JP4417395B2 - 無線通信用アンテナ装置及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の給電アンテナまたは複数の受信アンテナを用いて異なる信号を送受信することにより通信容量を拡大する無線通信用アンテナ装置及び無線通信方法に関する。

従来、ＭＩＭＯ伝送などにおいて複数のアンテナ素子を有する種々の無線通信用アンテナが利用されている。
これら無線通信用アンテナとして、例えば以下の二つのアンテナが知られている。
第一の例としては、直交する２つのノッチアンテナと逆Ｆアンテナとを用いた無線通信用アンテナである（例えば、非特許文献１参照。）。
図１０は、ノッチアンテナと逆Ｆアンテナとを用いた無線通信用アンテナを示す斜視図である。
無線通信用アンテナ９００は、長方形状の誘電体基板９０１を備えている。この誘電体基板９０１の上面のグランド板には、その短辺部と長辺部とのそれぞれに開放端を持つ２つのノッチアンテナ９１０，９２０が設けられている。これら２つのノッチアンテナ９１０，９２０の互いになす角は９０度である。

また、一方のノッチアンテナ９１０の先端部付近には、変形逆Ｆアンテナ９３０が設けられている。変形逆Ｆアンテナ９３０は、誘電体基板９０１に対して垂直な給電ピン９３１および短絡ピン９３２と、これら給電ピン９３１および短絡ピン９３２の頂部と接するように配置されたＨ形導体板９３３とにより構成される。
Ｈ形導体板９３３の中央部には、誘電体基板９０１と平行な突起部９３４が設けられ、その突起部９３４に給電ピン９３１と短絡ピン９３２が接続されている。
２つのノッチアンテナ９１０，９２０と変形逆Ｆアンテナ９３０は、誘電体基板９０１の背面に設けられたマイクロストリップ線路により給電される。二つのノッチアンテナ９１０，９２０からは、水平偏波を主偏波とする放射特性が得られ、これら二つのノッチアンテナ９１０，９２０が互いに直角に配置されているので、放射パターンは直交している。
また、変形逆Ｆアンテナ９３０は、誘電体基板９０１の主面に垂直な給電ピン９３１によって主に放射されるため、垂直偏波を主偏波とする放射特性が得られる。
このように、指向性や偏波が直交するアンテナを組み合わせることによって、低い素子間結合を実現し、放射効率を改善しＳＮＲ（信号対雑音比）特性が向上する。

また、第二の例としては、２つの八木・宇田アレー間で導波素子を共有させた無線通信用アンテナである。
図１１は、八木・宇田アレー間で導波素子を共有させた無線通信用アンテナを示す図であって、上方の図は平面図であり、下方の図は平面図に対応させて回路構成を側面から見た様子を示す回路構成図である。
無線通信用アンテナ９００ａは、長方形状の誘電体基板９０１ａを備えている。誘電体基板９０１ａの下面には、グランド９０２が設けられている。また、誘電体基板９０１ａの上面には、その長手方向の両端部に、正方形状の給電アンテナ素子９４１，９４２が設けられている。

給電アンテナ素子９４１，９４２の間には、これら給電アンテナ素子９４１，９４２よりもサイズの小さな正方形状の無給電アンテナ素子９５０が設けられている。無給電アンテナ素子９５０は、誘電体基板９０１ａの長手方向に複数配列されている。また、無給電アンテナ素子９５０は、給電アンテナ素子９４１，９４２よりも電気的に小さくなっている。
さらに、無線通信用アンテナ９００ａは、電力を供給する給電手段９６１，９６２と、終端手段９７１，９７２とを備えている。
給電手段９６１の一端は、給電アンテナ素子９４１に接続されるようになっており、他端はグランド９０２に固定的に接続されている。また、給電手段９６２の一端は、給電アンテナ素子９４２に接続されるようになっており、他端はグランド９０２に固定的に接続されている。
終端手段９７１の一端は、給電アンテナ素子９４１に接続されるようになっており、他端はグランド９０２に固定的に接続されている。また、終端手段９７２の一端は、給電アンテナ素子９４２に接続されるようになっており、他端はグランド９０２に固定的に接続されている。すなわち、給電アンテナ素子９４１は、給電手段９６１又は終端手段９７１に選択的に接続されるようになっており、給電アンテナ素子９４２は、給電手段９６２又は終端手段９７２に選択的に接続されるようになっている。

このような構成のもと、いずれか一方の給電アンテナ素子が、給電手段に接続され、他方の給電アンテナ素子は、終端手段に接続される。例えば、給電アンテナ素子９４１が給電手段９６１に接続され、給電アンテナ素子９４２は終端手段９７２に接続される。そして、給電アンテナ素子９４１が給電されると、給電アンテナ素子９４１から電波として電力が放射され、この放射電力は無給電アンテナ素子９５０を導波器として伝わる。すなわち、給電アンテナ素子９４１及び無給電アンテナ素子９５０が、八木・宇田アレーとして動作し、給電アンテナ素子９４２から無給電アンテナ素子９５０へ向けて放射される。
また、給電アンテナ素子９４１，９４２の接続を、スイッチ９８１，９８２によって、給電手段９６１，９６２又は終端手段９７１，９７２へと選択的に切り替えることにより、高利得な指向性を持つビームを、異なる２つの方向に切り替えることができる。これによって、相手無線局が存在する方向に指向させることによって、ＳＮＲ特性を向上させることができる。
本間尚樹，井田正明，西森健太郎，鷹取泰司，常川光一、"変形逆Ｆアンテナとノッチアンテナを用いた小形３ポートＭＩＭＯアンテナの提案"、２００５年電子情報通信学会ソサイエティ大会、Ｂ−１−２３０、２００５年９月

