(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々の指向性を独立に制御可能な複数の指向性アンテナ素子と、前記複数の指向性アンテナ素子毎に、その受信信号に対してそれぞれ決定された重み係数を乗ずる複数の乗算器と、前記複数の乗算器の出力を加算する加算器とを有するアレーアンテナ装置の制御方法であって、
前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性を、それぞれ、独立して変化させて受信を行い、前記複数の指向性アンテナ素子による受信信号によって構成される相関行列における、固有値または固有ベクトルを変数とする目的関数が最大または最小となる前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性を決定する手順と、
当該決定された前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性における前記複数の受信信号に対する重み係数として、前記固有値または固有ベクトルの値に応じた値を決定する手順とを含むことを特徴とするアレーアンテナ装置の制御方法。
【請求項２】
前記複数の指向性アンテナ素子のそれぞれが、
１つの給電素子と、前記給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の無給電素子と、前記無給電素子に装荷された複数の可変リアクタンス素子から構成され、
前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指向性アンテナ素子の指向性を制御可能であることを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ装置を制御するための制御方法。
【請求項３】
前記複数の指向性アンテナ素子のそれぞれが、
２点１組の給電点から成る給電部を備えて１つの基準平面上に配置された１つの主のループ配線と、前記主のループ配線と平行または同一平面上に配置された、給電点を備えない少なくとも１つの従のループ配線とを有するアンテナ素子であって、
各前記ループ配線は、それぞれ互いに交点及び接点を持たず、
前記従のループ配線に囲まれた平面領域の中心点は、前記主のループ配線に囲まれた平面領域の中心点を通る、前記基準平面に垂直な１つの垂直断面上に位置しており、
任意の１つの前記ループ配線によって囲まれる平面領域は、前記基準平面の法線方向から見たときに、隣り合う他の前記ループ配線によって囲まれる他の平面領域と部分的に重なって見え、
前記従のループ配線は、前記垂直断面上の２箇所にそれぞれ可変リアクタンス素子を有し、
前記主のループ配線は、前記垂直断面上の１箇所に可変リアクタンス素子を有し、前記垂直断面上の他の１箇所に前記給電部を有するものであり、
前記給電点を中心とする主のループ配線の半分を前記給電素子、前記可変リアクタンス素子を中心とする主のループ配線及び従のループ配線を前記複数の無給電素子とみなし、
前記複数の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指向性を変化させることを特徴とする請求項２に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
【請求項４】
前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性を決定する手順は、
前記可変リアクタンス素子の各リアクタンス値における前記目的関数値に基づいて、反復的な非線形計画法を用いて前記目的関数値を最大または最小にする各指向性を決定する手順であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
【請求項５】
前記複数のアンテナ素子それぞれに設けられた複数の可変リアクタンス素子のリアクタンスセット値を所定の数だけ用意し、前記リアクタンスセット値をアンテナ素子ごとに順次切替えて、各リアクタンス値に対して前記目的関数を計算する手順と、
前記目的関数値を最大または最小にするための前記リアクタンス値を設定する手順とを有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
【請求項６】
前記目的関数が前記固有値の最大固有値であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
【請求項７】
前記目的関数が前記固有値の中で、雑音電力よりも大きい最小固有値であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
【請求項８】
前記アレーアンテナ装置は移動体における通信に用いられるものであって、
前記移動体の移動速度又は位置情報に応じて、指向性及び重み付けの更新頻度を変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
【請求項９】
前記アレーアンテナ装置は移動体における通信に用いられるものであって、
前記移動体の移動速度又は位置情報に応じて、非線型計画法におけるリアクタンス値の変化幅の大きさを変化させることを特徴とする請求項４に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
【請求項１０】
水平面内の任意の方向に対し、当該方向にビームを向けることが可能である指向性アンテナ素子が複数の指向性アンテナ素子全体のうちに１個以上存在することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
【請求項１１】
前記指向性を制御可能な複数の指向性アンテナ素子が、それぞれ通信に用いられる波長λ以上離れて設置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
【請求項１２】
前記指向性を制御可能な複数の指向性アンテナ素子を、
前記指向性を制御可能な１個以上の指向性アンテナ素子と、指向性が固定された１個以上のアンテナ素子とを含む複数のアンテナ素子に置き換えたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各々の指向性を独立に制御できる複数の指向性可変アンテナ素子からなるアレーアンテナ装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のアンテナ素子から構成される適応アンテナ装置およびその制御方法は、すでに各種提案されている。例えば、空間相関が小さくなるような間隔で配置されたダイバーシチアンテナがあり、その一例を図１１に示す。
【０００３】
図１１のアレーアンテナ装置９００の構成は以下の通りである。各アンテナ素子ＡＮｎ−１及至ＡＮｎ−ｍは指向性が不変のアンテナ素子であり、それぞれの空間相関が小さくなるように配置されている。各アンテナに接続した無線受信機Ｒ―１及至Ｒ−ｍによって受信信号が得られる。このｍ個の受信信号から、ＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise Ratio）が最大となるように、適応制御コントローラＣ１により各受信信号の重み係数が算出されて、重み付け装置（乗算器）Ｗ−１及至Ｗ−ｍにおいて各受信信号に重み係数が乗ぜられて、信号合成装置（加算器）ｐ１により合成信号が得られる。尚、無線受信機Ｒ―１及至Ｒ−ｍは低歪増幅器（ＬＮＡ）、ダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ、Ｉ相／Ｑ相の２信号を出力するもの）、アナログディジタル変換器（Ａ／Ｄ）により構成されている。
