(57)【要約】【課題】アンテナ素子間の相互結合による影響をなくして所望のアンテナ指向性合成や到来波分別を行うことができ、さらに小型化を促進すること。【解決手段】異種のアンテナ１，２を電気長に関して近接配置し、各アンテナ１，２によって形成されるアンテナ指向性を能動的に変化させることができるアレイアンテナ装置において、入射角依存性のないパラメータによって表された各アンテナ間の素子間結合を示す行列を格納する行列テーブル１６と、アンテナ１，２のアンテナ指向性合成処理を行う指向性合成部１５ａと、指向性合成部１５ａが出力する指向性合成ベクトルデータに対して行列テーブル１６に格納された行列の逆行列を乗算し、この乗算結果を各アンテナ１，２に対する重み付け係数として出力する相互結合補償部１７と、を備える。【選択図】      図１
2004260319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同種または異種のアンテナ群を電気長に関して近接配置し、各アンテナによって形成されるアンテナ指向性を能動的に変化させることができるアレイアンテナ装置において、
入射角依存性のないパラメータによって表された各アンテナ間の素子間結合を示す行列を格納する行列テーブルと、
前記アンテナ群のアンテナ指向性合成処理を行う指向性合成手段と、
前記指向性合成手段が出力する指向性合成ベクトルデータに対して前記行列テーブルに格納された行列の逆行列を乗算し、この乗算結果を各アンテナに対する重み付け係数として出力する補償手段と、
を備えたことを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項２】
前記アンテナ群が受信した信号をもとに到来波の分別処理を行う到来波分別手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ装置。
【請求項３】
前記補償手段から出力された重み付け係数に対して、各アンテナと該重み付け係数の重み付け位置との間における実装上の振幅差および位相差を補正する調整を行って各アンテナに対する重み付け係数として再出力する調整手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のアレイアンテナ装置。
【請求項４】
前記アンテナ群は、アンテナ間の相互結合が無視できる電気長分、離隔した複数の部分アンテナ群によって構成され、
各部分アンテナ群ごとに前記行列テーブルおよび前記補償手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のアレイアンテナ装置。
【請求項５】
シングルモード動作する１以上のシングルモードアンテナと、
１以上の前記アンテナ群と、
前記シングルモードアンテナと前記アンテナ群とを切替接続する切替手段と、
前記切替手段による切替動作を制御する切替制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のアレイアンテナ装置。
【請求項６】
前記異種のアンテナの組み合わせは、モノポールアンテナまたはダイポールアンテナと、ループアンテナとであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のアレイアンテナ装置。
【請求項７】
前記同種のアンテナは、内蔵されたループアンテナであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のアレイアンテナ装置。
【請求項８】
前記行列テーブルに格納された行列は、アンテナ間の間隔を短縮する素子間隔短縮率を用いて入射角依存性をなくしていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のアレイアンテナ装置。
【請求項９】
前記行列テーブルに格納された行列は、自己結合係数によって正規化されて入射角依存性をなくしていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のアレイアンテナ装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一つに記載のアレイアンテナ装置を備えたことを特徴とする携帯端末。
【請求項１１】
各アンテナ間の素子間結合を示す行列を求め、相互結合が含まれた処理ベクトルに、この行列の逆行列を乗算して相互結合による影響を減少させる相互結合補償方法において、
前記行列のパラメータは、アンテナ素子間の間隔を短縮する素子間隔短縮率を用いて、入射角依存性をなくしたことを特徴とする相互結合補償方法。
【請求項１２】
各アンテナ間の素子間結合を示す行列を求め、相互結合が含まれた処理ベクトルに、この行列の逆行列を乗算して相互結合による影響を減少させる相互結合補償方法において、
