特許 7404680 ビームフォーミング装置およびビームフォーミング方法

(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】2023-12-18

(45)【発行日】2023-12-26

(54)【発明の名称】ビームフォーミング装置およびビームフォーミング方法

(51)【国際特許分類】

   H04B 7/06 20060101AFI20231219BHJP

   H01Q 3/26 20060101ALI20231219BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20231219BHJP

【ＦＩ】

H04B7/06 150

H01Q3/26 Z

H01Q21/06

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2019129568

(22)【出願日】2019-07-11

(65)【公開番号】P2021016077

(43)【公開日】2021-02-12

【審査請求日】2022-04-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100074099

【弁理士】

【氏名又は名称】大菅 義之

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(72)【発明者】

【氏名】志村 利宏

【審査官】吉江 一明

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／０８２８８７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２２３２５１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０２４３３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０９９６０８８３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２０１３－１１８６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５３９５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１３５３０５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｂ ７／０６

Ｈ０１Ｑ ３／２６

Ｈ０１Ｑ ２１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の入力信号それぞれの位相を制御して送信信号を生成する、複数の制御回路と、
前記複数の制御回路のそれぞれにより生成される前記送信信号を出力する、前記複数の制御回路のそれぞれに対応する複数のアンテナ素子と、を備え、
前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数の入力信号それぞれの周波数領域を高くする、複数のミキサと、
前記複数の入力信号それぞれの位相を制御する、前記複数ミキサに対応する複数の移相器と、を備え、
前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数のミキサによって信号の周波数領域が高くされ、且つ、前記複数の移相器によって位相が制御された、前記複数の入力信号を合成することによって、前記送信信号を生成する
ことを特徴とするビームフォーミング装置。

【請求項2】

前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数の入力信号それぞれの周波数領域を高くする、複数のミキサと、
前記複数のミキサの出力信号の位相をそれぞれ制御する、前記複数のミキサに対応する複数の移相器と、を備え
前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数の移相器の出力信号を合成して前記送信信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載のビームフォーミング装置。

【請求項3】

前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数の入力信号の位相をそれぞれ制御する、複数の移相器と、
前記複数の移相器の出力信号それぞれの周波数領域を高くする、前記複数の移相器に対応する複数のミキサと、を備え、
前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数のミキサの出力信号を合成して前記送信信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載のビームフォーミング装置。

【請求項4】

前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数の入力信号にそれぞれ発振信号を掛け合わせる複数のミキサと、
前記複数のミキサに与えられる発振信号の位相をそれぞれ制御する、前記複数のミキサに対応する複数の移相器と、を備え
前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数のミキサの出力信号を合成して前記送信信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載のビームフォーミング装置。

【請求項5】

前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数の入力信号または対応する前記制御回路内で周波数領域が高くされた、複数の入力信号の位相を、それぞれ制御する複数の第１の移相器と、
前記複数の第１の移相器の出力信号を合成することにより得られる前記送信信号の位相を制御する第２の移相器と、を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のビームフォーミング装置。

【請求項6】

前記ビームフォーミング装置が同時に形成可能なビーム数がＭであり、Ｌが任意の整数であるとき、前記第１の移相器それぞれの位相制御ステップは３６０度／（Ｌ×Ｍ）である
ことを特徴とする請求項５に記載のビームフォーミング装置。

【請求項7】

前記第２の移相器の位相制御範囲は、３６０度／（Ｌ×Ｍ）である
ことを特徴とする請求項６に記載のビームフォーミング装置。

【請求項8】

前記複数の制御回路のそれぞれは、
複数の移相部を備え、
前記複数の移相部のそれぞれは、
対応する入力信号から、互いに位相が異なる周波数領域が高くされた２つの信号を生成する１組のミキサと、
前記１組のミキサから出力される２つの信号の振幅をそれぞれ制御する１組の可変増幅器と、を備え、
前記複数の移相部のそれぞれは、
前記１組の可変増幅器の出力信号を合成して出力し、
前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数の移相部の出力信号を合成して出力する
ことを特徴とする請求項１に記載のビームフォーミング装置。

【請求項9】

前記複数の制御回路のそれぞれは、
複数の移相部を備え、
前記複数の移相部のそれぞれは、
対応する入力信号から互いに振幅が異なる２つの信号を生成する１組の可変増幅器と、
前記１組の可変増幅器から出力される２つの信号それぞれの周波数領域を高くすると共に前記２つの信号の位相を互いに異ならせる１組のミキサと、を備え、
前記複数の移相部のそれぞれは、
前記１組のミキサの出力信号を合成して出力し、
前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数の移相部それぞれの出力信号を合成して出力する
ことを特徴とする請求項１に記載のビームフォーミング装置。

【請求項10】

複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれを介して与えられる受信信号それぞれの位相を制御して出力信号を生成する、前記複数のアンテナ素子に対応する複数の制御回路と、を備え、
前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記受信信号それぞれの周波数領域を低くする、複数のミキサと、
前記受信信号それぞれの位相を制御する、前記複数ミキサに対応する複数の移相器と、を備え、
前記複数の制御回路のそれぞれは、
前記複数のミキサによって信号の周波数領域が低くされ、且つ、前記複数の移相器によって位相が制御された、 前記出力信号を生成する
ことを特徴とするビームフォーミング装置。

【請求項11】

Ｍ個のデジタル／アナログ変換器、Ｎ個の位相制御回路、およびＮ個のアンテナ素子を備えるビームフォーミング装置を用いて送信ビームを形成するビームフォーミング方法であって、
各デジタル／アナログ変換器から出力される第１の周波数領域の信号は、それぞれ、Ｎ個の位相制御回路に分配され、
前記Ｎ個の位相制御回路のそれぞれは、
前記Ｍ個のデジタル／アナログ変換器から入力されるＭ個の信号それぞれに対して、位相制御および前記第１の周波数領域から第２の周波数領域へ周波数領域を高くする周波数制御を行い、
前記Ｎ個の位相制御回路のそれぞれにより前記位相制御および前記周波数制御が行われたＭ個の信号は、合成されて対応するアンテナ素子を介して出力される
ことを特徴とするビームフォーミング方法。

【請求項12】

Ｎ個のアンテナ素子、Ｎ個の位相制御回路、およびＭ個のアナログ／デジタル変換器を備えるビームフォーミング装置を用いて受信ビームを形成するビームフォーミング方法であって、
前記Ｎ個の位相制御回路のそれぞれは、
対応するアンテナ素子を介して受信する第１の周波数領域の信号をＭ個の受信信号に分割し、前記Ｍ個の受信信号それぞれに対して、位相制御および前記第１の周波数領域から第２の周波数領域へ周波数領域を低くする周波数制御を行い、
前記Ｎ個の位相制御回路のそれぞれにより前記位相制御および前記周波数制御が行われたＭ個の信号は、前記Ｍ個のアナログ／デジタル変換器に導かれる
ことを特徴とするビームフォーミング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線システムにおいて使用されるビームフォーミング装置およびビームフォーミング方法に係わる。

【背景技術】

【0002】

近年、高周波数帯（例えば、マイクロ波帯、ミリ波帯）において、通信の多重化またはセンシング（レーダ）の高精度化を実現するための技術の１つとして、ビームフォーミングが実用化されている。ビームフォーミングを実現するビームフォーミング装置は、アレイ状に配置された複数のアンテナ素子を備える。

【0003】

ビームフォーミング装置は、複数のアンテナ素子を使用して、各端末に対してビームを形成する。例えば、ビームフォーミング装置は、各アンテナ素子を介して送信する信号の位相および／または振幅を端末の位置に応じて制御することで、送信ビームの向きおよび形状を制御する。また、ビームフォーミング装置は、各アンテナ素子を介して受信する信号の位相および／または振幅を端末の位置に応じて制御することで、受信ビームの向きおよび形状を制御することもできる。

