JP2005214884A - 信号到来方位推定装置および指向性制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の構成のアレーアンテナにおいて、アンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を局限して、信号到来方位推定精度を高めること。
【解決手段】信号到来方位推定装置において、到来信号の信号出力にて形成される信号空間の固有ベクトルと、アンテナ部を構成するアンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を補正するための補正情報が含まれた汎用ステアリングベクトルとに基づいて到来信号の到来方位を推定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、信号到来方位推定装置および指向性制御装置に関するものであり、特に、アレーアンテナを構成するアンテナ素子間の相互結合を考慮した信号到来方位推定装置および指向性制御装置に関するものである。

アレーアンテナを用いて信号の到来方向を推定する信号処理技術としてＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法が知られている。ここで、このＭＵＳＩＣ法を端的に説明すれば、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の各出力の相関行列の固有値展開に基づいて到来信号の到来方位を推定する技術であり、高分解能を有する到来方向推定法の代表的な技術であると言える。

ただし、理想的なＭＵＳＩＣ法では、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の均一性や、独立性などが条件となる。一方、現実のシステムにこのＭＵＳＩＣ法を適用する場合、アンテナ素子の配列およびアンテナ素子間の相互結合の影響を考慮しなければならない。すなわち、アンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を除去するための補正を行わないと正確な到来方位の推定が不可能となる。

ところで、アダプティブアレーアンテナにおけるアンテナ素子間の相互結合の影響について詳述した文献として、下記に示す非特許文献１などがある。また、アンテナ素子間の相互結合の影響を除去するための従来の補正技術としては、下記の非特許文献２に示すようなオープン電圧を用いる手法が主流であった。

Ｉ．Ｊ． Ｇｕｐｔａ ａｎｄ Ａ．Ｋ． Ｋｓｉｅｎｓｋｉ， 「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｕｔｕａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｒｒａｙｓ」 ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｐｒｏｐａｇａｔ．， ｖｏｌ． ＡＰ−３１， ｐｐ．７８５−７９１， Ｓｅｐｔ． １９８３． Ｃ．Ｃ． Ｙｅｈ， Ｍ．Ｌ． Ｌｅｏｎ， Ｄ．Ｒ． Ｕｃｃｉ，「Ｂｅａｒｉｎｇ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｍｕｔｕａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｒｅｓｅｎｔ」 ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｐｒｏｐａｇａｔ．， ｖｏｌ．３７， ｐｐ．Ｎｏ．１０， Ｏｃｔ． １９８９．

携帯端末においては、アンテナの指向性を能動的に変化させることができれば、高感度で高品質な無線通信を実現することができる。そのためには、事前に所望波や不要波の到来方向が探知できることが望ましい。

一方、携帯端末では、携帯端末自体を小型化することが要望されており、アンテナ群をアレイ化すると、アンテナ素子間隔が電気長に関して極端に短く設置され、アンテナ素子間の相互結合の影響が大きくなり、受信信号の振幅差や位相差にそれぞれ誤差が発生し、到来方向の推定やアンテナ指向性合成に大きな誤差が生ずるという問題点がある。

