(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ毎に個別の受信機が接続された受信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整される無給電のアンテナ素子とを有する受信側のアレーアンテナと、前記アレーアンテナと通信を行う送信機と接続された送信アンテナ素子とを備えると共に、前記受信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記受信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスとからなるインピーダンス行列が既知である無線通信システムにおけるアレーアンテナ制御方法であって、
前記無線通信システム内の信号処理回路により、
前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させ、複数の異なる終端条件下における前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定するステップと、
前記測定された伝達関数と前記インピーダンス行列とを基に前記無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数を計算するステップと、
前記計算された無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出するステップと、
が行われることを特徴とするアレーアンテナ制御方法。
【請求項２】
アンテナ毎に個別の送信機が接続された送信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整される無給電のアンテナ素子とを有する送信側のアレーアンテナと、前記アレーアンテナと通信を行う受信機が接続された受信アンテナ素子とを備えると共に、前記送信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記送信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスとからなるインピーダンス行列が既知である無線通信システムにおけるアレーアンテナ制御方法であって、
前記無線通信システム内の信号処理回路により、
前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させ、複数の異なる終端条件下における前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定するステップと、
前記測定された伝達関数と前記インピーダンス行列とを基に前記無給電アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を計算するステップと、
前記計算された無給電アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出するステップと、
が行われることを特徴とするアレーアンテナ制御方法。
【請求項３】
前記測定した伝達関数行列を基に、送信側のアンテナ素子と受信側のアンテナ素子との間の散乱行列を算出するステップと、
前記散乱行列を基に、任意の終端条件における伝達関数行列を推定する伝達関数行列生成ステップと、
前記任意の終端条件における伝達関数行列を基にチャネル容量を算出するチャネル容量算出ステップと、
前記終端条件を変化させて前記伝達関数行列生成ステップと前記チャネル容量算出ステップを実行し、チャネル容量が最大になるように前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出するステップと、
が行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアレーアンテナ制御方法。
【請求項４】
前記アレーアンテナ中の受信機が接続された受信アンテナ素子または前記アレーアンテナ中の送信機が接続された送信アンテナ素子の数がＭｒ、前記アレーアンテナ中の無給電アンテナ素子の数がＭｐであり、ＭｐがＭｒと等しいかまたはＭｐがＭｒ未満である場合に、
前記無給電アンテナ素子の終端条件を変化させ、各終端条件に対して送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定するステップは、
２通りの終端条件に対して伝達関数を測定すること、
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のアレーアンテナ制御方法。
【請求項５】
前記アレーアンテナ中の受信機が接続された受信アンテナ素子または前記アレーアンテナ中の送信機が接続された送信アンテナ素子の数がＭｒ、前記アレーアンテナ中の無給電アンテナ素子の数がＭｐであり、ＭｐがＭｒより大きい場合に、
前記無給電アンテナ素子の終端条件を変化させ、各終端条件に対して送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定するステップは、
Ｍｐ／Ｍｒ≦Ｋ＜Ｍｐ／Ｍｒ＋１、となるような（Ｋ＋１）通りの終端条件に対して伝達関数を測定すること、
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のアレーアンテナ制御方法。
【請求項６】
アンテナ毎に個別の受信機が接続された受信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整される無給電のアンテナ素子を有する受信アンテナ装置と、前記受信アンテナ装置と通信を行う送信機と接続された送信アンテナ素子を有する送信アンテナ装置と、を備える無線通信システムにおける前記受信アンテナ装置であって、
前記受信アンテナ装置内の信号処理回路には、
前記受信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記受信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスとからなるインピーダンス行列の情報を予め保持する手段と、
前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させて前記送信アンテナ装置から送信される信号を受信し、複数の異なる終端条件下における前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定する手段と、
前記インピーダンス行列と各終端条件に対して測定された伝達関数とを基に、前記無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数を計算する手段と、
前記計算された無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出する手段と、
を備えることを特徴とする受信アンテナ装置。
【請求項７】
アンテナ毎に個別の受信機が接続されたＭｒ本の受信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整されるＭｐ本（Ｍｐ≦Ｍｒ）の無給電のアンテナ素子を有する受信アンテナ装置と、前記受信アンテナ装置と通信を行う送信機と接続された送信アンテナ素子を有する送信アンテナ装置と、を備える無線通信システムにおける前記受信アンテナ装置であって、
前記受信アンテナ装置内の信号処理回路は、
前記受信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記受信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスからなるインピーダンス行列の情報を予め保持する手段と、
前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させて前記送信アンテナ装置から送信される信号を受信し、２通りの異なる終端条件下における前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定する手段と、
前記インピーダンス行列と各終端条件に対して測定された伝達関数とを基に、前記無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数を計算する手段と、
前記計算された無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出する手段と、
を備えることを特徴とする受信アンテナ装置。
【請求項８】
