JP5873466B2 - マルチアンテナアレーシステム - Google Patents

Description

本発明は、複数のアクティブアンテナを含むマルチアンテナアレーシステムであって、一部のアクティブアンテナの故障の有無に応じて、アクティブアンテナに含まれる増幅器の出力特性を変更できるマルチアンテナアレーシステムに関する。

複数のアクティブアンテナを含むマルチアンテナアレーシステムであって、一部のアクティブアンテナが故障した場合に、故障の影響で歪んだマルチアンテナアレーシステムの指向性を修正する技術がある。

COMMSCOPE, "Active Antenna Systems", 2011.（インターネット〈URL: http://docs.commscope.com/Public/active_antenna_presentation.pdf〉［平成25年8月23日検索］）

しかし、一部のアクティブアンテナが故障したことによってマルチアンテナアレーシステムの総出力電力が低下することを考慮した技術は知られていない。

本発明は、複数のアクティブアンテナを含むマルチアンテナアレーシステムであって、一部のアクティブアンテナの故障の有無に応じて、アクティブアンテナに含まれる増幅器の出力特性を変更できるマルチアンテナアレーシステムを提供することを目的とする。

本発明のマルチアンテナアレーシステムは、整合回路を含む増幅器と、アンテナ素子とを、それぞれが含む複数のアクティブアンテナと、故障検出部と、回路制御部とを含む。故障検出部は、各アクティブアンテナの故障検出を行い、回路制御部は、アクティブアンテナの故障が検出された場合、故障していない各アクティブアンテナに含まれる整合回路の整合条件を変更する制御を行う。

整合条件の変更は、例えば、整合回路の回路定数を変更することによって行われる。

例えば、故障しているアクティブアンテナが存在しない場合には、各増幅器に含まれる整合回路の整合条件を、増幅器の電力利用効率を最大化する規準で定められた第１条件とし、故障しているアクティブアンテナが存在する場合には、故障していない各アクティブアンテナに含まれる整合回路の整合条件を、増幅器の出力電力を最大化する規準で定められた第２条件として、回路制御部は、アクティブアンテナの故障が検出された場合、故障していない各アクティブアンテナに含まれる整合回路の整合条件を第１条件から第２条件に変更する制御を行う。

第２条件は、故障しているアクティブアンテナの個数に応じて決定されたものとすることができる。

本発明によると、アクティブアンテナの故障が検出された場合、故障していない各アクティブアンテナに含まれる整合回路の整合条件を変更することによって、一部のアクティブアンテナの故障の有無に応じてアクティブアンテナに含まれる増幅器の出力特性を変更できる。

実施形態のマルチアンテナアレーシステムの構成例を示す図。 増幅器の出力電力と電力利用効率との関係を説明する図。 異なる整合条件での出力電力と電力利用効率との関係を説明する図。 整合回路の例(その１)。 スミスチャート。 整合回路の例(その２)。

電力増幅器(以下、単に増幅器という)などのアクティブ回路とアンテナ素子とを一体化したアクティブアンテナをN個備えたマルチアンテナアレーシステムが知られている。１個のアクティブアンテナが一つの伝送系統に相当し、マルチアンテナアレーシステムはN系統の伝送系統から構成されている。なお、Nは２以上の予め定められた整数である。マルチアンテナアレーシステムの利用法の一つに、各アクティブアンテナからの送信信号の振幅・位相を調整し、特定の方向へのみ電波を放射するビームフォーミングがある。ビームフォーミングでは放射方向において同相合成条件となり、出力電力は各アクティブアンテナからの出力電力の和(以下、総出力電力という)となる。

ところで、マルチアンテナアレーシステムのようにN系統のアクティブアンテナを用いる場合には、アクティブアンテナの故障に由来するマルチアンテナアレーシステムの故障率は、単一のアクティブアンテナの故障率と比較して、最大N倍となる。そして、m系統(ただし、1≦m＜N)のアクティブアンテナが故障した場合には、総出力電力は(N-m)/N倍となり、セルラシステムではサービスエリアが狭くなってしまう。

