(57)【要約】【課題】伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができるアンテナ装置を提供する。【解決手段】互いに直交する３つのアンテナ素子を有するアンテナ部１０と、アンテナ部１０が動かされる方向に基づいて、３つのアンテナ素子のうち２つのアンテナ素子を選択する選択部１１と、当該２つのアンテナ素子で形成される平面において当該２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときを基準とした当該２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数と、当該２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比とで定義される重み付け関数を用いて、選択部１１により選択された当該２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する合成部１２とを備え、合成部１２は、上記受信電力の比として、当該２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときに当該２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信に使用されるアンテナ装置であって、
互いに直交する３つのアンテナ素子を有するアンテナ部と、
前記３つのアンテナ素子が３次元座標上のｘ、ｙ、ｚ軸と平行となる位置を基準とした場合の前記アンテナ部の３次元座標上の傾きを示す変数と、前記アンテナ部に到来する到来波の交差偏波電力の比とで定義され、前記３つのアンテナ素子における位相シフト量が反映された重み付け関数を用いて、前記３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する合成部と、を備える、
アンテナ装置。
【請求項２】
前記位相シフト量は２π／３と−２π／３であり、
前記合成部は、当該位相シフト量が反映された前記重み付け関数を用いて、前記３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する、
請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記位相シフト量は、ユースシーンと伝搬環境に応じて定められた値であり、
前記合成部は、当該位相シフト量が反映された前記重み付け関数を用いて、前記３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する、
請求項１に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置に関し、特に無線通信に使用されるアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のアンテナを組み合わせてデータ送受信の帯域を広げる無線通信技術として、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）技術が知られており、ＬＴＥ（Long Term Evolution）などＭＩＭＯ技術を取り入れた高速の通信規格がある。ＬＴＥを利用できるスマ
ートホンなどの携帯端末の普及に伴い、高速移動通信技術が人々の身近な存在になってきている。
【０００３】
そのため、将来、ＭＩＭＯ技術をより高度に利用することで、クラウドベースの個人データバンク接続やマルチキャスト動画メール、超臨場感テレビ会議、４ｋビデオ高速ダウンロードなどの新しいサービス（利用技術）が実現されると予想される。
【０００４】
しかしながら、これらの新しいサービスを実現するためにはギガビットクラスの超高速通信が不可欠であるが、超高速通信を実現するには大きく２つの課題がある。
【０００５】
１つは、携帯端末が屋外または屋内の伝搬環境（移動通信の電波伝搬環境）で使用されることに起因する課題である。すなわち、基地局から放射された電波が周りの地物によって反射してフェージング波が生じるなど伝搬環境により到来波偏波が変化することで、無線伝送特性（伝送容量や信号誤り率など）が劣化してしまう課題である。もう１つは、携帯端末を所持する人の動作に起因する課題である。すなわち、人の動作によって携帯端末に搭載されるアンテナが傾くことによってアンテナの受信する偏波（到来波偏波）が大きく変化してしまい、無線伝送特性（伝送容量や信号誤り率など）が劣化してしまう課題である。
【０００６】
それに対して、例えば特許文献１では、直交する２つの固定アンテナに対して受信信号を利用して重み付けを行う技術が開示されている。特許文献１では、２つのアンテナ素子の受信信号の合成偏波を干渉信号の偏波と直交させることで、合成偏波と直交する干渉信号を受信させず、干渉信号の方向にヌルを形成させない構成が開示されている。これにより、伝搬環境によって到来波偏波が変化する場合でも無線伝送特性（伝送容量や信号誤り率など）の劣化を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２１９１９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】K. Ogawa, H. Iwai, A. Yamamoto, and J. Takada: "Channel Capacity of a Handset MIMO Antenna Influenced by the Effects of 3D Angular Spectrum,Polarization, and Operator", IEEE AP-S Intl. Symp. Digest, pp. 153-156, July 2006.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１では、伝搬環境によって到来波偏波が変化する課題解決には一定の効果があるものの、人の動作に起因する課題すなわち人の動きによって到来波偏波が変化することに対する課題への考慮はなされていない。すなわち、上記特許文献１では、人の動きによって到来波偏波が変化した場合には、無線伝送特性の劣化のない安定した受信信号を得られないという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができるアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係るアンテナ装置は、無線通信に使用されるアンテナ装置であって、互いに直交する３つのアンテナ素子を有するアンテナ部と、前記アンテナ部が動かされる方向に基づいて、前記３つのアンテナ素子のうち２つのアンテナ素子を選択する選択部と、前記２つのアンテナ素子で形成される平面において前記２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときを基準とした前記２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数と、前記２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比とで定義される重み付け関数を用いて、前記選択部により選択された前記２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する合成部と、を備え、前記合成部は、前記受信電力の比として、前記２つのアンテナ素子の一方が前記第１位置にあるときに前記２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比を算出する。
【００１２】
この構成により、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができるアンテナ装置を実現できる。
【００１３】
また、前記３つのアンテナ素子はそれぞれ、ダイポールアンテナと電気的に等価な働きをする等価ダイポール素子であるとしてもよい。
【００１４】
ここで、前記アンテナ部が動かされる方向は、前記３つのアンテナ素子のいずれかを軸として回転する方向であるとしてもよい。
【００１５】
また、前記第１位置は、前記２つのアンテナ素子の一方が地面と垂直かつ前記２つのアンテナ素子の他方が前記地面と平行となるときの前記２つのアンテナ素子の一方の位置であり、前記到来波の受信電力の比は、交差偏波電力の比であるとしてもよい。
【００１６】
また、前記選択部は、前記３つのアンテナ素子それぞれを軸とする３次元空間において前記アンテナ部が動かされる方向の成分を前記それぞれの軸に射影した際に、最も変位が少ない方向の成分を有する軸のアンテナ素子を除く２つのアンテナ素子を選択するとしてもよい。
【００１７】
また、前記選択部は、前記３つのアンテナ素子のうち、動かされる前記アンテナ部の動きに応じて受信電力の大きさが最も変化しない一のアンテナ素子を除いた２つのアンテナ素子を選択するとしてもよい。
【００１８】
また、さらに、磁気センサおよび角速度センサのうち少なくとも１方を有するセンサ部を備え、前記選択部は、前記センサ部の検出結果を用いて算出された前記方向である前記３つのアンテナ素子の一を軸とする回転方向に基づき、当該軸に対して直交する前記２つのアンテナ素子を選択し、前記合成部は、前記センサ部の検出結果を用いて前記受信電力の比および前記変数を算出するとしてもよい。
【００１９】
また、前記合成部は、前記選択部により２つのアンテナ素子が選択される毎に、前記第１位置を再設定し、前記受信電力の比を算出するとしてもよい。
【００２０】
また、前記合成部は、前記選択部で選択された２つのアンテナ素子における位相シフト量がさらに反映された前記重み付け関数を用いて、前記２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてもよい。
【００２１】
また、上記目的を達成するために、本発明の一形態に係るアンテナ装置は、無線通信に使用されるアンテナ装置であって、互いに直交する２つのアンテナ素子を有するアンテナ部と、前記２つのアンテナ素子で形成される平面において前記２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときを基準とした前記２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数と、前記２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比とで定義される重み付け関数と位相シフト量を用いて、前記選択部により選択された前記２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する合成部と、を備え、前記合成部は、前記受信電力の比として、前記２つのアンテナ素子の一方が前記第１位置にあるときに前記２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比を算出する。
【００２２】
ここで、例えば、前記位相シフト量はπ／２もしくは−π／２であり、前記合成部は、当該位相シフトが反映された前記重み付け関数を用いて、前記２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてもよい。
【００２３】
また、例えば、前記位相シフト量は、ユースシーンと伝搬環境に応じて定められた値であり、前記合成部は、当該位相シフト量が反映された前記重み付け関数を用いて、前記２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてもよい。
【００２４】
また、上記目的を達成するために、本発明の一形態に係るアンテナ装置は、無線通信に使用されるアンテナ装置であって、互いに直交する３つのアンテナ素子を有するアンテナ部と、前記３つのアンテナ素子が３次元座標上のｘ、ｙ、ｚ軸と平行となる位置を基準とした場合の前記アンテナ部の３次元座標上の傾きを示す変数と、前記アンテナ部に到来する到来波の交差偏波電力の比とで定義され、前記３つのアンテナ素子における位相シフト量が反映された重み付け関数を用いて、前記３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する合成部と、を備える。