前記行列のパラメータは、自己結合係数によって正規化し、入射角依存性をなくしたことを特徴とする相互結合補償方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アレイアンテナ装置、これを用いた携帯端末および相互結合補償方法に関し、とくにアンテナ素子間の相互結合による影響をなくして所望のアンテナ指向性合成や到来波分別を行うことができ、かつ小型化を促進することができるアレイアンテナ装置、これを用いた携帯端末および相互結合補償方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、携帯電話機などの携帯端末では、複数のアンテナを設け、これらを切り替えて受信するダイバーシチ方式などが採用されていた。たとえば、図２１は、従来の携帯端末の概要構成を示す図である。図２１において、この携帯端末１００は、モノポールあるいはダイポールアンテナであるアンテナ１０１とループアンテナであるアンテナ１０２とを有し、切替制御部１１３ａによるスイッチＳＷ１の切り替えによって、受信状態が良好なアンテナ１またはアンテナ２を選択するダイバーシチ受信を行う。この場合、アンテナ１とアンテナ２とはそれぞれ異なるアンテナ指向性あるいは偏波感度を有しているため、それぞれのアンテナ１，２がカバーしきれない領域を補っている。
【０００３】
一方、基地局などのアンテナ装置では、シングルモード動作するアンテナ群をアレイ化してアンテナ指向性合成などを行っていた。さらに、基地局などでは、アンテナ群のアンテナ素子間結合による指向性誤差を補償するアンテナ装置がある（非特許文献１，２参照）。ここで、シングルモード動作するアンテナ群とは、アンテナが電波を受信する場合、アンテナに誘導する電流分布の形状（モード）が入射する電波の方向によらず一定であり、その振幅のみが変化する。このようなアンテナは、受信する電波の波長に対して比較的大きいダイポールアンテナやモノポールアンテナである。
【０００４】
【非特許文献１】
「Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｍｕｔｕａｌ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ａｄａｐｔｉｖｅ  ａｒｒａｙｓ」  ＩＮＤＥＲ  Ｊ．ＧＵＰＴＡら、ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ  ＯＮ  ＡＮＴＥＮＮＡ  ＡＮＤ  ＰＲＯＰＡＧＡＴＩＯＮ，ＶＯＬ．ＡＰ−３１，ＮＯ．５，ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ  １９８３
【非特許文献２】
「アレーアンテナの初期校正に関する検討」  稲葉ら、電子情報通信学会論文誌Ｂ  Ｖｏｌ．Ｊ８５Ｂ  Ｎｏ．１０  ｐｐ１７５７−１７６９  ２００２年１０月
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、携帯端末においても、アンテナの指向性を能動的に変化させながら、高感度・高品質に効率的な無線通信を実現できることが望まれる。しかしながら、携帯端末では、携帯端末自体を小型化することが要望されており、アンテナ群をアレイ化すると、アンテナ素子間隔が電気長に関して極端に短く設置され、アンテナ素子間の相互結合を無視できなくなり、この相互結合の影響によって振幅差や位相差誤差が発生し、大きなアンテナ指向性合成誤差が生ずるという問題点があった。
【０００６】
特に、携帯端末の場合には、アンテナをアレイ化する場合に、そのスペースが限られているため、電気長に関して素子間隔は極端に短く配置できることが要望されている。
【０００７】
さらに、携帯端末において、小型化のためにマルチモード動作するアンテナ群が用いられた場合、簡易な相互結合補償法が要望されており、携帯端末自体にかかる負荷や容量を軽減させる必要がある。ここで、マルチモード動作するアンテナ群とは、アンテナが電波を受信する場合に、アンテナに誘導する電流分布の形状（モード）が入射する電波の方向によって変化する。このようなアンテナは、受信する波長に対して比較的小さいループアンテナや逆Ｆアンテナである。
【０００８】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、アンテナ素子間の相互結合による影響をなくして所望のアンテナ指向性合成や到来波分別を行うことができ、さらに小型化を促進することができるアレイアンテナ装置、これを用いた携帯端末および相互結合補償方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかるアレイアンテナ装置は、同種または異種のアンテナ群を電気長に関して近接配置し、各アンテナによって形成されるアンテナ指向性を能動的に変化させることができるアレイアンテナ装置において、入射角依存性のないパラメータによって表された各アンテナ間の素子間結合を示す行列を格納する行列テーブルと、前記アンテナ群のアンテナ指向性合成処理を行う指向性合成手段と、前記指向性合成手段が出力する指向性合成ベクトルデータに対して前記行列テーブルに格納された行列の逆行列を乗算し、この乗算結果を各アンテナに対する重み付け係数として出力する補償手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この請求項１の発明によれば、予め行列テーブルに、入射角依存性のないパラメータによって表された各アンテナ間の素子間結合を示す行列を格納しておき、補償手段が、アンテナ群のアンテナ指向性合成処理を行う指向性合成手段が出力する指向性合成ベクトルデータに対して前記行列テーブルに格納された行列の逆行列を乗算し、この乗算結果を各アンテナに対する重み付け係数として出力し、これによってアンテナ間の相互結合による信号成分を除去するようにしている。
【００１１】
