JP4462524B2 - 無線通信システム用のアンテナシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、無線通信システムで用いられるアンテナに関し、特に、位相制御器が配列されているため、アンテナのビームを立体的にステアリングすることのできるアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、放送アンテナから放射される放射ビームの方角は、時々調整するのが良い。特に、放送アンテナがその放送アンテナと通信する他のアンテナより高い高度に位置している場合は、その放送アンテナを下方に傾けて、放射される放射ビームをステアリングして下方にチルト（ｔｉｌｔ）すべきである。このように放射ビームをダウンチルトすることは、可聴区域角度を変更して近隣の放送アンテナとの干渉現象を減らし、放送アンテナの下方の谷に位置している移動通信加入者との通信品質を増進させる。
【０００３】
図１は、アンテナ１２の放射ビーム１６を機械的にダウンチルトさせることができるようになっている従来のアンテナシステム１０である。アンテナ１２は地上にある柱１４の天辺に位置しているが、大概２００フィート程度の高さである。
放射ビームの方角が下方に調整されれば、アンテナ全体１２は、機械的に下方に傾くことになるしかない。このような方法の欠点の一つは、一般的にアンテナがあまりにも硬直的でありコストが高いという点である。もう一つの方法として、アンテナの各放射器（ｒａｄｉａｔｏｒ）と結合された関連放射位相を調節することによって、放射ビームを電気的にダウンチルトさせる方法がある。
【０００４】
図２は、アンテナアレイ２２から放射されるビーム２６を電気的にダウンチルトさせる従来のアンテナシステム２０を示す概略図である。この装置において、アンテナアレイ２２は、放射器アレイと走査ネットワーク（ｓｃａｎ ｎｅｔｗｏｒｋ）を有する単一信号給電ネットワーク（ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｓｉｇｎａｌ ｆｅｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ）とを結合させて前記単一信号ネットワークを放射器アレイ２２に連結している。前記走査ネットワークは、前記給電ネットワークと各放射器との間に複数の伝送線路（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ）を有している。このような電気的ダウンチルト方法中には、調整可能なキャパシタンス（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）が前記伝送線路と共に直列におかれているため、複数の信号を前記アンテナアレイ２２の各放射器に提供して好ましい位相変化を誘発する容量結合方法（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ）がある。位相制御器は、前記アンテナアレイ２２の各放射器と連結されて各放射器から放射する位相制御されたビームを他の全ての放射器から放射するビーム２６と構造的な干渉現象を有して頂上線からアンテナ表面への角度で放射する混合ビームを作る。各位相制御器により提供される位相を可変させることによって、ビームは、アンテナ表面に広く走査（ｓｃａｎ）し得る。もう一つの方法は、他の素子が永久的な電気的ダウンチルトとなるようにするため、長さの異なる伝送線路を使用するのである。
【０００５】
しかし、以上で述べたアンテナシステム１０、２０には、多くの問題点がある。まず、二つのアンテナシステム１０、２０共に水平方向に放射ビームをステアリングすることはできない。
従来のアンテナシステム１０、２０技術が有するもう一つの問題点は、前記伝送線路の個数に相当する多くの位相制御器が必要であるということである。
なお、前記アンテナ技術１０、２０は、ラック（ｒａｃｋ）及びピニオン（ｐｉｎｉｏｎ）との組立、または、放射器数に相応する多くの位相制御器を使用する等好ましい位相制御を提供するのに機械的に複雑である。
しかも、従来のアンテナシステム１０、２０技術は、ビームの幅を垂直、水平に調整することができない。そして、従来のアンテナシステム技術を使用することによって、ビームが垂直、水平に走査されて走査損失があまりにも多く生じることも問題である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、多重線路位相制御器を使用することによってアンテナから放射されたビームをステアリングすることのできるアンテナアレイを提供することにその目的がある。
本発明のもう一つの目的は、多重線路位相制御器を使用することによって、アンテナシステムから放射されたビームを電気的にステアリングすることのできるアンテナシステムを提供することにある。
また、本発明のもう一つの目的は、アンテナシステムから放射されたビームを電気的に垂直及び方位角方向にステアリングすることのできるアンテナシステムを提供することである。
また、本発明のもう一つの目的は、切替え可能分割器（ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅｄｉｖｉｄｅｒ）を使用することによって、ビーム幅を水平に選択的スイッチングすることのできるアンテナシステムを提供することである。
また、本発明のもう一つの目的は、ビームを３ウェイに調整することのできるアンテナシステムを提供することである。
また、本発明の他の目的は、干渉を最小化してセル容量（ｃｅｌｌ ｃａｐａｃｉｔｙ）を最大化するアンテナシステムを提供することである。
また、本発明の他の目的は、最適セルプランニング（ｏｐｔｉｍａｌ ｃｅｌｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ）を提供し、現実の多様な環境に好適なアンテナシステムを提供することである。
なお、本発明のもう一つの目的は、通信環境と調和をなすアンテナシステムを提供することである。
また、本発明のもう一つの目的は、安定的に設置されるアンテナシステムを提供することである。
【０００７】
上記課題を達成するため、本発明は、ビームを放射するためのＭ×Ｎ個の放射素子アレイ（ここでＭとＮは、各々列と行の正の整数である）と、複数の信号をＭ×Ｎ個の放射素子アレイに伝送するための給電ネットワークからなり、前記給電ネットワークは、複数の信号を受信するための一つの入力ポートと、前記入力信号を第１位相制御器の各伝送線路に選択的に伝送するためのＮ個の切替え可能分割器と、前記切替え可能分割器の出力信号を位相制御することによって、行に基づいて水平ビームをステアリングするためのＮ個の第１位相制御器と、前記第１位相制御器出力信号を第２位相制御器の伝送線路の各々に入力するためのＭ個の結合器／分割器と、前記結合器／分割器の出力ポートから受信した信号を位相制御することによって、列に基づいて垂直ビームをステアリングするためのＭ個の第２位相制御器を含み、前記第１位相制御器の各々が第１位相制御器に結合された誘電体を第１の回転手段により回転させることによって、Ｍ個の信号を同時に位相制御し、前記第２位相制御器の各々が第２位相制御器に結合された誘電体を第２の回転手段により回転させることによって、Ｎ個の信号を同時に位相制御し、前記第１位相制御器の各々は、誘電定数が互いに異なる第１及び第２部を有する誘電体を含み、前記第１位相制御器の前記Ｍ個の入力信号を、前記誘電体と対