CN117296208A - 阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，提供一种兼顾低成本和水平波束成形性能的最佳化的阵列天线。阵列天线具有多个元件，经由元件收发电波。阵列天线具有电波控制部。电波控制部在多个元件中发出振幅或相位互不相同的电波，由此，至少在第一方向上使电波的收发方向倾斜。阵列天线具有在与第一方向大致正交的第二方向上以规定间隔d1排列两个以上的N个元件的多个元件列。元件列构成为子阵列。元件在第一方向上以规定间隔d2排列而形成元件行，元件列被配置为与在第二方向上相邻的元件或元件列在第一方向上偏移大致d2/2。

Description

阵列天线

技术领域

本发明涉及具有多个元件，经由元件收发电波的阵列天线。

背景技术

以往，在便携终端等的基站中，由波束宽度为90度左右、120度左右的扇形波束呈广角地进行了区域形成。另一方面，在5G中，为了改善区域质量，有时要求将波束宽度为20度以下等的较细的高增益波束转向成广角，同时满足高增益和广角区域形成。图21表示基站5、中继装置6的结构例。波束#6、波束#2从基站5指向便携终端701、702。另一方面，波束经由中继装置6指向位于建筑物等里面的便携终端703。

为了其实现，在移动通信中，正在进行基于多个设备的数字波束成形、基于波束成形IC的与模拟波束成形对应的高功能天线的开发。

作为使波束成形的性能最大化的阵列天线的排列，已知图23所记载那样的三角排列(专利文献1的段落0002以及图27等)。该排列通过以适当的元件间隔且自由地设定每个元件的供电条件，能够得到最佳的波束成形性能。

对于所配置的全部天线元件，在振幅、相位可变，即能够自由调整的情况下，若考虑旁瓣特性等，则对于增益、波束转向的角度范围而言，优选将天线的配置设为“三角排列”。例如，在专利文献2中记载了在正三角排列的平面阵列的情况下，无论组合哪个方向的2个元件天线，2元件部分阵列的元件天线的间隔d都相同(段落0064)。

以下，有时将相控阵天线、波束成形天线简称为阵列天线或天线。另外，有时将天线元件简称为元件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2021-027465号公报

专利文献2：日本特开2020-198576号公报

发明内容

发明要解决的课题

首先，对三角排列和正方排列的不同进行说明。

图22表示正方排列的阵列天线的结构例，图23表示三角排列的阵列天线的结构例。

在图23所示的三角排列中，由于相邻的元件的行沿水平方向偏移d/2的量，因此水平方向元件间隔视为与d/2的元件间隔等价。由此，与正方排列相比，水平方向的波束成形的性能提高。

特别是，在转向成广角时，能够抑制旁瓣，即栅瓣的上升。

这样，在三角排列，特别是正三角形排列中，在各元件的振幅、相位可变的情况下，能够对每个元件设定自由的振幅、相位条件，理论上，能够得到最佳的波束成形性能。

但是，为了实现全部元件可变，需要对每个元件自由设定供电条件，因此，例如如图24所示，需要对每个元件100设置振幅相位调整部10等，准备与全部元件100对应的数量的无线设备、波束成形IC等振幅相位调整部10。

例如，在28GHz频带等的mmWAVE中被利用的模拟波束成形中BFIC(beam formingIC，波束成形IC)的数量最大，在Sub6等中被利用的数字波束成形中收发器的数量分别为最大，成本的增大、消耗电力的增大、与此相伴的发热等成为问题。

因此，研究为了削减成本而进行子阵列化来减少IC、收发器的数量。

图25表示所考虑的结构例。在元件列110内，实线内的两个元件100以固定的振幅差、相位差来进行设计。此外，实线表示子阵列等元件的组合、分组。另外，以下的说明也包含在内，并非对全部元件标明实线。即，未标明实线的元件也同样由两个元件100等分组。

