JP4384658B2 - 可変電気的傾斜を有する位相アレイアンテナシステム - Google Patents

Description

本発明は、可変電気的傾斜を有する位相アレイアンテナシステムに関する。アンテナシステムは、多くの通信システムにおいて使用されるのに適切であるが、一般にモバイル電話ネットワークと呼ばれるセルラモバイル無線ネットワークにおいて広く応用される。より具体的であるが、非限定的に、本発明のアンテナシステムは、ＧＳＭシステムなどの第２世代（２Ｇ）モバイル電話ネットワークおよびユニバーサルモバイル電話システム（ＵＭＴＳ）などの第３世代（３Ｇ）モバイル電話ネットワークと共に使用されることが可能である。

セルラモバイル無線ネットワークのオペレータが、それぞれが少なくとも１つのアンテナを有する自分自身のベース局を一般に使用する。セルラモバイル無線ネットワークでは、アンテナは、ベース局への通信を行うことができるカバレージエリアを画定する主要なファクタである。カバレージエリアは、それぞれのアンテナおよびベース局に各々が関連付けられるいくつかの重なり合うセルに一般に分割される。

各セルは、モバイル無線のすべてがそのセルにある無線通信のためのベース局を含む。ベース局は、格子またはメッシュの構造に構成される通常は固定ランド線である他の通信手段によって相互接続され、それにより、セルカバレージエリアにわたるモバイル無線が、互いに、ならびにセルラモバイル無線ネットワーク外の公衆電話ネットワークと通信することが可能になる。

位相アレイアンテナを使用するセルラモバイル無線ネットワークが既知である。そのようなアンテナは、ダイポールまたはパッチなどのアレイ（通常８つ以上）の個々のアンテナ要素を備える。アンテナは、メインローブおよびサイドローブを組み込む放射パターンを有する。メインローブの中心は、受信モードにおけるアンテナの最大感度方向および送信モードにおける主要出力放射ビームの方向である。アンテナ要素によって受信された信号が、アレイの縁からの要素の距離と共に変化する遅延によって遅延される場合、アンテナの主要放射ビームが、遅延を増大させる方向に向けられることが、位相アレイアンテナのよく知られている特性である。遅延のゼロおよび非ゼロの変化に対応する主要放射ビームの中心間の角度、すなわち傾斜角度は、アレイの両端の距離に関する遅延の変化率に依存する。

遅延は、信号の位相を変化させることによって、したがって表示位相アレイによって同等に実施されることが可能である。したがって、アンテナパターンの主要ビームは、アンテナ要素に供給される信号間の位相関係を調節することによって変化させることができる。これにより、アンテナのカバレージエリアを修正するために、ビームを操作することが可能になる。

セルラモバイル無線ネットワークの位相アレイアンテナのオペレータが、アンテナの垂直放射パターン、すなわち垂直面におけるパターンの断面を調節する要求を有する。これは、アンテナのカバレージエリアを調節するために、「傾斜」としても知られているアンテナの主要ビームの垂直角度を変化させるために必要である。そのような調節は、たとえば、セルラネットワーク構造、またはベース局もしくはアンテナの数の変化を補償するために必要とされ得る。アンテナの傾斜角度の調節は、機械的および電気的の両方が単独または組み合わされて知られている。

アンテナの傾斜角度は、アンテナ要素またはそのハウジング（レードーム）を移動させることによって、機械的に調節することが可能である。これは、「機械的傾斜」角度を調節すると呼ばれる。以前に記述されたように、アンテナの傾斜角度は、物理的に移動させずに、各アンテナアレイ要素（または要素のグループ）から供給または受信される信号の時間遅延または位相を変化させることによって、電気的に調節することが可能である。これは、「電気的傾斜」角度の調整と呼ばれる。

セルラモバイル無線ネットワークにおいて使用されるとき、位相アレイアンテナの垂直放射パターン（ＶＲＰ）が、いくつかの重要な要件を有する。
１．高いボアサイト利得
２．異なるネットワークのベース局を使用するモバイルに対する干渉を回避するように十分低い第１上方サイドローブレベル
３．アンテナの直近における通信を可能にするように十分高い第１下方サイドローブレベル

要件は、相互に競合し、たとえば、ボアサイト利得を増大させると、サイドローブのレベルが増大する。ボアサイトレベルに対して−１８ｄＢの第１上方サイドローブレベルが、システム性能全体について好都合な妥協を提供することが判明した。

機械的傾斜角度または電気的傾斜角度を調節する効果は、垂直面にあるアレイについて、ボアサイトが水平面より上または下を指し、したがってアンテナのカバレージエリアを変化させるように、ボアサイトを再配置することである。セルラ無線ベース局のアンテナの機械的傾斜および電気的傾斜の両方を変化させることができることが望ましい。これにより、セルカバレージを最大に柔軟に最適化することが可能になるが、その理由は、傾斜のこれらの形態が、アンテナの地面カバレージに対して、および局の直近にある他のアンテナに対しても、異なる効果を有するからである。また、電気的傾斜角度をアンテナアセンブリから遠隔的に調節することができる場合、動作効率が改善される。レードームを再配置することによって、アンテナの機械的傾斜角度を調節することが可能であるが、電気的傾斜角度を変化させることは、アンテナのコストおよび複雑さを増大させる追加の電気回路を必要とする。さらに、信号アンテナがいくつかのオペレータの間で共有される場合、各オペレータについて異なる電気的傾斜角度を提供することが好ましい。

共有アンテナから個々の電気的傾斜角度を必要とすることにより、これまで、アンテナの性能が損なわれてきた。ボアサイト利得は、アンテナの有効アパーチャの減少により、傾斜角度の余弦に比例して減少する（これは、不可避であり、すべてのアンテナ設計において生じる）。傾斜角度を変化させるために使用される方法の結果として、ボアサイト利得がさらに低減される可能性がある。

Ｒ．Ｃ．ジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ）、Ａｎｔｅｎｎａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、第３版、１９９３年、ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ、ＩＳＢＮ０−０７−０３２３８１−Ｘ、Ｃｈ２０、図２０−２が、位相アレイアンテナの電気的傾斜角度を局所的または遠隔的に調節する、知られている方法を開示する。この方法では、無線周波数（ＲＦ）送信器搬送波信号が、アンテナに供給され、アンテナの放射要素に分配される。各アンテナ要素は、それに関連付けられたそれぞれの位相シフタを有し、それにより、アンテナの電気的傾斜角度を変化させるために、アンテナの両端の距離に応じて、信号の位相を調節することができる。アンテナが傾斜していないときのアンテナ要素への電力の分配は、サイドローブレベルおよびボアサイト利得を設定するように配分される。サイドローブレベルが傾斜領域にわたって増大しないように、位相面がすべての傾斜角度について制御されるとき、傾斜角度の最適な制御が得られる。電気的傾斜角度は、必要であれば、位相シフタを制御するためにサーボ機構を使用することによって、遠隔的に調節することができる。

この従来の技術の方法のアンテナは、いくつかの欠点を有する。位相シフタが、各アンテナ要素について必要とされる。アンテナのコストは、必要とされる位相シフタの数のために高くなる。個々の要素の代わりにアンテナ要素のグループに遅延装置を加えることによるコスト低減が、サイドローブのレベルを増大させる。遅延装置の機械的結合が、遅延を調節するために使用されるが、これを適切に実施することが困難であり、さらに、機械的連結およびギアが必要とされ、その結果、遅延の分配が最適ではなくなる。アンテナが下方に傾斜して、他のベース局を使用するモバイルに対する潜在的な干渉源となるとき、上方サイドローブレベルは増大する。アンテナがいくつかのオペレータによって共有される場合、オペレータは、異なる角度の代わりに、共通の電気的傾斜角度を有する。最後に、アンテナが、（通常のように）異なる周波数にあるアップリンクおよびダウンリンクを有する通信システム（周波数分割２重システム）において使用される場合、送信の電気的傾斜角度は、受信の電気的傾斜角度とは異なる。

国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００２／００４１６６およびＰＣＴ／ＧＢ２００２／００４９３０は、アンテナに接続された１対の信号フィード間における位相差によって、アンテナの電気的傾斜角度を局所的または遠隔的に調節することを開示する。

