JP6875150B2 - マルチビームアレーアンテナシステム - Google Patents

Description

本発明は、マルチビームアレーアンテナシステムに関する。

非特許文献１に示されるように、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナは、アンテナ自体を動かすことなく、各アンテナ素子の励振条件を変化させることによって、主ビームを空間の任意の方向に向けることができる。また、類型化された励振条件の中から最適なものを逐次選択することによって、選択的に主ビームを形成する技術も知られている。さらに、複数のアンテナ素子を複数のグループに分別し、各グループが１つの主ビームを形成することによって、１つのアレーアンテナで複数の主ビームを形成する技術も知られている。

電子情報通信学会編、「アンテナ工学ハンドブック（第２版）」、ISBN:978-4-274-20544-6、2008.

基地局や移動局の設計では、アンテナから放射される電波について電波防護指針（参考文献１）を順守する必要がある。基地局については、電波防護指針の基準値を超える範囲（強電磁界領域）に取扱者以外の者が容易に出入りすることができないように基地局施設を造ることが要求される。アレーアンテナで主ビームを特定の方向に向けて電波を放射し続ける場合、強電磁界領域を内包できる広さの用地を確保する必要がある。用地を確保できない場合、アンテナ出力を抑制することになるが、サービスエリアが狭くなるので基地局アンテナとしての要求に応えられない。また、移動局アンテナとしてアレーアンテナを採用する場合にも、アンテナ出力を抑制しなければならないことも考えられる。
（参考文献１）電気通信技術審議会答申 諮問第３８号「電波利用における人体の防護指針」、平成２年６月、（インターネット〈URL:http://www.tele.soumu.go.jp/resource/j/material/dwn/guide38.pdf〉［平成29年2月14日検索］）

本発明は、出力を抑制しなくても時間平均でマルチビームアレーアンテナシステムの周りの強電磁界領域を狭くできるマルチビームアレーアンテナシステムを提供することを目的とする。

Mを2以上の予め定められた整数として、それぞれ１個以上のアンテナ素子を含むM個のグループが予め定められたM個のビームを形成するマルチビームアレーアンテナシステムにおいて、マルチビームアレーアンテナシステムの運用期間中、M個のビームのうち或る１個のビーム（ビーム１）をM個のグループのうち或る１個のグループ（グループ１）が形成しているとき、ビーム１を形成するグループを、グループ１から、M個のグループのうちグループ１と異なる１個のグループ（グループ２）に、切り換える制御部を含むことを特徴とする。

本発明に拠れば、出力を抑制しなくても時間平均で強電磁界領域を狭くできる。

マルチビームアレーアンテナシステムの構成例。 電界分布図。（ａ）第１グループG₁がビームB₁を形成している時。（ｂ）第２グループG₂がビームB₂を形成している時。（ｃ）グループを切り換えない場合の合成電界分布図。（ｄ）第１グループG₁がビームB₂を形成している時。（ｅ）第２グループG₂がビームB₁を形成している時。（ｆ）グループを切り換えた場合の合成電界分布図。 マルチビームアレーアンテナシステムの構成例。

図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

本発明の実施形態のマルチビームアレーアンテナシステム１００は、N個のアンテナ素子A₁，…，A_Nを含む。アンテナ素子の配列の形状に限定はない。マルチビームアレーアンテナシステム１００では、N個のアンテナ素子A₁，…，A_NがM個のグループG₁，…，G_Mに分類されており、各グループがビームを形成する。Nは2以上の予め定められた整数であり、Mは2以上N以下を満たす予め定められた整数である。典型的な例では、NはMの整数倍である。この実施形態では、N≧2，2≦M≦N，A_p（p∈{1，…，N}），G_q（q∈{1，…，M}）について、
・∀q，∃p s.t. A_p∈G_q
・G_q1∩G_q2=φ （q1，q2∈{1，…，M}、q1≠q2、φ：空集合）
・∪_{q∈{1,…,M}}{k|A_k∈G_q}={1，…，N}
が成立する。第１項は、アンテナ素子を含まないグループが存在しないことを意味し、第２項は、複数のグループに属するアンテナ素子が存在しないことを意味し、第３項は、どのグループにも属さないアンテナ素子が存在しないことを意味する。マルチビームアレーアンテナシステム１００において、各アンテナ素子A₁，…，A_Nは予め決められた位置に固定されている。
以下、特に断りがない限り、「ビーム」は「主ビーム」を意味する。ただし、主ビームの方向は単一の方向であるとは限らない。また、「ビーム」は、電波をマルチビームアレーアンテナシステム１００と送受信できる範囲に向けられた指向性の電波を意味する。

