JP4682189B2 - アレーアンテナ装置、指向性制御方法および指向性制御プログラム - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は、無給電素子に設けた可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることで指向性制御を行うアレーアンテナ装置、指向性制御方法および指向性制御プログラムに関する。ただし本発明の利用は上述のアレーアンテナ装置、指向性制御方法および指向性制御プログラムに限らない。
【背景技術】
【０００２】
近年、指向性の制御が可能なアンテナとして、アレーアンテナ装置が提供されている。アレーアンテナ装置は、複数のポールからなるアンテナ装置であり、送信アンテナとしても受信アンテナとしても利用可能である。このようなアレーアンテナ装置の中でもアンテナ部に電波を送受信する放射素子からなる給電素子である１本のダイポール・アンテナと、複数個の非励振素子からなる無給電素子とを組み合わせた比較的簡単な構造からなる電子制御導波器アレーアンテナを取り入れた構成がある。このようなアレーアンテナの機能面の特徴としては、無給電素子に取り付けられた可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変えることで、指向性を変化させることができる（例えば、下記特許文献１参照。）。
【０００３】
アレーアンテナ装置は、実現される指向性によりオムニパターン（同心円状）、適応制御パターン、セクタパターンの３つのパターンに分けられる。オムニパターンは、全方向の送受利得が同一となる、いわゆる無指向性パターンの実現を目的とするアレーアンテナ装置である。適応制御パターンは、所望の電波が強く、もしくは所望の電波が弱くなるようビーム方向（他の方向と比較して送受利得が大きい方向）やヌル方向（ほとんど送受利得が得られない方向）を適応的に操作する指向性パターンの実現を目的とするアレーアンテナ装置である。セクタパターンは、任意の方向の送受信利得が高くなるような指向性のパターンの実現を目的とするアレーアンテナ装置である。特許文献１は、セクタパターンのアレーアンテナ装置であり、各無給電素子の可変リアクタンス素子のリアクタンス値を適切に選択することにより、送受信利得が高くなるような指向性のパターンを実現でき、指向性制御が行える。
［０００４］
特許文献１ 特開２００１−２４４３１号公報
［発明の開示］
［発明が解決しようとする課題］
［０００５］
しかしながら、上記特許文献１に開示されたセクタパターンのアレーアンテナ装置では、リアクタンス値の決定方法や、所望する指向性を有するように制御する方法に関する技術が開示されていない。したがって、ユーザがアレーアンテナ装置に特定の角度θの方向に指向性をもたせたいとき、各無給電素子のリアクタンス値をどのように設定すればよいのかわからないという問題が一例として挙げられる。
［０００６］
ここで、実際に角度θの方向に指向性をもたせるために必要なリアクタンス値の組み合わせは複数存在するため、リアクタンス値の設定により所望の指向性が得られたとしても、ユーザは、どの組み合わせが最適であるかを判断することができないという問題が一例として挙げられる。
［課題を解決するための手段］
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかるアレーアンテナ装置は、給電素子と、複数の無給電素子と、当該複数の無給電素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを有するアレーアンテナ装置において、前記アレーアンテナ装置の前記複数の無給電素子の位置を回転させ、電波を送信あるいは受信する角度を変更させる角度制御手段と、前記角度制御手段によって変更させた各角度毎に複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を設定するリアクタンス値設定手段と、前記各角度において前記リアクタンス値設定手段によって設定されたリアクタンス値毎に前記給電素子の利得を検出する利得検出手段と、前記各角度毎の前記リアクタンス値と、前記利得とに基づいて、全角度における指向特性に影響する複数のパラメータを抽出するパラメータ抽出手段と、前記パラメータ抽出手段によって抽出されたパラメータを用いた所定の演算により、前記各角度毎の所定の評価値を算出する評価値算出手段と、前記各角度毎に前記評価値算出手段により算出される評価値が最も高くなる利得が検出された際のリアクタンス値の設定を記録する記録手段と、を備え、前記リアクタンス値設定手段は、任意の角度で電波を送信あるいは受信する際に、当該角度におけるリアクタンス値を前記記録手段から読み出し、設定するものであり、前記評価値算出手段は、前記パラメータ抽出手段により抽出された前記各角度毎の利得と、半幅値と、指向性利得差、のそれぞれに対し、所望する指向性パターンに対応した係数を用い前記所定の演算を行い前記評価値を算出することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項５の発明にかかる指向性制御方法は、給電素子と、複数の無給電素子と、当該複数の無給電素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを有するアレーアンテナ装置の指向性を制御する指向性制御方法において、前記アレーアンテナ装置の前記複数の無給電素子の