JPH04227132A

JPH04227132A - フェイズドアレイフィードを備えた角度ダイバーシティアンテナ

Info

Publication number: JPH04227132A
Application number: JP3222932A
Authority: JP
Inventors: Udo H Bode; ウード・ハー・ボーデ
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel Lucent NV
Priority date: 1990-09-07
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1992-08-17
Also published as: EP0480157A1; MX9100961A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般にマイクロ波通信シ
ステム、特に大気状態における変化に対応したアンテナ
主ビーム角度を変化するフェイズドアレイフィードを使
用する角度ダイバーシティアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波周波数における伝送は天候の
影響、特に雨の影響を非常に受易く、これは各雨の滴が
それ自身小さいアンテナとして作用し、マイクロ波エネ
ルギを吸収または偏向して目的地に到達させないためで
ある。大気を通過したときに、電波は２つの基本的な機
構：吸収および散乱によって減衰される。主として酸素
および水蒸気による吸収は、酸素および水蒸気が酸素お
よび水蒸気の共振周波数で最も激しいマイクロ波エネル
ギを吸収する結果である。ほとんど全てが濃縮された水
蒸気（例えば雨の滴）のためである散乱は結果的に電波
を偏向させ、したがって結果的に異なる方向に最初に伝
送された角度以外の角度で無線を伝播させる。

【０００３】さらに視線アンテナを使用するこれらのシ
ステム、すなわち計算された大気屈折量の電磁波伝播路
を使用したアンテナに依存する通信システムにおいて、
太陽放射のような大気妨害のために、送信された信号は
異なる時間に異なって屈折される。伝播路の屈折は非常
に大きいため、アンテナは互いを“見る”ことができな
い。したがって、マイクロ波通信システムに対する天候
の影響はシステムの信頼性を低下させるほど深刻になる
。

【０００４】マイクロ波通信システムの信頼性を高める
種々の方法が知られているが、３つの最も実際的なもの
は周波数ダイバーシティ、空間ダイバーシティおよび最
近の角度ダイバーシティシステムである。３つの方法は
それぞれ変化している大気状態の影響に対して保護を行
うために１つ以上の変形を使用する。

【０００５】周波数ダイバーシティシステムにおいて、
マイクロ波信号はシステムが信号が予め定められたレベ
ルより下にフェイディングするか、或は減衰されたこと
を検出したときにある周波数チャンネルから別のものに
切替えられる。大気の影響が周波数依存性であるため、
周波数チャンネルのスイッチングは大気妨害を最小にす
るために効果的に使用されることができる。しかしなが
ら、周波数ダイバーシティシステムによる方法はシステ
ムの帯域幅が２倍にされることを要求し、したがって周
波数密集領域においてそれを使用不能にする。

【０００６】空間ダイバーシティシステムは２つの別々
の受信機アンテナを使用し、各アンテナは他方から物理
的に隔離されている。両アンテナが大気の影響によるフ
ェイディングによって同時に影響を与えられることはな
い。したがって、マイクロ波信号は１つのアンテナ位置
において他方より大きくフェイディングの影響を受ける
。したがって、通信システムは最高の入力信号を有する
受信機アンテナにスイッチングすることによってさらに
信頼性の高いものにされることができる。これは共通の
方法であるが、マイクロ波通信タワーの費用を増大させ
、必要なアンテナ数を倍にする。