マルチビームアレーアンテナシステム１００の運用期間中の或る時刻tにてi番目のビームB_iがk[i,t]番目のグループG_k[i,t]によって形成されているとする。iは1以上M以下の各整数を表わし、k[i,t]は1以上M以下の各整数を表わす。この場合、ビームの添字集合{1，…，M}からグループの添字集合{1，…，M}への全単射写像f<t>：{1，…，M}→{1，…，M}をf<t>(i)=k[i,t]によって定義する。つまり、ビームB_iの添え字i∈{1，…，M}は、時刻tでの全単射写像f<t>によって、グループG_k[i,t]の添え字k[i,t]∈{1，…，M}に対応付けられる。また、ビームB_iの方向とビームB_jの方向は一致しないものとする（i，j∈{1，…，M}、i≠j）。なお、運用期間とは、マルチビームアレーアンテナシステム１００が稼働している時間、言い換えれば、マルチビームアレーアンテナシステム１００から予め定められた方向にM個のビームが放射されている時間のことである。

下記の説明に先立ち、写像の相等について説明する。集合A，B，A’，B’について２つの写像h₁:A→Bとh₂:A’→B’が等しいとは、A=A’かつB=B’であって、任意のa∈Aに対してh₁(a)=h₂(a)となるときをいう。このとき、h₁=h₂と表す。２つの写像が等しくないときは、h₁≠h₂と表す。

マルチビームアレーアンテナシステム１００では、マルチビームアレーアンテナシステム１００の運用期間内に条件Cを満たす第１の時刻t1および第１の時刻t1と異なる第２の時刻t2が存在する。条件Cは、「運用期間中、任意の異なる二つの時刻t1，t2でf<t1>=f<t2>となる」場合を排除する。
（条件C） f<t1>≠f<t2>

これは、マルチビームアレーアンテナシステム１００の運用期間中、少なくとも二つの異なるグループG_k[i,t1]とグループG_k[i,t2]によって形成されるi番目のビームB_iが存在することを意味する（t1≠t2，∃i s.t. k[i,t1]≠k[i,t2]）。ただし、このようなビームを識別する添え字をrとすると、少なくとも二つの異なるグループG_k[r,t1]とグループG_k[r,t2]によって同時にr番目のビームB_rが形成されるのではない。このことを実際の例に即して述べれば、k1，k2∈{1，…，M}、k1≠k2として、運用期間中の或る区分時間（T1，T2）（註：記号（a，b）は、時刻aから時刻bまでの時間を表わしている）ではグループG_k1によってビームB_rが形成され、運用期間中の或る区分時間（T3，T4）ではグループG_k2によってビームB_rが形成され、（T1，T2）と（T3，T4）に重複は無いということである（（T1，T2）∩（T3，T4）=φ）。

要するに、マルチビームアレーアンテナシステムの運用期間中、M個のビームのうち或る１個のビーム（ビーム１）をM個のグループのうち或る１個のグループ（グループ１）が形成しているとき、ビーム１を形成するグループを、グループ１から、M個のグループのうちグループ１と異なる１個のグループ（グループ２）に、切り換えるのである。

この実施形態の一つの具体例を説明する。この例ではM=3とする。
或る時刻t1で、ビームB₁はグループG₁によって形成されており、ビームB₂はグループG₃によって形成されており、ビームB₃はグループG₂によって形成されているとする。この場合、k[1,t1]=1，k[2,t1]=3，k[3,t1]=2である。
そして、時刻t1と異なる時刻t2では、k[1,t2]≠1，k[2,t2]≠3，k[3,t2]≠2のうち少なくともいずれか二つが成立しなければならない。このため、例えば、時刻t2では、ビームB₁はグループG₃によって形成され、ビームB₂はグループG₁によって形成され、ビームB₃はグループG₂によって形成される。この場合、k[1,t2]=3，k[2,t2]=1，k[3,t2]=2である。
別の観点からは、ビームB₁は、時刻t1ではグループG₁によって、時刻t2ではグループG₃によって、形成され、ビームB₂は、時刻t1ではグループG₃によって、時刻t2ではグループG₁によって、形成され、ビームB₃は、時刻t1でも時刻t2でもグループG₂によって、形成される、と説明できる。つまり、ビームB₁を形成するグループがグループG₁からグループG₃に切り換わり、ビームB₂を形成するグループがグループG₃からグループG₁に切り換わったことになる。
M個のビームB₁，…，B_MのそれぞれをM個のグループG₁，…，G_Mのいずれか一つに対応付ける関係は、ビームの添え字（識別子）をグループの添え字（識別子）に対応付ける関係と見ることができ、この対応関係は全単射写像である。M=3の場合、ビームの添字集合{1，2，3}からグループの添字集合{1，2，3}への全単射写像は全部で６個ある。具体的には、６個の全単射写像は、
f₁：1→1，2→2，3→3
f₂：1→1，2→3，3→2
f₃：1→2，2→1，3→3
f₄：1→2，2→3，3→1
f₅：1→3，2→1，3→2
f₆：1→3，2→2，3→1
である。上記の例では、時刻t1での全単射写像f<t1>はf₂なので、時刻t2での全単射写像f<t2>はf₂以外が選択され、具体的にはf₅である。時刻t1でのグループから時刻t2でのグループへの切り換えは、全単射写像f₂から全単射写像f₅への変更に対応する。

