(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の数のアンテナポート群（Ａ１、…、Ａ８）と第３の数の電波ポート群（２L1、…、２L8）を有する少なくとも１つの電波生成装置と第１の数のサブアレイ群（３ａ、…、３ｈ）を有するアンテナアレイ（３、５３）を有する無線アンテナ装置（１０）から広範囲電波と少なくとも１つの狭範囲電波を同時に生成する方法であって、
前記アンテナポート群及び電波ポート群は、該電波ポート群の個々の動作が各電波ポートに対する特定のアンテナポートを通じて信号分配が生じるように相互に接続され、それによってアンテナアレイ（３、５３）から放射パターンを生成し、該放射パターンは少なくとも１つの狭範囲電波（４ａ、…、４ｈ、Ｐ１、６１、…、６８）によって特徴づけられていて、
当該方法は、
並列接続群（Ｌ１、…、Ｌ８）を通じて前記無線アンテナ装置（１０）へ広範囲電波信号を配信し、
前記配信された広範囲電波信号の電力を増幅し、
前記電波生成装置（２、５０）に属する前記電波ポート群（２L1、…、２L8）の少なくとも１つへ前記増幅された広範囲電波信号を供給し、
前記アンテナアレイ（３、５３）によって前記アンテナポート（Ａ１、…、Ａ８）に受信されたアンテナ信号を送信することを備え、
前記アンテナアレイ（３、５３）から、広範囲電波（５、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、７０）を示す前記狭範囲電波の合成放射パターンが取得されるような増幅関係及び位相関係によって、前記広範囲電波信号の配信がなされ、
前記電波ポート群（２L1、…、２L8）を通じる前記広範囲電波信号の電力の配信において、該広範囲電波信号の電力を、前記アンテナポート群（Ａ１、…、Ａ８）の１つに集中させることによって、前記狭範囲電波と同一の実効等方性放射電力を有する前記広範囲電波を生成する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記電波生成装置（２、５０）は、送受信用に使用される
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アンテナアレイ（３）及び前記電波生成装置（２、５０）は、更に、無線受信用に使用される
ことを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記サブアレイ群（３ａ、…、３ｈ）が、前記アンテナアレイ（３）内で複数列構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記狭範囲電波群は、その放射パターンの最大能力を示す方向に対する角度が互いにヌルとなる直交性電波である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記電波生成装置（２、５０）は、少なくとも１つのバトラーマトリクスを有する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
並列接続群（Ｌ１、…、Ｌ８）を通じる前記無線アンテナ装置（１０）への前記広範囲電波信号の配信から得られる前記電波ポート群（２L1、…、２L8）上のすべての信号レベルが実質的に同一となるように、該配信における前記増幅関係が生成される
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記位相関係は、実質的に、バトラーマトリクス（３、５３）の送信マトリクスの行の１つに対応する
ことを特徴とする請求項６あるいは請求項７に記載の方法。
【請求項９】
更に、前記広範囲電波信号から生成するすべての信号電力が実質的にアンテナポート（Ａ１、…、Ａ８）の１つに集中するように前記増幅関係及び前記位相関係の少なくとも一方で再配信する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
広範囲電波と少なくとも１つの狭範囲電波を同時に生成する無線アンテナ装置であって、
第１の数のサブアレイ群（３ａ、…、３ｈ）を有する第１アンテナアレイ（３、５３）と、
第２の数のアンテナポート群（Ａ１、…、Ａ８）と第３の数の電波ポート群（２L1、…、２L8）を有する少なくとも１つの電波生成装置（２、５０）とを備え、
前記サブアレイ群の各サブアレイは、少なくとも１つのアンテナ素子を有し、
前記アンテナポート群及び前記電波ポート群は、該電波ポート群の個々の動作が各電波ポートに特定されている該アンテナポート群（Ａ１、…、Ａ８）上の信号配信に対応するように相互接続され、
当該無線アンテナ装置の各サブアレイ（３ａ、…、３ｈ）は、該サブアレイ群（３ａ、…、３ｈ）の少なくとも最大１つに各アンテナポートが接続されるように、前記電波生成装置（２、５０）の前記アンテナポート群（Ａ１、…、Ａ８）の１つに接続され、
