JP5450827B2 - 直交偏波を備えたデュアルビーム・アンテナ用の重みベクトルを設計する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ビームが直交偏波（orthogonal polarization）を有する、デュアルビーム・アンテナ（dual beam antenna）用の重みベクトル（weight vector）を設計する方法に関する。

携帯電話通信システムにおけるセクタカバー伝送（sector covering transmission）用のビームは、アレイアンテナの場合、ユーザ固有情報の伝送のためのビーム形成により生成される。規格の例はＴＤ−ＳＣＤＭＡ及びＬＴＥ−ＴＥＤであり、どちらも典型的に、４列に配置された二重偏波アンテナを使用しているか又は使用することになる。

複数のビームを結合して複合ビームを生成するという考え方はすでに開示されており、直交偏波を有するアンテナからのビーム・ポートの結合について記載している米国特許第５６４９２８７号（参考文献［１］）を参照されたい。［１］には、結合アンテナパターンにおいてヌル又はほぼヌルを作成せずに、ある方位のより大きい領域をカバーする複合ビームを達成するために、異なる偏波だけでなく、異なる空間指示方向（spatial pointing direction）も有するアンテナに関連するビーム・ポートの結合が開示されている。

図１に開示されている従来技術のアンテナは、ダイバーシチのために同じ領域をカバーする直交偏波を備えた２つのビームを有する。二重偏波アレイアンテナによりビームを生成するために一般に使用される方法は図２に示されているが、同図では各ビームは同じ偏波を有する素子によって生成されている。

一般的な方法の典型的な問題は以下の通りである。
− 図３に示されているように、作成された振幅パターンは所望のビーム形パターンの周りで「波打つ」ので、実際のビーム形と所望のビーム形との一致は不十分である。
− 重みベクトルの個々の要素に関する大きさが一定ではないという意味で、電力利用が非効率的である。
− 重みベクトルはアンテナ固有であり、即ち、それらは特定の素子間隔及び素子のビーム幅用に設計されている。
国際公開第２００６／０７１１５３号には、携帯電話システムにおける無線基地局用アンテナ装置が開示されている。また、国際公開第２０１０／００６６４５号には、基地局と中継局の組み合わせが開示されている。

従って、直交偏波を備えたデュアルビーム・アンテナ用の重みベクトルを設計するための改良された方法が必要である。

本発明による一目的は、従来技術の解決策に比べ、電力領域において改善されたアンテナ放射特性を有する直交偏波を備えたデュアルビームを達成するための方法を提供することである。

この目的は、どちらも少なくとも３つの二重偏波アレイ素子（dual-polarized array element）を有するアンテナを使用して選択された領域をカバーする、直交偏波を有する２つのビームを生成する方法によって達成される。それぞれの二重偏波アレイ素子は、第１の偏波に関連する第１の位相中心（phase centre）と、第１の偏波に直交する第２の偏波に関連する第２の位相中心とを有する。少なくとも３つの二重偏波アレイ素子の第１及び第２の位相中心は、第１の方向に配置され、第１の方向に垂直な対称線（symmetry line）に関して２次元のアンテナ表面の全域で対称的に分散される。それぞれのビームは前記複数の二重偏波アレイ素子に給電することによって生成され、この方法は、第１の偏波に関する第１の非ゼロ重みベクトルと第２の偏波に関する第２の非ゼロ重みベクトルとを有する第１の重み行列（weight matrix）を設計することと、第１の重み行列を二重偏波アレイ素子に適用して、選択された領域をカバーする第１のビームを生成することと、第１の重み行列の重みベクトルに基づいて第２の重み行列を計算することと、第２の重み行列を二重偏波アレイ素子に適用して、選択された領域をカバーする第２のビームを生成することを含む。

本発明による利点は、従来技術のアンテナに比べ、実際のビーム形と所望のビーム形との一致が改善されることである。当業者であれば、詳細な説明からその他の目的及び利点に気付く可能性がある。

