(57)【要約】【課題】隣り合うビーム間の干渉が小さいマルチビームアンテナを低コストに実現し、コードブックＭＩＭＯ等の伝送方式を適用した場合の性能劣化を抑制したアンテナ装置及び分配非分配切替回路を提供する。【解決手段】複数のアンテナ素子２と、アンテナ素子２を介して信号を送受信する無線部３と、無線部３からの信号を２つのアンテナ素子２に２分配して送信するか、あるいはそのうち１つのアンテナ素子２のみに送信するかを切り替え可能な分配非分配切替回路８と、を備えた。【選択図】図２
2018061127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子と、
前記アンテナ素子を介して信号を送受信する無線部と、
前記無線部からの信号を２つの前記アンテナ素子に２分配して送信するか、あるいはそのうち１つの前記アンテナ素子のみに送信するかを切り替え可能な分配非分配切替回路と、を備えた、
アンテナ装置。
【請求項２】
前記分配非分配切替回路は、
一端が前記無線部から延びる無線部側伝送線路に接続された第１伝送線路と、
一端が一方の前記アンテナ素子から延びる第１アンテナ側伝送線路に接続され、他端が前記第１伝送線路の他端に接続された第２伝送線路と、
一端が他方の前記アンテナ素子から延びる第２アンテナ側伝送線路に接続された第３伝送線路と、
一端が前記第２伝送線路の一端に接続された第４伝送線路と、
前記第１伝送線路の他端を、前記第３伝送線路の他端に電気的に接続するか、あるいは前記第４伝送線路の他端に接続するかを切替可能なスイッチ回路と、を有し、
一方の前記アンテナ素子に送信する信号と、他方の前記アンテナ素子に送信する信号の電力比をｍ：ｎとしたとき、前記第１〜第４伝送線路の特性インピーダンスＺ１〜Ｚ４が、［数１］に示す式（１）〜（４）に設定されている、
請求項１に記載のアンテナ装置。
【数１】
2018061127.tif 000005
【請求項３】
前記第１〜第４伝送線路の線路長が、前記アンテナ素子を介して送受信する信号波長λの１／４倍である、
請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記スイッチ回路は、ＰＩＮダイオードを用いたダイオードスイッチ回路からなる、
請求項２または３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記複数のアンテナ素子は、水平方向に整列配置されており、
前記無線部は、入力されるベースバンド信号の系統毎でかつ前記アンテナ素子に送信する送信信号の系統毎に、位相と振幅を調整するための重み係数が設定された重みマトリクスを記憶する記憶部を有し、前記重みマトリクスを各系統のベースバンド信号に掛け合わせて前記送信信号を生成するように構成されており、
前記無線部は、適用する前記重みマトリクスを変更可能に構成されている、
請求項１乃至４の何れか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
複数のアンテナ素子と、
前記アンテナ素子を介して信号を送受信する無線部と、を備えたアンテナ装置に用いられ、
前記無線部からの信号を２つの前記アンテナ素子に２分配して送信するか、あるいはそのうち１つの前記アンテナ素子のみに送信するかを切り替え可能な分配非分配切替回路であって、
一端が前記無線部から延びる無線部側伝送線路に接続された第１伝送線路と、
一端が一方の前記アンテナ素子から延びる第１アンテナ側伝送線路に接続され、他端が前記第１伝送線路の他端に接続された第２伝送線路と、
一端が他方の前記アンテナ素子から延びる第２アンテナ側伝送線路に接続された第３伝送線路と、
一端が前記第２伝送線路の一端に接続された第４伝送線路と、
前記第１伝送線路の他端を、前記第３伝送線路の他端に電気的に接続するか、あるいは前記第４伝送線路の他端に接続するかを切替可能なスイッチ回路と、を有し、
一方の前記アンテナ素子に送信する信号と、他方の前記アンテナ素子に送信する信号の電力比をｍ：ｎとしたとき、前記第１〜第４伝送線路の特性インピーダンスＺ１〜Ｚ４が、［数２］に示す式（１）〜（４）に設定されている、
分配非分配切替回路。
【数２】
2018061127.tif 000006
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置及び分配非分配切替回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、携帯電話基地局として用いられるアンテナシステムでは、複数のアンテナ装置を用いて、３６０度全方向の通信をカバーすることが行われている。例えば、３つのアンテナ装置を用いて、各アンテナ装置で１２０度のエリアにおける通信をカバーする、といったことが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
