(57)【要約】【課題】移動時においても伝送容量が高く、伝送品位も高いＭＩＭＯ通信を行うことが可能なＭＩＭＯアンテナ装置を提供する。【解決手段】ＭＩＭＯアンテナ装置は、パッチアンテナ素子２，４と、これらのパッチアンテナ素子２，４によりそれぞれ受信された受信信号をＭＩＭＯ復調して復調信号を出力するＭＩＭＯ復調回路１０とを備える。パッチアンテナ素子２，４はそれぞれ、互いに異なる無線信号を受信信号としてそれぞれ受信するように配置された給電点２ａ，２ｂ及び給電点４ａ，４ｂを有する。ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、各パッチアンテナ素子２，４毎に設けられ、給電点２ａ，２ｂのいずれか１つ及び給電点４ａ，４ｂのいずれか１つをそれぞれＭＩＭＯ復調回路１０に接続するスイッチ６，７と、ＭＩＭＯ復調後の復調信号に係る信号対雑音比が増大するように、各スイッチ６，７を制御するスイッチコントローラ１２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子と、上記複数のアンテナ素子によりそれぞれ受信された受信信号をＭＩＭＯ復調して復調信号を出力するＭＩＭＯ復調回路とを備えたＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記複数のアンテナ素子のうちの少なくとも１つは、各給電点を介して互いに異なる無線信号を受信信号としてそれぞれ受信するように配置された複数の給電点を有する多給電点アンテナ素子であり、
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子毎に設けられ、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちのいずれか１つを上記ＭＩＭＯ復調回路にそれぞれ接続するスイッチ手段と、
上記ＭＩＭＯ復調後の復調信号に係る信号対雑音比が増大するように、上記各多給電点アンテナ素子毎に上記複数の給電点のうちのいずれか１つを上記ＭＩＭＯ復調回路にそれぞれ接続させるべく上記各スイッチ手段を制御するスイッチ制御手段とを備えたことを特徴とするＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項２】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された各受信信号の信号強度を、上記各多給電点アンテナ素子毎に互いに比較する信号強度比較回路を備え、
上記スイッチ制御手段は、上記信号強度比較回路による比較結果に従って、上記各多給電点アンテナ素子毎に信号強度が最大となる給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路にそれぞれ接続させるように上記各スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項３】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちの上記ＭＩＭＯ復調回路に接続されている各給電点を介して受信された受信信号の信号強度を、上記各多給電点アンテナ素子毎に所定のしきい値と比較する信号強度比較回路を備え、
上記スイッチ制御手段は、上記信号強度比較回路による比較結果に従って、上記各多給電点アンテナ素子毎に、上記複数の給電点のうちの上記ＭＩＭＯ復調回路に接続されている給電点を介して受信された受信信号の信号強度が上記しきい値以下になったときに、上記接続されている給電点以外のいずれか１つの給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路にそれぞれ接続させるように上記各スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項４】
上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を上記復調信号に基づいて計算し、上記計算された固有値のうちの最小の固有値がしきい値以下になったときに、上記多給電点アンテナ素子のうちの少なくとも１つにおける複数の給電点のうちの上記ＭＩＭＯ復調回路に接続されている給電点以外のいずれか１つの給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続させるように、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段のうちの少なくとも１つを切り換えさせることを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項５】
上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路の伝送容量を上記復調信号に基づいて計算し、上記計算された伝送容量がしきい値以下になったときに、上記多給電点アンテナ素子のうちの少なくとも１つにおける複数の給電点のうちの上記ＭＩＭＯ復調回路に接続されている給電点以外のいずれか１つの給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続させるように、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段のうちの少なくとも１つを切り換えさせることを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項６】
上記複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つは多給電点アンテナ素子であり、
上記少なくとも２つの多給電点アンテナ素子毎に設けられる上記スイッチ手段はともに、上記各多給電点アンテナ素子の給電点を１つずつ含みかつ互いに異なる給電点の組のうちのいずれか１つの組に含まれる各給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続するように構成され、
上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を上記復調信号に基づいて計算し、上記計算される固有値のうちの最小の固有値が最大になる給電点の組に含まれる各給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続させるように、上記スイッチ制御手段により上記各スイッチ手段を切り換えさせることを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項７】
上記複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つは多給電点アンテナ素子であり、
上記少なくとも２つの多給電点アンテナ素子毎に設けられる上記スイッチ手段はともに、上記各多給電点アンテナ素子の給電点を１つずつ含みかつ互いに異なる給電点の組のうちのいずれか１つの組に含まれる各給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続するように構成され、
上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路の伝送容量を上記復調信号に基づいて計算し、上記計算される伝送容量が最大になる給電点の組に含まれる各給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続させるように、上記スイッチ制御手段により上記各スイッチ手段を切り換えさせることを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項８】
複数のアンテナ素子と、上記複数のアンテナ素子によりそれぞれ受信された受信信号をＭＩＭＯ復調して復調信号を出力するＭＩＭＯ復調回路とを備えたＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記複数のアンテナ素子のうちの少なくとも１つは、各給電点を介して互いに異なる無線信号を受信信号としてそれぞれ受信するように配置された複数の給電点を有する多給電点アンテナ素子であり、
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子毎に設けられる合成器であって、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号を上記各多給電点アンテナ素子毎にそれぞれ電力合成し、上記電力合成された受信信号をそれぞれ上記ＭＩＭＯ復調回路に伝送する合成器を備えたことを特徴とするＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項９】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子毎に設けられ、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に互いに変化させる移相器と、
上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号間の相対的な位相を、上記各多給電点アンテナ素子毎に検出する位相検出回路と、
上記位相検出回路により検出された位相に従って、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の位相を、上記各多給電点アンテナ素子毎に互いに一致させるように上記各移相器を制御する位相制御手段とを備え、
上記各合成器は、上記各移相器により位相制御された後の複数の受信信号を上記各多給電点アンテナ素子毎に電力合成し、上記電力合成された受信信号をそれぞれ上記ＭＩＭＯ復調回路に伝送することを特徴とする請求項８記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１０】
上記位相検出回路は、上記各多給電点アンテナ素子毎に、当該多給電点アンテナ素子で受信された受信信号の信号強度が所定のしきい値以下になったときに、上記複数の給電点を介して受信された複数の受信信号間の相対的な位相を検出し、上記複数の受信信号の位相を一致させるように上記位相制御手段により上記各移相器を制御させることを特徴とする請求項９記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１１】
上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を計算し、上記計算された固有値のうちの最小の固有値がしきい値以下になったときに、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号間の相対的な位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に上記位相検出回路に検出させ、上記複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に一致させるように上記位相制御手段により上記各移相器を制御させることを特徴とする請求項９記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１２】
上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路の伝送容量を計算し、上記計算された伝送容量がしきい値以下になったときに、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号間の相対的な位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に上記位相検出回路に検出させ、上記複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に一致させるように上記位相制御手段により上記各移相器を制御させることを特徴とする請求項９記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１３】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の振幅をそれぞれ変化させる複数の振幅調整回路と、
上記各多給電点アンテナ素子毎に設けられ、上記各振幅調整回路により振幅調整された後の複数の受信信号の位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に互いに変化させる移相器と、
上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の振幅と、上記複数の受信信号間の相対的な位相とを、上記各多給電点アンテナ素子毎に検出する振幅位相検出回路と、