非限定的な例として示されている以下の図面に関連して、本発明について説明する。

従来技術のアンテナアレイ構成を示す図である。 従来のビーム形成による従来技術のアンテナを示す図である。 図２のアンテナに関するビームパターンを示す図である。 本発明によりセクタカバービームを生成するためのデュアルビーム・アンテナの一般的な実施形態を示す図である。 二重偏波ビーム形成が適用されるビームパターンを示す図である。 本発明によるデュアルビーム・アンテナの第２の実施形態を示す図である。 素子パターンと所望のパターンの形状がほぼ同一であるグラフの一例を示す図である。 図７の電力パターンを生成するアンテナの偏波平行性を示す、対応するグラフを示す図である。

第１の方向に等しい距離ずつ変位させた４つの二重偏波素子１１を含む従来技術のアンテナ構成１０が図１に示されている。二重偏波アンテナ素子１１は、例示のために、第１の偏波に関連する第１の素子１１_A（実線）と、第１の偏波に直交する第２の偏波に関連する第２の素子１１_B（破線）とを含む。

このアンテナ構成は各アンテナ素子に結合された増幅ユニット１３をさらに含み、各増幅ユニット１３は、ダウンリンク送信用の電力増幅器ＰＡとアップリンク受信用の低雑音増幅器ＬＡＮ、並びにアップリンク受信とダウンリンク送信を分離するためのフィルタ（図示せず）を含む。アンテナポートＡ及びＢは、ビーム形成ネットワーク１４及びそれぞれの増幅ユニット１３を介して二重偏波アンテナ素子１１に接続される。ビーム形成ネットワーク１４は、慣例的に、アンテナポートＡを接続し、第１の偏波に関連する第１の素子１１_Aに適切な重みを適用することと、アンテナポートＢを接続し、第２の偏波に関連する第２の素子１１_Bに適切な重みを適用することにより、２つのビームを生成するように構成される。

ダイバーシチのために、同じ領域をカバーする直交偏波を備えた２つのビームを有することが望ましい。二重偏波アレイアンテナによりビームを生成するために一般に使用される方法は図２に示されているが、同図では各ビームは同じ偏波を有する素子によって生成されている。図２はダウンリンクのみを示し、各素子１１_A及び１１_Bに適用された重みは実線矢印１５（第１の偏波）及び破線矢印１６（第２の偏波）によって示されていることに注目されたい。

一般的な方法に対応するビームパターンの一例は図３に示されている。この例では、ポート１に関連する所望のビームは以下の重み行列を適用することによって生成される。

すべての方位角について直交偏波を有するビーム２に関する対応する重み行列は以下のようになる。

２つの直交ビームを達成するために、２つのゼロ重みベクトル、即ち、

及び

が使用される。

この素子の電力半値幅（ｈｐｂｗ）は、この例では、７０度に設定され、所望のセクタカバービームのｈｐｂｗは６５度に設定される。素子分離、即ち、隣接する二重偏波アンテナ素子１１の位相中心（各偏波に１つずつ）同士の距離は０．７波長に設定される。

図３は、従来の方法に関するビームパターンを示している。それぞれの偏波について同一である電力パターンは実線１として示されている。所望のパターン形状はｈｐｂｗ６５度であり、点線２として示され、素子電力パターンはｈｐｂｗ７０度であり、破線３として示されている。

すべての電力増幅器が同じ定格出力電力を有すると想定すると、すべての素子に渡って振幅が逓減すると、電力利用が削減される。この電力効率図は、両方のビームがビーム当たり同じ平均電力割り当てで送信している時の全使用可能出力電力に対する実際の出力電力を示している。この効率図を見つけるために、重み行列を複数のステップで正規化しなければならない。第１のステップは、以下のように両方のビームで１に等しい全電力を設定することである。

