(57)【要約】【課題】  増幅器等のデバイス数を従来よりも減らすことの可能な円形アレーアンテナを提供すること。【解決手段】  円形アレーアンテナは、８ポートのＦＦＴ回路として動作するマトリクス回路を有する。マトリクス回路の入力側あるいは出力側の８個のポートが、円周上に概ね等間隔で配置されたアンテナと接続される。反対側のポートのうちｎ個のポートが終端され、残りの８−ｎ個のポートに所定の位相差を有する信号が給電される（ことで放射パターンが制御される）。実用的な観点からは、ｎは２以上５以下とすることが好ましい。素子アンテナが８個ある円形アレーアンテナにおいて、ｎ＝４とすれば、増幅器を１／２に削減可能であるとともに可変移相器の数も１／２に削減可能である。また電力分配器も、８分配のものは必要無く、４分配のものでよい。本発明によれば、装置の低コスト化、小型・軽量化、低消費電力化を図ることができる。【選択図】  図６
2006217056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
８つの素子アンテナを有する円形アレーアンテナであって、
入力及び出力にそれぞれ８つのポートを有し、前記素子アンテナに接続された高速フーリエ変換（ＦＦＴ）回路と、
前記ＦＦＴ回路の終端されていない複数のポートを通じて伝送される複数の信号の位相を調整する調整手段と、
を備え、前記ＦＦＴ回路のｎ個のポートは終端される
ことを特徴とする円形アレーアンテナ。
【請求項２】
請求項１において、２≦ｎ≦５とすることを特徴とする円形アレーアンテナ。
【請求項３】
請求項１又は２において、ｎ＝５またはｎ＝３とすることを特徴とする円形アレーアンテナ。
【請求項４】
終端されていないポートを通じて伝送される３つの信号の位相の１つが、他の２つの信号の位相の中間値と９０度ずれていることを特徴とする請求項３記載の円形アレーアンテナ。
【請求項５】
終端されていないポートを通じて伝送される５つの信号の位相の１つが、ある２つの信号の位相の中間値と等しく、別の２つの信号の位相の中間値と９０度ずれていることを特徴とする請求項３記載の円形アレーアンテナ。
【請求項６】
請求項５において、特定の２つのポートに給電される信号の振幅を調整する手段を更に備えることを特徴とする円形アレーアンテナ。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項において、複数の信号がそれぞれ等利得の増幅器を介して前記ＦＦＴ回路のポートに給電されることを特徴とする円形アレーアンテナ。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項において、隣接する素子アンテナの間隔が、信号波長の０．３６倍から０．４２倍程度であることを特徴とする円形アレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にアンテナの技術分野に関連し、特にマトリクス回路を用いた円形アレーアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
円形にアンテナ素子が配置された円形アレーアンテナは軸対称な形状を有しており、一般に、ビームを３６０度の角度範囲に渡って放射するのに有効である（この点については、例えば、非特許文献１参照。）。円形アレーアンテナには円周上にアンテナ（素子アンテナ）が多数配置されており、素子アンテナの励振分布又は励振位置を適当に選ぶことにより任意の方向にビームを放射することが可能である。なお、円形アレーアンテナはビームを３６０°走査するのに有効であるため、素子アンテナとしては配列される面内で一様な指向性を持つスリーブアンテナやコリニアアレーアンテナ等が良く用いられる（この点については、例えば、非特許文献２参照。）。また、このようなアンテナは、障害物が比較的少ない通信環境に有利であり、例えばルーラル（ｒｕｒａｌ）エリアの基地局に適している。
【０００３】
