【発明の詳細な説明】
マイクロストリップアンテナアレイ発明の分野
この発明はセルラ通信システム内の基地局に用いるアンテナに関し、より詳し
くは、アンテナの利得を上げまた干渉の問題を減らすことにより、基地局の性能
を向上させるマイクロストリップアンテナアレイに関する。発明の背景
セルラ産業は、米国でも世界中の他の国でも商業的に運営されているシステム
の数が記録的に伸びた。主要都市地域のセルラユーザの数は予想をはるかに超え
、システムの容量を上回っている。この傾向が続くと、非常に小さい市場でもま
もなく高成長の影響が出ると思われる。このような必要な容量の増大に対応し、
サービスの質を高く保ち、価格の上昇を避けるには、斬新な解決策が必要である
。さらに、セルラユーザの数が増加するにつれて、同一チャンネル干渉に関連す
る問題の重要性が高まる。
第1図は、一般的なセルラ移動無線通信システムにおける10個のセルC1−
C10を示す。通常、セルラ移動無線システムには10個以上のセルがある。し
かし簡単のために、この発明については第1図の簡単化したシステムを用いて説
明する。各セルC1−C10には、対応するセルと同じ番号を持つ基地局B1−
B10がある。第1図の基地局はセルの中心付近にあり、全方向性アンテナを備
える。
また第1図は、セル内およびセルからセルに移動する9台の移動局M1−M9
を示す。一般的なセルラ無線システムでは、通常、9台以上のセルラ移動局があ
る。実際は、基地局の何倍もの数の移動局がある。しかしこの発明の説明のため
には、移動局の数は少なくて十分である。
また第1図に示すように、移動交換センタMSCがある。第1図に示す移動交
換センタMSCは、ケーブルにより10個のすべての基地局B1−B10に接続
される。また移動交換センタMSCは、ケーブルにより固定交換電話網または同
様な固定網に接続される。移動交換センタMSCから基地局B1−B10へのす
べてのケーブルと、固定網へのケーブルは図示していない。
図示の移動交換センタMSCの他に、第1図に示す以外の基地局にケーブルで
接続される別の移動交換センタもある。基地局と移動交換センタとの接続には、
ケーブルの代わりに他の手段、たとえば固定無線リンクも用いられる。移動交換
センタMSCと基地局と移動局は、すべてコンピュータで制御される。
第1図に示すように従来のセルラ移動無線システムでは、各基地局は全方向性
アンテナまたは指向性アンテナを備え、基地局がカバーする地域全体に信号を放
送する。したがって特定の移動局への信号は、その移動局の相対位置に関わらず
、全カバレージ地域に放送される。基地局では、送信器は搬送周波数毎に1台の
電力増幅器を備える。増幅した信号を組み合わせて、たとえば120度または3
60度のカバレージを持つ広い方位ビームを備える共通アンテナに接続する。共
通アンテナのビーム幅が広いのでアンテナ利得は低くて空間選択性がなく、この
ため干渉の問題が生じる。
最近の技術では主として線形電力増幅器を用いている。これはいくつかの搬送
周波数から成る組み合わせ信号を増幅するのに適しており、やはり広い方位ビー
ムを持つ共通アンテナに組み合わされて信号を送る。しかし、このシステムにも
干渉の問題がある。
別の種類のアンテナとして開発されたのは、第2図に示すマイクロストリップ
アンテナである。基本的にマイクロストリップアンテナは、誘電体基板12上に
形成された導電パッチ10と、パッチ10から或る距離にある接地面14から成
る。接地面は基板12の反対側に形成する。またはパッチと接地面との間の空間
を、空気や泡やその他の誘電体材料で完全にまたは部分的に満たす。既知のスト
リップ線路技術を用いて、アンテナ要素を銅積層板上にエッチングする。こうし
て多数の要素を同じ積層板上に設けることができる。これらの要素には、要素と
同じ層または別の層にある接続線16の給電網により、直列または並列またはそ
の両方で給電する。マイクロストリップアンテナの周波数およびインピーダンス
特性は、アンテナの大きさや入力の入る位置や基板の誘電率の関数である。さら
に、アンテナの偏波感度は、導電パッチ10のレイアウトに従って、垂直か、水
平か、またはその両方である。しかしマイクロストリップアンテナは本質的に動
作帯域幅が狭いので、これまでは使用が限られていた。マイクロストリップアン
テナ要素の帯域幅は比較的狭く、一般に2〜5パーセントである。積み重ね要素
またはスロット結合要素を用いれば、周波数帯域のカバレージを広くすることが
できる。
受信信号のフェージング変動を減らすために、現在の基地局は空間ダイバーシ
ティを用いる。すなわち、2個の受信アンテナを一般に20または30波長だけ
離す。しかし現在用いられている狭いビームと高利得アンテナを持つ受信機ダイ
バーシティは魅力がない。それは、価格が高くて寸法が大きく、外観も取り付け
上も問題があるからである。発明の概要
この発明の目的は、基地局のアンテナ利得を上げて干渉問題を減らすことによ
り、基地局の性能を向上させることである。この発明の他の目的は、線形電力増
幅器の技術を基地局に応用することである。この発明の別の目的は、たとえば空
間ダイバーシティ装置に代わる偏波ダイバーシティを基地局に用いることである
。
この発明の一実施態様では、少なくとも1個の基地局と少なくとも1台の移動
局を備える移動無線通信システム内の基地局用のアンテナを開示する。このアン
テナは、少なくとも2列と2行のマイクロストリップパッチの行列を有するマイ
クロストリップアンテナアレイを含む。さらに複数の増幅器を備え、各電力増幅
器を異なる列のマイクロストリップパッチに接続する。最後に、ビーム形成手段
を各電力増幅器に接続して、マイクロストリップパッチの列が作る狭いアンテナ
ローブの方向と形を決める。
この発明の別の実施態様では、基地局と移動無線通信システム用のアンテナを
開示する。このアンテナは、少なくとも2列と2行のマイクロストリップパッチ
の行列を有するマイクロストリップアンテナアレイを含む。複数の低雑音増幅器
を用いて、マイクロストリップアンテナアレイが受信する信号を濾波し増幅する
。各低雑音増幅器は異なるマイクロストリップパッチの列に接続される。ビーム
形成手段を各低雑音増幅器に接続して、マイクロストリップパッチの列が作る狭
いアンテナローブの方向と形を決める。図面の簡単な説明
この発明の上述および別の目的と新規な特徴は、添付の図面に関連する以下の
説明から完全に明らかになる。しかし図面は例示のためだけのものであって、こ
の発明の限界を規定するものではない。
第1図は、セルと、移動交換センタと、基地局と、移動局を備えるセルラ移動
通信システムの一部を示す。
第2図は、マイクロストリップアンテナを示す。
第3図は、この発明の一実施態様のマイクロストリップアンテナアレイを示す
。
第4図は、この発明の別の実施態様のマイクロストリップアンテナアレイを示
す。
第5図は、この発明のさらに別の実施態様のマイクロストリップアンテナアレ
イを示す。
第6図は、この発明のもう1つの実施態様のマイクロストリップアンテナアレ
イを示す。発明の詳細な説明
この発明は主としてセルラ通信システム内の基地局に用いるものであるが、当
業者が理解するように、この発明は他の種々の通信用途に用いることができる。
この発明の一実施態様では、第3図に示すように、マイクロストリップアンテ
ナアレイを用いて基地局からの信号の利得を上げ、システム内の干渉を減らすこ
とができる。アンテナアレイ30は、共通の接地面34上に形成されるマイクロ
ストリップパッチの行列32から成る。各列の要素は、接続線40により並列か
、直列か、またはその両方に接続される。第3図には6列と4行のパッチを示し
ているが、当業者が理解するように、アンテナアレイは任意の複数の列と行で構
