特許 7175347 ビームフォーミング装置、ビームフォーミングシステム及びビーム発生器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-10

(45)【発行日】2022-11-18

(54)【発明の名称】ビームフォーミング装置、ビームフォーミングシステム及びビーム発生器

(51)【国際特許分類】

   H01Q 3/24 20060101AFI20221111BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20221111BHJP

   H01Q 3/36 20060101ALI20221111BHJP

   H04B 7/06 20060101ALI20221111BHJP

   H04B 7/08 20060101ALI20221111BHJP

【ＦＩ】

H01Q3/24

H01Q21/06

H01Q3/36

H04B7/06 950

H04B7/08 600

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021088512

(22)【出願日】2021-05-26

(65)【公開番号】P2022016300

(43)【公開日】2022-01-21

【審査請求日】2021-05-26

(31)【優先権主張番号】202010655947.1

(32)【優先日】2020-07-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】596039187

【氏名又は名称】台達電子工業股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＤＥＬＴＡ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(72)【発明者】

【氏名】黄 傑超

(72)【発明者】

【氏名】陳 彦廷

【審査官】安藤 一道

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－０９７６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２７４５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０７４３７８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ ３／２４

Ｈ０１Ｑ ２１／０６

Ｈ０１Ｑ ３／３６

Ｈ０４Ｂ ７／０６

Ｈ０４Ｂ ７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の位相利得調整装置を含み、第１の方向における無線信号の位相を調整するように構成された位相調整回路と、
複数のビームフォーミング装置であって、前記複数のビームフォーミング装置の各々が、
前記複数の位相利得調整装置のうちの１つに電気的に接続された送受信回路と、
前記送受信回路に電気的に接続されたスイッチ回路と、
複数のアンテナユニットを含むビーム発生器であって、前記複数のアンテナユニットは、複数の放射角度に応じて信号を送受信し、前記複数のアンテナユニットに各々対応する前記複数の放射角度は、互いに異なり、前記スイッチ回路は、制御信号に応じて前記複数のアンテナユニットのうちの１つを前記送受信回路に選択的に導通する、ビーム発生器と、
を備える複数のビームフォーミング装置と、
を備えるビームフォーミングシステムであって、
前記ビーム発生器は、
複数の給電点を含む回路基板を含み、前記複数の給電点は、複数の導線を介して接続され、前記複数の給電点と前記複数の導線は、前記複数のアンテナユニットを形成するように構成され、
前記ビームフォーミングシステムは、第２の方向における前記無線信号の放射方向を調整するように、前記スイッチ回路により前記アンテナユニットのうちの１つを選択的に導通する、
ビームフォーミングシステム。

【請求項2】

前記複数のアンテナユニットの各々は、互いに異なる、導線長さ、面積又は分布位置を有する、請求項１に記載のビームフォーミングシステム。

【請求項3】

前記送受信回路は、
前記スイッチ回路に電気的に接続された第１の切替回路と、
前記第１の切替回路に電気的に接続された受信回路、
前記第１の切替回路に電気的に接続された送信回路と、
前記位相利得調整装置のうちの１つ、前記受信回路及び前記送信回路に電気的に接続された第２の切替回路と、
を更に含み、
前記第１の切替回路は、前記スイッチ回路を前記受信回路又は前記送信回路に選択的に導通し、前記第２の切替回路は、前記位相利得調整装置のうちの１つを前記受信回路又は前記送信回路に選択的に導通する請求項１に記載のビームフォーミングシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示内容は、ビームフォーミングシステムに関し、特に、複数のアンテナユニットを介して無線信号を送受信する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

ビームフォーミング（Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）は、アンテナアレイを介して無線信号を指向的に送受信する技術である。アンテナアレイは、特定の方向で送受信信号を重ね合わせて、正確な指向性伝送を形成することができる。ビームフォーミングを実行する回路には様々な構造があるが、異なる回路構造が電力付加効率（Ｐｏｗｅｒ Ａｄｄｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ＰＡＥ）に影響を与えるだけでなく、製造コストにも密接に関係する。

【発明の概要】

【0003】

本開示内容の一実施例は、送受信回路と、送受信回路に電気的に接続されるスイッチ回路と、複数のアンテナユニットを含むビーム発生器と、を備え、アンテナユニットは、複数の放射角度に応じて信号を送受信し、且つその各々に対応する放射角度が互いに異なり、スイッチ回路は、制御信号に基づいて、１つのアンテナユニットを送受信回路に選択的に導通するビームフォーミング装置である。