如图25所示，在由同一列的相邻元件100进行了子阵列化的情况下，对于水平方向的波束转向，可得到与各元件的振幅、相位可变的情况同等的性能。

但是，垂直方向、即子阵列内的元件100的间隔为2×d，在施加了垂直倾斜、即垂直方向的波束成形的情况下，将引起旁瓣上升等劣化。

图26表示考虑的其他结构例。在元件列110内，实线内的两个元件100以相同的振幅、相位被控制。

在本结构中，对于垂直方向，元件间隔返回到d，垂直倾斜得到改善。另一方面，对于水平方向，元件间隔为d，因此，对于水平转向，得不到d/2的相位、振幅的自由度。

在为了削减成本而减少IC、收发器的数量从而将元件子阵列化时，如上所述，波束成形性能劣化。

要求解决这样的问题，在移动通信基站波束成形天线中对性价比进行最优化。

另外，从发送EIRP的增强、接收***的低噪声化等收发的通信质量的提高的观点出发，优选天线增益高，但在想要确保波束成形时的性能的情况下，需要缩小天线元件间隔，天线开口变小，增益下降。

在以低成本化为目的进行子阵列化为前提的情况下，需要研究在将水平侧的波束转向角度范围保持为广角的同时提高阵列增益，即高效率化的配置。

特别是，要求一种具有子阵列前提的阵列配置的阵列天线，该阵列天线无论数字、模拟如何都会实现对移动通信用波束成形天线要求的、基于子阵列化的无线设备和BFIC的数量减少、水平方向波束转向角度范围的广角化、高阵列增益化。

因此，本发明的目的在于，提供一种兼顾低成本、水平波束成形性能的最佳化的阵列天线。

另外，本发明的目的在于，提供一种同时对低成本、水平波束成形性能的最佳化、和天线高增益化这3个满足条件的阵列天线。

并且，本发明的目的在于，提供一种阵列天线，在满足上述目的的同时，无论频率如何，例如在考虑了当前的移动通信中的应用的情况下，在SUB6、mmWAVE中都能够应用。

用于解决课题的手段

在移动通信中，水平方向的波束成形优先，因此，期望能够维持水平的波束成形性能的排列方法。在移动通信用基站天线中的波束成形中，与垂直侧波束倾斜相比，对于水平侧的波束转向角度范围，大多要求广角。

因此，在减少无线设备、波束成形IC的数量的情况下，将垂直侧的天线元件作为2元件以上的子阵列进行子阵列化，与全部元件可变的情况一样地维持水平方向的波束转向角度范围，由此，优先提高水平方向的波束成形性能并且实现低成本化。

本发明的一实施方式中的阵列天线具有多个元件，经由元件收发电波，该阵列天线具有：电波控制部，其在多个元件中发出振幅或相位互不相同的电波，由此至少在第一方向上使电波的收发方向倾斜，该阵列天线具有多个元件列，该元件列在与第一方向大致正交的第二方向上以规定间隔d1排列2个以上的N个元件，元件列构成为子阵列，在第一方向上以规定间隔d2排列元件而形成元件行，元件列被配置为与在第二方向上相邻的元件或元件列在第一方向上偏移大致d2/2。

本发明的一实施方式中的阵列天线，在上述阵列天线中，位于最外侧的元件行的元件列具有比位于最外侧的元件行以外的元件行的元件列多的元件。

本发明的一实施方式中的阵列天线，在上述阵列天线中，相对于规定的中心位置位于外侧的元件行的元件列所具有位于中心位置侧的元件行的元件列具有的元件以上的数量的元件。

本发明的一实施方式中的阵列天线，在上述阵列天线中，在第一方向上在最外侧具有阵列组，阵列组在第一方向上具有多列元件列。

本发明的一实施方式中的阵列天线，在上述阵列天线中，也可以是，在第一方向上在外侧具有多个阵列组，阵列组在第一方向上具有多列元件列，在第一方向上，外侧的阵列组具有内侧的阵列组所具有的列以上的数量的元件列。