本発明者らは、このようなアンテナ装置として、送受信する信号の系統毎にビームパターンを異ならせることが可能なマルチビームアンテナを開発している。マルチビームアンテナでは、水平方向に一直線上に配置された複数のアンテナ素子を用いており、系統毎に各アンテナ素子に送信する信号の位相と振幅を個別に調整することにより、系統毎に異なるビームパターンを実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２２５１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、マルチビームアンテナでは、隣り合うビーム間のクロスオーバや各ビームのサイドローブを小さくすることが要求される。本発明者らは、検討の結果、使用するアンテナ素子数を増やすことにより、隣り合うビーム間のクロスオーバや各ビームのサイドローブを小さくできることを見出した。また、本発明者らは、アンテナ素子数の増加に伴い無線部が複雑化し高コスト化することを抑制するため、分配器を用いて１つの信号を分配して複数のアンテナ素子に送信することを考えた。
【０００６】
しかしながら、本発明者らが検討を進めた結果、分配器を用いたアンテナ装置では、マルチビームアンテナ以外の伝送方式、例えばコードブックＭＩＭＯ（multiple-input and multiple-output）などを用いた場合に、性能が劣化する場合があるという新たな課題が見出された。
【０００７】
このような性能劣化の原因の一つとして、分配器を用いている系統と分配器を用いていない系統とでビームパターンに差異が生じていることが影響していると考えられる。
【０００８】
そこで、本発明は、無線部を複雑化することなく低コストに隣り合うビーム間の干渉が小さいマルチビームアンテナを実現でき、かつ、コードブックＭＩＭＯ等の伝送方式を適用した場合の性能劣化を抑制可能なアンテナ装置及び分配非分配切替回路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】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決することを目的として、複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子を介して信号を送受信する無線部と、前記無線部からの信号を２つの前記アンテナ素子に２分配して送信するか、あるいは１つの前記アンテナ素子に送信するかを切り替え可能な分配非分配切替回路と、を備えた、アンテナ装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、無線部を複雑化することなく低コストに隣り合うビーム間の干渉が小さいマルチビームアンテナを実現でき、かつ、コードブックＭＩＭＯ等の伝送方式を適用した場合の性能劣化を抑制可能なアンテナ装置及び分配非分配切替回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置の概略構成図であり、（ｂ）はアンテナ装置を用いたアンテナシステムの概略構成図である。
【図２】図１（ａ）のアンテナ装置に用いる分配非分配切替回路を示す図であり、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は分配状態での回路図、（ｃ）は非分配状態での回路図である。
【図３】図２の分配非分配切替回路に用いるスイッチ回路の一例を示す回路図である。
【図４】図１（ａ）のアンテナ装置の放射特性の一例を示すグラフ図である。
【図５】（ａ）は、本発明の一変形例に係るアンテナ装置の概略構成図であり、（ｂ）はその放射特性の一例を示すグラフ図である。
【図６】（ａ）は、本発明の一変形例に係るアンテナ装置の概略構成図であり、（ｂ）はその放射特性の一例を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１３】
（アンテナ装置及びアンテナシステムの説明）
図１（ａ）は、本実施の形態に係るアンテナ装置の概略構成図であり、図１（ｂ）はアンテナ装置を用いたアンテナシステムの概略構成図である。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、アンテナ装置１は、複数のアンテナ素子２と、無線部（ＲＥ）３と、無線部３を制御する無線制御部（ＲＥＣ）４と、を備えている。
【００１５】
複数のアンテナ素子２は、水平方向に一直線上に整列配置されている。アンテナ素子２としては、例えばダイポールアンテナを用いることができる。また、アンテナ素子２は、放射器を複数持つアレーであってもよい。つまり、アレー状に配置された複数のアンテナ素子の全体を１つのアンテナ素子２として扱ってもよい。
【００１６】
また、複数のアンテナ素子２は、等間隔に配置されている。アンテナ素子２の間隔は、アンテナ素子２を介して送受信する信号波長λの０．５倍程度であるとよい。より具体的には、アンテナ素子２の間隔は、アンテナ素子２を介して送受信する信号波長λの０．４倍以上０．６倍以下であるとよい。アンテナ素子２の間隔を０．５λ程度とすることで、不要なサイドローブを抑制し、カバーエリアが隣り合うアンテナ装置１同士の干渉を抑制することが可能になる。本実施の形態では、４つのアンテナ素子２ａ〜２ｄを０．５λの間隔で順次配置した。
