JP7595609B2 - Base station, central station and phased array antenna system - Google Patents
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Description
本発明は、張出局、集約局およびフェーズドアレイアンテナシステムに関する。 The present invention relates to a base station, a central station, and a phased array antenna system.
無線通信の分野においてフェーズドアレイアンテナ技術が用いられており、特に次世代移動通信システムとなる5G(5th Generation)においては、フェーズドアレイアンテナ技術は必須となる技術である。フェーズドアレイアンテナは、隣接するアンテナ間で同じ無線信号を異なる振幅・位相で放射することで指向性パターンが変化する。そのため、正確な制御には、隣接アンテナ間の振幅誤差と位相誤差の校正が必須となる。 Phased array antenna technology is used in the field of wireless communications, and is particularly essential for 5G (5th Generation), the next-generation mobile communications system. Phased array antennas change their directional pattern by emitting the same radio signal with different amplitudes and phases between adjacent antennas. Therefore, accurate control requires calibration of the amplitude and phase errors between adjacent antennas.
特許文献1および特許文献2では、複数のアンテナ素子をアレイ状に配置し、各アンテナ素子に給電する複数の並列送信系統である各送信ブランチの位相と振幅の誤差を校正することで、所望の指向性パターンを得ることを可能とする技術が開示されている。 Patent Documents 1 and 2 disclose technology that makes it possible to obtain a desired directional pattern by arranging multiple antenna elements in an array and calibrating the phase and amplitude errors of each transmission branch, which is a set of multiple parallel transmission systems that feed power to each antenna element.
しかしながら、特許文献1および特許文献2では、いずれもフェーズドアレイアンテナ送信装置などの張出局側に校正機能を有する。そのため、張出局毎に校正機能を設ける必要があり、消費電力や設置等のコストが掛かる。また、特許文献1では、伝送路差により誤差が生じた場合については考慮されていない。 However, in both Patent Document 1 and Patent Document 2, the calibration function is provided on the base station side, such as in a phased array antenna transmission device. This requires a calibration function to be provided for each base station, which increases costs such as power consumption and installation. Furthermore, Patent Document 1 does not take into consideration cases where errors occur due to differences in transmission paths.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、フォトミキシングの技術を用いて集約局側に校正機能を持たせることで、張出局側の構成を簡素化することを可能としたフェーズドアレイアンテナシステムを提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a phased array antenna system that uses photomixing technology to provide a calibration function on the central station side, thereby simplifying the configuration on the base station side.
(1)上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の張出局は、光伝送路で接続された集約局と複数のアンテナを有する張出局から構成されるフェーズドアレイアンテナシステムに適用される張出局であって、前記集約局から受信した光信号を電気信号に変換する光/電気信号変換部と、前記電気信号を、無線信号と制御信号に分離する信号分割分配部と、前記分離された制御信号に基づき、送信ブランチへ送信された無線信号の高周波、振幅または位相を調整する制御部と、前記送信ブランチから出力された無線信号を合成する信号合成部と、前記合成した無線信号を光信号に変換するアナログ電気/光信号変換部と、を備え、前記集約局から取得した前記制御信号に基づいて、隣接するアンテナ間の誤差を校正することを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, the present invention provides the following means: That is, the base station of the present invention is a base station applied to a phased array antenna system composed of a central station and a base station having a plurality of antennas connected by an optical transmission line, and includes an optical/electrical signal conversion unit that converts an optical signal received from the central station into an electric signal, a signal division/distribution unit that separates the electric signal into a radio signal and a control signal, a control unit that adjusts the high frequency, amplitude or phase of the radio signal transmitted to a transmission branch based on the separated control signal, a signal combination unit that combines the radio signals output from the transmission branches, and an analog electric/optical signal conversion unit that converts the combined radio signal into an optical signal, and is characterized in that an error between adjacent antennas is calibrated based on the control signal acquired from the central station.
このように、フォトミキシングの技術を用いることで、張出局で測定した振幅・位相誤差をアナログ値のまま集約局に送信でき、集約局で振幅・位相誤差の校正を行うことが可能となるため、張出局では誤差計測用の機器を設ける必要がなく、低消費電力化、小型化、低コスト化を図ることができる。 In this way, by using photomixing technology, the amplitude and phase errors measured at the base station can be transmitted as analog values to the central station, making it possible to calibrate the amplitude and phase errors at the central station. This eliminates the need to install equipment for measuring errors at the base station, making it possible to achieve low power consumption, compact size, and low costs.
(2)また、本発明の張出局において、前記送信ブランチは、前記信号分割分配部から出力された無線信号の位相を調整する位相調整部をさらに備え、前記位相調整部は、隣接する送信ブランチのうち一方の位相を初期値から360度を超えない範囲で変化させ、位相誤差を補正することを特徴としている。これにより、集約局において、測定した情報を基に隣接する送信ブランチの振幅誤差と位相誤差の補正を行うことができる。 (2) In addition, in the base station of the present invention, the transmission branch further includes a phase adjustment unit that adjusts the phase of the radio signal output from the signal division distribution unit, and the phase adjustment unit changes the phase of one of the adjacent transmission branches within a range not exceeding 360 degrees from the initial value to correct the phase error. This allows the central station to correct the amplitude error and phase error of the adjacent transmission branch based on the measured information.
(3)また、本発明の張出局において、前記送信ブランチは、前記信号分割分配部から出力された無線信号の位相を調整する位相調整部をさらに備え、前記位相調整部は、隣接する送信ブランチのうち一方の位相を初期値から180度を超えない範囲で変化させ、前記範囲における無線信号の極大値および極小値の少なくともいずれかに基づいて位相誤差を補正することを特徴としている。このように、変化させる位相が180度でよいため、測定時間の短縮を図ることができる。 (3) In the base station of the present invention, the transmitting branch further includes a phase adjustment unit that adjusts the phase of the radio signal output from the signal division/distribution unit, and the phase adjustment unit changes the phase of one of the adjacent transmitting branches within a range not exceeding 180 degrees from an initial value, and corrects the phase error based on at least one of the maximum and minimum values of the radio signal within the range . In this way, since the phase change need only be 180 degrees, the measurement time can be shortened.
(4)また、本発明の集約局は、光伝送路で接続された集約局と複数のアンテナを有する張出局から構成されるフェーズドアレイアンテナシステムに適用される集約局であって、無線信号および測定信号を生成する信号発生部と、前記生成した無線信号と制御信号を多重し電気信号を生成する信号多重部と、前記生成した電気信号を光信号に変換し、前記張出局へ出力する電気/光信号変換部と、前記張出局から光信号を受信し、電気信号に変換するアナログ光/電気信号変換部と、前記光信号から変換した電気信号に基づいて、前記張出局の各アンテナの振幅と位相を測定する計測部と、前記測定結果から位相誤差および振幅誤差を算出し、前記制御信号を生成する制御演算部と、を備え、前記制御信号を前記張出局へ送信することによって、前記張出局の隣接するアンテナ間の誤差を校正することを特徴としている。 (4) The central station of the present invention is an central station applied to a phased array antenna system composed of a central station and a base station having a plurality of antennas connected by an optical transmission path, and is characterized in that it includes a signal generating unit that generates a radio signal and a measurement signal, a signal multiplexing unit that multiplexes the generated radio signal and a control signal to generate an electrical signal, an electrical/optical signal converting unit that converts the generated electrical signal into an optical signal and outputs it to the base station, an analog optical/electrical signal converting unit that receives an optical signal from the base station and converts it into an electrical signal, a measuring unit that measures the amplitude and phase of each antenna of the base station based on the electrical signal converted from the optical signal, and a control calculation unit that calculates a phase error and an amplitude error from the measurement results and generates the control signal, and is characterized in that the control signal is transmitted to the base station to calibrate the error between adjacent antennas of the base station.
このように、フォトミキシングの技術を用いることで、1つの集約局で複数の張出局の振幅・位相誤差の校正を行うことが可能となるため、張出局では誤差計測用の機器を設ける必要がなく、低消費電力化、小型化、低コスト化を図ることができる。 In this way, photomixing technology makes it possible to calibrate the amplitude and phase errors of multiple base stations at a single central station, eliminating the need to install equipment for measuring errors at the base stations, and enabling lower power consumption, smaller size, and lower costs.
(5)また、本発明の集約局において、前記制御演算部は、前記測定結果から、前記張出局内の伝送線路長を推定することを特徴としている。これにより、伝送線路長の差により生じた振幅・位相誤差についても補正することができる。 (5) In addition, in the central station of the present invention, the control and calculation unit is characterized in that it estimates the transmission line length in the base station from the measurement results. This makes it possible to correct amplitude and phase errors caused by differences in transmission line length.
(6)また、本発明の集約局において、前記推定した伝送線路長から前記張出局内の送信ブランチ間の振幅誤差および位相誤差を補正することを特徴としている。これにより、隣接しない送信ブランチ間においても、伝送線路長の差により生じた振幅・位相誤差についても補正することができる。 (6) In the central station of the present invention, the amplitude error and phase error between the transmitting branches in the base station are corrected from the estimated transmission line length. This makes it possible to correct the amplitude and phase errors caused by the difference in the transmission line length even between non-adjacent transmitting branches.
(7)また、本発明のフェーズドアレイアンテナシステムは、光伝送路で接続された集約局と複数のアンテナを有する張出局から構成されるフェーズドアレイアンテナシステムであって、前記集約局は、無線信号および測定信号を生成する信号発生部と、前記生成した無線信号と制御信号を多重し電気信号を生成する信号多重部と、前記生成した電気信号を光信号に変換し、張出局へ出力する電気/光信号変換部と、前記張出局から光信号を受信し、電気信号に変換するアナログ光/電気信号変換部と、前記光信号から変換した電気信号に基づいて、振幅と位相を測定する計測部と、前記測定結果から位相誤差および振幅誤差を算出し、前記制御信号を生成する制御演算部と、を備え、前記張出局は、前記集約局から受信した光信号を電気信号に変換する光/電気信号変換部と、前記電気信号を、無線信号と制御信号に分離する信号分割分配部と、前記分離された制御信号に基づき、送信ブランチへ送信された無線信号の高周波、振幅または位相を調整する制御部と、前記送信ブランチから出力された無線信号を合成する信号合成部と、前記合成した無線信号を光信号に変換するアナログ電気/光信号変換部と、を備え、前記張出局は、前記集約局から取得した前記制御信号に基づいて、隣接するアンテナ間の誤差を校正することを特徴としている。 (7) A phased array antenna system according to the present invention is a phased array antenna system including a central station and a base station having a plurality of antennas, the central station including a signal generating unit that generates a radio signal and a measurement signal, a signal multiplexing unit that multiplexes the generated radio signal and a control signal to generate an electric signal, an electric/optical signal converting unit that converts the generated electric signal into an optical signal and outputs it to the base station, an analog optical/electrical signal converting unit that receives an optical signal from the base station and converts it into an electric signal, a measuring unit that measures an amplitude and a phase based on the electric signal converted from the optical signal, and a phase error and an amplitude error based on the measurement result. and a control calculation unit which calculates the signal and generates the control signal, the base station comprises an optical/electrical signal conversion unit which converts the optical signal received from the central station into an electrical signal, a signal dividing and distribution unit which separates the electrical signal into a radio signal and a control signal, a control unit which adjusts the high frequency, amplitude or phase of the radio signal transmitted to the transmitting branch based on the separated control signal, a signal combining unit which combines the radio signals output from the transmitting branches, and an analog electrical/optical signal conversion unit which converts the combined radio signal into an optical signal, and the base station is characterized in that it calibrates an error between adjacent antennas based on the control signal acquired from the central station.
このように、フォトミキシングの技術を用いることで、張出局で測定した振幅・位相誤差をアナログ値のまま集約局に送信でき、集約局で振幅・位相誤差の校正を行うことが可能となるため、張出局では誤差計測用の機器を設ける必要がなく、低消費電力化、小型化、低コスト化を図ることができる。 In this way, by using photomixing technology, the amplitude and phase errors measured at the base station can be transmitted as analog values to the central station, making it possible to calibrate the amplitude and phase errors at the central station. This eliminates the need to install equipment for measuring errors at the base station, making it possible to achieve low power consumption, compact size, and low costs.
(8)本発明のフェーズドアレイアンテナシステムにおいて、前記制御演算部は、前記測定結果から、前記張出局内の伝送線路長を推定し、前記推定した伝送線路長から前記張出局内の送信ブランチ間の振幅誤差および位相誤差を補正することを特徴としている。伝送線路長の差により生じた振幅・位相誤差についても補正することができる。 (8) In the phased array antenna system of the present invention, the control and calculation unit estimates a transmission line length in the base station from the measurement result, and corrects amplitude and phase errors between transmitting branches in the base station from the estimated transmission line length. Amplitude and phase errors caused by differences in transmission line length can also be corrected.
c(9)また、本発明のフェーズドアレイアンテナシステムは、光伝送路で接続された集約局と複数のアンテナを有する張出局から構成されるフェーズドアレイアンテナシステムであって、前記集約局は、無線信号を生成する信号発生部と、前記生成した無線信号と制御信号を多重し電気信号を生成する信号多重部と、前記生成した電気信号を光信号に変換し、張出局へ出力する電気/光信号変換部と、前記張出局から光信号を受信し、電気信号に変換するアナログ光/電気信号変換部と、測定信号を出力し、前記変換した電気信号から振幅と位相を測定する計測部と、前記測定結果から位相誤差および振幅誤差を算出し、前記制御信号を生成する制御演算部と、前記張出局へ出力する信号に応じて出力元を前記信号発生部または前記計測部に切り替える切替部と、を備え、前記張出局は、前記集約局から受信した光信号を電気信号に変換する光/電気信号変換部と、前記電気信号を、無線信号と制御信号に分離する信号分割分配部と、前記分離された制御信号に基づき、送信ブランチへ送信された無線信号の高周波、振幅または位相を調整する制御部と、前記送信ブランチから出力された無線信号を合成する信号合成部と、前記合成した無線信号を光信号に変換するアナログ電気/光信号変換部と、を備え、前記張出局は、前記集約局から取得した制御信号に基づいて、隣接するアンテナ間の誤差を校正することを特徴としている。 c(9) A phased array antenna system according to the present invention is a phased array antenna system including a central station and a base station having a plurality of antennas, the central station including a signal generating unit that generates a radio signal, a signal multiplexing unit that multiplexes the generated radio signal and a control signal to generate an electric signal, an electric/optical signal converting unit that converts the generated electric signal into an optical signal and outputs it to the base station, an analog optical/electrical signal converting unit that receives an optical signal from the base station and converts it into an electric signal, a measuring unit that outputs a measurement signal and measures the amplitude and phase from the converted electric signal, a control calculation unit that calculates a phase error and an amplitude error from the measurement result and generates the control signal, and and a switching unit that switches the output source between the signal generating unit and the measuring unit depending on the signal to be output to the base station, the base station comprising an optical/electrical signal conversion unit that converts the optical signal received from the central station into an electrical signal, a signal dividing and distributing unit that separates the electrical signal into a radio signal and a control signal, a control unit that adjusts the high frequency, amplitude or phase of the radio signal transmitted to the transmitting branch based on the separated control signal, a signal combining unit that combines the radio signals output from the transmitting branches, and an analog electrical/optical signal conversion unit that converts the combined radio signal into an optical signal, and the base station is characterized in that it calibrates the error between adjacent antennas based on the control signal obtained from the central station.
