JP2021044788A - 電子装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも２つの無線機を有し、一方の無線機の無線信号電力が他方の無線機よりも大きい電子装置において、効率的な放熱を実現すること。【解決手段】実施形態による電子装置は、第１平面基板に配置された複数の第１アンテナ素子を含む第１アレイアンテナと、前記第１アレイアンテナにより第１周波数帯を介して通信する第１無線機と、前記第１基板と向きが異なる第２平面基板に配置された複数の第２アンテナ素子を含む第２アレイアンテナと、前記第２アレイアンテナにより前記第１周波数帯より低い第２周波数帯を介して通信する第２無線機と、を備える。前記第２無線機より送信される無線信号の電力は、前記第１無線機より送信される無線信号の電力より大きい。前記複数の第２アンテナ素子のサイズ又は間隔は前記複数の第１アンテナ素子のサイズ又は間隔より大きい。【選択図】図１４

Description

本発明の実施形態は、複数のアレイアンテナを備える電子装置及び方法に関する。

複数のアレイアンテナを備える電子装置の一例として無線通信の中継装置がある。無線通信では、一般に、ある無線機と別の無線機とが無線信号を直接やり取りすることで無線通信が行われる。無線通信の一例としてのセルラー通信では、基地局装置と複数の端末装置とが無線信号を直接やり取りすることで無線通信が行われている。

基地局装置と複数の端末装置との間に無線中継装置を配置し、無線中継装置により無線信号を中継することがある。無線中継装置は、通常の基地局装置と同様に、建物の屋上や鉄塔に配置してもよいし、自動車、飛行船、気球等に搭載してもよい。基地局装置と複数の端末装置との距離が遠かったり、無線通信路が何らかの物体により遮蔽されたりし、基地局装置と複数の端末装置が無線信号を直接やり取りできない場合でも、無線中継装置を使うことにより通信を可能とすることができる。さらに、上記の場合のみならず、基地局装置が故障した場合や催しの開催等により特定のセル内の端末装置の数が一時的に増えた場合、無線中継装置が使われることがある。

無線中継装置は基地局装置との間で第１無線通信を行う第１無線機と、複数の端末装置との間で第２無線通信を行う第２無線機を備える。

特表２０１８−５０５６２５号公報

無線中継装置では、台数が限られた基地局装置と通信する第１無線機より送信される無線信号の電力（以下、無線信号電力と称する）よりも複数の端末装置と通信する第２無線機の無線信号電力の方が大きく設定されている。無線信号電力が大きい無線機はより多くの熱を発しやすい傾向がある。そのため、第２無線機の方が第１無線機より多量の熱を発する。ここで、第１無線機と第２無線機は、熱が両者間を伝導するように配置されている。そのため、第２無線機で発せられた熱の問題は第２無線機に閉じた問題にとどまらず、第２無線機で発せられた熱は第１無線機にも影響を及ぼす。無線中継装置全体として効率的な放熱を実現する手法が望まれている。

本発明の目的は、少なくとも２つの無線機を有し、一方の無線機の無線信号電力が他方の無線機よりも大きい電子装置において、効率的な放熱を実現することを目的とする。

実施形態による電子装置は、第１平面基板に配置された複数の第１アンテナ素子を含む第１アレイアンテナと、前記第１アレイアンテナにより第１周波数帯を介して通信する第１無線機と、前記第１平面基板と向きが異なる第２平面基板に配置された複数の第２アンテナ素子を含む第２アレイアンテナと、前記第２アレイアンテナにより前記第１周波数帯より低い第２周波数帯を介して通信する第２無線機と、を備える。前記第２無線機より送信される無線信号の電力は、前記第１無線機より送信される無線信号の電力より大きい。前記複数の第２アンテナ素子のサイズ又は間隔は前記複数の第１アンテナ素子のサイズ又は間隔より大きい。

第１実施形態の電子装置を含む無線通信システムの一例を示す図。 サービスリンク用アンテナの一例を示す図。 サービスリンク用アンテナの他の例を示す図。 フィーダーリンク用アンテナの一例を示す図。 フィーダーリンク用アンテナの他の例を示す図。 サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナの配置の一例を示す図。 サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナの配置の他の例を示す図。 サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナの配置のさらに他の例を示す図。 無線中継装置の一例を示すブロック図。 無線機の一例を示すブロック図。 無線機の他の例を示すブロック図。 無線機のさらに他の例を示すブロック図。 無線機のさらに他の例を示すブロック図。 サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナのアンテナ素子の配置の一例を示す図。 サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナのアンテナ素子の配置の他の例を示す図。 サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナのアンテナ素子の配置のさらに他の例を示す図。 サービスリンク用アンテナのさらに他の例を示す図。 サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナの配置の他の例を示す図。 サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナの配置のさらに他の例を示す図。

以下、図面を参照して、実施形態を説明する。以下の説明は、実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、実施形態の技術的思想は、以下に説明する構成要素の構造、形状、配置、材質等に限定されるものではない。当業者が容易に想到し得る変形は、当然に開示の範囲に含まれる。説明をより明確にするため、図面において、各要素のサイズ、厚み、平面寸法又は形状等を実際の実施態様に対して変更して模式的に表す場合もある。複数の図面において、互いの寸法の関係や比率が異なる要素が含まれることもある。複数の図面において、対応する要素には同じ参照数字を付して重複する説明を省略する場合もある。いくつかの要素に複数の呼称を付す場合があるが、これら呼称の例はあくまで例示であり、これらの要素に他の呼称を付すことを否定するものではない。また、複数の呼称が付されていない要素についても、他の呼称を付すことを否定するものではない。なお、以下の説明において、「接続」は直接接続のみならず、例えば無線通信等の他の要素を介して接続されることも意味する。

