(57)【要約】【課題】エスパアンテナの複数の可変リアクタンス素子に印加される複数のバイアス電圧値の簡単な計算方法を提供する。【解決手段】ホーンアンテナ装置１１０を用いて所定の方位角の方向から無線信号を送信し、エスパアンテナであるアレーアンテナ装置１００で受信される上記無線信号の電力を測定する。各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を順次所定のシフト量だけ摂動させて、受信される無線信号の電力の、各リアクタンス値に対する勾配ベクトルを計算し、計算された勾配ベクトルに基づいて、当該受信される無線信号の電力が最大となるように、アレーアンテナ装置１００の主ビームを、無線信号が送信される方位角の方向に向けるための各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を計算してリアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶する。【選択図】　図１
2004023239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線信号を受信するための放射素子と、上記放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられた３本以上の複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより上記複数の非励振素子がそれぞれ導波器又は反射器として動作し指向特性が変化するアレーアンテナにおいて、主ビームと所定のビーム幅を有する放射パターンに対して、上記各可変リアクタンス素子に設定されるリアクタンス値を計算するアレーアンテナの制御パラメータの計算方法であって、
上記アレーアンテナと所定の距離だけ離れ、上記アレーアンテナの所定の方位角の方向に位置する場所から、上記アレーアンテナに対して無線信号を送信した状態において、
上記アレーアンテナで受信される無線信号の電力を測定するステップと、
上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を順次所定のシフト量だけ摂動させて、上記受信される無線信号の電力の、各リアクタンス値に対する勾配ベクトルを計算するステップと、
計算された勾配ベクトルに基づいて、当該受信される無線信号の電力が最大となるように、上記アレーアンテナの主ビームを、上記無線信号が送信される方位角の方向に向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算するステップとを含むことを特徴とするアレーアンテナの制御パラメータの計算方法。
【請求項２】
上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算するステップは、上記アレーアンテナと所定の距離だけ離れ、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の所定の方位角の方向に位置する場所から、上記アレーアンテナに対して無線信号を送信した状態において、上記各方位角の方向から送信された各無線信号に対してそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算することを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナの制御パラメータの計算方法。
【請求項３】
無線信号を受信するための放射素子と、上記放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられた３本以上の複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより上記複数の非励振素子がそれぞれ導波器又は反射器として動作し指向特性が変化するアレーアンテナにおいて、無指向性の放射パターンに対して、上記各可変リアクタンス素子に設定されるリアクタンス値を計算するアレーアンテナの制御パラメータの計算方法であって、
上記アレーアンテナと所定の距離だけ離れ、上記アレーアンテナの所定の方位角の方向に位置する場所から、上記アレーアンテナに対して無線信号を送信した状態において、
上記各可変リアクタンス素子に設定する同一のリアクタンス値をそれぞれ変化させる毎に上記アレーアンテナで受信される無線信号の電力を測定し、上記無線信号の電力が最大になるときの同一のリアクタンス値を、無指向性の放射パターンに対するリアクタンス値として選択するステップを含むことを特徴とするアレーアンテナの制御パラメータの計算方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレーアンテナを制御する制御パラメータを計算するための方法に関し、特に、電子制御導波器アレーアンテナ装置（ＥＳＰＡＲ　ａｎｔｅｎｎａ：エスパアンテナ）に装荷されるリアクタンス値を計算するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一時的に特定の地域内に集まった不特定多数の人々の間の通信を無線でサポートする無線アドホックネットワークでは、例えばインターネットのルータ装置のようなインフラストラクチャを用いずに、ネットワーク中のユーザが協調してパケットを中継し、ルーティングを行っている。しかしながら、従来技術の無線アドホックネットワークでは無指向性アンテナを用いているために、同一チャンネル干渉が生じやすく、ビットエラーレート（ＢＥＲ）が大きくなるとともに、パケット送受信時の消費電力が大きくなり、端末装置のバッテリに対する負荷が高くなるという問題点があった。
【０００３】
上記の問題を解決するために、指向特性を変化させることができるアレーアンテナ装置を用いた無線アドホックネットワーク、特に、簡単なハードウェア構成が特徴のエスパアンテナを用いた無線アドホックネットワークを提供することが考えられた。エスパアンテナは、例えば、従来技術文献１「Ｔ．　Ｏｈｉｒａ，　”Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｆｏｒ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ”，　ＩＥＥＥ　Ａｎｔｅｎｎａａｎｄ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｖｏｌ．　２，　ｐｐ．　５８３−５８６，　Ｓａｌｔ　Ｌａｋｅ　Ｃｉｔｙ，　Ｕｔａｈ　Ｊｕｌｙ　１６−２１，　２０００」や特開２００１−０２４４３１号公報において提案されており、無線信号が給電される励振素子と、この励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない複数個の非励振素子と、これらの各非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、所定のバイアス電圧値を設定して上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナの指向特性（又はアンテナパターン）を変化させることができることを特徴とする。エスパアンテナを無線アドホックネットワークにおける送信用アンテナ又は受信用アンテナとして動作させるときには、無指向性のパターン（以下、オムニパターンという。）と、所定のビーム幅を有し、所定の方向に主ビームを向けるためのパターン（以下、セクターパターンという。）と、所望波信号に主ビームを向け、かつ干渉波信号にヌルを向けるための適応制御パターンとからなる３つのモードのうちのいずれかが、エスパアンテナに設定されるアンテナパターンとして選択される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記３つのモードのうち、オムニパターン及びセクターパターンのモードでは、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させるために可変リアクタンス素子に出力して設定されるべきバイアス電圧値は予め計算して決定されている。予めセクターパターンのバイアス電圧値を計算するために、従来は、各バイアス電圧値を許容された範囲内で離散的に変化させ、バイアス電圧値のすべての可能な組み合わせに対して放射パターンをシミュレーションし、そのシミュレーションされた放射パターンに基づいてバイアス電圧値の組み合わせを決定する処理を実行した。さらに、同様の処理を、所望されるすべてのセクターパターンに対して繰り返し、それによってアレーアンテナの主ビームを任意の方向に操向することを可能にした。しかしながら、このような方法では非常に長い計算時間と多大な手間を必要とするので、より簡単なバイアス電圧値の計算方法を開発することが望ましい。
【０００５】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、エスパアンテナのセクターパターンとオムニパターンに対して複数の可変リアクタンス素子に印加される各バイアス電圧値を従来例と比較して簡単に計算できる、アレーアンテナの制御パラメータの計算方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアレーアンテナの制御パラメータの計算方法は、無線信号を受信するための放射素子と、上記放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられた３本以上の複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより上記複数の非励振素子がそれぞれ導波器又は反射器として動作し指向特性が変化するアレーアンテナにおいて、主ビームと所定のビーム幅を有する放射パターンに対して、上記各可変リアクタンス素子に設定されるリアクタンス値を計算するアレーアンテナの制御パラメータを計算するものであって、
