JP2022047133A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超高速通信を実現し、かつ、多素子アンテナの小型化を図ったアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置１０は、ＭＩＭＯアレー１２を最小構成単位とし、第１平面２０上の第１円周２１に沿って最小構成単位が等間隔で複数配置された第１アレー群１４ａと、第１平面２０上の第２円周２２に沿って最小構成単位が等間隔で複数配置された第２アレー群１４ｂと、第２平面３０上の第３円周３１に沿って最小構成単位が等間隔で複数配置された第３アレー群１６ａと、第２平面３０上の第４円周３２に沿って最小構成単位が等間隔で複数配置された第４アレー群１６ｂとを備える。第１円周２１および第２円周２２は、第１平面２０上の第１点２５を共通の中心とし、第３円周３１および第４円周３２は、第２平面３０上の第２点３５を共通の中心とし、第１平面２０および第２平面３０は、平行である。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、超高速通信を実現する小型化された多素子ＭＩＭＯアンテナに関するものである。

２０２０年に第５世代移動通信規格（５Ｇ）の商用化が開始され、理論上は２０Ｇｂｐｓの超高速通信が実現されようとしている。２０３０年代には次世代の移動通信規格（６Ｇ）の商用化が検討されており、更なる超高速通信の実現に期待が寄せられている。従って、超高速通信を実現できる多素子ＭＩＭＯ（Multiple-Input and Multiple-Output）アンテナの開発は必要不可欠である。

Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯの基地局アレーではパッチアンテナを２次元的に配列した平面アレーの開発例が多い。しかしながら、平面パッチアレーは、特定の空間領域を照射する目的で使用され、全方位にわたる通信性能を提供しない。その結果、全パッチ素子数に対応するＦｕｌｌ－Ｒａｎｋのチャネル応答行列が形成されず、伝送容量の低下を招く。

移動局側アンテナにおいて第５世代以降の１００Ｇｂｐｓを超える伝送容量を実現するためには、（１）繰り返しアレー配列によるＬａｒｇｅ－ＳｃａｌｅＭＩＭＯの構成、（２）同相励振サブアレーによる高利得化、（３）直交アレー配列による低相関化、（４）回転アレー構造による全アジマス方位放射、（５）全アレー到来波照射によるフルランク行列の形成、の５つの要件を全て満足する必要がある。

そこで、従来、上記５つの要件を満足するデイジーチェーンＭＩＭＯアンテナが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、高次の大規模ＭＩＭＯアレーアンテナの実現のため、多くの基本モジュールアンテナを幾何学的に２次元配列する。たとえば、１２８×１２８ＭＩＭＯアレーを実現するためには、２つの６４×６４ＭＩＭＯアレーを重なりが生じない距離に隣接して配置する。

特開２０１９－４１３６７号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、１２８×１２８ＭＩＭＯアレーは６４×６４ＭＩＭＯアレーの２倍以上の占有面積が必要である。これは、アンテナの大型化を招き、車両応用の実用化を考慮するとアンテナの小型化が課題となる。つまり、特許文献１の技術は、コネクテッドカーの高速通信を目的に円周上の等角度分割線上に配列されたＮ個（Ｎは３個以上の整数）の水平面内無指向性アンテナと移相器と信号加算器によって電波の到来波方向に応じてアンテナの指向性の最適化を図り、超高速通信を実現するものであるが、多素子アンテナの小型化については検討されていない。

そこで、本発明は、超高速通信を実現し、かつ、多素子アンテナの小型化を図ったアンテナ装置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、本発明の一形態に係るアンテナ装置は、アンテナ装置であって、ＭＩＭＯ通信用の複数のアンテナ素子で構成されるＭＩＭＯアレーを最小構成単位とし、第１平面上の第１円周に沿って前記最小構成単位が等間隔で複数配置された第１アレー群と、前記第１平面上の第２円周に沿って前記最小構成単位が等間隔で複数配置された第２アレー群と、第２平面上の第３円周に沿って前記最小構成単位が等間隔で複数配置された第３アレー群と、前記第２平面上の第４円周に沿って前記最小構成単位が等間隔で複数配置された第４アレー群とを備え、前記第１円周および前記第２円周は、前記第１平面上の第１点を共通の中心とし、それぞれ、第１半径および第２半径の円周であり、前記第３円周および前記第４円周は、前記第２平面上の第２点を共通の中心とし、それぞれ、前記第１半径および前記第２半径の円周であり、前記第１平面および前記第２平面は、平行であり、前記第１平面および前記第２平面に対する平面視において、前記第１点および前記第２点の位置は、同じである。