図１は、第１実施形態の電子装置を含む無線通信システムの一例を示す。スマートフォン１８、携帯電話２０等の携帯無線装置と、基地局装置１４との無線通信が無線中継装置（以下、単に中継装置と称する）１３により中継される。なお、中継装置１３は基地局装置１４に限らず、それに準ずる無線装置と無線通信してもよい。携帯電話２０等の携帯無線装置は基地局装置１４と通信することが可能な端末装置であればよい。

基地局装置１４と中継装置１３はともに恒久的な設備でもよいが、中継装置１３は緊急時対応のための一時的な設備でもよい。基地局装置１４は地上や、ビル、建物の屋上や、鉄塔の上に設置される。中継装置１３は自動車の屋根、飛行機や飛行船や気球、人工衛星に搭載されてもよい。図１の例では、中継装置１３は気球１２に搭載されている。或る基地局装置が故障した場合、あるいは催しの開催等により特定のエリア内の端末装置の数が一時的に増えた場合、中継装置１３を搭載した気球１２、飛行船や自動車が故障した基地局装置、あるいは特定のエリアに移動される。

中継装置１３と基地局装置１４との無線通信はフィーダーリンクと称され、中継装置１３とスマートフォン１８、携帯電話２０等の携帯無線装置との無線通信はサービスリンクと称される。中継装置１３は、サービスリンク用アンテナ・無線通信機と、フィーダーリンク用アンテナ・無線通信機を備える。サービスリンク用無線通信機と、フィーダーリンク用無線通信機は、互いに電気的に接続され、両無線通信機間で信号をやり取りする。

中継装置１３は、携帯無線装置のための多数のセル１６ａ、１６ｂ、…を形成するためにビームフォーミングを行い、地上に向いた多数のビームパターンを形成する。この明細書では、セル１６ａ、１６ｂ、…の総称をセル１６と表記する。図１の例では、セルの数は４であるが、セルの数とセルのサイズは、必要となる通信エリアサイズ・通信品質・通信容量等に鑑みて決めることができる。

図２は、サービスリンク用アンテナ３４の一例を示す。図２（ａ）はアンテナ３４の斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のアンテナ３４を平面に展開した状態を示す。

サービスリンク用アンテナ３４は略３６０度の範囲にビームパターンを形成したい場合がある。 その場合、図２（ａ）に示すように、略垂直方向に沿っているｎ角柱（ｎは３以上の正の整数、ここでは正六角柱）のフレームの６つの壁面の外側表面に６つのアレイアンテナ３２ａ〜３２ｆがそれぞれ配置される。ｎ＝６の場合は、アレイアンテナ３２ａ〜３２ｆの中の隣接する２つのアレイアンテナの成す角度は約１２０度である。ｎは、必要となる通信エリアサイズ・通信品質・通信容量等に鑑みて決めることができる。なお、正六角柱は略垂直方向以外の任意の方向に沿っていてもよい。正六角柱の向きも、必要となる通信エリアサイズ・通信品質・通信容量等に鑑みて決めることができる。さらに、ｎ角柱であればよく、正ｎ角柱に限定されない。

正六角柱のフレームの正六角形の底面（地表に近い略水平な面）にも１つのアレイアンテナ３２ｇが配置される。アレイアンテナ３２ａ〜３２ｆは、平面基板（以下、単に基板と称する）と、基板上に２次元マトリクス状に配置された複数のアンテナ素子からなる。基板は、接地導体と、接地導体を挟む２枚の誘電体からなり、誘電体の表面に導体からなるアンテナ素子が設けられている。一般的に、アンテナ素子のサイズ（正方形の一辺の長さ）Ｗはλ÷（２×ε^１／２）とされるが、多少ずれても構わない。λは送信される無線信号の波長であり、無線信号の周波数の逆数である。εはアンテナ素子が接する基板の誘電体の誘電率である。一般的に、εは１以上であるので、サイズＷは半波長より短くなる。例えばεが４．０の場合、サイズＷは４分の１波長となる。一般的に、アンテナ素子の間隔（素子の中心と素子の中心との距離（ピッチ）Ｄはλ÷２とされるが、多少ずれても構わない。

図２の例では、アレイアンテナ３２ａ〜３２ｆの基板の形状は矩形であるが、正方形でもよい。図２の例では、アレイアンテナ３２ｇの基板の形状は正方形であるが、正六角形でもよい。この明細書では、アレイアンテナ３２ａ〜３２ｇの総称をアレイアンテナ３２と表記する。

なお、底面に加えてフレームの天面（地表から遠い略水平な面）にもアレイアンテナ３２が配置されてもよいし、底面と天面の一方のみにアレイアンテナ３２を設置してもよいし、底面と天面の何れにもアレイアンテナ３２を設置しなくてもよい。アレイアンテナ３２の底面、天面への設置も、必要となる通信エリアサイズ・通信品質・通信容量等に鑑みて決めることができる。

図３は、サービスリンク用アンテナ３６の他の一例を示す。図３（ａ）はアンテナ３６の斜視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のアンテナ３６を平面に展開した状態を示す。

図３（ａ）に示すように、略鉛直方向に沿っており、頂点が地表を向いているｎ角錐（ｎは４以上の正の整数、ここでは正六角錐）の先端部分が切り取られた根元の部分からなるフレームの６つの壁面の外側表面に６つのアレイアンテナ３２ａ〜３２ｆがそれぞれ配置される。すなわち、図２の例では、アレイアンテナ３２ａ〜３２ｆは略垂直方向に沿っており、ビームパターンが水平方向に照射されるが、図３の例では、アレイアンテナ３２ａ〜３２ｆは垂直方向に対して傾斜しており、ビームパターンはやや下向きに照射される。垂直方向からの傾斜角度は中継装置１３とセル１６ａ、１６ｂ、…との位置関係、必要となる通信エリアサイズ・通信品質・通信容量等に鑑みて決めることができるが、０度（垂直方向）より大きく９０度（水平方向）未満の任意の角度である。なお、サービスリンク用アンテナ３６は、図３（ａ）の上下が反転された形状でもよい。