このように、フォトミキシングの技術を用いることで、張出局で測定した振幅・位相誤差をアナログ値のまま集約局に送信でき、集約局で振幅・位相誤差の校正を行うことが可能となるため、張出局では誤差計測用の機器を設ける必要がなく、低消費電力化、小型化、低コスト化を図ることができる。また、複数の集約局においても、計測部を共有することが可能となるため、集約局においても、低消費電力化、小型化、低コスト化を図ることができる。 In this way, by using photomixing technology, the amplitude and phase errors measured at the base station can be transmitted as analog values to the central station, making it possible to calibrate the amplitude and phase errors at the central station. This eliminates the need to install equipment for measuring errors at the base station, enabling low power consumption, compact size, and low costs. In addition, since the measuring unit can be shared among multiple central stations, low power consumption, compact size, and low costs can also be achieved at the central stations.
本発明によれば、フォトミキシングの技術を用いることで、フェーズドアレイアンテナシステムの低消費電力化、小型化、低コスト化を図ることができる。 According to the present invention, by using photomixing technology, it is possible to reduce the power consumption, size, and cost of a phased array antenna system.
すなわち、本発明は、光伝送路で接続された集約局と張出局から構成されるフェーズドアレイアンテナシステムであって、前記集約局は、無線信号および測定信号を生成する信号発生部と、前記生成した無線信号と制御信号を多重し電気信号を生成する信号多重部と、前記生成した電気信号を光信号に変換し、張出局へ出力する電気/光信号変換部と、前記張出局から光信号を受信し、電気信号に変換するアナログ光/電気信号変換部と、前記変換した電気信号から振幅と位相を測定する計測部と、前記測定結果から位相誤差および振幅誤差を算出し、前記制御情報を生成する制御演算部と、を備え、前記張出局は、集約局から受信した光信号を電気信号に変換する光/電気信号変換部と、前記電気信号を、無線信号と制御信号に分離する信号分割分配部と、前記分離された制御信号に基づき、送信ブランチへ送信された無線信号の高周波、振幅または位相を調整する高周波・位相・振幅制御部と、前記送信ブランチから出力された無線信号を合成する信号合成部と、前記合成した無線信号を光信号に変換するアナログ電気/光信号変換部と、を備えることを特徴をとしている。 That is, the present invention is a phased array antenna system consisting of a central station and a base station connected by an optical transmission path, the central station including a signal generating unit that generates a radio signal and a measurement signal, a signal multiplexing unit that multiplexes the generated radio signal and a control signal to generate an electrical signal, an electrical/optical signal converting unit that converts the generated electrical signal into an optical signal and outputs it to the base station, an analog optical/electrical signal converting unit that receives an optical signal from the base station and converts it into an electrical signal, a measuring unit that measures the amplitude and phase from the converted electrical signal, and a phase error and amplitude error measuring unit that measures the phase error and amplitude error from the measurement results. and a control calculation unit that calculates the control information and generates the control information, and the base station is characterized by having an optical/electrical signal conversion unit that converts the optical signal received from the central station into an electrical signal, a signal division and distribution unit that separates the electrical signal into a radio signal and a control signal, a radio frequency/phase/amplitude control unit that adjusts the radio frequency, amplitude, or phase of the radio signal transmitted to the transmission branch based on the separated control signal, a signal synthesis unit that synthesizes the radio signals output from the transmission branches, and an analog electrical/optical signal conversion unit that converts the synthesized radio signal into an optical signal.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。本明細書では、複数のアンテナ素子をアレイ状に配置して、各アンテナ素子に給電する複数の並列送信系統を「送信ブランチ」と称する。 The following describes an embodiment of the present invention in detail with reference to the drawings. To facilitate understanding of the description, the same reference numbers are used for the same components in each drawing, and duplicate descriptions are omitted. In this specification, multiple antenna elements are arranged in an array, and multiple parallel transmission systems that feed power to each antenna element are referred to as "transmission branches."
[第1の実施形態]
(フェーズドアレイアンテナシステムの構成)
図1は、第1の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナシステムの構成を示すブロック図である。第1の実施形態では、張出局2に、複数の並列送信系統として、3つの送信ブランチB1、B2、B3を有する構成例を示すが、これに限定されない。2つの送信ブランチを有する構成であってもよいし、4つ以上の送信ブランチを有する構成であってもよい。
[First embodiment]
(Configuration of phased array antenna system)
1 is a block diagram showing a configuration of a phased array antenna system according to a first embodiment. In the first embodiment, a configuration example is shown in which a base station 2 has three transmission branches B1, B2, and B3 as a plurality of parallel transmission systems, but the present invention is not limited to this. A configuration having two transmission branches or a configuration having four or more transmission branches may also be used.
第1の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナシステムは、集約局1、光伝送路13、張出局2を備える。集約局1は光伝送路13によって、張出局2と接続されている。第1の実施形態では、説明をわかりやすくするため、1つの張出局を一例として示すが、集約局1は、2つ以上の張出局と接続されていてもよい。 The phased array antenna system according to the first embodiment includes a central station 1, an optical transmission path 13, and a base station 2. The central station 1 is connected to the base station 2 via the optical transmission path 13. In the first embodiment, for ease of explanation, one base station is shown as an example, but the central station 1 may be connected to two or more base stations.
集約局1は、張出局から送信する無線信号を生成する機能、フェーズドアレイアンテナを制御する機能、制御情報を記憶する機能、制御情報を補正する機能、および、これらに必要な信号を送受信する機能(制御信号の送受信、無線信号の送信、フォトミキシングの出力)を有する。すなわち、集約局1は、信号発生部100、信号多重部111、電気/光信号変換部121、アナログ光/電気信号変換部240、計測部250、制御演算部260、制御情報記憶部270を備える。次に、集約局1を構成する各要素の詳細を説明する。 The central station 1 has the functions of generating radio signals to be transmitted from the base station, controlling the phased array antenna, storing control information, correcting the control information, and transmitting and receiving signals required for these (transmission and reception of control signals, transmission of radio signals, and photomixing output). That is, the central station 1 comprises a signal generating unit 100, a signal multiplexing unit 111, an electrical/optical signal converting unit 121, an analog optical/electrical signal converting unit 240, a measuring unit 250, a control calculation unit 260, and a control information storage unit 270. Next, the details of each element constituting the central station 1 will be described.
信号発生部100は、後述する張出局2で空間に放射する無線信号を生成、および後述するフェーズドアレイアンテナ(アンテナ部211~213)から放射される指向性パターンを校正するために必要な信号を生成する機能を有する。信号源となる信号発生部100は、例えば、DAC(Digital to Analog Converter)とそれを制御する機能(FPGA(Field Programmable Gate Array)、DSP(Demand Side Platform)、電子計算機などの組込みシステム)を備えた装置などにより実現できる。なお、信号発生部100は、受信機能を備えていてもよい。また、信号発生部100は、後述する送信ブランチB1~B3ごとに無線信号のON、OFFを切り替えられる機能や、送信ブランチB1~B3ごとに異なる位相や振幅を持つ無線信号を生成する機能を備えていてもよい。 The signal generating unit 100 has a function to generate a radio signal to be radiated into space from the base station 2 described later, and a function to generate a signal required to calibrate the directivity pattern radiated from the phased array antenna (antenna units 211 to 213) described later. The signal generating unit 100, which serves as a signal source, can be realized by, for example, a device equipped with a DAC (Digital to Analog Converter) and a function to control it (FPGA (Field Programmable Gate Array), DSP (Demand Side Platform), embedded system such as a computer). The signal generating unit 100 may also have a receiving function. The signal generating unit 100 may also have a function to switch the radio signal ON/OFF for each of the transmission branches B1 to B3 described later, and a function to generate radio signals with different phases and amplitudes for each of the transmission branches B1 to B3.
信号多重部111は、信号発生部100で生成した無線信号と、後述する制御演算部260で生成した制御信号を多重する機能を有する。信号多重部111は、例えば、RF(Radio Frequency)電力合成器などのアナログ的な方法を組み合わせた構成などにより実現できる。 The signal multiplexing unit 111 has a function of multiplexing the radio signal generated by the signal generating unit 100 and the control signal generated by the control and calculation unit 260 described below. The signal multiplexing unit 111 can be realized, for example, by a configuration that combines analog methods such as an RF (Radio Frequency) power combiner.
電気/光信号変換部121は、信号多重部111で生成された電気信号を、後述する光伝送路13で伝送可能な光信号に変換する機能を有する。 The electrical/optical signal conversion unit 121 has the function of converting the electrical signal generated by the signal multiplexing unit 111 into an optical signal that can be transmitted through the optical transmission path 13 described below.
アナログ光/電気信号変換部240は、後述するアナログ電気/光信号変換部231、232で生成された光信号を電気信号に変換する機能を有する。アナログ光/電気信号変換部240は、例えば、フォトダイオードなどにより実現できる。 The analog optical/electrical signal conversion unit 240 has a function of converting optical signals generated by the analog electrical/optical signal conversion units 231 and 232 described below into electrical signals. The analog optical/electrical signal conversion unit 240 can be realized, for example, by a photodiode.
計測部250は、アナログ光/電気信号変換部240にて変換した電気信号を測定し、測定結果を制御演算部260に送信する機能を有する。計測部250は、例えば、DAC、オシロスコープ、FPGAなどにより実現できるが、それらに限らない。その他、電圧などのアナログ値をパソコンで読み込める形式に変換できる装置であれば、何を使用してもよい。なお、信号発生部100に受信機能を備える場合は、信号発生部100の受信機能を利用してもよい。 The measurement unit 250 has a function of measuring the electrical signal converted by the analog optical/electrical signal conversion unit 240 and transmitting the measurement result to the control calculation unit 260. The measurement unit 250 can be realized by, for example, but is not limited to, a DAC, an oscilloscope, an FPGA, etc. Any other device that can convert analog values such as voltage into a format that can be read by a personal computer may be used. Note that if the signal generation unit 100 has a receiving function, the receiving function of the signal generation unit 100 may be used.
制御演算部260は、信号発生部100を制御する機能、信号発生部100と計測部250を連係動作させて、後述する各送信ブランチB1~B3間の位相誤差と振幅誤差を算出する機能、算出結果を後述する制御情報記憶部270に出力する機能、制御情報記憶部270の情報に基づいて後述する高周波・位相・振幅制御部160を制御するための信号を生成する機能などを有する。制御演算部260は、例えば、電子計算機、またはFPGAなどにより実現できる。 The control calculation unit 260 has functions such as controlling the signal generating unit 100, linking the signal generating unit 100 with the measurement unit 250 to calculate the phase error and amplitude error between each of the transmission branches B1 to B3 described later, outputting the calculation results to the control information storage unit 270 described later, and generating a signal for controlling the radio frequency/phase/amplitude control unit 160 described later based on information from the control information storage unit 270. The control calculation unit 260 can be realized, for example, by an electronic computer or an FPGA.
制御情報記憶部270は、後述する高周波・位相・振幅制御部160の制御情報を保存する。また、制御演算部260が新たに振幅誤差と位相誤差を算出した場合は、誤差を補正した制御情報に更新する。制御情報記憶部270は、後述する高周波・位相・振幅制御部160に接続してもよい。 The control information storage unit 270 stores the control information of the radio frequency/phase/amplitude control unit 160 described later. In addition, when the control calculation unit 260 newly calculates the amplitude error and phase error, it updates the control information to one in which the errors have been corrected. The control information storage unit 270 may be connected to the radio frequency/phase/amplitude control unit 160 described later.
光伝送路13は光信号を伝送、増幅、分岐する機能を有し、光伝送路131、132を含む。光伝送路131、132は、電気/光信号変換部121、または後述するアナログ電気/光信号変換部231、232より変換される光信号を伝送、増幅、分岐する機能を有する。光伝送路131、132は、例えば、光ファイバ、およびスプリッタなどにより構成される。また、光伝送路131、132は、波長分割多重、時分割多重などの多重化技術を用いることで一体化してもよい。図1では、2本の光ファイバに分けた構成をとっているが、これに限定されない。例えば、WDM(Wavelength Division Multiplexing)などを使用して1本の光ファイバを使用してもよい。 The optical transmission path 13 has the function of transmitting, amplifying, and branching an optical signal, and includes optical transmission paths 131 and 132. The optical transmission paths 131 and 132 have the function of transmitting, amplifying, and branching an optical signal converted by the electrical/optical signal conversion unit 121 or the analog electrical/optical signal conversion units 231 and 232 described later. The optical transmission paths 131 and 132 are composed of, for example, optical fibers and splitters. The optical transmission paths 131 and 132 may also be integrated by using multiplexing techniques such as wavelength division multiplexing and time division multiplexing. In FIG. 1, the optical transmission paths 131 and 132 are configured to be divided into two optical fibers, but are not limited to this. For example, a single optical fiber may be used using WDM (Wavelength Division Multiplexing) or the like.
張出局2は、フェーズドアレイアンテナを構成する各送信ブランチB1~B3に無線信号を給電する機能、フェーズドアレイアンテナの指向性を制御する機能、各送信ブランチB1~B3の誤差を検出する機能を有する。張出局2は、光/電気信号変換部141、信号分割分配部151、送信ブランチB1~B3、高周波・位相・振幅制御部160、信号合成部221、222、アナログ電気/光信号変換部231、232を備える。次に、張出局2を構成する各要素の詳細を説明する。 The base station 2 has the functions of feeding radio signals to each of the transmitting branches B1 to B3 that make up the phased array antenna, controlling the directivity of the phased array antenna, and detecting errors in each of the transmitting branches B1 to B3. The base station 2 comprises an optical/electrical signal conversion unit 141, a signal division and distribution unit 151, the transmitting branches B1 to B3, a high frequency/phase/amplitude control unit 160, signal synthesis units 221 and 222, and analog electrical/optical signal conversion units 231 and 232. Next, the elements that make up the base station 2 will be described in detail.
光/電気信号変換部141は、集約局1の電気/光信号変換部121で生成された光信号を電気信号に変換する機能を有する。光/電気信号変換部141は、例えば、フォトダイオードなどにより実現できる。 The optical/electrical signal conversion unit 141 has a function of converting the optical signal generated by the electrical/optical signal conversion unit 121 of the aggregation station 1 into an electrical signal. The optical/electrical signal conversion unit 141 can be realized, for example, by a photodiode.
信号分割分配部151は、電気信号を信号発生部100で生成した無線信号と、制御演算部260で生成した制御信号に分離する機能、および分離した無線信号を後述する送信ブランチB1~B3へ分配して給電する機能を有する。また、信号分割分配部151は、各送信ブランチB1~B3へ必ずしも同じ無線信号を給電する必要はなく、例えば、送信ブランチB1およびB2に同じ無線信号を給電し、送信ブランチB3に別の無線信号を給電するなど、送信ブランチごとに異なる無線信号を給電する機能を持たせてもよい。 The signal division distribution unit 151 has a function of separating an electrical signal into a radio signal generated by the signal generation unit 100 and a control signal generated by the control calculation unit 260, and a function of distributing and feeding the separated radio signals to the transmission branches B1 to B3 described below. Furthermore, the signal division distribution unit 151 does not necessarily need to feed the same radio signal to each of the transmission branches B1 to B3, and may have a function of feeding different radio signals to each transmission branch, for example, feeding the same radio signal to the transmission branches B1 and B2 and feeding a different radio signal to the transmission branch B3.
