JP2006157164A

JP2006157164A - アレーアンテナ装置

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Publication number: JP2006157164A
Application number: JP2004340843A
Authority: JP
Inventors: Makoto Taroumaru; 眞太郎丸; Takashi Ohira; 孝大平
Original assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】配線数を削減できるアレーアンテナ装置を提供する。
【解決手段】電子制御導波器アレーアンテナ装置の１対の可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２は互いに逆方向で直列に接続され、各検波整流回路６５，７５と各可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２との間にそれぞれ、無線信号の周波数において当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスに比較して十分に大きな抵抗値を有する抵抗素子Ｒ１，Ｒ２が接続される。制御装置１０１の振幅変調器６１，７１は制御直流電圧に対応する制御信号に従って搬送波を変調して変調信号を同軸ケーブル３０の無線信号に重畳させて送信し、検波整流回路６５，７５は送信された変調信号を受信して制御信号を復調して制御直流電圧に変換して各抵抗素子Ｒ１，Ｒ２を介して各可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電子制御導波器アレーアンテナ装置などのアレーアンテナ装置に関する。

無線通信のブロードバンド化に伴い、ノートパソコンやＰＣＭＣＩＡカードなどのユーザ端末装置に搭載するアンテナ装置も高機能及び高性能が求められるようになってきた。必要とされる機能として、例えば、到来する無線信号からマルチパスフェージングを除去することが挙げられる。マルチパスフェージングは、ひとつの信号源から送信された波動が複数の経路を伝搬し、受信点において信号が同振幅かつ逆位相でキャンセルされるときに、激しいレベル低下が発生する現象である。屋外無線基地局において受信する場合には、マルチパスの経路による到来波の角度広がりは比較的狭い。しかし、ユーザ端末装置をある室内環境においた場合は、３６０度全方位に広がるマルチパス波の到来が生じる。

ところで、携帯型端末装置やＰＣカード等に搭載されるには、当該アンテナ装置は、小型軽量であること、民生コンシューマ品として受け入れられるコストであること、かつ、バッテリ駆動に耐えうる低消費電力動作であること、などの制約が課せられる。以上の制約を満たすアンテナ装置として、例えば、特許文献１や非特許文献１において、電子制御導波器アレーアンテナ装置（Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna）が提案されている。

この電子制御導波器アレーアンテナ装置は、無線信号が給電される給電素子と、この給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない６個の非給電素子と、この非給電素子にそれぞれ接続された可変容量ダイオードとから成るアレーアンテナを備え、上記可変容量ダイオードのインピーダンス値をそれぞれ変化させることにより、当該アレーアンテナ装置の指向特性を変化させることができる。

特開２００２−１１８４１４号公報。 T. Ohira et al., "Electronically steerable passive array radiator antennas for low-cost analog adaptive beamforming,", 2000 IEEE International Conference on Phased Array System & Technology pp. 101-104, Dana point, California, May 21-25, 2000。

しかしながら、特許文献１に示されたアンテナ装置においては、給電素子に対して同軸ケーブルなどの伝送線路を接続するとともに、各可変容量ダイオードに対してそのインピーダンス値を変化させるための制御直流電圧を印加するための制御線を設けなければならず、伝送線路以外の配線を必要とするという問題点があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して配線数を削減できるアレーアンテナ装置を提供することにある。

本発明に係るアレーアンテナ装置は、無線信号を受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数本の非給電素子と、上記各非給電素子にそれぞれ接続された複数個の可変容量ダイオードとを備え、上記各可変容量ダイオードに印加する制御直流電圧を変化させることにより、上記各非給電素子を導波器又は反射器として動作させ、指向特性を変化させるアレーアンテナ装置において、
上記各制御直流電圧に対応する各制御信号に従って搬送波を変調して各変調信号を上記伝送線路上の無線信号に重畳させて送信する送信手段と、
上記送信された各変調信号を受信して各制御信号を復調して上記各制御直流電圧に変換して、上記各インピーダンス素子を介して上記各可変容量ダイオードに印加する受信手段とを備えたことを特徴とする。

上記アレーアンテナ装置において、上記複数個の可変容量ダイオードのうちの各１対の可変容量ダイオードは互いに逆方向で直列に接続されたことを特徴とする。

また、上記アレーアンテナ装置において、上記受信手段と、上記各可変容量ダイオードとの間にそれぞれ接続され、上記無線信号の周波数において当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスに比較して十分に大きな抵抗値又はインピーダンス値を有する複数のインピーダンス素子をさらに備えたことを特徴とする。

さらに、上記アレーアンテナ装置において、上記各可変容量ダイオードに対してそれぞれ並列に接続され、上記無線信号の周波数において当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスに比較して十分に大きな抵抗値又はインピーダンス値を有する複数の別のインピーダンス素子をさらに備えたことを特徴とする。

