JP2016225931A - 無線送受信システム、アレーアンテナユニット - Google Patents

Abstract

【課題】通信に使用する周波数が高い場合にも基準用信号発振装置をアレーアンテナユニットから離して配置できるようにする。【解決手段】基準用発振装置とスプリッタと複数のアンテナユニットを有する。スプリッタは、光基準信号を分岐して複数の分配光基準信号にする。アンテナユニットは、受信用直交ミクサ、送信用直交ミクサ、および受信用ＰＬＯと送信用ＰＬＯ、もしくは共用ＰＬＯを備える。分配電気基準信号を、受信用ＰＬＯは受信用基準信号に、送信用ＰＬＯは送信用基準信号に、共用ＰＬＯは基準信号に変換する。受信用直交ミクサは、受信信号を、受信用基準信号もしくは基準信号を用いて受信Ｉ成分アナログ信号と受信Ｑ成分アナログ信号に変換する。送信用直交ミクサは、送信Ｉ成分アナログ信号と送信Ｑ成分アナログ信号を、送信用基準信号もしくは基準信号を用いて送信信号に変換する。【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信用の基地局に備える無線送受信システム、アレーアンテナユニットに関する。

特許文献１に示されたアレーアンテナなどが従来技術として知られている。特許文献１の技術では、「各信号受信部の位相同期ループにＲＦ信号よりもかなり低周波の周波数安定化信号を分配供給するようにしているので、周波数安定化信号を信号線分岐によって分配することができ、既知の信号受信装置に用いられていたＲＦ用信号分配器が不要になり、かつ、周波数安定化信号の伝送にＲＦ伝送線を用いる必要がない。」という効果が示されている（特許文献１の明細書段落０１００参照）。

特開２０００−１０１４６４号公報

しかしながら、特許文献１に示された技術は、周波数安定化発振器の周波数を数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚにすることを前提とした技術である。したがって、明細書中には明記されていないが、特許文献１に示された技術が前提としている受信信号の周波数は数１００ＭＨｚ〜数ＧＨｚと考えられる。しかし、通信に使用する周波数が１０ＧＨｚを超えるようなケースでは、周波数安定化発振器の周波数も高くなるので、ＲＦ用信号分配器が必要になり、ＲＦ伝送線を用いる必要が生じる。つまり、特許文献１の技術は、通信に使用する周波数が１０ＧＨｚを超えるような場合には、明細書に記載された効果が得られなくなる。また、周波数安定化発振器の出力の周波数が高くなると、ＲＦ伝送線における伝送損失の問題も生じるので周波数安定化発振器をできるだけアレーアンテナの近くに配置しなければならなくなる。しかし、無線通信用の基地局を想定した場合、アレーアンテナは鉄塔の上部などに配置されるため、温度変化が大きく、高精度で安定な周波数の信号が求められる場合には対応が難しい。

本発明は、通信に使用する周波数が高い場合にも発振器をアレーアンテナユニットから離して配置できるような、無線送受信システム、アレーアンテナユニットを提供することを目的とする。

本発明の無線送受信システムは、基準用発振装置とスプリッタと複数のアンテナユニットを有する。また、アレーアンテナユニットは、スプリッタと複数のアンテナユニットを有している。基準用発振装置は、あらかじめ定めた周波数の光基準信号を送出する。スプリッタは、光基準信号を分岐して複数の分配光基準信号にする。アンテナユニットには、分配光基準信号のいずれか１つが入力される。

本発明の第１のアンテナユニットは、Ｏ／Ｅ変換器、受信用ＰＬＯ、送信用ＰＬＯ、アンテナエレメント、受信用直交ミクサ、送信用直交ミクサを備える。Ｏ／Ｅ変換器は、分配光基準信号を光電変換し、分配電気基準信号にする。受信用ＰＬＯは、分配電気基準信号を、受信用基準信号に変換する。送信用ＰＬＯは、分配電気基準信号を、送信用基準信号に変換する。受信用直交ミクサは、アンテナエレメントからの受信信号を、受信用基準信号を用いて受信Ｉ成分アナログ信号と受信Ｑ成分アナログ信号に変換する。送信用直交ミクサは、送信Ｉ成分アナログ信号と送信Ｑ成分アナログ信号を、送信用基準信号を用いて送信信号に変換してアンテナエレメントに送る。

