JP4944205B2

JP4944205B2 - マイクロ波のスパースなアレイアンテナ配置

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Publication number: JP4944205B2
Application number: JP2009539205A
Authority: JP
Inventors: リンドグレン、ウルフ; アスレイ、フレドリク
Original assignee: テレフオンアクチーボラゲットエルエムエリクソン（パブル）
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: EP2097949A1; WO2008066436A1; EP2097949A4; US20100066635A1; JP2010512044A

Description

本発明は、マイクロ波アレイアンテナ配置に係り、アンテナ素子の２以上のグループ、および各グループに２以上のアンテナ素子を含み、全てのグループが同数のアンテナ素子を含み、その配置がアンテナ素子の各グループに１の無線チェーンをさらに含む、マイクロ波アレイアンテナ配置に関する。

今日、アレイアンテナが広範な適用に利用されている。この種の適用の例は、基地局アンテナ、およびいわゆる到来方向（ＤＯＡ）を推定するために配置されたアンテナである。

アレイアンテナは、一般に多数のアンテナ素子からなる。一般に、アンテナ素子は、線に沿って互いに等距離（ｅｑｕｉｄｉｓｔａｎｔｌｙ）に配置される。Ｋのアンテナ素子を有するこの種のアレイアンテナの複合ビームパターンは、下式により数学的に共通表記される。

グレーティングローブ（ｇｒａｔｉｎｇｌｏｂｅ）を避けるために、距離ｄは、λ／２未満であるべきであるが、隣接アンテナ素子間の結合は、距離ｄの減少により増加する。アレイアンテナの有効開口（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｐｐｅｒｔｕｒｅ）の減少を伴わずにアンテナ素子数が減少すると、いわゆるスパースアレイ（ｓｐａｒｓｅａｒｒａｙ）がもたらされる。スパースアレイは、アレイアンテナを構成するアンテナ素子間の結合が減少したフルアレイと比べて、ハードウェア用の空間の確保、重量の減少、増幅器数の減少、電力消費の減少等の利点を有する。反面、グレーティングローブおよびアンテナゲインの減少という不利も有する。

アンテナ素子間の結合が望ましくないので、結合が減少し、増幅器数が減少するように相隔てられたアンテナ素子を構成し、スパースアレイを構成するとともにグレーティングローブが容易に補償されうるアレイアンテナが望まれる。

本発明の課題は、アンテナ素子間の結合が減少し、増幅器数が減少するようにアンテナ素子が相隔てられるとともに、グレーティングローブの補償が可能なアンテナ素子を含むアレイアンテナを提供することにある。

本発明の課題は、冒頭に述べられた配置により解消される。配置は、各無線チェーンに１のスイッチを含み、スイッチは、アンテナ素子の各グループのアンテナ素子に各無線チェーンを周期的に接続するように構成される。

好ましい実施形態では、アンテナ素子の各グループのアンテナ素子は、実質的に互いに等距離に配置される。

好ましい他の実施形態では、アンテナ素子の各グループのアンテナ素子間の距離は、利用周波数帯域でグレーティングローブが現れないように選択される。

好ましい他の実施形態では、各アンテナ素子は、複数のアンテナ副素子を含み、各アンテナ素子は、サブアレイアンテナを構成する。

好ましい他の実施形態では、アンテナ素子は、実質的に線形に配置され、または円周上に配置される。

好ましい他の実施形態では、アンテナ素子のグループ毎の１のみのアンテナ素子が各無線チェーンに同時に接続され、好ましくは、実質的に同一の期間に亘って接続される。

本発明については、２の主要な変形例が存在する。第１の変形例によれば、アンテナ素子の２の隣接グループ間の距離は、各グループのアンテナ素子間の距離と実質的に同一である。第２の変形例によれば、アンテナ素子の２の隣接グループ間の距離は、各グループのアンテナ素子間の距離よりも大きい。

