JP2019009744A - Radio communication device and radio communications system - Google Patents

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厚 太田
田中 健
Takeshi Tanaka
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裕史 白戸
瑞紀 菅
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瑞紀 菅
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Kazuto Goto
和人 後藤
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Abstract

To reduce an influence of a grating lobe.SOLUTION: First and second radio communication devices are characterized in that a plurality of linear microstrip array antennas or quasi-linear microstrip array antennas each constituted by arranging a plurality of linearly-arrayed antenna elements are arranged side by side at predetermined intervals along an orthogonal axis in a direction orthogonal to a linear axis of the microstrip array antennas; a directional beam is formed in the direction of the orthogonal axis by rotating signals, transmitted and received by the plurality of microstrip array antennas, individually to a complex phase; the direction of the orthogonal axis along which the microstrip array antennas are arranged is an orthogonal direction; and planes of polarization of the individual antenna elements are so set that opposite adaptive directional antenna units have identical planes of polarization.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、無線通信装置及び無線通信システムに関する。   The present invention relates to a wireless communication apparatus and a wireless communication system.

現在、スマートフォンなどの高機能な移動通信端末が爆発的に普及している。携帯電話に関しては、第3世代移動通信から第4世代移動通信に移行し、現在ではさらに先の第5世代移動通信(通称「5G」)に関する研究開発が進められている。この5Gに関して行われている検討のひとつに、マクロセルとスモールセルの利用がある。これまでの携帯電話では、ひとつのサービスエリアを半径数キロメートル程度に設定し、このマクロセルのエリアをひとつの基地局装置がカバーしていた。しかし、この様なマクロセル内には非常に膨大な数のユーザが存在する。全体の限りあるシステム容量は各ユーザでシェアされることになるため、膨大な数のユーザを収容するときには、個々のユーザ毎のスループットは低下する。   Currently, high-functional mobile communication terminals such as smartphones are explosively spreading. With regard to mobile phones, the third generation mobile communication has shifted to the fourth generation mobile communication, and research and development related to the fifth generation mobile communication (commonly referred to as “5G”) is now underway. One of the studies that have been conducted on 5G is the use of macro cells and small cells. In conventional cellular phones, one service area is set to a radius of several kilometers, and this macro cell area is covered by one base station device. However, there are a very large number of users in such a macro cell. Since the limited system capacity as a whole is shared by each user, when accommodating a huge number of users, the throughput for each individual user is lowered.

この様なスループットの低下を回避するために、トラヒックが集中するような人口密集地に、半径数十メートル程度の非常に小さなサービスエリアであるスモールセルを設定する技術が開発されている。この技術では、スモールセルを活用することで、マクロセルを介さずに、スポット的なトラヒックをネットワークにオフロードする。ここでは、スモールセルにおける通信能力とマクロセルにおける通信能力を同時並行的に利用可能な端末装置を想定する。このような端末装置を用いることで、制御情報についてはマクロセルを活用して情報交換を行いながら、ユーザデータについてはスモールセル側において収容する。これによって、マクロセルとスモールセルのメリットを最大限活用することが可能になる。   In order to avoid such a decrease in throughput, a technique for setting a small cell, which is a very small service area with a radius of several tens of meters, in a densely populated area where traffic is concentrated has been developed. In this technology, spot traffic is offloaded to a network without using a macro cell by utilizing a small cell. Here, it is assumed that the terminal device can use the communication capability in the small cell and the communication capability in the macro cell simultaneously. By using such a terminal device, user data is accommodated on the small cell side while exchanging information using a macro cell for control information. This makes it possible to make maximum use of the advantages of macro cells and small cells.

先に述べた5Gでは、伝送速度の目標値に10Gbit/s(ギガビット毎秒)以上が設定されており、このスモールセルでも同様の大容量の通信を行うことでトラヒックの効率的なオフロードを実現する必要がある。マクロセルにおいては長距離伝搬を許容するために周波数の低いマイクロ波帯を利用することが前提となる。しかし、既に周波数資源が枯渇しつつあるマイクロ波帯の現状を考慮し、比較的近距離での通信を想定するスモールセルでは、比較的周波数の高い準ミリ波帯またはミリ波帯の利用が想定されている。この高周波数帯の特徴は、周波数の2乗に反比例して伝搬減衰が大きくなるため、スモールセル基地局は比較的ユーザ端末に近い場所に設置される。   In 5G mentioned above, the target value of transmission speed is set to 10 Gbit / s (gigabit per second) or more, and this small cell can perform efficient traffic offload by performing the same large-capacity communication. There is a need to. In a macro cell, it is assumed that a microwave band with a low frequency is used in order to allow long-distance propagation. However, considering the current state of the microwave band, where frequency resources are already being depleted, small cells that assume relatively short-distance communication are expected to use the quasi-millimeter wave band or the millimeter wave band with a relatively high frequency. Has been. The characteristic of this high frequency band is that propagation attenuation increases in inverse proportion to the square of the frequency, so that the small cell base station is installed at a location relatively close to the user terminal.

この様なスモールセル基地局は、人の多く集まる繁華街などにおいて、ビル壁面や街灯などの比較的高所に設置されることが想定される。多数のスモールセル基地局を設置すれば、より狭いエリアに分割してユーザを効率的に収容できるため、オフロード効果は高い。これらのスモールセル基地局においては、基本的に大容量化を図るため周波数資源が潤沢なミリ波帯を利用することが期待される。現在の検討の中心は、28GHz帯などの利用を想定しており、高周波数帯の利用に伴うリンクバジェットの不足を補うために、基地局装置と端末局装置の双方に多数のアンテナを実装したMassive MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)構成を想定し、ここで高次の空間多重伝送を行うことが期待されている。一例としては、基地局装置側において16素子×16素子の合計256素子の正方アレーアンテナを実装し、端末局装置側にも16素子(例えば4素子×4素子の正方アレー)程度の実装を行うことが想定される。   Such a small cell base station is assumed to be installed at a relatively high place such as a building wall surface or a streetlight in a downtown area where many people gather. If a large number of small cell base stations are installed, the user can be efficiently accommodated by dividing into smaller areas, so the off-road effect is high. In these small cell base stations, it is expected to use a millimeter wave band with abundant frequency resources in order to basically increase the capacity. The current focus is on the use of the 28 GHz band, etc., and in order to make up for the shortage of link budget associated with the use of the high frequency band, a large number of antennas are mounted on both the base station device and the terminal station device. A Massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) configuration is assumed, and high-order spatial multiplexing transmission is expected here. As an example, a square array antenna of a total of 256 elements of 16 elements × 16 elements is mounted on the base station apparatus side, and about 16 elements (for example, a square array of 4 elements × 4 elements) are also mounted on the terminal station apparatus side. It is assumed that

ここで、これらのミリ波帯のシステムにおいては、元々のリンクバジェットが不足するが故にMassive MIMO構成を想定しているため、見通し環境での通信が好ましい。しかし、見通し波が支配的な環境においてはMIMOチャネル行列の固有値の分布として第1固有値の利得と第2固有値以上の固有値の利得の差が非常に大きくなり、第2固有値以上を利用するメリットが非常に小さくなる傾向がある。すなわち、見通し環境においては反射波を利用した高次の空間多重伝送は困難であり、実際にはせいぜい偏波を用いた2多重(各偏波で第1固有モード伝送を行う)程度が限界で、それ以上の空間多重は非効率となる。   Here, in these millimeter-wave band systems, since the original link budget is insufficient and a Massive MIMO configuration is assumed, communication in a line-of-sight environment is preferable. However, in the environment where the line-of-sight wave is dominant, the difference between the gain of the first eigenvalue and the gain of the eigenvalue greater than or equal to the second eigenvalue becomes very large as the distribution of eigenvalues of the MIMO channel matrix, and there is an advantage of using the second eigenvalue or greater. There is a tendency to become very small. In other words, in the line-of-sight environment, high-order spatial multiplexing transmission using reflected waves is difficult, and in practice, the maximum is about two multiplexing using polarization (the first eigenmode transmission is performed for each polarization). Any further spatial multiplexing becomes inefficient.

そこで、見通し波が支配的な環境での空間多重伝送の場合には、二つの無線局の備えるアレーアンテナないしは個々のサブアレーアンテナの送信及び受信のペアに対し定義される第1固有モードないしは近似的に第1固有モードに対応する伝送路ごとに、ひとつの信号系列を割り当てて伝送し、これらを並列的に空間多重伝送することが有効となる。例えば、非特許文献1では、基地局装置において、ある程度の離隔距離を確保した複数のサブアレーを実装し、これらのサブアレーから複数の端末局装置に対し、非常に簡易な制御で端末局装置間の与被干渉を低減し、高次の空間多重伝送を実現するマルチユーザMIMO伝送技術について紹介している。ここでの評価においては、基地局装置側にて実装する各サブアレーは半波長間隔に配置されていることを仮定していた。   Therefore, in the case of spatial multiplexing transmission in an environment where the line-of-sight wave is dominant, the first eigenmode or approximate defined for the transmission and reception pairs of the array antennas or individual subarray antennas of the two radio stations. It is effective to assign and transmit one signal sequence for each transmission path corresponding to the first eigenmode, and to perform spatial multiplexing transmission of these in parallel. For example, in Non-Patent Document 1, a plurality of subarrays with a certain degree of separation distance are mounted in a base station apparatus, and a plurality of terminal station apparatuses from these subarrays are connected between terminal station apparatuses with very simple control. This paper introduces multi-user MIMO transmission technology that reduces interference and realizes higher-order spatial multiplexing transmission. In this evaluation, it was assumed that the subarrays mounted on the base station apparatus side are arranged at half-wavelength intervals.

この他にも、アクセス系とは異なり無線局装置を高所に固定設置して、見通し波が支配的な環境で空間多重伝送する技術については、非特許文献2などに関連した記載がある。ここでは二つの無線局装置がビル屋上と、道路を挟んで反対側のビル壁面などに設置される。具体的には、ビル屋上側が基地局装置(エントランス回線を提供する基地局装置であるため、以降、「無線エントランス基地局」と記載する。)、ビル壁面側に中継局を設置し、この中継局にアクセス系のスモールセル基地局装置を接続する運用などを想定している。上述の様に、見通し波が支配的な場合には第1固有値に対応した伝送路は非常に効率的な伝送ができるが、反射波により生じる第2固有値以降の伝送路は固有値が第1固有値に比較して大きく低下しているため、元々リンクバジェットが不足する環境であったことも影響し、利得を確保できずに安定的な通信が困難となる。そこで、非特許文献2に記載の技術では、中継局装置側にひとつのアレーアンテナを実装する一方で、無線エントランス基地局側においてはアレーアンテナをサブアレー化する。この無線エントランス基地局のサブアレーと中継局装置のアレーアンテナの間で第1固有モード伝送を行う。   In addition to this, there is a description related to Non-Patent Document 2, etc., regarding a technique for spatially multiplexing transmission in an environment in which a line-of-sight wave is dominant, in which a radio station apparatus is fixedly installed at a high place unlike an access system. Here, two radio station apparatuses are installed on the roof of the building and on the opposite wall of the building across the road. Specifically, the upper side of the building is a base station device (because it is a base station device that provides an entrance line, henceforth referred to as “wireless entrance base station”), and a relay station is installed on the wall surface of the building. It is assumed that the access small cell base station device is connected to the station. As described above, when the line-of-sight wave is dominant, the transmission line corresponding to the first eigenvalue can transmit very efficiently, but the transmission line after the second eigenvalue caused by the reflected wave has the eigenvalue of the first eigenvalue. Therefore, it is affected by the fact that the link budget was originally insufficient, and it is difficult to secure a gain without securing a gain. Therefore, in the technique described in Non-Patent Document 2, one array antenna is mounted on the relay station device side, while the array antenna is subarrayed on the radio entrance base station side. The first eigenmode transmission is performed between the sub-array of the radio entrance base station and the array antenna of the relay station apparatus.

ここで非特許文献2では、無線エントランス基地局のサブアレー間隔を中継局装置のアレーアンテナのアンテナ配置等の条件に依存した最適条件に設定することで、複数の信号系列を見通し環境で空間多重伝送できることを示している。これは、ひとつの基地局とひとつの中継局が1対1で通信する場合には、その設置環境に応じて無線エントランス基地局側のサブアレー間隔を最適化することで、最もサブアレー間の相関が低くなる条件を実現することが可能であるためである。   Here, in Non-Patent Document 2, by setting the sub-array interval of the radio entrance base station to an optimum condition depending on conditions such as the antenna arrangement of the array antenna of the relay station apparatus, a plurality of signal sequences are spatially multiplexed in a line-of-sight environment. It shows what you can do. When one base station and one relay station communicate on a one-to-one basis, the sub-array interval on the radio entrance base station side is optimized according to the installation environment, so that the correlation between the sub-arrays is the most. This is because the lowering condition can be realized.

この非特許文献2に記載の技術では、ひとつの基地局装置とひとつの中継局装置に着目した際に、基地局装置側のアンテナをサブアレー構成とし、各サブアレーの間隔を離すことでサブアレー間の相関を低減して、複数系統の信号系列を第1固有モードの並列伝送として大容量化を図っている。しかし、この構成における基地局装置と中継局装置の関係を逆転させ、各サブアレーを個別の中継局装置とみなせば、元々、それぞれが離れた位置関係となる中継局装置同士であれば、それぞれの中継局装置と基地局装置の間の見通し波を抽出する第1固有モード伝送(ないしはその近似解に相当する伝送)は相互に相関が低くなり、空間多重伝送には適した環境を構築できる。これは、上述のアクセス系における非特許文献1の技術では、端末局装置の存在する方位がユーザの移動に伴いランダムであるのに対し、固定設置の中継局であればある程度中継局が離隔距離を確保して設置されることを考慮すれば、中継局の存在する方位に角度差が確保できることが期待され、結果的にその角度差に伴い相関がある程度低減できることが期待できるため、非特許文献1に記載の様に、基地局装置側の複数のサブアレーを中継局相互の配置の最適化を意識して設置するまでもなく、低い相関を実現することが可能であった。これらの従来技術におけるMassive MIMO伝送技術においては、アンテナ素子は半波長間隔で例えば正方格子状に2次元配置された正方アレーなどを仮定して特性評価が行われているという特徴がある。   In the technique described in Non-Patent Document 2, when attention is paid to one base station device and one relay station device, the antenna on the base station device side is configured as a subarray, and the interval between the subarrays is increased by separating the subarrays. Correlation is reduced to increase the capacity of a plurality of signal sequences as parallel transmission of the first eigenmode. However, if the relationship between the base station device and the relay station device in this configuration is reversed and each subarray is regarded as an individual relay station device, each relay station device is originally located in a distant positional relationship with each other. The first eigenmode transmission (or transmission corresponding to the approximate solution) for extracting a line-of-sight wave between the relay station apparatus and the base station apparatus has a low correlation with each other, and an environment suitable for spatial multiplexing transmission can be constructed. This is because, in the technology of Non-Patent Document 1 in the above-described access system, the direction in which the terminal station device exists is random as the user moves, whereas the relay station is separated to some extent if it is a fixedly installed relay station. Therefore, it is expected that an angle difference can be secured in the azimuth in which the relay station exists, and as a result, it can be expected that the correlation can be reduced to some extent along with the angle difference. As described in 1, it is possible to realize a low correlation without having to install a plurality of sub-arrays on the base station apparatus side in consideration of optimization of the arrangement of relay stations. In the conventional MIMO transmission technology in these prior arts, the antenna element is characterized in that the characteristic evaluation is performed assuming a square array arranged two-dimensionally in a square lattice, for example, at half-wavelength intervals.

ここで、最初に説明した第5世代移動通信においては10Gbit/s以上のスループットを目標としていたが、仮に偏波を用いて二つの第1固有モードを並列伝送(空間多重数としては2)した場合でも、周波数利用効率5bit/s/Hzの伝送モードを想定すると帯域幅が1GHz必要になる。現在は28GHz帯などを中心に検討が進められているが、この周波数帯では1GHzもの帯域幅を確保するのは困難であり、将来的には見通し波が支配的な環境で各端末局装置当たりの空間多重数が2程度となることを想定すると、より周波数資源が潤沢な周波数帯にシフトした運用が必要となる。一例としては、70/80GHz帯を用いるEバンドなどが想定される。   Here, in the 5th generation mobile communication explained at the beginning, the throughput of 10 Gbit / s or more was targeted, but two first eigenmodes were transmitted in parallel using polarization (two as the spatial multiplexing number). Even in this case, assuming a transmission mode with a frequency utilization efficiency of 5 bits / s / Hz, a bandwidth of 1 GHz is required. Currently, the study is proceeding mainly on the 28 GHz band, etc., but it is difficult to secure a bandwidth of 1 GHz in this frequency band. Assuming that the number of spatial multiplexing is about 2, an operation in which the frequency resource is shifted to a more abundant frequency band is required. As an example, an E band using a 70/80 GHz band is assumed.

