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公開番号2024068967
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-05-21
出願番号2022179683
出願日2022-11-09
発明の名称アレイアンテナシステム、非線形歪み抑制方法、及び無線装置
出願人富士通株式会社
代理人弁理士法人酒井国際特許事務所
主分類H03F 3/24 20060101AFI20240514BHJP(基本電子回路)
要約【課題】広帯域での非線形歪みを抑制できる。
【解決手段】アレイアンテナシステムは、送信信号の帯域に隣接する第1の帯域内の第1の非線形歪みを抑制するDPDと、第1のアンテナ素子及び第2のアンテナ素子を含む複数のアンテナ素子と、送信信号及び、帯域から離れ、かつ、第1の帯域に隣接する第2の帯域内の第2の非線形歪みに、ウエイトを付与して所定方向に指向する送信信号及び第2の非線形歪みを形成する、複数のアンテナ素子のそれぞれに対応する複数の位相シフタと、第1のアンテナ素子に対応した第1の位相シフタから出力された、所定方向に指向する送信信号及び第2の非線形歪みである第1の歪みを増幅する第1のアンプと、第2のアンテナ素子に対応する第2の位相シフタから出力された、所定方向に指向する送信信号及び、第2の非線形歪みである、第1の歪みと逆相の第2の歪みを増幅する第2のアンプと、を有する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
送信信号の帯域に隣接する第１の帯域内の第１の非線形歪みを抑制するＤＰＤ（Digital Predistortion）と、
第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子と、を含む複数のアンテナ素子と、
前記送信信号及び、前記帯域から離れ、かつ、前記第１の帯域に隣接する第２の帯域内の第２の非線形歪みに、ウエイトを付与して所定方向に指向する前記送信信号及び前記第２の非線形歪みを形成する、前記複数のアンテナ素子のそれぞれに対応する複数の位相シフタと、
前記第１のアンテナ素子に対応した第１の位相シフタから出力された、前記所定方向に指向する送信信号及び前記第２の非線形歪みである第１の歪みを増幅する第１のアンプと、
前記第２のアンテナ素子に対応する第２の位相シフタから出力された、前記所定方向に指向する前記送信信号及び、前記第２の非線形歪みである、前記第１の歪みと逆相の第２の歪みを増幅する第２のアンプと、
を有することを特徴とするアレイアンテナシステム。
続きを表示（約 1,900 文字）【請求項２】
前記第２のアンプは、
前記第１のアンテナ素子から出力する前記送信信号及び前記第２の非線形歪みを受信する受信器側で前記第２の非線形歪みが小さくなるように前記第２の歪みを増幅して前記第２のアンテナ素子から出力することを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナシステム。
【請求項３】
前記第２のアンプは、
前記第１のアンテナ素子から出力する前記送信信号及び前記第２の非線形歪みを受信する受信器側で前記第２の非線形歪みが打ち消すように前記第２の歪みを増幅して前記第２のアンテナ素子から出力することを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナシステム。
【請求項４】
前記第１のアンプは、
所定電流に応じて、前記所定方向に指向する前記送信信号及び前記第１の歪みを増幅して出力する第１の負荷インピーダンスを有する第１の負荷を有し、
前記第２のアンプは、
前記所定電流に応じて、前記所定方向に指向する前記送信信号及び前記第２の歪みを増幅して出力する、前記第１の負荷インピーダンスと異なる第２の負荷インピーダンスを有する第２の負荷を有することを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナシステム。
【請求項５】
前記第１の負荷は、
前記所定電流に応じた前記第１の負荷インピーダンスを有する配線パターンを有し、
前記第２の負荷は、
前記配線パターンと、前記配線パターンと接続するスタブとを有し、前記所定電流に応じた前記第２の負荷インピーダンスを有することを特徴とする請求項４に記載のアレイアンテナシステム。
【請求項６】
前記第１のアンプは、