マルチビームアレーアンテナシステム１００によると、マルチビームアレーアンテナシステム１００の出力を抑制しなくてもマルチビームアレーアンテナシステム１００の周りの強電磁界領域を時間平均で狭くできる。なお、ここで「狭い」とは、マルチビームアレーアンテナシステムの中心から強電磁界領域の境界までの最大距離が短いことを意味し、必ずしも強電磁界領域の面積が小さいことを意味しない。「マルチビームアレーアンテナシステムの中心」は、リニアアレーである場合には両端のアンテナ素子を結ぶ線分の等分点であり、サーキュラーアレイである場合にはアンテナ素子の配列が従う円の中心であり、矩形状のプレーナアレイである場合にはアンテナ素子の配列が従う矩形の対角線の交点であり、コンフォーマルアレイの場合は例えば、全てのアンテナ素子を内包できる円のうち面積が最小の円の中心である。
このことを、具体例を挙げて説明する。

図１に示すように、マルチビームアレーアンテナシステム１００がアンテナ素子としての８個の半波長ダイポールアンテナA₁，…，A₈を含み、これらのアンテナ素子A₁，…，A₈が添え字の順番に従ってリニア且つ等間隔（隣り合う二つのアンテナ素子の間隔は半波長）に配列されており、４個のダイポールアンテナA₁，…，A₄が第１グループG₁を構成し、４個のダイポールアンテナA₅，…，A₈が第２グループG₂を構成し、二つのグループが二つのビームを形成する場合を考える。

まず、比較例として、（T1，T2）において、第１グループG₁が−３０°の方向にビームB₁を形成し、第２グループG₂が＋３０°の方向にビームB₂を形成する（パターン１）。ビームはＹ軸に関して対称であり、ビームの角度計測では、Ｘ軸を基準として角度（絶対値）を計測し、ビームの方向がＸ軸に関して＋Ｙ軸側に存在すれば正の符号を計測値に与え、Ｘ軸に関して−Ｙ軸側に存在すれば負の符号を計測値に与える（座標系については図１，図２を参照）。第１グループG₁が作るマルチビームアレーアンテナシステム１００の周りの電界分布を図２（ａ）に示し、第２グループG₂が作るマルチビームアレーアンテナシステム１００の周りの電界分布を図２（ｂ）に示す。但し、図示の範囲は、Ｘ軸、Ｙ軸ともに、−２０波長から＋２０波長までの範囲である。パターン１におけるマルチビームアレーアンテナシステム１００の周りの電界分布は、図２（ａ）の電界分布と図２（ｂ）の電界分布との合成（これはＸ−Ｙ平面内の各点での電界強度の二乗和の平方根で与えられる）で得られる。
比較例では、（T3，T4）において、パターン１のビームを形成する。このときの、マルチビームアレーアンテナシステム１００の周りの電界分布は、（T1，T2）における電界分布と同じである。
ここで、T2-T1=T4-T3、T2≒T3（ただし、記号≒は、T2=T3にて瞬間的にグループが切り換えられることを意味する）として、（T1，T4）における時間平均のマルチビームアレーアンテナシステム１００の周りの電界分布を図２（ｃ）に示す。図２（ｃ）中、所定の電界強度Ｅ以上の範囲を含むことのできる矩形のうち面積が最小の矩形を破線で示す。

次に、本発明の実施形態に従って、（T1，T2）においてパターン１のビームを形成し、（T3，T4）において、第１グループG₁が＋３０°の方向にビームB₂を形成し、第２グループG₂が−３０°の方向にビームB₁を形成する（パターン２）。第１グループG₁が作るマルチビームアレーアンテナシステム１００の周りの電界分布を図２（ｄ）に示し、第２グループG₂が作るマルチビームアレーアンテナシステム１００の周りの電界分布を図２（ｅ）に示す。パターン２におけるマルチビームアレーアンテナシステム１００の周りの電界分布は、図２（ｄ）の電界分布と図２（ｅ）の電界分布との合成（これはＸ−Ｙ平面内の各点での電界強度の二乗和の平方根で与えられる）で得られる。
ここで、T2-T1=T4-T3、T2≒T3として、（T1，T4）における時間平均のマルチビームアレーアンテナシステム１００の周りの電界分布を図２（ｆ）に示す。図２（ｆ）中、所定の電界強度Ｅ以上の範囲を含むことのできる矩形のうち面積が最小の矩形を実線で示す。図２（ｆ）では、図２（ｃ）に示した破線の矩形も示している。図２（ｆ）から、実施形態によると電界強度Ｅ以上の強電磁界領域を時間平均で狭くできることがわかる。