本発明の目的は、位相アレイアンテナシステムの代替形態を提供することである。

本発明は、可変電気的傾斜を有し、かつアンテナ要素のアレイを含む位相アレイアンテナシステムを提供し、
ａ）無線周波数（ＲＦ）搬送波信号を第１信号および第２信号に分割するための分割器と、
ｂ）第１信号と第２信号との間に可変相対位相シフトを導入するための可変位相シフタと、
ｃ）相対的に位相シフトされた第１信号および第２信号を、電力が相対位相シフトの関数である信号に変換するための位相電力変換器と、
ｄ）変換された信号を少なくとも２つのセットの分割信号に分割し、セットの分割信号の総数が、アレイのアンテナ要素の数に少なくとも等しい、第１電力スプリッタおよび第２電力スプリッタと、
ｅ）アレイの中心に関して等距離に配置されたアンテナ要素のそれぞれの対に供給される適切な位相を有するベクトル和および差成分を提供するために、異なる電力スプリッタからの分割信号の対を組み合わせるための電力位相変換器とを組み込むことを特徴とする。

様々な実施形態において、本発明は、様々な利点、すなわち、
ａ）電気的傾斜角度を設定するために、オペレータあたり唯一の位相シフタまたは時間遅延装置しか必要としないこと、
ｂ）良好なレベルのサイドローブ抑制を提供することができること、
ｃ）下方に傾斜されるとき、制御された上方サイドローブレベルを有すること、
ｄ）共有アンテナとして使用されるとき、異なるオペレータについて異なる傾斜角度を提供することができること、
ｅ）電気的傾斜角度の局所的または遠隔的な制御を提供することができること、
ｆ）同様の性能レベルを有する現在のアンテナより低いコストで実施することができること、および
ｇ）オペレータの選択において、受信周波数における電気的傾斜角度と同じまたは異なる電気的傾斜角度を送信周波数において有することができること、を提供するように構成することができる。

本発明のシステムは、アンテナ要素の各等距離対の中心に配置された中央アンテナ要素を備える奇数のアンテナ要素を有することが可能である。システムは、位相電力変換器と第１電力スプリッタおよび第２電力スプリッタの一方との間に接続され、かつ位相電力変換器からの電力のある割合を中央要素にそらすように構成された第３電力スプリッタを含むことが可能である。

位相電力変換器および電力位相変換器は、位相シフタと９０度または１８０度のハイブリッドカプラとの組合せとすることが可能である。分割器、位相シフタ、位相電力変換器、電力位相変換器、および電力スプリッタは、アンテナアセンブリとして、アンテナ要素のアレイと同じ場所に配置されることが可能であり、アセンブリは、遠隔源からの単一ＲＦ入力電力フィードを有することが可能である。

分割器および位相シフタは、代替として、アンテナアセンブリとして同じ場所に配置される位相電力変換器、電力位相変換器、電力スプリッタ、およびアンテナ要素のアレイから離れて配置されることが可能であり、アセンブリは、遠隔源からの２重ＲＦ入力電力フィードを有することが可能である。これらは、電気的傾斜角度を変化させる際にオペレータによって使用されるように、遠隔源と同じ場所に配置されることが可能である。

システムは、アンテナシステムを共有する異なるオペレータからの信号を組み合わせる、またはそのオペレータへの信号を分割するために、デュプレクサを含むことが可能である。電力スプリッタは、アンテナアレイの中心の最大からアレイ端部における最小まで降下する駆動電圧を受け取るアンテナ要素が提供するように、構成されることが可能である。

１つの電力スプリッタが、アンテナアレイにわたって漸進的位相面を確立するのに適切であるように、アンテナアレイの中心およびその端部にそれぞれ関連付けられる最小から最大まで上昇する１セットの電圧を提供するように構成されることが可能であり、位相面は、妥当なボアサイト利得およびサイドローブ抑制について必要とされるように、傾斜角度が傾斜の作業領域において増大する際にほぼ線形である。

代替態様において、本発明は、アンテナ要素のアレイを含む位相アレイアンテナシステムにおいて可変電気的傾斜を提供する方法を提供し、該方法は、
ａ）無線周波数（ＲＦ）搬送波信号を第１信号および第２信号に分割するステップと、
ｂ）第１信号と第２信号との間に可変相対位相シフトを導入するステップと、
ｃ）電力が相対位相シフトの関数である信号に相対的に位相シフトされた第１信号および第２信号を変換するステップと、
ｄ）変換信号を分割信号の少なくとも２つのセットに分割するために電力スプリッタを使用し、セットの分割信号の総数がアレイのアンテナ要素の数に少なくとも等しいステップと、
ｅ）適切な位相を有するベクトル和および差成分を提供するために、異なる電力スプリッタからの分割信号の対を組み合わせて、アレイの中心に関して等距離にあるアンテナ要素のそれぞれの対にその成分を供給するステップとを組み込むことを特徴とする。

アンテナアレイは、等距離アンテナ要素の各対の中心に配置される中央アンテナ要素（Ｅ０）を備える奇数のアンテナ要素（Ｅ０からＥ７Ｌ）を有することが可能である。位相アレイアンテナシステムは、電力が相対位相シフトの関数である信号の１つを受信するために接続された第３電力スプリッタを含むことが可能であり、該方法は、そのようなスプリッタを使用して、そのような信号の電力のある割合を中央アンテナ要素にそらすことを含む。

相対的に位相シフトされた第１信号および第２信号を変換することと、分割信号の対を組み合わせることとは、９０度または１８０度のハイブリッドカプラを組み込む位相電力変換器および電力位相変換器をそれぞれ使用して実施されることが可能である。

該方法のステップａ）からｅ）は、遠隔源からの単一ＲＦ入力電力フィードの入力を有するアンテナアセンブリを形成するように、アンテナ要素のアレイと同じ場所に配置される構成要素を使用して実施されることが可能である。代替として、ステップａ）およびｂ）は、アンテナ要素のアレイから離れて配置される構成要素を使用して実施されることが可能であり、ステップｃ）からｅ）は、アレイと同じ場所に配置され、かつ遠隔源からの２重ＲＦ入力電力フィードを有するアンテナアセンブリをアレイと共に形成する構成要素を使用して実施される。ステップｂ）は、電気的傾斜角度を変化させるために、相対位相シフトを変化させることを含むことが可能である。

該方法は、アンテナシステムを共有する異なるオペレータからの信号を組み合わせる、またはそのオペレータへの信号を分割することを含むことが可能である。これは、アンテナアレイの中心の最大からアンテナ端部の最小まで降下する駆動電圧を受け取るようにアンテナ要素を提供することを含むことが可能である。

ステップｄ）は、アンテナアレイにわたって漸進的位相面を確立するのに適切であるように、アンテナアレイの中心およびその端部にそれぞれ関連付けられる最小から最大に上昇するように１セットの分割信号を提供することを含むことが可能である。位相面は、妥当なボアサイト利得およびサイドローブ抑制に必要とされるように、傾斜角度が傾斜の作業領域において増大する際に、ほぼ線形である。

本発明をより完全に理解することが可能であるように、ここで、添付の図面を参照して、実施形態を単に例示として記述する。

図１を参照すると、個々のアンテナ要素の位相アレイ（図示せず）であるアンテナ１２の垂直放射パターン（ＶＲＰ）１０ａおよび１０ｂが示されている。アンテナ１２は、平面であり、中心１４を有し、図面の平面に垂直に延びる。ＶＲＰ１０ａおよび１０ｂは、アンテナ要素信号の遅延または位相のゼロおよび非ゼロの変化にそれぞれ対応し、アレイ要素の間隔は、アレイの縁からアンテナ１２を横断する。これらは、それぞれのメインローブ１６ａ、１６ｂ、ならびに中心線または「ボアサイト」１８ａ、１８ｂ、第１上方サイドローブ２０ａ、２０ｂ、および第１下方サイドローブ２２ａ、２２ｂを有する。１８ｃは、非ゼロ等化物１８ｂとの比較のために、遅延の変化がゼロであるボアサイト方向を示す。サイドローブ２０など、添え字ａまたはｂを有さずに参照されるとき、該当する要素の対のどちらかが、区別せずに参照されている。ＶＲＰ１０ｂは、ＶＲＰ１０ａに対して傾斜している（示されるように下方に）。すなわち、主要ビーム中心線１８ｂと、遅延がアンテナ１２の両端の距離と共に変化する率に依存する大きさを有する１８ｃとの間に、角度（傾斜角度）が存在する。

