JP4029167B2

JP4029167B2 - アンテナ装置および通信端末装置

Info

Publication number: JP4029167B2
Application number: JP2002380748A
Authority: JP
Inventors: 知重古樋
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2004214864A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば無線ＬＡＮ等に用いられるアンテナ装置およびそれを備えた通信端末装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯電話等の移動体通信機器で、アンテナから人体へ輻射される電磁波を軽減し、且つ待ち受け状態においてアンテナ利得が低くならないようにした移動体通信機器として特許文献１が開示されている。
【０００３】
この特許文献１に示されている移動体通信機器は、無指向性アンテナ、指向性アンテナ、送受信部、および無指向性アンテナまたは指向性アンテナと送受信部との接続状態を切り替える切り替えスイッチを備え、移動体通信機器の使用状態に応じて切り替えスイッチを制御し、待ち受け状態では無指向性アンテナを用い、音声通話時に指向性アンテナを用いるように構成している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２６１６７９
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが一般に、移動体通信機器においてはアンテナ周囲の人体の移動に伴う状況変化によって通信環境が大きく変化する。特許文献１に開示されている移動体通信機器では、人体の存在が電磁波の輻射および伝搬に大きな影響を与えるにも関わらず、単に人体が携帯電話装置などの筐体に接触しているか否かの判断しか行っていない。すなわち、装置に接触していない人や周囲の物体が電磁波の伝搬に及ぼす影響については考慮されていない。その結果、アンテナの指向性を切り替えても、必ずしも最適な通信状態で通信が行われないという問題があった。また、装置に接触していない人体に対して輻射される電磁波を軽減するといった効果は得られない。
【０００６】
この発明の目的は、アンテナ周囲に電磁波の伝搬に影響を及ぼす物体が存在し、且つその物体が移動する状況であっても良好な通信状態を保てるようにしたアンテナ装置およびそれを備えた通信端末装置を提供することにある。
【０００７】
また、この発明の他の目的は、アンテナの近傍に存在する人体への電磁波照射量を軽減できるようにしたアンテナ装置およびそれを備えた通信端末装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、通信対象機器との間で電磁波の送受信を行うアンテナ装置であって、放射パターンの指向方向または指向性を変化させる指向性可変手段を有するアンテナと、該アンテナ周囲の物体の位置または方位を検知する物体検知手段と、通信対象機器との間で通信品質を測定する通信品質測定手段と、通信品質に関する前記物体の位置または方位と前記指向性との相関関係を示す相関関係データを求めるとともに記憶する相関関係データ処理手段と、前記相関関係データに基づいて、前記物体検知手段が検知した物体の位置または方位に対して通信品質が高くなるように前記指向性可変手段を制御する指向性制御手段を備えたことを特徴としている。
【０００９】
このように通信品質に関する物体の位置または方位とアンテナの指向性との相関関係を求めて、その相関関係に基づいて物体の位置または方位に応じて最適な指向性をアンテナにもたせるようにすることによって常に良好な通信環境を確保できるようになる。例えば、上記物体が人体であって、その人体が移動しても、アンテナと通信対象機器との間で常に高い通信品質を保つことができる。
【００１２】
また、この発明は、前記物体検知手段として、人体の発する赤外線波長領域を検知するものとする。これにより、アンテナ周囲の物体のうち人体とそれ以外の物とを明確に区別して人体の位置または方位を正確に検知できるようになる。
【００１３】
また、この発明は、前記アンテナが、少なくとも１つの放射素子と該放射素子の周囲に配置された少なくとも１つの無給電素子とを備え、前記指向性可変手段は、前記無給電素子の実効素子長を電気的に変化させる手段であることを特徴としている。
