JP4265418B2 - アレーアンテナの配置方法、多周波共用アンテナ装置、及び到来方向推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムに関し、特に、到来波の到来方向を推定する到来方向推定装置、この装置に適用する多周波共用アンテナ装置、及び多周波共用アンテナ装置が備えるアレーアンテナの配置方法に関するものである。

携帯電話等の普及に伴い、電波の利用状況や無線基地局や携帯端末の電波感度の監視制御の重要性が高まっている。例えば、エリア設計において、携帯端末網のサービス対象エリアのもれが無く、十分な通信品質が提供できるように、基地局アンテナの設置移動やチルト等の調整を行う必要がある。

都市部や市街地では、高層ビルによる電波の反射、回折、散乱によってマルチパスフージョンが存在する。また、ＣＤＭＡ方式による通信では、各パスの受信電波の遅延時間を調節して合成するレイク受信が行われるが、この合成するパス数であるレイクフィンガーを越える電波が到来する場合がある。このようなマルチパスフュージョンの影響やレイクフィンガーを越える電波は到来すると、十分な通信品質の確保が困難となる特異点が発生することがある。エリア設計では、このよう問題を考慮することが望まれる。このために、到来波の到来方向や電解強度の推定、パイロット信号による基地局の特定等が必要となる。

また、不法に設置されたブースターから電波により通信品質が低下するという問題がある。このためには、到来波の到来方向を推定して不法ブースターの設置位置を特定する必要がある。到来波の推定では調査対象のエリアは広大となるため、到来波推定装置を搭載した車両を走行させながらリアルタイム処理することが望ましい。

電波の受信状況を調べる方法として、パラボラアンテナのような指向性の高いアンテナを機械的に回転させ、角度と受信信号強度とから伝搬路の周波数特性と到来波の方向を測定する方法が知られている（例えば非特許文献１）。

このパラボラアンテナパラボラアンテナを用いた方法では、角度分解能を向上させるために、開口面積の大きな指向性アンテナとこのアンテナを回転させるための駆動装置が必要であるため、システム規模が大きくなるという問題が指摘されている。

また、無指向性アンテナを直線上に等速度で移動させながら遅延プロファイル測定を行い、測定結果をフーリエ変換することにより到来波のドップラースペクトルを求め、ドップラーシフトと到来方向との関係から到来方向を推定する方法も提案されている（例えば非特許文献２）。

この無指向性アンテナを移動させる方法では、連続的に各位置での到来方向の推定が可能であるが、進行方向に対して対称な方向を分離することができないこと、角度分解能が劣る等の点が指摘されている。

基地局からの電波は、水平面内の様々な方向から到来し、また、その到来波は角度的に近接している場合がある。そのため、矩形アレーアンテナを用いて、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification ）法（例えば非特許文献３）やESPRIT（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）法（例えば非特許文献４）により到来波を推定するシステム（例えば非特許文献５）が知られている。矩形アレーアンテナでは、相関波の到来方向を推定するために、Forward/Backward(F/B)空間平均法 （例えば非特許文献５）が用いられる。また、円形アレーアンテナを用いて、ＭＵＳＩＣ法やESPRIT法により到来波を推定することも提案されている。
坂上修二，"移動通信伝搬路における９００ＭＨｚ帯多重路伝搬特性−振幅−周波数特性−，"信学論（Ｂ），vol,J-70-B，no.12，pp.1522-1582，Dec.1987. 大鐘武雄，三瓶政一，神尾享秀，笹岡秀一，水野光彦，"市街地及び郊外地における陸上移動多重路の諸特性"，信学論（Ｂ−II），vol,J-72-B-II，pp.62-71，Feb.1989. R.O.Schmidt,"Mulitple Emitter Location and Signal Parameter Estimation"IEEE Trans.Antenna ＆ Propagate.,vol.34,No.3，pp.276-280,Mar.1986. R.Roy and T.Kailath,"ESPRIT-Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,"IEEE Trans.Accoust.,Sppech ＆ Signal Proc.,vol.37,pp.984-995,July.1989. 菊間信良，"アレーアンテナによる適応信号処理"，科学技術出版，1998年

通信システムでは複数の異なる周波数を用いられている。例えば、携帯電話では９００MHz、１．５GHz、２．０GHz等の異なる周波数が用いられている。各周波数の電波はそれぞれ異なる無線局から送信される。これらの周波数を異にする電波の到来方向を推定するには、各周波数に対応したアンテナを用意する必要がある。各周波数の電波をアレーアンテナで受信するには、各アンテナ間の間隔をその周波数の半波長以下に配列する必要がある。

図１１は、アレーアンテナの各アンテナの配置を説明するための概略図である。図１１（ａ），（ｂ）は矩形アレーアンテナの例であり、各アンテナを矩形状に配置し、辺上で隣接するアンテナ間の距離を受信する周波数の半波長としている。図１１（ａ）は受信周波数ｆ1（波長λ1）の場合の矩形配列の一例を示し、図１１（ｂ）は受信周波数ｆ2（波長λ2）の場合の矩形配列の一例を示している。アンテナ間はそれぞれ半波長のλ1／２，λ2／２である。周波数ｆ2が周波数ｆ1よりも高い周波数としたとき、周波数ｆ1を受信するアレーアンテナのアンテナ間の距離λ1／２は、周波数ｆ2を受信するアレーアンテナのアンテナ間の距離λ2／２よりも長くなる。そのため、各周波数を一つのアンテナで受信することはできず、周波数毎にアレーアンテナを用意する必要がある。

