WO2020100464A1 - アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to an antenna module and a communication device equipped with the same, and more specifically to a technique for improving antenna characteristics in an array antenna.
- Patent Document 1 discloses that in an amplitude taper type array antenna, the column spacing of some antenna elements is set to be larger than the other column spacing and the element spacing is widened. There is disclosed a configuration in which the excitation amplitude of an antenna element adjacent to a region where the element spacing is wide is larger than the excitation amplitude of the antenna element.
- Patent Document 1 aims to secure a space for attaching a fidome that protects the antenna from wind and rain to the array antenna while suppressing deterioration of the antenna characteristics.
- the column spacing of some antenna elements is made larger than the spacing between other columns to secure a mounting space for the fidome, and an amplitude taper is applied to the array antenna as a whole.
- an amplitude taper is applied to the array antenna as a whole.
- the output power of the power amplifier that supplies high-frequency power to each antenna element has an upper limit
- the power of the radio wave output from each antenna element has an upper limit.
- the output power of the antenna element is proportional to the square of the excitation amplitude supplied to the antenna element. Therefore, as in Patent Document 1, when the excitation amplitude of the antenna element adjacent to the area in which the element spacing is widened is relatively increased, the excitation of the antenna element in the other area due to the upper limit of the output power in the area. It may be necessary to reduce the amplitude. Then, although the side lobe can be reduced, the total power as an antenna may be reduced.
- the present disclosure has been made to solve such a problem, and an object thereof is to reduce a side lobe in an array antenna while suppressing a decrease in total output power of the antenna.
- the antenna module according to the present disclosure is an array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged in an array on a dielectric substrate.
- the plurality of antenna elements are arranged on at least the first direction of the dielectric substrate.
- the plurality of antenna elements include a first antenna group arranged in the central portion and a second antenna group arranged in the end portion side with respect to the central portion in the first direction.
- the intervals between the antenna elements included in the first antenna group are unequal, and the intervals between the antenna elements included in the second antenna group are equal.
- the distance between the antenna elements included in the second antenna group is larger than the maximum distance between the antenna elements included in the first antenna group.
- the amplitude of the high-frequency signal supplied to the antenna element included in the second antenna group is smaller than the amplitude of the high-frequency signal supplied to the antenna element included in the first antenna group, and the amplitude distribution of the entire antenna module in the first direction is large. Is unimodal.
- the entire excitation amplitude distribution is unimodal, and the second antenna group arranged on the end side has a larger antenna than the first antenna group arranged on the center part.
- the elements are arranged so that the distance between them is large, and the amplitude (excitation amplitude) of the supplied high-frequency signal is set small.
- the antenna elements are arranged in the density taper type in the first antenna group, and the excitation amplitude is set in the amplitude taper type in the second antenna group, so that the excitation amplitude distribution of the entire array antenna is made a single peak type.
- the side lobe can be reduced while suppressing the decrease in the total output power of the radio waves radiated from the antenna.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of a one-dimensional array antenna device according to the first embodiment. It is a figure for demonstrating the antenna element space
- FIG. 4 is a diagram for explaining antenna characteristics of the antenna device of the first embodiment and a comparative example. It is a figure which shows the 1st example of the antenna device of the two-dimensional array which concerns on Embodiment 2. It is a figure which shows the 2nd example of the antenna device of the two-dimensional array which concerns on Embodiment 2.
- FIG. 1 is a diagram showing an outline of a communication system 1 in which a communication device 10 including an antenna module of this embodiment is used as a base station.
- the communication system 1 includes a base station including the communication device 10 and a plurality of mobile terminals 20 (for example, 20A to 20D).
- the 5th generation mobile communication system (5G) is being developed as a next-generation communication system of the so-called 4th generation mobile communication system (4G) such as LTE (Long Term Evolution) and LTE-Advanced.
- 4G 4th generation mobile communication system
- LTE Long Term Evolution
- LTE-Advanced LTE-Advanced
- a 5G system in addition to the conventional relatively low frequency band (eg, below the MHz band), by combining radio waves in the high frequency band of the millimeter wave band (eg, several GHz to several tens GHz), We aim to achieve high speed and large capacity while ensuring communication stability.
- Massive MIMO Multiple Input Multiple Output
- Massive MIMO uses multiple antenna elements arranged in an array and controls the radio waves radiated from each antenna element so that they overlap in the same phase, thereby producing a beam with a sharp directivity in a specific direction. It is a technology that enables the formation of high frequency radio waves to a certain extent.
- Massive MIMO by changing the directivity of the radiated radio waves in the horizontal direction (azimuth direction: X-axis direction) and the vertical direction (elevation direction: Y-axis direction), beamforming over a wide range can be achieved. It will be possible. As a result, radio waves can be individually radiated from the antenna of the base station toward the position where each mobile terminal exists, so that stable communication quality can be realized.
- the communication device 10 used in the present embodiment includes an antenna device 120 including a plurality of antenna elements arranged in an array, and beam forming is possible by adjusting the phase radiated from each antenna element. It is said that.
- the electric wave radiated from the antenna has a main lobe radiated in the main radiation direction and side lobes radiated in the lateral direction.
- the side lobes are radiated in an unintended direction, which may cause an interference wave for the communication device in that direction.
- Radio waves radiated by the side lobes and arriving at the receiving device after being reflected by a wall or a building weaken the reception intensity by causing interference with the radio waves radiated by the main lobe and arriving directly. May cause instability.
- it if there is a delay longer than the symbol length, it causes intersymbol interference and further deteriorates communication quality. Therefore, it is generally desired to reduce the strength of the side lobes.
- the excitation amplitude distribution of the entire array antenna is A method of making a single peak type is known.
- the total power that can be output as the antenna may decrease depending on the excitation amplitude distribution.
- an amplitude taper is given to the antenna element on the end side of the array, and a small element interval is provided for the antenna element at the center of the array to provide a density taper.
- the excitation amplitude distribution of the entire array antenna is a single-peak type, and the structure that reduces the side lobe while suppressing the decrease in total power is adopted.
- FIG. 2 is an example of a block diagram of the communication device 10 to which the antenna module 100 according to the present embodiment is applied.
- the communication device 10 is, for example, a mobile terminal such as a mobile phone, a smartphone or a tablet, a terminal device such as a personal computer having a communication function, and a base station that communicates with the terminal device.
- An example of the frequency band of the radio wave used in the antenna module 100 according to the present embodiment is, for example, a millimeter wave radio wave having a center frequency of 28 GHz, 39 GHz, and 60 GHz, but is also applicable to radio waves in frequency bands other than the above. It is possible.
- the communication device 10 includes an antenna module 100 and a BBIC 200 forming a baseband signal processing circuit.
- the antenna module 100 includes an RFIC 110, which is an example of a power feeding circuit, and an antenna device 120.
- the communication device 10 up-converts the signal transmitted from the BBIC 200 to the antenna module 100 into a high-frequency signal and radiates it from the antenna device 120, and down-converts the high-frequency signal received by the antenna device 120 to process the signal in the BBIC 200. To do.
- the antenna device 120 is an array antenna including a plurality of antenna elements (radiation electrodes) 121.
- antenna elements radiation electrodes
- FIG. 2 shows an example of the array antenna in which the plurality of antenna elements 121 are arranged in a two-dimensional array, the antenna elements 121 may be arranged in one dimension.
- the antenna element 121 is a patch antenna having a substantially square flat plate shape.
- the RFIC 110 includes switches 111A to 111D, 113A to 113D and 117, power amplifiers 112AT to 112DT, low noise amplifiers 112AR to 112DR, attenuators 114A to 114D, phase shifters 115A to 115D, and signal combiners / demultiplexers. 116, a mixer 118, and an amplifier circuit 119.
- the switches 111A to 111D and 113A to 113D are switched to the power amplifiers 112AT to 112DT side, and the switch 117 is connected to the transmission side amplifier of the amplifier circuit 119.
- the switches 111A to 111D and 113A to 113D are switched to the low noise amplifiers 112AR to 112DR side, and the switch 117 is connected to the receiving side amplifier of the amplifier circuit 119.
- the signal transmitted from the BBIC 200 is amplified by the amplifier circuit 119 and up-converted by the mixer 118.
