JP2010154489A - Array antenna - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a space correlation by utilizing a parameter other than an antenna element interval. <P>SOLUTION: A phase directivity pattern of antenna elements RA1, RA2, that an array antenna includes, is set to meet a relation where a phase of the phase directivity pattern of the antenna element at which a signal arrives first, is delayed from a phase of the phase directivity pattern of the antenna element at which a signal arrives later, so that a phase difference caused by the directivity pattern is added to a phase difference caused by a layout of the antenna elements. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナに関する。   The present invention relates to an array antenna composed of a plurality of antenna elements.

MIMO(Multiple Input Multiple Output)は、独立した空間伝送路(以下、「チャネル」と言う。)を複数用意することで、同時に同じ帯域で複数のデータストリームを伝送する技術である。なお、MIMOはIEEE802.11nやIEEE802.16eなどに規格として採用されている。また、LTE(Long Term Evolution)などの次世代の広帯域無線通信システムでは2多重を超える多重度のMIMOも計画されている。   MIMO (Multiple Input Multiple Output) is a technique for simultaneously transmitting a plurality of data streams in the same band by preparing a plurality of independent spatial transmission paths (hereinafter referred to as “channels”). MIMO is adopted as a standard in IEEE802.11n, IEEE802.16e, and the like. Further, in next-generation broadband wireless communication systems such as LTE (Long Term Evolution), MIMO with a multiplicity exceeding 2 is planned.

MIMO伝送では、送受信側の双方に複数のアンテナ素子を配置し、送受信側双方のアンテナ素子間隔を複数のチャネルが互いに独立であるとみなせる程度にまで広げる必要がある。これは、チャネルが互いに独立であることによって、各チャネルの最大伝送速度の総和までMIMO伝送の伝送速度を向上させることができるためである。
チャネルが互いに独立かどうかを示す指標として空間相関があり(例えば、非特許文献1参照。)、チャネルが互いに独立であればあるほど空間相関は小さい値になる。例えば、2多重で、送信側のアンテナ素子及び受信側のアンテナ素子の夫々が2本の場合の空間相関ρ12は、チャネル応答ベクトルを夫々下記の式(1),(2)とすると、下記の式(3)で表される。
In MIMO transmission, it is necessary to dispose a plurality of antenna elements on both the transmitting and receiving sides and to widen the antenna element spacing on both the transmitting and receiving sides to such an extent that the plurality of channels can be regarded as independent from each other. This is because the transmission rate of the MIMO transmission can be improved up to the sum of the maximum transmission rates of each channel because the channels are independent of each other.
There is a spatial correlation as an index indicating whether or not the channels are independent from each other (see, for example, Non-Patent Document 1), and the spatial correlation becomes smaller as the channels are independent from each other. For example, the spatial correlation ρ 12 in the case of two multiplexing and two antenna elements on the transmitting side and two on the receiving side is expressed as follows when the channel response vectors are expressed by the following equations (1) and (2), respectively. (3)

Figure 2010154489
Figure 2010154489

Figure 2010154489
Figure 2010154489

Figure 2010154489

但し、h11,h12,h21,h22の夫々はチャネル応答であり(図1参照。)、振幅及び位相を含んだ複素数である。また、正規化後の空間相関は0から1の間の値となる。なお、上添え字は転置を示し、上添え字は複素共役転置を示し、上添え字は複素共役を示す。
Figure 2010154489

However, h 11 , h 12 , h 21 , and h 22 are channel responses (see FIG. 1), which are complex numbers including amplitude and phase. The normalized spatial correlation is a value between 0 and 1. The superscript T indicates transposition, the superscript H indicates complex conjugate transpose, and the superscript * indicates complex conjugate.

空間相関を下げるためには、h11とh21との間の位相差、及びh12とh22との間の位相差を大きくする必要があり、そのためにはアンテナ素子間隔を広げる必要があり、例えばアンテナ素子はその間隔が0.5波長になるように配置される。ところで、2.5GHz帯を無線通信に使用した場合、2.5GHzでの0.5波長は6cmであることから、空間相関の劣化を回避するために、2本のアンテナ素子はその間隔が6cmになるように配置される。 In order to reduce the spatial correlation, it is necessary to increase the phase difference between h 11 and h 21 and the phase difference between h 12 and h 22. For this purpose, it is necessary to widen the antenna element interval. For example, the antenna elements are arranged so that the interval is 0.5 wavelength. By the way, when the 2.5 GHz band is used for wireless communication, the 0.5 wavelength at 2.5 GHz is 6 cm. Therefore, in order to avoid the deterioration of spatial correlation, the distance between the two antenna elements is 6 cm. It is arranged to become.

田中,大鐘,小川,“アダプティブアレーを用いたSDMA方式におけるチャネル割当基準”,電子情報通信学会論文誌(B),vol.J82-B,no.11,pp.2133-2141,Nov.1999.Tanaka, Ogane, Ogawa, “Channel Allocation Criteria for SDMA with Adaptive Array”, IEICE Transactions (B), vol.J82-B, no.11, pp.2133-2141, Nov.1999.

しかしながら、多重度が増大すればこれに合わせて必要なアンテナ素子の数が増加し、例えば4多重のMIMOの場合には4本のアンテナ素子が必要になる。このため、例えば4多重のMIMOを携帯電話機などの通信機器に適用した場合には、通信機器の寸法からくる制約により、4本のアンテナ素子を0.5波長分間隔を空けて配置し難くなることが想定される。   However, if the multiplicity increases, the number of necessary antenna elements increases accordingly. For example, in the case of four-multiplex MIMO, four antenna elements are required. For this reason, for example, when four-multiplex MIMO is applied to a communication device such as a mobile phone, it is difficult to arrange the four antenna elements with an interval of 0.5 wavelengths due to restrictions imposed by the size of the communication device. It is assumed that

また、2多重の場合であっても、例えば、通信機器の寸法によっては、また、無線通信に利用する帯域によっては、2本のアンテナ素子を0.5波長分間隔を空けて配置することが難しいこともある。
なお、MIMO以外の例えばSIMO(Simple Input Multiple Output)などの無線通信においても受信側のアンテナ素子においては同様のことが言える。
Also, even in the case of two multiplexing, for example, depending on the size of the communication device and depending on the band used for wireless communication, two antenna elements may be arranged with an interval of 0.5 wavelength. It can be difficult.
The same can be said for the antenna element on the receiving side in wireless communication other than MIMO such as SIMO (Simple Input Multiple Output).

そこで、本発明は、アンテナ素子間隔以外のパラメータを利用して空間相関を小さくすることが可能なアレーアンテナを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an array antenna that can reduce spatial correlation using parameters other than the antenna element spacing.

上記目的を達成するために本発明のアレーアンテナは、M(Mは2以上の整数)本のアンテナ素子を備えるアレーアンテナであって、各前記アンテナ素子は指向性アンテナであり、前記アンテナ素子の位相指向性パターンが互いに異なるように、各アンテナ素子の位相指向性パターンが設定されている。   In order to achieve the above object, an array antenna of the present invention is an array antenna including M (M is an integer of 2 or more) antenna elements, and each of the antenna elements is a directional antenna. The phase directivity pattern of each antenna element is set so that the phase directivity patterns are different from each other.

上記のアレーアンテナによれば、アンテナ素子間の位相指向性パターンが互いに異なるため、同じアンテナ素子間隔であっても空間相関を小さくすることができる可能性がある。   According to the array antenna described above, since the phase directivity patterns between the antenna elements are different from each other, there is a possibility that the spatial correlation can be reduced even with the same antenna element spacing.

第1の実施の形態の無線通信システムのシステム構成図。The system block diagram of the radio | wireless communications system of 1st Embodiment. 図1の携帯電話機の構成図。The block diagram of the mobile telephone of FIG. 図1のアンテナ素子に用いられる電子制御導波器アンテナの模式図。The schematic diagram of the electronically controlled waveguide antenna used for the antenna element of FIG. 図1のアンテナ素子に用いられる電子制御導波器アンテナのバラクタダイオードのリアクタンス値の関係を示す図。The figure which shows the relationship of the reactance value of the varactor diode of the electronically controlled waveguide antenna used for the antenna element of FIG. (a)は図1のアンテナ素子の振幅指向性パターンを示す図であり、(b)はその位相指向性パターンを示す図。(A) is a figure which shows the amplitude directivity pattern of the antenna element of FIG. 1, (b) is a figure which shows the phase directivity pattern. 図1のアンテナ素子A1とアンテナ素子A2との受信信号の位相差を説明するための図。The figure for demonstrating the phase difference of the received signal of antenna element A1 and antenna element A2 of FIG. アンテナ素子の他の指向性を示す図。The figure which shows the other directivity of an antenna element. (a)は4本のアンテナ素子の振幅指向性パターンを示す図であり、(b)はその位相指向性パターンを示す図。(A) is a figure which shows the amplitude directivity pattern of four antenna elements, (b) is a figure which shows the phase directivity pattern. 第2の実施の形態の受信装置が備えるアンテナ素子に用いられる電子制御導波器アンテナの模式図。The schematic diagram of the electronically controlled waveguide antenna used for the antenna element with which the receiver of 2nd Embodiment is provided. 第2の実施の形態の受信装置が備えるアンテナ素子に用いられる電子制御導波器アンテナのバラクタダイオードのリアクタンス値の関係を示す図。The figure which shows the relationship of the reactance value of the varactor diode of the electronically controlled waveguide antenna used for the antenna element with which the receiver of 2nd Embodiment is provided. (a)は第2の実施の形態の受信装置が備えるアンテナ素子の振幅指向性パターンを示す図であり、(b)はその位相指向性パターンを示す図。(A) is a figure which shows the amplitude directivity pattern of the antenna element with which the receiver of 2nd Embodiment is provided, (b) is a figure which shows the phase directivity pattern.

≪第1の実施の形態≫
以下、本発明の第1の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
<無線通信システム>
本実施の形態の無線通信システムについて図1を参照しつつ説明する。図1は本実施の形態の無線通信システムのシステム構成図である。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Wireless communication system>
A radio communication system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a system configuration diagram of a radio communication system according to the present embodiment.

基地局Tはアンテナ素子TA1,TA2を備え、携帯電話機Rはアンテナ素子RA1,RA2を備える。但し、アンテナ素子TA1,TA2によってアレーアンテナが構成され、アンテナ素子RA1,RA2によってアレーアンテナが構成される。
基地局Tから携帯電話機Rへの無線通信では、図1に示す4つのチャネルが形成され、夫々のチャネル応答を、図1に示すように、h11,h21,h12,h22で表す。チャネル応答h11,h21,h12,h22は、夫々、送受信点間の振幅及び位相の変動量を示す複素数であり、それらには送信側及び受信側のアンテナ素子の振幅特性及び位相特性も含まれる。本実施の形態は、チャネル応答h11とチャネル応答h21との位相差及びチャネル応答h12とチャネル応答h22との位相差を大きくして空間相関を小さくするために、アンテナ素子RA1,RA2の位相特性に異なる指向性を持たせるものである。
The base station T includes antenna elements TA1 and TA2, and the mobile phone R includes antenna elements RA1 and RA2. However, the antenna elements TA1 and TA2 constitute an array antenna, and the antenna elements RA1 and RA2 constitute an array antenna.
In the wireless communication from the base station T to the mobile phone R, four channels shown in FIG. 1 are formed, and the respective channel responses are represented by h 11 , h 21 , h 12 , and h 22 as shown in FIG. . The channel responses h 11 , h 21 , h 12 , and h 22 are complex numbers that indicate fluctuation amounts of amplitude and phase between transmission and reception points, respectively, and include amplitude characteristics and phase characteristics of antenna elements on the transmission side and reception side. Is also included. In this embodiment, in order to increase the phase difference between the channel response h 11 and the channel response h 21 and the phase difference between the channel response h 12 and the channel response h 22 to reduce the spatial correlation, the antenna elements RA1, RA2 The phase characteristics of the light have different directivities.