【0004】

本開示内容の別の実施例は、スイッチ回路に電気的に接続される複数のアンテナユニットを含むビーム発生器において、前記アンテナユニットは、複数の放射角度に応じて信号を送受信し、且つその各々に対応する放射角度が互いに異なり、スイッチ回路は、前記アンテナユニットのうちの少なくとも１つを送受信回路に選択的に導通し、且つビーム発生器は、導通された前記アンテナユニットのうちの１つに基づいて、対応する放射方向を生成するビーム発生器である。

【0005】

本開示内容の更なる実施例は、第１の方向における無線信号の位相を調整するための複数の位相利得調整装置を含む位相調整回路と、前記位相利得調整装置のうちの１つに電気的に接続される送受信回路と、スイッチ回路と、複数のアンテナユニットを含むビーム発生器と、をそれぞれ含み、前記アンテナユニットは、複数の放射角度に応じて無線信号を送受信し、且つその各々に対応する放射角度が互いに異なり、スイッチ回路は、制御信号に基づいて、１つのアンテナユニットを送受信回路に選択的に導通する複数のビームフォーミング装置と、を備えるビームフォーミングシステムである。

【発明の効果】

【0006】

ビームフォーミングシステムは、スイッチ回路の切り替えによって、送受信回路に導通されるアンテナユニットを変え、更にビーム発生器の放射方向を調整することができるため、この「受動型」ビームフォーミングシステムは、製造コストと電力付加効率を両立することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本開示内容の一部の実施例によるビームフォーミングシステムを示す模式図である。

【図2】本開示内容の一部の実施例によるビーム発生器を示す模式図である。

【図3】本開示内容の一部の実施例によるビームフォーミングシステムを示す模式図である。

【図4】本開示内容の一部の実施例によるビーム発生器を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面で本発明の複数の実施形態を開示し、明確に説明するために、多くの実際的な細部を下記叙述で合わせて説明する。しかしながら、理解すべきなのは、これらの実際的な細部が、本発明を制限するように適用されるものではない。つまり、本開示内容の一部の実施例において、これらの実際的な細部は必要なものではない。また、図面を簡略化するために、ある従来慣用の構造及び素子は、図面において簡単で模式的に示される。

【0009】

本文では、素子が「接続」又は「結合」されると記載される場合に、「電気的接続」又は「電気的結合」を指してもよい。「接続」又は「結合」は、２つ又は複数の素子が互いに合わせて操作又は相互作用することを示すことに用いられてもよい。なお、本文には、「第１」、「第２」等の用語で異なる素子を述べるが、当該用語は同じ技術用語で述べられた素子又は操作を区別するためのものだけである。上下の文で明示しない限り、この用語は、順序又は順位を特に指示又は示唆するものではなく、本発明を限定するためのものでもない。

【0010】

本開示内容の一部の実施例によるビームフォーミングシステム１００を示す図１を参照されたい。ビームフォーミングシステム１００は、送受信回路１１０と、スイッチ回路１２０と、ビーム発生器１３０と、を含む。送受信回路１１０は、無線信号を受信するか、無線信号を外へ送信するために使用される。送受信回路１１０は、ビームフォーミングシステム１００のプロセッサＣに電気的に接続される。プロセッサＣは、様々な演算を実行するために使用され、マイクロコントローラー（ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、マイクロプロセッサ（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、デジタルシグナルプロセッサ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、特殊用途集積回路（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ；ＡＳＩＣ）又は論理回路として実施されてもよい。

【0011】

スイッチ回路１２０は、送受信回路１１０に電気的に接続される。一部の実施例において、スイッチ回路１２０は、第１のスイッチ素子１２１及び複数の第２のスイッチ素子１２２を含む。第１のスイッチ素子１２１は１対２のスイッチであり、第２のスイッチ素子１２２は２つの１対２のスイッチである。第１のスイッチ素子１２１及び第２のスイッチ素子１２２により、スイッチ回路１２０は、１対４の選択的スイッチング機能を持つようになる。スイッチ回路１２０の回路構造は、図１に示す回路に限定されなく、１つの１対８（図１に示すように、スイッチ回路１２０は、選択的に導通する８つの端子を有する）のスイッチ素子又は他のスイッチ回路を使用してもよい。

【0012】

図１及び図２を参照すると、図２は、本開示内容の一部の実施例によるビーム発生器１３０を示す模式図である。ビーム発生器１３０は、複数のアンテナユニット１３１Ａ～１３１Ｄを含む。アンテナユニット１３１Ａ～１３１Ｄは、複数の放射角度に応じて信号を送受信し、その各々に対応する前記放射角度が互いに異なる。アンテナユニット１３１Ａ～１３１Ｄがスイッチ回路１２０の４つの端子に電気的に接続され、スイッチ回路１２０は、プロセッサＣの送信した制御信号に基づいて、アンテナユニット１３１Ａ～１３１Ｄのうちの１つを送受信回路１１０に選択的に導通する。

