(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電点が互いに異なる複数のアンテナ素子を有するアンテナと、
前記アンテナ素子のウェイトを制御する制御手段とを備え、
前記複数のアンテナ素子は、それぞれ、
給電点に接続された給電素子と、前記給電素子と電磁界結合することにより給電されて放射導体として機能する放射素子とを有し、
前記給電素子と前記放射素子とが最短距離で並走する距離は、前記放射素子の長さの３／８以下であり、
前記制御手段は、前記給電点それぞれにおける信号の振幅を調整して、前記アンテナの指向性を制御する、アンテナ指向性制御システム。
【請求項２】
前記アンテナに適用する伝送モードとして、ＭＩＭＯ空間多重モード又はビームフォーミングモードを選択する選択手段を備え、
前記制御手段は、前記伝送モードがビームフォーミングモードである場合、前記アンテナの指向性を制御する、請求項１に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記信号の位相を制御せずに前記振幅を調整する、請求項１または２に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記信号の位相が同相で前記振幅を調整する、請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項５】
前記複数のアンテナ素子のそれぞれの給電点は、互いに近接して配置された、請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項６】
前記複数のアンテナ素子の形状は、線対称である、請求項１から５のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項７】
前記複数のアンテナ素子のそれぞれの給電点に共通のグランド基準であるグランドプレーンが、前記複数のアンテナ素子のそれぞれの放射素子の間に位置する、請求項１から６のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項８】
前記給電素子の共振の基本モードを与える電気長をＬｅ３７、前記放射素子の共振の基本モードを与える電気長をＬｅ３１、前記放射素子の基本モードの共振周波数における前記給電素子または前記放射素子上での波長をλとして、Ｌｅ３７が、（３／８）・λ以下であり、かつ、Ｌｅ３１が、（３／８）・λ以上（５／８）・λ以下である、請求項１から７のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項９】
前記放射素子の基本モードの共振周波数における真空中の波長をλ０とする場合、
前記給電素子と前記放射素子との最短距離が、０．２×λ０以下である、請求項１から８のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項１０】
前記放射素子は、前記給電素子からの給電を受ける給電部を有し、
前記給電部は、前記放射素子の基本モードの共振周波数における最も低いインピーダンスになる部分以外に位置する、請求項１から９のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項１１】
前記放射素子は、前記給電素子からの給電を受ける給電部を有し、
前記給電部は、前記放射素子の基本モードの共振周波数における最も低いインピーダンスになる部分から、前記放射素子の全長の１／８以上の距離を離した部位に位置する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項１２】
前記放射素子は、前記給電素子からの給電を受ける給電部を有し、
前記放射素子の基本モードの共振周波数における真空中の波長をλ０とする場合、
前記給電部と、前記給電点のグランド基準であるグランドプレーンとの最短距離は、０．００３４λ０以上０．２１λ０以下である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項１３】
前記選択手段は、前記複数のアンテナ素子の周囲の電波環境に応じて、前記伝送モードを選択する、請求項２に記載のアンテナ指向性制御システム。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システムを備える無線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナの指向性制御システム及びそれを備える無線装置（例えば、携帯電話などの携帯無線機）に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信速度を向上させる手段として、ＭＩＭＯ（Multiple  Input  Multiple  Output）アンテナによるＭＩＭＯ空間多重通信技術が利用されている。ＭＩＭＯアンテナは、複数のアンテナ素子を用いて所定の周波数において多重の入出力が可能なマルチアンテナである。しかしながら、移動体通信において、端末における電波伝搬環境は多様であり、実際には、ＭＩＭＯ空間多重通信が利用できる環境は限られる。【０００３】
例えば、非特許文献１には、市街地における到来波の角度広がり（Angle Spread）の実測データが開示されている。ビルなどの反射物の比較的多い市街地であっても、到来波の角度広がりは３０°以下であり、十分なマルチパスリッチ環境は得られないことが示されている。【０００４】
このような事実があることから、非特許文献２に示される３ＧＰＰの規格では、ＭＩＭＯ空間多重モードの他に、ビームフォーミングモード、送信ダイバーシティモード、マルチユーザＭＩＭＯモードなどの計９個の伝送モードが設定されている。基地局から送信される基準信号に基づいて端末の置かれた電波環境を測定し、適切な伝送モードを選択する方式が採用されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Tetsuro Imai, etc.,「A Propagation Prediction System for Urban Area Macrocells Using Ray-tacing Methods」, NTT DoCoMo Technical Journal, Vol.6, No.1, ｐ.41-51
