JP2017539134A - スマートアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

誘電体基板、カップリングキャリブレーションネットワーク、アンテナアレイ、第１ＲＦコネクタ及び１つの第２ＲＦコネクタを備えるスマートアンテナ装置であって、前記カップリングキャリブレーションネットワークは前記誘電体基板の一方の面に設けられ、前記アンテナアレイは前記誘電体基板の他方の面に設けられ、前記誘電体基板にはビアが設けられ、前記アンテナアレイと前記カップリングキャリブレーションネットワークがビアを介して接続され、前記第１ＲＦコネクタと第２ＲＦコネクタは前記誘電体基板のカップリングキャリブレーションネットワークを設けた面に配列され、それぞれ前記カップリングキャリブレーションネットワークに接続される。【選択図】図３

Description

本発明は無線通信システムのアンテナ装置に関し、具体的にスマートアンテナ装置に関する。

現代のセルラーシステムにおいて、無線データレートに対するユーザー需要の高まりのため、限られた帯域幅は隣接するセルに共有されており、それに起因するセル間の干渉はデータ伝送レートとサービス品質を制限する要因となっている。特にセルエッジにあるユーザーが受けるセルからの干渉は深刻である。多くの無線サービスプロバイダーは、セルエッジにおけるユーザーのサービス品質の改善に絶え間なく取り組んでいる。これらの試みの中では、マルチアンテナ技術によるより多くの自由度は、セルエッジにおけるユーザーのサービス性能の低下を緩和することには、最も有望な傾向となる。また、従来の４アンテナ、８アンテナのハイパワー基地局基地局システムは、基地局システム送受信機リンクモジュールの設計難度は高いが、大電力をより大規模なアンテナ、例えば１６アンテナ、６４アンテナに均等に分配する場合に、アンテナ単体の電力が大幅に低下し、基地局システム送受信機リンクの設計難度は大幅に低下する。従って、大規模なスマートアンテナ通信は発展の趨勢となり、カップリングキャリブレーションネットワークは、大規模なスマートアンテナの重要なパーツの一つとして、その実現は、大規模なスマートアンテナのビームフォーミング効果に直接的な影響を与えるだけでなく、基地局システムのモジュールアーキテクチャ設計に間接的な影響を与えるようになる。

図１に示すように、中国特許ＣＮ２７５５８７１Ｙには、Ｎ個のアンテナエレメント、Ｎ個の結合器及び複数のスプリッタ／コンバイナ（Ｎ≧２）を備えるスマートアンテナアレイを直線状に配列したカップリングキャリブレーションネットワーク装置が記載されている。Ｎ個のアンテナエレメント（１１）は直線状に配列されてリニアアンテナアレイを構成し、結合器はマイクロストリップ方向性結合器であり、２本の小間隔の金属平行マイクロストリップからなり、Ｎ個のマイクロストリップ方向性結合器と複数のスプリッタ／コンバイナは、リニアアンテナアレイの放射方向の裏面に設けられた１つのカップリングキャリブレーションネットワーク回路基板（１２）に集積され、Ｎ個のマイクロストリップ方向性結合器はカップリングキャリブレーションネットワーク回路基板においてＮ個のアンテナエレメントに一対一対に対応して分布し、１つの金属反射板（１３）は、カップリングキャリブレーションネットワーク回路基板の裏面に設けられ、リニアアンテナアレイの指向性カバレッジを実現する。また、該装置は、カップリングキャリブレーションネットワークとアンテナエレメントのＲＦコネクタ１４、８個のアンテナアレイ入力／出力端子１５、及び１つのキャリブレーションポート入力／出力端子１６を更に備える。該特許において、アンテナアレイ、カップリングキャリブレーションネットワーク、反射板はそれぞれ独立したブロックであり、同一の誘電体基板に集積されていないため、基地局システムの集積化に不利であり、アンテナアレイ入力／出力端子及びキャリブレーションポート入力／出力端子と基地局システムとの接続は、カップリングキャリブレーションネットワークのエッジにおいてＲＦコネクタを引き出す又は直接にケーブルを溶接して引き出すことにより行われるため、大規模なアンテナアレイの場合は、ＲＦコネクタ又は溶接するケーブルの数を増加させざるを得なくなり、複雑で煩瑣になり、基地局システムの小型化と製造に不利である。

