JP2006253809A

JP2006253809A - アンテナ装置

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Publication number: JP2006253809A
Application number: JP2005064113A
Authority: JP
Inventors: Isamu Chiba; 勇千葉; Shinichi Morita; 晋一森田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-08
Also published as: JP4672399B2

Abstract

【課題】素子アンテナの数よりも多い評価点に対して所望の指向性合成を実現するアンテナ装置を得る。
【解決手段】Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の素子アンテナ１により受信した信号のそれぞれの振幅および位相を調整して合成する機能を有するアンテナ装置において、Ｍ個（ＭはＮより大きい整数）の空間的な評価点の観測方向、および観測方向ごとの所望電力の設定に基づいて、それぞれの観測方向における素子アンテナの合成電力と所望電力との差の自乗に関して、すべての観測方向の総和を取ったものを評価関数値とし、評価関数値が最小となるように振幅および位相を調整する振幅位相計算手段１７を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の素子アンテナを配列したアレーアンテナにおいて、所望の方向に必要なだけの電波の放射レベルを持つように、複数の素子アンテナの振幅および位相を調整するアンテナ装置に関するものである。

電波環境が厳しくなっている現在の通信事情において、信号を送信したい領域、または受信したい信号の到来する領域における電波の放射レベルあるいは受信レベルを上げる一方で、干渉を避けたい領域、または干渉信号の到来する領域における電波の放射レベルあるいは受信レベルを下げるアンテナ装置が要求されている。

このようなアンテナ装置の一例として、電波伝搬環境の変化を検出して、各素子アンテナに与えるウェイトを調整するアンテナ装置が従来技術として知られている（例えば、特許文献１参照）。

このアンテナ装置は、受信手段の受信レベルの変動を受信レベル検出／監視部で検出し、平均的な受信レベルが受信スレッショルドレベルよりも低下すると、マイクロプロセッサが電波伝搬環境の変化を判断して、所望波の信号レベルを高くして不要波の到来方向の純真レベルを低下させるように、各素子アンテナに与えるウェイトを決定して、電波環境の変化に応じた指向性合成を実現しようとしている。

従来技術における適応処理アルゴリズムとしては、ＭＳＮ（Maximum Signal to Noise ratio）法やＣＭＡ（Constant Modulus Algorithm）法などが示されている。

また、各素子アンテナの信号に遅延線路を設け、それぞれに振幅調整器、位相調整器を有した構造のアンテナ装置に関する文献もある（例えば、非特許文献１参照）。

特開２０００−３３２６６６号公報（第１頁、図１）科学技術出版アレーアンテナによる適応信号処理（２０頁、図２．６）

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。これらの手法は、いずれも素子アンテナの数と同じ個数の評価点のみの指向性を決定するアルゴリズムであり、素子アンテナの数を超えた数の評価点に対応する場合には、その精度、特性を保証するものではなかった。近年の厳しさを増す電波環境では、その評価点の数は増大し、また、コスト的な観点から素子アンテナの数の増大は、抑えるほうが望ましい。また、伝送信号量が増えるに従い、信号の周波数帯域も広がっていくが、従来のアンテナ装置は、このような帯域の広がりに対応する機能を有していなかった。

また、非特許文献１におけるアンテナ装置は、周波数帯域の広がりに応じてハードウェアの規模が多大となり、実用上の障害となっていた。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、素子アンテナの数よりも多い評価点に対して所望の指向性合成を実現するアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るアンテナ装置は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の素子アンテナにより受信した信号のそれぞれの振幅および位相を調整して合成する機能を有するアンテナ装置において、Ｍ個（ＭはＮより大きい整数）の空間的な評価点の観測方向、および観測方向ごとの所望電力の設定に基づいて、それぞれの観測方向における素子アンテナの合成電力と所望電力との差の自乗に関して、すべての観測方向の総和を取ったものを評価関数値とし、評価関数値が最小となるように振幅および位相を調整する振幅位相計算手段を備えたものである。

本発明によれば、観測方向、および観測方向ごとの所望電力の設定に基づいて、それぞれの観測方向における素子アンテナの合成電力と所望電力との差の自乗に関して、すべての観測方向の総和を取ったものを評価関数値とし、評価関数値が最小となるように振幅および位相を調整することにより、素子アンテナの数よりも多い評価点に対して所望の指向性合成を実現するアンテナ装置を得ることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の構成図である。複数の素子アンテナ１のそれぞれで受信された信号は、低雑音増幅器（ＬＮＡ）２で増幅され、次に、ダウンコンバータ（ＤＣ）３で周波数が落とされる。さらに、Ａ／Ｄ変換器４により、信号処理ができるサンプリング周波数でベースバンド信号に変換される。この変換されたベースバンド信号のそれぞれは、ディジタル信号処理手段１０で処理される。