好ましい他の実施形態は、従属項の記載から明らかにされる。

本発明は、例えば次のような多くの利点を有する。２以上のアンテナ素子のために増幅器が再利用されるアレイアンテナが得られる。アンテナ素子間で低い結合が達成される。

本発明の第１の実施形態に係る配置を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る配置を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る配置を示す図である。本発明の第４の実施形態に係る配置を示す図である。

以下では、添付図面を参照しながら、本発明についてより詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示している。アレイアンテナ１は、アンテナ素子の第１のグループ２、アンテナ素子の第２のグループ３、およびアンテナ素子の第３のグループ４を含む。各グループ２、３、４は、第１のアンテナ素子５、６、７、第２のアンテナ素子８、９、１０、および第３のアンテナ素子１１、１２、１３を各々に含む。合計すると、アレイアンテナ１は、９のアンテナ素子５、６、７；８、９、１０；１１、１２、１３を含み、アンテナ素子５、６、７；８、９、１０；１１、１２、１３は、線に沿って実質的に互いに等距離に配置される。隣接アンテナ素子間の距離ｄがλ／２であり、λが利用周波数に対応する波長である。この場合、全てのアンテナ素子５、６、７；８、９、１０；１１、１２、１３が同時に機能すれば（例えば送信機に結合される。）、グレーティングローブが現れない。

第１の無線チェーン１４は、アンテナ素子の第１のグループ２に接続され、第２の無線チェーン１５は、アンテナ素子の第２のグループ３に接続され、第３の無線チェーン１６は、アンテナ素子の第３のグループ４に接続される。各無線チェーン１４、１５、１６は、送信、受信、または両方のために配置された無線素子（ｒａｄｉｏｅｌｅｍｅｎｔ）を含む。無線チェーンの構成は、既知であるので、詳細な説明を省略する。

本発明によれば、各無線チェーン１４、１５、１６は、第１のスイッチ１７、第２のスイッチ１８、および第３のスイッチ１９を各々に用いて、アンテナ素子の各グループ２、３、４に接続される。各スイッチ１７、１８、１９は、アンテナ素子の対応するグループ２、３、４の３のアンテナ素子５、８、１１；６、９、１２；７、１０、１３間で対応する無線チェーン１４、１５、１６を切替えるように構成される。

例えば、アンテナ素子の第１のグループ２では、第１のスイッチ１７は、グループ２の第１のアンテナ素子５、第２のアンテナ素子８、および第３のアンテナ素子１１の間を切替える。アンテナ素子５、８、１１は、第１の無線チェーン１４に実質的に同一の期間に亘って結合される。

全てのスイッチ１７、１８、１９は、アンテナ素子の各グループ２、３、４の第１のアンテナ素子５、６、７が各無線チェーン１４、１５、１６に実質的に同時に接続され、アンテナ素子の各グループ２、３、４の第２のアンテナ素子８、９、１０が各無線チェーン１４、１５、１６に実質的に同時に接続され、アンテナ素子の各グループ２、３、４の第３のアンテナ素子１１、１２、１３が各無線チェーン１４、１５、１６に実質的に同時に接続されるように、同様な方法で切替える。各無線チェーン１４、１５、１６に所定の時間で接続されていないアンテナ素子は、好ましくは、整合負荷（ｍａｔｃｈｅｄｌｏａｄ）に接続される。

これは、無線チェーン１４、１５、１６に所定の時点で接続されている２の隣接アンテナ素子５、６、７；８、９、１０；１１、１２、１３間で、距離が３ｄ＝１．５λであることを意味する。よって、所定の時点でアンテナ素子のグループ２、３、４毎に１のみのアンテナ素子５、６、７；８、９、１０；１１、１２、１３が各無線チェーン１４、１５、１６に接続される。よって、アンテナ素子のグループ２、３、４の全てのアンテナ素子５、８、１１；６、９、１２；７、１０、１３が無線チェーン１４、１５、１６に同時に接続される場合に比べて、アンテナ素子間の相互結合が減少する。２の隣接する結合されたアンテナ素子５、６、７；８、９、１０；１１、１２、１３間の距離がその時点で３ｄ＝１．５λであり、前述のλ／２を超えるので、グレーティングローブが形成される。

