JPH10501661A - マイクロストリップアンテナアレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも１個の基地局（Ｂ１−Ｂ１０）と少なくとも１台の移動局（Ｍ１−Ｍ９）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。アンテナは、少なくとも２列と２行を持つ行列のマイクロストリップパッチ（３２）を持つマイクロストリップアンテナアレイ（３０）を備える。さらに複数の増幅器（３６）を備え、各電力増幅器（３６）は異なる列のマイクロストリップパッチ（３２）に接続する。最後に、ビーム形成器（３８）を各電力増幅器（３６）に接続して、列のマイクロストリップパッチ（３２）が作る狭いアンテナローブの方向と形を決める。

Description

【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、 Ｖ_n ＝ ｎ番目のチャンネルからの複素信号 Ｗ_n ＝ 重み付け係数 ｅ^{-j2 πn(d/λ)sinθ} ＝ 方向付け移相シフト Ｃ_n ＝ 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。

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも１つの基地局と少なくとも１つの移動局とを備える移動無線 通信システム内の基地局用のアンテナであって、 少なくとも２列と２行を有するマイクロストリップパッチの行列を含むマイク ロストリップアンテナアレイと、 少なくとも１つが前記マイクロストリップパッチの各列に接続される、複数の 電力増幅器と、 各電力増幅器に接続され、前記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ビーム形成手段と、 を備えるアンテナ。 ２． 前記マイクロストリップパッチは垂直偏波を持つ、請求項１記載のアン テナ。 ３． 前記マイクロストリップパッチは水平偏波を持つ、請求項１記載のアン テナ。 ４． 少なくとも１個の前記マイクロストリップパッチは同時に２つの直交偏 波を持つ、請求項１記載のアンテナ。 ５． 前記直交偏波方向への前記信号に振幅関係および相対移相を与えて随意 の楕円偏波状態を作る、請求項４記載のアンテナ。 ６． 少なくとも１列のマイクロストリップパッチは垂直偏波を持ち、少なく とも１列のマイクロストリップパッチは水平偏波を持つ、請求項１記載のアンテ ナ。 ７． 各列内の前記マイクロストリップパッチはエレベーションパターンの形 に漸減する、請求項１記載のアンテナ。 ８． 前記ビーム形成はアナログビーム形成で実現される、請求項１記載のア ンテナ。 ９． 前記ビーム形成はディジタルビーム形成で実現される、請求項１記載の アンテナ。 １０．前記ビーム形成はビーム形成行列で実現される、請求項１記載のアンテ ナ。 １１．前記ビーム形成行列はバトラー行列である、請求項１０記載のアンテナ 。 １２．各列の前記マイクロストリップパッチは複数の電力増幅器に接続する、 請求項１記載のアンテナ。 １３．少なくとも１つの基地局と少なくとも１つの移動局とを備える移動無線 通信システム内の基地局用のアンテナであって、 少なくとも２列と２行を有するマイクロストリップパッチの行列を含むマイク ロストリップアンテナアレイと、 少なくとも１つが前記マイクロストリップパッチの各列に接続される、複数の 低雑音増幅器と、 各低雑音増幅器に接続されて、前記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ビーム形成手段と、 を備えるアンテナ。 １４．前記マイクロストリップパッチは垂直偏波を持つ、請求項１３記載のア ンテナ。 １５．前記マイクロストリップパッチは水平偏波を持つ、請求項１３記載のア ンテナ。 １６．少なくとも１個の前記マイクロストリップパッチは同時に２つの直交偏 波を持つ、請求項１３記載のアンテナ。 １７．前記直交偏波方向への前記信号に振幅関係および相対移相を与えて随意 の楕円偏波状態を作る、請求項１６記載のアンテナ。 １８．少なくとも１列のマイクロストリップパッチは垂直偏波を持ち、少なく とも１列のマイクロストリップパッチは水平偏波を持つ、請求項１３記載のアン テナ。 １９．各列内の前記マイクロストリップパッチはエレベーションパターンの形 に漸減する、請求項１３記載のアンテナ。 ２０．前記ビーム形成はアナログビーム形成で実現される、請求項１３記載の アンテナ。 ２１．前記ビーム形成はディジタルビーム形成で実現される、請求項１３記載 のアンテナ。 ２２．前記ビーム形成はビーム形成行列で実現される、請求項１３記載のアン テナ。 ２３．前記ビーム形成行列はバトラー行列である、請求項２２記載のアンテナ 。 ２４．各列の前記マイクロストリップパッチは複数の低雑音増幅器に接続する 、請求項１３記載のアンテナ。 ２５．前記アンテナアレイは送信信号用にも受信信号用にも用いられる、請求 項１記載のアンテナ。 ２６．前記アンテナアレイは同じ基板上に送信用と受信用の別個の列を備える 、請求項２５記載のアンテナ。 ２７．前記アンテナアレイは送信信号用にも受信信号用にも用いられる、請求 項１３記載のアンテナ。 ２８．前記アンテナアレイは同じ基板上に送信用と受信用の別個の列を備える 、請求項２７記載のアンテナ。 ２９．少なくとも１つの基地局と少なくとも１つの移動局とを備える移動無線 通信システム内の基地局用のアンテナであって、 少なくとも２列と２行を有するマイクロストリップパッチの行列を含むマイク ロストリップアンテナアレイと、 前記アンテナアレイの各列に接続され、前記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ビーム形成手段と、 少なくとも１つが前記ビーム形成手段の各出力に接続され、特定のアンテナロ ーブを増幅する複数の電力増幅器と、 を備えるアンテナ。 ３０．少なくとも１つの基地局と少なくとも１つの移動局とを備える移動無線 通信システム内の基地局用のアンテナであって、 少なくとも２列と２行を有するマイクロストリップパッチの行列を含むマイク ロストリップアンテナアレイと、 前記アンテナアレイの各列に接続され、前記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ビーム形成手段と、 少なくとも１つが前記ビーム形成手段の各出力に接続され、特定のアンテナロ ーブを増幅する複数の低雑音増幅器と、 を備えるアンテナ。