前記電波ポート群（２L1、…、２L8）の少なくともいくつかの個々の動作は、前記アンテナアレイ（３）それぞれからの放射パターンに対応し、
前記放射パターンは、少なくとも１つの狭範囲電波（４ａ、…、４ｈ、Ｐ１６１、…、６８）によって特徴づけられ、
前記無線アンテナ装置は、
第４の数の増幅モジュール群（１ａ、…、１ｈ）を有し、
各増幅モジュールは、第１増幅接続及び第２増幅接続を有し、
前記増幅モジュール群（１ａ、…、１ｈ）それぞれの前記第２増幅接続は、前記増幅モジュール群（１ａ、…、１ｈ）の少なくとも最大１つに各電波ポートが接続されるように、前記電波生成装置（２、５０）の前記電波ポート群（２L1、…、２L8）の１つに接続され、
広範囲電波（Ｂ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、７０）が生成されるように、動作している電波ポートそれぞれに対応する前記狭範囲電波の放射パターンの合成を提供する増幅関係及び位相関係を有する同一信号を用いて少なくともいくつかの前記電波ポート群（２L1、…、２L8）を同時に動作させる手段とを備え、
前記電波ポート群を通じる前記広範囲電波の電力の配信において、該広範囲電波の電力を、前記アンテナポート群（Ａ１、…、Ａ８）の１つに集中させることによって、前記狭範囲電波と同一の実効等方性放射電力を有する前記広範囲電波を生成する
ことを特徴とする無線アンテナ装置。
【請求項１１】
前記電波生成装置（２、５０）は、送受信用に使用される
ことを特徴とする請求項１０に記載の無線アンテナ装置。
【請求項１２】
更に、前記アンテナアレイ（３）及び前記電波生成装置（２、５０）は、無線受信用に構成される
ことを特徴とする請求項１０あるいは請求項１１に記載の無線アンテナ装置。
【請求項１３】
前記無線アンテナ装置（１０）は、前記電波生成装置（２）と前記増幅モジュール（１ａ、…、１ｈ）間に配置される二重フィルタ群（９）を有する
ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に記載の無線アンテナ装置。
【請求項１４】
前記電波生成装置（２、５０）は、少なくとも１つのバトラーマトリクスを有する
ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれか１項に記載の無線アンテナ装置。
【請求項１５】
前記サブアレイ群（３ａ、…、３ｈ）が、前記アンテナアレイ（３）内で複数列構成されている
ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１４のいずれか１項に記載の無線アンテナ装置。
【請求項１６】
前記増幅関係は、前記配信から得られる前記電波ポート群（２L1、…、２L8）上のすべての信号レベルが実質的に同一となる
ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１５のいずれか１項に記載の無線アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
背景
技術分野
本発明は、アンテナアレイの放射パターンを生成する装置及び方法に関するものである。
発明の背景及び技術分野
移動体電話システムでは、基地局と移動局間で転送される音声及び他のタイプのデータにおける通話チャネルを除けば、いわゆる異なるタイプの制御情報を転送する制御チャネルも使用される。通話チャネルのような、これらの制御チャネルのいくつかは、基地局と移動局間を単点対単点情報（point-to-point information）を転送する。他の制御チャネルは、同時にセクターセル内に存在するすべての移動局と通信する基地局によって使用される。これは、注目のセクタ全体をカバーする水平面上に十分な広範囲電波を有する基地局でアンテナが必要となる。このようなセクタをカバーする電波は、通常、垂直範囲に制限電波幅を有し、そして、水平円、いわゆる平面電波を形成する。
単点対単点情報のチャネルに対する範囲条件は、単点対多点情報（point-to-multipoint information）のチャネルに対する範囲条件と同一である。それゆえ、本発明のシステムでは、あるセクタと同一のセクタアンテナがこれらの両方の機能に対し使用される。しかしながら、単点対単点情報は、セクタ内のすべての移動局がその単点対単点情報を受信できるように、基地局から転送されない。それゆえ、基地局は、狭範囲電波の放射パターンを有するアンテナを使用することによって所望の方向へ、また、横方向までもの送信能力を補償する。同様に、受信用にいくつかのアンテナ群が使用される場合は、所望の方向での受信感度に対応して増設される。この送信電力の補償と受信感度は、基地局と移動局の両方の送信機に依存して、範囲を拡大し、かつ／あるいは送信能力を低下させるように使用され得る。チャネル周波数の繰り返し使用間隔がこの方法によって縮小できるので、移動体電話システムの総合能力もまたこの方法によって改善できる。