【0013】

スイッチ回路１２０がアンテナユニット１３１Ａ～１３１Ｄを送受信回路１１０に導通する場合、送受信回路１１０は、ビーム発生器１３０を介して無線信号を送受信することができる。ビームフォーミングシステム１００は、ビーム発生器１３０全体の放射方向を調整するように、スイッチ回路１２０によりそのうちの１つのアンテナユニット１３１を選択的に導通する。例えば、アンテナ１３１Ａの放射角度は水平方向に対して５度となり、アンテナ１３１Ｂの放射角度は水平方向に対して１６度となり、アンテナ１３１Ｃの放射角度は水平方向に対して２７度となり、アンテナ１３１Ｄの放射角度は水平方向に対して３９度となるが、本開示内容はこれに制限されない。

【0014】

例えば、スイッチ回路１２０が受信した制御信号に基づいて、送受信回路１１０をアンテナ１３１Ａに導通すると、ビーム発生器１３０全体の放射方向は、アンテナユニット１３１Ａの放射角度５度となる。同様に、スイッチ回路１２０が受信した制御信号に基づいて、送受信回路１１０をアンテナ１３１Ｂに導通すると、ビーム発生器１３０全体の放射方向はアンテナユニット１３１Ｂの放射角度１６度となる。

【0015】

実際に、送受信回路１１０の製造プロセスは、ビームフォーミングシステム１００のコストと電力付加効率に顕著な影響を与える。例えば、送受信回路１１０は、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）の製造プロセスで製作（即ち、内部トランジスタがシリコンゲルマニウム材料である）されると、製造コストが低いが、電力付加効率（Ｐｏｗｅｒ Ａｄｄｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ＰＡＥ）は理想的ではない。一方、送受信回路１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の製造プロセスで製作（即ち、内部トランジスタは窒化ガリウム材料である）されると、電力付加効率が大幅に向上するが、コストも非常に高い。

【0016】

一実施例において、送受信回路１１０は、良好な電力付加効率を確保するように、窒化ガリウムの製造プロセスを使用する。図１に示すように、ビームフォーミングシステム１００がスイッチ回路１２０により接続され、且つ複数のアンテナユニット１３１Ａ～１３１Ｄを選択的に導通するため、送受信回路１１０にチャンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）を１つのみ配置するだけで、高いアンテナ利得を発生することができる。

【0017】

図１に示すように、送受信回路１１０、スイッチ回路１２０及びビーム発生器１３０は、１つの「受動型」ビームフォーミング装置２００とされてよい。「受動型」とは、送受信回路１１０に、信号の位相又は強さを調整するための調整回路を設ける必要はないことである。受動型ビームフォーミング装置２００は、スイッチ回路１２０により異なるアンテナユニット１３１Ａ～１３１Ｄの切り替え状態に導通して、ビーム発生器１３０全体の放射方向を変える。これにより、信号伝送の正確性、電力付加効率及び製造コストを両立することができる。

【0018】

一実施例において、アンテナユニット１３１Ａ～１３１Ｄは、パッチアンテナ（Ｐａｔｃｈ ａｎｔｅｎｎａ）であってよく、且つその導線の長さ、面積（又は導線幅）又は分布領域が互いに異なるので、各アンテナユニットが一定で且つ互いに異なる放射角度及び放射パターンを持つようになる。一部の実施例において、ビーム発生器１３０は、回路基板Ｐを含む。アンテナユニット１３１Ａ～１３１Ｄは、回路基板Ｐに設けられる。図２に示すように、回路基板Ｐに複数の給電点Ｐ１０が含まれる。給電点Ｐ１０同士が導線Ｐ１１を介して接続されるので、給電点Ｐ１０及び導線Ｐ１１は、アンテナユニット１３１Ａ～１３１Ｄを形成するために使用される。各アンテナユニット１３１Ａ～１３１Ｄは、その各々における導線長さ、面積及び分布領域が互いに異なるため、異なる放射角度（放射パターン）を有する。

