JPH09162799A - 移動通信の基地局アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セクタを縮小しても干渉発生確率が増加せ
ず、しかも少ない放射素子数で、演算量も少なく、迅速
に収斂する。 【解決手段】 セクタ１２の角度１２０°と同一の主ロ
ーブ幅の放射素子１３₁，１３₂ の２個で、幅６０°の
主ビーム２１_i （ｉ＝１，２，３）を形成し、送受信機
１４_i の送信信号を制御部２４_i で２分して主ビーム２
１_i が通信している移動局の方向となるように振幅、位
相を制御して放射素子１３₁ ，１３₂ へ供給する。放射
素子１３₁ ，１３₂ の受信信号を、制御部２５_i で主ビ
ーム方向か移動局方向、最大干渉波到来方向が指向特性
のナル方向になるように、振幅、位相制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は移動通信の基地局
に用いられ、特に基地局のサービス（支配）ゾーン（セ
ル）がセクタ（扇形）であり、アンテナ指向性主ビーム
方向を移動局方向に追尾させるようにした基地局アンテ
ナ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４Ａに従来の基地局アンテナ装置を示
す。この構成は基地局１１の支配セクタ（ゾーン、セ
ル）１２を１個の放射素子１３によりカバーするように
された場合である。つまり放射素子１３の水平面内指向
特性の主ローブ１４の半値幅θ_b基地局１１からその支
配セクタを見た見込み角θ₁ と一致され、かつその主ロ
ーブ１４の方向とセクタ１２の中心方向とが一致され
る。基地局１１はセクタ１２のかなめに位置されている
が、図では説明のためにセクタ１２から離しかつ大きく
示している。基地局１１ではこの例では３つの送受信機
１４₁ ，１４₂ ，１４ ₃ が設けられ、これら送受信機１
４₁ ，１４₂ ，１４₃ はセクタ１２内の異なる移動局
（図示せず）と異なる周波数で送受信することができ
る。通常は送受信機１４₁ ，１４₂ ，１４₃ の使用周波
数は予め決めらている。送受信機１４₁ ，１４₂ ，１４
₃ は分配合成器１５を通じ、更に送受信用各増幅器及び
送受結合器１６を通じて放射素子１３と接続されてい
る。

【０００３】この基地局１１に対し、距離Ｒだけ離れ
て、同一周波数を用いる他の基地局１７が設けられ、こ
れら間で相互に問題になるような干渉が生じることな
く、周波数繰り返し使用により周波数利用効率が高めら
れている。移動局の増加に伴い、１つの基地局で用いら
れている周波数が、使用中で移動局からの受信、移動局
への着信ができなくなる機会が多くなる。この問題を解
決するため、現在の基地局の支配セクタの半径を小とし
て、基地局を新設することが行われている。

【０００４】この場合、全セクタの配置を新たに行い、
基地局間の干渉がないようにすればよいが、この場合は
大部分の基地局の配置も更新する必要があり、膨大な費
用がかかる。よって既存の基地局をそのまま用い、セル
半径を小とし、新たなセクタを設けること、つまり図４
Ａにおいて同一周波数の基地局間の距離を例えば０．７
５Ｒに短縮して新たなセクタの基地局１８を設けること
が望まれている。

【０００５】図４Ａに示した従来の基地局アンテナ装置
では、その支配セクタ１２の全域に対して、その基地局
の使用中の周波数の電波が通信可能な電力で放射され、
つまりセクタ１２内の通信している移動局が存在してい
る方向と異なる方向に対しても一様に電波が放射されて
いる。このため基地局間距離を例えば０．７５Ｒに短縮
して基地局の数を増加すると、移動通信システム全体と
しては加入者容量が約１．７５倍になるが、信号対干渉
比（ＳＩＲ）が、一定のＳＩＲ以下になる確率が増加す
る。即ち図４Ｂの横軸はＳＩＲ値、縦軸はそのＳＩＲ値
以下になる確率、点線が基地局間の距離Ｒ、実線が基地
局間距離が０．７５Ｒ、セクタ角、つまり主ローブ半値
幅が１２０°の場合のＳＩＲ特性である。例えばＳＩＲ
が１０ｄＢ以下になる確率は、基地局間距離がＲの場合
は約０．１であるが、基地局間距離が０．７５Ｒになる
と約０．２と高くなり、つまり干渉が発生し易くなる。