位置を回転させ、電波を送信あるいは受信する角度を変更させる角度制御工程と、前記角度制御工程によって変更させた各角度毎に複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を設定する第１のリアクタンス値設定工程と、前記各角度において前記第１のリアクタンス値設定工程によって設定されたリアクタンス値毎に前記給電素子の利得を検出する利得検出工程と、前記各角度毎の前記リアクタンス値と、前記利得とに基づいて、全角度における指向特性に影響する複数のパラメータを抽出するパラメータ抽出工程と、前記パラメータ抽出工程によって抽出されたパラメータを用いた所定の演算により、前記各角度毎の所定の評価値を算出する評価値算出工程と、前記各角度毎に前記評価値算出手段により算出される評価値が最も高くなる利得が検出された際のリアクタンス値の設定を記録手段に記録する記録工程と、任意の角度で電波を送信あるいは受信する際に、当該角度におけるリアクタンス値を前記記録手段から読み出し、設定する第２のリアクタンス値設定工程と、を含み、前記評価値算出工程は、前記パラメータ抽出工程により抽出された前記各角度毎の利得と、半幅値と、指向性利得差、のそれぞれに対し、所望する指向性パターンに対応した係数を用い前記所定の演算を行い前記評価値を算出することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項６の発明にかかる指向性制御プログラムは、請求項５に記載の方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
［００１０］
［図１］図１は、この発明のアレーアンテナ装置の実施の形態を説明するブロック図である。
［図２］図２は、アレーアンテナ装置の指向性制御に用いる情報の処理内容を説明するフローチャートである。
［図３］図３は、この発明の実施例１にかかるアレーアンテナ装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
［図４］図４は、アレーアンテナを示す斜視図である。
［図５］図５は、アレーアンテナを示す上面図である。
［図６］図６は、給電素子と無給電素子の構成を示す図である。
［図７］図７は、受信測定系のハードウェア構成の一例を示す図である。
［図８］図８は、あるリアクタンス値の設定における指向性を示すパターン図である。
［図９］図９は、リアクタンス値テーブル作成動作を示すフローチャートである。
［図１０］図１０は、可変リアクタンス素子のリアクタンス値と測定値の一例を示す図表である。
［図１１］図１１は、特定角度における測定値および評価値Ｅの算出結果例を示す図表である。
【図１２】図１２は、リアクタンス値テーブルの一例を示す図表である。
【図１３】図１３は、アレーアンテナ装置利用時のディスプレイ表示例を示す図である。
【図１４】図１４は、送信測定系のハードウェア構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００１１】
１０，１００ アレーアンテナ装置
１１ 角度制御部
１２，１０１ アレーアンテナ
１３ 可変リアクタンス素子
１４ リアクタンス値設定部
１５ 利得検出部
１６ パラメータ抽出部
１７ 評価値算出部
１８ 表示部
１９ 記憶部
１０２ ＣＰＵ
１０３ ＲＯＭ
１０４ ＲＡＭ
１０５ ＨＤＤ
１０６ ＨＤ
１０７ 測定Ｉ／Ｆ
１０８ 受信測定系
１０９ 送信測定系
１１０ 出力Ｉ／Ｆ
１１１ ディスプレイ
１１２ 入力Ｉ／Ｆ
１１３ キーボード
１１４ 送受信部
１１５ バス
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるアレーアンテナ装置、指向性制御方法および指向性制御プログラムの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１３】
（実施の形態）
図１は、この発明のアレーアンテナ装置の実施の形態を説明するブロック図である。アレーアンテナ装置１０は、アレーアンテナ１２を備えている。アレーアンテナ１２は、例えば一つの給電素子１２ａと、複数の無給電素子（非励振素子）１２ｂとにより構成されている。このアレーアンテナ１２は、角度制御部１１により電波の受信角度（あるいは送信角度）を全方向（３６０°）回転させ、変更することができる。
【００１４】
複数の無給電素子１２ｂにはそれぞれ可変リアクタンス素子１３が接続されている。リアクタンス値設定部１４は、複数の可変リアクタンス素子１３それぞれに設定できるリアクタンス値のすべての組み合わせを設定できる。
【００１５】
利得検出部１５は、角度制御部１１により変更された角度において給電素子１２ａの利得を検出する。パラメータ抽出部１６は、複数の可変リアクタンス素子１３にそれぞれ設定できるリアクタンス値のすべての組み合わせのうち各組み合わせ毎に３６０°の指向性を示すパターンを作成し、このパターンから、利得が最大となる角度と、最大利得と、半幅値と、指向性利得差の４つ値をパラメータとして抽出する。
【００１６】
抽出されたパラメータは、評価値算出部１７における評価値の算出に用いられる。評価値算出部１７は、上記の４つのパラメータのうち、ある角度（利得が最大となる角度）における評価値を算出する。この算出には、残り３つのパラメータ（最大利得、半幅値（半幅角）、指向性利得差）を所定の式を用いて算出する。算出に用いる３つのパラメータ（最大利得、半幅値、指向性利得差）に対しては、評価値算出時の重み付けとして所定の係数を用いることができる。また、ある角度において最大利得角度となるリアクタンス値の組み合わせは複数ある。このため、評価値算出部１７は、評価値の算出結果から、各角度毎に、評価値が最大値となる最良評価値を抽出する。
