JP5272004B2 - 多アンテナシステム給電デバイスおよびかかるデバイスを備える無線リンク端末 - Google Patents

Description

本発明は、多アンテナシステム給電（ｆｅｅｄ）デバイスおよびかかるデバイスを含む端末に関する。より詳細には、本発明は、規格８０２．１１または８０２．１６に対する「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ（多入力−多出力）」に関する頭字語のＭｉＭｏ型であると称される、多入力／出力デバイスと共に特に使用される、多アンテナまたはセクターアンテナシステムの拡張に適用される。これらの概念は、送信チャンネルの容量を最大化することによって、伝送システムの効率を著しく改善する。本発明はまた、多アンテナシステムを使用して、ビーム形成の技法によりデータをネットワークの様々なノードに向けて方向付けすることを可能にする網目状ネットワークに適用される。

アドホック（ａｄ ｈｏｃ）の移動体ネットワークは、無線媒体を通して互いに接続された移動体ノードのグループによって定義される。これらのノードは、それら自身に関して動的に自由に編成し、アドホックと称されるランダムかつ一時的なネットワークの形状を創成することが可能であり、それにより予め定義された通信基盤がない領域において人および端末が相互接続することを可能にする。

この概念から導出される新しい型のネットワークが出現しようとしている。それは、固定型ノードおよび移動体ノードの組み合わせに基づく無線リンクによって相互接続された網目状ネットワークに関係する。

特に複数ＲＦ（Ｒａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：無線周波数）システム、ＭｉＭｏ技法、またはビーム形成アンテナを使用する代替手段により、これらの網目状ネットワークの容量を改善するために、多くの研究が実行されている。複数ＲＦシステム技法は、より詳細には、周波数直交性と共に、様々な周波数にて独立に起こるフェーディングとも呼ばれる減衰を使用して、ネットワーク容量を増加させる方法である。ＭｉＭｏ型の複数アンテナシステムは同様に、送信および受信に対して、アンテナ・ダイバーシティおよび空間的多重化…を使用することによって無線リンクの容量および正当性を改善する。

送信された信号に独立ないくつかの応答を受信機に提供するダイバーシティは、干渉およびフェーディングに対処するための効果的な技法である。それでもなお、網目状ネットワークの場合のように、干渉が高いレベルにあり、複数のアクセスから派生しているときには、信号を改善するためにはアンテナのダイバーシティのみでは十分ではない。

干渉に対処するために、スマート・アンテナまたは適応型ネットワーク・アンテナが、放射効率および干渉源をフィルターする可能性を改善する。これをするために、我々はアンテナ・ビーム形成を使用して、それにより受信または送信された信号の方向には有効な高い利得の放射パターンを生成し、他の方向には低い利得で生成する。高いレベルの空間的再利用をする高速伝送を確実にするために、指向性伝送制御で十分である場合がある。

しかしながら、網目状ネットワークに対しては、この技法は、選択されたアンテナの１つまたはいくつかに送信信号を向けると同時に、アンテナの間の分離に関する性能を維持することができることを必要とする。この後者の制約は、所与の方向での放射パターン制御に密接に関連する。

生起する問題は、無線リンク・システムにおいてよく見られ、程度の差はあるが、多機能のＲＦ切替デバイスによって一般的に対処されるような、Ｎのアンテナから１つのアンテナを選択することによるのではなく、特に多アンテナシステム、より一般的には多セクター型のアンテナシステムに供給し選択する際に、１つのチャンネルにまたはさらにＮのアンテナまたはセクターにまで向けて同時に信号を送信することを可能にすることからもたらされる。