【００１７】
無線制御部４は、送受信するデータや信号からベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４を生成すると共に、受信したベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４からデータや信号を得る変復調部４１を有している。変復調部４１は、複数系統（ここでは４系統）のベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４を生成し、生成したベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４を光ファイバなどを介して無線部３に出力する。変復調部４１における変調方式はとくに限定されるものではないが、例えば、ＱＰＳＫ（４位相偏移変調）等の位相偏移変調方式を用いることができる。また、複数の光ファイバを用いてベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４のそれぞれを伝送してもよいし、ベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４を多重化して１本の光ファイバで伝送してもよい。
【００１８】
無線部３は、重み演算部５と、記憶部６と、増幅・周波数変換部（ＲＦ）７と、を有している。
【００１９】
記憶部６は、ＲＡＭやＲＯＭ等のメモリで構成される。記憶部６には、ベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４の系統毎でかつアンテナ素子２に送信する送信信号Ｐ１〜Ｐ４の系統毎に、位相と振幅を調整するための重み係数が設定された重みマトリクスが記憶されている。本実施の形態では、ベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４の系統数が４であり、送信信号Ｐ１〜Ｐ４の系統数が４であるから、重みマトリクスは、４行４列の１６個の重み係数の行列で表される。
【００２０】
重み演算部５は、記憶部６に記憶されている重みマトリクスを各系統のベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４に掛け合わせて、各アンテナ素子２ａ〜２ｄに対応した増幅・周波数変換部７に送る。これらは、［数１］に示す式（５）により、アンテナ素子２ａ〜２ｄから送信する送信信号Ｐ１〜Ｐ４を生成する。送信信号Ｐ１〜Ｐ４をアンテナ素子２ａ〜２ｄに入力すると、ベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４に対応した信号は、それぞれ図１（ａ）に符号Ａ１〜Ａ４で示したビームパターンで出力される。
【数１】
2018061127.tif 000003
【００２１】
式（５）におけるＷ１１〜Ｗ４４は、重み係数であり、位相情報を含んだ複素数により表される。重み係数は、例えばＡ・ｅｊθと表される。Ａは送信信号Ｐ１〜Ｐ４の振幅の大きさを決定する係数、θは位相である。重みマトリクスの重み係数Ｗ１１〜Ｗ４４を適宜設定することにより、各送信信号Ｐ１〜Ｐ４が送信される方向及びビーム幅をそれぞれ調整すること（つまり各系統のビームパターンを調整すること）が可能である。つまり、アンテナ装置１は、そのカバーエリアに４つのセクタがあるかのごとく動作するマルチビームアンテナ装置である。
【００２２】
本実施の形態に係るアンテナ装置１では、無線部３は、適用する重みマトリクスを変更可能に構成されている。具体的には、アンテナ装置１では、記憶部６には、異なる重み係数が設定された複数の重みマトリクスが記憶されており、無線部３の重み演算部５は、適用する重みマトリクスを選択可能に構成されている。重みマトリクスは、制御情報信号により、無線制御部４側から書き換えあるいは選択が可能となっている。
【００２３】
なお、本実施の形態では記憶部６に複数の重みマトリクスを記憶させておき、いずれの重みマトリクスを適用するかを選択するように無線部３を構成したが、これに限らず、記憶部６に１つの重みマトリクスのみを記憶させ、重みマトリクスを変更する際に、無線制御部４側からその都度重みマトリクスの書き換えを行うようにしてもよい。
【００２４】
重み演算部５は、後述するアンテナシステム１０の制御装置１１から無線制御部４を介して無線部３に入力された制御情報信号を基に、適用する重みマトリクスを決定する。制御情報信号の方式としては、例えばＣＰＲＩ（Ｃｏｍｍｏｎ  Ｐｕｂｌｉｃ  Ｒａｄｉｏ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を用いることができる。
【００２５】
