(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子と、
前記アンテナ素子の背面側に所定距離離れて配置された反射素子と、
前記アンテナ素子の正面側に所定距離離れて配置された導波素子と、を備えたアンテナ装置であって、
前記複数のアンテナ素子のうちの近接する２個のアンテナ素子間の距離をＬａ、前記２個のアンテナ素子を結ぶ線分と前記導波素子との距離をＬｃ、前記アンテナ素子と前記反射素子との距離をＬｒ、電波の波長をλとして、
λ／２＞Ｌｃ＋Ｌｒ＞λ／８、
Ｌｃ≒Ｌｒ、
λ／２＞Ｌａ＞λ／８、
を満たすように、
前記アンテナ素子、前記導波素子、及び前記反射素子を配置したことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記反射素子は平板状の主表面を有し、
前記複数のアンテナ素子はいずれも前記反射素子の主表面からの距離が等しくなるように配置され、
前記導波素子は前記複数のアンテナ素子のうちの近接する２個のアンテナ素子から等しい距離に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
３個以上のアンテナ素子を備え、それぞれ隣接する２個のアンテナ素子に対応して１つの導波素子をそれぞれ配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記反射素子を挟んで前記アンテナ素子及び前記導波素子と対称な位置に、別のアンテナ素子及び導波素子を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置を備え、前記アンテナ素子を基準にした電波の到来角度θ（ｒａｄ）を、前記複数のアンテナ素子間での電波の位相差Δφ（ｒａｄ）を用いて、θ＝ａ・Δφ  （ａは定数）、により算出することを特徴とした到来角度算出装置。
【請求項６】
前記アンテナ装置のインピーダンス整合をとる整合回路を備えたことを特徴とする請求項５に記載の到来角度算出装置。
【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を有しアンテナ素子間の位相差を検出可能なアンテナ装置及びアンテナ素子間の位相差を検出して電波到来角度を算出する到来角度算出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の到来方向推定装置においては、相互相関係数の算出や逆行列演算等の演算量の大きい演算が用いられており、数百シンボル分もの演算が必要であった。このため、簡便な演算で到来方向を推定できる到来方向推定装置が望まれていた。【０００３】
特許文献１において、演算規模を縮小した到来方向推定装置が提案されている。特許文献１に記載の到来方向推定装置では、２つのアンテナ素子で受信した受信信号に対して、複素共役回路と乗算回路とによって到来方向の係数を算出し、到来方向検出回路において逆正接演算と逆余弦演算とを行うことにより、受信波の到来方向を推定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１７７０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１の方法は、相互相関係数の算出や逆行列演算等を行う場合と比較して演算量を小さくできる。しかしながら、この方法では、逆正接演算及び逆余弦演算の少なくとも２種類の逆三角関数の演算を行うため、演算負荷を十分に低減することができず到来方向の算出にある程度の時間を要する。そのため、到来方向がリアルタイムに変化する場合などにおいては、必要な到来方向の情報を取得できないといった問題が生じる。また、従来のアンテナ装置を用いる到来角度算出装置では、電波の到来角度が広角になると到来角度検出の誤差が大きくなるという問題がある。【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、演算負荷を低減して到来角度の算出に要する時間を短縮可能なアンテナ装置及び到来角度算出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】
【０００７】
本発明のアンテナ装置は、 複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子の背面側に所定距離離れて配置された反射素子と、前記アンテナ素子の正面側に所定距離離れて配置された導波素子と、を備えたアンテナ装置であって、前記複数のアンテナ素子のうちの近接する２個のアンテナ素子間の距離をＬａ、前記２個のアンテナ素子を結ぶ線分と前記導波素子との距離をＬｃ、前記アンテナ素子と前記反射素子との距離をＬｒ、電波の波長をλとして、λ／２＞Ｌｃ＋Ｌｒ＞λ／８、Ｌｃ≒Ｌｒ、λ／２＞Ｌａ＞λ／８を満たすように、前記アンテナ素子、前記導波素子、及び前記反射素子を配置したことを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、電波の到来角度と、アンテナ素子間における電波の位相差との線形性を高めると共に、電波の受信性能を向上することができるため、到来角度算出精度を高めることができる。電波の到来角度と位相差との線形性を高められるので、電波到来角度が広角であっても、高い到来角度算出精度を実現できる。
【００１０】
本発明のアンテナ装置において、前記反射素子は平板状の主表面を有し、前記複数のアンテナ素子はいずれも前記反射素子の主表面からの距離が等しくなるように配置され、前記導波素子は前記複数のアンテナ素子のうちの近接する２個のアンテナ素子から等しい距離に配置されても良い。【００１１】