上記アレーアンテナと所定の距離だけ離れ、上記アレーアンテナの所定の方位角の方向に位置する場所から、上記アレーアンテナに対して無線信号を送信した状態において、
上記アレーアンテナで受信される無線信号の電力を測定するステップと、
上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を順次所定のシフト量だけ摂動させて、上記受信される無線信号の電力の、各リアクタンス値に対する勾配ベクトルを計算するステップと、
計算された勾配ベクトルに基づいて、当該受信される無線信号の電力が最大となるように、上記アレーアンテナの主ビームを、上記無線信号が送信される方位角の方向に向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算するステップとを含むことを特徴とする。
【０００７】
上記アレーアンテナの制御パラメータの計算方法において、好ましくは、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算するステップは、上記アレーアンテナと所定の距離だけ離れ、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の所定の方位角の方向に位置する場所から、上記アレーアンテナに対して無線信号を送信した状態において、上記各方位角の方向から送信された各無線信号に対してそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るアレーアンテナの制御パラメータの計算方法は、無線信号を受信するための放射素子と、上記放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられた３本以上の複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより上記複数の非励振素子がそれぞれ導波器又は反射器として動作し指向特性が変化するアレーアンテナにおいて、無指向性の放射パターンに対して、上記各可変リアクタンス素子に設定されるリアクタンス値を計算するアレーアンテナの制御パラメータを計算するものであって、
上記アレーアンテナと所定の距離だけ離れ、上記アレーアンテナの所定の方位角の方向に位置する場所から、上記アレーアンテナに対して無線信号を送信した状態において、
上記各可変リアクタンス素子に設定する同一のリアクタンス値をそれぞれ変化させる毎に上記アレーアンテナで受信される無線信号の電力を測定し、上記無線信号の電力が最大になるときの同一のリアクタンス値を、無指向性の放射パターンに対するリアクタンス値として選択するステップを含むことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
本実施形態では、主としてエスパアンテナの２つの動作モード、すなわちオムニパターンを形成するモードとセクターパターンを形成するモードとについて議論する。最初にエスパアンテナを提示し、次いで電波暗室で測定されたその放射パターンを示す。図面を参照して、オムニパターン及びセクターパターンを形成するバイアス電圧ベクトルの値を計算して決定する方法について説明する。エスパアンテナの性能の評価は電波暗室において行われ、ここでは、ただ１つの信号がアンテナに送信され、信号自体が測定されるだけでなく、受信された信号電力も測定される。オムニパターンに関しては、オムニパターンのバイアス電圧ベクトルの各成分が互いに等しいということを仮定して、オムニパターンに対応しかつ受信信号の電力を最大化するバイアス電圧ベクトルの値を発見する。セクターパターンに関しては、「単一ソース電力最大化」技術を提案して、単一の送信される信号ソースに対して、受信信号の電力が可能な限り大きくなるようなバイアス電圧ベクトルを発見する。このバイアス電圧ベクトルは、ソース方向へ向いた主ビームを有するセクターパターンをもたらす。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係るアレーアンテナの制御パラメータ計算装置の構成を示している。このアレーアンテナの制御パラメータ計算装置は、電波暗室１２０内に設けられたホーンアンテナ装置１１０と、同じ電波暗室１２０内に設けられた、１つの励振素子Ａ０と６個の非励振素子Ａ１乃至Ａ６とを備えてなる従来技術のエスパアンテナで構成されたアレーアンテナ装置１００と、ホーンアンテナ装置１１０に送信信号を送り、アレーアンテナ装置１００からの受信信号を測定するＲＦネットワークアナライザ１６０と、アレーアンテナ装置１００及びＲＦネットワークアナライザ１６０を制御し、アレーアンテナの制御パラメータ（バイアス電圧ベクトル）を計算するコンピュータ１５０と、計算されたアレーアンテナの制御パラメータを記憶するリアクタンス値テーブルメモリ２０とを備えたことを特徴とする。ここで、コンピュータ１５０は、図４のセクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理を実行することによって、所定のビーム幅を有しかつ所定の方向に主ビームが向けられるセクターパターンをアレーアンテナ装置１００において形成するためのバイアス電圧ベクトルを計算し、また、図５のオムニパターンのリアクタンス値テーブル生成処理を実行することによって、無指向性のオムニパターンをアレーアンテナ装置１００において形成するためのバイアス電圧ベクトルを計算する。
【００１２】
アレーアンテナ装置１００は、接地導体１１上に設けられたモノポール素子である励振素子Ａ０及び非励振素子Ａ１乃至Ａ６から構成され、励振素子Ａ０は、半径ｒの円周上に設けられた６本の非励振素子Ａ１乃至Ａ６によって囲まれるように配置されている。好ましくは、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６は上記半径ｒの円周上に互いに等間隔を保って設けられる。各励振素子Ａ０及び非励振素子Ａ１乃至Ａ６の長さは、所望の周波数で共振を得るように所望波の波長λの約１／４よりもわずかに短くなるように構成され、例えば、非励振素子Ａ１乃至Ａ６の長さは約０．２４１３λである。中央の励振素子Ａ０の長さ（図２では、０．２３λと示されている。）は、アレーアンテナ装置１００の出力インピーダンスを受信機（図１では、ＲＦネットワークアナライザ１６０）の入力インピーダンスに整合させるようにわずかに調整される必要がある。インピーダンスを整合させることは、セクターパターンに関連付けられたバイアス電圧ベクトルに対して、例えば主ビームの位置する方位角（以下、主ビーム方位角と呼ぶ。）が０°であるセクターパターンに関連付けられたバイアス電圧ベクトルに対して可能な限り低いアンテナの反射係数Ｓ１１を可能にする。また、アレーアンテナ装置１００は、上記半径ｒがλ／４になるように構成される。
【００１３】
接地導体１１は、半径λ／２の円板形状の上面部と、上面部の外周縁端部から下に延在する長さλ／４の円筒形状のスカート部とから構成され、このスカート部を備えた構成により、主ビームの仰角を減少させることができる。励振素子Ａ０の給電点は同軸ケーブル９を介してＲＦネットワークアナライザ１６０に接続され、また、非励振素子Ａ１乃至Ａ６はそれぞれ、例えば可変容量ダイオードにてなる可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に接続され、これら可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値ｘｍ（ｍ＝１，２，…，６）はコンピュータ１５０からのリアクタンス値信号によって設定される。実施形態では、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６として東芝製の１ＳＶ２８７型の可変容量ダイオードを２個並列に接続して用いた。リアクタンス値信号は、−０．５Ｖ乃至２０Ｖで変動しかつ各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に印加される６個のバイアス電圧値を成分とするバイアス電圧ベクトルを含んでいる。
【００１４】
図２は、アレーアンテナ装置１００の縦断面図である。励振素子Ａ０は接地導体１１と電気的に絶縁され、各非励振素子Ａ０乃至Ａ６は、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６を介して、接地導体１１に対して高周波的に接地される。可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６の動作を説明すると、例えば放射素子Ａ０と非励振素子Ａ１乃至Ａ６の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変リアクタンス素子１２−１がインダクタンス性（Ｌ性）を有するときは、可変リアクタンス素子１２−１は延長コイルとなり、非励振素子Ａ１乃至Ａ６の電気長が励振素子Ａ０に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス素子１２−１がキャパシタンス性（Ｃ性）を有するときは、可変リアクタンス素子１２−１は短縮コンデンサとなり、非励振素子Ａ１の電気長が励振素子Ａ０に比較して短くなり、導波器として働く。従って、アレーアンテナ装置１００において、６個のバイアス電圧値Ｖｍ（ｍ＝１，２，…，６）を変化させ、従って各非励振素子Ａ１乃至Ａ６に接続された可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置１００の平面指向性特性を変化させることができる。