さらに、同じ信号を単純に分岐するだけではなく、例えば、波長多重や周波数多重などで多重されてきた異なる信号を適当な送信ブランチに割り振る機能を持たせてもよい。また、信号分割分配部151は、送信ブランチB1~B3ごとに給電のON、OFFを切り替える機能を持たせてもよい。信号分割分配部151は、例えば、RF電力分配器などのアナログ的な方法、またはデマルチプレクサなどのデジタル的な方法、またはアナログ的な方法とデジタル的な方法を組み合わせた構成などにより実現できる。 Furthermore, rather than simply branching the same signal, it may have a function of allocating different signals that have been multiplexed by wavelength multiplexing or frequency multiplexing to appropriate transmission branches. The signal division/distribution unit 151 may also have a function of switching the power supply ON/OFF for each of the transmission branches B1 to B3. The signal division/distribution unit 151 can be realized, for example, by an analog method such as an RF power distributor, or a digital method such as a demultiplexer, or a configuration that combines analog and digital methods.
高周波・位相・振幅制御部160は、制御演算部260で生成した制御信号に基づき、後述する送信ブランチB1~B3の振幅調整部171~173、位相調整部181~183、高周波調整部191~193を制御する信号を生成する。これにより、アンテナ部211~213から放射される指向性パターンを制御する。高周波・位相・振幅制御部160は、DACとそれを制御する機能(FPGA、DSP、電子計算機などの組込みシステム)を備えた装置などにより実現できる。 Based on the control signal generated by the control calculation unit 260, the high frequency/phase/amplitude control unit 160 generates signals to control the amplitude adjustment units 171-173, phase adjustment units 181-183, and high frequency adjustment units 191-193 of the transmission branches B1-B3 (described below). This controls the directivity patterns radiated from the antenna units 211-213. The high frequency/phase/amplitude control unit 160 can be realized by a device equipped with a DAC and a function to control it (an embedded system such as an FPGA, DSP, or electronic computer).
なお、制御情報記憶部270を高周波・位相・振幅制御部160に持たせることで、制御信号をやりとりする距離が短縮されるため、指向性パターンの切替の高速化が期待できる。このように制御情報記憶部270を制御演算部260の代わりに高周波・位相・振幅制御部160に持たせてもよい。または、制御情報記憶部270を制御演算部260と高周波・位相・振幅制御部160の両方に持たせてもよい。 By providing the control information storage unit 270 to the radio frequency/phase/amplitude control unit 160, the distance over which control signals are exchanged is shortened, and this is expected to result in faster switching of directivity patterns. In this way, the control information storage unit 270 may be provided in the radio frequency/phase/amplitude control unit 160 instead of the control calculation unit 260. Alternatively, the control information storage unit 270 may be provided in both the control calculation unit 260 and the radio frequency/phase/amplitude control unit 160.
送信ブランチB1~B3は、複数のアンテナ素子をアレイ状に配置して、各アンテナ素子に各々無線信号を給電し、無線信号の位相や振幅を制御する機能を有する。各送信ブランチB1~B3は、同一の構成を有する。送信ブランチB1は、振幅調整部171、位相調整部181、高周波調整部191、信号分配部201、アンテナ部211を備える。送信ブランチB2は、振幅調整部172、位相調整部182、高周波調整部192、信号分配部202、アンテナ部212を備える。送信ブランチB3は、振幅調整部173、位相調整部183、高周波調整部193、信号分配部203、アンテナ部213を備える。 The transmitting branches B1 to B3 have the function of arranging multiple antenna elements in an array, feeding a radio signal to each antenna element, and controlling the phase and amplitude of the radio signal. Each of the transmitting branches B1 to B3 has the same configuration. The transmitting branch B1 comprises an amplitude adjustment unit 171, a phase adjustment unit 181, a high frequency adjustment unit 191, a signal distribution unit 201, and an antenna unit 211. The transmitting branch B2 comprises an amplitude adjustment unit 172, a phase adjustment unit 182, a high frequency adjustment unit 192, a signal distribution unit 202, and an antenna unit 212. The transmitting branch B3 comprises an amplitude adjustment unit 173, a phase adjustment unit 183, a high frequency adjustment unit 193, a signal distribution unit 203, and an antenna unit 213.
アンテナ部211~213は、無線信号を空間に放射し、複数のアンテナを配列することでアレイアンテナを構成する。フェーズドアレイアンテナの場合、個々のアンテナの指向性と各アンテナ間の間隔、無線信号の振幅と位相により指向性パターンが変化する。 The antenna units 211 to 213 radiate radio signals into space, and an array antenna is formed by arranging multiple antennas. In the case of a phased array antenna, the directivity pattern changes depending on the directivity of each antenna, the spacing between each antenna, and the amplitude and phase of the radio signal.
振幅調整部171~173は、各送信ブランチB1~B3において、無線信号の振幅を調整する機能を有する。振幅調整部171~173は、例えば、可変利得増幅器、あるいは可変減衰器などの回路により実現できる。なお、無線信号の振幅調整は必ずしも送信周波数と同じ周波数帯で行う必要はなく、周波数変換をする場合は、ベースバンド帯、中間周波数帯のいずれに対しても行ってもよい。また、周波数変換にミキサなどを用いる場合は、局部発信器の出力に対して行ってもよい。つまり、図1に示す配置に限らず、後述する高周波調整部191~193の内部に設けてもよいし、または信号分配部201~203と高周波調整部191~193の間に設けてもよいし、または高周波調整部191~193と位相調整部181~183の間に設けてもよい。 The amplitude adjustment units 171 to 173 have the function of adjusting the amplitude of the radio signal in each of the transmission branches B1 to B3. The amplitude adjustment units 171 to 173 can be realized by circuits such as variable gain amplifiers or variable attenuators. The amplitude adjustment of the radio signal does not necessarily have to be performed in the same frequency band as the transmission frequency, and when frequency conversion is performed, it may be performed for either the baseband band or the intermediate frequency band. When a mixer or the like is used for frequency conversion, it may be performed for the output of a local oscillator. In other words, it is not limited to the arrangement shown in FIG. 1, and may be provided inside the high-frequency adjustment units 191 to 193 described later, or may be provided between the signal distribution units 201 to 203 and the high-frequency adjustment units 191 to 193, or may be provided between the high-frequency adjustment units 191 to 193 and the phase adjustment units 181 to 183.
さらに、これらの方法に加え、光/電気信号変換部へ入力する光パワーと出力されるRF電力には比例関係があるため、光伝送路131にEDFA(Erbium doped fiber amplifier)や光減衰器などを挿入して振幅を調整してもよい。また、信号発生部100と信号多重部111の間で振幅を調整してもよい。また、信号発生部100から直接振幅を調整した信号を出力してもよい。信号発生部100から振幅を変化させた信号を出力させる場合、振幅調整部171~173を設けなくても別段問題はない。なお、信号多重部111と電気/光信号変換部121の間で調整すると、制御信号の振幅調整も変化してしまうため、好ましくない。 In addition to these methods, since there is a proportional relationship between the optical power input to the optical/electrical signal conversion unit and the RF power output, the amplitude may be adjusted by inserting an erbium doped fiber amplifier (EDFA) or an optical attenuator into the optical transmission path 131. The amplitude may also be adjusted between the signal generating unit 100 and the signal multiplexing unit 111. A signal with an adjusted amplitude may also be output directly from the signal generating unit 100. When a signal with a changed amplitude is output from the signal generating unit 100, there is no particular problem even if the amplitude adjustment units 171 to 173 are not provided. Note that adjustment between the signal multiplexing unit 111 and the electrical/optical signal conversion unit 121 changes the amplitude adjustment of the control signal, which is not preferable.
位相調整部181~183は、各送信ブランチB1~B3において、無線信号の位相を調整する機能を有する。位相調整部181~183は、例えば、位相器、遅延器といった回路により実現できる。なお、無線信号の位相調整は、必ずしも送信周波数と同じ周波数帯で行う必要はなく、周波数変換をする場合は、ベースバンド帯、中間周波数帯のいずれに対しても行ってもよい。 The phase adjustment units 181 to 183 have the function of adjusting the phase of the radio signal in each of the transmission branches B1 to B3. The phase adjustment units 181 to 183 can be realized by circuits such as a phase shifter and a delay unit, for example. Note that the phase adjustment of the radio signal does not necessarily have to be performed in the same frequency band as the transmission frequency, and when frequency conversion is performed, it may be performed in either the baseband band or the intermediate frequency band.
また、周波数変換にミキサなどを用いる場合は、局部発信器の出力に対して行ってもよい。つまり、位相調整部181~183は、振幅調整部171~173と同じく、後述する高周波調整部191~193の内部に設けてもよいし、または信号分配部201~203と高周波調整部191~193の間に設けてもよいし、または高周波調整部191~193と位相調整部181~183の間に設けてもよい。 Furthermore, when a mixer or the like is used for frequency conversion, it may be performed on the output of a local oscillator. In other words, like the amplitude adjustment units 171-173, the phase adjustment units 181-183 may be provided inside the high frequency adjustment units 191-193 described below, or may be provided between the signal distribution units 201-203 and the high frequency adjustment units 191-193, or may be provided between the high frequency adjustment units 191-193 and the phase adjustment units 181-183.
さらに、これらの方法に加え、光/電気信号変換部へ入力する光の位相と出力されるRF電力の位相には比例関係があるため、光伝送路131に光位相シフタなどを挿入して位相を調整してもよい。また、アナログRoF(Radio over Fiber)の利用方法として提唱されているように、送信ブランチB1~B3毎に異なる波長の光を割り当てることで位相を調整してもよい。また、信号発生部100と信号多重部111間で調整してもよい。また、信号発生部100から直接位相を調整した信号を出力してもよい。信号発生部100から位相を変化させた信号を出力させる場合、位相調整部181~183を設けなくても別段問題はない。なお、信号多重部111と電気/光信号変換部121の間で調整すると制御信号の位相も変化してしまうため、好ましくない。 In addition to these methods, since there is a proportional relationship between the phase of the light input to the optical/electrical signal conversion unit and the phase of the RF power output, the phase may be adjusted by inserting an optical phase shifter or the like into the optical transmission line 131. Also, as proposed as a method of using analog RoF (Radio over Fiber), the phase may be adjusted by assigning light of different wavelengths to each of the transmission branches B1 to B3. Also, the adjustment may be made between the signal generating unit 100 and the signal multiplexing unit 111. Also, a signal with the phase adjusted may be output directly from the signal generating unit 100. When a signal with a changed phase is output from the signal generating unit 100, there is no particular problem even if the phase adjustment units 181 to 183 are not provided. Note that adjustment between the signal multiplexing unit 111 and the electrical/optical signal conversion unit 121 is not preferable because it also changes the phase of the control signal.
なお、高周波調整部191~193、位相調整部181~183、振幅調整部171~173の配置順は、図示した順番に限らず、どの順番に並べて配置してもよい。 The arrangement order of the high frequency adjustment units 191 to 193, the phase adjustment units 181 to 183, and the amplitude adjustment units 171 to 173 is not limited to the order shown in the figure, and they may be arranged in any order.
信号分配部201~203は、各アンテナ部211~213の手前のアンテナ端付近に設けられ、信号分配部201~203に給電される無線信号の一部を抜き出す機能を有する。信号分配部201~203は、例えば、無線信号の伝送路に対して電界結合または磁界結合する分布結合線路、または比較的容量の小さいキャパシタ、または不等分配器といった受動回路により実現できる。また、アンテナ部211~213から無線信号を空間に放射した状態で評価しなくてもよい場合は、例えばRFスイッチなどを利用して無線信号を抜き出してもよい。また、直接張出局機能を触れられる環境にある場合は、例えば同軸ケーブルなどを利用して無線信号を抜き出してもよい。 The signal distribution units 201-203 are provided near the antenna ends in front of the antenna units 211-213, and have the function of extracting a portion of the radio signal fed to the signal distribution units 201-203. The signal distribution units 201-203 can be realized, for example, by distributed coupling lines that couple electric field or magnetic field to the transmission path of the radio signal, or by a passive circuit such as a capacitor with a relatively small capacity, or an unequal distributor. Furthermore, if it is not necessary to evaluate the radio signal in a state in which it is emitted into space from the antenna units 211-213, the radio signal may be extracted using, for example, an RF switch. Furthermore, if the environment allows direct access to the base station function, the radio signal may be extracted using, for example, a coaxial cable.
信号合成部221は、信号分配部201、202より入力される無線信号を合成する機能を有し、信号分配部201と信号合成部221を接続する伝送線路、および信号分配部202と信号合成部221を接続する伝送線路が同じ長さとなる位置に配置される。 The signal synthesis unit 221 has the function of synthesizing the radio signals input from the signal distribution units 201 and 202, and is arranged in a position where the transmission line connecting the signal distribution unit 201 and the signal synthesis unit 221 and the transmission line connecting the signal distribution unit 202 and the signal synthesis unit 221 are the same length.
信号合成部222は、信号分配部202、203より入力される無線信号を合成する機能を有し、信号分配部202と信号合成部222を接続する伝送線路、および信号分配部203と信号合成部222を接続する伝送線路が同じ長さとなる位置に配置される。 The signal synthesis unit 222 has the function of synthesizing the radio signals input from the signal distribution units 202 and 203, and is arranged in a position where the transmission line connecting the signal distribution unit 202 and the signal synthesis unit 222 and the transmission line connecting the signal distribution unit 203 and the signal synthesis unit 222 are the same length.
信号合成部221、222は、例えばウィルキンソン電力合成器のように、信号分配部201と信号分配部202、または信号分配部202と信号分配部203の分離が確保できるRF電力合成器を使用することにより実現できる。 Signal combiners 221 and 222 can be realized by using an RF power combiner, such as a Wilkinson power combiner, that can ensure separation between signal distribution units 201 and 202, or between signal distribution units 202 and 203.
アナログ電気/光信号変換部231、232は、信号合成部221、222より入力される合成された無線信号をデジタル変換することなく電気信号から光信号へ変換する機能を有する。アナログ電気/光信号変換部231、232は、例えば、DML(Directly Modulated Laser)、またはEML(Electro-absorption Modulator Laser)などの変調器を備えたレーザを用いることにより実現できる。 The analog electric/optical signal conversion units 231 and 232 have a function of converting the combined radio signals input from the signal combining units 221 and 222 from electric signals to optical signals without digital conversion. The analog electric/optical signal conversion units 231 and 232 can be realized by using a laser equipped with a modulator such as a Directly Modulated Laser (DML) or an Electro-absorption Modulator Laser (EML), for example.
アナログ電気/光信号変換部231、232のレーザで同じ波長を同時に利用すると、集約局1のアナログ光/電気信号変換部240で光信号を電気信号に変換した際にノイズが発生する。このため、任意の隣接する2つの送信ブランチを測定するときは、測定対象の送信ブランチ間に設けた信号合成部に接続するアナログ電気/光信号変換部のみ出力させるとよい。そのためには、図示しないアナログ電気/光信号変換部231、232の電源をON、OFFすることで同時に出力しないようにしてもよい。あるいは図示しないアナログ電気/光信号変換部231、232と光伝送路132に設けた光スイッチを切り替えることで同時に出力しないようにしてもよい。あるいは、アナログ電気/光信号変換部231、232で異なる波長のレーザを使用してもよい。 If the analog electrical/optical signal converters 231 and 232 use the same wavelength at the same time, noise will occur when the optical signal is converted to an electrical signal by the analog optical/electrical signal converter 240 of the central station 1. For this reason, when measuring any two adjacent transmission branches, it is advisable to output only the analog electrical/optical signal converter connected to the signal synthesis unit provided between the transmission branches to be measured. To do this, the power supply of the analog electrical/optical signal converters 231 and 232 (not shown) may be turned on and off to prevent simultaneous output. Alternatively, the analog electrical/optical signal converters 231 and 232 may be switched between optical switches (not shown) provided in the optical transmission path 132 and the analog electrical/optical signal converters 231 and 232 to prevent simultaneous output. Alternatively, lasers of different wavelengths may be used in the analog electrical/optical signal converters 231 and 232.
