JP2015530052A - 可変電気チルト付きマルチバンド・アンテナ - Google Patents

可変電気チルト付きマルチバンド・アンテナ Download PDF

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Abstract

マルチバンド・アンテナのアレイをなす放射素子の垂直平面における可変電気チルトを制御するための給電システムであって、Ｎ個の入力とＮ個の出力とを有し、ハイブリッド・カプラを備えたバトラ・マトリクスを備えており、それぞれの入力は無線信号を受信することができ、それぞれの出力は信号を少なくとも１つの放射素子に送信することができる。バトラ・マトリクスの少なくとも１つの出力は、それぞれの周波数帯域に対して独立の電気チルトをイネーブルするモジュールに接続されており、モジュールは、（ｉ）信号を異なる周波数帯域に分離するダイプレクサである第１段と、（ｉｉ）所与の電気的遅延をそれぞれの周波数帯域内にある信号に印加する固定遅延線である第２段と、（ｉｉｉ）信号の調節された位相シフトをそれぞれの周波数帯域に導入する可変位相シフタである第３段と、（ｉｖ）少なくとも１つの放射素子に送信するために、異なる周波数帯域に内にある信号を合成するダイプレクサである第４段と、を備えている。

Description

本発明は、放射素子を用いてハイパー周波数範囲の無線電波を送信する遠距離通信アンテナの分野に関する。これらは、多数の遠距離通信システムにおいて用いられるように構成されたアンテナ・システムであり、特に、モバイル無線通信セルラ・ネットワークにおいて適用されるアンテナ・システムである。それは、特に、広帯域の二重偏波機能を備え、電気チルトが調節可能な基地局パネル・アンテナに関する。
カバレージ・エリアは、いくつかの個数のセルに分割されるのが一般的であり、各セルが基地局とそれぞれのアンテナとに関連付けられている。モバイル無線通信セルラ・ネットワークは、ダイポールなどの個別的な放射素子のアレイを備えたアレイ・アンテナを用いる。本明細書では、「パネル・アンテナ」という用語は、所与の周波数範囲で動作しそれ自体の給電（フィード）システムを備えた放射素子の配置（アライメント）を意味する。パネル・アンテナは、一般に、それぞれの周波数帯域とそれぞれの偏波とに対して、１つのアクセス・コネクタを有する。
アンテナのメイン・ビームの対頂角の変化によって、これは「チルト」としても知られているが、アンテナのカバレージ・エリアを調節することが可能になる。アンテナのチルト角度は、アンテナを形成しているアレイのそれぞれの放射素子によって送信されるまたは受信される信号の時間遅延または位相を変更することによって、電気的に調節され得る。これは、調節可能または可変電気チルトと称される。一般的な構成では、単一の可変電気チルトすなわちＶＥＴ制御システムが、それぞれの偏波に対する利用可能な周波数帯域全体に対して、垂直平面におけるアンテナの傾きを命令する。利用可能な周波数スペクトルが複数の狭い周波数帯域に分割されなければならない場合には、ダイプレクサを導入することが必要になる。しかし、ダイプレクサがＶＥＴ電気チルト制御システムへの入口に配置される場合には、アンテナの電気チルトを、それぞれの狭い周波数帯域に対して独立に調節することは不可能である。
可変電気チルト（ＶＥＴ）をそれぞれの周波数帯域に対して制御する可能性に関する１つの解決策として、１つのダイプレクサをそれぞれの放射素子に接続し、制御されるそれぞれの帯域に対して１つの可変電気チルト（ＶＥＴ）給電システムを用いることがある。「ダイプレクサ」という用語は、設置されている方向に応じて、信号を複数の異なる周波数帯域に合成／分離する多重化を実行する受動デバイスを意味する。本明細書での場合には、ダイプレクサは、複数の異なる周波数帯域において動作する２つのフィルタとして振る舞い、２つのフィルタの入口の一方が共有されている。そのようなダイプレクサにより、そのダイプレクサが接続されている放射素子は、送信時および受信時の両方の場合において、ダイプレクサに接続されている２つの給電システムと関連する周波数帯域の両方で同時に動作することが可能になる。これらのダイプレクサを構築するための技術はいくつか存在するが、重量、体積、性能、およびコストが異なる。
放射素子の個数が多い場合には、このタイプのデバイスが相当し得る体積、重量、およびコストのために、（例えば、空洞共振器を用いる）いわゆる「高性能」ダイプレクサを用いることは不可能であろう。結果的に、（セラミックなど）高い誘電率の基板上、または、表面弾性波（ＳＡＷ）技術を用いる基板上に形成されたマイクロストリップ・ラインを用いるダイプレクサなど、小型のダイプレクサが選択される。これらの小型のダイプレクサの性能は、例えば空洞共振器を用いるダイプレクサの性能より劣っている。挿入損失（ＩＬ）、反射損失（ＲＬ）、および周波数帯域の間での分離が、アンテナの全体的なＲＦ性能に著しく影響することになる。更に、それぞれの偏波について、制御されるそれぞれの帯域に対して専用の完全な給電アレイを有することが必要である。これらの機能を実行するのに用いられる技術によっては、単一のダイプレクサとそれぞれの周波数帯域のための給電アレイの必要性に相当し得る体積、重量、およびコストを考慮すると、これは、法外に高額となり得る。