本発明のアンテナ装置において、３個以上のアンテナ素子を備え、それぞれ隣接する２個のアンテナ素子に対応して１つの導波素子をそれぞれ配置することが好ましい。この構成によれば、複数の位相差情報を取得できるため、マルチパスの影響を受けた位相差情報を取り除いて到来角度算出精度を高めることができる。【００１２】
本発明のアンテナ装置において、前記反射素子を挟んで前記アンテナ素子及び前記導波素子と対称な位置に、別のアンテナ素子及び導波素子を配置することが好ましい。この構成によれば、全方位からの電波を適切に受信できるようになるため、電波の到来方向に関わらず到来角度を算出できる。【００１３】
本発明の到来角度算出装置は、上述したいずれかに記載のアンテナ装置を備え、前記アンテナ素子を基準にした電波の到来角度θ（ｒａｄ）を、前記複数のアンテナ素子間での電波の位相差Δφ（ｒａｄ）を用いて、θ＝ａ・Δφ  （ａは定数）、により算出することを特徴とした到来角度算出装置である。この構成によれば、演算負荷を低減して到来角度の算出に要する時間を短縮可能な当該角度算出装置を実現できる。
【００１４】
本発明の到来角度算出装置において、前記アンテナ装置のインピーダンス整合をとる整合回路を備えても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、演算負荷を低減して到来角度の算出に要する時間を短縮可能、且つ、広角でも電波の到来角度を精度よく算出可能なアンテナ装置及び到来角度算出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態に係るアンテナ装置の構成例を示す斜視図である。
【図２】実施の形態に係るアンテナ装置の各構成の配置例を示す模式図である。
【図３】実施の形態に係るアンテナ装置の放射利得パターン図である。
【図４】電波の到来角度と、アンテナ間における電波の位相差との関係を示す特性図である。
【図５】電波の到来角度と、アンテナ間における電波の位相差との関係を示す模式図である。
【図６】アンテナ装置における各構成の配置と線形性との関係を示すテーブルである。
【図７】アンテナ装置における各構成の配置と反射特性との関係を示すテーブルである。
【図８】アンテナ装置において高い線形性及び所定の反射特性が得られる範囲を示すテーブルである。
【図９】実施の形態に係る到来角度算出装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０】実施の形態に係る到来角度算出装置の具体的構成（ＤＳＳＳ）を示すブロック図である。
【図１１】到来角度算出装置を含む位置検出システムの例を示す模式図である。
【図１２】実施の形態に係る到来角度算出装置の変形例を示すブロック図である。
【図１３】到来角度算出装置に用いられる整合回路の構成例を示す回路図である。
【図１４】整合回路が併用される場合のアンテナ装置における各構成の配置と線形性との関係を示すテーブルである。
【図１５】整合回路が併用される場合のアンテナ装置における各構成の配置と反射特性との関係を示すテーブルである。
【図１６】整合回路が併用される場合のアンテナ装置において高い線形性及び所定の反射特性が得られる範囲を示すテーブルである。
【図１７】変形例に係るアンテナ装置の各構成の配置例を示す模式図である。
【図１８】変形例（逆Ｆ型）に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図１９】変形例（逆Ｌ型）に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図２０】変形例（短縮ダイポール型）に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態に係る到来角度算出装置に用いられるアンテナ装置の構成例を示す斜視図である。図１Ａは、アンテナ装置の主な構成要素を示した概念図であり、図１Ｂは、アンテナ装置の主な構成要素の支持構造まで含めた斜視図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態に係るアンテナ装置１１は、それぞれダイポールアンテナを構成する２個のアンテナ素子１１１、１１２と、アンテナ素子１１１、１１２の双方から略等距離の位置に配置される導波素子１１３と、アンテナ素子１１１、１１２を挟んで導波素子１１３と反対側に配置される反射素子１１４とを備える。
【００１９】
アンテナ素子１１１、１１２は、長辺がＹ方向に延びる長方形状をなす薄板状の導電部材により構成されたダイポールアンテナである。２つのアンテナ素子１１１、１１２は、Ｙ方向と直交するＸ方向に所定距離離れて配置されている。アンテナ素子１１１、１１２は、中央部分に給電点１１１ａ、１１２ａを有しており、この給電点１１１ａ、１１２ａに反射素子１１４の背面に設けられた回路基板（不図示）から伸びる信号ライン（不図示）が接続される。回路基板は、後述する到来角度算出装置の回路部品が実装された基板であり、高周波信号を送受信するための受信部が設けられている。なお、アンテナ素子１１１、１１２の構成は長方形状の薄板状導電部材に限られない。例えば、アンテナ素子１１１、１１２は、ワイヤ状の導電部材などで構成されていても良い。また、アンテナ素子１１１、１１２は、ダイポールアンテナ以外であっても良い。
【００２０】
