JP5038433B2 - 最適化された放射パターン - Google Patents

Description

本発明は、ネットワーク内で最適化されたアンテナ放射パターンを提供する手段および方法に関する。本発明は、多数のデータストリームを送信または受信しうるアンテナ配置に関する。一例は、無線マルチインプット・マルチアウトプット（ＭＩＭＯ）または空間多重化（ＳＭ）通信システムであり、他の例は、送信または受信ダイバーシチ技術を利用するシステムである。本発明は、さらに、改良されたサービスエリアを提供するアンテナ配置に関する。

異なるフェージング統計量（statistics）を伴うチャネルを介した通信に利用可能な偏波共用（dual-polarized）アンテナが知られている。これにより、無線ネットワーク内の利用可能スペクトルの可用性が向上する。

また、利用可能なチャネル帯域幅が固定された無線通信システムでは、ＭＩＭＯシステムがデータ速度を増加可能であることも知られている。ＭＩＭＯの適用では、基地局の複数のアンテナおよびユーザ装置を用いて、所定のデータストリームが多数の個別のデータストリームに分割され、共通の周波数帯域で送信される。多重波伝搬路により特徴付けられるフェージング環境では、各送信路が異なるフェージング特性の影響を受け、それが送信パイロットシーケンスまたはリファレンス信号の手段により推定可能である。この特性は、ＭＩＭＯ受信システムで利用され、個別のデータストリームを分割する。ＭＩＭＯシステムが適切に機能するために、アンテナ配置を利用するチャネルを介して通信される信号間の相関ρの絶対値（magnitude）は、十分に低く（一般的に０．７未満）なければならない。低相関のデータストリームを実現するための共通の方法は、異なるチャネルフェージング統計量を伴う空間分離されたアンテナを用いることである。代替オプションは、直交偏波（orthogonal polarization）アンテナを利用して異なるデータストリームを送信／受信することである。各モードが異なる放射パターンを有する複数モードアンテナも、他の技術として挙げられる（T. Svantesson、 "Correlation and channel capacity of MIMO systems employing multimode antennas"、 IEEE Trans、 on Vehicular Technology、 Vol. VT-51 、 pp. 1304-1312、November 2002）。

図１は、互いに距離ｄを伴って配置され、全ての放射エレメントが同一偏波（polarization）を有する、３つのアンテナアレイＭ、Ｍ’、Ｍ’’を示している。図２および図３は、より簡略化された他の構成を示している。図３の配置は、２つのアレイＭ、Ｍ’がインターリーブされて線状に配置されるが、１つのアンテナアレイＭのエレメントが他のアンテナアレイＭ’のエレメントとの関係で直交偏波（orthogonal polarization）を有する。図４には、２つの分離されたアンテナアレイＭ、Ｍ’を有する第４の構成が示されている。ここで、特定のアレイの全ての放射エレメントは、同一方向に向けられ、同一偏波を有するが、２つのアレイのエレメントは、互いとの関係で直交偏波となる。図５および図６に示す第５および第６の構成では、２つの偏波のために共通の位相中心を伴う偏波共用放射エレメントを利用して、２つのアンテナアレイが同一位置に配置される。他の構成は、複数の単一偏波用または偏波共用アンテナアレイ、または互いに左右または上下に配置されたそれらの組合せを含む。

図１〜図６に示す構成例のために、図７に示す励起重みネットワークが提供されうる。励起重みネットワークは、各放射エレメントについて強度重みＡ、位相または遅延重みαを有し、強度重みおよび遅延重みは、励起重みまたは励起手段とも称される。遅延重みは、実時間遅延重みとして、または０°〜３６０°の位相重みとして、またはこれらの組合せとして実装される。実時間遅延のみを伴う前者の実装は、位相重みのみを伴う実装に比して、より広帯域のシステムをもたらす。個別の励起重みに各種の値を割当てることにより、アンテナのメインビームをアンテナアレイに対して所望の角度θに向けたり、サイドローブレベルを制御したり、放射パターンを形成したりといった各種の結果がもたらされうる。先行技術に関するいくつかのアンテナアレイシステムでは、Ａ_ｎ＝Ａ’_ｎ、α_ｎ＝α’_ｎ（ｎ=１…Ｎ）となるように、Ｎの放射エレメントの強度重みおよび遅延重みが選択される。つまり、各アンテナアレイは、ダイバーシチ送信または受信用のアレイ内で同一の各位置の励起手段に関して同一となる。

米国特許ＵＳ６２８２４３４は、送信アンテナアレイに対して異なる角度で受信アンテナアレイを機械的または電子的に下向きにチルトして、異なるアンテナ放射振幅パターンを適用することにより、通信品質の改良をもたらす方法を示している。電子的に下向きにチルトされたビームは、放射エレメント間で線形的な前進位相シフトが達成されるように、受信アレイの放射エレメントに異なる位相重みを適用するだけで実現される。

多くの従来技術に係る基地局アンテナの配置は、図１に示すように、空間的に離れたアンテナアレイを利用する。いくつかの配置は、図２〜図６に示すように、偏波共用である。このようなアンテナアレイは、放射パターンの偏波特性の解消により受信信号間の相関を推測可能にする。偏波共用ビーム内で受信された信号間の相関は、通常、メインビームの角度領域で非常に低下する。しかし、サイドローブ領域では、図１〜図６に示すように、特に偏波共用または空間的に近接したアンテナ配置において、相関が増加しうる。これは、基地局の近くに位置し、基地局アンテナの放射パターンのサイドローブ角度領域を介して通信する、高速データ伝送可能な移動端末にとって不利となりうる。

従来技術に係るアンテナ配置に関する１つの問題は、送信および受信ダイバーシチ適用またはＭＩＭＯ適用のための条件が十分に満たされなくなることである。

既知のアンテナシステムに関する他の問題は、基地局の近くでは、アンテナ放射振幅パターンのサイドローブ領域の空白による電界強度の低下を伴うサービスエリアが存在しうることである。