【００１７】
パラメータ抽出部１６によって抽出された上記４つのパラメータ（利得が最大となる角度、最大利得、半幅値、指向性利得差）に関する情報と、このときの複数の可変リアクタンス素子１３のリアクタンス値と、評価値算出部１７によって算出された評価値は、表示部１８および記憶部１９に出力される。記憶部１９は、複数のリアクタンス値と、上記４つのパラメータ（利得が最大となる角度、最大利得、半幅値、指向性利得差）と、評価値とをテーブル形式で記憶する。
【００１８】
表示部１８は、記憶部１９に記憶されている複数のリアクタンス値と、上記４つのパラメータ（利得が最大となる角度、最大利得、半幅値、指向性利得差）と、評価値とを一覧表示する。表示内容としては、利得が最大となる角度（あるひとつの角度）を基準にして複数のリアクタンス値と、最大利得と、半幅値と、指向性利得差と、評価値と、を表示する。
【００１９】
記憶部１９に記憶されている記憶内容は、アレーアンテナ１２の全角度それぞれに対応したリアクタンス値の組み合わせと、パラメータと、評価値とからなる。したがって、アレーアンテナ１２の角度毎にリアクタンス値の組み合わせと、パラメータと、評価値とを読み出し、表示部１８等に表示することができる。
【００２０】
上記構成により、アレーアンテナ１２のリアクタンス値を変更したときの指向性に関する情報を設定することができる。そして、記憶部１９に記憶されている内容を読み出すことにより、アレーアンテナ１２を用いて所望する指向性に最適なリアクタンス値を設定することができるようになる。なお、アレーアンテナ１２に対する指向性の制御は、電波の受信時および送信時のいずれに対しても同様に適用することができる。
【００２１】
図２は、アレーアンテナ装置の指向性制御に用いる情報の処理内容を説明するフローチャートである。以下の説明では、電波を受信して処理を行う構成について記載してある。はじめに、角度制御部１１により電波の到来角度を変更する（ステップＳ１０）。ここでは、アレーアンテナ１２の角度を全方向のうちある角度に設定する。例えば、０°〜３５９°の範囲を所定角度ずつ設定する。
【００２２】
次に、リアクタンス値設定部１４により、リアクタンス値を変更する（ステップＳ１１）。ここでは、設定した角度において複数の可変リアクタンス素子１３に対するリアクタンス値の組み合わせを設定する。
【００２３】
次に、利得検出部１５は、設定されたリアクタンス値に基づいて電波を受信したときの利得を検出する（ステップＳ１２）。次に、パラメータ抽出部１６は、アレーアンテナ１２の指向性の評価に影響するパラメータを抽出する（ステップＳ１３）。ここでは、角度制御部１１により設定された角度毎の複数のリアクタンス値と、利得と、半幅値と、指向性利得差を検出する。
［００２４］
次に、評価値算出部１７により、設定された角度毎の評価値を算出する（ステップＳ１４）。この評価値は、上述したように、各角度における利得と、半幅値と、指向性利得差と、これらに掛け合わせる係数とを用い算出する。その後、評価値算出部１７は、最良の評価値を抽出する（ステップＳ１５）。ここでは、ステップＳ１４によって求められた評価値の算出結果から、各角度毎に、評価値が最大値となる最良評価値を抽出する。
［００２５］
上記の処理によって得られたパラメータと評価値は、記憶部１９に記憶され（ステップＳ１６）、処理を終了する。記憶部１９には、角度毎の複数のリアクタンス値の組み合わせが記憶される。そして、このリアクタンス値の組み合わせ毎に、利得と、半幅値と、指向性利得差と、評価値と、最良評価値がテーブル形式で記憶される。
［００２６］
以上の一連の処理によって、アレーアンテナ１２の全方向の角度に対するパラメータと、評価値とを求めることができる。パラメータおよび評価値は、アレーアンテナ１２に指向性を持たせた受信時あるいは送信時に記憶部１９から読み出し、複数の可変リアクタンス素子１３に対するリアクタンス値の設定を行う指向性制御時に用いられる。
［００２７］
上記実施の形態によれば、アレーアンテナ１２の全方向における測定結果と、ユーザが設定した係数を用いて各角度毎の評価値を算出することができる。この評価値を用いることにより、所望する角度方向に指向性を持たせたいときの設定を容易にできるようになる。ユーザがアレーアンテナ装置に特定の角度θの方向に指向性をもたせたいとき、各無給電素子のリアクタンス値を最適な値に設定できるようになる。
［実施例１］
［００２８］
（ハードウェア構成）
図３は、この発明の実施例１にかかるアレーアンテナ装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図３において、アレーアンテナ装置１００は、アレーアンテナ１０１と、ＣＰＵ１０２と、ＲＯＭ１０３と、ＲＡＭ１０４と、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）１０５と、ＨＤ（ハードディスク）１０６と、測定Ｉ／Ｆ１０７と、受信測定系１０８と、送信測定系１０９と、出力Ｉ／Ｆ１１０と、ディスプレイ１１１と、入力Ｉ／Ｆ１１２と、キーボード１１３と、送受信部１１４とを備える。また、各構成部１０１〜１１４は、バス１１５によってそれぞれ接続されている。実施例１では、受信測定系１０８を用い、受信指向性制御を行うアレーアンテナ装置１００について述べる。
