可変ビーム特性を有するアンテナ
【課題】よりフレキシブルでより簡単な設計を有する可変ビーム特性を有するアンテナを提供する。
【解決手段】本発明は、それぞれ直交する偏波に対応づけられた第１及び第２の給電点を有する複数の配列素子を備えるアンテナに関するものであり、各配列素子は、直交する偏波とそれぞれ対応づけられた第１及び第２の位相中心を有し、前記配列素子の第１及び第２の位相中心は、少なくとも２列に配置され、１つのアンテナ・ポートは、各給電ネットワークを介して、前記少なくとも２列に配置される第１の位相中心及び第２の位相中心を有する少なくとも２つの配列素子の第１及び第２の給電点に接続される。給電ネットワークは、アンテナ・ポートに接続される一次接続及び少なくとも４つの二次接続を有するビーム形成ネットワークを備える。ビーム形成ネットワークは、第１の給電点と第２の給電点との間で電力を分け、異なる列に配置される位相中心を有する各給電点間の位相シフト差を制御する。
【解決手段】本発明は、それぞれ直交する偏波に対応づけられた第１及び第２の給電点を有する複数の配列素子を備えるアンテナに関するものであり、各配列素子は、直交する偏波とそれぞれ対応づけられた第１及び第２の位相中心を有し、前記配列素子の第１及び第２の位相中心は、少なくとも２列に配置され、１つのアンテナ・ポートは、各給電ネットワークを介して、前記少なくとも２列に配置される第１の位相中心及び第２の位相中心を有する少なくとも２つの配列素子の第１及び第２の給電点に接続される。給電ネットワークは、アンテナ・ポートに接続される一次接続及び少なくとも４つの二次接続を有するビーム形成ネットワークを備える。ビーム形成ネットワークは、第１の給電点と第２の給電点との間で電力を分け、異なる列に配置される位相中心を有する各給電点間の位相シフト差を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム幅及びビーム指向性などの可変ビーム特性を有するアンテナに関する。本発明は、また、そのようなアンテナを備える通信装置及び通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで移動通信に用いられるほぼ全ての基地局アンテナは、意図的に、大体一定の特性を有する。１つの例外は、頻繁に使われる特徴である電気的ビーム傾斜である。加えて、製品の中には、ビーム幅及び／又は方向を変えることができるものも存在する。
【０００３】
配置後に特性（パラメータ）を変えることができる、つまり、調整することができるアンテナを配備することは、以下のことが可能になるため、関心を引いている。すなわち、
【０００４】
−長期ベースでパラメータを変えることによって、ネットワークを調整すること、
−例えば２４時間にわたるトラフィック負荷における変化を処理するために、短期ベースでネットワークを調整すること、である。
【０００５】
したがって、このような特徴を達成するためには、ビーム幅を調整して、ビーム指向方向を調整することができる必要がある。
【０００６】
これらの特徴は、現在、アンテナのパーツを機械的に回転又は移動することに基づいて実施されており、結果として、比較的難しい機械的デザインになっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、従来の解決案と比較して、よりフレキシブルでより簡単な設計を有する可変ビーム特性を有するアンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、以下の可変ビーム特性を有するアンテナによって成し遂げられる。すなわち、複数の配列素子であって、各配列素子は、第１の偏波に対応付けられた第１の給電点、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波に対応付けられた第２の給電点を備える、複数の配列素子と、第１の偏波に対応付けられた第１の位相中心及び第２の偏波に対応付けられた第２の位相中心を有し、前記配列素子の第１及び第２の位相中心は、少なくとも２列に配置される、各配列素子と、１以上のアンテナ・ポートであって、各アンテナ・ポートは、それぞれの給電ネットワークを介して前記少なくとも２列に配置される第１の位相中心及び第２の位相中心を有する少なくとも２つの配列素子の第１及び第２の給電点に接続される、１以上のアンテナ・ポートと、を備える可変ビーム特性を有するアンテナである。前記それぞれの給電ネットワークは、それぞれのアンテナ・ポートに接続される一次接続及び少なくとも４つの二次接続を有するビーム形成ネットワークを備え、当該ビーム形成ネットワークは、前記接続配列素子の第１の給電点と第２の給電点との間で電力を分け、異なる列に配置される位相中心を有する接続配列素子の第１の給電点間、及び、異なる列に配置される第２の位相中心を有する接続配列素子の第２の給電点間の位相シフト差を制御するよう構成される。
【０００９】
本発明による利点は、可変ビーム幅及び／又はビーム指向を有するアンテナを達成しうるということである。ビーム幅及び／又はビーム指向は、簡単な可変移相器によって制御することができる。可変移相器は、例えば、リモートの電気的傾斜制御を目的として基地局アンテナにおいて多用される同様な技術に基づくことができる。
【００１０】
更なる目的及び利点は、当業者であれば、詳細な説明から見出せるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明は、非制限的な例として提供される以下の図面に関連して記載されている。
【図１】本発明を実施するために用いることができる第１のアンテナ構成を示す。
【図２】仰角ビーム形成に用いることができる図１のアンテナ構成の配電網の例を示す。
【図３】本発明に係る第１のシングルビームアンテナを得るために図１及び２にて図示したように配電網に接続されることを目的とする本発明に係るビーム形成ネットワークを示す。
【図４】図３のビーム形成ネットワークの実施態様を示す。
【図５】位相差の第１のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のシングルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図６】位相差の第１のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のシングルビームアンテナに対する予測仰角ビーム・パターンを示す。
【図７】位相差の第２のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．７λを有する本発明に係る第１のシングルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図８】位相差の第２のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．７λを有する本発明に係る第１のシングルビームアンテナに対する予測仰角ビーム・パターンを示す。
【図９】位相差の第３のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．７λを有する本発明に係る第２のシングルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図１０】位相差の第４のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．７λを有する本発明に係る第２のシングルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図１１】本発明を実施するのに用いることができる第２のアンテナ構成を示す。
【図１２】仰角ビーム形成に用いることができる図１１のアンテナ構成の配電網の例を示す。
【図１３】本発明に係る第１のデュアルビームアンテナを得るために図１１及び１２にて図示したように配電網に接続されることを目的とする本発明に係るデュアルビーム形成ネットワークの第１の実施形態を示す。
【図１４】位相差の第１のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のデュアルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図１５】位相差の第１のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のデュアルビームアンテナに対する予測仰角ビーム・パターンを示す。
【図１６】位相差の第２のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のデュアルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図１７】位相差の第２のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のデュアルビームアンテナに対する予測仰角ビーム・パターンを示す。
【図１８】本発明に係る第２のデュアルビームアンテナを得るために図１１及び１２にて図示したように配電網に接続されることを目的とする本発明に係るデュアルビーム形成ネットワークの第２の実施形態を示す。
【図１９】本発明を実施するために用いることができる第３のアンテナ構成を示す。
【図２０】本発明に係る第２のデュアルビームアンテナを得るために図１９にて図示したように配電網に接続されることを目的とする本発明に係るデュアルビーム形成ネットワークの第３の実施形態を示す。
【図２１】位相差の第５のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第２のデュアルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図２２】位相差の第５のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第２のデュアルビームアンテナに対する予測仰角ビーム・パターンを示す。
【図２３】本発明に係るシングルビームアンテナの配列素子の異なる実施態様を示す。
【図２４】本発明に係るデュアルビームアンテナの配列素子の実施態様の例を示す。
【図２５】本発明を実施するために用いることができる一般的なアンテナ構成を示す。
【図２６ａ】図２６ａは、配列素子の実施態様の４つの変形例を示す。
【図２６ｂ】図２６ｂは、配列素子の実施態様の４つの変形例を示す。
【図２６ｃ】図２６ｃは、配列素子の実施態様の４つの変形例を示す。
【図２６ｄ】図２６ｄは、配列素子の実施態様の４つの変形例を示す。
【図２７】本発明に係る第３のシングルビームアンテナを示す。
【図２８】本発明に係る第３のデュアルビームアンテナを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の基本的概念は、可変ビーム幅及び／又はビーム指向を有するアンテナである。当該アンテナは、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点と、第１の偏波に直交する第２の偏波に対応づけられた第２の給電点を各々有する複数の二重偏波配列素子を備えている。各配列素子は２つの位相中心、すなわち、１つ目は第１の偏波に対応づけられ、２つ目は第２の偏波に対応づけられた位相中心を有する。第１の位相中心及び第２の位相中心は、一致してもよいし、実際の配列素子構成によって異なっていてもよい。
【００１３】
位相中心とは、以下のように定義される。「アンテナに対応づけられた地点の場所であって、その地点を半径が遠距離電磁界に延びる球形の中心とする場合、放射球面の表面の上の所与の界成分の位相が、少なくとも上記表面で放射が重要となる部分の上では、基本的に固定となる場所」ＩＥＥＥ標準 アンテナ用語の定義、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ １４５−１９９３（ＩＳＢＮ １−５５９３７−３１７−２））を参照されたい。
【００１４】
以下に図示した例において、複数の配列素子の第１及び第２の位相中心は、異なる列に配置される第１の位相中心間の距離が、好ましくは、本発明を用いて送信／受信される信号の０．３波長よりも大きく、より好ましくは、０．５波長よりも大きくなるように、少なくとも２つの列に配置される。同じことを、異なる列に配置される第２の位相中心にも適用する。各列に関して、同じ偏波に対応づけられた少なくとも１つの給電点は、配電網を介して接続され、結果として、二重偏波配列素子が用いられる場合、列当たり少なくとも１つの線形配列となる。
【００１５】
同じ偏波だが異なる列からの線形配列は、移相器及び電力分割装置を介して結合される。移相器及び電力分割装置は、可変的な相対位相差を有する電力を分割する。その結果、各偏波に対する１以上のビームポートとなり、ここで、ビームに対する水平ビーム指向は、当該ビームポートに対応づけられた移相器及び電力分割装置の可変的な位相差によって制御することができる。ビームの少なくとも１つは１つの偏波を有し、ビームの少なくとも１つは第１の偏波に直交する第２の偏波を有する。
【００１６】
直交する偏波のビームポートは、一対ずつ結合されて、１以上のアンテナ・ポートを有するアンテナを提供する。この技術によって、１以上のアンテナ・ポートに対応づけられたビームのビーム幅及びビーム指向は、移相器及び電力分割装置上の相対位相差を変化させることによって制御することができる。
【００１７】
以下において、配列素子は、二重偏波放射素子、すなわち、直交する偏波の２つの単一偏波素子として図示されており、列離隔距離及び行離隔距離を有する１又は２列に配置される。各実施形態の説明においてはっきりと明示されていない場合であっても、これらの実施形態は第１の位相中心及び第２の位相中心を少なくとも２列に配置するという要件を果たすものである。
【００１８】
図１は、Ｎ個の配列素子グループを有するアンテナ構成（左側）を示すものであり、各配列素子は、２つの二重偏波放射素子を有する。右側には、グループ「ｎ」内の放射素子のインデックスを示す。素子は４つの線形配列を形成するように配置されており、各々がポートＡ〜Ｄに接続される。本実施形態において、各二重偏波配列素子１１は、第１の偏波、例えば、垂直偏波に対応づけられた第１の位相中心と、第２の偏波、すなわち、第１の偏波が垂直である場合は水平偏波に対応づけられた第２の位相中心を有する。全ての配列素子は本実施形態において同一であり、配列素子１１の第１の位相中心は２列に配置され、配列素子の第２の位相中心も２列に配置され、各列はＮ個の配列素子を含んでいる。
【００１９】
図２は、ポートＡ及びポートＢの配電網の例を示し、図３は、移相器及び電力結合器／分割器からなる、ビーム幅及びビーム指向調整用ビーム形成ネットワークを示す。
【００２０】
