JP7103512B2 - アンテナモジュール及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナモジュール及び通信装置に関する。

下記特許文献１には、デジタル移相器を用いてアンテナから放射される電波の指向性を制御するアンテナ装置が記載されている。

特開平２－９０８０４号公報

特許文献１では、一部のアンテナ素子に、デジタル移相器に加えてアナログ移相器が接続されている。このため、回路規模が増大する可能性がある。一方で、デジタル移相器のみ用いた場合には、デジタル移相器により離散的に変更される位相と、理想的な位相との差が大きくなり、サイドローブが増大する可能性がある。

本発明は、回路規模の増大を抑制しつつサイドローブを低減することができるアンテナモジュール及び通信装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面のアンテナモジュールは、デジタル移相器と、前記デジタル移相器に接続される複数のアンテナ素子とを有するアンテナモジュールであって、前記複数のアンテナ素子のうち第１方向に配列された複数のアンテナ素子と、固定移相器と、を有し、前記デジタル移相器は前記第１方向に配列された複数のアンテナ素子を伝播する信号の位相を、離散的に与えられる第１位相値に変更し、前記固定移相器は、前記第１方向に配列された複数のアンテナ素子を伝播する信号の位相を、前記第１位相値に対して所定のオフセット位相値を加えて得られる第２位相値に変更し、前記第１方向に配列された複数のアンテナ素子のうち、前記第１方向の一端側に位置するアンテナ素子の中心と、前記第１方向の他端側に位置するアンテナ素子の中心とを結ぶ仮想線の中点をアンテナ中心とし、前記第１方向に配列された複数のアンテナ素子のうち、前記アンテナ中心に対して対称となる位置に配置された２つのアンテナ素子を一対のアンテナ素子としたとき、前記一対のアンテナ素子のうち少なくとも一方のアンテナ素子に前記固定移相器が電気的に接続される。

本発明の一側面のアンテナモジュールは、デジタル移相器と、前記デジタル移相器に接続される複数のアンテナ素子とを有するアンテナモジュールであって、前記複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子を伝播する信号の位相を、前記デジタル移相器により離散的に与えられる第１位相値に対して所定のオフセット位相値を加えた第２位相値に変更する固定移相器と、を有し、前記複数のアンテナ素子は、第１群の複数のアンテナ素子と、前記第１群の複数のアンテナ素子に含まれないアンテナ素子から構成される第２群の複数のアンテナ素子と、を有し、前記第１群の複数のアンテナ素子又は前記第２群の複数のアンテナ素子の少なくとも一方に前記固定移相器が接続される。

本発明の一側面の通信装置は、上記のアンテナモジュールと、前記アンテナモジュールにベースバンド信号を供給するベースバンドＩＣと、を有する。

本発明によれば、回路規模の増大を抑制しつつサイドローブを低減することが可能である。

図１は、第１実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図である。 図２は、アンテナアレイを示す平面図である。 図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ’断面図である。 図４は、複数のアンテナ素子と固定移相器との接続関係を説明するための説明図である。 図５は、アンテナ素子を伝播する信号に対する位相指令値と、デジタル移相器が与える第１位相値及び固定移相器が与える第２位相値との関係を模式的に示すグラフである。 図６は、実施例に係る通信装置における、ビーム方向と相対電力との関係を示すグラフである。 図７は、比較例に係る通信装置における、ビーム方向と相対電力との関係を示すグラフである。 図８は、第１変形例に係る通信装置の構成を示すブロック図である。 図９は、第２実施形態に係る通信装置の、複数のアンテナ素子と固定移相器との接続関係を説明するための説明図である。 図１０は、第２変形例に係る複数のアンテナ素子と固定移相器との接続関係を説明するための説明図である。 図１１は、第３実施形態に係る通信装置の、複数のアンテナ素子と固定移相器との接続関係を説明するための平面図である。 図１２は、第４実施形態に係る通信装置の、固定移相器の移相量と、サイドローブレベルとの関係を示すグラフである。

以下に、本発明のアンテナモジュール及び通信装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。各実施の形態は例示であり、異なる実施の形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもない。第２の実施の形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図である。通信装置１０は、例えば、携帯電話、スマートフォンあるいはタブレット端末などの携帯端末や、通信機能を備えたパーソナルコンピュータなどである。又は、通信装置１０は、基地局間の通信及び基地局とコアネットワークとの通信を行うバックホール通信であってもよい。

図１に示すように、通信装置１０は、アンテナモジュール１００と、ベースバンドＩＣ２００（以下、ＢＢＩＣ（Baseband Integrated Circuit）と表す）と、を有する。アンテナモジュール１００は、給電回路の一例であるＲＦＩＣ（Radio Frequency Integrated Circuit）１１０と、アンテナアレイ１２０とを備える。ＢＢＩＣ２００は、ベースバンド信号処理回路を構成する。ＢＢＩＣ２００は、アンテナモジュール１００にベースバンド信号を供給する。

通信装置１０は、ＢＢＩＣ２００からアンテナモジュール１００へ伝達された信号を高周波信号にアップコンバートしてアンテナアレイ１２０から放射する。また、通信装置１０は、アンテナアレイ１２０で受信した高周波信号をダウンコンバートしてＢＢＩＣ２００にて信号を処理する。

なお、図１では、説明を容易にするために、アンテナアレイ１２０を構成する複数のアンテナ素子１２１のうち、４つのアンテナ素子１２１に対応する構成のみ示し、同様の構成を有する他のアンテナ素子１２１に対応する構成については省略する。また、本実施形態では、アンテナ素子１２１が、矩形の平板形状を有するパッチアンテナである場合を例として説明する。