図３の例では、アレイアンテナ３２ａ〜３２ｆの基板の形状は矩形であるが、正方形でもよいし、台形でもよい。フレームの正六角形の底面にもアレイアンテナ３２ｇが配置される。図３の例では、アレイアンテナ３２ｇの基板の形状は正方形であるが、正六角形でもよい。さらに、ｎ角錐であればよく、正ｎ角錐に限定されない。

図２の例と同様に、図３の例でも、底面に加えてフレームの天面（地表から遠い略水平な面）にもアレイアンテナが配置されてもよいし、底面と天面の一方のみにアレイアンテナを設置してもよいし、底面と天面の何れにもアレイアンテナを設置しなくてもよい。

図４はフィーダーリンク用アンテナ４０の一例を示す。３６０度の範囲にビームパターンを形成する場合、サービスリンク用アンテナ３４は、３６０度の範囲をカバーする多数のアレイアンテナから形成される。しかし、基地局装置１４が１つの場合、特定の方向のみに１つのビームパターンを形成すればよいフィーダーリンク用アンテナ４０は、単一のアレイアンテナから形成してもよい。しかし、実施形態では、気球１２が垂直軸を中心として回転してもフィーダーリンクを形成できるように、フィーダーリンク用アンテナ４０は互いに向きが異なる複数（例えば３つ）のアレイアンテナ４２ａ、４２ｂ、４２ｃから形成される。アレイアンテナ４２ａ〜４２ｃの中の隣接する２つのアレイアンテナの成す角度は９０度より大きく１８０度より小さい任意の角度である。アレイアンテナ４２ａ、４２ｂの成す角とアレイアンテナ４２ｂ、４２ｃの成す角は等しくてもよいし、異なっていてもよい。この明細書では、アレイアンテナ４２ａ〜４２ｃの総称をアレイアンテナ４２と表記する。アレイアンテナ４２は、アレイアンテナ３２と同様に、基板と、基板上に２次元マトリクス状に配置された複数のアンテナ素子からなる。

アレイアンテナ４２ａ、４２ｂとの傾き角とアレイアンテナ４２ｂ、４２ｃとの傾き角は等しくてもよいし、異なっていてもよい。アレイアンテナ４２の配置方向は垂直方向に沿っていてもよいし、傾いていてもよい。アレイアンテナ４２の配置は中継装置１３と基地局装置１４との位置関係、必要となる通信エリアサイズ・通信品質・通信容量等に鑑みて決めることができる。図４の例では、アレイアンテナ４２の基板の形状は矩形であるが、正方形でもよい。

なお、１つのアレイアンテナ３２又は４２を１枚の基板上に形成したが、１枚の基板を複数に分割し、複数の基板上にそれぞれサブアレイアンテナを形成して、複数のサブアレイアンテナから１つのアレイアンテナ３２又は４２を形成してもよい。

図５は、フィーダーリンク用アンテナの他の例を示す。図５の例は、サービスリンク用アンテナと同様に３６０度の範囲にフィーダーリンク用ビームパターンを形成するフィーダーリンク用アンテナを示す。図５（ａ）に示すフィーダーリンク用アンテナ４１は、図２に示すサービスリンク用アンテナ３４と同様に、ｎ角柱（ここではｎ＝３）のフレームの３つの壁面の外側表面にそれぞれ配置された３つのアレイアンテナ４２ａ〜４２ｃからなる。図５（ｂ）に示すフィーダーリンク用アンテナ４３は、図３に示すサービスリンク用アンテナ３６と同様に、ｎ角錐（ここではｎ＝３）のフレームの３つの壁面の外側表面にそれぞれ配置された３つのアレイアンテナ４２ａ〜４２ｃからなる。

図５においても、ｎは、必要となる通信エリアサイズ・通信品質・通信容量等に鑑みて決めることができる。アレイアンテナ４２ａ〜４２ｃの基板の形状は矩形であるが、正方形でもよい。必要となる通信エリアサイズ・通信品質・通信容量等に鑑みて、底面又は天面にもアレイアンテナ４２が配置されてもよい。なお、図５（ｂ）のアンテナ４３の上下が反転されてもよい。

図６はサービスリンク用アンテナ３４又は３６とフィーダーリンク用アンテナ４０との配置関係の一例を示す。図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は、図６（ａ）を上から見た平面図である。中継装置１３がセル１６の上空にある場合、サービスリンク用アンテナ３４又は３６は下方へビームパターンを形成するので、サービスリンク用アンテナ３４又は３６の上にフィーダーリンク用アンテナ４０が配置される。この場合、サービスリンク用アンテナ３４では天面にはアレイアンテナは配置されず、底面にアレイアンテナが配置される。

なお、セル１６と中継装置１３との位置関係によっては、サービスリンク用アンテナ３４又は３６の下にフィーダーリンク用アンテナ４０が配置されてもよい。さらに、サービスリンク用アンテナ３４又は３６とフィーダーリンク用アンテナ４０が略同じ高さに配置されていてもよい。

図２、図３に示すように、サービスリンク用アンテナ３４又は３６を形成する複数のアレイアンテナ３２の中の隣接する２つのアレイアンテナの基板は互いに向きが異なる。図４に示すように、フィーダーリンク用アンテナ４０を形成する複数のアレイアンテナ４２の基板は互いに向きが異なる。図６（ｂ）に示すように、サービスリンク用アンテナ３４又は３６を形成する複数のアレイアンテナの各々の基板はフィーダーリンク用アンテナ４０を形成する複数のアレイアンテナの基板と向きが異なる。フィーダーリンク用アンテナ４０を形成する複数のアレイアンテナの各々の基板はサービスリンク用アンテナ３４を形成する複数のアレイアンテナの基板と互いに向きが異なる。

