(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ０個のアレー素子を並べて構成したサブアレーアンテナを、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ０（≦Ｍ０）段になるようにＭ０組配置し、周囲に存在する１つまたは複数の移動局に対して電波の送信／受信を行うアレーアンテナと、前記Ｍ０組のサブアレーアンテナの受信信号を、受信時には受信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号に変換し、送信時には送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号を送信周波数の信号に変換する周波数変換手段と、前記Ｍ０組のサブアレーアンテナからＭ１（≦Ｍ０）組を選択し、そのＭ１組の受信信号から各々Ｎ１（≦Ｎ０）個の受信信号を選択する受信信号選択手段と、前記受信信号選択手段が選択した各々Ｎ１個の信号からなるＭ１組のサブアレーアンテナの受信信号をそれぞれ独立に用いて移動局からの電波到来方向を推定することにより、移動局の存在する方向および移動局の局数を推定するＭ１組の到来方向推定手段と、前記受信および送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号の位相振幅を変化させることにより、前記アレー素子の指向性パターンに比較して高い指向性利得が得られるような鋭い指向性ビームを前記サブアレーアンテナで形成し、前記Ｍ１組の到来方向推定手段が推定した移動局の方向に対して前記指向性ビームのピーク方向を向けるアンテナ指向性制御手段とを備え、Ｍ０が３又は４である指向性制御アンテナ装置。
【請求項２】
Ｍ０組のサブアレーアンテナをそれぞれ形成する、水平面に対してそれぞれほぼ垂直なＭ０個の平面を、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に同一平面において（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向からみてＭ０角形になるように配置して形成したアレーアンテナを有することを特徴とする請求項１記載の指向性制御アンテナ装置。
【請求項３】
鉛直方向からみてＭ０角形であるアレーアンテナの内部に、信号処理回路を設置したことを特徴とする請求項２記載の指向性制御アンテナ装置。
【請求項４】
アレー素子は、水平面内指向性半値角が小さいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の指向性制御アンテナ装置。
【請求項５】
水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ０個のアレー素子を並べて構成したサブアレーアンテナを、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ０（≦Ｍ０）段になるようにＭ０組配置し、周囲に存在する１つまたは複数の移動局に対して電波の送信／受信を行うアレーアンテナと、水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ１（≦Ｎ０）個のアレー素子を並べて構成した到来方向推定用サブアレーアンテナを、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ１）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ１（≦Ｍ１）段になるようにＭ１（≦Ｍ０）組配置し、周囲に存在する１つまたは複数の移動局に対して電波の到来方向推定用に受信のみを行う到来方向推定用アレーアンテナと、前記Ｍ０組のサブアレーアンテナの受信信号を、受信時には受信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号に変換し、送信時には送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号を送信周波数の信号に変換するとともに、前記Ｍ１組の到来方向推定用サブアレーアンテナの受信信号を受信の中間周波数またはベースバンド周波数の到来方向推定用信号に変換する周波数変換手段と、前記Ｍ１組の到来方向推定用信号をそれぞれ独立に用いて移動局からの電波到来方向を推定することにより、移動局の存在する方向および移動局の局数を推定するＭ１組の到来方向推定手段と、前記受信および送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号の位相振幅を変化させることにより、前記アレー素子の指向性パターンに比較して高い指向性利得が得られるような鋭い指向性ビームを前記サブアレーアンテナで形成し、前記Ｍ１組の到来方向推定手段が推定した移動局の方向に対して前記指向性ビームのピーク方向を向けるアンテナ指向性制御手段とを備え、Ｍ０及びＭ１がそれぞれ３又は４である指向性制御アンテナ装置。
【請求項６】