【非特許文献２】3GPP TS 36.213 V10.1.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Trrestrial Radio Access(E-UTRA); Pysical layer procedures (Release10), p.26-27
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＭＩＭＯ空間多重モードで伝送する場合とビームフォーミングモードで伝送する場合とでは、アンテナに要求されるアンテナ特性が異なるため、アンテナの共通化が難しく、別々のアンテナで対応しているのが現状である。【０００７】
そこで、共通のアンテナで異なるアンテナ特性に対応できる、アンテナ指向性制御システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一つの案では、
給電点が互いに異なる複数のアンテナ素子を有するアンテナと、前記アンテナ素子のウェイトを制御する制御手段とを備え、前記複数のアンテナ素子は、それぞれ、給電点に接続された給電素子と、前記給電素子と電磁界結合することにより給電されて放射導体として機能する放射素子とを有し、前記給電素子と前記放射素子とが最短距離で並走する距離は、前記放射素子の長さの３／８以下であり、前記制御手段は、前記給電点それぞれにおける信号の振幅を調整して、前記アンテナの指向性を制御する、アンテナ指向性制御システムが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
一態様によれば、共通のアンテナで異なるアンテナ特性に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】アンテナ指向性制御システムの一構成例を示すブロック図である。
【図２】給電点が互いに異なる複数のアンテナ素子を有するアンテナの一例を示す平面図である。
【図３】アンテナの各構成の位置関係の一例を示す図である。
【図４】アンテナの相関係数のシミュレーション結果の一例を示す特性図である。
【図５】アンテナの指向性の一例を示す特性図である。
【図６】給電点が互いに異なる複数のアンテナ素子を有するアンテナの一例を示す平面図である。
【図７】アンテナのＳパラメータの実験結果の一例を示す特性図である。
【図８】アンテナの相関係数の実験結果の一例を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜アンテナ指向性制御システム１０の構成＞
図１は、本発明の一実施形態であるアンテナ指向性制御システム１０の構成例を示したブロック図である。アンテナ指向性制御システム１０は、例えば、無線装置１００に搭載されるアンテナシステムである。無線装置１００の例として、移動体自体又は移動体に内蔵される無線通信装置が挙げられる。移動体の例として、携帯可能な携帯端末装置、自動車等の車両、ロボットなどが挙げられる。携帯端末装置の具体例として、携帯電話、スマートフォン、タブレット型コンピュータ、ゲーム機、テレビ、音楽や映像のプレーヤーなどの電子機器が挙げられる。
【００１２】
アンテナ指向性制御システム１０は、複数のアンテナ素子１１，１２を有するアンテナ１３と、信号処理回路２３と、コントローラ２４と、複数のウェイト制御回路２１，２２とを備えている。アンテナ素子１１，１２は、互いに異なる給電点に接続されている。
【００１３】
２つのアンテナ素子１１，１２は、到来する電波（到来波）を受信または無線装置１００の信号を送信することが可能であって、２つのアンテナ素子１１，１２に流れる電流の振幅を調整することでアンテナ１３としての指向性を制御することが可能となる。
【００１４】
信号処理回路２３は、アンテナ素子１１，１２が到来波を受信することによって得られた受信信号を処理する、または無線装置１００の送信信号を処理する回路である。信号処理回路２３は、例えば、アンテナ素子１１，１２により得られた受信信号に対して、増幅及びＡＤ変換などの高周波処理やベースバンド処理を行う回路である。
【００１５】
コントローラ２４は、アンテナ１３に適用する伝送モードとして、ＭＩＭＯ空間多重モード又はビームフォーミングモードを選択する選択手段の一例である。コントローラ２４は、選択した伝送モードに応じた制御信号をウェイト制御回路２１，２２に対して出力する。
【００１６】
コントローラ２４は、例えば、信号処理回路２３がアンテナ素子１１，１２の周囲の電波環境をアンテナ素子１１，１２を用いて測定した結果に応じて、アンテナ１３に適用する伝送モードを選択する。コントローラ２４は、ＭＩＭＯ空間多重モードの伝送に適した電波環境が測定された場合、アンテナ１３に適用する伝送モードとして、ＭＩＭＯ空間多重モードを選択する。ＭＩＭＯ空間多重モードの場合、アンテナ１３が複数のアンテナ素子を有していれば、複数チャンネルのＭＩＭＯアンテナとなる。例えば、図１のように２つのアンテナ素子１１，１２があるとすると、アンテナ１３は２チャンネルのＭＩＭＯアンテナとなる。一方、コントローラ２４は、ビームフォーミングモードの伝送に適した電波環境が測定された場合、アンテナ１３に適用する伝送モードとして、ビームフォーミングモードを選択する。ビームフォーミングモードの場合、アンテナ１３は、２つのアンテナ素子１１，１２を利用した指向性制御が可能なアンテナとなる。
【００１７】
ウェイト制御回路２１，２２は、コントローラ２４からの制御信号に従って、アンテナ１３の指向性を制御する制御手段の一例である。ウェイト制御回路２１，２２は、アンテナ素子１１，１２それぞれで受信されたもしくは送信する信号の振幅や位相などのウェイトを制御することにより、例えば、アンテナ素子１１およびアンテナ素子１２の最大比合成によるアンテナ１３の指向性を制御する。アンテナ１３の指向性を制御するために、ウェイト制御回路２１，２２は、例えば、アンテナ素子１１，１２それぞれの給電点に流れる電流の電流値を調整する。
【００１８】
＜アンテナ１の構成＞