向して位置したＭ個の伝送線路の一端に入力し、前記誘電体に対向して通過せしめ、前記結合器／分割器のＭ個の入力端に出力し、前記Ｍ個の伝送線路は第１及び第２部分を有する基板上において、Ｍ／２個の伝送線路が前記第１部分に、残りのＭ／２個の伝送線路が前記第２部分に形成され、前記第１部分の伝送線路は、前記第２部分の伝送線路に対して対称をなすように配列されて、前記第１部分の伝送線路の電気的長さが所定の値まで増加すれば、前記第２部分の伝送線路の電気的長さがその所定の値まで減少し、前記第２位相制御器の各々は、誘電定数が互いに異なる第１及び第２部を有する誘電体を含み、前記第２位相制御器の前記Ｎ個の入力信号を、前記誘電体と対向して位置したＮ個の伝送線路の一端に入力し、前記誘電体に対向して通過せしめ、Ｎ個の放射素子に出力し、前記Ｎ個の伝送線路は第１及び第２部分を有する基板上において、Ｎ／２個の伝送線路が前記第１部分に、残りのＮ／２個の伝送線路が前記第２部分に形成され、前記第１部分の伝送線路は、前記第２部分の伝送線路に対して対称をなすように配列されて、前記第１部分の伝送線路の電気的長さが所定の値まで増加すれば、前記第２部分の伝送線路の電気的長さがその所定の値まで減少することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、ビーム放射のためのＮ個の放射素子からなるアレイ（ここでＮは正の整数である）と、前記Ｎ個の放射素子からなるアレイに複数の信号を提供するための給電ネットワークからなり、前記給電ネットワークは、複数の信号を受信するための一つの入力ポートと、前記入力信号を位相制御器の各伝送線路に伝送するためのＮ個の切替え可能分割器と、前記切替え可能分割器の出力信号を同時に位相制御することによって、前記ビームをステアリングするためのＮ個の位相制御器と、前記位相制御器の各々は、誘電定数が互いに異なる第１及び第２部を有する誘電体とを含み、前記位相制御器のＮ個の入力信号を、前記誘電体と対向して位置したＮ個の伝送線路の一端に入力し、前記誘電体に対向して通過せしめ、Ｎ個の放射素子に出力し、前記誘電体を回転させるための手段をさらに含み、前記Ｎ個の伝送線路は第１及び第２部分を有する基板上において、Ｎ／２個の伝送線路が前記第１部分に、残りのＮ／２個の伝送線路が前記第２部分に形成され、前記第１部分の伝送線路は、前記第２部分の伝送線路に対して対称をなすように配列されて、前記第１部分の伝送線路の電気的長さが所定の値まで増加すれば、前記第２部分の伝送線路の電気的長さがその所定の値まで減少することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、当業者が本発明を容易に実施できるように、本発明を、好ましい実施の形態の図面を参照しながら説明する。
図３ないし１２は、本発明の好ましい実施の形態にかかる無線通信用アンテナシステム１００を示すものである。
図３は、無線通信システム用アンテナシステム１００のブロック図である。前記アンテナシステムは、ビーム制御板１１０、切替え可能分割器部１２０、第１位相制御器（Ｐ／Ｓ）部１５０、結合／分割器（Ｃ／Ｄ）部１６０、第２Ｐ／Ｓ部１７０及び正の整数であるＭとＮとからなるＭ×Ｎ個の放射器からなるアレイ１８０により構成されている。前記アレイ１８０は、Ｍ個の列Ｃ１からＣＭを、そしてＮ個の行Ｒ１からＲＮを有するが、各々の列Ｃ１からＣＭまでは、Ｎ個の放射器を含む。例えば、第１列Ｃ１にあるＮ個の放射器は、Ｒ１１からＲ１Ｎまでで示す。各列にある放射器は、垂直方向に羅列されており、列Ｃ１からＣＭは、互いに水平に連結されている。前記アンテナシステム１００は、垂直モータ装置１３０及び水平モータ装置１４０をさらに含む。
切替え可能分割器部１２０は、Ｎ個の切替え可能分割器１２０１から１２０Ｎを含んで、結合／分割器部１６０は、Ｍ個の結合／分割器部（Ｃ／Ｄｓ）１６０１から１６０Ｎを含む。そして、第１Ｐ／Ｓ部１５０は、Ｎ個の第１Ｐ／Ｓ部１５０１から１５０Ｎを有し、第２Ｐ／Ｓ部１７０は、Ｍ個の第２Ｐ／Ｓ部１７０１から１７０Ｍを有する。
【００１０】
前記システム１００で、制御信号は、前記ビーム制御板１１０に設置された制御ポートを介してビーム制御板１１０に入力される。前記ビーム制御板は、第１、第２、第３制御信号を生成するが、ここで、第１制御信号は、水平ビーム幅スイッチ（ＨＢＷＳｗ）に、第２制御信号は、水平ビーム方向調整（ＨＢＳｔ）に、そして第３制御信号は、垂直ビームダウンチルト（ＶＢＤＴ）に用いられる。
【００１１】
一方、Ｎ個の信号が入力ポートを介して前記切替え可能分割器（ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ ｄｉｖｉｄｅｒｓ）１２０１ないし１２０Ｎに入力される。各々の切替え可能分割器１２０１ないし１２０Ｎは、作動モードを変えることができる。図４は、本発明で用いられる切替え可能分割器１２０１を示す概略図である。前記切替え可能分割器１２０１は、ＲＦ信号を入力ポートから受信する入力ポートＲＸ１、第１伝送線路４４１１−４４Ｍ１、第２伝送線路４６１１−４６Ｍ１、アイソレーション抵抗４５１１−４５Ｍ１、出力ポートＴＸ１１−ＴＸＭ１、第１スイッチ４１と第２スイッチ４２とから構成されている。前記切替え可能分割器１２０１は、Ｍウェイ作動モードであると説明されている。
【００１２】
本発明の好ましい一実施の形態において、前記切替え可能分割器１２０１は、最大作動モードで前記ＲＦ信号をＭ個の出力信号で同一に分ける分割器として作用する。前記切替え可能分割器１２０１は、線路Ｌ１０を介して前記ビーム制御板１１０から伝送される第１制御信号に基づいて作動状態を可変させることができる。前記切替え可能分割器１２０１は、ここに参照用に添付されている１９９９年２月１６日出願の出願人共同所有の米国特許第５、８７２、４９１号に詳細に説明されている。
【００１３】
図３に示すように、切替え可能分割器１２０１ないし１２０Ｎの各々は、複数の分割された信号を線路Ｌ４１ないしＬ４Ｎを介して第１Ｐ／Ｓ１５０１ないし１５０Ｎに伝送する。前記切替え可能分割器１２０１ないし１２０Ｎの各々で分割された信号の数は、作動モードの数と同じである。好ましい実施の形態で、前記アンテナシステム１００は、作動モードの数を変えることによって、アンテナアレイ１８０から放射されたビームの幅を可変させることができるが、そのシミュレーションデータが図１０ないし図１２に示されている。
【００１４】
一方、水平モータ装置１４０は、前記ビーム制御板１１０から線路Ｌ２０を介して伝送される前記第２制御信号に応答して、Ｎ個のモータ制御信号を生成する。各モータ制御信号は、線路Ｌ２２を介して該当第１Ｐ／Ｓに入力されて、該当第１Ｐ／Ｓに結合された誘電体を回転させることに用いられる。
【００１５】
図５と図６から分かるように、前記切替え可能分割器部１２０の出力ポートＴＸ１１ないしＴＸＭＮから伝送された分割された信号の各々は、第１Ｐ／Ｓ部１５０の該当入力ポートに入力される。例えば、ＴＸ１１ないしＴＸＭ１から伝送された分割された信号は、前記第１位上制御器１５０１のＲＸ１１ないしＲＸＭ１に入力される。
【００１６】
