JP2007215115A - 適応指向性受信装置、自動車用アンテナ及び自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化が容易で、安定且つ高速処理が可能な適応指向性受信装置を提供する。
【解決手段】 無線信号を空中から捉える活性素子ＲＥと、この活性素子ＲＥに接続され、無線信号からベースバンド信号として規範信号と受信信号を生成するベースバンド信号生成部１と、ベースバンド信号生成部１が生成した規範信号と受信信号から目的関数を生成する目的関数生成装置３と、この目的関数生成装置３が出力する目的関数を用いて、目的関数が最適値になる条件を探索するアンテナ制御部４と、無線信号の搬送波の波長の１／１０程度の距離で、活性素子ＲＥからそれぞれ空間的に分離され、アンテナ制御部４により、接地リアクタンス値がそれぞれ調整される第１及び第２パラサイト素子ＰＥ１、ＰＥ２とを備え、第１及び第２パラサイト素子ＰＥ１、ＰＥ２の接地リアクタンスを制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、アレイアンテナに係り、特にカーラジオ等の移動通信において高い信号対干渉除去比（ＳＩＲ）が得られるアダプティブアンテナを用いた適応指向性受信装置、この適応指向性受信装置に用いることが可能な自動車用アンテナ及びこの自動車用アンテナを搭載した自動車に関する。

自動車で米国、豪州、中国等の広い走行領域を長時間の移動をしながらＦＭ放送等を受信する場合や、高層ビルが密集した市街地のようなフェージングの影響を受けやすい環境でＦＭ放送等を受信する場合では、従来、安定して受信することは、困難であり、フェーズドアレイアンテナ技術を使った指向性制御が必要となっていた。

フェーズドアレイアンテナは電子的に指向性が制御できる複数のアンテナ（放射素子）からなる機能アンテナである。複数の放射素子・移相器と制御回路を必要とするためその利用は軍用レーダなどの特殊用途に限定されていた。ところが近年ではマイクロ波ハードウェアの低廉化により通信応用として衛星搭載中継器や公衆無線基地局にも採用されるようになってきた。無線による移動通信において、低電力で高い伝送品質を維持するには、希望波の利得を最大にし、或いは希望波に対する干渉波の影響を最小にするようなアンテナ制御技術が有用である。指向性を電波環境に適応した最適化アルゴリズムによって自動制御される機能アンテナは「アダプティブアンテナ」と呼ばれる。具体的には、主ビームを所望波到来方向へ向ける、ヌル点を干渉波到来方向へ向ける、信号対干渉雑音比ＳＩＮＲを最大にする、アレイ応答によりマルチパス波を合成補償するなど、刻々変動する電波環境にアンテナが自律的に適応させるアンテナ制御技術である。即ち、アダプティブアンテナは、複数のアンテナで受信した信号を用い、空間フィルタによって信号対干渉除去比（ＳＩＲ）を最大化しようとするものである。

近年、簡単なハードウェア構成のアダプティブアンテナとして電子走査導波器（ＥＳＰＥＲ）アンテナが精力的に研究されはじめている（特許文献１〜３参照。）。電子走査導波器アンテナの開口は、１つの放射素子とその周りに配置された複数の寄生素子から構成される。寄生素子の出力にはバラクタなどの可変リアクタンス素子が接続されており、そのリアクタンス値を適当に変化させことにより、放射素子の指向性が変化する。電子走査導波器アンテナでは、規範信号系列と放射素子受信信号の相関係数を最大とするリアクタンス値を見出すことにより、信号対干渉雑音比ＳＩＮＲを最大とする指向性を形成させる。
特開２００３−１４２９２６号公報 特開２００３−２０９４２６号公報 特開２００３−２５８５３２号公報

特に、従来のカーラジオにおいては、長距離移動中に自動車のＦＭ放送が途中でとぎれるいという問題があった。又、従来のアダプティブアンテナでは、リアクタンス値を最適化するための演算に膨大な繰り返し処理が必要で、最適化に時間を要し、収束性もそれほど期待できないという不具合があった。

上記問題を鑑み、本発明は、小型化が容易で、安定且つ高速処理が可能な適応指向性受信装置、自動車用アンテナ及び自動車を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、（イ）無線信号を空中から捉える活性素子と、（ロ）この活性素子に接続され、無線信号から定包絡線信号用アルゴリズムを用いて規範信号と受信信号とを生成するベースバンド信号生成部と、（ハ）ベースバンド信号生成部が生成した規範信号と受信信号から目的関数を生成する目的関数生成装置と、（ニ）この目的関数生成装置が出力する目的関数を用いて、目的関数が最適値になる条件を探索するアンテナ制御部と、（ホ）アンテナ制御部により、接地リアクタンス値が調整される１又は２以上のパラサイト素子とを備える適応指向性受信装置であることを特徴とする。そして、本発明の第１の態様に係る適応指向性受信装置は、パラサイト素子の接地リアクタンスを制御することにより、活性素子とパラサイト素子からなるアレイアンテナの指向性を制御しながら、無線信号を復調する。

