(57)【要約】【課題】従来技術に比較して消費電力が小さく、演算量が少ないアレーアンテナ装置を提供する。【解決手段】コントローラ７は、スイッチ３ａをオフしかつ移相器２ａに印加する制御信号をオフして、アンテナ素子１ａで受信された無線信号の受信電力レベルに基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、受信信号が到来したと判断したとき、スイッチ３ａをオンしかつ移相器２ａに制御信号を出力し、アンテナ素子１ａ及び１ｂからなるアレーアンテナの無線信号に基づいてアレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように移相器２ａを制御する。【選択図】図１
2008048007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの第１のアンテナ素子と、少なくとも１つの第２のアンテナ素子とを所定の配置形状で並置してなるアレーアンテナ装置において、
上記第１のアンテナ素子と上記第２のアンテナ素子との間に接続される少なくとも１つのスイッチ手段と、
印加される制御信号に基づいて、上記第２のアンテナ素子で受信された無線信号を所定の移相量だけ移相させる移相器と、
上記スイッチ手段のオンのとき、上記第１のアンテナ素子で受信された無線信号の第１の受信電力レベルを検出して当該第１の受信電力レベルを示す第１の検出信号を発生して出力し、上記スイッチ手段のオフのとき、上記第１のアンテナ素子により受信される無線信号と、上記移相器から出力される無線信号とを合成し、合成されたアレーアンテナの無線信号の第２の受信電力レベルを検出して当該第２の受信電力レベルを示す第２の検出信号を発生して出力する検出手段と、
上記スイッチ手段をオフしかつ上記移相器に印加する制御信号をオフして、上記第１の検出信号に基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号に基づいて上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記移相器を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項２】
複数の第２のアンテナ素子を備え、
互いに隣接する各第２のアンテナ素子の給電点間にそれぞれ挿入された複数の移相器を備え、
上記制御手段は、上記スイッチ手段をオフしかつ上記各移相器に印加する制御信号をオフして、上記第１の検出信号に基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記各移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号に基づいて上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記各移相器を制御することを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
【請求項３】
複数の第１のアンテナ素子を備え、
互いに隣接する各第１のアンテナ素子の給電点間にそれぞれ挿入された複数の移相器を備え、
上記制御手段は、上記スイッチ手段をオフしかつ上記各移相器に印加する制御信号をオフして、上記第１の検出信号に基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記各移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号に基づいて上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記各移相器を制御することを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
【請求項４】
複数の第１のアンテナ素子を備え、
複数の第２のアンテナ素子を備え、
互いに隣接する各第１のアンテナ素子の給電点間にそれぞれ挿入された複数の移相器を備え、
互いに隣接する各第２のアンテナ素子の給電点間にそれぞれ挿入された複数の移相器を備え、
上記制御手段は、上記スイッチ手段をオフしかつ上記各移相器に印加する制御信号をオフして、上記第１の検出信号に基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記各移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号に基づいて上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記各移相器を制御することを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
【請求項５】
上記制御手段は、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記各移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号の第２の受信電力レベルが実質的に最大値になり、上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記各移相器を制御することを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
【請求項６】
上記制御手段は、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記各移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号の搬送波対雑音及び干渉波電力比が実質的に最大値になり、上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記各移相器を制御することを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