本発明の１つの目的は、アンテナの間の分離性の問題を解決することである。従って、本発明の目的は、多アンテナシステム給電システムが、
−１式のＷｉｌｋｉｎｓｏｎ（ウィルキンソン）合成器であって、１つの合成器分岐が、給電点への入力に接続された分岐群によりアンテナに給電すること；
−アンテナおよび合成器の間に接続された１式の切替器であって、それぞれの切替器が合成器分岐をその対応するアンテナに、切替器が閉のときアンテナが伝送線路に接続されるように切り替えること；
それぞれの合成器は、２つのカスケード接続された基本的ウィルキンソン合成器から成り、１つの基本合成器は、４分の１波伝送線路の間に終端抵抗と、長さが波長の倍数である、それぞれの終端抵抗器およびそれぞれの４分の１波伝送線路の間に接続された追加的伝送線路とを備えることである。

追加的伝送線路は、例えば４分の１波伝送線路と同じインピーダンスを有する。

好適な実施形態において、例えばアンテナに給電する分岐はシステムの２つの連続した合成器に共通であることになる。

例えば、１つの分岐が２つの合成器の４分の１波伝送線路を直列に含みつつ、それぞれの合成器が２つのウィルキンソン型のカスケード接続された基本的合成器から成る。

好適な実施形態において例えば、切替器は無反射型である。

１つの可能な構成において、切替器は開状態では、値が合成器の特性インピーダンスとほぼ等しいインピーダンスにその対応する分岐を接続する。

切替器は、５０オームのインピーダンスを有する伝送線路により、対応するアンテナに接続可能である。

アンテナは同一アンテナのアンテナ・セクターであることが可能である。

アンテナシステムは例えば、Ｖｉｖａｌｄｉ（ビバルディ）型アンテナから成ることが可能である。

１つの可能な実施形態においては、デバイスは二面の回路上に位置し、第１の面は、
−アンテナ群；
−切替器群；
−基本的合成器群の４分の１波伝送線路群；
−これらの合成器群の終端抵抗器群；
を保持し、そしてこれらにより第１の部分を形成する。

そしてもう１つの面は：
−他の基本的合成器の４分の１波伝送線路群；
−追加的伝送線路群；
−これらの他の合成器群の終端抵抗器群；
を保持し、そして第２の部分を形成し、
これらの面の間のリンク群は２つの部分の間の接続を確実にする。

本発明の１つの目的にはまた、前出の特許請求の範囲の何れかによるアンテナに対する給電デバイスを有する多アンテナシステムを備える無線相互接続端子を有することがある。

本発明の他の特性および利点は、以下の説明および添付された図面から明確になることになる。
網目状ネットワークの一例を表す図である。 前述のネットワークにおいて使用可能な多アンテナ無線リンク端末の簡易化されたアーキテクチャの一例を表す図である。 ウィルキンソン広帯域型合成器の典型的な一例を表す図である。 本発明によるデバイスにおけるウィルキンソン型合成器の可能な使用法を表す図である。 本発明によるデバイスの実施形態の一例を表す図である。 本発明によるデバイスの実施形態の一例を表す図である。 本発明によるデバイスの実施方法の一例を表す図である。 本発明によるデバイスの実施方法の一例を表す図である。

図１は、ＷｉＦｉおよびＷｉｍａｘと称される無線リンク技術を使用する網目状ネットワークの一例を例示する。端末１のグループは、電波塔２の先端に取り付けられた送受信機により通信する。これらの端末１は、１式の固定型および移動体のノードを形成する。これらは、規格８０２．１１または８０２．１６にて動作するＭｉＭｏ型の端末デバイスである。固定型ノードは、規格８０２．１６に合致するＷｉｍａｘ型の無線リンク３によって送信機に接続される。移動体ノードは、８０２．１１に合致するＷｉＦｉ型の無線リンク４によって互いに接続される。また端末５は、例えば任意の型のコンピューターまたは携帯電話であるが、移動体ノードの無線ネットワーク４に組み入れることが可能である。以前に表されたように、これらのノードは動的な方法にてそれぞれを自由に自律的に編成し、「アドホック」と称されるランダムかつ一時的なネットワークの形状を作成することが可能であり、それにより予め定義された通信基盤がない領域において人および端末５が相互接続することを可能にする。

