JP5836097B2 - マルチビームアンテナのシステム - Google Patents

Description

本発明は、マルチビームアンテナシステムに関し、特に無線通信との関連において、より詳細には電磁波の伝播に対する条件がマルチパスにより非常に不利となる家庭内無線ネットワークにおいて用いることができるマルチビームアンテナシステムに関する。

家庭内無線ネットワーク、インテリジェントネットワーク、または同様なタイプのネットワークなどの新興の用途について、指向性アンテナ、すなわち放射される電力を空間の特定の方向に集中することができるアンテナの使用が特に魅力的になっている。しかし、物理法則によりアンテナに対し最小サイズが課され、このサイズはアンテナがより指向性となるのに従って、または動作周波数が低くなるのに従ってますます重要となる。

これまでは指向性アンテナの使用は、非常に高い周波数で動作し、しばしば固定のビームを有し、レーダ用途または衛星用途などサイズの制約のない用途に限られてきた。したがって、これらの用途のタイプには、複数のビームを発生するが、頻繁に複雑で高価な多くのモジュールから構成されるアンテナ装置が知られている。逆に、レトロディレクティブアンテナと呼ばれるアンテナ装置は、空間の優先方向に指向性ビームを非常に簡単に形成することを可能にする。レトロディレクティブアンテナネットワークは、ネットワークの各アンテナが特性的な経路長差、すなわち異なる位相を有して、ソースの入射信号を受信するという事実に基づく。この位相差は、放出ソースの方向の特性である。実際、送出する信号をソースの方向に放出するためには、送信時の各アンテナ間の位相差が、戻り経路上の経路長差を前もって考慮するように、受信時の位相差と逆であることで十分である。

レトロディレクティブアンテナの中で最も良く知られているネットワークは、特に１９５９年１０月６日の特許文献１で述べられている「バンアッタ（Ｖａｎ−Ａｔｔａ）」ネットワークと呼ばれるネットワークである。図１に示すように、バンアッタ型レトロディレクティブネットワークは、ネットワークの中心軸Ｏｙに対して対称ないくつかの放射素子１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂから構成される。放射素子は、等しい電気長を有する伝送線路１、２、３を通じて対で接続され、放射素子１ａは放射素子１ｂに接続され、放射素子２ａは放射素子２ｂに接続され、放射素子３ａは放射素子３ｂに接続され、アンテナはネットワークの中心軸に対して対称的に対向する。したがってこの場合は、伝送線路によって誘起される位相差は、すべての放射素子上で同じとなり、２つの連続する放射素子間の位相差は、信号の受信の際と、最も近いサイン(sign)にレトロディレクトがされた信号の送信の際とで同じである。したがって、送信ネットワークの放射素子の信号間の位相差は、受信ネットワークの放射素子の信号間の位相差と反対になる。それにより、送信された信号のレトロディレクティブ特性が得られる。

しかし、この方法はいくつかの重大な欠点がある。信号のレトロディレクティブ特性を得るためには、入射波の前面は平面でなければならない。さらにアンテナネットワークは平面、またはネットワーク中心に対しておおよそ対称でなければならない。入射波の前面は平面でなければならないので、放射素子のネットワークは、送信器ソースから離れた電磁界領域内に配置する必要がある。結果として、バンアッタ型ネットワークの応用分野は、今までは衛星またはレーダタイプの用途のみとなっている。

米国特許２９０８００２号明細書

これらのタイプのレトロディレクティブネットワークについて行われた研究の結果として、本発明は、無線通信において、特に家庭内無線ネットワークまたは無線リンクを通じて通信するピアツーピアタイプのネットワークにおいて、より具体的にはＭＩＭＯ（多入力多出力）システムの目的で、また指向性アンテナを用いて動作する処理システムに関連する単一のアンテナを有するアンテナシステムにおいて、用いることができるマルチビームアンテナのシステムを生成するために放射素子のネットワークの原理を用いることを提案する。