上記振幅位相検出回路により検出された振幅及び位相に従って、上記各多給電点アンテナ素子で受信される受信信号の信号対雑音比を上記各多給電点アンテナ素子毎に最大化するように上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御する振幅位相制御手段とを備え、
上記各合成器は、上記各移相器により位相制御された後の複数の受信信号を上記各多給電点アンテナ素子毎に電力合成し、上記電力合成された受信信号をそれぞれ上記ＭＩＭＯ復調回路に伝送することを特徴とする請求項８記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１４】
上記振幅位相検出回路は、上記各多給電点アンテナ素子毎に、当該多給電点アンテナ素子で受信された受信信号の信号強度が所定のしきい値以下になったときに、上記複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の振幅と、上記複数の受信信号間の相対的な位相とを検出し、当該多給電点アンテナ素子で受信される受信信号の信号対雑音比を最大化するように上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させることを特徴とする請求項１３記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１５】
上記振幅位相検出回路は、上記各多給電点アンテナ素子毎に、
当該多給電点アンテナ素子で受信された受信信号の信号強度が第１のしきい値以下であるとき、当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちで信号強度が最大となる給電点を介して受信された受信信号のみを上記ＭＩＭＯ復調回路に伝送させるように、上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させ、
当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちで信号強度が最大となる給電点を介して受信された受信信号の信号強度が上記第１のしきい値以下であるとき、当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のそれぞれを介して受信された受信信号を同相合成するように、上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させ、
上記同相合成された受信信号の信号強度が上記第１のしきい値以下であるとき、当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のそれぞれを介して受信された受信信号を最大比合成するように、上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させることを特徴とする請求項１４記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１６】
上記振幅位相検出回路は、上記各多給電点アンテナ素子毎に、
上記最大比合成された受信信号の信号強度が第２のしきい値以上であるとき、当該多給点アンテナ素子の複数の給電点のそれぞれを介して受信された受信信号を同相合成するように、上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させ、
上記同相合成された受信信号の信号強度が上記第２のしきい値以上であるとき、当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちで信号強度が最大となる給電点を介して受信された受信信号のみを上記ＭＩＭＯ復調回路に伝送させるように、上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させ、
当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちで信号強度が最大となる給電点を介して受信された受信信号の信号強度が上記第２のしきい値以上であるとき、上記振幅位相制御手段による上記各振幅調整回路及び上記各移相器の制御を停止させることを特徴とする請求項１５記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１７】
上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を計算し、上記計算された固有値のうちの最小の固有値がしきい値以下になったときに、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の振幅と上記複数の受信信号間の相対的な位相とを上記各多給電点アンテナ素子毎に上記振幅位相検出回路に検出させ、当該多給電点アンテナ素子で受信される受信信号の信号対雑音比を上記各多給電点アンテナ素子毎に最大化するように上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させることを特徴とする請求項１３記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１８】
上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路の伝送容量を計算し、上記計算された伝送容量がしきい値以下になったときに、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の振幅と上記複数の受信信号間の相対的な位相とを上記各多給電点アンテナ素子毎に上記振幅位相検出回路に検出させ、当該多給電点アンテナ素子で受信される受信信号の信号対雑音比を上記各多給電点アンテナ素子毎に最大化するように上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させることを特徴とする請求項１３記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１９】
上記複数のアンテナ素子はすべて、互いに同じ個数の給電点を備えた多給電点アンテナ素子であることを特徴とする請求項１乃至１８のうちのいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項２０】
上記多給電点アンテナ素子はそれぞれ２つの給電点を備え、上記各給電点により、互いに直交する偏波方向を有する無線信号をそれぞれ受信することを特徴とする請求項１乃至１９のうちのいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項２１】
上記複数のアンテナ素子は、上記複数のアンテナ素子でそれぞれ受信される無線信号の偏波方向が互いに平行になることがないように設けられた給電点をそれぞれ備えたことを特徴とする請求項１乃至２０のうちのいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項２２】
請求項１乃至２１のうちのいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置を備えたことを特徴とする無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話機等を用いた移動体通信において通信容量を増大させて高速通信を実現しながら通信品質を良好に保つように制御される無線通信装置のためのアンテナ装置に関し、特にＭＩＭＯアンテナ装置及びそれを備えた無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のアンテナを用いて複数のチャンネルの無線信号を同時に送受信するＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を採用したアンテナ装置として、例えば特許文献１に開示されたＭＩＭＯアンテナ装置がある。
【０００３】
特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置は、等間隔に配置された４つのアンテナ素子群と、本体部とにより構成されている。各アンテナ素子群は、互いに異なる偏波方向を有する４つのアンテナ素子をそれぞれ備えて構成される。一方、本体部は、各アンテナ素子に接続されたスイッチ部と、スイッチ部を介して受信信号を受信する信号受信部と、スイッチ部に対する制御信号を生成するアンテナ制御部と、アンテナ素子の組み合わせを生成し、選択素子情報をアンテナ制御部に通知するアンテナ選択部と、アンテナ選択部によって生成されたアンテナ素子によって受信された受信信号に基づいて、特定のアンテナ素子の組み合わせを決定し、決定素子情報をアンテナ制御部に通知するアンテナ決定部とを備えて構成される。この従来のＭＩＭＯアンテナ装置は、この構成により、各アンテナ素子群から１つずつアンテナ素子を選択するようにアンテナ素子の組み合わせを決定することで、アンテナ素子間の相関を低減し、伝送容量を十分に確保することを目的としている。
【０００４】
特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置では、まず、アンテナ素子間の相関を低減させるために、アンテナ素子間の相関が十分低くなるまでアンテナ素子群の間の距離を離す。また、複数のアンテナ素子の組み合わせを比較し、相関係数が低くなる組み合わせをスイッチ部により選択する。これらにより、アンテナ素子間の相関を低減することが可能になる。また、このＭＩＭＯアンテナ装置では、複数のアンテナ素子の組み合わせに対して伝送容量を計算し、伝送容量が最大となる組み合わせをスイッチ部により選択することにより、大きな伝送容量を得ることが期待できる。
【０００５】
さらに、ＭＩＭＯアンテナ装置では、できるだけ大きな受信電力を得ることが、ＭＩＭＯ復調した後の複数の信号系列に係る合計の伝送速度の高速化につながる。特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置では、ＭＩＭＯの同時通信チャンネル数より多くのアンテナ素子を備え、そのうちの受信信号強度の大きいアンテナ素子を選択してＭＩＭＯ復調を行うことにより、このことを達成している。このようなアンテナ素子の選択は、特に、移動体通信において、移動局（使用者）の移動や周囲環境の時間的変化により主偏波及び交差偏波の信号強度が時間的に変化したり到来角度が変化したりする場合に特に有効である。また、偏波特性の異なるアンテナ素子を用いることで偏波方向の変化に対処し、アンテナ素子を切り換えるように制御することにより時間的変化を克服することができる。
【０００６】
以上により、特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置は、複数のアンテナ素子によりそれぞれ構成された複数のアンテナ素子群を備え、スイッチ部を用いて、最も相関の低いアンテナ素子の組み合わせ、もしくは最も伝送容量の大きいアンテナ素子の組み合わせを選択することによりアンテナ素子間の相関を低減し、伝送容量を向上させることが可能なＭＩＭＯアンテナ装置を提供することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３１２３８１号公報。
【非特許文献１】細矢良雄編，「電波伝搬ハンドブック」，リアライズ社，１９９９年１月。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＭＩＭＯアンテナ装置には以下のような課題があった。特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置では、アンテナ素子間の相関を低下させるために十分な間隔が必要であり、アンテナアレーのサイズが大きくなるという欠点があった。例えば、相関を十分に低下させるためには、一般的には、アンテナ素子を、使用する電波の少なくとも１／２波長以上離す必要があることが知られている（例えば、非特許文献１の１３９ページ及び２１９ページを参照）。従って、日本の携帯電話で使用される約９００ＭＨｚの周波数帯においてこのＭＩＭＯアンテナ装置を動作させる場合では、隣接するアンテナ素子群の間に１６．７ｃｍ以上の間隔が必要になる。また、このＭＩＭＯアンテナ装置では、各アンテナ素子はダイポールアンテナで構成されているが、これは通常は１／２波長の長さを有する。さらに、このＭＩＭＯアンテナ装置では、各アンテナ素子群において４つのアンテナ素子が互いに異なる偏波方向を持つように、４つのアンテナ素子は互いに傾けて配置され、等しい角度差で互いに交差させられている。これらのことから、特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置は電波の波長に対して数倍の大きさになり、携帯電話機のような１波長のサイズもしくはそれ以下のサイズの小型機器に搭載することは不可能であった。