張出局2の信号合成部221、222、アナログ電気/光信号変換部231、232、および集約局1のアナログ光/電気信号変換部240を用いることで、隣接する送信ブランチB1、B2、またはB2、B3の各振幅と位相差を集約局1で検出できるようになる。この検出方法について、数式を用いて説明する。説明を簡単にするために、送信ブランチB1、B2のみの場合を考える。すなわち、信号合成部221、アナログ電気/光信号変換部231、アナログ光/電気信号変換部240に焦点をあてて説明する。また、説明を簡単にするために、無線信号は送信ブランチB1、B2で異なる位相と振幅を持つ正弦波を送信する場合を考える。 By using the signal synthesis units 221, 222 and analog electrical/optical signal conversion units 231, 232 of the base station 2, and the analog optical/electrical signal conversion unit 240 of the central station 1, the central station 1 can detect the amplitude and phase difference of adjacent transmission branches B1, B2, or B2, B3. This detection method is explained using mathematical expressions. For simplicity, the case of only transmission branches B1 and B2 is considered. That is, the explanation focuses on the signal synthesis unit 221, analog electrical/optical signal conversion unit 231, and analog optical/electrical signal conversion unit 240. For simplicity, the case of transmitting radio signals as sine waves with different phases and amplitudes in transmission branches B1 and B2 is considered.
まず、送信ブランチB1の無線信号が信号分配部201で分配され、信号合成部221を経由してアナログ電気/光信号変換部231へ入力されると、アナログ電気/光信号変換部231より式(1)で表される電界E1が出力される。 First, the radio signal of the transmission branch B1 is distributed by the signal distribution unit 201 and input to the analog electrical/optical signal conversion unit 231 via the signal synthesis unit 221, and the analog electrical/optical signal conversion unit 231 outputs the electric field E1 expressed by equation (1).
ここで、A1は送信ブランチB1の無線信号の振幅に比例する振幅値、jは虚数、f1は送信ブランチB1の無線信号の周波数、φ1は送信ブランチB1の無線信号の位相に比例する位相値、ωは角周波数である。
Here, A1 is an amplitude value proportional to the amplitude of the radio signal of the transmitting branch B1, j is an imaginary number, f1 is the frequency of the radio signal of the transmitting branch B1, φ1 is a phase value proportional to the phase of the radio signal of the transmitting branch B1, and ω is an angular frequency.
同様に、送信ブランチB2の無線信号が信号分配部202で分配され、信号合成部221を経由してアナログ電気/光信号変換部231へ入力されると、アナログ電気/光信号変換部231より式(2)で表される電界E2が出力される。 Similarly, when the radio signal of the transmission branch B2 is distributed by the signal distribution unit 202 and input to the analog electrical/optical signal conversion unit 231 via the signal synthesis unit 221, the analog electrical/optical signal conversion unit 231 outputs an electric field E2 expressed by equation (2).
また、アナログ光/電気信号変換部240に電界を入力すると、電界の絶対値の2乗に比例した成分が電流として出力される。すなわち、アナログ光/電気信号変換部240からは式(3)の電流Iが出力される。 When an electric field is input to the analog optical/electrical signal conversion unit 240, a component proportional to the square of the absolute value of the electric field is output as a current. In other words, the analog optical/electrical signal conversion unit 240 outputs the current I of equation (3).
以上で説明したように、信号合成部221、アナログ電気/光信号変換部231、アナログ光/電気信号変換部240を用いることで、隣接する送信ブランチB1、B2の各振幅と位相差を集約局1で検出できるようになる。なお、この説明は隣接する送信ブランチB2、B3に対しても成り立ち、送信ブランチが4つ以上存在する場合も成り立つ。 As described above, by using the signal synthesis unit 221, the analog electrical/optical signal conversion unit 231, and the analog optical/electrical signal conversion unit 240, the aggregate station 1 can detect the amplitude and phase difference of adjacent transmission branches B1 and B2. Note that this explanation also applies to adjacent transmission branches B2 and B3, and also applies when there are four or more transmission branches.
また、無線信号をフーリエ級数展開すると周波数の異なる複数の正弦波の足し算となることから、この説明の考え方は一般的な無線信号についても成り立つ。ただし、周波数の異なる複数の正弦波を掛け合わせると直流成分のみではなく交流成分も生じるため、位相誤差を測定する際はアナログ光/電気信号変換部240と計測部250の間にローパスフィルタなどの直流成分のみ選択する回路を組み合わせる必要がある。また、直接アナログ光/電気信号変換部240と計測部250の間にローパスフィルタを挿入すると、前述した方法で振幅を測定できなくなるため、ローパスフィルタを経由する場合と、経由しない場合を切り替えるようなスイッチを設ける必要がある。 In addition, when a radio signal is expanded into a Fourier series, it becomes the sum of multiple sine waves with different frequencies, so the idea behind this explanation also applies to general radio signals. However, when multiple sine waves with different frequencies are multiplied, not only DC components but also AC components are generated, so when measuring the phase error, it is necessary to combine a circuit that selects only DC components, such as a low-pass filter, between the analog optical/electrical signal conversion unit 240 and the measurement unit 250. In addition, if a low-pass filter is directly inserted between the analog optical/electrical signal conversion unit 240 and the measurement unit 250, it will not be possible to measure the amplitude using the method described above, so it is necessary to provide a switch that switches between passing through the low-pass filter and not passing through it.
式(1)と式(2)のf1とf2で算出される周波数は、直流成分のみ抜き出すことを目的としたローパスフィルタの遮断周波数と比べると、かなり高い値であるため、仮にローパスフィルタを回避せず直接入力すると、出力が全く出なくなる。ゆえに、これを利用することで集約局側に振幅誤差と位相誤差の検出機能をもたせることが可能となる。 The frequencies calculated using f1 and f2 in equations (1) and (2) are significantly higher than the cutoff frequency of a low-pass filter designed to extract only the DC component, so if the signal is directly input without bypassing the low-pass filter, no output will be obtained. Therefore, by utilizing this, it is possible to provide the aggregation station with the ability to detect amplitude and phase errors.
(誤差補正方法)
図2は、第1の実施形態における各送信ブランチ間の位相誤差および振幅誤差に関する誤差補正の手順(校正方法)を示すフローチャートである。なお、説明を簡単にするため、隣接する送信ブランチB1と送信ブランチB2の場合について説明する。また、説明を簡単にするため、無線信号は送信ブランチB1、B2で異なる位相と振幅を持つ正弦波を送信する場合を考える。つまり、前述した式(1)~(4)と同じ条件の場合を考える。
(Error correction method)
2 is a flowchart showing a procedure (calibration method) for correcting errors related to phase errors and amplitude errors between each transmitting branch in the first embodiment. For ease of explanation, the case of adjacent transmitting branches B1 and B2 will be described. For ease of explanation, the case will be considered in which the wireless signals transmitted are sine waves having different phases and amplitudes in the transmitting branches B1 and B2. In other words, the same conditions as those in the above-mentioned formulas (1) to (4) will be considered.
[1]送信ブランチB1の振幅誤差を補正する手順(T11)
はじめに、送信ブランチB1の振幅誤差を補正する手順(T11)について説明する。まず、送信ブランチB2は出力せず、送信ブランチB1のみ無線信号を出力する(T111)。無線信号の出力、停止の制御は、前述したとおり高周波調整部191、192で行ってもよいし、信号分割分配部151で行ってもよいし、信号発生部100で行ってもよい。
[1] Step for correcting the amplitude error of the transmitting branch B1 (T11)
First, the procedure (T11) for correcting the amplitude error of the transmitting branch B1 will be described. First, the transmitting branch B2 does not output, and only the transmitting branch B1 outputs a radio signal (T111). The control of outputting and stopping the radio signal may be performed by the high frequency adjustment units 191 and 192 as described above, by the signal division and distribution unit 151, or by the signal generation unit 100.
次に、送信ブランチB1の振幅を測定する(T112)。振幅の測定は、信号発生部100から無線信号(正弦波)を生成し、信号分配部201で分配した無線信号を信号合成部221経由でアナログ電気/光信号変換部231へ送り、アナログ光/電気信号変換部240で電気信号に変換したものを計測部250で測定する。このとき、測定に用いるために信号発生部100から出力した無線信号は、制御演算部260へ記録しておく。 Next, the amplitude of the transmission branch B1 is measured (T112). To measure the amplitude, a wireless signal (sine wave) is generated from the signal generating unit 100, the wireless signal distributed by the signal distributing unit 201 is sent to the analog electrical/optical signal converting unit 231 via the signal synthesizing unit 221, and the electrical signal converted by the analog optical/electrical signal converting unit 240 is measured by the measuring unit 250. At this time, the wireless signal output from the signal generating unit 100 for use in the measurement is recorded in the control and calculation unit 260.
次に、送信ブランチB1の推定振幅との誤差を補正する(T113)。推定振幅との誤差を補正は、まず制御情報記憶部270の情報と、先ほど制御演算部260へ記録した無線信号より、信号分配部201で分配した無線信号を信号合成部221経由でアナログ電気/光信号変換部231へ送り、アナログ光/電気信号変換部240で電気信号に変換したものを計測部250で測定した際の振幅推定値を算出する。なお、振幅の推定(T113)は手順T111の前に行ってもよいし、手順T111と手順T112の間に行ってもよい。 Next, the error with respect to the estimated amplitude of the transmitting branch B1 is corrected (T113). To correct the error with respect to the estimated amplitude, first, the wireless signal distributed by the signal distribution unit 201 is sent to the analog electrical/optical signal conversion unit 231 via the signal synthesis unit 221, and converted into an electrical signal by the analog optical/electrical signal conversion unit 240, and an amplitude estimate is calculated when the electrical signal is measured by the measurement unit 250, based on the information in the control information storage unit 270 and the wireless signal previously recorded in the control calculation unit 260. Note that the amplitude estimation (T113) may be performed before step T111, or may be performed between steps T111 and T112.
次に、先ほど計測部250で測定した振幅と、先ほど推定した振幅を比較する。このとき、推定した振幅と測定した振幅の間に誤差があれば、振幅調整部171を用いて振幅を調整して誤差がなくなるように調整する必要がある。すなわち、制御情報記憶部270で保存している振幅調整部171の制御情報を更新する。以上より、送信ブランチB1の振幅誤差補正が完了する。 Next, the amplitude previously measured by the measuring unit 250 is compared with the amplitude previously estimated. At this time, if there is an error between the estimated amplitude and the measured amplitude, it is necessary to adjust the amplitude using the amplitude adjustment unit 171 so that the error is eliminated. In other words, the control information of the amplitude adjustment unit 171 stored in the control information storage unit 270 is updated. With the above, the amplitude error correction of the transmitting branch B1 is completed.
[2]送信ブランチB2の振幅誤差を補正する手順(T12)
次に、送信ブランチB2の振幅誤差を補正する手順(T12)について説明する。まず、手順T121に示すように、送信ブランチB1は出力せず、送信ブランチB2のみ無線信号を出力する。無線信号の出力、停止の制御は、前述したとおり高周波調整部191、192で行ってもよいし、信号分割分配部151で行ってもよいし、信号発生部100で行ってもよい。また、光伝送路131が送信ブランチごとに割り当てられている場合は、光伝送路131で行ってもよい。
[2] Step for correcting the amplitude error of the transmitting branch B2 (T12)
Next, a procedure (T12) for correcting the amplitude error of the transmitting branch B2 will be described. First, as shown in procedure T121, the transmitting branch B1 does not output, and only the transmitting branch B2 outputs a radio signal. The control of outputting and stopping the radio signal may be performed by the high frequency adjustment units 191 and 192 as described above, by the signal division/distribution unit 151, or by the signal generation unit 100. In addition, when the optical transmission line 131 is assigned to each transmitting branch, the control may be performed by the optical transmission line 131.
次に、送信ブランチB2の振幅を測定する(T122)。振幅の測定は、信号発生部100から無線信号(正弦波)を生成し、信号分配部202で分配した無線信号を信号合成部221経由でアナログ電気/光信号変換部231へ送り、アナログ光/電気信号変換部240で電気信号に変換したものを計測部250で測定する。このとき、測定に用いるために信号発生部100から出力した無線信号は、制御演算部260へ記録しておく。 Next, the amplitude of the transmission branch B2 is measured (T122). To measure the amplitude, a wireless signal (sine wave) is generated from the signal generating unit 100, the wireless signal distributed by the signal distributing unit 202 is sent to the analog electrical/optical signal converting unit 231 via the signal synthesizing unit 221, and the electrical signal converted by the analog optical/electrical signal converting unit 240 is measured by the measuring unit 250. At this time, the wireless signal output from the signal generating unit 100 for use in the measurement is recorded in the control and calculation unit 260.
次に、送信ブランチB2の推定振幅との誤差を補正する(T123)。推定振幅との誤差を補正は、まず制御情報記憶部270の情報と、先ほど制御演算部260へ記録した無線信号より、信号分配部202で分配した無線信号を信号合成部221経由でアナログ電気/光信号変換部231へ送り、アナログ光/電気信号変換部240で電気信号に変換したものを計測部250で測定した際の振幅推定値を算出する。なお、振幅の推定(T123)は手順T121の前に行ってもよいし、手順T121と手順T122の間に行ってもよい。また、手順T11の前に行ってもよい。 Next, the error with respect to the estimated amplitude of the transmitting branch B2 is corrected (T123). To correct the error with respect to the estimated amplitude, first, the wireless signal distributed by the signal distribution unit 202 is sent to the analog electrical/optical signal conversion unit 231 via the signal synthesis unit 221, and converted into an electrical signal by the analog optical/electrical signal conversion unit 240, and an amplitude estimate is calculated when the electrical signal is measured by the measurement unit 250, based on the information in the control information storage unit 270 and the wireless signal previously recorded in the control calculation unit 260. Note that the amplitude estimation (T123) may be performed before step T121, or may be performed between steps T121 and T122. It may also be performed before step T11.
次に、先ほど計測部250で測定した振幅と、先ほど推定した振幅を比較する。このとき、推定した振幅と測定した振幅の間に誤差があれば、振幅調整部172を用いて振幅を調整して誤差がなくなるように調整する必要がある。すなわち、制御情報記憶部270で保存している振幅調整部172の制御情報を更新する。以上より、送信ブランチB2の振幅誤差補正が完了する。 Next, the amplitude previously measured by the measuring unit 250 is compared with the amplitude previously estimated. At this time, if there is an error between the estimated amplitude and the measured amplitude, it is necessary to adjust the amplitude using the amplitude adjustment unit 172 so that the error is eliminated. In other words, the control information of the amplitude adjustment unit 172 stored in the control information storage unit 270 is updated. With the above, the amplitude error correction of the transmission branch B2 is completed.
なお、手順T11と手順T12の順番はどちらが先でもよい。仮に手順T12を先に実施する場合、手順T11の振幅の推定は、先述したタイミングのほかに、手順T12の前に行ってもよい。 The order of steps T11 and T12 may be any. If step T12 is performed first, the amplitude estimation of step T11 may be performed before step T12, in addition to the timing described above.