図１〜３は共に本発明に係るアンテナの第１の実施形態を図示するものであり、この例ではシングルビームアンテナである。シングルビームアンテナは、二重偏波配列素子１１のＮ個のグループを２列有するアンテナ構成１０を備え、列離隔距離ＤＨと行離隔距離ＤＶとを有する。本実施形態において、各グループ「ｎ」は、２つの垂直偏波放射素子Ａｎ及びＣｎと、２つの水平偏波放射素子Ｂｎ及びＤｎ（ｎ＝１〜Ｎ）とを備える。Ｎは少なくとも１（Ｎ≧１）、好ましくは２よりも大きい（Ｎ＞２）。各配列素子１１は、２つの給電点（図示せず）を有しており、第１の給電点は垂直偏波に対応づけられ、すなわち、第１の列１２における放射素子Ａｎ及び第２の列１４の放射素子Ｃｎにそれぞれ接続し、第２の給電点は水平偏波に対応づけられ、すなわち、第１の列１２における放射素子Ｂｎ及び第２の列１４の放射素子Ｄｎにそれぞれ接続している（図１を参照）。
【００２１】
左側の列１２の放射素子Ａｎに接続される第１の給電点は、好ましくは、仰角ビーム形成ネットワークとして実施される第１の配電網１３Ａを介してポートＡに接続されており、左側の列１２の放射素子Ｂｎに接続される第２の給電点は、好ましくは、仰角ビーム形成ネットワークとして実施される第２の配電網１３Ｂを介してポートＢに接続されている（図２を参照）。同様に、右側の列１４の放射素子Ｃｎ及びＤｎに接続される給電点は、好ましくは、仰角ビーム形成ネットワークとして実施される別々の配電網（図示せず）を介して、それぞれ、ポートＣ及びポートＤに接続される。このように、列ごとに、配電網は同じ偏波を有する配列素子１１の給電点に排他的にポートを接続する、すなわち、ポートＡを放射素子Ａ１〜ＡＮに、ポートＢを放射素子Ｂ１〜ＢＮになどのように接続する。
【００２２】
４つのポート、すなわち、ポートＡ〜ポートＤは、図３にて図示したように、ビーム形成ネットワーク２０によって、１つのアンテナ・ポート、すなわち、ポート１に結合される。ビーム形成ネットワーク２０は、アンテナ・ポート１及び４つの二次接続１５Ａ〜１５Ｄに接続されることを目的とする一次接続１９を備える。各ポートＡ、Ｂ、Ｃ及びＤは、ビーム形成ネットワーク２０の二次接続１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄに、それぞれ接続される。第１の列１２のポートＡに対応する垂直偏波線形配列及び第２の列１４のポートＣに対応する垂直偏波線形配列は、位相シフト差を制御して、列間で電力を分割する第１の移相ネットワークを介して互いに接続する。第１の移相ネットワークは、列間で電力を分割する第１の二次電力結合器／分割器１６１と、位相シフトαＡとαＣをそれぞれ与える可変移相器１７Ａ及び１７Ｃと、を備えている。第１の列１２のポートＢに対応する水平偏波線形配列及び第２の列１４のポートＤに対応する水平偏波線形配列は、列間で電力を分割する第２の二次電力結合器／分割器１６２と、位相シフトαＢとαＤをそれぞれ与える可変移相器１７Ｂ及び１７Ｄと、を備える第２の移相ネットワークを介して、互いに接続する。結合されたポートＡＣ及びＢＤは、続いて、異なる偏波を有する放射素子間で電力を分割する一次電力結合器／分割器１８を介して、アンテナ・ポート１に接続する。
【００２３】
ビーム形成ネットワーク２０及び配電網１３Ａ〜１３Ｄは、図２にて図示したように、共に、アンテナ・ポート１を２列に配置された配列素子１１のそれぞれの給電点に接続する給電ネットワークを形成する。
【００２４】
図４は、図３のビーム形成ネットワーク２０の実現する別の例を示す。２つの一体型電力結合器／分割器兼移相装置２１１と２１２とを備える移相ネットワークは、ポートＡ、Ｃ及びポートＢ、Ｄに給電するために用いられる。角度αＸＹはポートＸとポートＹ間の電気的位相角の差である。この場合、ポートＡとポートＣとの位相差αＡＣ＝αＡ−αＣと、ポートＢとポートＤとの位相差αＢＤ＝αＢ−αＤとがある。
【００２５】
同じ振幅及び位相差αＡＣを有するポートＡ及びポートＣに給電すると、方位角ビーム指向が位相差αＡＣに依存する垂直偏波ビームが生じる。この例における二重列の配置に対して、空間的な方位角ビーム指向角φと電気的位相差αの関係は、
【数１】
及びその逆である
【数２】
によって与えられる。
式中、ＤＨは列離隔距離であり、λは送信／受信される信号の波長である。
【００２６】
同様に、同じ振幅及び位相差αＢＤを有するポートＢ及びポートＤに給電すると、方位角ビーム指向が位相差αＢＤに依存する水平偏波ビームが生じる。
【００２７】
図３又は図４の一次電力結合器／分割器１８は、結合されたポートＡＣを、結合されたポートＢＤと共に、アンテナ・ポート１に結合する。結合されたポートＡＣは垂直偏波放射パターンに対応し、結合されたポートＢＤは水平偏波放射パターンに対応するため、アンテナ・ポート１の結果として生じる放射パターンは、結合されたポートＡＣの放射パターンと結合されたポートＢＤの放射パターンとの電力和に等しい。したがって、アンテナ・ポート１の放射パターンのビーム幅及びビーム指向は、図３の可変位相αＡ、αＢ、αＣ、及びαＤ、又は、図４の可変位相差αＡＣ及びαＢＤによって制御することができる。
【００２８】
なお、垂直及び水平ビームが同じ指向方向及び形状を有していない場合、ポート１のビームは方位角によって変化する偏波を有する。
【００２９】
説明を簡単にするため、図示のアンテナは全て、垂直次元に沿った配列素子の列により垂直方向であるものとみなす。以上から、水平角度は、列に平行な軸周りの角度に対応づけられており、仰角は垂直軸に対する角度に対応づけられている。しかしながら、一般に、アンテナは、いずれの向きにすることができる。
【００３０】
実施形態１
一例として、図１〜４に関して説明したような、第１のシングルビームアンテナをシミュレートする。ここで、各列の配列素子の数は１２個（すなわち、Ｎ＝１２）であり、配列素子間の列離隔距離ＤＨ、したがって、異なる列に配置される第１及び第２の位相中心の間の距離は、半分の波長（ＤＨ＝０．５λ）になるように選択され、９０°の電力半値ビーム幅を有する放射素子パターンを仮定している。
【００３１】
図５は、第１のシングルビームアンテナ及び、空間的ビーム指向角φ（α）について表される異なる角度αに対する可変位相：
αＡＣ＝−αＢＤ＝α
に対する予測方位角ビーム・パターンを示すものである。曲線（０；０）は、φ（αＡＣ）＝φ（αＢＤ）＝０を示し、曲線（１７；−１７）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝１７を示し、曲線（２３；−２３）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝２３を示し、曲線（２７；−２７）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝２７を示し、曲線（３０；−３０）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝３０を示す。方位角ビーム・パターンに対して、電力半値ビーム幅は、それぞれ、５０、５６、６５、７７及び９０度である。
【００３２】
図６は、第１のシングルビームアンテナの対応する仰角パターンを示す。５つのパターンは、互い重なっている。
【００３３】
図７は、第１のシングルビームアンテナと同じ構成だが、以下の式に従って設定される位相差αＡＣ及びαＢＤを有する構成に対して予測される方位角ビーム・パターンを示す。
φ（αＡＣ）−１７°＝φ（αＢＤ）＋１７°＝δ
式中、δ＝［０°、１０°、及び２０°］である。曲線（１７；−１７）は、δ＝０°、すなわち、φ（αＡＣ）＝１７°、φ（αＢＤ）＝−１７°を示し、同様に、曲線（２７；−７）はδ＝１０°を示し、曲線（３７；３）はδ＝２０°を示す。以上から、空間的ビーム指向角は、それぞれビームオフセットの０°、１０°、及び２０°に加えて＋／−１７°である。方位角ビーム・パターンに関して、電力半値帯域はすべてのオフセットに対して５６度である。
【００３４】
図８は、δ＝［０°、１０°、及び２０°］を有する第１のシングルビームアンテナの対応する仰角パターンを示す。３つのパターンは、互い重なっている。
【００３５】
実施形態２
更なる一例として、図１〜４に関して説明したような、第２のシングルビームアンテナをシミュレートする。ここで、各列の配列素子の数は１２個（すなわち、Ｎ＝１２）であり、配列素子間の列離隔距離ＤＨ、したがって、異なる列に配置される第１及び第２の位相中心間の距離は、７分の１の波長（ＤＨ＝０．７λ）になるように選択され、６５°の電力半値ビーム幅を有する放射素子パターンを仮定している。
【００３６】
図９は、第２のシングルビームアンテナ及び、空間的ビーム指向角φ（α）について表された異なる角度αに対する可変位相：
αＡＣ＝−αＢＤ＝α
に対する予測方位角ビーム・パターンを示すものである。曲線（０；０）は、φ（αＡＣ）＝φ（αＢＤ）＝０を示し、曲線（１３；−１３）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝１３を示し、曲線（１９；−１９）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝１９を示し、曲線（２２；−２２）は、φ（αＡＣ）＝−Φ（αＢＤ）＝２２を示し、曲線（２３；−２３）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝２３を示す。方位角ビーム・パターンに対して、それぞれの電力半値帯域は、３５、４１、５５、７１、及び８３度である。
【００３７】
図１０は、第２のシングルビームアンテナであるが、以下の式に従って設定される位相差αＡＣ及びαＢＤを有する第２のシングルビームアンテナに対して予測される方位角ビーム・パターンを示す。
φ（αＡＣ）−１３°＝φ（αＢＤ）＋１３°＝δ
式中、δ＝［０°及び１０°］である。曲線（１３；−１３）は、δ＝０°、すなわち、φ（αＡＣ）＝１３°及びφ（αＢＤ）＝−１３°を示し、同様に、曲線（２３；−３）は、δ＝１０°を示す。以上から、空間的ビーム指向角φは、それぞれビームオフセットの０°及び１０°に加えて＋／−１３°である。方位角ビーム・パターンに関して、電力半値帯域は両ビームに対して４１度である。
【００３８】
上述の例は、シングルビームアンテナを説明するものである。しかしながら、移動通信システムでは、デュアルビームアンテナを達成するために、すなわち、同じ領域をカバーするが直交する偏波を有する２つのビームを有するために、二重偏波アンテナを用いることは一般的である。
【００３９】
図１１は、Ｍ個のグループを有する本発明に係るアンテナ構成（左側）を示しており、各グループは、４つの二重偏波配列素子を有し、各二重偏波配列素子は、直交する偏波に対応づけられた第１の給電点及び第２の給電点を有し、図１に関連して説明したように２列に配置される第１及び第２の位相中心を有する。右側には、グループ「ｍ」内の放射素子のインデックスを示す。素子は８個の線形配列を形成するように配置されており、各々がポートＡ〜Ｈに接続される。
【００４０】
図１２は、ポートＡ及びポートＢの配電網の例を示し、図１３は、移相器及び電力結合器／分割器からなる、ビーム幅及びビーム指向調整用ビーム形成ネットワークを示す。
【００４１】
図１１〜１３は、共に、本発明に係るアンテナの第２の実施形態を図示しており、この例では、各ビームが可変的なビーム幅及びビーム指向を有する、直交偏波のデュアルビームアンテナである。デュアルビームアンテナは、列離隔距離ＤＨと行離隔距離ＤＶとを有する、二重偏波配列素子３１を２列で有するアンテナ構成３０を備える。本実施形態では、各グループ「ｍ」は、４つの垂直偏波放射素子Ａｍ、Ｃｍ、Ｅｍ、及びＧｍと４つの水平偏波放射素子Ｂｍ、Ｄｍ、Ｆｍ、及びＨｍ（ｍ＝１〜Ｍ）とを備え、Ｍは少なくとも１（Ｍ≧１）であり、好ましくは２よりも大きい（Ｍ＞２）。各配列素子３１は、２つの給電点（図示せず）、垂直偏波に対する第１の給電点及び水平偏波に対する第２の給電点を有する。第１の給電点は、第１の列３２の放射素子Ａｍ及び放射素子Ｃｍと、第２の列３４の放射素子Ｅｍ及び放射素子Ｇｍとに接続される。第２の給電点は、第１の列３２の放射素子Ｂｍ及び放射素子Ｄｍと、第２の列３４の放射素子Ｆｍ及び放射素子Ｈｍとに接続される（図１１参照）。
【００４２】
各列のすべての第２の放射素子の各給電点は、好ましくは仰角ビーム形成ネットワークとして実施される配電網を介して接続され、結果として、列Ａ〜Ｄ及びＥ〜Ｈごとに４つのポートとなる（図１１を参照）。図１２は、好ましくは仰角ビーム形成ネットワークとして実施される配電網３３Ａ、３３Ｂの例を挙げる。放射素子Ａ１〜ＡＭに接続される給電点は、垂直偏波を有するＭ個の素子の垂直線形配列を形成しているポートＡに、配電網３３Ａを介して接続される。放射素子Ｂ１〜ＢＭに接続される給電点は、垂直偏波を有するＭ個の素子の垂直線形配列を形成しているポートＢに、配電網３３Ｂを介して接続される。同様に、放射素子Ｃ１〜ＣＭからＨ１〜ＨＭに接続される給電点は、それぞれの配電網３３Ｃ〜３３Ｈを介してポートＣ〜Ｈに接続される。したがって、各列は全部で８つのポートＡ〜Ｈを提供する二重偏波配列素子の２つの交互配置されたＭ個の素子の線形配列から成る（図１１及び１２を参照）。
【００４３】
８つのポートであるポートＡ〜ポートＨは、ここで、図１３にて図示したように、デュアルビーム形成ネットワーク４０（２つの別々のビーム形成ネットワーク４０１及び４０２を備える）の第１の実施形態によって、２つのアンテナ・ポートであるポート１及びポート２に結合される。別々のビーム形成ネットワーク４０１、４０２は、各々、アンテナ・ポート１及びポート２にそれぞれ接続されることを目的とする一次接続３９１、３９２を備える。各ポートＡ〜Ｈは、デュアルビーム形成ネットワーク４０の各二次接続３５Ａ〜３５Ｈに接続される。第１の列３２のポートＡに対応する垂直偏波線形配列と第２の列３４のポートＧに対応する垂直偏波線形配列とは、第１の二次電力結合器／分割器３６１と、それぞれ位相シフトαＡ及びαＧを与える可変移相器３７Ａ及び３７Ｇとを備える第１の移相ネットワークを介して、接続されている。第１の列３２のポートＤに対応する水平偏波線形配列と第２の列３４のポートＦに対応する水平偏波線形配列とは、第２の二次電力結合器／分割器３６２と、それぞれ位相シフトαＤ及びαＦを与える可変移相器３７Ｄ及び３７Ｆとを備える第１の移相ネットワークを介して、接続されている。結合されたポートＡＧ及びＤＦは、続いて、一次電力結合器／分割器３８によって、一次接続３９１を介してアンテナ・ポート１に結合する。同様に、アンテナ・ポート２は、図１３にて図示したように、ビーム形成ネットワーク４０２を用いて、ポートＣ、Ｅ、Ｂ及びＨを結合することによって形成される。この構成により、アンテナ・ポート１及びポート２のアンテナ電力パターンのビーム幅及び／又は指向方向は、位相角αＡ、αＢ、αＣ、αＤ、αＥ、αＦ、αＧ、及びαＨを適切に選択することによって変えてもよい。
【００４４】
なお、以下に示すように、アンテナ・ポート１の水平及び垂直偏波放射素子間の位相差が、アンテナ・ポート２の水平及び垂直偏波放射素子間の位相差に対して適切に選択される場合、アンテナ・ポート１及びアンテナ・ポート２のビームは、全ての方位角に対して直交偏波を有することになる。