【００２５】
ここで、例えば、前記位相シフト量は２π／３と−π／３であり、前記合成部は、当該位相シフト量が反映された前記重み付け関数を用いて、前記３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてもよい。
【００２６】
また、例えば、前記位相シフト量は、ユースシーンと伝搬環境に応じて定められた値であり、前記合成部は、当該位相シフト量が反映された前記重み付け関数を用いて、前記３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてもよい。
【００２７】
なお、これらの全般的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータで読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のアンテナ装置によれば、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施の形態１におけるアンテナ装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１における合成部の詳細構成の一例を示す図である。
【図３】実施の形態１におけるアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図である。
【図４Ａ】実施の形態１における到来波の交差偏波電力の比を示す図である。
【図４Ｂ】実施の形態１におけるアンテナ装置が搭載されたタブレット端末を使用する際の様子の一例を示す図である。
【図４Ｃ】実施の形態１におけるアンテナ装置が搭載された腕時計端末を腕に装着したときの様子の一例を示す図である。
【図５】実施の形態１におけるアンテナ装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図６】θを０度に固定してＸＰＲを変化させた時のｘｙ平面における放射指向特性を示す図である。
【図７】ＸＰＲを２０ｄＢに固定してθを変化させた時のｘｙ平面における指向性を示す図である。
【図８Ａ】実施の形態２に係るタブレット端末を横置き使用したときの解析モデルを示す図である。
【図８Ｂ】実施の形態２に係るタブレット端末を縦置き使用したときの解析モデルを示す図である。
【図９Ａ】実施の形態２に係るタブレット端末を横置きで使用する場合のアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図である。
【図９Ｂ】実施の形態２に係るタブレット端末を横置きで使用する場合の解析結果を説明するための図である。
【図１０Ａ】実施の形態２に係るタブレット端末を縦置きにて使用する場合のアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図である。
【図１０Ｂ】実施の形態２に係るタブレット端末を縦置きにて使用する場合の解析結果を説明するための図である。
【図１１】実施の形態３に係る腕装着端末の解析モデルを示す図である。
【図１２Ａ】実施の形態３に係る腕装着端末のブラウジング姿勢のアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図である。
【図１２Ｂ】実施の形態３に係る腕装着端末のブラウジング姿勢のユースケースを説明するための図である。
【図１３Ａ】実施の形態３に係る腕装着端末のユーザの腕振り歩行のアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図である。
【図１３Ｂ】実施の形態３に係る腕装着端末のユーザの腕振り歩行のユースケースを説明するための図である。
【図１４】実施の形態３に係る腕装着端末のブラウジング姿勢時の解析結果を示す図である。
【図１５】実施の形態３に係る腕装着端末の腕振り歩行時の解析結果を示す図である。
【図１６Ａ】本開示のアンテナ装置を腕装着端末に実装する場合の一態様を示す図である。
【図１６Ｂ】本開示のアンテナ装置をタブレット端末に実装する場合の一態様を示す図である。
【図１７】垂直アンテナで８素子ＭＩＭＯアレーを構成する解析モデルを示す図である。
【図１８】８×８ＭＩＭＯ伝送容量の解析結果を示す図である。
【図１９】本発明に係るアンテナ装置をＯｎ−ｂｏｄｙ通信に適用するときのモデルを示す図である。
【図２０Ａ】第３世代移動通信システムでの到来波の様子を示す図である。
【図２０Ｂ】第５世代移動通信システムでの到来波の様子を示す図である。
【図２１】実施の形態５におけるアンテナ装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２２】実施の形態５における合成部の詳細構成の一例を示す図である。
【図２３】実施の形態５におけるアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図である。
【図２４】実施の形態５におけるアンテナ部の傾きを示す変数である傾き角度θおよび回転角度φを説明するための図である。
【図２５】実施の形態５におけるアンテナ装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図２６】傾き角度θを０度に固定して回転角度φを変化させた時のｘｙ平面におけるアンテナ装置の放射指向特性を示す図である。
【図２７】傾き角度θを４５度に固定して回転角度φを変化させた時のｘｙ平面におけるアンテナ装置の放射指向特性を示す図である。
【図２８】傾き角度θを９０度に固定して回転角度φを変化させた時のｘｙ平面におけるアンテナ装置の放射指向特性を示す図である。
【図２９】３次元周辺散乱モデルを示す図である。
【図３０】解析したアレーモデルを示す図である。
【図３１】３本重み付け関数を適用し２×２ＭＩＭＯ伝送容量の解析を行った解析結果を示す図である。
【図３２】実施の形態５に係るアンテナ装置２を搭載したタブレット端末を縦置き使用したときの解析モデルを示す図である。
【図３３】実施の形態５に係るアンテナ装置２を搭載したタブレット端末を横置き使用したときの解析モデルを示す図である。
【図３４】実施の形態６に係る位相シフト量について説明するための図である。
【図３５】実施の形態６に係るタブレット端末のアンテナ装置２の具体的構成の一例を示す図である。
【図３６Ａ】タブレット端末の保持角度の平均値を説明するための図である。
【図３６Ｂ】タブレット端末の保持角度の平均値を説明するための図である。
【図３６Ｃ】タブレット端末の保持角度の平均値を説明するための図である。
【図３７Ａ】傾き角度θを５５度に固定して位相シフト量を変化させた時のｘｙ平面における放射指向特性を示す図である。
【図３７Ｂ】傾き角度θを５５度に固定して位相シフト量を変化させた時のｘｙ平面における放射指向特性を示す図である。
【図３８】傾き角度θを５５度に固定して位相シフト量を変化させた時の伝送容量特性を示す図である。
【図３９Ａ】異なる位相シフト量において傾き角度θを変化させた時の伝送容量特性を示す図である。
【図３９Ｂ】異なる位相シフト量において回転角度φを変化させた時の伝送容量特性を示す図である。
【図４０】ＸＰＲが変化した時の最適な位相シフト量の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００３１】
（実施の形態１）
１．１  アンテナ装置の構成
図１は、実施の形態１におけるアンテナ装置の構成の一例を示すブロック図である。図２は、実施の形態１における合成部の詳細構成の一例を示す図である。図３は、実施の形態１におけるアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図である。
【００３２】
図１に示すアンテナ装置１は、無線通信に使用され、アンテナ部１０と、選択部１１と、合成部１２と、センサ部１３とを備える。
【００３３】
アンテナ部１０は、互いに直交する３つのアンテナ素子を有する。アンテナ部１０は、例えば図３に示すように、直交する３本のダイポールアンテナ（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）で構成される。ここで、ダイポールアンテナＡｘ、ダイポールアンテナＡｙおよびダイポールアンテナＡｚはそれぞれ、３次元座標系のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸と平行な向きで設置されたダイポールアンテナ（アンテナ素子）である。なお、このダイポールアンテナ（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）は必ずしも実際のダイポールアンテナである必要はなく、電気的に等価な動作をする等価ダイポール素子であってもよい。電気的に等価な動作をするアンテナの一例としては、後述する図１６Ａおよび図１６Ｂに示すようなアンテナも考えられる。
【００３４】
選択部１１は、アンテナ部１０が動かされる方向に基づいて、３つのアンテナ素子のうち２つのアンテナ素子を選択する。
【００３５】
例えば、選択部１１は、３つのアンテナ素子それぞれを軸とする３次元空間においてアンテナ部１０が動かされる方向の成分をそれぞれの軸に射影した際に、最も変位が少ない方向の成分を有する軸のアンテナ素子を除く２つのアンテナ素子を選択する。また、選択部１１は、３つのアンテナ素子のうち、動かされるアンテナ部１０の動きに応じて受信電力の大きさが最も変化しない一のアンテナ素子を除いた２つのアンテナ素子を選択する。
【００３６】
また、例えば、選択部１１は、センサ部１３の検出結果を用いて算出された方向（アンテナ部１０が動かされる方向）である前記３つのアンテナ素子の一を軸とする回転方向に基づき、当該軸に対して直交する２つのアンテナ素子を選択する。ここで、アンテナ部１０が動かされる方向は、３つのアンテナ素子のいずれかを軸として回転する方向である。
【００３７】
具体的には、選択部１１は、例えば図３に示すように、２つのスイッチ（ＳＷ１，ＳＷ２）を有し、アンテナ部１０が動かされる方向に基づいて、３つのアンテナ素子のうち２つのアンテナ素子を選択する。
【００３８】
例えば、アンテナ装置１を搭載する携帯端末の使用者の動作によってダイポールアンテナＡｙを回転軸としてアンテナ部１０が動作しているとする。この場合、選択部１１は、ダイポールアンテナＡｙ以外の２つのダイポールアンテナ（Ａｚ、Ａｘ）を選択する。すなわち、図３に示す選択部１１は、２つのスイッチ（ＳＷ１，ＳＷ２）にそれぞれダイポールアンテナＡｚとダイポールアンテナＡｘを選択させる。このように、選択部１１は、アンテナ部１０の動作に応じて、到来する到来波の偏波が最も変化する２つのアンテナ素子を選択する。上記の例の場合、選択部１１は、アンテナ素子（ダイポールアンテナＡｙ）の回転軸に対して直交する２本のアンテナ素子（ダイポールアンテナＡｚとダイポールアンテナＡｘ）を選択する。
【００３９】
センサ部１３は、磁気センサおよび角速度センサのうち少なくとも１方を有する。センサ部１３は、磁気センサおよび角速度センサのうち少なくとも一方を用いて、検出した検出結果を選択部１１および合成部１２に出力する。
【００４０】
合成部１２は、選択部１１により選択された２つのアンテナ素子で形成される平面においてそれら２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときを基準とした２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数と、それら２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比とで定義される重み付け関数を用いて、選択部１１により選択された２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する。
【００４１】
ここで、例えば、上記受信電力の比をＲＶＨ、上記の傾きを示す変数をθ、上記２つのアンテナ素子の一方の受信信号をＳｖおよび上記２つのアンテナ素子の他方の受信信号をＳＨとする。また、合成部１２が出力する合成信号をａとし、上記一方の受信信号（Ｓｖ）に乗算する重み付け関数をＷＶ、上記他方の受信信号（ＳＨ）に乗算する重み付け関数をＷＨとする。