上述のように、重みマトリクスの重み係数Ｗ１１〜Ｗ４４を適宜設定することで、各系統のビームパターンが決定されることになる。よって、重み係数の異なる複数の重みマトリクスを予め記憶しておき、重み演算部５にてベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４に掛け合わせる重みマトリクスを適宜選択することで、ビームパターンを切り替えることが可能になる。
【００２６】
その結果、例えば、各系統のビームパターンの幅を狭くし、各系統のビームパターンの方向を近づけることで、アンテナ装置１のカバーエリアを狭めることが可能になる。また、各系統のビームパターンの幅を拡げ、各系統のビームパターンの方向を離間させることで、アンテナ装置１のカバーエリアを拡げることも可能になる。さらに、各系統のビームパターンの方向を変化させることで、カバーエリアの方向を変化させることも可能になる。
【００２７】
つまり、重み演算部５で適用する重みマトリクスを選択することで、通信状況に応じて最適なビームパターンに切り替えることが可能になる。なお、図１（ａ）では、ベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４の各系統に対応するビームパターンをそれぞれ破線（符号Ａ１〜Ａ４）にて表している。
【００２８】
また、重み演算部５は、各アンテナ素子２ａ〜２ｄで受信した信号に、記憶部６に記憶されている重みマトリクスの逆行列を掛け合わせることで、ベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４を生成する。
【００２９】
図１（ｂ）に示すように、アンテナシステム１０は、本実施の形態に係るアンテナ装置１を複数備えると共に、アンテナ装置１を制御する制御装置１１を備えている。
【００３０】
本実施の形態では、アンテナシステム１０は、３つのアンテナ装置１を備えている。アンテナシステム１０では、通信負荷が低い状態においては、各アンテナ装置１のカバーエリアは約１２０度に設定されており、３つのアンテナ装置１で３６０度全方向の通信をカバーするように構成されている。なお、図１（ｂ）では、各アンテナ装置１のカバーエリアを一点鎖線にて表している。
【００３１】
制御装置１１は、各アンテナ装置１の通信量を監視する通信量監視部１１ａと、通信量監視部１１ａが監視している各アンテナ装置１の通信量に基づき、アンテナ装置１毎に無線部３で適用する重みマトリクスを決定する重みマトリクス決定部１１ｂと、を有している。
【００３２】
重みマトリクス決定部１１ｂは、例えば、１つのアンテナ装置１での通信量が規定量を超えた際に、当該アンテナ装置１にてカバーエリアを縮小するように重みマトリクスを切り替えさせると共に、それ以外のアンテナ装置１にてカバーエリアを拡大するように重みマトリクスを切り替えさせる。これにより、通信負荷が大きいエリアでビーム幅を絞り（強電力にして）、かつ、通信負荷が小さいエリアでビーム幅を広げて（弱電力にして）、エリア当たりの通信負荷（ユーザ数）を均等化し、負荷分散を行うことが可能になる。
【００３３】
また、本実施の形態では、制御装置１１は、適用する伝送方式に応じて、後述する分配非分配切替回路８の切替制御を行う。
【００３４】
（分配非分配切替回路８の説明）
本実施の形態に係るアンテナ装置１は、無線部３からの信号を２つのアンテナ素子２に２分配して送信するか、あるいはそのうち１つのアンテナ素子２のみに送信するかを切り替え可能な分配非分配切替回路８を備えている。
【００３５】
上述のようにアンテナ装置１は、０．５λ間隔で水平方向に整列配置された６つのアンテナ素子２ａ〜２ｆを有している。アンテナ装置１では送受信する系統数（ここでは４つ）よりもアンテナ素子２の数が２つ多くなるため、分配非分配切替回路８を２つ用い、２つの送信信号Ｐ１，Ｐ２をそれぞれ２つのアンテナ素子２に分配するように構成している。つまり、アンテナ装置１では、無線部３とアンテナ素子２ａ，２ｅとが一方の分配非分配切替回路８を介して接続されており、かつ、無線部３とアンテナ素子２ｂ，２ｆとが他方の分配非分配切替回路８を介して接続されている。
【００３６】
両分配非分配切替回路８を分配状態に切り替えると、無線部３からの送信信号Ｐ１が２分配されてアンテナ素子２ａ，２ｅに送信され、送信信号Ｐ２が２分配されてアンテナ素子２ｂ，２ｆに送信される。また、両分配非分配切替回路８を非分配状態に切り替えると、アンテナ素子２ｅ，２ｆへの伝送線路が遮断され、無線部３からの送信信号Ｐ１がアンテナ素子２ａのみに、送信信号Ｐ２がアンテナ素子２ｂのみに送信される。
【００３７】
以下、分配非分配切替回路８を詳細に説明する。図２は、分配非分配切替回路８を示す図であり、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は分配状態での回路図、（ｃ）は非分配状態での回路図である。図２では、無線部３とアンテナ素子２ａ，２ｅ間に設けられている分配非分配切替回路８を示しているが、無線部３とアンテナ素子２ｂ，２ｆ間に設けられている分配非分配切替回路８も同様の構成である。