導波素子１１３は、アンテナ素子１１１、１１２の延在方向（Ｙ方向）に略平行に延在する導電部材で構成されており、アンテナ素子１１１、１１２との距離が略等しくなるように配置されている。図１に示す例では、アンテナ素子１１１とアンテナ素子１１２との間のＸ方向の中間であって、Ｙ方向において反射素子１１４とは逆側に所定距離だけ離れた位置に配置されている。なお、導波素子１１３の構成は棒形状に限られない。導波素子１１３は、少なくともアンテナ素子１１１、１１２の延在方向に略平行に延在するように構成されていれば良い。
【００２１】
反射素子１１４は、ＸＹ平面と略平行な主表面１１４ａを有する板状の導電部材により構成されており、各アンテナ素子１１１、１１２と主表面１１４ａとの距離が略等しくなるように配置されている。また、反射素子１１４は、アンテナ素子１１１及びアンテナ素子１１２に関して導波素子１１３とは反対側に配置されている。この反射素子１１４で反射された電波は、アンテナ素子１１１、１１２に向けて放射される。このため、アンテナ素子１１１、１１２における受信電波は増幅されて受信信号強度が高まり、到来角度算出精度を高めることができる。ただし、反射素子１１４の構成はこれに限られない。反射素子１１４は、少なくともアンテナ素子１１１、１１２に対して電波を反射できるように構成されていれば良い。
【００２２】
なお、図１Ｂに示すように、アンテナ装置１１は、アンテナ素子１１１を支持する側板１１５、アンテナ素子１１２を支持する側板１１６、及び導波素子１１３を支持する平板１１７を備えている。ただし、アンテナ素子１１１、１１２、導波素子１１３を支持する構造はこれに限定されない。
【００２３】
図２は、アンテナ装置１１における各構成要素（アンテナ素子１１１、１１２、導波素子１１３、反射素子１１４）の配置関係を示す模式図であり、各構成要素（アンテナ素子１１１、１１２、導波素子１１３、反射素子１１４）を図１に示すＸＺ平面上に投影した位置を示している。図２において、アンテナ素子１１１とアンテナ素子１１２との間のＸ方向の間隔をＬａとする。また、アンテナ素子１１１及びアンテナ素子１１２と導波素子１１３とのＺ方向の間隔をＬｃとする。また、アンテナ素子１１１及びアンテナ素子１１２と反射素子１１４とのＺ方向の間隔をＬｒとする。また、電波の波長をλとする。
【００２４】
本実施の形態のアンテナ装置１１は、アンテナ素子１１１、１１２、導波素子１１３、反射素子１１４を、下記の条件式（１）〜（３）で表される関係を満たすように配置することで、アンテナ素子１１１、１１２を基準にした電波の到来角度と、アンテナ素子１１１、１１２間での電波の位相差との関係が線形になるようにしている。
λ／２＞Ｌｃ＋Ｌｒ＞λ／４    （１）
Ｌｃ≒Ｌｒ                    （２）
λ／２＞Ｌａ＞λ／８          （３）
【００２５】
図３は、上述の条件を満たすアンテナ装置１１の放射利得パターン図である。放射利得パターンは、各方位に対するアンテナ装置の送信電力を表すと同時に、各方位から受信する受信電力を表す。図３は、導波素子１１３側を０°とし、反射素子１１４側を１８０°（−１８０°）として示している。図３から、導波素子１１３側（−９０°〜９０°）では十分な利得が得られることが判る。一方、反射素子１１４側では、１８０°（−１８０°）方向に近づくにつれて利得は低下している。
【００２６】
図４は、電波の到来角度と、アンテナ素子間における電波の位相差との関係を示す特性図である。図４において、実線Ｌ１は、本実施の形態に係るアンテナ装置１１の位相差−到来角度特性を示し、破線Ｌ２は、アンテナ素子のみで構成された従来のアンテナ装置の位相差−到来角度特性を示す。図４から判るように、従来のアンテナ装置は、到来角度と位相差との間に正弦関数で表現される関係を有する。また、従来のアンテナ装置において、到来角度が広角になると位相差が非線形になり、９０°近傍では位相差が反転（＋１８０°から−１８０°へ急激に変化）しているのが判る。このような従来のアンテナ装置を用いる到来角度算出装置では、電波の到来角度が広角になると到来角度検出の誤差が大きくなるという問題がある。
【００２７】
一方、本実施の形態に係るアンテナ装置１１は、到来角度と位相差との間に略線形の関係を有し、また、−９０°〜＋９０°の範囲において位相差が反転しない状態となっている。このため、本実施の形態に係るアンテナ装置１１を用いてアンテナ間の位相差を検出すれば、到来角度算出装置において到来角度検出の誤差を抑制可能であると共に演算負荷を軽減できる。
【００２８】
図５は、電波の到来角度と、アンテナ素子間における電波の位相差との関係を示す模式図である。図５Ａは従来のアンテナ装置の特性図であり、図５Ｂは本実施の形態に係るアンテナ装置１１の特性図である。従来のアンテナ装置において、位相差Δφ（ｒａｄ）は、例えば、到来角度θ（ｒａｄ）の正弦関数で表現される。このため、到来角度θ（ｒａｄ）は、下記の式（４）のような逆正弦関数で表される。式（４）において、ｄ（ｍ）はアンテナ間の距離であり、λ（ｍ）は電波の波長である。この場合、位相差情報を元に到来角度を算出するためには逆正弦演算を行う必要が生じる。
【数１】
0005873509.tif 000002
【００２９】
一方、本実施の形態に係るアンテナ装置１１において、到来角度θ（ｒａｄ）と位相差Δφ（ｒａｄ）との関係は、例えば、下記の式（５）のように略線形に近似される。式（５）において、ａは定数（比例定数）である。この場合、位相差情報を元に到来角度を算出するために逆正接演算を行う必要がなくなる。
【数２】
0005873509.tif 000003
【００３０】