図６は、図３に示す第１位相制御器１５０１と隣接する素子の関係を示す詳細図である。第１位上制御器１５０１は、誘電体（図示せず）、Ｍ個の伝送線路、Ｍ個の入力ポートＲＸ１１ないしＲＸＭ１、Ｍ個の出力ポートＴＸ１１ないしＴＸＭ１を含む。この図に示すように、前記誘電体を所定の角度θ１に回転させて前記スイッチング分割器１２０１から伝送された分割信号の位相を同時に可変させることが可能である。半分する部分に位置した前記伝送線路の電気的長さは、所定の角度まで増加し、同時に残りの他の部分の電気的長さは、その所定の角度まで減少する。前記第１Ｐ／Ｓ１５０１は、参照用に添付されている一連番号がまだ決定されていない“入力されたＮ個の信号を位相変化させる信号処理装置”という題目の公開米国特許申請書に詳細に説明されている。
【００１７】
本実施の形態で、前記第１位上制御器１５０１ないし１５０Ｎの各々は、水平ビームステアリングをすることができる。例えば、前記水平モータ装置１４０が前記誘電体を所定の角度θ１に回転させろというモータ制御信号を第１Ｐ／Ｓ１６０１に伝送する場合、前記切替え可能分割器１２０１から伝送された分割信号の半分は、予め位相制御し、残りの半分は、第１Ｐ／Ｓ１５０１を通過した後、位相が制御される時を待つ。したがって、前記アンテナアレイ１８０の行Ｒ１で、前記放射器Ｒ１１ないしＲＭ１の各々は、行Ｒ１の中心点に対して線形的に対称をなす他の信号を受信する。すなわち、前記アンテナは、前記誘電体の回転に基づいて前記行Ｒ１から放射されたビームを電気的に水平ステアリングすることができる。
【００１８】
前記位相制御された信号は、線路Ｌ５０を介してＣ／Ｄ部１６０に伝送される。これに対する詳細な説明が図７に示されている。第１位相制御器１５０１、１５０２及び１５０Ｎは、各々出力ポートＴＸ１１ないしＴＸＭ１、ＴＸ２１ないしＴＸ２Ｍ、ＴＸ１ＮないしＴＸＭＮを含む。そして、前記Ｃ／Ｄ１６０１、１６０２、１６０Ｍは、各々入力ポートＲＸ１１ないしＲＸ１Ｎ、ＲＸ２１ないしＲＸ２Ｎ、ＲＸＭ１ないしＲＸＭＮを含む。前記出力ポートＴＸ１１ないしＴＸＭＮから伝送される各々の位相制御された信号は、該当入力ポートに伝送される。例えば、前記第１位相制御部１５０の出力ポートＴＸ２１から伝送される位相制御された信号が前記Ｃ／Ｄ部１６０の入力ポートＲＸ２１に伝送される場合である。すなわち、出力ポートＴＸＭＮと入力ポートＲＸＭＮとは、前記出力ポートＴＸＭＮの下位インデックスと入力ポートＲＸＭＮの下位インデックスとが一致する方法で連結されている。
【００１９】
図３から分かるように、前記Ｃ／Ｄ１６０１ないし１６０Ｍの各々は、線路Ｌ７１ないしＬ７Ｍを介して第１Ｐ／Ｓ１５０１ないし１５０Ｍから該当第２位相制御器に位相制御された信号を伝送する。各々の第２位相制御器１７０１ないし１７０Ｍは、前記Ｃ／Ｄ部１６０から信号を伝送する。
【００２０】
図８は、図３に示されている前記第２位相制御器１７０１と隣接する素子との関係を示す詳細図である。前記第２Ｐ／Ｓ１７０１の機能と構造は、第２Ｐ／Ｓ１７０１がＮ個の伝送線路を有しているという点を除いては、第１Ｐ／Ｓ１５０１の機能と構造と類似している。また、誘電体を所定の角度θ２に回転させて前記入力ポートＲＸ１１ないしＲＸ１Ｎに入力される信号の位相を同時に可変させることが可能である。半分する部分に位置した伝送線路の電気的長さは、所定の角度まで増加し、同時に残りの部分の電気的長さはその所定の角度まで減る。
【００２１】
ダウンチルトは、水平方向のビーム状から前記セルの周辺にセルの大きさを減らすことに用いられる。この場合、ビームのカバレジエリア（ｂｅａｍ ｃｏｖｅｒａｇｅ）は減少するが、干渉信号の数が減ることとなるので、セル内で活動し得るユーザがさらに多くなる。本発明の好ましい実施の形態で、列Ｃ１ないしＣＭの各々で第２Ｐ／Ｓ１７０１ないし１７０Ｍに結合されている誘電体を回転させることによって、このようなダウンチルトをすることができる。特に、本発明の好ましい実施の形態によって、前記入力ポートの半分ＲＸ１１ないしＲＸ１（Ｎ−１）／２に入力された信号は、予め位相制御され、前記入力ポートＲＸ１Ｎ／２ないしＲＸ１Ｎを介して入力された前記信号は、出力ポートＴＸ１１ないしＴＸ１Ｎを通過した後、位相が遅延される。制御された位相の量は、第２位相制御器の対称的な配列によって、各々の列Ｃ１ないしＣＭの中点に対して線形対称をなす。
【００２２】
図９は、本発明によってダウンチルトを行うアンテナシステムから放射されたビームの概略図である。第２Ｐ／Ｓが誘電体を回転させない場合、出力ポートＴＸ１１ないしＴＸ１Ｎから出力された信号は、位相平面ＰＰ１に位置する。この場合、放射器Ｒ１１ないしＲＭＮのアレイ１８０から放射された前記ビームは、ビームパターンＢＰ１を有する。一方、第２Ｒ／Ｓが誘電体を所定の角度θ２に回転させる場合、出力ポートＴＸ１１ないしＴＸ１Ｎから出力された信号は、位相平面ＰＰ２に位置することとなる。したがって、放射器Ｒ１１ないしＲＭＮのアレイ１８０から放射されたビームは、前記ビームパターンＢＰ１がα角度に回転したＢＰ２をビームパターンとして有する。
【００２３】
図１０は、図３のアンテナシステム１００が第２Ｐ／Ｓ１７０１ないし１７０Ｍの誘電体を回転させてダウンチルトを行う時のアンテナ水準で極座標（ｐｏｌａｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）上のアンテナの獲得区画を示す水平面図である。
図１１は、図３のアンテナシステムが第１Ｐ／Ｓ１５０１ないし１５０Ｎの誘電体を回転させてビームを水平ステアリングする時の極座標上の獲得区画を示す水平面図である。
【００２４】
図１２は、図３のアンテナシステムが水平ビーム幅スイッチングを具現する時アンテナ利得を示すものである。この場合、前記アレイ１８０は、ＩＭＴ−２０００に好適な放射器Ｒ１１ないしＲ４８から構成される。すなわち、列の数は４であり、行の数は８である。第１位相制御器部１５０は、ただ一つの第１位相制御器を有するが、これは全ての行を同じ方法で制御するためである。したがって、前記切替え可能分割器部１２０は、一つの切替え可能分割器を有する。前記切替え可能分割器は、最大作動モードで４ウェイで作動する。図に示すように、前記切替え可能分割器が４ウェイで作動する場合、前記アレイ１８０から放射されたビームは、おおよそ３２度のＨＰＢＷ（ｈａｌｆ ｐｏｗｅｒ ｂｅａｍ ｗｉｄｔｈ）を有する。前記切替え可能分割器が３ウェイで作動する場合、ビームは、約４５度のＨＰＢＷを有する。そして、前記切替え可能分割器が、２ウェイで作動すれば、ビームは約６４度程度のＨＰＢＷを有することとなる。
【００２５】
図１３は、本発明と電気的にチルトされるＩＭＴ−２０００用のアンテナが無いことにより、ＰＣＳ帯域に基づいた従来のアンテナシステムとの間のデータを比較したグラフである。太い直線、点線、点と短い直線の線は、各々ダウンチルトされないもの、ビーム制御が３ウェイでなされるもの、そして既存の電気的ダウンチルトされるものを示す。従来のアンテナが電気的にダウンチルトされることとなれば、０．９ｄＢの走査ロスと、７．６ｄＢのサイドローブレベル（ｓｉｄｅ ｌｏｂｅ ｌｅｖｅｌ）が発生することとなる。一方、前記アンテナシステム１００は、本発明によって３ウェイビーム制御を行い、前記アレイ１８０から放射されるビームは、０．２ｄＢの走査ロスと１２．７ｄＢのサイドローブレベルを有する。したがって、本発明は、通話品質を向上させて干渉を低減することができる。
【００２６】
図１４は、本発明をＩＭＴ−２０００に模範的に適用した概略図である。ＩＭＴ−２０００における基地局は、６セクターを基本としてセルを調整する。したがって、各セクターには、アンテナが設置されるべきである。図に示すように、セクター１が容量の高い地域である場合、アンテナシステム１００は、ビームをＶＢＤＴ１０度、ＨＢＤＳ−１５度、ＨＢＷＳ３２度に調整する。一方、セクター３が容量の低い地域であれば、前記アンテナシステム１００は、ビームをＶＢＤＴ５度、ＨＢＤＳ０度、ＨＢＷＳ６４度に調整する。すなわち、本発明は、通信環境に基づいてビームを調整することができるのである。