円形アレーアンテナは、各素子アンテナに給電される信号の位相と振幅を調整することで所望の放射パターンを得ている。信号の位相と振幅は、図１に示されるように可変移相器および可変振幅調整器（例えば可変抵抗）を用いてＲＦの周波数でアナログ信号処理により制御してもよい。或いは、図２に示されるように中間周波数帯やバースバンド帯においてアナログ／ディジタル変換を行い、ＦＰＧＡやＤＳＰ等を用いたディジタル信号処理によって制御してもよい。いずれの場合も可変移相器や振幅調整器あるいは周波数変器やＤ／Ａ変換器（またはＡ／Ｄ変換器）等のデバイスが多数必要である（素子アンテナ数分必要である）。増幅器数を減らす観点からは、送信信号を分配する前或いは受信信号を合成した後に増幅段を設けることが考えられる。しかしながら、これらのデバイスは一般に損失が大きいため、そのような構成を採用すると、デバイスの損失に起因して多くの雑音が発生し、信号品質（例えばＳ／Ｎ）を劣化させたり、送信時の電力損失を招くことが懸念される。このような信号品質の劣化を避けるために、増幅器は素子アンテナ側に設置する必要があり、多数の増幅器が必要になる。
【０００４】
放射するビーム方向に応じて個々の素子アンテナの振幅を調整する手間を省くものとして高速フーリエ変換（ＦＦＴ）回路を用いた円形アレーアンテナ構成が報告されている（この点については、例えば、非特許文献３参照。）。このアンテナ構成は図５に示すように、ＦＦＴ回路（バトラーマトリクス）と素子アンテナとが接続されており、信号を電力分配回路により適当な電力比で分配した後に、固定位相器と可変位相器を介して上記マトリクス回路の各々のポートに入力する構成となっている。図５において固定位相器はアンテナ素子が円周上に配置されていることに起因する収差（行路差）を補正するためのものである。このアンテナ構成においてビーム方向の制御は、主に可変位相器を制御することにより実現される。バトラーマトリクス回路より成るＦＦＴ回路は、励振分布の位置（どの位置の素子アンテナを中心に励振するか）を調整する。
【０００５】
図３に示すようにＦＦＴ回路の１つのポートに信号（例えば、信号Ａ）が入力されると、ＦＦＴ回路の中で信号の電力が等分配され、信号を入力したポート位置に応じた位相傾きを有する信号が出力される。図示の例では、実線に示されるように、左側のポートから出力される信号の位相傾き（隣接ポート間の位相差）は、右側のポートから出力される信号の位相傾き（隣接ポート間の位相差）よりも大きいことを示す。ＦＦＴ回路に信号を入力するポートを変更すると、異なる位相傾き（隣接ポート間の位相差）を有する信号が出力される。例えば、右から２番目のポートに信号Ｂを入力すると、破線で示されるような位相面を形成するように、複数の信号が各ポートから出力される。この場合は、左側のポートから出力される信号の位相差は、右側のポートから出力される信号の位相差よりも小さいことを示す。信号を入力するポート位置を変更すると、位相面の傾きも変わる。概して、中心側のポート位置は、傾きの緩やかな位相面を与え、端部側のポート位置は傾きの急な位相面を与える。
【０００６】
ＦＦＴ回路の入出力特性の対称性に起因して、位相傾きを与えながら複数のポートに信号が入力されると、その位相傾きに応じて出力信号のポート位置が変わる。２つの信号分布ｆ（ｔ）及びＦ（ｗ）の間にフーリエ変換が成立する場合においては、フーリエ変換の性質から、ｆ（ｔ＋Δｔ）及びＦ（ｗ）×ｅｘｐ［ｊｗΔｔ］の間にもフーリエ変換が成立する。（ｊは虚数単位を表す。）。これは、信号を入力する位置が変化すると、出力側の位相が回転することを意味する、言い換えれば、入力信号に位相傾きを付加すると、出力側の信号分布の位置が変化することを意味する。このような性質は、フーリエ変換における時間軸の推移と呼ばれる。例えば、図４に示されるように、実線で示されるような位相面Ａを形成する８つの信号をそれぞれＦＦＴ回路のポートに入力したとする。ここで、信号の振幅分布はガウス分布を想定している。ガウス関数のフーリエ変換の結果もガウス関数になるので、出力信号の振幅分布の形もガウス分布で表現される。この場合に出力される信号は、出力Ａとして示されるように、右側のポートから出力される。また、破線で示されるような位相面Ｂを形成する８つの信号をＦＦＴ回路に入力すると、出力Ｂとして示される信号が、左側のポートから出力される。このように、ＦＦＴ回路に入力する複数の信号が形成する位相面（位相面の傾き）を制御することで、即ち入力する信号の位相を調整することで、信号を出力するポート位置を適宜調整することができる。つまり、ビーム方向に応じて個々の素子アンテナの信号振幅を調整しなくとも、可変位相器によってマトリクス回路に給電される信号に直線的な位相傾きを付与することによって、励振されるアンテナ素子の位置（励振分布の位置）が変化し、ビーム方向を変化させることが可能となる。