このように、本実施の形態に係るアンテナ装置１１は、電波の到来角度と、アンテナ素子間における電波の位相差との関係を略線形にできるため、逆三角関数の演算処理を行う必要がなく、到来角度の算出に係る演算処理を簡略化できる。これにより、到来角度算出装置の演算負荷を低減して到来角度の算出に要する時間を短縮できる。
【００３１】
図６は、２．４ＧＨｚ帯の電波（λ≒１２０（ｍｍ））を使用した場合のアンテナ装置１１における各構成要素の配置と線形性との関係を示すテーブルである。各テーブルにおいて、行はアンテナ素子と反射素子との距離Ｌｒについて示し、列はアンテナ素子を含む平面と導波素子との距離Ｌｃについて示している。図６Ａ〜図６Ｅは、それぞれ、アンテナ素子間の距離Ｌａを１５ｍｍ、３０ｍｍ、３６ｍｍ、３８ｍｍ、４０ｍｍとした場合の線形性を示す。線形性は、近似直線からのずれを示す指標である。１００に近いほど線形性は高い。バツ印は、測定範囲（±９０°の位相差範囲）において位相が反転し、適切な位相差情報が得られなかったことを示している。
【００３２】
図７は、２．４ＧＨｚ帯の電波を使用した場合のアンテナ装置１１における各構成要素の配置とアンテナ素子の反射特性との関係を示すテーブルである。各テーブルにおいて、行はアンテナ素子と反射素子との距離Ｌｒについて示し、列はアンテナ素子を含む平面と導波素子との距離Ｌｃについて示している。図７Ａ〜図７Ｅは、それぞれ、アンテナ素子間の距離Ｌａを１５ｍｍ、３０ｍｍ、３６ｍｍ、３８ｍｍ、４０ｍｍとした場合のアンテナ素子の反射特性を示している。ここでは、２．４ＧＨｚ帯（詳細には、２４００（ＭＨｚ）〜２４８０（ＭＨｚ））におけるアンテナ素子の反射特性が−６ｄＢより大きい場合をバツ印で、−１０ｄＢ以上−６ｄＢ以下の場合を三角印で、−１０ｄＢより小さい場合を丸印で、それぞれ示す。テーブル中の斜線は、適切なデータが取得できなかったことを示す。
【００３３】
図８は、高い線形性及び所定の反射特性が得られる範囲を示すテーブルである。図８は、図６及び図７の特性に基づいて作成している。図８Ａ〜図８Ｃは、それぞれ、アンテナ素子間の距離Ｌａを３６ｍｍ、３８ｍｍ、４０ｍｍとした場合を示している。各テーブルにおいて、行はアンテナ素子と反射素子との距離Ｌｒについて示し、列は２個のアンテナ素子を結ぶ線分と導波素子との距離Ｌｃについて示し、行と列との交差部分の数値はＬｃ＋Ｌｒの値を示す。また、各テーブルにおいて、Ｌｃ＞Ｌｒの領域にハッチングを付しており、高い線形性（図６において線形性が８５以上）及び所定の反射特性（図７において三角印又は丸印）を有する領域は太線で囲んでいる。
【００３４】
図６、図７、及びこれらに基づいて作成した図８から、高い線形性及び所定の反射特性を併せ持つ領域は、Ｌｃ＞Ｌｒの領域とＬｃ＜Ｌｒの領域との境界付近に存在していることが判る。このように、高い線形性及び反射特性を有するアンテナ装置１１を実現するためには、ＬｃとＬｒとが、１．５＞Ｌｒ／Ｌｃ＞０．５、好ましくは１．３＞Ｌｒ／Ｌｃ＞０．６を満たすことが必要である。すなわち、上述の条件式（２）を満たすことが必要になる。
【００３５】
また、本実施の形態に係るアンテナ装置１１において、Ｌｃ＋Ｌｒがλ／２（≒６０ｍｍ）の条件では、アンテナ素子１１１及びアンテナ素子１１２に対する導波素子１１３及び反射素子１１４の寄与が最大になる。この場合、０°方向の利得と１８０°（−１８０°）方向の利得とが最大になるため、到来角度に対する位相差の特性曲線が±９０°の範囲内で反転してしまう。また、Ｌｃ＋Ｌｒがλ／４（≒３０ｍｍ）以下の条件では、アンテナ素子１１１及びアンテナ素子１１２と、導波素子１１３又は反射素子１１４との距離が近いため、図８に示すように十分な共振特性が得られない。このことから、アンテナ装置１１は、λ／２＞Ｌｃ＋Ｌｒ＞λ／４を満たしていることが必要である。すなわち、上述の条件式（１）を満たすことが必要になる。
【００３６】
また、本実施の形態に係るアンテナ装置１１において、アンテナ素子１１１とアンテナ素子１１２との間隔がλ／８（≒１５ｍｍ）以下になると、アンテナ素子１１１とアンテナ素子１１２との相関が強まり、アンテナ素子１１１側とアンテナ素子１１２側とで利得パターンが非対称になってしまう。一方、アンテナ素子１１１とアンテナ素子１１２との間隔がλ／２（≒６０ｍｍ）以上の場合、到来角度に対する位相差の特性曲線が±９０°の範囲内で反転してしまう。また、位相差の変化幅が大きくなり、到来角度に対する位相差の関係が線形ではなくなる。このことから、アンテナ装置１１は、λ／２＞Ｌａ＞λ／８を満たしていることが必要である。すなわち、上述の条件式（３）を満たすことが必要になる。
【００３７】
上述のように、式（１）〜（３）に係る条件を満たすことで、アンテナ素子間における電波の位相差との関係が略線形で、かつ、高い特性を有するアンテナ装置を実現できる。このアンテナ装置１１を用いることにより、到来角度算出装置の演算負荷を低減して到来角度の算出に要する時間を短縮できる。
【００３８】
以下、本実施の形態に係る到来角度算出装置の具体的な構成について説明する。図９は、アンテナ装置として上述のアンテナ装置１１を用いた到来角度算出装置の構成例を示すブロック図である。到来角度算出装置１は、所定の発振周波数で基準信号を発振可能な基準信号発生部１０と、上述したアンテナ素子１１１、１１２を含んで構成されるアンテナ装置１１と、アンテナ素子１１１、１１２で受けた電波を、基準信号発生部１０から出力される基準信号を用いて受信信号に変換し出力する受信部１２ａ、１２ｂと、受信部１２ａ、１２ｂから出力される受信信号から到来角度算出のための各種演算処理を行う演算部１３と、を備える。なお、到来角度算出装置１は、電波の伝搬遅延に起因する位相遅れに基づいて到来角度を算出するため、同じ情報を持つ電波を所定間隔離れた２点（または２以上の点）で受信する必要がある。このため、上述のように受信電波に対応する２つ（またはそれ以上）のアンテナ素子及び受信系を備えている。ただし、同一の到来電波（同じ情報単位）を所定間隔離れた２以上の位置で受信できるのであれば、到来角度算出装置１は、２以上の受信系を備えている構成に限定されない。