成することができる。パッチの各列は異なる電力増幅器36に送信方向に接続し
、また第4図に示すように、異なる低雑音増幅器42に受信方向に接続する。さ
らに、パッチの各列は複数の電力増幅器に送信方向に接続し、また複数の低雑音
増幅器に逆方向に接続することもできる。さらに、パッチの複数の列を線形電力
増幅器に接続することもできる。電力増幅器および低雑音増幅器はビーム形成装
置38に接続し、ビーム形成装置38は所望の形を所望の方向に持つアンテナビ
ー
ムを作る。アンテナアレイは複数の狭い方位ビームすなわちローブを発生するこ
とができ、アンテナビームの方向と形は、異なる列の間の信号の振幅と位相の関
係により、ビーム形成装置38内で決まる。したがって、基地局はより高い利得
を持つ狭いビームを用いて、基地局のカバレージ地域内の移動局に放送し、また
信号を受信することができる。
考慮に入れたもう1つの重要な点は、各アンテナビームのサイドローブを抑え
るという希望である。ビーム形成は、ディジタルビーム形成やアナログビーム形
成などの種々の方法により、またはバトラー(Butler)行列などのビーム形成行列
により、実現することができる。アナログビーム形成器は周波数とは独立の時間
遅れを用いてビームの方向付けを行い、ディジタルビーム形成は通常は動作周波
数での時間遅れと同等な位相遅れを用いる。
通常、ディジタルビーム形成装置は各要素用の比較的簡単な受信機を備え、こ
れによりA/D変換器用に周波数をIおよびQ(同相および直交)チャンネルに
変換する。実時間ビーム形成は、乗算/累積集積回路内で、これらの複素対のサ
ンプルに適当な重みを掛けて行う。アレイの出力は次式から得られる。
ただし、
Vn = n番目のチャンネルからの複素信号
Wn = 重み付け係数
e-j2 πn(d/λ)sinθ = 方向付け移相シフト
Cn = 補正係数
補正は、いくつかの理由から必要である。理由とは、例えば、要素の位置の誤差
や、温度の影響や、アレイの内部の要素とエッジ付近の要素との作用の差である
。
このように狭いアンテナビームを形成して方向付けすることにより、複数の狭
いビームを、同じアンテナアレイを用いて大きなセクタを同時にカバーするのに
用いることができる。この発明は、適応アルゴリズムを用いてそのアンテナに最
も適した重み関数を選択する。このような適応アルゴリズムは、米国特許出願番
号第08/95,224号、1994年2月10日出願、に開示されており、こ
れを引例としてここに挿入する。
アンテナアレイでは各列のパッチは偏波を持つ。偏波は垂直か水平のどちらか
となり、または、2つの直交偏波成分を有する二重偏波となる。これら2つの直
交成分は、例えば、垂直および水平か、または2つの斜め偏波成分である。同時
二重偏波では、2つの直交偏波信号を列毎に別個に組み合わせて、無線装置内の
分離されたチャンネルに接続する。信号を組み合わせる方法は、たとえば選択ダ
イバーシティや最大比率組み合わせなどの既知の組み合わせ方法のいずれかを用
いてよい。この場合、送信方向にも受信方向にも、随意の楕円偏波状態が得られ
る。フェージング変動は2つの直交偏波について独立なので、偏波ダイバーシテ
ィを用いれば、さらに干渉を抑えてフェージング変動を減らす可能性が生じる。
これにより、空間ダイバーシティを用いる必要がなくなる。さらに、分散形電力
増幅はアンテナ利得が高いので、この発明は各電力増幅器からの動作電力レベル
を減少させ、したがって線形電力増幅器技術を用いる必要性が小さくなる。
またこのシステムは、第5図および第6図に示すように、増幅器とビーム形成
装置とを入れ替えることができる。増幅器は特定のアンテナビームに対応するチ
ャンネル内の信号を増幅し、ビームの形と方向は、その場合のビーム形成装置の
重み付けで決まる。入れ替えた装置の利点は、個々のチャンネルが複数の整合化
された(coherent)増幅器を必要としないことである。さらに、各増幅器は特定の
チャンネルに関連するので、増幅器の故障の検出が容易である。さらに、アンテ
ナ要素とビーム形成装置の間に増幅器を置くことにより、ビーム形成装置のシス
テム損失が減少し、分散形電力増幅によって出力電力レベルは減少し、増幅器が
故障したときにシステムの性能の低下をゆるやかにすることが可能になる。
当業者が理解するように、この発明はその精神と中心的性質から逸れることな
く、他の特定の形式で実現することができる。したがってここに開示した実施態
様はすべて例示であって、制限的なものではない。この発明の範囲は上述の説明
ではなく請求の範囲に示されており、これと同等の意味と範囲内にある変更は、
すべてこれに含まれるものである。BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the microstrip antenna array INVENTION This invention relates to an antenna used in a base station in a cellular communication system, and more particularly, by reducing the raising the gain of the antenna also interference problem, the base station The present invention relates to a microstrip antenna array for improving performance. BACKGROUND OF THE INVENTION The cellular industry has seen a record increase in the number of commercially operated systems in the United States and elsewhere in the world. The number of cellular users in major metropolitan areas far exceeds expectations and exceeds the capacity of the system. If this trend continues, very small markets will soon be affected by high growth. Novel solutions are needed to keep up with this increased capacity, maintain high quality of service and avoid price increases. In addition, as the number of cellular users increases, the issues associated with co-channel interference become more important. FIG. 1 shows ten cells C1 to C10 in a general cellular mobile radio communication system. Typically, there are ten or more cells in a cellular mobile radio system. However, for simplicity, the present invention will be described with reference to the simplified system of FIG. Each cell C1-C10 has a base station B1-B10 having the same number as the