本发明的一实施方式中的阵列天线，在上述阵列天线中，其特征在于，最少的元件列具有一个元件。

本发明的一实施方式中的阵列天线，在上述阵列天线中，相对于收发的电磁波的波长λ，d2为大致λ/2，d1为0.5λ以上。

本发明的一实施方式中的阵列天线，在上述阵列天线中，阵列天线是便携终端的基站天线或者中继天线，第一方向为大致水平方向。

发明效果

将垂直侧的天线元件作为2元件以上的子阵列进行子阵列化，与全部元件可变的情况一样地维持水平方向的波束转向角度范围，由此，在优先提高水平方向的波束成形性能的同时实现低成本化。

附图说明

图1表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图2表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图3表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图4表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图5表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图6表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图7表示本发明的一实施例与正方排列的比较。

图8表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图9表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图10表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图11表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图12表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图13表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图14表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图15表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图16表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图17表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图18表示本发明的实施例的比较例。

图19表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图20表示本发明的一实施例中的阵列天线的结构例。

图21表示本发明的一实施例中的基站和中继装置的结构例。

图22表示阵列天线的结构例。

图23表示阵列天线的结构例。

图24表示阵列天线的结构例。

图25表示阵列天线的结构例。

图26表示阵列天线的结构例。

具体实施方式

图1及图4表示本发明的一实施例中的阵列天线1的结构例。

阵列天线1具有多个元件100，经由元件100收发电波，在图中的垂直方向上具有子阵列110。

如图1所示，具有多个在与第一方向x大致正交的第二方向y上以规定间隔d1排列2个以上的N个元件100的元件列110。

在本实施例中，例如两个元件100A形成一个元件列110A。

元件100在第一方向x上以规定间隔d2排列而形成元件行120。

另外，元件列被配置为与在第二方向y上相邻的元件100或元件列110在第一方向上偏移大致d2/2。此外，该偏移在图中记载为δ。

在本实施例中，一个元件列110具有两个元件100，但也可以是如图2所示那样一个元件列110A具有三个元件列100A等、一个元件列110具有三个元件100的结构。此外，也可以是如图3所示那样一个元件列110A具有四个元件列100A等、一个元件列110具有四个元件100的结构。

此外，图的实线表示元件列的分组，以固定的振幅差、相位差来进行设计。另外，需要注意的是，以下也包含在内，并非如图3那样对全部元件表示分组这一点、以及未必图示全部元件这一点。

如图4所示，各元件100按元件列110与相同的振幅相位调整部10连接，振幅相位调整部10与电波控制部2连接。例如，元件列110A的两个元件100A与一个振幅相位调整部10连接。

并且，电波控制部2按元件列控制振幅、相位，在多个元件100中发出振幅或相位互不相同的电波，由此，至少在第一方向上使电波的收发方向倾斜。

在本实施例中，按元件列110与相同的振幅相位调整部10连接，但也可以如图5所示，将振幅相位调整部10分为调整振幅的放大器11以及调整相位的移相器12而构成，按元件列110与相同的放大器11以及移相器12连接。

或者，也可以如图6所示，设为按元件列110设置子阵列控制部20，并且子阵列控制部20具有放大器21及移相器22的结构。

元件列110是子阵列。即，相同的元件列110内的元件100被同一振幅相位调整部10控制。

在一实施例中，相对于发送或接收的电磁波的波长λ，d2能够大致为λ/2，d1能够为0.5λ以上。

根据本结构，能够高效地向水平方向倾斜，并且通过调整d1的值来实现最佳的增益。即，通过尽可能扩大d1的值，能够提高阵列增益，并且通过基于偏差δ的元件间隔的伪降低化，还能够维持水平方向波束转向的广角角度范围。

在一实施例中，为便携终端的基站天线或中继天线，第一方向为大致水平方向。

如图21所示，基站5具有本阵列天线1作为基站天线。另外，中继装置6具有本阵列天线1作为中继天线。

在这些实施例中，在垂直方向上以元件间隔d1进行了子阵列化的阵列天线在水平方向上以元件间隔d2进行配置，下一行的垂直方向子阵列组以偏差量δ＝d2/2在水平方向上偏差地排列。