【００４２】
この場合、合成部１２は、式１〜式４にしたがって、選択部１１により選択された２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する。
【００４３】
【数１】
2020031443.tif 000003
【００４４】
【数２】
2020031443.tif 000004
【００４５】
【数３】
2020031443.tif 000005
【００４６】
【数４】
2020031443.tif 000006
【００４７】
より詳細には、合成部１２は、図２に示すように、算出部１２１と、重み付け部１２２と、加算部１２３とで構成されている。
【００４８】
算出部１２１は、センサ部１３の検出結果を用いて上記の受信電力の比（ＲＶＨ）および上記の変数（θ）を算出する。具体的には、算出部１２１は、上記の受信電力の比（ＲＶＨ）として、選択部１１により選択された２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときに当該２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比を算出する。また、算出部１２１は、選択部１１により２つのアンテナ素子が選択される毎に、第１位置を再設定し、上記の受信電力の比を算出する。
【００４９】
ここで、第１位置は、任意の初期位置であるが、例えば、選択部１１により選択された２つのアンテナ素子の一方が地面と垂直かつ当該２つのアンテナ素子の他方が地面と平行となるときの当該２つのアンテナ素子の一方の位置としてもよい。この場合、上記到来波の受信電力の比（ＲＶＨ）は、交差偏波電力の比（ＸＰＲ：Cross-Polarization Ratio）となる。
【００５０】
重み付け部１２２は、算出部１２１で算出される上記傾きを示す変数（θ）と上記の受信電力の比（ＲＶＨ）とで定義される重み付け関数を、選択部１１により選択された２つのアンテナ素子の受信信号それぞれに乗算する。本実施の形態では、重み付け部１２２は、選択部１１により選択された２つのアンテナ素子の一方の受信信号（Ｓｖ）に重み付け関数（ＷＶ）を乗算し、他方の受信信号（ＳＨ）に重み付け関数（ＷＨ）を乗算する。
【００５１】
加算部１２３は、重み付け部１２２で乗算された値を加算（合成）して、出力する。本実施の形態では、加算部１２３は、重み付け部１２２で乗算された値を加算した合成信号（ａ）を出力する。
【００５２】
このようにして、合成部１２は、重み付け関数を用いて、選択部１１により選択された２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する。
【００５３】
１．２  重み付け関数
以下、上述の重み付け関数について説明する。
【００５４】
（伝搬環境による到来波偏波の変化を考慮した場合）
伝搬環境による到来波偏波の変化を考慮した重み付け関数の定義について説明する。
【００５５】
ここで、選択部１１により２つのアンテナ素子（例えば図３に示すダイポールアンテナＡｘ、ダイポールアンテナＡｚ）が選択されているとする。また、選択部１１により選択された２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比をＲＶＨ、当該２つのアンテナ素子の一方の受信信号をＳｖおよび上記２つのアンテナ素子の他方の受信信号をＳＨとし、合成部１２が出力する合成信号をａとする。
【００５６】
この場合、合成部１２は、式５に示す重み付け関数を用いて合成した合成信号ａを出力する。
【００５７】
【数５】
2020031443.tif 000007
【００５８】
具体的には、合成部１２は、受信信号ＳＶおよびＳＨそれぞれに到来波の受信電力の比（ＲＶＨ）によって重み付けした重み付け関数（ＷＶ，ＷＨ）を乗算し、その結果を加算することで合成信号ａを合成する。なお、到来波の受信電力の比（ＲＶＨ）はアンテナ装置１の置かれた伝搬環境において、選択部１１により選択された２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときに当該２つのアンテナ素子に到来する到来波の偏波を受信したときの受信電力の割合ＲＶＨ＝ＰＶ／ＰＨによって定義される。
【００５９】
上記式５からわかるように、式５に示される重み付け関数（ＷＶ，ＷＨ）により、アンテナ装置１の置かれた伝搬環境（受信環境）において優勢な到来波偏波を選択的に抽出して合成することができる。このように重み付け関数を定義することで、例えばＸＰＲの大きな屋外の伝搬環境およびＸＰＲの小さな屋内の伝搬環境のいずれであっても最適な受信信号（安定した合成信号ａ）が得ることができる。
【００６０】
（人の動きによる到来波偏波の変化をさらに考慮した場合）
次に、さらに人の動きによる到来波偏波の変化を考慮した重み付け関数の定義について説明する。
【００６１】
例えば、図１や図３に示すアンテナ装置１が腕時計端末（携帯端末）に搭載され、腕時計端末が人の腕に装着されている場合、人の動きによりアンテナ装置１が動くことで、アンテナ部１０のアンテナ素子（ダイポールアンテナ（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ））が傾き、受信する到来波の偏波が変化する。このように、人の動きによりアンテナ装置１に構成されるアンテナ素子が傾いてしまう場合、上記の式５に示される重み付け関数の定義では、人の動きによる到来波偏波の変化は考慮されておらず、最適ではない。
【００６２】
そこで、合成部１２は、式７および式８に示す重み付け関数（Ｗ’Ｖ，Ｗ’Ｈ）を用いて式６に示すように、合成信号ａを合成して出力する。
【００６３】
【数６】
2020031443.tif 000008
【００６４】
【数７】
2020031443.tif 000009
【００６５】
【数８】
2020031443.tif 000010
【００６６】
ここで、選択部１１により選択された２つのアンテナ素子で形成される平面においてそれら２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときを基準とした２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数をθとしている。また、合成部１２が出力する合成信号をａとし、受信信号ＳＶおよびＳＨそれぞれに対する重み付け関数をＷ’Ｖ，Ｗ’Ｈとする。なお、到来波の受信電力の比ＲＶＨ、受信信号Ｓｖ、および受信信号ＳＨは上述の通りであるので説明を省略する。
【００６７】
さらに、上記の式６に対して，エネルギー保存則を満足するようＷ’ＶとＷ’Ｈをそれぞれ２乗和が１となるように規格化すると式９のように重み付け関数を定義することができる。ここで、式９の第１項の係数（重み付け関数）が式１の重み付け関数ＷＶに相当し、式９の第２項の係数（重み付け関数）が式１の重み付け関数ＷＨに相当する。
【００６８】
【数９】
2020031443.tif 000011
【００６９】
式６と式５とを比較するとわかるように、人の動きによりアンテナ装置１が動くすなわち人の動きによりアンテナ素子が傾く場合、上記の式５により定義される重み付け関数をさらにアンテナ素子の傾きを示す変数θに応じて重み付けしている。したがって、式６に示す重み付け関数を用いれば、伝搬環境による偏波の変化に加えて人の動きによる偏波の変化を考慮して信号合成を行うことができる。それにより、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。
【００７０】
なお、式９（または式１）を用いるためには，アンテナ装置１の置かれた伝搬環境（受信環境）における到来波の受信電力の比ＲＶＨを予め知る必要がある。比ＲＶＨは、第１位置（θ＝０）のときに２つのアンテナ素子の一方と他方とが受信した受信電力ＰＶと受信電力ＰＨにより比ＲＶＨ＝ＰＶ／ＰＨとして求めることができる。さらに、第１位置からの傾きを示す変数θは、タブレット端末やスマートホンなどで実用化されている磁気センサや角速度センサを携帯端末に搭載して用いることで、算出することができる。
【００７１】
以下、図４Ａ〜図４Ｃを用いて、到来波の受信電力の比（ＲＶＨ）として、交差偏波電力の比を用いる場合について説明する。図４Ａは、実施の形態１における到来波の交差偏波電力の比を示す図である。図４Ｂは実施の形態１におけるアンテナ装置が搭載されたタブレット端末を使用する際の様子の一例であり、図４Ｃは実施の形態におけるアンテナ装置が搭載された腕時計端末を腕に装着したときの様子の一例である。ここで、図４Ｂおよび図４Ｃでは、選択部１１により、ダイポールアンテナＡxおよびダイポールアンテナＡ
ｚが選択された場合の例が示されている。また、図４Ｂに示す例では、２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数θを、鉛直方向上向きをｚ軸としたとき、ダイポールアンテナＡｚのｚ軸上の第１位置からの傾き角としている。同様に、図４Ｃに示す例では、２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数θを、ダイポールアンテナＡｚの鉛直方向のｚ軸（−ｚ軸）上の第１位置を基準とした傾き角としている。
【００７２】
この場合において、上述した式６〜式９は、以下に示す式１０〜式１３となる。ここで、式１０〜式１３は、第１位置をｚ軸上に設定した場合の変数θとＲＶＨをＸＰＲに置き換えたものに相当する。
【００７３】
【数１０】
2020031443.tif 000012
【００７４】
【数１１】
2020031443.tif 000013
【００７５】
【数１２】
2020031443.tif 000014
【００７６】
【数１３】
2020031443.tif 000015
【００７７】
なお、式１３を用いるためには，アンテナ装置１の置かれた伝搬環境（受信環境）のＸＰＲを予め知る必要があるが、ＸＰＲは腕の振り角θ＝０のときに到来する到来波の垂直偏波成分および水平偏波成分を受信するダイポールアンテナＡｚおよびダイポールアンテナＡxの受信電力ＰＶおよび受信電力ＰＨを用いてＸＰＲ＝垂直偏波成分の受信電力ＰＶ
／水平偏波成分の受信電力ＰＨの関係から求めることができる。さらに、腕の振り角θ（瞬時角度）は現行タブレット端末やスマートホンによって実用化されている磁気センサや角速度センサを用いて検出された検出結果から算出することができる。
【００７８】
このように重み付け関数を定義することで到来波偏波電力とアンテナ素子の傾き角に応じて選択された２つの直交するアンテナ素子の出力を合成することができるので、伝搬環境と人の動きによって変化する到来波偏波に対して最適な重み付けを行うことができる。
【００７９】
１．３  アンテナ装置の動作
次に、以上のように構成されたアンテナ装置１の動作について説明する。
【００８０】
図５は、実施の形態１におけるアンテナ装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【００８１】
まず、アンテナ装置１は、人の動きによって動かされているとする。
【００８２】
この場合、アンテナ装置１は、直交する３つのアンテナ素子のうち２つのアンテナ素子を選択する（Ｓ１０）。具体的には、アンテナ装置１は、直交する３つのアンテナ素子を有するアンテナ部１０が動かされる方向に基づいて、３つのアンテナ素子のうち２つのアンテナ素子を選択する。
【００８３】
次に、アンテナ装置１は、重み付け関数を用いて、選択された２つのアンテナ素子の受信信号を合成する（Ｓ２０）。具体的には、アンテナ装置１は、選択された２つのアンテナ素子で形成される平面において当該２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときを基準とした当該２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数と、当該２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比とで定義される重み付け関数を用いて、当該２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する。ここで、アンテナ装置１は、上記の受信電力の比として、当該２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときに当該２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比を算出する。