第２のステップは、以下のように、すべての電力増幅器について最大電力が１に設定されるように正規化することである。

第３のステップは、以下のように、全出力電力を計算し、全使用可能出力電力に対応する電力増幅器の数に正規化することである。

ｖｅｃ（Ｘ）演算子は行列Ｘから列ベクトルを生成する。（）^H演算子はエルミート形式を取り、即ち、行列の転置及び行列内のすべての要素の複素共役を取る。

図３の例に関する電力効率は以下のようになる。
η_PA＝０．６６７
これは−１．８ｄＢに対応するものである。

本発明の基本概念は、電力領域において所望のアンテナ放射特性に対応する重みベクトルを定義することである。これは、適切な重み行列によって重み付けされたアンテナ素子の両方の偏波に接続されたセクタビーム・ポートを有することによって達成される。各シングルビームについて、Ｅフィールドの大きさのみが重要であり（電力領域）、従って、考慮される。これは、対応するビームのすべての方向において固定されている（同じである）偏波について放射特性が定義／研究される、従来の見解とは対照的である。

各ビームに関する重み行列は、非ゼロ重みベクトルである２つのベクトルに分割することができる。各重みベクトルは、以下により詳細に示されているように、同じ偏波を備えたアンテナ素子に関連する要素を有する。

しかし、２つのビームが直交偏波によって生成される場合、意図されたサービスエリア内のすべての方位角について偏波同士が十分に直交することを保証するように第２のビームに関する重み行列を設計しながら、第１のビームに関するＥフィールドを考慮しなければならない。

図４は、本発明によりセクタカバービームを生成するためのデュアルビーム・アンテナ２０の一般的な実施形態を示しており、この実施形態は４つの二重偏波アレイ素子１１を備えた線形アンテナアレイを含み、それぞれの二重偏波アレイ素子が第１の方向１２に配置された二重偏波アンテナ素子を含んでいる。素子間隔は同一である必要はないが、アンテナアレイは第１の方向１２に垂直な対称線２１に関して対称的であるものとする。それぞれの二重偏波アンテナ素子は、この実施形態では、第１の位相中心を有する第１のアンテナ素子１１_Aと、第２の位相中心を有する第２のアンテナ素子１１_Bとを含み、第１及び第２の位相中心は一致し、共通位相中心１８として示されている。

増幅ユニットは、それぞれのアンテナ素子１１_A及び１１_Bに接続され、ダウンリンク用の電力増幅器２３によって例示されている。また、対応する低雑音増幅器ＬＮＡ（図示せず）はアップリンク用として各アンテナ素子に接続されている。ビーム形成ネットワーク２４は、実線２５及び点線２６によって示されるように、それぞれの電力増幅器２３及び加算ユニット２１を介して、それぞれのアンテナポート１及び２をすべてのアンテナ素子１１_A及び１１_Bに接続する。２つの直交ビームを生成するために、各ビームに関する重み行列がすべてのアンテナ素子１１_A及び１１_Bに適用される。

二重偏波アレイ素子１１の共通位相中心１８は、第１の方向１２の直線２７上に位置し、対称線２２に関して対照的であることに留意されたい。

２つのビームのそれぞれは重み行列

により生成され、その行列は、この例では、以下に示されているように２つの重みベクトル（同じ偏波を備えた１組のアンテナ素子について重みベクトルが１つずつ）に配置された８つの要素を有する。

図５は、二重偏波ビーム形成が適用されるビームパターンを示している。その結果得られる電力は実線４によって示されている。所望のパターンは点線５によって示され、素子パターンは破線６によって示されている。このビームパターンは、従来の方法が同様の電力利用に適用される場合に比べ、所望のパターンとの対応がかなり優れている。

ビーム１の生成に使用される第１の重み行列

は、以下のように定義することができる。

「Ｎ」は同じ偏波を有するアンテナ素子の数であり、「Ａ」は第１の偏波であり、「Ｂ」は第２の直交偏波である。

は第１の偏波に関連するアンテナ素子に適用される第１の重みベクトルを表し、

は第２の偏波に関連するアンテナ素子に適用される第２の重みベクトルを表す。ビーム２の生成に使用される第２の重み行列

は、以下のように同様に定義することができる。

従って、それぞれの重み行列は、式（１）及び（２）に示されているように、Ｎ個の複素要素を備えた２つの重みベクトル（各偏波について１つずつ）を有する。第２の重み行列は、すべての方向でビーム１に対して同じ電力パターン及び直交偏波を有するビームを生成するものとし、図４の均一線形アレイに関する重み行列は以下のように示される。