【請求項７】
上記各第１のアンテナ素子と上記各第２のアンテナ素子は、上記無線信号の半波長の間隔で並置されたことを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯、準ミリ波帯、又はミリ波帯の無線通信システムに用いられるアレーアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のアンテナ素子と、各アンテナ素子で受信された無線信号を所定の移相量だけ移相させる複数の直流電圧制御型の移相器とを備えて構成されるアレーアンテナ装置（以下、従来技術に係るアレーアンテナ装置という。）において、アレーアンテナ装置の指向特性と受信信号レベルに基づいて到来する受信信号の方向をＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法等により推定し、各移相器の各移相量を、アレーアンテナ装置の主ビームが到来する受信信号の方向に向くように制御するアルゴリズムが使用されている。このようにアレーアンテナ装置を構成することにより、所望波信号とともに受信される熱雑音成分、隣接基地局からの同一周波数の同一チャンネル干渉波、及び所望波であるが大きな経路を経由して到来したために時間的な遅れを生じる遅延波を抑圧し、所望波信号を高利得で受信できる。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１０１３２８号公報。
【特許文献２】特開２０００−１９６３２８号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術に係るアレーアンテナ装置においては、受信信号が到来しているか否かに関わらず常に各移相器に制御電圧を印加するため、消費電力が大きいという課題があった。また、ＭＵＳＩＣ法等による到来方向推定処理は演算量が多いので、演算速度が小さい演算装置を用いた無線装置に従来技術に係るアレーアンテナ装置を搭載する場合、当該無線装置への負荷が大きいという課題があった。
【０００５】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して消費電力が小さく、演算量が少ないアレーアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るアレーアンテナ装置は、
少なくとも１つの第１のアンテナ素子と、少なくとも１つの第２のアンテナ素子とを所定の配置形状で並置してなるアレーアンテナ装置において、
上記第１のアンテナ素子と上記第２のアンテナ素子との間に接続される少なくとも１つのスイッチ手段と、
印加される制御信号に基づいて、上記第２のアンテナ素子で受信された無線信号を所定の移相量だけ移相させる移相器と、
上記スイッチ手段のオンのとき、上記第１のアンテナ素子で受信された無線信号の第１の受信電力レベルを検出して当該第１の受信電力レベルを示す第１の検出信号を発生して出力し、上記スイッチ手段のオフのとき、上記第１のアンテナ素子により受信される無線信号と、上記移相器から出力される無線信号とを合成し、合成されたアレーアンテナの無線信号の第２の受信電力レベルを検出して当該第２の受信電力レベルを示す第２の検出信号を発生して出力する検出手段と、
上記スイッチ手段をオフしかつ上記移相器に印加する制御信号をオフして、上記第１の検出信号に基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号に基づいて上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記移相器を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
上記アレーアンテナ装置において、
複数の第２のアンテナ素子を備え、
互いに隣接する各第２のアンテナ素子の給電点間にそれぞれ挿入された複数の移相器を備え、
上記制御手段は、上記スイッチ手段をオフしかつ上記各移相器に印加する制御信号をオフして、上記第１の検出信号に基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記各移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号に基づいて上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記各移相器を制御することを特徴とする。
【０００８】
また、上記アレーアンテナ装置において、
複数の第１のアンテナ素子を備え、
互いに隣接する各第１のアンテナ素子の給電点間にそれぞれ挿入された複数の移相器を備え、
上記制御手段は、上記スイッチ手段をオフしかつ上記各移相器に印加する制御信号をオフして、上記第１の検出信号に基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記各移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号に基づいて上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記各移相器を制御することを特徴とする。
【０００９】
さらに、上記アレーアンテナ装置において、
複数の第１のアンテナ素子を備え、
複数の第２のアンテナ素子を備え、
互いに隣接する各第１のアンテナ素子の給電点間にそれぞれ挿入された複数の移相器を備え、
互いに隣接する各第２のアンテナ素子の給電点間にそれぞれ挿入された複数の移相器を備え、