【０００９】
また、特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置では、全てのアンテナ素子の組み合わせについて相関係数の計算もしくは伝送容量の計算を実行するので、制御に時間がかかるという欠点もあった。すなわち、このＭＩＭＯアンテナ装置では、全てのアンテナ素子の組み合わせの中から最適な組み合わせを求めるために、制御に膨大な時間がかかる。従って、このＭＩＭＯアンテナ装置では、移動体通信装置の使用者の移動及び周囲環境の時間的変化により電波環境が時間的に変化する状況や、また、移動体通信装置の使用時における保持状態によってアンテナ装置の指向性及び偏波方向が時間的に変化する状況に追従した制御を行うことができなかった。以上のことから、特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置は、移動体通信には不適であると言わざるを得なかった。
【００１０】
一方、移動体通信が行われる電波伝搬環境は、基地局と移動局が見通し外となる場合が多く、多数回の反射、回折、散乱を繰り返して電波が届く場合多い。このような伝搬環境では、送信された電波の偏波面が傾き、受信信号は交差偏波成分を持つことが多い。一般的に、都市部では、交差偏波比（送信偏波成分／交差偏波成分）が約６〜９ｄＢとなり、場合によっては５ｄＢまで劣化することが知られている（例えば、非特許文献１の２２１ページを参照）。特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置では、交差偏波比を計算し、交差偏波比のしきい値との比較によりアンテナ素子の組み合わせを決定することで、交差偏波の問題に対処している。しかしながら、伝送容量がより高く、伝送品位も高いＭＩＭＯ通信を行うためには、各アンテナ素子の受信信号に関してより高い受信信号強度が望まれるが、アンテナ素子を切り換えることによっては十分な受信信号強度を達成できない場合も想定される。
【００１１】
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、移動時においても伝送容量が高く、伝送品位も高いＭＩＭＯ通信を行うことが可能なＭＩＭＯアンテナ装置及びそれを備えた移動体用の無線通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様に係るＭＩＭＯアンテナ装置によれば、
複数のアンテナ素子と、上記複数のアンテナ素子によりそれぞれ受信された受信信号をＭＩＭＯ復調して復調信号を出力するＭＩＭＯ復調回路とを備えたＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記複数のアンテナ素子のうちの少なくとも１つは、各給電点を介して互いに異なる無線信号を受信信号としてそれぞれ受信するように配置された複数の給電点を有する多給電点アンテナ素子であり、
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子毎に設けられ、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちのいずれか１つを上記ＭＩＭＯ復調回路にそれぞれ接続するスイッチ手段と、
上記ＭＩＭＯ復調後の復調信号に係る信号対雑音比が増大するように、上記各多給電点アンテナ素子毎に上記複数の給電点のうちのいずれか１つを上記ＭＩＭＯ復調回路にそれぞれ接続させるべく上記各スイッチ手段を制御するスイッチ制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された各受信信号の信号強度を、上記各多給電点アンテナ素子毎に互いに比較する信号強度比較回路を備え、
上記スイッチ制御手段は、上記信号強度比較回路による比較結果に従って、上記各多給電点アンテナ素子毎に信号強度が最大となる給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路にそれぞれ接続させるように上記各スイッチ手段を制御することを特徴とする。
【００１４】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちの上記ＭＩＭＯ復調回路に接続されている各給電点を介して受信された受信信号の信号強度を、上記各多給電点アンテナ素子毎に所定のしきい値と比較する信号強度比較回路を備え、
上記スイッチ制御手段は、上記信号強度比較回路による比較結果に従って、上記各多給電点アンテナ素子毎に、上記複数の給電点のうちの上記ＭＩＭＯ復調回路に接続されている給電点を介して受信された受信信号の信号強度が上記しきい値以下になったときに、上記接続されている給電点以外のいずれか１つの給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路にそれぞれ接続させるように上記各スイッチ手段を制御することを特徴とする。
【００１５】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を上記復調信号に基づいて計算し、上記計算された固有値のうちの最小の固有値がしきい値以下になったときに、上記多給電点アンテナ素子のうちの少なくとも１つにおける複数の給電点のうちの上記ＭＩＭＯ復調回路に接続されている給電点以外のいずれか１つの給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続させるように、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段のうちの少なくとも１つを切り換えさせることを特徴とする。
【００１６】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路の伝送容量を上記復調信号に基づいて計算し、上記計算された伝送容量がしきい値以下になったときに、上記多給電点アンテナ素子のうちの少なくとも１つにおける複数の給電点のうちの上記ＭＩＭＯ復調回路に接続されている給電点以外のいずれか１つの給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続させるように、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段のうちの少なくとも１つを切り換えさせることを特徴とする。
【００１７】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つは多給電点アンテナ素子であり、
上記少なくとも２つの多給電点アンテナ素子毎に設けられる上記スイッチ手段はともに、上記各多給電点アンテナ素子の給電点を１つずつ含みかつ互いに異なる給電点の組のうちのいずれか１つの組に含まれる各給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続するように構成され、
上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を上記復調信号に基づいて計算し、上記計算される固有値のうちの最小の固有値が最大になる給電点の組に含まれる各給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続させるように、上記スイッチ制御手段により上記各スイッチ手段を切り換えさせることを特徴とする。
【００１８】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記複数のアンテナ素子のうちの少なくとも２つは多給電点アンテナ素子であり、
上記少なくとも２つの多給電点アンテナ素子毎に設けられる上記スイッチ手段はともに、上記各多給電点アンテナ素子の給電点を１つずつ含みかつ互いに異なる給電点の組のうちのいずれか１つの組に含まれる各給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続するように構成され、
上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路の伝送容量を上記復調信号に基づいて計算し、上記計算される伝送容量が最大になる給電点の組に含まれる各給電点を上記ＭＩＭＯ復調回路に接続させるように、上記スイッチ制御手段により上記各スイッチ手段を切り換えさせることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第２の態様に係るＭＩＭＯアンテナ装置によれば、
複数のアンテナ素子と、上記複数のアンテナ素子によりそれぞれ受信された受信信号をＭＩＭＯ復調して復調信号を出力するＭＩＭＯ復調回路とを備えたＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記複数のアンテナ素子のうちの少なくとも１つは、各給電点を介して互いに異なる無線信号を受信信号としてそれぞれ受信するように配置された複数の給電点を有する多給電点アンテナ素子であり、
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子毎に設けられる合成器であって、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号を上記各多給電点アンテナ素子毎にそれぞれ電力合成し、上記電力合成された受信信号をそれぞれ上記ＭＩＭＯ復調回路に伝送する合成器を備えたことを特徴とする。
【００２０】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子毎に設けられ、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に互いに変化させる移相器と、
上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号間の相対的な位相を、上記各多給電点アンテナ素子毎に検出する位相検出回路と、
上記位相検出回路により検出された位相に従って、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の位相を、上記各多給電点アンテナ素子毎に互いに一致させるように上記各移相器を制御する位相制御手段とを備え、
上記各合成器は、上記各移相器により位相制御された後の複数の受信信号を上記各多給電点アンテナ素子毎に電力合成し、上記電力合成された受信信号をそれぞれ上記ＭＩＭＯ復調回路に伝送することを特徴とする。
【００２１】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記位相検出回路は、上記各多給電点アンテナ素子毎に、当該多給電点アンテナ素子で受信された受信信号の信号強度が所定のしきい値以下になったときに、上記複数の給電点を介して受信された複数の受信信号間の相対的な位相を検出し、上記複数の受信信号の位相を一致させるように上記位相制御手段により上記各移相器を制御させることを特徴とする。
【００２２】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を計算し、上記計算された固有値のうちの最小の固有値がしきい値以下になったときに、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号間の相対的な位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に上記位相検出回路に検出させ、上記複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に一致させるように上記位相制御手段により上記各移相器を制御させることを特徴とする。
【００２３】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路の伝送容量を計算し、上記計算された伝送容量がしきい値以下になったときに、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号間の相対的な位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に上記位相検出回路に検出させ、上記複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に一致させるように上記位相制御手段により上記各移相器を制御させることを特徴とする。
【００２４】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の振幅をそれぞれ変化させる複数の振幅調整回路と、