本発明の目的は、従来技術の短所を解消することであり、特に、広帯域アンテナの全体に給電し、それぞれの狭い周波数帯域に対してそのアンテナの垂直平面における可変電気チルト（ＶＥＴ）を個別的に制御することを可能にする簡易な単一の給電システムを提案することである。
本発明の主題は、マルチバンド・アンテナのアレイをなす放射素子の垂直平面における可変電気チルトを制御するための給電システムであり、この給電システムは、Ｎ個の入力とＮ個の出力とを有し、ハイブリッド・カプラを備えたバトラ・マトリクスを備えていて、それぞれの入力は無線信号を受信することができ、それぞれの出力は信号を少なくとも１つの放射素子に送信することができる。少なくとも１つのバトラ・マトリクスの出力は、それぞれの周波数帯域に対して独立の電気チルトを許容するモジュールに接続されており、このモジュールは、
信号を異なる周波数帯域に分離するダイプレクサである第１段と、
所与の電気的遅延をそれぞれの周波数帯域内にある信号に印加する固定遅延線である第２段と、
信号の調節された位相シフトをそれぞれの周波数帯域に導入する可変位相シフタである第３段と、
少なくとも１つの放射素子に送信するために、異なる周波数帯域内にある信号を合成するダイプレクサである第４段と、を備えている。
第１の態様によると、このモジュールは、パワー・スプリッタと少なくとも１つの固定遅延線とによって１対の放射素子に接続されている。好ましくは、モジュールの出力はパワー・スプリッタの入力に接続され、パワー・スプリッタの一方の出力は第１の放射素子に接続され、パワー・スプリッタの他方の出力は第２の放射素子に接続された固定遅延線に接続されている。
第２の態様によると、このシステムは、バトラ・マトリクスの出力の個数であるＮよりも小さな個数のモジュールを備えている。好ましくは、モジュールの個数はＮ−１に等しい。
第１の変形例（バリアント）によると、バトラ・マトリクスはＮ個のハイブリッド・カプラを備えており、その中のＮ／２個のハイブリッド・カプラは第１のグループに属し、その中のＮ／２個のハイブリッド・カプラは第２のグループに属する。好ましくは、バトラ・マトリクスは、第１のグループのＮ／２個のハイブリッド・カプラに接続されたＮ個の入力を備えており、第１のグループのそれぞれのハイブリッド・カプラは、第２のグループの異なるハイブリッド・カプラにそれぞれ接続されている２つの出力を備えている。
第２の変形例によると、バトラ・マトリクスはＮ＋Ｎ／２個のハイブリッド・カプラを備えており、その中のＮ／２個のハイブリッド・カプラは第１のグループに属し、その中のＮ／２個のハイブリッド・カプラは第２のグループに属し、その中のＮ／２個のハイブリッド・カプラは第３のグループに属する。好ましくは、バトラ・マトリクスは、第１のグループのＮ／２個のハイブリッド・カプラに接続されているＮ個の入力を備えており、第１のグループのそれぞれのハイブリッド・カプラは２つの出力を備え、第１の出力は第２のグループのハイブリッド・カプラに直接接続され、第２の出力は、第３のグループのハイブリッド・カプラによって第２のグループのハイブリッド・カプラに接続されている。
本発明は、信号の同相を調整する（ｐｈａｓｉｎｇ）ための結合回路の技術に関する。更に詳しくは、本発明は、フェーズド複数素子アンテナ（ｐｈａｓｅｄ ｍｕｌｔｉｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｔｅｎｎａ）の位相を制御することに関する。フェーズド複数素子アンテナのそれぞれの放射素子は、そのアンテナ内部の他の放射素子によって処理される信号に対して位相シフトされている信号を処理する。この理由は、フェーズド複数素子アンテナによってある距離の地点において生じる合成された放射電磁界は、このフェーズド・アンテナにおける個々の放射素子によって生じる放射電磁界のベクトル和であるから、である。フェーズド複数素子アンテナによって処理される信号のそれぞれの位相を正しく制御することにより、合成された放射電磁界を所望の方向に、そして、所望の放射パターンの形状に、非常に強力に合焦することが可能になる。
このシステムの長所は、複数のユーザ（すなわち、複数の入力を備えたアンテナ）の間で、および／または、複数のより狭い周波数帯域の間で、１つの広帯域アンテナを共有することを可能にする、ということである。
この給電システムによると、この給電システムのどの入力が使用のために選択されるかと無関係に、マルチバンド・アンテナのパターンのチルトを制御することが可能になる、ということを理解することが重要である。それらの入力のそれぞれは、接続がアップリンクであるかダウンリンクであるかによって、シングルバンドまたはマルチバンドの信号を受け取る場合があり得る。このシステムによると、単一の給電ネットワークを用いて、それぞれの狭い周波数帯域に対する独立の電気チルトが可能になる。アンテナの放射パターンの垂直平面における可変電気チルト（ＶＥＴ）は、それぞれの周波数帯域とは独立に制御される。周波数帯域の数とは関係なく、ただ１つの給電システムが必要となるだけである。例えば、複数のユーザがマルチバンド・アンテナを共有している場合には、その中の１人のユーザは、複数のサブバンドを用いる必要がある。この給電システムは、複数の入口の中の１つを経由して複数の周波数サブバンドで動作することが可能であり、また、それらを適切に独立して制御することが可能であるから、入口の中のいずれか１つを、そのユーザに割り当てることができる。