図２に示すように、中国特許ＣＮ１０３７４６１９３Ａには、スマートアンテナ及びそのキャリブレーション装置が開示されており、反射板（２１）、アンテナ素子（２２）、エンドカバー（２３）、及び反射板（２１）とエンドカバー（２３）とを接続する取付板（２４）を具備し、スマートアンテナは、誘電体基板（２５）、複数の端子（２６）及びキャリブレーションネットワーク（２７）を備えるキャリブレーション装置を更に具備し、キャリブレーションネットワーク（２７）は誘電体基板の表面にプリントされ、複数の電力分配器からなる電力分配ネットワーク及び複数の方向性結合器を備え、電力分配器ネットワークのいずれかの１つの分割ポートに１つの方向性結合器が接続され、端子コアは、直接、電力分配ネットワークの合成ポート又は方向性結合器の信号入力ポートに接続され、且つ１つの端子が１つのポートに対応し、キャリブレーション装置は取付板の一側に固定され、取付板（２４）には少なくとも１本の折曲げバー（２４１）が設けられ、折曲げバー（２４１）がキャリブレーション装置を貫通して反射板（２１）に固定される。該特許において、アンテナ素子とキャリブレーションネットワークは、ケーブル（２８）の溶接により接続されており、大規模なアンテナアレイの場合に、ケーブル数が多く、製造に不利であり、アンテナ素子とキャリブレーションネットワークとの間が垂直な組立関係であり、組立時、装置の固定に１本の折曲げバー（２４１）が必要であり、後続の製造に不利であり、システムの集積度が低い。

本発明は、アンテナの寸法を小さくし、基地局システムの集積化及び小型化性能を向上させることができ、量産が容易になるスマートアンテナ装置を提供する。

スマートアンテナ装置であって、誘電体基板、カップリングキャリブレーションネットワーク、アンテナアレイ、第１ＲＦコネクタ、及び第２ＲＦコネクタを備え、前記カップリングキャリブレーションネットワークは、前記誘電体基板の一方の面に設けられ、前記アンテナアレイは、前記誘電体基板の他方の面に設けられ、前記誘電体基板にはビアが設けられ、前記アンテナアレイと前記カップリングキャリブレーションネットワークがビアを介して接続され、前記第１ＲＦコネクタと第２ＲＦコネクタは、前記誘電体基板の前記カップリングキャリブレーションネットワークを設けた面に配列され、それぞれ前記カップリングキャリブレーションネットワークに接続される。

選択的に、前記カップリングキャリブレーションネットワークは、スプリッタ／コンバイナ及びＭ個のマイクロストリップ方向性結合器を備え、前記アンテナアレイはＭ個のアンテナエレメントを備え、前記第１ＲＦコネクタはＭ個であり、前記第２ＲＦコネクタは１つであり、Ｍが２以上の整数であり、各々の前記アンテナエレメントは、並列給電された後、ビアを介して前記カップリングキャリブレーションネットワークにおける対応するマイクロストリップ方向性結合器に接続され、各々の前記第１ＲＦコネクタは、１つの前記マイクロストリップ方向性結合器に接続され、前記スプリッタ／コンバイナの合成ポートが前記第２ＲＦコネクタに接続される。

選択的に、前記Ｍ個の第１ＲＦコネクタと前記第２ＲＦコネクタは、前記誘電体基板の内部に配列される。

選択的に、各々の前記マイクロストリップ方向性結合器は、２つのマイクロストリップを備え、一方のマイクロストリップは、一端がビアを介して対応するアンテナエレメントに接続され、他端が前記第１ＲＦコネクタに接続される。

選択的に、前記Ｍ個のアンテナエレメントは、直線状配列、環状配列、又は他の不規則形状配列である。

選択的に、前記Ｍ個のアンテナエレメントは、等間隔配列又は不等間隔配列である。

選択的に、前記Ｍ個のアンテナエレメントは、指向性方式、単一偏波方式、又は二重偏波方式である。

選択的に、前記アンテナアレイにおいて、２つ毎の隣接するアンテナエレメント列の間に１本の縦金属仕切り板が設けられ、及び／又は、前記アンテナアレイの２つ毎の隣接するアンテナエレメント列の間に１本の横金属仕切り板が設けられ、及び／又は、前記アンテナアレイの周辺に金属側板が設けられる。

