JP5555558B2 - 送信アンテナ装置、送信装置、及び偏波ｍｉｍｏ伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、偏波ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ／Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）を使用する、交差偏波送信を行う送信アンテナ装置、送信アンテナ装置を備える送信装置、及び偏波ＭＩＭＯ伝送システムに関するものである。

偏波ＭＩＭＯを使用する放送システム（以下、「偏波ＭＩＭＯ伝送システム」と称する）において、送信装置は、例えば放送局に設けられた複数系統の異なるデータ信号を複数本の送信アンテナの各々に割りあて、同一の周波数上または周波数帯が重なる状態の放送波によりＯＦＤＭ信号を送信する。このＯＦＤＭ信号は複数系統の伝搬路を経て送信されることになり、受信装置は、複数本の受信アンテナによって、当該複数系統のＯＦＤＭ信号を受信し、各複数系統のＯＦＤＭ信号から、経由した伝搬路ごとの伝達関数を推定して分離することにより、送信装置から送信された複数系統の異なるデータ信号を復調することができる。

また、異なる偏波方向を有する複数のアンテナからなる偏波ＭＩＭＯを使用する通信システム（以下、「偏波ＭＩＭＯ通信システム」と称する）が知られている（例えば、特許文献１参照）。この通信システムは、逐次変化する受信環境に適応的に対応して効率的な受信を行うために、アンテナ素子間の距離をある程度大きくして設置する方法と、異なる偏波方向を有するアンテナ素子を組み合わせる方法を使い分けて受信する技術である。

特開２００４−３１２３８１号公報

上記の偏波ＭＩＭＯ通信システム及び偏波ＭＩＭＯ伝送システムのいずれにおいても、受信装置における偏波分離の精度はシステムの伝送容量を決める重要な要素となる。

偏波ＭＩＭＯを用いた偏波ＭＩＭＯ伝送システムにおいては、受信装置側で水平偏波及び垂直偏波で受信した信号を分離して復調する必要があるが、精度良く各偏波の信号を分離するためには、第１にアンテナの交差偏波識別度を高くして、無線伝送区間における分離度を良くすること、第２に受信装置の信号処理において各偏波の信号を分離することが重要となり、特に、偏波ＭＩＭＯを用いた偏波ＭＩＭＯ伝送システムを実現するためには、広い放送エリアをカバーするために広い水平面指向性を持つ送信アンテナを設置する必要がある。

従来から、放送で用いる送信アンテナは、広い放送エリアをカバーするために、水平面に対して広い指向性を確保するために、双ループアンテナやダイポールアンテナなどの構造のアンテナを水平面内で複数本組み合わせた送信アンテナが用いられている（例えば、地上デジタル放送用送信設備共通仕様書参照）。広い水平面指向性を確保するために、図７（Ａ）に示すようにアンテナ支持柱１０２に対して、水平・垂直偏波の両偏波共用タイプの送信アンテナ１０１ｃ（双ループアンテナ等）を複数設置して水平面をカバーするように構成することが考えられる（図７（Ａ）は１段４面の構成例を示している。）。

ただし、一般に、マイクロ回線などで用いられているパラボラアンテナ等の指向性の狭いアンテナでは、一定の交差偏波識別度が確保できることが知られているが、水平面に対して広い指向性を持つアンテナで交差偏波識別度が良好な両偏波共用アンテナを製造することは困難である。

そこで、水平偏波用送信アンテナと垂直偏波用送信アンテナを別々に設置することが考えられる。図７（Ｂ）は２本のアンテナ支持柱１０２−１，１０２−２を設置し、それぞれのアンテナ支持柱１０２−１，１０２−２に、水平偏波用送信アンテナ１０１ａ及び垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂを設置した場合の例を示している。このように水平偏波用送信アンテナ１０１ａと垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂを所定の距離ｄで離間して個別に設置することで、安価に水平・垂直両偏波の信号を送信することが可能となる。

