(57)【要約】【課題】基地局の方向にアンテナの指向性を適応的に形成する移動端末用適応アンテナ装置に関し、移動端末の向きや傾きの動きに応じて、アンテナ指向性を制御し、基地局方向の利得を大きく保ち、かつ、装置の小型・軽量化、低消費電力化を図る。【解決手段】移動端末１００に、複数のアンテナ素子１１　〜１ｎ　と、該アンテナ素子の指向性制御機能を有する送受信部１０と、移動端末の方位又は傾きを検出する方位センサ２０とを備える。送受信部１０は各アンテナ素子１１　〜１ｎ　に対してそれぞれ異なる位相の重み付けを与えて指向性を任意に制御する。方位センサ２０には、ジャイロセンサ、静電容量型加速度センサ、地磁気センサ、全地球測位システム（ＧＰＳ）などの小型のセンサを用い、送受信部１０は方位センサ２０から得られる移動端末の回動、傾き又は所在位置の情報と地図情報を基に、基地局の方向にアンテナの指向性を補正する。【選択図】　　　図１
2004064741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信の移動端末に用いられ、対向して信号送受を行う基地局の方向にアンテナの指向性を適応的に形成する適応アンテナ装置において、該移動端末の回動、傾き又は所在位置の少なくとも一つを検出する方位センサと、指向性を形成する複数のアンテナ素子からの受信信号を基に受信特性が向上する方向にアンテナの指向性を制御する送受信部とを備え、
前記方位センサから得られる移動端末の回動、傾き又は所在位置の情報を基に、前記基地局の方向にアンテナの指向性を補正する手段を備えたことを特徴とする移動端末用適応アンテナ装置。
【請求項２】
前記アンテナの指向性を３次元方向に形成する複数のアンテナ素子の配列と、該複数のアンテナ素子に対して３次元方向にアンテナの指向性を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の移動端末用適応アンテナ装置。
【請求項３】
前記方位センサは、重力方向を検出するセンサを備え、該センサから得られる重力方向を基に、移動端末の回動又は傾きの方向を補正する手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の移動端末用適応アンテナ装置。
【請求項４】
前記方位センサは、全地球測位システム（ＧＰＳ）を内蔵し、該全地球測位システム（ＧＰＳ）から得られる移動端末の所在位置情報と、移動端末に予め貯蔵した地図情報又は基地局から通知される地図情報を基に、最短の基地局の方向を検出する手段を備えたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の移動端末用適応アンテナ装置。
【請求項５】
前記複数のアンテナ素子のうち、一部のアンテナ素子にリアクタンス素子を装荷した無給電アンテナ素子を用い、該リアクタンス素子のリアクタンス成分を変化させてアンテナの指向性を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の移動端末用適応アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対向して信号送受を行う基地局の方向にアンテナの指向性を適応的に制御して形成する移動端末用適応アンテナ装置に関する。近年、移動体通信の急激な普及に伴い、マイクロ波帯の使用、伝送容量の大容量化、干渉波の抑圧等の伝送技術が重要な技術主題となっている。
【０００２】
それらに対処する一つの技術として適応アンテナ技術の有用化が期待されている。本発明は、特に、大容量伝送、高感度信号受信、装置の小型・軽量化、低消費電力化が要求される無線通信用の移動端末に好適に適用される適応アンテナ装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
図１３は従来の指向性を制御する適応アンテナ装置の機能ブロックを示す。同図において、１１　〜１ｎ　はアンテナ素子、２１　〜２ｎ　は各アンテナ素子対応に備えられた可変位相回路、３は可変位相回路２１　〜２ｎ　の位相制御回路、４は合成回路、５は受信回路である。アンテナ素子１１　〜１ｎ　からの受信信号は、可変位相回路２１　〜２ｎ　により位相変化が加えられた後、合成回路４により合成され、受信回路５により復調される。
【０００４】
位相制御回路３は、各アンテナ素子１１　〜１ｎ　対応の可変位相回路２１　〜２ｎ　の出力信号と合成回路４の出力信号とを用いて、信号対干渉及び雑音比（ＳＩＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ−ｐｌｕｓ−Ｎｏｉｓｅ　Ｒａｔｉｏ　）が最大となるように、例えば、最小二乗誤差（ＭＭＳＥ：Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｍｅａｎ　Ｓｑｕａｒｅ　Ｅｒｒｏｒ　）基準のアルゴリズムにより、各可変位相回路２１　〜２ｎ　により与える位相変化量を決定し、各可変位相回路２１　〜２ｎ　の位相変化量を制御して指向性を形成する。
【０００５】