いくつかの狭範囲電波群を同時に生成するある受信能力は、アンテナアレイに接続されるバトラーマトリクス（Butler matrix）を使用している。バトラーマトリクスは、いくつかのハイブリッドカプラ群と固定移相成分群あるいは可変長転送ケーブルの一方との相互接続で構成する完全な受動相反回路である。Ｎが整数値であるＮ成分のアンテナに対するバトラーマトリクスは、通常、その２つの能力は、Ｎ入力ポートとＮ出力ポートを有することで、Ｎ個の狭範囲電波群の生成を可能にする。バトラーマトリクスへの１つの入力ポート上の信号は、位相は異なるが実質的に同じ振幅の信号群をバトラーマトリクスの出力ポート群上に出力する。各入力ポートは、出力ポート群上のある位相の組み合わせに対応する。これらの組み合わせのそれぞれは、アンテナアレイから狭範囲電波を生成する。これらのアンテナアレイとバトラーマトリクスは完全な相反関係にあるので、システムは受信も送信も同様に動作する。
バトラーマトリクスで与えられるアンテナを使用することで、狭範囲電波群の組が実現され、各狭範囲電波の放射パターンは、ある放射パターンが最大能力（成分パターンのアンテナゲインを使用して正規化される場合の能力）を示す位置に対するそれぞれの角度に対してゼロを有する。この基準を満たす狭範囲電波群は、相互に直交すると言われる。狭範囲電波群の組を達成するためにアンテナアレイを組み合わせたバトラーマトリクスを使用することは、本質的に周知である。
広範囲電波関数に対しては、分割セクタアンテナあるいはアンテナアレイの選択対象とするアンテナ素子の１つを使用することができるだろう。広範囲関数に対するより低いアンテナゲインは、より高い増幅電力で補償しなければならない。ここで、アンテナゲインは、同一の供給電力におけるアンテナの最大放射とロスのない理想的な無指向性アンテナの放射間の関係を示している。例えば、８列のアンテナアレイは、１つのアンテナ列あるいはセクタアンテナよりも９ｄＢ高いアンテナゲインを有している。これは、より低いアンテナゲインを補償するために増幅器の増幅電力を９ｄＢより高くしなければならないことを意味する。
英国特許ＧＢ２１６９４５３号は、異なる方向でいくつかの狭範囲電波群とアンテナアレイと一緒に使用するすべての狭範囲電波群で同一エリアをカバーする１つの広範囲電波を生成する方法を開示している。ここでは、平行面を有するいわゆるロートマンタイプの電磁気レンズを使用する。その電磁気レンズの一側面にはいくつかの電波ポート群があり、反対側面にはいくつかのアンテナポート群がある。これらのアンテナポート群のそれぞれは、増幅モジュールを介して、アンテナアレイのアンテナ素子と連結されている。各電波ポートは、従来の狭範囲電波群の１つに対応する。また、電磁気レンズは、別接続で装備され、そのレンズ上の別接続の位置が調整されることで、アンテナアレイから広範囲電波が生成されるようなアンテナポート群を通じて供給された信号電力が、その別接続に配信されるように、アンテナポート群の物理的な位置を配置される。
電磁気レンズは場所をとり高価なので、市場に向かない。また、上記の場合における広範囲電波は、狭範囲電波よりも低いアンテナゲインを取得するので、追加コスト、つまり、狭範囲電波より小さい範囲を与えない広範囲電波に対する分割増幅を必要とする。
要約
上述したように、１つのアンテナ装置で、独立した狭範囲電波群同士によってカバーされるエリア、つまり、要求された広範囲電波関数に対する有効範囲を達成するエリアと同一のエリアを実質的にカバーする狭範囲電波群と広範囲電波を同時に生成する装置及び方法の実現を可能にすることが要求されている。広範囲電波の有効範囲は、実質的に狭範囲電波群の有効範囲と同一でなければならない。狭範囲電波群は、広範囲電波関数と比較してより高いアンテナゲインを有する。これらの要求の発生は、従来の問題点となっている。
本発明は、それぞれが少なくとも１つのアンテナ素子を構成する第１の数のサブアレイ群を有するアンテナアレイと、そのアンテナアレイに接続され、第２の数のアンテナポート群と第３の数の電波ポート群を有するバトラーマトリクスのような電波生成装置と、アンテナアレイからのメイン狭範囲電波によって特徴付けられる放射パターンに対応する分割された電波ポート群のすくなくともいくつかのそれぞれの動作を利用することによって、上記問題点を解決する。最適な移相の同一信号で電波ポート群の少なくともいくつかの同時動作によって、動作する電波ポートそれぞれに対応する放射パターンの合成が、広範囲電波が生成されるように達成される。