【０００７】
しかし、この場合においても多数の増幅器および可変移相器等のデバイスが必要であり、装置コストが高くなることに変わりは無い。また、アンテナ装置が大規模になることから重量（および寸法）や消費電力が大きくなりアンテナ設置における制約が大きくなる。このことは移動通信用基地局のようにサービスエリア内に多数のアンテナを設置しなければならない場合には非常に大きなデメリットとなる。
【非特許文献１】電子通信学会編，「アンテナ工学ハンドブック」，５章３節，オーム社，昭和５５年
【非特許文献２】電子通信学会編，「アンテナ工学ハンドブック」，７章４節，オーム社，昭和５５年
【非特許文献３】Ｂ．Ｓｈｅｌｅｇ，”Ａ  Ｍａｔｒｉｘ−Ｆｅｄ  Ｃｉｒｃｕｌａｒ  Ａｒｒａｙ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ，”  Ｐｒｏｃ．  ＩＥＥＥ，  ｖｏｌ．５６，  ｐｐ．２０１６−２０２７，  Ｎｏｖ．１９６８．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように従来の円形アレーアンテナ装置では、増幅器が多数必要であるとともに可変移相器や周波数変換器等のデバイスも多数必要であり、装置コストが高くなるとともにアンテナ装置が大規模になることから、重量（および寸法）や消費電力が大きくなり、アンテナ設置における制約が大きくなるという問題点があった。また、デバイス数が増えるにつれて、それらの保守管理負担も大きくなるという問題もある。
【０００９】
本発明の課題は、増幅器等のデバイス数を従来よりも減らすことの可能な円形アレーアンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、８つの素子アンテナを有する円形アレーアンテナが使用される。円形アレーアンテナは、入力及び出力にそれぞれ８つのポートを有し、前記素子アンテナに接続されたＦＦＴ回路と、前記ＦＦＴ回路の終端されていない複数のポートを通じて伝送される複数の信号の位相を調整する調整手段とを備え、前記ＦＦＴ回路のｎ個のポートは終端される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、増幅器等のデバイス数を従来よりも減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一態様によれば、８ポートのＦＦＴ回路として動作するマトリクス回路を具備する円形アレーアンテナが使用される。マトリクス回路の入力側あるいは出力側の８個のポートが、円周上に概ね等間隔で配置されたアンテナと接続される。反対側のポートのうちｎ個のポートが終端され、残りの８−ｎ個のポートに所定の位相差を有する信号が給電される（ことで放射パターンが制御される）。実用的な観点から、ｎは２以上５以下とすることが好ましい。これにより、素子アンテナが８個ある円形アレーアンテナにおいて、ｎ＝４とすれば、増幅器を１／２に削減可能であるとともに可変移相器の数も１／２に削減可能である。また電力分配器も、８分配のものは必要無く、４分配のものでよい。これらのことから装置の低コスト化、小型・軽量化、低消費電力化が可能となることが分る。
【００１３】
本発明の一態様によれば、２≦ｎ≦５とすることが望ましい。直線的に等間隔で配置された直線アレーアンテナの場合と異なり、円形アレーアンテナにおいて指向性ビームを形成するためには素子アンテナにおける位相面に２次関数的な歪みを与える必要があり、このためには３個以上のポートを使って信号を給電する必要があるからである。８ポートのＦＦＴ回路として動作するマトリクス回路を具備する円形アレーアンテナにおいては指向性ビームを形成するためには終端するポート数は５個以下とする必要がある。また、装置の低コスト化、小型・軽量化、低消費電力化などの恩恵を受けるためには２個以上のポートを終端することが実用上望ましい。
【００１４】