【００８４】
１．４  効果
このように、本実施の形態のアンテナ装置１によれば、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。
【００８５】
具体的には、本実施の形態のアンテナ装置１は、人の動作に伴うアンテナ素子の傾きを示す変数と、２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比とで定義される重み付け関数を用いて受信信号を合成することで、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。それにより、超高速の無線通信を実現することができる。
【００８６】
より詳細には、本実施の形態のアンテナ装置１は、アンテナ装置１が動かされる際の動きに基づいて、アンテナ装置１に構成される３つのアンテナ素子から２つのアンテナ素子を選択する。これは、アンテナ装置１の動きに基づいて、３つのアンテナ素子のうちからその動きと直交する（または最も動きによる到来波偏波の変化の少ない）１つのアンテナ素子の受信信号を合成しないよう選択しないことを意味する。つまり、アンテナ装置１の動き（傾き、回転等）に関係ない１軸のアンテナ素子を選択せず、アンテナ装置１の動きに関係する２軸のアンテナ素子を選択することを意味する。それにより、人の動作に伴うアンテナ素子の傾きを示す変数と、２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比とで定義される重み付け関数は、振幅関数（スカラー）で定義することができる。つまり、当該重み付け関数が、位相情報を必要としないことから、選択された２つのアンテナ素子の受信信号のフィードバックを必要としないので、演算に負荷がかからずリアルタイムでかつ適応的に算出することができることを意味する。
【００８７】
それにより、本実施の形態のアンテナ装置１は、非常にシンプルなオープンループ制御系によって構成することができ、その重み付けを行う回路には、ダイオードやＦＥＴなどを用いた簡便な可変減衰器を用いることができる。このことから、本実施の形態のアンテナ装置１は、小型化・低コスト化が容易であり、スマートホン、タブレット端末および腕時計端末といった携帯端末に搭載でき、本実施の形態のアンテナ装置１が搭載された携帯端末では超高速ギガビット通信を実現できる。
【００８８】
１．５  有効性の確認
次に、本実施の形態に係るアンテナ装置１の有効性を確認するために、計算機シミュレーションを使用してシミュレーションを行った。
【００８９】
以下では、上記到来波の受信電力の比（ＲＶＨ）が交差偏波電力の比（ＸＰＲ）であり、２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数θを、鉛直方向上向きの軸である第１位置からのダイポールアンテナＡｚの傾き角とした場合について説明する。
【００９０】
図６は、θを０度に固定してＸＰＲを変化させた時のｘｙ平面における放射指向特性を示す図である。
【００９１】
図６の（ａ）〜（ｃ）から、ＸＰＲの変化によって放射指向特性が大きく変化していることがわかる。具体的には、図６の（ａ）ではＸＰＲ＝０ｄＢ、図６の（ｂ）ではＸＰＲ＝１０ｄＢ、図６の（ｃ）ではＸＰＲ＝２０ｄＢとなっている。ＸＰＲの定義すなわちＸＰＲ＝（垂直偏波成分の受信電力ＰＶ）／（水平偏波成分の受信電力ＰＨ）により図６の（ａ）、図６の（ｂ）および図６の（ｃ）の順番に徐々に垂直偏波成分が優勢になっているのがわかる。
【００９２】
本実施の形態に係るアンテナ装置１が有効であるためには、垂直偏波成分が優勢である時に、合成された受信信号が垂直偏波に対して優れた感度を有することが必要である。この観点で図６を確認すると、図６の（ａ）、図６の（ｂ）および図６の（ｃ）の順番に垂直偏波成分（図中の太線）が大きくなるにつれて水平偏波成分（図中の細線）が小さくなっていることがわかる。つまり、垂直偏波成分が優勢である時に、合成された受信信号が垂直偏波に対して優れた感度を有することがわかるので、本実施の形態に係るアンテナ装置１は、伝搬環境に適したアンテナ放射指向特性を有するのがわかる。それにより、本実施の形態に係るアンテナ装置１は、有効であるのがわかる。
【００９３】
図７は、ＸＰＲを２０ｄＢに固定してθを変化させた時のｘｙ平面における指向性を示す図である。図７の（ａ）〜（ｃ）から、θの変化によって放射指向特性が大きく変化していることがわかる。
【００９４】
本実施の形態に係るアンテナ装置１が有効であるためには、伝搬環境はＸＰＲ＝２０ｄＢで一定であるので、合成された受信信号の垂直偏波成分が常に優勢であることが必要である。
【００９５】
この観点で図７を確認すると、図７の（ａ）および（ｃ）より、θ＝０ｄｅｇおよびθ＝９０ｄｅｇにおける放射指向特性は同じであるが、共に垂直偏波成分（図中の太線）の方が水平偏波成分（図中の細線）よりも大きく垂直偏波成分（図中の太線）が優勢であることがわかる。これはθ＝０ｄｅｇとθ＝９０ｄｅｇとにおいて、式１０〜式１３に示す重み付け関数Ｗ’Ｖの値と重み付け関数Ｗ’Ｈの値とが入れ替わっているからであり、重み付け関数がアンテナ部１０の傾きに応じて変化していることの証となる。
【００９６】
なお、図７の（ｂ）に示すように、θ＝４５ｄｅｇの時は、垂直偏波成分および水平偏波成分の両方が同等の大きさで観測される。しかし、重要である垂直偏波成分（図中の太線）はθ＝０ｄｅｇやθ＝９０ｄｅｇの時と同等のレベルである。これにより、θ＝４５ｄｅｇの時でも、合成することで最適な受信信号を得ることができる。
【００９７】
したがって、垂直偏波成分が優勢である時に、合成された受信信号が垂直偏波に対して優れた感度を有するので、本実施の形態に係るアンテナ装置１は、有効であるのがわかる。
【００９８】
（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１で説明したアンテナ装置１をタブレット端末に搭載した場合について説明する。本実施の形態では、上記の到来波の受信電力の比（ＲＶＨ）が交差偏波電力の比（ＸＰＲ）であり、２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数θを、鉛直方向上向きの軸である第１位置からのアンテナ素子の一方の傾き角であるとして説明する。
【００９９】
２．１  タブレット端末の解析モデル
図８Ａは実施の形態２に係るタブレット端末を横置き使用したときの解析モデルを示す図であり、図８Ｂは実施の形態２に係るタブレット端末を縦置き使用したときの解析モデルを示す図である。すなわち、本実施の形態で使用するタブレット端末の解析モデルは、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、互いに直交する３つのアンテナ素子を有するアンテナ部１０をｙ軸方向に４列、ｚ軸方向に２列配列して８素子ＭＩＭＯアレーアンテナを構成したものである。ここで、アレー間隔は９ｃｍとしている。以下、互いに直交する３つのアンテナ素子はそれぞれ、図３に示すダイポールアンテナＡｘ、ダイポールアンテナＡｙおよびダイポールアンテナＡｚであるとして説明する。
【０１００】
例えば、ユーザがタブレット端末を使用する時、図８Ａに示すようにタブレット端末を横置きで使用する場合と、図８Ｂに示すようにタブレット端末を回転させて縦置きで使用する場合の２つのユースケースが考えられる。
【０１０１】
図８Ａに示すように、タブレット端末を横置きで使用する場合、アンテナ部１０が動かされる方向は、図８Ａのｙ軸を回転軸としてｚｘ面でアンテナ素子（図ではダイポールアンテナＡｚ）の角度（図で傾き角度α）が変わると考えられる。この場合、到来波の垂直偏波を受けるアンテナ素子としてダイポールアンテナＡｚ（図で太線）、到来波の水平偏波を受けるアンテナ素子としてダイポールアンテナＡｘ（図で細線）の２つのアンテナ素子が選択される。
【０１０２】
一方、図８Ｂに示すように、タブレット端末を縦置きで使用する場合、アンテナ部１０が動かされる方向は、図８Ｂのｘ軸を回転軸としてｚｙ面でアンテナ素子（図ではダイポールアンテナＡｙ）の角度（図で回転角度β）が変わると考えられる。この場合、到来波の垂直偏波を受けるダイポールアンテナＡｚ、到来波の水平偏波を受けるアンテナ素子としてダイポールアンテナＡｙの２つのアンテナ素子が選択される。
【０１０３】
２．２  解析結果
図８Ａおよび図８Ｂに示す２つの状態について、８×８ＭＩＭＯ伝送容量の解析を行った。比較対象として、垂直設置の半波長ダイポールを用いて８素子ＭＩＭＯアレーを構成した場合の解析結果をともにプロットした。なお、ＭＩＭＯ伝送容量の計算方法は非特許文献１に示されているので、ここでの説明は省略する。
【０１０４】
図９Ａは実施の形態２に係るタブレット端末を横置きで使用する場合のアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図であり、図９Ｂは実施の形態２に係るタブレット端末を横置きで使用する場合の解析結果を説明するための図である。図９Ａには、ダイポールアンテナＡｚとダイポールアンテナＡｘとの２つのアンテナ素子が選択されていることが示されている。図９Ｂには、タブレット端末を横置きで使用する場合の解析結果が実施例１としてプロットされており、垂直設置の半波長ダイポールを用いて８素子ＭＩＭＯアレーを構成した場合（以下「垂直アンテナ」と呼ぶ）の解析結果がプロットされている。なお、傾き角度αは０°から９０°まで変化させた。ＸＰＲは２０ｄＢと１０ｄＢの２通りとした。ＳＮＲは３０ｄＢである。
【０１０５】
図９Ｂより、垂直偏波成分が強い環境（ＸＰＲ＝２０ｄＢ）において、垂直アンテナでは垂直設置の半波長ダイポールの傾き角度αが大きくなると伝送容量が劣化することがわかる。これは垂直設置の半波長ダイポールが水平に配置され、垂直偏波成分に対する利得が小さくなることが原因である。一方、実施例１（本開示のアンテナ装置１を用いた場合）では、ダイポールアンテナＡｚの傾き角度αが９０°の時、伝送容量は垂直アンテナと比較して１７.５ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚの改善を示すことがわかる。
【０１０６】
これにより、タブレット端末を横置き使用した際、タブレット端末を傾けて到来波偏波が変化した場合でも安定した受信信号を得ることができることがわかる。
【０１０７】
図１０Ａは実施の形態２に係るタブレット端末を縦置きにて使用する場合のアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図であり、図１０Ｂは、実施の形態２に係るタブレット端末を縦置きにて使用する場合の解析結果を説明するための図である。図１０Ａには、ダイポールアンテナＡｚとダイポールアンテナＡｙとの２つのアンテナ素子が選択されていることが示されている。図１０Ｂには、タブレット端末を縦置きで使用する場合の解析結果が実施例２としてプロットされており、垂直設置の半波長ダイポールを用いて８素子ＭＩＭＯアレーを構成した場合（以下「垂直アンテナ」と呼ぶ）の解析結果がプロットされている。なお、回転角度βは０°から９０°まで変化させた。ＸＰＲは２０ｄＢと１０ｄＢの２通りとした。ＳＮＲは３０ｄＢである。
【０１０８】
図１０Ｂより、垂直アンテナでは垂直設置の半波長ダイポールの回転角度βが大きくなると伝送容量が劣化することがわかる。一方、実施例２（本開示のアンテナ装置１を用いた場合）では、ダイポールアンテナＡｙの回転角度βが９０°の時、垂直アンテナと比較して２４．４ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚの改善を示すことがわかる。
【０１０９】
これにより、タブレット端末を縦置き使用する際、タブレット端末を回転させて到来波偏波が変化した場合でも安定した受信信号を得ることができることがわかる。
【０１１０】
２．３  効果
