JP2006109351A - アダプティブアレーアンテナ - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化を可能とすると共にアレーアンテナ素子個々の指向性のバラツキを防止でき、かつ校正用アンテナを配置したことによる悪影響を防止する。
【解決手段】アレーアンテナ素子111〜11nからなる空中線部11、復調回路121〜12nからなる高周波部12、復調信号に基づいて指向性を制御するベースバンド部13を備えている。ベースバンド部13のアダプティブプロセッサ17は、上記復調信号及び合成回路16の出力信号から重み付け回路151〜15nの重み係数を設定し、干渉波を抑圧する放射指向性を形成する。そして、空中線部11の両側部にダミー素子31a〜31c、32a〜32cを配置し、その1つを校正用アンテナとして利用する。校正ユニット22は上記校正用アンテナの受信信号に基づいて高周波部12の振幅、位相特性を取得してアダプティブプロセッサ17に入力し、重み係数を補正して干渉波抑圧能力の劣化を防止する。
【選択図】 図1
【解決手段】アレーアンテナ素子111〜11nからなる空中線部11、復調回路121〜12nからなる高周波部12、復調信号に基づいて指向性を制御するベースバンド部13を備えている。ベースバンド部13のアダプティブプロセッサ17は、上記復調信号及び合成回路16の出力信号から重み付け回路151〜15nの重み係数を設定し、干渉波を抑圧する放射指向性を形成する。そして、空中線部11の両側部にダミー素子31a〜31c、32a〜32cを配置し、その1つを校正用アンテナとして利用する。校正ユニット22は上記校正用アンテナの受信信号に基づいて高周波部12の振幅、位相特性を取得してアダプティブプロセッサ17に入力し、重み係数を補正して干渉波抑圧能力の劣化を防止する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、校正用アンテナを備え、指向性を制御して干渉波を抑圧するアダプティブアレーアンテナに関する。
近年の無線通信、とりわけ携帯電話に代表される移動通信の発展には目覚しいものがあり、従来の音声のみならずデータ伝送をも含めた高速デジタル通信システムが実用化されてきている。
一般にデジタル通信システムでは、反射、回折、散乱等の複数電波が干渉して発生するマルチパスフェージングにより、符号誤り率特性が劣化する。更に、第4世代携帯電話や高速無線LANといった高速デジタル通信システムでは、信号の周波数が広帯域となるため、複数の電波に伝搬遅延時間差が生じると信号の周波数成分が部分的に減衰する周波数選択性フェージングが発生し、符号誤り率特性は一層劣化する。そのためこれらの高速デジタル通信システムでは、様々な方向から到来する干渉波を抑圧する技術が不可欠となる。
一般にデジタル通信システムでは、反射、回折、散乱等の複数電波が干渉して発生するマルチパスフェージングにより、符号誤り率特性が劣化する。更に、第4世代携帯電話や高速無線LANといった高速デジタル通信システムでは、信号の周波数が広帯域となるため、複数の電波に伝搬遅延時間差が生じると信号の周波数成分が部分的に減衰する周波数選択性フェージングが発生し、符号誤り率特性は一層劣化する。そのためこれらの高速デジタル通信システムでは、様々な方向から到来する干渉波を抑圧する技術が不可欠となる。
そこで近年、指向性を制御して干渉波を抑圧するアダプティブアレーアンテナ(Adaptive Array Antenna)が注目されている(例えば、特許文献1参照。)。
図4は、アダプティブアレーアンテナの一般的な構成を示したものである。アダプティブアレーアンテナは、アレー配置されるN個のアレーアンテナ素子111〜11nからなる空中線部11、上記アレーアンテナ素子111〜11nにより受信された信号を復調する復調回路121〜12nからなる高周波部12、上記復調回路121〜12nにより復調された信号に基づいて指向性を制御する制御回路、すなわちベースバンド部13を備えている。
上記ベースバンド部13は、重み付け回路151〜15n、合成回路16、アダプティブプロセッサ17からなり、上記復調回路121〜12nで復調された信号が重み付け回路151〜15n及びアダプティブプロセッサ17に入力される。上記重み付け回路151〜15nで重み付けされた信号は、合成回路16で合成され、アダプティブプロセッサ17に入力されると共に出力端子18より外部に出力される。