本発明の第２の態様は、自動車のボンネット、屋根の前端若しくは後端、Ａピラー、又はリアウィンドウ若しくはリアサイドウィンドウを用いて構成され、搭載される自動車用アンテナに関する。即ち、本発明の第２の態様に係る自動車用アンテナは、（イ）無線信号を空中から捉える活性素子と、（ロ）活性素子から空間的に分離された１又は２以上のパラサイト素子とを備え、活性素子が空中から捉えた無線信号から定包絡線信号用アルゴリズムを用いて規範信号と受信信号とを生成し、規範信号と受信信号から目的関数を生成し、目的関数が最適値になる条件を探索して、パラサイト素子の接地リアクタンス値を制御することにより、活性素子とパラサイト素子からなるアレイアンテナの指向性を制御する。

本発明の第３の態様は、（イ）無線信号を空中から捉える活性素子と、（ロ）活性素子から空間的に分離された１又は２以上のパラサイト素子とをボンネット、屋根の前端若しくは後端、Ａピラー、又はリアウィンドウ若しくはリアサイドウィンドウを用いて構成して搭載し、活性素子が空中から捉えた無線信号から定包絡線信号用アルゴリズムを用いて規範信号と受信信号とを生成し、規範信号と受信信号から目的関数を生成し、目的関数が最適値になる条件を探索して、パラサイト素子の接地リアクタンス値を制御することにより、活性素子とパラサイト素子からなるアレイアンテナの指向性を制御する自動車であることを特徴とする。

本発明によれば、小型化が容易で、安定且つ高速処理が可能な適応指向性受信装置、自動車用アンテナ及び自動車を提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、放射素子、回路素子や回路ブロックの構成や配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る適応指向性受信装置は、無線信号を空中から捉える活性素子ＲＥと、活性素子ＲＥから空間的に分離して配置された２セットの無給電の第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２とを備える３素子アダプティブアンテナを備える。ここで、「活性素子」とは、空中から捉えた無線信号を受信装置側に出力する励振素子（給電素子）の意味である。アダプティブアンテナの活性素子ＲＥにはベースバンド信号生成部１が接続され、活性素子ＲＥからベースバンド信号生成部１のＲＦフロントエンド部に、空中から捉えた無線信号が出力される。活性素子ＲＥに接続されたベースバンド信号生成部１には、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）５８が接続され、ベースバンド信号生成部１で生成されたベースバンド信号を処理する。第１の実施の形態に係る適応指向性受信装置においては、活性素子ＲＥ、第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２は、それぞれモノポールアンテナからなるものとする。

一方、「パラサイト素子」とは、空中からの無線信号に直接寄与しない非励振素子の意味であり、パラサイト素子ＰＥ１には、第１インダクタＬ₁₁と可変容量ダイオードＤ₁の直列回路が接続され、第１インダクタＬ₁₁と可変容量ダイオードＤ₁の接続点に一方の端子を接続するように、可変容量ダイオードＤ₁と第２インダクタＬ₁₂とが並列接続されて可変リアクタンスＺｎ₁を構成している。可変リアクタンスＺｎ₁は、Ｄ−Ａ変換器５２を介して、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）５８に接続されている。同様に、パラサイト素子ＰＥ２には、第１インダクタＬ₂₁と可変容量ダイオードＤ₂の直列回路が接続され、第１インダクタＬ₂₁と可変容量ダイオードＤ₁の接続点に一方の端子を接続するように、可変容量ダイオードＤ₂と第２インダクタＬ₂₂とが並列接続されて可変リアクタンスＺｎ₂を構成している。可変リアクタンスＺｎ₂は、Ｄ−Ａ変換器５３を介して、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）５８に接続されている。

ベースバンド信号生成部１は、活性素子ＲＥに接続された低雑音増幅器４７と、低雑音増幅器４７に接続されたミキサ４８、ミキサ４８に接続された局部発振器４９を備える。ミキサ４８は、低雑音増幅器４７の出力するＲＦ信号と局部発振器４９の出力するＲＦ信号とを混合し、例えば２００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの中間周波数（ＩＦ）の信号を生成する。

