JP6117944B2 - 複数周波数帯動作のためのアンテナ構成 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、一般的には、無線基地局のアンテナおよび無線基地局に関する。より詳細には、本実施形態は、周波数分割複信（Frequency-Division Duplexing、ＦＤＤ）システムにおける複数周波数帯動作のために使用されるアンテナ構成に関する。

今日のアンテナ構成は、無線通信システムにおいて、無線周波数（Radio Frequency、ＲＦ）信号の送信および受信のために使用される。通常、アンテナ構成は、単一の周波数帯に渡って個別なものであり、また、２つ以上の周波数帯に渡って個別なこともある。単一の周波数帯でのアンテナ構成は、長い時間動作状態にあり、典型的には縦の列に配置される複数のアンテナエレメントを有する。オペレータが別の周波数帯を追加したいと考えた場合、第２のアンテナ構成が、第１のアンテナ構成の他に追加され得る。しかしながら、単一の周波数帯をカバーする単一の周波数帯のアンテナを使用するために、実装の間に多くの空間を必要とする。なぜならば、各アンテナ構成は、その空間周波数へ向けられる固有のアンテナエレメントを有するからである。また、２つの異なる周波数帯は、異なるアンテナ構成からのＲＦ信号間の干渉を引き起こすという潜在的な問題がある。

この問題を解決する従来の方法は、列で変化し、または列でインタリーブする、２つの異なるタイプのアンテナエレメントを使用することである。一方のタイプのアンテナエレメントが、一つの周波数帯において動作するように構成され、もう一方のタイプのアンテナエレメントが、別の周波数帯で動作するように構成される。そのような解決法では、アンテナを構成する部分の間の距離が近いため、周波数帯が互いに連結する可能性がある。しかしながら、周波数帯が大きく分離されている場合は、これは主たる問題ではない。一方、大きい分離により、アンテナを大きくさせてしまう。大きい分離を提供することに替えて、大きいＱ値を有するフィルタを用いることも可能である。そのようなフィルタは、一般的には、空間を必要とし、かつ、高価で重量である可能性がある。

広帯域のアンテナを設計する場合の別の問題は、グレーチングローブを避けるために０．０．５λの間隔を空けたアンテナの要件である。ここでλは送信機（Ｔｘ）の信号の波長である。広帯域の送信機とアンテナエレメントが使用された場合、単純な方法でこのルールに適合させるのは不可能である。例えば、１ＧＨｚから２ＧＨｚの周波数をカバーしたいと考えた場合、これは、キャリアスパンの波長が１５センチから３０センチの間であることを意味する。伝統的には、アンテナアレーは、中心周波数がエレメントの間隔を決定するために使用されるように、設計される。これにより、広帯域のアンテナに対する端部の周波数が、劣化した性能を被るという影響を受ける。

特許文献１は、異なるアプローチで上記の問題を解決するアンテナ構成を開示している。このアンテナ構成は、２つの平行した列に配置された、低い周波数帯で動作する第１のアンテナエレメントを含む。さらに、隣接する２つの列に配置され、高い周波数帯で動作する第２のアンテナエレメントを含む。第２のアンテナエレメントの２つの列のうちの一方は、第１のアンテナエレメントの列のうちの一つと同じ列に供され、他方は第１のアンテナエレメントの２つの平行する列の間に配置される。間隔を置いて平行に列に配置することにより、互いに相対的に近い周波数帯の間での疎結合（low coupling）の達成が可能である。なぜならば、アンテナエレメントはインタリーブされているからである。各アンテナエレメントは、特定の周波数帯において受信と送信を行うように構成されている。特許文献１は、次元を最小限に維持するように、共通の開口部（aperture）におけるアンテナエレメントの構成に焦点を当てている。

特許文献２は、少なくとも２つの周波数帯においてＲＦ信号の送信および受信を行うためのアンテナ構成を開示している。アンテナエレメントのセットが、インタリーブされた配置において供され、単一の列を形成するように直線に沿って配置されている。高域のアンテナは、低域の開口部でインタリーブされ、各開口部でのアンテナエレメントは、各周波数に合わせられる。すなわち、各エレメントは、特定の周波数帯に固定されている。