また、請求項２にかかるアレイアンテナ装置は、上記の発明において、前記アンテナ群が受信した信号をもとに到来波の分別処理を行う到来波分別手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３にかかるアレイアンテナ装置は、上記の発明において、前記補償手段から出力された重み付け係数に対して、各アンテナと該重み付け係数の重み付け位置との間における実装上の振幅差および位相差を補正する調整を行って各アンテナに対する重み付け係数として再出力する調整手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４にかかるアレイアンテナ装置は、上記の発明において、前記アンテナ群は、アンテナ間の相互結合が無視できる電気長分、離隔した複数の部分アンテナ群によって構成され、各部分アンテナ群ごとに前記行列テーブルおよび前記補償手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５にかかるアレイアンテナ装置は、上記の発明において、シングルモード動作する１以上のシングルモードアンテナと、１以上の前記アンテナ群と、前記シングルモードアンテナと前記アンテナ群とを切替接続する切替手段と、前記切替手段による切替動作を制御する切替制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６にかかるアレイアンテナ装置は、上記の発明において、前記異種のアンテナの組み合わせは、モノポールアンテナまたはダイポールアンテナと、ループアンテナとであることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７にかかるアレイアンテナ装置は、上記の発明において、前記同種のアンテナは、内蔵されたループアンテナであることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項８にかかるアレイアンテナ装置は、上記の発明において、前記行列テーブルに格納された行列は、アンテナ間の間隔を短縮する素子間隔短縮率を用いて入射角依存性をなくしていることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項９にかかるアレイアンテナ装置は、上記の発明において、前記行列テーブルに格納された行列は、自己結合係数によって正規化されて入射角依存性をなくしていることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１０にかかる携帯端末は、請求項１〜９のいずれか一つに記載のアレイアンテナ装置を備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１１にかかる相互結合補償方法は、各アンテナ間の素子間結合を示す行列を求め、相互結合が含まれた処理ベクトルに、この行列の逆行列を乗算して相互結合による影響を減少させる相互結合補償方法において、前記行列のパラメータは、アンテナ素子間の間隔を短縮する素子間隔短縮率を用いて、入射角依存性をなくしたことを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１２にかかる相互結合補償方法は、各アンテナ間の素子間結合を示す行列を求め、相互結合が含まれた処理ベクトルに、この行列の逆行列を乗算して相互結合による影響を減少させる相互結合補償方法において、前記行列のパラメータは、自己結合係数によって正規化し、入射角依存性をなくしたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるアレイアンテナ装置、これを用いた携帯端末および相互結合補償方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１であるアレイアンテナ装置を有した携帯端末の構成を示すブロック図である。図１において、この携帯端末１０は、モノポールアンテナやダイポールアンテナによって実現されるアンテナ１とループアンテナであるアンテナ２とを有し、これら２つの異なるアンテナはそれぞれシングルモード動作とマルチモード動作とを行う。
【００２４】
アンテナ１とアンテナ２とは複素重み付け合成／分配部１１に接続される。複素重み付け合成／分配部１１は、各アンテナ１，２が受信した信号に、振幅と位相との複素重み付けを行った信号を生成して合成し、また入力された送信信号に、振幅と位相との複素重み付けを行ってそれぞれのアンテナ１，２に送信信号を出力する。
【００２５】
送受信処理部１２は、複素重み付け合成／分配部１１を介して受信した信号を処理するとともに、送信信号を複素重み付け合成／分配部１１を介して送信させる。具体的にはダウンコンバートおよびアップコンバートの処理を行う。制御部１３は、携帯端末１０全体の制御を行う。入出力部１４は、制御部１０に接続され、各種データの入力および出力を行う。
【００２６】