本発明の主な課題は、アンテナ配置（antenna arrangement）の送信信号と受信信号の間の相関を低下させ、または所定のサービスエリア内のカバレッジ（coverage）を改良し、またはこれらの組合せを提供する、アンテナ配置を提供することにある。

本発明の課題は、各アレイが複数の対応する放射エレメント位置を有するように配置された複数の放射エレメントを含む、２以上のアンテナアレイを含むアンテナ配置により達成される。ここで、各放射エレメントについて、強度（magnitude）重みおよび遅延重みを含む、関連する励起（excitation）手段が存在し、第１の放射パターンを提供する第１のアレイに関する励起手段の第１のセット、および第２の放射パターンを提供する第２のアレイに関する励起手段の第２のセットが存在する。所定セットの所定の励起手段は、互いに異なる遅延重みを有しうる。２以上の各アレイの対応する放射エレメント位置に関する２以上の各励起手段が２以上の互いに異なる強度重みを有し、２以上の各アレイの対応する放射エレメント位置に関する２以上の各励起手段が２以上の互いに異なる遅延重みを有する。励起手段の少なくとも第１および第２のセットの励起重みは、２以上のアンテナアレイのメインビームの方向が実質的に一致し、かつ、少なくとも第１および第２のアレイ上で通信される各信号に関する少なくとも相関係数の絶対値（magnitude）が所定のサイドローブ領域で０．７未満となるように選択され、あるいは、励起手段の少なくとも第１および第２のセットに関する放射振幅パターンがメインビームのピークに対する所定のサイドローブ領域で実質的に空白フィル差（null fill difference）を伴う包絡線を有するように選択される。

本発明のある観点によれば、第１のアレイに対応する励起手段の第１のセットおよび第２のアレイに対応する励起手段の第２のセットは、第１および第２の放射パターンの振幅パターンが実質的に等しくなるように選択される。

本発明の他の観点によれば、励起手段の第１および第２のセットに関するルート（root）が同一数であることにより、励起手段の第１のセットに関する所定のルートが第２の励起セットの対応するルートに関し、第１および第２の励起セットの対応する２以上のルートが互いに関して移動される。

本発明のさらに他の観点によれば、励起手段の第１および第２のセットに関する対応するルートの１以上の対は、各信号間で低相関を提供するために、位相パターンが所望のサイドローブ領域で異なるように、シェルクノフの単位円から外れて配置される。

本発明の一実施形態では、対応する２以上のルートが共通のシェルクノフの単位円上に配置されて互いに角移動することにより、各放射パターンの空白（null）は、改良されたサービスエリアを提供するために、所望のサイドローブ領域で重畳しない。

本発明の他の観点によれば、励起手段の少なくとも第１および第２のセットに関する放射振幅パターンは、メインビームのピークの下の所定のサイドローブ領域で、２５ｄＢ以下の空白フィル差の包絡線を有する。

本発明の他の観点によれば、励起手段の第１のセットの１以上のルートが単位円上で時計回りに移動され、励起手段の第２のセットの１以上のルートが反時計回りに移動される。

有利に、励起手段の第１のセットが第１の信号を送信または受信するように適合され、励起手段の第２のセットが第２の信号を送信または受信するように適合され、またはこれらが組合される。

本発明の利点は、２以上の信号がマルチインプット・マルチアウトプット（ＭＩＭＯ）通信システムのデータに関しうることにある。低い信号相関は、この種のデータ伝送の機能を最適化する。

また、２以上の信号は、送信または受信ダイバーシチ通信システムのデータに関しうる。

他の利点は、以下の本発明の詳細な説明から明らかにされる。

空間分離された３つのアンテナアレイＭ、Ｍ’、Ｍ’’からなる第１の既知の構成を示す図である。 直線状アレイを形成するインターリーブされた２つの直交偏波アンテナアレイからなる第２の既知の構成を示す図である。 直線状アレイを形成するインターリーブされた２つの直交偏波アンテナアレイからなる第３の既知の構成を示す図である。 空間分離された２つの直交偏波アンテナアレイからなる第４の既知の構成を示す図である。 偏波共用アンテナアレイからなる第５の既知の構成を示す図である。 偏波共用アンテナアレイからなる第６の既知の構成を示す図である。 図２〜図６に示す放射エレメントのアレイの励起重みを提供するネットワークを示す概念図である。 ８エレメント直線アンテナアレイの放射パターンに関するシェルクノフの単位円上のルートを示す図である。 図８ａに示すアンテナアレイの放射パターンに関するシェルクノフの単位円上の対応するルートを所定のビームチルト角で示す図である。 図８ａおよび図８ｂに示すルートを有するアンテナアレイの放射振幅パターンを各々に示す図である。 アンテナ配置の発明の第１の実施形態に係る、各８エレメント直線アンテナアレイＭ、Ｍ’の対の放射パターンに関するシェルクノフの単位円上のルートを示す図である。 アンテナ配置の発明の第１の実施形態に係る、各８エレメント直線アンテナアレイＭ、Ｍ’の対のための放射パターンに関するシェルクノフの単位円上のルートを示す図である。 図１０および図１１に示すルート構成を有する本発明の第１の実施形態に係るアンテナアレイの放射振幅パターンを示す図である。 ８エレメント直線アンテナアレイ配置について、励起手段ａ）〜ｄ）のセット例の強度重みの値を示す図である。ここで、ａ）、ｄ）の組合せが本発明の第１の実施形態に対応する。 図１３に示す励起手段ａ）〜ｄ）のセット例の遅延重みの値を示す図である。 本発明の第１の実施形態のサイドローブ領域での相関ρの絶対値を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る、修正された励起重みを伴う、各１６エレメント直線アンテナアレイＭ、Ｍ’の対の放射パターンに関するシェルクノフの単位円上のルートを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る、修正された励起重みを伴う、各１６エレメント直線アンテナアレイＭ、Ｍ’の対の放射パターンに関するシェルクノフの単位円上のルートを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る、アンテナアレイＭ、Ｍ’の対の放射振幅パターンＰ、Ｐ’を各々に示す図である。 図１８ａに示す放射振幅パターンの包絡線パターンを示す図である。 本発明の第２の実施形態の所望のサイドローブ領域での相関ρの絶対値を示す図である。