【０００７】角度ダイバーシティシステムは、入射した
入来マイクロ波信号の角度が大気状態で変化する、すな
わち電波は大気の物理的特性における不規則性および不
連続性によって偏向され、最初に伝送されたものと異な
る曲線で伝播される。現在の角度ダイバーシティシステ
ムは２つの垂直に間隔を隔てられた開口を持つフィード
を有するアンテナを使用し、開口の１つはアンテナの焦
点に配置され、他方は焦点からずれて第１の開口に関し
てある角度に向けて配置される。使用される開口のタイ
プは通常オープンエンド導波管タイプである。２つの垂
直に間隔を隔てられた開口を持つフィードを有するこの
アンテナタイプは伝送中に影響を与えられないマイクロ
波信号だけでなく、第２の非焦点開口まで屈折されるマ
イクロ波信号を受信することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このア
ンテナタイプは２つの欠点を有する。第１に、開口の寸
法のために開口の近さが制限される。したがって、開口
間の角度は最適にまで減少されることができない。第２
に、アンテナディッシュしたがって無線信号伝送路中に
配置されたハードウェアの量が実効的に２倍になるため
、無線信号伝送の大きい妨害が行われ、アンテナ利得の
低下および放射線パターンの劣化を発生させる。高いア
ンテナ利得および高い指向性放射パターンは信頼性の高
い通信システムにとって重大である。

【０００９】本発明は、マイクロ波通信システムの大気
変化を克服する伝統的な装置の使用に伴う制限を克服す
るように設計されており、したがって大気状態の変化に
対応したアンテナ主ビーム角度を変化するフェイズドア
レイフィードを使用する新しいアンテナを意図するもの
である。

【００１０】本発明の目的は、大気状態の変化に対応し
てアンテナ主ビーム角を変化するフェイズドアレイフィ
ードを有する無線信号を受信および送信するマイクロ波
アンテナを提供することである。

【００１１】本発明の別の目的は、各群が互いに少しず
れた主ビーム角を有する２つ以上の放射素子群を備えた
フェイズドアレイフィードを有するアンテナを提供する
ことである。本発明のさらに別の目的は、最も強い信号
を受信する放射素子の群に切替える信号強度検出器およ
び制御ユニットを有するアンテナを提供することである
。

【００１２】

【課題解決のための手段】本発明は角度ダイバーシティ
アンテナ、すなわち同じ反射器から少し異なった角度で
主ビームを生成することができるマイクロ波通信システ
ムにおけるアンテナを含み、この場合のアンテナはフェ
イズドアレイフィードを使用する。複数の放射素子から
成るフェイズドアレイフィードは、最も強いＲＦ信号を
受信するように放射パターンまたはアンテナビームを電
気的に変化させる。大気状態の変化の影響を受け易い電
波は、太陽放射またはその他の大気変化によって時々屈
折され、したがって結果的に最初に伝送されたものとは
異なる仰角における電波になる。フェイズドアレイフィ
ードはこのような大気影響を電子的に補償する。

【００１３】１実施例において、本発明は２つ以上の群
のフェイズドアレイ放射素子の使用を意図しており、各
群は少し異なった主ビーム角度を有している。この実施
例において、１つの群の素子はアンテナ反射器の焦点に
あり、大気中の妨害が存在しないか、小さいときに無線
信号を送信および受信する対応した主ビーム角度を有す
る。放射素子の残りの群は反射器焦点からずれて配置さ
れ、第１の放射素子群から少しオフセットされている主
ビーム角度を有する。

【００１４】容量性プローブのような信号強度検出器は
受信された信号の強度を検出するために使用される。ピ
ンダイオードスイッチのようなスイッチのシステムは最
も強い信号を受信する素子の群に受信機を切替えるため
に使用される。フェイズドアレイ中の放射素子は互いに
非常に近接して位置されることができるため、角度的な
オフセットは最小にされ、それによって角度的フレキシ
ビリティを最大にすることができる。さらにフェイズド
アレイフィードは２つの通常の導波管フィードより小さ
いため、伝送信号の妨害は少ない。

【００１５】別の実施例では単一の群の放射素子が使用
され、この群は反射器の焦点から少しずれて位置されて
いる。フィード自身内または反射器の背後に取付けられ
る位相シフタは、最も高いパワーレベルでマイクロ波信
号を受信する方向にアンテナビームをシフトするために
使用される。この実施例におけるフェイズドアレイフィ
ードは第１の実施例におけるよりもかなり小さく、妨害
をさらに減少する。

【００１６】別の第２の実施例において、マイクロ波信
号上で予め定められたまたは手動で調節可能な位相シフ
トを誘起させる遅延ラインは、最大信号強度の方向に主
ビームをシフトするためにマイクロ波信号の伝送路に接
続するように、またはそれから遮断するように切替えら
れる。