しかしながら、上記第一の例のように、指向性や偏波が直交するアンテナを小型無線通信端末に配置する場合、多数の独立したアンテナを近接させて配置するため、アンテナ素子の配置や形状に対する自由度が小さくなってしまうという問題がある。そのため、指向性を成形することが困難であり、例えばＭＩＭＯ通信容量を最適化するように指向性を制御することはできない。
また、上記第二の例のように、給電アンテナ素子間に無給電アンテナ素子を列状に配置した場合、特定方向の指向性利得は上昇するものの、給電アンテナ素子間の結合が上昇し、特に抵抗性の終端素子でアンテナ素子を終端した場合は、アンテナ放射効率が大きく劣化してしまうという問題がある。そのため、アンテナに向けて周囲から希望信号が到来するような環境ではＳＮＲ特性が劣化し、通信容量が低下してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複数の給電アンテナ素子間のアンテナ結合を軽減させて、ＳＮ比を向上させることができ、または、給電アンテナ素子間の空間相関を軽減させて、通信容量を増大させることができる無線通信用アンテナ装置及び無線通信方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、同じ偏波特性を持つ複数のアンテナ素子が列を為して配置された無線通信用アンテナ装置であって、列を為して配置された前記アンテナ素子のうち、前記列の両端のアンテナ素子は給電アンテナ素子であり、前記両端の給電アンテナ素子の間に配された残りのアンテナ素子は、無給電アンテナ素子であり、前記無給電アンテナ素子は、リアクタンス素子によって終端されており、前記リアクタンス素子のリアクタンス値は、前記列において全て等しく設定されるとともに、無線通信における通信容量の期待値を最大化する値に設定されることを特徴とする。

また、本発明は、直交する二つの偏波特性の両方を持つアンテナ素子が列を為して配置されたアンテナ装置であって、列を為して配置された前記アンテナ素子のうち、前記列の両端のアンテナ素子は、直交する二つの偏波のそれぞれに対応する独立した給電手段を具備する給電アンテナ素子であり、前記両端の給電アンテナ素子の間に配された残りのアンテナ素子は、直交する二つの偏波それぞれに対応する独立したリアクタンス素子によって終端された無給電アンテナ素子であり、前記リアクタンス素子のリアクタンス値は、前記それぞれの偏波に対応する列において全て等しく設定されるとともに、無線通信における通信容量の期待値を最大化する値に設定されることを特徴とする。

また、本発明は、請求項２記載の無線通信用アンテナ装置であって、前記給電アンテナ素子の直交する二つのポートのいずれかに選択的に給電するための切り替え手段を具備することを特徴とする。

また、本発明は、直交する二つの偏波特性の両方を持つ無給電アンテナ素子が列を為して配置され、前記列の両端に、偏波方向が可変である給電アンテナ素子を具備するアンテナ装置であって、前記無給電アンテナ素子は、直交する二つの偏波のそれぞれに対応する独立したリアクタンス素子によって終端されており、前記リアクタンス素子のリアクタンス値は、前記それぞれの偏波に対応する列において全て等しく設定されるとともに、無線通信における通信容量の期待値を最大化する値に設定されることを特徴とする。

また、本発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、前記複数のアンテナ素子の列における長手方向を水平方向とし厚さ方向を垂直方向として、前記無給電アンテナ素子の電気長が前記給電アンテナ素子より短くなるように前記リアクタンス素子のリアクタンス値が設定される、ことを特徴とする。
また、本発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、前記複数のアンテナ素子のリアクタンス値を低い値から高い値に順次変化させていき、最も高いＳＮＲ特性が得られるリアクタンス値を選択する、または、最も高いチャネル容量が得られる前記複数のアンテナ素子のリアクタンス値の組み合わせを選択する第２の信号処理部、を具備することを特徴とする。
また、本発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、前記リアクタンス素子のリアクタンス値は、基地局アンテナの偏波の組合せ、素子数、または、素子間隔の情報である電気特性情報を含む信号であって、前記基地局アンテナ装置から受信した信号に含まれている前記電気特性情報に基づいて、無線通信における通信容量の期待値を最大化する値に設定される、ことを特徴とする。
また、本発明は、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、前記リアクタンス素子のリアクタンス値が可変であり、任意の場所又は時間において最大の通信容量が得られるリアクタンス値を設定する設定手段を備えることを特徴とする。

また、本発明は、無線通信システムにおける端末装置として利用され、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、複数の無線通信用アンテナ装置を同時に同一周波数で利用する空間多重を行う場合に、全ての無線通信用アンテナ装置の通信容量の平均値が最大となるリアクタンス値が設定されることを特徴とする。