アンテナ毎に個別の受信機が接続されたＭｒ本の受信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整されるＭｐ本（Ｍｐ＞Ｍｒ）の無給電のアンテナ素子を有する受信アンテナ装置と、前記受信アンテナ装置と通信を行う送信機と接続された送信アンテナ素子を有する送信アンテナ装置と、を備える無線通信システムにおける前記受信アンテナ装置であって、
前記受信アンテナ装置内の信号処理回路は、
前記受信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記受信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスとからなるインピーダンス行列の情報を予め保持する手段と、
前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させて前記送信アンテナ装置から送信される信号を受信し、Ｍｐ／Ｍｒ≦Ｋ＜Ｍｐ／Ｍｒ＋１、となるような（Ｋ＋１）通りの異なる終端条件下におけるに前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定する手段と、
前記インピーダンス行列と各終端条件に対して測定された伝達関数とを基に、前記無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数を計算する手段と、
前記計算された無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出する手段と、
を備えることを特徴とする受信アンテナ装置。
【請求項９】
アンテナ毎に個別の送信機が接続された送信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整される無給電のアンテナ素子とを有する送信アンテナ装置と、前記送信アンテナ装置と通信を行う受信機と接続された受信アンテナ素子を有する受信アンテナ装置と、を備えると共に、前記送信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記送信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスとからなるインピーダンス行列が既知である無線通信システムであって、
前記送信アンテナ装置内の信号処理回路は、
前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させて、複数の異なる終端条件下において前記受信アンテナ装置に信号を送信する手段と、
前記受信アンテナ装置から終端インピーダンスの情報を受信して前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを設定する手段と、
を備え、
前記受信アンテナ装置内の信号処理回路は、
前記送信アンテナ装置から送信される信号を受信し、複数の異なる終端条件下における前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定する手段と、
前記測定された伝達関数と前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出する手段と、
前記算出した終端インピーダンスを前記送信アンテナ装置に送信する手段と、
を備えることを特徴とする無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給電アンテナ素子と、終端インピーダンスが可変に調整できる無給電アンテナ素子からなるアレーアンテナ装置において、終端インピーダンスを制御し所望のアレーアンテナ指向性を実現する上で、試行回数と演算量を低減化し短時間に所望の指向性を実現するアレーアンテナ制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子からなるアレーアンテナにおいて、無給電のアンテナ素子を可変容量素子であるバラクタダイオードによって終端したアンテナが検討されている。そして、そのようなアンテナにおける、従来のアレーアンテナ制御方法の技術が非特許文献１に開示されており、また、図１１は、その従来のアレーアンテナ制御方法を説明するための図である。ここで、従来における第一の制御方法例としては、アレーアンテナＡ４と、アレーアンテナの制御を行う信号処理回路Ａ８１を備えている。アレーアンテナＡ４は、１本の給電アンテナ素子Ａ１と、６本の無給電アンテナ素子Ａ２１〜Ａ２６と、接地導体と、６個のバラクタダイオードからなる。なお、図１１中においては、６個のバラクタダイオードのうちの２つのみを示し、他の４個のバラクタダイオードは省略している。
【０００３】
そして、給電アンテナ素子Ａ１は、無給電アンテナ素子Ａ２１〜Ａ２６に囲まれるように配置されている。給電アンテナ素子Ａ１は、給電手段Ａ６１を介して送受信器Ａ７１に接続されており、さらに、信号処理回路Ａ８１に接続される。信号処理回路Ａ８１は、入出力ポートＡ６２を備えており、通信信号はＡ６２を介して入出力される。無給電アンテナ素子全ては、Ａ５１やＡ５２で示すようなバラクタダイオードを介して接地されている。バラクタダイオードＡ５１，Ａ５２は、信号処理回路Ａ８１より出力される制御電圧に応答して、そのリアクタンス値を変化させる。
【０００４】
そして、従来における第一の制御方法例では、受信信号と既知である参照信号を比較し、これらの相関係数が最大となるように最急勾配法を利用して、信号処理回路Ａ８１より出力される制御電圧を最適化する。給電素子と無給電素子の結合を表すインピーダンス行列を事前に調べておき、かつ所望波と干渉波の到来方向が全て既知である場合は、実際に信号を受信しなくても最適な放射パターンを与えるバラクタダイオードへの印加電圧を求めることができる。
【０００５】
また、従来における第二の制御方法例としては、無給電のアンテナ素子の終端素子の摂動のみによりアレーアンテナを制御する方法がある（非特許文献２）。図１２にそのアンテナ構成を示す。図１２において、Ｂ１１とＢ１２の給電アンテナ素子とＢ２１とＢ２２の無給電アンテナ素子からなり、無給電のアンテナ素子Ｂ２１、Ｂ２２はそれぞれ、可変である終端素子（可変容量素子）Ｂ５１、Ｂ５２に接続されている。全てのアンテナはｘｙ平面内に配置されている。終端素子のインピーダンス値を摂動させるごとに受信特性を測定し、所望の受信特性が得られるまで摂動と測定を繰り返す。終端素子の制御には最急勾配法を用いている。異なる複数の終端条件を試行し量も受信特性の良好な終端条件を初期値とすることによって、収束を早める工夫がなされているが、デジタル制御も含めて所望の試行特性を得るまでに数１０回以上のトレーニング信号の送受信が必要となっている。
【非特許文献１】J.Cheng,Y.Kamiya,T.Ohira,“Adaptive Beamforming of ESPAR Antenna Based on Steepest Gradient Algorithm”,IEICE Trans. Commun.,Vol..E84-B, No. 7, pp. 1790-1800, July2001．
【非特許文献２】森下、山田他，「複数給電型パラサイトアレーにおける適応指向性制御の高速化」,電子情報通信学会２００７年ソサイエティ大会、平成１９年８月２９日、通信講演論文集１，ｐ．１８４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のアレーアンテナ制御法では、全ての到来波の到来方向が既知である必要があり、実際の屋内環境等では、所望波や干渉波も含めて様々な方向より多数の到来波（マルチパス波）が受信される。そのような複雑な伝搬環境においてアレーアンテナを制御するためには、全てのマルチパス波の到来方向を分解する必要があるため、受信アンテナにおいて何度も受信電力を測定したり、複雑な演算を繰り返す必要が生ずる。さらに各アンテナ素子の放射パターンを予め知っておく必要があり、周辺の構造物等により放射パターンが歪む場合は正確に適切な制御電圧を決定することができない。そのため、実際の通
信システムへの適用は難しい。
【０００７】
さらに実際は無線局の移動や周辺の人物の移動等により環境変動が発生するために、頻繁に伝搬環境を推定する必要が生じる。また、従来の第２の例で示す方法では、所望の受信特性を得るためには、何度もトレーニング信号を受信する必要があり、制御が完了するまでに多くの時間が必要となり、結果的に無線通信のスループットが劣化する。さらに、周囲環境が変動する場合は、その変動に追従できず、大きく通信特性が劣化するという課題があった。
【０００８】