ＲＦＩＣ１１０は、スイッチ１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄ、１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ、１１３Ｄ、１１７と、パワーアンプ１１２ＡＴ、１１２ＢＴ、１１２ＣＴ、１１２ＤＴと、ローノイズアンプ１１２ＡＲ、１１２ＢＲ、１１２ＣＲ、１１２ＤＲと、減衰器１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ、１１４Ｄと、デジタル移相器１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃ、１１５Ｄと、信号合成／分波器１１６と、ミキサ１１８と、増幅回路１１９とを備える。

高周波信号を送信する場合には、スイッチ１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄ、１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ、１１３Ｄが、パワーアンプ１１２ＡＴ、１１２ＢＴ、１１２ＣＴ、１１２ＤＴ側へ切り換えられる。また、スイッチ１１７は、増幅回路１１９の送信側アンプに接続される。

ＢＢＩＣ２００から伝達された信号は、増幅回路１１９で増幅され、ミキサ１１８でアップコンバートされる。アップコンバートされた高周波信号である送信信号は、信号合成／分波器１１６で４分波され、４つの信号経路を通過して、それぞれ異なるアンテナ素子１２１に給電される。このとき、各信号経路に配置されたデジタル移相器１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃ、１１５Ｄの位相値が個別に調整されることにより、アンテナアレイ１２０の指向性を調整することができる。

高周波信号を受信する場合には、スイッチ１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄ、１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ、１１３Ｄが、ローノイズアンプ１１２ＡＲ、１１２ＢＲ、１１２ＣＲ、１１２ＤＲ側へ切り換えられる。また、スイッチ１１７は、増幅回路１１９の受信側アンプに接続される。

各アンテナ素子１２１で受信された高周波信号である受信信号は、それぞれ異なる４つの信号経路を経由し、信号合成／分波器１１６で合波される。合波された受信信号は、ミキサ１１８でダウンコンバートされ、増幅回路１１９で増幅されてＢＢＩＣ２００に伝達される。

ＲＦＩＣ１１０は、さらに、走査制御回路１３０を有する。走査制御回路１３０は、送信時のビーム方向Ｄｂ及び受信時のビーム方向Ｄｂを制御する回路である。走査制御回路１３０は、ビーム方向制御回路１３１と、位相制御回路１３２とを有する。ビーム方向制御回路１３１は、送信時のビーム方向Ｄｂ又は受信時のビーム方向Ｄｂに基づく制御信号を位相制御回路１３２に出力する。位相制御回路１３２は、ビーム方向制御回路１３１からの制御信号に基づいて、各アンテナ素子１２１を伝播する信号の位相を演算し、位相指令値φａをデジタル移相器１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃ、１１５Ｄに出力する。

デジタル移相器１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃ、１１５Ｄは、位相指令値φａに基づいて、各アンテナ素子１２１を伝播する信号の位相を、第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４（図５参照）に変更する。

また、複数のアンテナ素子１２１のうち、少なくとも１つ以上のアンテナ素子１２１には固定移相器１２５が接続される。固定移相器１２５は、各アンテナ素子１２１を伝播する信号の位相を、第２位相値Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４（図５参照）に変更する。第２位相値Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４は、デジタル移相器１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃ、１１５Ｄにより離散的に与えられる第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４に対して所定のオフセット位相値φｏｓを加えた位相値である。

ＲＦＩＣ１１０は、例えば、上記回路構成を含む１チップの集積回路部品として形成される。あるいは、ＲＦＩＣ１１０における各アンテナ素子１２１に対応する機器（スイッチ、パワーアンプ、ローノイズアンプ、減衰器、デジタル移相器）については、対応するアンテナ素子１２１ごとに１チップの集積回路部品として形成されてもよい。また、走査制御回路１３０は、ＲＦＩＣ１１０に設けられる構成に限定されず、例えば、ＲＦＩＣ１１０に含まれず、通信装置１０に設けられていても良い。

次に、アンテナアレイ１２０の構成について説明する。図２は、アンテナアレイを示す平面図である。図２に示すように、アンテナアレイ１２０は、複数のアンテナ素子１２１が設けられる基板１２２を有する。基板１２２は、例えばセラミックス多層基板が用いられる。セラミックス多層基板としては、例えば低温同時焼成セラミックス多層基板（ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）多層基板）が用いられる。なお、基板１２２は、エポキシ、ポリイミドなどの樹脂から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板であってもよい。また、基板１２２は、低い誘電率を有する液晶ポリマー（Liquid Crystal Polymer：ＬＣＰ）から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板でもよく、フッ素系樹脂から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板でもよく、ＬＴＣＣよりも高温で焼結されるセラミックス多層基板でもよい。

複数のアンテナ素子１２１は、平面視で、第１方向Ｄｘに配列され、かつ、第２方向Ｄｙに配列される。ここで、第１方向Ｄｘ及び第２方向Ｄｙは、基板１２２の第１主面１２２ａに平行な方向である。例えば第１方向Ｄｘは、基板１２２の一辺に沿った方向である。第２方向Ｄｙは、第１方向Ｄｘと直交する。第３方向Ｄｚは、第１方向Ｄｘ及び第２方向Ｄｙと直交する方向である。つまり、第３方向Ｄｚは、基板１２２の第１主面１２２ａに垂直な方向である。

図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ’断面図である。図３に示すように、基板１２２は、マザー基板１４０と対向して配置される。基板１２２は、端子１４１を介してマザー基板１４０と電気的に接続される。