上記制御手段は、上記スイッチ手段をオフしかつ上記各移相器に印加する制御信号をオフして、上記第１の検出信号に基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記各移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号に基づいて上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記各移相器を制御することを特徴とする。
【００１０】
また、上記アレーアンテナ装置において、
上記制御手段は、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記各移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号の第２の受信電力レベルが実質的に最大値になり、上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記各移相器を制御することを特徴とする。
【００１１】
さらに、上記アレーアンテナ装置において、
上記制御手段は、上記受信信号が到来したと判断したとき、上記スイッチ手段をオンしかつ上記各移相器に制御信号を出力し、上記アレーアンテナの無線信号の搬送波対雑音及び干渉波電力比が実質的に最大値になり、上記アレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように上記各移相器を制御することを特徴とする。
【００１２】
またさらに、上記アレーアンテナ装置において、
上記各第１のアンテナ素子と上記各第２のアンテナ素子は、上記無線信号の半波長の間隔で並置されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るアレーアンテナ装置によれば、上記検出手段はスイッチ手段のオンのとき、第１のアンテナ素子で受信された無線信号の第１の受信電力レベルを検出して当該第１の受信電力レベルを示す第１の検出信号を発生して出力し、スイッチ手段のオフのとき、第１のアンテナ素子により受信される無線信号と、移相器から出力される無線信号とを合成し、合成されたアレーアンテナの無線信号の第２の受信電力レベルを検出して当該第２の受信電力レベルを示す第２の検出信号を発生して出力し、上記制御手段は、スイッチ手段をオフしかつ移相器に印加する制御信号をオフして、第１の検出信号に基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、受信信号が到来したと判断したとき、スイッチ手段をオンしかつ移相器に制御信号を出力し、アレーアンテナの無線信号に基づいてアレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように移相器を制御する。従って、従来技術に比較して消費電力が小さく、演算量が少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００１５】
第１の実施形態．
図１は、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図であり、図２は、図１のコントローラ７によって実行される無線信号受信処理を示すフローチャートである。図１において、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、アンテナ素子１ａ及び１ｂと、移相器２ａと、スイッチ３ａと、合成器８１と、方向性結合器４と、電力検出回路５と、無線受信回路６と、受信電力メモリ７ｍを備えたコントローラ７と、出力端子８とを備えて構成される。
【００１６】
図１において、本実施形態に係るアレーアンテナ装置は、アンテナ素子１ａとアンテナ素子１ｂとの間に接続されるスイッチ３ａと、印加される制御信号に基づいて、アンテナ素子１ｂで受信された無線信号を所定の移相量だけ移相させる移相器２ａと、スイッチ３ａのオンのとき、アンテナ素子１ａで受信された無線信号の第１の受信電力レベルを検出して当該第１の受信電力レベルを示す第１の検出信号を発生して出力し、スイッチ３ａのオフのとき、アンテナ素子１ａにより受信される無線信号と、移相器２ａから出力される無線信号とを合成し、合成されたアレーアンテナの無線信号の第２の受信電力レベルを検出して当該第２の受信電力レベルを示す第２の検出信号を発生して出力する電力検出回路５と、スイッチ３ａをオフしかつ移相器２ａに印加する制御信号をオフして、第１の検出信号に基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、受信信号が到来したと判断したとき、スイッチ３ａをオンしかつ移相器２ａに制御信号を出力し、アレーアンテナの無線信号に基づいてアレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように移相器２ａを制御するコントローラ７とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