本発明は、斯かる実情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、給電アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整される無給電アンテナ素子とからなるアレーアンテナにおいて、逐次的に指向性を変化させて何度も受信特性を測定することなく、通信容量が最大となる所望の放射特性を実現する終端条件を算出することができる、アレーアンテナ制御方法、受信アンテナ装置、および無線通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明のアレーアンテナ制御方法は、アンテナ毎に個別の受信機が接続された受信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整される無給電のアンテナ素子とを有する受信側のアレーアンテナと、前記アレーアンテナと通信を行う送信機と接続された送信アンテナ素子とを備えると共に、前記受信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記受信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスとからなるインピーダンス行列が既知である無線通信システムにおけるアレーアンテナ制御方法であって、前記無線通信システム内の信号処理回路により、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させ、複数の異なる終端条件下における前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定するステップと、前記測定された伝達関数と前記インピーダンス行列とを基に前記無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数を計算するステップと、前記計算された無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出するステップと、が行われることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のアレーアンテナ制御方法は、アンテナ毎に個別の送信機が接続された送信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整される無給電のアンテナ素子とを有する送信側のアレーアンテナと、前記アレーアンテナと通信を行う受信機が接続された受信アンテナ素子とを備えると共に、前記送信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記送信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスとからなるインピーダンス行列が既知である無線通信システムにおけるアレーアンテナ制御方法であって、前記無線通信システム内の信号処理回路により、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させ、複数の異なる終端条件下における前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定するステップと、前記測定された伝達関数と前記インピーダンス行列とを基に前記無給電アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を計算するステップと、前記計算された無給電アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出するステップと、が行われることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のアレーアンテナ制御方法は、前記測定した伝達関数行列を基に、送信側のアンテナ素子と受信側のアンテナ素子との間の散乱行列を算出するステップと、前記散乱行列を基に、任意の終端条件における伝達関数行列を推定する伝達関数行列生成ステップと、前記任意の終端条件における伝達関数行列を基にチャネル容量を算出するチャネル容量算出ステップと、前記終端条件を変化させて前記伝達関数行列生成ステップと前記チャネル容量算出ステップを実行し、チャネル容量が最大になるように前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出するステップと、が行われることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のアレーアンテナ制御方法は、前記アレーアンテナ中の受信機が接続された受信アンテナ素子または前記アレーアンテナ中の送信機が接続された送信アンテナ素子の数がＭｒ、前記アレーアンテナ中の無給電アンテナ素子の数がＭｐであり、ＭｐがＭｒと等しいかまたはＭｐがＭｒ未満である場合に、前記無給電アンテナ素子の終端条件を変化させ、各終端条件に対して送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定するステップは、２通りの終端条件に対して伝達関数を測定すること、を特徴とする。
【００１３】
また、本発明のアレーアンテナ制御方法は、前記アレーアンテナ中の受信機が接続された受信アンテナ素子または前記アレーアンテナ中の送信機が接続された送信アンテナ素子の数がＭｒ、前記アレーアンテナ中の無給電アンテナ素子の数がＭｐであり、ＭｐがＭｒより大きい場合に、前記無給電アンテナ素子の終端条件を変化させ、各終端条件に対して送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定するステップは、Ｍｐ／Ｍｒ≦Ｋ＜Ｍｐ／Ｍｒ＋１、となるような（Ｋ＋１）通りの終端条件に対して伝達関数を測定すること、を特徴とする。
【００１４】
また、本発明の受信アンテナ装置は、アンテナ毎に個別の受信機が接続された受信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整される無給電のアンテナ素子を有する受信アンテナ装置と、前記受信アンテナ装置と通信を行う送信機と接続された送信アンテナ素子を有する送信アンテナ装置と、を備える無線通信システムにおける前記受信アンテナ装置であって、前記受信アンテナ装置内の信号処理回路には、前記受信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記受信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスとからなるインピーダンス行列の情報を予め保持する手段と、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させて前記送信アンテナ装置から送信される信号を受信し、複数の異なる終端条件下における前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定する手段と、前記インピーダンス行列と各終端条件に対して測定された伝達関数とを基に、前記無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数を計算する手段と、前記計算された無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出する手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の受信アンテナ装置は、アンテナ毎に個別の受信機が接続されたＭｒ本の受信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整されるＭｐ本（Ｍｐ≦Ｍｒ）の無給電のアンテナ素子を有する受信アンテナ装置と、前記受信アンテナ装置と通信を行う送信機と接続された送信アンテナ素子を有する送信アンテナ装置と、を備える無線通信システムにおける前記受信アンテナ装置であって、前記受信アンテナ装置内の信号処理回路は、前記受信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記受信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスからなるインピーダンス行列の情報を予め保持する手段と、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させて前記送信アンテナ装置から送信される信号を受信し、２通りの異なる終端条件下における前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定する手段と、前記インピーダンス行列と各終端条件に対して測定された伝達関数とを基に、前記無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数を計算する手段と、前記計算された無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