JP6121540B2 - アレイアンテナ及び基地局 - Google Patents

Description

本発明は、移動体通信に関し、より詳細には、アレイアンテナ及び基地局に関する。

移動体通信ネットワークは、第３世代（３Ｇ：ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）まで進化しており、第３世代（３Ｇ）ネットワークの展開及びその工業利用が世界規模で行われている。データサービス及び移動体インターネットの継続的な追加と促進に伴い、国際規格化機構は、ネットワーク技術及びサービス容量のますますの発展に対応するために、移動体通信ＬＴＥ及び第４世代（４Ｇ：ｔｈｅ ｆｏｕｒｔｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）及び他の技術規格を開発している。多重入出力（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）技術は、別々の空間伝送路を十分に活用して、ネットワークスサービス速度及びリンク性能を大幅に増大させることができるので、ＬＴＥ及び将来の第４世代（４Ｇ）技術の中核の１つになってきている。多重入出力（ＭＩＭＯ）技術は、複数のアンテナを配置し確立し、多重入出力（ＭＩＭＯ）信号処理技術を採用することによりネットワークサービス品質を向上させることを求めている。一般に、ＬＴＥシステムは、少なくとも２Ｘ２の多重入出力（ＭＩＭＯ）の構成又はさらにそれ以上の構成を必要としており、例えば、時分割多重化（ＴＤＤ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘｉｎｇ）ＬＴＥシステムは、多重入出力（ＭＩＭＯ）の動作性能を確実にするために、一般に８つのアンテナを必要とする。

８つの周波数分割双方向（ＦＤＤ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）アンテナに関して、多重入出力（ＭＩＭＯ）モードにおいては、８つのアンテナのダウンリンク送信アンテナから放射されたビームの電力半値幅を６５度にする必要がある。しかし、図１に示すように、アレイアンテナにおける様々なリニアアレイは、並んで配列され、それらの間の非常に狭い空間のため厳しいクロスカップリングが任意の２つのリニアアレイの間に現れ、したがって、各リニアアレイのダウンリンクから放射されたビームのビーム幅が６５度を超え、又は最大８０〜９０度までにさえなる可能性が高く、それにより、ビームのビーム幅が６５度となるべきという制約を満足することができない結果になる。

本発明において解決すべき技術的問題は、送信アンテナによりダウンリンク上で６５度のビーム幅を有するビームを形成することができ、同時に、アップリンク上で８つのアンテナによる受信の能力を依然として保持することができるアレイアンテナと基地局とを提供することである。

本発明の態様によれば、複数のリニアアレイと、アップリンク／ダウンリンクデュプレクサと、ビームフォーミングネットワークとを備えるアレイアンテナが提供される。各リニアアレイは、正偏波アレイと負偏波アレイとを含むデュアル偏波リニアアレイである。ビームフォーミングネットワークの入力端は、無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ユニットのダウンリンク信号出力端に結合され、ビームフォーミングネットワークの２つの出力端は、それぞれ、２つのアップリンク／ダウンリンクデュプレクサのダウンリンク信号送信端に結合される。２つのアップリンク／ダウンリンクデュプレクサによって共有される送受信端は、それぞれ、２つの隣接するリニアアレイの同じ偏波方向を有するアレイに結合され、同じ偏波方向を有する２つのアレイは、ビームフォーミングネットワークを介してダウンリンク上に６５度のビーム幅を有するビームを形成する。２つのアップリンク／ダウンリンクデュプレクサのアップリンク信号出力端は、無線周波数（ＲＦ）ユニットのアップリンク信号入力端に結合される。複数のリニアアレイにおけるアップリンク／ダウンリンクデュプレクサに結合されないリニアアレイは、それぞれ、無線周波数（ＲＦ）ユニットのアップリンク信号入力端にすべて結合される。

本発明の別の態様によれば、上記のアレイアンテナを備える基地局がさらに提供される。

本発明において提供されるアレイアンテナ及び基地局において、アップリンク及びダウンリンクは、複数のリニアアレイにおける２つの隣接するリニアアレイにアップリンク／ダウンリンクデュプレクサを使用することによって区別され、６５度のビーム幅を有するビームがビームフォーミングネットワーク及び２つの隣接するリニアアレイにおいて同じ偏波方向を有する２つの正偏波アレイ／２つの負偏波アレイを使用することによりダウンリンク上に形成され、それにより、ビームがダウンリンク上に個々のリニアアレイから直接放射されたとき、個々のリニアアレイから放射されたビームが広がり過ぎるのを防止する。一方、２つの隣接するリニアアレイは、アップリンク／ダウンリンクデュプレクサの使用により送受信に使用することができ、それにより、複数のアップリンクアンテナのダイバーシティ効果を効果的に保証することができる。