水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ０個のアレー素子を並べて構成したサブアレーアンテナを、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ０（≦Ｍ０）段になるようにＭ０組配置し、周囲に存在する１つまたは複数の移動局に対して電波の送信／受信を行うアレーアンテナと、前記Ｍ０組のサブアレーアンテナの受信信号を、受信時には受信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号に変換し、送信時には送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号を送信周波数の信号に変換する周波数変換手段と、周波数変換したＭ０組のサブアレーアンテナの受信信号を時分割で切り替え、切り替え時間内にＮ０個の信号を出力するアンテナ切り替え手段と、前記Ｎ０個の信号から電波到来方向の推定を時分割で独立に行うことにより、移動局の存在する方向および移動局の局数を推定する到来方向推定手段と、前記受信および送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号の位相振幅を変化させることにより、前記アレー素子の指向性パターンに比較して高い指向性利得が得られるような鋭い指向性ビームを前記サブアレーアンテナで形成し、前記到来方向推定手段が推定した移動局の方向に対して前記指向性ビームのピーク方向を向けるアンテナ指向性制御手段とを備え、Ｍ０が３又は４である指向性制御アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として、携帯電話、ＰＨＳ、双方向ページャ、業務用無線等の移動通信システムの基地局、移動局に用いられる指向性制御アンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、移動体通信分野では、各基地局に割り当てられたエリアに複数の移動局を収容する無線方式として、時分割多重方式（ＴＤＭＡ）、周波数分割多重方式（ＦＤＭＡ）、符号分割多重方式（ＣＤＭＡ）などが用いられてきた。また、妨害波除去技術として、アダプティブアレーを用いたアンテナ指向性制御方式に関する研究が行われてきた。
【０００３】
時分割多重方式は、複数の移動局と基地局が交信するために、同一周波数のチャネルを時間軸方向で等間隔の通信スロットを設けて使用する。周波数分割多重方式は、複数の移動局と基地局が交信するために、複数の周波数チャンネルを使用する。符号分割多重方式は、複数の移動局で互いに相関の無い符号でスペクトル拡散変調を行うことにより、同じ周波数帯で移動局と基地局とが交信を行う。
【０００４】
また、アダプティブアレーを用いたアンテナ指向性制御方式は、アレーアンテナの受信信号から、アンテナ指向性のピークが所望波の方向に、ヌル点が妨害波の方向に向くように自動的に制御し、移動局の存在する位置によって基地局のサービスエリアをダイナミックに変化させる技術である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の無線方式技術を用いた場合、１つの基地局のエリアに収容可能な移動局の台数は、時分割多重方式の場合は移動局に割り当てられる通信スロットの総数に制限され、周波数分割多重方式の場合には周波数チャネルの総数に制限され、符号分割多重の場合には、データ伝送レートとスペクトル拡散チップレートの比により決定される妨害除去の能力によってエリア内に収容できる移動局が制限されていた。周波数資源は有限であり、移動通信機器用に割り当てられることのできる周波数チャネルや周波数帯域幅には限りがあり、移動通信システムの収容できる移動局の台数に上限ができてしまう。また、従来のアダプティブアレーの技術は妨害波の到来方向に対するアンテナ指向性のヌル点制御が中心であり、画像情報の伝送のような高速データ伝送を行うためには、これまで以上に移動局、基地局ともに受信感度を向上させる必要がある。一方で、多数の移動局が存在する状況でアレーアンテナを用いてそれぞれの移動局に対してアンテナ指向性制御を行うためには、アレー素子数を増やす必要があり、それによるアンテナ面積の拡大と信号処理時間の増加は避けられない。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するものであり、高速データ伝送に対応した受信感度の向上と、高速、高性能なアンテナ指向性制御を実現する指向性制御アンテナ装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、基地局のアレーアンテナを複数のサブアレーアンテナにより構成し、各サブアレーアンテナの配置や信号処理方法を工夫することで到来方向推定手段の推定結果を向上させるだけでなく、各サブアレーアンテナごとに到来方向推定とアンテナ指向性制御を行うため、信号処理にかかる計算時間を短縮することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ０個のアレー素子を並べて構成したサブアレーアンテナを、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ０（≦Ｍ０）段になるようにＭ０組配置し、周囲に存在する１つまたは複数の移動局に対して電波の送信／受信を行うアレーアンテナと、前記Ｍ０組のサブアレーアンテナの受信信号を、受信時には受信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号に変換し、送信時には送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号を送信周波数の信号に変換する周波数変換手段と、前記Ｍ０組のサブアレーアンテナからＭ１（≦Ｍ０）組を選択し、そのＭ１組の受信信号から各々Ｎ１（≦Ｎ０）個の受信信号