【００１５】
再び図１を参照すると、アレーアンテナの制御パラメータ計算装置は、電波暗室１２０の中でアレーアンテナ装置１００の性能を測定し、所望のアンテナパターンを形成するバイアス電圧ベクトルを計算するように構成され、電波暗室１２０内には、回転機構１４０によって励振素子Ａ０を中心に回転される受信用アンテナとしてのアレーアンテナ装置１００と、アレーアンテナ装置１００より約６ｍの距離を有して固定された支持台１１０ａ上に設けられた送信用アンテナとしての標準型のホーンアンテナ装置１１０とが配置されている。ホーンアンテナ装置１１０にはＲＦネットワークアナライザ１６０からＲＦ周波数における持続波（送信信号として図示されている。）が供給されて上記ホーンアンテナ装置１１０は無線信号を放射し、このとき、ＲＦネットワークアナライザ１６０は、アレーアンテナ装置１００によって受信された上記無線信号（受信信号と呼ぶ。）を同軸ケーブル９を介して受信し、上記受信信号の電力を測定する。ＲＦネットワークアナライザ１６０としては、例えば、ヒューレット・パッカード社で製造された型番ＨＰ８７２０ＤのＲＦネットワークアナライザを使用することができる。アレーアンテナ装置１００のテストにおいて、ホーンアンテナ装置１１０から無線信号を送信するために、ただ１つの信号ソースが使用されるということと、アレーアンテナ装置１００によって受信される信号自体のみならず、受信信号の電力が測定されるということとは強調される必要がある。
【００１６】
ＲＦネットワークアナライザ１６０に接続された、パーソナルコンピュータ等のコンピュータ１５０は、制御信号を用いてＲＦネットワークアナライザ１６０の動作（送信信号の出力及び受信信号の電力の測定）を制御して、アレーアンテナ装置１００の受信信号の電力データＰを取得する。ＲＦネットワークアナライザ１６０を制御し、測定される電力データＰの値を取得するために、コンピュータ１５０内のＧＰＩＢボード（図示せず。）が使用される。コンピュータ１５０は、詳細後述するように図４及び図５に示された処理において、電力データＰに基づいて、アレーアンテナ装置１００の各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力して設定するべき６個のバイアス電圧値の組（バイアス電圧ベクトル）を計算し、計算されたバイアス電圧ベクトルをリアクタンス値信号としてアレーアンテナ装置１００に出力する。バイアス電圧ベクトルの各成分として６個のバイアス電圧値を設定するために、コンピュータ１５０内のディジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器（図示せず。）が使用される。
【００１７】
本発明者らが行った実験では、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に印加されるバイアス電圧は、−０．５Ｖから２０Ｖまでの範囲にわたって設定される。コンピュータ１５０内のＤ／Ａ変換器は１２ビットで符号化され、−２０４８から２０４７までのディジタル化された値を許容することができる。前述したように、リアクタンス値ｘｍはバイアス電圧値Ｖｍの関数であることに留意する。本発明者らの実験では、実測したアレーアンテナ装置１００の可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６として、２つの可変容量ダイオードを並列に接続している。使用している可変容量ダイオード（東芝製の１ＳＶ２８７型）のカタログに記載された値により、リアクタンス値ｘｍ（Ω）とディジタル化されたバイアス電圧値Ｖｍには
【数１】
ｘｍ＝−０．０１０８５Ｖｍ−２４．６０５
の関係が成り立つ。従って、バイアス電圧値Ｖｍが−２０４８から２０４７まで変化すると、リアクタンス値ｘｍの範囲は約−２．４Ωから−４６．８Ωまで変化する。
【００１８】
コンピュータ１５０はまた、初期設定として、入力装置１５０ａを用いてユーザにより入力された所定の方位角情報に応答し、アレーアンテナ装置１００に連結されてアレーアンテナ装置１００を励振素子Ａ０を中心として回転し所定の回転位置で停止する回転機構１４０を回転コントローラ１３０を用いて制御し、アレーアンテナ装置１００の所望の方位角の方向がホーンアンテナ装置１１０に向けられるようにアレーアンテナ装置１００を回転させて設定する。コンピュータ１５０は、前述されたように、ＲＦネットワークアナライザ１６０から受信信号の電力データＰを取得して、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に入力されるバイアス電圧ベクトルを計算し、最後に、計算された最終的なバイアス電圧ベクトルを、方向データとともに、リアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶する。方向データは、当該バイアス電圧ベクトルがオムニパターンであるか又はセクターパターンであるか、また、セクターパターンであるときには、所定のセクターパターンに対応するバイアス電圧ベクトルを計算する際にホーンアンテナ装置１１０に対してアレーアンテナ装置１００のどの方位角の方向が向けられていたかを表すデータである。
【００１９】
従って、図１に示された構成を用いると、受信信号の電力が最大であるようなセクターパターン又はオムニパターンに対する、−２０４８乃至２０４７のディジタル値で表されたバイアス電圧ベクトルＶ＝［Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ６］を発見し、上記各バイアス電圧ベクトルを含むリアクタンス値テーブルを生成することができる。
【００２０】
従来技術のフェーズドアレーアンテナは各素子のウエイトベクトル（振幅と位相）を直接的に制御する。これに対して、エスパアンテナであるアレーアンテナ装置１００ではウエイト回路は存在せず、その代わりに非励振素子Ａ１乃至Ａ６に装荷された可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を制御する。従って、従来技術のウエイトベクトルに相当する「等価ウエイトベクトル」の概念を導入し、これとリアクタンス値とを関係づけることとなる。アレーアンテナ装置１００が従来技術のフェーズドアレーアンテナと本質的に異なる点は、
（１）受信信号の出力が１系統であること、
（２）素子間結合を積極的に利用すること、
（３）非励振素子と可変リアクタンス素子とが一体化されていること
の３点である。これらはアレーアンテナ装置１００にとって動作の本質であり、アンテナの設計段階ならびに制御理論の構築段階において考慮されなければならない。
【００２１】
ここで、エスパアンテナで構成されたアレーアンテナ装置１００から出力される受信信号ｙ（ｔ）を、非励振素子Ａ１乃至Ａ６に装荷された各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値（ｘ１，…，ｘ６）の関数として定式化し、定式化の説明においては、時間の変数ｔを用いるが、後述するリアクタンス値テーブル生成処理においては、漸化式を用いたデジタル処理を実行するために時刻に対応する反復回数パラメータｎを用いて説明する。アレーアンテナ装置１００における可変なビーム形成は、各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６上のバイアス電圧値Ｖｍ（ｍ＝１，２，…，６）を制御して、その結果、これらのリアクタンス値が制御されることにより実行される。
【００２２】
非励振素子Ａ１が励振素子Ａ０に対して位置する方向を基準軸（方位角０°）として、信号源であるホーンアンテナ装置１１０が角度φの方向に存在し、角度φの到来角度（ＤＯＡ）を有する信号ｕ（ｔ）を送信していると仮定する。ｓｍ（ｔ）（ｍ＝０，１，…，６）はアンテナのｍ番目の素子Ａｍ（すなわち励振素子又は非励振素子）に入射するＲＦ信号を表すとし、信号ベクトルｓ（ｔ）は第ｍ成分にＲＦ信号ｓｍ（ｔ）を有する列ベクトルであるとする。このとき、信号ベクトルｓ（ｔ）は次式のように表すことができる。
【００２３】
【数２】
ｓ（ｔ）＝ａ（φ）ｕ（ｔ）
【００２４】
ここで、ａ（φ）は、
【数３】
2004023239.tif 000003
で定義されるステアリングベクトルである。ｒはアレーアンテナ装置１００の半径であり、また、φｍは各非励振素子Ａｍが励振素子Ａ０に対して位置する角度を表し、φｍ＝２π（ｍ−１）／６（ｍ＝１，…，６）である。アンテナの単一ポートのＲＦ出力信号である受信信号ｙ（ｔ）は、次式で与えられる。
【００２５】
【数４】
ｙ（ｔ）＝ｉＴｓ（ｔ）＋ｎ（ｔ）
【００２６】
ここで、ｉ＝［ｉ０，ｉ１，ｉ２，…，ｉ６］Ｔは、励振素子Ａ０及び非励振素子Ａ１乃至Ａ６上にそれぞれ現れるＲＦ電流ｉｍ（ｍ＝０，…，６）を成分として有するＲＦ電流ベクトルであり、ｎ（ｔ）はアレーアンテナ装置１００における付加的な白色ガウス雑音を表す。
【００２７】
特願２００２−１１８４１４号公報に開示されたエスパアンテナの解析によれば、ＲＦ電流ベクトルｉは次のように定式化される。
【００２８】
【数５】
ｉ＝ｖｓ（Ｉ＋ＹＸ）−１ｙ０
【００２９】