処理部１５は、指向性合成部１５ａと到来波分別部１５ｂとを有する。指向性合成部１５ａは、アンテナ１，２間に相互結合がないものとして、アンテナ１，２の各指向性を合成し、指向性合成ベクトルｖとして相互結合補償部１７に出力する。一方、到来波分別部１５ｂは、送受信処理部１２から出力される受信振幅データおよび制御部１３から出力される周波数データをもとに、到来波の分別、すなわち希望波と干渉波との到来方向を調べる。この到来波の分別結果は、指向性合成部１５ａによる指向性合成得ベクトルｖの生成時に用いられる。指向性合成部１５ａによる指向性合成処理は、所望の方向に希望波があれば、その方向に主ビームを形成し、干渉波があれば、ヌルを形成する。この実施の形態１では、アンテナの本数が２本であるため、１つの主ビームあるいはヌルを形成することができる。なお、線形なシステムにおけるアンテナは、送受信の可逆性が成立するため、送信時と受信時とのアンテナ指向性は同じになる。また、到来波分別部１５ｂは、希望波と干渉波とを分別する際、受信復調信号内において予め設定された固定コード部分の信号のＳ／Ｎを指標として分別することができる。さらに、到来波分別部１５ｂは、複数同時到来波の効率的な分別方法としてＭＵＳＩＣアルゴリズムや、ＥＳＰＲＩＴアルゴリズムを用いることができる。
【００２７】
行列テーブル１６は、アンテナ１，２間の相互結合の補償に用いられるアドミッタンス行列である相互結合補償行列Ｙを格納している。この相互結合補償行列Ｙの各パラメータは、少なくとも一部の入射角範囲内において入射角依存性がないように設定される。この相互結合補償行列Ｙの求め方については後述する。相互結合補償部１７は、処理部１５から入力された指向性合成ベクトルｖと行列テーブル１６に格納されている相互結合補償行列Ｙとからアンテナ１，２に対して指向性合成部１５ａが求めたアンテナ指向性となる複素重み係数ベクトルＫを算出して複素重み付け合成／分配部１１に出力する。すなわち、相互結合補償部１７は、式（１）に示すように、行列テーブル１６に格納されている相互結合補償行列Ｙの逆行列Ｙ−１を求め、これを指向性合成ベクトルｖに乗算することによって、相互結合のアドミッタンス成分を相殺した複素重み係数ベクトルＫを算出する。なお、行列テーブル１６内に逆行列Ｙ−１を直接格納しておいてもよい。
Ｋ＝Ｙ−１・ｖ                                            ・・・（１）
【００２８】
複素重み付け合成／分配部１１は、入力された複素重み係数ベクトルＫによって各アンテナ１，２に対する複素重み付けを行い、これによってアンテナ１，２間の相互結合を除去する補償が行われる。
【００２９】
ここで、図２を参照して、複素重み付け合成／分配部１１の詳細構成について説明する。複素重み付け合成／分配部１１は、アンテナ１からの受信信号の振幅成分と位相成分とをそれぞれ減衰器２１ａと移相器２１ｂとで変化させる複素係数乗算器２１と、アンテナ２からの受信信号の振幅成分と位相成分とをそれぞれ減衰器２２ａと移相器２２ｂとで変化させる複素係数乗算器２２とを有する。複素係数乗算器２１，２２から出力された信号は、ウィルキンソン電力合成器などによって実現される電力分配／合成器２３に入力された合成され、送受切替／合成器２４の一端から送受信処理部１２に出力される。一方、送信すべき信号は、送受切替／合成器を介して電力分配／合成器２３に入力されて各アンテナ１，２方向に分配される。複素係数乗算器２１，２２は、電力分配／合成器２３から出力された信号のそれぞれに対して重み付けを行い、この重み付けされた信号を各アンテナ１，２方向に出力する。なお、送受切替／合成器２４は、デュプレクサやサーキュレータ、あるいは時分割に機械的に切り替えるスイッチなどによって実現される。
【００３０】
複素重み係数調整部２５は、相互結合補償部１７から出力された複素重み係数ベクトルＫの各要素に対応したアンテナ１，２と複素係数乗算器２１，２２との間の振幅および位相のばらつきを補正するため、複素重み係数ベクトルＫの各要素の値を調整し、調整された値を各複素係数乗算器２１，２２に出力する。
【００３１】
たとえば、複素重み係数ベクトルＫが
Ｋ＝［Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｎ］
で表されるとき、各アンテナ入力端から電力分配／合成器２３までの伝達関数βを
β＝［β１，β２，・・・，βｎ］
とする。この場合、
ｋｍ＝（Ｋｍ／βｍ）／ｍａｘ（｜Ｋｉ／βｉ｜）ｉ＝１〜ｎ
を求め、この値を各複素係数乗算器に設定する複素重み係数とする。これによって、アンテナ１，２間の相互結合による振幅差および位相差の補償のみならず、各アンテナ１，２と電力分配／合成器２３との間を接続するケーブルなどによる実装上の振幅差および位相差を補償することができる。
【００３２】
なお、図２では、ＲＦ帯での複素重み付けを行うようにしているが、これに限らず、各アンテナの受信信号毎に、ダウンコンバートしたＩＦ帯やベースバンド帯において複素重み付けを行い、その後各受信信号を合成した受信信号を得るようにしてもよい。また、アップコンバート時も同様である。
【００３３】
つぎに、上述した相互結合補償行列Ｙの求め方について説明する。図３は、アンテナ１をダイポールアンテナとし、アンテナ２をループアンテナとした場合における各アンテナ１，２の配置関係を示す図である。アンテナ１はｙ軸上に配置され、アンテナ２は、ループの中心をｘ軸が直交し、ループ面がｙ−ｚ面に平行に配置される。間隔Ｌは、アンテナ１，２間の離隔距離である。また、入射角θは、ｚ−ｘ面上におけるｚ軸と波源ＳＧとの角度である。ここで、波源ＳＧは、ダイポールアンテナであり、ｙ軸に平行に配置され、アンテナ１と波源ＳＧとの距離ｒは、１００λ（λは波長）である。
【００３４】
このようなアンテナ１，２の配置関係を持たせた場合、各アンテナ１，２に誘起される電流Ｉ１（θ），Ｉ２（θ）は、次式（２）で表せる。
【数１】
2004260319.tif 000003