図１において、アンテナ素子１ａ及び１ｂはそれぞれ同一の指向特性を有するパッチアンテナであり、図１のアレーアンテナ装置で受信される無線信号の半波長の間隔で並置される。また、移相器２ａは直流電圧制御型の移相器であり、コントローラ７から制御信号である制御電圧Ｖを印加されることにより、アンテナ素子１ｂで受信された無線信号を所定の移相量δだけ移相させて出力する。加算器である合成器８１は、アンテナ素子１ａで受信された無線信号と移相器２ａからスイッチ３ａを介して入力される無線信号とを合成して方向性結合器４を介して電力検出回路５及び無線受信回路６に出力する。電力検出回路５は、入力される無線信号の受信電力レベルを検出し、検出した受信電力レベルを示す検出信号をコントローラ７に出力する。また、無線受信回路６は、周波数を分離する高周波フィルタ、無線信号を増幅するための高周波増幅器及び無線信号を所定の中間周波数の中間周波信号に低域周波数変換するための混合器等の高周波回路、中間周波フィルタ等の中間周波数回路、中間周波信号をベースバンド信号に復調する復調回路及びベースバンド信号からデータを取り出す信号処理回路等を含む。無線受信回路６は、コントローラ７からのデータ受信開始信号に応答して、入力される無線信号に対して所定の高周波フィルタ処理及び高周波増幅処理を行い、処理後の無線信号を所定の中間周波数の中間周波信号に低域周波数変換後、中間周波信号に対して中間周波フィルタ処理を行い、中間周波信号をベースバンド信号に復調し、ベースバンド信号からデータを取り出して出力端子８に出力する。さらに、無線受信回路６は、データ受信を終了すると、データ受信終了信号を発生してコントローラ７に出力する。
【００１８】
図２の無線信号受信処理において、まずステップＳ１においてスイッチ３ａをオフしかつ移相器２ａへの制御電圧Ｖの印加をオフする。次に、ステップＳ２において、電力検出回路５からの検出信号に基づいて、アンテナ素子１ａで受信された無線信号の受信電力Ｐが所定のしきい値以上であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３に進む一方、ＮＯのときはステップＳ２の処理を繰り返す。ここで、所定のしきい値は、受信信号が到来していないとき（以下、受信信号の未到来時という。）にアンテナ素子１ａで受信される無線信号の受信電力レベルであるノイズレベルに比較して大きい値であり、好ましくは、当該ノイズレベルの２倍の値である。
【００１９】
ステップＳ３において、スイッチ３ａをオンしかつ移相器２ａに制御電圧Ｖを印加して、アレー素子１ａ及び１ｂによって２素子リニアアレーアンテナを構成する。さらに、ステップＳ４において、制御電圧Ｖを時間に対して例えば離散的に線形に増大させ、各制御電圧Ｖに対する各受信電力Ｐのデータを受信電力メモリ７ｍに記憶する。ここで、制御電圧Ｖを時間に対して線形に増大させることにより、移相器２ａの移相量δは−９０度乃至９０度の間で線形に増大し、２素子リニアアレーアンテナの主ビームの方位角は−９０度乃至９０度の間で線形に変化する。従って、ステップＳ４において受信電力メモリ７ｍに記憶されるデータは、２素子リニアアレーアンテナの主ビームの各方位角に対応する各制御電圧Ｖと各受信電力Ｐとの関係を示すデータである。なお、本明細書において、方位角は、リニアアレーアンテナを構成するパッチアンテナ素子などの平面アンテナ素子が形成される平面上において、リニアアレーアンテナの長手方向に対して直交する方向から時計回りに測った角度である。
【００２０】
次に、ステップＳ５において、ステップＳ４において記憶された受信電力Ｐのデータに基づいて、受信電力が実質的に最大値になるときの制御電圧Ｖｍａｘを算出し、ステップＳ６において、移相器２ａに制御電圧Ｖｍａｘを印加することにより、２素子リニアアレーアンテナの主ビームを、受信電力が実質的に最大値になる方位角である、到来する受信信号の方向に向ける。さらに、ステップＳ７において、データ受信開始信号を発生して無線受信回路６に送信する。ステップＳ８において、無線受信回路６からデータ受信終了信号を受信したか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ１に戻る一方、ＮＯのときはステップＳ８の処理を繰り返す。
【００２１】
図１のアレーアンテナ装置において、アンテナ素子１ａ及び１ｂをそれぞれ、比誘電率が２．２かつ厚さが０．５ｍｍの基板に形成され、パッチが１．２８ｍｍ×１．２８ｍｍである正方形のパッチアンテナとし、無線信号の周波数を６０ＧＨｚとし、アンテナ素子１ａ，１ｂの間隔を当該無線信号の半波長としたときの指向特性をシミュレーションした結果を以下に示す。図４は、図１のアンテナ素子１ａ単体の指向特性図であり、図５は、図１においてスイッチ３ａをオンし、移相器２ａの移相量δを０度としたときの２素子リニアアレーアンテナの指向特性図であり、図６は、図１においてスイッチ３ａをオンし、移相器２ａの移相量δを７５度としたときの２素子リニアアレーアンテナの指向特性図である。図４及び図５から明らかなように、アンテナ素子１ａ単体の主ビームの半値幅は約８０度であるが、２素子リニアアレーアンテナとすることにより主ビームの半値幅は約半分になりかつ相対利得が上がっている。また、図５及び図６から明らかなように、移相器２ａの移相量δを０度から７５度に変化させることにより、主ビームの方位角は約２０度変化している。すなわち、スイッチ３ａをオンすることにより、スイッチ３ａのオフ時に比較して、図１のアレーアンテナ装置の主ビームの幅を狭めかつ利得を上げることができ、移相器２ａの移相量δを変化させることにより図１のアレーアンテナ装置の主ビームの方位角を変化させることができる。
【００２２】
上記のように構成されたアレーアンテナ装置によれば、受信信号の未到来時においてはスイッチ３ａをオフしかつ移相器２ａへの制御電圧Ｖの印加をオフして、アンテナ素子１ａ単体で受信された無線信号の受信電力レベルに基づいて受信信号が到来したか否かを判断するので、従来技術に比較して消費電力が小さい。また、受信信号が到来したと判断したとき（以下、受信信号の到来時という。）、スイッチ３ａをオンしかつ移相器２ａに制御電圧Ｖを印加して、アンテナ素子１ａ及び１ｂから構成されアンテナ素子１ａに比較して高利得の２素子リニアアレーアンテナを用いるので、受信信号の未到来時に比較して受信電力は大きく、通信品位が高い。さらに、受信信号の到来時には、移相器２ａに印加する制御電圧Ｖを時間に対して線形に増大させることにより、２素子リニアアレーアンテナで受信された無線信号に基づいて、移相器２ａの移相量δを線形に変化させ、当該リニアアレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように移相器２ａを制御するので、従来技術に比較して演算量が少ない。
