JP2004135263A - アレイアンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】アレイアンテナ装置の回路規模と消費電力を小さく抑えると同時に、電力増幅器の非線形歪を補償し高精度なビーム制御を行う。
【解決手段】アレイアンテナにおいて、振幅の重み付けが大きいアンテナの系列の電力増幅器１１８に振幅位相歪付加部１１２を設け、振幅の重み付けが小さいアンテナの系列の電力増幅器１０９に振幅歪付加部１０５を設けることにより、アンテナ系列毎に必要な量の歪み補償がなされるので、隣接する他のアンテナ系列に悪影響を与えることなく、ビーム制御精度の劣化が抑えられるとともに、装置の小型化が図れ、アレイアンテナ装置全体の電力効率を向上することが可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】アレイアンテナにおいて、振幅の重み付けが大きいアンテナの系列の電力増幅器１１８に振幅位相歪付加部１１２を設け、振幅の重み付けが小さいアンテナの系列の電力増幅器１０９に振幅歪付加部１０５を設けることにより、アンテナ系列毎に必要な量の歪み補償がなされるので、隣接する他のアンテナ系列に悪影響を与えることなく、ビーム制御精度の劣化が抑えられるとともに、装置の小型化が図れ、アレイアンテナ装置全体の電力効率を向上することが可能となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信システムの通信機に利用され、送信系で発生する非線形歪を補償する非線形歪補償装置を備えたアレイアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信システムの送信機に含まれるアンテナ装置として、複数のアンテナを配置することにより、その指向性を制御するアレイアンテナ装置が知られている。
【０００３】
このアレイアンテナ装置の使用により、鋭い指向性のビームを任意の方向に形成することが可能であり、同一周波数の繰り返し距離を縮めて周波数利用効率を上げたり、ヌル点を制御し、不要な方向に電波を照射しないようにしたりするといった制御が可能となっている。
【０００４】
このアレイアンテナ装置には一般に複数のアンテナを有し、それぞれのアンテナに対して信号を供給する電力増幅器が接続されている。そして、作成されたＲＦ信号をそれぞれの電力増幅器で増幅してアンテナより放射している。しかし、電力増幅器で増幅する際に発生する非線形歪がアレイアンテナ装置のビーム制御精度を劣化させる要因となっている。このため、その対策としてアンテナ一つ一つに接続された全てまたは一部の電力増幅器に対し、歪補償回路を設置するアレイアンテナ装置が提案されている。
【０００５】
このアレイアンテナ装置では一部または全てのアンテナの系列に歪補償回路を設け、電力増幅器で発生する非線形歪を補償するような歪をＩＱ信号に付加することで、ビーム制御精度が良く、かつ、小型で消費電力の小さいアレイアンテナ装置を構成している。
【０００６】
図１３に一部のアンテナ系列の電力増幅器に対してのみ歪補償装置を有するアレイアンテナ装置を示す。
【０００７】
図１３において、信号生成部９０は送信ＩＱ信号９０２を出力とする。
【０００８】
ビーム方向制御部９１３はビーム方向制御信号９１４を出力とする。
【０００９】
振幅位相制御部９０３は、送信ＩＱ信号９０２と、ビーム方向制御信号９１４を入力とし、振幅と位相が制御された送信ＩＱ信号９０４を出力とする。
【００１０】
周波数変換部９０５は振幅と位相が制御された送信ＩＱ信号９０４を入力とし、ＲＦ信号９０６を出力とする。
【００１１】
電力増幅部９０７はＲＦ信号９０６を入力とし、増幅されたＲＦ信号９０８を出力とする。
【００１２】
アンテナ９０９は増幅されたＲＦ信号９０８を入力とし、アンテナより電波を放射する。
【００１３】
歪付加部９１０は振幅と位相が制御されたＩＱ信号９０４を入力とし、歪が付加されたＩＱ信号９１１を出力とする。
【００１４】
周波数変換部９１２は歪が付加されたＩＱ信号９１１を入力とし、ＲＦ信号９０６を出力とする。
【００１５】
さらに、図１４に、従来のアレイアンテナ装置における、振幅位相制御部９０３の構成の一例を示す。
【００１６】
信号発生部で生成されたＩ信号１００１とＱ信号１００２とは振幅の重み付けと位相の回転を行うための重み付け関数ＸとＹとがそれぞれ掛け合わされる。そして、振幅の重み付けと位相の回転の行われたＩ信号１００５と、振幅の重み付けと位相の回転の行われたＱ信号１００６とに変換される。また、このときに用いられる重み付け関数ＸとＹは、ビーム方向制御信号１００３により決定される補正値テーブル１００４の値から、読み出される。この補正値テーブル１００４は、使用する電力増幅器単体の歪みを事前に測定し、事前に算出した補正値を保存したり、電力増幅器の出力信号をフィードバックして、適切な補正値を算出したりすることにより求められることが知られている。なお、この補正値データ１００４中のφは位相角を示す（以後の図面において同じ）。
【００１７】
また、図１５に、従来のアレイアンテナ装置における、振幅位相歪付加部９１０の構成の一例を示す。
【００１８】
振幅位相制御部９０３で振幅の重み付けと位相の回転が行われたＩ信号１２０１とＱ信号１２０２とは振幅方向と位相方向の歪みを付加するために重み付け係数ＸとＹとがそれぞれ掛け合わされる。そして、振幅歪みと位相歪みが付加されたＩ信号１２０４と振幅歪みと位相歪みが付加されたＱ信号１２０５に変換される。また、このときに用いられる振幅方向と位相方向の歪みを付加するために用いる係数ＸとＹは、入力されるＩ信号１２０１とＱ信号１２０２との瞬時電力に応じて読み出される補正値テーブル１２０３の値が用いられる。この補正値テーブル１２０３は、使用する電力増幅器単体の歪みを事前に測定し、事前に算出した補正値を保存したり、電力増幅器の出力信号をフィードバックして、適切な補正値を算出したりすることにより求められることが知られている。なお、この補正値データ１２０３中のＩ２＋Ｑ２は瞬時電力を示す（以後の図面において同じ）。
【００１９】
また、従来よりこのアレイアンテナ装置としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがあった。図１６は、特許文献１に記載された従来のアレイアンテナ装置の構成を示すものである。
【００２０】
図１６において、送信ベースバンド信号１５０１は周波数特性等化部１５０２に入力され、各アンテナ系列で発生する周波数歪の補償が行われる。周波数特性等化部１５０２はトランスバーサルフィルタにより構成することが可能である。
周波数特性等化部１５０２の出力は振幅位相制御部１５０３においてビーム形成に必要な振幅および位相の制御を受け、振幅位相制御部１５０３の出力は歪補償特性付加部１５０４に入力される。歪補償特性付加部１５０４においては入力信号の振幅値に応じて、電力増幅器１５０６で発生する非線形歪の逆特性が入力信号に付加される。歪補償特性付加部１５０４の出力は周波数変換部１５０５においてＲＦ帯の信号に変換され、周波数変換部１５０５の出力は電力増幅器１５０６において必要なレベルにまで増幅される。そして電力増幅器１５０６からは歪が補償された線形な信号が出力され、アンテナ１５０７より送信された信号は空間的に合成されて所望の指向性を持ったビームが形成される。また、補償動作制御部１５０８では送信電力制御信号１５０９の情報に基づいて、各歪補償特性付加部１５０４に対して制御を行うことにより所望の送信電力を得る。
【００２１】
【特許文献１】
特開２００２−１９０７１２号公報（第３−４頁、第１図）
【００２２】
【発明が解決しようとする問題】
しかしながら、一部のアンテナ系列の電力増幅器に歪補償回路を備えるアレイアンテナ装置においては、歪付加部を設けない系列のアンテナの電力増幅器で発生する歪の影響でビーム制御精度が劣化してしまうといった課題を有していた。
また、歪補償回路を多数もつ場合、デジタル回路の構成が増え、大きな消費電力が必要となるという課題を有していた。
【００２３】
特に、ＱＰＳＫ変調の信号などに比べ、ピーク対平均電力比（ＰＭＰＲ）の大きなＯＦＤＭ変調やＣＤＭＡ変調の信号などを送信する際は、大きな電力レベルの信号を送信するときと、小さな電力レベルの信号を送信するときとで、複数ある電力増幅器間で発生する非線形歪の差がより大きくなり、ビーム制御精度が劣化していた。
【００２４】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされ、その目的とするところは、非線形歪の補償され送信系での回路構成が小型化され、消費電力効率も向上したアレイアンテナ装置を提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決する本発明に係るアレイアンテナ装置は、一部の電力増幅器には位相歪と振幅歪の両方を付加する歪付加部を適用し、他の電力増幅器には振幅歪のみ、あるいは位相歪のみを付加する歪付加部を適用する。
【００２６】
この構成により、アンテナ系列毎に必要な量の歪み補償がされるので、隣接する他のアンテナ系列に悪影響を与えることなく、ビーム制御精度の劣化が抑えられる。また、振幅と位相の両方の歪み補償が必要なアンテナ系列にのみ回路構成の大きな両方の歪み補償を行う歪み付加部を備えることになるので、装置の小型化が図れ、アレイアンテナ装置全体の電力効率を向上することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るアレイアンテナ装置は、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された電力増幅器と、このアンテナ素子および電力増幅器を備える複数のアンテナ系列の少なくともいずれかに位置し、電力増幅器で発生する振幅と位相の非線形歪を補償する振幅位相歪付加部と、振幅位相歪付加部を持つアンテナ系列以外のアンテナ系列の少なくともいずれかに位置し、電力増幅器で発生する、振幅の非線形歪を補償する振幅歪付加部および位相の非線形歪を補償する位相歪付加部のいずれか一方と、指定された方向にビーム制御するために、アンテナ系列毎に送信信号に対して、振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部とを有している。これによって、電力効率の向上および装置の小型化が図れ、ビーム制御精度の劣化を抑制した、精度の高いビームを形成できる。特に、電力増幅器に入力される信号の瞬時電力に応じた位相歪みの変動に比べて、振幅歪みの変動が大きい場合に効果が大きい。
【００２８】
また、本発明に係るアレイアンテナ装置は、振幅の重み付け量が所定値と等しくあるいは、大きく設定されたアンテナ系列に、振幅位相歪付加部が接続され、振幅の重み付け量が所定値より小さく設定されたアンテナ系列に、振幅歪付加部および位相歪付加部のいずれか一方が接続されている。これによって、非線形歪みの影響が大きくなる、電力レベルの大きなアンテナ系列は振幅、位相の両方が補償され、影響が小さい電力レベルがあまり大きくない系列には一方のみ補償するので、消費電力や回路規模の点で効率的な歪み補償を行うことができる。これは、アンテナ系列ごとに発生する歪みの大きさにばらつきがある場合に効果が大きい。
【００２９】
また、本発明に係るアレイアンテナ装置は、電力増幅器で発生する歪みが所定値と等しいあるいは、大きいアンテナ系列に振幅位相歪付加部が接続され、電力増幅器で発生する歪みが所定値より小さいアンテナ系列に、振幅歪付加部および位相歪付加部のいずれか一方が接続されている。これによって、非線形歪みの大きなアンテナ系列は振幅、位相の両方が補償され、非線形歪みの小さい系列には一方のみ補償するので、消費電力や回路規模の点で効率的な歪み補償を行うことができる。これは、アンテナ系列ごとに接続された電力増幅器の最大出力電力に違いがあるときや、発生する歪みの大きさにばらつきがある場合に特に効果が大きい。
【００３０】
本発明に係るアレイアンテナ装置は、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された電力増幅器と、指定された方向にビーム制御するために、アンテナ素子および電力増幅器を備える複数のアンテナ系列毎に送信信号に対して、振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部と、複数のアンテナ系列に入力される信号の瞬時電力レベルを算出する瞬時電力レベル算出部とを有し、瞬時電力レベル算出部からの指示に基づいて、振幅位相制御部が振幅の重み付け量と位相の回転量とを補正する。これによって、瞬時電力レベルに応じた補正が全て、各アンテナ系列の振幅位相制御部で行われるので、電力効率の向上および装置の小型化が図れ、ビーム制御精度の劣化を抑制した、精度の高いビームを形成できる。特に、アンテナ系列が多い場合により効果が大きい。
【００３１】
また、本発明に係る補正は、瞬時電力レベル算出部が瞬時電力レベルと、振幅位相制御部にビーム方向を指示するビーム方向制御信号とにより指定する、前記電力増幅器による非線形歪み補償を含めた補正テーブルに基づいて行っている。
これによって、瞬時電力レベルに応じた非線形歪み補償を、ビーム制御と同時に行うので、回路規模と消費電力の点で効率の向上が図られる。
【００３２】