つまり、本発明は、リング構造を有した多素子ＭＩＭＯアンテナを多段に積層することによって、小型でありながら全アジマスにおいて超高速通信を達成する大規模ＭＩＭＯアレーアンテナを実現することを最も重要な特徴とする。

本発明のアンテナ装置は、小型でありながら、通信を行うターゲットの方向を高精度で推定することで、ビームを推定した到来波方向に向けて常時最適な受信信号を得て超高信頼性通信を実現できる。

図１は、実施の形態に係る２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナの構成の一例を示す図である。 図２は、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナの最小構成単位となっている４×４ＭＩＭＯアレー１２の構造を示す図である。 図３は、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナの小型化へのアプローチの概要を示す図である。 図４は、２次元配列および３次元配列の２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナのチャネル利得の比較を示す図である。 図５は、図４と同じ構造パラメータにおける２次元配列の２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナの指向性を示す図である。 図６は、図４と同じ構造パラメータにおける３次元配列の２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナの指向性を示す図である。 図７は、２次元配列および３次元配列の２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナにおける伝送容量の累積分布関数（ＣＤＦ）を示す図である。 図８は、チャネル間相関を低減する２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナのアレー配置を示す図である。 図９は、チャネル間相関の解析モデルを示す図である。 図１０は、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナのアレー半径ｒ（横軸）と相関ρ（縦軸）の関係を示す図である。 図１１は、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナの上下段のサブアレーのオフセット角度δとチャネル間相関の関係をモンテカルロ解析によって求めた結果を示す図である。 図１２は、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナのオフセット角度δと固有値分布の関係を示す図である。 図１３は、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナのオフセット角度δと伝送容量の累積分布関数の関係を示す図である。 図１４は、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナの上下段アレー群の間隔ｄ（横軸）と伝送容量（縦軸）の関係を示す図である。 図１５は、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナについての到来波方向（横軸）と伝送容量（縦軸）の関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化する。

図１は、実施の形態に係る２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０の構成の一例を示す図である。２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０は、実施形態に係るアンテナ装置の一例であり、ＭＩＭＯ通信用の複数のアンテナ素子で構成される最小構成単位の一例である４×４ＭＩＭＯアレー１２で構成される下段アレー群１４および上段アレー群１６を備える。下段アレー群１４は、第１平面２０上の第１円周２１に沿って４×４ＭＩＭＯアレー１２が等間隔で複数配置された第１アレー群１４ａと、第１平面２０上の第２円周２２に沿って４×４ＭＩＭＯアレー１２が等間隔で複数配置された第２アレー群１４ｂとを含む。上段アレー群１６は、第２平面３０上の第３円周３１に沿って４×４ＭＩＭＯアレー１２が等間隔で複数配置された第３アレー群１６ａと、第２平面３０上の第４円周３２に沿って４×４ＭＩＭＯアレー１２が等間隔で複数配置された第４アレー群１６ｂとを含む。第１円周２１および第２円周２２は、第１平面２０上の第１点２５を共通の中心とし、それぞれ、第１半径（ｒＬ１）２３および第２半径（ｒＬ２）２４の円周である。第３円周３１および第４円周３２は、第２平面３０上の第２点３５を共通の中心とし、それぞれ、第１半径２３と同じ第３半径（ｒＵ１）３３および第２半径２４と同じ第４半径（ｒＵ２）３４の円周である。第１平面２０および第２平面３０は、平行である。第１平面２０および第２平面３０に対する平面視において、第１点２５および第２点３５の位置は、同じである。