ここで、α（θ）＝ｅｘｐ（ｊ２πＬｓｉｎθ／λ）であり、「ａ」は、感度係数であり、電界強度で決定される定数である。Ｙｓ１（θ），Ｙｍ（θ），Ｙｓ２（θ）を有した行列は、アドミッタンス行列であり、上述した相互結合補償行列Ｙである。また、Ｙｓ１（θ）およびＹｓ２（θ）は、それぞれアンテナ１，２の自己アドミッタンスであり、Ｙｍ（θ）は、相互アドミッタンスである。
【００３５】
ここで、Ｙｓ１（θ）は、ダイポールアンテナであるアンテナ１のＨ面指向性をも意味し、値は一定となる。したがって、
ａ・Ｙｍ（θ）＝（Ｉ１（θ）−ａ・Ｙｓ１）／α（θ）                                    ・・・（３）
ａ・Ｙｓ２（θ）＝（Ｉ２（θ）−ａ・Ｙｍ（θ））／α（θ）                                ・・・（４）
として表すことができる。この一定値であるＹｓ１は、図４に示すように、複素受信電流Ｉ１をθ方向に沿ってベクトル軌跡を観測し、その円中心を最小２乗法で推定することによって複素値を求めることができる。なお、図４に示したアンテナ１，２の配置関係は、間隔Ｌ＝λ／４であり、アンテナ１は半波長ダイポール、アンテナ２は、１波長ループのアンテナである。これによって相互結合補償行列Ｙの全てのパラメータを求めることができるが、α（θ）は、±９０度変化するが、複素受信電流Ｉ１の変化量は±９０度未満となっている。したがって、入射角θに依存しないＹｍを定義するために、間隔Ｌを短縮し、見かけ上の間隔Ｌ’を導入することによってこの不整合を解消することができる。これによって、図５に示すように、式（３）のＹｍは、±９０度の範囲内において入射角θに依存しない一定値となる。この結果、このアンテナ１，２の条件に入射角θの範囲の条件を付加することによって、相互結合補償行列Ｙの全てのパラメータを求めることができる。なお、図５に示したアンテナ１，２の間隔Ｌは、０．３λである。
【００３６】
図６は、入射角θの範囲をパラメータとし、波長を単位とした間隔Ｌに対する間隔短縮率を示す図である。また、図７は、図６に示した間隔短縮率に設定した場合に、入射角θの範囲をパラメータとし、波長を単位とした間隔Ｌに対する平均位相差誤差（度）を示す図である。なお、図５および図６において、入射角θの範囲は、−９０〜＋９０度、−４５〜＋４５度、―６０〜０度、０〜＋６０度の４つの範囲について求めている。図６に示すような間隔短縮率に設定することによって、相互結合による平均位相差誤差は、間隔Ｌ＝０．１５λ以上において約６度以下の小さな値に抑えることができる。さらに、間隔Ｌ＝０．２λ近傍を除いて、平均位相差誤差を３度以下に抑えることができ、間隔Ｌ＝０．３以上では、ほぼ２度以下の平均位相差誤差に抑えている。
【００３７】
この実施の形態１では、異なる種類のアンテナを動作させ、この際、アンテナ１，２間の相互結合による影響を除去するようにしているので、アンテナ１，２間の間隔を小さくすることができ、携帯端末などの小型化を一層促進し、携帯端末などに配置されるアレイアンテナ数を多くとることができるため、所望のアンテナ指向性合成を確実に得ることができる。
【００３８】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、異なる種類のアンテナ群を配置して動作を行うものであったが、この実施の形態２では、同じ種類のアンテナ群を配置して動作を行うようにしている。
【００３９】
図８は、この発明の実施の形態２であるアレイアンテナ装置を有した携帯端末の構成を示すブロック図である。図８に示した携帯端末３０では、３つのループアンテナであるアンテナ３１〜３３はマルチモード動作する。このため、行列テーブル６に相当する行列テーブル３６に格納される相互結合補償行列Ｙが異なる。その他の構成は、実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。
【００４０】
ここで、任意同一形状のアンテナ群を配列したときの入射角θ方向に誘起される複素電流Ｉ１（θ），Ｉ２（θ），Ｉ３（θ）は、次式（５）で表すことができる。
【数２】
2004260319.tif 000004
この式（５）に示した相互結合補償行列Ｙには、３つのアドミッタンスのパラメータＹｓ，Ｙ１２，Ｙ１３によって表現することができる。Ｙｓは、各アンテナの自己アドミッタンスである。一方、Ｙ１２，Ｙ１３は、相互アドミッタンスであり、まとめてＹｍとして示す。
【００４１】
式（５）からＹ１３，Ｙ１２，Ｙｓは、次式（６），（７），（８）によって順次決定される。すなわち、
2004260319.tif 000005
である。そして、これらＹｍ（Ｙ１２，Ｙ１３）の入射角θの依存性は、Ｙｓで正規化することによってほぼなくなる。このことについて、２つのループアンテナについて検討する。
【００４２】
図９は、２つのループアンテナの配置関係を示す図である。ループアンテナ３１は、その中心がｘ軸に直交し、ループ面がｙ−ｚ面に平行に配置され、ループアンテナ３２は、その中心がｘ軸に直交し、ループ面がｙ−ｚ面に平行に配置され、ループアンテナ３１，３２間は、平行配置されて間隔Ｌ分、離隔されている。また、入射角θは、ｚ−ｘ面上におけるｚ軸と波源ＳＧとの角度である。ここで、実施の形態１と同様に、波源ＳＧは、ダイポールアンテナであり、ｙ軸に平行に配置され、ループアンテナ３１と波源ＳＧとの距離ｒは、１００λである。