以上、本実施の形態によれば、アンテナ装置１を用いることによって、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。すなわち、タブレット端末にアンテナ装置１を搭載することによって、ＸＰＲやタブレット端末の保持角度によらず、７０ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚの高い伝送容量を極めて安定に維持できる、超高速の無線通信を実現することができる。
【０１１１】
（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１で説明したアンテナ装置１を腕装着端末に搭載した場合について説明する。本実施の形態でも、上記の到来波の受信電力の比（ＲＶＨ）が交差偏波電力の比（ＸＰＲ）であり、２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数θを、鉛直方向上向きの軸である第１位置からのアンテナ素子の一方の傾き角であるとして説明する。
【０１１２】
３．１  腕装着端末の解析モデル
図１１は、実施の形態３に係る腕装着端末の解析モデルを示す図である。すなわち、本実施の形態で使用する腕装着端末の解析モデルは、図１１に示すように、互いに直交する３つのアンテナ素子を有するアンテナ部１０をｘ軸方向に２列、ｚ軸方向に４列配列して８素子ＭＩＭＯアレーアンテナを構成したものである。ここで、アレー間隔は９ｃｍとしている。
【０１１３】
以下、互いに直交する３つのアンテナ素子はそれぞれ、図３に示すダイポールアンテナＡｘ、ダイポールアンテナＡｙおよびダイポールアンテナＡｚであるとして説明する。
【０１１４】
図１２Ａは実施の形態３に係る腕装着端末のブラウジング姿勢のアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図であり、図１２Ｂは実施の形態３に係る腕装着端末のブラウジング姿勢のユースケースを説明するための図である。図１３Ａは実施の形態３に係る腕装着端末のユーザの腕振り歩行のアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図であり、図１３Ｂは実施の形態３に係る腕装着端末のユーザの腕振り歩行のユースケースを説明するための図である。
【０１１５】
ユーザが腕装着端末を腕に装着したとき、ユースシーンとして２つのシーンが考えられる。すなわち、図１２Ｂに示すように、ユーザが立ち止まって腕装着端末を見るようなブラウジング姿勢時の場合と、図１３Ｂに示すようにユーザが歩行時に腕を振りながらデータをダウンロードするような腕振り歩行時の場合である。
【０１１６】
図１２Ｂに示すブラウジング姿勢時の場合、ユーザによりアンテナ部１０が動かされる方向は、図１２Ａに示すｙ軸を回転軸としてｚｘ面でアンテナ素子（図ではダイポールアンテナＡｚ）の角度を変えて端末を見ると考えることができる。この場合（ブラウジング姿勢を行う場合）、図１２Ａに示すように、到来波の垂直偏波を受けるアンテナ素子としてダイポールアンテナＡｙ、到来波の水平偏波を受けるアンテナ素子としてダイポールアンテナＡｘの２つのアンテナ素子が選択される。
【０１１７】
一方、図１３Ｂに示す腕振り歩行時の場合、ユーザによりアンテナ部１０が動かされる方向は、図１２Ａに示すｙ軸を回転軸としてｚｘ面でアンテナ素子（図ではダイポールアンテナＡｚ）角度を変えて腕を振るシーンを考察する。
【０１１８】
２つのユースシーン共に図１２Ａおよび図１３Ａに示すｙ軸を回転軸としてアンテナ部１０の角度が変化するが、図１２Ｂおよび図１３Ｂに示す腕に対する腕装着端末の向きが異なる。そのため、図１２Ａおよび図１３Ａに示すように２つのユースケースそれぞれで選択されるアンテナ素子は異なっている。
【０１１９】
３．２  解析結果
図１４は、実施の形態３に係る腕装着端末のブラウジング姿勢時の解析結果を示す図である。図１４には、ブラウジング姿勢における腕装着端末のＸＰＲに対する伝送容量の変化を実施例３として示している。なお、腕装着端末は図１２Ｂに示すように地面に対して平行に設置されている（θ＝０ｄｅｇ）として解析を行った。ＳＮＲは３０ｄＢとしている。なお、図１４には、比較対象として、図３に示す３軸のダイポールアンテナ（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ）の重みをＸＰＲとθとよって変化させず等分配した場合（以下「等分配合成アンテナ」とも呼ぶ）の解析結果を示している。また、図１４には、比較対象として腕装着端末のベルトにアンテナを配置したアンテナ（Ａｘ）（以下「ベルトアンテナ」とも呼ぶ）の解析結果を示している。
【０１２０】
図１４より、垂直偏波成分が強い環境（ＸＰＲ＝２０ｄＢ）において、ベルトアンテナでは高い伝送容量が得られないことがわかる。これはベルトアンテナが水平に配置されており、水平偏波成分を強く受信することが原因である。等分配合成アンテナでは、垂直偏波成分および水平偏波成分の両方を受信することができるため、ベルトアンテナより高い伝送容量が得られることがわかる。
【０１２１】
それに対して、実施例３（本開示のアンテナ装置１を用いた場合）では、伝送容量はベルトアンテナと比較して２３ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚの改善を示し、等分配合成アンテナと比較して７ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚの改善を示していることがわかる。これは、ベルトアンテナおよび等分配合成アンテナは伝搬環境が変化してもアンテナの放射指向特性が不変なのに対し、本開示のアンテナ装置１を用いた場合には、図６で示したように、ＸＰＲに応じて最適な放射指向特性となることに起因している。
【０１２２】
さらに、図１４から、帯域幅１００ＭＨｚにおけるスマートホンやタブレット端末における伝送容量を読み取ると、ＸＰＲ＝２０ｄＢにおいてベルトアンテナでは伝送容量は５Ｇｂｐｓであるのに対して、本開示のアンテナ装置１を用いた場合には７．４Ｇｂｐｓの超高速ギガビット通信が可能であることがわかる。
【０１２３】
これにより、腕装着端末をブラウジング姿勢で使用した場合でも安定した受信信号を得ることができることがわかる。
【０１２４】
図１５は、実施の形態３に係る腕装着端末の腕振り歩行時の解析結果を示す図である。
【０１２５】
図１５には、腕振り歩行時における腕装着端末のアレーアンテナの角度を−９０度から９０度まで変えたときの伝送容量の変化を実施例４として示している。解析条件はＸＰＲを２０ｄＢと１０ｄＢの２通りとしている。なお、図１５には、比較対象として、図３に示す３軸のダイポールアンテナ（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ）の重みをＸＰＲとθとよって変化させず等分配した場合（以下「等分配合成アンテナ」とも呼ぶ）の解析結果を示している。また、図１５には、比較対象として腕装着端末のベルトにアンテナを配置したアンテナ（Ａｘ）（以下「ベルトアンテナ」とも呼ぶ）の解析結果を示している。
【０１２６】
図１５より、ＸＰＲが２０ｄＢの垂直偏波成分が強い環境（図中の実線）において、実施例４（本開示のアンテナ装置１を用いた場合）では、ベルトアンテナと比較して２７ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚの改善が観測される。さらに等分配合成アンテナと比較した場合は７ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚの改善が観測される。この原因は、ブラウジング姿勢で説明したのと同様に、本開示のアンテナ装置１を用いた場合には、図７で示したように、ＸＰＲとアンテナ素子の傾き角θに応じて放射指向特性が変化するからである。
【０１２７】
また、図１５からわかるように、実施例４（本開示のアンテナ装置１を用いた場合）では、ＸＰＲや腕の振り角θによらず、７０ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚの高い伝送容量を維持している。これを上述同様帯域幅１００ＭＨｚにおけるスマートホンやタブレット端末における伝送容量として読み取ると、７Ｇｂｐｓの伝送レートを維持することに相当する。
【０１２８】
このように、本開示のアンテナ装置１を用いた場合には、腕を振りながら歩行するという使用者のダイナミックな動特性環境下においても、超高速ギガビット通信が安定に実現できることがわかる。
【０１２９】
３．３  効果
以上、本開示のアンテナ装置１を用いることによって、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。すなわち、腕装着端末にアンテナ装置１を搭載することによって、ブラウジング姿勢時や歩行時など使用者のダイナミックな動特性環境下においても、ＸＰＲや腕の振り角θ等によらず、高い伝送容量を極めて安定に維持できる、超高速の無線通信を実現することができる。
【０１３０】
（実施の形態４）
実施の形態４では、タブレット端末や腕装着端末といった携帯端末に実装可能なアンテナ装置１の実装態様の一例について説明する。
【０１３１】
図１６Ａは、本開示のアンテナ装置を腕装着端末に実装する場合の一態様を示す図であり、図１６Ｂは本開示のアンテナ装置をタブレット端末に実装する場合の一態様を示す図である。図１６Ａと図１６Ｂでは、同様の要素には同一の符号を付している。
【０１３２】
図１６Ａに示すアンテナ装置３００は、腕装着端末に実装され、複数のアンテナ部１０Ａと、誘電体基板３１０と、グランド３２０と、重み付け回路３３０とを備える。
【０１３３】
重み付け回路３３０は、実施の形態１の選択部１１と合成部１３とを少なくとも含む構成に対応するものである。
【０１３４】
複数のアンテナ部１０Ａそれぞれは、実施の形態１のアンテナ部１０に対応するものである。アンテナ部１０Ａは、直交モードパッチアンテナ１０１と、垂直偏波Ｌアンテナ１０２とで構成される。例えば、直交モードパッチアンテナ１０１は、アンテナ部１０を構成するダイポールアンテナＡｘおよびダイポールアンテナＡｙに対応し、垂直偏波Ｌアンテナ１０２は、アンテナ部１０を構成するダイポールアンテナＡｚに対応する。すなわち、実施の形態１で説明したように等価ダイポールとして機能する。
【０１３５】
垂直偏波Ｌアンテナ１０２は、図１６Ａに示すように誘電体基板に設置されることで、ダイポールアンテナＡｚを設置する場合と比較して誘電体基板の垂直方向のスペースを必要とせず、ダイポールアンテナＡｚの指向性特性を実現できる。
【０１３６】
図１６Ｂに示すアンテナ装置３０１は、タブレット端末に実装され、複数のアンテナ部１０Ａと、誘電体基板３１１と、グランド３２１と、重み付け回路３３１とを備える。誘電体基板３１１と、グランド３２１と、重み付け回路３３１は、上記の誘電体基板３１０と、グランド３２０と、重み付け回路３３０とサイズが異なるのみで同様の機能を有するため説明は省略する。
【０１３７】
なお、アンテナ装置１を携帯端末に実装する態様は、図１６Ａおよび図１６Ｂで説明した場合に限られない。本実施の形態で説明した実装の態様はあくまで一例である。
【０１３８】
（効果）
最後に、本発明に係るアンテナ装置の効果を確認するため、固定されているアンテナ（以下垂直アンテナと呼ぶ）と比較する。以下でも、到来波の受信電力の比（ＲＶＨ）が交差偏波電力の比（ＸＰＲ）であり、２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数θを、鉛直方向上向きの軸である第１位置からのアンテナ素子の一方の傾き角であるとして説明する。
【０１３９】
図１７は、垂直アンテナで８素子ＭＩＭＯアレーを構成する解析モデルを示す図であり、図１８は、８×８ＭＩＭＯ伝送容量の解析結果を示す図である。
【０１４０】
なお、図１８には、本開示に係るアンテナ装置（アンテナ装置と記載）の解析結果を示している。また、図１８には、比較対象として、図３に示す３軸のダイポールアンテナ（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ）の重みをＸＰＲとθとよって変化させず等分配した場合（以下「等分配合成アンテナ」とも呼ぶ）の解析結果を示している。