アンテナの入口は所定の周波数帯域に固有ではなく、これは、所与の周波数帯域の入力信号が入力コネクタの中のいずれか１つに接続され得ることを意味している。同じことは、出力信号についても正しい。入口の個数は、可変電気チルト（ＶＥＴ）によって制御され得る周波数帯域の数と独立である。このシステムは、ある１つの方向で動作すると共に修正なしで反対方向にも動作するという点で、２つの機能を有する。
本発明の更なる主題は、先行する請求項のいずれか１項に記載の給電システムによるマルチバンド・アンテナのアレイをなす放射素子の垂直平面における可変電気チルトを制御するための方法であって、電気チルトが、バトラ・マトリクスを放射素子に接続するモジュールであって可変位相シフタをそれぞれの周波数帯域における信号の経路上に備えているモジュールによって、それぞれの周波数帯域に対して独立に調節されることを特徴とする方法である。
それを構成する様々な要素の順序および配列がこの給電システムの機能に影響する、ということに注意することが重要である。それらを、この給電システムがどのように動作するかに変化を生じさせることなく修正するのは、不可能である。
本発明の他の特徴および利点は、一実施形態に関する下記の説明を読むことで明らかになるであろう。なお、当然のことであるが、説明される実施形態は、非限定的実例によって次の添付の図面において与えられている。
遅延線を備えていない４Ｘ４バトラ・マトリクスの原理を示す図である。 ４つの周波数帯域におけるチルトが独立に制御される４つのアンテナ放射素子のための給電システムの第１の実施形態を示す図である。 図３の実施形態の単純化された変形例であるアンテナ給電システムの第２の実施形態を示す図である。 ４つの周波数帯域におけるチルトが独立に制御される８つのアンテナ放射素子のための給電システムの第３の実施形態を示す図である。 ２つの周波数帯域におけるチルトが独立に制御される８つのアンテナ放射素子のための給電システムの第４の実施形態を示す図である。 ｎ個の周波数帯域におけるチルトが独立に制御される８つのアンテナ放射素子のための給電システムの第５の実施形態を示す図である。
図１は、バトラ・マトリクスの図解である。１９６１年に、ジェシー・バトラ（Ｊｅｓｓｅ Ｂｕｔｌｅｒ）とラルフ・ロウ（Ｒａｌｆ Ｌｏｗｅ）とが、アレイをなす放射素子を備えたアンテナのための複数ビームの直接的生成を可能にし得るアンテナの給電システムのための破壊的トポロジ（ｄｉｓｒｕｐｔｉｖｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ）を提案した。元来は監視レーダおよび高度計測のためのものと意図されていたが、この給電原理は、今日では、多数の応用例において広く用いられている。
このアンテナ給電構成は、主に、既知のハイブリッド・カプラと遅延線とを用いる。バトラ・マトリクスによると、Ｍ個（または、Ｍ−１個）の入力コネクタを用いて、Ｍ個のビームを生じさせることが可能になる。これは、Ｎ個の入力とＮ個の出力とを備えたハイブリッド・カプラの配列であるハイパー周波数相互受動デバイスである。なお、Ｎは、一般的に、２のベキ乗である。より一般的には、２Ｎ個の入力を有するバトラ・マトリクスは、Ｎ２Ｎ−１個のハイブリッド・カプラと（Ｎ−１）２Ｎ−１個の位相チャプタとにより、全体では（２Ｎ−１）２Ｎ−１個のコンポーネントで構成されている。バトラ・マトリクスの特定のトポロジによって要求される交点の個数は、２Ｎ−１（２Ｎ−Ｎ−１）である。
既知の２Ｘ２バトラ・マトリクスの一例を考察する。第１の入力が用いられるときには、位相０°の信号が第１の放射素子に送られ、他方で、位相−９０°の信号が第２の放射素子に送られる。２つの信号の間にあるこの９０°の位相シフトは、入力信号を初期エネルギの半分のエネルギと他方に対して９０°シフトされている出力位相とを有する２つの信号に分割する−３ｄＢのハイブリッド・カプラに起因する。結果的に、第１の入力を用いることにより、アレイ・パターンは特定の角度のチルトΘを有し、第２の入力を用いることにより、アレイ・パターンは特定の角度のチルト−Θを有する。
図１は、４Ｘ４と称されるバトラ・マトリクス１の一例を示しているが、このバトラ・マトリクスは遅延線をまったく備えていない。バトラ・マトリクス１は、４つのアンテナ放射素子２Ａ〜２Ｄに給電することが意図されており、４つの入力３Ａ〜３Ｄと４つの出力４Ａ〜４Ｂとを備えている。４つの出力４Ａ〜４Ｂは、それぞれの放射素子２Ａ〜２Ｄにそれぞれ接続されている。このバトラ・マトリクスは、更に、４つの−３ｄＢのハイブリッド・カプラ５Ａ〜５Ｄを備えており、第１のグループのハイブリッド・カプラ５Ａおよび５Ｂは、リンク６Ａおよび６Ｂによって、また同様にリンク６Ｃおよび６Ｄによって、第２のグループのハイブリッド・カプラ５Ｃおよび５Ｄにそれぞれ接続されている。第１段のスイッチ７は、どの入力に給電すべきかを選択可能にするために、入力４Ａ〜４Ｂの前において、共通に用いられる。