図２は、特に図１のネットワークにおいて使用される多アンテナ無線リンク端末１のアーキテクチャの単純化された一例を示す。端末には、送信および受信のアンテナ２０がある。それはまた、規格８０２．１１または８０２．１６に合致するベースバンド回路２１、使用される規格に適合するＲＦインターフェイス回路、および送信または受信に対して送信信号または受信信号を同時に選択された１つまたはいくつかのアンテナの方に向けるために使用されるアンテナ・アクセス管理デバイスを含む。このデバイスは例えば、それぞれアンテナをＲＦインターフェイス回路２２に接続する一連の無線周波数切替器２３およびリンク２５を含む。このインターフェイス回路２２はそれ自身が、同様に既知の型である受信および送信回路に接続される。送信の間、この回路はアンテナに対するＲＦ給電として見える。切替器は、制御回路２４によって制御される。

アンテナ給電点とアンテナ群のそれぞれとの間に挿入されたインターフェイス段がアンテナ群の間の分離性の必要な基準を確実にし、給電の見地からの良好な整合性を守るように思われる。しかし、如何なる技術が使用されようとも、ＲＦシステムのこの精緻な点でこの段を挿入することに対する代償として、第１に挿入損失の追加により受信感度を劣化させること、およびまたこれらの損失を補償するための送信電力の増加を招く。これらの欠点は、供給点から直接アンテナシステムに、すなわち星形モードにて供給することを考えるに至る。しかしながら、このような概念の最適化をしたにもかかわらず、シミュレーションによると、アンテナ間にておよそ１２ｄＢより良い分離性を期待できる可能性は低く、移動体ノードおよび固定型ノードを有する混在型のネットワーク・アプリケーションに対して殆どの指向性性能を達成するにはほど遠いことが立証されている。

図３は、広帯域のウィルキンソン型合成器を例示する。より詳細には、この合成器は、２つの従来型ウィルキンソン合成器３１、３２のカスケード配置である。実際、２つの従来型基本的合成器のカスケード接続により、ウィルキンソン型合成器の帯域幅を増加させることが可能である。基本的ウィルキンソン合成器は、２つの４分の１の波の、したがって長さλ／４を有する伝送線路３１１、３１２をそれぞれ有し、それぞれ第１の合成器に対してＺ₁の特性インピーダンスを有し、第２の合成器に対してＺ₂の特性インピーダンスを有する。カスケードは、第２の合成器３２の分岐が第１の合成器３１の分岐への終端抵抗器であるように接続する方法にて生成される。負荷抵抗器３３、３４は、第２の合成器３２の分岐の出力に接続される。第１の合成器３１の入力は、合成器全体の入力を形成し、第３の負荷抵抗器３５が負荷となり、特性インピーダンス３６を含む伝送線路を通して第１の合成器に接続される。終端抵抗器３７、３８はそれぞれの基本的合成器の２つの分岐の間に接続される。

伝送線路の特性インピーダンスおよび終端抵抗を最適化し、所与の周波数帯における必要な分離性を獲得することが可能である。分離性性能および実効的帯域幅の間には、トレードオフがある。

本発明によるデバイスの実施は特に以下に基づく：
−ウィルキンソン広帯域合成器のアーキテクチャの特定の拡張；
−２つの連続したアンテナまたは２つの連続したセクターにおける合成器のそれぞれの分岐３１１、３１２の使用；
−デバイスの実際の配置を可能にする合成器の分岐の内の１つのモジュロλアンバランス；
−無反射型のアンテナまたはセクターに対する切替システム。

合成器のカスケード拡張に関する限り、我々が２つのアンテナまたは２つの連続したアンテナ・セクターの給電に対する解決法を考えるなら、整合性および分離性の観点からの性能は、それぞれおよそ２０ｄＢおよび３０ｄＢである可能性がある。しかしながら、この解決法は、少なくとも４つのアンテナまたはアンテナ・セクターの同時の給電を必要とする。