- the up-converted high-frequency transmission signal is demultiplexed by the signal combiner / splitter 116, passes through four signal paths, and is fed to different antenna elements 121.
- the directivity of the antenna device 120 can be adjusted by individually adjusting the degree of phase shift of the phase shifters 115A to 115D arranged in each signal path.
- the received signals which are high-frequency signals received by the respective antenna elements 121, pass through four different signal paths and are combined by the signal combiner / splitter 116.
- the received signals thus combined are down-converted by the mixer 118, amplified by the amplifier circuit 119, and transmitted to the BBIC 200.
- the RFIC 110 is formed, for example, as a one-chip integrated circuit component including the above circuit configuration.
- devices switching, power amplifiers, low noise amplifiers, attenuators, phase shifters
- corresponding to the antenna elements 121 in the RFIC 110 may be formed as one chip integrated circuit component for each corresponding antenna element 121. ..
- the antenna device is configured by a one-dimensional array
- a case where the antenna device is configured by a two-dimensional array will be described as a second embodiment.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of the antenna device 120 included in the antenna module according to the first embodiment.
- the antenna device 120 includes a dielectric substrate 130 and 16 antenna elements 121.
- the antenna device 120 is a 1 ⁇ 16 one-dimensional linear array antenna in which the antenna elements 121 are arranged in one row.
- the center of the arrayed antenna elements (in FIG. 3, between the eighth antenna element and the ninth antenna element from the end) is the origin, and the array direction of the antenna elements 121 is the X-axis.
- the direction orthogonal to the X axis along the dielectric substrate 130 is the Y axis, and the normal direction of the antenna element 121 is the Z axis.
- FIG. 4 is a diagram for explaining the element spacing and the excitation amplitude of the antenna elements of the antenna device 120 of FIG. An outline of the arrangement of the antenna elements 121 is shown in the upper part of FIG. In the lower graph of FIG. 4, the horizontal axis indicates the element position, and the vertical axis indicates the excitation amplitude supplied to each antenna element.
- the element position on the horizontal axis is the wavelength and the wavelength when the wavelength of the high-frequency signal supplied to the antenna element 121 is ⁇ 0 and the distance in the X-axis direction from the origin of each antenna element 121 is x. Is represented by the ratio x / ⁇ 0 of The excitation amplitude on the vertical axis is represented by the ratio of the excitation amplitude that can be supplied to each antenna element 121 to the maximum value.
- a solid line L10 shows the excitation amplitude of the antenna device 120 according to the first embodiment
- a broken line L11 shows an amplitude taper type that gives the excitation amplitude of Taylor distribution to the antenna elements arranged at equal intervals.
- a comparative example of the case is shown.
- the antenna elements 121 in the antenna device 120 are classified into a first antenna group 151 arranged near the center and a second antenna group 152 arranged on the end side of the first antenna group 151.
- the antenna elements inside (center side) of the array antenna are set as the first antenna group 151, and antennas outside thereof (end side) are arranged.
- the element is the second antenna group 152.
- the maximum excitation amplitude that can be supplied is supplied to any of the antenna elements.
- the second antenna group 152 is supplied with different excitation amplitudes for the respective antenna elements. That is, the antenna elements of the first antenna group 151 are supplied with high-frequency signals of equal amplitude, and the antenna elements of the second antenna group 152 are supplied with high-frequency signals of unequal amplitude.
- the excitation amplitudes supplied to the antenna elements included in the second antenna group 152 are set so that the excitation amplitude distribution of the entire array antenna is a unimodal Taylor distribution.
- FIG. 4 is an example of the excitation amplitude when the element spacing in the second antenna group 152 is set to 0.52 ⁇ 0 , but in this case, it is supplied to the shortest antenna element in the second antenna group 152.
- the generated excitation amplitude is larger than that of the second antenna element.
- the line L15 in FIG. 5 is an example of the excitation amplitude when the element spacing in the second antenna group 152 is set to 0.525 ⁇ 0 , and in this case, it is supplied to the antenna elements of the second antenna group 152.
- the excitation amplitude to be reduced becomes smaller toward the end.
- the Taylor distribution is defined as an excitation distribution that realizes the directivity of the Chebyshev distribution and the directivity of the uniform distribution connected at the m-th zero point.
- the Taylor distribution p ( ⁇ ) is represented by the equation (1).
- R is the reciprocal of the sidelobe level represented by the true amplitude value. If the sidelobe level displayed in decibels is SLL dB , R is converted as in equation (5).
- the coordinates of each element of the N antenna elements are set as x 1 , x 2 , ..., X N in order from the negative direction of the X axis.
- L is expressed by equation (6).
- FIG. 9 shows the excitation distribution p ( ⁇ ) of the Taylor distribution shown in FIG. 6, and the lower part of FIG. 9 shows the cumulative function A ( ⁇ ).
- Expression (10) For the cumulative function in the negative q-section and the positive r-section that are subject to the constraint, the relationship shown in Expression (10) is established.
- the (q + 1) between the A N-r cumulative function becomes the right end in the A q cumulative function is left first (N-r) interval in the interval [A q, A N-r ] ( Fig. 9 In the range SC), the antenna elements are arranged so that the amplitude in this section is equally divided into the section width (N ⁇ q ⁇ r) because the constraint is not given by the equation (9). That is, the i-th section (q + 1 ⁇ i ⁇ N ⁇ r) can be expressed as in Expression (11).
- equations (18) and (19) result in ⁇ and ⁇ x. It is an implicit system of simultaneous equations where is an unknown number. Therefore, the simultaneous equations of the equations (18) and (19) can be numerically solved by several iterative calculations by using the Newton method of two variables.
- Grating lobe is a kind of side lobe, and in an array antenna with an element spacing of a half wavelength or more, when the beam is tilted by performing phase combination to a specific azimuth angle ⁇ 0 , the azimuth angle ⁇ 0 is We refer to lobes that occur at different azimuth angles ⁇ j .
- FIG. 10 is a diagram for explaining the principle of grating lobe generation.
- the element spacing is d x
- the main beam of the main beam is at an azimuth angle of ⁇ 0 from the Z-axis direction to the positive direction of the X-axis.
- the main beam is emitted in the azimuth angle of ⁇ 0 by sequentially delaying the phase of the radiated radio wave from the antenna element 121-1 near the origin in FIG. 10 in the positive direction of the X axis.
- the wavefront having the same phase as the wavefront W11 of the radio wave radiated from the antenna element 121-1 is the wavefront W12 in the antenna element 121-2 and the wavefront W13 in the antenna element 121-3. Therefore, if an equiphase surface in contact with these in-phase wavefronts is S10, the radio wave propagates in a direction perpendicular to the equiphase surface S10.
- an equiphase surface S20 is formed by the wavefront W24 of FIG.
- an equiphase surface S30 is formed by the wavefront W33 of the radio wave from the antenna element 121-3 and the like.
- the wavefronts W11 of the radio wave from the antenna element 121-1, the wavefront W22 of the radio wave from the antenna element 121-2, and the wavefront W33 of the radio wave from the antenna element 121-3 the wavefronts whose phases are shifted by 2n ⁇ Equal phase planes SM10, SM20, SM30 having the same phase are formed.
- a radio wave propagating in the azimuth angle ⁇ j by the equiphase surfaces SM10, SM20, and SM30 is a grating lobe.
- FIG. 11 is a graph showing the relationship of Expression (23).
- the horizontal axis represents the azimuth angle ⁇ 0 of the main beam
- the vertical axis represents the element spacing.
- the element spacing is represented by the ratio of the actual element spacing d x to the wavelength ⁇ 0 of the radiated radio wave.
- Expression (23) for each azimuth angle ⁇ 0 , when the element spacing becomes larger than the solid line L20 in FIG. 11, a grating lobe occurs. As can be seen from FIG. 11, the grating lobes are more likely to occur as the element spacing increases.
- FIG. 12 is a graph showing the element position (x / ⁇ 0 ) and the excitation amplitude in the first embodiment and each comparative example.
- line L40 indicates the first embodiment
- lines L41 to L43 indicate the comparative examples 1 to 3, respectively.
- solid lines L50 and L60 show the case of the first embodiment
- broken lines L51 and L61 show the case of the comparative example 1
- dashed-dotted lines L52 and L62 show the case of the comparative example 2.
