(57)【要約】【課題】アンテナ素子の間隔を変えることなく、チャネルの位相差θＨを所望の値に近づけること。【解決手段】本発明による無線通信システム（１）は、印加される電界の強度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記電界を印加するための一対の電極とを有し、前記電界の強度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部として機能するレドーム（１４０）と、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部（７６０）と、前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記一対の電極間の電圧を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整部として機能する制御装置（１５０）とを具備する。【選択図】図１
2014027347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、印加される電界の強度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記電界を印加するための一対の電極とを有し、前記電界の強度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部と、
前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部と、
前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記一対の電極間の電圧を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整部と、
を具備することを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、印加される温度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記温度を印加するための発熱部とを有し、前記温度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部と、
前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部と、
前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記発熱部の発熱量を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整部と
を具備することを特徴とする無線通信システム。
【請求項３】
前記誘電体層は、
相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第１経路と、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第２経路とでは、当該誘電体層の厚さが異なる形状を有することを特徴とする請求項１または請求項２の何れか１項に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記誘電体層は、
相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第１経路に沿って空洞が形成されると共に、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第２経路に誘電体材料が位置する構造、または、前記第２経路に沿って空洞が形成されると共に前記第１経路に誘電体材料が位置する構造の何れかの構造を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記誘電体層は、
相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第１経路と、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第２経路とでは、比誘電率が異なる種類の誘電体材料から構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２の何れか１項に記載の無線通信システム。
【請求項６】
複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間の送受信間隔の変化に対して、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を、チャネル容量を最大にする略一定の位相差に保つ曲面を含む形状を有する誘電体層を具備することを特徴とする無線通信システム。
【請求項７】
複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、
前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナと、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、印加される電界の強度または温度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記電界を印加するための一対の電極または前記誘電体層に前記温度を印加するための発熱部とを有し、前記電界の強度または前記温度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部と
を備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、
前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定段階と、
前記位相差推定段階で推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記一対の電極間の電圧または前記発熱部の発熱量を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整段階と、
を含むことを特徴とする無線通信方法。
【請求項８】
複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナと、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置された誘電体層を有し、前記誘電体層を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部とを備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、
前記位相回転部により、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を制御する段階を含み、
前記誘電体層は、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間の送受信間隔の変化に対して、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を、チャネル容量を最大にする略一定の位相差に保つ曲面を含む形状を有することを特徴とする無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナを備えた無線通信システムおよび無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、限られた周波数帯域でギガビット級の高速無線通信を実現することが求められている。その実現方法の一つに、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）伝送技術がある。ＭＩＭＯ伝送では、複数の送信アンテナから同一時間、同一周波数で異なる信号を送信し、送信機と受信機との間のマルチパス環境を利用することによって、受信機側で信号処理により各信号を分離し、復号する。これにより、使用周波数帯域を広げることなく、送受アンテナ素子数に応じて通信速度を向上させることができる。
【０００３】
通常、ＭＩＭＯ伝送はマルチパス環境を前提としている。送信機と受信機との間の環境がマルチパス環境でない場合は、送受信される複数の信号の伝搬経路がほぼ等しくなり、空間相関が増加する。このため、信号分離が困難になり、チャネル容量が減少する。ところが、近年、例えば非特許文献１に示されているように、送信アンテナと受信アンテナが近接し、送信機と受信機との間の環境がマルチパス環境でない近距離通信においてもＭＩＭＯ伝送技術が適用可能であることが注目されている。以下、近距離通信におけるＭＩＭＯ伝送を近距離ＭＩＭＯ伝送と称する。
【０００４】
