WO2022191243A1 - アレーアンテナ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an array antenna that has a plurality of elements and transmits and receives radio waves through the elements.
- a base station for a mobile terminal or the like forms a wide-angle area with a sector beam having a beam width of about 90 degrees or about 120 degrees.
- 5G in order to improve area quality, there are cases where it is required to steer a narrow high-gain beam with a beam width of 20 degrees or less to a wide angle to satisfy high gain and wide-angle area formation at the same time.
- FIG. 21 shows a configuration example of the base station 5 and the relay device 6. As shown in FIG. Beam #6 and beam #2 are directed from base station 5 toward mobile terminals 701 and 702 . On the other hand, the beam is directed through the relay device 6 to the portable terminal 703 behind the building.
- Patent Document 2 describes that, in the case of a planar array of equilateral triangular arrangement, the distance d between element antennas of a two-element partial array is the same regardless of the combination of two element antennas in any direction ( paragraph 0064).
- phased array antennas and beamforming antennas may be simply referred to as array antennas or antennas.
- an antenna element may be simply called an element.
- FIG. 22 shows a configuration example of a square array antenna
- FIG. 23 shows a configuration example of a triangular array antenna.
- the horizontal element spacing can be considered equivalent to an element spacing of d/2. This improves horizontal beamforming performance compared to a square array.
- side lobes that is, grating lobes, can be suppressed from rising.
- the number of BFICs (beam forming ICs) used in analog beam forming, which is used in mmWAVE such as the 28 GHz band, and the number of transceivers in digital beam forming, which is used in Sub6, are the largest. , an increase in cost, an increase in power consumption, and accompanying heat generation.
- FIG. 25 shows a possible configuration example.
- the two elements 100 within the solid line are designed with a fixed amplitude difference and phase difference.
- Solid lines indicate combinations and groupings of elements such as sub-arrays.
- elements that are not indicated by a solid line are similarly grouped by two elements 100 and the like.
- horizontal beam steering performance is equivalent to that obtained when the amplitude and phase of each element are variable.
- FIG. 26 shows another possible configuration example.
- the two elements 100 within the solid line are controlled with the same amplitude and phase.
- the element spacing in the vertical direction returns to d, and the vertical tilt is improved.
- the degree of freedom of phase and amplitude at d/2 cannot be obtained for horizontal steering.
- sub-arrays are required for beamforming antennas for mobile communications, regardless of whether they are digital or analog.
- An array antenna having an array arrangement is desired.
- Another object of the present invention is to provide an array antenna that simultaneously satisfies the three conditions of low cost, optimization of horizontal beam forming performance, and high antenna gain.
- a further object of the present invention is to provide an array antenna that satisfies the above object and is applicable to both SUB6 and mmWAVE regardless of frequency, for example, when considering application to current mobile communications.
- An array antenna is an array antenna that has a plurality of elements and transmits and receives radio waves via the elements, wherein at least a first having a radio wave control unit that tilts the transmission and reception direction of radio waves in one direction, and having a plurality of element rows in which two or more N elements are arranged at a predetermined interval d1 in a second direction substantially orthogonal to the first direction, the element
- the columns are configured as sub-arrays, in which the elements are arranged at predetermined intervals d2 in a first direction to form element rows, and the element columns are adjacent in the second direction to adjacent elements or element columns approximately d2 in the first direction. It is an array antenna arranged with a shift of /2.
- An array antenna according to an embodiment of the present invention is an array antenna in which, in the above-described array antenna, an element column in the outermost element row has more elements than element columns in element rows other than the outermost element row. be.
- the number of element columns in the element rows outside the predetermined center position is equal to or greater than the number of elements in the element columns in the element rows on the center position side.
- An array antenna according to an embodiment of the present invention is an array antenna having an outermost array group in the first direction in the above-described array antenna, and the array group has a plurality of rows of elements in the first direction.
- An array antenna according to an embodiment of the present invention is the array antenna described above, having a plurality of array groups outside in the first direction, the array group having a plurality of element rows in the first direction, and , the outer array group is an array antenna having more element rows than the inner array group.
- An array antenna according to an embodiment of the present invention is an array antenna characterized in that, in the array antenna described above, the least number of element rows has one element.
- An array antenna according to an embodiment of the present invention is an array antenna in which d2 is approximately ⁇ /2 and d1 is 0.5 ⁇ or more with respect to the wavelength ⁇ of an electromagnetic wave to be transmitted and received in the above array antenna.