電波生成装置において、アンテナポート群と電波ポート群は、各ポートに対する増幅モジュール群を介する電波ポート群の個々の動作がアンテナポート群上の信号配信を生じるように相互に接続され、そのアンテナポート群は、各電波ポートを特定し、アンテナアレイからのメイン狭範囲電波を有する特定放射パターンに対応する。電波生成装置の電波ポートへ、増幅モジュール群が接続される。広範囲電波信号の配信、好ましくは、平均電力配信及び増幅モジュール群を介して、その平均電力配信を電波ポートへ供給することを伴って、アンテナアレイは、広範囲電波を生成するように動作する。次に、広範囲電波信号は、相対的に大きな角度間隔を越えるアンテナアレイから送信される。電波ポート群上の広範囲電波信号の最適な位相関係を伴って、電波生成装置は、アンテナポート群の１つに大部分の信号電力を集中するように動作する。これによって、信号は、それぞれが少なくとも１つのアンテナ素子を有するサブアレイ群の１つによって大部分が送信される。こうして、広範囲電波の電波幅は、サブアレイ群の独立した放射パターンによって大部分が決定されるであろう。広範囲電波を生成する場合に増幅モジュール群すべてを同時に使用することによって、広範囲電波のより低いアンテナゲインが、対応するより高い増幅によって補償され、所望の範囲の広範囲電波を供給する。
広範囲電波関数は、電波信号間の位相関係の最適な選択によって達成される。本発明の実施形態では、実質的にアンテナポート群の１つと、更に、アンテナアレイのサブアレイ群の１つに電力が集中される。そして、放射パターンは、広範囲でかつ平滑メイン電波を有する。
本発明の目的は、同一の無線アンテナ装置を使用して、独立した狭範囲電波群同士によってカバーされるエリアと同一のエリアを実質的にカバーする狭範囲電波群と広範囲電波を同時に生成できる装置及び方法を達成することである。
本発明の他の目的は、モバイル電話システムに対し、狭範囲電波群を通じて基地局と移動局間で通信を可能にする装置及び方法を達成することである。
本発明の効果は、有効範囲を獲得するために広範囲電波の生成においてすべての増幅モジュール群が同時に使用できることである。
本発明の別の効果は、１つの無線アンテナ装置だけで、狭範囲電波群と達成される広範囲電波を同時に生成する装置は、コストと空間上での高い要求を満たすことである。
本発明の更に別の効果は、削減された混信と改良された周波数の使用が達成できるモバイル電話システムにおいて狭範囲電波群の利用を可能にすることである。
本発明は、付属の図面を参照するとともに、以下の実施形態によって、その詳細が説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の実施形態を示すブロック図である。
図２は図１に示される実施形態によって得られる放射パターン群の概観を示す図である。
図３は図１及び図２に示される実施形態に対する従来技術に従うバトラーマトリクスを示す接続図である。
図４はセルラー式移動体電話システムで使用される本発明の実施形態の概観を示す図である。
図５は２次元バトラーマトリクスを有する本発明の実施形態の一例を示す概要ブロック図である。
図６は本発明の実施形態に従うセルラー式移動体電話ネットワークの基地局７１のブロック図である。
図７ａは図１、図２及び図３に示される実施形態の放射パターン群を示す信号図である。
図７ｂは図１、図２及び図３に示される実施形態の広範囲電波関数を示す信号図である。
詳細な説明
図１は無線アンテナ装置１０を示し、無線アンテナ装置１０は、８つのアンテナ素子群３ａ、…、３ｈからなるアンテナアレイ３と、バトラーマトリクス２と、８つの増幅モジュール群１ａ、…、１ｈから構成される。一方、バトラーマトリクス２は、それぞれがアンテナ素子３ａ、…、３ｈに接続される８つのアンテナポート群Ａ１、…、Ａ８と、また、８つの電波ポート群２L1、…、２L8を備える。上記の８つの増幅モジュール群１ａ、…、１ｈそれぞれは、第１接続群Ｌ１、…、Ｌ８と第２接続を備え、第２接続は前記の８つの電波ポート群２L1、…、２L8に接続される。
図２は無線アンテナ装置１０のメイン放射パターンを示している。無線アンテナ装置は、一部が重複する８つの狭範囲電波群４ａ、…、４ｈを生成するように構成されている。電波ポートの個々の動作は、特定方向のアンテナアレイからの狭範囲電波に対応するアンテナポート上の各電波ポートの特定する信号配信を行う。また、無線アンテナ装置は、８つの狭範囲電波群４ａ、…、４ｈを一緒にしたエリアと実質的に同じエリアをカバーする広範囲電波を生成することができる。
本発明の実施形態に従えば、狭範囲電波群４ａ、…、４ｈは、相互に直交する。これにより、個々の狭範囲電波の放射パターンは、最大能力を有する別の放射パターン（要素パターンのアンテナゲインを使用して正規化された能力）のそれぞれの角度に対しヌルを有する。