円形アレーアンテナについても同様である。図１１（ｃ），（ｄ）は円形アレーアンテナの例であり、各アンテナを円形状に配置し、周上で隣接するアンテナ間の距離を受信する周波数の半波長としている。図１１（ｃ）は受信周波数ｆ1（波長λ1）の場合の矩形配列の一例を示し、図１１（ｄ）は受信周波数ｆ2（波長λ2）の場合の矩形配列の一例を示している。円形アレーアンテナにおいても、各周波数を一つのアンテナで受信することはできず、周波数毎にアレーアンテナを用意する必要がある。なお、図１１（ａ），（ｂ）に示す矩形アレーアンテナは素子数が９の例を示し、図１１（ｃ），（ｄ）に示す円形アレーアンテナは素子数が８の例を示している。

矩形アレーアンテナ及び円形アレーアンテナの何れにおいても、複数の周波数を受信するには、周波数毎にアレーアンテナが必要であり、各アンテナの配置間隔も異なるためそれぞれに対応した配置が必要となる。

また、アレーアンテナによって到来波の到来方向を推定するには、アレーアンテナの各アンテナが受信した受信信号を前記したようなＭＵＳＩＣ法、ESPRIT法、Forward/Backward(F/B)空間平均法等を用いて信号処理を行う。そのため、アレーアンテナの各アンテナはそれぞれに給電部と接続する必要がある。

図１２は、従来の到来波推定装置におけるアンテナと給電部との関係を説明するための概略図である。周波数ｆ1とｆ2の２つの到来波の到来方向を推定する場合、それぞれの周波数の対応したアレーアンテナを配置する。各アレーアンテナはそれぞれ給電部を個別に備え、互いに独立してそれぞれの到来波の到来方向の推定を行う。

したがって、到来波推定装置において複数の周波数について到来波を推定するには、測定対象とする周波数毎にアレーアンテナを備えると共に、各アレーアンテナのそれぞれのアンテナ毎に給電部が必要であるため、多数の給電部が必要となり装置構成が大型となり重量もかさむという問題がある。

到来波の推定では広いエリアを調査対象とするため、車両上に到来波推定装置を搭載し、走行させながらリアルタイム処理することが望ましく、複数の周波数について到来波の到来方向を推移するには、測定対象とするそれぞれの周波数に対応したアレーアンテナ及びそのアレーアンテナの信号処理を行う給電部等を含む無線装置を車両上に搭載する必要がある。

到来波推定装置を車載するには、アレーアンテナを含む無線装置を小型であることが望ましいが、複数の周波数に対応した到来波推定装置では多数のアンテナと共に多数の給電部が必要であり装置構成が大型で重くなるため、複数の周波数に対して共用することができる到来波推定装置が求められている。

そこで、本発明は従来の課題を解決して、複数の周波数に対して共用することができる多周波共用アンテナ装置を提供することを目的とし、多周波共用アンテナ装置を構成するアレーアンテナの配置を提供することを目的とし、また、複数の周波数の到来波の到来方向を一つの装置で測定することができる到来方向推定装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数のアンテナから構成されるアレーアンテナを異なる送受信周波数毎に用意し、これら各周波数のアレーアンテナを所定の位置関係となるように配置することにより、見かけ上一つのアンテナを複数の周波数に対して共用する多周波共用アンテナ装置を構成し、この多周波共用アンテナ装置を用いて到来方向推定装置を構成する。

本発明のアレーアンテナの配置方法の態様は、複数のアンテナから構成されるアレーアンテナを異なる送受信周波数毎に互いに層状に配置し、各層の互いに対応する位置にあるアンテナを直列接続し、直列接続したアンテナの一端を各給電部に接続する。

本発明のアレーアンテナの配置方法の態様によれば、各アレーアンテナを層状に配置することにより見かけ上一つのアンテナを構成し、各層間において互いに対応する位置関係にあるアンテナを直列接続し、直列接続したアンテナの一端を各給電部に接続することにより、複数の周波数に対して給電部を共用し無線装置の構成を簡易なものとすることができる。

層状に配置するアレーアンテナの層順は送受信周波数の順とすることができる。この送受信周波数順の第１の配置形態では、低い送受信周波数のアレーアンテナを上層に配置し、高い送受信周波数のアレーアンテナを下層に配置し、上下で隣接する層の対応するアンテナ間を接続し、最下層のアレーアンテナのアンテナを給電部に接続する配置とする。

アンテナ間の接続は、上層のアレーアンテナの送受信周波数を通すローパスフィルタを介して行うことができる。アンテナ間にローパスフィルタを設けることによって、受信時において、低い送受信周波数のアレーアンテナ側で受信した信号中に含まれる高周波数成分をローパスフィルタで除き、測定対象の低い送受信周波数成分を給電部側に送ることができる。

また、送受信周波数順の第２の配置形態では、高い送受信周波数のアレーアンテナを上方に配置し、低い送受信周波数のアレーアンテナを下方に配置し、上下で隣接する層の対応するアンテナ間を接続し、最下層のアレーアンテナのアンテナを給電部に接続する配置とする。

アンテナ間の接続はマイクロストリップライン等の接続線で行うことができる。アンテナ間を接続するマイクロストリップライン等の接続線は、各層におけるアンテナを支持する基板上に形成することができ、この基板上には合わせてローパスフィルタを形成することができる。

各層のアレーアンテナは、複数のアンテナをそのアレーアンテナの送受信周波数の半波長の長さをアレー間隔として矩形状に配列することにより、層状の矩形アレーアンテナを構成することができる。

また、各層のアレーアンテナは、複数のアンテナをそのアレーアンテナの送受信周波数の半波長の長さをアレー間隔として円形状に配列することにより、層状の円形アレーアンテナを構成することができる。