非特許文献１の技術によれば、近距離ＭＩＭＯ伝送において、送信機と受信機との間の距離に応じてアレーアンテナの素子間隔を適切に設定することにより、マルチパス環境でない場合においてもアンテナ間の空間相関が低くなり、高いチャネル容量を達成することができる。また、非特許文献２では、コンクリート壁などの障害物内部を伝搬路として用いる近距離超高速無線中継システムが提案されている。この近距離超高速無線中継システムによれば、近距離であれば、壁などにより送受信アンテナの見通しが得られない環境においても、近距離ＭＩＭＯ伝送による高速通信が可能になる。
【０００５】
また、非特許文献２では、近距離ＭＩＭＯ伝送においてチャネル容量を増大するための検討が行われている。しかしながら、実際のＭＩＭＯ伝送を実現するためには、チャネル容量を増大させる技術に加え、送受信機における信号処理技術が必要である。この信号処理技術について、非特許文献１では、ＭＩＭＯ伝送の最適送受信方法として知られている固有モード伝送（以下、ＥＭ−ＢＦと称する）の特性と、受信側のみで信号処理を行う方法として知られているゼロフォーシング（以下、ＺＦと称する）の特性とが比較されている。そして、非特許文献２には、アレーアンテナの最適な素子間隔によりＥＭ−ＢＦの特性とＺＦの特性とがほぼ一致することが示されている。
【０００６】
図１２は、近距離ＭＩＭＯ伝送におけるアンテナ素子の配置例を示す説明図である。図１２において、送信側のアンテナ素子Ｔｘｊ（ｊは、１≦ｊ≦Ｍの正整数であり、Ｍは、Ｍ≧２の正整数である。）の数と受信側のアンテナ素子Ｒｘｉ（ｉは、１≦ｉ≦Ｍの正整数である。）の数は、いずれもＭである。また、送信側のアンテナ素子Ｔｘｊは平面ＰＴ上に配置されており、受信側のアンテナ素子Ｒｘｉは、平面ＰＴと平行をなす平面ＰＲ上に、送信側のアンテナ素子Ｔｘｊと伝搬空間ＦＳを挟んで対向するように配置されている。これら平面ＰＴと平面ＰＲとの間の距離はＤである。以下では、平面ＰＴと平面ＰＲとの距離Ｄを「送受信間隔Ｄ」と称する。また、送信機側および受信機側の双方において、隣接する任意の二つのアンテナ素子の間隔はｄである。以下では、説明の簡略化のため、Ｍ＝２の場合、すなわち２×２（２入力２出力）近距離ＭＩＭＯ伝送の場合について説明する。
【０００７】
図１３は、２×２近距離ＭＩＭＯ伝送のモデル図である。図１３に示す２×２近距離ＭＩＭＯ伝送において、チャネル行列Ｈを式（１）で表すと、受信信号は式（２）で表される。
【０００８】
【数１】
2014027347.tif 000003
【０００９】
【数２】
2014027347.tif 000004
【００１０】
ここで、式（１）および式（２）において、要素ｈｉｊ（ｉ，ｊは、それぞれ２以下の正整数）は、送信アンテナ素子Ｔｘｊから受信アンテナ素子Ｒｘｉへのチャネルを伝搬した信号の位相および振幅の変化率を、例えば複素数表現により示す行列要素である。また、ｓｊは送信アンテナ素子Ｔｘｊから送信される信号を、ｒｉは受信アンテナ素子Ｒｘｉで受信される信号を表す行列要素であり、ｎｉは受信信号に付加される雑音を表す行列要素である。
【００１１】
また、２×２ＭＩＭＯ伝送における信号分離のための受信ウェイト行列Ｗを、式（３）のように表すと、受信ウェイト演算後に各受信回路へ出力される信号は式（４）で表される。
【００１２】
【数３】
2014027347.tif 000005
【００１３】
【数４】
2014027347.tif 000006
【００１４】
式（３）および式（４）において、行列要素ｗｉｊ（ｉ，ｊは、それぞれ２以下の正整数である。）は、送信アンテナ素子Ｔｘｉが送信するデータ系列ｓ’に対応するデータ系列ｓ’ｉを抽出するために、受信アンテナ素子Ｒｘｊが受信した信号に乗算されるウェイトを示す。
【００１５】
２×２近距離ＭＩＭＯ伝送では、各チャネルの位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ２１／ｈ１１）＝ｔａｎ−１（ｈ１２／ｈ２２）が９０度となるようにアンテナ素子の間隔ｄが設定された場合にチャネル容量が最大となる。以下では、チャネル容量が最大となるアンテナ素子の間隔ｄを「最適素子間隔ｄｏｐｔ」と称する。
【００１６】
アンテナ素子の間隔ｄを最適素子間隔ｄｏｐｔに設定した場合、２×２近距離ＭＩＭＯ伝送のチャネル行列Ｈは式（５）で近似される。ここで、式（５）において、ａは、送信アンテナ素子Ｔｘ１から受信アンテナ素子Ｒｘ１へのチャネルを伝搬した信号の振幅と、送信アンテナ素子Ｔｘ１から受信アンテナ素子Ｒｘ２へのチャネルを伝搬した信号の振幅との比率を表す。
【００１７】
【数５】
2014027347.tif 000007
【００１８】
このとき、ＺＦにおける受信ウェイト行列ＷＺＦは式（６）で近似される。
【００１９】
【数６】
2014027347.tif 000008
【００２０】
式（５）および式（６）から、チャネル行列と受信ウェイト行列の積は、式（７）のように対角行列で表される。すなわち、各送信アンテナから送信された信号は、受信機内で受信ウェイトを乗算することにより分離され、互いに干渉を与えることなく受信される。
【００２１】
【数７】
2014027347.tif 000009
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】本間，西森，関，溝口，“近傍ＭＩＭＯ通信における伝送容量の評価”  信学技報，AP2008-125, Nov. 2008
【非特許文献２】関，西森，本間，西川，“近距離超高速中継システム”  信学技報，AP2008-124, Nov. 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
前述のように、２×２近距離ＭＩＭＯ伝送では、各チャネルの位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ２１／ｈ１１）＝ｔａｎ−１（ｈ１２／ｈ２２）が９０度となるようにアンテナ素子の間隔ｄを設定した場合にチャネル容量が最大となる。
しかしながら、通常、図１２に示すような平面アレーアンテナの設計段階では、特定の送受信間隔Ｄが想定され、この送受信間隔Ｄに応じてアンテナ素子の間隔ｄが特定の値に設定される。そして、このアンテナの製造工程において、上述の設計段階で設定された特定の間隔ｄで１つの基板上にアンテナ素子が配列される。このため、設計段階で想定した送受信間隔Ｄ以外の送受信間隔では各チャネルの位相差θＨが９０度とならず、近距離ＭＩＭＯ伝送の特性が劣化するという問題がある。
【００２４】
また、上記の問題は、非特許文献２でも提示されている、部屋間や屋内外間の壁を挟んで両側に送受信機を設置して近距離ＭＩＭＯ伝送を行うシステムのように、送受信間隔Ｄを任意の間隔に調整できない場合にいっそう顕著となる。
【００２５】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、実際の送受信間隔が平面アレーアンテナの設計段階で想定した送受信間隔からずれ、チャネルの位相差θＨが所望の値（例えば、９０度）からずれた場合においても、アンテナ素子の間隔を変えることなく、チャネルの位相差θＨを所望の値に近づけることが可能な無線通信システムおよび無線通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による無線通信システムは、複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、印加される電界の強度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記電界を印加するための一対の電極とを有し、前記電界の強度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部と、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部と、前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記一対の電極間の電圧を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整部と、を具備することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、前記位相回転部が、液晶で構成される誘電体層を具備することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、印加される温度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記温度を印加するための発熱部とを有し、前記温度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部と、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部と、前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記発熱部の発熱量を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整部とを具備することを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、前記誘電体層が、相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第１経路と、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第２経路とでは、当該誘電体層の厚さが異なる形状を有することを特徴とする。