【００３９】
受信部１２ａ、１２ｂは、ローノイズアンプ、ミキサ、バンドパスフィルタなどを含み、所定周波数の電波を受信できるように構成されている。演算部１３は、受信信号の相関処理を行う相関処理部２１ａ、２１ｂと、相関処理された受信信号のピークを検出するピーク検出部２２ａ、２２ｂと、ピーク検出部２２ａ、２２ｂで検出されたピークのタイミングに合わせて相関処理部２１ａ、２１ｂからの信号を出力するタイミング制御部２３ａ、２３ｂと、タイミング制御部２３ａ、２３ｂからの信号に基づいて、到来角度の計算を行う到来角度算出部２４と、を含んで構成される。なお、演算部１３の構成や機能は、ハードウェアで実現しても良いし、ソフトウェアで実現しても良い。
【００４０】
相関処理部２１ａ、２１ｂは、受信部１２ａ、１２ｂからの受信信号と当該受信信号と相関の高い信号とを乗算して出力する。相関処理部２１ａ、２１ｂにおいて乗じられる信号は受信信号との相関が高いため、相関処理部２１ａ、２１ｂから出力される信号は、相関区間でピークを有する。ピーク検出部２２ａ、２２ｂは、相関処理部２１ａ、２１ｂからの出力信号の電力を算出し、出力信号の電力ピークを検出する。タイミング制御部２３ａ、２３ｂは、ピーク検出部２２ａ、２２ｂにおいて検出されたピークタイミングに合わせて、相関処理部２１ａ、２１ｂからの出力信号を到来角度算出部２４に出力する。
【００４１】
図１０は、変調方式として直接スペクトラム拡散（ＤＳＳＳ）を用いる場合の到来角度算出装置の具体的構成例を示すブロック図である。なお、図１０では、図９における演算部１３に相当する構成のみを示している。
【００４２】
図１０において、相関処理部２１ａは、拡散コードを発生する拡散コード発生器３１と、受信信号と拡散コードとを乗算する乗算器３２ａ、３２ｂと、乗算器３２ａ、３２ｂの出力を１ビット期間分だけ足し合わせてピーク検出部２２ａ及びタイミング制御部２３ａに出力する加算器３３ａ、３３ｂとを備える。ピーク検出部２２ａは、加算器３３ａ、３３ｂから出力された信号の電力を算出する電力算出部３４ａと、その電力ピークを検出してタイミング制御部２３ａに出力するピーク電力検出部３５ａとを備える。タイミング制御部２３ａは、ピーク電力検出部３５ａからの信号を元に加算器３３ａ、３３ｂからの信号の到来角度算出部２４への出力タイミングを制御するバッファ部３６ａを備える。同様に、相関処理部２１ｂは、拡散コード発生器３１、乗算器３２ｃ、３２ｄ、加算器３３ｃ、３３ｄを備え、ピーク検出部２２ｂは、電力算出部３４ｂ、ピーク電力検出部３５ｂを備え、タイミング制御部２３ｂはバッファ部３６ｂを備える。到来角度算出部２４は、バッファ部３６ａの出力の複素共役をとる複素共役部４１と、複素共役部４１の出力とバッファ部３６ｂの出力とを複素乗算する複素乗算部４２と、複素乗算部４２の出力を用いて逆正接演算を行う逆正接部４３と、複素乗算部４２の出力信号からチップ区間ごとの電力を算出する電力算出部４４と、電力算出部４４からの情報に基づいて逆正接部４３の出力を平均化する平均化部４５と、平均化部４５の出力を用いて到来角度に変換する到来角度変換部４６とを備える。
【００４３】
拡散コード発生器３１は、ＤＳＳＳによって周波数軸上に拡散された信号を逆拡散するための拡散コードを発生する。当該拡散コードは、送信側でコード変調（拡散）の際に使用された拡散コードに対応するものである。乗算器３２ａ、３２ｂは、受信信号に上記拡散コードを乗じて逆拡散を行う。乗算器３２ａには、受信部１２ａからの受信信号のうちの同相成分Ｉ１が入力される。また、乗算器３２ｂには、受信部１２ａからの受信信号のうちの直交成分Ｑ１が入力される。加算器３３ａ、３３ｂは、乗算器３２ａ、３２ｂのチップ区間ごとの出力を１ビットに相当する期間（ビット区間）足し合わせて出力する。
【００４４】
加算器３３ａの出力信号及び加算器３３ｂの出力信号は、ピーク検出部２２ａの電力算出部３４ａ、及びタイミング制御部２３ａのバッファ部３６ａに入力される。電力算出部３４ａは、加算器３３ａ、３３ｂの出力信号からチップ区間ごとの電力を算出する。具体的には、電力算出部３４ａは、同相成分に相当する加算器３３ａの出力信号の絶対値と、直交成分に相当する加算器３３ｂの出力信号の絶対値とを足し合わせ、チップ区間ごとの電力情報としてピーク電力検出部３５ａに出力する。ピーク電力検出部３５ａは、チップ区間ごとの電力情報を受け取ると、受信信号中の電力ピークを検出し、電力ピーク情報としてタイミング制御部２３ａのバッファ部３６ａに出力する。なお、加算器３３ａの出力信号の２乗値と、加算器３３ｂの出力信号の２乗値とを足し合わせてピーク電力検出部３５ａに出力しても良い。
【００４５】
相関処理部２１ｂ（拡散コード発生器３１、乗算器３２ｃ、３２ｄ、加算器３３ｃ、３３ｄ）、ピーク検出部２２ｂ（電力算出部３４ｂ、ピーク電力検出部３５ｂ）、タイミング制御部２３ｂ（バッファ部３６ｂ）の動作や機能は、上記相関処理部２１ａ（拡散コード発生器３１、乗算器３２ａ、３２ｂ、加算器３３ａ、３３ｂ）、ピーク検出部２２ａ（電力算出部３４ａ、ピーク電力検出部３５ａ）、タイミング制御部２３ａ（バッファ部３６ａ）の動作や機能と同様である。