- An array antenna according to an embodiment of the present invention is a base station antenna or a relay antenna of a mobile terminal in the array antenna described above, and is an array antenna whose first direction is substantially horizontal.
- the horizontal beam forming performance is preferentially improved. Realize cost reduction.
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- Figure 2 shows a comparison between an embodiment of the invention and a square array.
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a comparative example of an embodiment of the present invention.
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
- 1 shows a configuration example of a base station and a relay device according to an embodiment of the present invention
- a configuration example of an array antenna is shown.
- a configuration example of an array antenna is shown.
- a configuration example of an array antenna is shown.
- a configuration example of an array antenna is shown.
- the array antenna 1 has a plurality of elements 100, transmits and receives radio waves via the elements 100, and has a subarray 110 in the vertical direction in the figure.
- FIG. 1 there are a plurality of element rows 110 in which two or more N elements 100 are arranged at predetermined intervals d1 in a second direction y substantially orthogonal to the first direction x.
- two elements 100A form one element row 110A.
- the elements 100 form an element row 120 arranged at a predetermined interval d2 in the first direction x. Further, the element rows are arranged with a shift of approximately d2/2 in the first direction from the adjacent elements 100 or element rows 110 in the second direction y. Note that this deviation is indicated as ⁇ in the figure.
- one element row 110 has two elements 100, but one element row 110 has three element rows 100A, for example, one element row 110A has three element rows 100A A configuration having three elements 100 may also be used.
- one element row 110 may have four elements 100, such as one element row 110A having four element rows 100A as shown in FIG.
- the solid lines in the figure indicate the grouping of the element arrays, which are designed with fixed amplitude and phase differences. Also, including the following, it should be noted that grouping is not shown for all elements as in FIG. 3, and that not all elements are necessarily shown.
- each element 100 is connected to the same amplitude/phase adjustment section 10 for each element array 110 , and the amplitude/phase adjustment section 10 is connected to the radio wave control section 2 .
- the radio wave control unit 2 controls the amplitude and phase of each element array, and causes the plurality of elements 100 to emit radio waves with different amplitudes or phases, thereby tilting the transmission/reception directions of radio waves at least in the first direction.
- each element array 110 is connected to the same amplitude/phase adjuster 10, but as shown in FIG. 12 may be connected to the same amplifier 11 and phase shifter for each element array 110 .
- a subarray control section 20 may be provided for each element array 110, and the subarray control section 20 may have an amplifier 21 and a phase shifter 22.
- FIG. Element row 110 is a sub-array. In other words, the elements 100 in the same element array 110 are controlled by the same amplitude/phase adjuster 10 .
- d2 may be approximately ⁇ /2 and d1 may be greater than or equal to 0.5 ⁇ with respect to the wavelength ⁇ of the electromagnetic wave to be transmitted or received.
- a base station 5 has this array antenna 1 as a base station antenna.
- the relay device 6 has the present array antenna 1 as a relay antenna.
- an array antenna row is formed at intervals of d2/2 in the horizontal direction.
- the phase difference between the horizontal elements can be set at intervals of d2/2, thereby suppressing the generation of grating lobes.
- the performance of beam tilt is limited by the sub-array, it can be adjusted flexibly to some extent by the two-element sub-array spacing d1.
- the first direction x may be horizontal and the second direction y may be vertical.
- the first direction x may be the direction that requires the widest tilt angle.
- the first direction x is the direction that requires the widest tilt angle
- the second direction y is the direction that requires the next widest tilt angle among the directions orthogonal to the first direction x. good too.
- FIG. 7 compares this embodiment with a square arrangement, and shows the relationship between the horizontal steering angle ⁇ and the antenna gain G.
- the values for this example are shown in solid lines as Example 1, and the recipe array values are shown in dashed lines. They are arranged with a horizontal offset of d2/2 with respect to the subarray group. Since the horizontal phase difference can be set at intervals of d2/2, the generation of graded lobes is suppressed, thereby preventing a decrease in gain.
- the gain of this embodiment is improved by about 1 dB compared to the square arrangement. Moreover, the difference between the maximum gain when the steering angle is 0 degrees and the antenna gain when the steering angle is 60 degrees is within 3 dB, and the decrease in antenna gain due to steering is suppressed to be small.
