(57)【要約】【課題】アンテナ素子間隔が狭い場合であっても並列伝送を可能とし、伝送速度の高速化及び伝送品質の向上を図ることができるアンテナ装置を提供する。【解決手段】本発明によるアンテナ装置は、相互に対向するように配置された送信アンテナと受信アンテナとを備えた近距離伝送無線通信システム用のアンテナ装置であり、前記送信アンテナ及び受信アンテナが、それぞれ、相互に直交性を有する指向性パターンであって相互に異なる指向性パターンを有する複数の単位アンテナを備える。【選択図】図１
2014195238.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に対向するように配置された送信アンテナと受信アンテナとを備えた近距離伝送無線通信システム用のアンテナ装置において、
前記送信アンテナ及び受信アンテナは、それぞれ、
相互に直交性を有する指向性パターンであって相互に異なる指向性パターンを有する複数の単位アンテナを備えたアンテナ装置。
【請求項２】
前記複数の単位アンテナは、それぞれ、異なる個数のビームを有する指向性パターンを有し、
前記送信アンテナに備えられた複数の単位アンテナの指向性パターンと前記受信アンテナに備えられた複数の単位アンテナの指向性パターンは相互に対応している、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記複数の単位アンテナをＸ個（Ｘは任意の自然数）の単位アンテナとすれば、
前記Ｘ個の単位アンテナは、アレー面に列状に配列され、
前記Ｘ個の単位アンテナのうち、第ｘ番目（ｘは、１以上Ｘ以下の自然数）の単位アンテナの指向性パターンは、
前記Ｘ個の単位アンテナの配列方向を基準としてｙ×｛π／（ｘ＋１）｝（ｙは１以上ｘ以下の自然数）または｛ｙ×π／ｘ｝―π／（２ｘ）によって規定される方向に形成されるｘ個のビームを有する、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記送信アンテナに備えられた前記複数の単位アンテナのうちの第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンをｇｔｑとし、前記受信アンテナに備えられた前記複数の単位アンテナのうちの第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンをｇｔｐとし、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンと前記第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンとの間の相関係数を｜ρｐｑ｜とすれば、
前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンと、前記第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンと、前記相関係数は、
【数１】
2014195238.tif 000010
なる条件式を満足し、
前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差は±π／（ｑ＋１）以内であり、前記第ｐ番目の受信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差は±π／（ｐ＋１）以内であり、
または、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差は±π／ｑ以内であり、前記第ｐ番目の受信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差は±π／ｐ以内である、請求項１から３の何れか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記送信アンテナに備えられた前記複数の単位アンテナのうちの第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンをｇｔｑとし、前記受信アンテナに備えられた前記複数の単位アンテナのうちの第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンをｇｔｐとし、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンと前記第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンとの間の相関係数を｜ρｐｑ｜とすれば、
前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンと、前記第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンと、前記相関係数は、
【数２】
2014195238.tif 000011
なる条件式を満足し、
前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差はπ／（ｑ＋１）の±１５％以内であり、前記第ｐ番目の受信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差はπ／（ｐ＋１）の±１５％以内であり、
または、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差はπ／ｑの±１５％以内であり、前記第ｐ番目の受信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差はπ／ｐの±１５％以内である、請求項１から３の何れか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記複数の単位アンテナは、相互に異なるＴＥモードまたはＴＭモードを有し、一次元状または二次元状に配列され、または放射面を重ねるようにして配列された、請求項４または５に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
ストリームの容量が所定の閾値以上となるモードを用いて、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間でデータ伝送を実施し、前記ストリームの容量が前記閾値を下回る場合、他のモードに切り替えて前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間でデータ伝送を実施する、請求項４から６の何れか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記送信アンテナは、
前記複数の単位アンテナを１ユニットとして、複数ユニットの単位アンテナを備え、前記複数ユニットが分散配置された、請求項４から７の何れか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記送信アレーアンテナ及び受信アレーアンテナは、それぞれ、
前記複数の単位アンテナとして、
アレー面に対してほぼ垂直方向に形成される１つの主ビームを有する第１の単位アンテナと、
前記アレー面に対する垂直方向から相対する方向に所定の角度を有する２つの主ビームを有し、前記２つの主ビームの位相特性が相互に反転された関係を有する第２の単位アンテナと、
を備えた、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記第１の単位アンテナと前記第２の単位アンテナとが交互に配置された、請求項９に記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
前記第２の単位アンテナは２つのアンテナ素子からなり、前記２つのアンテナ素子が前記第１の単位アンテナを挟むように、前記第２の単位アンテナが配置された、請求項９または１０に記載のアンテナ装置。
【請求項１２】
前記第１の単位アンテナおよび前記第２の単位アンテナは２次元状に配置された、請求項９から１１の何れか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１３】
前記第１の単位アンテナが一方の対角線方向に２つ並べられ、
前記第２の単位アンテナが、互いに９０度方向が異なる向きに、他方の対角線方向に２つ並べられ、
前記対角線方向に並べられた２つの第１の単位アンテナと、前記他方の対角線方向に並べられた２つの第２の単位アンテナとを最小単位として、前記第１の単位アンテナと前記第２の単位アンテナとが２次元状に配置された、請求項１２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、近距離ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）による高速伝送技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近距離での高速伝送を実現する技術として、非特許文献１には、近距離ＭＩＭＯ伝送技術が開示されている。この近距離ＭＩＭＯ伝送では、図３９に示すように、複数のアンテナ５００が配設された送信アレーアンテナ５０１及び受信アレーアンテナ５０２が近接して対向配置される。また、送信アレーアンテナ５０１に対して、送信機側無線信号処理部５０４が設けられ、受信アレーアンテナ５０２に対して、受信機側無線信号処理部５０５が設けられる。この近距離ＭＩＭＯ伝送技術によれば、アレーアンテナの素子間隔を最適化することにより、高速な近距離ＭＩＭＯ伝送が可能となる。
また、非特許文献２には、送信機および受信機の双方でチャネル情報に基づく瞬時重み付け処理を行うことにより高速なデータ伝送を可能とする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】西森，関，本間，平賀，溝口，“近距離ＭＩＭＯ通信に適した伝送方法に関する検討”，電子情報通信学会技術研究報告，A.P2009-83，Sep.2009．
【非特許文献２】I. E. Telatar, “Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels”, European Transactions on Telecommunications, vol.10, pp.585-595, 1999.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、消費電力やコストの観点から、数十素子のアレーに対応可能なＭＩＭＯ制御ＩＣ（Integrated Circuit）の開発が困難であることから、ＭＩＭＯ伝送技術における更なる多素子化は困難な状況にある。このため、現状では、例えば無線ＬＡＮ（Local Area Network）規格のＩＥＥＥ８０２．１１ｎ等で使用されているＭＩＭＯ伝送用チップとしては３ブランチまでの対応製品がほとんどである。また、伝送品質の確保やディジタルデータ処理速度の制約から、１チャネルあたりの伝送路容量の改善には限界がある。
【０００５】
このようにＭＩＭＯ伝送における多素子化と１チャネルあたりの伝送路容量の改善が困難な状況において、数十Ｇｂ／ｓ以上の伝送速度を可能とする無線システムを実現するためには、チャネルを並列化し、複数のチャネルによる並列伝送を行う手法が有望である。しかしながら、複数のチャネルによる並列伝送を行う場合、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔が狭くなると、アレーアンテナ間の伝送路の相関が高くなるため、伝送路容量が劣化する傾向を示し、並列伝送が困難になる。
【０００６】
また、送受両側で重み付け処理を行う場合、重み付け演算のためのチャネル情報をフィードバックしたりチャネル情報を推定したりする必要がある。そのため、アンテナ数の増加に伴い、重み付け処理演算量が増加し、また装置のサイズも増加するといった問題がある。ここで、演算量削減のため簡易に複数ストリーム伝送を行うための手法としては、例えば、指向性のビーム幅を狭くして各伝搬路を空間的に分割する、狭指向性による並列伝送手法が考えられる。しかしながら、この手法によれば、狭いビーム幅を形成するためにアンテナサイズが大きくなる。また、伝送距離が十分に近い場合を除いて十分にビーム幅を絞ることが困難であるため、伝送距離が長くなると、隣接アンテナへの干渉が大きくなり、通信路容量が劣化する場合がある。
【０００７】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、複雑な信号処理を要することなく、アンテナ素子間隔が狭い場合であっても並列伝送を可能とし、伝送速度の高速化及び伝送品質の向上を図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】
【０００８】
上述の課題を解決するため、本発明に係るアンテナ装置は、相互に対向するように配置された送信アンテナと受信アンテナとを備えた近距離伝送無線通信システム用のアンテナ装置において、前記送信アンテナ及び受信アンテナは、それぞれ、相互に直交性を有する指向性パターンであって相互に異なる指向性パターンを有する複数の単位アンテナを備えたアンテナ装置の構成を有する。
【０００９】
本発明の一態様によるアンテナ装置は、例えば、前記アンテナ装置の構成において、前記複数の単位アンテナは、それぞれ、異なる個数のビームを有する指向性パターンを有し、前記送信アンテナに備えられた複数の単位アンテナの指向性パターンと前記受信アンテナに備えられた複数の単位アンテナの指向性パターンは相互に対応しているアンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、例えば、前記アンテナ装置の構成において、前記複数の単位アンテナをＸ個（Ｘは任意の自然数）の単位アンテナとすれば、前記Ｘ個の単位アンテナは、アレー面に列状に配列され、前記Ｘ個の単位アンテナのうち、第ｘ番目（ｘは、１以上Ｘ以下の自然数）の単位アンテナの指向性パターンは、前記Ｘ個の単位アンテナの配列方向を基準としてｙ×｛π／（ｘ＋１）｝（ｙは１以上ｘ以下の自然数）または｛ｙ×π／ｘ｝―π／（２ｘ）によって規定される方向に形成されるｘ個のビームを有する、アンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、例えば、前記アンテナ装置の構成において、前記送信アンテナに備えられた前記複数の単位アンテナのうちの第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンをｇｔｑとし、前記受信アンテナに備えられた前記複数の単位アンテナのうちの第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンをｇｔｐとし、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンと前記第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンとの間の相関係数を｜ρｐｑ｜とすれば、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンと、前記第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンと、前記相関係数は、