本発明の第２のアンテナユニットは、Ｏ／Ｅ変換器、共用ＰＬＯ、アンテナエレメント、受信用直交ミクサ、送信用直交ミクサを備える。Ｏ／Ｅ変換器は、分配光基準信号を光電変換し、分配電気基準信号にする。共用ＰＬＯは、分配電気基準信号を、基準信号に変換する。受信用直交ミクサは、アンテナエレメントからの受信信号を、基準信号を用いて受信Ｉ成分アナログ信号と受信Ｑ成分アナログ信号に変換する。送信用直交ミクサは、送信Ｉ成分アナログ信号と送信Ｑ成分アナログ信号を、基準信号を用いて送信信号に変換してアンテナエレメントに送る。

本発明の無線送受信システムやアレーアンテナユニットによれば、基準信号として光信号（光基準信号）を用いているので、通信に使用する周波数が高い場合にも距離に依存した伝送損失を考慮する必要がない。したがって、通信に使用する周波数が高い場合にも発振器をアレーアンテナユニットから離れた位置に配置できる。

本発明の無線送受信システムの構成例を示す図。 実施例１のアンテナユニットの構成例を示す図。 変形例１のアンテナユニットの構成例を示す図。 変形例２のアレーアンテナユニットの構成を示す図。 変形例２の基準用発振装置の構成例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

実施例１では、受信と送信で周波数が異なる方式を前提としている。例えば、ＦＤＤ（周波数分割複信：Frequency Division Duplex）方式のように受信と送信で周波数が微妙に異なる場合を想定している。図１に本発明の無線送受信システムの構成例を示す。図２に実施例１のアンテナユニットの構成例を示す。本発明の無線送受信システムは、基準用発振装置３００とスプリッタ４００とアンテナユニット１００_１，…，１００_Ｎを有する。また、スプリッタ４００とアンテナユニット１００_１，…，１００_Ｎで、アレーアンテナユニット１０が構成されている。また、基準用発振装置３００とスプリッタ４００とは光ファイバ５１０で接続されている。光ファイバ５１０には、光ファイバケーブル５００内に含まれる１心の光ファイバを用いればよい。

基準用発振装置３００は、あらかじめ定めた周波数の光基準信号を送出する。基準用発振装置３００は、例えば、基準発振器３１０、発振側ＰＬＯ（Phase-Locked Oscillator）３２０、増幅器３３０、Ｅ／Ｏ変換器３４０を備えればよい。基準発振器３１０には無線送受信システムに求められる周波数安定度（例えば±０．０５ｐｐｍ程度の安定度）を満たすものを選択すればよい。例えば、温度補償機能を有する基準発振器３１０を用いてもよいし、必要に応じて基準発振器３１０の温度を所定の範囲に維持するための温度調整部３５０を基準用発振装置３００内に配置してもよい。また、アレーアンテナユニット１０は基地局の鉄塔の上部などに設置するが、基準用発振装置３００は空調設備の整った屋内に配置してもよい。

発振側ＰＬＯ３２０は、基準発振器３１０の信号をＥ／Ｏ変換やＯ／Ｅ変換が容易な周波数に変換する。具体的には、２ＧＨｚ以下であれば、一般的に使用されているレーザやフォトダイオードを利用できるので、Ｅ／Ｏ変換やＯ／Ｅ変換が容易な周波数である。また、通信に使用される周波数が１０ＧＨｚ以上の場合には、発振側ＰＬＯ３２０は、基準発振器３１０からの信号を１ＧＨｚ〜２ＧＨｚに変換すればよい。このような周波数であれば、別のＰＬＯを用いて１０ＧＨｚ〜８０ＧＨｚの周波数の安定な信号を得ることができる。増幅器３３０は発振側ＰＬＯ３２０の出力を増幅して電気基準信号を出力する。Ｅ／Ｏ変換器３４０は電気基準信号を光基準信号に変換する。なお、Ｅ／Ｏ変換器３４０は、必要に応じて光増幅器も備えればよい。