【0004】

さらに、複数の異なる信号を重畳し、且つ、異なる方向にビームを形成する方式（ビーム多重方式）の開発が進められている。ビーム多重を実現する方法の１つとして、フルデジタルビームフォーミングが提案されている。

【0005】

フルデジタルビームフォーミングにおいては、各アンテナ素子を介して送信または受信する信号の位相および／または振幅が、デジタル処理により制御される。このため、フルデジタルビームフォーミングを行うビームフォーミング装置（以下、「フルデジタルビームフォーミング装置」と呼ぶことがある。）は、送信ビームを形成するために、各アンテナ素子に対してデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）を備える。すなわち、フルデジタルビームフォーミング装置は、アンテナ素子と同じ数のＤＡＣを備える。また、フルデジタルビームフォーミング装置は、受信ビームを形成するために、アンテナ素子と同じ数のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を備える。ここで、ＤＡＣ／ＡＤＣの消費電力は、データ信号のレートに依存する。したがって、ミリ波帯などを利用する広帯域通信システムにおいてデータ信号のレートが高くなると、ビームフォーミング装置の消費電力が大きくなる。

【0006】

ビームフォーミングを実現する他の方法として、アナログフルコネクションビームフォーミングが提案されている。アナログフルコネクションビームフォーミングを実現するビームフォーミング装置（以下、「アナログフルコネクションビームフォーミング装置」と呼ぶことがある。）の一例を図１に示す。

【0007】

図１に示すビームフォーミング装置は、４台の端末を収容するために、４個のＤＡＣを備える。各ＤＡＣは、対応する端末に送信すべき信号をアナログ信号に変換する。但し、ビームフォーミング装置は、端末の数（すなわち、信号の数）よりも多くのアンテナ素子を備えることが好ましい。図１に示す例では、ビームフォーミング装置は、８個のアンテナ素子を備える。この場合、各端末に送信される信号Ｓ１～Ｓ４は、ローカル信号を用いて、ＲＦ帯にアップコンバートされた後、各位相制御回路に分配される。各位相制御回路は、信号Ｓ１～Ｓ４の位相および／または振幅を制御する。そして、各位相制御回路の出力信号は、それぞれアンテナ素子を介して出力される。ここで、各位相制御回路は、端末の位置に応じて信号Ｓ１～Ｓ４の位相を制御する。よって、各端末に対応するビームが形成される。

【0008】

なお、ビームフォーミングの構成および動作については、例えば、特許文献１に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】ＷＯ２０１７／１３５３８９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

フルデジタルビームフォーミング装置と比較すると、アナログフルコネクションビームフォーミング装置は、ＤＡＣの数が少ないので、消費電力が抑制される。ただし、アナログフルコネクションビームフォーミング装置においては、ＤＡＣと位相制御回路との間で多数の信号線が交差する。図１に示す例では、４個のＤＡＣと８個の位相制御回路との間に３２本の信号線が設けられる。ここで、従来のアナログフルコネクションビームフォーミング装置においては、上述の信号線を介して、高速の信号（例えば、ＲＦ帯の信号）が伝送される。よって、信号の損失が大きく、実用化は困難である。

【0011】

なお、上述の問題は、損失を補償する回路を付加すれば解決されるかも知れない。しかし、この構成では、損失補償回路を配置するためのスペースが必要になるので、ビームフォーミング装置の小型化が要求されるケースでは好ましくない。加えて、損失補償回路を付加することで消費電力が大きくなるおそれもある。

【0012】

本発明の１つの側面に係わる目的は、ビームフォーミング装置の損失を低減することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の１つの態様のビームフォーミング装置は、それぞれ複数の入力信号の位相または振幅の少なくとも一方を制御して送信信号を生成する複数の制御回路と、それぞれ対応する制御回路により生成される送信信号を出力する複数のアンテナ素子と、を備える。各制御回路により生成される送信信号の周波数領域は、各制御回路の入力信号の周波数領域よりも高い。

【発明の効果】

【0014】

上述の態様によれば、ビームフォーミング装置の損失が低減する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】従来のビームフォーミング装置の一例を示す図である。

【図2】本発明の実施形態に係わる無線システムの一例を示す図である。

【図3】本発明の実施形態に係わるビームフォーミング装置の一例を示す図である。

【図4】位相制御回路の構成例を示す図である。

【図5】位相制御回路の他の構成例を示す図である。

【図6】図５に示す構成による位相制御の一例を示す図である。

【図7】移相機能を分割することによる効果を説明する図である。

【図8】第２の実施形態に係わる位相制御回路の一例を示す図である。

【図9】第２の実施形態に係わる位相制御回路の他の例を示す図である。

【図10】受信ビームを形成するビームフォーミング装置の一例を示す図である。

【図11】受信回路に実装される位相制御回路の構成例を示す図（その１）である。

【図12】受信回路に実装される位相制御回路の構成例を示す図（その２）である。

【図13】受信回路に実装される位相制御回路の構成例を示す図（その３）である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図２は、本発明の実施形態に係わる無線システムの一例を示す。この例では、無線システムは、ビームフォーミング装置１および複数の端末１０１～１０４を備える。ビームフォーミング装置１は、特に限定されるものではないが、例えば、無線通信システムの基地局に実装される。この場合、各端末は、スマートフォン等のユーザ装置である。

【0017】

ビームフォーミング装置１は、各端末に信号を送信するための送信ビームおよび各端末から信号を受信するための受信ビームを形成することができる。すなわち、ビームフォーミング装置１は、送信ビームを形成する送信回路および受信ビームを形成する受信回路を備える。以下では、送信ビームを形成する送信回路について記載する。

【0018】

ビームフォーミング装置１には、各端末に送信すべき信号が与えられる。例えば、端末１０１～１０４に送信すべき信号Ｓ１～Ｓ４がビームフォーミング装置１に与えられる。そうすると、ビームフォーミング装置１は、信号Ｓ１～Ｓ４をそれぞれ端末１０１～１０４に送信するための送信ビームＢ１～Ｂ４を形成する。送信ビームＢ１は、ビームフォーミング装置１から端末１０１に信号Ｓ１を伝送するように形成される。したがって、送信ビームＢ１は、ビームフォーミング装置１から端末１０１に向かう方向に形成される。同様に、送信ビームＢ２～Ｂ４は、ビームフォーミング装置１から端末１０２～１０４にそれぞれ信号Ｓ２～Ｓ４を伝送するように形成される。このように、ビームフォーミング装置１は、複数の送信ビームを同時に形成することができる。このとき、ビームフォーミング装置１は、端末に位置に応じて、各送信ビームの方向および形状を個々に制御できる。すなわち、ビームフォーミング装置１は、ビーム多重を実現する。

【0019】

＜第１の実施形態＞
図３は、本発明の実施形態に係わるビームフォーミング装置１の一例を示す。この例では、ビームフォーミング装置１は、複数のデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２（２－１～２－４）、複数の位相制御回路３（３－１～３－８）、複数のアンテナ素子ＡＮ１～ＡＮ８、およびコントローラ４を備える。そして、ビームフォーミング装置１は、アナログフルコネクションビームフォーミング装置を構成する。なお、ビームフォーミング装置１は、図３に示していない他の回路を備えていてもよい。また、図３においては、受信ビームを形成するための受信回路は省略されている。

【0020】

ビームフォーミング装置１が備えるＤＡＣの数は、ビームフォーミング装置１が形成可能なビーム数またはビームフォーミング装置１が収容できる端末の数と同じである。この実施例では、ビームフォーミング装置１は、４台の端末を収容できる。よって、ビームフォーミング装置１は、４個のＤＡＣ２－１～２－４を備える。