を選択する受信信号選択手段と、前記受信信号選択手段が選択した各々Ｎ１個の信号からなるＭ１組のサブアレーアンテナの受信信号をそれぞれ独立に用いて移動局からの電波到来方向を推定することにより、移動局の存在する方向および移動局の局数を推定するＭ１組の到来方向推定手段と、前記受信および送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号の位相振幅を変化させることにより、前記アレー素子の指向性パターンに比較して高い指向性利得が得られるような鋭い指向性ビームを前記サブアレーアンテナで形成し、前記Ｍ１組の到来方向推定手段が推定した移動局の方向に対して前記指向性ビームのピーク方向を向けるアンテナ指向性制御手段とを備え、Ｍ０が３又は４である指向性制御アンテナ装置であり、比較的少ない素子数（Ｍ１×Ｎ１個）のアレーアンテナの受信信号を用いることで、到来方向推定手段が移動局の方向と移動局の数を推定するのに必要な計算時間を短縮し、また移動局との送受信には比較的多い素子数（Ｍ０×Ｎ０個）のアレーアンテナを用いることで、鋭い指向性ビームを形成できるため、他の移動局や基地局に影響を与えることなく少ない送信電力で送信受信できるという作用を有する。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、Ｍ０組のサブアレーアンテナをそれぞれ形成する、水平面に対してそれぞれほぼ垂直なＭ０個の平面を、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に同一平面において（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向からみてＭ０角形になるように配置して形成したアレーアンテナを有することを特徴とする請求項１記載の指向性制御アンテナ装置であり、総アンテナ高を低くし、信号処理回路をＭ０角形の内部空間に配置できるとういう作用を有する。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、鉛直方向からみてＭ０角形であるアレーアンテナの内部に、信号処理回路を設置したことを特徴とする請求項２記載の指向性制御アンテナ装置であり、信号処理回路をＭ０角形の内部空間に配置することにより小型化できるという作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、アレー素子は、水平面内指向性半値角が小さいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の指向性制御アンテナ装置であり、到来方向推定手段がアレーアンテナ正面方向に存在する移動局の方向と移動局の数を高精度に推定できるという作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ０個のアレー素子を並べて構成したサブアレーアンテナを、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ０（≦Ｍ０）段になるようにＭ０組配置し、周囲に存在する１つまたは複数の移動局に対して電波の送信／受信を行うアレーアンテナと、水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ１（≦Ｎ０）個のアレー素子を並べて構成した到来方向推定用サブアレーアンテナを、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ１）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ１（≦Ｍ１）段になるようにＭ１（≦Ｍ０）組配置し、周囲に存在する１つまたは複数の移動局に対して電波の到来方向推定用に受信のみを行う到来方向推定用アレーアンテナと、前記Ｍ０組のサブアレーアンテナの受信信号を、受信時には受信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号に変換し、送信時には送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号を送信周波数の信号に変換するとともに、前記Ｍ１組の到来方向推定用サブアレーアンテナの受信信号を受信の中間周波数またはベースバンド周波数の到来方向推定用信号に変換する周波数変換手段と、前記Ｍ１組の到来方向推定用信号をそれぞれ独立に用いて移動局からの電波到来方向を推定することにより、移動局の存在する方向および移動局の局数を推定するＭ１組の到来方向推定手段と、前記受信および送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号の位相振幅を変化させることにより、前記アレー素子の指向性パターンに比較して高い指向性利得が得られるような鋭い指向性ビームを前記サブアレーアンテナで形成し、前記Ｍ１組の到来方向推定手段が推定した移動局の方向に対して前記指向性ビームのピーク方向を向けるアンテナ指向性制御手段とを備え、Ｍ０及びＭ１がそれぞれ３又は４である指向性制御アンテナ装置であり、受信信号選択手段を用いる必要がないだけでなく、到来方向推定手段が電波到来方向の推定を行っている時間も、到来方向推定手段が前回推定した移動局の方向にアレーアンテナの指向性のピーク方向を向けることができるため、移動局、基地局間で連続的にデータの送信受信を行うことができるという作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