【０００４】
このようなダイバーシチアンテナにおいて、各アンテナの受信信号によって構成される相関行列の固有ベクトルの各要素を重み係数として用いることで、その固有ベクトルに対応する固有値があらわす到来波に対して最大比合成受信ができることは、非特許文献１等で報告されている。
【０００５】
また、アナログ的に指向性を制御できるアンテナ素子として、給電素子と無給電素子から構成され、無給電素子に装荷された可変リアクタンス値を変化させることによって指向性を制御することができる簡易構造指向性制御アンテナの開発が行われている。このアンテナ装置は無給電素子を給電素子に対して、導波器または反射器として有効に動作させることできわめて容易に指向性の制御を行うことができる。
【０００６】
前記簡易型指向性制御アンテナの従来例のひとつであるエスパアンテナ(ESPAR antenna; Electronically Steerable Passive Array Radiator antenna)は特許文献１、非特許文献２等で報告されている。エスパアンテナ構成の一例を図１２に示す。また、その単一ユニットにおける指向性制御方法は特許文献２、特許文献３、非特許文献３等で報告されている。
【０００７】
簡単に図１２のエスパアンテナ１０の構成を説明する。図１２．Ａは、給電素子Ａ０と、各々に可変リアクタンス素子が接続された６本の無給電素子Ａ１〜Ａ６とを有するエスパアンテナ１０の構成を示す斜視図である。これら給電素子Ａ０と無給電素子Ａ１〜Ａ６は、鉛直方向に設けられた線状導体であって、水平に配設された接地導体１１の７箇所の孔部１１０〜１１６を通して、接地導体１１に触れることなく上方向に設けられている。７箇所の孔部１１０〜１１６の配置は、中央部に孔部１１０を設け、孔部１１０を中心として正六角形の頂点の位置に孔部１１１〜１１６を設ける。このように給電素子Ａ０と無給電素子Ａ１〜Ａ６は、接地導体１１の７箇所の孔部１１０〜１１６を通して例えば同一の長さで設けられている。
【０００８】
図１２．Ｂは、給電素子Ａ０と無給電素子Ａ１及びＡ４が一平面上に形成されることから、当該面による断面図を示すものである。接地導体１１の孔部１１０の下では、給電素子Ａ０は同軸ケーブル５の芯線に接続され、受信機に接続される。接地導体１１の孔部１１１及び１１４の下では、無給電素子Ａ１及びＡ４は他端が接地された可変リアクタンス素子１２−１及び１２−４に接続されている。全く同様にして、６個の無給電素子Ａ１〜Ａ６は、接地導体１１の孔部１１１〜１１６の下で、他端が接地された可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６（全ては示していない）に接続されている。
【０００９】
図１２．Ｃは、可変リアクタンス素子とその制御方法の一例を示す回路図である。図１２．Ｃのように、線状導体である無給電素子Ａ１〜Ａ６には、各々バラクタダイオード１２−１〜１２−６の負極が接続されている。また、バラクタダイオード１２−１〜１２−６の正極は接地されている。適応制御コントローラＣから、抵抗１４−１〜１４−６を介してバラクタダイオード１２−１〜１２−６の負極に印加する電位を調整することで、バラクタダイオード１２−１〜１２−６を可変リアクタンス素子として作用させることができる。尚、適応制御コントローラＣと抵抗１４−１〜１４−６との接続点は他端が接地されたコンデンサ１５−１〜１５−６が接続されている。バラクタダイオード１２−１〜１２−６の負極に、適応制御コントローラＣから、抵抗１４−１〜１４−６を介して印加する電位をを変化させることで、バラクタダイオード１２−１〜１２−６を可変リアクタンス素子として作用させることができる。
【００１０】
このような簡易型指向性制御アンテナ素子を複数用いて構成されたダイバーシチアンテナについて、特許文献４で報告されている。
【００１１】
一方、アレーアンテナを用いた通信方法として近年ＭＩＭＯ(Multi-Input Multi-Output)システムの開発が進められている。ＭＩＭＯにおける通信手法は各種提案されており、例えばそのひとつに固有ビーム空間分割多重通信(Eigenbeam Space Division Multiplexing; E-SDM)があり、非特許文献４で報告されている。
【特許文献１】特開２００１−０２４４３１
【特許文献２】特開２００４−１３４８７３
【特許文献３】特開２００４−００７３２９
【特許文献４】特開２００４−０６４７４３
【非特許文献１】Y. Kamiya, Y. Karasawa, S. Denno, Y. Mizuguchi,“A SoftwareAntenna: Reconfigurable Adaptive Arrays Based on Eigenvalue Decomposition,”IEICE Trans. Commun., Vol. E82-B, no. 12, pp.2012-2020, Dec. 1999.
【非特許文献２】T. Ohira et al., “Electronically steerable passive array radiator antennas for low-cost analog adaptive beamforming,” 2000 IEEE International Conference on Phased Array System & Technology pp. 101-104, Dana point, California, May 21-25, 2000.
【非特許文献３】大平，飯草“電子走査導波器アレーアンテナ”信学論，vol. J87 C, no. 1, pp. 12 31, Jan. 2004.
【非特許文献４】宮下，西村，大鐘，小川，鷹取，長“ＭＩＭＯチャネルにおける固有ビーム空間分割多重（Ｅ−ＳＤＭ）方式”信学技法，RCS2002-53.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図１２のエスパアンテナ１０のような、簡易構造指向性制御アンテナの車載を考慮した場合、その意匠によって設置場所が制限される他、車体による指向性の歪みの影響を大きく受ける。このため、単一ユニットで所望の走査範囲をカバーし、十分な精度を確保することは難しい。そこで、複数の簡易構造指向性制御アンテナを用いたマルチユニットによるシステムを構成することが有効である。
しかしながら、複数の指向性可変アンテナ素子からなるアレーアンテナ装置であって、各指向性可変アンテナ素子の指向性を制御しつつ、それらの受信信号に対して重み付け合成するとのアレーアンテナ装置の統合的な制御方法についてはまだ報告がない。
【００１３】
また、車載アンテナでは製造の問題により、各アンテナ素子の位置関係を完全に把握していない場合でも有効に制御できることが望ましい。加えて、システムの汎用性を考慮すると、受信信号に参照信号が含まれていなくても制御が可能であることが重要である。このようにいわゆるブラインド処理が望まれる。
【００１４】
一方、MIMOシステムにおける、E-SDMでは、各送信信号系列の受信ＳＮＲはチャネル行列の相関行列固有値に依存する。従って、すべての送信信号系列のＳＮＲを補償するために、最小固有値を大きくしなければならない。