以下では、基地局Tから携帯電話機Rへの下り通信に着目し、更には受信側の携帯電話機Rのアンテナ素子RA1,RA2の振幅指向性及び位相指向性に着目して説明する。
<携帯電話機>
以下、図1の携帯電話機Rの構成について図2を参照しつつ説明する。図2は図1の携帯電話機Rの構成図である。
In the following description, attention will be focused on downlink communication from the base station T to the mobile phone R, and further focusing on the amplitude directivity and phase directivity of the antenna elements RA1 and RA2 of the mobile phone R on the receiving side.
<Mobile phone>
Hereinafter, the configuration of the mobile phone R in FIG. 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a configuration diagram of the mobile phone R in FIG.

携帯電話機Rは、アンテナ素子RA1,RA2、フロントエンド部11,12、チャネル推定部13、ウェイト生成部14、分離合成部15及び復調部16を備える。なお、携帯電話機Rは、アンテナ素子RA1,RA2を除いては、一般的な構成を利用でき、アンテナ素子RA1,RA2の詳細は後述するものとして、ここでは、各構成要素の概略を説明するに留める。   The mobile phone R includes antenna elements RA1 and RA2, front end units 11 and 12, a channel estimation unit 13, a weight generation unit 14, a separation / synthesis unit 15, and a demodulation unit 16. The cellular phone R can use a general configuration except for the antenna elements RA1 and RA2, and the details of the antenna elements RA1 and RA2 will be described later. Here, the outline of each component will be described. stop.

アンテナ素子RA1,RA2は、指向性アンテナであり、後述するように可変指向性アンテナの一つである電子制御導波器アンテナが用いられる。但し、アンテナ素子RA1とアンテナ素子RA2とは例えば0.25波長分間隔を空けて配される。
フロントエンド部11,12は、アンテナ素子RA1,RA2で受信されたRF(Radio Frequency)信号に対してゲイン調整や周波数変換などを施して例えばベースバンド帯の受信信号を出力する。
The antenna elements RA1 and RA2 are directional antennas, and electronically controlled waveguide antennas that are one of variable directional antennas are used as will be described later. However, the antenna element RA1 and the antenna element RA2 are arranged, for example, with an interval of 0.25 wavelengths.
The front end units 11 and 12 perform gain adjustment, frequency conversion, and the like on RF (Radio Frequency) signals received by the antenna elements RA1 and RA2, and output, for example, baseband reception signals.

チャネル推定部13は、フロントエンド部11,12から出力される受信信号中のプリアンブルを利用してチャネル応答h11,h21,h12,h22を推定する。そして、ウェイト生成部14はチャネル推定部13により推定されたチャネル応答h11,h21,h12,h22を用いてウェイトを生成する。なお、ウェイトの生成は、例えば最大比合成(Maximum Ratio Combining:MRC)や最小二乗誤差(Minimum Mean Square Error:MMSE)を利用することによって行われる。 The channel estimation unit 13 estimates channel responses h 11 , h 21 , h 12 , and h 22 using the preambles in the received signals output from the front end units 11 and 12 . Then, the weight generation unit 14 generates weights using the channel responses h 11 , h 21 , h 12 , h 22 estimated by the channel estimation unit 13. The weight is generated by using, for example, maximum ratio combining (MRC) or minimum mean square error (MMSE).

分離合成部15は、フロントエンド部11,12から出力される受信信号に対してウェイト生成部14で生成されたウェイトを用いて重み付けを行うことによって信号の分離及び合成を行い、基地局Tから送信された2つの送信信号を推定する。復調部16は分離合成部15から出力される2つの送信信号を復調する。
<アンテナ素子>
(構造)
図1のアンテナ素子RA1,RA2に用いられる電子制御導波器アンテナの構造について図3を参照しつつ説明する。図3は図1のアンテナ素子RA1,RA2に用いられる電子制御導波器アンテナの構造を示す模式図である。
The separation / combination unit 15 performs signal separation and synthesis by weighting the reception signals output from the front end units 11 and 12 using the weights generated by the weight generation unit 14. Two transmitted signals are estimated. The demodulator 16 demodulates the two transmission signals output from the separation / combination unit 15.
<Antenna element>
(Construction)
The structure of the electronically controlled waveguide antenna used for the antenna elements RA1 and RA2 in FIG. 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of an electronically controlled waveguide antenna used for the antenna elements RA1 and RA2 of FIG.

アンテナ素子RA1,RA2に用いられる電子制御導波器アンテナは素子間電磁結合を利用した可変指向性アンテナである。なお、電子制御導波器アンテナは、例えば、「橋口,程,飯草,TAILLEFER,平田,大平,“無線アドホックネットワーク用エスパアンテナの設計と試作,”電子情報通信学会論文誌(B),vol.J85-B, no.12, pp.2245-2256, Dec. 2002.」に開示されている。   The electronically controlled waveguide antenna used for the antenna elements RA1 and RA2 is a variable directivity antenna using inter-element electromagnetic coupling. Electronically controlled waveguide antennas are described in, for example, “Hashiguchi, Hodori, Iigusa, TAILLEFER, Hirata, Ohira,“ Design and Trial Production of ESPAR Antenna for Wireless Ad Hoc Networks, ”IEICE Transactions (B), vol. J85-B, no.12, pp.2245-2256, Dec. 2002. ”.

電子制御導波器アンテナは、交流電源32に接続されたモノポールの給電素子(中央素子)31の周辺にバラクタダイオード34,36,38付きの線状導体(周辺素子)33,35,37を配置した構造を有する。電子制御導波器アンテナは、バラクタダイオード34,36,38のリアクタンス値を変化させることによって、素子間電磁結合を変化させて指向性パターンを変化させるものである。但し、本実施の形態では、線状導体33,35,37は円周に沿う方向に120°(2π/3)間隔で配置されているものとする。   The electronically controlled waveguide antenna has linear conductors (peripheral elements) 33, 35, and 37 with varactor diodes 34, 36, and 38 around a monopole feeding element (central element) 31 connected to an AC power source 32. It has an arranged structure. The electronically controlled waveguide antenna changes the directivity pattern by changing the inter-element electromagnetic coupling by changing the reactance values of the varactor diodes 34, 36, and 38. However, in this embodiment, it is assumed that the linear conductors 33, 35, and 37 are arranged at intervals of 120 ° (2π / 3) in the direction along the circumference.

給電素子31と線状導体33,35,37とは、自由空間中で0.25波長程度離して配置することが好ましいが、給電素子31と線状導体33,35,37との間を誘電体39で埋めることによって、自由空間中に換算して0.025波長程度にまで間隔を狭めることが可能である。なお、2.5GHz帯を使用する場合には給電素子31と線状導体33,35,37との間隔は3mmである。   The feed element 31 and the linear conductors 33, 35, and 37 are preferably arranged at a distance of about 0.25 wavelength in free space, but a dielectric is provided between the feed element 31 and the linear conductors 33, 35, and 37. By filling with the body 39, the distance can be reduced to about 0.025 wavelength in free space. In addition, when using a 2.5 GHz band, the space | interval of the electric power feeding element 31 and the linear conductors 33, 35, and 37 is 3 mm.

(電子制御導波器アンテナの指向性及び給電素子での受信信号)
図3に構造を示した電子制御導波器アンテナの指向性及び給電素子での受信信号について説明する。
電子制御導波器アンテナの仰角θ且つ方位角φの方向の指向性パターンD(θ,φ)は下記の式(4)で表され、仰角θ且つ方位角φの方向からの到来信号に対する給電素子での受信信号y(t)は下記の式(5)で表される。なお、式(4)、(5)において、上添え字は転置を示す。
(Direction of electronically controlled waveguide antenna and received signal at feeding element)
The directivity of the electronically controlled waveguide antenna whose structure is shown in FIG. 3 and the received signal at the feed element will be described.
The directivity pattern D (θ, φ) in the direction of the elevation angle θ and the azimuth angle φ of the electronically controlled waveguide antenna is expressed by the following equation (4). The reception signal y (t) at the element is expressed by the following equation (5). In the equations (4) and (5), the superscript T indicates transposition.

Figure 2010154489
Figure 2010154489

Figure 2010154489
但し、a(θ,φ)は電子制御導波器アンテナのモードベクトルであり、下記の式(6)で表される。w(x,x,x)は電子制御導波器アンテナの素子間相互結合を含んだ等価ウェイトベクトルであり、下記の式(7)で表され、x,x,xはバラクタダイオード34,36,38のリアクタンス値である。s(t)は送信信号であり、hは送信点から電子制御導波器アンテナの給電素子までのチャネル応答(アンテナ素子の指向性を除いたチャネル応答)である。
Figure 2010154489
However, a (θ, φ) is a mode vector of the electronically controlled waveguide antenna and is expressed by the following equation (6). w (x 1 , x 2 , x 3 ) is an equivalent weight vector including the mutual coupling between elements of the electronically controlled waveguide antenna, and is expressed by the following equation (7), and x 1 , x 2 , x 3 Is the reactance value of the varactor diodes 34, 36, 38. s (t) is a transmission signal, and h s is a channel response (a channel response excluding the directivity of the antenna element) from the transmission point to the feeding element of the electronically controlled waveguide antenna.

Figure 2010154489
但し、βは伝搬定数(=2π/λ)、dは給電素子と線状導体間の間隔である。
Figure 2010154489
Where β is a propagation constant (= 2π / λ), and d is the distance between the feed element and the linear conductor.

Figure 2010154489

但し、zは送受信機の入出力インピーダンスである。Zは給電素子及び線状導体間のインピーダンス行列であり、下記の式(8)で表される。Xは送受信機の入出力インピーダンスとバラクタダイオードのリアクタンス値を成分とする対角行列であり、下記の式(9)で表される。uは単位ベクトルであり、下記の式(10)で表される。なお、式(10)において、上添え字は転置を示す。
Figure 2010154489

Where z s is the input / output impedance of the transceiver. Z is an impedance matrix between the feed element and the linear conductor, and is represented by the following formula (8). X is a diagonal matrix whose components are the input / output impedance of the transceiver and the reactance value of the varactor diode, and is represented by the following equation (9). u 0 is a unit vector and is expressed by the following equation (10). In equation (10), the superscript T indicates transposition.

Figure 2010154489
但し、Zの各要素は複素パラメータであり、z00は給電素子の自己入力インピーダンス、z01は給電素子と線状導体間結合インピーダンス、z11は線状導体の自己入力インピーダンス、z12は隣接する線状導体間結合入力インピーダンスである。
Figure 2010154489
However, each element of the Z is a complex parameter, z 00 is self-input impedance of the feed element, z 01 is between the feed element and the linear conductor coupling impedance, z 11 is self-input impedance of the linear conductors, z 12 adjacent It is a coupling input impedance between linear conductors.