- Chain lines L53 and L63 indicate the case of Comparative Example 3.
- FIG. 15 is a diagram summarizing the results of the simulation.
- the total power is shown as a difference between the total powers of the other cases when the total power of Comparative Example 1 is set as a reference (0 dB).
- the side lobe level is expressed as the ratio of the maximum gain of the side lobe to the gain of the main lobe.
- the total power is the same as the total power of Comparative Example 1 in Comparative Example 3 (density taper type) in which the amplitude taper is not applied to the excitation amplitude, but the amplitude taper is applied.
- the total power is lower than the reference.
- the second antenna group 152 since the element taper in the central portion (first antenna group 151) of the array is narrowed by the density taper as well as the amplitude taper on the end side (second antenna group 152), the second antenna The excitation amplitude in the group 152 is set larger than that in the amplitude taper type of Comparative Example 2.
- the total power (-1.2 dB) of the first embodiment is larger than the total power (-2.1 dB) of the comparative example 2.
- the level is about ⁇ 20 dBc in all the cases other than the comparative example 1, which is a comparative example.
- the side lobe level is reduced as compared with the case of -13.1 dBc of 1.
- Sidelobe levels of -20 dBc have been achieved.
- Comparative Example 3 since the element spacing on the end side is larger than in the case of the other Comparative Examples and Embodiment 1, the side lobe level increases when the main beam is tilted.
- Comparative Example 1 and Density Tapered Comparative Example 3 the total power is large, but the side lobe level is also large in consideration of beamforming. Further, in Comparative Example 2, although the side lobe level can be reduced, the total power becomes insufficient. Therefore, as in the first embodiment, the element spacing on the end side (second antenna group 152) of the array is set to be equal, and the element spacing near the center (first antenna group 151) is set to be unequal. It is possible to reduce the side lobe level while suppressing the decrease in total power by making the excitation amplitude applied to each antenna element to be an unequal amplitude so that it has a Taylor distribution as a whole. Become.
- FIG. 16 is a diagram showing a first example of an antenna module 100A including a two-dimensional array antenna device 120A according to the second embodiment.
- a case of an 8 ⁇ 8 two-dimensional array will be described as an example for ease of description, but the number of antenna elements of the array is However, the number may be more, such as 16 ⁇ 16 (256 elements).
- the element intervals are set to be unequal, as in the first embodiment, and An amplitude taper is given to the excitation amplitude.
- the four antenna elements in the central portion have unequal element spacings, and the excitation amplitudes are set to equal amplitudes.
- the element intervals are equal and the excitation amplitude is given an amplitude taper.
- the element spacing of the second antenna group 152 is set to be larger than the maximum value of the element spacing in the first antenna group 151.
- the excitation amplitude of the second antenna group 152 is smaller than the excitation amplitude of the first antenna group 151, and is set so that the excitation amplitude distribution becomes a Taylor distribution in the X-axis direction as described with reference to FIG. It
- the four antenna elements in the central portion are set to have unequal element spacings and the excitation amplitudes are set to equal amplitudes.
- the three antenna elements on the end side have equal element intervals, and the excitation amplitude is given an amplitude taper.
- the element spacing of the second antenna group 162 is set to be larger than the maximum value of the element spacing of the first antenna group 161.
- the excitation amplitude of the second antenna group 162 is set smaller than the excitation amplitude of the first antenna group 161, and the excitation amplitude distribution in the Y-axis direction is set to be a Taylor distribution.
- the antenna device 120A is configured by a combination of four sub-modules 120A-1 to 120A-4. Sixteen antenna elements 121 are formed in each sub-module.
- the antenna device 120A can be formed by combining antenna modules of the same structure rotated by 90 °. it can. However, it is necessary to match the polarization directions radiated from each sub-module.
- the RFIC 110 is preferably arranged on the opposite side (back side) to the radio wave radiation direction in the region where the element spacing is set small in both the X-axis direction and the Y-axis direction. In the example of FIG. 16, for example, it is a region indicated by a broken line.
- the antenna elements of the first antenna groups 151 and 161 in which the element spacing is set small are required to set the excitation amplitude (supply power) as large as possible in order to secure the total power. .
- Part of the electric power supplied to the antenna element 121 is consumed by the resistance component of the power supply wiring from the RFIC 110 to the antenna element 121. Therefore, it is preferable to make the distance between the antenna element included in the first antenna group in which the excitation amplitude is set large and the RFIC 110 as short as possible.
- the region where the excitation amplitude is set large is near the center of the antenna device 120A. Therefore, as shown in FIG. 16, in each sub-module, the distance between the antenna elements included in the first antenna groups 151 and 161 and the RFIC 110 is smaller than the distance between the antenna elements included in the second antenna groups 152 and 162 and the RFIC 110.
- the RFIC 110 is arranged in the vicinity of the center of the antenna device 120A so as to be smaller. As a result, the excitation amplitude supplied to the antenna elements of the first antenna groups 151 and 161 can be set as large as possible, whereby a large total power can be secured.
- the case where the element spacing and the excitation amplitude in the Y-axis direction are set to be the same as the element spacing and the excitation amplitude in the X-axis direction has been described as an example. However, for example, the X-axis direction and the Y-axis are set.
- the element spacing and the excitation amplitude may be set differently according to the tilt range.
- either a two-dimensional array or one of the azimuth direction and the elevation direction may have equal intervals and equal amplitudes.
- the beam is tilted in only one of the azimuth direction and the elevation direction, or a case where the total power is desired to be increased.
- the element intervals are set to be unequal intervals for either one of the azimuth direction and the elevation direction, and the excitation amplitude is tapered for the other.
- a configuration in which the element intervals are equal and the excitation amplitude is equal will be described.
- FIG. 17 is a diagram showing a second example of the antenna module 100B including the two-dimensional array antenna device 120B according to the second embodiment.
- the element intervals are set to be unequal in the azimuth direction (X-axis direction), and the excitation amplitude is given an amplitude taper.
- the antenna elements are arranged such that the element intervals between the adjacent antenna elements are equal.
- the antenna device 120B is formed by a combination of four sub-modules 120B-1 to 120B-4. As shown in FIG. 17, the sub-module 120B-1 is arranged by rotating the sub-module 120B-2 by 180 °, and the sub-module 120B-3 is also arranged by rotating the sub-module 120B-4 by 180 °. Has become. Therefore, the antenna device 120B of the second example can also be formed by combining antenna modules having the same structure.
- the RFIC 110 is arranged at a position close to the first antenna group 151 in which the excitation amplitude is set to be large.
- the RFIC 110 since the element intervals are equal in the Y-axis direction, the RFIC 110 is located near the center in the Y-axis direction in the area of the first antenna group 151 (broken line part in FIG. 17) in each sub-module. Will be placed.
- the distance between the antenna elements included in the first antenna group 151 and the RFIC 110 is smaller than the distance between the antenna elements included in the second antenna group 152 and the RFIC 110. . Therefore, it is possible to set the excitation amplitude supplied to the antenna elements of the first antenna group 151 as large as possible, and thereby to secure a large total power.
- the elevation direction (Y-axis direction) has equal intervals and equal amplitudes
- the azimuth direction (X-axis direction) may be set depending on how the array antenna is installed.
- the elevation directions may be equally spaced and of equal amplitude, and the elevation directions may be equally spaced and of unequal amplitude.
- the configuration in which the antenna elements of the same shape and the same size are arranged in one dimension or two dimensions has been described.
- the shape and size of the antenna elements are not necessarily uniform, and at least some of the antenna elements may have different shapes and sizes in order to relax the coupling between the antenna elements and / or adjust the resonance frequency. Good.