【００４５】
実施形態３
一例として、図１１〜１３に関して説明したような、第１のデュアルビームアンテナをシミュレートする。ここで、各列の配列素子の数は１２個（すなわち、Ｍ＝６）であり、配列素子間の列離隔距離ＤＨ、したがって、異なる列に配置される第１及び第２の位相中心間の距離は、半分の波長（ＤＨ＝０．５λ）になるように選択され、９０°の電力半値ビーム幅を有する放射素子パターンを仮定している。
【００４６】
図１４は、第１のデュアルビームアンテナ及び、空間的ビーム指向角φ（α）について表された異なる角度αに対する可変位相：
αＡ−αＧ＝αＦ−αＤ＝αＢ−αＨ＝αＥ−αＣ＝α
に対する予測方位角ビーム・パターンを示すものである。曲線１（０；０）及び曲線２（０；０）（各アンテナ・ポートに対して、φ＝０を示す）は重複しており、同様に、曲線１（１７；−１７）及び曲線２（−１７；１７）、曲線１（２３；−２３）及び曲線２（−２３；２３）、曲線１（２７；−２７）及び曲線２（−２７；２７）、曲線１（３０；−３０）及び曲線２（−３０；３０）はペアのように一致する、すなわち、アンテナ・ポート１及び２に対応づけられた放射パターンは重複する。方位角ビーム・パターンに対して、電力半値帯域は、それぞれ、５０、５６、６５、７７及び９０度である。
【００４７】
空間的角度φと位相差αの関係は、
【数３】
及びその逆である
【数４】
によって与えられる。
【００４８】
図１５は、第１のデュアルビームアンテナの対応する仰角パターンを示す。
【００４９】
図１６は、第１のデュアルビームアンテナと同じ構成だが、以下の式に従って設定される位相差αＡ−αＧ、αＤ−αＦ、αＢ−αＨ、及びαＣ−αＥを有する構成に対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
φ（αＡ−αＧ）−１７°＝φ（αＤ−αＦ）＋１７°＝φ（αＣ−αＥ）＋１７°＝φ（αＢ−αＨ）−１７°＝δ
式中、δ＝［０°、１０°、及び２０°］である。曲線１（１７；−１７）は曲線２（−１７；１７）に等しく、δ＝０°、すなわち、φ（αＡ−αＧ）＝φ（αＢ−αＨ）＝１７°及びφ（αＤ−αＦ）＝φ（αＣ−αＥ）＝−１７°であることを示し、同様に、曲線１（２７；−７）は曲線２（−７；２７）に等しく、δ＝０°であり、曲線１（３７；３）は曲線２（３；３７）に等しく、δ＝２０°であることを示す。空間的ビーム指向角φ（ポートＡＧ、ＢＨ、ＣＥ及びＢＨに関して）は、アンテナビームオフセットの０°、１０°、及び２０°それぞれに加えて＋／−１７°である。方位角ビーム・パターンに関して、電力半値帯域はすべての設定に対して５６度である。
【００５０】
図１７は、対応する仰角パターンを示す。
【００５１】
図１８は、本発明に係る第２のデュアルビームアンテナを得るために図１１及び図１２に図示したように配電網に接続されることを目的とする本発明に係るデュアルビーム形成ネットワークの第２の実施形態を示すものであり、ポートＡＧをポートＢＨに結合してアンテナ・ポート１を形成し、同様にポートＣＥをポートＤＦに結合してアンテナ・ポート２を形成する。
【００５２】
図１３において説明された構成の代わりに図１８の構成を用いる場合、図１４〜１７にて開示したように同様の方位角ビーム・パターンが得られる。
【００５３】
図１９は、Ｒ個のグループを有する、本発明に係るアンテナ構成（左側）を示すものであり、各グループは、６個の二重偏波配列素子を有する。右側には、グループ「ｒ」内の放射素子のインデックスを示す。素子は１２個の線形配列を形成するように配置されており、各々がポートＡ〜Ｌに接続される。
【００５４】
図２０は、移相器及び電力結合器／分割器からなる、本発明に係るビーム幅及びビーム指向調整用ビーム形成ネットワークを示す。
【００５５】
図１９及び図２０は、共に、本発明に係るアンテナの第３の実施形態を図示しており、この例では、各ビームが可変的なビーム幅及びビーム指向を有する、直交偏波を有するデュアルビームアンテナである。デュアルビームアンテナは、列離隔距離ＤＨと行離隔距離ＤＶとを有する、二重偏波配列素子５１のＲ個のグループを３列５２〜５４で有するアンテナ構成５０を備える。本実施形態では、各グループ「ｒ」は、６個の垂直偏波放射素子Ａｒ、Ｃｒ、Ｅｒ、Ｇｒ、Ｉｒ、及びＫｒと、６個の水平偏波放射素子Ｂｒ、Ｄｒ、Ｆｒ、Ｈｒ、Ｊｒ、及びＬｒ（ｒ＝１〜Ｒ）とを備え、Ｒは少なくとも１（Ｒ≧１）であり、好ましくは２よりも大きい（Ｒ＞２）。各配列素子は、２つの給電点である、垂直偏波に対する第１の給電点及び水平偏波に対する第２の給電点を有する（図１９を参照）。図１１〜１３に関連して説明されたアンテナの第２の実施形態との違いは、この例におけるアンテナは２列ではなく３列で二重偏波配列素子を備えることであるが、可変的なビーム幅及びビーム指向を達成する原理は同じことである。
【００５６】
各列のすべての第２の放射素子の各給電点は、好ましくは仰角ビーム形成ネットワークとして実施される配電網を介して接続され、結果として、列Ａ〜Ｄ、Ｅ〜Ｈ、及びＩ〜Ｌごとにそれぞれ４つのポートとなる（図１９を参照）。したがって、アンテナ素子ポートＡ１〜ＡＲは、第１の配電網（図示せず）を介して、垂直偏波を有するＲ個の素子の垂直線形配列を形成するポートＡに接続される。アンテナ素子ポートＢ１〜ＢＲは、第２の配電網（図示せず）を介して、水平偏波を有するＲ個の素子の水平線形配列を形成するポートＢに接続される。同様に、アンテナ素子Ｃ１〜ＣＲからＬ１〜ＬＲは、ポートＣ〜Ｌを形成する個々の仰角ビーム形成ネットワークを介して接続される。したがって、各列は全部で１２個のポートにＡ〜Ｌを提供する二重偏波素子の２つの交互配置されたＲ個の素子の線形配列から成る（図１９を参照）。
【００５７】
１２個のポートであるポートＡ〜ポートＬは、図２０にて図示したように、ビーム形成ネットワーク６０（２つの別々のビーム形成ネットワーク６０１及び６０２を備える）の第３の実施形態によって、２つのアンテナ・ポートであるポート１及びポート２に結合される。別々のビーム形成ネットワーク６０１、６０２は、各々、アンテナ・ポート１及びポート２にそれぞれ接続されることを目的とする一次接続５９１、５９２を備える。各ポートＡ〜Ｌは、デュアルビーム形成ネットワーク６０の各二次接続５５Ａ〜５５Lに接続される。第１の列５２のポートＡに対応する垂直偏波線形配列、第２の列５３のポートＧに対応する垂直偏波線形配列、及び、第３の列５４のポートＩに対応する垂直偏波線形配列は、第１の二次電力結合器／分割器５６１と、それぞれ位相シフトαＡ、αＧ、及びαＩを与える可変移相器５７Ａ、５７Ｇ、及び５７Ｉとを備える第１の移相ネットワークを介して、接続される。第１の列５２のポートＢに対応する水平偏波線形配列、第２の列５３のポートＨに対応する水平偏波線形配列、及び、第３の列５４のポートＪに対応する水平偏波線形配列は、第２の二次電力結合器／分割器５６２と、それぞれ位相シフトαＢ、αＨ、及びαＪを与える可変移相器５７Ｂ、５７Ｈ、及び５７Ｊとを備える第２の移相ネットワークを介して、接続される。
【００５８】
結合されたポートＡＧＩ及びＤＦＪは、続いて、一次電力結合器／分割器５８によって、一次接続５９１を介してアンテナ・ポート１に結合される。同様に、アンテナ・ポート２は、図２０にて図示したように、ビーム形成ネットワーク６０２を用いて、ポートＣ、Ｅ、Ｋ、Ｄ、Ｆ、及びＬを結合することによって形成される。上述の例と同様で、この構成によって、以下に示すように、位相角αＡ〜αＬを適切に選択することによって、アンテナ・ポート１及びポート２のアンテナ電力パターンのビーム幅及び／又は指向方向を変更することが可能になる。
【００５９】
実施形態４
一例として、図１９〜２０に関して説明したような、第２のデュアルビームアンテナをシミュレートする。ここで、各列の配列素子の数は１２個（すなわち、Ｒ＝６）であり、配列素子間の列離隔距離ＤＨ、したがって、異なる列に配置される第１及び第２の位相中心の間の距離は、半分の波長（ＤＨ＝０．５λ）になるように選択され、９０°の電力半値ビーム幅を有する放射素子パターンを仮定している。
【００６０】
図２１は、第２のデュアルビームアンテナ及び可変位相に対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【００６１】
同じ空間的離隔距離を有しているため、線形スロープ、すなわち、２つの隣接する配列素子間の同じ位相差が与えられる。曲線１（０；０）及び曲線２（０；０）（各アンテナ・ポートに対して、φ＝０を示す）は重複しており、同様に曲線１（１０；−１０）及び曲線２（−１０；１０）、曲線１（１６；−１６）及び曲線２（−１６；１６）、曲線１（１９；−１９）及び曲線２（−１９；１９）はペアのように一致する、すなわち、アンテナ・ポート１及び２に対応づけられた放射パターンは重複する。方位角ビーム・パターンに対して、それぞれの電力半値帯域は、３５、４１、５５、及び６７度である。
【００６２】
図２２は、第２のデュアルビームアンテナの対応する仰角パターンを示す。
【００６３】
図１、図１１及び図１９に関連して説明された配列素子は、二重偏波放射素子を有する配列素子として図示されているが、本発明は、これに限られるものではないことに留意されたい。本明細書から当業者には自明であるように、配列素子が重なっていれば、単一偏波放射素子を有する配列素子を用いて、同様な挙動を生じさせることは可能である。
【００６４】
図２３及び図２４は、どのようにアンテナが２つの配列素子（シングルビームアンテナ用）に、又は、４つの配列素子（デュアルビームアンテナ用）に分けられるかを図示する。配列素子は、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波に対応づけられた第２の給電点を有する。網掛け部分は、各配列素子を実施するために必要なアンテナ表面を示す。
【００６５】
図２３において、シングルアンテナ・ポート１を設けたアンテナは、アンテナ表面に配置される２つの配列素子を備える。給電点は、図１のグループのインデックスを参照して図示されている。
【００６６】
アンテナ構成は、隣同士に配置される２つの配列素子によって実現してもよい。第１の偏波に対応づけられた第１の給電点「Ａ」及び第２の偏波に対応づけられた第２の給電点「Ｂ」を有する第１の配列素子と、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点「Ｃ」及び第２の偏波に対応づけられた第２の給電点「Ｄ」を有する第２の配列素子である。配列素子ごとに、異なる偏波に対する位相中心が、同じ列に配列されているものと考えてもよい。
【００６７】
同じアンテナ構成は、互い重なり合う２つの配列素子によって実現してもよい。第１の偏波に対応づけられた第１の給電点「Ａ」及び第２の偏波に対応づけられた第２の給電点「Ｄ」を有する第１の配列素子と、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点「Ｃ」及び第２の偏波に対応づけられた第２の給電点「Ｂ」を有する第２の配列素子である。配列素子ごとに、異なる偏波に対する位相中心が、異なる列に配列されているものと考えてもよい。
【００６８】
配列素子は、また、給電ネットワークを介して各偏波に共通の給電点に相互接続する複数の放射素子を備えてもよい。これの一例を、図２４にて説明する。
【００６９】
当該アンテナは、２つの列に配置される１２個の二重偏波放射素子を備える。放射素子は、例えば、図１３又は図１８に関連して開示したように、ビーム形成ネットワークを介して２つのアンテナ・ポート１及び２に接続される。給電点は、図１１のグループのインデックスを参照して図示されている。
【００７０】
このアンテナ構成は、図１１〜１３に関連してすでに説明したが、多数の異なる方法で実現されてもよい。図２４には、変形例が４つの配列素子を含んで示されおり、アンテナ構成を実現するために重なり合っている。第１の配列素子は、第１の偏波を有する第１の列において、全ての第２の放射素子に接続される第１の給電点「Ａ」と、第２の偏波を有する第２の列において、全ての第２の放射素子に接続される第２の給電点「Ｆ」と、を有する。同様に、第２の配列素子は、給電点Ｄ及びＧを有し、第３の配列素子は、給電点Ｂ及びＥを有し、第４の配列素子は、給電点Ｃ及びＨを有する。
【００７１】
上記した実施形態では、単一偏波又は二重偏波配列素子によって生じる垂直及び水平の偏波として、異なる偏波の例をあげた。放射素子は、最も簡単な実施態様を図示し、更に、発明の概念を明確に記載するために用いた。しかし、２つ偏波の差が大体９０度（すなわち基本的に直交）である限り、他の偏波（例えば＋４５度／−４５度又は＋６０度／−３０度）を有する配列素子を用いてもよいことに留意されたい。さらに、第１の列の０／＋９０度の偏波を有する配列素子と、第２の列の−２０／＋７０度の偏波を有する配列素子とを有することも考えられる。その場合、異なる列に配置される配列素子の全ての偏波が同じになるように、配列素子の給電を適合させる必要がある。これは、偏波変成器を直接配列素子ポートに適用することで、全ての配列素子が同じ偏波を有するようにすることで達成してもよい。偏波変成器は、好ましくは、配列素子の一部であると見なされ、それによって偏波は全ての配列素子に対して同一となる。
【００７２】
図２５も、図２６ａ〜２６ｄに関連して、配列素子の他の構成を用いて、上記と同じ特性を有するアンテナを得る可能性を図示するものである。
【００７３】
図２５は、２列に配置される配列素子を有する一般的なアンテナ構成７０を示す。各列は、１０個の配列素子を備える。配列素子Ｘ１〜Ｘ１０は第１の列に配置され、配列素子Ｙ１〜Ｙ１０は第２の列に配置される。この一般的な例において、各配列素子は二重偏波されており、第１の給電点７１（実線によって示される）及び第２の給電点７２（破線によって示される）を有する。第１の偏波を有する配列素子の中の放射素子は、第１の給電点７１に接続され、第１の偏波に直交する第２の偏波を有する放射素子は、第２の給電点７２に接続される。
【００７４】
配列素子Ｘ１〜Ｘ１０の給電点は、配電網（図示せず）を介して多くのポートに接続される。配列素子Ｙ１〜Ｙ１０の給電点は、配電網（図示せず）を介して同数のポートに接続される。ポートの数は、上記のように、何個の配列素子がグループに含まれるかに依存し、グループに二重偏波を有する２つの配列素子のみが含まれる場合は、各列の配列素子の給電点は、２つのポートに接続されることになる（図１を参照）。しかし、グループに二重偏波を有する４つの配列素子が含まれる場合は、各列の配列素子の給電点は、４つのポートに接続されることになる（図１１を参照）。
【００７５】
列間の水平距離ＤＨ及び各行間の垂直距離ＤＶは、通常、マルチビームアンテナを設計するときに決定された構造的なパラメータである。これらは好ましくは０．３λと１λの間に設定される。しかしながら、水平距離及び／又は垂直距離を変えることで、マルチビームアンテナの特性を変更し得るマルチビームアンテナを設計することができる。
