JP2022138738A - アレーアンテナ - Google Patents
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Abstract
【課題】低コスト・水平ビームフォーミング性能の最良化を両立するアレーアンテナを提供する。【解決手段】ア複数の素子１００Ａを有し、素子１００Ａを介して電波を送受信するアレーアンテナ１は、電波制御部を有する。電波制御部は、複数の素子１００Ａにおいて振幅または位相を互いに異なる電波を発することにより、少なくとも第一方向ｘにおいて電波の送受信方向を傾ける。アレーアンテナ１は、第一方向と略直交する第二方向ｙに２つ以上のＮ個の素子１００Ａが所定間隔ｄ１で並ぶ素子列１１０Ａを複数有する。素子列１１０Ａは、サブアレーとして構成されており、第一方向に所定間隔ｄ２で並べられて素子行１２０を形成し、第二方向において隣接する素子または素子列１１０Ａと、第一方向に略ｄ２／２ずれて配置されている。【選択図】図１
Description
本発明は、複数の素子を有し、素子を介して電波を送受信するアレーアンテナに関する。
従来、携帯端末などの基地局では、ビーム幅が９０度前後や１２０度前後のセクタビームで広角にエリア形成していた。一方５Ｇでは、エリア品質改善のため、ビーム幅が２０度以下などの細い高利得ビームを広角にステアリングして、高利得と広角エリア形成を同時に満たすことが求められるケースがある。図２１は、基地局５や中継装置６の構成例を示す。基地局５から携帯端末７０１、７０２に向けてビーム＃６やビーム＃２が向けられている。他方、建物などの裏にある携帯端末７０３には、中継装置６を介してビームが向けられる。
その実現のため、移動通信では、複数の機器によるデジタルビームフォーミングや、ビームフォーミングＩＣによる、アナログビームフォーミングに対応した高機能アンテナの開発が進められている。
ビームフォーミングの性能を最大化するアレーアンテナの配列として、図２３に記載のような三角配列が知られている（特許文献１の段落０００２および図２７など）。この配列は、適切な素子間隔で、かつ１素子ごとの給電条件を自由に設定することにより、最良のビームフォーミング性能が得られる。
配置される全てのアンテナ素子について、振幅・位相が可変、つまり、自由に調整できる場合、サイドローブ特性などを考慮すると、アンテナの配置を「三角配列」とすることが、利得・ビームステアリングの角度範囲にとって望ましい。例えば、特許文献２には、正三角配列の平面アレーの場合は、どの方向の２つの素子アンテナを組み合わせても２素子部分アレーの素子アンテナの間隔ｄは同じであることが記載されている（段落００６４）。
以下、フェーズドアレーアンテナやビームフォーミングアンテナを、単にアレーアンテナ、またはアンテナと呼ぶことがある。また、アンテナ素子を単に素子と呼ぶことがある。
その実現のため、移動通信では、複数の機器によるデジタルビームフォーミングや、ビームフォーミングＩＣによる、アナログビームフォーミングに対応した高機能アンテナの開発が進められている。
ビームフォーミングの性能を最大化するアレーアンテナの配列として、図２３に記載のような三角配列が知られている（特許文献１の段落０００２および図２７など）。この配列は、適切な素子間隔で、かつ１素子ごとの給電条件を自由に設定することにより、最良のビームフォーミング性能が得られる。
配置される全てのアンテナ素子について、振幅・位相が可変、つまり、自由に調整できる場合、サイドローブ特性などを考慮すると、アンテナの配置を「三角配列」とすることが、利得・ビームステアリングの角度範囲にとって望ましい。例えば、特許文献２には、正三角配列の平面アレーの場合は、どの方向の２つの素子アンテナを組み合わせても２素子部分アレーの素子アンテナの間隔ｄは同じであることが記載されている（段落００６４）。
以下、フェーズドアレーアンテナやビームフォーミングアンテナを、単にアレーアンテナ、またはアンテナと呼ぶことがある。また、アンテナ素子を単に素子と呼ぶことがある。
まず、三角配列と正方配列の違いを説明する。
図２２は正方配列のアレーアンテナの構成例を示し、図２３は三角配列のアレーアンテナの構成例を示す。
図２３に示される三角配列では、隣接する素子の行が水平方向にｄ／２分ずれているため、水平方向素子間隔はｄ／２の素子間隔と等価であると見なせる。これにより、正方配列に比べて、水平方向のビームフォーミングの性能が向上する。
特に、広角にステアリングした際には、サイドローブ、つまり、グレーティングローブの上昇が抑えることができる。
このように、三角配列、特に正三角形配列で、各素子の振幅や位相が可変の場合は、１素子ごとに自由な振幅・位相条件を設定可能であり、理論上、最良のビームフォーミング性能が得られる。
ただし、全素子可変を実現するためには、１素子ごとに給電条件を自由設定する必要があるため、例えば図２４に示されるように素子１００の１つ１つに対して振幅・位相調整部１０を設けるなど、全素子１００に対応する数量の無線機やビームフォーミングＩＣなどの振幅・位相調整部１０を用意する必要がある。
例えば、２８ＧＨｚ帯などのｍｍＷＡＶＥで利用されている、アナログビームフォーミングではＢＦＩＣ（ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ ＩＣ）の数量が、Ｓｕｂ６等で利用されている、デジタルビームフォーミングではトランシーバーの数量が、それぞれ最大となってしまい、コストの増大、消費電力の増大、それに伴う発熱などが問題となる。
図２２は正方配列のアレーアンテナの構成例を示し、図２３は三角配列のアレーアンテナの構成例を示す。
図２３に示される三角配列では、隣接する素子の行が水平方向にｄ／２分ずれているため、水平方向素子間隔はｄ／２の素子間隔と等価であると見なせる。これにより、正方配列に比べて、水平方向のビームフォーミングの性能が向上する。
特に、広角にステアリングした際には、サイドローブ、つまり、グレーティングローブの上昇が抑えることができる。