本発明の一態様によれば、ｎ＝５の場合において、特定の１個のポートに給電されている信号位相が残りの２個のポートに給電されている信号位相の中間値よりも９０度遅れている。素子アンテナが８個ある円形アレーアンテナでは、ポート数は本来は８個であるが、その５つが終端されるので、増幅器を３／８に削減可能であるとともに、例えば周波数変換器やＤ／Ａ変換器のようなデバイス数も３／８に削減可能である。図１に示されるようなアナログ処理方式でもデバイス数を削減できる。３つの信号間の位相をこのように調整することで、素子アンテナを介して空間に放射される各ポートからの給電信号が概ね同位相で合成されることとなり、良好なビームを形成することが可能になる。そのため、高い指向利得を維持つつ、装置の低コスト化、小型・軽量化、低消費電力化を図ることができる。
【００１５】
本発明の一態様によれば、ｎ＝３の場合において、特定の１個のポートに給電されている信号位相がこれを除く特定の２ポートに給電されている信号位相の中間値と等しく且つ残りの２個のポートに給電されている信号位相の中間値よりも９０度遅れている。５つの信号間の位相をこのように調整することで、素子アンテナを介して空間に放射される各ポートからの給電信号が概ね同位相で合成されることとなり良好なビームを形成することが可能になる。そのため、良好なビームを形成して高い指向利得を維持しつつ、装置の低コスト化、小型・軽量化、低消費電力化を図ることができる。
【００１６】
本発明の一態様によれば、特定の２ポートに給電される信号振幅が調整可能である。これにより、パターン特性を容易に調整することが可能となりパターン特性あるいは通信品質を改善することが可能となる。
【００１７】
本発明の一態様によれば、伝送される信号が、それぞれ等利得の増幅器を介してマトリクス回路のポートに給電される。給電線毎に設けられる増幅器は等しいので、例えば、増幅器を１つ余分に用意すれば、総ての給電経路に冗長回路を用意したことになる。このため、回路規模を著しく大きくせずに冗長回路を設け、不測の障害に効果的に対処できる。冗長回路を設けなかった場合でも、アンテナを構成するデバイスの種類（増幅器や増幅器まわりのバイアス回路等の種類）を減らすことができるので、アンテナ回路の更なる低コスト・簡易化が可能となる。
【００１８】
本発明の一態様によれば、隣接するアンテナの間隔が、信号波長の０．３６倍から０．４２倍程度となっており、これは、良好なアンテナ特性（高利得あるいは低サイドローブ特性）を得る上で、円形アレーアンテナに特に有利である。
【００１９】
以下に説明される様々な実施例では、８ポートのＦＦＴ回路として動作するマトリクス回路を具備する円形アレーアンテナが使用され、マトリクス回路の入力側あるいは出力側の８個のポートが、円周上に概ね等間隔で配置されたアンテナと接続されており、反対側の複数のポートが終端され、残りの複数のポートに所定の位相差を有する信号が給電される。円形アレーで効率的にビーム形成を行うためには、隣接する素子アンテナの励振位相があまり急峻に変化することは好ましくないため、給電を行うポートはＦＦＴ回路として動作するマトリクス回路の低周波数成分に対応するポート（出力信号における位相傾きが小さいポート）を重点的に用いることが好ましい。したがって、以下の実施例で終端されるマトリクス回路のポートは高い周波数成分に対応するポートから順次、選択されるものとする。なお、ここでは説明を容易にするために送信の場合を例として示しているが、受信の場合にも本発明を適用できることは当業者に明白であろう。
【実施例１】
【００２０】
図６、図７、図８は、本発明の一実施例に関する円形アレーアンテナを説明するためのものである。本実施例では、８ポートのマトリクス回路の３個のポートを用いて信号を給電する場合が説明され、各ポートに給電される信号位相はφ１、φ２、φ３で区別される。入力側の８ポートのうち５ポートは終端されている。図６では８ポートのＦＦＴ回路として動作することが可能なマトリクス回路としてバトラーマトリクスを用いた場合を示している。バトラーマトリクスはマイクロ波帯の信号においてＦＴＴを実現するマトリクス回路として広く知られているが、入力された信号出力の位相がポートの両端で約１８０度ずれて出力（位相が反転して出力）されるという性質がある。素子アンテナとバトラーマトリクスとの間の遅延線は、この位相のずれを補正して連続的な位相遅延を与え、バトラーマトリクスの両端に接続された素子アンテナ間で位相の不連続が生じないようする。ＦＦＴ回路として動作することが可能なマトリクス回路を用いた円形アレーアンテナでは、基準となる給電信号分布に直線的な位相傾きを各給電ポートに与えることでビーム走査が可能となるが、高い利得を有するビームを形成するためには、基準となる給電信号分布が重要となる。特に重要となるのは各給電ポートに与える位相である。
