(57)【要約】【課題】簡易な構造で、放射された電波が空間中で等位相合成がなされ、高い通信路容量を実現する分配合成回路を提供する。【解決手段】誘電体レンズ１０の表面に入力側線路２０と出力側線路３０を配置し、入力側線路２０と出力側線路３０の長さを式（２）の条件が成り立つように決める。これにより、放射された電波が空間中で等位相合成され、入力側線路２０のそれぞれに入力される信号について、φｊ方向にビームを形成することができる。入力側線路２０に入力される信号に対応する出力信号の放射指向特性を用いて定義した指向性相関行列の行列式に基づいて隣接する入力側線路２０のなす角度θｉｎを適切に決める。これにより、干渉電力を低減し、通信容量の改善を図ることができる。【選択図】図１
2018037922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心からの距離に応じて比誘電率が小さくなるレンズと、
前記レンズの表面に対して垂直に配置した複数の入力信号線路と、
前記複数の入力信号線路の中央と前記レンズの中心とを通る中心線に対して平行に、前記レンズを挟んで前記複数の入力信号線路に対向する位置に配置した複数の出力信号線路と、を有し、
所望の放射指向特性が得られるように前記複数の入力信号線路と前記複数の出力信号線路それぞれの長さを決めたことを特徴とする分配合成回路。
【請求項２】
前記複数の出力信号線路それぞれの長さは、
前記中心線と前記レンズの表面との交点から前記中心線に近い前記出力信号線路の端部を含み前記中心線に垂直な面までの距離Ｌを基準として次式
【数６】
2018037922.tif 000008
（ただし、ａは前記レンズの半径、ｘは前記出力信号線路の位置、εｒは前記出力信号線路の比誘電率を表す）
により決めることを特徴とする請求項１に記載の分配合成回路。
【請求項３】
前記入力信号線路に入力される信号に対応する出力信号の放射指向特性を用いて定義した指向性相関行列の行列式に基づいて隣接する前記入力信号線路のなす角度を決めたことを特徴とする請求項１又は２に記載の分配合成回路。
【請求項４】
前記指向性相関行列の行列式が０．８以上となるように前記角度を決めたことを特徴とする請求項３に記載の分配合成回路。
【請求項５】
前記指向性相関行列の行列式が０．５以上となるように前記角度を決めたことを特徴とする請求項３に記載の分配合成回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ給電回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
フェーズドアレーアンテナに用いる給電回路としては、例えば非特許文献１に開示された４ポートバトラーマトリクス給電回路が知られている。また、例えば非特許文献２，３に開示されたロットマンレンズ給電回路が知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】K.Uehara, T. Seki, and K. Kagoshima, “A Planar Sector Antenna for Indoor High-Speed Wireless Communication Systems” , IEICE Trans. Commun., Vol. E79-B, No.12, pp.1773-1777, Dec. 1996.
【非特許文献２】W. Rotman and R. F. Turner, “Wide-angle microwave lens for line source applications,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. AP-11, No.11, pp. 623-632, Nov 1963.