【００３０】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、前記誘電体層が、相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第１経路に沿って空洞が形成されると共に、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第２経路に誘電体材料が位置する構造、または、前記第２経路に沿って空洞が形成されると共に前記第１経路に誘電体材料が位置する構造の何れかの構造を有することを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、前記誘電体層が、相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第１経路と、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第２経路とでは、比誘電率が異なる種類の誘電体材料から構成されたことを特徴とする。
【００３２】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間の送受信間隔の変化に対して、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を、チャネル容量を最大にする略一定の位相差に保つ曲面を含む形状を有する誘電体層を具備することを特徴とする。
【００３３】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナと、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、印加される電界の強度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記電界を印加するための一対の電極とを有し、前記電界の強度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部とを備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定段階と、前記位相差推定段階で推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記一対の電極間の電圧を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整段階と、を含むことを特徴とする。
【００３４】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、前記位相回転部が、液晶で構成される誘電体層を具備することを特徴とする。
【００３５】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナと、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、印加される温度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記温度を印加するための発熱部とを有し、前記温度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部とを備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定段階と、前記位相差推定段階で推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記発熱部の発熱量を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整段階と、を含むことを特徴とする。
【００３６】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、前記誘電体層が、相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第１経路と、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第２経路とでは、当該誘電体層の厚さが異なる形状を有することを特徴とする。
【００３７】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、前記誘電体層が、相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第１経路に沿って空洞が形成されると共に、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第２経路に誘電体材料が位置する構造、または、前記第２経路に沿って空洞が形成されると共に前記第１経路に誘電体材料が位置する構造の何れかの構造を有することを特徴とする。
【００３８】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、前記誘電体層が、相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第１経路と、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第２経路とでは、比誘電率が異なる種類の誘電体材料から構成されたことを特徴とする。
【００３９】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナと、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置された誘電体層を有し、前記誘電体層を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部とを備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、前記位相回転部により、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を制御する段階を含み、前記誘電体層は、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間の送受信間隔の変化に対して、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を、チャネル容量を最大にする略一定の位相差に保つ曲面を含む形状を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、送受信間隔が平面アレーアンテナの設計時に想定した送受信間隔からずれ、各チャネルの位相差が近距離ＭＩＭＯ伝送のチャネル容量が最大となるときの位相差からずれが生じた場合においても、アンテナ素子の間隔を変えることなく、各チャネルの位相差をチャネル容量が最大となるときの所望の位相差に近づけることができる。従って、チャネル容量の低下を抑制し、近距離ＭＩＭＯ伝送の特性の劣化を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態における無線通信システムの概略構成の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるレドームの構成の一例を示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における各チャネルの誘電体層内における経路の一例を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の通信手順の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態におけるレドームの構成の一例を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の通信手順の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第３の実施形態におけるレドームの構成の一例を示す説明図である。
【図８】本発明の第４の実施形態におけるレドームの構成の一例を示す説明図である。