この問題に対し、アレーアンテナの各アンテナ素子に簡易型指向性制御素子を用いることで、同一の伝搬環境において、チャネル行列の相関行列による固有値・固有ベクトルの状態を変化させることができ、従来の各アンテナ素子に指向性不変アンテナ素子を用いた場合と比べて、通信品質を向上できることが期待できる。また、電波伝搬環境が刻々と変化するような移動通信においても、各アンテナ素子の指向性を適応的に制御することで通信品質の向上が期待できる。
しかしながら、前述のように複数の指向性可変アンテナをアンテナ素子とするアレーアンテナの統合的な制御方法は報告されていない。
【００１５】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、複数の指向性可変アンテナ素子によって構成されるアレーアンテナの統合的な制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
すなわち、本発明の第１の手段は、各々の指向性を独立に制御可能な複数の指向性アンテナ素子と、前記複数の指向性アンテナ素子毎に、その受信信号に対してそれぞれ決定された重み係数を乗ずる複数の乗算器と、前記複数の乗算器の出力を加算する加算器とを有するアレーアンテナ装置の制御方法であって、前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性を、それぞれ、独立して変化させて受信を行い、前記複数の指向性アンテナ素子による受信信号によって構成される相関行列における、固有値または固有ベクトルを変数とする目的関数が最大または最小となる前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性を決定する手順と、当該決定された前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性における前記複数の受信信号に対する重み係数として、前記固有値または固有ベクトルの値に応じた値を決定する手順とを含むことを特徴とするアレーアンテナ装置の制御方法である。
【００１７】
第２の手段は、上記の第１の手段において、前記複数の指向性可変アンテナ素子のそれぞれが、１つの給電素子と、前記給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の無給電素子と、前記無給電素子に装荷された複数の可変リアクタンス素子から構成され、前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指向性可変アンテナ素子の指向性を制御可能であることを特徴とする。
【００１８】
第３の手段は、上記の第１の手段において、前記複数の指向性アンテナ素子のそれぞれが、２点１組の給電点から成る給電部を備えて１つの基準平面上に配置された１つの主のループ配線と、前記主のループ配線と平行または同一平面上に配置された、給電点を備えない少なくとも１つの従のループ配線とを有するアンテナ素子であって、各前記ループ配線は、それぞれ互いに交点及び接点を持たず、前記従のループ配線に囲まれた平面領域の中心点は、前記主のループ配線に囲まれた平面領域の中心点を通る、前記基準平面に垂直な１つの垂直断面上に位置しており、任意の１つの前記ループ配線によって囲まれる平面領域は、前記基準平面の法線方向から見たときに、隣り合う他の前記ループ配線によって囲まれる他の平面領域と部分的に重なって見え、前記従のループ配線は、前記垂直断面上の２箇所にそれぞれ可変リアクタンス素子を有し、前記主のループ配線は、前記垂直断面上の１箇所に可変リアクタンス素子を有し、前記垂直断面上の他の１箇所に前記給電部を有するものであり、前記給電点を前記給電素子、前記金属ループ配線に備えられた複数の可変リアクタンス素子を前記複数の無給電素子とみなし、前記金属ループ配線に備えられた複数の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指向性を変化させることを特徴とする。
【００１９】
第４の手段は、上記の第２または３の手段において、前記複数の指向性可変アンテナ素子の各指向性を決定する手順は、前記可変リアクタンス素子の各リアクタンス値における前記目的関数値に基づいて、反復的な非線形計画法を用いて前記目的関数値を最大または最小にする各指向性を決定する手順であることを特徴とする。
【００２０】
第５の手段は、上記の第２または３の手段において、前記複数のアンテナ素子それぞれに設けられた複数の可変リアクタンス素子のリアクタンスセット値を所定の数だけ用意し、前記リアクタンスセット値をアンテナ素子ごとに順次切替えて、各リアクタンス値に対して前記目的関数を計算する手順と、前記目的関数値を最大または最小にするための前記リアクタンス値を設定する手順とを有することを特徴とする。
【００２１】
第６の手段は、上記の第１乃至第５の何れか１つの手段において、前記目的関数が前記固有値の最大固有値であることを特徴とする。
【００２２】
第７の手段は、上記の第１乃至第５の何れか１つの手段において、前記目的関数が前記固有値の中で、雑音電力よりも大きい最小固有値であることを特徴とする。
【００２３】
第８の手段は、上記の第１乃至第７の何れか１つの手段において、前記アレーアンテナ装置は移動体における通信に用いられるものであって、前記移動体の移動速度又は位置情報に応じて、指向性及び重み付けの更新頻度を変化させることを特徴とする。
【００２４】
第９の手段は、上記の第４の手段において、前記アレーアンテナ装置は移動体における通信に用いられるものであって、前記移動体の移動速度又は位置情報に応じて、非線型計画法におけるリアクタンス値の変化幅の大きさを変化させることを特徴とする。
【００２５】
第１０の手段は、上記の第１乃至第９の何れか１つの手段において、水平面内の任意の方向に対し、当該方向にビームを向けることが可能である指向性アンテナ素子が複数の指向性アンテナ素子全体のうちに１個以上存在することを特徴とする。
【００２６】
第１１の手段は、上記の第１乃至第１０の何れか１つの手段において、前記指向性を制御可能な複数の指向性可変アンテナ素子が、それぞれ通信に用いられる波長λ以上離れて設置されていることを特徴とする。
【００２７】
また、第１２の手段は、上記の第１乃至第１１の何れか１つの手段において、前記指向性を制御可能な複数の指向性アンテナ素子を、前記指向性を制御可能な１個以上の指向性アンテナ素子と、指向性が固定された１個以上のアンテナ素子とを含む複数のアンテナ素子に置き換えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
第１の手段によれば、アレーアンテナの各素子に各々の指向性を独立に制御可能な指向性可変アンテナ素子を用いることによって、刻々と変化する各アンテナブランチの受信状態を最適な状態に保つことができる。
受信信号の相関行列による固有値又は固有ベクトルを変数とする目的関数とする規範を用いることで、各アンテナブランチの指向性を、それぞれ、独立して変化させた統合的な制御によって最適な状態にすることができる。このため、各指向性可変アンテナ素子で個別に制御を行うよりも装置が小規模で済み、また、自己矛盾のない制御が可能である。
このとき、参照信号などの予備知識を必要としないので、ブラインド処理が可能である。
【００２９】
また、所望波をあらわす固有値に対応する固有ベクトルを重み係数とすることで、最大比合成受信を行うことができる。このとき、各指向性可変アンテナ素子の位置関係を必要としないため、アレーアンテナ搭載の自由度が高い。