上記各多給電点アンテナ素子毎に設けられ、上記各振幅調整回路により振幅調整された後の複数の受信信号の位相を上記各多給電点アンテナ素子毎に互いに変化させる移相器と、
上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の振幅と、上記複数の受信信号間の相対的な位相とを、上記各多給電点アンテナ素子毎に検出する振幅位相検出回路と、
上記振幅位相検出回路により検出された振幅及び位相に従って、上記各多給電点アンテナ素子で受信される受信信号の信号対雑音比を上記各多給電点アンテナ素子毎に最大化するように上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御する振幅位相制御手段とを備え、
上記各合成器は、上記各移相器により位相制御された後の複数の受信信号を上記各多給電点アンテナ素子毎に電力合成し、上記電力合成された受信信号をそれぞれ上記ＭＩＭＯ復調回路に伝送することを特徴とする。
【００２５】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記振幅位相検出回路は、上記各多給電点アンテナ素子毎に、当該多給電点アンテナ素子で受信された受信信号の信号強度が所定のしきい値以下になったときに、上記複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の振幅と、上記複数の受信信号間の相対的な位相とを検出し、当該多給電点アンテナ素子で受信される受信信号の信号対雑音比を最大化するように上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させることを特徴とする。
【００２６】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記振幅位相検出回路は、上記各多給電点アンテナ素子毎に、
当該多給電点アンテナ素子で受信された受信信号の信号強度が第１のしきい値以下であるとき、当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちで信号強度が最大となる給電点を介して受信された受信信号のみを上記ＭＩＭＯ復調回路に伝送させるように、上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させ、
当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちで信号強度が最大となる給電点を介して受信された受信信号の信号強度が上記第１のしきい値以下であるとき、当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のそれぞれを介して受信された受信信号を同相合成するように、上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させ、
上記同相合成された受信信号の信号強度が上記第１のしきい値以下であるとき、当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のそれぞれを介して受信された受信信号を最大比合成するように、上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させることを特徴とする。
【００２７】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記振幅位相検出回路は、上記各多給電点アンテナ素子毎に、
上記最大比合成された受信信号の信号強度が第２のしきい値以上であるとき、当該多給点アンテナ素子の複数の給電点のそれぞれを介して受信された受信信号を同相合成するように、上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させ、
上記同相合成された受信信号の信号強度が上記第２のしきい値以上であるとき、当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちで信号強度が最大となる給電点を介して受信された受信信号のみを上記ＭＩＭＯ復調回路に伝送させるように、上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させ、
当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点のうちで信号強度が最大となる給電点を介して受信された受信信号の信号強度が上記第２のしきい値以上であるとき、上記振幅位相制御手段による上記各振幅調整回路及び上記各移相器の制御を停止させることを特徴とする。
【００２８】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を計算し、上記計算された固有値のうちの最小の固有値がしきい値以下になったときに、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の振幅と上記複数の受信信号間の相対的な位相とを上記各多給電点アンテナ素子毎に上記振幅位相検出回路に検出させ、当該多給電点アンテナ素子で受信される受信信号の信号対雑音比を上記各多給電点アンテナ素子毎に最大化するように上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させることを特徴とする。
【００２９】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記ＭＩＭＯ復調回路は、上記受信された複数の無線信号の伝搬経路の伝送容量を計算し、上記計算された伝送容量がしきい値以下になったときに、上記各多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介して受信された複数の受信信号の振幅と上記複数の受信信号間の相対的な位相とを上記各多給電点アンテナ素子毎に上記振幅位相検出回路に検出させ、当該多給電点アンテナ素子で受信される受信信号の信号対雑音比を上記各多給電点アンテナ素子毎に最大化するように上記振幅位相制御手段により上記各振幅調整回路及び上記各移相器を制御させることを特徴とする。
【００３０】
また、本発明の第１及び第２の態様に係るＭＩＭＯアンテナ装置において、上記複数のアンテナ素子はすべて、互いに同じ個数の給電点を備えた多給電点アンテナ素子であることを特徴とする。また、上記多給電点アンテナ素子はそれぞれ２つの給電点を備え、上記各給電点により、互いに直交する偏波方向を有する無線信号をそれぞれ受信することを特徴とする。さらに、上記複数のアンテナ素子は、上記複数のアンテナ素子でそれぞれ受信される無線信号の偏波方向が互いに平行になることがないように設けられた給電点をそれぞれ備えたことを特徴とする。
【００３１】
また、本発明によれば、本発明の第１及び第２の態様に係るＭＩＭＯアンテナ装置を備えたことを特徴とする無線通信装置が提供される。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のＭＩＭＯアンテナ装置によれば、以下のような特有の効果が達成される。複数の給電点を備えた多給電点アンテナ素子を１つ以上備えたＭＩＭＯアンテナ装置であって、各多給電点アンテナ素子毎に、当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介してそれぞれ受信される各無線信号の受信信号強度を比較して受信信号強度が最大となる給電点を選ぶことにより、もしくは、当該多給電点アンテナ素子の複数の給電点を介してそれぞれ受信された複数の無線信号を電力合成することにより、アンテナ素子間の不等中央値（アンテナ素子間の受信電力差）の低減と、高感度化によるＭＩＭＯ伝送特性の向上とを実現することができる。さらに、単一のアンテナ素子に複数の給電点を設けて偏波特性の異なるアンテナ素子として動作させることにより、限られたアンテナ素子数とアレーサイズにおいて、偏波ダイバーシチもしくは偏波合成効果に起因する高い受信信号電力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明の実施形態を説明するため図面の全体にわたり、同様の作用を有する構成要素は同一の符号を付与し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３４】
第１の実施形態．
まず、図１（ａ）及び（ｂ）ならびに図１０を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構造を説明する。図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構造の一例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、そのＭＩＭＯアンテナ装置の構造を示す上面図である。また、図１０は、図１（ａ）及び（ｂ）の各パッチアンテナ素子２，４のうち、パッチアンテナ素子２の詳細構成を示す斜視図である。図１（ａ）及び（ｂ）において、ＭＩＭＯアンテナ装置は、所定の広さにわたって平面状に延在する接地導体１と、正方形形状の導体板にてなるパッチアンテナ素子２，４とを備えて構成される。正方形形状のパッチアンテナ素子２，４の各辺の長さは、図１０に示す通り、送受信される電波の波長の１／４になるように構成される。パッチアンテナ素子２は、所定の長さを有する直線状の給電導体３ａ，３ｂによって支持され、パッチアンテナ素子４は、所定の長さを有する直線状の給電導体５ａ，５ｂによって支持され、これにより、パッチアンテナ素子２，４は接地導体１から所定の距離だけ離隔され、かつ接地導体１に平行に設けられ、板状逆Ｌアンテナ素子の構造を有する。給電導体３ａ，３ｂ，５ａ，５ｂは、接地導体１上の貫通孔３ａｈ，３ｂｈ，５ａｈ，５ｂｈをそれぞれ通過し、それにより、接地導体１の裏側（すなわち、パッチアンテナ素子２，４が存在する側とは逆の側）から接地導体１を貫通して設けられるとともに、接地導体１とは電気的に絶縁されている。給電導体３ａ，３ｂの各一端は、正方形形状のパッチアンテナ素子２の互いに隣接した２辺の各中点に位置した給電点２ａ，２ｂに、電気的かつ機械的に接続される。給電導体５ａ，５ｂの各一端も同様に、正方形形状のパッチアンテナ素子４の互いに隣接した２辺の各中点に位置した給電点４ａ，４ｂに、電気的かつ機械的に接続される。給電導体３ａ，３ｂ，５ａ，５ｂの各他端は、接地導体１の裏側に設けられるＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路（図２参照）に接続される。また、正方形形状のパッチアンテナ素子２，４は、互いに対応する各辺の向きが平行となるように配置される。
【００３５】
パッチアンテナ素子２において、給電点２ａを用いた場合に送受信される電波の偏波方向と、給電点２ｂを用いた場合に送受信される電波の偏波方向とは互いに直交する。また、パッチアンテナ素子４においても、給電点４ａを用いた場合に送受信される電波の偏波方向と、給電点４ｂを用いた場合に送受信される電波の偏波方向とは互いに直交する。図１（ａ）では、このことを矢印により示している。
【００３６】
本明細書では一例として、２つのアンテナ素子２，４を備えた場合について説明するが、３つ以上のアンテナ素子を備えた構成も可能である。また、一例として、全てのアンテナ素子２，４に複数の給電点を備えた構造を示しているがこれに限定されるものでなく、複数のアンテナ素子のうちの少なくとも１つが複数の給電点を備えた構成であればよい。また、本実施形態では、各パッチアンテナ素子２，４の異なる２つの給電点をそれぞれ使用したときに送受信される電波の偏波方向が互いに直交する場合を例として説明したが、これに限定されるものでなく、各パッチアンテナ素子２，４では、９０度以外の角度差を持った偏波方向が得られるように２つの給電点を配置することも可能である。さらに、１つのアンテナ素子に２つの給電点を備えた構成を示しているが、各アンテナ素子が３つ以上の給電点を備えた構成も可能である。本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置では、パッチアンテナ素子２，４を給電導体３ａ，３ｂ，５ａ，５ｂにより支持するように構成したがこれに限らず、他の構成要素により支持するように構成してもよい。また、パッチアンテナ素子２，４は正方形形状に限定するものではなく、円形状などの他の形状であってもよい。さらに、アンテナ素子としてパッチアンテナ素子を用いることに限定するものではなく、偏波方向を変化させることが可能な他の任意のアンテナ素子を用いてもよい。
【００３７】
以下、本発明の第１の実施形態について、図１（ａ）及び（ｂ）と図２とを参照しながら、図１（ａ）及び（ｂ）のＭＩＭＯアンテナ装置を受信用のＭＩＭＯアンテナ装置として用いる場合について説明する。