つまり、図１の下段アレー群（Ｌｏｗｅｒ Ａｒｒａｙ）１４および上段アレー群（Ｕｐｐｅｒ Ａｒｒａｙ）１６は１２８×１２８ＭＩＭＯアレーアンテナである。図１の特徴的な形状から本発明アンテナを“Ｐａｎｃａｋｅ ＭＩＭＯ Ａｎｔｅｎｎａ”と名づけた。下段アレー群１４および上段アレー群１６の外側（Ｏｕｔｅｒ Ａｒｒａｙ）と内側（Ｉｎｎｅｒ Ａｒｒａｙ）のアレー群（第１アレー群１４ａ、第２アレー群１４ｂ、第３アレー群１６ａ、第４アレー群１６ｂ）は６４×６４ＭＩＭＯアレーを形成しており、それぞれ１６個の４×４ＭＩＭＯアレー１２を２２．５°間隔で配置している。外側アレーの半径（つまり、第１円周２１および第３円周３１の半径）は、それぞれ、ｒＬ１およびｒＵ１（本実施の形態では、これらは同じ値）で、内側アレーの半径（つまり、第２円周２２および第４円周３２の半径）は、それぞれ、ｒＬ２およびｒＵ２（本実施の形態では、これらは同じ値）である。ＬおよびＵの添え字は下段および上段を表している。上下段アレー群の間隔はｄである。

図２は２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０の最小構成単位となっている４×４ＭＩＭＯアレー１２の構造を示す図である。４×４ＭＩＭＯアレー１２は、円周に沿って等間隔で配置された複数のアンテナ素子＃１～＃８および中心に配置されたアンテナ素子＃９で構成される円形配列フェーズドアレーアンテナであり、４つのサブアレー＃２－＃３、＃１－＃４、＃５－＃８、＃６－＃７を含む。４×４ＭＩＭＯアレー１２では、図２に示すように、４つのサブアレー＃２－＃３、＃１－＃４、＃５－＃８、＃６－＃７を同相励振することによって４つの指向性ビームを作る。これにより、同相励振サブアレーによる高利得化と到来波方向に対する直交配列によってサブアレー間の低相関化を実現している。なお、アンテナ素子＃１～＃８は、例えば、１／４波長バーチカルアンテナ、または、半波長ダイポールアンテナである。

図１において各４×４ＭＩＭＯアレー１２の傍に記載したｓと番号の組み合わせはサブアレーの番号を示しており、例えば下段アレー群１４の外側アレーの右側に位置するｓ１－４は、サブアレー１から４がこの４×４ＭＩＭＯアレー１２によって形成されることを意味している。この記述に従い、上段アレー群１６の内側アレーのｓ２５３－２５６に至るまで総数２５６個のサブアレーが割り当てられている。

このように４×４ＭＩＭＯアレー１２は４つのＭＩＭＯサブチャネルを形成する。従って、外側および内側アレーは４×１６＝６４個のサブチャネルを形成し、２重リング構造とすることで上下段アレー群は６４×２＝１２８個のサブチャネルを実現する。さらに２重リング構造を２段重ねとすることによって２５６×２５６ＭＩＭＯアレーとして動作させる。

なお、４×４ＭＩＭＯアレー１２の回転対称構造によって指向性ビームは４５度間隔で回転させることができる。従って、全サブアレーを同期して指向性走査させることによって、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０はアジマス全方位に対して良好な通信性能を提供する。

次に、大局的な観点から小型化手法に対する分類を実施し、性能比較を通して２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０のアレー構成法に関する設計指針を説明する。

図３は２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０の小型化へのアプローチの概要を示す図である。まずステップ１では、６４×６４ＭＩＭＯアンテナを２重リング構造に配置することによって１２８×１２８ＭＩＭＯの小型化を達成する（図３の（ａ））。非特許文献１（小川晃一、“２重リング構造により小型化を図った移動局大規模ＭＩＭＯアンテナ”、信学技報、ＡＰ２０２０－１３、ｐｐ．２１－２６、Ｊｕｌｙ ２０２０）に開示された先行研究では内側アレーの半径ｒ２を外側アレーの半径ｒ１の０．７２倍とすることによって放射効率が最大化されることを見出し、伝送容量を小型化適用以前の８５％にまで向上させることに成功している。