【００１４】
この構造により、無給電素子の実効素子長を電気的に変化させることによって指向性を電気的に高速に切り替えられるようになる。そのため、物体の高速移動にも対応できるようになる。
【００１５】
また、この発明は、上記何れかの構成を備えたアンテナ装置と、そのアンテナ装置で無線ＬＡＮ用の信号を送受信する通信手段とを備えて通信端末装置を構成する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係るアンテナ装置および通信端末装置の構成を図１〜図５を参照して説明する。
図１は部屋内に設置した通信端末装置と、それを利用する端末装置および電磁波伝搬経路の様子などを示す図である。図１において部屋１の所定位置に通信端末装置２を設置している。この通信端末装置２はＬＡＮ３に接続することによって無線ＬＡＮの１つのアクセスポイントを構成している。通信端末装置２はアンテナ２１、アクセスポイント回路部２２および赤外線カメラ２３を備えている。この赤外線カメラ２３は、人体の発する赤外線波長領域（遠赤外線）を含む赤外光を受光して、その方位を検出する。
【００１７】
アンテナ２１は、円盤形状の接地導体１０の中央に放射素子１１を配置し、その周囲に無給電素子１２ａ〜１２ｆを配置している。放射素子１１の下端部には給電回路を設けている。無給電素子１２ａ〜１２ｆの下端部には可変リアクタンス回路を設けている。これらの可変リアクタンス回路を制御することによって無給電素子１２ａ〜１２ｆの等価的な電気長が変化し、導波器としてまたは反射器として選択的に作用する。これにより、電子制御導波器アレー(ESPAR) アンテナを構成している。例えば、無給電素子１２ｄを反射器、無給電素子１２ａを導波器として作用させれば、放射素子１１から無給電素子１２ａに向かう方向に水平面内の放射パターンの中心が向くことになる。
【００１８】
赤外線カメラ２３は視野角１２０度のカメラを１２０度間隔で３個配置して構成している。すなわちこの３つの赤外線カメラ２３によって３６０度全周囲の赤外線映像を撮像する。
【００１９】
部屋１の内部には壁や什器等の電磁波の反射体６が存在している。この部屋１の内部で人体７が移動することになる。端末装置４は例えばノートパソコンであり、無線ＬＡＮカード５をそのＰＣスロットに挿入している。通信端末装置２と端末装置４は例えば２．４ＧＨｚ帯または５ＧＨｚ帯の電磁波を用いて通信を行う。
【００２０】
図２は図１に示した部屋１を天井側から見た平面図である。この例では、通信端末装置のアンテナ２１と無線ＬＡＮカード５の間に直接波の伝搬経路Ｐａおよび反射体６による反射波の伝搬経路Ｐｒが存在する。ここでアンテナ２１が仮に無指向性であるとすると、人体が７ｂに示す位置に居るとき、この２つの伝搬経路Ｐａ，Ｐｒを介して通信が行われることになる。人体が７ａで示す位置に移動して、直接波の伝搬経路Ｐａを遮るようになると、専ら反射波の伝搬経路Ｐｒを経由して通信が行われることになる。
【００２１】
この発明に係るアンテナ装置は、例えば人体が電磁波の伝搬経路に直接影響を与えない位置７ｂに居るとき、電磁波の減衰量の少ない直接波の伝搬経路Ｐａを主たる伝搬経路とするために、アンテナ２１の指向性を制御してその方向にアンテナ放射パターンの中心方位を向ける。また人体が７ａで示す位置に存在する時、反射波の伝搬経路Ｐｒを主たる伝搬経路とするために、アンテナ２１の指向性を制御して反射体６方向へアンテナ放射パターンの中心方位を向ける。
【００２２】
図３は通信端末装置２の構成を示すブロック図である。アンテナ２１は、図１に示したように、放射素子１１および複数の無給電素子１２ａ〜１２ｆを備えていて、アンテナ指向性制御部２１１は無給電素子１２ａ〜１２ｆに接続した可変リアクタンス回路のリアクタンスを切り替えることによってアンテナ放射パターンの中心方位を設定する。マイクロプロセッサ２２４はアンテナ指向性制御部２１１に対してアンテナ放射パターンの中心方位をどの方位に向けるかの選択命令を与える。この例では６本の無給電素子１２ａ〜１２ｆを備えているので、６つの方位のうちいずれかを選択する指示を与える。
【００２３】