（本発明の第１の実施形態）
本発明は、例えば図１〜図６に示すような、多くの異なるアンテナ配置について実現されうる。各アンテナアレイは、空間分離され、または偏波共用され、またはそれらの組合せでありえ、好ましくは放射エレメントの数Ｎが同一である。

Ｎの放射エレメントを伴うアンテナアレイのアレイファクタＡＦは、（Ｎ−１）の線形項の積として表されうることが知られている（C. A. Balanis、 Antenna theory: Analysis and design、second edition、 John Wiley & Sons、 New York、 1982、 pp. 342-346）。
ＡＦ（ｚ）＝ａ_Ｎ（ｚ−ｚ_１）（ｚ−ｚ_２）（ｚ−ｚ_３）…（ｚ−ｚ_Ｎ−１）
＝ａ_１＋ａ_２ｚ＋…＋ａ_Ｎｚ_Ｎ-１）。

ここで、ｚ＝ｅｘｐ（ｊｋｄ ｃｏｓθ）であり、ｚ_１、ｚ_２、ｚ_３、…ｚ_Ｎ−１がアレイファクタのルートであり、放射エレメントの励起重みａ_ｎが強度Ａ_ｎおよび位相角α_ｎ（ｎ＝１、２、３、…Ｎ）の複素数となる。放射エレメントの間隔がｄで示され、ｋが伝搬定数、θがアンテナアレイ軸からの角度である。

アンテナアレイの放射パターンは、個別の放射エレメントにより放射された電界のベクトル加法により決定される。同一の放射エレメントを伴うアンテナアレイの全電界は、相互結合効果を無視すれば、エレメント放射パターンとアレイファクタの積により与えられる。アンテナアレイ放射パターンのサイドローブレベルおよび空白位置は、主にアレイファクタにより決定されるので、以下ではアレイファクタのみが考慮される。

図７に示す励起重みネットワークは、アンプ、パワースプリッター、パワーコンバイナー、位相シフター、実時間遅延ラインなどの標準の振幅、位相および遅延エレメントを用いてハードウェアで実装可能であり、ソフトウェアでも実装可能である。これにより、信号増幅（Ａ_ｎ、Ａ’_ｎ）および位相／遅延（α_ｎ、α’_ｎ）に関する等価効果がベースバンドで得られる。これらの励起手段は、固定重みまたは適応的に調整可能な重みとしても実装可能である。

全ての励起重みが等しい場合、つまり、Ａ_ｎ＝Ａ’_ｎ＝Ａ_Ｎ、α_ｎ＝α’_ｎ＝α_Ｎ（ｎ＝１…Ｎ）である場合、ルートは、いわゆるシェルクノフの単位円上に配置される。これは、８放射エレメントの直線アンテナアレイについて、図８ａに示されている。

放射エレメントが０．６２５波長で隔てられる場合について、角度０°〜１８０°に対応する放射振幅パターンが図９に実線で示されている。メインビームは、水平線（θ＝９０°）を示している。図９から明らかであるように、シェルクノフの単位円上のルートに関して、放射振幅パターンの４つの空白は、メインビームのピークから１２°、２４°、３７°、５２°で水平線の下に形成される。

関連する励起重みおよびアレイファクタＡＦ_１、ＡＦ_２を各々に伴うアンテナアレイＭ、Ｍ’により受信された２つの信号Ｓ、Ｓ’間の相関は、次式（エレメント放射パターンを除く）により得られることが知られている（R. G. Vaughan and J. Bach Andersen、 "Antenna diversity in mobile communications"、 IEEE Trans、 on Vehicular Technology、 Vol. VT-36、 pp. 149- 172、 November 1987）。

ここで、Ｓ（Ω）は、受信アンテナアレイでの入射場の電力流通関数（power distribution function）であり、＊は、複素共役を示す。相互依存性により送信に関しても同一の表現が有効となる。

本発明の第１の実施形態によれば、図８ａに示すように１以上のルートをシェルクノフの単位円から外れて配置することにより、十分に低いペアワイズ相関（pair wise correlation）を有する放射パターンの１以上の対が生成される。さらに、メインビームの方向が一致し、関連する放射振幅パターンの空白が“フィル（filled）”される。

本発明の第１の実施形態では、Ｎ１のルート（Ｎ１＝１…Ｎ−１）がシェルクノフの単位円から外れて配置されており、放射振幅パターンの対応する空白がフィルされている。シェルクノフの単位円から外れて配置されるＮ１のルートの各々は、単位円の内側または外側に配置されうる。一般に、位相パターンが異なる同一の放射振幅パターンを生成可能なルート構成は、２^Ｎ１の固有のセットで存在する（H. J. Orchard、 R. S. Elliott and G. J. Stern、 Optimising the synthesis of shaped beam antenna patterns"、 IEE Proc、 Pt. H、 Vol. 132、 pp. 63-68、 February 1985）。

本発明の第１の実施形態によれば、アレイの数が２に制限されている以外は図１〜図６に示す方法と同様に配置されたアンテナアレイＭ、Ｍ’が提供される。本発明および本発明の第１の実施形態は、３以上のアレイにも適用可能である。ここで、２つの同偏波（co-polarized）、または直交偏波、または空間分離されたアンテナアレイ、またはこれらの組合せが提供される。

各アンテナアレイは、同一数の放射エレメントＲを有し、配置は、図７に示す励起重みネットワークＦを含む。ネットワークは、アンテナアレイＭ、Ｍ’の各放射エレメントＲの励起手段Ｅを含む。適用に応じて、アンテナ配置上の送信または受信用の各アンテナアレイには、固有の信号Ｓ、Ｓ’または共通の信号が提供されうる。