出する手段と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の受信アンテナ装置は、アンテナ毎に個別の受信機が接続されたＭｒ本の受信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整されるＭｐ本（Ｍｐ＞Ｍｒ）の無給電のアンテナ素子を有する受信アンテナ装置と、前記受信アンテナ装置と通信を行う送信機と接続された送信アンテナ素子を有する送信アンテナ装置と、を備える無線通信システムにおける前記受信アンテナ装置であって、前記受信アンテナ装置内の信号処理回路は、前記受信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記受信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスとからなるインピーダンス行列の情報を予め保持する手段と、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させて前記送信アンテナ装置から送信される信号を受信し、Ｍｐ／Ｍｒ≦Ｋ＜Ｍｐ／Ｍｒ＋１、となるような（Ｋ＋１）通りの異なる終端条件下におけるに前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定する手段と、前記インピーダンス行列と各終端条件に対して測定された伝達関数とを基に、前記無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数を計算する手段と、前記計算された無給電アンテナ素子と送信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数と、前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出する手段と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の無線通信システムは、アンテナ毎に個別の送信機が接続された送信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変に調整される無給電のアンテナ素子とを有する送信アンテナ装置と、前記送信アンテナ装置と通信を行う受信機と接続された受信アンテナ素子を有する受信アンテナ装置と、を備えると共に、前記送信アンテナ素子のインピーダンスと、前記無給電アンテナ素子のインピーダンスと、前記送信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスとからなるインピーダンス行列が既知である無線通信システムであって、前記送信アンテナ装置内の信号処理回路は、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させて、複数の異なる終端条件下において前記受信アンテナ装置に信号を送信する手段と、前記受信アンテナ装置から終端インピーダンスの情報を受信して前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを設定する手段と、を備え、前記受信アンテナ装置内の信号処理回路は、前記送信アンテナ装置から送信される信号を受信し、複数の異なる終端条件下における前記送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の間の伝達関数を測定する手段と、前記測定された伝達関数と前記インピーダンス行列とを基に、前記無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出する手段と、前記算出した終端インピーダンスを前記送信アンテナ装置に送信する手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のアレーアンテナ制御方法においては、給電アンテナ素子と終端インピーダンスが可変である無給電アンテナ素子からなるアレーアンテナにおいて、無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させることにより、いくつかの異なる終端条件下における送信側の給電アンテナ素子と受信側の給電アンテナ素子との間の伝達関数を測定し、測定した伝達関数とアレーアンテナのインピーダンス行列とを基に、無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出する。
これにより、給電アンテナ素子および終端インピーダンスが可変に調整される無給電素子からなるアレーアンテナにおいて、いくつかの異なる終端条件に対する伝達関数のみを測定することによって、逐次的に指向性を変化させて何度も受信特性を測定することなく、通信容量が最大となる所望の放射特性を実現する終端インピーダンスを算出することができる。特に、無給電のアンテナ素子数と給電アンテナ素子数が等しい場合は、最低２回の測定だけで終端条件を決定できる。
【００１９】
また、本発明のアレーアンテナ制御方法においては、受信機が接続された給電アンテナ素子である受信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変である無給電アンテナ素子からなる受信側のアレーアンテナにおいて、アレーアンテナのインピーダンス行列が既知である場合に、いくつかの異なる終端条件下において送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の伝達関数を測定し、測定した伝達関数とインピーダンス行列とを基に、無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出するようにしたので、これにより、いくつかの異なる終端条件に対する伝達関数のみを測定することによって、逐次的に指向性を変化させて何度も受信特性を測定することなしに、所望の放射特性を実現する終端インピーダンスを算出することができる。特にアレーアンテナにおいて、無給電のアンテナ素子数と給電アンテナ素子数が等しい場合は、最低２回の測定だけで終端条件を決定できる。
【００２０】
また、本発明のアレーアンテナ制御方法においては、送信機が接続された給電アンテナ素子である送信アンテナ素子と終端インピーダンスが可変である無給電アンテナ素子からなる送信側のアレーアンテナにおいて、アレーアンテナのインピーダンス行列が既知である場合に、いくつかの異なる終端条件に対して、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の伝達関数を測定し、測定した伝達関数とインピーダンス行列とを基に、無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出するようにしたので、これにより、いくつかの異なる終端条件に対する伝達関数のみを測定することによって、逐次的に指向性を変化させて何度も受信特性を測定することなしに、所望の放射特性を実現する終端条件を算出することができる。特にアレーアンテナにおいて、無給電のアンテナ素子数と給電アンテナ素子数が等しい場合は、最低２回の測定だけで終端条件を決定できる。
【００２１】
また、本発明のアレーアンテナ制御方法においては、測定した伝達関数行列を基に送信側のアンテナ素子と受信側のアンテナ素子との間の散乱行列を算出し、この散乱行列を基に、任意の終端条件における伝達関数行列を推定し、この伝達関数行列を基にチャネル容量を算出する。そして、終端条件を変化させてチャネル容量が最大になるように無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出するようにしたので、これにより、いくつかの異なる終端条件に対する伝達関数の測定結果を基に、通信容量が最大となる所望の放射特性を実現する終端インピーダンスを算出することができる。
【００２２】
また、本発明のアレーアンテナ制御方法においては、アレーアンテナ中の給電アンテナ素子の数がＭｒ、アレーアンテナ中の無給電アンテナ素子の数がＭｐであり、ＭｐがＭｒと等しいかまたはＭｐがＭｒ未満である場合に、最低２回の伝達関数の測定だけで終端インピーダンスを算出するようにしたので、これにより、所望の放射特性を得るために何度も信号を受信する必要が無くなり、より少ない回数で所望の指向性を実現できる。
【００２３】
また、本発明のアレーアンテナ制御方法においては、アレーアンテ中の給電アンテナ素子の数がＭｒ、アレーアンテ中の無給電アンテナ素子の数がＭｐであり、ＭｐがＭｒより大きい場合に、Ｍｐ／Ｍｒ≦Ｋ＜Ｍｐ／Ｍｒ＋１、となるような（Ｋ＋１）通りの終端条件に対して伝達関数を測定するようにしたので、これにより、所望の放射特性を得るために何度も信号を受信する必要が無くなり、より少ない回数で所望の指向性を実現できる。