また、上記の非特許文献２に示されたオープン電圧を用いる手法では、補正できるアレーアンテナがダイポールアンテナに限定されるという制限があった。つまり、この結合補正の技術では、携帯端末のように、グランド板上に異なる複数のアンテナが実装されたアンテナ系に対して上記結合補正の技術を適用することができないという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、アンテナ素子間の相互結合の影響下において、任意の構成のアレーアンテナを用いて高精度な信号到来方位を推定することができる信号到来方位推定装置を提供することを第１の目的とする。また、任意の構成のアレーアンテナから所望信号を出力させる場合に、アンテナ素子間の相互結合の影響を局限して、所望信号に対するＳＮ比を向上させた指向性制御装置を提供することを第２の目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１にかかる信号到来方位推定装置は、到来信号を受信するための複数のアンテナ素子を有するアンテナ部と、前記アンテナ部から出力された到来信号をベースバンド信号に変換する受信部と、前記受信部から出力されたベースバンド信号出力に基づいて到来信号の到来方位を推定する信号処理部とを備えた信号到来方位推定装置において、前記信号処理部は、前記到来信号の信号出力にて形成される信号空間の固有ベクトルを算出するする固有ベクトル算出部と、前記アンテナ部を構成するアンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を補正するための補正情報が含まれたステアリングベクトルである汎用ステアリングベクトルを算出する汎用ステアリングベクトル算出部と、複数の前記固有ベクトルと前記汎用ステアリングベクトルとに基づいて前記到来信号の到来方位を推定する到来方位推定部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、信号処理部には固有ベクトル算出部と、汎用ステアリングベクトル算出部と、到来方位推定部とが備えられ、固有ベクトル算出部は、到来信号の信号出力にて形成される信号空間の固有ベクトルを算出し、汎用ステアリングベクトル算出部は、アンテナ部を構成するアンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を補正するための補正情報が含まれたステアリングベクトルである汎用ステアリングベクトルを算出し、到来方位推定部は、複数の固有ベクトルと汎用ステアリングベクトルとに基づいて到来信号の到来方位を推定するようにしているので、アンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を受けない正確な到来方位の推定が可能となる。

また、本発明の請求項２にかかる信号到来方位推定装置は、上記の発明において、前記汎用ステアリングベクトルが、前記アンテナ部の給電端に装荷された負荷インピーダンスの情報に基づいて決定される負荷インピーダンス行列と、所定の電磁界解析手法を用いて算出されたアドミタンス行列と、前記到来信号が前記アンテナ部に入射する際の偏波面を仮定したときに決定される励振電圧ベクトルと、に基づいて生成されることを特徴とする。

また、本発明の請求項３にかかる信号到来方位推定装置は、上記の発明において、前記到来方位推定部は、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法を用いて到来方位を推定することを特徴とする。

また、本発明の請求項４にかかる信号到来方位推定装置は、到来信号を受信するための複数のアンテナ素子を有するアンテナ部と、前記アンテナ部から出力された到来信号をベースバンド信号に変換する受信部と、前記受信部から出力されたベースバンド信号出力に基づいて到来信号に対する受信指向性を制御する信号処理部とを備えた指向性制御装置において、前記信号処理部は、前記到来信号の信号出力にて形成される信号空間の固有ベクトルを算出するする固有ベクトル算出部と、前記アンテナ部を構成するアンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を補正するための補正情報が含まれたステアリングベクトルである汎用ステアリングベクトルを算出する汎用ステアリングベクトル算出部と、複数の前記固有ベクトルと前記汎用ステアリングベクトルとに基づいて前記到来信号の到来方位を推定する到来方位推定部と、所定のアルゴリズムにて前記アンテナ部の複数のアンテナ素子から出力されたベースバンド信号出力と前記到来方位推定部から出力された到来方位の情報に基づいて該複数のアンテナのそれぞれに付与するウェイト情報を推定して出力するするアンテナ素子ウェイト推定部と、前記ウェイト情報と前記汎用ステアリングベクトルとに基づいて前記到来信号に対する受信指向性を制御する指向性制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明にかかる信号到来方位推定装置によれば、到来信号の信号出力にて形成される信号空間の固有ベクトルと、アンテナ部を構成する受信アンテナ間の相互結合の影響を補正するための補正情報が含まれたステアリングベクトルである汎用ステアリングベクトルとが算出され、これらの複数の固有ベクトルと汎用ステアリングベクトルとに基づいて到来信号の到来方位を推定するようにしているので、任意の構成のアレーアンテナを用いて高精度な信号到来方位を推定することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかる指向性制御装置によれば、到来信号の信号出力にて形成される信号空間の固有ベクトルが算出され、アンテナ部を構成する受信アンテナ間の相互結合の影響を補正するための補正情報が含まれたステアリングベクトルである汎用ステアリングベクトルが算出され、これらの複数の固有ベクトルと汎用ステアリングベクトルとに基づいて到来信号の到来方位が推定され、この到来方位の情報と、さらに所定のアルゴリズムにてアンテナ部の複数のアンテナから出力されたベースバンド信号出力とに基づいて複数のアンテナのそれぞれに付与するウェイト情報が推定され、このウェイト情報と上記汎用ステアリングベクトルとに基づいて到来信号に対する受信指向性を制御するようにしているので、任意の構成のアレーアンテナから所望信号を出力させる場合に、アンテナ素子間の相互結合の影響を局限することができ、さらに到来信号の到来方位の情報を用いて指向性を制御しているので所望信号に対するＳＮ比を確実に向上させることができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる信号到来方位推定装置および指向性制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる信号到来方位推定装置の構成を示すブロック図である。同図に示す信号到来方位推定装置は、処理機能を大きなブロックに分けた各処理部、すなわち、アンテナ部１０、受信部１２および信号処理部１６から構成される。アンテナ部１０は、複数の受信アンテナ１１₁，１１₂，・・・，１１_Kを備えている。受信部１２は、受信アンテナ１１₁，１１₂，・・・，１１_Kのいずれか一つにそれぞれ接続され、これらの受信アンテナ１１₁，１１₂，・・・，１１_Kから出力された受信信号の周波数をそれぞれダウンコンバートするダウンコンバータ１３₁，１３₂，・・・，１３_Kと、これらのダウンコンバータ１３₁，１３₂，・・・，１３_Kにそれぞれ接続されてダウンコンバート後の信号（アナログ信号）をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１４₁，１４₂，・・・，１４_Kと、これらのＡ／Ｄ変換器１４₁，１４₂，・・・，１４_Kから出力されたディジタル信号からベースバンドの信号に変換する信号復調部１５とを備えている。なお、この実施の形態の受信部では、上述のようにベースバンド信号に変換する前にＡ／Ｄ変換器１４にてディジタル信号に変換しているが、Ａ／Ｄ変換器を信号復調部１５の直後に配置して、アナログのベースバンド信号をディジタル信号に変換してもよい。