項６に記載の発明は、水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ０個のアレー素子を並べて構成したサブアレーアンテナを、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ０（≦Ｍ０）段になるようにＭ０組配置し、周囲に存在する１つまたは複数の移動局に対して電波の送信／受信を行うアレーアンテナと、前記Ｍ０組のサブアレーアンテナの受信信号を、受信時には受信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号に変換し、送信時には送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号を送信周波数の信号に変換する周波数変換手段と、周波数変換したＭ０組のサブアレーアンテナの受信信号を時分割で切り替え、切り替え時間内にＮ０個の信号を出力するアンテナ切り替え手段と、前記Ｎ０個の信号から電波到来方向の推定を時分割で独立に行うことにより、移動局の存在する方向および移動局の局数を推定する到来方向推定手段と、前記受信および送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号の位相振幅を変化させることにより、前記アレー素子の指向性パターンに比較して高い指向性利得が得られるような鋭い指向性ビームを前記サブアレーアンテナで形成し、前記到来方向推定手段が推定した移動局の方向に対して前記指向性ビームのピーク方向を向けるアンテナ指向性制御手段とを備え、Ｍ０が３又は４である指向性制御アンテナ装置であり、アンテナ切り替え手段によりサブアレーアンテナの受信信号から１組ずつ切り替えることで、１つの到来方向推定手段を用いるだけで基地局サービスエリア内の移動局の方向と移動局の数を推定できるという作用を有する。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図１２を用いて説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態による指向性制御アンテナ装置のブロック結線図を示す。図１において１は移動局、２ａは通信信号送出手段、３は制御信号送出手段、４は基地局、５はアレーアンテナ、６はアレー素子、７は周波数変換手段、８は制御信号用帯域フィルタ、９は到来方向推定手段、１０はアンテナ指向性制御手段である。
【００１７】
図２は本実施の形態による通信信号と制御信号の占有周波数帯域を示す概念図である。図２において、１３ａ及び１３ｂは制御信号の占有周波数帯域、１４は通信信号の占有周波数帯域である。
【００１８】
以上のように構成された指向性制御アンテナ装置に関して、以下にその動作を説明する。
【００１９】
移動局１は、基地局４に対して通常の交信を行うための通信信号送出手段２ａと、通信信号に比較して低伝送速度の信号を送出する制御信号送出手段３を有し、基地局４は、アレーアンテナ５で移動局１からの電波を受信する。周波数変換手段７は、アレーアンテナ５の各アレー素子６における受信信号を中間周波数またはベースバンド周波数に周波数変換を行う。制御信号用帯域フィルタ８は、周波数変換された受信信号から制御信号の帯域のみを通過させる。到来方向推定手段９は、ＭＵＳＩＣ法やＥＳＰＲＩＴ法等の各アレー素子での受信制御信号の共分散行列を求め、その共分散行列の固有ベクトルを利用する手法を用いて移動局からの電波の到来方向を推定する。
【００２０】
制御信号は低伝送速度であるために、図２（ａ）のように、通信信号と比べて狭帯域の信号を用いることができ、このため雑音帯域が減少し、受信感度が向上する。これにより、アレーアンテナ５を構成する各アレー素子６として広い指向性パターンのアンテナを用いることができる。また、異なる移動局から送信された信号間の相関を減少させるだけでなく、フェージングなどの伝搬路の影響も減らし、到来方向推定手段９の推定精度を向上させることができる。このとき例えばＭＵＳＩＣ法を用いて推定を行った場合、固有値の大きさを判定することにより電波の到来波数を推定できるので、エリア内の移動局数がわかり、電波の到来方向が移動局の方向となる。
【００２１】
アンテナ指向性制御手段１０は、アンテナの各アレー素子６に対する中間周波数またはベースバンド周波数に変換された受信信号の位相と振幅を変化させ、移動局の方向にアレーアンテナ５の指向性のピークを向ける。この状態で、周波数変換手段７は、受信の際には受信信号を中間周波数またはベースバンド周波数に変換し、送信の際には中間周波数またはベースバンド周波数の送信信号を送信周波数に周波数変換し、アレーアンテナ５は、移動局の存在する方向へ、送信、受信ともに同じ指向性ビームを形成し、移動局との送信、受信を行う。
【００２２】
以上のように本実施の形態によれば、移動局から低伝送速度の制御信号を送出するために通信信号に比べて伝送路の影響を受け難く、また基地局のアレーアンテナの各アレー素子に広い指向性パターンのアンテナを用いた場合でも高感度な受信が行え、その受信信号を用いて到来方向推定手段が移動局の方向と移動局の数を推定できるだけでなく、アレーアンテナの鋭い指向性ビームのピーク方向を常に移動局の存在する方向に向けることができるため、移動局、基地局ともに交信状態においても受信感度を向上することができる。
【００２３】