【００１７】

【実施例】図１は本発明のフェイズドアレイフィードを
備えた角度ダイバーシティアンテナの第１の実施例を示
す。第１の実施例の角度ダイバーシティアンテナ１０は
一部分がパラボラに成形された反射器１６の焦点中に、
一部分がそれからずれて配置されたフェイズドアレイフ
ィード１２を含む。同じ原理はオフセットフィードされ
るカセグレン式のアンテナに対して使用されることに留
意すべきである。角度ダイバーシティアンテナシステム
１０はさらに通常同軸ケーブルまたは導波管である伝送
ライン１８、ＲＦカップラ２０、ＲＦ信号強度検出器２
２および信号強度制御ユニット２４を含む。信号強度制
御ユニット２４は制御ケーブル２６によってフェイズド
アレイフィード１２に接続される。

【００１８】図２を参照すると、第１の実施例のフェイ
ズドアレイフィード１４の正面図が示されている。フェ
イズドアレイフィード１４は実質的に平坦な形状であり
、２つの群の放射素子すなわち第１のボアサイト群２８
および第２のオフセット群３０を含む。付加的な放射素
子群は角度的なフレキシビリティを最大にするために付
加的なアレイフィード１２に付加されることに留意すべ
きである。各群２８，３０は４つの放射素子を含み、ボアサイト群
２８は放射素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃおよび３２ｄを
含み、オフセット群は放射素子３２ｅおよび３２ｆを含
み、放射素子３２ｃおよび３２ｄをボアサイト群２８と
共有する。各群中の４つの放射素子は一例として使用さ
れ、異なる数の素子が使用され、フィード１２は依然と
して適切に機能する。フェイズドアレイフィード１２の
放射素子は、導波管放射器から構成されてもよいが、印
刷回路板（ＰＣＢ）上に印刷されたマイクロストリップ
から構成されることが好ましい。さらに、放射素子はヒ
化ガリウム（ＧａＡｓ）、或はもしスイッチと組合せら
れるならば類似した技術を使用して製造されてもよい。

【００１９】ボアサイト群２８の放射素子３２ａ，３２
ｂ，３２ｃおよび３２ｄはアンテナ焦点１４を中心にし
て対称的に配置されている。他方、オフセット群３０の
放射素子３２ｃ，３２ｄ，３２ｅおよび３２ｆはアンテ
ナ焦点１４からずらされている。

【００２０】図３を参照すると、本発明のフェイズドア
レイフィード１２を有する角度ダイバーシティアンテナ
１０のブロック図が示されている。フェイズドアレイフ
ィード１２は上記に論じられたように放射素子２８，３
０の２つの群を具備し、さらに複数のマイクロ波スイッ
チを含んでいる。各放射素子３２ａ，３２ｂ，３２ｅお
よび３２ｆに対して対応したマイクロ波スイッチ３６ａ
，３６ｂ，３６ｅおよび３６ｆが接続されている。例え
ばＰＩＮダイオードスイッチでもよいマイクロ波スイッ
チは信号強度制御ユニット２４によって制御ケーブル２
６を介して制御される。送信または受信されたＲＦ信号
はＲＦ伝送ライン１８によってフェイズドアレイフィー
ド１２との間で伝送される。

【００２１】角度ダイバーシティアンテナ１０は、アン
テナシステムが別の通信システムからマイクロ波信号を
受信する“受信”モード；およびアンテナシステムが別
の通信システムにマイクロ波信号を送信する“送信”モ
ードの２つのモードで動作することができる。簡明にす
るために、本発明は受信モードだけで論じられているが
、システムは実質的に同様にして送信モードで動作する
。