【００２４】
また、本発明の受信アンテナ装置においては、アレーアンテナ中の受信機が接続された受信アンテナ素子のインピーダンスと、無給電アンテナ素子のインピーダンスと、受信アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互インピーダンスとからなるインピーダンス行列の情報を予め保持しておく。そして、無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを変化させ、いくつかの異なる終端条件下において送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の伝達関数を測定し、この伝達関数とアレーアンテナのインピーダンス行列とを基に、無給電アンテナ素子の終端インピーダンスを算出する。
これにより、受信アンテナ装置において、いくつかの異なる終端条件に対する伝達関数のみを測定することによって、逐次的に指向性を変化させて何度も受信特性を測定することなしに、所望の放射特性を実現する終端インピーダンスを算出することができる。特にアレーアンテナにおいて、無給電のアンテナ素子数と給電アンテナ素子数が等しい場合は、最低２回の測定だけで終端条件を決定できる。
【００２５】
また、本発明の受信アンテナ装置においては、アレーアンテナ中の給電アンテナ素子の数がＭｒ、アレーアンテナ中の無給電アンテナ素子の数がＭｐであり、ＭｐがＭｒと等しいかまたはＭｐがＭｒ未満である場合に、最低２回の伝達関数の測定だけで終端インピーダンスを算出するようにしたので、これにより、所望の放射特性を得るために何度も信号を受信する必要が無くなり、より少ない回数で所望の指向性を実現できる。
【００２６】
また、本発明の受信アンテナ装置においては、アレーアンテナ中の給電アンテナ素子の数がＭｒ、アレーアンテナ中の無給電アンテナ素子の数がＭｐであり、ＭｐがＭｒより大きい場合に、Ｍｐ／Ｍｒ≦Ｋ＜Ｍｐ／Ｍｒ＋１、となるような（Ｋ＋１）通りの終端条件に対して伝達関数を測定するようにしたので、これにより、所望の放射特性を得るために何度も信号を受信する必要が無くなり、より少ない回数で所望の指向性を実現できる。
【００２７】
また、本発明の無線通信システムにおいては、送信アンテナ装置ではいくつかの異なる終端条件を無給電アンテナ素子に設定し、受信アンテナ装置に伝達関数を測定するための信号を送信する。受信アンテナ装置は、各終端条件に対する伝達関数を推定し、この伝達関数を基に、チャネル容量が最大となる終端条件を求め、この終端条件の情報を送信アンテナに伝達する。送信アンテナ装置では、受信アンテナ装置から受信した終端条件を無給電のアンテナ素子に設定する。
これにより、アレーアンテナを使用した無線通信システムにおいて、送信側のアンテナ素子と受信側のアンテナ素子との間で、いくつかの異なる終端条件に対する伝達関数のみを測定することによって、逐次的に指向性を変化させて何度も受信特性を測定することなしに、所望の放射特性を実現する終端インピーダンスを算出することができる。特にアレーアンテナにおいて、無給電のアンテナ素子数と給電アンテナ素子数が等しい場合は、最低２回の測定だけで終端条件を決定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に使用される４素子のアレーアンテナの構成例を示す図であり、本発明の第１の実施の形態を説明するためのものである。図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は断面図（Ａ−Ａ’における断面図）を示す。
【００２９】
アレーアンテナ４は、２素子の給電アンテナ素子１１と１２、２素子の無給電のアンテナ素子２１と２２からなるアレーアンテナであり、これらは誘電体基板３の上に構成されたマイクロストリップアンテナである。３１は誘電体基板背面のグランド板、６１と６２は同軸線路による給電線路、５１と５２はそれぞれ、無給電のアンテナ素子２１と２２にスルーホール７を介して接続される可変容量素子であり、他方の端はグラウンド板３１に接続されている。２つの無給電のアンテナ素子は２つの給電アンテナ素子の間に配置されており、かつ給電素子に十分近接しており、隣接素子と高い相互結合が生ずるよう構成されている。
【００３０】
これによって、給電アンテナ素子１１、１２を励振すると相互結合によって無給電のアンテナ素子２１、２２が間接的に励振され、さらに可変容量素子５１、５２を制御することによって、無給電アンテナ素子２１、２２の励振位相や振幅が変化する。それによって、可変容量素子５１、５２の容量値（リアクタンス値）を変えることによって放射パターンを制御することができる。ここで、無給電のアンテナ素子２１、２２の両端に給電アンテナ素子１１、１２を配置することによって、無給電のアンテナ素子２１、２２は両側から励振されることができ、アレーアンテナ全体の電流分布が均一になるため、アレーアンテナ全体で高い開口効率を実現できる。なお、前述の無給電アンテナ素子の終端インピーダンスは、可変容量素子５１、５２が相当する。
【００３１】
ここで、このアレーアンテナの反射・結合特性を表現する散乱行列（Ｓパラメータ）が既知であるものとして以下説明を行う。散乱行列は、給電アンテナ素子間の特性だけではなく、無給電のアンテナ素子の特性も含めて表現されており、これは予め測定あるいは計算しておくものと仮定する。また、散乱行列はインピーダンス行列から求めることが可能であり、散乱行列からインピーダンス行列を求めることも可能である。従って、給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子の電気特性を表すインピーダンス行列を事前に求めておいでも良い。
【００３２】
図２は、本発明の第１の実施の形態に係わる無線通信システムの構成を示す図であり、図１に示すアレーアンテナを受信アンテナ装置１に用いた無線通信システムの構成例である。この無線通信システムでは、信号処理回路９１と送信機（１）〜（４）とアレーアンテナ９２からなる送信アンテナ装置９から信号を送信し、受信アンテナ装置１で受信する。
【００３３】
受信アンテナ装置１は、図１に示したアレーアンテナ４に受信機（１）、（２）と信号処理回路８１を接続して構成される。また、受信アンテナ装置１は、受信した信号をもとに、制御電圧信号を可変容量素子５１、５２に伝送し、受信アレーアンテナ４の放射パターンを制御する。ここで、図中、送信アンテナ数は４である。
【００３４】
送信側の信号処理回路９１は、入力信号を各アンテナから送信できるよう変換し変調信号を生成する信号処理回路であり、送信アレーアンテナ９２において複数の異なる信号を同時に送信するよう処理を行う。受信側の信号処理回路８１は、アレーアンテナ４の各アンテナから受信機（１）、（２）経由で到達する信号について、複数の信号を分離・復調し所望の信号を抽出する処理を行う。それと同時に、後述の式（１）〜（１３）の手順を用いて可変容量素子５１、５２に与える制御電圧信号を決定する。
【００３５】
図３は、図１に示すアレーアンテナと図２に示すアンテナ装置とを用いて、所望の放射特性を実現する方法を示すフローチャートである。以下、図３を参照して、その処理の流れについて説明する。
【００３６】
まず、受信アンテナ装置１の信号処理回路８１では可変容量素子５１、５２に任意の値の制御電圧信号を与え、これを終端条件（１）と定義する（ステップＳ１）。
【００３７】
そのとき、送信アンテナ装置９は、トレーニング信号を送信する（ステップＳ２）。トレーニング信号は各送信アンテナと各受信アンテナの間の伝達関数を推定可能であるトレーニング信号であるものとし、例えば各アンテナから直交するトレーニング信号を送信するか、各送信アンテナから時間をずらしながらトレーニング信号を送信しても良い。
【００３８】
これによって、受信アンテナ装置１の信号処理回路８１は、伝達関数行列Ｈ１を推定する（ステップＳ３）。この伝達関数は、送信機数が４、受信機数が２であるため、４×２の行列として取り扱うことができる。
【００３９】
次に、受信アンテナ装置１の信号処理回路８１は、終端条件（１）と異なる制御電圧信号を可変容量素子５１、５２に与え、これを保持させる。これを終端条件（２）と定義する（ステップＳ４）。終端条件（１）および（２）は互いに放射パターンが大きく異なるよう与えた方が望ましい。
【００４０】
次に、送信アンテナ装置９は、終端条件（２）の状態で、送信アレーアンテナからトレーニング信号を送信し（ステップＳ５）、受信アンテナ装置１の信号処理回路８１は、伝達関数行列Ｈ２を推定する。これも４×２の行列となる（ステップＳ６）。
【００４１】
