(57)【要約】【課題】アレーアンテナ装置のマイクロストリップアンテナ素子の偏波方向とこれを囲む導電体の高さを最適化して十分な相互結合抑制を行う。【解決手段】マイクロストリップアンテナ素子が誘電体基板の同一面上に少なくとも２つ以上配置され、該誘電体基板に垂直に構成した導電体を各々の該マイクロストリップアンテナ素子を囲むように配置したアレーアンテナ装置において、誘電体基板に垂直に構成した該導電体は、該マイクロストリップアンテナ素子の偏波に垂直な方向の該導電体の高さを該マイクロストリップアンテナ素子の偏波に平行な方向の該導電体の高さに比較して高くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロストリップアンテナ素子が誘電体基板の同一面上に少なくとも２つ以上配置され、該誘電体基板に垂直に構成した導電体を各々の該マイクロストリップアンテナ素子を囲むように配置したアレーアンテナ装置において、
誘電体基板に垂直に構成した該導電体は、
該マイクロストリップアンテナ素子の偏波に垂直な方向の該導電体の高さを該マイクロストリップアンテナ素子の偏波に平行な方向の該導電体の高さに比較して高くしたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアレーアンテナ装置において、
該マイクロストリップ素子として、方形マイクロストリップアンテナを用い、誘電体基板に垂直に構成した該導電体の形状を方形とし、該マイクロストリップアンテナ素子の偏波に平行および垂直な方向の長さをそれぞれほぼ半波長、５分の２波長とし、偏波に平行および垂直な方向の該導電体の高さをそれぞれほぼ５分の１波長、４分の１波長としたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波の到来方向を高精度に推定するために用いられるアレーアンテナ装置に関し、特に十分な相互結合抑圧を行うことができるアレーアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動通信やレーダ等の用途において、電波の到来方向を推定し、通信の品質を改善したり、位置の推定を高精度に行う要求が高まっている。電波の到来方向を推定する方法としては、アレーアンテナを用い、アンテナの主ビームを走査して最大受信電力となる方向を見つけることによって電波の到来方向を推定するビームフォーマ法や、アレー指向性のヌルを到来方向に向けることにより、さらに高精度に電波の到来方向を推定するCapon法、MUSIC法などの各種高分解能到来方向推定アルゴリズムを適用して推定する方法が提案されている（非特許文献１）。このような高分解能な到来方向推定アルゴリズムを適用すると、平面波が到来する場合には、理想的には１度以内の精度で到来方向を推定することが可能となる。
【０００３】
図６に、このような電波到来方向推定に用いるハードウェア構成の例を示す。６１はマイクロストリップアンテナで構成されたアレーアンテナ、６２は低雑音増幅器、不要な帯域の信号を除去するフィルタ、周波数変換器、直交検波器等を含む無線受信装置、６３はＡ／Ｄ変換器、６４は電波到来方向推定処理を行う信号処理部である。このような電波到来方向推定装置では、無線受信装置は素子ごとに配置される。電波の到来方向を精度よく推定するためには、アレーアンテナ素子を規定の素子間隔で精度よく配列する必要がある。プリント基板上に構成したマイクロストリップアンテナを用いると素子をミクロンオーダの精度で配置できるため、このような高精度到来方向推定装置には有効である。
また、放射素子（例えば、パッチ素子）が複数個配置されたアレーアンテナにおいて、放射素子の各々はその側部が導体壁で囲まれたキャビティ内に設け、隣接する放射素子間で相互作用を防止するとともに、アレーアンテナとしてのアンテナ特性、特にサイドローブ特性を改善することが提案されている（特許文献１  参照）。
【非特許文献１】菊間信良著、“アレーアンテナによる適応信号処理”、科学技術出版