切替速度は、相対的に速く、好ましくは、アレイアンテナ１により受信および／または送信される信号が切替周期に比べて緩やかに変化する程度に速い。これにより、グレーティングローブの影響が大きく減少する。無線チェーン１４、１５、１６が例えば受信機として機能し、受信信号が切替周期と比べて緩やかに変化する場合、アンテナ素子のグループ毎に１の受信機のみを用いて、アレイ素子毎に１の受信機を有するに等しいアレイ応答が達成される。

第１の実施形態は、よって、一義的なアレイの１の多相関数（ｐｏｌｙｐｈａｓｅｆｕｎｃｔｉｏｎ）としてみなしうるスパースアレイ１を構成する。多相関数の合計はフルアレイアンテナのアンテナ図を構成する。これは、式（１）で表現される周期的に時間変化する重みｗ_ｋによりアンテナが動作することを意味する。

第１の実施形態に係るアレイアンテナ１により送信されるシンボルは、好ましくは、１の完全な切替の周期（ｆｕｌｌｓｗｉｔｃｈｃｙｃｌｅ）中に全てのアンテナ素子５、６、７；８、９、１０；１１、１２、１３に適用されるべきである。受信機は、シンボルを受信するように適合され、加重法（ｓｕｍｍａｔｉｏｎ）を用いてシンボルを集める。

受信機として構成される、第１の実施形態に係るアレイアンテナ１は、送信シンボルが１の完全な切替の周期中に存在すれば、受信用の固有のビームをフォーカス可能である。

本発明の第２の実施形態を示す図２には、アンテナ素子の第１のグループ２１、およびアンテナ素子の第２のグループ２２を含むアレイアンテナ２０が示されている。各グループ２１、２２は、第１のアンテナ素子２３、２４、第２のアンテナ素子２５、２６、第３のアンテナ素子２７、２８、および第４のアンテナ素子２９、３０を各々に含む。合計すると、アレイアンテナ２０は、８のアンテナ素子２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０を含み、アンテナ素子の各グループ２１、２２のアンテナ素子２３、２５、２７、２９；２４、２６、２８、３０が線に沿って実質的に互いに等距離に配置される。アンテナ素子の各グループ２１、２２の隣接アンテナ素子２３、２５、２７、２９；２４、２６、２８、３０間の距離ｅがλ／２であり、λが利用周波数に対応する波長である。

アンテナ素子のグループ２１、２２は、アンテナ素子２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０が実質的に線に沿って配置され、アンテナ素子のグループ２１、２２間の距離ｆがｆ＞＞λ、好ましくは５〜１０λとなる。

第１の無線チェーン３１は、アンテナ素子の第１のグループ２１に接続され、第２の無線チェーン３２は、アンテナ素子の第２のグループ２２に接続される。各無線チェーン３１、３２は、送信、受信、または両方のために配置された無線素子を含む。無線チェーンの構成は、既知であるので、詳細な説明を省略する。

第１の実施形態と同様な方法で、各無線チェーン３１、３２は、各スイッチ（この場合、第１のスイッチ３３および第２のスイッチ３４）を用いて、アンテナ素子の各グループ２１、２２に接続される。各スイッチ３３、３４は、第１の実施形態と実質的に同様な方法で、アンテナ素子の対応するグループ２１、２２の４のアンテナ素子２３、２５、２７、２９；２４、２６、２８、３０間で、対応する無線チェーン３１、３２を周期的に切替えるように構成される。

第２の実施形態は、アンテナ素子の分離された２のグループ２１、２２を構成するので、ある種のスパースアンテナを構成する。この種のスパースアンテナは、干渉計アレイ（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃａｒｒａｙ）と称される。アンテナ素子の各グループ２１、２２が１のみの単一のアンテナ素子からなる場合、固有の到来方向（ＤＯＡ）の推定は、グレーティングローブにより困難となりうる。