ミキサ４８で混合された活性素子ＲＥが捉えたＲＦ信号と局部発振器４９の出力するＲＦ信号とは、ＩＦフィルタ４２に伝達される。ＩＦフィルタ４２には、増幅器５０が接続され、増幅器５０には、包絡線検波器５１が接続されている。ＩＦフィルタ４２により、活性素子ＲＥが捉えたＲＦ信号と局部発振器４９の出力するＲＦ信号との差の周波数が抽出され、増幅器５０により、差の周波数であるＩＦ信号が増幅され、安定化される。このＩＦ信号は、包絡線検波器５１によりＡＭ検波され、例えば１０ＭＨｚ以下のベースバンドベースバンド信号が生成される。ベースバンド信号は、ベースバンドフィルタ４３に入力される。ベースバンドフィルタ４３を介したベースバンド信号は、更に、Ａ−Ｄ変換器５５でディジタル信号に変換され、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）５８に入力される。

即ち、ベースバンドフィルタ４３を介して抽出されたベースバンド信号は、Ａ−Ｄ変換器５５により、ディジタルのベースバンド信号となり、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）５８により信号処理され、図３に示した受信信号Ｓ_Rと規範信号Ｓ_Sが生成される。そして、この受信信号Ｓ_Rと規範信号Ｓ_Sを用いて、第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２の可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂のそれぞれの接地リアクタンス値が制御され、適応ビームが形成される。

図２には、本発明の第１の実施の形態に係るアダプティブアンテナの具体例として、自動車１００のボンネットに、モノポールアンテナ（ロッドアンテナ）の構造をなす活性素子ＲＥと、モノポールアンテナ（ロッドアンテナ）の構造をなす第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２が、活性素子ＲＥから空間的に分離して、等間隔リニアアレイとして、実装された例を示している。無限地板上のモノポールアンテナを仮定すると、活性素子（アンテナ）ＲＥとパラサイト素子ＰＥ１との間隔ｄ、及び活性素子（アンテナ）ＲＥとパラサイト素子ＰＥ２との間隔ｄは、活性素子ＲＥが受信する無線信号の搬送波（キャリア）の波長λに対し、それぞれ０．１λ程度が好ましい（後述する図７（ａ）に示すように、間隔ｄを、０．０５λから０．３λまで変化させたとき最も干渉能力が高くなる値としてｄ＝０．１λが、経験則として求められる。）。ここで「０．１λ程度」とは、無線信号の搬送波の波長λの１／１５以下、１／４以上の距離を意味する。周波数帯域７６−１０８ＭＨｚの自動車用ＦＭアンテナでは、０．１λは３０−４０ｃｍとなり、十分、自動車１００に実装可能な値である。

但し、本発明の第１の実施の形態に係るアダプティブアンテナは、図２に示すような、互いに所定の間隔ｄで互いに直線上に配置された１対の円柱状の導電体棒に限定されるものではなく、平面アンテナ（パッチアンテナ）を含めた種々のアンテナ構造が採用可能である。自動車用の用途に限定しても、図２に示すロッドアンテナの他、自動車の屋根の前端か後端に設置され、樹脂コートされたルーフアンテナ、自動車のＡピラーに内蔵され、金属製アンテナを手動で引き出すタイプのピラーアンテナや、リアウィンドウやリアサイドウィンドウ等に貼られるフィルム状のガラスアンテナでも良い。

図１〜図３に示す第１の実施の形態に係るアダプティブアンテナでは、空中から捉えた無線信号の取り出しは活性素子ＲＥからのみ行われ、第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２からの無線信号の取り出しは行われない。第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２は、全体の指向性パターンを制御し、適応ビームを形成するために設けられている。「適応ビームを形成」とは、主ビームを所望波到来方向へ向ける、ヌル点を干渉波到来方向へ向ける、信号対干渉雑音比ＳＩＮＲを最大にするような指向性制御をいう。

図３において、可変リアクタンスＺｎ₁は、図１に示した第１インダクタＬ₁₁と可変容量ダイオードＤ₁の直列回路と、可変容量ダイオードＤ₁に並列接続された第２インダクタＬ₁₂で構成され、可変リアクタンスＺｎ₂は、図１に示した第１インダクタＬ₂₁と可変容量ダイオードＤ₂の直列回路と、可変容量ダイオードＤ₁に並列接続された第２インダクタＬ₂₂等で構成されている。

そして、可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂の接地リアクタンス値を変化させるための可変リアクタドライバ５（図３参照。）が、各可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂にそれぞれ接続される。可変リアクタドライバ５は、可変容量ダイオードＤ₁、Ｄ₂に対して逆バイアス電圧を印加し、容量を変化させる可変電圧直流電源である。可変リアクタドライバ５により、可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂に印加する電圧をそれぞれ変化し、それぞれのバラクタ回路の可変容量ダイオードＤ₁、Ｄ₂の容量値を独立に変化させ、接地リアクタンス値を、それぞれ所望の値になるように独立に制御する。これにより、直線上に配置されたモノポールアンテナからなる第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２上の励振電流振幅・位相を変化させ、アダプティブアンテナの平面指向性特性を変化させることができる。可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂のそれぞれに直列に固定の第１インダクタＬ₁₁、Ｌ₂₁、を挿入しているので、可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂の接地リアクタンス値は、正から負の値までの範囲の値をとることができる。可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂を、容量性の回路素子とすれば、接地リアクタンス値は常に負の値となる。いずれにせよ、可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂は、上述した抵抗、第１インダクタＬ₁₁、Ｌ₂₁、第２インダクタＬ₁₂、Ｌ₂₂、及び可変容量ダイオードＤ₁、Ｄ₂からなる回路に限定されず、接地リアクタンス値を制御可能な素子であれば良い。