また、本発明は、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、前記給電アンテナ素子は、前記給電アンテナ素子の間で発生する素子間結合による損失を改善する減結合回路を介して給電されることを特徴とする。

また、本発明は、同じ偏波特性を持つ複数のアンテナ素子が列を為して配置された無線通信用アンテナ装置であって、列を為して配置された前記アンテナ素子のうち、前記列の両端のアンテナ素子は給電アンテナ素子であり、前記両端の給電アンテナ素子の間に配された残りのアンテナ素子は、無給電アンテナ素子であり、前記無給電アンテナ素子は、リアクタンス素子によって終端されており、前記リアクタンス素子のリアクタンス値は、無線通信における通信容量の期待値を最大化する値に設定される無線通信用アンテナ装置における無線通信方法であって、複数の送信アンテナ素子を具備する送信装置から送信された、前記送信アンテナ素子の偏波の組合せ、素子数、または、素子間隔の情報である電気特性情報を含む信号を受信して、受信した前記信号から前記電気特性情報を取り出し、取り出した前記電気特性情報を利用して、前記リアクタンス素子のリアクタンス値を、前記列において全て等しく設定することを特徴とする。

本発明によれば、リアクタンス値を適切に与えることによって、複数の給電アンテナ素子間のアンテナ結合を軽減させて、ＳＮ比を向上させることができ、または、給電アンテナ素子間の空間相関を軽減させて、通信容量を増大させることができる。

（実施形態１）
以下、本発明の第１の実施形態における無線通信用アンテナ装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態としての無線通信用アンテナ装置を示したものである。
無線通信用アンテナ装置１は、長方形状の誘電体基板９を備えている。誘電体基板９の上面（一方の主面）には、その長手方向Ｌの両端部に、給電アンテナ素子１１，１２が設けられている。給電アンテナ素子１１，１２は、誘電体基板９の厚さ方向Ｔに向けられて直線状に延ばされている。また、給電アンテナ素子１１，１２は、電力を供給する給電手段７，８がそれぞれ独立に設けられている。これら給電アンテナ素子１１，１２の間には、厚さ方向Ｔに向けられて直線状に延ばされた複数の無給電アンテナ素子２１，２２，２３，２４が設けられている。これら複数の無給電アンテナ素子２１〜２４は、誘電体基板９の長手方向Ｌに配列されている。また、無給電アンテナ素子２１〜２４は、それぞれリアクタンス素子３１，３２，３３，３４により終端されている。

リアクタンス素子３１〜３４のリアクタンス値Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４は、無線通信用アンテナ装置１が使用される環境に合わせて最適値に設定されている。すなわち、無線通信用アンテナ装置１の使用環境をあらかじめ想定し、例えば製造時に最適なリアクタンスが予め取り付けられる。なお、それらリアクタンス値の最適値の決定方法は後述するものとする。

次に、このように構成された本実施形態における無線通信用アンテナ装置１の作用について説明する。
給電アンテナ素子１１，１２の両方を用いて信号の送受信を行う場合、伝搬環境によってその通信容量は大きく影響を受ける。
そこで、以下のようにしてリアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４が決定される。
例えば、無線通信用アンテナ装置１の周囲のどの方向からもほぼ均等な確率で信号波が到来するような環境では、給電アンテナ素子１１，１２の放射効率が支配的に通信容量に影響する。そのため、そのような環境では、給電アンテナ素子１１，１２同士の相互結合が最も下がるようにリアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４の値が決定される。例えば、リアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４を全て等しく設定した場合には、給電アンテナ素子１１と給電アンテナ素子１２とで、左右対称な放射パターンが得られる。

一方、到来波が限定した方向からのみ観測されるなど到来波方向の分布に偏りがある環境では、例えば長手方向Ｌを水平方向とし、厚さ方向Ｔを垂直方向として、到来波が水平方向から主に到来するような環境では、無給電アンテナ素子２１〜２４の電気長が給電アンテナ素子１１，１２より短くなるように、リアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４の値が決定される。これにより、無線通信用アンテナ装置１は、無給電アンテナ素子２１〜２４を導波器とした八木・宇田アレーとして動作する。そのため、給電アンテナ素子１１に給電した場合には、給電アンテナ素子１１から電波が放射され、その放射パターン（受信パターンは送信パターンと等しい）は、給電アンテナ素子１１から給電アンテナ素子１２へ向かう方向（エンドファイヤ方向）にピークを持つ形状となる。また、給電アンテナ素子１２に給電した場合も同様であり、給電アンテナ素子１２から給電アンテナ素子１１へ向かう方向にピークを持つ放射パターンが得られる。

なお、屋内環境（送信アンテナを屋内に配置した場合）では、一般的に、屋内の端末局から見て水平方向からの到来波が最も多く観測される。また直接波を除くと、誘電体基板９の周囲よりほぼ均等に信号波が到来する。例えば、端末局が小型のノート型パーソナルコンピュータなどのように、筐体の底面は水平に置かれ、その水平の向きはランダムに置かれるような環境で、かつ、端末上のアンテナ素子の設置場所が制限されているような場合、従来では水平面内に高い指向性利得を実現することは困難であった。