ＲＦＩＣ１１０は、基板１２２の第２主面１２２ｂに設けられる。複数のアンテナ素子１２１は、基板１２２の第１主面１２２ａ側に設けられる。複数のアンテナ素子１２１は、基板１２２の内層に設けられる。ただし、これに限定されず、複数のアンテナ素子１２１は、基板１２２の表層に設けられ、複数のアンテナ素子１２１を覆って保護層が設けられる構成であってもよい。

複数のアンテナ素子１２１は、それぞれ伝送線路１２３を介してＲＦＩＣ１１０と電気的に接続される。伝送線路１２３は、基板１２２に設けられた配線や、層間に設けられたビアを含み構成される。伝送線路１２３の一端は、アンテナ素子１２１の給電点１２６に接続され、伝送線路１２３の他端は、ＲＦＩＣ１１０の端子１２８に接続される。

固定移相器１２５の第２位相値Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４は、伝送線路１２３の線路長を変更することで調整することができる。例えば、固定移相器１２５が接続されていないアンテナ素子１２１において、伝送線路１２３の線路長を線路長Ｌａとする。また、固定移相器１２５が接続されたアンテナ素子１２１において、伝送線路１２３の線路長を線路長Ｌｂとする。線路長Ｌｂを波長λで規格化した長さと、線路長Ｌａを波長λで規格化した長さとを異なる長さにすることで、固定移相器１２５が構成される。具体的には、固定移相器１２５が例えば４５°の位相差を与える場合において、伝送線路１２３での信号の波長をλεとすると、線路長Ｌａ、Ｌｂは下記の式（１）を満たす。さらに具体的には、例えば真空中の波長が５ｍｍ（周波数が約６０ＧＨｚ）で基板１２２の比誘電率ε＝４のとき、波長λεは、波長λε＝５／√４＝２．５ｍｍである。式（１）に基づいて、線路長Ｌａと線路長Ｌｂとの差は、Ｌａ－Ｌｂ＝２．５ｍｍ×（４５／３６０）＝０．３１２５ｍｍとなる。
Ｌａ－Ｌｂ＝λε×（ｕ＋４５／３６０） … （１）
ただし、ｕは整数である。

図４は、複数のアンテナ素子と固定移相器との接続関係を説明するための説明図である。図４では、説明を分かりやすくするために、第１方向Ｄｘに配列された複数のアンテナ素子１２１について説明する。

図４に示すように、アンテナアレイ１２０において、第１方向Ｄｘに、例えば８個のアンテナ素子１２１ａからアンテナ素子１２１ｈが配列される。なお、以下の説明において、アンテナ素子１２１ａからアンテナ素子１２１ｈを区別して説明する必要がない場合には、単にアンテナ素子１２１と表す。

複数のアンテナ素子１２１のうち、アンテナ中心Ｃｘに対して対称となる位置に配置された２つのアンテナ素子１２１を、それぞれ一対のアンテナ素子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４とする。ここで、アンテナ中心Ｃｘは、第１方向Ｄｘに配列された複数のアンテナ素子１２１のうち、第１方向Ｄｘの一端側に位置するアンテナ素子１２１ａのアンテナ素子中心Ｃａ（図２参照）と、第１方向Ｄｘの他端側に位置するアンテナ素子１２１ｈのアンテナ素子中心Ｃａとを結ぶ仮想線ＬＣｘの中点である。アンテナ素子中心Ｃａは、図２に示すように、各アンテナ素子１２１の平面視での重心位置であり、アンテナ素子１２１が矩形状の場合には、対角線の交点の位置と重なる。

なお、本実施形態において「対称の位置」とは、例えば、アンテナ素子１２１ａのアンテナ素子中心Ｃａと、アンテナ素子１２１ｈのアンテナ素子中心Ｃａとが対称となるように配置されることを示す。ただし、これに限定されず、アンテナ素子１２１ａのアンテナ素子中心Ｃａの対称となる位置が、アンテナ素子１２１ｈのアンテナ素子中心Ｃａとずれた部分のアンテナ素子１２１ｈと重なる場合も含む。

一対のアンテナ素子Ｐ１は、アンテナ素子１２１ａとアンテナ素子１２１ｈとで構成される。一対のアンテナ素子Ｐ２は、アンテナ素子１２１ｂとアンテナ素子１２１ｇとで構成される。一対のアンテナ素子Ｐ３は、アンテナ素子１２１ｃとアンテナ素子１２１ｆとで構成される。一対のアンテナ素子Ｐ４は、アンテナ素子１２１ｄとアンテナ素子１２１ｅとで構成される。

一対のアンテナ素子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４のうち、それぞれ、一方のアンテナ素子１２１ｄ、１２１ｆ、１２１ｇ、１２１ｈに固定移相器１２５が接続される。つまり、一方のアンテナ素子１２１ｄ、１２１ｆ、１２１ｇ、１２１ｈは、固定移相器１２５を介してデジタル移相器１１５に接続される。一対のアンテナ素子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４のうち、それぞれ、他方のアンテナ素子１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｅは、固定移相器１２５を介さずにデジタル移相器１１５に接続される。

次に、図４及び図５を参照して、固定移相器１２５及びデジタル移相器１１５の動作について説明する。図５は、アンテナ素子を伝播する信号に対する位相指令値と、デジタル移相器が与える第１位相値及び固定移相器が与える第２位相値との関係を模式的に示すグラフである。

図５に示すグラフの横軸は、位相指令値φａであり、位相制御回路１３２（図１参照）から出力される指令値である。位相指令値φａは、アンテナアレイ１２０のビーム方向Ｄｂを第３方向Ｄｚに対して角度θ傾ける場合に、各アンテナ素子１２１を伝播する信号の位相を制御する指令値である。図５に示すグラフの縦軸は、各アンテナ素子１２１を伝播する信号の位相φである。各アンテナ素子１２１を伝播する信号が理想位相値φｍと一致する場合、各アンテナ素子１２１を伝播する信号の位相と位相指令値φａとの誤差を抑制できる。