- the sub-array configuration is effective for wide-angle steering in the horizontal direction, and the maximum gain of the antenna can be maintained substantially the same as in the case of the square array.
- the sub-array unit has a triangular arrangement, thereby realizing both optimization of horizontal beam forming performance and cost reduction.
- beam forming antennas that assume sub-arrays, wide-angle steering and high gain performance are compatible. Reducing the number of ICs and transceivers also leads to cost reduction. Also, any frequency is applicable regardless of SUB6 and mmWAVE. In particular, the characteristics of the beam forming antenna sub-array are greatly improved.
- the antenna gain obtained with an array antenna is proportional to the antenna aperture, that is, the area of the array antenna.
- the antenna aperture will be small for the same number of elements, resulting in a decrease in gain. In other words, it is necessary to widen the antenna aperture in order to improve the antenna gain.
- the performance during horizontal steering is the same as in the above-described embodiment, but the opening is increased. Antenna gain can be improved. Such a configuration will be described below.
- FIG. 8 shows a configuration example of the array antenna 1 in one embodiment of the present invention.
- the element columns 110 in the outermost element rows 120 have more elements 100 than the element columns 110 in element rows 120 other than the outermost element rows.
- element column 110A in outermost element row 120 has three elements 100A.
- the element column 110 in the outermost element row 120 has three elements 100 and the element columns 110 in element rows 120 other than the outermost element row have two elements 100 .
- the element column 110 in the outermost element row 120 may be configured with four elements 100 as shown in FIG. Alternatively, a configuration having five elements 100 as shown in FIG. 10 may be used.
- An optimum antenna gain can be achieved by setting the number of elements included in the element column 110 in the outermost element row 120 according to the required antenna gain.
- FIG. 11 shows a configuration example of an array antenna 1 in one embodiment of the present invention.
- the element columns 110 in the element rows 120 outside the predetermined center position have the number of elements 100 equal to or greater than the number of elements 100 in the element columns 110 in the element rows 120 on the center position side.
- the center position is the center of the arrangement of the elements 100, for example, the middle position of the outermost elements 100 in the horizontal x and vertical y directions. Depending on the performance, it may not necessarily be the center.
- the element column 110 in the outermost element row 120 with respect to the predetermined center position has three elements 100, and the element column in the next outer element row 120 with respect to the predetermined center position.
- the element 110 has two elements 100 and the element column 110 in the inner element row 120 has one element 100 . Although only one element is connected to the amplitude/phase adjustment unit 10 in the inner element row 120 of this example, one element is considered to be formed as one element column in such a configuration. .
- the element column 110 in the outermost element row 120 with respect to the given center position has four elements 100, and the next outer element row with respect to the given center position.
- An element column 110 at 120 may have two elements 100 , and an element column 110 at an element row 120 inside may have one element 100 .
- the element column 110 in the outermost element row 120 with respect to a given center position has four elements 100 and the next outermost element row with respect to a given center position.
- An element column 110 at 120 may have three elements 100 , and an element column 110 at an element row 120 inside may have two elements 100 .
- the side lobe suppression It is easy to adjust the amplitude ratio.
- the amplitude can be smoothly changed, and side lobes can be suppressed.
- the element column 110 in the outermost element row 120 with respect to the given center position has three elements 100, and the next outer element row with respect to the given center position.
- the element column 110 at 120 may have three elements 100 and the element column 110 at the element row 120 inside may have two elements 100 .
- the element column 110 in the outermost element row 120 with respect to the given center position has three elements 100 and the next outer element row with respect to the given center position.
- An element column 110 at 120 may have three elements 100 , and an element column 110 at an element row 120 inside may have one element 100 .
- the element columns 110 in the outermost three element rows 120 with respect to the predetermined center position have two elements 100, and the element columns 110 in the inner element rows 120
- the element array 110 may be configured to have one element 100 . Also in these configurations, side lobes can be suppressed more efficiently.
- FIG. 18 shows that the element column 110 in the outermost element row 120 has three elements 100, and the element columns 110 in the element rows 120 other than the outermost element row have Example 2 is an example having two elements 100, and Example 1 is an example having two elements 100 in the element array 110 described above. indicates Values for example 1 are shown in solid lines and values for example 2 are shown in dashed lines.
- the gain is improved by about 1 dB in the steering angle range as compared with Example 1 because the aperture is widened. In this way, it is possible to improve the gain while maintaining the horizontal steering performance.