ここで、Eバンドにおける波長は概ね4ミリメートル程度である。例えば、仮に1波長間隔で正方アレーを構築しようとした場合には、各素子にハイパワーアンプないしはローノイズアンプ(またはその両方)をそれぞれ4mm×4mm四方のスペースの中に埋め込む必要がある。しかし、デバイスのサイズやその実装及び配線を考えれば、このサイズでの実装は現実的ではない。仮にデバイスのサイズを1cm×1cm程度と仮定し、配線も含めて3波長程度の隔離距離が必要であるとすれば、正方アレーは3波長間隔で形成されることになる。しかし、素子間隔が1/2波長を超えると、メインローブの他にグレーティングローブと呼ばれる高相関となる方向が存在することになる。   Here, the wavelength in the E band is about 4 millimeters. For example, if a square array is to be constructed at intervals of one wavelength, it is necessary to embed a high power amplifier and / or a low noise amplifier (or both) in each element in a 4 mm × 4 mm square space. However, considering the size of the device, its mounting, and wiring, mounting at this size is not practical. If the size of the device is assumed to be about 1 cm × 1 cm and an isolation distance of about 3 wavelengths including wiring is required, the square array is formed at intervals of 3 wavelengths. However, when the element spacing exceeds ½ wavelength, there is a high correlation direction called a grating lobe in addition to the main lobe.

例えば、図11に示すように、3波長間隔(素子間隔d=3λ、λは波長)のリニアアレーアンテナを想定する。図11において、10−1〜10−4はアンテナ素子、11−1〜11−4は移相器等の複素位相回転手段、12は通信相手となる無線局の方向、13はグレーティングローブの方向を表している。通信相手となる無線局の方向が正面から角度θ方向であるものとして、その方向に対する平面波(図中では、同位相となる波面を点線で表示)を想定した場合の各素子の経路長差がΔ=dSinθとなっている。このため、アンテナ素子10−1〜10−4の各素子において、素子毎に2π(dSinθ)/λ=6πSinθの複素位相回転の累積値を移相器11−1〜11−4を用いて与えることで、通信相手となる無線局の方向12で示したθ方向に指向性を向けることができる。   For example, as shown in FIG. 11, a linear array antenna with three wavelength intervals (element interval d = 3λ, where λ is a wavelength) is assumed. In FIG. 11, 10-1 to 10-4 are antenna elements, 11-1 to 11-4 are complex phase rotating means such as phase shifters, 12 is a direction of a radio station as a communication partner, and 13 is a direction of a grating lobe. Represents. Assuming that the direction of the wireless station that is the communication partner is the angle θ direction from the front, the path length difference of each element when assuming a plane wave for that direction (in the figure, the wave front having the same phase is indicated by a dotted line) Δ = dSinθ. For this reason, in each element of the antenna elements 10-1 to 10-4, the cumulative value of complex phase rotation of 2π (dSinθ) / λ = 6πSinθ is given for each element using the phase shifters 11-1 to 11-4. Thus, the directivity can be directed in the θ direction indicated by the direction 12 of the wireless station that is the communication partner.

具体的には、アンテナ素子10−1を基準とすれば、アンテナ素子10−2は経路長差Δだけ距離が短いため、複素位相差が2π(dSinθ)/λ×1となっている。これをキャンセルするために、アンテナ素子10−2には、アンテナ素子10−1よりも2π(dSinθ)/λ×1だけ位相回転を加える必要がある。同様に、アンテナ素子10−3にはアンテナ素子10−2よりも2π(dSinθ)/λ×1だけ位相回転を加える必要があり、アンテナ素子10−4にはアンテナ素子10−3よりも2π(dSinθ)/λ×1だけ位相回転を加える必要がある。したがって、移相器11−1ではその累積値として2π(dSinθ)/λ×0の位相回転を、移相器11−2ではその累積値として2π(dSinθ)/λ×1の位相回転を、移相器11−3ではその累積値として2π(dSinθ)/λ×2の位相回転を、移相器11−4ではその累積値として2π(dSinθ)/λ×3の位相回転をそれぞれアンテナ素子に加える必要がある。なお、移相器11−1〜11−4では、通常、遅延線を経由させることで時間的に遅らせて複素位相を回転させることが多いが、この場合、複素位相は遅延線分だけマイナス方向に位相が回転させられることになる。例えば、−π/2の複素位相回転は+3π/2の複素位相回転と等価であり、位相回転量の絶対値ではなく、符号も考慮した位相回転を与える。上述の位相回転はプラスの位相回転を意図しているため、移相器11−1〜11−4を用いる場合にはこの符号の関係を調整するための注意が必要である。   Specifically, when the antenna element 10-1 is used as a reference, the antenna element 10-2 is short in distance by the path length difference Δ, and thus the complex phase difference is 2π (dSinθ) / λ × 1. In order to cancel this, it is necessary to apply a phase rotation to the antenna element 10-2 by 2π (dSinθ) / λ × 1 rather than the antenna element 10-1. Similarly, the antenna element 10-3 needs to be rotated by 2π (dSinθ) / λ × 1 more than the antenna element 10-2, and the antenna element 10-4 has 2π (2π () than the antenna element 10-3. It is necessary to apply phase rotation by dSinθ) / λ × 1. Therefore, the phase shifter 11-1 has a phase rotation of 2π (dSinθ) / λ × 0 as its accumulated value, and the phase shifter 11-2 has a phase rotation of 2π (dSinθ) / λ × 1 as its accumulated value. The phase shifter 11-3 has a phase rotation of 2π (dSinθ) / λ × 2 as its accumulated value, and the phase shifter 11-4 has a phase rotation of 2π (dSinθ) / λ × 3 as its accumulated value. It is necessary to add to. In addition, in the phase shifters 11-1 to 11-4, the complex phase is usually rotated by being delayed in time by passing through the delay line, but in this case, the complex phase is in the minus direction by the delay line segment. Therefore, the phase is rotated. For example, a complex phase rotation of −π / 2 is equivalent to a complex phase rotation of + 3π / 2 and gives a phase rotation that considers not the absolute value of the phase rotation amount but also the sign. Since the above-described phase rotation is intended to be a positive phase rotation, when using the phase shifters 11-1 to 11-4, care must be taken to adjust the relationship between the signs.

次に、正面から角度θの方向(図11では、矢印13で示した方向)に対し、以下の式(1)が成立しているものとする。 Next, (in Fig. 11, the direction indicated by the arrow 13) direction at an angle theta g from the front to the following formula (1) is assumed to be satisfied.

Figure 2019009744
Figure 2019009744

ここで、各移相器11−1〜11−4ではdSinθの経路長差に伴う2π(dSinθ)/λの複素位相回転をキャンセルする位相回転が施されているものとし、左辺第2項にその効果を取り込んでいる。上記式(1)の両辺に2π/λを乗算すると、ウエイトの乗算に伴い角度θの方向に対する素子毎の複素位相回転量は2πnとなり、すなわち各アンテナ素子は同位相で合成されることになる。例えば、d=3λでθ=0[deg]の時、約±19度、約±42度、±90度の方向にグレーティングローブとして高相関の方向が現れる。同様にd=3λでθ=30[deg]の時には、約±56度、約±9.6度、−30度の方向にグレーティングローブとして高相関の方向が現れる。 Here, in each of the phase shifters 11-1 to 11-4, it is assumed that the phase rotation for canceling the complex phase rotation of 2π (dSinθ) / λ accompanying the path length difference of dSinθ is performed. The effect is taken in. Multiplying both sides to 2 [pi / lambda of the above formula (1), the complex phase rotation amount for each element with respect to the direction of with an angle theta g on multiplying weights 2πn next, i.e. each antenna element to be synthesized in the same phase Become. For example, when d = 3λ and θ = 0 [deg], highly correlated directions appear as grating lobes in directions of about ± 19 degrees, about ± 42 degrees, and ± 90 degrees. Similarly, when d = 3λ and θ = 30 [deg], highly correlated directions appear as grating lobes in the directions of about ± 56 degrees, about ± 9.6 degrees, and −30 degrees.

ここでd<λ/2の場合には、式(1)から明らかな様に左辺の絶対値は1以下となり、原理的にこの式は成立せずにグレーティングローブは現れない。しかし、素子間隔がλ/2よりも大きくなるとグレーティングローブが現れるようになり、波長に対する素子間隔の比、すなわちd/λの値が増加すると共に現れるグレーティングローブの数は増加するため、その影響は無視できなくなる。この影響は、与被干渉が無視できないエリア内において、同一周波数チャネルにおいてひとつの無線局とのみ通信をする場合には問題とはならないが、複数の無線局と同一周波数チャネルを用いて空間多重伝送を行うような場合には問題となりうる。   Here, in the case of d <λ / 2, the absolute value of the left side is 1 or less as is apparent from the equation (1). In principle, this equation does not hold and no grating lobe appears. However, when the element spacing is larger than λ / 2, grating lobes appear, and the ratio of the element spacing to the wavelength, that is, the number of grating lobes that appear as the value of d / λ increases, so the effect is It cannot be ignored. This effect is not a problem when communicating with only one radio station on the same frequency channel in an area where interference is not negligible, but spatial multiplexing transmission using the same frequency channel with multiple radio stations. Can be a problem.

以上の非特許文献で想定するアレーアンテナは、それぞれ素子間隔が半波長程度となるような条件を想定し、その場合の特性をシミュレーションなどにおいて評価されることが多かった。しかし、これが上述の様にEバンドなどの高周波数帯での利用を想定するならば、ハイパワーアンプやローノイズアンプの実装において、それらの物理的なサイズが問題となり、結果的に各素子間隔を数波長程度に広げた実装が必要となる。このため、上述の様なグレーティングローブが生じるようになる。上述の説明では1次元配列のリニアアレーの場合を例にして説明したが、例えば正方格子状の2次元配列の平面アンテナの場合には、形成する指向性ビームの方向に依存して、グレーティングローブの発生する方向も絶えず変化し、アクセス系を対象にしたモバイル通信であれエントランス系を想定した固定通信であれ、端末局装置又は中継局の配置に関してある程度の自由度を伴う場合には、相互の無線局間での相関がグレーティングローブの影響で高相関となる可能性が否定できなくなる。   The array antennas assumed in the above non-patent documents are often evaluated in simulations or the like, assuming the condition that the element spacing is about a half wavelength. However, if this is assumed to be used in a high frequency band such as the E band as described above, the physical size of the high power amplifier and the low noise amplifier will be a problem. Mounting extended to several wavelengths is required. For this reason, the grating lobe as described above is generated. In the above description, the case of a linear array having a one-dimensional array has been described as an example. However, in the case of a two-dimensional array antenna having a square lattice shape, for example, the grating lobe depends on the direction of the directional beam to be formed. The direction of occurrence is constantly changing, whether mobile communication targeting the access system or fixed communication assuming an entrance system, and if there is some degree of freedom regarding the arrangement of terminal station devices or relay stations, It cannot be denied that there is a possibility that the correlation between stations becomes high due to the effect of the grating lobe.

丸田一輝他、「高周波数帯Massive MIMOにおけるサブアレー時間軸ビームフォーミングによるマルチユーザ並列伝送」、信学技報, vol. 116, no. 11, RCS2016-20, pp. 111-116, 2016年4月.Kazuteru Maruta et al., “Multiuser Parallel Transmission with Subarray Time-axis Beamforming in High Frequency Band Massive MIMO”, IEICE Technical Report, vol. 116, no. 11, RCS2016-20, pp. 111-116, April 2016 . 新井拓人他、「第1固有モードのパラレル伝送を用いた見通し環境ミリ波帯空間多重伝送技術〜固有ビーム間の直交化条件〜」、2015年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会 通信講演論文集1、2015年9月Takuto Arai, et al., "Line-of-sight Millimeter-Wave Band Spatial Multiplexing Technology Using Parallel Transmission in the First Eigenmode-Orthogonal Conditions between Eigenbeams", 2015 IEICE Communication Society Conference September 2015

上述のように、無線局装置が実装するアンテナ素子は2次元的な配列となるが、Eバンドの様な高周波数帯を想定する場合には、その素子間隔を1/2波長間隔以下にすることは困難である。特に、ハイパワーアンプやローノイズアンプなどのアンプの実装を想定し、これらのサイズに合わせてアンテナを配置するとなると、数波長間隔とならざるを得ない。しかし、アンテナ素子間隔が1/2波長間隔以上になるとグレーティングローブが現れ始め、所望の指向性ビームの方向以外にも高相関となる方向が生じるようになる。   As described above, the antenna elements mounted on the radio station apparatus are two-dimensionally arranged. However, when a high frequency band such as an E band is assumed, the element interval is set to a half wavelength interval or less. It is difficult. In particular, assuming that an amplifier such as a high-power amplifier or a low-noise amplifier is mounted, and antennas are arranged in accordance with these sizes, the wavelength interval must be several wavelengths. However, when the antenna element interval is greater than or equal to the half wavelength interval, grating lobes begin to appear, and directions with high correlation other than the desired directional beam direction are generated.

仮に1対1の無線局が対向したPoint−to−Point状態で通信を行うのであれば、グレーティングローブが現れる方向は通信相手の無線局とは異なる方向となることが期待されるために問題とはならないが、例えば一つの基地局装置と複数の端末局装置(ないしは複数の中継局)とがPoint−to−Multipoint状態で空間多重伝送を行う場合(すなわちマルチユーザMIMO伝送)には、ひとつの無線局に対して形成した指向性ビームのグレーティングローブが他の無線局宛の指向性ビームに被ることが生じ得るため、高相関で相互に与被干渉となる状態となり得る。この場合でも、少数の無線局を限定的な場所に配置するなどの場合には、最適化設計が可能となる場合もあるが、仮に固定設置する場合であっても、中継局を設置する場所に可能な限り制限を加えずに済ませようとする場合、ないしは最適化設計を行わずに自由に中継局を配置する場合には、それらの中継局がグレーティングローブに重なり、特性を劣化させる可能性が否定できない。   If communication is performed in a point-to-point state where one-to-one wireless stations face each other, the direction in which the grating lobe appears is expected to be different from the communication partner wireless station. However, for example, when one base station apparatus and a plurality of terminal station apparatuses (or a plurality of relay stations) perform spatial multiplexing transmission in a point-to-multipoint state (that is, multi-user MIMO transmission), Since the directional beam grating lobe formed with respect to the radio station can be applied to the directional beam addressed to other radio stations, it can be in a state of mutual interference with high correlation. Even in this case, optimization design may be possible when a small number of radio stations are placed in a limited location, but even if they are fixedly installed, the location where the relay station is installed If the relay stations are to be kept as limited as possible, or if relay stations are arranged freely without optimization design, the relay stations may overlap the grating lobe and deteriorate the characteristics. Cannot be denied.

したがって、特にEバンドのように、より高い周波数帯を用いたシステムにおいて、ハイパワーアンプやローノイズアンプを実装しながらも、それらのデバイスの物理的なサイズに起因して2次元的なアンテナ配置を行う場合のアンテナ素子間隔が拡大して生じるグレーティングローブの影響を低減可能なアンテナ構成法及びその制御方法が求められている。   Therefore, in a system using a higher frequency band such as the E band, a high-power amplifier and a low-noise amplifier are mounted, but a two-dimensional antenna arrangement is made due to the physical size of these devices. There is a need for an antenna configuration method and a control method thereof that can reduce the effect of grating lobes that occur when the antenna element spacing is increased.

上記事情に鑑み、本発明は、グレーティングローブの影響を低減することができる技術の提供を目的としている。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a technique capable of reducing the influence of grating lobes.

本発明の一態様は、第1の無線通信装置と第2の無線通信装置とを備える無線通信システムにおける無線通信装置であって、該第1及び第2の無線通信装置は、1次元状のマイクロストリップアレーアンテナないしは1次元に配列されたアンテナ素子が複数列並べられて構成された準1次元状のマイクロストリップアレーアンテナが、該マイクロストリップアレーアンテナの1次元軸と直交する方向の直交軸に所定の間隔で複数並べて配置され、且つ複数の該マイクロストリップアレーアンテナにて送受信される信号に対して個別に複素位相の回転を与えることで前記直交軸の方向に指向性ビームを形成する適応型指向性アンテナユニットを備え、該適応型指向性アンテナユニットは、前記マイクロストリップアレーアンテナを並べた前記直交軸の方向が前記第1の無線通信装置と第2の無線通信装置の間で直交した方向となるように配置されており、且つ対向する前記適応型指向性アンテナユニット間で偏波面が揃うように前記マイクロストリップアレーアンテナを構成する個別のアンテナ素子の偏波面が設定されていることを特徴とする無線通信装置である。   One embodiment of the present invention is a wireless communication device in a wireless communication system including a first wireless communication device and a second wireless communication device, and the first and second wireless communication devices are one-dimensional. A microstrip array antenna or a quasi-one-dimensional microstrip array antenna formed by arranging a plurality of arrayed antenna elements in a one-dimensional array has an orthogonal axis perpendicular to the one-dimensional axis of the microstrip array antenna. An adaptive type that forms a directional beam in the direction of the orthogonal axis by providing a plurality of complex phase rotations for signals transmitted and received by a plurality of microstrip array antennas arranged side by side at predetermined intervals. A directional antenna unit, wherein the adaptive directional antenna unit is a direct array of the microstrip array antennas. The axial directions are arranged so as to be orthogonal to each other between the first wireless communication device and the second wireless communication device, and the polarization planes are aligned between the adaptive directional antenna units facing each other. The radio communication apparatus is characterized in that the polarization planes of individual antenna elements constituting the microstrip array antenna are set.