従来技術において、同時に信号の受信と送信を行うためのＦＤＤシステにおける複数の周波数帯動作のために使用されるアンテナもある。ＦＤＤシステムにおける利点は、同時に受信と送信を行うために使用され得ることから帯域をより良い方法で利用可能であることである。一般的に、同じアンテナは、受信と送信を行うために使用され、それにより、受信機側において送信された信号から干渉を回避するためにデュプレックスフィルタが一般的に必要とされる。例えば、第３世代パートナーシッププロジェクト（３ＧＰＰ）TS 36.104, Rel. 11.2.0, Table 5.5-1に規定されている帯域１７は、アップリンク（ＵＬ）バンドとして７０４〜７１６ＭＨｚを用い、ダウンリンク（ＤＬ）バンドとして、７３４〜７４６ＭＨｚを用いる。従って、この特定の帯域のために、３０ＭＨｚのデュプレックスギャップ（duplex gap）が使用される。受信信号は、送信信号より１００ｄＢ小さいので、受信信号は、もしデュプレックスフィルタを使用しなければ、送信機からの放射により遮断（block out）されてしまう。デュプレックスフィルタは、受信機帯域を、送信機からの帯域外の放射から守るべきである。一般的に、このためには、阻止帯域で鋭いエッジと高い減衰を有するフィルタが必要であり、送信機から高い出力がある場合は、該フィルタのために、大きくてかさばる空洞フィルタが必要となる。ＦＤＤを用い、１ＧＨｚ以下の周波数に適合する、無線基地局のアンテナの典型的なフィルタのサイズは、例えば、３５センチ×３０センチ×１７センチで、重さは約５．５キログラムである。多くのフィルタが必要な場合、例えば、マルチバンドまたは広帯域のアンテナシステムの場合、全てのアンテナ構成のサイズは、大きいかかなり大きくなるだろう。マルチバンドアンテナの場合、周波数帯間の干渉を最小限にするために、サポートする周波数帯のそれぞれに対して、間隔を持たせることが可能である。そのようなソリューションは、大きくてかさばるアンテナのソリューションがもたらされることの原因となる。

米国特許第6211841号明細書 国際公開第2007/011295号

上記に鑑みて、広帯域のアンテナ構成を利用するための改善された方法が望まれる。本発明の発明者は、一つ以上のアンテナエレメントを有する広帯域のアンテナであって、それぞれが、上述したグレーチングローブを回避するために異なるアンテナエレメントの間隔を持たせたアンテナを設計する際に、広帯域のアンテナのより高い周波数帯において信号を受信するために、広帯域のアンテナの周波数帯の低い部分においてビームフォーミングを行うように構成されたアンテナエレメントを使用することが可能であることに気が付いた。反対に、広帯域のアンテナの低い周波数帯において信号を受信するために広帯域のアンテナの周波数帯の高い部分においてビームフォーミングを行うように構成されたアンテナエレメントを使用することも可能である。

したがって、本開示の実施形態の全体的な目的は、ＦＤＤシステムにおいて複数の周波数帯の動作のために使用されるアンテナ構成のサイズを削減することである。

本発明の一つの側面によれば、これは、ＲＦ信号を同時に送信する送受信機に接続可能なアンテナ構成により達成できる。アンテナ構成は、少なくとも２のアンテナエレメントのセットを有し、第１のアンテナエレメントのセットは、第１のアンテナエレメントの間隔を有し、第２のアンテナエレメントのセットは、第２のアンテナエレメントの間隔を有する。第１のアンテナエレメントのセットのインタフェース部は、第１の周波数でＲＦ信号を送信し、第２の周波数でＲＦ信号を受信する送受信機に接続する。また、第２のアンテナエレメントのセットのインタフェース部は、第２の周波数でＲＦ信号を送信し、第１の周波数でＲＦ信号を受信する送受信機に接続する。

本発明の実施形態によれば、アンテナ構成は第３のアンテナエレメントのセットも有する。第３のアンテナエレメントのセットは、第３のアンテナエレメントの間隔を有し、第３のアンテナエレメントのセットのインタフェース部は、第３の周波数でＲＦ信号を送信し、第１の周波数または第２の周波数でＲＦ信号を受信する送受信機に接続する。