【特許文献１】特開平１１−３０８０４４号公報（請求項１，３、発明の効果）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、先に述べた到来方向推定アルゴリズムの特性は、アレーアンテナの各素子間の相互結合が無視できる場合に成り立つが、実際のアレーアンテナでは、電波を受信したときに各素子に流れる電流によって再放射電磁界が生じ、この再放射電磁界が隣接素子の特性に影響を及ぼすいわゆる相互結合特性が生じる。この相互結合によって到来方向の推定精度が劣化するという問題がある。図７は素子間隔が半波長のマイクロストリップアレーアンテナにおいて素子間の結合量をパラメータとし、素子間結合に対する到来方向の推定誤差を定量的に解析した結果を示している。一般にアレーアンテナでは、隣接素子間の結合量が−１０〜−１５dB程度存在するので、８素子アレーアンテナで約３度、１２素子アレーアンテナで２．５度程度の到来方向推定誤差が生じることがわかる。よって特に基地局において位置を推定するような用途では、３度程度の到来方向誤差は、１km先で誤差が５０m程度と大きな誤差となる。
【０００５】
方形マイクロストリップアンテナを素子に用いたアレーアンテナ構成で素子間結合を低減する手法として、マイクロストリップアンテナ素子の形状をアレーの配列方向に幅が狭い長方形とし、素子の中心間距離を変えずにできるだけ素子間距離を広げることによって相互結合を低減する手法が提案されている（深川他、“移動体通信アンテナのためのマイクロ波到来方向推定実験装置の検討”，電子情報通信学会技術報告，A・P96-177，1997）。図８に素子間隔半波長の４素子直線配列方形マイクロストリップアレーアンテナにおける、素子のアスペクト比に対する相互結合量の変化を示す。図よりわかるようにアスペクト比を大きくして素子の間隔を広げることにより相互結合は低減できるが正方形マイクロストリップアンテナに対する相互結合の低減量は３dB程度であり、十分に低減することはできない。
また、特許文献１に記載の発明は、偏波と導体壁の高さについては言及されておらず、十分な相互結合抑制を行うことができない。
本発明は、マイクロストリップアンテナ素子の偏波方向とマイクロストリップアンテナ素子を囲む導電体（導体壁）の高さを最適化して、実際の電波の到来方向推定を行う際に問題となるアレーアンテナの素子間結合量を低減し、到来方向推定精度を改善することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、
マイクロストリップアンテナ素子が誘電体基板の同一面上に少なくとも２つ以上配置され、該誘電体基板に垂直に構成した導電体を各々の該マイクロストリップアンテナ素子を囲むように配置したアレーアンテナ装置において、誘電体基板に垂直に構成した該導電体は、該マイクロストリップアンテナ素子の偏波に垂直な方向の該導電体の高さを該マイクロストリップアンテナ素子の偏波に平行な方向の該導電体の高さに比較して高くしたことを特徴とする。
また、請求項２の発明は、
請求項１に記載のアレーアンテナ装置において、該マイクロストリップ素子として、方形マイクロストリップアンテナを用い、誘電体基板に垂直に構成した該導電体の形状を方形とし、該マイクロストリップアンテナ素子の偏波に平行および垂直な方向の長さをそれぞれほぼ半波長、５分の２波長とし、偏波に平行および垂直な方向の該導電体の高さをそれぞれほぼ５分の１波長、４分の１波長としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
マイクロストリップアンテナ素子の偏波方向と各々の該マイクロストリップアンテナ素子を囲むように配置した導電体の高さを最適化して十分な相互結合抑圧を行う、すなわちマイクロストリップアンテナ素子の偏波に垂直な方向の導電体の高さをマイクロストリップアンテナ素子の偏波に平行な方向の導電体の高さに比較して高くしたことにより、周状導電体が共振状態となり、隣接素子方向への放射が抑制されるため、十分な相互結合抑圧を行うことができる。したがって、実際の到来電波推定精度を改善でき、移動通信の際に不要信号に十分なヌルを向けたり、端末（例えば、携帯電話）の位置を精度よく推定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明を図１のアレーアンテナ装置の構成例を用いて説明する。