【0019】

一実施例において、送受信回路１１０は、スイッチ回路１２０及びプロセッサＣに電気的に接続され、且つ第１の切替回路１１１、第２の切替回路１１２、受信回路１１３及び送信回路１１４を含む。受信回路１１３及び送信回路１１４は、第１の切替回路１１１と第２の切替回路１１２との間に電気的に接続される。スイッチ回路１２０を受信回路１１３又は送信回路１１４に選択的に導通するように、第１の切替回路１１１の一端は、スイッチ回路１２０に電気的に接続される。第２の切替回路１１２の一端は、無線信号の処理のための装置に電気的に接続される。プロセッサＣをスイッチ回路１２０に選択的に導通するように、第１の切替回路１１１及び第２の切替回路１１２は、プロセッサＣによって制御される。つまり、送受信回路１１０は、第１の切替回路１１１及び第２の切替回路１１２により、受信した無線信号を無線信号の処理のための装置に選択的に伝達するか、前記装置から発生した無線信号をスイッチ回路１２０に伝達することができる。

【0020】

一実施例において、本発明者の実際の試験によれば、「受動型」ビームフォーミング装置２００を有するビームフォーミングシステム１００は、消費電力（ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）が２．４ワットである。現在、他のビームフォーミング装置の消費電力は１０～１５ワットである。ビームフォーミングシステム１００の実効等方放射電力（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｒａｄｉａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ；ＥＩＲＰ）も規格に準拠している４１ｄＢｍに達する。なお、前記のように、送受信回路１１０にチャンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）が１つのみ配置されてよいため、窒化ガリウムの製造プロセスのコストを節約することができる。

【0021】

本開示内容の他の部分の実施例によるビームフォーミングシステム３００を示す模式図である図３を参照されたい。図３において、理解しやすくするために、図１の実施例に関連する同様な素子は同じ参照符号で示され、且つ同様な素子の具体的な原理については、前記段落で詳細に説明されており、図３の素子との間で相乗効果を有することで紹介する必要があるわけでなければ、ここで繰り返して説明しない。

【0022】

この実施例において、ビームフォーミングシステム３００は、位相調整回路３１０と、複数のビームフォーミング装置２００と、を含む「ハイブリッド型（Ｈｙｂｒｉｄ）」アーキテクチャである。即ち、位相調整回路３１０は、無線信号の位相及び強さを主動的に調整することができ、ビームフォーミング装置２００はスイッチ回路１２０により、放射方向の切り替えという目的が受動的に達成される。図３に示すように、位相調整回路３１０は、プロセッサ及び前記ビームフォーミング装置２００に電気的に接続され、且つ複数の位相利得調整装置３１１を含む。位相利得調整装置３１１は、駆動回路３２０から伝達された調整命令に応じて、第１の方向における無線信号の位相を調整するために使用される。一部の実施例において、位相調整回路３１０は、「垂直方向」の信号位相を調整するために使用される。なお、一部の実施例において、位相調整回路３１０は、シリコンゲルマニウムの製造プロセスによって製造され、即ちシリコンゲルマニウム材料のトランジスタを含む。当業者であれば、位相調整回路３１０の動作原理を理解することができるので、ここで繰り返して説明しない。ビームフォーミング装置２００は、前述実施例に記載の「受動型」ビームフォーミング装置であってよい。ビームフォーミング装置２００は、送受信回路２１０、スイッチ回路１２０及びビーム発生器１３０を含む。スイッチ回路１２０及びビーム発生器１３０の回路及び動作方法については、前述実施例で説明したため、ここで繰り返して説明しない。

【0023】

具体的に、位相利得調整装置３１１が利得調整回路３１１ａ及び位相調整回路３１１ｂを含むので、位相利得調整装置３１１は、駆動回路３２０から伝送された調整命令を受信した後で、無線信号の利得を調整してから、無線信号の位相を調整するようになる。当業者であれば、位相利得調整装置３１１の回路と動作原理を理解することができるので、ここで繰り返して説明しない。

【0024】

各ビームフォーミング装置２００の送受信回路２１０の各々は、それぞれ１つの位相利得調整装置３１１に電気的に接続される。ビームフォーミング装置２００における各ビーム発生器１３０は、第２の方向で異なる放射パターンを有する。このため、第２の方向におけるビーム発生器１３０の放射方向を決定するように、スイッチ回路１２０は、ビーム発生器１３０のうちの１つのアンテナユニットに選択可能に接続される。一実施例において、ビームフォーミング装置２００は、スイッチ回路１２０により「水平方向」におけるビーム発生器１３０の放射方向を調整する。

【0025】

図３に示すように、位相調整回路３１０は、位相利得調整装置３１１により、第１の方向における送受信した無線信号の放射角度を主動的に調整することができる。ビームフォーミング装置２００は、スイッチ回路１２０により、第２の方向における無線信号の放射角度を受動的に調整する。これにより、主動と受動、シリコンゲルマニウムの製造プロセスと窒化ガリウムの製造プロセスとの合わせによって、コストとのバランスを取りながら、良好な電力変換効率を実現することができる。なお、ビームフォーミングシステム３００は、複数のビームフォーミング装置２００を含むため、同樣な消費電力でより長い伝送距離に達することを可能にする。