在该结构中，在水平方向上以d2/2的间隔构成阵列天线列。由此，能够以d2/2的间隔设定水平方向元件间的相位差，因此，抑制栅瓣的产生。

另外，对于垂直方向，通过子阵列化，波束倾斜的性能受到限制，但通过2元件子阵列间隔d1，能够在某种程度上灵活地调整。

在本实施例中，在水平方向上偏差，但在垂直倾斜侧需要广角的转向的情况下，也可以旋转90度。即，也可以是第一方向x为水平方向，第二方向y为垂直方向的结构。

或者，第一方向x也可以是要求最广角的倾斜的方向。并且，也可以在将第一方向x设为要求最广角的倾斜的方向的基础上，将第二方向y设为在与第一方向x正交的方向中接下来要求广角的倾斜的方向。

图7是将本实施例与正方排列进行比较的图，表示水平转向角度θ与天线增益G的关系。本实施例的值作为例1用实线表示，制法排列的值用虚线表示。

相对于子阵列组沿水平方向偏差d2/2地进行排列。

由于能够以d2/2间隔设定水平方向的相位差，因此灰度波瓣的产生得以抑制，防止了增益降低。

在转向角度为60°等水平方向的广角转向中，与正方排列的情况相比，本实施例的增益改善约1dB左右。

另外，转向角度为0度的最大增益与60°的天线增益之差为3dB以内，基于转向的天线增益的降低也被抑制得较小。

这样，即使对于子阵列结构时，在水平方向的广角转向时也有效，另一方面，对于天线的最大增益，与正方排列的情况相比，也能够大致同等地维持。

在以上的结构中，通过设为以子阵列为单位的三角排列，实现水平波束成形性能的最佳化和低成本化的兼顾。

特别是在以子阵列化为前提的波束成形天线中，兼顾广角转向和高增益性能。通过减少IC、收发器的数量，也有助于低成本化。另外，不论SUB6、mmWAVE，任何频率都能够应用。

特别是，大幅改善波束成形天线的子阵列化时的特性。

但是，由阵列天线得到的天线增益与天线开口、即、阵列天线的面积成比例。

如果考虑波束转向时的性能，特别是旁瓣的上升，则元件间隔越窄越好。但是，若元件间隔窄，则在相同的元件数的情况下，天线开口变小，因此，增益降低。即，为了提高天线增益，需要扩大天线开口。

通过使垂直方向的子阵列内的、最外的子阵列等外部的子阵列的元件数比中央侧的子阵列有所增加，水平转向时的性能与上述的实施例同等，并且能够与开口增加相应地提高天线增益。以下，对这样的结构进行说明。

图8表示本发明的一实施例中的阵列天线1的结构例。

在本实施例中，位于最外侧的元件行120的元件列110具有比位于最外侧的元件行以外的元件行120的元件列110多的元件100。例如，位于最外侧的元件行120的元件列110A具有3个元件100A。

在本结构中，位于最外侧的元件行120的元件列110具有三个元件100，位于最外侧的元件行以外的元件行120的元件列110具有两个元件100。

位于最外侧的元件行120的元件列110也可以是如图9所示那样具有4个元件100的结构。或者，如图10所示，也可以是具有5个元件100的结构。

通过与求出的天线增益匹配地设定位于最外侧的元件行120的元件列110具有的元件数，能够实现最佳的天线增益。

图11表示本发明的一实施例中的阵列天线1的结构例。

在本实施例中，相对于规定的中心位置位于外侧的元件行120的元件列110具有位于中心位置侧的元件行120的元件列110所具有的元件100以上的数量的元件100。在本实施例中，中心位置是元件100的排列的中心，例如水平方向x、垂直方向y的各自位于最外的元件100的中间的位置，中心位置只是排列的中心位置，但根据天线的性能等，也可以不一定是中心。