【０１４１】
図１８より、ＸＰＲが−２０ｄＢの環境において、アンテナ装置（本開示に係るアンテナ装置）は、垂直アンテナと比較して伝送容量が４２ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚ改善していることがわかる。また、ＸＰＲが２０ｄＢの環境において、アンテナ装置（本開示に係るアンテナ装置）は、等分配合成アンテナと比較して７ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚ改善していることがわかる。
【０１４２】
以上のシミュレーション結果より、到来波偏波を重み付けて合成する本開示に係るアンテナ装置を用いることによって、アンテナ素子の角度変化によって生じるアンテナ特性の劣化と屋外または屋内などで伝搬環境が変化したことによって生じるアンテナ特性の劣化をリアルタイムに適応的に制御することができる。したがって、ＭＩＭＯアンテナの飛躍的な性能向上が期待できる。
【０１４３】
以上のように、本発明によれば、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができるアンテナ装置１を実現することができる。
【０１４４】
以上、本発明のアンテナ装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【０１４５】
例えば、本発明におけるアンテナ装置を、ボディエリアネットワークにおけるＯｎ−ｂｏｄｙ通信の際のアクセスポイントに応用する場合も本発明の範囲内に含まれる。以下具体的に説明する。
【０１４６】
図１９は、本発明に係るアンテナ装置をＯｎ−ｂｏｄｙ通信に適用するときのモデルを示す図である。
【０１４７】
ここで、ボディエリアネットワークは、生体モニタ用センサやＩＣ（Integrated Circuit）等が内蔵されている無線通信装置をユーザが携帯または装着して通信を行うためのネットワークである。ボディエリアネットワークを構成するシステムでは、ボディエリアネットワーク内において、センサデバイスとアクセスポイントとが無線通信を行う。
【０１４８】
このアクセスポイントに本発明に係るアンテナ装置を構成するとよい。なぜなら、センサデバイスは図１９に示すように頭だけではなく胸や足など人体の様々な場所に取り付けられることが予想されるからである。つまり、センサデバイスに内蔵されるアンテナは人体の様々な向きで装着されることが予想されるので、受信側のアクセスポイントのアンテナ素子は様々な方向から到来する電波を受信する必要があるからである。
【０１４９】
センサデバイスから送られてくる電波を受信するアクセスポイント（図中の腕）へ本発明に係るアンテナ装置を搭載することで、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。
【０１５０】
図１９に示すように、センサデバイスからアクセスポイントへ到来する電波Ａ（到来波）をベクトル分解すると、垂直成分ＡＶおよび水平成分ＡＨは以下の式１４および式１５となる。
【０１５１】
【数１４】
2020031443.tif 000016
【０１５２】
【数１５】
2020031443.tif 000017
【０１５３】
ここで、αは到来波の角度であり、θ１はセンサデバイスとアクセスポイントのなす角である。ベクトル分解した到来波の垂直成分と水平成分の受信電力の比を求めると、以下の式１６となる。
【０１５４】
【数１６】
2020031443.tif 000018
【０１５５】
これは、ＲＶＨと考えることもできるので、式７および式８のＲＶＨに代入することによって本発明に係る重み付け関数を適用できる。
【０１５６】
（実施の形態５）
図２０Ａは、第３世代移動通信システムでの到来波の様子を示す図である。図２０Ｂは、第５世代移動通信システムでの到来波の様子を示す図である。
【０１５７】
図２０Ａに示す第３世代移動通信システムでは、例えば携帯電話などの端末４００と基地局４０１との距離が遠いので、基地局４０１から発する電波（到来波）は、建物４０２、４０３、自動車４０４、森林４０５等に反射し、反射波としてあらゆる方向から端末４００に到来する。つまり、第３世代移動通信システムでは、端末４００に、一様な到来波があらゆる方向から到来する。
【０１５８】
一方、図２０Ｂに示す第５世代移動通信システムでは、例えば携帯電話などの端末５００と基地局５０１との距離が近くなるので、基地局５０１からの到来波が直接に端末５００に届くことになる。しかし、基地局５０１からの到来波が直接に端末５００に届くようになることで、端末５００に届く到来波は、あらゆる方向でなく基地局５０１のある方向近傍に限られてしまう（到来波角度が狭い）ことが予想される。
【０１５９】
実施の形態１〜４におけるアンテナ装置では、人の動作に伴うアンテナ部１０の傾きを示す変数と、アンテナ部１０の２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比とで定義される重み付け関数とを用いて受信信号を合成することで、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができることについて説明した。これは、図２０Ａに示す第３世代移動通信システムのように、アンテナ部１０に一様な到来波があらゆる方向から到来する場合に顕著な効果を発揮するが、図２０Ｂに示す第５世代移動通信システムのように到来波角度が狭くなる場合には、選択しないアンテナ素子の軸方向（特定方向）の到来波は受信できないことになり、さらなる改善を必要とする。
【０１６０】
そこで、本実施の形態では、到来波角度が狭い場合にも、人の動作に伴うアンテナ素子の傾きを示す変数と、２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比とで定義される重み付け関数を用いて受信信号を合成することで、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができるアンテナ装置について説明する。
【０１６１】
５．１  アンテナ装置の構成
図２１は、実施の形態５におけるアンテナ装置の構成の一例を示すブロック図である。図２２は、実施の形態５における合成部の詳細構成の一例を示す図である。図２３は、実施の形態５におけるアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図である。なお、図１〜３と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１６２】
図２１に示すアンテナ装置２は、無線通信に使用され、アンテナ部１０と、合成部２２と、センサ部１３とを備える。図２１〜図２３に示すアンテナ装置２は、実施の形態１等に係る図１に示すアンテナ装置１に対して、選択部１１の構成がなく、合成部２２の構成が異なる。
【０１６３】
合成部２２は、３つのアンテナ素子が３次元座標上のｘ、ｙ、ｚ軸と平行となる位置を基準とした場合のアンテナ部１０の３次元座標上の傾きを示す変数と、アンテナ部１０に到来する到来波の交差偏波電力の比とで定義され、受信信号の位相シフト量が反映された重み付け関数を用いて、３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する。より具体的には、合成部２２は、３つのアンテナ素子で構成されるアンテナ部１０の傾きを示す変数である傾き角度θおよび回転角度φと、アンテナ部１０の３つのアンテナ素子に到来する到来波の交差偏波電力の比（ＸＰＲ：Cross-Polarization Ratio）とで定義され、３つのアンテナ素子における受信信号の位相シフト量が反映された重み付け関数を用いて、３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する。
【０１６４】
ここで、図２４は、実施の形態５におけるアンテナ部１０の傾きを示す変数である傾き角度θおよび回転角度φを説明するための図である。
【０１６５】
アンテナ部１０の傾きを示す変数である傾き角度θおよび回転角度φは、アンテナ部１０を構成する３つのアンテナ素子が正位置（図２４の座標の原点に示す位置のように、ダイポールアンテナＡｘ、ダイポールアンテナＡｙ、ダイポールアンテナＡｚがそれぞれ３次元座標系のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸と平行な向きで設置された位置）であるとき、０（ゼロ）である。一方、図２４のＰ点の位置で示される３つのアンテナ素子の傾きは、傾き角度θおよび回転角度φを用いて表すことができる。ここで、回転角度φは、Ｐ点をＸＹ平面上に射影した場合における３つのアンテナ素子（例えばダイポールアンテナＡｙ）の正位置からの回転角度である。傾き角度θは、３次元座標系におけるアンテナ部１０のｚ軸からの傾き角度を意味し、３次元座標系におけるｚ軸に平行は線を基準にしたときの３つのアンテナ素子（例えばダイポールアンテナＡｚ）の傾きの補角である。
【０１６６】
また、本実施の形態では、上記到来波の交差偏波電力の比をＸＰＲ、上記の傾き角度θおよび回転角度φ、ダイポールアンテナＡｚの受信信号をＳｖ、ダイポールアンテナＡｘの受信信号をＳＨｘ、並びにダイポールアンテナＡｙの受信信号をＳＨｙとする。また、合成部２２が出力する合成信号をａとし、受信信号Ｓｖに乗算する重み付け関数をＷＶ、受信信号ＳＨｘに乗算する重み付け関数をＷＨｘ、受信信号ＳＨｙに乗算する重み付け関数をＷＨｙとする。
【０１６７】
この場合、合成部２２は、式１７〜式２１を用いて、３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力すると表現できる。
【０１６８】
【数１７】
2020031443.tif 000019
【０１６９】
【数１８】
2020031443.tif 000020
【０１７０】
【数１９】
2020031443.tif 000021
【０１７１】
【数２０】
2020031443.tif 000022
【０１７２】
【数２１】
2020031443.tif 000023
【０１７３】
より詳細には、合成部２２は、図２２に示すように、算出部２２１と、重み付け部２２２と、加算部２２３とで構成されている。
【０１７４】
算出部２２１は、センサ部１３の検出結果を用いて交差偏波電力の比（ＸＰＲ）と、傾き角度θと、回転角度φとを算出する。
【０１７５】
重み付け部２２２は、算出部２２１で算出される交差偏波電力の比（ＸＰＲ）と、傾き角度θおよび回転角度φで定義される重み付け関数を、３つのアンテナ素子の受信信号それぞれに乗算する。なお、
【数２２】
2020031443.tif 000024
、
【数２３】
2020031443.tif 000025
は、受信信号の位相シフト量を示しており、実施の形態１〜４で説明した受信信号ＳＨの位相をシフトしたものに対応する。受信信号の位相シフト量は、アンテナ素子がどの方向に傾いたり回転したりしても良いように、３つのアンテナ素子の受信信号は２π／３（１２０度）ずつ位相をシフトして合成する。
【０１７６】
加算部２２３は、重み付け部２２２で乗算された値を加算（合成）して、出力する。本実施の形態では、加算部２２３は、重み付け部２２２で乗算された値を加算した合成信号（ａ）を出力する。
【０１７７】
このようにして、合成部２２は、式１７〜式２１で示される重み付け関数(３本重み付
け関数)を用いて、３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する。
【０１７８】
なお、式１７を用いるためには，実施の形態１で説明したのと同様に、アンテナ装置２の置かれた伝搬環境（受信環境）のＸＰＲを予め知る必要があるが、ＸＰＲ=垂直偏波成
分の受信電力ＰＶ／水平偏波成分の受信電力ＰＨの関係があることから、ＸＰＲは傾き角度θ＝０のときに到来する到来波の垂直偏波成分および水平偏波成分を受信するダイポールアンテナＡｚおよびダイポールアンテナＡxの受信電力ＰＶおよび受信電力ＰＨを用い
て求めることができる。さらに、傾き角度θ（瞬時角度）および回転角度φ（瞬時角度）は現行タブレット端末やスマートホンによって実用化されている磁気センサや角速度センサを用いて検出された検出結果から算出することができる。