corresponding cell. The base station of FIG. 1 is near the center of the cell and has an omni-directional antenna. FIG. 1 also shows nine mobile stations M1-M9 that move within a cell and from cell to cell. In a typical cellular radio system, there are usually nine or more cellular mobile stations. In practice, there are many times as many mobile stations as base stations. However, a small number of mobile stations is sufficient for the description of the present invention. As shown in FIG. 1, there is a mobile switching center MSC. The mobile switching center MSC shown in FIG. 1 is connected by a cable to all ten base stations B1-B10. The mobile switching center MSC is also connected by a cable to a fixed switching telephone network or similar fixed network. All cables from the mobile switching center MSC to the base stations B1-B10 and cables to the fixed network are not shown. In addition to the mobile switching center MSC shown, there is another mobile switching center connected by cables to base stations other than those shown in FIG. Other means of connecting the base station to the mobile switching center are used instead of cables, for example, fixed wireless links. The mobile switching center MSC, base stations and mobile stations are all controlled by computers. As shown in FIG. 1, in a conventional cellular mobile radio system, each base station has an omni-directional antenna or a directional antenna and broadcasts a signal over the entire area covered by the base station. Thus, a signal to a particular mobile station is broadcast throughout the coverage area, regardless of the relative position of that mobile station. At the base station, the transmitter has one power amplifier for each carrier frequency. The amplified signals are combined and connected to a common antenna with a wide azimuth beam having a coverage of, for example, 120 or 360 degrees. Since the beam width of the common antenna is wide, the antenna gain is low and there is no spatial selectivity, which causes a problem of interference. Recent technologies mainly use linear power amplifiers. It is suitable for amplifying a combined signal consisting of several carrier frequencies, which is also combined with a common antenna having a wide azimuth beam to send the signal. However, this system also suffers from interference. Another type of antenna that has been developed is the microstrip antenna shown in FIG. Basically, a microstrip antenna includes a conductive patch 10 formed on a dielectric substrate 12 and a ground plane 14 at a certain distance from the patch 10. The ground plane is formed on the opposite side of the substrate 12. Or completely or partially fill the space between the patch and the ground plane with air, foam, or other dielectric material. The antenna element is etched on the copper laminate using known stripline technology. In this way, multiple elements can be provided on the same laminate. These elements are powered in series and / or in parallel by a feed network of connection lines 16 on the same layer or a different layer as the elements. The frequency and impedance characteristics of a microstrip antenna are a function of the size of the antenna, the location of the input, and the dielectric constant of the substrate. Further, the polarization sensitivity of the antenna is vertical, horizontal, or both, depending on the layout of the