なお、本発明の技術思想は、上記好ましい実施の形態によって具体的に記述されたが、上記した実施の形態はその説明のためのものであって、その制限のためのものではない。
【００２７】
【発明の効果】
既存のアンテナシステムに比べて、本発明は、ビームを３ウェイで制御することができる。３ウェイビーム制御は、垂直方向ビームダウンチルトを電気的に行い、水平的にもビームをステアリングすることができ、ビーム幅を水平にスイッチングすることを同時に行うことができる。本発明は、行と列とに基づいてビームを垂直、水平方向にダウンチルトしステアリングするが、これは、複数の多重線路位相制御器を使用するためである。また、本発明は、複数の切替え可能分割器を利用することによって、行に基づいてビーム幅を水平的にスイッチングさせることができる。本発明は、３ウェイビーム制御を使用する他の従来の技術よりさらに弾力性あるように、セルカバレジエリア（ｃｅｌｌ ｃｏｖｅｒａｇｅ）を調整することができる。したがって、前記アンテナシステムは、ユーザと通信環境により友好的となる。
また、ビーム幅の水平的スイッチングに対しても、作動信号が互いに同等な領域を維持し、前記切替え可能分割器からアンテナアレイの該当放射器に伝送されるので、他の作動モードで切替え可能分割器を使用することに止まらないという点も本発明の注目すべき点である。
なお、本発明は、Ｃ／Ｄを切替え可能Ｃ／Ｄに置き換えることによって、ビーム幅を垂直方向にもスイッチングさせることができる。
さらに、本発明は、多重線路位相制御器を使用することによって、コストを低減し、サービス品質（ｐｅｒｆｏｒｍａｃｅ）を増進させることのできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンテナシステムのビームを機械的に垂直ダウンチルトさせることのできる従来のアンテナシステムの斜視図である。
【図２】アンテナシステムのビームを電気的に垂直ダウンチルトさせることのできる従来のアンテナシステムの斜視図である。
【図３】本発明にかかるアンテナアレイのブロック図である。
【図４】図３の切替え可能分割器（ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ ｄｉｖｉｄｅｒ）を示す詳細図である。
【図５】図３の第１位上制御器と切替え可能分割器との間の関係を示す詳細図である。
【図６】第１位上制御器と隣接素子との間の関係を示す詳細図である。
【図７】図３の第１位上制御器部と結合／分割器部との間の関係を示す詳細図である。
【図８】図３の第１位上制御器部とその隣接素子との間の関係を示す詳細図である。
【図９】本発明にかかるアンテナシステムのビームがダウンチルトを行うことを示す概略図である。
【図１０】図３のアンテナシステムから放射するビームを電気的にダウンチルトさせるビームパターンの構成図である。
【図１１】図３のアンテナ装置から放射するビームを水平調整するビームパターンの構成図である。
【図１２】図３の前記アンテナシステムから放射するビームの幅を水平に変化させるビームパターンの構成図である。
【図１３】本発明と、ＩＭＴ−２０００のための電気的チルトアンテナがないので、ＰＣＳ帯域に基づいた従来のアンテナ装置技術との間のデータを比較して示すグラフである。
【図１４】ＩＭＴ−２０００のための本発明の模範的な応用技術を示す図である。
【符号の説明】
１８０ アンテナアレイ
１７０ 第２位相制御器
１６０ Ｃ／Ｄ
１３０ 垂直モータ装置
１００ アンテナシステム
１１０ ビーム制御板
１４０ 水平モータ装置
【発明が属する技術分野】
本発明は、無線通信システムで用いられるアンテナに関し、特に、位相制御器が配列されているため、アンテナのビームを立体的にステアリングすることのできるアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、放送アンテナから放射される放射ビームの方角は、時々調整するのが良い。特に、放送アンテナがその放送アンテナと通信する他のアンテナより高い高度に位置している場合は、その放送アンテナを下方に傾けて、放射される放射ビームをステアリングして下方にチルト（ｔｉｌｔ）すべきである。このように放射ビームをダウンチルトすることは、可聴区域角度を変更して近隣の放送アンテナとの干渉現象を減らし、放送アンテナの下方の谷に位置している移動通信加入者との通信品質を増進させる。
【０００３】
図１は、アンテナ１２の放射ビーム１６を機械的にダウンチルトさせることができるようになっている従来のアンテナシステム１０である。アンテナ１２は地上にある柱１４の天辺に位置しているが、大概２００フィート程度の高さである。
放射ビームの方角が下方に調整されれば、アンテナ全体１２は、機械的に下方に傾くことになるしかない。このような方法の欠点の一つは、一般的にアンテナがあまりにも硬直的でありコストが高いという点である。もう一つの方法として、アンテナの各放射器（ｒａｄｉａｔｏｒ）と結合された関連放射位相を調節することによって、放射ビームを電気的にダウンチルトさせる方法がある。
【０００４】
図２は、アンテナアレイ２２から放射されるビーム２６を電気的にダウンチルトさせる従来のアンテナシステム２０を示す概略図である。この装置において、アンテナアレイ２２は、放射器アレイと走査ネットワーク（ｓｃａｎ ｎｅｔｗｏｒｋ）を有する単一信号給電ネットワーク（ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｓｉｇｎａｌ ｆｅｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ）とを結合させて前記単一信号ネットワークを放射器アレイ２２に連結している。前記走査ネットワークは、前記給電ネットワークと各放射器との間に複数の伝送線路（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ）を有している。このような電気的ダウンチルト方法中には、調整可能なキャパシタンス（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）が前記伝送線路と共に直列におかれているため、複数の信号を前記アンテナアレイ２２の各放射器に提供して好ましい位相変化を誘発する容量結合方法（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ）がある。位相制御器は、前記アンテナアレイ２２の各放射器と連結されて各放射器から放射する位相制御されたビームを他の全ての放射器から放射するビーム２６と構造的な干渉現象を有して頂上線からアンテナ表面への角度で放射する混合ビームを作る。各位相制御器により提供される位相を可変させることによって、ビームは、アンテナ表面に広く走査（ｓｃａｎ）し得る。もう一つの方法は、他の素子が永久的な電気的ダウンチルトとなるようにするため、長さの異なる伝送線路を使用するのである。
【０００５】
しかし、以上で述べたアンテナシステム１０、２０には、多くの問題点がある。まず、二つのアンテナシステム１０、２０共に水平方向に放射ビームをステアリングすることはできない。
従来のアンテナシステム１０、２０技術が有するもう一つの問題点は、前記伝送線路の個数に相当する多くの位相制御器が必要であるということである。
