JP5206672B2 - マルチビームアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、マルチビームアンテナに関し、特に、ＭＩＭＯ(Multiple Input Multiple Output)無線技術などで利用されるマルチビームアンテナに関する。

近年、ＷｉＭＡＸ(Worldwide Interoperability for Microwave Access)など、MIMO技術を用いた通信サービスが行われようとしている。MIMO技術は、複数の伝搬路を通ってきた多数の電波を受信し、伝送速度や通信品質を向上させる技術であり、２つ以上のアンテナを使用し、かつ、使用する２つのアンテナ間の相関が小さい方が、大きな効果が得られる。

ＷｉＭＡＸで考えられている無線サービスでは、基地局と端末で通信する場合、端末がマンションなどにあるときは、基地局からの電波の到来方向は、概ね、窓側に集中する（窓のない方向では、多数の屋内の壁の減衰が多いため）。このように、到来方向が概ね決まっている場合には、その方向に、指向性を向けた相関の少ない２つのアンテナを使用するのが最善である。
特開２００３−００８３４４号公報

特許文献１には、メインローブが所定の角度を有し、サイドローブが小さい２つのビームを左右対称に揃える発明が記載されているが、片方のヌルの角度が他方のメインローブの角度と一致しているわけではない。

一般に、無線通信を行う場合で、電波の到来方向が概ねわかっている場合、例えば、マンションでは、外来からの電波は、窓方向からの到来が圧倒的に大であるので、このような場所で使用する場合で、ダイバーシティ技術やＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｕｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いた通信を行うとき、２つのアンテナが用いられるが、２つのアンテナは、相関がなるべく少なく、かつ、コンパクトなアンテナが良い。

ＭＩＭＯ技術を用いた通信に使用するアンテナは、方位方向に無指向性の指向性をもつ、モノポールアンテナや、ダイポールアンテナを２本ならべて用いるものであった。この方法は、２本のアンテナが、まったく同じ指向性を有するため、２本のアンテナが近い距離で置かれた場合、相関が十分小さくならないため、ＭＩＭＯ伝送の効果が十分得られないという問題があった。

図１６に、関連技術のアンテナの例を示す。端末装置１０００の上面には、モノポールアンテナ１００１、１００２が配置され、それぞれ１０１１、１０１２のように無指向性の放射パターンが形成されている。このような場合、２つのアンテナがまったく同じ指向性を有するため、２本のアンテナが近い距離で置かれた場合、相関が十分小さくならず、ＭＩＭＯ伝送の効果が十分得られない。

さらに、２つのアンテナを使用する場合、２つのアンテナは、距離が離れて配置されているほど、相関が小さくなるが、これでは、アンテナ２つを含む機器が大きくなってしまうという欠点がある。また、２つのアンテナを近づけて配置すれば、アンテナを含む機器は小さくなるが、アンテナ同士の相関が大となる欠点がある。

本発明は、このような状況で、相関が少ない２つのビームを有した、ＭＩＭＯに有効なアンテナを提供することを目的とする。

本発明によれば、第１の給電部に接続された第１のアレイアンテナと、第２の給電部に接続された第２のアレイアンテナとを備え、前記第１のアレイアンテナと前記第２のアレイアンテナとが共通の周波数の信号を扱うと共に、前記第１のアレイアンテナと前記第２のアレイアンテナとが異なる方向に指向性を有し、前記第１のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向をθ１方向に向け、前記第２のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向を、前記第１のアレイアンテナの合成ビームのヌル点となるθ２方向に向けるものとし、前記第１の給電部と前記第２の給電部は、ＭＩＭＯ無線技術に適用されてなるマルチビームアンテナが提供される。

本発明のマルチビームアンテナは、２組のアレイアンテナより構成され、２組のアレイアンテナが異なる方向に最大利得をもつ指向性を有し、一方のアレイアンテナの指向性の第１ヌル方向（メインビームから、はじめに放射レベルが極小になる方向）に、他方のアレイアンテナの指向性の放射レベルが最大になる方向が一致するような２つのビームと２つの給電部をもつことを特徴とするアンテナである。

このような構成とすることで、形成した２つのアンテナビームは、相関が非常に小さく、かつ場所的には、近接して配置されているため、コンパクトなアンテナが構成可能で、ダイバーシティ技術やＭＩＭＯ（技術を用いた通信に使用することで、回線レベルを安定させることができ、回線品質や伝送速度を向上させることができる。

本発明のマルチビームアンテナの第１の実施形態の構成図である。 メインローブの指向方向設定の説明図である。 メインローブの指向方向設定の説明図２である。 本発明のマルチビームアンテナの第２の実施形態の構成図である。 本発明のマルチビームアンテナの第３の実施形態の構成図である。 本発明のマルチビームアンテナの第４の実施形態の構成図である。 本発明のマルチビームアンテナの第４の実施形態の放射パターン図である。 本発明のマルチビームアンテナの第５の実施形態の構成図である。 本発明のマルチビームアンテナの第６の実施形態の構成図である。 本発明のマルチビームアンテナの第７の実施形態の構成図である。 本発明のマルチビームアンテナの第８の実施形態の構成図である。 本発明のマルチビームアンテナの第９の実施形態の構成図である。 本発明のマルチビームアンテナの第１０の実施形態の構成図である。 本発明のマルチビームアンテナの第１１の実施形態の構成図である。 本発明のマルチビームアンテナの第１２の実施形態の構成図である。 本発明のマルチビームアンテナの第１３の実施形態の構成図である。 関連技術のアンテナの例を示す図である。