【非特許文献３】W. Lee, J. Kim, C. S. Cho and Y. J. Yoon, “Beamforming Lens Antenna on a High Resistivity Silicon Wafer for 60 GHz WPAN,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 58, No. 3, pp. 706-713, March 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の４ポートバトラーマトリクス給電回路は、複数のハイブリッド回路と移相器とで構成される。ポート数が４ポートを超えると高周波信号を伝達する信号線を交差させる部分が必要である。よって、１層のみの基板では製造できない課題がある。
【０００５】
また、ロットマンレンズ給電回路は、ビームの２次元走査を実現するため水平面形成用と垂直面形成用の２系統の平面レンズから成る多ポート入出力分配器が必要であることから、周波数が高い場合に回路損失が大きくなるという課題がある。
【０００６】
また、給電回路に接続したアンテナによって特定方向へビーム形成を行うためには、放射された電波が等位相合成されるように給電回路内の振幅および位相を設計する必要がある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、簡易な構造で、放射された電波が空間中で等位相合成がなされ、高い通信路容量を実現する分配合成回路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】
本発明に係る分配合成回路は、中心からの距離に応じて比誘電率が小さくなるレンズと、前記レンズの表面に対して垂直に配置した複数の入力信号線路と、前記複数の入力信号線路の中央と前記レンズの中心とを通る中心線に対して平行に、前記レンズを挟んで前記複数の入力信号線路に対向する位置に配置した複数の出力信号線路と、を有し、所望の放射指向特性が得られるように前記複数の入力信号線路と前記複数の出力信号線路それぞれの長さを決めたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡易な構造で、放射された電波が空間中で等位相合成がなされ、高い通信路容量を実現する分配合成回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態の分配合成回路の斜視図である。
【図２】本実施の形態の分配合成回路のｘ−ｙ断面の形状を示す図である。
【図３】本実施の形態の別の分配合成回路のｘ−ｙ断面の形状を示す図である。
【図４】隣接する入力側線路の角度に対する指向性相関行列の行列式とエリア平均通信路容量を示すグラフである。
【図５】指向性相関行列の行列式が最大のときの指向性パターンを示す図である。
【図６】指向性相関行列の行列式が最大のときの通信路容量の分布を示す図である。
【図７】指向性相関行列の行列式が０．８のときの指向性パターンを示す図である。
【図８】指向性相関行列の行列式が０．８ときの通信路容量の分布を示す図である。
【図９】指向性相関行列の行列式が０．５のときの指向性パターンを示す図である。
【図１０】指向性相関行列の行列式が０．５のときの通信路容量の分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態における分配合成回路１の斜視図である。同図に示す分配合成回路１は、誘電体レンズ１０、入力側線路２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ、及び出力側線路３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅを備える。以下、入力側線路２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅをまとめて入力側線路２０と称し、出力側線路３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅをまとめて出力側線路３０と称する。
【００１３】
誘電体レンズ１０は、球状であり、中心からの距離に応じて比誘電率が小さくなるレンズである。誘電体レンズ１０は、例えばルーネベルグレンズを用いることができる。誘電体レンズ１０の半径をａとすると、誘電体レンズ１０の中心からの距離ｒの位置における比誘電率εｌｅｎｓは、次式（１）で表すことができる。
【００１４】
【数１】
2018037922.tif 000003
【００１５】