ＶＲＰは、いくつかの基準を満たさなければならない：ａ）高いボアサイト利得、ｂ）第１上方サイドローブ２０は、他のベース局を使用するモバイルに対する干渉を生じるのを回避するように十分低いレベルにあるべきである、ｃ）第１下方サイドローブ２２は、アンテナ１２の直近において通信が可能であるように十分なレベルにあるべきである。これらの要件は、相互に競合し、たとえば、ボアサイト利得を最大にすると、サイドローブ２２、２２が増大する。ボアサイトレベルに対して（主要ビーム１６の長さ）、−１８ｄＢの第１上方サイドローブレベルが、システム性能全体について好都合な妥協を提供することが判明した。ボアサイト利得は、アンテナの有効アパーチャの減少のために、傾斜角度の余弦に比例して減少する。傾斜角度がどの程度変化するかに応じて、ボアサイト利得がさらに減少する可能性がある。

機械的傾斜角度または電気的傾斜角度を調節する効果は、ボアサイトが、水平面より上または下を指し、したがって、アンテナのカバレージエリアを調節するようにボアサイトを再配置することである。最大に柔軟に使用するために、セルラ無線ベース局が、機械的傾斜および電気的傾斜の両方を利用可能であることが好ましいが、その理由は、それぞれが、地面カバレージに対して、および直近にある他のアンテナに対しても、異なる効果を有するからである。また、アンテナの電気的傾斜をアンテナから遠隔的に調節することができる場合、好都合である。さらに、単一のアンテナがいくつかのオペレータ間において共有される場合、各オペレータについて異なる電気的傾斜角度を提供することが好ましいが、これは、従来の技術ではアンテナの性能を損なう。

ここで図２を参照すると、電気的傾斜角度が調節可能である従来の技術の位相アレイアンテナシステム３０が示されている。システム３０は、無線周波数（ＲＦ）送信器搬送波信号のための入力３２を組み込み、入力は、電力分配ネットワーク３４に接続される。ネットワーク３４は、位相シフタＰｈｉ．Ｅ０、Ｐｈｉ．Ｅ１ＬからＰｈｉ．Ｅ［ｎ］Ｌ、およびＰｈｉ．Ｅ１ＵからＰｈｉ．Ｅ［ｎ］Ｕを介して、位相アレイアンテナシステム３０のそれぞれの放射アンテナ要素Ｅ０、Ｅ１ＬからＥ［ｎ］Ｌ、およびＥ１ＵからＥ［ｎ］Ｕにそれぞれ接続される。ここで、添え字ＵおよびＬは、それぞれ上方および下方を指し、ｎは、位相アレイのサイズを画定する１より大きい任意の正の整数であり、該当要素を示す３６などの点線は、任意の望ましいアレイサイズについて必要に応じて複製される、または除去されることが可能である。

位相アレイアンテナシステム３０は、以下のように動作する。ＲＦ送信器搬送波信号が、入力３２を介して電力分配ネットワーク３４に供給される。ネットワーク３４は、この信号を位相シフタＰｈｉ．Ｅ０、Ｐｈｉ．Ｅ１ＬからＰｈｉ．Ｅ［ｎ］Ｌ、およびＰｈｉ．Ｅ１ＵからＰｈｉ．Ｅ［ｎ］Ｕの間で分割し（必ずしも等しくない）、これらの位相シフタは、それぞれの分割信号を位相シフトさせて、位相シフトを有する分割信号を関連するアンテナ要素Ｅ０、Ｅ１ＬからＥ［ｎ］Ｌ、Ｅ１ＵからＥ［ｎ］Ｕにそれぞれ渡す。位相シフトは、適切な電気的傾斜角度を選択するように選ばれる。傾斜角度がゼロであるときのアンテナ要素Ｅ０などの間における電力分配は、サイドローブレベルおよびボアサイト利得を適切に設定するように選択される。サイドローブレベルが傾斜領域にわたって著しく増大しないように、要素Ｅ０などのアレイにわたる位相面が全傾斜角度について制御されるとき、電気的傾斜角度の最適な制御が得られる。電気的傾斜角度は、必要であれば、機械的に作動されることが可能である位相シフタＰｈｉ．Ｅ０、Ｐｈｉ．Ｅ１ＬからＰｈｉ．Ｅ［ｎ］Ｌ、およびＰｈｉ．Ｅ１ＵからＰｈｉ．Ｅ［ｎ］Ｕを制御するためにサーボ機構を使用することによって、遠隔的に調節することができる。

位相アレイアンテナシステム３０は、以下のようにいくつかの欠点を有する。
ａ）位相シフタが、各アンテナ要素、または（より有利ではなく）要素のグループにつき、必要とされる。
ｂ）アンテナのコストが、必要な位相シフタの数のために高い。
ｃ）個々のアンテナ要素の代わりに要素のぞれぞれのグループに位相シフタを適用することによるコスト低減が、サイドローブのレベルを増大させる。
ｄ）遅延を適切に設定するための位相シフタの機械的結合が困難であり、機械的連結およびギアが使用され、その結果、最適ではない遅延方式となる。
ｅ）アンテナが下方に傾斜されるとき、上方サイドローブレベルが増大し、それにより、他のベース局を使用するモバイルに対する潜在的な干渉源が生じる。
ｆ）アンテナが異なるオペレータによって共有される場合、すべてが、同じ電気的傾斜角度を使用しなければならない。
ｇ）異なる周波数におけるアップリンクおよびダウンリンクを有するシステム（周波数分割２重システム）において、送信モードの電気的傾斜角度が、受信モードの電気的傾斜角度と異なる。

ここで図３を参照すると、調節可能な電気的傾斜角度を有する本発明の位相アレイアンテナシステム４０が示されている。システム４０は、ＲＦ送信器搬送波信号の入力４２を組み込む。入力４２は、入力として電力スプリッタ４４に接続され、電力スプリッタ４４は、２つの出力信号Ｖ１ａ、Ｖ１ｂを提供し、これらは、それぞれ可変位相シフタ４６および固定位相シフタ４８への入力信号である。位相シフタ４６および４８は、同等に遅延と見なされることが可能である。これらは、それぞれの出力信号Ｖ２ａおよびＶ２ｂを位相電力変換器５０に提供し、位相電力変換器５０は、出力信号Ｖ３ａおよびＶ３ｂを２つの電力スプリッタ５２および５４にそれぞれ提供する。位相電力変換器５０は、以下でより詳細に記述される。電力スプリッタ５２および５４は、５２ａおよび５４ａなどｎの出力をそれぞれ有する。ここで、ｎは、２以上の正の整数であり、点矢印出力５２ｂおよび５４ｂは、各場合の出力を示し、任意の望ましい位相アレイサイズの必要に応じて複製されることが可能である。