ここで、Ｉは６＋１次の単位行列であり、ｖｓは一定の利得係数である。また、数５で、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６上のリアクタンス値ｘｍ（ｍ＝１，…，６）を成分中に含む対角行列Ｘ＝ｄｉａｇ［５０，ｊｘ１，ｊｘ２，…，ｊｘ６］は、リアクタンス行列と呼ばれる。リアクタンス値ｘｍは、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６上のバイアス電圧値Ｖｍの関数である。さらに数５において、Ｙ＝［ｙｋｌ］（６＋１）×（６＋１）はアドミタンス行列と呼ばれ、ｙｋｌはアンテナ素子Ａｋとアンテナ素子Ａｌ（０≦ｋ，ｌ≦６）の間の相互アドミタンスを表す。また、ベクトルｙ０はアドミタンス行列Ｙの第１列である。相互アドミタンスｙｋｌの値には、公知の相反定理により、通常型のアレーアンテナ装置と同様にｙｋｌ＝ｙｌｋが成り立つ。相互アドミタンスｙｋｌの値はまた、例えば半径、空間の間隔及び素子の長さといったアンテナの物理的構造に依存して一定であり、さらに、アレーアンテナ装置１００の回転対称性より、次の関係を満たす。
【００３０】
【数６】
ｙ１１＝ｙ２２＝ｙ３３＝ｙ４４＝ｙ５５＝ｙ６６
【数７】
ｙ０１＝ｙ０２＝ｙ０３＝ｙ０４＝ｙ０５＝ｙ０６
【数８】
ｙ１２＝ｙ２３＝ｙ３４＝ｙ４５＝ｙ５６＝ｙ６１
【数９】
ｙ１３＝ｙ２４＝ｙ３５＝ｙ４６＝ｙ５１＝ｙ６２
【数１０】
ｙ１４＝ｙ２５＝ｙ３６
【００３１】
ゆえに、アドミタンス行列Ｙは、相互アドミタンスの６個の成分ｙ００，ｙ１０，ｙ１１，ｙ２１，ｙ３１及びｙ４１のみによって決定され、ベクトルｙ０は、相互アドミタンスの２個の成分ｙ００，ｙ１０のみによって決定されることがわかる。
【００３２】
数４及び数５より、電流ベクトルｉと受信信号ｙ（ｔ）とは、リアクタンス値（ｘ１，…，ｘ６）の関数であり、従って、受信信号ｙ（ｔ）は、各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に印加されるバイアス電圧値の関数であることがわかる。従って、実施形態に係るアレーアンテナの制御方法では、上記各バイアス電圧値を変化させることによって、アレーアンテナ装置１００の指向性パターンを形成する。
【００３３】
以上のような原理に従って、アレーアンテナ装置１００にセクターパターンを形成させるためのバイアス電圧ベクトルを計算して決定する、セクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理と、アレーアンテナ装置１００にオムニパターンを形成させるためのバイアス電圧ベクトルを計算して決定する、オムニパターンのリアクタンス値テーブル生成処理とについて説明する。
【００３４】
最初に、セクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理について説明する。ここでは、セクターパターンに関連付けられたバイアス電圧ベクトルを発見するために、無線信号のソースがただ１つ存在するときにセクターパターンで受信される信号の電力を最大化する技術（単一ソース電力最大化技術と呼ぶ。）について説明する。Ｖ（ｎ）は、時刻（又は処理の反復回数）ｎにおいて可変リアクタンス素子に印加されるバイアス電圧ベクトルを示すものとする。ベクトルＶ（ｎ）はＭ次元ベクトルである（Ｍは非励振素子Ａ１乃至Ａ６の数：例えば、Ｍ＝６）。最急勾配法のアルゴリズムによれば、時刻ｎ＋１におけるバイアス電圧ベクトルの更新値Ｖ（ｎ＋１）は、次の簡単な再帰的関係を用いて計算される。
【００３５】
【数１１】
2004023239.tif 000004
ｎ＝１，２，…，Ｎ
【００３６】
ここで、パラメータμは収束の速度を制御する正の実数の定数であり、∇Ｐ（ｎ）は受信信号の電力Ｐ（ｎ）の勾配ベクトルである。電力Ｐ（ｎ）はバイアス電圧ベクトルの関数であり、次のように表記される。
【００３７】
【数１２】
Ｐ（ｎ）＝Ｐ（Ｖ１（ｎ），Ｖ２（ｎ），…，Ｖ６（ｎ））
【００３８】
数１１では、電力の勾配ベクトル∇Ｐ（ｎ）は電力Ｐ（ｎ）で正規化されており、このことは、電力の絶対値が収束結果に影響を与えることを防止している。
【００３９】
数１１における勾配ベクトル∇Ｐ（ｎ）のすべての成分を正確に測定する場合には、いくぶんか困難な点があると思われる。これは、非励振素子Ａ１乃至Ａ６上の信号が観測され得ないからである。勾配ベクトルの推定値は、次のような微分係数の有限差分近似法を用いることによって導出されることが可能である。数１１の各反復において、バイアス電圧値のうちの１つが少量ΔＶｍだけ増分され、アレーアンテナ装置１００の出力における電力の変化が測定された。この摂動は、すべての終端（すなわち可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６）に対して順次に実行される。個々の電圧について、摂動した結果、アンテナから出力される受信信号の電力が増分されると、次のｎ＋１のステップにおいてバイアス電圧値が変化される。特に、バイアス電圧値Ｖｍ（ｎ）に関する１階の偏微分係数∂Ｐ（ｎ）／∂Ｖｍ（ｎ）は、Ｖｍ（ｎ）をＶｍ（ｎ）＋ΔＶｍまで増分することによる電力の変化に近似される。
【００４０】
【数１３】
2004023239.tif 000005
ｍ＝１，２，…，６
【００４１】
ここで、パラメータΔＶｍ（ｍ＝１，２，…，６）は各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６上のバイアス電圧値の摂動のサイズであり、ΔＶ１＝ΔＶ２＝…＝ΔＶ６＝ΔＶであるものとする。この数１３を成分とする勾配ベクトルの推定値を数１１に代入すると、バイアス電圧ベクトルＶ（ｎ＋１）が計算される。これらのステップをｎ＝１からｎ＝Ｎまで繰り返すと、十分に大きいＮに対し、受信信号の電力が最大化されるという意味において、良いバイアス電圧ベクトルＶ（Ｎ＋１）が取得される。
【００４２】
図４を参照すると、図１のアレーアンテナの制御パラメータ計算装置を用いて実行される、実施形態に係るセクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理のフローチャートが示されている。例えば、０°の主ビーム方位角を有するセクターパターンを形成するためのリアクタンス値テーブルを生成するとき、処理を開始する前に、ユーザは入力装置１５０ａを用いて上記主ビーム方位角の情報をコンピュータ１５０に入力し、これに応答して、コンピュータ１５０は回転コントローラ１３０を用いて回転機構１４０を制御することによって、アレーアンテナ装置１００の方位角０°の方向をホーンアンテナ装置１１０に向けるように設定し、この方位角０°を当該セクターパターンの方向データとして記憶する。ステップＳ１で、コンピュータ１５０は反復回数のパラメータｎを１に初期化し、ステップＳ２で、バイアス電圧ベクトルの初期値Ｖ（１）を可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力して設定する。初期値Ｖ（１）の一実施例が表１（後述）に示されている。これに代わって、ベクトル［０，０，０，０，０，０］を初期値Ｖ（１）として用いてもよい。
【００４３】
次いで、ステップＳ３において、コンピュータ１５０は、フローの内部ループのパラメータｍ（０≦ｍ≦６）を０に設定する。ＲＦネットワークアナライザ１６０は、ホーンアンテナ装置１１０から無線信号を送信し、アレーアンテナ装置１００によって受信された無線信号（受信信号）の電力を測定し、ステップＳ４で、コンピュータ１５０は、測定された受信信号の電力データＰ０（ｎ）をネットワークアナライザ１６０から取得する。次いで、コンピュータ１５０は、ステップＳ５でパラメータｍを１だけインクリメントし、ステップＳ６で、バイアス電圧ベクトルＶ（ｎ）＋ΔＶｍ・ｅｍを可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力して設定する。ここで、記号ｅｍは、ｍ番目の成分のみ１であり他の成分はすべて０である６次元ベクトルを表し、このバイアス電圧ベクトルの摂動ΔＶｍ・ｅｍによって可変リアクタンス素子１２−ｍのリアクタンス値のみが摂動される。ＲＦネットワークアナライザ１６０は、ホーンアンテナ装置１１０から無線信号を送信し、上記バイアス電圧ベクトルＶ（ｎ）＋ΔＶｍ・ｅｍが設定されたアレーアンテナ装置１００によって受信された無線信号（受信信号）の電力を測定し、次いで、ステップＳ７で、コンピュータ１５０は、測定された受信信号の電力データＰｍ（ｎ）をネットワークアナライザ１６０から取得する。次いで、ステップＳ８で、コンピュータ１５０は、数１３を用いて受信信号の電力の勾配∂Ｐ（ｎ）／∂Ｖｍを計算し、ステップＳ９で、各バイアス電圧値Ｖｍに関するすべての勾配∂Ｐ（ｎ）／∂Ｖｍ（１≦ｍ≦６）が計算されたと判断されたときは、ステップＳ１０に進む。そうでないときは、ステップＳ５に戻り、他のバイアス電圧値Ｖｍに関する勾配∂Ｐ（ｎ）／∂Ｖｍを計算する。ステップＳ１０で、コンピュータ１５０は、電力の勾配ベクトル∇Ｐ（ｎ）に基づき、数１１を用いてバイアス電圧ベクトルＶ（ｎ＋１）を計算し、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力して設定する。ステップＳ１１で、反復回数のパラメータｎが所定の数Ｎ以上であると判断されたときは、ステップＳ１３に進み、そうでないときは、ステップＳ３に戻る。ステップＳ１３では、バイアス電圧ベクトルＶ（ｎ＋１）を、当該セクターパターンの方向データとともにリアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶し、処理を終了する。
【００４４】