- 1 communication system 10 communication device, 20A-20D mobile terminal, 100, 100A, 100B antenna module, 110 RFIC, 111A-111D, 113A-113D, 117 switch, 112AR-112DR low noise amplifier, 112AT-112DT power amplifier, 114A- 114D attenuator, 115A to 115D phase shifter, 116 signal combiner / splitter, 118 mixer, 119 amplifier circuit, 120, 120A, 120B antenna device, 120A-1 to 120A-4, 120B-1 to 120B-4 sub Module, 121 antenna element, 130 dielectric substrate, 151, 161 first antenna group, 152, 162 second antenna group, 200 BBIC.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
アンテナモジュール(100)は、複数のアンテナ素子(121)が少なくとも第1方向に配列されたアレイアンテナである。複数のアンテナ素子(121)は、第1方向において、中央部に配置された第1アンテナ群(151)と、当該中央部よりも端部側に配置された第2アンテナ群(152)とを含む。第1アンテナ群(151)のアンテナ素子間の間隔は不等間隔であり、第2アンテナ群(152)のアンテナ素子間の間隔は、第1アンテナ群(151)のアンテナ素子間の最大間隔よりも大きい等間隔である。第2アンテナ群(152)に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅は、第1アンテナ群(151)に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅よりも小さく、アンテナモジュール全体の第1方向における振幅分布は単峰型である。
Description
本開示は、アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置に関し、より特定的には、アレイアンテナにおけるアンテナ特性を向上させるための技術に関する。
複数のアンテナ素子がアレイ状に配置されたアレイアンテナにおいて、アレイアンテナを構成するアンテナ素子に不均一な励振振幅分布を与える構成(振幅テーパ型)、あるいは、アンテナ素子の配列に密度分布を与える構成(密度テーパ型)を採用することによって、所望のアンテナ特性を実現する構成が知られている。
特開平8-204428号公報(特許文献1)には、振幅テーパ型のアレイアンテナにおいて、一部のアンテナ素子の列間隔を他の列間隔よりも大きくするとともに、素子間隔が広くなった領域のアンテナ素子の励振振幅よりも、素子間隔が広くなった領域に隣接するアンテナ素子の励振振幅を大きくする構成が開示されている。
特許文献1は、アンテナ特性の劣化を抑制しつつ、アンテナを風雨等から保護するフィドームをアレイアンテナに取り付けるためのスペースを確保することを目的としている。特許文献1においては、上記の構成とすることによって、一部のアンテナ素子の列間隔を他の列間隔よりも大きくしてフィドームの取り付けスペースを確保するとともに、振幅テーパを与えてアレイアンテナ全体の励振振幅の分布をテイラー分布とすることによって、サイドローブを抑制してアンテナ特性の低下を抑制している。
一般的に、各アンテナ素子に高周波電力を供給するパワーアンプの出力電力には上限があるため、各アンテナ素子から出力される電波のパワーには上限がある。アンテナ素子の出力パワーは、アンテナ素子に供給される励振振幅の二乗に比例する。そのため、特許文献1のように、素子間隔を広げた領域に隣接するアンテナ素子の励振振幅を相対的に大きくすると、当該領域における出力パワーの上限のために、それ以外の領域のアンテナ素子の励振振幅を小さくすることが必要となり得る。そうすると、サイドローブは低減できるものの、アンテナとしてのトータルパワーが低下する可能性がある。
本開示は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、アレイアンテナにおいて、アンテナのトータル出力パワーの低下を抑制しつつ、サイドローブを低減することである。
本開示に係るアンテナモジュールは、誘電体基板に複数のアンテナ素子がアレイ状に配列されたアレイアンテナである。複数のアンテナ素子は、誘電体基板の少なくとも第1方向に配列されている。複数のアンテナ素子は、第1方向において、中央部に配置された第1アンテナ群と、当該中央部よりも端部側に配置された第2アンテナ群とを含む。第1アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は不等間隔であり、第2アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は等間隔である。第2アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は、第1アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の最大間隔よりも大きい。第2アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅は、第1アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅よりも小さく、アンテナモジュール全体の第1方向における振幅分布は単峰型である。
本開示によれば、アレイアンテナにおいて、全体の励振振幅分布が単峰型であり、端部側に配置された第2アンテナ群については、中央部に配置された第1アンテナ群よりも、アンテナ素子間の間隔が大きくなるように配置されるとともに、供給される高周波信号の振幅(励振振幅)が小さく設定される。このように、第1アンテナ群ではアンテナ素子を密度テーパ型に配列するとともに、第2アンテナ群では励振振幅を振幅テーパ型にすることによって、アレイアンテナ全体の励振振幅分布を単峰型とすることで、アンテナから放射される電波のトータル出力パワーの低下を抑制しつつ、サイドローブを低減することができる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
(通信システムの概要)
図1は、本実施の形態のアンテナモジュールを含む通信装置10が基地局として用いられる通信システム1の概要を示す図である。通信システム1は、通信装置10を含む基地局と、複数の携帯端末20(たとえば、20A~20D)とを含む。
図1は、本実施の形態のアンテナモジュールを含む通信装置10が基地局として用いられる通信システム1の概要を示す図である。通信システム1は、通信装置10を含む基地局と、複数の携帯端末20(たとえば、20A~20D)とを含む。
近年、LTE(Long Term Evolution)およびLTE-Advancedなどのいわゆる第4世代移動通信システム(4G)の次世代の通信システムとして、第5世代移動通信システム(5G)の開発が進められている。5Gのシステムにおいては、従来の比較的低い周波数帯域(たとえば、MHz帯域以下)に加えて、ミリ波帯の高い周波数帯域(たとえば、数GHz~数十GHz)の電波を組み合わせて用いることによって、通信の安定性を確保しつつ、高速化および大容量化を実現することを目指している。
一方で、高い周波数の電波は、波長が短いために遠くまで電波が届きにくいという特徴がある。このような課題を解決するためのアンテナ技術として、Massive MIMO(Multiple Input Multiple Output)が提案されている。Massive MIMOは、アレイ状に配置された複数のアンテナ素子を用い、各アンテナ素子から放射される電波が同じ位相で重なり合うように制御することによって、特定の方向に対して鋭い指向性を有するビームを形成し、高い周波数帯の電波でもある程度遠くまで放射できるようにする技術である。
Massive MIMOを用いることによって、放射される電波の指向性を、水平方向(アジマス方向:X軸方向)および垂直方向(エレベーション方向:Y軸方向)に変化させることによって、広範囲へのビームフォーミングが可能となる。これによって、基地局のアンテナから、各携帯端末が存在する位置に向けて個別に電波を放射することができるので、安定した通信品質を実現することが可能となる。
本実施の形態に用いられる通信装置10は、アレイ状に配置された複数のアンテナ素子を含むアンテナ装置120を備えており、各アンテナ素子から放射される位相を調整することによって、ビームフォーミングが可能とされている。