【００２２】本発明の角度ダイバーシティアンテナシス
テム１０の第１の実施例は以下のように動作する。最初
に図４を参照すると、大気状態による影響を受けたマイ
クロ波信号は矢印３８によって示されたような波頭方向
を有する。マイクロ波信号は反射器１６からずらされて
、ボアサイト群２８が配置された（図２参照）反射器１
６の焦点１４に反射される。焦点１４における信号は、
焦点１４におけるマイクロ波信号の受信のために位相整
列された放射素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃおよび３２ｄ
によって受信される。図３から理解できるように、ＲＦ
伝送ライン１８を介して受信／送信機２１に伝送される
マイクロ波信号はＲＦカップラ２０によりずらされて結
合された後、信号強度検出器２２によって検出される。信号強度検出器２２が予め定められたレベルより下の信
号強度を感知した場合、信号強度制御ユニット２４はオ
フセット群３０が付勢されるようにスイッチ３６ａ，３
６ｂ，３６ｅおよび３６ｆを取付ける（ｔｏｇｇｌｅ）
。

【００２３】図５を参照すると、大気状態によって屈折
されるマイクロ波信号は矢印４０によって示されるよう
な波頭方向を有する。マイクロ波信号は反射器１６から
ずらされて焦点１４からずらされた点４２に反射される
。オフセット群３０の放射素子３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ
，３２ｆは点４２における無線信号の受信のために位相
整列されている。

【００２４】マイクロ波信号の屈折の程度は信号が最も
強いアンテナフィード１２上の点で決定するが、屈折の
量はほぼ計算可能である。オフセット群に対する整列の
点は最適なシステムの信頼性に関して選択される。

【００２５】種々の構成の角度ダイバーシティアンテナ
１０が使用されてもよい。すなわちマイクロ波スイッチ
３６ａ，３６ｂ，３６ｅおよび３６ｆ、ＲＦカップラ２
０、信号強度検出器２２等は他の方法で反射器１６の背
後に、或は反対にフィード１２の直ぐ後ろに取付けられ
てもよい。

【００２６】以上、本発明の角度ダイバーシティアンテ
ナの第１の実施例は、大気状態の変化に対応して最も強
い無線信号の受信のためにアンテナ発射角度を切替える
ことによって視線通信システムに対して信頼性を提供す
る。第２の好ましい実施例

【００２７】図６は本発明のフェイズドアレイフィード
を備えた角度ダイバーシティアンテナを示す。簡明にす
るために、第１およきび第２の実施例の同一素子は付加
的な下付きの数字２を付された同じ符号により示されて
いる。角度ダイバーシティアンテナ１２２　は反射器１
６２　の焦点１４２から少しずらされて取付けられてい
る。第１の実施例におけるように、角度ダイバーシティ
アンテナ１０２　はまた伝送ライン１８２　、ＲＦカッ
プラ２０２　、ＲＦ信号強度検出器２２２　および信号
強度制御ユニット２４２　を含む。図６においてこれら
の素子はフィード１２内に取付けられているものとして
示されていない。

【００２８】図７は第２の実施例のフェイズドアレイフ
ィード１２２　の正面図を示す。第１の実施例のように
、フェイズドアレイフィード１２２は実質的に平坦な形
状であるが、放射素子３２ａ２　，３２ｂ２　，３２ｃ
２　および３２ｄ２　の単一の群を含む。４つの放射素
子は一例として使用されるが、その他の数の放射素子が
フィードにおいて使用されてもよく、フィードは依然と
して適切に機能する。

【００２９】図８はフェイズドアレイフィード１２２　
を有する角度ダイバーシティアンテナ１０のブロック図
を示す。２つの放射素子３２ａ２　，３２ｂ２　，３２
ｃ２　および３２ｄ２　はそれぞれ対応した可調節位相
シフタ４２ａ２　，４２ｂ２　，４２ｃ２　および４２
ｄ２　に接続される。電圧または電流制御される、すな
わちＲＦ信号に与えられる位相シフトの量が位相シフタ
の入力にに電位または電流を与えることによって遠隔制
御される位相シフタ４２ａ２　，４２ｂ２　，４２ｃ２
　および４２ｄ２　は、最大信号入力が受信されるよう
にアンテナ主ビーム角度を電子的にシフトするために使
用される。