また、信号処理部１６は、信号復調部１５から出力されたアレーアンテナ構成する各アンテナ素子のベースバンド信号出力に基づいて、この信号出力にて形成される信号空間の固有ベクトルを算出する固有ベクトル算出部２１と、各アンテナ素子間の相互結合を考慮した電磁界解析にて算出されたアドミタンス行列［Ｙ］や、アンテナ素子に装荷されたインピーダンスに基づく負荷インピーダンス行列［Ｚ_L］などを記憶する記憶部２２と、これらのアドミタンス行列［Ｙ］および負荷インピーダンス行列［Ｚ_L］に基づいて後述する汎用ステアリングベクトル［Ａ（θ，φ）］を算出する汎用ステアリングベクトル算出部２３と、これらの汎用ステアリングベクトル［Ａ（θ，φ）］および複数の固有ベクトル（より詳細には、複数の固有ベクトルに基づく固有ベクトル行列［Ｅ_n］）に基づいて到来信号の到来方向を推定して出力する到来方位推定部２４とを備えている。

図２は、任意形状のアンテナ素子にて構成されたＫ素子アレーアンテナを示す図である。同図において、任意形状のアンテナ素子（＃１，・・，＃ｉ，・・，＃Ｋ）が空間上に配置されており、各アンテナ素子は複数のノードを有するとともに、複数のセグメントに分割されている。また、各セグメントは３つのノードを一つの単位として構成され、各セグメントのカーブはそれぞれの電流分布を示している。例えば、セグメント１を構成する３つのノード（ノード１〜３）のうちの中央のノード（ノード２）では電流が最大となり、逆に、両端のノード（ノード１，３）では電流が零となり、いわゆる部分正弦基底関数で展開される。一方、各セグメントには、各アンテナの給電端に給電された電圧に基づいて誘導電流が誘起される。これらの誘導電流は、自己のアンテナ素子だけではなく、アレーアンテナを構成している他のアンテナ素子のそれぞれのセグメントに流れる電流の影響を受けて変化する。この影響の度合いは、セグメント間の距離が近い場合には大きく、逆に、セグメント間の距離が遠い場合には小さくなる。この影響の度合いの大小を示す指標が相互結合である。