図３に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る適応指向性受信装置においては、ベースバンド信号生成部１には、目的関数生成装置３が接続され、目的関数生成装置３の出力は、アンテナ制御部４に接続されている。図３に示す目的関数生成装置３及びアンテナ制御部４は、論理的構成としては、図１に示すディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）５８の内部回路に対応する。一方、物理的構成としては、図３に示すベースバンド信号生成部１、目的関数生成装置３及びアンテナ制御部４をすべてカーラジオ（ＦＭ受信機）の内部に実装する等の態様が可能である。

アンテナ制御部４の出力は、可変リアクタドライバ５に接続され、可変リアクタドライバ５の出力は、第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２のそれぞれの可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂に接続されている。可変リアクタドライバ５も、ベースバンド信号生成部１、目的関数生成装置３及びアンテナ制御部４と共に、カーラジオ（ＦＭ受信機）に内蔵するようにしても良い。

ベースバンド信号生成部１では、活性素子ＲＥからの受信信号Ｓ_Rを復調すると共に、所望信号の既知の符号系列を規範信号Ｓ_Sとして発生する。例えば、所望波がアナログＦＭのように包絡線が一定である変調方式の場合には定振幅性に着目した規範信号Ｓ_Sを生成することによりブラインドビーム形成が可能である。例えば、「希望信号の包絡線が一定である」という事前知識のみを用いた定包絡線基準によるアルゴリズムである定包絡線信号用アルゴリズム(Constant Modulus Algorithm：ＣＭＡ)の評価関数Ｑ(Ｘ)は、ｐ、ｑを正の整数として：
Ｑ(Ｘ)＝Ｅ［||ｙ（ｔ）|^p−σ^p|^q］ ・・・・・（１）
である。Ｘ＝［ｘ_１ｘ_２］は、第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２にそれぞれ接続される負荷、ｙ（ｔ）はアンテナ出力で：
ｙ（ｔ）＝[(Ｕ＋ＹＺ)^-1ｙ₀]^TＡＳ(ｔ) ・・・・・（２）
で表される。Ｕは単位行列、Ｙは開口アドミタンス行列、Ｚ＝diag（Ｘ）、ｙ₀はＹの第１列のベクトル、Ａ＝［ａ（ψ₁）…ａ（ψ_D）］は方向行列でａ（ψ_d）は第ｄ波のステアリングベクトル、Ｓ（ｔ）＝［ｓ₁（ｔ）…ｓ_D（ｔ）］^Tは信号ベクトル、σは所望の包絡線値である。ＹはＮＥＣ２によるモーメント法で求める。ｐ、ｑは正の整数で、本発明の第１の実施の形態ではｐ＝ｑ＝２とする。フェージングを考慮し、σは短区間平均値を用いる。評価関数Ｑを最小化するＸを直接探索法で求める。

ベースバンド信号生成部１から出力した受信信号Ｓ_Rと規範信号Ｓ_Sは、目的関数生成装置３へ入力される。目的関数生成装置３は、例えば、受信信号Ｓ_Rと規範信号Ｓ_Sの相関をとり、規範信号Ｓ_Sと受信信号Ｓ_Rの相関係数を目的関数（評価関数）Ｑとして出力する相関器が採用可能である。相関器以外に、目的関数生成装置３は、規範信号Ｓ_Sと受信信号Ｓ_Rの差電力を目的関数（評価関数）Ｑとして出力するようにしても良い。目的関数（評価関数）Ｑとしては、その他、信号対干渉雑音比ＳＩＮＲが採用可能であるが、以後の説明は、目的関数（評価関数）Ｑは、規範信号Ｓ_Sと受信信号Ｓ_Rの相関係数であるとして記載する。目的関数生成装置３の出力した目的関数（評価関数）Ｑは、アンテナ制御部４へ入力される。

アンテナ制御部４は、入力された目的関数（評価関数）Ｑが、最適値（最大又は最小）になるように、直接探索法、勾配法、逐次探索法、或いは遺伝的アルゴリズムによって探索する。「直接探索法」は、最適化問題を解く方法であり、
（ａ）目的関数の勾配を必要としない、
（ｂ）数学的に収束が保証されている、
（ｃ）中庸な収束が得られることである、
のような特徴があるので、以下では、直接探索法を用いる場合について説明するが、アンテナ制御部４の処理のアルゴリズムは、直接探索法に限定する必要はない。