本発明の多周波共用アンテナ装置の態様は、複数のアンテナから構成される複数のアレーアンテナと、複数のアレーアンテナのアンテナ間を接続する接続部と、アンテナに送受信を行う給電部を備えた構成とし、複数のアレーアンテナは送受信周波数毎に層状に配置し、同一の給電部を共用して異なる周波数の送受信を行う。

本発明の多周波共用アンテナ装置の態様によれば、各アレーアンテナを層状に配置することにより見かけ上一つのアンテナを構成し、接続部により各層間において互いに対応する位置関係にあるアンテナを接続し、給電部からアンテナの一端に給電することにより、複数の周波数に対して給電部を共用し、無線装置の構成を簡易なものとすることができる。

層状に配置するアレーアンテナの層順は送受信周波数の順とすることができる。この送受信周波数順の第１の配置形態では、アレーアンテナは、低い送受信周波数のアレーアンテナを上層に配置し、高い送受信周波数のアレーアンテナを下層に配置する。接続部は、上下で隣接する層の対応するアンテナ間を上層のアレーアンテナの送受信周波数を通すローパスフィルタを介して接続する。給電部は、最下層のアレーアンテナのアンテナと接続する。

アンテナ間にローパスフィルタを設けることによって、多周波共用アンテナ装置は受信時において低い送受信周波数のアレーアンテナ側で受信した信号中に含まれる高周波数成分をローパスフィルタで除き、測定対象の低い送受信周波数成分を給電部側に送ることができる。

また、送受信周波数順の第２の配置形態では、アレーアンテナは、高い送受信周波数のアレーアンテナを上層に配置し、低い送受信周波数のアレーアンテナを下層に配置する。給電部は、最下層のアレーアンテナのアンテナと接続する。

多周波共用アンテナ装置において、アンテナ間の接続はマイクロストリップライン等の接続線で行うことができる。アンテナ間を接続するマイクロストリップライン等の接続線は、各層におけるアンテナを支持する基板上に形成することができ、この基板上には合わせてローパスフィルタを形成することができる。

多周波共用アンテナ装置において、各層のアレーアンテナは、複数のアンテナをそのアレーアンテナの送受信周波数の半波長の長さをアレー間隔として矩形状に配列することにより、層状の矩形アレーアンテナを構成することができ、また、複数のアンテナをそのアレーアンテナの送受信周波数の半波長の長さをアレー間隔として円形状に配列することにより、層状の円形アレーアンテナを構成することができる。

本発明の到来方向推定装置の態様は、多周波共用アンテナ装置と、多周波共用アンテナ装置が備える複数のアンテナで受信した到来波に基づいて到来波の方向を推定する到来波方向推定部とを備える構成とする。

到来波方向推定部は、多周波共用アンテナ装置が備える複数のアレーアンテナが受信した各アレーアンテナが測定対象とする周波数の内の何れか一つの周波数の到来波について到来方向を推定する。

本発明の多周波共用アンテナ装置によれば、複数の周波数に対して共用することができ、本発明のアレーアンテナの配置方法によれば、本発明の多周波共用アンテナ装置に用いるアレーアンテナを構成することができる。また、本発明の到来方向推定装置によれば、複数の周波数の到来波の到来方向を一つの装置で測定することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。図１〜図９を用いて本発明のアレーアンテナの配置方法及びこのアレーアンテナの配置方法で構成される本発明の多周波共用アンテナ装置について説明し、図１０を用いて本発明の多周波共用アンテナ装置により構成される到来方向推定装置について説明する。

はじめに、矩形アレーアンテナについて図１〜図５を用いて説明し、次に円形アレーアンテナについて図６〜図９を用いて説明する。

図１は、アンテナを矩形状に配列して構成される矩形アレーアンテナの一例である。ここで示す矩形アレーアンテナは、９００MHz，１．５GHz，２．０GHzの３つの周波数を送受信する例である。多周波共用アンテナ装置は、各周波数のアレーアンテナ１，２，３を層状に重ねて構成される。なお、ここでは、各層のアレーアンテナは、それぞれ一辺に４つのアンテナが配置されて成る１６素子の例について示している。

図１（ａ），（ｂ）は、９００MHz用の第１アレーアンテナ１と、１．５GHz用の第２アレーアンテナ２と、２．０GHz用の第３アレーアンテナ３の層状配置を下方又は上方の積層方向から見た状態を示している。なお、図１（ａ）は層状配置を模式的に示し、図１（ｂ）は各アレーアンテナを構成するアンテナ配置を示している。

図１に示す例では、第１アレーアンテナ１はアンテナ１ａ〜１ｐ（図中の斜線で示す）の１６素子を各格子点上に配置し、第２アレーアンテナ２はアンテナ２ａ〜２ｐ（図中の斜めに交差する斜線で示す）の１６素子を各格子点上に配置し、第３アレーアンテナ３はアンテナ３ａ〜３ｐ（図中のｘ，ｙ方向に交差する斜線で示す）の１６素子を各格子点上に配置して構成される。各格子点のｘ，ｙ方向の間隔は、各周波数の半波長の長さである。

各層に配置されたアレーアンテナ１〜３において、同じ格子点位置にある各アンテナ（例えば、アンテナ１ａとアンテナ２ａとアンテナ３ａ、…、アンテナ１ｐとアンテナ２ｐとアンテナ３ｐ）は、マイクロストリップライン等の接続線により直列に接続される。例えば、アンテナ１ｐとアンテナ２ｐとの間は接続線４p1により接続され、アンテナ２ｐとアンテナ３ｐとの間は接続線４p2により接続される。