スプリッタ４００は、光基準信号を分岐して複数の分配光基準信号にする。具体的には、アンテナユニットの数であるＮ個に分岐すればよい。理論的には、２分岐で３ｄＢの損失なので、１０２４分岐で３０ｄＢの損失である。基準用発振装置３００とアンテナユニット１００_ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）との間の損失はスプリッタ４００による損失がほとんどであり、距離に依存した伝送損失を考慮する必要はない。したがって、Ｅ／Ｏ変換器３４０の出力の強度は、スプリッタ４００の分岐数（分岐による損失）を考慮して決めればよい。アンテナユニット１００_ｎには、分配光基準信号のいずれか１つが入力される。

実施例１のアンテナユニット１００_ｎは、Ｏ／Ｅ変換器１６２、受信用ＰＬＯ１５２、送信用ＰＬＯ２５２、アンテナエレメント１１０、受信用直交ミクサ１２０、送信用直交ミクサ２２０、アンテナ共用器１１２、増幅器１１４，２１４、Ａ／Ｄ変換器１３４，１３６、Ｅ／Ｏ変換器１４４，１４６、Ｏ／Ｅ変換器２４４，２４６、Ｄ／Ａ変換器２３４，２３６を備える。Ｏ／Ｅ変換器１６２は、分配光基準信号を光電変換し、分配電気基準信号にする。上述のように、分配光基準信号の周波数が２ＧＨｚ以下であれは、一般的なレーザやフォトダイオードを用いることができる。

受信用ＰＬＯ１５２は、分配電気基準信号（例えば、１ＧＨｚ〜２ＧＨｚ）を、受信用基準信号（例えば、１０ＧＨｚ〜８０ＧＨｚ）に変換する。送信用ＰＬＯ２５２は、分配電気基準信号（例えば、１ＧＨｚ〜２ＧＨｚ）を、送信用基準信号（例えば、１０ＧＨｚ〜８０ＧＨｚ）に変換する。なお、例示として高い周波数を示しているが、これは特許文献１では効果が得られない周波数でも効果が得られることを示すためである。本発明は、低い周波数帯（分配電気基準信号が数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ、通信に使用する信号が数１００ＭＨｚ〜数ＧＨｚ）でも利用できる。

受信用直交ミクサ１２０は、乗算器１２４，１２６とπ／２移相器１２２を備え、アンテナエレメントからの受信信号を、受信用基準信号を用いて受信Ｉ成分アナログ信号と受信Ｑ成分アナログ信号に変換する。送信用直交ミクサは、乗算器２２４，２２６とπ／２移相器２２２を備え、送信Ｉ成分アナログ信号と送信Ｑ成分アナログ信号を、送信用基準信号を用いて送信信号に変換してアンテナエレメントに送る。