このように、三角配列、特に正三角形配列で、各素子の振幅や位相が可変の場合は、１素子ごとに自由な振幅・位相条件を設定可能であり、理論上、最良のビームフォーミング性能が得られる。
ただし、全素子可変を実現するためには、１素子ごとに給電条件を自由設定する必要があるため、例えば図２４に示されるように素子１００の１つ１つに対して振幅・位相調整部１０を設けるなど、全素子１００に対応する数量の無線機やビームフォーミングＩＣなどの振幅・位相調整部１０を用意する必要がある。
例えば、２８ＧＨｚ帯などのｍｍＷＡＶＥで利用されている、アナログビームフォーミングではＢＦＩＣ（ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ ＩＣ）の数量が、Ｓｕｂ６等で利用されている、デジタルビームフォーミングではトランシーバーの数量が、それぞれ最大となってしまい、コストの増大、消費電力の増大、それに伴う発熱などが問題となる。
そこで、コスト削減のためにサブアレー化して、ＩＣやトランシーバーの数を減らすことを検討する。
図２５は、考えられる構成例を示す。素子列１１０内において、実線内の２つの素子１００は固定の振幅差・位相差で設計される。なお、実線はサブアレーなど素子の組み合わせやグルーピングを示すものである。また、以下の説明も含め、全ての素子に対して実線を明記しているわけではない。つまり、実線を明記していない素子も、同様に２つの素子１００などでグルーピングされている。
図２５に示されるように、同一列の隣接素子１００でサブアレー化した場合、水平方向のビームステアリングについては、各素子の振幅・位相が可変である場合と同等の性能が得られる。
但し、垂直方向、つまり、サブアレー内の素子１００の間隔が２×dと開いてしまい、垂直チルト、つまり、垂直方向のビームフォーミングを掛けた場合に、サイドローブ上昇などの劣化が起こる。
図２６は、考えられる別の構成例を示す。素子列１１０内において、実線内の２つの素子１００は同じ振幅・位相で制御される。
本構成では、垂直方向については素子間隔がｄに戻り、垂直チルトは改善される。一方、水平方向については素子間隔がｄであるため、水平ステアリングについてはｄ／２での位相・振幅の自由度が得られない。
図２５は、考えられる構成例を示す。素子列１１０内において、実線内の２つの素子１００は固定の振幅差・位相差で設計される。なお、実線はサブアレーなど素子の組み合わせやグルーピングを示すものである。また、以下の説明も含め、全ての素子に対して実線を明記しているわけではない。つまり、実線を明記していない素子も、同様に２つの素子１００などでグルーピングされている。
図２５に示されるように、同一列の隣接素子１００でサブアレー化した場合、水平方向のビームステアリングについては、各素子の振幅・位相が可変である場合と同等の性能が得られる。
但し、垂直方向、つまり、サブアレー内の素子１００の間隔が２×dと開いてしまい、垂直チルト、つまり、垂直方向のビームフォーミングを掛けた場合に、サイドローブ上昇などの劣化が起こる。
図２６は、考えられる別の構成例を示す。素子列１１０内において、実線内の２つの素子１００は同じ振幅・位相で制御される。
本構成では、垂直方向については素子間隔がｄに戻り、垂直チルトは改善される。一方、水平方向については素子間隔がｄであるため、水平ステアリングについてはｄ／２での位相・振幅の自由度が得られない。
コスト削減のためにＩＣやトランシーバーの数を減らそうと素子をサブアレー化した際には、上述のようにビームフォーミング性能が劣化する。
このような問題を解決し、移動通信基地局ビームフォーミングアンテナにおいて、コストパフォーマンスを最適化することが求められる。
また、送信ＥＩＲＰの増強、受信系の低ノイズ化など、送受信の通信品質の向上の観点から、アンテナ利得は高い方が望ましいが、ビームフォーミング時の性能を担保したい場合、アンテナ素子間隔を狭める必要があり、アンテナ開口が小さくなり、利得が下がる。
低コスト化を目的にサブアレー化することを前提とした場合に、水平側のビームステアリング角度範囲を広角に保ちつつ、アレー利得を高める、つまり、高効率化された配置を検討したい。
特に、デジタル・アナログ問わず移動通信用ビームフォーミングアンテナに求められる、サブアレー化による、無線機・ＢＦＩＣの数量低減、水平方向ビームステアリング角度範囲の広角化、高アレー利得化を実現する、サブアレー前提のアレー配置を有するアレーアンテナが求められる。
このような問題を解決し、移動通信基地局ビームフォーミングアンテナにおいて、コストパフォーマンスを最適化することが求められる。
また、送信ＥＩＲＰの増強、受信系の低ノイズ化など、送受信の通信品質の向上の観点から、アンテナ利得は高い方が望ましいが、ビームフォーミング時の性能を担保したい場合、アンテナ素子間隔を狭める必要があり、アンテナ開口が小さくなり、利得が下がる。
低コスト化を目的にサブアレー化することを前提とした場合に、水平側のビームステアリング角度範囲を広角に保ちつつ、アレー利得を高める、つまり、高効率化された配置を検討したい。
特に、デジタル・アナログ問わず移動通信用ビームフォーミングアンテナに求められる、サブアレー化による、無線機・ＢＦＩＣの数量低減、水平方向ビームステアリング角度範囲の広角化、高アレー利得化を実現する、サブアレー前提のアレー配置を有するアレーアンテナが求められる。
そこで、本発明は、低コスト・水平ビームフォーミング性能の最良化を両立するアレーアンテナを提供することを目的とする。
また、本発明は、低コスト・水平ビームフォーミング性能の最良化・アンテナ高利得化の３つに条件を同時に満たすアレーアンテナを提供することを目的とする。
さらに、上述の目的を満たすと同時に、周波数にはよらず、例えば現在の移動通信での適用を考えた場合、ＳＵＢ６、ｍｍＷＡＶＥどちらでも適用可能なアレーアンテナを提供することを目的とする。
また、本発明は、低コスト・水平ビームフォーミング性能の最良化・アンテナ高利得化の３つに条件を同時に満たすアレーアンテナを提供することを目的とする。