本発明の一態様は、上記の無線通信装置であって、前記適応型指向性アンテナユニットは、前記マイクロストリップアレーアンテナが備える個別のアンテナ素子を前記1次元軸に射影した際の射影点の間隔が通信に用いる周波数における波長以下となるように設定され、前記第1の無線通信装置又は前記第2の無線通信装置の少なくともいずれか一方において、前記マイクロストリップアレーアンテナの前記直交軸の方向の間隔が通信に用いる周波数における波長以下となるように設定されている。   One aspect of the present invention is the above-described wireless communication device, wherein the adaptive directional antenna unit has an interval between projection points when individual antenna elements included in the microstrip array antenna are projected onto the one-dimensional axis. Is set to be equal to or less than a wavelength at a frequency used for communication, and in at least one of the first wireless communication device and the second wireless communication device, an interval in the direction of the orthogonal axis of the microstrip array antenna Is set to be equal to or less than the wavelength at the frequency used for communication.

本発明の一態様は、上記の無線通信装置であって、前記適応型指向性アンテナユニットは、前記マイクロストリップアレーアンテナが備える個別のアンテナ素子を前記1次元軸に射影した際の射影点の間隔が通信に用いる周波数における波長以下となるように設定され、所定の角度φに対し、前記第1の無線通信装置又は前記第2の無線通信装置の少なくともいずれか一方において、前記適応型指向性アンテナユニットが形成する指向性ビームが正面方向から前記直交軸の方向に角度−φから+φの間に与被干渉対象となる前記無線局装置が存在していないと推定される場合において、マイクロストリップアレーアンテナの前記直交軸の方向の間隔dが通信に用いる周波数における波長λに対し、下記式(3)を満たす様に設定されている。   One aspect of the present invention is the above-described wireless communication device, wherein the adaptive directional antenna unit has an interval between projection points when individual antenna elements included in the microstrip array antenna are projected onto the one-dimensional axis. Is set to be equal to or less than a wavelength at a frequency used for communication, and at least one of the first wireless communication device and the second wireless communication device with respect to a predetermined angle φ, the adaptive directional antenna When the directional beam formed by the unit is estimated that the radio station apparatus to be interfered with does not exist between the angle −φ and + φ in the direction of the orthogonal axis from the front direction, the microstrip array The distance d in the direction of the orthogonal axis of the antenna is set so as to satisfy the following formula (3) with respect to the wavelength λ at the frequency used for communication.

本発明の一態様は、上記の無線通信装置であって、前記適応型指向性アンテナユニットは、前記マイクロストリップアレーアンテナに対応して個別のハイパワーアンプ及び又はローノイズアンプが接続され、該ハイパワーアンプ及び又はローノイズアンプの厚み方向が前記直交する方向と平行になるように実装される。   One aspect of the present invention is the above-described wireless communication device, wherein the adaptive directional antenna unit is connected to an individual high power amplifier and / or a low noise amplifier corresponding to the microstrip array antenna. The amplifier and / or the low noise amplifier is mounted so that the thickness direction is parallel to the orthogonal direction.

本発明の一態様は、ひとつの第1の無線通信装置と複数の第2の無線通信装置とを備える無線通信システムであって、該第1及び第2の無線通信装置は、1次元状のマイクロストリップアレーアンテナないしは1次元に配列されたアンテナ素子が複数列並べられて構成された準1次元状のマイクロストリップアレーアンテナが、該マイクロストリップアレーアンテナの1次元軸と直交する方向の直交軸に所定の間隔で複数並べて配置され、且つ複数の該マイクロストリップアレーアンテナにて送受信される信号に対して個別に複素位相の回転を与えることで前記直交軸の方向に指向性ビームを形成する適応型指向性アンテナユニットを備え、該適応型指向性アンテナユニットは、前記マイクロストリップアレーアンテナを並べた前記直交軸の方向が前記第1の無線通信装置と第2の無線通信装置の間で直交した方向となるように配置されており、且つ対向する前記適応型指向性アンテナユニット間で偏波面が揃うように前記マイクロストリップアレーアンテナを構成する個別のアンテナ素子の偏波面が設定されており、前記第1の無線通信装置が備える適応型指向性アンテナユニットの直交軸は前記第1の無線通信装置が備える適応型指向性アンテナユニットの直交軸に並行であり、且つ前記第2の無線通信装置が備える適応型指向性アンテナユニットの直交軸は水平面に直交するように固定設置されていることを特徴とする無線通信システムである。   One embodiment of the present invention is a wireless communication system including one first wireless communication device and a plurality of second wireless communication devices, and the first and second wireless communication devices are one-dimensional. A microstrip array antenna or a quasi-one-dimensional microstrip array antenna formed by arranging a plurality of arrayed antenna elements in a one-dimensional array has an orthogonal axis perpendicular to the one-dimensional axis of the microstrip array antenna. An adaptive type that forms a directional beam in the direction of the orthogonal axis by providing a plurality of complex phase rotations for signals transmitted and received by a plurality of microstrip array antennas arranged side by side at predetermined intervals. A directional antenna unit, the adaptive directional antenna unit having the orthogonal axis on which the microstrip array antennas are arranged. Are arranged such that the directions are orthogonal to each other between the first wireless communication device and the second wireless communication device, and the polarization planes are aligned between the adaptive directional antenna units facing each other. Polarization planes of individual antenna elements constituting the microstrip array antenna are set, and the orthogonal axis of the adaptive directional antenna unit provided in the first wireless communication device is the adaptive type provided in the first wireless communication device. Radio communication characterized by being parallel to the orthogonal axis of the directional antenna unit and fixedly installed so that the orthogonal axis of the adaptive directional antenna unit provided in the second wireless communication device is orthogonal to the horizontal plane System.

本発明の一態様は、ひとつの第1の無線通信装置とひとつ又は複数の第2の無線通信装置とを備える無線通信システムであって、該第1及び第2の無線通信装置は、1次元状のマイクロストリップアレーアンテナないしは1次元に配列されたアンテナ素子が複数列並べられて構成された準1次元状のマイクロストリップアレーアンテナが、該マイクロストリップアレーアンテナの1次元軸と直交する方向の直交軸に所定の間隔で複数並べて配置され、且つ複数の該マイクロストリップアレーアンテナにて送受信される信号に対して個別に複素位相の回転を与えることで前記直交軸の方向に指向性ビームを形成する適応型指向性アンテナユニットを備え、該適応型指向性アンテナユニットは、前記マイクロストリップアレーアンテナを並べた前記直交軸の方向が前記第1の無線通信装置と第2の無線通信装置の間で直交した方向となるように配置されており、且つ対向する前記適応型指向性アンテナユニット間で偏波面が揃うように前記マイクロストリップアレーアンテナを構成する個別のアンテナ素子の偏波面が設定されており、前記第2の無線通信装置は移動体の上部に固定的に設置され、且つ該第2の無線通信装置の備える前記適応型指向性アンテナユニットの前記直交軸は前記移動体の進行方向に直交するように配置され、前記第1の無線通信装置は建物上部から前記移動体が走行する道路を見下ろす位置に固定的に設置され、該第1の無線通信装置が備える適応型指向性アンテナユニットの前記直交軸は前記道路と平行となるように配置されていることを特徴とする無線通信システムである。   One embodiment of the present invention is a wireless communication system including one first wireless communication device and one or more second wireless communication devices, wherein the first and second wireless communication devices are one-dimensional. A microstrip array antenna or a quasi-one-dimensional microstrip array antenna configured by arranging a plurality of one-dimensionally arranged antenna elements in a direction orthogonal to the one-dimensional axis of the microstrip array antenna A plurality of directional beams are arranged on the axis at predetermined intervals, and a directional beam is formed in the direction of the orthogonal axis by individually applying complex phase rotation to signals transmitted and received by the plurality of microstrip array antennas. An adaptive directional antenna unit is provided, and the adaptive directional antenna unit is arranged before the microstrip array antennas are arranged. The orthogonal axes are arranged such that the directions of the orthogonal axes are orthogonal between the first wireless communication device and the second wireless communication device, and the planes of polarization are aligned between the adaptive directional antenna units facing each other. As described above, the polarization planes of the individual antenna elements constituting the microstrip array antenna are set, and the second radio communication device is fixedly installed on the upper part of the moving body, and the second radio communication device The orthogonal axis of the adaptive directional antenna unit with which the movable body is provided is arranged so as to be orthogonal to the traveling direction of the mobile body, and the first wireless communication device is located at a position overlooking the road on which the mobile body travels from the upper part of the building. The wireless communication system is characterized in that the orthogonal axis of the adaptive directional antenna unit, which is fixedly installed and provided in the first wireless communication device, is disposed so as to be parallel to the road. It is a system.

本発明により、グレーティングローブの影響を低減することが可能になる。   According to the present invention, the influence of the grating lobe can be reduced.

本発明の第1の実施形態における基地局装置および端末局装置の適応型送信指向性アンテナユニットの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the adaptive transmission directional antenna unit of the base station apparatus and terminal station apparatus in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態における基地局装置および端末局装置の適応型受信指向性アンテナユニットの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the adaptive reception directivity antenna unit of the base station apparatus and terminal station apparatus in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態における基地局装置および端末局装置の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the base station apparatus and terminal station apparatus in the 1st Embodiment of this invention. 適応型送信指向性アンテナユニットおよび適応型受信指向性アンテナユニットの基地局装置側と端末局装置側の設置の向きである。This is the direction of installation of the adaptive transmission directional antenna unit and the adaptive reception directional antenna unit on the base station device side and the terminal station device side. 本発明の第1の実施形態を用いた無線エントランスシステムの概要を示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the outline | summary of the radio | wireless entrance system using the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態を用いた移動体アクセスシステムの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the mobile access system using the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態における基地局装置および端末局装置の適応型送受信指向性アンテナユニットの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the adaptive transmission and reception directional antenna unit of the base station apparatus and terminal station apparatus in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態における基地局装置および端末局装置の適応型送信指向性アンテナユニットの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the adaptive transmission directional antenna unit of the base station apparatus and terminal station apparatus in the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態における基地局装置および端末局装置の適応型受信指向性アンテナユニットの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the adaptive receiving directional antenna unit of the base station apparatus and terminal station apparatus in the 3rd Embodiment of this invention. 準1次元マイクロストリップアレーアンテナの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a quasi-one-dimensional microstrip array antenna. リニアアレーアンテナの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a linear array antenna.

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。本発明の本質は図4にて説明を行うが、まずは装置の全体構成について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The essence of the present invention will be described with reference to FIG. 4. First, the overall configuration of the apparatus will be described.

[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態における基地局装置および端末局装置の適応型送信指向性アンテナユニットの概要を示す図である。図1において、適応型送信指向性アンテナユニット2は、1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−n(nは2以上の整数)、ハイパワーアンプ21−1〜21−n、移相器22−1〜22−n、分配器23、ミキサ25、及びローカル発振器26を備える。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram illustrating an outline of an adaptive transmission directional antenna unit of a base station apparatus and a terminal station apparatus according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, an adaptive transmission directional antenna unit 2 includes one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20-n (n is an integer of 2 or more), high power amplifiers 21-1 to 21-n, and phase shifters. 22-1 to 22-n, a distributor 23, a mixer 25, and a local oscillator 26.

1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−nは、個別のアンテナ素子24を複数実装し、個別のアンテナ素子24を合成する配線上の経路長が同一となるように配線することで図面における横方向に対しては正面方向の強い指向性を示しながら、図面における縦方向に対しては緩やかな指向性(ないしは無指向性)となる指向性特性を備えている。また、1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−nを構成する各アンテナ素子24への給電は、以下のように行われる。ハイパワーアンプ21−1〜21−nから各アンテナ素子24への給電は、同相・同振幅となるよう配線するものとする。1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−nの1次元軸方向に指向性を変化させて配置する場合は、その指向性方向となるよう予め、位相と振幅を調整し、アンテナ素子への給電配線を行う。   The one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20-n include a plurality of individual antenna elements 24, and are wired so that the path lengths on the wiring for synthesizing the individual antenna elements 24 are the same. While having a strong directivity in the front direction with respect to the horizontal direction, it has a directivity characteristic that has a gentle directivity (or omnidirectionality) with respect to the vertical direction in the drawing. Further, power is supplied to each antenna element 24 constituting the one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20-n as follows. Power supply from the high power amplifiers 21-1 to 21-n to each antenna element 24 is wired so as to have the same phase and the same amplitude. When the directivity of the one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20-n is changed in the one-dimensional axis direction, the phase and amplitude are adjusted in advance so that the directivity direction is obtained. Perform power supply wiring.

ひとつの1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−nが個別のアンテナ素子24をo(oは2以上の整数)個実装している場合、通過損失などを無視すれば10Log10(o)[dB]の指向性利得を個別のアンテナ素子24の指向性利得に追加で稼ぐことが可能である。この指向性利得は、固定的に正面方向に向けられたものであり、適応的に変更することは出来ないが、ここでの個別のアンテナ素子24の数o及びその実装時の幅(図面では横方向の幅)を変えることで指向性ビームの幅は任意の値に設計可能である。例えば、3dB半値角が10度であれば、正面から±5度の範囲では指向性利得は角度に対して緩やかに変化し、その角度を超えると急激に利得が低下する。 When one one-dimensional microstrip array antenna 20-1 to 20-n has o individual antenna elements 24 (o is an integer of 2 or more), 10 Log 10 (o) can be obtained by ignoring the passage loss. It is possible to earn a directivity gain of [dB] in addition to the directivity gain of the individual antenna element 24. This directivity gain is fixedly directed in the front direction and cannot be adaptively changed, but the number o of individual antenna elements 24 here and the width at the time of mounting (in the drawing, By changing the width in the horizontal direction, the width of the directional beam can be designed to an arbitrary value. For example, if the 3 dB half-value angle is 10 degrees, the directivity gain changes gently with respect to the angle in the range of ± 5 degrees from the front, and if the angle is exceeded, the gain decreases rapidly.

適応型送信指向性アンテナユニット2には外部よりアナログのベースバンド信号が入力され、入力されたアナログベースバンド信号と、ローカル発振器26からのローカル信号とがミキサ25にて乗算されることによってベースバンドから無線周波数の信号に変換され、ここには記載を省略したがフィルタにより帯域外の成分が抑圧され、無線周波数の信号が分配器23に入力される。分配器23では、入力された無線周波数の信号がn系統に分岐され、分岐された無線周波数の信号それぞれが移相器22−1〜22−nに入力される。移相器22−1〜22−nでは、それぞれ個別独立に複素位相の回転を付与する。ここで所定の複素位相回転が付与された信号はハイパワーアンプ21−1〜21−nに入力され、信号が増幅されて1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−nから信号が送信される。   An analog baseband signal is input to the adaptive transmission directional antenna unit 2 from the outside, and the input analog baseband signal and the local signal from the local oscillator 26 are multiplied by the mixer 25 to thereby generate a baseband signal. Is converted to a radio frequency signal. Although the description is omitted here, a component outside the band is suppressed by the filter, and the radio frequency signal is input to the distributor 23. In the distributor 23, the input radio frequency signal is branched into n systems, and each of the branched radio frequency signals is input to the phase shifters 22-1 to 22-n. In the phase shifters 22-1 to 22-n, the rotation of the complex phase is given individually and independently. Here, the signal to which a predetermined complex phase rotation is applied is input to the high power amplifiers 21-1 to 21-n, the signal is amplified, and the signals are transmitted from the one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20-n. The

これらの1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−nは、縦方向(例えば、図では縦1列)に多数並べて配置されており、これらの1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−nの位相関係を移相器22−1〜22−nにて調整することで、図面に対して縦方向の自由度をもった指向性を適応的に形成することが可能になる。n個の1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−nを合成することで、損失等を無視すれば1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−nひとつ当たりに対して10Log10(n)[dB]の指向性利得を追加で稼ぐことができる。一般には図面上で縦に並んだ1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−n全体の図面縦方向の幅は、1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−nの図面横方向の幅よりも広く設定され、その結果として図面縦方向に対しては適応的に狙いを定めた方向に非常に鋭い指向性ビームを向けることが可能である。 A large number of these one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20-n are arranged in the vertical direction (for example, one vertical column in the figure), and these one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20- are arranged. By adjusting the phase relationship of n by the phase shifters 22-1 to 22-n, it becomes possible to adaptively form directivity having a degree of freedom in the vertical direction with respect to the drawing. By synthesizing n one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20-n, and ignoring loss or the like, 10 Log 10 (n ) Additional [dB] directivity gain can be earned. In general, the width in the vertical direction of the entire one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20-n arranged vertically in the drawing is the width in the horizontal direction of the one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20-n. As a result, it is possible to direct a very sharp directional beam in an adaptively targeted direction with respect to the longitudinal direction of the drawing.