このようにアレイアンテナの向きを変えることにより、空気の対流による放熱作用が両方とも同時に悪化することを避け、無線装置全体としての放熱効率を高めることができる。

サービスリンク用アンテナ３４又は３６とフィーダーリンク用アンテナ４０の構成例は上述の説明に限られない。上述の説明では、サービスリンク用アンテナ３４又は３６は、ｎ角柱又はｎ角錐のフレームの壁面にアレイアンテナを配置し、必要に応じてｎ角柱又はｎ角錐のフレームの底面、天面にもアレイアンテナを配置することにより形成し、フィーダーリンク用アンテナ４０は、複数のアレイアンテナをその基板の向きが異なるように配置することにより形成したが、この逆でもよい。すなわち、フィーダーリンク用アンテナ４０は、ｎ角柱又はｎ角錐のフレームの壁面にアレイアンテナを配置し、必要に応じてｎ角柱又はｎ角錐のフレームの底面、天面にもアレイアンテナを配置することにより形成し、サービスリンク用アンテナ３４又は３６は、複数のアレイアンテナをその基板の向きが互いに異なるように配置することにより形成してもよい。

なお、ｎ角柱又はｎ角錐のフレームを使わないアンテナを、基板の向きが互いに異なる複数のアレイアンテナ以外により形成してもよい。例えば、サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナとも、ｎ角柱又はｎ角錐のフレームの壁面にアレイアンテナを配置し、必要に応じてｎ角柱又はｎ角錐のフレームの底面、天面にもアレイアンテナを配置することにより形成してもよい。

図７はサービスリンク用アンテナ３４又は３６とフィーダーリンク用アンテナ４４との配置関係の一例を示す。図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は、図７（ａ）を横から見た断面図である。図２又は図３に示すサービスリンク用アンテナ３４又は３６の６角柱又は６角錐のフレームが下方に延長される。延長される際に、側面の垂直方向に対する傾斜角が僅かに大きくされ、側面が水平方向に近づけられる。延長部分のフレームの側面の外側表現にフィーダーリンク用アンテナ４４を構成するアレイアンテナ４２ａ〜４２ｆがそれぞれ配置される。このため、サービスリンク用アンテナを構成するアレイアンテナ３２ａ〜３２ｆのいずれの基板もフィーダーリンク用アンテナ４４を構成するアレイアンテナ４２ａ〜４２ｆのいずれの基板とも向きが異なる。延長部分のフレームの底面の外側表現にサービスリンク用アンテナ３４又は３６のアレイアンテナ３２ｇが配置される。

図８はサービスリンク用アンテナ３４又は３６とフィーダーリンク用アンテナ４６との配置関係の一例を示す。図８（ａ）は斜視図、図８（ｂ）は、図８（ａ）を横から見た断面図である。図２又は図３に示すサービスリンク用アンテナ３４又は３６の６角柱又は６角錐のフレームが上方に延長される。延長される際に、側面の垂直方向に対する傾斜角が僅かに大きくされ、側面が水平方向に近づけられる。延長部分のフレームの側面の外側表現にフィーダーリンク用アンテナ４６を構成するアレイアンテナ４２ａ〜４２ｆがそれぞれ配置される。６角柱又は６角錐のフレームの底面の外側表現にサービスリンク用アンテナ３４又は３６を構成するアレイアンテナ３２ｇが配置される。このため、サービスリンク用アンテナを構成するアレイアンテナ３２ａ〜３２ｆのいずれの基板もフィーダーリンク用アンテナ４４を構成するアレイアンテナ４２ａ〜４２ｆのいずれの基板とも向きが異なる。

さらに、上述の説明では、サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナを別々のアンテナにより実現したが、図２又は図３に示すアンテナ３４又は３６を、サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナに共用してもよいし、図４に示すアンテナ４０を、サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナに共用してもよい。

さらに、サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナをともに複数のアレイアンテナから形成したが、サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナの少なくとも一方は１つのアレイアンテナにより形成してもよい。

図９は中継装置１３の一例を示すブロック図である。フィーダーリンク用アンテナを構成するアレイアンテナ４２ａ〜４２ｃは第１無線機５４ａ〜５４ｃにそれぞれ接続される。この明細書では、第１無線機５４ａ〜５４ｃの総称を第１無線機５４と表記する。サービスリンク用アンテナを構成するアレイアンテナ３２ａ〜３２ｇは第２無線機５２ａ〜５２ｇにそれぞれ接続される。この明細書では、第２無線機５２ａ〜５２ｇの総称を第２無線機５２と表記する。

第１無線機５４と第２無線機５２は必要とされる無線信号電力が異なる。第２無線機５２に必要な無線信号電力は第１無線機５４に必要な無線信号電力より大きく設定されている。このため、第２無線機５２は第１無線機５４より多くの熱を発する。無線信号電力は、各無線機が送信可能な最大の送信電力であってもよいし、通常の利用で想定される送信電力の設定値であってもよいし、実際に用いられる際に想定される送信電力の平均値の推定値であってもよい。

第１無線機５４と第２無線機５２は中継器５６を介して互いに接続される。第１無線機５４ａ〜５４ｃのいずれかで受信した信号が中継器５６を介して第２無線機５２ａ〜５２ｇのいずれかに入力される。第１無線機５４から中継器５６に入力される信号は、第１無線機５４における復調前の信号でよいし、復調後の信号でもよい。同様に、第２無線機５２ａ〜５２ｇのいずれかで受信した信号が中継器５６を介して第１無線機５４ａ〜５４ｃのいずれかに入力される。第２無線機５２から中継器５６に入力される信号は、第２無線機５２における復調前の信号でもよいし、復調後の信号でもよい。このように、第１無線機５４と第２無線機５２の一方で受信した信号は、第１無線機５４と第２無線機５２の他方から送信される。