本発明に係るアレイアンテナ装置は、複数のアンテナ素子と、この複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された複数の電力増幅器と、アンテナ素子および電力増幅器を備える複数のアンテナ系列に位置し、電力増幅器で発生する非線形歪を補償する歪付加部と、指定の方向にビーム制御するために、アンテナ系列毎に振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部とを有し、歪み付加部がリコンフィグァラブルデバイス（書き換え可能回路）を用いて構成され、振幅の重み付け量と位相の回転量とから、リコンフィグァラブルデバイスの回路構成を書き換える。これによって、振幅の重み付け量と位相の回転量との設定の度に、アンテナ系列毎の歪み付加部を最適なものに切り換えられるのでビーム制御精度の劣化を抑制して、ビーム制御精度の高いビームを形成できる。特に、アンテナ系列ごとの振幅の重み付け量が時間的に変動する場合などに効果が大きい。
【００３３】
また、本発明に係るアレイアンテナ装置は、リコンフィグァラブルデバイスの回路構成の書き換えが、電力増幅器で発生する振幅と位相の非線形歪を補償する振幅位相歪み付加回路の存在するアンテナ系列と、電力増幅器で発生する振幅の非線形歪を補償する振幅歪み付加回路および位相の非線形歪を補償する位相歪付加部のいずれか一方の存在するアンテナ系列との切り替えである。これによって、振幅の重み付け量と位相の回転量との設定の度に、アンテナ系列毎の歪み付加部を振幅位相歪み付加回路などに切り換えられるので、電力効率の向上および装置の小型化が図れ、ビーム制御精度の劣化を抑制して、精度の高いビームを形成できる。
【００３４】
また、本発明に係るアレイアンテナ装置は、複数のアンテナ素子が円形アレイアンテナで構成されるものである。これによって、円形アレイアンテナの送信ビームの方向を変えるときに、アンテナ系列ごとの振幅の重み付け量を変更する場合、特に効果が大きい。
【００３５】
本発明に係る無線通信機は、本発明に係るアレイアンテナ装置を有している。
これによって、回路規模と消費電力の点で効率のよい、ビーム制御性能に優れた無線通信機を実現することができる。
【００３６】
本発明に係るＭＩＭＯ通信装置は、複数のアンテナ素子と、この複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された複数の電力増幅器と、電力増幅器で発生する振幅と位相の非線形歪を補償する振幅位相歪付加部、振幅の非線形歪を補償する振幅歪付加部、および位相の非線形歪を補償する位相歪付加部のいずれか一つを構成し、アンテナ素子および前記電力増幅器を備える各アンテナ系列にそれぞれ配置するリコンフィグァラブルデバイス（書き換え可能回路）と、指定された方向にビーム制御するために、アンテナ系列毎に送信信号に対して、振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部と、複数のアンテナ素子から送信された信号の伝搬環境が通知される伝搬環境信号を受信する受信アンテナとを有し、この受信アンテナからの受信信号に応じて振幅の重み付け量と位相の回転量とを決定し、振幅の重み付け量と位相の回転量とに応じて、振幅位相歪付加部と、振幅歪付加部および位相歪付加部のいずれか一方とを配置している。これによって、電力効率の向上および装置の小型化が図れ、ＭＩＭＯ通信装置としての通信品質の劣化を抑制して、通信品質の良いＭＩＭＯ通信装置を実現できる。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図１１を用いて説明する。なお、以降の図面において同一の構成物は同一の符号で示す。
【００３８】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成を示している。
【００３９】
信号生成部１０１は送信ＩＱ信号１０２を生成するものである。ビーム方向制御部１１５は、直線アレイアンテナ１１１の合計の放射パターンが所定の形に形成されるよう、それぞれのアンテナ系列に適した振幅の重み付けと、位相の回転量を計算し、振幅位相制御部１０３へビーム方向制御信号１１６を出力するものである。振幅位相制御部１０３は、送信ＩＱ信号１０２を、ビーム方向制御信号１１６で指定された方向にビーム制御するために、振幅と位相とを制御し、送信ＩＱ信号１０４を出力するものである。具体的には、直線アレイアンテナの中央のアンテナ系列にある振幅位相制御部１０３は、振幅が他の系列よりも最も大きくなるように制御し、位相は０度となるように制御する。中央から端になるに従って、振幅位相制御部１０３は順次振幅を小さくなるように制御するが、位相は中央よりも順次進んだものとなるように制御する。なお、この振幅、及び位相に加える制御の度合いを重み付けという。
【００４０】
振幅歪付加部１０５は、系列上にある電力増幅部１０９の有する非線形歪みと、逆特性の振幅歪み特性を有し、入力信号に応じた振幅歪を付加して出力するものである。周波数変換部１０７、１１４は入力信号をＲＦ信号１０８に変換するものである。電力増幅部１０９は入力信号を、増幅し出力するものである。直線アレイアンテナ１１１は増幅されたＲＦ信号１１０を入力とし、アンテナより電波を放射するものである。振幅位相歪付加部１１２は系列上にある電力増幅部１０９の有する非線形歪みと、逆特性の振幅歪み特性と位相歪み特性を有し、入力信号に応じた振幅位相歪を付加して出力するものである。
【００４１】
ここで、電力増幅部１０９の有する非線形歪みについて説明する。図２（ａ）乃至（ｅ）は本実施の形態における、送信系電力増幅器で発生する非線形歪の一例について示している。
【００４２】
図２（ａ）において、送信ベースバンド信号２０１は周波数変換部１０７にて、ＲＦ周波数帯に周波数変換され、電力増幅器１０９で所望の電力レベルまで増幅され、アンテナ２０４より放射される。
【００４３】
ここで、電力増幅器１０９は、消費電力の問題から非線形領域で使用されることが多く、非線形領域の入力電力レベルで信号が入力され増幅が行われた場合、出力信号に歪を生じる。
【００４４】
図２（ｂ）、（ｃ）はこの現象を示す図であり、たとえば、電力増幅器１０９に図２（ｂ）に示すスペクトル２０５を持つ信号をある入力電力レベルで入力した際、電力増幅器１０９の出力に図２（ｃ）に示すスペクトル２０６をもつ信号が現れる。
【００４５】
このとき、出力信号のスペクトル２０６は、入力信号のスペクトル２０５に比べ、周波数的に帯域が広がっており、Ｃ／Ｎが劣化している。
【００４６】
この劣化の要因は、電力増幅器１０９の非線形歪が一つの原因であり、歪が発生する主な原因は、電力増幅器の２つの特性であることが知られている。
【００４７】
その一つは、電力増幅器のＡＭＡＭ特性であり、その特性の一例を図２（ｄ）に示す。ＡＭＡＭ特性２０７は電力増幅器に加えた入力信号の電力レベルに応じて、電力増幅器の利得が変動するという特性をもっている。このＡＭＡＭ歪は振幅歪とも呼ばれ、ベースバンド帯においてデジタル処理で取り除くことも可能であるが、ＲＦ周波数帯においてアナログ回路で取り除くことも可能である。本実施の形態では、この電力増幅器１０９の有するＡＭＡＭ特性２０７と逆特性のＡＭＡＭ特性を備えた歪み付加部を電力増幅器の前段に設け、入力信号にあらかじめ歪みを付加することにより電力増幅器１０９の歪みを補償する。
【００４８】
電力増幅器１０９で非線形歪が発生するもう一つの要因は、ＡＭＰＭ特性であり、その特性の一例を図２（ｅ）に示す。ＡＭＰＭ特性は、電力増幅器に入力される、電力のレベルに応じて出力信号の位相が変動するという特性をもっている。このＡＭＰＭ歪は、位相歪とも呼ばれ、ベースバンド帯のデジタル処理で取り除くことは可能であるが、ＲＦ周波数帯においてアナログ回路で取り除くには、移相器を高速に動作させる必要がある。このため、ＡＭＡＭ特性を取り除くのに比べ、回路構成がより複雑になる。本実施の形態では、ＡＭＡＭ特性の歪み補償と同様に、この電力増幅器の有するＡＭＰＭ特性と逆特性のＡＭＰＭ特性を備えた位相歪付加部を電力増幅器１０９の前段に設け、入力信号にあらかじめ位相歪みを付加することにより電力増幅器の位相歪みを補償する。
【００４９】
そこで、本実施の形態においては、ビーム制御を行うにあたり、振幅位相制御部１０３の振幅の重み付けの大きいアンテナ系列には振幅位相歪付加部１１２を設け、他の系列には振幅歪付加部１０５を設けている。
【００５０】
ここで、図５に、デジタル処理で構成される振幅歪付加部４１１を示す。図５において、振幅補正テーブル５０３は電力レベル毎の補正値Ｘが記憶されているものであり、使用する電力増幅器単体の歪みを事前に測定し、事前に算出した補正値を保存したり、電力増幅器の出力信号をフィードバックして、適切な補正値を算出したりすることにより求められることが知られている。
【００５１】
次に、このように構成された振幅歪付加部４１１の動作について説明する。
【００５２】
まず、Ｉ信号５０１と、Ｑ信号５０２に対して入力信号の瞬時電力５０６を計算する。
【００５３】
次に、振幅補正テーブル５０３から、その電力レベルに応じた適切な補正値Ｘが読み出される。
【００５４】
次に、この補正値ＸがＩ信号とＱ信号に掛け合わされ、振幅歪みが付加された、Ｉ’信号５０４とＱ’信号５０５とが得られる。
また、振幅位相歪付加部４０９については、従来例で説明した図１５に示したものと同一である。
【００５５】
これにより、アレイアンテナ装置は全てのアンテナ系列に振幅位相歪付加部１１２を設けた場合に比べ、簡易な回路で歪補償を行い、ビーム制御精度を改善している。
【００５６】
図１を用いて、本実施の形態のアレイアンテナの動作について以下に説明する。
【００５７】
まず、信号生成部１０１において生成されたＩＱ信号１０２は振幅位相制御部１０３において、所定のビームが得られるよう振幅の重み付けと位相の回転が行われ、振幅歪付加部１０５へ出力される。なお、送信ＩＱ信号１０２はたとえばＱＰＳＫ信号であり、それぞれのアンテナ系列に同じ信号が送信される。
【００５８】
次に、振幅の重み付けと位相の回転処理がされたＩＱ信号１０４は、振幅歪付加部１０５において、電力増幅器１０９で発生する振幅歪を打ち消すような歪が付加され、周波数変換部１０７へ出力される。
【００５９】
次に、振幅歪みが付加されたＩＱ信号１０６は、周波数変換部１０７において直交変調され、所定の周波数に変換される。
【００６０】
次に、周波数変換部１０７で生成されたＲＦ信号１０８は、電力増幅器１０９において、所定の電力レベルまで増幅され、アンテナ１１１より放射される。
【００６１】
一方、直線アレイアンテナの中央の系列では、振幅の重み付けと位相の回転処理されたＩＱ信号１１６が振幅位相歪付加部１１２において、電力増幅器１０９で発生する振幅歪と位相歪を打ち消すような歪が付加され、周波数変換部１１４へ出力される。
【００６２】
次に、振幅歪および位相歪が付加されたＩＱ信号１１３は直交変調され、さらに所定の周波数に変換される。
【００６３】
次に、周波数変換部１１４で生成されたＲＦ信号１１７は、電力増幅器１１８において、所望の電力レベルまで増幅され、アンテナ１１１より放射される。
【００６４】
このように、振幅の重み付けが大きく設定された振幅位相制御部１０３の備わるアンテナ系列には、電力増幅器１１８に平均して入力される電力レベルが大きくなり、他の電力増幅器１０９に比べ歪みが多く発生する。このため、振幅歪みも位相歪みも補償する振幅位相歪付加部１１２を設置し、振幅の重み付けが小さく設定されたアンテナ系列には、電力増幅器１０９に平均して入力される電力レベルが小さく、他の電力増幅器１１８に比べ歪みが小さいので、振幅歪みのみ補償する振幅歪付加部１０５を設置する。
【００６５】
これはアレイアンテナ装置の有する複数の電力増幅器１０９の最大出力が等しい場合、これらの電力増幅部で発生する非線形歪は入力レベルが大きいほど大きく、入力電力レベルが小さいほど小さいからである。以上のような構成とすることで、送信系の非線形歪みが補償され、ビーム制御精度が良く、かつ回路規模の小さい、消費電力も少ないアレイアンテナ装置を実現することができる。
【００６６】
以下、図３乃至図６に、本実施の形態の電力増幅器のＡＭＡＭ特性、ＡＭＰＭ特性を測定し、計算機解析により、本実施の形態の有効性について検証を行った結果について説明する。
【００６７】
図３は、８アレイの直線アレイアンテナを用いて、所定の方向にビームを向けるときにそれぞれのアレイに割り当てられる電力配分を示す図である。
【００６８】
図３において、３０１は８素子の直線アレイアンテナであり、３０２はそれぞれのアレイアンテナから出力される平均電力レベルの模式図である。
【００６９】
直線状にアンテナが並んでいる直線アレイアンテナをもちいて、振幅位相制御を行ってビーム制御する場合、一般的にビームを向ける方向にかかわらず、中心に位置するアレイほど、平均の電力レベルが大きくなるような振幅の重み付けがなされる。
【００７０】
その結果、電力増幅器の最大出力電力が等しい場合、中心のアレイに位置する電力増幅器ほど、発生する歪みが大きくなるといった特徴がある。
続いて、本実施の形態の有効性を確認するための、歪補償回路の配置図を図４に示す。
【００７１】
図４（ａ）は、歪み補償回路を持たないアレイアンテナ装置の構成図である。
【００７２】
図４（ａ）において、信号発生部４０１は、それぞれのアンテナ系列に生成信号４０２を出力する。
【００７３】
位相調整部４０３および振幅調整部４０４は生成信号４０２を入力し、各アンテナ系列の合計が、所望のビームを形成するように、位相と振幅を調整し、送信信号４０５を出力する。電力増幅部４０６は、送信信号４０５を入力し、増幅された送信信号４０７を出力する。
【００７４】
アンテナ部４０８は、増幅された送信信号４０７を入力し、電波を送信する。
図４（ｂ）は、従来の歪み補償回路をもつアレイアンテナ装置の構成図である。
ここで、振幅位相歪付加部４０９は、位相調整部４０３および振幅調整部４０４で生成された送信信号に対し、電力増幅器４０６で発生する振幅歪みおよび位相歪みを打ち消すような振幅歪みおよび位相歪みを付加するものである。図４（ａ）に示したアレイアンテナ装置とは、この振幅位相歪付加部４０９が全アンテナ系列に備えられている点が異なる。