そして、受信アンテナ装置１の信号処理回路８１は、伝達関数行列Ｈ１とＨ２を用いて、全送信アレーアンテナと、無給電アンテナ素子を含む全受信アレーアンテナの伝達関数行列を後述の方法で計算する。これをＨＲと定義し、この場合、両者とも４素子のアレーアンテナであるからＨＲは４×４の伝達関数行列となる。
【００４２】
さらに、受信アンテナ装置１の信号処理回路８１は、全受信アレーアンテナの伝達関数行列ＨＲと受信アンテナの反射・結合特性を求めることによって（ステップＳ７）、後述の方法によってチャネル容量が最大となる終端条件を求め、これを設定する（ステップＳ８）。この終端条件をＺPとする。ここで、終端条件は前述の２回の測定結果のみにもとづいて決定可能であり、逐次的に何度も測定する必要は無い。これでアレーアンテナの終端条件（制御電圧）の制御は完了し、データ伝送を開始する。
【００４３】
次に、具体的な伝達関数行列ＨＲの計算手順を以下に示す。ここで、受信機と接続される給電アンテナ素子数と無給電のアンテナ素子数が等しいまたは、無給電のアンテナ素子数が少なく、かつ給電アンテナ素子数が２以外でも成立するよう一般化して説明する。
【００４４】
図４は、図２に示す無線通信システムにおいてアンテナ部分のみを説明する模式図である。ここで、送信アレーアンテナ数はＭｔとしている。
【００４５】
受信アレーアンテナは、受信機と接続されるＭｒ本の給電アンテナ素子と、可変容量素子に接続されるＭＰ本の無給電アンテナ素子に分けて記述されており、便宜上無給電のアンテナ素子は全て基準インピーダンスＺ０に接続されているものと仮定する。送信アンテナ素子と送信機間の給電線路、および受信アンテナ素子と受信機間の給電線路の特性インピーダンスは、基準インピーダンスＺ０と等しいものと仮定する。
【００４６】
すると、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナは一つの回路系として見ることが可能であり、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナを含む散乱行列ＳＳを定義することが可能である。図５は、これを等価回路として示した図である。送信ポートに参照面Ｔ、受信ポートに参照面Ｒ、無給電のアンテナに参照面Ｐを定義すると、この回路系の散乱行列は、
【００４７】
【数１】
0004465383.tif 000002
【００４８】
と定義できる。これをシステム散乱行列と呼ぶものとする。ここで、ＳＸＹは行列であり、ＸとＹにはＴ、Ｒ、Ｐの何れかが入るものとする。また、ＳＳは対称行列であるため、ＳＸＹ＝ＳＹＸＴ（‘Ｔ’は転置を意味する）である。従って、下三角成分についてのみ説明する。
【００４９】
ＳＴＴは送信アンテナの散乱行列、ＳＲＲは受信側の給電アンテナの散乱行列、ＳＰＰは無給電アンテナの散乱行列である。ＳＰＲは受信側の給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子の相互結合を意味する散乱行列である。ここで、既知である成分は、ＳＴＴ、ＳＲＲ、ＳＰＰ、ＳＰＲであり、これらはアンテナのＳパラメータを事前に測定しておくことによって得られる。一方、未知の成分はＳＲＴ，ＳＰＴであり、これは前述の無給電のアンテナ素子を含む伝達関数行列ＨＲと一致し、
【００５０】
【数２】
0004465383.tif 000003
【００５１】
と書ける。次に、式（１）の散乱行列について、無給電アンテナ素子のポートを終端した場合の応答を考える。受信アレーアンテナにおける終端条件を、Ｚ＝［ｚ１，ｚ２，．．．ｚＭＰ］と定義すると、終端条件を表す散乱行列を次のように定義する。
【００５２】
【数３】
0004465383.tif 000004
【００５３】
ここで、１≦ｉ≦ＭＰすると、
【００５４】
【数４】
0004465383.tif 000005
【００５５】
である。
【００５６】
無給電アンテナのポートを（３）の条件で終端した場合、図５のシステム散乱行列、ＳＳ’は次のように表される。
【００５７】
【数５】
0004465383.tif 000006
【００５８】
ここで、
【００５９】
【数６】
0004465383.tif 000007
【００６０】
である。式（５）より、式（１）の散乱行列の全ての成分が求められていれば、無給電アンテナ素子の様々な終端条件に対応するシステム散乱行列を推定することができる。ここで、ＳＲＴ＋ＳＴＰＲΨＳＰＴは実際に観測され得る送信アレーアンテナと、受信アレーアンテナの給電アンテナの間の伝達関数行列である。
【００６１】
次に、未知である成分、ＳＲＴ、ＳＰＴを求める方法について明らかにする。受信アレーアンテナにおいて終端条件（１）と（２）に対応する終端条件を示す散乱行列をそれぞれ、Γ１とΓ２と定義する。すると、式（６）よりそれぞれの終端条件に対するΨをそれぞれ、Ψ１、Ψ２と定義する。従って、終端条件（１）と（２）を与えた場合に給電アンテナ素子で観測される伝達関数行列をそれぞれＨ１、Ｈ２とすると、これらは、次のように表される。
【００６２】
【数７】
0004465383.tif 000008
【００６３】
【数８】
0004465383.tif 000009
【００６４】
式（７）、（８）より、未知数は次のように求められる。
【００６５】
【数９】
0004465383.tif 000010
【００６６】
【数１０】
0004465383.tif 000011
【００６７】
ここで、（ＳＰＲＴ）＋＝ＳＲＰ＋はＳＲＰ＋＝（ＳＲＰＨＳＲＰ）−１ＳＲＰＨで定義される擬似逆行列で、図１のアンテナの場合のように、Ｍｒ＝Ｍｐ（受信アレーアンテナにおける給電アンテナ素子数と無給電アンテナ素子数が等しい）場合は正方行列となるため、ＳＲＰ＋＝ＳＲＰ−１となる。以上の手順によって全ての未知数を求めることができる。よって、任意の終端条件に対する伝達関数行列は、
【００６８】
【数１１】
0004465383.tif 000012
【００６９】
と求められる。ここで、式（９）、（１０）から、伝達関数行列を推定するにあたって、送信アンテナの散乱行列は不要であり、受信側のアレーアンテナのみの散乱行列を事前に調べておく必要があることがわかる。さらに、チャネル容量を最大化するためには。式（１１）から、
【００７０】
【数１２】
0004465383.tif 000013
【００７１】
によりチャネル容量Cを求めることができる。ここで、Ｉは単位行列、Ｐは受信電力σ２はノイズ電力であり、Ｍｔは送信アンテナ素子数である。従って、
【００７２】
【数１３】
0004465383.tif 000014
【００７３】
によりチャネル容量Cが最大になるように終端条件を選択することによって、伝送速度を向上させることができる。様々な終端条件に対する伝達関数行列は式（１１）により、実際に各終端条件に対する受信特性を測定しなくても、それを推定することができる。この手法は、干渉波が存在する場合に、干渉波を最も低減するよう終端条件を与えることにも適用可能である。最適な終端条件は様々な最適化法、例えば遺伝的アルゴリズム（GA：Genetic Algorithm）等を用いて求めることができる。
【００７４】
以上の方法によって、受信機と接続される給電アンテナ素子数と無給電のアンテナ素子数が等しいまたは、給電アンテナ素子数が無給電のアンテナ素子数より多い場合は、２回の伝達関数行列の測定のみによって、無給電のアンテナ素子の所望の終端条件を求めることが可能となる。これによって、実際に多数の終端条件を与え伝達関数行列を測定する必要がなくなるため、高速に所望の指向性を与えることができるようになる。また、信号処理回路が十分高速であれば、終端条件の制御に関わる処理時間を大幡に短縮可能であり、例えば、屋外環境のように電波伝搬環境の変動が早い場合でも高速に環境に追従することが可能である。従って、本アレーアンテナ制御法を用いることによって、アレーアンテナ素子数よりも受信機数が少ない場合でも、少ない演算量と少ない測定回数で高い受信特性を得ることができる。
【００７５】
なお、図２に示した例では、受信アンテナ装置１が、給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子とで構成されるアレーアンテナ４を備え、送信アンテナ装置９が給電アンテナ素子で構成されるアレーアンテナ９２を備える例を示したが、勿論、送信アンテナ装置９も、給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子とで構成されるアレーアンテナ４を備えるようにしてもよい。
【００７６】
［第２の実施の形態］
図６は、本発明の第２の実施の形態に係わる無線通信システムの構成を示す図である。図６に示す例は、図１に示す無給電のアンテナ素子を持つアレーアンテナ４を送信アンテナ装置１Ａに用いる場合の無線通信システムの構成例を示すものである。
【００７７】