なお、前記アンテナ技術１０、２０は、ラック（ｒａｃｋ）及びピニオン（ｐｉｎｉｏｎ）との組立、または、放射器数に相応する多くの位相制御器を使用する等好ましい位相制御を提供するのに機械的に複雑である。
しかも、従来のアンテナシステム１０、２０技術は、ビームの幅を垂直、水平に調整することができない。そして、従来のアンテナシステム技術を使用することによって、ビームが垂直、水平に走査されて走査損失があまりにも多く生じることも問題である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、多重線路位相制御器を使用することによってアンテナから放射されたビームをステアリングすることのできるアンテナアレイを提供することにその目的がある。
本発明のもう一つの目的は、多重線路位相制御器を使用することによって、アンテナシステムから放射されたビームを電気的にステアリングすることのできるアンテナシステムを提供することにある。
また、本発明のもう一つの目的は、アンテナシステムから放射されたビームを電気的に垂直及び方位角方向にステアリングすることのできるアンテナシステムを提供することである。
また、本発明のもう一つの目的は、切替え可能分割器（ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅｄｉｖｉｄｅｒ）を使用することによって、ビーム幅を水平に選択的スイッチングすることのできるアンテナシステムを提供することである。
また、本発明のもう一つの目的は、ビームを３ウェイに調整することのできるアンテナシステムを提供することである。
また、本発明の他の目的は、干渉を最小化してセル容量（ｃｅｌｌ ｃａｐａｃｉｔｙ）を最大化するアンテナシステムを提供することである。
また、本発明の他の目的は、最適セルプランニング（ｏｐｔｉｍａｌ ｃｅｌｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ）を提供し、現実の多様な環境に好適なアンテナシステムを提供することである。
なお、本発明のもう一つの目的は、通信環境と調和をなすアンテナシステムを提供することである。
また、本発明のもう一つの目的は、安定的に設置されるアンテナシステムを提供することである。
【０００７】
上記課題を達成するため、本発明は、ビームを放射するためのＭ×Ｎ個の放射素子アレイ（ここでＭとＮは、各々列と行の正の整数である）と、複数の信号をＭ×Ｎ個の放射素子アレイに伝送するための給電ネットワークからなり、前記給電ネットワークは、複数の信号を受信するための一つの入力ポートと、前記入力信号を第１位相制御器の各伝送線路に選択的に伝送するためのＮ個の切替え可能分割器と、前記切替え可能分割器の出力信号を位相制御することによって、行に基づいて水平ビームをステアリングするためのＮ個の第１位相制御器と、前記第１位相制御器出力信号を第２位相制御器の伝送線路の各々に入力するためのＭ個の結合器／分割器と、前記結合器／分割器の出力ポートから受信した信号を位相制御することによって、列に基づいて垂直ビームをステアリングするためのＭ個の第２位相制御器を含み、前記第１位相制御器の各々が第１位相制御器に結合された誘電体を第１の回転手段により回転させることによって、Ｍ個の信号を同時に位相制御し、前記第２位相制御器の各々が第２位相制御器に結合された誘電体を第２の回転手段により回転させることによって、Ｎ個の信号を同時に位相制御し、前記第１位相制御器の各々は、誘電定数が互いに異なる第１及び第２部を有する誘電体を含み、前記第１位相制御器の前記Ｍ個の入力信号を、前記誘電体と対向して位置したＭ個の伝送線路の一端に入力し、前記誘電体に対向して通過せしめ、前記結合器／分割器のＭ個の入力端に出力し、前記Ｍ個の伝送線路は第１及び第２部分を有する基板上において、Ｍ／２個の伝送線路が前記第１部分に、残りのＭ／２個の伝送線路が前記第２部分に形成され、前記第１部分の伝送線路は、前記第２部分の伝送線路に対して対称をなすように配列されて、前記第１部分の伝送線路の電気的長さが所定の値まで増加すれば、前記第２部分の伝送線路の電気的長さがその所定の値まで減少し、前記第２位相制御器の各々は、誘電定数が互いに異なる第１及び第２部を有する誘電体を含み、前記第２位相制御器の前記Ｎ個の入力信号を、前記誘電体と対向して位置したＮ個の伝送線路の一端に入力し、前記誘電体に対向して通過せしめ、Ｎ個の放射素子に出力し、前記Ｎ個の伝送線路は第１及び第２部分を有する基板上において、Ｎ／２個の伝送線路が前記第１部分に、残りのＮ／２個の伝送線路が前記第２部分に形成され、前記第１部分の伝送線路は、前記第２部分の伝送線路に対して対称をなすように配列されて、前記第１部分の伝送線路の電気的長さが所定の値まで増加すれば、前記第２部分の伝送線路の電気的長さがその所定の値まで減少することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、ビーム放射のためのＮ個の放射素子からなるアレイ（ここでＮは正の整数である）と、前記Ｎ個の放射素子からなるアレイに複数の信号を提供するための給電ネットワークからなり、前記給電ネットワークは、複数の信号を受信するための一つの入力ポートと、前記入力信号を位相制御器の各伝送線路に伝送するためのＮ個の切替え可能分割器と、前記切替え可能分割器の出力信号を同時に位相制御することによって、前記ビームをステアリングするためのＮ個の位相制御器と、前記位相制御器の各々は、誘電定数が互いに異なる第１及び第２部を有する誘電体とを含み、前記位相制御器のＮ個の入力信号を、前記誘電体と対向して位置したＮ個の伝送線路の一端に入力し、前記誘電体に対向して通過せしめ、Ｎ個の放射素子に出力し、前記誘電体を回転させるための手段をさらに含み、前記Ｎ個の伝送線路は第１及び第２部分を有する基板上において、Ｎ／２個の伝送線路が前記第１部分に、残りのＮ／２個の伝送線路が前記第２部分に形成され、前記第１部分の伝送線路は、前記第２部分の伝送線路に対して対称をなすように配列されて、前記第１部分の伝送線路の電気的長さが所定の値まで増加すれば、前記第２部分の伝送線路の電気的長さがその所定の値まで減少することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、当業者が本発明を容易に実施できるように、本発明を、好ましい実施の形態の図面を参照しながら説明する。
図３ないし１２は、本発明の好ましい実施の形態にかかる無線通信用アンテナシステム１００を示すものである。
図３は、無線通信システム用アンテナシステム１００のブロック図である。前記アンテナシステムは、ビーム制御板１１０、切替え可能分割器部１２０、第１位相制御器（Ｐ／Ｓ）部１５０、結合／分割器（Ｃ／Ｄ）部１６０、第２Ｐ／Ｓ部１７０及び正の整数であるＭとＮとからなるＭ×Ｎ個の放射器からなるアレイ１８０により構成されている。前記アレイ１８０は、Ｍ個の列Ｃ１からＣＭを、そしてＮ個の行Ｒ１からＲＮを有するが、各々の列Ｃ１からＣＭまでは、Ｎ個の放射器を含む。例えば、第１列Ｃ１にあるＮ個の放射器は、Ｒ１１からＲ１Ｎまでで示す。各列にある放射器は、垂直方向に羅列されており、列Ｃ１からＣＭは、互いに水平に連結されている。前記アンテナシステム１００は、垂直モータ装置１３０及び水平モータ装置１４０をさらに含む。
切替え可能分割器部１２０は、Ｎ個の切替え可能分割器１２０１から１２０Ｎを含んで、結合／分割器部１６０は、Ｍ個の結合／分割器部（Ｃ／Ｄｓ）１６０１から１６０Ｎを含む。そして、第１Ｐ／Ｓ部１５０は、Ｎ個の第１Ｐ／Ｓ部１５０１から１５０Ｎを有し、第２Ｐ／Ｓ部１７０は、Ｍ個の第２Ｐ／Ｓ部１７０１から１７０Ｍを有する。