【００１０】
【数１】
2014195238.tif 000003
【００１１】
なる条件式を満足し、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差は±π／（ｑ＋１）以内であり、前記第ｐ番目の受信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差は±π／（ｐ＋１）以内であり、または、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差は±π／ｑ以内であり、前記第ｐ番目の受信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差は±π／ｐ以内である、アンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、例えば、前記アンテナ装置の構成において、前記送信アンテナに備えられた前記複数の単位アンテナのうちの第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンをｇｔｑとし、前記受信アンテナに備えられた前記複数の単位アンテナのうちの第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンをｇｔｐとし、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンと前記第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンとの間の相関係数を｜ρｐｑ｜とすれば、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンと、前記第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンと、前記相関係数は、
【００１２】
【数２】
2014195238.tif 000004
【００１３】
なる条件式を満足し、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差はπ／（ｑ＋１）の±１５％以内であり、前記第ｐ番目の受信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差はπ／（ｐ＋１）の±１５％以内であり、または、前記第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差はπ／ｑの±１５％以内であり、前記第ｐ番目の受信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差はπ／ｐの±１５％以内である、アンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、例えば、前記アンテナ装置の構成において、前記複数の単位アンテナは、相互に異なるＴＥモードまたはＴＭモードを有し、一次元状または二次元状に配列され、または放射面を重ねるようにして配列された、アンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、例えば、前記アンテナ装置の構成において、ストリームの容量が所定の閾値以上となるモードを用いて、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間でデータ伝送を実施し、前記ストリームの容量が前記閾値を下回る場合、他のモードに切り替えて前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間でデータ伝送を実施する、アンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、例えば、前記アンテナ装置の構成において、前記送信アンテナは、前記複数の単位アンテナを１ユニットとして、複数ユニットの単位アンテナを備え、前記複数ユニットが分散配置された、アンテナ装置の構成を有する。
【００１４】
本発明の一態様によるアンテナ装置は、例えば、前記アンテナ装置の構成において、前記送信アレーアンテナ及び受信アレーアンテナは、それぞれ、アレー面に対してほぼ垂直方向に形成される１つの主ビームを有する第１の単位アンテナと、前記アレー面に対する垂直方向から相対する方向に所定の角度を有する２つの主ビームを有し、前記２つの主ビームの位相特性が相互に反転された関係を有する第２の単位アンテナと、を備えたことを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。
【００１５】
上述の課題を解決するため、本発明に係るアンテナ装置は、相互に対向するように配置された送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとを備えた近距離伝送無線通信システム用のアンテナ装置において、前記送信アレーアンテナ及び受信アレーアンテナは、それぞれ、アレー面に対してほぼ垂直方向に形成される１つの主ビームを有する第１の単位アンテナと、前記アレー面に対する垂直方向から相対する方向に所定の角度を有する２つの主ビームを有し、前記２つの主ビームの位相特性が相互に反転された関係を有する第２の単位アンテナと、を備えたことを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。
【００１６】
本発明の一態様によるアンテナ装置は、前記アンテナ装置の構成において、前記第１の単位アンテナと前記第２の単位アンテナとが交互に配置されたことを特徴とする。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、前記アンテナ装置の構成において、前記第２の単位アンテナは２つのアンテナ素子からなり、前記２つのアンテナ素子が前記第１の単位アンテナを挟むように、前記第２の単位アンテナが配置されたことを特徴とする。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、前記アンテナ装置の構成において、前記第１の単位アンテナおよび前記第２の単位アンテナは２次元状に配置されたことを特徴とする。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、前記アンテナ装置の構成において、前記第１の単位アンテナが一方の対角線方向に２つ並べられ、前記第２の単位アンテナが、互いに９０度方向が異なる向きに、他方の対角線方向に２つ並べられ、前記対角線方向に並べられた２つの第１の単位アンテナと、前記他方の対角線方向に並べられた２つの第２の単位アンテナとを最小単位として、前記第１の単位アンテナと前記第２の単位アンテナとが２次元状に配置されたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は次のように換言することができる。
即ち、本発明の一態様によるアンテナ装置は、送信アンテナ及び受信アンテナが対向して配置された無線通信システムであり、前記送信アンテナ及び受信アンテナが単素子もしくは２素子以上のアレーアンテナ構成からなる単位アンテナを少なくとも２個以上具備するアンテナ装置において、前記単位アンテナとして、主ビームがほぼ垂直上に形成されることを特徴とする第１の単位アンテナと、左右に少なくとも２つの主ビームに指向性に分かれ、かつそれぞれの主ビームの位相特性がほぼ反転していることを特徴とする第２の単位アンテナを有し、前記、第１の単位アンテナと第２の単位アンテナを交互、かつ対向して配置することを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、前記アンテナ装置の構成において、前記第１の単位アンテナは、主ビームが垂直方向からビーム幅の２０％以内の方向に形成されること、さらには主ビームが垂直方向からビーム幅の１０％以内の方向に形成され、前記第２の単位アンテナは、左右それぞれの主ビームの位相特性の差は１８０度から±１２０度以内とし、さらには左右それぞれの主ビームの位相特性の差は１８０度から±７５度以内とすることを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、前記アンテナ装置の構成において、第２の単位アンテナの主ビームの電力半値角をβとするとき、第２の単位アンテナの２つの主ビームの指向方向を垂直方向から±βの方向を中心に２２度以内とする、もしくは垂直方向から±βの方向を中心に１２度以内とすることを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、前記アンテナ装置の構成において、第１の単位アンテナの主ビームの電力半値角αおよび第２の単位アンテナの主ビームの電力半値角βが共に角度γ以下であるとき、ビーム幅γが４度以上１８０度以下であること、さらにはビーム幅γが５度以上１００度以下であることを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、前記アンテナ装置の構成において、上記第１の単位アンテナおよび第２の単位アンテナを水平および垂直方向に交互に配置することを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、送信アンテナ及び受信アンテナが対向して配置された無線通信システムのアンテナ装置であり、前記送信アンテナ及び受信アンテナが単素子もしくは２素子以上のアレーアンテナ構成からなる単位アンテナを少なくとも２個以上具備するアンテナ装置において、前記単位アンテナとして、主ビームがほぼ垂直上に形成されることを特徴とする第１の単位アンテナと、第１の単位アンテナの左右に１つずつ配置したアンテナ素子を用いてほぼ第１の単位アンテナ方向に主ビームが形成され、かつそれぞれの主ビームの位相特性がほぼ反転していることを特徴とする第２の単位アンテナを有し、前記、第１の単位アンテナと第２の単位アンテナを対向して配置することを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、前記アンテナ装置の構成において、前記第１の単位アンテナは、主ビームが垂直方向からビーム幅の２０％以内の方向に形成されること、さらには主ビームが垂直方向からビーム幅の１３％以内の方向に形成され、前記第２の単位アンテナは、前記第１の単位アンテナの方向からビーム幅の５６％以内の方向に主ビームが形成されること、さらには前記第１の単位アンテナの方向からビーム幅の４３％以内の方向に主ビームが形成されることを特徴とし、それぞれの主ビームの位相特性の差は１８０度から±３０度以内とし、さらにはそれぞれの主ビームの位相特性の差は１８０度から±１５度以内とすることを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、前記アンテナ装置の構成において、第１の単位アンテナの主ビームの電力半値角αおよび第２の単位アンテナの主ビームの電力半値角βが共に角度γ以下であるとき、ビーム幅γが２８度以上１８０度以下であること、さらにはビーム幅γが４５度以１８０度以下であることを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。
本発明の一態様によるアンテナ装置は、上記アンテナ装置の構成において、上記第１の単位アンテナおよび第２の単位アンテナを水平および垂直方向に並べて配置することを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複雑な信号処理を要することなく、アンテナ素子間隔が狭い場合であっても並列伝送が可能となり、伝送速度の高速化及び伝送品質の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るアンテナ装置の基本構成例を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る第１の単位アンテナ及び第２の単位アンテナを模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るアンテナ装置における干渉波の除去の説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係るアンテナ装置における干渉波の除去の説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係るアンテナ装置の特性例を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
【図７】本発明の第１の実施例に係るアンテナ装置における第２の単位アンテナのビーム幅の説明に用いる特性図である。
【図８】本発明の第１の実施例に係るアンテナ装置における第１の単位アンテナの指向方向許容誤差の説明に用いる特性図である。
【図９】本発明の第１の実施例に係るアンテナ装置における第２の単位アンテナの指向方向許容誤差の説明に用いる特性図である。
【図１０】本発明の第１の実施例に係るアンテナ装置における第２の単位アンテナの位相反転特性の許容誤差の説明に用いる特性図である。
【図１１】本発明の第２の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
【図１３】本発明の第２の実施例に係るアンテナ装置の特性を示す２次元マップを示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施例に係るアンテナ装置における第２の単位アンテナのビーム幅の説明に用いる特性図である。
【図１５】本発明の第２の実施例に係るアンテナ装置の特性を示す特性図である。
【図１６】本発明の第３の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
【図１７】本発明の第３の実施例に係るアンテナ装置の特性を示す特性図である。