バトラーマトリクス２は、図３でより詳細に示される。電波ポート群２L1、…、２L8とアンテナポート群Ａ１、…、Ａ８間は、従来から知られているように、各電波ポート２L1、…、２L8が各アンテナポートＡ１、…、Ａ８に接続されるように、バトラーマトリクス２はハイブリッドカプラー群２１ａ、…、２１ｄの第１セット、ハイブリッドカプラー群２３ａ、…、２３ｄの第２セット、ハイブリッドカプラー群２８ａ、…、２８ｄの第３セットを構成する。電波ポート群の１つに供給される信号電力は、実質的に平坦化されてアンテナポートに配信される。また、バトラーマトリクスは、いくつかの固定移相要素群２２ａ、…、２２ｄ、２４、２５、２６、２７を構成する。バトラーマトリクスのバンド幅は、ハイブリッドカプラー群と移相要素の構成に依存する。例として、８つ以上のバンド幅を有するバトラーマトリクスがある。
バトラーマトリクスの定義は、そのバトラーマトリクスの電波ポート群とアンテナポート群間の定義関係を決定する。しかしながら、バトラーマトリクスの多数の実例が、文献に開示されている。また、本発明は、バトラーマトリクスに限定されない。他のタイプのマトリクス、例えば、いわゆるブラスマトリクス、あるいはレネバーグあるいはロートマンタイプ等の電磁気レンズが電波生成装置として使用しても良い。
アンテナアレイ３で広範囲電波を生成するために、アンテナアレイのアンテナ素子の１つを使用しても良い。そして、広範囲電波関数に対するより低いアンテナゲインは、より高い増幅ゲインで補償されなければならない。例えば、８列のアンテナアレイは、１つのアンテナ列よりも９ｄＢ高いアンテナゲインを有する。これは、より低いアンテナゲインを補償するために増幅器が９ｄＢより高い増幅力を有さなければならないことを意味する。
図１に示されるように、本発明の増幅モジュール群１ａ、…、１ｈは、アンテナポート群でレーダに適用される共有位置にバトラーマトリクス２の送信側でバトラーマトリクスの電波ポート群２L1、…、２L8が構成される。これらの増幅モジュールの増幅は、ひとつの増幅モジュールとひとつの狭範囲電波のアンテナゲインが範囲条件をみたすように設計される。これは、各狭範囲電波が範囲条件を満たすことを意味する。
図２の５として示される要求される広範囲電波は、本発明に従って生成され、本発明において、広範囲電波信号に１つのアンテナポートの位相が追加される一方で、実質的に完全な相殺が生じる位相関係である他のアンテナポートに広範囲信号が追加されるように、電波ポート群２L1、…、２L8を通して配信される広範囲電波信号はアンテナポート群Ａ、…、Ａ８に接続される。このようにして、広範囲電波信号は、アンテナポート群Ａ、…、Ａ８の１つに補償される。すべての増幅モジュール群は、このようにして一緒に使用され、総増幅力は、すべての増幅器の出力の総和となる。
各増幅モジュールの増幅力の平均増幅力は、各々独立した狭範囲電波が実効等方性放射電力（Effective Isotropic Radiated Power：ＥＩＲＰ）を与えるように設計される。定義されるＥＩＲＰは、理想的な等方性送信機の正規化アンテナゲインによって乗算された出力電力に対応する。広範囲電波関数を生成する場合、アンテナゲインから生成するＥＩＲＰの一部は、アンテナ素子の数（本実施形態では８）に対応する約Ｍの減少が見られる。一方、電力増幅から生成するＥＩＲＰの一部は、約Ｍの増加が見られ、それによって、ＥＩＲＰは狭範囲電波と広範囲電波に対し同一となる。
一例として、アンテナアレイ３内の任意の隣接する２つのアンテナ素子間の距離が等しいと仮定し、つまり、アンテナアレイは、いわゆる、Ｍ＝８となるアンテナ素子３ａ、…、３ｈを有する等線形アレイ（Uniform Linear Array：ＵＬＡ）である。直接受信する電波に対し、アレイ応答ベクトルａ（θ）が以下の式に従って得られる。
0004135814.tif 000002
ここで、θは対象狭範囲電波とアンテナアレイと直交する方向との間の角度を示し、ｄは波形長に正規化された隣接する２つのアンテナ素子間の距離である。この応答ベクトルａ（θ）は、アンテナポート群での信号が互いにどのように関与するかを示している。バトラーマトリクスに対する電波ポート信号とアンテナポート信号間の関係は、以下の式に従う送信マトリクスＢによって、本質的に周知の方法で、説明されるのがふさわしい。
b（θ）=BHa（θ）
ここで、ｂ（θ）はＭ要素からなるベクトルである。このベクトルの各要素は、各電波ポートのある放射関数に対応する。送信マトリクスＢは、（Ｍ×Ｍ）次元を有し、電波ポート上の信号とバトラーマトリクスのアンテナポート群間の関係を説明する。Ｈはハミルトン接合を示し、これは、送信マトリクスの入れ換えと各マトリクス要素の合成接合の両方である。
送信マトリクスＢの各要素Ｂ(k)は、各要素特有の角度θ値に対する増幅正規化アレイ応答ベクトルに対応する。これらの角度は、以下の式で、各要素が相互に直交するように選択される。
BHB=E
ここで、Ｅは単位マトリクスを示す。これは、以下のようになる。
（BH）-1=B