さらに、上述の目的を満たすと同時に、周波数にはよらず、例えば現在の移動通信での適用を考えた場合、ＳＵＢ６、ｍｍＷＡＶＥどちらでも適用可能なアレーアンテナを提供することを目的とする。
移動通信においては、水平方向のビームフォーミングが優先されるため、水平のビームフォーミング性能が維持できる配列方法が望まれる。移動通信用基地局アンテナにおける、ビームフォーミングでは、垂直側ビームチルトと比較して、水平側のビームステアリング角度範囲について、広角に求められるケースが多い。
そこで、無線機やビームフォーミングＩＣの数を減らす場合、垂直側のアンテナ素子を２素子以上のサブアレーとしてサブアレー化し、水平方向のビームステアリング角度範囲を、全素子可変の場合と同様に維持することにより、水平方向のビームフォーミング性能を優先的に向上しつつ低コスト化を実現する。
本発明の請求項１に係るアレーアンテナは、
複数の素子を有し、素子を介して電波を送受信するアレーアンテナであって、
複数の素子において振幅または位相を互いに異なる電波を発することにより、少なくとも第一方向において電波の送受信方向を傾ける、電波制御部を有し、
第一方向と略直交する第二方向に２つ以上のＮ個の素子が所定間隔ｄ１で並ぶ素子列を複数有し、素子列はサブアレーとして構成され、
第一方向に、素子が所定間隔ｄ２で並べられて素子行を形成しており、
素子列は第二方向において隣接する素子または素子列と、第一方向に略ｄ２／２ずれて配置されていることを特徴とする、アレーアンテナである。
本発明の請求項２に係るアレーアンテナは、
最も外側の素子行にある素子列は、最も外側の素子行以外の素子行にある素子列より多い素子を有することを特徴とする、請求項１に記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項３に係るアレーアンテナは、
所定の中心位置に対して外側の素子行にある素子列は、中心位置側の素子行にある素子列の有する素子以上の数の素子を有することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項４に係るアレーアンテナは、
第一方向において最も外側にアレーグループを有し、アレーグループは第一方向において複数列の素子列を有することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項５に係るアレーアンテナは、
第一方向において外側に複数のアレーグループを有し、アレーグループは第一方向において複数列の素子列を有し、
第一方向において、外側のアレーグループは内側のアレーグループの有する列以上の数の素子列を有することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項６に係るアレーアンテナは、
最も少ない素子列は１つの素子を有することを特徴とする、請求項４または５のいずれかに記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項７に係るアレーアンテナは、
送受信する電磁波の波長λに対して、ｄ２が略λ／２であり、ｄ１が０．５λ以上であることを特徴とする、請求項１または６のいずれかに記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項８に係るアレーアンテナは、
携帯端末の基地局アンテナまたは中継アンテナであり、第一方向が略水平方向であることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載のアレーアンテナである。
そこで、無線機やビームフォーミングＩＣの数を減らす場合、垂直側のアンテナ素子を２素子以上のサブアレーとしてサブアレー化し、水平方向のビームステアリング角度範囲を、全素子可変の場合と同様に維持することにより、水平方向のビームフォーミング性能を優先的に向上しつつ低コスト化を実現する。
本発明の請求項１に係るアレーアンテナは、
複数の素子を有し、素子を介して電波を送受信するアレーアンテナであって、
複数の素子において振幅または位相を互いに異なる電波を発することにより、少なくとも第一方向において電波の送受信方向を傾ける、電波制御部を有し、
第一方向と略直交する第二方向に２つ以上のＮ個の素子が所定間隔ｄ１で並ぶ素子列を複数有し、素子列はサブアレーとして構成され、
第一方向に、素子が所定間隔ｄ２で並べられて素子行を形成しており、
素子列は第二方向において隣接する素子または素子列と、第一方向に略ｄ２／２ずれて配置されていることを特徴とする、アレーアンテナである。
本発明の請求項２に係るアレーアンテナは、
最も外側の素子行にある素子列は、最も外側の素子行以外の素子行にある素子列より多い素子を有することを特徴とする、請求項１に記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項３に係るアレーアンテナは、
所定の中心位置に対して外側の素子行にある素子列は、中心位置側の素子行にある素子列の有する素子以上の数の素子を有することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項４に係るアレーアンテナは、
第一方向において最も外側にアレーグループを有し、アレーグループは第一方向において複数列の素子列を有することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項５に係るアレーアンテナは、
第一方向において外側に複数のアレーグループを有し、アレーグループは第一方向において複数列の素子列を有し、
第一方向において、外側のアレーグループは内側のアレーグループの有する列以上の数の素子列を有することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項６に係るアレーアンテナは、