一般的に、アンテナから放射される電波には、メインの放射方向に放射されるメインローブと、横方向に放射されるサイドローブとが形成される。通常、サイドローブは意図しない方向に放射されるため、その方向にある通信装置にとっては妨害波となることがある。また、サイドローブにより放射され、壁あるいは建物などに反射してから受信装置に到達する電波は、メインローブにより放射され直接到達する電波との間で干渉を引き起こすことによって、受信強度を弱めたり、不安定にしたりすることがある。さらに、シンボル長よりも長い遅延がある場合には、シンボル間干渉を引き起こしてさらに通信品質を低下させてしまう。そのため、一般的にサイドローブの強度を低くすることが望まれる。
サイドローブを低減するための手法として、アレイアンテナの各アンテナ素子に供給する高周波信号の励振振幅の分布を不均一とする振幅テーパを与えることにより、アレイアンテナ全体の励振振幅分布をテイラー分布等の単峰型にする手法が知られている。しかしながら、振幅テーパを用いる場合、励振振幅分布によっては、アンテナとして出力可能なトータルパワーが低下するおそれがある。
そこで、本実施の形態においては、アレイアンテナにおいて、アレイの端部側のアンテナ素子に振幅テーパを与えるとともに、アレイの中央部のアンテナ素子については素子間隔を小さくして密度テーパを設けることによって、アレイアンテナ全体の励振振幅分布を単峰型として、トータルパワーの低下を抑制しつつサイドローブを低減する構成を採用する。
以下、本実施の形態に係るアンテナモジュールを含む通信装置の詳細な構成について説明する。
(通信装置の基本構成)
図2は、本実施の形態に係るアンテナモジュール100が適用される通信装置10のブロック図の一例である。通信装置10は、たとえば、携帯電話、スマートフォンあるいはタブレットなどの携帯端末や、通信機能を備えたパーソナルコンピュータのような端末装置、ならびに、当該端末装置との通信を行なう基地局である。本実施の形態に係るアンテナモジュール100に用いられる電波の周波数帯域の一例は、たとえば28GHz、39GHzおよび60GHzを中心周波数とするミリ波帯の電波であるが、上記以外の周波数帯域の電波についても適用可能である。
図2は、本実施の形態に係るアンテナモジュール100が適用される通信装置10のブロック図の一例である。通信装置10は、たとえば、携帯電話、スマートフォンあるいはタブレットなどの携帯端末や、通信機能を備えたパーソナルコンピュータのような端末装置、ならびに、当該端末装置との通信を行なう基地局である。本実施の形態に係るアンテナモジュール100に用いられる電波の周波数帯域の一例は、たとえば28GHz、39GHzおよび60GHzを中心周波数とするミリ波帯の電波であるが、上記以外の周波数帯域の電波についても適用可能である。
図2を参照して、通信装置10は、アンテナモジュール100と、ベースバンド信号処理回路を構成するBBIC200とを備える。アンテナモジュール100は、給電回路の一例であるRFIC110と、アンテナ装置120とを備える。通信装置10は、BBIC200からアンテナモジュール100へ伝達された信号を高周波信号にアップコンバートしてアンテナ装置120から放射するとともに、アンテナ装置120で受信した高周波信号をダウンコンバートしてBBIC200にて信号を処理する。
アンテナ装置120は、複数のアンテナ素子(放射電極)121を含むアレイアンテナである。図2では、説明を容易にするために、アンテナ装置120を構成する複数のアンテナ素子121のうち、4つのアンテナ素子121に対応する構成のみが示され、同様の構成を有する他のアンテナ素子121に対応する構成については省略されている。なお、図2においては、複数のアンテナ素子121が二次元のアレイ状に配置されたアレイアンテナの例を示しているが、アンテナ素子121が一次元に配置された構成であってもよい。本実施の形態においては、アンテナ素子121は、略正方形の平板形状を有するパッチアンテナである。
RFIC110は、スイッチ111A~111D,113A~113D,117と、パワーアンプ112AT~112DTと、ローノイズアンプ112AR~112DRと、減衰器114A~114Dと、移相器115A~115Dと、信号合成/分波器116と、ミキサ118と、増幅回路119とを備える。
高周波信号を送信する場合には、スイッチ111A~111D,113A~113Dがパワーアンプ112AT~112DT側へ切換えられるとともに、スイッチ117が増幅回路119の送信側アンプに接続される。高周波信号を受信する場合には、スイッチ111A~111D,113A~113Dがローノイズアンプ112AR~112DR側へ切換えられるとともに、スイッチ117が増幅回路119の受信側アンプに接続される。
BBIC200から伝達された信号は、増幅回路119で増幅され、ミキサ118でアップコンバートされる。アップコンバートされた高周波信号である送信信号は、信号合成/分波器116で4分波され、4つの信号経路を通過して、それぞれ異なるアンテナ素子121に給電される。このとき、各信号経路に配置された移相器115A~115Dの移相度が個別に調整されることにより、アンテナ装置120の指向性を調整することができる。
各アンテナ素子121で受信された高周波信号である受信信号は、それぞれ、異なる4つの信号経路を経由し、信号合成/分波器116で合波される。合波された受信信号は、ミキサ118でダウンコンバートされ、増幅回路119で増幅されてBBIC200へ伝達される。
RFIC110は、例えば、上記回路構成を含む1チップの集積回路部品として形成される。あるいは、RFIC110における各アンテナ素子121に対応する機器(スイッチ、パワーアンプ、ローノイズアンプ、減衰器、移相器)については、対応するアンテナ素子121毎に1チップの集積回路部品として形成されてもよい。
以下の説明において、アンテナ装置が一次元アレイで構成される場合を実施の形態1として説明し、アンテナ装置が二次元アレイで構成される場合を実施の形態2として説明する。
[実施の形態1]
(素子配列および振幅)
図3は、実施の形態1に係るアンテナモジュールに含まれるアンテナ装置120の一例を示す図である。図3の例においては、アンテナ装置120は、誘電体基板130と、16個のアンテナ素子121とを含む。アンテナ装置120は、アンテナ素子121が1列に配置された、1×16の一次元のリニアアレイアンテナである。以降の説明において、配列されたアンテナ素子の中央(図3においては、端部から8番目のアンテナ素子と9番目のアンテナ素子との間)を原点として、アンテナ素子121の配列方向をX軸、誘電体基板130に沿ってX軸に直交する方向をY軸、そしてアンテナ素子121の法線方向をZ軸とする。
(素子配列および振幅)
図3は、実施の形態1に係るアンテナモジュールに含まれるアンテナ装置120の一例を示す図である。図3の例においては、アンテナ装置120は、誘電体基板130と、16個のアンテナ素子121とを含む。アンテナ装置120は、アンテナ素子121が1列に配置された、1×16の一次元のリニアアレイアンテナである。以降の説明において、配列されたアンテナ素子の中央(図3においては、端部から8番目のアンテナ素子と9番目のアンテナ素子との間)を原点として、アンテナ素子121の配列方向をX軸、誘電体基板130に沿ってX軸に直交する方向をY軸、そしてアンテナ素子121の法線方向をZ軸とする。
図4は、図3のアンテナ装置120のアンテナ素子の素子間隔と励振振幅を説明するための図である。図4の上段には、アンテナ素子121の配置概要が示されている。図4の下段のグラフにおいては、横軸には素子位置が示され、縦軸には各アンテナ素子に供給される励振振幅を示す。
なお、横軸の素子位置は、アンテナ素子121に供給される高周波信号の波長をλ0とし、各アンテナ素子121の原点からのX軸方向の距離をxとした場合の、当該距離と波長との比率x/λ0で表わされる。また、縦軸の励振振幅については、各アンテナ素子121に供給可能な励振振幅の最大値に対する比率で表わされる。
図4のグラフにおいて、実線L10は、実施の形態1におけるアンテナ装置120の励振振幅が示されており、破線L11は、等間隔に配置したアンテナ素子にテイラー分布の励振振幅を与える振幅テーパ型の場合の比較例を示している。
アンテナ装置120におけるアンテナ素子121は、中央部付近に配置された第1アンテナ群151と、当該第1アンテナ群151よりも端部側に配置された第2アンテナ群152とに分類される。図3の例においては、アレイアンテナの両端部から5番目のアンテナ素子を境界として、それより内側(中央側)のアンテナ素子を第1アンテナ群151とし、それより外側(端部側)のアンテナ素子を第2アンテナ群152とする。
第1アンテナ群151に含まれるアンテナ素子の素子間隔は、第2アンテナ群152に含まれるアンテナ素子の素子間隔よりも小さくなるように設定される。より具体的には、第1アンテナ群151に含まれるアンテナ素子は、中央部(x/λ0=0)に近づくほど素子間隔が小さくなり、端部側の第2アンテナ群152に近づくほど素子間隔が大きくなるように配置される。すなわち、第1アンテナ群151に含まれるアンテナ素子は不等間隔に配置される。一方で、第2アンテナ群152に含まれるアンテナ素子は、第1アンテナ群151に含まれるアンテナ素子間の最大間隔よりも大きい等間隔に配置される。
第1アンテナ群151においては、いずれのアンテナ素子に対しても、供給可能な最大励振振幅が供給される。一方で、第2アンテナ群152には、各アンテナ素子に対して異なる励振振幅が供給されている。すなわち、第1アンテナ群151のアンテナ素子には等振幅の高周波信号が供給され、第2アンテナ群152のアンテナ素子には不等振幅の高周波信号が供給されている。なお、後述するように、第2アンテナ群152に含まれるアンテナ素子に供給される励振振幅は、アレイアンテナ全体で励振振幅分布が単峰型のテイラー分布となるように設定される。