このような場合、放射パターンを成形してもＳＮＲは変化しないが、受信する可能性の低い上下方向のアンテナ利得を減少させることができれば、水平方向のアンテナ利得を増大させることができ、これにより、ＳＮＲを改善することができる。
本実施形態の無線通信用アンテナ装置１によれば、八木・宇田アレーとして動作させることにより、垂直面の放射パターンが絞られ、結果的に、水平方向の平均指向性利得は上昇する。すなわち、無線通信用アンテナ装置１によれば、垂直面の放射パターンを成形することができ、その結果、水平方向の平均利得を向上させることができる。そして、平均利得を向上させることによってＳＮ比（信号対雑音比）を向上させることができ通信容量を増大させることができる。

以上より、本実施形態の無線通信用アンテナ装置１によれば、リアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４を適切に与えることによって、給電アンテナ素子１１と給電アンテナ素子１２との間のアンテナ結合を軽減させることができる。そのため、どの方向からもほぼ均等な確率で信号波が到来するような環境において、ＳＮ比を向上させることができる。
また、リアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４を適切に与えることによって、給電アンテナ素子１１と給電アンテナ素子１２との間の空間相関を軽減させることができる。そのため、通信容量を増大させることができる。本実施形態では２つの八木・宇田アレー間で無給電アンテナ素子２１〜２４を共有しているため、小型の端末においても、高いＳＮ比と低い空間相関を実現することができ、高い通信容量を実現することが可能になる。

なお、本実施形態では、リアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４を予め設定するとしたが、これに限ることはなく、適宜変更可能である。例えば、リアクタンス素子３１〜３４を電子制御式の可変リアクタンスとし、使用状況に応じて、不図示の制御部（設定手段）により、自動的に演算され、設定されるようにしてもよい。また、リアクタンス素子３１〜３４に、ダイヤルなどによりリアクタンス値を変更する変更機構（設定手段）を設け、使用状況に応じて、使用者などが適切なリアクタンス値を設定するようにしてもよい。
また、本実施形態では、無給電アンテナ素子数が８であるが、それより無給電アンテナ素子数が少ない場合や多い場合でも本効果は得られる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態を概念的に示したものである。
図２において、図１に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第１の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。
なお、図２において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、それぞれ互いに直交する軸を示しており、Ｘ軸方向は、誘電体基板９の長手方向Ｗ（図１に示す）と一致し、Ｙ軸方向は、誘電体基板９の短手方向、Ｚ軸方向は、誘電体基板９の厚さ方向Ｔ（図１に示す）と一致するものである。

本実施形態においては、Ｚ軸方向に延びる給電アンテナ素子１１，１２の近傍に、Ｙ軸方向に延びる給電アンテナ素子１３，１４がそれぞれ設けられている。すなわち、給電アンテナ素子１１，１２と、給電アンテナ素子１３，１４とは互いに直交している。
また、Ｚ軸方向に延びる無給電アンテナ素子２１〜２４の近傍には、それぞれＹ軸方向に延びる無給電アンテナ素子２５，２６，２７，２８が設けられている。すなわち、無給電アンテナ素子２１〜２４と、無給電アンテナ素子２５〜２８とは互いに直交している。また、無給電アンテナ素子２１〜２８は、給電アンテナ素子１１，１３と給電アンテナ素子１２，１４との間においてＸ軸方向に配列されている。
無給電アンテナ素子２５〜２８は、それぞれリアクタンス素子３５，３６，３７，３８により終端されている。

給電アンテナ素子１３，１４、及び、無給電アンテナ素子２５〜２８は水平偏波アンテナであって、二つの給電アンテナ素子１３，１４に給電することによって二つの放射特性が得られる。これは垂直偏波の給電アンテナ素子１１，１２、及び、無給電アンテナ素子２１〜２４と同様の動作となる。
また、リアクタンス素子３５〜３８のリアクタンス値Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８を、上記第１の実施形態と同様に、適切に設定することによって、高い通信容量が得られるようになる。
このように、本実施形態における無線通信用アンテナ装置１ａによれば、垂直偏波素子に加えて水平偏波素子を利用することによって、アンテナポート数が２倍となるため、第１の実施形態の無線通信用アンテナ装置１から僅かのアンテナサイズの増加で約２倍の通信容量を実現することができる。

ここで、無線通信用アンテナ装置１ａを端末局として利用した場合について、数値解析による特性評価結果について説明する。
図３（ａ）は、数値解析を行った屋内環境を示す説明図である。直方体形状の部屋の幅寸法（Ｘ軸方向の寸法）を１２ｍとし、奥行き寸法（Ｙ軸方向の寸法）を１５ｍ、高さ寸法（Ｚ軸方向の寸法）を３ｍとする。壁面はコンクリートとし、什器の無い見通し環境とする。
また、基地局ＡＰは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の交点を原点Ｏとしたときの、座標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（８，１０，１２）で、部屋の角付近に設置されるものとする。
さらに、端末ＵＴは、高さを１ｍ（Ｚ＝１）として、ＸＹ平面においてランダムに配置するものとする。
解析はイメージ波源法を用い、反射回数は１０回とした。また、動作周波数は４．８５ＧＨｚとした。なお、基地局ＡＰは、垂直／水平共用アンテナの８素子リニアアレー（１６ポート）とし、アレー長は７波長とする。