【００２９】
アレーアンテナ１０１は、無線信号の受信を行う。ＣＰＵ１０２は、アレーアンテナ装置１００全体の制御を司る。ＲＯＭ１０３は、指向性制御のための演算プログラムなどのプログラムを記憶している。ＲＡＭ１０４は、ＣＰＵ１０２のワークエリアとして使用される。ＨＤＤ１０５は、ＣＰＵの命令にしたがってＨＤ１０６に対するデータのリード／ライトを制御する。ＨＤ１０６には、指向性制御のために作成したリアクタンス値テーブルが保存される。
【００３０】
測定Ｉ／Ｆ１０７には、受信測定系１０８と、送信測定系１０９が接続され、指向性制御テーブルを作成するためのアレーアンテナ１０１の特性を測定する。受信測定系１０８と、送信測定系１０９に関する詳細な構成については後述する。出力Ｉ／Ｆ１１０には、ディスプレイ１１１が接続され、各機能部から送られてきた表示情報を、ディスプレイ１１１を用いて表示させる。入力Ｉ／Ｆ１１２には、キーボード１１３が接続され、キーボード１１３から入力されたユーザの指示情報をＣＰＵ１０２へ送る。送受信部１１４は、アレーアンテナ１０１によって受信した無線信号をディスプレイ１１１等に表示させるため、復号化等の処理を行う。なお、アレーアンテナ１０１と、ＨＤ１０６に保存するリアクタンス値テーブルに関しては後で詳しく述べる。
【００３１】
（アレーアンテナの構成）
図４は、アレーアンテナを示す斜視図、図５はアレーアンテナを示す上面図である。アレーアンテナ１０１は、誘電体基板４００上に給電素子Ａと、４本の無給電素子Ｂ１〜Ｂ４とを備えた構成になっている。給電素子Ａと無給電素子Ｂ１〜Ｂ４とは、給電素子Ａを中心とし、扱う電波の波長ｆの１／４の長さ（ｆ／４）を半径とした円上に等間隔の角度で配置するのが一般的である。本発明にかかるアレーアンテナ装置１００では無給電素子を４本用いるため、図５に示すように無給電素子Ｂ１〜Ｂ４を９０°間隔で配置する。
【００３２】
図６は、給電素子と無給電素子の構成を示す図である。給電素子Ａは、アンテナ部となる放射素子６００と、送信用アンテナとして用いる場合の入力インピーダンスとなる抵抗６０１と、送受信部からの送信信号に応じた高周波エネルギーを出力する交流電源６０２が接続されている。また、給電素子Ａは、交流電源６０２から接地されている。このような給電素子Ａによって受信した無線信号は、送受信部１１４へ送られる。
【００３３】
無給電素子Ｂ１〜Ｂ４には、非励振素子６０３に可変リアクタンス素子（素子１〜素子４）の一方が接続され、この可変リアクタンス素子（素子１〜素子４）の他方は接地されている。可変リアクタンス素子（素子１〜素子４）のリアクタンス値は、ＣＰＵ１０２からの制御により個々に−１０Ω〜−９０Ωの値に変化させることが可能である。実際に可変リアクタンス素子としては、可変ダイオード等が用いられる。なお図６には素子１、３のみ図示してある。
【００３４】
（受信測定系のハードウェア構成）
図７は、受信測定系のハードウェア構成の一例を示す図である。この実施例１にかかる受信測定系１０８は、電波暗室７００内に、回転台７０１に備えられたアレーアンテナ１０１ａと、送信アンテナ７０２と、送信アンテナ７０２に接続された信号発生機７０３と、回転台７０１に接続された回転台制御装置７０４と、アレーアンテナ１０１ａに接続されたアンテナ制御装置７０５と、受信信号測定装置７０６とから構成される。この測定用のアレーアンテナ１０１ａは、アレーアンテナ１０１と同一の構成である。
【００３５】
受信測定系１０８は、まず信号発生機７０３によって発生させた一定出力の信号を、送信アンテナ７０２から無線信号として送信する。この無線信号は、測定用のアレーアンテナ１０１ａによって受信される。受信した無線信号は、受信信号測定装置７０６において、無線信号の出力を表す利得として測定されるという仕組みになっている。このとき、アレーアンテナ１０１ａは、回転台制御装置７０４によって、任意の角度に回転制御が、アンテナ制御装置７０５によって、無給電素子Ｂ１〜Ｂ４の可変リアクタンス素子（素子１〜素子４）のリアクタンス値を、それぞれ制御できるようになっている（この実施例１で述べる「利得」とは、受信信号測定装置７０６における相対的な値である）。
【００３６】
図８は、あるリアクタンス値の設定における指向性を示すパターン図である。例えば、アンテナ制御装置７０５によって、アレーアンテナ１０１ａの素子１〜素子４のリアクタンス値をすべて−１０Ωに設定した後、回転台制御装置７０４によって、アレーアンテナ１０１ａを０°〜３５９°の１°刻みで回転させながら各角度における利得を受信信号測定装置７０６によって測定することで、図８に示すような、あるリアクタンス値の設定におけるアレーアンテナ１０１ａの３６０°の指向性を表すパターン図８００を作成することができる。
【００３７】
図中のパターン線８１０が、当該角度におけるアレーアンテナ１０１ａの利得を表している。ここで述べる角度とは、例えば、送信アンテナ７０２をアレーアンテナ１０１ａの正面に配したとき、送信アンテナ７０２の延長線上に無給電素子Ｂ１が位置する状態を０°とするなど、ユーザによって定められた基準による相対的な角度を表している。
【００３８】
（指向性制御方法について）
次に、以上述べたアレーアンテナ装置１００により行われる指向性制御方法について説明する。本発明にかかる指向性制御方法は、受信測定系１０８（図３参照）での測定結果から４つのパラメータを抽出し、０°〜３５９°の角度においてユーザの用途に合わせた指向性をもたせるためのリアクタンス値テーブルを作成することで実現される。