上記アダプティブプロセッサ17は、復調回路121〜12nで復調された信号及び合成回路16の出力信号に基づいて重み付け回路151〜15nの重み係数を算出して設定し、干渉波を抑圧するための放射指向性を形成する。
しかし、実際は、温度や環境によって、アンテナを含む高周波回路素子の振幅、位相が変化するために、これらの干渉波抑圧劣化要因の校正が必要になる。
このため従来では、図5に示すように上記アレーアンテナ素子111〜11nの前方に校正用アンテナ21を配置し、この校正用アンテナ21の受信信号を校正ユニット22に入力し、高周波部12の振幅、位相特性を取得する。
このため従来では、図5に示すように上記アレーアンテナ素子111〜11nの前方に校正用アンテナ21を配置し、この校正用アンテナ21の受信信号を校正ユニット22に入力し、高周波部12の振幅、位相特性を取得する。
上記高周波部12における振幅、位相特性の校正は、次のようにして行なわれる。
送信系の校正を行なう場合、まず、#1のアレーアンテナ素子111のみ送信し、他のアレーアンテナ素子112〜11nの送信を止める。そして、上記アレーアンテナ素子111の電波を校正用アンテナ21で受信し、アレーアンテナ素子111に接続される復調回路121の振幅、位相特性を校正ユニット22で取得する。
送信系の校正を行なう場合、まず、#1のアレーアンテナ素子111のみ送信し、他のアレーアンテナ素子112〜11nの送信を止める。そして、上記アレーアンテナ素子111の電波を校正用アンテナ21で受信し、アレーアンテナ素子111に接続される復調回路121の振幅、位相特性を校正ユニット22で取得する。
次に、#2のアレーアンテナ素子112のみ電波を送信し、アレーアンテナ素子111の場合と同様にアレーアンテナ素子112に接続される復調回路122の振幅、位相特性を取得する。この操作をアンテナ素子数分行なうことで各アレーアンテナ素子111〜11nに接続される復調回路121〜12nの振幅、位相特性のばらつきを把握できる。このデータを校正ユニット22で取得してアダプティブプロセッサ17に入力することにより、実際の運用時における干渉波抑圧のための重み係数に補正を加え、干渉波抑圧能力の劣化を防止する。
更に、アダプティブアレーアンテナの干渉波抑圧能力劣化を招くもう一つの要因として、アレーアンテナ素子111〜11nにおける個々の指向性のばらつきがある。干渉波抑圧能力を高めるためには、アンテナ素子個々の指向性の均一性が要求される。従って、アダプティブアレーアンテナにおいては、校正を行なうために配置する校正用アンテナ21にはアンテナ素子個々の指向性が変化しない配置が望まれる。
特開2003−142920号公報
しかし、上記のように空中線部11の前面に校正用アンテナ21を配置した場合、空中線部11と校正用アンテナ21との距離を十分にとっても、その影響を無くすことは困難である。
図6は、4素子のアレーアンテナ素子111〜114を用いて構成したアダプティブアレーアンテナの前面に校正用アンテナ21を配置した場合の外観図を示したもので、(a)は上面図、(b)は側面図である。図7(a)〜(c)は、図6のように構成されたアダプティブアレーアンテナにおいて、アレーアンテナ素子111〜114と校正用アンテナ21との距離を可変設定した場合のアレーアンテナ素子111〜114の指向性に対する校正用アンテナ21の影響を示したものである。
上記アダプティブアレーアンテナは、使用周波数を2.045GHzに設定した場合の例を示したものである。アレーアンテナ素子111〜114は、長さ69mm、半径1mmで、水平面素子間隔d1が73mm(0.5λ0)である。また、校正用アンテナ21は、長さ69mm、半径1mmで、アレーアンテナ素子111〜114との距離d2を可変できるようにした。
上記アダプティブアレーアンテナは、アレーアンテナ素子111〜114の背面に例えば9本の反射板ワイヤ−素子25を設けている。この反射板ワイヤ−素子25は、長さ120mm、半径1mmで、その素子間隔d3を36.5mm(0.25λ0)に設定した。
上記図7(a)〜(c)は、上記のように設定されたアダプティブアレーアンテナにおいて、アレーアンテナ素子111〜114と校正用アンテナ21との距離d2を146mm(1λ0)、730mm(5λ0)、1460mm(10λ0)に可変設定した場合の#2アレーアンテナ素子112のH面指向性(計算値)を示したもので、横軸に空間角度(度)、縦軸に相対電力値[dB]及び相対位相[度]をとって示した。
上記図7(a)〜(c)において、実線で示す特性aは校正用アンテナ21を設けた場合の電力指向性、破線で示す特性bは校正用アンテナ21が無い場合の電力指向性、一点鎖線で示す特性cは校正用アンテナ21を設けた場合の位相指向性、点線で示す特性dは校正用アンテナ21が無い場合の位相指向性である。