【０００６】この問題を解決するため次のことが考えら
れる。つまり図５Ａに示すように８個の放射素子１３₁
〜１３₈ が設けられ、一方、送受信機１４₁₁，１４₁₂，
１４ ₁₃，１４₂₁，１４₂₂，１４₂₃，…，１４₈₁，１
４₈₂，１４₈₃が設けられ、これらは予め決められた異な
る周波数を使用し、これら送受信機は分配合成器１５に
より、各送信信号は合成されて８つに分配され、また８
つの受信信号は各送受信機に対しその周波数信号が分配
される。分配合成器１５よりの８本の送信信号線及び８
本の受信信号線はそれぞれ送、受信増幅器１６を通じ、
更にマルチビーム形成手段１９に接続され、マルチビー
ム形成手段１９は放射素子１３₁ 〜１３₈ に接続され、
全体としてのアンテナ指向特性が１２０°の角度範囲を
半値幅１５°の８つのビーム２１₁ 〜２１₈ によりカバ
ーされ、つまりマルチビームとされ、かつその各１つの
ビーム２１_i （ｉ＝１，２，…，８）に、３組の送受信
機１４ _i1，１４_i2，１４_i3が固定的に割当てられ、つま
り送受信機１４_i1，１４_i2，１４_i3が送受する電波はビ
ーム２１_i のみを通じて行われる。つまりセクタ１２が
基地局１１から見て１５°づつのサブセクタに分割さ
れ、例えばビーム２１_i がカバーするサブセクタに存在
する移動局は送受信機１４_i1，１４_i2，１４_i3の何れか
と通信する。

【０００７】このような構成ではセクタ１２の半径を
０．７５に縮小した時のＳＩＲ特性は図５Ｂに示すよう
に縮小前と同一となり、つまり干渉となる確率が増加す
ることはない。点線（基準値）は、図４Ａに示した半値
幅が１２０°の１放射素子を用い、基地局間距離がＲの
場合におけるＳＩＲ特性、つまり図４Ｂ中の点線（基準
値）と同一の特性である。以下のＳＩＲ特性においても
同様である。

【０００８】図６Ａに示すように図６Ｂ中の分配合成器
１５の代りにスイッチマトリックス２２を設け、送受信
機１４₁₁，１４₁₂，１４₁₃，…，１４₈₁，１４₈₂，１４
₈₃に対する各送受信電波がそれぞれビーム２１₁ 〜２１
₈ の何れでも行うことができるようにスイッチマトリッ
クス２２で切り替えることができるようにされる。従っ
て移動局の移動に従って、これと通信している送受信機
１４_ij（ｊ＝１，２，３）の送受信電波のビームを例え
ば２１₁ ，２１₂ ，２１₃ ，…と順次切り替えることが
でき、つまり移動局の移動に従ってこれとの通信に利用
しているビームを追尾させることができる。この場合
も、セクタの縮小による干渉確率の増加はない。

【０００９】更に図６Ｂに示すように図５Ｂ中のマルチ
ビーム形成手段１９が省略され、各送受信機１４_i （例
えば１４₁ ）内で送信信号を８つに分配し、その各振
幅、位相をアダプティブ制御部２４_i で制御して放射素
子１３₁ 〜１３₈ へ供給し、半値幅１５°のビーム２１
_i を１２０°セクタ１２の何れの方向へも向けて送信さ
れ、かつ放射素子１３₁ 〜１３₈ よりの送受信機１４_ij
の受信周波数信号に対してアダプティブ制御部２５_i で
振幅、位相を制御して合成し前記送信信号が送出された
ビームと同一方向のビームからの受信波が受信されるよ
うにする。この場合はアダプティブ制御部２４_i ，２５
_i を制御して、主ビーム２１_i の方向を図３Ｄに示すよ
うにセクタ１２の範囲内で偏向でき、よって送受信機１
４_i と通信している移動局の方向に送受信ビームを連続
的に追尾させることができる。各移動局に対し、つまり
各送受信機１４_i ごとにその送受信電波のビーム２１_i
をそれぞれ別個に通信している移動局の方向に連続的に
追尾させることができる。