【図９】本発明の第５の実施形態におけるレドームの構成の一例を示す説明図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態におけるレドームの構成の一例を示す説明図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態における無線通信システムの概略構成の一例を示す構成図である。
【図１２】近距離ＭＩＭＯ伝送におけるアンテナ素子の配置例を示す説明図である。
【図１３】２×２近距離ＭＩＭＯ伝送のモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。
なお、以下に説明する全実施形態および全図面にわたって同一符号は同一要素を表す。
【００４３】
＜第１の実施形態＞
[構成の説明]
本発明の第１の実施形態による無線通信システム１の構成を説明する。
図１は、無線通信システム１の構成の一例を概略的に示す構成図である。無線通信システム１は、送信機として機能する通信装置１００と、受信機として機能する通信装置７００とを具備し、２×２ＭＩＭＯ（２入力２出力のＭＩＭＯ）伝送において、通信装置１００から通信装置７００への２系列（データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２）のデータ通信を行うものである。ここで、通信装置１００は、データ系列Ｓ１，Ｓ２を送信するものであり、送信部１１１，１１２と、複数の送信アンテナ素子１３１，１３２と、レドーム１４０と、制御装置１５０とを具備する。
【００４４】
このうち、送信部１１１は、データ系列Ｓ１の送信信号を生成するものであり、送信部１１２は、データ系列Ｓ２の送信信号を生成するものである。送信アンテナ素子１３１は、データ系列Ｓ１の送信信号を無線信号として送信するものであり、送信アンテナ素子１３２は、データ系列Ｓ２の送信信号を無線信号として送信するものである。レドーム１４０は、送信アンテナ素子１３１，１３２を保護するためのカバーとしての機能に加え、送信アンテナ素子１３１，１３２から電波として送信された各無線信号のチャネルの位相を回転させる位相回転部としての機能を有し、その詳細については後述する。制御装置１５０は、レドーム１４０における無線信号のチャネルの位相差θＨを調整する位相差調整部として機能するものである。
【００４５】
一方、通信装置７００は、データ系列Ｓ１，Ｓ２を受信するためのものであり、受信部７１１，７１２と、ウェイト演算回路７２０と、複数の受信アンテナ素子７３１，７３２と、レドーム７４０と、制御装置７５０と、位相差推定部７６０とを具備する。このうち、レドーム７４０は、上述のレドーム１４０と同様に、受信する無線信号のチャネルの位相を回転させる位相回転部として機能するものである。受信アンテナ素子７３１，７３２は、無線信号を受信するものである。ウェイト演算回路７２０は、無線信号を受信して得られる受信信号に受信ウェイトを乗算することにより信号分離を行うものである。受信部７１１，７１２は、受信信号に対し復調や復号等の処理を行うものである。制御装置７５０は、レドーム７４０におけるチャネルの位相差を制御するものである。位相差推定部７６０は、受信信号のチャネルの位相差θＨを推定して、この位相差θＨの情報を通信装置１００にフィードバックするものである。
【００４６】
次に、送信アンテナ素子１３１，１３２および受信アンテナ素子７３１，７３２の構成を詳細に説明する。
本実施形態では、通信装置１００を構成する二つの送信アンテナ素子１３１，１３２は間隔ｄを隔てて同一平面上に配列されている。また、通信装置７００を構成する二つの受信アンテナ素子７３１，７３２も同じく間隔ｄを隔てて同一平面上に配列されている。これら送信アンテナ素子１３１，１３２が配列された平面と受信アンテナ素子７３１，７３２が配列された平面とは相互に平行面をなす。また、送信アンテナ素子１３１，１３２が配列された平面と、受信アンテナ素子７３１，７３２が配列された平面との間の距離、即ち送受信間隔はＤである。
【００４７】
以下では、同一平面上に配置された複数のアンテナ素子を具備するアンテナをアレーアンテナと称する。本実施形態では、送信アンテナ素子１３１と送信アンテナ素子１３２は送信アレーアンテナ１３０を構成し、受信アンテナ素子７３１と受信アンテナ素子７３２は受信アレーアンテナ７３０を構成する。また、受信アンテナ素子７３１および受信アンテナ素子７３２は、送信アンテナ素子１３１および送信アンテナ素子１３２とそれぞれ対向する位置に配置されている。具体的には、受信アンテナ素子７３１は、送信アンテナ素子１３１と対向する位置に配置され、受信アンテナ素子７３２は、送信アンテナ素子１３２と対向する位置に配置されている。
【００４８】
上述のように、本実施形態では、通信装置１００および通信装置７００のそれぞれは、二つのアンテナ素子を備えている。従って、無線通信システム１は、２×２ＭＩＭＯ（２入力２出力のＭＩＭＯ）伝送において、通信装置１から通信装置２への、２系列（データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２）のデータ通信を行うものとして構成されている。
なお、上述の例に限定されず、送信アンテナ素子の数と、これに対応する受信アンテナ素子の数は任意である。
【００４９】
続いて、図２を参照してレドーム（位相回転部）１４０，７４０の構成を説明する。
図２は、第１の実施形態における通信装置１００が備えるレドーム１４０の構成を示す説明図である。本実施形態では、位相回転部としての機能を有するレドーム１４０は、送信アレーアンテナ１３０と受信アレーアンテナ７３０との間に位置するように送信アレーアンテナ１３０の前方に配置される。レドーム１４０は、印加される電界の強度に応じて比誘電率が変化する液晶から構成された厚さＴの誘電体層１４０１と、この誘電体層１４０１に上記電界を印加するために誘電体層１４０１の両面に配置された一対の電極１４０２，１４０３とを有し、上記電界の強度に応じて、誘電体層１４０１内を伝搬する電波の位相を回転させる。送信アレーアンテナ１３０から送信された無線信号（電波）は、レドーム１４０を通過した後に伝搬空間に放射される。レドーム７４０もレドーム１４０と同様に構成される。
なお、この例に限定されず、誘電体層１４０１（７４０１）および電極１４０２，１４０３（７４０２，７４０３）は、レドーム本体とは別体に備えられてもよい。
【００５０】
通信装置７００が備えるレドーム７４０も上述のレドーム１４０と同様に、液晶から構成された厚さＴの誘電体層７４０１と、この誘電体層７４０１の両面に配置された一対の電極７４０２，７４０３とから構成される。このレドーム７４０は、受信アレーアンテナ７３０の前方に配置され、通信装置１００から通信装置７００に到来した無線信号は、レドーム７４０内を通過した後に受信アレーアンテナ７３０で受信される。
【００５１】
本実施形態では、送信アレーアンテナ１３０の各送信アンテナ素子から送信された無線信号が受信アレーアンテナ７３０の各受信アンテナに伝搬する過程で、この無線信号の伝搬に影響を与えないように、レドーム１４０（７４０）の誘電体層１４０１（７４０１）に電極１４０２，１４０３（７４０２，７４０３）を配置する。例えば、図２に示すように誘電体層１４０１（７４０１）の外周部に電極１４０２，１４０３（７４０２，７４０３）を配置する。ただし、この例に限定されず、位相回転部としての機能を阻害することなく、通信に必要とされる無線信号の信号強度が得られることを限度として、電極１４０２，１４０３（７４０２，７４０３）をどのように誘電体層１４０１（７４０１）に配置してもよい。
【００５２】
[動作の説明]
次に、本実施形態による無線通信システム１の動作を説明する。
送信機として機能する通信装置１００において、送信部１１１は、データ系列Ｓ１を取得し、符号化や変調等の処理を行って、データ系列Ｓ１の送信信号を生成してアンテナ素子１３１に出力する。同様に、送信部１１２はデータ系列Ｓ２を取得し、符号化や変調等の処理を行って、データ系列Ｓ２の送信信号を生成してアンテナ素子１３２に出力する。ここで、データ系列Ｓ１とデータ系列Ｓ２とは、互いに独立した系列であってもよいし、相関を有する系列であってもよい。
【００５３】
続いて、送信アンテナ素子１３１は、送信部１１１から出力された送信信号を無線信号（電波）として送信する。同様に、送信アンテナ素子１３２は送信部１１２から出力された送信信号を無線信号（電波）として送信する。これらの無線信号はレドーム１４０に入射される。
【００５４】
レドーム１４０では、位相差推定部７６０からフィードバックされる後述の位相差情報に基づいて実施される制御装置１５０の制御の下に誘電体層１４０１の電極１４０２と電極１４０３との間に電圧が印加される。この電圧により電極１４０２と電極１４０３との間の誘電体層１４０１の内部に形成される電界の強度に応じて、誘電体層１４０１の液晶の比誘電率εｒが変化する。誘電体層１４０１の液晶の比誘電率εｒが変化すると、この誘電体層１４０１の内部における電波の波長が変化する。ここで、無線通信システム１で使用する電波の周波数をｆ０とし、その自由空間波長をλ０とすると、誘電体層１４０１内では電波の波長が１／√εｒ倍に短縮される。以下では、誘電体層１４０１内における電波の波長を記号λで表す。即ち、λ＝λ０／√εｒなる関係が成り立つ。