最も少ない素子列は１つの素子を有することを特徴とする、請求項４または５のいずれかに記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項７に係るアレーアンテナは、
送受信する電磁波の波長λに対して、ｄ２が略λ／２であり、ｄ１が０．５λ以上であることを特徴とする、請求項１または６のいずれかに記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項８に係るアレーアンテナは、
携帯端末の基地局アンテナまたは中継アンテナであり、第一方向が略水平方向であることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載のアレーアンテナである。
図１および図４は、本発明の一実施例におけるアレーアンテナ１の構成例を示す。
アレーアンテナ１は、複数の素子１００を有し、素子１００を介して電波を送受信するものであり、図における垂直方向にサブアレー１１０を有する。
アレーアンテナ１は、複数の素子１００を有し、素子１００を介して電波を送受信するものであり、図における垂直方向にサブアレー１１０を有する。
図１に示されるように、第一方向ｘと略直交する第二方向ｙに２つ以上のＮ個の素子１００が所定間隔ｄ１で並ぶ素子列１１０を複数有する。
本実施例では、例えば２つの素子１００Ａが１つの素子列１１０Ａを形成している。
本実施例では、例えば２つの素子１００Ａが１つの素子列１１０Ａを形成している。
素子１００は、第一方向ｘに所定間隔ｄ２で並べられて素子行１２０を形成している。
また素子列は、第二方向ｙにおいて隣接する素子１００または素子列１１０と、第一方向に略ｄ２／２ずれて配置されている。なお、このずれは図中でδとして記載されている。
また素子列は、第二方向ｙにおいて隣接する素子１００または素子列１１０と、第一方向に略ｄ２／２ずれて配置されている。なお、このずれは図中でδとして記載されている。
本実施例では、１つの素子列１１０は２つの素子１００を有しているが、図２に示されるように１つの素子列１１０Ａが３つの素子列１００Ａを有するなど、１つの素子列１１０が３つの素子１００を有している構成でもよい。また、図３に示されるように１つの素子列１１０Ａが４つの素子列１００Ａを有するなど、１つの素子列１１０が４つの素子１００を有している構成でもよい。
なお、図の実線は素子列のグルーピングを示すものであり、固定の振幅差・位相差で設計される。また、以下も含めて、図３のようにすべての素子についてグルーピングを示すわけではない点、および、必ずしもすべての素子が図示されているわけではない点に注意が必要である。
なお、図の実線は素子列のグルーピングを示すものであり、固定の振幅差・位相差で設計される。また、以下も含めて、図３のようにすべての素子についてグルーピングを示すわけではない点、および、必ずしもすべての素子が図示されているわけではない点に注意が必要である。
図４に示されるように、各素子１００は、素子列１１０ごとに同じ振幅・位相調整部１０に接続され、振幅・位相調整部１０は電波制御部２に接続されている。例えば、素子列１１０Ａの２つの素子１００Ａは、１つの振幅・位相調整部１０に接続されている。
そして、電波制御部２は、素子列ごとに振幅・位相を制御し、複数の素子１００において振幅または位相を互いに異なる電波を発することにより、少なくとも第一方向において電波の送受信方向を傾ける。
そして、電波制御部２は、素子列ごとに振幅・位相を制御し、複数の素子１００において振幅または位相を互いに異なる電波を発することにより、少なくとも第一方向において電波の送受信方向を傾ける。
本実施例では、素子列１１０ごとに同じ振幅・位相調整部１０に接続されているが、図５に示されるように、振幅・位相調整部１０を、振幅を調整する増幅器１１および位相を調整するフェイズシフタ１２に分けて構成し、素子列１１０ごとに同じ増幅器１１およびフェイズシフタに１２接続されている構成でもよい。
あるいは、図６に示されるように素子列１１０ごとにサブアレー制御部２０を設け、サブアレー制御部２０が増幅器２１およびファイズシフタ２２を有する構成としてもよい。
素子列１１０はサブアレーである。つまり、同じ素子列１１０内の素子１００は同一の振幅・位相調整部１０で制御されている。
あるいは、図６に示されるように素子列１１０ごとにサブアレー制御部２０を設け、サブアレー制御部２０が増幅器２１およびファイズシフタ２２を有する構成としてもよい。
素子列１１０はサブアレーである。つまり、同じ素子列１１０内の素子１００は同一の振幅・位相調整部１０で制御されている。
一実施例において、送信または受信する電磁波の波長λに対して、ｄ２が略λ／２であり、ｄ１が０．５λ以上であるものとすることができる。
本構成により、効率よく水平方向にチルトしつつ、ｄ１の値を調整することで最適な利得を実現することができる。つまり、ｄ１の値を可能な限り広げることで、アレー利得を高めつつ、オフセットδによる、素子間隔の疑似的な低減化により、水平方向ビームステアリングの広角角度範囲も維持できる。
本構成により、効率よく水平方向にチルトしつつ、ｄ１の値を調整することで最適な利得を実現することができる。つまり、ｄ１の値を可能な限り広げることで、アレー利得を高めつつ、オフセットδによる、素子間隔の疑似的な低減化により、水平方向ビームステアリングの広角角度範囲も維持できる。
一実施例において、携帯端末の基地局アンテナまたは中継アンテナであり、第一方向が略水平方向である。
図２１に示されるように、基地局５は基地局アンテナとして本アレーアンテナ１を有する。また、中継装置６は中継アンテナとして本アレーアンテナ１を有する。
図２１に示されるように、基地局５は基地局アンテナとして本アレーアンテナ１を有する。また、中継装置６は中継アンテナとして本アレーアンテナ１を有する。
これらの実施例では、垂直方向に素子間隔ｄ１でサブアレー化したアレーアンテナが、水平方向に素子間隔ｄ２で配置され、次の行の、垂直方向サブアレー群は、オフセット量δ＝ｄ２／２で、水平方向にオフセットし、配列されている。