【００１０】図６Ａ，Ｂに示した何れの場合も、セクタ
を縮小した時に、干渉する確率が増加することはない。
しかも図６Ｂに示したアンテナ装置においてはビームを
移動局の方向に向けると共に、指向特性のナル（ｎｕｌ
ｌ）方向が、干渉波の到来方向となるように放射素子１
３₁ 〜１３₈ の各信号の各振幅、位相を制御することに
より、干渉波の抑圧が可能である。このような追尾及び
干渉波ナル制御はいわゆるアダプティブアレーアンテナ
と呼ばれている。なお制御部２５_i で主ビーム２１_i が
送受信機１４_i と通信している移動局の方向に向き、か
つ最大の干渉波到来方向がナルとなるように主ビーム２
１_i の指向特性を制御し、その制御パラメータ値を、制
御部２４_i の対応制御パラメータの値に用いればよい。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、図
４Ａに示したように簡単な構成の場合は、セクタを縮小
すると干渉が生じる確率が高くなる問題があり、一方、
図５、６に示したマルチビームアレーにすると放射素子
数が多くなり、屋内の送受信装置とアンテナ鉄塔上の放
射素子とを接続するケーブルの数も放射素子数だけ必要
であり、設備費、設置性、重量、鉄塔強度などの各種の
面で問題になる。

【００１２】図６Ｂに示したアダプティブ制御により干
渉波を抑圧すると、干渉特性がよくなるが、特に市街地
での移動通信では多数の反射波が生じ、多くの干渉波が
存在する。一方アダプティブアレイ制御により抑圧でき
る干渉波の数は放射素子数ｎより１つ少い数である。従
って前記干渉波が多い状況下では最低でも４素子以上は
必要とし、例えば１干渉波しか抑圧できない２放射素子
アレーによるアダプティブ制御は実質的効果が期待でき
ないと云われていた。アダプティブアレーアンテナが基
地局アンテナ装置として有効に作用するには多くの放射
素子を必要とし、素子数の増加と共にアダプティブ制御
部２４_i ，２５_i に対する制御量の演算量が急激に増大
し、かつこれら制御部２４_i ，２５_i の規模も大きくな
るという問題があった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれば
２個の放射素子からなり、これら２個の放射素子の指向
特性はほぼ同一で主ローブの半値幅は共に約θ°であ
り、両放射素子の総合指向特性の主ビームの半値幅は約
θ°／２であり、この主ビームの指向方向をθ°以内で
ほぼ連続的に変化させ、通信中の移動局の方向に向ける
ことが可能とされている。

【００１４】請求項２の発明によれば４個の放射素子か
らなり、これらの指向特性はほぼ同一で主ローブの半値
幅はほぼθ°であり、２個づつ放射素子は互いに並列に
接続され、これら４放射素子の総合指向特性の主ビーム
の半値幅は約θ°／４でありこの主ビームの指向方向を
θ°以内でほぼ連続的に変化させ、通信中の移動局の方
向に向けることが可能とされている。

【００１５】請求項３の発明では請求項１又は２の発明
において、上記総合指向特性のナル方向を干渉波到来方
向に制御する手段が設けられている。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１Ａに請求項１の発明の実施例
を示し、図６Ｂと対応する部分に同一符号を付けてあ
る。この実施例では２つの放射素子１３₁ ，１３₂ が設
けられ、これら両素子１３₁ ，１３₂ はほぼ同一のもの
であり、その各水平面内の指向特性の主ローブの半値幅
θ°は、例えば約１２０°であり、これら主ローブはほ
ぼ同一方向を向き、両放射素子１３₁ ，１３₂ の水平面
内総合指向特性の主ビーム２１の半値幅は約θ°／２、
この例では約６０°である。放射素子１３₁ ，１３₂ は
増幅、送受結合器１６でそれぞれ送信信号と受信信号と
に分離され、分配合成器１５において、各送受信機１４
₁ ，１４₂ ，１４₃ の互いに周波数を異にする送信信号
の同一放射素子１３₁ ，１３₂ へ供給するものが合成さ
れ、放射素子１３₁，１３₂ の各受信信号中の各送受信
機１４₁ ，１４₂ ，１４₃ に対するものが分離されて送
受信機１４₁ ，１４₂ ，１４₃ へそれぞれ供給される。