【００３８】
図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、分配非分配切替回路８は、第１伝送線路８１と、第２伝送線路８２と、第３伝送線路８３と、第４伝送線路８４と、スイッチ回路８５と、を備えている。
【００３９】
第１伝送線路８１は、その一端が、無線部３から延びる無線部側伝送線路９１に接続されている。第１伝送線路８１は、直線状に形成されている。第１伝送線路８１の他端は、第２伝送線路８２の他端とスイッチ回路８５（図２（ｂ），（ｃ）における電極ｘ）に接続されている。
【００４０】
第２伝送線路８２は、その一端が一方のアンテナ素子２ａから延びる第１アンテナ側伝送線路９２に接続され、他端が第１伝送線路８１の他端（つまりスイッチ回路８５の電極ｘ）に接続されている。第２伝送線路８２は、第１伝送線路８１の他端から第１伝送線路８１の長手方向と垂直な方向に延出された垂直部８２ａと、垂直部８２ａの第１伝送線路８１と反対側の端部から第１伝送線路８１の長手方向と平行な方向に延出され、垂直部８２ａと第１アンテナ側伝送線路９２とを連結する平行部８２ｂと、を一体に有している。
【００４１】
第３伝送線路８３は、その一端が他方のアンテナ素子２ｅから延びる第２アンテナ側伝送線路９３に接続され、他端がスイッチ回路８５（図２（ｂ），（ｃ）における電極ｚ）に接続されている。第３伝送線路８３は、スイッチ回路８５（電極ｚ）から第１伝送線路８１の長手方向と垂直な方向（第２伝送線路８２と反対方向）に延出された垂直部８３ａと、垂直部８３ａのスイッチ回路８５と反対側の端部から第１伝送線路８１の長手方向と平行な方向に延出され、垂直部８３ａと第２アンテナ側伝送線路９３とを連結する平行部８３ｂと、を一体に有している。
【００４２】
第４伝送線路８４は、その一端が第２伝送線路８２の一端（つまり第１アンテナ側伝送線路９２）に接続され、他端がスイッチ回路８５（図２（ｂ），（ｃ）における電極ｙ）に接続されている。第４伝送線路８４は、スイッチ回路８５（電極ｙ）から第１伝送線路８１の長手方向と平行な方向に延出された平行部８４ａと、平行部８４ａのスイッチ回路８５と反対側の端部から第２伝送線路８２側に垂直に延出され、平行部８４ａと第２伝送線路８２の一端とを連結する垂直部８４ｂと、を有している。
【００４３】
これら第１〜第４伝送線路８１〜８４の線路長は、アンテナ素子２を介して送受信する信号波長λの１／４倍とされる。これにより、第１〜第４伝送線路８１〜８４を伝送される信号の中心波長のずれを抑制することが可能になる。なお、第１〜第４伝送線路８１〜８４の線路長はλ／４から若干ずれていてもよいが、ずれが大きいと伝送される信号（ここでは送信信号Ｐ１）の中心波長にずれが生じて性能劣化の原因となる。よって、線路長の誤差はλ／４の１０％以内とすること（つまり、線路長を９λ／４０以上１１λ／４０以下とすること）が望ましい。本実施の形態では、第１〜第４伝送路８１〜８４は、マイクロストリップ線路からなり、図示しない基板に形成された配線パターンから構成されている。
【００４４】
スイッチ回路８５は、図２（ｂ）に示されるように第１伝送線路８１の他端（電極ｘ）を第３伝送線路８３の他端（電極ｚ）に電気的に接続するか、あるいは、図２（ｃ）に示されるように第１伝送線路８１の他端（電極ｘ）を第４伝送線路８４の他端（電極ｙ）に接続するか、を切替可能に構成されている。なお、図２（ａ）では、スイッチ回路８５を構成する素子や配線パターンを省略しており、破線にて囲まれた領域にスイッチ回路８５が搭載されることを示している。
【００４５】
スイッチ回路８５としては、ＳＰＤＴ(Single pole, dual throw)スイッチ回路を用いるとよく、ＰＮ接合の間に真性半導体であるＩ層（Intrinsic Layer)を有するＰＩＮダイオードを用いたダイオードスイッチ回路を好適に用いることができる。
【００４６】
スイッチ回路８５として用いるダイオードスイッチ回路の一例を図３に示す。なお、図３における符号ｘ，ｙ，ｚは、図２（ｂ），（ｃ）における電極ｘ，ｙ，ｚに対応している。
【００４７】
図３のスイッチ回路８５は、４つのダイオード（ＰＩＮダイオード）Ｄ１〜Ｄ４を用いたダイオードスイッチ回路である。このスイッチ回路８５では、電極ｘ（第１伝送線路８１の他端）は、コイルＬ３を介して接地されている。電極ｙ（第４伝送線路８４の他端）は、コンデンサＣ３、ダイオードＤ３を介して電極ｘに接続されており、コンデンサＣ３とダイオードＤ３間にはコイルＬ１を介して直流のバイアス電圧Ｖ１が印加されている。また、コンデンサＣ３とダイオードＤ３間にはダイオードＤ１のカソードが接続されており、ダイオードＤ１のアノードが接地されている。同様に、電極ｚ（第３伝送線路８３の他端）は、コンデンサＣ４、ダイオードＤ４を介して電極ｘに接続されており、コンデンサＣ４とダイオードＤ４間にはコイルＬ２を介して直流のバイアス電圧Ｖ２が印加されている。また、コンデンサＣ４とダイオードＤ４間にはダイオードＤ２のカソードが接続されており、ダイオードＤ２のアノードが接地されている。