選択的に、前記スプリッタ／コンバイナの数は、分割数及びアンテナエレメント数に応じて決められる。

選択的に、前記誘電体基板の中間層は、接地層及び金属反射板として兼用される。

選択的に、前記誘電体基板は、プリント回路基板ＰＣＢである。

本発明の実施例によれば、アンテナアレイ、カップリングキャリブレーションネットワーク、及び金属反射板がいずれも同一の誘電体基板に集積されており、且つアンテナエレメントとカップリングキャリブレーションネットワークがビアを介して接続されることにより、信頼性を向上させ、ＲＦケーブルの大量使用を回避し、アンテナの寸法を小さくし、基地局システムの集積化及び小型化性能を向上させ、大規模なスマートアンテナアレイカップリングキャリブレーションネットワーク装置の実現に寄与し、製造やデバッグ、量産に便利であり、無線通信システムの普及及び発展により一層適する。

図１は、関連特許に係るスマートアンテナアレイを直線状に配列したカップリングキャリブレーションネットワーク装置の構成模式図である。 図２は、関連特許に係るスマートアンテナ及びそのキャリブレーション装置の構成模式図である。 図３は、本発明の実施例に係るＭ＝１６エレメントのアンテナアレイカップリングキャリブレーションネットワーク装置の側面斜視図である。 図４は、本発明の実施例に係るＭ＝１６二重偏波エレメントのアンテナアレイの一例の上面模式図である。 図５は、本発明の実施例に係るＭ＝１６二重偏波エレメントのアンテナアレイの別の例の上面模式図である。 図６は、本発明の実施例に係るＭ＝１６エレメントのカップリングキャリブレーションネットワークの構成模式図である。 図７は、本発明の実施例に係るカップリングキャリブレーションネットワークのいずれかの結合ユニットの構成模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、矛盾しない限り、本願の実施例及び実施例の特徴は互いに組み合わせることができる。

図３は、本発明の実施例に係るＭ＝１６エレメントのアンテナアレイカップリングキャリブレーションネットワークの側面斜視図であり、該アンテナアレイカップリングキャリブレーションネットワークは、誘電体基板３１、カップリングキャリブレーションネットワーク３２、アンテナアレイ、１６個の第１ＲＦコネクタ３６及び１つの第２ＲＦコネクタ３７を備え、アンテナアレイとカップリングキャリブレーションネットワーク３２はそれぞれ誘電体基板３１の表裏両面に設けられ、誘電体基板３１の中間層は接地層及び金属反射板３４として兼用され、誘電体基板３１にはビア３８が設けられ、アンテナアレイがビア３８を介してカップリングキャリブレーションネットワーク３２に接続される。

実際の使用時、誘電体基板３１はプリント回路基板（ＰＣＢ、Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）であり、一方の面にアンテナアレイが設けられ、他方の面にカップリングキャリブレーションネットワーク３２がプリントされ、前記誘電体基板３１の中間層は、カップリングキャリブレーションネットワーク３２とアンテナアレイの接地層として機能するとともに、アンテナアレイの金属反射板３４として機能し、それによりアンテナアレイの指向性放射を強化する。

該アンテナアレイは、信号を送受信する１６個のアンテナエレメント３３を配列してなり、前記１６個のアンテナエレメント３３は、直線状配列、環状配列又は他の不規則形状配列であってもよく、及び／又は、１６個のアンテナエレメント３３は、等間隔配列又は不等間隔配列であってもよく、及び／又は、１６個のアンテナエレメント３３は、指向性方式、単一偏波方式又は二重偏波方式であってもよく、及び／又は、１６個のアンテナエレメント３３の指向性方式は、３０°、６０°などのような任意の角度であってもよく、及び／又は、１６個のアンテナエレメント３３の二重偏波方式は、水平垂直偏波又は±４５°偏波であってもよい。

