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公開番号2022138738
公報種別公開特許公報(A)
公開日2022-09-26
出願番号2021038790
出願日2021-03-10
発明の名称アレーアンテナ
出願人電気興業株式会社
代理人個人
主分類H01Q 21/06 20060101AFI20220915BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】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。
【解決手段】ア複数の素子100Aを有し、素子100Aを介して電波を送受信するアレーアンテナ1は、電波制御部を有する。電波制御部は、複数の素子100A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xにおいて電波の送受信方向を傾ける。アレーアンテナ1は、第一方向と略直交する第二方向yに2つ以上のN個の素子100Aが所定間隔d1で並ぶ素子列110Aを複数有する。素子列110Aは、サブアレーとして構成されており、第一方向に所定間隔d2で並べられて素子行120を形成し、第二方向において隣接する素子または素子列110Aと、第一方向に略d2/2ずれて配置されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
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。
続きを表示(約 750 文字)【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【請求項5】
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。
【請求項6】
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。
【請求項7】
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。
【請求項8】
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。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、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に関する。
続きを表示(約 5,300 文字)【背景技術】
【0002】
従来、携帯端末などの基地局では、ビーム幅が90度前後や120度前後のセクタビームで広角にエリア形成していた。一方5Gでは、エリア品質改善のため、ビーム幅が20度以下などの細い高利得ビームを広角にステアリングして、高利得と広角エリア形成を同時に満たすことが求められるケースがある。図21は、基地局5や中継装置6の構成例を示す。基地局5から携帯端末701、702に向けてビーム#6やビーム#2が向けられている。他方、建物などの裏にある携帯端末703には、中継装置6を介してビームが向けられる。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2021-027465号公報
特開2020-198576号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
まず、三角配列と正方配列の違いを説明する。
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。
【0005】
そこで、コスト削減のためにサブアレー化して、ICやトランシーバーの数を減らすことを検討する。
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。
【0006】
コスト削減のためにICやトランシーバーの数を減らそうと素子をサブアレー化した際には、上述のようにビームフォーミング性能が劣化する。
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。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
移動通信においては、水平方向のビームフォーミングが優先されるため、水平のビームフォーミング性能が維持できる配列方法が望まれる。移動通信用基地局アンテナにおける、ビームフォーミングでは、垂直側ビームチルトと比較して、水平側のビームステアリング角度範囲について、広角に求められるケースが多い。
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。
本発明の請求項1に係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ことを特徴とする、アレーアンテナである。
本発明の請求項2に係るアレーアンテナは、
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ことを特徴とする、請求項1に記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項3に係るアレーアンテナは、
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である。
本発明の請求項4に係るアレーアンテナは、
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である。
本発明の請求項5に係るアレーアンテナは、
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である。
本発明の請求項6に係るアレーアンテナは、
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、請求項4または5のいずれかに記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項7に係るアレーアンテナは、
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である。
本発明の請求項8に係るアレーアンテナは、
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である。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例と正方配列との比較を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の実施例の比較例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における基地局および中継装置の構成例を示す。
アレーアンテナの構成例を示す。
アレーアンテナの構成例を示す。
アレーアンテナの構成例を示す。
アレーアンテナの構成例を示す。
アレーアンテナの構成例を示す。
【発明を実施するための形態】
【0010】
図1および図4は、本発明の一実施例におけるアレーアンテナ1の構成例を示す。
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。
(【0011】以降は省略されています)

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