図１（ｃ）は、各層のアレーアンテナ１，２，３を分離して示している。同じ格子点位置にある各層のアンテナは接続線によって直列接続され、その一端は給電部５の各部５ａ〜５ｐに接続される。これにより、直列接続された各アンテナは共通の給電部を共用することになる。例えば、同じ格子点位置にあるアンテナ１ｐ，２ｐ，３ｐは給電部５ｐを共用し（図１（ｃ）中の実線で接続する）、また、アンテナ１l，２ｌ，３ｌは給電部５ｌを共用している（図１（ｃ）中の破線で接続する）。

前記図１２に示す従来の構成では、各周波数のアレーアンテナはそれぞれ個別に給電部を必要とするのに対して、本発明の構成では複数の周波数のアレーアンテナに対して給電部を共用することにより給電部の個数を低減させることができる。

図２は、本発明の多周波共用アンテナ装置において矩形アレーアンテナの層状の構成及び矩形アレーアンテナの配置方法を説明するための概略斜視図である。

本発明の多周波共用アンテナ装置の各層のアレーアンテナは周波数の順で配置することができる。

図２（ａ），（ｂ）は、低い周波数のアレーアンテナを上層に配置し高い周波数のアレーアンテナを下層に配置する構成例を示し、図２（ｃ），（ｄ）は、高い周波数のアレーアンテナを上層に配置し低い周波数のアレーアンテナを下層に配置する構成例を示している。なお、図２（ａ），（ｃ）は各層間のアンテナの接続状態を示すために、各アレーアンテナ１，２，３が備える複数のアンテナのうちの一部のみを示している。また、図２（ｂ），（ｄ）は各層におけるアンテナの配置状態を示すために、各アレーアンテナ１，２，３間の接続は省略している。

図２（ｂ），（ｄ）において、各層のアレーアンテナ１〜３において、アンテナ１ａ〜１ｐはアレーアンテナ１の基板上に支持され、アンテナ２ａ〜２ｐはアレーアンテナ２の基板上に支持され、また、アンテナ３ａ〜３ｐはアレーアンテナ３の基板上に支持される。各基板は、その基板の下層のアレーアンテナのアンテナの上端と隣接して配置される。例えば、図２（ａ）の配置例では、アレーアンテナ１の基板は下層のアレーアンテナ２のアンテナの上端と隣接し、アレーアンテナ２の基板は下層のアレーアンテナ３のアンテナの上端と隣接する。

この基板上には、各層間のアンテナを接続する接続線を設けることができる。例えば、図２（ａ）の配置例では、アレーアンテナ１の基板上には接続線４d1が設けられ、この接続線４d1により下層のアレーアンテナ２のアンテナ２ｄの上端との接続が行われる。また、アレーアンテナ２の基板上には接続線４d2が設けられ、この接続線４d2により下層のアレーアンテナ３のアンテナ３ｄの上端との接続が行われる。最下層の各アンテナは給電部５に接続される。

上記の構成は、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、高い周波数のアレーアンテナを上層に配置し低い周波数のアレーアンテナを下層に配置する構成例においても同様とすることができる。

なお、各層の基板間の間隔は、基板底部とアンテナ上端を接触させるほか、基板底部とアンテナ上端の間に所定の間隔を開けることもできる。基板底部とアンテナ上端を接触させる場合には、多周波共用アンテナ装置の高さを低くすることができる。なお、各基板を含むアンテナは図示しない固定手段によって保持させることができる。

図３，図４を用いて各層のアレーアンテナのアンテナの配置についてより詳細に説明する。なお、図３は低い周波数のアレーアンテナを上層に配置し高い周波数のアレーアンテナを下層に配置する構成例であり、図４は高い周波数のアレーアンテナを上層に配置し低い周波数のアレーアンテナを下層に配置する構成例である。また、ここでは、対象とする周波数を９００MHz，１．５GHz，２．０GHzの３つの周波数について示している。

図３において、アレーアンテナ１の基板上に設けられた接続線４d1は下層のアレーアンテナ２のアンテナ２ｄの上端と接続し、アレーアンテナ２の基板上に設けられた接続線４d2は下層のアレーアンテナ３のアンテナ３ｄの上端と接続することにより、各アンテナを直列に接続している。最下層のアンテナは給電部５に接続され、これによって直列接続された各アンテナ１ｄ，２ｄ，３ｄは給電部を共用することになる。図３（ａ）中に示すアンテナ１ｃ，１ｈ，１ｇ，〜，３ｃ，３ｈ，３ｇのほか、図示しないアンテナについても同様の構成である。

接続線４d1，４d2，…は、基板上にマイクロストリップラインを形成することにより設けることができる。また、接続線にフィルタ（ローパスフィルタ）を設けることもできる。

図３（ｂ）はマイクロストリップラインにより各層間のアンテナを接続する構成を示している。低い周波数のアレーアンテナを上層に配置し高い周波数のアレーアンテナを下層に配置する構成例では、各層のアンテナ間をマイクロストリップラインにより接続する。

９００MHz，１．５GHz，２．０GHzの周波数の到来波が到来したとき、９００MHz用のアンテナは９００MHzの周波数信号を受信し、１．５GHz用のアンテナは１．５GHzの周波数信号を受信し，２．０GHz用のアンテナは２．０GHzの周波数信号を受信し、給電部に送る。

また、９００MHz用のアンテナにより９００MHzの到来波を受信する際、９００MHzの到来波に加えて１．５GHzや２．０GHzの到来波が含まれる場合がある。このとき、１．５GHzや２．０GHzの信号は給電部に達する前に１．５GHz用のアンテナや２．０GHz用のアンテナから送信されるため、９００MHzの到来波の測定中に給電部が受信する１．５GHzや２．０GHzの到来波の強度は低減される。