【００７６】
図２５に図示される配列素子は、放射素子のｎ×ｍマトリクスを有する部分配列として実現されてもよい。ここで、ｎ及びｍは１以上の整数である（ｎ，ｍ≧１）。各部分配列内の各放射素子は、それぞれの給電点に接続される。
【００７７】
図２６ａ〜２６ｄは、図２５に示されるアンテナに用い得る配列素子の４つの例を示す。例示された配列素子は全て、二重偏波放射素子を備えるものであり、したがって、２つの給電点７１及び７２を備える。図２３及び図２４に関して図示したように、例示された配列素子のそれぞれは、単一偏波放射素子を有してもよいことに留意されたい。
【００７８】
図２６ａは、第１の偏波を有する第１の放射素子７４（１×１のマトリクス）に接続される第１の給電点７１、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波を有する第２の放射素子７５に接続される第２の給電点７２を有する簡単な二重偏波配列素子７３を図示する。
【００７９】
図２６ｂは、第１の偏波を有する第１の放射素子７４の２×１のマトリクスに接続される第１の給電点７１、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波を有する第２の放射素子７５の２×１のマトリクスに接続される第２の給電点７２を有する二重偏波配列素子７６を図示する。
【００８０】
図２６ｃは、第１の偏波を有する第１の放射素子７４の１×２のマトリクスに接続される第１の給電点７１、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波を有する第２の放射素子７５の１×２のマトリクスに接続される第２の給電点７２を有する二重偏波配列素子７７を図示する。
【００８１】
図２６ｄは、第１の偏波を有する第１の放射素子７４の２×２のマトリクスに接続される第１の給電点７１、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波を有する第２の放射素子７５の２×２のマトリクスに接続される第２の給電点７２を有する二重偏波配列素子７８を図示する。
【００８２】
図２５において説明される一般的なアンテナ構成の配列素子は全て、例えば、同じタイプの二重偏波配列素子７７を有していてもよいが、当然、アンテナ構成の全ての配列素子が異なっていることも可能である。重要な特徴は、配列素子が、直交する偏波に対応づけられた２つの給電点を備え、各偏波に対応づけられた位相中心が、上記のように、少なくとも２列で配置される、ということである。
【００８３】
実施形態５
図２７は、アンテナ構成８１、４つの配電網８２Ａ〜８２Ｄ、及びビーム形成ネットワーク８３を備える、本発明に係る第３のシングルビームアンテナ８０を示す。当該アンテナは、２つの異なるタイプ７８及び７９の、８個の交互配置された配列素子の一列を備える。各配列素子は、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点（及び、第１の位相中心）、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波に対応づけられた第２の給電点（及び、第２の位相中心）を有する。第１のタイプの配列素子７８の第１の位相中心は、第１の列に配置され、第２の配列素子７９の第１の位相中心は、第２の列に配置される。配列素子の第１のタイプ７８及び第２のタイプ７９の第２の位相中心には正反対のものを適用する。各配電網は、同じタイプの配列素子のそれぞれの給電点をポート（Ａ〜Ｄ）に接続するように構成され、ビーム形成ネットワーク８３を介して、ポート（Ａ〜Ｄ）をシングルアンテナ・ポート１に接続する。
【００８４】
この例では、配列素子は４つのグループ１〜４に分けられ、各配列素子は２つの単一偏波放射素子を備え、各単一偏波放射素子は、それぞれの給電点に接続される。各グループ「ｓ」は、垂直偏波放射素子Ａｓ及び水平偏波放射素子Ｂｓを有する第１のタイプの配列素子７８と、水平偏波放射素子Ｃｓ及び垂直偏波放射素子Ｄｓを有する第２のタイプの配列素子７９と、を備える。放射素子Ａｓ及びＣｓの位相中心は第１の列８４に配置され、放射素子Ｂｓ及びＤｓの位相中心は第２の列８５に配置される。第１の列８４の垂直放射素子、すなわち、Ａ１〜Ａ４は、第１の配電網８２Ａを介してポートＡに接続され、第１の列８４の水平放射素子、すなわち、Ｃ１〜Ｃ４は、第２の配電網８２Ｃを介して、ポートＣに接続される。同様のことが、第２の列８５の放射素子にも当てはまる。すなわち、放射素子Ｂ１〜Ｂ４は、第３の配電網を介してポートＢに接続され、放射素子Ｄ１〜Ｄ４は、第４の配電網を介してポートＤに接続される。配電網は、好ましくは、別々の仰角ビーム形成ネットワークとして実施される。
【００８５】
４つのポートであるポートＡ〜ポートＤは、ビーム形成ネットワーク８３によって、１つのアンテナ・ポートであるポート１に結合する。ビーム形成ネットワーク８３は、アンテナ・ポート１及び４個の二次接続８６Ａ〜８６Ｄに接続されることを目的とする一次接続８９を備える。各ポートＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、ビーム形成ネットワーク８３のそれぞれの二次接続に接続される。第１の列８４のポートＡに対応する垂直偏波線形配列と第２の列８５のポートＤに対応する垂直偏波線形配列とは、第１の一体型電力結合器／分割器兼移相装置８７１を介して接続される（図４に関連して説明されたものと同様である）。第１の列８４のポートＣに対応する水平偏波線形配列と第２の列８５のポートＢに対応する水平偏波線形配列とは、第２の一体型電力結合器／分割器兼移相装置８７２を介して接続される。結合されたポートＡＤ及びＢＤは、続いて、異なる偏波を有する放射素子間で電力を結合／分割する一次電力結合器／分割器８８を介してアンテナ・ポート１に接続される。
【００８６】
実施形態６
図２８は、配列素子が垂直方向であり、第１のタイプの配列素子７８が第１の列９４に配置され、第２のタイプの配列素子７９が第２の列９５に配置されること以外、図２７において説明されたものと同様なアンテナ構成を備える、本発明に係る第３のデュアルビームアンテナ９０を示す。配列素子は、２つのグループにのみ分けられて、各グループ「ｔ」は４つの配列素子を有する。単一偏波放射素子Ａｔ、Ｂｔ、Ｅｔ、及びＦｔは、第１のセットに属し、単一偏波放射素子Ｃｔ、Ｄｔ、Ｇｔ、及びＨｔは、第２のセットに属す。第１のタイプの配列素子７８の第１の位相中心及び第２の位相中心は、第１の列９４に配置され、第２のタイプの配列素子７９の第１の位相中心及び第２の位相中心は、第２の列９５に配列されるものとする。
【００８７】
８個のポート、すなわちポートＡ〜ポートＨは、２つのビーム形成ネットワーク９３１及び９３２によって、２つのアンテナ・ポート、すなわちポート１及びポート２に結合する。各ビーム形成ネットワークは、それぞれのアンテナ・ポート及び４個の二次接続に接続されることを目的とする一次接続を備える。各ポートＡ〜Ｈは、ビーム形成ネットワークのそれぞれの二次接続に接続される。各列における全ての第２の配列素子のそれぞれの給電点は、好ましくは仰角ビーム形成ネットワークとして実施される別々の配電網９２Ａ〜９２Ｈを介して、ポートＡ〜Ｈに接続される（図２８を参照）。
【００８８】
４つのポートＡ、Ｂ、Ｅ、及びＦは、第１のビーム形成ネットワーク９３１に接続される。第１の列９４のポートＡに対応する垂直偏波線形配列と第２の列９５のポートＦに対応する垂直偏波線形配列とは、第１の一体型電力結合器／分割器兼移相装置９７１を備える第１の移送ネットワークを介して接続される（図４に関連して説明されたものと同様である）。第１の列９４のポートＢに対応する水平偏波線形配列と第２の列９５のポートＥに対応する水平偏波線形配列とは、第２の一体型電力結合器／分割器兼移相装置８７２を備える第２の移送ネットワークを介して接続される。結合されたポートＡＦ及びＢＥは、続いて、第１のセットに属す放射素子間で電力を結合／分割し、異なる偏波を有する一次電力結合器／分割器９８１を介してアンテナ・ポート１に接続される。
【００８９】
同様に、ポートＣ、Ｄ、Ｇ、及びＨは、第２のビーム形成ネットワーク９３２を介してアンテナ・ポート２に接続される。
【００９０】
上記した実施形態の全てにおいて、電気的傾斜を実施することが可能であるが、本発明に対して更なる影響はない。さらにまた、図３、４、１３、１８、２０、２７、及び２８に関連して説明される結合器／分割器は、変数（又は、少なくとも固定で不均等の電力分割）を有してもよい。不均等な結合／分割は、一次及び二次結合器／分割器に対して実施してもよいが、一次結合器／分割器に対する方がより効果的である。
【００９１】
上述の実施形態に関連して説明された各給電ネットワークは、ビーム形成ネットワークと複数の配電網とを備える。各配電網は、ビーム形成ネットワークの各二次接続を、各列に配置される第１の位相中心を有する接続配列素子の第１の給電点に排他的に接続する、又は、ビーム形成ネットワークのそれぞれの二次接続を、各列に配置される第２の位相中心を有する接続配列素子の第２の給電点に排他的に接続する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム幅及びビーム指向性などの可変ビーム特性を有するアンテナに関する。本発明は、また、そのようなアンテナを備える通信装置及び通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで移動通信に用いられるほぼ全ての基地局アンテナは、意図的に、大体一定の特性を有する。１つの例外は、頻繁に使われる特徴である電気的ビーム傾斜である。加えて、製品の中には、ビーム幅及び／又は方向を変えることができるものも存在する。
【０００３】
配置後に特性（パラメータ）を変えることができる、つまり、調整することができるアンテナを配備することは、以下のことが可能になるため、関心を引いている。すなわち、
【０００４】
−長期ベースでパラメータを変えることによって、ネットワークを調整すること、
−例えば２４時間にわたるトラフィック負荷における変化を処理するために、短期ベースでネットワークを調整すること、である。
【０００５】
したがって、このような特徴を達成するためには、ビーム幅を調整して、ビーム指向方向を調整することができる必要がある。
【０００６】
これらの特徴は、現在、アンテナのパーツを機械的に回転又は移動することに基づいて実施されており、結果として、比較的難しい機械的デザインになっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、従来の解決案と比較して、よりフレキシブルでより簡単な設計を有する可変ビーム特性を有するアンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、以下の可変ビーム特性を有するアンテナによって成し遂げられる。すなわち、複数の配列素子であって、各配列素子は、第１の偏波に対応付けられた第１の給電点、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波に対応付けられた第２の給電点を備える、複数の配列素子と、第１の偏波に対応付けられた第１の位相中心及び第２の偏波に対応付けられた第２の位相中心を有し、前記配列素子の第１及び第２の位相中心は、少なくとも２列に配置される、各配列素子と、１以上のアンテナ・ポートであって、各アンテナ・ポートは、それぞれの給電ネットワークを介して前記少なくとも２列に配置される第１の位相中心及び第２の位相中心を有する少なくとも２つの配列素子の第１及び第２の給電点に接続される、１以上のアンテナ・ポートと、を備える可変ビーム特性を有するアンテナである。前記それぞれの給電ネットワークは、それぞれのアンテナ・ポートに接続される一次接続及び少なくとも４つの二次接続を有するビーム形成ネットワークを備え、当該ビーム形成ネットワークは、前記接続配列素子の第１の給電点と第２の給電点との間で電力を分け、異なる列に配置される位相中心を有する接続配列素子の第１の給電点間、及び、異なる列に配置される第２の位相中心を有する接続配列素子の第２の給電点間の位相シフト差を制御するよう構成される。
【０００９】
本発明による利点は、可変ビーム幅及び／又はビーム指向を有するアンテナを達成しうるということである。ビーム幅及び／又はビーム指向は、簡単な可変移相器によって制御することができる。可変移相器は、例えば、リモートの電気的傾斜制御を目的として基地局アンテナにおいて多用される同様な技術に基づくことができる。
【００１０】
更なる目的及び利点は、当業者であれば、詳細な説明から見出せるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明は、非制限的な例として提供される以下の図面に関連して記載されている。
【図１】本発明を実施するために用いることができる第１のアンテナ構成を示す。
【図２】仰角ビーム形成に用いることができる図１のアンテナ構成の配電網の例を示す。
【図３】本発明に係る第１のシングルビームアンテナを得るために図１及び２にて図示したように配電網に接続されることを目的とする本発明に係るビーム形成ネットワークを示す。
【図４】図３のビーム形成ネットワークの実施態様を示す。
【図５】位相差の第１のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のシングルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図６】位相差の第１のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のシングルビームアンテナに対する予測仰角ビーム・パターンを示す。
【図７】位相差の第２のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．７λを有する本発明に係る第１のシングルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図８】位相差の第２のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．７λを有する本発明に係る第１のシングルビームアンテナに対する予測仰角ビーム・パターンを示す。
【図９】位相差の第３のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．７λを有する本発明に係る第２のシングルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図１０】位相差の第４のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．７λを有する本発明に係る第２のシングルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図１１】本発明を実施するのに用いることができる第２のアンテナ構成を示す。