５２ａおよび５４ａなどの電力スプリッタ出力は、信号Ｖａ１からＶａ［ｎ］およびＶｂ１からＶｂ［ｎ］をそれぞれ出力し、これらは、対Ｖａｉ／Ｖｂｉ（ｉ＝１からｎ）にグループ分けされ、各スプリッタからの１つの信号が各対にあり、信号Ｖａｉ／Ｖｂｉの各対は、それぞれの電力位相変換器５６_ｉに接続される（図示せず）。第１電力位相変換器５６_１が、入力Ｖａ１／Ｖｂ１を受信し、それぞれの固定位相シフタ５８Ｕ１および５８Ｌ１を介して、アレイ６０の最内要素である等間隔位相アレイアンテナ要素６０Ｕ１および６０Ｌ１の第１対に駆動信号を提供する。６０Ｕ１および６０Ｌ１などの隣接アンテナ要素の対が、中心間隔６２だけ離れて間隔をおいて配置される。第２電力位相変換器５６_２が、入力信号Ｖａ２およびＶｂ２を受信する。これは、それぞれの固定位相シフタ５８Ｕ２および５８Ｌ２を介して、それぞれの最内要素６０Ｕ１および６０Ｌ１の次である位相アレイアンテナ要素６０Ｕ２および６０Ｌ２の第２対に駆動信号を提供する。同様に、ｎ番目の電力位相変換器５６_ｎが、入力Ｖａ［ｎ］／Ｖｂ［ｎ］を受信する。これは、それぞれの固定位相シフタ５８Ｕｎおよび５８Ｌｎを介して、位相アレイアンテナ要素６０ｎおよび６０Ｌｎのｎ番目の対に駆動信号を提供する。このｎ番目の対は、それぞれの最内要素６０Ｕ１および６０Ｌ１から（ｎ−１）の中心間隔６２離れている中心６４を有する。ここで、以前と同様に、ｎは、２以上の任意の正の整数であるが、電力スプリッタ５２および５４のｎの値と等しく、位相アレイのサイズは、２ｎアンテナ要素である。電力位相変換器５６_ｎおよび最外アンテナ要素６０Ｕｎおよび６０Ｌｎは、それらが、任意の望ましい位相アレイサイズの必要に応じて複製されることが可能であることを示すために、点線で示されている。

位相アレイアンテナ要素４０は、以下のように動作する。ＲＦ送信器搬送波信号が、入力４２を介して電力スプリッタ４４に供給され（単一フィーダ）、そこで、等しい電力の信号Ｖ１ａおよびＶ１ｂに分割される。信号Ｖ１ａおよびＶ１ｂは、それぞれ、可変位相シフタ４６および固定位相シフタ４８に供給される。可変位相シフタ４６は、オペレータ選択可能位相シフトまたは時間遅延を加え、ここで加えられる位相シフトの程度は、アンテナ要素５８Ｕ１などの位相アレイの電気的傾斜角度を制御する。固定位相シフタ４８は、便宜上可変位相シフタ４６によって適用可能である最大位相シフトφ_Ｍの半分であるように構成される固定位相シフトを加える。これにより、Ｖ１ａは、Ｖ１ｂに対して−φ_Ｍ／２から＋φ_Ｍ／２の範囲において位相が変化することが可能になり、これらの信号は、位相シフト後、位相シフタ４６および４８から出力された後、前述されたようにＶ２ａおよびＶ２ｂとなる。

位相電力変換器５０は、入力信号Ｖ２ａとＶ２ｂとを組み合わせて、それらから、入力間の相対位相差に依存する電力を互いに関して有する２つの出力信号Ｖ３ａおよびＶ３ｂを生成する。電力スプリッタ５２および５４は、信号Ｖ３ａおよびＶ３ｂを、ｎの出力信号Ｖａ１からＶａ［ｎ］およびＶｂ１からＶｂ［ｎ］にそれぞれ分割し、各セットＶａ１などまたはＶｂ１などの各信号の電力は、そのセットの他の信号の電力と必ずしも等しくない。スプリッタ５２は、アンテナ要素電力を制御する「振幅テーパスプリッタ」であり、スプリッタ５４は、傾斜を制御する「傾斜スプリッタ」である。

セットＶａ１など、およびＶｂ１などにわたる信号電力の変化は、アレイ６０のアンテナ要素６０Ｕ１などの異なる数について異なり、例が、固定サイズのアレイについて後に記述される。

出力信号Ｖａ１／Ｖｂ１からＶａ［ｎ］およびＶｂ１からＶｂ［ｎ］は、異なるスプリッタからであるが、同じ参照添え字を有する対、すなわち対Ｖａ１／Ｖｂ１、Ｖａ２／Ｖｂ２などにグループ分けされる。対Ｖａ１／Ｖｂ１などは、間に相対位相差を有する２つのアンテナ要素駆動信号に各対を変換するそれぞれの電力位相変換器５６_１などに供給される。各駆動信号は、それぞれの固定位相シフタ５８Ｕ１などを介して、それぞれのアンテナ要素６０Ｕ１などに進む。固定位相シフタ５８Ｕ１などは、異なるアンテナ要素６０Ｕ１などの間においてアレイ６０にわたる要素の幾何学的位置に応じて線形に変化する固定位相シフトを課す。これは、可変位相シフタ４６によって課される信号Ｖ１ａとＶ１ｂとの位相差がゼロであるとき、アレイ６０のボアサイトについてゼロ基準方向（図１の１８ａまたは１８ｂ）を設定する。固定位相シフタ５８Ｕ１などは本質的ではないが、これらは、ａ）傾斜プロセスによって導入される位相シフトを適切に割り当てる、ｂ）傾斜領域にわたってサイドローブの抑制を最適にする、およびｃ）随意選択の固定電気的傾斜角度を導入するために使用することができる、ので好ましい。

アレイ６０の電気的傾斜角度は、１つの可変位相シフタである可変位相シフタ４６を単に使用することによって可変であることが（後述のように）分かる。これは、１つが各アンテナ要素についてである複数の可変位相シフタを有する従来の技術の要件と比較される。可変位相シフタ４６によって導入される位相差が正であるとき、アンテナは、一方向において傾斜し、位相差が負であるとき、アンテナは、反対方向において傾斜する。

何人かの使用者が存在する場合、各使用者が、それぞれの位相アレイアンテナシステム４０を有することが可能である。代替として、使用者が共通アンテナ６０を使用することが要求される場合、各使用者は、図３の５８Ｕ／５８Ｌへの要素４２のそれぞれのセットを有し、組合せネットワークが、アンテナアレイ６０に供給されるように、結果的な複数のセットの位相シフタ５８Ｕなどからの信号を組み合わせるために必要とされる。発表されている国際特許出願ＷＯ０２／０８２５８１Ａ２が、そのようなネットワークを記述する。

ここで図４を参照すると、この図は、位相シフタ４６によって導入されるＶ２ａおよびＶ２ｂ間の位相差に応じてプロットされた位相電力変換器出力信号Ｖ３ａおよびＶ３ｂの電圧を示す。ここで、Ｖ３ａおよびＶ３ｂは、１ボルトの最大値に正規化されている。信号Ｖ３ａおよびＶ３ｂの位相角度は、可変位相シフタ４６によって導入されるＶ２ａとＶ２ｂとの間の相対位相差が変化する結果として、一方の電力が減少し、他方の電力が増大するので、依然として等しく、変化していない。しかし、Ｖｂ３の負の電圧は、Ｖ３ａに対するその信号の１８０度の位相シフトを表す。

図５は、信号Ｖａ３およびＶｂ３の位相差Ｖ２ａ／Ｖ２ｂに対する１ワットに正規化された電力のプロットであることを除いて、図４と同様であり、電力は、Ｐ３ａおよびＰ３ｂによってそれぞれ表されている。それはアンテナが傾斜していないとき、すなわち、位相＝０であるとき、Ｐ３ａは最大であり、Ｐ３ｂ＝０であることを示す。したがって、すべての信号電力が、位相＝０であるとき、第１スプリッタ５２に供給され、第２スプリッタ５４は、ゼロの電力を受け取る。したがって、アンテナが傾斜していないときの電圧の分布（Ｖａ１、Ｖａ２、・・・、Ｖａ［ｎ］）は、ゼロの傾斜について、ボアサイト利得およびサイドローブのレベルを決定する。

位相アレイアンテナの要素にわたる異なる電圧分布の効果は、よく知られている。図６は、１７のアンテナ要素を有する位相アレイアンテナについて３つの異なる電圧分布を示し、電圧は、アンテナ要素の数に対してプロットされている。ここでは、アンテナ要素は、垂直面に構成されていると見なされ、中央アンテナが、番号０である。正および負のアンテナ要素番号が、各場合のアンテナ要素が中央アンテナ要素０の上または下にあるかに従って割り当てられ、各場合のアンテナ要素番号の大きさは、該当要素と中央要素との間の距離に比例する。アンテナ要素の電圧は、中央アンテナ要素電圧によって除算することによって正規化され、したがって、中央アンテナ要素０は、他のアンテナ要素に対して電圧１．０を有する。