【００７５】
図４（ｃ）は、本実施の形態における歪み補償回路を持つアレイアンテナ装置の構成図である。
【００７６】
図４（ｂ）に示したアレイアンテナ装置とは、電力配分の大きい中心部のアンテナ系列に対してのみ、振幅位相歪付加部４０９をもち、ほかの電力配分の小さなアンテナ系列に対しては、振幅歪付加部４１１を設けている点が異なる。
【００７７】
図６にアレイアンテナ装置のビームパターンを示す。６０１は図４（ａ）に示した歪み補償のないアレイアンテナ装置のビームパターン、６０２は図４（ｂ）に示した従来の歪み補償されたアレイアンテナ装置のビームパターン、６０３は図４（ｃ）に示した本実施の形態のアレイアンテナ装置のビームパターンを計算機シミュレーションによって得たものである。なお、このシミュレーションにおいて、図４（ｃ）のアレイアンテナ装置では振幅の重み付け量が大きい上位２つのアンテナ系列に、振幅位相歪付加部４０９を接続し、それ以外の系列には振幅歪付加部を接続している。振幅位相歪付加部４０９と振幅歪付加部４１１をいくつずつ接続するかの判定は、個数を変えた場合のビームの劣化量をシミュレーションし、その結果から、ビーム劣化量を十分に抑圧するのに必要な数を算出した。このようにして、振幅位相歪付加部４０９と振幅歪付加部４１１のどちらを接続するかを判定する振幅の重み付け量の基準値（本発明の所定値に相当する。）を決定することができる。
【００７８】
図６において、ビームパターン６０２は、すべてのアンテナ系列に、振幅歪みと位相歪みが補償されているため、電力増幅器の歪みが除去された場合のビームパターンとなっており、理想特性を示している。また、ビームパターン６０１は、すべてのアンテナ系列に歪みを補正していないため、それぞれのアンテナ系列で発生する歪みによってビームパターンが劣化していることがわかる。
【００７９】
また、本実施の形態に係るアレイアンテナ装置のビームパターン６０３と、理想特性のビームパターン６０２とを比較すると、第１サイドローブレベルで比較して、０．５ｄＢの劣化に押さえられていることがわかる。これはアレイアンテナのビーム制御精度において許容される範囲のものである。
【００８０】
このことから、図４（ｃ）に示す本実施の形態のアレイアンテナ装置は装置、従来の全アンテナ系列に歪み補償回路を有するアレイアンテナ装置とほぼ同等のビーム制御精度を得られと言える。
【００８１】
一方、このときの両者における、デジタル回路の計算量について以下に説明する。
【００８２】
図５に示す振幅歪み補償回路における積算の回数は４回である。
【００８３】
また、図１５に示す振幅位相歪み補償回路における積算の回数は６回である。
【００８４】
従って、図４（ｂ）に示す、従来の歪み補償されたアレイアンテナ装置全体の積算回数は、アンテナ系列が８系列あるので４８（＝６×８）となる。
【００８５】
それに対し、図４（ｃ）に示す、本実施の形態のアレイアンテナ装置全体の積算回数は、振幅位相歪付加部が２系統に接続され、振幅歪付加部が６系列に接続しているので、３６（＝６×２＋４×６）となる。
【００８６】
このように、本実施の形態のアレイアンテナ装置は、ビーム制御精度をほぼ同等に保ったまま、積算回数を減らすことができ、本実施の形態の有効性を確認することができる。
【００８７】
また、本実施の形態のアレイアンテナ装置は、デジタル回路部１１５の構成が、従来の全アンテナ系列に歪み補償回路を有するアレイアンテナ装置のものよりも減少するため、デジタル回路部１１５で発生する熱や、電流を小さくすることができ、アレイアンテナ装置の小型化、低消費電力化、低コスト化を実現することが可能となる。
【００８８】
なお、本実施の形態では、振幅歪付加部１０５をデジタル回路で構成する例について説明したが、振幅歪付加部１０５を、増幅器や、抵抗等で構成したアナログ回路でも実現することができる。このときは、デジタル回路部１１５で歪み補償を行うのは振幅位相歪付加部１１２のみで済むため、積算回数を大幅に低減することができる。
【００８９】
また、電力増幅部１０９が、入力電力レベルが大きいアンテナ系列であって、振幅歪みと位相歪みの大きい系列に対して振幅位相歪付加部による補償を行い、振幅歪みよりも位相歪みが問題となるような他のアンテナ系列には、位相歪付加部を設ける構成にすることも可能である。この構成においても、同様の効果が得られる。
【００９０】
また、振幅歪付加部または振幅位相歪付加部の配置は周波数変換部と振幅位相制御部の間に設ける構成に限らず、一部または全ての振幅歪付加部や振幅位相歪付加部を周波数変換部と電力増幅器の間または、信号生成部と振幅位相制御部の間に設けることも可能である。この場合には、ＲＦ信号の周波数帯域での応答速度を有するアナログ素子を使用する必要がある。
【００９１】
また、アレイアンテナに対して、振幅位相歪付加部、振幅歪付加部あるいは位相歪付加部のいずれも設けないアンテナ系列を有する構成にしても、同様の効果がある。これは、入力電力レベルと電力増幅器との関係において、非線形歪みが問題とならないアンテナ系列が存在し得るからであり、その場合には、そのアンテナ系列への歪み付加部の接続を無くすことができる。
【００９２】
なお、本実施の形態ではアレイアンテナにおけるアンテナ数が８つの場合について説明したが、アンテナ数には依存せず、２つ以上の構成のアレイアンテナにおいては、同様の効果が得られる。これは、振幅位相歪付加部の接続においても同様であり、接続する個数には依存しない。
【００９３】
また、本実施の形態では、複数のアレイの中で、中央の２つのアンテナについて振幅位相歪を付加するものについて説明したが、中央以外のアンテナの系列に重み付けを大きくしている場合などは、その重み付けの大きいアンテナ系列に対して振幅位相歪付加部を設ける構成にすることにより同様の効果が得られる。
【００９４】
また、本実施の形態では、８つあるアレイ系列の中央部の振幅重み付けが大きい場合について説明したが、中央部の振幅重み付けが大きくなくても、電力増幅器で発生する歪みが大きい部分に、重点的に歪み補償回路をもうけることで同様の効果が得られる。
【００９５】
また、本実施の形態では、直線アレイアンテナについて説明したが、円形アレイアンテナや、それ以外の形状で複数のアンテナ系列を持つアンテナにおいても、同様の効果がある。
【００９６】
（実施の形態２）
図７は本実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成を示している。
【００９７】
図１に示した実施の形態１の構成とは、瞬時電力算出部７１３が追加されている点と、振幅位相歪付加部１１２および振幅歪付加部１０５が接続されていない点とが異なる。
【００９８】
図７において、瞬時電力レベル算出部７１３は、入力信号の電力レベルを算出し、それに応じた瞬時電力レベル信号７１４を出力するものである。
【００９９】
また、振幅位相制御部７０３はビーム方向制御信号ばかりでなく、瞬時電力レベル信号に応じて振幅の重み付けと位相の回転を行う点が、実施の形態１の振幅位相制御部１０３と異なる。図８は本実施の形態における振幅位相制御部の構成を示している。
【０１００】
図８において、信号生成部１０１より入力されたＩ信号１１０１とＱ信号１１０２は、乗算器により補正係数ＸとＹをそれぞれ掛け合わされた後それぞれが相互に加算され、振幅と位相が制御されたＩ信号１１０５とＱ信号１１０６とに変換される。なお、補正テーブル１１０４から、瞬時電力レベル信号と、ビーム方向制御信号１１０３とに応じて補正係数ＸとＹが出力される。この補正テーブル１１０４はビーム方向制御に必要な振幅の重み付け量と位相の回転量の係数に、瞬時電力レベル信号に応じて電力増幅器で発生する振幅歪みと位相歪みを補償するような補償係数を付加して求めることができる。
【０１０１】
また、補正テーブル１１０４は、ビーム方向制御信号１１０３と入力信号の瞬時電力レベル信号１００７の、二つのパラメータに応じて読み出す補正値を変える構成を取る。このような構成を取ることで、アレイアンテナのビーム形成を行うための振幅の重み付けと位相の回転と、瞬時電力に応じて変動する非線形歪みの補正という二つの効果を同時に得ることができる。
【０１０２】
以上のように構成されたアレイアンテナ装置について、以下に図７および図８を用いて、その動作について説明する。
【０１０３】
まず、信号生成部１０１において生成されたＩＱ信号は振幅位相制御部７０３と瞬時電力レベル算出部７１２とに出力される。
【０１０４】
次に、瞬時電力レベル算出部７１３に入力したＩＱ信号から、その瞬時電力レベルが算出され、それぞれのアンテナ系列における振幅位相制御部７０３に瞬時電力レベル信号７１４が出力される。
【０１０５】
また、ビーム方向制御部１１５からは、アンテナ１１１の出力する電波が所望のビームを形成するよう、ビーム方向制御信号１１６が、振幅位相制御部７０３に出力される。
【０１０６】
次に、ＩＱ信号１０２は振幅位相制御部１０３において、所定のビームが得られるように、瞬時電力レベル信号７１４とビーム方向制御信号１１６とに対応して振幅の重み付けと位相の回転が行われ、周波数変換部１０７に出力される。
【０１０７】
次に、振幅の重み付けと位相の回転処理がされたＩＱ信号７０４は周波数変換部１０７で直交変調され、さらに所望の周波数に周波数変換される。
【０１０８】
次に、周波数変換部１０７で生成されたＲＦ信号７０６は、電力増幅部１０９において、所望の電力レベルまで増幅され、アンテナ１１１より電波として放射される。
【０１０９】
以上のように、振幅位相制御部７０３が瞬時電力レベル信号と、ビーム方向制御信号とに応じて、振幅と位相の歪み補償をその重み付け算出と同時に行うので、歪み補償の回路構成が簡易で、かつ精度の良好なビーム制御を行うことができる。
【０１１０】
なお、本実施の形態では、全てのアンテナの系列に対して振幅の重み付け量と位相の回転量を入力ＩＱ信号の電力レベルに応じて変化させる場合について説明したが、振幅歪みや位相歪みの程度に応じて、一部のアンテナの系列に対してのみ振幅の重み付け量と位相の回転量の両方またはいずれか一方を入力ＩＱ信号の電力レベルに応じて変化させる構成にすることも可能である。
【０１１１】
また、本実施の形態では、瞬時電力レベル計算部７１３を一つ持つ構成について説明したが、これに限らず、それぞれのアンテナ系列における振幅位相制御部において瞬時電力レベルを算出する機能を設け、ビーム制御と歪み補償を同時に行うようにすることも可能である。
【０１１２】
なお、本実施の形態ではアレイアンテナにおけるアンテナ数が８つの場合について説明したが、これに限らず、アンテナ数が２つ以上の構成のアレイアンテナ装置であれば、同様の効果が得られる。
【０１１３】
（実施の形態３）
図９は、本実施の形態における、円形アレイアンテナ装置の構成を示している。
【０１１４】
図１に示した実施の形態１の構成とは、書換制御部８１６が追加され、振幅位相制御部１０３と振幅位相歪付加部１１２と振幅歪付加部８０５とが、回路の書換可能なデバイスであるリコンフィグァラブルデバイス（書き換え可能回路）で構成されている点と、アレイアンテナが円形アレイアンテナである点とが異なる。
【０１１５】
図９において、振幅位相制御部１０３、振幅歪付加部１０５、振幅位相歪付加部１１２は、デジタル処理部８１５に含まれる。このデジタル処理部８１５が回路の書換可能なデバイスであり、そのデバイスを使ったものの一例としてＳＤＲ（Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｒａｄｉｏ）が実用化されつつある。そして、このデジタル処理部８１５は、外部からの書換制御信号８１９により、各アンテナ系列毎に振幅位相制御部１０３と振幅位相歪付加部１１２、あるいは振幅位相制御部１０３と振幅歪付加部１０５の組合せとなるように書き換えが行われる。
【０１１６】
また、書換制御部８１６はデジタル処理部８１５を制御して、振幅位相歪付加部１０３と、振幅歪付加部１０５が、適切な位置に配置されるよう書換制御信号８１９をデジタル処理部８１５に出力するものである。以上のように構成されたアレイアンテナ装置について、以下にその動作について説明する。
【０１１７】
まず、ビーム方向制御部１１５が、８アレイからなる円形アンテナ８１１の合計の放射パターンが所望の形に形成されるように、それぞれのアンテナに適した振幅の重み付け量と、位相の回転量を決定し、ビーム方向制御信号１１６を各アンテナ系列の振幅位相制御部１０３に出力する。これにより、振幅位相制御部１０３の図１１に示した係数Ｘ、Ｙが選択される。
【０１１８】
また、書換制御部８１６が書換制御信号８１９により、振幅位相歪付加部１１２と振幅歪付加部１０５とをビーム制御の方向に応じて配置する。
【０１１９】
次に、信号生成部１０１において生成された送信信号１０２は振幅位相制御部１０３で選択された係数Ｘ、Ｙを用いて振幅の重み付けと、位相の回転が行われ、振幅歪付加部１０５あるいは振幅位相歪付加部１１２へ出力される。
【０１２０】
次に、振幅の重み付けと、位相の回転が行われた送信信号１０４は振幅歪付加部１０５で瞬時電力レベルが算出され、電力増幅器１０９で発生する振幅歪を打ち消すような歪が付加され、周波数変換部１０７へ出力される。
【０１２１】
また、振幅位相歪付加部１１２に入力された送信信号１０４も同様に瞬時電力レベルが算出され、電力増幅器１０９で発生する振幅歪と位相歪を打ち消すような歪が付加され、周波数変換部１１４へ出力される。
【０１２２】
次に、これらの歪が付加された信号１０６、１１３は周波数変換部１０７で直交変調され、さらに所望の周波数に変換される。
【０１２３】