【００３０】図９において、別の第２の実施例のブロッ
ク図が示されている。放射素子３２ａ２　，３２ｂ２　
，３２ｃ２　および３２ｄ２　はそれぞれマイクロ波ス
イッチング対４４ａ２　，４４ｂ２　，４４ｃ２　およ
び４４ｄ２　に接続されている。制御ケーブル２６２　
を介して制御される各マイクロ波スイッチング対４４ａ
２　，４４ｂ２　，４４ｃ２　および４４ｄ２　は２つ
の通路間においてマイクロ波信号のスイッチングを行い
、第１の通路はスイッチ間に相互接続された素子を持た
ず、したがって無視できる位相シフトを生成し、第２の
通路は各スイッチ対４４ａ２　，４４ｂ２　，４４ｃ２
　および４４ｄ２　間にそれぞれ相互接続された遅延ラ
イン４６ａ２　，４６ｂ２　，４６ｃ２　および４６ｄ
２　を有する。固定されたまたは可調節位相シフトをＲ
Ｆ信号に誘導する装置である遅延ライン４６ａ２，４６
ｂ２　，４６ｃ２　および４６ｄ２　は最適なシステム
信頼性のために計算された整列点に対して調整される。異なる量の位相シフトをＲＦ信号にそれぞれ誘導する付
加的な伝送路は各放射素子に対して与えられ、それによ
ってアンテナシステムの角度的なフレキシビリティを高
めてもよい。

【００３１】第１の実施例のように、ＲＦ信号強度検出
器２２２　はカップラ２０２　によって伝送ライン１８
２　からずらされて結合されたＲＦ信号の強度を検出す
る。しかし、この実施例において信号強度が予め定めら
れた値より下である場合、信号強度制御ユニット２４２
　は制御ケーブル２６２　を介して位相シフタ４２ａ２
　，４２ｂ２　，４２ｃ２　および４２ｄ２　、または
その代りとしてマイクロ波スイッチング対４４ａ２　，
４４ｂ２　，４４ｃ２　および４４ｄ２　に制御信号を
送信し、それによってアンテナ主ビーム角を変化する。

【００３２】上記のＲＦ素子は、それぞれ図１および図
３に示されているように反射器１６の背後にずらされて
取付けられるか、或は図６、図８および図９に示される
ようにフィード１２内に直接取付けられる。さらに、Ｒ
Ｆ乃至ＩＦ変換器を含んでいてもよいＲＦ素子は１つ以
上の基体に放射素子と共に集積されてもよい。

【００３３】したがって、アンテナ反射器の焦点からず
らされたフェイズドアレイフィードを使用する角度ダイ
バーシティアンテナは大気状態の変化に対応してアンテ
ナ発射角度を変化するために使用されてもよい。この結
果、最大の角度的フレキシビリティおよび最小の伝送妨
害を有するアンテナになる。結果的なアンテナは、高い
信頼性の通信システムにとって重要である高い利得およ
び高い指向性の放射パターンを有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】２つの放射素子群を含むフェイズドアレイフィ
ードを具備した角度ダイバーシティアンテナを示す本発
明の第１の実施例を示す図。

【図２】２つの放射素子群を示す第１の実施例のフェイ
ズドアレイフィードの正面図。

【図３】本発明の第１の実施例のブロック図。

【図４】アンテナが屈折されてない信号を受信する第１
の実施例のフェイズドアレイフィードを有する角度ダイ
バーシティアンテナの図。

【図５】屈折された信号を受信する角度ダイバーシティ
アンテナの図。

【図６】反射器の焦点から少しずれて位置された放射素
子の単一群のフェイズドアレイフィードを備えた角度ダ
イバーシティアンテナを示す本発明の第２の実施例を示
す図。