以上説明したように、セクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理を実行することによって、所定の方位角の方向に主ビームを有するアンテナパターンを形成するためのバイアス電圧ベクトルを生成することができる。アレーアンテナ装置１００の方位角３０°，６０°，…，３３０°の方向をホーンアンテナ装置１１０に向けてそれぞれ上記リアクタンス値テーブル生成処理を繰り返すことによって、方位角について３０°ずつアレーアンテナの主ビームを操向するための複数のバイアス電圧ベクトルの組を計算し、上記バイアス電圧ベクトルの組をリアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶しておくことができる。本実施形態では、互いに３０°ずつ離れた主ビーム方位角を有する１２個のセクターパターンのリアクタンス値テーブルを生成したが、本発明はこれに限らず、３０°とは異なる角度だけ離れた主ビーム方位角を有する異なる個数のセクターパターンのリアクタンス値テーブルを生成してもよい。
【００４５】
次いで、オムニパターンのリアクタンス値テーブル生成処理について説明する。この処理の目的は、アレーアンテナ装置１００がオムニパターンで動作するとともにその利得を可能な限り大きくするような、バイアス電圧ベクトルを発見することにある。
【００４６】
理論上、エスパアンテナは、すべてのバイアス電圧が同じ値（例えば、Ｖｏ）に設定されるとき、その無指向性放射パターンを与える。このことは、オムニパターンを形成するためには、バイアス電圧ベクトルＶｏｍｎｉが［Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ］に設定される必要があることを意味している。単一の信号ソースが与えられていれば、オムニパターンを形成することは、ディジタル化されたバイアス電圧値の区間［−２０４８，２０４７］において、受信される電力が最大であるようなバイアス電圧値Ｖｏを発見することである。Ｐは受信信号の電力を表すものとする。電力Ｐはバイアス電圧ベクトルＶの関数である。このとき、オムニパターンに対するバイアス電圧ベクトルＶｏｍｎｉは次式で与えられる。
【００４７】
【数１４】
2004023239.tif 000006
【００４８】
図５を参照すると、図１のアレーアンテナの制御パラメータ計算装置を用いて実行される、実施形態に係るオムニパターンのリアクタンス値テーブル生成処理のフローチャートが示されている。ステップＳ２１で、初期化ステップとして、ユーザは入力装置１５０ａを用いて、コンピュータ１５０において、バイアス電圧値Ｖｏを最小値−２０４８に設定し、バイアス電圧ベクトルＶｏｍｎｉを［Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ］に設定し、受信信号の電力データの最大値Ｐｏｍｎｉを−１０１０ｄＢ（又は、コンピュータ１５０において設定可能な任意の最小値）に設定する。ステップＳ２２で、コンピュータ１５０は、バイアス電圧ベクトルＶを［Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ，Ｖｏ］に設定し、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力して設定する。ＲＦネットワークアナライザ１６０は、ホーンアンテナ装置１１０から無線信号を送信し、アレーアンテナ装置１００によって受信された無線信号（受信信号）の電力を測定し、ステップＳ２３で、コンピュータ１５０は、ネットワークアナライザ１６０において測定された受信信号の電力データＰを取得する。次いで、ステップＳ２４で、コンピュータ１５０が、測定された電力データＰはこれまでの最大値Ｐｏｍｎｉよりも大きいと判断したときは、ステップＳ２５で、電力データの最大値Ｐｏｍｎｉを電力データＰで更新し、バイアス電圧ベクトルＶｏｍｎｉを、新しい最大値Ｐｏｍｎｉに対応する最適なバイアス電圧ベクトルＶで更新し、ステップＳ２６に進む。ステップＳ２４がＮＯであるときは、そのままステップＳ２６に進む。ステップＳ２６で、コンピュータ１５０は、バイアス電圧値Ｖｏを定数Ｃだけ増大させ、ステップＳ２７で、バイアス電圧値Ｖｏが最大値２０４７よりも大きくなったと判断されたときは、ステップＳ２８に進む。そうでないときはステップＳ２２に戻る。ステップＳ２８で、コンピュータ１５０は、電力データの最大値Ｐｏｍｎｉに対応するバイアス電圧ベクトルＶｏｍｎｉを、オムニパターン用データとしてリアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶し、処理を終了する。
【００４９】
以上説明したオムニパターンのリアクタンス値テーブル生成処理によって、無指向性のアンテナパターンを形成するためのバイアス電圧ベクトルを予め生成し、上記バイアス電圧ベクトルをリアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶しておくことができる。
【００５０】
図３を参照して、図１のアレーアンテナの制御パラメータ計算装置によって計算されたリアクタンス値テーブルメモリ２０を用いてアレーアンテナ装置１００を制御する方法について説明する。図３の実施形態のアレーアンテナの制御装置において、アンテナコントローラ１０は、形成すべきアンテナパターンを指示するユーザの入力又はコンピュータ（図示せず。）からの制御信号に応答して、リアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶されたバイアス電圧ベクトルを可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力して設定する。オムニパターンの形成を指示する制御信号がアンテナコントローラ１０に入力されるとき、アンテナコントローラ１０は、オムニパターンに対応するバイアス電圧ベクトルをリアクタンス値テーブルメモリ２０から読み出して、アレーアンテナ装置１００に対してリアクタンス値信号として出力して設定する。また、あるセクターパターンの形成を指示する制御信号がアンテナコントローラ１０に入力されるとき、アンテナコントローラ１０は、所望のセクターパターンに対応するバイアス電圧ベクトルをリアクタンス値テーブルメモリ２０から読み出して、アレーアンテナ装置１００に対してリアクタンス値信号として出力して設定する。アレーアンテナ装置１００にリアクタンス値信号が設定された後、アレーアンテナ装置１００は無線信号を受信し、上記受信された信号は同軸ケーブル９を介して低雑音増幅器（ＬＮＡ）１に入力されて増幅され、次いで、ダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ）２は増幅された信号を所定の中間周波数の信号（ＩＦ信号）に低域変換する。さらに、Ａ／Ｄ変換器３は低域変換されたアナログの信号をディジタル信号にＡ／Ｄ変換して復調器（図示せず。）に出力する。図３でアレーアンテナ装置１００は受信用アンテナとして示されているが、同一のリアクタンス値テーブルを用いて、送信用アンテナとしても動作可能であることは、明らかであろう。
【００５１】
図３のアレーアンテナの制御装置を使用する例として、無線アドホックネットワークがある。無線アドホックネットワークは、インフラストラクチャーが不要、いつでもどこでも使用可能、自発的にネットワークを形成しかつ解消することといった一般的な特徴を有し、ここで、無線アドホックネットワークの各端末は、ルータ及びマルチホップ通信及び／又は直接通信として機能する。無線アドホックネットワークは、典型的には無指向性アンテナを装備されるものと仮定されている。しかしながら、セクターパターン及び適応制御パターンを形成可能なアンテナを取り付けることにより、無線アドホックネットワークは、高いスケーラビリティーと、高いリソース効率と、ネットワークのためのコミュニティとの自由な接続及び／又は切断といったいくつかの追加の特徴機能を提供することができる。
【００５２】
従来技術文献２「Ｋ．　Ｇｙｏｄａ　ｅｔ　ａｌ．，　”ＷＡＣｎｅｔ：　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ａｄ−ｈｏｃ　Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，”　２０００　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，　ｐｐ．　１１５３−１１５８，　Ｎａｇｏｙａ，　Ｊａｐａｎ，　２０００年１０月２２−２８日」で提案されている２．４ＧＨｚの無線アドホックネットワークでは、ユーザ端末アンテナのために、オムニモード、セクターモード及び適応制御モードが必要とされている。これらは、３つのアンテナ放射パターン、すなわちオムニパターン、セクターパターン及び適応制御パターン（主ビームは所望波信号の方向に向かい、ヌルは干渉波信号の方向を向いている）に対応するものである。従って、図３のようにリアクタンス値テーブルメモリ２０を用いてオムニパターン及びセクターパターンを形成して無線信号を受信することができ、及び同様にオムニパターン及びセクターパターンを形成して無線信号を送信することができるアレーアンテナを使用することによって、無線アドホックネットワークの各端末においてオムニパターン及びセクターパターンを形成するための１つの方法を提供することができる。それによって、無線アドホックネットワークにおいて、同一チャンネル干渉を防止し、また、無指向性アンテナを設けたときに比べて、ビットエラーレートを低下させ、パケット送受信時の消費電力が小さくして端末装置のバッテリに対する負荷を減少させることができる。
【００５３】
本発明の実施形態では、エスパアンテナのオムニモード及びセクターモードに限定して議論した。実施形態のセクターパターン及びオムニパターンのリアクタンス値テーブル生成処理によれば、セクターパターン及びオムニパターンを形成するバイアス電圧値を、従来例に比較して簡単でかつ短時間の処理によって計算することができ、リアクタンス値テーブルメモリ２０に予め記憶しておくことが可能である。