【００３０】
第２の手段によれば、指向性を独立に制御可能な指向性可変アンテナ素子が簡易な構造で実現できる。
【００３１】
第３の手段によれば、ループ配線によって囲まれた面積を貫く磁束を共有することによって、平板構造でありながら、給電点を備えた主のループ配線の半分と、その他の給電点を備えないループ配線の半分との間に高い相互結合を達成する事ができ、パタン形成能力や制御能力の高い指向性可変アンテナ素子を実現できる。 したがって、搭載位置に制限のある場合や、各指向性可変アンテナ素子が鋭いビームを絞ることが求められる場合に有効である。
【００３２】
第４の手段によれば、前記目的関数に対して最急勾配法などの非線形計画法を用いることで、速やかに所望の状態に収束させることができる。すべてのリアクタンス値に対して、同一の目的関数を用いて制御を行うため、統合的な制御が可能となる。
【００３３】
第５の手段によれば、各指向性可変アンテナ素子にあらかじめ用意しておいたリアクタンス値に対応する指向性の組み合わせの中で、もっとも目的関数が所望の値に近いものを解とするため、速やかに解を求めることができる。電波伝搬環境の変化が非常に速い場合においても、解を速やかに追従させるのに有効である。
【００３４】
第６の手段によれば、各アンテナ素子の指向性を、最も強い到来波に追従させることができ、高いＳＩＮＲを達成できる。
受信電力の相関行列から求められる固有値は重み付け合成後の電力をあらわしている。本手段によれば、最大固有値を最大にするように各指向性アンテナの指向性を制御するため、それぞれの指向性可変アンテナ素子がもっとも強い１波に対して電力を大きくする操作を行うことに等しく、重み付け合成後の合成信号は、指向性不変のアンテナで構成される通常のアダプティブアレーと比べてＳＮ比が高いものとなる。
【００３５】
第７の手段によれば、複数の到来波に対して同時に受信することができ、受信電力のもっとも弱い到来波に対しても適応的に高いＳＩＮＲを達成できる。
本手段では、最小固有値を最大にするように各指向性アンテナの指向性を制御するため、それぞれのアンテナ素子がもっとも弱い到来波に対して電力を大きくする操作を行うことに等しい。
【００３６】
また、ＭＩＭＯシステムのＥ−ＳＤＭ方式においては、チャネル行列の相関行列の最小固有値を補償する制御が実現でき、通信特性を向上することが期待できる。
【００３７】
第８及び第９の手段によれば、移動体の移動速度に応じた適切な制御、及び移動体の周囲の電波遮蔽物を考慮した適切な制御を行うことができる。移動通信では速度に応じて電波環境の変化するスピードが変化するため、そのスピードに応じて制御を行うことで、通信品質の向上と計算リソースの節約が可能である。
【００３８】
また、移動通信では、伝搬路の遮蔽に伴うマルチパスによるフェージングが伝搬劣化の要因となる。そのマルチパスの度合いは、例えば市街地のビルに囲まれたような環境では強くあらわれ、一方で郊外地のような基地局から見通しがよい環境では弱くなる。このため、伝搬環境に応じて前記目的関数の更新頻度を適切に設定することで、通信品質の向上と計算リソースの節約が可能である。
【００３９】
第１０の手段によれば、水平面で全方位（３６０ｄｅｇ）のいずれの方向から到来する電波に対して適切な制御を行うことができる。アンテナは車両搭載時に車体の影響を受け、指向性が大きく歪む。このため、指向性可変アンテナ素子においては、ビームを走査できない範囲が生じることが考えられる。このことを考慮して、指向性可変アンテナ素子を複数用いて構成するシステムにおいては、水平面内３６０ｄｅｇの任意の点で少なくとも１素子はビームを向けることができるようにアンテナ素子を配置することで、制御範囲を確保することができる。
【００４０】
第１１の手段によれば、各アンテナ素子が波長よりも十分離れていないと電磁的に結合し、所望の指向性制御が達成できないことがあるため、各アンテナ素子を一波長以上話して設置することで所望の性能を確保できる。特に、各アンテナ素子に相互結合を利用する可変リアクタンス素子装荷の指向性制御アンテナを用いる場合には重要である。
また、空間相関がない程度にアンテナ素子を離して設置することで、高いダイバーシチ効果を得ることができる。
【００４１】
以上はアレーアンテナを構成する全てのアンテナ素子が指向性可変アンテナ素子であることを前提としているが、そこに指向性不変のアンテナ素子を加えても、効果が減ずることは無いことは明らかである。更には、指向性可変アンテナ素子を１個以上、指向性不変のアンテナ素子を１個以上としても、同様の効果を有するアレーが期待できる（請求項１２）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００４３】
〔アレーアンテナ装置１００の構成〕
図１は本発明に係る第１の実施例であるアレーアンテナ装置１００の構成を示す構成図である。アレーアンテナ装置１００は、図１に示すように、指向性制御可能なｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮ−ｍ（ｍはｍ0以下の自然数、以下同じ）と、無線受信機Ｒ−ｍと、適応制御コントローラＣ１と、重み付け装置（乗算器）Ｗ−ｍと、信号合成装置（加算器）ｐ１とを備えている。尚、無線受信機Ｒ−ｍは低歪増幅器（ＬＮＡ）、ダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ、Ｉ相／Ｑ相の２信号を出力するもの）、アナログディジタル変換器（Ａ／Ｄ）により構成されている。図１のアレーアンテナ装置１００は、適応制御コントローラＣ１によって、各アンテナ素子の指向性および乗算器で乗ずる重み係数を制御することで、所望波に対して高いＳＩＮＲを実現するものである。
【００４４】
〔図２と図３の概略について〕
図２及び図３は制御アルゴリズムの概念を示すフローチャートである。図２と図３の違いは、目的関数を最大にする場合を図２として示し、目的関数を最小にする場合を図３として示している。尚、本実施例では概念的に図４のような「指向性パタン」を想定するため、指向性を「指向性パタン」と呼び、「アレーとして組み合わせる各アンテナの指向性のセット」を「指向性パタンのセット」と呼ぶこととする。
【００４５】
まずｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮ−ｍに対し、指向性パタンＸmを各々ｋ0個ずつ用意する。ここで用意される指向性パタンとは、指向性可変アンテナ素子の無限に存在する指向性のうち、代表的なものとして選択されるものであって、各指向性可変アンテナ素子を制御可能な、数値又は数値ベクトルその他の多元数である。例えばリアクタンス素子を制御することにより指向性を制御可能なアンテナ素子であれば、各リアクタンス素子を制御するための電位等の値のベクトルである。また、図２及び図３の制御アルゴリズムのポイントは、選択された指向性パタンのすべての組み合わせ（指向性パタンのセットの全て）において、ｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）から決定される目的関数Ｊを順次求め、目的関数Ｊが最大（図２）又は最小（図３）となる指向性パタンのセットを決定する。即ち、各指向性可変アンテナ素子ＡＮ−ｍに対し、各々ｋ番目の指向性パタンＸm,kが選択され、アレー全体について指向性パタンのセット｛Ｘm,k｝（ｍはｍ0以下の自然数、ｋはｋ0以下の自然数であって、ｍ毎に決まる数）が決定される。
