JP6284650B2 - 二重垂直ビームセルラアレイ - Google Patents

Description

本願は、米国非仮出願番号第１４／１８４，５１７号、２０１４年２月１９日、名称「Dual Vertical Beam Cellular Array」の利益を請求し、該出願は参照によりここに組み込まれる。

本発明は、概してアンテナアレイの分野に関する。より具体的には、本発明は、二重垂直ビームを生成するセルラアンテナアレイに関する。

無線装置が爆発的に人気になるにつれ、広い領域に渡り益々多くのユーザに十分なカバレッジを提供する能力は、以前より重要である。現在のセルラアンテナアレイ技術は、これらの要求を満たす際に限定的因子に達している。標準的には、これらのアンテナアレイは、垂直面内で単一の狭いビームを生成する。したがって、コスト及び複雑性の有意な増大無しに、より高い能力を備えた無線カバレッジを提供する必要が増している。

現在の実装では、セルラアレイは、標準的に、垂直面内で単一の狭いビームを生成する。垂直ビームは標準的に狭いので、最適なネットワークカバレッジを達成するために、ビームの角度はサブシステムを用いて調整されなければならない。リモートエレベーションチルト（remote elevation tilt：ＲＥＴ）のようなサブシステムの使用は、セルラアレイに複雑性とコストを追加する。

さらに、アンテナの全体の指向性を犠牲にすることなく、広い半電波強度ビーム幅を有する垂直ビームを生成することが望ましい。比較的長いアンテナ長を有する現在のアンテナアレイは、より高い利得を有するが、より狭いビームパターンを犠牲にしている。これに対し、より広いビームパターンを有するアンテナアレイは、減少したアンテナ長を有し、より低い全体の指向性及び利得をもたらす。したがって、現在のアンテナアレイは、全体のネットワーク容量と全体のカバレッジとの間の妥協を提示するソリューションを生み出す傾向がある。

簡易であり且つコスト効率が良く、一方で同時に、指向性及び利得を犠牲にすることなく広い信頼できるカバレッジエリアを提供する、セルラアレイ実装の必要がある。

２つの同時垂直ビームが単一のアンテナアパーチャを用いて生成される二重垂直ビームセルラアレイが本願明細書に開示される。１つのアプローチでは、セルラアレイは、別個の放射体の１又は複数のペアを特徴とする。１又は複数のハイブリッドカプラは、前記別個の放射体のペアからの出力を加算するために用いられる。第１の出力分配ネットワークは、前記１又は複数のハイブリッドカプラから第１の出力を受信し、第１のビームを生成し、第２の出力分配ネットワークは、前記１又は複数のハイブリッドカプラから第２の出力を受信し、第２のビームを生成する。

本願明細書の一部に組み込まれ該一部を形成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、説明と共に本発明の原理を説明するために役立つ。
例示的なアレイアーキテクチャのブロック図である。 二重垂直ビームアレイの例示的なフィード構造及びビーム形成方式のブロック図である。 例示的な二重垂直ビーム放射パターンを示す有極性グラフである。 二重垂直ビームの例示的な絶対利得パターンを示す方形グラフである。

ここで、幾つかの実施形態を詳細に参照する。主題は、代替の実施形態に関連して記載されるが、それらは請求される主題をこれらの実施形態に限定することを意図しないことが理解されるだろう。反対に、請求される主題は、添付の請求の範囲により定められるように請求される主題の精神及び範囲の範囲内に含まれ得る代替、変更、及び等価物を包含することを意図する。

さらに、以下の詳細な説明では、請求される主題の完全な理解を提供するために、多くの詳細事項が説明される。しかしながら、実施形態がこれらの詳細事項を有しないで又はそれらの等価物により実施できることが当業者により認識されるだろう。他の例では、主題の態様及び特徴を不必要に曖昧にすることを避けるため、良く知られた方法、手順、構成要素及び回路は詳細に説明されない。

以下の詳細な説明の部分は、方法の観点で提示され議論される。実施形態は、本願明細書の図のフローチャートに列挙される及び本願明細書に示され記載される以外のシーケンスの中の、ステップの変形又は種々の他のステップを実行するのに良く適する。