直接探索法は、現在点の周りの一組の点（「メッシュ」という。）を探索し目的関数が現在点より低い値を探す。低い点があれば、現在点を低い点に移し、メッシュを拡大して探索を続け、低い値がなければメッシュを縮小し再探索する手順を繰り返し、目的関数（評価関数）Ｑを最小にする。目的関数（評価関数）Ｑの逆数或いはＱの負値を用いれば最大値を探索することができる。

このため、アンテナ制御部４は、第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２の初期値及び初期設定での目的関数値Ｏ₀を計算する初期設定手段１１、第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２に対応したメッシュを作成するメッシュ作成手段１２、各メッシュポイントでの目的関数値Ｏ₁−Ｏ₄を計算し評価する（ポーリングする）ポーリング手段１３、現在の最適値とポーリングの結果を比較する最適値/ポーリング結果比較手段１４、現在の最適値とポーリングの結果を比較し、低い点（又は高い点）があれば、現在最適値を低い点（又は高い点）に更新し、メッシュサイズを拡大し、低い値（又は高い値）がなければメッシュサイズを縮小するメッシュサイズ変更手段１５、収束判定をする収束判定手段１６を備える。これらの初期設定手段１１、メッシュ作成手段１２、ポーリング手段１３、最適値/ポーリング結果比較手段１４、メッシュサイズ変更手段１５、収束判定手段１６は、専用のハードウェア（論理回路）で構成しても良く、汎用のプロセッサを用い、それを制御するソフトウェアにより等価な機能を実現するように、構成しても良い。

アンテナ制御部４は、直接探索法によって探索した結果を、可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂の値を最適化するための制御信号Ｓc₁、Ｓc₂として生成する。アンテナ制御部４が、生成した個々の制御信号Ｓc₁、Ｓc₂は、可変リアクタドライバ５へ出力される。可変リアクタドライバ５は、各可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂のリアクタンスを最適化するために、それぞれの可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂にリアクタンス制御用電圧Ｖ₁、Ｖ₂を出力する。

図４に示すフローチャートを用いて、本発明の第１の実施の形態に係るアダプティブアンテナの制御方法、即ち、アンテナ制御部４による可変リアクタンスＺｎ₁、Ｚｎ₂の値を最適化し、これにより主ビームを所望波到来方向へ向け、ヌル点を干渉波到来方向へ向け、信号対干渉雑音比ＳＩＮＲを最大にする指向性制御（最適値が最大値の場合）について、説明する。目的関数を相関値とする場合、相関値の逆数を目的関数とし最小化する。目的関数（評価関数）Ｑが、信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの場合は、アンテナ制御部４は、入力された目的関数（評価関数）Ｑが、最大になるように、直接探索法によって探索する。目的関数（評価関数）Ｑは、規範信号Ｓ_Sと受信信号Ｓ_Rの差電力である場合は、アンテナ制御部４は、入力された目的関数（評価関数）Ｑが、最小になるように、直接探索法によって探索する。

（イ）先ず、ステップＳ１０１において、アンテナ制御部４の初期設定手段１１は、ｊ＝１、Ｋ_j＝１、Ｚ_j＝［Ｚ₁，Ｚ₂］＝０として、第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２の初期値を設定する。更に、この初期設定での目的関数値Ｏ₀を計算する、
（ロ）次に、ステップＳ１０２において、アンテナ制御部４のメッシュ作成手段１２は、第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２に対応したメッシュポイントを作成する。第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２は、モノポールアンテナであり、互いに直線上に配置されたモノポールアンテナからなる非励振素子からなるので、４個のメッシュポイントが作成される。

（ハ）そして、ステップＳ１０３において、アンテナ制御部４のポーリング手段１３は、各メッシュポイントでの目的関数値Ｏ₁−Ｏ₄を計算し評価する（ポーリングする）。

（ニ）ステップＳ１０４において、ｊ＝ｊ＋１とインクリメントした後、ステップＳ１０５において、アンテナ制御部４の最適値/ポーリング結果比較手段１４は、現在の最適値とポーリングの結果を比較する。即ち、各メッシュポイントでの目的関数値Ｏ₁−Ｏ₄の内、初期設定での目的関数値Ｏ₀より小さな値があるか否か判断する。

（ホ）各メッシュポイントでの目的関数値Ｏ₁−Ｏ₄の内、初期設定での目的関数値Ｏ₀より小さな値があればステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６において、アンテナ制御部４のメッシュサイズ変更手段１５は、現在最適値Ｏ_jを低い点Ｚ_jに更新し、Ｋ_jを１．４*Ｋ_j-1としてメッシュサイズを、１．４の倍数で拡大する。