【００４６】
目的関数Ｊが最大（図２）又は最小（図３）となる指向性パタンのセット｛Ｘm,k｝が決定されると、目的関数Ｊが固有値である場合はそれに対応する受信信号ｙm（ｔ）による相関行列の固有ベクトルｅを決定する。指向性パタンのセット｛Ｘm,k｝に対応するよう、各指向性可変アンテナ素子ＡＮ−ｍを制御し（例えばリアクタンス素子を制御することにより指向性を制御可能なアンテナ素子であれば、各リアクタンス素子を制御するための電位等を与え）、相関行列の固有ベクトルｅのｍ番目の要素を受信信号ｙm（ｔ）に対応する重み係数とすれば図１のアレーアンテナ装置において、所望波に対して高いＳＩＮＲを実現できる。
【００４７】
目的関数Ｊが固有値でない場合は、決定された指向性パタンのセット｛Ｘm,k｝に対して改めて受信信号ｙm（ｔ）を得て、それによる相関行列を構成し、目的関数Ｊに対応する相関行列の固有値を求めてから、又は直接に相関行列の固有ベクトルｅを決定する。この場合も指向性パタンのセット｛Ｘm,k｝に対応するよう、各指向性可変アンテナ素子ＡＮ−ｍを制御し（例えばリアクタンス素子を制御することにより指向性を制御可能なアンテナ素子であれば、各リアクタンス素子を制御するための電位等を与え）、相関行列の固有ベクトルｅのｍ番目の要素を受信信号ｙm（ｔ）に対応する重み係数とすれば図１のアレーアンテナ装置２００において、所望波に対して高いＳＩＮＲを実現できる。
【００４８】
〔図２の説明〕
図２のフローチャートを、例えば目的関数Ｊとしてｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）によるｍ0行ｍ0列の相関行列の所定番目に大きい固有値であって、当該固有値を最大とする場合の指向性パタンのセット｛Ｘm,k｝を求める場合として説明する。
【００４９】
図２のようにステップ２００（図２ではＳ２００と記載、以下同じ）で、まず、自然数カウンタｎの初期値を１、ＪMAXの初期値を０とし、ステップ２０２に進む。
【００５０】
ステップ２０２では、ｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮ−ｍに対し、指向性パタンＸmを各々ｋ0個ずつ用意する。これらの組み合わせ（指向性パタンのセット）は、ｋ0のｍ0乗個存在する。この指向性パタンのセットに１番からｋ0のｍ0乗番と番号を振り、Ｘ（ｎ）（ｎはｎ0（＝ｋ0のｍ0乗）以下の自然数）と表記する。次にステップ２０４に進む。
【００５１】
ステップ２０４では、指向性パタンのセットＸ（ｎ）を選択してステップ２０６に進む。ステップ２０６では、指向性パタンのセットＸ（ｎ）によりｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮ−ｍの指向性を設定して、所定時間、受信信号ｙm（ｔ）を得てステップ２０８に進む。
【００５２】
ステップ２０８では、ｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）によるｍ0行ｍ0列の相関行列から、固有値演算を行い、目的関数Ｊの値を計算する。本実施例では相関行列の所定番目に大きい固有値である。
【００５３】
ステップ２１０では目的関数ＪがＪMAXより大きいかどうかを判定し、目的関数ＪがＪMAXより大きければステップ２１２に進み、目的関数ＪがＪMAXより大きくなければステップ２１４に進む。ステップ２１２ではＪMAXをＪに置き換え、ＪMAXを与える指向性パタンのセットＸMAXをＸ（ｎ）で書き換えてステップ２１４に進む。尚、本実施例においては、指向性パタンのセットＸ（ｎ）でのｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）による相関行列をも記憶し、順次更新することとする。
【００５４】
ステップ２１４では、ｎがｎ0（＝ｋ0のｍ0乗）以上であるかどうかを判定し、ｎがｎ0（＝ｋ0のｍ0乗）以上でなければステップ２１６に進み、ｎがｎ0（＝ｋ0のｍ0乗）以上であればステップ２１８に進む。
【００５５】
ステップ２１８にたどりつく場合は、全ての指向性パタンのセットについて目的関数Ｊが求められ、その最大値ＪMAXを与える指向性パタンのセットＸMAXが求められたときである。よって、ステップ２１８では、目的関数Ｊの最大値ＪMAX（本実施例では相関行列の所定番目に大きい固有値の最大値）に対応するｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）による相関行列の固有ベクトルｅMAX（次数はｍ0）を求める。
【００５６】
こうして、目的関数Ｊの最大値ＪMAX（本実施例では相関行列の所定番目に大きい固有値の最大値）を与える指向性パタンのセットＸMAXと、その際のｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）による相関行列の固有ベクトルｅMAX（次数はｍ0）が求められたので、図１のアレーアンテナ装置においては、適応制御コントローラＣ１により、ｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮ−ｍには指向性パタンのセットＸMAX＝｛Ｘm,k｝に対応する指向性パタンＸm,kを与えるように制御され、重み付け装置（乗算器）Ｗ−ｍには固有ベクトルｅMAXのｍ番目の要素の定数倍が重み係数として出力される。各指向性可変アンテナ素子ＡＮ−ｍには指向性パタンＸm,kに対応するように、例えばリアクタンス素子を制御するための電位が出力される。このように、ｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮ−ｍ及びｍ0個の重み付け装置（乗算器）Ｗ−ｍとに、矛盾のない制御を行うことが可能となる。
【００５７】
〔図３の説明〕
図３のフローチャートについても、目的関数Ｊを最小とする指向性パタンのセットＸmin＝｛Ｘm,k｝とその際のｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）による相関行列の固有ベクトルｅmin（次数はｍ0）を求めるとの差異を除けば、本質的には図２とほとんど同一であり、図３のステップ３００〜３１８は、図２のステップ２００〜２１８に対応し、枝分かれや順序づけも対応する。
【００５８】
図３のステップ３００では、図２のステップ２００のＪMAXの初期値に替えてＪminの初期値を設定する。図３のステップ３０２〜３０８は図２のステップ２０２〜２０８と同じである。図３のステップ３１０では、目的関数ＪがＪminより小さいかどうかを判定し、目的関数ＪがＪminより小さければステップ３１２に進み、目的関数ＪがＪminより小さくなければステップ３１４に進む。図３のステップ３１２ではＪminをＪに置き換え、Ｊminを与える指向性パタンのセットＸminをＸ（ｎ）で書き換えてステップ３１４に進む。尚、指向性パタンのセットＸ（ｎ）でのｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）による相関行列をも記憶し、順次更新すると良い。図３のステップ３１４及び３１６は図２のステップ２１４及び２１６と同じである。
【００５９】