図１４は基地局の適応アンテナ装置により指向性を形成する一例を示す。図１４の（ａ）に示すように、第１の基地局１４−１が第１及び第２の移動端末１４−２，１４−３と信号送受を行っているとき、他の第２及び第３の基地局１４−４，１４−５から送信される信号が、第１の基地局１４−１にとってノイズとなる。
【０００６】
この場合、図１４の（ｂ）に示すように、第１の基地局１４−１の適応アンテナ装置は、第１及び第２の移動端末１４−２，１４−３の方向に対して大きな利得となる指向性を形成し、第２及び第３の基地局１４−４，１４−５等のノイズ源の方向に対しては利得ゼロの指向性を形成する。
【０００７】
図１５に移動端末の適応アンテナ装置により指向性を形成する一例を示す。図１５の（ａ）に示すように、第１の移動端末１５−１が基地局１５−２と信号送受を行っているとき、該基地局１５−２から直接受信される信号以外に、ビル等の建物で反射して入力される干渉波や、遠方の山等で反射して入力されるノイズや、他の第２の移動端末１５−３から送信される信号等が、第１の移動端末１５−１にとってノイズとなる。
【０００８】
この場合、図１５の（ｂ）に示すように、第１の移動端末１５−１の適応アンテナ装置は、信号送受を行っている基地局１５−２の方向に対して大きな利得となる指向性を形成し、干渉波や反射波や他の移動端末１５−３等のノイズ源方向に対しては利得ゼロ又は利得が極めて小さい指向性を形成する。
【０００９】
このように、信号送受方向に対して大きな利得となり、反対に、信号送受方向以外の他のノイズ源となる通信機器の方向に対しては、略利得ゼロとなる指向性を形成することにより、通信に必要な信号のみを大きくし、ノイズや干渉を抑圧することができる。また、必要な方向にのみ信号を送出し、無駄な方向に信号を送出しないため送信電力を低減することができ、消費電力を節減することが可能となる。
【００１０】
アレーアンテナを用いて指向性を持たせた移動端末は、例えば、特開平１１−２８４４２４号公報などに開示されている。この公報に記載のものは、減衰が大きい人体の頭部方向に利得の大きいビームを形成しないように指向性を形成するものである。
【００１１】
移動端末は基地局と情況が異なり、図１５に示すように、通信に必要な信号送受方向は、通信を中継する１つの基地局方向のみであり、他の移動端末や他の基地局からの送信信号、及び山や建物等による反射波等は全てノイズ源となり、抑圧すべき指向性となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
最近の無線通信において半導体技術の進歩により、マイクロ波〜ミリ帯の無線周波数（ＲＦ）を用い、固定通信網並みの高品質伝送、数百ＭＨｚ以上の高速伝送を可能にする無線通信システムの実現化が不可能ではなくなってきている。しかし、セルラー（移動体通信）システムにおいては、周波数が高くなるにつれて、電波伝搬損失が増大し、セル径を大きくできない、或いは建物の影響などによる反射、散乱、回折による遅延広がりの影響などの問題が顕著になる。また、高速伝送が要求され、高速データの各ビット当たりの電力を大きくする必要がるため、送信電力の増大が問題となる。以上をまとめると次のような課題がある。
（１）セル間干渉の低減、
（２）長い遅延時間の遅延波（長遅延波）の抑圧、
（３）所要送信電力の低減。
【００１３】
適応アンテナ技術は、上記課題を解決するための現在最も有望な技術である。つまり、適応アンテナ技術により、
（１）他セルからの干渉波の除去、
（２）長遅延波（干渉波）の抑圧、
（３）アンテナ素子数分のアンテナ利得による送信電力低減、
が可能となる。
【００１４】
特に、下り回線（基地局→移動端末）は上り回線（移動端末→基地局）以上の大容量伝送が要求されるため、基地局だけではなく、移動端末においても適応アンテナ技術を導入することが望まれる。移動端末に適応アンテナを適用する場合、装置の小型・軽量化、低消費電力化、低コスト化の条件が基地局に比べて大変厳しい。また、ユーザーの使用形態に依存してアンテナの向きが変化し、その変化に対応して指向性を変化させなければならない。
【００１５】
本発明は、移動端末の向きや傾きの動きに応じて、移動端末のアンテナ指向性を制御して基地局方向の利得を大きく保ち、かつ、装置の小型・軽量化、低消費電力化を図ることができる移動端末用適応アンテナ装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の移動端末用適応アンテナ装置は、（１）無線通信の移動端末に用いられ、対向して信号送受を行う基地局の方向にアンテナの指向性を適応的に形成する適応アンテナ装置において、該移動端末の回動、傾き又は所在位置の少なくとも一つを検出する方位センサと、指向性を形成する複数のアンテナ素子からの受信信号を基に受信特性が向上する方向にアンテナの指向性を制御する送受信部とを備え、前記方位センサから得られる移動端末の回動、傾き又は所在位置の情報を基に、前記基地局の方向にアンテナの指向性を補正する手段を備えたものである。
【００１７】
また、（２）前記アンテナの指向性を３次元方向に形成する複数のアンテナ素子の配列と、該複数のアンテナ素子に対して３次元方向にアンテナの指向性を制御する手段を備えたものである。
【００１８】