画像処理部２２３は赤外線カメラ２３の撮像データを入力して、アンテナ２１を中心とする全周囲方向の物体の方位を検知する。この例では高さ方向の位置（仰角・俯角）の指向性制御は行わないので、この画像処理部２２３では方位を位置座標とする１次元の情報として画像パターンを抽出する。マイクロプロセッサ２２４は、画像処理部２２３の処理結果を読み取って、アンテナ２１から見た人体の方位を検知する。
【００２４】
ＲＦ処理部２２１は無線周波数の送受信信号処理を行う。アクセスポイント制御部２２２はＬＡＮ３に対して物理的に接続するとともにＬＡＮ３の何れかのノード（パソコンなど）との間でデータ伝送制御を行う。また、このアクセスポイント制御部２２２はデータ伝送速度のスループットによって通信品質を評価する。マイクロプロセッサ２２４はその通信品質データを読み取る。通信品質テーブル記憶部２２５は、後述する学習モードにおいて通信品質に関する物体の方位とアンテナの指向性（アンテナ放射パターンの中心方位）との相関関係を記憶するものである。マイクロプロセッサ２２４はモード切替スイッチＳＷの状態によって学習モードと通常モードの何れかの動作を行う。
【００２５】
図４はマイクロプロセッサ２２４の処理内容を示すフローチャートである。まずモードが「学習モード」に設定されているとき、画像処理部２２３の処理結果から物体の方位を検知する（ｓ１→ｓ２）。そして、アンテナ指向性制御部２１１に対して、ランダムにまたは順次、アンテナ２１の放射パターンの中心方位（６方位）のうち１つを指示する（ｓ３）。その後、アクセスポイント制御部２２２が評価した通信品質データを読み取る（ｓ４）。そして、アンテナ放射パターンの中心方位を一方の次元（列）、物体の方位を他方の次元（行）とし、通信品質をその要素の値として、通信品質テーブルの要素の値を書き込む（更新する）（ｓ５）。上記ステップｓ２〜ｓ５の処理を所定回数繰り返すことによって、上記通信品質テーブルの内容を埋めてゆく。（ｓ６→ｓ２→・・・）。
【００２６】
同一要素のデータを更新する際は、既に書き込まれている要素の値と今回書き込むべき要素の値とを加重平均して、その要素の値を更新する。このステップｓ２〜ｓ５の処理を繰り返すことにより、通信品質に関する物体（人体）の方位と指向性との相関関係を求める。
【００２７】
図５は、この学習モードで求められた通信品質テーブルに例を示している。
ここでは、アンテナ放射パターンの中心方位をａ〜ｆの６方位とし、物体の方位もＡ〜Ｆの６方位としている。各要素の値はＭｂｐｓを単位とするスループットを表している。したがって、この値が大きい程通信品質が高いことになる。図中物体方位Ｃのデータが無いのは、その方位に物体が移動していなくて、この時点でデータがまだとれていないからである。
【００２８】
通常モードでは、画像処理部２２３の処理結果を読み取ることによって物体（人体）方位を検知し（ｓ１１）、該当する通信品質テーブルの内容を参照して最も通信品質が良好となるアンテナ放射パターンの中心方位を求める（ｓ１２）。そして、その方向に実際にアンテナ放射パターンの中心方位が向くようにアンテナ指向性制御部２１１を制御する（ｓ１３）。
【００２９】
図５に示した例で、例えば検知した物体の方位がＢであれば、最も高い通信品質が得られる（統計的に求めたスループット値が１５．３Ｍｂｐｓである）方位ａを抽出し、アンテナ放射パターンの中心方位がａを向くようにする。その後、物体の方位がＡに変化すれば、その方位で最も高い通信品質が得られる（統計的に求めたスループット値が２１．８Ｍｂｐｓである）方位ｂを抽出し、アンテナ放射パターンの中心方位がｂを向くようにする。
【００３０】
この処理を繰り返すことによって、人体が移動した際、それに応じて伝搬経路が自動的に変わって、常に良好な通信品質を保つことができる。
【００３１】
なお、以上に示した例では「学習モード」と「通常モード」という２つのモードを切り替えるようにしたが、この２つのモードの切り替えをなくして、常に学習効果を持たせつつ使用するようにしてもよい。すなわち図４に示したステップｓ２〜ｓ５の処理で通信品質を測定し、テーブルデータを更新し、且つその時点で最適な方位へアンテナの指向性を制御するという処理を繰り返すように構成してもよい。
また、以上に示した例では、データ伝送速度のスループットによって通信品質を評価するようにしたが、パケット転送時のエラー検出率などによって通信品質を評価するようにしてもよい。
【００３２】
次に第２の実施形態に係るアンテナ装置および通信端末装置の構成を図６〜図８を参照して説明する。