ステップ３１８にたどりつく場合は、全ての指向性パタンのセットについて目的関数Ｊが求められ、その最小値Ｊminを与える指向性パタンのセットＸminが求められたときである。よって、ステップ３１８では、目的関数Ｊの最大値Ｊminに対応するｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）による相関行列の固有ベクトルｅmin（次数はｍ0）を求める。こうして、指向性パタンのセットＸminと固有ベクトルｅminにより、ｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮ−ｍ及び重み付け装置（乗算器）Ｗ−ｍとに、矛盾のない制御を行うことが可能となる。
【００６０】
〔シミュレーション１−１〕
まず図２に示す、目的関数の最大値を求める制御方法について述べる。簡単のため、アンテナ素子数ｍ0＝２でそれぞれが同一の特性をもつものとし、各アンテナの指向性をｋ0＝５とした。ｋ0＝１〜５の水平面指向性をそれぞれ図４．Ａ〜図４．Ｅに示す。図４．Ａはオムニパタンであり、図４．Ｂ、図４．Ｃ、図４．Ｄ、図４．Ｅはそれぞれ０ｄｅｇ、９０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ、２７０ｄｅｇにピークを持つビームパタンである。図５に示すように、ふたつのアンテナ素子をｋ１、ｋ２とし、波長λだけ離して設置した。ここで、ｘ軸正方向（点ｋ１と点ｋ２を結ぶ線分の垂直二等分線）を０ｄｅｇとした。受信波としては、２５ｄｅｇの方向から１波が到来しているとし、目的関数Ｊを最大固有値とする条件、即ち最大比合成となるようにシミュレーションを行った。このときの各指向性パタンのセットにおける最大固有値λMAXを表１に示す。ただし、アンテナ素子ｋ１、ｋ２における指向性をそれぞれＸ１、Ｘ２とし、結果を（Ｘ１，Ｘ２）＝（１，１）のときの値で規格化した。
【００６１】
【表１】
0004708918.tif 000002
【００６２】
表１の結果より、最大固有値λMAXが最大となるのは指向性パタンのセット（Ｘ１，Ｘ２）＝（２，２）であり、オムニパタンの指向性の組み合わせである指向性パタンのセット（（Ｘ１，Ｘ２）＝（１，１））と比べて約１０倍となっている。このとき、図４．Ｂに示したパタンより明らかに到来波方向にビームが向いていることがわかる。以上より、最大固有値のみを観察しながらアンテナ指向性を順次変えていくことによって、所望の波の到来方向にビームを向けることができることを確認した。
【００６３】
〔シミュレーション１−２〕
同様にして、１５０ｄｅｇと２７０ｄｅｇの方向から、それぞれ無相関の２波が到来しているとし、図２の目的関数Ｊに、雑音成分を示す固有値を除いた最小固有値（ここでは第２最大固有値）を与えた。このときの各指向性パタンのセットにおける雑音成分を示す固有値を除いた最小固有値λminを表２に示す。
【００６４】
【表２】
0004708918.tif 000003
【００６５】
表２の結果より、最小固有値λminが最大となるは指向性パタンのセット（Ｘ１，Ｘ２）＝（４，５）のときであり、オムニパタンの指向性の組み合わせである指向性パタンのセット（（Ｘ１，Ｘ２）＝（１，１））の５倍以上となっている。このとき、図４．Ｄ及び図４．Ｅのパタンより明らかに、Ｘ１＝４即ちアンテナ素子ｋ１が１５０ｄｅｇの到来方向、Ｘ２＝５即ちアンテナ素子ｋ２が２７０ｄｅｇの到来方向に対してビームが向いていることがわかる。以上より、複数の波を受信したいときに、有効にビームを制御できることを確認した。
【実施例２】
【００６６】
〔図６及び図７の概要〕
図６は本発明に係る第２の実施例であるアレーアンテナの制御装置２００の構成を示す説明図である。本構成は、第１の実施例における、指向性制御可能なｍ0個のアンテナ素子ＡＮ−ｍ（ｍはｍ0以下の自然数）を、可変リアクタンス素子を装荷したｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮｐ−ｍに置き換えた構成である。適応制御コントローラＣ１から複数の可変リアクタンス素子のリアクタンス値を与えることにより、各アンテナの指向性を連続的に制御することができる。
【００６７】
各指向性可変アンテナ素子ＡＮｐ−ｍは各々ｋ個（ｋはｋ0以下の自然数）の可変リアクタンス素子を備えている。本実施例２では反復的な非線形アルゴリズム、例えば最急降下法を用いて、適切なリアクタンス値、固有値、および固有ベクトルを求め、ひとつまたは複数の所望波に対して高いＳＩＮＲを達成するように指向性を制御できることを示す。
【００６８】
図７の手順に従って、リアクタンス値ｘm,kの各成分を順次所定の微小値Δｘm,kだけ摂動させて受信信号を得て、受信信号の相関行列から目的関数Ｊの変化分（偏微分値）を得て勾配値∇Ｊを求め、目的関数の最大または最小を求めるために最急勾配法を適用する。繰り返し数Ｌ0だけ手順を繰り返したのち、目的関数Ｊが最大または最小となったとして、各リアクタンス値ｘm,kおよびそのときの受信信号の相関行列に対し、制御アルゴリズムに応じて固有値を求めてから、或いは直接に固有ベクトルｅを求める。こうして各リアクタンス値ｘm,kによりｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮｐ−ｍのｋ0個のリアクタンス素子を制御して（例えばバラクタダイオードの電位を制御して）各アンテナ素子ＡＮｐ−ｍを制御し、固有ベクトルｅのｍ番目の要素を受信信号ｙm（ｔ）に対応する重み係数として乗算器Ｗ−ｍに出力すれば、図６のアレーアンテナ装置２００において、所望波に対して高いＳＩＮＲを実現できる。
【００６９】
〔図７の詳細〕
図７のフローチャートを、例えば目的関数Ｊとしてｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）によるｍ0行ｍ0列の相関行列の所定番目に大きい固有値であって、当該固有値を最大とする場合のｍ0ｋ0個のリアクタンス値ｘm,kの組｛ｘm,k｝を求める場合として説明する。尚、ｍ0ｋ0個のリアクタンス値ｘm,kを、１番からｍ0ｋ0（＝ｎ0）番まで番号を振って、単にｘn（ｎはｎ0以下の自然数）と示す。同様にΔｘm,kを、単にΔｘnと示す。尚、全てのΔｘnを同一の微小値Δｘと設定しても良い。また、リアクタンス値ｘm,kの組｛ｘm,k｝、即ちリアクタンス値ｘnの組｛ｘn｝のＬ回目の更新を単にｘ（Ｌ）と示す。ｘ（Ｌ）はｍ0ｋ0個のリアクタンス値から成るｍ0ｋ0次のベクトルである。また、リアクタンス値ｘnの組｛ｘn｝の初期値は、全要素が各リアクタンス値ｘm,kの最低値、例えば０であるとする。また、比較のため、各リアクタンス値ｘm,kの取りうる最大値を別途記憶しておく。
【００７０】
図７のようにステップ７００（図７ではＳ７００と記載、以下同じ）で、まず、自然数カウンタＬの初期値を１とし、ステップ７０２に進む。ステップ７０２では自然数カウンタｎの初期値を１とし、ステップ７０４に進む。
【００７１】
ステップ７０４では第Ｌ回の更新のための受信信号として、ｍ0ｋ0（＝ｎ0）個のリアクタンス値ｘnの組｛ｘn｝即ちベクトルｘ（Ｌ）によりｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮｐ−ｍの指向性を設定して、所定時間、受信信号ｙm（ｔ）を得てステップ７０６に進む。
【００７２】
ステップ７０６では、ｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）によるｍ0行ｍ0列の相関行列から、固有値演算を行い、目的関数Ｊの値を計算する。本実施例では相関行列の所定番目に大きい固有値である。このＪの値を比較対象値ＪSとして記憶し、ステップ７０８に進む。