【図７】第２の実施例のフェイズドアレイフィードの正
面図。

【図８】本発明の第２の実施例のブロック図。

【図９】本発明の別の第２の実施例のブロック図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　アンテナリフレクタとの間においてＲ
Ｆ信号を放射し、受信する角度ダイバーシティアンテナ
フィードにおいて、複数の主ビーム角度の１つでＲＦ信
号を選択的に放射し受信し、フェイズドアレイに構成さ
れている複数の放射素子を備えた手段と、受信されたＲ
Ｆ信号の信号強度を検出し、それに応答して出力を供給
する手段と、前記主ビーム角度を変化させる前記放射手
段および前記信号強度検出手段の出力に接続された手段
とを具備し、それによって、前記主ビーム角度変化手段
は前記信号強度検出手段が予め定められたレベルより下
の信号強度を検出したときに前記主ビーム角度を変化さ
せることを特徴とする角度ダイバーシティアンテナフィ
ード。
【請求項２】　　前記放射手段は少なくとも２つの群の
放射素子を含み、前記群はそれぞれ異なる主ビーム角度
で放射し、受信するために配置され整列されている請求
項１記載の角度ダイバーシティアンテナフィード。
【請求項３】　　前記主ビーム角度変化手段は、前記放
射素子の群の間でスイッチングするスイッチを含む請求
項２記載の角度ダイバーシティアンテナフィード。
【請求項４】　　前記スイッチはＰＩＮダイオードスイ
ッチである請求項３記載の角度ダイバーシティアンテナ
フィード。
【請求項５】　　前記スイッチは前記フィード内に取付
けられている請求項４記載の角度ダイバーシティアンテ
ナフィード。
【請求項６】　　前記信号強度検出手段は容量性プロー
ブを具備している請求項２記載の角度ダイバーシティア
ンテナフィード。
【請求項７】　　前記放射素子はマイクロストリップか
ら構成されている請求項２記載の角度ダイバーシティア
ンテナフィード。
【請求項８】　　前記２つの群の放射素子はそれぞれ４
つの放射素子を含む請求項２記載の角度ダイバーシティ
アンテナフィード。
【請求項９】　　前記群はそれぞれ少なくとも１つの放
射素子を別の群と共有する請求項８記載の角度ダイバー
シティアンテナフィード。
【請求項１０】　　前記群の１つは反射器の焦点に位置
され、前記１つの群は予め定められた主ビーム角度でＲ
Ｆ信号を放射し受信するために整列されている請求項２
記載の角度ダイバーシティアンテナフィード。
【請求項１１】　　残りの群はそれぞれ焦点に位置され
た前記群の主ビーム角度から変位された主ビーム角度で
受信し放射するために配置され整列されている請求項１
０記載の角度ダイバーシティアンテナフィード。
【請求項１２】　　前記放射手段は放射素子の１つの群
を含み、前記１つの群は前記反射器の焦点からずれて配
置されている請求項１記載の角度ダイバーシティアンテ
ナフィード。
【請求項１３】　　前記主ビーム角度変化手段は前記放
射素子に接続された可変的な位相シフタを具備している
請求項１２記載の角度ダイバーシティアンテナフィード
。
【請求項１４】　　前記放射素子は導波管反射器である
請求項１２記載の角度ダイバーシティアンテナフィード
。
【請求項１５】　　前記主ビーム角度変化手段は複数の
スイッチ対および複数の遅延ラインを具備し、前記スイ
ッチ対および前記遅延ラインは前記放射素子に接続され
ている請求項１２記載の角度ダイバーシティアンテナフ
ィード。
【請求項１６】　　前記スイッチ対および各遅延ライン
は放射素子に対応している請求項１５記載の角度ダイバ
ーシティアンテナフィード。
【請求項１７】　　各スイッチ対および対応した遅延ラ
インはＲＦ信号用の第１および第２の伝送路を限定し、
前記第１の伝送路はＲＦ信号に無視できる程度の位相シ
フトを生じさせるだけであり、前記第２の伝送路はＲＦ
信号上で必要な量の位相シフトを生じさせる請求項１６
記載の角度ダイバーシティアンテナフィード。
【請求項１８】　　遅延ラインは前記第２の伝送路にあ
る請求項１７記載の角度ダイバーシティアンテナフィー
ド。