【図１８】本発明の第３の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
【図１９】本発明の第３の実施例に係るアンテナ装置における第１の単位アンテナの指向方向許容誤差の説明に用いる特性図である。
【図２０】本発明の第３の実施例に係るアンテナ装置における第２の単位アンテナの指向方向許容誤差の説明に用いる特性図である。
【図２１】本発明の第３の実施例に係るアンテナ装置における第２の単位アンテナの位相反転特性の許容誤差の説明に用いる特性図である。
【図２２】本発明の第３の実施例に係るアンテナ装置のアンテナ配置の説明図である。
【図２３】本発明の第４の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
【図２４】本発明の第４の実施例に係るアンテナ装置の動作原理を説明するための説明図であり、指向性パターンの一例を示す図である。
【図２５】本発明の第４の実施例に係るアンテナ装置の動作原理を説明するための説明図であり、放射角と指向性パターンのビームの利得を示す振幅との関係の一例を示す図である。
【図２６】本発明の第４の実施例に係るアンテナ装置の特性図であり、指向性相関係数と通信路容量との間の関係の一例を示す図である。
【図２７】図２６は、本発明の第４の実施例によるアンテナ装置の特性図であり、指向方向誤差と指向性相関係数との間の関係の一例を示す図である。
【図２８】本発明の第４の実施例に係るアンテナ装置の特性図であり、独立な伝送路の数を表すストリーム数と通信路容量との間の関係の一例を示す特性図である。
【図２９】本発明の第５の実施例に係るアンテナ装置に備えられた単位アンテナの説明図である。
【図３０】本発明の第５の実施例に係るアンテナ装置の説明図であり、放射モードとモードの次数ｎの一例を示す図である。
【図３１】本発明の第５の実施例に係るアンテナ装置の説明図であり、モードの次数と指向性相関係数との間の関係の一例を示す図である。
【図３２】本発明の第６の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
【図３３】本発明の第７の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
【図３４】本発明の第７の実施例に係るアンテナ装置の特性図であり、単位構成の個数と通信路容量との間の関係の一例を示す特性図である。
【図３５】本発明の第９の実施例に係るアンテナ装置の特性の説明図であり、アンテナ数と通信路容量との間の関係の一例を示す図である。
【図３６】本発明の第１１の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
【図３７】本発明の第１１の実施例に係るアンテナ装置の特性図（到来電波の電力分布が一様な理想的なマルチパス環境での特性）を示す図であり、（Ａ）は、放射角φに対する電力Ｐ（φ）の分布を示し、（Ｂ）は、アンテナ数と通信路容量との間の関係の一例を示す図である。
【図３８】本発明の第１１の実施例に係るアンテナ装置の特性図（到来電波の電力分布が一様でない環境、例えば、基地局と端末との間の伝送路の環境での特性）であり、（Ａ）は、放射角に対する電力Ｐ（φ）の分布を示し、（Ｂ）は、アンテナ数と通信路容量との間の関係の一例を示す図である。
【図３９】近距離ＭＩＭＯの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
概略的には、本発明の実施形態によるアンテナ装置は、相互に対向するように配置された送信アンテナと受信アンテナとを備えた近距離伝送無線通信システム用のアンテナ装置であり、上記送信アンテナ及び受信アンテナは、それぞれ、相互に直交性を有する指向性パターンであって相互に異なる指向性パターンを有する複数の単位アンテナを備える。このような構成により、通信容量を改善する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係るアンテナ装置の基本構成を模式的に示す図である。
図１に示すアンテナ装置は、近距離伝送無線通信システム用のアンテナ装置であり、送信アレーアンテナ１、受信アレーアンテナ２、送信側無線信号処理部４、受信側無線信号処理部５を備える。本実施形態では、送信側無線信号処理部４および受信側無線信号処理部５が実施する信号処理の概念には、アナログ信号処理のほか、デジタル信号処理も含まれる。従って、送信側無線信号処理部４および受信側無線信号処理部５は、その信号処理の形態に応じて、アナログ信号処理部と表現することもできるし、デジタル信号処理部と表現することもできる。送信アレーアンテナ１は、第１の単位アンテナ１１−１，１１−２，…と、第２の単位アンテナ１２−１，１２−２，…とを備える。受信アレーアンテナ２は、第１の単位アンテナ２１−１，２１−２，…と、第２の単位アンテナ２２−１，２２−２，…とを備える。
【００２２】
以下では、適宜、送信アレーアンテナ１が備える「第１の単位アンテナ１１−１，１１−２，…」および「第２の単位アンテナ１２−１，１２−２，…」を、それぞれ、「第１の単位アンテナ１１」および「第２の単位アンテナ１２」と称し、受信アレーアンテナ２が備える「第１の単位アンテナ２１−１，２１−２，…」および「第２の単位アンテナ２２−１，２２−２，…」を、それぞれ、「第１の単位アンテナ２１」および「第２の単位アンテナ２２」と称す。
【００２３】
図１において、送信アレーアンテナ１と受信アレーアンテナ２は、伝送距離Ｄを隔てて相互に近接して対向するように配置されている。具体的には、送信アレーアンテナ１の第１の単位アンテナ１１と受信アンテナ２の第１の単位アンテナ２１とが互いに対向するように配置され、送信アレーアンテナ１の第２の単位アンテナ１２と受信アンテナ２の第２の単位アンテナ２２とが互いに対向するように配置されている。
【００２４】
図２は、第１の単位アンテナ１１及び２１および第２の単位アンテナ１２及び２２の指向特性を模式的に示す図である。
図２（Ａ）に示すように、第１の単位アンテナ１１及び２１としては、主ビームＢ１がアレー面に対して垂直方向となるような指向特性のものが用いられる。即ち、本実施形態では、第１の単位アンテナ１１および２１は、それぞれ、アレー面に対してほぼ垂直方向に形成される１つの主ビームを有している。このような第１の単位アンテナ１１及び２１は、平面アンテナ又はホーンアンテナにより実現できる。なお、αは第１の単位アンテナ１１及び２１のビーム幅（半値角）を示している。
【００２５】
また、図２（Ｂ）に示すように、第２の単位アンテナ１２及び２２としては、その主ビームが２つの主ビームＢ２及び主ビームＢ３に分かれ、これら主ビームＢ２及び主ビームＢ３は、アレー面の垂直方向に対して、互いに正負の方向に所定の角度の傾きθ０を有するような指向特性のものが用いられる。即ち、第２の単位アンテナ１２および２２は、それぞれ、アレー面に対する垂直方向から相対する方向に所定の角度θ０を有する２つの主ビームを有している。図２（Ｂ）の例では、主ビームＢ２は、アレー面に対する垂直方向から所定の角度＋θ０を有し、主ビームＢ３は、アレー面に対する垂直方向から所定の角度−θ０を有し、これら主ビームＢ２と主ビームＢ３はアレー面に対する垂直方向の軸に関して対称をなしている。また、本実施形態では、これら２つの主ビームＢ２および主ビームＢ３の位相特性は相互に反転された関係を有している。即ち、主ビームＢ２の位相特性は、主ビームＢ３の位相特性を反転させた特性であり、主ビームＢ３の位相特性は、主ビームＢ２の位相特性を反転させた特性である。このような第２の単位アンテナ１２及び２２は、２素子の平面アンテナ又は２つのホーンアンテナにより実現できる。なお、βは第２の単位アンテナ１２及び２２の各ビーム幅（半値角）を示している。
【００２６】
図１に説明を戻す。図１において、送信アレーアンテナ１には、送信機側無線信号処理部４から送信信号が供給され、送信アレーアンテナ１の第１の単位アンテナ１１及び第２の単位アンテナ１２から無線信号が出力される。この無線信号は、受信アレーアンテナ２の第１の単位アンテナ２１及び第２の単位アンテナ２２により受信され、この受信信号が受信機側無線信号処理部５に供給される。
【００２７】
本実施形態では、送信アレーアンテナ１として、第１の単位アンテナ１１と第２の単位アンテナ１２とを交互に配置したものを用い、また、受信アレーアンテナ２として、第１の単位アンテナ２１と第２の単位アンテナ２２とを交互に配置したものを用いている。これにより、隣接アンテナへの干渉信号電力を抑圧し、ＭＩＭＯの空間伝送のような信号処理を行わずに、並列伝送を可能としている。
【００２８】
このように並列伝送を可能とするメカニズムについて、図３および図４を参照して以下に説明する。
図３は、本発明に係るアンテナ装置における第１の単位アンテナに対する第２の単位アンテナによる干渉波の除去の説明図であり、図４は、本発明に係るアンテナ装置における第２の単位アンテナに対する第１の単位アンテナによる干渉波の除去の説明図である。
【００２９】
図３において、送信アレーアンテナ１上には、第１の単位アンテナ１１−２が２つの第２の単位アンテナ１２−１と第２の単位アンテナ１２−２との間に挟まれるように配置されている。また、受信アレーアンテナ２上には、送信アレイアンテナ１の第１の単位アンテナ１１−２に対向する第１の単位アンテナ２１−２が２つの第２の単位アンテナ２２−１と第２の単位アンテナ２２−２との間に挟まれるように配置されている。このように、第１の単位アンテナが２つの第２の単位アンテナに挟まれるように配置された場合、図３に示すように、第１の単位アンテナ１１−２から第１の単位アンテナ２１−２への主信号波の経路Ｑ１と、第２の単位アンテナ１２−１から第１の単位アンテナ２１−２への干渉波の経路Ｑ２と、第２の単位アンテナ１２−２から第１の単位アンテナ２１−２への干渉波の経路Ｑ３とが形成される。これにより、受信側の第１の単位アンテナ２１−２の受信信号は、経路Ｑ１を経て受信された主信号波と、経路Ｑ２及び経路Ｑ３を経て受信された干渉波との合成波となる。
【００３０】
また、前述したように、第２の単位アンテナ１２−１及び１２−２は、それぞれ、２つの主ビームＢ２及び主ビームＢ３を有しており、第１の単位アンテナ２１−２の受信信号に対する干渉波となるのは、これら２つのビームのうち、第１の単位アンテナ２１−２に向けられたビームによるものである。図３の例では、干渉波の経路Ｑ２は、第２の単位アンテナ１２−１の主ビームＢ３により形成され、第１の単位アンテナ２１−２で受信される干渉波の経路となる。また、干渉波の経路Ｑ３は、第２の単位アンテナ１２−２の主ビームＢ２により形成され、第１の単位アンテナ２１−２で受信される干渉波の経路となる。
【００３１】
ここで、受信側の第１の単位アンテナ２１−２の受信信号は、経路Ｑ１を経て受信された主信号波と、経路Ｑ２及び経路Ｑ３を経て受信された干渉波との合成波であるから、第２の単位アンテナ１２−１のビームＢ３による経路Ｑ２の送信信号の位相と、第２の単位アンテナ１２−２のビームＢ２による経路Ｑ３の送信信号の位相とを互いに逆相にすれば、経路Ｑ２の干渉波と経路Ｑ３の干渉波とが相殺し合う。この結果、第１の単位アンテナ２１−２は、経路Ｑ２と経路Ｑ３の干渉波の影響を受けることなく、経路Ｑ１の信号だけを受信することができる。
【００３２】
また、図４において、送信アレーアンテナ１上では、第２の単位アンテナ１２−１が２つの第１の単位アンテナ１１−１と第１の単位アンテナ１１−２との間に挟まれるように配置され、受信アレーアンテナ２上では、送信アレーアンテナ１の第２の単位アンテナ１２−１に対向する第２の単位アンテナ２２−１が２つの第１の単位アンテナ２１−１と第１の単位アンテナ２１−２との間に挟まれるように配置されている。このように、第２の単位アンテナが２つの第１の単位アンテナに挟まれるように配置された場合、図４に示すように、第２の単位アンテナ１２−１から第２の単位アンテナ２２−１への主信号波の経路Ｑ１１と、第１の単位アンテナ１１−１から第２の単位アンテナ２２−１への干渉波の経路Ｑ１２と、第１の単位アンテナ１１−２から第２の単位アンテナ２２−１への干渉波の経路Ｑ１３とが形成される。これにより、受信側の第２の単位アンテナ２２−１の受信信号は、経路Ｑ１１を経て受信された主信号波と、経路Ｑ１２及び経路Ｑ１３を経て受信された干渉波との合成波となる。
【００３３】
また、前述したように、第２の単位アンテナ２２−１は、相互に位相特性が反転された２つの主ビームＢ２及び主ビームＢ３を有しており、干渉波となるのは、これら２つのビームがそれぞれ向けられた第１の単位アンテナ１１−１及び第１の単位アンテナ１１−２からの受信信号である。図４の例では、経路Ｑ１２は、第１の単位アンテナ１１−１により送信されて第２の単位アンテナ２２−１のビームＢ２により受信される干渉波の経路となる。また、経路Ｑ１３は、第１単位アンテナ１１−２により送信されて第２の単位アンテナ２２−１のビームＢ３により受信される干渉波の経路となる。
【００３４】
ここで、受信側の第２の単位アンテナ２２−１の受信信号は、経路Ｑ１１を経て受信された主信号波と、経路Ｑ１２及び経路Ｑ１３を経て受信された干渉波との合成波であるから、第２の単位アンテナ２２−１のビームＢ２の受信信号の位相と第２の単位アンテナ２２−１のビームＢ３の受信信号の位相とを互いに逆相にすれば、経路Ｑ１２の干渉波と経路Ｑ１３の干渉波とが相殺し合う。この結果、第２の単位アンテナ２２−１は、経路Ｑ１２と経路Ｑ１３の干渉波の影響を受けることなく、経路Ｑ１１の信号だけを受信することができる。
【００３５】
また、図１に示したように、送信アレーアンテナ１及び受信アレーアンテナ２において、第１の単位アンテナ１１及び２１と第２の単位アンテナ１２及び２２とを交互に配置すると、図３に示したように、第１の単位アンテナが２つの第２の単位アンテナの間に挟まれるように配置された状態と、図４に示したように、第２の単位アンテナが２つの第１の単位アンテナの間に挟まれるように配置された状態とが繰り返し生じる。
【００３６】
ここで、図３に示したように、第１の単位アンテナが２つの第２の単位アンテナの間に挟まれるように配置されていれば、送信側において、第２の単位アンテナの２つのビームの送信信号の位相を互いに逆相とすることにより干渉波をキャンセルすることができる。また、図４に示したように、第２の単位アンテナが２つの第１の単位アンテナの間に挟まれるように配置されていれば、受信側において、第２の単位アンテナの２つのビームの送信信号の位相を互いに逆相とすることにより干渉波をキャンセルすることができる。これにより、第１の単位アンテナを用いて通信を行うチャネルと、第２の単位アンテナを用いて通信を行うチャネルとを形成することができ、これら複数のチャネルにより並列伝送を行うことができる。したがって、ＭＩＭＯ伝送の複雑な信号処理を行うことなく、伝送路容量を改善することが可能になる。