また、（３）前記方位センサは、重力方向を検出するセンサを備え、該センサから得られる重力方向を基に、移動端末の回動又は傾きの方向を補正する手段を備えたものである。
【００１９】
また、（４）前記方位センサは、全地球測位システム（ＧＰＳ）を内蔵し、該全地球測位システム（ＧＰＳ）から得られる移動端末の所在位置情報と、移動端末に予め貯蔵した地図情報又は基地局から通知される地図情報を基に、最短の基地局の方向を検出する手段を備えたものである。
【００２０】
また、（５）前記複数のアンテナ素子のうち、一部のアンテナ素子にリアクタンス素子を装荷した無給電アンテナ素子を用い、該リアクタンス素子のリアクタンス成分を変化させてアンテナの指向性を制御する手段を備えたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の移動端末用適応アンテナ装置の基本構成を示す。同図に示すように、本発明による移動端末用適応アンテナ装置は、移動端末１００に、複数のアンテナ素子１１　〜１ｎ　から成るアレイアンテナと、アレイアンテナの指向性制御機能を有する送受信部１０と、移動端末の方位又は傾きを検出する方位センサ２０とを備える。
【００２２】
アレイアンテナの配列は、図１のようにアンテナ素子１１　〜１ｎ　を同一平面上に直線状に配列した構成、又は図２のようにアンテナ素子１１　〜１ｎ　を円弧状に配列した構成とすることができる。図２のように円弧状に配列した構成の方が、配列平面内にビームを形成し易い。素子数については、図１及び図２の構成例では４個としているが、本発明はこれに限定されず、２以上の適当な素子数とすることができる。
【００２３】
この各アンテナ素子１１　〜１ｎ　に対して、送信時及び受信時にそれぞれ異なる位相の重み付けを与えることにより、アンテナ素子の配列平面内の指向性を任意に制御することが可能となる。指向性制御の一例として、図１において左から第ｋ番目のアンテナ素子（１≦ｋ≦ｎ）に対して、（ｋ−１）ｄ×ｓｉｎθ／ｃの位相遅延を与えて送信又は受信を行うことにより、正面から角度θの方向に最大感度を有する指向性が形成される。ここで、ｄはアンテナ素子間隔、ｃは光速である。
【００２４】
アンテナ素子の配列の間隔ｄとしては、ビーム形成方向の感度向上のためには広くした方がよいが、広過ぎるとグレーティングローブと呼ばれる不要な方向へのビームが形成されてしまい、感度低下を招く。一般的には、グレーティングローブの影響を低減するため、アンテナ素子の間隔ｄは波長λ以下で、実装上可能な範囲でなるべく広くするのが良い。
【００２５】
また、方位センサとしては、ジャイロセンサ、静電容量型加速度センサ、地磁気センサ、全地球測位システム（ＧＰＳ：Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　；衛星を用いた位置同定システム）などの小型のセンサを用い、又はそれらのセンサ類を複数種類用い、複数種類のセンサの出力情報を統合して、より精度の高い方位を検知する。
【００２６】
ジャイロセンサとしては、例えば、振動体のコリオリ効果を圧電素子により検知して回転角速度又は回転角加速度を検出するセンサなどを用いることができる。１つのジャイロセンサは１軸方向の回転を検知するため、３次元方向の回転角速度を検知する場合には３個のジャイロセンサを用いる。
【００２７】
また、ジャイロセンサが検知可能な物理量は、角速度又は角加速度であるので、それらを回転方向角又は方位に変換するために、ジャイロセンサの出力信号を１回又は２回積分処理する。更に、絶対的な方位角や傾き角を得るためには、他のセンサの出力情報と照合して定期的なキャリブレーションを行い、誤差を修正して精度の良い絶対的な方位角又は傾き角情報を得る。
【００２８】
静電容量型加速度センサは、動きに伴う誘電体の静電容量の変化によって該センサに加えられた加速度を検出し、また、恒常的な変位分を検出することができるため、重力方向を検知することができる。したがって、ジャイロセンサのように他のセンサを用いて行うキャリブレーションは不要である。
【００２９】
地磁気センサやＧＰＳは、カーナビゲーション装置でよく用いられ、最近では更に小形化が進み、既に携帯電話端末等にも搭載されている。地磁気センサは地球の地磁気から絶対的な方位を検出する。ＧＰＳは複数の衛星からの信号を受信し、緯度、軽度による絶対的な所在位置を検出する。これらのセンサの出力情報と地図情報とを用い、該地図情報に含まれる基地局の所在位置情報を基に、最短距離の基地局の位置及びその方位を検出する。
【００３０】
図３は３次元方向に指向性を形成する移動端末用適応アンテナ装置の構成例を示す。同図の（ａ）は、ｍ×ｎ個の平面アンテナ素子群１１１，１　〜１１ｍ，ｎ　をマトリックス状に配列した平面アレイアンテナを用いた構成例を示し、同図の（ｂ）は、円筒型可撓性フィルム等に円弧状に配列したダイポール又はユニポール型アンテナ素子１１１，１　〜１１１　，ｎ・・・１１ｍ，１　〜１１ｍ　，ｎを垂直方向に複数段重ねたスタック構造のアレイアンテナを用いた構成を示す。
【００３１】