符号の説明

１、２、３、４ アンテナ
１０ アレイアンテナＡ
２０ アレイアンテナＢ
１１、２１、３１、４１、５１、６１ 給電線

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

１）本発明のマルチビームアンテナは、Ｍ１×Ｎ１素子のアンテナから成るアレイアンテナと、Ｍ２×Ｎ２素子のアンテナから成るアレイアンテナから構成され、２組のアレイアンテナが異なる方向に最大利得をもつ指向性を有し、Ｍ１×Ｎ１素子のアレイアンテナの合成ビームの最大利得を有する最大放射方向を極座標系で（θ１、φ１）方向とし、その近傍の任意の第１ヌル点（θ２、φ２）方向に、Ｍ２×Ｎ２素子のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向が向くようにしたアンテナである。

Ｍ２×Ｎ２素子のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向（θ２、φ２）では、Ｍ１×Ｎ１素子のアレイアンテナの合成ビームのヌル点になるため、２つのアレイアンテナのビームの相関は非常に小さくなり、この２つのアンテナを用いることで、効率的なＭＩＭＯ通信が可能となる。

２）第２の方法として、Ｍ１×Ｎ１素子のアンテナから成るアレイアンテナ２組から構成され、２組のアレイアンテナが異なる方向に最大利得をもつ指向性を有し、１番目のＭ１×Ｎ１素子のアレイアンテナの合成ビームの最大利得を有する最大放射方向を極座標系で（θ１、φ１）方向とし、その近傍の任意の第１ヌル点（θ２、φ２）方向に、２番目のＭ１×Ｎ１素子のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向が向くようにしたアンテナである。

この方法は、上記１）において、Ｍ１＝Ｍ２、Ｎ１＝Ｎ２とした方法である。この方法は、２番目のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向（θ２、φ２）では、１番目のアレイアンテナの合成ビームのヌル点になり、１番目のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向（θ１、φ１）では、２番目のアレイアンテナの合成ビームのヌル点になるため、２つのアレイアンテナのビームの相関は、１）よりもさらに小さくなり、この２つのアンテナを用いることで、効率的なＭＩＭＯ通信が可能となる。

３）第３の方法として、Ｍ素子のアンテナを極座標のＺ軸上に配置したアレイアンテナと、Ｎ素子のアンテナを極座標のＺ軸上またはそれと平行な直線上に配置したＮ素子アレイアンテナから構成され、２組のアレイアンテナが異なる方向に最大利得をもつ指向性を有し、Ｍ素子のアレイアンテナの合成ビームの最大利得を有する最大放射方向を極座標系で（θ１、φ）方向とし、その近傍の任意の第１ヌル点（θ２、φ）方向に、Ｎ素子のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向が向くようにしたアンテナである。

Ｎ素子のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向（θ２、φ）では、Ｍ素子のアレイアンテナの合成ビームのヌル点になるため、２つのアレイアンテナのビームの相関は非常に小さくなり、この２つのアンテナを用いることで、効率的なＭＩＭＯ通信が可能となる。

４）第４の方法として、Ｍ素子のアンテナを極座標のＺ軸上に配置したアレイアンテナ２組から構成され、２組のアレイアンテナが異なる方向に最大利得をもつ指向性を有し、１番目のＭ素子のアレイアンテナの合成ビームの最大利得を有する最大放射方向を極座標系で（θ１、φ）方向とし、その近傍の任意の第１ヌル点（θ２、φ）方向に、２番目のＭ素子のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向が向くようにしたアンテナである。

この方法は、上記３）において、Ｍ＝Ｎとした方法である。この方法は、２番目のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向（θ２、φ）では、１番目のアレイアンテナの合成ビームのヌル点になり、１番目のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向（θ１、φ）では、２番目のアレイアンテナの合成ビームのヌル点になりため、２つのアレイアンテナのビームの相関は、３）よりもさらに小さくなり、この２つのアンテナを用いることで、効率的なＭＩＭＯ通信が可能となる。

５）第５の方法は、より現実的方法として、４）でＭ＝２素子の場合である。アンテナ１及びアンテナ２から成る１番目のアレイアンテナと、アンテナ３及びアンテナ４から成る２番目のアレイアンテナとから構成される。２組のアレイアンテナは異なる方向に最大利得をもつ指向性を有する。アンテナ１とアンテナ２の素子間隔と、アンテナ３とアンテナ４の素子間隔は等しい。アンテナ１とアンテナ２を配列した直線と、アンテナ３とアンテナ４を配列した直線は、同一または平行の関係になる。アンテナ１とアンテナ２の合成ビームの最大放射方向が、前記直線の垂直方向、すなわち、アレイ配列に対してブロードサイド方向からθ１度方向に合成ビームの最大放射方向があり、その近傍の第１ヌル点の角度であるθ２方向が、アンテナ３とアンテナ４の合成ビームの最大放射方向になるように定められたアンテナである。

この方法は、４）同様、アンテナ３とアンテナ４のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向θ２では、アンテナ１とアンテナ２のアレイアンテナの合成ビームのヌル点になり、アンテナ１とアンテナ２のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向θ１では、アンテナ３とアンテナ４のアレイアンテナの合成ビームのヌル点になりため、２つのアレイアンテナのビームの相関は、非常に小さくなり、この２つのアンテナを用いることで、効率的なＭＩＭＯ通信が可能となる。

上記の場合、アンテナ１とアンテナ２の素子間隔と、アンテナ３とアンテナ４の素子間隔は等しく、正規化した素子間隔をＤ（素子間隔をｄとするとき、Ｄ＝ｄ／λ、λ：波長）とおくと、θ1、θ２、ｄの関係は、θ１＞θ２の場合、
ｓｉｎ{（θ１−θ２）／２}＝１／（４Ｄ） となる。