この構成では、水平方向にｄ２／２の間隔で、アレーアンテナ列が構成される。これにより、水平方向素子間の位相差を、ｄ２／２の間隔で設定できるため、グレーティングローブの発生が抑えられる。
また垂直方向については、サブアレー化により、ビームチルトの性能が制限されてしまうものの、２素子サブアレー間隔ｄ１により、ある程度柔軟に調整が可能である。
この構成では、水平方向にｄ２／２の間隔で、アレーアンテナ列が構成される。これにより、水平方向素子間の位相差を、ｄ２／２の間隔で設定できるため、グレーティングローブの発生が抑えられる。
また垂直方向については、サブアレー化により、ビームチルトの性能が制限されてしまうものの、２素子サブアレー間隔ｄ１により、ある程度柔軟に調整が可能である。
本実施例では水平方向にオフセットしているが、垂直チルト側で広角なステアリングが必要の場合、９０度回転させても良い。つまり、第一方向ｘが水平方向であり、第二方向ｙが垂直方向である構成でもよい。
あるいは、第一方向ｘが最も広角なチルトが要求される方向としてもよい。さらに、第一方向ｘが最も広角なチルトが要求される方向としたうえで、第二方向ｙが、第一方向ｘと直交する方向の中で、次に広角なチルトが要求される方向としてもよい。
あるいは、第一方向ｘが最も広角なチルトが要求される方向としてもよい。さらに、第一方向ｘが最も広角なチルトが要求される方向としたうえで、第二方向ｙが、第一方向ｘと直交する方向の中で、次に広角なチルトが要求される方向としてもよい。
図７は、本実施例を正方配列と比較したものであり、水平ステアリング角度θとアンテナ利得Gとの関係を示す。本実施例の値は例１として実線で、製法配列の値は破線で示されている。
サブアレー群に対してｄ２／２だけ水平方向にオフセットして配列されている。
水平方向の位相差をｄ２／２間隔で設定できるためグレーデングローブの発生が抑えられて利得低下を防いでいる。
サブアレー群に対してｄ２／２だけ水平方向にオフセットして配列されている。
水平方向の位相差をｄ２／２間隔で設定できるためグレーデングローブの発生が抑えられて利得低下を防いでいる。
ステアリング角度が６０°など水平方向の広角ステアリングでは、本実施例の利得は、正方配列の場合と比較して、約１ｄＢ程度改善する。
また、ステアリング角度が０度での最大利得と、６０°でのアンテナ利得の差は３ｄＢ以内となっており、ステアリングによるアンテナ利得の低下も小さく抑えられている。
このように、サブアレー構成時についても、水平方向の広角ステアリング時に有効である一方で、アンテナの最大利得についても、正方配列の場合と比較して、ほぼ同等に維持できる。
また、ステアリング角度が０度での最大利得と、６０°でのアンテナ利得の差は３ｄＢ以内となっており、ステアリングによるアンテナ利得の低下も小さく抑えられている。
このように、サブアレー構成時についても、水平方向の広角ステアリング時に有効である一方で、アンテナの最大利得についても、正方配列の場合と比較して、ほぼ同等に維持できる。
以上の構成では、サブアレー単位での三角配列とすることで、水平ビームフォーミング性能の最良化と低コスト化の両立を実現する。
特に、サブアレー化を前提とした、ビームフォーミングアンテナにおいて、広角ステアリングと高利得性能を両立する。ＩＣやトランシーバーの数を減らすことで、低コスト化にもつながる。また、ＳＵＢ６、ｍｍＷＡＶＥによらず、いずれの周波数でも適用可能である。
特に、ビームフォーミングアンテナのサブアレー化時の特性を大きく改善する。
特に、サブアレー化を前提とした、ビームフォーミングアンテナにおいて、広角ステアリングと高利得性能を両立する。ＩＣやトランシーバーの数を減らすことで、低コスト化にもつながる。また、ＳＵＢ６、ｍｍＷＡＶＥによらず、いずれの周波数でも適用可能である。
特に、ビームフォーミングアンテナのサブアレー化時の特性を大きく改善する。
ところで、アレーアンテナで得られるアンテナ利得は、アンテナ開口、つまり、アレーアンテナの面積に比例する。
ビームステアリング時の性能、特にサイドローブの上昇を考慮すると、素子間隔は狭い方が良い。ただし、素子間隔が狭いと、同一の素子数の場合、アンテナ開口が小さくなるため、利得が低下する。つまり、アンテナ利得向上のためにはアンテナ開口を広くとる必要がある。
垂直方向のサブアレーの内、最外のサブアレーなど外部のサブアレーの素子数を、中央側のサブアレーより増やすことで、水平ステアリング時の性能は上述の実施例と同等としつつ、開口が増加する分、アンテナ利得を向上することができる。以下、このような構成を説明する。
ビームステアリング時の性能、特にサイドローブの上昇を考慮すると、素子間隔は狭い方が良い。ただし、素子間隔が狭いと、同一の素子数の場合、アンテナ開口が小さくなるため、利得が低下する。つまり、アンテナ利得向上のためにはアンテナ開口を広くとる必要がある。
垂直方向のサブアレーの内、最外のサブアレーなど外部のサブアレーの素子数を、中央側のサブアレーより増やすことで、水平ステアリング時の性能は上述の実施例と同等としつつ、開口が増加する分、アンテナ利得を向上することができる。以下、このような構成を説明する。
図８は本発明の一実施例におけるアレーアンテナ１の構成例を示す。
本実施例において、最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は、最も外側の素子行以外の素子行１２０にある素子列１１０より多い素子１００を有する。例えば、最も外側の素子行１２０にある素子列１１０Ａは３つの素子１００Ａを有する。
本構成では、最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、最も外側の素子行以外の素子行１２０にある素子列１１０は２つの素子１００を有する。
本実施例において、最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は、最も外側の素子行以外の素子行１２０にある素子列１１０より多い素子１００を有する。例えば、最も外側の素子行１２０にある素子列１１０Ａは３つの素子１００Ａを有する。