また、図３に示すように、移動局１に信号切り替え手段１１を配置し、信号切り替え手段１１において通信信号と制御信号を時分割に切り替えて送出することにより、図２（ｂ）に示すように、通信信号の占有周波数帯域１４内に制御信号の占有周波数帯域１３ａを設けることができ、通信チャネル全体の占有周波数帯域を狭めることもできる。
【００２４】
あるいは、図４に示すように、移動局１に信号合成手段１２を配置し、信号合成手段１２において制御信号と通信信号を合成し同時に送出することにより、図２（ａ）に示すように、周波数軸上において制御信号の占有周波数帯域１３ａと通信信号の占有周波数帯域１４を別々に確保し、移動局と基地局間で連続的に交信することもできる。
【００２５】
なお、本実施の形態においては、携帯電話、ＰＨＳなどの移動局である携帯端末を、できる限り小形、軽量化する必要のあるシステムを想定しているが、テレビ放送用中継車などのように、基地局が車載であり移動する場合などは、本実施の形態における移動局と基地局が逆の構成となっても良い。
【００２６】
（実施の形態２）
図５は本実施の形態による指向性制御アンテナ装置のブロック結線図を示す。図５において１は移動局、２ｂは通信信号送出手段、４は基地局、５はアレーアンテナ、６はアレー素子、７は周波数変換手段、９は到来方向推定手段、１０はアンテナ指向性制御手段、１５は到来方向推定用帯域フィルタである。
【００２７】
図６は本実施の形態による到来方向推定用帯域フィルタ１５の入出力周波数特性の概念図である。図６において１６は受信信号周波数特性、１７はフィルタ出力周波数特性である。
【００２８】
以上のように構成された指向性制御アンテナ装置に関して、以下にその動作を説明する。
【００２９】
移動局１は、基地局４に対して一定伝送速度の信号を送出することで通常の交信を行うための通信信号送出手段２ｂを有し、基地局４は、アレーアンテナ５で移動局１からの電波を受信する。周波数変換手段７は、アレーアンテナ５の各アレー素子６における受信信号を中間周波数またはベースバンド周波数に周波数変換を行う。到来方向推定用帯域フィルタ１５は、周波数変換された受信信号から、到来方向推定手段９が移動局の数と方向を推定するのに必要な周波数帯域のみを通過させる。図６に示すように、到来方向推定用帯域フィルタ１５の特性は、受信信号周波数特性１６のような入力から、フィルタ出力周波数特性１７のような、一部帯域だけを通過させる。この到来方向推定用帯域フィルタ１５を用いることで、広帯域の通信信号を使用している場合にも、到来方向推定手段９が、移動局の送信信号に比較して狭帯域の信号を用いて、移動局の数と方向を推定できる。
【００３０】
このような到来方向推定手段９は、ＭＵＳＩＣ法やＥＳＰＲＩＴ法等の各アレー素子での受信制御信号の共分散行列を求め、その共分散行列の固有ベクトルを利用する手法を用いて移動局からの電波の到来方向の推定を行う。例えばＭＵＳＩＣ法を用いて推定を行った場合、固有値の大きさを判定することにより電波の到来波数を推定できるので、エリア内の移動局数がわかり、電波の到来方向が移動局の方向となる。
【００３１】
アンテナ指向性制御手段１０は、アンテナの各アレー素子６に対する中間周波数またはベースバンド周波数に変換された受信信号の位相と振幅を変化させ、移動局の方向にアレーアンテナ５の指向性のピークを向ける。この状態で、周波数変換手段７は、受信の際には受信信号を中間周波数またはベースバンド周波数に変換し、送信の際には中間周波数またはベースバンド周波数の送信信号を送信周波数に周波数変換し、アレーアンテナ５は、移動局の存在する方向へ、送信、受信ともに同じ指向性ビームを形成し、移動局との送信、受信を行う。
【００３２】
以上のように本実施の形態によれば、通信信号帯域が広帯域の信号である場合でも、到来方向推定手段が通信信号帯域に比べて狭帯域の信号を用いて、移動局の方向と移動局の数を推定できるだけでなく、アレーアンテナの鋭い指向性ビームのピーク方向を常に移動局の存在する方向に向けることができるため、移動局、基地局ともに交信状態においても受信感度を向上することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態においては、携帯電話、ＰＨＳなどの移動局である携帯端末を、できる限り小形、軽量化する必要のあるシステムを想定しているが、テレビ放送用中継車などのように、基地局が車載であり移動する場合などは、本実施の形態における移動局と基地局が逆の構成となっても良い。
【００３４】
（実施の形態３）
図７は本実施の形態による指向性制御アンテナ装置の基地局のブロック結線図を示す。図７において５はアレーアンテナ、６はアレー素子、７は周波数変換手段、９は到来方向推定手段、１０はアンテナ指向性制御手段、１８はサブアレーアンテナ、１９は受信信号選択手段である。
【００３５】
図８（ａ）、（ｂ）と図９（ａ）、（ｂ）はアレーアンテナ５の構成を示す概念図である。図９において、２０は信号処理回路である。
【００３６】
図１０はアレー素子６の指向性パターンの一例を示す概念図である。図１０において、２１はアレー素子６の指向性パターンである。
【００３７】
以上のように構成された指向性制御アンテナ装置に関して、以下にその動作を説明する。
【００３８】
基地局において、移動局と電波の送受信を行うアレーアンテナ５として、例えば図７のように、４組のサブアレーアンテナ１８を有し、各サブアレーアンテナ１８は、それぞれ３個のアレー素子６から構成される。図８（ａ）、（ｂ）と図９（ａ）、（ｂ）は、４組のサブアレーアンテナ１８を用いる場合のアレーアンテナ５の構成例である。
【００３９】