６）第６の方法は、５）第５の方法について、さらに簡易化した方法である。すなわち、アンテナ１とアンテナ２から成る１番目のアレイアンテナと、アンテナ３及びアンテナ４から成る２番目のアレイアンテナとから構成され、２組のアレイアンテナが異なる方向に最大利得をもつ指向性を有し、アンテナ１とアンテナ２の素子間隔と、アンテナ３とアンテナ４の素子間隔は等しく、かつ、アンテナ１とアンテナ２を配列した直線と、アンテナ３とアンテナ４を配列した直線は、同一または平行の関係になる。アンテナ１とアンテナ２は同位相で給電され、アンテナ３とアンテナ４も同位相で給電される。そして、アンテナ１とアンテナ２のアレイアンテナの最大放射方向は、前記アレイ配列の直線の垂直方向（ブロードサイド方向）から、前記直線を含む面でθ１度だけシフトし、同様に、アンテナ３とアンテナ４のアレイアンテナの最大放射方向は、前記アレイ配列の直線の垂直方向（ブロードサイド方向）から、前記直線を含む面で−θ１度だけシフトしており、このとき、アンテナ３とアンテナ４のアレイアンテナの最大放射方向−θ１では、アンテナ１とアンテナ２のアレイアンテナのヌル方向になっており、アンテナ１とアンテナ２のアレイアンテナの最大放射方向θ１では、アンテナ３とアンテナ４のアレイアンテナのヌル方向になるように構成されたアンテナである。

このとき、アンテナ１とアンテナ２の素子間隔と、アンテナ３とアンテナ４の素子間隔は、同一の値とするが、それらの素子間隔の値にかかわらず、アンテナ１とアンテナ２のアレイアンテナと、アンテナ３とアンテナ４のアレイアンテナに給電する位相差は、π／２となっている。

本発明のマルチビームアンテナは、ＭＩＭＯ技術を用いた通信に使用するアンテナである。近年、ＷｉＭＡＸ技術を用いた通信システムには、ＭＩＭＯ技術が採用されており、本発明のマルチビームアンテナを用いることにより、ＭＩＭＯ技術を有効に活用することが可能になる。

ＭＩＭＯでは、マルチパスの多い多重伝搬路空間において、送信側と受信側で複数のアンテナを用い、複数の異なる伝搬路を用いた伝送を行うことで、伝送速度を向上させるものである。このとき、送信側及び受信側で用いる複数のアンテナは、お互いに相関が小さいことが望ましい。例えば、受信側で２つのアンテナを用いる場合、その２つのアンテナの相関が小さくなるように、２つのアンテナ間の設置位置をなるべく離して置く事で、相関を小さくすることができる。

本発明のマルチビームアンテナは、２組のＮ素子のアレイアンテナより構成され、２組のアレイアンテナが異なる方向に最大利得をもつ指向性を有し、一方のアレイアンテナの指向性の第１ヌル方向（メインビームから、はじめに放射レベルが極小になる方向）に、他方のアレイアンテナの指向性の放射レベルが最大になる方向が一致するような２つのビームと２つの給電部をもつことを特徴とするアンテナである。

このような構成とすることで、形成した２つのアンテナビームは、相関が非常に小さく、かつ場所的には、近接して配置されているため、コンパクトなアンテナが構成可能である。

２つの相関のないアンテナを、ダイバーシティ技術やＭＩＭＯ技術を用いた通信に使用することで、回線レベルを安定させることができ、回線品質や伝送速度を向上させることができる。

図１は、本発明のマルチビームアンテナの第１の実施形態の構成図である。アレイアンテナＡ１０は、アンテナ１、アンテナ２、給電線１１、給電線２１、給電線５１、給電部Ａ５より構成され、同様に、アレイアンテナＢ２０は、アンテナ３、アンテナ４、給電線３１、給電線４１、給電線６１、給電部Ｂ６より構成される。

アンテナ１とアンテナ２には、それぞれ長さがＬ１の給電線１１と、長さがＬ２の給電線２１が接続され、それぞれの給電線の他端では、合流接続され、かつ、給電線５１に接続され、給電部Ａ５に至る。同様に、アンテナ３とアンテナ４には、それぞれ長さがＬ３の給電線３１と、長さがＬ４の給電線４１が接続され、それぞれの給電線の他端では、合流接続され、かつ、給電線６１に接続され、給電部Ｂ６に至る。

なお、アンテナ１とアンテナ２は、紙面に水平な直線上に配置されており、アンテナ３とアンテナ４も同様に、紙面に水平な直線上に配置され、アレイアンテナＡとアレイアンテナＢは、平行、または、同一直線上に配置されている。

アレイアンテナＡ１０のメインビーム、すなわち、最大利得と与える最大放射方向は、前記アレイ配置されている直線と垂直の方向、すなわち、ブロードサイド方向に対して、θ１度だけ傾いた方向に設定されている。この場合、θ１度方向に、メインローブを指向させるには、アンテナ１とアンテナ２への給電線Ｌ１とＬ２の長さを調節して行う。この説明図を図２に示す。いま、アンテナ１とアンテナ２の素子間隔をｄとおくと、θ１方向にメインローブを指向させるには、θ１方向で、アンテナ１とアンテナ２から放射される電波の位相が同位相になる必要がある。位相中心Ｏに対して、アンテナ１は、（ｄ／２）ｓｉｎθ１だけの通路長が遅れ、アンテナ２では、（ｄ／２）ｓｉｎθ１だけの通路長が進むことになる。この空間通路長（ｄ／２）ｓｉｎθ１は、２π／λ（λ：波長）を乗じることで、電気的位相角度に変換できる。よって、アンテナ１とアンテナ２には、以下の励振位相を与えれば、θ１方向に最大放射を行うビームを形成できる。
アンテナ１の励振位相：＋（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ１ ・・・（１）
アンテナ２の励振位相：−（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ１ ・・・（２）
また、上記より、アンテナ１とアンテナ２の相対位相差δ１は、以下となる。
なお、上記で、＋は位相を進めることを意味し、−は、位相を遅らせることを意味する。
δ１＝（アンテナ１の励振位相）−（アンテナ２の励振位相）
＝（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ１−（−（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ１）
＝（２πｄ／λ）×ｓｉｎθ１ ・・・（３）