或るビームを形成した時の強電磁界領域は一般的に当該ビームの形成を担当するグループの周囲に形成される。所定の方向へのビームの形成を担当するグループを時間的に変更すれば、同一グループの周りに形成される強電磁界領域が時間平均で狭くなる。したがって、マルチビームアレーアンテナシステム１００の出力を抑制しなくてもマルチビームアレーアンテナシステム１００の周りの強電磁界領域を時間平均で狭くできる。

この観点からは、所定の方向へのビームの形成を担当する少なくとも二つのグループの距離が大きいことが好ましい（言い換えると、所定の方向へのビームの形成を担当する各グループについて、同一グループの周りに形成される強電磁界領域が時間平均でできるだけ狭くすることが好ましい）。したがって、全単射写像f<t1>とf<t2>が満たすべき好ましい２通りの条件が考えられる。

第１例として、全単射写像f<t1>とf<t2>は条件D1を満たすことが好ましい。
（条件D1） グループの添字集合{1，…，M}からグループの添字集合{1，…，M}への全単射写像g：{1，…，M}→{1，…，M}，f<t1>(i)→f<t2>(i)によって定まるグループG_f<t1>(i)とグループG_f<t2>(i)との間の距離をL_iとして、Σ_i=1 ^ML_iが予め定められた値以上である。

なお、写像の合成の記号を・で表わすと、f<t2>=g・f<t1>であり、f<t2>(i)=g(f<t1>(i)) (i∈{1，…，M})である。

また、異なる二つのグループの距離は、グループの中心間の距離で与えられる。グループの中心は、グループ内のアンテナ素子の配列に応じて定義でき、例えば、リニアアレーである場合には両端のアンテナ素子を結ぶ線分の等分点であり、サーキュラーアレイである場合にはアンテナ素子の配列が従う円の中心であり、矩形状のプレーナアレイである場合にはアンテナ素子の配列が従う矩形の対角線の交点であり、コンフォーマルアレイの場合は例えば、全てのアンテナ素子を内包できる円のうち面積が最小の円の中心である。ただし、f<t1>(i)=f<t2>(i)の場合、グループG_f<t1>(i)とグループG_f<t2>(i)との間の距離は0である。

上記第１例を別の観点から説明する。グループの添字集合{1，…，M}からグループの添字集合{1，…，M}への全単射写像は全部でM!個である（記号！は階乗を表わす）。恒等写像を除くM!-1個の全単射写像g：{1，…，M}→{1，…，M}，j→g(j)のうち、グループG_jとグループG_g(j)との間の距離をL_jとしてΣ_j=1 ^ML_jが予め定められた値以上となる全単射写像g_w（w∈{1，…，W}、W≦M!-1）を予め特定しておく。このとき、グループの切り換えは、全単射写像g_wから任意に選択された一つの写像g_w1によって行われる。この場合、マルチビームアレーアンテナシステムを運用期間中、等時間間隔でグループの切り換えを行うことが望ましい。実施形態では、全単射写像g_w（w∈{1，…，W}、W≦M!-1）は予めメモリに保存されている。

特に、全単射写像が２種類に限定されている場合、つまり、ビームの添字集合{1，…，M}からグループの添字集合{1，…，M}への異なる二つの全単射写像をf1，f2として、マルチビームアレーアンテナシステムの運用期間内の任意の時刻Tでの全単射写像f<T>がf1またはf2である場合には、全単射写像f1とf2が条件D1’を満たすのが好ましい。この場合、マルチビームアレーアンテナシステムを運用期間中、全単射写像f1によって運用されている時間と全単射写像f2によって運用されている時間がほぼ同じであるのが望ましい。
（条件D1’） グループの添字集合{1，…，M}からグループの添字集合{1，…，M}への全単射写像g：{1，…，M}→{1，…，M}，f1(i)→f2(i)によって定まるグループG_f1(i)とグループG_f2(i)との間の距離をL_iとして、Σ_i=1 ^ML_iが予め定められた値以上である。

第２例として、全単射写像f<t1>とf<t2>は条件D2を満たすことが好ましい。
（条件D2） 異なる二つのグループ間の距離の最大値をL_maxとし、グループの添字集合{1，…，M}からグループの添字集合{1，…，M}への全単射写像g：{1，…，M}→{1，…，M}，f<t1>(i)→f<t2>(i)によって定まるグループG_f<t1>(i)とグループG_f<t2>(i)との間の距離をL_iとして、L_max∈{L₁，…，L_M}である。