【００５５】
誘電体層１４０１の液晶の比誘電率εｒに応じて波長λが変化すると、厚さＴの誘電体層１４０１の内部を伝搬する無線信号（電波）の位相回転量が変化する。従って、電極１４０２と電極１４０３との間に印加する電圧（電界強度）を制御し、誘電体層１４０１を構成する液晶の比誘電率εｒを変化させることにより、送信アレーアンテナ１３０と受信アレーアンテナ７３０との間における無線信号の位相回転量を変化させることができ、この無線信号のチャネルの位相差θＨを調整することができる。
【００５６】
図３は、本実施形態における各チャネルの誘電体層内における経路の一例を示し、チャネルの位相差の調整を説明するための説明図である。
図３に示すように、送信アンテナ素子１３１から受信アンテナ素子７３２への経路Ｐ２１は、アンテナ素子１３１からアンテナ素子７３１への経路Ｐ１１に対して角度θをなし、誘電体層１４０１の内部の伝搬距離はＴ／ｃｏｓθ（ここで、０度＜θ＜９０度）である。従って、アンテナ素子１３１からアンテナ素子７３１への経路Ｐ１１における誘電体層１４０１の内部（距離Ｔ）を伝搬する間の無線信号の位相回転量と、アンテナ素子１３１からアンテナ素子７３２への経路Ｐ２１における誘電体層１４０１の内部（距離Ｔ／ｃｏｓθ）を伝搬する間の無線信号の位相回転量との差は、Ｔ（１／ｃｏｓθ−１）／λ×３６０度である。
【００５７】
上述の誘電体層１４０１の内部における無線信号の波長λは、誘電体層１４０１の液晶の比誘電率εｒに応じて変化するため、この比誘電率εｒを変化させることにより、各経路を通って受信側に到来する無線信号の位相差θＨを制御することができる。即ち、送受信間隔Ｄが平面アレーアンテナの設計段階で想定された送受信間隔からずれ、チャネルの位相差θＨが、近距離ＭＩＭＯ伝送のチャネル容量が最大となる位相差θＨ＝９０度からずれた場合においても、アンテナ素子の間隔ｄを変えることなく、チャネルの位相差θＨを９０度に近づけることが可能になる。
【００５８】
一方、通信装置７００のレドーム７４０では、上述の通信装置１００のレドーム１４０と同様に、位相差推定部７６０からフィードバックされる後述の位相差情報に基づいて実施される制御装置７５０の制御の下に、電極７４０２と電極７４０３との間に印加する電圧（電界強度）を制御する。これにより、レドーム７４０を構成する誘電体層７４０１の液晶の比誘電率εｒを変化させ、受信アンテナアレー７３０に到来する無線信号のチャネルの位相差θＨを９０度に近づける。
【００５９】
次に、上述のチャネルの位相差θＨの調整に用いられる位相差情報のフィードバックについて説明する。
ここで、前述の図１３に示した送信アンテナ素子ＴＸＡ１，ＴＸＡ２と受信アンテナ素子ＲＸＡ１，ＲＸＡ２との間のチャネルの行列要素ｈｉｊを援用し、送信アンテナ素子１３１から受信アンテナ素子７３１へのチャネルの行列要素をｈ１１、送信アンテナ素子１３１から受信アンテナ素子７３２へのチャネルの行列要素をｈ２１、送信アンテナ素子１３２から受信アンテナ素子７３１へのチャネルの行列要素をｈ１２、送信アンテナ素子１３２から受信アンテナ素子７３２へのチャネルの行列要素をｈ２２と表す。
【００６０】
通信装置７００の位相差推定部７６０は、送信アレーアンテナ１３０の各送信アンテナ素子と受信アレーアンテナ７３０の各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差θＨを推定する。本実施形態では、位相差推定部７６０は、θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ２１／ｈ１１）＝ｔａｎ−１（ｈ１２／ｈ２２）なる関係式から位相差θＨを推定する。そして、位相差推定部７６０は、上記の推定した位相差θＨの情報を位相差情報として制御装置１５０および制御装置７５０にフィードバックする。
【００６１】
通信装置１００の制御装置１５０は、位相差推定部７６０により推定されたチャネルの位相差情報に基づいて、レドーム１４０が有する電極１４０２と電極１４０３との間に印加する電圧を制御する。同様に、制御装置７５０も位相差情報に基づいてレドーム７４０が有する電極７４０２と電極７４０３との間に印加する電圧を制御する。これにより、制御装置１５０および制御装置７５０は、それぞれ、誘電体層１４０１および誘電体層７４０１内の各電界強度を制御し、所望のチャネル容量が得られるようにチャネルの位相差θＨをフィードバック制御する。
【００６２】
本実施形態では、通信装置１００は、データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２を送信する前に、チャネルの位相差θＨを推定するためのトレーニング信号を送信する。そして、通信装置７００の位相差推定部７６０は、通信装置１００から送信されたトレーニング信号を用いて推定した位相差θＨの情報を上述の位相差情報として通信装置１００の制御装置１５０と通信装置７００の制御装置７５０にフィードバックする。制御装置１５０および制御装置７５０は、位相差推定部７６０からフィードバックされた位相差θＨの情報を基に、この位相差θＨが９０度に近づくように、レドーム１４０の電極１４０２と電極１４０３との間の電圧（電界強度）と、レドーム７４０の電極７４０２と電極７４０３との間の電圧（電界強度）の制御を行う。
なお、通信装置７００の位相差推定部７６０で推定した位相差情報を通信装置１００の制御装置１５０にフィードバックする手段および手法は、ＴＤＤ（時分割複信）やＦＤＤ（周波数分割複信）等、任意の手段および手法を用いることができ、特定の手段に限定されるものではない。
【００６３】
続いて、通信装置７００は、次に説明するように、通信装置１００から受信された無線信号から各系列のデータを抽出する。
受信アンテナ素子７３１と、受信アンテナ素子７３２とは、いずれも、送信アンテナ素子１３１から送信された無線信号と、送信アンテナ素子１３２から送信された無線信号とを、両無線信号が合成された無線信号として受信し、ウェイト演算回路７２０に出力する。即ち、受信アンテナ素子７３１は、送信アンテナ素子１３１から送信された無線信号と、送信アンテナ素子１３２から送信された無線信号とが合成された無線信号を受信する。また、受信アンテナ素子７３２も、送信アンテナ素子１３１から送信された無線信号と、送信アンテナ素子１３２から送信された無線信号とが合成された無線信号を受信する。
【００６４】
ウェイト演算回路７２０は、受信アンテナ素子７３１が受信した信号と受信アンテナ素子７３２が受信した信号に対して受信ウェイトを乗算することにより信号分離を行う。そして、ウェイト演算回路７２０は、上記の信号分離により、送信アンテナ素子１３１が送信した系列Ｓ１の信号に対応する系列Ｓ１’の信号を取得し、この系列Ｓ１’の信号を受信部７１１に出力する。また、ウェイト演算回路７２０は、上記の信号分離により、送信アンテナ素子１３２が送信したデータ系列Ｓ２の信号に対応する系列Ｓ２’の信号を取得し、この系列Ｓ２’の信号を受信部７１２に出力する。
【００６５】
受信部７１１は、ウェイト演算回路７２０から出力された系列Ｓ１’の信号に対して復調や復号等の処理を行って、データ系列Ｓ１’を生成する。受信部７１２は、ウェイト演算回路７２０から出力される系列Ｓ２’の信号に対して復調や復号等の処理を行って、データ系列Ｓ２’を生成する。
以上により、送信側の通信装置１００から送信されたデータ系列Ｓ１，Ｓ２が、受信側の通信装置７００において、データ系列Ｓ１’，Ｓ２’として復元される。
【００６６】
次に、図４のフローチャートを参照して、上述の動作手順を総括的に説明する。
まず、ステップＳ１０１において、通信装置１００はデータ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２の無線信号を送信する前に、トレーニング信号を送信する。続いて、ステップＳ１０２において、通信装置７００は通信装置１００から送信されたトレーニング信号を受信し、位相差推定部７６０で、各チャネルの位相差θＨを推定した後、この位相差θＨの情報を位相差情報として制御装置１５０，７５０にフィードバックする。
【００６７】
続いて、ステップＳ１０３において、制御装置１５０，７５０は、フィードバックされた位相差情報を基に、レドーム１４０の電極１４０２と電極１４０３との間に印加する電圧（電界強度）と、レドーム７４０の電極７４０２と電極７４０３との間に印加する電圧（電界強度）とを制御し、各アンテナ素子間のチャネルの位相差θＨを９０度に近づけるように制御する。続いて、ステップＳ１０４において、上述の位相差θＨの調節の後、通信装置１００はデータ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２の無線信号の送信を開始する。
【００６８】
なお、図１の構成では、送信側の通信装置１００および受信側の通信装置７００がそれぞれレドーム１４０およびレドーム７４０を具備し、送信側と受信側が共にレドームを構成する誘電体層の比誘電率を制御するが、通信装置１００または通信装置７００の何れか一方のみがレドームを具備し、その誘電体層の比誘電率を制御する構成としてもよい。