アンテナ共用器１１２、増幅器１１４，２１４、Ａ／Ｄ変換器１３４，１３６、Ｅ／Ｏ変換器１４４，１４６、Ｏ／Ｅ変換器２４４，２４６、Ｄ／Ａ変換器２３４，２３６は従来のものと同じである。アンテナ共用器１１２は、１つのアンテナエレメント１１０を送受信で共用する役割を果たす。Ａ／Ｄ変換器１３４とＥ／Ｏ変換器１４４によって、受信Ｉ成分アナログ信号は受信Ｉ成分光デジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器１３６とＥ／Ｏ変換器１４６によって、受信Ｑ成分アナログ信号は受信Ｑ成分光デジタル信号に変換される。Ｏ／Ｅ変換器２４４によって、送信Ｉ成分光デジタル信号は電気信号である送信Ｉ成分デジタル信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器２３４によって、送信Ｉ成分デジタル信号は電気信号である送信Ｉ成分アナログ信号に変換される。Ｏ／Ｅ変換器２４６によって、送信Ｑ成分光デジタル信号は電気信号である送信Ｑ成分デジタル信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器２３６によって、送信Ｑ成分デジタル信号は電気信号である送信Ｑ成分アナログ信号に変換される。なお、これらの従来技術の部分は、同様の機能を果たせば他の構成でも構わない。また、アンテナユニット１００_ｎ外部での受信Ｉ成分光デジタル信号、受信Ｑ成分光デジタル信号、送信Ｉ成分光デジタル信号、送信Ｑ成分光デジタル信号に関する構成も、従来技術を変更するものではない（いずれかの従来技術を利用すればよい）。したがって、図１では記載を省略している。

本発明の無線送受信システムやアレーアンテナユニットによれば、基準信号として光信号（光基準信号）を用いているので、通信に使用する周波数が高い場合にも距離に依存した伝送損失を考慮する必要がない。したがって、通信に使用する周波数が高い場合にも発振器（基準発振器３１０）をアレーアンテナユニットから離れた位置に配置できる。そして、基準信号の周波数を安定させやすい。また、通信に使用する周波数が１０ＧＨｚ〜８０ＧＨｚのような高周波の場合でも光基準信号の周波数を１ＧＨｚ〜２ＧＨｚのあらかじめ定めた周波数に設定すれば、Ｏ／Ｅ変換やＥ／Ｏ変換において一般的な部品を使用できる。

［変形例１］
本変形例では、受信と送信で同じ周波数を使う方式を前提とする。例えば、ＴＤＤ（時分割複信：Time Division Duplex）方式の場合である。本変形例では、アンテナユニット１００_ｎのＰＬＯが受信と送信で共用となっている点が実施例１と異なる。この違いを反映させてアンテナユニット１００_ｎを説明すると以下のようになる。

アンテナユニット１００_ｎは、Ｏ／Ｅ変換器１６２、共用ＰＬＯ１５３、アンテナエレメント１１０、受信用直交ミクサ１２０、送信用直交ミクサ２２０、アンテナ共用器１１２、増幅器１１４，２１４、Ａ／Ｄ変換器１３４，１３６、Ｅ／Ｏ変換器１４４，１４６、Ｏ／Ｅ変換器２４４，２４６、Ｄ／Ａ変換器２３４，２３６を備える。Ｏ／Ｅ変換器１６２は、分配光基準信号を光電変換し、分配電気基準信号にする。共用ＰＬＯ１５３は、分配電気基準信号を、基準信号に変換する。受信用直交ミクサ１２０は、アンテナエレメント１１０からの受信信号を、基準信号を用いて受信Ｉ成分アナログ信号と受信Ｑ成分アナログ信号に変換する。送信用直交ミクサ２２０は、送信Ｉ成分アナログ信号と送信Ｑ成分アナログ信号を、基準信号を用いて送信信号に変換してアンテナエレメントに送る。このような構成なので、本変形例でも実施例１と同様の効果が得られる。

なお、アンテナ共用器１１２、増幅器１１４，２１４、Ａ／Ｄ変換器１３４，１３６、Ｅ／Ｏ変換器１４４，１４６、Ｏ／Ｅ変換器２４４，２４６、Ｄ／Ａ変換器２３４，２３６は、実施例１と同じように従来技術の部分であり、同様の機能を果たせば他の構成でも構わない。