- FIG. 17 shows a configuration example of the array antenna 1 in one embodiment of the present invention. It has an array group 150 on the outermost side in the first direction x, and the array group 150 has multiple rows of element rows 110 in the first direction x. As shown in FIG. 17, array group 150A has two element rows 110 and each element row has three elements 100A. The same is true for the other outermost array groups 150B, 150G, 150H in the first direction x and the second direction y. Also,. Among the outermost array groups in the first direction x and the second direction y, the array groups 150C, 150D, 150E, and 150F that are not the outermost in the second direction y have two element columns 110. , and each element row has two elements 100 .
- the array group is configured as sub-arrays and controlled with the same amplitude and phase.
- one array group is connected to the same amplitude/phase adjusting section 10, but other configurations may be used as long as they are controlled with the same amplitude/phase.
- the number of elements is also increased in the horizontal outermost sub-array for which steering performance is desired. In this embodiment, the number is increased by one element, that is, by one element row. In this way, the gain is improved as much as the aperture is widened.
- an array group 150 can also be configured to have three element rows 110 .
- FIG. 19 shows a configuration example of the array antenna 1 in one embodiment of the present invention.
- the array antenna 1 has a plurality of array groups 150, 151 outside in the first direction x.
- This embodiment has a total of 16 array groups: array groups 150A, 150B, 150C, 150D, 150E, 150F, 150G, 150H, 151A, 151B, 151C, 151D, 151E, 151F, 151G, and 151H.
- the array group 150 has multiple rows of element rows 110 in the first direction x.
- array group 10A has three element rows 110A.
- Each element row 110A has four elements 100A.
- the outer array groups 150A-150H have more rows of elements than the inner array groups 151A-151H.
- the outer array groups 150A-150H have three element columns 110, and the inner array groups 151A-151H have two element columns 110, respectively.
- side lobes can be more effectively suppressed particularly in the horizontal direction.
- the arrangement of the sub-arrays can be devised to increase the gain during beam steering in the horizontal direction.