図２は、本発明の一実施形態に係るアンテナ１の構成の一例を模式的に示す平面図である。アンテナ１は、図１で示したアンテナ１３の一例である。アンテナ１は、グランドプレーン７０と、アンテナ素子３０と、アンテナ素子４０とを備えている。
【００１９】
グランドプレーン７０は、平面状の導体パターンであり、図面には、ＸＹ平面内に延在する長方形状のグランドプレーン７０が例示されている。グランドプレーン７０は、例えば、Ｘ軸方向に直線的に延伸する外縁部７１，７２と、Ｙ軸方向に直線的に延伸する外縁部７３，７４とを有している。外縁部７２は、外縁部７１の対辺であり、外縁部７４は、外縁部７３の対辺である。グランドプレーン７０は、例えば、ＸＹ平面に平行に配置され、Ｘ軸方向に平行な横の長さをＬ７とし、Ｙ軸方向に平行な縦の長さをＬ４とする長方形の外形を有している。グランドプレーン７０は、基板２５（図３参照）に積層され、基板２５の表層（外層）に配置されてもよいし、基板２５の内層に配置されてもよい。グランドプレーン７０は、グランド電位を有するグランド部位である。グランドプレーン７０は、アンテナのインピーダンスマッチングを容易にとりやすくなる点で、所定値以上の面積を有するグランド部位であることが好ましいが、基板２５に実装されるキャパシタ等の実装部品が電気的に接続されるグランド部位でもよい。
【００２０】
アンテナ素子３０，４０は、互いに異なる給電点に接続されている。アンテナ素子３０は、外縁部７１をグランド端とする給電点３８に接続され、アンテナ素子４０は、給電点３８と同じ外縁部７１をグランド端とする給電点４８に接続されている。グランドプレーン７０は、給電点３８と給電点４８に共通のグランド基準である。
【００２１】
給電点３８と給電点４８は、互いに近接して配置されている。給電点３８は、外縁部７１のＸ軸方向の一方の端７１ａ（図示の場合、外縁部７１と外縁部７４との交点）よりも給電点４８に近い位置に配置されている。給電点４８は、外縁部７１のＸ軸方向の他方の端７１ｂ（図示の場合、外縁部７１と外縁部７３との交点）よりも給電点３８に近い位置に配置されている。給電点３８と給電点４８が、互いに近接して配置されていることにより、給電点３８，４８それぞれに接続されるストリップ導体を互いに近づけることができるので、アンテナ素子３０，４０の設置に必要なスペースを容易に縮小できる。
【００２２】
アンテナ素子３０は、給電素子３７と放射素子３１とを有するアンテナ素子の一例であり、アンテナ素子４０は、給電素子４７と放射素子４１とを有するアンテナ素子の一例である。
【００２３】
アンテナ素子３０とアンテナ素子４０の形状は、アンテナ１の指向性を容易に制御できるように、Ｙ軸に平行な直線を対称軸とした線対称（給電点３８と給電点４８との間を通るＹＺ平面に関して線対称）であることが好ましい。線対称の場合、給電素子３７の全長と給電素子４７の全長は等しく、放射素子３１の全長と放射素子４１の全長は等しい。
【００２４】
給電素子３７は、グランドプレーン７０をグランド基準とする給電点３８に接続された給電素子の一例である。給電素子３７は、放射素子３１に対して非接触で高周波的に結合して給電可能な線状導体である。図面には、外縁部７１に対して直角且つＹ軸に平行な方向に延在する直線状導体と、Ｘ軸に平行な外縁部７１に並走して延在する直線状導体とによって、Ｌ字状に形成された給電素子３７が例示されている。図示の場合、給電素子３７は、給電点３８を起点にＹ軸方向に延伸してからＸ軸方向に折り曲げられ、Ｘ軸方向への延伸の端部３９まで延伸している。端部３９は、他の導体が接続されていない開放端である。給電素子３７は、図示の形状に限られない。
【００２５】
給電点３８は、グランドプレーン７０を利用した所定の伝送線路や給電線等に接続される給電部位である。所定の伝送線路の具体例として、マイクロストリップライン、ストリップライン、グランドプレーン付きコプレーナウェーブガイド（導体面とは反対側の表面にグランドプレーンが配置されたコプレーナウェーブガイド）などが挙げられる。給電線としては、フィーダー線や同軸ケーブルが挙げられる。
【００２６】
放射素子３１は、給電素子３７から離れて配置され、給電素子３７と電磁界結合することにより給電されて放射導体として機能する放射素子の一例である。放射素子３１は、給電素子３７から非接触で給電を受ける給電部３６を有する線状導体である。
【００２７】
図面には、Ｌ字状に形成された放射素子３１が例示されている。Ｌ字状の放射素子３１は、外縁部７１から離れて配置され外縁部７１に沿うようにＸ軸方向に延伸する導体部分３１ａと、外縁部７４から離れて配置され外縁部７４に沿うようにＹ軸方向に延伸する導体部分３１ｂとを有している。図面には、Ｌ字状の放射素子３１が例示されているが、放射素子３１の形状は、一本の直線状、メアンダ状などの他の形状であってもよい。
【００２８】
放射素子３１が、外縁部７１に沿った導体部分３１ａを有することによって、又は外縁部７４に沿った導体部分３１ｂを有することによって、例えばアンテナ素子３０の指向性を容易に調整することが可能となる。
【００２９】
また、導体部分３１ａは、導体部分４１ｂが延伸するＹ軸方向に直交するようにＸ軸方向に延伸していることによって、例えばアンテナ１の指向性を容易に制御することが可能となる。同様に、導体部分３１ｂは、導体部分４１ａが延伸するＸ軸方向に直交するようにＹ軸方向に延伸していることによって、例えばアンテナ１の指向性を容易に制御することが可能となる。
【００３０】
給電点３８と給電点４８が共通で利用するグランドプレーン７０が、放射素子３１の導体部分３１ｂと放射素子４１の導体部分４１ｂとの間に位置しているので、例えばアンテナ１の指向性を容易に制御することが可能となる。
【００３１】
放射素子３１と給電素子３７は、給電素子３７が放射素子３１に非接触で給電可能に電磁界結合可能な距離離れていれば、Ｘ軸、Ｙ軸又はＺ軸方向などの任意の方向での平面視において重複していても重複していなくてもよい。
【００３２】
給電素子３７と放射素子３１は、互いに電磁界結合可能な距離で離れて配置されている。放射素子３１は、給電素子３７から給電を受ける給電部３６を有している。放射素子３１は、給電部３６で給電素子３７を介して電磁界結合によって非接触で給電される。このように給電されることによって、放射素子３１は、アンテナ素子３０の放射導体として機能する。
【００３３】
