JP3736735B2 - アダプティブアレーアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は例えば移動通信システムの基地局に使用され、移動局の移動に伴いアンテナ指向特性の主ビーム方向をそれに追尾させたり、干渉局からの電波到来方向がアンテナ指向特性のナル方向となるように、特に受信アンテナ指向特性及び送信アンテナ指向特性を適応制御するアダプティブアレーアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動通信システムの基地局にアダプティブアレーアンテナを導入することにより、回線容量の増大を計る場合、上り回線だけではなく、下り回線における干渉波抑圧が必要である。このような点からアダプティブアレーアンテナを送信と受信とに兼用し、受信信号から求めた各アンテナ素子と対応する重みを、送信信号に対する重みとして利用することが行われていた。
【０００３】
つまり、図５に示すように、アンテナ素子Ａ１〜Ａ８が等間隔ｄで配列される。受信キャリア周波数ｆｒ、その波長をλｒ、送信キャリア周波数ｆｔ、その波長をλｔとすると、ｄ＝λｒ／２＝λｔ／（２Ｒ）、Ｒ＝λｔ／λｒとされる。アンテナ素子Ａ１〜Ａ８はそれぞれ送受共用器ＤＵＸ１〜ＤＵＸ８と接続され、これら送受共用器ＤＵＸ１〜ＤＵＸ８にはそれぞれ送信機Ｔｘ１〜Ｔｘ８と、受信機Ｒｘ１〜Ｒｘ８が接続される。
【０００４】
受信機Ｒｘ１〜Ｒｘ８の受信出力信号（ベースバンド信号）は重み決定回路１１で各アンテナ素子Ａ１〜Ａ８について、アンテナ指向特性の主ローブの方向が信号波の到来方向となり、ナル方向が干渉波の到来方向となるように重みＷ１〜Ｗ８が計算され、これら重みＷ１〜Ｗ８が、受信機Ｒｘ１〜Ｒｘ８の各出力信号に対し、受信用重み付与回路Ｍｒ１〜Ｍｒ８で受信機Ｒｘ１〜Ｒｘ８の各出力受信信号に重み付けがなされ、つまり振幅と位相が制御され、これら受信用重み付与回路Ｍｒ１〜Ｍｒ８の出力が合成回路１２で合成されて、受信信号が出力される。この受信信号は、アンテナ指向特性の主ローブが信号（希望）波方向に向き、ナル方向が干渉波方向に向いた状態の受信信号となる。
【０００５】
送信信号のアンテナ指向特性の主ローブが希望局の方向に向き、ナル方向が干渉源になる方向となるようにするため、従来においては、送信信号（ベースバンド信号）を分配回路１３で、この例では８分配して、各分配された送信信号に対し、送信用重み付与回路Ｍｔ１〜Ｍｔ８でそれぞれ重みＷ１〜Ｗ８が与えられ、送信用重み付与回路Ｍｔ１〜Ｍｔ８の各出力はそれぞれ送信機Ｔｘ１〜Ｔｘ８に入力され、高周波送信信号として、アンテナＡ１〜Ａ８へ給電される。
【０００６】
このようにして上り回線の改善に用いた重みを用いて下り回線の信号に重みも与えて、下り回線の改善を行っていた。
なお、アンテナ素子間隔を等比間隔とするアレーアンテナとして、対数周期アンテナ（ログペリアンアンテナ）がある。このアンテナは素子間隔が等比であり、かつ素子長もまた等比構造をなし、給電点は１箇所であり、アレー構造であるが、各素子に任意の重みで給電するマルチポートアンテナではないので任意の指向特性のビームを生成することはできない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