ステップ２では、ステップ１の研究成果に基づき、２つの異なった方法によって２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナの小型化にアプローチする（図３の（ｂ））。その１つは、２次元配列（平面構造）による小型化である。具体的には、図１のモーメント法解析プログラム（Ｆｏｒｔｒａｎ）おいて、上段アレー群１６と下段アレー群１４との間隔ｄをゼロ（ｄ＝０）とし、外側および内側アレーの半径（ｒＬ１、ｒＵ１およびｒＬ２、ｒＵ２）を図３の（ｂ）の左側のように２次元配列することによって、図１の構造を平面化して解析する。もう１つのアプローチは図３の（ｂ）の右側に示した３次元配列（立体構造）であって図１に示した構造そのものである。

図３の（ｂ）の左側に示されるように、２次元配列はそのシンプルさゆえに実用化が容易であるが、アレー群半径が内側アレーになるほど小さくなり、特性劣化が大きくなることが予想される。一方、図３の（ｂ）の右側に示されるように、３次元配列は上下段アレー群ともに半径を大きくできるため特性上は有利であるが、給電構造を含む製造工程が複雑になる欠点がある。このように、２次元配列と３次元配列は特性と実用化の容易さの観点でトレードオフの関係が存在する。そこで、両者の特性上の優劣、すなわちアンテナ性能の定量化の実施に集中し、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０の開発に際して、これら２つの小型化アプローチの選択を行う際の設計指針を次に説明する。

図４は２次元配列および３次元配列の２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナのチャネル利得（縦軸；Average of Channel Gain [dB]）の比較を示す図である。図４の（ａ）は２次元配列のチャネル利得を示し、図４の（ｂ）は３次元配列のチャネル利得を示す。いずれの構造でも外側および内側アレー半径の決定は、非特許文献１に開示された研究結果に従い、ｒＵ２＝０．７２ｒＵ１あるいはｒＬ２＝０．７２ｒＬ１の関係に近い配列を行った。アンテナ素子は全て半波長ダイポールである。周波数は５ＧＨｚである。アンテナ素子の指向性はモーメント法によって求めた。

チャネル利得は、評価アンテナとアイソトロピックアンテナを用いて同一の伝搬環境を移動したときのそれぞれの平均受信電力の比として定義した。クラスター波の到来波方向

は０度、広がり角σは３０度である。図４（ａ）および（ｂ）において、横軸は図１に示したサブアレーの番号（Number of Subarray）であって、サブアレー１－６４、６５－１２８、１２９－１９２、１９３－２９６は、それぞれ半径ｒＬ１、ｒＬ２、ｒＵ１、ｒＵ２の下段外側・内側アレーおよび上段外側・内側アレーに対応している。なお、図４の（ａ）の２次元配列では上下段アレー群の間隔をｄ＝０としている。

図４から、２次元配列および３次元配列ともにチャネル利得は周期的に変動していることがわかる。横軸のサブアレー番号が１、６５、１２９、１９３の周辺では、図１に示すように、サブアレーは到来波の正面方向に位置していることから高いチャネル利得が得られている。一方、サブアレー番号が３３、９７、１６１、２２５周辺では、到来波方向と反対方向にサブアレーが位置しているため、前方に存在する多くの他のサブアレーによって到来波が遮蔽されチャネル利得は大きく低減している。

図４の（ａ）の２次元配列の場合、半径ｒＬ１に対応するサブアレーでは３次元配列と同等のチャネル利得が得られているが、半径ｒＬ２、ｒＵ１、ｒＵ２に属するサブアレーでは、半径が小さくなるに従ってチャネル利得が大きく低減することがわかる。一方、図４の（ｂ）の３次元配列の場合、サブアレー番号が１－１２８の下段アレー群１４とアレー番号が１２９－２５６の上段アレー群１６において同等のチャネル利得が得られている。

図５および図６は、それぞれ、図４と同じ構造パラメータにおける２次元配列と３次元配列の２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナの指向性を示す図である。図５および図６において（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はサブアレー番号が、それぞれｓ１、ｓ６５、ｓ１２９、ｓ１９３の指向性を示す図である。