またさらに、上記アレーアンテナ装置において、上記制御手段は、上記アレーアンテナによって受信される無線信号に基づいて、所定値以上のダイバーシティ利得が得られるように、複数組のインピーダンス値セットをそれぞれ設定する複数の場合のうち、上記複数の場合において受信される各無線信号の信号品質に基づいて、所定の選択基準に従って、上記複数組のインピーダンス値セットのうちの１つのセットを選択して上記複数個の可変容量ダイオードに設定することを特徴とする。

ここで、上記複数の場合は、上記アレーアンテナによって受信される無線信号に基づいて、所定値以上のダイバーシティ利得が得られかつ上記アレーアンテナ装置の入力インピーダンスが実質的に変化しないように、複数組のインピーダンス値セットをそれぞれ設定する場合であることを特徴とする。

従って、本発明によれば、上記送信手段により上記制御直流電圧に対応する制御信号に従って搬送波を変調して変調信号を上記伝送線路の無線信号に重畳させて送信した後、上記受信手段により上記送信された変調信号を受信して制御信号を復調して上記制御直流電圧に変換して、上記各インピーダンス素子を介して上記各可変容量ダイオードに印加する。これにより、無線送受信機とアレーアンテナ装置との間の配線数を大幅に減らすことができる。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。

第１の実施形態．
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、当該アレーアンテナ装置は、
（１）互いに一直線上に形成された１対のアンテナ素子２０ａ，２０ｂにてなるダイポールアンテナ素子である給電素子Ａ０と、
（２）給電素子Ａ０から所定のアンテナ間隔ｄだけ離間して給電素子Ａ０と平行となるように、互いに一直線上に形成された１対のアンテナ素子２１ａ，２１ｂにてなり、可変容量ダイオードＤ１が装荷された非給電素子Ａ１と、
（３）給電素子Ａ０から所定のアンテナ間隔ｄだけ離間して給電素子Ａ０と平行となるように、互いに一直線上に形成された１対のアンテナ素子２２ａ，２２ｂにてなり、可変容量ダイオードＤ２が装荷された非給電素子Ａ２とを備えた電子制御導波器アレーアンテナ装置により構成される。

この第１の本実施形態に係るアレーアンテナ装置はまた、図１に示すように、制御装置１０１と、アンテナ装置１０２とに分離され、これら装置１０１，１０２間は、中心導体３１と接地導体３２とを備えて構成された同軸ケーブル３０により接続されている。

ここで、制御装置１０１は、無線送受信回路１１と、アンテナコントローラ１０と、振幅変調器６１，７１と、搬送波発生器６２，７２と、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）６３，７３とを備えて構成される。無線送受信回路１１から送信される無線信号は、同軸ケーブル３０を介して、アンテナ装置１０２側の直流阻止用キャパシタＣ１及びバラン３３を介して給電素子Ａ０に給電されて、当該アンテナ装置１０２から放射される。一方、アンテナ装置１０２の給電素子Ａ０により受信された無線信号は、バラン３３、直流阻止用キャパシタＣ１及び同軸ケーブル３０を介して無線送受信回路１１に伝送されて受信される。そして、無線送受信回路１１は無線信号の受信時において信号品質を検出して、例えばＲＳＳＩ信号（Received Signal Strength Indicator Signal；受信信号強度表示信号）などの信号品質信号を発生してアンテナコントローラ１０に出力する。

アンテナコントローラ１０は、詳細後述するように、信号品質信号に基づいて、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に対して印加すべき制御電圧に対応する制御信号を発生し、それぞれ振幅変調器６１，７１に出力する。振幅変調器６１は、入力される制御信号に従って、各搬送波発生器６２によりそれぞれ発生される周波数ｆ１の搬送波を振幅変調し、振幅変調後の変調信号を、周波数ｆ１とその近傍の周波数帯のみを帯域通過ろ波する帯域通過フィルタ６３、同軸ケーブル３０及び、帯域通過フィルタ６３と同様の帯域通過周波数帯を有する帯域通過フィルタ６４を介して検波整流回路６５に伝送する。また、振幅変調器６２は、入力される制御信号に従って、各搬送波発生器７２によりそれぞれ発生される周波数ｆ２の搬送波を振幅変調し、振幅変調後の変調信号を、周波数ｆ２とその近傍の周波数帯のみを帯域通過ろ波する帯域通過フィルタ７３、同軸ケーブル３０及び、帯域通過フィルタ７３と同様の帯域通過周波数帯を有する帯域通過フィルタ７４を介して検波整流回路７５に伝送する。

ただし、周波数ｆ１，ｆ２は、無線送受信回路１１により送受信される無線信号の周波数とは大幅に離隔して異なる周波数を使用する。また、本実施形態においては、振幅変調器６１，７１及び検波整流回路６５，７５を使用しているが、本発明はこれに限らず、周波数変調など他の変調方式の変調器及び復調器を用いてもよい。