入力３Ａが用いられるときには、信号の経路上にハイブリッド・カプラ５Ａが存在していることにより、入力信号が、それぞれが半分のエネルギを有しており出力位相が相互に９０°シフトされている２つの信号に分割される。ハイブリッド・カプラ５Ａは、リンク６Ａによってハイブリッド・カプラ５Ｃに送られる位相０°の信号と、リンク６Ｂによってハイブリッド・カプラ５Ｄに送られる位相９０°の信号との両方を生成する。それに対して、ハイブリッド・カプラ５Ｃは、リンク６Ａによって追加される位相０°の信号に位相シフトを生じさせる電気的遅延を導入する。放射素子２Ｂは、その入力４Ｂにおいて、入力信号と放射素子２Ａによってその入力４Ａにおいて受け取られる信号とに対して９０°だけ位相シフトされている信号を受け取る。
同様に、入力３Ｃが用いられるときには、ハイブリッド・カプラ５Ｂは、従って、リンク６Ｃによってハイブリッド・カプラ５Ｃに送られる位相０°の信号と、リンク６Ｄによってハイブリッド・カプラ５Ｄに送られる位相９０°の信号との両方を生成する。それに対して、ハイブリッド・カプラ５Ｄは、リンク６Ｄによって追加される位相信号に追加的な９０°の位相シフトを生じさせる電気的遅延を導入する。放射素子２Ｃは、その入力４Ｃにおいて、入力信号に対して９０°位相シフトされている信号を受け取り、放射素子２Ｄは、その入力４Ｄにおいて、入力信号に対して１８０°位相シフトされている信号を受け取る。
バトラ・マトリクス１の４つの出力４Ａ〜４Ｄのそれぞれにおいて、出力信号は、入力信号のエネルギの４分の１を有するように回復される。選択された入力３Ａ〜３Ｄに基づいてバトラ・マトリクス１の出力４Ａ〜４Ｂにおいて観測される位相シフトが、次の表に与えられている。
Figure 2015530052
これは、アレイをなす放射素子の全体に同一の位相で給電することを望む場合には、オフセット機能を有する電気的遅延を放射素子２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄの入力において導入する必要がある、ということを示している。例えば、入力３Ａを用いる場合には、バトラ・マトリクス１の出力において観測される位相シフトをオフセットするために、１８０°、９０°、９０°、および０°の電気的遅延が、放射素子２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄの入力においてそれぞれ導入されなければならない（表の第１行を参照のこと）。それぞれの放射素子２Ａ〜２Ｄの入力において観測される結果的な位相は同一であって、入力信号に対して１８０°シフトされている。すなわち、０°＋１８０°＝１８０°（素子２Ａ）、９０°＋９０°＝１８０°（素子２Ｂ）、９０°＋９０°＝１８０°（素子２Ｃ）、１８０°＋０°＝１８０°（素子２Ｄ）である。
しかし、遅延の同一の組合せが、他の３つの入力３Ｂ〜３Ｄの中の１つが用いられる場合にすべての放射素子について同相の給電を得ることを可能にすることはなく、印加する遅延の組合せはそれぞれの入力３Ａ〜３Ｄに固有である、ということに注意を払うべきである。例えば、入力３Ｂを用いるときには、放射素子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、および２Ｄの入力において、９０°、０°、１８０°、および９０°というオフセットを行う電気的遅延をそれぞれ追加することが必要であり得る。その場合、それぞれの放射素子２Ａ〜２Ｄの入力において観測される結果的な位相は同一であり、入力信号に対して１８０°シフトされていることになる。すなわち、９０°＋９０°＝１８０°（素子２Ａ）、１８０°＋０°＝１８０°（素子２Ｂ）、０°＋１８０°＝１８０°（素子２Ｃ）、９０°＋９０°＝１８０°（素子２Ｄ）である。
図２に示されている第１の実施形態では、４Ｘ４バトラ・マトリクス１０は、遅延線を備えておらず、図１の４Ｘ４バトラ・マトリクス１に類似して、４つのハイブリッド・カプラ１２Ａ〜１２Ｄに接続された４つの入力１１Ａ〜１１Ｄを備えている。それぞれの無線入口１１Ａ〜１１Ｄには入力信号が注入されるが、この入力信号は、シングルバンド信号であるか、または、例えば複数の周波数帯域Ｆ１〜Ｆ４を含むマルチバンド信号であり得る。
従って、４Ｘ４バトラ・マトリクス１０は、また、４つの出力１３Ａ〜１３Ｄを備えている。バトラ・マトリクス１０の出力１３Ａ〜１３Ｄのそれぞれには、出力１３Ａ〜１３Ｄを放射素子１５Ａ〜１５Ｄにそれぞれリンクするモジュール１４Ａ〜１４Ｄが接続されている。モジュール１４Ａ〜１４Ｄはすべて同一であることに注意すべきである。適切な電気的遅延と位相シフトとが、モジュール１４Ａ〜１４Ｄによって導入される。アンテナの入口１１Ａ〜１１Ｄは、所定の周波数帯域に特定されていない。用いられる入力１１Ａ〜１１Ｄとは関係なく、信号を放射素子１５Ａ〜１５Ｄの中の１つに方向付けることが可能である。