図示のように、放射素子３１が２点間を結ぶ線状導体である場合、半波長ダイポールアンテナと同様の共振電流（分布）が放射素子３１上に形成される。すなわち、放射素子３１は、所定の周波数の半波長で共振するダイポールアンテナとして機能（以下、ダイポールモードという）する。
【００３４】
電磁界結合とは、電磁界の共鳴現象を利用した結合であり、例えば非特許文献（Ａ.Ｋｕｒｓ, ｅｔ ａｌ,“Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｖｉａ Ｓｔｒｏｎｇｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ,”Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｘｐｒｅｓｓ,  Ｖｏｌ.３１７,  Ｎｏ.５８３４,  ｐｐ.８３−８６,  Ｊｕｌ.  ２００７）に開示されている。電磁界結合は、電磁界共振結合又は電磁界共鳴結合とも称され、同じ周波数で共振する共振器同士を近接させ、一方の共振器を共振させると、共振器間に作られるニアフィールド（非放射界領域）での結合を介して、他方の共振器にエネルギーを伝送する技術である。また、電磁界結合とは、静電容量結合や電磁誘導による結合を除いた高周波における電界及び磁界による結合を意味する。なお、ここでの「静電容量結合や電磁誘導による結合を除いた」とは、これらの結合が全くなくなることを意味するのではなく、影響を及ぼさない程度に小さいことを意味する。給電素子３７と放射素子３１との間の媒体は、空気でもよいし、ガラスや樹脂材等の誘電体でもよい。なお、給電素子３７と放射素子３１との間には、グランドプレーンやディスプレイ等の導電性材料を配置しないことが好ましい。
【００３５】
給電素子３７と放射素子３１を電磁界結合させることによって、衝撃に対して強い構造が得られる。すなわち、電磁界結合の利用によって、給電素子３７と放射素子３１を物理的に接触させることなく、給電素子３７を用いて放射素子３１に給電できるため、物理的な接触が必要な接触給電方式に比べて、衝撃に対して強い構造が得られる。
【００３６】
給電素子３７と放射素子３１を電磁界結合させることによって、非接触給電を簡易な構成で実現できる。すなわち、電磁界結合の利用によって、給電素子３７と放射素子３１を物理的に接触させることなく、給電素子３７を用いて放射素子３１に給電できるため、物理的な接触が必要な接触給電方式に比べて、簡易な構成での給電が可能である。また、電磁界結合の利用によって、容量板などの余計な部品を構成してなくても、給電素子３７を用いて放射素子３１に給電できるため、静電容量結合で給電する場合に比べて、簡易な構成での給電が可能である。
【００３７】
また、電磁界結合で給電する場合の方が、静電容量結合又は磁界結合で給電する場合に比べて、給電素子３７と放射素子３１の離間距離（結合距離）を長くしても、放射素子３１の動作利得（アンテナ利得）は低下しにくい。ここで、動作利得とは、アンテナの放射効率×リターンロスで算出される量であり、入力電力に対するアンテナの効率として定義される量である。したがって、給電素子３７と放射素子３１を電磁界結合させることで、給電素子３７と放射素子３１の配置位置を決める自由度を高めることができ、位置ロバスト性も高めることができる。なお、位置ロバスト性が高いとは、給電素子３７及び放射素子３１の配置位置等がずれても、放射素子３１の動作利得に与える影響が低いことを意味する。また、給電素子３７と放射素子３１の配置位置を決める自由度が高いため、アンテナ素子３０の設置に必要なスペースを容易に縮小できる点で有利である。
【００３８】
また、図示の場合、給電素子３７が放射素子３１に給電する部位である給電部３６は、放射素子３１の一方の端部３４と他方の端部３５との間の中央部３３以外の部位（中央部３３と端部３４又は端部３５との間の部位）に位置している。このように、給電部３６を放射素子３１の基本モードの共振周波数における最も低いインピーダンスになる部分（この場合、中央部３３）以外の放射素子３１の部位に位置させることによって、アンテナ素子３０のマッチングを容易に取ることができる。給電部３６は、放射素子３１と給電素子３７とが最近接する放射素子３１の導体部分のうち給電点３８に最も近い部分で定義される部位である。
【００３９】
放射素子３１のインピーダンスは、放射素子３１の中央部３３から端部３４又は端部３５の方に離れるにつれて高くなる。電磁界結合における高インピーダンスでの結合の場合、給電素子３７と放射素子３１間のインピーダンスが多少変化しても一定以上の高インピーダンスで結合していればインピーダンスマッチングに対する影響は小さい。よって、マッチングを容易に取るために、放射素子３１の給電部３６は、放射素子３１の高インピーダンスの部分に位置することが好ましい。
【００４０】
例えば、アンテナ素子３０のインピーダンスマッチングを容易に取るために、給電部３６は、放射素子３１の基本モードの共振周波数における最も低いインピーダンスになる部分（この場合、中央部３３）から放射素子３１の全長の１／８以上（好ましくは、１／６以上、さらに好ましくは、１／４以上）の距離を離した部位に位置するとよい。図示の場合、放射素子３１の全長は、Ｌ１＋Ｌ５に相当し、給電部３６は、中央部３３に対して端部３４側に位置している。
【００４１】
また、放射素子３１の基本モードの共振周波数における真空中の電波波長をλ０とする場合、給電部３６とグランドプレーン７０との最短距離Ｄ１は、０．００３４λ０以上０．２１λ０以下である。最短距離Ｄ１は、より好ましくは、０．００４３λ０以上０．１９９λ０以下であり、更に好ましくは、０．００６９λ０以上０．１６４λ０以下である。最短距離Ｄ１をこのような範囲に設定することによって、放射素子３１の動作利得が向上する点で有利である。また、最短距離Ｄ１が（λ０／４）未満であるため、アンテナ素子３０は、円偏波を発生させるのではなく、直線偏波を発生させる。
【００４２】
なお、最短距離Ｄ１とは、給電部３６と外縁部７１との最近接部分を直線で結んだ距離に相当し、この場合の外縁部７１は、給電部３６に給電する給電素子３７に接続された給電点３８のグランド基準であるグランドプレーン７０の外縁部である。また、放射素子３１とグランドプレーン７０は、同一平面上にあってもよいし、異なる平面上にあってもよい。また、放射素子３１は、グランドプレーン７０が配置された平面に対して、平行な平面に配置されてもよいし、任意の角度で交差する平面に配置されてもよい。