【００３８】
図２は、図１（ａ）及び（ｂ）のＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第１の実施例の構成を示すブロック図である。この回路は、以下に詳述するように、パッチアンテナ素子２に到来した無線信号を受信した際の受信信号強度に基づいて、給電点２ａ，２ｂのうちで当該受信信号強度が強くなる方に切り換え、パッチアンテナ素子４に到来した無線信号を受信した際の受信信号強度に基づいて、給電点４ａ，４ｂのうちで当該受信信号強度が強くなる方に切り換えることを特徴とする。それによりこの回路では、ＭＩＭＯ復調後の復調信号の信号対雑音比を増大させることができる。図２では、図１（ａ）及び（ｂ）に示した構成要素のうちの接地導体１及び給電導体３ａ，３ｂ，５ａ，５ｂは、説明の簡単化のために図示を省略している。
【００３９】
図２において、パッチアンテナ素子２の給電点２ａ，２ｂはスイッチ６の入力端子ａ，ｂにそれぞれ接続され、スイッチ６の出力端子はＭＩＭＯ復調回路１０に接続される一方、パッチアンテナ素子４の給電点４ａ，４ｂはスイッチ７の入力端子ａ，ｂにそれぞれ接続され、スイッチ７の出力端子はＭＩＭＯ復調回路１０に接続されている。複数の給電点を有するパッチアンテナ素子２，４に到来して受信された電波（以下、受信信号という。）は、給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを介して信号強度比較回路１１に入力される。信号強度比較回路１１は、給電点２ａ，２ｂを介してそれぞれ入力された受信信号の信号強度を比較するとともに、給電点４ａ，４ｂを介してそれぞれ入力された受信信号の信号強度を比較し、それぞれの比較結果をスイッチコントローラ１２に送る。スイッチコントローラ１２は、パッチアンテナ素子２に係る比較結果に基づいて、受信信号の信号強度が最大化されるように（又は増大するように）、給電点２ａを用いてパッチアンテナ素子２を動作させる（すなわち、給電点２ａをＭＩＭＯ復調回路１０に接続する）か、それとも給電点２ｂを用いてパッチアンテナ素子２を動作させる（すなわち、給電点２ｂをＭＩＭＯ復調回路１０に接続する）かを決定して、スイッチ６を切り換える。同様に、スイッチコントローラ１２は、パッチアンテナ素子４に係る比較結果に基づいて、受信信号の信号強度が増大するように、給電点４ａを用いてパッチアンテナ素子４を動作させるか、それとも給電点４ｂを用いてパッチアンテナ素子４を動作させるかを決定して、スイッチ７を切り換える。ＭＩＭＯ復調回路１０は、スイッチ６，７を介して伝送された受信信号に対するＭＩＭＯ復調を実行し、復調信号を生成して出力する。
【００４０】
ここでは一例として、図１（ａ）及び（ｂ）のＭＩＭＯアンテナ装置の構成に従って、２つのパッチアンテナ素子２，４が２つずつの給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを備えた場合の制御及び復調回路について説明するが、パッチアンテナ素子及び給電点の個数の増減に伴って制御及び復調回路の構成を変更可能であることは当業者には明らかであろう。なお、図２の制御及び復調回路を無線通信装置として実装する場合、無線周波信号を分離する高周波フィルタ、信号を増幅するための高周波増幅器、周波数変換するためのミキサー等の高周波回路や、中間周波数回路、信号処理回路等が含まれるが、説明の簡単化のために図２では省略した。本明細書に開示した他のＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路のブロック図でも、同様に省略している。
【００４１】
以下、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置の動作原理について説明する。ＭＩＭＯは、送信機及び受信機においてそれぞれ複数のアンテナ素子を用いて、同じ周波数帯域内で同時に送信された複数の信号系列を空間的に多重化することによって伝送容量を増大させ、ＭＩＭＯ復調後の複数の信号系列に係る合計伝送速度の増大を図る技術である。ここでは一例として、固有モード伝送方式をもとに説明を行う。送信機及び受信機のアンテナ素子の数をそれぞれｎ個とすると、受信信号ｙは次式で表すことができる。
【００４２】
【数１】
2008017098.tif 000003
【００４３】
ここで、受信信号を表すｙは、サイズがｎのベクトルであり、その各要素は受信機の各アンテナ素子で受信された信号を表す。Ｈはサイズがｎ×ｎの行列であり、チャンネル行列と呼ばれ、その各要素Ｈｉｊは、送信機のｊ番目のアンテナ素子と受信機のｉ番目のアンテナ素子との間の伝搬係数、すなわち、これらのアンテナ素子間で送受信される信号の位相回転量及び振幅減衰量を表す。また、送信信号を表すｘは、サイズがｎのベクトルであり、その各要素ｘｉは、送信機の各アンテナ素子から送信される信号であって、互いに直交する信号を表す。ｗはサイズがｎのベクトルであり、その各要素は受信機の各アンテナ素子で受信された熱雑音を表す。
【００４４】
受信機においてチャンネル行列Ｈを取得するために、受信機は所定のパイロット信号ｘを予め記憶し、送信機はこの既知のパイロット信号ｘを受信機に伝送し、受信機が予め記憶したパイロット信号ｘと、受信信号ｙ（すなわち伝送されたパイロット信号ｘ）とに基づいて、式１からチャンネル行列Ｈを計算する。
【００４５】
ここで、チャンネル行列Ｈに対する特異値分解（Ｓｉｎｇｌａｒ  Ｖａｌｕｅ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＳＶＤ）を行うと、次式のようになる。
【００４６】
【数２】
2008017098.tif 000004
【００４７】
数２において、Ｕ，Σ，Ｖはそれぞれサイズがｎ×ｎの行列であり、Σはそのｉ行目ｉ列目の要素がσｉ（０≦ｉ≦ｑ）でありかつその他の要素が０である行列である。また、ｕｉとｖｉはそれぞれ行列ＵとＶのｉ番目の列ベクトルであり、それぞれ他の列ベクトルと直交している。ｑはチャンネル行列Ｈのランクであり、以下の説明ではｑ＝ｎであるとする。上付き添字Ｈは複素共役転置を表す。ここで、行列ＵとＶは、サイズがｎ×ｎの単位行列Ｉｎに対して次式を満足する。
【００４８】
【数３】
2008017098.tif 000005
【数４】
2008017098.tif 000006
【００４９】
さらに、固有値分解（Ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＥＶＤ）を行うと、次式が求まる。
【００５０】
【数５】
2008017098.tif 000007
【００５１】
数５において、λｉはチャンネル行列の積ＨＨＨの固有値であり、λｉ＝σｉ２である。
【００５２】
ベクトルｕｉＨは、行列ＵＨの要素となる他の行ベクトルと互いに直交しており、送信機の各アンテナ素子から送信される信号のウエイト（振幅と位相）に使用され、ベクトルｕｉは、行列Ｕの要素となる他の列ベクトルと互いに直交しており、受信機の各アンテナ素子において受信される信号のウエイトに使用される。このようにウエイトを使用することにより直交した指向性が得られる。
【００５３】
ここで、数１より、受信信号電力はＨｘ（Ｈｘ）Ｈ＝ＨＨＨｘｘＨとなる。行列ｘｘＨは送信信号電力を表す。ただし、ベクトルｘの各要素は互いに直交した信号であるので、行列ｘｘＨは対角行列ｄｉａｇ［ｘ１ｘ１＊，ｘ２ｘ２＊，…，ｘｎｘｎ＊］となる。一方、行列ＨＨＨは対角行列ｄｉａｇ［λ１，λ２，…，λｑ］となる。すなわち、送信機及び受信機の各アンテナ素子において直交したウエイトを使用することにより複数の伝搬経路を分離することができ、このときの受信信号電力はλｉｘｉｘｉ＊となる。信号ｘｉが全て等しい場合、各伝搬経路における受信信号電力は固有値λｉの比になる。このとき伝送容量は次式で与えられる。
【００５４】
【数６】
2008017098.tif 000008
【００５５】
ここで、ＳＮＲは総送信信号電力対雑音比であり、すなわちＳＮＲ／ｎ＝ｘｉｘｉ＊である。ＣＭＩＭＯの単位は［bps／Ｈｚ］である。一方、通常の一対一通信（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｉｎｐｕｔ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ：ＳＩＳＯ）の場合には、伝送容量は以下の式で得られる。
【００５６】
【数７】
2008017098.tif 000009
【００５７】
数７において、ｈは伝搬係数であり、ＣＳＩＳＯの単位は［bps／Ｈｚ］である。
【００５８】
例えば、数６と数７の比較を簡単化するため、ｈｈ＊＝λｉ＝λとし、ＳＮＲ・λ／ｎ≫１とする。このとき、数６の伝送容量は、次式のように計算される。
【００５９】
【数８】
2008017098.tif 000010
【００６０】
一方、数７の伝送容量は、次式のように計算される。
【００６１】
【数９】
2008017098.tif 000011
【００６２】
例えば、ｎ＝４、ＳＮＲ・λ＝１０２４の場合には、ＭＩＭＯ伝送容量ＣＭＩＭＯ＝４・（１０−２）＝３２［bps／Ｈｚ］であり、ＳＩＳＯ伝送容量ＣＳＩＳＯ＝１０［bps／Ｈｚ］であり、ＭＩＭＯ伝送容量はＳＩＳＯ伝送容量よりも増加していることが分かる。
【００６３】
以上のように、ＭＩＭＯアンテナ装置では、互いに直交する指向性を複数の信号系列に割り振ることで空間的に信号を多重させ伝送容量を増加させ、それにより、ＭＩＭＯ復調後の複数の信号系列の合計の伝送速度の高速化を達成することができる。
【００６４】
数６によれば、チャンネル行列Ｈから計算される固有値λｉが大きいほど、ＭＩＭＯ伝送容量は増加することが分かる。固有値λｉはチャンネル行列Ｈの各要素により求まるので、上記のことは、チャンネル行列Ｈの各要素が大きいほど高速伝送が可能であることを意味している。また、数１に記したように、受信された信号には熱雑音ベクトルｗが含まれる。実際の受信機では熱雑音成分を除去することができないので、このことがチャンネル行列Ｈから固有値λｉを計算する際の誤差要因となる。従って、できるだけ大きな受信信号電力を得ることが、ＭＩＭＯアンテナ装置における伝送速度の高速化につながる。またチャンネル行列Ｈには、伝搬損失の他に送信機のアンテナ素子及び受信機のアンテナ素子の利得が含まれる。従って、同じ伝搬環境であればアンテナ素子の利得の高い方が望ましいことがわかる。
【００６５】
そこで、図１（ａ）及び（ｂ）に示したように、１つのパッチアンテナ素子２に複数個の給電点２ａ，２ｂを備えることにより、当該パッチアンテナ素子２を、指向性及び偏波特性の異なる複数のアンテナ素子として動作させ、同様に１つのパッチアンテナ素子４に複数個の給電点４ａ，４ｂを備えることにより、当該パッチアンテナ素子４を、指向性及び偏波特性の異なる複数のアンテナ素子として動作させることを実現する。さらに、信号強度比較回路１１が各給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信された受信信号の信号強度の比較を行うことと、スイッチコントローラ１２が受信信号強度の強い給電点への切り換えを行うこととにより、常に安定した受信信号強度の達成と、ＭＩＭＯ伝送の高速化とを期待することができる。特に、移動体通信の場合には、使用者の移動及び周囲環境の時間的変化による主偏波特性や偏波特性の時間的変化が想定され、携帯端末装置の場合にはそれに加えて、使用時における保持状態が多様であることによるアンテナ装置の指向性及び偏波方向の変化が想定され、これらのことに対処するために、本実施形態のような切り換え制御が望まれる。また、携帯端末装置の使用者が給電点を手で覆うことによって、受信信号電力が大きく低下することがあるが、本実施形態の構成を採用することによりこのような受信信号電力低下を克服することが可能になる。
【００６６】
さらに、図１（ａ）に示したように，パッチアンテナ素子２の給電点２ａ，２ｂを介してそれぞれ受信される電波の偏波方向が直交している場合、またパッチアンテナ素子４の給電点４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信される電波の偏波方向が直交している場合には、ＭＩＭＯアンテナ装置は偏波ダイバーシチとして動作することが可能になる。この場合、特に、給電点２ａ，２ｂを切り換えてパッチアンテナ素子２の偏波特性を変化させ、給電点４ａ，４ｂを切り換えてパッチアンテナ素子４の偏波特性を変化させることにより、偏波方向の時間的変化に対処して克服することができる。
【００６７】
本実施形態の構成によれば、小型形状が望まれる携帯無線通信装置のためのＭＩＭＯアンテナ装置であって、より少ないアンテナ素子を用いてより大きな伝送容量を得ることが可能なＭＩＭＯアンテナ装置を実現できる。
【００６８】