（ヘ）各メッシュポイントでの目的関数値Ｏ₁−Ｏ₄の内、初期設定での目的関数値Ｏ₀より小さな値がなければ、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７において、アンテナ制御部４のメッシュサイズ変更手段１５は、Ｋ_jをＫ_j-1／１．４として、メッシュサイズを１．４の倍数で縮小する。

（ト）そして、ステップＳ１０８において、アンテナ制御部４の収束判定手段１６は、収束判定をし、終了条件を１つでも満たせば終了とする。通常、メッシュサイズが許容誤差範囲に入ったときを終了条件すれば良い。終了条件を満たさなければ、ステップＳ１０２に戻り、メッシュポイントを作成する。

ＦＭ多重をＶＩＣＳ（登録商標）を想定し、入射信号を等振幅の最小シフトキーイング（ＭＳＫ）信号とし、開口のボアサイト方向から入射すると仮定して、図４に示すフローチャートに従い、直接探索法によって探索する。第１波を水平面の到来方向を０°に固定する。第１波の到来時間を１シンボルずらして干渉性のマルチパス波を生成し、到来方向を水平面３６０°で１０°ステップ毎ずらす。振幅は同一とする。

次に第１波を１０°とし、マルチパス波の到来方向を２０°から３５０°まで１０°毎ずらし、₃₆Ｃ₂＝６３０通りの組み合わせで干渉除去能力を評価する。短区間平均に用いたシンボル数は１０である。直接探索法の繰り返し数は最大３０、メッシュの拡大・縮小は１．４の倍数で行う。

図５（ａ）はパラサイト素子数が１の場合の収束パターンの一例で、図５（ｂ）はパラサイト素子数が２の場合の収束パターンの一例である。ここで第１波とマルチパス波の到来方向はそれぞれ０°、１８０°で、いずれも所望波、干渉波になりえる。

図６（ａ）はパラサイト素子数が１の場合の信号対雑音電力比ＳＮＲ＝３０ｄＢとしたときの期待できる信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの確率で、図６（ｂ）はパラサイト素子数が２の場合の信号対雑音電力比ＳＮＲ＝３０ｄＢとしたときの期待できる信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの確率である。図８には、本発明の第１の実施の形態の変形例に係るアダプティブアンテナの具体例として、自動車１０１のボンネットに、モノポールアンテナ（ロッドアンテナ）からなる活性素子ＲＥと、モノポールアンテナ（ロッドアンテナ）からなる１本のパラサイト素子ＰＥが、活性素子ＲＥから空間的に分離して配置された例を示している。図６（ａ）に示すように、パラサイト素子数１で６０％、図６（ｂ）に示すように、パラサイト素子数２で８２％の確率で信号対干渉雑音比ＳＩＮＲ＞１０ｄＢが期待できる。

図７（ａ）はパラサイト素子数が２の場合において、活性素子（アンテナ）ＲＥと第１パラサイト素子ＰＥ１との間隔ｄ及び活性素子（アンテナ）ＲＥと第２パラサイト素子ＰＥ２との間隔ｄをパラメータとしたときの期待できる信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの確率で、図７（ｂ）はパラサイト素子数が１の場合の活性素子（アンテナ）ＲＥとパラサイト素子ＰＥとの間隔ｄをパラメータとしたときの期待できる信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの確率である。図７（ａ）に示すように、パラサイト素子数２の場合、活性素子（アンテナ）ＲＥと第１パラサイト素子ＰＥ１又は第２パラサイト素子ＰＥ２との間隔ｄをｄ＝０．０５λからｄ＝０．３λまで変化させたとき、ｄ＝０．１λ程度が、最も干渉能力が高くなることが分かる。即ち、ｄ＝０．１λ、ｄ＝０．１５λ、ｄ＝０．２λでは、期待できる信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの確率はほぼ同程度であるが、ｄ＝０．３λまで間隔を増大すると、期待できる信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの確率が再び低下することが分かる。図７（ａ）では、詳細なデータの図示を省略しているが、概ね、無線信号の搬送波の波長λの１／１５以下、１／４以上の距離であれば、高い干渉能力が得られて好ましい。

