JP2020031443A - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ートホンなどの携帯端末の普及に伴い、高速移動通信技術が人々の身近な存在になってきている。
1.1 アンテナ装置の構成
図1は、実施の形態1におけるアンテナ装置の構成の一例を示すブロック図である。図2は、実施の形態1における合成部の詳細構成の一例を示す図である。図3は、実施の形態1におけるアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図である。
以下、上述の重み付け関数について説明する。
伝搬環境による到来波偏波の変化を考慮した重み付け関数の定義について説明する。
次に、さらに人の動きによる到来波偏波の変化を考慮した重み付け関数の定義について説明する。
zが選択された場合の例が示されている。また、図4Bに示す例では、2つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数θを、鉛直方向上向きをz軸としたとき、ダイポールアンテナAzのz軸上の第1位置からの傾き角としている。同様に、図4Cに示す例では、2つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数θを、ダイポールアンテナAzの鉛直方向のz軸(−z軸)上の第1位置を基準とした傾き角としている。
/水平偏波成分の受信電力PHの関係から求めることができる。さらに、腕の振り角θ(瞬時角度)は現行タブレット端末やスマートホンによって実用化されている磁気センサや角速度センサを用いて検出された検出結果から算出することができる。
次に、以上のように構成されたアンテナ装置1の動作について説明する。
このように、本実施の形態のアンテナ装置1によれば、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。
次に、本実施の形態に係るアンテナ装置1の有効性を確認するために、計算機シミュレーションを使用してシミュレーションを行った。
実施の形態2では、実施の形態1で説明したアンテナ装置1をタブレット端末に搭載した場合について説明する。本実施の形態では、上記の到来波の受信電力の比(RVH)が交差偏波電力の比(XPR)であり、2つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数θを、鉛直方向上向きの軸である第1位置からのアンテナ素子の一方の傾き角であるとして説明する。
図8Aは実施の形態2に係るタブレット端末を横置き使用したときの解析モデルを示す図であり、図8Bは実施の形態2に係るタブレット端末を縦置き使用したときの解析モデルを示す図である。すなわち、本実施の形態で使用するタブレット端末の解析モデルは、図8Aおよび図8Bに示すように、互いに直交する3つのアンテナ素子を有するアンテナ部10をy軸方向に4列、z軸方向に2列配列して8素子MIMOアレーアンテナを構成したものである。ここで、アレー間隔は9cmとしている。以下、互いに直交する3つのアンテナ素子はそれぞれ、図3に示すダイポールアンテナAx、ダイポールアンテナAyおよびダイポールアンテナAzであるとして説明する。
図8Aおよび図8Bに示す2つの状態について、8×8MIMO伝送容量の解析を行った。比較対象として、垂直設置の半波長ダイポールを用いて8素子MIMOアレーを構成した場合の解析結果をともにプロットした。なお、MIMO伝送容量の計算方法は非特許文献1に示されているので、ここでの説明は省略する。
以上、本実施の形態によれば、アンテナ装置1を用いることによって、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。すなわち、タブレット端末にアンテナ装置1を搭載することによって、XPRやタブレット端末の保持角度によらず、70bits/s/Hzの高い伝送容量を極めて安定に維持できる、超高速の無線通信を実現することができる。
実施の形態3では、実施の形態1で説明したアンテナ装置1を腕装着端末に搭載した場合について説明する。本実施の形態でも、上記の到来波の受信電力の比(RVH)が交差偏波電力の比(XPR)であり、2つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数θを、鉛直方向上向きの軸である第1位置からのアンテナ素子の一方の傾き角であるとして説明する。