さらに、図２の制御及び復調回路においては、制御を高速化かつ簡単化するために、ＭＩＭＯ復調後の複数の信号系列に係る所望の合計伝送速度を達成するために必要な受信信号強度のしきい値を予め設定し、受信信号強度がしきい値以下となったパッチアンテナ素子２，４に関してのみ、その各給電点を介して受信された受信信号の信号強度を比較して給電点を切り換えることも可能である。この場合、信号強度比較回路１１は、パッチアンテナ素子２，４の給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂのうちのＭＩＭＯ復調回路１０に接続されている給電点を介して受信された受信信号の信号強度を、パッチアンテナ素子２，４毎にこのしきい値と比較する。次いで、スイッチコントローラ１２は、信号強度比較回路１１による比較結果に従って、各パッチアンテナ素子２，４毎に、給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂのうちのＭＩＭＯ復調回路１０に接続されている給電点を介して受信された受信信号の信号強度がしきい値以下になったときに、接続されている給電点以外の給電点をＭＩＭＯ復調回路１０に接続させるようにスイッチ６，７を制御する。これにより、制御の高速化が図れるとともに、常時制御を行う必要がないために消費電力の低減にも効果がある。このような消費電力の低減は、特に電池駆動の携帯無線通信装置において効果が大きい。
【００６９】
図３は、図１（ａ）及び（ｂ）のＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第２の実施例の構成を示すブロック図である。図３の制御及び復調回路は、図２のＭＩＭＯ復調回路１０、信号強度比較回路１１及びスイッチコントローラ１２に代えて、スイッチ６，７を制御するスイッチコントローラ１２Ａと、受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を計算し、計算された固有値のうちの最小の固有値がしきい値以下になったか否かに基づいてスイッチコントローラ１２Ａによりスイッチ６，７を切り換えさせるとともに、受信信号に対するＭＩＭＯ復調を実行し、復調信号を生成して出力するＭＩＭＯ復調回路１０Ａとを備えて構成される。
【００７０】
図３に示す構成によれば、ＭＩＭＯ復調回路１０Ａは、数１により無線信号の伝搬経路のチャンネル行列を計算し、次いで数５によりチャンネル行列の積ＨＨＨの固有値λｉを計算し、そのうちの最小の固有値λｉが予め定めた固有値のしきい値以下になったときに、スイッチコントローラ１２Ａにスイッチ６，７の切り換えを実行させる。このとき、ＭＩＭＯ復調回路１０Ａは例えば、パッチアンテナ素子２，４のうちの少なくとも１つに関して、当該パッチアンテナ素子の複数の給電点のうちのＭＩＭＯ復調回路１０Ａに接続されている給電点以外の給電点をＭＩＭＯ復調回路１０Ａに接続させるように、スイッチコントローラ１２Ａによりスイッチ６，７のうちの少なくとも１つを切り換えさせる。いずれかのスイッチを切り換えた結果、最小の固有値λｉがしきい値を越えたならば、そのときのスイッチ６，７の接続状態で受信信号に対するＭＩＭＯ復調を実行する。一方、いずれかのスイッチを切り換えてもなお最小の固有値λｉがしきい値以下である場合には、他のスイッチを切り換え、最小の固有値λｉがしきい値を越えるまでスイッチ６，７の切り換えを繰り返す。
【００７１】
それに代わって、ＭＩＭＯ復調回路１０Ａは、最小の固有値λｉがしきい値以下になったときに、スイッチ６，７の接続状態に係るすべての組み合わせを順に設定させるようにスイッチコントローラ１２Ａに切り換えを実行させ、各組み合わせの場合における固有値λｉをそれぞれ計算し、そのうちの最小の固有値λｉが最大化される場合の組み合わせをスイッチ６，７に設定することを最終的に決定して、この決定結果に従ってスイッチコントローラ１２Ａに切り換えを実行させてもよい。
【００７２】
さらに別の制御方法として、ＭＩＭＯ復調回路１０Ａは、最小の固有値λｉがしきい値以下になったときに、最初に、受信信号の信号強度が最も低いパッチアンテナ素子２，４の給電点を順次に切り換え、最小の固有値λｉがしきい値よりも大きくなるまで切り換えを繰り返すように、スイッチコントローラ１２Ａに切り換えを実行させる。それでもなお最小の固有値λｉがしきい値以下になる場合には、信号強度が最も低いパッチアンテナ素子２，４の給電点のうちで最も信号強度が強い給電点を接続するようにスイッチコントローラ１２Ａを制御し、その後、信号強度が次に低いパッチアンテナ素子２，４の給電点を順次に切り換え、最小の固有値λｉがしきい値よりも大きくなるまで切り換えを繰り返すように、スイッチコントローラ１２Ａに切り換えを実行させる。この時点でもなお最小の固有値λｉがしきい値以下になる場合には、信号強度が低いパッチアンテナ素子２，４から順次に上記手順で給電点の切り換えを実行するようにスイッチコントローラ１２Ａを制御する。
【００７３】
また、図３に示す構成によれば、ＭＩＭＯ復調回路１０Ａは、固有値λｉを計算することに代えて、数６を用いて送信機（図示せず。）との間のチャンネルにおける伝送容量を計算し、計算された伝送容量が予め定めた伝送容量のしきい値以下になったときに、スイッチコントローラ１２Ａにスイッチ６，７の切り換えを実行させてもよい。ＭＩＭＯ復調回路１０Ａは、固有値λｉを計算する場合について上で説明した方法と同様に、スイッチコントローラ１２Ａにスイッチ６，７の切り換えを実行させることができる。
【００７４】
このような制御を行うことで、常時制御を行う必要がないために消費電力の低減にも効果がある。このような消費電力の低減は、特に電池駆動の携帯無線通信装置において効果が大きい。
【００７５】
図４は、図１（ａ）及び（ｂ）のＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第３の実施例の構成を示すブロック図である。図４の構成では、パッチアンテナ素子２，４のそれぞれに関して、当該パッチアンテナ素子２，４の複数の給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂのうちのいずれか１つずつを含みかつ互いに異なる給電点の組「２ａ，４ａ」及び「２ｂ，４ｂ」が予め構成され、これらの給電点の組をスイッチユニット８により切り換えることを特徴とする。
【００７６】
図４の制御及び復調回路は、図４のスイッチ６，７、図４のＭＩＭＯ復調回路１０Ａ及びスイッチコントローラ１２Ａに代えて、連動したスイッチ６，７を含むスイッチユニット８と、スイッチユニット８を制御するスイッチコントローラ１２Ｂと、スイッチコントローラ１２Ｂによりスイッチユニット８を切り換えさせるとともに、受信信号に対するＭＩＭＯ復調を実行し、復調信号を生成して出力するＭＩＭＯ復調回路１０Ｂとを備えて構成される。パッチアンテナ素子２の給電点２ａ，２ｂは、スイッチユニット８内のスイッチ６の入力端子ａ，ｂにそれぞれ接続され、スイッチ６の出力端子はＭＩＭＯ復調回路１０Bに接続される一方、パッチアンテナ素子４の給電点４ａ，４ｂは、スイッチユニット８内のスイッチ７の入力端子ｃ，ｄにそれぞれ接続され、スイッチ７の出力端子はＭＩＭＯ復調回路１０Bに接続されている。スイッチ６，７は、給電点２ａ，４ａの組をＭＩＭＯ復調回路１０Bに接続するか、又は給電点２ｂ，４ｂの組をＭＩＭＯ復調回路１０Bに接続するように、連動して動作する。ＭＩＭＯ復調回路１０Ｂは、図３の場合について説明したように、受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を計算する。次いで、ＭＩＭＯ復調回路１０Ｂは、計算される固有値のうちの最小の固有値が最大になる給電点の組「２ａ，４ａ」又は「２ｂ，４ｂ」に含まれる各給電点をＭＩＭＯ復調回路１０Ｂに接続させるように、スイッチコントローラ１２Ｂによりスイッチユニット８を切り換えさせる。あるいは、ＭＩＭＯ復調回路１０Ｂは、固有値λｉを計算することに代えて、数６を用いて送信機（図示せず。）との間のチャンネルにおける伝送容量を計算し、計算される伝送容量が最大になる給電点の組「２ａ，４ａ」又は「２ｂ，４ｂ」に含まれる各給電点をＭＩＭＯ復調回路１０Ｂに接続させるように、スイッチコントローラ１２Ｂによりスイッチユニット８を切り換えさせてもよい。
【００７７】
図４の回路では、スイッチユニット８内でスイッチ６，７が連動しているので、図３の場合と比較して制御が簡単化される。このような制御を行うことで、常時制御を行う必要がないために消費電力の低減にも効果がある。このような消費電力の低減は、特に電池駆動の携帯無線通信装置において効果が大きい。
【００７８】
また、ＭＩＭＯ復調回路１０Ｂは、固有値あるいは伝送容量を計算し、その計算値が予め定めた固有値もしくは伝送容量のしきい値以下になったときに、給電点の組「２ａ，４ａ」及び「２ｂ，４ｂ」のいずれかに切り換えるようにスイッチコントローラ１２Ａにスイッチユニット８を制御させることにより、パッチアンテナ素子２，４の給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを変化させてもよい。
【００７９】
またさらに、図４の復調及び制御回路において、ＭＩＭＯ復調回路１０Ｂは、各パッチアンテナ素子２，４に係る受信信号電力の和もしくは固有値の和が最大となる給電点の組「２ａ，４ａ」又は「２ｂ，４ｂ」を選択するように、スイッチコントローラ１２Ａにスイッチユニット８を切り換えさせることも可能である。この場合、限られた給電点の組「２ａ，４ａ」及び「２ｂ，４ｂ」の比較に基づいた切り換え制御を実行することによって制御の高速化が達成されるとともに、最適な給電点の組「２ａ，４ａ」又は「２ｂ，４ｂ」を選ぶことで信号電力を増加させＭＩＭＯ復調後の複数の信号系列の合計の伝送速度を高速化させることできる。
【００８０】
図４の回路では、２つの給電点の組「２ａ，４ａ」及び「２ｂ，４ｂ」を切り換えるように構成したが、３つ以上の給電点の組（すなわち切り換えの数）を含むようなＭＩＭＯアンテナ装置を構成してもよいことは明らかであろう。
【００８１】
図５（ａ）は本発明の第１の実施形態の変形例に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構造を示す斜視図であり、図５（ｂ）はそのＭＩＭＯアンテナ装置の構造を示す上面図である。この変形例では、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、正方形形状のパッチアンテナ素子４の各辺の向きを、正方形形状のパッチアンテナ素子２の各辺に対してそれぞれ４５度傾けて配置する。パッチアンテナ素子４の給電点４ａ，４ｂは、図１（ａ）及び（ｂ）の場合と同様に、正方形形状のパッチアンテナ素子４の互いに隣接した２辺の各中点に設けられる。このように、パッチアンテナ素子２，４の向きを互いに相違させるとともに、パッチアンテナ素子２に対する給電点２ａ，２ｂの位置関係と、パッチアンテナ素子４に対する給電点４ａ，４ｂの位置関係とを互いに相違させたことにより、パッチアンテナ素子２，４のそれぞれで送受信される電波の偏波方向が互いに平行になることはない。パッチアンテナ素子２の各辺の向きに対するパッチアンテナ素子４の各辺の向きの角度は、４５度に限定するものではない。これにより、受信可能な偏波方向の自由度が増え、かつパッチアンテナ素子２で受信される電波とパッチアンテナ素子４で受信される電波との独立性が高まり、ＭＩＭＯ復調における固有値の分離が容易になり、より高速な無線伝送が可能になる。
【００８２】
実施形態に係るパッチアンテナ素子２，４は、以上説明したような板状逆Ｌアンテナ素子の構造を有するものに限定されず、異なる構造を有するアンテナ素子を用いてもよい。図１１及び図１２において、図１０のパッチアンテナ素子２の変形例に係るパッチアンテナ素子２Ａ，２Ｂの詳細構成の斜視図をそれぞれ示す。図１１において、正方形形状のパッチアンテナ素子２Ａは、その互いに隣接した２辺の各中点からパッチアンテナ素子２Ａの中心に向かって所定距離だけ移動した位置において給電点２ａ，２ｂを備えている。給電点２ａ，２ｂには、図１０の場合と同様に、各給電導体３ａ，３ｂの一端が電気的かつ機械的に接続される。図１１のパッチアンテナ素子２Ａの各辺の長さは、送受信される電波の波長の１／２になるように構成される。
【００８３】
また、図１２において、正方形形状のパッチアンテナ素子２Ｂは、図１１のパッチアンテナ素子２Ａと同様の位置に給電点２ａ，２ｂを備えたことに加えて、各給電点２ａ，２ｂに近接した位置において、短絡導体３ａａ，３ｂａを介して接地導体１に接続された接続点２ａａ，２ｂａをそれぞれ備えたことを特徴とする。接続点２ａａ，２ｂａは、各給電点２ａ，２ｂに近接した位置であって、正方形形状のパッチアンテナ素子２Ｂの互いに隣接した２辺の各中点に位置する。接続点２ａａ，２ｂａには、直線状の短絡導体３ａａ，３ｂａの一端がそれぞれ接続され、短絡導体３ａａ，３ｂａの他端は接地導体１上の接続点３ａｂ，３ｂｂにそれぞれ接続される。短絡導体３ａａは給電導体３ａに対してほぼ平行に設けられ、短絡導体３ｂａは給電導体３ｂに対してほぼ平行に設けられる。図１２のパッチアンテナ素子２Ｂの各辺の長さは、送受信される電波の波長の１／４になるように構成される。以上の構成を備えたことにより、図１２のパッチアンテナ素子２Ｂは板状逆Ｆアンテナ素子の構造を有する。