【００２３】
なお、上記の実施形態において、アンテナ素子１ａ及び１ｂをそれぞれパッチアンテナとしたが、本発明はこれに限らず、その他の平面アンテナであってもよい。
【００２４】
第１の実施形態の変形例．
図３は、第１の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図３の第１の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置は、図１のアレーアンテナ装置に比較して、無線受信回路６及びコントローラ７に代えて無線受信回路６Ａ及びコントローラ７Ａを備え、復調後のベースバンド信号の信号品質であるビットエラーレート（Ｂｉｔ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅ；以下、ＢＥＲという。）に基づいて、到来する受信信号の方向を推定したことを特徴とする。以下、第１の実施形態との相違点について詳述する。なお、当該第１の実施形態の変形例の特徴的構成は、他の後述する実施形態にも適用できる。
【００２５】
図３において、無線受信回路６Ａは、図１の無線受信回路６に比較して、信号品質測定器６１を備えたことを特徴とする。信号品質測定器６１は、復調後のベースバンド信号の信号品質であるＢＥＲを測定し、測定したＢＥＲを示す信号をコントローラ７Ａに出力する。ここで、各アンテナ素子１ａ，１ｂにより受信された無線信号には、通常、所望波信号とともに熱雑音成分が受信される。さらに、隣接基地局からの同一周波数の同一チャンネル干渉波や、所望波であるが大きな経路を経由して到来したために時間的な遅れを生じる遅延波も受信される場合がある。遅延波は、テレビジョン放送やラジオ放送等のアナログ無線通信システムにおいて、例えばテレビジョン受像機で表示されるゴーストとして画面表示の品質を劣化させる。一方、ディジタル無線通信システムでは、熱雑音、同一チャンネル干渉波や遅延波は、いずれもビット誤りとして影響を及ぼし、直接的に信号品質を劣化させる。ここで、所望波搬送波電力をＣとし、熱雑音電力をＮとし、同一チャンネル干渉波と遅延波を含む干渉波電力をＩとすると、図３のコントローラ７Ａは、好ましくは、信号品質を改善させるために、搬送波対雑音及び干渉波電力比Ｃ／（Ｎ＋Ｉ）を実質的に最大にするために、ＢＥＲが最小となる方向に２素子アレーアンテナの主ビームを向ける。
【００２６】
以上説明したように、第１の実施形態の変形例によれば、第１の実施形態の作用効果に加えて、搬送波対雑音及び干渉波電力比が実質的に最大となる方向を到来する受信信号の方向とすることにより、干渉波が存在する場合にも第１の実施形態に比較して通信品位が高い。
【００２７】
なお、上記の変形例において、搬送波対雑音及び干渉波電力比Ｃ／（Ｎ＋Ｉ）を実質的に最大にするために、ＢＥＲが最小となる方向を到来する受信信号の方向としたが、本発明はこれに限らず、パケットエラーレート（Ｐａｃｋｅｔ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅ；以下、ＰＥＲという。）が最小となる方向を到来する受信信号の方向としてもよい。
【００２８】
第２の実施形態．
図７は、第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図７の第２の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置は、図１のアレーアンテナ装置に比較して、コントローラ７に代えてコントローラ７Ｂを備え、アンテナ素子１ｂ乃至１ｅと、移相器２ｂ乃至２ｅと、加算器である合成器８２乃至８４をさらに備え、受信信号の到来時において、アレー素子１ａ乃至１ｅを備えて構成される５素子リニアアレーアンテナで受信される無線信号に基づいて、当該５素子リニアアレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように移相器２ａ乃至２ｅを制御したことを特徴とする。以下、第１の実施形態との相違点について詳述する。
【００２９】
図７において、アンテナ素子１ａ乃至１ｅはそれぞれ同一の指向特性を有するパッチアンテナであり、同一直線上に図７のアレーアンテナ装置で受信される無線信号の半波長の間隔で並置される。また、移相器２ａ乃至２ｄはそれぞれ、直流電圧制御型の移相器であり、コントローラ７Ｂから同一の制御電圧Ｖを印加されることにより、入力される信号の位相を所定の同一の移相量δだけ変化させる。アンテナ１ｅで受信された無線信号は、移相器２ｄを介して合成器に出力され、加算器８４は、移相器２ｄからの無線信号とアンテナ１ｄで受信された無線信号とを合成して移相器２ｃを介して合成器８３に出力する。さらに、合成器８３は、移相器２ｃからの無線信号とアンテナ１ｃで受信された無線信号とを合成して移相器２ｂを介して合成器８２に出力する。さらに、合成器８２は、移相器２ｂからの無線信号とアンテナ１ｂで受信された無線信号とを合成して移相器２ａ及びスイッチ３ａを介して合成器８１に出力する。そして、合成器８１は、スイッチ３ａを介して入力される無線信号とアンテナ素子１ａで受信された無線信号とを合成して、方向性結合器４を介して電力検出回路５及び無線受信回路６に出力する。
【００３０】