- Antenna gain can be increased by changing the number of elements in the subarray between the outer side and the central side.
- Sub-arrays can reduce the number of ICs and transceivers and reduce costs. All of the above embodiments can be applied to any beamforming antenna regardless of SUB6/mmWAVE. Further, in an antenna array that assumes a sub-array configuration, it is possible to achieve high efficiency, ie, an improvement in array gain, while maintaining a wide angular range of horizontal beam steering.
- the present invention is not limited to the above examples, and includes various examples without departing from the scope of the present invention.
- an antenna provided on a curved surface is also effective.
- Standards other than 5G are also applicable.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
その実現のため、移動通信では、複数の機器によるデジタルビームフォーミングや、ビームフォーミングICによる、アナログビームフォーミングに対応した高機能アンテナの開発が進められている。
ビームフォーミングの性能を最大化するアレーアンテナの配列として、図23に記載のような三角配列が知られている(特許文献1の段落0002および図27など)。この配列は、適切な素子間隔で、かつ1素子ごとの給電条件を自由に設定することにより、最良のビームフォーミング性能が得られる。
配置される全てのアンテナ素子について、振幅・位相が可変、つまり、自由に調整できる場合、サイドローブ特性などを考慮すると、アンテナの配置を「三角配列」とすることが、利得・ビームステアリングの角度範囲にとって望ましい。例えば、特許文献2には、正三角配列の平面アレーの場合は、どの方向の2つの素子アンテナを組み合わせても2素子部分アレーの素子アンテナの間隔dは同じであることが記載されている(段落0064)。
以下、フェーズドアレーアンテナやビームフォーミングアンテナを、単にアレーアンテナ、またはアンテナと呼ぶことがある。また、アンテナ素子を単に素子と呼ぶことがある。
図22は正方配列のアレーアンテナの構成例を示し、図23は三角配列のアレーアンテナの構成例を示す。
図23に示される三角配列では、隣接する素子の行が水平方向にd/2分ずれているため、水平方向素子間隔はd/2の素子間隔と等価であると見なせる。これにより、正方配列に比べて、水平方向のビームフォーミングの性能が向上する。
特に、広角にステアリングした際には、サイドローブ、つまり、グレーティングローブの上昇が抑えることができる。
このように、三角配列、特に正三角形配列で、各素子の振幅や位相が可変の場合は、1素子ごとに自由な振幅・位相条件を設定可能であり、理論上、最良のビームフォーミング性能が得られる。
ただし、全素子可変を実現するためには、1素子ごとに給電条件を自由設定する必要があるため、例えば図24に示されるように素子100の1つ1つに対して振幅・位相調整部10を設けるなど、全素子100に対応する数量の無線機やビームフォーミングICなどの振幅・位相調整部10を用意する必要がある。
例えば、28GHz帯などのmmWAVEで利用されている、アナログビームフォーミングではBFIC(beam forming IC)の数量が、Sub6等で利用されている、デジタルビームフォーミングではトランシーバーの数量が、それぞれ最大となってしまい、コストの増大、消費電力の増大、それに伴う発熱などが問題となる。
図25は、考えられる構成例を示す。素子列110内において、実線内の2つの素子100は固定の振幅差・位相差で設計される。なお、実線はサブアレーなど素子の組み合わせやグルーピングを示すものである。また、以下の説明も含め、全ての素子に対して実線を明記しているわけではない。つまり、実線を明記していない素子も、同様に2つの素子100などでグルーピングされている。
図25に示されるように、同一列の隣接素子100でサブアレー化した場合、水平方向のビームステアリングについては、各素子の振幅・位相が可変である場合と同等の性能が得られる。
但し、垂直方向、つまり、サブアレー内の素子100の間隔が2×dと開いてしまい、垂直チルト、つまり、垂直方向のビームフォーミングを掛けた場合に、サイドローブ上昇などの劣化が起こる。
図26は、考えられる別の構成例を示す。素子列110内において、実線内の2つの素子100は同じ振幅・位相で制御される。
本構成では、垂直方向については素子間隔がdに戻り、垂直チルトは改善される。一方、水平方向については素子間隔がdであるため、水平ステアリングについてはd/2での位相・振幅の自由度が得られない。