図7(a)に示すようにアレーアンテナ素子111〜114と校正用アンテナ21との距離d2が146mm(1λ0)の場合は、校正用アンテナ21の有無によって指向性に大きな差があるが、図7(b)に示すように、アレーアンテナ素子111〜114と校正用アンテナ21との距離d2を730mm(5λ0)に広げた場合には校正用アンテナ21の有無による指向性の差が少なくなっている。そして、図7(c)に示すようにアレーアンテナ素子111〜114と校正用アンテナ21との距離d2を1460mm(10λ0)にまで広げると、校正用アンテナ21の有無による指向性の差は殆ど認められなくなる。
従って、モーメント法の計算結果として校正用アンテナ21の影響を無くすには、空中線部11と校正用アンテナ21との間を10λ0以上離すことが必要である。
従って、モーメント法の計算結果として校正用アンテナ21の影響を無くすには、空中線部11と校正用アンテナ21との間を10λ0以上離すことが必要である。
また、上記アダプティブアレーアンテナの指向性を実測して上記計算値と比較した結果、両者の指向性にかなりのずれが認められた。これは、計算値では空中線部11の前面から校正用アンテナ21を10λ0以上離して配置することで影響がほぼなくなるが、実際は校正用アンテナ21に接続されるケーブル等の影響を受けることを示している。
以上のことから、空中線部11の前面から校正用アンテナ21を10λ0以上離して配置することで影響を少なくできるが、アンテナが大型化し、また、校正用アンテナ21の取り付け金具などの強度面、接続ケーブルの指向性に対する影響を考慮すると、指向性の均一性が要求されるアダプティブアレーアンテナにおいては、校正用アンテナ21を空中線部11の前面に配置することは好ましくない。
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、小型化を可能とすると共にアレーアンテナ素子個々の指向性のバラツキを防止でき、また、校正用アンテナを配置したことによる悪影響を防止できるアダプティブアレーアンテナを提供することを目的とする。
第1の発明は、アレーアンテナ素子と、前記アレーアンテナ素子の受信信号に基づいて干渉波を抑圧する放射指向性を形成する制御回路とを備えたアダプティブアレーアンテナにおいて、前記アレーアンテナ素子の両側にダミー素子を配置したことを特徴とする。
第2の発明は、アレーアンテナ素子と、前記アレーアンテナ素子の受信信号に基づいて干渉波を抑圧する放射指向性を形成する制御回路とを備えたアダプティブアレーアンテナにおいて、前記アレーアンテナ素子の両側に配置されるダミー素子と、前記ダミー素子の一部を校正用アンテナとして利用し、その受信信号に基づいて前記制御回路に重み係数補正用信号を入力する校正ユニットとを具備することを特徴とする。
本発明によれば、アレーアンテナ素子の両側部にダミー素子を設けることにより、アレーアンテナ素子の個々の指向性のバラツキを防止することができる。また、アレーアンテナ素子の両側部に設けたダミー素子の1部を校正用アンテナとして利用することにより、アレーアンテナ素子個々の指向性のバラツキを防止できると共に、校正用アンテナを配置したことによる影響及び給電線の影響を無くすことができ、アンテナを含む高周波回路素子の振幅、位相の変化を確実に防止することができる。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るアダプティブアレーアンテナの構成図である。本実施形態に係るアダプティブアレーアンテナは、図5に示した従来のアダプティブアレーアンテナと同様に、アレー配置されるN個のアレーアンテナ素子111〜11nからなる空中線部11、上記アレーアンテナ素子111〜11nにより受信された信号を復調する復調回路121〜12nからなる高周波部12、上記復調回路121〜12nにより復調された信号に基づいて指向性を制御するベースバンド部13を備えている。
図1は、本発明の一実施形態に係るアダプティブアレーアンテナの構成図である。本実施形態に係るアダプティブアレーアンテナは、図5に示した従来のアダプティブアレーアンテナと同様に、アレー配置されるN個のアレーアンテナ素子111〜11nからなる空中線部11、上記アレーアンテナ素子111〜11nにより受信された信号を復調する復調回路121〜12nからなる高周波部12、上記復調回路121〜12nにより復調された信号に基づいて指向性を制御するベースバンド部13を備えている。