また、１．５GHz用のアンテナの受信信号中においても同様であり、１．５GHzの到来波に加えて２．０GHzの到来波が含まれる場合がある。このとき、２．０GHzの信号は給電部に達する前に２．０GHz用のアンテナから送信されるため、１．５GHzの到来波の測定中において給電部に達する１．５GHzや２．０GHzの到来波の強度は低減される。

また、接続線にフィルタを設けることもできる。図３に示すように、低い周波数のアレーアンテナを上層に配置し高い周波数のアレーアンテナを下層に配置する構成では、ローパスフィルタを設ける。

このローパスフィルタは上層のアレーアンテナの低い送受信周波数を通すフィルタとする。このローパスフィルタは上層のアレーアンテナで受信された低い周波数の信号成分をそのまま給電部側に送り、上層のアレーアンテナで受信された高い周波数の信号成分については遮断して給電部側への入力を低減させる。なお、接続線の長さを調節することによっても、接続線自体にフィルタ機能を持たせることもできる。

図４において、アレーアンテナ２の基板上に設けられた接続線４d1は下層のアレーアンテナ１のアンテナ１ｄの上端と接続し、アレーアンテナ３の基板上に設けられた接続線４d2は下層のアレーアンテナ２のアンテナ２ｄの上端と接続することにより、各アンテナを直列に接続している。最下層のアンテナ１ｄは給電部５に接続され、これによって直列接続された各アンテナ１ｄ，２ｄ，３ｄは給電部を共用することになる。図４（ａ）中に示すアンテナ１ｃ，１ｈ，１ｇ，〜，３ｃ，３ｈ，３ｇのほか、図示しないアンテナについても同様の構成である。

接続線４d1，４d2，…は、基板上にマイクロストリップラインを形成することにより設けることができる。

図４（ｂ）はマイクロストリップラインにより各層間のアンテナを接続する構成を示している。高い周波数のアレーアンテナを上層に配置し低い周波数のアレーアンテナを下層に配置する構成例では、各層のアンテナ間をマイクロストリップラインにより接続する。

９００MHz，１．５GHz，２．０GHzの周波数の到来波が到来したとき、９００MHz用のアンテナは９００MHzの周波数信号を受信し、１．５GHz用のアンテナは１．５GHzの周波数信号を受信し，２．０GHz用のアンテナは２．０GHzの周波数信号を受信し、給電部に送る。

また、２．０GHz用のアンテナが２．０GHzの到来波を受信する際、２．０GHzの到来波に加えて１．５GHzや９００MHzの到来波が含まれる場合がある。このとき、１．５GHzや９００MHzの信号は給電部に達する前に１．５GHz用のアンテナや９００MHz用のアンテナから送信されるため、２．０GHzの到来波の測定中において給電部に達する１．５GHzや９００MHzの到来波の強度は低減される。

また、１．５GHz用のアンテナの受信信号中においても同様であり、１．５GHzの到来波に加えて９００MHzの到来波が含まれる場合には、９００MHzの信号は給電部に達する前に９００MHz用のアンテナから送信されるため、１．５GHzの到来波の測定中に給電部が受信する９００MHzの到来波の強度は低減される。

図５は、各層を積層方向（上下方向）から見た図であり、各層のアレーアンテナのアンテナ間の水平方向の距離関係を示している。図５において、各層において同じ位置関係にあるアンテナ間において水平方向の距離を見ると、第１のアレーアンテナ１が備えるアンテナ１ｄと、第２のアレーアンテナ２が備えるアンテナ２ｄと、第３のアレーアンテナ３が備えるアンテナ３ｄとの間の各距離は、それぞれ１４．１ｃｍ，５．３０ｃｍである。ここで、第１のアレーアンテナ１，第２のアレーアンテナ２，第３のアレーアンテナ３の周波数はそれぞれ９００MHz，１．５GHz，２．０GHzとしたとき、各半波長（λ／２）はそれぞれ１６．７ｃｍ，１０．０ｃｍ，７．５ｃｍであり、この半波長の長さを格子配列の間隔としている。

また、第１のアレーアンテナ１が備えるアンテナ１ｈと、第２のアレーアンテナ２が備えるアンテナ２ｈと、第３のアレーアンテナ３が備えるアンテナ３ｈとの間の各距離は、それぞれ１０．５ｃｍ，３．９５ｃｍであり、第１のアレーアンテナ１が備えるアンテナ１ｇと、第２のアレーアンテナ２が備えるアンテナ２ｇと、第３のアレーアンテナ３が備えるアンテナ３ｇとの間の各距離は、それぞれ４．７１ｃｍ，１．７６ｃｍである。

次に、円形アレーアンテナについて説明する。

図６は、アンテナを円形状に配列して構成される円形アレーアンテナの一例である。ここで示す円形アレーアンテナは、９００MHz，１．５GHz，２．０GHzの３つの周波数を送受信する例である。多周波共用アンテナ装置は、各周波数のアレーアンテナ１，２，３を層状に重ねて構成される。なお、ここでは、各層のアレーアンテナは、それぞれ円周上に８個のアンテナが配置されて成る８素子の例について示している。

図６（ａ），（ｂ）は、９００MHz用の第１アレーアンテナ１１と、１．５GHz用の第２アレーアンテナ１２と、２．０GHz用の第３アレーアンテナ１３の層状配置を下方又は上方の積層方向から見た状態を示している。なお、図６（ａ）は層状配置を模式的に示し、図６（ｂ）は各アレーアンテナを構成するアンテナ配置を示している。