Figure 2010154489
Figure 2010154489

Figure 2010154489
上記のw(x,x,x)はリアクタンス値x,x,xの関数であるため、w(x,x,x)はリアクタンス値x,x,xによって変化し、指向性パターンD(θ,φ)はリアクタンス値x,x,xによって変化する(式(4)参照。)。従って、リアクタンス値x,x,xを調整することによって、所望の指向性パターンD(θ,φ)を得ることが可能である。つまり、リアクタンス値x,x,xを調整することによって、所望の振幅指向性パターンを得ることができ、また、所望の位相指向性パターンを得ることができる。
Figure 2010154489
Since w (x 1 , x 2 , x 3 ) is a function of the reactance values x 1 , x 2 , x 3 , w (x 1 , x 2 , x 3 ) is a reactance value x 1 , x 2 , x 3 , varies with x 3, the directivity pattern D (theta, phi) is changed by the reactance values x 1, x 2, x 3 ( formula (4) reference.). Therefore, it is possible to obtain a desired directivity pattern D (θ, φ) by adjusting the reactance values x 1 , x 2 , x 3 . That is, by adjusting the reactance values x 1 , x 2 , and x 3 , a desired amplitude directivity pattern can be obtained, and a desired phase directivity pattern can be obtained.

(電子制御導波器アンテナの指向性の具体例)
本実施の形態で利用するアンテナ素子RA1,RA2の指向性パターンについて図4及び図5を参照しつつ説明する。図4はアンテナ素子RA1とアンテナ素子RA2のバラクタダイオード34,36,38のリアクタンス値の関係を示す図である。図5(a)はアンテナ素子RA1,RA2の振幅指向性パターンを示す図であり、図5(b)はアンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンを示す図である。但し、以下において記載する水平面方位角は、上記の(電子制御導波器アンテナの指向性)における方位角φに相当する。
(Specific example of directivity of electronically controlled waveguide antenna)
The directivity patterns of the antenna elements RA1 and RA2 used in the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a diagram showing a relationship between reactance values of the varactor diodes 34, 36, and 38 of the antenna element RA1 and the antenna element RA2. FIG. 5A is a diagram showing amplitude directivity patterns of the antenna elements RA1 and RA2, and FIG. 5B is a diagram showing phase directivity patterns of the antenna elements RA1 and RA2. However, the horizontal plane azimuth described below corresponds to the azimuth φ in the above (directivity of the electronically controlled waveguide antenna).

アンテナ素子RA1,RA2のバラクタダイオード34,36,38が接続された線状導体33,35,37は、水平面方位角φが90°(π/2),210°(7π/6),330°(11π/6)の位置に配されている。
図4に示すように、アンテナ素子RA1のバラクタダイオード34、36、38のリアクタンス値をx,x,xに設定する(x=x,x=x,x=x)。但し、上述したように、バラクタダイオード34、36、38のリアクタンス値を調節することによって所望の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンが得られる。そこで、アンテナ素子RA1の振幅指向性パターンが図5(a)になるように、その位相指向性パターンが図5(b)になるように、バラクタダイオード34、36、38のリアクタンス値を調節し、その結果としてバラクタダイオード34、36、38のリアクタンス値としてx,x,xが得られたとする。
The linear conductors 33, 35, and 37 connected to the varactor diodes 34, 36, and 38 of the antenna elements RA1 and RA2 have horizontal plane azimuth angles φ of 90 ° (π / 2), 210 ° (7π / 6), and 330 °. It is arranged at a position of (11π / 6).
As shown in FIG. 4, the reactance values of the varactor diodes 34, 36, and 38 of the antenna element RA1 are set to x a , x b , and x c (x 1 = x a , x 2 = x b , x 3 = x c ). However, as described above, the desired amplitude directivity pattern and phase directivity pattern can be obtained by adjusting the reactance values of the varactor diodes 34, 36, and 38. Therefore, the reactance values of the varactor diodes 34, 36, and 38 are adjusted so that the amplitude directivity pattern of the antenna element RA1 is as shown in FIG. 5A and the phase directivity pattern is as shown in FIG. 5B. As a result, it is assumed that x a , x b and x c are obtained as reactance values of the varactor diodes 34, 36 and 38.

また、アンテナ素子RA2のバラクタダイオード34、36、38のリアクタンス値をx,x,xに設定する(x=x,x=x,x=x)。これによって、アンテナ素子RA2の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンとして図5(a)及び図5(b)に示すものが得られる。なお、アンテナ素子RA2のバラクタダイオード34、36、38のリアクタンス値は、アンテナ素子RA2の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンが図5(a)及び図5(b)に示すパターンになるように調節されていればよい。 Also, the reactance value of the varactor diode 34, 36, 38 x a of the antenna elements RA2, x c, is set to x b (x 1 = x a , x 2 = x c, x 3 = x b). As a result, the amplitude directivity pattern and the phase directivity pattern of the antenna element RA2 shown in FIGS. 5A and 5B are obtained. The reactance values of the varactor diodes 34, 36, and 38 of the antenna element RA2 are set so that the amplitude directivity pattern and the phase directivity pattern of the antenna element RA2 become the patterns shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). It only needs to be adjusted.

以下に、アンテナ素子RA1,RA2の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンについて以下に記載する。
アンテナ素子RA1,RA2の振幅指向性パターンは図5(a)に示すように略無指向性である。
図5(b)に示すように、アンテナ素子RA1の位相指向性パターンでは、位相は水平面方位角φが0°以上180°以下の範囲では単調増加、水平面方位角φが180°以上360°以下の範囲では単調減少である。これに対して、アンテナ素子RA2の位相指向性パターンでは、位相は水平面方位角φが0°以上180°以下の範囲では単調減少、水平面方位角φが180°以上360°以下の範囲では単調増加である。このように、アンテナ素子RA1の位相指向性パターンとアンテナ素子RA2の位相指向性パターンとは逆のパターンになっている。なお、位相指向性パターンを単調増加及び単調減少にすることによって、略全ての方位から到来した電波に対して、アンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンの相違に起因する位相差を発生させることが可能である。
Hereinafter, the amplitude directivity pattern and phase directivity pattern of the antenna elements RA1 and RA2 will be described.
The amplitude directivity patterns of the antenna elements RA1 and RA2 are substantially omnidirectional as shown in FIG.
As shown in FIG. 5B, in the phase directivity pattern of the antenna element RA1, the phase monotonously increases when the horizontal plane azimuth angle φ is in the range of 0 ° to 180 °, and the horizontal plane azimuth φ is 180 ° to 360 °. It is a monotonic decrease in the range of. On the other hand, in the phase directivity pattern of the antenna element RA2, the phase monotonously decreases when the horizontal plane azimuth angle φ is 0 ° or more and 180 ° or less, and monotonically increases when the horizontal plane azimuth angle φ is 180 ° or more and 360 ° or less. It is. Thus, the phase directivity pattern of the antenna element RA1 and the phase directivity pattern of the antenna element RA2 are opposite to each other. In addition, by making the phase directivity pattern monotonously increase and monotonously decrease, a phase difference caused by the difference in the phase directivity pattern of the antenna elements RA1 and RA2 is generated for radio waves arriving from almost all directions. Is possible.

また、水平面方位角φが0°以上90°未満及び270°より大きく360°以下ではアンテナ素子RA2の位相指向性パターンの位相がアンテナ素子RA1のそれより進んでおり、水平面方位角φが90°より大きく270°未満ではアンテナ素子RA1の位相指向性パターンの位相がアンテナ素子RA2のそれより進んでいる。つまり、アンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンでは、遅れた位相で信号が到来するアンテナ素子の位相指向性パターンの位相が、進んだ位相で信号が到来するアンテナ素子の位相指向性パターンの位相より遅れた位相となっている。   When the horizontal plane azimuth angle φ is 0 ° or more and less than 90 ° and greater than 270 ° and 360 ° or less, the phase of the phase directivity pattern of the antenna element RA2 is more advanced than that of the antenna element RA1, and the horizontal plane azimuth φ is 90 °. When the angle is larger than 270 °, the phase of the phase directivity pattern of the antenna element RA1 is more advanced than that of the antenna element RA2. That is, in the phase directivity pattern of the antenna elements RA1 and RA2, the phase of the phase directivity pattern of the antenna element where the signal arrives with a delayed phase is the phase of the phase directivity pattern of the antenna element where the signal arrives with a advanced phase. The phase is later.

(アンテナ素子RA1とアンテナ素子RA2との受信信号の位相差)
以下、アンテナ素子RA1とアンテナ素子RA2の受信信号の位相差について図6を参照しつつ説明する。図6はアンテナ素子RA1とアンテナ素子RA2との受信信号の位相差を説明するための図である。但し、ここでの「受信信号」は、アンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンによる位相が加味された後の信号である。なお、基地局Tは2ストリーム伝送を行うが、何れの場合も同じことが言えるので、ここでは1ストリームのみに着目して説明する。
(Phase difference of received signals between antenna element RA1 and antenna element RA2)
Hereinafter, the phase difference between the reception signals of the antenna element RA1 and the antenna element RA2 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining a phase difference of received signals between the antenna element RA1 and the antenna element RA2. However, the “reception signal” here is a signal after the phase according to the phase directivity pattern of the antenna elements RA1 and RA2 is added. Note that the base station T performs two-stream transmission, but the same can be said in any case. Therefore, here, description will be given focusing on only one stream.

アンテナ素子RA1とアンテナ素子RA2との間隔をLとし、水平面方位角φの方向から信号Aがアンテナ素子RA1,RA2に到来したとする。アンテナ素子RA1には、アンテナ素子RA2より、アンテナ素子RA1とアンテナ素子RA2との配置に起因する距離Lcosφに相当する位相差hφ1遅れた信号Aが到来する(図6(a)参照)。
そして、水平面方位角φでは、アンテナ素子RA1の位相指向性パターンの位相はアンテナRA2のそれよりも位相差hφ2遅れている(図6(b)参照。)。
Assume that the distance between the antenna element RA1 and the antenna element RA2 is L, and the signal A arrives at the antenna elements RA1 and RA2 from the direction of the horizontal plane azimuth angle φ. The antenna element RA1 is the antenna element RA2, the phase difference h .phi.1 delayed signal A corresponding to the distance Lcosφ due to the arrangement of the antenna element RA1 and the antenna element RA2 arrives (refer to FIG. 6 (a)).
At the horizontal plane azimuth angle φ, the phase of the phase directivity pattern of the antenna element RA1 is delayed by a phase difference h φ2 from that of the antenna RA2 (see FIG. 6B).

アンテナ素子RA1によって受信された受信信号は、アンテナ素子RA2によって受信された受信信号より、アンテナ素子の配置に起因する位相差hφ1に位相指向性パターンに起因する位相差hφ2が加算された位相差(hφ1+hφ2)遅れたものになる(図6(a)参照。)。
仮に、アンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンが無指向性であれば、アンテナ素子RA1とアンテナ素子RA2との間で位相指向性パターンに起因する位相差は生じない。このため、アンテナ素子RA1によって受信された受信信号は、アンテナ素子RA2によって受信された受信信号より、アンテナ素子の配置に起因する位相差hφ1だけ遅れることになる。
A reception signal received by the antenna element RA1, from the received signal received by the antenna elements RA2, the phase difference h .phi.2 caused by the phase directivity pattern on the phase difference h .phi.1 due to the arrangement of the antenna elements are summed position The phase difference (h φ1 + h φ2 ) is delayed (see FIG. 6A ).
If the phase directivity pattern of the antenna elements RA1 and RA2 is omnidirectional, there will be no phase difference due to the phase directivity pattern between the antenna element RA1 and the antenna element RA2. For this reason, the reception signal received by the antenna element RA1 is delayed from the reception signal received by the antenna element RA2 by the phase difference h φ1 due to the arrangement of the antenna elements.