図４は、本発明に関するウィルキンソン型合成器の使用法を表現するブロック図である。図４において例示されるように、本発明によるデバイスは、広帯域のウィルキンソン合成器に基づき、セクター次数ｎ−１およびセクター次数ｎ＋１の両方に対して合成器のそれぞれの分岐を同時に使用することによって、この解決法をＮのセクターまたはアンテナまで拡張する。図４の例は、ビバルディ型の４つのセクター４１、４２、４３、４４があるアンテナの場合に関係する。最初の２つのアンテナ・セクター４１および４２を考えると、それらは中心点（示されない）からそれぞれ第１のウィルキンソン型合成器４５の第１の分岐４０１および第２の分岐４０２によって給電される。同様に、第２および第３のセクター４２、４３は、第２の合成器４６の第１の分岐４０２および第２の分岐４０３によって同時に給電され、分岐４０２は第１および第２の合成器４５、４６に共通の第２のセクター４２に給電する。

同様に、第３および第４のセクター４３、４４は、それぞれ第３の合成器４７の第１の分岐４０３および第２の分岐４０４によって給電され、そして第４および第１のセクター４４、４１はそれぞれ第４の合成器４８の第１の分岐４０４および第２の分岐４０１によって給電される。第３のセクター４３に給電する分岐４０３は、第２および第３の合成器４６、４７に共通であり、一方第４のセクション４４に給電する分岐４０４は、第３および第４の合成器４７、４８に共通であり、そして第１のセクター４１に給電する分岐４０１は第４および第１の合成器４８、４５に共通である。それぞれの合成器の入力はまた、中心給電点に接続される。

使用されるアンテナまたはアンテナ・セクターの数によって、このアーキテクチャをこの方法にて繰り返すことが可能である。

図５は、図４に示された型のアーキテクチャに対するアンテナまたはアンテナ・セクターの切り替えの原理を例示する。このようにして、図５のシステムは、１つまたはいくつかのアンテナ・セクター１、４２、４３、４４の方に同時に送信されるべき信号の選択を可能にし、その結果例えば固定端末および移動体端末を一緒に混在させるネットワークのように、使用されるネットワーク・プロトコル管理に従い、全体的な放射パターンの修正を可能にする。したがって、全体的なアンテナの分離性および整合性の性能を変更するかも知れない、１つまたはいくつかのセクターが同時に非活性化することは最小限になるよう回避することが重要である。

本発明によるとアンテナの切り替えは、ウィルキンソン合成器に基づく給電システムの後で、例えば無反射型の１式のセレクター切替器５１、５２、５３、５４によって実行される。これにより特に：
−一方では、１つまたはいくつかのアンテナ・チャンネルが非活性化されることがないため、そしてそれゆえこのまたはこれらの合成器の分岐の内の１つは、アンテナが提示する負荷が最早見えないため、合成器の何れのアンバランスをも回避し、
−さらにこの１式の切替器の分離性性能にはほとんど影響を受けないままである、
ことが可能になる。

使用されるウィルキンソン合成器は、図３において使用されるものと同一の型である。図５は、それぞれ第１ ４１、第２ ４２、第３ ４３，および第４のセクター４４に給電する、４つの分岐４０１、４０２、４０３、４０４を示し、それぞれの分岐は２つの連続した合成器に共通である。例として２つの合成器４６、４７が図５において示され、第３のセクターに給電する分岐４０３はこれら２つの合成器に共通である。例えばそれぞれの合成器４５、４６、４７、４８は２つの基本的合成器で構成され、それぞれの分岐は、連続的にカスケード接続された合成器の４分の１波伝送線路６０、５９を含む。