アンテナ構成の他の実施形態によれば、アンテナエレメントの各組は、別々の開口部に備えられる。

本発明の別の側面によれば、これは、本発明の実施形態にしたがうアンテナ構成に接続する送受信機を含む無線基地局により達成される。

本開示の実施形態のこれらの側面、または、別の側面、特徴および優位性は、以下の多様な実施形態の説明、付属の図面になされる参照から、明らかになり、説明されるだろう。
図１は、アップリンクとダウンリンクの間の例示的なバンドギャップと、受信信号を保護するフィルタ特性を示した概略図である。 図２は、デュプレックスが設けられた例示的なＦＤＤアンテナを示す概略図である。 図3は、２つの周波数帯を有するアンテナ構成の例示的な実施形態を示す概略図である。 図４は、３つの周波数帯を有するアンテナ構成の例示的な実施形態を示す概略図である。 図５は、異なる周波数帯に対してアンテナ構成と送受信機との間の例示的な接続を示すブロック図。 図６は、例示的な実施形態によるアップリンクとダウンリンクの間の例示的なバンドギャップと、受信信号を保護するフィルタ特性を示す概略図である。 図７は、アンテナ構成に接続される無線基地局を示す概略図である。

本発明は、付属の図面を参照して以下により完全に説明される。本発明の特定の例示的な実施形態が示される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化することが可能であり、ここに説明する実施形態に限定されるように解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が緻密で完全であるように例として提供され、本開示の範囲を当業者へ完全に伝達するだろう。説明を通して、同様の番号は同様の要素を参照する。

本発明の異なる実施形態を説明する前に、図１と図２を用いて、ＦＤＤシステムにおいて使用される典型的なアンテナ構成を説明する。

図１は、ＦＤＤシステムにおけるＵＬキャリアとＤＬキャリアとの間の典型的なギャップを示す。ＦＤＤシステムでは、基地局は同時に受信および送信を行う。一般的に、受信のためと送信のためには、同じアンテナが使用され、したがって、送信された信号から受信機を保護するために、デュプレックスフィルタが必要となる。Ｔｘ信号はＲｘ信号よりかなり強力であるため、図１に示すように、そのようなデュプレックスフィルタは、阻止帯域において、かなり鋭いエッジと十分な減衰を有する必要がある。Ｒｘ信号は、Ｔｘ信号より１００ｄＢ小さく、ゆえに、デュプレックスフィルタが使用されない場合は、送信機からの放射によりブロックアウトされる。上述したように、そのような特性を有するフィルタは、大きくてかさばる空洞フィルタを必要とし、約１５〜３０立方デシメートルで、重さは５〜７キログラムのボリュームを有する典型的なフィルタのサイズを有し得る。図２は、ＴｘキャリアとＲｘキャリアとを分離するためにデュプレックスフィルタがどのように使用されるかを概略的に示している。

ここで図３を見ると、本発明の実施形態が説明される。図３のアンテナ構成１２は、第１のアンテナエレメントのセット１４と第２のアンテナエレメントのセット１６を有する。アンテナエレメントの各セット１４、１６は、それぞれインタフェース部１８、２０を有する。インタフェース部１８、２０は、それぞれ送受信機１０に接続されている。概略的に示すように、第２のアンテナエレメントのセット１６に対する間隔は、第１のアンテナエレメントのセット１４に対する間隔より大きい。したがって、第１のアンテナエレメントのセット１４は、高い周波数帯域で送信するのにより適合するように構成され、第２のアンテナエレメントのセットは、低い周波数帯域で送信するのにより適合するように構成される。したがって、第１のアンテナエレメントのセット１４と第２のアンテナエレメントのセット１６の２つの分離したセットを使用することにより、上述したようなグレーチングローブを生成するという欠点なしに、広帯域のアンテナとしてアンテナ構成１２を使用することが可能となる。第１のアンテナエレメントのセット１４のインタフェース部１８は、高域の範囲において第１の周波数でＲＦ信号（Ｔｘ_ＨＢ）を送信するため、および、低域の範囲で第２の周波数でＲＦ信号（Ｒｘ_ＬＢ）を受信するために送受信機１０に接続される。第２のアンテナエレメントのセット１６のインタフェース部２０は、低域の範囲において第２の周波数でＲＦ信号（Ｔｘ_ＬＢ）を送信するため、および、高域の範囲において第１の周波数でＲＦ信号（Ｒｘ_ＨＢ）を受信するために送受信機１０に接続される。