【００４６】
相関処理部２１ａに入力される受信信号と、相関処理部２１ｂに入力される受信信号とは、同一電波を所定間隔離れた２点で受信した信号であり、位相が僅かに異なっている。このため、タイミング制御部２３ａから出力される信号と、タイミング制御部２３ｂから出力される信号とでは、位相が僅かに相違する。タイミング制御部２３ａの出力Ｏａ１及びタイミング制御部２３ｂの出力Ｏａ２を、同相成分に相当する信号を実部、直交成分に相当する信号を虚部として複素数で表現すると、下記式（６）、（７）のようになる。なお、φ１及びφ２は、各信号の位相を表す。
【数３】
0005873509.tif 000004
【数４】
0005873509.tif 000005
【００４７】
タイミング制御部２３ａの出力Ｏａ１は、到来角度算出部２４の複素共役部４１に入力される。複素共役部４１は、タイミング制御部２３ａの出力Ｏａ１の複素共役を複素乗算部４２に出力する。つまり、複素共役部４１からは、信号Ｉａ１と、信号Ｑａ１の符号が反転した信号が出力される。複素共役部４１の出力Ｏａ１´を複素数で表現すると、下記式（８）のようになる。
【数５】
0005873509.tif 000006
【００４８】
複素乗算部４２は、複素共役部４１の出力Ｏａ１´と、タイミング制御部２３ｂの出力Ｏａ２とを複素乗算して、乗算結果である信号Ｉｂ及び信号Ｑｂを逆正接部４３及び電力算出部４４に出力する。複素乗算部４２の出力Ｏｂ、出力Ｏｂの同相成分Ｉｂ及び直交成分Ｑｂは下記式（９）〜（１１）のように表される。
【数６】
0005873509.tif 000007
【数７】
0005873509.tif 000008
【数８】
0005873509.tif 000009
【００４９】
逆正接部４３は、複素乗算部４２の出力を用いて逆正接演算を行う。具体的には、複素乗算部４２の出力信号Ｉｂを分母とし、出力信号Ｑｂを分子とした値の逆正接演算を行う。逆正接部４３の出力Ｏａｒｃｔａｎは位相差φ２−φ１（ｒａｄ）に相当し、下記式（１２）で表される。
【数９】
0005873509.tif 000010
【００５０】
電力算出部４４は、複素乗算部４２の出力信号からチップ区間ごとの電力を算出する。具体的には、電力算出部４４は、Ｉｂの絶対値とＱｂの絶対値とを足し合わせ、チップ区間ごとの電力情報として平均化部４５に出力する。なお、Ｉｂの２乗値と、Ｑｂの２乗値とを足し合わせて平均化部４５に出力しても良い。平均化部４５は、チップ区間ごとの電力情報を受け取ると、逆正接部４３の出力Ｏａｒｃｔａｎを平均化して到来角度変換部４６に出力する。
【００５１】
到来角度変換部４６は、平均化部４５の出力（平均化部４５を有しない場合は逆正接部４３の出力）を到来角度に変換する。本実施の形態に係る到来角度算出装置１ではアンテナ装置１１を用いているため、到来角度θ（ｒａｄ）と位相差φ２−φ１（ｒａｄ）との関係は略線形になっている。つまり、位相差φ２−φ１（ｒａｄ）は、下記式（１３）によって到来角度θ（ｒａｄ）に変換される。下記式（１３）において、ａは定数である。これにより、定数ａの値が既知であれば、逆三角関数の演算処理を行うことなく到来角度を算出できるため、演算負荷を低減して到来角度の算出に要する時間を短縮できる。
【数１０】
0005873509.tif 000011
【００５２】
次に、上述の到来角度算出装置１を用いた位置検出システムの例について説明する。図１１に示される位置検出システム１０１は、到来角度算出装置１ａと、到来角度算出装置１ａと所定距離Ｄ離して配置される他の到来角度算出装置１ｂと、アクセスポイント２又はユーザ端末３とを含んで構成される。アクセスポイント２及びユーザ端末３は、それぞれ送信系及び受信系を備え（図示せず）、双方向の情報伝送（通信）が可能に構成されている。また、アクセスポイント２及びユーザ端末３は、それぞれが備える送信系によって、到来角度算出装置１ａ及び到来角度算出装置１ｂに到来角度算出用の電波を送信できるように構成されている。位置検出の対象は、アクセスポイント２又はユーザ端末３のいずれでも良い。
【００５３】
到来角度算出装置１ａは、アクセスポイント２の送信用アンテナから送信された電波をアンテナ装置１１ａで受信して、到来角度算出装置１ａを基準とする到来角度を算出する。また、到来角度算出装置１ｂは、アクセスポイント２の送信用アンテナから送信された電波をアンテナ装置１１ｂで受信して、到来角度算出装置１ｂを基準とする到来角度を算出する。到来角度算出装置１ａと到来角度算出装置１ｂの位置関係が既知であれば、それぞれを基準とする到来角度からアクセスポイント２の位置を決定することができる。ユーザ端末３の位置検出の場合は、到来角度算出装置１ａ及び到来角度算出装置１ｂは、ユーザ端末３から送信される電波の到来角度を算出する。
【００５４】
次に、上述の到来角度算出装置１の変形例について説明する。図１２は、アンテナ装置として上述のアンテナ装置１１を用いた到来角度算出装置の変形例を示すブロック図である。図１２に示す到来角度算出装置１ｃの構成は、アンテナ装置１１と受信部１２ａ、１２ｂとの間に設けられた整合回路１４ａ、１４ｂを除き、図９に示す到来角度算出装置１と同様である。到来角度算出装置１ｃにおいて、整合回路１４ａ、１４ｂは、アンテナ装置１１と、受信部１２ａ、１２ｂ以降の回路構成とのインピーダンス整合をとることができるように構成されている。到来角度算出装置１ｃの他の構成は、到来角度算出装置１と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００５５】