【００３９】
従来技術で述べたようにアレーアンテナ１０１の指向性は、無給電素子Ｂ１〜Ｂ４の素子１〜素子４のリアクタンス値によって変化する。よって、本発明では、まず素子１〜素子４を−１０Ω〜−９０Ωの間で取りうるリアクタンス値のすべての組み合わせで設定を行い、各組み合わせ毎に３６０°の指向性を示すパターン図を作成する（図８参照）。
【００４０】
次に、各組み合わせにおける指向性を表すパターン図から、「利得が最大となる角度」、「最大利得」、「半幅角」、「指向性利得差」の４つ値をパラメータとして抽出する。この４つパラメータを図８のパターン図８００を用いて説明する。「利得が最大となる角度」は、測定したパターン図８００においてパターン線８１０の示す利得が最大になる角度であり、図示の例では角度８０１に相当する。「最大利得」は角度８０１における利得（図中の８０２部分）を示す。
【００４１】
「半幅角」は、最大利得８０２の半分の利得を示す、角度８０３ａと角度８０３ｂのなす角８０４を示す。「指向性利得差」は、利得が最大となる角度８０１の１８０°反対の角度８０５における利得８０６と、最大利得８０２との差を示す。このとき、最大利得８０２との比較対象は、図示したような利得が最大となる角度の反対角における利得であってもよいし、図中の角度８０７のような、パターン線８１０において最も利得の少ない一般的にＮｕｌｌ（ヌル）と呼ばれる角度における利得でもよい。
【００４２】
指向性制御方法の説明に戻り、次に、抽出した４つのパラメータから、「利得が最大となる角度」つまり指向角度を基準に整理を行う。このとき同一の指向角度におけるパラメータが複数存在することがある。そこで、残りの３つのパラメータを下記の（１）式に当てはめ、同一の指向角度における評価値Ｅを算出する。
【００４３】
評価値Ｅ＝α×（利得）＋β×（半幅角）＋γ×（指向性利得差） …（１）
【００４４】
各パラメータの係数α，β，γは、ユーザによって以下に述べるような基準によって用途合わせ、設定される。利得の係数αは、評価値Ｅの基本となり、利得の大きさが用途の一因となっている場合、最も重視される項目であり、通常、正の値を設定する。半幅角の係数βは、狭い角度だけ高利得となる狭指向性を求めるか、幅広い角度において高利得となる広指向性を求めるかによって値が変わる。狭指向性を求める場合は、負の値、広指向性を求める場合は、正の値を設定する。指向性利得差の係数γは、指向性の強さを重視するか否かによって値を変化させる。例えば、図８に示したパターン図８００のように利得が最大となる角の反対角における利得を、指向性利得差を測定する対象として選択している場合は、ユーザの所望する指向角度が反対の角度と比較し、どれだけ強い指向性を有しているかを示す。よって、所望する角度に強い指向性をもたせたい場合は、正の大きな値に、指向性の強さに重要性がない場合は、正の小さな値に設定する。
【００４５】
指向性制御方法の説明に戻り、（１）式によって算出された評価値Ｅが最も高いものがユーザの求める指向性を実現することから、同一指向角度における評価値Ｅが最も高いパラメータを有する素子１〜素子４のリアクタンス値の組み合わせを０°〜３５９°の間を順に１°刻みで抽出する。この処理によって、リアクタンス値テーブルが作成される。リアクタンス値テーブルは、ＨＤ１０６に保存される。ユーザは、キーボード１１３から、指向性をもたせたい所望角度を入力するとＣＰＵ１０２は、ＨＤＤ１０５を制御し、ＨＤ１０６のリアクタンス値テーブルから、ユーザの入力した所望角度に最も近い指向角度における素子１〜素子４のリアクタンス値を読み出し、アレーアンテナ１０１の素子１〜素子４のリアクタンス値に反映させる。こうして本発明にかかる指向性制御方法が実現される。
【００４６】
図９は、リアクタンス値テーブル作成動作を示すフローチャートである。図を用いて、受信測定系１０８（図７参照）における測定からリアクタンス値テーブル作成までの動作を説明する。なお、この実施例では、アレーアンテナ１０１ａの測定角度は、０°〜３５９°まで１°刻みに行うため、リアクタンス値テーブルは、３６０個の項目からなる。しかしこれは一例であり、測定角度を何度刻みにするかは、ユーザによって設定可能であり、回転台７０１（図７参照）の性能に依存して、詳細に設定できる。この測定角度の刻み幅が細かくなれば指向特性の精度も向上する。なお、アレーアンテナ１０１ａの形状が点対称なので、６０°〜１２０°、１２０°〜１８０°、１８０°〜２４０°、２４０°〜３６０°をそれぞれ０°〜６０°の結果で代用することもできる。フローチャートに戻り、まず、アレーアンテナ１０１ａのリアクタンス値を初期値に設定する（ステップＳ９０１）。ここでは、アンテナ制御装置７０５を用い、初期値として無給電素子Ｂ１〜Ｂ４それぞれの素子１〜素子４のリアクタンス値をすべて−１０Ωに設定する。
【００４７】
次に、アレーアンテナ１０１ａと、送信アンテナ７０２との角度θを初期値に設定する（ステップＳ９０２）。先程述べたように、角度θは、あらかじめユーザが指定した基準点を０°とし、その基準点からの相対角度であり、回転台制御装置７０４によって制御する。例えば、送信アンテナ７０２の中心からアレーアンテナ１０１ａへの直線上に、アレーアンテナ１０１ａの無給電素子Ｂ１，Ｂ３と、給電素子Ａとが位置する状態を基準点０°とし、時計回りに基準点からの相対角度を測定してもよい。
【００４８】