カップリングキャリブレーションネットワーク３２は、マイクロストリップ方向性結合器及びスプリッタ／コンバイナを備え、マイクロストリップ方向性結合器の個数は、アンテナエレメントの個数と同様で、且つ一対一対に対応し、各々のアンテナエレメント３３は、マイクロストリップライン３５などを介して並列給電された後、カップリングキャリブレーションネットワーク３２における対応するマイクロストリップ方向性結合器にビア３８を介して接続され、それにより、アンテナアレイとカップリングキャリブレーションネットワークが同一の誘電体基板に設けられることが可能になるだけでなく、製造に不利なケーブル溶接方式を回避することができる。

上記装置のダウンリンクキャリブレーション動作リンクのプロセスについては、基地局システムの送信チャネルの１６チャネルのＲＦ信号はそれぞれ１６個の第１ＲＦコネクタ３６により入力され、カップリングキャリブレーションネットワーク３２により結合されて、「等しい損失差、等しい位相シフト」の方式で１チャネルのキャリブレーション信号を合成した後、第２ＲＦコネクタ３７により基地局システムのキャリブレーションリンクに出力し、キャリブレーションを行う。

上記装置のアップリンクキャリブレーション動作リンクのプロセスについては、基地局システムのキャリブレーションリンクからのキャリブレーション信号は前記第２ＲＦコネクタ３７により入力され、カップリングキャリブレーションネットワーク３２によって「等しい損失差、等しい位相シフト」の方式で１６チャネルの信号に分割されて結合作用された後、それぞれ前記１６個の第１ＲＦコネクタ３６を介して基地局システムの受信チャネルに出力される。

前記１６個の第１ＲＦコネクタ３６と、第２ＲＦコネクタ３７は、誘電体基板３１のエッジ延伸領域ではなく、その内部に配列される（又は誘電体基板に取り付けられる）ことにより、構造の小型化及び集積化に寄与し、他の任意の類似機能を有する信頼性の高い接続方式を用いてもよく、ここでは繰り返して説明しない。第１ＲＦコネクタ３６は、ＲＦ信号の入力又は出力に用いられ、第２ＲＦコネクタ３７は、キャリブレーション信号の入力又は出力に用いられ、それぞれブラインドメイト、径方向・軸方向フローティング特性を有するＲＦコネクタを用いてもよく、基地局システムとの接続に便利である。

図４は、アンテナアレイの一例の配列模式図であり、Ｍ＝１６二重偏波エレメントのアンテナアレイの上面模式図であり、４つのアンテナエレメント列４１、４２、４３、４４のそれぞれは、４つの二重偏波アンテナ素子からなるアンテナエレメント３３を備え、各々のアンテナエレメント列において、各々のアンテナエレメント３３が垂直方向又は水平方向に対して＋４５°と−４５°偏波方向をなし、信号の送受信に用いられ、各々のアンテナエレメント列において、上下に隣接するアンテナエレメント３３が２つごとにマイクロストリップライン３５などの構造により並列給電され、ビア３８を介してマイクロストリップ方向性結合器に接続される。各々のアンテナエレメントは、平行にして等間隔に配列されてもよく、交差して不等間隔に配列されてもよく、又はこれらの方式の異なる組合せで配列されてもよい。アンテナエレメント３３は、金属アンテナ素子であってもよく、マイクロストリップ構造又は表面実装構造であってもよく、アンテナエレメント３３は、二重偏波方式であってもよく、単一偏波方式であってもよい。

性能を最適化することを目的として、エレメント同士の絶縁を強化するために、図５に示すように、隣接する２つのアンテナエレメント列４１と４２、４２と４３、及び４３と４４の間にそれぞれ縦金属仕切り板５１、５２、５３が垂直に設けられ、金属仕切り板５１、５２、５３と金属反射板３４との間は導電的に接続される、又は容量結合的に接続される。性能を最適化するために、アンテナエレメントを単位として周囲に仕切り板が設けられてもよく、即ち金属仕切り板５１、５２、５３に垂直に交差する金属仕切り板５４、５５、５６を増加させることができ、同時に、アンテナエレメントの周囲に金属側板５７、５８、５９、６０が設けられてもよく、金属仕切り板及び周囲の側板の設置方式は、図５に示される方式に限定されず、前記金属仕切り板は別々に設計されてもよく、レドーム構造に集積されてもよく、それによりレドームの強度を向上させ、アンテナシステムの安全安定性を高める。アンテナエレメントの上方に小カバープレートが追加されるなどの他の手法を採用してもよく、それにより、アンテナエレメントのそれぞれに独立した空間を与え、ここでは繰り返して説明しない。