【００４３】
図１０は、このようなループアンテナ３１，３２の各ループ長がλであり、間隔Ｌ＝０．２λ離隔しているときのＹｓおよびＹｍの入射角依存性を示す図である。図１０に示すように、Ｙｓで正規化したＹｍ／Ｙｓの実数成分および虚数成分は、ともにほぼ一定の値を示し、入射角依存性がなくなっている。したがって、ＹｍをＹｓで正規化することによって、入射角依存性のない相互結合補償行列Ｙを生成することが可能になる。
【００４４】
図１１は、この間隔Ｌ＝０．２λ離隔しているループアンテナ３１，３２に対して上述した相互結合補償行列Ｙによって補償した場合と補償しない場合とにおける振幅比の入射角依存性を示す図である。また、図１２は、この間隔Ｌ＝０．２λ離隔しているループアンテナ３１，３２に対して上述した相互結合補償行列Ｙによって補償した場合と補償しない場合とにおける位相差誤差の入射角依存性を示す図である。図１１および図１２に示すように、補償した場合には、振幅比および位相差誤差のいずれも入射角依存性がなくなっている。
【００４５】
さらに、図１３は、この２つのループアンテナ３１，３２の間隔Ｌを、０．１λ，０．２λ，０．３λ，０．５λとしたときの平均位相差誤差のループ長依存性を示す図である。図１３に示すように、いずれの間隔Ｌをもつ場合であっても、ループ長が１．５λ以下の場合に、ほとんど平均位相差誤差がなく、良好な相互結合補償がなされている。
【００４６】
そこで、図８に示した３つのループアンテナであるアンテナ３１〜３３間における振幅比および位相差誤差の入射角依存性について検討する。図１４は、アンテナ３１〜３３の間隔Ｌ＝０．２λと近接配置し、各ループ長＝０．９λとし、相互結合の補償を行う補償平均化範囲を−４５〜＋４５度とした条件下で相互結合補償を行った場合と行わなかった場合の振幅比の入射角依存性を示す図である。また、図１５は、図１４と同様の条件下で相互結合補償を行った場合と行わなかった場合の位相差誤差の入射角依存性を示す図である。図１４および図１５から明らかなように、補償平均化範囲において振幅比および位相差誤差のいずれも相互結合による影響がほぼ解消され、振幅比はほぼ１を維持し、位相差誤差はほぼ０を維持している。さらに、補償平均化範囲外であっても、相互結合補償を行うことによって、相互結合による振幅比および位相差誤差への影響を大幅を改善している。
【００４７】
さらに、図１６は、図１４および図１５の条件化で、間隔Ｌを０．１λ，０．２λ，０．３λ，０．５λとしたときの補償平均化範囲における平均位相差誤差のループ長依存性を示す図である。図１６に示すように、ループ長が１λ未満のときに、平均位相差誤差はほぼ０であり、相互結合補償によって位相差誤差をなくす補償がなされていることがわかる。
【００４８】
この実施の形態２では、任意の同一形状のアンテナ群を近接配置してマルチモード動作させる場合であっても、相互結合補償行列Ｙを用いて相互結合による影響を有効になくすことができるため、アンテナ指向性合成を精度高く行うことができる。
【００４９】
また、上述した実施の形態１，２では、相互結合補償部１７が相互結合補償行列Ｙの逆行列を乗算するという簡易な処理のみによって相互結合補償を行っているので、迅速な相互結合補償を行うことができる。
【００５０】
なお、上述した実施の形態１，２では、いずれもアレイアンテナ数が２または３であったが、形成できる主ビームあるいはヌルの数は、アレイアンテナ数−１の数であり、アレイアンテナ数が多いほど、形成できる主ビームあるいはヌルの数を多くすることができ、所望の電磁波の選択性を一層向上することができる。
【００５１】
図１７は、間隔Ｌをλ／８とした１１アンテナ素子をリニアに配列したときに、ＭＵＳＩＣアルゴリズムを用いてアンテナ指向性合成を行ったアンテナパターンを示している。相互結合の補償を行わない場合、相互結合の影響によって所望の利得を有したヌルを形成することができないが、この発明の実施の形態１，２に示した相互結合補償を行うことによって、ほぼ理想のアンテナ指向性と同じアンテナ指向性を得ることができる。
【００５２】
（実施の形態３）
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。上述した実施の形態１，２ではいずれも、近接配置されたアンテナ１，２あるいはアンテナ３１〜３３が携帯端末１０，３０に一カ所設けられるものであったが、この実施の形態３では、近接配置されたアンテナ群を２以上持たせた構成としている。
【００５３】
図１８は、この発明の実施の形態３であるアレイアンテナ装置を有した携帯端末の構成を示すブロック図である。図１８において、この携帯端末４０のアレイアンテナ装置は、６つのアンテナ１，４１〜４５を動作させている。その他の構成は実施の形態１，２と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。このうち、携帯端末４０の上部に設けられた３つのアンテナ１，４１，４２（アンテナ群Ｇ１）は、電気長に関して近接配置され、携帯端末の下部に設けられた３つのアンテナ４３〜４５（アンテナ群Ｇ２）は、電気長に関して近接配置され、それぞれ相互結合による影響が大きいが、アンテナ群Ｇ１とアンテナ群Ｇ２とは電気長に関して離隔配置されているため、相互結合による影響はほとんど無視できる。なお、アンテナ群Ｇ１は、実施の形態１と同様に、異種のアンテナを配列したものであり、アンテナ群Ｇ２は、実施の形態２と同様に、同種のアンテナを配列したものである。