高域のアンテナエレメント１４で低域のＲＦ信号（Ｒｘ_ＬＢ）を受信すること、および、低域のアンテナエレメント１６で高域のＲＦ信号（Ｔｘ_ＨＢ）を受信することは、不自然と考えられる。一般的に、同じ組のアンテナエレメントと開口部は、低い周波数帯または高い周波数帯のような特定された周波数帯における送信および受信のために使用される。しかしながら、発明者は、ＲＦ信号を受信するためにアンテナエレメントの間隔はさほど重要ではないことに気が付いた。このことの主な理由は、例えばユーザ装置（ＵＥ）から送信された信号は、パイロットまたは参照信号を含むからである。これにより、送受信機１０は、ＵＥとアンテナ構成１２との間のチャネルを推定することが可能となる。このチャネル推定は、一般的には、受信信号のコヒーレント検出のために使用される。これはまた、受信機のアンテナ間の正確な位相関係は既知とされる、すなわち、チャネル推定誤りの限度内であることを意味する。この情報はその後、ＵＬビームフォーマーの重みを構成する受信機の重みを形成するために使用される。このことから、一つの周波数において送信するために設計されたアンテナ開口部は、別の周波数に対する受信機アンテナ開口部としても使用され、合理的な性能を有することが明らかである。したがって、図３に従ってアンテナ構成１２を使用するときは、大きいフィルタをもはや使用する必要はない。

図３におけるアンテナ構成の例示的な実施形態において、第１のアンテナエレメントのセット１４と第２のアンテナエレメントのセット１６は、１８００ＭＨｚから２６００ＭＨｚの帯域をカバーする。そのような場合、第一のアンテナエレメントの間隔は、１８００ＭＨｚの周波数帯に対して構成設定され、第２のアンテナエレメントの間隔は２６００ＭＨｚの周波数帯に対して構成設定され得る。

図４を見ると、本発明の別の実施形態が記載される。図３と比較すると、第３のアンテナエレメントのセット２２が中間域をカバーするために追加されており、第３のアンテナエレメントのセット２２は、第１のアンテナエレメントのセット１４と第２のアンテナエレメントのセット１６の間のどこかの間隔を有する。第１のアンテナエレメントのセット１４と第２のアンテナエレメントのセット１６については図３を伴って説明したため、ここでは再度説明は行わない。第３のアンテナエレメントのセット２２は、第３の周波数でＲＦ信号（Ｔｘ_ＭＢ）を送信し、第１の周波数または第２の周波数でＲＦ信号（Ｒｘ_ＭＢ）を受信する送受信機１０に接続されている。図３を伴って説明した原理、すなわち、「誤った（wrong）」帯域で信号を受信すること、が、図４のアンテナ構成にも適用可能である。

図４を伴って説明されたアンテナ構成１２において、第３のセットのアンテナエレメント２２は、１８００ＭＨｚから２６００ＭＨｚの帯域をカバーし、２１００ＭＨｚの周波数帯に対して構成設定されたアンテナエレメントの間隔を有する。

図示されなくとも、図３および図４に記載されたコンセプトを拡張して、９００ＭＨｚから２６００ＭＨｚの帯域をカバーし、９００ＭＨｚの周波数帯に対して構成設定された第４のアンテナエレメントの間隔を有する第４のセットのアンテナエレメントを有するようにすることも可能である。

上述の実施形態は、９００ＭＨｚ、１８００ＭＨｚ、２１００ＭＨｚおよび２６００ＭＨｚの周波数帯のうちの２つ以上に対して構成設定されたアンテナエレメントの間隔を伴って説明された。しかしながら、他の標準規格に関連する他の周波数も、本発明の範囲内に同様に適用可能であることを理解すべきである。そのような他の周波数は、７００ＭＨｚ、８５０ＭＨｚ、１５００ＭＨｚに限定されない。異なる周波数の正確な組み合わせは、オペレータによって決定され得る。

本発明の多様な実施形態のために、アンテナエレメントの各セット（１４、１６、２２）は、別々の開口部に備えられる。

アンテナエレメントのセットの上記例はすべて、簡単化のために「一次元」の配列として表現され、説明されていた。しかしながら、アンテナエレメントのセットは、二次元の配列として実現化され得ることが理解されるべきである。一般的に、一つの柱（one column）が存在し、ここで、アンテナエレメントは、基地局に一つのアンテナポートを形成するために、パッシブ給電ネットワーク（a passive feeder network）により接続される。垂直の領域における典型的なエレメントの間隔は、約１λ（波長）である。幾つかのアンテナポートを基地局へ提供するために、幾つかの柱または一つの柱内の変更状態が使用される。