次に、周波数変換部１０７で生成されたＲＦ信号１０８は電力増幅器１０９で所望の電力レベルまで増幅され、円形アレイアンテナ８１１より放射される。
【０１２４】
以上のように、本実施の形態においては、振幅位相歪付加部１１２と、振幅歪付加部１０５との位置をビーム制御の方向に応じて書き換える構成とすることにより、ビーム方向を変更したいときにも容易に適切な歪み補償を行うことが可能になる。また、この構成を取ることで、ビーム方向に応じて、アンテナ系列毎に振幅の重み付けが変化する円形アレイアンテナにおいて、発生する歪みが大きい系列に振幅位相歪付加部を適応的に設けることができるので、デジタル処理部８１５における、演算量を減らすことができ、小さな処理量で、高度なビーム制御精度を得ることが可能になる。
【０１２５】
なお、本実施の形態では、回路の再書換可能なデバイスで構成した例を示したが、これに限らず図１０に示すような配線の切換機能を有するアレイアンテナ装置でも同様の効果を得ることができる。
【０１２６】
図１０において、振幅位相制御部１０３と振幅歪付加部１０５、あるいは振幅位相制御部１０３と振幅位相歪付加部１１２との間に第１配線切換部１４０１を設け、また、振幅歪付加部１０５あるいは振幅位相歪付加部１１２と、周波数変換部１０７との間に第２配線切換部１４０２を設ける。そして、切換制御部１４０３が、これらの第１配線切換部１４０１と、第２配線切換部１４０２とを制御して、振幅位相歪付加部１０３と振幅歪付加部８０５とが、ビーム制御の方向に応じて振幅位相制御部１０３と周波数変換部１０７とに接続する。
【０１２７】
このように、振幅歪付加部１０５と、振幅位相歪付加部１１２とを接続するアンテナ系列を切り替えることにより、図９に示した構成のアレイアンテナ装置と同様の効果を得ることができる。
【０１２８】
なお、本実施の形態では、全てのアンテナ系列に対して、振幅位相歪付加部１１２もしくは振幅歪付加部１０５を有する場合について説明したが、振幅歪みや位相歪みの程度に応じて、振幅位相歪付加部１１２もしくは振幅歪付加部１０５のどちらも含まないアンテナ系列が存在するようにすることも可能である。
【０１２９】
また、本実施の形態では円形アレイアンテナにおけるアンテナ数が８つの場合について説明したが、これに限らず、アンテナ数が２つ以上の構成のアレイアンテナ装置であれば、同様の効果が得られる。
【０１３０】
また、円形アレイアンテナに限らず、直線アレイアンテナや、複数のアンテナ系列を持つアレイアンテナであって、所望のビーム方向を変えることで、それぞれのアンテナ系列に与える適切な電力配分が変わるアンテナについても、同様の効果が得られる。
【０１３１】
また、本実施の形態では、振幅位相制御部と、振幅位相歪み付加部、振幅歪み付加部が分かれて存在する場合について説明したが、図１２に示すように振幅位相制御部と、振幅位相歪み付加部もしくは、振幅歪み付加部を一体にした振幅位相制御部１０３を、図８に示した構成で実現することも可能である。このときも、同様の効果が得られる。
【０１３２】
（実施の形態４）
図１１は、本実施の形態におけるＭＩＭＯ通信装置の構成を示している。
【０１３３】
図１１において、伝搬環境情報受信部１３１８は、受信アンテナ１３１６で受信された伝搬環境信号１３１７から、伝搬環境参照信号１３１９を出力するものである。この伝搬環境信号１３１７は送信アンテナ１３１１から送信されるそれぞれの伝搬チャネルの状態を通知するものである。
【０１３４】
振幅位相重み付け決定部１３２０は、伝搬環境参照信号１３１９を基にアンテナ系列毎の振幅の重み付け量と位相の回転量を算出し、振幅位相制御部１３０３に振幅位相制御信号１３２１を出力するものである。
【０１３５】
その他の信号生成部１０１、振幅位相制御部１０３、振幅歪付加部１０５、周波数変換部１０７、電力増幅器１０９、アンテナ部１３１１、振幅位相歪付加部１１２、および周波数変換部１０７は実施の形態３のものと同一である。また、振幅位相制御部１０３、振幅歪付加部１０５、および振幅位相歪付加部１１２を有するデジタル処理部８１５も実施の形態３のものと同一であり、それを制御する書換制御部８１６も実施の形態３のものと同一である。
【０１３６】
なお、振幅位相制御部１０３は、図１４に示した従来の振幅位相制御部と同一の構成であり、ビーム方向制御信号１００３のかわりに、振幅位相制御信号１３２１を基に補正値デーブル１００４より係数Ｘ、Ｙを選択する。この場合の補正値テーブル１００４は使用する電力増幅器単体の歪みを事前に測定し、事前に算出した補正値を保存したり、電力増幅器の出力信号をフィードバックして、適切な補正値を算出したりすることにより求められる。
【０１３７】
以上のように構成されたアレイアンテナ装置について、以下にその動作について説明する。
【０１３８】
まず、信号生成部１０１において生成された送信信号１０２は振幅位相制御部１０３で振幅の重み付けと、位相の回転が行われ、振幅歪付加部１０５へ出力される。
【０１３９】
次に、振幅の重み付けと、位相の回転処理のされた送信信号１０４は振幅歪付加部１０５で信号１０４の瞬時電力レベルが算出され、入力された信号１０４に対して電力増幅器１０９で発生する振幅歪を打ち消すような歪が付加される。また、送信信号１０４は振幅位相歪付加部１１２で瞬時電力レベルが算出され、この信号１０４に対して電力増幅器１０９で発生する振幅歪と位相歪を打ち消すような歪が付加される。
【０１４０】
次に、振幅歪が付加された信号１０６は周波数変換部１０７で直交変調され、所望の周波数に変換される。
【０１４１】
また、振幅歪および位相歪が付加された信号１１３は周波数変換部１１４で直交変調され、所望の周波数に変換される。
【０１４２】
次に、周波数変換部１０７、１１４で生成されたＲＦ信号１０８は、電力増幅器１０９で所望の電力レベルまで増幅され、アンテナ１１１より放射される。
【０１４３】
次に、図示されていない受信機が、アンテナ１１１から送信された信号を受信してその伝搬チャネルの状態を検出する。そして、この受信機は、アンテナ１１１の送信した信号がどのような状態で受信されているかを通知する信号の含まれた伝搬環境信号１３１９を、当該ＭＩＭＯ通信装置に送信する。その結果、受信アンテナ１３１６が受信した伝搬環境信号１３１９を基に、伝送路情報受信部１３１８が４本のアンテナ１１１から送信されるそれぞれの伝搬チャネルの状態を算出する。そして、伝搬環境参照信号１３１９が伝送路情報受信部１３１８から出力される。
【０１４４】
次に、振幅位相重み付け決定部１３２０が、伝搬環境参照信号１３１９から、各送信アンテナ１１１と、送信アンテナ１１１で送信された信号を受信する受信装置の受信アンテナとからなるそれぞれのチャネルの伝搬環境を推定し、アンテナ系列毎の振幅との重み付け量と位相の回転量を算出し、振幅位相制御信号１３２１を出力する。
【０１４５】
次に、書換制御部８１６が、実施の形態３と同様に、デジタル処理部８１５を制御して、振幅位相歪付加部１１２と、振幅歪付加部１０５とが、アンテナ系列毎の振幅の重み付け量に対して適応的に配置されるように書き換える。
【０１４６】
以上のように、ＭＩＭＯ通信を４素子のアレイアンテナで行う場合、時間的に変動する通信路の電波環境において、通信品質を向上させるには、それぞれのアンテナ系列から出力すべき電力レベルつまり、振幅の重み付け量を時間的に変化させる必要がある。このとき、振幅位相歪付加部１１２と、振幅歪付加部１０５との位置をアンテナ系列の振幅の重み付け量の変化に応じて書き換える構成とすることにより、電波環境の変化に応じて送信出力を変更しても、それに対応した歪み補償回路の構成に変更することができる。これにより、電波環境に対応して非線形歪みの影響を小さく抑えることができるとともに、デジタル処理部８１５の演算量を減らした、簡易な回路構成にすることができる。
【０１４７】
なお、本実施の形態では、すべてのアンテナ系列に対して、振幅位相歪付加部もしくは振幅歪付加部を有する場合について説明したが、振幅歪みや位相歪みの程度に応じて、振幅位相歪付加部と振幅歪付加部のどちらも含まないアンテナ系列にすることも可能である。
【０１４８】
また、本実施の形態ではアンテナ数が４つの場合について説明したが、これに限らず、アンテナ数が２つ以上の構成のＭＩＭＯ通信装置であれば、同様の効果が得られる。
【０１４９】
【発明の効果】
本発明により、アレイアンテナ装置は送信系での非線形歪を補償する回路構成を小型化し、電力の消費効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図２】（ａ）本発明の第１の実施の形態における電力増幅器で発生する非線形歪を説明する回路構成図
（ｂ）本発明の第１の実施の形態における電力増幅器の入力信号のスペクトル特性図
（ｃ）本発明の第１の実施の形態における電力増幅器の出力信号のスペクトル特性図
（ｄ）本発明の第１の実施の形態における電力増幅器のＡＭＡＭ特性を示す特性図
（ｅ）本発明の第１の実施の形態における電力増幅器のＡＭＰＭ特性を示す特性図
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるアンテナ系列ごとの電力配分を示す図
【図４】（ａ）従来の歪み補償なしのアレイアンテナ装置の構成ブロック図
（ｂ）従来の歪み補償ありのアレイアンテナ装置の構成ブロック図
（ｃ）本発明の第１の実施の形態における歪み補償なしのアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図５】本発明の第１の実施の形態における振幅歪み付加部の構成ブロック図
【図６】ビームパターンの計算機解析結果を示す図
【図７】本発明の第２の実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図８】本発明の第２の実施の形態における振幅位相制御部の構成ブロック図
【図９】本発明の第３の実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図１０】本発明の第３の実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図１１】本発明の第４の実施の形態におけるＭＩＭＯ通信装置の構成ブロック図
【図１２】本発明の第３の実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図１３】従来のアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図１４】従来の振幅位相制御部の構成ブロック図
【図１５】従来の振幅位相歪付加部の構成ブロック図
【図１６】従来のアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【符号の説明】
１０１、４０１、９０１ 信号生成部
１０２ 送信ＩＱ信号
１０３、７０３、９０３、１５０３ 振幅位相制御部
１０５、４１１ 振幅歪付加部
１０７、１１４、９０５、９１２ 周波数変換部
１０８ ＲＦ信号
１０９、１１８、４０６、９０７、１５０６ 電力増幅器
１１１、２０４、９０９、１５０７ アンテナ
１１２、４０９ 振幅位相歪付加部
１１５、１１６、９１３ ビーム方向制御部
２０１ 送信ベースバンド信号
４０２ 生成信号
４０３ 位相調整部
４０４ 振幅調整部
４０８ アンテナ部
５０１、５０６ Ｉ信号
５０２、５０７ Ｑ信号
５０３ 振幅補正テーブル
５０８ 振幅位相歪み補正テーブル
７１３ 瞬時電力算出部
８１１ 円形アレイアンテナ
８１５ デジタル処理部
８１６ 書換制御部
９１０ 歪付加部
１００４、１１０４、１２０３ 補正値テーブル
１３１６ 受信アンテナ
１３１８ 伝搬環境情報受信部
１３２０ 振幅位相重み付け決定部
１４０１ 第１配線切換部
１４０２ 第２配線切換部
１４０３ 切換制御部
１５０２ 周波数特性等化部
１５０４ 歪み補償特性付加部
１５０５ 周波数変換部
１５０８ 補償動作制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信システムの通信機に利用され、送信系で発生する非線形歪を補償する非線形歪補償装置を備えたアレイアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信システムの送信機に含まれるアンテナ装置として、複数のアンテナを配置することにより、その指向性を制御するアレイアンテナ装置が知られている。
【０００３】
このアレイアンテナ装置の使用により、鋭い指向性のビームを任意の方向に形成することが可能であり、同一周波数の繰り返し距離を縮めて周波数利用効率を上げたり、ヌル点を制御し、不要な方向に電波を照射しないようにしたりするといった制御が可能となっている。
【０００４】
このアレイアンテナ装置には一般に複数のアンテナを有し、それぞれのアンテナに対して信号を供給する電力増幅器が接続されている。そして、作成されたＲＦ信号をそれぞれの電力増幅器で増幅してアンテナより放射している。しかし、電力増幅器で増幅する際に発生する非線形歪がアレイアンテナ装置のビーム制御精度を劣化させる要因となっている。このため、その対策としてアンテナ一つ一つに接続された全てまたは一部の電力増幅器に対し、歪補償回路を設置するアレイアンテナ装置が提案されている。
【０００５】
このアレイアンテナ装置では一部または全てのアンテナの系列に歪補償回路を設け、電力増幅器で発生する非線形歪を補償するような歪をＩＱ信号に付加することで、ビーム制御精度が良く、かつ、小型で消費電力の小さいアレイアンテナ装置を構成している。
【０００６】
図１３に一部のアンテナ系列の電力増幅器に対してのみ歪補償装置を有するアレイアンテナ装置を示す。
【０００７】
図１３において、信号生成部９０は送信ＩＱ信号９０２を出力とする。
【０００８】