モジュール１４Ａ〜１４Ｄに入るマルチバンド信号は、ダイプレクサ１７である第１段１６によって、狭い周波数帯域Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、またはＦ４に分離される。
第２段１８は、適切な電気的遅延をそれぞれの周波数帯域Ｆ１〜Ｆ４における信号にそれぞれ印加するために、それぞれの周波数帯域チャネルＦ１〜Ｆ４に対する固定遅延線ＤＬ１９を備えている。例えば、放射素子１５Ａ〜１５Ｄに到達する周波数帯域Ｆ１の信号は、すべて、固定遅延線１９から出るときには同相であることが望まれ得る。この場合には、周波数帯域チャネルＦ１と関連しており放射素子１５Ａに接続されている固定遅延線１９は、周波数帯域Ｆ１と関連しており放射素子１５Ｂに接続されている固定遅延線１９によって導入される遅延値とは異なる遅延値を導入する蓋然性が高い。これは、周波数帯域Ｆ１の信号がバトラ・マトリクス１０において同一の経路をすべて辿ったとは限らないという事実に起因する。
次に、信号は、それぞれの周波数帯域Ｆ１〜Ｆ４に適合している位相シフトを導入する可変位相シフタ２１である段２０に移動する。可変位相シフタ２１により、周波数帯域Ｆ１〜Ｆ４のそれぞれに対して独立に、アンテナの電気チルトを変動させることが可能になる。可変位相シフタ２１が存在しない場合には、アンテナは例えば周波数帯域Ｆ１において固定されたチルトを有し得るのであるが、これは、周波数帯域Ｆ１におけるアンテナの放射パターンが、水平方向に対して、所与の固定角度に向けられ得るということを意味する。この固定されたチルトは、固定遅延線１９によって導入された遅延の結果として生じている。
最終的には、異なる周波数帯域Ｆ１〜Ｆ４の信号が、ダイプレクサ２３である段２２に到達する。これらのダイプレクサ２３により、可変位相シフタ２１である段２０の結果として生じる異なる周波数帯域Ｆ１〜Ｆ４に属する信号を合成することが可能になり、また、共有されたチャネルによって放射素子１５Ａ〜１５Ｄに同時に送信することが可能になる。
モジュール１４Ａ〜１４Ｄからの出力信号が、すべての周波数帯域Ｆ１〜Ｆ４での動作がすべて可能である放射素子１５Ａ〜１５Ｄにそれぞれ給電する。結果的に、アンテナの放射パターンの垂直平面における可変電気チルト（ＶＥＴ）は、可変位相シフタ２１を備えているモジュール１４Ａ〜１４Ｄを用いて、それぞれの周波数帯域Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３およびＦ４に対して独立に制御され得る。
給電システムの入力にバトラ・マトリクス１０が配置されていることにより、入力１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃおよび１１Ｄの中から一度に２つを選択した場合、それらの間に絶縁を生じさせることが可能になるということに注意することが重要である。
図３は、図２の実施形態と類似の第２の実施形態を示しているが、図３では、放射素子の中の１つがモジュールと関連付けられていない。
遅延線を備えていない４Ｘ４バトラ・マトリクス３０は、図２の４Ｘ４バトラ・マトリクス１０と類似しているが、４つのハイブリッド・カプラ３２Ａ〜３２Ｄに接続された４つの入力３１Ａ〜３１Ｄを備えている。それぞれの入口３１Ａ〜３１Ｄにおいて、例えば複数の帯域Ｆ１〜Ｆ４を含むマルチバンド信号が、導入され得る。従って、４Ｘ４バトラ・マトリクス３０は、また、４つの出力３３Ａ〜３３Ｄを備えている。バトラ・マトリクス３０の３つの出力３３Ａ、３３Ｃ、および３３Ｄには、出力３３Ａ、３３Ｃ、および３３Ｄを放射素子３５Ａ、３５Ｃ、および３５Ｄにそれぞれ接続するモジュール３４Ａ、３４Ｃ、および３４Ｄが割り当てられている。モジュール３４Ａ〜３４Ｄはすべて同一であることに注意すべきである。出力３３Ｂは、同軸ケーブル３６によって、放射素子３５Ｂに直接リンクされている。
垂直平面におけるアンテナの放射パターンは、放射素子のそれぞれによって放射される異なる電磁界（ｆｉｅｌｄｓ）の遠方界（ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ）加算によって得られる。しかし、この加算は、基準として任意に選択された放射素子の中の１つを用いて実行される。従って、基準として任意に選択された例えば放射素子３５Ｂと残りの放射素子３５Ａ、３５Ｃ、および３５Ｄとの間の位相差を制御すれば、十分である。それぞれの放射素子の絶対位相を制御することは、従って、もはや必要ではない。図２の実施形態と比較すると、モジュールの中で、選択された放射素子３５Ｂと関連する１つのモジュールが取り除かれており、素子３５Ａ〜３５Ｄの間の位相差の制御は、保持されているモジュール３４Ａ、３４Ｃ、および３４Ｄによって実行され得る。
図２および図３によって示されている実施形態は、従来技術と比較すると、多数の利点を有している。