ところで、電磁界解析手法（例えば、モーメント法）を用いて算出されるアンテナ系のアドミタンス行列［Ｙ］（あるいは、インピーダンス行列［Ｚ］）には、各セグメント間の結合の大小が評価されており、このアドミタンス行列［Ｙ］の各要素には、相互結合の考慮要素がすでに含まれている。したがって、信号の到来方向を推定する場合や、アンテナ系の指向性を制御する場合において、アンテナ素子間の相互結合の影響が無視できないときには、このアドミタンス行列［Ｙ］に基づいた制御を行うことにより、高精度な信号到来方位の推定や、所望信号に対するＳＮ比をより向上させた指向性制御が可能となる。

つぎに、汎用ステアリングベクトル算出部２３にて算出される汎用ステアリングベクトル（ＵＳＶ：Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｖｅｃｔｏｒ）［Ａ（θ，φ）］について説明する。いま、図２に示すＫ素子のアンテナ系において、電磁界解析手法を用いて算出されたアドミタンス行列を［Ｙ］とし、各アンテナ素子の給電端にそれぞれ装荷された負荷インピーダンス（Ｚ₁ ^L，・・，Ｚ_i ^L，・・，Ｚ_K ^L）を対角要素とする負荷インピーダンス行列を［Ｚ_L］とし、さらに、各アンテナ素子に入射した入射波にて各アンテナ素子の各セグメントに励振される励振電圧が作る励振電圧ベクトルを［Ｖ_inc］とすれば、汎用ステアリングベクトルＡ（θ，φ）は、次式にて表すことができる。

Ａ（θ，φ）＝［Ｚ_L］［Ｙ］［Ｖ_inc］ ・・・・・（１）

なお、アンテナ系の素子数をＫとし、アンテナ素子＃１〜＃Ｋまでの分割セグメントをアンテナ素子＃１から＃Ｋまで連続的にナンバリングしたときの分割セグメントの総数をＮとすれば、［Ｚ_L］は、Ｋ行Ｋ列の行列となる。同様に、［Ｙ］は、Ｋ行Ｎ列の行列となり、［Ｖ_inc］はＮ列の列ベクトルとなる。なお、この列ベクトルは入射波の電界ベクトルと各セグメント上に仮定した基底関数との内積を各セグメントの長さで積分したものであり、入射波の偏波面を仮定すれば、アンテナの形状が決まれば一意的に決定される量となる。

つぎに、ＭＵＳＩＣ法に基づく到来方位の推定手法について簡単に説明する。ＭＵＳＩＣ法とは、上述したように、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の各出力の相関行列の固有値展開に基づいて到来信号の到来方位を推定する手法である。いま、素子数Ｋのアレーアンテナに、Ｍ波の到来波（２次元平面波）が到来する場合を考える。このとき、ＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_MU（θ）は、次式のように表せる。

Ｐ_MU（θ）＝[ｄ^H(θ)ｄ(θ)／[ｄ^H(θ)Ｅ_nＥ^H _nｄ(θ)]］ ・・・・・（２）

ここで、ｄ（θ）はθ方向の方向ベクトルである。なお、右肩の添字Ｈは、共役転置であることを示している。

また、Ｅ_nはアレーアンテナへの入力信号が作る相関行列の（Ｋ−Ｍ）個の固有ベクトルであるｅ_M+1，・・・，ｅ_Kのそれぞれの列ベクトルにて構成される固有ベクトル行列であり、次式にて表すことができる。