本明細書に示す図面は、本明細書の一部であるが、本発明をよりよく理解するために提供される。

従来技術における固定ビームフォーミングに基づく２送信及び８受信（２Ｔ８Ｒ）アレイアンテナの構造図である。 本発明の実施例によるアレイアンテナの構造図である。 本発明の別の実施例によるアレイアンテナの構造図である。 本発明のさらに別の実施例によるアレイアンテナの構造図である。

本発明を例示的な実施例により添付の図面と併せて詳細に以下にさらに示す。以下の発明を実施するための形態は、本発明を不適切に限定するのではなく、単に例示的であるに過ぎないことを理解されたい。

少なくとも１つの例示的な実施例に対する以下の発明を実施するための形態は、本発明及びその任意の応用／使用への任意の限定であるのではなく、単に例示的であるに過ぎないことを理解されたい。

ＬＴＥ 周波数分割双方向（ＦＤＤ）アレイアンテナにおける様々なリニアアレイの広がり過ぎるダウンリンクビーム幅の問題に対処するために、６５度のビーム幅を有するビームが、セクタ分割されたアンテナの使用要件を満たすように、一部のリニアアレイのダウンリンク信号出力端でビームフォーミングネットワークを使用することによりダウンリンク上に形成される。

図２は、本発明の実施例によるアレイアンテナの構造図である。

図２に示すように、アレイアンテナ２０が、複数のリニアアレイ２０２と、アップリンク／ダウンリンクデュプレクサ２０４と、ビームフォーミングネットワーク２０６とを備えることができる。

そこで、アンテナのリニアアレイの数は、２のｎ乗（ｎは正の整数）でよい。次に、一実例として４つのリニアアレイを用いて説明する。

各リニアアレイは、正偏波アレイと負偏波アレイとを備えるデュアル偏波リニアアレイである。例えば、第１のリニアアレイは、正偏波アレイ１と負偏波アレイ５とを備え、第２のリニアアレイは、正偏波アレイ２と負偏波アレイ６とを備え、第３のリニアアレイは、正偏波アレイ３と負偏波アレイ７とを備え、第４のリニアアレイは、正偏波アレイ４と負偏波アレイ８とを備える。各正偏波アレイ又は負偏波アレイは、少なくとも２つのアンテナ素子（図１参照、図２には示していない）を備える。

ビームフォーミングネットワーク２０６の入力端は、無線周波数（ＲＦ）ユニットのダウンリンク信号出力端に結合され、ビームフォーミングネットワーク２０６の２つの出力端は、それぞれ、２つのアップリンク／ダウンリンクデュプレクサ２０４のダウンリンク信号送信端に結合される。

２つのアップリンク／ダウンリンクデュプレクサ２０４の共有送受信端は、それぞれ、２つの隣接するリニアアレイにおいて同じ偏波方向を有するアレイに結合され、２つの隣接するリニアアレイにおいて同じ偏波方向を有するアレイは、ビームフォーミングネットワーク２０６を介してダウンリンク上に６５度のビーム幅を有するビームを形成する。６５度のビーム幅を有するビームを形成するために同じ偏波方向を有する２つのアレイを採用する場合、概して、各リニアアレイによって形成されたビームのビーム幅は、約９０度になるように制御され、次いで、９０度のビーム幅を有するビームは、ビームフォーミングネットワークを介して６５度のビーム幅を有するビームに変換されるように組み合わされる。９０度のビーム幅を有するビームを形成するために、アンテナのバックプレートの幅と側壁の高さを調整することにより通常の方式を実施することができ、バックプレートの幅は概して０．４〜０．６波長であり、側壁の高さは概して８ｍｍ〜１４ｍｍである。

２つのアップリンク／ダウンリンクデュプレクサのアップリンク信号出力端は、無線周波数（ＲＦ）ユニットのアップリンク信号入力端に結合される。複数のリニアアレイにおけるアップリンク／ダウンリンクデュプレクサに結合されないリニアアレイ（図２の正偏波アレイ１、負偏波アレイ５、正偏波アレイ４及び負偏波アレイ８など）は、すべて、無線周波数（ＲＦ）ユニットのアップリンク入力端に結合される。

そこで、６５度のビーム幅を有するダウンリンクビームを形成するために、ダウンリンク信号を送信するための２つの隣接するリニアアレイの間、例えば、第２のリニアアレイと第３のリニアアレイとの間の空間（即ち、図１に示す「ａ」）は、［０．３５λ，０．７λ］の範囲でよい。２つの隣接するリニアアレイの間の空間を考慮に入れる理由は、２つの隣接するリニアアレイの間の相関関係がより強く、ビーム幅を制御することが促進されるからである。さらに、アップリンク信号間のクロスカップリングを防止するために、リニアアレイ間の空間は可能な限り広くすることを我々は望む。しかし、実際の応用では、アレイアンテナのサイズを考慮に入れなければならず、それにより、第１のリニアアレイと第２のリニアアレイとの間の空間、第３のリニアアレイと第４のリニアアレイとの間の空間など、アップリンク信号を受信するための２つの隣接するリニアアレイの間の空間（即ち、図１に示す「ｄ」）は、［λ／２，λ］の範囲でよい。ここで、λは、アレイアンテナの中心動作周波数に対応する波長である。