【００７３】
ステップ７０８では、ｎ番目のリアクタンス値ｘnのみについて、微小値Δｘnだけ増加させる。上述の通り、全ての微小値Δｘnを同一の値Δｘとしても良い。次にステップ７１０に進む。
【００７４】
ステップ７１０では、ｎ番目のリアクタンス値ｘnのみ更新されたｍ0ｋ0（＝ｎ0）個のリアクタンス値ｘnの組｛ｘn｝、即ちベクトルｘ（Ｌ）によりｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮｐ−ｍの指向性を設定して、所定時間、受信信号ｙm（ｔ）を得てステップ７１２に進む。
【００７５】
ステップ７１２では、ｍ0個の受信信号ｙm（ｔ）によるｍ0行ｍ0列の相関行列から、固有値演算を行い、目的関数Ｊの値を計算する。本実施例では相関行列の所定番目に大きい固有値である。次にステップ７１４に進む。
【００７６】
ステップ７１４では、このＪの値の比較対象値ＪSに対する増加分を、ｎ番目のリアクタンス値ｘnに対する目的関数Ｊの偏微分値として記憶し、ステップ７１６に進む。
【００７７】
ステップ７１６では、ｎ番目のリアクタンス値ｘnのみについて、微小値Δｘnだけ減少させる。これにより、ｎ番目のリアクタンス値ｘnは、ステップ７０８で更新する前の値に戻る。次にステップ７１８に進む。
【００７８】
ステップ７１８では、ｎが最大値であるｎ0（＝ｍ0ｋ0）以上であるかどうかを判定し、ｎが最大値であるｎ0（＝ｍ0ｋ0）以上でなければステップ７２０に、ｎが最大値であるｎ0（＝ｍ0ｋ0）以上であればステップ７２２にそれぞれ進む。ステップ７２０では、ｎをｎ＋１に更新して、ステップ７０８に進む。
【００７９】
ステップ７２２では、今回Ｌ回目の更新でのＪの勾配である、ｎ0（＝ｍ0ｋ0）個の値を有するベクトル∇Ｊ（Ｌ）（ｎ番目の要素がｎ番目のリアクタンス値ｘnに対する目的関数Ｊの偏微分値）をμ倍して、ベクトルｘ（Ｌ）に加えて、ベクトルｘ（Ｌ＋１）を求めて記憶する。このμは、最急降下法におけるステップ量である。この際、ベクトルｘ（Ｌ）は消去して良いが、ベクトルｘ（Ｌ＋１）のｎ0（＝ｍ0ｋ0）個の要素、即ちｘm,kのうち、１個でもその取りうる最大値を超える場合はｘ（Ｌ＋１）＝ｘ（Ｌ）とするものとする。次にステップ７２４に進む。
【００８０】
ステップ７２４では、Ｌが最大値であるＬ0以上であるかどうかを判定し、Ｌが最大値であるＬ0以上でなければステップ７２６に、Ｌが最大値であるＬ0以上であればステップ７２８にそれぞれ進む。ステップ７２６では、ＬをＬ＋１に更新して、ステップ７０２に進む。
【００８１】
ステップ７２８では、ｎ0（＝ｍ0ｋ0）次のベクトルｘ（Ｌ0＋１）のｎ番目の要素をリアクタンス値ｘn、即ちリアクタンス値ｘm,kとして、ｍ0ｋ0個のリアクタンス値ｘm,kによりｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮｐ−ｍの指向性を設定して、所定時間、受信信号ｙm（ｔ）を得る。更にこの受信信号ｙm（ｔ）によりｍ0行ｍ0列の相関行列を算出する。更に、その相関行列の所定番目に大きい固有値を求める。そして当該固有値に対応するｍ0次の固有ベクトルｅを求める。
【００８２】
こうして、ｎ0（＝ｍ0ｋ0）次のベクトルｘ（Ｌ0＋１）のｍ0ｋ0個のリアクタンス値ｘm,kによりｍ0個の指向性可変アンテナ素子ＡＮｐ−ｍの指向性を設定し、ｍ0次の固有ベクトルｅのｍ番目の要素により受信信号ｙm（ｔ）に対応する重み係数として乗算器Ｗ−ｍに出力すれば、図６のアレーアンテナ装置２００において、所望波に対して高いＳＩＮＲを実現できる。
【００８３】
〔シミュレーション２−１〕
可変リアクタンス素子を装荷した指向性可変アンテナ素子ＡＮｐ−１及至ＡＮｐ−ｍに、図１２に示す７素子エスパアンテナ１０を２ユニット用い、ｍ0＝２、ｋ0＝６としてシミュレーションを行った。各アンテナの配置は実施例１の場合と同様とし、それぞれのアンテナ素子を図５におけるｋ１，ｋ２の配置とした。また、簡単のため、リアクタンス値ｘm,kの初期値（最小値）は０とした。
【００８４】
まず、０ｄｅｇと１５０ｄｅｇから無相関で同一電力の２波が到来しているとし、目的関数Ｊをｍ0個の受信信号の相関行列の最大固有値として、目的関数Ｊを最大とする規範において図７の最急降下法を行った。収束状態における、ｋ１，ｋ２におけるパタンをそれぞれ図８．Ａ、図８．Ｂに示す。この場合、１５０ｄｅｇから到来する一波に対してすべてのアンテナ素子が到来方向にビームを向けていることがわかる。このように、目的関数Ｊを受信信号の相関行列の最大固有値とした場合、最も強い電波を受信したいときに有効に動作する。尚、数値演算によるためたまたま１５０ｄｅｇの方向にビームを向けたが、同一電力である以上、演算結果が０ｄｅｇの方向にビームを向ける可能性もあった。
【００８５】
〔シミュレーション２−２〕
次に、同様の到来環境において、目的関数Ｊをｍ0個の受信信号の相関行列の固有値の、雑音成分を除く最小固有値として、目的関数Ｊを最大とする規範において図７の最急降下法を行った。収束状態における、ｋ１，ｋ２におけるパタンをそれぞれ図９．Ａ、図９．Ｂに示す。到来する２波の到来方向である０ｄｅｇと１５０ｄｅｇとにビームを向けており、同時に受信していることが確認できた。
【００８６】
〔変形例〕
実施例２では各アンテナ素子に図１２のアンテナを用いたが、他の構造のアンテナ素子を用いてもよく、例えば、図１０に示す平面構造可変リアクタンス装荷指向性制御アンテナ２０を用いてもよい。これは本願の請求項３に言う主のループ配線と従のループ配線とから成るアンテナ素子に対応する。図１０の平面構造可変リアクタンス装荷指向性制御アンテナ２０は本願出願人らによる特願２００５−１５９０１４で述べている。以下、簡単に説明する。
【００８７】
図１０のアンテナ２０が備える給電素子Ａ１１、無給電素子Ｐ１１ａおよび無給電素子Ｐ１１ｂの各ループ配線の平面形状はそれぞれ円形になっている。この給電素子Ａ１１が主のループ配線に相当している。また、無給電素子Ｐ１１ａおよび無給電素子Ｐ１１ｂが、従のループ配線に相当する。給電素子Ａ１１は、図１０のｙｚ平面に平行な基準平面Σ0上に配置されている。また、無給電素子Ｐ１１ａ及び無給電素子Ｐ１１ｂは、この基準平面Σ0に平行な平面Σ2上にそれぞれ配置されている。ここで符号ｄ２は、これらの基準平面Σ0と平面Σ2との距離を示している。
【００８８】
また、図１０の平面Σ1は、給電素子Ａ１１の中心点Ｃ0を通る、平面Σ0に垂直な平面（以下、垂直断面Σ1と言う）である。垂直断面Σ1は、ｘｙ平面に平行な面であり、主のループ配線が囲む平面領域に対して垂直に交わり、従のループ配線（無給電素子Ｐ１１ａおよび無給電素子Ｐ１１ｂ）の中心点Ｃa，Ｃbは何れもこの垂直断面Σ1上に配置されている。
図１０の符号ｄ１ａは、無給電素子Ｐ１１ａの中心点Ｃaから主のループ配線の中心点Ｃ0までの距離を示している。また同様に、符号ｄ１ｂは、無給電素子Ｐ１１ｂの中心点Ｃbの中心点Ｃ0までの距離を示している。より詳しく言えば、給電素子Ａ１１に対して、それぞれの従のループ配線（無給電素子Ｐ１１ａおよび無給電素子Ｐ１１ｂ）は、所定の基準となる１波長λに対して、ｙ軸方向においてはｄ１ａ＝ｄ１ｂ＝λ／４となる様に配置されており、かつ、ｚ軸方向においてはｄ２＝0.0064λとなる様に基準平面Σ0から離して設置されている。
【００８９】
