュールとを接続する信号線路と、を有する。前記サブアレイモジュールは、前記信号線路から前記入力信号を受信する内部信号入力部と、前記入力信号の周波数を m 倍（m > 0）する逓倍部と、前記入力信号を移相する移相部と、を有する。前記サブアレイモジュールの前記内部信号入力部と前記信号入力部との間の信号線路長と、そのサブアレイモジュールとは異なる任意の前記サブアレイモジュールの前記内部信号入力部と前記信号入力部との間の信号線路長との差は、前記入力信号の波長の n/m 倍（n は正の整数）である。

本発明によれば、入力された信号を逓倍することでキャリア信号を生成するフェーズドアレイ無線装置において、各サブアレイモジュールに入力される信号の位相ずれを軽減する技術が提供される。

実施形態１に係るフェーズドアレイ無線装置を例示するブロック図である。 実施例に係るサブアレイモジュールを示すブロック図である。 実施形態２に係るフェーズドアレイ無線装置を例示するブロック図である。 実施形態３に係るフェーズドアレイ無線装置を例示するブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

[実施形態１]
図１は、実施形態１に係るフェーズドアレイ無線装置２０００を例示するブロック図である。図１において、各ブロックは、ハードウエア単位の構成ではなく、機能単位の構成を示している。

実施形態１のフェーズドアレイ無線装置２０００は、信号入力部２０２０、信号線路２０４０、及び複数のサブアレイモジュール２０６０を有する。図１では、図を簡潔にするために、１つのサブアレイモジュール２０６０についてのみ、内部構成を図示している。なお図１ではサブアレイモジュール２０６０の数が４つであるものの、サブアレイモジュール２０６０の数は４つに限定されない。以下、それぞれの機能構成部について詳しく説明する。

＜信号入力部２０２０＞
信号入力部２０２０は、入力信号を受信する。この入力信号は、信号線路２０４０を介してサブアレイモジュール２０６０へ送られ、サブアレイモジュール２０６０によって処理される信号である。入力信号は、フェーズドアレイ無線装置２０００の内部又は外部から入力される。例えばこの入力信号は、フェーズドアレイ無線装置２０００の内部又は外部に備えられている発振器によって生成される。

＜信号線路２０４０＞
信号線路２０４０は、信号入力部２０２０とサブアレイモジュール２０６０とを接続する信号線路である。上記入力信号は、この信号線路２０４０を介して、信号入力部２０２０からサブアレイモジュール２０６０へ送られる。

＜サブアレイモジュール２０６０＞
サブアレイモジュール２０６０は、内部信号入力部２０６２、逓倍部２０６４、及び移相部２０６６を有する。内部信号入力部２０６２は、信号線路２０４０から入力信号を受信する。逓倍部２０６４は、内部信号入力部２０６２によって受信された入力信号の周波数を逓倍する。ここで、逓倍数を m （m > 0）とする。移相部２０６６は入力信号を移相する。

ここで、図１の場合、内部信号入力部２０６２から出力された入力信号は逓倍部２０６４に入力され、逓倍部２０６４から出力された入力信号が移相部２０６６に入力される。しかし、逓倍部２０６４と移相部２０６６の設置位置は逆でもよい。つまり、内部信号入力部２０６２から出力された入力信号が移相部２０６６に入力され、移相部２０６６から出力された入力信号が逓倍部２０６４に入力されるという構成でもよい。

＜サブアレイモジュール２０６０同士の位置関係＞
各サブアレイモジュール２０６０は、任意の別のサブアレイモジュール２０６０との間で数式（１）に示す関係を満たすように設けられている。ここで、２つのサブアレイモジュール２０６０を、第１のサブアレイモジュール２０６０と第２のサブアレイモジュール２０６０と表記する。L1 は、第１のサブアレイモジュール２０６０の内部信号入力部２０６２と信号入力部２０２０との間の信号線路長である。L2 は、第２のサブアレイモジュール２０６０の内部信号入力部２０６２と信号入力部２０２０との間の信号線路長である。n は、任意の正の整数である。λは、信号線路を伝搬する入力信号の波長である。m は、前述した逓倍部２０６４における逓倍数である。