【０１７９】
このように重み付け関数(３本重み付け関数)を定義することで３つのアンテナ素子の出力を合成することができるので、到来波角度が狭い到来波偏波に対しても最適な重み付けを行うことができる。
【０１８０】
なお、式１７〜式２１で示される重み付け関数(３本重み付け関数)は、実施の形態１〜４で説明した重み付け関数を発展したものに相当し、実施の形態１で説明した式１０〜式１３で示される重み付け関数(２本重み付け関数)を包含する。
【０１８１】
具体的には、実施の形態１〜４で説明したように３本のうち２本のアンテナ素子を用いる場合には、式１７〜式２１で示される重み付け関数(３本重み付け関数)において、除く１本のアンテナ素子の重みを０、位相シフト量を０ｄｅｇにすることにより、実施の形態１で説明した式１０〜式１３で示される重み付け関数に相当するものになる。
【０１８２】
例えば、y軸と平行な向きで設置されるアンテナ素子（ダイポールアンテナＡｙ）が除
かれるとした場合には、式１７〜式２１において、重み「ＷＨｙ」を０にすることで、実施の形態１で説明した式１０〜式１３で示される重み付け関数と同等の式２２〜式２５で示される重み付け関数(２本重み付け関数)を得ることができる。
【０１８３】
【数２４】
2020031443.tif 000026
【０１８４】
【数２５】
2020031443.tif 000027
【０１８５】
【数２６】
2020031443.tif 000028
【０１８６】
【数２７】
2020031443.tif 000029
【０１８７】
５．２  アンテナ装置の動作
次に、以上のように構成されたアンテナ装置２の動作について説明する。
【０１８８】
図２５は、実施の形態５におけるアンテナ装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【０１８９】
まず、アンテナ装置２は、位相シフト量の算出を行う（Ｓ１１）。本実施の形態では、位相シフト量は、受信電力ａのアンテナ素子の傾き角θに対する依存性が小さくなるようにπ／２と、予め定められた値となっている。なお、位相シフト量は、−π／２でもよい。また、位相シフト量は、アンテナ装置２が搭載される端末やユースシーンに応じて制御するとしてもよい。位相シフト量を制御する場合については、後述するためここでの説明は省略する。
【０１９０】
次に、アンテナ装置２は、位相シフト量を反映した３本重み付け関数を用いて、３つのアンテナ素子の受信信号を合成する（Ｓ２１）。
【０１９１】
５．３  効果
このように、本実施の形態のアンテナ装置２によれば、到来波角度が狭い到来波偏波に対して、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。
【０１９２】
具体的には、本実施の形態のアンテナ装置２は、人の動作に伴うアンテナ素子の傾きを示変数である傾き角度θおよび回転角度φと、３つのアンテナ素子に到来する到来波の交差偏波電力の比（ＸＰＲ）と、位相シフト量を反映した３本重み付け関数とを用いて受信信号を合成する。それにより、到来波角度が狭い到来波偏波に対して伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができるので、超高速の無線通信を実現することができる。
【０１９３】
さらに、アンテナ素子の傾きを示す変数である傾き角度θおよび回転角度φと、３つのアンテナ素子に到来する到来波の交差偏波電力の比（ＸＰＲ）と位相シフト量が反映される３本重み付け関数は、振幅関数（スカラー）で定義することができる。つまり、当該重み付け関数は、位相情報を必要とせずに算出できるので、３つのアンテナ素子の受信信号のフィードバックを必要としない。それにより、本実施の形態のアンテナ装置２は、演算に負荷がかからずリアルタイムでかつ適応的に受信信号の合成の算出をすることができる。
【０１９４】
５．４  有効性の確認
次に、本実施の形態に係るアンテナ装置２の有効性を確認するために、計算機シミュレーションを使用してシミュレーションを行った。
【０１９５】
図２６は、傾き角度θを０度に固定して回転角度φを変化させた時のｘｙ平面におけるアンテナ装置２の放射指向特性を示す図である。図２７は、傾き角度θを４５度に固定して回転角度φを変化させた時のｘｙ平面におけるアンテナ装置２の放射指向特性を示す図である。図２８は、傾き角度θを９０度に固定して回転角度φを変化させた時のｘｙ平面におけるアンテナ装置２の放射指向特性を示す図である。なお、これらの図において、解析周波数は２ＧＨｚである。
【０１９６】
図２６〜図２８より、傾き角度θおよび回転角度φの変化に応じて、垂直偏波成分（図中の太線）と水平偏波成分（図中の細線）が変化しているから、重み付け関数がアンテナ部１０の傾きに応じて変化していることの証となる。
【０１９７】
５．４．１  解析方法と解析アレーモデル
続いて、本実施の形態に係るアンテナ装置２の有効性を確認するために、３次元周辺散乱モデルを用いて、ＭＩＭＯ伝送特性として２×２ＭＩＭＯ伝送容量の解析を行った。
【０１９８】
図２９は、３次元周辺散乱モデルを示す図である。図３０は、解析したアレーモデルを示す図である。
【０１９９】
図２９において、携帯端末６００は、Ｎ個のアンテナ素子が搭載されており、基地局６０１には、Ｍ個のアンテナが搭載されているとする。また、携帯端末６００への到来波は、基地局６０１から発せられた到来波が建物６０２、６０３、６０４、６０５を反射した反射波であるとしている。ここで、解析周波数を２ＧＨｚ、ＳＮＲを３０ｄＢ、ＸＰＲを１０ｄＢ、アジマス方向散乱体数を３０、エレベーション方向散乱体数を３７、アジマス方向を一様分布、エレベーション方向をガウス分布（中心角度：２０ｄｅｇ、広がり角度：２０ｄｅｇ）としている。
【０２００】
また、本解析では、図３０に示すように回転角度φのみを０ｄｅｇから９０ｄｅｇに変化させ、その後に傾き角度θを０ｄｅｇから９０ｄｅｇに変化させて解析した。
【０２０１】
５．４．２  解析結果
図３１は、３本重み付け関数を適用し２×２ＭＩＭＯ伝送容量の解析を行った解析結果を示す図である。傾き角度θ、回転角度φを変化させて２×２ＭＩＭＯ伝送容量の解析を行った。なお、傾き角度θおよび回転角度φはそれぞれ、図３０に示すように０°から９０°まで変化させた。ＸＰＲは１０ｄＢとした。図中の３本重み付け関数の特性において印可電圧制御有はアンテナ素子とケーブルを接続するときにアンテナ性能を発揮できるよう電圧の正負を考慮した場合であり、印可電圧制御無は印可電圧制御有のときとは逆にアンテナ素子とケーブルを接続した場合である。すなわち、３本のアンテナ素子を合成する重み付け関数を用いる際は、アンテナ素子が傾いた時に伝搬環境の主たる偏波成分が打ち消し合わないようにアンテナ素子とケーブルを接続する必要がある。アンテナ素子に印可する電圧の正負と偏波の詳細な関係については、後述するためここでの説明は省略する。比較対象として、２本重み付け関数を適用した場合の解析結果をともにプロットした。図中の２本重み付け関数の特性においてスイッチ切り替え有は選択部１１において動かされるアンテナ部１０の動きに応じて受信電力の大きさが最も変化しない一のアンテナ素子を除いた２つのアンテナ素子を選択した場合であり、スイッチ切り替え無は選択部１１においてアンテナの選択を行わなかった場合である。なお、ＭＩＭＯ伝送容量の計算方法は非特許文献１に示されているので、ここでの説明は省略する。
【０２０２】
図３１より、回転角度φのみ変化させたときには、式１７〜式２１で示される３本重み付け関数を適用した場合と式２２〜式２５で示される２本重み付け関数を適用した場合に差はなかったものの、傾き角度θのみを変化させた場合には３本重み付け関数を適用した場合の方の伝送容量が改善することがわかる。
【０２０３】
これにより、３本重み付け関数を適用した場合には、アンテナ素子に印可する電圧の正負を伝搬環境とアンテナの傾き方向に注意して接続することにより、２本重み付け関数より安定した受信信号を得ることができることがわかる。
【０２０４】
（実施の形態６）
実施の形態５では、重み付け関数に適用される位相シフト量は、予め定めた値であったが、アンテナ装置１や２が搭載される端末や、ユースシーンに応じて制御してもよい。そうすることで、アンテナ装置１や２が搭載される端末や、ユースシーンにおいてより安定した受信信号を得ることができる。以下、この場合について説明する。
【０２０５】
なお、式１７〜式２１で示される重み付け関数(３本重み付け関数)は、実施の形態１〜４で説明した重み付け関数を発展したものに相当し、実施の形態１で説明した式１０〜式１３で示される重み付け関数(２本重み付け関数)を包含する。
【０２０６】
したがって、アンテナ装置１の場合、以下の式２６〜２９のように位相シフトτは適用される。
【０２０７】
【数２８】
2020031443.tif 000030
【０２０８】
【数２９】
2020031443.tif 000031
【０２０９】
【数３０】
2020031443.tif 000032
【０２１０】
【数３１】
2020031443.tif 000033
【０２１１】
また、アンテナ装置２の場合、以下の式３０〜３４のように位相シフトτは適用される。
【０２１２】
【数３２】
2020031443.tif 000034
【０２１３】
【数３３】
2020031443.tif 000035
【０２１４】
【数３４】
2020031443.tif 000036
【０２１５】
【数３５】
2020031443.tif 000037
【０２１６】
【数３６】
2020031443.tif 000038
【０２１７】
以下では、実施の形態５で説明したアンテナ装置２をタブレット端末に搭載した場合を例にあげて説明する。また、説明を容易にするため、アンテナ装置２に２本重み付け関数を適用する場合、すなわちアンテナ装置２で２本のアンテナ素子の受信信号を合成する場合の位相シフト量について説明する。
【０２１８】
６．１  タブレット端末の解析モデル
図３２は、実施の形態５に係るアンテナ装置２を搭載したタブレット端末を縦置き使用したときの解析モデルを示す図である。図３３は、実施の形態５に係るアンテナ装置２を搭載したタブレット端末を横置き使用したときの解析モデルを示す図である。図３４は、実施の形態６に係る位相シフト量について説明するための図である。図３５は、実施の形態６に係るタブレット端末のアンテナ装置２の具体的構成の一例を示す図である。
【０２１９】
本実施の形態で使用するタブレット端末の解析モデルは、図３２および図３３に示すように、互いに直交する３つのアンテナ素子であるダイポールアンテナＡｘ、ダイポールアンテナＡｙおよびダイポールアンテナＡｚを有するアンテナ部１０を搭載したものである。ここで、３つのアンテナ素子はタブレット端末を縦置きにアンテナ素子の角度θが０ｄｅｇとしたときにｘ軸に平行なダイポールアンテナをＡｘ、ｙ軸に平行なダイポールアンテナをＡｙ、ｚ軸に平行なダイポールアンテナをＡｚとした。
【０２２０】
図３２および図３３に示すように、実施の形態５に係るアンテナ装置２をタブレット端末に搭載した場合、人間はタブレット端末の画面を見ながら使用することが予想されるので、アンテナを傾ける角度は０度から９０度に限られる。この場合、図３４に示すように、到来波の垂直偏波を受けるアンテナ素子をｚ軸に平行なアンテナＡｚ、水平偏波を受けるアンテナ素子をｘ軸に平行なアンテナＡｘとし、それぞれの軸のプラス方向に正の電圧を、マイナス方向に負の電圧を印加するとする。２つの素子が＋θ方向に傾いた場合、それぞれのアンテナ素子は垂直偏波成分と水平偏波成分の両成分を受ける。図３４に示すようにベクトル分解して別々に考えると、２つの素子の垂直偏波成分は印可電圧が逆相となり打ち消し合い、水平偏波成分は印可電圧が同相となり強め合う。
【０２２１】
そのため、実施の形態１〜４におけるアンテナ装置１に位相シフト量を適用する場合には、アンテナ素子がどの方向に傾いても安定して受信信号を得ることができるように位相シフト量はπ／２と予め定めた値として適用するとよい。さらに、ユースシーンを限れば、アンテナ素子の傾く方向を限ることができるので、位相シフト量を制御することで受信信号をさらに高めることができる。なお、アンテナ素子の傾く方向が限られる場合、かつ、選択する２つのアンテナ素子が変化しない場合には、予め３つのアンテナ素子ではなく２つのアンテナ素子が直交するアンテナをアンテナ部１０として選択部１１を除くアンテナ装置１の構成を適用するとしてもよい。