図５の２次元配列の場合、ｓ１２９およびｓ１９３とｓ１およびｓ６５の指向性の比較から、ｓ１２９およびｓ１９３では到来波方向（ｘ軸方向）の利得が大きく劣化していることがわかる。一方、図６の３次元配列では、すべてのサブアレーでｘ軸方向にビームが形成されており、大きな利得が得られている。図５および図６の結果は、図４で示したチャネル利得のサブアレー番号に対応した挙動と一致しており、これにより、２次元配列と３次元配列におけるサブアレー指向性とチャネル利得の関係が解明された。

図７は２次元配列および３次元配列の２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナにおける伝送容量（横軸；Channel Capacity [bits/s/Hz]）の累積分布関数（ＣＤＦ）の確率値（縦軸；Cumulative Percentage [%]）を示す図である。ここでは、２次元配列の場合が実線で示され、３次元配列の場合が破線で示されている。３次元配列の５０％確率値（図中の横破線）における伝送容量は、２次元配列と比較して１００ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚ（１０％）の増加が得られている。これは、図４のチャネル利得に起因している。

以上の検討結果から、２次元配列と３次元配列の特性上の定量化が図られ、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０のアレー構成法に関する設計指針を得ることができた。

以上のように、利得特性に基づいて、３次元配列が２次元配列と比較して高い伝送容量を有することが明らかとなった。一方、ＭＩＭＯ通信の伝送容量を決定するもう１つの重要なパラメータはチャネル間相関である。次に、チャネル間相関の低減によって伝送容量のさらなる向上を図った方法を説明する。

図８はチャネル間相関を低減する２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａのアレー配置を示す図である。ここでは、第１平面２０および第２平面３０を平面視した場合の２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａの構成例が示されている。より詳しくは、第２アレー群１４ｂを構成する複数の４×４ＭＩＭＯアレー１２は、第１点２５と第１アレー群１４ａを構成する複数の４×４ＭＩＭＯアレー１２のそれぞれの位置とを結ぶ複数の第１線上に位置し、第４アレー群１６ｂを構成する複数の４×４ＭＩＭＯアレー１２は、第２点３５と第３アレー群１６ａを構成する複数の４×４ＭＩＭＯアレー１２のそれぞれの位置とを結ぶ複数の第２線上に位置し、複数の第１線と複数の第２線とは、第１平面２０および第２平面３０に対する平面視において、第１点２５および第２点３５を中心として所定のオフセット角δだけ回転した位置関係にある。所定のオフセット角δは、複数の第１線のうち隣接する２つの第１線がなす角度の半分であり、本実施の形態では、第１アレー群１４ａ、第２アレー群１４ｂ、第３アレー群１６ａ、および、第４アレー群１６ｂのそれぞれは、１６個の４×４ＭＩＭＯアレー１２で構成されることから、所定のオフセット角は、１１．２５°（３６０°÷１６÷２）である。

相関は複素相関の絶対値によって定義した。なお、図１のアレー配置では、下段アレー群（Ｌｏｗｅｒ Ａｒｒａｙ）１４の真上に上段アレー群（Ｕｐｐｅｒ Ａｒｒａｙ）１６が置かれていた。それに対して図８では、上段アレー群１６の位置を下段アレー群１４からδ＝１１．２５°だけオフセットさせる。これによって、上下段のアジマス方向に関する素子位置にずれが生じるので、チャネル間相関の低減が期待できる。そこで、初期ステップとして、理論検討によってアレー素子オフセット法の適用効果を調べた。

図９はチャネル間相関の解析モデルを示す図である。図１で説明した４×４ＭＩＭＯアレー１２を、モデルの単純化のため、図９のアンテナ素子１２ａとアンテナ素子１２ｂで示した単一点素子（アイソトロピックアンテナ）に置き換え、この２つのアンテナ素子１２ａおよび１２ｂ間の相関を求めた。上段アレー群１６と下段アレー群１４のオフセット角度をδ＝１１．２５°とすると、隣接するアンテナ素子間の距離ｓは次の式（１）となる。

ここでｒはアンテナ素子が設置されている円の半径である。

下段アレー群１４と上段アレー群１６の２つのアンテナ素子に直交する方向から広がり角σ（標準偏差）のガウス波（図９における「Gaussian Wave」参照）が入射するときアンテナ素子間の相関は次の式（２）および（３）によって与えられる。