【００２１】
図７は、素子アンテナの間隔を０．３５波長とした場合において３個ある給電ポートのうち中央の給電ポートの給電位相φ２に対する、給電位相φ１とφ３の中間値の値（相対位相）を横軸にとり、形成されるビームの指向性利得の値を縦軸にプロットしたものである。ここで３個ある給電ポートのうち中央の給電ポートは、ＦＦＴ回路として動作するマトリクス回路において最も低い周波数成分のポートに対応している。なお、信号電力は同一とした。図示されるように、相対位相が０度から１８０度まで変化する間に、相対利得は徐々に増加してピーク値に達した後徐々に減少している。この結果から、中央の給電ポートの給電位相φ２が、給電位相φ１とφ３の中間値（（φ１＋φ３）／２）から９０°だけ位相が遅れた状態において、最も利得の高いビームが形成されることがわかる。
【００２２】
図８は図７と同様の計算を素子アンテナの間隔を変えて（０．４波長として）行ったものであるが、この場合においても同様な傾向が見られ、給電位相φ２が給電位相φ１とφ３の中間値から９０°だけ位相が遅れた状態において、最も利得の高いビームが形成されることがわかる。
【００２３】
ちなみに、相対利得を最大にする３つの位相間の条件を満たすように８個のビームを形成し、全周をカバーするための位相は、例えば以下のようになる。
（φ１，φ２，φ３）＝（９０°−ｍ×４５°，０°，９０°＋ｍ×４５°）
但し、ｍ＝０，１，２，…，６，７
このように、ある１つのポートに給電されている信号位相を、残りの２つのポートに給電されている信号位相の中間値よりも９０度遅れるように給電することで、３個という限られた数のポートでしか信号給電を行っていなくても、比較的高い指向性利得を得ることができる。
【実施例２】
【００２４】
図９、図１０、図１１は本発明の一実施例による円形アレーアンテナを説明するものである。本実施例では、８ポートのマトリクス回路の５個のポートを用いて信号を給電する場合が説明され、各ポートに給電される信号位相はφ１、φ２、φ３、φ４、φ５で区別される。入力側の８ポートのうち３ポートは終端されている。図９では８ポートのＦＦＴ回路として動作することが可能なマトリクス回路としてバトラーマトリクスを用いた場合を示している。バトラーマトリクスはマイクロ波帯の信号においてＦＴＴを実現するマトリクス回路として広く知られているが、入力された信号出力の位相がポートの両端で約１８０度ずれて出力（位相が反転して出力）されるという性質がある。素子アンテナとバトラーマトリクスとの間の遅延線は、この位相のずれを補正して連続的な位相遅延を与え、バトラーマトリクスの両端に接続された素子アンテナ間で位相の不連続が生じないようする。ＦＦＴ回路として動作することが可能なマトリクス回路を用いた円形アレーアンテナでは、基準となる給電信号分布に直線的な位相傾きを各給電ポートに与えることでビーム走査が可能となるが、高い利得を有するビームを形成するためには、基準となる給電信号分布が重  要となる。特に重要となるのは各給電ポートに与える位相である。
【００２５】
図１０は、素子アンテナの間隔を０．３５波長とした場合において５個ある給電ポートのうち中央の給電ポートの給電位相φ３に対する、両端の給電ポートの給電位相φ１とφ５の中間値の値（相対位相）を横軸にとり、中央の給電ポートの給電位相φ３に対する、残りの給電ポートの給電位相φ２とφ４の中間値の値（相対位相）を縦軸にとって形成されるビームの指向性利得の値を等高線状にプロットしたものである。ここで中央の給電ポートは、ＦＦＴ回路として動作するマトリクス回路において最も低い周波数成分のポートに対応しており、給電ポートが両端に近づくにつれてマトリクス回路において高い周波数成分のポートとなっている。なお、信号電力は同一とした。図示されるように、一方の相対位相（横軸）が−９０度から＋９０度まで変化する間に、相対利得は徐々に増加してピーク値に達した後徐々に減少している。また、他方の相対位相（縦軸）が０度から１８０度まで変化する間に、相対利得は徐々に増加してピーク値に達した後徐々に減少している。この結果から、中央の給電ポートの給電位相φ３が給電位相φ１とφ５の中間値と等しく尚且つ、給電位相φ３が給電位相φ２とφ４の中間値から９０°だけ位相が遅れた状態において、最も利得の高いビームが形成されることがわかる。