ビーム方向制御部９１３はビーム方向制御信号９１４を出力とする。
【０００９】
振幅位相制御部９０３は、送信ＩＱ信号９０２と、ビーム方向制御信号９１４を入力とし、振幅と位相が制御された送信ＩＱ信号９０４を出力とする。
【００１０】
周波数変換部９０５は振幅と位相が制御された送信ＩＱ信号９０４を入力とし、ＲＦ信号９０６を出力とする。
【００１１】
電力増幅部９０７はＲＦ信号９０６を入力とし、増幅されたＲＦ信号９０８を出力とする。
【００１２】
アンテナ９０９は増幅されたＲＦ信号９０８を入力とし、アンテナより電波を放射する。
【００１３】
歪付加部９１０は振幅と位相が制御されたＩＱ信号９０４を入力とし、歪が付加されたＩＱ信号９１１を出力とする。
【００１４】
周波数変換部９１２は歪が付加されたＩＱ信号９１１を入力とし、ＲＦ信号９０６を出力とする。
【００１５】
さらに、図１４に、従来のアレイアンテナ装置における、振幅位相制御部９０３の構成の一例を示す。
【００１６】
信号発生部で生成されたＩ信号１００１とＱ信号１００２とは振幅の重み付けと位相の回転を行うための重み付け関数ＸとＹとがそれぞれ掛け合わされる。そして、振幅の重み付けと位相の回転の行われたＩ信号１００５と、振幅の重み付けと位相の回転の行われたＱ信号１００６とに変換される。また、このときに用いられる重み付け関数ＸとＹは、ビーム方向制御信号１００３により決定される補正値テーブル１００４の値から、読み出される。この補正値テーブル１００４は、使用する電力増幅器単体の歪みを事前に測定し、事前に算出した補正値を保存したり、電力増幅器の出力信号をフィードバックして、適切な補正値を算出したりすることにより求められることが知られている。なお、この補正値データ１００４中のφは位相角を示す（以後の図面において同じ）。
【００１７】
また、図１５に、従来のアレイアンテナ装置における、振幅位相歪付加部９１０の構成の一例を示す。
【００１８】
振幅位相制御部９０３で振幅の重み付けと位相の回転が行われたＩ信号１２０１とＱ信号１２０２とは振幅方向と位相方向の歪みを付加するために重み付け係数ＸとＹとがそれぞれ掛け合わされる。そして、振幅歪みと位相歪みが付加されたＩ信号１２０４と振幅歪みと位相歪みが付加されたＱ信号１２０５に変換される。また、このときに用いられる振幅方向と位相方向の歪みを付加するために用いる係数ＸとＹは、入力されるＩ信号１２０１とＱ信号１２０２との瞬時電力に応じて読み出される補正値テーブル１２０３の値が用いられる。この補正値テーブル１２０３は、使用する電力増幅器単体の歪みを事前に測定し、事前に算出した補正値を保存したり、電力増幅器の出力信号をフィードバックして、適切な補正値を算出したりすることにより求められることが知られている。なお、この補正値データ１２０３中のＩ２＋Ｑ２は瞬時電力を示す（以後の図面において同じ）。
【００１９】
また、従来よりこのアレイアンテナ装置としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがあった。図１６は、特許文献１に記載された従来のアレイアンテナ装置の構成を示すものである。
【００２０】
図１６において、送信ベースバンド信号１５０１は周波数特性等化部１５０２に入力され、各アンテナ系列で発生する周波数歪の補償が行われる。周波数特性等化部１５０２はトランスバーサルフィルタにより構成することが可能である。
周波数特性等化部１５０２の出力は振幅位相制御部１５０３においてビーム形成に必要な振幅および位相の制御を受け、振幅位相制御部１５０３の出力は歪補償特性付加部１５０４に入力される。歪補償特性付加部１５０４においては入力信号の振幅値に応じて、電力増幅器１５０６で発生する非線形歪の逆特性が入力信号に付加される。歪補償特性付加部１５０４の出力は周波数変換部１５０５においてＲＦ帯の信号に変換され、周波数変換部１５０５の出力は電力増幅器１５０６において必要なレベルにまで増幅される。そして電力増幅器１５０６からは歪が補償された線形な信号が出力され、アンテナ１５０７より送信された信号は空間的に合成されて所望の指向性を持ったビームが形成される。また、補償動作制御部１５０８では送信電力制御信号１５０９の情報に基づいて、各歪補償特性付加部１５０４に対して制御を行うことにより所望の送信電力を得る。
【００２１】
【特許文献１】
特開２００２−１９０７１２号公報（第３−４頁、第１図）
【００２２】
【発明が解決しようとする問題】
しかしながら、一部のアンテナ系列の電力増幅器に歪補償回路を備えるアレイアンテナ装置においては、歪付加部を設けない系列のアンテナの電力増幅器で発生する歪の影響でビーム制御精度が劣化してしまうといった課題を有していた。
また、歪補償回路を多数もつ場合、デジタル回路の構成が増え、大きな消費電力が必要となるという課題を有していた。
【００２３】
特に、ＱＰＳＫ変調の信号などに比べ、ピーク対平均電力比（ＰＭＰＲ）の大きなＯＦＤＭ変調やＣＤＭＡ変調の信号などを送信する際は、大きな電力レベルの信号を送信するときと、小さな電力レベルの信号を送信するときとで、複数ある電力増幅器間で発生する非線形歪の差がより大きくなり、ビーム制御精度が劣化していた。
【００２４】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされ、その目的とするところは、非線形歪の補償され送信系での回路構成が小型化され、消費電力効率も向上したアレイアンテナ装置を提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決する本発明に係るアレイアンテナ装置は、一部の電力増幅器には位相歪と振幅歪の両方を付加する歪付加部を適用し、他の電力増幅器には振幅歪のみ、あるいは位相歪のみを付加する歪付加部を適用する。
【００２６】
この構成により、アンテナ系列毎に必要な量の歪み補償がされるので、隣接する他のアンテナ系列に悪影響を与えることなく、ビーム制御精度の劣化が抑えられる。また、振幅と位相の両方の歪み補償が必要なアンテナ系列にのみ回路構成の大きな両方の歪み補償を行う歪み付加部を備えることになるので、装置の小型化が図れ、アレイアンテナ装置全体の電力効率を向上することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るアレイアンテナ装置は、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された電力増幅器と、このアンテナ素子および電力増幅器を備える複数のアンテナ系列の少なくともいずれかに位置し、電力増幅器で発生する振幅と位相の非線形歪を補償する振幅位相歪付加部と、振幅位相歪付加部を持つアンテナ系列以外のアンテナ系列の少なくともいずれかに位置し、電力増幅器で発生する、振幅の非線形歪を補償する振幅歪付加部および位相の非線形歪を補償する位相歪付加部のいずれか一方と、指定された方向にビーム制御するために、アンテナ系列毎に送信信号に対して、振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部とを有している。これによって、電力効率の向上および装置の小型化が図れ、ビーム制御精度の劣化を抑制した、精度の高いビームを形成できる。特に、電力増幅器に入力される信号の瞬時電力に応じた位相歪みの変動に比べて、振幅歪みの変動が大きい場合に効果が大きい。
【００２８】
また、本発明に係るアレイアンテナ装置は、振幅の重み付け量が所定値と等しくあるいは、大きく設定されたアンテナ系列に、振幅位相歪付加部が接続され、振幅の重み付け量が所定値より小さく設定されたアンテナ系列に、振幅歪付加部および位相歪付加部のいずれか一方が接続されている。これによって、非線形歪みの影響が大きくなる、電力レベルの大きなアンテナ系列は振幅、位相の両方が補償され、影響が小さい電力レベルがあまり大きくない系列には一方のみ補償するので、消費電力や回路規模の点で効率的な歪み補償を行うことができる。これは、アンテナ系列ごとに発生する歪みの大きさにばらつきがある場合に効果が大きい。
【００２９】
また、本発明に係るアレイアンテナ装置は、電力増幅器で発生する歪みが所定値と等しいあるいは、大きいアンテナ系列に振幅位相歪付加部が接続され、電力増幅器で発生する歪みが所定値より小さいアンテナ系列に、振幅歪付加部および位相歪付加部のいずれか一方が接続されている。これによって、非線形歪みの大きなアンテナ系列は振幅、位相の両方が補償され、非線形歪みの小さい系列には一方のみ補償するので、消費電力や回路規模の点で効率的な歪み補償を行うことができる。これは、アンテナ系列ごとに接続された電力増幅器の最大出力電力に違いがあるときや、発生する歪みの大きさにばらつきがある場合に特に効果が大きい。
【００３０】
本発明に係るアレイアンテナ装置は、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された電力増幅器と、指定された方向にビーム制御するために、アンテナ素子および電力増幅器を備える複数のアンテナ系列毎に送信信号に対して、振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部と、複数のアンテナ系列に入力される信号の瞬時電力レベルを算出する瞬時電力レベル算出部とを有し、瞬時電力レベル算出部からの指示に基づいて、振幅位相制御部が振幅の重み付け量と位相の回転量とを補正する。これによって、瞬時電力レベルに応じた補正が全て、各アンテナ系列の振幅位相制御部で行われるので、電力効率の向上および装置の小型化が図れ、ビーム制御精度の劣化を抑制した、精度の高いビームを形成できる。特に、アンテナ系列が多い場合により効果が大きい。
【００３１】
また、本発明に係る補正は、瞬時電力レベル算出部が瞬時電力レベルと、振幅位相制御部にビーム方向を指示するビーム方向制御信号とにより指定する、前記電力増幅器による非線形歪み補償を含めた補正テーブルに基づいて行っている。
これによって、瞬時電力レベルに応じた非線形歪み補償を、ビーム制御と同時に行うので、回路規模と消費電力の点で効率の向上が図られる。
【００３２】
本発明に係るアレイアンテナ装置は、複数のアンテナ素子と、この複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された複数の電力増幅器と、アンテナ素子および電力増幅器を備える複数のアンテナ系列に位置し、電力増幅器で発生する非線形歪を補償する歪付加部と、指定の方向にビーム制御するために、アンテナ系列毎に振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部とを有し、歪み付加部がリコンフィグァラブルデバイス（書き換え可能回路）を用いて構成され、振幅の重み付け量と位相の回転量とから、リコンフィグァラブルデバイスの回路構成を書き換える。これによって、振幅の重み付け量と位相の回転量との設定の度に、アンテナ系列毎の歪み付加部を最適なものに切り換えられるのでビーム制御精度の劣化を抑制して、ビーム制御精度の高いビームを形成できる。特に、アンテナ系列ごとの振幅の重み付け量が時間的に変動する場合などに効果が大きい。
【００３３】
また、本発明に係るアレイアンテナ装置は、リコンフィグァラブルデバイスの回路構成の書き換えが、電力増幅器で発生する振幅と位相の非線形歪を補償する振幅位相歪み付加回路の存在するアンテナ系列と、電力増幅器で発生する振幅の非線形歪を補償する振幅歪み付加回路および位相の非線形歪を補償する位相歪付加部のいずれか一方の存在するアンテナ系列との切り替えである。これによって、振幅の重み付け量と位相の回転量との設定の度に、アンテナ系列毎の歪み付加部を振幅位相歪み付加回路などに切り換えられるので、電力効率の向上および装置の小型化が図れ、ビーム制御精度の劣化を抑制して、精度の高いビームを形成できる。
【００３４】
また、本発明に係るアレイアンテナ装置は、複数のアンテナ素子が円形アレイアンテナで構成されるものである。これによって、円形アレイアンテナの送信ビームの方向を変えるときに、アンテナ系列ごとの振幅の重み付け量を変更する場合、特に効果が大きい。
【００３５】
本発明に係る無線通信機は、本発明に係るアレイアンテナ装置を有している。
これによって、回路規模と消費電力の点で効率のよい、ビーム制御性能に優れた無線通信機を実現することができる。
【００３６】
本発明に係るＭＩＭＯ通信装置は、複数のアンテナ素子と、この複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された複数の電力増幅器と、電力増幅器で発生する振幅と位相の非線形歪を補償する振幅位相歪付加部、振幅の非線形歪を補償する振幅歪付加部、および位相の非線形歪を補償する位相歪付加部のいずれか一つを構成し、アンテナ素子および前記電力増幅器を備える各アンテナ系列にそれぞれ配置するリコンフィグァラブルデバイス（書き換え可能回路）と、指定された方向にビーム制御するために、アンテナ系列毎に送信信号に対して、振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部と、複数のアンテナ素子から送信された信号の伝搬環境が通知される伝搬環境信号を受信する受信アンテナとを有し、この受信アンテナからの受信信号に応じて振幅の重み付け量と位相の回転量とを決定し、振幅の重み付け量と位相の回転量とに応じて、振幅位相歪付加部と、振幅歪付加部および位相歪付加部のいずれか一方とを配置している。これによって、電力効率の向上および装置の小型化が図れ、ＭＩＭＯ通信装置としての通信品質の劣化を抑制して、通信品質の良いＭＩＭＯ通信装置を実現できる。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図１１を用いて説明する。なお、以降の図面において同一の構成物は同一の符号で示す。