【0021】

ビームフォーミング装置１が備えるアンテナ素子の数は、ビームフォーミング装置１が収容できる端末の数より多いことが好ましい。この実施例では、ビームフォーミング装置１は、８個のアンテナ素子ＡＮ１～ＡＮ８を備える。なお、アンテナ素子ＡＮ１～ＡＮ８は、アレイ状に配置されている。すなわち、ビームフォーミング装置１は、アレイアンテナシステムを備える。

【0022】

ビームフォーミング装置１が備える位相制御回路の数は、アンテナ素子の数と同じである。すなわち、各アンテナ素子に対してそれぞれ１個の位相制御回路が設けられる。この実施例では、８個のアンテナ素子ＡＮ１～ＡＮ８に対して８個の位相制御回路３－１～３－８が設けられている。

【0023】

なお、図３に示す実施例では、８個のアンテナ素子が１列（１次元）に並べられているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、複数のアンテナ素子は、２次元に配置されてもよいし、３次元に配置されてもよい。

【0024】

コントローラ４は、各端末の位置に基づいて送信ビームを形成するための位相指示（下記の例では、重みＷ）を生成する。すなわち、コントローラ４は、端末１０１～１０４の位置に基づいて、送信ビームＢ１～Ｂ４を形成するための位相指示を生成する。位相指示は、位相制御回路３－１～３－８に与えられる。

【0025】

上記構成のビームフォーミング装置１において、ＤＡＣ２－１～２－４にそれぞれ信号Ｓ１～Ｓ４が与えられる。この実施例では、信号Ｓ１～Ｓ４は、ベースバンド領域または中間周波数帯のデジタル信号である。中間周波数は、特に限定されるものではないが、この実施例では、１ＧＨｚ程度以下であるものとする。そして、ＤＡＣ２－１～２－４は、それぞれ、ベースバンド領域または中間周波数帯において、デジタル信号Ｓ１～Ｓ４をアナログ信号Ｓ１～Ｓ４に変換する。

【0026】

各ＤＡＣ２－１～２－４の出力信号は、それぞれ、位相制御回路３－１～３－８に導かれる。すなわち、ＤＡＣ２－１から出力される信号Ｓ１は、位相制御回路３－１～３－８に分配される。ＤＡＣ２－２から出力される信号Ｓ２は、位相制御回路３－１～３－８に分配される。ＤＡＣ２－３から出力される信号Ｓ３は、位相制御回路３－１～３－８に分配される。ＤＡＣ２－４から出力される信号Ｓ４は、位相制御回路３－１～３－８に分配される。

【0027】

したがって、各位相制御回路３－１～３－８は、それぞれＤＡＣ２－１～２－４の出力信号を受信する。すなわち、位相制御回路３－１は、ＤＡＣ２－１から出力される信号Ｓ１、ＤＡＣ２－２から出力される信号Ｓ２、ＤＡＣ２－３から出力される信号Ｓ３、ＤＡＣ２－４から出力される信号Ｓ４を受信する。同様に、各位相制御回路３－２～３－８もそれぞれ信号Ｓ１～Ｓ４を受信する。

【0028】

各位相制御回路３－１～３－８は、各ＤＡＣ２－１～２－４の出力信号の位相または振幅の少なくとも一方を制御して送信信号を生成する。すなわち、各位相制御回路３－１～３－８は、ＤＡＣ２－１～２－４から出力される信号Ｓ１～Ｓ４の位相または振幅の少なくとも一方をそれぞれ制御して送信信号を生成する。

【0029】

ここで、位相制御回路３－１～３－８による信号処理を「重み」で表現する。そうすると、位相制御回路３－１～３－８の出力信号Ｓout_1～Ｓout_8は、下記（１）式で表される。

【0030】

【数1】

【0031】

Ｓin_iは、ＤＡＣ２－ｉから出力され、位相制御回路３－１～３－８に入力される信号を表す。図３に示す実施例では、Ｍは４であり、ｉは１～４である。

【0032】

Ｓout_jは、位相制御回路３－ｊから出力される信号を表す。図３に示す実施例では、Ｎは８であり、ｊは１～８である。

【0033】

Ｗj,iは、ＤＡＣ２－ｉから位相制御回路３－ｊに入力される信号に対して与えられる重みを表す。なお、重みＷは、信号の位相または振幅の少なくとも一方を表す。また、重みＷは、例えば、複素数で表される。

【0034】

したがって、各位相制御回路３－１～３－８の出力信号は、ＤＡＣ２－１～２－４の出力信号に対してそれぞれ対応する重みＷを与えた後、それらの信号を足し合わせることで生成される。例えば、位相制御回路３－１の出力信号Ｓout_1は、下記（２）式で表される。

【0035】

【数2】

【0036】

重みＷは、コントローラ４により、信号の宛先端末の位置に基づいて計算される。例えば、図２に示す端末１０１に信号Ｓ１が送信される場合、重みＷ1,1～ＷN,1は、ビームフォーミング装置１に対する端末１０１の位置に基づいて計算される。また、端末１０２に信号Ｓ２が送信される場合、重みＷ1,2～ＷN,2は、ビームフォーミング装置１に対する端末１０２の位置に基づいて計算される。なお、重みＷは、端末の移動またはビームフォーミング装置１と端末との間の無線環境などに応じて更新される。

【0037】

さらに、位相制御回路３－１～３－８は、ベースバンド領域または中間周波数帯の入力信号を無線周波数帯（又は、ミリ波帯）にアップコンバートする機能を備える。無線周波数帯は、特に限定されるものではないが、この実施例では、１ＧＨｚ以上であるものとする。また、無線周波数帯は、ミリ波帯を含むものとする。そして、位相制御回路３－１～３－８により生成される送信信号（Ｓout_1～Ｓout_8）は、それぞれアンテナ素子ＡＮ１～ＡＮ８を介して出力される。この結果、図２に示す送信ビームＢ１～Ｂ４が形成される。なお、ビームフォーミング装置１は、図３に示すように、位相制御回路３－１～３－８とアンテナ素子ＡＮ１～ＡＮ８との間にそれぞれ増幅器を備えてもよい。

【0038】

このように、図３に示す構成においては、図１に示す構成と比較すると、ＤＡＣと位相制御回路との間で伝送される信号のキャリア周波数は低くなる。具体的には、図１に示す構成では、ＤＡＣと位相制御回路との間で無線周波数帯の信号が伝送される。これに対して、図３に示す構成では、ＤＡＣと位相制御回路との間において、ベースバンド領域の信号または中間周波数帯の信号が伝送される。よって、図１に示す構成と比較して信号の損失が小さくなる。

【0039】

図４は、位相制御回路の構成例を示す。ここでは、ビームフォーミング装置１は、４個のＤＡＣ（２－１～２－４）を備える。また、位相制御回路３は、図３に示す位相制御回路３－１～３－８に相当する。すなわち、各位相制御回路３には、ＤＡＣ２－１～２－４から出力される信号Ｓ１～Ｓ４が与えられる。

【0040】

図４（ａ）に示す実施例では、位相制御回路３は、ミキサ１１～１４および移相器２１～２４を備える。ミキサ１１～１４には、それぞれ信号Ｓ１～Ｓ４が入力される。また、各ミキサ１１～１４には、ローカル信号が与えられる。なお、図４（ａ）においては、ミキサ１１のみにローカル信号が与えられているが、実際にはミキサ１２～１４にも同じローカル信号が与えられる。ローカル信号は、不図示の発振器により生成される。ローカル信号の周波数は、例えば、数ＧＨｚ～数１０ＧＨｚである。ローカル信号は、特に限定されるものではないは、例えば、正弦波信号である。そして、ミキサ１１～１４は、信号Ｓ１～Ｓ４とローカル信号とを掛け合わせることで、信号Ｓ１～Ｓ４を無線周波数帯にアップコンバートする。