Ｅ_n＝［ｅ_M+1，・・・，ｅ_K］ ・・・・・（３）

ＭＵＳＩＣ法では、式（２）で示されるＰ_MU（θ）のθに対するＭ個のピークを探すことにより、Ｍ個の到来波の到来方向（θ₁，・・・，θ_M）を求めることができる。

つぎに、図１に戻ってこの実施の形態の到来方位推定装置の動作について説明する。同図において、固有ベクトル算出部２１は、信号復調部１５から出力された各アンテナ素子のベースバンド信号出力に基づいて、式（３）で示される固有ベクトル行列［Ｅ_n］を算出して到来方位推定部２４に出力する。一方、アンテナ系の構成のみで決定される上述の負荷インピーダンス行列［Ｚ_L］およびアドミタンス行列［Ｙ］が、予め計算されて記憶部２２に保持されている。汎用ステアリングベクトル算出部２３は、記憶部２２から出力される負荷インピーダンス行列［Ｚ_L］およびアドミタンス行列［Ｙ］と、入射波の偏波面を仮定したときに決定される励振電圧ベクトルを［Ｖ_inc］とから式（１）にて示される汎用ステアリングベクトルＡ（θ，φ）をθ、φの関数として到来方位推定部２４に出力する。到来方位推定部２４では、式（２）Ｐ_MU（θ）に示されるｄ（θ）の代わりに、上記汎用ステアリングベクトルＡ（θ，φ）を用いた次式を用いてＰ_MU（θ，φ）のピークサーチを行う。

Ｐ_MU(θ)=[Ａ^H(θ,φ)Ａ(θ,φ)／[Ａ^H(θ,φ)Ｅ_nＥ^H _nＡ(θ,φ)]］ ・・・（４）

なお、到来方位を１度単位で推定したい場合には、θ、φに関するピークサーチをそれぞれ１度単位でサーチすればよい。

このように、この実施の形態の信号到来方位推定装置では、式（２）に示される方向ベクトルｄ（θ）の代わりに相互結合の要素が含まれた汎用ステアリングベクトル［Ａ（θ，φ）］を用いた式（４）を用いて到来信号の到来方位を推定するようにしているので、アンテナ素子の相互結合の影響を除去することができ、素子間の相互結合の影響が大きい場合であっても到来信号の正確な到来方位を推定することができる。

つぎに、到来信号の到来方位を推定したシミュレーション結果について説明する。図３は、同一素子で構成したリニアアレーアンテナの構成を示す図であり、図４は、そのときのシミュレーション結果である。このシミュレーションは、図３に示すように、５素子の半波長（０．５λ）のダイポールアンテナを素子間隔０．５λで等間隔に並べたリニアアレイを用いて行った。なお、到来信号の諸元はつぎのとおりである。

到来波１
偏波：Ｅθ，ＳＮＲ（信号対雑音比）＝２０ｄＢ，
ＤＯＡ（θ，φ）（到来角）＝（９０°，−６０°）
到来波２
偏波：Ｅθ，ＳＮＲ＝２０ｄＢ，ＤＯＡ（θ，φ）＝（９０°，３０°）
到来波３
偏波：Ｅθ，ＳＮＲ＝３０ｄＢ，ＤＯＡ（θ，φ）＝（９０°，５０°）

図４において、点線で示される波形（ＣＳＶ：Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｖｅｃｔｏｒ）は、式（２）に基づいて推定した結果であり、点線で示される波形（ＵＳＶ）は、式（４）に基づいて推定した結果である。ＣＳＶでは、特に、５０°方向から到来した到来波３のピーク値を検出することができず相互結合の影響を受けていることが分かる。一方、ＵＳＶでは、到来信号の３波のすべてが明確なピークを示しており、相互結合の影響を受けずに正確な到来方位の推定を行うことができている。

また、図５は、導体板に同一のアンテナ素子を設置した場合のアレーアンテナの構成を示す図であり、図６は、そのときのシミュレーション結果である。このシミュレーションは、図５に示すように、導体板の上部に３素子の１／３波長のモノポールアンテナを素子間隔λ／４で等間隔に並べたアレーアンテナを用いて行った。なお、到来信号の諸元はつぎのとおりである。