【図１２】仰角ビーム形成に用いることができる図１１のアンテナ構成の配電網の例を示す。
【図１３】本発明に係る第１のデュアルビームアンテナを得るために図１１及び１２にて図示したように配電網に接続されることを目的とする本発明に係るデュアルビーム形成ネットワークの第１の実施形態を示す。
【図１４】位相差の第１のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のデュアルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図１５】位相差の第１のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のデュアルビームアンテナに対する予測仰角ビーム・パターンを示す。
【図１６】位相差の第２のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のデュアルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図１７】位相差の第２のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第１のデュアルビームアンテナに対する予測仰角ビーム・パターンを示す。
【図１８】本発明に係る第２のデュアルビームアンテナを得るために図１１及び１２にて図示したように配電網に接続されることを目的とする本発明に係るデュアルビーム形成ネットワークの第２の実施形態を示す。
【図１９】本発明を実施するために用いることができる第３のアンテナ構成を示す。
【図２０】本発明に係る第２のデュアルビームアンテナを得るために図１９にて図示したように配電網に接続されることを目的とする本発明に係るデュアルビーム形成ネットワークの第３の実施形態を示す。
【図２１】位相差の第５のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第２のデュアルビームアンテナに対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【図２２】位相差の第５のセットにおける列離隔距離ＤＨ＝０．５λを有する本発明に係る第２のデュアルビームアンテナに対する予測仰角ビーム・パターンを示す。
【図２３】本発明に係るシングルビームアンテナの配列素子の異なる実施態様を示す。
【図２４】本発明に係るデュアルビームアンテナの配列素子の実施態様の例を示す。
【図２５】本発明を実施するために用いることができる一般的なアンテナ構成を示す。
【図２６ａ】図２６ａは、配列素子の実施態様の４つの変形例を示す。
【図２６ｂ】図２６ｂは、配列素子の実施態様の４つの変形例を示す。
【図２６ｃ】図２６ｃは、配列素子の実施態様の４つの変形例を示す。
【図２６ｄ】図２６ｄは、配列素子の実施態様の４つの変形例を示す。
【図２７】本発明に係る第３のシングルビームアンテナを示す。
【図２８】本発明に係る第３のデュアルビームアンテナを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の基本的概念は、可変ビーム幅及び／又はビーム指向を有するアンテナである。当該アンテナは、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点と、第１の偏波に直交する第２の偏波に対応づけられた第２の給電点を各々有する複数の二重偏波配列素子を備えている。各配列素子は２つの位相中心、すなわち、１つ目は第１の偏波に対応づけられ、２つ目は第２の偏波に対応づけられた位相中心を有する。第１の位相中心及び第２の位相中心は、一致してもよいし、実際の配列素子構成によって異なっていてもよい。
【００１３】
位相中心とは、以下のように定義される。「アンテナに対応づけられた地点の場所であって、その地点を半径が遠距離電磁界に延びる球形の中心とする場合、放射球面の表面の上の所与の界成分の位相が、少なくとも上記表面で放射が重要となる部分の上では、基本的に固定となる場所」ＩＥＥＥ標準 アンテナ用語の定義、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ １４５−１９９３（ＩＳＢＮ １−５５９３７−３１７−２））を参照されたい。
【００１４】
以下に図示した例において、複数の配列素子の第１及び第２の位相中心は、異なる列に配置される第１の位相中心間の距離が、好ましくは、本発明を用いて送信／受信される信号の０．３波長よりも大きく、より好ましくは、０．５波長よりも大きくなるように、少なくとも２つの列に配置される。同じことを、異なる列に配置される第２の位相中心にも適用する。各列に関して、同じ偏波に対応づけられた少なくとも１つの給電点は、配電網を介して接続され、結果として、二重偏波配列素子が用いられる場合、列当たり少なくとも１つの線形配列となる。
【００１５】
同じ偏波だが異なる列からの線形配列は、移相器及び電力分割装置を介して結合される。移相器及び電力分割装置は、可変的な相対位相差を有する電力を分割する。その結果、各偏波に対する１以上のビームポートとなり、ここで、ビームに対する水平ビーム指向は、当該ビームポートに対応づけられた移相器及び電力分割装置の可変的な位相差によって制御することができる。ビームの少なくとも１つは１つの偏波を有し、ビームの少なくとも１つは第１の偏波に直交する第２の偏波を有する。
【００１６】
直交する偏波のビームポートは、一対ずつ結合されて、１以上のアンテナ・ポートを有するアンテナを提供する。この技術によって、１以上のアンテナ・ポートに対応づけられたビームのビーム幅及びビーム指向は、移相器及び電力分割装置上の相対位相差を変化させることによって制御することができる。
【００１７】
以下において、配列素子は、二重偏波放射素子、すなわち、直交する偏波の２つの単一偏波素子として図示されており、列離隔距離及び行離隔距離を有する１又は２列に配置される。各実施形態の説明においてはっきりと明示されていない場合であっても、これらの実施形態は第１の位相中心及び第２の位相中心を少なくとも２列に配置するという要件を果たすものである。
【００１８】
図１は、Ｎ個の配列素子グループを有するアンテナ構成（左側）を示すものであり、各配列素子は、２つの二重偏波放射素子を有する。右側には、グループ「ｎ」内の放射素子のインデックスを示す。素子は４つの線形配列を形成するように配置されており、各々がポートＡ〜Ｄに接続される。本実施形態において、各二重偏波配列素子１１は、第１の偏波、例えば、垂直偏波に対応づけられた第１の位相中心と、第２の偏波、すなわち、第１の偏波が垂直である場合は水平偏波に対応づけられた第２の位相中心を有する。全ての配列素子は本実施形態において同一であり、配列素子１１の第１の位相中心は２列に配置され、配列素子の第２の位相中心も２列に配置され、各列はＮ個の配列素子を含んでいる。
【００１９】
図２は、ポートＡ及びポートＢの配電網の例を示し、図３は、移相器及び電力結合器／分割器からなる、ビーム幅及びビーム指向調整用ビーム形成ネットワークを示す。
【００２０】
図１〜３は共に本発明に係るアンテナの第１の実施形態を図示するものであり、この例ではシングルビームアンテナである。シングルビームアンテナは、二重偏波配列素子１１のＮ個のグループを２列有するアンテナ構成１０を備え、列離隔距離ＤＨと行離隔距離ＤＶとを有する。本実施形態において、各グループ「ｎ」は、２つの垂直偏波放射素子Ａｎ及びＣｎと、２つの水平偏波放射素子Ｂｎ及びＤｎ（ｎ＝１〜Ｎ）とを備える。Ｎは少なくとも１（Ｎ≧１）、好ましくは２よりも大きい（Ｎ＞２）。各配列素子１１は、２つの給電点（図示せず）を有しており、第１の給電点は垂直偏波に対応づけられ、すなわち、第１の列１２における放射素子Ａｎ及び第２の列１４の放射素子Ｃｎにそれぞれ接続し、第２の給電点は水平偏波に対応づけられ、すなわち、第１の列１２における放射素子Ｂｎ及び第２の列１４の放射素子Ｄｎにそれぞれ接続している（図１を参照）。
【００２１】
左側の列１２の放射素子Ａｎに接続される第１の給電点は、好ましくは、仰角ビーム形成ネットワークとして実施される第１の配電網１３Ａを介してポートＡに接続されており、左側の列１２の放射素子Ｂｎに接続される第２の給電点は、好ましくは、仰角ビーム形成ネットワークとして実施される第２の配電網１３Ｂを介してポートＢに接続されている（図２を参照）。同様に、右側の列１４の放射素子Ｃｎ及びＤｎに接続される給電点は、好ましくは、仰角ビーム形成ネットワークとして実施される別々の配電網（図示せず）を介して、それぞれ、ポートＣ及びポートＤに接続される。このように、列ごとに、配電網は同じ偏波を有する配列素子１１の給電点に排他的にポートを接続する、すなわち、ポートＡを放射素子Ａ１〜ＡＮに、ポートＢを放射素子Ｂ１〜ＢＮになどのように接続する。
【００２２】
４つのポート、すなわち、ポートＡ〜ポートＤは、図３にて図示したように、ビーム形成ネットワーク２０によって、１つのアンテナ・ポート、すなわち、ポート１に結合される。ビーム形成ネットワーク２０は、アンテナ・ポート１及び４つの二次接続１５Ａ〜１５Ｄに接続されることを目的とする一次接続１９を備える。各ポートＡ、Ｂ、Ｃ及びＤは、ビーム形成ネットワーク２０の二次接続１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄに、それぞれ接続される。第１の列１２のポートＡに対応する垂直偏波線形配列及び第２の列１４のポートＣに対応する垂直偏波線形配列は、位相シフト差を制御して、列間で電力を分割する第１の移相ネットワークを介して互いに接続する。第１の移相ネットワークは、列間で電力を分割する第１の二次電力結合器／分割器１６１と、位相シフトαＡとαＣをそれぞれ与える可変移相器１７Ａ及び１７Ｃと、を備えている。第１の列１２のポートＢに対応する水平偏波線形配列及び第２の列１４のポートＤに対応する水平偏波線形配列は、列間で電力を分割する第２の二次電力結合器／分割器１６２と、位相シフトαＢとαＤをそれぞれ与える可変移相器１７Ｂ及び１７Ｄと、を備える第２の移相ネットワークを介して、互いに接続する。結合されたポートＡＣ及びＢＤは、続いて、異なる偏波を有する放射素子間で電力を分割する一次電力結合器／分割器１８を介して、アンテナ・ポート１に接続する。
【００２３】
ビーム形成ネットワーク２０及び配電網１３Ａ〜１３Ｄは、図２にて図示したように、共に、アンテナ・ポート１を２列に配置された配列素子１１のそれぞれの給電点に接続する給電ネットワークを形成する。
【００２４】
図４は、図３のビーム形成ネットワーク２０の実現する別の例を示す。２つの一体型電力結合器／分割器兼移相装置２１１と２１２とを備える移相ネットワークは、ポートＡ、Ｃ及びポートＢ、Ｄに給電するために用いられる。角度αＸＹはポートＸとポートＹ間の電気的位相角の差である。この場合、ポートＡとポートＣとの位相差αＡＣ＝αＡ−αＣと、ポートＢとポートＤとの位相差αＢＤ＝αＢ−αＤとがある。
【００２５】
同じ振幅及び位相差αＡＣを有するポートＡ及びポートＣに給電すると、方位角ビーム指向が位相差αＡＣに依存する垂直偏波ビームが生じる。この例における二重列の配置に対して、空間的な方位角ビーム指向角φと電気的位相差αの関係は、
【数１】
及びその逆である
【数２】
によって与えられる。
式中、ＤＨは列離隔距離であり、λは送信／受信される信号の波長である。
【００２６】
同様に、同じ振幅及び位相差αＢＤを有するポートＢ及びポートＤに給電すると、方位角ビーム指向が位相差αＢＤに依存する水平偏波ビームが生じる。
【００２７】
図３又は図４の一次電力結合器／分割器１８は、結合されたポートＡＣを、結合されたポートＢＤと共に、アンテナ・ポート１に結合する。結合されたポートＡＣは垂直偏波放射パターンに対応し、結合されたポートＢＤは水平偏波放射パターンに対応するため、アンテナ・ポート１の結果として生じる放射パターンは、結合されたポートＡＣの放射パターンと結合されたポートＢＤの放射パターンとの電力和に等しい。したがって、アンテナ・ポート１の放射パターンのビーム幅及びビーム指向は、図３の可変位相αＡ、αＢ、αＣ、及びαＤ、又は、図４の可変位相差αＡＣ及びαＢＤによって制御することができる。
【００２８】
なお、垂直及び水平ビームが同じ指向方向及び形状を有していない場合、ポート１のビームは方位角によって変化する偏波を有する。
【００２９】
説明を簡単にするため、図示のアンテナは全て、垂直次元に沿った配列素子の列により垂直方向であるものとみなす。以上から、水平角度は、列に平行な軸周りの角度に対応づけられており、仰角は垂直軸に対する角度に対応づけられている。しかしながら、一般に、アンテナは、いずれの向きにすることができる。
【００３０】
実施形態１
一例として、図１〜４に関して説明したような、第１のシングルビームアンテナをシミュレートする。ここで、各列の配列素子の数は１２個（すなわち、Ｎ＝１２）であり、配列素子間の列離隔距離ＤＨ、したがって、異なる列に配置される第１及び第２の位相中心の間の距離は、半分の波長（ＤＨ＝０．５λ）になるように選択され、９０°の電力半値ビーム幅を有する放射素子パターンを仮定している。
【００３１】
図５は、第１のシングルビームアンテナ及び、空間的ビーム指向角φ（α）について表される異なる角度αに対する可変位相：
αＡＣ＝−αＢＤ＝α
に対する予測方位角ビーム・パターンを示すものである。曲線（０；０）は、φ（αＡＣ）＝φ（αＢＤ）＝０を示し、曲線（１７；−１７）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝１７を示し、曲線（２３；−２３）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝２３を示し、曲線（２７；−２７）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝２７を示し、曲線（３０；−３０）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝３０を示す。方位角ビーム・パターンに対して、電力半値ビーム幅は、それぞれ、５０、５６、６５、７７及び９０度である。
【００３２】
図６は、第１のシングルビームアンテナの対応する仰角パターンを示す。５つのパターンは、互い重なっている。
【００３３】
図７は、第１のシングルビームアンテナと同じ構成だが、以下の式に従って設定される位相差αＡＣ及びαＢＤを有する構成に対して予測される方位角ビーム・パターンを示す。
φ（αＡＣ）−１７°＝φ（αＢＤ）＋１７°＝δ
式中、δ＝［０°、１０°、及び２０°］である。曲線（１７；−１７）は、δ＝０°、すなわち、φ（αＡＣ）＝１７°、φ（αＢＤ）＝−１７°を示し、同様に、曲線（２７；−７）はδ＝１０°を示し、曲線（３７；３）はδ＝２０°を示す。以上から、空間的ビーム指向角は、それぞれビームオフセットの０°、１０°、及び２０°に加えて＋／−１７°である。方位角ビーム・パターンに関して、電力半値帯域はすべてのオフセットに対して５６度である。