なお、図4は、第2アンテナ群152における素子間隔を0.52λ0に設定した場合の励振振幅の例であるが、この場合には、第2アンテナ群152における最短部のアンテナ素子に供給される励振振幅は、2番目のアンテナ素子よりも大きくなる。一方で、図5の線L15は、第2アンテナ群152における素子間隔を0.525λ0に設定した場合の励振振幅の例であり、この場合には、第2アンテナ群152のアンテナ素子に供給される励振振幅は、端部に近くなるほど小さくなる。
次に、図6~図9を用いて、本実施の形態1における素子間隔を設定する手法について説明する。
まず、テイラー分布について説明する。一般的にテイラー分布は、チェビシェフ(Chebyshev)分布の指向性と一様分布の指向性をm番目の零点で接続した指向性を実現する励振分布として定義される。テイラー分布p(ξ)は式(1)によって表わされる。
ここで、Rは振幅真値で表わしたサイドローブレベルの逆数である。デシベル表示したサイドローブレベルをSLLdBとすると、Rは式(5)のように変換される。
たとえば、メインローブに対するサイドローブレベルの比を-20dBcに設定した場合にはR=10となる。
図6は、サイドローブレベル-25dBc,m=3の場合に式(1)で与えられるテイラー分布の一例である。
次に、アレイアンテナの端部側の素子間隔を指定値に拘束して不等振幅と等振幅とを組み合わせた場合のアンテナ素子の割り付け手法について説明する。
まず、図7に示すように、N個のアンテナ素子の各素子の座標を、X軸の負方向から順に、x1,x2,…,xNとおく。このとき、アンテナのサイズに関わるパラメータとして、両端のアンテナ素子間の距離をLとすると、Lは式(6)のように表わされる。
L=xN-x1 (6)
与えられた励振分布p(ξ)(-1≦ξ≦1)についての累積関数をA(ξ)を式(7)のように定義する。
与えられた励振分布p(ξ)(-1≦ξ≦1)についての累積関数をA(ξ)を式(7)のように定義する。
また、xとξとの比例定数をγとする。
ξi=γxi (8)
ここで、図7に示される一次元上の配列において、負側の端部(すなわちx1)からq個の素子間隔、および正側の端部(すなわちxN)からr個の素子間隔を式(9)のように指定値に拘束する。このようなアンテナ素子の配列を図8に示す。
ξi=γxi (8)
ここで、図7に示される一次元上の配列において、負側の端部(すなわちx1)からq個の素子間隔、および正側の端部(すなわちxN)からr個の素子間隔を式(9)のように指定値に拘束する。このようなアンテナ素子の配列を図8に示す。
次に、図9を用いて、各アンテナ素子に分配される振幅に対する累積関数の区間を考える。図9の上段には図6で示したテイラー分布の励振分布p(ξ)が示されており、図9の下段には累積関数A(ξ)が示されている。拘束を受ける負側のq区間および正側のr区間の累積関数については、式(10)のような関係が成立する。
一方、第(q+1)区間において累積関数が左端となるAqと第(N-r)区間において累積関数が右端となるAN-rとの間[Aq,AN-r](図9の範囲SC)では、式(9)による拘束を受けないため、この区間内の振幅は区間幅が(N-q-r)等分されるようにアンテナ素子の配置を定めることができる。すなわち、第i区間(q+1≦i≦N-r)は、式(11)のように表わすことができる。
そして、その中心値を用いて、アンテナ素子の配置を対応付けると、式(12)の関係が成立する。
ここまでの未知数は、xiがN個、ξiがN個、Aiが(q+r)個、γが1個の合計(2N+q+r+1)個である。これに対し、互いに独立な方程式は、式(6)が1個、式(8)がN個、式(9)が(q+r)個、式(10)が(q+r)個、式(12)が(N-q-r)個の合計(2N+q+r+1)個で同数となるため、解が一意に決定される。これにより、得られたアンテナ素子の素子間隔に対して、各アンテナ素子の励振振幅wiを式(13)のように設定することによって、アレイアンテナ全体の励振振幅分布をテイラー分布とすることができる。
ここで、以下の式(15)を満たすような変数Δxを導入すると、式(6)は自ずと満たされることになる。
そして、式(12)において、i=q+1およびi=N-rとしたときの式に、上記の式(16)および式(17)を適用して整理すると、以下の式(18)および式(19)のように表わせる。
この式(18)および式(19)におけるξiを、式(6),式(14),式(15)で置き換えると、式(18)および式(19)は、結果的にγおよびΔxを未知数とする陰形式の連立方程式となる。したがって、式(18),式(19)の連立方程式は、たとえば2変数のニュートン法を用いることで数値的に数回の繰り返し計算で解くことができる。
次に、アンテナ素子の素子間隔とグレーティングローブとの関係について図10および図11を用いて説明する。グレーティングローブとは、サイドローブの一種であり、素子間隔が半波長以上のアレイアンテナにおいて、特定の方位角θ0に位相合成を行なってビームを傾斜させた際に、当該方位角θ0とは異なった方位角θjに発生するローブを称する。
図10は、グレーティングローブの発生原理を説明するための図である。図10を参照して、図3で示したような、一次元アレイのアンテナ装置120において、素子間隔をdxとし、Z軸方向からX軸の正方向にθ0の方位角にメインビームのビームフォーミングを行なう場合を考える。
このとき、図10中の原点に近いアンテナ素子121-1からX軸の正方向に向かって、放射される電波の位相を順次遅延することによって、θ0の方位角にメインビームが放射される。たとえば、アンテナ素子121-1から放射された電波のある波面W11と同じ位相の波面は、アンテナ素子121-2では波面W12であり、アンテナ素子121-3では波面W13である。したがって、これらの同位相の波面に接する等位相面をS10とすると、電波は等位相面S10に対して垂直な方向に伝播する。同様に、等位相面S10から1波長λ0進んだ波面については、アンテナ素子121-2からの電波の波面W22、アンテナ素子121-3からの電波の波面W23、アンテナ素子121-4からの電波の波面W24等によって等位相面S20が形成される。さらに1波長λ0進んだ波面については、アンテナ素子121-3からの電波の波面W33等によって等位相面S30が形成される。
一方で、アンテナ素子121-1からの電波の波面W11、アンテナ素子121-2からの電波の波面W22、アンテナ素子121-3からの電波の波面W33のような、位相が2nπずれた波面同士においても同位相となる等位相面SM10,SM20,SM30が形成される。この等位相面SM10,SM20,SM30によってθjの方位角に伝播する電波がグレーティングローブである。
ここで、隣接するアンテナ素子間の励振振幅の位相差をΔφとすると、Δφは以下の式(20)のように表わすことができる。
ここで、最低次数(j=1)のグレーティングローブθ1が発生する条件は式(22)となり、結果的に式(23)で表わすことができる。
図11は、式(23)の関係をグラフに表わしたものである。図11においては、横軸にメインビームの方位角θ0が示されており、縦軸には素子間隔が示されている。なお、素子間隔については、放射される電波の波長λ0に対する実際の素子間隔dxの比で表わされている。そして、式(23)に示されるように、各方位角θ0について、図11中の実線L20よりも素子間隔が大きくなるとグレーティングローブが発生する。図11からわかるように、素子間隔が大きいほど、グレーティングローブが発生しやすくなる。
たとえば、方位角θ0=60°の場合においては、dx/λ0>0.536となるとグレーティングローブが発生する。すなわち、方位角θ0=60°の場合にグレーティングローブの発生を抑制するには、素子間隔dxを0.536λ0よりも小さくすることが必要となる。
(シミュレーション結果)
上述のような関係を考慮して、アンテナ素子数を16個(N=16)、両端の素子間隔を7.5λ0(L=7.5λ0)、励振振幅分布をサイドローブレベル-20dBc,m=2のテイラー分布とし、端部側の第2アンテナ群152の4区間の素子間隔を0.52λ0とした場合についてのサイドローブレベルとトータルパワーについてシミュレーションを行なった。
上述のような関係を考慮して、アンテナ素子数を16個(N=16)、両端の素子間隔を7.5λ0(L=7.5λ0)、励振振幅分布をサイドローブレベル-20dBc,m=2のテイラー分布とし、端部側の第2アンテナ群152の4区間の素子間隔を0.52λ0とした場合についてのサイドローブレベルとトータルパワーについてシミュレーションを行なった。
シミュレーションにおいては、素子間隔を等間隔とし各アンテナ素子の励振振幅を一定(最大)とした場合(比較例1)、素子間隔を等間隔とし励振振幅をテイラー分布(不等振幅)とした振幅テーパ型の場合(比較例2)、および素子間隔を端部から中央部に向けて徐々に短くし励振振幅を一定(最大)とした密度テーパ型の場合(比較例3)との比較を行なった。
図12は、実施の形態1および各比較例における、素子位置(x/λ0)と励振振幅とを示したグラフである。図12において、線L40が実施の形態1を示し、線L41~L43がそれぞれ比較例1~3を示している。