アレーアンテナにおいては、送信搬送波周波数と、受信搬送波周波数とでは、本来は送信と受信それぞれの周波数に対応した波長で規格化した素子間隔として、各素子ごとに重みを与えて、指向特性の制御をすべきであるが、図５に示した従来のアダプティブアレーアンテナにおいては、送信時も、受信時も、アンテナ素子間隔は同一としているため、図６に示すように、水平面指向特性は受信時は曲線１４となり、送信時は曲線１５となり、可成り異なったものとなり、下り回線と上り回線とを同一の放射パターンとすることはできなかった。
【０００８】
このような場合、仮に上り回線で干渉局からの電波を十分抑圧しても、下り回線での干渉は抑圧できないため、結局、回線容量を増大することはできない。
この不一致を解消するために、図７に示すように、上り回線用重みＷ１〜Ｗ８を、補正回路１６で、送信周波数と受信周波数との周波数偏差の分だけ数値演算的に補正を行い、これら補正した重みＷ１′〜Ｗ８′を送信用重み付与回路Ｍｔ１〜Ｍｔ８にそれぞれ与えることが考えられる。しかしこの場合は特定のビームや零点のみにしか適用できない。更に余分な処理時間がかかり、適応性に問題があり、必ずしも正しい制御を行うことができない。なお図７において、受信用重み付与回路Ｍｒ１〜Ｍｒ８、合成回路１２は、図を簡略するため省略して示した。
【０００９】
この発明の目的は、受信アンテナ指向特性パターンと送信アンテナ指向特性パターンとを、時間遅れを伴うことなく、一致させることができるアダプティブアレーアンテナを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、複数のアンテナ素子が送受信搬送波周波数比に等しい等比間隔で配列され、アンテナ素子配列方向において、その全素子数Ｎより少ない、つまりＮ−１以下で２分の１より多い、つまり（Ｎ／２）＋１以上の連続したアンテナ素子が受信用とされ、これら受信用アンテナ素子に対し、その素子配列方向にずらされた、全素子数Ｎより少ない（Ｎ−１以下）が２分の１より多い（（Ｎ／２）＋１以上）連続したアンテナ素子が送信用とされ、従って少なくとも１つのアンテナ素子が送信用と受信用とに共用され、受信信号から求めた各アンテナ素子の受信信号に対して与える重みを、受信用アンテナ素子配列と送信用アンテナ素子配列とのずれだけずらして送信用アンテナ素子への各送信信号に対して重みを与える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明の実施例を示し、図５と対応する部分に同一参照記号を付けてある。この例は１次元アレーの場合である。この発明ではアンテナ素子Ａ１〜Ａ８は、送信搬送波周波数ｆｔ（波長λｔ）と受信搬送波周波数ｆｒ（波長λｒ）との比に等しい等比間隔で配列される。また受信用アンテナ素子列と送信用アンテナ素子列は、その素子配列方向においてずらされているが、少くとも１つのアンテナ素子は受信用と送信用とに兼用される。
【００１２】
また受信用素子配列と送信用素子配列とのずらされたアンテナ素子数をｎ、Ｒ＝λｔ／λｒ＝ｆｒ／ｆｔ、σ＝Ｒ^1/nとすると、図１において中央部のアンテナ素子Ａ４とＡ５の間隔はｄ、それより図１において右側の各隣接アンテナ素子間隔はそれぞれ中央部から離れるに従ってｄ／σ、ｄ／σ²，ｄ／σ³とされ、左側の各隣接アンテナ素子間隔はそれぞれ中央部から離れるに従ってσｄ、σ²ｄ，σ³ｄとされる。
【００１３】