なお、「異なる二つのグループ間の距離の最大値L_max」はマルチビームアレーアンテナシステムにおけるグループの配置によって一意に定まる。

上記第２例を別の観点から説明する。グループの添字集合{1，…，M}からグループの添字集合{1，…，M}への全単射写像は全部でM!個である。異なる二つのグループ間の距離の最大値をL_maxとしたとき、恒等写像を除くM!-1個の全単射写像g：{1，…，M}→{1，…，M}，j→g(j)のうち、グループG_jとグループG_g(j)との間の距離をL_jとしてL_max∈{L₁，…，L_M}を満たす全単射写像g_y（y∈{1，…，Y}、Y≦M!-1）を予め特定しておく。このとき、グループの切り換えは、全単射写像g_yから任意に選択された一つの写像g_y1によって行われる。この場合、マルチビームアレーアンテナシステムを運用期間中、等時間間隔でグループの切り換えを行うことが望ましい。実施形態では、全単射写像g_y（y∈{1，…，Y}、Y≦M!-1）は予めメモリに保存されている。

第１例と同様に、特に、全単射写像が２種類に限定されている場合、つまり、ビームの添字集合{1，…，M}からグループの添字集合{1，…，M}への異なる二つの全単射写像をf1，f2として、マルチビームアレーアンテナシステムの運用期間時間内の任意の時刻Tでの全単射写像f<T>がf1またはf2である場合には、全単射写像f1とf2が条件D2’を満たすのが好ましい。この場合、マルチビームアレーアンテナシステムを運用期間中、全単射写像f1によって運用されている時間と全単射写像f2によって運用されている時間がほぼ同じであるのが望ましい。
（条件D2’） 異なる二つのグループ間の距離の最大値をL_maxとし、グループの添字集合{1，…，M}からグループの添字集合{1，…，M}への全単射写像g：{1，…，M}→{1，…，M}，f1(i)→f2(i)によって定まるグループG_f1(i)とグループG_f2(i)との間の距離をL_iとして、L_max∈{L₁，…，L_M}である。

上記第１例と上記第２例は、別の観点からは、グループ２は、M個のグループのうち、グループ１から所定の距離以上離れているグループの中から選択される、と言うことができる。

さらに、他の例として、時刻tにおける全単射写像f<t>を、マルチビームアレーアンテナシステムの周辺で電磁界強度が所定の値以下である範囲、または、当該範囲を含む最小の円または多角形、の移動平均に基づいて動的に決定してもよい。

「範囲の移動平均」は、当該範囲の面積の移動平均でもよいし、マルチビームアレーアンテナシステムの中心から当該範囲の境界までの距離のうち最大の長さの移動平均でもよい。同様に、「最小の円または多角形の移動平均」は、当該円または多角形の面積の移動平均でもよいし、マルチビームアレーアンテナシステムの中心から当該円または多角形の境界までの距離のうち最大の長さの移動平均でもよい。

移動平均を計算するためのサンプリング時刻は、一つの区分時間につき当該区分時間から任意に選択された一つの時刻である（特別の事情が無い限り、一つの区分時間につき複数のサンプリング時刻は採用されない）。例えば、運用期間に互いに重複しない３つの区分時間（T1，T2），（T3，T4），（T5，T6）が含まれる場合、サンプリング時刻t1，t2，t3は、t1∈（T1，T2），t2∈（T3，T4），t3∈（T5，T6）である。以下、サンプリング時刻tにおいて「マルチビームアレーアンテナシステムの周辺で電磁界強度が所定の値以下である範囲、または、当該範囲を含む最小の円または多角形」をS_tと記載する。

また、「移動平均」は、例えば、単純移動平均、加重移動平均、指数移動平均である。

この例では、i番目のビームB_iをk番目のグループG_kが作る場合にk番目のグループG_kが作る電磁界分布D_i,k （（i,k）∈{1，…，M}×{1，…，M}）がデータとして予めメモリに保存されている。S_tがf<t>によって定まるグループが作る電磁界分布の合成によって決まることに注意すると、グループの切り換えは、
argmin _f<t> (Σ_i=0 ^Z-1S_t-i)/Z
の中から選択されるf<t>によって行われる。記号argminは最小点集合（関数がその最小値をとる定義域の元全体の成す集合）であり、Zは移動平均の計算に用いられるデータの総数である。具体的には、メモリに保存されている電磁界分布D_i,k （（i,k）∈{1，…，M}×{1，…，M}）を用いて、切り換えた後の区分時間までの移動平均（つまり、移動平均の計算にZ個のデータを用いる場合、切り換えた後の区分時間のS_tと過去Z-1個の区分時間のS_t-Z+1，S_t-Z+2，…，S_t-1に基づく移動平均である）を集合{1，…，M}から集合{1，…，M}への全単射写像（全部でM！個）ごとに計算し、計算結果の移動平均のうち最小の計算結果を与えた全単射写像f<t>が一つ選択される。

上記他の例は、別の観点からは、グループ２が、マルチビームアレーアンテナシステムの周辺で電磁界強度が所定の値以下である範囲、または、当該範囲を含む最小の円または多角形、の移動平均に基づいて決定される、と言うことができる。