従って、アンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンを図5(b)のように設定した場合には、アンテナ素子の配置に起因する位相差に位相指向性パターンに起因する位相差が加算されるため、アンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンが無指向性である場合に比べて、チャネル応答h11とチャネル応答h21との位相差及びチャネル応答h12とチャネル応答h22との位相差を大きくすることができる。このように、本実施の形態のアレーアンテナは、アンテナ素子RA1,RA2の間隔が従来のアレーアンテナと同じであっても、空間相関を小さくすることができる。 Therefore, when the phase directivity patterns of the antenna elements RA1 and RA2 are set as shown in FIG. 5B, the phase difference due to the phase directivity pattern is added to the phase difference due to the arrangement of the antenna elements. Therefore, as compared with the case where the phase directional pattern of the antenna element RA1, RA2 is omnidirectional, the phase difference between the phase difference and the channel response h 12 and the channel response h 22 of the channel response h 11 and the channel response h 21 Can be increased. Thus, the array antenna of the present embodiment can reduce the spatial correlation even when the distance between the antenna elements RA1 and RA2 is the same as that of the conventional array antenna.

(空間相関)
アンテナ素子RA1,RA2が異なる位相指向性パターンを有する場合の空間相関について説明する。
チャネル応答h(図1のh11,h12,h21,h22)は、アンテナ素子RA1,RA2の指向性パターンD(θ,φ)と送信点から電子制御導波器アンテナの給電素子までのチャネル応答hとを乗算した下記の式(11)で表わされる。なお、式(11)において、上添え字は転置を示す。
(Spatial correlation)
The spatial correlation when the antenna elements RA1 and RA2 have different phase directivity patterns will be described.
The channel response h (h 11 , h 12 , h 21 , h 22 in FIG. 1) is from the directivity pattern D (θ, φ) of the antenna elements RA 1 and RA 2 to the feeding element of the electronically controlled waveguide antenna. Is expressed by the following equation (11) multiplied by the channel response h s of In equation (11), the superscript T indicates transposition.

Figure 2010154489
アンテナ素子RA1、RA2に図5(b)に示す逆の位相指向性パターンが与えられた場合の、MIMOにおけるアンテナ素子TA1及びアンテナ素子TA2に対するチャネル応答ベクトルh1,directional,h2,directionalは、夫々、下記の式(12)、(13)で与えられる。なお、式(12),(13)において、上添え字は転置を示す。
Figure 2010154489
Antenna element RA1, when RA2 reverse phase directivity pattern shown in FIG. 5 (b) given to the channel response vector h 1 for antenna element TA1 and the antenna element TA2 in MIMO, directional, h 2, directional is They are given by the following equations (12) and (13), respectively. In the equations (12) and (13), the superscript T indicates transposition.

Figure 2010154489
Figure 2010154489

Figure 2010154489

但し、h、h、θ、φの夫々の下添え字の2つの数字のうちの1つ目の“1”は受信側のアンテナ素子RA1を、“2”はアンテナ素子RA2を示し、当該下添え字の2つ目の“1”は送信側のアンテナ素子TA1を、“2”はアンテナ素子TA2を示す。ψ11及びψ12は、夫々、アンテナ素子TA1からの信号到来方向に対するアンテナ素子RA1及びアンテナ素子RA2の指向性パターンの位相を示す。また、ψ12及びψ22は、夫々、アンテナ素子TA2からの信号到来方向に対するアンテナ素子RA1及びアンテナ素子RA2の指向性パターンの位相を示す。なお、指向性パターンの振幅は大きな減衰がない無指向性に近いものであるとしているため、空間相関の計算においては無視できるものとして、チャネル応答ベクトルの要素から省略している。
Figure 2010154489

However, the first “1” of the two subscript numbers of h, h s , θ, and φ represents the antenna element RA1 on the receiving side, and “2” represents the antenna element RA2. The second subscript “1” indicates the antenna element TA1 on the transmission side, and “2” indicates the antenna element TA2. ψ 11 and ψ 12 indicate the phase of the directivity pattern of the antenna element RA1 and the antenna element RA2 with respect to the signal arrival direction from the antenna element TA1, respectively. Further, ψ 12 and ψ 22 indicate the phase of the directivity pattern of the antenna element RA1 and the antenna element RA2 with respect to the signal arrival direction from the antenna element TA2, respectively. The amplitude of the directivity pattern is assumed to be close to omnidirectional with no significant attenuation, and is omitted from the channel response vector elements as being negligible in the calculation of spatial correlation.

受信アンテナに指向性アンテナを使用した場合の空間相関ρ12 directionalは下記の式(14)で表わされる。なお、式(14)において、上添え字は複素共役転置を示す。 The spatial correlation ρ 12 directional when a directional antenna is used as the receiving antenna is expressed by the following equation (14). In equation (14), the superscript H indicates complex conjugate transposition.

Figure 2010154489
式(3)と式(14)とを比較すると、受信側に指向性アンテナを使用し適切な位相指向性パターンを形成することによって、空間相関を低下させることが可能となることが分かる。なお、このことは、受信側のみならず、送信側のみに可変指向性アンテナを使用した場合であっても、また、送受信側双方に可変指向性アンテナを使用した場合であっても同様に成立する。
Figure 2010154489
Comparing equation (3) and equation (14), it can be seen that the spatial correlation can be lowered by forming an appropriate phase directivity pattern using a directional antenna on the receiving side. This is true even when the variable directional antenna is used not only on the receiving side but also on the transmitting side, and also when the variable directional antenna is used on both the transmitting and receiving sides. To do.

≪第1の実施の形態の変形例≫
<第1の変形例>
上記の第1の実施の形態の携帯電話機Rが備えるアンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターン(図5(b)参照)の代わりに、携帯電話機が備えるアンテナ素子RA1,RA2が図7に示すような位相指向性パターンを有するようにする。
<< Modification of First Embodiment >>
<First Modification>
Instead of the phase directivity pattern (see FIG. 5B) of the antenna elements RA1 and RA2 provided in the mobile phone R of the first embodiment, the antenna elements RA1 and RA2 provided in the mobile phone are shown in FIG. Such a phase directivity pattern is provided.

<第2の変形例>
第2の変形例の携帯電話機は、第1の実施の形態の携帯電話機Rと異なり、4本のアンテナ素子A1〜A4を有し、アンテナ素子A1〜A4は図8(a)に示す振幅指向性パターン及び図8(b)に示す位相指向性パターンを有する。但し、アンテナ素子A1,A2,A3,A4はその順番に一直線上に並んでいるとする。
<Second Modification>
Unlike the mobile phone R according to the first embodiment, the mobile phone according to the second modification has four antenna elements A1 to A4, and the antenna elements A1 to A4 have amplitude directivity shown in FIG. And the phase directivity pattern shown in FIG. However, it is assumed that the antenna elements A1, A2, A3, and A4 are aligned in that order.

アンテナ素子A1,A2,A3,A4の振幅指向性パターンは、図8(a)に示すように、略無指向性に設定されている。
図8(b)に示すように、アンテナ素子A1,A2の各位相指向性パターンでは、位相は水平面方位角φが0°以上180°以下の範囲では単調増加、水平面方位角φが180°以上360°以下の範囲では単調減少である。これに対して、アンテナ素子A3,A4の位相指向性パターンでは、位相は水平面方位角φが0°以上180°以下の範囲では単調減少、水平面方位角φが180°以上360°以下の範囲では単調増加である。
As shown in FIG. 8A, the amplitude directivity patterns of the antenna elements A1, A2, A3, and A4 are set to be substantially omnidirectional.
As shown in FIG. 8B, in each of the phase directivity patterns of the antenna elements A1 and A2, the phase monotonically increases when the horizontal plane azimuth φ is in the range of 0 ° to 180 °, and the horizontal azimuth φ is 180 ° or more. In the range of 360 ° or less, it decreases monotonously. On the other hand, in the phase directivity pattern of the antenna elements A3 and A4, the phase monotonously decreases when the horizontal plane azimuth φ is in the range of 0 ° or more and 180 ° or less, and in the range where the horizontal plane azimuth φ is 180 ° or more and 360 ° or less. It is a monotonous increase.

また、水平面方位角φが0°以上90°未満及び270°より大きく360°以下ではアンテナ素子A4,A3,A2,A1の順番で位相指向性パターンの位相が進んでおり、水平面方位角φが90°より大きく270°未満ではアンテナ素子A1,A2,A3,A4の順番で位相指向性パターンの位相が進んでいる。つまり、アンテナ素子A1,A2,A3,A4の位相指向性パターンでは、遅れた位相で信号が到来するアンテナ素子の位相指向性パターンの位相が、進んだ位相で信号が到来するアンテナ素子の位相指向性パターンの位相より遅れた位相となっている。   When the horizontal plane azimuth angle φ is 0 ° or more and less than 90 ° and greater than 270 ° and 360 ° or less, the phase of the phase directivity pattern advances in the order of the antenna elements A4, A3, A2, and A1, and the horizontal plane azimuth φ is If it is greater than 90 ° and less than 270 °, the phase of the phase directivity pattern advances in the order of the antenna elements A1, A2, A3, and A4. That is, in the phase directivity pattern of antenna elements A1, A2, A3, and A4, the phase directivity pattern of the antenna element from which the signal arrives with a delayed phase is the phase directivity of the antenna element from which the signal arrives with a advanced phase. The phase is delayed from the phase of the sex pattern.

≪第2の実施の形態≫
以下、本発明の第2の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施の形態の携帯電話機は、第1の実施の形態の第2の変形例と同様に、4本のアンテナ素子B1〜B4を備えているが、アンテナ素子B1〜アンテナ素子B4の位相指向性パターンの関係が、第1の実施の形態の第2の変形例のアンテナ素子A1〜アンテナ素子A4の位相指向性パターンの関係(図8(b)参照)と異なる。
<< Second Embodiment >>
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The mobile phone according to the present embodiment includes four antenna elements B1 to B4 as in the second modification of the first embodiment, but the phase directivity of the antenna elements B1 to B4. The relationship between the patterns is different from the relationship between the phase directivity patterns of the antenna elements A1 to A4 according to the second modification of the first embodiment (see FIG. 8B).

<アンテナ素子>
本実施の形態のアンテナ素子B1〜B4に用いられる電子制御導波器アンテナの構造について図9を参照しつつ説明する。図9は本実施の形態のアンテナ素子B1〜B4に用いられる電子制御導波器アンテナの構造を示す模式図である。
アンテナ素子B1〜B4に用いられる電子制御導波器アンテナは、交流電源102に接続されたモノポールの給電素子(中央素子)101の周辺にバラクタダイオード104,106,108,110付きの線状導体(周辺素子)103,105,107,109を配置した構造を有する。但し、本実施の形態では、線状導体103,105,107,109は円周に沿う方向に90°(π/2)間隔で配置されているものとする。
<Antenna element>
The structure of the electronically controlled waveguide antenna used for the antenna elements B1 to B4 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic diagram showing the structure of an electronically controlled waveguide antenna used for the antenna elements B1 to B4 of the present embodiment.
The electronically controlled waveguide antenna used for the antenna elements B1 to B4 is a linear conductor with varactor diodes 104, 106, 108, 110 around a monopole feeding element (central element) 101 connected to an AC power source 102. (Peripheral elements) 103, 105, 107, 109 are arranged. However, in the present embodiment, it is assumed that the linear conductors 103, 105, 107, 109 are arranged at intervals of 90 ° (π / 2) in the direction along the circumference.