また、本実施形態では、チャネルの位相差θＨを推定するためにトレーニング信号を用いて各チャネルの位相差θＨを推定する場合を説明したが、トレーニング信号を用いずに各チャネルの位相差θＨを推定する、いわゆるブラインド推定を用いてもよい。
更に、本実施形態では、チャネルの位相差θＨを９０度に近づけるものとしたが、これに限定されることなく、チャネルの位相差θＨを任意の所望の値に近づけるものとしてもよい。後述する他の実施形態でも同様である。
【００６９】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
なお、説明の簡略化のため、第１の実施形態と装置構成と共通する要素については、図１に示す符号を援用して説明する。
【００７０】
上述の第１の実施形態では、誘電体層１４０１および誘電体層７４０１を構成する液晶の比誘電率を印加電界強度により制御するものとしたが、この誘電体層の比誘電率は誘電体層の温度を変化させることによっても制御することができる。そこで、第２の実施形態では、レドームを構成する誘電体層の比誘電率を温度により制御する。そのために、本実施形態による無線通信システムは、上述の図１に示す第１の実施形態による無線通信システム１の構成において、レドーム１４０，７４０のそれぞれを、図５に示すレドーム２４０に置き替えた装置構成を有する。また、本実施形態では、制御部１５０，７５０は、発熱部２４０２の発熱量を制御する点で第１の実施形態と相違する。
【００７１】
具体的には、本実施形態による無線通信システムは、上述の図１に示す第１の実施形態の構成において、レドーム１４０，７４０のそれぞれに代えて、レドーム２４０を備える。このレドーム２４０は、送信アレーアンテナ１３０と受信アレーアンテナ７３０との間に配置され、印加される温度に応じて比誘電率が変化する誘電体層２４０１と、この誘電体層２４０１に温度を印加するための発熱部２４０２とを有し、発熱部２４０２の発熱温度に応じて、誘電体層２４０１の内部を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部として機能する。また、本実施形態において、制御装置１５０，７５０は、位相差推定部７６０により推定された位相差に基づいて、レドーム２４０が有する発熱部２４０２の発熱量を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるようにチャネルの位相差を調整する位相差調整部として機能する。その他の装置構成は第１の実施形態と同一である。
【００７２】
図５は、第２の実施形態による無線通信システムを構成する各通信装置が備えるレドーム２４０の構成を示す説明図である。
送信側および受信側の各通信装置が備えるレドーム２４０は、誘電体層２４０１と、発熱温度が可変の発熱部（温度可変部）２４０２とから構成される。本実施形態では、発熱部２４０２は誘電体層２４０１の一面側に取り付けられている。ただし、この例に限定されず、誘電体層２４０１の両面に発熱部２４０２を取り付けてもよい。
なお、説明の簡略化のため、送信側の通信装置が備えるレドームと、受信側の通信装置が備えるレドームを符号２４０により表現するが、これら送信側および受信側の各通信装置が備えるレドームは別個の要素である。
【００７３】
送信側の通信装置が備えるレドーム２４０は、図１の送信アレーアンテナ１３０の前方に配置される。送信アレーアンテナ１３０から送信された無線信号は、レドーム２４０の内部を通過した後に伝搬空間に放射される。同様に、受信側の通信装置が備えるレドーム２４０は、図１の受信アレーアンテナ７３０の前方に配置される。受信側の通信装置に到来した無線信号は、この受信側の通信装置のレドーム２４０の内部を通過した後に図１に示す受信アレーアンテナ７３０で受信される。
【００７４】
送信側のレドーム２４０では、制御装置１５０により設定される温度に応じて、誘電体層１の比誘電率εｒが変化する。第１の実施形態において述べたように、誘電体層２４０１の内部を伝搬する無線信号（電波）の位相回転量は比誘電率εｒに応じて変化する。従って、発熱部２４０２の発熱量を制御することにより、誘電体層２４０１の温度を制御し、誘電体層２４０１の比誘電率εｒを変化させる。これにより、各経路を通って受信側の通信装置に到来する無線信号のチャネルの位相差θＨを制御することができ、アンテナ素子の間隔ｄを変えることなく各チャネルの位相差θＨを９０度に近づけることが可能になる。
【００７５】
一方、受信側の通信装置が備えるレドーム２４０では、送信側の通信装置が備えるレドーム２４０と同様、発熱部２４０２の発熱量を制御することにより、誘電体層２４０１の温度を制御し、誘電体層２４０１の比誘電率εｒを変化させる。これにより、各チャネルの位相差θＨを９０度に近づける。
【００７６】
送信側の制御装置および受信側の制御装置は、それぞれ、各チャネルの位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ２１／ｈ１１）＝ｔａｎ−１（ｈ１２／ｈ２２）の情報を基に、送信側のレドーム２４０の誘電体層２４０１および受信側のレドーム２４０の誘電体層２４０１の温度の制御を行う。より具体的には、送信側の通信装置は、データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２を送信する前に、チャネルの位相差θＨを推定するためのトレーニング信号を送信する。受信側の通信装置の位相差推定部７６０は、送信側の通信装置から送信されたトレーニング信号を用いてチャネルの位相差θＨを推定し、この推定した位相差θＨの情報を推定位相差情報として送信側の通信装置の制御装置１５０および受信側の通信装置の制御装置７５０にフィードバックする。送信側の制御装置１５０および受信側の制御装置７５０は、位相差推定部７６０からフィードバックされた位相差θＨの情報を基に、この位相差θＨが９０度に近づくように、発熱部２４０２の発熱量を制御し、誘電体層２４０１の温度の制御を行う。
【００７７】
次に、図６のフローチャートを参照して、本実施形態の無線通信システムの動作手順を総括的に説明する。基本的には、送信側および受信側の各通信装置が備えるレドームを構成する誘電体層の比誘電率を温度により制御する点を除けば、上述の第１実施形態と同様である。
【００７８】
まず、ステップＳ２０１において、送信側の通信装置は、データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２の無線信号を送信する前に、トレーニング信号を送信する。続いて、ステップＳ２０２において、受信側の通信装置は、送信側の通信装置から送信されたトレーニング信号を受信し、位相差推定部７６０において、各チャネルの位相差θＨを推定した後、位相差θＨの情報を位相差情報として送信側の制御装置１５０と受信側の制御部７５０にフィードバックする。
【００７９】
続いて、ステップＳ２０３において、制御装置１５０，７５０は、フィードバックされた位相差情報を基に、受信側および送信側の通信装置が有する各レドーム２４０の発熱部２４０２の発熱量を制御し、各アンテナ素子間のチャネルの位相差θＨを９０度に近づける。続いて、ステップＳ２０４において、上述の位相差θＨの調整の後、送信側の通信装置は、データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２の無線信号の送信を開始する。
【００８０】
なお、第１の実施形態と同様、送信側の通信装置または受信側の通信装置の何れか一方のみがレドーム２４０を具備し、その誘電体層の比誘電率を制御する構成としてもよい。
また、第１の実施形態と同様、チャネルの位相差θＨを推定するアルゴリズムは、トレーニング信号を用いないブラインド推定であってもよい。
【００８１】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。
上述の第１の実施形態および第２の実施形態では、レドーム１４０，７４０，２４０の形状を平板状とし、この平板状のレドームの誘電体層の比誘電率を制御するものとしたが、第３の実施形態では、レドームを構成する誘電体層の形状を平板状以外の形状に加工することにより、チャネルの位相差θＨを調整する。本実施形態では、アンテナ素子の正面方向に比べて斜め方向に、より厚さのある形状を有する誘電体層で構成されるレドームを使用する。このレドームを構成する誘電体層の形状に関する構成を除けば、本実施形態による無線通信システムの構成は、上述の第１または第２の実施形態と同様である。
【００８２】
図７は、第３の実施形態による無線通信システムが備えるレドーム３４０の構成を示す説明図である。図７に示すように、レドーム３４０を構成する誘電体層３４０１の厚さに関して、送信アンテナ素子１３１，１３２の正面方向に位置する部分３４０２，３４０３の厚さをＴａとし、正面方向以外の部分における誘電体層３４０１の厚さをＴとしたときに、Ｔ＞Ｔａの関係が成り立つ。即ち、誘電体層３４０１は、アンテナ素子の正面方向における厚さＴａが他の部分の厚さＴよりも小さく設定された形状を有している。