分岐４０１、４０２、４０３、４０４は、入力にて中心給電点５０に接続される。それぞれの分岐は、出力にてセレクター切替器５１、５２、５３、５４に接続される。

切替器が開のとき、その対応する分岐はインピーダンス５５に接続され、このインピーダンス５５がその分岐の負荷になる。例えばセレクター切替器を無反射型にするために、この負荷インピーダンス５５は合成器の特性インピーダンス、例えば５０オームに等しくなる。セレクター切替器が閉のとき、それはその対応する分岐をそのアンテナまたはその関連付けられたアンテナ・セクターに、あるいは例えば特性インピーダンスＺ₃、例えば５０オームを持つ伝送線路を介して接続する。

図５において例示されるデバイスはこのように、どんな切り替えがセレクター切替器５１、５２、５３、５４にて実行されたとしても、すべてのアクティブなセクターにおいて同じ分離性能を維持する。その上この解決法は、ＰＩＲＥ（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｒａｄｉａｔｅｄ Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｐｏｗｅｒ：等価等方放射電力）をセクター単位で、給電回路の損失および全体的なアンテナの利得を除外して、例えば電力増幅器の出力５０での電力マイナス６ｄＢに等しく一定に維持することを可能にする。特にこれは、規格および標準を実現することを可能にすると同時に、簡単にセクター４１、４２、４３、４４当たりの最大放射電力を確実にする。

それにもかかわらず、この解決法は、電力増幅器によって送信される電力の部分が無反射セレクター切替器の負荷５５によって吸収されることを必要とする。増幅器出力電力が十分であるなら、これは制約にはならずに、かつ網目状ネットワーク管理目的に対しては放射電力の制御をむしろ簡略化できる。

受信方向においては、選択されたアンテナ・セクターが放射点５０の方に向けられるため、セレクター切替器５１、５２、５３、５４に関する感度の無損失が可能であることが必要である。

図６は、実際的な実施方法を提供するときの、使用される周波数スペクトルにおける電気的性能を保証する別の実施形態を例示する。実際に図５において示された型の解決法を使用する際には、特に２．４ギガヘルツＷｉＦｉ帯に、周波数帯がそれぞれ２．７ギガヘルツ、３．５ギガヘルツ、または５．８ギガヘルツに設定されているＷｉｍａｘアプリケーションに適用する周波数の場において、あるいはさらにまた５ギガヘルツ範囲のＷｉＦｉ帯において、その実際的な実施方法に由来する１つの困難性が起こることがあり得る。

これらの無線周波数場において合成器から最適な挙動を得るためには、終端抵抗器３７はそれぞれの４分の１波伝送線路の可能な限り近くに位置せねばならない。例えば、５．８ギガヘルツでのアプリケーションに対して図４において例示されたビバルディ型アンテナを考慮すると、合成器の４分の１波伝送線路は７．４ｍｍになる。従って図４において例示される十字型の給電線路４０１、４０２、４０３、４０４は、例えばインピーダンスＺ₁を有する最初の４つの４分の１波区間を表現し、終端抵抗器３７をその十字型の末端に、すなわち５．８ギガヘルツにておよそ１０ｍｍの距離にて接続することを意味する。そのような距離は、著しく禁止的であり、整合性および特に分離性性能をかなり低下させ、ことによるとこの解決法を無効なものとする。

図６における配置は、実際に実施可能な実施形態との互換性を確実にしつつ、電気的性能を保証する。この典型的な実施形態においては、終端抵抗器３７の長さを最小にするため、合成器の分岐の内の１つが長さが波長λの倍数であり、例えば最初の分岐６０と同じ特性インピーダンスＺ₁を有する、追加的伝送線路６１によりアンバランスになる。従ってそれぞれの終端抵抗器３７が、図６で例示されるように長さλ／４を有する分岐６０および長さ５λ／４を有する分岐６１の間に接続される。この配置は、例えば表面および裏面の２層を有する多層回路に有利に適合する。