図６において、送信側となる送信アンテナ装置１Ａの信号処理回路８２は、入力信号をアレーアンテナ４の各アンテナから送信できるよう変換し変調信号を生成する信号処理回路である。信号処理回路８２は、送受信機（１）、（２）を経由して送信アレーアンテナ４から複数の異なる信号を同時に送信するよう処理を行う。また、受信アンテナ装置９Ａの信号処理回路９１Ａは、各アンテナ９２から受信機（１）〜（４）経由で到達する信号について、複数の信号を分離・復調し所望の信号を抽出する処理を行う。また、式（１）〜（１３）の手順を用いて可変容量素子のインピーダンスを決定して、送信アンテナ装置１Ａに伝達する処理を行なう。
【００７８】
上記構成において、アレーアンテナ４に送受信機（１）と（２）と信号処理回路８２を接続した送信側の送信アンテナ装置１Ａは、制御電圧信号を可変容量素子５１、５２に伝送し送信アレーアンテナ４の放射パターンを制御する。ここで、図６において、送信アンテナ数は２である。
【００７９】
図７は、図１に示すアレーアンテナと図６に示すアンテナ装置とを用いて、所望の放射特性を実現する方法を示すフローチャートである。以下、図７を参照して、その処理の流れについて説明する。
【００８０】
まず、送信アンテナ装置１Ａの信号処理回路８２では任意の値の制御電圧信号を与え、これを終端条件（１）と定義する（ステップＳ２１）。そのとき、送信アンテナ装置１Ａよりトレーニング信号を送信し、受信アンテナ装置９Ａではそれを受信する（ステップＳ２２）。
【００８１】
これによって受信アンテナ装置９Ａの信号処理回路９１Ａにて伝達関数行列Ｈ１を推定する（ステップＳ２３）。この伝達関数は、送信機数が２、受信機数が４であるため、２×４の行列として取り扱うことができる。
【００８２】
次に、送信アンテナ装置１Ａの信号処理回路８２において、終端条件（１）と異なる制御電圧信号を可変容量素子５１、５２に与え、これを保持させる。これを終端条件（２）と定義する（ステップＳ２４）。終端条件（１）および（２）は互いに放射パターンが大きく異なるよう与えた方が望ましい。
【００８３】
次に、送信アンテナ装置１Ａがトレーニング信号を送信し（ステップＳ２５）、受信アンテナ装置９Ａの信号処理回路９１Ａは終端条件（２）の状態で伝達関数行列Ｈ２を推定する（ステップＳ２６）。これも２×４の行列となる。
【００８４】
受信アンテナ装置９Ａの信号処理回路９１Ａは、伝達関数行列Ｈ１とＨ２を用いて全受信アレーアンテナと無給電アンテナ素子を含む全送信アレーアンテナの散乱行列ＳＳを第１の実施の形態と同様の方法で計算する（ステップＳ２７）
【００８５】
さらに、第１の実施の形態と同様に、チャネル容量が最大となる終端条件（終端インピーダンスＺＰ）を求める（ステップＳ２８）。ここで、終端条件は前述の２回の測定結果のみにもとづいて決定可能であり、逐次的に何度も測定する必要は無い。このようにして求められた終端条件（ＺＰ）を送信アンテナ装置１Ａに伝達し（ステップＳ２９）、送信アンテナ装置１Ａでは、この終端条件をアレーアンテナ４の無給電のアンテナ素子２１、２２の可変容量素子５１、５２に設定する（ステップＳ３０）。これで送信アンテナ装置１Ａのアレーアンテナ４の終端条件（制御電圧）の制御は完了し、データ伝送を開始する。
【００８６】
［第３の実施の形態］
図８は、本発明の第３の実施の形態で使用されるアレーアンテナの例である。図８（Ａ）は平面図、図８（Ｂ）は断面図（Ａ−Ａ’における断面図）を示している。このアレーアンテナは素子数が（ＭＰ＋２）素子のアレーアンテナであり、本発明における第３の実施の形態を説明するためのものである。
【００８７】
図８に示すアレーアンテナ４Ａが図１に示すアレーアンテナ４と構成上異なるのは、図８に示すアレーアンテナ４ＡがＭｐ素子の無給電のアンテナ素子により構成された点であり、他の構成は図１に示すアレーアンテナ４と同様である。このため、同一の構成部分には同一の符号を付している。
【００８８】
図８に示すように、アレーアンテナ４Ａは、２素子の給電アンテナ素子１１と１２、Ｍｐ素子の無給電のアンテナ素子２０からなるアレーアンテナである。無給電のアンテナ素子２０はスルーホール７を介して可変容量素子５０に接続されている。無給電のアンテナ素子２０は２つの給電アンテナ素子１１、１２の間に配置されており、かつ隣接素子に十分近接しており、隣接素子と高い相互結合が生ずるよう構成されている。
【００８９】
これによって、給電アンテナ素子１１、１２を励振すると相互結合によって無給電のアンテナ素子２０が間接的に励接され、さらに可変容量素子５０を制御することによって、無給電アンテナ素子２０の励振位相や振幅が変化する。それによって、可変容量素子５０の容量値（リアクタンス値）を変えることによって放射パターンを制御することができる。なお、前述の無給電アンテナ素子の終端インピーダンスは、可変容量素子５０が相当する。
【００９０】
ここで、無給電のアンテナ素子２０の両端に給電アンテナ素子１１、１２を配置することによって、無給電のアンテナ素子２０は両側から励振されることができ、アレーアンテナ全体の電流分布が均一になるため、アレーアンテナ全体で高い開口効率を実現できる。ここで、このアレーアンテナの反射・結合特性を表現する散乱行列（Ｓパラメータ）が既知であるものとして以下説明を行う。
【００９１】
図９は、本発明の第３の実施の形態に係わる無線通信システムの構成を示す図であり、図８に示すアレーアンテナ４Ａを受信アンテナ装置１Ｂに用いた無線通信システムの構成例である。図９に示すシステムでは、信号処理回路９１と送信機（１）〜（４）とアレーアンテナ９２からなる送信アンテナ装置９から信号を送信する。図８に示すアレーアンテナ４Ａに受信機（１）、（２）と信号処理回路８３を接続した受信アンテナ装置１Ｂは、受信した信号をもとに、制御電圧信号を可変容量素子５０に伝送し受信アレーアンテナ４Ａの放射パターンを制御する。ここで、図中、送信アンテナ装置９の送信アンテナ数は４である。
【００９２】
送信側となる送信アンテナ装置９の信号処理回路９１は、入力信号を各アンテナから送信できるよう変換し変調信号を生成する信号処理回路であり、アレーアンテナ９２において複教の異なる信号を同時に送信するよう処理を行う。受信側となる受信アンテナ装置１Ｂの信号処理回路８３は、各アンテナから受信機（１）、（２）経由で到達する信号について、複数の信号を分離・復調し所望の信号を抽出する処理を行う。それと同時に、式（１）〜（１３）の手順を用いて可変容量素子５０に与える制御電圧信号を決定する。
【００９３】
図１０は、図８に示すアレーアンテナと図９に示すアンテナ装置とを用いて、所望の放射特性を実現する方法を示すフローチャートである。以下、図１０を参照して、その手順について説明する。
【００９４】
まず、受信アンテナ装置１Ｂに、初期条件として、ｋ＝０と与え（ステップＳ４１）、受信アンテナ装置１Ｂでは可変容量素子５０に任意の値の制御電圧信号を与える。受信アンテナ装置１Ｂの信号処理回路８３は、このときの終端条件を終端条件（ｋ）と定義する（ステップＳ４２）。そのとき、送信アンテナ装置９はトレーニング信号を送信する（ステップＳ４３）。
【００９５】
トレーニング信号は各送信アンテナと各受信アンテナの間の伝達関数を推定可能であるトレーニング信号であるものとし、例えば各アンテナから直交するトレーニング信号を送信するか、各送信アンテナから時間をずらしながらトレーニング信号を送信しても良い。これによって、受信アンテナ装置１Ｂの信号処理回路８３では伝達関数行列Ｈｋを推定する（ステップＳ４４）。この伝達関数は、送信機数が４、受信機数が２であるため、４×２の行列として取り扱うことができる。
【００９６】
次に、受信アンテナ装置１Ｂと送信アンテナ装置９において、ｋの値を１つ増加させ（ステップＳ４５）、「ｋ＜Ｍｐ／Ｍｒ＋１」である場合は、受信アンテナ装置１Ｂの信号処理回路８３は、新たな終端条件を与え、上記の手順を繰り返す（ステップＳ４６：Ｎｏ）。
【００９７】
受信アンテナ装置１Ｂの信号処理回路８３は、「Ｍｐ／Ｍｒ＋１≦ｋ」となった場合に本ループ処理を終了し（ステップＳ４６：Ｙｅｓ）、その時のループ回数がＫ＋１回であったとする。これより、Ｈ０，Ｈ１，．．ＨＫの伝達関数行列が得られる。受信アンテナ装置１Ｂの信号処理回路８３は、伝達関数行列Ｈ０，Ｈ１，．．ＨＫを用いて全送信アレーアンテナと無給電アンテナ素子を含む全受信アレーアンテナの伝達関数行列を後述の方法で計算する（ステップＳ４７）。
【００９８】
これと受信アンテナの反射・結合特性を求めることによって、受信アンテナ装置１Ｂの信号処理回路８３は、後述の方法によってチャネル容量が最大となる終端条件（終端インピーダンスＺＰ）を求める（ステップＳ４８）。ここで、終端条件は前述のＫ＋１回の測定結果のみにもとづいて決定可能であり、逐次的に何度も測定する必要は無い。これでアレーアンテナの終端条件（制御電圧）の制御は完了し、データ伝送を開始する。
【００９９】