図４はマトリックス状配列のアレイアンテナの指向性を制御する送受信部の回路構成例を示す。同図において、１１１，１　〜１１ｍ，ｎ　はアンテナ素子（ｍは垂直方向、ｎは水平方向のアンテナ素子を表す。）、１２１，１　〜１２ｍ，１　は垂直方向の各アンテナ素子の内、１１１，１　〜１１ｍ，１　のアンテナ素子に対して備えた可変位相回路を代表的示している。
【００３２】
１３は上記可変位相回路１２１，１　〜１２ｍ，１　に対する位相制御回路である。１４は可変位相回路１２１，１　〜１２ｍ，１　からの出力信号を合成する合成回路である。１５は位相制御回路１３へ移動端末本体の方位角又は傾斜角の情報を出力するＧＰＳ又はジャイロセンサ等を含む方位センサである。
【００３３】
アンテナ素子１１１，１　〜１１ｍ，ｎ　による受信信号は、可変位相回路１２１，１　〜１２ｍ，１　において位相変化が加えられた後、合成回路１４において合成される。可変位相回路１２１，１　〜１２ｍ，１　を制御する位相制御回路１３は、可変位相回路１２１，１　〜１２ｍ，１　の出力信号と合成回路１４の出力信号とを用いて、信号対干渉及び雑音比（ＳＩＮＲ）が最大となるように、例えば最小二乗誤差（ＭＭＳＥ）基準のアルゴリズムにより、各可変位相回路１２１，１　〜１２ｍ，１　の位相変化量を決定する。
【００３４】
垂直方向の指向性制御については、他の垂直方向の各アンテナ素子１１１，２　〜１１ｍ，２，・・・，１１１，ｎ　〜１１ｍ，ｎ　（図示省略）の組に対しても同様に、各可変位相回路１２１，２　〜１２ｍ，２，・・・，１２１，ｎ　〜１２ｍ，ｎ　（図示省略）、位相制御回路（図示省略）及び合成回路　（図示省略）がｎ組み分、水平方向の組みとして備わる。
【００３５】
ｎ組みの垂直方向指向性形成回路の出力信号（各合成回路１４の各出力信号）は、水平方向の指向性を形成するｎ個の可変位相回路１６１　〜１６ｎ　に入力され、該可変位相回路１６１　〜１６ｎ　は水平方向の位相変化を加え、それらの出力信号を合成回路１８で合成する。
【００３６】
可変位相回路１６１　〜１６ｎ　を制御する位相制御回路１７は、可変位相回路１６１　〜１６ｎ　の出力信号と合成回路１８の出力信号とを用いて、信号対干渉及び雑音比（ＳＩＮＲ）が最大となるように、例えば最小二乗誤差（ＭＭＳＥ）基準のアルゴリズムにより、各可変位相回路１６１　〜１６ｎ　の位相変化量を決定する。
【００３７】
方位センサ１５から出力される方位情報は、以下のように利用する。上述の位相制御回路１３，１７において最小二乗誤差（ＭＭＳＥ）基準のアルゴリズムを用いて決定した位相変化量により与える指向性は、初期値の方向次第で収束が大幅に遅れたり、或いは最適値に収束しない可能性がある。
【００３８】
そこで、方位センサ１５内に例えばＧＰＳを備え、該ＧＰＳから得られる現在位置情報と地図情報とから、最も近い基地局の方向に初期値を設定することにより、指向性の方向の収束を速めることができる。なお、地図情報は各移動端末内に予め記憶させてもよいし、基地局との通信により入力するようにしてもよい。
【００３９】
立ち止まって又は歩きながら移動端末を使用する通常の使用状態では、基地局の方向が頻繁に変化することはないので、一度、各可変位相回路の位相量を設定した後は、方位センサ１５により移動端末の方位又は傾きの変化を追跡し、その方位又は傾きの変化に応じて指向性形成方向を補正する。
【００４０】
この場合、方位センサ１５としてジャイロセンサを用い、移動端末の回動角を追跡し、該回動角に応じてアレイアンテナの指向性を制御する。ジャイロセンサは、回動角の変化分を高精度に検出し、動きの早い回動を高精度で検出するため、移動端末の通常の使用状態では、このジャイロセンサの方位検出情報に基づいたアンテナ指向性制御が有効的に機能する。なお、３次元方向の指向性制御を行う場合、水平方向及び垂直方向の回動を検出するジャイロセンサを用いる。
【００４１】
図４の可変位相回路において、位相に変化を与える重み付け回路は一般にベースバンドディジタル信号処理部により実現される。図５にベースバンドディジタル信号処理回路で重み付けを行う回路構成例を示す。図５に示すように、各アンテナ素子対応に、無線周波数信号送受部（ＲＦフロントエンド）５−１１　〜５−１ｎ　と送受信機５−２１　〜５−２ｎ　とを備える。
【００４２】
送受信機５−２１　〜５−２ｎ　内には、アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（送信部においてはディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器）を備え、該送受信機５−２１　〜５−２ｎ　から出力される各アンテナ素子毎のベースバンドディジタル信号に対して、ディジタル信号処理回路５−３において重み付けを行い、合成する。
【００４３】
無線周波数信号送受部（ＲＦフロントエンド）と送受信機の具体的回路構成を図６に示す。無線周波数信号送受部（ＲＦフロントエンド）５−１は、アンテナ共用器（切替えスイッチＳＷ又はデュープレクサＤＵＸ）、バンドパスフィルタＢＰＦ、低雑音増幅器ＬＮＡ、電力増幅器ＰＡを備える。送受信機５−２は、局部発振器ＬＯ１，ＬＯ２，ＬＯ３、ミキサＭＩＸ、バンドパスフィルタＢＰＦ、ローパスフィルタＬＰＦ、アナログディジタル変換器ＡＤＣ、ディジタルアナログ変換器ＤＡＣを備える。