ここで、複数のアンテナ素子１２１のそれぞれの給電点１２６に、同位相の信号が給電されると、アンテナアレイ１２０は、第３方向Ｄｚに指向性を有する。ビーム方向Ｄｂを第３方向Ｄｚに対して角度θ傾ける場合には、各アンテナ素子１２１を伝播する信号の理想位相値φｍは、下記の式（２）で表される。

φｍ＝ｋ×ｍ×ｄ×ｓｉｎθ … （２）
ただし、ｋは自由空間での波数ｋであり、ｋ＝２π／λ（λは、アンテナ素子１２１を伝播する信号の波長）で表される。ｍは、アンテナ素子１２１の素子番号ｍであり、アンテナ素子１２１ａからアンテナ素子１２１ｈが配列される順番にしたがって、ｍ＝１、２、…、８が対応付けられる。ｄは、アンテナ素子間隔ｄである。アンテナ素子間隔ｄは、隣り合うアンテナ素子１２１のアンテナ素子中心Ｃａの間隔である。

以下の説明では、説明を分かりやすくするために、一対のアンテナ素子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４のうち、一対のアンテナ素子Ｐ１（アンテナ素子１２１ａ、１２１ｈ）を伝播する信号について説明する。図５に示す例では、デジタル移相器１１５は、量子化ビットｉが２ビットであり、４つの第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を有する。第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４は、２π／２^ｉごとに離散的に配置される。ただし、ｉは、量子化ビットｉの数であり、図５に示す例では、ｉ＝２である。具体的には、第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４は、それぞれ、０°、９０°、１８０°、２７０°である。なお、量子化ビットｉは、１ビットでもよく、３ビット以上であってもよい。

デジタル移相器１１５は、一対のアンテナ素子Ｐ１のうち、アンテナ素子１２１ａを伝播する信号の位相φを、離散的に配置された第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４のいずれかに変更する。例えば、デジタル移相器１１５は、位相指令値φａが０°以上、９０°よりも小さい場合に、位相φを、第１位相値Ｉ１＝０°に変更する。デジタル移相器１１５は、位相指令値φａが９０°以上、１８０°よりも小さい場合に、位相φを、第１位相値Ｉ２＝９０°に変更する。デジタル移相器１１５は、位相指令値φａが１８０°以上、２７０°よりも小さい場合に、位相φを、第１位相値Ｉ３＝１８０°に変更する。デジタル移相器１１５は、位相指令値φａが２７０°以上、３６０°よりも小さい場合に、位相φを、第１位相値Ｉ４＝２７０°に変更する。

固定移相器１２５は、アンテナ素子１２１ｈを伝播する信号の位相を、第２位相値Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４のいずれかに変更する。第２位相値Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４は、デジタル移相器１１５により離散的に与えられる第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４に対して、それぞれ所定のオフセット位相値φｏｓを加えた位相値である。オフセット位相値φｏｓは、線路長Ｌｂ及び線路長Ｌａをそれぞれ波長λで規格化した長さの差に応じて設定できる。

オフセット位相値φｏｓは、デジタル移相器１１５が有する複数の第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４のうち、隣接する第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４の差の半分の位相値である。図５に示す例では、隣接する第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４の差（離散幅）は９０°であり、オフセット位相値φｏｓは、半分の４５°である。すなわち、第２位相値Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４は、それぞれ、４５°、１３５°、２２５°、３１５°である。

例えば、固定移相器１２５は、位相指令値φａが０°以上、９０°よりも小さい場合に、位相φを、第２位相値Ｊ１＝４５°に変更する。固定移相器１２５は、位相指令値φａが９０°以上、１８０°よりも小さい場合に、位相φを、第２位相値Ｊ２＝１３５°に変更する。固定移相器１２５は、位相指令値φａが１８０°以上、２７０°よりも小さい場合に、位相φを、第２位相値Ｊ３＝２２５°に変更する。固定移相器１２５は、位相指令値φａが２７０°以上、３６０°よりも小さい場合に、位相φを、第２位相値Ｊ４＝３１５°に変更する。

ここで、デジタル移相器１１５により変更された位相φ（第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４）と、理想位相値φｍとの差を第１量子化誤差ＤＥ１とする。また、デジタル移相器１１５及び固定移相器１２５により変更された位相φ（第２位相値Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４）と、理想位相値φｍとの差を第２量子化誤差ＤＥ２とする。

例えば、位相指令値φａが０°の場合には、第１量子化誤差ＤＥ１は０°であり、第２量子化誤差ＤＥ２は４５°となる。つまり、ビーム方向Ｄｂが第３方向Ｄｚ（θ＝０°）に向けられた場合には、固定移相器１２５を設けることで量子化誤差の合計が増大する場合がある。

一方、ビーム方向Ｄｂが第３方向Ｄｚに対して角度θだけ傾けられた場合には、上述した式（２）に基づいて、複数のアンテナ素子１２１ごとに異なる理想位相値φｍとなり、これに応じた位相指令値φａが各アンテナ素子１２１に設定される。