【００３７】
上述の説明では、第２の単位アンテナ１２及び２２は、位相特性が相互に反転された２つの主ビームを有するものとしたが、第２の単位アンテナ１２及び２２は、それぞれ、位相特性が相互に反転された２つのアンテナ素子から構成され、これら２つのアンテナ素子が第１の単位アンテナを挟むように配置されてもよい。
【００３８】
このように第２の単位アンテナ１２及び２２が２つのアンテナ素子から構成された場合、アンテナ素子による２つの主ビームの指向方向±θ０のうち、正の指向方向（＋θ０）の主ビームＢ２の振幅を「ｃｏｓ（（９０／β）（θ−θ０））」と表し、負の指向方向（−θ０）の主ビームＢ３の振幅を「−ｃｏｓ（（９０／β）（θ＋θ０））」と表すと、合成波の振幅の絶対値は、「｜２ｓｉｎ（（９０／β）θ）ｓｉｎ（（９０／β）θ０）｜」と表される。ここで、θは、２つのアンテナ素子の対称軸（アレー面に対して垂直方向の軸）からの任意の角度(−１８０度〜＋１８０度)を表し、βは、第２の単位アンテナ１２及び２２のビーム幅［度］を表す。合成波の振幅の絶対値「｜２ｓｉｎ（（９０／β）θ）ｓｉｎ（（９０／β）θ０）｜」によれば、アレー面に対する垂直方向からθ０＝±βの方向に各アンテナ素子の主ビームを向けたときに合成波の振幅が最大となり、合成波の主ビームは垂直方向から±βの方向に形成されることがわかる。
【００３９】
ここで、例えば、α（第１の単位アンテナ１１及び２１のビーム幅）＝β（第２の単位アンテナ１２及び２２のビーム幅）＝１８０度とした場合、ＭＩＭＯ空間伝送の信号処理を行わなければ、アンテナ間の干渉により伝送路容量は大きく劣化する。しかし、上述のように、第１の単位アンテナと第２の単位アンテナとを交互に並べる本実施形態のアンテナ装置の構成によれば、アンテナ素子間隔が狭い場合でも、干渉波を抑制することができ、伝送路容量の劣化を抑制することができる。このように、本実施形態によるアンテナ装置は、特にアンテナ素子間隔が狭い場合に有効である。
【００４０】
以下では、上述のように、第１の単位アンテナと第２の単位アンテナとを交互に並べ、第２の単位アンテナの２つのビームの位相特性を互いに反転させることにより並列伝送を可能としたものを「指向性による空間分割伝送」と称する。
【００４１】
図５は、伝送距離Ｄに対する伝送路容量を、指向性による空間分割伝送（本実施形態による伝送）の場合（符号Ａ１で示す）と、通常のアンテナを２つ用いた場合（信号処理・空間分割なし）（符号Ａ２で示す）と、固有モード伝送の場合（符号Ａ３で示す）と、ｉ．ｉ．ｄ．（無相関散乱環境）の場合（符号Ａ４で示す）と、ＳＩＳＯ（Single-Input Single Output）の場合（符号Ａ５で示す）と比較した結果を示す。図５から、本実施形態に係る指向性による空間分割伝送（符号Ａ１で示す）によれば、アンテナ素子間隔（図１で符号Ｌで示す）が小さい場合、固有モード伝送（符号Ａ３で示す）を超える伝送路容量を実現できることが分かる。
【００４２】
このように、本実施形態によれば、アレーアンテナにおいて隣接アンテナへの干渉信号電力を抑えることができ、第１の単位アンテナによる通信と第２の単位アンテナによる通信とを分離することができる。このため、複雑な信号処理を要することなく、アンテナ素子間隔が狭い場合であっても、アンテナ間相関を低減することができ、第１の単位アンテナによる通信チャネルと第２の単位アンテナによる通信チャネルとにより並列伝送を行うことが可能となる。従って、ＭＩＭＯ伝送などにおいて用いられる高速演算処理を要することなく、大容量の高速並列伝送を実現することができ、伝送速度の高速化及び伝送品質の向上を図ることが可能となる。
【００４３】
＜第１の実施例＞
次に、本発明の第１の実施例を説明する。
第１の実施例は、本発明を２×２ＭＩＭＯ伝送用のアンテナ装置に適用したものである。
図６は、本発明の第１の実施例に係るアンテナ装置を示す図である。図６（Ａ）において、送信アレーアンテナ１０１には、第１の単位アンテナ１１１と第２の単位アンテナ１１２とが交互に配置される。また、受信アレーアンテナ１０２には、第１の単位アンテナ１２１と第２の単位アンテナ１２２とが交互に配置される。ここで、第１の単位アンテナ１１１および第２の単位アンテナ１１２は、図１の例えば第１の単位アンテナ１１−１および第２の単位アンテナ１２−１に対応し、第１の単位アンテナ１２１および第２の単位アンテナ１２２は、図１の例えば第１の単位アンテナ２１−１および第２の単位アンテナ２２−１に対応している。
【００４４】
第１の単位アンテナ１１１及び１２１としては、ビーム幅αの平面アンテナ１５１が用いられる。また、第２の単位アンテナ１１２及び１２２としては、ビーム幅βで、指向方向±βの２つの平面アンテナ素子１６１及び１６２が用いられる。アンテナ素子１６１及びアンテナ素子１６２のうち、一方のアンテナ素子１６２に位相反転器１６３を通して給電することにより、平面アンテナ素子１６２のビームの位相特性が平面アンテナ素子１６１のビームの位相特性に対し反転されている。即ち、２つの平面アンテナ素子１６１及び平面アンテナ素子１６２の各ビームの位相特性が相互に反転された関係にある。このような構成により、２×２ＭＩＭＯ伝送において、隣接アンテナ間の干渉を除去する。
【００４５】
なお、第２の単位アンテナ１１２及び１２２は、２つの平面アンテナ素子の代わりに、２つのホーンアンテナを傾けて配置して構成しても良い。
【００４６】
また、図６（Ａ）では、第２の単位アンテナ１１２及び１２２を構成する２つの平面アンテナ素子１６１及び１６２を外側に傾けて配置しているが、図６（Ｂ）に示すように、２つの平面アンテナ素子１６１及び１６２を内側に傾けて配置しても良い。
【００４７】
次に、本実施形態における第２の単位アンテナ１１２及び１２２のビーム幅βについて検討する。
図７は、第２の単位アンテナ１１２、１２２のビーム幅βに対する伝送路容量を示す特性図である。図７において、伝送距離Ｄは（Ｄ＝４λ）とし、アンテナ素子間隔Ｌは０．５λとしている。ただし、λは自由空間における波長を表す。この例では、第１の単位アンテナのビーム幅αを（α＝１８０度）とし、指向性による空間分割伝送を用いた場合（本実施形態による伝送）の伝送路容量（符号Ａ１１で示す）と、通常のアンテナを２つ用いた場合（信号処理・空間分割なし）の伝送路容量（符号Ａ１２で示す）と、固有モード伝送の場合の伝送路容量（符号Ａ１３で示す）と、ｉ．ｉ．ｄ．（無相関散乱環境）の場合の伝送路容量（符号Ａ１４で示す）と、ＳＩＳＯの場合の伝送路容量（符号Ａ１５で示す）とを示している。図７より、第２の単位アンテナ１１２及び１２２のビーム幅βの範囲は、ｉ．ｉ．ｄ環境の伝送路容量からの劣化の許容範囲が５％以内（符号Ａ１６で示す）を満足するようにした場合、符号Ａ１１の特性から、５度以上１００度以下となる。また、第２の単位アンテナ１１２、１２２のビーム幅βの範囲は、ｉ．ｉ．ｄ環境の伝送路容量からの劣化の許容範囲を２５％以内（符号Ａ１７で示す）とした場合には、符号Ａ１１の特性から、４度以上１８０度以下となる。
【００４８】
次に、第１の単位アンテナ１１１及び１２１の指向方向の許容誤差について検討する。
図８は、第１の単位アンテナ１１１及び１２１のビーム幅αと垂直方向からの誤差を示す特性図である。図８から、第１の単位アンテナ１１１及び１２１の指向方向の許容誤差は、固有モード伝送の伝送路容量（符号Ａ２１で示す）の基準を満足するようにすると、符号Ａ２３で示すように、ビーム幅αの１０％以内となり、この範囲において固有モード伝送よりも高い伝送路容量が得られる。また、第１の単位アンテナ１１１及び１２１の指向方向の許容誤差は、ＳＩＳＯの伝送路容量（符号Ａ２２で示す）の基準を満足するようにすると、符号Ａ２４で示すように、ビーム幅αの２０％以内となり、この範囲においてＳＩＳＯの伝送路容量よりも高い伝送路容量が得られる。
【００４９】
次に、第２の単位アンテナ１１２及び１２２の指向方向の許容誤差について検討する。
図９は、第２の単位アンテナ１１２及び１２２のビーム幅βと指向方向からの誤差を示したものである。図９から、第２の単位アンテナ１１２及び１２２の指向方向の許容誤差は、固有モード伝送の伝送路容量（符号Ａ３１で示す）の基準を満足するようにすると、符号Ａ３３で示すように、１２度以内となる。また、第２の単位アンテナ１１２及び１２２の指向方向の許容誤差は、ＳＩＳＯの伝送路容量（符号Ａ３２で示す）の基準を満足するようにすると、符号Ａ３４で示すように、２２度以内となる。
【００５０】
次に、第２の単位アンテナ１１２及び１２２の位相反転特性の許容誤差について検討する。図１０は、第２の単位アンテナ１１２及び１２２のビーム幅βに対する位相反転特性の誤差を示すものである。図１０に示すグラフから、第２の単位アンテナ１１２及び１２２の位相反転特性の許容誤差は、固有モード伝送の伝送路容量（符号Ａ４１で示す）の基準を満足するようにすると、符号Ａ４３で示すように、７５度以内となる。また、第２の単位アンテナの位相反転特性の許容誤差は、ＳＩＳＯの伝送路容量（符号Ａ４２で示す）の基準を満足するようにすると、符号Ａ４４で示すように、１２０度以内となる。
【００５１】
＜第２の実施例＞
次に、本発明の第２の実施例を説明する。
第２の実施例は、本発明を４×４ＭＩＭＯ伝送用のアンテナ装置に適用したものである。
図１１は、本発明の第２の実施例に係るアンテナ装置の特徴部を示す図である。図１１に示すように、本発明の第２の実施例では、第１の単位アンテナおよび第２の単位アンテナは水平及び垂直方向に２次元状に配置されている。本実施形態では、第１の単位アンテナ２１１−１，２１１−２および第２の単位アンテナ２１２−１，２１２−２は行列状に配列されている。ここで、第１の単位アンテナ２１１−１，２１１−２は、行列の一方の対角線方向に配置され、第２の単位アンテナ２１２−１，２１２−２は、他方の対角線方向に配置されている。また、第２の単位アンテナ２１２−１，２１２−２は、互いに９０度だけ方向が異なる向きに回転された状態で配置されている。具体的には、第２の単位アンテナ２１２−１を構成する２つの平面アンテナ素子の配列方向と第２の単位アンテナ２１２−２を構成する２つの平面アンテナ素子の配列方向との間の角度が略９０度となるように、第２の単位アンテナ２１２−１，２１２−２が行列の対角線方向に配置されている。
【００５２】
図１２は、本発明の第２の実施例に係るアンテナ装置の全体を模式的に示す図である。
図１２に示すように、送信アレーアンテナ２０１上では、上述のように対角線上に並ぶ第１の単位アンテナ２１１−１，２１１−２と、対角線上に並ぶ第２の単位アンテナ２１２−１，２１２−２からなる４つのアンテナを最小単位として、複数の第１の単位アンテナと複数の第２の単位アンテナとが４×４の行列状に配置されている。受信アレーアンテナ２０２上にも同様に、送信アレーアンテナ２０１に対応した複数の第１の単位アンテナと第２の単位アンテナとが行列状に配置される。なお、第１の単位アンテナ２１１−１，２１１−２等及び第２の単位アンテナ２１２−１，２１２−２等を構成するアンテナとしては、平面アンテナ又はホーンアンテナが用いられる。
【００５３】
このように、本発明の第２の実施例では、第１の単位アンテナ２１１−１，２１１−２と、第２の単位アンテナ２１２−１，２１２−２とを４つ並べた構成を最小単位として、送信側と受信側の双方において、第１の単位アンテナと左右に主ビームを持つ第２の単位アンテナを水平方向に交互に並べ、また第１の単位アンテナと上下に主ビームを持つ第２の単位アンテナを垂直方向に交互に並べるように構成される。このような構成により、４×４ＭＩＭＯ伝送において、隣接アンテナ間の干渉を除去する。
【００５４】
なお、図１２の例では、複数の第１の単位アンテナと複数の第２の単位アンテナを４×４の行列状に配置したが、行列の一方の対角線方向に並べられた２つの第１の単位アンテナ２１１−１，２１１−２と、行列の他方の対角線方向に並べられた２つの第２の単位アンテナ２１２−１，２１２−２とを最小単位として、複数の第１の単位アンテナと複数の第２の単位アンテナとがＮ×Ｎ（Ｎは任意の自然数）の行列状に配置されてもよい。
【００５５】
図１３は、本発明の第２の実施例の伝送路容量の２次元マップを示す図である。
図１３において、伝送距離Ｄは（Ｄ＝４λ）とし、アンテナ素子間隔Ｌは（Ｌ＝０．５λ）としている。図１３において符号Ａ５１で示されるように、第１の単位アンテナ２１１−１，２１１−２のビーム幅α及び第２の単位アンテナ２１２−１，２１２−２のビーム幅βを７５度（α＝β＝７５度）としたときに、伝送路容量が最大となっている。
【００５６】
次に、第２の単位アンテナ２１２−１，２１２−２のビーム幅βについて検討する。
図１４は、第１の単位アンテナ２１１−１，２１１−２のビーム幅αを７５度としたときの第２の単位アンテナ２１２−１、２１２−２のビーム幅βに対する伝送路容量（符号Ａ６１で示す）を、通常のアンテナを２つ用いた場合（信号処理・空間分割なし）（符号Ａ６２で示す特性）と、固有モード伝送の場合（符号Ａ６３で示す特性）と、ＳＩＳＯの場合（符号Ａ６５で示す特性）について示している。図１４から、ビーム幅αを７５度とし、本実施形態による指向性による空間分割伝送を用いた場合（符号Ａ６１で示す）、固有モード伝送の容量（符号Ａ６３で示す）からの劣化の許容範囲の５％以内を満足するようにすると、ビーム幅βは５度以上１００度以下となる。また、固有モード伝送の容量（符号Ａ６３で示す）からの劣化の許容範囲の２５％以内を満足するようにすると、ビーム幅βは４度以上１８０度以下となる。
【００５７】
図１５は、ビーム幅αおよびビーム幅βを７５度に固定し、アンテナ素子間隔（Ｌ）を変化させた場合の伝送路容量を、指向性による空間分割伝送を用いた場合（本実施形態による伝送）（符号Ａ７１で示す）と、通常のアンテナを２つ用いた場合（信号処理・空間分割なし）（符号Ａ７２で示す）と、固有モード伝送の場合（符号Ａ７３で示す）と、ｉ．ｉ．ｄ．（無相関散乱環境）の場合（符号Ａ７４で示す）と、ＳＩＳＯの場合（符号Ａ７５で示す）について示している。図１５から、本実施形態に係る指向性による空間分割伝送を用いた場合（符号Ａ７１で示す）では、信号処理・空間分割を行わない場合（符号Ａ７２で示す）に比べて伝送路容量が改善され、アンテナ素子間隔が狭い場合では固有モードの場合の伝送路容量（符号Ａ７３で示す）を上回ることがわかる。
【００５８】
このように、本実施形態では、ＭＩＭＯの空間伝送のような信号処理を行わず、かつ指向性がブロードであっても、高速伝送が可能である。従って、簡易な構成で並列伝送を実現でき、かつアンテナ素子を２次元配置して多素子化することも可能になり、数十Ｇｂ／ｓの伝送路容量を可能とする無線通信システムを小型に実現することができる。