上記ベースバンド部13は、重み付け回路151〜15n、合成回路16、アダプティブプロセッサ17からなり、上記復調回路121〜12nで復調された信号が重み付け回路151〜15n及びアダプティブプロセッサ17に入力される。上記重み付け回路151〜15nで重み付けされた信号は、合成回路16で合成され、アダプティブプロセッサ17に入力されると共に出力端子18より外部に出力される。
上記アダプティブプロセッサ17は、復調回路121〜12nで復調された信号及び合成回路16の出力信号に基づいて重み付け回路151〜15nの重み係数を算出して設定し、干渉波を抑圧するための放射指向性を形成する。
本実施形態に係るアダプティブアレーアンテナでは、空中線部11の両側部にダミー素子部31、32を配置している。ダミー素子部31、32は、それぞれ複数例えば3つのダミー素子31a〜31c、32a〜32cにより構成している。
通常、アレーアンテナ素子111〜11nのみの構成では、最外側に位置するアレーアンテナ素子111、11nの指向性は、中央に配置されるアレーアンテナ素子の指向性と比べた場合、異なる形状の指向性になることが知られている。これは、反射板の有限性による影響や片側からのみアンテナ素子同士の相互結合を受けることによるものと考えられる。そこで、アレーアンテナ素子個々の指向性の均一性が要求されるアダプティブアレーアンテナにおいて、均一性を高めるためにはアレーアンテナ素子111〜11nの両側にダミー素子を配置することが有効である。
そして、本実施形態に係るアダプティブアレーアンテナでは、ダミー素子31a〜31c、32a〜32cの中でアレーアンテナ素子111〜11nに最も近い素子例えばダミー素子32aを校正用アンテナとして利用する。以下、上記ダミー素子32aを校正用アンテナ32aと呼称する。上記校正用アンテナ32aの受信信号を校正ユニット22に入力し、高周波部12の振幅、位相特性を取得してアダプティブプロセッサ17に入力する。
上記高周波部12における振幅、位相特性の校正は、従来と同様に次のようにして行なわれる。
送信系の校正を行なう場合、まず、#1のアレーアンテナ素子111のみ送信し、他のアレーアンテナ素子112〜11nの送信を止める。そして、上記アレーアンテナ素子111の電波を校正用アンテナ32aで受信し、アレーアンテナ素子111に接続される復調回路121の振幅、位相特性を校正ユニット22で取得する。
送信系の校正を行なう場合、まず、#1のアレーアンテナ素子111のみ送信し、他のアレーアンテナ素子112〜11nの送信を止める。そして、上記アレーアンテナ素子111の電波を校正用アンテナ32aで受信し、アレーアンテナ素子111に接続される復調回路121の振幅、位相特性を校正ユニット22で取得する。
次に、#2のアレーアンテナ素子112のみ電波を送信し、アレーアンテナ素子111の場合と同様にアレーアンテナ素子112に接続される復調回路122の振幅、位相特性を取得する。この操作をアンテナ素子数分行なうことで各アレーアンテナ素子111〜11nに接続される復調回路121〜12nの振幅、位相特性のばらつきを把握できる。このデータを校正ユニット22で取得してアダプティブプロセッサ17に入力することにより、実際の運用時における干渉波抑圧のための重み係数に補正を加え、干渉波抑圧能力の劣化を防止する。
図2は、上記空中線部11及びダミー素子部31、32の具体的な構成例を示したもので、空中線部11を16個のアレーアンテナ素子111〜1116、ダミー素子部31、32をそれぞれ3個のダミー素子31a〜31c、32a〜32cにより構成し、ダミー素子32aを校正用アンテナとして使用している。
図2に示すように空中線部11は、長方形に形成された誘電体基板41の上面にアレーアンテナ素子111〜1116が所定の間隔例えばλ/4(λは波長)の間隔で形成される。この場合、アレーアンテナ素子111〜1116は、誘電体基板41上に例えばエッチング処理した銅箔パターンにより形成している。そして、上記空中線部11の長手方向の両側にダミー素子部31、32を形成する。すなわち、空中線部11の長手方向の両側において、誘電体基板41上にそれぞれ3個のダミー素子31a〜31c、32a〜32cを上記アレーアンテナ素子111〜1116と同様にして形成し、アレーアンテナ素子1116に近接するダミー素子32aを校正用アンテナとして使用する。