しかしながら、図７（Ｂ）に示すような配置の場合、図８に示すように、それぞれの水平偏波用送信アンテナ１０１ａ及び垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂでは、アンテナ支持柱１０２−１，１０２−２が隣接する双方の送信アンテナの水平面指向性に影響を与えるため、一方の送信アンテナ（例えば、水平偏波用送信アンテナ１０１ａ）は他方の送信アンテナ（例えば、垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂ）の影になった方向（図示Ｒ_１，Ｒ_２）に対して十分な送信電力で放送波を送信することができない。このお互いの送信アンテナの影響を軽減するために、上記の引用文献１に示されるように、２つのアンテナ支持柱１０２−１，１０２−２の距離ｄを離すことが考えられるが、２つのアンテナ支持柱１０２−１，１０２−２の距離ｄを離すと図９に示すような問題が発生する。

図９は、２つのアンテナ支持柱１０２−１，１０２−２の距離ｄにて水平偏波用送信アンテナ１０１ａ及び垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂをそれぞれ設置した送信装置１００から、水平面上で異なる位置に配置された複数の受信装置２００−１，２００−２，２００−３に対して放送波を送信する様子を示す図である。水平偏波及び垂直偏波を送信する２つの送信アンテナ１０１ａ，１０１ｂにおけるアンテナ支持柱１０２−１，１０２−２は距離ｄで離間されており、２つの送信アンテナ１０１ａ，１０１ｂの中心位置から受信装置２００−１（又は２００−２，２００−３）を結んだ線と、２つのアンテナ支持柱１０２−１，１０２−２を結んだ線との角度をθ、受信装置２００−１（又は２００−２，２００−３）と水平偏波用送信アンテナ１０１ａとの距離Ｄ１、受信装置２００−１（又は２００−２，２００−３）と垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂとの距離Ｄ２とする。２つの送信アンテナ１０１ａ，１０１ｂから同期したＭＩＭＯ用のデータ信号が送信されている場合、受信装置２００−１（又は２００−２，２００−３）では、２つのデータ信号を同じ遅延時間で受信することで高い受信性能を得ることが期待できる。ただし、同じ遅延時間で受信するためには、受信装置２００−１（又は２００−２，２００−３）における到達距離差｜Ｄ１−Ｄ２｜が小さくなることが必要である。

しかし、水平偏波用送信アンテナ１０１ａからの到達距離Ｄ１と垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂからの到達距離Ｄ２について、送信角度θ＝９０°の時に｜Ｄ１−Ｄ２｜＝ｄで最大となり、送信角度θ＝０°の時に｜Ｄ１−Ｄ２｜＝０で最少となる。従って、図８を参照して説明したように、これらの２つの送信アンテナ１０１ａ，１０１ｂ間の干渉（お互いの影になる部分）を少なくするためには、距離ｄを大きくする必要があったが、受信装置２００−１，２００−２，２００−３から見た２つの送信アンテナ１０１ａ，１０１ｂまでの距離差（｜Ｄ１−Ｄ２｜）を小さくするためにはｄを小さく設置する必要があるため、特許文献１に開示される偏波ＭＩＭＯ通信システムの技術をそのまま偏波ＭＩＭＯ伝送システムに転用しても問題が残っている。

本発明の目的は、上述の問題を鑑みて為されたものであり、交差偏波送信を行う送信アンテナ装置、送信アンテナ装置を備える送信装置、及び偏波ＭＩＭＯ伝送システムを提供することにある。

本発明は、一つのアンテナ支持柱の上下に水平・垂直の各偏波の送信アンテナを設置した送信アンテナ装置として構成される。

即ち、複数の送信アンテナを備えた送信装置と複数の受信アンテナを備えた受信装置から構成された偏波ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ／Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）を使用する偏波ＭＩＭＯ伝送システムにおける、送信アンテナ装置であって、１つのアンテナ支持柱と、前記アンテナ支持柱の円周方向に設けられた１以上の水平偏波用送信アンテナと、前記水平偏波用送信アンテナに対して上側又は下側に、前記アンテナ支持柱の円周方向に設けられた１以上の垂直偏波用送信アンテナと、を備えることを特徴とする。

また、送信アンテナ装置において、前記水平偏波用送信アンテナ及び前記垂直偏波用送信アンテナは、それぞれ複数系統の異なるデータ信号が割りあてられ、同一の周波数上又は周波数帯が重なる状態の放送波によりＯＦＤＭ信号を放射するように構成されていることを特徴とする。