図３（ｂ）は、リアクタンス素子３１〜３８のリアクタンス値に対するチャネル容量の期待値を求めた結果を示すものであり、無給電アンテナ素子を設けない場合の結果と比較して示すグラフである。
垂直偏波素子である無給電アンテナ素子２１〜２４におけるリアクタンス値Ｘ１〜Ｘ２は、Ｘ１＝Ｘ２＝Ｘ３＝Ｘ４＝ａ１と全て等しく設定した。また、水平偏波素子である無給電アンテナ素子２５〜２８におけるリアクタンス値Ｘ４〜Ｘ５も、Ｘ４＝Ｘ５＝Ｘ６＝Ｘ７＝ａ２と全て等しく設定した。
グラフより、リアクタンス値ａ１に対して比較的急峻な極大値が存在し、リアクタンス値ａ２に対しては緩やかな変化を示すことが分かる。これにより、垂直偏波素子の最適化の効果が大きいことが確認できる。
また、極大値は、（ａ１，ａ２）＝（３．０Ω、５７３Ω）であり、そのときのチャネル容量は、８．４Ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚとなった。無給電アンテナ素子がない場合だと、６．２Ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚとなり、無給電アンテナ素子がある場合では、無給電アンテナ素子のない場合と比べて約３０％以上高いチャネル容量が得られることが分かった。

（実施形態３）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第３の実施形態を示したものである。
図４において、図１から図３に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第２の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。

本実施形態における無線通信用アンテナ装置１ｂは、信号を選択的に切り替える信号切り替え手段４１，４２を備えている。信号切り替え手段４１，４２の一方の端子４１ａ，４２ａは、給電アンテナ素子１１，１２にそれぞれ接続され、他方の端子４１ｂ，４２ｂは、給電アンテナ素子１３，１４にそれぞれ接続されている。また、信号切り替え手段４１，４２の固定端子４１ｃ，４２ｃは、電力を供給する給電手段７ａ，８ａに接続されており、給電手段７ａ，８ａは、グランドＧに接続されている。

このような構成のもと、信号切り替え手段４１，４２によって、水平偏波・垂直偏波の何れかの給電アンテナ素子１１〜１４が選択されるようになっている。例えば、最も高いＳＮＲ特性が得られる給電アンテナ素子１１〜１４が選択され、又は、最も高いチャネル容量が得られる給電アンテナ素子１１〜１４の組み合わせが選択される。
リアクタンス値Ｘ１〜Ｘ８は最も大きな通信容量を与えるよう最適化される場合、信号切り替え手段４１，４２によって最も通信容量の高い給電アンテナ素子１１〜１４の組み合わせを選択することによって、少ない信号源（送受信機）のみ用いた場合でも、高い通信容量を実現することができ、無線通信用アンテナ装置１ｂを簡易化・低消費電力化することができる。
なお、信号切り替え手段４１，４２による切り替えは、使用状況に応じて、使用者が操作することによって行うようにしてもよいし、制御部が演算結果に応じて自動的に行うようにしてもよい。

（実施形態４）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第４の実施形態を示したものである。
図５において、図１から図４に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第３の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。

本実施形態における給電アンテナ素子１５１，１５２の両端部には、それぞれ両端部から中心に向けられたダイオード素子１５３，１５４，１５５，１５６が取り付けられている。また、給電アンテナ素子１６１，１６２の両端部には、それぞれ両端部から中心に向けられたダイオード素子１６３，１６４，１６５，１６６が取り付けられている。そして、ダイオード素子１５３〜１５６によって、給電アンテナ素子１５１と給電アンテナ素子１５２の何れかの素子を励振することが可能になっている。
例えば、対向するダイオード素子１５３及びダイオード素子１５６に順バイアス電圧を印加し、対向するダイオード素子１５４とダイオード素子１５５に逆バイアス電圧を印加することによって、ダイオード素子１５３，１５６は、高周波信号を導通させる状態となり、垂直偏波の給電アンテナ素子１５１が励振可能となる。一方、ダイオード素子１５５，１５６は高周波信号を導通させないため、水平偏波の給電アンテナ素子１５２は励振されない。

このようにダイオード素子１５３〜１５６を操作することによって、給電アンテナ素子１５１，１５２の偏波特性を制御することができる。なお、ダイオード素子１６３〜１６６を操作することによっても、同様にして、給電アンテナ素子１６１，１６２の偏波特性を制御することができる。
このような手段によって、最も通信容量の高い偏波を選択することによって、少ない信号源（送受信機）のみ用いた場合でも、高い通信容量を実現することができ、無線通信用アンテナ装置１ｃを簡易化・低消費電力化することができる。

（実施形態５）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第５の実施形態を示したものである。
図６において、図１から図５に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第１の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。

本実施形態における無線通信用アンテナ装置１ｄは、信号の送受信を行う送受信機５１，５２と、リアクタンス素子３１〜３４のリアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４を変更するためのバイアス電圧を発生させるバイアス装置（設定手段）７１と、各種信号処理を行う信号処理手段（設定手段）６１とを備えている。なお、リアクタンス素子３１〜３４は、可変リアクタンス素子である。