次に具体的な最適な終端条件の推定方法について説明する。式（６）より、各終端条件に対応するΨをそれぞれ、Ψ０，Ψ１，．．．ΨＫと定義すると、終端条件ごとの伝達関数行列は、次のように表される。
【０１００】
【数１４】
0004465383.tif 000015
【０１０１】
式（１４）より、ＳＲＴを消去すると、
【０１０２】
【数１５】
0004465383.tif 000016
【０１０３】
となるから、これらをまとめて、
【０１０４】
【数１６】
0004465383.tif 000017
【０１０５】
となる。ＳＰＲＴはＭｒ×Ｍｐの行列であるから、ｋＭｒ≧Ｍｐであるから、
【０１０６】
【数１７】
0004465383.tif 000018
【０１０７】
のように求めることができる。ＳＲＴについても式（１５）と（１７）より、
【０１０８】
【数１８】
0004465383.tif 000019
【０１０９】
のように解くことができる。
以上から分かるように、式（１７）の
【０１１０】
【数１９】
0004465383.tif 000020
【０１１１】
の行列のサイズは、ｋＭｒ≧Ｍｐであるから、式（１７）が成立するためには、
【０１１２】
【数２０】
0004465383.tif 000021
【０１１３】
である必要がある。これが必要な測定回数（異なる終端条件の組合せ数）の条件であり、送信アンテナ数には依存しない。伝達関数行列はｋ＝０，１，．．．Ｋだけ測定するため、最小限の測定回数はＫ＋１回である。従って、給電アンテナ素子数が無給電アンテナ素子数より少ない場合は、その分Ｋ（測定回数＝Ｋ＋１）を増やす必要があることが分かる。また推定精度を向上させるためには、（１９）の行列式の値が大きくなるよう、各測定におけるリアクタンス値の値が異なるように適切に与える必要がある。
【０１１４】
以上の手順によって式（１）のシステム散乱行列が求められ、任意の終端条件に対する受信特性を式（１１）により推定できる。ここで、式（１７）、（１８）から、伝達関数行列を推定するにあたって、送信アンテナの散乱行列は不要であり、受信側のアレーアンテナのみの散乱行列を事前に調べておく必要があることがわかる。
【０１１５】
これによって、チャネル容量が最大になるように終端条件を選択することによって、伝送速度を向上させることができる。様々な終端条件に対する伝達関数行列は式（１１）により、実際に各終端条件に対する受信特性を卿定しなくても、それを推定することができる。この手法は、干渉波が存在する場合に、干渉波を最も低減するよう終端条件を与えることにも適用可能である。最適な終端条件は様々な最適化法、例えば遺伝的アルゴリズ（GA：Genetic Algorithm）等を用いて求めることができる。
【０１１６】
以上の方法によって、受信機と接続される給電アンテナ素子数より無給電のアンテナ素子数が多い場合でも、必要最低限の測定のみによって、無給電のアンテナ素子の所望の終端条件を求めることが可能となる。
【０１１７】
これによって、実際に多数の終端条件を与え伝達関数行列を測定する必要がなくなるため、高速に所望の指向性を与えることができるようになる。また、信号処理回路が十分高速であれば、終端条件の制御に関わる処理時間を大幅に短縮可能であり、例えば、屋外環境のように電波伝搬環境の変動が早い場合でも高速に環境に追従することが可能である。従って、本アレーアンテナ制御法を用いることによって、アレーアンテナ素子数よりも受信機数が少ない場合でも、少ない演算量と少ない測定回数で高い受信特性を得ることができる。
【０１１８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明によれば、給電アンテナ素子と終端条件が可変である無給電アンテナ素子からなるアレーアンテナにおいて、アレーアンテナのインピーダンス行列もしくは散乱行列もしくはこれらを変換して得られるアレーアンテナ相互結合情報が既知である場合、いくつかの異なる終端条件に対する伝達関数のみを測定することによって、逐次的に指向性を変化させて何度も受信特性を測定することなしに、所望の放射特性を実現する終端条件を算出することができる。
【０１１９】
特にアレーアンテナにおいて、無給電のアンテナ素子数と給電アンテナ素子数が等しい場合は、最低２回の測定だけで終端条件を決定できる。このように、所望の放射特性を得るために何度も所望信号を受信する必要が無くなり、より少ない回数で所望指向性を実現できるため、受信特性を推定するためのトレーニング信号の送受信回数を削減し、早期に通信を開始できるため、無線通信における通信速度を向上することができる。
【０１２０】
また、環境変動が早い場合でも少ないトレーニング信号の送受信回数で指向性を決定できるため、環境変動に対して素早く追従し所望の指向特性を実現することができる。
【０１２１】
また、到来波の数や方向の情報が必要ないため、複雑な到来方向推定演算を行うこと無しに指向性を決定することができる。また屋内環境のように多数のマルチパス波が到来するような到来方向推定が困難である環境においても、少ない測定回数と少ない演算量で所望の指向性を実現することができる。
【０１２２】
また、無給電アンテナ素子における受信特性を推定できるため、例えばアレーアンテナ数に比べて送受信機数が少ない場合でも、無給電のアンテナ素子全てまたは一部に送受信機を取り付けた場合のアレーアンテナの特性を推定することができる。これはアンテナ素子数に対して少ない送受信機を用いた電波伝搬特性の測定装置に利用可能であり、測定装置の簡易化・低コスト化を実現できるという利点がある。特に、信号波の到来方向推定の高精度化等に利用できる。
【０１２３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の受信アンテナ装置、および受信アンテナ装置と送信アンテナ装置から構成される無線通信システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の実施の形態で使用される４素子のアレーアンテナの構成例を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係わる無線通信システムの構成を示す図である。
【図３】図１に示すアレーアンテナと図２に示すアンテナ装置とを用いて所望の放射特性を実現する方法を示すフローチャートである。
【図４】図２に示す無線通信システムにおいてアンテナ部分のみを説明する模式図である。
【図５】図４に示すアレーアンテナ部分を等価回路として示した図である
【図６】本発明の第２の実施の形態に係わる無線通信システムの構成を示す図である。
【図７】図１に示すアレーアンテナと図６に示すアンテナ装置とを用いて所望の放射特性を実現する方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態で使用される（Ｍｐ＋２）素子のアレーアンテナの構成例を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係わる無線通信システムの構成を示す図である。
【図１０】図８に示すアレーアンテナと図９に示すアンテナ装置とを用いて所望の放射特性を実現する方法を示すフローチャートである。
【図１１】従来技術の例を示す第１の図である。
【図１２】従来技術の例を示す第２の図である。
【符号の説明】
【０１２５】
１、１Ｂ  受信アンテナ装置
１Ａ  送信アンテナ装置
１１、１２  給電アンテナ素子
２０、２１、２２  無給電アンテナ素子
３  誘電体基板
３１  誘電体基板背面のグランド板
４、４Ａ  アレーアンテナ
５０、５１、５２  可変容量素子（可変リアクタンス素子）
６１、６２  給電線路
７  スルーホール
８１、８２、８３  信号処理回路
９  送信アンテナ装置
９Ａ  受信アンテナ装置
９１、９１Ａ  信号処理回路
９２  アレーアンテナ
【図１】
0004465383.tif 000022
【図２】
0004465383.tif 000023
【図３】
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【図４】
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【図５】
0004465383.tif 000026
【図６】
0004465383.tif 000027
【図７】
0004465383.tif 000028
【図８】
0004465383.tif 000029
【図９】
0004465383.tif 000030
【図１０】
0004465383.tif 000031
【図１１】
0004465383.tif 000032
【図１２】
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