例１としては、図８（ａ）のように、各サブアレーアンテナ１８の正面方向を互いに９０度ずつずらして、鉛直方向に４段階に配置する。例２としては、図８（ｂ）のように、向きが１８０度異なる２組のサブアレーアンテナ１８を１組にまとめ、互いに９０度ずつずらして、鉛直方向に２段階に配置する。例３としては、図９（ａ）のように、４組のサブアレーアンテナ１８を鉛直方向からみて同一平面内に正方形になるように配置する。例４としては、図９（ｂ）のように、向きが１８０度異なる２組のサブアレーアンテナ１８を、それぞれ同一平面内になるように鉛直方向に２段階に配置する。
【００４０】
例３および例４の構成を用いた場合、周波数変換などを行う信号処理回路２０を、４組のサブアレーアンテナ１８によってつくられた内部空間に配置することが可能となる。例１〜４のような構成によるアレーアンテナを用いて受信した移動局からの電波は、周波数変換手段７により中間周波数またはベースバンド周波数に周波数変換される。受信信号選択手段１９は、周波数変換された４×３個の受信信号から、例えば図７のように、３組のサブアレーアンテナ１８の受信信号を選択するとともに各受信信号の組の中から２個ずつを選択する。この３×２個のアレー素子６からの受信信号を用いて到来方向推定手段９が移動局の存在する方向と移動局の数を推定するため、すべてのアレー素子６の受信信号を到来方向推定に用いる場合に比較して、推定に必要な計算時間を短縮させることができる。
【００４１】
到来方向推定手段９の推定結果から、アンテナ指向性制御手段１０は、中間周波数またはベースバンド周波数の送信信号または受信信号の位相と振幅を変化させ、移動局の方向にサブアレーアンテナ５の指向性のピークを向ける。この時、各サブアレーアンテナ１８のすべてのアレー素子６を用いることにより鋭い指向性ビームが形成できるため、交信している移動局以外の移動局や他の基地局に影響を与えることなく少ない送信電力で交信できる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、図７、図８、図９のように、アレーアンテナ５は４組のサブアレーアンテナ１８で構成され、各サブアレーアンテナ１８は３個のアレー素子で構成された場合を示したが、同様に、各サブアレーアンテナ１８を水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ０個のアレー素子を並べて構成し、Ｍ０組のサブアレーアンテナ１８を、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ０（≦Ｍ０）段になるように配置してアレーアンテナ５を構成し、受信信号選択手段においてＭ１（≦Ｍ０）組の受信信号から各々Ｎ１（≦Ｎ０）個の信号を選択し、Ｍ１組の到来方向推定手段においてＭ１組の信号をそれぞれ独立に用いて移動局からの電波到来方向を推定する構成としてもよい。
【００４３】
また、図９（ａ）では、４組のサブアレーアンテナ１８を、鉛直方向からみて同一平面内に正方形となるように配置した例を示したが、同様に、Ｍ０組のサブアレーアンテナをそれぞれ形成する、水平面に対してそれぞれほぼ垂直なＭ０個の平面を、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に同一平面において（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向からみてＭ０角形になるように配置してアレーアンテナを形成してもよく、そのＭ０角形の内部に信号処理回路を配置してもよい。
【００４４】
以上のように本実施の形態によれば、比較的少ない素子数（Ｍ１×Ｎ１個）のアレーアンテナの受信信号を用いることで、到来方向推定手段が移動局の方向と移動局の数を推定するのに必要な計算時間を短縮し、また移動局との送受信には比較的多い素子数（Ｍ０×Ｎ０個）のアレーアンテナを用いることで、鋭い指向性ビームを形成できるため、他の移動局や基地局に影響を与えることなく少ない送信電力で送信／受信を行うことができる。
【００４５】
また、アレー素子６として、例えば八木アンテナ等、図１０の指向性パターン２１のような、サブアレーアンテナ１８の正面方向に鋭い指向性をもつ、すなわち水平面内の指向性半値角が小さいアレー素子を用いることにより、サブアレーアンテナ１８の正面方向から到来する電波に対する到来方向推定手段の推定精度を向上させることもできる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、携帯電話、ＰＨＳなどの移動局である携帯端末を、できる限り小形、軽量化する必要のあるシステムを想定しているが、テレビ放送用中継車などのように、基地局が車載であり移動する場合などは、本実施の形態における移動局と基地局が逆の構成となっても良い。
【００４７】
（実施の形態４）
図１１は本実施の形態による指向性制御アンテナ装置の基地局のブロック結線図を示す。図１１において、５はアレーアンテナ、６はアレー素子、７は周波数変換手段、９は到来方向推定手段、１０はアンテナ指向性制御手段、１８はサブアレーアンテナ、２２は到来方向推定用サブアレーアンテナ、２３は到来方向推定用アレーアンテナである。
【００４８】
以上のように構成された指向性制御アンテナ装置に関して、以下にその動作を説明する。
【００４９】