【００４４】
このように、各アンテナ素子対応に、無線周波数信号送受部（ＲＦフロントエンド）と送受信機とを備えるため、アンテナ素子数が増加するにつれて、これらアンテナ素子対応の回路部の回路規模が増大し、装置が大型化するとともに消費電力が増加するという問題を生じる。
【００４５】
そこで、ベースバンドディジタル信号処理部で指向性制御を行うアレイアンテナに代えて、周囲に無負荷給電アンテナ素子を配置し、そのリアクタンス成分を制御して指向性を制御するアンテナを用いることにより、小型化及び低消費電力化を図ることが可能となる。
【００４６】
図７に周囲に無負荷給電アンテナ素子を配置して指向性を制御する適応アンテナ装置の基本構成を示す。図７において、３１〜３５はアンテナ素子、３２’〜３５’は可変リアクタンス素子、４０はリアクタンス適応制御部である。受信又は送信の信号が給電される給電アンテナ素子３１に対して、相互結合が存在する距離（一般的１／４波長）に、リアクタンス素子３２’〜３５’を装荷して終端した無負荷給電アンテナ素子３２〜３５を配置し、リアクタンス適応制御回路４０において、受信信号のＳＩＲ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　Ｒａｔｉｏ：信号対雑音比）が最大になるよう、リアクタンス素子３２’〜３５’のリアクタンス成分を制御する。
【００４７】
周囲に無負荷給電アンテナ素子３２〜３５を配置し、そのリアクタンス成分を制御して指向性を制御するアンテナは、エスパー（ＥＳＰＡＲ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙＳｔｅｅｒａｂｌｅ　Ｐａｓｓｉｖｅ　Ａｒｒａｙ　Ｒａｄｉａｔｏｒ　）アンテナとも呼ばれ、１９８２年に基本技術が以下の文献［１］，［２］等によって提案されている。
［１］Ｒ．Ｊ．Ｄｉｎｇｅｒ　ａｎｄ　Ｗ．Ｄ．Ｍｅｙｅｒｓ，“Ａ　ｃｏｍｐａｃｔ　ＨＦ　ａｎｔｅｎｎａ　ａｒｒａｙ　ｕｓｉｎｇ　ｒｅａｃｔｉｖｅｌｙ−ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ　ｐａｒａｓｔｉｃ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ，　”Ｎａｖａｌ　ＲｅｓｅａｒｃｈＬａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍ　Ｒｅｐｏｒｔ　４７９７，　Ｍａｙ　１９８２．
［２］Ｒ．Ｊ．Ｄｉｎｇｅｒ，　“Ｒｅａｃｔｉｖｅｌｙ　ｓｔｅｅｒｅｄ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ａｒｒａｙ　ｕｓｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　ｐａｔｃｈ　ａｔ　４ＧＨｚ，　”ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ａｎｔｅｎｎａｓ　＆　Ｐｒｏｐａｇ．，　ｖｏｌ．ＡＰ−３２，ｎｏ．８，ｐｐ．８４８−８５６，Ａｕｇ．１９８４．
［３］特開２００２−１６４３２号公報（アレーアンテナの制御装置及び制御方法）
【００４８】
このエスパーアンテナは、１つの給電アンテナ素子３１からの信号に対してだけ、無線周波数信号送受部（ＲＦフロントエンド）と送受信機とを備え、周囲に配置した無負荷給電アンテナ素子３２〜３５のリアクタンスを制御し、無負荷給電アンテナ素子３２〜３５を給電アンテナ素子３１に対して反射器又は導波器として機能させることにより指向性を形成して干渉波を抑圧することができ、装置の小型化・低消費電力化を図ることができるため、携帯電話などの移動端末に好適に適用することができる。
【００４９】
無負荷給電アンテナ素子３２〜３５の各リアクタンス素子３２’〜３５’は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）バリアブルキャパシタを、無線周波数信号（ＲＦ）部に設け、そのキャパシタの制御によって指向性を形成する構成とすることができる。
【００５０】
特に、３次元空間に指向性を形成する場合、図８に示すように水平方向に配列される無負荷給電アンテナ素子３２を、垂直方向に複数段（例えば３段）に配置し、アンテナ素子３２−１，３２−２，３２−３から成るスタック構造とする。又は、垂直方向は給電アンテナを配列し、移相制御することによりフェイズドアレイのようにビーム指向性を制御する構成とすることもできる。他の無負荷給電アンテナ素子３３，３４，３５についても、同様のスタック構造にする。
【００５１】
各無負荷給電各アンテナ素子３２−１，３２−２，３２−３にリアクタンス素子３２−１’，３２−２’，３２−３’をそれぞれ接続し、各リアクタンス素子３２−１’，３２−２’，３２−３’のリアクタンス成分を制御し、他の無負荷給電アンテナ素子３３，３４，３５についても同様にリアクタンス素子をそれぞれ接続し、そのリアクタンス成分を制御することにより、水平方向及び水平から傾いた任意の方向に指向性を形成することができる。
【００５２】