【００５９】
＜第３の実施例＞
次に、本発明の第３の実施例を説明する。
第３の実施例は、本発明を２×２ＭＩＭＯ伝送用のアンテナ装置に適用したものである。
図１６は、本発明の第３の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。図１６において、送信アレーアンテナ３０１には、第２の単位アンテナ３１２の２つのアンテナ素子３６１，３６２が第１の単位アンテナ３１１を挟むように配置される。また、受信アレーアンテナ３０２には、第２の単位アンテナ３２２の２つのアンテナ素子３６１，３６２が第１の単位アンテナ３２１を挟むように配置される。ここで、第１の単位アンテナ３１１および第２の単位アンテナ３１２は、図１の例えば第１の単位アンテナ１１−１および第２の単位アンテナ１２−１に対応し、第１の単位アンテナ３２１および第２の単位アンテナ３２２は、図１の例えば第１の単位アンテナ２１−１および第２の単位アンテナ２２−１に対応している。
【００６０】
第１の単位アンテナ３１１及び３２１としては、平面アンテナ３５１が用いられる。また、第２の単位アンテナ３１２及び３２２は、それぞれ、２つの平面アンテナ素子３６１及び３６２とから構成される。第２の単位アンテナを構成する平面アンテナ素子３６１及び３６２のビームは、その間に配置される第１の単位アンテナ３１１及び３２１を向くように設定されている。具体的には、送信アレーアンテナ３０１の第２の単位アンテナ３１２を構成する平面アンテナ素子３６１，３６２は、それぞれ、受信アレーアンテナ３０２第１の単位アンテナ３２１を向くように設定され、受信アレーアンテナ３０２の第２の単位アンテナ３２２を構成する平面アンテナ素子３６１，３６２は、それぞれ、送信アレーアンテナ３０１の第１の単位アンテナ３１１を向くように設定されている。
【００６１】
図１７は、素子間距離Ｌに対する伝送路容量を、指向性による空間分割伝送（本実施形態による伝送）の場合（符号Ａ８１で示す）と、通常のアンテナを２つ用いた場合（信号処理・空間分割なし）（符号Ａ８２で示す）と、固有モード伝送の場合（符号Ａ８３で示す）と、ｉ．ｉ．ｄ．（無相関散乱環境）の場合（符号Ａ８４で示す）と、ＳＩＳＯの場合（符号Ａ８５で示す）とで比較した結果を示す図である。図１８は、本実施例に係るアンテナ装置の信号伝送経路を説明するための図である。図１７の例では、伝送距離Ｄを４λとし、ビーム幅α及びビーム幅βを１８０度としている。図１７から、本実施形態に係る指向性による空間分割（符号Ａ８１で示す）の場合、アンテナ素子間隔Ｌが２λの付近で伝送路容量がピークになることがわかる。このとき、図１８に示すように、第２の単位アンテナ同士の経路Ｑ２１と経路Ｑ２２における位相差が−１８０度となる。
【００６２】
次に、第１の単位アンテナ３１１及び３２１の指向性誤差について検討する。
図１９は、第１の単位アンテナのビーム幅αとアレー面に対する垂直方向からの誤差との関係を示している。図１９から、第１の単位アンテナ３１１及び３２１の指向性誤差は、アンテナの大きさを２λとし、ビーム幅βを１８０度とし、ｉ．ｉ．ｄ．環境での伝送路容量（符号Ａ９１で示す）の基準を満足するようにした場合、符号Ａ９３で示すように、ビーム幅αの１３％以内となり、この範囲においてｉ．ｉ．ｄ．環境の場合よりも高い伝送路容量を得る。また、第１の単位アンテナ３１１及び３２１の指向性誤差は、固有モード伝送の容量（符号Ａ９２で示す）の基準を満足するようにした場合、符号Ａ９４で示すように、ビーム幅αの２０％以内となり、この範囲において固有モード伝送の場合よりも高い伝送路容量を得る。
【００６３】
次に、第２の単位アンテナ３１２及び３２２の指向性許容誤差について検討する。
図２０は、第２の単位アンテナのビーム幅βと垂直方向からの誤差との関係を示している。図２０から、第２の単位アンテナの指向方向の許容誤差は、アンテナの大きさを２λとし、ビーム幅αを１８０度とし、ｉ．ｉ．ｄ．環境での伝送路容量（符号Ａ１０１で示す）の基準を満足するようにした場合、符号Ａ１０３で示すように、ビーム幅βの４３％以内となる。また、第２の単位アンテナの指向方向の許容誤差は、固有モード伝送の容量（符号Ａ１０２で示す）の基準を満足するようにした場合、符号Ａ１０４で示すように、ビーム幅βの５６％以内となる。
【００６４】
次に、第２の単位アンテナ３１２及び３２２の位相反転特性の許容誤差について検討する。
図２１は、第２の単位アンテナ３１２及び３２２のビーム幅βと位相反転特性の誤差との関係を示している。図２１から、第２の単位アンテナ３１２及び３２２の位相反転特性の許容誤差は、ｉ．ｉ．ｄ．環境での伝送路容量（符号Ａ１１１で示す）の基準を満足するようにした場合、符号Ａ１１３で示すように、ビーム幅βが２８度以上１８０度以内のときに、位相誤差が１５度以内となる。また、第２の単位アンテナ３１２，３２２の位相反転特性の許容誤差は、固有モード伝送の容量（符号Ａ１１２で示す）の基準を満足するようにした場合、符号Ａ１１４で示すように、ビーム幅βが４５度以上１８０度以内のときに、位相誤差が３０度以内となる。
【００６５】
図１８では、本発明を２×２ＭＩＭＯ伝送用のアンテナ装置に適用した場合を示したが、図１８に示す構成をＮ×Ｎ（Ｎは自然数）ＭＩＭＯ伝送のアンテナ装置に拡張することができる。
図２２は、第３の実施例に係るアンテナ装置のアンテナ配置の拡張例を示す図である。図２２に示すように、送信アレーアンテナ３０１には、水平又は垂直方向に、第１の単位アンテナ３１１−１，３１１−２，…及び第２の単位アンテナ３１２−１，３１２−２，…を並べて配置し、受信アレーアンテナ３０２には、水平又は垂直方向に、第１の単位アンテナ３２１−１，３２１−２，…及び第２の単位アンテナ３２２−１，３２２−２，…を並べて配置する。ここで、第１の単位アンテナ３１１−１，３１１−２，…及び第２の単位アンテナ３１２−１，３１２−２，…は、図１８の第１の単位アンテナ３１１および第２の単位アンテナ３１２に対応する要素であり、第１の単位アンテナ３２１−１，３２１−２，…及び第２の単位アンテナ３２２−１，３２２−２，…は、図１８の第１の単位アンテナ３２１および第２の単位アンテナ３２２に対応する要素である。このように拡張することにより、さらなる大容量化及び高速化が可能となる。
【００６６】
＜第４の実施例＞
次に、本発明の第４の実施例を説明する。
図２３は、本発明の第４の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
概略的には、第４の実施例に係るアンテナ装置は送信アンテナ４０１と受信アンテナ４０２を備える。送信アンテナ４０１と送信側無線信号処理部４は送信機を構成し、受信アンテナ４０２と受信側無線信号処理部５は受信機を構成する。送信アンテナ４０１は、複数の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，ＴＸを備え、受信アンテナ４０２は、複数の単位アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，…，ＲＸを備える。複数の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，ＴＸは、相互に直交性を有する指向性パターンであって相互に異なる指向性パターンを有する。同様に、複数の単位アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，…，ＲＸも、相互に直交性を有する指向性パターンであって相互に異なる指向性パターンを有する。
【００６７】
また、送信アンテナ４０１に備えられた複数の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，ＴＸの指向性パターンｇｔ１，ｇｔ２，ｇｔ３，…，ｇｔＸと受信アンテナ４０２に備えられた複数の単位アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，…，ＲＸの指向性パターンｇｒ１，ｇｒ２，ｇｒ３，…，ｇｒＸは相互に対応している。第４の実施例では、送信アンテナ４０１及び受信アンテナ４０２がそれぞれ備える複数の単位アンテナは、相互に異なる個数のビームを有する指向性パターンを有している。例えば、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ１の指向性パターンｇｔ１は、１個のビームＢＴ１１を有し、単位アンテナンＴ２の指向性パターンｇｔ２は２個のビームＢＴ２１，ＢＴ２２を有し、指向性パターンｇｔ１のビームの個数と指向性パターンｇｔ２の指向性パターンのビームの個数は相互に異なっている。その他の構成は第１の実施例等と同様である。
【００６８】
具体的に説明する。図２３に示すアンテナ装置は、図１に示す第１の実施例の構成において、送信アレーアンテナ１および受信アレーアンテナ２に代えて、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２を備える。これら送信アンテナ４０１と受信アンテナ４０２は、伝送距離Ｄを隔てて対向するように配置されている。送信アンテナ４０１は、Ｘ個（Ｘは２以上の任意の自然数）の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔｘを備え、これらＸ個の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔｘは、送信アンテナ４０１のアレー面上に一定の間隔で列状に配列されている。ここで、説明の便宜上、図２３において、送信アンテナ４０１のアレー面と平行な紙面下方向をｘ軸方向とし、送信アンテナ４０１のアレー面と垂直な紙面右方向をｙ軸方向とし、上記ｘ軸およびｙ軸を含む２次元平面において、ｘ軸方向を０°として反時計回りの角度をφとする。φは単位アンテナのビームの放射角を表す。ｘ軸方向は、単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔｘの配列方向と一致する。
【００６９】
Ｘ個の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔｘのうち、第１番目の単位アンテナＴ１は１個のビームＢＴ１１を有する指向性パターンｇｔ１を有し、ビームＢＴ１１の放射角φは９０°に設定されている。また、第２番目の単位アンテナＴ２は、２個のビームＢＴ２１，ＢＴ２２を有する指向性パターンｇｔ２を有し、このうち、ビームＢＴ２１の放射角φは６０°に設定され、ビームＢＴ２２の放射角φは１２０°に設定されている。また、第３番目の単位アンテナＴ３は、３個のビームＢＴ３１，ＢＴ３２，ＢＴ３３を有する指向性パターンｇｔ３を有し、このうち、ビームＢＴ３１の放射角φは４５°に設定され、ビームＢＴ３２の放射角φは９０°に設定され、ビームＢＴ３３の放射角φは１３５°に設定されている。
【００７０】
同様にして、第Ｘ番目の単位アンテナＴＸは、Ｘ個のビームＢＴＸ１，ＢＴＸ２，…，ＢＴＸＸを有する指向性パターンｇｔＸを有し、このうち、ビームＢＴＸ１の放射角φは１８０°／（Ｘ＋１）に設定され、ビームＢＴＸ２の放射角φは２×１８０°／（Ｘ＋１）に設定され、ビームＢＴＸ３（図示なし）の放射角φは３×１８０°／（Ｘ＋１）に設定され、以下同様にして、ビームＢＴＸＸの放射角φはＸ×１８０°／（Ｘ＋１）に設定されている。
【００７１】
一般化すると、上記のＸ個の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔｘのうち、第ｘ番目（ｘは、１以上Ｘ以下の自然数）の単位アンテナＴｘの指向性パターンｇｔｘは、上記のＸ個の単位アンテナの配列方向を基準としてｙ×｛π／（ｘ＋１）｝（ｙは１からｘまでの自然数）によって規定される放射角φの方向に形成されるｘ個のビームを有している。ここで、πは、弧度法における角度を表し、度数法における１８０°に相当する。このように、第ｘ番目の単位アンテナＴｘの指向性パターンｇｔｘはｘ個のビームを有しているが、この第ｘ番目の単位アンテナＴｘが有するｘ個のビームは、例えばｘ素子のサブアレーアンテナ（図示なし）によって形成される。
【００７２】
上述の例に限らず、例えば、Ｘ個の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔｘのうち、第ｘ番目の単位アンテナＴｘの指向性パターンｇｔｘは、上記のＸ個の単位アンテナの配列方向を基準として｛ｙ×π／ｘ｝―π／（２ｘ）によって規定される放射角φの方向に形成されるｘ個のビームを有してもよい。この場合、例えば、Ｘ個の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔｘのうち、第１番目の単位アンテナＴ１は１個のビームＢＴ１１を有する指向性パターンｇｔ１を有し、ビームＢＴ１１の放射角φは９０°に設定される。また、第２番目の単位アンテナＴ２は、２個のビームＢＴ２１，ＢＴ２２を有する指向性パターンｇｔ２を有し、このうち、ビームＢＴ２１の放射角φは４５°に設定され、ビームＢＴ２２の放射角φは９０°に設定される。また、第３番目の単位アンテナＴ３は、３個のビームＢＴ３１，ＢＴ３２，ＢＴ３３を有する指向性パターンｇｔ３を有し、このうち、ビームＢＴ３１の放射角φは３０°に設定され、ビームＢＴ３２の放射角φは９０°に設定され、ビームＢＴ３３の放射角φは１５０°に設定される。
【００７３】
受信アンテナ４０２は、送信アンテナ４０１と同様の構成を有し、送信アンテナ４０１に対応した構成を有している。即ち、受信アンテナ４０２は、Ｘ個の単位アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，…，Ｒｘを備え、これらＸ個の単位アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，…，Ｒｘは、伝送距離Ｄを隔てて、送信アンテナ４０１のＸ個の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，ＴＸと対向配置されている。受信アンテナ４０２に備えられたＸ個の単位アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，…，Ｒｘの指向性パターンｇｒ１，ｇｒ２，ｇｒ３，…，ｇｒＸは、送信アンテナ４０１に備えられたＸ個の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，ＴＸの指向性パターンｇｔ１，ｇｔ２，ｇｔ３，…，ｇｔＸと対応している。
【００７４】