【００５４】
したがって、６つのアンテナ１，４１〜４５に対しては異なるモードで動作をさせるが、相互結合補償は、各アンテナ群Ｇ１，Ｇ２毎の相互結合補償行列Ｙを用いて補償することができ、この場合、上述した実施の形態１，２にそれぞれ示した相互結合補償行列Ｙを用いることができる。
【００５５】
この実施の形態３では、電気長に関して離隔したアンテナ群毎に、相互結合補償を行うようにしているので、簡易な相互結合補償行列Ｙを用いることができるとともに、迅速な相互結合補償を行うことができる。
【００５６】
（実施の形態４）
つぎに、この発明の実施の形態４について説明する。上述した実施の形態１〜３では、いずれも全てのアンテナを同じ指向性合成させていたが、この実施の形態４では、搭載されるアンテナに対してシングルモード動作アンテナとマルチモード動作アンテナ群とを設け、それぞれの切替動作を可能としている。
【００５７】
図１９は、この発明の実施の形態４であるアレイアンテナ装置を有した携帯端末の構成を示すブロック図である。図１９において、この携帯端末５０は、実施の形態２に示した構成に、シングルモード動作するモノポールあるいはダイポールアンテナであるアンテナ１を設けるとともに、アンテナ５１〜５３（アンテナ群Ｇ３）のマルチモード動作のアンテナ群とアンテナ１によるシングルモード動作のアンテナとを切り替えるスイッチＳＷと、このスイッチＳＷの切替制御を行う切替制御部１３ａとを有する。その他の構成は、実施の形態２と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。なお、アンテナ５１〜５３は、アンテナ３１〜３３と同じ構成である。
【００５８】
このような切替構成をとることによって、マルチモード動作アンテナ群Ｇ３ではカバーすることができない３次元方向への良好な利得を得ることができる。したがって、マルチモード動作のアンテナ群Ｇ３がカバーする３次元方向とシングルモード動作のアンテナ１がカバーする３次元方向とが異なることが望ましい。さらに、マルチモード動作のアンテナ群Ｇ３がほとんどの３次元方向をカバーし、通常は指向性合成動作させ、極端に利得が得られないときに、切替制御部１３ａがスイッチＳＷを切り替えて無指向性動作させることが好ましい。
【００５９】
（実施の形態５）
上述した実施の形態１〜４ではいずれも、アンテナ指向性合成処理を行う携帯端末について説明したが、この実施の形態５では、到来波分別処理が主機能である方向探知装置に上述した相互結合補償を適用している。
【００６０】
図２０は、この発明の実施の形態５であるアレイアンテナ装置を有した方向探知装置の構成を示すブロック図である。図２０において、この方向探知装置６０は、電気長に関して近接配置された複数のアンテナ６１−１〜６１−ｎを有し、それぞれのアンテナ６１−１〜６１−ｎに到来した電磁波は、複数の受信器６２−１〜６２−ｎによって受信される。各受信器６２−１〜６２−ｎから出力された信号（到来波ベクトルａ）は、相互結合補償部６３に入力される。ここで、この方向探知装置６０は、実施の形態１〜４で示した相互結合補償行列Ｙが格納された行列テーブル６４を有し、この相互結合補償行列Ｙの逆行列Ｙ−１は、到来波ベクトルａに乗算される。これによって、到来波ベクトルａに含まれる相互結合による成分が除去され、補償済み到来波ベクトルｅが生成され、この補償済み到来波ベクトルｅは、到来波分別部６５に入力される。到来波分別部６５は、相互結合が補償された補償済み到来波ベクトルｅを用いて到来波の分別を行うので、精度の高い方向探知装置を実現でき、この場合、アンテナ６１−１〜６１−ｎは、電気長に関して近接配置されるので、方向探知装置６０の小型化を一層促進することができる。
【００６１】
なお、上述した実施の形態１〜４では、携帯端末が送信アンテナ群と受信アンテナ群とを一つのアンテナ群で共用するようにしているが、これに限らず、たとえば、送信アンテナ群を有した送信系と受信アンテナ群を有した受信系との構成を各別に設けるようにしてもよい。この場合、相互結合補償は別個に行われる。特に送受信周波数が異なる場合に有用である。
【００６２】
また、上述した実施の形態１〜５では、モノポールあるいはダイポールアンテナ、さらにはループアンテナをアンテナの一例として示したが、これに限らず、各種の形状や偏波特性をもったアンテナを用いることができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、予め行列テーブルに、入射角依存性のないパラメータによって表された各アンテナ間の素子間結合を示す行列を格納しておき、補償手段が、アンテナ群のアンテナ指向性合成処理を行う指向性合成手段が出力する指向性合成ベクトルデータに対して前記行列テーブルに格納された行列の逆行列を乗算し、この乗算結果を各アンテナに対する重み付け係数として出力し、これによってアンテナ間の相互結合による信号成分を除去するようにしているので、アンテナ間の相互結合による影響をなくすことができ、所望のアンテナ指向性合成や到来波分別を簡易かつ精度高く行うことができ、アンテナの近接配置が可能なことから、小型化を促進することができるという効果を奏する。
【００６４】
また、この発明によれば、到来波分別手段が、前記アンテナ群が受信した信号をもとに到来波の分別処理を行うようにしているので、希望波や干渉波の分別が可能になり、この結果を用いてアンテナ指向性合成を行うことができるという効果を奏する。