なお、ここでは説明を省略したが、移相器22−1〜22−nで行う複素位相回転量を算出するための方法は如何なる技術を適用することも可能である。例えば、以下に示す参考文献1に記載の技術の様に、複素位相の回転量の算出はデジタル的に実施し、実際の複素位相回転を移相器22−1〜22−nを用いてアナログ的に実現することで、より少ないD/A変換器で装置を構成することが可能である。特に参考文献1に記載の技術は、送信アンテナと受信アンテナが物理的に分離されている場合やFDDのシステムの場合であっても適用可能な技術であり、リンクバジェット的に厳しい無線システムでは、TDDスイッチを介することで生じる通過損失を回避するため、本図の様な送信アンテナとハイパワーアンプを接続する構成が有利である。   Although explanation is omitted here, any technique can be applied to the method for calculating the complex phase rotation amount performed by the phase shifters 22-1 to 22-n. For example, as in the technique described in Reference Document 1 below, the calculation of the amount of rotation of the complex phase is performed digitally, and the actual complex phase rotation is analogized using the phase shifters 22-1 to 22-n. It is possible to configure the apparatus with a smaller number of D / A converters. In particular, the technique described in Reference 1 is a technique that can be applied even when the transmission antenna and the reception antenna are physically separated or in the case of an FDD system. In order to avoid a passage loss caused by passing through the TDD switch, a configuration in which a transmission antenna and a high power amplifier as shown in this figure are connected is advantageous.

また、この参考文献1の技術を実現するためには、複素位相回転量算出のための回路構成が追加で必要となるが、これらは本発明においては本質的ではない上、その他の任意の従来技術の回路構成においても代用可能であるため、ここでは具体的な回路構成の明示と説明は省略する。
(参考文献1:太田厚他、「ミリ波帯大規模アンテナシステムにおけるデジタルアシスト型アナログビームフォーミング 〜 基本コンセプトの提案 〜」、信学技報, vol. 116, no. 383, RCS2016-232, pp. 135-140, 2016年12月.)
Further, in order to realize the technique of Reference Document 1, an additional circuit configuration for calculating the complex phase rotation amount is necessary. However, these are not essential in the present invention, and any other conventional ones. Since the circuit configuration of the technology can be substituted, the specific circuit configuration is not clearly shown and described here.
(Reference 1: Atsushi Ota et al., “Digital Assisted Analog Beamforming in Millimeter-Wave Large-Scale Antenna Systems: Proposal of Basic Concepts”, IEICE Technical Report, vol. 116, no. 383, RCS2016-232, pp 135-140, December 2016.)

図2は、本発明の第1の実施形態における基地局装置および端末局装置の適応型受信指向性アンテナユニットの概要を示す図である。図2において、適応型受信指向性アンテナユニット3は、1次元マイクロストリップアレーアンテナ30−1〜30−n、ローノイズアンプ31−1〜31−n、移相器32−1〜32−n、結合器33、ミキサ35、及びローカル発振器36を備える。   FIG. 2 is a diagram illustrating an outline of an adaptive reception directivity antenna unit of the base station apparatus and the terminal station apparatus according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, the adaptive reception directional antenna unit 3 includes one-dimensional microstrip array antennas 30-1 to 30-n, low noise amplifiers 31-1 to 31-n, phase shifters 32-1 to 32-n, And a local oscillator 36.

図1と同様に、1次元マイクロストリップアレーアンテナ30−1〜30−nは、個別のアンテナ素子34を複数実装し、個別のアンテナ素子34を合成する配線上の経路長が同一となるように配線することで図面における横方向に対しては正面方向の強い指向性を示しながら、図面における縦方向に対しては緩やかな指向性(ないしは無指向性)となる指向性特性を備えている。図1での説明と同様に、この指向性利得は固定的に正面方向に向けられたものであり、適応的に変更することは出来ないが、ここでの個別のアンテナ素子24の数o及びその実装時の幅(図面では横方向の幅)を変えることで指向性ビームの幅は任意の値に設計可能である。   As in FIG. 1, the one-dimensional microstrip array antennas 30-1 to 30-n have a plurality of individual antenna elements 34 mounted thereon, and the path lengths on the wiring for combining the individual antenna elements 34 are the same. Wiring has a directivity characteristic that exhibits a strong directivity in the front direction with respect to the horizontal direction in the drawing, and a gentle directivity (or non-directionality) in the vertical direction in the drawing. Similar to the description in FIG. 1, this directivity gain is fixedly directed in the front direction and cannot be changed adaptively, but here the number o of individual antenna elements 24 and The width of the directional beam can be designed to an arbitrary value by changing the width at the time of mounting (the width in the horizontal direction in the drawing).

適応型受信指向性アンテナユニット3では、1次元マイクロストリップアレーアンテナ30−1〜30−nで受信した信号はそれぞれローノイズアンプ31−1〜31−nに入力され、微弱な信号がローノイズアンプ31−1〜31−nにて増幅され、増幅された信号が移相器32−1〜32−nに入力される。移相器32−1〜32−nでは、それぞれ個別独立に複素位相の回転を付与する。移相器32−1〜32−nでアンテナ素子毎に独立の複素位相回転を施した信号は、結合器33でn系統の信号が合成され、合成された信号はミキサ35に入力される。ミキサ35では、結合器33からの信号にローカル発振器36からのローカル信号が乗算されることによって無線周波数の信号からベースバンドの信号に変換され、ここには記載を省略したがフィルタにより帯域外の成分が抑圧され、アナログベースバンド信号が出力される。   In the adaptive reception directional antenna unit 3, signals received by the one-dimensional microstrip array antennas 30-1 to 30-n are respectively input to the low noise amplifiers 31-1 to 31-n, and weak signals are input to the low noise amplifier 31-. Amplified by 1 to 31-n, and the amplified signal is input to phase shifters 32-1 to 32-n. In the phase shifters 32-1 to 32-n, the rotation of the complex phase is given individually and independently. The signals that have undergone independent complex phase rotation for each antenna element by the phase shifters 32-1 to 32 -n are combined into n signals by the coupler 33, and the combined signals are input to the mixer 35. In the mixer 35, the signal from the coupler 33 is multiplied by the local signal from the local oscillator 36 to convert the radio frequency signal into a baseband signal. The component is suppressed and an analog baseband signal is output.

なお、これも図1の説明と同様であるが、ここでは説明を省略したが、移相器32−1〜32−nで行う複素位相回転量を算出するための方法は如何なる技術を適用することも可能である。この参考文献1の技術を実現するためには、複素位相回転量算出のための回路構成が追加で必要となるが、これらも本発明においては本質的ではない上、その他の任意の従来技術の回路構成においても代用可能であるため、ここでは具体的な回路構成の明示と説明は省略する。   Although this is also the same as the description of FIG. 1, the description is omitted here, but any technique is applied as a method for calculating the complex phase rotation amount performed by the phase shifters 32-1 to 32-n. It is also possible. In order to realize the technique of this reference 1, an additional circuit configuration for calculating the complex phase rotation amount is required. However, these are not essential in the present invention, and other arbitrary conventional techniques are used. Since the circuit configuration can be substituted, a specific circuit configuration is not explicitly described and described here.

図3は、本発明の第1の実施形態における基地局装置および端末局装置の概要を示す図である。図3において、基地局装置および端末局装置は、適応型送信指向性アンテナユニット2、適応型受信指向性アンテナユニット3、及びベースバンドユニット90を備える。ベースバンドユニット90は、通信制御回路91、インタフェース回路92、MAC層処理回路93、ベースバンド信号処理回路94を備える。なお、図3では、ベースバンドユニット90に適応型送信指向性アンテナユニット2と、適応型受信指向性アンテナユニット3とを一つずつ接続した構成を示したが、複数の適応型送信指向性アンテナユニット2と、複数の適応型受信指向性アンテナユニット3とをベースバンドユニット90に接続して空間多重伝送を実施することも可能である。   FIG. 3 is a diagram illustrating an outline of the base station apparatus and the terminal station apparatus according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, the base station apparatus and the terminal station apparatus include an adaptive transmission directional antenna unit 2, an adaptive reception directional antenna unit 3, and a baseband unit 90. The baseband unit 90 includes a communication control circuit 91, an interface circuit 92, a MAC layer processing circuit 93, and a baseband signal processing circuit 94. 3 shows a configuration in which the adaptive transmission directional antenna unit 2 and the adaptive reception directional antenna unit 3 are connected to the baseband unit 90 one by one, but a plurality of adaptive transmission directional antennas are shown. It is also possible to perform spatial multiplexing transmission by connecting the unit 2 and a plurality of adaptive reception directional antenna units 3 to the baseband unit 90.

この空間多重伝送は、Point−to−Point型のシングルユーザMIMOであっても良いし、Point−to−Multipoint型のマルチユーザMIMOであっても良い。構成に対するバリエーションは後述するが、適応型送信指向性アンテナユニット2、適応型受信指向性アンテナユニット3を一体化した構成をとることも可能であるし、ひとつの適応型送信指向性アンテナユニット2、適応型受信指向性アンテナユニット3で複数の指向性ビームを形成する構成とすることも可能である。   This spatial multiplexing transmission may be a point-to-point type single user MIMO or a point-to-multipoint type multi-user MIMO. Although variations to the configuration will be described later, it is possible to adopt a configuration in which the adaptive transmission directional antenna unit 2 and the adaptive reception directional antenna unit 3 are integrated, or one adaptive transmission directional antenna unit 2, A configuration in which a plurality of directional beams are formed by the adaptive reception directional antenna unit 3 is also possible.

以下、信号の流れについて説明する。ベースバンドユニット90は、ネットワークに接続されている。ここでの端末局装置が中継局の場合には、ネットワークとは別のスモールセル基地局などの無線機器を意味する。また、一般の端末局装置の場合には、ネットワークとはいわゆるネットワークそのものの代わりに例えばスマートフォンの様な装置の中の無線機能部分を意味したり、その他のインターネットアクセスの為の信号処理機能であっても良い。これらのスモールセル基地局やインターネットアクセスの為の信号処理機能は通信すべき信号の入出力機能を備え、それらの信号がインタフェース回路92(図3では、I/F回路)との間で入出力される。基地局装置の場合には、文字通りネットワークに接続されているものとする。   Hereinafter, the signal flow will be described. The baseband unit 90 is connected to the network. When the terminal station apparatus here is a relay station, it means a wireless device such as a small cell base station different from the network. In the case of a general terminal station device, the network means a wireless function part in a device such as a smartphone instead of the so-called network itself, or other signal processing function for Internet access. May be. The signal processing functions for these small cell base stations and Internet access have input / output functions for signals to be communicated, and these signals are input / output to / from the interface circuit 92 (I / F circuit in FIG. 3). Is done. In the case of a base station device, it is literally connected to a network.

インタフェース回路92は、ネットワークから信号が入力されると信号を一旦終端し、無線回線で伝送すべき信号や、外部から基地局装置ないしは端末局装置の制御のための制御情報が入力された場合にはこれを認識して取り出し、制御情報は通信制御回路91へ、無線回線で伝送すべき信号はMAC層処理回路93に入力する。MAC層処理回路93は入力された信号を、無線回線で送受信すべき無線のフォーマットの信号に変換する。ここでは必要に応じて、情報識別のためのオーバヘッドなどが付与される。この信号はベースバンド信号処理回路94に入力され、ベースバンド信号処理回路94が無線信号としての変調処理を行う。例えば、誤り訂正処理や所定の伝送方式の変調処理が行われたり、必要に応じてタイミング検出やチャネル推定、周波数誤差推定などの為に用いられるプリアンブル信号などが付与され、デジタルベースバンド信号はD/A変換の後にアナログベースバンド信号として出力され、これらが適応型送信指向性アンテナユニット2に入力される。適応型送信指向性アンテナユニット2は、前述の様にベースバンド信号を無線周波数の信号に変換し、所定の指向性ビームを形成して送信する。   When a signal is input from the network, the interface circuit 92 once terminates the signal, and when a signal to be transmitted through a wireless line or control information for controlling the base station apparatus or terminal station apparatus is input from the outside. Recognizes and takes out the control information, inputs control information to the communication control circuit 91, and inputs a signal to be transmitted through the wireless line to the MAC layer processing circuit 93. The MAC layer processing circuit 93 converts the input signal into a wireless format signal to be transmitted / received via a wireless line. Here, overhead for identifying information is added as necessary. This signal is input to the baseband signal processing circuit 94, and the baseband signal processing circuit 94 performs modulation processing as a radio signal. For example, error correction processing or modulation processing of a predetermined transmission method is performed, and preamble signals used for timing detection, channel estimation, frequency error estimation, etc. are added as necessary, and the digital baseband signal is D The analog baseband signals are output after the / A conversion, and are input to the adaptive transmission directional antenna unit 2. The adaptive transmission directional antenna unit 2 converts the baseband signal into a radio frequency signal as described above, and forms and transmits a predetermined directional beam.

信号を受信する際には、所定の指向性ビームを適応型受信指向性アンテナユニット3で形成して信号を受信し、この信号を無線周波数の信号からベースバンド信号に変換し、これをベースバンド信号処理回路94に入力する。ベースバンド信号処理回路94では、受信したアナログベースバンド信号をA/D変換によりデジタルベースバンド信号に変換し、ここで所定の信号処理により復調処理を行う。例えば、ベースバンド信号処理回路94は、パケット化された無線信号の先頭の信号を受信してタイミング検出を行い、AFC(Automatic Frequency Control)処理により周波数誤差を補償し、チャネル推定の後に復調処理を行い、送信側で送信した信号系列を再生する。再生された信号はMAC層処理回路93に入力され、ここで所定の無線信号を終端し、不要なオーバヘッドを削除してインタフェース回路92に出力する。インタフェース回路92ではこれらの信号をネットワーク側の信号フォーマットに再構築して出力する。   When receiving a signal, the adaptive receiving directional antenna unit 3 forms a predetermined directional beam, receives the signal, converts the signal from a radio frequency signal to a baseband signal, and converts the signal into a baseband signal. The signal is input to the signal processing circuit 94. The baseband signal processing circuit 94 converts the received analog baseband signal into a digital baseband signal by A / D conversion, and performs demodulation processing by predetermined signal processing. For example, the baseband signal processing circuit 94 receives the leading signal of the packetized radio signal, performs timing detection, compensates the frequency error by AFC (Automatic Frequency Control) processing, and performs demodulation processing after channel estimation. The signal sequence transmitted on the transmission side is reproduced. The reproduced signal is input to the MAC layer processing circuit 93, where a predetermined radio signal is terminated, unnecessary overhead is deleted, and the signal is output to the interface circuit 92. The interface circuit 92 reconstructs these signals into a network-side signal format and outputs them.

なお、通信制御回路91は、MAC層処理回路93、ベースバンド信号処理回路94、適応型送信指向性アンテナユニット2、適応型受信指向性アンテナユニット3にも接続され、必要に応じて情報交換を行う。例えば、MAC層処理回路93に対しては、入力された信号がどの無線局装置との通信に係る情報であるかを指示したり、ベースバンド信号処理回路94に対しては入力された信号の変調方式がいずれであるかなどを指示したりする。適応型送信指向性アンテナユニット2、適応型受信指向性アンテナユニット3で形成する指向性ビームの相手無線局が適応的に変化する場合には、その相手無線局に向けた指向性の指示(例えば移相器で施す位相回転量の指示など)を通信制御回路91から指示する構成でも構わない。また、通信制御回路91は、自らの制御のための制御情報などを自律的に生成してネットワーク側と通信を行っても良い。   The communication control circuit 91 is also connected to the MAC layer processing circuit 93, the baseband signal processing circuit 94, the adaptive transmission directional antenna unit 2, and the adaptive reception directional antenna unit 3, and exchanges information as necessary. Do. For example, the MAC layer processing circuit 93 is instructed to which radio station apparatus the input signal is information related to communication, or the baseband signal processing circuit 94 is supplied with the input signal. It indicates which modulation method is used. When the counterpart radio station of the directional beam formed by the adaptive transmission directional antenna unit 2 and the adaptive reception directional antenna unit 3 changes adaptively, directivity instructions (for example, to the counterpart radio station (for example, The communication control circuit 91 may instruct the phase rotation amount to be given by the phase shifter. Further, the communication control circuit 91 may autonomously generate control information for its own control and communicate with the network side.

なお、ベースバンドユニット90と適応型送信指向性アンテナユニット2、適応型受信指向性アンテナユニット3とは一つの筐体に一体として構成されていても良いし、ケーブルで接続される構成として離れて設置されていても構わない。例えば基地局などの場合には、適応型送信指向性アンテナユニット2、適応型受信指向性アンテナユニット3は通信相手の端末局装置との見通し確保のためにポール状の設置器具を用いて少し高い位置に設置することが想定されるが、安全上の配慮からベースバンドユニット90は低所に設置し、その間を同軸ケーブル等で接続しても構わない。   Note that the baseband unit 90, the adaptive transmission directional antenna unit 2, and the adaptive reception directional antenna unit 3 may be configured integrally in a single housing or separated as a configuration connected by a cable. It does not matter if it is installed. For example, in the case of a base station or the like, the adaptive transmission directional antenna unit 2 and the adaptive reception directional antenna unit 3 are slightly higher using a pole-shaped installation tool in order to secure a line of sight with the terminal station apparatus of the communication partner. Although it is assumed that the baseband unit 90 is installed at a position, the baseband unit 90 may be installed at a low place for safety reasons, and a coaxial cable or the like may be connected therebetween.