したがって本発明の目的は、Ｎ個の放射素子のネットワークであって、Ｎは偶数の整数であり、ネットワークの素子は伝送線路を通じて２つずつ接続された、ネットワークを備えるマルチビームアンテナのシステムであって、Ｍ個より多い放射ソースを備え、Ｍは１以上の整数であり、放射ソース（１つまたは複数）は、距離Ｌｉが遠方界と呼ばれる電磁界の距離より厳密に小さくなるようにネットワークの中心から距離Ｌｉにそれぞれ配置され、ｉは１からＭまで変化することを特徴とするシステムである。遠方界および近傍界の概念は特に、"Radiating Zone Boundaries of Short λ/2 and λ Dipoles"というタイトルのIEEE Antennas and Propagation Magazine vol. 46, No. 5, October 2004の論文において述べられている。したがって波長に対して小さな寸法のソースの場合は、距離Ｌｉは１．６λ未満であり、ただしλは動作周波数での波長である（空気中ではλ＝λ₀であり、異なる媒質中では

となるようなλ＝λ_gであり、ε_rおよびμ_rは媒質の誘電率および透磁率である）。

好ましい実施形態によれば、ネットワークの素子は同じ電気長を有する伝送線路を通じて２つずつ対称に接続され、放射ソースの数は厳密に１より大きい。好ましくはＭＩＭＯシステムの目的では、放射ソースの数はＭＩＭＯシステムの入力の数に等しい。

他の実施形態によれば、マルチビームアンテナシステムは、放射ソースを備え、ビームの指向性は、少なくとも１つの伝送線路内に、線路の位相差を変化させることを可能にする能動回路を組み込むことにより得られる。例えば能動回路は、ハイブリッドカプラ、またはＴＨＯＭＳＯＮ Ｌｉｃｅｎｓｉｎｇの名で２０１０年１１月２３日に出願された仏国特許出願公開第０９５８２８２号明細書において述べられているタイプのフィルタとすることができる。

他の実施形態によれば、一定の位相差を導入し周波数フィルタリングを可能にする受動フィルタが、ネットワークの素子を２つずつ接続する伝送線路内に導入され、それにより例えば受信時でのノイズ除去の改善、または送信時での放射ソースからの寄生放射の低減を可能にする。

本発明の異なる実施形態によれば、ネットワークの放射素子は、モノポール、パッチ、スロット、ホーンアンテナ、または同様な素子から選択された素子によって構成される。同様に、放射ソースも、モノポール、ダイポール、パッチ、スロット、ホーンアンテナ、または同様な素子から選択されたソースによって構成される。

好ましい実施形態によれば、ネットワークの放射素子としてモノポールを用いる場合は、モノポールはｄ＝λ／４の寸法を有しており、ここではλは動作周波数での波長である。さらに、各放射素子の距離は、λ／４の整数倍であり、ただしλは動作周波数での波長である。本発明の範囲から逸脱せずに他の距離が考慮され得ることは明らかである。

さらに、システムがいくつかの放射ソースを有するときは、一実施形態によれば、放射ソースの１つは放射素子のネットワークの対称軸に従って配置され、他のソースは角度θｉでオフセットされ、ｉは２からＭまで変化する。他の実施形態によれば、ソースはネットワークの中心軸に対して対称であり、角度θｉでオフセットされ、ｉは２からＭまで変化する。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して行われる、以下のいくつかの実施形態の説明を読むことにより明らかになるであろう。

すでに述べたバンアッタ型レトロディレクティブネットワークの概略図である。 本発明によるマルチビームアンテナシステムの第１の実施形態の概略斜視図である。 図２Ａのマルチビームアンテナシステムの拡大した部分を表す図である。 ネットワークの素子間の距離の第１の値について、用いられるソースによる、図２に示されるものなどのマルチビームシステムの放射パターンを示す図である。 ネットワークの素子間の距離の第２の値について、用いられるソースによる、図２に示されるものなどの第２の実施形態の放射パターンを示す図である。 本発明の第２の実施形態の概略斜視図である。 用いられるソースによる、図５の実施形態の放射パターンを３次元で示す図である。 用いられるソースによる、図５の実施形態の放射パターンを３次元で示す図である。 図６Ａのパターンのソースの直交面による２次元断面図である。 図６Ｂのパターンのソースの直交面による２次元断面図である。

初めに、本発明によるマルチビームアンテナシステムの第１の実施形態の図２、３、および４を参照して説明する。接地面が設けられた大きな寸法の基板１０上に、バンアッタ型モノポールのネットワークおよびいくつかのソースを備えるシステムが実装され、以下でより詳しく述べるようにモノポールは、ソースに近い電磁界内に配置される。