[3]隣接する送信ブランチB1、B2の位相誤差を求める手順(T2)
最後に、隣接する送信ブランチB1、B2の位相誤差を求める手順(T2)について説明する。まず、制御情報記憶部270の情報を基に制御演算部260より位相調整部181、182を調整し、送信ブランチB1、B2の位相φ1、φ2を初期値(例えば、0度)に設定する(T21)。
[3] Procedure for determining the phase error between adjacent transmitting branches B1 and B2 (T2)
Finally, the procedure (T2) for calculating the phase error of the adjacent transmitting branches B1 and B2 will be described. First, the control calculation unit 260 adjusts the phase adjustment units 181 and 182 based on the information in the control information storage unit 270, and sets the phases φ1 and φ2 of the transmitting branches B1 and B2 to initial values (e.g., 0 degrees) (T21).
次に、送信ブランチB1、B2を同時に出力する(T22)。このとき、アナログ光/電気信号変換部から式(4)で示される直流成分が出力されるため、計測部250で出力を測定し(T23)、そのときの位相φ1と振幅の測定値を制御演算部260で記録する(T24)。 Next, the transmitting branches B1 and B2 are output simultaneously (T22). At this time, the analog optical/electrical signal conversion unit outputs a DC component as shown in equation (4), so the output is measured by the measurement unit 250 (T23), and the measured values of the phase φ1 and amplitude at that time are recorded by the control calculation unit 260 (T24).
次に、隣接する送信ブランチB1、B2の内、既に位相誤差を補正済みの位相を固定し、もう一方の位相を変化させる。ただし、まだいずれの送信ブランチの位相も補正されていない場合は、任意の一方の位相を固定する。今回の場合、例えば、位相φ2を固定する。このとき、式(4)より、位相φ1を初期値から360度を超えない範囲で掃引させると最大値と最大値を1つずつもつ出力が得られることがわかる。この特性を得るため、位相φ1が初期値から360度を超えていないか判定する(T25)。 Next, of the adjacent transmitting branches B1 and B2, the phase of which has already been corrected for phase error is fixed, and the phase of the other is changed. However, if the phase of neither transmitting branch has yet been corrected, any one of the phases is fixed. In this case, for example, phase φ2 is fixed. At this time, it can be seen from equation (4) that if phase φ1 is swept within a range not exceeding 360 degrees from the initial value, an output having two maximum values is obtained. To obtain this characteristic, it is determined whether phase φ1 exceeds 360 degrees from the initial value (T25).
判定の結果、位相φ1が初期値から360度を超えていない場合は、送信ブランチB1の位相調整部181を調整し、位相φ1を任意の角度Δφ(例えば、1度)位相を進める(T26)。なお、位相を遅らせてもよい。 If the determination result shows that the phase φ1 does not exceed 360 degrees from the initial value, the phase adjustment unit 181 of the transmission branch B1 is adjusted to advance the phase φ1 by an arbitrary angle Δφ (for example, 1 degree) (T26). Note that the phase may also be delayed.
図3は光/電気変換部の出力(正弦波)を示す図である。上述した手順T23~26を繰り返すことで、図3に示すような正弦波状の測定結果G1が得られ、測定結果G1から振幅が最大となるときの位相φ1maxを決定できる(T27)。 Figure 3 shows the output (sine wave) of the optical/electrical conversion unit. By repeating the above-mentioned steps T23 to T26, a sine wave-shaped measurement result G1 as shown in Figure 3 is obtained, and the phase φ1max at which the amplitude is maximum can be determined from the measurement result G1 (T27).
一方で、制御情報記憶部270の情報を基に制御演算部260で計算することで、位相φ2に対して位相φ1を変化させたときに計測部250で得られる測定値を推定することができるため、推定値G2が得られる。推定値G2からも測定結果が最大になると予想されるφ1max´を推測できるため、前述した位相φ1maxと比較することで、制御情報記憶部270に記録された制御情報との誤差を判定できる。 On the other hand, by performing calculations in the control calculation unit 260 based on the information in the control information storage unit 270, it is possible to estimate the measurement value obtained by the measurement unit 250 when the phase φ1 is changed relative to the phase φ2, and thus an estimated value G2 is obtained. Since it is also possible to infer φ1max' at which the measurement result is expected to be maximum from the estimated value G2, it is possible to determine the error with the control information recorded in the control information storage unit 270 by comparing it with the phase φ1max described above.
次に、前述した誤差の判定結果を基に制御情報記憶部270に記録された制御情報を補正する(T28)。なお、ここでは振幅が最大となるときの位相を基に補正を行ったが、振幅が最小となるときの位相φ1minを基に補正を行ってもよい。また、誤差を減らすために振幅が最大となる位相φ1maxと振幅が最小となる位相φ1minの両方で誤差を推定し、両者を平均することで補正を行ってもよい。同様に、正弦波を360度未満の範囲で変化させると、最小値超過、最大値未満の振幅が2度現れることを利用し(例えば、最大値1ボルト、最小値0ボルトの正弦波には、0度から360度未満の範囲に0.5ボルトが2度現れる)、2つの位相を基に誤差を推定し、両者を平均することで補正を行ってもよい。以上より、隣接する送信ブランチB1、B2の位相誤差の補正が完了する。 Next, the control information recorded in the control information storage unit 270 is corrected based on the above-mentioned error judgment result (T28). Note that here, the correction is performed based on the phase when the amplitude is maximum, but the correction may be performed based on the phase φ1min when the amplitude is minimum. In addition, in order to reduce the error, the error may be estimated at both the phase φ1max when the amplitude is maximum and the phase φ1min when the amplitude is minimum, and the correction may be performed by averaging the two. Similarly, when a sine wave is changed in a range of less than 360 degrees, the amplitude exceeds the minimum value and is less than the maximum value twice (for example, in a sine wave with a maximum value of 1 volt and a minimum value of 0 volt, 0.5 volts appears twice in the range from 0 degrees to less than 360 degrees), and the error may be estimated based on the two phases and the correction may be performed by averaging the two. As a result, the correction of the phase error of the adjacent transmission branches B1 and B2 is completed.
このように、集約局1で測定した情報を基に隣接する送信ブランチB1、B2の振幅誤差と位相誤差の補正を実現できる。なお、式(1)~(4)でも説明したとおり、この説明は隣接する送信ブランチB2、B3に対しても成り立つし、送信ブランチが4つ以上存在する場合も成り立つ。また、無線信号をフーリエ級数展開すると周波数の異なる複数の正弦波の足し算となることから、この説明の考え方は一般的な無線信号についても成り立つ。 In this way, it is possible to correct the amplitude error and phase error of adjacent transmitting branches B1 and B2 based on the information measured by central station 1. As explained in equations (1) to (4), this explanation also applies to adjacent transmitting branches B2 and B3, and also applies when there are four or more transmitting branches. In addition, because a radio signal is expanded into a Fourier series and becomes the addition of multiple sine waves with different frequencies, the concept of this explanation also applies to general radio signals.
[第1の実施形態の変形例]
図4は、信号合成部とアナログ光/電気信号変換における接続の変形例を示すブロック図である。第1の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナシステムでは、信号合成部221、222で送信ブランチ間の信号を合成した後の経路長は無視できる。これは、式(4)を用いて説明することができる。
[Modification of the first embodiment]
4 is a block diagram showing a modified example of the connection in the signal combining unit and the analog optical/electrical signal conversion. In the phased array antenna system according to the first embodiment, the path length after the signals between the transmission branches are combined in the signal combining units 221 and 222 can be ignored. This can be explained using equation (4).
送信ブランチB1の無線信号の位相に比例する位相値φ1、および送信ブランチB2の無線信号の位相に比例する位相値φ2を、
φ1=ブランチB1の位相+合成後の伝送線路で変化する位相
φ2=ブランチB2の位相+合成後の伝送線路で変化する位相
とすると、式(4)の「φ1-φ2」おいて、合成後の伝送線路で変化する位相同士が打ち消されるためである。
A phase value φ1 proportional to the phase of the radio signal of the transmitting branch B1 and a phase value φ2 proportional to the phase of the radio signal of the transmitting branch B2 are expressed as follows:
If we define φ1 = phase of branch B1 + phase that changes on the transmission line after combination, and φ2 = phase of branch B2 + phase that changes on the transmission line after combination, then in "φ1 - φ2" in equation (4), the phases that change on the transmission line after combination cancel each other out.
このため、図4に示すように、信号合成部221、222からRFの伝送路を引き延ばし、RFスイッチなどで入力対称の信号を切替え、アナログ電気/光信号変換部を共通化してもよい。ただし、周波数が高くなると伝送路による損失が大きくなるため、アナログ光/電気信号変換部240から十分な出力が得られなくなる可能性がある。このため、仮に共通化する場合は6GHz未満(5GのSub6まで)とするか、6GHz以上(例えば、ミリ波)で使用する場合は伝送線路を極力短くしたほうがよい。 For this reason, as shown in Figure 4, the RF transmission path may be extended from the signal synthesis units 221 and 222, and the input symmetrical signals may be switched using an RF switch or the like, so that the analog electrical/optical signal conversion unit may be shared. However, as the frequency increases, the loss due to the transmission path increases, and there is a possibility that sufficient output may not be obtained from the analog optical/electrical signal conversion unit 240. For this reason, if sharing is to be used, it is better to use a frequency below 6 GHz (up to 5G Sub6), or to make the transmission line as short as possible when using 6 GHz or higher (for example, millimeter waves).
電気信号から光信号へ変換すると、伝送路による損失が大幅に減る。このため、小型化や低コスト化の観点から見ればアナログ電気/光信号変換部を共通化してもよいが、消費電力(電力ロス)の観点から見れば、第1の実施形態に示したように、信号合成部の直後にアナログ電気/光信号変換部を設けたほうがよい。 Converting electrical signals into optical signals significantly reduces losses along the transmission path. For this reason, from the standpoint of miniaturization and cost reduction, it is acceptable to share the analog electrical/optical signal conversion section, but from the standpoint of power consumption (power loss), it is better to provide the analog electrical/optical signal conversion section immediately after the signal synthesis section, as shown in the first embodiment.
また、第1の実施形態や本実施形態において、アンテナで受信した無線信号を張出局2から集約局1へ伝送するためにアナログ電気/光信号変換部を別に設けている場合は、アナログ電気/光信号変換部231、232の代わりにそれを利用してもよい。 In addition, in the first embodiment and this embodiment, if a separate analog electrical/optical signal conversion unit is provided to transmit the radio signal received by the antenna from the base station 2 to the central station 1, it may be used instead of the analog electrical/optical signal conversion units 231 and 232.
さらに、第1の実施形態や本実施形態において、フォトニックアンテナのように無線信号を光信号に変換するアンテナの場合、上り信号(張出局から集約局方向へ送る無線信号)を伝送するためのアナログ電気/光信号変換部を設けている場合がある。その場合、回路上にスイッチなどを設け、信号合成部の出力を上り信号用のアナログ電気/光信号変換部に入力してもよい。 Furthermore, in the first and present embodiments, in the case of an antenna that converts a radio signal into an optical signal, such as a photonic antenna, an analog electrical/optical signal conversion unit may be provided for transmitting an upstream signal (a radio signal sent from the base station to the central station). In that case, a switch or the like may be provided on the circuit, and the output of the signal synthesis unit may be input to the analog electrical/optical signal conversion unit for the upstream signal.
[第2の実施形態]
図5は、第2の実施形態における各送信ブランチ間の位相誤差および振幅誤差に関する誤差補正の手順(校正方法)を示すフローチャートである。第2の実施形態では、校正手順を変更した例を示す。第1の実施形態と同一又は類似の動作を行う構成については、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。また、説明を簡単にするために、第1の実施形態と同じく、隣接する送信ブランチB1と送信ブランチB2の場合について説明する。また、説明を簡単にするため、無線信号は送信ブランチB1、B2で異なる位相と振幅を持つ正弦波を送信する場合を考える。つまり、前述した式(1)~(4)と同じ条件の場合を考える。第2の実施形態における、各送信ブランチ間の位相誤差および振幅誤差に関する誤差補正の手順を図5のフローチャートを用いて説明する。
Second Embodiment
FIG. 5 is a flowchart showing the procedure (calibration method) of error correction regarding phase error and amplitude error between each transmission branch in the second embodiment. In the second embodiment, an example of a modified calibration procedure is shown. The same or similar reference numerals are used for configurations that perform the same or similar operations as in the first embodiment, and description thereof is omitted. In addition, for simplicity of description, the case of adjacent transmission branches B1 and B2 will be described as in the first embodiment. In addition, for simplicity of description, a case will be considered in which the wireless signal transmits a sine wave having different phases and amplitudes in the transmission branches B1 and B2. That is, a case will be considered in which the conditions are the same as those of the above-mentioned formulas (1) to (4). The procedure of error correction regarding phase error and amplitude error between each transmission branch in the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. 5.
第1の実施形態と同様(T11、T12、T21~T24)に、隣接する送信ブランチB1、B2の内、既に位相誤差を補正済みの位相を固定し、もう一方の位相を変化させる。ただし、まだいずれの送信ブランチの位相も補正されていない場合は、任意の一方の位相を固定する。今回の場合、例えば、位相φ2を固定する。このとき、式(4)より、位相φ1を初期値から180度を超えない範囲で掃引させると、第1の実施形態で述べた振幅が最大となる位相φ1max、または振幅が最小となる位相φ1minのいずれか1つをもつ出力が得られることがわかる。この特性を得るため、位相φ1が初期値から180度を超えていないか判定する(T25b)。 As in the first embodiment (T11, T12, T21 to T24), the phase of the adjacent transmitting branches B1 and B2, which has already been corrected for phase error, is fixed, and the phase of the other is changed. However, if the phase of neither transmitting branch has yet been corrected, any one of the phases is fixed. In this case, for example, the phase φ2 is fixed. At this time, it can be seen from equation (4) that if the phase φ1 is swept within a range not exceeding 180 degrees from the initial value, an output having either the phase φ1max at which the amplitude is maximized, or the phase φ1min at which the amplitude is minimized, as described in the first embodiment, can be obtained. To obtain this characteristic, it is determined whether the phase φ1 is not exceeding 180 degrees from the initial value (T25b).
判定の結果、位相φ1が初期値から180度を超えていない場合は、送信ブランチB1の位相調整部181を調整し、位相φ1を任意の角度Δφ(例えば、1度)位相を進める(T26)。なお、位相を遅らせてもよい。 If the result of the determination is that the phase φ1 does not exceed 180 degrees from the initial value, the phase adjustment unit 181 of the transmission branch B1 is adjusted to advance the phase φ1 by an arbitrary angle Δφ (for example, 1 degree) (T26). Note that the phase may also be delayed.
図6は、光/電気変換部の出力(正弦波)G3を示す図である。図7は、光/電気変換部の出力(正弦波)G4を示す図である。上述した手順T23、24、25b、26を繰り返すことで、図6、または図7に示すような正弦波状の測定結果G3、またはG4が得られ、測定結果G3に最大値が含まれているか判定する(T27b)。 Figure 6 shows the output (sine wave) G3 of the optical/electrical conversion unit. Figure 7 shows the output (sine wave) G4 of the optical/electrical conversion unit. By repeating the above-mentioned steps T23, 24, 25b, and 26, the sine wave-shaped measurement result G3 or G4 as shown in Figure 6 or Figure 7 is obtained, and it is determined whether the measurement result G3 contains a maximum value (T27b).