conductive patch 10. However, the use of microstrip antennas has heretofore been limited because of their inherently narrow operating bandwidth. The bandwidth of the microstrip antenna element is relatively narrow, typically between 2 and 5 percent. Using a stacking element or a slot coupling element can increase the coverage of the frequency band. In order to reduce the fading fluctuation of the received signal, current base stations use spatial diversity. That is, the two receiving antennas are generally separated by 20 or 30 wavelengths. However, the currently used receiver diversity with narrow beams and high gain antennas is not attractive. This is because it is expensive, has large dimensions, and has problems in appearance and installation. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to improve the performance of a base station by increasing the antenna gain of the base station and reducing interference problems. Another object of the invention is to apply the technology of linear power amplifiers to base stations. Another object of the present invention is to use, for example, a polarization diversity instead of a space diversity device for a base station. One embodiment of the present invention discloses an antenna for a base station in a mobile radio communication system including at least one base station and at least one mobile station. The antenna includes a microstrip antenna array having a matrix of at least two columns and two rows of microstrip patches. It further comprises a plurality of amplifiers, each of which is connected to a different row of microstrip patches. Finally, a beam forming means is connected to each power amplifier to determine the direction and shape of the narrow antenna lobe created by the array of microstrip patches. In another embodiment of the invention, a base station and an antenna for a mobile radio communication system are disclosed. The antenna includes a microstrip antenna array having a matrix of at least two columns and two rows of microstrip patches. A plurality of low noise amplifiers are used to filter and amplify signals received by the microstrip antenna array. Each low noise amplifier is connected to a different row of microstrip patches. A beam forming means is connected to each low noise amplifier to determine the direction and shape of the narrow antenna lobe created by the array of microstrip patches. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects and novel features of the invention will become more fully apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the drawings are for illustration only and do not define the limitations of the invention. FIG. 1 shows a part of a cellular mobile communication system including a cell, a mobile switching center, a base station, and a mobile station. FIG. 2 shows a microstrip antenna. FIG. 3 shows a microstrip antenna array according to one embodiment of the present invention. FIG. 4 shows a microstrip antenna array according to another embodiment of the present invention. FIG. 5 shows a microstrip antenna array according to still another embodiment of the present invention. FIG. 6 shows a microstrip antenna array according to another embodiment of the present invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Although the present invention is primarily used for base stations in a cellular communication system, it