【００８３】
このような構成において、送信アンテナ素子の斜め方向に向かう経路、すなわち送信アンテナ素子１３１から受信アンテナ素子７３２への経路Ｐ２１または送信アンテナ素子１３２から受信アンテナ素子７３１への経路１２における誘電体層３４０１の内部の伝搬距離は、Ｔ／ｃｏｓθである。ここで、θは、経路Ｐ１１と経路Ｐ２１との間の角度また、あ経路Ｐ２２と経路Ｐ１２との間の角度であり、０度＜θ＜９０度の範囲の値をとる。また、アンテナ素子の正面方向の経路、すなわち送信アンテナ素子１３１から受信アンテナ素子７３１への経路Ｐ１１または送信アンテナ素子１３２から受信アンテナ素子７３２への経路Ｐ２２における誘電体層３４０１の内部の伝搬距離はＴａである。
【００８４】
従って、送信アンテナ素子の正面方向の経路における誘電体層３４０１の内部を伝搬する無線信号の位相回転量と、送信アンテナ素子の斜め方向の経路における誘電体層３４０１の内部を伝搬する無線信号の位相回転量との差は、（Ｔ／ｃｏｓθ−Ｔａ）／λ×３６０度である。ここで、Ｔ＞Ｔａであるため、上述の第１の実施形態および第２の実施形態におけるレドーム１４０，２４０，７４０による位相回転量の差Ｔ（１／ｃｏｓθ−１）／λ×３６０度より大きな値となり、誘電体層３４０１の比誘電率εｒの変化による各経路の位相差θＨの変化も大きくなる。従って、本実施形態によれば、第１の実施形態および第２の実施形態における平板状のレドームを用いる場合よりも、位相差θＨをより９０度に近づけることができる。
【００８５】
このように、本実施形態による誘電体層３４０１は、相互に対向する配置関係にある送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の第１経路（例えば経路Ｐ１１）と、相互に斜め方向に位置する配置関係にある送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の第２経路（例えば経路Ｐ２１）とでは、誘電体層３４０１の厚さが異なる形状を有している。
【００８６】
なお、本実施形態では、図７に示すように、送信アンテナ素子の正面方向に比べて斜め方向に、より厚さのある形状の誘電体層３４０１から構成されるレドーム３４０を使用する場合について説明してきたが、この例に限定されることなく、チャネル容量の低下が抑制されるようにチャネルの位相差を調整することができることを限度として、送信アンテナ素子の斜め方向に比べて正面方向において厚さが大きい形状であってもよい。また、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の位置関係に応じて、２種類の厚さ（ＴおよびＴａ）を有する形状の誘電体層３４０１から構成されたレドーム３４０について説明してきたが、アンテナ素子の正面方向の厚さと斜め方向の厚さに差異がある形状であれば、その厚さの種類の数は任意である。
【００８７】
＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。
上述の第１から第３の実施形態では、送信アンテナ素子の正面方向にも誘電体層が存在し、対向する受信アンテナ素子に無線信号が到来する過程で誘電体層の内部を無線信号が伝搬する構成であるが、第４の実施形態では、送信アンテナ素子（即ち、受信アンテナ素子）の正面方向のみにおいて誘電体材料が存在しない形状を有する誘電体層から構成されたレドームを使用する場合について説明する。その他の構成については、上述の第１から第３の実施形態と同様である。
【００８８】
図８は、第４の実施形態におけるレドーム４４０の構成を示す説明図である。
図８（ａ）に示すように、送信アンテナ素子１３１，１３２の正面方向、すなわちアンテナ素子１３１から受信アンテナ素子７３１への経路Ｐ１１と、送信アンテナ素子１３２から受信アンテナ素子７３２への経路Ｐ２２において、レドーム４４０を構成する誘電体層４４０１には空洞４４０２，４４０３が形成されている。この空洞４４０２，４４０３は、図８（ｂ）に示すように、誘電体層４４０１の一面から他面に貫通する貫通孔として形成されている。送信アンテナ素子１３１と送信アンテナ素子１３２から送信された無線信号は、それぞれ、誘電体層４４０１を形成する誘電体材料の内部を伝搬することなく、空洞内の空間を伝搬して受信アンテナ素子７３１および受信アンテナ素子７３２に到来する。
【００８９】
一方、上述の第１から第３の実施形態と同様に、送信アンテナ素子の斜め方向、すなわち送信アンテナ素子１３１から受信アンテナ素子７３２への経路Ｐ２１、または送信アンテナ素子１３２から受信アンテナ素子７３１への経路Ｐ２２における誘電体層４４０１の内部の無線信号の伝搬距離はＴ／ｃｏｓθ（ここで、０度＜θ＜９０度）である。
従って、アンテナ素子の斜め方向でのみ、誘電体層４４０１の比誘電率εｒの変化によって無線信号の位相回転量が変化するため、第１から第３の実施形態におけるレドームを使用する場合よりも、各経路のチャネルの位相差θＨの変化も大きくなり、このチャネルの位相差θＨをいっそう９０度に近づけることができる。
【００９０】
このように、本実施形態による誘電体層４４０１は、相互に対向する配置関係にある送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の第１経路（例えば、経路Ｐ１１）に沿って空洞（例えば、空洞４４０２）が形成されると共に、相互に斜め方向に位置する配置関係にある送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の第２経路（例えば、経路Ｐ２１）に誘電体材料が位置する構造を有する。
【００９１】
なお、本実施形態では、図８に示すように、送信アンテナ素子１３１，１３２の正面方向にのみ空洞が形成された形状を有する誘電体層４４０１を備えたレドーム４４０を使用する場合について説明してきたが、チャネル容量の低下が抑制されるようにチャネルの位相差を調整することができることを限度として、アンテナ素子の斜め方向にのみ空洞が形成された形状を有する誘電体層であってもよい。即ち、本実施形態による誘電体層４４０１は、相互に斜め方向に位置する配置関係にある送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の第２経路（例えば、経路Ｐ２１）に沿って空洞（図示なし）が形成されると共に、相互に対向する配置関係にある送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の第１経路（例えば、経路Ｐ１１）に誘電体材料が位置する構造を有してもよい。
【００９２】
＜第５の実施形態＞
次に、本発明の第５の実施形態を説明する。
前述の第３の実施形態では、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との位置関係に応じて厚さが異なる形状を有する誘電体層３４０１を備えたレドーム３４０を使用する場合を説明し、第４の実施形態では、送信アンテナ素子の正面方向もしくは斜め方向の何れかのみに誘電体材料が存在しない空洞が形成された形状を有する誘電体層４４０１を備えたレドーム４４０を使用する場合を説明したが、第５の実施形態では、送信アンテナ素子の正面方向と斜め方向とで異なる種類の誘電体材料により構成される誘電体層を備えたレドームを使用する場合について説明する。その他の構成については、上述の第３または第４の実施形態と同様である。
【００９３】
図９は、第５の実施形態におけるレドーム５４０の構成を示す説明図である。
図９に示すように、レドーム５４０は、送信アンテナ素子の正面方向、すなわち送信アンテナ素子１３１から受信アンテナ素子７３１への経路Ｐ２１において誘電体材料５４０２（比誘電率εｒ１）からなる誘電体層と、送信アンテナ素子１３２から受信アンテナ素子７３２への経路Ｐ２２において誘電体材料５４０３（比誘電率εｒ１）からなる誘電体層とを備える。加えて、レドーム５４０は、アンテナ素子の斜め方向、すなわち送信アンテナ素子１３１から受信アンテナ素子７３２への経路Ｐ２１および送信アンテナ素子１３２から受信アンテナ素子７３２への経路Ｐ１２において誘電体材料５４０１（比誘電率εｒ２）からなる誘電体層を備える。
【００９４】
ここで、誘電体材料５４０２および誘電体材料５４０３は同一種類の誘電体材料であり、これら誘電体材料５４０２，５４０３は、誘電体材料５４０１とは種類の異なる誘電体材料（即ち、比誘電率が異なる材料）である。本実施形態では、送信アンテナ素子の正面方向と斜め方向とで異なる２種類の誘電体材料を使用し、これらの誘電体材料の比誘電率を変化させることで、各アンテナ素子間のチャネルの位相差θＨを９０度に近づけるように調整する。
【００９５】