具体的には、正偏波アレイ１及び負偏波アレイ５は、第１のリニアアレイの２つの偏波ユニットであり、信号を受信するのに使用される（アップリンク１及びアップリンク２）。正偏波アレイ４及び負偏波アレイ８は、第４のリニアアレイの２つの偏波ユニットであり、やはり信号を受信するのに使用される（アップリンク３及びアップリンク４）。正偏波アレイ２及び負偏波アレイ６、正偏波アレイ３及び負偏波アレイ７は、それぞれ、第２のリニアアレイ及び第３のリニアアレイの２つの偏波ユニットであり、アップリンク／ダウンリンクデュプレクサによりダウンリンクとアップリンクとに分けられ、そこで、ビームフォーミングネットワークがダウンリンク上に追加されて、ダウンリンク送信（即ち、ダウンリンク１及びダウンリンク２）用の固定形状を有する２つのビームを形成し、アップリンクが信号を受信するのに使用される（アップリンク５、アップリンク６、アップリンク７及びアップリンク８）。さらに、第２及び第３のリニアアレイのダウンリンクから送信される信号は、それぞれ、ビームフォーミングネットワークを介して固定形状を有する形成されたビームであり、これらのビームは同じ偏波方向を有するビームから組み合わされ、変換される。例えば、正偏波アレイ２及び正偏波アレイ３からのビームは、組み合わされ、６５度のビーム幅を有する正偏波ビームに変換され、負偏波アレイ６及び負偏波アレイ７からのビームは、組み合わされ、６５度のビーム幅を有する負偏波ビームに変換される。

図２は、固定ビームフォーミングに基づく２送信及び８受信（２Ｔ８Ｒ）アレイアンテナを示す。組み合わされ、２つの中央のリニアアレイのビームから変換されたビームは、送信端で送信に使用され、受信端で、合計８つの正偏波アレイ及び負偏波アレイを有する４つのリニアアレイが信号を受信するのに使用される。したがって、２送信及び８受信（２Ｔ８Ｒ）アレイアンテナが構築され実装される。

この実施例において、アレイアンテナの任意の２つの隣接するリニアアレイは、個々のリニアアレイの直接放射によって生じる広がり過ぎるビーム幅の問題を避けながら、セクタ分割されたパターン及び固定ビーム幅によるダウンリンク送信のために、６５度のビーム幅を有するビームを形成するのに使用することができる。

図２に示すように、隣接するリニアアレイの少なくとも１つの対を、送受信アンテナとして多重化することができる。送受信アンテナとして多重化されるリニアアレイは、アレイアンテナの中央に配置することができる。送受信アンテナとして多重化されるリニアアレイがアレイアンテナの中央に配置されたとき、整形ビームは、アンテナ構造及びバックプレートの両方における対称性により、好ましい対称性を有し、したがって、ダウンリンクからの２つのビームは、ある程度までうまく重なり合うことができ、これは多重入出力（ＭＩＭＯ）システムのダウンリンク伝送速度の向上に有益である。

ダウンリンクデータの２つのビームは、２つのリニアアレイを介して送信されて、２送信及び８受信（２Ｔ８Ｒ）アレイアンテナを構成することを図２で示すことができる。

図３は、本発明の別の実施例によるアレイアンテナの構造図である。

図３に示すように、最も左側の２つの隣接するリニアアレイは、送受信アンテナとして多重化することができる。６５度のビーム幅を有する正偏波ビームが正偏波アレイ１、正偏波アレイ２及びビームフォーミングネットワークを使用して形成され、６５度のビーム幅を有する負偏波ビームが負偏波アレイ５、負偏波アレイ６及びビームフォーミングネットワークを使用して形成される。

その他も同様にして、６５度のビーム幅を有する２つの正偏波／負偏波ビームを、それぞれ、正偏波アレイ３、正偏波アレイ４及びビームフォーミングネットワークを使用して又は負偏波アレイ７、負偏波アレイ８及びビームフォーミングネットワークを使用して形成することができる。