【００１０】
前記システム１００で、制御信号は、前記ビーム制御板１１０に設置された制御ポートを介してビーム制御板１１０に入力される。前記ビーム制御板は、第１、第２、第３制御信号を生成するが、ここで、第１制御信号は、水平ビーム幅スイッチ（ＨＢＷＳｗ）に、第２制御信号は、水平ビーム方向調整（ＨＢＳｔ）に、そして第３制御信号は、垂直ビームダウンチルト（ＶＢＤＴ）に用いられる。
【００１１】
一方、Ｎ個の信号が入力ポートを介して前記切替え可能分割器（ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ ｄｉｖｉｄｅｒｓ）１２０１ないし１２０Ｎに入力される。各々の切替え可能分割器１２０１ないし１２０Ｎは、作動モードを変えることができる。図４は、本発明で用いられる切替え可能分割器１２０１を示す概略図である。前記切替え可能分割器１２０１は、ＲＦ信号を入力ポートから受信する入力ポートＲＸ１、第１伝送線路４４１１−４４Ｍ１、第２伝送線路４６１１−４６Ｍ１、アイソレーション抵抗４５１１−４５Ｍ１、出力ポートＴＸ１１−ＴＸＭ１、第１スイッチ４１と第２スイッチ４２とから構成されている。前記切替え可能分割器１２０１は、Ｍウェイ作動モードであると説明されている。
【００１２】
本発明の好ましい一実施の形態において、前記切替え可能分割器１２０１は、最大作動モードで前記ＲＦ信号をＭ個の出力信号で同一に分ける分割器として作用する。前記切替え可能分割器１２０１は、線路Ｌ１０を介して前記ビーム制御板１１０から伝送される第１制御信号に基づいて作動状態を可変させることができる。前記切替え可能分割器１２０１は、ここに参照用に添付されている１９９９年２月１６日出願の出願人共同所有の米国特許第５、８７２、４９１号に詳細に説明されている。
【００１３】
図３に示すように、切替え可能分割器１２０１ないし１２０Ｎの各々は、複数の分割された信号を線路Ｌ４１ないしＬ４Ｎを介して第１Ｐ／Ｓ１５０１ないし１５０Ｎに伝送する。前記切替え可能分割器１２０１ないし１２０Ｎの各々で分割された信号の数は、作動モードの数と同じである。好ましい実施の形態で、前記アンテナシステム１００は、作動モードの数を変えることによって、アンテナアレイ１８０から放射されたビームの幅を可変させることができるが、そのシミュレーションデータが図１０ないし図１２に示されている。
【００１４】
一方、水平モータ装置１４０は、前記ビーム制御板１１０から線路Ｌ２０を介して伝送される前記第２制御信号に応答して、Ｎ個のモータ制御信号を生成する。各モータ制御信号は、線路Ｌ２２を介して該当第１Ｐ／Ｓに入力されて、該当第１Ｐ／Ｓに結合された誘電体を回転させることに用いられる。
【００１５】
図５と図６から分かるように、前記切替え可能分割器部１２０の出力ポートＴＸ１１ないしＴＸＭＮから伝送された分割された信号の各々は、第１Ｐ／Ｓ部１５０の該当入力ポートに入力される。例えば、ＴＸ１１ないしＴＸＭ１から伝送された分割された信号は、前記第１位上制御器１５０１のＲＸ１１ないしＲＸＭ１に入力される。
【００１６】
図６は、図３に示す第１位相制御器１５０１と隣接する素子の関係を示す詳細図である。第１位上制御器１５０１は、誘電体（図示せず）、Ｍ個の伝送線路、Ｍ個の入力ポートＲＸ１１ないしＲＸＭ１、Ｍ個の出力ポートＴＸ１１ないしＴＸＭ１を含む。この図に示すように、前記誘電体を所定の角度θ１に回転させて前記スイッチング分割器１２０１から伝送された分割信号の位相を同時に可変させることが可能である。半分する部分に位置した前記伝送線路の電気的長さは、所定の角度まで増加し、同時に残りの他の部分の電気的長さは、その所定の角度まで減少する。前記第１Ｐ／Ｓ１５０１は、参照用に添付されている一連番号がまだ決定されていない“入力されたＮ個の信号を位相変化させる信号処理装置”という題目の公開米国特許申請書に詳細に説明されている。
【００１７】
本実施の形態で、前記第１位上制御器１５０１ないし１５０Ｎの各々は、水平ビームステアリングをすることができる。例えば、前記水平モータ装置１４０が前記誘電体を所定の角度θ１に回転させろというモータ制御信号を第１Ｐ／Ｓ１６０１に伝送する場合、前記切替え可能分割器１２０１から伝送された分割信号の半分は、予め位相制御し、残りの半分は、第１Ｐ／Ｓ１５０１を通過した後、位相が制御される時を待つ。したがって、前記アンテナアレイ１８０の行Ｒ１で、前記放射器Ｒ１１ないしＲＭ１の各々は、行Ｒ１の中心点に対して線形的に対称をなす他の信号を受信する。すなわち、前記アンテナは、前記誘電体の回転に基づいて前記行Ｒ１から放射されたビームを電気的に水平ステアリングすることができる。
【００１８】
前記位相制御された信号は、線路Ｌ５０を介してＣ／Ｄ部１６０に伝送される。これに対する詳細な説明が図７に示されている。第１位相制御器１５０１、１５０２及び１５０Ｎは、各々出力ポートＴＸ１１ないしＴＸＭ１、ＴＸ２１ないしＴＸ２Ｍ、ＴＸ１ＮないしＴＸＭＮを含む。そして、前記Ｃ／Ｄ１６０１、１６０２、１６０Ｍは、各々入力ポートＲＸ１１ないしＲＸ１Ｎ、ＲＸ２１ないしＲＸ２Ｎ、ＲＸＭ１ないしＲＸＭＮを含む。前記出力ポートＴＸ１１ないしＴＸＭＮから伝送される各々の位相制御された信号は、該当入力ポートに伝送される。例えば、前記第１位相制御部１５０の出力ポートＴＸ２１から伝送される位相制御された信号が前記Ｃ／Ｄ部１６０の入力ポートＲＸ２１に伝送される場合である。すなわち、出力ポートＴＸＭＮと入力ポートＲＸＭＮとは、前記出力ポートＴＸＭＮの下位インデックスと入力ポートＲＸＭＮの下位インデックスとが一致する方法で連結されている。
【００１９】
図３から分かるように、前記Ｃ／Ｄ１６０１ないし１６０Ｍの各々は、線路Ｌ７１ないしＬ７Ｍを介して第１Ｐ／Ｓ１５０１ないし１５０Ｍから該当第２位相制御器に位相制御された信号を伝送する。各々の第２位相制御器１７０１ないし１７０Ｍは、前記Ｃ／Ｄ部１６０から信号を伝送する。
【００２０】
図８は、図３に示されている前記第２位相制御器１７０１と隣接する素子との関係を示す詳細図である。前記第２Ｐ／Ｓ１７０１の機能と構造は、第２Ｐ／Ｓ１７０１がＮ個の伝送線路を有しているという点を除いては、第１Ｐ／Ｓ１５０１の機能と構造と類似している。また、誘電体を所定の角度θ２に回転させて前記入力ポートＲＸ１１ないしＲＸ１Ｎに入力される信号の位相を同時に可変させることが可能である。半分する部分に位置した伝送線路の電気的長さは、所定の角度まで増加し、同時に残りの部分の電気的長さはその所定の角度まで減る。
【００２１】
ダウンチルトは、水平方向のビーム状から前記セルの周辺にセルの大きさを減らすことに用いられる。この場合、ビームのカバレジエリア（ｂｅａｍ ｃｏｖｅｒａｇｅ）は減少するが、干渉信号の数が減ることとなるので、セル内で活動し得るユーザがさらに多くなる。本発明の好ましい実施の形態で、列Ｃ１ないしＣＭの各々で第２Ｐ／Ｓ１７０１ないし１７０Ｍに結合されている誘電体を回転させることによって、このようなダウンチルトをすることができる。特に、本発明の好ましい実施の形態によって、前記入力ポートの半分ＲＸ１１ないしＲＸ１（Ｎ−１）／２に入力された信号は、予め位相制御され、前記入力ポートＲＸ１Ｎ／２ないしＲＸ１Ｎを介して入力された前記信号は、出力ポートＴＸ１１ないしＴＸ１Ｎを通過した後、位相が遅延される。制御された位相の量は、第２位相制御器の対称的な配列によって、各々の列Ｃ１ないしＣＭの中点に対して線形対称をなす。