誘電体レンズ１０の中心部分の比誘電率εｌｅｎｓが大きいと、入力側線路２０から入力された高周波信号は中心部分に向けて屈折する。したがって、入力側線路２０から入力した高周波信号は、誘電体レンズ１０の内部で屈折・反射し、出力側線路３０から出力される。誘電体レンズ１０の比誘電率εｌｅｎｓを上記式（１）に示すように連続的な値にすることが難しい場合は、比誘電率が異なる複数の部材で階層構造を構成したレンズを用いてもよい。少なくとも２つの異なる比誘電率の部材でレンズを構成することにより、中心部分に向けた屈折・反射の作用効果を得ることができる。なお、誘電体レンズ１０の形状は円板であってもよい。
【００１６】
入力側線路２０は、誘電体レンズ１０の中心から放射状に、つまり、誘電体レンズ１０の表面に垂直に配置される。入力側線路２０は、図１のＸ軸方向に並べられている。
【００１７】
出力側線路３０は、誘電体レンズ１０を挟んで入力側線路２０に対向する位置に、入力側線路２０の中央と誘電体レンズ１０の中心とを結ぶ線（図１のＹ軸）と平行となるように配置される。出力側線路３０は、入力側線路２０と同じＸ軸方向に並べられる。
【００１８】
入力側線路２０と出力側線路３０の長さは、所望の放射指向特性が得られるように設定する。具体的には、第ｊ番目（ｊ＝１，・・・，Ｊ）の入力側線路２０に入力される信号Ｓｉｎ，ｊと第ｉ番目（ｉ＝１，・・・，Ｉ）の出力側線路３０から出力される信号Ｓｏｕｔ，ｉの間の伝搬経路長を自由空間に置き換えた値ｒｉｊについて、下記条件が成り立つように入力側線路２０、出力側線路３０を配置する。
【００１９】
【数２】
2018037922.tif 000004
ここで、ｋ０は波数、φｊは、第ｊ番目の入力側線路２０に入力された信号が出力側線路３０のそれぞれに接続されたアンテナから出力された電波の強め合う方向である。
【００２０】
次に、入力側線路２０と出力側線路３０の長さの決め方について説明する。
【００２１】
図２は、図１の分配合成回路のｘ−ｙ断面の形状を示す図である。
【００２２】
入力側線路２０の長さは全て同じである。
【００２３】
各出力側線路３０の長さは、図中のＹ軸と誘電体レンズ１０の球面との交点Ｐを含みＹ軸に垂直な面Ｓ’からＹ軸上に配置された出力側線路３０ｃの端部が位置する面Ｓｏまでの距離Ｌを基準として、各出力側線路３０の位置ｘに応じて、次式（３）で算出する。
【００２４】
【数３】
2018037922.tif 000005
ここで、εｒは、出力側線路３０の比誘電率である。
【００２５】
図３は、別の分配合成回路のｘ−ｙ断面の形状を示す図である。図３に示す分配合成回路は、入力側線路２０と出力側線路３０の本数がともに偶数である。
【００２６】
入力側線路２０の長さは全て同じである。
【００２７】
各出力側線路３０の長さは、面Ｓ’から出力側線路３０の中央付近、つまり、出力側線路３０の本数をＩとするとＩ／２番目及びＩ／２＋１番目の出力側線路３０ｃ，３０ｄの端部が位置する面Ｓｅまでの距離Ｌを基準として、各出力側線路３０の位置ｘに応じて、上記式（３）で算出する。
【００２８】
入力側線路２０と出力側線路３０の長さを上記のように決めることで上記式（２）の条件が成り立つ。誘電体レンズ１０及びその表面に配置された入力側線路２０と出力側線路３０の形状から、放射された電波が空間中で等位相合成され、入力側線路２０のそれぞれに入力される信号について、φｊ方向にビームを形成することができる。
【００２９】
なお、入力側線路２０及び出力側線路３０の数は５本又は６本に限らず、それぞれ複数本であればよい。また、入力側線路２０及び出力側線路３０を水平だけでなく垂直にも配置し、例えば５×５の２５本ずつ配置することにより、１つの分配合成回路１により、水平方向及び垂直方向へのビーム形成が可能となる。
【００３０】
次に、隣接する入力側線路２０のなす角度の決め方について説明する。隣接する入力側線路２０のなす角度を変えることで、通信路容量を改善することができる。
【００３１】
指向性相関行列Ｒを次式（４）のように定義する。
【００３２】
【数４】
2018037922.tif 000006
ここで、ｇｊ（φ）は、第ｊ番目の入力側線路２０に入力される信号に対応する放射指向特性である。
【００３３】
図４は、隣接する入力側線路２０の角度θｉｎに対する指向性相関行列の行列式（点線）とエリア平均通信路容量（実線）を示すグラフである。図４に示すように、指向性相関行列の行列式が極大となる角度θｉｎでエリア平均通信路容量も極大となっており、指向性相関行列の行列式と平均通信路容量特性は、角度θｉｎに関して同様の傾向を示す。
【００３４】
本実施の形態では、指向性相関行列の行列式が大きくなるように隣接する入力側線路２０の角度θｉｎを適切に設定することで、平均通信路容量特性を改善した。
【００３５】
評価に用いたエリア平均通信路容量Ｃｍｅａｎとは、Ｊ個の放射パターンそれぞれの通信路容量の和を通信エリア面積で割った単位面積当たりの通信路容量であり、次式（５）で計算できる。
【００３６】
【数５】
2018037922.tif 000007