例えば、アンテナ素子１２１ａの位相指令値φａが６０°、アンテナ素子１２１ｈの位相指令値φａが１２０°の場合には、第１量子化誤差ＤＥ１は－６０°であり、第２量子化誤差ＤＥ２は１５°となる。つまり、ビーム方向Ｄｂが第３方向Ｄｚに対して角度θだけ傾けられた場合には、デジタル移相器１１５のみで位相が制御される構成に比べて、一対のアンテナ素子Ｐ１の量子化誤差の平均値が抑制される。なお、図５では、一対のアンテナ素子Ｐ１（アンテナ素子１２１ａ、１２１ｈ）を示しているが、一対のアンテナ素子Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４（アンテナ素子１２１ｂから１２１ｇ）も同様である。

この結果、本実施形態のアンテナモジュール１００及び通信装置１０によれば、アンテナアレイ１２０のビームパターンにおいて、第１量子化誤差ＤＥ１及び第２量子化誤差ＤＥ２に基づくサイドローブの平均値を低減することができる。また、一対のアンテナ素子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４のそれぞれにおいて、アンテナ中心Ｃｘに対して対称となる位置に、固定移相器１２５が接続されたアンテナ素子１２１ｄ、１２１ｆ、１２１ｇ、１２１ｈと、固定移相器１２５が接続されていないアンテナ素子１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｅが設けられる。これにより、効果的に、サイドローブレベルを抑制することができる。

また、固定移相器１２５は、基板１２２に設けられ、アンテナ素子１２１と、ＲＦＩＣ１１０とを電気的に接続する伝送線路１２３により構成される。このため、デジタル移相器１１５に加えアナログ移相器を設けた構成や、デジタル移相器１１５のビット数を増やした場合に比べて、ＲＦＩＣ１１０の回路規模の増大を抑制することができる。

なお、本実施形態の通信装置１０の構成は、適宜変更することができる。例えば、複数のアンテナ素子１２１は、パッチアンテナに限定されず、例えば、平面ホーンアンテナなど他の構成であってもよい。また、アンテナ素子１２１数は、第１方向Ｄｘに９個以上配列されていても良く、７個以下でもよい。

図６は、実施例に係る通信装置における、ビーム方向と相対電力との関係を示すグラフである。図７は、比較例に係る通信装置における、ビーム方向と相対電力との関係を示すグラフである。図６に示す実施例に係る通信装置は、図４に示す例と同様に、アンテナ素子１２１ｄ、１２１ｆ、１２１ｇ、１２１ｈに固定移相器１２５が接続された通信装置１０における、ビームパターンを示す。図７に示す比較例に係る通信装置は、固定移相器１２５が接続されず、全てのアンテナ素子１２１の位相がデジタル移相器１１５により制御される構成を示す。

図６及び図７に示すグラフ１、２は、横軸がビーム方向Ｄｂの角度θｘであり、縦軸が相対電力である。角度θｘは、第３方向Ｄｚに対するメインビームの角度を示す。図６及び図７に示すグラフ１、２は、いずれも、メインビームの角度θｘを、θｘ＝０°、１０°、２０°、３０°、３５°に異ならせた場合のビームパターンを示す。

図６に示すように、実施例において、ビーム方向Ｄｂの角度θｘ＝０°、１０°、２０°、３０°、３５°の近傍で、それぞれメインビームの最大相対電力を示す。また、各ビームパターンにおいて、複数のサイドローブのうち、サイドローブＳＬ０、ＳＬ１０、ＳＬ２０、ＳＬ３０、ＳＬ３５のそれぞれで、サイドローブの最大相対電力を示す。

実施例において、メインビームの角度θｘがθｘ＝０°の場合、メインビームの最大相対電力は、約１７．８ｄＢである。サイドローブＳＬ０の最大相対電力は、約６．１ｄＢである。つまり、サイドローブレベルは、約－１１．７ｄＢ程度である。同様に、θｘ＝１０°の場合、サイドローブレベルは、約－１１．６ｄＢ程度である。θｘ＝２０°の場合、サイドローブレベルは、約－６．１ｄＢ程度である。θｘ＝３０°の場合、サイドローブレベルは、約－１０．３ｄＢ程度である。θｘ＝３５°の場合、サイドローブレベルは、約－１１．６ｄＢ程度である。

図７に示すように、比較例において、メインビームの角度θｘがθｘ＝０°の場合、メインビームの最大相対電力は、約１８．１ｄＢである。サイドローブＳＬ０の最大相対電力は、約５．２ｄＢである。つまり、サイドローブレベルは、約－１２．９ｄＢ程度である。同様に、θｘ＝１０°の場合、サイドローブレベルは、約－６．７ｄＢ程度である。θｘ＝２０°の場合、サイドローブレベルは、約－５．８ｄＢ程度である。θｘ＝３０°の場合、サイドローブレベルは、約－７．０ｄＢ程度である。θｘ＝３５°の場合、サイドローブレベルは、約－６．７ｄＢ程度である。

以上のように、実施例の通信装置は、比較例に比べて、メインビームの角度θｘがθｘ＝０°の場合の最大相対電力はわずかに低下するものの、メインビームの角度θｘが傾いた場合のサイドローブレベルを低減できることが示された。

（第１変形例）
図８は、第１変形例に係る通信装置の構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同じ構成要素には、同じ参照符号を付して、説明を省略する。第１変形例では、上記第１実施形態とは異なり、固定移相器１２５がＲＦＩＣ１１０に設けられた構成について説明する。