【0041】

移相器２１～２４は、無線周波数帯にアップコンバートされた信号Ｓ１～Ｓ４の位相を制御する。なお、各移相器２１～２４は、０～３６０度の範囲で所望の位相シフトを実現できるものとする。ここで、各移相器２１～２４は、（１）式を参照して説明した重みＷに応じて入力信号の位相を制御する。たとえば、図３に示す位相制御回路３－１においては、（２）式に相当する位相制御が行われる。この場合、移相器２１、２２、２３、２４は、それぞれ、重みＷ1,1、Ｗ1,2、Ｗ1,3、Ｗ1,4により指示される位相制御を行う。

【0042】

移相器２１～２４の出力信号は、互いに合成される。この結果、対応するアンテナ素子を介して出力すべき送信信号が生成される。

【0043】

このように、図４（ａ）に示す構成においては、信号Ｓ１～Ｓ４が無線周波数帯にアップコンバートされた後に、信号Ｓ１～Ｓ４の位相が制御される。すなわち、無線周波数帯で位相制御が行われる。よって、信号Ｓ１～Ｓ４の帯域が広い場合であっても、キャリア周波数に対して信号帯域の割合が小さい。すなわち、信号帯域内で群遅延差分が小さい。したがって、移相器２１～２４は、それぞれ全信号帯域にわたって容易に所望の位相制御を実現できる。他方、図３に示す構成によれば、ＤＡＣ２－１～２－４と位相制御回路３－１～３－８との間において伝送される信号の周波数が低いので、多数の信号線交差が存在しても、信号の損失が小さい。すなわち、図３および図４（ａ）に示す構成によれば、信号損失の抑制および広帯域通信の双方が実現される。

【0044】

なお、移相器２１～２４としてそれぞれ可変振幅移相器を実装すれば、位相制御回路３は、信号の位相および振幅を同時に制御できる。すなわち、位相制御回路３において位相振幅重み付けが実現される。よって、第１の実施形態に係わる以下の記載において「位相制御」は、位相のみを制御するケースだけでなく、位相および振幅の双方を制御するケースも含むものとする。

【0045】

図４（ｂ）に示す実施例でも、位相制御回路３は、ミキサ１１～１４および移相器２１～２４を備える。ただし、図４（ｂ）に示す構成では、ミキサ１１～１４の入力側に移相器２１～２４が配置される。この場合、ベースバンド領域または中間周波数帯で信号Ｓ１～Ｓ４の位相（又は、位相および振幅の双方）が制御される。なお、図４（ｂ）に示す実施例では、各信号がミキサ１１～１４によりそれぞれアップコンバートされるが、これらの信号は、合成された後に１つのミキサによりアップコンバートされてもよい。

【0046】

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す実施例では、入力信号Ｓ１～Ｓ４の位相が直接的に制御される。これに対して、図４（ｃ）に示す実施例では、アップコンバートのために使用されるローカル信号の位相が制御される。すなわち、移相器３１～３４は、コントローラ４から与えられる重みＷに応じて、それぞれローカル信号の位相を制御する。そして、ミキサ１１～１４は、それぞれ、信号Ｓ１～Ｓ４と移相器３１～３４の出力信号とを掛け合わせる。すなわち、ミキサ１１～１４において、信号Ｓ１～Ｓ４と位相が制御されたローカル信号とが掛け合わされる。

【0047】

図５は、位相制御回路の他の構成例を示す。この実施例では、位相制御回路３は、ミキサ１１～１４、移相器２１～２４、および移相器２５を備える。ここで、移相器２１～２４は、信号Ｓ１～Ｓ４が合成される前に、各信号Ｓ１～Ｓ４の位相をそれぞれ制御する。また、移相器２５は、信号Ｓ１～Ｓ４が合成された後に、合成信号の位相を制御する。すなわち、図５に示す構成では、２段階で位相制御が行われる。なお、図５に示す例では、ミキサ１１～１４の出力側に移相器２１～２４が設けられるが、ミキサ１１～１４の入力側に移相器２１～２４が設けられてもよい。

【0048】

移相器２１～２４は、０～３６０度の範囲で所望の位相を実現できる。ただし、移相器２１～２４は、粗い位相制御ステップで各信号の位相を制御する。位相制御ステップは、ビームフォーミング装置１が同時に収容できる端末の数（或いは、ビームフォーミング装置１が同時に形成できるビームの数）がＭである場合、「３６０／（Ｌ×Ｍ）」度（Ｌは、自然数）と表すことができる。すなわち、例えば、位相制御ステップは、「３６０／Ｍ」度（Ｌ＝１）または「３６０／２Ｍ」度（Ｌ＝２）である。この実施例では、Ｍは４である。この場合、移相器２１～２４の位相制御ステップは、９０度または４５度である。

【0049】

ビームフォーミング装置１は、位相制御回路３－１～３－８の移相器２１～２４を用いて、送信ビームＢ１～Ｂ４を形成することができる。ここで、移相器２１～２４の位相制御ステップが９０度である場合、図６（ａ）に示すように、４個の角度領域内にそれぞれ送信ビームを形成できる。例えば、ビームフォーミング装置１は、位相制御回路３－１～３－８の移相器２１を用いて、信号Ｓ１を伝送する送信ビームＢ１を第１の角度領域に形成する。また、ビームフォーミング装置１は、位相制御回路３－１～３－８の移相器２２を用いて、信号Ｓ２を伝送する送信ビームＢ２を第２の角度領域に形成する。同様に、送信ビームＢ３およびＢ４は、第３の角度領域および第４の角度領域にそれぞれ形成される。なお、各送信ビームは、例えば、位相制御回路３－１～３－８のそれぞれの移相器２５を調整することにより、選択された角度領域の中心方向に形成される。

【0050】

移相器２１～２４の位相制御ステップが４５度である場合は、ビームフォーミング装置１は、位相制御ステップが９０度である場合に設定される４個の角度領域をそれぞれ２等分することで得られる合計で８個の角度領域のうちの任意の４個の角度領域に送信ビームを形成できる。ここで、ビームフォーミング装置１は、各端末（この例では、４つの端末１０１～１０４）がそれぞれ８個の角度領域のうちのいずれの領域に位置しているのかを判定する。そして、ビームフォーミング装置１は、この判定結果に応じて、移相器２１～２４を用いて送信ビームＢ１～Ｂ４を形成する。なお、Ｌを大きくしていくと、それに応じて、角度領域の数が増え、且つ、各角度領域がそれぞれ分割されてゆき、各角度領域が狭くなる。

【0051】

移相器２５は、移相器２１～２４により形成される送信ビームの方向を調整する。ここで、移相器２５は、移相器２１～２４と比較して、細かい位相制御ステップで信号の位相を制御する。ただし、移相器２５は、０～３６０度の範囲で位相制御を行う必要はない。例えば、移相器２１～２４の位相制御ステップが「３６０／Ｍ」度である場合、移相器２５は、０～「３６０／Ｍ」度の範囲で所望の位相を実現できればよい。また、移相器２１～２４の位相制御ステップが「３６０／２Ｍ」度である場合、移相器２５は、０～「３６０／２Ｍ」度の範囲で所望の位相を実現できればよい。

【0052】

図６（ｂ）は、移相器２５による送信ビームの調整の一例を示す。なお、移相器２１～２４により図６（ａ）に示す送信ビームＢ１～Ｂ４が形成されるものとする。

【0053】

ビームフォーミング装置１は、位相制御回路３－１～３－８の移相器２５を用いて送信ビームＢ１～Ｂ４の方向を調整することができる。ただし、移相器２５は、信号Ｓ１～Ｓ４が合成された信号の位相を一括して制御する。したがって、送信ビームＢ１～Ｂ４の方向は、図６（ｂ）に示すように、一括して調整される。