詳細な説明の幾つかの部分は、手順、ステップ、論理ブロック、処理、及びコンピュータメモリに対して実行され得るデータビットに対する他の象徴的表現の動作の観点で提供される。これらの説明及び表現は、データ処理技術の当業者により、業務内容を最も効率的に他の当業者に伝えるために用いられる手段である。手順、コンピュータにより実行されるステップ、論理ブロック、処理、等が、本願明細書にあり、概して、所望の結果を生じるステップ又は命令の首尾一貫したシーケンスであると考えられる。ステップは、物理量の物理的操作を必要とするステップである。通常、必ずしも必要ではないが、これらの量は、格納され、転送され、結合され、比較され及びその他の場合にはセルラアンテナアレイの中で操作できる電気又は磁気信号の形式を取る。基本的に一般的に用いられるという理由で、これらの信号をビット、値、要素、シンボル、文字、語、数値、等として表すことが時には便利であることが分かっている。

しかしながら、これらの及び類似の語の全ては、適切な物理量に関連付けられ、これらの量に適用される便宜的ラベルに過ぎない。特に断りのない限り、以下の議論から明らかなように、以下の説明を通じて、「アクセスする」、「ライトする」、「含む」、「格納する」、「送信する」、「トラバースする」、「関連付ける」、「識別する」等の語を用いる議論は、アンテナアレイ又は同様の電子コンピューティング装置の動作及び処理を表す。アンテナアレイ又は同様の電子コンピューティング装置は、システムのレジスタ及びメモリ内にある物理（電子）量として表されたデータを操作し、システムのメモリ若しくはレジスタ又は他の情報記憶装置、送信又は表示装置の中の物理量として同様に表される他のデータに変換する。

＜二重垂直ビームセルラアレイ＞
本発明は、垂直面において広いセルラカバレッジを有する増大したネットワーク利得を提供できる二重垂直ビームを有するセルラアレイに関する。本実装により、ＲＥＴサブシステムを用いる垂直ビームポインティングは、必要ない。二重ビームアレイは、垂直面において２つの独立したビームを用い、エレベーション面においてより高いネットワーク利得及び広いカバレッジを達成する。一実施形態では、アンテナアレイは、低いチルト角（水平に近い）における高い利得動作のために、主要な狭いビームを生成する。第２のビームは、エレベーション面において広い及び／又は扇形ビームパターンを有し、より高いチルト角におけるより狭い範囲のより広い信号カバレッジのために最適化される。この概念は、第２の扇形ビームがより高いダウンチルトで所望のカバレッジを提供できるので、エレベーションカバレッジの損失を有しないで、より狭いビームパターンを有する主ビームを用いてネットワーク利得を向上する。

フィード構造の結果として、これら２つのビームは本質的に直交し、最適なネットワーク性能のために２つの放射パターンのビーム結合係数が比較的低くなるように、ビームパターンが設計できる。これは、２つのカバレッジ領域の間の低い信号干渉を保証する。結果として、同じ周波数スペクトルを用いて２つの独立チャネルにおける２つの空間ビームの同時動作が可能である。さらに、２つのビームは、望ましい場合には、独立にステアリングされても良い。

さらに、ＲＥＴのようなリモートダウンチルト装置を用いる原位置のビーム指向角調整は、もはや必要ない。この概念は、例えば、任意の標準的な３セクタ又は６セクタのセルラネットワークで使用できる。このアレイは、標準的な低コスト線形アレイアーキテクチャを用い、したがって、全体の複雑性を増大しない。反対に、これは、ＲＥＴサブシステムの必要を除去することにより、アレイの全体コストを削減する。

本発明の実施形態が以下に記載されるが、それらは請求される主題を該実施形態に限定することを意図しないことが理解される。

ここで、図１に関し、幾つかの実施形態に従い、単一の列の中の１２行の別個の放射体（つまり、放射体１０１）で構成されるセルラ線形アレイの一般的アーキテクチャが示される。要素は、広帯域パッチ又はダイポールのような任意の広帯域放射体であり得る。上述のように、２つの独立したビームが、主ビームポート１０２及びカバレッジビームポート１０３において生成される。主ビームは、水平近くの高利得動作を提供する。広い及び／又は扇形パターンを有するカバレッジビームは、高いダウンチルト角における近くの範囲においてより大きなカバレッジに対応する。