図中の１１はマイクロストリップアンテナ素子、１２は周状導電体、１３は各素子への給電点、１４は誘電体基板である。この例ではマイクロストリップアンテナ１１へは誘電体基板１４の裏面からコネクタ等によって給電される構成を示している。
図２は２素子マイクロストリップアンテナにおいて周状の導電体がある場合における相互結合量の解析結果を示す。ここでは図１に示す周状導電体の大きさ（Ｘ，Ｙ方向の長さ）Ｌｘ，Ｌｙはともに３／８波長、高さｈｘは１／４波長、ｈｙは１／８波長となっており、素子間隔は半波長である。図２よりわかるように、図１に示された周状の導電体を配置することにより相互結合量を−２０dB以下に低減できることがわかる。図５より相互結合量を−２０dB以下にすることにより相互結合量が−１５dBの時の到来方向推定結果に対して推定誤差を半分以下にすることができることがわかる。
【０００９】
図３に２素子の正方形マイクロストリップアンテナに対して、Ｌｘ，Ｌｙを３／８波長とし、ｈｘを１／４波長に固定して、ｈｙを変化させたときの相互結合量の測定結果を示す。図よりわかるように、ｈｙが１／５波長の時に相互結合量が最小となり、かつｈｙを１／５波長以上とするとアンテナの整合がとれないため、ｈｙをほぼ１／５波長とすることが望ましい。また、ｈｙを１／５波長より大きくし、ｈｙがｈｘよりも大きくなる場合、アンテナの整合がとれないという測定結果より、ｈｙはｈｘよりも小さい必要がある。ｈｙを１／５波長に固定しｈｘを変化させた場合について測定を行ったが、ｈｘがほぼ１／４波長以外はアンテナの整合がとれないという結果となった。
【００１０】
図４はｈｘ，ｈｙをそれぞれ１／４波長、１／５波調とし、Ｌｘを２／５波調に固定してＬｙを変化させたときの相互結合量の測定結果を示す。図よりわかるように、Ｌｙが半波長で相互結合量が最も小さくなり、相互結合量を−３０dB以下にできることがわかる。またＬｙを半波長に固定しＬｘを変化させた場合も測定を行ったが、Ｌｘが２／５波長以外の構造ではアンテナの整合がとれなかった。よって、周状導体の構造を素子偏波と垂直な方向の長さＬｘを２／５波長、高さｈｘを１／４波長とし、周状導電体の素子偏波と平行な方向の長さＬｙを１／２波長、高さｈｙを１／５波長とすることにより相互結合量を最小とすることができることがわかる。
【００１１】
図５に周状導電体がある場合とない場合の放射特性の比較を示す。図よりわかるように、周状導電体を配置することによりアレー方向（９０度、２７０度方向）の指向性利得が小さくなる。このことが相互結合の低減に寄与していると考えられる。周状導体板をつけたときの半値角は９０度以上あり、実用上は特に問題が生じない。
以上述べた例ではアンテナの素子間隔が半波長の場合におけるデータで示しているが、半波長よりも広い場合でも本発明は同様に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のアレーアンテナ装置の構成例を示す図。
【図２】図１のアレーアンテナ装置の相互結合特性を示す図。
【図３】Ｌｘ，Ｌｙを３／８波長、ｈｘを１／４波長に固定し、ｈｙを変化させた時の相互結合量の測定結果を示す図。
【図４】ｈｘ，ｈｙを１／４波長、Ｌｘを２／５波長に固定し、Ｌｙを変化させた時の相互結合量の測定結果を示す図。
【図５】周状導体あり、なしの放射特性の比較を示す図。
【図６】電波到来方向推定装置の構成例を示す図。
【図７】素子間相互結合量による到来波推定誤差への影響を示す図。
【図８】方形マイクロストリップアレーアンテナ素子のアスペクト比と相互結合量の関係を示す図。
【符号の説明】
【００１３】
１１・・・マイクロストリップアンテナ素子、１２・・・周状導電体、１３・・・給電点、１４・・・誘電体基板
【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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