本構成では、最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、最も外側の素子行以外の素子行１２０にある素子列１１０は２つの素子１００を有する。
最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は、図９に示されるように４つの素子１００を有する構成でもよい。あるいは、図１０に示されるように５つの素子１００を有する構成でもよい。
最も外側の素子行１２０にある素子列１１０が有する素子数を、求められるアンテナ利得に合わせて設定することにより、最適なアンテナ利得が実現できる。
最も外側の素子行１２０にある素子列１１０が有する素子数を、求められるアンテナ利得に合わせて設定することにより、最適なアンテナ利得が実現できる。
図１１は本発明の一実施例におけるアレーアンテナ１の構成例を示す。
本実施例において、所定の中心位置に対して外側の素子行１２０にある素子列１１０は、中心位置側の素子行１２０にある素子列１１０の有する素子１００以上の数の素子１００を有する。本実施例において中心位置は素子１００の配列の中心、例えば水平方向ｘ、垂直方向ｙのそれぞれ最も外にある素子１００の中間の位置で、中心位置はあくまで配列の中心位置であるが、アンテナの性能などによっては必ずしも中心でなくともよい。
本実施例では、所定の中心位置に対して最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、所定の中心位置に対して次に外側の素子行１２０にある素子列１１０は２つの素子１００を有し、それより内側の素子行１２０にある素子列１１０は１つの素子１００を有する。なお、本例の内側の素子行１２０では振幅・位相調整部１０に１つの素子だけが接続されているが、このような構成では、１つの素子が１つの素子列として形成されているとみなす。
本実施例において、所定の中心位置に対して外側の素子行１２０にある素子列１１０は、中心位置側の素子行１２０にある素子列１１０の有する素子１００以上の数の素子１００を有する。本実施例において中心位置は素子１００の配列の中心、例えば水平方向ｘ、垂直方向ｙのそれぞれ最も外にある素子１００の中間の位置で、中心位置はあくまで配列の中心位置であるが、アンテナの性能などによっては必ずしも中心でなくともよい。
本実施例では、所定の中心位置に対して最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、所定の中心位置に対して次に外側の素子行１２０にある素子列１１０は２つの素子１００を有し、それより内側の素子行１２０にある素子列１１０は１つの素子１００を有する。なお、本例の内側の素子行１２０では振幅・位相調整部１０に１つの素子だけが接続されているが、このような構成では、１つの素子が１つの素子列として形成されているとみなす。
図１２に示される例のように、所定の中心位置に対して最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は４つの素子１００を有し、所定の中心位置に対して次に外側の素子行１２０にある素子列１１０は２つの素子１００を有し、それより内側の素子行１２０にある素子列１１０は１つの素子１００を有する構成でもよい。
あるいは、図１３に示されるように、所定の中心位置に対して最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は４つの素子１００を有し、所定の中心位置に対して次に外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、それより内側の素子行１２０にある素子列１１０は２つの素子１００を有する構成でもよい。
これらの例のように、素子列１２０の有する素子数が、中心位置側から外側に向かって滑らかに増加する場合、言い換えると、数段階で素子数が増加する構成では、サイドローブ抑制のための振幅比の調整も行いやすい。つまり、アレーアンテナ全体で見た場合、最も外側の素子行において素子数が急に増加する場合に比べ、滑らかに振幅が変化する構成とすることができ、サイドローブが抑制できる。
あるいは、図１３に示されるように、所定の中心位置に対して最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は４つの素子１００を有し、所定の中心位置に対して次に外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、それより内側の素子行１２０にある素子列１１０は２つの素子１００を有する構成でもよい。
これらの例のように、素子列１２０の有する素子数が、中心位置側から外側に向かって滑らかに増加する場合、言い換えると、数段階で素子数が増加する構成では、サイドローブ抑制のための振幅比の調整も行いやすい。つまり、アレーアンテナ全体で見た場合、最も外側の素子行において素子数が急に増加する場合に比べ、滑らかに振幅が変化する構成とすることができ、サイドローブが抑制できる。
図１４に示される例のように、所定の中心位置に対して最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、所定の中心位置に対して次に外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、それより内側の素子行１２０にある素子列１１０は２つの素子１００を有する構成でもよい構成でもよい。
あるいは、図１５に示されるように、所定の中心位置に対して最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、所定の中心位置に対して次に外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、それより内側の素子行１２０にある素子列１１０は１つの素子１００を有する構成でもよい。