在本实施例中，相对于规定的中心位置位于最外侧的元件行120的元件列110具有三个元件100，相对于规定的中心位置位于接下来的外侧的元件行120的元件列110具有两个元件100，位于比其更靠内侧的元件行120的元件列110具有一个元件100。此外，在本例的内侧的元件行120中，振幅相位调整部10仅连接一个元件，但在这样的结构中，视为一个元件形成为一个元件列。

如图12所示的例子那样，也可以是如下结构：相对于规定的中心位置位于最外侧的元件行120的元件列110具有4个元件100，相对于规定的中心位置位于接下来的外侧的元件行120的元件列110具有2个元件100，位于比其更靠内侧的元件行120的元件列110具有1个元件100。

或者，如图13所示，也可以是如下结构：相对于规定的中心位置位于最外侧的元件行120的元件列110具有4个元件100，相对于规定的中心位置位于接下来的外侧的元件行120的元件列110具有3个元件100，位于比其更靠内侧的元件行120的元件列110具有2个元件100。

如这些例子那样，在元件列120具有的元件数从中心位置侧朝向外侧平滑地增加的情况下，换言之，在元件数以几个阶段增加的结构中，也容易进行用于旁瓣抑制的振幅比的调整。即，在以阵列天线整体来看的情况下，与在最外侧的元件行中元件数急剧增加的情况相比，能够设为振幅平滑地变化的结构，能够抑制旁瓣。

如图14所示的例子那样，也可以是如下结构：相对于规定的中心位置位于最外侧的元件行120的元件列110具有3个元件100，相对于规定的中心位置位于接下来的外侧的元件行120的元件列110具有3个元件100，位于比其更靠内侧的元件行120的元件列110具有2个元件100。

或者，如图15所示，也可以为如下结构：相对于规定的中心位置位于最外侧的元件行120的元件列110具有3个元件100，相对于规定的中心位置位于接下来的外侧的元件行120的元件列110具有3个元件100，位于比其更靠内侧的元件行120的元件列110具有1个元件100。

或者，如图16所示，也可以为如下结构：相对于规定的中心位置位于最外侧的3行的元件行120中的元件列110具有2个元件100，位于比其靠内侧的元件行120的元件列110具有1个元件100。

在这些结构中，也能够更有效地抑制旁瓣。

图18是如图8所记载那样的位于最外侧的元件行120的元件列110具有3个元件100，以位于最外侧的元件行以外的元件行120的元件列110具有2个元件100的例子为例2，以上述的元件列110具有2个元件100的例子为例1，并对两者进行比较的图，表示水平转向角度θ与天线增益G的关系。例1的值由实线表示，例2的值由单点划线表示。

在例2中，与开口扩大的量相应地，在转向角度范围中，与例1相比得到约1dB左右的增益提高。

这样，能够维持水平转向的性能，并且兼顾增益提高。

图17表示本发明的一实施例中的阵列天线1的结构例。

在第一方向x上在最外侧具有阵列组150，阵列组150在第一方向x上具有多列元件列110。

如图17所示，阵列组150A具有2个元件列110，各元件列具有3个元件100A。在第一方向x及第二方向y上位于最外侧的其他阵列组150B、150G、150H也一样。另外，关于在第一方向x及第二方向y上位于最外侧的阵列组中的、在第二方向y上位于最外侧以外的阵列组150C、150D、150E、150F，阵列组150A具有两个元件列110，各元件列具有两个元件100。

阵列组构成为子阵列，以相同的振幅、相位被控制。在本实施例中，1个阵列组与同一振幅相位调整部10连接，但只要以相同的振幅、相位被控制，则也可以是其他结构。

在本实施例中，对于想要得到转向性能的水平方向的最外的子阵列，也增加元件数。在本实施例中，增加了一个元件，即相应地增加了一个元件列。

这样，开口扩大，相应地增益提高。

本结构在不增加BFIC、收发器数量而想要进一步得到天线增益的情况下有效。

如图18所示，也可以是阵列组150具有3个元件列110的结构。

图19表示本发明的一实施例中的阵列天线1的结构例。

阵列天线1在第一方向x上在外侧具有多个阵列组150、151。在本实施例中，具有阵列组150A、150B、150C、150D、150E、150F、150G、150H、151A、151B、151C、151D、151E、151F、151G、151H共计16个阵列组。