基地局において、例えば図１１のように、移動局と電波の送受信を行うアレーアンテナ５として、４組のサブアレーアンテナ１８を有し、各サブアレーアンテナ１８は、それぞれ３個のアレー素子６から構成され、また、移動局の電波の到来方向推定用に受信のみを行う到来方向推定用アレーアンテナ２３として、３組の到来方向推定用サブアレーアンテナ２２を有し、各到来方向推定用サブアレーアンテナ２２は、それぞれ２個のアレー素子６から構成される。周波数変換手段７は、４組のサブアレーアンテナ１８の受信信号を、受信時には受信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号に変換し、送信時には送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号を送信周波数の信号に変換するとともに、３組の到来方向推定用サブアレーアンテナ２２の受信信号を受信の中間周波数またはベースバンド周波数の到来方向推定用信号に変換する。この３×２個のアレー素子６からの到来方向推定用信号を用いて到来方向推定手段９が移動局数と移動局の方向の推定を行うため、アレーアンテナ５のすべてのアレー素子６の受信信号を到来方向推定に用いる場合と比較して、推定に必要な計算時間を短縮させることができる。また、このような構成とすることにより、アレーアンテナ５のアレー素子６全ての受信信号から到来方向の推定に必要な信号を選択するための手段を必要としなくてすむ。
【００５０】
到来方向推定手段９の推定結果から、アンテナ指向性制御手段１０は、中間周波数またはベースバンド周波数の送信信号または受信信号の位相と振幅を変化させ、移動局の方向にサブアレーアンテナ５の指向性のピークを向ける。この時、各サブアレーアンテナ１８のすべてのアレー素子６を用いることにより鋭い指向性ビームが形成できるため、交信している移動局以外の移動局や他の基地局に影響を与えることなく少ない送信電力で交信できるとともに、サブアレーアンテナ１８の指向性は、常に到来方向推定手段９の推定結果方向に向けられているため、到来方向推定手段９が推定処理を行っているときも途切れることなく移動局との送信／受信が可能となる。
【００５１】
なお、本実施の形態では、図１１のように、アレーアンテナ５は４組のサブアレーアンテナ１８で構成され、各サブアレーアンテナ１８は３個のアレー素子で構成された場合を示したが、同様に、各サブアレーアンテナ１８を水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ０個のアレー素子を並べて構成し、Ｍ０組のサブアレーアンテナ１８を、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ０（≦Ｍ０）段になるように配置してアレーアンテナ５を構成してもよく、また、到来方向推定用アレーアンテナ２３は３組の到来方向推定用サブアレーアンテナ２２で構成され、各到来方向推定用サブアレーアンテナ２２は２個のアレー素子で構成された場合を示したが、同様に、各到来方向推定用サブアレーアンテナ２２を水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ１（≦Ｎ０）個のアレー素子を並べて構成し、Ｍ１（≦Ｍ０）組の到来方向推定用サブアレーアンテナ２２を、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ１）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ１（≦Ｍ１）段になるように配置して到来方向推定用アレーアンテナ２３を構成してもよい。
【００５２】
以上のように本実施の形態によれば、比較的少ない素子数（Ｍ１×Ｎ１個）の到来方向推定用アレーアンテナの受信信号を用いることで、到来方向推定手段が移動局の方向と移動局の数を推定するのに必要な計算時間を短縮し、また移動局との送受信には比較的多い素子数（Ｍ０×Ｎ０個）のアレーアンテナを用いることで、鋭い指向性ビームを形成できるため、他の移動局や基地局に影響を与えることなく少ない送信電力で送信／受信を行うことができる。また、アレーアンテナのアレー素子全ての受信信号から到来方向の推定に必要な信号を選択するための手段を必要としなくてすむ。さらに、サブアレーアンテナの指向性は、常に到来方向推定手段の推定結果方向に向けられているため、到来方向推定手段が推定処理を行っているときも途切れることなく移動局との送信／受信が可能となる。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、携帯電話、ＰＨＳなどの移動局である携帯端末を、できる限り小形、軽量化する必要のあるシステムを想定しているが、テレビ放送用中継車などのように、基地局が車載であり移動する場合などは、本実施の形態における移動局と基地局が逆の構成となっても良い。
【００５４】
（実施の形態５）
図１２は本実施の形態による指向性制御アンテナ装置の基地局のブロック結線図を示す。図１２において、５はアレーアンテナ、６はアレー素子、７は周波数変換手段、９は到来方向推定手段、１０はアンテナ指向性制御手段、１８はサブアレーアンテナ、２３はアンテナ切り替え手段である。
【００５５】
以上のように構成された指向性制御アンテナ装置に関して、以下にその動作を説明する。
【００５６】