ここでｋ＝２π／λは波数（λは波長）である。式（１）、（２）および（３）より相関ρ（ｓ）は半径ｒの関数として次の式（４）によって表される。

図１０は上記式（４）によって計算した２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａのアレー半径ｒ（横軸；Radius of Array r [cm]）と相関ρ（縦軸；Correlation Coefficient |ρ|）の関係を示す図である。到来波の広がり角はσ＝１０°（実線）、３０°（破線）、５０°（点線）とした。図１０のように、半径ｒが小さくなると上記式（１）に従って素子間距離ｓが減少し、相関は高くなる。図１０より、半径が２０ｃｍ以上、広がり角が３０°以上において、相関の低減効果が大きいことがわかった。

図１１は２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａの上下段のサブアレーのオフセット角度δとチャネル間相関（縦軸；Absolute of Complex Correction）の関係をモンテカルロ解析によって求めた結果を示す図である。ここでは、オフセット角度δが０°の場合（実線）と１１．２５°の場合（破線）とが示されている。アンテナ形状は図４の（ｂ）と同じである。横軸は下段アレー群１４の外側アレー（第１アレー群１４ａ）のサブアレー番号（Number of Lower Subarray）である。δ＝０°はオフセットなしの状態であって図１のアレー配置を意味している。図１１のように、δ＝０°の場合はサブアレー番号によらず高い相関を示すがδ＝１１．２５°の場合は相関が０．６程度に低減しており、これにより、相関低減の効果が確認された。

図１２は２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａのオフセット角度δと固有値分布（縦軸；Average Eigenvalue）の関係を示す図である。ここでは、オフセット角度δが０°の場合（実線）と１１．２５°の場合（破線）とが示されている。横軸はサブチャネルの番号（Number of Subchannel）を示す。オフセットあり（δ＝１１．２５°）となし（δ＝０°）の場合を比較すると、オフセットによってサブチャネル１２８以上の下位の固有値が上昇していることがわかる。これは相関低減による効果である。

図１３は２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａのオフセット角度δと伝送容量（横軸； Channel Capacity [bits/s/Hz]）の累積分布関数の確率値（Cumulative Percentage [%]）との関係を示す図である。図１３には、比較が容易になるように、オフセット有無の累積分布関数（オフセット角度δが０°の場合（実線）および１１．２５°の場合（破線））、とともに図７で示した２次元配列の伝送容量のＣＤＦ（点線）も転記した。図１３の５０％確率値（図中の横破線）から、オフセットなしの場合と比較してオフセットによって１０％程度の伝送容量の向上が達成できていることがわかる。

図１４は２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａの上下段アレー群の間隔ｄ（横軸；Distance Between Lower and Upper Arrays d [cm]）と伝送容量（縦軸；Channel Capacity [bits/s/Hz]）の関係を示す図である。ここでは、オフセット角度δが０°の場合（実線）と１１．２５°の場合（破線）とが示されている。間隔ｄが２０ｃｍ以上ではほぼ一定の伝送容量が得られており、ｄ＝２０ｃｍが高い伝送容量を得るための設計指針値となる。

図１５は２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａについての到来波方向（横軸；Angle of Incident Wave

[deg]）と伝送容量（縦軸；Channel Capatity [bits/s/Hz]）の関係を示す図である。ここでは、非特許文献２（生川菜々：“大規模ＭＩＭＯアンテナ解析のための散乱体ランダム配置によるモンテカルロ法”，信学技報，ＡＰ２０１９－５５，ｐｐ．４３－４８，Ａｕｇ．２０１９．）に開示された２５６×２５６ＭＩＭＯ（図の黒三角）、実施の形態に係る２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａ（ｄ＝２０ｃｍ：図の黒丸）、および、非特許文献１に開示された１２８×１２８ＭＩＭＯ（図の黒四角）について図示されている。指向性走査機能によってアジマス角度によらず一定の伝送容量が得られていることがわかる。実施の形態に係る２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａ（ｄ＝２０ｃｍ：図の黒丸）を他のアレー構成と比較すると、非特許文献２に開示された２５６×２５６ＭＩＭＯ（図の黒三角）との比較では、占有面積が１／５で７２％の伝送容量を達成している。さらに非特許文献１に開示された１２８×１２８ＭＩＭＯ（図の黒四角）との比較では、実施の形態に係る２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａは２倍のサブアレー数を有するにも関わらず、占有面積が同じで１３３％の伝送容量を達成した。このように、実施の形態に係る２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０ａは高い伝送容量を維持しながら大幅な占有面積の削減を実現している。