判定方法は、測定結果の任意の連続する位相φ1a-Δφ、φ1a、φ1a+Δφに対する振幅B1~B3に対し、B1<B2かつB2>B3を満たすものがあれば極大値を含む、B1>B2かつB2<B3を満たすものがあれば極小値を含むとする。なお、φ1a+2・Δφに対する振幅をB4とするとき、Δφの間隔を十分細かくしない、または計測部250の性能上B2=B3かつB1<B2かつB3>B4のように極大となる振幅が連続して2つ以上得られた場合、連続する2つ以上の振幅の平均を極大値とし、結果に極大値を含むものとみなす。同様に、B2=B3かつB1>B2かつB3<B4のように極小となる振幅が連続して2つ以上得られた場合、連続する2つ以上の振幅の平均を極小値とし、結果に極小値を含むものとみなす。極大値、または極小値のいずれか一方のみ含む場合、その結果を最大値、または最小値とし、そのときの位相をφ1maxまたはφ1minとする。 The method of determination is that, for the amplitudes B1 to B3 for any consecutive phases φ1a-Δφ, φ1a, and φ1a+Δφ in the measurement results, if any satisfy B1<B2 and B2>B3, then it contains a maximum value, and if any satisfy B1>B2 and B2<B3, then it contains a minimum value. Note that when the amplitude for φ1a+2·Δφ is B4, if the interval between Δφ is not small enough, or if two or more consecutive maximum amplitudes are obtained, such as B2=B3 and B1<B2 and B3>B4 due to the performance of the measurement unit 250, then the average of the two or more consecutive amplitudes is taken as the maximum value, and the result is deemed to include the maximum value. Similarly, if two or more consecutive minimum amplitudes are obtained, such as B2=B3 and B1>B2 and B3<B4, then the average of the two or more consecutive amplitudes is taken as the minimum value, and the result is deemed to include the minimum value. If only a maximum value or a minimum value is included, the result is set as the maximum value or minimum value, and the phase at that time is set as φ1max or φ1min.
図8は、極大値の数と極小値の数を示す図である。図8に示すように極大値と極小値が両方存在する場合、極大値の数>極小値の数となる場合は極大値同士を比較し、値が大きいものを最大値、このときの位相をφ1maxとする。または、極大値の数<極小値の数となる場合は極小値同士を比較し、値が小さいものを最小値、このときの位相をφ1minとする。この結果、φ1maxを含む場合は測定結果G3に最大値が含まれている、φ1minを含む場合は測定結果G3に最大値が含まれていないとみなす。なお、極大値と極小値の数が同数の場合、第1の実施形態に従い、位相の補正を行うとよい。 Figure 8 is a diagram showing the number of maximum values and the number of minimum values. When both maximum values and minimum values exist as shown in Figure 8, if the number of maximum values > the number of minimum values, the maximum values are compared, and the larger value is taken as the maximum value, and the phase at this time is taken as φ1max. Alternatively, if the number of maximum values < the number of minimum values, the minimum values are compared, and the smaller value is taken as the minimum value, and the phase at this time is taken as φ1min. As a result, if φ1max is included, it is considered that the measurement result G3 contains the maximum value, and if φ1min is included, it is considered that the measurement result G3 does not contain the maximum value. Note that if the number of maximum values and minimum values are the same, it is advisable to perform phase correction according to the first embodiment.
一方で、制御情報記憶部270の情報を基に制御演算部260で計算することで、位相φ2に対して位相φ1を変化させたときに計測部250で得られる測定値を推定することができるため、推定値G2が得られる。推定値G2からも測定結果が最大になると予想されるφ1max´と、測定結果が最大になると予想されるφ1min´を推測できるため、前述した位相φ1maxまたは位相φ1minと比較することで、制御情報記憶部270に記録された制御情報との誤差を判定できる。 On the other hand, by performing calculations in the control calculation unit 260 based on the information in the control information storage unit 270, it is possible to estimate the measurement value obtained by the measurement unit 250 when the phase φ1 is changed relative to the phase φ2, and thus an estimated value G2 is obtained. From the estimated value G2, it is possible to infer φ1max' at which the measurement result is expected to be maximum, and φ1min' at which the measurement result is expected to be maximum, and therefore by comparing with the aforementioned phase φ1max or phase φ1min, it is possible to determine the error with the control information recorded in the control information storage unit 270.
次に、前述した誤差の判定結果を基に制御情報記憶部270に記録された制御情報を補正する(T28b1、T28b2)。以上より、隣接する送信ブランチB1、B2の位相誤差の補正が完了する。 Next, the control information recorded in the control information storage unit 270 is corrected based on the error determination result described above (T28b1, T28b2). This completes the correction of the phase error of the adjacent transmission branches B1 and B2.
このように、第1の実施形態と同様の作用効果を、位相φ1を360度掃引する第1の実施形態と比較して半分の掃引ステップで実現できる。また、第1の実施形態と同様に、この説明は隣接する送信ブランチB2、B3に対しても成り立つし、送信ブランチが4つ以上存在する場合も成り立つ。また、無線信号をフーリエ級数展開すると周波数の異なる複数の正弦波の足し算となることから、この説明の考え方は一般的な無線信号についても成り立つ。 In this way, the same effect as in the first embodiment can be achieved with half the sweep steps compared to the first embodiment in which the phase φ1 is swept 360 degrees. Also, as in the first embodiment, this explanation also applies to adjacent transmission branches B2 and B3, and also applies when there are four or more transmission branches. Furthermore, because a wireless signal is expanded into a Fourier series and becomes the sum of multiple sine waves with different frequencies, the concept of this explanation also applies to general wireless signals.
[第3の実施形態]
第3の実施形態では、第1、第2の実施形態の形態で無視していた信号分配部と信号合成部の経路長差が無視できない場合の補正方法を示す。第1、第2の実施形態と同一又は類似の動作を行う構成については、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。
[Third embodiment]
In the third embodiment, a correction method is shown for the case where the path length difference between the signal distribution unit and the signal synthesis unit, which was ignored in the first and second embodiments, cannot be ignored. The same or similar reference numerals are used for configurations that perform the same or similar operations as in the first and second embodiments, and the description is omitted.
第1の実施形態では、隣接する2つの信号分配部と信号合成部を接続する伝送線路長が同じになるように信号合成部221、222を配置することで伝送線路長差に起因する位相差を無視できたが、製造誤差や外的要因により経路長に差が生じる場合、アナログ光/電気信号変換部240から出力される振幅に誤差が生じる。 In the first embodiment, the signal combiner units 221 and 222 are arranged so that the transmission line lengths connecting the two adjacent signal distributor units and the signal combiner unit are the same, making it possible to ignore the phase difference caused by the difference in transmission line length. However, if a difference in path length occurs due to manufacturing errors or external factors, an error occurs in the amplitude output from the analog optical/electrical signal converter unit 240.
これについて、数式を用いて説明する。説明を簡単にするために、送信ブランチB1、B2のみの場合を考える。すなわち、信号分配部201、202、信号合成部221、アナログ電気/光信号変換部231、アナログ光/電気信号変換部240に焦点をあてて説明する。また、説明を簡単にするために、無線信号は送信ブランチB1、B2で異なる位相と振幅を持つ正弦波を送信する場合を考える。まず、送信ブランチB1の無線信号が信号分配部201で分配され、信号合成部221を経由してアナログ電気/光信号変換部231へ入力されると、アナログ電気/光信号変換部231より式(5)で表される電界E1が出力される。 This will be explained using mathematical expressions. To simplify the explanation, the case will be considered where only the transmitting branches B1 and B2 are used. That is, the explanation will focus on the signal distribution units 201 and 202, the signal synthesis unit 221, the analog electrical/optical signal conversion unit 231, and the analog optical/electrical signal conversion unit 240. To simplify the explanation, the case will be considered where the wireless signals transmitted by the transmitting branches B1 and B2 are sine waves with different phases and amplitudes. First, when the wireless signal of the transmitting branch B1 is distributed by the signal distribution unit 201 and input to the analog electrical/optical signal conversion unit 231 via the signal synthesis unit 221, the analog electrical/optical signal conversion unit 231 outputs an electric field E1 expressed by equation (5).
また、アナログ光/電気信号変換部240に電界を入力すると、式(3)の電流Iが出力される。ここで、送信ブランチB1と送信ブランチB2の無線信号の周波数が等しいとすると、f1=f2となる。このとき、式(3)を計算すると式(7)で示される直流成分が得られる。 When an electric field is input to the analog optical/electrical signal conversion unit 240, a current I of formula (3) is output. If the frequencies of the radio signals of the transmitting branch B1 and the transmitting branch B2 are equal, then f1 = f2. In this case, calculating formula (3) gives the DC component shown in formula (7).
式(4)と比較するとcosの中に位相遅れ成分D1とD2が含まれているため、式(4)で示した送信ブランチB1と送信ブランチB2の位相差を正確に測定することができない。また、基板の損失が大きい場合、あるいは高い周波数を伝送する場合などは、伝送線路伝搬時の減衰に起因する振幅差を無視できない可能性がある。つまり、第1、第2の実施形態で示した手順で補正を行うと、各送信ブランチの振幅誤差を正確に補正できない可能性がある。このため、信号分配部201と信号合成部221間の伝送線路長と、信号分配部202と信号合成部221間の伝送線路長を推定する必要がある。そこで、各線路長を推定する方法について以下に説明する。 Compared to equation (4), cos contains phase delay components D1 and D2, so the phase difference between transmitting branch B1 and transmitting branch B2 shown in equation (4) cannot be measured accurately. In addition, when the loss of the substrate is large or when transmitting a high frequency, the amplitude difference caused by attenuation during propagation along the transmission line may not be negligible. In other words, if correction is performed according to the procedure shown in the first and second embodiments, the amplitude error of each transmitting branch may not be corrected accurately. For this reason, it is necessary to estimate the transmission line length between the signal distribution unit 201 and the signal synthesis unit 221 and the transmission line length between the signal distribution unit 202 and the signal synthesis unit 221. Therefore, a method for estimating each line length will be described below.
一般に、任意のRF回路の反射係数をFFT(Fast Fourier Transform)することでTDR(Time Domain Reflectometry)解析を行うことができ、その結果からRF回路の伝送線路長などを推定することができる。 In general, a TDR (Time Domain Reflectometry) analysis can be performed by performing an FFT (Fast Fourier Transform) on the reflection coefficient of any RF circuit, and the transmission line length of the RF circuit, etc. can be estimated from the results.
一方、第1の実施形態で示した構成は集約局1と張出局2の間に電気/光信号変換部121と光/電気信号変換部141が入っており、これらに双方向性はない。このため、反射係数を測定することができず、集約局1を用いて張出局2の各伝送線路長を求めることはできない。そこで、信号発生部100から無線信号を送信し、信号分配部201で折り返し、計測部250で測定した透過係数をFFTすることで各伝送線路長を推定する。 On the other hand, in the configuration shown in the first embodiment, an electrical/optical signal converter 121 and an optical/electrical signal converter 141 are inserted between the central station 1 and the base station 2, and these are not bidirectional. For this reason, the reflection coefficient cannot be measured, and the length of each transmission line in the base station 2 cannot be obtained using the central station 1. Therefore, a wireless signal is transmitted from the signal generator 100, which is then returned by the signal distributor 201. The transmission coefficient measured by the measuring unit 250 is then subjected to FFT to estimate the length of each transmission line.
図9は、RF回路の一例を示す図である。図9のRF回路は入力ポートP1~P4、マイクロストリップラインL1、L2、方向性結合器C1を含む。入力ポートP1~P4はそれぞれインピーダンスが50オームの信号源、または測定器、または負荷を接続する。また、マイクロストリップラインL1、L2、方向性結合器C1の線路幅はインピーダンスが50オームになるように設計する。また、マイクロストリップラインC1の線路間の間隔は、送信する無線信号の波長に対して40分の1倍である。また、マイクロストリップラインL1、L2の線路長は送信する無線信号の波長の2倍である。なお、これらのパラメータはあくまで一例であり、実際に実装する際はこれらと同じ値を使用する必要はない。このとき、入力ポート1から4に対する透過係数をFFTすると、図10に示すような特性が得られる。 Figure 9 is a diagram showing an example of an RF circuit. The RF circuit in Figure 9 includes input ports P1 to P4, microstrip lines L1 and L2, and a directional coupler C1. A signal source, measuring instrument, or load with an impedance of 50 ohms is connected to the input ports P1 to P4, respectively. The line widths of the microstrip lines L1 and L2 and the directional coupler C1 are designed so that the impedance is 50 ohms. The spacing between the lines of the microstrip line C1 is 1/40 times the wavelength of the wireless signal to be transmitted. The line length of the microstrip lines L1 and L2 is twice the wavelength of the wireless signal to be transmitted. Note that these parameters are merely examples, and it is not necessary to use the same values when actually implementing. In this case, when the transmission coefficients for input ports 1 to 4 are subjected to FFT, the characteristics shown in Figure 10 are obtained.
図10、図11は、インピーダンスの変化を示す図である。図10に示すように、伝送線路中に伝送線路以外の装置が間に入るとFFT後の結果に特徴的な変動である非連続点が現れる。例えば、方向性結合器を挿入した場合は、図10のようなピークが生じる。 Figures 10 and 11 are diagrams showing changes in impedance. As shown in Figure 10, when a device other than a transmission line is inserted in between the transmission line, a discontinuity, which is a characteristic variation, appears in the results after FFT. For example, when a directional coupler is inserted, a peak like that shown in Figure 10 appears.
次に、マイクロストリップラインL2の長さLを送信する無線信号の波長と同じ長さに変更し、入力ポート1から4に対する透過係数をFFTすると、図11に示すような特性が得られる。図11に示すように、図10と比較すると、伝送線路長が変化するとピークの位置も変化する。 Next, when the length L of the microstrip line L2 is changed to the same length as the wavelength of the wireless signal to be transmitted and the transmission coefficients for input ports 1 to 4 are subjected to FFT, the characteristics shown in Figure 11 are obtained. As shown in Figure 11, compared to Figure 10, when the transmission line length is changed, the position of the peak also changes.
これを利用することで、透過係数をFFTした結果を読み解くことで伝送線路長の推定を実現できる。ただし、実際には信号発生部100から計測部250の間に様々な装置が含まれるため、FFTした結果はさらに複雑になる。よって、透過係数から伝送線路長を推定する場合は、各装置の透過係数を事前にFFTして各装置の特徴を把握しておき、グラフから特徴を読み取ることで伝送線路長を計算により推定する、または事前に信号発生部100から計測部250の間の装置を回路シミュレーションソフト上に再現し、実測したFFTと回路シミュレーションにより得られたFFTの結果を比較することで伝送線路長を推定する、または機械学習を用いることでFFTの結果の特徴量から伝送線路長を推定するとよい。または、前述した推定方法を複数組み合わせることで伝送線路長の推定精度を上げてもよい。 By using this, the transmission line length can be estimated by interpreting the results of FFT of the transmission coefficient. However, in reality, various devices are included between the signal generating unit 100 and the measuring unit 250, so the FFT results become even more complicated. Therefore, when estimating the transmission line length from the transmission coefficient, the transmission coefficient of each device is subjected to FFT in advance to grasp the characteristics of each device, and the transmission line length is estimated by calculation by reading the characteristics from the graph, or the devices between the signal generating unit 100 and the measuring unit 250 are reproduced in advance on a circuit simulation software, and the transmission line length is estimated by comparing the measured FFT results with the FFT results obtained by circuit simulation, or machine learning is used to estimate the transmission line length from the features of the FFT results. Alternatively, the estimation accuracy of the transmission line length may be improved by combining multiple estimation methods described above.