【００５４】
【実施例】
以下の実験結果は、数１１の反復から取得されるバイアス電圧ベクトルが、単一の信号ソースの方向に向かうセクターパターンを形成することと、数１４から取得されるバイアス電圧ベクトルが無指向性のオムニパターンを形成することとを示している。
【００５５】
初めに、提案された単一ソース電力最大化技術に基づく、アレーアンテナ装置１００のセクターパターンのビーム形成に係る実験結果を示す。設計された動作周波数は２．４８４ＧＨｚであり、これは自由空間波長０．１２０７ｍに相当する。アレーアンテナ装置１００の各寸法は、この波長に基づいて決められた。アレーアンテナ装置１００とホーンアンテナ装置１１０との距離は約６ｍとされたが、この距離は、理論的には、ホーンアンテナ装置１１０と、ホーンアンテナ装置１１０に最も近い接地導体１１の外縁端との間において２４．１４ｃｍ以上離れていればよい。従来技術文献３「アンテナ工学ハンドブック（電子情報通信学会編、オーム社、１９８０年）」の４４０乃至４４１ページにより、遠方界特性を測定するには、供試アンテナ（すなわち、アレーアンテナ装置１００）と距離２Ｄ２／λ以上離れた場所に対向アンテナ（すなわち、ホーンアンテナ装置１１０）を設置する必要がある。ここで、Ｄはアンテナ開口面の最大寸法、λは波長である。アレーアンテナ装置１００の場合、Ｄは円形の接地導体１１の直径と考えられ、すなわちＤ＝λである。周波数２．４８４ＧＨｚであるから、λ＝１２．０７ｃｍであり、ゆえに、理論式を計算すると、ホーンアンテナ装置１１０と、アレーアンテナ装置１００の接地導体１１における、ホーンアンテナ装置１１０に最も近い外縁端との距離を２４．１４ｃｍ以上離せばよい。
【００５６】
所望される単一ソースがアレーアンテナ装置１００の０°方向にあるとき（すなわち、ホーンアンテナ装置１１０に対して、アレーアンテナ装置１００の方位角０°の方向が向けられているとき）の、数１１が示すセクターパターンのビーム形成手順を観察する。バイアス電圧ベクトルの初期値Ｖ（１）は、ベクトル［０，０，０，０，０，０］に設定されている。パラメータμ＝６００及びΔＶ＝４０（数１１及び数１３を参照）を用い、無線信号の所定のデータブロックを単位とする反復回数Ｎ＝２００ブロックの反復の後で、バイアス電圧ベクトルの値はＶ（２０１）＝［２０４７，２０４７，−２０４８，−１５０６，−２０４８，２０４７］になる。このバイアス電圧ベクトルが可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に設定されたアレーアンテナ装置１００の指向性パターンを測定するために、回転機構１４０によってアレーアンテナ装置１００を励振素子Ａ０を中心に回転させて所定の離散的な方位角の方向毎に停止させ、アレーアンテナ装置１００の各方位角の方向毎に受信される無線信号の相対利得（ｄＢｉ）を測定する。以上のように測定されたアンテナパターンが図６に示され、このアンテナパターンは主ビーム方位角０°を有するセクターパターンである。主ビームは、所望のソースの方向０°を向いている。相対利得（ｄＢｉ）は、等方性アンテナの出力電力に対するアレーアンテナ装置１００の受信信号電力を表す。本パターンの３ｄＢビーム幅は、約７０°である。バイアス電圧ベクトルの収束値を観察すると興味深い。非励振素子Ａ１，Ａ２及びＡ６に装荷された各可変リアクタンス素子に対するバイアス電圧値はすべて２０４７であって、これはバイアス電圧値の最大値である。非励振素子Ａ３，Ａ４及びＡ５に装荷された各可変リアクタンス素子に対するバイアス電圧値は、−２０４８，−１５０６及び−２０４８であり、バイアス電圧値の最小値に等しいか近似している。このことは、複数の八木−宇田アンテナアレーのように、非励振素子Ａ１，Ａ２及びＡ６が導波器の役割を果たし、非励振素子Ａ３，Ａ４及びＡ５が反射器の役割を果たすことを含意している。
【００５７】
図７は、セクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理を実行して、セクターパターンのビームを形成する間のアンテナの利得の変動を示す。図６の実験と同一の初期条件で開始し、利得の曲線は５０ブロックの反復の後に収束している。図８は、同じ処理の実行中に、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に印加されるバイアス電圧値Ｖ１乃至Ｖ６の漸進的な変動をプロットしたものである。
【００５８】
次に、数１１及び数１３におけるパラメータΔＶ及びμが、セクターパターンのビーム形成手順（すなわち、セクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理）の収束に与える効果について観察する。図９及び図１０は、それぞれ、異なるパラメータΔＶ及びμのときの、バイアス電圧ベクトルが定常値に収束する間における、受信信号の電力の利得（ｄＢｉ）の変動を示している。これらの結果は、ソースであるホーンアンテナ装置１１０がアレーアンテナ装置の方位角０°の方向に位置しているときに取得され、バイアス電圧ベクトルの初期値はＶ（１）＝［０，０，０，０，０，０］に設定されている。図９（ａ）及び（ｂ）は、摂動サイズのパラメータΔＶが収束速度に影響することを示す。パラメータμ＝６００かつバイアス電圧ベクトルの初期値Ｖ（１）＝［０，…，０］であるとき、パラメータΔＶ＝４０，２４０，３２０のうち、パラメータの値ΔＶ＝３２０のときが、良好に動作するように思われる。図１０（ａ）及び（ｂ）は、パラメータΔＶ＝６００かつバイアス電圧ベクトルの初期値Ｖ（１）＝［０，…，０］であるときに、パラメータμ＝２５０，４００，６００が電力の収束に与える効果を示し、明らかにパラメータμ＝６００が最適値である。
【００５９】
しかしながら、実験の目的は異なる方向でのセクターパターンに関するバイアス電圧ベクトルのテーブルを作成することにある点は留意される必要がある。収束の定常性は、収束の速度よりも重要である。勾配に基づく理論と、（図９（ｂ）及び図１０（ｂ）の拡大図に示されたような）その実験値とは、定常的なバイアス電圧ベクトルの値を取得するために、小さな値のパラメータμ及びΔＶが選択される必要があることを想起させる。さらに、バイアス電圧ベクトルの初期値Ｖ（１）は、収束したときのバイアス電圧ベクトルに近いものを選択する方がよい。本願出願人らの実験では、セクターパターンを形成するために、例えば、パラメータμ＝２５及びΔＶ＝４０が使用された。主ビーム方位角０°を有するセクターパターンでは、初期値はＶ（１）＝［２０００，２０００，−２０００，−２０００，−２０００，２０００］に設定される。２００回の反復の後で、収束したバイアス電圧ベクトルＶ（２０１）＝［２０１１，２０４７，−２０４８，−１９５８，−２０４７，２０４７］が取得される。同様に、単一ソース電力最大化技術を使用して、方位角φ＝３０°毎に、１２個のバイアス電圧ベクトル及び対応するセクターパターンを取得する。表１は、数１１において設定されるバイアス電圧ベクトルの初期値Ｖ（１）を列挙したものであり、セクターパターンの主ビームを向けることを所望する各方位角毎に、６個のバイアス電圧値が示されている。図１１のリアクタンス値テーブルの一例には、主ビーム方位角０°，３０°，…，３３０°をそれぞれ有するセクターパターンに関連付けられたバイアス電圧ベクトルの収束した値がまとめられている。図１１の表には、リアクタンス値テーブルに含まれた各リアクタンス値に対応する性能データとして、各パターンのその主ビーム方位角における相対利得、３ｄＢビーム幅、隣接セクター弁別（ＡＳＤ）、及び反射係数Ｓ１１を含むデータも列挙されている。各性能データの詳細は後述する。
【００６０】
【表１】
１２個のセクターパターンを取得するためのバイアス電圧ベクトルの初期値
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方位角　　　　　Ｖ１　　　Ｖ２　　　Ｖ３　　　Ｖ４　　　Ｖ５　　　Ｖ６
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０°　　　　　　２０００　　　　２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　　２０００
３０°　　　　　２０００　　　　２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００
６０°　　　　　２０００　　　　２０００　　　　２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００
９０°　　　　−２０００　　　　２０００　　　　２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００
１２０°　　　−２０００　　　　２０００　　　　２０００　　　　２０００　　　−２０００　　　−２０００
１５０°　　　−２０００　　　−２０００　　　　２０００　　　　２０００　　　−２０００　　　−２０００
１８０°　　　−２０００　　　−２０００　　　　２０００　　　　２０００　　　　２０００　　　−２０００
２１０°　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　　２０００　　　　２０００　　　−２０００
２４０°　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　　２０００　　　　２０００　　　　２０００