Ｆは、以下のように、それが作用するベクトル内の要素を逆にする行列である。

従って、第２の重み行列は以下のように定義することができる。

演算子（Ｘ）^*はＸの複素共役である。

第２の重み行列は第１の重み行列の重みベクトルに基づいて計算され、式（３）は第２の重み行列を得るために第１の重み行列の重みベクトルの「Ｎ」個の複素要素について実行される演算の数学表現である。本質的にすべての方向において相互に直交する、第１のビームと同じ電力パターンを備えた第２のビームを生成するための実際の操作を完全に理解するために、この演算は任意の順序で実行される３つのステップに分割することができる。

ステップ１
以下に示されているように、第１の重み行列

内の第１の重みベクトル

の各要素は実軸（即ち、各要素の複素共役）にミラーリングされ、第１の重み行列

内の第２の重みベクトル

の各要素のミラーリングは虚軸（即ち、符号シフト付きの各要素の複素共役）にミラーリングされる。

ステップ２
以下に示されているように、行の順序が逆になり、即ち、計算された要素を「行反転（row reversing）」する。

ステップ３
以下に示されているように、第２の重み行列

内の第１のベクトル

及び第２の重みベクトル

の要素を得るために、列の順序が逆になり、即ち、計算され行反転された要素を「列反転（column reversing）」する。

適用された重みベクトル行列は両方の偏波を含むので、以下のような重み行列を設計することは可能である。
− 従来の方法に比べ、実現されたビーム形と所望のビーム形との一致を改善するもの。
− 従来の方法に比べ、電力利用を改善するもの。

例１
図４及び図５に関連して説明したように、４つの二重偏波素子を使用して第１のビームを生成するために使用される第１の重み行列

は以下の通りである。

は非ゼロ重みベクトルである。

この例の第２のビーム用の第２の重み行列

は、式（３）を使用して計算され、以下のようになる。

その結果、第２の重み行列は非ゼロ重みベクトル

及び

を有することになる。

この素子に関する電力半値幅（ｈｐｂｗ）は、この例では、１０５度に設定され、所望のセクタカバービームに関するｈｐｂｗは６５度に設定される。素子分離、即ち、第１の位相中心と第２の位相中心との分離は、それぞれ、０．５波長に設定される。

この例に関する電力利用の数値は以下のようになる。
η_PA＝０．６２９
これは−２．０ｄＢに対応するものである。

留意されるように、この電力利用は、図３に関連して示した従来技術の例に関する電力利用より低いが、条件が同じではないことがその違いを説明している。

以下の説明ではこのサイズのアンテナが使用されるが、考え方は他のアンテナサイズにも適用することができる。実際は、記載された各アンテナ素子は、いくつかの個別アンテナ素子構造体（サブアレイ）として設計することもできる。

図６は、本発明によるアンテナ３０の第２の実施形態を示しており、この実施形態は３つの二重偏波アレイ素子３１を含み、それぞれの二重偏波アレイ素子が、直交偏波を備えた第１のアンテナ素子３１_A及び第２のアンテナ素子３１_Bと、電力増幅器２３（明瞭にするためにダウンリンクのみが示されている）と、電力増幅器２３（及びアップリンク用の対応するＬＮＡ）を介してアンテナポート１及び２をすべてのアンテナ素子３１_A及び３１_Bに接続するビーム形成ネットワーク２４とを含んでいる。各アンテナ素子の位相中心は点として示され、第１の偏波に関連する第１のアンテナ素子３１_Aの第１の位相中心２８_Aは第１の方向１２に配置された第１の直線３３上に位置し、第２の偏波（第１の偏波に直交する）に関連する第２のアンテナ素子３１_Bの第２の位相中心２８_Bは第２の直線３４（第１の直線３３に平行）上に位置している。