アンテナ装置１０２は、誘電体基板５０に加えて、帯域通過フィルタ６４，７４と、検波整流回路６５，７５を備える。検波整流回路６５は、受信した変調信号を検波整流し、検波整流後の直流電圧を、可変容量ダイオードＤ１に対する制御電圧として、抵抗素子Ｒ１を介して可変容量ダイオードＤ１（アンテナ素子２１ａの内側端部）に印加する。また、検波整流回路７５は、受信した変調信号を検波整流し、検波整流後の直流電圧を、可変容量ダイオードＤ２に対する制御電圧として、抵抗素子Ｒ２を介して可変容量ダイオードＤ２（アンテナ素子２２ａの内側端部）に印加する。本実施形態においては、
（Ａ）その１対の可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２は互いに直流的に逆方向で直列に接続され、
（Ｂ）検波整流回路６５と可変容量ダイオードＤ１との間、及び検波整流回路７５と可変容量ダイオードＤ２との間にそれぞれ接続され、無線信号の周波数において当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスに比較して十分に大きな抵抗値を有する抵抗素子Ｒ１，Ｒ２とを備えたことを特徴としている。なお、抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の接続点はバラン３３の接地導体及び同軸ケーブル３０の接地導体３２に接続される。

以上のように構成することにより、アンテナコントローラ１０からの可変容量ダイオードＤ１に対する制御信号に対応する制御電圧が可変容量ダイオードＤ１に印加されるとともに、アンテナコントローラ１０からの可変容量ダイオードＤ２に対する制御信号に対応する制御電圧が可変容量ダイオードＤ２に印加され、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ独立に制御される。このとき、各制御電圧の制御信号は振幅変調されて、同軸ケーブル３０の無線信号に重畳させるので、各制御電圧の制御信号の制御線は不要である。

次いで、誘電体基板５０上にプリント印刷技術を用いて形成された電子制御導波器アレーアンテナ装置にてなる３素子のアレーアンテナ装置の構成について以下に詳細に説明する。

ここで、給電素子Ａ０及び非給電素子Ａ１，Ａ２の各長さは、所望波の波長λの約１／２になるように構成され、また、上記アンテナ間隔ｄは、例えば、波長λの０．１倍乃至０．３５倍になるように構成される。

伝送線路である同軸ケーブル３０の中心導体３１は、直流阻止用キャパシタＣ１を介して、不平衡／平衡変換器であるバラン３３の不平衡側端子に接続される。一方、バラン３３の平衡側端子はアンテナ素子２０ａ，２０ｂの給電側端部に接続される。可変容量ダイオードＤ２のカソードはアンテナ素子２２ａの内側端部に接続され、可変容量ダイオードＤ２のアノードはアンテナ素子２２ｂの内側端部に接続されるとともに、抵抗素子Ｒ１２，Ｒ１１を介してアンテナ素子２１ｂの内側端部及び可変容量ダイオードＤ１のアノードに接続される。また、可変容量ダイオードのカソードはアンテナ素子２１ａの内側端部及び抵抗素子Ｒ１に接続される。従って、１対の可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２は、接地電位を中心として、互いに直流的に逆方向で直列に接続されており、各制御電圧が各可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に印加されるように構成されている。ここで、各抵抗素子Ｒ１，Ｒ２は、無線信号の周波数において当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスに比較して十分に大きな抵抗値（すなわち、数値的には１０倍以上の大きな抵抗値）を有する。

以上のように構成されたアレーアンテナ装置においては、例えば給電素子Ａ０と非給電素子Ａ１，Ａ２の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変容量ダイオードＤ１がインダクタンス性（Ｌ性）を有するときは、可変容量ダイオードＤ１は延長コイルとなり、非給電素子Ａ１の電気長が給電素子Ａ０に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変容量ダイオードＤ１がキャパシタンス性（Ｃ性）を有するときは、可変容量ダイオードＤ１は短縮コンデンサとなり、非給電素子Ａ１の電気長が給電素子Ａ０に比較して短くなり、導波器として働く。また、可変容量ダイオードＤ２が接続された非給電素子Ａ２も同様に動作する。従って、アレーアンテナ装置において、各非給電素子Ａ１，Ａ２に接続された可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２の各インピーダンス値を変化させることにより、当該アレーアンテナ装置の平面指向特性を変化させることができる。

なお、一般に、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ３はＣ性で動作するが、高周波信号に対しては、当該可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２のリード線及び素子パッケージ内部のボンディングワイヤによるインダクタンス分と等価的に直列となるため、特に高い周波数帯においてはＬ性のリアクタンスを実現できる。また、低い周波数帯においては直列にインダクタ素子を挿入することで、同様に、Ｌ性のリアクタンスを実現できる。とって代わって、図１のように非給電素子Ａ１及びＡ２を給電素子Ａ０よりもやや長く構成することにより、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２の接合容量が大きいときにはＣ性であっても反射器として動作する。また、スイッチング、検波、整流等、一般用途の半導体ダイオードであっても可変容量ダイオードとして動作するので、本実施形態におけるＤ１及びＤ２として用いることもできる。

なお、本実施形態においては、抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２を用いているが、本発明はこれに限らず、無線信号の周波数において当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスに比較して十分に大きなリアクタンス値又はインピーダンス値を有するインピーダンス素子であってもよい。