【００２２】
図９は、本発明によってダウンチルトを行うアンテナシステムから放射されたビームの概略図である。第２Ｐ／Ｓが誘電体を回転させない場合、出力ポートＴＸ１１ないしＴＸ１Ｎから出力された信号は、位相平面ＰＰ１に位置する。この場合、放射器Ｒ１１ないしＲＭＮのアレイ１８０から放射された前記ビームは、ビームパターンＢＰ１を有する。一方、第２Ｒ／Ｓが誘電体を所定の角度θ２に回転させる場合、出力ポートＴＸ１１ないしＴＸ１Ｎから出力された信号は、位相平面ＰＰ２に位置することとなる。したがって、放射器Ｒ１１ないしＲＭＮのアレイ１８０から放射されたビームは、前記ビームパターンＢＰ１がα角度に回転したＢＰ２をビームパターンとして有する。
【００２３】
図１０は、図３のアンテナシステム１００が第２Ｐ／Ｓ１７０１ないし１７０Ｍの誘電体を回転させてダウンチルトを行う時のアンテナ水準で極座標（ｐｏｌａｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）上のアンテナの獲得区画を示す水平面図である。
図１１は、図３のアンテナシステムが第１Ｐ／Ｓ１５０１ないし１５０Ｎの誘電体を回転させてビームを水平ステアリングする時の極座標上の獲得区画を示す水平面図である。
【００２４】
図１２は、図３のアンテナシステムが水平ビーム幅スイッチングを具現する時アンテナ利得を示すものである。この場合、前記アレイ１８０は、ＩＭＴ−２０００に好適な放射器Ｒ１１ないしＲ４８から構成される。すなわち、列の数は４であり、行の数は８である。第１位相制御器部１５０は、ただ一つの第１位相制御器を有するが、これは全ての行を同じ方法で制御するためである。したがって、前記切替え可能分割器部１２０は、一つの切替え可能分割器を有する。前記切替え可能分割器は、最大作動モードで４ウェイで作動する。図に示すように、前記切替え可能分割器が４ウェイで作動する場合、前記アレイ１８０から放射されたビームは、おおよそ３２度のＨＰＢＷ（ｈａｌｆ ｐｏｗｅｒ ｂｅａｍ ｗｉｄｔｈ）を有する。前記切替え可能分割器が３ウェイで作動する場合、ビームは、約４５度のＨＰＢＷを有する。そして、前記切替え可能分割器が、２ウェイで作動すれば、ビームは約６４度程度のＨＰＢＷを有することとなる。
【００２５】
図１３は、本発明と電気的にチルトされるＩＭＴ−２０００用のアンテナが無いことにより、ＰＣＳ帯域に基づいた従来のアンテナシステムとの間のデータを比較したグラフである。太い直線、点線、点と短い直線の線は、各々ダウンチルトされないもの、ビーム制御が３ウェイでなされるもの、そして既存の電気的ダウンチルトされるものを示す。従来のアンテナが電気的にダウンチルトされることとなれば、０．９ｄＢの走査ロスと、７．６ｄＢのサイドローブレベル（ｓｉｄｅ ｌｏｂｅ ｌｅｖｅｌ）が発生することとなる。一方、前記アンテナシステム１００は、本発明によって３ウェイビーム制御を行い、前記アレイ１８０から放射されるビームは、０．２ｄＢの走査ロスと１２．７ｄＢのサイドローブレベルを有する。したがって、本発明は、通話品質を向上させて干渉を低減することができる。
【００２６】
図１４は、本発明をＩＭＴ−２０００に模範的に適用した概略図である。ＩＭＴ−２０００における基地局は、６セクターを基本としてセルを調整する。したがって、各セクターには、アンテナが設置されるべきである。図に示すように、セクター１が容量の高い地域である場合、アンテナシステム１００は、ビームをＶＢＤＴ１０度、ＨＢＤＳ−１５度、ＨＢＷＳ３２度に調整する。一方、セクター３が容量の低い地域であれば、前記アンテナシステム１００は、ビームをＶＢＤＴ５度、ＨＢＤＳ０度、ＨＢＷＳ６４度に調整する。すなわち、本発明は、通信環境に基づいてビームを調整することができるのである。
なお、本発明の技術思想は、上記好ましい実施の形態によって具体的に記述されたが、上記した実施の形態はその説明のためのものであって、その制限のためのものではない。
【００２７】
【発明の効果】
既存のアンテナシステムに比べて、本発明は、ビームを３ウェイで制御することができる。３ウェイビーム制御は、垂直方向ビームダウンチルトを電気的に行い、水平的にもビームをステアリングすることができ、ビーム幅を水平にスイッチングすることを同時に行うことができる。本発明は、行と列とに基づいてビームを垂直、水平方向にダウンチルトしステアリングするが、これは、複数の多重線路位相制御器を使用するためである。また、本発明は、複数の切替え可能分割器を利用することによって、行に基づいてビーム幅を水平的にスイッチングさせることができる。本発明は、３ウェイビーム制御を使用する他の従来の技術よりさらに弾力性あるように、セルカバレジエリア（ｃｅｌｌ ｃｏｖｅｒａｇｅ）を調整することができる。したがって、前記アンテナシステムは、ユーザと通信環境により友好的となる。
また、ビーム幅の水平的スイッチングに対しても、作動信号が互いに同等な領域を維持し、前記切替え可能分割器からアンテナアレイの該当放射器に伝送されるので、他の作動モードで切替え可能分割器を使用することに止まらないという点も本発明の注目すべき点である。
なお、本発明は、Ｃ／Ｄを切替え可能Ｃ／Ｄに置き換えることによって、ビーム幅を垂直方向にもスイッチングさせることができる。
さらに、本発明は、多重線路位相制御器を使用することによって、コストを低減し、サービス品質（ｐｅｒｆｏｒｍａｃｅ）を増進させることのできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンテナシステムのビームを機械的に垂直ダウンチルトさせることのできる従来のアンテナシステムの斜視図である。
【図２】アンテナシステムのビームを電気的に垂直ダウンチルトさせることのできる従来のアンテナシステムの斜視図である。
【図３】本発明にかかるアンテナアレイのブロック図である。
【図４】図３の切替え可能分割器（ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ ｄｉｖｉｄｅｒ）を示す詳細図である。
【図５】図３の第１位上制御器と切替え可能分割器との間の関係を示す詳細図である。
【図６】第１位上制御器と隣接素子との間の関係を示す詳細図である。
【図７】図３の第１位上制御器部と結合／分割器部との間の関係を示す詳細図である。
【図８】図３の第１位上制御器部とその隣接素子との間の関係を示す詳細図である。
【図９】本発明にかかるアンテナシステムのビームがダウンチルトを行うことを示す概略図である。
【図１０】図３のアンテナシステムから放射するビームを電気的にダウンチルトさせるビームパターンの構成図である。
【図１１】図３のアンテナ装置から放射するビームを水平調整するビームパターンの構成図である。
【図１２】図３の前記アンテナシステムから放射するビームの幅を水平に変化させるビームパターンの構成図である。
【図１３】本発明と、ＩＭＴ−２０００のための電気的チルトアンテナがないので、ＰＣＳ帯域に基づいた従来のアンテナ装置技術との間のデータを比較して示すグラフである。
【図１４】ＩＭＴ−２０００のための本発明の模範的な応用技術を示す図である。
【符号の説明】
１８０ アンテナアレイ
１７０ 第２位相制御器
１６０ Ｃ／Ｄ
１３０ 垂直モータ装置
１００ アンテナシステム
１１０ ビーム制御板
１４０ 水平モータ装置
Claims (11)
- ビームを放射するためのＭ×Ｎ個の放射素子アレイ（ここでＭとＮは、各々列と行の正の整数である）と、