所定電流に応じて、前記所定方向に指向する前記送信信号及び前記第１の歪みを増幅して前記第１のアンテナ素子から出力する第１の反射係数を有する第１の負荷を有し、
前記第２のアンプは、
前記所定電流に応じて、前記所定方向に指向する前記送信信号及び前記第２の歪みを増幅して前記第２のアンテナ素子から出力する、前記第１の反射係数と異なる第２の反射係数を有する第２の負荷を有することを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナシステム。
【請求項７】
送信信号の帯域に隣接する第１の帯域内の第１の非線形歪みを抑制するＤＰＤ（Digital Predistortion）と、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とを含む複数のアンテナ素子と、前記送信信号及び、前記帯域から離れ、かつ、前記第１の帯域に隣接する第２の帯域内の第２の非線形歪みに、ウエイトを付与して所定方向に指向する前記送信信号及び前記第２の非線形歪みを形成する、前記複数のアンテナ素子のそれぞれに対応する複数の位相シフタと、第１のアンプと、第２のアンプとを有するアレイアンテナシステムにおける前記第２の非線形歪みを抑制する非線形歪み抑制方法であって、
前記第１のアンプは、
前記第１のアンテナ素子に対応する第１の位相シフタから出力された、前記所定方向に指向する前記送信信号及び前記第２の非線形歪みである第１の歪みを増幅して前記第１のアンテナ素子に出力し、
前記第２のアンプは、
前記第２のアンテナ素子に対応する第２の位相シフタから出力された、前記所定方向に指向する前記送信信号及び、前記第２の非線形歪みであり、前記第１の歪みと逆相の第２の歪みを増幅して前記第２のアンテナ素子に出力する、
処理を実行することを特徴とする非線形歪み抑制方法。
【請求項８】
送信信号の帯域に隣接する第１の帯域内の第１の非線形歪みを抑制するＤＰＤ（Digital Predistortion）と、
第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子と、を含む複数のアンテナ素子と、
前記送信信号及び、前記帯域から離れ、かつ、前記第１の帯域に隣接する第２の帯域内の第２の非線形歪みに、ウエイトを付与して所定方向に指向する前記送信信号及び前記第２の非線形歪みを形成する、前記複数のアンテナ素子のそれぞれに対応する複数の位相シフタと、
前記第１のアンテナ素子に対応した第１の位相シフタから出力された、前記所定方向に指向する送信信号及び前記第２の非線形歪みである第１の歪みを増幅する第１のアンプと、
前記第２のアンテナ素子に対応した第２の位相シフタから出力された、前記所定方向に指向する前記送信信号及び、前記第２の非線形歪みである、前記第１の歪みと逆相の第２の歪みを増幅する第２のアンプと、
を含むことを特徴とする無線装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイアンテナシステム、非線形歪み抑制方法、及び無線装置に関する。
続きを表示（約 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
アレイアンテナは、５Ｇ（5
th
Generation）ミリ波の周波数帯域（例えば、２８ＧＨｚ帯）の高いデータレートを実現するための主要な技術である。５Ｇミリ波周波数帯の無線システム内の基地局では、例えば、使用可能な数百ＭＨｚのスペクトルの高周波帯域を利用して数百個のアンテナ装置を配備している。
【０００３】
無線システム内の、例えば、ＲＵ（Radio Unit）に配置されるアレイアンテナは、複数のアンテナ素子を平面上に複数配列して各アンテナ素子の位相を電子的に制御するアンテナ素子の集合体である。アレイアンテナは、各アンテナ素子の放射パターンが隣接するアンテナ素子の放射パターンと強め合うことでメインローブと呼ばれる効果的な放射パターンが形成される。例えば、Ｔｘ（Transmitter）アレイアンテナは、アンテナ素子毎に、ＰＡ（Power Amplifier）及び位相シフタを備えている。
【０００４】
Ｔｘアレイアンテナのビームフォーミングは、Ｔｘ信号を送信する際に無線チャネルを介して特定のＵＥ（User Equipment）に向かって電波エネルギーを送る技術である。アンテナ素子の出力におけるＴｘ信号の位相及び振幅を調整することで、ＵＥ側で受信するＴｘ信号を強め合うコヒーレント合成が行われる。その結果、ＵＥではスループットが高くなる。Ｔｘアレイアンテナは、主ビームで放射されるエネルギーを最大化する一方で、サイドローブで放射されるエネルギーを許容可能なレベルまで低減させるものである。