ここで、図２に関し、幾つかの実施形態に従い、アンテナアレイ２００のフィード構造及び二重ビーム形成方式が示される。放射体（つまり、放射体２０７及び２０８）は、９０度ハイブリッドカプラ（つまり、ハイブリッドカプラ２０６）を用いてペアでフィードされる。フィードシステムのために可変位相シフタは必要ない。このフィード構造の構成は、２つのビームポートが、入力励起の全ての設定において直交することを保証する。

ハイブリッドカプラの出力は、２つの別個の出力分配ネットワークを使用することによりコヒーレントに加算される。主ビーム出力分配ネットワーク２０１は主ビーム２０２を出力し、カバレッジビーム出力分配ネットワーク２０３は、カバレッジビーム２０４を出力する。主ビーム２０２及びカバレッジビーム２０４は、互いに独立に動作可能である。

図３Ａ及び３Ｂは、主ビーム２０２及びカバレッジビーム２０４の標準的な放射パターンを示す。ここで、図３Ａに関し、正規化二重垂直ビーム放射パターンは、有極性グラフとして示される。主ビーム２０２は、垂直面においてアレイの全長に正比例するビーム幅を有する鉛筆形放射パターンを有する。カバレッジビーム２０４は、垂直面の近くの範囲（高いダウンチルト角）において、より大きな角度カバレッジを提供する広い及び／又は扇形放射パターンを有する。

ここで、図３Ｂに関し、二重垂直ビームの絶対利得パターンは、方形グラフとして示される。これら２つのビームが交わる交差点は、全体のビーム結合係数が標準的に−９ｄＢから−１２ｄＢに設定されることにおいて、重要である。さらに、２つのビームが重なり合うこれらのビームの垂直サイドローブは、低い干渉のために、標準的に−１８ｄＢより低い。

Claims (19)

1. 別個の放射体の１又は複数のペアと、
   前記別個の放射体のペアからの出力を加算するよう構成される１又は複数のハイブリッドカプラと、
   前記ハイブリッドカプラから第１の出力を受信し第１のビームを生成するよう構成される第１の出力分配ネットワークと、
   前記ハイブリッドカプラから第２の出力を受信し第２のビームを生成するよう構成される第２の出力分配ネットワークと、
   を有し、
   前記第１のビームの利得は、前記第２のビームの利得より大きい、セルラアンテナアレイ。
2. 前記別個の放射体のペアは、単一の列に並べられる、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
3. 前記第１のビームは、前記第２のビームと直交する、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
4. 前記ハイブリッドカプラは、前記第１の出力と前記第２の出力との間に９０度位相シフトを生成する、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
5. 前記第２のビームは、広い及び／又は扇形ビームである、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
6. 前記第１のビームは、前記第２のビームより狭い、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
7. 前記第１のビーム及び前記第２のビームは、−７ｄＢ乃至−１２ｄＢの間の交差点を有する、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
8. 前記第１のビーム及び前記第２のビームは、ビームの重なり合いが−１８ｄＢより低くなるよう、重なり合う、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
9. 前記第１のビームは、水平近くに生成される、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
10. 前記第２のビームは、前記第１のビームより高いダウンチルト角で生成される、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
11. 前記第２のビームは、近くの範囲のより広い信号カバレッジのために最適化される、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
12. 前記第１及び第２のビームは、同時に動作できる、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
13. 前記第１及び第２のビームは、２つの独立したチャネルで動作する、請求項１２に記載のセルラアンテナアレイ。
14. 前記第１及び第２のビームは、同じ周波数スペクトルを用いる、請求項１３に記載のセルラアンテナアレイ。
15. 前記別個の放射体は、広帯域パッチアンテナである、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
16. 前記別個の放射体は、広帯域ダイポールアンテナである、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
17. 前記第１のビームは、鉛筆形である、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
18. 前記第１のビームは主ビームであり、前記第２のビームはカバレッジビームである、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
19. 前記第１及び第２のビームは、垂直面内で生成される、請求項１に記載のセルラアンテナアレイ。
    

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