図８に示すように、第１変形例の通信装置１０Ａにおいて、固定移相器１２５は、ＲＦＩＣ１１０に設けられる配線により構成される。具体的には、固定移相器１２５は、スイッチ１１１Ｂ、１１１Ｄと、ＲＦＩＣ１１０の端子１２８とを接続する配線により構成される。なお、スイッチ１１１Ａ、１１１Ｃと、ＲＦＩＣ１１０の端子１２８との間には、固定移相器１２５は設けられていない。スイッチ１１１Ｂ、１１１Ｄと、ＲＦＩＣ１１０の端子１２８との間の配線及びスイッチ１１１Ａ、１１１Ｃと、ＲＦＩＣ１１０の端子１２８との間の配線の長さについて、それぞれ波長λで規格化した長さを異ならせることで、固定移相器１２５が構成される。

なお、ＲＦＩＣ１１０において、固定移相器１２５を設ける位置は、これに限定されない。固定移相器１２５は、信号合成／分波器１１６と端子１２８との間の信号経路のうち、任意の箇所に設けることができる。

第１変形例においても、ＲＦＩＣ１１０の配線により固定移相器１２５が構成されるので、ＲＦＩＣ１１０の回路規模の増大を抑制することができる。また、アンテナアレイ１２０に設けられる伝送線路１２３を変更する必要がないので、基板１２２の製造が容易である。

（第２実施形態）
図９は、第２実施形態に係る通信装置の、複数のアンテナ素子と固定移相器との接続関係を説明するための説明図である。第２実施形態では、第１実施形態及び第１変形例とは異なり、第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１又は第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２の一方の複数のアンテナ素子１２１に固定移相器１２５が接続される構成について説明する。

具体的には、図９に示すように、複数のアンテナ素子１２１は、第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１と、第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１とは異なり、第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１に含まれないアンテナ素子１２１から構成される第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２と、を有する。例えば、第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１は、アンテナ素子１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄから構成される。第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２は、アンテナ素子１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、１２１ｈから構成される。

固定移相器１２５は、第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２の複数のアンテナ素子１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、１２１ｈにそれぞれ接続される。第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１は、固定移相器１２５を介さずにデジタル移相器１１５に接続される。なお、これに限定されず、固定移相器１２５が、第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１の複数のアンテナ素子１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄにそれぞれ接続され、第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２が、固定移相器１２５を介さずにデジタル移相器１１５に接続される構成であってもよい。また、第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１及び第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２は、それぞれ任意に選択できる。

第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１にそれぞれ接続されたデジタル移相器１１５は、同じ第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４のいずれかに設定される。つまり、第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１に接続される端子１２８を伝播する信号は、位相差がなく同じ位相値である。

第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２にそれぞれ接続されたデジタル移相器１１５は、同じ第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４のいずれかに設定される。つまり、第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２に接続される端子１２８を伝播する信号は、位相差がなく同じ位相値である。また、第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２の各給電点１２６を伝播する信号は、固定移相器１２５により、第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１の第１位相値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４に対して、オフセット位相値φｏｓの位相差を有する。

第２実施形態の通信装置１０Ｂにおいても、上述した第１実施形態と同様に、第３方向Ｄｚに対して角度θｘ傾いた方向でのサイドローブレベルを抑制することができる。

（第２変形例）
図１０は、第２変形例に係る複数のアンテナ素子と固定移相器との接続関係を説明するための説明図である。第２変形例では、上述した第２実施形態に比べて、第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１及び第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２の配置が異なる構成について説明する。

第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１及び第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２は、任意に選択することができる。例えば、図１０に示すように、第１群の複数のアンテナ素子Ｇ１は、アンテナ素子１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆから構成される。第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２は、アンテナ素子１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｇ、１２１ｈから構成される。固定移相器１２５は、第２群の複数のアンテナ素子Ｇ２の複数のアンテナ素子１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｇ、１２１ｈにそれぞれ接続される。

第２変形例の通信装置１０Ｃでは、アンテナ中心Ｃｘを中心に対称となる位置に配置されたアンテナ素子１２１ａ、１２１ｈに、それぞれ固定移相器１２５が接続される。また、アンテナ素子１２１ｂ、１２１ｇに、それぞれ固定移相器１２５が接続される。一方、アンテナ中心Ｃｘを中心に対称となる位置に配置されたアンテナ素子１２１ｃ、１２１ｆには、固定移相器１２５が接続されない。同様に、アンテナ素子１２１ｄ、１２１ｅには、固定移相器１２５が接続されない。

第２変形例の通信装置１０Ｃでは、上述した第１実施形態、第２実施形態及び第１変形例に比べて、固定移相器１２５の配置の自由度を向上させることができる。なお、第２実施形態及び第２変形例では、上述した第１変形例の構成を適用することができる。

（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態に係る通信装置の、複数のアンテナ素子と固定移相器との接続関係を説明するための平面図である。第３実施形態では、第１実施形態、第２実施形態、第１変形例及び第２変形例とは異なり、第１方向Ｄｘ及び第２方向Ｄｙに配列されたアンテナ素子１２１に固定移相器１２５が接続される構成について説明する。なお、図１１では、固定移相器１２５が接続されたアンテナ素子１２１に斜線を付して示している。

図１１に示すように、複数のアンテナ素子１２１ａ１、１２１ｂ１、１２１ｃ１、１２１ｄ１、１２１ｅ１、１２１ｆ１、１２１ｇ１、１２１ｈ１は、第１方向Ｄｘに配列される。アンテナ素子行１２１Ｓは、第１方向Ｄｘに配列された複数のアンテナ素子１２１から構成される。アンテナ素子行１２１Ｓ－１、１２１Ｓ－２、１２１Ｓ－３、１２１Ｓ－４は、第２方向Ｄｙに配列される。