(電子制御導波器アンテナの指向性及び給電素子での受信信号)
図9に構造を示した電子制御導波器アンテナの指向性及び給電素子での受信信号について説明する。
電子制御導波器アンテナの仰角θ且つ方位角φの方向の指向性パターンD(θ,φ)は下記の式(15)で表され、仰角θ且つ方位角φの方向からの到来信号に対する給電素子での受信信号y(t)は下記の式(16)で表される。なお、式(15)、(16)において、上添え字は転置を示す。
(Direction of electronically controlled waveguide antenna and received signal at feeding element)
The directivity of the electronically controlled waveguide antenna whose structure is shown in FIG. 9 and the received signal at the feed element will be described.
The directivity pattern D (θ, φ) in the direction of the elevation angle θ and the azimuth angle φ of the electronically controlled waveguide antenna is expressed by the following equation (15). The reception signal y (t) at the element is expressed by the following equation (16). In the equations (15) and (16), the superscript T indicates transposition.

Figure 2010154489
Figure 2010154489

Figure 2010154489
但し、a(θ,φ)は電子制御導波器アンテナのモードベクトルであり、下記の式(17)で表される。w(x,x,x,x)は電子制御導波器アンテナの素子間相互結合を含んだ等価ウェイトベクトルであり、下記の式(18)で表され、x,x,x,xはバラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値である。s(t)は送信信号であり、hは送信点から電子制御導波器アンテナの給電素子までのチャネル応答(アンテナ素子の指向性を除いたチャネル応答)である。
Figure 2010154489
However, a (θ, φ) is a mode vector of the electronically controlled waveguide antenna and is expressed by the following equation (17). w (x 1 , x 2 , x 3 , x 4 ) is an equivalent weight vector including the mutual coupling between elements of the electronically controlled waveguide antenna, and is expressed by the following equation (18), and x 1 , x 2 , X 3 , x 4 are reactance values of the varactor diodes 104, 106, 108, 110. s (t) is a transmission signal, and h s is a channel response (a channel response excluding the directivity of the antenna element) from the transmission point to the feeding element of the electronically controlled waveguide antenna.

Figure 2010154489
但し、βは伝搬定数(=2π/λ)、dは給電素子と線状導体間の間隔である。
Figure 2010154489
Where β is a propagation constant (= 2π / λ), and d is the distance between the feed element and the linear conductor.

Figure 2010154489

但し、zは送受信機の入出力インピーダンスである。Zは給電素子及び線状導体間のインピーダンス行列であり、下記の式(19)で表される。Xは送受信機の入出力インピーダンスとバラクタダイオードのリアクタンス値を成分とする対角行列であり、下記の式(20)で表される。uは単位ベクトルであり、下記の式(21)で表される。なお、式(21)において、上添え字は転置を示す。
Figure 2010154489

Where z s is the input / output impedance of the transceiver. Z is an impedance matrix between the feed element and the linear conductor, and is represented by the following equation (19). X is a diagonal matrix whose components are the input / output impedance of the transceiver and the reactance value of the varactor diode, and is represented by the following equation (20). u 0 is a unit vector and is represented by the following equation (21). In the formula (21), the superscript T indicates transposition.

Figure 2010154489

但し、Zの各要素は複素パラメータであり、z00は給電素子の自己入力インピーダンス、z01は給電素子と線状導体間結合インピーダンス、z11は線状導体の自己入力インピーダンス、z12は隣接する線状導体間結合入力インピーダンスであり、z13は対角にある線状導体間結合入力インピーダンスである。
Figure 2010154489

However, each element of the Z is a complex parameter, z 00 is self-input impedance of the feed element, z 01 is between the feed element and the linear conductor coupling impedance, z 11 is self-input impedance of the linear conductors, z 12 adjacent The linear conductor-to-line coupling input impedance z 13 is the diagonal linear conductor-to-linear coupling input impedance.

Figure 2010154489
Figure 2010154489

Figure 2010154489

上記のw(x,x,x,x)はリアクタンス値x,x,x,xの関数であるため、w(x,x,x,x)はリアクタンス値x,x,x,xによって変化し、指向性パターンD(θ,φ)はリアクタンス値x,x,x,xによって変化する(式(15)参照。)。従って、リアクタンス値x,x,x,xを調整することによって、所望の指向性パターンD(θ,φ)を得ることが可能である。つまり、リアクタンス値x,x,x,xを調整することによって、所望の振幅指向性パターンを得ることができ、また、所望の位相指向性パターンを得ることができる。
Figure 2010154489

Since w (x 1 , x 2 , x 3 , x 4 ) is a function of the reactance values x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , w (x 1 , x 2 , x 3 , x 4 ) Changes according to reactance values x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , and the directivity pattern D (θ, φ) changes according to reactance values x 1 , x 2 , x 3 , x 4 (see equation (15)). .) Therefore, it is possible to obtain a desired directivity pattern D (θ, φ) by adjusting the reactance values x 1 , x 2 , x 3 , x 4 . That is, by adjusting the reactance values x 1 , x 2 , x 3 , and x 4 , a desired amplitude directivity pattern can be obtained and a desired phase directivity pattern can be obtained.

(電子制御導波器アンテナの指向性の具体例)
本実施の形態で利用するアンテナ素子B1〜B4の指向性パターンについて図10及び図11を参照しつつ説明する。図10はアンテナ素子B1〜B4の夫々のバラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値の関係を示す図である。図11(a)はアンテナ素子B1〜B4の振幅指向性パターンを示す図であり、図11(b)はアンテナ素子B1〜B4の位相指向性パターンを示す図である。但し、以下において記載する水平面方位角は、上記の(電子制御導波器アンテナの指向性)における方位角φに相当する。
(Specific example of directivity of electronically controlled waveguide antenna)
The directivity patterns of the antenna elements B1 to B4 used in the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a diagram showing the relationship of reactance values of the varactor diodes 104, 106, 108, and 110 of the antenna elements B1 to B4. FIG. 11A is a diagram showing amplitude directivity patterns of the antenna elements B1 to B4, and FIG. 11B is a diagram showing phase directivity patterns of the antenna elements B1 to B4. However, the horizontal plane azimuth described below corresponds to the azimuth φ in the above (directivity of the electronically controlled waveguide antenna).

アンテナ素子B1〜B4は、夫々、正方形の頂点上に配され、つまり、水平面方位角φが225°(5π/4)、315°(7π/4)、45°(π/4),135°(3π/4)の位置に配されている。また、アンテナ素子B1〜B4のバラクタダイオード104,106,108,110が接続された線状導体103,105,107,109は、水平面方位角φが225°(5π/4)、315°(7π/4)、45°(π/4),135°(3π/4)の位置に配されている。   The antenna elements B1 to B4 are respectively arranged on the vertices of a square, that is, the horizontal plane azimuth angle φ is 225 ° (5π / 4), 315 ° (7π / 4), 45 ° (π / 4), 135 °. It is arranged at a position of (3π / 4). Further, the linear conductors 103, 105, 107, 109 to which the varactor diodes 104, 106, 108, 110 of the antenna elements B1 to B4 are connected have a horizontal plane azimuth φ of 225 ° (5π / 4), 315 ° (7π / 4), 45 ° (π / 4), and 135 ° (3π / 4).

図10に示すように、アンテナ素子B1のバラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値をx,x,x,xに設定する(x=x,x=x,x=x,x=x)。但し、上述したように、バラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値を調節することによって所望の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンが得られる。そこで、アンテナ素子B1の振幅指向性パターンが図11(a)になるように、その位相指向性パターンが図11(b)になるように、バラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値を調節し、その結果としてバラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値としてx,x,x,xが得られたとする。 As shown in FIG. 10, the reactance value of the varactor diode 104, 106, 108, 110 of the antenna element B1 x a, x b, x c, is set to x d (x 1 = x a , x 2 = x b , X 3 = x c , x 4 = x d ). However, as described above, the desired amplitude directivity pattern and phase directivity pattern can be obtained by adjusting the reactance values of the varactor diodes 104, 106, 108, and 110. Therefore, the reactance values of the varactor diodes 104, 106, 108, and 110 are set so that the amplitude directivity pattern of the antenna element B1 is as shown in FIG. 11A and the phase directivity pattern is as shown in FIG. As a result, it is assumed that x a , x b , x c and x d are obtained as reactance values of the varactor diodes 104, 106, 108 and 110.

また、アンテナ素子B2のバラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値をx,x,x,xに設定する(x=x,x=x,x=x,x=x)。これによって、アンテナ素子B2の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンとして図11(a)及び図11(b)に示すものが得られる。なお、アンテナ素子B2のバラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値は、アンテナ素子B2の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンが図11(a)及び図11(b)に示すパターンになるように調節されていればよい。 Also, the reactance value x d of the varactor diodes 104, 106, 108, 110 of the antenna element B2, x a, x b, are set to x c (x 1 = x d , x 2 = x a, x 3 = x b , x 4 = x c ). As a result, the amplitude directivity pattern and the phase directivity pattern of the antenna element B2 shown in FIG. 11A and FIG. 11B are obtained. The reactance values of the varactor diodes 104, 106, 108, 110 of the antenna element B2 are the patterns shown in FIGS. 11A and 11B in the amplitude directivity pattern and the phase directivity pattern of the antenna element B2. As long as it is adjusted.

さらに、アンテナ素子B3のバラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値をx,x,x,xに設定する(x=x,x=x,x=x,x=x)。これによって、アンテナ素子B3の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンとして図11(a)及び図11(b)に示すものが得られる。なお、アンテナ素子B3のバラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値は、アンテナ素子B3の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンが図11(a)及び図11(b)に示すパターンになるように調節されていればよい。 Further, the reactance values of the varactor diodes 104, 106, 108, and 110 of the antenna element B3 are set to x c , x d , x a , and x b (x 1 = x c , x 2 = x d , x 3 = x a , x 4 = x b ). Thereby, the amplitude directivity pattern and the phase directivity pattern of the antenna element B3 shown in FIGS. 11A and 11B are obtained. The reactance values of the varactor diodes 104, 106, 108, and 110 of the antenna element B3 are the patterns shown in FIGS. 11A and 11B in the amplitude directivity pattern and the phase directivity pattern of the antenna element B3. As long as it is adjusted.

さらに、アンテナ素子B4のバラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値をx,x,x,xに設定する(x=x,x=x,x=x,x=x)。これによって、アンテナ素子B4の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンとして図11(a)及び図11(b)に示すものが得られる。なお、アンテナ素子B4のバラクタダイオード104,106,108,110のリアクタンス値は、アンテナ素子B4の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンが図11(a)及び図11(b)に示すパターンになるように調節されていればよい。 Furthermore, the reactance value of the varactor diode 104, 106, 108, 110 of the antenna element B4 x b, x c, x d, is set to x a (x 1 = x b , x 2 = x c, x 3 = x d , x 4 = x a ). As a result, the amplitude directivity pattern and phase directivity pattern of the antenna element B4 shown in FIGS. 11A and 11B are obtained. The reactance values of the varactor diodes 104, 106, 108, 110 of the antenna element B4 are such that the amplitude directivity pattern and the phase directivity pattern of the antenna element B4 are the patterns shown in FIGS. As long as it is adjusted.