いくつかのアンテナポート群の励起状態での結合放射関数ｇtot（θ）は、以下の式に従ってアンテナ素子群の各放射関数が重畳されることによって獲得される。
0004135814.tif 000003
ここで、ωbは電波ポート群２L1、…、２L8での励起ベクトルである。この式は、また、以下のように記述することもできる。
0004135814.tif 000004
ここで、アンテナ素子の励起は、以下の式に従って獲得される。
0004135814.tif 000005
ここで、ωbは電波ポート群２L1、…、２L8での励起ベクトルである。すべての信号電力が１つのアンテナポートに集中する場合、アンテナアレイの結合放射関数ｇtot（θ）は、１つのアンテナ素子の特性によって決定され、これにより、広範囲電波を与える。それゆえ、アンテナポート群での励起ベクトルωbは、ベクトルＵkとなるように設定され、ベクトルＵkの任意のベクトル要素は定数Ｃで設定され、それ以外のベクトル要素は０となる。これにより、以下の式が成り立つ。
0004135814.tif 000006
例えば、図１のＡ２として示されるアンテナポートが励起される場合、励起ベクトルωbに対しては、以下の関数が得られる。
0004135814.tif 000007
電波ポート群での励起ベクトルωbは、送信マトリクスＢのある行の１つとなるべきであり、上記の例では、行２が、１つのアンテナ素子のすべての信号電力を補償するための定数によって乗算される。すべてのマトリクス要素は、理想的には、バトラーマトリクスに対し同一値を有するので、バトラーマトリクスの電波ポート群となる手段は、平滑化された広範囲電波を獲得するために同一の信号強度で励起されるべきである。電波ポート信号の相互位相は、送信マトリクスＢの任意の行と一致するべきである。
本発明の別の実施形態に従えば、広範囲電波の位相は、広範囲電波信号からの信号電力がアンテナアレイのあるアンテナ素子から他のアンテナ素子へ移動するように、バトラーマトリクスの電波ポート群の定点に瞬時に到達するように変化する。この処理によって、電力損失と、また、電力損失によって生じる加熱は分散され、消費電力を低減し、寿命を延ばす。
この例では、バトラーマトリクスは電波生成装置として使用され、直交する狭範囲電波群を生成する。この事実は、上記の励起ベクトルωbを減ずる場合や、他の例で示される場合に使用され、電波ポート群２L1、…、２L8での信号増幅は理想的には等しいべきである。しかしながら、直交性は、本発明に対し、完全な絶対条件ではない。絶対直交性を与えない電波生成装置が使用される場合があるが、励起ベクトルωbの要素はアンテナアレイ３から得られる広範囲電波の平均値に対し異なる値を必要とする。それゆえ、電力増幅モジュール群１ａ、…、１ｈは、異なる出力電力を供給しなければならず、これにより、無線システムのリンク資源が低下する。それゆえ、本実施形態に従えば、電波生成装置は、直交性あるいは実質的な直交性電波を提供する。
アンテナアレイ３とバトラーマトリクスは完全な相反素子であるので、受信に対しても、同一のアンテナを使用できる。受信機能は、増幅モジュール群１ａ、…、１ｈとバトラーマトリクス２との間の全二重フィルタのセットによって動作できるのがふさわしい。
本実施形態では、広範囲電波信号は、ベースバンド側上で配信される。しかしながら、広範囲電波信号を別々に変形し、その変形された広範囲電波信号を配信し、適正な移相の後、その広範囲電波信号を８つの増幅モジュール群１ａ、…、１ｈの上述の第１接続Ｌ１、…、Ｌ８に与えることが可能である。
無線アンテナ装置１０の適用領域が図４に示される。セルラー式移動体電話システムでは、いわゆるセクターセルが頻繁に使用されている。この場合、３つの基地局は同一の地理的位置に配置され、通常、サイトして参照され、１２０度のセクターセルを与えるように指示されるアンテナをそれぞれ有している。この図では、６つの基地局サイト群ＢＳ１、…、ＢＳ６が示されている。サイトＢＳ４で、第１基地局は第１セルＣ１を与え、第２基地局は第２セルＣ２を与え、第３基地局は第３セルＣ３を与える。
従来に従えば、基地局のアンテナは、すべてのセクターセルをカバーする広範囲電波によって特徴づけられている。第１セルＣ１，第２セルＣ２，第３セルＣ３それぞれをカバーする３つの広範囲電波Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３が図に示されている。この３つの広範囲電波それぞれで、基地局は、セル内で検出される移動局と通信できる。そのような移動局ＭＳが図に示されている。基地局と移動局間で交換される情報の大部分は、単点対単点情報からなっている。しかしながら、セクタ内のすべての移動局が単点対単点情報を受信できるように、その単点対単点情報が転送される必要はない。これは、目的とされる情報に対する移動局が信号を受信できることを満足する。本発明の実施形態の基地局は、単点対単点情報に対し狭範囲電波を使用する。この方法では、出力電力が所望の方向に集中しても良い。図では、ある狭範囲電波Ｐ１が示されている。この狭範囲電波を用いて移動局ＭＳは、その移動局が位置するセルＣ２の基地局と通信する。