以上のように構成されたアレーアンテナ装置において、給電素子Ａ０により受信された無線信号は、バラン３３、直流阻止用キャパシタＣ１及び同軸ケーブル３０を介して無線送受信回路１１に伝送される。無線送受信回路１１は、受信された無線信号に対して、高周波増幅、周波数変換、復調などの信号処理を実行して外部装置に出力するとともに、受信した無線信号に対する信号品質信号をアンテナコントローラ１０に出力する。アンテナコントローラ１０は、各可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に対する制御電圧に対応する制御信号を掃引し、所定のしきい値信号品質内になったときその掃引を停止し、当該しきい値信号品質外になったときその掃引を再開して、無線送受信回路１１により所定の信号品質で無線信号を受信できるように制御する。

以上のアンテナコントローラ１０の制御方法に代えて以下の制御方法を用いてもよい。アンテナコントローラ１０は、アレーアンテナ装置で受信された無線信号に基づいて、所定値以上のダイバーシティ利得が得られかつ上記アレーアンテナ装置の入力インピーダンスＺｉｎが実質的に変化しないように、２つの可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に対して第１のインピーダンス値セット（Ｃａ，Ｃｂ）を設定する（すなわち、可変容量ダイオードＤ１の接合容量がＣａとなり、可変容量ダイオードＤ２の接合容量がＣｂとなるように制御直流電圧を印加する。）第１の場合と、２つの可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に対して第２のインピーダンス値セット（Ｃｂ，Ｃａ）を設定する（すなわち、可変容量ダイオードＤ１の接合容量がＣｂとなり、可変容量ダイオードＤ２の接合容量がＣａとなるように制御直流電圧を印加する。）第２の場合とのうち、上記第１と第２の場合においてそれぞれ受信される各無線信号の信号電力の、より大きい値となるときのインピーダンス値セットを選択して２つの可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に設定する。ここで、第１と第２のインピーダンス値セット（リアクタンス値セットでもよい。）（Ｃａ，Ｃｂ），（Ｃｂ，Ｃａ）は、図２に示すように設定される。すなわち、アレーアンテナ装置の入力インピーダンスＺｉｎが実質的に変化しない２つの状態Ｐ１，Ｐ２（このときの入力インピーダンスＺｉｎ＝Ｚｉｎｏｐｔ）を予め測定し、これら２つの状態Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ対応する第１と第２のインピーダンス値セット（Ｃａ，Ｃｂ），（Ｃｂ，Ｃａ）を予め測定してアンテナコントローラ１０内のインピーダンス値セットメモリ（図示せず。）に格納しておく。そして、アンテナコントローラ１０は、２つの状態Ｐ１，Ｐ２のうち、各状態Ｐ１，Ｐ２の場合においてそれぞれ受信される各無線信号の信号電力の、より大きい値となるときのインピーダンス値セットを選択して２つの可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に設定する。

なお、本実施形態においては、可変容量ダイオードＤ１の接合容量がＣａとなり、可変容量ダイオードＤ２の接合容量がＣｂとなるように制御直流電圧を印加するために、１対の可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２は互いに逆方向で接続されており、このとき、図３に示すように、２つの可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に対して異なる接合容量を得ることができる。なお、後述する複数組のインピーダンス値セットのときは、各組で１対の可変容量ダイオードを互いに逆方向で接続すればよい。

この実施形態のアレーアンテナ装置によれば、そのハードウエア構成が簡易であって、かつ、マルチパスフェージングが存在するときのアンテナ利得を単純な１ビットバイナリ制御（すなわち、第１及び第２のインピーダンス値セット（Ｃａ，Ｃｂ），（Ｃｂ，Ｃａ）のいずれかを選択する制御）で大きく改善する効果が得られるので、ラップトップ端末装置やＰＣカードなどの民生コンシューマ端末装置に搭載できるダイバーシティアンテナとして用いることができる。この制御方法（１ビット制御）は、可変容量ダイオードを連続的に制御する方式において必要な制御直流電圧発生用ＤＡコンバータが不要となるので、アンテナ装置のさらなる小型化と低コスト化が図れる。また、上記の１ビットバイナリ制御により、アレーアンテナ装置の入力インピーダンスＺｉｎを実質的にほとんど変化させないようにできる。

第１の実施形態の変形例．
図４は、本発明の第１の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図４の第１の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置は、図１の第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置に比較して、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に対してそれぞれ並列に雑音電圧除去用抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２を接続したことを特徴としている。当該抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２を接続することにより、制御直流電圧に対して順方向となるように、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に電流が流れて直流及び低周波に対するインピーダンスが低下し、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２の直流電位が安定して雑音の影響を受けにくくすることができる。ここで、抵抗素子Ｒ２１及びＲ２２の抵抗値としては、発明者らの実験によれば、例えば１ＭΩ以下でかつ５００Ω以上であり、アレーアンテナ装置の入力インピーダンスより十分大きな抵抗値（１０倍以上）が好適である。

次いで、雑音電圧除去用抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２の接続理由の詳細について以下に説明する。