数式（１）は、第１のサブアレイモジュール２０６０の内部信号入力部２０６２と信号入力部２０２０との間の信号線路長と、第２のサブアレイモジュール２０６０の内部信号入力部２０６２と信号入力部２０２０との間の信号線路長との差が、入力信号の波長λを逓倍数 m で割った値を整数倍した値であることを示している。

＜作用・効果＞
本実施形態のフェーズドアレイ無線装置２０００において、各サブアレイモジュール２０６０は、任意の別のサブアレイモジュール２０６０との間で数式（１）に示す関係を満たすように設けられている。このようにすることで、サブアレイモジュール２０６０間で入力信号の移相ずれを軽減することができる。例えば第１のサブアレイモジュール２０６０へ入力される第１の入力信号 S1(t) は数式（２）の通り記述される。

第１の入力信号 S1(t) は第１のサブアレイモジュール２０６０内でm逓倍される。これにより、数式（３）で記述される第１のキャリア信号 C1(t) が生成される。

一方、第２のサブアレイモジュール２０６０に入力される第２の入力信号 S2(t) は、数式（４）の通り記述される。

第２の入力信号 S2(t) は第２のサブアレイモジュール２０６０内でm逓倍される。これにより、数式（５）で記述される第２のキャリア信号 C2(t) が生成される。

ここで、数式（５）に数式（１）を代入すると、C2(t) は数式（６）のように変換される。その結果、第１のキャリア信号と第２のキャリア信号の移相が揃う。

以上のことから、移相部２０６６が入力信号を移相する際に、サブアレイモジュール２０６０間における入力信号の位相ずれを校正する必要がない。その結果、例えば、１）サブアレイモジュールのサイズが小さくなる、２）サブアレイモジュールの消費電力が小さくなる、及び３）サブアレイモジュールの製造コストが低くなるなどといった効果がある。

＜実施例＞
サブアレイモジュール２０６０の詳細な構成を、実施例として示す。図２は、実施例に係るサブアレイモジュール２０６０を示すブロック図である。実施例において、サブアレイモジュール２０６０は、Ｉ信号入力部１０、Ｑ信号入力部２０、ミキサ３０、送信増幅部４０、及びアンテナ５０を有する。なお、本実施例において、移相部２０６６、送信増幅部４０、及びアンテナ５０は複数設けられている。

ミキサ３０は、逓倍部２０６４によって周波数が m 倍された入力信号、及びＩ信号入力部１０によって受信されたＩ信号、及びＱ信号入力部２０によって受信されたＱ信号という３つの信号を受信する。ミキサ３０は、Ｉ信号及びＱ信号それぞれを、逓倍部２０６４から出力された入力信号を用いて、送信周波数まで周波数変換する。ミキサ３０は、送信周波数まで周波数変換したＩ信号とＱ信号を合成し、合成した信号を出力する。

ミキサ３０から出力された信号は、等位相かつ等電力で、各移相部２０６６へ分配される。移相部２０６６は、入力された信号を移相して、送信増幅部４０に対して出力する。送信増幅部４０は、信号を送信電力まで増幅して、アンテナ５０に対して出力する。アンテナ５０は、送信電力まで増幅された信号を放出する。

なお、本実施例におけるサブアレイモジュール２０６０ではミキサ３０から出力した信号を移相部２０６６に分配する構成になっているものの、サブアレイモジュール２０６０の構成はこの構成に限定されない。例えば、移相部２０６６を設ける位置を、逓倍部２０６４と移相部２０６６の間にしてもよい。この場合、移相部２０６６の数は１つでよい。

[実施形態２]
図３は、実施形態２に係るフェーズドアレイ無線装置２０００を例示するブロック図である。図３において、各ブロックは、ハードウエア単位の構成ではなく、機能単位の構成を示している。

実施形態２のフェーズドアレイ無線装置２０００の信号線路２０４０は、分配部２０７０を有する。分配部２０７０は、全てのサブアレイモジュール２０６０に対して、等位相かつ等電力で入力信号を分配する。