【００２６】
図１１は図１０と同様の計算を素子アンテナの間隔を変えて（０．４波長として）行ったものであるが、この場合においても同様の傾向が見られ、給電位相φ３が給電位相φ１とφ５の中間値と等しく尚且つ、給電位相φ３が給電位相φ２とφ４の中間値から９０°だけ位相が遅れた状態において、最も利得の高いビームが形成されることがわかる。
【００２７】
ちなみに、相対利得を最大にする５つの位相間の条件を満たすように８個のビームを形成し、全周をカバーするための位相は、例えば以下のようになる。
（φ１，φ２，φ３，φ４，φ５）＝
（０°−２ｍ×４５°，９０°−ｍ×４５°，０°，９０°＋ｍ×４５°，０°＋２ｍ×４５°）
但し、ｍ＝０，１，２，…，６，７
このように、特定の１個のポートに給電されている信号位相を、これを除く特定の２ポートに給電されている信号位相の中間値と等しく且つ残りの２個のポートに給電されている信号位相の中間値よりも９０度遅れているようにすることで、５個という限られたポートでしか信号給電を行っていなくても、比較的高い指向性利得を得ることができる。
【実施例３】
【００２８】
図１２は、本発明の一実施例による円形アレーアンテナを説明するものである。円形アレーアンテナは、８ポートのＦＦＴ回路として動作するマトリクス回路を有する。マトリクス回路の入力側あるいは出力側の８個のポートが、円周上に概ね等間隔で配置されたアンテナと接続されている。反対側のポートのうち３個のポートが終端され、残りの５個のポートに所定の位相差を有する信号が給電される。５つの信号の位相は実施例２の場合と同様に設定されるが、本実施例では、位相の調整がディジタル信号処理回路で行われる。本実施例でも、増幅器、周波数変換器及びＤ／Ａ変換器等のようなデバイス数を５／８に削減できる。これにより、ディジタル信号処理回路の演算負担及び／又は回路規模を削減することができ、ひいては装置の低コスト化、小型軽量化、低消費電力化に寄与できる。
【実施例４】
【００２９】
図１３、図１４は本発明の一実施例による円形アレーアンテナを説明するためのものであり、信号がそれぞれ等利得の増幅器を介してマトリクス回路のポートに給電される。こ利得が等しい増幅器を用いてアンテナを構成した場合は、予備の増幅器を１個だけ用意することで冗長回路を構築することが可能になるという利点がある。また、図１４に示すようにディジタル信号処理でパターン制御を行う場合においては、増幅器に加えて周波数変換器やＤ／Ａ変換器も基本的に同一なもので良いことからディジタル信号処理回路とＦＦＴ回路との間で何らかの障害（例えば、デバイス故障、デバイスの接続不良、接続ケーブルの損傷等）が生じた場合には、予備の系を１個用意して切り替えることで対処することが可能となる（速やかな復旧が可能となる）。また、冗長回路を構成しない場合においてもアンテナを構成するデバイスの種類（増幅器や増幅器まわりのバイアス回路等の種類）を減らすことが可能であるため低コスト化が可能となる。
【実施例５】
【００３０】
図１５、図１６、図１７は本発明の一実施例に関し、円形アレーアンテナの素子アンテナの間隔の最適化を図るためのものである。本実施例では、図１５に示されるような円形アレーアンテナが使用され、これは図６で説明済みのものと同様である。図１６は、この円形アレーアンテナの場合において、素子アンテナの間隔を横軸にとり、形成されるビームの指向性利得（ピーク利得）とカバレッジ（ＥＯＣ：Ｅｄｇｅ  Ｏｆ  Ｃｏｖｅｒａｇｅ）利得の相対利得を左側の縦軸にとり、第一サイドローブのサイドローブレベル（ＳＬＬ）を右側の縦軸にとってプロットしたものである。カバレッジ利得は、ビームピーク方向を含む例えば４５度（３６０度を８分割）の所定の角度範囲内における最低利得である。３個のポートを用いて信号給電した場合のサイドローブは、図１８（ａ）に示されるように、メインビームと反対側の方向に現われる。なお、３つの信号の給電方法は実施例１に示したものと同一である。図１６に示されるように、素子アンテナの間隔が０．３８波長程度の場合に高いピーク利得及びＥＯＣ利得が得られる一方、間隔が０．４１〜０．４２波長程度の場合にはサイドローブレベルを非常に低く抑制できることが分る。