到来波１
偏波：Ｅθ，ＳＮＲ＝２０ｄＢ，ＤＯＡ（θ，φ）＝（９０°，−６０°）
到来波２
偏波：Ｅθ，ＳＮＲ＝２０ｄＢ，ＤＯＡ（θ，φ）＝（９０°，２０°）

図６に示すように、ＣＳＶでは、相互結合の影響により両者の信号が合成されて到来方位でない角度にピークが生じてしまっている。これに対して、ＵＳＶでは、到来信号の２波ともに明確なピークを示しており、このシミュレーション結果においても相互結合の影響を受けずに正確な到来方位の推定を行うことができている。なお、上述したように、従来の補正技術であるオープン電圧法では、図５に示すような導体板上にアンテナ素子が設置されているようなアンテナ系に対しては、相互結合の影響を除去することが不可能であったが、この実施の形態の信号到来方位推定装置では、図６に示すように、相互結合の影響を除去した正確な到来方位の推定を可能としている。

また、図７は、導体板に異種のアンテナ素子を設置した場合のアレーアンテナの構成を示す図であり、図８は、そのときのシミュレーション結果である。このシミュレーションは、図７に示すように、１／３波長のモノポールアンテナと平板型逆Ｆ型アンテナ（ＰＩＦＡ）を素子間隔２λで配置したアレーアンテナを用いて行った。なお、到来信号の諸元はつぎのとおりである。

ケース１
偏波：Ｅφ，ＳＮＲ＝２０ｄＢ，ＤＯＡ（θ，φ）＝（９０°，０°）
ケース２
偏波：Ｅθ，ＳＮＲ＝２０ｄＢ，ＤＯＡ（θ，φ）＝（９０°，７０°）

すなわち、ケース１は水平方向から垂直偏波の信号が到来した場合であり、ケース２は水平方向から水平偏波の信号が到来した場合である。図８に示すように、両者のケースともに明確なピークを示しており、このシミュレーション結果においても相互結合の影響を受けずに正確な到来方位の推定を行うことができている。なお、図７に示すように導体板上に異種のアンテナ素子を設置した場合であっても、正確な到来方向の推定を行うことができているので、この実施の形態の信号到来方位推定装置の汎用性が高いことを示している。

以上説明したように、この実施の形態の信号到来方位推定装置によれば、固有ベクトル算出部は、到来信号の信号出力にて形成される信号空間の固有ベクトルを算出し、汎用ステアリングベクトル算出部は、アンテナ部を構成するアンテナアンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を補正するための補正情報が含まれたステアリングベクトルである汎用ステアリングベクトルを算出し、到来方位推定部は、複数の固有ベクトルと汎用ステアリングベクトルとに基づいて到来信号の到来方位を推定するようにしているので、アンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を除去することができ、アンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響が大きい場合であっても到来信号の到来方位の正確な推定を行うことができる。

（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２にかかる指向性制御装置の構成を示すブロック図である。同図に示す指向性制御装置のアンテナ部１０および受信部１２の構成は、図１に示す信号到来方位推定装置の構成と同一あるいは同等である。一方、信号処理部１６には、アンテナ素子ウェイト推定部３１と指向性制御部３２とがさらに付加されている。なお、これらの構成において、図１に示す信号到来方位推定装置と同一あるいは同等の部分については、図１と同一の符号を付して示している。

この実施の形態の指向性制御装置の特徴は、図１に示す信号到来方位推定装置の出力である到来方位情報を利用してアンテナ素子ウェイトを推定する点にある。以下、図９を用いてこの実施の形態の指向性制御装置の動作について説明する。

図９において、信号処理部１６の上段の部分において行われる処理は実施の形態１と同一である。このとき、到来方位推定部２４からは所望波や不要波を含む到来信号の到来方位情報が出力される。アンテナ素子ウェイト推定部３１は、信号復調部１５から出力された各アンテナ素子のベースバンド信号出力と到来方位推定部２４から出力された到来方位情報とに基づいて、各アンテナ素子に与えるアンテナ素子ウェイト［ｗ］を推定して指向性制御部３２に出力する。このアンテナ素子ウェイト［ｗ］を推定する技術としては、所望波信号の到来方向が既知であるという仮定の下で制御するＭＳＮ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）アルゴリズムや、所定の方向の信号出力を拘束した上で出力電力を最適化する方向拘束付出力電力最小化法（ＤＣＭＰ：Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ）などが代表的である。