この対処のためには、例えば、予め一つ以上のアクティブアンテナの故障を想定して各アクティブアンテナの出力電力に対する仕様を定め、必要なサービスエリアをカバーできる総出力電力を確保するようにすればよい。例えば、m系統のアクティブアンテナが故障した場合では、故障していない各アクティブアンテナの出力電力を、全てのアクティブアンテナが故障していない場合の出力電力のN/(N-m)倍にする必要がある。

この処理の実現のためには、一部のアクティブアンテナの故障の有無に応じてアクティブアンテナに含まれる増幅器の出力特性を変更できるマルチアンテナアレーシステムを構成すればよい。実施形態のマルチアンテナアレーシステムは、N個のアクティブアンテナと(ただし、各アクティブアンテナは、増幅素子と整合回路とを含む増幅器と、アンテナ素子とを含む)、故障検出部と、回路制御部とを含む。故障検出部は、各アクティブアンテナの故障検出を行い、回路制御部は、アクティブアンテナの故障が検出された場合、故障していない各アクティブアンテナに含まれる増幅器の出力特性を変更する制御を行う。増幅器の出力特性(例えば出力電力や電力利用効率)は整合回路によって増幅素子に提供されるインピーダンス(以下、運用インピーダンスという)によって決まる。したがって、増幅器の出力特性を変更は、増幅器に含まれる整合回路の整合条件を変更することによって行うことができる。整合条件の変更は、例えば、整合回路の回路定数を変更することによって行われる。なお、ここで「整合」という言葉は、対象のインピーダンス(例えば、整合回路から見たときの増幅素子のインピーダンス)を所望のインピーダンス(例えば、アンテナ素子から増幅素子側を見たときに整合条件に応じて要求されるインピーダンス)に整合させるという意味で用いている(この意味で、インピーダンス変換と言っても差し支えない)。

このことを図1を参照して詳しく説明する。第nアクティブアンテナAA_nは第n増幅器PA_nと第nアンテナ素子AE_nを含む構成を持つとし、第n増幅器PA_nは、第n増幅素子AMP_nと第n整合回路MN_nを含む構成を持つとする(n=1,2,…,N)。
故障検出部FDは、各アクティブアンテナAA_1,AA_2,…,AA_Nの故障検出を行い(この故障検出は従来的技術によって行えばよい)、m個のアクティブアンテナAA_K₁,AA_K₂,…,AA_K_m(K_i∈{1,2,…,N}、i={1,2,…,m})が故障している場合には、回路制御部CCは故障検出部FDからの故障情報に基づいて、故障してないアクティブアンテナAA_K_j(K_j∈{1,2,…,N}-{K₁,K₂,…,K_m}、j={1,2,…,N-m})に含まれる増幅器PA_K_j(j={1,2,…,N-m})に含まれる整合回路MN_K_j(j={1,2,…,N-m})の整合回路定数を変更する制御信号を出力する。故障してないアクティブアンテナAA_K_j(j={1,2,…,N-m})に含まれる増幅器PA_K_j(j={1,2,…,N-m})はそれぞれ、回路制御部CCから受信した制御信号に従って、対応する整合回路MN_K_j(j={1,2,…,N-m})の回路定数を変更する。全てのアクティブアンテナAA_1,AA_2,…,AA_Nが故障していない場合には、回路制御部CCによる制御は実施されない。なお、アクティブアンテナに故障が認められた場合には、図示しない回路部によって故障したアクティブアンテナの使用を中止する処理が行われる。