コントローラ７Ｂは、第１の実施形態と同様に、受信信号の未到来時にはスイッチ３ａをオフしかつ移相器２ａ乃至２ｄへの制御電圧Ｖの印加をオフして、アンテナ素子１ａで受信された無線信号の受信電力レベルに基づいて受信信号が到来したか否かを判断する。一方、受信信号の到来時にはスイッチ３ａをオンしかつ移相器２ａ乃至２ｄに制御電圧Ｖを印加して、アレー素子１ａ乃至１ｅからなる５素子リニアアレーアンテナで受信された無線信号の受信電力レベルに基づいて、第１の実施形態と同様に、当該５素子リニアアレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように移相器２ａ乃至２ｄを制御する。
【００３１】
図７のアレーアンテナ装置において、アンテナ素子１ａ乃至１ｅをそれぞれ、比誘電率が２．２かつ厚さが０．５ｍｍの基板に形成され、パッチが１．２８ｍｍ×１．２８ｍｍである正方形のパッチアンテナとし、無線信号の周波数を６０ＧＨｚとし、アンテナ素子１ａ，１ｂの間隔を当該無線信号の半波長としたときの指向特性をシミュレーションした結果を以下に示す。図８は、図７においてスイッチ３ａをオンし、移相器２ａ乃至２ｄの各移相量δを０度としたときの５素子リニアアレーアンテナの指向特性図であり、図９は、図７においてスイッチ３ａをオンし、移相器２ａ乃至２ｄの各移相量δを４５度としたときの５素子リニアアレーアンテナの指向特性図である。図５及び図８から明らかなように、５素子リニアアレーアンテナの主ビームは、第１の実施形態の２素子リニアアレーアンテナの主ビームに比較して半値幅が狭くなりかつ相対利得が上がっている。また、図８及び図９から明らかなように、移相器２ａ乃至２ｄの各移相量δを０度から４５度に変化させることにより、５素子リニアアレーアンテナの主ビームの半値幅及び相対利得は変化せず、方位角は２５度変化している。すなわち、移相器２ａ乃至２ｅの各移相量δを変化させることにより図７のアレーアンテナ装置の主ビームの方位角を変化させることができる。
【００３２】
以上説明したように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態の作用効果に加えて、受信信号の到来時にアレー素子１ａ乃至１ｅからなる５素子リニアアレーアンテナで受信された無線信号の受信電力レベルに基づいて、第１の実施形態と同様に、５素子リニアアレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように移相器２ａ乃至２ｄを制御するので、第１の実施形態のアレーアンテナ装置に比較して通信品位が高い。また、第１の実施形態に比較して移相器の個数は増えるものの、受信信号の未到来時にはすべの移相器２ａ乃至２ｄへの制御電圧Ｖの印加をオフするので、従来技術に比較して消費電力が小さい。
【００３３】
第３の実施形態．
図１０は、第３の実施形態に係る狭ビーム探知型のアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１０の第３の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置は、図７のアレーアンテナ装置に比較して、コントローラ７Ｂに代えてコントローラ７Ｃを備え、スイッチ３ａに代えてアンテナ素子１ｂと移相器２ｂとの間に挿入されるスイッチ３ｂを備え、受信信号の未到来時において、アンテナ素子１ａ及び１ｂを備えて構成される２素子リニアアレーアンテナを用いて受信信号が到来したか否かを判断したことを特徴とする。以下、第２の実施形態との相違点について詳述する。
【００３４】
コントローラ７Ｃは、受信信号の未到来時にはスイッチ３ｂをオフしかつ移相器２ｂ乃至２ｄへの制御電圧Ｖの印加をオフし、受信信号の到来時には、スイッチ３ｂをオンしかつ、第２の実施形態と同様に移相器２ａ乃至２ｄに制御電圧Ｖを印加する。ここで、受信信号の未到来時において、第１の実施形態における受信信号の到来時と同様に、アレー素子１ａ及び１ｂからなる２素子リニアアレーアンテナで受信された無線信号が、方向性結合器４を介して電力検出回路５及び無線受信回路６に出力される。一方、受信信号の到来時において、第２の実施形態における受信信号の到来時と同様に、アレー素子１ａ乃至１ｅからなる５素子リニアアレーアンテナで受信された無線信号が、方向性結合器４を介して電力検出回路５及び無線受信回路６に出力される。
【００３５】
上記のようにアレーアンテナ装置を構成することにより、受信信号の未到来時において２素子リニアアレーアンテナで受信された無線信号の受信電力レベルに基づいて受信信号が到来したか否かを判断するので、１個のアンテナ素子１ａを使用する第１の実施形態に比較して、受信信号の未到来時において相対利得が高く（図５及び図８参照。）、より遠い送信局からの受信信号を電力検出回路５によって検出できる。図１０のアレーアンテナ装置は、到来する受信信号の方向が所定の範囲内にあり、受信信号の未到来時において主ビームの半値幅が比較的狭くてもよい場合に有用である。
【００３６】
また、受信信号の未到来時において、移相器２ａへの制御電圧Ｖの印加をオフしないため、第２の実施形態に比較して消費電力は大きいが、移相器２ｂ乃至２ｄへの制御電圧Ｖの印加をオフするので、従来技術に比較して消費電力が小さい。
【００３７】
第４の実施形態．
図１１は、第４の実施形態に係るグレーティングローブ探知型のアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１１の第４の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置は、図１０のアレーアンテナ装置に比較して、コントローラ７Ｃに代えてコントローラ７Ｄを備え、スイッチ３ｂに代えて、アンテナ素子１ａとアンテナ素子１ａから一番遠い位置にあるアンテナ素子１ｅとを直接接続するためのスイッチ３ｃと、アンテナ素子１ｅと移相器２ｄとの間に挿入されるスイッチ３ｄとを備え、アンテナ１ａで受信された無線信号とアンテナ１ｅで受信された無線信号とを合成して方向性結合器４に出力する合成器を備え、受信信号の未到来時において、アレー素子１ａ及び１ｅを備えて構成される２素子リニアアレーアンテナを用いて受信信号が到来したか否かを判断したことを特徴とする。以下、第３の実施形態との相違点について詳述する。