【００６５】
また、この発明によれば、調整手段が、前記補償手段から出力された重み付け係数に対して、各アンテナと該重み付け係数の重み付け位置との間における実装上の振幅差および位相差を補正する調整を行って各アンテナに対する重み付け係数として再出力するようにしているので、実装上で生じた振幅差や位相差を加味した複素重み付けを行うことができ、一層精度の高いアンテナ指向性合成や到来波分別を行うことができるという効果を奏する。
【００６６】
また、この発明によれば、前記アンテナ群は、アンテナ間の相互結合が無視できる電気長分、離隔した複数の部分アンテナ群によって構成され、各部分アンテナ群ごとに前記行列テーブルおよび前記補償手段を設け、アンテナ指向性合成や到来波分別は、アンテナ群を単位として行い、相互結合補償は、各部分アンテナ群毎に行うようにしているので、演算処理および行列構成が容易になるという効果を奏する。
【００６７】
また、この発明によれば、切替制御手段のもとに、切替手段が、シングルモード動作する１以上のシングルモードアンテナと、１以上の前記アンテナ群とを切替接続するようにしているので、電波の到来方向あるいは輻射方向に対して３次元的にカバーすることが可能になるという効果を奏する。
【００６８】
また、この発明によれば、前記行列テーブルに格納された行列を、アンテナ間の間隔を短縮する素子間隔短縮率を用いて入射角依存性をなくすようにし、または自己結合係数によって正規化されて入射角依存性をなくすようにしているので、相互結合による影響を簡易に除去することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１であるアレイアンテナ装置を有した携帯端末の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した複素重み付け合成／分配部１１の詳細構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示したアンテナ配置関係を示す図である。
【図４】相互結合補償行列のパラメータＹｓ１の求め方を説明する説明図である。
【図５】相互結合補償行列のパラメータＹｓ１，Ｙｍの入射角度依存性を示す図である。
【図６】補償する入射角範囲をパラメータとした場合における間隔短縮率の素子間隔依存性を示す図である。
【図７】補償する入射角範囲をパラメータとした場合における平均位相差誤差の素子間隔依存性を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２であるアレイアンテナ装置を有した携帯端末の構成を示すブロック図である。
【図９】２つのループアンテナの配置関係を示す図である。
【図１０】２つのループアンテナ構成の場合における相互結合補償行列のパラメータＹｓ，Ｙｍの入射角度依存性を示す図である。
【図１１】２つのループアンテナ構成の場合であって相互結合補償を行った場合と行わない場合とにおける振幅比の入射角依存性を示す図である。
【図１２】２つのループアンテナ構成の場合であって相互結合補償を行った場合と行わない場合とにおける位相差誤差の入射角依存性を示す図である。
【図１３】素子間隔をパラメータとした場合における平均位相差誤差のループ長依存性を示す図である。
【図１４】図８に示したアンテナ構成に対し、補償する入射角範囲を−４５〜＋４５度とした場合であって相互結合補償を行った場合と行わない場合とにおける振幅比の入射角依存性を示す図である。
【図１５】図８に示したアンテナ構成に対し、補償する入射角範囲を−４５〜＋４５度とした場合であって相互結合補償を行った場合と行わない場合とにおける位相差誤差の入射角依存性を示す図である。
【図１６】図８に示したアンテナ構成に対し、素子間隔をパラメータとした場合における平均位相差誤差のループ長依存性を示す図である。
【図１７】間隔がλ／８のアンテナ素子数が１１個配列された場合であって、相互結合補償を行った場合と行わない場合とにおける合成アンテナ指向性を示す図である。
【図１８】この発明の実施の形態３であるアレイアンテナ装置を有した携帯端末の構成を示すブロック図である。
【図１９】この発明の実施の形態４であるアレイアンテナ装置を有した携帯端末の構成を示すブロック図である。
【図２０】この発明の実施の形態５であるアレイアンテナ装置を有した到来波分別装置の構成を示すブロック図である。
【図２１】従来のアンテナ装置を有した携帯端末の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，２，３１〜３３，４１〜４５，５１〜５３，６１−１〜６１−ｎ  アンテナ
１０，３０  携帯端末
１１  複素重み付け合成／分配部
１２  送受信処理部
１３  制御部
１３ａ  切替制御部
１４  入出力部
１５  処理部
１５ａ，６５  指向性合成部
１５ｂ  到来波分別部
１６，３６，６４  行列テーブル
１７  相互結合補償部
２１，２２  複素係数乗算器
２１ａ，２２ａ  減衰器
２１ｂ，２２ｂ  移相器
２３  電力分配／合成器
２４  送受切替／合成部
６２−１〜６２−ｎ  受信器
６３  相互結合補償部
Ｇ１〜Ｇ３  アンテナ群
ＳＷ  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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