図６は、本発明の実施例に係るＭ＝１６エレメントのカップリングキャリブレーションネットワークの上面模式図であり、カップリングキャリブレーションネットワークは、全く同じ１６個のマイクロストリップ指向性結合回路６１、１５個の１：２電力スプリッタ／コンバイナ６２、１６個の第１ＲＦコネクタ３６、及びキャリブレーション信号の入出力に用いられる１つの第２ＲＦコネクタ３７を備える。２つ毎の隣接するマイクロストリップ指向性結合回路６１は、１つの１：２電力スプリッタ／コンバイナ６２により接続され、マイクロストリップ指向性結合回路６１のそれぞれは、一端が１つの第１ＲＦコネクタ３６に接続され、他端が１つの１：２電力スプリッタ／コンバイナ６２を介して、隣接するマイクロストリップ指向性結合回路に接続され、各１：２電力スプリッタ／コンバイナ６２の２つの分割ポートがそれぞれ２つのマイクロストリップ指向性結合回路６１に接続され、１５個の１：２電力スプリッタ／コンバイナの合成ポートが互いに接続されて第２ＲＦコネクタ３７に接続される。

１６個のマイクロストリップ方向性結合器の個数は、アンテナエレメントの個数と一致しており、２本の小間隔の金属平行マイクロストリップラインを用いるため、製品性能の整合性に優れる。１６個のマイクロストリップ指向性結合回路６１は、カップリングキャリブレーションネットワークの回路基板に１６個のアンテナエレメントと一対一対に対応して分布し、マイクロストリップ方向性結合器のそれぞれが１つの第１ＲＦコネクタに接続されることにより、基地局システムのＲＦ送受信機との通信に便利である。前記１６個のマイクロストリップ方向性結合器は、全く同じであることにより、製造及びデバッグに便利である。前記１６個のマイクロストリップ方向性結合器と対応するアンテナエレメントとの間の電気的接続がビアを介して行われることにより、性能の面において、マイクロストリップ方向性結合器からアンテナ素子への信号の振幅と位相の整合性をよりよく確保できるとともに、構造の面において簡潔に集積され、信頼性が高く、製造に便利である。

電力スプリッタ／コンバイナ６２の個数は、分割／合成数に制限され、図６に示される実施例は、１：２電力スプリッタ／コンバイナを用いるため、１６チャネルの信号の分割／合成には１５個の電力スプリッタ／コンバイナ６２が必要であり、最終的に１チャネルの信号を合成して第２ＲＦコネクタ３７に送信する。１：４電力スプリッタ／コンバイナを用いる場合に、１６個のアンテナエレメント及び１６個のマイクロストリップ方向性結合器が設けられた後、５個の１：４電力スプリッタ／コンバイナだけで１６チャネルの信号の分割／合成が可能になる。

図７は、本発明の実施例に係るカップリングキャリブレーションネットワークのいずれかの結合ユニットの模式図であり、１つの結合ユニットは、２つのマイクロストリップ方向性結合器６１及び１つの１：２電力スプリッタ／コンバイナを備え、マイクロストリップ方向性結合器６１のそれぞれは２本のマイクロストリップを備え、一方のマイクロストリップ７１は、一端がビア３８を介して１つのアンテナエレメント３３に対応して接続され、他端が基地局システムの対応するＲＦ送受信機のＲＦ入力端子に接続され、即ち第１ＲＦコネクタ３６に接続され、他方のマイクロストリップ７２は、一端が５０Ω整合負荷７４に接続され（接地されてもよい）、他端が１：２電力スプリッタ／コンバイナ６２の分割ポートに接続される。図７において、７３は電力スプリッタ／コンバイナ６２の絶縁抵抗器である。

上記実施例は、１６エレメントのアンテナアレイカップリングキャリブレーションネットワーク装置であり、同じ原理に従って、３２、６４、１２８などのより大規模なアンテナアレイカップリングキャリブレーションネットワーク装置を設計することもできる。本発明の実施例は特に大規模なアンテナアレイに適用する。

