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JP2003298442A - 無線通信方法及びシステム - Google Patents

無線通信方法及びシステム

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Publication number
JP2003298442A
JP2003298442A JP2002093871A JP2002093871A JP2003298442A JP 2003298442 A JP2003298442 A JP 2003298442A JP 2002093871 A JP2002093871 A JP 2002093871A JP 2002093871 A JP2002093871 A JP 2002093871A JP 2003298442 A JP2003298442 A JP 2003298442A
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JP
Japan
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signal
circuit
antenna
plane
power
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002093871A
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English (en)
Inventor
Yozo Shoji
洋三 荘司
Kiyoshi Hamaguchi
清 浜口
Hiroyuki Tsuji
宏之 辻
Hirotsugu Ogawa
博世 小川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Information and Communications Technology
Original Assignee
Communications Research Laboratory
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Publication date
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Priority to PCT/JP2003/000116 priority patent/WO2003084093A1/ja
Priority to KR1020047014818A priority patent/KR100700311B1/ko
Priority to CA002480753A priority patent/CA2480753A1/en
Priority to CNB038071428A priority patent/CN100367687C/zh
Priority to US10/508,488 priority patent/US7292831B2/en
Priority to EP03700513A priority patent/EP1496624A4/en
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/06—Receivers
    • H04B1/16—Circuits
    • H04B1/18—Input circuits, e.g. for coupling to an antenna or a transmission line
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
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    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transceivers (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Input Circuits Of Receivers And Coupling Of Receivers And Audio Equipment (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非常に微小なスペースで、検波機能を持ち、
さらに高利得かつ単一アンテナと同程度の広ビーム特性
を併せ持つ受信アンテナを実現する。 【解決手段】 送信機１は無線周波数（ＲＦ）帯変調信
号と、周波数変換で使用した局部発振信号の電力の一部
が足し合わされた合成信号を送信アンテナ７より送信す
る。一方、受信機８はこれを受信アンテナ＆検波部９で
検波する。受信アンテナ＆検波部９には複数の基本単位
受信回路11が配置されており、さらに基本単位受信回路
11はパッチアンテナなどの平面プリントアンテナ12とMM
IC技術によって微小平面回路に生成されるアンプ回路13
および２乗器として機能するミキサ回路14から構成され
ている。そして各基本単位受信回路の出力が電力合成さ
れて、ＩＦ信号復調部へ受け渡される。ＩＦ信号復調部
１０は、受信データを復調する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ミリ波帯での無線
通信方法及びシステムに関し、特にそこで用いられる受
信アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】高速なデジタル信号あるいは広帯域なア
ナログ信号等を伝送する無線装置においては、中間周波
数帯信号(IF)と、局部発振信号(LO)を乗積し、アップコ
ンバートすることにより無線変調信号(RF)を生成・送信
する機能を有する送信機と、RFを受信し、LOを乗積し、