複数の信号をＭ×Ｎ個の放射素子アレイに伝送するための給電ネットワークからなり、
前記給電ネットワークは、複数の信号を受信するための一つの入力ポートと、
前記入力信号を第１位相制御器の各伝送線路に選択的に伝送するためのＮ個の切替え可能分割器と、
前記切替え可能分割器の出力信号を位相制御することによって、行に基づいて水平ビームをステアリングするためのＮ個の第１位相制御器と、
前記第１位相制御器出力信号を第２位相制御器の伝送線路の各々に入力するためのＭ個の結合器／分割器と、
前記結合器／分割器の出力ポートから受信した信号を位相制御することによって、列に基づいて垂直ビームをステアリングするためのＭ個の第２位相制御器を含み、
前記第１位相制御器の各々が第１位相制御器に結合された誘電体を第１の回転手段により回転させることによって、Ｍ個の信号を同時に位相制御し、
前記第２位相制御器の各々が第２位相制御器に結合された誘電体を第２の回転手段により回転させることによって、Ｎ個の信号を同時に位相制御し、
前記第１位相制御器の各々は、誘電定数が互いに異なる第１及び第２部を有する誘電体を含み、
前記第１位相制御器の前記Ｍ個の入力信号を、前記誘電体と対向して位置したＭ個の伝送線路の一端に入力し、前記誘電体に対向して通過せしめ、前記結合器／分割器のＭ個の入力端に出力し、
前記Ｍ個の伝送線路は第１及び第２部分を有する基板上において、
Ｍ／２個の伝送線路が前記第１部分に、残りのＭ／２個の伝送線路が前記第２部分に形成され、
前記第１部分の伝送線路は、前記第２部分の伝送線路に対して対称をなすように配列されて、前記第１部分の伝送線路の電気的長さが所定の値まで増加すれば、前記第２部分の伝送線路の電気的長さがその所定の値まで減少し、
前記第２位相制御器の各々は、誘電定数が互いに異なる第１及び第２部を有する誘電体を含み、
前記第２位相制御器の前記Ｎ個の入力信号を、前記誘電体と対向して位置したＮ個の伝送線路の一端に入力し、前記誘電体に対向して通過せしめ、Ｎ個の放射素子に出力し、
前記Ｎ個の伝送線路は第１及び第２部分を有する基板上において、
Ｎ／２個の伝送線路が前記第１部分に、残りのＮ／２個の伝送線路が前記第２部分に形成され、
前記第１部分の伝送線路は、前記第２部分の伝送線路に対して対称をなすように配列されて、前記第１部分の伝送線路の電気的長さが所定の値まで増加すれば、前記第２部分の伝送線路の電気的長さがその所定の値まで減少することを特徴とする無線通信システム用のアンテナシステム。 - 前記第２回転手段が前記第２位相制御器の誘電体を回転させる時、信号は、第２位相制御器を通過した後、その中心点に対して位相平面（ｐｈａｓｅ ｐｌａｎｅ）で対称をなすことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム用のアンテナシステム。
- 前記結合器／分割器は、Ｎ個の入力ポートと一つの出力ポートとを有する結合器と、
一つの入力ポートとＮ個の出力ポートとを有する分割器とを含むことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム用のアンテナシステム。 - 前記切替え可能分割器（ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｄｉｖｉｄｅｒｓ）は、
入力信号受信のための一つの入力ポートと、
一つの共通ノードと、
Ｍ個の第１伝送線路と、
Ｍ個の第２伝送線路と、
第１及び第２伝送線路間に配列され、各々が当該第１及び第２伝送線路に電気的に結合されているＭ個のアイソレーション素子（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）と、
各々が当該アイソレーション素子と第１または第２伝送線路との接続部分に連結された、Ｍ個の出力信号を出力するためのＭ個の出力ポートと、
前記入力信号を前記第１伝送線路別に接続、非接続を選択するＭ個の第１スイッチと、
前記第１スイッチに連動して第２伝送線路別に共通ノードと接続、非接続を選択するＭ個の第２スイッチとを含むことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム用のアンテナシステム。 - 前記アンテナシステムは、ＩＭＴ−２０００に適合する、Ｍは４であって、Ｎは８であることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム用のアンテナシステム。
- 前記切替え可能分割器と第１及び第２回転手段を制御する制御信号を生成するためのビーム制御板を含むことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム用のアンテナシステム。
- ビーム放射のためのＮ個の放射素子からなるアレイ（ここでＮは正の整数である）と、
前記Ｎ個の放射素子からなるアレイに複数の信号を提供するための給電ネットワークからなり、
前記給電ネットワークは、複数の信号を受信するための一つの入力ポートと、
前記入力信号を位相制御器の各伝送線路に伝送するためのＮ個の切替え可能分割器と、
前記切替え可能分割器の出力信号を同時に位相制御することによって、前記ビームをステアリングするためのＮ個の位相制御器と、
前記位相制御器の各々は、誘電定数が互いに異なる第１及び第２部を有する誘電体とを含み、
前記位相制御器のＮ個の入力信号を、前記誘電体と対向して位置したＮ個の伝送線路の一端に入力し、前記誘電体に対向して通過せしめ、Ｎ個の放射素子に出力し、
前記誘電体を回転させるための手段をさらに含み、
前記Ｎ個の伝送線路は第１及び第２部分を有する基板上において、
Ｎ／２個の伝送線路が前記第１部分に、残りのＮ／２個の伝送線路が前記第２部分に形成され、
前記第１部分の伝送線路は、前記第２部分の伝送線路に対して対称をなすように配列されて、前記第１部分の伝送線路の電気的長さが所定の値まで増加すれば、前記第２部分の伝送線路の電気的長さがその所定の値まで減少することを特徴とする無線通信システム用のアンテナシステム。 - 前記アンテナシステムは、前記複数の放射器（ｒａｄｉａｔｏｒｓ）が列（ｃｏｌｕｍｎ）を形成する方式で配列されていることを特徴とする請求項７に記載の無線通信システム用のアンテナシステム。
- 前記アンテナシステムは、前記複数の放射器が行（ｒｏｗ）を形成する方式で配列されていることを特徴とする請求項７に記載の無線通信システム用のアンテナシステム。
- 前記切替え可能分割器は、入力信号を受信するための一つの入力ポートと、
一つの共通ノードと、
Ｎ個の第１伝送線路と、
Ｎ個の第２伝送線路と、
前記第１及び第２伝送線路間に配置されており、第１及び第２伝送線路の各々に電気的に結合されているＮ個のアイソレーション素子と、
各々が当該アイソレーション素子と第１または第２伝送線路との接続部分に連結されている、Ｎ個の出力信号を出力するためのＮ個の出力ポートと、
前記入力信号を第１伝送線路別に接続、非接続を選択するＮ個の第１スイッチと、前記第１スイッチに連動して第２伝送線路別に共通ノードと接続、非接続を選択するＮ個の第２スイッチとを含むことを特徴とする請求項７に記載の無線通信システム用のアンテナシステム。 - 前記ビームの幅が切替え可能分割器により、位相制御器に出力される作動モード数（ウェイ数）を可変させることによって、制御されることを特徴とする請求項７に記載の無線通信システム用のアンテナシステム。
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