図13および図14は、メインビームの方位角θ0=0°(すなわち、傾斜なし)の場合(図13)、およびメインビームの方位角をθ0=45°に傾斜させた場合(図14)の、ピークゲインを示したグラフである。図13および図14において、実線L50,L60が実施の形態1の場合を示し、破線L51,L61が比較例1の場合を示し、一点鎖線L52,L62が比較例2の場合を示し、二点鎖線L53,L63が比較例3の場合を示している。
また、図15は、シミュレーションの結果をまとめた図である。なお、図15において、トータルパワーについては、比較例1のトータルパワーを基準(0dB)としたときの、他の各ケースのトータルパワーの差として表わしている。また、サイドローブレベルについては、メインローブのゲインに対するサイドローブの最大ゲインの比として表わしている。
図12~図15を参照して、トータルパワーについては、励振振幅に振幅テーパを与えていない比較例3(密度テーパ型)については比較例1のトータルパワーと同じであるが、振幅テーパを与えている比較例2および実施の形態1においては、基準に比べてトータルパワーが低下している。しかしながら、実施の形態1においては、端部側(第2アンテナ群152)に対する振幅テーパとともに、密度テーパによってアレイの中央部分(第1アンテナ群151)の素子間隔を狭めているため、第2アンテナ群152における励振振幅が、比較例2の振幅テーパ型の場合よりも大きく設定される。これによって、実施の形態1のトータルパワー(-1.2dB)の方が、比較例2のトータルパワー(-2.1dB)よりも大きくなっている。
サイドローブレベルに着目すると、メインビームの方位角が傾斜していない場合(θ0=0°)は、比較例1以外の場合については、約-20dBcとほぼ同じレベルとなっており、比較例1の-13.1dBcの場合よりもサイドローブレベルが低減されている。一方で、メインビームの方位角を傾斜させた場合(θ0=45°)は、振幅テーパを与えている比較例2および実施の形態1においては、θ0=0°の場合と同様に約-20dBcのサイドローブレベルが達成されている。しかしながら、密度テーパ型の比較例3については、θ<-15°の範囲でグレーティングローブが発生し、θ=-70°付近においてはサイドローブレベルが-8.5dBcと等間隔・等振幅の比較例1よりも大きくなっている(図14の線L63)。比較例3においては、他の比較例および実施の形態1の場合よりも端部側の素子間隔が大きくなっているため、メインビームを傾斜させた場合にサイドローブレベルが増加する。
以上をまとめると、比較例1および密度テーパ型の比較例3については、トータルパワーは大きくなるが、ビームフォーミングを考慮するとサイドローブレベルも大きくなってしまう。また、比較例2については、サイドローブレベルは低減できているものの、トータルパワーが不足してしまう。したがって、実施の形態1のように、アレイの端部側(第2アンテナ群152)の素子間隔を等間隔とするとともに、中央付近(第1アンテナ群151)の素子間隔を不等間隔として端部側よりも小さくし、各アンテナ素子に与える励振振幅を全体としてテイラー分布となるように不等振幅とすることによって、トータルパワーの低下を抑制しつつ、サイドローブレベルを低減することが可能となる。
[実施の形態2]
実施の形態2においては、上述のように、アンテナ装置が二次元アレイの場合のアンテナモジュールについて説明する。
実施の形態2においては、上述のように、アンテナ装置が二次元アレイの場合のアンテナモジュールについて説明する。
二次元アレイの場合には、アジマス方向(X軸方向:水平方向)とエレベーション方向(Y軸方向:垂直方向)の双方に傾斜することができる。そのため、エレベーション方向の傾斜も考慮して、トータルパワーおよびサイドローブレベルを評価することが必要となる。
(第1例)
図16は、実施の形態2に係る二次元アレイのアンテナ装置120Aを含むアンテナモジュール100Aの第1例を示す図である。なお、実施の形態2においては、後述する第2例も含めて、説明を容易にするために、8×8の二次元アレイの場合を例として説明するが、アレイのアンテナ素子の数はこれに限られず、たとえば16×16(256素子)のような、さらに多い場合であってもよい。
図16は、実施の形態2に係る二次元アレイのアンテナ装置120Aを含むアンテナモジュール100Aの第1例を示す図である。なお、実施の形態2においては、後述する第2例も含めて、説明を容易にするために、8×8の二次元アレイの場合を例として説明するが、アレイのアンテナ素子の数はこれに限られず、たとえば16×16(256素子)のような、さらに多い場合であってもよい。
第1例のアンテナ装置120Aにおいては、アジマス方向(X軸方向)に加えて、エレベーション方向(Y軸方向)についても、実施の形態1と同様に素子間隔が不等間隔に設定され、かつ励振振幅に振幅テーパが与えられる。
より具体的には、X軸方向においては、中央部(第1アンテナ群151)の4個のアンテナ素子については、素子間隔は不等間隔とされ、励振振幅は等振幅に設定される。一方で、端部側(第2アンテナ群152)の3個のアンテナ素子については、素子間隔は等間隔とされ、励振振幅には振幅テーパが与えられる。ここで、第2アンテナ群152の素子間隔は、第1アンテナ群151における素子間隔の最大値よりも大きく設定される。また、第2アンテナ群152の励振振幅は、第1アンテナ群151における励振振幅よりも小さく、かつ、図9等で説明したようにX軸方向について励振振幅分布がテイラー分布となるように設定される。
Y軸方向においても、中央部(第1アンテナ群161)の4個のアンテナ素子については、素子間隔は不等間隔とされ、励振振幅は等振幅に設定される。一方で、端部側(第2アンテナ群162)の3個のアンテナ素子については、素子間隔は等間隔とされ、励振振幅には振幅テーパが与えられる。第2アンテナ群162の素子間隔は、第1アンテナ群161における素子間隔の最大値よりも大きく設定される。また、第2アンテナ群162の励振振幅は、第1アンテナ群161における励振振幅よりも小さく、かつ、Y軸方向について励振振幅分布がテイラー分布となるように設定される。
ここで、実施の形態2の第1例のアンテナモジュール100Aにおいては、アンテナ装置120Aは、4個のサブモジュール120A-1~120A-4の組み合わせによって形成される構成となっている。各サブモジュールには、16個のアンテナ素子121が形成されている。図16の例においては、X軸方向およびY軸方向におけるアンテナ素子が同じ配置であるため、同一構造のアンテナモジュールを90°ずつ回転させたものを組み合わせることによって、アンテナ装置120Aを形成することができる。ただし、各サブモジュールから放射される偏波方向については一致させることが必要である。
また、各サブモジュールにおいては、RFIC110は、X軸方向およびY軸方向ともに、素子間隔が小さく設定される領域において、電波の放射方向と反対側(背面側)に配置することが好ましい。図16の例においては、たとえば破線で示した領域である。上述のように、素子間隔が小さく設定される第1アンテナ群151,161のアンテナ素子については、トータルパワーを確保するために励振振幅(供給電力)ができるだけ大きくなるように設定することが求められる。アンテナ素子121に供給される電力の一部は、RFIC110からアンテナ素子121に至る給電配線の抵抗成分によって消費される。そのため、励振振幅が大きく設定される第1アンテナ群に含まれるアンテナ素子とRFIC110との間の距離はできるだけ短くすることが好ましい。
図16のアンテナ装置120Aでは、励振振幅が大きく設定される領域は、アンテナ装置120Aの中心付近である。そのため、図16のように、各サブモジュールにおいて、第1アンテナ群151,161に含まれるアンテナ素子とRFIC110との距離が、第2アンテナ群152,162に含まれるアンテナ素子とRFIC110との距離よりも小さくなるように、RFIC110がアンテナ装置120Aの中心付近に配置される。これによって、第1アンテナ群151,161のアンテナ素子に供給される励振振幅をできるだけ大きく設定することができ、それによって大きなトータルパワーを確保することが可能となる。
なお、図16においては、Y軸方向における素子間隔および励振振幅が、X軸方向における素子間隔および励振振幅と同じように設定される場合を例として説明したが、たとえば、X軸方向およびY軸方向のビームの傾斜範囲が異なる場合には、当該傾斜範囲に応じて素子間隔および励振振幅を異なる設定としてもよい。
(第2例)
実施の形態2の第1例においては、アンテナ装置のアジマス方向およびエレベーション方向の双方について、素子間隔が不等間隔に設定され、かつ励振振幅に振幅テーパが与えられる構成について説明した。
実施の形態2の第1例においては、アンテナ装置のアジマス方向およびエレベーション方向の双方について、素子間隔が不等間隔に設定され、かつ励振振幅に振幅テーパが与えられる構成について説明した。
しかしながら、アンテナ装置におけるビームフォーミングの態様によっては、二次元アレイであっても、アジマス方向およびエレベーション方向のいずれか一方を、等間隔かつ等振幅としてもよい。たとえば、アジマス方向およびエレベーション方向のいずれか一方のみにビームを傾斜させるような場合、あるいは、トータルパワーを大きくしたいような場合である。