【００４８】
コイルＬ１のバイアス電圧Ｖ１入力側は、コンデンサＣ１を介して接地されている。また、コイルＬ２のバイアス電圧Ｖ２入力側は、コンデンサＣ２を介して接地されている。コンデンサＣ１，Ｃ２は、高周波信号のみを接地に逃がし、バイアス電圧Ｖ１，Ｖ２の入力端に高周波信号が出力されてしまうことを抑制する役割を果たす。また、コンデンサＣ３，Ｃ４は、バイアス電圧Ｖ１，Ｖ２が電極ｙ、ｚ側へと出力されてしまうことを抑制する直流カット用素子である。
【００４９】
図３のスイッチ回路８５において、バイアス電圧Ｖ１を負電圧、バイアス電圧Ｖ２を正電圧とすると、ダイオードＤ４が順バイアスされ、高周波領域において電極ｘと電極ｚとが導通される。このとき、ダイオードＤ２，Ｄ３は逆バイアスとなり高周波信号を遮断するため、電極ｘと電極ｙとは電気的に遮断される。また、ダイオードＤ１は順バイアスされるため、高周波領域において電極ｙは接地された状態となる。これにより、図２（ｂ）の回路状態が実現されることになる。つまり、無線部３から入力された信号（送信信号Ｐ１）が両アンテナ素子２ａ，２ｅに分配して送信される分配状態が実現される。
【００５０】
また、図３のスイッチ回路８５において、バイアス電圧Ｖ１を正電圧、バイアス電圧Ｖ２を負電圧とすると、ダイオードＤ３が順バイアスされ、高周波領域において電極ｘと電極ｙとが導通される。このとき、ダイオードＤ１，Ｄ４は逆バイアスとなり高周波信号を遮断するため、電極ｘと電極ｚとは電気的に遮断される。また、ダイオードＤ２は順バイアスされるため、高周波領域において電極ｚは接地された状態となる。これにより、図２（ｃ）の回路状態が実現されることになる。つまり、無線部３から入力された信号（送信信号Ｐ１）が一方のアンテナ素子２ａのみに送信される非分配状態が実現される。
【００５１】
第１〜第４伝送線路８１〜８４の特性インピーダンスＺ１〜Ｚ４は、分配状態、及び非分配状態のいずれの状態においても整合がとれるように調整される。
【００５２】
具体的には、一方のアンテナ素子２ａに送信する信号と、他方のアンテナ素子２ｅに送信する信号の電力比（分配比）をｍ：ｎとしたとき、第１〜第４伝送線路８１〜８４の特性インピーダンスＺ１〜Ｚ４は、［数２］に示す式（１）〜（４）に設定される。
【数２】
2018061127.tif 000004
【００５３】
例えば、無線部側伝送線路９１、第１アンテナ側伝送線路９２、及び第２アンテナ側伝送線路９３の特性インピーダンスａ〜ｃを５０Ωとし、電力比ｍ：ｎを１：１とした場合、第１伝送線路８１の特性インピーダンスＺ１は４２．０４５Ω、第２伝送線路８２の特性インピーダンスＺ２は５９．４６０Ω、第３伝送線路８３の特性インピーダンスＺ３は５９．４６０Ω、第４伝送線路８４の特性インピーダンスＺ４は１４３．５５０Ωに設定される。本実施の形態では、第１〜第４伝送線路８１〜８４がマイクロストリップラインで構成されているため、配線パターンの幅を適宜調整することで、規定の特性インピーダンスとなるように第１〜第４伝送線路８１〜８４を形成すればよい。
【００５４】
なお、製造公差等により、第１〜第４伝送線路８１〜８４の特性インピーダンスＺ１〜Ｚ４が、上述の式（１）〜（４）で得られる値から若干ずれてしまうことも考えられるが、このような誤差は許容される。ただし、誤差が大きいとインピーダンス不整合による反射等の不具合が大きくなってしまうため、誤差は上述の式（１）〜（４）で得られる特性インピーダンスＺ１〜Ｚ４の値の±１０％以内とすること（例えば、第１伝送線路８１の特性インピーダンスであれば、式（１）で得られるＺ１の値の９／１０以上１１／１０以下であること）が望ましい。
【００５５】
（アンテナ素子２の素子数の検討）
次に、送受信する系統数を４とした場合において、アンテナ装置１における最適なアンテナ素子２の素子数について検討しておく。
【００５６】
アンテナ素子２を６つとした図１（ａ）のアンテナ装置１の放射特性は、図４のようになる。図４に示すように、アンテナ素子２の素子数を６つとした場合、重みマトリクスを適宜設定することで、隣り合うビームとのクロスオーバを７ｄＢ程度とし、サイドローブを約１８ｄＢ程度とすることができる。
【００５７】
なお、重みマトリクス（重み係数Ｗ１１〜Ｗ４４）は、隣り合うビームとのクロスオーバ及びサイドローブが小さくなるように、適宜な方法で算出される。本発明者らが検討した結果、重みマトリクスを調整してサイドローブを低くしようとすると、ビーム幅が拡がりクロスオーバが大きくなる傾向があることが分かった。
【００５８】
図５（ａ）に示すアンテナ装置１ａは、０．５λ間隔で水平方向に整列配置された７つのアンテナ素子２ａ〜２ｇを有している。アンテナ装置１ａでは、分配非分配切替回路８を３つ用い、送信信号Ｐ１を２分配してアンテナ素子２ａ，２ｅに、送信信号Ｐ２を２分配してアンテナ素子２ｂ，２ｆに、送信信号Ｐ３を２分配してアンテナ素子２ｃ，２ｇに、それぞれ送信するようにしている。
【００５９】