通常、設計要求としてマルチアンテナアレーシステムの総出力電力P_totalが予め定められていることを考慮すると、全てのアクティブアンテナAA_1,AA_2,…,AA_Nが故障していない場合、各アクティブアンテナの出力電力P_{out_normal}としてP_total/Nが必要であることになる(P_{out_normal}=P_total/N)。
他方、m系統のアクティブアンテナが故障して出力できない場合、マルチアンテナアレーシステムの総出力電力P_totalを維持するためには、故障していない各アクティブアンテナの出力電力P_{out_fault}としてP_total/(N-m)が必要であることになる(P_{out_fault}=P_total/(N-m))。
このため、m系統のアクティブアンテナが故障している場合のP_{out_normal}とP_{out_fault}との間には、P_{out_normal}=P_{out_fault}×(N-m)/Nの関係が成立する。
したがって、想定されるアクティブアンテナの最大故障個数、つまりmの最大値をMとすると、個々のアクティブアンテナの最大出力P_{out_max}としてP_total/(N-M)が必要であることになり(P_{out_max}=P_total/(N-M))、全てのアクティブアンテナAA_1,AA_2,…,AA_Nが故障していない場合には、各アクティブアンテナAA_1,AA_2,…,AA_Nの出力電力P_{out_normal}をP_{out_max}の(N-M)/N倍にして運用すればよいことになる(P_{out_normal}=P_{out_max}×(N-M)/N)。つまり、全てのアクティブアンテナAA_1,AA_2,…,AA_Nが故障していない場合には、各アクティブアンテナは、log₁₀(N)-log₁₀(N-M) [dB]のバックオフ点にて運用されることになる。ここでは、飽和電力からの出力低下量をバックオフとして定義した(図2参照)。

このため、故障検出部FDがm系統のアクティブアンテナの故障を検出した場合には、故障していないアクティブアンテナAA_K_j(j={1,2,…,N-m})の出力電力P_{out_fault}がP_{out_fault}=P_{out_normal}×N/(N-m)となるように、既述の制御によって整合回路MN_K_j(j={1,2,…,N-m})の回路定数が変更される。

ところで、増幅器の出力電力と電力利用効率の関係は図2に示すように、増幅器の電力利用効率は、この増幅器における飽和出力電力付近で最も高く、出力電力の低下(つまり、バックオフ量の増加)に伴い減少する。したがって、各アクティブアンテナを既述のようにバックオフが大きい状況で運用することは、増幅器の電力利用効率がとても低いことを意味する。増幅器の電力利用効率の低下は消費電力の増大につながり、全てのアクティブアンテナが故障していない場合には、エネルギー効率の低いマルチアンテナアレーシステムとなる。

ここで、既述のように電力利用効率が運用インピーダンスに応じて決まることに着眼する。通常、出力電力最大時の運用インピーダンスと電力利用効率最大時の運用インピーダンスは異なる(つまり、増幅器の出力電力や電力利用効率は整合回路での整合条件によって異なる)。したがって、全てのアクティブアンテナが故障していない場合の運用インピーダンスを電力利用効率が最大となるように定めればよい。

図3に、出力電力を最大化する整合条件(整合条件1)と、低出力時の電力利用効率を最大化する整合条件(整合条件2)のそれぞれにおける、出力電力と電力利用効率の関係を示す。この例から理解できるように、整合条件2の下では最大出力電力(30dBm)は整合条件1の下での最大出力電力(31dBm)よりも低いが、3dBバックオフ時(これは、N/2個のアクティブアンテナが故障した場合を想定している)の電力利用効率は、整合条件2の下では46%であり、整合条件1の下での34%と比較して高い。
したがって、全てのアクティブアンテナが故障していない場合には、整合条件2で各アクティブアンテナを運用することによって各アクティブアンテナの高い電力利用効率を達成し、N/2個のアクティブアンテナに故障が発生した状況では、整合条件1で各アクティブアンテナを運用することによって、故障していない各アクティブアンテナの出力電力を増大させて運用すればよい。なお、整合条件は、全てのアクティブアンテナが故障していない場合、１個のアクティブアンテナに故障が発生している場合、２個のアクティブアンテナに故障が発生している場合、・・・、M個のアクティブアンテナに故障が発生している場合、のぞれぞれに対応して定められる。

なお、いずれかのアクティブアンテナに故障が発生した状況では、出力電力を最大化する整合条件で運用されることから、その運用の限りにおいては、高い電力利用効率が達成されていると言える。