このような問題を解決し、移動通信基地局ビームフォーミングアンテナにおいて、コストパフォーマンスを最適化することが求められる。
また、送信EIRPの増強、受信系の低ノイズ化など、送受信の通信品質の向上の観点から、アンテナ利得は高い方が望ましいが、ビームフォーミング時の性能を担保したい場合、アンテナ素子間隔を狭める必要があり、アンテナ開口が小さくなり、利得が下がる。
低コスト化を目的にサブアレー化することを前提とした場合に、水平側のビームステアリング角度範囲を広角に保ちつつ、アレー利得を高める、つまり、高効率化された配置を検討したい。
特に、デジタル・アナログ問わず移動通信用ビームフォーミングアンテナに求められる、サブアレー化による、無線機・BFICの数量低減、水平方向ビームステアリング角度範囲の広角化、高アレー利得化を実現する、サブアレー前提のアレー配置を有するアレーアンテナが求められる。
そこで、本発明は、低コスト・水平ビームフォーミング性能の最良化を両立するアレーアンテナを提供することを目的とする。
また、本発明は、低コスト・水平ビームフォーミング性能の最良化・アンテナ高利得化の3つに条件を同時に満たすアレーアンテナを提供することを目的とする。
さらに、上述の目的を満たすと同時に、周波数にはよらず、例えば現在の移動通信での適用を考えた場合、SUB6、mmWAVEどちらでも適用可能なアレーアンテナを提供することを目的とする。
そこで、無線機やビームフォーミングICの数を減らす場合、垂直側のアンテナ素子を2素子以上のサブアレーとしてサブアレー化し、水平方向のビームステアリング角度範囲を、全素子可変の場合と同様に維持することにより、水平方向のビームフォーミング性能を優先的に向上しつつ低コスト化を実現する。
本発明の一実施形態におけるアレーアンテナは、複数の素子を有し、素子を介して電波を送受信するアレーアンテナであって、複数の素子において振幅または位相を互いに異なる電波を発することにより、少なくとも第一方向において電波の送受信方向を傾ける、電波制御部を有し、第一方向と略直交する第二方向に2つ以上のN個の素子が所定間隔d1で並ぶ素子列を複数有し、素子列はサブアレーとして構成され、第一方向に、素子が所定間隔d2で並べられて素子行を形成しており、素子列は第二方向において隣接する素子または素子列と、第一方向に略d2/2ずれて配置されている、アレーアンテナである。
本発明の一実施形態におけるアレーアンテナは、上述のアレーアンテナにおいて、最も外側の素子行にある素子列は、最も外側の素子行以外の素子行にある素子列より多い素子を有する、アレーアンテナである。
本発明の一実施形態におけるアレーアンテナは、上述のアレーアンテナにおいて、所定の中心位置に対して外側の素子行にある素子列は、中心位置側の素子行にある素子列の有する素子以上の数の素子を有する、アレーアンテナである。
本発明の一実施形態におけるアレーアンテナは、上述のアレーアンテナにおいて、第一方向において最も外側にアレーグループを有し、アレーグループは第一方向において複数列の素子列を有する、アレーアンテナである。
本発明の一実施形態におけるアレーアンテナは、上述のアレーアンテナにおいて、第一方向において外側に複数のアレーグループを有し、アレーグループは第一方向において複数列の素子列を有し、第一方向において、外側のアレーグループは内側のアレーグループの有する列以上の数の素子列を有する、アレーアンテナである。
本発明の一実施形態におけるアレーアンテナは、上述のアレーアンテナにおいて、最も少ない素子列は1つの素子を有することを特徴とする、アレーアンテナである。
本発明の一実施形態におけるアレーアンテナは、上述のアレーアンテナにおいて、送受信する電磁波の波長λに対して、d2が略λ/2であり、d1が0.5λ以上である、アレーアンテナである。
本発明の一実施形態におけるアレーアンテナは、上述のアレーアンテナにおいて、携帯端末の基地局アンテナまたは中継アンテナであり、第一方向が略水平方向である、アレーアンテナである。
アレーアンテナ1は、複数の素子100を有し、素子100を介して電波を送受信するものであり、図における垂直方向にサブアレー110を有する。
本実施例では、例えば2つの素子100Aが1つの素子列110Aを形成している。
また素子列は、第二方向yにおいて隣接する素子100または素子列110と、第一方向に略d2/2ずれて配置されている。なお、このずれは図中でδとして記載されている。
なお、図の実線は素子列のグルーピングを示すものであり、固定の振幅差・位相差で設計される。また、以下も含めて、図3のようにすべての素子についてグルーピングを示すわけではない点、および、必ずしもすべての素子が図示されているわけではない点に注意が必要である。
そして、電波制御部2は、素子列ごとに振幅・位相を制御し、複数の素子100において振幅または位相を互いに異なる電波を発することにより、少なくとも第一方向において電波の送受信方向を傾ける。
あるいは、図6に示されるように素子列110ごとにサブアレー制御部20を設け、サブアレー制御部20が増幅器21およびファイズシフタ22を有する構成としてもよい。
素子列110はサブアレーである。つまり、同じ素子列110内の素子100は同一の振幅・位相調整部10で制御されている。
本構成により、効率よく水平方向にチルトしつつ、d1の値を調整することで最適な利得を実現することができる。つまり、d1の値を可能な限り広げることで、アレー利得を高めつつ、オフセットδによる、素子間隔の疑似的な低減化により、水平方向ビームステアリングの広角角度範囲も維持できる。