【００４３】
また、放射素子３１の基本モードの共振周波数における真空中の電波波長をλ０とする場合、給電素子３７と放射素子３１との最短距離Ｄ２は、０．２×λ０以下（より好ましくは、０．１×λ０以下、更に好ましくは、０．０５×λ０以下）であると好適である。給電素子３７と放射素子３１をこのような最短距離Ｄ２だけ離して配置することによって、放射素子３１の動作利得を向上させる点で有利である。
【００４４】
なお、最短距離Ｄ２とは、給電部３６と給電部３６に給電する給電素子３７との最近接部分を直線で結んだ距離に相当する。また、給電素子３７と放射素子３１は、両者が電磁界結合していれば、任意の方向から見たときに、交差しても交差しなくてもよいし、その交差角度も任意の角度でよい。また、放射素子３１と給電素子３７は、同一平面上にあってもよいし、異なる平面上にあってもよい。また、放射素子３１は、給電素子３７が配置された平面に対して、平行な平面に配置されてもよいし、任意の角度で交差する平面に配置されてもよい。
【００４５】
また、給電素子３７と放射素子３１とが最短距離Ｄ２で並走する距離は、放射素子３１の物理的な長さの３／８以下であることが好ましい。より好ましくは、１／４以下、更に好ましくは、１／８以下である。
【００４６】
最短距離Ｄ２となる位置は給電素子３７と放射素子３１との結合が強い部位であり、最短距離Ｄ２で並走する距離が長いと、放射素子３１のインピーダンスが高い部分と低い部分の両方と強く結合することになるため、インピーダンスマッチングが取れない場合がある。よって、放射素子３１のインピーダンスの変化が少ない部位のみと強く結合するために最短距離Ｄ２で並走する距離は短い方がインピーダンスマッチングの点で有利である。
【００４７】
また、給電素子３７の共振の基本モードを与える電気長をＬｅ３７、放射素子３１の共振の基本モードを与える電気長をＬｅ３１、放射素子３１の基本モードの共振周波数ｆ１における給電素子３７または放射素子３１上での波長をλとして、Ｌｅ３７が、（３／８）・λ以下であり、かつ、Ｌｅ３１が、（３／８）・λ以上（５／８）・λ以下であることが好ましい。
【００４８】
また、外縁部７１が放射素子３１に沿うようにグランドプレーン７０が形成されているので、給電素子３７は、外縁部７１との相互作用により、給電素子３７とグランドプレーン７０上に、共振電流（分布）を形成することができ、放射素子３１と共鳴して電磁界結合する。そのため、給電素子３７の電気長Ｌｅ３７の下限値は特になく、給電素子３７が放射素子３１と物理的に電磁界結合できる程度の長さであればよい。
【００４９】
また、前記Ｌｅ３７は、給電素子３７の形状に自由度を与えたい場合には、（１／８）・λ以上（３／８）・λ以下がより好ましく、（３／１６）・λ以上（５／１６）・λ以下が特に好ましい。Ｌｅ３７がこの範囲内であれば、給電素子３７が放射素子３１の設計周波数（共振周波数ｆ１）にて良好に共振するため、グランドプレーン７０に依存せずに給電素子３７と放射素子３１とが共鳴して良好な電磁界結合が得られ好ましい。
【００５０】
なお、電磁界結合が実現しているとは整合が取れているということを意味している。また、この場合、給電素子３７が放射素子３１の共振周波数ｆに合わせて電気長を設計する必要がなく、給電素子３７を放射導体として自由に設計することが可能になるため、アンテナ素子３０の多周波化を容易に実現できる。
【００５１】
なお給電素子３７の物理的な長さＬ３７（図示の場合、Ｌ２＋Ｌ３に相当）は、整合回路などを含んでいない場合、放射素子の基本モードの共振周波数における真空中の電波の波長をλ０として、実装される環境による波長短縮効果の短縮率をｋ１としたとき、λｇ１＝λ０・ｋ１によって決定される。ここでｋ１は、給電素子３７の環境の実効比誘電率（εｒ１）および実効比透磁率（μｒ１）などの給電素子が設けられた誘電体基材等の媒質（環境）の比誘電率、比透磁率、および厚み、共振周波数などから算出される値である。すなわち、Ｌ３７は、（３／８）・λｇ１以下である。なお、短縮率は上記の物性から算出してもよいし、実測により求めても良い。例えば、短縮率を測定したい環境に設置された対象となる素子の共振周波数を測定し、任意の周波数ごとの短縮率が既知である環境において同じ素子の共振周波数を測定し、これらの共振周波数の差から短縮率を算出してもよい。
【００５２】
給電素子３７の物理的な長さＬ３７は、Ｌｅ３７を与える物理的な長さであり、その他の要素を含まない理想的な場合、Ｌｅ３７と等しい。給電素子３７が、整合回路などを含む場合、Ｌ３７は、ゼロを超え、Ｌｅ３７以下が好ましい。Ｌ３７はインダクタ等の整合回路を利用することにより短く（サイズを小さく）することが可能である。
【００５３】
また、前記Ｌｅ３１は、放射素子３１の共振の基本モードがダイポールモード（放射素子３１の両端が開放端であるような線状の導体）であり、（３／８）・λ以上（５／８）・λ以下が好ましく、（７／１６）・λ以上（９／１６）・λ以下がより好ましく、（１５／３２）・λ以上（１７／３２）・λ以下が特に好ましい。また、高次モードを考慮すると、前記Ｌｅ３１は、（３／８）・λ・ｍ以上（５／８）・λ・ｍ以下が好ましく、（７／１６）・λ・ｍ以上（９／１６）・λ・ｍ以下がより好ましく、（１５／３２）・λ・ｍ以上（１７／３２）・λ・ｍ以下が特に好ましい。ただし、ｍは高次モードのモード数であり、自然数である。ｍは１〜５の整数が好ましく、１〜３の整数が特に好ましい。ｍ＝１の場合は基本モードである。Ｌｅ３１がこの範囲内であれば、放射素子３１が充分に放射導体として機能し、アンテナ素子３０の効率が良く好ましい。
【００５４】
なお放射素子３１の物理的な長さＬ３１は、放射素子の基本モードの共振周波数における真空中の電波の波長をλ０として、実装される環境による短縮効果の短縮率をｋ２としたとき、λｇ２＝λ０・ｋ２によって決定される。ここでｋ２は、放射素子３１の環境の実効比誘電率（εｒ２）および実効比透磁率（μｒ２）などの放射素子が設けられた誘電体基材等の媒質（環境）の比誘電率、比透磁率、および厚み、共振周波数などから算出される値である。すなわち、Ｌ３１は、（１／２）・λｇ２であることが理想的である。放射素子３１の長さＬ３１は、好ましくは、（１／４）・λｇ２以上（３／４）・λｇ２以下であり、さらに好ましくは、（３／８）・λｇ２以上・（５／８）・λｇ２以下である。