【００１７】送受信機１４_i では送信信号を放射素子１
３₁ ，１３₂ 用に２分し、それぞれの振幅、位相をアダ
プティブ制御部２４_i で制御して分配合成器１５を通じ
て放射素子１３₁ ，１３₂ へ供給し、その送信周波数ｆ
_i の主ビーム２１_i の方向が制御される。同様にアダプ
ティブ制御部２５_i で放射素子１３₁ ，１３₂ より送受
信機１４_i に対する受信信号の振幅、位相が制御されて
送信用主ビーム２１_iと同一の受信用ビーム２１_i が形
成される。この場合、アダプティブ制御部２４ _i ，２５
_i で最も大きい干渉波の到来方向が、総合指向特性でナ
ルになるように適応的に制御される。この制御の手法は
従来の手法と同一の手法で行えばよい。

【００１８】主ビーム２１_i は図３Ａに示すようにセク
タ１２の角度１２０°にわたってほぼ連続的に変化させ
ることができる。送受信機１４₁ ，１４₂ ，１４₃ とそ
れぞれ通信している各移動局に対し、その使用周波帯の
主ビーム２１₁ ，２１₂ ，２１₃ を対応移動局に向け、
その方向を移動局の移動に応じてほぼ連続的に移動させ
ることができ、その各状況下でその都度、その時の最も
大きな干渉波に対し、感度ナルとすることができる。主
ビーム２１_i を移動局の方向に追尾させるには例えば主
ビーム２１_i を周期的にわずかずつ左右にふり、その
時、受信出力の大きい方に主ビーム２１_i の方向を向け
るように制御すればよい。

【００１９】この場合においてセクタ１２の径を０．７
５Ｒに縮小した場合と縮小前の信号対干渉波比（ＳＩ
Ｒ）特性を図１Ｂ、Ｃに示す。図１Ｂは、最も大きな干
渉波の到来方向をナルとした場合であり、図１Ｃは干渉
波到来方向をナルにする適応制御をしない場合である。
実線は基地局間距離がＲ、点線は基地局間距離が０．７
５Ｒの場合である。図１Ｂの場合はセル縮小により干渉
が生じる確率が小さくなっており、図１Ｃの場合は、セ
ル縮小によりＳＩＲ特性は縮小前と同一である。

【００２０】次に請求項２の発明の実施例を図２Ａに示
し、図１Ａと対応する部分に同一符号を付けてある。こ
の例では４つの放射素子１３₁ 〜１３₄ が用いられ、こ
れらの各放射素子の水平指向特性はほぼ同一であり、そ
の主ローブの半値幅θ°はセクタ１２の角度と等しく、
この例ではほぼ１２０°とされており、水平総合指向特
性の主ビームの半値幅は約θ°／４、この例では約３０
°とされ、更に各２つの放射素子１３₁ と１３₂ 、１３
₃ と１３₄ はそれぞれ互いに並列に接続されている。分
配合成器１５と放射素子１３₁ 〜１３₄ との接続は、図
１Ａにおける放射素子１３₁ の代りに並列接続の放射素
子１３₁ と１３₂ を、放射素子１３₂ の代りに並列接続
の放射素子１３₃ と１３₄ をそれぞれ用いた状態とされ
る。従って主ビーム２１_i が図１Ａの２分の１となった
点が図１Ａと異なり、その他の構成は同一である。各送
受信機１４₁ 〜１４₃ ごとにその対応主ビーム２１_i を
図３Ｂに示すようにθ°（＝１２０°）にわたってほぼ
連続的に変化させることができる。