【００８４】
なお、図１１及び図１２では１つのパッチアンテナ素子のみをそれぞれ図示しているが、図１又は図５のパッチアンテナ素子４に対応する他のパッチアンテナ素子もまた、パッチアンテナ素子２Ａ，２Ｂと同様に構成可能であることは明らかであろう。
【００８５】
以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、１つのアンテナ素子に複数の給電点を備えることで小型化を達成し、またしきい値を用いた制御を実行することで制御の高速化を可能にするＭＩＭＯアンテナ装置を実現できる。
【００８６】
第２の実施形態．
以下、本発明の第２の実施形態について、図６を参照しながら説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第１の実施例の構成を示すブロック図である。この回路は、図１（ａ）及び（ｂ）又は図５（ａ）及び（ｂ）に示したＭＩＭＯアンテナ装置との組み合わせで使用され、図２のスイッチ６，７、信号強度比較回路１１及びスイッチコントローラ１２に代えて、電力合成器２１，２２を備えたことを特徴とする。図６において、パッチアンテナ素子２の給電点２ａ，２ｂは電力合成器２１の入力端子にそれぞれ接続され、電力合成器２１の出力端子はＭＩＭＯ復調回路１０に接続され、それにより、電力合成器２１は、給電点２ａを介して伝送された受信信号と、給電点２ｂを介して伝送された受信信号との電力合成を実行し、合成後の受信信号をＭＩＭＯ復調回路１０に伝送する。同様に、パッチアンテナ素子４の給電点４ａ，４ｂは電力合成器２２の入力端子にそれぞれ接続され、電力合成器２２の出力端子はＭＩＭＯ復調回路１０に接続され、それにより、電力合成器２２は、給電点４ａを介して伝送された受信信号と、給電点４ｂを介して伝送された受信信号との電力合成を実行し、合成後の受信信号をＭＩＭＯ復調回路１０に伝送する。ＭＩＭＯ復調回路１０は、電力合成器２１，２２から伝送された受信信号に対するＭＩＭＯ復調を実行し、復調信号を生成して出力する。
【００８７】
本実施形態によれば、パッチアンテナ素子２に備えられた複数の給電点２ａ，２ｂを介してそれぞれ受信された受信信号を合成し、パッチアンテナ素子４に備えられた複数の給電点４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信された受信信号を合成することが可能になり、従って本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置では、より強い受信信号強度を達成することができる。特に、図１（ａ）及び（ｂ）に示したように給電点２ａ，２ｂでそれぞれ受信される電波の偏波方向が互いに直交している場合には、電力合成器２１は偏波合成器として動作することができる。電力合成器２２もまた同様である。特に、本実施形態の構成は、移動体通信に関して使用者の移動及び周囲環境の時間的変化により主偏波及び交差偏波の信号強度の時間的変化及び到来角度変化が頻繁に起こる場合において、特に有効である。また、図１（ａ）及び（ｂ）又は図５（ａ）及び（ｂ）に示したＭＩＭＯアンテナ装置を携帯端末装置に実装した場合には、使用時における保持状態が多様であることに起因したアンテナ装置の指向性及び偏波の変化が想定されるが、本実施形態のような偏波合成を実行することによりそれを克服することが可能になる。また、携帯端末装置の使用者が給電点を手で覆うことによって大きく受信信号電力が低下することがあるが、本実施形態の構成を採用することによりそれを克服することが可能になる。
【００８８】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第２の実施例の構成を示すブロック図である。図６の構成では、各給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信される受信信号の位相が逆相になり、単なる電力合成を行うだけでは相殺される可能性もある。図７の回路は、以下に詳述するように、図６の回路に対してさらに、給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂと電力合成器２１，２２との間に、振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを備え、さらにこれらを制御するための振幅位相検出回路４１及び振幅位相コントローラ４２を備えたことを特徴とする。
【００８９】
図７において、パッチアンテナ素子２の給電点２ａは振幅調整回路３１ａ及び移相器３２ａを介して電力合成器２１に接続され、給電点２ｂは振幅調整回路３１ｂ及び移相器３２ｂを介して電力合成器２１に接続される。パッチアンテナ素子４についても同様に、給電点４ａは振幅調整回路３１ｃ及び移相器３２ｃを介して電力合成器２２に接続され、給電点４ｂは振幅調整回路３１ｄ及び移相器３２ｄを介して電力合成器２２に接続される。複数の給電点を有するパッチアンテナ素子２，４に到来して受信された電波（以下、受信信号という。）は、それぞれ給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを介して振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに伝送されるとともに、給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを介して振幅位相検出回路４１に入力される。振幅位相検出回路４１は、当該パッチアンテナ素子２，４の複数の給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂに係る受信信号の振幅と、給電点２ａ，２ｂに係る受信信号間の相対的な位相及び給電点４ａ，４ｂに係る受信信号間の相対的な位相とを検出する。振幅位相コントローラ４２は、検出された振幅に基づいて振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを制御することにより、給電点２ａ，２ｂを介して受信される各受信信号の信号強度比（すなわち振幅比）に比例した振幅ウエイトをこれら２つの受信信号にそれぞれ乗算し、給電点４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信される各受信信号の信号強度比に比例した振幅ウエイトをこれら２つの受信信号にそれぞれ乗算する。振幅位相コントローラ４２はさらに、各受信信号に対して振幅ウエイトを乗算した後で、検出された位相に基づいて移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを制御することにより、給電点２ａ，２ｂを介してそれぞれ受信される各受信信号の位相を一致させ、給電点４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信される各受信信号の位相を一致させる。４つの受信信号の振幅及び位相が制御されたことにより、電力合成器２１は、給電点２ａ，２ｂを介してそれぞれ受信される受信信号を最大比合成してＭＩＭＯ復調回路１０に入力し、同様に、電力合成器２２は、給電点４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信される受信信号を最大比合成してＭＩＭＯ復調回路１０に入力し、それにより、パッチアンテナ素子２，４毎に、常に最大限の信号強度を得ることが可能になる。ＭＩＭＯ復調回路１０は、電力合成器２１，２２から伝送された受信信号に対するＭＩＭＯ復調を実行し、復調信号を生成して出力する。
【００９０】
以上説明したように、図７の回路では、パッチアンテナ素子２，４毎に最大比合成を行うことで、常に安定しかつ信号強度の強い受信信号を得ることができる。また、図７の回路において、振幅位相コントローラ４２は、振幅位相検出回路４１により検出された振幅及び位相に従って、各パッチアンテナ素子２，４で受信される受信信号の信号対雑音比をパッチアンテナ素子２，４毎に最大化するように振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを制御している。振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄにより受信信号の振幅を調整することにより、電力合成後の信号に対する雑音の影響を小さくすることができる。
【００９１】
また、図７において、ＭＩＭＯ復調後の複数の信号系列に係る所望される合計伝送速度を得るのに必要な信号強度のしきい値を予め設定し、パッチアンテナ素子２，４のうちでしきい値以下となったパッチアンテナ素子のみの給電点を介して受信される受信信号を最大比合成することも可能である。このために、振幅位相検出回路４１は、各受信信号の信号強度をさらに検出し、検出された信号強度がしきい値以下になったときに、パッチアンテナ素子２，４の複数の給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを介して受信される受信信号の振幅と受信信号間の相対的な位相とを検出し、受信される受信信号の信号対雑音比をパッチアンテナ素子２，４毎に最大化するように振幅位相コントローラ４２により振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを制御させる。この場合、例えば、振幅位相コントローラ４２は、通常の場合では振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを初期状態（例えば、振幅調整率（入力振幅に対する出力振幅の割合をいう。）は１であり、移相量は０である。）に設定して合成を行い、信号強度がしきい値以下のときには、振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを制御して最大比合成を行う。これにより、制御の高速化が図れるとともに、常時制御を行う必要がないために消費電力の低減にも効果がある。このことは、特に電池駆動の携帯無線通信装置において効果が大きい。
【００９２】
図７の回路を簡単化するために、振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄのうちのいずれかのみを備え、受信信号の振幅又は位相の一方のみを変化させるように構成してもよい。例えば、移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄのみを備えた場合には、図７の振幅位相検出回路４１に代えて、給電点２ａ，２ｂを介してそれぞれ受信される受信信号間の相対的な位相及び給電点４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信される受信信号間の相対的な位相を検出する位相検出回路を備え、また、振幅位相コントローラ４２に代えて、検出された位相に基づいて給電点２ａ，２ｂを介してそれぞれ受信される受信信号の位相を一致させ、また給電点４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信される受信信号間の位相を一致させるように移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを制御する位相コントローラを備える必要がある。このとき、位相コントローラは、各給電点を介して受信される受信信号間の相対的な位相に基づいて受信信号を各パッチアンテナ素子２，４毎に同相合成させるように移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを制御するか、又は、受信信号の信号強度がしきい値以下になったときに、各給電点を介して受信される受信信号間の相対的な位相に基づいて受信信号を各パッチアンテナ素子２，４毎に同相合成させるように移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを制御することができる。