以上が基地局装置及び端末局装置の全体の動作概要である。以下に、実際の通信における適応型送信指向性アンテナユニット2、適応型受信指向性アンテナユニット3が基地局装置及び端末局装置の間でどの様に設置されるかを説明する。図4は、適応型送信指向性アンテナユニットおよび適応型受信指向性アンテナユニットの基地局装置側と端末局装置側の設置の向きの一例を示す図である。
図4(a)は基地局装置側、図4(b)は端末局装置側の設置の向きの例を表す図である。例えば、図4(a)に示す基地局装置側では、1次元マイクロストリップアレーアンテナ(20−1〜20−n又は30−1〜30−n)は図面縦方向に1列で個別のアンテナ素子(24又は34)が配列され、それらが横方向に整列して配置される。これにより、垂直方向(図面の縦・上下方向)にはある程度絞り込まれた固定的な指向性特性を示す一方、水平方向(図面の横・左右方向)には実装された移相器の位相回転量を制御して広範囲に非常に鋭い指向性ビームを適応的に形成することが可能である。
The above is the overall operation overview of the base station apparatus and terminal station apparatus. Hereinafter, how the adaptive transmission directional antenna unit 2 and the adaptive reception directional antenna unit 3 in actual communication are installed between the base station apparatus and the terminal station apparatus will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of installation directions of the adaptive transmission directional antenna unit and the adaptive reception directional antenna unit on the base station device side and the terminal station device side.
FIG. 4A is a diagram illustrating an example of the installation direction on the base station apparatus side, and FIG. 4B is an example of the installation direction on the terminal station apparatus side. For example, on the base station apparatus side shown in FIG. 4A, the one-dimensional microstrip array antennas (20-1 to 20-n or 30-1 to 30-n) are individual antenna elements in one row in the vertical direction of the drawing. (24 or 34) are arranged and arranged in a horizontal alignment. This shows fixed directivity characteristics that are narrowed down to some extent in the vertical direction (vertical and vertical directions in the drawing), while phase rotation of the mounted phase shifter in the horizontal direction (horizontal and horizontal directions in the drawing). It is possible to adaptively form a very sharp directional beam over a wide range by controlling the amount.

一方、図4(b)の端末局装置側では、1次元マイクロストリップアレーアンテナ(20−1〜20−n又は30−1〜30−n)は図面横方向に1列で個別のアンテナ素子(24又は34)が配列され、それらが縦方向に整列して配置される。これにより、水平方向(図面の横・左右方向)にはある程度絞り込まれた固定的な指向性特性を示す一方、垂直方向(図面の縦・上下方向)には実装された移相器の位相回転量を制御して広範囲に非常に鋭い指向性ビームを適応的に形成することが可能である。   On the other hand, on the terminal station side in FIG. 4B, the one-dimensional microstrip array antennas (20-1 to 20-n or 30-1 to 30-n) are individually arranged in a single row in the horizontal direction of the drawing ( 24 or 34) are arranged and arranged in vertical alignment. This shows fixed directivity characteristics that are narrowed down to some extent in the horizontal direction (horizontal and horizontal directions in the drawing), while phase rotation of the mounted phase shifter in the vertical direction (vertical and vertical directions in the drawing). It is possible to adaptively form a very sharp directional beam over a wide range by controlling the amount.

特徴として、基地局装置と中継局装置が形成する指向性ビームを振ることが可能な方向は概ね直交関係にあり、片方が水平方向の指向性ビームを絞り、他方が垂直方向のビームを絞ることになり、双方で協調してピンポイントの方向のみに対して指向性利得が確保できる。一般に、2次元の適応的指向性形成が可能なアレーアンテナの場合、平面上に2次元的に配置されたアンテナ素子の複素位相をそれぞれ独立に調整し、水平方向及び垂直方向の任意の方向に対して指向性ビームを形成する。しかし、課題において説明したように、高周波数帯の場合にはハイパワーアンプやローノイズアンプなどのデバイスの物理的なサイズの制約から、グレーティングローブを回避しながら独立な複素位相回転量の制御が可能な2次元配列のアンテナを構成することは困難であった。   As a feature, the directions in which the directional beam formed by the base station apparatus and the relay station apparatus can be waved are substantially orthogonal, one squeezes the directional beam in the horizontal direction and the other squeezes the beam in the vertical direction. Thus, the directivity gain can be ensured only in the pinpoint direction in cooperation with each other. In general, in the case of an array antenna capable of forming a two-dimensional adaptive directivity, the complex phases of antenna elements arranged two-dimensionally on a plane are adjusted independently to be in any direction in the horizontal and vertical directions. On the other hand, a directional beam is formed. However, as explained in the topic, in the case of high frequency band, it is possible to control the amount of independent complex phase rotation while avoiding grating lobes due to physical size restrictions of devices such as high power amplifiers and low noise amplifiers. It has been difficult to construct a two-dimensional array of antennas.

これに対し、図1、図2に示した1次元マイクロストリップアレーアンテナ(20−1〜20−n又は30−1〜30−n)は個別の素子にはハイパワーアンプないしローノイズアンプを配置していないため、グレーティングローブを回避しながら配線上で経路長をそろえた1次元的なアンテナ配列を1/2波長間隔程度(厳密に1/2でなくても、例えば1波長以下程度であれば良い)にすることで、高指向性利得となる領域を絞り込んでいる。例えば、図1、図2であれば図面横方向に対しては指向性利得が低く、正面方向(縦・上下方向の仰角は任意)に対して高指向性利得を示すことになる。これを複数並べる(図1、図2では縦方向)ことで、縦・上下方向の指向性を適応的に形成する。しかし、これでは図面横・左右方向の指向性はそれほど絞り込まれていない(1次元マイクロストリップアレーアンテナ(20−1〜20−n又は30−1〜30−n)が形成する固定の指向性の絞り込みのみである)ので、その不完全性を対向する無線局装置がこれとは直交する方向の指向性特性を備えることで、これらを組み合わせて指向性特性を補完する。   On the other hand, the one-dimensional microstrip array antenna (20-1 to 20-n or 30-1 to 30-n) shown in FIGS. 1 and 2 has a high power amplifier or a low noise amplifier arranged in each element. Therefore, a one-dimensional antenna array with a uniform path length on the wiring while avoiding grating lobes is set to about a half-wavelength interval (for example, about one wavelength or less, even if not exactly ½). By selecting (Good), the area for high directivity gain is narrowed down. For example, in FIGS. 1 and 2, the directivity gain is low in the horizontal direction of the drawing, and the high directivity gain is shown in the front direction (the elevation angle in the vertical and vertical directions is arbitrary). By arranging a plurality of these (the vertical direction in FIGS. 1 and 2), the directivity in the vertical and vertical directions is adaptively formed. However, this does not narrow down the directivity in the horizontal and horizontal directions in the drawing (the fixed directivity formed by the one-dimensional microstrip array antenna (20-1 to 20-n or 30-1 to 30-n)). Therefore, the radio station apparatus facing the imperfection has directivity characteristics in a direction orthogonal to the imperfection, and these are combined to complement the directivity characteristics.

なお、図4に示す図では、偏波に対する規定がないので分かり難いが、この図4(a)と図4(b)は同一のものを単純に向きを直交させた関係にしているのではなく、例えば図4(a)(b)はこの向きの状態で双方が水平偏波、ないしは双方が垂直偏波となるように、偏波面が90度回転した形で1次元マイクロストリップアレーアンテナ(20−1〜20−n又は30−1〜30−n)を構成することになる。この結果、例えば水平偏波で図4(a)から送信した信号が、図4(b)のアンテナで水平偏波のまま受信することが可能になる。なお、この様な位置関係を基地局装置側及び端末局装置側で保ちながら通信を行う場合の例を図5、図6を用いて説明する。   In the figure shown in FIG. 4, it is difficult to understand because there is no regulation for polarization, but FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b) do not have the same relationship in which the directions are simply orthogonal. For example, FIGS. 4A and 4B show a one-dimensional microstrip array antenna with the plane of polarization rotated 90 degrees so that both are horizontally polarized waves or both are vertically polarized waves in this state. 20-1 to 20-n or 30-1 to 30-n). As a result, for example, a signal transmitted from FIG. 4A with horizontal polarization can be received with the antenna of FIG. 4B as horizontal polarization. An example in which communication is performed while maintaining such a positional relationship on the base station apparatus side and the terminal station apparatus side will be described with reference to FIGS.

図5は、本発明の第1の実施形態を用いた無線エントランスシステムの概要を示す図である。図5において、40は基地局装置側のベースバンドユニット、41−1〜41−4は基地局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット、42−1〜42−4は中継局側のベースバンドユニット、43−1〜43−4は中継局側の適応型送受信指向性アンテナユニットを示す。基地局装置側のベースバンドユニット40と基地局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット41−1〜41−4はケーブルで接続されている。同様に、中継局側の各ベースバンドユニット42−1〜42−4は、中継局側の各適応型送受信指向性アンテナユニット43−1〜43−4とケーブルで接続されている。   FIG. 5 is a diagram showing an outline of a wireless entrance system using the first embodiment of the present invention. In FIG. 5, 40 is a baseband unit on the base station apparatus side, 41-1 to 41-4 are adaptive transmission / directivity antenna units on the base station apparatus side, and 42-1 to 42-4 are basebands on the relay station side. Units 43-1 to 43-4 are adaptive transmission / reception directional antenna units on the relay station side. The baseband unit 40 on the base station device side and the adaptive transmission / reception directional antenna units 41-1 to 41-4 on the base station device side are connected by a cable. Similarly, each baseband unit 42-1 to 42-4 on the relay station side is connected to each adaptive transmission / reception directional antenna unit 43-1 to 43-4 on the relay station side with a cable.

基地局装置側のベースバンドユニット40と適応型送受信指向性アンテナユニット41−1〜41−4は一体で基地局装置として動作する。同様に、ベースバンドユニット42−k(kは1〜4のいずれか)と適応型送受信指向性アンテナユニット43−kは一体で中継局装置として動作する。ここには図示されていないが、例えばスモールセル基地局などが中継局側の各ベースバンドユニット42−1〜42−4に接続され、スモールセル基地局はその配下のエリア内のユーザ端末と通信を行うことが可能である。基地局装置側のベースバンドユニット40はネットワークに接続され、上述のユーザ端末は基地局装置と中継局間のエントランス回線を経由してインターネットアクセスが可能になる。   The baseband unit 40 on the base station apparatus side and the adaptive transmission / reception directional antenna units 41-1 to 41-4 operate integrally as a base station apparatus. Similarly, the baseband unit 42-k (k is any one of 1 to 4) and the adaptive transmission / reception directional antenna unit 43-k integrally operate as a relay station device. Although not shown here, for example, a small cell base station is connected to each baseband unit 42-1 to 42-4 on the relay station side, and the small cell base station communicates with user terminals in its subordinate areas. Can be done. The baseband unit 40 on the base station device side is connected to the network, and the above-described user terminal can access the Internet via the entrance line between the base station device and the relay station.

特徴としては、中継局は水平方向に並んで配置されており、基地局装置側の指向性ビームは水平方向に対しては鋭い指向性を形成しないと中継局相互の与被干渉が回避できない。このため、基地局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット41−1〜41−4は図4(a)に示す様に水平方向に寝かした状態(水平方向に横長の状態)で設置されている。すなわち、適応型送受信指向性アンテナユニット41−1〜41−4は、長手方向が水平方向となるように設置されている。一方、中継局側の適応型送受信指向性アンテナユニット43−1〜43−4は図4(b)に示す様に垂直方向に立てた状態(垂直方向に縦長の状態)で設置されている。すなわち、適応型送受信指向性アンテナユニット43−1〜43−4は、長手方向が垂直方向となるように設置されている。   Characteristically, the relay stations are arranged side by side in the horizontal direction, and interference between the relay stations cannot be avoided unless the directional beam on the base station apparatus side forms a sharp directivity in the horizontal direction. For this reason, the adaptive transmission / reception directional antenna units 41-1 to 41-4 on the base station apparatus side are installed in a state of being laid down in the horizontal direction (horizontally long in the horizontal direction) as shown in FIG. Yes. That is, the adaptive transmission / reception directional antenna units 41-1 to 41-4 are installed such that the longitudinal direction is the horizontal direction. On the other hand, the adaptive transmission / reception directional antenna units 43-1 to 43-4 on the relay station side are installed in a vertical state (vertically long state) as shown in FIG. 4B. That is, the adaptive transmission / reception directional antenna units 43-1 to 43-4 are installed such that the longitudinal direction is the vertical direction.

これにより、例えば基地局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット41−1〜41−4を複数用いてひとつの中継局と基地局装置との間で空間多重伝送する場合でも、中継局側の適応型送受信指向性アンテナユニット(例えば43−1)は適応型送受信指向性アンテナユニット41−1〜41−4間の相関を低減するために垂直方向の指向性を鋭くして、ひとつの適応型送受信指向性アンテナユニット(例えば41−1)に指向性ビームを向けた信号を送信した時、空間多重に用いる別の適応型送受信指向性アンテナユニット(例えば41−4)への漏れこみを狭くする一方、同時に適応型送受信指向性アンテナユニット(例えば41−4)に指向性ビームを向けた信号を送信した時、別の適応型送受信指向性アンテナユニット(例えば41−1)への漏れこみを狭くすることで、空間多重伝送を実現することも可能である。この様に、中継局側の適応型送受信指向性アンテナユニット43−1〜43−4は基地局方向への指向性が鋭く、異なる仰角方向への信号の漏洩が限定的である。   Thereby, for example, even when spatial multiplexing transmission is performed between one relay station and a base station apparatus using a plurality of adaptive transmission / reception directional antenna units 41-1 to 41-4 on the base station apparatus side, The adaptive transmission / reception directional antenna unit (for example, 43-1) sharpens the directivity in the vertical direction in order to reduce the correlation between the adaptive transmission / reception directional antenna units 41-1 to 41-4. When a signal having a directional beam directed to a transmission / reception directional antenna unit (for example, 41-1) is transmitted, leakage into another adaptive transmission / reception directional antenna unit (for example, 41-4) used for spatial multiplexing is narrowed. On the other hand, when a signal directed to a directional beam is simultaneously transmitted to an adaptive transmission / reception directional antenna unit (for example, 41-4), another adaptive transmission / reception directional antenna unit (for example, By narrowing the leakage to 41-1), it is possible to realize a spatial multiplexing transmission. In this way, the adaptive transmission / reception directional antenna units 43-1 to 43-4 on the relay station side have sharp directivity toward the base station, and signal leakage in different elevation angle directions is limited.

同様に、基地局側の適応型送受信指向性アンテナユニット(例えば41−1)は異なる中継局の適応型送受信指向性アンテナユニット43−1〜43−4間の相関を低減するために水平方向の指向性を鋭くして、ひとつの適応型送受信指向性アンテナユニット(例えば43−1)に指向性ビームを向けた信号を送信した時、空間多重に用いる別の中継局の適応型送受信指向性アンテナユニット(例えば43−4)への漏れこみを抑える一方、同時に適応型送受信指向性アンテナユニット(例えば43−4)に指向性ビームを向けた信号を送信した時、別の中継局の適応型送受信指向性アンテナユニット(例えば43−1)への漏れこみを抑えることで、複数の中継局の間で空間多重伝送を実現することも可能である。この様に、基地局側の適応型送受信指向性アンテナユニット41−1〜41−4は中継局方向への指向性が鋭く、異なる水平方向への信号の漏洩が限定的である。このため、ビル壁面で鏡面反射する反射波が中継局装置に入射する方向の水平角と、中継局装置との間の直接見通し方向の水平角は異なるため、反射波の影響を抑圧することも可能である。   Similarly, the adaptive transmission / reception directional antenna units (for example, 41-1) on the base station side are arranged in the horizontal direction in order to reduce the correlation between the adaptive transmission / reception directional antenna units 43-1 to 43-4 of different relay stations. When transmitting a signal having a directional beam directed to one adaptive transmission / reception directional antenna unit (for example, 43-1) with sharp directivity, the adaptive transmission / reception directional antenna of another relay station used for spatial multiplexing While suppressing leakage into the unit (eg 43-4), at the same time when a signal directed to the directional beam is sent to the adaptive transmission / reception directional antenna unit (eg 43-4), adaptive transmission / reception of another relay station By suppressing leakage into the directional antenna unit (for example, 43-1), it is possible to realize spatial multiplexing transmission among a plurality of relay stations. In this way, the adaptive transmission / reception directional antenna units 41-1 to 41-4 on the base station side have a sharp directivity in the relay station direction, and signal leakage in different horizontal directions is limited. For this reason, the horizontal angle in the direction in which the reflected wave that is specularly reflected on the wall of the building is incident on the relay station device and the horizontal angle in the direct line-of-sight direction between the relay station device are different. Is possible.