この方法において、狭範囲電波によって生じるより高いアンテナゲインは、両方向、つまり、基地局へ及び基地局からの方向のリンク資源を改善する。これは、基地局と移動局の出力電力に関する範囲を増加させるために利用されても良い。周波数の繰り返し使用間隔が縮小できるので、移動体電話システムの総最大能力も従来の技術と比較して改善されている。
しかしながら、基地局によって送信されるいくつかの情報は、関連するセル内で検出されるすべての移動局に受信されるべきである。それゆえ、本発明に従う基地局は、広範囲電波も生成することができる。これらは、実質的に狭範囲電波群として同じ範囲を有するべきである。各基地局は、図１の１０として示される無線アンテナ装置を構成するので、各基地局は、対象セルを連続してカバーするいくつかの狭範囲電波群を生成できる。同時に、基地局は、実質的にすべてのセルをカバーする広範囲電波を生成できる。
図６は送信機、ここでは、セルラー式移動体電話ネットワーク内の基地局７１の概観図であり、その送信機は本発明の実施形態に従う無線アンテナ装置からなる。基地局７１は、そのような無線アンテナ装置からなる通信装置の一例である。同様にして、他のタイプの通信装置はそのような無線アンテナシステムを使用しても良い。
基地局７１は、入力／出力（Ｉ／Ｏ）部６に接続されるベースバンド処理部４を構成する。また、基地局７１は、図１に関連して説明されるような無線アンテナ装置１０を構成する。無線アンテナ装置１０は、８つのアンテナ素子群を有するアンテナアレイ３、バトラーマトリクス２を構成する電波生成装置と８つの増幅モジュールを有する増幅部１を構成する。増幅部１とバトラーマトリクス２間には、全二重フィルタ部９が配置され、第１、第２、第３セット接続を有する。増幅部１は第１セット接続に接続され、バトラーマトリクスは第２セット接続に接続される。第３セット接続へは、第２増幅部８が接続されている。８つの増幅モジュール群を有する第２増幅部８へは、復調部７が接続されており、逆側には、ベースバンド処理部４が接続されている。また、ベースバンド処理部４は、変調部５の入力端子に接続されている。変調部５の出力端子には、増幅部１が接続されている。
全二重フィルタ部９は、第１増幅部１と変調部５を有する基地局の送信部分から、上記第２増幅部８と復調部７を構成する基地局の受信部分を分割する周知の方法で構成される。
増幅部１の各増幅モジュールは、その出力が全二重フィルタ部９を介してバトラーマトリクス２の１つの電波ポートに接続され、そして、変調部５の１つの変調器に接続される。この構成で、特定狭範囲電波内の送信対象信号が単独に変調される。これに対応して、バトラーマトリクス２の各信号電波ポートからの信号は、復調部７で別々に復調される。それゆえ、この方法で復調された信号は、１つの狭範囲電波から生じる。
基地局のセル内のすべての移動局へデータを転送する場合、信号の増幅は、平均的に変調部のすべての入力に配信される。つまり、増幅部１内のすべての増幅モジュール群は、この信号の増幅に使用される。最適な信号の位相関係が使用される場合、バトラーマトリクス２は、バトラーマトリクス２のアンテナポート群にそのような信号配信を生成し、これにより、広範囲電波がアンテナアレイ３から生成される。
上述した無線アンテナ装置は、特に、同時にいくつかの異なるキャリアが使用される場合に、シングルキャリア電力増幅（Single Carrier Power Amplifier：ＳＣＰＡ）技術（即ち、基地局で使用されるキャリア特定増幅器）を使用する移動体電話システムに適している。これは、異なるキャリア波が合成される前に送信対象の信号が増幅されることを要求する。この要求は、キャリア合成の前に、電波生成装置の電波ポート側で行われる増幅によって本発明に適合される。また、本発明に従う無線アンテナ装置は、特に、異なる電波でなく同一のキャリア上でいくつかの動的無線通信が同時に使用される動的空間分割多重アクセス（Spatial Division Multiple Access：ＳＤＭＡ）に適している。
上述した本発明の実施形態では、一次元バトラーマトリクスが使用される。ここで言う一次元とは、たとえ、本発明の実施形態のアンテナアレイの各アンテナ素子がいくつかのアンテナ要素を有する場合でも、制御が一次元で行われることを意味する。しかしながら、本発明は、一次元の制御だけに限定されるものではない。図５では、二次元バトラーマトリクス５０の一例が示され、この二次元バトラーマトリクス５０によって、アンテナアレイからの電波は、二次元で制御される。二次元バトラーマトリクス５０は、一次元バトラーマトリクス群５１ａ、…、５１ｆの第１セットを構成する。また、二次元バトラーマトリクス５０は、一次元バトラーマトリクス群５１ａ、…、５１ｆの第１セットにカスケード接続される一次元バトラーマトリクス群５２ａ、…、５２ｈの第２セットを構成する。