あるいは、図１５に示されるように、所定の中心位置に対して最も外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、所定の中心位置に対して次に外側の素子行１２０にある素子列１１０は３つの素子１００を有し、それより内側の素子行１２０にある素子列１１０は１つの素子１００を有する構成でもよい。
あるいは、図１６に示されるように、所定の中心位置に対して最も外側にある３行の素子行１２０にある素子列１１０は２つの素子１００を有し、それより内側の素子行１２０にある素子列１１０は１つの素子１００を有する構成でもよい。
これらの構成においても、より効率的にサイドローブが抑制できる。
これらの構成においても、より効率的にサイドローブが抑制できる。
図１８は、図８に記載されているような、最も外側の素子行１２０にある素子列１１０が３つの素子１００を有し、最も外側の素子行以外の素子行１２０にある素子列１１０が２つの素子１００を有する例を例２とし、上述の、素子列１１０が２つの素子１００を有する例を例１として、両者を比較したものであり、水平ステアリング角度θとアンテナ利得Gとの関係を示す。例１の値は実線で、例２の値は一点破線で示されている。
例２では開口が広がった分、ステアリング角度範囲において、例１よりも約１ｄＢ程度の利得向上が得られる。
このように、水平ステアリングの性能を維持しつつ、利得向上の両立ができる。
例２では開口が広がった分、ステアリング角度範囲において、例１よりも約１ｄＢ程度の利得向上が得られる。
このように、水平ステアリングの性能を維持しつつ、利得向上の両立ができる。
図１７は本発明の一実施例におけるアレーアンテナ１の構成例を示す。
第一方向ｘにおいて最も外側にアレーグループ１５０を有し、アレーグループ１５０は第一方向ｘにおいて複数列の素子列１１０を有する。
図１７に示されるように、アレーグループ１５０Ａは２つの素子列１１０を有し、各素子列は３つの素子１００Ａを有する。第一方向ｘおよび第二方向ｙにおいて最も外側にある他のアレーグループ１５０Ｂ、１５０Ｇ、１５０Ｈについても同様である。また、。第一方向ｘおよび第二方向ｙにおいて最も外側にあるアレーグループのうち、第二方向ｙにおいて最も外側以外にあるアレーグループ１５０Ｃ、１５０Ｄ、１５０Ｅ、１５０Ｆは、アレーグループ１５０Ａは２つの素子列１１０を有し、各素子列は２つの素子１００を有する。
第一方向ｘにおいて最も外側にアレーグループ１５０を有し、アレーグループ１５０は第一方向ｘにおいて複数列の素子列１１０を有する。
図１７に示されるように、アレーグループ１５０Ａは２つの素子列１１０を有し、各素子列は３つの素子１００Ａを有する。第一方向ｘおよび第二方向ｙにおいて最も外側にある他のアレーグループ１５０Ｂ、１５０Ｇ、１５０Ｈについても同様である。また、。第一方向ｘおよび第二方向ｙにおいて最も外側にあるアレーグループのうち、第二方向ｙにおいて最も外側以外にあるアレーグループ１５０Ｃ、１５０Ｄ、１５０Ｅ、１５０Ｆは、アレーグループ１５０Ａは２つの素子列１１０を有し、各素子列は２つの素子１００を有する。
アレーグループはサブアレーとして構成され、同一の振幅・位相で制御される。本実施例では１つのアレーグループは同一の振幅・位相調整部１０に接続されているが、同一の振幅・位相で制御されるのであれば、その他の構成でもよい。
本実施例では、ステアリング性能を得たい、水平方向の最外のサブアレーについても、素子数を増加している。本実施例では１素子分、つまり、１素子列増加している。
このように、開口が広がる分利得は向上する。
本実施例では、ステアリング性能を得たい、水平方向の最外のサブアレーについても、素子数を増加している。本実施例では１素子分、つまり、１素子列増加している。
このように、開口が広がる分利得は向上する。
本構成は、BFICやトランシーバー数を増やさず、よりアンテナ利得を得たい場合に有効である。
図１８に示されるように、アレーグループ１５０が３つの素子列１１０を有する構成とすることもできる。
図１８に示されるように、アレーグループ１５０が３つの素子列１１０を有する構成とすることもできる。
図１９は本発明の一実施例におけるアレーアンテナ１の構成例を示す。
アレーアンテナ１は、第一方向ｘにおいて外側に複数のアレーグループ１５０、１５１を有する。本実施例では、アレーグループ１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃ、１５０Ｄ、１５０Ｅ、１５０Ｆ、１５０Ｇ、１５０Ｈ、１５１Ａ、１５１Ｂ、１５１Ｃ、１５１Ｄ、１５１Ｅ、１５１Ｆ、１５１Ｇ、１５１Ｈの計１６のアレーグループを有する。
アレーアンテナ１は、第一方向ｘにおいて外側に複数のアレーグループ１５０、１５１を有する。本実施例では、アレーグループ１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃ、１５０Ｄ、１５０Ｅ、１５０Ｆ、１５０Ｇ、１５０Ｈ、１５１Ａ、１５１Ｂ、１５１Ｃ、１５１Ｄ、１５１Ｅ、１５１Ｆ、１５１Ｇ、１５１Ｈの計１６のアレーグループを有する。
アレーグループ１５０は第一方向ｘにおいて複数列の素子列１１０を有する。例えばアレーグループ１０Ａは３つの素子列１１０Ａを有する。そして、素子列１１０Ａはそれぞれ４つの素子１００Ａを有する。
第一方向において、外側のアレーグループ１５０Ａ～１５０Ｈは内側のアレーグループ１５１Ａ～１５１Ｈの有する列以上の数の素子列を有する。本実施例では、外側のアレーグループ１５０Ａ～１５０Ｈは３つの素子列１１０を、内側のアレーグループ１５１Ａ～１５１Ｈは２つの素子列１１０を、それぞれ有する。
本構成のように、アレーグループの有する素子列の数が水平方向においても数段階で増加する場合は、特に、水平方向においてもサイドローブをより効果的に抑制できる。