例えば、図１のアレーアンテナ装置において、制御直流電圧に対する直流等価回路を考えると、各可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に印加される制御直流電圧が正の場合、電流は逆方向に流れるので直流的に高インピーダンスとなり、また、各可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２に印加される制御直流電圧が負の場合、電流は順方向で流れるので低インピーダンス（後述のごとく間違いである。）となると、本発明者らは予想していた。しかしながら、一般の接合型ダイオード（可変容量ダイオード用として発売されている品種は一般に接合型である。）の逆方向電流は極めて少なく、この回路にはほとんど電流が流れない。このため、負の制御直流電圧が印加されたときの可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２は順方向といえども高インピーダンスとなり、各可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２のカソードの電位が安定せず、具体的には電源ハムなどの雑音電圧が乗ってしまい、指向性が安定しないという結果を得た。

この問題点を解決するために、図４のアレーアンテナ装置においては、各可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２にそれぞれ並列に雑音電圧除去用抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２を接続した。図４において、制御直流電圧が負の場合において、期待通り可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２は低インピーダンスとなる。電流が大きいほど、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２は低インピーダンスになるため、この点からは、抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２の抵抗値を低くすればよいが、高周波的には高インピーダンスである必要がある。また、消費電流の低減の観点からは、逆に高抵抗であるほうが望ましい。本発明者による現在の試作装置では、抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２として５０ｋ乃至１００ｋΩの抵抗を挿入している。

なお、以上は一般的な可変容量ダイオード及び接合型一般用途ダイオードの場合であるが、ショットキーバリア型ダイオードの場合には、抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２無しで当該アレーアンテナ装置が首尾よく動作できると考えられる。その理由は、ショットキーバリア型ダイオードの逆方向電流が接合型ダイオードのそれよりも１桁以上大きいからである。

なお、この変形例においては、雑音電圧除去用抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２を用いているが、本発明はこれに限らず、無線信号の周波数において当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスに比較して十分に大きなリアクタンス値又はインピーダンス値を有するインピーダンス素子であってもよい。

第２の実施形態．
図５は、本発明の第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、図１の第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置に比較して、以下の点が異なる。

（１）非給電素子Ａ１から図上右側であって所定のアンテナ間隔ｄだけ離間して給電素子Ａ０及び非給電素子Ａ１，Ａ２と平行となるように、互いに一直線上に形成された１対のアンテナ素子２３ａ，２３ｂにてなり、可変容量ダイオードＤ３が装荷された非給電素子Ａ３と、
（２）非給電素子Ａ２から図上左側であって所定のアンテナ間隔ｄだけ離間して給電素子Ａ０及び非給電素子Ａ１，Ａ２と平行となるように、互いに一直線上に形成された１対のアンテナ素子２４ａ，２４ｂにてなり、可変容量ダイオードＤ４が装荷された非給電素子Ａ４とを備えて、
合計５素子のアレーアンテナ装置を構成している。

アンテナ素子２３ａの給電側端部は、可変容量ダイオードＤ３のカソードに接続されるとともに、抵抗素子Ｒ３を介して検波整流回路６５に接続される。また、アンテナ素子２３ｂの給電側端部は、可変容量ダイオードＤ３のアノードに接続されるとともに、抵抗素子Ｒ１３を介して接地される。また、アンテナ素子２４ａの給電側端部は、可変容量ダイオードＤ４のカソードに接続されるとともに、抵抗素子Ｒ４を介して検波整流回路７５に接続される。また、アンテナ素子２４ｂの給電側端部は、可変容量ダイオードＤ４のアノードに接続されるとともに、抵抗素子Ｒ１４を介して接地される。なお、本実施形態において、抵抗素子Ｒ３，Ｒ４の抵抗値は抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の抵抗値と同様に設定され、抵抗素子Ｒ１３，Ｒ１４は抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２と同様に設定される。なお、本実施形態においては、可変容量ダイオードＤ３及びＤ４は抵抗素子Ｒ１３，Ｒ１を介して互いに逆方向で接続されている。

以上のように構成されたアレーアンテナ装置は、図１の第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置と比較して、素子数が増大したことにより指向特性が鋭角にできるとともに、図１の第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置と同様の作用効果を有する。

以上の第２の実施形態においては、５素子のアレーアンテナ装置を構成しているが、本発明はこれに限らず、非給電素子Ａ３又はＡ４を除去して４素子のアレーアンテナ装置としてもいいし、非給電素子Ａ３及び／又はＡ４の外側に１本以上の同様の非給電素子を形成して６素子以上のアレーアンテナ装置を構成してもよい。

第２の実施形態の変形例．
図６は本発明の第２の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図６の第２の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置は、図５の第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置に比較して、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に対してそれぞれ並列に、雑音電圧除去用抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４を接続したことを特徴としている。ここで、当該雑音電圧除去用抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４を接続したことによる作用効果は、第１の実施形態の変形例と同様である。

なお、この変形例においては、雑音電圧除去用抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４を用いているが、本発明はこれに限らず、無線信号の周波数において当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスに比較して十分に大きなリアクタンス値又はインピーダンス値を有するインピーダンス素子であってもよい。