図１３は整合回路１４ａ、１４ｂの具体的な構成例を示す図である。図１３Ａに示す整合回路１４ａ、１４ｂは、コイル１４１と容量素子１４２とで構成されている。コイル１４１の一端と容量素子１４２の一端とは、アンテナ装置１１と接続されている。コイル１４１の他端は到来角度算出装置１ａの受信部１２ａ、１２ｂ側に接続されている。容量素子１４２の他端は接地されている。図１３Ｂは、回路素子１４３と回路素子１４４との接続点に回路素子１４５が接続されたＴ字型の整合回路１４ａ、１４ｂを示している。回路素子１４３、１４４、１４５には、コイル又は容量素子が適用される。図１３Ｃは、回路素子１４６の両端に、回路素子１４７、１４８がそれぞれ接続されたπ字型の整合回路１４ａ、１４ｂを示している。回路素子１４６、１４７、１４８には、コイル又は容量素子が適用される。なお、整合回路１４ａ、１４ｂの構成は、図１３に示すものに限られない。
【００５６】
図１４は、アンテナ装置１１に整合回路１４ａ、１４ｂを併用する場合と併用しない場合とにおけるアンテナ装置１１の各構成要素の配置と線形性との関係を示すテーブルである。図１４Ａは、整合回路１４ａ、１４ｂを併用しない場合について示し、図１４Ｂは、整合回路１４ａ、１４ｂを併用する場合について示している。ここでは、アンテナ素子間の距離Ｌａを３０ｍｍとして２．４ＧＨｚ帯を使用している。各テーブルにおいて、行はアンテナ素子と反射素子との距離Ｌｒについて示し、列はアンテナ素子を含む平面と導波素子との距離Ｌｃについて示している。線形性は、近似直線からのずれを示す指標である。１００に近いほど線形性は高い。
【００５７】
図１５は、アンテナ装置１１に整合回路１４ａ、１４ｂを併用する場合と併用しない場合とにおけるアンテナ装置１１の各構成要素の配置とアンテナ装置１１の反射特性との関係を示すテーブルである。図１５Ａは、整合回路１４ａ、１４ｂを併用しない場合について示し、図１５Ｂは、整合回路１４ａ、１４ｂを併用する場合について示している。ここでは、アンテナ素子間の距離Ｌａを３０ｍｍとして２．４ＧＨｚ帯を使用している。各テーブルにおいて、行はアンテナ素子と反射素子との距離Ｌｒについて示し、列はアンテナ素子を含む平面と導波素子との距離Ｌｃについて示している。図１５において、２．４ＧＨｚ帯（詳細には、２４００（ＭＨｚ）〜２４８０（ＭＨｚ））におけるアンテナ素子の反射特性が−６ｄＢより大きい場合をバツ印で、−１０ｄＢ以上−６ｄＢ以下の場合を三角印で、−１０ｄＢより小さい場合を丸印で、それぞれ示す。テーブル中の斜線は、適切なデータが取得できなかったことを示す。
【００５８】
図１６は、アンテナ装置１１に整合回路１４ａ、１４ｂを併用する場合において、高い線形性及び所定の反射特性が得られる範囲を示すテーブルである。図１６は、図１４Ｂ及び図１５Ｂの特性に基づいて作成している。図１６のテーブルにおいて、行はアンテナ素子と反射素子との距離Ｌｒについて示し、列は２個のアンテナ素子を結ぶ線分と導波素子との距離Ｌｃについて示し、行と列との交差部分の数値はＬｃ＋Ｌｒの値を示す。また、Ｌｃ＞Ｌｒの領域にハッチングを付しており、高い線形性（図１４Ｂにおいて線形性が８５以上）及び所定の反射特性（図１５Ｂにおいて三角印又は丸印）を有する領域は太線で囲んでいる。
【００５９】
このように、アンテナ装置１１に整合回路１４ａ、１４ｂを併用する場合、Ｌｃ＋Ｌｒがλ／８（≒１５ｍｍ）より大きい領域において十分な共振特性が得られている。これは、整合回路１４ａ、１４ｂを併用することで、アンテナ装置１１の反射特性を改善できるためである。このことから、アンテナ装置１１は、λ／２＞Ｌｃ＋Ｌｒ＞λ／８を満たしていることが必要である。すなわち、整合回路１４ａ、１４ｂを併用する場合、条件式（１）は下記式（１ａ）のように拡張される。
λ／２＞Ｌｃ＋Ｌｒ＞λ／８    （１ａ）
【００６０】
つまり、整合回路１４ａ、１４ｂを併用する場合には、アンテナ装置１１を下記の条件式（１ａ）〜（３）で表される関係を満たす配置とすることにより、アンテナ素子１１１、１１２を基準にした電波の到来角度と、アンテナ素子１１１、１１２間での電波の位相差との関係を線形にできる。
λ／２＞Ｌｃ＋Ｌｒ＞λ／８    （１ａ）
Ｌｃ≒Ｌｒ                    （２）
λ／２＞Ｌａ＞λ／８          （３）
【００６１】
次に、到来角度算出装置に用いられるアンテナ装置の変形例について説明する。図１７は、アンテナ装置の構成を示す模式図であり、図１７Ａは第１変形例に係る構成を、図１７Ｂは第２変形例に係る構成を示している。
【００６２】
図１７Ａに示すアンテナ装置１１ｃは、アンテナ装置１１と同様、上記条件式（１）〜（３）（条件式（１ａ）〜（３）を含む）を満たす２個のアンテナ素子１１１、１１２と、導波素子１１３と、反射素子１１４とを備えている。さらに、アンテナ装置１１ｃは、上記条件式（１）〜（３）（条件式（１ａ）〜（３）を含む）を満たすように反射素子１１４に対して略対称に配置された２個のアンテナ素子１２１、１２２と、導波素子１２３とを備えている。
【００６３】
このアンテナ装置１１ｃは、アンテナ素子１１１、１１２、反射素子１１４及び導波素子１２３によって、図３に示す放射パターンを形成する。また、アンテナ素子１２１、１２２、反射素子１１４及び導波素子１２３によって、図３に示す放射パターンを１８０回転させた放射パターンを形成する。したがって、全方位からの電波を適切に受信できる。このため、全方位から到来する電波の到来角度を高精度に算出することができる。