図５を参照すると、アンテナ構成１２の性能をさらに向上させるために、小型のフィルタ３０と３２が使用される例が示されている。この場合、フィルタ３０と３２は、ＲＦ信号（Ｒｘ_ＨＢ）を受信するために提供され、送受信機１０の高周波数帯側２６と低周波数帯側２８にそれぞれ接続される。このようなフィルタ３０と３２は、表面弾性波フィルタ、バルク音響波フィルタ、またはセラミックフィルタであり得る。このようなフィルタ３０と３２は、上述した、大きいデュプレックスフィルタよりもかなり小さい。このような小さいフィルタを使用することが可能な理由は、図１を伴って上述した事例のように、フィルタ特性の必要要件が厳しくないからである。これは、図６に示される小型のフィルタ３０と３２に対するフィルタ特性を見れば明らかである。これは、フィルタ３０と３２が小さいＱ値を持つことを意味する。

図７は、上述したようなアンテナ構成１２に接続された無線基地局（a radio base station, ＲＢＳ）を示す概略図である。

上述したアンテナ構成の実施形態を伴い、よいビームフォーミング特性を供することが可能である。これは、訳０．５λのアンテナ間隔の要件を満たす、異なるアンテナエレメントの間隔を有するアンテナエレメントの異なるセットを使用することに起因する。開示された実施形態を伴い、重い（heavy）デュプレックスフィルタを用いずに、小型でコンパクトなアンテナシステムを構成することが可能である。

本開示は特定の例示的な実施形態を参照することにより以上のように説明されたが、示された特定の形式に限定することは意図されない。クレームにおける「有する」という語は、他の要素や工程の存在を除外しない。さらに、個別の特徴が異なるクレームに含まれるが、これらは場合によっては有利に組み合わせることが可能である。そして、異なるクレームを含めることは、特徴のセットみ合わせが実現可能、及び／または、有益ではないことを意味しない。加えて、単数形は複数形を除外するものではない。クレームにおける参照符号は、単に例を明確にするものとして提供され、クレームの範囲を限定するように決して構成されるべきではない。

Claims (7)

1. 無線周波数（ＲＦ）信号の送信および受信を同時に行うために送受信機（１０）に接続可能なアンテナ構成（１２）であって、前記アンテナ構成（１２）は、
   少なくとも３つのアンテナエレメントのセット（１４、１６、２２）を有し、
   第１のアンテナエレメントのセット（１４）は、第１のアンテナエレメントの間隔を有し、
   第２のアンテナエレメントのセット（１６）は、第２のアンテナエレメントの間隔を有し、
   第３のアンテナエレメントのセット（２２）は、第３のアンテナエレメントの間隔を有し、
   前記第１のアンテナエレメントのセット（１４）のインタフェース部（１８）は、第１の周波数でＲＦ信号を送信し、第３の周波数でＲＦ信号を受信するために前記送受信機（１０）に接続され、
   前記第２のアンテナエレメントのセット（１６）のインタフェース部（２０）は第２の周波数でＲＦ信号を送信し、前記第３の周波数でＲＦ信号を受信するために前記送受信機（１０）に接続され、
   前記第３のアンテナエレメントのセット（２２）のインタフェース部（２４）は、第３の周波数でＲＦ信号を送信し、前記第１の周波数または前記第２の周波数でＲＦ信号を受信するために前記送受信機（１０）に接続される、ことを特徴とするアンテナ構成（１２）。
2. 各アンテナエレメントのセット（１４、１６、２２）は、別々の開口部に備えられることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ構成（１２）。
3. 小さいＱ値（３０、３２）を有するフィルタが、各アンテナエレメントのセット（１４、１６、２２）の各インタフェース部（１８、２０、２４）と前記送受信機（１０）との間にそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ構成（１２）。
4. 前記第１のアンテナエレメントのセット（１４）と前記第２のアンテナエレメントのセット（１６）は、１８００ＭＨｚから２６００ＭＨｚまでの帯域をカバーし、前記第１のアンテナエレメントの間隔は１８００ＭＨｚの周波数に対して構成設定され、前記第２のアンテナエレメントの間隔は２６００ＭＨｚの周波数に対して構成設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ構成（１２）。
5. 前記第３のアンテナエレメントのセット（２２）は、１８００ＭＨｚから２６００ＭＨｚまでの帯域をカバーし、前記第３のアンテナエレメントの間隔は、２１００ＭＨｚの周波数に対して構成設定されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナ構成（１２）。
6. 第４のアンテナエレメントのセットをさらに有し、該第４のアンテナエレメントのセットは９００ＭＨｚから２６００ＭＨｚまでの帯域をカバーし、前記第４のアンテナエレメントの間隔は９００ＭＨｚの周波数に対して構成設定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナ構成（１２）。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のアンテナ構成に接続された送受信機（１０）を有することを特徴とする無線基地局（３４）。

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