図示の実施形態では、基板は長さＬ＝４．６λの正方形であり、ただしλは動作周波数での波長（空気中では、λ＝λ₀）である。図２Ｂにより詳細に示すように、図示の実施形態ではアンテナ部分は、高さｈ≒λ₀／４のモノポールで形成された４つの素子１１ａ、１１ｂ、１２ａ、および１２ｂのネットワークから構成される。モノポール１１ａ、１２ａ、１２ｂ、および１１ｂは、それぞれ距離ｄだけ隔てられ、図示の実施形態ではバンアッタ型であるマイクロストリップ技術によって実装された線路のネットワークを通じて２つずつ接続され、すなわち２つのモノポールを接続する線路は、同じ位相を得るために同じ電気長のものである。より具体的には、２つの外側のモノポール１１ａおよび１１ｂは線路１１を通じて接続され、モノポール１２ａは線路１２を通じてモノポール１２ｂに接続され、全体は軸Ｏｙに対して対称である。

上記に示された実施形態ではバンアッタ型ネットワークを用いたが、当業者には、ソースに戻されるビームの方向の制御を可能にする異なるネットワークを用い得ることは明らかである。さらに図示のネットワークの素子はモノポールである。しかし当業者には、本明細書で以下に述べるように、ネットワークのために他の素子のタイプ、特にパッチまたはスロットを用い得ることが明らかである。

本発明によれば、いくつかの放射ソースが、モノポールネットワークに対向してネットワークから距離Ｌｉに配置される。距離Ｌｉは、アンテナシステムの全体のサイズを小さくするように選択される。この場合、これは遠方界の距離よりも小さい。波長（λ₀）に近いまたはそれより小さい寸法のアンテナの場合は、距離Ｌｉは１．６λ₀より小さく、ただしλ₀は動作周波数での波長である。したがって図２Ｂに示される実施形態では、ネットワークの対称軸に対応する軸Ｏｙに対して中央の第１のソースＳ１は、ネットワークの中心から距離Ｌに配置され、第２のソースＳ２はネットワークの中心から距離ＬＳ１に配置され、第３のソースＳ３はネットワークの中心から距離ＬＳ１においてソースＳ１に対してＳ２と対称的に配置される。結果として、ソースＳ１およびＳ２は、ソースＳ１に対して角度θｉでオフセットされる。

図示の実施形態では、ソースＳ１、Ｓ２、およびＳ３は、高さλ₀／４のモノポールによって構成される。しかし当業者には、他の放射ソースのタイプも考えられることが明らかである。小型のマルチビームアンテナシステムを得るために考慮すべき条件の１つは、Ｎ個の放射素子のネットワークは、１つまたは複数のソースに近い電磁界の領域内に配置されることである。この条件は、ソースがλ₀に近いまたはそれより小さい寸法を有する場合に、λ₀を動作周波数での波長として、ネットワークの中心からλ₀と１．６λ₀の間を含む距離にソースを配置することによって得られる。そうでない場合は、遠方界の距離は、当業者には良く知られている公式２×Ｄ²／λ₀により求められ、ただしＤはアンテナの最大寸法である。

図２Ｂの実施形態は、ＡＮＳＹＳ社の３次元（ＨＦＳＳ）電磁界シミュレータを用いてシミュレーションされた。相互結合を考慮して、シミュレーションは、ネットワーク素子間の偏位に２つの異なる値を用いて行われ、すなわち第１の実施形態の場合はｄ＝λ₀／２、第２の実施形態の場合はｄ＝λ₀／４とし、他の寸法、すなわち距離Ｌ＝０．４λ₀、距離ＬＳ１＝λ₀、および角度θ１＝６０°は２つの実施形態の場合で同一とした。