［変形例２］
図４に本変形例のアレーアンテナユニットの構成を示す。アレーアンテナユニット２０は、基準用発振装置３６０も備えている。図５は変形例２の基準用発振装置の構成例を示す図である。基準用発振装置３６０は、基準信号再生部３６１、発振側ＰＬＯ３２０、増幅器３３０、Ｅ／Ｏ変換器３４０を備えている。また、アンテナユニット１００_１が送信Ｉ成分デジタル信号と送信Ｑ成分デジタル信号を出力し、基準信号再生部３６１は、入力された送信Ｉ成分デジタル信号と送信Ｑ成分デジタル信号を用いて周波数が安定した信号を再生する。発振側ＰＬＯ３２０、増幅器３３０、Ｅ／Ｏ変換器３４０は、実施例１と同じである。なお、図４ではアンテナユニット１００_１が送信Ｉ成分デジタル信号と送信Ｑ成分デジタル信号を出力しているが、どのアンテナユニット１００_ｎが出力してもよい。

その他のアレーアンテナユニット２０の構成は実施例１および変形例１と同じである（図２の場合も図３の場合も変形例２は適用できる）。アンテナユニット１００_ｎは、上述のようにいずれか１つが送信Ｉ成分デジタル信号と送信Ｑ成分デジタル信号を出力するという点は異なるが、その他は図２、図３に示した構成と同じである。

送信Ｉ成分デジタル信号と送信Ｑ成分デジタル信号は、アレーアンテナユニット２０から離れた場所（環境のいい場所）で生成された送信Ｉ成分光デジタル信号と送信Ｑ成分光デジタル信号を電気に変換した信号なので、周波数安定度が高い。つまり、本変形例の場合も、基準となる信号用の発振器をアレーアンテナユニットから離れた位置に配置できている。そして、基準信号再生部３６１が再生する信号も、高い周波数安定度となる。

１０，２０ アレーアンテナユニット １００ アンテナユニット
１１０ アンテナエレメント １１２ アンテナ共用器
１１４，２１４，３３０ 増幅器 １２０ 受信用直交ミクサ
１２２，２２２ π／２移相器
１２４，１２６，２２４，２２６ 乗算器
１３４，１３６ Ａ／Ｄ変換器 １４４，１４６，３４０ Ｅ／Ｏ変換器
１５２ 受信用ＰＬＯ １５３ 共用ＰＬＯ
１６２，２４４，２４６ Ｏ／Ｅ変換器 ２２０ 送信用直交ミクサ
２３４，２３６ Ｄ／Ａ変換器 ２５２ 送信用ＰＬＯ
３００，３６０ 基準用発振装置 ３１０ 基準発振器
３２０ 発振側ＰＬＯ ３５０ 温度調整部
３６１ 基準信号再生部
４００ スプリッタ ５００ 光ファイバケーブル
５１０ 光ファイバ

Claims (8)