will be appreciated by those skilled in the art that the present invention may be used in various other communication applications. In one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, a microstrip antenna array can be used to increase the gain of a signal from a base station and reduce interference in the system. The antenna array 30 consists of a matrix 32 of microstrip patches formed on a common ground plane 34. The elements of each column are connected by a connection line 40 in parallel, in series, or both. While FIG. 3 shows patches in six columns and four rows, as those skilled in the art will appreciate, the antenna array can be comprised of any number of columns and rows. Each row of patches connects to a different power amplifier 36 in the transmit direction and, as shown in FIG. 4, to a different low noise amplifier 42 in the receive direction. In addition, each row of patches may be connected to a plurality of power amplifiers in the transmit direction and to a plurality of low noise amplifiers in the reverse direction. Further, multiple rows of patches can be connected to a linear power amplifier. The power amplifier and the low noise amplifier are connected to a beamformer 38, which produces an antenna beam having a desired shape in a desired direction. The antenna array can generate a plurality of narrow azimuth beams or lobes, and the direction and shape of the antenna beams are determined within the beamformer 38 by the relationship between the signal amplitude and phase between the different columns. Thus, the base station can use a narrow beam with higher gain to broadcast to and receive signals from mobile stations within the base station's coverage area. Another important consideration was the desire to suppress the side lobes of each antenna beam. Beamforming can be realized by various methods such as digital beamforming and analog beamforming, or by a beamforming matrix such as a Butler matrix. Analog beamformers direct the beam using a time delay that is independent of frequency, and digital beamforming typically uses a phase delay equivalent to the time delay at the operating frequency. Typically, digital beamformers include a relatively simple receiver for each component, thereby converting the frequency to I and Q (in-phase and quadrature) channels for an A / D converter. Real-time beamforming is performed in a multiply / accumulate integrated circuit by applying appropriate weights to the samples of these complex pairs. The output of the array is given by: Where V n = complex signal from the nth channel W n = weighting factor e −j2 πn (d / λ) sin θ = directed phase shift C n = correction factor correction is necessary for several reasons . Reasons include, for example, errors in element position, temperature effects, and differences in action between elements inside the array and elements near the edges. By forming and directing such narrow antenna beams, multiple narrow beams can be used to cover large sectors simultaneously using the same antenna array. The present invention uses an adaptive algorithm to select the most appropriate weight function for that antenna. Such an adaptive algorithm is disclosed in U.S. patent application Ser. No. 08 / 95,224, filed Feb. 10, 1994, which is hereby incorporated by reference. In an antenna array, each row of patches has a polarization. The polarization can be