【００５５】
放射素子３１の物理的な長さＬ３１は、Ｌｅ３１を与える物理的な長さであり、その他の要素を含まない理想的な場合、Ｌｅ３１と等しい。Ｌ３１は、インダクタ等の整合回路を利用することにより短くしたとしても、ゼロを超え、Ｌｅ３１以下が好ましく、Ｌｅ３１の０．４倍以上１倍以下が特に好ましい。放射素子３１の長さＬ３１をこのような長さに調整することによって、放射素子３１の動作利得を向上させる点で有利である。
【００５６】
また、図示のように給電素子３７とグランドプレーン７０の外縁部７１との相互作用を利用できる場合において、給電素子３７を放射導体として機能させてもよい。放射素子３１は、給電素子３７によって給電部３６で非接触に電磁界結合で給電されることにより、例えば、λ／２ダイポールアンテナとして機能する放射導体である。一方、給電素子３７は、放射素子３１に対して給電可能な線状の給電導体であるが、給電点３８で給電されることにより、モノポールアンテナ（例えば、λ／４モノポールアンテナ）として機能することも可能な放射導体である。放射素子３１の共振周波数をｆ１、給電素子３７の共振周波数をｆ２と設定し、給電素子３７の長さを周波数ｆ２で共振するモノポールアンテナとして調整すれば、給電素子の放射機能を利用することができ、アンテナ素子３０の多周波化を容易に実現できる。
【００５７】
給電素子３７の放射機能を利用したときの物理的な長さＬ３７は、整合回路などを含んでいない場合、給電素子３７の共振周波数ｆ２における真空中の電波の波長をλ１として、実装される環境による短縮効果の短縮率をｋ１としたとき、λｇ３＝λ１・ｋ１によって決定される。ここでｋ１は、給電素子３７の環境の実効比誘電率（εｒ１）および実効比透磁率（μｒ１）などの給電素子が設けられた誘電体基材等の媒質（環境）の比誘電率、比透磁率、および厚み、共振周波数などから算出される値である。すなわち、Ｌ３７は、（１／８）・λｇ３以上（３／８）・λｇ３以下であり、好ましくは、（３／１６）・λｇ３以上（５／１６）・λｇ３以下である。
【００５８】
なお、一つの給電素子３７で複数の放射素子に給電してもよい。複数の放射素子を利用することにより、マルチバンド化、ワイドバンド化、指向性調整等の実施が容易となる。また、複数のアンテナ１が一つの無線装置に搭載されてもよい。
【００５９】
アンテナ素子４０は、アンテナ素子３０と同様の構成を有しているため、アンテナ素子４０の説明は、アンテナ素子３０の説明を援用する。
【００６０】
図３は、アンテナ１の各構成のＺ軸方向の位置関係（Ｚ軸に平行な高さ方向の位置関係）を模式的に示した図である。給電素子３７と放射素子３１とグランドプレーン７０のうちの少なくとも二つは、互いに異なる高さに配置された部分を有する導体でもよいし、互いに同じ高さに配置された部分を有する導体でもよい。
【００６１】
給電素子３７は、基板２５の放射素子３１に対向する側の表面に配置されている。しかしながら、給電素子３７は、基板２５の放射素子３１に対向する側とは反対側の表面に配置されてもよいし、基板２５の側面に配置されてもよいし、基板２５の内部に配置されてもよいし、基板２５以外の部材に配置されてもよい。
【００６２】
グランドプレーン７０は、基板２５の放射素子３１に対向する側とは反対側の表面に配置されている。しかしながら、グランドプレーン７０は、基板２５の放射素子３１に対向する側の表面に配置されてもよいし、基板２５の側面に配置されてもよいし、基板２５の内部に配置されてもよいし、基板２５以外の部材に配置されてもよい。
【００６３】
基板２５は、給電素子３７と、給電点３８と、給電点３８のグランド基準であるグランドプレーン７０とを有している。また、基板２５は、給電点３８に接続されるストリップ導体２７を備えた伝送線路を有している。ストリップ導体２７は、例えば、グランドプレーン７０との間に基板２５を挟むように基板２５の表面に形成された信号線である。
【００６４】
放射素子３１は、給電素子３７から離れて配置され、例えば図示のように、基板２５から距離Ｈ２離れて基板２５に対向する基板２６に設けられている。放射素子３１は、基板２６の給電素子３７に対向する側の表面に配置されている。しかしながら、放射素子３１は、基板２６の給電素子３７に対向する側とは反対側の表面に配置されてもよいし、基板２６の側面に配置されてもよいし、基板２６以外の部材に配置されてもよい。
【００６５】
基板２５又は基板２６は、例えば、ＸＹ平面に平行に配置され、誘電体、磁性体、又は誘電体と磁性体との混合物を基材とする基板である。誘電体の具体例として、樹脂、ガラス、ガラスセラミックス、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏ−Ｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ）、アルミナなどが挙げられる。誘電体と磁性体との混合物の具体例として、ＦｅやＮｉ、Ｃｏなどの遷移元素、ＳｍやＮｄなどの希土類元素を含む金属あるいは酸化物のいずれかを有していればよく、例えば、六方晶系フェライト、スピネル系フェライト（Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトなど）、ガーネット系フェライト、パーマロイ、センダスト（登録商標）などが挙げられる。
【００６６】
アンテナ１がディスプレイを有する携帯無線装置に搭載される場合、基板２６は、例えば、ディスプレイの画像表示面を全面的に覆うカバーガラスであってもよいし、基板２５が固定される筐体（特には、底面、側面など）であってもよい。カバーガラスは、ディスプレイに表示される画像を透明又はユーザが視認可能な程度に半透明な誘電体基板であって、ディスプレイの上に積層配置された平板状の部材である。
【００６７】