以上のように、本実施の形態に係るアンテナ装置は、ＭＩＭＯ通信用の複数のアンテナ素子で構成されるＭＩＭＯアレーを最小構成単位とし、第１平面２０上の第１円周２１に沿って最小構成単位が等間隔で複数配置された第１アレー群１４ａと、第１平面２０上の第２円周２２に沿って最小構成単位が等間隔で複数配置された第２アレー群１４ｂと、第２平面３０上の第３円周３１に沿って最小構成単位が等間隔で複数配置された第３アレー群１６ａと、第２平面３０上の第４円周３２に沿って最小構成単位が等間隔で複数配置された第４アレー群１６ｂとを備え、第１円周２１および第２円周２２は、第１平面２０上の第１点２５を共通の中心とし、それぞれ、第１半径２３および第２半径２４の円周であり、第３円周３１および第４円周３２は、第２平面３０上の第２点３５を共通の中心とし、それぞれ、第１半径２３と同じ第３半径３３および第２半径２４と同じ第４半径３４の円周であり、第１平面２０および第２平面３０は、平行であり、第１平面２０および第２平面３０に対する平面視において、第１点２５および第２点３５の位置は、同じである。

これにより、最小構成単位であるＭＩＭＯアレーが２重リング化され、かつ、２重リング化されたＭＩＭＯアレーが積層された構造となるので、超高速通信と小型化とが両立したアンテナ装置が実現される。

また、最小構成単位は、円周に沿って等間隔で配置された複数のアンテナ素子で構成される４つのサブアレーを含む。これにより、４つのサブアレーを同相励振することによって４つの指向性ビームを作ることができ、同相励振サブアレーによる高利得化と到来波方向に対する直交配列によるサブアレー間の低相関化が実現される。

また、第２アレー群１４ｂを構成する複数の最小構成単位は、第１点２５と第１アレー群１４ａを構成する複数の最小構成単位のそれぞれの位置とを結ぶ複数の第１線上に位置し、第４アレー群１６ｂを構成する複数の最小構成単位は、第２点３５と第３アレー群１６ａを構成する複数の最小構成単位のそれぞれの位置とを結ぶ複数の第２線上に位置し、複数の第１線と複数の第２線とは、第１平面２０および第２平面３０に対する平面視において、第１点２５および第２点３５を中心として所定のオフセット角だけ回転した位置関係にある。これにより、チャネル間相関が低減される。

具体的には、所定のオフセット角は、複数の第１線のうち隣接する２つの第１線がなす角度の半分である。これにより、チャネル間相関の低減化が最大化される。

また、第１アレー群１４ａ、第２アレー群１４ｂ、第３アレー群１６ａ、および、第４アレー群１６ｂのそれぞれは、１６個の最小構成単位で構成され、所定のオフセット角は、１１．２５°である。これにより、各リングについて１６個の最小構成単位であるＭＩＭＯアレーが配置された、低チャネル間相関の大規模ＭＩＭＯアレーアンテナが実現される。

以上、本発明に係るアンテナ装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、アンテナ装置として、２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ１０が例として説明されたが、本発明に係るアンテナ装置は、このような規模に限定されるものではなく、３２×３２ＭＩＭＯアレーアンテナ、６４×６４ＭＩＭＯアレーアンテナ、１２８×１２８ＭＩＭＯアレーアンテナ、５１２×５１２ＭＩＭＯアレーアンテナ等の規模として実現されてもよい。また、本発明に係るアンテナ装置は、実施の形態のような２重リング構造および２層構造に限定されるものではなく、３重以上のリング構造であってもよいし、３層以上の層構造であってもよい。