このような構成のもと、送受信機５１，５２により信号が受信されると、その信号は信号処理手段６１に入力される。信号処理手段６１は、リアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４の決定を行う。例えば、信号処理手段６１は、リアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４を低い値から高い値に順次変化させていき、最も高いＳＮＲ特性が得られるリアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４を選択する。また、信号処理手段６１は、最も高いチャネル容量が得られるリアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４の組み合わせを選択するようにしてもよい。また、信号処理手段６１は、受信された信号から遅延スプレッドなどを演算し、この遅延スプレッドから屋内環境であるか屋外環境であるかを判定し、製造時などに予め与えられてメモリに記憶された、それぞれの環境に適したリアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４を読み出して設定するようにしてもよい。

それから、信号処理手段６１は、決定したそれぞれのリアクタンス値情報をバイアス装置７１に入力する。バイアス装置７１は、それぞれのリアクタンス値情報に応じたバイアス信号をリアクタンス素子３１〜３４に入力する。その結果、リアクタンス素子３１〜３４のリアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４が、信号処理手段６１によって決定された値に設定される。
なお、送受信機５１，５２からの受信信号に基づいて、信号処理手段６１が、より適したバイアス条件を検出するよう設計するなど、再帰的な処理を実施することも可能である。
このような手段によって、無線通信用アンテナ装置１ｄ周辺の伝搬環境が動的に変化するような場合、例えば移動する車両上に端末があるような場合でも、高いチャネル容量を持続的に実現することが可能になる。

（実施形態６）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
図７は、本発明の第６の実施形態を示したものである。
図７において、図１から図６に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第１の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。

本実施形態における端末局装置（無線通信用アンテナ装置）８１は、無線により通信が行われる無線通信システム２の端末装置として利用されるものである。
端末局装置８１は、給電アンテナ素子１１１，１１２と、これら給電アンテナ素子１１１，１１２の間に設けられたリアクタンス素子付き無給電アンテナ素子２１１，２１２とを備えている。なお、端末局装置（無線通信用アンテナ装置）８２の構成も同様である。
基地局装置（送信装置）８３は、複数の送信アンテナ素子８３ａを備えており、端末局装置８１，８２と同一周波数で同時に通信を行うため、複数端末局の空間多重を行う。端末局装置８１において、リアクタンス素子付き無給電アンテナ素子２１１，２１２のリアクタンス素子の適正なリアクタンス値Ｘ１，Ｘ２が設定され、端末局装置８２において、リアクタンス素子付き無給電アンテナ素子２２３，２２４のリアクタンス素子の適正なリアクタンス値Ｘ３，Ｘ４が設定される。すなわち、リアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４は、全ての端末局装置８１，８２の通信容量の平均値が最大となるような値に設定される。
これにより、空間多重時の伝送容量を改善することができる。
なお、リアクタンス値Ｘ１〜Ｘ４は基地局装置８３から指定しても良い。このようにすることによって、複数の端末局装置８１，８２の空間多重時の伝送容量を改善、あるいは周波数利用効率を改善することができる。

（実施形態７）
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。
図８は、本発明の第７の実施形態を示したものである。
図８において、図１から図７に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第１の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。

本実施形態における無線通信用アンテナ装置１ｅは、給電アンテナ素子１１，１２に接続された減結合回路４５を備えている。減結合回路４５は、給電アンテナ素子１１，１２の間で発生する素子間結合による損失を改善するためのものである。また、減結合回路４５は、二つの給電手段７ａ，８ａに接続されており、これら二つの給電手段７ａ，８ａは、それぞれグランドＧに接続されている。

ここで、例えば一方の給電手段から信号が送信されると、その信号は、一方の給電アンテナ素子から送信されるとともに、他方の給電アンテナ素子を経由して他方の給電手段に入力されることが考えられる。
しかし、本実施形態における減結合回路４５は、給電アンテナ素子１１から送信された信号と等振幅・逆位相の信号が同時に給電手段８ａに入力されるように回路設計されている。
そのため、給電手段７ａと給電手段８ａとの間の結合をキャンセルすることが可能になる。
これによって、送受信時における信号のＳＮＲを改善することが可能になる。

（実施形態８）
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。
図９は、本発明の第８の実施形態において、その処理を示すフローチャートである。
図９において、図１から図７に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第１の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。なお、本実施形態の構成は、第５の実施形態の構成（図６に示す）と同様である。

本実施形態においては、基地局アンテナ装置から、基地局アンテナの偏波の組合せや、素子数、素子間隔などの基地局アンテナ情報（電気特性情報）を含む信号が送信され、無線通信用アンテナ装置は、その信号を受信する（ステップＳ１）。
そして、無線通信用アンテナ装置は、受信した信号から基地局アンテナ情報を取り出す（ステップＳ２）。
次いで、無線通信用アンテナ装置は、取り出した基地局アンテナ情報から、最も高い通信容量が期待できる各リアクタンス素子のリアクタンス値を決定し、それを設定する（ステップＳ３）。具体的には、例えば上記第５の実施形態と同様にしてリアクタンス値が決定される。
そして、無線通信用アンテナ装置は、設定されたリアクタンス値のもと、データ伝送を開始して（ステップＳ４）、処理を終了する。
このような手段によって、基地局のアンテナの種類が更改される場合、または、無線通信用アンテナ装置が移動して他のアンテナをもつ基地局アンテナ装置と通信を開始する場合でも、常に高い通信容量を安定して実現することができる。