重要なのは、1次元マイクロストリップアレーアンテナ(20−1〜20−n又は30−1〜30−n)はグレーティングローブを生じさせない素子間隔に配置されて正面方向にビームを形成すると共に、その1次元マイクロストリップアレーアンテナ(20−1〜20−n又は30−1〜30−n)も概ね1波長以下の狭い素子間隔で並べることで、1次元マイクロストリップアレーアンテナ(20−1〜20−n又は30−1〜30−n)を並べた方向に対してもグレーティングローブの発生を抑圧することが可能になる。図1、図2に示したように、ハイパワーアンプやローノイズアンプなどのデバイスは物理的なサイズの制約があるが、縦×横×高さ(厚み)のうちの縦及び横方向に比べて高さ(厚み)方向は相対的に狭いため、この高さ(厚み)方向に1次元マイクロストリップアレーアンテナ(20−1〜20−n又は30−1〜30−n)を多段に並べる一方、縦または横方向の広がりに対しては、個別の1次元マイクロストリップアレーアンテナ(20−1〜20−n又は30−1〜30−n)の幅の分だけ設置の余裕があることになる。この様なデバイスの物理的な形状の特徴と組み合わせて適応型送受信指向性アンテナユニット41−1〜41−4、43−1〜43−4を構成する。基地局装置又は中継局の一方の指向性特性の不完全性を他方が補うことで、相補的に補完してシステムとしては所望の指向性特性を実現することが可能になる。   What is important is that the one-dimensional microstrip array antenna (20-1 to 20-n or 30-1 to 30-n) is arranged at an element interval that does not generate a grating lobe and forms a beam in the front direction. The microstrip array antennas (20-1 to 20-n or 30-1 to 30-n) are also arranged at a narrow element interval of approximately one wavelength or less, thereby forming a one-dimensional microstrip array antenna (20-1 to 20-n or It is possible to suppress the generation of grating lobes even in the direction in which 30-1 to 30-n) are arranged. As shown in FIGS. 1 and 2, devices such as high power amplifiers and low noise amplifiers have physical size restrictions, but compared to the vertical and horizontal directions of vertical x horizontal x height (thickness). Since the height (thickness) direction is relatively narrow, one-dimensional microstrip array antennas (20-1 to 20-n or 30-1 to 30-n) are arranged in multiple stages in this height (thickness) direction, With respect to the spread in the vertical or horizontal direction, there is room for installation by the width of the individual one-dimensional microstrip array antenna (20-1 to 20-n or 30-1 to 30-n). The adaptive transmission / reception directional antenna units 41-1 to 41-4 and 43-1 to 43-4 are configured in combination with the physical shape characteristics of such devices. By complementing the imperfection of the directivity characteristics of one of the base station apparatus or the relay station, the system can realize the desired directivity characteristics by complementarily complementing.

なお、基地局装置と中継局装置の設置場所の高低差に起因して、中継局装置が基地局装置から見て下方向に存在する場合は、基地局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット41−1〜41−4が形成するビームが、中継局装置が存在する下方向に向くように、下向きのチルト角をつけて設置することも可能である。同様に中継局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット43−1〜43−4が形成するビームが、基地局装置が存在する上方向に向くように、上向きのチルト角をつけて設置することも可能である。この場合、中継局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット43−1〜43−4の長手方向が垂直方向からずれて設置されていても良い。   In addition, when the relay station device exists in a downward direction when viewed from the base station device due to the height difference between the installation locations of the base station device and the relay station device, the adaptive transmit / receive directional antenna unit on the base station device side It is also possible to install with a downward tilt angle so that the beams formed by 41-1 to 41-4 are directed downward in the presence of the relay station apparatus. Similarly, it is installed with an upward tilt angle so that the beams formed by the adaptive transmission / reception directional antenna units 43-1 to 43-4 on the relay station apparatus side are directed upward in the presence of the base station apparatus. Is also possible. In this case, the longitudinal direction of the adaptive transmission / reception directional antenna units 43-1 to 43-4 on the relay station apparatus side may be installed deviating from the vertical direction.

図6は、本発明の第1の実施形態を用いた移動体アクセスシステムの概要を示す図である。図6において、50は基地局装置側のベースバンドユニット、51−1〜51−2は基地局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット、52は端末局装置側のベースバンドユニット、53−1〜53−2は端末局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット、54はバスを示す。
基地局装置側において、適応型送受信指向性アンテナユニット51−1〜51−2はベースバンドユニット50に接続されており、端末局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット53−1〜53−2はベースバンドユニット52に接続されている。図5で行った説明とこれらの関係は同様である。
FIG. 6 is a diagram showing an outline of a mobile access system using the first embodiment of the present invention. In FIG. 6, 50 is a baseband unit on the base station apparatus side, 51-1 to 51-2 are adaptive transmission / directivity antenna units on the base station apparatus side, 52 is a baseband unit on the terminal station apparatus side, 53-1 Reference numeral 53-2 denotes an adaptive transmission / reception directional antenna unit on the terminal station apparatus side, and 54 denotes a bus.
On the base station apparatus side, the adaptive transmission / reception directional antenna units 51-1 to 51-2 are connected to the baseband unit 50, and the adaptive transmission / reception directional antenna units 53-1 to 53-2 on the terminal station apparatus side. Are connected to the baseband unit 52. The explanation given in FIG. 5 and the relationship between them are the same.

ここでの利用形態では、例えばバス54の中の多数のユーザがモバイル端末を用いて通信を行うとき、そのトラヒックをオフロードするためにバス54車内では無線LAN(Local Area Network)(例えば、Wi−Fi(登録商標)等)を用いて信号を集約し、集約されたトラヒックをバス54の天井に設置した端末局装置とビル屋上などに設置された基地局との間の無線回線で転送することも可能である。この様な移動体アクセスシステムを想定するとき、バス54の天井部分は比較的広さが確保できるため、ここに適応型送受信指向性アンテナユニット53−1〜53−2を離して設置すると、相互の相関が低減可能であり、空間多重伝送を行うことが可能になる。この場合、バス54は必ず道路に対して平行な方向に対して移動するため、端末局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット53−1〜53−2を図6の様に進行方向に対して直交する方向に配置すると、バス54が移動しても常に安定して道路に対して直交した方向を維持することが可能である。   In this mode of use, for example, when a large number of users in the bus 54 communicate with each other using a mobile terminal, a wireless LAN (Local Area Network) (for example, Wi-Fi) is used in the bus 54 in order to offload the traffic. -Fi (registered trademark), etc.) are aggregated, and the aggregated traffic is transferred via a wireless line between a terminal station device installed on the ceiling of the bus 54 and a base station installed on the building rooftop, etc. It is also possible. Assuming such a mobile access system, the ceiling portion of the bus 54 can be relatively large. Therefore, if the adaptive transmission / reception directional antenna units 53-1 to 53-2 are installed away from each other, the mutual space is secured. Correlation can be reduced, and spatial multiplexing transmission can be performed. In this case, since the bus 54 always moves in the direction parallel to the road, the adaptive transmission / reception directional antenna units 53-1 to 53-2 on the terminal station apparatus side are moved in the traveling direction as shown in FIG. Therefore, even if the bus 54 moves, the direction orthogonal to the road can always be maintained stably.

一方、基地局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット51−1〜51−2は図6に示す様に道路と平行な方向に揃えて設置されている。図6では、ビル屋上から道路方向の見通しを確保するためにビルからせり出して下向きのチルトを付けた状態で設定されている。この配置の場合、適応型送受信指向性アンテナユニット51−1〜51−2は道路方向に対して広範囲で鋭い指向性ビームを形成可能であると共に、道路幅の方向に対しては狭い指向性特性を示す。これにより、バス54が道路上を移動してもそれを追いかけて指向性ビームを形成することができると共に、端末局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット53−1と53−2を分離する十分な分解能をもって、基地局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット51−1が端末局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット53−1に、基地局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット51−2が端末局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット53−2に、それぞれ指向性ビームを形成することが可能である。これにより、見通し波が支配的な環境でも第1固有ビームまたはその近似解的な伝送を並列的に行う空間多重伝送が可能になる。   On the other hand, the adaptive transmission / reception directional antenna units 51-1 to 51-2 on the base station apparatus side are installed in the direction parallel to the road as shown in FIG. In FIG. 6, it is set in a state where a downward tilt is provided by protruding from the building in order to secure a road direction view from the building roof. In the case of this arrangement, the adaptive transmission / reception directional antenna units 51-1 to 51-2 can form a sharp directional beam in a wide range with respect to the road direction and have a narrow directivity characteristic in the direction of the road width. Indicates. As a result, even if the bus 54 moves on the road, a directional beam can be formed following it, and the adaptive transmission / reception directional antenna units 53-1 and 53-2 on the terminal station side are separated. With sufficient resolution, the adaptive transmission / reception directional antenna unit 51-1 on the base station apparatus side is replaced with the adaptive transmission / reception directional antenna unit 53-1 on the terminal station apparatus side, and the adaptive transmission / reception directional antenna unit on the base station apparatus side. 51-2 can form directional beams in the adaptive transmission / reception directional antenna unit 53-2 on the terminal station side. As a result, even in an environment where the line-of-sight wave is dominant, it is possible to perform spatial multiplexing transmission in which the first eigen beam or its approximate solution is transmitted in parallel.

なお、以上の説明において、適応型送受信指向性アンテナユニットとは適応型送信指向性アンテナユニットと適応型受信指向性アンテナユニットとを一体として表現したものであり、適応型送信指向性アンテナユニットと適応型受信指向性アンテナユニットとを横に並べて一体化したものであっても良いし、後述するように送受信アンテナを一体化したものであっても良い。   In the above description, the adaptive transmission / reception directional antenna unit is an expression of the adaptive transmission directional antenna unit and the adaptive reception directional antenna unit as a unit. The antenna may be integrated with a horizontal reception directional antenna unit, or may be integrated with a transmission / reception antenna as described later.

以上のように構成された第1の実施形態における無線エントランスシステム及び移動体アクセスシステムによれば、アンテナ素子に給電する信号の位相と振幅を固定とした複数の1次元マイクロストリップアレーアンテナが並列に配置され、各1次元マイクロストリップアレーアンテナに対し、例えば各1次元マイクロストリップアレーアンテナの背後に接続されるかたちでハイパワーアンプ、ローノーズアンプなどの高周波部品(ベースバンドユニット)が配置されている。1次元マイクロストリップアレーアンテナは縦、横の長さの比率が大きく一方の側が長く設定されるが、上述の高周波部品の大きさも同様に厚み方向と縦横方向の比率が大きく、この比率が揃うように配置することで、アンテナと高周波部品の効率的な実装が可能になる。そのため、高周波部品の大きさに起因する素子間隔の制限を緩和し、アレーアンテナを狭い間隔で配置することが可能となり、グレーティングローブの抑圧が可能となると共に、所望の指向性方向以外への相関を抑圧することが可能となる。   According to the wireless entrance system and the mobile access system in the first embodiment configured as described above, a plurality of one-dimensional microstrip array antennas in which the phase and amplitude of the signal fed to the antenna element are fixed are arranged in parallel. For each one-dimensional microstrip array antenna, high-frequency components (baseband units) such as a high power amplifier and a low nose amplifier are disposed so as to be connected to the back of each one-dimensional microstrip array antenna. . The one-dimensional microstrip array antenna has a large ratio between the vertical and horizontal lengths, and one side is set to be long, but the size of the above-described high-frequency component is also large in the thickness direction and the vertical and horizontal directions, so that these ratios are uniform. By disposing the antenna, the antenna and the high-frequency component can be efficiently mounted. Therefore, the restriction on the element spacing due to the size of the high-frequency components can be relaxed, the array antennas can be arranged at narrow intervals, the grating lobes can be suppressed, and the correlation to the direction other than the desired directivity direction can be achieved. Can be suppressed.

[第2の実施形態]
第2の実施形態では、送信用と受信用の1次元マイクロストリップアレーアンテナを共用する場合について説明する。
図7は、本発明の第2の実施形態における基地局装置および端末局装置の適応型送受信指向性アンテナユニットの概要を示す図である。図7において、適応型送受信指向性アンテナユニット6は、ハイパワーアンプ21−1〜21−n、移相器22−1〜22−n、分配器23、ミキサ25、ローノイズアンプ31−1〜31−n、移相器32−1〜32−n、結合器33、ミキサ35、1次元マイクロストリップアレーアンテナ60−1〜60−n、アンテナ素子61、TDDスイッチ62−1〜62−n、及び、ローカル発振器66を備える。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, a case where a one-dimensional microstrip array antenna for transmission and reception is shared will be described.
FIG. 7 is a diagram illustrating an outline of an adaptive transmission / reception directional antenna unit of a base station apparatus and a terminal station apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, the adaptive transmission / reception directional antenna unit 6 includes high power amplifiers 21-1 to 21-n, phase shifters 22-1 to 22-n, a distributor 23, a mixer 25, and low noise amplifiers 31-1 to 31. -N, phase shifters 32-1 to 32-n, coupler 33, mixer 35, one-dimensional microstrip array antennas 60-1 to 60-n, antenna element 61, TDD switches 62-1 to 62-n, and The local oscillator 66 is provided.

第1の実施形態(図1、図2)では送信と受信で適応型送信指向性アンテナユニット2と、適応型受信指向性アンテナユニット3とを分けていたが、ここでは1次元マイクロストリップアレーアンテナ60−1〜60−nを送受信で共用すると共に、その切り替えをTDDスイッチ62−1〜62−nで行っている。TDDスイッチ62−1〜62−nは、通信制御回路からの指示に従い、信号を送信する場合にはハイパワーアンプ21−1〜21−nと1次元マイクロストリップアレーアンテナ60−1〜60−nとを接続し、信号を受信する場合にはローノイズアンプ31−1〜31−nと1次元マイクロストリップアレーアンテナ60−1〜60−nを接続する。   In the first embodiment (FIGS. 1 and 2), the adaptive transmission directional antenna unit 2 and the adaptive reception directional antenna unit 3 are separated for transmission and reception, but here, a one-dimensional microstrip array antenna is used. 60-1 to 60-n are shared for transmission and reception, and the switching is performed by the TDD switches 62-1 to 62-n. The TDD switches 62-1 to 62-n follow the instructions from the communication control circuit, and when transmitting signals, the high power amplifiers 21-1 to 21-n and the one-dimensional microstrip array antennas 60-1 to 60-n. When the signal is received, the low noise amplifiers 31-1 to 31-n and the one-dimensional microstrip array antennas 60-1 to 60-n are connected.

第1の実施形態の説明では、TDDスイッチ62−1〜62−n等のあらゆるデバイスの通過損失を回避するために送信アンテナと受信アンテナを分離したが、リンクバジェット的に余裕があれば、TDD通信の場合には送受信アンテナを共用した方がスペースの有効利用になるというメリットがある。なお、移相器22−1〜22−n及び32−1〜32−nはTDDスイッチ62−1〜62−nと1次元マイクロストリップアレーアンテナ60−1〜60−nの間に配置すれば、移相器22−1〜22−nと32−1〜32−nを共用することも可能である。その他の説明は第1の実施形態と同様である。   In the description of the first embodiment, the transmission antenna and the reception antenna are separated in order to avoid the passage loss of all devices such as the TDD switches 62-1 to 62-n, but if there is a margin in the link budget, the TDD In the case of communication, there is a merit that sharing the transmission / reception antenna is effective use of space. The phase shifters 22-1 to 22-n and 32-1 to 32-n are arranged between the TDD switches 62-1 to 62-n and the one-dimensional microstrip array antennas 60-1 to 60-n. The phase shifters 22-1 to 22-n and 32-1 to 32-n can be shared. Other explanations are the same as those in the first embodiment.

[第3の実施形態]
第3の実施形態では、ひとつの1次元マイクロストリップアレーアンテナを複数の指向性ビームで共用する場合について説明する。ここでのKは共用する指向性ビームの数を表す。
図8は、本発明の第3の実施形態における基地局装置および端末局装置の適応型送信指向性アンテナユニットの概要を示す図である。図8において、適応型送信指向性アンテナユニット7は、1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−n、ハイパワーアンプ21−1〜21−n(図8では、HPA)、移相器22−1−1〜22−n−K(Kは1以上の整数)、分配器23−1〜23−K、アンテナ素子24、ミキサ25−1〜25−K、ローカル発振器26−1〜26−K、及び合成器71−1〜71−nを備える。
[Third Embodiment]
In the third embodiment, a case where one one-dimensional microstrip array antenna is shared by a plurality of directional beams will be described. Here, K represents the number of directional beams shared.
FIG. 8 is a diagram illustrating an outline of an adaptive transmission directional antenna unit of a base station apparatus and a terminal station apparatus according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 8, the adaptive transmission directional antenna unit 7 includes one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20-n, high power amplifiers 21-1 to 21-n (HPA in FIG. 8), and phase shifter 22. -1-1 to 22-nK (K is an integer of 1 or more), distributors 23-1 to 23-K, antenna element 24, mixers 25-1 to 25-K, local oscillators 26-1 to 26- K and synthesizers 71-1 to 71-n.

図8において図1と異なる点は、図8ではK個の指向性ビームを形成してK系統の信号系列を空間多重して送信するため、K系統のベースバンド信号が入力され、このベースバンド信号を無線周波数に変換するためのミキサ25−1〜25−Kを個別に実装すると共に、分配器23−1〜23−K及び移相器22−1−1〜22−n−1から22−1−K〜22−n−Kが個別にK系統分用意され、それぞれの系統の信号を個別の指向性ビームを形成するように信号処理しながら各ハイパワーアンプ21−1〜21−nに対応させて合成器71−1〜71−nで合成している点である。この結果、K個の指向性ビームを形成して信号が送信される。ここでローカル発振器26−1〜26−Kは、それぞれ同一の周波数のローカル発振器であるため、これらを共用することも可能である(この場合、ひとつのローカル発振器26の信号を分配器でK系統に分岐して、それぞれをミキサ25−1〜25−Kに入力する)。   8 differs from FIG. 1 in that in FIG. 8, K directional beams are formed and K signal sequences are spatially multiplexed and transmitted, so that K baseband signals are input. Mixers 25-1 to 25-K for converting signals to radio frequencies are individually mounted, and distributors 23-1 to 23-K and phase shifters 22-1-1-1 to 22-n-1 to 22 are provided. -1-K to 22-n-K are individually prepared for K systems, and each high power amplifier 21-1 to 21-n is processed while performing signal processing on the signals of each system so as to form individual directional beams. The combination is performed by the combiners 71-1 to 71-n. As a result, signals are transmitted by forming K directional beams. Here, since the local oscillators 26-1 to 26-K are local oscillators having the same frequency, it is possible to share them (in this case, the signal of one local oscillator 26 is divided into K systems by a distributor). Branch to the mixer 25-1 to 25-K).