（ハードウェア構成例）
図３にマルチビームアレーアンテナシステム１００の構成例を示す。基地局装置（または移動局装置）は、マルチビームアレーアンテナシステム１００を含む。マルチビームアレーアンテナシステム１００は、制御装置１０と、M個のグループG₁，…，G_Mを含む。制御装置１０は、データ送信部１１、位相設定部１３、制御部１５を含む。各グループはN/M個のアンテナ素子を含む（この例では、NはMの倍数である）。
各グループはビームB₁，…，B_Mのうち一つを形成する。一つのビームは複数のアンテナ素子から放射される電波によって形成される。グループG_kの高周波移相器群PSG_kによってグループG_kが作るビームの向きが制御される。

時刻t1を含む区分時間にてi番目のビームB_iがk[i,t1]番目のグループG_k[i,t1]によって形成される場合、制御部１５の制御の下、データ送信部１１は送信データD_iをグループG_k[i,t1]に与える。DAC１０１_k[i,t1]は、グループG_k[i,t1]に入力された送信データD_iをアナログ信号に変換する。混合器１０２_k[i,t1]は、DAC１０１_k[i,t1]の出力に中間周波数ローカル発振器１０３_k[i,t1]が生成する中間周波数ローカル信号を乗算する。分配器１０４_k[i,t1]は、混合器１０２_k[i,t1]の出力をN/M分配する。分配器１０６_k[i,t1]は、高周波ローカル発振器１０５_k[i,t1]が生成する高周波ローカル信号をN/M分配する。混合器１０７_k[i,t1],hは、分配器１０４_k[i,t1]のh番目の出力に分配器１０６_k[i,t1]のh番目の出力を乗算する。ただし、hは1≦h≦N/Mを満たす整数である。混合器１０７_k[i,t1],hの出力は、高周波移相器群PSG_k[i,t1]に含まれる移相器１０８_k[i,t1],hによって移相される。移相器１０８_k[i,t1],hの移相量は、制御部１５の制御の下で位相設定部１３によって設定される。移相器１０８_k[i,t1],hの出力は増幅器１０９_k[i,t1],hによって増幅され、増幅器１０９_k[i,t1],hの出力はアンテナ素子A_k[i,t1],hに送られる。

そして、時刻t2を含む区分時間にてi番目のビームB_iがk[i,t2]番目のグループG_k[i,t2]によって形成される場合、制御部１５の制御の下、データ送信部１１は送信データD_iをグループG_k[i,t2]に与える。さらに、移相器１０８_k[i,t2],hの移相量は、制御部１５の制御の下で位相設定部１３によって設定される。つまり、この例では、制御部１５が上述した全単射写像f<t>に基づくグループの切り換えを行う。このような構成によると、受信側の移動局装置あるいは受信側の基地局装置における受信レベルや受信速度を変えることなく、送信側のビームを切り換えることができる。なお、必要に応じて、全単射写像g_w（w∈{1，…，W}、W≦M!-1）、全単射写像g_y（y∈{1，…，Y}、Y≦M!-1）、電磁界分布D_i,k （（i,k）∈{1，…，M}×{1，…，M}）のデータはメモリ１７に保存されており、制御部１５が、上述した処理によって一つの全単射写像f<t>を選択し、さらに、選択された写像f<t>に基づくグループの切り換えを行う。

なお、図３に示す構成では、高周波移相器群が、高周波ローカル発振器とのミキシングによってアップコンバートされた信号の移相を調整するが、このような構成に限定されない。例えば、中間周波移相器群が、中間周波ローカル発振器とのミキシングによってアップコンバートされた信号の移相を調整してもよい。

＜補遺１＞
本発明を別の観点からまとめると、下記のように表現することができる。
（１）
Mを2以上の予め定められた整数とし、iを1以上M以下の各整数を表わすとし、k[i,t]を1以上M以下の各整数を表わすとして、
M個のグループがそれぞれ１個以上のアンテナ素子を含み、
予め定められたM個のビームが上記M個のグループによって形成される
マルチビームアレーアンテナシステムにおいて、
或る時刻tにてi番目のビームB_iがk[i,t]番目のグループG_k[i,t]によって形成されている場合に、全単射写像f<t>：{1，…，M}→{1，…，M}をf<t>(i)=k[i,t]によって定義すると、
当該マルチビームアレーアンテナシステムの運用期間内に条件Cを満たす第１の時刻t1および当該第１の時刻t1と異なる第２の時刻t2が存在する
（条件C）『f<t1>≠f<t2>』
ことを特徴とするマルチビームアレーアンテナシステム。
（２）
上記（１）に記載のマルチビームアレーアンテナシステムにおいて、
上記全単射写像f<t1>とf<t2>は条件D1を満たすことを特徴とする
（条件D1）『グループG_f<t1>(i)とグループG_f<t2>(i)との間の距離をL_iとして、Σ_i=1 ^ML_iが予め定められた値以上である』
マルチビームアレーアンテナシステム。
（３）
上記（１）に記載のマルチビームアレーアンテナシステムにおいて、
上記全単射写像f<t1>とf<t2>は条件D2を満たすことを特徴とする
（条件D2）『異なる二つのグループ間の距離の最大値をL_maxとし、グループG_f<t1>(i)とグループG_f<t2>(i)との間の距離をL_iとして、L_max∈{L₁，…，L_M}である』
マルチビームアレーアンテナシステム。
（４）
上記（１）に記載のマルチビームアレーアンテナシステムにおいて、
上記全単射写像f<t>が、マルチビームアレーアンテナシステムの周辺で電磁界強度が所定の値以下である範囲、または、当該範囲を含む最小の円または多角形、の移動平均に基づいて決定される
ことを特徴とするマルチビームアレーアンテナシステム。