８放射エレメントを伴う第１のアンテナアレイＭについて、第１の実施形態の一例として、関連するルートｚ_３、ｚ_４をシェルクノフの単位円の半径方向で内側に配置（ｚ’_３、ｚ’_４で示す。）することにより、水平線の下でメインビームに最も近い２つの空白がフィルされる（図１０参照）。ここで、図８ａに示す参考設計例に関して励起重みが修正されている。図１２には、修正された励起重みおよび２つのフィルされた空白に関して、対応する放射振幅パターンが示されている。この例では、２つの移動されたルートを伴う、位相パターンが異なるが４つの同一の放射振幅パターンを生成するルート構成の４つの固有のセットが存在する。

第２のアンテナアレイＭ’について、好ましくは、位相パターンが異なるが図１２に示すように実質的に同一の放射振幅パターンを生成する、励起重みの他のセットが用いられる。この励起重みのセットは、シェルクノフの単位円の移動されたＮ１のルートのうち１以上の幾何学的な反転（つまり、｜ｚ’_ｎ｜・｜ｚ’’_ｎ｜＝１）により見出される（図１１参照）。この反転関係は、第１の実施形態の第２のアンテナアレイＭ’に用いられる。これにより、ルートｚ_３、ｚ_４（図８ａ参照）の両方は、単位円の外側の位置ｚ’’_３、ｚ’’_４に各々に配置される。ルートの絶対値は、図１０に示す２つのルートｚ’_３、ｚ’_４と比べて反転されるが、位相角は変化しない。

前述のアンテナ配置について、２つの放射パターンは、所望の同一の角度領域をカバーするビームに対してアンテナ励起手段の重み付けを異ならせることにより、信号間の相関を低くするために、位相パターンが異なるが同様の振幅パターンを有する。これは、ダーバーシチ送信および受信、ＭＩＭＯ送信および受信にとって有利となる。これにより、無線通信を保護可能となり、一部のケースで改良可能となる。

位相パターンが異なるが、図１２に示すような同一の放射振幅パターンを伴う代替的な放射パターンは、前述の例で、ｚ’_３に対するｚ’’_３またはｚ’_４に対するｚ’’_４のように、移動されたルートを１つだけ反転させることにより、見出されうる。

図１３には、８エレメントアンテナアレイを伴いシェルクノフの単位円から外れた２つのルートを伴う例について、４つのルート構成例ａ）、ｂ）、ｃ）、ｄ）のために、相対的な励起重みの大きさ（magnitude）が与えられる。オプションａ）はｚ_３、ｚ_４の両方を単位円の内側に配置することに対応し、オプションｂ）はｚ_３を単位円の外側、ｚ_４を単位円の内側に配置することに対応し、オプションｃ）はｚ_３を単位円の内側、ｚ_４を単位円の内側に配置することに対応し、オプションｄ）はｚ_３、ｚ_４の両方を単位円の外側に配置することに対応する。図１４には、構成ａ）〜ｄ）の対応する相対的な遅延重みα_ｎが示されている。

本発明の第１の実施形態によれば、励起重みは、オプションａ）により構成されたアンテナアレイＭにより形成され、アンテナアレイＭ’は、オプションｄ）により構成され（図１０、図１１参照）、または逆でもよい。第１の実施形態について、（図１３、図１４に示すセットａ）、ｄ）の励起重み）、入射波の均等分布（θ＝０°〜１８０°でＳ＝１）を仮定すると、０°〜１８０°の角度で相関の絶対値が０．８２である。

所望の角度領域、サイドローブ領域では、領域が移動されたルートにより影響されて対応する空白がフィルされるので、相関の絶対値が低下する。図１５には、８放射エレメントおよび移動された２つのルートを伴う前述の例（図１０、図１１）について、所望のサイドローブ領域の１５°スライドウィンドウ内の相関の絶対値が示されている。入射場の電力流通関数Ｓ（つまり、入射波の想定される角拡散）は、θ_０が０°〜１８０°で変化する場合に、θ_０−７．５°〜θ_０＋７．５°で１に等しく、他では０に等しいと仮定される。

２つのデータストリームＳ、Ｓ’は、固有または同一であり、ＭＩＭＯ適用または送信・受信ダイバーシチ適用で用いられる前述のアンテナ配置のために、アンテナアレイＭ、Ｍ’に各々に提供される。良好な性能を得るために、アンテナアレイによるペアワイズの受信信号間の相関ρは、十分に低い（一般に｜ρ｜＜０．７）ことが要求される。

メインビームの角度領域では、直交偏波を用いることにより、またはアンテナアレイを空間的に分離することにより、ＳとＳ’間で要求される低相関が達成される。所望のサイドローブ角度領域では、前述したように、アンテナアレイの励起重みが用いられ、各アンテナアレイの放射エレメントの励起重みの適切なセットを選択することにより、相関が低下する。

本発明によれば、異なる方法で十分な低相関が達成可能となる。表１には、図１０、図１１に示すルート構成の各種の組合せが提供されている。これにより、８エレメントアンテナアレイについて、各種の組合せでルートが選択される（２アレイアンテナ配置の例については前述した。）。表１は、図１３、図１４に示す励起重みのセットを用いて、６つの異なるルート移動の組合せについて各相関の絶対値を示している。これにより、十分に低い値を有するルート組合せは、本発明の第１の実施形態の代替例に対応する。

入射電界分布は、θ＝１００°〜１１５°の角度領域で均等（Ｓ＝１）であり、他では０であると想定される。相関の最小絶対値は、図１３、図１４から明らかであるように、２つの放射パターンの選択されたルートがシェルクノフの単位円の両側に配置され、励起重みがｎ＝１〜ＮについてＡ_ｎ＝Ａ’_{Ｎ＋１−ｎ}、α_ｎ＝−α’_{Ｎ＋１−ｎ}と選択される場合に達成される。