以上の第２の実施形態の変形例においては、５素子のアレーアンテナ装置を構成しているが、本発明はこれに限らず、非給電素子Ａ３又はＡ４を除去して４素子のアレーアンテナ装置としてもいいし、非給電素子Ａ３及び／又はＡ４の外側に１本以上の同様の非給電素子を形成して６素子以上のアレーアンテナ装置を構成してもよい。

第３の実施形態．
図７は本発明の第３の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図７の第３の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、図６の第２の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置に比較して、以下の点が異なる。
（１）図６の抵抗素子Ｒ３に代えて、可変容量ダイオードＤ１のカソードと可変容量ダイオードＤ３のカソードとの間に、抵抗素子Ｒ３ａを挿入したこと。
（２）図６の抵抗素子Ｒ４に代えて、可変容量ダイオードＤ２のカソードと可変容量ダイオードＤ４のカソードとの間に、抵抗素子Ｒ４ａを挿入したこと。
（３）図６の抵抗素子Ｒ１３に代えて、アンテナ素子２１ｂの給電側端子と、アンテナ素子２３ｂの給電側端子との間に、抵抗素子Ｒ１３ａを挿入したこと。
（４）図６の抵抗素子Ｒ１４に代えて、アンテナ素子２２ｂの給電側端子と、アンテナ素子２４ｂの給電側端子との間に、抵抗素子Ｒ１４ａを挿入したこと。

以上のように構成されたアレーアンテナ装置は、図６のアレーアンテナ装置と電気回路的に同様であり、同様の作用効果を有する。

なお、この実施形態においては、雑音電圧除去用抵抗素子Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４を用いているが、本発明はこれに限らず、無線信号の周波数において当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスに比較して十分に大きなリアクタンス値又はインピーダンス値を有するインピーダンス素子であってもよい。

また、図７において、雑音電圧除去用抵抗素子Ｒ２１乃至Ｒ２４を除去してもよい。また、雑音電圧除去用抵抗素子Ｒ２１及びＲ２２のみを除去してもよい。

以上の第３の実施形態においては、５素子のアレーアンテナ装置を構成しているが、本発明はこれに限らず、非給電素子Ａ３又はＡ４を除去して４素子のアレーアンテナ装置としてもいいし、非給電素子Ａ３及び／又はＡ４の外側に１本以上の同様の非給電素子を形成して６素子以上のアレーアンテナ装置を構成してもよい。

第４の実施形態．
図８は本発明の第４の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図８の第４の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、図６の第２の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置に比較して、以下の点が異なる。
（１）可変容量ダイオードＤ３の接続方向を逆方向にしたこと。
（２）可変容量ダイオードＤ４の接続方向を逆方向にしたこと。
（３）図６の抵抗素子Ｒ３に代えて、可変容量ダイオードＤ１のカソードと可変容量ダイオードＤ３のアノードとの間に、抵抗素子Ｒ３ａを挿入したこと。
（２）図６の抵抗素子Ｒ４に代えて、可変容量ダイオードＤ２のカソードと可変容量ダイオードＤ４のアノードとの間に、抵抗素子Ｒ４ａを挿入したこと。

以上のように構成されたアレーアンテナ装置は、可変容量ダイオードＤ３，Ｄ４の接続方向が逆方向であることを除いて、図６のアレーアンテナ装置と電気回路的に同様であり、同様の作用効果を有する。なお、図８において、２つの可変容量ダイオードＤ１，Ｄ３により直流電流の経路が形成され、２つの可変容量ダイオードＤ２，Ｄ４により直流電流の経路が形成される。また、図８において、雑音電圧除去用抵抗素子Ｒ２１乃至Ｒ２４を除去してもよい。

以上の第４の実施形態においては、５素子のアレーアンテナ装置を構成しているが、本発明はこれに限らず、非給電素子Ａ３又はＡ４を除去して４素子のアレーアンテナ装置としてもいいし、非給電素子Ａ３及び／又はＡ４の外側に１本以上の同様の非給電素子を形成して６素子以上のアレーアンテナ装置を構成してもよい。

変形例．
以上の実施形態において、給電素子Ａ０のアンテナ素子２０ａ，２０ｂの給電点と、同軸ケーブル３０のアンテナ側端部との間に、バラン３３を挿入しているが、本発明はこれに限らず、同軸ケーブル３０に代えて、平衡型伝送線路を用いるときは、バラン３３を省略できる。

以上の実施形態においては、第１と第２のインピーダンス値セット（Ｃａ，Ｃｂ），（Ｃｂ，Ｃａ）を用いているが、本発明はこれに限らず、所定値以上のダイバーシティ利得が得られかつアレーアンテナ装置の入力インピーダンスが実質的に変化しないように設定することができる、２組のインピーダンス値セット（Ｃａ，Ｃｂ），（Ｃｃ，Ｃｄ）（ここで、Ｃａ≠Ｃｄ，Ｃｂ≠Ｃｃ）を用いてもよい。