２７０°　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　　２０００　　　　２０００
３００°　　　　２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　　２０００　　　　２０００
３３０°　　　　２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　−２０００　　　　２０００
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
【００６１】
可変リアクタンス素子を装荷される複数の非励振素子Ａ１乃至Ａ６は、中央の励振素子Ａ０を中心とする半径ｒ＝０．２５λのリング上に配置され、この配置は６回の回転対称性を有し、かつ３０°方向の直線を含む垂直面に対して鏡面対称性を有する。これは、０°≦φ≦３０°の主ビーム方位角に対するアンテナ応答が、３６０°の方位にわたってアンテナを画成することを意味した。
【００６２】
図１２は、測定された１２個のバイアス電圧ベクトル（図１１を参照）に対応する各セクターパターンを表し、図面より、各バイアス電圧ベクトルに対応して、０°，３０°，…，３３０°方向にそれぞれ主ビーム方位角を有する１２個のアンテナパターンが形成されていることが分かる。１２個のセクターパターンは、２つのグループに分かれることが観察され、各グループのそれぞれのパターンは、互いに６０°だけシフトしたバージョンであるようにほぼ同様のパターン形状を有する。一方のグループは、非励振素子の位置する方位角０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０°及び３００°の方向におけるパターンであり、もう一方のグループは非励振素子の間の方向、すなわち方位角３０°，９０°，１５０°，２１０°，２７０°及び３３０°の方向におけるパターンである。この現象は、上述したようなアンテナの対称的な構造に起因している。図１１の表には、これらのパターンの３ｄＢビーム幅の値が列挙されている。非励振素子方向のセクターパターンの３ｄＢビーム幅の平均値は７２．４°であり、その一方、非励振素子の間の方向に向けられたパターンでの平均値は９１．１°である。
【００６３】
従来技術文献２に記述されている無線アドホックネットワークにおいて適正なルーティングを達成するためには、アンテナは、その通信相手の方向を区別できることが必要である。セクターパターンのビームを形成するアンテナの場合は、隣接セクター弁別（ＡＳＤ）として、この方向についての性能を定義する。ＡＳＤの値は、所定のセクターパターンの主ビームが位置する方位角の方向において、当該セクターパターンに係るビームの利得と、３０°異なる主ビーム方位角を有して隣接するセクターパターンに係るビームの利得との差を測定することによって取得される。例えば、図１２の主ビーム方位角０°を有するセクターパターンのＡＳＤは、主ビーム方位角−３０°を有するセクターパターンに対して１．３ｄＢであり、主ビーム方位角３０°を有するセクターパターンに対して１．４ｄＢである。図１１の表には、すべてのセクターパターンの完全なＡＳＤの値が記載されている。
【００６４】
アンテナの反射係数Ｓ１１を、２．３５ＧＨｚから２．６ＧＨｚまでの範囲の周波数で測定する。図１３は、図１１のリアクタンス値テーブルの最初の２行に示された、主ビーム方位角０°及び３０°を有するセクターパターンに関連するバイアス電圧ベクトルを、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に印加することによって測定された反射係数Ｓ１１の曲線を示す。中心周波数ｆ０＝２．４８４ＧＨｚでは、２つのセクターパターンに対する反射係数Ｓ１１は、それぞれ−１５．９ｄＢ及び−１８．６ｄＢである。無線アドホックネットワーク（従来技術文献２）における１１ＭＨｚのデータレートに対応する［ｆ０−０．０１１，ｆ０＋０．０１１］ＧＨｚにわたる周波数帯域において、最悪の場合の反射係数Ｓ１１は、−１１．２ｄＢ及び−１３．０ｄＢであることが見出だされる。図１１の表は、１２個のセクターパターンの反射係数Ｓ１１の値を、中心周波数ｆ０＝２．４８４ＧＨｚのときと、［２．４７３，２．４９５］ＧＨｚの範囲内での最悪のときとに対してまとめている。図１３からはまた、反射係数Ｓ１１の−１０ｄＢ帯域幅が３０ＭＨｚの範囲にわたっていることを観察することができる。これは、信号の帯域幅（すなわち２２ＭＨｚ）よりも広い。
【００６５】
アンテナのセクターパターンは、［２．４７３，２．４９５］ＧＨｚの範囲にわたって変化する動作周波数に対しては変化しないように思われる。これは、図１４及び図１５から分かる。図１４は、主ビーム方位角０°を有し、動作周波数ｆをｆ０＝２．４８４ＧＨｚ及びｆ０±０．０１１ＧＨｚとして測定されたセクターパターンを示す。同様の周波数の変化に係る結果を、図１５の主ビーム方位角３０°を有するセクターパターンにおいても見出すことができる。図１５では、動作周波数ｆを変化させても、指向性パターンはほとんど変化しない。
【００６６】
図１６は、水平方向の主ビーム方位角φ＝０°及び３０°を有する２つのセクターパターンにそれぞれ対応する２つの仰角θのアンテナパターンを示す。主ビームは、ほぼ水平面（仰角θ＝０°）を向いている。
【００６７】
以上説明したように、実施形態のセクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理を用いることによって、所望のセクターパターンを形成するために、リアクタンス値の可能なすべての組み合わせについてアレーアンテナの性能（例えば、受信信号の電力）を測定することを必要とせずに、短い時間で自動的に可変リアクタンス値１２−１乃至１２−６に印加されるバイアス電圧ベクトルを計算することができ、上記バイアス電圧ベクトルをリアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶しておくことが可能である。
【００６８】
次に、図１７及び図１８を参照して、オムニパターンのリアクタンス値テーブル生成処理に係る実験結果について説明する。実験では、バイアス電圧値Ｖｏを変化させる定数Ｃは１に設定された（図５のステップＳ２６を参照）。図１７は、オムニパターンのリアクタンス値テーブル生成処理の実行中における、バイアス電圧値Ｖｏが印加されているアレーアンテナ装置１００から受信される信号電力の相対利得（ｄＢｉ）の変動を示している。信号電力は、−２０４８から−６００までのバイアス電圧値Ｖｏに対してはほぼ線形である。電力は、−６００から２７２まではゆっくりと増大する。しかしながら、バイアス電圧値Ｖｏが２７２から２０４７へと変化されるとき、わずかに減少する。バイアス電圧値Ｖｏ＝２７２が最大電力を与える。従って、バイアス電圧ベクトルＶｏｍｎｉ＝［２７２，２７２，２７２，２７２，２７２，２７２］が、大きな利得を有するオムニパターンを与える（図１８を参照）。０°乃至３６０°の方位の全体にわたって、当該パターンの平均利得は−０．８３ｄＢｉであり、標準偏差は０．２２ｄＢｉである。最大及び最小の利得はそれぞれ、−０．４０ｄＢｉ及び−１．２０ｄＢｉである。
【００６９】
従って、オムニパターンのリアクタンス値テーブル生成処理を用いることによって、所望のオムニパターンを形成するために、自動的に可変リアクタンス値１２−１乃至１２−６に印加されるバイアス電圧ベクトルを計算し、上記バイアス電圧ベクトルを記憶したリアクタンス値テーブルを生成することができる。
【００７０】
以上説明したように、本発明に係る実施形態のアレーアンテナの制御パラメータの計算方法によれば、セクターパターンのリアクタンス値テーブルを生成するために、所定の方位角に主ビームを有するアンテナパターンを形成するためのバイアス電圧ベクトルを計算して決定することができる。アレーアンテナ装置１００上の異なる複数の方位角の方向に対して上記リアクタンス値テーブル生成処理を繰り返すことによって、所定の方位角幅でアレーアンテナのビームを操向するための複数のバイアス電圧ベクトルの組を計算し、上記バイアス電圧ベクトルの組をリアクタンス値テーブルとして記憶することができる。また、オムニパターンのリアクタンス値テーブルを生成するために、無指向性のアンテナパターンを形成するためのバイアス電圧ベクトルを予め計算して決定し、上記バイアス電圧ベクトルをリアクタンス値テーブルとして記憶することができる。
【００７１】
実施形態では、単一のＲＦ信号ポートのみを必要とするのでユーザ端末における適応制御アレーの技術を使用することを可能にする、動作周波数２．４８４ＧＨｚのエスパアンテナであるアレーアンテナ装置１００が提示された。アレーアンテナ装置１００の評価は電波暗室１２０において実行された。アレーアンテナ装置１００のセクターパターンのモードのビーム形成をデモンストレーションした。ソース方向に向けて可能な限り大きなアンテナ利得を有するセクターパターンを提供するバイアス電圧ベクトルを発見するために、単一ソース電力最大化技術を提案した。実験は、１２個のバイアス電圧ベクトルと、それに対応する、主ビーム方位角が３０°ずつ離れた１２個のセクターパターンとを示している。励振素子から非励振素子に向かう方向の主ビーム方位角を有する６個のセクターパターンと、励振素子から非励振素子の間に向かう主ビーム方位角を有する６個のセクターパターンとの３ｄＢビーム幅の平均は、それぞれ７２．４°及び９０．１°である。これらのセクターパターンの平均利得は、５．５ｄＢｉである。これらのパターンのＡＳＤは、１．３ｄＢよりも大きい。反射係数Ｓ１１の−１０ｄＢ帯域幅は、３０ＭＨｚの範囲を有している。アレーアンテナ装置１００のオムニパターンのモードもまた評価された。エスパアンテナは、そのバイアス電圧ベクトルの成分がすべて等しいときに、そのオムニパターンを与える。オムニパターンに対応するバイアス電圧ベクトルの値は、受信される電力が最大化されるように求められる。