【００９３】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第３の実施例の構成を示すブロック図である。図８の制御及び復調回路は、図７の振幅位相検出回路４１に代えて、電力合成器２１，２２から出力される受信信号の信号強度を検出し、検出された信号強度が所望の合計伝送速度を得るのに必要な信号強度の下限のしきい値以下になったときに、複数の給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信される受信信号の振幅、給電点２ａ，２ｂを介してそれぞれ受信される受信信号間の相対的な位相、及び給電点４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信される受信信号間の相対的な位相を検出する振幅位相検出回路４１Ａを備えて構成される。図８の回路では、振幅位相検出回路４１Ａはさらに、給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信される受信信号の信号強度を検出する。図８の振幅位相検出回路４１Ａは、電力合成器２１，２２から出力される受信信号の信号強度が下限のしきい値以下になったときに、次のような３つのステップからなる制御を実行することが可能である。ここでは、一例としてパッチアンテナ素子２に係る受信信号強度がしきい値以下になった場合について説明を行う。
【００９４】
振幅位相検出回路４１Ａは、通常の場合は、振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを初期状態に設定して、受信信号の合成を実行させる。例えば、振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの振幅調整率を１に設定し、移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの移相量を０に設定して、受信信号の合成を行う。
【００９５】
パッチアンテナ素子２に係る受信信号強度がしきい値以下となったことを振幅位相検出回路４１Ａが検出した場合、まず、第１のステップとして、振幅位相検出回路４１Ａにおける信号強度の検出結果をもとに、給電点２ａ，２ｂのうちで信号強度が強い方の給電点のみを介して受信された受信信号をＭＩＭＯ復調回路１０に入力させる。具体的には、例えば給電点２ａを介して受信された受信信号の信号強度が強い場合には、振幅位相検出回路４１Ａは、振幅位相コントローラ４２を制御して振幅調整回路３１ｂの減衰量を大きくさせることによって（例えば４０ｄＢ）、給電点２ｂを介して受信された受信信号の電力をほぼ０にする。このとき、振幅調整回路３１ａにおける振幅調整率は１であり、移相器３２ａ，３２ｂにおける移相量は０である。この状態で、振幅位相検出回路４１Ａは、電力合成器２１から出力される受信信号強度としきい値との比較を行い、受信信号強度がしきい値よりも大きいならばそのまま通信を続ける。
【００９６】
逆に、受信信号強度がしきい値以下の場合には、第２のステップとして同相合成を行う。すなわち、振幅位相検出回路４１Ａは、振幅位相コントローラ４２を制御して振幅調整回路３１ｂの振幅調整率を１にして、振幅位相検出回路４１Ａの位相検出結果に基づき振幅位相コントローラ４２を制御して移相器３２ａ，３２ｂの移相量を調整して、給電点２ａ，２ｂを介してそれぞれ受信された各受信信号の位相を揃えて合成させる。この状態で、振幅位相検出回路４１Ａは、電力合成器２１から出力される受信信号強度としきい値との比較を行い、受信信号強度がしきい値よりも大きいならばそのまま通信を続ける。
【００９７】
逆に、受信信号強度がしきい値以下の場合には、第３のステップとして最大比合成を行う。このとき、振幅位相検出回路４１Ａは、振幅及び位相の検出結果に基づいて振幅位相コントローラ４２を制御して振幅調整回路３１ａ，３１ｂ及び移相器３２ａ，３２ｂを調整させて、給電点２ａ，２ｂを介してそれぞれ受信された各受信信号を最大比合成させる。なお、第３のステップの最大比合成を行っても受信信号強度がしきい値以下の場合には、引き続き第３のステップの制御を継続する。
【００９８】
このように、より演算量の少ない制御から順に行うことで、制御時間を短縮でき、また制御に必要な消費電力を少なくできるという効果がある。この場合、受信信号強度がしきい値を越えたことを振幅位相検出回路４１Ａが検出したときには、一つ演算量の軽い制御に切り換えることも可能である。
【００９９】
さらに、第１乃至第３のステップに関して、受信信号強度の上限に対するしきい値を定めることも可能である。一例として、第３のステップの制御を実行中の状態を基に説明を行う。伝搬環境は時間とともに変化するので、所定時間の経過後に、より強い受信信号強度が得られるようになったと仮定する。この場合には、第２のステップに係る制御もしくは第１のステップに係る制御を実行しても、さらには振幅及び位相の制御を実行しなくても（すなわち、振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを初期状態に設定する。）でも、下限のしきい値よりも大きい受信信号強度が得られる可能性がある。この場合には、少しでも軽い制御を行うことが望まれるため、上限のしきい値を設定し、受信信号強度が上限のしきい値を越えたことを振幅位相検出回路４１Ａが検出した場合には、第２のステップを実行し、第２のステップを実行中においても上限のしきい値を越えた場合には、第１のステップを実行し、さらに第１のステップを実行中においても上限のしきい値を越えた場合には、振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの制御を停止するように制御の軽減を図ることができる。
【０１００】
これにより、より負荷の少ない制御を実行し、制御時間の短縮と消費電力の軽減とを実現することができる。また、上限と下限のしきい値を設けることにより、制御の切り換え回数を減らすことが可能になる。さらに、以上の２つの説明では、第１乃至第３のステップのうちでステップを１つずつ増減させる場合を例に説明を行ったが、第１のステップから直接に第３のステップに変化したり又はその逆に第３のステップから直接に第１のステップに変化したりする制御も可能である。また、上限及び下限のしきい値は、第１乃至第３のステップのうちで実行中のステップ毎に異なる値を設定して使用することも可能である。
【０１０１】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第４の実施例の構成を示すブロック図である。図９の制御及び復調回路は、図７の振幅位相検出回路４１及びＭＩＭＯ復調回路１０に代えて、複数の給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信された受信信号の振幅、給電点２ａ，２ｂを介してそれぞれ受信された受信信号間の相対的な位相、及び給電点４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信された受信信号間の相対的な位相を検出する振幅位相検出回路４１Ｂと、受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を計算し、計算された固有値のうちの最小の固有値がしきい値以下になったか否かに基づいて振幅位相検出回路４１Ｂを動作させるとともに、受信信号に対するＭＩＭＯ復調を実行し、復調信号を生成して出力するＭＩＭＯ復調回路１０Ｃとを備えて構成される。
【０１０２】
ＭＩＭＯ復調回路１０Ｃは、図３の場合について説明したように、受信された複数の無線信号の伝搬経路のチャンネル行列に関連付けられた固有値を計算する。次いで、ＭＩＭＯ復調回路１０Ｃは、計算された固有値のうちの最小の固有値がしきい値以下になったときに、パッチアンテナ素子２，４の複数の給電点２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを介してそれぞれ受信された受信信号の振幅とこれらの受信信号間の相対的な位相とを振幅位相検出回路４１Ｂに検出させ、受信される受信信号の信号対雑音比をパッチアンテナ素子２，４毎に最大化するように振幅位相コントローラ４２により振幅調整回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び移相器３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを制御させる。あるいは、ＭＩＭＯ復調回路１０Ｃは、固有値を計算することに代えて、受信された複数の無線信号の伝搬経路の伝送容量を計算し、計算された伝送容量がしきい値以下になったときに、振幅位相検出回路４１Ｂ及び振幅位相コントローラ４２を同様に動作させてもよい。
【０１０３】
このような制御を行うことで、常時制御を行う必要がないために消費電力の低減にも効果がある。このことは、特に電池駆動の携帯無線通信装置において効果が大きい。
【０１０４】
以上のように、本発明の第２の実施形態によれば、１つのパッチアンテナ素子に複数の給電点を備えることによりＭＩＭＯアンテナ装置の小型化を実現し、しきい値を用いた制御を実行することにより制御の高速化を達成し、さらに、パッチアンテナ素子毎に複数の給電点に係る受信信号を合成することにより信号電力を高くすることが可能なＭＩＭＯアンテナ装置を実現できる。
【０１０５】
以上説明したＭＩＭＯアンテナ装置は、携帯電話機などの無線通信装置に実装することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
以上に示したように、本実施形態の構成によれば、小型形状が望まれる携帯無線通信装置において、より少ないアンテナ素子を用いてより大きな伝送容量を得ることが可能なＭＩＭＯアンテナ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構造を示す斜視図であり、（ｂ）は、そのＭＩＭＯアンテナ装置の構造を示す上面図である。
【図２】図１（ａ）及び（ｂ）のＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第１の実施例の構成を示すブロック図である。
【図３】図１（ａ）及び（ｂ）のＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第２の実施例の構成を示すブロック図である。
【図４】図１（ａ）及び（ｂ）のＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第３の実施例の構成を示すブロック図である。
【図５】（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構造を示す斜視図であり、（ｂ）は、そのＭＩＭＯアンテナ装置の構造を示す上面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第１の実施例の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第２の実施例の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第３の実施例の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置の制御及び復調回路に係る第４の実施例の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第１及び第２の実施形態に係るパッチアンテナ素子２の詳細構成を示す斜視図である。
【図１１】図１０のパッチアンテナ素子２の変形例に係る、パッチアンテナ素子２Ａの詳細構成を示す斜視図である。
【図１２】図１０のパッチアンテナ素子２の変形例に係る、パッチアンテナ素子２Ｂの詳細構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１…接地導体、
２，４，２Ａ，２Ｂ…パッチアンテナ素子、
２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂ…給電点、
３ａ，３ｂ，５ａ，５ｂ…給電導体、
３ａｈ，３ｂｈ，５ａｈ，５ｂｈ…貫通孔、
２ａａ，２ｂａ，３ａｂ，３ｂｂ…接続点、
３ａａ，３ｂａ…短絡導体、
６，７…スイッチ、
８…スイッチユニット、
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…ＭＩＭＯ復調回路、
１１…信号強度比較回路、
１２，１２Ａ，１２Ｂ…スイッチコントローラ、
２１，２２…電力合成器、
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ…振幅調整回路、
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ…移相器、
４１，４１Ａ，４１Ｂ…振幅位相検出回路、
４２…振幅位相コントローラ。
【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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