基地局において、例えば図１２のように、移動局と電波の送受信を行うアレーアンテナ５として、４組のサブアレーアンテナ１８を有し、各サブアレーアンテナ１８は、それぞれ３個のアレー素子６から構成される。周波数変換手段７は、４組のサブアレーアンテナ１８の受信信号を、受信時には受信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号に変換し、送信時には送信の中間周波数またはベースバンド周波数の信号を送信周波数の信号に変換する。アンテナ切り替え手段２４は、周波数変換手段７によって中間周波数またはベースバンド周波数に周波数変換された受信信号を、各サブアレーアンテナ毎に時分割で切り替え、切り替え時間内に３個の信号を出力する。移動局の存在する方向と移動局の数を推定するためには、時分割でアンテナ切り替え手段２４から出力されるサブアレーアンテナ１組分の３個のアレー素子６からの受信信号を用いればよいため、到来方向推定手段は１つですむ。
【００５７】
到来方向推定手段９の推定結果から、アンテナ指向性制御手段１０は、中間周波数またはベースバンド周波数の送信信号または受信信号の位相と振幅を変化させ、移動局の方向にサブアレーアンテナ５の指向性のピークを向ける。この時、各サブアレーアンテナ１８のすべてのアレー素子６を用いることにより鋭い指向性ビームが形成できるため、交信している移動局以外の移動局や他の基地局に影響を与えることなく少ない送信電力で交信できる。
【００５８】
なお、本実施の形態では、図１２のように、アレーアンテナ５は４組のサブアレーアンテナ１８で構成され、各サブアレーアンテナ１８は３個のアレー素子で構成された場合を示したが、同様に、各サブアレーアンテナ１８を水平面に対してほぼ垂直な一平面上にＮ０個のアレー素子を並べて構成し、Ｍ０組のサブアレーアンテナ１８を、鉛直方向に設置されたアンテナ固定用の支柱を中心に、（３６０／Ｍ０）度ずつ異なる角度で、鉛直方向にＫ０（≦Ｍ０）段になるように配置してアレーアンテナ５を構成し、アンテナ切り替え手段２４からＭ０組のサブアレーアンテナの受信信号を時分割で切り替えて出力される切り替え時間内のＮ０個の信号から、１つの到来方向推定手段で移動局からの電波到来方向を推定する構成としてもよい。
【００５９】
以上のように本実施の形態によれば、アンテナ切り替え手段によりサブアレーアンテナの受信信号から１組ずつ切り替えることで、１つの到来方向推定手段を用いるだけで基地局サービスエリア内の移動局の方向と移動局の数を推定することができるため、信号処理部の構成を簡単にすることができるとともに、移動局との送受信には比較的多い素子数（Ｍ０×Ｎ０個）のアレーアンテナを用いることで、鋭い指向性ビームを形成できるため、他の移動局や基地局に影響を与えることなく少ない送信電力で送信／受信を行うことができる。
【００６０】
なお、本実施の形態においては、携帯電話、ＰＨＳなどの移動局である携帯端末を、できる限り小形、軽量化する必要のあるシステムを想定しているが、テレビ放送用中継車などのように、基地局が車載であり移動する場合などは、本実施の形態における移動局と基地局が逆の構成となっても良い。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、基地局のアレーアンテナを複数のサブアレーアンテナにより構成した場合、各サブアレーアンテナの配置や信号処理方法を工夫することで到来方向推定手段の推定結果を向上させるだけでなく、各サブアレーアンテナごとに到来方向推定とアンテナ指向性制御を行えるため、信号処理にかかる計算時間を短縮し、高速に移動する移動局に対してもアンテナの指向性ビームを追尾させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による指向性制御アンテナ装置のブロック図
【図２】本発明の一実施の形態による通信信号および制御信号の占有周波数帯域を示す図
【図３】本発明の一実施の形態による指向性制御アンテナ装置のブロック図
【図４】本発明の一実施の形態による指向性制御アンテナ装置のブロック図
【図５】本発明の一実施の形態による指向性制御アンテナ装置のブロック図
【図６】本発明の一実施の形態による到来方向推定用帯域フィルタの入出力周波数特性の図
【図７】本発明の一実施の形態による指向性制御アンテナ装置の基地局のブロック図
【図８】本発明の一実施の形態によるアレーアンテナの構成を示す図
【図９】本発明の一実施の形態によるアレーアンテナの構成を示す図
【図１０】本発明の一実施の形態によるアレー素子の指向性パターンの一例を示す図
【図１１】本発明の一実施の形態による指向性制御アンテナ装置の基地局のブロック図
【図１２】本発明の一実施の形態による指向性制御アンテナ装置の基地局のブロック図
【符号の説明】
１  移動局
２ａ、２ｂ  通信信号送出手段
３  制御信号送出手段
４  基地局
５  アレーアンテナ
６  アレー素子
７  周波数変換手段
８  制御信号用帯域フィルタ
９  到来方向推定手段
１０  アンテナ指向性制御手段
１１  信号切り替え手段
１２  信号合成手段
１３ａ、１３ｂ  制御信号の占有周波数帯域
１４  通信信号の占有周波数帯域
１５  到来方向推定用帯域フィルタ
１６  受信信号周波数特性
１７  フィルタ出力周波数特性
１８  サブアレーアンテナ
１９  受信信号選択手段
２０  信号処理回路
２１  指向性パターン
２２  到来方向推定用サブアレーアンテナ
２３  到来方向推定用アレーアンテナ
２４  アンテナ切り替え手段
【図１】
0003669304.tif 000002
【図２】
0003669304.tif 000003
【図３】
0003669304.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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