図７ａおよび図７ｂは、両面印刷配線回路上の図６の配置の実施方法の一例を示し、図７ａが１つの面を示しそして図７ｂが他方を示す。図７ａにおいて例示される第１の面上には、以下のものが置かれている：
−例えばパッチの形体のアンテナ・セクター４１、４２、４３、４４；
−セレクター切替器５１、５２、５３、５４；
−第２の基本的合成器の４分の１波伝送線路５９；
−これらの合成器の終端抵抗器３８；
図７ｂで例示される第２の側の上には：
−第１の基本的合成器の４分の１波伝送線路６１；
−示された例における波長λに等しいモジュロλ６０の長さの伝送線路；
−終端抵抗器３７。

これらの側の間のリンク７１は２つの部分の間の接続を確実にする。

図７ａおよび図７ｂにおいて例示される回路が、アンテナ・パターンの間で極めて良好な非相関性を保証しつつ、特に５．１５ギガヘルツおよび５．８７５ギガヘルツの間を含むＷｉＦｉ帯に亘って、３０ｄＢを上回る分離性を有し、２０ｄＢを上回る整合性を生み出すことを測定値が示している。

特に本発明は、ＭｉＭｏシステムにおいて、および特に網目状ネットワークアーキテクチャに対して使用される多アンテナシステムまたは多セクター・アンテナに対して理想的に適合する。アンテナの間の分離性による性能により、本発明は放射効率および干渉をフィルターすることができる可能性を著しく改善することになる。このように指向性送信を制御することにより、高いレベルの空間的な再使用による高速の送信が可能になるであろう。

図に提示された典型的な実施形態は、４つのアンテナまたはアンテナ・セクターを含む。当然ながら、より多い数のアンテナに本発明を適用することが可能である。

例えば図２において示された型に無線リンク端末を配備するために、本発明によるデバイスを有利に使用することができる。この場合においては、切替器２３およびリンク２５のシステムは、以前に説明されたように、入力にてインターフェイス２２に、および出力にてアンテナに接続されて、本発明によるデバイスに置き替えられる。

Claims (7)

1. アンテナ給電点と多アンテナシステムの各アンテナとの間に挿入される多アンテナシステム給電デバイスであって、
   少なくとも４つの分岐を備えたウィルキンソン合成器のシステムであって、各分岐は各アンテナを前記アンテナ給電点に接続し、各分岐は、直列接続された第１の４分の１波長伝送線路と第２の４分の１波長伝送線路とにより形成される、ウィルキンソン合成器のシステムと、
   第１の抵抗器及び第２の抵抗器によって接続された２つの連続した分岐であって、前記第１の抵抗器は、前記２つの連続した分岐の前記第１の４分の１波長伝送線路と前記第２の４分の１波長伝送線路との共通な点を接続し、前記第２の抵抗器は前記２つの連続した分岐の終点を接続する、２つの連続した分岐と、
   切替器が閉状態のときに前記アンテナが前記分岐に接続されるように、それぞれの前記切替器が分岐を自身の対応するアンテナに切り替える、前記アンテナに接続された１式の切替器と
   を少なくとも備える、デバイス。
2. 前記切替器は、反射性ではない、請求項１に記載のデバイス。
3. 開状態にて切替器が、値が前記合成器の特性インピーダンスにほとんど等しいインピーダンスに自身の対応する分岐を接続する、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記第１の４分の１波長伝送線路と同一のインピーダンスを有する追加の波長伝送線路が、それぞれの前記第１の４分の１波長伝送線路と前記第２の４分の１波長伝送線路との間に接続され、その結果、各ウィルキンソン合成器の分岐はアンバランスになる、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記アンテナが、同一アンテナのアンテナ・セクターである、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記アンテナが、ビバルディ型のアンテナである、請求項５に記載のデバイス。
7. 前の何れかの請求項に記載の多アンテナシステム給電デバイスを備える多アンテナシステムを備える、無線リンク端末。

Images