本発明の実施例に記載の様々なユニット、モジュールは、その機能に応じて分割された例だけであり、理解できるように、システム／装置／機器が同様な機能を実現することを前提に、当業者は、１種又は複数の他の機能分割方式を与えることができ、応用時、任意の１つ又は複数の機能モジュールを１つの機能エンティティ装置又はユニットによって実現でき、勿論、上記変更方式はすべて本願の保護範囲に属する。

本発明の実施例によれば、アンテナアレイ、カップリングキャリブレーションネットワーク、及び金属反射板がいずれも同一の誘電体基板に集積されており、且つアンテナエレメントとカップリングキャリブレーションネットワークがビアを介して接続されることにより、信頼性を向上させ、ＲＦケーブルの大量使用を回避し、アンテナの寸法を小さくし、基地局システムの集積化及び小型化性能を向上させ、大規模なスマートアンテナアレイカップリングキャリブレーションネットワーク装置の実現に寄与し、製造やデバッグ、量産に便利であり、無線通信システムの普及及び発展により一層適する。

Claims (11)

1. 誘電体基板、カップリングキャリブレーションネットワーク、アンテナアレイ、第１ＲＦコネクタ、及び第２ＲＦコネクタを備えるスマートアンテナ装置であって、
   前記カップリングキャリブレーションネットワークは、前記誘電体基板の一方の面に設けられ、前記アンテナアレイは、前記誘電体基板の他方の面に設けられ、前記誘電体基板にはビアが設けられ、前記アンテナアレイと前記カップリングキャリブレーションネットワークがビアを介して接続され、前記第１ＲＦコネクタと第２ＲＦコネクタは、前記誘電体基板の前記カップリングキャリブレーションネットワークを設けた面に配列され、それぞれ前記カップリングキャリブレーションネットワークに接続されるスマートアンテナ装置。
2. 前記カップリングキャリブレーションネットワークは、スプリッタ／コンバイナ及びＭ個のマイクロストリップ方向性結合器を備え、前記アンテナアレイはＭ個のアンテナエレメントを備え、前記第１ＲＦコネクタはＭ個であり、前記第２ＲＦコネクタは１つであり、Ｍが２以上の整数であり、
   各々の前記アンテナエレメントは、並列給電された後、前記ビアを介して前記カップリングキャリブレーションネットワークにおける対応するマイクロストリップ方向性結合器に接続され、
   各々の前記第１ＲＦコネクタは、１つの前記マイクロストリップ方向性結合器に接続され、前記スプリッタ／コンバイナの合成ポートが前記第２ＲＦコネクタに接続される請求項１に記載のスマートアンテナ装置。
3. 前記Ｍ個の第１ＲＦコネクタと前記第２ＲＦコネクタは、前記誘電体基板の内部に配列される請求項２に記載のスマートアンテナ装置。
4. 各々の前記マイクロストリップ方向性結合器は、２つのマイクロストリップを備え、前記マイクロストリップは、一端がビアを介して対応するアンテナエレメントに接続され、他端が前記第１ＲＦコネクタに接続される請求項２に記載のスマートアンテナ装置。
5. 前記Ｍ個のアンテナエレメントは、直線状配列、環状配列、又は他の不規則形状配列である請求項２に記載のスマートアンテナ装置。
6. 前記Ｍ個のアンテナエレメントは、等間隔配列又は不等間隔配列である請求項２に記載のスマートアンテナ装置。
7. 前記Ｍ個のアンテナエレメントは、指向性方式、単一偏波方式、又は二重偏波方式である請求項２に記載のスマートアンテナ装置。
8. 前記アンテナアレイにおいて、２つ毎の隣接するアンテナエレメント列の間に１本の縦金属仕切り板が設けられ、
   及び／又は、前記アンテナアレイの２つ毎の隣接するアンテナエレメント列の間に１本の横金属仕切り板が設けられ、
   及び／又は、前記アンテナアレイの周辺に金属側板が設けられる請求項２に記載のスマートアンテナ装置。
9. 前記スプリッタ／コンバイナの数は、分割数及びアンテナエレメント数に応じて決められる請求項２に記載のスマートアンテナ装置。
10. 前記誘電体基板の中間層は、接地層及び金属反射板として兼用される請求項１に記載のスマートアンテナ装置。
11. 前記誘電体基板は、プリント回路基板ＰＣＢである請求項１に記載のスマートアンテナ装置。