図21に示されるように、基地局5は基地局アンテナとして本アレーアンテナ1を有する。また、中継装置6は中継アンテナとして本アレーアンテナ1を有する。
この構成では、水平方向にd2/2の間隔で、アレーアンテナ列が構成される。これにより、水平方向素子間の位相差を、d2/2の間隔で設定できるため、グレーティングローブの発生が抑えられる。
また垂直方向については、サブアレー化により、ビームチルトの性能が制限されてしまうものの、2素子サブアレー間隔d1により、ある程度柔軟に調整が可能である。
あるいは、第一方向xが最も広角なチルトが要求される方向としてもよい。さらに、第一方向xが最も広角なチルトが要求される方向としたうえで、第二方向yが、第一方向xと直交する方向の中で、次に広角なチルトが要求される方向としてもよい。
サブアレー群に対してd2/2だけ水平方向にオフセットして配列されている。
水平方向の位相差をd2/2間隔で設定できるためグレーデングローブの発生が抑えられて利得低下を防いでいる。
また、ステアリング角度が0度での最大利得と、60°でのアンテナ利得の差は3dB以内となっており、ステアリングによるアンテナ利得の低下も小さく抑えられている。
このように、サブアレー構成時についても、水平方向の広角ステアリング時に有効である一方で、アンテナの最大利得についても、正方配列の場合と比較して、ほぼ同等に維持できる。
特に、サブアレー化を前提とした、ビームフォーミングアンテナにおいて、広角ステアリングと高利得性能を両立する。ICやトランシーバーの数を減らすことで、低コスト化にもつながる。また、SUB6、mmWAVEによらず、いずれの周波数でも適用可能である。
特に、ビームフォーミングアンテナのサブアレー化時の特性を大きく改善する。
ビームステアリング時の性能、特にサイドローブの上昇を考慮すると、素子間隔は狭い方が良い。ただし、素子間隔が狭いと、同一の素子数の場合、アンテナ開口が小さくなるため、利得が低下する。つまり、アンテナ利得向上のためにはアンテナ開口を広くとる必要がある。
垂直方向のサブアレーの内、最外のサブアレーなど外部のサブアレーの素子数を、中央側のサブアレーより増やすことで、水平ステアリング時の性能は上述の実施例と同等としつつ、開口が増加する分、アンテナ利得を向上することができる。以下、このような構成を説明する。
本実施例において、最も外側の素子行120にある素子列110は、最も外側の素子行以外の素子行120にある素子列110より多い素子100を有する。例えば、最も外側の素子行120にある素子列110Aは3つの素子100Aを有する。
本構成では、最も外側の素子行120にある素子列110は3つの素子100を有し、最も外側の素子行以外の素子行120にある素子列110は2つの素子100を有する。
最も外側の素子行120にある素子列110が有する素子数を、求められるアンテナ利得に合わせて設定することにより、最適なアンテナ利得が実現できる。
本実施例において、所定の中心位置に対して外側の素子行120にある素子列110は、中心位置側の素子行120にある素子列110の有する素子100以上の数の素子100を有する。本実施例において中心位置は素子100の配列の中心、例えば水平方向x、垂直方向yのそれぞれ最も外にある素子100の中間の位置で、中心位置はあくまで配列の中心位置であるが、アンテナの性能などによっては必ずしも中心でなくともよい。
本実施例では、所定の中心位置に対して最も外側の素子行120にある素子列110は3つの素子100を有し、所定の中心位置に対して次に外側の素子行120にある素子列110は2つの素子100を有し、それより内側の素子行120にある素子列110は1つの素子100を有する。なお、本例の内側の素子行120では振幅・位相調整部10に1つの素子だけが接続されているが、このような構成では、1つの素子が1つの素子列として形成されているとみなす。
あるいは、図13に示されるように、所定の中心位置に対して最も外側の素子行120にある素子列110は4つの素子100を有し、所定の中心位置に対して次に外側の素子行120にある素子列110は3つの素子100を有し、それより内側の素子行120にある素子列110は2つの素子100を有する構成でもよい。
これらの例のように、素子列120の有する素子数が、中心位置側から外側に向かって滑らかに増加する場合、言い換えると、数段階で素子数が増加する構成では、サイドローブ抑制のための振幅比の調整も行いやすい。つまり、アレーアンテナ全体で見た場合、最も外側の素子行において素子数が急に増加する場合に比べ、滑らかに振幅が変化する構成とすることができ、サイドローブが抑制できる。
あるいは、図15に示されるように、所定の中心位置に対して最も外側の素子行120にある素子列110は3つの素子100を有し、所定の中心位置に対して次に外側の素子行120にある素子列110は3つの素子100を有し、それより内側の素子行120にある素子列110は1つの素子100を有する構成でもよい。
これらの構成においても、より効率的にサイドローブが抑制できる。
例2では開口が広がった分、ステアリング角度範囲において、例1よりも約1dB程度の利得向上が得られる。
このように、水平ステアリングの性能を維持しつつ、利得向上の両立ができる。
第一方向xにおいて最も外側にアレーグループ150を有し、アレーグループ150は第一方向xにおいて複数列の素子列110を有する。