【００３８】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成を示している。
【００３９】
信号生成部１０１は送信ＩＱ信号１０２を生成するものである。ビーム方向制御部１１５は、直線アレイアンテナ１１１の合計の放射パターンが所定の形に形成されるよう、それぞれのアンテナ系列に適した振幅の重み付けと、位相の回転量を計算し、振幅位相制御部１０３へビーム方向制御信号１１６を出力するものである。振幅位相制御部１０３は、送信ＩＱ信号１０２を、ビーム方向制御信号１１６で指定された方向にビーム制御するために、振幅と位相とを制御し、送信ＩＱ信号１０４を出力するものである。具体的には、直線アレイアンテナの中央のアンテナ系列にある振幅位相制御部１０３は、振幅が他の系列よりも最も大きくなるように制御し、位相は０度となるように制御する。中央から端になるに従って、振幅位相制御部１０３は順次振幅を小さくなるように制御するが、位相は中央よりも順次進んだものとなるように制御する。なお、この振幅、及び位相に加える制御の度合いを重み付けという。
【００４０】
振幅歪付加部１０５は、系列上にある電力増幅部１０９の有する非線形歪みと、逆特性の振幅歪み特性を有し、入力信号に応じた振幅歪を付加して出力するものである。周波数変換部１０７、１１４は入力信号をＲＦ信号１０８に変換するものである。電力増幅部１０９は入力信号を、増幅し出力するものである。直線アレイアンテナ１１１は増幅されたＲＦ信号１１０を入力とし、アンテナより電波を放射するものである。振幅位相歪付加部１１２は系列上にある電力増幅部１０９の有する非線形歪みと、逆特性の振幅歪み特性と位相歪み特性を有し、入力信号に応じた振幅位相歪を付加して出力するものである。
【００４１】
ここで、電力増幅部１０９の有する非線形歪みについて説明する。図２（ａ）乃至（ｅ）は本実施の形態における、送信系電力増幅器で発生する非線形歪の一例について示している。
【００４２】
図２（ａ）において、送信ベースバンド信号２０１は周波数変換部１０７にて、ＲＦ周波数帯に周波数変換され、電力増幅器１０９で所望の電力レベルまで増幅され、アンテナ２０４より放射される。
【００４３】
ここで、電力増幅器１０９は、消費電力の問題から非線形領域で使用されることが多く、非線形領域の入力電力レベルで信号が入力され増幅が行われた場合、出力信号に歪を生じる。
【００４４】
図２（ｂ）、（ｃ）はこの現象を示す図であり、たとえば、電力増幅器１０９に図２（ｂ）に示すスペクトル２０５を持つ信号をある入力電力レベルで入力した際、電力増幅器１０９の出力に図２（ｃ）に示すスペクトル２０６をもつ信号が現れる。
【００４５】
このとき、出力信号のスペクトル２０６は、入力信号のスペクトル２０５に比べ、周波数的に帯域が広がっており、Ｃ／Ｎが劣化している。
【００４６】
この劣化の要因は、電力増幅器１０９の非線形歪が一つの原因であり、歪が発生する主な原因は、電力増幅器の２つの特性であることが知られている。
【００４７】
その一つは、電力増幅器のＡＭＡＭ特性であり、その特性の一例を図２（ｄ）に示す。ＡＭＡＭ特性２０７は電力増幅器に加えた入力信号の電力レベルに応じて、電力増幅器の利得が変動するという特性をもっている。このＡＭＡＭ歪は振幅歪とも呼ばれ、ベースバンド帯においてデジタル処理で取り除くことも可能であるが、ＲＦ周波数帯においてアナログ回路で取り除くことも可能である。本実施の形態では、この電力増幅器１０９の有するＡＭＡＭ特性２０７と逆特性のＡＭＡＭ特性を備えた歪み付加部を電力増幅器の前段に設け、入力信号にあらかじめ歪みを付加することにより電力増幅器１０９の歪みを補償する。
【００４８】
電力増幅器１０９で非線形歪が発生するもう一つの要因は、ＡＭＰＭ特性であり、その特性の一例を図２（ｅ）に示す。ＡＭＰＭ特性は、電力増幅器に入力される、電力のレベルに応じて出力信号の位相が変動するという特性をもっている。このＡＭＰＭ歪は、位相歪とも呼ばれ、ベースバンド帯のデジタル処理で取り除くことは可能であるが、ＲＦ周波数帯においてアナログ回路で取り除くには、移相器を高速に動作させる必要がある。このため、ＡＭＡＭ特性を取り除くのに比べ、回路構成がより複雑になる。本実施の形態では、ＡＭＡＭ特性の歪み補償と同様に、この電力増幅器の有するＡＭＰＭ特性と逆特性のＡＭＰＭ特性を備えた位相歪付加部を電力増幅器１０９の前段に設け、入力信号にあらかじめ位相歪みを付加することにより電力増幅器の位相歪みを補償する。
【００４９】
そこで、本実施の形態においては、ビーム制御を行うにあたり、振幅位相制御部１０３の振幅の重み付けの大きいアンテナ系列には振幅位相歪付加部１１２を設け、他の系列には振幅歪付加部１０５を設けている。
【００５０】
ここで、図５に、デジタル処理で構成される振幅歪付加部４１１を示す。図５において、振幅補正テーブル５０３は電力レベル毎の補正値Ｘが記憶されているものであり、使用する電力増幅器単体の歪みを事前に測定し、事前に算出した補正値を保存したり、電力増幅器の出力信号をフィードバックして、適切な補正値を算出したりすることにより求められることが知られている。
【００５１】
次に、このように構成された振幅歪付加部４１１の動作について説明する。
【００５２】
まず、Ｉ信号５０１と、Ｑ信号５０２に対して入力信号の瞬時電力５０６を計算する。
【００５３】
次に、振幅補正テーブル５０３から、その電力レベルに応じた適切な補正値Ｘが読み出される。
【００５４】
次に、この補正値ＸがＩ信号とＱ信号に掛け合わされ、振幅歪みが付加された、Ｉ’信号５０４とＱ’信号５０５とが得られる。
また、振幅位相歪付加部４０９については、従来例で説明した図１５に示したものと同一である。
【００５５】
これにより、アレイアンテナ装置は全てのアンテナ系列に振幅位相歪付加部１１２を設けた場合に比べ、簡易な回路で歪補償を行い、ビーム制御精度を改善している。
【００５６】
図１を用いて、本実施の形態のアレイアンテナの動作について以下に説明する。
【００５７】
まず、信号生成部１０１において生成されたＩＱ信号１０２は振幅位相制御部１０３において、所定のビームが得られるよう振幅の重み付けと位相の回転が行われ、振幅歪付加部１０５へ出力される。なお、送信ＩＱ信号１０２はたとえばＱＰＳＫ信号であり、それぞれのアンテナ系列に同じ信号が送信される。
【００５８】
次に、振幅の重み付けと位相の回転処理がされたＩＱ信号１０４は、振幅歪付加部１０５において、電力増幅器１０９で発生する振幅歪を打ち消すような歪が付加され、周波数変換部１０７へ出力される。
【００５９】
次に、振幅歪みが付加されたＩＱ信号１０６は、周波数変換部１０７において直交変調され、所定の周波数に変換される。
【００６０】
次に、周波数変換部１０７で生成されたＲＦ信号１０８は、電力増幅器１０９において、所定の電力レベルまで増幅され、アンテナ１１１より放射される。
【００６１】
一方、直線アレイアンテナの中央の系列では、振幅の重み付けと位相の回転処理されたＩＱ信号１１６が振幅位相歪付加部１１２において、電力増幅器１０９で発生する振幅歪と位相歪を打ち消すような歪が付加され、周波数変換部１１４へ出力される。
【００６２】
次に、振幅歪および位相歪が付加されたＩＱ信号１１３は直交変調され、さらに所定の周波数に変換される。
【００６３】
次に、周波数変換部１１４で生成されたＲＦ信号１１７は、電力増幅器１１８において、所望の電力レベルまで増幅され、アンテナ１１１より放射される。
【００６４】
このように、振幅の重み付けが大きく設定された振幅位相制御部１０３の備わるアンテナ系列には、電力増幅器１１８に平均して入力される電力レベルが大きくなり、他の電力増幅器１０９に比べ歪みが多く発生する。このため、振幅歪みも位相歪みも補償する振幅位相歪付加部１１２を設置し、振幅の重み付けが小さく設定されたアンテナ系列には、電力増幅器１０９に平均して入力される電力レベルが小さく、他の電力増幅器１１８に比べ歪みが小さいので、振幅歪みのみ補償する振幅歪付加部１０５を設置する。
【００６５】
これはアレイアンテナ装置の有する複数の電力増幅器１０９の最大出力が等しい場合、これらの電力増幅部で発生する非線形歪は入力レベルが大きいほど大きく、入力電力レベルが小さいほど小さいからである。以上のような構成とすることで、送信系の非線形歪みが補償され、ビーム制御精度が良く、かつ回路規模の小さい、消費電力も少ないアレイアンテナ装置を実現することができる。
【００６６】
以下、図３乃至図６に、本実施の形態の電力増幅器のＡＭＡＭ特性、ＡＭＰＭ特性を測定し、計算機解析により、本実施の形態の有効性について検証を行った結果について説明する。
【００６７】
図３は、８アレイの直線アレイアンテナを用いて、所定の方向にビームを向けるときにそれぞれのアレイに割り当てられる電力配分を示す図である。
【００６８】
図３において、３０１は８素子の直線アレイアンテナであり、３０２はそれぞれのアレイアンテナから出力される平均電力レベルの模式図である。
【００６９】
直線状にアンテナが並んでいる直線アレイアンテナをもちいて、振幅位相制御を行ってビーム制御する場合、一般的にビームを向ける方向にかかわらず、中心に位置するアレイほど、平均の電力レベルが大きくなるような振幅の重み付けがなされる。
【００７０】
その結果、電力増幅器の最大出力電力が等しい場合、中心のアレイに位置する電力増幅器ほど、発生する歪みが大きくなるといった特徴がある。
続いて、本実施の形態の有効性を確認するための、歪補償回路の配置図を図４に示す。
【００７１】
図４（ａ）は、歪み補償回路を持たないアレイアンテナ装置の構成図である。
【００７２】
図４（ａ）において、信号発生部４０１は、それぞれのアンテナ系列に生成信号４０２を出力する。
【００７３】
位相調整部４０３および振幅調整部４０４は生成信号４０２を入力し、各アンテナ系列の合計が、所望のビームを形成するように、位相と振幅を調整し、送信信号４０５を出力する。電力増幅部４０６は、送信信号４０５を入力し、増幅された送信信号４０７を出力する。
【００７４】
アンテナ部４０８は、増幅された送信信号４０７を入力し、電波を送信する。
図４（ｂ）は、従来の歪み補償回路をもつアレイアンテナ装置の構成図である。
ここで、振幅位相歪付加部４０９は、位相調整部４０３および振幅調整部４０４で生成された送信信号に対し、電力増幅器４０６で発生する振幅歪みおよび位相歪みを打ち消すような振幅歪みおよび位相歪みを付加するものである。図４（ａ）に示したアレイアンテナ装置とは、この振幅位相歪付加部４０９が全アンテナ系列に備えられている点が異なる。
【００７５】
図４（ｃ）は、本実施の形態における歪み補償回路を持つアレイアンテナ装置の構成図である。
【００７６】
図４（ｂ）に示したアレイアンテナ装置とは、電力配分の大きい中心部のアンテナ系列に対してのみ、振幅位相歪付加部４０９をもち、ほかの電力配分の小さなアンテナ系列に対しては、振幅歪付加部４１１を設けている点が異なる。
【００７７】
図６にアレイアンテナ装置のビームパターンを示す。６０１は図４（ａ）に示した歪み補償のないアレイアンテナ装置のビームパターン、６０２は図４（ｂ）に示した従来の歪み補償されたアレイアンテナ装置のビームパターン、６０３は図４（ｃ）に示した本実施の形態のアレイアンテナ装置のビームパターンを計算機シミュレーションによって得たものである。なお、このシミュレーションにおいて、図４（ｃ）のアレイアンテナ装置では振幅の重み付け量が大きい上位２つのアンテナ系列に、振幅位相歪付加部４０９を接続し、それ以外の系列には振幅歪付加部を接続している。振幅位相歪付加部４０９と振幅歪付加部４１１をいくつずつ接続するかの判定は、個数を変えた場合のビームの劣化量をシミュレーションし、その結果から、ビーム劣化量を十分に抑圧するのに必要な数を算出した。このようにして、振幅位相歪付加部４０９と振幅歪付加部４１１のどちらを接続するかを判定する振幅の重み付け量の基準値（本発明の所定値に相当する。）を決定することができる。
【００７８】
図６において、ビームパターン６０２は、すべてのアンテナ系列に、振幅歪みと位相歪みが補償されているため、電力増幅器の歪みが除去された場合のビームパターンとなっており、理想特性を示している。また、ビームパターン６０１は、すべてのアンテナ系列に歪みを補正していないため、それぞれのアンテナ系列で発生する歪みによってビームパターンが劣化していることがわかる。
【００７９】
また、本実施の形態に係るアレイアンテナ装置のビームパターン６０３と、理想特性のビームパターン６０２とを比較すると、第１サイドローブレベルで比較して、０．５ｄＢの劣化に押さえられていることがわかる。これはアレイアンテナのビーム制御精度において許容される範囲のものである。
【００８０】
このことから、図４（ｃ）に示す本実施の形態のアレイアンテナ装置は装置、従来の全アンテナ系列に歪み補償回路を有するアレイアンテナ装置とほぼ同等のビーム制御精度を得られと言える。
【００８１】
一方、このときの両者における、デジタル回路の計算量について以下に説明する。
【００８２】
図５に示す振幅歪み補償回路における積算の回数は４回である。
【００８３】
また、図１５に示す振幅位相歪み補償回路における積算の回数は６回である。
【００８４】
従って、図４（ｂ）に示す、従来の歪み補償されたアレイアンテナ装置全体の積算回数は、アンテナ系列が８系列あるので４８（＝６×８）となる。
【００８５】
それに対し、図４（ｃ）に示す、本実施の形態のアレイアンテナ装置全体の積算回数は、振幅位相歪付加部が２系統に接続され、振幅歪付加部が６系列に接続しているので、３６（＝６×２＋４×６）となる。
【００８６】
このように、本実施の形態のアレイアンテナ装置は、ビーム制御精度をほぼ同等に保ったまま、積算回数を減らすことができ、本実施の形態の有効性を確認することができる。