ここで、複数のベースバンド信号の処理を行うディジタル信号処理手段１０は、振幅調整器１１、位相調整器１２、合成器１３、信号復調器１４、指向性制御方向入力手段１５、所望電力入力手段１６、および振幅位相計算手段１７で構成される。

振幅調整器１１は、各素子アンテナ１で受信された信号に基づくベースバンド信号の振幅を調整する。さらに、位相調整器１２は、ベースバンド信号の位相を調整する。その後、合成器１３は、振幅および位相が調整されたそれぞれのベースバンド信号を合成する。さらに、信号復調器１４は、システムに応じた復調方式で、合成した信号を復調する。

ここで、振幅調整器１１および位相調整器１２は、振幅位相計算手段１７により決定された振幅および位相に基づいて制御されることとなり、具体的には、次のように動作する。まず、指向性制御方向入力手段１５により、複数の空間的な評価点の観測方向が、必要な方向の情報として入力される。ここでは、さらに、利得を保持するエリア干渉を防ぐ意味から、指向性を低くするエリアの分別情報も合わせて入力される。

なお、この実施の形態１では、これら方向に関する情報を、指向性制御方向入力手段１５を介して入力する入力形態を例に挙げているが、種々のアダプティブアルゴリズムによって、これらの情報が自動的に決定されるシステムを適用することも可能である。

次に、先に指向性制御方向入力手段１５で入力された方向に対応する各エリアに必要な電力の所望値が、所望電力入力手段１６により入力される。さらに、指向性制御方向入力手段１５および所望電力入力手段１６によるそれぞれの入力情報に基づいて、振幅位相計算手段１７は、次のようにしてそれぞれのベースバンド信号の振幅および位相を決定する。

アダプティブアレーアルゴリズムとしては、ＣＭＡ（Constant Modulus Algorithm）が従来から知られている。ＣＭＡは、最近の移動通信で用いられているＰＳＫ（Phase Shift Keying）系の変調信号が、基本的に定包絡線性を持っていることを利用して、基準信号を用いずにアダプティブアレーを実現するものである。

ここで、定包絡線性を持つ変調信号に干渉信号が加わると、その定包絡線性が大きく崩れることになる。ＣＭＡでは、アンテナのウェイトを制御して信号の包絡線を元の一定値に戻すことにより、干渉信号の除去を行うものである。ＣＭＡでは、下式（１）の評価関数Ｊを用いる。

ここで，ｙはアレー合成信号，σは所望の包絡線値である。また、Ｅ［］は、統計期待値を表す。式（１）は、電力の差のさらに２乗を評価する形になっており、これを最小にするウェイト（振幅、位相を複素数で表現したもの）は、下式（２）のような更新式で与えられる。

上式（２）において、Ｗ（ｋ）、Ｘ（ｋ）、ｙ（ｋ）は、それぞれ、時刻ｋにおけるウェイトベクトル、入力信号ベクトル、アレー出力を示す。また、上付き添字＊は、複素共役を表す。さらに、μは、ステップサイズを表す。

ＣＭＡは、変調された信号の包絡線、すなわち、受信電力の時系列のデータを一定にするように評価関数を定めたものである。ここで、評価関数を時系列から空間に変換して示すことを考える。具体的には、式（１）の期待値は、時系列データに関してとられていたが、これを空間ごとの評価に移し、一定にしていた包絡線値σを観測方向ｍごとの所望の値、すなわち所望のアレー電力利得Ｐ_０ｍにすることで電力指向性合成が実現できる。これを評価関数で表すと下式（３）（４）の表現となる。

上式（４）において、Ｍは、指向性制御方向入力手段１５で設定されたＭ通りの観測方向に相当し、Ｐ_０ｍは、所望電力入力手段１６で設定された観測方向ｍ（ｍ＝１〜Ｍの整数）におけるそれぞれの電力の所望値であり、Ｘ_ｍは、観測方向ｍの素子電界ベクトルである。ここで、Ｎ個の素子アンテナの中のｎ番目（ｎ＝１〜Ｎの整数）の素子アンテナにおける観測方向ｍの振幅をＥ_ｍｎ、位相をφ_ｍｎとすると、素子電界ベクトルＸ_ｍは、下式（５）で表される。

この素子電界ベクトルＸ_ｍは、Ｎ個の素子アンテナの配置からあらかじめ求めることができる。また、上式（４）において、Ｗは、ウェイトベクトルであり、Ｎ個の素子アンテナのそれぞれの励振振幅をａ_ｎ、励振位相をφ_ｎとすれば、下式（６）で表される。