図６に示す例では、第１アレーアンテナ１１はアンテナ１１ａ〜１１ｈ（図中の斜線で示す）の８素子を円周上に等間隔に配置し、第２アレーアンテナ１２はアンテナ１２ａ〜１２ｈ（図中の斜めに交差する斜線で示す）の８素子を円周上に等間隔に配置し、第３アレーアンテナ１３はアンテナ１３ａ〜１３ｈ（図中のｘ，ｙ方向に交差する斜線で示す）の８素子を円周上に等間隔に配置して構成される。各円周上で隣接するアンテナの間隔は、各周波数の半波長の長さである。

各層に配置されたアレーアンテナ１１〜１３において、円周上の同じ角度位置にある各アンテナ（例えば、アンテナ１１ａとアンテナ１２ａとアンテナ１３ａ、…、アンテナ１１ｈとアンテナ１２ｈとアンテナ１３ｈ）は、マイクロストリップライン等の接続線により直列に接続される。例えば、アンテナ１１ａとアンテナ１２ａとの間は接続線４a1により接続され、アンテナ１２ａとアンテナ１３ａとの間は接続線４a2により接続され、また、アンテナ１１ｈとアンテナ１２ｈとの間は接続線４h1により接続され、アンテナ１２ｈとアンテナ１３ｈとの間は接続線４h2により接続される。

図６（ｃ）は、各層のアレーアンテナ１，２，３を分離して示している。円周上の同じ角度位置にある各層のアンテナは接続線によって直列接続され、その一端は給電部５の各部１５ａ〜１５ｈに接続される。これにより、直列接続された各アンテナは共通の給電部を共用することになる。例えば、同じ角度位置にあるアンテナ１１ｈ，１２ｈ，１３ｈは給電部１５ｈを共用し（図６（ｃ）中の実線で接続する）、また、アンテナ１１ａ，１２ａ，１３ａは給電部１５ａを共用している（図６（ｃ）中の破線で接続する）。

従来の構成では、各周波数のアレーアンテナはそれぞれ個別に給電部を必要とするのに対して、本発明の構成では複数の周波数のアレーアンテナに対して給電部を共用することにより給電部の個数を低減させることができる。

図７は、本発明の多周波共用アンテナ装置において円形アレーアンテナの層状の構成及び円形アレーアンテナの配置方法を説明するための概略斜視図である。

本発明の多周波共用アンテナ装置の各層のアレーアンテナは周波数の順で配置することができる。

図７（ａ），（ｂ）は、低い周波数のアレーアンテナを上層に配置し高い周波数のアレーアンテナを下層に配置する構成例を示し、図７（ｃ），（ｄ）は、高い周波数のアレーアンテナを上層に配置し低い周波数のアレーアンテナを下層に配置する構成例を示している。なお、図７（ａ），（ｃ）は各層間のアンテナの接続状態を示すために、各アレーアンテナ１１，１２，１３が備える複数のアンテナのうちの一部のみを示している。また、図７（ｂ），（ｄ）は各層におけるアンテナの配置状態を示すために、各アレーアンテナ１１，１２，１３間の接続は省略している。

図７（ｂ），（ｄ）において、各層のアレーアンテナ１１〜１３において、アンテナ１１ａ〜１１ｈはアレーアンテナ１１の基板上に支持され、アンテナ１２ａ〜１２ｈはアレーアンテナ１２の基板上に支持され、また、アンテナ１３ａ〜１３ｈはアレーアンテナ１３の基板上に支持される。各基板は、その基板の下層のアレーアンテナのアンテナの上端と隣接して配置される。例えば、図７（ａ）の配置例では、アレーアンテナ１１の基板は下層のアレーアンテナ１２のアンテナの上端と隣接し、アレーアンテナ１２の基板は下層のアレーアンテナ１３のアンテナの上端と隣接する。

この基板上には、各層間のアンテナを接続する接続線を設けることができる。例えば、図７（ａ）の配置例では、アレーアンテナ１１の基板上には接続線１４-1が設けられ、この接続線１４-1により下層のアレーアンテナ１２のアンテナの上端との接続が行われる。また、アレーアンテナ２の基板上には接続線１４-2が設けられ、この接続線１４-2により下層のアレーアンテナ３のアンテナ１３の上端との接続が行われる。最下層の各アンテナは給電部１５に接続される。

上記の構成は、図７（ｃ），（ｄ）に示すように、高い周波数のアレーアンテナを上層に配置し低い周波数のアレーアンテナを下層に配置する構成例においても同様とすることができる。

なお、各層の基板間の間隔は、基板底部とアンテナ上端を接触させるほか、基板底部とアンテナ上端の間に所定の間隔を開けることもできる。基板底部とアンテナ上端を接触させる場合には、多周波共用アンテナ装置の高さを低くすることができる。なお、各基板を含むアンテナは図示しない固定手段によって保持させることができる。

また、円形アレーアンテナの各層において隣接するアンテナ間の距離及び円の半径は、例えば、９００MHz用の第１アレーアンテナ１１では半波長の長さの１６．７ｃｍ及び４２．７ｃｍであり、１．５GHz用の第２アレーアンテナ１２では半波長の長さの１０．０ｃｍ及び２５．６ｃｍであり、２．０GHz用の第３アレーアンテナ１３では半波長の長さの７．５ｃｍ及び１９．２ｃｍである。

図８，図９は円形アレーアンテナの構成例を説明するための概略図である。図８は前記したように各基板上に設けた接続線によって各層のアンテナを接続する構成例であり、図９は斜めに配置した各層のアンテナを接続線で直線上に配列する構成例である。なお、図８，９は８素子の例を示している。