このことをまとめると、故障しているアクティブアンテナが存在しない場合には、各増幅器に含まれる整合回路の整合条件を、増幅器の電力利用効率を最大化する規準で定められた第１条件とし、故障しているアクティブアンテナが存在する場合には、故障していない各アクティブアンテナに含まれる整合回路の整合条件を、増幅器の出力電力を最大化する規準で定められた第２条件として、回路制御部は、アクティブアンテナの故障が検出された場合に、故障していない各アクティブアンテナに含まれる整合回路の整合条件を第１条件から第２条件に変更する制御を行えばよい。
さらに詳しくは、第１条件における「増幅器の電力利用効率を最大化する規準」とは、log₁₀(N)-log₁₀(N-M) [dB]のバックオフ点の出力電力において電力利用効率が最大となるようにすることを意味する。そして、第２条件における「増幅器の出力電力を最大化する規準」とは、故障しているアクティブアンテナの個数mに応じて、故障していないアクティブアンテナAA_K_j(j={1,2,…,N-m})の出力電力P_{out_fault}がP_{out_fault}=P_{out_normal}×N/(N-m)となるようにすることを意味する。なお、増幅器の出力電力はアクティブアンテナAA_K_j(j={1,2,…,N-m})の出力電力と見做せる。

整合回路の運用インピーダンスを変更するための技術として、例えば、参考文献に記載された可変整合回路を用いることができる。参考文献に開示された可変整合回路では回路内に設けられたスイッチのON/OFFを切り替えて回路定数を変更することによって、運用インピーダンスの変更が実現される。
（参考文献）福田敦史他、「ＭＥＭＳスイッチを用いたマルチバンド電力増幅器」、電子情報通信学会総合大会、2004年、C-2-4、p.39

この可変整合回路の構成として、例えば図4に示す回路を用いることができる。この例は、全てのアクティブアンテナが故障していない場合と、予め想定した個数のアクティブアンテナが故障した場合の、二種類の運用の切り替えに対応する可変整合回路の構成を示している。つまり、ここでの「予め想定した個数」の種類は一つである。したがって、予め想定した個数をgとすると、g個よりも少ない数のアクティブアンテナが故障した場合、あるいは、g個よりも多い数のアクティブアンテナが故障した場合、マルチアンテナアレーシステムの運用を中止する。例えばg=1の場合、1個のアクティブアンテナが故障した場合には整合条件の切り替えを行うが、2個以上のアクティブアンテナが故障した場合にはマルチアンテナアレーシステムの運用を中止する。なお、この例では、各整合回路MN_n(n=1,2,…,N)が同じ構成を持つことを想定しているが、整合回路MN_n(n=1,2,…,N)が互いに異なる構成を持つことも、整合回路MN_n(n=1,2,…,N)のうち一部が同じ構成を持つ場合も許容される。

図4の回路は伝送線路L1，L2とシャントスタブT1，T2とスイッチSによって構成されている。この構成では、例えば、伝送線路L1，L2の線路長とシャントスタブT1，T2のサセプタンスを次の条件を満たすように設計すればよい。なお、図５は、アンテナ素子に接続される点Bから増幅素子側を見たときのインピーダンス(以下、「点Bのインピーダンス」という)を示すスミスチャートである。また、スイッチSは理想条件を満たすと仮定する。
(a)スイッチSをオンとしたとき、回路の寄与部分(伝送線路L1，L2とスタブT1,T2)によって、点Bのインピーダンスが図5のスミスチャートのほぼ中心Y、すなわちZ0となる(第２条件に相当する)。
(b)スイッチSをオフとしたとき、回路の寄与部分(伝送線路L1，L2とスタブT1)によって、点Bのインピーダンスが図5のスミスチャートのXとなる(第１条件に相当する)。
このようにスイッチの状態(オン／オフ)を変更することによって、整合条件を変更させることができる。すなわち、図1の回路制御部CCから整合回路のスイッチのオン／オフを制御する信号を故障していないアクティブアンテナに含まれる各整合回路に送信することによて、整合条件を変更することができる。