各アンテナ素子行１２１Ｓにおいて、固定移相器１２５が接続されたアンテナ素子１２１と、固定移相器１２５が接続されないアンテナ素子１２１とが、交互に配置される。また、各アンテナ素子行１２１Ｓにおいて、固定移相器１２５が接続されたアンテナ素子１２１と、固定移相器１２５が接続されないアンテナ素子１２１とが、アンテナ中心Ｃｘを中心に対称となる位置に配置される。

また、複数のアンテナ素子１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ａ３、１２１ａ４は、第２方向Ｄｙに配列される。アンテナ素子列１２１Ｔは、第２方向Ｄｙに配列された複数のアンテナ素子１２１から構成される。アンテナ素子列１２１Ｔ－１、１２１Ｔ－２、１２１Ｔ－３、１２１Ｔ－４、１２１Ｔ－５、１２１Ｔ－６、１２１Ｔ－７、１２１Ｔ－８は、第１方向Ｄｘに配列される。

アンテナ素子列１２１Ｔ－１において、複数のアンテナ素子１２１ａ１、１２１ａ２には固定移相器１２５が接続されず、複数のアンテナ素子１２１ａ３、１２１ａ４に固定移相器１２５が接続される。また、アンテナ素子列１２１Ｔ－２において、複数のアンテナ素子１２１ｂ１、１２１ｂ２に固定移相器１２５が接続されており、複数のアンテナ素子１２１ｂ３、１２１ｂ４には固定移相器１２５が接続されていない。

アンテナ素子列１２１Ｔ－１及びアンテナ素子列１２１Ｔ－２を一組として、固定移相器１２５と各アンテナ素子１２１との接続関係を示す接続パターンが、アンテナ素子列１２１Ｔ－３からアンテナ素子列１２１Ｔ－８に繰り返し配置される。また、各アンテナ素子列１２１Ｔにおいて、固定移相器１２５が接続されたアンテナ素子１２１と、固定移相器１２５が接続されないアンテナ素子１２１とが、アンテナ中心Ｃｙを中心に対称となる位置に配置される。

第１方向Ｄｘ及び第２方向Ｄｙに配列された複数のアンテナ素子１２１の素子番号を、素子番号（ｍ、ｎ）と表す。ｍ（ｍ＝１、２、…、８）は、第１方向Ｄｘに配列されたアンテナ素子１２１の素子番号である。ｎ（ｎ＝１、２、…、４）は、第２方向Ｄｙに配列されたアンテナ素子１２１の素子番号である。

素子番号（ｍ、ｎ）でのアンテナ素子１２１の固定移相器１２５の接続状態又は非接続状態に関する情報ＰＳｍｎは、下記の式（３）で表される。

ＰＳｍｎ＝（Ｓ（ｍ））ＸＯＲ（Ｔ（ｎ）） … （３）
ただし、ＸＯＲは、排他的論理和を表す論理記号である。Ｓ（ｍ）（Ｓ（ｍ）＝０、１）は、第１方向Ｄｘに配列された素子番号ｍのアンテナ素子１２１の、固定移相器１２５の接続状態（Ｓ（ｍ）＝１）又は非接続状態（Ｓ（ｍ）＝０）を表す情報である。Ｔ（ｎ）（Ｔ（ｎ）＝０、１）は、第２方向Ｄｙに配列された素子番号ｎのアンテナ素子１２１の、固定移相器１２５の接続状態（Ｔ（ｎ）＝１）又は非接続状態（Ｔ（ｎ）＝０）を表す情報である。

式（３）に基づいて、ＰＳｍｎ＝１となる素子番号（ｍ、ｎ）のアンテナ素子１２１には、固定移相器１２５が接続される。また、ＰＳｍｎ＝０となる素子番号（ｍ、ｎ）のアンテナ素子１２１には、固定移相器１２５が接続されず、デジタル移相器１１５に電気的に接続される。

これにより、第３実施形態の通信装置１０Ｄでは、ビーム方向Ｄｂが、第３方向Ｄｚに対して、第１方向Ｄｘ及び第２方向Ｄｙに傾いた方向に向けられた場合においても、良好にサイドローブを抑制することができる。

（第４実施形態）
図１２は、第４実施形態に係る通信装置の、固定移相器の移相量と、サイドローブレベルとの関係を示すグラフである。第４実施形態では、上述した各実施形態及び各変形例とは異なり、固定移相器１２５の移相量が４５°以外の場合について説明する。

図１２に示すグラフ３は、横軸が固定移相器１２５の移相量を示し、縦軸がサイドローブレベルを示す。なお、固定移相器１２５の移相量とは、図５に示すオフセット位相値φｏｓに対応する。また、図１２では、０°以上４５°以下の移相量を示し、４５°以上９０°以下の移相量とサイドローブレベルとの関係は省略している。ただし、４５°以上９０°以下の移相量でのサイドローブレベルは、図１２と線対称の関係であり、移相量４５°を通る仮想線を対称軸として、図１２に示すサイドローブレベルを左右反転させたサイドローブレベルとなる。

図１２に示すように、固定移相器１２５の移相量が４５°で最も小さいサイドローブレベルを示す。固定移相器１２５の移相量が４５°からずれた場合であっても、移相量が１５°、３０°でも、サイドローブレベルはわずかに大きくなるのみで、移相量が４５°の場合と実質同じサイドローブレベルを示す。移相量が１５°よりも小さい範囲では、サイドローブレベルが増大する。このように、固定移相器１２５の移相量が１５°以上４５°以下の範囲で、サイドローブレベルを抑制できることが示された。上述したように、グラフ３に示すサイドローブレベルと移相量との関係を、移相量が４５°以上９０°以下の範囲まで拡張させた場合、固定移相器１２５の移相量が１５°以上７５°以下の範囲で、サイドローブレベルを抑制できることが示された。