ダウンコンバートすることによりIFを生成する機能を有
する受信機からなる構成をとることが一般的である。こ
の場合伝送された信号の品質を保持するためには、送信
機に入力されるIFと、受信機で生成されるIFとが、所定
の周波数差の関係であり、位相差の時間変動が小さいこ
とが要求される。このため、送受信機内でLOを発生させ
る局部発振器として、周波数安定性に優れ、位相雑音が
低いものが必要とされる。特に周波数が高いマイクロ波
・ミリ波の領域では、誘電体共振器またはPLL(Phase Lo
ck Loop)回路により安定化、低雑音化される。
【０００３】しかしながら使用周波数が高くなるにつれ
て(例えば30GHz以上のミリ波帯)、安定度の高い低雑音
の発振器の実現が困難になるとともに製造コストが上昇
する。例えば、誘電体共振器においてはQ値(Quality Fa
ctor)が低くなり性能が発揮できない、PLL回路では特に
分周器の構成が困難になる、などの問題が生じる。低い
周波数の発振器からの信号を周波数逓倍してLOを得る方
法もあるが、一般に信号強度を上げるための増幅器が必
要となり、高価になること、サイズが大きくなること、
消費電力が大きくなることなどの問題が生じる。
【０００４】これらの問題を解決するために、図４に示
した特開2001-53640号公報記載の無線通信装置および無
線通信方法（自己ヘテロダイン方式）が提案されてい
る。この例によれば、送信機においては、入力されたデ
ータを変調して出力する中間周波数帯変調信号IFが、ミ
キサ83で局部発振器８５からの局部発振信号LOと乗積さ
れ、無線周波数帯変調信号RFが生成される。このRFは、
フィルタ８６を通して不要成分を除去され、LOの一部が
電力合成器87で加算されて、増幅器88で信号レベルを大
きくした後、無線信号としてアンテナより送信される。
一方受信機では、アンテナで受信された無線信号は、増
幅器9１で信号レベルを大きくした後、受信機内のフィ
ルタ９２で濾波され、二乗器93でIFへと復調される。こ
の方法では、RF信号の生成に用いたと同じLOを、無線信
号として伝送している。したがって、LO源となる局部発
振器85の位相雑音の影響が復調時にはキャンセルされ
る、復調されたIFは送信機に入力された元のIFの周波数
へ復調されるという利点がある。
【０００５】さらに、特開2002-9655号公報は、上記無
線通信技術を双方向無線通信に適用したシステム及び方
法を開示する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら実際の無
線システムを設計・構築する場合、いくつかの課題があ
る。例えばミリ波帯のように高い周波数においては、信
号の伝播損失が大きいため、また前述した、自己ヘテロ
ダイン方式では従来のアップコンバーター方式と比較し
て更に感度劣化を招くことにより、少なくとも受信用の
アンテナとしては比較的利得の高いものを用いる必要が
ある。例えばミリ波帯のように高い周波数において高利
得アンテナを実現する場合、複数のアンテナ素子をアレ
イ化配置し各アンテナ素子で得られる信号を同相合成す
ることで実現できる（これをアレイアンテナと呼ぶ）
が、アレイアンテナにおける各アンテナ素子からの信号
を同相で合成するためには、ミリ波帯ではその波長の短
さからミリメートルより十分に短い加工精度を必要とす
るため、アンテナを高コストなものにしている、もしく
は期待どおりの高利得性能を得ることが非常に難しい。
【０００７】またアレイアンテナ化によって高利得化を
実現する場合、通常最大輻射方向では高利得化を得るこ
とが出来るが、その輻射角度に対する相対利得特性（指
向特性）はある方向のみに高い利得を持った、非常に狭
いペンシルビームになり、アンテナ利得を生じないナル
点を含むサイドローブを伴ったアンテナ特性となる。す
なわち高利得かつ使い勝手のよい広ビームのアンテナを
製作することは通常非常に困難であるという課題があっ
た。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、無線通信シス
テムにおいて適用可能な受信検波機能一体型の受信アン
テナである。本発明では受信機は送信機より送信される
RF帯変調信号とこれとコヒーレントな位相雑音特性をも
った局部発振信号を併せて受信し、該両成分の乗積成分
を生成することでＩＦ帯送信源信号を復元するが、１素
子パッチアンテナなどの広ビーム特性を持った小型平面
アンテナ、およびMMIC技術によって微小平面回路上に生
成されたアンプ、およびミキサ回路を併せて１つの単位
受信回路とし、これを受信機上に複数配置した上で、各
単位受信回路の検波出力を電力合成することで、検波機
能を併せ持つ高利得アンテナとして機能し、なおかつ１
素子アンテナと同程度の広ビーム輻射特性を実現できる
ことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は、本
発明における第１の実施の形態を表した無線システム構
成例を示したものである。ミリ波送信機１は、入力され
たデータを変調してＩＦ帯変調信号を出力するＩＦ信号
発生部４を備える。このＩＦ帯変調信号は、局部発振器
２より得た局部発振信号が入力されているミキサ３に出
力される。ミキサ３において、ＩＦ帯変調信号と局部発
信信号を乗積し、その出力から、帯域濾波器５によって
不要波成分を除去することで、無線周波数（ＲＦ）帯変
調信号を得るが、これに該周波数変換で使用した局部発
振信号の電力の一部が足し合わされた後、アンプ６によ
って信号が増幅されて送信アンテナ７より送信される。
上述の一連の送信回路によって図１の送信信号スペクト
ラムに例示したような、ＲＦ帯変調信号にこれとコヒー
レントな位相雑音特性を持った局部発振信号が併さった
信号が送信機より送信される。一方、ミリ波受信機８は
これを後述の受信アンテナ＆検波部９で検波し、その出
力がＩＦ信号復調部１０に入力されて受信データが復調
される。