(各伝送線路と信号選択部による伝送線路長差の推定方法)
図12は、第3の実施形態における各伝送線路と信号選択部による伝送線路長差を推定する手順を示すフローチャートである。説明を簡単にするために、送信ブランチB1の場合について説明する。
(Method of estimating the transmission line length difference between each transmission line and the signal selection unit)
12 is a flowchart showing a procedure for estimating a transmission line length difference by each transmission line and a signal selection unit in the third embodiment. For simplicity of explanation, the case of the transmitting branch B1 will be explained.
まず、制御演算部260により信号発生部100と計測部250を連係動作させる。これにより、ベクトルネットワークアナライザのような機能を模擬できるようにする。すなわち、信号発生部100から測定信号を発生し、計測部250で振幅と位相を測定することで透過係数の複素数を測定できるようにする。この際、例えば信号発生部100と計測部250をSOLT(Short-Open-Load-Thru)校正、TRL(Thru-Reflect-Line)校正などを行うことで、測定器起因の位相誤差と振幅誤差を除去しておく。 First, the control and calculation unit 260 coordinates the operation of the signal generating unit 100 and the measurement unit 250. This makes it possible to simulate functions such as a vector network analyzer. That is, the signal generating unit 100 generates a measurement signal, and the measurement unit 250 measures the amplitude and phase, making it possible to measure the complex number of the transmission coefficient. At this time, for example, the signal generating unit 100 and the measurement unit 250 are calibrated with SOLT (Short-Open-Load-Thru) or TRL (Thru-Reflect-Line) to remove phase and amplitude errors caused by the measuring device.
次に、信号発生部100から前述した方法で送信ブランチB1のみ測定信号を送信する(T31)。次に、信号発生部100から信号分配部201を経由して伝搬してきた測定信号を計測部250で測定する(T32)。この測定値が透過係数となるため、測定値をFFTする(T33)。FFTした結果を基に前述した方法で各位置の伝送線路長を求める(T34)。 Next, the signal generating unit 100 transmits a measurement signal only from the transmitting branch B1 using the method described above (T31). Next, the measurement signal propagated from the signal generating unit 100 via the signal distributing unit 201 is measured by the measuring unit 250 (T32). This measured value becomes the transmission coefficient, so the measured value is subjected to FFT (T33). Based on the FFT results, the transmission line length at each position is found using the method described above (T34).
このように、FFTした結果を基に前述した方法で各位置の伝送線路長を求めることで、伝送線路291と信号選択部310を合わせた伝送線路長の推定を実現できる。なお、位相遅れ成分D1と減衰α1は、伝送線路291と信号選択部310を合わせた伝送線路長(d)に、送信ブランチB1を実装している基板の位相定数(β)と減衰定数(α)を乗算することで、求める(D1=β・d、α1=α・d)ことができる。 In this way, by determining the transmission line length at each position using the above-mentioned method based on the FFT results, it is possible to estimate the transmission line length of the transmission line 291 and the signal selection unit 310 combined. The phase delay component D1 and attenuation α1 can be determined (D1=β・d, α1=α・d) by multiplying the transmission line length (d) of the transmission line 291 and the signal selection unit 310 combined by the phase constant (β) and attenuation constant (α) of the board on which the transmitting branch B1 is mounted.
よって、第1、第2の各実施形態で手順T11の振幅誤差補正を行う際は減衰α1を考慮した補正を制御演算部260で行い、手順T2で位相誤差補正を行う際は位相遅れ成分D1を考慮した補正を制御演算部260で行う。 Therefore, in the first and second embodiments, when performing amplitude error correction in step T11, the control calculation unit 260 performs correction taking into account the attenuation α1, and when performing phase error correction in step T2, the control calculation unit 260 performs correction taking into account the phase delay component D1.
以上より、伝送線路291と信号選択部310を合わせた伝送線路長の補正が完了するため、伝送線路長の影響を反映した校正手順を実施できる。なお、図12の手順は他の送信ブランチに対しても成り立つ。よって、図12の補正を加えた後、第1、第2の各実施形態と同様の構成処理を行うことで、各実施形態と同様の作用効果を実現できる。 As a result, the correction of the transmission line length of the transmission line 291 and the signal selection unit 310 combined is completed, and a calibration procedure that reflects the influence of the transmission line length can be performed. The procedure in FIG. 12 also applies to other transmission branches. Therefore, after making the correction in FIG. 12, the same configuration processing as in the first and second embodiments can be performed to achieve the same effects as in each of the embodiments.
[第3の実施形態の変形例]
図13は、第3の実施形態の変形例に係るフェーズドアレイアンテナシステムの構成を示すブロック図である。第3の実施形態の変形例では、第1の実施形態とは張出局2の一部構成が異なる。第1の実施形態と同一又は類似の動作を行う構成については、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。
[Modification of the third embodiment]
13 is a block diagram showing a configuration of a phased array antenna system according to a modification of the third embodiment. In the modification of the third embodiment, a part of the configuration of the base station 2 is different from that of the first embodiment. The same or similar reference numerals are used for the configuration that performs the same or similar operation as the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
張出局2は、光/電気信号変換部141、信号分割分配部151、送信ブランチB1~B3、高周波・位相・振幅制御部160、伝送線路291、292、293、信号選択部310、信号合成部220、アナログ電気/光信号変換部230を備える。 The base station 2 includes an optical/electrical signal conversion unit 141, a signal division/distribution unit 151, transmission branches B1 to B3, a high frequency/phase/amplitude control unit 160, transmission lines 291, 292, and 293, a signal selection unit 310, a signal synthesis unit 220, and an analog electrical/optical signal conversion unit 230.
伝送線路291~293は、信号分配部201~203で抜き出した無線信号の一部を信号選択部310へ伝送する機能を有する。伝送線路291~293は、例えば、同軸ケーブル、またはマイクロストリップライン、または導波管といった伝送線路により実現できる。 The transmission lines 291 to 293 have the function of transmitting a portion of the radio signal extracted by the signal distribution units 201 to 203 to the signal selection unit 310. The transmission lines 291 to 293 can be realized by transmission lines such as coaxial cables, microstrip lines, or waveguides, for example.
信号選択部310は、伝送線路291~293の無線信号の内、位相誤差と振幅誤差を補正したい任意の2つの送信ブランチの無線信号を選択し、信号合成部220へ入力する機能を有する。信号選択部310は、例えば、マトリクススイッチのようなRFスイッチを用いることで実現できる。 The signal selection unit 310 has the function of selecting the radio signals of any two transmission branches for which the phase error and amplitude error are to be corrected from among the radio signals of the transmission lines 291 to 293, and inputting them to the signal synthesis unit 220. The signal selection unit 310 can be realized, for example, by using an RF switch such as a matrix switch.
なお、伝送線路291~293の分離が確保できるRF電力合成器で、入力ポートを伝送線路の数だけ用意できる場合は、第1の実施形態で述べた方法を用い、位相誤差と振幅誤差を補正したい任意の2つの送信ブランチのみ給電する操作を行うことで、信号合成部220へ2つの送信ブランチの無線信号を入力できるため、信号選択部310を設けなくても別段問題はない。 In addition, if the RF power combiner can ensure the separation of the transmission lines 291 to 293 and the number of input ports can be prepared equal to the number of transmission lines, the method described in the first embodiment can be used to feed power to only any two transmission branches for which the phase error and amplitude error are to be corrected, so that the radio signals of the two transmission branches can be input to the signal combiner 220, and there is no particular problem even if the signal selector 310 is not provided.
伝送線路291~293と信号選択部310により生じる伝送線路差を第3の実施形態で説明した方法を用いて補正することにより、前述した通り、隣接しない送信ブランチとの振幅・位相誤差を補正することができるようになる。 By correcting the transmission line difference caused by the transmission lines 291 to 293 and the signal selection unit 310 using the method described in the third embodiment, it becomes possible to correct the amplitude and phase errors with non-adjacent transmission branches, as described above.
[第4の実施形態]
(フェーズドアレイアンテナシステムの構成)
図14は、第4の実施形態の変形例に係るフェーズドアレイアンテナシステムの構成を示すブロック図である。第4の実施形態では、集約局1の別の形態を示す。第1~3の実施形態と同一又は類似の動作を行う構成については、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。
[Fourth embodiment]
(Configuration of phased array antenna system)
14 is a block diagram showing the configuration of a phased array antenna system according to a modification of the fourth embodiment. In the fourth embodiment, another form of the central station 1 is shown. The configurations that perform the same or similar operations as those in the first to third embodiments are denoted by the same or similar reference numerals and the description thereof is omitted.
計測部251は、第1~3の実施形態で信号発生部100から出力していた測定信号を出力する機能と、第1~3の実施形態で計測部250にて測定していた信号を測定可能な機能を有する。計測部251は、例えば、DACとADCとそれを制御する機能(DPGA、DSP、電子計算機など)を備えた装置、あるいはベクトルネットワークアナライザ、あるいはテスト用の信号源とオシロスコープをRFスイッチで切り替えられるようにした装置などにより実現できる。 The measurement unit 251 has a function to output the measurement signal that was output from the signal generating unit 100 in the first to third embodiments, and a function to measure the signal that was measured by the measurement unit 250 in the first to third embodiments. The measurement unit 251 can be realized, for example, by a device equipped with a DAC and ADC and a function to control them (DPGA, DSP, electronic computer, etc.), or a vector network analyzer, or a device in which a test signal source and an oscilloscope can be switched with an RF switch.
これにより、信号発生部100には無線信号のみ出力可能で、測定信号を出力する機能を備えない装置を使用可能である。なお、計測部251から出力する測定信号は信号発生部100から出力される無線信号と同じものを出力してもよいし、正弦波などの専用の信号を出力してもよい。ただし、専用の信号を出力する場合は、信号発生部100から出力する無線信号と計測部251から出力する無線信号の中心周波数を揃える必要がある。 This allows the signal generating unit 100 to use a device that can only output wireless signals and does not have the function of outputting a measurement signal. The measurement signal output from the measuring unit 251 may be the same as the wireless signal output from the signal generating unit 100, or a dedicated signal such as a sine wave. However, when outputting a dedicated signal, it is necessary to align the center frequencies of the wireless signal output from the signal generating unit 100 and the wireless signal output from the measuring unit 251.
切替部301は、信号多重部111へ入力する信号を信号発生部100、または計測部251に切り替える機能を有する。切替部301は、例えば、RFスイッチなどにより実現できる。 The switching unit 301 has a function of switching the signal input to the signal multiplexing unit 111 between the signal generating unit 100 and the measuring unit 251. The switching unit 301 can be realized, for example, by an RF switch.
(誤差補正方法)
第4の実施形態における校正手順(校正方法)について説明する。初めに、切替部301を計測部251側に切り替える。次に、信号発生部100の代わりに計測部251から計測信号を出力し、第1の実施形態、または第2の実施形態の校正手順に沿って位相誤差と振幅誤差を補正する。なお、校正手順を実施する際、制御演算部260は信号発生部100と計測部250の代わりに計測部251と連係動作を行う。最後に、切替部301を信号発生部100側に切り替えることで、位相誤差と振幅誤差を補正した結果を反映して空間に無線信号を放射可能である。
(Error correction method)
The calibration procedure (calibration method) in the fourth embodiment will be described. First, the switching unit 301 is switched to the measuring unit 251 side. Next, a measurement signal is output from the measuring unit 251 instead of the signal generating unit 100, and the phase error and amplitude error are corrected according to the calibration procedure of the first or second embodiment. When performing the calibration procedure, the control and calculation unit 260 performs a linked operation with the measuring unit 251 instead of the signal generating unit 100 and the measuring unit 250. Finally, by switching the switching unit 301 to the signal generating unit 100 side, it is possible to radiate a wireless signal into space reflecting the results of correcting the phase error and amplitude error.
なお、式(7)から明らかなように、各送信ブランチへ出力する計測信号は同じ計測部251から出力されるため、位相差を測定する際は信号発生部100から計測信号を出力した際と同じ位相差が得られる。また、本実施形態で説明した集約局1は、第3の実施形態に適用することも可能であるし、第1、第2の実施形態と組み合わせることも可能である。よって、第1~3の実施形態と同様の作用効果を、信号発生部100には無線信号のみ出力可能で、測定信号を出力する機能を備えない装置を用いても実現できる。 As is clear from equation (7), the measurement signal output to each transmission branch is output from the same measurement unit 251, so when measuring the phase difference, the same phase difference is obtained as when the measurement signal is output from the signal generation unit 100. In addition, the central station 1 described in this embodiment can also be applied to the third embodiment, and can also be combined with the first and second embodiments. Therefore, the same effects as those of the first to third embodiments can be achieved even if a device that can output only wireless signals to the signal generation unit 100 and does not have the function of outputting measurement signals is used.
また、図示しないが、複数の張出局があり、それらに対応する複数台の信号発生部が存在する場合、多ポートの切替部301を用いて計測部251を共通化することで、1台の計測部251を使用して複数個所の張出局を校正することも可能である。これにより、少ない台数の計測部251を用いて第1~3の各実施形態を実現できる。すなわち、第1~3の各実施形態と比較して計測部の数を減らせるため、集約局も低コスト、小型化、低消費電力で実現できる。 Although not shown, when there are multiple base stations and multiple corresponding signal generating units, it is possible to use a multi-port switching unit 301 to share the measuring unit 251, and use a single measuring unit 251 to calibrate multiple base stations. This makes it possible to realize each of the first to third embodiments using a small number of measuring units 251. In other words, because the number of measuring units can be reduced compared to each of the first to third embodiments, the central station can also be realized at low cost, in a smaller size, and with lower power consumption.
[第5の実施形態]
(フェーズドアレイアンテナシステムの構成)
図15は、第5の実施形態の変形例に係るフェーズドアレイアンテナシステムの構成を示すブロック図である。第5の実施形態では、集約局の別の形態を示す。第1~4の実施形態と同一又は類似の動作を行う構成については、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。
[Fifth embodiment]
(Configuration of phased array antenna system)
15 is a block diagram showing the configuration of a phased array antenna system according to a modification of the fifth embodiment. In the fifth embodiment, another form of the aggregation station is shown. The configurations that perform the same or similar operations as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same or similar reference numerals and the description thereof is omitted.
集約局1は主に計測部により構成される集約局1a、主に信号発生部、制御演算部、制御情報記憶部などから構成される集約局1b、主に光スイッチにより構成される集約局1cを含む。なお、電気/光信号変換部121a、121bは電気/光信号変換部121と同じ機能を有する。また、集約局1a~1cは同じ建物内に設けてもよいし、それぞれを別の建物に分割して設けてもよい。当然、集約局1a~1cのうち一部の機能を同じ建物内に設け、残りの機能を別の建物に設けてもよい。また、集約局1cを光伝送路13に組み込んでもよい。 The central station 1 includes central station 1a, which is mainly composed of a measurement unit; central station 1b, which is mainly composed of a signal generation unit, a control calculation unit, a control information storage unit, etc.; and central station 1c, which is mainly composed of an optical switch. Note that the electrical/optical signal conversion units 121a and 121b have the same functions as the electrical/optical signal conversion unit 121. The central stations 1a to 1c may be provided in the same building, or may be provided separately in different buildings. Of course, some of the functions of the central stations 1a to 1c may be provided in the same building, and the remaining functions may be provided in different buildings. The central station 1c may also be incorporated into the optical transmission path 13.