本発明によれば、以上に述べた手段によって、次のような効果が得られる。
例えば、小型のノート型パーソナルコンピュータなどのように筺体底面が水平に置かれ、水平方向にはランダムに置かれるような環境で、端末上のアンテナ素子の設置場所が制限されていて、水平面内に高い指向性利得を実現することが困難な場合であっても、本発明によれば、水平面内の平均利得を向上させることができる。そして、平均利得を向上させることによってＳＮ比（信号対雑音比）を向上させ、通信容量を改善することができる。
また、リアクタンス値を適切に与えることによって、複数の給電アンテナ素子間のアンテナ結合を軽減でき、これによりさらにＳＮ比を向上させることができる。
また、リアクタンス値を適切に与えることによって、給電アンテナ素子間の空間相関を軽減できるため、通信容量の向上に貢献できる。
さらに、２つの八木・宇田アレー間で無給電アンテナ素子を共有しているため、小型のアンテナ形状においても、高いＳＮ比と低い空間相関を実現し、高い通信容量を実現することが可能になる。

また、直交する二つの偏波のアンテナを利用することによって、アンテナポート数が２倍となるため、僅かのアンテナサイズの増加で約２倍の通信容量を実現することができる。
また、直交する二つの偏波のアンテナを利用する場合、信号切り替え手段によって、最も通信容量の高い偏波の組合せを選択することができ、少ない信号源（送受信機）のみ用いた場合でも高い通信容量を実現することができ、無線通信用アンテナ装置を簡易化・低消費電力化することができる。
また、給電素子の偏波を可変とすることによって、最も通信容量の高い偏波を選択することができ、少ない信号源（送受信機）のみ用いた場合でも高い通信容量を実現することができ、無線通信装置を簡易化・低消費電力化することができる。

また、動的にリアクタンス値を設定する手段を具備することによって、環境が変動する場合でも、あるいは、無線通信用アンテナ装置が様々な環境に配置される場合でも常に安定して高い通信容量を達成することができるようになる。
また、複数の無線通信用アンテナ装置を空間多重する場合においても、複数の無線通信用アンテナ装置間の空間相関を低く与えるようなリアクタンス値に設定することによって、空間多重による高い通信容量向上効果を実現することができるようになる。

また、複数の給電アンテナ素子間に減結合回路を挿入することによって、ＳＮＲ特性を改善し、通信容量を向上させることができる。
また、送信局から、本発明による無線通信用アンテナ装置に向けて送信局のアンテナの電気特性を送信することによって、送信局のアンテナの種類が更改される場合、または、無線通信用アンテナ装置が移動して他のアンテナをもつ送信局装置と通信を開始する場合でも、常に高い通信容量を安定して実現することができる。

なお、上記第１から第８の実施形態においては、誘電体基板９を設けるとしたが、これに限ることはなく、構成は適宜変更可能である。例えば、誘電体基板９に代えて、連結治具で各アンテナ素子を連結、固定してもよい。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

本発明の第１の実施形態における無線通信用アンテナ装置を模式的に示す構成図である。 本発明の第２の実施形態における無線通信用アンテナ装置を模式的に示す構成図である。 本実施形態における数値解析結果を示す図であって、（ａ）は数値解析を行った屋内環境を示す説明図、（ｂ）はリアクタンス素子のリアクタンス値に対するチャネル容量の期待値を求めた結果を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態における無線通信用アンテナ装置を模式的に示す構成図である。 本発明の第４の実施形態における無線通信用アンテナ装置を模式的に示す構成図である。 本発明の第５の実施形態における無線通信用アンテナ装置を模式的に示す構成図である。 本発明の第６の実施形態における無線通信用アンテナ装置を模式的に示す構成図である。 本発明の第７の実施形態における無線通信用アンテナ装置を模式的に示す構成図である。 本発明の第８の実施形態における無線通信用アンテナ装置において、その処理を示すフローチャートである。 従来の無線通信用アンテナ装置の第一の例を示す斜視図である。 従来の無線通信用アンテナ装置の第二の例を模式的に示す構成図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ 無線通信用アンテナ装置
１１，１２，１３，１４ 給電アンテナ素子
２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８ 無給電アンテナ素子
３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８ リアクタンス素子
７，７ａ，８，８ａ 給電手段
４１，４２ 信号切り替え手段
４５ 減結合回路
６１ 信号処理手段（設定手段）
７１ バイアス装置（設定手段）
８１，８２ 端末局装置（無線通信用アンテナ装置）
８３ 基地局装置（送信装置）
８３ａ 送信アンテナ素子
１１１，１１２ 給電アンテナ素子
１２１，１２２ 給電アンテナ素子
２１１，２１２，２１３，２１４ リアクタンス素子付き無給電アンテナ素子
１５１，１５２ 給電アンテナ素子
１６１，１６２ 給電アンテナ素子