なお、２次元の平面のみに指向性制御を行う図７の構成例と比較して、図８に示す構成例はスタック構造にした分（図示の例では３倍）、無負荷給電のアンテナ素子が増えるものの、給電アンテナ素子３１は１つだけであり、各無負荷給電アンテナ素子に対してリアクタンス制御を行うだけで済むので、図４に示した構成例と比べて回路規模及び消費電力の増大を抑えることが可能となる。
【００５３】
図９は、３次元方向に指向性を形成する適応アンテナ装置の変形例を示す。この構成例は、複数の給電アンテナ素子３１−１，３１−２を備え、給電アンテナ素子３１−１，３１−２と同数の無負荷給電アンテナ素子３２，３３を備える。垂直方向の指向性制御は、図１３に示したように複数の給電アンテナ素子に対する位相制御によって行い、水平方向の指向性制御は、前述のように各無負荷給電アンテナ素子３２，３３のリアクタンス素子３２’，３３’のリアクタンス制御によって行う。また、この逆に水平方向の指向性制御は複数の給電アンテナ素子に対する位相制御によって行い、垂直方向の指向性制御は各無負荷給電アンテナ素子のリアクタンス制御によって行う構成とすることもできる。
【００５４】
図９の構成例では、垂直方向の指向性は水平方向から大きく外す（例えば、鉛直方向に向ける等）ことは困難であるが、水平方向から２０度程度、上下方向に傾いた指向性を形成することができ、立ったまま或いは歩きながら移動端末を通常の状態で保持して通話する場合には、支障なく基地局方向に指向性を形成することができる。
【００５５】
更に、ディジタル携帯電話機（ＰＤＣ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｅｌｌｕｌａｒ　）や簡易型移動電話機（ＰＨＳ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｈａｎｄｙ　ｐｈｏｎｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　）では、送信と受信の周波数が同一であるため、アンテナ素子は送信用と受信用とで共通に使用することができるが、広帯域−符号分割多元接続（Ｗ−ＣＤＭＡ：Ｗｉｄｅ　ｂａｎｄ　−　Ｃｏｄｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ　）システムでは、周波数分割二重通信（ＦＤＤ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｄｕｐｌｅｘ　）方式を採用しているため、送信と受信との周波数が異なり、具体的な数値を挙げて説明すると、中心周波数２ＧＨｚ周辺の帯域で、送信用と受信用とで略２００ＭＨｚ異なる周波数を用いる。
【００５６】
そのため、広帯域−符号分割多元接続（Ｗ−ＣＤＭＡ）システムで使用する適応アンテナ装置としては広帯域に設計するか、又は送信用と受信用とで異なる２組のアンテナ素子を用意する必要がある。特にリアクタンス素子を用いる適応アンテナ装置では、狭帯域になりやすいため、送信用と受信用とで異なる２組のアンテナ素子を用意する。
【００５７】
図１０に３つの角速度検出型ジャイロセンサを用いた方位センサの構成例を示す。Ｘ軸回りの回転を検出する第１のジャイロセンサ１０−１と、Ｙ軸回りの回転を検出する第１のジャイロセンサ１０−２と、Ｚ軸回りの回転を検出する第３のジャイロセンサ１０−３とにより、３次元の回転運動速度を検出し、それらの検出出力を信号処理回路１０−４において積分処理することにより、回動又は傾きの３次元方位を検出することがができる。
【００５８】
更に方位センサとして、重力方向からの移動端末本体の傾きを検出する静電容量型加速度センサ１０−５を備え、重力方向からの傾きを基に、信号処理回路１０−４において、ジャイロセンサによる回動又は傾きの３次元方位に対してキャリブレーションを行い、回動又は傾きの３次元方位の精度を向上させる。
【００５９】
図１１にジャイロセンサ及び静電容量型加速度センサを含む３次元方位を検出する方位センサ１１−２０と、３次元指向性制御部を有する送受信部１１−１０とを組み合わせた移動端末を示す。３次元方位検出センサと３次元指向性制御の組み合わせにより、携帯電話機のように姿勢が３次元方向に変化する移動端末であっても常に基地局方向に指向性感度の最大方向を向ける制御が可能となる。
【００６０】
従来の適応アレイアンテナでは、常に受信感度を監視して最大感度の指向性の方向を探索する処理を行うが、この処理はプロセッサにとって負担が大きく、その処理に費やされる消費電力も大きい。そこで、一度、最大感度の指向性の方向を探索した後は、方位センサによる回動又は傾きの３次元方位情報を利用して、最大感度の方向を修正する。
【００６１】
なお、方位センサによる回動又は傾きの情報を利用して最大感度の方向を修正する手法として、次の２つの何れかを採用することができる。
（１）方位センサにより動きを検出したときに、再度、給電アンテナ素子の位相適応制御又は無負荷給電アンテナ素子のリアクタンス適応制御により、最大の感度が得られる指向性形成の制御を行う。
（２）方位センサにより検出される回動又は傾きの情報に従って、給電アンテナ素子の位相制御又は無負荷給電アンテナ素子のリアクタンス制御により、指向性の方向を修正する。