このように第１無線機５４と第２無線機５２は信号伝達用導体を介して互いに物理的に接続される。このため、熱が信号伝達用導体を介して第１無線機５４と第２無線機５２の間を伝導可能であり、第２無線機で発せられた熱が第１無線機に伝導する。

さらに、第１無線機５４、第２無線機５２及び中継器５６は接地される。具体的には、第１無線機５４、第２無線機５２及び中継器５６は接地用導体に接続される。すなわち、第１無線機５４と第２無線機５２は接地用導体も介して互いに物理的に接続される。このため、熱が接地用導体を介しても第１無線機５４と第２無線機５２の間を伝導可能であり、第２無線機で発せられた熱が第１無線機に伝導する。

さらに、第１無線機５４と第２無線機５２ａは単一の気球１２に搭載されているので、熱が第１無線機５４と第２無線機５２の間を伝導可能であり、第２無線機５２で発せられた熱が第１無線機５４に伝導する。

上述したように、第２無線機５２で発せられた熱は第１無線機５４に伝導し、第２無線機５２で発せられた熱は中継装置１３全体に影響を及ぼす。第２無線機５２の放熱量を第１無線機５４の放熱量より多くすることにより、中継装置１３を効率的に放熱させることができる。

無線の干渉を生じさせないように、第１無線機５４が送受信する電磁波の周波数帯と第２無線機５２が送受信する電磁波の周波数帯は互いに異なるように設定されている。ここでは、第２無線機５２が送受信する電磁波の周波数帯は第１無線機５４が送受信する電磁波の周波数帯より低く設定されている。無線機は周波数が高い程発熱量が多い。無線信号電力が大きく発熱量が多い第２無線機５２の周波数帯を第１無線機５４の周波数帯より低くすることにより、第２無線機５２の発熱量を減らすことができる。このため、中継装置１３を効率的に放熱させることができる。

図９では、フィーダーリンク用アンテナ４０とサービスリンク用アンテナ３４をともに複数のアレイアンテナから形成したので、アレイアンテナの数に応じて複数の無線機５４、５２が設けられているが、上述したように、フィーダーリンク用アンテナ４０とサービスリンク用アンテナ３４の少なくとも一方が単数のアレイアンテナから形成する場合は、対応する無線機の数も単数となる。

図１０は、第１無線機５４と第２無線機５２の一例のブロック図である。上述したように、第１無線機５４と第２無線機５２は無線信号電力と周波数が異なるが、基本的な構成は同じである。１つのアレイアンテナに１つの無線機が接続される。無線機は１つのベースバンド処理部（ＢＢ部と称する）６２と、複数の無線処理部（ＲＦ部と称する）６４−１、６４−２、…を備える。この明細書では、ＲＦ部６４−１、６４−２、…の総称をＲＦ部６４と表記する。ＢＢ部６２は、ディジタル処理回路であり、信号処理は、プロセッサやＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により実現される。ＢＢ部６２が中継器５６に接続される。なお、図示しないが、ＢＢ部６２ではなく、ＲＦ部６４が中継器５６に接続されてもよい。

ＢＢ部６２はディジタル処理部であり、その送信部は、送信データを変調する変調器７２と、変調器７２の出力データをＤ／Ａ変換して、変換後のアナログの送信信号をＲＦ部６４−１、６４−２、…に供給するＤ／Ａ変換器（ＤＡＣと称する）７４を備える。ＢＢ部６２の受信部は、ＲＦ部６４−１、６４−２、…から出力されるアナログの受信信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣと称する）９６と、ＡＤＣ９６の出力データを復調する復調器９８を備える。

複数のＲＦ部６４−１、６４−２、…はアレイアンテナを形成する複数のアンテナ素子６８−１、６８−２、…にそれぞれセレクタ６６−１、６６−２、…を介して接続される。この明細書では、アンテナ素子６８−１、６８−２、…の総称をアンテナ素子６８と表記する。この明細書では、セレクタ６６−１、６６−２、…の総称をセレクタ６６と表記する。ＢＢ部６２から出力される送信信号はフィルタ７６に入力される。フィルタ７６を通過した送信信号がアップコンバータ７８で無線周波数信号（ＲＦ信号）に変換される。アップコンバータ７８から出力されるＲＦ信号が移相器８０に入力され、その位相がシフトされる。移相器８０から出力されるＲＦ信号が増幅器８２に入力され、その振幅が調整される。増幅器８２から出力されるＲＦ信号がＲＦ部６４の出力として、セレクタ６６の第１端子に入力される。

セレクタ６６の第１端子へ入力されたＲＦ信号はアンテナ素子６８から電磁波として放射される。移相器８０の位相シフト量と増幅器８２の増幅率はビームフォーミング制御部６９により制御される。移相器８０の位相シフト量と増幅器８２の増幅率を調整することにより、アレイアンテナ３２又は４２から放射される電磁波を特定の方向に指向性を持ったビームパターンとすること（ビームフォーミング）ができる。

アレイアンテナ３２又は４２が受信したＲＦ信号はセレクタ６６の第２端子から出力され、増幅器８８に入力され、その振幅が調整される。増幅器８８の増幅率は、増幅器８２の増幅器と対応している。増幅器８８から出力されるＲＦ信号が移相器９０に入力され、その位相がシフトされる。移相器９０の位相シフト量も、移相器８０の位相シフト量と対応している。移相器９０の位相シフト量と増幅器８８の増幅率もビームフォーミング制御部６９により制御される。移相器９０の位相シフト量と増幅器８８の増幅率を調整することにより、アレイアンテナ３２又は４２で受信する電磁波を特定の方向に指向性を持ったビームパターンとすることができる。