また、送信アンテナ装置において、前記水平偏波用送信アンテナと前記垂直偏波用送信アンテナとの間は物理的に近接させて配置されていることを特徴とする。

また、送信アンテナ装置において、前記アンテナ支持柱の軸方向における前記水平偏波用送信アンテナの中心位置と前記垂直偏波用送信アンテナの中心位置との間の間隔は、使用する無線周波数の波長に比べて小さく設定されていることを特徴とする。

また、送信アンテナ装置において、前記１以上の水平偏波用送信アンテナと、前記１以上の垂直偏波用送信アンテナとを一組とした送信アンテナ組が、前記アンテナ支持柱の軸方向に並べて配置されていることを特徴とする。

また、本発明は、本発明の送信アンテナ装置を備える送信装置、及び偏波ＭＩＭＯ伝送システムとして構成される。

本発明による送信アンテナ装置によれば、水平・垂直の各送信アンテナがお互いに干渉することなく放送波を送信することが可能となり、特に、水平・垂直の各偏波用送信アンテナを安価に構成可能としつつ、広い放送エリアに対して交差偏波識別度の良い信号を時間差なく送信することが可能となる。

一般的なＭＩＭＯ伝送システムの構成例を示す図である。 （Ａ）は、本発明による実施例１の送信アンテナ装置の斜視図であり、（Ｂ）は、本発明による実施例１の送信アンテナ装置の上面図である。 本発明による実施例１の送信アンテナ装置に関する指向性パターンの一例を示す図である。 本発明による実施例１の送信アンテナ装置によって水平面上で異なる位置に配置された複数の受信装置に対して放送波を送信する様子を示す図である。 本発明による実施例１の送信アンテナ装置によって、複数の受信装置に放送波を送信する様子を示す図である。 本発明による実施例２の送信アンテナ装置によって水平面上で異なる位置に配置された複数の受信装置に対して放送波を送信する様子を示す図である。 （Ａ）水平・垂直偏波の両偏波共用タイプの送信アンテナを複数設置して水平面をカバーするように構成する例であり、（Ｂ）２本のアンテナ支持柱を設置し、それぞれのアンテナ支持柱に、水平偏波用送信アンテナ及び垂直偏波用送信アンテナを設置した場合の例を示す図である。 水平偏波用送信アンテナと垂直偏波用送信アンテナを所定の距離で離間して個別に設置する場合の水平面指向性に影響を与える様子を示す図である。 ２つのアンテナ支持柱を離間させてそれぞれ水平偏波用送信アンテナ及び垂直偏波用送信アンテナを設置した送信装置から、水平面上で異なる位置に配置された複数の受信装置に対して放送波を送信する様子を示す図である。

以下、本発明による実施例１の送信アンテナ装置について説明する。

（実施例１）
図１は、一般的なＭＩＭＯ伝送システムの構成例を示す図である。ＭＩＭＯ伝送システムは、Ｎ本の送信アンテナ１０１を備えた送信装置１００と、Ｍ本の受信アンテナ２０１を備えた受信装置２００から構成された例を示している。送信装置１００は、例えば放送局に設けられたＮ系統の異なるデータ信号をＮ本の送信アンテナ１０１の各々に割りあて、同一の周波数上または周波数帯が重なる状態の放送波により各々ＯＦＤＭ信号を送信する端末装置である。図１に示す例では、送信装置１００から送信されたＯＦＤＭ信号は複数系統の伝搬路を経て送信される。受信装置２００は、例えば基地局装置や中継局装置、又は移動端末であり、受信した複数系統のＯＦＤＭ信号から経由した伝搬路ごとの伝達関数を推定して分離し、送信装置１００から送信された複数系統の異なるデータ信号を復調することができる。偏波ＭＩＭＯ伝送システムでは、図１で送信アンテナ２本（Ｎ＝２）、受信アンテナ２本（Ｍ＝２）の構成とし、送信側，受信側はそれぞれ＃１を水平偏波、＃２を垂直偏波として使用する。