このように、本実施形態によるレドーム５４０が備える誘電体層は、相互に対向する配置関係にある送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の第１経路（例えば、経路Ｐ２１）と、相互に斜め方向に位置する配置関係にある送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の第２経路（例えば、経路Ｐ２１）とでは比誘電率が異なる種類の誘電体材料から構成される。本実施形態によれば、各誘電体材料の比誘電率を選択すれば、上述の第３または第４の実施形態に比較して、よりいっそうチャネルの位相差θＨを９０度に近づけるように調整することが可能になる。
【００９６】
＜第６の実施形態＞
次に、本発明の第６の実施形態を説明する。
上述の第１から第５の実施形態では、レドームを構成する誘電体層の比誘電率εｒを変化させることで、各アンテナ素子間のチャネルの位相差θＨを調整するものであったが、第６の実施形態では、送受信間隔Ｄが平面アレーアンテナの設計段階で想定した送受信間隔からずれた場合においても、誘電体層の比誘電率εｒを変えることなく、誘電体層の形状によりチャネルの位相差θＨを９０度からずれることを防ぐ。
【００９７】
図１０は、第６の実施形態におけるレドーム６４０の構成を示す説明図である。レドーム６４０を構成する誘電体層６４０１，６４０２は、送受信間隔Ｄと、素子間隔ｄと、電波の誘電体層の内部における波長λと、アンテナ素子からの角度θとの関係から決定される曲面を含む形状を有する。
【００９８】
以下、誘電体層６４０１，６４０２が有する曲面の構成について説明する。
或るアンテナ素子の間隔ｄを有するアレーアンテナを使用する場合に、送受信間隔Ｄが変化すると、各アンテナ素子間のチャネルの位相差θＨがチャネル容量が最大となる最適な９０度からずれると共に、斜め方向に位置する送受アンテナ素子間の経路も変化する。すなわち、送信アンテナ素子から受信アンテナ素子を観たときの方向の角度が変化し、このため、誘電体層の内部の無線信号の伝搬経路が変化する。
【００９９】
そこで、本実施形態では、レドーム６４０を構成する誘電体層６４０１，６４０２は、それぞれ、送受信間隔Ｄが変化しても、各チャネルの位相差θＨが９０度で一定となるよう、送信アンテナ素子から受信アンテナ素子を観た方向の角度θに応じて誘電体層内部の無線信号の伝搬距離が異なる曲面の形状を有している。これにより、送受信間隔Ｄが変化した場合においても、各チャネルの位相差θＨが９０度となる経路を通って無線信号が受信アンテナ素子に到来するため、第１から第５の実施形態とは異なり、誘電体層の比誘電率εｒを変えることなく、送受信間隔Ｄのずれに対応することができる。
【０１００】
図１０に示す例では、送受信間隔Ｄが変化すると、例えば送信アンテナ素子１３１から受信アンテナ素子７３２を観た方向の角度θが変化する。この角度θの変化に応じて、例えば送信アンテナ素子１３１から斜め方向の受信アンテナ素子７３２へ向かう経路Ｐ２１上の誘電体層６４０１の内部の無線信号の伝搬経路長Ｔｘが、その曲面の形状により、各チャネルの位相差θＨが９０度となるように変化する。従って、送受信間隔Ｄが変化しても、チャネルの位相差θＨが９０度に維持され、チャネル容量の低下が防止される。
【０１０１】
図１１は、本実施形態における無線通信システムの概略構成を示す構成図である。本実施形態における無線通信システムは、前述の図１に示す第１の実施形態の構成において、レドーム１４０，７４０に代えて、送信機として機能する通信装置１００が、図１０に示すレドーム６４０を備える。また、受信機として機能する通信装置７００はレドーム７６４を備えるが、このレドーム７６４は、基本的には、レドーム６４０と同様に、チャネルの位相差θＨが９０度に維持されるような曲面を有する誘電体層から構成されている。
【０１０２】
このように、本実施形態による無線通信システムは、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間に配置された誘電体層からなるレドーム６４０，７６４を備え、この誘電体層は、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間の送受信間隔Ｄの変化に対して、送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差θＨを、チャネル容量を最大にする略一定の位相差（例えば、９０度）に保つように形成された曲面を含む形状を有する。
【０１０３】
本実施形態によれば、レドーム６４０，７６４の比誘電率εｒを制御する必要がないので、図１に示されるような制御装置１５０，７５０や位相差推定部７６０を備える必要がなく、無線通信システムの構成を簡略化することができる。その他については、第１の実施形態と同様である。
【０１０４】
上述の本発明の第１から第６の実施形態では、本発明を無線通信システムとして説明したが、本発明は無線通信方法として表現することもできる。この場合、本発明は、上述の第１から第５の実施形態の無線通信システムに対応する無線通信方法として、例えば、複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナと、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、印加される電界の強度または温度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記電界を印加するための一対の電極または前記誘電体層に前記温度を印加するための発熱部とを有し、前記電界の強度または前記温度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部とを備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定段階と、前記位相差推定段階で推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記一対の電極間の電圧または前記発熱部の発熱量を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整段階と、を含むことを特徴とする無線通信方法として表現することができる。
【０１０５】
また、本発明は、上述の第６の実施形態の無線通信システムに対応する無線通信方法として、例えば、複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナと、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置された誘電体層を有し、前記誘電体層を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部とを備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、前記位相回転部により、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を制御する段階を含み、前記誘電体層は、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間の送受信間隔の変化に対して、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を、チャネル容量を最大にする略一定の位相差に保つ曲面を含む形状を有することを特徴とする無線通信方法として表現することができる。
【０１０６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意の変形や修正が可能である。
例えば、上述の実施形態では、誘電体層として液晶を用いる場合を説明したが、この例に限定されることなく、比誘電率を変化させて制御することができるものであれば、どのような誘電体材料を使用してもよい。
また、上述の実施形態では、通信装置１００を送信機とし、通信装置７００を受信機として説明したが、通信装置１００，７００のそれぞれを送信機能と受信機能の双方を有する送受信機として構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０７】
１…無線通信システム、１００，７００…通信装置、１１１，１１２…送信部、１３０…送信アレーアンテナ、１３１，１３２…送信アンテナ素子、１４０，２４０，３４０，４４０，５４０，６４０，７４０，７６４…レドーム、１５０，７５０…制御装置、７１１，７１２…受信部、７２０…ウェイト演算回路、７３０…受信アレーアンテナ、７３１，７３２…受信アンテナ素子、７６０…位相差推定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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】
2014027347.tif 000018
【図１０】
2014027347.tif 000019
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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