【００１０】図２は本発明における受信アンテナ＆検波
部の構成例を示したものである。受信アンテナ＆検波部
９には複数の基本単位受信回路11が配置されており、さ
らにこの基本単位受信回路11はパッチアンテナなどの平
面プリントアンテナ12と、MMIC技術によって微小平面回
路に生成されるアンプ回路13と、２乗器として機能する
ミキサ回路14とから構成されている。そして各基本単位
受信回路の出力が電力合成されて、ＩＦ信号復調部へ受
け渡される。これによって、アレイの各アンテナ素子で
得た信号の同相合成を無線周波数より十分低いＩＦ帯で
行うことが可能になる。 （第２の実施の形態）図３は、本発明における第２の実
施の形態を表した無線システム構成例を示したものであ
る。通信を行う両方の局に、それぞれ、ミリ波送信機と
ミリ波受信機が備えられて、双方向の無線通信が可能に
構成されている。一方の局の送信機からは、第１の実施
の形態と同じく、無線周波数（ＲＦ）帯変調信号と、局
部発振信号の合成信号が送信され、その合成信号を、本
発明の特徴とする受信アンテナ＆検波部で検波し、その
出力がＩＦ信号復調部に入力されて受信データが復調さ
れる。同時に、他方の局からの合成信号が、一方の局で
受信されて、受信データが復調される。
【００１１】
【発明の効果】本発明によれば、前述した自己ヘテロダ
イン方式による無線通信装置または無線通信方法である
ため、送信機では周波数が不安定で位相雑音の大きい低
コストな局部発振器の利用が可能であり、なおかつ受信
機では局部発振器そのものを必要としないため、非常に
低コストな無線通信システムを構築できるうえに、前述
の周波数の不安定さも検波時にキャンセルされるため、
高品質な信号の伝送が可能である。
【００１２】また本発明によれば、アレイの各アンテナ
素子で得た信号の同相合成を無線周波数より十分低いＩ
Ｆ帯で行えるため、同相合成のための配線および加工精
度をそれほど必要とせず、容易に実現可能である。
【００１３】さらに本発明によれば、基本単位受信回路
を非常に近接して配置できることと、アレイの各アンテ
ナ素子間のＲＦ帯での受信信号の位相差が各受信回路の
検波出力点ではほぼ無視できる程度になるため、１素子
アンテナの角度対相対利得特性に近い、非常に広ビーム
で、なおかつ高利得の受信アンテナを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の実施の形態を表した無線
システム構成例を示す図である。
【図２】本発明における受信アンテナ＆検波部の構成例
を示したものである。
【図３】本発明における第２の実施の形態を表した無線
システム構成例を示す図である。
【図４】従来技術の無線通信システム構成（自己ヘテロ
ダイン方式）を示す図である。
【符号の説明】
１ 送信機 ２ 局部発振器 ３ ミキサ ４ IF信号発生部 ５ 帯域濾波器 ６ アンプ ７ 送信アンテナ ８ 受信機 ９ 受信アンテナ＆検波部 １０ IF信号復調部 １１ 基本単位受信回路 １２ パッチアンテナ １３ アンプ回路 １４ ミキサ回路
フロントページの続き (72)発明者 辻 宏之 東京都小金井市貫井北町４−２−１ 独立 行政法人通信総合研究所内 (72)発明者 小川 博世 東京都小金井市貫井北町４−２−１ 独立 行政法人通信総合研究所内 Ｆターム(参考） 5K011 AA06 BA04 DA02 DA12 5K062 AA09 AB05 AB12 AC01 AE03

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力されたデータを変調して得たＩＦ帯
    変調信号に局部発振信号を乗積して得た無線周波数帯変
    調信号と、該周波数変換で使用した局部発振信号の電力
    の一部を合成して送信アンテナより送信する送信機と、 受信アンテナにより受信した前記送信機からの合成信号
    を検波してＩＦ帯変調信号を得る検波回路と、このＩＦ
    帯変調信号から受信データを復調するＩＦ信号復調部と
    を有する受信機と、の間の無線通信方法において、 前記受信機においては、平面プリント受信アンテナ素子
    と平面受信回路とを併せた平面回路を１構成要素とし、
    該構成要素となる平面回路を複数ならべ、 個々の平面回路からの検波出力を電力合成し、 該電力合成された検波出力を前記ＩＦ信号復調部に受け
    渡すことから成る無線通信方法。
  2. 【請求項２】 入力されたデータを変調して得たＩＦ帯
    変調信号に局部発振信号を乗積して得た無線周波数帯変
    調信号と、該周波数変換で使用した局部発振信号の電力
    の一部を合成して送信アンテナより送信する送信機と、 受信アンテナにより受信した前記送信機からの合成信号
    を検波してＩＦ帯変調信号を得る検波回路と、このＩＦ
    帯変調信号から受信データを復調するＩＦ信号復調部と
    を有する受信機と、から構成される無線通信システムに
    おいて、 前記受信機における前記受信アンテナと、受信した合成
    信号を検波する前記検波回路は、 平面プリント受信アンテナ素子と平面受信回路とを併せ
    た平面回路を１構成要素とし、 該構成要素となる平面回路を複数ならべ、その検波出力
    を電力合成する回路と、から構成して、該電力合成回路
    の出力を前記ＩＦ信号復調部に受け渡すことから成る無
    線通信システム。
  3. 【請求項３】 前記平面プリント受信アンテナ素子は、
    パッチアンテナである請求項２に記載の無線通信システ
    ム。
  4. 【請求項４】 前記平面受信回路は、アンプ回路および
    ２乗器を有する請求項２に記載の無線通信システム。
  5. 【請求項５】 通信する各局に、それぞれ送信機と受信
    機を備えて、双方向通信可能に構成した請求項２に記載
    の無線通信システム。
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