放射素子３１がカバーガラスの表面に設けられる場合、放射素子３１は、銅や銀などの導体ペーストをカバーガラスの表面に塗って焼成して形成されるとよい。このときの導体ペーストとして、カバーガラスに利用される化学強化ガラスの強化が鈍らない程度の温度で焼成できる低温焼成可能な導体ペーストを利用するとよい。また、酸化による導体の劣化を防ぐために、メッキなどを施してもよい。また、カバーガラスには加飾印刷が施されていてもよく、加飾印刷された部分に導体が形成されていてもよい。また、配線などを隠す目的でカバーガラスの周縁に黒色隠蔽膜が形成されている場合、放射素子３１が黒色隠蔽膜上に形成されてもよい。
【００６８】
ＭＩＭＯ空間多重モードでは、複数のアンテナ素子間の相関係数は低いことが好ましい。ＭＩＭＯ空間多重モードの場合、充分なマルチパスが得られる環境であれば良好な通信が確保できるので、相関係数が低ければ低いほどよいということではなく、ある一定の相関係数よりも低ければよい。
【００６９】
図２のアンテナ１は、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０との間の相関係数が共振周波数で低くなるアンテナ特性を備えている。なぜならば、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０が互いに近接していても、給電素子３７と放射素子３１とが電磁界結合し、給電素子４７と放射素子４１とが電磁界結合しているからである。
【００７０】
例えば、アンテナ１の基本モードの共振周波数を１．８ＧＨｚ付近になるように設計した場合、図４に示されるような特性図が得られる。図４は、基本モードの共振周波数が１．８ＧＨｚ付近になるように設計されたアンテナ１において、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０との間の相関係数と周波数との関係を示す図である。相関係数は、給電点３８をアンテナポート１、給電点４８をアンテナポート２とした場合のＳパラメータから下式のように計算した。
【００７１】
【数１】
0006468200.tif 000002
図４から明らかなように、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０との間の相関係数が、共振周波数１．８ＧＨｚ付近で零付近まで低下していることがわかる。ＵＨＦ帯又はＳＨＦ帯に含まれる他の周波数に共振周波数が一致するようにアンテナ１を設計した場合も、同様の結果が得られる。
【００７２】
一方、ビームフォーミングモードは、最大利得方向に指向性を向けて、複数のアンテナ素子で同じ情報を同時に伝送する方式であるため、複数のアンテナ素子の合成利得の最大値は高いことが好ましい。したがって、複数のアンテナ素子の最大合成利得の方向を変更できれば、ビームフォーミングモードの伝送に適した指向性パターンを形成できる。
【００７３】
アンテナ１は、給電点３８に流れる信号の振幅と給電点４８に流れる信号の振幅とを異ならせることによって、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０とを合わせた最大合成利得の方向を変更できるアンテナ特性も備えている。例えば、アンテナ１の基本モードの共振周波数を１．８ＧＨｚ付近になるように設計した場合、図５に示されるような特性図が得られる。図５は、アンテナ１の基本モードの共振周波数（１．８ＧＨｚ付近に設定）の主偏波（仰角θ＝９０°）での指向性利得とアジマス角度との関係を示す図である。
【００７４】
仰角θは、給電点３８と給電点４８との中点と、グランドプレーン７０の中心点とを通るＹＺ平面内においてＹ軸方向とのなす角度を表す。図５の横軸のアジマス角度は、グランドプレーン７０の中心点を通るＺＸ平面内においてグランドプレーン７０の法線方向とのなす角度を表す。図５の縦軸の指向性利得は、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０の合成利得を表す。
【００７５】
図５において、振幅１，振幅０．８，振幅０．５，振幅０．３，振幅０．１は、それぞれ、給電点３８に流れる信号の振幅を１としたときの給電点４８に流れる信号の振幅の大きさを表している。また、給電点３８に流れる信号の位相と給電点４８に流れる信号の位相は、同相である。
【００７６】
図５から明らかなように、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０の最大合成利得の方向（指向性利得の最大値の方向）が、給電点３８に流れる信号の振幅と給電点４８に流れる信号の振幅とを異ならせることによって、変化していることがわかる。ＵＨＦ帯又はＳＨＦ帯に含まれる他の周波数に共振周波数を設計した場合も、同様の結果が得られる。
【００７７】
なお、図４，５の測定時の図２，３に示す各部の寸法は、単位をｍｍとすると、
Ｌ１：２０．９７５
Ｌ２：１５．９
Ｌ３：８．０２５
Ｌ４：６８．２
Ｌ５：３３．６
Ｌ６：１２０
Ｌ７：３８．７５
Ｌ８：６０
給電素子３７，４７の導体幅：１
放射素子３１，４１の導体幅：１
Ｈ１：０．８
Ｈ２：２．０
Ｈ３：１．１
である。基板２５，２６の比誘電率は３．３、ｔａｎδ＝０．００３である。
【００７８】
したがって、図１，２において、アンテナ１に適用する伝送モードとしてＭＩＭＯ空間多重モードがコントローラ２４により選択された場合、アンテナ１は、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０との間の相関係数が低い、互いに独立して使用することのできる好適な２チャンネルのＭＩＭＯアンテナとしてアンテナ１を動作させることができる。
【００７９】
一方、アンテナ１に適用する伝送モードとしてビームフォーミングモードがコントローラ２４により選択された場合、ウェイト制御回路２１，２２は、アンテナ１の指向性を、ビームフォーミングモードの伝送に適合するパターンに制御する。ウェイト制御回路２１，２２が、給電点３８，４８に流れる信号の振幅の比を調整することによって、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０とを合わせた最大合成利得の方向を変更できる。したがって、アンテナ指向性制御システム１０は、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０と使用する一つの指向性可変アンテナとして、アンテナ１を動作させることができる。