図11は、実施の形態3に係る腕装着端末の解析モデルを示す図である。すなわち、本実施の形態で使用する腕装着端末の解析モデルは、図11に示すように、互いに直交する3つのアンテナ素子を有するアンテナ部10をx軸方向に2列、z軸方向に4列配列して8素子MIMOアレーアンテナを構成したものである。ここで、アレー間隔は9cmとしている。
図14は、実施の形態3に係る腕装着端末のブラウジング姿勢時の解析結果を示す図である。図14には、ブラウジング姿勢における腕装着端末のXPRに対する伝送容量の変化を実施例3として示している。なお、腕装着端末は図12Bに示すように地面に対して平行に設置されている(θ=0deg)として解析を行った。SNRは30dBとしている。なお、図14には、比較対象として、図3に示す3軸のダイポールアンテナ(Ax、Ay、Az)の重みをXPRとθとよって変化させず等分配した場合(以下「等分配合成アンテナ」とも呼ぶ)の解析結果を示している。また、図14には、比較対象として腕装着端末のベルトにアンテナを配置したアンテナ(Ax)(以下「ベルトアンテナ」とも呼ぶ)の解析結果を示している。
以上、本開示のアンテナ装置1を用いることによって、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。すなわち、腕装着端末にアンテナ装置1を搭載することによって、ブラウジング姿勢時や歩行時など使用者のダイナミックな動特性環境下においても、XPRや腕の振り角θ等によらず、高い伝送容量を極めて安定に維持できる、超高速の無線通信を実現することができる。
実施の形態4では、タブレット端末や腕装着端末といった携帯端末に実装可能なアンテナ装置1の実装態様の一例について説明する。
最後に、本発明に係るアンテナ装置の効果を確認するため、固定されているアンテナ(以下垂直アンテナと呼ぶ)と比較する。以下でも、到来波の受信電力の比(RVH)が交差偏波電力の比(XPR)であり、2つのアンテナ素子の一方の傾きを示す変数θを、鉛直方向上向きの軸である第1位置からのアンテナ素子の一方の傾き角であるとして説明する。
図20Aは、第3世代移動通信システムでの到来波の様子を示す図である。図20Bは、第5世代移動通信システムでの到来波の様子を示す図である。
図21は、実施の形態5におけるアンテナ装置の構成の一例を示すブロック図である。図22は、実施の形態5における合成部の詳細構成の一例を示す図である。図23は、実施の形態5におけるアンテナ装置の具体的構成の一例を示す図である。なお、図1〜3と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
け関数)を用いて、3つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する。
分の受信電力PV/水平偏波成分の受信電力PHの関係があることから、XPRは傾き角度θ=0のときに到来する到来波の垂直偏波成分および水平偏波成分を受信するダイポールアンテナAzおよびダイポールアンテナAxの受信電力PVおよび受信電力PHを用い
て求めることができる。さらに、傾き角度θ(瞬時角度)および回転角度φ(瞬時角度)は現行タブレット端末やスマートホンによって実用化されている磁気センサや角速度センサを用いて検出された検出結果から算出することができる。
かれるとした場合には、式17〜式21において、重み「WHy」を0にすることで、実施の形態1で説明した式10〜式13で示される重み付け関数と同等の式22〜式25で示される重み付け関数(2本重み付け関数)を得ることができる。
次に、以上のように構成されたアンテナ装置2の動作について説明する。
このように、本実施の形態のアンテナ装置2によれば、到来波角度が狭い到来波偏波に対して、伝搬環境や人の動きによって到来波偏波が変化しても安定した受信信号を得ることができる。
次に、本実施の形態に係るアンテナ装置2の有効性を確認するために、計算機シミュレーションを使用してシミュレーションを行った。
続いて、本実施の形態に係るアンテナ装置2の有効性を確認するために、3次元周辺散乱モデルを用いて、MIMO伝送特性として2×2MIMO伝送容量の解析を行った。