７つのアンテナ素子２ａ〜２ｇを用いたアンテナ装置１ａの放射特性は、図５（ｂ）のようになる。図５（ｂ）に示すように、アンテナ装置１ａでは、アンテナ素子２を６つ用いたアンテナ装置１よりもさらにクロスオーバを低くし、かつサイドローブを小さくできていることが分かる。また、アンテナ装置１ａでは、上述のアンテナ装置１と比較して、カバーエリアとなる１２０度の範囲外へのサイドローブが低減されている。
【００６０】
図６（ａ）に示すアンテナ装置１ｂは、０．５λ間隔で水平方向に整列配置された８つのアンテナ素子２ａ〜２ｈを有している。アンテナ装置１ｂでは、分配非分配切替回路８を４つ用い、送信信号Ｐ１を２分配してアンテナ素子２ａ，２ｅに、送信信号Ｐ２を２分配してアンテナ素子２ｂ，２ｆに、送信信号Ｐ３を２分配してアンテナ素子２ｃ，２ｇに、送信信号Ｐ４を２分配してアンテナ素子２ｄ，２ｈに、それぞれ送信するようにしている。
【００６１】
８つのアンテナ素子２ａ〜２ｈを用いたアンテナ装置１ｂの放射特性は、図６（ｂ）のようになる。図６（ｂ）に示すように、アンテナ装置１ｂでは、アンテナ素子２を７つ用いたアンテナ装置１ａよりもさらにクロスオーバを低くし、かつサイドローブを小さくできていることが分かる。また、アンテナ装置１ｂでは、７つのアンテナ素子２ａ〜２ｇを用いたアンテナ装置１ａと同様に、アンテナ装置１と比較して、カバーエリアとなる１２０度の範囲外へのサイドローブが低減されている。
【００６２】
以上の結果より、アンテナ素子２の数を増やすほど、クロスオーバを低くし、サイドローブを小さくすることが可能である。また、アンテナ素子２の数を７以上とすることで、カバーエリアとなる１２０度の範囲外へのサイドローブを低減することが可能である。よって、４系統の信号を送受信する場合（無線部３に４系統のベースバンド信号Ｄ１〜Ｄ４が入力されている場合）、０．５λ間隔で水平方向に整列配置された７つ以上のアンテナ素子２を有していることがより望ましいといえる。
【００６３】
また、以上の説明では偏波について言及しなかったが、一般に、あるエリアをカバーする場合に、直交２偏波を用いることが多くあり、ダイバシティやデータ多重に用いられる。本実施の形態では、１偏波として説明したが、直交２偏波に拡張してもよい。
【００６４】
（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係るアンテナ装置１では、無線部３からの信号を２つのアンテナ素子２ａ，２ｅに２分配して送信するか、あるいはそのうち１つのアンテナ素子２ａのみに送信するかを切り替え可能な分配非分配切替回路８を備えている。
【００６５】
分配非分配切替回路８は分配器としての役割を果たすため、アンテナ素子２の素子数よりも送信信号の系統数を少なくすることが可能である。よって、無線部３を複雑化させずにアンテナ素子２の素子数を増やすことが可能になり、低コストでかつ高性能な（隣り合うビーム間のクロスオーバ及びサイドロームが低い）マルチビームアンテナを実現できる。
【００６６】
また、分配非分配切替回路８を備えることにより、例えば、アンテナ装置１をマルチビームアンテナとして用いる場合には各分配非分配切替回路８を分配状態に、アンテナ装置１でコードブックＭＩＭＯを行う際には各分配非分配切替回路８を非分配状態とすることが可能になり、複数の伝送方式を性能劣化させることなく適用することが可能になる。
【００６７】
さらに、本実施の形態では、分配非分配切替回路８は、一端が無線部３から延びる無線部側伝送線路９１に接続された第１伝送線路８１と、一端が一方のアンテナ素子２ａ（または２ｂ）から延びる第１アンテナ側伝送線路９２に接続され、他端が第１伝送線路８１の他端に接続された第２伝送線路８２と、一端が他方のアンテナ素子２ｅ（または２ｆ）から延びる第２アンテナ側伝送線路９３に接続された第３伝送線路８３と、一端が第２伝送線路８２の一端に接続された第４伝送線路８４と、第１伝送線路８１の他端を、第３伝送線路８３の他端に電気的に接続するか、あるいは第４伝送線路８４の他端に接続するかを切替可能なスイッチ回路８５と、を有し、第１〜第４伝送線路の特性インピーダンスＺ１〜Ｚ４が、上述の式（１）〜（４）に設定されている。
【００６８】
これにより、分配状態と非分配状態のいずれの状態においてもインピーダンスを整合させることが可能になり、インピーダンス不整合による反射等の影響による性能劣化を抑制できる。
【００６９】
つまり、本実施の形態によれば、無線部３を複雑化することなく低コストに隣り合うビーム間の干渉が小さいマルチビームアンテナを実現でき、かつ、コードブックＭＩＭＯ等の伝送方式を適用した場合の性能劣化を抑制可能なアンテナ装置１を実現できる。
【００７０】
さらにまた、無線部３で適用する重みマトリクスを変更可能とすることにより、各系統のビームパターン（ビーム幅や方向）を調整して、アンテナ装置１におけるカバーエリアを可変することが可能になる。また、各系統のビームパターン（ビーム幅や方向）を調節することにより、隣り合うビーム間の干渉領域を調節したり、隣り合うエリア間の干渉領域を調整したりすることが可能になる。よって、アンテナ装置１によれば、複数のアンテナ装置１を用いてアンテナシステム１０を構成した際に、隣り合うアンテナ装置１との干渉を抑制することも可能になる。