（ｉ）利用可能な帯域の個数とは関係なく、（図２および図３の実施形態における帯域Ｆ１〜Ｆ４のような）すべての周波数帯域に対し、ただ１つの給電ネットワークだけが必要とされる。従来技術では、周波数帯域のそれぞれに対して、完全に専用の給電ネットワークが必要であった。
（ｉｉ）（図２および図３それぞれの実施形態における入力１１Ａ〜１１Ｄまたは３１Ａ〜３１Ｄのような）それぞれの無線入口において、それらの無線入口が相互に絶縁されているとすると、（図２および図３の実施形態における帯域Ｆ１〜Ｆ４のような）複数の周波数帯域を含むマルチバンド信号が注入され得る。フィルタリングおよび位相シフト機能を実行する（図２および図３それぞれの実施形態におけるモジュール１４Ａ〜１４Ｄまたは３４Ａ、３４Ｃおよび３１Ｄのような）モジュールは、複数のより狭い周波数帯域へのマルチバンドの周波数分解を管理し、それぞれの周波数帯域に対する位相シフトに適応する。この場合に、可変電気チルト（ＶＥＴ）の位置決めは、入力１１Ａ〜１１Ｄまたは３１Ａ〜３１Ｄによってではなく、周波数帯域Ｆ１〜Ｆ４によって管理される。
（ｉｉｉ）いずれの周波数帯域に属する信号であっても、それぞれの無線入口に注入され得るのであって、例えば、周波数帯域Ｆ１の信号を入力１１Ａに、周波数帯域Ｆ２の信号を入力１１Ｂに、周波数帯域Ｆ３の信号を入力１１Ｃに、周波数帯域Ｆ４の信号を入力１１Ｄに送ることが可能であるが、同様に、周波数帯域Ｆ４の信号を入力１１Ａに、周波数帯域Ｆ１およびＦ３の信号を入力１１Ｂに、周波数帯域Ｆ２およびＦ４の信号を入力１１Ｃに、周波数帯域Ｆ１の信号を入力１１Ｄに、または任意の他の順列もしくは組合せで送ることが可能である。無線入口は、従って、特定の周波数帯域の専用ではない。（図２および図３それぞれの実施形態におけるモジュール１４Ａ〜１４Ｄまたは３４Ａ、３４Ｃおよび３１Ｄのような）モジュールによって導入される位相シフト値を、選択された構成に基づく適切な値に設定されなければならないだけである。
第３の実施形態が、図４に示されている。４Ｘ４バトラ・マトリクス４０は、遅延線を備えておらず、第１のグループの２つのハイブリッド・カプラ４２Ａおよび４２Ｂに接続された４つの入力４１Ａ〜４１Ｄを備えている。それぞれの入口４１Ａ〜４１Ｄにおいて、例えば複数の帯域Ｆ１〜Ｆ４を含むマルチバンド信号が、導入され得る。第１のグループのカプラ４２Ａおよび４２Ｂは、直接リンク４３Ａおよび４３Ｂによって、第２のグループのカプラ４２Ｃおよび４２Ｄにそれぞれ接続されており、他方で、第１のグループのカプラ４２Ａおよび４２Ｂは、第３のグループのハイブリッド・カプラ４２Ｅおよび４２Ｆによって、第２のグループのカプラ４２Ｃおよび４２Ｄに接続されている。この進んだ実施形態においては、バトラ・マトリクスの交線がハイブリッド・カプラ４２Ｅおよび４２Ｆによって置き換えられており、それにより、交差リンクを有さない完全なバトラ・マトリクスを作製することが可能になる。従って、４Ｘ４バトラ・マトリクス３０は、また、４つの出力４４Ａ〜４４Ｄも含む。バトラ・マトリクス３０の４つの出力４４Ａ〜４４Ｄのそれぞれにおいて、出力信号は、入力信号のエネルギの４分の１を有するように回復される。
出力４４Ａ、４４Ｃおよび４４Ｄのそれぞれは、モジュール４５Ａ、４５Ｃおよび４５Ｄにそれぞれ接続されている。適切な電気的遅延および位相シフトが、モジュール４５Ａ、４５Ｃ、および４５Ｄによって導入される。２つの放射素子４６Ａおよび４６Ｂが、これら２つの放射素子４６Ａおよび４６Ｂの一方である例えばここでは放射素子４６Ａの前に配置されたパワー・スプリッタ４８Ａおよび遅延線４９Ａによって、モジュール４５Ａに接続されている。出力４４Ｂは、２つの放射素子４６Ｃおよび４６Ｄに、同軸ケーブル４７を経由して、これら２つの放射素子４６Ｃおよび４６Ｄの一方である例えば放射素子４６Ｃの前に配置されたパワー・スプリッタ４８Ｂおよび遅延線４９Ｂによって、接続されている。同様に、モジュール４５Ｃは、２つの放射素子４６Ｅおよび４６Ｆに、これら２つの放射素子４６Ｅおよび４６Ｆの一方である例えば放射素子４６Ｆの前に配置されたパワー・スプリッタ４８Ｃおよび遅延線４９Ｃによって、接続されている。一方で、２つの放射素子４６Ｇおよび４６Ｈは、これら２つの放射素子４６Ｇおよび４６Ｈの一方である例えばここでは放射素子４６Ｈの前に配置されたパワー・スプリッタ４８Ｄおよび遅延線４９Ｄによって、モジュール４５Ｄに接続されている。出力は、入力の数を増加させることなく４個から８個の放射素子に給電することを可能にするために、スプリッタと遅延線との組合せにより、複製されている。
図４に示されている実施形態では、放射素子は、従って、対として位相制御される。同じ原理に基づく他の構成も達成可能であり、これは、出力の複製を一部のモジュールだけに制限すること、または、逆に、遅延線と組み合わせられた更に多数のスプリッタを追加することで一部のモジュールの出力を３倍または更には４倍にすること、などによってなされる。
当然に、８個の放射素子の制御も、例えば、図２および図３の実施形態においてそれぞれ説明された８個または７個のモジュールの前に配置された８Ｘ８バトラ・マトリクスを用いることにより、可能であろう。しかし、図４は、アンテナのコスト、重量、および体積の観点から見て優れている実施形態を示している。