【0054】

移相器２５による位相制御は、各端末の位置に基づいて行われる。一例としては、可能な限り多くの端末に向かって送信ビームが形成されるように、各移相器２５による位相調整量が決定される。例えば、図６（ａ）に示す状態では、送信ビームＢ３のみが端末に向かって形成されているが、図６（ｂ）に示す状態では、送信ビームＢ１、Ｂ２、Ｂ４が端末に向かって形成されている。この場合、基地局は、より多くの端末を収容できる。或いは、優先度の高い端末に向かって送信ビームが形成されるように、各移相器２５による位相調整量を決定してもよい。この場合、優先度の高い端末の通信が保証される。

【0055】

このように、図５に示す位相制御回路３においては、２段階で位相制御が行われる。移相器２１～２４は、端末が属する角度領域内に送信ビームを形成する役割を担い、移相器２５は、移相器２１～２４により形成される送信ビームの角度を調整する役割を担う。すなわち、移相器２１～２４は、粗い位相制御ステップで各信号の位相を制御するだけでよいので、その回路構成が簡単になる。この結果、位相制御回路３の小型化が実現される。

【0056】

ここで、位相制御の粒度が１０ビットで表されるものとする。このビット数は、説明のための数であり、送信ビームの方向制御の粒度を表す。この例では、ビット数が多いほど送信ビームの方向が細かく制御される。ただし、ビット数が多いほど（即ち、送信ビームの方向制御の粒度が小さいほど）、移相器の回路が複雑になり、回路のサイズが大きくなる。

【0057】

図４に示す位相制御回路においては、図７（ａ）に示すように、各信号Ｓ１～Ｓ４の位相が１０ビットの粒度で制御される。この場合、ビームフォーミング装置１は、各送信ビームＢ１～Ｂ４を個々に所望の方向に形成することができる。ただし、各移相器２１～２４の構成が複雑になり、位相制御回路のサイズが大きくなってしまう。なお、位相制御回路のサイズは、各移相器の粒度を表すビット数の和に依存する。よって、この位相制御回路のサイズは「４０ビット」に相当する。

【0058】

一方、図５に示す位相制御回路においては、１段目の移相器および２段目の移相器により１０ビットの位相制御が実現される。一例として、図７（ｂ）に示すように、１段目の各移相器（２１～２４）において３ビットの位相制御が行われ、２段目の移相器（２５）において７ビットの位相制御が行われるものとする。ここで、３ビットの位相制御は、位相制御ステップが４５度である状態に相当する。この場合、図４に示す構成と比較して、各移相器２１～２４の構成が簡単になる。この結果、位相制御回路のサイズは「１９ビット」に相当する。すなわち、図４に示す構成と比較して、位相制御回路のサイズを小さくできる。ただし、この構成では、図４に示す構成と比較して、各送信ビームを形成できる方向の自由度が低くなる。

【0059】

なお、各移相器２１～２４は、複数の移相器で実現してもよい。例えば、図７（ｃ）に示す例では、各移相器２１～２４が３ビットの位相制御を行うケースにおいて、各移相器２１～２４が３個の移相器２６ａ～２６ｃで実現されている。移相器２６ａは、ミキサの入力側に設けられ、１ビット相当の位相制御を行う。移相器２６ｂは、アップコンバートのためのローカル（LO）信号に対して１ビット相当の位相制御を行う。移相器２６ｃは、ミキサの出力側に設けられ、１ビット相当の位相制御を行う。図７（ｃ）に示す例では、移相器２６ａにおいて１８０度位相差の選択が行われ、移相器２６ｂにおいて９０度位相差の選択が行われ、移相器２６ｃにおいて４５度位相差の選択が行われる。ここで、１ビット相当の位相制御は、２値の１組の信号を生成してそのうちの一方を選択する簡単な回路により実現される。よって、この構成によれば、位相制御回路のサイズをさらに小さくできる。

【0060】

＜第２の実施形態＞
ビームフォーミング装置の構成は、第１の実施形態および第２の実施形態において実質的に同じである。すなわち、第２の実施形態においても、ビームフォーミング装置１は、図３に示すように、複数のデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２（２－１～２－４）、複数の位相制御回路３（３－１～３－８）、複数のアンテナ素子ＡＮ１～ＡＮ８、およびコントローラ４を備える。そして、ビームフォーミング装置１は、アナログフルコネクションビームフォーミング装置を構成する。ただし、各位相制御回路３の構成は、第１の実施形態および第２の実施形態で異なっている。なお、第２の実施形態に係わる記載においても、「位相制御」は、位相のみを制御するケースだけでなく、位相および振幅の双方を制御するケースも含むものとする。

【0061】

図８は、第２の実施形態において実装される位相制御回路３の一例を示す。第２の実施形態においては、位相制御回路３は、図８に示すように、複数の移相部４１～４４を備える。移相部４１～４４は、図３に示すＤＡＣ２－１～２－４に対して設けられている。すなわち、移相部４１～４４には、それぞれ、ＤＡＣ２－１～２－４から出力される信号Ｓ１～Ｓ４が与えられる。なお、移相部４１～４４の構成および動作は、互いに実質的に同じなので、以下では、移相部４１の構成および動作について記載する。

【0062】

移相部４１は、ミキサ４１ａ、４１ｂ、および可変増幅器４１ｃ、４１ｄを備える。そして、移相部４１には、対応するＤＡＣ（ここでは、図３に示すＤＡＣ２－１）から出力される信号Ｓ１が与えられる。移相部４１において、信号Ｓ１は、分岐されてミキサ４１ａ、４１ｂに導かれる。また、ミキサ４１ａ、４１ｂには、アップコンバートを行うためのローカル信号が与えられる。

【0063】

ローカル信号は、不図示の発振器により生成される、無線周波数帯の発振信号である。ただし、ミキサ４１ａ、４１ｂに与えられるローカル信号の位相は、コントローラ４により制御される。この実施例では、ミキサ４１ａには、基準位相を有するローカル信号、又は、基準位相に対して位相が１８０度シフトしたローカル信号の一方が与えられる。ミキサ４１ｂには、基準位相に対して位相が９０度シフトしたローカル信号、又は、基準位相に対して位相が２７０度シフトしたローカル信号の一方が与えられる。なお、以下の記載では、基準位相を有するローカル信号、基準位相に対して位相が９０度シフトしたローカル信号、基準位相に対して位相が１８０度シフトしたローカル信号、基準位相に対して位相が２７０度シフトしたローカル信号を、それぞれ、ＬＯ(0)信号、ＬＯ(90)信号、ＬＯ(180)信号、ＬＯ(270)信号と呼ぶことがある。

【0064】

ここで、ミキサ４１ａ、４１ｂに対してそれぞれどちらのＬＯ信号を与えるのかは、信号Ｓ１の位相をどのように制御するのかによって決まる。換言すれば、ミキサ４１ａ、４１ｂに対してそれぞれどちらのＬＯ信号を与えるのかは、（１）式を参照して説明した重みＷに応じて決定される。例えば、図３に示す位相制御回路３－１に実装される移相部４１においては、（１）式または（２）式に示す重みＷ1,1に基づいて、ＬＯ信号が選択される。