以下に、アンテナ素子B1〜B4の振幅指向性パターン及び位相指向性パターンについて以下に記載する。
アンテナ素子B1〜B4の振幅指向性パターンは図11(a)に示すように略無指向性である。
アンテナ素子B1の位相指向性パターンでは、図11(b)に示すように、水平面方位角が0°以上45°以下の範囲及び0°以上225°以下360°では単調減少、水平面方位角が45°以上225°以下では単調増加である。アンテナ素子B1の位相指向性パターンは、アンテナ素子B4の後述する位相指向性パターンを水平面方位角の正の方向に90°スライドさせたものである。但し、この90°は、360°をアンテナ素子の本数“4”で除算して得られるものである。
Below, it describes below about the amplitude directivity pattern and phase directivity pattern of antenna element B1-B4.
The amplitude directivity patterns of the antenna elements B1 to B4 are substantially omnidirectional as shown in FIG.
In the phase directivity pattern of the antenna element B1, as shown in FIG. 11B, when the horizontal plane azimuth is in the range of 0 ° to 45 ° and in the range of 0 ° to 225 ° to 360 °, it decreases monotonously, and the horizontal plane azimuth is 45. It is monotonically increasing from ° to 225 °. The phase directivity pattern of the antenna element B1 is obtained by sliding a later-described phase directivity pattern of the antenna element B4 by 90 ° in the positive direction of the horizontal plane azimuth angle. However, this 90 ° is obtained by dividing 360 ° by the number of antenna elements “4”.

アンテナ素子B2の位相指向性パターンは、アンテナ素子B1の位相指向性パターンを水平面方位角の正の方向に90°スライドさせたものである。また、アンテナ素子B3の位相指向性パターンは、アンテナ素子B2の位相指向性パターンを水平面方位角の正の方向に90°スライドさせたものである。更に、アンテナ素子B4の位相指向性パターンは、アンテナ素子B3の位相指向性パターンを水平面方位角の正の方向に90°スライドさせたものである。   The phase directivity pattern of the antenna element B2 is obtained by sliding the phase directivity pattern of the antenna element B1 by 90 ° in the positive direction of the horizontal plane azimuth. The phase directivity pattern of the antenna element B3 is obtained by sliding the phase directivity pattern of the antenna element B2 by 90 ° in the positive direction of the horizontal plane azimuth. Furthermore, the phase directivity pattern of the antenna element B4 is obtained by sliding the phase directivity pattern of the antenna element B3 by 90 ° in the positive direction of the horizontal plane azimuth.

つまり、アンテナ素子B1,B2,B3,B4の位相指向性パターンは、反時計回りの1つ前のアンテナ素子B4,B1,B2,B3の位相指向性パターンを水平面方位角の正の方向に90度スライドさせたものである。
また、アンテナ素子B1〜B4の位相指向性パターンでは、水平面方位角φが0°より大きく45°未満アンテナ素子B3,B2,B4,B1の順番で位相指向性パターンの位相が進んでいる。水平面方位角φが45°より大きく90°未満ではアンテナ素子B3,B4,B2,B1の順番で位相指向性パターンの位相が進んでいる。水平面方位角φが90°より大きく135°未満ではアンテナ素子B4,B3,B1,B2の順番で位相指向性パターンの位相が進んでいる。水平面方位角φが135°より大きく180°未満ではアンテナ素子B4,B1,B3,B2の順番で位相指向性パターンの位相が進んでいる。
That is, the phase directivity pattern of the antenna elements B1, B2, B3, and B4 is 90 degrees in the positive direction of the horizontal plane azimuth angle with respect to the phase directivity pattern of the previous antenna element B4, B1, B2, and B3 counterclockwise. It has been slid once.
Further, in the phase directivity patterns of the antenna elements B1 to B4, the phase of the phase directivity pattern advances in the order of the antenna elements B3, B2, B4, and B1 in which the horizontal plane azimuth angle φ is greater than 0 ° and less than 45 °. When the horizontal plane azimuth φ is greater than 45 ° and less than 90 °, the phase of the phase directivity pattern advances in the order of the antenna elements B3, B4, B2, and B1. When the horizontal plane azimuth angle φ is greater than 90 ° and less than 135 °, the phase of the phase directivity pattern advances in the order of the antenna elements B4, B3, B1, and B2. When the horizontal plane azimuth φ is greater than 135 ° and less than 180 °, the phase of the phase directivity pattern advances in the order of the antenna elements B4, B1, B3, and B2.

水平面方位角φが180°より大きく225°未満ではアンテナ素子B1,B4,B2,B3の順番で位相指向性パターンの位相が進んでいる。水平面方位角φが225°より大きく270°未満ではアンテナ素子B1,B2,B4,B3の順番で位相指向性パターンの位相が進んでいる。水平面方位角φが270°より大きく315°未満ではアンテナ素子B2,B1,B3,B4の順番で位相指向性パターンの位相が進んでいる。水平面方位角φが315°より大きく360°未満ではアンテナ素子B2,B3,B1,B4の順番で位相指向性パターンの位相が進んでいる。   When the horizontal plane azimuth φ is greater than 180 ° and less than 225 °, the phase of the phase directivity pattern advances in the order of the antenna elements B1, B4, B2, and B3. When the horizontal plane azimuth φ is greater than 225 ° and less than 270 °, the phase of the phase directivity pattern advances in the order of the antenna elements B1, B2, B4, and B3. When the horizontal plane azimuth φ is greater than 270 ° and less than 315 °, the phase of the phase directivity pattern advances in the order of the antenna elements B2, B1, B3, and B4. When the horizontal plane azimuth φ is greater than 315 ° and less than 360 °, the phase of the phase directivity pattern advances in the order of the antenna elements B2, B3, B1, and B4.

つまり、アンテナ素子B1〜B4の位相指向性パターンでは、遅れた位相で信号が到来するアンテナ素子の位相指向性パターンの位相が、進んだ位相で信号が到来するアンテナ素子の位相指向性パターンの位相より遅れた位相となっている。
≪補足≫
本発明は上記の実施の形態で説明した内容に限定されず、本発明の目的とそれに関連又は付随する目的を達成するためのいかなる形態においても実施可能であり、例えば、以下であってもよい。
That is, in the phase directivity pattern of the antenna elements B1 to B4, the phase directivity pattern of the antenna element from which the signal arrives with a delayed phase is different from the phase directivity pattern of the antenna element from which the signal arrives with the advanced phase. The phase is later.
<Supplement>
The present invention is not limited to the contents described in the above embodiment, and can be implemented in any form for achieving the object of the present invention and the object related thereto or incidental thereto. .

(1)上記の第2の実施の形態では、4本のアンテナ素子を正方形の頂点上に配置するとしたが、これに限られるものではなく、例えば、長方形や菱型や平行四辺形など正方形でなくてもよい。
(2−1)アレーアンテナが備えるアンテナ素子間の位相指向性パターンの関係は、上記の第1の実施の形態及びその変形例で説明した関係に限られない。例えば、アレーアンテナが備えるアンテナ素子がM(Mは2以上の整数)本であり、第i(iは1以上M以下の整数)のアンテナ素子の第iの位相指向性パターンと、第j(jは1以上M以下であって、i以外の整数)のアンテナ素子の第jの位相指向性パターンとの関係とが次のような関係を満たすものであってもよい。
(1) In the second embodiment described above, the four antenna elements are arranged on the vertices of the square. However, the present invention is not limited to this, and for example, a square such as a rectangle, a rhombus, or a parallelogram is used. It does not have to be.
(2-1) The relationship of the phase directivity pattern between the antenna elements included in the array antenna is not limited to the relationship described in the first embodiment and the modifications thereof. For example, the array antenna includes M (M is an integer of 2 or more) antenna elements, the i-th phase directivity pattern of the i-th (i is an integer of 1 to M) antenna elements, and the j-th ( j may be 1 or more and M or less, and the relationship with the j-th phase directivity pattern of the antenna element (which is an integer other than i) may satisfy the following relationship.

第iの位相指向性パターンと第jの位相指向性パターンとは、同一送信源から到来する信号に対して、第iのアンテナ素子と第jのアンテナ素子の配置に基づき発生する位相差に、第iのアンテナ素子と第jのアンテナ素子の位相指向性に基づき発生する位相差が加算される関係になるように、設定されていればよい。言い換えると、第iの位相指向性パターンと第jの位相指向性パターンとは、遅れた位相で信号が到来するアンテナ素子の指向性パターンの位相が、進んだ位相で信号が到来するアンテナ素子の指向性パターンの位相より遅れた位相となるように、設定されていればよい。   The i-th phase directivity pattern and the j-th phase directivity pattern have a phase difference generated based on the arrangement of the i-th antenna element and the j-th antenna element with respect to signals arriving from the same transmission source. What is necessary is just to set so that the phase difference which generate | occur | produces based on the phase directivity of an i-th antenna element and a j-th antenna element may be added. In other words, the i-th phase directivity pattern and the j-th phase directivity pattern of the antenna element from which the signal arrives at a delayed phase is the phase of the antenna element from which the signal arrives at a delayed phase. It is only necessary that the phase is set so as to be delayed from the phase of the directivity pattern.

また、第i(iは1以上M以下の整数)のアンテナ素子と第j(jは1以上M以下でi以外の整数)のアンテナ素子とを通り、第iのアンテナ素子から第jのアンテナ素子に向かう方向を正方向とする軸に対する角度をφとした場合、φは0°以上360°以下とし、0°≦φ<φA1°(φA1は90より小さい所定の値)及びφB1°(φB1は270より大きい所定の値)<φ≦360°では、第jのアンテナ素子の第jの位相指向性パターンの位相が第iのアンテナ素子の第iの位相指向性パターンの位相より進み、φA2°(φA2は90より大きい所定の値)<φ<φB2°(φB2はφA2より大きく270より小さい所定の値)では、第iの位相指向性パターンの位相が第jの位相指向性パターンの位相より進む関係になるように、第i及び第jの位相指向性パターンが設定されていればよい。例えば、φA1及びφA2は略90であり、φB1及びφB2は略270である。 In addition, the antenna element passes through the i-th antenna element (i is an integer from 1 to M) and the j-th antenna element (j is an integer other than i from 1 to M) and passes through the i-th antenna element to the j-th antenna. When the angle with respect to the axis whose positive direction is the direction toward the element is φ, φ is 0 ° or more and 360 ° or less, and 0 ° ≦ φ <φ A1 ° (φ A1 is a predetermined value smaller than 90) and φ B1 ° (φ B1 is a predetermined value larger than 270) <φ ≦ 360 °, the phase of the j-th phase directivity pattern of the j-th antenna element is the phase of the i-th phase directivity pattern of the i-th antenna element. more advances, the φ A2 ° (φ A2 is 90 larger than the predetermined value) <φ <φ B2 ° ( φ B2 is greater than phi A2 270 is smaller than a predetermined value), the phase directivity pattern of the i phase So that the phase advances from the phase of the j-th phase directivity pattern Phase directivity pattern of the i and the j has only to be set. For example, φ A1 and φ A2 are approximately 90, and φ B1 and φ B2 are approximately 270.