この実施例では、送受信搬送波周波数比ｆｒ／ｆｔ＝０．９のＦＤＤ（周波数分割半二重通信）方式において８素子アレーアンテナ構成とした場合で、アンテナ素子Ａ２〜Ａ８が受信用とされ、アンテナ素子Ａ１〜Ａ７が送信用とされ、つまりこれら受信用アンテナ素子列と送信用アンテナ素子列とのずれｎは１の場合である。アンテナ素子間隔をＲとｄにより示すと、左からＲ³ｄ，Ｒ²ｄ，Ｒｄ，ｄ，ｄ／Ｒ，ｄ／Ｒ²，ｄ／Ｒ³となる。受信機Ｒｘ２〜Ｒｘ８の受信出力信号（ベースバンド信号）が重み決定回路１１に入力され、受信用重み付与回路Ｍｒ２〜Ｍｒ８にそれぞれ与える重みＷ２〜Ｗ８が計算される。受信機Ｒｘ２〜Ｒｘ８の受信出力信号に対し、回路Ｍｒ２〜Ｍｒ８でそれぞれ重みＷ２〜Ｗ８が与えられ、これら重みが与えられた信号が合成回路１２で合成された受信信号として出力される。
【００１４】
一方、送信信号は分配回路１３で７分配され、送信用重み付与回路Ｍｔ１〜Ｍｔ７に入力され、それぞれ前記重みＷ２〜Ｗ８が補正されることなくそのまま付与され、これら送信用重み付与回路Ｍｔ１〜Ｍｔ７の出力が送信機Ｔｘ１〜Ｔｘ７で高周波信号とされてアンテナ素子Ａ１〜Ａ７に給電される。つまり受信用アンテナ素子Ａ２〜Ａ８の受信信号に対して与える重みＷ２〜Ｗ８を、その配列関係を保ったまま、受信用アンテナ素子列と送信用アンテナ素子列とのずれだけずらして、送信用アンテナ素子Ａ１〜Ａ７への送信信号に対して重みを与える。
【００１５】
いま図２Ａ，Ｂに示すようにアンテナ素子間隔を送受信搬送波周波数比に等しい等比間隔で配列し、受信アンテナ素子列と送信アンテナ素子列とのずれであるアンテナ素子数ｎ＝１の場合、各アンテナ素子間隔を受信搬送波周波数で規格化すると、つまり受信波長λｒで割算すると、図２Ｃに示すようになり、また送信搬送波周波数で規格化すると図２Ｄに示すようになる。これら規格化アンテナ素子間隔は受信波長λｒで規格化したもの（図２Ｃ）を、送受信用のアンテナ素子のずれ数ｎ＝１だけ図２において左にずらすと、つまり送信用アンテナ素子列側に移動すると、送信波長λｔで規格化した間隔（図２Ｄ）と同一になる。
【００１６】
従って、図１に示すように受信用アンテナ素子Ａ２〜Ａ８の受信信号に対し与える重みＷ２〜Ｗ８を、送信用アンテナ素子Ａ１〜Ａ７の送信信号に与えると、受信アンテナ指向特性と、送信アンテナ指向特性とが同一パターンとなる。図１に示した実施例において、電子計算機シュミレーションにより求めた水平面指向特性は図３に示すようになり、受信パターン曲線１７と送信パターン曲線１８とはほぼ一致し、干渉波方向を完全に一致させることができる。
【００１７】
ちなみに、受信アンテナ素子列と送信アンテナ素子列とのずれのアンテナ素子数をｎ＝３とした場合、σ＝Ｒ^1/3となり、受信波長λｒで規格化したアンテナ素子間隔は図２Ｅに示すようになり、送信波長λｔで規格化したアンテナ素子間隔は図２Ｆに示すようになる。この場合も図２Ｅの各値をずれのアンテナ素子数ｎ＝３だけ図において左へずらせば、アンテナ素子間隔は同一となる。つまり受信用アンテナ素子Ａ４〜Ａ９の受信信号に対し与える重みＷ４〜Ｗ９を、送信用アンテナ素子Ａ０〜Ａ６への送信信号にそれぞれ与えればよい。
【００１８】
この発明は２次元アレーアンテナにも適用できる。図４にその実施例を示す。ここでは説明のため送受信搬送波周波数比ｆｒ／ｆｔ＝０．９のＦＤＤ方式システムにおいて、８素子×１０素子アレーアンテナ構成の場合である。この場合は図１に示したと同様に水平方向アレーにこの発明を適用すると共に垂直方向アレーにも適用している。受信用アンテナ素子としてＡ２２〜Ａ２８，Ａ３２〜Ａ３８，…Ａ１０２〜Ａ１０８が用いられ、送信用アンテナ素子としてＡ１１〜Ａ１７，Ａ２１〜Ａ２７，…Ａ１０１〜Ａ１０７が用いられる。これら受信用２次元アレーアンテナ２１の各隣接素子間隔を、受信波長λｒで規格化したものと、送信用２次元アレーアンテナ２２の隣接素子間隔を送信波長λｔで規格化したものとは互いに等しいものとなる。よって図１に示した実施例と同様に、受信用２次元アレーアンテナの各受信信号に対して与えた重みを、送信用２次元アレーアンテナの対応するアンテナ素子に対する送信信号に対し与えれば、受信パターンと同一の送信パターンを３次元的に生成することができる。