ここで、Ｐｓ，ｊは、第ｊ番目の放射パターンの送信電力、Ｐｎは雑音電力、ｈｊはｊ番目の放射パターンからユーザまでのチャネル応答、Ｓは通信エリア面積を表す。
【００３７】
誘電体レンズ１０の半径ａを１０波長、出力側線路３０の間隔Δｘを２波長として、出力側線路３０に指向性をｃｏｓφで模擬できるアンテナ（例えば平面マイクロストリップアンテナ）を用いたとき、指向性相関行列の行列式ｄｅｔ（Ｒ）が最大となる入力側線路２０の角度θｉｎを求めると、角度θｉｎ＝５．８度となる。このときの指向性パターンを図５に示す。図５に示すように、本実施の形態の分配合成回路１は、入力側線路２０のそれぞれに入力した信号に対応して異なる指向性を形成する。角度θｉｎ＝５．８度の場合、エリア平均通信路容量Ｃｍｅａｎが最大となり、２．２ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚ／ｍ２となる。通信路容量の分布を図６に示す。
【００３８】
また、誘電体レンズ１０の半径ａを１０波長、出力側線路３０の間隔Δｘを２波長のとき、指向性相関行列の行列式ｄｅｔ（Ｒ）＝０．８を満たす入力側線路２０の角度θｉｎを求めると、角度θｉｎ＝５．３度となる。このときの指向性パターンを図７に示し、通信路容量の分布を図８に示す。エリア平均通信路容量Ｃｍｅａｎは２．１ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚ／ｍ２となり、エリア平均通信路容量Ｃｍｅａｎの最大値の９５％を達成できる。
【００３９】
また、誘電体レンズ１０の半径ａを１０波長、出力側線路３０の間隔Δｘを２波長のとき、指向性相関行列の行列式ｄｅｔ（Ｒ）＝０．５を満たす入力側線路２０の角度θｉｎを求めると、角度θｉｎ＝４．９度となる。このときの指向性パターンを図９に示し、通信路容量の分布を図８に示す。エリア平均通信路容量Ｃｍｅａｎは１．９ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚ／ｍ２となり、エリア平均通信路容量Ｃｍｅａｎの最大値の９０％を達成できる。
【００４０】
なお、上記では、隣接する入力側線路２０の角度θｉｎを５．８度付近で算出したが、図４に示すように、角度θｉｎ＝１２度付近、あるいは角度θｉｎ＝１８度付近において指向性相関行列の行列式が極大となる。したがって、これらの角度付近で所望のエリア平均通信路容量Ｃｍｅａｎが得られるように入力側線路２０を配置してもよい。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、誘電体レンズ１０の表面に入力側線路２０と出力側線路３０を配置し、入力側線路２０と出力側線路３０の長さを式（２）の条件が成り立つように決めることで、放射された電波が空間中で等位相合成され、入力側線路２０のそれぞれに入力される信号について、φｊ方向にビームを形成することができる。
【００４２】
本実施の形態によれば、入力側線路２０に入力される信号に対応する出力信号の放射指向特性を用いて定義した指向性相関行列の行列式に基づき、隣接する入力側線路２０のなす角度θｉｎを適切に決めることにより、干渉電力を低減し、通信容量の改善を図ることができる。指向性相関行列の行列式ｄｅｔ（Ｒ）を０．８以上とするとエリア平均通信路容量Ｃｍｅａｎの最大値の９５％を達成できる。指向性相関行列の行列式ｄｅｔ（Ｒ）を０．５以上とするとエリア平均通信路容量Ｃｍｅａｎの最大値の９０％を達成できる。
【００４３】
本実施の形態によれば、入力側線路２０及び出力側線路３０を水平だけでなく垂直にも配置することにより、１つの分配合成回路１により、水平方向及び垂直方向へのビーム形成が可能となる。
【００４４】
なお、本実施の形態では、入力側線路２０と出力側線路はレンズと同じ誘電体で形成する例を示したが、線路の電気長が等しければ導波管や平面線路など異なる種類の線路を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１…分配合成回路
１０…誘電体レンズ
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ…入力側線路
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ…出力側線路
【図１】
2018037922.tif 000009
【図２】
2018037922.tif 000010
【図３】
2018037922.tif 000011
【図４】
2018037922.tif 000012
【図５】
2018037922.tif 000013
【図６】
2018037922.tif 000014
【図７】
2018037922.tif 000015
【図８】
2018037922.tif 000016
【図９】
2018037922.tif 000017
【図１０】
2018037922.tif 000018