位相アレイアンテナが、最大ボアサイト利得を有することが第１に必要である場合、アンテナ要素電圧の矩形分布が使用される、すなわち、アンテナ要素は、線形水平プロット７０によって示されるように、すべて同じ駆動電圧を有する。サイドローブレベルの最大抑制が必要とされる場合、アンテナ要素電圧の２項分布７２が使用される。代替として、一部矩形で一部２項である分布７４が使用されることが可能である。分布７４は、分布７０と７２との和の半分である。分布７２において、最外要素８および−８は、ゼロの電力を受け取り、位相アレイから省略することができる。

本発明において、サイドローブのレベルが最大電気的傾斜角度において最適化されることが有利であると判明した。したがって、サイドローブレベルは、最大より小さいすべての傾斜角度について、最大傾斜角度におけるレベルより小さい。再び図３を参照すると、位相アレイアンテナ６０を電気的に傾斜させるために、第２スプリッタ５４に供給される電力は、ゼロから増大される。次いで、ｉ番目の上方および下方アンテナ要素６０Ｕｉおよび６０Ｌｉ（ｉ＝１からｎ）は、ベクトル的に組み合わされた信号Ｖａ［ｉ］およびＶｂ［ｉ］によって決定される位相および振幅を有する駆動信号を受信する。ｉ番目の上方要素６０Ｕ［ｉ］に供給された信号の位相φｕ［ｉ］は、下式によって与えられる。

ｉ番目の下方要素６０Ｕ［ｉ］に供給された信号の位相シフトφｌ［ｉ］は、下式によって与えられる。

式（１）および（２）は、ｉ番目の上方アンテナ要素６０Ｕ［ｉ］に加えられた駆動信号の位相が、ｉ番目の下方アンテナ要素６０Ｌ［ｉ］に加えられた駆動信号の位相と反対方向にあることを示す。ここで、第２スプリッタ５４から出力される電圧は、Ｖｂ１からＶｂ［ｎ］まで増大するように選択される、すなわち、Ｖｂ［ｎ］＞・・・Ｖｂ［ｉ］＞・・・Ｖｂ２＞Ｖｂ１である。したがって、式（１）および（２）から、漸進的位相面がアンテナ６０にわたって確立され、非ゼロの電気的傾斜角度を有する。さらに、位相面は、傾斜角度が増大する際に、ほぼ線形のままであり、したがって、ボアサイト利得およびサイドローブ抑制を維持する。式（１）および（２）から、傾斜感度は、第２スプリッタ５４によって送達される電力によって決定されることが分かる。このようにして実施されるとき、位相アレイアンテナシステム４０は、１０度の位相シフトにつき、通常は１度の電気的傾斜である傾斜感度を有する。

アンテナシステム４０は、単一フィーダシステムまたは２重リーダシステムとして実施されることが可能である（各場合のオペレータにつき）。単一フィーダシステムでは、単一信号フィード４２が、マストの上に取り付けることが可能であるアンテナアレイ６０に信号Ｖｉｎを加え、図３の４４から６４は、アンテナアレイと共に取り付けられる。これは、唯一の信号フィードが遠隔使用者からアンテナシステムに進むだけでよいという利点を有するが、それに対して、遠隔オペレータが、アンテナシステムにアクセスせずに、電気的傾斜角度を調節することができない。また、信号アンテナを共有するオペレータが、すべて同じ電気的傾斜角度を有する。

デュアルフィーダシステムでは、２つの信号Ｖ２ａおよびＶ２ｂが、アンテナアレイに供給される。図３の項目４２から４８（傾斜制御構成要素）が、アンテナアレイ６０から離れている使用者と共に配置されることが可能であり、５０から６４が、アンテナアレイと共に配置される。使用者は、ここで、電気的傾斜角度を調節するために、位相シフタ４６への直接アクセスを有する。また、フィーダ間の位相差の効果を低減し、したがってオペレータによって必要とされる電気的傾斜角度とアンテナにおける電気的傾斜角度との差を低減するために、傾斜感度を低減することが好都合である。傾斜制御構成要素４２から４８のそれぞれのセットが各オペレータと共に配置される状態で、オペレータのベース局に配置される周波数選択コンバイナの入力側において、各オペレータについて個々の傾斜角度を有する共有アンテナシステムを実施することが可能である。

本発明のデュアルフィーダシステムの２つのフィーダ間における振幅および位相の変化の効果を低減するために、傾斜感度は、電気的傾斜に使用される第２スプリッタ５４からの電力を低減することによって低下されることが可能である。第２スプリッタ５４からの電力を傾斜させることは、（ａ）位相シフトが一定でありかつ、アンテナアレイの中心に配置される追加のアンテナ要素にスプリッタ５４から電力のいくらかを供給することによって、または（ｂ）この電力のいくらかを終端にそらすことによって、または（ｃ）（ａ）と（ｂ）とを組み合わせることによって、低減することができる。

アンテナのボアサイト利得の最大値を不当に低減することを回避するために、第２スプリッタの電力のいくらかを追加の中心アンテナ要素にそらすことが好ましい。第２スプリッタ電力全体の半分が中心アンテナ要素に供給されるとき、傾斜感度は、１度の電気的傾斜につき、通常は２０度の位相シフトである。傾斜がゼロを通過する際、中央アンテナ要素の位相シフトは、１８０度だけ変化する。これは、上方サイドローブと下方サイドローブのレベル間に非対称を導入する効果を有し、これらのローブが対象である図１とは異なる。具体的には、この非対称は、他のベース局を使用するモバイル電話に対する干渉の可能性をさらに低減するように、上方サイドローブ（２０ａに対応する）を抑制する。

本発明の実施形態４０は、いくつかの利点を提供する。
１．傾斜が、アンテナ要素につきの代わりに、使用者につき単一の可変時間遅延装置または位相シフタで実施される。
２．位相および振幅テーパが、傾斜の範囲にわたってほぼ一定のままであり（周波数に応じて４度から６度）。ここで、「テーパ」は、アンテナ要素にわたる振幅または位相のプロファイルである。
３．サイドローブ抑制が、傾斜領域にわたって有効なままであり、ボアサイトレベルより小さい１８ｄＢ未満であるように制御することができる。
４．傾斜感度を最適に設定することができる。
５．個々の傾斜角度が、複数の使用者によってアンテナを共有するために利用可能である。
６．以下で記述されるように、送信モードおよび受信モードが異なる周波数を有するにもかかわらず、異なる周波数を有する送信モードの傾斜角度は、受信モードの傾斜角度と同じ、またはそれとは異なるとすることができる。
７．非対称サイドローブレベルが、他のベース局を使用するモバイルとの干渉の可能性を低減するように、獲得可能である。

ここで図７を参照すると、図３の上方部分と同様の位相電力変換および電圧分割のための回路８０が示されている。相違点のみが記述される。図３と比較した相違は、固定位相シフタ８２が、可変位相シフタ８４と直列に接続され（並行の代わりに）、位相電力変換の例が与えられ、２つのスプリッタ８８ａおよび８８ｂが、それぞれ、７つの出力Ｖａ１／Ｖｂ１などに分割される。信号が、固定位相シフタ８２および可変位相シフタ８４から４つの端子Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを有する直角位相ハイブリッド方向カプラ８６（「直角位相ハイブリッド」）に進行する。端子ＡからＤの対間の入力出力経路が、９２などの湾曲線によって示される。位相電力変換が、固定位相シフタ８２とカプラ８６との組合せから得られる。マーク−９０および−１８０によって示されるように、直角位相ハイブリッド８６は、信号が入力および出力である場所に応じて、−９０または−１８０だけ入力信号を位相シフトさせる。固定位相シフタ８６からの信号Ｖ２ａが、端子Ｂに入力され、端子ＡおよびＣにおいて、それぞれ−９０度および−１８０度位相シフトされて、スプリッタ８８ａおよび８８ｂに出力される。同様に、可変位相シフタ８４からの信号Ｖ２ｂが、端子Ｄに入力され、端子ＡおよびＣにおいて、それぞれ−１８０度および−９０度位相シフトされて、スプリッタ８８ａおよび８８ｂに出力される。スプリッタ８８ａおよび８８ｂは、以前に記述されたように一般的に言えば電力分割を提供する。