しかしながら、実際には、アンテナ素子ウェイト推定部３１から出力されるアンテナ素子ウェイト［ｗ］は、アンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を受けた信号復調部１５からの出力を用いて算出されているので、参照信号の情報を用いてアンテナの指向性を制御するＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）アルゴリズムなどと同様に、このアンテナ素子ウェイト［ｗ］だけを用いてアレーアンテナの指向性を制御しても最適な指向性とはならない。

一方、実施の形態１と同様に、アンテナ系の構成のみで決定される負荷インピーダンス行列［Ｚ_L］およびアドミタンス行列［Ｙ］が、予め計算されて記憶部２２に保持されている。汎用ステアリングベクトル算出部２３は、記憶部２２から出力される負荷インピーダンス行列［Ｚ_L］およびアドミタンス行列［Ｙ］と、入射波の偏波面を仮定したときに決定される励振電圧ベクトルを［Ｖ_inc］とから式（１）にて示される汎用ステアリングベクトルＡ（θ，φ）をθ、φの関数として指向性制御部３２に出力する。指向性制御部３２は、この汎用ステアリングベクトルＡ（θ，φ）とアンテナ素子ウェイト推定部３１から出力されるアンテナ素子ウェイト［ｗ］とに基づいた指向性合成を行うことで、相互結合の影響が除去され、ＳＮ比を向上させた信号出力が得られる。

図１０は、図７に示すアンテナ系において到来方向が同一で偏波面だけが異なる信号が入射した場合の信号出力のシミュレーション結果を示す図である。なお、到来信号の諸元はつぎのとおりである。

所望波（Ｓ）
偏波：Ｅφ，ＳＮＲ＝２０ｄＢ，ＤＯＡ（θ，φ）＝（９０°，０°）
不要波（Ｕ）
偏波：Ｅθ，ＳＮＲ＝２０ｄＢ，ＤＯＡ（θ，φ）＝（９０°，０°）

図１０に示すように、到来角φ＝０°方向において、不要波信号の偏波面であるＥθに対しては大きなヌルを向けることができ、一方、所望波信号の偏波面であるＥφに対してはヌルを向けていないので、所望波の信号を効果的に出力させることができている。

なお、この実施の形態の指向性制御装置では、予め推定した到来方位の情報を用いてアレーアンテナの指向性を制御するようにしているので、例えば、ＬＭＳアルゴリズムなどの到来情報を必要としないアルゴリズムにおいて、不要波の信号レベルが大きく、かつ、所望波の信号レベルが雑音レベルと比較してあまり大きくない場合に、所望波成分の出力までも抑圧されてしまうといった問題点に対しても、所望波成分の一定レベルの出力を確保することができるとともに、他の干渉波成分や雑音成分を抑圧することができる。

以上説明したように、この実施の形態の指向性制御装置によれば、固有ベクトル算出部は、到来信号の信号出力にて形成される信号空間の固有ベクトルを算出し、汎用ステアリングベクトル算出部は、アンテナ部を構成するアンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を補正するための補正情報が含まれたステアリングベクトルである汎用ステアリングベクトルを算出し、到来方位推定部は、複数の固有ベクトルと汎用ステアリングベクトルとに基づいて到来信号の到来方位を推定し、アンテナ素子ウェイト推定部は、所定のアルゴリズムにてアンテナ部の複数のアンテナから出力されたベースバンド信号出力と到来方位推定部から出力された到来方位の情報に基づいて複数のアンテナのそれぞれに付与するウェイト情報を推定して出力し、指向性制御部は、ウェイト情報と汎用ステアリングベクトルとに基づいて到来信号に対する受信指向性を制御するようにしているので、素子間の相互結合の影響を除去することができ、アンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響が大きい場合であっても到来信号のＳＮ比の劣化を局限することができる。

以上のように、本発明にかかる信号到来方位推定装置および指向性制御装置は、アンテナ素子間の相互結合の影響を無視することができない携帯端末などの無線装置に対して有用である。