図４は、本発明のさらに別の実施例によるアレイアンテナの構造図である。

図４に示すように、ダウンリンクデータの４つのビームを４つのリニアアレイを使用することによって送信することができる。具体的には、ダウンリンクからの６５度のビーム幅を有する４つのビームは、それぞれ、正偏波アレイ１、正偏波アレイ２及びビームフォーミングネットワークを使用することにより、負偏波アレイ５、負偏波アレイ６及びビームフォーミングネットワークを使用することにより、正偏波アレイ３、正偏波アレイ４及びビームフォーミングネットワークを使用することにより、且つ負偏波アレイ７、負偏波アレイ８及びビームフォーミングネットワークを使用することにより、形成することができる。このようにして、４Ｔ８Ｒ 多重入出力（ＭＩＭＯ）アレイアンテナを構成することができる。

上記の実施例のアレイアンテナは、基地局に適用して、ネットワークサービス速度及びリンク性能を向上させることができることに留意されたい。

本発明の様々な実施例を漸進的に説明してきたが、各実施例は他の実施例との相違に焦点を合わせているだけである。相互参照を様々な実施例に対してその同じ又は同様の部分に関して行うことができる。

本発明の上記の実施例において、固定形状を有するビームが同じ偏波方向を有する２つのアンテナに基づいてダウンリンク方向にのみ形成される。ダウンリンク方向の多重入出力（ＭＩＭＯ）を実現するために、６５度のビーム幅を有する少なくとも１つの正偏波ビーム及び６５度のビーム幅を有する負偏波ビームを形成することができ、ダウンリンク多重入出力（ＭＩＭＯ）を、２つのビームが互いに重なり合うとき最も有効なやり方で実現することができる。さらに、ユーザーの位置により変化するビームの代わりに、本発明におけるダウンリンクからのビームは、固定方向を有することができ、セクタ全体を包含することができる。

本発明のいくつかの特定の実施例を詳細に示してきたが、上記の例示的な実施例が本発明の範囲への任意の限定ではなく、単に例示的なものに過ぎないこと、及び様々な変更又は修正を添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲及び精神から逸脱することなく当業者によって上記の実施例に対して実施することができることを当業者は理解することができる。

Claims (8)

1. 複数のリニアアレイと、アップリンク／ダウンリンクデュプレクサと、ビームフォーミングネットワークとを備え、
   前記リニアアレイのそれぞれが、正偏波アレイ及び負偏波アレイを含むデュアル偏波リニアアレイであり、
   前記ビームフォーミングネットワークの入力端が、無線周波数ユニットのダウンリンク信号出力端に結合され、前記ビームフォーミングネットワークの２つの出力端が、それぞれ、２つのアプリンク／ダウンリンクデュプレクサのダウンリンク信号送信端に結合され、
   前記２つのアップリンク／ダウンリンクデュプレクサの共有送受信端が、それぞれ、２つの隣接するリニアアレイの同じ偏波方向を有するアレイに結合され、同じ偏波方向を有する前記２つの隣接するアレイが、前記ビームフォーミングネットワークを介してダウンリンク上に６５度のビーム幅を有するビームを形成し、
   前記２つのアップリンク／ダウンリンクデュプレクサのアップリンク信号出力端が、前記無線周波数ユニットのアップリンク信号入力端に結合され、
   前記複数の前記リニアアレイにおける前記アップリンク／ダウンリンクデュプレクサに結合されないアレイが、それぞれ、前記無線周波数ユニットのアップリンク信号入力端にすべて結合されることを特徴とするアレイアンテナ。
2. ダウンリンク信号を送信するための前記２つの隣接するリニアアレイの間の間隔が、［０．３５λ，０．７λ］の範囲にあり、アップリンク信号を受信するための前記２つの隣接するリニアアレイの間の間隔が、［λ／２，λ］の範囲にあり、前記λが、前記アレイアンテナの中心動作周波数に対応する波長であることを特徴とする、請求項１に記載のアレイアンテナ。
3. 前記アレイアンテナが、４つの前記リニアアレイを備え、隣接するリニアアレイの少なくとも１つの対が、送受信アンテナとして多重化されることを特徴とする、請求項１に記載のアレイアンテナ。
4. 送受信アンテナとして多重化される前記リニアアレイが、前記アレイアンテナの中央に配置されることを特徴とする、請求項３に記載のアレイアンテナ。
5. ダウンリンクデータの２つのビームが、２つのリニアアレイを介して送信されることを特徴とする、請求項３に記載のアレイアンテナ。
6. ダウンリンクデータの４つのビームが、４つのリニアアレイを介して送信されることを特徴とする、請求項３に記載のアレイアンテナ。
7. 前記正偏波アレイ及び前記負偏波リニアアレイのそれぞれが、少なくとも２つのアンテナ素子を備えることを特徴とする、請求項１に記載のアレイアンテナ。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載のアレイアンテナを備えることを特徴とする、基地局。