バトラーマトリクス群の第１セットの各バトラーマトリクス５１ａ、…、５１ｆは、８つの電波ポートと８つのアンテナポートを有する。これに対応して、バトラーマトリクス群の第２セットの各バトラーマトリクス５２ａ、…、５２ｈは、６つの電波ポートと６つのアンテナポートを有する。バトラーマトリクス５２ａ、…、５２ｈの各アンテナポートは、二次元アンテナアレイ５３のアンテナ素子に接続されている。本例でのアンテナアレイ５３は、６×８＝４８のアンテナ素子を有する。
バトラーマトリクス５１ａの不図示の８つのアンテナポートのそれぞれは、一次元バトラーマトリクス群の第２セットのバトラーマトリクス群５２ａ、…、５２ｈの１つに接続されている。同様にして、バトラーマトリクス群５１ｂ、…、５１ｆのそれぞれは、一次元バトラーマトリクス群の第２セットのバトラーマトリクス群５２ａ、…、５２ｈそれぞれに接続されている。同様にして、バトラーマトリクス群５１ａ、…、５１ｆの各アンテナポートは、一次元バトラーマトリクス群の第２セットのバトラーマトリクス群５２ａ、…、５２ｈの１つに接続されている。
バトラーマトリクス群の第１セットを用いて、第１の次元の制御を行う。バトラーマトリクス群の第２セットを用いて、第２の次元の制御を行う。同様にして、バトラーマトリクス群の第１セットのバトラーマトリクス群５１ａ、…、５１ｆの電波ポートのそれぞれの動作は、アンテナアレイからの放射パターンに対応する。
広範囲電波は、二次元バトラーマトリクス５０へ増幅された広範囲電波信号を均等に配信する本実施形態に従って生成される。この広範囲電波信号は、不図示の増幅モジュール群のセットによって増幅された電力である。増幅モジュールに分配された広範囲電波信号の最適な位相関係を用いて、二次元バトラーマトリクス５０は、一次元バトラーマトリクス群５２ａ、…、５２ｈの任意のマトリクスの実質上１つのアンテナポートに供給された信号電力が集中するように動作する。同様に、広範囲電波信号は、おもにアンテナアレイ５３のアンテナ素子群の１つによって送信される。そして、このようにして得られた広範囲電波の電波幅は、おもに、このアンテナポートの個々の放射パターンによって決定される。
増幅モジュールに配信された広範囲電波信号の位相関係は、二次元バトラーマトリクス５０によって決定される。これは、理論的な全電力が一次元バトラーマトリクス群５２ａ、…、５２ｈの１つのアンテナポートへ集中されることを示す基準を満たす４８の異なる位相関係を示すことができる。これらの４８の位相関係のそれぞれは、アンテナアレイの４８のアンテナ素子の１つへの信号電力の集中に対応する。
本発明の別の実施形態に従えば、広範囲電波信号からの信号電力がアンテナアレイのあるアンテナ素子から別のアンテナ素子へ移動するように、広範囲電波信号の位相関係は２次元バトラーマトリクスの電波ポート群に合わせて規定点で瞬時に変化する。この方法において、電力消費、電力消費に関連する発熱は、アンテナ素子を通じて配信されることで、消費量を削減し、寿命を延ばす。
図７ａは、図１、図２及び図３に関連して示される実施形態に対する放射パターンを示す信号図である。信号図では、Ｓは単位が電圧である信号長を示し、θはアンテナアレイと直交する方向に対する角度を示している。信号図には、狭範囲電波６１、…、６８のそれぞれと、狭範囲電波と比較される低増幅を有するいくつかのアンテナのサイドローブによって特徴付けられる８つの放射関数が示される。図１の２L1、…、２L8で示されるバトラーマトリクスの電波ポート群の１つの電波ポートの励起は、アンテナアレイ３のサイドローブに関連する狭範囲電波６１、…、６８の１つに対応する。バトラーマトリクスは直交放射パターンを生成するので、図７ａに示されるように、実質的に値０を有する放射関数を除く８つの放射関数すべてにおいて角度が存在する。
図７ｂは、図１、図２及び図３に関連して示される実施形態の広範囲電波関数を示す信号図である。図１の２L1、…、２L8で示される８つの電波ポートすべてが、平均増幅配信と、図１に関連して説明された位相関係で励起される場合、図７ａで互いに示される狭範囲電波群６１、…、６８として実質的に同一角度範囲をカバーする広範囲電波７０が得られる。
【図１】
0004135814.tif 000008
【図２】
0004135814.tif 000009
【図３】
0004135814.tif 000010
【図４】
0004135814.tif 000011
【図５】
0004135814.tif 000012
【図６】
0004135814.tif 000013
【図７ａ】
0004135814.tif 000014
【図７ｂ】
0004135814.tif 000015