【００８０】
アンテナ１に適用する伝送モードとしてビームフォーミングモードがコントローラ２４により選択された場合、ウェイト制御回路２１，２２は、例えば、給電点３８に流れる信号の振幅を固定した状態で、給電点４８に流れる信号の振幅を大きく又は小さく調整する。しかしながら、ウェイト制御回路２１，２２は、給電点４８に流れる信号の振幅を固定した状態で、給電点３８に流れる信号の振幅を大きく又は小さく調整してもよいし、給電点３８に流れる信号の振幅と給電点４８に流れる信号の振幅とを同時に大きく又は小さく調整してもよい。
【００８１】
アンテナ１に適用する伝送モードとしてビームフォーミングモードがコントローラ２４により選択された場合、ウェイト制御回路２１，２２は、例えば、給電点３８，４８に流れる信号の位相を互いに同相に制御しながら給電点３８，４８に流れる信号の振幅を調整する。しかしながら、ウェイト制御回路２１，２２は、給電点３８，４８に流れる信号の位相を制御せずに互いに異なる位相のまま、給電点３８，４８に流れる信号の振幅を調整してもよい。
【００８２】
＜アンテナ２の構成＞
図６は、本発明の他の実施形態に係るアンテナ２の構成の一例を模式的に示す平面図である。アンテナ２は、図１で示したアンテナ１３の一例である。上述の実施形態と同様の構成についての説明は省略する。アンテナ２は、グランドプレーン７０と、４つのアンテナ素子３０，４０，５０，６０とを備えている。
【００８３】
アンテナ２は、アンテナ素子３０，４０と同じ構成のアンテナ素子５０，６０がグランドプレーン７０に関して線対称に配置されている点で、図２のアンテナ１と異なる。
【００８４】
アンテナ２は、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０とアンテナ素子５０とアンテナ素子６０との間の相関係数が共振周波数で低くなるアンテナ特性を備えている。そして、アンテナ２は、給電点３８に流れる信号の振幅と給電点４８に流れる信号の振幅とを異ならせることによって、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０とを合わせた最大合成利得の方向を変更できるアンテナ特性も備えている。そして、アンテナ２は、給電点５８に流れる信号の振幅と給電点６８に流れる信号の振幅とを異ならせることによって、アンテナ素子５０とアンテナ素子６０とを合わせた最大合成利得の方向を変更できるアンテナ特性も備えている。
【００８５】
したがって、アンテナ指向性制御システム１０は、アンテナ素子３０，４０，５０，６０を互いに独立に使用する４チャンネルのＭＩＭＯアンテナとして、アンテナ２を動作させることができる。そして、アンテナ指向性制御システム１０は、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０を使用する第１の指向性可変アンテナと、アンテナ素子５０とアンテナ素子６０を使用する第２の指向性可変アンテナとを有する二つの指向性可変アンテナとして、アンテナ２を動作させることができる。
【実施例】
【００８６】
次に、アンテナ１を実際に作製し、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０との間の相関係数が共振周波数で低くなることについて実験した結果を図７，８を用いて示す。【００８７】
なお、図７，８の時の図２，３に示す各部の寸法は、単位をｍｍとすると、
Ｌ１：１４
Ｌ２：１１
Ｌ３：５．７
Ｌ４：５０
Ｌ５：２５
Ｌ６：１２０
Ｌ７：２８．５
Ｌ８：６０
給電素子３７，４７の導体幅：０．５
放射素子３１，４１の導体幅：０．５
放射素子３１の端部３４と放射素子４１の端部４４との最短距離：４
給電素子３７の導体幅中心と給電素子４７の導体幅中心との間のＸ軸方向の最短距離：４
Ｈ１：０．８
Ｈ２：２．０
Ｈ３：１．０
である。基板２５，２６の比誘電率は３．３、ｔａｎδ＝０．００３である。アンテナ素子３０とアンテナ素子４０の形状は、給電点３８と給電点４８との間を通るＹＺ平面に関して線対称である。【００８８】
図７は、本実験でのアンテナ１の二つのアンテナポートにおける反射係数を表すＳ１１及びＳ２２を測定した結果の一例を示し、本実験でのアンテナ１は、約２．５ＧＨｚの共振周波数を有する。図８は、本実験でのアンテナ１の二つのアンテナポート間のＳパラメータから上式のように計算した相関係数の一例を示し、アンテナ素子３０とアンテナ素子４０との間の相関係数が２．５ＧＨｚ付近で零付近まで低下していることを示す。つまり、アンテナ１は、約２．５ＧＨｚ付近で動作するＭＩＭＯアンテナとして好適に機能する。【００８９】
以上、アンテナ指向性制御システムを実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。【００９０】
本国際出願は、２０１４年１月２０日に出願した日本国特許出願第２０１４−００８１６９号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１４−００８１６９号の全内容を本国際出願に援用する。
【符号の説明】
【００９１】
１，２，１３  アンテナ
１０  アンテナ指向性制御システム
１１，１２，３０，４０，５０，６０  アンテナ素子
２１，２２  ウェイト制御回路
２３  信号処理回路
２４  コントローラ
２５，２６  基板
２７  ストリップ導体
３１，４１  放射素子
３１ａ，３１ｂ，４１ａ，４１ｂ  導体部分
３３，４３  中央部
３４，３５，３９，４４，４５，４９  端部
３６，４６  給電部
３７，４７  給電素子
３８，４８，５８，６８  給電点
７０  グランドプレーン
７１，７２，７３，７４  外縁部
１００  無線装置
【図１】
0006468200.tif 000003
【図２】
0006468200.tif 000004
【図３】
0006468200.tif 000005
【図４】
0006468200.tif 000006
【図５】
0006468200.tif 000007
【図６】
0006468200.tif 000008
【図７】
0006468200.tif 000009
【図８】
0006468200.tif 000010