リアクタンス値と角度θの設定が終了すると、次に送信アンテナ７０２からの無線信号に対しての受信測定を行い、測定結果とリアクタンス値を保存する（ステップＳ９０３）。送信アンテナ７０２からの無線信号の出力は信号発生機７０３によって一定レベルを保つように管理されており、アレーアンテナ１０１ａの受信した無線信号の利得は、受信信号測定装置７０６によって測定される。角度θにおける測定結果は、素子１〜素子４のリアクタンス値とともに、ＨＤ１０６（図３参照）に保存される。
【００４９】
角度θにおける受信測定が終了したら、次に、現在のアレーアンテナ１０１ａの角度θ≧３６０°であるか否かの判断を行う（ステップＳ９０４）。この処理は、角度θとして、０°〜３５９°の間を１°刻みで受信測定を行うためである。よって、最初にステップＳ９０４に処理が行われる際、角度θは、初期値０°に設定されていることから（ステップＳ９０４：Ｎｏ）、次に角度θ＝θ＋１°と設定する（ステップＳ９０５）。つまり、角度θを「設定角度＋１°」に設定し直し、新しい角度θとしてステップＳ９０３からの処理を再度行う。この処理により、リアクタンス値は同一のまま、アレーアンテナ１０１ａの角度θを０°〜３５９°で、１°刻みずつ変化させた場合の各角度θにおける受信測定を行うことで、図８に示したような３６０°の指向性のパターンを作成することができる。
【００５０】
角度θ≧３６０°となり角度θ＝３５９°までの受信測定を終了させると（ステップＳ９０４：Ｙｅｓ）、次にリアクタンス値設定終了か否かの判断を行う（ステップＳ９０６）。リアクタンス値の設定は、素子１〜素子４の各リアクタンス値を、−１０Ω〜−９０Ωの間で−１０Ω刻みに変化させる。よって、リアクタンス値の設定は、全部で６５６１通りの組み合わせがあり、いまだ設定していない組み合わせがある場合は（ステップＳ９０６：Ｎｏ）、リアクタンス値の設定変更を行い（ステップＳ９０７）、ステップＳ９０２の処理に戻り、再度処理を行うことで、リアクタンス値のすべての組み合わせにおいて、角度θの０°〜３５９°の受信測定を行う。
【００５１】
図１０は、可変リアクタンス素子のリアクタンス値と測定値の一例を示す図表である。ステップＳ９０１〜ステップＳ９０７の処理による測定結果は指向性のパターンから抽出した値であり、ＨＤ１０６において、図表１０００のように保存されている。素子１〜素子４のリアクタンス値［Ω］の組み合わせ毎に、利得最大角度［°］と利得［ｄＢ］と、半幅角［°］と、指向性利得差［ｄＢ］を保存している。
【００５２】
利得最大角度とは、つまり、０°〜３５９°を、１°刻みで受信測定した結果、最も利得が大きかったアレーアンテナ１０１ａの角度θを意味する。また、利得と、半幅値と、指向性利得差は、それぞれ利得最大角度を基準とした値である。なお、図表１０００中の「ｏｍｎｉ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ」とは、利得最大角度が存在しない無指向性の状態を表す。よって、「ｏｍｎｉ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ」の場合は、半幅角が存在せず、指向性利得差は、０ｄＢという値になる。
【００５３】
図９のステップＳ９０６に戻り、すべてのリアクタンス値設定が終了したら（ステップＳ９０６：Ｙｅｓ）、次にユーザ設定値を受信したか否かの判断を行う（ステップＳ９０８）。ユーザ設定とは、式（１）おける各パラメータの係数α，β，γのユーザによる設定値である。このユーザ設定は、キーボード１１３によって入力されることで行われ、入力された値がＣＰＵ１０２に受信されることで（ステップＳ９０８：Ｙｅｓ）、評価値Ｅを算出するための準備として、まず角度θを初期値に設定する（ステップＳ９０９）。初期値とは、ステップＳ９０２同様θ＝０°である。
【００５４】
また、ステップＳ９０８において、ユーザ設定が受信されなかった場合（ステップＳ９０８：Ｎｏ）、つまりユーザからの入力が行われなかった場合は、ユーザ設定値を標準値に設定してから（ステップＳ９１０）、角度θを初期値に設定する（ステップＳ９０９）。標準値とは、あらかじめ定めてある値で、ユーザによって設定することもできる。よって、利用頻度の多い設定値や、実施経験から最適な値を設定してもよい。
【００５５】
図１１は、特定角度における測定値および評価値Ｅの算出結果例を示す図表である。図中の図表１１００は、図１０で説明した最大利得角度が９０°の場合の各測定値と、評価値の算出結果例である。このように、ある特定の角度θが最大利得角度となるリアクタンス値の組み合わせは、複数あり、評価値の算出結果から、最大値となる最良評価値１１０１を抽出しなければならない。以下、述べるステップＳ９１１〜ステップＳ９１８は、角度θにおける最大評価値を抽出し、評価値として保存するための処理である。
【００５６】
図９に戻り、最良評価値Ｅｘ＝−∞に設定する（ステップＳ９１１）。次に、角度θにおける測定結果とユーザ設定値から評価値Ｅを算出する（ステップＳ９１２）。評価値Ｅの算出時には、ＨＤ１０６に保存してある図表１０００（図１０参照）の値を読み出して行う。最初にステップＳ９１２の処理を行う際の角度θは、初期値の０°であるため、まず、最大利得角度が０°である時の測定結果を順次読み出し、算出する。次に算出した評価値Ｅ＞最良評価値Ｅｘか否かの判断を行う（ステップＳ９１３）。
【００５７】