実施の形態2の第2例においては、二次元アレイのアンテナ装置において、アジマス方向およびエレベーション方向のいずれか一方については、素子間隔を不等間隔とし励振振幅に振幅テーパを与え、他方については素子間隔を等間隔とし励振振幅を等振幅とする構成について説明する。
図17は、実施の形態2に係る二次元アレイのアンテナ装置120Bを含むアンテナモジュール100Bの第2例を示す図である。第2例のアンテナ装置120Bにおいては、アジマス方向(X軸方向)については、素子間隔が不等間隔に設定され、かつ励振振幅に振幅テーパが与えられている。一方で、エレベーション方向(Y軸方向)については、隣接するアンテナ素子との素子間隔が等間隔となるように、各アンテナ素子が配置されている。
第2例においても、アンテナ装置120Bは、4つのサブモジュール120B-1~120B-4の組み合わせによって形成されている。図17に示されるように、サブモジュール120B-1はサブモジュール120B-2を180°回転させた配置となっており、サブモジュール120B-3もサブモジュール120B-4を180°回転させた配置となっている。そのため、第2例のアンテナ装置120Bについても、同一構造のアンテナモジュールの組み合わせによって形成することができる。
また、第2例のアンテナ装置120Bについても、RFIC110は励振振幅が大きく設定される第1アンテナ群151に近い位置に配置される。第2例においては、Y軸方向については素子間隔が等間隔であるので、RFIC110は、各サブモジュールにおいて、第1アンテナ群151の領域におけるY軸方向の中央付近(図17の破線部)に配置される。このような配置とすることによって、各サブモジュールにおいて、第1アンテナ群151に含まれるアンテナ素子とRFIC110との距離が、第2アンテナ群152に含まれるアンテナ素子とRFIC110との距離よりも小さくなる。したがって、第1アンテナ群151のアンテナ素子に供給される励振振幅をできるだけ大きく設定することができ、それによって大きなトータルパワーを確保することが可能となる。
なお、上記の第2例においては、エレベーション方向(Y軸方向)を等間隔かつ等振幅とする例について説明したが、アレイアンテナが設置される状態によっては、アジマス方向(X軸方向)を等間隔かつ等振幅とし、エレベーション方向を不等間隔かつ不等振幅とするようにしてもよい。
上述の実施の形態1および実施の形態2の各アンテナ装置においては、同一形状および同一サイズのアンテナ素子を一次元あるいは二次元に配列した構成について説明した。しかしながら、アンテナ素子の形状およびサイズは必ずしも一律でなくともよく、アンテナ素子間の結合の緩和、および/または、共振周波数の調整のために、少なくとも一部のアンテナ素子の形状およびサイズを異ならせてもよい。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 通信システム、10 通信装置、20A~20D 携帯端末、100,100A,100B アンテナモジュール、110 RFIC、111A~111D,113A~113D,117 スイッチ、112AR~112DR ローノイズアンプ、112AT~112DT パワーアンプ、114A~114D 減衰器、115A~115D 移相器、116 信号合成/分波器、118 ミキサ、119 増幅回路、120,120A,120B アンテナ装置、120A-1~120A-4,120B-1~120B-4 サブモジュール、121 アンテナ素子、130 誘電体基板、151,161 第1アンテナ群、152,162 第2アンテナ群、200 BBIC。
Claims (16)
- 誘電体基板に複数のアンテナ素子がアレイ状に配列されたアンテナモジュールであって、
前記複数のアンテナ素子は、前記誘電体基板の少なくとも第1方向に配列されており、
前記複数のアンテナ素子は、前記第1方向において、中央部に配置された第1アンテナ群と、当該中央部よりも端部側に配置された第2アンテナ群とを含み、
前記第1アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は不等間隔であり、
前記第2アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は等間隔であり、
前記第2アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は、前記第1アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の最大間隔よりも大きく、
前記第2アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅は、前記第1アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅よりも小さく、前記アンテナモジュール全体の前記第1方向における振幅分布は単峰型である、アンテナモジュール。 - 前記第1アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は、端部に近くなるほど大きい、請求項1に記載のアンテナモジュール。
- 前記複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の波長をλとすると、
前記第2アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は、0.6λ未満である、請求項1または2に記載のアンテナモジュール。 - 前記第2アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅は、端部に近くなるほど小さい、請求項1~3のいずれか1項に記載のアンテナモジュール。
- 前記複数のアンテナ素子は、前記第1方向において線対称に配置されている、請求項1~4のいずれか1項に記載のアンテナモジュール。
- 前記複数のアンテナ素子は、前記第1方向と交差する第2方向にも配列されており、
前記複数のアンテナ素子は、前記第2方向には等間隔に配置されている、請求項1~5のいずれか1項に記載のアンテナモジュール。 - 前記複数のアンテナ素子は、前記第1方向と交差する第2方向にも配列されており、
前記複数のアンテナ素子は、前記第2方向において、中央部に配置された第3アンテナ群と、当該中央部よりも端部側に配置された第4アンテナ群とを含み、
前記第3アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は不等間隔であり、
前記第4アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は等間隔であり、
前記第4アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は、前記第3アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の最大間隔よりも大きく、
前記第4アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅は、前記第3アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅よりも小さく、前記アンテナモジュール全体の前記第2方向における振幅分布は単峰型である、請求項1~5のいずれか1項に記載のアンテナモジュール。 - 前記複数のアンテナ素子は、前記第2方向において線対称に配置されている、請求項6または7に記載のアンテナモジュール。
- 前記アンテナモジュールは、複数のサブモジュールによって形成されており、
前記複数のサブモジュールの各々には、同じ数のアンテナ素子が含まれる、請求項6~8のいずれか1項に記載のアンテナモジュール。 - 前記複数のサブモジュールは、同一構造に形成される、請求項9に記載のアンテナモジュール。
- 前記複数のサブモジュールの各々には、当該サブモジュールに含まれるアンテナ素子に高周波信号を供給するように構成された給電回路が配置される、請求項9または10に記載のアンテナモジュール。
- 前記給電回路は、前記誘電体基板において、アンテナ素子から放射される電波の放射方向とは反対方向の面に配置される、請求項11に記載のアンテナモジュール。
- 前記給電回路は、対応するサブモジュールにおいて、前記第1アンテナ群に含まれるアンテナ素子との距離が、前記第2アンテナ群に含まれるアンテナ素子との距離よりも小さくなる位置に配置される、請求項11または12に記載のアンテナモジュール。
- 前記給電回路は、対応するサブモジュールにおいて、前記第3アンテナ群に含まれるアンテナ素子との距離が、前記第4アンテナ群に含まれるアンテナ素子との距離よりも小さくなる位置に配置される、請求項11~13のいずれか1項に記載のアンテナモジュール。
- 前記第1方向は水平方向である、請求項1~14のいずれか1項に記載のアンテナモジュール。
- 請求項1~15のいずれか1項に記載のアンテナモジュールを搭載した通信装置。
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