本発明の実施の形態１にかかる信号到来方位推定装置の構成を示すブロック図である。 任意形状のアンテナ素子にて構成されたＫ素子アレーアンテナを示す図である。 同一素子で構成したリニアアレーアンテナの構成を示す図である。 図３に示すリニアアレーアンテナを用いて行ったシミュレーション結果を示す図である。 導体板に同一のアンテナ素子を設置した場合のアレーアンテナの構成を示す図である。 図５に示す導体板に同一素子を設置したアレーアンテナを用いて行ったシミュレーション結果を示す図である。 導体板に異種のアンテナ素子を設置した場合のアレーアンテナの構成を示す図である。 図７に示す導体板に異種のアンテナ素子を設置したアレーアンテナを用いて行ったシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる指向性制御装置の構成を示すブロック図である。 図７に示すアンテナ系において到来方向が同一で偏波面だけが異なる信号が入射した場合の信号出力のシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１０ アンテナ部
１１₁，１１₂，１１_K 受信アンテナ
１２ 受信部
１３₁，１３₂，１３_K ダウンコンバータ
１４，１４₁，１４₂，１４_K Ａ／Ｄ変換器
１５ 信号復調部
１６ 信号処理部
２１ 固有ベクトル算出部
２２ 記憶部
２３ 汎用ステアリングベクトル算出部
２４ 到来方位推定部
３１ アンテナ素子ウェイト推定部
３２ 指向性制御部

Claims (4)

1. 到来信号を受信するための複数のアンテナ素子を有するアンテナ部と、前記アンテナ部から出力された到来信号をベースバンド信号に変換する受信部と、前記受信部から出力されたベースバンド信号出力に基づいて到来信号の到来方位を推定する信号処理部とを備えた信号到来方位推定装置において、
   前記信号処理部は、
   前記到来信号の信号出力にて形成される信号空間の固有ベクトルを算出するする固有ベクトル算出部と、
   前記アンテナ部を構成するアンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を補正するための補正情報が含まれたステアリングベクトルである汎用ステアリングベクトルを算出する汎用ステアリングベクトル算出部と、
   複数の前記固有ベクトルと前記汎用ステアリングベクトルとに基づいて前記到来信号の到来方位を推定する到来方位推定部と、
   を備えたことを特徴とする信号到来方位推定装置。
2. 前記汎用ステアリングベクトルは、前記アンテナ部の給電端に装荷された負荷インピーダンスの情報に基づいて決定される負荷インピーダンス行列と、所定の電磁界解析手法を用いて算出されたアドミタンス行列と、前記到来信号が前記アンテナ部に入射する際の偏波面を仮定したときに決定される励振電圧ベクトルと、に基づいて生成されることを特徴とする請求項１に記載の信号到来方位推定装置。
3. 前記到来方位推定部は、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法を用いて到来方位を推定することを特徴とする請求項２に記載の信号到来方位推定装置。
4. 到来信号を受信するための複数のアンテナ素子を有するアンテナ部と、前記アンテナ部から出力された到来信号をベースバンド信号に変換する受信部と、前記受信部から出力されたベースバンド信号出力に基づいて到来信号に対する受信指向性を制御する信号処理部とを備えた指向性制御装置において、
   前記信号処理部は、
   前記到来信号の信号出力にて形成される信号空間の固有ベクトルを算出するする固有ベクトル算出部と、
   前記アンテナ部を構成するアンテナ素子の特性およびアンテナ素子間の相互結合の影響を補正するための補正情報が含まれたステアリングベクトルである汎用ステアリングベクトルを算出する汎用ステアリングベクトル算出部と、
   複数の前記固有ベクトルと前記汎用ステアリングベクトルとに基づいて前記到来信号の到来方位を推定する到来方位推定部と、
   所定のアルゴリズムにて前記アンテナ部の複数のアンテナ素子から出力されたベースバンド信号出力と前記到来方位推定部から出力された到来方位の情報に基づいて該複数のアンテナのそれぞれに付与するウェイト情報を推定して出力するするアンテナ素子ウェイト推定部と、
   前記ウェイト情報と前記汎用ステアリングベクトルとに基づいて前記到来信号に対する受信指向性を制御する指向性制御部と、
   を備えたことを特徴とする指向性制御装置。

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