図9は、本発明の第3の実施形態における基地局装置および端末局装置の適応型受信指向性アンテナユニットの概要を示す図である。図9において、適応型受信指向性アンテナユニット8は、1次元マイクロストリップアレーアンテナ30−1〜30−n、ローノイズアンプ31−1〜31−n(図9では、LNA)、移相器32−1−1〜32−n−K、結合器33−1〜33−K、アンテナ素子34、ミキサ35−1〜35−K、ローカル発振器36−1〜36−K、及び分配器81−1〜81−nを備える。   FIG. 9 is a diagram illustrating an outline of an adaptive reception directivity antenna unit of the base station device and the terminal station device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 9, the adaptive reception directional antenna unit 8 includes one-dimensional microstrip array antennas 30-1 to 30-n, low noise amplifiers 31-1 to 31-n (LNA in FIG. 9), phase shifter 32- 1-1 to 32-n-K, couplers 33-1 to 33 -K, antenna element 34, mixers 35-1 to 35 -K, local oscillators 36-1 to 36 -K, and distributor 81-1. 81-n.

図9において図2と異なる点は、図9ではK個の指向性ビームを形成してK系統の空間多重された信号系列を受信するため、分配器81−1〜81−nでK系統の信号に分離し、それぞれに個別の移相器32−1−1〜32−n−1から32−1−K〜32−n−Kにて指向性形成のための信号処理を施し、結合器33−1〜33−Kでそれぞれ所望の指向性ビームの信号を抽出し、これらをそれぞれ個別のミキサ35−1〜35−Kでローカル発振器36−1〜36−Kからの信号と乗算して、その結果としてK系統のベースバンド信号を出力する点である。なお、図9でも同様に、ローカル発振器36−1〜36−Kは、それぞれ同一の周波数のローカル発振器であるため、これらを共用することも可能である(この場合、ひとつのローカル発振器36の信号を分配器でK系統に分岐して、それぞれをミキサ35−1〜35−Kに入力する)。   9 differs from FIG. 2 in that, in FIG. 9, K directional beams are formed to receive K systems of spatially multiplexed signal sequences. The signal is separated and subjected to signal processing for directivity formation by individual phase shifters 32-1-1 to 32-n-1 to 32-1 to K to 32-nK, respectively. Signals of desired directional beams are respectively extracted by 33-1 to 33-K and multiplied by signals from local oscillators 36-1 to 36-K by individual mixers 35-1 to 35-K. As a result, a K-system baseband signal is output. Similarly, in FIG. 9, the local oscillators 36-1 to 36-K are local oscillators having the same frequency, and thus can be shared (in this case, the signal of one local oscillator 36). Are branched into the K system by a distributor and each is input to the mixers 35-1 to 35-K).

以上の構成により、図1及び図2に示した適応型送信指向性アンテナユニット及び適応型受信指向性アンテナユニットは、ひとつで複数の指向性ビームに対応可能となる。なお、図8及び図9では図が複雑になることを避けるために、図1及び図2の様に立体的なデバイスのイメージで記載していないが、実際には図1及び図2と同様に、デバイスの高さ(厚さ)は縦、横に比べて薄いことを利用して、デバイスサイズの物理的な制約を受けることなく実装可能なように構成している。   With the above configuration, the adaptive transmission directional antenna unit and the adaptive reception directional antenna unit shown in FIG. 1 and FIG. 2 can support a plurality of directional beams. In FIGS. 8 and 9, in order to avoid complication of the drawing, the three-dimensional device image is not described as in FIGS. 1 and 2, but actually, it is the same as in FIGS. 1 and 2. In addition, by utilizing the fact that the height (thickness) of the device is thinner than the length and width, the device can be mounted without being physically restricted by the device size.

[第4の実施形態]
上記の各実施形態で示した1次元マイクロストリップアレーアンテナ20−1〜20−n、30−1〜30−n等は、概ね等方的な2次元的な広がりとは異なり、明確に1次元的な配列の場合を例示したが、例えば1より十分大きなoに対し、o個の個別の1次元的なアンテナ素子列を2列(例えば、位置をずらしてジグザグ状の配列でもよい)に並べて各アンテナ素子の配線長を揃えて合成しても、その2列の間隔が十分に狭ければ準1次元的なマイクロストリップアレーアンテナ(便宜上、準1次元マイクロストリップアレーアンテナと呼ぶ)と見做すことも可能である。
[Fourth Embodiment]
The one-dimensional microstrip array antennas 20-1 to 20-n, 30-1 to 30-n and the like shown in the above-described embodiments are clearly one-dimensional, different from the generally isotropic two-dimensional expansion. In the case of a typical arrangement, for example, for o sufficiently larger than 1, o individual one-dimensional antenna element rows are arranged in two rows (for example, a zigzag arrangement may be arranged by shifting the position). Even if the wiring lengths of the antenna elements are aligned, if the distance between the two rows is sufficiently narrow, it is considered as a quasi-one-dimensional microstrip array antenna (referred to as a quasi-one-dimensional microstrip array antenna for convenience). It is also possible.

例えば、式(1)を参照するならば、指向性ビームを形成すべき角度範囲θが十分小さく(例えば±10度以内)であれば、式(1)の左辺第1項の影響は小さく、第1のグレーティングローブ(式(1)のnに±1を代入したもの)が現れる方向θは近似的に以下の式で表される。 For example, referring to Equation (1), if the angle range θ in which the directional beam is to be formed is sufficiently small (for example, within ± 10 degrees), the influence of the first term on the left side of Equation (1) is small. direction theta g of (those obtained by substituting ± 1 to n of formula (1)) appears first grating lobe is expressed by the following approximate manner.

Figure 2019009744
Figure 2019009744

逆に言えば、例えばグレーティングローブが生じても、その方向に端末局装置ないしは中継局が存在しないような場合、さらには反射波などを考慮しても、その方向であれば干渉としては問題とならない方向の範囲が−φから+φの間であると仮定すれば、その範囲にθが含まれなければ概ね問題とはならない。つまり、この場合には(準)1次元マイクロストリップアレーアンテナの間隔dは以下の条件を満たせば良いことになる。 In other words, for example, even if a grating lobe occurs, if there is no terminal station device or relay station in that direction, and even if reflection waves are taken into account, interference is a problem in that direction. If it is assumed that the range of the direction that should not be between −φ and + φ, it is generally not a problem unless θ g is included in the range. That is, in this case, the interval d of the (quasi-) one-dimensional microstrip array antenna should satisfy the following condition.

Figure 2019009744
Figure 2019009744

例えば、φ=45度の場合には、dは(√2)波長以下であれば式(3)を満たすことになる。例えば、図10に示す準1次元マイクロストリップアレーアンテナを考える。準1次元マイクロストリップアレーアンテナ63は、個別のアンテナ素子64を1次元的に並べたものを複数列(例えば、図10では横に並んだ8個の1次元のアンテナが縦方向に2列配置され、合計16個の素子を実装している)実装し、それぞれの素子の配線長が等しくなるように配線上で合成されて、ひとつの指向性アンテナを形成する。この準1次元マイクロストリップアレーアンテナ63の幅を(√2)波長以下に設計し、これらを概ね隙間がなく図面における縦方向に並べれば、正面方向から例えば±10度以内にのみに指向性を形成するならば、±45度の範囲の端末局装置ないしは中継局に与被干渉を与えることなしに指向性形成を行うことが可能になる。なお図10の例では、2列の1次元アンテナが1/2周期ずれて入れ子状に配置されているが、この様な配置は素子間隔を狭めて構成する上で有効であり、したがって必ずしも正方格子状の複数列に配置される必要はなく、その他の任意の配置で準1次元マイクロストリップアレーアンテナを構成しても良い。   For example, in the case of φ = 45 degrees, if d is equal to or shorter than (√2) wavelength, Expression (3) is satisfied. For example, consider the quasi-one-dimensional microstrip array antenna shown in FIG. The quasi-one-dimensional microstrip array antenna 63 has a plurality of rows in which individual antenna elements 64 are arranged one-dimensionally (for example, eight one-dimensional antennas arranged horizontally in FIG. 10 are arranged in two rows in the vertical direction). And a total of 16 elements are mounted) and combined on the wiring so that the wiring length of each element becomes equal to form one directional antenna. If the width of the quasi-one-dimensional microstrip array antenna 63 is designed to be (√2) wavelength or less, and these are arranged substantially in the vertical direction in the drawing without any gaps, directivity can be obtained only within ± 10 degrees from the front direction. If formed, directivity can be formed without giving interference to the terminal station apparatus or relay station in the range of ± 45 degrees. In the example of FIG. 10, two rows of one-dimensional antennas are arranged in a nested manner with a 1/2 cycle shift. However, such an arrangement is effective in reducing the element spacing, and is therefore not necessarily square. The quasi-one-dimensional microstrip array antennas may be configured in other arbitrary arrangements without being arranged in a plurality of grid-like rows.

なお、(準)1次元マイクロストリップアレーアンテナの幅を1波長以下にすることができれば、式(3)は0から90度のφに対して成立するため、形成する指向性ビームが概ね正面方向(例えば±10度以内)の場合には、実効的には端末局装置ないしは中継局の存在する範囲を意識することなく、非常に低相関となるように個別の指向性ビームを形成することが可能である。   If the width of the (quasi-) one-dimensional microstrip array antenna can be reduced to one wavelength or less, Equation (3) holds for φ of 0 to 90 degrees, so that the directional beam to be formed is generally in the front direction. In the case of (for example, within ± 10 degrees), it is possible to form individual directional beams so as to have a very low correlation without being aware of the range in which the terminal station device or the relay station exists. Is possible.

[その他の補足事項]
以上の説明では、各適応型送信指向性アンテナユニット又は適応型受信指向性アンテナユニットは対向する無線局装置の適応型受信指向性アンテナユニット又は適応型送信指向性アンテナユニットとの間で見通し波を抽出する(第1固有モードないしはその近似解に相当する)伝送路に対応させて指向性ビームを形成して通信を行うが、この指向性ビームは相互のヌル形成を伴わないビームであるので、相互の与被干渉が無視できない場合には、別途、送信側ないしは受信側でプリコーディングないしはポストコーディング処理を行い、より高精度の信号分離を図っても良い。
[Other supplementary items]
In the above description, each adaptive transmission directional antenna unit or adaptive reception directional antenna unit generates a line-of-sight wave with the adaptive reception directional antenna unit or adaptive transmission directional antenna unit of the opposite radio station apparatus. Communication is performed by forming a directional beam corresponding to the transmission path to be extracted (corresponding to the first eigenmode or an approximate solution thereof), but this directional beam is a beam without mutual null formation. When mutual interference cannot be ignored, precoding or postcoding processing may be separately performed on the transmission side or reception side to achieve higher-precision signal separation.

また、ここでは高周波数帯を想定してデバイスの実装の視点から図1、図2に示すような構成を示したが、必ずしも移相器を用いて複素位相の回転処理を行う必要はなく、デジタル信号処理にて位相回転を施すことも可能である(この場合には移相器を用いる代わりに、デジタルベースバンド信号上で複素数の送受信ウエイトを乗算することになる)。したがって、本発明の特徴は、1次元マイクロストリップアレーアンテナないしは準1次元マイクロストリップアレーアンテナを複数段束ねた適応型送信指向性アンテナユニット、適応型受信指向性アンテナユニット又はこれらを一体化した適応型送受信指向性アンテナユニットを対向するふたつの無線局装置に実装し、これらの適応型指向性アンテナユニットを対向する無線局間で長軸方向が直交する関係を維持しながら、且つその直交する位置関係で偏波面が揃うように構成、設置した点にある。これにより、一方が垂直方向の指向性を制御し、他方が水平方向の指向性を制御し、この組み合わせでピンポイントの見通し方向への高指向性を確保する。さらに、個々の(準)1次元マイクロストリップアレーアンテナは1次元軸方向に射影した射影点の間隔(完全な1次元マイクロストリップアレーアンテナであれば単純な素子間隔)が1波長以下となるように構成し、これにより(準)1次元マイクロストリップアレーアンテナ単体でのグレーティングローブを生じさせないように構成する。さらに、この1次元軸と直交する方向に(準)1次元マイクロストリップアレーアンテナを式(3)を満たす間隔で多数個並べ、全体としての適応型指向性アンテナユニットを構成する。特に、適応型指向性アンテナユニットが形成する指向性ビームを広範囲で適応的に振る場合には、式(3)の代わりに(準)1次元マイクロストリップアレーアンテナの間隔を1波長以下とすることが好ましい。この様にして、グレーティングローブの影響を低減し、相互の相関を低減することで与被干渉を抑圧した無線伝送が可能になる。   In addition, here, the configuration as shown in FIG. 1 and FIG. 2 is shown from the viewpoint of device mounting assuming a high frequency band, but it is not always necessary to perform complex phase rotation processing using a phase shifter, It is also possible to perform phase rotation by digital signal processing (in this case, instead of using a phase shifter, a complex transmission / reception weight is multiplied on the digital baseband signal). Therefore, a feature of the present invention is that an adaptive transmission directional antenna unit, an adaptive reception directional antenna unit obtained by bundling a plurality of stages of one-dimensional microstrip array antennas or quasi-one-dimensional microstrip array antennas, or an adaptive type in which these are integrated. The transmission / reception directional antenna unit is mounted on two opposing radio station devices, and the adaptive directional antenna unit is maintained between the opposing radio stations while maintaining the relationship in which the major axis direction is orthogonal, and the orthogonal positional relationship. It is in the point where it is constructed and installed so that the polarization planes are aligned. Thus, one controls the directivity in the vertical direction and the other controls the directivity in the horizontal direction, and this combination ensures high directivity in the line-of-sight direction of the pinpoint. Further, each (quasi-) one-dimensional microstrip array antenna has a projection point interval projected in the one-dimensional axis direction (a simple element interval in the case of a complete one-dimensional microstrip array antenna) so that it is one wavelength or less. Thus, a grating lobe is not generated in the (quasi) one-dimensional microstrip array antenna alone. Further, a large number of (quasi) one-dimensional microstrip array antennas are arranged at intervals satisfying the equation (3) in a direction orthogonal to the one-dimensional axis to constitute an adaptive directional antenna unit as a whole. In particular, when the directional beam formed by the adaptive directional antenna unit is adaptively distributed over a wide range, the interval between the (quasi-) one-dimensional microstrip array antennas should be one wavelength or less instead of Equation (3). Is preferred. In this way, it is possible to reduce the influence of grating lobes and reduce mutual correlation, thereby enabling wireless transmission with suppressed interference.

なお、本発明の実施形態では適応型送信指向性アンテナユニット2、適応型受信指向性アンテナユニット3それぞれとベースバンドユニット90の間ではアナログベースバンド信号の入出力があるものとして説明したが、適応型送信指向性アンテナユニット2、適応型受信指向性アンテナユニット3内にD/A変換器及びA/D変換器を実装し、ベースバンドユニット90との間でデジタルベースバンド信号を入出力する構成としても構わない。この場合には、個別のマイクロストリップアレーアンテナ系統毎にミキサが設置され、各系統で個別にベースバンド信号と無線周波数の周波数変換を行うことになる。
またさらに、基地局装置と端末装置(ないしは中継局)の備える適応型送信指向性アンテナユニット、適応型受信指向性アンテナユニットは同一の形状、大きさ、構成である必然性はなく、例えばマイクロストリップアレーアンテナを構成する素子数や開口長などの物理的条件が異なっていても良く、同様に多段に構成されるマイクロストリップアレーアンテナの間隔や段数も同一である必要はない。一般に、対向する無線局同士の通信においては、一方の構成する指向性ビームがグレーティングローブを十分に抑圧できていれば、他方において正面方向から外れた方向にグレーティングローブを生じることになっても、その影響はある程度低減可能であると期待される。したがって、マイクロストリップアレーアンテナが多段に構成される軸方向が対向する無線局装置間で直交している場合、片方の無線局装置においてはマイクロストリップアレーアンテナの間隔が1波長以上(ないしは式(3)で与えられる間隔以上)となる場合でも、他方の間隔が1波長以下となっている場合には、本発明によりグレーティングローブを回避して、相互に低相関の関係を保つことは可能である。
In the embodiment of the present invention, the adaptive transmission directional antenna unit 2, the adaptive reception directional antenna unit 3, and the baseband unit 90 have been described as having analog baseband signal input / output. A configuration in which a D / A converter and an A / D converter are mounted in the transmission-type transmission directional antenna unit 2 and the adaptive reception directional antenna unit 3, and a digital baseband signal is input to and output from the baseband unit 90. It does not matter. In this case, a mixer is installed for each individual microstrip array antenna system, and frequency conversion between a baseband signal and a radio frequency is individually performed in each system.
Furthermore, the adaptive transmission directional antenna unit and the adaptive reception directional antenna unit included in the base station device and the terminal device (or relay station) do not necessarily have the same shape, size, and configuration. For example, a microstrip array The physical conditions such as the number of elements constituting the antenna and the aperture length may be different. Similarly, the intervals and the number of stages of the microstrip array antennas configured in multiple stages need not be the same. In general, in communication between opposing radio stations, if the directional beam that constitutes one sufficiently suppresses the grating lobe, the other side may produce a grating lobe in a direction away from the front direction. The effect is expected to be reduced to some extent. Therefore, when the microstrip array antennas are arranged in multi-stages and the axial directions are orthogonal between the opposing radio station apparatuses, in one radio station apparatus, the interval between the microstrip array antennas is one wavelength or more (or formula (3 If the other interval is equal to or less than one wavelength, it is possible to avoid the grating lobe and keep a low correlation with each other by the present invention. .