ここで、Ｔは、転置を表す。この式（６）は、次の更新式（７）によって最適化される。

式（７）にしたがってＮ個の要素からなるウェイトベクトルＷの更新を行なうことにより、結果的に式（３）の評価関数を最小化でき、Ｍ通りの観測方向ｍにおけるそれぞれのアレー合成電力をＰ_０ｍに近づけるように、Ｎ個の素子アンテナからのベースバンド信号に対する振幅と位相を求めることができる。

すなわち、定包絡線アルゴリズムを空間領域に変換した原理に従う更新式（７）を用いてウェイトベクトルＷを算出することにより、観測方向ｍにより規定される複数の空間的な評価点において、複数の素子アンテナ１の観測方向ｍにおけるそれぞれの電力の合成電力値と、所望の電力値との差の自乗和を最小にするように、各素子アンテナ１からのベースバンド信号に対する振幅と位相を求めることができ、素子アンテナの数よりも多い評価点に対して所望の指向性合成を実現できる。

次に、一連の処理について説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるアレー信号合成処理のフローチャートである。ステップＳ２０１において、Ｍ通りの観測方向ｍが、方向データ入力として指向性制御方向入力手段１５により設定される。次に、ステップＳ２０２において、それぞれの観測方向ｍに対する所望の電力値Ｐ_０ｍが、所望電力入力手段１６により設定される。

次に、ステップＳ２０３において、振幅位相計算手段１７は、観測方向ｍに基づいて算出された素子電界ベクトルＸ_ｍに基づいて、式（７）を逐次更新処理することにより、それぞれの観測方向ｍに対する電力値が所望の電力値Ｐ_０ｍに近づく最適なウェイトベクトルＷを算出する。次に、ステップＳ２０４において、振幅位相計算手段１７は、最適なウェイトベクトルＷから各ベースバンド信号に対応する振幅および位相を求め、Ｎ個の素子アンテナ１に対応するそれぞれの振幅調整器１１の振幅および位相調整器１２の位相を設定する。

そして、最終的に、ステップＳ２０５において、合成器１３は、振幅および位相が調整されたそれぞれのベースバンド信号を合成処理することにより、素子アンテナの数よりも多い評価点に対して所望の指向性合成を実現できる。

実施の形態１によれば、素子アンテナの数よりも多い評価点に対して、各評価点の電力値が所望値に近づくように、各素子アンテナからの信号に対する振幅および位相を最適に設定でき、所望の指向性合成を実現できる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２におけるアンテナ装置の構成図である。この実施の形態２は、広帯域な周波数に適応するアンテナ装置において、複数の周波数成分ごとに所望の電力値を設定して、所望の指向性合成を実現するものである。この実施の形態２におけるアンテナ装置は、実施の形態１のアンテナ装置と比較すると、指向性制御方向入力手段１５と所望電力入力手段１６との間に、周波数ポイント入力手段１８をさらに備えている点が異なる。

本実施の形態２では、実施の形態１で示した式（４）の中の観測方向ｍの素子電界ベクトルＸ_ｍを、必要な複数の周波数成分に対応して用意する。そして、周波数成分に関する添え字をｉ（ｉ＝１〜Ｉの整数）とした場合、実施の形態２における振幅位相計算手段１７は、このＩ通りの周波数ポイントである周波数成分ごとに式（３）〜（７）における最適化を演算することとなる。

式（３）（４）に対応して、複数の周波数成分を含む評価関数は、下式（８）（９）の表現となる。

ここで、Ｘ_ｉｍは、観測方向ｍの周波数成分ｉに対応する素子電界ベクトルである。そこで、Ｎ個の素子アンテナの中のｎ番目の素子アンテナにおける観測方向ｍの周波数成分ｉに対応する振幅をＥ_ｉｍｎ、位相をφ_ｉｍｎとすると、素子電界ベクトルＸ_ｉｍは、下式（１０）で表される。

この素子電界ベクトルＸ_ｉｍは、Ｎ個の素子アンテナの配置、観測方向ｍおよび対象とする周波数成分ｉの指定値からあらかじめ求めることができる。ウェイトベクトルＷは、実施の形態１における式（６）と同じであり、次の更新式（１１）によって最適化される。

式（１１）にしたがってＮ個の要素からなるウェイトベクトルＷの更新を行なうことにより、式（８）の評価関数を最小化でき、Ｉ通りの周波数成分ｉごとのＭ通りの観測方向ｍにおけるそれぞれのアレー合成電力をＰ_０ｉｍに近づけるように、Ｎ個の素子アンテナからのベースバンド信号に対する振幅と位相を求めることができる。