移相器９０から出力されるＲＦ信号がダウンコンバータ９２に入力され、ベースバンド信号の周波数に変換される。ダウンコンバータ９２から出力されるベースバンド信号がフィルタ９４を介してＲＦ部６４の出力としてＢＢ部６２に入力される。

図１０の無線機では、受信側の無線機のＢＢ部６２から出力されるベースバンド信号が中継器５６を介して送信側の無線機のＢＢ部６２に入力されているが、この代わりに受信側の無線機のＲＦ部６４から出力されるベースバンド信号が中継器５６を介して送信側の無線機のＲＦ部６４に入力されてもよい。さらに、ベースバンド信号を中継する代わりに、ＲＦ信号を中継してもよい。例えば、受信側の無線機のＲＦ部６４内の移相器９０から出力されるＲＦ信号が中継器５６を介して送信側の無線機のＲＦ部６４内の移相器８０に入力されてもよい。

第１無線機５４のアップコンバータ７８とダウンコンバータ９２の無線周波数は、第２無線機５２のアップコンバータ７８とダウンコンバータ９２の無線周波数より高く設定されている。第２無線機５２の増幅器８２、８８の電力は、第１無線機５４の増幅器８２、８８の電力より大きく設定されている。

図１１は、第１無線機５４と第２無線機５２の他の例のブロック図である。図１０の例では、移相器８０、９０がＲＦ部６４内の増幅器８２、８８とアップ／ダウンコンバータ７８、９２の間に接続されるが、図１１の例では、ＲＦ部６４は移相器８０、９０を含まない。図１１の例では、ＲＦ部６４内のアップコンバータ７８の出力が増幅器８２に入力され、増幅器８８の出力がダウンコンバータ９２に入力される。ＢＢ部６２−１、６２−２、…がＲＦ部６４−１、６４−２、…にそれぞれ接続される。この明細書では、ＢＢ部６２−１、６２−２、…の総称をＢＢ部６２と表記する。ＢＢ部６２の送信部は、ウェイト乗算処理器７３とＤＡＣ７４からなり、受信部は、ＡＤＣ９６とウェイト乗算処理器９７からなる。ビームフォーミング制御部６９からの制御信号がＢＢ部６２に供給される。ウェイト乗算処理器７３、９７は、信号の振幅と位相をビームフォーミング制御部６９からの制御信号に応じてディジタル的に調整する。これにより、ビームフォーミング処理がディジタル的に実行される。

変調器７２と復調器９８からなる変復調器６０がＢＢ部６２−１、６２−２、…に接続される。

図１２は、第１無線機５４と第２無線機５２のさらに他の例のブロック図である。図１０の例では、ＲＦ部６４はアンテナ素子６８毎に設けたが、ＲＦ部を２つに分けて、一部をアンテナ素子６８毎に設けてもよい。例えば、図１２に示すように、増幅器８２、８８と移相器８０、９０により第１ＲＦ部６４ａ−１、６４ａ−２、…を形成し、フィルタ７６、９４、アップコンバータ７８及びダウンコンバータ９２により第２ＲＦ部６４ｂを形成してもよい。この明細書では、第１ＲＦ部６４ａ−１、６４ａ−２、…の総称を第１ＲＦ部６４ａと表記する。

第１ＲＦ部６４ａはアンテナ素子６８毎に設けられ、第２ＲＦ部６４ｂはＢＢ部６２と同様に無線機に対して１つ設けられる。第２ＲＦ部６４ｂがＢＢ部６２に接続される。第２ＲＦ部６４ｂから出力されるＲＦ信号が第１ＲＦ部６４ａに入力され、第１ＲＦ部６４ａから出力されるＲＦ信号が第２ＲＦ部６４ｂに入力される。

図１３は第１無線機５４と第２無線機５２のさらに他の例のブロック図である。図１０乃至図１２の例では、中継装置１３に対して単一の中継器５６が設けられ、複数の無線機５２、５４に対して複数のＢＢ部６２がそれぞれ設けられている。図１３の例では、複数の無線機５２、５４に対してプロセッサやＦＰＧＡにより実現される単一のＢＢ部が設けられている。複数の第１無線機１１６ａ、１１６ｂ、…と、複数の第２無線機１１２ａ、１１２ｂ、…がＢＢ・中継器１１８に接続される。この明細書では、第１無線機１１６ａ、１１６ｂ、…の総称を第１無線機１１６と表記する。この明細書では、第２無線機１１２ａ、１１２ｂ、…の総称を第２無線機１１２と表記する。

ＢＢ・中継器１１８は、図１０のＢＢ部６２と中継器５６が一体化されたものである。第１無線機１１６と第２無線機１１２は、図１０のセレクタ６６とＲＦ部６４からなる。あるいは、ＢＢ・中継器１１８は、図１２の第２ＲＦ部６４ｂ、ＢＢ部６２及び中継器５６が一体化されたものであり、第１無線機１１６と第２無線機１１２は、図１２のセレクタ６６と第１ＲＦ部６４ａからなってもよい。

なお、図１３の例のＢＢ・中継器１１８を数個に分割し、複数の第１無線機１１６、複数の第２無線機１１２に対して数個のＢＢ・中継器１１８を設けてもよい。

このように、第１無線機５４を構成する機能の一部を実現するプロセッサやＦＰＧＡ等の装置と第２無線機５２を構成する機能の一部を実現するプロセッサやＦＰＧＡ等の装置が共有されていることによっても、第１無線機５４と第２無線機５２は共有装置を介して互いに物理的に接続される。このため、熱が共有装置を介して第１無線機５４と第２無線機５２の間を伝導可能であり、第２無線機で発せられた熱が第１無線機に伝導する。なお、ディジタル回路部に限らず、又はディジタル回路部に加えて、ＲＦ部等のアナログ回路が共通の基板上に実装されていてもよく、この場合も、第１無線機１１６と第２無線機１１２は共通基板を介して互いに物理的に接続され、第２無線機１１２で発せられた熱が第１無線機１１６に伝導する。