【００６２】
上記（２）の手法は方位センサにより、例えば、移動端末が水平面内で時計回り方向に１０度回転したと検出した場合に、指向性の形成方向を１０度分だけ反時計回り回転した方向に修正する。こうすることにより、常に最大感度の方向に指向性の方向を維持することが可能となる。
【００６３】
ただし、長い時間が経過すると、移動端末の位置の変化により、最大感度方向が変化し、また、方位センサの累積誤差が増加するため、適応アンテナ装置は定期的に最大の感度が得られる方向を探索し、指向性形成の再設定を行うこととする。
【００６４】
次に位置情報を利用して指向性制御を行う実施形態について図１２を参照して説明する。図１２において、方位センサ１２−２０はＧＰＳ及び地磁気センサを備える。ＧＰＳは衛星を用いて移動端末の位置を計測する。解析部１２−２１はこの位置情報を基に、最寄りの基地局の位置を検出する。
【００６５】
基地局の位置は移動端末内に貯えた地図情報を参照する手法、又は移動端末の現在の位置情報を基地局に送信し、基地局で該移動端末位置に最も近い基地局の位置情報を探索して移動端末に送信し、移動端末で該基地局位置情報を受信する手法の何れかを用いることができる。
【００６６】
移動端末内に地図情報を貯えるには、大容量メモリが必要となるため、通常は後者の手法を用いる。この場合、基地局位置情報は低速ビットで送受信されるので、アレイアンテナによる制御は不要である。解析部１２−２１において得られた移動端末及び基地局の位置情報の両方から、移動端末から見た基地局の方位が認識され、送受信部１２−１０はその方向に指向性を形成するように制御する。
【００６７】
都市部などでは、ビル等の建物による回折や反射の影響があるために、基地局の方向に必ずしも最大の感度が得られるとは限らないため、更に図４又は図８等で説明した手法により、送受信部１２−１０では最大感度が得られる方向に指向性を制御する。ただし、その際に、予め基地局の方向が認識されているので、最適な指向性の方向の予測が可能となり、その予測に基づいて指向性形成を行うことにより、指向性の制御処理を簡略化することができ、消費電力を低減することができる。
【００６８】
（付記１）無線通信の移動端末に用いられ、対向して信号送受を行う基地局の方向にアンテナの指向性を適応的に形成する適応アンテナ装置において、該移動端末の回動、傾き又は所在位置の少なくとも一つを検出する方位センサと、指向性を形成する複数のアンテナ素子からの受信信号を基に受信特性が向上する方向にアンテナの指向性を制御する送受信部とを備え、前記方位センサから得られる移動端末の回動、傾き又は所在位置の情報を基に、前記基地局の方向にアンテナの指向性を補正する手段を備えたことを特徴とする移動端末用適応アンテナ装置。
（付記２）前記アンテナの指向性を３次元方向に形成する複数のアンテナ素子の配列と、該複数のアンテナ素子に対して３次元方向にアンテナの指向性を制御する手段を備えたことを特徴とする付記１に記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記３）前記方位センサは、重力方向を検出するセンサを備え、該センサから得られる重力方向を基に、移動端末の回動又は傾きの方向を補正する手段を備えたことを特徴とする付記１又は２に記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記４）前記方位センサは、全地球測位システム（ＧＰＳ）を内蔵し、該全地球測位システム（ＧＰＳ）から得られる移動端末の所在位置情報と、移動端末に予め貯蔵した地図情報又は基地局から通知される地図情報を基に、最短の基地局の方向を検出する手段を備えたことを特徴とする付記１、２又は３に記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記５）前記複数のアンテナ素子のうち、一部のアンテナ素子にリアクタンス素子を装荷した無給電アンテナ素子を用い、該リアクタンス素子のリアクタンス成分を変化させてアンテナの指向性を制御する手段を備えたことを特徴とする付記１乃至４の何れかに記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記６）前記方位センサから得られる情報を基に指向性を制御する方向と、複数のアンテナ素子からの受信信号を基に受信特性が向上する方向に指向性を制御する方向とで、それぞれ異なる次元の方向としたことを特徴とする付記２記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記７）前記複数のアンテナ素子からの受信信号を基に受信特性が向上する方向に指向性を制御する方向を、各アンテナ素子が配列された平面内の方向とし、前記方位センサから得られる情報を基に指向性を制御する方向を、各アンテナ素子が配列された平面と直交する方向としたことを特徴とする付記６記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記８）無給電アンテナ素子の各リアクタンス素子として、