【００３１】
図１８（ａ）、図１８（ｂ）は、３個のポートを用いて信号給電した本発明の円形アレーアンテナによるビームパターンをプロットしたものであり、（ａ），（ｂ）は素子アンテナの間隔をそれぞれ０．３８波長、０．４１波長とした場合におけるものである。なお、これらビームパターンはピーク利得で規格化を行っている。図示されているように、何れのアンテナ間隔の場合も、充分に高いピーク利得及びＥＯＣ利得が得られ、サイドローブレベルを低く抑制できていることが分かる。
【００３２】
図１７は５個のポートを用いて信号給電する円形アレーアンテナの場合において、素子アンテナの間隔を横軸にとり、形成されるビームの指向性利得（ピーク利得）とカバレッジ利得（ＥＯＣ利得）の相対利得を左側の縦軸にとり、第一サイドローブのサイドローブレベル（ＳＬＬ）を右側の縦軸にとってプロットしたものである。図１６の場合と同様に、カバレッジ利得はビームピーク方向を含む所定の角度範囲内における最低利得である。なお、５つの信号に関する給電方法（位相の関係）は実施例２に示したものと同一である。図示されているように、５個のポートを用いて信号給電する場合には、素子アンテナの間隔が０．３６波長程度の場合に高い利得が得られ、間隔が０．３８波長程度の場合には相対的に低いサイドローブレベルが実現されることが分る。ちなみに、図１６，１７の相対利得は規格化されているが、絶対利得で評価した場合は、３個のポートを用いて信号給電した場合におけるピーク利得の最大値は、５個のポートを用いて信号給電した場合よりも約２ｄＢ程度低い値となっていた。しかし、ＥＯＣ利得で比較した場合において３個のポートを用いて信号給電した場合と５個のポートを用いて信号給電した場合との利得差は１ｄＢ以下にすぎなかった。従って、３個のポートしか用いない場合でも、利用可能な良好なセクタビームになることが期待できる。
【００３３】
図１８（ｃ）、図１８（ｄ）は素子アンテナの間隔をそれぞれ０．３６波長、０．３８波長とした場合において５個のポートを用いて信号給電した本発明の円形アレーアンテナのビームパターンをプロットしたものである。なお、図１８（ｃ）において、破線および点線で示したビームパターンは給電信号に位相傾きを加えてビーム方向をそれぞれ４５度および９０度変化させた場合のパターンを表している。図１９は素子アンテナの間隔が０．３６波長の場合において、理想的な位相条件でアンテナ素子を励振したときの円形アレーアンテナのビームパターン（破線）と、５個のポートのみを用いて信号給電を行った本発明の円形アレーアンテナのビームパターン（実線）を比較したものである。なお、本図においては理想的な位相条件でアンテナ素子を励振した場合のピーク利得を０ｄＢとして規格化を行っている。本図より、５個のポートのみを用いて信号給電を行った場合にはビームパターンが多少広がりピーク利得が劣化しているが、カバレッジ利得（ＥＯＣ利得）で比較した場合においては概ね同等な利得が得られていることが分る。
【００３４】
このように、８ポートのＦＦＴ回路として動作するマトリクス回路用いた円形アレーアンテナにおいて、３個または５個のポートを用いて信号給電する場合には、素子アンテナの間隔を、信号波長の０．３６倍から０．４２倍程度に設定することで、非常に良好なアンテナ特性（高利得あるいは低サイドローブ特性）を得ることができる。逆に、そのようなアンテナ間隔で位相が適切に調整されていれば、８個総てのポートを使用しなくても、良好な利得を有するセクタビームを実現することができる。
【実施例６】
【００３５】
図２０は、本発明の一実施例による円形アレーアンテナを示す。本実施例では、特定の２ポートに給電される信号振幅が調整可能である。２個のポートに給電される信号振幅を調整するだけでアンテナのビームパターンを容易に調整することが可能になることを以下に示す。
【００３６】