前述したように、ＭＩＭＯ、送信ダイバーシチ、および受信ダイバーシチの適用は、一般に、適切に機能するために、信号間で｜ρ｜＜０．７の相関を必要とする。相関値は大きく変動し、表１の全てのオプションがＭＩＭＯ、送信ダイバーシチ、または受信ダイバーシチの適用に利用可能である訳ではない。所望の相関値が｜ρ｜＜０．７であるべきであれば、表１の組合せａ、ｄ；ａ、ｃ；およびｂ、ｄは、本発明の第１の実施形態の前述した例の代替案を構成するが、組合せｃ、ｄ；ａ、ｂ；およびｂ、ｃは、所望の相関値を提供しない。この例の｜ρ｜の最低値は、励起オプションａ、ｄにより表される。

表１から明らかであるように、ＭＩＭＯ、送信ダイバーシチ、または受信ダイバーシチの適用のために、相関値に関して全ての結果が利用可能であるという訳ではない。これは、設計者が一般に所望の結果を与える特定のルート構成を見出すために多数の設計ステップを経るであろうことを意味する。許容可能なルート構成から、励起重みの所定のセットが既知の方法で計算可能である。いくつかの励起重みが実装上で不可能でありまたは不利となりえるが、他の構成が評価されうる。ここで、励起重みの次元決定（dimensioning）／選択は、反復法による。

実現された相関値は、アンテナ放射パターン、放射エレメントの数、アンテナアレイの偏波、エレメント間の距離、アンテナの励起重み、入射波の角拡散、伝搬環境、および所定の環境中でのアンテナ配置の位置に依存する。

（８放射エレメントを伴う前述の例について）、１〜７の任意数のルートがシェルクノフの単位円から外れて配置されうる。放射パターンの空白とシェルクノフの単位円上の対応するルートの間に１：１の関係が存在するので、対応する放射振幅パターンは、１以上のフィルされた空白を示す。

本発明の第１の実施形態によれば、アレイＭ、Ｍ’を含む偏波共用または空間分離されたアンテナ配置の２以上の放射パターンが提供される。ここで、所望のサイドローブ角度領域の信号相関を低下させるため、および／またはサービスエリアの空白をフィルするために、アレイは、異なる位相パターンを生成する励起ネットワークを有するが、実質的に同一の放射振幅パターンを提供して実質的に同一のサービスエリアをカバーするための励起重みネットワークを有する。

放射エレメントの数は、アンテナアレイ毎に８放射エレメントを伴う前述の例と比べて、増減してもよい。

第１の実施形態の代替的な実現は、１のみのルートまたは３以上のルートの移動を含む。これにより、対応する放射振幅パターンで、１のみの空白または３以上の空白が各々にフィルされる。

本発明の第１の実施形態によれば、各アレイが対応する放射エレメントの複数の位置を有するように配置された複数（Ｎ）の放射エレメント（Ｒ）を含む、２以上のアンテナアレイ（Ｍ、Ｍ’、Ｍ’’）を有するアンテナ配置が提供される。ここで、各放射エレメントについて、強度重み（Ａ）および遅延重み（α）を含む関連する励起手段（Ｅ）が存在する。第１の放射パターンを提供する第１のアレイ（Ｍ）に関する励起手段（Ｅ）の第１のセット（ＳＥ）、および第２の放射パターンを提供する第２のアレイ（Ｍ’）に関する励起手段（Ｅ）の第２のセット（ＳＥ’）が存在する。所定セットの所定の励起手段（Ｅ）は、異なる遅延重み（α_ｎ；α_ｎ＋ｘ）を有しうる。２以上の各アレイ（Ｍ、Ｍ’、Ｍ’’）の対応する放射エレメント位置に関する２以上の各励起手段（Ｅ）は、２以上の異なる強度重み（Ａ_ｎ、Ａ’_ｎ、Ａ’’_ｎ）を有する。２以上の各アレイ（Ｍ、Ｍ’、Ｍ’’）の対応する放射エレメント位置に関する２以上の各励起手段（Ｅ）は、２以上の異なる遅延重み（α_ｎ、α’_ｎ、α’’_ｎ）を有する。少なくとも励起手段の第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）の励起重み（Ａ_ｎ、Ａ’_ｎ、Ａ’’_ｎ、α_ｎ、α’_ｎ、α’’_ｎ）は、２以上のアンテナアレイのメインビームの方向が実質的に一致し、かつ、少なくとも第１および第２のアレイ（Ｍ、Ｍ’、Ｍ’’）上で通信する各信号（Ｓ、Ｓ’）に関する少なくとも相関係数（ρ）が所定のサイドローブ領域で０．７未満の相関の絶対値を有するように選択される。

有利に、第１のアレイ（Ｍ）に対応する励起手段の第１のセット（ＳＥ）、および第２のアレイ（Ｍ’）に対応する励起手段の第２のセット（ＳＥ’）に対応するルート（Ｚ_ｎ、Ｚ’_ｎ）は、第１および第２の放射パターンの振幅パターン（Ｐ、Ｐ’）が実質的に等しくなるように選択されうる。

さらに、励起手段の第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）に関するルートは、同一数でもよい、これにより、第１の励起セット（ＳＥ）の所定のルート（ｚ）が第２の励起セット（ＳＥ’）の対応するルート（ｚ’）に関連する。第１および第２の励起セットの対応する２以上のルート（ｚ、ｚ’）は、互いに関係して移動される。第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）の対応する２以上のルートは、低い信号相関を提供するために所望のサイドローブ領域で異なる位相パターンが形成されるように、シェルクノフの単位円から外れて配置されうる。

さらに、第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）の追加的な対応する２以上のルートは、シェルクノフの単位円から外れて配置される。第１のセットのシェルクノフの単位円から外れて配置されるルートは、シェルクノフの単位円の内側に各々に配置されてもよく、シェルクノフの単位円の外側に各々に配置されてもよい。

２以上の対応するルートは、共通のシェルクノフの単位円上の点に関して相互の関係で幾何学的にイメージング（image）されうる。イメージングは、シェルクノフの単位円に関して幾何学的に反転された対応する２つのルートに対応可能である。第１および第２の励起セットの他のルートは、シェルクノフの単位円上に配置される。第１および第２の励起セットの他のルートは、シェルクノフの単位円上の同一の各位置に配置可能である。