評価値Ｅが最良評価値Ｅｘよりも大きければ（ステップＳ９１３：Ｙｅｓ）、最良評価値Ｅｘ＝評価値Ｅと設定する（ステップＳ９１４）。評価値Ｅが最良評価値Ｅｘと等しい、もしくは小さければ（ステップＳ９１３：Ｎｏ）最良評価値Ｅｘは、変更せず、次に、すべての評価値Ｅを算出したか否かの判断を行う（ステップＳ９１５）。これは、図１１に示したような角度θが最大利得角度となった測定結果が複数存在した場合、これらの測定結果すべての評価値Ｅを算出したかの判断である。
【００５８】
角度θにおける評価値Ｅの算出が残っている場合（ステップＳ９１５：Ｎｏ）、次に測定結果の評価値Ｅを行うため、ステップＳ９１２の処理に戻る。このようにして、評価値Ｅと最良評価値Ｅｘとを比較し、算出終了時に最も値の大きい評価値Ｅが最良評価値Ｅｘとして設定される。角度θにおける評価値Ｅの算出がすべて終了したら（ステップＳ９１５：Ｙｅｓ）、次に角度θ≧３６０°であるか否かの判断を行う（ステップＳ９１６）。
【００５９】
角度θが３５９°以下であれば（ステップＳ９１６：Ｎｏ）、角度θと、最良評価値Ｅｘリアクタンス値をリアクタンス値テーブルに保存する（ステップＳ９１７）。最良評価値Ｅｘリアクタンス値とは、最良評価値Ｅｘの指向性を実現した際の素子１〜素子４のリアクタンス値を意味する。保存が終了したら、次に角度θをθ＝θ＋１°と設定する（ステップＳ９１８）。つまり、角度θの値を「設定角度＋１°」に設定し直し、ステップＳ９１１からの処理を再度、行う。角度θが３６０°になるまで（ステップＳ９１６：Ｙｅｓ）、処理を繰り返し行うことで、０°〜３５９°の１°刻みの各角度における最良評価値Ｅｘにおける、リアクタンス値テーブルが完成する。
【００６０】
図１２は、リアクタンス値テーブルの一例を示す図表である。図表１２００は、図９で説明した処理によって作成されたリアクタンス値テーブルの例であり、指向方向角度［°］に指向性を有し、なおかつユーザの所望する指向性パターンを実現させるときの素子１〜素子４のリアクタンス値が、あわせて保存されている。
【００６１】
また、図１３は、アレーアンテナ装置利用時のディスプレイ表示例を示す図である。表示面１３００は、指向性パターン表示部１３０１と、リアクタンス値設定表示部１３０２と、ユーザ設定部１３０４とから構成される。まず、ユーザが入力したユーザ設定値１３０５からリアクタンス値テーブルを作成する。さらにユーザが指向性をもたせたい所望角度を入力することで、所望角度に最も近い指向方向角度と、指向方向角度に対応した素子１〜素子４のリアクタンス値をＨＤ１０６（図３参照）から読み出し、そのときの各測定値１２０６を表示させる。このようにして、アレーアンテナ装置１００は、ユーザの所望する角度に指向性を制御できるアンテナ装置として利用される。
【実施例２】
【００６２】
図１４は、送信測定系のハードウェア構成の一例を示す図である。実施例２では、図３に示した送信測定系１０９を用い、アレーアンテナ１０１によって無線信号の送信を行うための、送信指向性制御を行うアレーアンテナ装置１００について述べる。また、送受信部１１４は、キーボード１１３から入力した情報等の送信情報を無線信号としてアレーアンテナ１０１から送信させるため、符号化等の処理を行う。
【００６３】
送信測定系１０９は、電波暗室７００内に備えられた回転台７０１の上に取り付けられた測定用のアレーアンテナ１０１ａと、受信アンテナ１４００とからなる。アレーアンテナ１０１ａには、アンテナ制御装置７０５と、信号発生機７０３とが接続されている。また、回転台７０１には、回転台制御装置７０４が接続されており、受信アンテナ１４００には、受信信号測定装置７０６が接続されている。
【００６４】
測定を行う際には、信号発生機７０３から発生される一定レベルの出力の信号により、アレーアンテナ１０１ａから無線信号が送信される。このときアンテナ制御装置７０５によってアレーアンテナ１０１ａの４つの可変リアクタンス素子（素子１〜素子４）のリアクタンス値の値が−１０Ω〜−９０Ωの間で１０Ω刻みに制御できるようになっている。また、アレーアンテナ１０１ａは、回転台７０１によって３６０°回転が可能であり、回転角度は、回転台制御装置７０４によって１°刻みで制御できるようになっている。しかしこれは一例であり、測定角度を何度刻みにするかは、ユーザによって設定可能であり、回転台７０１（図７参照）の性能に依存して、詳細に設定できる。この測定角度の刻み幅が細かくなれば指向特性の精度も向上する。なお、アレーアンテナ１０１ａの形状が点対称なので、６０°〜１２０°、１２０°〜１８０°、１８０°〜２４０°、２４０°〜３６０°をそれぞれ０°〜６０°の結果で代用することもできる。
【００６５】
以上述べたような、送信測定系１０９を用いることで、実施例２では、０°〜３５９°の角度θにおける送信利得、つまり角度θにおける受信信号測定装置７０６を測定する。実施例１と同様に測定結果を角度θとともに保存し、ユーザがユーザ設定値を入力することで、図９に示したフローチャートと同様の処理により、リアクタンス値テーブルが作成される。
【００６６】
このリアクタンス値テーブルは、０°〜３５９°の１°刻みの角度θごとに、可変リアクタンス素子（素子１〜素子４）のリアクタンス値が保存されている。ある角度θ方向に指向性をもたせたいときは、θにおけるリアクタンス値をＨＤ１０６から読み出し、アレーアンテナ１０１を設定する。こうすることで、ユーザの所望する角度θにおける最も理想的な指向性を有した送信用のアレーアンテナ装置を実現することができる。
【００６７】