図７には、以前に記述されたように、９０度ハイブリッドとしても知られる直角位相ハイブリッドで実施される位相電力変換が示され、これは、電力位相変換も提供することができる。さらに、位相電力変換および電力位相変換の両方とも、必要な全機能を提供するように適切な固定位相シフトに関連付けられるとき、和および差のハイブリッドとしても知られる１８０度ハイブリッドで実施することもできる。

ここで図８も参照すると、位相アレイ９４が、回路８０に接続され（図示せず）、９６Ｅ１Ｕおよび９６Ｅ１Ｌなどの上方／下方対で示される１４のアンテナ要素９６Ｅ１Ｕから９６Ｅ７Ｕおよび９６Ｅ１Ｌから９６Ｅ７Ｌを備える。図８は、背中合わせの要素の対を有する例示的に好都合な方式の電気接続方式を示すが、実際には、アンテナ要素９６Ｅ１Ｕなどは、直線に構成され、すべての点は同じ方向にある。上方アンテナ要素９６Ｅ１Ｕから９６Ｅ７Ｕは、それぞれの事前設定位相シフタ９８Ｕ１から９８Ｕ７および固定−９０度位相シフタ９９Ｕ１から９９Ｕ７を介して、直角位相ハイブリッド方向カプラ１００Ｃ１から１００Ｃ７に接続される。下方アンテナ要素９６Ｅ１Ｌから９６Ｅ７Ｌは、それぞれの事前設定位相シフタ９８Ｌ１から９８Ｌ７を介して、やはりカプラ１００Ｃ１から１００Ｃ７に接続され、各上方／下方要素対９６ＥＵｉ／９６ＥＬｉ（ｉ＝１、２、・・・、７）についてそれぞれのカプラ１００Ｃｉが存在する。事前設定位相シフタ９８Ｌ１から９８Ｌ７は、随意選択である。これらは、アンテナアレイ９６に、ゼロ電気的傾斜に対応する事前構成ボアサイト方向を与え、傾斜領域にわたるサイドローブの抑制を最適にする。

各カプラ１００Ｃ１などは、スプリッタ８８ａおよび８８ｂから入力信号のそれぞれの対を受信する。すなわち、ｉ番目のカプラ１００Ｃｉは、以前と同様に、値１から７を有するｉの入力信号ＶａｉおよびＶｂｉを受信する。各カプラ１００Ｃ１などは、以前に記述されたカプラ８６と同様である。すなわち、それぞれが、１０２などの湾曲線によって示される介在入力出力経路を有する４つの端子ＡからＤを有する。カプラ１００Ｃ１は、ＢおよびＤにおいてそれぞれＶａ１およびＶｂ２の入力を受信し、それぞれの−９０度および−１８０度の位相シフトバージョンを生成する。出力Ａは、Ｖａ１位相シフト−９０度およびＶｂ２位相シフト−１８０度を受信し、出力Ｃは、Ｖａ１位相シフト−１８０度およびＶｂ２位相シフト−９０度を受信する。出力Ａは、−９０度位相シフタ９９Ｕ１および事前設定位相シフタ９８Ｕ１を介して、アンテナ要素９６Ｅ１Ｕに接続され、出力Ｃは、事前設定位相シフタ９８Ｌ１を介して、アンテナ要素９５Ｅ１Ｌに接続される。同様の構成が、電力フィードを他の上方／下方アンテナ要素対９６Ｅ２Ｕ／９６ＥＬ２から９６Ｅ７Ｕ／９６Ｅ７Ｌに加える。組み合わされたｉ番目の直角位相ハイブリッドカプラ１００Ｃｉおよび−９０度位相シフタ９９Ｕｉは、図３の５６において示される電力位相変換を提供する。

ここで図９も参照すると、位相アレイ９６は、実際の線形形態において示され、各アンテナ要素９６Ｅ１Ｕなどは左側に示され、それぞれのベクトルダイアグラム１１０Ｕ１から１１０Ｌ７が右側にある。ベクトル図１１０Ｕ１は、ベクトルａ１とｂ１とのベクトル合成から生じ、かつ以前に記述された様々な位相シフト後、アンテナ要素９６Ｅ１Ｕに加えられた信号Ｖａ１とＶｂ１との和を表す、結果的な矢印１１２を有する。同様の注釈が、他のアンテナ要素に適用される。ｉ番目の上方アンテナ要素９６ＥｉＵは、ベクトル和ａｉ＋ｂｉを受信し、ｉ番目の下方アンテナ要素９６ＥｉＬは、ベクトル差ａｋ−ｂｉを受信する。

図７の第１スプリッタ８８ａの電圧および電力比が、以下の表１に示される。表示を好都合にするために、電力レベルは、スプリッタ８８ａから出る全電力が１ワットであるように正規化されている。電圧はそれらが相対的値にもなるように電力の平方根である。アンテナ要素電圧レベルは、レイズドコサイン二乗分布を有する。これは、図６の曲線７４と同様であるが、厳密に言うと、曲線７４は、余弦ではなく２項であり、曲率は異なる。

図７の第２スプリッタ８８ｂの電圧比および電力比が、表に２示され、表１と同様に相対値または相対比として表されている。

ここで図１０および１１を参照すると、図７から９を参照して記述された実施形態に対する修正が示され、以前に記述された部分が、同様に参照される。これは、本発明のデュアルフィーダ実施態様に特に適切であり、信号フィーダ間の位相差の効果による可能な傾斜エラーを低減するために、傾斜感度を低減することが好ましい。２つの修正がある：第１修正は、余分なスプリッタ１２０（２経路スプリッタ）をカプラ８６の出力Ｃと第２スプリッタ８８ｂとの間に挿入する。これにより、他の信号Ｖｂ０を提供するように、これまで第２スプリッタ８８ｂに供給された電力のいくらかをそらすことが可能になる。図１１に示されるように、アレイ９４は、固定１８０度位相シフタ１２４を介してＶｂ０信号を受信する追加のアンテナ要素１２２を導入することによって修正される。追加のアンテナ要素１２２は、アレイ９４の中心に配置され、アレイ９４は、そうでない場合は変更されることはない。すなわち、要素１２２は、アンテナ要素９６Ｅ１Ｕおよび９６Ｅ１Ｌのそれぞれから距離Ｓ／２に配置され、Ｓは、９６Ｅ１Ｕおよび９６Ｅ２Ｕなどのアンテナ要素のあらゆる他の隣接対間の間隔である。例示を好都合にするために、追加のアンテナ要素１２２間の間隔は、他の間隔Ｓに等しく示されているが、Ｓ／２と表記されることに留意されたい。

図１１は、図９と等価であるが、アンテナ要素１２２および位相シフタ１２４が追加されている。ベクトル図１２６によって示されるように、この要素１２２は、スプリッタ８８ａからあらゆるベクトル信号を減算せずに、信号Ｖｂ０を受信する。スプリッタ８８ｂの電圧比および電力比が、以下の表３に示される。以前と同様に、電力レベルは、スプリッタ８８ｂから出る全電力が１ワットであるように正規化されている。スプリッタ８８ａの等価物は、上記の表１の場合と同様である。

位相アレイアンテナの最大利得の方向は、アンテナ要素における電圧の位相および振幅によって決定される。アンテナの性能が、周波数の帯域にわたって広範に同じままであることが必要とされる場合、要素に供給された信号の位相および振幅は、周波数が変化する際に、依然として同じであるべきである。送信線の長さが、一定で周波数には関係しない遅延を有し、したがって、位相シフトは、送信線に沿って進行する信号において、周波数と共に増大する遅延を導入する。その結果、遅延要素として送信線を使用する位相アレイアンテナが、周波数と共に変化する性能を有する。広帯域方向カプラが、端子における位相関係が周波数の作業範囲にわたって一定のままである特性を有する。したがって、方向カプラが位相アレイアンテナにおいて遅延要素として使用される場合、アンテナの性能は、周波数について一定のままである。電気的傾斜角度に関するサイドローブレベルの変化を補償する手段として、遅延要素として送信線の使用を保持することが有利である可能性もある。送信線と方向カプラとの組合せが遅延／位相シフトのために使用される場合、設計の柔軟性は最大になる。