したがって、図１においては、Ｌ２−Ｌ１の電気長が、δ１となるように設定すればよい。

上記より、θ１方向に最大放射方向を持つアレイアンテナＡ１０の任意の角度θにおける電界強度を導く。アンテナ１の励振振幅をＥ１、アンテナ２の励振振幅をＥ２とおくと、アレイアンテナＡ１０の合成電界Ｅｔ１は、次のようになる。
Ｅｔ１
＝Ｅ１×ＥＸＰ（−ｊ×（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ＋ｊ×（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ１）
＋Ｅ２×ＥＸＰ（ｊ×（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ−ｊ×（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ１）
＝Ｅ１×ＥＸＰ（−ｊπｄ／λ×（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１））＋Ｅ２×ＥＸＰ（ｊπｄ／λ×（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１））
＝Ｅ１（ｃｏｓ（πｄ／λ×（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１））−ｊｓｉｎ（πｄ／λ×（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１）））
＋Ｅ２（ｃｏｓ（πｄ／λ×（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１））＋ｊｓｉｎ（πｄ／λ×（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１）））
ここで、アンテナ１とアンテナ２は、同じ励振振幅とすれば、Ｅ１＝Ｅ２となるので、以下となる。
Ｅｔ１＝２×Ｅ１×ｃｏｓ（πｄ／λ×（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１））
さらに、素子間隔ｄを、波長で正規化された素子間隔Ｄ（Ｄ＝ｄ／λ）におきかえると、以下のようになる。
Ｅｔ１＝２×Ｅ１×ｃｏｓ（π×λＤ／λ×（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１））
＝２×Ｅ１×ｃｏｓ（πＤ（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１）） ・・・（４）

上記の説明は、図１に示すアンテナ３とアンテナ４から成るアレイアンテナＢ２０についても同様のことがあてはまる。図１において、アレイアンテナＢ２０が、θ２方向にメインビームを指向させるには、図２の原理と上記の説明をそのまま当てはめることができる。よって、アンテナ３とアンテナ４に励振する電気的な位相は以下のようになる。
アンテナ３の励振位相：−（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ２ ・・・（５）
アンテナ４の励振位相：＋（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ２ ・・・（６）

また、上記より、アンテナ４とアンテナ３の相対位相差δ２は、以下となる。
δ２＝（アンテナ４の励振位相）−（アンテナ３の励振位相）
＝（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ２−（−（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ２）
＝（２πｄ／λ）×ｓｉｎθ２ ・・・（７）

したがって、図１においては、Ｌ４−Ｌ３の電気長が、δ２となるように設定すればよい。

上記より、θ２方向に最大放射方向を持つアレイアンテナＢ２０の任意の角度θにおける電界強度は、上記と同様に導ける。上記同様に、アンテナ３の励振振幅をＥ３、アンテナ４の励振振幅をＥ４とおくと、アレイアンテナＢ２０の合成電界Ｅｔ２は、次のようになる。
Ｅｔ２＝Ｅ３×ＥＸＰ（−ｊ×（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ−ｊ×（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ２）
＋Ｅ４×ＥＸＰ（ｊ×（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ＋ｊ×（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ２）
＝Ｅ３×ＥＸＰ（−ｊπｄ／λ×（ｓｉｎθ＋ｓｉｎθ２））＋Ｅ４×ＥＸＰ（ｊπｄ／λ×（ｓｉｎθ＋ｓｉｎθ２））
＝Ｅ３（ｃｏｓ（πｄ／λ×（ｓｉｎθ＋ｓｉｎθ２））−ｊｓｉｎ（πｄ／λ×（ｓｉｎθ＋ｓｉｎθ２）））
＋Ｅ２（ｃｏｓ（πｄ／λ×（ｓｉｎθ＋ｓｉｎθ２））＋ｊｓｉｎ（πｄ／λ×（ｓｉｎθ＋ｓｉｎθ２）））
ここで、アンテナ３とアンテナ４は、同じ励振振幅とすれば、Ｅ３＝Ｅ４となるので、以下となる。
Ｅｔ２＝２×Ｅ３×ｃｏｓ（πｄ／λ×（ｓｉｎθ＋ｓｉｎθ２））

さらに、素子間隔ｄを、波長で正規化された素子間隔Ｄ（Ｄ＝ｄ／λ）におきかえると、以下のようになる。
Ｅｔ２＝２×Ｅ３×ｃｏｓ（π×λＤ／λ×（ｓｉｎθ＋ｓｉｎθ２））
＝２×Ｅ３×ｃｏｓ（πＤ（ｓｉｎθ＋ｓｉｎθ２）） ・・・（８）