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）バリアブルキャパシタを、無線周波数信号（ＲＦ）部に設けたことを特徴とする付記５に記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記９）異なる指向性を有する複数個の指向性パターンを予め用意し、使用環境における電波伝搬環境に応じて該指向性パターンを切り替える手段を備えたことを特徴とする付記１に記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記１０）待ち受け状態から通信の開始に移るときに、待ち受け状態時の最後に形成されていた指向性を、そのまま通信開始時の初期指向性とすることを特徴とする付記１に記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記１１）前記方位センサから得られる情報を基にした指向性制御と、前記複数のアンテナ素子からの受信信号を基にした指向性制御とを、交互に行うことを特徴とする付記１記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記１２）前記方位センサから得られる情報を基に、指向性の速い変動に対応する制御を行い、前記複数のアンテナ素子からの受信信号から得られる情報を基に、指向性の緩やかな変動に対応する制御を行う手段を備えたことを特徴とする付記１記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記１３）前記複数のアンテナ素子のうち、一部のアンテナ素子にリアクタンス素子を装荷した無給電アンテナ素子を、複数段重ねた構造としたことを特徴とする付記５記載の移動端末用適応アンテナ装置。
（付記１４）前記複数のアンテナ素子の間隔を、１波長以下としたことを特徴とする付記１に記載の移動端末用適応アンテナ装置。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、移動端末の回動、傾き又は所在位置等を方位センサにより検出し、該方位センサの検出情報を基に、基地局方向の指向性を補正することにより、移動端末の向きや傾きの動きに応じたアンテナ指向性制御を行うことができ、基地局方向の利得を大きく保ち、効率良く感度を向上させることができ、低消費電力化を図ることができる。
【００７０】
また、３次元方向に指向性を形成するアンテナ素子の配列及びその制御により、移動端末が傾いた状態でも、或いは、基地局の下方に移動端末が位置する場合でも、移動端末から適正に基地局に向けた指向性を形成することができる。更に、移動端末が机上等に置かれている場合、床の方向から強い電波が到達することは通常ないので、指向性を机上面の上方へ向けることにより、より強く電波が到来する方向へ受信感度を向け、効率良く受信感度を向上させることができる。また、送信の際も指向性を基地局の方向にのみ適正に形成することができるため、効率良く送信信号を低消費電力化で送出することができる。
【００７１】
また、アンテナ素子にリアクタンス素子を装荷した無給電アンテナ素子を用い、該リアクタンス素子のリアクタンス成分を制御してアンテナの指向性を制御する構成としたことにより、適応アンテナ装置を移動端末に収納可能な、小型、省電力型とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の移動端末用適応アンテナ装置の基本構成を示す図である。
【図２】本発明のアンテナ素子を円弧状に配列した構成例を示す図である。
【図３】３次元方向に指向性を形成する移動端末用適応アンテナ装置の構成例を示す図である。
【図４】アレイアンテナの指向性を制御する送受信部の回路構成例を示す図である。
【図５】ベースバンドディジタル信号処理回路で重み付けを行う回路構成例を示す図である。
【図６】無線周波数信号送受部と送受信機の具体的回路構成を示す図である。
【図７】周囲に無負荷給電アンテナ素子を配置して指向性を制御する構成例を示す図である。
【図８】無負荷給電アンテナ素子を垂直方向に重ねてスタック構造とした構成例を示す図である。
【図９】３次元方向に指向性を形成する適応アンテナ装置の変形例を示す図である。
【図１０】３つの角速度検出型ジャイロセンサを用いた方位センサの構成例を示す図である。
【図１１】ジャイロセンサと静電容量型加速度センサの出力を基に制御を行う移動端末の実施形態を示す図である。
【図１２】位置情報を利用して指向性制御を行う移動端末の実施形態を示す図である。
【図１３】従来の指向性を制御する適応アンテナ装置の機能ブロックを示す図である。
【図１４】基地局の適応アンテナ装置により指向性を形成する一例を示す図である。
【図１５】移動端末の適応アンテナ装置により指向性を形成する一例を示す図である。
【符号の説明】
１１　〜１ｎ　　アンテナ素子
１０　送受信部
２０　方位センサ
１００　移動端末
【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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