図２１は、５個ある給電ポートのうち内側３個の給電ポートを等電力で給電した場合において、両側の残り２個の給電ポートへ給電する電力を変化させてパターン特性を計算した結果を示す。なお、ここではアンテナ素子間隔は０．３８波長とした。図２１（ａ）は両側２個の給電ポートへの給電電力を０とした場合であり、これは３個のポートだけを用いて等電力で給電した場合と等しい。図２１（ｃ）は両側２個の給電ポートに他の給電ポートと同じ電力で給電した場合であり、これは５個のポートを用いて等電力で給電した場合と等しい。図２１（ｂ）は両側２個の給電ポートへの給電電力を他の給電ポートへの給電電力の２０％（振幅値に換算すると約４４．７％）とした場合であり、図２１（ａ）とも図２１（ｃ）とも異なったビームパターンが得られていることが分る。図２１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、図中矢印で示されるビームヌル方向（利得の谷となっている方向）もそれぞれ異なった方向となっている。移動通信において良好な通信品質を確保するためには、干渉源からの電波（例えば通信対象で無いユーザーからの電波）をアンテナで受信しないようにすることが重要であり、干渉源のある方向にビームヌル方向を向けることでこれが実現可能となる。図２２は両側２個の給電ポートへの給電電力比を横軸にとり、０〜１まで変えた場合におけるビームヌル方向（実線で示される角度）および相対利得が−２０ｄＢ以下となる角度（斜線部内に含まれる角度）を示したものである。図２３はピーク利得、カバレッジ利得、サイドローブレベルをプロットしたものである。
【００３７】
これらの結果から、２個のポートに給電される信号振幅を調整することでパターン特性を制御することが可能であることが分る。これにより、例えば強い電波を発している干渉源が在る場合において、ビームヌル方向または相対利得が小さな値となる方向を干渉源の方向に向けることで通信品質を大幅に改善することが可能となる。また、ビームヌル方向の制御を行わない場合においても２個のポートに給電される信号振幅を調整することで利得またはサイドローブ特性を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来の円形アレーアンテナを示す図である。
【図２】ディジタル信号処理を行う場合の従来の円形アレーアンテナを示す図である。
【図３】ＦＦＴ回路の動作を説明するための図である。
【図４】複数のポートから信号が入力される場合のＦＦＴ回路の動作を説明するための図である。
【図５】ＦＦＴ回路を用いた従来の円形アレーアンテナを示す図である。
【図６】本発明の一実施例による円形アレーアンテナを示す図である。
【図７】相対位相及び相対利得の関係を示す図である。
【図８】相対位相及び相対利得の関係を示す図である。
【図９】本発明の一実施例による円形アレーアンテナを示す図である。
【図１０】相対位相及び相対利得の関係を示す図である。
【図１１】相対位相及び相対利得の関係を示す図である。
【図１２】本発明の一実施例よる円形アレーアンテナを示す図である。
【図１３】本発明の一実施例よる円形アレーアンテナを示す図である。
【図１４】本発明の一実施例よる円形アレーアンテナを示す図である。
【図１５】本発明の一実施例よる円形アレーアンテナを示す図である。
【図１６】アンテナ間隔及び相対利得の関係を示す図である。
【図１７】アンテナ間隔及び相対利得の関係を示す図である。
【図１８】本発明の一実施例による円形アレーアンテナのビームパターンを示す図である。
【図１９】本発明の一実施例による円形アレーアンテナのビームパターンを示す図である。
【図２０】本発明の一実施例よる円形アレーアンテナを示す図である。
【図２１】本発明の一実施例による円形アレーアンテナのビームパターンを示す図である。
【図２２】給電電力比及びビームヌル方向の関係を示す図である。
【図２３】給電電力比及び相対利得の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
φ１，φ２，φ３，φ４，φ５  ポートを通じて伝送される信号の位相
λ  信号波長
ＦＦＴ回路  高速フーリエ変換回路
Ｄ／Ａ  ディジタルアナログ変換器
ＥＯＣ  カバレッジ利得
ＳＬＬ  サイドローブレベル
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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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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