ここで図１２を参照すると、図３の一部が、単一フィード構成を示すように複製および修正されている。以前に記述された部分が、接頭辞１００を有して同様に参照され、変更のみが記述される。単一信号フィード１６５が、ＲＦ搬送波信号をスプリッタ１４４に加え、スプリッタ１４４は、すべての構成要素１４６から１６０と共にまとめて同じ場所に配置される。これは、マストの上にあることが可能であるアンテナアレイ１６０における傾斜の調節を必要とする。

図１３は、図２に示されたものと等価の本発明の位相アレイアンテナシステム１７１を示し、受信モードおよび送信モードの両方において使用されるように修正されている。以前に記述された部分が、同じように参照され、変更のみが記述される。可変位相シフタ１４６は、傾斜がそれで制御され、ここでは、送信（Ｔｘ）モードにおいてのみ使用され、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１７５と１７７との間において、かつそれと直列に送信経路１７３において接続される。同様の受信（Ｒｘ）経路１７９も存在し、可変位相シフタ１８１が、帯域通過フィルタ１８３と１８５との間において、かつそれと直列にある。送信周波数および受信周波数は、それらが、帯域通過フィルタ１７５などによって互いに分離されることが可能であるように、通常は十分に異なる。すべてのアンテナ１４４から１６０が、受信モードにおいて反対に動作し、たとえばスプリッタがリコンバイナになる。２つのモード間の唯一の相違は、送信モードでは、フィーダ１６５が入力を提供し、送信経路１７３が、送信信号によって左から右に横断され、一方、受信モードでは、受信経路１７９が、受信信号によって右から左に横断され、フィーダ１６５が、出力を提供することである。この構成は、有利であるが、その理由は、送信モードおよび受信モードの両方において電気的傾斜角度を独立に調整し、かつ等しくすることが可能になるからである。これは、可能ではないことが一般的であるが（かつ欠点である）、その理由は、構成要素が、送信周波数と受信周波数との間において異なる周波数依存特性を有するからである。

ここで図１４を参照すると、本発明の位相アレイアンテナ２００が、示され、単一位相アレイアンテナ２０５の複数（２つ）のオペレータ２０１および２０２によって送信モードおよび受信モードにおいて使用される。以前に記述された部分と同様の部分が、接頭辞２００を有して同じように参照される。図は、いくつかの異なるチャネルを有する。等価である異なるチャネルの部分は、１つまたは複数の添え字を有して同じように数字で参照される。添え字ＴまたはＲは、送信チャネルまたは受信チャネルを示し、添え字１または２は、第１オペレータ２０１または第２オペレータ２０２を示し、添え字ＡまたはＢは、Ａ経路またはＢ経路を示す。

まず、第１オペレータ２０１の送信チャネル２０７Ｔ１が記述される。この送信チャネルは、スプリッタ２４４Ｔ１に供給されるＲＦ入力２４２を有し、このスプリッタは、可変位相シフタ２４６Ｔ１Ａと固定位相２４８Ｔ１Ｂとの間で入力を分割する。信号が、位相シフタ２４６Ｔ１Ａおよび２４８Ｔ１Ｂから、異なるデュプレクサ２１１Ａおよび２１１Ｂにある帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）２０９Ｔ１Ａおよび２０９Ｔ１Ｂにそれぞれ進行する。帯域通過フィルタ２０９Ｔ１Ａおよび２０９Ｔ１Ｂは、第１オペレータ２０１の送信周波数に帯域の中心を有し、この周波数は、図に示されるようにＦｔｘ１と指定される。第１オペレータ２０１は、Ｆｒｘ１と指定される受信周波数も有し、第２オペレータ２０２の等価物は、Ｆｔｘ２およびＦｒｘ２である。

最左帯域通過フィルタ２０９Ｔ１Ａから出力された周波数Ｆｔｘ１の第１オペレータ送信信号は、第１デュプレクサ２１１Ａによって、隣接帯域通過フィルタ２０９Ｔ２Ａから出力された周波数Ｆｔｘ２の同様に導出された第２オペレータ送信信号と組み合わされる。これらの組合せ信号は、フィーダ２１３Ａに沿って、以前の例において記述された種類のアンテナ傾斜ネットワーク２１５に進行し、したがって位相アレイアンテナ２０５に進行する。同様に、帯域通過フィルタ２０９Ｔ１Ｂから出力された周波数Ｆｔｘ１の他の第１オペレータ送信信号は、第２デュプレクサ２１１Ｂによって、隣接帯域通過フィルタ２０９Ｔ２Ｂから出力された周波数Ｆｔｘ２の同様に導出された第２オペレータ送信信号と組み合わされる。これらの組合せ信号は、第２フィーダ２１３Ｂに沿って、アンテナ傾斜ネットワーク２１５を介して位相アレイアンテナ２０５に進行する。同じ位相アレイアンテナ２０５を使用するにもかかわらず、２つのオペレータは、可変位相シフタ２４６Ｔ１Ａおよび２４６Ｔ２Ａをそれぞれ単に調節することによって、アンテナ２０５とは独立に、かつアンテナ２０５から遠隔的に、電気的傾斜送信角度を変化させることができる。

同様に、アンテナ２０５からネットワーク２１５ならびにフィーダ２１３Ａおよび２１３Ｂを介して戻る受信信号が、デュプレクサ２１１Ａおよび２１１Ｂによって分割される。次いで、これらの分割信号は、帯域通過フィルタ２０９Ｒ１Ａ、２０９Ｒ２Ａ、２０９Ｒ１Ｂ、および２０９Ｒ２Ｂにおいて個々の周波数Ｆｒｘ１およびＦｒｘ２を分離するためにろ過され、これらの帯域通過フィルタは、それぞれ可変位相シフタおよび固定位相シフタ２４６Ｒ１Ａ、２４６Ｒ２Ａ、２４８Ｒ１Ｂ、および２４８Ｒ２Ｂに信号を提供する。次いで、電気的傾斜受信角度が、可変位相シフタ２４６Ｒ１Ａおよび２４６Ｒ２Ａをそれぞれ調節することによって、オペレータ２０１および２０２によって独立に調節可能である。

ゼロおよび非ゼロの電気的傾斜角度を有する位相アレイアンテナの垂直放射パターン（ＶＲＰ）を示す図である。 調節可能電気的傾斜角度を有する従来の技術の位相アレイアンテナを示す図である。 単一フィーダ応用例における、本発明の位相アレイアンテナシステムのブロック図である。 図３のシステムにおいて使用される位相電力変換器における電圧出力と入力位相差との関係を示す図である。 電力が電圧と置き換えられている図４と同様の図である。 図３のシステムにおいて使用される電圧スプリッタの出力における可能な電圧分割の例を示す図である。 本発明の他の位相アレイアンテナシステムの一部のブロック図であり、位相シフト、位相電力変換、および電力変換を示す図である。 図７の位相アレイアンテナシステムの残りのブロック図であり、電力位相変換、位相シフト、およびアンテナ要素を示す図である。 図７のシステムにおけるアンテナ要素の位置、間隔、および駆動信号位相を示す図である。 本発明の他の位相アレイアンテナシステムの一部のブロック図であり、中央アンテナ要素について追加の信号を生成し、位相シフト、位相電力変換、および電力分割を使用するデュアルフィーダの実施態様を示す図である。 図１０の位相アレイアンテナシステムの残りを示し、単一中央アンテナ要素を有するアンテナアレイを示す図である（要素間隔は縮尺調整されていない）。 単一フィーダと共に本発明を使用することを示す図である。 送信モードにおける電気的傾斜角度が受信モードにおける電気的傾斜角度とは異なることを可能にする、本発明に対する修正を示す図である。 ２重フィードおよび接合送信／受信能力を有する複数使用者によるアンテナ共有を示す、本発明の他の位相アレイアンテナシステムのブロック図である。

Claims (23)