【００３８】
コントローラ７Ｄは、受信信号の未到来時にはスイッチ３ａ，３ｄをオフしかつスイッチ３ｃをオンし、移相器２ａ乃至２ｄへの制御電圧Ｖの印加をオフし、受信信号の到来時には、スイッチ３ａ及び３ｄをオンしかつスイッシ３ｃをオフし、第３の実施形態と同様に、移相器２ａ乃至２ｄに制御電圧Ｖを印加する。ここで、受信信号の未到来時において、アレー素子１ａ及び１ｅからなる２素子リニアアレーアンテナで受信された無線信号が、方向性結合器４を介して電力検出回路５及び無線受信回路６に出力される。一方、受信信号の到来時において、第３の実施形態における受信信号の到来時と同様に、アレー素子１ａ乃至１ｅからなる５素子リニアアレーアンテナで受信された無線信号が、方向性結合器４を介して電力検出回路５及び無線受信回路６に出力される。
【００３９】
上記のようにアレーアンテナ装置を構成することにより、第３の実施形態に比較して、受信信号の未到来時において使用する２素子リニアアレーアンテナのアンテナ素子間隔が長いので、狭い帯域特性を有するアレーアンテナ装置となる。また、受信信号の未到来時において、移相器２ａ乃至２ｄへの制御電圧Ｖの印加をオフするので、従来技術に比較して消費電力が小さい。
【００４０】
なお、上記の第２乃至第４の各実施形態において、受信信号の到来時にアンテナ素子１ａ乃至１ｅによって等間隔の５素子リニアアレーを構成したが、本発明はこれに限らず、アンテナ素子１ａ乃至１ｅの間隔は等間隔でなくてもよい。この場合、各移相器２ａ乃至２ｄの各移相量は、アンテナ素子１ａ乃至１ｅの間隔に基づく異なる値である。
【００４１】
第５の実施形態．
図１２は、第５の実施形態に係る２次元アレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１１の第４の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置は、図１のアレーアンテナ装置に比較して、コントローラ７に代えてコントローラ７Ｅを備え、受信信号の到来時において２次元アレーアンテナを使用したことを特徴とする。以下、第１の実施形態との相違点について詳述する。
【００４２】
図１２において、第５の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、２５個のアンテナ素子１１〜１５，２１〜２５，３１〜３５，４１〜４５及び５１〜５５と、２４個の移相器１１ａ〜１４ａ，２１ａ〜２５ａ，３１ａ〜３５ａ，４１ａ〜４５ａ及び５１ａ〜５５ａと、スイッチ７１及び７２と、方向性結合器４と、電力検出回路５と、無線受信回路６と、コントローラ７Ｅと、出力端子８とを備えて構成される。なお、図１２において、各アンテナ素子で受信される無線信号と各移相器からの無線信号とを合成する合成器の寿司を省略する。
【００４３】
図１２において、アンテナ素子１１〜１５，２１〜２５，３１〜３５，４１〜４５及び５１〜５５はそれぞれ同一の指向特性を有し、図１２のアレーアンテナ装置で受信される無線信号の半波長の間隔で互いに直交する２つの軸を有する２次元のマトリックス形状で並置される。また、移相器１１ａ〜１４ａ，２１ａ〜２５ａ，３１ａ〜３５ａ，４１ａ〜４５ａ及び５１ａ〜５５ａは、図１２に示すように、互いに隣接する各アンテナ素子間に直列に接続される。ここで、移相器１１ａ〜１４ａはそれぞれ、直流電圧制御型の移相器であり、コントローラ７から制御電圧Ｖ１を印加されることにより、入力される信号の位相を所定の移相量δ１だけ変化させ、移相器２１ａ〜２５ａ，３１ａ〜３５ａ，４１ａ〜４５ａ及び５１ａ〜５５ａはそれぞれ直流電圧制御型の移相器であり、コントローラ７から制御電圧Ｖ２を印加されることにより、入力される信号の位相を所定の移相量δ２だけ変化させる。さらに、スイッチ７１はアンテナ素子１１とアンテナ素子１２との間に挿入され、スイッチ７２は、アンテナ素子１１とアンテナ素子２１との間に挿入される。ここで、スイッチ７１と７２とは連動する。
【００４４】
図１２において、コントローラ７Ｅは、受信信号の未到来時にはスイッチ７１及び７２をオフしかつ全ての移相器１１ａ〜１４ａ，２１ａ〜２５ａ，３１ａ〜３５ａ，４１ａ〜４５ａ及び５１ａ〜５５ａへの制御電圧Ｖ１又はＶ２の印加をオフし、受信信号の到来時には、スイッチ７１及び７２をオンし移相器１１ａ〜１４ａ，２１ａ〜２５ａ，３１ａ〜３５ａ，４１ａ〜４５ａ及び５１ａ〜５５ａに制御電圧Ｖ１又はＶ２を印加する。ここで、スイッチ７１及び７２がオフの場合、アンテナ素子１１で受信された無線信号が、方向性結合器４を介して電力検出回路５及び無線受信回路６に出力される。一方、スイッチ７１及び７２がオンの場合、アンテナ素子１１〜１５，２１〜２５，３１〜３５，４１〜４５及び５１〜５５を備えた２次元アレーアンテナで受信された無線信号が、方向性結合器４を介して電力検出回路５及び無線受信回路６に出力される。
【００４５】
また、図１２においてコントローラ７Ｅは、受信信号の到来時において、以下の方法で到来する受信信号の方向を３次元で推定する。まず始めに、移相器１１ａ乃至１４ａに印加する制御電圧Ｖ１を時間に対して例えば離散的に線形に増大させ、各制御電圧Ｖ１に対する各受信電力Ｐのデータを受信電力メモリ７ｍに記憶する。次に、記憶された受信電力Ｐのデータに基づいて、受信電力が実質的に最大値になるときの制御電圧Ｖ１ｍａｘを算出し、制御電圧Ｖ１ｍａｘを移相器１１ａ〜１４ａに印加する。さらに、制御電圧Ｖ１ｍａｘを移相器１１ａ乃至１４ａに印加した状態で、移相器２１ａ〜２５ａ，３１ａ〜３５ａ，４１ａ〜４５ａ及び５１ａ〜５５ａに印加する制御電圧Ｖ２を時間に対して線形に増大させ、各制御電圧Ｖ２に対する各受信電力Ｐのデータを受信電力メモリ７ｍに記憶する。そして、記憶された受信電力Ｐのデータに基づいて、受信電力が実質的に最大値になるときの制御電圧Ｖ２ｍａｘを算出し、制御電圧Ｖ２ｍａｘを移相器２１ａ〜２５ａ，３１ａ〜３５ａ，４１ａ〜４５ａ及び５１ａ〜５５ａに印加する。これにより、２次元アレーアンテナの主ビームは到来する受信信号の方向に向く。