この場合、各アンテナ素子の位相指向性パターンとして、0°≦φ≦180°では単調増加で、180°≦φ≦360°では単調減少となるパターン、及び0°≦φ≦180°では単調減少で、180°≦φ≦360°では単調増加となるパターンの何れかとして、上記の関係を満たすように各アンテナ素子の位相指向性パターンを設定してもよい。
更に、M本のアンテナ素子を2本のアンテナ素子の対に分けた場合に、同じ対の2本のアンテナ素子の位相指向性パターンが互いに逆パターンになるように、各アンテナ素子の位相指向性パターンが設定されるようにしてもよい。但し、Mが奇数の場合には、1本のアンテナ素子は除かれる。なお、図5(b)、図7の例では、アンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンは互いに逆パターンになっている。また、図8(b)の例では、アンテナ素子A1,A4の位相指向性パターンは互いに逆パターンになっており、アンテナ素子A2,A3の位相指向性パターンは互いに逆パターンになっている。
In this case, as the phase directivity pattern of each antenna element, a pattern that monotonically increases when 0 ° ≦ φ ≦ 180 °, monotonously decreases when 180 ° ≦ φ ≦ 360 °, and monotonically decreases when 0 ° ≦ φ ≦ 180 °. Thus, the phase directivity pattern of each antenna element may be set so as to satisfy the above relationship as one of the patterns that monotonously increase when 180 ° ≦ φ ≦ 360 °.
Further, when the M antenna elements are divided into two antenna element pairs, the phase directivity of each antenna element is such that the phase directivity patterns of the two antenna elements of the same pair are opposite to each other. A pattern may be set. However, when M is an odd number, one antenna element is excluded. In the examples of FIGS. 5B and 7, the phase directivity patterns of the antenna elements RA1 and RA2 are opposite to each other. In the example of FIG. 8B, the phase directivity patterns of the antenna elements A1 and A4 are opposite to each other, and the phase directivity patterns of the antenna elements A2 and A3 are opposite to each other.

(2−2)アレーアンテナが備えるアンテナ素子間の位相指向性パターンの関係は、上記の第2の実施の形態で説明した関係に限られない。例えば、アレーアンテナが備えるアンテナ素子の数がM(Mは3以上の整数)本であり、各アレーアンテナ素子は、M角形(頂点の数がMである多角形)の頂点上に反時計回りに第1、第2、・・・第Mのアンテナ素子が配されている場合に、各アンテナ素子の位相指向性パターンは次のような関係を満たすものであってもよい。   (2-2) The relationship of the phase directivity pattern between the antenna elements included in the array antenna is not limited to the relationship described in the second embodiment. For example, the number of antenna elements included in the array antenna is M (M is an integer of 3 or more), and each array antenna element is counterclockwise on the vertex of an M-gon (a polygon having the number of vertices M). When the first, second,..., Mth antenna elements are arranged, the phase directivity pattern of each antenna element may satisfy the following relationship.

第i(iは1以上M以下の整数)のアンテナ素子の第iの位相指向性パターンと、第j(jは1以上M以下であって、i以外の整数)のアンテナ素子の第jの位相指向性パターンとは、同一送信源から到来する信号に対して、第iのアンテナ素子と第jのアンテナ素子の配置に基づき発生する位相差に、第iのアンテナ素子と第jのアンテナ素子の位相指向性に基づき発生する位相差が加算される関係になるように、設定されていればよい。言い換えると、第iの位相指向性パターンと第jの位相指向性パターンとは、遅れた位相で信号が到来するアンテナ素子の指向性パターンの位相が、進んだ位相で信号が到来するアンテナ素子の指向性パターンの位相より遅れた位相となるように、設定されていればよい。   The i-th phase directivity pattern of the i-th antenna element (i is an integer of 1 to M) and the j-th antenna element of the j-th antenna element (j is an integer of 1 to M and other than i). The phase directivity pattern refers to the phase difference generated based on the arrangement of the i-th antenna element and the j-th antenna element with respect to signals coming from the same transmission source, and the i-th antenna element and the j-th antenna element. It is sufficient that the phase difference generated based on the phase directivity is set to be added. In other words, the i-th phase directivity pattern and the j-th phase directivity pattern of the antenna element from which the signal arrives at a delayed phase is the phase of the antenna element from which the signal arrives at a delayed phase. It is only necessary that the phase is set so as to be delayed from the phase of the directivity pattern.

上記の条件の下、第i(iは1以上M以下の整数)のアンテナ素子の第iの位相指向性パターンは、iが1の場合には第Mのアンテナ素子の第Mの位相指向性パターンを、iが1以外の場合には第(i−1)のアンテナ素子の第(i−1)の位相指向性パターンを水平面方位角方向にスライドさせるようにしてもよい。この場合、スライドさせる角度を略φとし、φの値は、例えば、360°をMで除算した値(360°/M)としてもよい。   Under the above conditions, the i-th phase directivity pattern of the i-th antenna element (i is an integer not less than 1 and not more than M) is the M-th phase directivity pattern of the M-th antenna element when i is 1. When i is other than 1, the (i-1) th phase directivity pattern of the (i-1) th antenna element may be slid in the horizontal plane azimuth direction. In this case, the sliding angle is approximately φ, and the value of φ may be a value obtained by dividing 360 ° by M (360 ° / M), for example.

(3)上記の第1の実施の形態では、アンテナ素子RA1,RA2の線状導体33,35,37の配置及びバラクタダイオード34,36,38のリアクタンス値の夫々の関係を図4に示すものとしたが、これに限られるものではない。例えば、各アンテナ素子の線状導体の配置及びバラクタダイオードのリアクタンス値の夫々は、各アンテナ素子の位相指向性パターンが上記の第1の実施の形態で説明した関係を満たすように、設定されていればよい。   (3) In the first embodiment, the relationship between the arrangement of the linear conductors 33, 35, 37 of the antenna elements RA1, RA2 and the reactance values of the varactor diodes 34, 36, 38 is shown in FIG. However, it is not limited to this. For example, the arrangement of the linear conductor of each antenna element and the reactance value of the varactor diode are set so that the phase directivity pattern of each antenna element satisfies the relationship described in the first embodiment. Just do it.

上記の第2の実施の形態では、アンテナ素子B1〜B4の線状導体103,105,107,109の配置及びバラクタダイオード104,105,108,110のリアクタンス値の夫々の関係を図10に示すものとしたが、これに限られるものではない。例えば、各アンテナ素子の線状導体の配置及びバラクタダイオードのリアクタンス値の夫々は、各アンテナ素子の位相指向性パターンが上記の第2の実施の形態で説明した関係を満たすように、設定されていればよい。   In the second embodiment, the relationship between the arrangement of the linear conductors 103, 105, 107, and 109 of the antenna elements B1 to B4 and the reactance values of the varactor diodes 104, 105, 108, and 110 is shown in FIG. It was supposed to be, but it is not limited to this. For example, the arrangement of the linear conductor of each antenna element and the reactance value of the varactor diode are set so that the phase directivity pattern of each antenna element satisfies the relationship described in the second embodiment. Just do it.

(4)上記の第1の実施の形態では、アンテナ素子RA1とアンテナ素子RA2との間隔が0.25波長であると記載したが、アンテナ素子RA1とアンテナ素子RA2との間隔は0.25波長に限られるものではなく、アンテナ素子RA1とアンテナ素子RA2を有するアレーアンテナを搭載する携帯電話機のサイズやアンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンを考慮して定めればよい。なお、第1の実施の形態の第1の変形例及び第2の変形例、第2の実施の形態、並びに補足で説明した場合においても、アンテナ素子間の間隔はアレーアンテナを搭載する携帯電話機のサイズや各アンテナ素子の位相指向性パターンを考慮して定めればよい。   (4) In the first embodiment, the interval between the antenna element RA1 and the antenna element RA2 is described as 0.25 wavelength. However, the interval between the antenna element RA1 and the antenna element RA2 is 0.25 wavelength. It is not limited to this, and may be determined in consideration of the size of the mobile phone on which the array antenna having the antenna elements RA1 and RA2 is mounted and the phase directivity pattern of the antenna elements RA1 and RA2. Even in the first and second modifications of the first embodiment, the second embodiment, and the supplementary explanation, the spacing between antenna elements is a cellular phone equipped with an array antenna. And the phase directivity pattern of each antenna element may be determined.

(5)上記の第1の実施の形態では、電子制御導波器アンテナは給電素子の周辺のバラクタダイオード付きの線状導体の数が3つであるものを対象としたが、バラクタダイオード付きの線状導体の数はこれに限らず、例えば、2つでも4つ以上であってもよい。
例えば、一のアンテナ素子と他のアンテナ素子とを通り、一のアンテナ素子から他のアンテナ素子に向かう方向を正方向とする軸に対する角度をφとした場合、一のアンテナ素子及び他のアンテナ素子では、バラクタダイオード付きの線状導体の一つは方位角φが90°の位置に配置され、他のバラクタダイオード付きの線状導体は円周方向に沿って一定間隔で配置されているとする。この場合に、一のアンテナ素子では、方位角φが90°の位置に配された線状導体から反時計回りに順番に、線状導体に付けられたバラクタダイオードのリアクタンス値をX1,X2,X3,・・・とする。これに対して、他のアンテナ素子では、方位角φが90°の位置に配された線状導体から時計回りに順番に、線状導体に付けられたバラクタダイオードのリアクタンス値をX1,X2,X3,・・・とする。なお、一のアンテナ素子の位相指向性パターンが例えば図5(b)、図7に示すアンテナ素子RA1の位相指向性パターンになるように、リアクタンス値X1,X2,X3,・・・が調整される。
(5) In the first embodiment described above, the electronically controlled waveguide antenna is intended for the case where the number of linear conductors with varactor diodes around the feed element is three. The number of linear conductors is not limited to this, and may be two or four or more, for example.
For example, when an angle with respect to an axis passing through one antenna element and another antenna element and having a positive direction from one antenna element to another antenna element is φ, the one antenna element and the other antenna element Then, it is assumed that one of the linear conductors with varactor diodes is arranged at an azimuth angle φ of 90 °, and the other linear conductors with varactor diodes are arranged at regular intervals along the circumferential direction. . In this case, in one antenna element, the reactance values of the varactor diodes attached to the linear conductor are set in the order of X1, X2, X2, X2, in order from the linear conductor arranged at the position where the azimuth angle φ is 90 °. Let X3,... On the other hand, in other antenna elements, the reactance values of the varactor diodes attached to the linear conductors are set in the clockwise direction from the linear conductor arranged at the position where the azimuth angle φ is 90 °. Let X3,... The reactance values X1, X2, X3,... Are adjusted so that the phase directivity pattern of one antenna element becomes, for example, the phase directivity pattern of the antenna element RA1 shown in FIG. The

(6)上記の第2の実施の形態では、携帯電話機が4つのアンテナ素子を有する場合を対象としたので、給電素子の周辺のバラクタダイオード付きの線状導体が4つであるとした。これに限らず、例えば、次のようなものであってもよい。携帯電話機がM(Mは3、5以上の整数)本のアンテナ素子を有する場合を対象とし、給電素子の周辺のバラクタダイオード付きの線状導体がMであるとする。この場合、例えば、各アンテナ素子の各バラクタダイオードのリアクタンス値は、反時計回りの1つ前のアンテナ素子の各バラクタダイオードのリアクタンス値を反時計周りに1つ分回転させるように設定する。なお、携帯電話機が備えるアンテナ素子の本数とアンテナ素子が備えるバラクタダイオード付きの線状導体の本数とが必ずしも一致する必要はない。   (6) In the second embodiment, since the cellular phone has four antenna elements, the number of linear conductors with varactor diodes around the feeding element is four. For example, the following may be used. Assume that the cellular phone has M antenna elements (M is an integer of 3, 5 or more) antenna elements, and M is a linear conductor with a varactor diode around the power feeding element. In this case, for example, the reactance value of each varactor diode of each antenna element is set so that the reactance value of each varactor diode of the previous antenna element counterclockwise is rotated by one counterclockwise. Note that the number of antenna elements included in the mobile phone does not necessarily match the number of linear conductors with varactor diodes included in the antenna element.