具体的には、受信アンテナ４０２の単位アンテナＲ１の指向性パターンｇｒ１は、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ１の指向性パターンｇｔ１と対応し、受信アンテナ４０２の単位アンテナＲ２の指向性パターンｇｒ２は、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ２の指向性パターンｇｔ２と対応し、受信アンテナ４０２の単位アンテナＲ３の指向性パターンｇｒ３は、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ３の指向性パターンｇｔ３と対応し、以下同様にして、受信アンテナ４０２の単位アンテナＲＸの指向性パターンｇｒＸは、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴＸの指向性パターンｇｔＸと対応している。
【００７５】
ここで、上述した送信アンテナ４０１が有するＸ個の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，ＴＸの指向性パターンｇｔ１，ｇｔ２，ｇｔ３，…，ｇｔＸのそれぞれは、送信アンテナ４０１のアレー面の垂直軸に関して対称なパターンである。例えば、送信アンテナ４０１に備えられた単位アンテナＴ３が有する指向性パターンｇｔ３の３個のビームＢＴ３１，ＢＴ３２，ＢＴ３３のうち、アレー面の垂直軸方向に形成されたビームＢＴ３２を基準として、ビームＢＴ３１とビームＢＴ３３は相対する方向に形成され、ビームＢＴ３１とビームＢＴ３２との間の角度と、ビームＢＴ３２とビームＢＴ３３との間の角度は等しい。従って、単位アンテナＴ３が有する指向性パターンｇｔ３は、アレー面の垂直軸に関して対称なパターンである。さらに、隣り合うビームの位相特性が互いに反転した特性を有する場合、このようなビームを含む指向性パターンは、後述する正弦関数による直交性を実現する。また、このように指向性パターンが対称性を有すると共に隣り合うビームの位相特性が互いに反転したアンテナ特性は、例えば、等振幅かつ共相励振アンテナアレーや、分配器と位相反転器を接続したアンテナアレーや、アンテナの高次モードを用いる構成により得ることができる。送信アンテナ４０１の他の単位アンテナの指向性パターンについても同様である。また、上述した受信アンテナ４０２が有するＸ個の単位アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，…，ＲＸの指向性パターンｇｒ１，ｇｒ２，ｇｒ３，…，ｇｒＸについても同様である。
【００７６】
第４の実施例では、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２は、それぞれ、互いに直交した異なる指向性パターンを持つ複数の単位アンテナを備えるが、ここでは、互いに直交した指向性パターンとして、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２が備える各単位アンテナは、正弦関数の直交性を利用した指向性パターンを有するものとする。具体的には、送信アンテナ４０１の第ｘ番目の単位アンテナの指向性パターンｇｔｘは、「sin(x×φ)」によって表される。例えば、単位アンテナＴ１の指向性パターンｇｔ１は「sin(φ)」によって表され、単位アンテナＴ２の指向性パターンｇｔ２は「sin(2φ)」によって表される。受信アンテナ４０２の各単位アンテナの指向性パターンについても同様である。なお、第４の実施例では、互いに直交した指向性パターンの一例として正弦関数による直交性を利用した指向性パターンを用いるが、この例に限定されず、直交性を有することを限度として、任意の指向性パターンを用いることができる。また、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２のそれぞれにおいて、上述の指向性パターンの直交性を実現することができることを限度として、各単位アンテナのビームの個数および放射角φを任意に設定することができる。
【００７７】
次に、第４の実施例に係るアンテナ装置の動作（作用）を説明する。
図２３において、送信側無線信号処理部４は、Ｘ個の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，ＴＸの各単位アンテナを構成するサブアレーアンテナの各素子を等振幅かつ共相で励振する。これにより、送信アンテナ４０１から電波が放射される。このとき、Ｘ個の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，ＴＸのうち、第ｑ番目（ｑは、１からＸのうちの任意の自然数）の単位アンテナＴｑは、指向性パターンｇｔｑ（＝sin(qφ)）を形成する。送信アンテナ４０１から放射された電波を受信する受信アンテナ４０２では、Ｘ個の単位アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，…，ＲＸの各単位アンテナを構成するサブアレーアンテナの各素子を等振幅かつ共相で励振する。このとき、Ｘ個の単位アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，…，ＲＸのうち、第ｐ番目（ｐは、１からＸのうちの任意の自然数）の単位アンテナＴｐは、指向性パターンｇｔｐ（＝sin(pφ)）を形成する。
【００７８】
ここで、次に説明するように、指向性パターンの正弦関数による直交性より干渉波が相殺される。また、所望信号は、送信アンテナ４１０の単位アンテナと受信アンテナ４０２の単位アンテナのうち、同一の指向性パターンを持つ送信アンテナ４０１の単位アンテナと受信アンテナ４０２の単位アンテナとの間で伝送される。このため、受信アンテナ４０２において全到来方向の電波を合成することにより利得が得られ、送信アンテナ４０１から送信された信号を受信アンテナ４０２で受信することができる。
【００７９】
図２４および図２５を参照して、指向性パターンの直交性により干渉波を相殺する原理を説明する。
図２４は、本発明の第４の実施例に係るアンテナ装置の動作原理を説明するための説明図であり、指向性パターンの一例を示す図である。また、図２５は、本発明の第４の実施例に係るアンテナ装置の動作原理を説明するための説明図であり、放射角φと指向性パターンのビームの利得を示す振幅との関係の一例を示す図である。
【００８０】
図２４に示す指向性パターンは、図２３に示す送信アンテナ４０１に備えられた単位アンテナＴ１〜Ｔ４の指向性パターンｇｔ１〜ｇｔ４である。図２４において、特性線Ｌ２４１は、指向性パターンｇｔ１に含まれるビームＢＴ１１を表し、特性線Ｌ２４２は、指向性パターンｇｔ２に含まれるビームＢＴ２１，ＢＴ２２を表し、特性線Ｌ２４３は、指向性パターンｇｔ３に含まれるビームＢＴ３１，ＢＴ３２，ＢＴ３３を表し、特性線Ｌ２４４は、指向性パターンｇｔ４に含まれるビームＢＴ４１，ＢＴ４２，ＢＴ４３，ＢＴ４４を表している。
【００８１】
図２４に示すように、指向性パターンｇｔ１に含まれるビームＢＴ１１の放射角φは９０°に設定され、指向性パターンｇｔ２に含まれるビームＢＴ２１，ＢＴ２２の放射角φは、それぞれ、４５°、１３５°に設定され、指向性パターンｇｔ３に含まれるビームＢＴ３１，ＢＴ３２，ＢＴ３３の放射角φは、それぞれ、３０°、９０°、１２０°に設定され、指向性パターンｇｔ４に含まれるビームＢＴ４１，ＢＴ４２、ＢＴ４３，ＢＴ４４の放射角φは、それぞれ、２２．５°、６７．５°、１１２．５°、１５７．５°に設定されている。この場合、放射点Ｐから観たときのビームＢＴの利得を示す振幅（放射点ＰからビームＢＴの利得を表す楕円曲線までの距離）は、図２５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、例えば正弦関数sin(φ)、sin(２φ)、sin(３φ)、sin(４φ)によって表される。ただし、この例に限定されず、指向性パターンの直交性を実現することができることを限度として、指向性パターンの直交性を実現する関数は任意である。
【００８２】
ここで、図２５（Ａ）の特性線２５Ａ１は、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ２（ａ＝２）（ａは１以上Ｘ以下の任意の自然数）の指向性パターンの直交性を実現する正弦関数sin(2φ)を表し、特性線２５Ａ２は、受信アンテナ４０２の単位アンテナＲ３（ｂ＝３）（ｂは１以上Ｘ以下の任意の自然数）の指向性パターンの直交性を実現する正弦関数sin(3φ)を表す。また、図２５（Ｂ）の特性線２５Ｂ１は、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ２（ａ＝２）の指向性パターンの直交性を実現する正弦関数sin(2φ)を表し、特性線２５Ｂ２は、受信アンテナ４０２の単位アンテナＲ４（ｂ＝４）の指向性パターンの直交性を実現する正弦関数sin(4φ)を表す。更に、図２５（Ｃ）の特性線２５Ｃ１は、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ１（ａ＝１）の指向性パターンの直交性を実現する正弦関数sin(φ)を表し、特性線２５Ｃ２は、受信アンテナ４０２の単位アンテナＲ３（ｂ＝３）の指向性パターンの直交性を実現する正弦関数sin(3φ)を表す。図２５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において、「＋Ａ」は、各ビームの振幅の正側の最大値を表し、「−Ａ」は、各ビームの振幅の負側の最大値を表している。
【００８３】
前述の図２３に示すように送信アンテナ４０１及び受信アンテナ４０２の各単位アンテナが対向配列された場合、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴａ（ａは１以上Ｘ以下の任意の自然数）から送信され、受信アンテナ４０２の単位アンテナＲｂ（ｂは１以上Ｘ以下の任意の自然数）で受信される信号は、単位アンテナＴａの送信指向性パターンｇｔａ、伝送距離Ｄから求められる伝搬路利得、単位アンテナＲｂの受信指向性パターンｇｒｂの積を放射角φの全範囲（φ；０〜π）にわたって積分した値となる。ａとｂとが異なる場合の全ての送信指向性パターンｇｔａと受信指向性パターンｇｒｂとの積を放射角φの全範囲にわたって積分した値により隣接アンテナへの干渉波の大きさが決まる。
【００８４】
ここで、図２５（Ａ）に例示するように、第ａ番目の単位アンテナＴａと第ｂ番目の単位アンテナＲｂの添え字に相当するａとｂの一方が奇数で他方が偶数となる場合（ａとｂの和が奇数である場合）、指向性パターンの対称性と位相反転特性とにより、指向性パターンの積を放射角φの全範囲にわたって積分すると、正の位相特性成分と負の位相特性成分とが相殺し合うため、干渉波が抑圧される。具体的には、図２５（Ａ）の例では、領域Ａ１（φ；０〜π／３）の積分値が正の値をとり、領域Ａ４（φ；２π／３〜π）の積分値が、領域Ａ１の積分値と絶対値が同じで負の値をとるため、これら領域Ａ１と領域Ａ４の積分値が相殺される。また、領域Ａ２（φ；π／３〜π／２）の積分値が負の値をとり、領域Ａ３（φ；π／２〜２π／３）の積分値が領域Ａ２の積分値と絶対値が同じで正の値をとるため、これら領域Ａ２と領域Ａ３との間で指向性パターンの積分値が相殺される。
【００８５】
また、図２５（Ｂ）に例示するようにａとｂがともに偶数の場合、または、図２５（Ｃ）に例示するようにａとｂがともに奇数の場合、上記の指向性パターンの積を放射角φの全範囲にわたって積分すると、正の位相特性成分と負の位相特性成分とが相殺し合うため、干渉波が抑圧される。図２５（Ｂ）の例では、領域Ｂ１（φ；０〜π／４）の積分値が正の値をとり、領域Ｂ２（φ；π／４〜π／２）の積分値が領域Ｂ１の積分値と絶対値が同じで負の値をとるため、これら領域Ｂ１と領域Ｂ２との間で指向性パターンの積分値が相殺される。また、領域Ｂ３（φ；π／２〜３π／４）の積分値が負の値をとり、領域Ｂ４（φ；３π／４〜π）の積分値が領域Ｂ３の積分値と絶対値が同じで正の値をとるため、これら領域Ｂ３と領域Ｂ４との間で指向性パターンの積分値が相殺される。
【００８６】
また、図２５（Ｃ）の例では、領域Ｃ１（φ；０〜π／３）と領域Ｃ３（φ；２π／３〜π）の積分値の和が正の値をとり、領域Ｃ２（φ；π／３〜２π／３）の積分値が領域Ｃ１の積分値とＣ３の積分値の和と絶対値が同じで負の値をとるため、これら領域Ｃ１、Ｃ３と領域Ｃ２との間で指向性パターンの積分値が相殺される。
このように指向性パターンの積を放射角φの全範囲にわたって積分すると、各領域の積分値が相殺し合うため、干渉波が抑圧される。送信アンテナ４０１及び受信アンテナ４０２の全ての単位アンテナの指向性パターンについて同様に説明することができる。
【００８７】
干渉波は異なる指向性パターンを持つ送信アンテナ側の単位アンテナと受信アンテナ側の単位アンテナとの間で伝送されるが、上述のように、指向性パターンの直交性により、全到来方向の電波を合成すれば、干渉波は相殺されて概ねゼロになる。指向性パターンの相関性がある場合でも、相関係数が低ければ、相互に異なる指向性パターンの直交性により干渉波の影響を低減することができる。このため、指向性パターンの種類の数だけ独立な伝送路（ストリーム）を形成することができ、通信路容量を増加させることができる。
【００８８】
上述したように、第４の実施例では指向性パターンの直交性を利用して干渉波を抑制しているが、次に、指向性パターンの直交性について、指向性パターン間の相関係数（指向性相関係数）の観点から説明する。
送信アンテナ４０１に備えられた複数の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，ＴＸのうちの第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンをｇｔｑとし、受信アンテナ４０２に備えられた複数の単位アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，…，ＲＸのうちの第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンをｇｔｐとし、第ｑ番目の単位アンテナの指向性パターンｇｔｑと第ｐ番目の単位アンテナの指向性パターンｇｔｐとの間の相関係数を｜ρｐｑ｜とすると、相関係数｜ρｐｑ｜は次式（１）によって表される。なお、式（１）において、「*」は共役複素数を表す。他の数式においても同様である。
【００８９】
【数３】
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【００９０】