【００７１】
（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
【００７２】
［１］複数のアンテナ素子（２）と、前記アンテナ素子（２）を介して信号を送受信する無線部（３）と、前記無線部（３）からの信号を２つの前記アンテナ素子（２）に２分配して送信するか、あるいはそのうち１つの前記アンテナ素子（２）のみに送信するかを切り替え可能な分配非分配切替回路（８）と、を備えた、アンテナ装置（１）。
【００７３】
［２］前記分配非分配切替回路（８）は、一端が前記無線部（３）から延びる無線部側伝送線路（９１）に接続された第１伝送線路（８１）と、一端が一方の前記アンテナ素子（２）から延びる第１アンテナ側伝送線路（９２）に接続され、他端が前記第１伝送線路（８１）の他端に接続された第２伝送線路（８２）と、一端が他方の前記アンテナ素子（２）から延びる第２アンテナ側伝送線路（９３）に接続された第３伝送線路（８３）と、一端が前記第２伝送線路（８２）の一端に接続された第４伝送線路（８４）と、前記第１伝送線路（８１）の他端を、前記第３伝送線路（８３）の他端に電気的に接続するか、あるいは前記第４伝送線路（８４）の他端に接続するかを切替可能なスイッチ回路（８５）と、を有し、一方の前記アンテナ素子（２）に送信する信号と、他方の前記アンテナ素子（２）に送信する信号の電力比をｍ：ｎとしたとき、前記第１〜第４伝送線路（８１〜８４）の特性インピーダンスＺ１〜Ｚ４が、上述の式（１）〜（４）に設定されている、［１］に記載のアンテナ装置（１）。
【００７４】
［３］前記第１〜第４伝送線路（８１〜８４）の線路長が、前記アンテナ素子（２）を介して送受信する信号波長λの１／４倍である、［２］に記載のアンテナ装置（１）。
【００７５】
［４］前記スイッチ回路（８５）は、ＰＩＮダイオードを用いたダイオードスイッチ回路からなる、［２］または［３］に記載のアンテナ装置（１）。
【００７６】
［５］前記複数のアンテナ素子（２）は、水平方向に整列配置されており、前記無線部（３）は、入力されるベースバンド信号の系統毎でかつ前記アンテナ素子（２）に送信する送信信号の系統毎に、位相と振幅を調整するための重み係数が設定された重みマトリクスを記憶する記憶部（６）を有し、前記重みマトリクスを各系統のベースバンド信号に掛け合わせて前記送信信号を生成するように構成されており、前記無線部（３）は、適用する前記重みマトリクスを変更可能に構成されている、［１］乃至［４］の何れか１項に記載のアンテナ装置（１）。
【００７７】
［６］複数のアンテナ素子（２）と、前記アンテナ素子（２）を介して信号を送受信する無線部（３）と、を備えたアンテナ装置（１）に用いられ、前記無線部（３）からの信号を２つの前記アンテナ素子（２）に２分配して送信するか、あるいはそのうち１つの前記アンテナ素子（２）のみに送信するかを切り替え可能な分配非分配切替回路（８）であって、一端が前記無線部（３）から延びる無線部側伝送線路（９１）に接続された第１伝送線路（８１）と、一端が一方の前記アンテナ素子（２）から延びる第１アンテナ側伝送線路（９２）に接続され、他端が前記第１伝送線路（８１）の他端に接続された第２伝送線路（８２）と、一端が他方の前記アンテナ素子（２）から延びる第２アンテナ側伝送線路（９３）に接続された第３伝送線路（８３）と、一端が前記第２伝送線路（８２）の一端に接続された第４伝送線路（８４）と、前記第１伝送線路（８１）の他端を、前記第３伝送線路（８３）の他端に電気的に接続するか、あるいは前記第４伝送線路（８４）の他端に接続するかを切替可能なスイッチ回路（８５）と、を有し、一方の前記アンテナ素子（２）に送信する信号と、他方の前記アンテナ素子（２）に送信する信号の電力比をｍ：ｎとしたとき、前記第１〜第４伝送線路（８１〜８４）の特性インピーダンスＺ１〜Ｚ４が、上述の式（１）〜（４）に設定されている、分配非分配切替回路（８）。
【００７８】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【００７９】
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１…アンテナ装置
２…アンテナ素子
３…無線部
４…無線制御部
５…重み演算部
６…記憶部
７…増幅・周波数変換部
８…分配非分配切替回路
８１…第１伝送線路
８２…第２伝送線路
８３…第３伝送線路
８４…第４伝送線路
８５…スイッチ回路
９１…無線部側伝送線路
９２…第１アンテナ側伝送線路
９３…第２アンテナ側伝送線路
【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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