以上の実施形態においては、３素子の電子制御導波器アレーアンテナ装置について説明しているが、本発明はこれに限らず、１本の給電素子と、偶数本の非給電素子を備える電子制御導波器アレーアンテナ装置であってもよい。すなわち、当該電子制御導波器アレーアンテナ装置は、無線信号を受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられた偶数本の非給電素子と、上記各非給電素子にそれぞれ接続された偶数個の可変容量ダイオードとを備え、上記各可変容量ダイオードに設定するインピーダンス値を変化させることにより、上記各非給電素子を導波器又は反射器として動作させ、当該電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナの指向特性を変化させるものである。ここで、上記偶数本の非給電素子は、少なくとも１本の第１の組の非給電素子と、少なくとも１本の第２の組の非給電素子とからなり、上記偶数個の可変容量ダイオードは、上記第１の組の各非給電素子にそれぞれ接続された第１の組の可変容量ダイオードと、上記第２の組の各非給電素子にそれぞれ接続された第２の組の可変容量ダイオードとからなる。そして、アンテナコントローラ１０は、当該電子制御導波器アレーアンテナ装置によって受信される無線信号に基づいて、所定値以上のダイバーシティ利得が得られかつ当該電子制御導波器アレーアンテナ装置の入力インピーダンスが実質的に変化しないように、上記第１及び第２の組の可変容量ダイオードに対して第１のインピーダンス値セットを設定する第１の場合と、上記第１及び第２の組の可変容量ダイオードに対して第２のインピーダンス値セットを設定する第２の場合とのうち、上記第１と第２の場合においてそれぞれ受信される各無線信号の信号電力の、より大きい値となるときのインピーダンス値セットを選択して上記第１及び第２の組の可変容量ダイオードに設定するように構成してもよい。

以上の実施形態においては、所定値以上のダイバーシティ利得が得られかつ上記アレーアンテナの入力インピーダンスが実質的に変化しないように、２組のインピーダンス値セットから１組のインピーダンス値セットを選択する場合について説明しているが、本発明はこれに限らず、所定値以上のダイバーシティ利得が得られかつ上記アレーアンテナの入力インピーダンスが実質的に変化しないように、３組又は以上の組のインピーダンス値セットから１組のインピーダンス値セットを選択するようにしてもよい。

以上の実施形態において、上記アレーアンテナは、給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数本の非給電素子と、上記各非給電素子にそれぞれ接続された複数個の可変容量ダイオードとを備え、上記各可変容量ダイオードに設定するインピーダンス値を変化させることにより、上記各非給電素子を導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアンテナ装置であってもよい。ここで、アンテナコントローラ１０は、好ましくは、上記アレーアンテナによって受信される無線信号に基づいて、入力インピーダンスが実質的に変化しないことを限定せずに、所定値以上のダイバーシティ利得が得られるように、複数組のインピーダンス値セットをそれぞれ設定する複数の場合のうち、上記複数の場合において受信される各無線信号の信号品質に基づいて、所定の選択基準に従って、上記複数組のインピーダンス値セットのうちの１つのセットを選択して上記複数個の可変容量ダイオードに設定する。

また、上記複数の場合は、上記アレーアンテナによって受信される無線信号に基づいて、所定値以上のダイバーシティ利得が得られかつ上記アレーアンテナの入力インピーダンスが実質的に変化しないように、複数組のインピーダンス値セットをそれぞれ設定する場合である。

さらに、上記各無線信号の信号品質は、信号電力に限らず、信号強度と、信号対雑音比と、信号に対する干渉雑音を含む雑音の比と、搬送波信号対雑音比と、ビット誤り率と、フレーム誤り率と、パケット誤り率とのうちのいずれか１つを用いて評価されてもよい。

また、上記選択基準は、好ましくは、上記複数の場合において受信される各無線信号の信号品質が所定のしきい値以上であることである。もしくは、上記選択基準は、好ましくは、上記複数の場合において受信される各無線信号の信号品質が、信号電力と、信号対雑音比と、信号に対する干渉雑音を含む雑音の比と、搬送波信号対雑音比とのうちのいずれか１つの場合において、当該信号品質が最大値となるインピーダンス値セットを選択することである。とって代わって、上記選択基準は、上記複数の場合において受信される各無線信号の信号品質が、ビット誤り率と、フレーム誤り率と、パケット誤り率とのうちのいずれか１つの場合において、当該信号品質が最小値となるインピーダンス値セットを選択することである。

さらに、アンテナコントローラ１０は、好ましくは、上記複数の場合において受信される各無線信号の信号品質が所定のしきい値未満となったとき、上記複数組のインピーダンス値セットの中から任意に１つのインピーダンス値セットを選択し、当該選択したインピーダンス値セットにおいて上記信号品質が所定の選択基準に達するまで上記選択の処理を繰り返す。もしくは、アンテナコントローラ１０は、好ましくは、上記複数の場合において受信される各無線信号の信号品質が所定のしきい値未満となったとき、上記複数組のインピーダンス値セットの中から所定の順序で１つのインピーダンス値セットを選択し、当該選択したインピーダンス値セットにおいて上記信号品質が所定の選択基準に達するまで上記選択の処理を繰り返す。