図８において、多周波共用アンテナ装置は、図８（ａ）に示される複数のアンテナを単位とし、円周上に等角度で配置することにより構成される。図８（ａ）に示されるアンテナの各単位は、垂直方向に位置ずれした各層のアンテナ（１１，１２，１３）を水平方向の接続部１６で直列接続した構成であり、高い周波数のアンテナを上層に配置する構成（図８（ｂ））と、低い周波数のアンテナを上層に配置する構成（図８（ｃ））のいずれの構成とすることができる。なお、図８に示す構成の詳細は前記図６，７に示した通りである。

また、図９において、多周波共用アンテナ装置は、図９（ａ）に示される複数のアンテナを単位とし、円周上に等角度で配置することにより構成される。図９（ａ）に示されるアンテナの各単位は、各層のアンテナを垂直方向に直線状に配置し、これらのアンテナの間を接続部で接続して直線状に構成したものであり、この複数のアンテナを直線状に配置して成るアンテナの単位を傾斜させることによって、各層におけるアンテナ間の距離を半波長に設定するものである。

図９（ａ）は、複数のアンテナによる一構成単位を示し、接続部１７で複数のアンテナ（１１，１２，１３）を直線状に接続してなる。

図９（ｂ）は、この構成単位を、高い周波数のアンテナが上層となるように傾斜させて円周上に等角度で配置した構成例であり、図９（ｃ）は、この構成単位を、低い周波数のアンテナが上層となるように傾斜させて円周上に等角度で配置した構成例である。なお、構成単位の接続部１７の長さ及び傾斜角度は、各層を構成する各アンテナ間の間隔が測定対象の周波数で定まる半波長の長さとなるように設定される。

なお、円形アレーアンテナの各層において隣接するアンテナ間の距離及び円の半径の寸法例は、９００MHz用の第１アレーアンテナ１１では半波長の長さの１６．７ｃｍ及び４２．７ｃｍであり、１．５GHz用の第２アレーアンテナ１２では半波長の長さの１０．０ｃｍ及び２５．６ｃｍであり、２．０GHz用の第３アレーアンテナ１３では半波長の長さの７．５ｃｍ及び１９．２ｃｍである。

図１０は、到来方向推定装置の一構成例を説明するための概略図である。なお、ここでは、ＭＵＳＩＣ法によって到来波の到来方向を推定する例について説明する。到来方向推定装置２０は、到来波を受信するアレーアンテナ３０と、受信信号から到来波の方向を推定する到来波方向推定部６０と、推定した到来方向を表示する到来方向表示部７０を備える。

アレーアンテナ３０は、到来波を受信する複数のアンテナ３１から構成され、各アンテナ３１は給電部４０の受信部４１に接続される。受信部４１は、アンテナ３１で受信した信号に対して到来波の方向を推定するために要する前信号処理を行う。

到来波方向推定部６０は、受信信号に基づいて到来波の方向を推定する。ＭＵＳＩＣ法による場合には、例えば、各受信部４１からのベースバンド信号をまとめた入力信号ベクトルの相関行列を算出する相関行列算出器と、相関行列を固有値分解することによって固有値と固有ベクトルを算出する固有値・固有ベクトル算出器と、固有値を利用して到来波数判定規範を算出する到来波数判定規範算出器と、到来波数判定規範の最小値を検出して到来波数を推定する到来波数推定器と、到来波数推定結果から固有ベクトルのうち雑音部分空間固有ベクトルを抽出する雑音部分空間固有ベクトル抽出器と、雑音部分空間固有ベクトルを利用して到来波の角度分布（ＭＵＳＩＣスペクトラム）を算出するＭＵＳＩＣスペクトラム算出器と、ＭＵＳＩＣスペクトラムの極大値を検出して到来方向を推定する到来方向推定器から構成される。到来波方向推定部６０で推定した到来方向は、到来方向表示部７０で表示される。

本発明は、電波の受信状況の調査、基地局の設置調整、不正ブースターの検出等に適用することができる。

本発明のアンテナを矩形状に配列して構成される矩形アレーアンテナの一例を説明するための図である。 本発明の多周波共用アンテナ装置において矩形アレーアンテナの層状の構成及び矩形アレーアンテナの配置方法を説明するための概略斜視図である。 本発明の多周波共用アンテナ装置の各層のアレーアンテナのアンテナの配置例を説明するための図である。 本発明の多周波共用アンテナ装置の各層のアレーアンテナのアンテナの他の配置例を説明するための図である。 本発明の多周波共用アンテナ装置の各層を積層方向（上下方向）から見た図である。 本発明のアンテナを円形状に配列して構成される円形アレーアンテナの一例を説明するための図である。 本発明の多周波共用アンテナ装置において円形アレーアンテナの層状の構成及び円形アレーアンテナの配置方法を説明するための概略斜視図である。 本発明の円形アレーアンテナの構成例を説明するための概略図である。 本発明の円形アレーアンテナの構成例を説明するための概略図である。 発明の多周波共用アンテナ装置により構成される到来方向推定装置を説明するための図である。 アレーアンテナの各アンテナの配置を説明するための概略図である。 従来の到来波推定装置におけるアンテナと給電部との関係を説明するための概略図である。