図３は、本発明の第３の実施形態を示している。アレイアンテナ３５は、アンテナ素子の多数のグループ３６を含む。図３には、１のグループのみが示されているが、アレイアンテナ３５が図示されたグループ３６よりも多くのグループを含むことは明らかである。グループ３６は、第１のアンテナ素子３７、第２のアンテナ素子３８、および第３のアンテナ素子３９を各々に含む。アレイアンテナ３５のアンテナ素子３７、３８、３９は、１の円の外周４０に沿って実質的に互いに等距離で配置される。隣接アンテナ素子間の距離ｇがλ／２であり、λが利用周波数に対応する波長である。この値は、本実施形態ではアレイアンテナ３５の幾何学的な構成により、第１、第２の実施形態に比べて重要とはならない。

対応する無線チェーン４１（図３には１のみが示されている。）は、アンテナ素子の各グループ３６に接続され、各無線チェーン４１は、送信、受信、または両方のために構成された無線素子を含む。無線チェーンの構成は、既知であるので、詳細な説明を省略する。

第１、第２の実施形態と同様な方法で、アンテナ素子の１のグループ３６について、対応する無線チェーン４１は、スイッチ４２を用いてグループ３６のアンテナ素子３７、３８、３９に１ずつ接続される。スイッチ４２は、第１、第２の実施形態と実質的に同様な方法で、アンテナ素子のグループ３６の３のアンテナ素子３７、３８、３９間で、対応する無線チェーン４１を周期的に切替えるように構成される。各グループは、対応するスイッチの周期的な切替えを介して、対応する無線チェーンに接続される。

アンテナ素子３７、３８、３９は、例えばパッチ等、各々にアンテナ副素子の形式でもよい。そして、各アンテナ素子３７、３８、３９は、パッチアレイアンテナを構成する。

本発明の第４の実施形態を示す図４には、アンテナ素子の第１のグループ４４、およびアンテナ素子の第２のグループ４５を含むアレイアンテナ４３が示されている。各グループ４４、４５は、３のアンテナ素子を含み、各アンテナ素子は、第１の円周４６、４７、第２の円周４８、４９、および第３の円周５０、５１に沿って配置されて接続されたアンテナ副素子を含む。円周４６、４７、４８、４９、５０、５１は、実質的に互いに等距離であり、隣接円周４６、４７、４８、４９、５０、５１間の距離ｈがλ／２であり、λが利用周波数に対応する波長である。よって、隣接円周４６、４７、４８、４９、５０、５１上に配置されたアンテナ副素子間の距離は、λ／２である。

前述の実施形態と同様な方法で、対応する無線チェーン５２、５３は、対応するスイッチ５４、５５を用いて、各グループ４４、４５内の１の円周４６、４７、４８、４９、５０、５１上のアンテナ副素子に周期的に１ずつ接続される。

アンテナ副素子は、各々に例えばパッチ等の形式でもよく、１の円周４６、４７、４８、４９、５０、５１上のアンテナ副素子は、パッチアレイアンテナを構成し、各パッチアレイアンテナは、アンテナ素子を構成する。

本発明は、前述した実施形態に限定されず、請求項の範囲内で自由に変形されうる。

例えば、アンテナ素子５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０は、多くの形式でもよい。これらは、対応するアンテナ素子の放射ローブ特性を有する、例えば、ワイヤアンテナ、パッチアンテナ、またはスロットアンテナでもよい。図４に示す実施形態について、各アンテナ素子は、多数の副素子を含んでも良く、各アレイアンテナは、多数のサブアレイアンテナを含んでもよい。

アンテナ素子５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０の数およびグループ２、３、４；２１、２２の数は、２以上のアンテナ素子および２以上のグループの範囲で変化しうる。全てのグループは、同数のアンテナ素子を含む。

周期は、各グループのアンテナ素子が対応する無線チェーンに同一の時間に亘って接続されるように、グループ内で不規則でもよい。換言すれば、グループ内の素子の接続時間が変化してもよい。この種の不規則性は、グループ間でも同様である。