【0026】

図３に示すように、一実施例において、送受信回路２１０は、第１の切替回路２１１、第２の切替回路２１２、送信回路２１３及び受信回路２１４を含む。第１の切替回路２１１の一端は、スイッチ回路１２０に電気的に接続される。送信回路２１３及び受信回路２１４は、第１の切替回路２１１の他端に電気的に接続される。第２の切替回路２１２の両端は、そのうちの１つの位相調整器３１１、受信回路２１３及び送信回路２１４に電気的に接続される。第１の切替回路２１１は、スイッチ回路１２０を受信回路２１４又は送信回路２１３に選択的に導通する。第２の切替回路２１２は、対応する位相調整器３１１を受信回路２１４又は送信回路２１３に選択的に導通する。

【0027】

図４に示すように、本開示内容の他の部分の実施例によるビーム発生器４３０を示す模式図である。図面が複雑になりすぎて視認しにくくなるのを防ぐために、図４において、給電点や導線を省略する。この実施例において、ビーム発生器４３０は、８つのアンテナユニット４３１Ａ～４３１Ｈを含む。アンテナユニット４３１Ａ～４３１Ｈは、垂直偏波調整部ＶＰ及び水平偏波調整部ＨＰを更に含む。即ち、アンテナユニット４３１Ａ～４３１Ｈの垂直偏波調整部ＶＰは、垂直偏波の信号を送受信するために使用される。アンテナユニット４３１Ａ～４３１Ｈの水平偏波調整部ＨＰは、水平偏波の信号を送受信するために使用される。この実施例において、アンテナユニット４３１Ａ～４３１Ｈの垂直偏波調整部ＶＰ、水平偏波調整部ＨＰの対応する放射角度はそれぞれ「３９、２７、１６、５、－５、－１６、－２７及び－３９」度であり、二重偏波アンテナの機能を備える。

【0028】

一実施例において、「ハイブリッド型」のビームフォーミングシステム３００は、４つのチャンネルを含む。即ち、４つのビーム発生器１３０を有する。本発明者の実際の試験によれば、ビームフォーミングシステム３００は、実効等方放射電力が約５３ｄＢｍまで向上することができ、消費電力が１２ワットであるが、現在、他のビームフォーミングシステムは、同様な実効等方放射電力を実現しようとすれば、その電力消費が約４０～６０ワットにも達する。

【0029】

他の部分の実施例において、「ハイブリッド型」のビームフォーミングシステム３００は、８つのチャンネルを含む。即ち、８つのビーム発生器１３０を有する。試験によれば、ビームフォーミングシステム３００は、実効等方放射電力が約５９ｄＢｍに向上することができ、消費電力が２４ワットであり、現在、他のビームフォーミングシステムは同様な実効等方放射電力を実現するには、その電力消費が約７５～１００ワットにも達し、本開示内容のよりもはるかに高い。

【0030】

前述各実施例における様々な素子、方法ステップ又は技術的特徴は、互いに組み合わせてよいが、本開示内容のテキストで説明された順序又は図面に示された順序に限定されない。

【0031】

本開示内容は実施形態を前述の通りに開示したが、これは本開示内容を限定するものではなく、当業者であれば、本開示内容の精神と範囲から逸脱しない限り、多様の変更や修飾を加えることができる。従って、本開示内容の保護範囲は、下記特許請求の範囲で指定した内容を基準とするものである。

【符号の説明】

【0032】

１００：ビームフォーミングシステム
１１０：送受信回路
１１１：第１の切替回路
１１２：第２の切替回路
１１３：受信回路
１１４：送信回路
１２０：スイッチ回路
１２１：第１のスイッチ素子
１２２：第２のスイッチ素子
１３０：ビーム発生器
１３１Ａ－１３１Ｄ：アンテナユニット
２００：ビームフォーミング装置
２１０：送受信回路
２１１：第１の切替回路
２１２：第２の切替回路
２１３：送信回路
２１４：受信回路
３００：ビームフォーミングシステム
３１０：位相調整回路
３１１：位相利得調整装置
３２０：駆動回路
４３０：ビーム発生器
４３１Ａ－４３１Ｈ：アンテナユニット
Ｃ：プロセッサ
Ｐ：回路基板
Ｐ１０：給電点
Ｐ１１：導線
ＶＰ：垂直偏波調整部
ＨＰ：水平偏波調整部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】