図３に、メインローブ指向方向の説明図２を示す。縦軸が電界強度を示し、横軸が角度を示す指向性図を示している。図１及び図２に示すアレイアンテナＡ１０から放射されるメインビームがビームＡ１００になり、図１に示すアレイアンテナＢ２０から放射されるメインビームがビームＢ２００になる。本マルチビームアンテナとしての特徴を出すために、アレイアンテナＡ１０の最大放射方向θ１では、アレイアンテナＢ２０のヌル方向になり、アレイアンテナＢ２０の最大放射方向θ２では、アレイアンテナＡ１０のヌル方向になっている必要がある。

これを、Ｅｔ１とＥｔ２の式に当てはめて考える。Ｅｔ１は、θ１で最大放射方向となる。Ｅｔ１が、ヌルになるための条件は、
Ｅｔ１＝２×Ｅ１×ｃｏｓ（πＤ（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１））
において、
πＤ（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１）が、
±（π／２）×（２ｋ−１）
ただし、
ｋ＝１、２、３・・・・Ｋ（自然数）
となるときである。

図３で、θ１の左側の最初のヌルになるときは、以下となるときである。
πＤ（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ１）＝−π／２
（ｓｉｎθ1−ｓｉｎθ）＝1／(２Ｄ) ・・・（９）
ｓｉｎθ＝ｓｉｎθ1−１／(２Ｄ)
θ＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ1−１／(２Ｄ)） ・・・（１０）

したがって、θ２＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ1−１／(２Ｄ)）とすれば、アレイアンテナＡ１０の最大放射方向θ１では、アレイアンテナＢ２０のヌル方向になり、アレイアンテナＢ２０の最大放射方向θ２では、アレイアンテナＡ１０のヌル方向になっているマルチビームアンテナを構成できる。

例として、Ｄ＝０．５、θ１＝３０度のとき、（１０）式より、θ２＝−３０度となる。このとき、アンテナ１の励振位相は（１）式より＋４５度、アンテナ２の励振位相は（２）式より−４５度、アンテナ３の励振位相は（５）式より−４５度、アンテナ４の励振位相は（６）式より＋４５度、になる。

また、２番目と例として、Ｄ＝０．５、θ１＝４５度のとき、θ２＝−１７度となる。このとき、アンテナ１の励振位相は＋６３．６度、アンテナ２の励振位相は−６３．６度、アンテナ３の励振位相は−２６．３度、アンテナ４の励振位相は＋２６．３度になる。

ここで、さらに、このビームＡ１００とビームＢ２００が、アレイのブロードサイド方向、すなわち、θ＝０に対して、対称に配置されるようにする場合を考える。すると、（９）式から、以下のようになる。
（ｓｉｎθ1−ｓｉｎθ２）＝1／(２Ｄ)

また、この場合、図３から明らかなように、θ２＝−θ１である必要がある。よって、以下のようになる。
（ｓｉｎθ1−ｓｉｎ（−θ１））＝１／(２Ｄ)
２ｓｉｎθ１＝1／(２Ｄ)
ｓｉｎθ１＝１／（４Ｄ）
θ１＝ｓｉｎ^−１（１／（４Ｄ））・・・（１１）

また、この式をＤ＝の形で書き換えると、以下となる。
Ｄ＝１／（４ｓｉｎθ１） ・・・（１２）

さらに、（１）式に、Ｄ＝ｄ／λの関係と、（１２）を入れて簡単化すると以下となる。
（１）式 アンテナ１の励振位相：
＋（２π／λ）×（ｄ／２）×ｓｉｎθ１
＝＋（２π／λ）×（λＤ／２）×ｓｉｎθ１
＝＋πＤ×ｓｉｎθ１
＝＋π（１／（４ｓｉｎθ１））×ｓｉｎθ１
＝＋π／４
＝＋４５度 ・・・（１３）

この場合、素子間隔Ｄにかかわらず、アンテナ１の励振位相は＋４５度となることがわかる。同様に、アンテナ２の励振位相は−４５度となる。さらに、アンテナ３及びアンテナ４の励振位相は−４５度、＋４５度となる。

よって、（１２）式、（１３）式の場合の例、すなわち、このビームＡ１００とビームＢ２００が、アレイのブロードサイド方向、すなわち、θ＝０に対して、対称に配置されるようにする場合の例として考えると、Ｄ＝０．５のとき、θ１＝３０度、θ２＝−３０度、アンテナ１の励振位相＋４５度、アンテナ２の励振位相−４５度、アンテナ３の励振位相−４５度、アンテナ４の励振位相＋４５度となる。

同様に、Ｄ＝０．７のとき、θ１＝２０．９度、θ２＝−２０．９度、アンテナ１の励振位相＋４５度、アンテナ２の励振位相−４５度、アンテナ３の励振位相−４５度、アンテナ４の励振位相＋４５度となる。

図４は、本発明のマルチビームアンテナの第２の実施形態の構成図である。平面アンテナ３００は、背面に導体のグランド３０２を有するプリント基板３０１より構成される。プリント基板３０１の前面には、パッチアンテナ３１１〜３１４が配置され、それぞれ、マイクロストリップ線路の給電線３２１〜３２４が接続されている。パッチアンテナ３１１と３１２には、給電線３２１、３２２が接続され、給電点３２５で合成されている。給電線３２１、３２２の長さの関係は、図１または図２のＬ１とＬ２の関係と同じである。同様に、パッチアンテナ３１３と３１４には、給電線３２３、３２４が接続され、給電点３２６で合成されている。給電線３２３、３２４の長さの関係は、図１のＬ３とＬ４の関係と同じである。給電点３２５、３２６は、通常、背面よりコネクタの同軸中心導体が接続され、給電される。給電点３２５、３２６への給電が図１の関係と同じになるため、片方のアンテナパターンのビームピークで、他方のアンテナの第１ヌル点になるような２つのビームを作ることができる。