図２６は、本発明の第４の実施例に係るアンテナ装置の特性図であり、指向性相関係数（＝｜ρｐｑ｜）と通信路容量との間の関係の一例を示す図である。図２６において、特性線Ｌ２５１は、第４の実施例によるアンテナ装置の特性を表し、特性線Ｌ２５２は、前述した非特許文献２に開示された従来技術による固有モード伝送の特性を表し、特性線Ｌ２５３は、従来の狭指向性パターンを用いた並列伝送の特性を表している。
【００９１】
図２６から理解されるように、第４の実施例によるアンテナ装置によれば、指向性相関係数が０．３以下の場合、通信路容量が従来の固有モード伝送の最低値（指向性相関係数を１とした場合の値）を上回り、通信路容量を有効に改善することができる。従って、このような改善効果を得るためには、指向性相関係数｜ρｐｑ｜は、次の条件式（２）を満足することが望ましい。
【００９２】
【数４】
2014195238.tif 000006
【００９３】
また、図２６から理解されるように、第４の実施例によるアンテナ装置によれば、指向性相関係数が０．６９以下の場合、通信路容量が狭指向性による並列伝送の最大値（指向性相関係数が０の場合の値）を上回り、通信路容量を有効に改善することができる。従って、このような改善効果を得るためには、指向性相関係数｜ρｐｑ｜は、次の条件式（３）を満足することが望ましい。
【００９４】
【数５】
2014195238.tif 000007
【００９５】
図２７は、本発明の第４の実施例によるアンテナ装置の特性図であり、指向方向誤差と指向性相関係数との間の関係の一例を示す図である。
図２７から理解されるように、指向方向誤差に対する指向性相関係数が０．３以下となるのは、指向方向の誤差がπ／（ｑ＋１）またはπ／ｑの±１５％以内の場合である。即ち、図２７の例によれば、指向性相関係数を０．３以下とするためには、第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差はπ／（ｑ＋１）またはπ／ｑの±１５％以内であることが望ましく、第ｐ番目の受信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差はπ／（ｐ＋１）またはπ／ｑの±１５％以内であることが望ましい。また、図２７から理解されるように、指向方向誤差に対する指向性相関係数が０．６９以下となるのは、指向方向誤差が±π／（ｑ＋１）または±π／ｑ以内の場合である。即ち、図２７の例によれば、指向性相関係数を０．６９以下とするためには、第ｑ番目の送信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差は±π／（ｑ＋１）または±π／ｑ以内であることが望ましく、第ｐ番目の受信アンテナの指向性パターンが有するビームの指向方向の誤差は±π／（ｐ＋１）または±π／ｑ以内であることが望ましい。
【００９６】
図２８は、本発明の第４の実施例に係るアンテナ装置の特性図であり、独立な伝送路の数を表すストリーム数と通信路容量との間の関係の一例を示す特性図である。図２８において、特性線Ｌ２７１は、第４の実施例によるアンテナ装置の特性を表し、特性線Ｌ２７２は、前述した非特許文献２に開示された従来技術による固有モード伝送の特性を表し、特性線Ｌ２７３は、従来の狭指向性パターンを用いた並列伝送の特性を表している。
【００９７】
図２８から理解されるように、第４の実施例によるアンテナ装置によれば、狭指向性パターンを用いた並列伝送に比較して、ストリーム数の増加に伴って通信路容量を改善することができる。また、図２８から理解されるように、第４の実施例によるアンテナ装置によれば、伝送路情報（チャネル情報）に基づく信号処理を用いて送信制御する固有モード伝送の特性には及ばないにしても、付加的な信号処理を何ら要することなく、固有モード伝送に次ぐ良好な通信路容量を得ることができる。
【００９８】
以上のように、第４の実施例によれば、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２の各単位アンテナが直交性を有する指向性パターンを有することにより、受信アンテナ４０２の各単位アンテナにおいて、隣接する単位アンテナからの干渉波が全て指向性パターンの直交性により相殺される。このため、受信アンテナ４０２の各単位アンテナにおいて、所望信号のみを受信することが出来る。従って、ＭＩＭＯ装置などで用いられる複雑な高速演算処理を用いることなく、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２の各単位アンテナの個数に応じた複数の独立した伝送路（並列伝送路）を簡易に形成することができ、通信路容量を増加させることが可能となる。即ち、図２３の例では、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２は、それぞれ指向性パターンが相互に異なるＸ個の単位アンテナを備え、各単位アンテナの指向性パターンは相互に異なるので、単位アンテナの個数に相当するＸ個の独立な伝送路を並列に形成することができ、通信路容量をＸ倍に増加させることができる。
【００９９】
＜第５の実施例＞
次に、本発明の第５の実施例を説明する。
上述の第４の実施例では、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２の各単位アンテナはアレー面に沿って列状に配列されるものとしたが、第５の実施例では、各単位アンテナの放射面をアレー面の垂直軸方向に重ねるようにして配列する。その他の構成は、第４の実施例と同様である。なお、第５の実施例では、複数の単位アンテナの放射面をアレー面の垂直軸方向に重ねるように配列するが、複数の単位アンテナを第４の実施例の如く一次元状に配列してもよく、後述の第７の実施例の如く二次元状に配列してもよい。
【０１００】
図２９は、本発明の第５の実施例に係るアンテナ装置に備えられた単位アンテナの説明図である。図２９において、方形のサブアレーアンテナ素子１００３，１００５，１００７が、誘電体１００１を介して方形のグランド板１００２，１００４，１００６と交互に積層するように配置されている。サブアレーアンテナ素子１００３とグランド板１００２は、前述の図２３に示す単位アンテナＴ１または単位アンテナＲ１に相当するマイクロストリップアンテナとして機能する。また、サブアレーアンテナ素子１００５とグランド板１００４は、前述の図２３に示す単位アンテナＴ２または単位アンテナＲ２に相当するマイクロストリップアンテナとして機能する。また、サブアレーアンテナ素子１００７とグランド板１００６は、前述の図２３に示す単位アンテナＴ３または単位アンテナＲ３に相当するマイクロストリップアンテナとして機能する。
【０１０１】
図２９の例では、最上層のサブアレーアンテナ素子１００７の長さＬ１と幅Ｗ１は、中間層のサブアレーアンテナ素子１００５の長さＬ２と幅Ｗ２よりも小さく、中間層のサブアレーアンテナ素子１００５の長さＬ２と幅Ｗ２は、最下層のサブアレーアンテナ素子１００３の長さＬ３と幅Ｗ３よりも小さい。
なお、図２９の例では、３個のサブアレーアンテナ素子を備える場合を示し、単位アンテナの個数Ｘが３である場合を示しているが、この例に限定されず、サブアレーアンテナ素子およびグランド板の個数は単位アンテナの数に応じて任意である。
【０１０２】
ここで、前述の図２３に示す送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，ＴＸのうち、第ｑ番目の単位アンテナＴｑのサブアレーアンテナ素子は、一辺（Ｗ１〜Ｗ３，Ｌ１〜Ｌ３）の長さがｑ×λｇ／２の方形のマイクロストリップアンテナにより構成される。同様に、受信アンテナ４０２の単位アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，…，ＲＸのうち、第ｐ番目の単位アンテナＲｐのアブアレーアンテナ素子は、一辺の長さがｐ×λｇ／２の方形のマイクロストリップアンテナにより構成される。ここでλｇは実効波長を表す。
【０１０３】
上述のように各単位アンテナのサイズを異ならせて設定することにより、図２９に示すように、次数ｎ（ｎは自然数）に応じた電界分布を有する異なる指向性パターンが得られ、これにより、指向性パターンに直交性を持たせている。
図３０は、本発明の第５の実施例に係るアンテナ装置の説明図であり、放射モードとモードの次数ｎの一例を示す図である。ここで、図３０（Ａ）は、次数ｎが１のモードでの放射パターンの電界分布を示し、図３０（Ｂ）は次数ｎが２のモードでの放射パターンの電界分布を示し、図３０（Ｃ）は次数ｎが３のモードでの放射パターンの電界分布を示す。図３０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、次数ｎに応じて実効波長λｇの半波長ごとに電流分布が生じ、電流分布の山の数に応じたビームが放射される。例えば、図３０（Ａ）の電流分布は、上述の図２９に示すサブアレーアンテナ素子１００７の指向性パターンを放射する電流分布に相当し、図３０（Ｂ）の電流分布は、サブアレーアンテナ素子１００５の指向性パターンを放射する電流分布に相当し、図３０（Ｃ）の電流分布は、サブアレーアンテナ素子１００３の指向性パターンを放射する電流分布に相当する。
【０１０４】
また、第５の実施例では、各単位アンテナを構成するマイクロストリップアンテナはＴＭモードで励振される。ｎ次（ｎは自然数）のＴＭモードの励振放射パターンによる電界Ｅｎは次式（４）により表される。式（４）において、ｎはモードの次数を表す。
【０１０５】
【数６】
2014195238.tif 000008
【０１０６】
上式（４）により与えられる電界Ｅｎを用いて、図２３の座標系におけるｘｙ平面での各モード間の指向性の相関係数は、次式（５Ａ），（５Ｂ），（５Ｃ）により表される。ここで、式（５Ａ）は、偶数次モードの放射パターンと奇数次モードの放射パターンとの間の相関係数を表し、式（５Ｂ）は、奇数次モードの放射パターンと同じく奇数次モードの放射パターンとの間の相関係数を表し、式（５Ｃ）は、偶数次モードの放射パターンと同じく偶数次モードの放射パターンとの間の相関係数を表している。また、式（５Ａ）〜（５Ｃ）において、ｎ１は、例えば第１番目の単位アンテナＴ１のモードの次数を表し、ｎ２は例えば第２番目の単位アンテナＴ２のモードの次数を表し、Ｅｎ１は、次数がｎ１のモードでの電界を表し、Ｅｎ２は、次数がｎ２のモードでの電界を表している。また、φは放射角を表している。
【０１０７】
【数７】
2014195238.tif 000009
【０１０８】
上式（５Ａ）〜（５Ｃ）から、モードの次数の違いを利用すれば、異なるモード間の相関係数を低減させることができることが理解される。図２３の座標系におけるｙｚ平面についても同様である。よって送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２のそれぞれに備えられた複数の単位アンテナの各導体部の長さ（方形のマイクロストリップアンテナの一辺の長さ）に応じたモードで各単位アンテナを励振することにより、第４の実施例と同様に、各単位アンテナの指向性パターンを相互に異ならせることができ、これにより、各単位アンテナ間の相関を低減させ、通信路容量を改善することができる。また、第５の実施例によれば、相互に異なる指向性パターンを単素子のマイクロストリップアンテナで実現することができ、装置の小型化が可能となる。
【０１０９】
ここで、アンテナのモードの次数の選択について説明する。
図３１は、本発明の第５の実施例に係るアンテナ装置の説明図であり、モードの次数と指向性相関係数との間の関係の一例を示す図である。図３１において、特性線Ｌ３０１は、次数ｎ１が１（奇数）の場合の次数ｎ２と指向性相関係数との関係の一例を示し、特性線Ｌ３０２は、次数ｎ２が２（偶数）の場合の次数ｎ２と指向性相関係数との関係の一例を示し、特性線Ｌ３０３は、次数ｎ１が３（奇数）の場合の次数ｎ２と指向性相関係数との関係の一例を示し、特性線Ｌ３０４は、次数ｎ１が４（偶数）の場合の次数ｎ２と指向性相関係数との関係の一例を示し、特性線Ｌ３０５は、次数ｎ１が５（奇数）の場合の次数ｎ２と指向性相関係数との関係の一例を示し、特性線Ｌ３０６は、次数ｎ１が６（偶数）の場合の次数ｎ２と指向性相関係数との関係の一例を示し、特性線Ｌ３０７は、次数ｎ１が７（奇数）の場合の次数ｎ２と指向性相関係数との関係の一例を示している。図３１に示す例から、例えば、次数ｎ１が１の場合、次数ｎ２として偶数の次数を用いることにより、または５や７のような高次の次数を用いることにより、指向性相関係数を有効に低減させ、通信路容量を改善できることが理解される。
【０１１０】
上述したように、第５の実施例によれば、異なる次数のＴＭモードを持つアンテナを複数用いることで直交指向性を単素子で実現することが出来、装置の簡易化と小型化を実現することができる。また、異なる次数のＴＭモードを持つ複数の単位アンテナを重ねるように配置することにより、さらなる小型化を実現することができる。
なお、第５の実施例では、ＴＭモードで単位アンテナを励振する場合を例として説明したが、ＴＥモードを用いてもよく、また、ＴＭモードとＴＥモードとを組み合わせて各単位アンテナを励振してもよい。
【０１１１】
＜第６の実施例＞
次に、本発明の第６の実施例を説明する。
図３２は、本発明の第６の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
第６の実施例に係るアンテナ装置は、前述の図２３に示す第４の実施例に係るアンテナ装置の構成において、更に、各単位アンテナの通信路容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，…，ＣＸを計測し、通信路容量に応じて送受信に用いる単位アンテナのモードを選択する機能を備えている。即ち、第６の実施例では、各送受信アンテナ間のストリームの容量が所定の閾値ＣＴＨ以上となるモードを用いて、送信アンテナ４０１と受信アンテナ４０２との間でデータ伝送を実施し、ストリームの容量が上記閾値ＣＴＨを下回る場合、ストリームの容量が上記閾値ＣＴＨ以上となる他のモードに切り替えて送信アンテナ４０１と受信アンテナ４０２との間でデータ伝送を実施する。本実施例では、モードの切り替えは、例えば単位アンテナを切り替えることにより実施される。その他の構成は、第４の実施例または第５の実施例と同様である。なお、第６の実施例は、第４の実施例または第５の実施例と組み合わせることが可能である。
【０１１２】