第１のアンテナ素子３１_Aの第１の位相中心と第２のアンテナ素子３１_Bの第２の位相中心は対称線３２に関して対称的に配置されている。

この例では、第１のビームに関する所望の電力パターンを得るために、以下のように、それぞれが３つの要素を含む２つの重みベクトルを有する第１の重み行列が提供される。

第２のビームを生成するための対応する第２の重み行列は以下の通りである。

電力パターンの形状を変更せずに任意の偏波回転（polarization rotation）を適用することによって重み行列を変更することができるが、当然のことながら、偏波は変更されることになる。偏波回転は、以下の式による偏波回転行列Φにより適用することができる。

偏波回転行列の構造は以下の通りである。

ここで、βは偏波の回転のための空間角度である。

さらに、重み行列は、以下の式による両方の行列（両方のビーム）について等しい移相により変更することができる。

ここで、αは任意の電気的位相角である。

特定のケースでは、２つの重みベクトルを含む重み行列は非常に単純なものになる。一例は、素子パターンと所望のパターンの形状がほぼ同一である場合である。

このケースの重み行列の一例は以下の通りである。

対応するビームパターンは図７に示されており、電力利用（両方のビームによる伝送を想定する）は以下のようになる。
η_PA＝１．００
これは０ｄＢに対応するものであり、即ち、所望であれば、電力資源全体を使用することができる。

図７は、新規の方法に関するビーム・ポート１（左）及びポート２（右）の上記の例のビームパターンを示している。黒い曲線７は電力パターンを示している。ｈｐｂｗは、素子線８と所望のセクタカバービーム線９のどちらについても６５度に設定されている。

偏波平行性は方位角の関数として図８に示されている。この図は、偏波が角度につれて変化する場合でも角度の各値について２つのビーム間の偏波が直交することを示している。

実際には、同様のパフォーマンスを示す他の重みベクトルがいくつか存在する。第２の例は以下の通りである。

第３の例は以下の通りである。

この重み行列については、当然のことながら、上記のように偏波回転を行うことができる。

また、以下の式により、パフォーマンスが維持された両方の行列（ビーム）について同一の空間ビームステアリングを適用することもできる。

ここで、Ψは空間ビームステアリング行列であり、ここでは４列について示されており、アレイにおける線形移相など、素子間の位相中心分離が同一であると想定している。

δは電気的位相角であり、これは（波長単位の素子分離と組み合わせて）ビーム（複数も可）のスキャン角を定義する。

単純化したケースに関する追加の効果は、重み行列が素子分離とは無関係なものになり、即ち、素子間隔が異なる種々のアンテナについて同じ重み行列を使用できることである。

上記の例では、位相中心（各偏波について１つずつ）など、特定の特性を有する関連ビームが存在する「ビーム・ポート」の意味で「アレイ素子」という用語が使用されている。位相中心は、「その半径がファーフィールドに延びる球体の中心として取られた場合に、放射球体の表面上の所与のフィールドコンポーネントの位相が、少なくとも放射が重大である表面の一部分上で、本質的に一定であるような、アンテナに関連するポイントの位置」と定義されており、IEEE Standard Definitions of Terms For Antennas, IEEE Std 145-1993 (ISBN 1-55937-317-2)を参照されたい。

Claims (11)

1. 少なくとも３つの二重偏波アレイ素子（１１；３１）を含むアンテナ（２０；３０）を使用して選択された領域をカバーする、直交偏波を有する２つのビームを生成する方法であって、それぞれの二重偏波アレイ素子が、第１の偏波に関連する第１の位相中心（１８；２８_A）と、前記第１の偏波に直交する第２の偏波に関連する第２の位相中心（１８；２８_B）とを有し、前記二重偏波アレイ素子の前記第１及び第２の位相中心が、第１の方向（１２）に配置され、前記第１の方向（１２）に垂直な対称線（２２；３２）に関して２次元のアンテナ表面の全域で対称的に分散され、それぞれのビームが前記複数の二重偏波アレイ素子に給電することによって生成され、前記方法が、
   前記第１の偏波に関する第１の非ゼロ重みベクトルと前記第２の偏波に関する第２の非ゼロ重みベクトルとを有する第１の重み行列を設計することと、
   前記第１の重み行列を前記二重偏波アレイ素子に適用して、前記選択された領域をカバーする第１のビームを生成することと、
   前記第１の重み行列の前記重みベクトルに基づいて第２の重み行列を計算することと、
   前記第２の重み行列を前記二重偏波アレイ素子に適用して、前記選択された領域をカバーする第２のビームを生成すること
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第２の重み行列内の要素を計算する前記ステップが、
   前記第１の重みベクトルの各要素を実軸にミラーリングし、第２の重みベクトルの各要素を虚軸にミラーリングすることと、
   前記計算された要素を行反転することと、
   前記計算され行反転された要素を列反転すること
   により、前記第２の重み行列内の要素を計算することを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記第１の重み行列
   