必要とされるコンポーネントの個数を制限すること、従って、アンテナのアーキテクチャを単純化することは、無線性能の部分的な低下が受け入れられ、それがアンテナの放射パターンに反映される場合にのみ可能である。
図５は、アンテナのチルトが２つの周波数帯域Ｆ１およびＦ２に対してのみ制御される特定の実施形態を示している。
４Ｘ４バトラ・マトリクス５０は、遅延線を備えておらず、第１のグループの２つのハイブリッド・カプラ５２Ａおよび５２Ｂに接続された４つの入力５１Ａ〜５１Ｄを備えている。それぞれの入口５１Ａ〜５１Ｄにおいて、２つの周波数帯域Ｆ１およびＦ２を含むマルチバンド信号を導入することが可能である。ハイブリッド・カプラ５２Ａおよび５２Ｂは、直接リンク５３Ａおよび５３Ｂによって、第２のグループのハイブリッド・カプラ５２Ｃおよび５２Ｄにそれぞれ接続されており、他方で、カプラ５２Ａおよび５２Ｂは、第３のグループのハイブリッド・カプラ５２Ｅおよび５２Ｆによって、カプラ５２Ｃおよび５２Ｄに接続されている。バトラ・マトリクス５０の４つの出力５４Ａ〜５４Ｄのそれぞれにおいて、出力信号は、入力信号のエネルギの４分の１を有するように回復される。
バトラ・マトリクス５０の出力５４Ａ、５４Ｃおよび５４Ｄのそれぞれは、モジュール５５Ａ、５５Ｃおよび５５Ｄにそれぞれ接続されている。２つの放射素子５６Ａおよび５６Ｂが、これら２つの放射素子５６Ａおよび５６Ｂの一方である例えば放射素子５６Ａの前に配置されたパワー・スプリッタ５８Ａおよび遅延線５９Ａによって、モジュール５５Ａに接続されている。出力５４Ｂは、同軸ケーブル５７を経由して、２つの放射素子５６Ｃおよび５６Ｄに、これら２つの放射素子５６Ｃおよび５６Ｄの一方である例えば放射素子５６Ｃの前に配置されたパワー・スプリッタ５８Ｂおよび遅延線５９Ｂによって、接続されている。同様に、モジュール５５Ｃは、２つの放射素子５６Ｅおよび５６Ｆに、これら２つの放射素子５６Ｅおよび５６Ｆの一方である例えばここでは放射素子５６Ｆの前に配置されたパワー・スプリッタ５８Ｃおよび遅延線５９Ｃによって、接続されている。一方で、２つの放射素子５６Ｇおよび５６Ｈは、これら２つの放射素子５６Ｇおよび５６Ｈの一方である例えば放射素子５６Ｈの前に配置されたパワー・スプリッタ５８Ｄおよび遅延線５９Ｄによって、モジュール５５Ｄに接続されている。
適切な電気的遅延および位相シフトが、モジュール５５Ａ、５５Ｃ、および５５Ｄによって導入される。モジュール５５Ａに入るデュアルバンド信号は、ダイプレクサである第１段６０によって、２つの狭い周波数帯域Ｆ１およびＦ２に分離される。固定遅延線を備えている第２段６１は、所定の電気的遅延を、それぞれの周波数帯域Ｆ１およびＦ２の信号それぞれに印加する。次に、信号は、周波数帯域Ｆ１およびＦ２のそれぞれと独立に電気チルトを変動させるために、それぞれの周波数帯域Ｆ１およびＦ２における位相シフトに適合している可変位相シフタである第３段６２に移動する。最終的に、信号は、２つの周波数帯域Ｆ１およびＦ２に属する信号を合成してそれらをパワー・スプリッタ５８Ａに送るダイプレクサである第４段６３に到達する。パワー・スプリッタ５８Ａから出力される信号は、放射素子５６Ａに給電し、更に、固定遅延線５９Ａを経由して放射素子５６Ｂに給電するのであるが、これらは両方の周波数帯域Ｆ１およびＦ２において動作することが可能になる。このようにして、アンテナの放射パターンの垂直平面における可変電気チルト（ＶＥＴ）は、モジュール５５Ａによりそれぞれの周波数帯域Ｆ１およびＦ２とは独立に制御され得る。モジュール５５Ａに対してなされた説明は、モジュール５５Ｃおよび５５Ｄにも同様に適用されうる。
図６に示されている実施形態により、１〜ｎ個の周波数帯域Ｆ１〜Ｆｎを制御することが可能になる。なお、ここで、ｎは４よりも大きい。
４Ｘ４バトラ・マトリクス７０は、遅延線を備えておらず、図５の４Ｘ４バトラ・マトリクス５０と同様に、第１のグループのハイブリッド・カプラ７２Ａおよび７２Ｂに接続された４つの入力７１Ａ〜７１Ｄを備えている。ハイブリッド・カプラ７２Ａおよび７２Ｂは、直接リンク７３Ａおよび７３Ｂによって、第２のグループのハイブリッド・カプラ７２Ｃおよび７２Ｄにそれぞれ接続されており、他方で、カプラ７２Ａおよび７２Ｂは、第３のグループのハイブリッド・カプラ７２Ｅおよび７２Ｆによって、カプラ７２Ｃおよび７２Ｄに接続されている。バトラ・マトリクス７０の出力７４Ａ、７４Ｃおよび７４Ｄのそれぞれは、図５のモジュール５５Ａ、５５Ｃおよび５５Ｄと同様に、モジュール７５Ａ、７５Ｃおよび７５Ｄにそれぞれリンクされている。モジュール７５Ａ、７５Ｃおよび７５Ｄは、それら自体が、１対の放射素子７６Ａ〜７６Ｂ、７６Ｅ〜７６Ｆおよび７６Ｇ〜７６Ｈに、パワー・スプリッタ７８Ａ、７８Ｃおよび７８Ｄと遅延線７９Ａ、７９Ｃおよび７９Ｄとによって、それぞれリンクされている。出力７４Ｂは、同軸ケーブル７７を経由して、１対の放射素子７６Ｃ〜７６Ｄに、パワー・スプリッタ７８Ｂおよび遅延線７９Ｂによって、リンクされている。