以上、実施例１および実施例２で説明したように、アレーアンテナ装置、指向性制御方法および指向性制御プログラムによれば、測定結果とユーザ設定値から求めた評価値を用いてユーザが所望する指向性を設定し、用いることができる。
【００６８】
なお、本実施の形態で説明した指向性制御方法は、あらかじめ用意されたプログラムをパーソナル・コンピュータやワークステーション等のコンピュータで実行することにより実現することができる。このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行される。またこのプログラムは、インターネット等のネットワークを介して配布することが可能な伝送媒体であってもよい。

Claims (6)

1. 給電素子と、複数の無給電素子と、当該複数の無給電素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを有するアレーアンテナ装置において、
   前記アレーアンテナ装置の前記複数の無給電素子の位置を回転させ、電波を送信あるいは受信する角度を変更させる角度制御手段と、
   前記角度制御手段によって変更させた各角度毎に複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を設定するリアクタンス値設定手段と、
   前記各角度において前記リアクタンス値設定手段によって設定されたリアクタンス値毎に前記給電素子の利得を検出する利得検出手段と、
   前記各角度毎の前記リアクタンス値と、前記利得とに基づいて、全角度における指向特性に影響する複数のパラメータを抽出するパラメータ抽出手段と、
   前記パラメータ抽出手段によって抽出されたパラメータを用いた所定の演算により、前記各角度毎の所定の評価値を算出する評価値算出手段と、
   前記各角度毎に前記評価値算出手段により算出される評価値が最も高くなる利得が検出された際のリアクタンス値の設定を記録する記録手段と、を備え、
   前記リアクタンス値設定手段は、任意の角度で電波を送信あるいは受信する際に、当該角度におけるリアクタンス値を前記記録手段から読み出し、設定するものであり、
   前記評価値算出手段は、前記パラメータ抽出手段により抽出された前記各角度毎の利得と、半幅値と、指向性利得差、のそれぞれに対し、所望する指向性パターンに対応した係数を用い前記所定の演算を行い前記評価値を算出することを特徴とするアレーアンテナ装置。
2. 前記パラメータ抽出手段は、前記各角度毎の利得と、半幅値と、指向性利得差を抽出し、
   前記評価値算出手段は、前記パラメータ抽出手段により抽出された前記各角度毎の利得と、半幅値と、指向性利得差に基づいて前記評価値を算出することを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
3. 前記記憶手段は、前記各角度毎の複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値と、前記各角度毎の利得と、半幅値と、指向性利得差とを記憶することを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
4. 前記記憶手段に記憶された前記各角度における複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値と、前記利得と、前記半幅値と、前記指向性利得差に関する情報と、を表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載のアレーアンテナ装置。
5. 給電素子と、複数の無給電素子と、当該複数の無給電素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを有するアレーアンテナ装置の指向性を制御する指向性制御方法において、
   前記アレーアンテナ装置の前記複数の無給電素子の位置を回転させ、電波を送信あるいは受信する角度を変更させる角度制御工程と、
   前記角度制御工程によって変更させた各角度毎に複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を設定する第１のリアクタンス値設定工程と、
   前記各角度において前記第１のリアクタンス値設定工程によって設定されたリアクタンス値毎に前記給電素子の利得を検出する利得検出工程と、
   前記各角度毎の前記リアクタンス値と、前記利得とに基づいて、全角度における指向特性に影響する複数のパラメータを抽出するパラメータ抽出工程と、
   前記パラメータ抽出工程によって抽出されたパラメータを用いた所定の演算により、前記各角度毎の所定の評価値を算出する評価値算出工程と、
   前記各角度毎に前記評価値算出手段により算出される評価値が最も高くなる利得が検出された際のリアクタンス値の設定を記録手段に記録する記録工程と、
   任意の角度で電波を送信あるいは受信する際に、当該角度におけるリアクタンス値を前記記録手段から読み出し、設定する第２のリアクタンス値設定工程と、
   を含み、
   前記評価値算出工程は、前記パラメータ抽出工程により抽出された前記各角度毎の利得と、半幅値と、指向性利得差、のそれぞれに対し、所望する指向性パターンに対応した係数を用い前記所定の演算を行い前記評価値を算出することを特徴とする指向性制御方法。
6. 請求項５に記載の方法をコンピュータに実行させることを特徴とする指向性制御プログラム。

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