＜補遺２＞
明細書と特許請求の範囲では、用語「含む」とその語形変化は非排他的表現として使用されている。例えば、「ＸはＡとＢを含む」という文は、ＸがＡとＢ以外のものを含むことを否定しない。ただし、当該用語またはその語形変化が否定辞と結合した場合はその限りではない。例えば、「ＸはＡとＢを含まない」という文は、ＸがＡとＢ以外のものを含む可能性を認めている。

上述の説明における「第○」との用語は、実施形態の構成を明確に説明するために使用した用語である。当該用語それ自体によって、つまり、構成要素の序列それ自体によって、本発明は限定されるものではない。また、当該用語の使用は、そのような限定を意図するものでもない。

本明細書で説明した各態様／実施形態は、LTE(Long Term Evolution)、LTE-A(LTE-Advanced)、SUPER 3G、IMT-Advanced、4G、5G、FRA(Future Radio Access)、W-CDMA（登録商標）、GSM（登録商標）、CDMA2000、UMB(Ultra Mobile Broadband)、IEEE 802.11(Wi-Fi)、IEEE 802.16(WiMAX)、IEEE 802.20、UWB(Ultra-WideBand)、Bluetooth（登録商標）、その他の適切なシステムを利用するシステム及び／又はこれらに基づいて拡張された次世代システムに適用されてもよい。

基地局は、１つまたは複数（例えば、３つ）の（セクタとも呼ばれる）セルを収容することができる。基地局が複数のセルを収容する場合、基地局のカバレッジエリア全体は複数のより小さいエリアに区分でき、各々のより小さいエリアは、基地局サブシステム（例えば、屋内用の小型基地局ＲＲＨ：Remote Radio Head）によって通信サービスを提供することもできる。「セル」または「セクタ」という用語は、このカバレッジにおいて通信サービスを行う基地局および／または基地局サブシステムのカバレッジエリアの一部または全体を指す。さらに、「基地局」「ｅＮＢ」、「セル」、および「セクタ」という用語は、本明細書では互換的に使用され得る。基地局は、固定局（fixed station）、ＮｏｄｅＢ、ｅＮｏｄｅＢ（ｅＮＢ）、アクセスポイント（access point）、フェムトセル、スモールセルなどの用語で呼ばれる場合もある。

移動局は、当業者によって、加入者局、モバイルユニット、加入者ユニット、ワイヤレスユニット、リモートユニット、モバイルデバイス、ワイヤレスデバイス、ワイヤレス通信デバイス、リモートデバイス、モバイル加入者局、アクセス端末、モバイル端末、ワイヤレス端末、リモート端末、ハンドセット、ユーザエージェント、モバイルクライアント、クライアント、またはいくつかの他の適切な用語で呼ばれる場合もある。

以上、本発明の実施形態について説明したが、当業者にとって、本発明が本明細書中で説明された実施形態に限定されないことは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載によって定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施され得る。本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、特段の断りが無い限り、本発明に対して何ら制限的な意味を有しない。

Claims (5)