一方、図７（ｂ）に示すように、パラサイト素子数１の場合は、活性素子（アンテナ）ＲＥとパラサイト素子ＰＥとの間隔ｄをｄ＝０．０５λ、ｄ＝０．１λ、ｄ＝０．２λと増大すると、期待できる信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの確率は次第に低下し、活性素子（アンテナ）ＲＥとパラサイト素子ＰＥとの間隔ｄが狭いほど、干渉能力が高くなることが分かる。理論上は、間隔ｄが狭いほど良いのであるが、受信する電波の波長やアンテナの機械的構造にもよるが、物理的な間隔ｄの最小値は、ｄ＝０．００１λ程度前後になるであろう。周波数帯域７６−１０８ＭＨｚの自動車用ＦＭアンテナでは、０．０１λはｄ＝３−４ｃｍ程度に対応し、０．００１λはｄ＝３−４ｍｍ程度に対応するからである。自動車用ＦＭアンテナの場合、ロッドアンテナ、ルーフアンテナ、ピラーアンテナ等ではｄ＝０．００５λ程度より狭くなると、機械的な構造が現実的な意味で実現が次第に困難になる。一方、リアウィンドウやリアサイドウィンドウ等に貼られるフィルム状のガラスアンテナでは、ｄ＝０．００１λに近い値でも、活性素子（アンテナ）ＲＥとパラサイト素子ＰＥとの間隔ｄとして採用可能になる。

本発明の第１の実施の形態に係る適応指向性受信装置によれば、わずか１本、又は２本のパラサイト素子ＰＥ；ＰＥ１、ＰＥ２でも高い干渉除去能力が期待できることが分かる。又、パラサイト素子ＰＥ；ＰＥ１、ＰＥ２の数が少ないため、直接探索の繰り返し数も２０以下で収束が早い。

特に、活性素子（アンテナ素子）ＲＥの出力を図１に示すように分岐すれば、従来のＦＭ受信機のアンテナ出力に直接接続して、簡単に本発明の第１の実施の形態に係る適応指向性受信装置を構成することができる。この場合、パラサイト素子の数が少ないため、直接探索の繰り返し数も２０以下で収束が早いという特徴から、ハードウェア構成も簡単になり、ＦＭ受信機の内部に、ベースバンド信号生成部１と共に、可変リアクタドライバ５、目的関数生成装置３及びアンテナ制御部４を簡単に組み込むことが可能である。

第１の実施の形態に係る適応指向性受信装置において、活性素子及びパラサイト素子に用いるアンテナの構造は、棒状の形状や構造に限定されず、ヘリカルや逆Ｆ型アンテナでも良い。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、第１の実施の形態においては、１セット及び２セットのパラサイト素子を用いた２素子アダプティブアンテナ及び３素子アダプティブアンテナを例示したが、３本以上の多数の素子を用いた構造でも構わない。但し、最適化の演算における繰り返し数が少なくなり、良好な収束特性を得ることが可能な点では、素子数が少ない方が好ましい。又、数だけでなく、第１パラサイト素子ＰＥ１及び第２パラサイト素子ＰＥ２の配置形状も図２に示した等間隔リニアアレイのトポロジーに限定されず、活性素子ＲＥから所定の距離だけ離れていれば良く、方形アレイ等でも構わない。

第１の実施の形態では、直接探索法について主に例示的に説明した。収束性が優れているという特徴からは、直接探索法が最も優れているが、本発明は、直接探索法に限定されるものと解釈すべきではなく、直接探索法以外の勾配法、逐次探索法、或いは遺伝的アルゴリズムを採用しても実現可能である。とりわけ、第１の実施の形態において説明した１セット又は２セットのパラサイト素子を用いた少素子数アダプティブアンテナでは、勾配法、逐次探索法、或いは遺伝的アルゴリズム等他の最適化アルゴリズムを採用しても、最適化の演算における繰り返し数が少なくなり、良好な収束特性を得ることが可能である。

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る適応指向性受信装置の概略構成を説明するブロック図である。 第１の実施の形態に係る３素子アダプティブアンテナの実装状態を例示する模式図である。 第１の実施の形態に係るアダプティブアンテナの制御部を含んだ論理的構造を説明するための概略的なブロック図である。 第１の実施の形態に係るアダプティブアンテナの制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。 図５（ａ）はパラサイト素子数が１の場合の、第１の実施の形態に係るアダプティブアンテナの収束パターンの一例で、図５（ｂ）はパラサイト素子数が２の場合の収束パターンの一例である。 図６（ａ）は、第１の実施の形態に係るアダプティブアンテナのパラサイト素子数が１の場合の期待できる信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの確率を示す図で、図６（ｂ）はパラサイト素子数が２の場合の信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの確率を示す図である。 図７（ａ）はパラサイト素子数が２の場合において、活性素子（アンテナ）とパラサイト素子との間隔ｄをパラメータとしたときの期待できる信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの確率を示す図で、図７（ｂ）はパラサイト素子数が１の場合の活性素子とパラサイト素子との間隔ｄをパラメータとしたときの期待できる信号対干渉雑音比ＳＩＮＲの確率を示す図である。 第１の実施の形態の変形例に係る２素子アダプティブアンテナの実装状態を例示する模式図である。