阵列组150在第一方向x上具有多列元件列110。例如，阵列组10A具有三个元件列110A。并且，元件列110A分别具有四个元件100A。

在第一方向上，外侧的阵列组150A～150H具有内侧的阵列组151A～151H具有的列以上的数量的元件列。在本实施例中，外侧的阵列组150A～150H具有3个元件列110，内侧的阵列组151A～151H具有2个元件列110。

如本结构那样，在阵列组具有的元件列的数量在水平方向上也以几个阶段增加的情况下，特别是在水平方向上也能够更有效地抑制旁瓣。

在以上的实施例中，能够实现同时满足将水平波束成形性能的最佳化、低成本化、高增益化相结合的3个课题的阵列天线。

如在以上的各实施例中说明的那样，研究子阵列中的排列，提高水平方向的波束转向时的增益。在外侧和中央侧改变子阵列的元件数，由此，提高天线增益。通过子阵列化，能够减少IC、收发器数，实现低成本化。

以上的实施例均与SUB6/mmWAVE无关，只要是波束成形天线就能够应用。

并且，在以子阵列化为前提的天线阵列中，能够维持水平方向波束转向的广角角度范围，并且实现高效率化、即阵列增益的提高。

本发明并不限定于以上的实施例，当然在不脱离本发明的主旨的范围内包含各种实施例。

例如，代替平面天线而设置在曲面上的天线也是有效的。

另外，也能够应用5G以外的标准。

附图标记说明

1 阵列天线

2 电波控制部

5 基站

6 中继装置

701、702、703 便携终端

10 振幅相位调整部

11、21 放大器

12、22 移相器

20 子阵列控制部

100、100A 元件

110、110A 元件列

120 元件行

150、150A、150B、150C、150D、150E、150F、150G、150H、151、151A、151B、151C、151D、151E、151F、151G、151H 阵列组。

Claims (8)

1.一种阵列天线，具有多个元件，经由所述元件收发电波，其特征在于，

所述阵列天线具有：电波控制部，其通过在所述多个元件中发出振幅或相位互不相同的电波，由此至少在第一方向上使电波的收发方向倾斜，

所述阵列天线具有多个元件列，所述元件列在与所述第一方向大致正交的第二方向上以规定间隔d1排列2个以上的N个所述元件，所述元件列构成为子阵列，

所述元件在所述第一方向上以规定间隔d2排列而形成元件行，

所述元件列被配置为与在所述第二方向上相邻的所述元件或所述元件列在第一方向上偏移大致d2/2。

2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，

位于最外侧的所述元件行的所述元件列具有比位于最外侧的所述元件行以外的所述元件行的所述元件列多的所述元件。

3.根据权利要求1或2所述的阵列天线，其特征在于，

相对于规定的中心位置位于外侧的所述元件行的所述元件列具有位于中心位置侧的所述元件行的所述元件列所具有的所述元件以上的数量的所述元件。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的阵列天线，其特征在于，

在所述第一方向上在最外侧具有所述阵列组，所述阵列组在所述第一方向上具有多列所述元件列。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的阵列天线，其特征在于，

在所述第一方向上在外侧具有多个所述阵列组，所述阵列组在所述第一方向上具有多列所述元件列，

在所述第一方向上，外侧的所述阵列组具有内侧的所述阵列组所具有的列以上的数量的所述元件列。

6.根据权利要求4或5所述的阵列天线，其特征在于，

最少的所述元件列具有一个所述元件。

7.根据权利要求1或6所述的阵列天线，其特征在于，

相对于收发的电磁波的波长λ，所述d2为大致λ/2，所述d1为0.5λ以上。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的阵列天线，其特征在于，

所述阵列天线是便携终端的基站天线或中继天线，所述第一方向是大致水平方向。