隣接アンテナ素子間の距離λ／２は、あくまでも目安にすぎない。アンテナ設計では、アンテナ素子間の距離として、λ／２未満（例えば０．４λ）の距離が利用されてもよい。もちろん、隣接アンテナ素子間の距離を計算するために、利用周波数帯域で、どの周波数を用いるかということが重要となる。利用周波数帯域内でグレーティングローブを回避するために、例えば、隣接アンテナ素子間の距離を計算するために用いられる、波長λに対応する周波数が利用周波数帯域の最小周波数として選択されてもよい。

本旨は、グレーティングローブが利用周波数帯域で現れないように、距離が選択されるべきであるという点にあるが、実際上は、利用周波数帯域で比較的低い周波数を用いると、グレーティングローブが出現し始めることがある。

利用周波数帯域は、通常、変調周波数に対応する。

Claims

マイクロ波アレイアンテナ配置（１、２０、３５、４３）であって、アンテナ素子の２以上のグループ（２、３、４；２１、２２；３６；４４、４５）、および各グループ（２、３、４；２１、２２；３６；４４、４５）に２以上のアンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）を備え、全てのグループ（２、３、４；２１、２２；３６；４４、４５）が同数のアンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）を備え、前記配置がアンテナ素子の各グループ（２、３、４；２１、２２；３６；４４、４５）に１の無線チェーン（１４、１５、１６；３１、３２；４１；５２、５３）をさらに備える、前記マイクロ波アレイアンテナ配置において、
前記配置は、各無線チェーン（１４、１５、１６；３１、３２；４１；５２、５３）に１のスイッチ（１７、１８、１９；３３、３４；４２；５４、５５）を備え、
前記スイッチ（１７、１８、１９；３３、３４；４２；５４、５５）は、アンテナ素子の各グループ（２、３、４；２１、２２；３６；４４、４５）の前記アンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）に、各無線チェーン（１４、１５、１６；３１、３２；４１；５２、５３）を周期的に接続するように構成され、
アンテナ素子の各グループ（２、３、４；２１、２２；３６；４４、４５）のアンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）間の距離は、利用周波数帯域でグレーティングローブが現れないように選択される、
前記スイッチによって接続されるアンテナ素子間の相互結合が、全アンテナ素子が接続される場合のアンテナ素子間の相互結合より減少することを特徴とするマイクロ波アレイアンテナ配置。
アンテナ素子の各グループ（２、３、４；２１、２２；３６；４４、４５）の前記アンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）は、実質的に互いに等距離に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。
各アンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）は、複数のアンテナ副素子を備え、各アンテナ素子がサブアレイアンテナを構成することを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。
前記アンテナ副素子は、円周（４６、４７、４８、４９、５０、５１）上に配置されることを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。
前記円周（４６、４７、４８、４９、５０、５１）は、同一の直径を有することを特徴とする、請求項４に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。
前記アンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０）は、実質的に線形に配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。
前記アンテナ素子（３７、３８、３９）は、円周に沿って配置されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。
アンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）の各グループ（２、３、４；２１、２２；３６；４４、４５）の１のアンテナ素子のみが各無線チェーン（１４、１５、１６；３１、３２；４１；５２、５３）に同時に接続されることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。
アンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）の各グループ（２、３、４；２１、２２；３６；４４、４５）の各アンテナ素子が各無線チェーン（１４、１５、１６；３１、３２；４１；５２、５３）に実質的に同一の期間に亘って接続されることを特徴とする、請求項８に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。
前記周期的な切替え中に、前記無線チェーンに同時に接続されている、アンテナ素子の各セットのアンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）間の距離がアンテナ素子の全てのセットで実質的に同一であることを特徴とする、請求項８または９に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。
アンテナ素子の２の隣接グループ（２、３、４；４４、４５）間の距離が各グループの前記アンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）間の距離と実質的に同一であることを特徴とする、請求項２〜１０のいずれか１項に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。
アンテナ素子の２の隣接グループ（２、３、４；４４、４５）間の距離が各グループの前記アンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）間の距離よりも大きいことを特徴とする、請求項２〜１０のいずれか１項に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。
各アンテナ素子（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３；２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０；３７、３８、３９）は、１以上のパッチアンテナを備えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロ波アレイアンテナ配置。