それぞれの無線入口７１Ａ〜７１Ｄにおいて、入力信号が注入されるが、これは、シングルバンド信号であるか、または、例えば複数の周波数帯域Ｆ１〜Ｆｎを含むマルチバンド信号であり得る。アンテナの放射パターンの垂直平面における可変電気チルト（ＶＥＴ）は、それぞれの周波数帯域Ｆ１〜Ｆｎとは独立に制御される。周波数帯域Ｆ１〜Ｆｎの個数には、課される制約条件を除けば、必ずしも制限されない。モジュール７４Ａ、７４Ｃおよび７４Ｄに入るマルチバンド信号は、ダイプレクサである第１段により、複数の狭い周波数帯域Ｆ１〜Ｆｎに分離される。
給電システムの入力にバトラ・マトリクス７０が配置されていることにより、無線入口７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃおよび７１Ｄの中から一度に２つを選択した場合、それらの間に絶縁を生じさせることが可能になるということに注意することが重要である。
当然であるが、本発明は、説明されている実施形態に限定されない。特に、説明されている例を、２〜Ｎ個の入力および出力を有するすべてのタイプのバトラ・マトリクスに拡張することにより、１〜ｎ個の周波数帯域Ｆ１〜Ｆｎを制御し、出力のそれぞれから１〜Ｘ個の放射素子に給電することが可能となる。

Claims (8)

  1. マルチバンド・アンテナのアレイをなす放射素子の垂直平面における可変電気チルトを制御するための給電システムであって、Ｎ個の入力とＮ個の出力とを有し、ハイブリッド・カプラを備えたバトラ・マトリクスを備えており、それぞれの入力は無線信号を受信することができ、それぞれの出力は前記信号を少なくとも１つの放射素子に送信することができる、給電システムにおいて、前記バトラ・マトリクスの少なくとも１つの出力が、それぞれの周波数帯域に対して独立の電気チルトをイネーブルするモジュールにリンクされており、前記モジュールが、
    前記信号を異なる周波数帯域に分離する第１段のダイプレクサと、
    所与の電気的遅延をそれぞれの周波数帯域内にある前記信号に印加する第２段の固定遅延線と、
    前記信号の調節された位相シフトをそれぞれの周波数帯域に導入する第３段の可変位相シフタと、
    少なくとも１つの放射素子に送信するために、前記異なる周波数帯域内にある前記信号を合成する第４段のイプレクサと、
    を備えていることを特徴とする給電システム。
  2. 前記モジュールが、パワー・スプリッタと少なくとも１つの固定遅延線とによって１対の放射素子に接続されている、請求項１に記載の給電システム。
  3. 前記モジュールの出力はパワー・スプリッタの入力に接続され、前記パワー・スプリッタの一方の出力は第１の放射素子に接続され、前記パワー・スプリッタの他方の出力は第２の放射素子に接続された固定遅延線に接続されている、請求項２に記載の給電システム。
  4. 前記バトラ・マトリクスの出力の個数であるＮよりも小さな個数のモジュールを備えている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の給電システム。
  5. モジュールの前記個数がＮ−１に等しい、請求項４に記載の給電システム。
  6. 前記バトラ・マトリクスはＮ個のハイブリッド・カプラを備えており、その中のＮ／２個のハイブリッド・カプラは第１のグループに属し、その中のＮ／２個のハイブリッド・カプラは第２のグループに属し、前記第１のグループのそれぞれのハイブリッド・カプラは、第２のグループの異なるハイブリッド・カプラにそれぞれリンクされている２つの出力を備えている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の給電システム。
  7. 前記バトラ・マトリクスはＮ＋Ｎ／２個のハイブリッド・カプラを備えており、その中のＮ／２個のハイブリッド・カプラは第１のグループに属し、その中のＮ／２個のハイブリッド・カプラは第２のグループに属し、その中のＮ／２個のハイブリッド・カプラは第３のグループに属し、前記第１のグループのそれぞれのハイブリッド・カプラは２つの出力を備えており、第１の出力は前記第２のグループのハイブリッド・カプラに直接リンクされ、第２の出力は、前記第３のグループのハイブリッド・カプラによって前記第２のグループのハイブリッド・カプラにリンクされている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の給電システム。
  8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の給電システムによって、マルチバンド・アンテナのアレイをなす放射素子の垂直平面における可変電気チルトを制御するための方法であって、前記電気チルトが、可変位相シフタをそれぞれの周波数帯域における前記信号の経路上に備えており前記バトラ・マトリクスを前記放射素子に接続するモジュールによって、それぞれの周波数帯域に対して独立に調節されることを特徴とする方法。
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