【００６４】
図１７Ｂに示すアンテナ装置１１ｄは、略等間隔に配置された３個のアンテナ素子１１１、１１２、１３１と、アンテナ素子１１１、１１２から略等距離に配置された導波素子１１３と、アンテナ素子１１１、１３１から略等距離に配置された導波素子１３３と、反射素子１１４とを備えている。
【００６５】
このアンテナ装置１１ｄは、上記条件式（１）〜（３）（条件式（１ａ）〜（３）を含む）を満たすように一対のアンテナ素子１１１、１１２に対して導波素子１１３が配置されており、上記条件式（１）〜（３）（条件式（１ａ）〜（３）を含む）を満たすようにもう一対のアンテナ素子１１１、１３１に対して導波素子１３３が配置されている。このように、３個のアンテナ素子を備えると共に、隣接する２個のアンテナ素子にそれぞれ対応する２個の導波素子を備えることにより、位相の僅かに異なる電波を受信して異なる位相差情報を取得することができる。このため、マルチパスなどの影響を受けた位相差情報を取り除いて到来角度算出精度を高めることができる。なお、アンテナ素子の数は４個以上でも良い。その場合、隣接する２個のアンテナ素子にそれぞれ対応する複数の導波素子を用いればよい。
【００６６】
図１８〜図２０は、アンテナ素子の他の変形例について示す斜視図である。図１８に示す変形例は、アンテナ素子１１１、１１２を逆Ｆ型のアンテナで構成した例である。この逆Ｆ型のアンテナ（アンテナ素子１１１、１１２）は、反射素子１１４に対して垂直な方向に延びる第１の延在部１１１ｂ、１１２ｂと、第１の延在部１１１ｂ、１１２ｂの反射素子１１４側端部において第１の延在部１１１ｂ、１１２ｂと接続され、第１の延在部１１１ｂ、１１２ｂに対して垂直に延びる第２の延在部１１１ｃ、１１２ｃと、第１の延在部１１１ｂ、１１２ｂの中央付近において第１の延在部１１１ｂ、１１２ｂと接続され、第１の延在部１１１ｂ、１１２ｂに対して垂直に延びる第３の延在部１１１ｄ、１１２ｄとを含んで構成されている。このアンテナ素子は、第３の延在部１１１ｄ、１１２ｄの先端部分が給電点１１１ａ、１１２ａになっている。
【００６７】
図１９に示す変形例は、アンテナ素子１１１、１１２を逆Ｌ型のアンテナで構成した例である。この逆Ｌ型のアンテナ（アンテナ素子１１１、１１２）は、反射素子１１４に対して垂直な方向に延びる第１の延在部１１１ｅ、１１２ｅと、第１の延在部１１１ｅ、１１２ｅの反射素子１１４側端部において第１の延在部１１１ｅ、１１２ｅと接続され、第１の延在部１１１ｅ、１１２ｅに対して垂直に延びる第２の延在部１１１ｆ、１１２ｆとを含んで構成されている。このアンテナ素子は、第２の延在部１１１ｆ、１１２ｆの先端部分が給電点１１１ａ、１１２ａになっている。
【００６８】
図２０は、アンテナ素子１１１、１１２が、ミアンダ状に形成された導電部材により構成されている。このアンテナ素子において、ミアンダ状に形成された導電部材の電気長は図１に示すアンテナ素子の電気長と略等しくなっている。すなわち、このアンテナ素子は、短縮型のダイポールアンテナ素子である。図１８〜図２０に示すようなアンテナ素子を用いる場合でも、同様の効果を得ることが可能である。
【００６９】
以上のように、本発明のアンテナ装置によれば、電波の到来角度と、アンテナ素子間における電波の位相差との関係を略線形にすることが可能になるため、到来角度の算出において演算処理を簡略化できる。これにより、到来角度算出装置における演算負荷を低減して到来角度の算出に要する時間を短縮できる。
【００７０】
なお、本発明は上記実施の形態の記載に限定されず、その効果を発揮する態様で適宜変更することができる。例えば、到来角度算出装置は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）など、ＤＳＳＳ以外の変調方式を用いる構成としても良い。また、アンテナ装置は、電波の送信に使用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明のアンテナ装置は、対象の位置を特定するシステム、その他の各種用途に用いることができる。【００７２】
本出願は、２０１２年２月９日出願の特願２０１２−２６４８２に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
【図１】
0005873509.tif 000012
【図２】
0005873509.tif 000013
【図３】
0005873509.tif 000014
【図４】
0005873509.tif 000015
【図５】
0005873509.tif 000016
【図６】
0005873509.tif 000017
【図７】
0005873509.tif 000018
【図８】
0005873509.tif 000019
【図９】
0005873509.tif 000020
【図１０】
0005873509.tif 000021
【図１１】
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【図１２】
0005873509.tif 000023
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0005873509.tif 000027
【図１７】
0005873509.tif 000028
【図１８】
0005873509.tif 000029
【図１９】
0005873509.tif 000030
【図２０】
0005873509.tif 000031