【０００５】
Ｔｘアレイアンテナ内のＰＡは、ＲＵの中で最も電力を消費する装置であるため、電力効率が高い方が好ましい。ＲＵ内の終段に配置されるＰＡは、ＲＦ（Radio Frequency）信号の増幅効率が高くなると、飽和状態に近い非線形領域で動作することが多くなる。その結果、ＲＦ信号がＰＡの非線形領域を通過する際にＴｘ信号の隣接チャネル漏洩電力比（Adjacent Channel Leakage Ratio; ACLR）やＥＶＭ（Error Vector Magnitude）が劣化してしまう。そこで、ＰＡでは、十分な帯域幅でアンテナ素子に電力を供給して高い線形性を確保することで、ＥＶＭ及びＡＣＬＲの両方を最小限に抑制できることが求められている。
【０００６】
しかしながら、ＰＡの非線形性によって５Ｇミリ波周波数帯域の帯域内（In-Band）及び帯域外(Out of Band)に非線形歪み、例えば、ＩＭＤ（相互変調歪み：Intermodulation Distortions）が生じる。帯域内はＴｘ信号の帯域、帯域外はＴｘ信号の帯域に隣接する隣接帯域である。帯域外のＩＭＤは、広帯域である。例えば、帯域外のＩＭＤは、Ｔｘ信号の帯域幅に対して帯域の７倍～９倍の周波数帯域である隣接帯域に発生する。そのため、帯域外のＩＭＤは、隣接帯域に割り当てられている他のキャリア事業者の基本周波数のＴｘ信号に干渉してしまう。その結果、帯域外のＩＭＤが複数のキャリア事業者で使用するＴｘ信号に干渉して無線システム全体のスループットが低下してしまうことになる。
【０００７】
そこで、ＤＰＤ（Digital Predistortion）は、アレイアンテナのＰＡの線形化、ＥＶＭの改善、及び隣接帯域での干渉レベルの改善をするためにアレイアンテナシステムの技術分野で幅広く採用されている。ＤＰＤは、ＩＭＤを補償してＰＡの増幅効率を高める技術である。
【０００８】
しかしながら、５Ｇミリ波の周波数帯域において広帯域の信号を線形化する場合に、ＤＰＤの内、高速クロックで動作する広帯域ＤＰＤが必要となる。５Ｇミリ波の周波数帯域は、Ｔｘ信号の帯域内の周波数帯域である帯域と、帯域と隣接する第１の帯域と、帯域と離れ、かつ、第１の帯域と隣接する第２の帯域とを有する。第１の帯域は、帯域の３倍未満の周波数帯域である。第２の帯域は、帯域の３倍の周波数帯域から帯域の７倍又は９倍の周波数帯域までの周波数帯域である。広帯域は、例えば、第２の帯域である。広帯域ＤＰＤでは、第１の帯域内のＩＭＤ成分である第１のＩＭＤ成分は勿論のこと、第２の帯域でのＩＭＤ成分である第２のＩＭＤ成分として７次ＩＭＤ又は９次ＩＭＤを許容レベルまで抑制できる。尚、許容レベルは、抑制対象のＩＭＤ成分がＴｘ信号や他のキャリア事業者のＴｘ信号に影響を与えない程度のレベルである。
【０００９】
図１２は、広帯域ＤＰＤ使用時のＯＦＤＭ信号の周波数帯域毎のＰＳＤ（Power Spectrum Density）の関係の一例を示す説明図である。ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）信号は５Ｇミリ波の周波数帯域で使用する信号である。図１２に示す横軸はＯＦＤＭ信号の周波数帯域、縦軸はＰＳＤである。図１２に示す帯域の帯域幅４００ＭＨｚのＴｘ信号は、中心周波数が、例えば、２８ＧＨｚのＯＦＤＭ信号である。Ｔｘ信号の帯域は、例えば、２７．８ＧＨｚ～２８．２ＧＨｚの周波数帯であって４００ＭＨｚの帯域幅である。第１の帯域（ＢＷ２）は、例えば、２７．６ＧＨｚ～２７．８ＧＨｚ、２８．２ＧＨｚ～２８．４ＧＨｚの周波数帯である。また、第２の帯域は、例えば、２７．３ＧＨｚ～２７．６ＧＨｚ、２８．４ＧＨｚ～２８．７ＧＨｚの周波数帯である。ＰＡで発生するＩＭＤ成分Ｗ１を含むＴｘ信号は、図１２中の点線で示す成分である。ＩＭＤ成分は２７．３ＧＨｚから２８．７ＧＨｚまでの広帯域幅に含まれている。
【００１０】
そこで、広帯域ＤＰＤを採用した場合、帯域外である第１の帯域及び第２の帯域のＩＭＤ成分Ｗ２を図１２中の一点鎖線で示すように（約１０ｄＢ）抑制できる。その結果、広帯域ＤＰＤを採用した場合には、例えば、２７．３ＧＨｚ～２８．７ＧＨｚの周波数帯域全体でＩＭＤ成分を許容レベルまで抑制できる。
（【００１１】以降は省略されています）

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