すなわち、定包絡線アルゴリズムを空間領域に変換した原理に従う更新式（１１）を用いてウェイトベクトルＷを算出することにより、観測方向ｍおよび周波数成分ｉにより規定される複数の空間的な評価点において、複数の素子アンテナ１の観測方向ｍの各周波数成分ｉにおけるそれぞれの電力の合成電力値と、所望の電力値との差の自乗和を最小にするように、各素子アンテナからのベースバンド信号に対する振幅と位相を求めることができ、素子アンテナの数よりも多い評価点に対して複数の周波数成分を加味した所望の指向性合成を実現できる。

次に、一連の処理について説明する。図４は、本発明の実施の形態２におけるアレー信号合成処理のフローチャートである。ステップＳ４０１において、Ｍ通りの観測方向ｍが、方向データ入力として指向性制御方向入力手段１５により設定される。次に、ステップＳ４０２において、Ｉ通りの周波数ポイントの周波数成分が、広帯域な周波数の中から選択され、周波数データ入力として周波数ポイント入力手段１８により設定される。

次に、ステップＳ４０３において、それぞれの観測方向ｍにおけるそれぞれの周波数成分ｉに対する所望の電力値Ｐ_０ｉｍが、所望電力入力手段１６により設定される。

次に、ステップＳ４０４において、振幅位相計算手段１７は、素子電界ベクトルＸ_ｉｍを算出し、式（１１）を逐次更新処理することにより、それぞれの観測方向ｍにおけるそれぞれの周波数成分ｉに対する電力値が所望の電力値Ｐ_０ｉｍに近づく最適なウェイトベクトルＷを算出する。次に、ステップＳ４０５において、振幅位相計算手段１７は、最適なウェイトベクトルＷから各ベースバンド信号に対応する振幅および位相を求め、Ｎ個の素子アンテナ１に対応するそれぞれの振幅調整器１１の振幅および位相調整器１２の位相を設定する。

そして、最終的に、ステップＳ４０６において、合成器１３は、振幅および位相が調整されたそれぞれのベースバンド信号を合成処理することにより、素子アンテナの数よりも多い評価点に対して所望の指向性合成を実現できる。

実施の形態２によれば、素子アンテナの数よりも多い評価点に対して、各評価点の周波数成分ごとの電力値が所望値に近づくように、各素子アンテナからの信号に対する振幅および位相を最適に設定でき、所望の指向性合成を実現できる。

なお、上記の実施の形態においては、観測方向ｍ、周波数成分ｉの入力情報に基づいて素子電界ベクトルＸ_ｍあるいはＸ_ｉｍを算出する場合を説明したが、素子電界ベクトルの値を直接入力した場合にも同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の構成図である。本発明の実施の形態１におけるアレー信号合成処理のフローチャートである。本発明の実施の形態２におけるアンテナ装置の構成図である。本発明の実施の形態２におけるアレー信号合成処理のフローチャートである。

符号の説明

１素子アンテナ、２低雑音増幅器、３ダウンコンバータ、４Ａ／Ｄ変換器、１０ディジタル信号処理手段、１１振幅調整器、１２位相調整器、１３合成器、１４信号復調器、１５指向性制御方向入力手段、１６所望電力入力手段、１７振幅位相計算手段、１８周波数ポイント入力手段。

Claims

Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の素子アンテナにより受信した信号のそれぞれの振幅および位相を調整して合成する機能を有するアンテナ装置において、
Ｍ個（ＭはＮより大きい整数）の空間的な評価点の観測方向、および前記観測方向ごとの所望電力の設定に基づいて、それぞれの前記観測方向における前記素子アンテナの合成電力と前記所望電力との差の自乗に関して、すべての観測方向の総和を取ったものを評価関数値とし、前記評価関数値が最小となるように前記振幅および前記位相を調整する振幅位相計算手段を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記振幅位相計算手段は、前記素子アンテナの合成電力を、前記Ｎ個の素子アンテナの配置に基づく前記観測方向の素子電界ベクトルから算出することを特徴とするアンテナ装置。
請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
前記振幅位相計算手段は、前記観測方向、および前記観測方向ごとの複数の周波数ポイントに対する所望電力の設定に基づいて、それぞれの前記観測方向および前記周波数ポイントにおける前記素子アンテナの合成電力と前記所望電力との差の自乗に関して、すべての観測方向およびすべての周波数ポイントの総和を取ったものを評価関数値とし、前記評価関数値が最小となるように前記振幅および前記位相を調整することを特徴とするアンテナ装置。