分配部２０７０には、例えばトーナメント状に接続されたウィルキンソン分配器が利用される。

＜作用・効果＞
本実施形態のフェーズドアレイ無線装置２０００によれば、全てのサブアレイモジュール２０６０に対し、分配部２０７０から、等位相かつ等電力で入力信号が分配される。そのため、各サブアレイモジュール２０６０に対して入力される入力信号の電力がばらつくことを防ぐことができる。

[実施形態３]
図４は、実施形態３に係るフェーズドアレイ無線装置２０００を例示するブロック図である。図４において、各ブロックは、ハードウエア単位の構成ではなく、機能単位の構成を示している。

＜増幅部２０８０＞
実施形態３のフェーズドアレイ無線装置２０００は、信号入力部２０２０と各サブアレイモジュール２０６０との間に増幅部２０８０を有する。例えば増幅部２０８０は、トランジスタ等を用いて構成される増幅回路によって実現される。

ここで、信号入力部２０２０とサブアレイモジュール２０６０との間に備えられる増幅部２０８０の数は、全てのサブアレイモジュール２０６０について同一である。例えば図４の場合、各サブアレイモジュール２０６０について、信号入力部２０２０との間に設けられている増幅部２０８０の数は２つである。そのため、信号入力部２０２０からサブアレイモジュール２０６０に到達するまでに入力信号が通過する増幅部２０８０の数は、各サブアレイモジュール２０６０について同一となる。

＜作用・効果＞
増幅回路などを用いて信号の強度を増幅すると、その信号の位相にずれが生じる場合がある。本実施形態のフェーズドアレイ無線装置２０００によれば、信号入力部２０２０からサブアレイモジュール２０６０に到達するまでに入力信号が通過する増幅部２０８０の数は、各サブアレイモジュール２０６０について同一である。したがって、全てのサブアレイモジュール２０６０それぞれに対して入力される入力信号について、増幅部２０８０によって生じる位相のずれの大きさが近い値になる。よって、本実施形態のフェーズドアレイ無線装置２０００によれば、サブアレイモジュール２０６０に対して入力する信号の強度を増幅しつつ、その増幅処理による位相ずれの影響を小さくすることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記実施形態の組み合わせ、及び上記実施形態以外の様々な構成を採用することもできる。

１０ Ｉ信号入力部
２０ Ｑ信号入力部
３０ ミキサ
４０ 送信増幅部
５０ アンテナ
２０００ フェーズドアレイ無線装置
２０２０ 信号入力部
２０４０ 信号線路
２０６０ サブアレイモジュール
２０６２ 内部信号入力部
２０６４ 逓倍部
２０６６ 移相部
２０７０ 分配部
２０８０ 増幅部

Claims (3)

1. 複数のサブアレイモジュールと、
   入力信号を受信する信号入力部と、
   前記信号入力部と各前記サブアレイモジュールとを接続する信号線路と、
   を有し、
   前記サブアレイモジュールは、
   前記信号線路から前記入力信号を受信する内部信号入力部と、
   前記入力信号の周波数を m 倍（m > 0）する逓倍部と、
   前記入力信号を移相する移相部と、
   を有し、
   前記サブアレイモジュールの前記内部信号入力部と前記信号入力部との間の信号線路長と、そのサブアレイモジュールとは異なる任意の前記サブアレイモジュールの前記内部信号入力部と前記信号入力部との間の信号線路長との差は、信号線路を伝搬する前記入力信号の波長の n/m 倍（n は正の整数）である、
   フェーズドアレイ無線装置。
2. 請求項１に記載のフェーズドアレイ無線装置であって、
   前記信号線路は、全ての前記サブアレイモジュールに対して等位相かつ等電力で前記入力信号を分配する分配部を有するフェーズドアレイ無線装置。
3. 請求項１に記載のフェーズドアレイ無線装置であって、
   前記信号入力部と各前記サブアレイモジュールとの間に、前記信号の強度を増幅する増幅部を有し、
   前記信号入力部と前記サブアレイモジュールとの間に備えられている前記増幅部の個数は、全ての前記サブアレイモジュールについて同一であるフェーズドアレイ無線装置。

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