【００８７】
また、本実施の形態のアレイアンテナ装置は、デジタル回路部１１５の構成が、従来の全アンテナ系列に歪み補償回路を有するアレイアンテナ装置のものよりも減少するため、デジタル回路部１１５で発生する熱や、電流を小さくすることができ、アレイアンテナ装置の小型化、低消費電力化、低コスト化を実現することが可能となる。
【００８８】
なお、本実施の形態では、振幅歪付加部１０５をデジタル回路で構成する例について説明したが、振幅歪付加部１０５を、増幅器や、抵抗等で構成したアナログ回路でも実現することができる。このときは、デジタル回路部１１５で歪み補償を行うのは振幅位相歪付加部１１２のみで済むため、積算回数を大幅に低減することができる。
【００８９】
また、電力増幅部１０９が、入力電力レベルが大きいアンテナ系列であって、振幅歪みと位相歪みの大きい系列に対して振幅位相歪付加部による補償を行い、振幅歪みよりも位相歪みが問題となるような他のアンテナ系列には、位相歪付加部を設ける構成にすることも可能である。この構成においても、同様の効果が得られる。
【００９０】
また、振幅歪付加部または振幅位相歪付加部の配置は周波数変換部と振幅位相制御部の間に設ける構成に限らず、一部または全ての振幅歪付加部や振幅位相歪付加部を周波数変換部と電力増幅器の間または、信号生成部と振幅位相制御部の間に設けることも可能である。この場合には、ＲＦ信号の周波数帯域での応答速度を有するアナログ素子を使用する必要がある。
【００９１】
また、アレイアンテナに対して、振幅位相歪付加部、振幅歪付加部あるいは位相歪付加部のいずれも設けないアンテナ系列を有する構成にしても、同様の効果がある。これは、入力電力レベルと電力増幅器との関係において、非線形歪みが問題とならないアンテナ系列が存在し得るからであり、その場合には、そのアンテナ系列への歪み付加部の接続を無くすことができる。
【００９２】
なお、本実施の形態ではアレイアンテナにおけるアンテナ数が８つの場合について説明したが、アンテナ数には依存せず、２つ以上の構成のアレイアンテナにおいては、同様の効果が得られる。これは、振幅位相歪付加部の接続においても同様であり、接続する個数には依存しない。
【００９３】
また、本実施の形態では、複数のアレイの中で、中央の２つのアンテナについて振幅位相歪を付加するものについて説明したが、中央以外のアンテナの系列に重み付けを大きくしている場合などは、その重み付けの大きいアンテナ系列に対して振幅位相歪付加部を設ける構成にすることにより同様の効果が得られる。
【００９４】
また、本実施の形態では、８つあるアレイ系列の中央部の振幅重み付けが大きい場合について説明したが、中央部の振幅重み付けが大きくなくても、電力増幅器で発生する歪みが大きい部分に、重点的に歪み補償回路をもうけることで同様の効果が得られる。
【００９５】
また、本実施の形態では、直線アレイアンテナについて説明したが、円形アレイアンテナや、それ以外の形状で複数のアンテナ系列を持つアンテナにおいても、同様の効果がある。
【００９６】
（実施の形態２）
図７は本実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成を示している。
【００９７】
図１に示した実施の形態１の構成とは、瞬時電力算出部７１３が追加されている点と、振幅位相歪付加部１１２および振幅歪付加部１０５が接続されていない点とが異なる。
【００９８】
図７において、瞬時電力レベル算出部７１３は、入力信号の電力レベルを算出し、それに応じた瞬時電力レベル信号７１４を出力するものである。
【００９９】
また、振幅位相制御部７０３はビーム方向制御信号ばかりでなく、瞬時電力レベル信号に応じて振幅の重み付けと位相の回転を行う点が、実施の形態１の振幅位相制御部１０３と異なる。図８は本実施の形態における振幅位相制御部の構成を示している。
【０１００】
図８において、信号生成部１０１より入力されたＩ信号１１０１とＱ信号１１０２は、乗算器により補正係数ＸとＹをそれぞれ掛け合わされた後それぞれが相互に加算され、振幅と位相が制御されたＩ信号１１０５とＱ信号１１０６とに変換される。なお、補正テーブル１１０４から、瞬時電力レベル信号と、ビーム方向制御信号１１０３とに応じて補正係数ＸとＹが出力される。この補正テーブル１１０４はビーム方向制御に必要な振幅の重み付け量と位相の回転量の係数に、瞬時電力レベル信号に応じて電力増幅器で発生する振幅歪みと位相歪みを補償するような補償係数を付加して求めることができる。
【０１０１】
また、補正テーブル１１０４は、ビーム方向制御信号１１０３と入力信号の瞬時電力レベル信号１００７の、二つのパラメータに応じて読み出す補正値を変える構成を取る。このような構成を取ることで、アレイアンテナのビーム形成を行うための振幅の重み付けと位相の回転と、瞬時電力に応じて変動する非線形歪みの補正という二つの効果を同時に得ることができる。
【０１０２】
以上のように構成されたアレイアンテナ装置について、以下に図７および図８を用いて、その動作について説明する。
【０１０３】
まず、信号生成部１０１において生成されたＩＱ信号は振幅位相制御部７０３と瞬時電力レベル算出部７１２とに出力される。
【０１０４】
次に、瞬時電力レベル算出部７１３に入力したＩＱ信号から、その瞬時電力レベルが算出され、それぞれのアンテナ系列における振幅位相制御部７０３に瞬時電力レベル信号７１４が出力される。
【０１０５】
また、ビーム方向制御部１１５からは、アンテナ１１１の出力する電波が所望のビームを形成するよう、ビーム方向制御信号１１６が、振幅位相制御部７０３に出力される。
【０１０６】
次に、ＩＱ信号１０２は振幅位相制御部１０３において、所定のビームが得られるように、瞬時電力レベル信号７１４とビーム方向制御信号１１６とに対応して振幅の重み付けと位相の回転が行われ、周波数変換部１０７に出力される。
【０１０７】
次に、振幅の重み付けと位相の回転処理がされたＩＱ信号７０４は周波数変換部１０７で直交変調され、さらに所望の周波数に周波数変換される。
【０１０８】
次に、周波数変換部１０７で生成されたＲＦ信号７０６は、電力増幅部１０９において、所望の電力レベルまで増幅され、アンテナ１１１より電波として放射される。
【０１０９】
以上のように、振幅位相制御部７０３が瞬時電力レベル信号と、ビーム方向制御信号とに応じて、振幅と位相の歪み補償をその重み付け算出と同時に行うので、歪み補償の回路構成が簡易で、かつ精度の良好なビーム制御を行うことができる。
【０１１０】
なお、本実施の形態では、全てのアンテナの系列に対して振幅の重み付け量と位相の回転量を入力ＩＱ信号の電力レベルに応じて変化させる場合について説明したが、振幅歪みや位相歪みの程度に応じて、一部のアンテナの系列に対してのみ振幅の重み付け量と位相の回転量の両方またはいずれか一方を入力ＩＱ信号の電力レベルに応じて変化させる構成にすることも可能である。
【０１１１】
また、本実施の形態では、瞬時電力レベル計算部７１３を一つ持つ構成について説明したが、これに限らず、それぞれのアンテナ系列における振幅位相制御部において瞬時電力レベルを算出する機能を設け、ビーム制御と歪み補償を同時に行うようにすることも可能である。
【０１１２】
なお、本実施の形態ではアレイアンテナにおけるアンテナ数が８つの場合について説明したが、これに限らず、アンテナ数が２つ以上の構成のアレイアンテナ装置であれば、同様の効果が得られる。
【０１１３】
（実施の形態３）
図９は、本実施の形態における、円形アレイアンテナ装置の構成を示している。
【０１１４】
図１に示した実施の形態１の構成とは、書換制御部８１６が追加され、振幅位相制御部１０３と振幅位相歪付加部１１２と振幅歪付加部８０５とが、回路の書換可能なデバイスであるリコンフィグァラブルデバイス（書き換え可能回路）で構成されている点と、アレイアンテナが円形アレイアンテナである点とが異なる。
【０１１５】
図９において、振幅位相制御部１０３、振幅歪付加部１０５、振幅位相歪付加部１１２は、デジタル処理部８１５に含まれる。このデジタル処理部８１５が回路の書換可能なデバイスであり、そのデバイスを使ったものの一例としてＳＤＲ（Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｒａｄｉｏ）が実用化されつつある。そして、このデジタル処理部８１５は、外部からの書換制御信号８１９により、各アンテナ系列毎に振幅位相制御部１０３と振幅位相歪付加部１１２、あるいは振幅位相制御部１０３と振幅歪付加部１０５の組合せとなるように書き換えが行われる。
【０１１６】
また、書換制御部８１６はデジタル処理部８１５を制御して、振幅位相歪付加部１０３と、振幅歪付加部１０５が、適切な位置に配置されるよう書換制御信号８１９をデジタル処理部８１５に出力するものである。以上のように構成されたアレイアンテナ装置について、以下にその動作について説明する。
【０１１７】
まず、ビーム方向制御部１１５が、８アレイからなる円形アンテナ８１１の合計の放射パターンが所望の形に形成されるように、それぞれのアンテナに適した振幅の重み付け量と、位相の回転量を決定し、ビーム方向制御信号１１６を各アンテナ系列の振幅位相制御部１０３に出力する。これにより、振幅位相制御部１０３の図１１に示した係数Ｘ、Ｙが選択される。
【０１１８】
また、書換制御部８１６が書換制御信号８１９により、振幅位相歪付加部１１２と振幅歪付加部１０５とをビーム制御の方向に応じて配置する。
【０１１９】
次に、信号生成部１０１において生成された送信信号１０２は振幅位相制御部１０３で選択された係数Ｘ、Ｙを用いて振幅の重み付けと、位相の回転が行われ、振幅歪付加部１０５あるいは振幅位相歪付加部１１２へ出力される。
【０１２０】
次に、振幅の重み付けと、位相の回転が行われた送信信号１０４は振幅歪付加部１０５で瞬時電力レベルが算出され、電力増幅器１０９で発生する振幅歪を打ち消すような歪が付加され、周波数変換部１０７へ出力される。
【０１２１】
また、振幅位相歪付加部１１２に入力された送信信号１０４も同様に瞬時電力レベルが算出され、電力増幅器１０９で発生する振幅歪と位相歪を打ち消すような歪が付加され、周波数変換部１１４へ出力される。
【０１２２】
次に、これらの歪が付加された信号１０６、１１３は周波数変換部１０７で直交変調され、さらに所望の周波数に変換される。
【０１２３】
次に、周波数変換部１０７で生成されたＲＦ信号１０８は電力増幅器１０９で所望の電力レベルまで増幅され、円形アレイアンテナ８１１より放射される。
【０１２４】
以上のように、本実施の形態においては、振幅位相歪付加部１１２と、振幅歪付加部１０５との位置をビーム制御の方向に応じて書き換える構成とすることにより、ビーム方向を変更したいときにも容易に適切な歪み補償を行うことが可能になる。また、この構成を取ることで、ビーム方向に応じて、アンテナ系列毎に振幅の重み付けが変化する円形アレイアンテナにおいて、発生する歪みが大きい系列に振幅位相歪付加部を適応的に設けることができるので、デジタル処理部８１５における、演算量を減らすことができ、小さな処理量で、高度なビーム制御精度を得ることが可能になる。
【０１２５】
なお、本実施の形態では、回路の再書換可能なデバイスで構成した例を示したが、これに限らず図１０に示すような配線の切換機能を有するアレイアンテナ装置でも同様の効果を得ることができる。
【０１２６】
図１０において、振幅位相制御部１０３と振幅歪付加部１０５、あるいは振幅位相制御部１０３と振幅位相歪付加部１１２との間に第１配線切換部１４０１を設け、また、振幅歪付加部１０５あるいは振幅位相歪付加部１１２と、周波数変換部１０７との間に第２配線切換部１４０２を設ける。そして、切換制御部１４０３が、これらの第１配線切換部１４０１と、第２配線切換部１４０２とを制御して、振幅位相歪付加部１０３と振幅歪付加部８０５とが、ビーム制御の方向に応じて振幅位相制御部１０３と周波数変換部１０７とに接続する。
【０１２７】
このように、振幅歪付加部１０５と、振幅位相歪付加部１１２とを接続するアンテナ系列を切り替えることにより、図９に示した構成のアレイアンテナ装置と同様の効果を得ることができる。
【０１２８】
なお、本実施の形態では、全てのアンテナ系列に対して、振幅位相歪付加部１１２もしくは振幅歪付加部１０５を有する場合について説明したが、振幅歪みや位相歪みの程度に応じて、振幅位相歪付加部１１２もしくは振幅歪付加部１０５のどちらも含まないアンテナ系列が存在するようにすることも可能である。
【０１２９】
また、本実施の形態では円形アレイアンテナにおけるアンテナ数が８つの場合について説明したが、これに限らず、アンテナ数が２つ以上の構成のアレイアンテナ装置であれば、同様の効果が得られる。
【０１３０】
また、円形アレイアンテナに限らず、直線アレイアンテナや、複数のアンテナ系列を持つアレイアンテナであって、所望のビーム方向を変えることで、それぞれのアンテナ系列に与える適切な電力配分が変わるアンテナについても、同様の効果が得られる。
【０１３１】
また、本実施の形態では、振幅位相制御部と、振幅位相歪み付加部、振幅歪み付加部が分かれて存在する場合について説明したが、図１２に示すように振幅位相制御部と、振幅位相歪み付加部もしくは、振幅歪み付加部を一体にした振幅位相制御部１０３を、図８に示した構成で実現することも可能である。このときも、同様の効果が得られる。
【０１３２】
（実施の形態４）
図１１は、本実施の形態におけるＭＩＭＯ通信装置の構成を示している。
【０１３３】
図１１において、伝搬環境情報受信部１３１８は、受信アンテナ１３１６で受信された伝搬環境信号１３１７から、伝搬環境参照信号１３１９を出力するものである。この伝搬環境信号１３１７は送信アンテナ１３１１から送信されるそれぞれの伝搬チャネルの状態を通知するものである。