具体的には、第６の実施例に係るアンテナ装置は、各送受信アンテナ間の容量が閾値ＣＴＨ以上となるモードの単位アンテナを選択し、閾値ＣＴＨを下回る場合に他のモードの単位アンテナに切り替える。例えば、本アンテナ装置は、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ１と受信アンテナ４０２の単位アンテナＲ１との間の伝送路により形成される第１のストリームの容量Ｃ１が最も大きく、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ３と受信アンテナ４０２の単位アンテナＲ３との間の伝送路により形成される第３のストリームの容量Ｃ３が２番目に大きく、その他のストリームの容量がしきい値ＣＴＨよりも小さい場合、送信用の単位アンテナとして、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ１，Ｔ３を選択し、受信用の単位アンテナとして、受信アンテナ４０２の単位アンテナＲ１，Ｒ３を選択する。これらの選択された単位アンテナの伝送路により形成される第１のストリームと第３のストリームを用いてデータ伝送が実施される。
【０１１３】
その後、例えば、送信機または受信機の位置の変動により、第２のストリームの通信路容量Ｃ２が最も大きく、第３のストリームの通信路容量Ｃ３が２番目に大きく、その他のストリームの通信路容量がしきい値ＣＴＨよりも小さくなった場合、本アンテナ装置は、送信用の単位アンテナとして、送信アンテナ４０１の単位アンテナＴ２，Ｔ３を選択し、受信用の単位アンテナとして、受信アンテナ４０２の単位アンテナＲ２，Ｒ３を選択し、第２のストリームと第３のストリームを用いてデータ伝送を実施する。
第６の実施例に係るアンテナ装置によれば、送受信機の位置の変動に対応することができ、送受信機の位置関係に応じて伝送路を安定化させ、広範囲への伝送が可能となる。
なお、上述の例に限定されず、必要とする通信路容量が得られることを限度として、モード（単位アンテナ）の選択の仕方は任意に定めることができる。
【０１１４】
＜第７の実施例＞
次に、本発明の第７の実施例を説明する。
図３３は、本発明の第７の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
上述した第４から第６の実施例では、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２は、それぞれ、アレー面上に列状に配列された複数の単位アンテナを備えるものとしたが、第７の実施例に係るアンテナ装置は、第４の実施例の送信アンテナ４０１を複数個備えた送信アンテナＡＴＸを備え、送信アンテナＡＴＸは、複数の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…，ＴＸを１つの単位構成（ユニット）として、複数個の単位構成を備えている。
【０１１５】
図３３に示す例では、送信アンテナＡＴＸは、単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を１つの単位構成として、３つの単位構成を備える。また、送信アンテナＡＴＸに備えられた複数の構成単位は、アレー面上、または３次元空間内に分散配置される。その他の構成は、第４から第６の実施例と同様である。なお、第７の実施例は、第４から第６の実施例と組み合わせることが可能である。
【０１１６】
図３４は、本発明の第７の実施例に係るアンテナ装置の特性図であり、単位構成の個数と通信路容量との間の関係の一例を示す特性図である。ここで、図３４において、特性線Ｌ３３１は、第７の実施例に係るアンテナ装置の特性を示し、特性線Ｌ３３２は、狭指向性による並列伝送の特性を示し、特性線Ｌ３３３は、前述した非特許文献２に開示された固有モード伝送の特性を示している。図３４から理解されるように、第７の実施例に係るアンテナ装置によれば、単位構成の数を２以上とすることにより、狭指向性による並列伝送方式を凌ぐ特性が得られ、通信路容量を有効に改善することができる。また、第７の実施例によれば、送信アンテナＡＴＸが、複数の単位アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を単位構成として複数個の単位構成を備えたことにより、多重化利得またはダイバーシチ利得が増加する。このため、第７の実施例によれば、上述の第４から第６の実施例に比較して、更に通信路容量を改善することが可能になる。
【０１１７】
＜第８の実施例＞
次に、本発明の第８の実施例を説明する。
上述した第４から第７の実施例では、送信信号および受信信号に対する重み付けについては特に限定していないが、第８の実施例では、送信側無線信号処理部４および受信側無線信号処理部５において、ＭＩＭＯ装置などで用いられる高速演算処理装置に加えて、固定重み付け処理により送信信号および受信信号に対する重み付けを実施することにより、更なる通信路容量の改善を行う。その他については、上述の第４から第７の実施形態と同様である。
【０１１８】
具体的には、第８の実施例では、送信側無線信号処理部４および受信側無線信号処理部５において、指向性パターンを含む伝搬路行列を平均化した値に対して特異値分解を行い、固定ウェイトを計算する。そして、通信路容量が閾値を下回った場合、例えば、通信路容量が５０パーセント以下に劣化した場合、固定ウェイトを再計算する。この固定ウェイトを用いてＭＩＭＯ信号分離を行うことにより、チャネル推定やチャネル情報のフィードバックの回数を低減させることができる。加えて、第４から第７の実施例による効果を得ることもできる。
【０１１９】
＜第９の実施例＞
次に、本発明の第９の実施例を説明する。
第９の実施例では、送信側無線信号処理部４および受信側無線信号処理部５において、ＭＩＭＯ装置などで用いられる高速演算処理装置に加えて、瞬時重み付け処理により送信信号および受信信号に対する重み付けを実施することにより、更なる通信路容量の改善を行う。その他については、上述の第４から第７の実施例と同様である。
【０１２０】
具体的には、第９の実施例では、送信側無線信号処理部４および受信側無線信号処理部５において、指向性パターンを含む伝搬路行列に対して特異値分解を行い、瞬時ウェイトを計算する。この瞬時ウェイトを用いてＭＩＭＯ信号分離を行うことにより、伝送路の相関の影響を抑制する。また、伝送路に相関がある場合であっても、通信路容量の劣化を抑えることができる。加えて、第４から第７の実施例による効果を得ることもできる。
【０１２１】
図３５は、本発明の第９の実施例に係るアンテナ装置の特性の説明図であり、アンテナ数と通信路容量との間の関係の一例を示す図である。図３５において、特性線Ｌ３４１は、ウェイトを設定しない場合の本発明によるアンテナ装置のアンテナ数と通信路容量との間の関係を示し、特性線Ｌ３４２は、瞬時ウェイトを設定した場合の本発明による第９の実施例のアンテナ装置のアンテナ数と通信路容量との間の関係を示し、特性線Ｌ３４３は、固定ウェイトを設定した場合の本発明による第８の実施例のアンテナ装置のアンテナ数と通信路容量との間の関係を示し、特性線Ｌ３４４は、従来の固有モード伝送による特性を示し、特性線Ｌ３４５は、狭指向性を利用した並列伝送の特性を示し、特性線Ｌ３４６は、伝送路相関がない場合の理想的な特性を示している。図３５から理解されるように、第９の実施例によれば、特性線Ｌ３４２により示されるように、伝送路相関がない場合の理想的な特性（Ｌ３４６）に近似した特性を得ることができ、通信路容量をさらに有効に改善することができる。
【０１２２】
＜第１０の実施例＞
次に、本発明の第１０の実施例を説明する。
第１０の実施例では、上述の第４から第９の各実施例の構成において、送信機と受信機の位置を検出するための検出部（図示なし）と、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２の傾き（指向方向）を制御するための制御部（図示なし）を更に備える。検出部により検出された送信機と受信機の各位置に応じて、制御部は、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２の各ビームの指向方向（放射角）を変え、等価的に送信アンテナ４０１と受信アンテナ４０２とを対向させる。このような制御部を実現する手法として、例えば、機械的にアンテナの指向方向を制御する手法や、アレーファクタ等を調整することにより電子的にアンテナの指向方向を制御する手法を用いることができる。その他については、上述の第４から第９の実施例と同様である。
第１０の実施例によれば、上述した第４から第９の実施例による効果に加えて、更に伝送路を安定化させ、通信路容量を改善することができる。
【０１２３】
＜第１１の実施例＞
次に、本発明の第１１の実施例を説明する。
図３６は、本発明の第１１の実施例に係るアンテナ装置の説明図である。
第１１の実施例では、前述した図２３に示す第４の実施例の構成において、図３６に示すように、送信アンテナ４０１と受信アンテナ４０２との間の伝送路を横切る方向（例えば、送信アンテナ４０１から受信アンテナ４０２に向かう方向と概ね直交する方向）に、伝送路を挟んで対向するように反射板７０１と反射板７０２とを配置する。例えば、反射板７０１，７０２は、送信アンテナ４０１から受信アンテナ４０２を見たときに、伝送路を基準として左右方向または上下方向に配置される。ただし、この例に限定されず、反射板７０１，７０２は上下方向と左右方向の両方に配置してもよく、送信アンテナ４０１から放射された電波の反射波が受信アンテナ４０２に受信されることを限度として、反射板７０１，７０２の配置形態は任意である。
【０１２４】
第１１の実施例に係るアンテナ装置によれば、送信アンテナ４０１から受信アンテナ４０２に向かう伝搬方向から逸脱した電波が反射板７０１，７０２により反射されて受信アンテナ４０２に向かうため、送信アンテナ４０１から受信アンテナ４０２に到来する電波が増加する。このため、第１１の実施例によれば、第４から第１０の実施例による効果に加えて、伝送路を更に安定化させ、通信路容量の劣化を防止することができる。
【０１２５】
図３７は、本発明の第１１の実施例に係るアンテナ装置の特性図（到来電波の電力分布が一様な理想的なマルチパス環境での特性）を示す図である。ここで、図３７（Ａ）は、放射角φに対する電力Ｐ（φ）の分布を示し、図３７（Ｂ）は、アンテナ数と通信路容量との間の関係の一例を示している。図３７（Ａ）において、特性線Ｌ３６Ｂは、電力Ｐ（φ）の分布を表している。また、図３７（Ｂ）において、特性線Ｌ３６Ｂ１は、第１１の実施例に係るアンテナ装置の特性を示し、特性線Ｌ３６Ｂ２は、従来の固有モード伝送の特性を示し、特性線Ｌ３６Ｂ３は、狭指向性を用いた並列伝送の特性を示している。図３７におけるアンテナ数は、送信アンテナ４０１および受信アンテナ４０２のそれぞれにおける単位アンテナの個数であり、前述のストリーム数と同義である。後述の図３８においても同様である。図３７（Ａ），（Ｂ）から理解されるように、理想的なマルチパス環境では、放射角φに対する電力Ｐ（φ）の分布は一様になり、狭指向性を用いた並列伝送を除いて、アンテナ数の増加に伴って通信路容量が増加する傾向を示す。
【０１２６】
図３８は、本発明の第１１の実施例に係るアンテナ装置の特性図（到来電波の電力分布が一様でない環境、例えば、基地局と端末との間の伝送路の環境での特性）である。ここで、図３８（Ａ）は、放射角に対する電力Ｐ（φ）の分布を示し、図３８（Ｂ）は、アンテナ数と通信路容量との間の関係の一例を示している。
図３８（Ａ）において、電力Ｐ（φ）の分布は、次式（６）により表されるラプラス分布を示す。
Ｐ（φ）＝｛１／（２１／２σ）｝×ｅｘｐ（−２１／２×｜φ―φ０｜／σ）   ・・・（６）
また、図３８（Ｂ）において、特性線Ｌ３７Ｂ１は、第１１の実施例に係るアンテナ装置の特性を示し、特性線Ｌ３７Ｂ２は、従来の固有モード伝送の特性を示し、特性線Ｌ３７Ｂ３は、狭指向性を用いた並列伝送の特性を示している。
【０１２７】
図３８（Ａ）から理解されるように、第１１の実施例によれば、放射角が変化しても、アンテナの電力分布の変動を抑制することができ、図３７（Ａ）に示す理想的なマルチパス環境での特性と近似した電力分布を得ることができる。また、図３８（Ｂ）に示すように、アンテナ数の増加に伴って通信路容量が増加する傾向を示し、理想的なマルチパス環境での通信路容量に次ぐ通信路容量を得ることができる。従って、第１１の実施例によれば、反射板７０１，７０２を備えたことにより、例えば送受信機の取り付け状態（送信アンテナおよび受信アンテナの傾きなど）が通信路容量に与える影響を抑制することができ、送受信機の取り付け状態によらず、伝送路の品質を維持することができる。
【０１２８】
上述したように、本発明の実施形態および実施例によれば、ＭＩＭＯの空間伝送のような信号処理等を行わず、かつ指向性がブロードであっても、高速伝送が可能となる。よって、簡易な構成で並列伝送を実現することができる。
【０１２９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【符号の説明】
【０１３０】
１，１０１，２０１，３０１…送信アレーアンテナ、
２，１０２，２０２，３０２…受信アレーアンテナ、
１１，１１−１，１１−２，１１−３，２１，２１−１，２１−２，２１−３，１１１，１２１，２１１−１，２１１−２，３１１，３１１−１，３１１−２，３１１−３，３２１，３２１−１，３２１−２，３２１−３…第１の単位アンテナ、
１２，１２−１，１２−２，２２，２２−１，２２−２，１１２，１２２，２１２−１，２１２−２，３１２，３１２−１，３１２−２，３１２−３，３２２，３２２−１，３２２−２，３２２−３…第２の単位アンテナ、
１６１，１６２，３６１，３６２…平面アンテナ素子、
１６３，３６３…位相反転器、
４０１，ＡＴＸ…送信アンテナ、
４０２…受信アンテナ、
７０１，７０２…反射板
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，…，ＲＸ，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，ＴＸ…単位アンテナ。
【図１】
2014195238.tif 000012
【図２】
2014195238.tif 000013
【図３】
2014195238.tif 000014
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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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３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図１３】
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