【００１９】
この２次元アレーアンテナにおいても、受信用２次元アレーアンテナと送信用２次元アレーアンテナとのずれは、１アンテナ素子に限らないがアンテナ素子配列方向（水平方向又は垂直方向）において少くとも１つのアンテナ素子を共用するようにする。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、送信パターンを受信パターンと同一にすることができ、しかも、受信パターンを得るために用いた重みをそのまま用いて、送信パターン形成に利用できるため、送信パターンの制御を、受信パターンの制御と同時に行うことができ、送受信の干渉改善のバランスが良くなる。従って回線容量の大幅な増加を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を１次元アレーアンテナに適用した実施例を示す図。
【図２】等比アンテナ間隔と、その受信波長で規格化した値と、送信波長で規格化した値の例を示す図。
【図３】この発明の実施例における受信アンテナと送信アンテナの各水平面指向性を示す図。
【図４】この発明を２次元アレーアンテナに適用した実施例を示す図。
【図５】従来の送受信兼用アダプティブアレーアンテナを示す図。
【図６】図５に示したアレーアンテナの送信時と受信時における各水平面指向性を示す図。
【図７】従来の送受信兼用アダプティブアレーアンテナの他の例を示す図。

Claims (2)

1. 複数のアンテナ素子が送受信搬送波周波数比に等しい等比間隔で配列され、
   アンテナ素子配列方向において、その全素子数より少ないが２分の１より多い連続したアンテナ素子が受信用とされ、これら受信用アンテナ素子に対しその素子配列方向にずらされた、全素子数より少ないが２分の１より多い連続したアンテナ素子が送信用とされ、少くとも１つのアンテナ素子が送受共用とされ、
   各受信用アンテナ素子の受信信号に対し、それぞれ指向特性制御用の重みを与える受信用重み付与回路が設けられ、
   各送信用アンテナ素子の送信信号に対し、それぞれ指向特性制御用の重みを与える送信用重み付与回路が設けられ、
   受信信号から各受信用重み付与回路に与える重みを適応的に求める重み決定回路を備え、
   アンテナ素子配列方向において、その受信用重み付与回路に与えられた各重みが、上記受信用アンテナ素子配列と送信用アンテナ素子配列とのずれの関係を保持した状態で送信用重み付与回路にそれぞれ与えられることを特徴とするアダプティブアレーアンテナ。
2. 上記受信搬送波周波数の波長をλｒ、送信搬送波周波数の波長をλｔ、Ｒ＝λｔ／λｒ、上記受信用アンテナ素子配列と送信用アンテナ素子配列との上記ずらされたアンテナ素子数をｎ、ｄ＝λｒ／２，σ＝Ｒ^1/nとすると、アンテナ素子配列における中央の隣接アンテナ素子の間隔はｄであり、これより一方側における隣接アンテナ素子間隔はその中央から遠去かるに従って、順次σｄ，σ²ｄ，σ³，…とされ、他方側においてｄ／σ，ｄ／σ²，ｄ／σ³，…とされていることを特徴とする請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ。

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