また、給電素子Ａ１１上には、垂直断面Σ1上に給電部Ｆ０が配置されており、このループ配線の反対側には可変リアクタンス素子Ｘ１が配設されている。その他の各可変リアクタンス素子Ｘ２〜Ｘ５についても、各ループ配線上の垂直断面Σ1上にそれぞれ１つずつ配設されている。
これらの構成により、各ループ配線における各リアクタンスの作用をも加味した各ループの実効長は、各リアクタンス素子Ｘ１〜Ｘ５の各リアクタンス値の可変制御に基づいて、何れも本アンテナ１００が取り扱う目的の電磁波の１波長に一致する様に可変制御することができる。
【００９０】
なお、可変リアクタンス素子Ｘ１〜Ｘ５はバリキャップダイオード、チップコンデンサ、チップインダクタ、チップ抵抗などのチップ部品から構成されており、バリキャップダイオードに直流電圧を加えることでリアクタンス値を変化させる。また、可変リアクタンス素子Ｘ１〜Ｘ５の可変範囲は例えば、−１００Ωから＋１００Ωとすると良い。
また、以上の実施形態においては給電素子Ａ１１、無給電素子Ｐ１１ａ、Ｐ１１ｂを多層構造としたが、それぞれの素子が交点を持たなければよく、同一平面で構成し、例えばブリッジをつかって交点を持たないように構成してもよい。
【００９１】
以下、アンテナ２０の制御理論と動作特性について説明する。
線路長が１波長λであるループアンテナＡ１１は、近似的に給電部Ｆ０および可変リアクタンス素子Ｘ１を設置している位置に微小ダイポールアンテナが存在するとみなすことができる。同様に、無給電素子Ｐ１１ａおよびＰ１１ｂにおいても、可変リアクタンス素子Ｘ２及至Ｘ５を設置している位置を微小ダイポールアンテナが存在するとみなすことができる。このためアンテナ１００は６素子微小ダイポールアレイとして、従来のエスパアンテナの理論を適用することができる。
【００９２】
隣り合う各ループ配線の中心間のｙ軸方向における距離ｄ１ａ，ｄ１ｂを適切に設定することで、ダイポールを平面状に並べたときに比べて強い結合を維持したまま更に制御素子を増設可能なことが判明している。
また、各リアクタンス素子のリアクタンス値を適切に設定することによりアンテナの指向性（放射パターン）を自在に制御可能なことが判明している。
【００９３】
また、この発明では前述した様に給電部Ｆ０、可変リアクタンス素子Ｘ１〜Ｘ５を近似的に微小ダイポールとみなすことによって、指向性をアレーファクタと等価ウェイトベクトルの積で表現し、定式化することができる。そして、例えばこの様な定式化により、従来のエスパアンテナにおけるリアクタンスドメインアルゴリズムを容易に応用することができるので、本発明のアンテナ装置を用いれば、到来波の方位や位相などを精度よく推定する高度な適応制御を実行することができる。
【００９４】
可変リアクタンス素子の数が制御の自由度となり、自由度分の到来波を推定できることが判明している。
【００９５】
〔まとめ〕
以上の通り、本願発明のアレーアンテナ装置の制御方法によれば、例えば最大電力の到来波の方向に各指向性可変アンテナ素子のビームを揃え、又は限定された指向性パタンのうちの中でより近い指向性パタンとし、且つ矛盾のない最大比合成を行うことが可能となる。更に、最小電力の到来方向にも少なくとも１本の指向性可変アンテナ素子のビームを揃え、又は限定された指向性パタンのうちの中でより近い指向性パタンとし、且つ矛盾のない最大比合成を行うことが可能となる。これは、最大値を探索する目的関数として、受信信号の相関行列のどの固有値について着目するかによるものである。例えば実施例２の最急降下法によれば、受信信号の相関行列の最大固有値に着目すれば、全ての指向性可変アンテナ素子のビームが最大電力の到来波の方向に向かって集束し、受信信号の相関行列の最小固有値に着目すれば、各指向性可変アンテナ素子のビームがそれぞれの到来波の入力電力の和を大きくするように決定される。また、後段の重み付けによって各波の分離受信が可能である。
【００９６】
〔その他〕
また、本実施例２ではリアクタンスの初期値をすべて０とし、最急勾配法のみを用いて制御を行ったが、あらかじめ代表的なパタンを与えるリアクタンス値をいくつか用意しておき、実施例１のようにまずそれらの組み合わせの中で目的関数が最大または最小となるものを調べ、そのときのリアクタンス値を初期値として反復的な非線形計画法を行ってもよい。
その他に、各アンテナ素子において到来波推定を行い、その情報に基づいて到来波に対して指向性を向けるようなリアクタンス値を計算し、初期値として上記反復的な非線形計画法を行ってもよい。
【００９７】
また、本実施例１および２では、各指向性可変アンテナ素子を同一の特性を持つと仮定したが、異なる特性を持つアンテナ素子で構成してもよい。例えば、指向性が不変のアンテナ素子をアンテナ素子の一部に用いてアレーアンテナ装置を構成してもよい。そのほか、可変リアクタンス素子の数や、アンテナ形状の異なるアンテナ素子を用いて、アレーアンテナ装置を構成してもよい。
【００９８】
また、本実施例１および２では、受信信号の相関行列から求めた固有値・固有ベクトルを用いて、目的関数を構成したが、この相関行列を他の行列に置き換えて制御を行ってもよい。例えば、ＭＩＭＯシステムにおけるチャネル行列の相関行列を用いて制御を行うことが考えられる。例えば、Ｅ−ＳＤＭにおいて、目的関数を送信信号系列中の最小固有値とし、目的関数が最大となるような制御を行うことで、ＢＥＲ特性が改善することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】実施例１のアレーアンテナ装置の説明図。
【図２】実施例１のアレーアンテナ装置のアンテナ素子切り替えによる適応制御処理アルゴリズム１。
【図３】実施例１のアレーアンテナ装置のアンテナ素子切り替えによる適応制御処理アルゴリズム２。
【図４】実施例１において用いた各アンテナの、オムニパタン（４．Ａ）、０ｄｅｇ方向ビームパタン（４．Ｂ）、９０ｄｅｇ方向ビームパタン（４．Ｃ）、１８０ｄｅｇ方向ビームパタン（４．Ｄ）、２７０ｄｅｇ方向ビームパタン（４．Ｅ）。
【図５】実施例１において用いた各アンテナ素子の配置説明図。
【図６】実施例２のアレーアンテナ装置の説明図。
【図７】実施例２のアレーアンテナ装置の最急降下法よる適応制御処理アルゴリズム。。
【図８】実施例２の制御方法の特性を示す、アンテナ素子ｋ１のパタン（８．Ａ）とアンテナ素子ｋ２のパタン（８．Ｂ）。
【図９】実施例２の制御方法の特性を示す、アンテナ素子ｋ１のパタン（９．Ａ）とアンテナ素子ｋ２のパタン（９．Ｂ）。
【図１０】実施例２のアンテナ素子の変形例。
【図１１】従来のダイバーシチアンテナ装置の説明図。
【図１２】従来の可変リアクタンス素子装荷指向性制御アンテナの説明図。
【符号の説明】
【０１００】
ＡＮ−ｍ：指向性可変アンテナ素子（ｍはｍ0以下の自然数、以下同じ）
Ｒ−ｍ：無線受信機
Ｗ−ｍ：重み付け装置
Ｃ１：適応制御コントローラ
ｐ１：信号合成装置
ｋ１，ｋ２：指向性可変アンテナ素子
ＡＮｐ−ｍ：可変リアクタンス素子を装荷した指向性可変アンテナ素子
Ａ１１：給電点を含む金属ループ配線
Ｐ１１ａ，Ｐ１１ｂ：給電点を含まない金属ループ配線
Ａ０：給電点
ＡＮｎ−ｍ：指向性不変アンテナ素子
【図１】
0004708918.tif 000004
【図２】
0004708918.tif 000005
【図３】
0004708918.tif 000006
【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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