本発明は、単一偏波（single polarized）のアンテナ配置、および３以上（例えば図１に示すように３）のアンテナアレイを有する偏波共用（dual-polarized）のアンテナ配置にも適用可能である。本発明は、さらに、等しいアンテナアレイ間隔ｄに限定されず、送信端および受信端でアンテナアレイの数が異なる送信−受信用の通信システムにも限定されない。このような場合、任意の２つの信号間の相関が可能な限り低いことが有利となる。しかし、大局的な最小点（global minimum）を見出す必要はなく、一般に、信号間で相関｜ρ｜＜０．７であれば十分である。さらに、データストリームの数は、固有または同一であり、２に限定されない。

さらに、第１の実施形態は、放射パターンが電気的にビームチルト（beam-tilted）である適用に、利用可能である。これにより、関連するルート構成は、シェルクノフの単位円に沿って（角度方向に）回転され（図８ａ、図８ｂ参照）、１以上のルートもシェルクノフの単位円から外れて配置される。このような配置のために、２つのアンテナアレイのサービスエリアが同一であり、十分な低相関値を達成するという目的が適う。

さらに、第１の実施形態は、高度および方位角の両方で実施可能である。

さらに、アンテナ配置は、信号の送信または受信とともに、これらの組合せにも利用可能である。

前述のアンテナ配置の１つの利点は、信号相関がサービスエリア内で低下し、送信ダイバーシチ、受信ダイバーシチ、およびＭＩＭＯの適用が改良されることにある。これは、位相パターンが異なるが放射振幅パターンが実質的に等しくなるように、アンテナから見た角度に対してアンテナアレイの放射振幅パターンを適切に設計することにより達成される。

第１の実施形態の他の利点は、サービスエリア内でカバレッジが増加することである。これは、“最初の空白をフィルする”ことにより、つまり、放射振幅パターン内の最小値（minima）で局所電界強度を増加させることにより、アンテナアレイから見た角度に対して放射パターンを適切に設計することにより達成される。

前述のアンテナ配置のさらに他の利点は、アンテナアレイ間の結合が低下し、フィルター（不図示）に対する要求が低下する。信号相関の低下は、相互抵抗が相関と密接に関係するので、アンテナの相互結合の低下を暗示する（R. G. Vaughan and J. Bach Andersen、 "Antenna diversity in mobile communications"、 IEEE Trans、 on Vehicular Technology、 Vol. VT-36、 pp. 149- 172、 November 1987）。

（本発明の第２の実施形態）
前述したように、偏波共用の基地局アンテナアレイの放射振幅パターンは、同一のサービスエリアをカバーするために、通常等しくならなければならない。これは、ビームピークとともに、２つの放射振幅パターンの空白が同一の角度依存性を有することを意味する。ＭＩＭＯ、送信ダイバーシチ、および受信ダイバーシチの適用では、２つの放射振幅パターン内で空白の方向が一致しない場合に有利となる。

本発明の第２の実施形態によれば、２以上のアンテナアレイＭ、Ｍ’を含むアンテナアレイの例が提供される。所望のサイドローブ領域のリンクバジェット（link budget）は、シェルクノフの単位円上でルートを異なるように移動されることにより、好ましくは、関する空白が一致しないように２つの対応する放射振幅パターンで反対側に移動させることにより、著しく改良されうる。本発明の第２の実施形態によれば、２つの異なる放射パターンは、２つの放射パターンについて、シェルクノフの単位円に沿って異なる角度方向で１以上のルートを移動されることにより生成される。

図１６、図１７に示す本発明の第２の実施形態によれば、各々に１６放射エレメントを伴う２つのアンテナアレイＭ、Ｍ’を含むアンテナアレイの例が提供される。ルートの数が増加した以外は図８ａと同様の方法で、１５のルートがシェルクノフの単位円上に配置される。本発明の第２の実施形態に係る修正された放射パターンでは、水平線の下でメインビームに最も近い２つの空白に関する２つのルートｚ_７、ｚ_８は、２つのアレイＭ、Ｍ’の放射振幅パターンの対応する空白の方向がメインビームの外側で一致しないように、矢印で示すように移動されている。

第１のアレイＭについて、２つのルートは、シェルクノフの単位円に沿って対応するメインビームのピークに近づくように角度方向に移動し、第２のアレイＭ’について、２つのルートは、シェルクノフの単位円に沿って対応するメインビームのピークから離れるように角度方向に移動する。図１８ａには、修正された空白を伴う放射振幅パターンが示されている。２つの振幅パターンの包絡線は、全ての角度θに対して最大値｛Ｐ、Ｐ’｝を適用することにより得られる。図１８ｂには、この例について結果的な包絡線パターンが示されており、ここでは、水平線の下の所望のサイドローブ領域のリンクバジェットが改良されている。

この例について、放射振幅パターンの空白は、ルートが再配置されているので、これ以上一致しない。所望のサイドローブ領域で十分なリンクバジェットを達成するために、包絡線パターンとメインビームのピークの差は、２５ｄＢを超えるべきではない。つまり、所定のサイドローブ領域で包絡線の空白フィル差（null-fill difference）は、メインビームのピークの下で２５ｄＢ以上であるべきである。

図１８ａの第１および第２の空白では、２つのアンテナアレイＭ、Ｍ’の放射振幅パターンの空白フィル差の包絡線は、メインビームのピークの下で２５ｄＢ以下である。これにより、所望のサイドローブ領域のカバレッジは、著しく改良されている。

図１９には、放射振幅パターンで空白が一致しない、サイドローブの角度領域の相関の絶対値が示されている。相関は、１０°のスライドウィンドウ内で計算されている。つまり、入射場の電力流通関数Ｓは、θ_０が０°〜１８０°で変化する場合にθ_０−５°〜θ_０＋５°で１に等しく、他では０に等しい。図１９から明らかであるように、約９８°〜１０３°の角度領域では、信号相関の絶対値が０．７未満である。