符号の説明

１…ベースバンド信号生成部
３…目的関数生成装置
４…アンテナ制御部
５…可変リアクタドライバ
１１…初期設定手段
１２…メッシュ作成手段
１３…ポーリング手段
１４…最適値/ポーリング結果比較手段
１５…メッシュサイズ変更手段
１６…収束判定手段
４２…ＩＦフィルタ
４３…ベースバンドフィルタ
４７…低雑音増幅器
４８…ミキサ
４９…局部発振器
５０…増幅器
５１…包絡線検波器
５２、５３…Ｄ−Ａ変換器
５５…Ａ−Ｄ変換器
５８…ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）
１００、１０１…自動車
６０…発振器
ＲＥ…活性素子（中心素子）
ＰＥ１〜ＰＥ６…パラサイト素子
Ｄ₁、Ｄ₂…可変容量ダイオード
Ｌ₁₁、Ｌ₂₁…第１インダクタ
Ｌ₁₂、Ｌ₂₂…第２インダクタ
ＰＥ…パラサイト素子
ＲＥ…活性素子

Claims (10)

1. 無線信号を空中から捉える活性素子と、
   該活性素子に接続され、前記無線信号から定包絡線信号用アルゴリズムを用いて規範信号と受信信号とを生成するベースバンド信号生成部と、
   前記ベースバンド信号生成部が生成した前記規範信号と前記受信信号から目的関数を生成する目的関数生成装置と、
   該目的関数生成装置が出力する目的関数を用いて、前記目的関数が最適値になる条件を探索するアンテナ制御部と、
   前記アンテナ制御部により、接地リアクタンス値が調整される１又は２以上のパラサイト素子、
   とを備え、前記パラサイト素子の接地リアクタンスを制御することにより、前記活性素子と前記パラサイト素子からなるアレイアンテナの指向性を制御しながら、前記無線信号を復調することを特徴とする適応指向性受信装置。
2. 前記アンテナ制御部は、直接探索法によって、前記目的関数が最適値になる条件を探索することを特徴とする請求項１に記載の適応指向性受信装置。
3. 前記活性素子と、前記無線信号の搬送波の波長の１／１０以下の距離、前記活性素子から空間的に分離され、前記アンテナ制御部により、接地リアクタンス値が調整されるパラサイト素子とで２素子のアレイアンテナが構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の適応指向性受信装置。
4. 前記活性素子と、前記無線信号の搬送波の波長の１／１５以下、１／４以上の距離で、前記活性素子からそれぞれ空間的に分離され、前記アンテナ制御部により、接地リアクタンス値がそれぞれ調整される第１及び第２パラサイト素子とで３素子のアレイアンテナが構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の適応指向性受信装置。
5. 前記活性素子及び前記パラサイト素子が自動車に搭載されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の適応指向性受信装置。
6. 前記ベースバンド信号生成部、前記目的関数生成装置及び前記アンテナ制御部がFM受信機に内蔵されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の適応指向性受信装置。
7. 自動車のボンネット、屋根の前端若しくは後端、Ａピラー、又はリアウィンドウ若しくはリアサイドウィンドウを用いて構成され、搭載される自動車用アンテナであって、
   無線信号を空中から捉える活性素子と、
   前記活性素子から空間的に分離された１又は２以上のパラサイト素子、
   とを備え、
   前記活性素子が空中から捉えた無線信号から定包絡線信号用アルゴリズムを用いて規範信号と受信信号とを生成し、前記規範信号と前記受信信号から目的関数を生成し、前記目的関数が最適値になる条件を探索して、前記パラサイト素子の接地リアクタンス値を制御することにより、前記活性素子と前記パラサイト素子からなるアレイアンテナの指向性を制御することを特徴とする自動車用アンテナ。
8. 直接探索法によって、前記目的関数が最適値になる条件を探索することを特徴とする請求項７に記載の自動車用アンテナ。
9. 無線信号を空中から捉える活性素子と、
   前記活性素子から空間的に分離された１又は２以上のパラサイト素子、
   とをボンネット、屋根の前端若しくは後端、Ａピラー、又はリアウィンドウ若しくはリアサイドウィンドウを用いて構成して搭載し、前記活性素子が空中から捉えた無線信号から定包絡線信号用アルゴリズムを用いて規範信号と受信信号とを生成し、前記規範信号と前記受信信号から目的関数を生成し、前記目的関数が最適値になる条件を探索して、前記パラサイト素子の接地リアクタンス値を制御することにより、前記活性素子と前記パラサイト素子からなるアレイアンテナの指向性を制御することを特徴とする自動車。
10. 直接探索法によって、前記目的関数が最適値になる条件を探索することを特徴とする請求項９に記載の自動車。

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