【0065】

具体的には、送信ビームＢ１を形成するために、信号Ｓ１の位相を０～９０度の範囲内の所定の位相に制御するときは、ＬＯ(0)信号がミキサ４１ａに与えられ、ＬＯ(90)信号がミキサ４１ｂに与えられる。信号Ｓ１の位相を９０～１８０度の範囲内の所定の位相に制御するときは、ＬＯ(180)信号がミキサ４１ａに与えられ、ＬＯ(90)信号がミキサ４１ｂに与えられる。信号Ｓ１の位相を１８０～２７０度の範囲内の所定の位相に制御するときは、ＬＯ(180)信号がミキサ４１ａに与えられ、ＬＯ(270)信号がミキサ４１ｂに与えられる。信号Ｓ１の位相を２７０～３６０度の範囲内の所定の位相に制御するときは、ＬＯ(0)信号がミキサ４１ａに与えられ、ＬＯ(270)信号がミキサ４１ｂに与えられる。このように、ミキサ４１ａ、４１ｂは、象限を選択する機能を有する。そして、ミキサ４１ａ、４１ｂは、それぞれ、与えられたローカル信号を用いて信号Ｓ１を無線周波数帯にアップコンバートする。この結果、対応する入力信号（即ち、信号Ｓ１）から互いに位相が異なるアップコンバートされた２つの信号が生成される。

【0066】

可変増幅器４１ｃ、４１ｄは、それぞれ、ミキサ４１ａ、４１ｂの出力信号の振幅を制御する。可変増幅器４１ｃ、４１ｄの利得は、信号Ｓ１の位相をどのように制御するのかによって決まる。換言すれば、可変増幅器４１ｃ、４１ｄの利得は、（１）式を参照して説明した重みＷに応じて決定される。例えば、図３に示す位相制御回路３－１に実装される移相部４１においては、（１）式または（２）式に示す重みＷ1,1に基づいて、可変増幅器４１ｃ、４１ｄの利得が決定される。

【0067】

一例として、ＬＯ(0)信号がミキサ４１ａに与えられ、ＬＯ(90)信号がミキサ４１ｂに与えられているものとする。すなわち、ミキサ４１ａ、４１ｂにより第１象限が選択されている。この場合、例えば、信号Ｓ１の位相を「４５度」に制御するためには、可変増幅器４１ｃ、４１ｄの利得が同じ値に制御される。また、信号Ｓ１の位相を「ゼロ度」に制御するためには、可変増幅器４１ｃの利得が所定値に制御され、可変増幅器４１ｄの利得がゼロに制御される。

【0068】

このように、各移相部４１～４４は、１組のミキサの出力信号の振幅を調整することにより、指定された位相を実現する。そして、位相制御回路３は、移相部４１～４４の出力信号を合成して送信信号を生成する。この送信信号は、対応するアンテナ素子を介して出力される。

【0069】

なお、可変増幅器４１ｃおよび４１ｄの利得の比率を固定しながら可変増幅器４１ｃおよび４１ｄの利得を可変させることにより、位相制御回路３の出力信号の振幅を可変させることが出来る。すなわち、「振幅制御」が可能となる。また、この「振幅制御」と上述の位相設定（「位相制御」）とを組み合わせれば、位相制御回路３は、「位相制御」及び「振幅制御」を実現できる。

【0070】

図９は、第２の実施形態において実装される位相制御回路３の他の例を示す。図８に示す構成と同様に、図９に示す位相制御回路３も、複数の移相部４１～４４を備える。そして、各移相部４１～４４は、ミキサ４１ａ、４１ｂ、および可変増幅器４１ｃ、４１ｄを備える。ただし、図８に示す構成では、各移相部４１～４４は、１組のミキサの出力信号の振幅を調整することにより、指定された位相を実現する。これに対して、図９に示す構成では、各移相部４１～４４は、１組のミキサの入力信号の振幅を調整することにより、指定された位相を実現する。

【0071】

すなわち、図９に示す構成では、対応するＤＡＣから出力される信号（たとえば、信号Ｓ１）が分岐されて可変増幅器４１ｃ、４１ｄに与えられる。可変増幅器４１ｃ、４１ｄは、それぞれ、コントローラ４により指定された位相に応じて、信号Ｓ１の振幅を制御する。そして、ミキサ４１ａ、４１ｂは、それぞれ、可変増幅器４１ｃ、４１ｄをアップコンバートする。このとき、可変増幅器４１ｃ、４１ｄに与えられるＬＯ信号の位相は、コントローラ４により指定された位相に応じて制御されている。

【0072】

このように、図９に示す構成では、１組のミキサの入力信号の振幅を調整することで指定された位相が実現される。すなわち、可変増幅器４１ｃ、４１ｄは、低周波数帯（この例では、ベースバンド領域または中間周波数帯）において入力信号の振幅を制御する。したがって、高周波数帯（例えば、無線周波数帯）において振幅を制御する構成と比べて、図９に示す構成によれば、振幅制御の精度が高い。この結果、入力信号に対する位相制御の精度が高くなり、送信ビームの方向制御の精度も高くなる。これにより、通信品質の向上が実現される。

【0073】

なお、図８に示す構成と同様に、可変増幅器４１ｃおよび４１ｄの利得の比率を固定しながら可変増幅器４１ｃおよび４１ｄの利得を可変させることにより、位相制御回路３の出力信号の振幅を可変させることが出来る。すなわち、「振幅制御」が可能となる。また、この「振幅制御」と上述の位相設定（「位相制御」）とを組み合わせれば、位相制御回路３は、「位相制御」及び「振幅制御」を実現できる。

【0074】

＜受信ビームの形成＞
図１０は、受信ビームを形成するビームフォーミング装置の一例を示す。なお、ビームフォーミング装置１は、上述したように、送信ビームを形成する送信回路および受信ビームを形成する受信回路を備える。よって、図１０は、ビームフォーミング装置の受信回路の一例を示す。また、受信ビームの形成に係わる以下の記載においても、「位相制御」は、位相のみを制御するケースだけでなく、位相および振幅の双方を制御するケースも含むものとする。

【0075】

ビームフォーミング装置１の受信回路の構成は、図３に示した送信回路とほぼ同じである。ただし、受信回路は、送信回路が備える位相制御回路３－１～３－８の代わりに、位相制御回路６－１～６－８を備える。また、受信回路は、送信回路が備えるＤＡＣ２－１～２－４の代わりに、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）７－１～７－４を備える。なお、アンテナ素子ＡＮ１～ＡＮ８は、送信回路および受信回路により共用されてもよい。或いは、送信回路が複数の送信アンテナ素子を備え、受信回路が複数の受信アンテナ素子を備える構成であってもよい。コントローラ４は、この実施例では、送信回路および受信回路により共用される。

【0076】

上記構成のビームフォーミング装置１において、アンテナ素子ＡＮ１～ＡＮ８に到着する信号は、それぞれ位相制御回路６－１～６－８に導かれる。位相制御回路６－１～６－８は、コントローラ４から与えられる位相制御指示に従って受信信号の位相を制御する。このとき、各位相制御回路６－１～６－８は、端末ごとに位相制御を行う。また、位相制御回路６－１～６－８は、受信信号をベースバンド領域または中間周波数帯にダウンコンバートする。

【0077】

位相制御回路６－１～６－８により位相が制御された信号は、ＡＤＣ７－１～７－４に導かれる。例えば、各位相制御回路６－１～６－８において端末１０１に対応する位相制御が行われた信号は、ＡＤＣ７－１に導かれる。同様に、各位相制御回路６－１～６－８において端末１０２に対応する位相制御が行われた信号は、ＡＤＣ７－２に導かれる。各位相制御回路６－１～６－８において端末１０３に対応する位相制御が行われた信号は、ＡＤＣ７－３に導かれる。各位相制御回路６－１～６－８において端末１０４に対応する位相制御が行われた信号は、ＡＤＣ７－４に導かれる。

【0078】

ＡＤＣ７－１～７－４は、位相制御回路６－１～６－８から受信する信号をデジタル信号に変換する。すなわち、各ＡＤＣ７－１～７－４は、８個の受信信号をそれぞれデジタル信号に変換する。なお、不図示のデジタル信号処理部は、ＡＤＣの出力信号からデータを再生する。