Claims (11)

1. 同じ偏波特性を持つ複数のアンテナ素子が列を為して配置された無線通信用アンテナ装置であって、
   列を為して配置された前記アンテナ素子のうち、前記列の両端のアンテナ素子は給電アンテナ素子であり、前記両端の給電アンテナ素子の間に配された残りのアンテナ素子は、無給電アンテナ素子であり、
   前記無給電アンテナ素子は、リアクタンス素子によって終端されており、
   前記リアクタンス素子のリアクタンス値は、前記列において全て等しく設定されるとともに、無線通信における通信容量の期待値を最大化する値に設定されることを特徴とする無線通信用アンテナ装置。
2. 直交する二つの偏波特性の両方を持つアンテナ素子が列を為して配置されたアンテナ装置であって、
   列を為して配置された前記アンテナ素子のうち、前記列の両端のアンテナ素子は、直交する二つの偏波のそれぞれに対応する独立した給電手段を具備する給電アンテナ素子であり、前記両端の給電アンテナ素子の間に配された残りのアンテナ素子は、直交する二つの偏波それぞれに対応する独立したリアクタンス素子によって終端された無給電アンテナ素子であり、
   前記リアクタンス素子のリアクタンス値は、前記それぞれの偏波に対応する列において全て等しく設定されるとともに、無線通信における通信容量の期待値を最大化する値に設定されることを特徴とする無線通信用アンテナ装置。
3. 請求項２記載の無線通信用アンテナ装置であって、
   前記給電アンテナ素子の直交する二つのポートのいずれかに選択的に給電するための切り替え手段を具備することを特徴とする無線通信用アンテナ装置。
4. 直交する二つの偏波特性の両方を持つ無給電アンテナ素子が列を為して配置され、
   前記列の両端に、偏波方向が可変である給電アンテナ素子を具備するアンテナ装置であって、
   前記無給電アンテナ素子は、直交する二つの偏波のそれぞれに対応する独立したリアクタンス素子によって終端されており、
   前記リアクタンス素子のリアクタンス値は、前記それぞれの偏波に対応する列において全て等しく設定されるとともに、無線通信における通信容量の期待値を最大化する値に設定されることを特徴とする無線通信用アンテナ装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、
   前記複数のアンテナ素子の列における長手方向を水平方向とし厚さ方向を垂直方向として、前記無給電アンテナ素子の電気長が前記給電アンテナ素子より短くなるように前記リアクタンス素子のリアクタンス値が設定される、
   ことを特徴とする無線通信用アンテナ装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、
   前記複数のアンテナ素子のリアクタンス値を低い値から高い値に順次変化させていき、最も高いＳＮＲ特性が得られるリアクタンス値を選択する、または、最も高いチャネル容量が得られる前記複数のアンテナ素子のリアクタンス値の組み合わせを選択する第２の信号処理部、
   を具備することを特徴とする無線通信用アンテナ装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、
   前記リアクタンス素子のリアクタンス値は、
   基地局アンテナの偏波の組合せ、素子数、または、素子間隔の情報である電気特性情報を含む信号であって、前記基地局アンテナ装置から受信した信号に含まれている前記電気特性情報に基づいて、無線通信における通信容量の期待値を最大化する値に設定される、
   ことを特徴とする無線通信用アンテナ装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、
   前記リアクタンス素子のリアクタンス値が可変であり、
   任意の場所又は時間において最大の通信容量が得られるリアクタンス値を設定する設定手段を備えることを特徴とする無線通信用アンテナ装置。
9. 無線通信システムにおける端末装置として利用され、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、
   複数の無線通信用アンテナ装置を同時に同一周波数で利用する空間多重を行う場合に、全ての無線通信用アンテナ装置の通信容量の平均値が最大となるリアクタンス値が設定されることを特徴とする無線通信用アンテナ装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の無線通信用アンテナ装置であって、
    前記給電アンテナ素子は、前記給電アンテナ素子の間で発生する素子間結合による損失を改善する減結合回路を介して給電されることを特徴とする無線通信用アンテナ装置。
11. 同じ偏波特性を持つ複数のアンテナ素子が列を為して配置された無線通信用アンテナ装置であって、列を為して配置された前記アンテナ素子のうち、前記列の両端のアンテナ素子は給電アンテナ素子であり、前記両端の給電アンテナ素子の間に配された残りのアンテナ素子は、無給電アンテナ素子であり、前記無給電アンテナ素子は、リアクタンス素子によって終端されており、前記リアクタンス素子のリアクタンス値は、無線通信における通信容量の期待値を最大化する値に設定される無線通信用アンテナ装置における無線通信方法であって、
    複数の送信アンテナ素子を具備する送信装置から送信された、前記送信アンテナ素子の偏波の組合せ、素子数、または、素子間隔の情報である電気特性情報を含む信号を受信して、
    受信した前記信号から前記電気特性情報を取り出し、
    取り出した前記電気特性情報を利用して、前記リアクタンス素子のリアクタンス値を、前記列において全て等しく設定することを特徴とする無線通信方法。

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