(7)上記の実施の形態では、アンテナ素子RA1,RA2に電子制御導波器アンテナを用いているが、これに限らず、位相指向性パターンを調整できるアンテナ素子、例えば切替ダイバーシチアンテナやメタマテリアルアンテナをアンテナ素子RA1,RA2に用いてもよい。なお、第1の実施の形態の第1の変形例及び第2の変形例、第2の実施の形態、並びに補足で説明したアンテナ素子についても同様である。   (7) In the above-described embodiment, the electronically controlled waveguide antenna is used for the antenna elements RA1 and RA2. However, the present invention is not limited to this, and an antenna element that can adjust the phase directivity pattern, such as a switching diversity antenna or metamaterial. An antenna may be used for the antenna elements RA1 and RA2. The same applies to the first and second modifications of the first embodiment, the second embodiment, and the antenna element described in the supplement.

(8)上記の実施の形態では、携帯電話機Rのアンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンが互いに異なるようにしたが、これに限られるものではなく、基地局Tのアンテナ素子TA1,TA2の位相指向性パターンが互いに異なるようにしてもよい。また、携帯電話機Rのアンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンが互いに異なり、且つ、基地局Tのアンテナ素子TA1,TA2の位相指向性パターンが互いに異なるようにしてもよい。なお、基地局Tのアンテナ素子TA1,TA2の位相指向性パターンの設定方法は、携帯電話機Rのアンテナ素子RA1,RA2の位相指向性パターンの設定方法と実質的に同じである。なお、第1の実施の形態の第1の変形例及び第2の変形例、第2の実施の形態、並びに補足で説明した位相指向性パターンの設定方法を基地局Tに適用するようにしてもよい。   (8) In the above embodiment, the phase directivity patterns of the antenna elements RA1 and RA2 of the mobile phone R are different from each other. However, the present invention is not limited to this, and the antenna elements TA1 and TA2 of the base station T The phase directivity patterns may be different from each other. Further, the phase directivity patterns of the antenna elements RA1 and RA2 of the mobile phone R may be different from each other, and the phase directivity patterns of the antenna elements TA1 and TA2 of the base station T may be different from each other. Note that the method of setting the phase directivity pattern of the antenna elements TA1 and TA2 of the base station T is substantially the same as the method of setting the phase directivity pattern of the antenna elements RA1 and RA2 of the mobile phone R. Note that the first and second modified examples of the first embodiment, the second embodiment, and the phase directivity pattern setting method described in the supplement are applied to the base station T. Also good.

(9)上記の実施の形態で説明したアレーアンテナは、基地局と携帯電話機とを例に挙げて説明したが、これに限らず、各種通信機器に適用することが可能である。
(10)上記の実施の形態で説明したアレーアンテナは、MIMOに適用可能である他、例えばSIMO(Simple Input Multiple Output)に適用可能である。
(9) The array antenna described in the above embodiment has been described by taking a base station and a mobile phone as examples. However, the present invention is not limited to this and can be applied to various communication devices.
(10) The array antenna described in the above embodiment can be applied to MIMO, for example, SIMO (Simple Input Multiple Output).

本発明は、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナに利用可能である。   The present invention can be used for an array antenna including a plurality of antenna elements.

T 基地局
TA1,TA2 アンテナ素子
R 携帯電話機
RA1,RA2 アンテナ素子
11,12 フロントエンド部
13 チャネル推定部
14 ウェイト生成部
15 分離合成部
16 復調部
31 給電素子
32 交流電源
33,35,37 線状導体
34,36,38 バラクタダイオード
T base station TA1, TA2 antenna element R mobile phone RA1, RA2 antenna element 11, 12 front end unit 13 channel estimation unit 14 weight generation unit 15 separation / combination unit 16 demodulation unit 31 feeding element 32 AC power source 33, 35, 37 linear Conductor 34, 36, 38 Varactor diode

Claims (10)

M(Mは2以上の整数)本のアンテナ素子を備えるアレーアンテナであって、
各前記アンテナ素子は指向性アンテナであり、
前記アンテナ素子の位相指向性パターンが互いに異なるように、各アンテナ素子の位相指向性パターンが設定されている
ことを特徴とするアレーアンテナ。
An array antenna having M antenna elements (M is an integer of 2 or more),
Each antenna element is a directional antenna;
The array antenna is characterized in that the phase directivity pattern of each antenna element is set so that the phase directivity patterns of the antenna elements are different from each other.
第i(iは1以上M以下の整数)のアンテナ素子の第iの位相指向性パターン及び第j(jは1以上M以下でi以外の整数)のアンテナ素子の第jの位相指向性パターンは、
同一送信源から到来する信号に対して、第i及び第jのアンテナ素子の配置に基づき発生する位相差に、第i及び第jのアンテナ素子の位相指向性に基づき発生する位相差が加算される関係になるように
設定されている
ことを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ。
The i-th phase directivity pattern of the i-th (i is an integer from 1 to M) antenna element and the j-th phase directivity pattern of the j-th (j is an integer other than i from 1 to M). Is
The phase difference generated based on the phase directivity of the i-th and j-th antenna elements is added to the phase difference generated based on the arrangement of the i-th and j-th antenna elements for signals coming from the same transmission source. The array antenna according to claim 1, wherein the array antenna is set so as to satisfy the following relationship.
第i(iは1以上M以下の整数)のアンテナ素子と第j(jは1以上M以下でi以外の整数)のアンテナ素子とを通り、第iのアンテナ素子から第jのアンテナ素子に向かう方向を正方向とする軸に対する角度をφとした場合、φは0°以上360°以下とし、
0°≦φ<φA1°(φA1は90より小さい所定の値)及びφB1°(φB1は270より大きい所定の値)<φ≦360°では、第jのアンテナ素子の第jの位相指向性パターンの位相が第iのアンテナ素子の第iの位相指向性パターンの位相より進み、
φA2°(φA2は90より大きい所定の値)<φ<φB2°(φB2はφA2より大きく270より小さい所定の値)では、第iの位相指向性パターンの位相が第jの位相指向性パターンの位相より進む
関係になるように
第i及び第jの位相指向性パターンが設定されている
ことを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ。
The i-th antenna element passes from the i-th antenna element to the j-th antenna element through the i-th (i is an integer from 1 to M) antenna element and the j-th (j is an integer from 1 to M and other than i) antenna elements. When the angle with respect to the axis whose forward direction is the positive direction is φ, φ is 0 ° to 360 °,
When 0 ° ≦ φ <φ A1 ° (φ A1 is a predetermined value smaller than 90) and φ B1 ° (φ B1 is a predetermined value larger than 270) <φ ≦ 360 °, the jth of the jth antenna element The phase of the phase directivity pattern is ahead of the phase of the i th phase directivity pattern of the i th antenna element;
φ A2 ° (φ A2 is 90 larger than the predetermined value) <φ <φ B2 ° ( φ B2 is 270 less than the predetermined value greater than phi A2) in the phase of the phase directional pattern of a i is the j 2. The array antenna according to claim 1, wherein the i-th and j-th phase directivity patterns are set so as to be in a relation of advancing from the phase of the phase directivity pattern.
φA1及びφA2は略90であり、φB1及びφB2は略270である
ことを特徴とする請求項3記載のアレーアンテナ。
phi A1 and phi A2 is approximately 90, the array antenna of claim 3, wherein the the phi B1 and phi B2 is approximately 270.
各前記アンテナ素子の位相指向性パターンは、
0°≦φ≦180°では単調増加で、180°≦φ≦360°では単調減少となるパターン、及び
0°≦φ≦180°では単調減少で、180°≦φ≦360°では単調増加となるパターンの何れかである
ことを特徴とする請求項3又は請求項4の何れか1項に記載のアレーアンテナ。
The phase directivity pattern of each antenna element is
A pattern that monotonously increases when 0 ° ≦ φ ≦ 180 °, monotonously decreases when 180 ° ≦ φ ≦ 360 °, and monotonically decreases when 0 ° ≦ φ ≦ 180 °, and monotonically increases when 180 ° ≦ φ ≦ 360 °. The array antenna according to any one of claims 3 and 4, wherein the array antenna is any one of the following patterns.
2本のアンテナ素子を対とした場合に、当該2本の前記アンテナ素子の位相指向性パターンが互いに逆パターンになるように、各前記アンテナ素子の位相指向性パターンが設定されている
ことを特徴とする請求項1から請求項5の何れか1項に記載のアレーアンテナ。
When the two antenna elements are paired, the phase directivity patterns of the antenna elements are set so that the phase directivity patterns of the two antenna elements are opposite to each other. The array antenna according to any one of claims 1 to 5.
前記Mは2であり、
各前記アンテナ素子は、給電素子を備え、その周囲に円周方向に一定間隔で配されたバラクタダイオード付きの線状導体を複数備える電子制御導波器アンテナであり、
各前記アンテナ素子の線状導体の一つは、一のアンテナ素子と他のアンテナ素子とを通り、一のアンテナ素子から他のアンテナ素子に向かう方向を正方向とする軸に対して90°の位置に配され、
一のアンテナ素子の各バラクタダイオードのリアクタンス値の反時計方向の並びと、他のアンテナ素子のバラクタダイオードのリアクタンス値の時計方向の並びとが等しい
ことを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ。
M is 2;
Each of the antenna elements is an electronically controlled waveguide antenna that includes a plurality of linear conductors with varactor diodes that are provided with a feeding element and are arranged around the circumference at regular intervals.
One of the linear conductors of each of the antenna elements passes through one antenna element and the other antenna element, and is 90 ° with respect to an axis whose forward direction is from one antenna element to the other antenna element. Placed in position,
The array antenna according to claim 1, wherein the counterclockwise arrangement of the reactance values of the varactor diodes of one antenna element is equal to the arrangement of the reactance values of the varactor diodes of the other antenna elements in the clockwise direction.
前記M本のアンテナ素子は、M角形の頂点上に配され、
各前記アンテナ素子の位相指向性パターンは、反時計回りの1つ前の前記アンテナ素子の位相指向性パターンを方位角方向にスライドさせたものである
ことを特徴とする請求項2記載のアレーアンテナ。
The M antenna elements are arranged on an apex of an M square,
The array antenna according to claim 2, wherein the phase directivity pattern of each antenna element is obtained by sliding the phase directivity pattern of the previous antenna element counterclockwise in the azimuth direction. .
前記スライドさせる角度は、略φであって、
前記φは360を前記Mで除算した値である
ことを特徴とする請求項8記載のアレーアンテナ。
The sliding angle is approximately φ,
The array antenna according to claim 8, wherein φ is a value obtained by dividing 360 by M.
各前記アンテナ素子は、給電素子を備え、その周囲に円周方向に一定間隔で配されたバラクタダイオード付きの線状導体を複数備える電子制御導波器アンテナであり、
各前記アンテナ素子の各バラクタダイオードのリアクタンス値は、反時計回りの1つ前の前記アンテナ素子の各バラクタダイオードのリアクタンス値を反時計周りに1つ分回転させたものである
ことを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ。
Each of the antenna elements is an electronically controlled waveguide antenna that includes a plurality of linear conductors with varactor diodes that are provided with a feeding element and are arranged around the circumference at regular intervals.
The reactance value of each varactor diode of each antenna element is obtained by rotating the reactance value of each varactor diode of the previous antenna element counterclockwise by one counterclockwise. The array antenna according to claim 1.
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