either vertical or horizontal, or a dual polarization with two orthogonal polarization components. These two orthogonal components are, for example, vertical and horizontal or two obliquely polarized components. In simultaneous dual polarization, two orthogonally polarized signals are separately combined for each column and connected to a separate channel in the wireless device. The method of combining the signals may use any of the known combining methods such as, for example, selection diversity and maximum ratio combination. In this case, an arbitrary elliptical polarization state can be obtained in both the transmission direction and the reception direction. Since the fading variation is independent for two orthogonal polarizations, the use of polarization diversity has the potential to further reduce interference and reduce fading variation. This eliminates the need to use spatial diversity. Further, because distributed power amplification has a high antenna gain, the present invention reduces the operating power level from each power amplifier, thus reducing the need to use linear power amplifier technology. In this system, the amplifier and the beam forming device can be exchanged as shown in FIGS. The amplifier amplifies the signal in the channel corresponding to a particular antenna beam, the shape and direction of the beam being determined by the weight of the beamformer in that case. An advantage of the permuted device is that the individual channels do not require multiple coherent amplifiers. Further, since each amplifier is associated with a particular channel, it is easy to detect amplifier failure. In addition, placing an amplifier between the antenna element and the beamformer reduces system losses in the beamformer, reduces output power levels due to distributed power amplification, and degrades system performance when the amplifier fails. Can be made gentler. As will be appreciated by those skilled in the art, the present invention may be embodied in other specific forms without departing from its spirit and central nature. Accordingly, all embodiments disclosed herein are illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and all modifications that come within the meaning and range of equivalence are to be embraced therein.
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M
C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG
,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN,
TD,TG),AP(KE,MW,SD,SZ,UG),
AM,AT,AU,BB,BG,BR,BY,CA,C
H,CN,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB
,GE,HU,IS,JP,KE,KG,KP,KR,
KZ,LK,LR,LT,LU,LV,MD,MG,M
N,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU
,SD,SE,SG,SI,SK,TJ,TT,UA,
UG,US,UZ,VN
(72)発明者 ヨハニッソン,ブヨルン グンナー
スウェーデン国 エス − 434 31 ク
ングスバッカ,カプテンスガタン 9────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE,
DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LU, M
C, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG
, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN,
TD, TG), AP (KE, MW, SD, SZ, UG),
AM, AT, AU, BB, BG, BR, BY, CA, C
H, CN, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB
, GE, HU, IS, JP, KE, KG, KP, KR,
KZ, LK, LR, LT, LU, LV, MD, MG, M
N, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU
, SD, SE, SG, SI, SK, TJ, TT, UA,
UG, US, UZ, VN
(72) Inventor Johannisson, Bjorn Gunner
Sweden S-434 31
Ngusbakka, Captainsgatan 9