第一方向において、外側のアレーグループ１５０Ａ～１５０Ｈは内側のアレーグループ１５１Ａ～１５１Ｈの有する列以上の数の素子列を有する。本実施例では、外側のアレーグループ１５０Ａ～１５０Ｈは３つの素子列１１０を、内側のアレーグループ１５１Ａ～１５１Ｈは２つの素子列１１０を、それぞれ有する。
本構成のように、アレーグループの有する素子列の数が水平方向においても数段階で増加する場合は、特に、水平方向においてもサイドローブをより効果的に抑制できる。
以上の実施例では、水平ビームフォーミング性能の最良化と低コスト化に高利得化を合わせた３つの課題を同時に満たすアレーアンテナが実現できる。
以上の各実施例で説明されたように、サブアレーでの配列を工夫し、水平方向のビームステアリング時の利得を高められる。サブアレーの素子数について外側と中央側で変えることで、アンテナ利得を高められる。サブアレー化により、ＩＣやトランシーバー数を減らし、低コスト化も可能となる。
以上の実施例はいずれも、ＳＵＢ６／ｍｍＷＡＶＥに関わらず、ビームフォーミングアンテナであれば適用が可能である。
そして、サブアレー化を前提としたアンテナアレーにおいて、水平方向ビームステアリングの広角角度範囲を維持しつつ、高効率化つまりアレー利得の向上を実現できる。
以上の各実施例で説明されたように、サブアレーでの配列を工夫し、水平方向のビームステアリング時の利得を高められる。サブアレーの素子数について外側と中央側で変えることで、アンテナ利得を高められる。サブアレー化により、ＩＣやトランシーバー数を減らし、低コスト化も可能となる。
以上の実施例はいずれも、ＳＵＢ６／ｍｍＷＡＶＥに関わらず、ビームフォーミングアンテナであれば適用が可能である。
そして、サブアレー化を前提としたアンテナアレーにおいて、水平方向ビームステアリングの広角角度範囲を維持しつつ、高効率化つまりアレー利得の向上を実現できる。
本発明は以上の実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な実施例を含むことは言うまでもない。
例えば、平面アンテナの代わりに曲面上に設けられたアンテナでも有効である。
また、５Ｇ以外の規格でも適用可能である。
例えば、平面アンテナの代わりに曲面上に設けられたアンテナでも有効である。
また、５Ｇ以外の規格でも適用可能である。
１ アレーアンテナ
２ 電波制御部
５ 基地局
６ 中継装置
７０１、７０２、７０３ 携帯端末
１０ 振幅・位相調整部
１１、２１ 増幅器
１２、２２ フェイズシフタ
２０ サブアレー制御部
１００、１００A 素子
１１０、１１０A 素子列
１２０ 素子行
１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃ、１５０Ｄ、１５０Ｅ、１５０Ｆ、１５０Ｇ、１５０Ｈ、１５１、１５１Ａ、１５１Ｂ、１５１Ｃ、１５１Ｄ、１５１Ｅ、１５１Ｆ、１５１Ｇ、１５１Ｈ アレーグループ
２ 電波制御部
５ 基地局
６ 中継装置
７０１、７０２、７０３ 携帯端末
１０ 振幅・位相調整部
１１、２１ 増幅器
１２、２２ フェイズシフタ
２０ サブアレー制御部
１００、１００A 素子
１１０、１１０A 素子列
１２０ 素子行
１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃ、１５０Ｄ、１５０Ｅ、１５０Ｆ、１５０Ｇ、１５０Ｈ、１５１、１５１Ａ、１５１Ｂ、１５１Ｃ、１５１Ｄ、１５１Ｅ、１５１Ｆ、１５１Ｇ、１５１Ｈ アレーグループ
Claims (8)
- 複数の素子を有し、前記素子を介して電波を送受信するアレーアンテナであって、
前記複数の素子において振幅または位相を互いに異なる電波を発することにより、少なくとも第一方向において電波の送受信方向を傾ける、電波制御部を有し、
前記第一方向と略直交する第二方向に２つ以上のＮ個の前記素子が所定間隔ｄ１で並ぶ素子列を複数有し、前記素子列はサブアレーとして構成され、
前記第一方向に、前記素子が所定間隔ｄ２で並べられて素子行を形成しており、
前記素子列は前記第二方向において隣接する前記素子または前記素子列と、第一方向に略ｄ２／２ずれて配置されていることを特徴とする、アレーアンテナ。
- 最も外側の前記素子行にある前記素子列は、最も外側の前記素子行以外の前記素子行にある前記素子列より多い前記素子を有することを特徴とする、請求項１に記載のアレーアンテナ。
- 所定の中心位置に対して外側の前記素子行にある前記素子列は、中心位置側の前記素子行にある前記素子列の有する前記素子以上の数の前記素子を有することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のアレーアンテナ。
- 前記第一方向において最も外側に前記アレーグループを有し、前記アレーグループは前記第一方向において複数列の前記素子列を有することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のアレーアンテナ。
- 前記第一方向において外側に複数の前記アレーグループを有し、前記アレーグループは前記第一方向において複数列の前記素子列を有し、
前記第一方向において、外側の前記アレーグループは内側の前記アレーグループの有する列以上の数の前記素子列を有することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のアレーアンテナ。
- 最も少ない前記素子列は１つの前記素子を有することを特徴とする、請求項４または５のいずれかに記載のアレーアンテナ。
- 送受信する電磁波の波長λに対して、前記ｄ２が略λ／２であり、前記ｄ１が０．５λ以上であることを特徴とする、請求項１または６のいずれかに記載のアレーアンテナ。
- 携帯端末の基地局アンテナまたは中継アンテナであり、前記第一方向が略水平方向であることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載のアレーアンテナ。
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