光スイッチ320は、光伝送路131へ入力する信号を電気/光信号変換部121a、または電気/光信号変換部121bへ切り替える機能を有する。光スイッチ320は、例えば、メカニカル方式、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)方式、光導波路方式の光スイッチを用いて実現できる The optical switch 320 has a function of switching the signal input to the optical transmission path 131 to the electrical/optical signal conversion unit 121a or the electrical/optical signal conversion unit 121b. The optical switch 320 can be realized, for example, using a mechanical type, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type, or an optical waveguide type optical switch.
(誤差補正方法)
第5の実施形態における校正手順(校正方法)について説明する。初めに、光スイッチ320を電気/光信号変換部121a側に切り替える。次に、信号発生部100の代わりに計測部251から計測信号を出力し、第1の実施形態、または第2の実施形態の校正手順に沿って位相誤差と振幅誤差を補正する。なお、校正手順を実施する際、制御演算部260は信号発生部100と計測部250の代わりに計測部251と連係動作を行う。なお、集約局1aと集約局1bを離れた場所に設置する場合、計測部251と制御演算部260の連携は、例えばイーサネットなどを用いて行う。最後に、光スイッチ320を電気/光信号変換部121b側に切り替えることで、位相誤差と振幅誤差を補正した結果を反映して空間に無線信号を放射可能である。
(Error correction method)
The calibration procedure (calibration method) in the fifth embodiment will be described. First, the optical switch 320 is switched to the electrical/optical signal conversion unit 121a side. Next, a measurement signal is output from the measurement unit 251 instead of the signal generation unit 100, and the phase error and amplitude error are corrected according to the calibration procedure of the first or second embodiment. When the calibration procedure is performed, the control and calculation unit 260 performs a linking operation with the measurement unit 251 instead of the signal generation unit 100 and the measurement unit 250. When the central station 1a and the central station 1b are installed in separate locations, the linking between the measurement unit 251 and the control and calculation unit 260 is performed using, for example, Ethernet. Finally, by switching the optical switch 320 to the electrical/optical signal conversion unit 121b side, a wireless signal can be emitted into space reflecting the results of correcting the phase error and amplitude error.
なお、式(7)から明らかなように、各送信ブランチへ出力する計測信号は同じ計測部251から出力されるため、位相差を測定する際は、信号発生部100から計測信号を出力した際と同じ位相差が得られる。また、本実施形態で説明した集約局1は、第3の実施形態に適用することも可能であるし、第1、第2の実施形態と組み合わせることも可能である。よって、第1~3の実施形態と同様の作用効果を、信号発生部100には無線信号のみ出力可能で、測定信号を出力する機能を備えない装置を用いても実現できる。 As is clear from equation (7), the measurement signals output to each transmission branch are output from the same measurement unit 251, so when measuring the phase difference, the same phase difference is obtained as when the measurement signal is output from the signal generation unit 100. Furthermore, the aggregation station 1 described in this embodiment can also be applied to the third embodiment, and can also be combined with the first and second embodiments. Therefore, the same effects as those of the first to third embodiments can be achieved even if a device that can only output wireless signals to the signal generation unit 100 and does not have the function of outputting measurement signals is used.
また、図示しないが、複数の張出局があり、それらに対応する複数台の信号発生部が存在する場合、多ポートの光スイッチ320を用いて計測部251を共通化することで、1台の計測部251を使用して複数個所の張出局を校正することも可能である。なお、第4の実施形態と異なり、計測部251をRF領域ではなく光領域で切り替えを行うため伝送路上での損失が少なく、第4の実施形態よりも信号発生部100から離れた位置に計測部251を設置できるようになる。よって、1台の計測部251で賄える張出局の数が増える。これにより、第4の実施形態よりも集約局側をさらに低コスト化、小型化、低消費電力化できる。 Although not shown, when there are multiple base stations and multiple corresponding signal generating units, it is possible to use a single measuring unit 251 to calibrate multiple base stations by sharing the measuring unit 251 using a multi-port optical switch 320. Unlike the fourth embodiment, the measuring unit 251 switches in the optical domain instead of the RF domain, so there is less loss on the transmission path, and the measuring unit 251 can be installed at a position farther away from the signal generating unit 100 than in the fourth embodiment. This increases the number of base stations that can be serviced by a single measuring unit 251. This allows the central station to be even cheaper, more compact, and consume less power than in the fourth embodiment.
以上説明したように、上記実施形態によれば、集約局に校正機能を持たせることによって、フェーズドアレイアンテナシステムの構成を簡素化でき、その結果、張出局の低消費電力化、小型化、低コスト化を図ることができるすることが可能となる。 As described above, according to the above embodiment, by providing the central station with a calibration function, the configuration of the phased array antenna system can be simplified, and as a result, it is possible to achieve low power consumption, miniaturization, and cost reduction of the base station.
1、1a、1b、1c 集約局
2 張出局
13、131、132 光伝送路
100 信号発生部
111 信号多重部
121、121a、121b 電気/光信号変換部
141 光/電気信号変換部
151 信号分割分配部
160 高周波・位相・振幅制御部
171、172、173 振幅調整部
181、182、183 位相調整部
191、192、193 高周波調整部
201、202、203 信号分配部
211、212、213 アンテナ部
220、221、222 信号合成部
230、231、232 アナログ電気/光信号変換部
240 アナログ光/電気信号変換部
250、251 計測部
260 制御演算部
270 制御情報記憶部
291、292、293 伝送線路
301 切替部
310 信号選択部
320 光スイッチ
B1、B2、B3 送信ブランチ
Reference Signs List 1, 1a, 1b, 1c Aggregation station 2 Base station 13, 131, 132 Optical transmission path 100 Signal generation unit 111 Signal multiplexing unit 121, 121a, 121b Electrical/optical signal conversion unit 141 Optical/electrical signal conversion unit 151 Signal division/distribution unit 160 High frequency/phase/amplitude control unit 171, 172, 173 Amplitude adjustment unit 181, 182, 183 Phase adjustment unit 191, 192, 193 High frequency adjustment unit 201, 202, 203 Signal distribution unit 211, 212, 213 Antenna unit 220, 221, 222 Signal synthesis unit 230, 231, 232 Analog electrical/optical signal conversion unit 240 Analog optical/electrical signal conversion unit 250, 251 Measurement unit 260 Control and calculation unit 270 Control information storage units 291, 292, 293 Transmission line 301 Switching unit 310 Signal selection unit 320 Optical switches B1, B2, B3 Transmission branch
Claims (9)
前記集約局から受信した光信号を電気信号に変換する光/電気信号変換部と、
前記電気信号を、無線信号と制御信号に分離する信号分割分配部と、
前記分離された制御信号に基づき、送信ブランチへ送信された無線信号の高周波、振幅または位相を調整する制御部と、
前記送信ブランチから出力された無線信号を合成する信号合成部と、
前記合成した無線信号を光信号に変換するアナログ電気/光信号変換部と、を備え、
前記集約局から取得した前記制御信号に基づいて、隣接するアンテナ間の誤差を校正することを特徴とする張出局。 A base station applied to a phased array antenna system including a central station and a base station having a plurality of antennas, the base station being connected by an optical transmission line,
an optical/electrical signal conversion unit that converts an optical signal received from the central station into an electrical signal;
a signal division/distribution unit that divides the electrical signal into a radio signal and a control signal;
a control unit that adjusts a frequency, an amplitude, or a phase of a radio signal transmitted to a transmitting branch based on the separated control signal;
a signal combining unit that combines the radio signals output from the transmission branches;
an analog electrical/optical signal converter for converting the combined radio signal into an optical signal;
A base station which calibrates an error between adjacent antennas based on the control signal obtained from the central station.
前記位相調整部は、隣接する送信ブランチのうち一方の位相を初期値から360度を超えない範囲で変化させ、位相誤差を補正することを特徴とする請求項1記載の張出局。 the transmission branch further includes a phase adjustment unit that adjusts a phase of the radio signal output from the signal division/distribution unit,
2. The base station according to claim 1, wherein the phase adjustment unit changes the phase of one of the adjacent transmission branches within a range not exceeding 360 degrees from an initial value to correct a phase error.
前記位相調整部は、隣接する送信ブランチのうち一方の位相を初期値から180度を超えない範囲で変化させ、前記範囲における無線信号の極大値および極小値の少なくともいずれかに基づいて位相誤差を補正することを特徴とする請求項1記載の張出局。 the transmission branch further includes a phase adjustment unit that adjusts a phase of the radio signal output from the signal division/distribution unit,
2. The base station according to claim 1, wherein the phase adjustment unit changes the phase of one of the adjacent transmitting branches within a range not exceeding 180 degrees from an initial value, and corrects a phase error based on at least one of a maximum value and a minimum value of the radio signal within the range .
無線信号および測定信号を生成する信号発生部と、
前記生成した無線信号と制御信号を多重し電気信号を生成する信号多重部と、
前記生成した電気信号を光信号に変換し、前記張出局へ出力する電気/光信号変換部と、
前記張出局から光信号を受信し、電気信号に変換するアナログ光/電気信号変換部と、
前記光信号から変換した電気信号に基づいて、前記張出局の各アンテナの振幅と位相を測定する計測部と、
前記測定結果から位相誤差および振幅誤差を算出し、前記制御信号を生成する制御演算部と、を備え、
前記制御信号を前記張出局へ送信することによって、前記張出局の隣接するアンテナ間の誤差を校正することを特徴とする集約局。 A central station applied to a phased array antenna system including a central station and a base station having a plurality of antennas, the central station being connected by an optical transmission line,
a signal generating unit that generates a radio signal and a measurement signal;
a signal multiplexing unit that multiplexes the generated radio signal and a control signal to generate an electrical signal;
an electrical/optical signal converter that converts the generated electrical signal into an optical signal and outputs the optical signal to the base station;
an analog optical/electrical signal conversion unit that receives an optical signal from the base station and converts it into an electrical signal;
a measurement unit that measures the amplitude and phase of each antenna of the base station based on the electrical signal converted from the optical signal;
a control and calculation unit that calculates a phase error and an amplitude error from the measurement result and generates the control signal;
a central station for calibrating an error between adjacent antennas of the base station by transmitting the control signal to the base station.
前記集約局は、
無線信号および測定信号を生成する信号発生部と、
前記生成した無線信号と制御信号を多重し電気信号を生成する信号多重部と、
前記生成した電気信号を光信号に変換し、張出局へ出力する電気/光信号変換部と、
前記張出局から光信号を受信し、電気信号に変換するアナログ光/電気信号変換部と、
前記光信号から変換した電気信号に基づいて、振幅と位相を測定する計測部と、
前記測定結果から位相誤差および振幅誤差を算出し、前記制御信号を生成する制御演算部と、を備え、
前記張出局は、
前記集約局から受信した光信号を電気信号に変換する光/電気信号変換部と、
前記電気信号を、無線信号と制御信号に分離する信号分割分配部と、
前記分離された制御信号に基づき、送信ブランチへ送信された無線信号の高周波、振幅または位相を調整する制御部と、
前記送信ブランチから出力された無線信号を合成する信号合成部と、
前記合成した無線信号を光信号に変換するアナログ電気/光信号変換部と、を備え、
前記張出局は、前記集約局から取得した前記制御信号に基づいて、隣接するアンテナ間の誤差を校正することを特徴とするフェーズドアレイアンテナシステム。 A phased array antenna system including a central station and a base station having a plurality of antennas, the phased array antenna system being connected by an optical transmission line,
The aggregation station includes:
a signal generating unit for generating a radio signal and a measurement signal;
a signal multiplexing unit that multiplexes the generated radio signal and a control signal to generate an electrical signal;
an electrical/optical signal converter that converts the generated electrical signal into an optical signal and outputs the optical signal to a base station;
an analog optical/electrical signal conversion unit that receives an optical signal from the base station and converts it into an electrical signal;
a measurement unit that measures an amplitude and a phase based on an electrical signal converted from the optical signal;
a control and calculation unit that calculates a phase error and an amplitude error from the measurement result and generates the control signal;
The said station is
an optical/electrical signal conversion unit that converts an optical signal received from the central station into an electrical signal;
a signal division/distribution unit that divides the electrical signal into a radio signal and a control signal;
a control unit that adjusts a frequency, an amplitude, or a phase of a radio signal transmitted to a transmitting branch based on the separated control signal;
a signal combining unit that combines the radio signals output from the transmission branches;
an analog electrical/optical signal converter for converting the combined radio signal into an optical signal;
The phased array antenna system according to claim 1, wherein the base station calibrates an error between adjacent antennas based on the control signal obtained from the central station.
前記推定した伝送線路長から前記張出局内の送信ブランチ間の振幅誤差および位相誤差を補正することを特徴とする請求項7記載のフェーズドアレイアンテナシステム。 The control and calculation unit estimates a transmission line length in the base station from the measurement result,
8. The phased array antenna system according to claim 7, wherein an amplitude error and a phase error between transmitting branches in said base station are corrected from said estimated transmission line length.
前記集約局は、
無線信号を生成する信号発生部と、
前記生成した無線信号と制御信号を多重し電気信号を生成する信号多重部と、
前記生成した電気信号を光信号に変換し、張出局へ出力する電気/光信号変換部と、
前記張出局から光信号を受信し、電気信号に変換するアナログ光/電気信号変換部と、
測定信号を出力し、前記変換した電気信号から振幅と位相を測定する計測部と、
前記測定結果から位相誤差および振幅誤差を算出し、前記制御信号を生成する制御演算部と、
前記張出局へ出力する信号に応じて出力元を前記信号発生部または前記計測部に切り替える切替部と、を備え、
前記張出局は、
前記集約局から受信した光信号を電気信号に変換する光/電気信号変換部と、
前記電気信号を、無線信号と制御信号に分離する信号分割分配部と、
前記分離された制御信号に基づき、送信ブランチへ送信された無線信号の高周波、振幅または位相を調整する制御部と、
前記送信ブランチから出力された無線信号を合成する信号合成部と、
前記合成した無線信号を光信号に変換するアナログ電気/光信号変換部と、を備え、
前記張出局は、前記集約局から取得した前記制御信号に基づいて、隣接するアンテナ間の誤差を校正することを特徴とするフェーズドアレイアンテナシステム。 A phased array antenna system including a central station and a base station having a plurality of antennas, the phased array antenna system being connected by an optical transmission line,
The aggregation station includes:
A signal generating unit that generates a wireless signal;
a signal multiplexing unit that multiplexes the generated radio signal and a control signal to generate an electrical signal;
an electrical/optical signal converter that converts the generated electrical signal into an optical signal and outputs the optical signal to a base station;
an analog optical/electrical signal conversion unit that receives an optical signal from the base station and converts it into an electrical signal;
a measurement unit that outputs a measurement signal and measures the amplitude and phase from the converted electrical signal;
a control calculation unit that calculates a phase error and an amplitude error from the measurement result and generates the control signal;
a switching unit that switches an output source between the signal generating unit and the measurement unit in response to a signal to be output to the base station,
The said station is
an optical/electrical signal conversion unit that converts an optical signal received from the central station into an electrical signal;
a signal division/distribution unit that divides the electrical signal into a radio signal and a control signal;
a control unit that adjusts a frequency, an amplitude, or a phase of a radio signal transmitted to a transmitting branch based on the separated control signal;
a signal combining unit that combines the radio signals output from the transmission branches;
an analog electrical/optical signal converter for converting the combined radio signal into an optical signal;
The phased array antenna system according to claim 1, wherein the base station calibrates an error between adjacent antennas based on the control signal obtained from the central station.
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