また、上記実施の形態では、アンテナ装置の最小構成単位は、４×４ＭＩＭＯアレー１２であったが、これに限定されるものではなく、２×２ＭＩＭＯアレー等であってもよい。

また、上記実施の形態では、上段アレー群１６は、リング構造の中心（第２点３５）に最小構成単位の４×４ＭＩＭＯアレー１２が配置されたが、必ずしも、中心に最小構成単位が配置される必要はない。同様に、最小構成単位の４×４ＭＩＭＯアレー１２では、リング構造の中心にアンテナ素子＃９が配置されたが、必ずしも、中心にアンテナ素子が配置される必要はない。

また、上記実施の形態では、チャネル間相関を低減するために、オフセット角δは、複数の第１線のうち隣接する２つの第１線がなす角度の半分であったが、その値ピッタリである必要はなく、その値に近い角度であってもよい。

本発明は、アンテナ装置として、例えば、到来波方向に指向性を向けることで高信頼性通信を実現でき、コネクテッドカーや飛翔車両など移動局側に対して新たな技術的な飛躍を与えることができる小型化された大規模ＭＩＭＯアレーアンテナとして、利用できる。

１０、１０ａ ２５６×２５６大規模ＭＩＭＯアレーアンテナ（アンテナ装置）
１２ ４×４ＭＩＭＯアレー（最小構成単位）
１４ 下段アレー群
１４ａ 第１アレー群
１４ｂ 第２アレー群
１６ 上段アレー群
１６ａ 第３アレー群
１６ｂ 第４アレー群
２０ 第１平面
２１ 第１円周
２２ 第２円周
２３ 第１半径
２４ 第２半径
２５ 第１点（中心）
３０ 第２平面
３１ 第３円周
３２ 第４円周
３３ 第３半径
３４ 第４半径
３５ 第２点（中心）
＃１～＃９ アンテナ素子

Claims (5)

1. アンテナ装置であって、
   ＭＩＭＯ（Multiple-Input and Multiple-Output）通信用の複数のアンテナ素子で構成されるＭＩＭＯアレーを最小構成単位とし、
   第１平面上の第１円周に沿って前記最小構成単位が等間隔で複数配置された第１アレー群と、
   前記第１平面上の第２円周に沿って前記最小構成単位が等間隔で複数配置された第２アレー群と、
   第２平面上の第３円周に沿って前記最小構成単位が等間隔で複数配置された第３アレー群と、
   前記第２平面上の第４円周に沿って前記最小構成単位が等間隔で複数配置された第４アレー群とを備え、
   前記第１円周および前記第２円周は、前記第１平面上の第１点を共通の中心とし、それぞれ、第１半径および第２半径の円周であり、
   前記第３円周および前記第４円周は、前記第２平面上の第２点を共通の中心とし、それぞれ、前記第１半径および前記第２半径の円周であり、
   前記第１平面および前記第２平面は、平行であり、
   前記第１平面および前記第２平面に対する平面視において、前記第１点および前記第２点の位置は、同じである、
   アンテナ装置。
2. 前記最小構成単位は、円周に沿って等間隔で配置された複数のアンテナ素子で構成される４つのサブアレーを含む、
   請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記第２アレー群を構成する前記複数の最小構成単位は、前記第１点と前記第１アレー群を構成する前記複数の最小構成単位のそれぞれの位置とを結ぶ複数の第１線上に位置し、
   前記第４アレー群を構成する前記複数の最小構成単位は、前記第２点と前記第３アレー群を構成する前記複数の最小構成単位のそれぞれの位置とを結ぶ複数の第２線上に位置し、
   前記複数の第１線と前記複数の第２線とは、前記第１平面および前記第２平面に対する平面視において、前記第１点および前記第２点を中心として所定のオフセット角だけ回転した位置関係にある、
   請求項１または２記載のアンテナ装置。
4. 前記所定のオフセット角は、前記複数の第１線のうち隣接する２つの前記第１線がなす角度の半分である、
   請求項３記載のアンテナ装置。
5. 前記第１アレー群、前記第２アレー群、前記第３アレー群、および、前記第４アレー群のそれぞれは、１６個の前記最小構成単位で構成され、
   前記所定のオフセット角は、１１．２５°である、
   請求項４記載のアンテナ装置。

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