第２無線機５２の放熱量を第１無線機５４の放熱量より多くする他の手段について説明する。

図１４は、サービスリンク用アンテナ３４又は３６とフィーダーリンク用アンテナ４０のアレイアンテナの一例を示す。図１４（ａ）はサービスリンク用アンテナ３４又は３６を形成するアレイアンテナ３２の正面図である。図１４（ｂ）はフィーダーリンク用アンテナ４０を形成するアレイアンテナ４２の正面図である。

図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナはアンテナ素子のサイズが異なる。サービスリンク用アンテナを形成するアレイアンテナ３２の各アンテナ素子のサイズ（正方形の一辺の長さ）Ｗ１は、フィーダーリンク用アンテナを形成するアレイアンテナ４２の各アンテナ素子のサイズＷ２より大きい。アレイアンテナのアンテナ素子は、導体であるので、放熱板としても作用する。アレイアンテナのアンテナ素子が配置されている箇所は放熱効率が良いが、アレイアンテナのアンテナ素子が配置されていない箇所は誘電体なので、放熱効率が悪い。アンテナ素子面積の合計が大きい程、放熱効率は向上する。アンテナ素子サイズがフィーダーリンク用アンテナよりサービスリンク用アンテナの方が大きいと、アンテナ素子面積の合計も大きくなり、フィーダーリンク用アンテナよりサービスリンク用アンテナの方がより放熱する。そのため、サービスリンク用アンテナのアレイアンテナ３２のアンテナ素子のサイズＷ１を大きくし、サービスリンク用アンテナのアレイアンテナ３２からより多く放熱させることにより、電力が大きく発熱量が多い第２無線機５２の発熱量を減らすことができ、中継装置１３を効率的に放熱させることができる。

図１５は、サービスリンク用アンテナ３４又は３６とフィーダーリンク用アンテナ４０のアレイアンテナの他の例を示す。図１５（ａ）はサービスリンク用アンテナ３４又は３６を形成するアレイアンテナ３２の正面図である。図１５（ｂ）はフィーダーリンク用アンテナ４０を形成するアレイアンテナ４２の正面図である。

図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナはアンテナ素子の間隔（アンテナ素子の中心と隣接するアンテナ素子の中心との距離）が異なる。サービスリンク用アンテナを形成するアレイアンテナ３２のアンテナ素子の間隔Ｄ１は、フィーダーリンク用アンテナを形成するアレイアンテナ４２のアンテナ素子の間隔Ｄ２より長い。アンテナ素子面積の合計が同じであるとすると、素子間隔が長い程、より広い範囲にアンテナ素子が拡散されて配置されるので、放熱効率は向上する。このため、フィーダーリンク用アンテナよりサービスリンク用アンテナの方がより放熱する。そのため、電力が大きく発熱量が多い第２無線機５２の発熱量を減らすことができ、中継装置１３を効率的に放熱させることができる。

図１６は、サービスリンク用アンテナ３４又は３６とフィーダーリンク用アンテナ４０のアレイアンテナのさらに他の例を示す。図１６（ａ）はサービスリンク用アンテナ３４又は３６を形成するアレイアンテナ３２の正面図である。図１６（ｂ）はフィーダーリンク用アンテナ４０を形成するアレイアンテナ４２の正面図である。

図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、サービスリンク用アンテナとフィーダーリンク用アンテナはアンテナ素子の個数が異なる。サービスリンク用アンテナを形成するアレイアンテナ３２のアンテナ素子の個数は、フィーダーリンク用アンテナを形成するアレイアンテナ４２のアンテナ素子の個数より多い。素子数が多いと、アンテナ素子面積の合計も大きい。これによっても、フィーダーリンク用アンテナよりサービスリンク用アンテナの方がより放熱する。そのため、電力が大きく発熱量が多い第２無線機５２の放熱効率を高めることができ、中継装置１３全体を効率的に放熱させることができる。

図１７は、サービスリンク用アンテナ３４又は３６とフィーダーリンク用アンテナ４０のアレイアンテナのさらに他の例を示す。図１７（ａ）は、サービスリンク用アンテナ３４又は３６を形成するアレイアンテナ３２と、フィーダーリンク用アンテナ４０を形成するアレイアンテナ４２を上から見た平面図である。図１７（ａ）では、一例としてアレイアンテナ３２ａ、４２ａを示すが、他のアレイアンテナ３２ｂ〜３２ｆ、４２ｂ〜４２ｃも同様である。

サービスリンク用アンテナを形成するアレイアンテナ３２ａは１枚の基板ではなく、複数の基板上に形成された複数のサブアレイアンテナ３２ａ−１、３２ａ−２、３２ａ−３、３２ａ−４からなる。複数のサブアレイアンテナ３２ａ−１〜３２ａ−４の基板の向きは互いに異なるとともに、フィーダーリンク用アンテナを形成するアレイアンテナ４２ａの基板の向きと異なる。このため、空気の対流による放熱作用がサービスリンク用アンテナ３４又は３６とフィーダーリンク用アンテナ４０とで同時に悪化することが避けられ、中継装置１３全体の放熱効率を高めることができる。

サブアレイアンテナ３２ａ−１、３２ａ−２、３２ａ−３、３２ａ−４は、図１７（ｂ）に示すように、ＲＦ部５３−１、５３−２、５３−３、５３−４をそれぞれ介してＢＢ部５５に接続される。図１７（ｂ）では、アレイアンテナ３２とＲＦ部５３の間のセレクタは図示省略する。