【００３４】
図８は、δ＝［０°、１０°、及び２０°］を有する第１のシングルビームアンテナの対応する仰角パターンを示す。３つのパターンは、互い重なっている。
【００３５】
実施形態２
更なる一例として、図１〜４に関して説明したような、第２のシングルビームアンテナをシミュレートする。ここで、各列の配列素子の数は１２個（すなわち、Ｎ＝１２）であり、配列素子間の列離隔距離ＤＨ、したがって、異なる列に配置される第１及び第２の位相中心間の距離は、７分の１の波長（ＤＨ＝０．７λ）になるように選択され、６５°の電力半値ビーム幅を有する放射素子パターンを仮定している。
【００３６】
図９は、第２のシングルビームアンテナ及び、空間的ビーム指向角φ（α）について表された異なる角度αに対する可変位相：
αＡＣ＝−αＢＤ＝α
に対する予測方位角ビーム・パターンを示すものである。曲線（０；０）は、φ（αＡＣ）＝φ（αＢＤ）＝０を示し、曲線（１３；−１３）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝１３を示し、曲線（１９；−１９）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝１９を示し、曲線（２２；−２２）は、φ（αＡＣ）＝−Φ（αＢＤ）＝２２を示し、曲線（２３；−２３）は、φ（αＡＣ）＝−φ（αＢＤ）＝２３を示す。方位角ビーム・パターンに対して、それぞれの電力半値帯域は、３５、４１、５５、７１、及び８３度である。
【００３７】
図１０は、第２のシングルビームアンテナであるが、以下の式に従って設定される位相差αＡＣ及びαＢＤを有する第２のシングルビームアンテナに対して予測される方位角ビーム・パターンを示す。
φ（αＡＣ）−１３°＝φ（αＢＤ）＋１３°＝δ
式中、δ＝［０°及び１０°］である。曲線（１３；−１３）は、δ＝０°、すなわち、φ（αＡＣ）＝１３°及びφ（αＢＤ）＝−１３°を示し、同様に、曲線（２３；−３）は、δ＝１０°を示す。以上から、空間的ビーム指向角φは、それぞれビームオフセットの０°及び１０°に加えて＋／−１３°である。方位角ビーム・パターンに関して、電力半値帯域は両ビームに対して４１度である。
【００３８】
上述の例は、シングルビームアンテナを説明するものである。しかしながら、移動通信システムでは、デュアルビームアンテナを達成するために、すなわち、同じ領域をカバーするが直交する偏波を有する２つのビームを有するために、二重偏波アンテナを用いることは一般的である。
【００３９】
図１１は、Ｍ個のグループを有する本発明に係るアンテナ構成（左側）を示しており、各グループは、４つの二重偏波配列素子を有し、各二重偏波配列素子は、直交する偏波に対応づけられた第１の給電点及び第２の給電点を有し、図１に関連して説明したように２列に配置される第１及び第２の位相中心を有する。右側には、グループ「ｍ」内の放射素子のインデックスを示す。素子は８個の線形配列を形成するように配置されており、各々がポートＡ〜Ｈに接続される。
【００４０】
図１２は、ポートＡ及びポートＢの配電網の例を示し、図１３は、移相器及び電力結合器／分割器からなる、ビーム幅及びビーム指向調整用ビーム形成ネットワークを示す。
【００４１】
図１１〜１３は、共に、本発明に係るアンテナの第２の実施形態を図示しており、この例では、各ビームが可変的なビーム幅及びビーム指向を有する、直交偏波のデュアルビームアンテナである。デュアルビームアンテナは、列離隔距離ＤＨと行離隔距離ＤＶとを有する、二重偏波配列素子３１を２列で有するアンテナ構成３０を備える。本実施形態では、各グループ「ｍ」は、４つの垂直偏波放射素子Ａｍ、Ｃｍ、Ｅｍ、及びＧｍと４つの水平偏波放射素子Ｂｍ、Ｄｍ、Ｆｍ、及びＨｍ（ｍ＝１〜Ｍ）とを備え、Ｍは少なくとも１（Ｍ≧１）であり、好ましくは２よりも大きい（Ｍ＞２）。各配列素子３１は、２つの給電点（図示せず）、垂直偏波に対する第１の給電点及び水平偏波に対する第２の給電点を有する。第１の給電点は、第１の列３２の放射素子Ａｍ及び放射素子Ｃｍと、第２の列３４の放射素子Ｅｍ及び放射素子Ｇｍとに接続される。第２の給電点は、第１の列３２の放射素子Ｂｍ及び放射素子Ｄｍと、第２の列３４の放射素子Ｆｍ及び放射素子Ｈｍとに接続される（図１１参照）。
【００４２】
各列のすべての第２の放射素子の各給電点は、好ましくは仰角ビーム形成ネットワークとして実施される配電網を介して接続され、結果として、列Ａ〜Ｄ及びＥ〜Ｈごとに４つのポートとなる（図１１を参照）。図１２は、好ましくは仰角ビーム形成ネットワークとして実施される配電網３３Ａ、３３Ｂの例を挙げる。放射素子Ａ１〜ＡＭに接続される給電点は、垂直偏波を有するＭ個の素子の垂直線形配列を形成しているポートＡに、配電網３３Ａを介して接続される。放射素子Ｂ１〜ＢＭに接続される給電点は、垂直偏波を有するＭ個の素子の垂直線形配列を形成しているポートＢに、配電網３３Ｂを介して接続される。同様に、放射素子Ｃ１〜ＣＭからＨ１〜ＨＭに接続される給電点は、それぞれの配電網３３Ｃ〜３３Ｈを介してポートＣ〜Ｈに接続される。したがって、各列は全部で８つのポートＡ〜Ｈを提供する二重偏波配列素子の２つの交互配置されたＭ個の素子の線形配列から成る（図１１及び１２を参照）。
【００４３】
８つのポートであるポートＡ〜ポートＨは、ここで、図１３にて図示したように、デュアルビーム形成ネットワーク４０（２つの別々のビーム形成ネットワーク４０１及び４０２を備える）の第１の実施形態によって、２つのアンテナ・ポートであるポート１及びポート２に結合される。別々のビーム形成ネットワーク４０１、４０２は、各々、アンテナ・ポート１及びポート２にそれぞれ接続されることを目的とする一次接続３９１、３９２を備える。各ポートＡ〜Ｈは、デュアルビーム形成ネットワーク４０の各二次接続３５Ａ〜３５Ｈに接続される。第１の列３２のポートＡに対応する垂直偏波線形配列と第２の列３４のポートＧに対応する垂直偏波線形配列とは、第１の二次電力結合器／分割器３６１と、それぞれ位相シフトαＡ及びαＧを与える可変移相器３７Ａ及び３７Ｇとを備える第１の移相ネットワークを介して、接続されている。第１の列３２のポートＤに対応する水平偏波線形配列と第２の列３４のポートＦに対応する水平偏波線形配列とは、第２の二次電力結合器／分割器３６２と、それぞれ位相シフトαＤ及びαＦを与える可変移相器３７Ｄ及び３７Ｆとを備える第１の移相ネットワークを介して、接続されている。結合されたポートＡＧ及びＤＦは、続いて、一次電力結合器／分割器３８によって、一次接続３９１を介してアンテナ・ポート１に結合する。同様に、アンテナ・ポート２は、図１３にて図示したように、ビーム形成ネットワーク４０２を用いて、ポートＣ、Ｅ、Ｂ及びＨを結合することによって形成される。この構成により、アンテナ・ポート１及びポート２のアンテナ電力パターンのビーム幅及び／又は指向方向は、位相角αＡ、αＢ、αＣ、αＤ、αＥ、αＦ、αＧ、及びαＨを適切に選択することによって変えてもよい。
【００４４】
なお、以下に示すように、アンテナ・ポート１の水平及び垂直偏波放射素子間の位相差が、アンテナ・ポート２の水平及び垂直偏波放射素子間の位相差に対して適切に選択される場合、アンテナ・ポート１及びアンテナ・ポート２のビームは、全ての方位角に対して直交偏波を有することになる。
【００４５】
実施形態３
一例として、図１１〜１３に関して説明したような、第１のデュアルビームアンテナをシミュレートする。ここで、各列の配列素子の数は１２個（すなわち、Ｍ＝６）であり、配列素子間の列離隔距離ＤＨ、したがって、異なる列に配置される第１及び第２の位相中心間の距離は、半分の波長（ＤＨ＝０．５λ）になるように選択され、９０°の電力半値ビーム幅を有する放射素子パターンを仮定している。
【００４６】
図１４は、第１のデュアルビームアンテナ及び、空間的ビーム指向角φ（α）について表された異なる角度αに対する可変位相：
αＡ−αＧ＝αＦ−αＤ＝αＢ−αＨ＝αＥ−αＣ＝α
に対する予測方位角ビーム・パターンを示すものである。曲線１（０；０）及び曲線２（０；０）（各アンテナ・ポートに対して、φ＝０を示す）は重複しており、同様に、曲線１（１７；−１７）及び曲線２（−１７；１７）、曲線１（２３；−２３）及び曲線２（−２３；２３）、曲線１（２７；−２７）及び曲線２（−２７；２７）、曲線１（３０；−３０）及び曲線２（−３０；３０）はペアのように一致する、すなわち、アンテナ・ポート１及び２に対応づけられた放射パターンは重複する。方位角ビーム・パターンに対して、電力半値帯域は、それぞれ、５０、５６、６５、７７及び９０度である。
【００４７】
空間的角度φと位相差αの関係は、
【数３】
及びその逆である
【数４】
によって与えられる。
【００４８】
図１５は、第１のデュアルビームアンテナの対応する仰角パターンを示す。
【００４９】
図１６は、第１のデュアルビームアンテナと同じ構成だが、以下の式に従って設定される位相差αＡ−αＧ、αＤ−αＦ、αＢ−αＨ、及びαＣ−αＥを有する構成に対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
φ（αＡ−αＧ）−１７°＝φ（αＤ−αＦ）＋１７°＝φ（αＣ−αＥ）＋１７°＝φ（αＢ−αＨ）−１７°＝δ
式中、δ＝［０°、１０°、及び２０°］である。曲線１（１７；−１７）は曲線２（−１７；１７）に等しく、δ＝０°、すなわち、φ（αＡ−αＧ）＝φ（αＢ−αＨ）＝１７°及びφ（αＤ−αＦ）＝φ（αＣ−αＥ）＝−１７°であることを示し、同様に、曲線１（２７；−７）は曲線２（−７；２７）に等しく、δ＝０°であり、曲線１（３７；３）は曲線２（３；３７）に等しく、δ＝２０°であることを示す。空間的ビーム指向角φ（ポートＡＧ、ＢＨ、ＣＥ及びＢＨに関して）は、アンテナビームオフセットの０°、１０°、及び２０°それぞれに加えて＋／−１７°である。方位角ビーム・パターンに関して、電力半値帯域はすべての設定に対して５６度である。
【００５０】
図１７は、対応する仰角パターンを示す。
【００５１】
図１８は、本発明に係る第２のデュアルビームアンテナを得るために図１１及び図１２に図示したように配電網に接続されることを目的とする本発明に係るデュアルビーム形成ネットワークの第２の実施形態を示すものであり、ポートＡＧをポートＢＨに結合してアンテナ・ポート１を形成し、同様にポートＣＥをポートＤＦに結合してアンテナ・ポート２を形成する。
【００５２】
図１３において説明された構成の代わりに図１８の構成を用いる場合、図１４〜１７にて開示したように同様の方位角ビーム・パターンが得られる。
【００５３】
図１９は、Ｒ個のグループを有する、本発明に係るアンテナ構成（左側）を示すものであり、各グループは、６個の二重偏波配列素子を有する。右側には、グループ「ｒ」内の放射素子のインデックスを示す。素子は１２個の線形配列を形成するように配置されており、各々がポートＡ〜Ｌに接続される。
【００５４】
図２０は、移相器及び電力結合器／分割器からなる、本発明に係るビーム幅及びビーム指向調整用ビーム形成ネットワークを示す。
【００５５】
図１９及び図２０は、共に、本発明に係るアンテナの第３の実施形態を図示しており、この例では、各ビームが可変的なビーム幅及びビーム指向を有する、直交偏波を有するデュアルビームアンテナである。デュアルビームアンテナは、列離隔距離ＤＨと行離隔距離ＤＶとを有する、二重偏波配列素子５１のＲ個のグループを３列５２〜５４で有するアンテナ構成５０を備える。本実施形態では、各グループ「ｒ」は、６個の垂直偏波放射素子Ａｒ、Ｃｒ、Ｅｒ、Ｇｒ、Ｉｒ、及びＫｒと、６個の水平偏波放射素子Ｂｒ、Ｄｒ、Ｆｒ、Ｈｒ、Ｊｒ、及びＬｒ（ｒ＝１〜Ｒ）とを備え、Ｒは少なくとも１（Ｒ≧１）であり、好ましくは２よりも大きい（Ｒ＞２）。各配列素子は、２つの給電点である、垂直偏波に対する第１の給電点及び水平偏波に対する第２の給電点を有する（図１９を参照）。図１１〜１３に関連して説明されたアンテナの第２の実施形態との違いは、この例におけるアンテナは２列ではなく３列で二重偏波配列素子を備えることであるが、可変的なビーム幅及びビーム指向を達成する原理は同じことである。
【００５６】
各列のすべての第２の放射素子の各給電点は、好ましくは仰角ビーム形成ネットワークとして実施される配電網を介して接続され、結果として、列Ａ〜Ｄ、Ｅ〜Ｈ、及びＩ〜Ｌごとにそれぞれ４つのポートとなる（図１９を参照）。したがって、アンテナ素子ポートＡ１〜ＡＲは、第１の配電網（図示せず）を介して、垂直偏波を有するＲ個の素子の垂直線形配列を形成するポートＡに接続される。アンテナ素子ポートＢ１〜ＢＲは、第２の配電網（図示せず）を介して、水平偏波を有するＲ個の素子の水平線形配列を形成するポートＢに接続される。同様に、アンテナ素子Ｃ１〜ＣＲからＬ１〜ＬＲは、ポートＣ〜Ｌを形成する個々の仰角ビーム形成ネットワークを介して接続される。したがって、各列は全部で１２個のポートにＡ〜Ｌを提供する二重偏波素子の２つの交互配置されたＲ個の素子の線形配列から成る（図１９を参照）。
【００５７】
１２個のポートであるポートＡ〜ポートＬは、図２０にて図示したように、ビーム形成ネットワーク６０（２つの別々のビーム形成ネットワーク６０１及び６０２を備える）の第３の実施形態によって、２つのアンテナ・ポートであるポート１及びポート２に結合される。別々のビーム形成ネットワーク６０１、６０２は、各々、アンテナ・ポート１及びポート２にそれぞれ接続されることを目的とする一次接続５９１、５９２を備える。各ポートＡ〜Ｌは、デュアルビーム形成ネットワーク６０の各二次接続５５Ａ〜５５Lに接続される。第１の列５２のポートＡに対応する垂直偏波線形配列、第２の列５３のポートＧに対応する垂直偏波線形配列、及び、第３の列５４のポートＩに対応する垂直偏波線形配列は、第１の二次電力結合器／分割器５６１と、それぞれ位相シフトαＡ、αＧ、及びαＩを与える可変移相器５７Ａ、５７Ｇ、及び５７Ｉとを備える第１の移相ネットワークを介して、接続される。第１の列５２のポートＢに対応する水平偏波線形配列、第２の列５３のポートＨに対応する水平偏波線形配列、及び、第３の列５４のポートＪに対応する水平偏波線形配列は、第２の二次電力結合器／分割器５６２と、それぞれ位相シフトαＢ、αＨ、及びαＪを与える可変移相器５７Ｂ、５７Ｈ、及び５７Ｊとを備える第２の移相ネットワークを介して、接続される。
【００５８】
結合されたポートＡＧＩ及びＤＦＪは、続いて、一次電力結合器／分割器５８によって、一次接続５９１を介してアンテナ・ポート１に結合される。同様に、アンテナ・ポート２は、図２０にて図示したように、ビーム形成ネットワーク６０２を用いて、ポートＣ、Ｅ、Ｋ、Ｄ、Ｆ、及びＬを結合することによって形成される。上述の例と同様で、この構成によって、以下に示すように、位相角αＡ〜αＬを適切に選択することによって、アンテナ・ポート１及びポート２のアンテナ電力パターンのビーム幅及び／又は指向方向を変更することが可能になる。
【００５９】
実施形態４