図５は、本発明のマルチビームアンテナの第３の実施形態の構成図である。平面アンテナ３５０は、背面に導体のグランド３５２を有するプリント基板３５１より構成される。プリント基板３５１の前面には、パッチアンテナ３６１〜３６４が配置され、それぞれ、マイクロストリップ線路の給電線３７１〜３７４が接続されている。パッチアンテナ３６１と３６２には、給電線３７１、３７２が接続され、合成されて、給電点３７５に至る。給電線３７１、３７２の長さの関係は、図１または図２のＬ１とＬ２の関係と同じである。同様に、パッチアンテナ３６３と３６４には、給電線３７３、３７４が接続され、合成されて、給電点３７６に至る。給電線３７３、３７４の長さの関係は、図１のＬ３とＬ４の関係と同じである。給電点３７５、３７６は、通常、基板下面よりＳＭＡコネクタの同軸中心導体が接続され、給電される。図４同様、給電点３７５、３７６への給電が図１の関係と同じになるため、片方のアンテナパターンのビームピークで、他方のアンテナの第１ヌル点になるような２つのビームを作ることができる。

図６Ａは、本発明のマルチビームアンテナの第４の実施形態の構成図である。図６Ａのアンテナ構成において、アンテナ３８１とアンテナ３８２は、素子間隔ｄを隔てて配置され、ハイブリッド回路３８３に接続されている。そして、ハイブリッド回路３８３の他の２つのポートは、下側の給電部Ａ３８４と給電部Ｂ３８５に至る。上記（１３）式後の説明より、２つのアンテナの素子間隔ｄにかかわらず、２つのアンテナの励振位相が、＋４５度と−４５度、すなわち、９０度の位相差があれば、片方のアンテナパターンのビームピークで、他方のアンテナの第１ヌル点になるような２つのビームを作ることができる。図６Ａでは、これをハイブリッド回路３８３を用いて構成した例である。いま、給電部Ａ３８４から給電したＲＦ信号は、ハイブリッド回路３８３で、２つの信号の振幅が等しく、位相が９０度異なる信号に分配され、アンテナ３８１と３８２に給電される。この場合、アンテナ３８２の位相が、アンテナ３８１の位相と比べて、９０度遅れる。この場合、図６Ｂの放射パターン図では、パターンＡ３８６（点線）のようになる。同様に、給電部Ｂ３８５から給電したＲＦ信号は、ハイブリッド回路３８３で、２つの信号の振幅が等しく、位相が９０度異なる信号に分配され、アンテナ３８１と３８２に給電される。この場合、アンテナ３８１の位相が、アンテナ３８２の位相と比べて、９０度遅れる。この場合、パターンＢ３８７（実線）のようになる。そして、２つの放射パターンは、図６Ｂに示されるように、一方のビームピークになる角度で、他方の第一ヌル角度になるように形成されている。

図７は、本発明のマルチビームアンテナの第５の実施形態の構成図である。プリント基板より構成される平面アンテナ４００は、前面にパッチアンテナ４０１、４０２が配置され、それぞれは給電点４０３、４０４で、背面よりコネクタの同軸中心導体が接続され、給電される構造になっている。これらの給電点は、同軸ケーブル４０５、４０６によって、ハイブリッド回路４０７に接続される。ハイブリッド回路４０７の残りの２つのポートには、給電部４０８と４０９が配置されている。この場合も、動作原理は、図６Ｂと同じで、放射パターンは、一方のビームピークになる角度で、他方の第一ヌル角度になるように形成される。

図８は、本発明のマルチビームアンテナの第６の実施形態の構成図である。図７の平面アンテナ４００の代わりに、金属の反射板４１０と２つのダイポールアンテナ４１１、４１２から構成されるアンテナを、同軸ケーブル４１５、４１６によって、ハイブリッド回路４１７に接続したものである。給電部４１８と４１９から給電された放射パターンは、図６Ｂと同じで、一方のビームピークになる角度で、他方の第一ヌル角度になるように形成される。

図９は、本発明のマルチビームアンテナの第７の実施形態の構成図である。図７の平面アンテナ４００の代わりに、平面アンテナ５００を用いたものである。プリント基板より構成される平面アンテナ５００は、全面にパッチアンテナ５１１〜５１４が配置され、それぞれ、マイクロストリップ線路の給電線５２１〜５２４が接続されている。パッチアンテナ５１１と５１２には、給電線５２１、５２２が接続され、コネクタ５３１に接続される。給電線５２１、５２２の長さは、平面アンテナ５００の仰角面の最大放射方向に関係している。通常、平面アンテナ５００と垂直な方向に放射される場合は、同じ長さになるように設計され、垂直方向から、上方向または下方向にシフトする場合は、図２の原理を仰角面に適用して設計を行う。同様に、パッチアンテナ５１３と５１４には、給電線５２３、５２４が接続され、コネクタ５３２に接続される。給電線５２３、５２４の長さの関係は、給電線５２１、５２２の関係と同様である。コネクタ５３１、５３２には、同軸ケーブル５４１、５４２が接続され、ハイブリッド回路５５０に接続され、最終的に、給電部５５１、５５２に至る。給電部５５１と５５２から給電された放射パターンは、平面アンテナ５００の方位方向において、図６Ｂと同じで、一方のビームピークになる角度で、他方の第一ヌル角度になるように形成される。