前述したように、偏波ＭＩＭＯを用いた偏波ＭＩＭＯ伝送システムにおいては、受信装置側で水平偏波及び垂直偏波で受信した信号を分離して復調する必要があるが、精度良く各偏波の信号を分離するためには、第１にアンテナの交差偏波識別度を高くすること、第２に受信装置の信号処理において各偏波の信号を分離することが重要となり、特に、偏波ＭＩＭＯを用いた偏波ＭＩＭＯ伝送システムを実現するためには、広い放送エリアをカバーするために広い水平面指向性を持つ送信アンテナを設置する必要がある。

そこで、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、実施例１の送信アンテナ装置は、一つのアンテナ支持柱１０２の上下に水平・垂直の各偏波の送信アンテナ１０１ａ（同一の送信アンテナ素子１０１ａ−１乃至１０１ａ−４からなる），１０１ｂ（同一の送信アンテナ素子１０１ｂ−１乃至１０１ｂ−４からなる）を設置した送信アンテナ装置としている。図２（Ａ）は、本発明による実施例１の送信アンテナ装置の斜視図である。図２（Ｂ）は、本発明による実施例１の送信アンテナ装置の上面図である。即ち、実施例１の送信アンテナ装置は、水平偏波用送信アンテナ１０１ａ及び垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂを１つのアンテナ支持柱１０２にて近接設置させている。ここで、水平偏波用送信アンテナ１０１ａと垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂとの間は物理的に接触する位置まで近接させて配置することができる。

図３は、本発明による実施例１の送信アンテナ装置に関する指向性パターンの一例を示す図である。ＨＨは、水平偏波用送信アンテナ１０１ａから水平偏波で放射される電力値を示しており、ＨＶは、水平偏波用送信アンテナ１０１ａから垂直偏波で放射される電力値を示しており、ＶＶは、垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂから垂直偏波で放射される電力値を示しており、ＶＨは、垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂから水平偏波で放射される電力値を示している。図３から、任意の放射角度で、各偏波の信号の分離に優れた指向性パターンを形成していることがわかる。指向性パターンの形状も水平偏波用送信アンテナ１０１ａ及び垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂの配置によって随意変更可能であることに留意する。

図４は、本発明による実施例１の送信アンテナ装置によって、水平面上で異なる位置に配置された複数の受信装置２００−１，２００−２，２００−３に対して放送波を送信する様子を示す図である。実施例１の送信アンテナ装置によれば、放送エリア内に存在する複数の受信装置２００−１，２００−２，２００−３から水平面上で見た水平偏波用送信アンテナ１０１ａ及び垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂまでの距離を同一にすることができることがわかる。

図５は、本発明による実施例１の送信アンテナ装置によって、複数の受信装置２００−１，２００−２に放送波を送信する様子を示す図である。水平偏波用送信アンテナ１０１ａと垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂとの間は物理的に接触する位置まで近接させて配置することができる。また、アンテナ支持柱１０２の軸方向における水平偏波用送信アンテナ１０１ａの中心位置及び垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂの中心位置の間の間隔をｄとすると、ｄは使用する無線周波数の波長に比べて小さく設定されているのが好適となる。

このように、実施例１の送信アンテナ装置によれば、水平・垂直の各送信アンテナがお互いに干渉することなく放送波を送信することが可能となり、特に、水平・垂直の各偏波専用送信アンテナを安価に構成可能としつつ、広い放送エリアに対して交差偏波識別度の良い信号を時間差なく送信することが可能となる。

次に、本発明による実施例２の送信アンテナ装置について説明する。

（実施例２）
図６は、本発明による実施例２の送信アンテナ装置によって放送エリア内の異なる位置に配置された複数の受信装置２００−１，２００−２に対して放送波を送信する様子を示す図である。実施例２の送信アンテナ装置は、アンテナ支持柱１０２の軸方向における水平偏波用送信アンテナ１０１ａ及び垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂを交互に設置した例である。即ち、実施例２の送信アンテナ装置では、アンテナ利得を上げるために、複数の水平偏波用送信アンテナと、複数の垂直偏波用送信アンテナとを一組とした送信アンテナ組が、アンテナ支持柱１０２の軸方向に交互に並べて配置されている。２つ水平偏波用送信アンテナ１０１ａの仮想的なアンテナ中心と２つの垂直偏波用送信アンテナ１０１ｂの仮想的なアンテナ中心の距離はｄとなる。また、受信装置２００−１から見た水平偏波用送信アンテナと垂直偏波用送信アンテナとの距離差は｜Ｄ１−Ｄ２｜となる。図６に示す軸方向に水平偏波用送信アンテナと垂直偏波用送信アンテナを交互に配置するアンテナ配置では、アンテナ利得を上げるためにアンテナの段数を増やした場合でも、仮想的なアンテナ中心の距離はｄのままとなり｜Ｄ１−Ｄ２｜が変化しない。（逆にアンテナ自体を大型化してアンテナ利得を増やそうとするとｄが大きくなって｜Ｄ１−Ｄ２｜も大きくなってしまう。）