【００７２】
従って、実施形態のアレーアンテナの制御パラメータの計算方法によれば、リアクタンス値テーブルを生成するために、従来例と比較して簡単でありかつ短時間に実行することができる。
【００７３】
以上の実施形態に係る図１のアレーアンテナの制御パラメータ計算装置においては、電波暗室１２０内でホーンアンテナ装置１１０からの無線信号を受信してアレーアンテナ装置１００のセクターパターンとオムニパターンに対する各可変リアクタンス素子のリアクタンス値テーブルを計算しているが、本発明はこれに限らず、無線信号を受信する環境は干渉波のない室内又は自由空間であってもよい。
【００７４】
また、図４のセクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理において、コンピュータ１５０は、ユーザにより入力されたセクターパターンの主ビーム方位角の情報に応答して、当該主ビーム方位角を有するセクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理を実行しているが、それに代わって、コンピュータ１５０は、形成すべきセクターパターンの個数のデータに基づいて、複数のセクターパターンが全方位角をカバーするように、各セクターパターンの主ビームが操向されるべき方位角を自動的に決定し、次いで所定の主ビーム方位角を有する各セクターパターンのリアクタンス値テーブルを生成してもよい。ここで、コンピュータ１５０は、アレーアンテナ装置１００の所定の方位角の方向を基準の方位角（０°）方向として、上記形成すべきセクターパターンの個数で３６０°を除算した角度だけ互いに離れて各セクターパターンの主ビームが形成されるように、各セクターパターンの主ビームが操向されるべき方位角を決定する。
【００７５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係るアレーアンテナの制御パラメータの計算方法によれば、エスパアンテナであるアレーアンテナにおいて、主ビームと所定のビーム幅を有する放射パターンに対して、各可変リアクタンス素子に設定されるリアクタンス値を計算するアレーアンテナの制御パラメータの計算方法であって、上記アレーアンテナと所定の距離だけ離れ、上記アレーアンテナの所定の方位角の方向に位置する場所から、上記アレーアンテナに対して無線信号を送信した状態において、上記アレーアンテナで受信される無線信号の電力を測定し、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を順次所定のシフト量だけ摂動させて、上記受信される無線信号の電力の、各リアクタンス値に対する勾配ベクトルを計算し、計算された勾配ベクトルに基づいて、当該受信される無線信号の電力が最大となるように、上記アレーアンテナの主ビームを、上記無線信号が送信される方位角の方向に向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算する。従って、エスパアンテナのセクターパターンに対して、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、従来例と比較して簡単かつ短時間に計算することができる。
【００７６】
また、本発明に係るアレーアンテナの制御パラメータの計算方法によれば、エスパアンテナであるアレーアンテナにおいて、無指向性の放射パターンに対して、各可変リアクタンス素子に設定されるリアクタンス値を計算するアレーアンテナの制御パラメータの計算方法であって、上記アレーアンテナと所定の距離だけ離れ、上記アレーアンテナの所定の方位角の方向に位置する場所から、上記アレーアンテナに対して無線信号を送信した状態において、上記各可変リアクタンス素子に設定する同一のリアクタンス値をそれぞれ変化させる毎に上記アレーアンテナで受信される無線信号の電力を測定し、上記無線信号の電力が最大になるときの同一のリアクタンス値を、無指向性の放射パターンに対するリアクタンス値として選択する。従って、エスパアンテナのオムニパターンに対して、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、従来例と比較して簡単かつ短時間に計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るアレーアンテナの制御パラメータ計算装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のアレーアンテナ装置１００の縦断面図である。
【図３】図１のアレーアンテナの制御パラメータ計算装置によって生成されたリアクタンス値テーブルメモリ２０を用いる、実施形態のアレーアンテナの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図１のコンピュータ１５０によって実行される、セクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理を示すフローチャートである。
【図５】図１のコンピュータ１５０によって実行される、オムニパターンのリアクタンス値テーブル生成処理を示すフローチャートである。
【図６】図１の可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に、バイアス電圧ベクトルＶ＝［２０４７，２０４７，−２０４８，−１５０６，−２０４８，２０４７］が出力して設定されているときのアレーアンテナ装置１００の指向性パターンを示すグラフである。
【図７】図４のセクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理の実行中のアンテナの利得の変動を示すグラフである。
【図８】図４のセクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理の実行中に可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に印加される各バイアス電圧値の変動を示すグラフである。
【図９】（ａ）は、図４のセクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理の実行中における、バイアス電圧ベクトルに係る異なる摂動のパラメータΔＶに対するアンテナの利得の変動を示すグラフであり、（ｂ）は、その部分拡大図である。
【図１０】（ａ）は、図４のセクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理の実行中における、バイアス電圧ベクトルに係る異なる更新のステップサイズパラメータμに対するアンテナの利得の変動を示すグラフであり、（ｂ）は、その部分拡大図である。
【図１１】図４のセクターパターンのリアクタンス値テーブル生成処理を実行することによって得られたリアクタンス値テーブルと、当該リアクタンス値を可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力して設定したときのアレーアンテナ装置１００の性能データとを示す表である。
【図１２】図１１のリアクタンス値テーブルに含まれた１２個の異なるバイアス電圧ベクトルによって形成された１２個のセクターパターンを示すグラフである。
【図１３】図１１の主ビーム方位角０°及び３０°を有するセクターパターンに対応するバイアス電圧ベクトルを図１のアレーアンテナ装置１００に出力して設定したときの反射係数Ｓ１１を示すグラフである。
【図１４】図１１の主ビーム方位角０°を有するセクターパターンに対応するバイアス電圧ベクトルを図１のアレーアンテナ装置１００に出力して設定したときの、異なる動作周波数ｆでのアンテナパターンを示すグラフである。
【図１５】図１１の主ビーム方位角３０°を有するセクターパターンに対応するバイアス電圧ベクトルを図１のアレーアンテナ装置１００に出力して設定したときの、異なる動作周波数ｆでのアンテナパターンを示すグラフである。
【図１６】図１１の主ビーム方位角０°及び３０°を有するセクターパターンに対応するバイアス電圧ベクトルを図１のアレーアンテナ装置１００に出力して設定したときの、仰角のアンテナパターンを示すグラフである。
【図１７】図５のオムニパターンのリアクタンス値テーブル生成処理の実行中のアンテナの利得の変動を示すグラフである。
【図１８】図１のアレーアンテナ装置１００に、オムニパターンを形成する３つの異なるバイアス電圧ベクトルを出力して設定したときのそれぞれに対応するアンテナパターンを示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ０…励振素子、
Ａ１乃至Ａ６…非励振素子、
１…低雑音増幅器、
２…ダウンコンバータ、
３…Ａ／Ｄ変換器、
９…同軸ケーブル、
１０…アンテナコントローラ、
１１…接地導体、
１２−１乃至１２−６…可変リアクタンス素子、
２０…リアクタンス値テーブルメモリ、
１００…アレーアンテナ装置、
１１０…ホーンアンテナ装置、
１１０ａ…支持台、
１２０…電波暗室、
１３０…回転コントローラ、
１４０…回転機構、
１５０…コンピュータ、
１５０ａ…入力装置、
１６０…ネットワークアナライザ。
【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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