1. Ｎは２以上の予め定められた整数であり、Ｍは２以上Ｎ以下を満たす予め定められた整数であり、ｉは１以上Ｍ以下の各整数を表し、ｔは時刻を表し、k[i,t]は１以上Ｍ以下の各整数を表わすとして、
   予め決められた位置に固定されているＮ個のアンテナ素子Ａ₁，…，Ａ_Nを含み、
   Ｎ個のアンテナ素子Ａ₁，…，Ａ_NはＭ個のグループＧ₁，…，Ｇ_Mに分類されており、
   Ａ_p（p∈{１，…，Ｎ}），Ｇ_q（q∈{１，…，Ｍ}）について、
   ・∀q，∃p s.t. Ａ_p∈Ｇ_q
   ・Ｇ_q1∩Ｇ_q2=φ （q1，q2∈{１，…，Ｍ}、q1≠q2、φ：空集合）
   ・∪_{q∈{1,…,M}}{ｋ|Ａ_k∈Ｇ_q}={１，…，Ｎ}
   が成立し、
   指向性の方向が予め定められた互いに異なるＭ個のビームＢ₁，…，Ｂ_Mが上記Ｍ個のグループＧ₁，…，Ｇ_Mによって形成される
   マルチビームアレーアンテナシステムにおいて、
   或る時刻ｔにてｉ番目のビームＢ_iがk[i,t]番目のグループＧ_k[i,t]によって形成されている場合に、時刻ｔにおけるビームの添字集合{１，…，Ｍ}からグループの添字集合{１，…，Ｍ}への全単射写像f<t>：{1，…，M}→{1，…，M}をf<t>(i)=k[i,t]によって定義すると、
   上記マルチビームアレーアンテナシステムの運用期間内に条件Ｃを満たす第１の時刻t1および当該第１の時刻t1と異なる第２の時刻t2が存在する
   （条件Ｃ）『f<t1>≠f<t2>』
   ことを特徴とするマルチビームアレーアンテナシステム。
2. 請求項１に記載のマルチビームアレーアンテナシステムにおいて、
   上記Ｍ個のグループＧ₁，…，Ｇ_Mのうち異なる二つのグループの間の距離を、一方のグループの中心と他方のグループの中心との間の距離で与えるとして、
   上記第１の時刻t1における全単射写像f<t1>と上記第２の時刻t2における全単射写像f<t2>は条件Ｄ１を満たす
   （条件Ｄ１）『グループＧ_f<t1>(i)とグループＧ_f<t2>(i)との間の距離をＬ_iとして、Σ_i=1 ^MＬ_iが予め定められた値以上である』
   ことを特徴とするマルチビームアレーアンテナシステム。
3. 請求項１に記載のマルチビームアレーアンテナシステムにおいて、
   上記Ｍ個のグループＧ₁，…，Ｇ_Mのうち異なる二つのグループの間の距離を、一方のグループの中心と他方のグループの中心との間の距離で与えるとして、
   上記第１の時刻t1における全単射写像f<t1>と上記第２の時刻t2における全単射写像f<t2>は条件Ｄ２を満たす
   （条件Ｄ２）『異なる二つのグループの間の距離の最大値をＬ_maxとし、グループＧ_f<t1>(i)とグループＧ_f<t2>(i)との間の距離をＬ_iとして、Ｌ_max∈{Ｌ₁，…，Ｌ_M}である』
   ことを特徴とするマルチビームアレーアンテナシステム。
4. 請求項２または請求項３に記載のマルチビームアレーアンテナシステムにおいて、
   上記グループの中心は、グループ内の上記アンテナ素子の配列がリニアアレーである場合には両端の上記アンテナ素子を結ぶ線分の等分点であり、グループ内の上記アンテナ素子の配列がサーキュラーアレーである場合には上記アンテナ素子の配列が従う円の中心であり、グループ内の上記アンテナ素子の配列が矩形状のプレーナアレーである場合には上記アンテナ素子の配列が従う矩形の対角線の交点であり、グループ内の上記アンテナ素子の配列がコンフォーマルアレーの場合は全ての上記アンテナ素子を内包できる円のうち面積が最小の円の中心である、
   ことを特徴とするマルチビームアレーアンテナシステム。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のマルチビームアレーアンテナシステムにおいて、
   上記全単射写像f<t>が、上記マルチビームアレーアンテナシステムの周辺で電磁界強度が所定の値以下である範囲、または、当該範囲を含む最小の円または多角形、の移動平均に基づいて決定される、ただし、「範囲の移動平均」は、当該範囲の面積の移動平均、または、上記マルチビームアレーアンテナシステムの中心から当該範囲の境界までの距離のうち最大の長さの移動平均であり、「最小の円または多角形の移動平均」は、当該円または多角形の面積の移動平均、または、上記マルチビームアレーアンテナシステムの中心から当該円または多角形の境界までの距離のうち最大の長さの移動平均であり、「マルチビームアレーアンテナシステムの中心」は、上記マルチビームアレーアンテナシステム内の上記アンテナ素子の配列がリニアアレーである場合には両端の上記アンテナ素子を結ぶ線分の等分点であり、上記マルチビームアレーアンテナシステム内の上記アンテナ素子の配列がサーキュラーアレーである場合には上記アンテナ素子の配列が従う円の中心であり、上記マルチビームアレーアンテナシステム内の上記アンテナ素子の配列が矩形状のプレーナアレーである場合には上記アンテナ素子の配列が従う矩形の対角線の交点であり、上記マルチビームアレーアンテナシステム内の上記アンテナ素子の配列がコンフォーマルアレーの場合は例えば、全ての上記アンテナ素子を内包できる円のうち面積が最小の円の中心である、
   ことを特徴とするマルチビームアレーアンテナシステム。

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