   

   
   が以下のように定義され、
   

   

   
   

   

   
   が要素
   

   

   
   を有する前記第１の重みベクトルであり、
   

   

   
   が要素
   

   

   
   を有する前記第２の重みベクトルであり、Ａが前記第１の偏波を表し、Ｂが前記第２の偏波を表し、前記第２の重み行列
   

   

   
   が以下のように計算され、
   

   

   
   

   

   
   が要素
   

   

   
   を有する前記第１の重みベクトルであり、
   

   

   
   が要素
   

   

   
   を有する前記第２の重みベクトルである、請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
4. 前記方法が、前記二重偏波アレイ素子の前記第１及び第２の位相中心を直線上に配置することをさらに含む、請求項１乃至３のいずれか1項に記載の方法。
5. 前記方法が、前記第１の偏波に関連する第１の給電点と前記第２の偏波に関連する第２の給電点とを有するように各二重偏波アレイ素子を配置することであって、それにより前記第１及び第２の給電点に給電することによって各ビームが生成されることをさらに含む、請求項１乃至４のいずれか1項に記載の方法。
6. 前記方法が、任意の構成を有するように各二重偏波アレイ素子を選択することであって、前記第１及び第２の位相中心が前記第１の方向（１２）に前記対称線（２２；３２）に関して対称的に配置されることをさらに含む、請求項１乃至５のいずれか1項に記載の方法。
7. 前記方法が、同一になるようにすべての二重偏波アレイ素子を選択することをさらに含む、請求項１乃至５のいずれか1項に記載の方法。
8. 前記方法が、各二重偏波アレイ素子を、直交偏波を備えた同一のアンテナ電力パターンを有する２つのアンテナ素子に分割することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記方法が、前記第１及び第２の重み行列に偏波回転行列Φを適用することにより両方のビームの偏波回転を実行することであって、前記偏波回転行列が以下のように定義され、
   

   

   
   βが前記偏波の前記回転のための空間角度であることをさらに含む、請求項１乃至８のいずれか1項に記載の方法。
10. 前記第１の位相中心間の分離と前記第２の位相中心間の分離が同一であり、前記方法が、前記第１及び第２の重み行列に空間ビームステアリング行列Ψを適用することにより両方のビームについて空間ビームステアリングを実行することであって、前記ビームステアリング行列が好ましくは前記アンテナ上の線形移相として以下のように定義され、
    

    

    
    δが電気的位相角であり、これが波長単位の素子分離と組み合わせて前記ビームのスキャン角を定義することをさらに含む、請求項１乃至９のいずれか1項に記載の方法。
11. 選択された領域をカバーする、直交偏波を有する２つのビームを生成するように構成されたアンテナ（２０）であって、前記アンテナ（２０）が少なくとも３つの二重偏波アレイ素子（１１）を含み、それぞれの二重偏波アレイ素子が、第１の偏波に関連する第１の位相中心と、前記第１の偏波に直交する第２の偏波に関連する第２の位相中心とを有し、前記二重偏波アレイ素子の前記第１及び第２の位相中心が、第１の方向（１２）に配置され、前記第１の方向（１２）に垂直な対称線（２２）に関して２次元のアンテナ表面の全域で対称的に分散され、それぞれのビームが前記複数の二重偏波アレイ素子に給電することによって生成され、前記アンテナが、請求項１乃至１０のいずれかに定義された方法によって制御されるようにさらに構成されることを特徴とするアンテナ（２０）。

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