サービスリンク用アンテナ３４又は３６とフィーダーリンク用アンテナ４０は、図１８に示すように、筐体１３２内に配置された状態で気球１２に搭載されることがある。気球１２には空気の対流が生じているので、筐体１３２に吸気口１３４と排気口１３６ａ、１３６ｂを設け、サービスリンク用アンテナを形成するアレイアンテナを吸気口１３４から流入する空気の流れ方向と異なる向きに配置する。これにより、サービスリンク用アンテナの放熱効率を高めることができる。また、サービスリンク用アンテナを形成するアレイアンテナの一部が吸気口１３４から流入する空気の流れ方向と直交すると、このアレイアンテナにより、空気の流れが遮られてしまい、放熱効率が低下してしまう可能性があるため、サービスリンク用アンテナを形成する全てのアレイアンテナを吸気口１３４から流入する空気の流れ方向と直交する向き以外の向きに配置してもよい。

図１９に示すように、中継装置１３のサービスリンク用アンテナ３４又は３６と、フィーダーリンク用アンテナ４０が自動車１４０や飛行体（気球も含む）に搭載されると、自動車１４０または飛行体の移動により空気の流れを起こすことができ、アンテナ３４又は３６と４０の放熱の効率を上げることができる。この場合、空気の流れは移動の主たる方向の逆向きとなるので、サービスリンク用アンテナ３４又は３６を構成せるアレイアンテナをこれらの向きと異なる向きに配置する。これにより、サービスリンク用アンテナ３４又は３６の放熱効率を高めることができる。また、サービスリンク用アンテナ３４又は３６を形成するアレイアンテナの一部が空気の流れ方向と直交すると、このアレイアンテナにより、空気の流れが遮られてしまい、放熱効率が低下してしまう可能性があるため、サービスリンク用アンテナ３４又は３６を形成する全てのアレイアンテナを空気の流れ方向と直交する向き以外の向きに配置してもよい。

図１８、図１９では、アンテナの一例として図６に示した例を示したが、図７、図８に示すようなアンテナも図１８、図１９の例に同様に適用できる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１３…中継装置、１４…基地局装置、１６…セル、３４，３６…サービスリンク用アンテナ、４０…フィーダーリンク用アンテナ、５２…第２無線機、５４…第１無線機、５６…中継器、６２…ＢＢ部、６４…ＲＦ部、６９…ビームフォーミング制御部。

Claims (12)

1. 第１平面基板に配置された複数の第１アンテナ素子を含む第１アレイアンテナと、
   前記第１アレイアンテナにより第１周波数帯を介して通信する第１無線機と、
   前記第１平面基板と向きが異なる第２平面基板に配置された複数の第２アンテナ素子を含む第２アレイアンテナと、
   前記第２アレイアンテナにより前記第１周波数帯より低い第２周波数帯を介して通信する第２無線機と、
   を備え、
   前記第２無線機より送信される無線信号の電力は、前記第１無線機より送信される無線信号の電力より大きく、
   前記複数の第２アンテナ素子のサイズ又は間隔は、前記複数の第１アンテナ素子のサイズ又は間隔より大きい、電子装置。
2. 前記第２アンテナ素子の数は前記第１アンテナ素子の数より多い、請求項１記載の電子装置。
3. 前記第２アンテナ素子は複数の平面基板部分に分割して配置され、
   前記複数の平面基板部分の向きは互いに異なる、請求項１又は請求項２のいずれか一項記載の電子装置。
4. 前記第１無線機及び前記第２無線機は移動可能であり、
   前記第１平面基板及び前記第２平面基板の少なくとも一方は前記第１無線機及び前記第２無線機の主たる移動方向と向きが異なる、請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の電子装置。
5. 前記第１無線機と前記第２無線機の少なくとも一方の個数は複数である、請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の電子装置。
6. 前記第１無線機の少なくとも一部は前記第２無線機の少なくとも一部に物理的に接続されている、請求項１乃至請求項５のいずれか一項記載の電子装置。
7. 前記第１無線機の接地に接続される導体の少なくとも一部が前記第２無線機の接地に接続される導体の少なくとも一部に接続されている請求項６記載の電子装置。
8. 前記第１無線機と前記第２無線機を収納する筐体をさらに具備する請求項１乃至請求項７のいずれか一項記載の電子装置。
9. 前記筐体は吸気口を有し、
   前記第１平面基板及び前記第２平面基板の少なくとも一方の向きは前記吸気口から流入する空気の向きと異なる、請求項８記載の電子装置。
10. 前記第１無線機と前記第２無線機の一方で受信した信号が前記第１無線機と前記第２無線機の他方から送信される、請求項１乃至請求項９のいずれか一項記載の電子装置。
11. 第１平面基板に配置された複数の第１アンテナ素子を含む第１アレイアンテナと、
    前記第１アレイアンテナにより第１周波数帯を介して通信する第１無線機と、
    前記第１平面基板と向きが異なる第２平面基板に配置された複数の第２アンテナ素子を含む第２アレイアンテナと、
    前記第２アレイアンテナにより前記第１周波数帯より低い第２周波数帯を介して通信する第２無線機と、
    を備える電子装置を用いて通信する方法であって、
    前記複数の第２アンテナ素子のサイズ又は間隔は前記複数の第１アンテナ素子のサイズ又は間隔より大きく、
    前記第２無線機は前記第１無線機より送信される無線信号の電力より大きい電力で無線信号を送信する方法。
12. 前記第１無線機と前記第２無線機の一方で受信した信号を前記第１無線機と前記第２無線機の他方から送信する、請求項１１記載の方法。

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