既述のように、図4に示す回路は「予め想定した個数g」の種類が一つの場合の例である。例えば、上述の「予め想定した個数」の種類が二つの場合(例えば、g1,g2かつg1＜g2とする。具体例：g1=1,g2=2)、図6に示す構成のように、図4に示す回路に含まれるシャント回路部を増やした回路を採用することができる。図6の回路は二つのスイッチを持っているため、最大で、それぞれのスイッチのオンとオフの組み合わせの数から1を引いた数の種類の故障パターン、つまり３種類の故障パターンに対応することができる。1を引く理由は、全てのアクティブアンテナが故障していない場合を考慮しているからである。

図6の回路は伝送線路L1，L2，L3とシャントスタブT1，T2，T3とスイッチS1，S2によって構成されている。この構成では、例えば、伝送線路L1，L2，L3の線路長とシャントスタブT1，T2，T3のサセプタンスを次の条件を満たすように設計すればよい。なお、スイッチS1，S2は理想条件を満たすと仮定する。
(a)スイッチS1，S2を共にオンとしたとき、回路の寄与部分(伝送線路L1，L2，L3とスタブT1，T2，T3)によって、点Bのインピーダンスが図5のスミスチャートのほぼ中心Y、すなわちZ0となる(故障しているアクティブアンテナの個数がg2の場合の第２条件に相当する)。
(b)スイッチS1をオンとしスイッチS2をオフとしたとき、回路の寄与部分(伝送線路L1，L2，L3とスタブT1，T2)によって、点Bのインピーダンスが図5のスミスチャートのZとなる(故障しているアクティブアンテナの個数がg1の場合の第２条件に相当する)。
(c)スイッチS1，S2を共にオフとしたとき、回路の寄与部分(伝送線路L1，L2，L3とスタブT1)によって、点Bのインピーダンスが図5のスミスチャートのXとなる(第１条件に相当する)。

これらの他、整合回路の整合条件を変更する方法としては、増幅素子に印加するバイアス電圧を制御する方法や、可変デバイス(例えばバリアブルキャパシタなど)を用いて連続的に整合条件を変更することもできる。

このように実施形態のマルチアンテナアレーシステムによると、故障しているアクティブアンテナが存在しない場合のマルチアンテナアレーシステムの電力高効率利用化およびアクティブアンテナに故障が発生した状況でのマルチアンテナアレーシステムの出力電力安定化を実現でき、サービスエリア内で常に一定の通信品質を確保できるとともに、マルチアンテナアレーシステムを常に高い電力利用効率で動作させることができる。

Claims (3)

1. 整合回路を含む増幅器と、アンテナ素子とを、それぞれが含む複数のアクティブアンテナと、
   各上記アクティブアンテナの故障検出を行う故障検出部と、
   回路制御部とを含み、
   故障している上記アクティブアンテナが存在しない場合には、各上記増幅器に含まれる上記整合回路の上記整合条件を、上記増幅器の電力利用効率を最大化する規準で定められた第１条件とし、
   故障している上記アクティブアンテナが存在する場合には、故障していない各上記アクティブアンテナに含まれる上記整合回路の上記整合条件を、上記増幅器の出力電力を最大化する規準で定められた第２条件とし、
   上記回路制御部は、上記アクティブアンテナの故障が検出された場合、故障していない各上記アクティブアンテナに含まれる上記整合回路の整合条件を上記第１条件から上記第２条件に変更する制御を行う
   マルチアンテナアレーシステム。
2. 請求項１に記載のマルチアンテナアレーシステムであって、
   上記整合条件の変更は、上記整合回路の回路定数を変更することによって行われる
   ことを特徴とするマルチアンテナアレーシステム。
3. 請求項１または請求項２に記載のマルチアンテナアレーシステムであって、
   上記第２条件は、故障している上記アクティブアンテナの個数に応じて決定されたものである
   ことを特徴とするマルチアンテナアレーシステム。

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