1. 可変電気的傾斜を有し、アンテナ要素のアレイを含む位相アレイアンテナシステムであって、
   ａ）無線周波数（ＲＦ）搬送波信号を第１信号および第２信号に分割するための分割器と、
   ｂ）第１信号と第２信号との間に可変相対位相シフトを導入する可変位相シフタと、
   ｃ）相対的に位相シフトされた第１信号および第２信号を、電力が相対位相シフトの関数である信号に変換するための位相電力変換器と、
   ｄ）変換された信号を少なくとも２つのセットの分割信号に分割するための第１電力スプリッタおよび第２電力スプリッタとを含み、セット内の分割信号の総数が、アレイのアンテナ要素の数に等しいまたはアレイのアンテナ要素の数より大きく、また２つのセットのうちの一方は第１電力スプリッタによって生成される分割信号を含み、２つのセットのうちの他方は第２電力スプリッタによって生成される分割信号を含み、
   ｅ）アレイの中心に関して等距離に配置されるアンテナ要素のそれぞれの対に供給されるための、適切な位相を有するベクトル和および差成分を提供するために、第１電力スプリッタから入力される分割信号と第２電力スプリッタから入力される分割信号とを組み合わせるための電力位相変換器を含む、位相アレイアンテナシステム。
2. 等距離アンテナ要素の各対の中心に配置される中心アンテナ要素を備える奇数のアンテナ要素を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 位相電力変換器と第１電力スプリッタおよび第２電力スプリッタの一方との間に接続され、位相電力変換器からの電力のある割合を中心アンテナ要素にそらすように構成される第３電力スプリッタを含む、請求項２に記載のシステム。
4. 位相電力変換器および電力位相変換器が、位相シフタと直角位相ハイブリッドカプラとの組合せである、請求項１に記載のシステム。
5. 位相電力変換器および電力位相変換器が、位相シフタと１８０度ハイブリッドカプラとの組合せである、請求項１に記載のシステム。
6. 分割器、位相シフタ、位相電力変換器および電力位相変換器、ならびに電力スプリッタが、アンテナアセンブリとしてアンテナ要素のアレイと同じ場所に配置され、アセンブリが、遠隔源からの単一ＲＦ入力電力フィードを有する、請求項１に記載のシステム。
7. 分割器および位相シフタが、アンテナアセンブリとして同じ場所に配置される位相電力変換器および電力位相変換器、電力スプリッタ、ならびにアンテナ要素のアレイから離れて配置され、アセンブリが、遠隔源からの２重ＲＦ入力電力フィードを有する、請求項１に記載のシステム。
8. 分割器および位相シフタが、電気的傾斜角度を変化させる際に、オペレータによって使用される遠隔源と同じ場所に配置されることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
9. アンテナシステムを共有する異なるオペレータからの信号を組み合わせるために、またはそのオペレータへの信号を分割するために、デュプレクサを含む、請求項７に記載のシステム。
10. 電力スプリッタが、アンテナアレイの中心において得られる最大値からアレイ端部において得られる最小値に降下する駆動電圧を受信するアンテナ要素を提供するように構成される、請求項１に記載のシステム。
11. １つの電力スプリッタが、アンテナアレイにわたって進行する位相面を確立するために適切であるように、アンテナアレイの端部において得られる最小電圧値からアンテナアレイの中心において得られる最大電圧値に上昇する１セットの電圧を提供するように構成され、位相面が、妥当なボアサイト利得およびサイドローブ抑制について必要とされるように、傾斜角度が傾斜の作業領域において増大する際に、ほぼ線形性を示す、請求項１に記載のシステム。
12. ａ）可変位相シフタが、送信経路を画定する第１フィルタリング手段に接続された第１可変位相シフタであり、
    ｂ）システムが、受信経路を画定する第２フィルタリング手段に接続された第２可変位相シフタを含み、
    ｃ）システムが、送信モードにおいて一方向に、および受信モードにおいて反対方向に動作する要素をも含み、
    ｄ）送信モードおよび受信モードにおけるシステムの電気的傾斜角度が、それぞれ第１可変位相シフタおよび第２可変位相シフタによって独立して調節可能である、請求項１に記載のシステム。
13. アンテナ要素のアレイを含む位相アレイアンテナシステムにおいて可変電気的傾斜を提供する方法であって、
    ａ）無線周波数搬送波信号を第１信号および第２信号に分割するステップと、
    ｂ）第１信号と第２信号との間に可変相対位相シフトを導入するステップと、
    ｃ）相対的に位相シフトされた第１信号および第２信号を、電力が相対位相シフトの関数である信号に変換するステップと、
    ｄ）変換された信号を少なくとも２つのセットの分割信号に分割するために、電力スプリッタを使用するステップとを含み、セット内の分割信号の総数が、アレイのアンテナ要素の数に等しいまたはアレイのアンテナ要素の数より大きく、また２つのセットのうちの一方は第１電力スプリッタによって生成される分割信号を含み、２つのセットのうちの他方は第２電力スプリッタによって生成される分割信号を含み、
    ｅ）適切な位相を有するベクトルの和および差成分を提供するために、第１電力スプリッタから入力される分割信号と第２電力スプリッタから入力される分割信号とを組み合わせ、アレイの中心に関して等距離に配置されるアンテナ要素のそれぞれの対にその成分を供給するステップを含むことを特徴とする、位相アレイアンテナシステムにおいて可変電気的傾斜を提供する方法。
14. アンテナアレイが、等距離アンテナ要素の各対の中心に配置される中心アンテナ要素を備える奇数のアンテナ要素を有する、請求項１３に記載の方法。
15. 位相アレイアンテナシステムが、電力が相対位相シフトの関数である信号のそれぞれの１つを受信するために接続された第３電力スプリッタを含み、受信された信号において電力のある割合を中心要素にそらすために、そのようなスプリッタを使用する、請求項１４に記載の方法。
16. 相対的に位相シフトされた第１信号および第２信号の変換および分割信号の対の組合せが、９０度または１８０度のハイブリッドカプラを組み込む位相電力変換器および電力位相変換器をそれぞれ使用して実施される、請求項１３に記載の方法。
17. ステップａ）からｅ）が、遠隔源からの単一ＲＦ入力電力フィードからの入力を有するアンテナアセンブリを形成するために、アンテナ要素のアレイと同じ場所に配置される構成要素を使用して実施される、請求項１３に記載の方法。
18. ステップａ）およびｂ）が、アンテナ要素のアレイから離れて配置される構成要素を使用して実施され、ステップｃ）からｅ）が、アレイと同じ場所に配置され、かつ遠隔源からの２重ＲＦ入力電力フィードを有するアンテナアセンブリをアレイと共に形成する構成要素を使用して実施される、請求項１３に記載の方法。
19. ステップｂ）が、電気的傾斜角度を変化させるために、相対位相シフトを変化させることを含む、請求項１８に記載の方法。
20. アンテナシステムを共有する異なるオペレータからの信号を組み合わせ、またはそのオペレータへの信号を分割することを含む、請求項１８に記載の方法。
21. アンテナアレイの中心において得られる最大値からアレイ端部において得られる最小値まで降下する駆動電圧を受け取るようにアンテナ要素を提供することを含む、請求項１３に記載の方法。
22. ステップｄ）が、アンテナアレイにわたって進行する位相面を確立するのに適切であるように、アンテナアレイの端部において得られる最小電圧値からアンテナアレイの中心において得られる最大電圧値に上昇するように、１セットの分割信号を提供することを含み、位相面が、妥当なボアサイト利得およびサイドローブ抑制に必要とされるように、傾斜角度が傾斜の作業領域において増大する際に、ほぼ線形性を示す、請求項１３に記載の方法。
23. ａ）可変位相シフトが、送信経路において導入される第１可変位相シフトであり、
    ｂ）方法が、受信経路において第２可変位相シフトを導入することを含み、
    ｃ）アンテナシステムが、送信モードにおいて一方向に、および受信モードにおいて反対方向に動作し、
    ｄ）方法が、それぞれ第１可変位相シフトおよび第２可変位相シフトを調節することによって、独立に、送信モードおよび受信モードにおいてアンテナシステムの電気的傾斜角度を調節することを含む、請求項１３に記載の方法。

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