図１０は、本発明のマルチビームアンテナの第８の実施形態の構成図である。図９の平面アンテナのパッチアンテナおよび給電回路の配置を変更したものである。パッチアンテナ６１１、６１４と６１２、６１３とが対角線の関係になるように配置されている。パッチアンテナ６１１、６１４には給電線６２１、６２２が接続され、パッチアンテナ６１２、６１３には、給電線６２２、６２３が接続され、コネクタ６３１、６３２に接続される。さらに、同軸ケーブル６４１、６４２によってハイブリッド回路６５０に接続され、最終的に、給電部６５１、６５２に至る。給電部６５１と６５２から給電された放射パターンは、平面アンテナの方位方向および仰角方向において、図６Ｂと同じで、一方のビームピークになる角度で、他方の第一ヌル角度になるように形成される。

図１１は、本発明のマルチビームアンテナの第９の実施形態の構成図である。原理的には、図９の平面アンテナのパッチアンテナの水平及び垂直からそれぞれ独立に給電したものと理解できる。まず、パッチアンテナ４２１〜４２４は垂直偏波を放射することができるように下側から、給電線４３１〜４３４が接続されている。給電線４３１と４３２、４３３と４３４は、それぞれ同じ長さで合成され、給電点４５１、４５２に至る。同様に、パッチアンテナ４２１〜４２４が水平偏波を放射することができるように右横側から、給電線４４１〜４４４が接続されている。給電線４４１と４４２、４４３と４４４は、それぞれ同じ長さで合成され、給電点４５３、４５４に至る。さらに、給電点４５３、４５４は、同軸ケーブル４６１、４６２によって、ハイブリッド回路４７１に接続され、給電点４５３、４５４は、同軸ケーブル４６３、４６４によって、ハイブリッド回路４７２に接続される。最終的に、給電部４８３、４８４から給電された放射パターンは、平面アンテナの方位方向の垂直偏波のパターンにおいて、図６Ｂと同じで、一方のビームピークになる角度で、他方の第一ヌル角度になるように形成され、給電部４８３、４８４から給電された放射パターンは、平面アンテナの方位方向の水平偏波のパターンにおいて、図６Ｂと同じで、一方のビームピークになる角度で、他方の第一ヌル角度になるように形成される。

図１２は、本発明のマルチビームアンテナの第１０の実施形態の構成図である。図１２は、原理的には、図１の考え方を２素子から４素子に拡張したものと考えてよい。アレイアンテナＡ７０は、アンテナ７１〜７４と、長さがＬ７５〜Ｌ７８の給電線７５〜７８より構成される。アレイアンテナＢ８０も、同様に、アンテナ８１〜８４と、長さがＬ８５〜Ｌ８８の給電線８５〜８８より構成される。給電線の長さＬ７５〜Ｌ７８、および、Ｌ８５〜Ｌ８８は、（１）、（２）式及び（５）、（６）式の原理に則り、合成指向性の最大放射方向が、θ１及びθ２方向に指向するように設定される。そして、給電部７９及び８９から給電する位相関係を、（１）〜（１０）式と同様に計算した値を与えれば、図６Ｂと同様に、水平面の放射パターンにおいて、一方のビームピークになる角度で、他方の第一ヌル角度になるように形成される。

なお、図１２は、２素子から４素子に拡張した場合であるが、同様な原理で、Ｍ１素子の場合に、このアレイアンテナから放射されるビームの最大放射方向を（θ１、φ１）方向とし、その近傍の任意の第１ヌル点（θ２、φ２）方向に、２番目のＭ２素子のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向が向くように応用することも可能である。この場合、Ｍ１＝Ｍ２でもかまわない。ただし、Ｍ１、Ｍ２とも２以上の数である必要がある。

同様に、上記を２次元のアレイアンテナにも適用可能である。すなわち、Ｍ１×Ｎ１素子の場合に、このアレイアンテナから放射されるビームの最大放射方向を（θ１、φ１）方向とし、その近傍の任意の第１ヌル点（θ２、φ２）方向に、２番目のＭ２×Ｎ２素子のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向が向くように応用することも可能である。この場合も、Ｍ１＝Ｍ２、Ｎ１＝Ｎ２でもかまわない。すなわち、Ｍ１、Ｍ２、Ｎ１、Ｎ２の値に特に制限は生じない。ただし、この場合、Ｍ１またはＭ２のいずれかは２以上、Ｎ１またはＮ２のいずれかは２以上である必要がある。

図１３は、本発明のマルチビームアンテナの第１１の実施形態の構成図である。図１と図５の関係を模して、図１２の構成を具体的に図１３に具現化したものである。図１２の説明に基づけば、コネクタ７３１、７３２から所望の位相差を与えて給電した場合、図６Ｂと同様に、水平面の放射パターンにおいて、一方のビームピークになる角度で、他方の第一ヌル角度になるように形成される。

図１４は、本発明のマルチビームアンテナの第１２の実施形態の構成図である。パッチアンテナ８１１〜８１４は、給電線８２１により並列給電され、コネクタ８３１に至る。同様に、パッチアンテナ８１５〜８１８は、給電線８２２により並列給電され、コネクタ８３２に至る。図１３の２つのアレイアンテナのパッチアンテナ部分を互い違いに差し込んだ構造と理解できる。互い違いに配置することで、スリムな構造に構成できる。図１３と同様、コネクタ８３１と８３２に、独立給電して用いる。

図１５は、本発明のマルチビームアンテナの第１３の実施形態の構成図である。端末装置９００のひとつのパネルにパッチアンテナ９１１、９１２を配置し、図１、図６Ｂのように給電することで、ビーム９２１、９２２にように、一方のビームピークになる角度で、他方の第一ヌル角度になるような放射パターンを形成できる。（図６Ｂの放射パターンと同様である。）このような放射パターンは、互いに相関が小さく、ＭＩＭＯ技術を用いた通信では、伝送速度を向上したり、伝送品質を改善するために非常に有効である。