このように、実施例２の送信アンテナ装置によれば、水平・垂直の各送信アンテナがお互いに干渉することなく放送波を送信することが可能となり、特に、水平・垂直の各偏波専用送信アンテナを安価に構成可能としつつ、広い放送エリアに対して交差偏波識別度の良い信号を時間差なく送信することが可能で、且つ受信装置で各偏波を受信するまでの到達距離差｜Ｄ１−Ｄ２｜をより無視できるように構成することができるようになる。

上記の各実施例では、１つのアンテナ支持柱に対して上側に水平偏波用送信アンテナを設け、下側に垂直偏波用送信アンテナを設けた例を説明したが、この配置関係を逆にしてもよい。また、上下に配置した水平偏波用送信アンテナ及び垂直偏波用送信アンテナの各送信アンテナ素子は、アンテナ支持柱の回転軸方向に一致した例を説明したが、ずらしてもよい。従って、本発明は、前述した実施例に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

本発明の送信アンテナ装置によれば、水平・垂直の各偏波で送信される信号がお互いに干渉することなく放送波を送信することが可能となり、特に、水平・垂直の各偏波専用送信アンテナを安価に構成可能としつつ、広い放送エリアに対して交差偏波識別度の良い信号を時間差なく送信することが可能となるため、偏波ＭＩＭＯを用いた偏波ＭＩＭＯ伝送システムに有用である。

１００ 送信装置
１０１ 送信アンテナ
２００，２００−１，２００−２，２００−３ 受信装置
２０１ 受信アンテナ
１０１ａ 水平偏波用送信アンテナ
１０１ａ−１乃至１０１ａ−４ 水平偏波用送信アンテナの送信アンテナ素子
１０１ｂ 垂直偏波用送信アンテナ
１０１ｂ−１〜１０１ｂ−４ 垂直偏波用送信アンテナの送信アンテナ素子

Claims (7)

1. 複数の送信アンテナを備えた送信装置と複数の受信アンテナを備えた受信装置から構成された偏波ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ／Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）を使用する偏波ＭＩＭＯ伝送システムにおける、送信アンテナ装置であって、
   １つのアンテナ支持柱と、
   前記アンテナ支持柱の円周方向に設けられた１以上の水平偏波用送信アンテナと、
   前記水平偏波用送信アンテナに対して上側又は下側に、前記アンテナ支持柱の円周方向に設けられた１以上の垂直偏波用送信アンテナと、
   を備えることを特徴とする送信アンテナ装置。
2. 前記水平偏波用送信アンテナ及び前記垂直偏波用送信アンテナは、それぞれ複数系統の異なるデータ信号が割りあてられ、同一の周波数上又は周波数帯が重なる状態の放送波によりＯＦＤＭ信号を放射するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の送信アンテナ装置。
3. 前記水平偏波用送信アンテナと前記垂直偏波用送信アンテナとの間は物理的に近接させて配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の送信アンテナ装置。
4. 前記アンテナ支持柱の軸方向における前記水平偏波用送信アンテナの中心位置と前記垂直偏波用送信アンテナの中心位置との間の間隔は、使用する無線周波数の波長に比べて小さく設定されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の送信アンテナ装置。
5. 前記１以上の水平偏波用送信アンテナと、前記１以上の垂直偏波用送信アンテナとを一組とした送信アンテナ組が、前記アンテナ支持柱の軸方向に並べて配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の送信アンテナ装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の送信アンテナ装置を備える送信装置。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の送信アンテナ装置を有する送信装置と、複数の受信アンテナを備えた受信装置から構成されたＭＩＭＯを使用する偏波ＭＩＭＯ伝送システム。

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