図６はアンテナ２１、端末装置４が存在する空間の平面図である。ここでＢはアンテナ２１の指向性を放射パターンで示している。この第２の実施形態では、アンテナ２１と端末４の無線ＬＡＮカード５との間に人体７が存在しているとき、この人体７に対しての電磁波の不要輻射を抑制するように、アンテナ２１の放射パターンの中心方位を制御する。
【００３３】
図７は通信端末装置２の構成を示すブロック図である。アンテナ２１は、図１に示したように、放射素子１１および複数の無給電素子１２ａ〜１２ｆを備えていて、アンテナ指向性制御部２１１は無給電素子１２ａ〜１２ｆに接続した可変リアクタンス回路のリアクタンスを切り替えることによってアンテナ放射パターンの中心方位を設定する。マイクロプロセッサ２２４はアンテナ指向性制御部２１１に対してアンテナ放射パターンの中心方位をどの方位に向けるかの選択命令を与える。この例では６本の無給電素子１２ａ〜１２ｆを備えているので、６つの方位のうちいずれかを選択する指示を与える。
【００３４】
画像処理部２２３は赤外線カメラ２３の撮像データを入力して、アンテナ２１を中心とする全周囲方向の物体の方位を検知する。この例では方位を位置座標とする１次元の情報として画像パターンを抽出する。マイクロプロセッサ２２４は、画像処理部２２３の処理結果を読み取って、アンテナ２１から見た人体の方位を検知する。
【００３５】
ＲＦ処理部２２１は無線周波数の送受信信号処理を行う。アクセスポイント制御部２２２はＬＡＮ３に対して物理的に接続するとともにＬＡＮ３の何れかのノードとの間でデータ伝送制御を行う。
【００３６】
図８は、図７に示したマイクロプロセッサ２２４の処理内容を示すフローチャートである。まず画像処理部２２３から読みとった人体の方位情報を読み取り、その方位を避ける方向にアンテナ放射パターンの中心方位が向くようにアンテナ指向制御部２１１へ指向性パターン選択命令を与える。
【００３７】
なお、この図７および図８に示した例では、人体７が存在する方位への電磁波の輻射強度を抑えるように制御するだけであったが、第１の実施形態で示した通信品質を高めるための制御を合わせて行ってもよい。すなわち、通信品質テーブル記憶部（図３の２２５）を設け、および第１の実施形態で示した学習モードを実行する手段を設けて、人体７方向を避けるとともに、なるべく通信品質を落とさない方位へアンテナ放射パターンの中心方位を向けるように制御してもよい。図５に示した例で、アンテナ放射パターンの中心方位ａ〜ｆと人体方位Ａ〜Ｆが対応しているとすると、人体方位がＡにあれば、アンテナ放射パターンの中心方位がａ以外の方位を向くようにし、且つ人体方位Ａのうち通信品質が最も高い値をとる方位を放射パターンの中心方位とする。この例では、アンテナ放射パターンの中心方位ａ以外で最もスループット値の高い値（２１．８Ｍｂｐｓ）をとる方位ｂを選ぶ。
【００３８】
なお、第１・第２の実施形態ではアンテナの放射パターンの中心方位を制御するようにしたが、中心方位だけではなく、指向性（ビーム幅および指向性パターンの形）を変えるようにしてもよい。その場合には、通信品質テーブルとしてビーム幅という次元を加えて３次元テーブルとすればよい。また、指向性パターンは単一指向性に限らず、双方向性パターンとしてもよい。
【００３９】
また、第１・第２の実施形態では、１つの放射素子１１と６つの無給電素子１２ａ〜１２ｆを設けて電子制御導波器アレー(ESPAR) アンテナを構成したが、この無給電素子の数は任意である。無給電素子が１つであっても、所定の自由度のもとでアンテナの指向性を制御することができる。
【００４０】
また、以上に示した例では説明の都合上，単一の物体（人体）に着目したが、複数の物体（人体）について処理を行う場合には、それぞれの物体（人体）毎に同様の処理を行えばよい。
【００４１】
また、実施形態では、複数のカメラのそれぞれの撮像画像を個別に利用するようにしたが、複数のカメラによる画像データの左右視差を利用して物体（人体）の距離をも測定し、その距離も通信品質テーブルの１つのパラメータとして加えるようにしてもよい。
【００４２】
また、実施形態では遠赤外線を検知するカメラを用いたが、その他に可視光のＣＣＤカメラを用いてもよい。あるいはミリ波レーダの原理によってミリ波を方位方向に走査し、そのミリ波を反射する物体の方位を検知するようにしてもよい。さらに、ミリ波でデータ通信を行う場合に、その電波を利用して上記ミリ波レーダの原理で物体の方位を検知するようにしてもよい。
【００４３】