上記アレーアンテナ素子111〜1116としては、例えば図3に示すようにダイポールアンテナが用いられる。ダイポールアンテナを構成するアンテナ素子51a、51bは、微小間隔を保って直線状に設けられる。一方のアンテナ素子51aは、他方のアンテナ素子51bに近接する端部がマイクロストリップライン52を介して給電点53に接続される。また、アンテナ素子51a、51bには、近接する端部間に電気長が約1/2λの位相反転回路54が設けられる。すなわち、一方のアンテナ素子51aには給電点53よりマイクロストリップライン52を介して給電され、他方のアンテナ素子51aには更に位相反転回路54を介して逆相給電される。
また、図2に示すように上記誘電体基板41の裏面側には、例えばλ/4の間隔を保って反射板42が対向配置される。この反射板42には、アレーアンテナ素子111〜1116と対応する位置に給電線挿通用の透孔431〜4316が設けられると共に、ダミー素子32aすなわち、校正用アンテナ32aの給電線挿通用の透孔44が設けられる。そして、上記透孔431〜4316、44内に給電線(図示せず)を挿通させ、アレーアンテナ素子111〜1116と高周波部12の復調回路121〜1216との間、及び校正用アンテナ32aと校正ユニット22との間を接続する。
上記のようにアレーアンテナ素子111〜1116の両側部にダミー素子31a〜31c、32a〜32cを設けることにより、アレーアンテナ素子個々の指向性のバラツキを防止できる。すなわち、ダミー素子31a〜31c、32a〜32cが最外側のアレーアンテナ素子111、1116の指向性に与える相互結合を積極的に利用することで、最外側に位置するアレーアンテナ素子111、1116の指向性を中央に配置されるアレーアンテナ素子の指向性と同等にできる。
また、上記ダミー素子31a〜31c、32a〜32cの1つ例えばダミー素子32aを校正用アンテナとして利用することにより、校正用アンテナを配置したことによる影響及び給電線の影響を無くすことができ、アンテナを含む高周波回路素子の振幅、位相の変化を確実に防止することができる。
また、上記ダミー素子31a〜31c、32a〜32cの1つ例えばダミー素子32aを校正用アンテナとして利用することにより、校正用アンテナを配置したことによる影響及び給電線の影響を無くすことができ、アンテナを含む高周波回路素子の振幅、位相の変化を確実に防止することができる。
この結果、アダプティブアレーアンテナの干渉波抑圧効果を低下させる2つの要因、すなわち、アレーアンテナ素子個々の指向性のバラツキ、及び高周波回路素子の振幅、位相の変化を同時に無くすことができる。
なお、上記実施形態では、アレーアンテナ素子111〜1116の両側部にそれぞれ3つのダミー素子31a〜31c、32a〜32cを設けた場合について示したが、ダミー素子は3素子に限定されるものではない。
また、上記実施形態では、ダミー素子の1つを校正用アンテナとして用いた場合について示したが、複数のダミー素子を校正用アンテナとして用いても良い。
また、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。
11…空中線部、111〜11n…アレーアンテナ素子、12…高周波部、121〜12n…復調回路、13…ベースバンド部、151〜15n…特開重み付け回路、16…合成回路、17…アダプティブプロセッサ、18…出力端子、21…校正用アンテナ、22…校正ユニット、25…反射板ワイヤ−素子、31、32…ダミー素子部、31a〜31c、32a〜32c…ダミー素子、32a…校正用アンテナ、41…誘電体基板、42…反射板、431〜4316、44…透孔、51a、51b…アンテナ素子、52…マイクロストリップライン、53…給電点、54…位相反転回路。
Claims (2)
- アレーアンテナ素子と、前記アレーアンテナ素子の受信信号に基づいて干渉波を抑圧する放射指向性を形成する制御回路とを備えたアダプティブアレーアンテナにおいて、
前記アレーアンテナ素子の両側にダミー素子を配置したことを特徴とするアダプティブアレーアンテナ。 - アレーアンテナ素子と、前記アレーアンテナ素子の受信信号に基づいて干渉波を抑圧する放射指向性を形成する制御回路とを備えたアダプティブアレーアンテナにおいて、
前記アレーアンテナ素子の両側に配置されるダミー素子と、前記ダミー素子の一部を校正用アンテナとして利用し、その受信信号に基づいて前記制御回路に重み係数補正用信号を入力する校正ユニットとを具備することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ。
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