【００４６】
以上説明したように、第５の実施形態によれば、第１の実施形態の作用効果に加えて、受信信号の到来時に２次元アレーアンテナを用いて到来する受信信号の方向を３次元で推定することにより、第１の実施形態のアレーアンテナ装置に比較して通信品位が高い。また、第１の実施形態に比較して移相器の個数は増えるものの、受信信号の未到来時にはすべの移相器１１ａ〜１４ａ，２１ａ〜２５ａ，３１ａ〜３５ａ，４１ａ〜４５ａ及び５１ａ〜５５ａへの制御電圧Ｖ１又はＶ２の印加をオフするので、従来技術に比較して消費電力が小さい。
【００４７】
なお、上記の実施形態において、１個又は２個のアンテナ素子で受信された無線信号の電力レベルに基づいて受信信号が到来したか否かを判断したが、本発明はこれに限らず、アレーアンテナ装置全体を構成するアンテナ素子の一部を用いればよく、用いるアンテナ素子の個数は３個以上であってもよい。また、上記の実施形態において、受信信号の到来時に２個、５個又は２５個のアンテナ素子からなるアレーアンテナを用いたが、本発明はこれに限らず、その他の個数のアンテナ素子を用いてアレーアンテナを構成してもよい。さらに、上記の実施形態においてアレーアンテナ装置を構成するアンテナ素子は、線状又は２次元のマトリックス形状で並置されたが、本発明はこれに限らず、円周状、３角形状、円筒状等の他の形状で並置されもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上詳述したように、本発明に係るアレーアンテナ装置によれば、少なくとも１つの第１のアンテナ素子と少なくとも１つのアンテナ素子とを所定の配置形状で並置してなるアレーアンテナ装置において、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との間に接続される少なくとも１つのスイッチ手段と、印加される制御信号に基づいて、第２のアンテナ素子で受信された無線信号を所定の移相量だけ移相させる移相器と、検出手段と、制御手段とを備え、検出手段はスイッチ手段のオンのとき、第１のアンテナ素子で受信された無線信号の第１の受信電力レベルを検出して当該第１の受信電力レベルを示す第１の検出信号を発生して出力し、スイッチ手段のオフのとき、第１のアンテナ素子により受信される無線信号と、移相器から出力される無線信号とを合成し、合成されたアレーアンテナの無線信号の第２の受信電力レベルを検出して当該第２の受信電力レベルを示す第２の検出信号を発生して出力し、制御手段は、スイッチ手段をオフしかつ移相器に印加する制御信号をオフして、第１の検出信号に基づいて受信信号が到来したか否かを判断し、受信信号が到来したと判断したとき、スイッチ手段をオンしかつ移相器に制御信号を出力し、アレーアンテナの無線信号に基づいてアレーアンテナの主ビームが到来する受信信号の方向に向くように移相器を制御するので、従来技術に比較して消費電力が小さく、演算量が少ない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のコントローラ７によって実行される無線信号受信処理を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図１のアンテナ素子１ａ単体の指向特性図である。
【図５】図１においてスイッチ３ａをオンし、移相器２ａの移相量δを０度としたときの２素子リニアアレーアンテナの指向特性図である。
【図６】図１においてスイッチ３ａをオンし、移相器２ａの移相量δを７５度としたときの２素子リニアアレーアンテナの指向特性図である。
【図７】第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図８】図７においてスイッチ３ａをオンし、移相器２ａ乃至２ｄの各移相量δを０度としたときの５素子リニアアレーアンテナの指向特性図である。
【図９】図７においてスイッチ３ａをオンし、移相器２ａ乃至２ｄの各移相量δを４５度としたときの５素子リニアアレーアンテナの指向特性図である。
【図１０】第３の実施形態に係る狭ビーム探知型のアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】第４の実施形態に係るグレーティングローブ探知型のアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】第５の実施形態に係る２次元アレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ａ〜１ｅ…アンテナ素子、
２ａ〜２ｄ…移相器、
３ａ〜３ｄ…スイッチ、
４…方向性結合器、
５…電力検出回路、
６，６Ａ…無線受信回路、
７，７Ａ〜７Ｅ…コントローラ、
７ｍ…受信電力メモリ、
８…出力端子、
１１〜１５，２１〜２５，３１〜３５，４１〜４５，５１〜５５…アンテナ素子、
１１ａ〜１４ａ，２１ａ〜２５ａ，３１ａ〜３５ａ，４１ａ〜４５ａ，５１ａ〜５５ａ…移相器、
７１，７２…スイッチ、
８１〜８５…合成器。
【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】
2008048007.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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