２つの放射パターンは、例えば、図１、図４の一般的な原則に従って、類似または非類似の偏波を伴う２つの空間分離されたアンテナアレイにより、または、図２、図３、図５、図６に示すように、例えば０°／９０°もしくは±４５°の直交偏波を伴う同一のアンテナユニットにより生成されうる。偏波共用アンテナアレイは、２つの直交偏波の他のセットを生成するために、パワースプリッター／コンバイナーを含みうる。

ここで、各アレイが複数の対応する放射エレメント位置を有するように配置された複数（Ｎ）の放射エレメント（Ｒ）を含む、２以上のアンテナアレイ（Ｍ、Ｍ’、Ｍ’’）を有するアンテナ配置が提供される。ここで、各放射エレメントについて、強度重み（Ａ）および遅延重み（α）を含む関連する励起手段（Ｅ）が存在する。第１の放射パターンを提供する第１のアレイ（Ｍ）に関する励起手段（Ｅ）の第１のセット（ＳＥ）、および第２の放射パターンを提供する第２のアレイ（Ｍ’）に関する励起手段（Ｅ）の第２のセット（ＳＥ’）が存在する。所定セットの所定の励起手段（Ｅ）が互いに異なる遅延重み（αｎ；αｎ＋ｘ）を有しうる。２以上の各アレイ（Ｍ、Ｍ’、Ｍ’’）の対応する放射エレメント位置に関する２以上の各励起手段（Ｅ）が２以上の異なる強度重み（Ａ_ｎ、Ａ’_ｎ、Ａ’’_ｎ）を有する。２以上の各アレイ（Ｍ、Ｍ’、Ｍ’’）の対応する放射エレメント位置に関する２以上の各励起手段（Ｅ）が２以上の異なる遅延重み（α_ｎ、α’_ｎ、α’’_ｎ）を有する。励起手段の少なくとも第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）の励起重み（Ａ_ｎ、Ａ’_ｎ、Ａ’’_ｎ；α_ｎ、α’_ｎ、α’’_ｎ）は、２以上のアンテナアレイのメインビーム方向が実質的に一致し、かつ、励起手段の少なくとも第１および第２のセットに関する少なくとも放射振幅パターン（Ｐ、Ｐ’）がメインビームのピークに対する所定のサイドローブ領域で実質的に空白フィル差を伴う包絡線を有するように選択される。

さらに、励起手段の第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）の対応するルートは、シェルクノフの単位円上で同一の各位置に配置されうる。ここで、２以上の対応するルートは、共通のシェルクノフの単位円上に配置されて互いに角移動されうる。これにより、各放射パターンの空白は、改良されたカバレッジを提供するために、所望のサイドローブ領域で重畳しない。

さらに、励起手段の第１および第２のセットは、所定のサイドローブ領域で、メインビームのピークの下で２５ｄＢ以下の空白フィル差を伴う包絡線を有するように形成される。

第２の実施形態によれば、励起手段の第１のセット（ＳＥ）の１以上のルートは、単位円上で時計回りに移動され、励起手段の第２のセット（ＳＥ’）の１以上のルートは、反時計回りに移動される。

第２の実施形態によれば、励起手段の第１のセット（ＳＥ）は、第１の信号（Ｓ）を送信または受信するために適応され、励起手段の第２のセット（ＳＥ’）は、第２の信号（Ｓ’）を送信または受信するために適応され、または両方が組合される。

第２の実施形態の代替的な実現は、シェルクノフの単位円に沿って１〜Ｎ−１の任意数のルートを移動することにある。第２の実施形態は、例えば図１に示すように３つのアレイ、または、例えば、送信端および受信端で異なる数のアンテナアレイを有する送信−受信用の通信システム等、任意数のアンテナアレイを有するアンテナ配置に適用可能である。

放射エレメントの数は、１６放射エレメントを伴う前述の例に比べて増減可能である。

さらに、第２の実施形態は、高度以外に方位角でも実施可能である。

さらに、第２の実施形態は、信号の送信または受信とともに、これらの組合せでも利用可能である。

さらに、第２の実施形態は、１以上のアンテナアレイが電気的にビームチルトである適用（図８ｂ参照）、または１以上のルートがシェルクノフの単位円に沿って、時計回りまたは反時計回りに、異なるように移動される適用にも利用可能である。

前述のアンテナ配置の１つの利点は、サービスエリア内の電界強度の低下が大きく緩和されることにある。これは、“最初の空白をフィルする”ことにより、つまり、放射振幅パターンの最小値で局所電界強度の絶対値を増加させることにより、アンテナから見た角度に対してアンテナアレイ放射特性の振幅を適切に設計することでなされる。本発明によれば、アレイアンテナ配置は、前述の目的を適えるために、各種の方法で励起される。

第２の実施形態の他の利点は、所望の角度領域のリンクバジェットを改良するために、メインビームのピークの下で高度サイドローブ領域の空白方向が一致しないように、偏波共用アンテナ配置の２つのビームが生成される。第２の実施形態のさらに他の利点は、放射パターンに関するルートをシェルクノフの単位円から外れて配置して放射パターンを形成することに比べて、ピークゲインの低下が小さいことにある。

さらに他の利点は、２つの放射パターンにより受信された信号間の相関が所望のサイドローブ角度領域で低下し、送信ダイバーシチ、受信ダイバーシチ、およびＭＩＭＯの適用を改良することにある。

第１および第２の実施形態に関して説明されたような、第１および第２のルートの移動の組合せも、ルートが半径方向および角度方向の両方で移動するような方法で想定される。

さらに、第１および第２の実施形態は、基地局のアンテナ配置のみならず、固定および移動のアクセスポイント、ユーザ装置、および他の種類の端末のためのアンテナ配置にも適用可能である。

Claims (16)