一例として、図１９〜２０に関して説明したような、第２のデュアルビームアンテナをシミュレートする。ここで、各列の配列素子の数は１２個（すなわち、Ｒ＝６）であり、配列素子間の列離隔距離ＤＨ、したがって、異なる列に配置される第１及び第２の位相中心の間の距離は、半分の波長（ＤＨ＝０．５λ）になるように選択され、９０°の電力半値ビーム幅を有する放射素子パターンを仮定している。
【００６０】
図２１は、第２のデュアルビームアンテナ及び可変位相に対する予測方位角ビーム・パターンを示す。
【００６１】
同じ空間的離隔距離を有しているため、線形スロープ、すなわち、２つの隣接する配列素子間の同じ位相差が与えられる。曲線１（０；０）及び曲線２（０；０）（各アンテナ・ポートに対して、φ＝０を示す）は重複しており、同様に曲線１（１０；−１０）及び曲線２（−１０；１０）、曲線１（１６；−１６）及び曲線２（−１６；１６）、曲線１（１９；−１９）及び曲線２（−１９；１９）はペアのように一致する、すなわち、アンテナ・ポート１及び２に対応づけられた放射パターンは重複する。方位角ビーム・パターンに対して、それぞれの電力半値帯域は、３５、４１、５５、及び６７度である。
【００６２】
図２２は、第２のデュアルビームアンテナの対応する仰角パターンを示す。
【００６３】
図１、図１１及び図１９に関連して説明された配列素子は、二重偏波放射素子を有する配列素子として図示されているが、本発明は、これに限られるものではないことに留意されたい。本明細書から当業者には自明であるように、配列素子が重なっていれば、単一偏波放射素子を有する配列素子を用いて、同様な挙動を生じさせることは可能である。
【００６４】
図２３及び図２４は、どのようにアンテナが２つの配列素子（シングルビームアンテナ用）に、又は、４つの配列素子（デュアルビームアンテナ用）に分けられるかを図示する。配列素子は、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波に対応づけられた第２の給電点を有する。網掛け部分は、各配列素子を実施するために必要なアンテナ表面を示す。
【００６５】
図２３において、シングルアンテナ・ポート１を設けたアンテナは、アンテナ表面に配置される２つの配列素子を備える。給電点は、図１のグループのインデックスを参照して図示されている。
【００６６】
アンテナ構成は、隣同士に配置される２つの配列素子によって実現してもよい。第１の偏波に対応づけられた第１の給電点「Ａ」及び第２の偏波に対応づけられた第２の給電点「Ｂ」を有する第１の配列素子と、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点「Ｃ」及び第２の偏波に対応づけられた第２の給電点「Ｄ」を有する第２の配列素子である。配列素子ごとに、異なる偏波に対する位相中心が、同じ列に配列されているものと考えてもよい。
【００６７】
同じアンテナ構成は、互い重なり合う２つの配列素子によって実現してもよい。第１の偏波に対応づけられた第１の給電点「Ａ」及び第２の偏波に対応づけられた第２の給電点「Ｄ」を有する第１の配列素子と、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点「Ｃ」及び第２の偏波に対応づけられた第２の給電点「Ｂ」を有する第２の配列素子である。配列素子ごとに、異なる偏波に対する位相中心が、異なる列に配列されているものと考えてもよい。
【００６８】
配列素子は、また、給電ネットワークを介して各偏波に共通の給電点に相互接続する複数の放射素子を備えてもよい。これの一例を、図２４にて説明する。
【００６９】
当該アンテナは、２つの列に配置される１２個の二重偏波放射素子を備える。放射素子は、例えば、図１３又は図１８に関連して開示したように、ビーム形成ネットワークを介して２つのアンテナ・ポート１及び２に接続される。給電点は、図１１のグループのインデックスを参照して図示されている。
【００７０】
このアンテナ構成は、図１１〜１３に関連してすでに説明したが、多数の異なる方法で実現されてもよい。図２４には、変形例が４つの配列素子を含んで示されおり、アンテナ構成を実現するために重なり合っている。第１の配列素子は、第１の偏波を有する第１の列において、全ての第２の放射素子に接続される第１の給電点「Ａ」と、第２の偏波を有する第２の列において、全ての第２の放射素子に接続される第２の給電点「Ｆ」と、を有する。同様に、第２の配列素子は、給電点Ｄ及びＧを有し、第３の配列素子は、給電点Ｂ及びＥを有し、第４の配列素子は、給電点Ｃ及びＨを有する。
【００７１】
上記した実施形態では、単一偏波又は二重偏波配列素子によって生じる垂直及び水平の偏波として、異なる偏波の例をあげた。放射素子は、最も簡単な実施態様を図示し、更に、発明の概念を明確に記載するために用いた。しかし、２つ偏波の差が大体９０度（すなわち基本的に直交）である限り、他の偏波（例えば＋４５度／−４５度又は＋６０度／−３０度）を有する配列素子を用いてもよいことに留意されたい。さらに、第１の列の０／＋９０度の偏波を有する配列素子と、第２の列の−２０／＋７０度の偏波を有する配列素子とを有することも考えられる。その場合、異なる列に配置される配列素子の全ての偏波が同じになるように、配列素子の給電を適合させる必要がある。これは、偏波変成器を直接配列素子ポートに適用することで、全ての配列素子が同じ偏波を有するようにすることで達成してもよい。偏波変成器は、好ましくは、配列素子の一部であると見なされ、それによって偏波は全ての配列素子に対して同一となる。
【００７２】
図２５も、図２６ａ〜２６ｄに関連して、配列素子の他の構成を用いて、上記と同じ特性を有するアンテナを得る可能性を図示するものである。
【００７３】
図２５は、２列に配置される配列素子を有する一般的なアンテナ構成７０を示す。各列は、１０個の配列素子を備える。配列素子Ｘ１〜Ｘ１０は第１の列に配置され、配列素子Ｙ１〜Ｙ１０は第２の列に配置される。この一般的な例において、各配列素子は二重偏波されており、第１の給電点７１（実線によって示される）及び第２の給電点７２（破線によって示される）を有する。第１の偏波を有する配列素子の中の放射素子は、第１の給電点７１に接続され、第１の偏波に直交する第２の偏波を有する放射素子は、第２の給電点７２に接続される。
【００７４】
配列素子Ｘ１〜Ｘ１０の給電点は、配電網（図示せず）を介して多くのポートに接続される。配列素子Ｙ１〜Ｙ１０の給電点は、配電網（図示せず）を介して同数のポートに接続される。ポートの数は、上記のように、何個の配列素子がグループに含まれるかに依存し、グループに二重偏波を有する２つの配列素子のみが含まれる場合は、各列の配列素子の給電点は、２つのポートに接続されることになる（図１を参照）。しかし、グループに二重偏波を有する４つの配列素子が含まれる場合は、各列の配列素子の給電点は、４つのポートに接続されることになる（図１１を参照）。
【００７５】
列間の水平距離ＤＨ及び各行間の垂直距離ＤＶは、通常、マルチビームアンテナを設計するときに決定された構造的なパラメータである。これらは好ましくは０．３λと１λの間に設定される。しかしながら、水平距離及び／又は垂直距離を変えることで、マルチビームアンテナの特性を変更し得るマルチビームアンテナを設計することができる。
【００７６】
図２５に図示される配列素子は、放射素子のｎ×ｍマトリクスを有する部分配列として実現されてもよい。ここで、ｎ及びｍは１以上の整数である（ｎ，ｍ≧１）。各部分配列内の各放射素子は、それぞれの給電点に接続される。
【００７７】
図２６ａ〜２６ｄは、図２５に示されるアンテナに用い得る配列素子の４つの例を示す。例示された配列素子は全て、二重偏波放射素子を備えるものであり、したがって、２つの給電点７１及び７２を備える。図２３及び図２４に関して図示したように、例示された配列素子のそれぞれは、単一偏波放射素子を有してもよいことに留意されたい。
【００７８】
図２６ａは、第１の偏波を有する第１の放射素子７４（１×１のマトリクス）に接続される第１の給電点７１、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波を有する第２の放射素子７５に接続される第２の給電点７２を有する簡単な二重偏波配列素子７３を図示する。
【００７９】
図２６ｂは、第１の偏波を有する第１の放射素子７４の２×１のマトリクスに接続される第１の給電点７１、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波を有する第２の放射素子７５の２×１のマトリクスに接続される第２の給電点７２を有する二重偏波配列素子７６を図示する。
【００８０】
図２６ｃは、第１の偏波を有する第１の放射素子７４の１×２のマトリクスに接続される第１の給電点７１、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波を有する第２の放射素子７５の１×２のマトリクスに接続される第２の給電点７２を有する二重偏波配列素子７７を図示する。
【００８１】
図２６ｄは、第１の偏波を有する第１の放射素子７４の２×２のマトリクスに接続される第１の給電点７１、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波を有する第２の放射素子７５の２×２のマトリクスに接続される第２の給電点７２を有する二重偏波配列素子７８を図示する。
【００８２】
図２５において説明される一般的なアンテナ構成の配列素子は全て、例えば、同じタイプの二重偏波配列素子７７を有していてもよいが、当然、アンテナ構成の全ての配列素子が異なっていることも可能である。重要な特徴は、配列素子が、直交する偏波に対応づけられた２つの給電点を備え、各偏波に対応づけられた位相中心が、上記のように、少なくとも２列で配置される、ということである。
【００８３】
実施形態５
図２７は、アンテナ構成８１、４つの配電網８２Ａ〜８２Ｄ、及びビーム形成ネットワーク８３を備える、本発明に係る第３のシングルビームアンテナ８０を示す。当該アンテナは、２つの異なるタイプ７８及び７９の、８個の交互配置された配列素子の一列を備える。各配列素子は、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点（及び、第１の位相中心）、及び、第１の偏波に直交する第２の偏波に対応づけられた第２の給電点（及び、第２の位相中心）を有する。第１のタイプの配列素子７８の第１の位相中心は、第１の列に配置され、第２の配列素子７９の第１の位相中心は、第２の列に配置される。配列素子の第１のタイプ７８及び第２のタイプ７９の第２の位相中心には正反対のものを適用する。各配電網は、同じタイプの配列素子のそれぞれの給電点をポート（Ａ〜Ｄ）に接続するように構成され、ビーム形成ネットワーク８３を介して、ポート（Ａ〜Ｄ）をシングルアンテナ・ポート１に接続する。
【００８４】
この例では、配列素子は４つのグループ１〜４に分けられ、各配列素子は２つの単一偏波放射素子を備え、各単一偏波放射素子は、それぞれの給電点に接続される。各グループ「ｓ」は、垂直偏波放射素子Ａｓ及び水平偏波放射素子Ｂｓを有する第１のタイプの配列素子７８と、水平偏波放射素子Ｃｓ及び垂直偏波放射素子Ｄｓを有する第２のタイプの配列素子７９と、を備える。放射素子Ａｓ及びＣｓの位相中心は第１の列８４に配置され、放射素子Ｂｓ及びＤｓの位相中心は第２の列８５に配置される。第１の列８４の垂直放射素子、すなわち、Ａ１〜Ａ４は、第１の配電網８２Ａを介してポートＡに接続され、第１の列８４の水平放射素子、すなわち、Ｃ１〜Ｃ４は、第２の配電網８２Ｃを介して、ポートＣに接続される。同様のことが、第２の列８５の放射素子にも当てはまる。すなわち、放射素子Ｂ１〜Ｂ４は、第３の配電網を介してポートＢに接続され、放射素子Ｄ１〜Ｄ４は、第４の配電網を介してポートＤに接続される。配電網は、好ましくは、別々の仰角ビーム形成ネットワークとして実施される。
【００８５】
４つのポートであるポートＡ〜ポートＤは、ビーム形成ネットワーク８３によって、１つのアンテナ・ポートであるポート１に結合する。ビーム形成ネットワーク８３は、アンテナ・ポート１及び４個の二次接続８６Ａ〜８６Ｄに接続されることを目的とする一次接続８９を備える。各ポートＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、ビーム形成ネットワーク８３のそれぞれの二次接続に接続される。第１の列８４のポートＡに対応する垂直偏波線形配列と第２の列８５のポートＤに対応する垂直偏波線形配列とは、第１の一体型電力結合器／分割器兼移相装置８７１を介して接続される（図４に関連して説明されたものと同様である）。第１の列８４のポートＣに対応する水平偏波線形配列と第２の列８５のポートＢに対応する水平偏波線形配列とは、第２の一体型電力結合器／分割器兼移相装置８７２を介して接続される。結合されたポートＡＤ及びＢＤは、続いて、異なる偏波を有する放射素子間で電力を結合／分割する一次電力結合器／分割器８８を介してアンテナ・ポート１に接続される。
【００８６】
実施形態６
図２８は、配列素子が垂直方向であり、第１のタイプの配列素子７８が第１の列９４に配置され、第２のタイプの配列素子７９が第２の列９５に配置されること以外、図２７において説明されたものと同様なアンテナ構成を備える、本発明に係る第３のデュアルビームアンテナ９０を示す。配列素子は、２つのグループにのみ分けられて、各グループ「ｔ」は４つの配列素子を有する。単一偏波放射素子Ａｔ、Ｂｔ、Ｅｔ、及びＦｔは、第１のセットに属し、単一偏波放射素子Ｃｔ、Ｄｔ、Ｇｔ、及びＨｔは、第２のセットに属す。第１のタイプの配列素子７８の第１の位相中心及び第２の位相中心は、第１の列９４に配置され、第２のタイプの配列素子７９の第１の位相中心及び第２の位相中心は、第２の列９５に配列されるものとする。
【００８７】
８個のポート、すなわちポートＡ〜ポートＨは、２つのビーム形成ネットワーク９３１及び９３２によって、２つのアンテナ・ポート、すなわちポート１及びポート２に結合する。各ビーム形成ネットワークは、それぞれのアンテナ・ポート及び４個の二次接続に接続されることを目的とする一次接続を備える。各ポートＡ〜Ｈは、ビーム形成ネットワークのそれぞれの二次接続に接続される。各列における全ての第２の配列素子のそれぞれの給電点は、好ましくは仰角ビーム形成ネットワークとして実施される別々の配電網９２Ａ〜９２Ｈを介して、ポートＡ〜Ｈに接続される（図２８を参照）。
【００８８】
４つのポートＡ、Ｂ、Ｅ、及びＦは、第１のビーム形成ネットワーク９３１に接続される。第１の列９４のポートＡに対応する垂直偏波線形配列と第２の列９５のポートＦに対応する垂直偏波線形配列とは、第１の一体型電力結合器／分割器兼移相装置９７１を備える第１の移送ネットワークを介して接続される（図４に関連して説明されたものと同様である）。第１の列９４のポートＢに対応する水平偏波線形配列と第２の列９５のポートＥに対応する水平偏波線形配列とは、第２の一体型電力結合器／分割器兼移相装置８７２を備える第２の移送ネットワークを介して接続される。結合されたポートＡＦ及びＢＥは、続いて、第１のセットに属す放射素子間で電力を結合／分割し、異なる偏波を有する一次電力結合器／分割器９８１を介してアンテナ・ポート１に接続される。