なお、上記した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 通信装置
１００ アンテナモジュール
１１０ ＲＦＩＣ
１１５、１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃ、１１５Ｄ デジタル移相器
１２０ アンテナアレイ
１２１、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、１２１ｈ アンテナ素子
１２２ 基板
１２３ 伝送線路
１２５ 固定移相器
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 一対のアンテナ素子
Ｇ１ 第１群の複数のアンテナ素子
Ｇ２ 第２群の複数のアンテナ素子
２００ ＢＢＩＣ

Claims (9)

1. デジタル移相器と、前記デジタル移相器に接続される複数のアンテナ素子とを有するアンテナモジュールであって、
   前記複数のアンテナ素子のうち第１方向に配列された複数のアンテナ素子と、
   固定移相器と、を有し、
   前記デジタル移相器は前記第１方向に配列された複数のアンテナ素子を伝播する信号の位相を、離散的に与えられる第１位相値に変更し、
   前記固定移相器は、前記第１方向に配列された複数のアンテナ素子を伝播する信号の位相を、前記第１位相値に対して所定のオフセット位相値を加えて得られる第２位相値に変更し、
   前記第１方向に配列された複数のアンテナ素子のうち、前記第１方向の一端側に位置するアンテナ素子の中心と、前記第１方向の他端側に位置するアンテナ素子の中心とを結ぶ仮想線の中点をアンテナ中心とし、
   前記第１方向に配列された複数のアンテナ素子のうち、前記アンテナ中心に対して対称となる位置に配置された２つのアンテナ素子を一対のアンテナ素子としたとき、
   前記一対のアンテナ素子のうち一方のアンテナ素子に前記固定移相器が電気的に接続される
   アンテナモジュール。
2. 請求項１に記載のアンテナモジュールであって、
   前記一対のアンテナ素子のうち、前記一方のアンテナ素子は、前記固定移相器を介して前記デジタル移相器に電気的に接続され、
   他方のアンテナ素子は、前記固定移相器を介さずに前記デジタル移相器に電気的に接続される
   アンテナモジュール。
3. 請求項１又は請求項２に記載のアンテナモジュールであって、
   前記複数のアンテナ素子は、前記第１方向及び前記第１方向と直交する第２方向に配列されており、
   素子番号（ｍ、ｎ）での前記複数のアンテナ素子の前記固定移相器の接続状態又は非接続状態に関する情報ＰＳｍｎは、下記の式で表される
   ＰＳｍｎ＝（Ｓ（ｍ））ＸＯＲ（Ｔ（ｎ））
   ただし、
   ＸＯＲは、排他的論理和を表す論理記号、
   ｍ（ｍ＝１、２、…）は、前記第１方向に配列されたアンテナ素子の素子番号、
   ｎ（ｎ＝１、２、…）は、前記第２方向に配列されたアンテナ素子の素子番号、
   Ｓ（ｍ）（Ｓ（ｍ）＝０、１）は、前記第１方向に配列された素子番号ｍの前記アンテナ素子と、前記固定移相器との接続状態又は非接続状態を表す情報、
   Ｔ（ｎ）（Ｔ（ｎ）＝０、１）は、前記第２方向に配列された素子番号ｎの前記アンテナ素子と、前記固定移相器との接続状態又は非接続状態を表す情報である
   アンテナモジュール。
4. デジタル移相器と、前記デジタル移相器に接続される複数のアンテナ素子とを有するアンテナモジュールであって、
   前記複数のアンテナ素子と、
   前記複数のアンテナ素子を伝播する信号の位相を、前記デジタル移相器により離散的に与えられる第１位相値に対して所定のオフセット位相値を加えた第２位相値に変更する固定移相器と、を有し、
   前記複数のアンテナ素子は偶数個であり、第１群の複数のアンテナ素子と、前記第１群の複数のアンテナ素子に含まれないアンテナ素子から構成され、前記第１群の複数のアンテナ素子と同数の第２群の複数のアンテナ素子と、を有し、
   前記第１群の複数のアンテナ素子又は前記第２群の複数のアンテナ素子の一方に前記固定移相器が接続される
   アンテナモジュール。
5. 請求項４に記載のアンテナモジュールであって、
   前記第１群の複数のアンテナ素子又は前記第２群の複数のアンテナ素子の一方は、前記固定移相器を介して前記デジタル移相器に接続され、
   前記第１群の複数のアンテナ素子又は前記第２群の複数のアンテナ素子の他方は、前記固定移相器を介さずに前記デジタル移相器に接続される
   アンテナモジュール。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のアンテナモジュールであって、
   前記オフセット位相値は、前記デジタル移相器が有する複数の前記第１位相値のうち、隣接する前記第１位相値の差の半分の位相値である
   アンテナモジュール。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアンテナモジュールであって、
   前記複数のアンテナ素子が設けられる基板と、
   前記基板の一方の面に設けられるＲＦＩＣと、
   前記基板に設けられ、前記複数のアンテナ素子と、前記ＲＦＩＣとを電気的に接続する伝送線路とを有し、
   前記固定移相器は、前記伝送線路により構成される
   アンテナモジュール。
8. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアンテナモジュールであって、
   前記複数のアンテナ素子が設けられる基板と、
   前記基板の一方の面に設けられるＲＦＩＣと、を有し、
   前記固定移相器は、前記ＲＦＩＣに設けられる配線により構成される
   アンテナモジュール。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のアンテナモジュールと、
   前記アンテナモジュールにベースバンド信号を供給するベースバンドＩＣと、を有する
   通信装置。

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