図31は、3本重み付け関数を適用し2×2MIMO伝送容量の解析を行った解析結果を示す図である。傾き角度θ、回転角度φを変化させて2×2MIMO伝送容量の解析を行った。なお、傾き角度θおよび回転角度φはそれぞれ、図30に示すように0°から90°まで変化させた。XPRは10dBとした。図中の3本重み付け関数の特性において印可電圧制御有はアンテナ素子とケーブルを接続するときにアンテナ性能を発揮できるよう電圧の正負を考慮した場合であり、印可電圧制御無は印可電圧制御有のときとは逆にアンテナ素子とケーブルを接続した場合である。すなわち、3本のアンテナ素子を合成する重み付け関数を用いる際は、アンテナ素子が傾いた時に伝搬環境の主たる偏波成分が打ち消し合わないようにアンテナ素子とケーブルを接続する必要がある。アンテナ素子に印可する電圧の正負と偏波の詳細な関係については、後述するためここでの説明は省略する。比較対象として、2本重み付け関数を適用した場合の解析結果をともにプロットした。図中の2本重み付け関数の特性においてスイッチ切り替え有は選択部11において動かされるアンテナ部10の動きに応じて受信電力の大きさが最も変化しない一のアンテナ素子を除いた2つのアンテナ素子を選択した場合であり、スイッチ切り替え無は選択部11においてアンテナの選択を行わなかった場合である。なお、MIMO伝送容量の計算方法は非特許文献1に示されているので、ここでの説明は省略する。
実施の形態5では、重み付け関数に適用される位相シフト量は、予め定めた値であったが、アンテナ装置1や2が搭載される端末や、ユースシーンに応じて制御してもよい。そうすることで、アンテナ装置1や2が搭載される端末や、ユースシーンにおいてより安定した受信信号を得ることができる。以下、この場合について説明する。
図32は、実施の形態5に係るアンテナ装置2を搭載したタブレット端末を縦置き使用したときの解析モデルを示す図である。図33は、実施の形態5に係るアンテナ装置2を搭載したタブレット端末を横置き使用したときの解析モデルを示す図である。図34は、実施の形態6に係る位相シフト量について説明するための図である。図35は、実施の形態6に係るタブレット端末のアンテナ装置2の具体的構成の一例を示す図である。
図36A〜図36Cは、タブレット端末の保持角度の平均値を説明するための図である。図36Aには、ユーザがタブレット端末を手で保持するときの水平面(xy平面)からの角度である端末保持角度x1と、ユーザの手がタブレット端末を保持するときの端末保持位置x2の定義が示されている。図36Bにはユーザがタブレット端末を手で保持するときの端末保持角度x1の統計結果が示されており、図36Cには、端末保持角度x1と端末保持位置x2とそれぞれの統計の解析結果が示されている。すなわち、図36Cから、端末保持角度x1の平均値は35度であり、傾き角度θはz軸から55度であるのがわかる。
以上のように、本実施の形態によれば、位相シフト量を、アンテナ装置1および2を搭載する端末やユースシーンに応じて制御することにより、さらなる伝送容量の向上が図れる。
10、10A アンテナ部
11 選択部
12、22、22a 合成部
13 センサ部
101 直交モードパッチアンテナ
102 垂直偏波Lアンテナ
121、221 算出部
122、222 重み付け部
123、223 加算部
310、311 誘電体基板
320、321 グランド
330、331 重み付け回路
400、500 端末
401、501、601 基地局
402、602、603、604、605 建物
404 自動車
405 森林
600 携帯端末
Claims (3)
- 無線通信に使用されるアンテナ装置であって、
互いに直交する3つのアンテナ素子を有するアンテナ部と、
前記3つのアンテナ素子が3次元座標上のx、y、z軸と平行となる位置を基準とした場合の前記アンテナ部の3次元座標上の傾きを示す変数と、前記アンテナ部に到来する到来波の交差偏波電力の比とで定義され、前記3つのアンテナ素子における位相シフト量が反映された重み付け関数を用いて、前記3つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する合成部と、を備える、
アンテナ装置。 - 前記位相シフト量は2π/3と−2π/3であり、
前記合成部は、当該位相シフト量が反映された前記重み付け関数を用いて、前記3つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する、
請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記位相シフト量は、ユースシーンと伝搬環境に応じて定められた値であり、
前記合成部は、当該位相シフト量が反映された前記重み付け関数を用いて、前記3つのアンテナ素子の受信信号を合成して出力する、
請求項1に記載のアンテナ装置。
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