1. 各アンテナアレイが複数（Ｎ）の放射エレメント（Ｒ）を含む、２以上のアンテナアレイ（Ｍ、Ｍ’、Ｍ’’）を有するアンテナ配置であって、前記アンテナアレイの複数の放射エレメントが、他のアンテナアレイの複数の放射エレメントに対応する位置を有するように配置された各放射エレメントについて、強度重み（Ａ）および遅延重み（α）を含む関連する励起手段（Ｅ）が存在する前記アンテナ配置において、
   第１の放射パターンを提供する第１のアレイ（Ｍ）に関する励起手段（Ｅ）の第１のセット（ＳＥ）、および第２の放射パターンを提供する第２のアレイ（Ｍ’）に関する励起手段（Ｅ）の第２のセット（ＳＥ’）が存在し、
   所定セットの所定の励起手段（Ｅ）が互いに異なる遅延重み（α_ｎ；α_ｎ＋ｘ）を有することが可能であり、
   ２以上の各アレイ（Ｍ、Ｍ’、Ｍ’’）の対応する放射エレメント位置に関する２以上の各励起手段（Ｅ）が２以上の互いに異なる強度重み（Ａ_ｎ、Ａ’_ｎ、Ａ’’_ｎ）を有することが可能であり、
   ２以上の各アレイ（Ｍ、Ｍ’、Ｍ’’）の対応する放射エレメント位置に関する２以上の各励起手段（Ｅ）が２以上の互いに異なる遅延重み（α_ｎ、α’_ｎ、α’’_ｎ）を有し、
   励起手段の少なくとも前記第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）の励起重み（Ａ_ｎ、Ａ’_ｎ、Ａ’’_ｎ；α_ｎ、α’_ｎ、α’’_ｎ）は、
   前記２以上のアンテナアレイのメインビームの方向が実質的に一致し、かつ、
   少なくとも前記第１および第２のアレイ（Ｍ、Ｍ’、Ｍ’’）上で通信される各信号（Ｓ、Ｓ’）に関する少なくとも相関係数（ρ）の絶対値が所定のサイドローブ領域で０．７未満となるように選択され、あるいは、
   励起手段の少なくとも前記第１および第２のセットに関する放射振幅パターン（Ｐ、Ｐ’）が前記メインビームのピークに対する所定のサイドローブ領域で実質的に空白フィル差を伴う包絡線を有するように選択されるアンテナ配置。
2. 前記第１のアレイ（Ｍ）に関する励起手段の前記第１のセット（ＳＥ）および前記第２のアレイ（Ｍ’）に関する励起手段の前記第２のセット（ＳＥ’）に対応するアレイファクタのルート（ｚ_ｎ、ｚ’_ｎ）は、前記第１および第２の放射パターンの振幅パターン（Ｐ、Ｐ’）が実質的に等しくなるように選択される、請求項１に記載のアンテナ配置。
3. 励起手段の前記第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）に関する前記ルートが同一数であることにより、励起手段の前記第１のセット（ＳＥ）についての所定のルート（ｚ）が励起手段の前記第２のセット（ＳＥ’）のルートに対応付けられており、
   前記第１および第２の励起セットの対応する２以上のルート（ｚ、ｚ’）が互いに関して移動される、請求項１または２に記載のアンテナ配置。
4. 前記第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）の対応する前記２以上のルートは、各信号間で低相関を提供するために、位相パターンが所望の前記サイドローブ領域で異なるように、シェルクノフの単位円から外れて配置される、請求項３に記載のアンテナ配置。
5. 前記第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）の対応する２以上のルートが更に、シェルクノフの単位円から外れて配置される、請求項４に記載のアンテナ配置。
6. 前記第１のセット（ＳＥ）のシェルクノフの単位円から外れて配置される前記ルートは、シェルクノフの単位円の内側に配置され、前記第２のセット（ＳＥ’）のシェルクノフの単位円から外れて配置される前記ルートは、シェルクノフの単位円の外側に配置される、請求項５に記載のアンテナ配置。
7. 対応する２以上のルートは、共通のシェルクノフの単位円上の点に関して互いに対称関係になるように配置される、請求項４〜６のいずれか１項に記載のアンテナ配置。
8. 励起手段の前記第１および第２のセットの他のルートは、シェルクノフの単位円上に配置される、請求項２〜７のいずれか１項に記載のアンテナ配置。
9. 励起手段の前記第１および第２のセットの他のルートは、シェルクノフの単位円上の同一の各位置に配置される、請求項８に記載のアンテナ配置。
10. 励起手段の前記第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）の対応するルートがシェルクノフの単位円上の同一の各位置に配置されており、
    対応する２以上のルートが共通のシェルクノフの単位円上に配置されて互いに角移動することにより、各々の前記放射パターンの空白は、改良されたサービスエリアを提供するために、所望の前記サイドローブ領域で重畳しない、請求項１に記載のアンテナ配置。
11. 励起手段の少なくとも前記第１および第２のセット（ＳＥ、ＳＥ’）に関する放射振幅パターン（Ｐ、Ｐ’）は、前記メインビームのピークの下の所定のサイドローブ領域で、２５ｄＢ以下の空白フィル差の包絡線を有する、請求項１または１０に記載のアンテナ配置。
12. 励起手段の前記第１のセット（ＳＥ）の対応する１以上のルートが単位円上で時計回りに移動され、励起手段の前記第２のセット（ＳＥ’）の対応する１以上のルートが反時計回りに移動される、請求項１１に記載のアンテナ配置。
13. 励起手段の前記第１のセット（ＳＥ）が第１の信号（Ｓ）を送信または受信するように適合され、励起手段の前記第２のセット（ＳＥ’）が第２の信号（Ｓ’）を送信または受信するように適合され、またはこれらが組合される、請求項２〜１２のいずれか１項に記載のアンテナ配置。
14. 少なくとも２つの前記第１の信号及び第２の信号（Ｓ、Ｓ’）がマルチインプット・マルチアウトプット（ＭＩＭＯ）通信システムのデータに関する、請求項１３に記載のアンテナ配置。
15. 少なくとも２つの前記第１の信号及び第２の信号（Ｓ、Ｓ’）が送信または受信ダイバーシチ通信システムのデータに関する、請求項１３に記載のアンテナ配置。
16. ３以上のアレイおよび３以上のデータストリームが提供される、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のアンテナ配置。

Images