【0079】

このように、本発明の実施形態に係わるビームフォーミング装置１の受信回路においては、位相制御回路とＡＤＣとの間で伝送される信号の周波数は低くなる。具体的には、位相制御回路とＡＤＣとの間において、ベースバンド領域の信号または中間周波数帯の信号が伝送される。よって、多数の信号線交差が存在しても、信号の損失が小さくなる。

【0080】

図１１～図１３は、ビームフォーミング装置の受信回路に実装される位相制御回路の構成例を示す。なお、図１１～図１３に示す各構成は、図１０に示す位相制御回路６－１～６－８のいずれか１つに相当する。以下の記載では、位相制御回路６は、位相制御回路６－１～６－８を表す。

【0081】

図１１（ａ）に示す構成は、図４（ａ）に示す位相制御回路３に対応している。すなわち、受信回路に実装される位相制御回路６は、移相器６１～６４およびミキサ７１～７４を備える。移相器６１～６４は、受信信号の位相を制御する。ここで、受信信号は、この例では、端末１０１～１０４から出力される無線周波数帯の信号を含む。また、移相器６１～６４は、それぞれ、コントローラ４により指示される位相制御を行う。なお、コントローラ４は、端末１０１～１０４に位置に応じて移相器６１～６４に指示を与える。ミキサ７１～７４は、それぞれ、ローカル信号を用いて移相器６１～６４の出力信号をダウンコンバートする。ローカル信号は、不図示の発振器により生成される。なお、ミキサ７１の出力信号は、ＡＤＣ７－１に導かれる。同様に、ミキサ７２～７４の出力信号は、それぞれＡＤＣ７－２～７－４に導かれる。

【0082】

このように、図１１（ａ）に示す構成においては、受信信号の位相が無線周波数帯において制御される。このため、受信信号の帯域が広い場合であっても、キャリア周波数に対して信号帯域の割合が小さい。すなわち、信号帯域内で群遅延差分が小さい。よって、移相器６１～６４は、それぞれ全信号帯域にわたって容易に所望の位相制御を実現できる。

【0083】

図１１（ｂ）に示す実施例でも、位相制御回路６は、ミキサ７１～７４および移相器６１～６４を備える。ただし、図１１（ｂ）に示す構成では、ミキサ７１～７４の出力側に移相器６１～６４が配置される。この場合、ベースバンド領域または中間周波数帯で受信信号の位相が制御される。なお、図１１（ｂ）に示す実施例では、受信信号が分離された後にミキサ７１～７４によりダウンコンバートが行われるが、受信信号は、１つのミキサによりダウンコンバートされてもよい。この場合、ダウンコンバートされた受信信号が移相器６１～６４に導かれる。

【0084】

図１１（ｃ）に示す構成は、図５に示す構成に対応する。すなわち、位相制御回路６は、移相器６１～６４およびミキサ７１～７４に加え移相器６５を備え、２段階で位相制御を行う。なお、図１１（ｃ）に示す例では、ミキサ７１～７４の入力側に移相器６１～６４が設けられるが、ミキサ７１～７４の出力側に移相器６１～６４が設けられてもよい。

【0085】

移相器６５は、移相器６１～６４により形成される受信ビームの方向を調整する。ここで、図５に示す構成と同様に、移相器６１～６４は、粗い位相制御ステップで受信信号の位相を制御し、移相器６５は、移相器６１～６４と比較して、細かい位相制御ステップで信号の位相を制御する。この場合、移相器６５は、０～３６０度の範囲で位相制御を行う必要はない。例えば、移相器６１～６４の位相制御ステップが「３６０／Ｍ」度である場合、移相器６５は、０～「３６０／Ｍ」度の範囲で所望の位相を実現できればよい。また、移相器６１～６４の位相制御ステップが「３６０／２Ｍ」度である場合、移相器６５は、０～「３６０／２Ｍ」度の範囲で所望の位相を実現できればよい。

【0086】

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示す実施例では、移相器６１～６４により受信信号の位相が制御される。これに対して、図１２（ａ）に示す実施例では、ダウンコンバートに使用されるローカル信号の位相が制御される。すなわち、移相器８１～８４は、それぞれコントローラ４から与えられる重みＷに応じてローカル信号の位相を制御する。そして、ミキサ７１～７４は、それぞれ、受信信号と移相器８１～８４の出力信号とを掛け合わせる。

【0087】

図１２（ｂ）に示す構成では、各受信信号に対する位相制御が複数の移相器により実現される。この例では、端末１０１から受信する信号の位相は、ミキサ７１の入力側に設けられる移相器６６ａ、ミキサ７１の出力側に設けられる移相器６６ｂ、およびローカル信号の位相を制御する移相器６６ｃにより制御される。同様に、他の端末からの受信信号の位相も３個の移相器により制御される。

【0088】

図１３（ａ）に示す構成は、図８に示す構成に対応する。すなわち、受信回路に実装される位相制御回路６は、移相部９１～９４を備える。そして、各移相部（ここでは、移相部９１）は、可変増幅器９１ａ、９１ｂ、およびミキサ９１ｃ、９１ｄを備える。可変増幅器９１ａ、９１ｂは、それぞれ、コントローラ４から与えられる指示に従って受信信号の振幅を制御する。ミキサ９１ｃには、コントローラ４により選択されたＬＯ(0)信号またはＬＯ(180)信号が与えられる。ミキサ９１ｄには、コントローラ４により選択されたＬＯ(90)信号またはＬＯ(270)信号が与えられる。そして、ミキサ９１ｃ、９１ｄは、それぞれ、与えられたＬＯ信号を用いて、可変増幅器９１ａ、９１ｂの出力信号をダウンコンバートする。

【0089】

図１３（ａ）に示す構成と同様に、図１３（ｂ）に示す位相制御回路６においても、各移相部（ここでは、移相部９１）は、可変増幅器９１ａ、９１ｂ、およびミキサ９１ｃ、９１ｄを備える。ただし、図１３（ｂ）に示す構成では、ミキサ９１ｃ、９１ｄの出力側に可変増幅器９１ａ、９１ｂが設けられる。即ち、可変増幅器９１ａ、９１ｂは、それぞれ、ミキサ９１ｃ、９１ｄによりダウンコンバートされた受信信号の振幅を制御する。このように、図１３（ｂ）に示す構成では、低周波数帯（この例では、ベースバンド領域または中間周波数帯）にダウンコンバートされた受信信号の振幅が制御される。よって、振幅制御の精度が高くなり、受信信号に対する位相制御の精度が高くなるので、受信ビームの方向制御の精度も高くなる。これにより、通信品質の向上が実現される。

【0090】

なお、送信ビームを形成する構成と同様に、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示す受信ビームを形成する構成でも、可変増幅器９１ａおよび９１ｂの利得の比率を固定しながら可変増幅器９１ａおよび９１ｂの利得を可変させることにより、位相制御回路６の出力信号の振幅を可変させることが出来る。すなわち、「振幅制御」が可能となる。また、この「振幅制御」と上述の位相設定（「位相制御」）とを組み合わせれば、位相制御回路６は、「位相制御」及び「振幅制御」を実現できる。