【０２２２】
図３２に示すように、タブレット端末を縦置きで使用する場合、実施の形態２で説明したのと同様に、アンテナ部１０が動かされる方向は、図３２のｙ軸を回転軸としてｚｘ面でアンテナ素子（図ではダイポールアンテナＡｘとＡｚ）の角度（図で傾き角度θ）が変わると考えられる。この場合、到来波の垂直偏波を受けるアンテナ素子としてダイポールアンテナＡｚ（図で太線）、到来波の水平偏波を受けるアンテナ素子としてダイポールアンテナＡｘ（図で細線）の２つのアンテナ素子が選択される。すなわち、図３５に示す合成部２２ａは、３本重み付け関数においてダイポールアンテナＡｙに乗算する重みを０にして、ダイポールアンテナＡｙの受信信号を除くことで（例えば式３５を適用することで）、ダイポールアンテナＡｘおよびダイポールアンテナＡｚの２つのアンテナ素子を選択することができる。そして、合成部２２ａは、式３５に示す重み付け関数を適用することで、この２つのアンテナ素子の受信信号を合成することができる。
【０２２３】
【数３７】
2020031443.tif 000039
【０２２４】
ここで、
【数３８】
2020031443.tif 000040
はユースシーンに応じて制御された位相シフト量を示し、τだけ位相がシフトすることを示している。
【０２２５】
なお、図３３に示すように、タブレット端末を横置きで使用する場合、アンテナ部１０が動かされる方向は、図３３のｙ軸を回転軸としてｚｘ面でアンテナ素子（図ではダイポールアンテナＡｘとＡｙ）の角度（図で傾き角度θ）が変わると考えられる。この場合、到来波の垂直偏波を受けるダイポールアンテナＡｙ、到来波の水平偏波を受けるアンテナ素子としてダイポールアンテナＡｘの２つのアンテナ素子が選択されることに相当するが、数学的には、式３５と等価であるため、図３２に示す場合で以下の解析を行った。
【０２２６】
６．２  解析結果
図３６Ａ〜図３６Ｃは、タブレット端末の保持角度の平均値を説明するための図である。図３６Ａには、ユーザがタブレット端末を手で保持するときの水平面（ｘｙ平面）からの角度である端末保持角度ｘ１と、ユーザの手がタブレット端末を保持するときの端末保持位置ｘ２の定義が示されている。図３６Ｂにはユーザがタブレット端末を手で保持するときの端末保持角度ｘ１の統計結果が示されており、図３６Ｃには、端末保持角度ｘ１と端末保持位置ｘ２とそれぞれの統計の解析結果が示されている。すなわち、図３６Ｃから、端末保持角度ｘ１の平均値は３５度であり、傾き角度θはｚ軸から５５度であるのがわかる。
【０２２７】
図３７Ａおよび図３７Ｂは、傾き角度θを５５度に固定して位相シフト量を変化させた時のｘｙ平面における放射指向特性を示す図である。図３７Ａの（ａ）〜（ｃ）と図３７Ｂの（ｄ）、（ｅ）から、位相シフト量を増やす（０度〜１８０度）と、垂直偏波成分が大きくなるように放射指向特性が大きく変化していることがわかる。
【０２２８】
図３８は、傾き角度θを５５度に固定して位相シフト量を変化させた時の伝送容量特性を示す図である。図３８には、タブレット端末を縦置きで使用する場合の解析結果がプロットされている。なお、位相シフト量は０度から１８０度まで変化させた。ＸＰＲは１０ｄＢとした。ＳＮＲは３０ｄＢである。
【０２２９】
図３８から、τ１点すなわち位相シフト量が１８０度（π）であるときに伝送容量が最大となることがわかる。ここで、τ２点すなわち実施の形態５で説明した２本重み付け関数で用いられる位相シフト量が９０度（π／２）である場合と比較して、１．４ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚの改善を示すことがわかる。
【０２３０】
図３９Ａは、異なる位相シフト量において傾き角度θを変化させた時の伝送容量特性を示す図である。図３９Ｂは、異なる位相シフト量において回転角度φを変化させた時の伝送容量特性を示す図である。図３９Ａおよび図３９Ｂにはそれぞれ、位相シフト量が０度、９０度および１８０度の場合の伝送容量特性が示されている。
【０２３１】
図３９Ｂから、アンテナ部１０が回転すなわち回転角度φが異なる場合には、位相シフト量の違いは影響しない。一方、図３９Ａから、アンテナ部１０が傾いたときすなわち傾き角度θが異なる場合には、位相シフト量の違いが大きく影響することがわかる。そして、アンテナ部１０の傾き角度θが異なっていても位相シフト量が１８０度（π）であるときに伝送容量が変化せずに一定となる（最大を維持する）ことがわかる。
【０２３２】
図４０は、ＸＰＲが変化した時の最適な位相シフト量の結果を示す図である。すなわち、ＸＰＲ≧−３ｄＢのときは位相シフト量を１８０度、ＸＰＲ≦−３のときは位相シフト量を０度とすることで、実施の形態５と比較して大きな伝送容量が得られることがわかる。
【０２３３】
６．３  効果
以上のように、本実施の形態によれば、位相シフト量を、アンテナ装置１および２を搭載する端末やユースシーンに応じて制御することにより、さらなる伝送容量の向上が図れる。
【０２３４】
例えば、アンテナ装置２では、位相シフト量は２π／３（１２０度）と−２π／３（−１２０度）とし、合成部２２は、当該位相シフト量が反映された重み付け関数を用いて、３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてもよい。また、位相シフト量は、ユースシーンと伝搬環境に応じて定められた値とし、合成部２２は、当該位相シフト量が反映された重み付け関数を用いて、３つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてもよい。
【０２３５】
また、例えば、アンテナ装置１では、さらに合成部１２は、選択部１１で選択された２つのアンテナ素子における位相シフト量がさらに反映された重み付け関数を用いて、当該２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてよい。
【０２３６】
ここで、例えば、位相シフト量はπ／２（９０度）もしくは−π／２（−９０度）とし、合成部１２は、当該位相シフト量が反映された重み付け関数を用いて、選択部１１で選択された２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてもよい。また、位相シフト量は、ユースシーンと伝搬環境に応じて定められた値とし、合成部１２は、当該位相シフト量が反映された重み付け関数を用いて、選択部１１で選択された２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてもよい。
【０２３７】
なお、上述したように、ユースシーンが限定される場合には、アンテナ素子の傾く方向を限ることができるので、本発明に係るアンテナ装置は、無線通信に使用されるアンテナ装置であって、互いに直交する２つのアンテナ素子を有するアンテナ部と、２つのアンテナ素子で形成される平面において２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときを基準とした当該２つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数と、当該２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比とで定義される重み付け関数と位相シフト量を用いて、当該選択部により選択された２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する合成部と、を備え、当該合成部は、上記受信電力の比として、当該２つのアンテナ素子の一方が第１位置にあるときに２つのアンテナ素子に到来する到来波の受信電力の比を算出するとしてもよい。ここで、位相シフト量はπ／２（９０度）もしくは−π／２（−９０度）とし、当該合成部は、当該位相シフト量が反映された重み付け関数を用いて、２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてもよい。また、位相シフト量は、ユースシーンと伝搬環境に応じて定められた値とし、当該合成部は、当該位相シフト量が反映された重み付け関数を用いて、２つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力するとしてもよい。
【０２３８】
以上、本発明の一つまたは複数の態様に係るアンテナ装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
【０２３９】
例えば、上記実施の形態において、各構成要素は専用のハードウェアにより構成されてもよく、あるいは、ソフトウェアにより実現可能な構成要素については、プログラムを実行することによって実現されてもよい。
【０２４０】
また、例えば、アンテナ装置を構成するモジュールを、ＩＣ（集積回路）、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、およびＬＳＩ（大規模集積）などの形態で実現されるか、ＡＲＭなどのＣＰＵに基づくプロセッサおよびＰＣ（パーソナルコンピュータ）などの機械により実現するとしてもよい。これらの各モジュールは、多くの単機能ＬＳＩまたは１つのＬＳＩに含まれ得る。ここで用いられた名称はＬＳＩであるが、集積度に応じて、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩまたはウルトラＬＳＩと呼称されることもある。さらに、集積方法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサなどによっても集積することができる。これには、プログラム命令により指示可能なＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）などの特殊なマイクロプロセッサも含まれる。ＬＳＩの製造後にプログラム可能なＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）もしくはＬＳＩの接続または配置を再構成できる再構成可能プロセッサを同様の目的で用いることができる。今後は、製造と処理技術の発展に伴い、全く新しい技術がＬＳＩに置き換わるかもしれない。集積はそのような技術によって実現され得る。
【産業上の利用可能性】
【０２４１】
本発明は、無線通信に使用されるアンテナ装置に利用され、特にスマートホン、タブレット端末および腕時計端末などの携帯端末、無線ルーターなどの固定端末やボディエリアネットワークのＯｎ−ｂｏｄｙ通信のアクセスポイントなどに搭載されるアンテナ装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０２４２】
１、２、３００、３０１  アンテナ装置
１０、１０Ａ  アンテナ部
１１  選択部
１２、２２、２２ａ  合成部
１３  センサ部
１０１  直交モードパッチアンテナ
１０２  垂直偏波Ｌアンテナ
１２１、２２１  算出部
１２２、２２２  重み付け部
１２３、２２３  加算部
３１０、３１１  誘電体基板
３２０、３２１  グランド
３３０、３３１  重み付け回路
４００、５００  端末
４０１、５０１、６０１  基地局
４０２、６０２、６０３、６０４、６０５  建物
４０４  自動車
４０５  森林
６００  携帯端末
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３６Ｃ】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３８】
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【図３９Ａ】
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【図３９Ｂ】
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【図４０】
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