符号の説明

１ 第１アレーアンテナ
１ａ〜１ｐ アンテナ
２ 第２アレーアンテナ
２ａ〜２ｐ アンテナ
３ 第３アレーアンテナ
３ａ〜３ｐ アンテナ
４，４d1，４d2，４h1，４h2，４-1，４-2 接続線
５，５ａ〜５ｐ 給電部
１１ 第１アレーアンテナ
１１ａ〜１１ｈ アンテナ
１２ 第２アレーアンテナ
１２ａ〜１２ｈ アンテナ
１３ 第３アレーアンテナ
１３ａ〜１３ｈ アンテナ
１４a1，１４a2，１４h1，１４h2，１４-1，１４-2 接続線
１５，１５ａ〜１５ｈ 給電部
１６，１７ 接続部
２０ 到来方向推定装置
３０ アレーアンテナ
３１ アンテナ
４０ 給電部
４１ 受信部
５０ 多周波共用アンテナ装置
６０ 到来波方向推定部
７０ 到来波方向比較部

Claims (16)

1. 周波数を異にする複数の到来波の到来方向を推定するアレーアンテナの配置方法であって、
   複数のアンテナを、当該アンテナの送受信周波数に基づいて定められた長さをアレー間隔とする格子点に、アンテナが並べられた面に対して平行な電波成分を送受信する向きに配列してアレーアンテナを構成し、
   当該アレーアンテナを異なる送受信周波数毎に互いに層状に配置し、
   各層の互いに同じ格子点位置にあるアンテナを直列接続し、
   当該直列接続したアンテナの一端を各給電点に接続することを特徴とする、アレーアンテナの配置方法。
2. 前記アレーアンテナの層順は送受信周波数の順であることを特徴とする、請求項１に記載のアレーアンテナの配置方法。
3. 低い送受信周波数のアレーアンテナを上層に配置し、
   高い送受信周波数のアレーアンテナを下層に配置し、上下で隣接する層の同じ格子点位置にあるアンテナ間を接続し、
   最下層のアレーアンテナのアンテナを給電点に接続することを特徴とする、請求項２に記載のアレーアンテナの配置方法。
4. 上下で隣接する層の同じ格子点位置にあるアンテナ間を上層のアレーアンテナの送受信周波数を通すローパスフィルタを介して接続することを特徴とする、請求項３に記載のアレーアンテナの配置方法。
5. 高い送受信周波数のアレーアンテナを上層に配置し、
   低い送受信周波数のアレーアンテナを下層に配置し、
   上下で隣接する層の同じ格子点位置にあるアンテナ間を接続し、
   最下層のアレーアンテナのアンテナを給電点に接続することを特徴とする、請求項２に記載のアレーアンテナの配置方法。
6. アンテナ間をマイクロストリップラインで接続することを特徴とする、請求項１から５の何れか一つに記載のアレーアンテナの配置方法。
7. 各層のアレーアンテナは、複数のアンテナを矩形状又は円形状に配列することを特徴とする、請求項１から６の何れか一つに記載のアレーアンテナの配置方法。
8. 周波数を異にする複数の到来波の到来方向を推定するアンテナ装置であって、
   複数のアンテナを、当該アンテナの送受信周波数に基づいて定められた長さをアレー間隔とする格子点に、アンテナが並べられた面に対して平行な電波成分を送受信する向きに配列して構成されるアレーアンテナと、
   前記複数のアレーアンテナのアンテナ間を接続する接続部と、
   アンテナに送受信を行う給電部を備え、
   前記複数のアレーアンテナは、異なる送受信周波数毎に互いに層状に配置し、
   各層の互いに同じ格子点位置にあるアンテナを直列接続し、
   当該直列接続したアンテナの一端を各給電点に接続し、
   同一の給電部を共用して異なる周波数の送受信を行うことを特徴とする多周波共用アンテナ装置。
9. 前記アレーアンテナの層順は送受信周波数の順であることを特徴とする請求項８に記載の多周波共用アンテナ装置。
10. 前記アレーアンテナは、低い送受信周波数のアレーアンテナを上層に配置し、高い送受信周波数のアレーアンテナを下層に配置し、
    前記接続部は、上下で隣接する層の同じ格子点位置にあるアンテナ間を接続し、
    前記給電部は、最下層のアレーアンテナのアンテナと接続することを特徴とする、請求項８に記載の多周波共用アンテナ装置。
11. 前記接続部は、上下で隣接する層の同じ格子点位置にあるアンテナ間を上層のアレーアンテナの送受信周波数を通すローパスフィルタを介して接続することを特徴とする、請求項１０に記載の多周波共用アンテナ装置。
12. 前記アレーアンテナは、高い送受信周波数のアレーアンテナを上層に配置し、低い送受信周波数のアレーアンテナを下層に配置し、
    前記接続部は、上下で隣接する層の同じ格子点位置にあるアンテナ間を接続し、
    前記給電部は、最下層のアレーアンテナのアンテナと接続することを特徴とする請求項８に記載の多周波共用アンテナ装置。
13. 前記接続部は、アンテナ間をマイクロストリップラインを含むことを特徴とする、請求項８から１２の何れか一つに記載の多周波共用アンテナ装置。
14. 各層のアレーアンテナは、複数のアンテナを矩形状又は円形状に配列することを特徴とする、請求項８から１３の何れか一つに記載の多周波共用アンテナ装置。
15. 周波数を異にする複数の到来波の到来方向を推定する到来波推定装置であって、
    前記請求項８から１４の何れか一つに記載の多周波共用アンテナ装置と、
    前記多周波共用アンテナ装置が備える複数のアンテナで受信した到来波に基づいて到来波の方向を推定する到来波方向推定部とを備えることを特徴とする到来波推定装置。
16. 前記到来波方向推定部は、多周波共用アンテナ装置が備える複数のアレーアンテナが受信した各アレーアンテナが測定対象とする周波数の内の何れか一つの周波数の到来波について到来方向を推定することを特徴とする請求項１５に記載の到来波推定装置。

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