さらに、アンテナコントローラ１０は、好ましくは、上記しきい値を所定の範囲で変化させながら上記複数の場合を切り換え、上記各無線信号の信号品質が所定の選択基準を満足するときのしきい値を上記しきい値として設定する。

またさらに、アンテナコントローラ１０は、好ましくは、現在選択されているインピーダンス値セットの場合における無線信号の信号品質が上記しきい値よりも低い別のしきい値を所定の自然数の回数以上下回ったとき、上記しきい値の設定を行う。さらにもしくは、アンテナコントローラ１０は、好ましくは、上記アレーアンテナの制御装置を搭載する無線通信装置の移動が検出されたとき、上記しきい値の設定を行う。また、アンテナコントローラ１０は、好ましくは、上記アレーアンテナの制御装置を搭載する無線通信装置の変復調方式が切り換えられたとき、上記しきい値の設定を行う。さらに、アンテナコントローラ１０は、好ましくは、上記アレーアンテナの制御装置を搭載する無線通信装置の使用周波数が切り換えられたとき、上記しきい値の設定を行う。またさらに、アンテナコントローラ１０は、好ましくは、上記選択基準に従って、上記複数組のインピーダンス値セットのうちの１つのセットを選択して上記複数個の可変容量ダイオードに設定したとき、所定の期間、そのセットの切り換えを停止する。

以上詳述したように、本発明によれば、送信手段により上記制御直流電圧に対応する制御信号に従って搬送波を変調して変調信号を上記伝送線路の無線信号に重畳させて送信した後、上記受信手段により上記送信された変調信号を受信して制御信号を復調して上記制御直流電圧に変換して、上記各インピーダンス素子を介して上記各可変容量ダイオードに印加する。これにより、無線送受信機とアレーアンテナ装置との間の配線数を大幅に減らすことができる。

本発明の第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１のアレーアンテナ装置における可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２への制御直流電圧に対するリアクタンス値と入力インピーダンス値を示すグラフである。図１のアレーアンテナ装置における互いに逆方向に接続された可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２への制御直流電圧に対する接合容量を示すグラフである。本発明の第１の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態の変形例に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。本発明の第４の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０…アンテナコントローラ、
１１…無線送受信回路、
２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ…アンテナ素子、
３０…同軸ケーブル、
３１…中心導体、
３２…接地導体、
３３…バラン、
５０…誘電体基板、
６１，７１…振幅変調器、
６２，７２…搬送波発生器、
６３，７３，６４，７４…帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）、
６５，７５…検波整流回路、
Ａ０…給電素子、
Ａ１，Ａ２…非給電素子、
Ｃ１…直流阻止用キャパシタ、
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４…可変容量ダイオード、
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ３ａ，Ｒ４，Ｒ４ａ，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１３ａ，Ｒ１４，Ｒ１４ａ，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４…抵抗素子。

Claims

無線信号を受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数本の非給電素子と、上記各非給電素子にそれぞれ接続された複数個の可変容量ダイオードとを備え、上記各可変容量ダイオードに印加する制御直流電圧を変化させることにより、上記各非給電素子を導波器又は反射器として動作させ、指向特性を変化させるアレーアンテナ装置において、
上記各制御直流電圧に対応する各制御信号に従って搬送波を変調して各変調信号を上記伝送線路上の無線信号に重畳させて送信する送信手段と、
上記送信された各変調信号を受信して各制御信号を復調して上記各制御直流電圧に変換して、上記各インピーダンス素子を介して上記各可変容量ダイオードに印加する受信手段とを備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
上記複数個の可変容量ダイオードのうちの各１対の可変容量ダイオードは互いに逆方向で直列に接続されたことを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
上記受信手段と、上記各可変容量ダイオードとの間にそれぞれ接続され、上記無線信号の周波数において当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスに比較して十分に大きな抵抗値又はインピーダンス値を有する複数のインピーダンス素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２記載のアレーアンテナ装置。
上記各可変容量ダイオードに対してそれぞれ並列に接続され、上記無線信号の周波数において当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスに比較して十分に大きな抵抗値又はインピーダンス値を有する複数の別のインピーダンス素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
上記制御手段は、上記アレーアンテナによって受信される無線信号に基づいて、所定値以上のダイバーシティ利得が得られるように、複数組のインピーダンス値セットをそれぞれ設定する複数の場合のうち、上記複数の場合において受信される各無線信号の信号品質に基づいて、所定の選択基準に従って、上記複数組のインピーダンス値セットのうちの１つのセットを選択して上記複数個の可変容量ダイオードに設定することを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
上記複数の場合は、上記アレーアンテナによって受信される無線信号に基づいて、所定値以上のダイバーシティ利得が得られかつ上記アレーアンテナ装置の入力インピーダンスが実質的に変化しないように、複数組のインピーダンス値セットをそれぞれ設定する場合であることを特徴とする請求項５記載のアレーアンテナ装置。