1. あらかじめ定めた周波数の光基準信号を送出する基準用発振装置と、
   前記光基準信号を分岐して複数の分配光基準信号にするスプリッタと、
   複数のアンテナユニットを
   有する無線送受信システムであって、
   それぞれの前記アンテナユニットは、
   前記分配光基準信号のいずれか１つが入力され、
   前記分配光基準信号を光電変換し、分配電気基準信号にするＯ／Ｅ変換器と、
   前記分配電気基準信号を、受信用基準信号に変換する受信用ＰＬＯと、
   前記分配電気基準信号を、送信用基準信号に変換する送信用ＰＬＯと、
   アンテナエレメントと、
   前記アンテナエレメントからの受信信号を、前記受信用基準信号を用いて受信Ｉ成分アナログ信号と受信Ｑ成分アナログ信号に変換する受信用直交ミクサと、
   送信Ｉ成分アナログ信号と送信Ｑ成分アナログ信号を、前記送信用基準信号を用いて送信信号に変換して前記アンテナエレメントに送る送信用直交ミクサと、
   を備えることを特徴とする無線送受信システム。
2. あらかじめ定めた周波数の光基準信号を送出する基準用発振装置と、
   前記光基準信号を分岐して複数の分配光基準信号にするスプリッタと、
   複数のアンテナユニットを
   有する無線送受信システムであって、
   それぞれの前記アンテナユニットは、
   前記分配光基準信号のいずれか１つが入力され、
   前記分配光基準信号を光電変換し、分配電気基準信号にするＯ／Ｅ変換器と、
   前記分配電気基準信号を、基準信号に変換する共用ＰＬＯと、
   アンテナエレメントと、
   前記アンテナエレメントからの受信信号を、前記基準信号を用いて受信Ｉ成分アナログ信号と受信Ｑ成分アナログ信号に変換する受信用直交ミクサと、
   送信Ｉ成分アナログ信号と送信Ｑ成分アナログ信号を、前記基準信号を用いて送信信号に変換して前記アンテナエレメントに送る送信用直交ミクサと、
   を備えることを特徴とする無線送受信システム。
3. 請求項１または２記載の無線送受信システムであって、
   前記基準用発振装置は、基準発振器と前記基準発振器の温度を所定の範囲に維持するための温度調整部を備える
   ことを特徴とする無線送受信システム。
4. 請求項１または２記載の無線送受信システムであって、
   前記基準用発振装置は、
   送信Ｉ成分デジタル信号と送信Ｑ成分デジタル信号を用いて前記のあらかじめ定めた周波数の信号を生成する基準信号再生部
   を備えることを特徴とする無線送受信システム。
5. あらかじめ定めた周波数であり、光ファイバケーブルを介して入力される光基準信号を分岐して複数の分配光基準信号にするスプリッタと、
   複数のアンテナユニットを
   有するアレーアンテナユニットであって、
   それぞれの前記アンテナユニットは、
   前記分配光基準信号のいずれか１つが入力され、
   前記分配光基準信号を光電変換し、分配電気基準信号にするＯ／Ｅ変換器と、
   前記分配電気基準信号を、受信用基準信号に変換する受信用ＰＬＯと、
   前記分配電気基準信号を、送信用基準信号に変換する送信用ＰＬＯと、
   アンテナエレメントと、
   前記アンテナエレメントからの受信信号を、前記受信用基準信号を用いて受信Ｉ成分アナログ信号と受信Ｑ成分アナログ信号に変換する受信用直交ミクサと、
   送信Ｉ成分アナログ信号と送信Ｑ成分アナログ信号を、前記送信用基準信号を用いて送信信号に変換して前記アンテナエレメントに送る送信用直交ミクサと、
   を備えることを特徴とするアレーアンテナユニット。
6. あらかじめ定めた周波数であり、光ファイバケーブルを介して入力される光基準信号を分岐して複数の分配光基準信号にするスプリッタと、
   複数のアンテナユニットを
   有するアレーアンテナユニットであって、
   それぞれの前記アンテナユニットは、
   前記分配光基準信号のいずれか１つが入力され、
   前記分配光基準信号を光電変換し、分配電気基準信号にするＯ／Ｅ変換器と、
   前記分配電気基準信号を、基準信号に変換する共用ＰＬＯと、
   アンテナエレメントと、
   前記アンテナエレメントからの受信信号を、前記基準信号を用いて受信Ｉ成分アナログ信号と受信Ｑ成分アナログ信号に変換する受信用直交ミクサと、
   送信Ｉ成分アナログ信号と送信Ｑ成分アナログ信号を、前記基準信号を用いて送信信号に変換して前記アンテナエレメントに送る送信用直交ミクサと、
   を備えることを特徴とするアレーアンテナユニット。
7. 前記光基準信号の周波数は１ＧＨｚ以上２ＧＨｚ以下であり、
   前記受信用基準信号の周波数と前記送信用基準信号の周波数は１０ＧＨｚ以上８０ＧＨｚ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の無線送受信システム、または請求項５記載のアレーアンテナユニット。
8. 前記光基準信号の周波数は１ＧＨｚ以上２ＧＨｚ以下であり、
   前記基準信号の周波数は１０ＧＨｚ以上８０ＧＨｚ以下である
   ことを特徴とする請求項２記載の無線送受信システム、または請求項６記載のアレーアンテナユニット。
   

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