またさらに、本発明の実施形態における「1波長以下」などの記載において、所定の帯域幅の無線システムを想定する場合には、波長とは通信に用いる帯域の中心周波数に対応した波長を意味するものとする。
またさらに、本明細書では適応型送受信指向性アンテナユニットを複数のマイクロストリップアンテナにより構成するものとして説明したが、マイクロストリップアンテナの代わりに個別の素子を並べて配置し、これらの素子を低損失に抑えながら同一配線長で接続することが可能であれば(例えば、導波管上で分岐して各素子と接続するなど)、マイクロストリップアンテナ以外の方法で実現しても構わない。ただし、現時点では各素子をマイクロストリップラインで接続して構成する方法が低損失と小型化を両立する上で有効であるため、代表例としてマイクロストリップアンテナとして説明を行った。
Furthermore, in the description of “one wavelength or less” in the embodiment of the present invention, when a wireless system having a predetermined bandwidth is assumed, the wavelength means a wavelength corresponding to the center frequency of the band used for communication. Shall.
Furthermore, in this specification, the adaptive transmission / reception directional antenna unit has been described as being configured by a plurality of microstrip antennas. However, instead of the microstrip antenna, individual elements are arranged side by side, and these elements are reduced in loss. If it is possible to connect with the same wiring length while suppressing (for example, branching on the waveguide and connecting to each element), it may be realized by a method other than the microstrip antenna. However, since the method of connecting each element with a microstrip line is currently effective in achieving both low loss and downsizing, the microstrip antenna has been described as a representative example.

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。   As mentioned above, although embodiment of this invention has been described with reference to drawings, the said embodiment is only the illustration of this invention, and it is clear that this invention is not limited to the said embodiment. is there. Therefore, additions, omissions, substitutions, and other modifications of the components may be made without departing from the technical idea and scope of the present invention.

10−1〜10−4…アンテナ素子
11−1〜11−4…移相器
2、2−a、2−b…適応型送信指向性アンテナユニット
20−1〜20−n…1次元マイクロストリップアレーアンテナ
21−1〜21−n…ハイパワーアンプ
22−1〜22−n…移相器
23…分配器
24…アンテナ素子
25…ミキサ
26…ローカル発振器
3、3−a、3−b…適応型受信指向性アンテナユニット
30−1〜30−n…1次元マイクロストリップアレーアンテナ
31−1〜31−n…ローノイズアンプ
32−1〜32−n…移相器
33…結合器
34…アンテナ素子
35…ミキサ
36…ローカル発振器
40…基地局装置側のベースバンドユニット
41−1〜41−4…基地局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット
42−1〜42−4…中継局側のベースバンドユニット
43−1〜43−4…中継局側の適応型送受信指向性アンテナユニット
50…基地局装置側のベースバンドユニット
51−1〜51−2…基地局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット
52…端末局装置側のベースバンドユニット
53−1〜53−2…端末局装置側の適応型送受信指向性アンテナユニット
6…適応型送受信指向性アンテナユニット
60−1〜60−n…1次元マイクロストリップアレーアンテナ
61…アンテナ素子
62−1〜62−n…TDDスイッチ
63…準1次元マイクロストリップアレーアンテナ
64…アンテナ素子
66…ローカル発振器
7…適応型送信指向性アンテナユニット
71−1〜71−n…合成器
8…適応型受信指向性アンテナユニット
81−1〜81−n…分配器
90…ベースバンドユニット
91…通信制御回路
92…インタフェース回路
93…MAC層処理回路
94…ベースバンド信号処理回路
10-1 to 10-4 ... antenna elements 11-1 to 11-4 ... phase shifters 2, 2-a, 2-b ... adaptive transmission directional antenna units 20-1 to 20-n ... one-dimensional microstrip Array antennas 21-1 to 21-n... High power amplifiers 22-1 to 22-n... Phase shifter 23 ... Divider 24 ... Antenna element 25 ... Mixer 26 ... Local oscillators 3, 3-a, 3-b ... Adaptation Type receiving directivity antenna units 30-1 to 30-n ... one-dimensional microstrip array antennas 31-1 to 31-n ... low noise amplifiers 32-1 to 32-n ... phase shifter 33 ... coupler 34 ... antenna element 35 ... Mixer 36 ... Local oscillator 40 ... Baseband units 41-1 to 41-4 on the base station apparatus side Adaptive transmission / reception directional antenna units 42-1 to 42-4 on the base station apparatus side ... Subband units 43-1 to 43-4 ... Adaptive transmission / reception directivity antenna unit 50 on the relay station side ... Baseband units 51-1 to 51-2 on the base station device side ... Adaptive transmission / reception directivity on the base station device side Antenna unit 52 ... Baseband units 53-1 to 53-2 on the terminal station apparatus side Adaptive transmission / reception directional antenna unit 6 on the terminal station apparatus side ... Adaptive transmission / reception directional antenna units 60-1 to 60-n ... 1 Dimensional microstrip array antenna 61 ... Antenna elements 62-1 to 62-n ... TDD switch 63 ... Quasi-one-dimensional microstrip array antenna 64 ... Antenna element 66 ... Local oscillator 7 ... Adaptive transmission directional antenna units 71-1 to 71- -N: Synthesizer 8 ... Adaptive receiving directional antenna unit 81-1 to 81-n ... Distributor 90 ... Base Command unit 91 ... communication control circuit 92 ... interface circuit 93 ... MAC layer processing circuit 94 ... baseband signal processing circuit

Claims (6)

第1の無線通信装置と第2の無線通信装置とを備える無線通信システムにおける無線通信装置であって、
該第1及び第2の無線通信装置は、
1次元状のマイクロストリップアレーアンテナないしは1次元に配列されたアンテナ素子が複数列並べられて構成された準1次元状のマイクロストリップアレーアンテナが、該マイクロストリップアレーアンテナの1次元軸と直交する方向の直交軸に所定の間隔で複数並べて配置され、且つ複数の該マイクロストリップアレーアンテナにて送受信される信号に対して個別に複素位相の回転を与えることで前記直交軸の方向に指向性ビームを形成する適応型指向性アンテナユニットを備え、
該適応型指向性アンテナユニットは、
前記マイクロストリップアレーアンテナを並べた前記直交軸の方向が前記第1の無線通信装置と第2の無線通信装置の間で直交した方向となるように配置されており、且つ対向する前記適応型指向性アンテナユニット間で偏波面が揃うように前記マイクロストリップアレーアンテナを構成する個別のアンテナ素子の偏波面が設定されていることを特徴とする無線通信装置。
A wireless communication device in a wireless communication system comprising a first wireless communication device and a second wireless communication device,
The first and second wireless communication devices are:
A one-dimensional microstrip array antenna or a quasi-one-dimensional microstrip array antenna configured by arranging a plurality of one-dimensionally arranged antenna elements in a direction orthogonal to the one-dimensional axis of the microstrip array antenna A plurality of arrayed antennas arranged at predetermined intervals on the orthogonal axis of each of the plurality of microstrip array antennas, and individually transmitting a complex phase to signals transmitted and received by the microstrip array antennas, thereby directing a directional beam in the direction of the orthogonal axis. With an adaptive directional antenna unit to form,
The adaptive directional antenna unit is:
The adaptive directivity is arranged such that the direction of the orthogonal axis in which the microstrip array antennas are arranged is an orthogonal direction between the first wireless communication device and the second wireless communication device. A radio communication apparatus, wherein polarization planes of individual antenna elements constituting the microstrip array antenna are set so that polarization planes are uniform between the conductive antenna units.
前記適応型指向性アンテナユニットは、
前記マイクロストリップアレーアンテナが備える個別のアンテナ素子を前記1次元軸に射影した際の射影点の間隔が通信に用いる周波数における波長以下となるように設定され、
前記第1の無線通信装置又は前記第2の無線通信装置の少なくともいずれか一方において、前記マイクロストリップアレーアンテナの前記直交軸の方向の間隔が通信に用いる周波数における波長以下となるように設定されている、請求項1に記載の無線通信装置。
The adaptive directional antenna unit is:
The distance between the projection points when the individual antenna elements included in the microstrip array antenna are projected onto the one-dimensional axis is set to be equal to or less than the wavelength at the frequency used for communication,
In at least one of the first wireless communication device and the second wireless communication device, the interval in the direction of the orthogonal axis of the microstrip array antenna is set to be equal to or less than a wavelength at a frequency used for communication. The wireless communication device according to claim 1.
前記適応型指向性アンテナユニットは、
前記マイクロストリップアレーアンテナが備える個別のアンテナ素子を前記1次元軸に射影した際の射影点の間隔が通信に用いる周波数における波長以下となるように設定され、
所定の角度φに対し、前記第1の無線通信装置又は前記第2の無線通信装置の少なくともいずれか一方において、前記適応型指向性アンテナユニットが形成する指向性ビームが正面方向から前記直交軸の方向に角度−φから+φの間に与被干渉対象となる前記無線局装置が存在していないと推定される場合において、マイクロストリップアレーアンテナの前記直交軸の方向の間隔dが通信に用いる周波数における波長λに対し、下記式(1)を満たす様に設定されている、請求項1に記載の無線通信装置。
Figure 2019009744
The adaptive directional antenna unit is:
The distance between the projection points when the individual antenna elements included in the microstrip array antenna are projected onto the one-dimensional axis is set to be equal to or less than the wavelength at the frequency used for communication,
With respect to a predetermined angle φ, in at least one of the first wireless communication device and the second wireless communication device, a directional beam formed by the adaptive directional antenna unit extends from the front direction to the orthogonal axis. When it is estimated that there is no radio station apparatus to be interfered between -φ and + φ in the direction, the interval d in the direction of the orthogonal axis of the microstrip array antenna is the frequency used for communication. The wireless communication apparatus according to claim 1, wherein the wireless communication apparatus is set to satisfy the following formula (1) with respect to the wavelength λ:
Figure 2019009744
前記適応型指向性アンテナユニットは、
前記マイクロストリップアレーアンテナに対応して個別のハイパワーアンプ及び又はローノイズアンプが接続され、該ハイパワーアンプ及び又はローノイズアンプの厚み方向が前記直交する方向と平行になるように実装される、請求項1から3のいずれか一項に記載の無線通信装置。
The adaptive directional antenna unit is:
An individual high-power amplifier and / or low-noise amplifier is connected corresponding to the microstrip array antenna, and the high-power amplifier and / or low-noise amplifier is mounted so that the thickness direction thereof is parallel to the orthogonal direction. The wireless communication device according to any one of 1 to 3.
ひとつの第1の無線通信装置と複数の第2の無線通信装置とを備える無線通信システムであって、
該第1及び第2の無線通信装置は、
1次元状のマイクロストリップアレーアンテナないしは1次元に配列されたアンテナ素子が複数列並べられて構成された準1次元状のマイクロストリップアレーアンテナが、該マイクロストリップアレーアンテナの1次元軸と直交する方向の直交軸に所定の間隔で複数並べて配置され、且つ複数の該マイクロストリップアレーアンテナにて送受信される信号に対して個別に複素位相の回転を与えることで前記直交軸の方向に指向性ビームを形成する適応型指向性アンテナユニットを備え、
該適応型指向性アンテナユニットは、
前記マイクロストリップアレーアンテナを並べた前記直交軸の方向が前記第1の無線通信装置と第2の無線通信装置の間で直交した方向となるように配置されており、且つ対向する前記適応型指向性アンテナユニット間で偏波面が揃うように前記マイクロストリップアレーアンテナを構成する個別のアンテナ素子の偏波面が設定されており、
前記第1の無線通信装置が備える適応型指向性アンテナユニットの直交軸は水平面に並行であり、且つ前記第2の無線通信装置が備える適応型指向性アンテナユニットの直交軸は前記第1の無線通信装置が備える適応型指向性アンテナユニットの直交軸に直交するように固定設置されていることを特徴とする無線通信システム。
A wireless communication system comprising one first wireless communication device and a plurality of second wireless communication devices,
The first and second wireless communication devices are:
A one-dimensional microstrip array antenna or a quasi-one-dimensional microstrip array antenna configured by arranging a plurality of one-dimensionally arranged antenna elements in a direction orthogonal to the one-dimensional axis of the microstrip array antenna A plurality of arrayed antennas arranged at predetermined intervals on the orthogonal axis of each of the plurality of microstrip array antennas, and individually transmitting a complex phase to signals transmitted and received by the microstrip array antennas, thereby directing a directional beam in the direction of the orthogonal axis. With an adaptive directional antenna unit to form,
The adaptive directional antenna unit is:
The adaptive directivity is arranged such that the direction of the orthogonal axis in which the microstrip array antennas are arranged is an orthogonal direction between the first wireless communication device and the second wireless communication device. The polarization planes of the individual antenna elements constituting the microstrip array antenna are set so that the polarization planes are uniform between the directional antenna units,
The orthogonal axis of the adaptive directional antenna unit included in the first wireless communication apparatus is parallel to the horizontal plane, and the orthogonal axis of the adaptive directional antenna unit included in the second wireless communication apparatus is the first wireless. A wireless communication system, wherein the wireless communication system is fixedly installed so as to be orthogonal to an orthogonal axis of an adaptive directional antenna unit included in the communication device.
ひとつの第1の無線通信装置とひとつ又は複数の第2の無線通信装置とを備える無線通信システムであって、
該第1及び第2の無線通信装置は、
1次元状のマイクロストリップアレーアンテナないしは1次元に配列されたアンテナ素子が複数列並べられて構成された準1次元状のマイクロストリップアレーアンテナが、該マイクロストリップアレーアンテナの1次元軸と直交する方向の直交軸に所定の間隔で複数並べて配置され、且つ複数の該マイクロストリップアレーアンテナにて送受信される信号に対して個別に複素位相の回転を与えることで前記直交軸の方向に指向性ビームを形成する適応型指向性アンテナユニットを備え、
該適応型指向性アンテナユニットは、
前記マイクロストリップアレーアンテナを並べた前記直交軸の方向が前記第1の無線通信装置と第2の無線通信装置の間で直交した方向となるように配置されており、且つ対向する前記適応型指向性アンテナユニット間で偏波面が揃うように前記マイクロストリップアレーアンテナを構成する個別のアンテナ素子の偏波面が設定されており、
前記第2の無線通信装置は移動体の上部に固定的に設置され、且つ該第2の無線通信装置の備える前記適応型指向性アンテナユニットの前記直交軸は前記移動体の進行方向に直交するように配置され、前記第1の無線通信装置は建物上部から前記移動体が走行する道路を見下ろす位置に固定的に設置され、該第1の無線通信装置が備える適応型指向性アンテナユニットの前記直交軸は前記道路と平行となるように配置されていることを特徴とする無線通信システム。
A wireless communication system comprising one first wireless communication device and one or more second wireless communication devices,
The first and second wireless communication devices are:
A one-dimensional microstrip array antenna or a quasi-one-dimensional microstrip array antenna configured by arranging a plurality of one-dimensionally arranged antenna elements in a direction orthogonal to the one-dimensional axis of the microstrip array antenna A plurality of arrayed antennas arranged at predetermined intervals on the orthogonal axis of each of the plurality of microstrip array antennas, and individually transmitting a complex phase to signals transmitted and received by the microstrip array antennas, thereby directing a directional beam in the direction of the orthogonal axis. With an adaptive directional antenna unit to form,
The adaptive directional antenna unit is:
The adaptive directivity is arranged such that the direction of the orthogonal axis in which the microstrip array antennas are arranged is an orthogonal direction between the first wireless communication device and the second wireless communication device. The polarization planes of the individual antenna elements constituting the microstrip array antenna are set so that the polarization planes are uniform between the directional antenna units,
The second wireless communication apparatus is fixedly installed on an upper part of the moving body, and the orthogonal axis of the adaptive directional antenna unit included in the second wireless communication apparatus is orthogonal to the traveling direction of the moving body. The first wireless communication device is fixedly installed at a position overlooking the road on which the moving body travels from the upper part of the building, and the adaptive directional antenna unit of the first wireless communication device includes the first wireless communication device. A radio communication system, wherein an orthogonal axis is arranged so as to be parallel to the road.
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