また、実施形態では、通信端末装置２が、無線ＬＡＮのアクセスポイントを構成する例を示したが、このような無線ＬＡＮのアクセスポイントを利用する無線端末側に適用してもよい。さらには、一般的な無線通信システムに適用することもできる。
【００４４】
【発明の効果】
この発明によれば、通信品質に関する物体の位置または方位とアンテナの指向性との相関関係を求めて、その相関関係に基づいて物体の位置または方位に応じた指向性をアンテナにもたせるようにすることによって、常に良好な通信環境を確保できるようになる。例えば、上記物体が人体であって、その人体が移動しても、アンテナと通信対象機器との間の高い通信品質を保つことができる。
【００４５】
特に、物体の位置または方位を検知して、通信品質に関する物体の位置または方位とアンテナの指向性との相関関係を直接求めるようにしたので、例えば通信品質に影響を与えそうな幾つものパラメータを入力し、適応アルゴリズムなどによって、最適化を図るための学習を行うような手法に比べて計算量が少なくてすむ。そのため、短時間のうちに良好な通信品質を確保して、高いスループットを得ることができる。
【００４７】
また、この発明によれば、物体検知手段として、人体の発する赤外線波長領域を検知するものとすることにより、アンテナ周囲の物体のうち人体とそれ以外の物とを明確に区別して人体の位置または方位を正確に検知できるようになる。
【００４８】
また、この発明によれば、少なくとも１つの放射素子と該放射素子の周囲に配置された少なくとも１つの無給電素子とを備え、この無給電素子の実効素子長を電気的に変化させる構成としたことにより、指向性が電気的に高速に切り替えられるようになる。そのため、物体の高速移動にも対応できるようになる。
【００４９】
また、この発明によれば、上記何れかの構成を備えたアンテナ装置と、そのアンテナ装置で無線ＬＡＮ用の信号を送受信する通信手段とを備えて通信端末装置を構成したことにより、常に高スループットで通信でき、また、人体への不要輻射を抑制しつつ通信を行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るアンテナ装置および通信端末装置の構成を示す図
【図２】同平面図
【図３】同アンテナ装置および通信端末装置の構成を示すブロック図
【図４】マイクロプロセッサの処理手順を示すフローチャート
【図５】通信品質テーブルの例を示す図
【図６】第２の実施形態に係るアンテナ装置および通信端末装置の配置例を示す平面図
【図７】同アンテナ装置および通信端末装置の構成を示すブロック図
【図８】マイクロプロセッサの処理手順を示すフローチャート
【符号の説明】
１−部屋
２−通信端末装置
３−ＬＡＮ
４−端末装置
５−無線ＬＡＮカード
６−反射体
７−人体
１０−接地導体
１１−放射素子
１２−無給電素子
２１−アンテナ
２２−アクセスポイント回路部
２３−赤外線カメラ
Ｐａ，Ｐｒ−伝搬経路

Claims

通信対象機器との間で電磁波の送受信を行うアンテナ装置であって、
放射パターンの指向方向または指向性を変化させる指向性可変手段を有するアンテナと、
該アンテナ周囲の物体の位置または方位を検知する物体検知手段と、
通信対象機器との間で通信品質を測定する通信品質測定手段と、
通信品質に関する前記物体の位置または方位と前記指向性との相関関係を示す相関関係データを求めるとともに記憶する相関関係データ処理手段と、
前記相関関係データに基づいて、前記物体検知手段が検知した物体の位置または方位に対して通信品質が高くなるように前記指向性可変手段を制御する指向性制御手段とを備えたアンテナ装置。
前記物体検知手段は、前記アンテナに対する人体の位置または方位を検知するものである請求項１に記載のアンテナ装置。
前記物体検知手段は、人体の発する赤外線波長領域を検知するものである請求項２に記載のアンテナ装置。
前記アンテナは、少なくとも１つの放射素子と該放射素子の周囲に配置された少なくとも１つの無給電素子とを備え、前記指向性可変手段は、前記無給電素子の実効素子長を電気的に変化させる手段である請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ装置。
請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置と、該アンテナ装置で無線ＬＡＮ用の信号を送受信する通信手段とを備えた通信端末装置。