【００８９】
同様に、ポートＣ、Ｄ、Ｇ、及びＨは、第２のビーム形成ネットワーク９３２を介してアンテナ・ポート２に接続される。
【００９０】
上記した実施形態の全てにおいて、電気的傾斜を実施することが可能であるが、本発明に対して更なる影響はない。さらにまた、図３、４、１３、１８、２０、２７、及び２８に関連して説明される結合器／分割器は、変数（又は、少なくとも固定で不均等の電力分割）を有してもよい。不均等な結合／分割は、一次及び二次結合器／分割器に対して実施してもよいが、一次結合器／分割器に対する方がより効果的である。
【００９１】
上述の実施形態に関連して説明された各給電ネットワークは、ビーム形成ネットワークと複数の配電網とを備える。各配電網は、ビーム形成ネットワークの各二次接続を、各列に配置される第１の位相中心を有する接続配列素子の第１の給電点に排他的に接続する、又は、ビーム形成ネットワークのそれぞれの二次接続を、各列に配置される第２の位相中心を有する接続配列素子の第２の給電点に排他的に接続する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の配列素子であって、各配列素子は、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点、及び、前記第１の偏波に直交する第２の偏波に対応づけられた第２の給電点を備える、複数の配列素子と、
第１の偏波に対応づけられた第１の位相中心及び第２の偏波に対応づけられた第２の位相中心を有し、前記配列素子の第１及び第２の位相中心は、少なくとも２列に配置される、各配列素子と、
１以上のアンテナ・ポートであって、各アンテナ・ポートは、それぞれの給電ネットワークを介して前記少なくとも２列に配置される第１の位相中心及び第２の位相中心を有する少なくとも２つの配列素子の第１及び第２の給電点に接続される、１以上のアンテナ・ポートと、を備える可変ビーム特性を有するアンテナであって、
前記それぞれの給電ネットワークは、
それぞれのアンテナ・ポートに接続される一次接続及び少なくとも４つの二次接続を有するビーム形成ネットワークを備え、前記ビーム形成ネットワークは、前記接続配列素子の第１の給電点と第２の給電点との間で電力を分け、異なる列に配置される位相中心を有する接続配列素子の第１の給電点間、及び、異なる列に配置される第２の位相中心を有する接続配列素子の第２の給電点間の位相シフト差を制御するよう構成されることを特徴とする、可変ビーム特性を有するアンテナ。
【請求項２】
少なくとも１つの配列素子の第１の位相中心及び第２の位相中心は、２列に配置される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
少なくとも１つの配列素子の第１の位相中心及び第２の位相中心は、同じ列に配置される、請求項１又は２に記載のアンテナ。
【請求項４】
異なる列に配置される第１の位相中心間の第１の距離が０．３波長、好ましくは０．５波長よりも大きく、異なる列に配置される第２の位相中心間の第２の距離は、０．３波長、好ましくは０．５波長よりも大きい、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項５】
前記複数の配列素子は、各々複数の配列素子を備える少なくとも第１のセット及び第２のセットを備え、前記第１のセットの配列素子の第１の位相中心及び第２の位相中心、及び、前記第２のセットの配列素子の第１の位相中心及び第２の位相中心は、それぞれ、前記少なくとも２列のそれぞれに配列され、前記アンテナは、給電ネットワークを介して、それぞれ前記第１のセット及び前記第２のセットにおける配列素子に各々接続される少なくとも２つのアンテナ・ポートを更に備える、請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項６】
前記配列素子は列状に配置されており、各列は、前記第２のセットの配列素子と交互配置される前記第１のセットの配列素子を備える、請求項５に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記配列素子は複数の行に配置されており、各行は、前記第２のセットの配列素子と交互配置される前記第１のセットの配列素子を備える、請求項５又は６に記載のアンテナ。
【請求項８】
前記配列素子は複数の行に配置されており、各行は、前記第２のセットの配列素子と重なり合う前記第１のセットの配列素子を備える、請求項５又は６に記載のアンテナ。
【請求項９】
前記配列素子は少なくとも３列に配置されており、各ビーム形成ネットワークは少なくとも６個の二次接続を更に備える、請求項１〜８のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記ビーム形成ネットワークの少なくとも１つは、それぞれのアンテナ・ポートに接続されて、接続配列素子の第１の給電点と第２の給電点との間で電力を分けるように構成される一次電力結合器／分割器を更に備える、請求項１〜９のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記ビーム形成ネットワークの少なくとも１つは、異なる列に配置される第１の位相中心を有する接続配列素子の第１の給電点の間の位相シフト差を制御し、更に電力を分割するように構成される第１の移相ネットワーク、及び、異なる列に配置される第２の位相中心を有する接続配列素子の第２の給電点の間の位相シフト差を制御し、更に電力を分割するように構成される第２の移相ネットワークの、２つの移相ネットワークを更に備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１２】
各移相ネットワークは、一体型の移相兼電力分割装置を備える、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項１３】
各移相ネットワークは、同じ列に配置される第１の位相中心又は第２の位相中心をそれぞれ有する接続配列素子の第１の給電点又は第２の給電点に位相器を介して給電するように構成される二次電力結合器／分割器を備える、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項１４】
それぞれの給電ネットワークは、複数の配電網を更に備え、各配電網は、前記ビーム形成ネットワークの各二次接続を、各列に配置される第１の位相中心を有する接続配列素子の第１の給電点に排他的に接続する、又は、前記ビーム形成ネットワークの各二次接続を、それぞれの列に配置される第２の位相中心を有する接続配列素子の第２の給電点に排他的に接続するように構成される、請求項１〜１３のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１５】
前記ビーム形成ネットワークは、更に、方位角ビーム形成を行うように構成されており、各配電網は、更に、仰角ビーム形成を行うように構成される、請求項１４に記載のアンテナ。
【請求項１】
複数の配列素子であって、各配列素子は、第１の偏波に対応づけられた第１の給電点、及び、前記第１の偏波に直交する第２の偏波に対応づけられた第２の給電点を備える、複数の配列素子と、
第１の偏波に対応づけられた第１の位相中心及び第２の偏波に対応づけられた第２の位相中心を有し、前記配列素子の第１及び第２の位相中心は、少なくとも２列に配置される、各配列素子と、
１以上のアンテナ・ポートであって、各アンテナ・ポートは、それぞれの給電ネットワークを介して前記少なくとも２列に配置される第１の位相中心及び第２の位相中心を有する少なくとも２つの配列素子の第１及び第２の給電点に接続される、１以上のアンテナ・ポートと、を備える可変ビーム特性を有するアンテナであって、
前記それぞれの給電ネットワークは、
それぞれのアンテナ・ポートに接続される一次接続及び少なくとも４つの二次接続を有するビーム形成ネットワークを備え、前記ビーム形成ネットワークは、前記接続配列素子の第１の給電点と第２の給電点との間で電力を分け、異なる列に配置される位相中心を有する接続配列素子の第１の給電点間、及び、異なる列に配置される第２の位相中心を有する接続配列素子の第２の給電点間の位相シフト差を制御するよう構成されることを特徴とする、可変ビーム特性を有するアンテナ。
【請求項２】
少なくとも１つの配列素子の第１の位相中心及び第２の位相中心は、２列に配置される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
少なくとも１つの配列素子の第１の位相中心及び第２の位相中心は、同じ列に配置される、請求項１又は２に記載のアンテナ。
【請求項４】
異なる列に配置される第１の位相中心間の第１の距離が０．３波長、好ましくは０．５波長よりも大きく、異なる列に配置される第２の位相中心間の第２の距離は、０．３波長、好ましくは０．５波長よりも大きい、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項５】
前記複数の配列素子は、各々複数の配列素子を備える少なくとも第１のセット及び第２のセットを備え、前記第１のセットの配列素子の第１の位相中心及び第２の位相中心、及び、前記第２のセットの配列素子の第１の位相中心及び第２の位相中心は、それぞれ、前記少なくとも２列のそれぞれに配列され、前記アンテナは、給電ネットワークを介して、それぞれ前記第１のセット及び前記第２のセットにおける配列素子に各々接続される少なくとも２つのアンテナ・ポートを更に備える、請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項６】
前記配列素子は列状に配置されており、各列は、前記第２のセットの配列素子と交互配置される前記第１のセットの配列素子を備える、請求項５に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記配列素子は複数の行に配置されており、各行は、前記第２のセットの配列素子と交互配置される前記第１のセットの配列素子を備える、請求項５又は６に記載のアンテナ。
【請求項８】
前記配列素子は複数の行に配置されており、各行は、前記第２のセットの配列素子と重なり合う前記第１のセットの配列素子を備える、請求項５又は６に記載のアンテナ。
【請求項９】
前記配列素子は少なくとも３列に配置されており、各ビーム形成ネットワークは少なくとも６個の二次接続を更に備える、請求項１〜８のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記ビーム形成ネットワークの少なくとも１つは、それぞれのアンテナ・ポートに接続されて、接続配列素子の第１の給電点と第２の給電点との間で電力を分けるように構成される一次電力結合器／分割器を更に備える、請求項１〜９のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記ビーム形成ネットワークの少なくとも１つは、異なる列に配置される第１の位相中心を有する接続配列素子の第１の給電点の間の位相シフト差を制御し、更に電力を分割するように構成される第１の移相ネットワーク、及び、異なる列に配置される第２の位相中心を有する接続配列素子の第２の給電点の間の位相シフト差を制御し、更に電力を分割するように構成される第２の移相ネットワークの、２つの移相ネットワークを更に備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１２】
各移相ネットワークは、一体型の移相兼電力分割装置を備える、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項１３】
各移相ネットワークは、同じ列に配置される第１の位相中心又は第２の位相中心をそれぞれ有する接続配列素子の第１の給電点又は第２の給電点に位相器を介して給電するように構成される二次電力結合器／分割器を備える、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項１４】
それぞれの給電ネットワークは、複数の配電網を更に備え、各配電網は、前記ビーム形成ネットワークの各二次接続を、各列に配置される第１の位相中心を有する接続配列素子の第１の給電点に排他的に接続する、又は、前記ビーム形成ネットワークの各二次接続を、それぞれの列に配置される第２の位相中心を有する接続配列素子の第２の給電点に排他的に接続するように構成される、請求項１〜１３のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１５】
前記ビーム形成ネットワークは、更に、方位角ビーム形成を行うように構成されており、各配電網は、更に、仰角ビーム形成を行うように構成される、請求項１４に記載のアンテナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６ａ】
【図２６ｂ】
【図２６ｃ】
【図２６ｄ】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６ａ】
【図２６ｂ】
【図２６ｃ】
【図２６ｄ】
【図２７】
【図２８】
【公表番号】特表２０１３−５１９２７６（Ｐ２０１３−５１９２７６Ａ）
【公表日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５１４９７（Ｐ２０１２−５５１４９７）
【出願日】平成２２年２月８日（２０１０．２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０００７５６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９５１８４
【国際公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（５９８０３６３００）テレフオンアクチーボラゲット エル エム エリクソン（パブル） (2,266)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月８日（２０１０．２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０００７５６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９５１８４
【国際公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（５９８０３６３００）テレフオンアクチーボラゲット エル エム エリクソン（パブル） (2,266)
【Ｆターム（参考）】
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