【００２１】この場合のＳＩＲ特性は図２Ｂに示すよう
に、基地局間距離を０．６５Ｒであり、図１Ｂの場合よ
り大きく縮小したにも拘わらず、縮小前に対する改善効
果が図１Ａに示した場合よりも良くなっている。上述に
おいてセクタ１２の角度が例えば６０°であれば、図１
Ａ、図２Ａにおいて各放射素子として、水平指向特性の
主ローブ半値幅が６０°のものを用いればよい。このよ
うに６０°にすることは反射板の形状に角度をもたせて
容易に行える。これを図１Ａに適用した場合は主ビーム
２１_i は図３Ｃに示すように３０°となり、これを６０
°のセクタ１２の範囲にわたって指向方向をほぼ連続的
に変化させることが可能となる。この場合のＳＩＲ特性
の改善は図２Ｂとほぼ同一になった。図２Ａにおいてセ
クタ１２の角度を６０°にすると、主ビーム２１_iの幅
は１５°になる。上述の実施例では送受信機１４_i の数
を３としたがこの数に限られるものでない。セクタ１２
の角度が例えば１００°であれば図３Ａ、Ｂにおいて主
ビーム２１_i をその１００°の範囲内で方向を変更させ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように請求項１の発明では放
射素子は２個のみであり、請求項２の発明では放射素子
は４個であるが、２つずつ並列給電されているため、給
電線の接続は２系統で済み、何れの場合も構成が頗る簡
単であり、かつ主ビームの方向制御のための演算量が少
なく高速に行うことができ、移動局の移動に対する追従
を迅速に行うことができる。

【００２３】また制御信号が２系統に過ぎないため、干
渉波抑圧のためのナル方向の制御のための演算量が著し
く少なくて済み、高速に収束し、干渉波の変化に対し
て、迅速に追従させることができる。この場合１つの干
渉波に対する抑圧しかできないが、図１Ｂ、図２Ｂに示
すようにセクタを縮小した場合に、従来より返ってＳＩ
Ｒ特性がよくなる。図１Ｃに示したように干渉波に対し
ナル制御を行わなくても、セクタ縮小でＳＩＲ特性の劣
化はない。従って、この発明はセクタ縮小に有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａは請求項１の発明の実施例を示すブロック
図、Ｂ、Ｃはそのセクタ縮小前後のＳＩＲ特性を示す図
である。

【図２】Ａは請求項２の発明の実施例を示すブロック
図、Ｂはそのセクタ縮小前後のＳＩＲ特性を示す図であ
る。

【図３】Ａ、Ｂはそれぞれ図１Ａ、図２Ａの各実施例に
おける主ビームとその方向変更範囲を示す図、Ｃは図１
Ａにおいてセクタ１２を６０°とし、主ビーム２１_i を
３０°とした場合の主ビーム２１_i の方向変更範囲を示
す図、Ｄは図６Ｂのアンテナ装置の主ビーム２１_i の方
向変更範囲を示す図である。

【図４】Ａは従来のアンテナ装置を示すブロック図、Ｂ
はそのセクタ縮小前後のＳＩＲ特性を示す図である。

【図５】Ａは従来のマルチビームアレーアンテナ装置を
示すブロック図、Ｂはそのセクタ縮小前後のＳＩＲ特性
を示す図である。

【図６】Ａは従来のマルチビームアレーアンテナ装置の
他の構成を示すブロック図、Ｂは従来のアダプティブア
レーアンテナ装置を示すブロック図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２個の放射素子からなり、これら２個の
   放射素子の指向特性の主ローブの半値幅は共にθ°であ
   り、 上記両放射素子の総合指向特性の主ビームの半値幅はほ
   ぼθ°／２であり、 上記主ビームの指向方向を上記θ°以内でほぼ連続的に
   変化させる手段が設けられ、通信中の移動局の方向は上
   記主ビームの方向を追尾させることができるようにされ
   ていることを特徴とする移動通信の基地局アンテナ装
   置。
2. 【請求項２】 ４個の放射素子からなり、これらの指向
   特性はほぼ同一で主ローブの半値幅はほぼθ°であり、
   ２個づつ放射素子は互いに並列に接続され、これら４放
   射素子の総合指向特性の主ビームの半値幅は約θ°／４
   でありこの主ビームの指向方向をθ°以内でほぼ連続的
   に変化させ、通信中の移動局の方向に向けることが可能
   とされている移動通信の基地局アンテナ装置。
3. 【請求項３】 上記主ビームを干渉波の到来方向に対し
   て、指向特性感度がほぼゼロになるようにアダプティブ
   に制御する手段を有することを特徴とする請求項１又２
   記載の移動通信の基地局アンテナ装置。