なお、上記で、端末装置９００のパネル面には、パッチアンテナ２つの場合に限らず、図１２や図１３のアンテナを配置しても同様の効果が得られる。

本願は、日本の特願２００７−１０３０２１（２００７年４月１０日に出願）に基づいたものであり、又、特願２００７−１０３０２１に基づくパリ条約の優先権を主張するものである。特願２００７−１０３０２１の開示内容は、特願２００７−１０３０２１を参照することにより本明細書に援用される。

本発明の代表的な実施形態が詳細に述べられたが、様々な変更(changes)、置き換え(substitutions)及び選択(alternatives)が請求項で定義された発明の精神と範囲から逸脱することなくなされることが理解されるべきである。また、仮にクレームが出願手続きにおいて補正されたとしても、クレームされた発明の均等の範囲は維持されるものと発明者は意図する。

本発明は、ＷｉＭＡＸ技術またはＭＩＭＯ技術を用いた基地局アンテナ、端末アンテナなどに利用することができる。

Claims (9)

1. 第１の給電部に接続された第１のアレイアンテナと、第２の給電部に接続された第２のアレイアンテナとを備え、
   前記第１のアレイアンテナと前記第２のアレイアンテナとが共通の周波数の信号を扱うと共に、前記第１のアレイアンテナと前記第２のアレイアンテナとが異なる方向に指向性を有し、
   前記第１のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向をθ１方向に向け、
   前記第２のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向を、前記第１のアレイアンテナの合成ビームのヌル点となるθ２方向に向けるものとし、
   前記第１の給電部と前記第２の給電部は、ＭＩＭＯ無線技術に適用されてなるマルチビームアンテナ。
2. 請求項１に記載のマルチビームアンテナにおいて、
   前記第１のアレイアンテナの合成ビームの最大利得を有する最大放射方向を極座標系で（θ１、φ１）方向とし、その近傍の任意の第１ヌル点（θ２、φ２）方向に、前記第２のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向が向くようにしたマルチビームアンテナ。
3. 請求項１又は２に記載のマルチビームアンテナにおいて、
   極座標系で（θ１、φ１）方向に前記第２のアレイアンテナのヌル点を有することを特徴とするマルチビームアンテナ。
4. 請求項１又は２に記載のマルチビームアンテナにおいて、
   前記第１のアレイアンテナは、Ｍ素子のアンテナを極座標のＺ軸上に配置したアレイアンテナであり、前記第２のアレイアンテナはＭ素子又はＮ素子（Ｍ≠Ｎ）のアンテナを極座標のＺ軸上またはそれと平行な直線上に配置したアレイアンテナであり、
   前記Ｍ素子又は前記Ｎ素子のそれぞれは給電線が接続され、該各給電線の他端は合流点を介して給電部に接続されるものとし、前記合流点から前記Ｍ素子又は前記Ｎ素子までの前記給電線の各長さを可変して、前記第１のアレイアンテナ又は前記第２のアレイアンテナの合成ビームの最大放射方向を変えることを特徴とするマルチビームアンテナ。
5. 請求項１又は２に記載のマルチビームアンテナにおいて、
   前記第１のアンテナは、２素子のアンテナを極座標のＺ軸上に配置したアレイアンテナであり、前記第２のアレイアンテナは２素子のアンテナを極座標のＺ軸上又はそれと平行な直線上に配置したアレイアンテナであることを特徴とするマルチビームアンテナ。
6. 請求項１又は２に記載のマルチビームアンテナにおいて、
   前記第１のアンテナは、２素子のアレイアンテナであり、前記第２のアレイアンテナは２素子のアレイアンテナであり、前記第１のアレイアンテナと前記第２のアレイアンテナとは、相互に異なる方向に最大利得をもつ指向性を有し、第１のアレイアンテナの２素子の間隔と、第２のアレイアンテナの２素子の間隔とは等しく、第１のアレイアンテナの２素子を結ぶ直線と、第２のアレイアンテナの２素子を結ぶ直線とは、同一または平行の関係にあることを特徴とするマルチビームアンテナ。
7. 請求項６に記載のマルチビームアンテナにおいて、
   正規化した、前記２素子の素子間隔をＤ（素子間隔をｄとするとき、Ｄ＝ｄ／λ、λ：波長）とおくと、θ1、θ２、ｄの関係は、θ１＞θ２の場合、
   ｓｉｎ{（θ１−θ２）／２}＝１／（４Ｄ）
   の関係があることを特徴とするマルチビームアンテナ。
8. 請求項１又は２に記載のマルチビームアンテナにおいて、
   前記第１のアレイアンテナと前記第２のアレイアンテナは、アレイ配列の直線に対して垂直方向であるブロードサイド方向を共通にして配設されてなり、
   前記第１のアレイアンテナの最大放射方向は、前記ブロードサイド方向に対して、前記直線を含む面でθ１度だけシフトし、同様に、第２のアレイアンテナの最大放射方向は、前記ブロードサイド方向に対して、前記直線を含む面でθ２度だけシフトしており、
   第２のアレイアンテナの最大放射方向θ２は、第１のアレイアンテナのヌル方向になっており、
   第１のアレイアンテナの最大放射方向θ１では、第２のアレイアンテナのヌル方向になっているように構成されたことを特徴とするマルチビームアンテナ。
9. 請求項１又は２に記載のマルチビームアンテナにおいて、
   第１のアレイアンテナへの給電と前記第２のアレイアンテナへの給電との位相差がπ／２であることを特徴とするマルチビームアンテナ。

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