【0091】

上述の実施例を含む実施形態に関し、さらに下記の付記を開示する。
（付記１）
それぞれ、複数の入力信号の位相または振幅の少なくとも一方を制御して送信信号を生成する複数の制御回路と、
それぞれ、対応する制御回路により生成される送信信号を出力する複数のアンテナ素子と、を備え、
各制御回路により生成される送信信号の周波数領域は、各制御回路の入力信号の周波数領域よりも高い
ことを特徴とするビームフォーミング装置。
（付記２）
各制御回路は、
前記複数の入力信号をそれぞれアップコンバートする複数のミキサと、
前記複数のミキサの出力信号の位相をそれぞれ制御する複数の移相器と、を備え
各制御回路は、前記複数の移相器の出力信号を合成して前記送信信号を生成する
ことを特徴とする付記１に記載のビームフォーミング装置。
（付記３）
各制御回路は、
前記複数の入力信号の位相をそれぞれ制御する複数の移相器と、
前記複数の移相器の出力信号をそれぞれアップコンバートする複数のミキサと、を備え、
各制御回路は、前記複数のミキサの出力信号を合成して前記送信信号を生成する
ことを特徴とする付記１に記載のビームフォーミング装置。
（付記４）
各制御回路は、
前記複数の入力信号にそれぞれ発振信号を掛け合わせる複数のミキサと、
前記複数のミキサに与えられる発振信号の位相をそれぞれ制御する複数の移相器と、を備え
各制御回路は、前記複数のミキサの出力信号を合成して前記送信信号を生成する
ことを特徴とする付記１に記載のビームフォーミング装置。
（付記５）
各制御回路は、
前記複数の入力信号または当該制御回路内でアップコンバートされた複数の入力信号の位相をそれぞれ制御する複数の第１の移相器と、
前記複数の第１の移相器の出力信号を合成することにより得られる送信信号の位相を制御する第２の移相器と、を備える
ことを特徴とする付記１に記載のビームフォーミング装置。
（付記６）
前記ビームフォーミング装置が同時に形成可能な送信ビーム数がＭであり、Ｌが任意の整数であるとき、各第１の移相器の位相制御ステップは３６０度／（Ｌ×Ｍ）である
ことを特徴とする付記５に記載のビームフォーミング装置。
（付記７）
前記第２の移相器の位相制御範囲は、３６０度／（Ｌ×Ｍ）である
ことを特徴とする付記６に記載のビームフォーミング装置。
（付記８）
各制御回路は、複数の移相部を備え、
各移相部は、
対応する入力信号から互いに位相が異なるアップコンバートされた２つの信号を生成する１組のミキサと、
前記１組のミキサから出力される２つの信号の振幅をそれぞれ制御する１組の可変増幅器と、を備え、
各移相部は、前記１組の可変増幅器の出力信号を合成して出力し、
前記制御回路は、前記複数の移相部の出力信号を合成して出力する
ことを特徴とする付記１に記載のビームフォーミング装置。
（付記９）
各制御回路は、複数の移相部を備え、
各移相部は、
対応する入力信号から互いに振幅が異なる２つの信号を生成する１組の可変増幅器と、
前記１組の可変増幅器から出力される２つの信号をそれぞれアップコンバートすると共に前記２つの信号の位相を互いに異ならせる１組のミキサと、を備え、
各移相部は、前記１組のミキサの出力信号を合成して出力し、
前記制御回路は、前記複数の移相部の出力信号を合成して出力する
ことを特徴とする付記１に記載のビームフォーミング装置。
（付記１０）
複数のアンテナ素子と、
それぞれ、対応するアンテナ素子を介して与えられる受信信号の位相または振幅の少なくとも一方を制御する複数の制御回路と、を備え、
各制御回路の出力信号の周波数領域は、各制御回路に与えられる受信信号の周波数領域よりも低い
ことを特徴とするビームフォーミング装置。
（付記１１）
各制御回路は、
前記受信信号をそれぞれダウンコンバートする複数のミキサと、
前記複数のミキサの出力信号の位相をそれぞれ制御する複数の移相器と、を備える
ことを特徴とする付記１０に記載のビームフォーミング装置。
（付記１２）
各制御回路は、
前記受信信号の位相をそれぞれ制御する複数の移相器と、
前記複数の移相器の出力信号をそれぞれダウンコンバートする複数のミキサと、を備える
ことを特徴とする付記１０に記載のビームフォーミング装置。
（付記１３）
各制御回路は、
前記受信信号にそれぞれ発振信号を掛け合わせる複数のミキサと、
前記複数のミキサに与えられる発振信号の位相をそれぞれ制御する複数の移相器と、を備える
ことを特徴とする付記１０に記載のビームフォーミング装置。
（付記１４）
各制御回路は、
前記受信信号の位相を制御する第１の移相器と、
前記第１の移相器の出力信号の位相をそれぞれ制御する複数の移相器と、
前記複数の移相器の出力信号をダウンコンバートする複数のミキサと、を備える
ことを特徴とする付記１０に記載のビームフォーミング装置。
（付記１５）
前記ビームフォーミング装置が同時に形成可能な受信ビーム数がＭであり、Ｌが任意の整数であるとき、各第２の移相器の位相制御ステップは３６０度／（Ｌ×Ｍ）である
ことを特徴とする付記１４に記載のビームフォーミング装置。
（付記１６）
前記第１の移相器の位相制御範囲は、３６０度／（Ｌ×Ｍ）である
ことを特徴とする付記１５に記載のビームフォーミング装置。
（付記１７）
各制御回路は、複数の移相部を備え、
各移相部は、
前記受信信号から互いに位相が異なるダウンコンバートされた２つの信号を生成する１組のミキサと、
前記１組のミキサから出力される２つの信号の振幅をそれぞれ制御する１組の可変増幅器と、を備え、
各移相部は、前記１組の可変増幅器の出力信号を合成して出力する
ことを特徴とする付記１０に記載のビームフォーミング装置。
（付記１８）
各制御回路は、複数の移相部を備え、
各移相部は、
前記受信信号から互いに振幅が異なる２つの信号を生成する１組の可変増幅器と、
前記１組の可変増幅器から出力される２つの信号をそれぞれダウンコンバートすると共に前記２つの信号の位相を互いに異ならせる１組のミキサと、を備え、
各移相部は、前記１組のミキサの出力信号を合成して出力する
ことを特徴とする付記１０に記載のビームフォーミング装置。
（付記１９）
Ｍ個のデジタル／アナログ変換器、Ｎ個の位相制御回路、およびＮ個のアンテナ素子を備えるビームフォーミング装置を用いて送信ビームを形成するビームフォーミング方法であって、
各デジタル／アナログ変換器から出力される第１の周波数領域の信号は、それぞれ、Ｎ個の位相制御回路に分配され、
各位相制御回路は、前記Ｍ個のデジタル／アナログ変換器から入力されるＭ個の信号それぞれに対して、位相制御および前記第１の周波数領域から第２の周波数領域へのアップコンバートを行い、
各位相制御回路により位相制御およびアップコンバートが行われたＭ個の信号は、合成されて対応するアンテナ素子を介して出力される
ことを特徴とするビームフォーミング方法。
（付記２０）
Ｎ個のアンテナ素子、Ｎ個の位相制御回路、およびＭ個のアナログ／デジタル変換器を備えるビームフォーミング装置を用いて受信ビームを形成するビームフォーミング方法であって、
各位相制御回路は、対応するアンテナ素子を介して受信する第１の周波数領域の信号をＭ個の受信信号に分割し、前記Ｍ個の受信信号それぞれに対して、位相制御および前記第１の周波数領域から第２の周波数領域へのダウンコンバートを行い、
各位相制御回路により位相制御およびダウンコンバートが行われたＭ個の信号は、前記Ｍ個のアナログ／デジタル変換器に導かれる
ことを特徴とするビームフォーミング方法。

【符号の説明】

【0092】

１ ビームフォーミング装置
２（２－１～２－４） デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）
３（３－１～３－８） 位相制御回路
４ コントローラ
６－１～６－８ 位相制御回路
７－１～７－４ アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）
１１～１４ ミキサ
２１～２４、２５ 移相器
３１～３４ 移相器
４１ａ、４１ｂ ミキサ
４１ｃ、４１ｄ 可変増幅器
６１～６４ 移相器
７１～７４ ミキサ
８１～８４ 移相器
９１ａ、９１ｂ 可変増幅器
９１ｃ、９１ｄ ミキサ
１０１～１０４ 端末

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】