【０１３４】
振幅位相重み付け決定部１３２０は、伝搬環境参照信号１３１９を基にアンテナ系列毎の振幅の重み付け量と位相の回転量を算出し、振幅位相制御部１３０３に振幅位相制御信号１３２１を出力するものである。
【０１３５】
その他の信号生成部１０１、振幅位相制御部１０３、振幅歪付加部１０５、周波数変換部１０７、電力増幅器１０９、アンテナ部１３１１、振幅位相歪付加部１１２、および周波数変換部１０７は実施の形態３のものと同一である。また、振幅位相制御部１０３、振幅歪付加部１０５、および振幅位相歪付加部１１２を有するデジタル処理部８１５も実施の形態３のものと同一であり、それを制御する書換制御部８１６も実施の形態３のものと同一である。
【０１３６】
なお、振幅位相制御部１０３は、図１４に示した従来の振幅位相制御部と同一の構成であり、ビーム方向制御信号１００３のかわりに、振幅位相制御信号１３２１を基に補正値デーブル１００４より係数Ｘ、Ｙを選択する。この場合の補正値テーブル１００４は使用する電力増幅器単体の歪みを事前に測定し、事前に算出した補正値を保存したり、電力増幅器の出力信号をフィードバックして、適切な補正値を算出したりすることにより求められる。
【０１３７】
以上のように構成されたアレイアンテナ装置について、以下にその動作について説明する。
【０１３８】
まず、信号生成部１０１において生成された送信信号１０２は振幅位相制御部１０３で振幅の重み付けと、位相の回転が行われ、振幅歪付加部１０５へ出力される。
【０１３９】
次に、振幅の重み付けと、位相の回転処理のされた送信信号１０４は振幅歪付加部１０５で信号１０４の瞬時電力レベルが算出され、入力された信号１０４に対して電力増幅器１０９で発生する振幅歪を打ち消すような歪が付加される。また、送信信号１０４は振幅位相歪付加部１１２で瞬時電力レベルが算出され、この信号１０４に対して電力増幅器１０９で発生する振幅歪と位相歪を打ち消すような歪が付加される。
【０１４０】
次に、振幅歪が付加された信号１０６は周波数変換部１０７で直交変調され、所望の周波数に変換される。
【０１４１】
また、振幅歪および位相歪が付加された信号１１３は周波数変換部１１４で直交変調され、所望の周波数に変換される。
【０１４２】
次に、周波数変換部１０７、１１４で生成されたＲＦ信号１０８は、電力増幅器１０９で所望の電力レベルまで増幅され、アンテナ１１１より放射される。
【０１４３】
次に、図示されていない受信機が、アンテナ１１１から送信された信号を受信してその伝搬チャネルの状態を検出する。そして、この受信機は、アンテナ１１１の送信した信号がどのような状態で受信されているかを通知する信号の含まれた伝搬環境信号１３１９を、当該ＭＩＭＯ通信装置に送信する。その結果、受信アンテナ１３１６が受信した伝搬環境信号１３１９を基に、伝送路情報受信部１３１８が４本のアンテナ１１１から送信されるそれぞれの伝搬チャネルの状態を算出する。そして、伝搬環境参照信号１３１９が伝送路情報受信部１３１８から出力される。
【０１４４】
次に、振幅位相重み付け決定部１３２０が、伝搬環境参照信号１３１９から、各送信アンテナ１１１と、送信アンテナ１１１で送信された信号を受信する受信装置の受信アンテナとからなるそれぞれのチャネルの伝搬環境を推定し、アンテナ系列毎の振幅との重み付け量と位相の回転量を算出し、振幅位相制御信号１３２１を出力する。
【０１４５】
次に、書換制御部８１６が、実施の形態３と同様に、デジタル処理部８１５を制御して、振幅位相歪付加部１１２と、振幅歪付加部１０５とが、アンテナ系列毎の振幅の重み付け量に対して適応的に配置されるように書き換える。
【０１４６】
以上のように、ＭＩＭＯ通信を４素子のアレイアンテナで行う場合、時間的に変動する通信路の電波環境において、通信品質を向上させるには、それぞれのアンテナ系列から出力すべき電力レベルつまり、振幅の重み付け量を時間的に変化させる必要がある。このとき、振幅位相歪付加部１１２と、振幅歪付加部１０５との位置をアンテナ系列の振幅の重み付け量の変化に応じて書き換える構成とすることにより、電波環境の変化に応じて送信出力を変更しても、それに対応した歪み補償回路の構成に変更することができる。これにより、電波環境に対応して非線形歪みの影響を小さく抑えることができるとともに、デジタル処理部８１５の演算量を減らした、簡易な回路構成にすることができる。
【０１４７】
なお、本実施の形態では、すべてのアンテナ系列に対して、振幅位相歪付加部もしくは振幅歪付加部を有する場合について説明したが、振幅歪みや位相歪みの程度に応じて、振幅位相歪付加部と振幅歪付加部のどちらも含まないアンテナ系列にすることも可能である。
【０１４８】
また、本実施の形態ではアンテナ数が４つの場合について説明したが、これに限らず、アンテナ数が２つ以上の構成のＭＩＭＯ通信装置であれば、同様の効果が得られる。
【０１４９】
【発明の効果】
本発明により、アレイアンテナ装置は送信系での非線形歪を補償する回路構成を小型化し、電力の消費効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図２】（ａ）本発明の第１の実施の形態における電力増幅器で発生する非線形歪を説明する回路構成図
（ｂ）本発明の第１の実施の形態における電力増幅器の入力信号のスペクトル特性図
（ｃ）本発明の第１の実施の形態における電力増幅器の出力信号のスペクトル特性図
（ｄ）本発明の第１の実施の形態における電力増幅器のＡＭＡＭ特性を示す特性図
（ｅ）本発明の第１の実施の形態における電力増幅器のＡＭＰＭ特性を示す特性図
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるアンテナ系列ごとの電力配分を示す図
【図４】（ａ）従来の歪み補償なしのアレイアンテナ装置の構成ブロック図
（ｂ）従来の歪み補償ありのアレイアンテナ装置の構成ブロック図
（ｃ）本発明の第１の実施の形態における歪み補償なしのアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図５】本発明の第１の実施の形態における振幅歪み付加部の構成ブロック図
【図６】ビームパターンの計算機解析結果を示す図
【図７】本発明の第２の実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図８】本発明の第２の実施の形態における振幅位相制御部の構成ブロック図
【図９】本発明の第３の実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図１０】本発明の第３の実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図１１】本発明の第４の実施の形態におけるＭＩＭＯ通信装置の構成ブロック図
【図１２】本発明の第３の実施の形態におけるアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図１３】従来のアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【図１４】従来の振幅位相制御部の構成ブロック図
【図１５】従来の振幅位相歪付加部の構成ブロック図
【図１６】従来のアレイアンテナ装置の構成ブロック図
【符号の説明】
１０１、４０１、９０１ 信号生成部
１０２ 送信ＩＱ信号
１０３、７０３、９０３、１５０３ 振幅位相制御部
１０５、４１１ 振幅歪付加部
１０７、１１４、９０５、９１２ 周波数変換部
１０８ ＲＦ信号
１０９、１１８、４０６、９０７、１５０６ 電力増幅器
１１１、２０４、９０９、１５０７ アンテナ
１１２、４０９ 振幅位相歪付加部
１１５、１１６、９１３ ビーム方向制御部
２０１ 送信ベースバンド信号
４０２ 生成信号
４０３ 位相調整部
４０４ 振幅調整部
４０８ アンテナ部
５０１、５０６ Ｉ信号
５０２、５０７ Ｑ信号
５０３ 振幅補正テーブル
５０８ 振幅位相歪み補正テーブル
７１３ 瞬時電力算出部
８１１ 円形アレイアンテナ
８１５ デジタル処理部
８１６ 書換制御部
９１０ 歪付加部
１００４、１１０４、１２０３ 補正値テーブル
１３１６ 受信アンテナ
１３１８ 伝搬環境情報受信部
１３２０ 振幅位相重み付け決定部
１４０１ 第１配線切換部
１４０２ 第２配線切換部
１４０３ 切換制御部
１５０２ 周波数特性等化部
１５０４ 歪み補償特性付加部
１５０５ 周波数変換部
１５０８ 補償動作制御部
Claims (10)
- 複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された電力増幅器と、
前記アンテナ素子および前記電力増幅器を備える複数のアンテナ系列の少なくともいずれかに位置し、前記電力増幅器で発生する振幅と位相の非線形歪を補償する振幅位相歪付加部と、
前記振幅位相歪付加部を持つアンテナ系列以外のアンテナ系列の少なくともいずれかに位置し、前記電力増幅器で発生する、振幅の非線形歪を補償する振幅歪付加部および位相の非線形歪を補償する位相歪付加部のいずれか一方と、
指定された方向にビーム制御するために、前記アンテナ系列毎に送信信号に対して、振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部と
を有するアレイアンテナ装置。 - 前記振幅の重み付け量が所定値と等しくあるいは、大きく設定されたアンテナ系列に、前記振幅位相歪付加部が接続され、前記振幅の重み付け量が所定値より小さく設定されたアンテナ系列に、前記振幅歪付加部および前記位相歪付加部のいずれか一方が接続されたことを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ装置。
- 前記電力増幅器で発生する歪みが所定値と等しいあるいは、大きいアンテナ系列に前記振幅位相歪付加部が接続され、前記電力増幅器で発生する歪みが所定値より小さいアンテナ系列に、前記振幅歪付加部および前記位相歪付加部のいずれか一方が接続されたことを特徴とする請求項１および２のいずれか一方に記載のアレイアンテナ装置。
- 複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された電力増幅器と、
指定された方向にビーム制御するために、前記アンテナ素子および前記電力増幅器を備える複数のアンテナ系列毎に送信信号に対して、振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部と、
前記複数のアンテナ系列に入力される信号の瞬時電力レベルを算出する瞬時電力レベル算出部と
を有し、
前記瞬時電力レベル算出部からの指示に基づいて、前記振幅位相制御部が前記振幅の重み付け量と前記位相の回転量とを補正するアレイアンテナ装置。 - 前記補正は、前記瞬時電力レベル算出部が、前記瞬時電力レベルと、前記振幅位相制御部にビーム方向を指示するビーム方向制御信号とにより指定する、前記電力増幅器による非線形歪み補償を含めた補正テーブルに基づいて行うことを特徴とする請求項４に記載のアレイアンテナ装置。
- 複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された複数の電力増幅器と、
前記アンテナ素子および前記電力増幅器を備える複数のアンテナ系列に位置し、前記電力増幅器で発生する非線形歪を補償する歪付加部と、
指定の方向にビーム制御するために、前記アンテナ系列毎に振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部とを有し、
前記歪み付加部がリコンフィグァラブルデバイス（書き換え可能回路）を用いて構成され、前記振幅の重み付け量と前記位相の回転量とから、前記リコンフィグァラブルデバイスの回路構成を書き換えることを特徴としたアレイアンテナ装置。 - 前記リコンフィグァラブルデバイスの回路構成の書き換えは、前記電力増幅器で発生する振幅と位相の非線形歪を補償する振幅位相歪み付加回路の存在するアンテナ系列と、前記電力増幅器で発生する振幅の非線形歪を補償する振幅歪み付加回路および位相の非線形歪を補償する位相歪付加部のいずれか一方の存在するアンテナ系列との切り替えであることを特徴とする請求項６に記載のアレイアンテナ装置。
- 前記複数のアンテナ素子が円形アレイアンテナを構成することを特徴とする請求項６および７のいずれか一方に記載のアレイアンテナ装置。
- 請求項１乃至８のいずれかに記載のアレイアンテナ装置を有する無線通信機。
- 複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれに接続された複数の電力増幅器と、
前記電力増幅器で発生する振幅と位相の非線形歪を補償する振幅位相歪付加部、振幅の非線形歪を補償する振幅歪付加部、および位相の非線形歪を補償する位相歪付加部のいずれか一つを構成し、前記アンテナ素子および前記電力増幅器を備える各アンテナ系列に、それぞれ配置するリコンフィグァラブルデバイス（書き換え可能回路）と、
指定された方向にビーム制御するために、前記アンテナ系列毎に送信信号に対して、振幅の重み付け量と位相の回転量とを制御する振幅位相制御部と、
前記複数のアンテナ素子から送信された信号の伝搬環境が通知される伝搬環境信号を受信する受信アンテナとを有し、
前記受信アンテナからの受信信号に応じて前記振幅の重み付け量と位相の回転量とを決定し、前記振幅の重み付け量と前記位相の回転量とに応じて、前記振幅位相歪付加部と、前記振幅歪付加部および前記位相歪付加部のいずれか一方とを配置することを特徴とするＭＩＭＯ通信装置。
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