図３は、第１の実施形態の場合に得られた結果を示し、図４は第２の実施形態の場合に得られた結果を示している。

これらの図では、励振されたソースは黒い範囲(black circle)により表される。ソースが励振されたときは、ソースは方位面内を全方向性により放射する。結果としてソースは、ネットワークを照射し、ネットワークの各素子は、信号の部分を捕捉する。これは対応するマイクロストリップ線路を通じて、それ自体が接続された素子に向かって再注入される。結果としてのパターンは、ソースおよびネットワークの放射の重ね合わせとなる。図３においてパターンは、励振されたソースの位置に従って異なる方向に方向付けられ、それにより、ネットワークの指向性放射が得られるので、図２Ｂに示されるシステムを用いてマルチビームシステムが得ることが可能になることが理解されよう。この放射は、ソースの放射を最小にするために、ネットワーク内に能動部分を挿入することによって変化させることができる。ソースおよびネットワークの寄与は、ソースとネットワークの間の距離を変える（結合の強さを増減する）ことによって変化させることができるが、また例えば伝送線路のレベルでネットワーク内に双方向性増幅回路を挿入することによっても変化させることができる。結果としてネットワークは、励振ソースよりも強い寄与を有することになることが容易に理解できる。これはまた、増幅がチェーンの上流側で生じるので、ノイズに関して受信時に利点をもたらす。したがってこれにより、デバイス全体の信号対雑音比を向上することが可能になる。

第２の実施形態では、ネットワークの素子間の距離が短くなる。ソースはネットワークの中心に対して同じ距離で配置されるので、したがってネットワークの両端の素子間の位相および振幅差は小さくなる。図４に示すように、得られた放射パターンは、その指向性に関して、より強調されることが理解されよう。実際、ソースＳ２およびＳ３の場合に示すように、得られる最大放射は、ソースの方向ではなく異なる方向にある。したがって本発明のマルチビームアンテナのシステムを用いることによって、同時に優先方向への複数ビームを得ることが可能となる。したがってこのシステムは、ＭＩＭＯタイプのデバイスに容易に統合することができ、ＭＩＭＯの各入力は、ソースＳ１、Ｓ２、およびＳ３の１つに、またはビーム選択デバイスを通じて接続することができる。

次に図５から図７を参照して、本発明の別の実施形態について説明する。この実施形態では、例えば３つの導電層のＦＲ４タイプ（ε_r＝４．４、ｔａｎδ＝０．０２）の多層基板から構成される基板２０上に、４つの「パッチ」タイプの放射素子のネットワークが生成された。パッチ２１ａ、２２ａ、２２ｂ、２１ｂは、基板上にプリントされた半波長パッチであり、５．７ＧＨｚの周波数で互いに距離λ₀／２の間隔で配置される。図５に示すように、パッチは同じ電気長の伝送線路２１および２２を通じて２つずつ（２１ａと２１ｂ、２２ａと２２ｂ）接続される。図示の実施形態では、伝送線路は、幅２．６９ｍｍ、および厚さ１．４ｍｍのマイクロストリップ技術で生成された線路により構成される。これらは交差するのを防ぐために基板の両面上に配置され、下側の線路は金属被覆されたホールを通じてネットワーク素子に接続される。

図５の実施形態では、放射ソースは、５．７ＧＨｚの周波数で長さがλ₀／２で、直径が１ｍｍの２つのダイポール２３、２４により構成される。ダイポール２３、２４は、ネットワークの中心から１．１λ₀の距離に、ネットワークの中心を通過する法線に対して６０°の角度で配置される。

説明した他の実施形態に対して用いたのと同じツールを用いて、上述のアンテナシステムのシミュレーションを行った。図６Ａおよび７Ａはダイポール２３を用いたときに得られる放射パターンを示し、図６Ｂおよび７Ｂはダイポール２４を用いたときに得られる放射パターンを示している。これらの異なるパターン上に、選択されたソースの方向でのビームの角度偏位を明瞭にみることができる。