図17に示されるように、アレーグループ150Aは2つの素子列110を有し、各素子列は3つの素子100Aを有する。第一方向xおよび第二方向yにおいて最も外側にある他のアレーグループ150B、150G、150Hについても同様である。また、。第一方向xおよび第二方向yにおいて最も外側にあるアレーグループのうち、第二方向yにおいて最も外側以外にあるアレーグループ150C、150D、150E、150Fは、アレーグループ150Aは2つの素子列110を有し、各素子列は2つの素子100を有する。
本実施例では、ステアリング性能を得たい、水平方向の最外のサブアレーについても、素子数を増加している。本実施例では1素子分、つまり、1素子列増加している。
このように、開口が広がる分利得は向上する。
図18に示されるように、アレーグループ150が3つの素子列110を有する構成とすることもできる。
アレーアンテナ1は、第一方向xにおいて外側に複数のアレーグループ150、151を有する。本実施例では、アレーグループ150A、150B、150C、150D、150E、150F、150G、150H、151A、151B、151C、151D、151E、151F、151G、151Hの計16のアレーグループを有する。
第一方向において、外側のアレーグループ150A~150Hは内側のアレーグループ151A~151Hの有する列以上の数の素子列を有する。本実施例では、外側のアレーグループ150A~150Hは3つの素子列110を、内側のアレーグループ151A~151Hは2つの素子列110を、それぞれ有する。
本構成のように、アレーグループの有する素子列の数が水平方向においても数段階で増加する場合は、特に、水平方向においてもサイドローブをより効果的に抑制できる。
以上の各実施例で説明されたように、サブアレーでの配列を工夫し、水平方向のビームステアリング時の利得を高められる。サブアレーの素子数について外側と中央側で変えることで、アンテナ利得を高められる。サブアレー化により、ICやトランシーバー数を減らし、低コスト化も可能となる。
以上の実施例はいずれも、SUB6/mmWAVEに関わらず、ビームフォーミングアンテナであれば適用が可能である。
そして、サブアレー化を前提としたアンテナアレーにおいて、水平方向ビームステアリングの広角角度範囲を維持しつつ、高効率化つまりアレー利得の向上を実現できる。
例えば、平面アンテナの代わりに曲面上に設けられたアンテナでも有効である。
また、5G以外の規格でも適用可能である。
2 電波制御部
5 基地局
6 中継装置
701、702、703 携帯端末
10 振幅・位相調整部
11、21 増幅器
12、22 フェイズシフタ
20 サブアレー制御部
100、100A 素子
110、110A 素子列
120 素子行
150、150A、150B、150C、150D、150E、150F、150G、150H、151、151A、151B、151C、151D、151E、151F、151G、151H アレーグループ
Claims (8)
- 複数の素子を有し、前記素子を介して電波を送受信するアレーアンテナであって、
前記複数の素子において振幅または位相を互いに異なる電波を発することにより、少なくとも第一方向において電波の送受信方向を傾ける、電波制御部を有し、
前記第一方向と略直交する第二方向に2つ以上のN個の前記素子が所定間隔d1で並ぶ素子列を複数有し、前記素子列はサブアレーとして構成され、
前記第一方向に、前記素子が所定間隔d2で並べられて素子行を形成しており、
前記素子列は前記第二方向において隣接する前記素子または前記素子列と、第一方向に略d2/2ずれて配置されていることを特徴とする、アレーアンテナ。 - 最も外側の前記素子行にある前記素子列は、最も外側の前記素子行以外の前記素子行にある前記素子列より多い前記素子を有することを特徴とする、請求項1に記載のアレーアンテナ。
- 所定の中心位置に対して外側の前記素子行にある前記素子列は、中心位置側の前記素子行にある前記素子列の有する前記素子以上の数の前記素子を有することを特徴とする、請求項1または2のいずれかに記載のアレーアンテナ。
- 前記第一方向において最も外側に前記アレーグループを有し、前記アレーグループは前記第一方向において複数列の前記素子列を有することを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記載のアレーアンテナ。
- 前記第一方向において外側に複数の前記アレーグループを有し、前記アレーグループは前記第一方向において複数列の前記素子列を有し、
前記第一方向において、外側の前記アレーグループは内側の前記アレーグループの有する列以上の数の前記素子列を有することを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記載のアレーアンテナ。 - 最も少ない前記素子列は1つの前記素子を有することを特徴とする、請求項4または5のいずれかに記載のアレーアンテナ。
- 送受信する電磁波の波長λに対して、前記d2が略λ/2であり、前記d1が0.5λ以上であることを特徴とする、請求項1または6のいずれかに記載のアレーアンテナ。
- 携帯端末の基地局アンテナまたは中継アンテナであり、前記第一方向が略水平方向であることを特徴とする、請求項1ないし7のいずれかに記載のアレーアンテナ。
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