したがって、１つまたはいくつかの放射ソースの近くの電磁界内に、バンアッタ型または同様なタイプの放射素子のネットワークを関連付けることにより、特にＭＩＭＯデバイスに用いることができるマルチビームシステムを構築することが可能であり、これはネットワークの挙動が完全にレトロディレクティブでない場合でも可能である。
［付記１］
Ｎ個の放射素子（１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ）のネットワークを含むマルチビームアンテナのシステムであって、Ｎは整数であり、前記ネットワークの前記素子は伝送線路（１１、１２；２１、２２）を通じて２つずつ接続される、マルチビームアンテナのシステムであって、Ｍ個の放射ソース（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３；２３、２４）をさらに備え、Ｍは１以上の整数であり、１つまたは複数の前記放射ソースは、距離Ｌｉが遠方界と呼ばれる電磁界の距離より厳密に小さくなるように、前記ネットワークの中心から距離Ｌｉにそれぞれ配置され、ｉは１からＭまで変化する、前記マルチビームアンテナのシステム。
［付記２］
前記ネットワークの前記素子は、同じ電気長を有する伝送線路を通じて２つずつ対称に接続され、前記放射ソースの数は厳密に１より大きい、付記１に記載のマルチビームアンテナのシステム。
［付記３］
前記マルチビームアンテナのシステムは、放射ソースを備え、ビームの指向性は、前記伝送線路の少なくとも１つに、前記線路の位相差を変化させることを可能にする能動または受動回路を組み込むことにより得られる、付記１に記載のマルチビームアンテナのシステム。
［付記４］
前記能動回路は、ハイブリッドカプラまたはフィルタの中から選択される、付記３に記載のマルチビームアンテナのシステム。
［付記５］
前記受動回路は、受動フィルタである、付記３に記載のマルチビームアンテナのシステム。
［付記６］
前記ネットワークの前記放射素子は、モノポール、パッチ、スロット、またはホーンアンテナの中から選択された素子から構成される、付記１から５のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナのシステム。
［付記７］
前記放射ソースは、モノポール、ダイポール、パッチ、スロット、またはホーンアンテナの中から選択されたソースから構成される、付記１から６のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナのシステム。
［付記８］
前記システムがいくつかの放射ソースを有するときに、前記放射ソースの１つは、前記放射素子の前記ネットワークの対称軸に従って配置され、他のソースは、２からＭまで変化するｉを有する角度θｉでオフセットされる、付記１から７のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナのシステム。
［付記９］
前記システムがいくつかの放射ソースを有するときに、前記ソースは、前記ネットワークの中心軸に対して対称であり、２からＭまで変化するｉを有する角度θｉでオフセットされる、付記１から７のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナのシステム。

Claims (9)

1. Ｎ個の放射素子のネットワークを含むマルチビームアンテナのシステムであって、Ｎは偶数であり、前記放射素子は伝送線路を通じて２つずつ接続される、マルチビームアンテナのシステムであって、Ｍ個の放射ソースをさらに備え、Ｍは１以上の整数であり、１つまたは複数の前記放射ソースは、距離Ｌｉが遠方界と呼ばれる場の距離より厳密に小さくなるように、前記ネットワークの中心からの距離Ｌｉでそれぞれ配置され、ｉは１からＭまで変化する、前記マルチビームアンテナのシステム。
2. 前記ネットワークの前記素子は、同じ電気長を有する伝送線路を通じて２つずつ対称に接続され、前記放射ソースの数は厳密に１より大きい、請求項１に記載のマルチビームアンテナのシステム。
3. 前記マルチビームアンテナのシステムは、放射ソースを備え、ビームの指向性は、前記伝送線路の少なくとも１つに、前記線路の位相差を変化させることを可能にする能動または受動回路を組み込むことにより得られる、請求項１に記載のマルチビームアンテナのシステム。
4. 前記能動回路は、ハイブリッドカプラまたはフィルタの中から選択される、請求項３に記載のマルチビームアンテナのシステム。
5. 前記受動回路は、受動フィルタである、請求項３に記載のマルチビームアンテナのシステム。
6. 前記ネットワークの前記放射素子は、モノポール、パッチ、スロット、またはホーンアンテナの中から選択された素子から構成される、請求項１から５のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナのシステム。
7. 前記放射ソースは、モノポール、ダイポール、パッチ、スロット、またはホーンアンテナの中から選択されたソースから構成される、請求項１から６のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナのシステム。
8. 前記システムがいくつかの放射ソースを有するときに、前記放射ソースの１つは、前記放射素子の前記ネットワークの対称軸に従って配置され、他のソースは、２からＭまで変化するｉを有する角度θｉでオフセットされる、請求項１から７のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナのシステム。
9. 前記システムがいくつかの放射ソースを有するときに、前記ソースは、前記ネットワークの中心軸に対して対称であり、２からＭまで変化するｉを有する角度θｉでオフセットされる、請求項１から７のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナのシステム。