JP4682190B2 - アレーアンテナ装置、指向性制御方法、指向性制御プログラムおよび指向性制御プログラムを記録した記録媒体 - Google Patents
アレーアンテナ装置、指向性制御方法、指向性制御プログラムおよび指向性制御プログラムを記録した記録媒体 Download PDFInfo
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- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
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Description
【技術分野】
【０００１】
この発明は、給電素子と、複数の無給電素子とからなるアレーアンテナの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、指向性制御プログラムおよび指向性制御プログラムを記録した記録媒体に関する。
【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、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り、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で実現されている。また、機能面での特徴としては、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。この指向性は、あらかじめ計算値的に求めることができず、実際に無線信号の送受信を行うことではじめてその指向特性（３６０°の指向性パターン）がわかる。
【０００３】
従来、このようなアレーアンテナ装置の指向性制御方法としては、複数の無給電素子にそれぞれ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のとりうる全ての組み合わせを順次設定し、それぞれの組み合わせ時のアレーアンテナ装置の受信利得を測定する。この作業を全方向で行うことで指向特性を導いていた。しかし、この制御方法では、相当回数の測定を行わなくてはならない。例えば、可変リアクタンス素子が−１０Ω〜１０Ωの間を１Ω刻みの値をとり、無給電素子が６本備えられたアレーアンテナ装置の場合、パラメータの数の６乗、つまり２１6回測定しなければならない。また、指向特性を測定するためには、この作業を３６０°で行わなければならない。よって０°〜３５９°を１°刻みとしたときの測定回数は、２１6回×３６０回必要となる。
【０００４】
そこで測定回数を減らすための対策として、受信信号の到来角度などのユーザの所望する角度に関して、各リアクタンス値を初期値に設定して受信利得の測定を行い、つぎに各リアクタンス値を微小量値変化させ、受信利得の測定を行う。このリアクタンス値の微小量変化による測定利得の勾配を測定し、最急勾配法を用いてリアクタンス値の更新を行う。この処理を所定回数繰り返すことで、所望の方向における受信利得が最大となるリアクタンス値を導き出すことができるようなリアクタンス値の指向性制御方法が開示されている（例えば、下記特許文献１参照。）。
［０００５］
特許文献１ 特開２００４−２３２３９号公報
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００６］
しかしながら、特許文献１で開示されているのは、ユーザの所望の方向における受信利得を最大にするためのリアクタンス値の演算方法である。この演算方法では、所望する方向以外の方向に対しての指向特性への配慮がないため、例えば、ユーザの所望の方向以外にも高利得となる指向特性であっても、所望する方向が最も高利得であれば最適な指向特性となる。これにより、受信信号以外に、他の方向から妨害電波等が送信されてきた場合には、高利得で受信することとなる問題点が一例として挙げられる。このような、リアクタンス値の演算方法は、指向特性の観点から鑑みて適切ではない。
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に記載のアレーアンテナ装置は、給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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、送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付手段と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値をそれぞれ設定する設定手段と、前記設定手段によって設定されたリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト手段と、前記リアクタンス値シフト手段によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定手段と、前記受付手段によって受け付けた指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト手段による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値として算出する算出手段と、を備え、前記受付手段が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定手段によって測定した測定結果を、前記到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、前記算出手段は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項７に記載のアレーアンテナ装置は、給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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、送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付手段と、前記可変リアクタンス素子に設定したリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト手段と、前記リアクタンス値シフト手段によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定手段と、前記受付手段によって受け付けた指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト手段による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値として算出する算出手段と、前記算出手段により算出された前記指向特性を構成するためのリアクタンス値を各可変リアクタンス素子に設定する設定手段と、を備え、前記受付手段が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定手段によって測定した測定結果を、前記到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、前記算出手段は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項８に記載の指向性制御方法は、給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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制御方法において、送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付工程と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値をそれぞれ設定する設定工程と、前記設定工程によって設定されたリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト工程と、前記リアクタンス値シフト工程によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定工程と、前記受付工程によって受け付けられた前記指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト工程による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を算出する算出工程と、を含み、前記受付工程が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定工程によって測定した測定結果を、前記到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、前記算出工程は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項１０に記載の指向性制御方法は、給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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制御方法において、送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付工程と、前記可変リアクタンス素子に設定したリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト工程と、前記リアクタンス値シフト工程によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定工程と、前記受付工程によって受け付けた指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト工程による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値として算出する算出工程と、前記算出工程により算出された前記指向特性を構成するためのリアクタンス値を各可変リアクタンス素子に設定する設定工程と、を含み、前記受付工程が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定工程によって測定した測定結果を、前記到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、前記算出工程は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項１１に記載の指向性制御プログラムは、請求項８〜１０のいずれか一つに記載の指向性制御方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項１２に記載のコンピュータに読み取り可能な記録媒体は、請求項１１に記載の指向性制御プログラムを記録したことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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、この発明のアレーアンテナ装置の実施の形態の制御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、アレーアンテナの構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、アレーアンテナの構成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、送信測定系のハードウェア構成の一例を示す図である。
【図９】図９は、アレーアンテナの受信利得測定を示す図である。
【図１０】図１０は、素子１〜素子６のリアクタンス値を１回シフトした際の受信利得測定を示す図である。
【図１１】図１１は、素子１〜素子６のリアクタンス値のシフトが終了した際の測定利得方向を示す図である。
【図１２−１】図１２ー１は、実施例１におけるアレーアンテナ装置の動作の概略を示すフローチャートである。
【図１２−２】図１２−２は、実施例１におけるアレーアンテナ装置の動作の概略を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、リアクタンス値テーブル生成処理を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、到来波方向θ＝０°における、実施例１の指向制御方法による指向特性と、従来の指向制御方法による指向特性を比較して示した図である。
【図１５】図１５は、到来波方向θ＝６０°における、実施例１の指向制御方法による指向特性と、従来の指向制御方法による指向特性を比較して示した図である。
【図１６】図１６は、到来波方向θ＝１２０°における、実施例１の指向制御方法による指向特性と、従来の指向制御方法による指向特性を比較して示した図である。
【図１７】図１７は、実施例２におけるアレーアンテナ装置の動作の概略を示すフローチャートである。
【図１８】図１８は、適応制御の処理内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００１６】
１０，１００ アレーアンテナ装置
１２，１０１ アレーアンテナ
１２ａ 給電素子
１２ｂ 無給電素子
１３ 可変リアクタンス素子
１４ 設定部
１５ リアクタンス値シフト部
１６ 測定部
１７ 受付部
１８ 算出部
１９ 角度制御部
２０ 格納部
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】
【００１７】
（実施の形態）
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、指向性制御プログラムおよび指向性制御プログラムを記録した記録媒体の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
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１２ｂとにより構成されている。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。設定部１４は、複数の可変リアクタンス素子１３それぞれにリアクタンス値を設定する。複数の可変リアクタンス素子１３それぞれにリアクタンス値を設定することにより、アレーアンテナ１２は、所定の指向特性をもたせることができる。
【００１９】
リアクタンス値シフト部１５は、設定部１４によって設定されたリアクタンス値を、無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子のリアクタンス値としてシフトさせて再設定する。測定部１６は、給電素子１２ａの利得を測定する。この際、測定部１６は、設定部１４により設定されたリアクタンス値、およびリアクタンス値シフト部１５によりシフトされたリアクタンス値、のそれぞれにおける送信または受信の利得を測定することになる。
【００２０】
受付部１７は、指向特性に関する設定情報を受け付ける。具体的には、測定部１６によって測定した測定結果に対して、アレーアンテナ１２に対する到来波の到来方向を基準として、シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数の入力（後述する方向性重みベクトル）を受け付ける。
【００２１】
算出部１８は、受付部１７により受け付けた指向特性に関する設定情報と、測定部１６による測定結果とに基づき、所定の演算を行い、指向特性に対応して複数の無給電素子１２ｂの各リアクタンス値を算出する。
【００２２】
角度制御部１９は、給電素子１２ａを中心として配置された複数の無給電素子１２ｂ（アレーアンテナ１２）を回転させて無線信号の到来角度（到来波の角度）を変化させる。算出部１８は、この角度制御部１９によりアレーアンテナ１２を周方向の所定の角度範囲で回転させた各角度毎に、指向特性に対応したリアクタンス値を算出する。算出部１８によって算出されたリアクタンス値は、格納部２０に格納され、アンテナ制御時に読み出して用いることができる。この格納部２０には、各角度毎の複数の無給電素子１２ｂのリアクタンス値が、が関連付けて格納される。
【００２３】
なお、アレーアンテナ１２を回転させるに限らず、アレーアンテナ１２に対して到来波の到来方向が変わる構成としてもよい。また、角度制御部１９は、アレーアンテナ１２を周方向に１回転させてもよいが、所定の角度範囲で回転させることで代用できる。この角度範囲は、無給電素子１２ｂの数（周方向の配置角度間隔）によって決定できる。上記のように、無給電素子１２ｂの数が６つの場合、回転させる角度範囲は、全周（３６０°）を６等分した６０°となる。
【００２４】
これにより、セクタパターンのアレーアンテナ１２を構成することができ、任意の方向に所望する指向性を有した指向特性を実現できる。これに限らず、適応制御パターンのアレーアンテナ１２に適用することもできる。適応制御パターンでは、到来波の到来方向が未知であり、この到来波の電波が強く、もしくは所望の電波が弱くなるようビーム方向やヌル方向を実現できるようにアレーアンテナ１２を適応的に操作する。この適応制御パターンにおいても、図１同様の構成を用いることができる。なお、適応制御パターンの場合、図１に示した角度制御部１９および格納部２０を省いた構成によって実現することができる。
【００２５】
図２は、この発明のアレーアンテナ装置の実施の形態の制御内容を説明するフローチャートである。はじめに、受付部１７により、指向特性に関する設定情報を受け付ける（ステップＳ２１）。具体的には複数の可変リアクタンス素子１３のリアクタンス値の係数として用いる方向性重みベクトルである。方向性重みベクトルの詳細については後述するが、実際の到来波の利得と、複数の可変リアクタンス素子１３のリアクタンス値をシフトさせた擬似的な多方向からの到来波の利得とを測定した時に、測定値の方向の違いによってその重みを決定するために用いる。
【００２６】
つぎに、到来波の到来方向を設定する（ステップＳ２２）。ここで、アレーアンテナ１２に対する到来波の到来方向を基準となる０°とする。つぎに、各リアクタンス値の初期値を設定する（ステップＳ２３）。ここでは、複数の可変リアクタンス素子１３に対してそれぞれリアクタンス値を設定する。
【００２７】
このように複数の可変リアクタンス素子１３にそれぞれリアクタンス値を設定した状態で、指向特性に対応したリアクタンス値を算出するための処理を行う。この算出は、方向性重みベクトルや、評価値をパラメータとする最急勾配法を用いて行うことができる。
【００２８】
まず、各リアクタンス値を微少変化させて利得への影響を測定する（ステップＳ２４）。具体的には、測定部１６が給電素子１２ａの利得を測定する。そして、リアクタンス値シフト部１５によるシフトが終了したか否かを判断する（ステップＳ２５）。シフトが終了していなければ（ステップＳ２５：Ｎｏ）、複数の可変リアクタンス値をシフトさせ（ステップＳ２６）、シフトした状態でステップＳ２４による測定を再度実行することを繰り返す。
【００２９】
上記のシフトは、無給電素子１２ｂにそれぞれ対応する可変リアクタンス素子１３に設定されていたリアクタンス値を変更させることであり、無給電素子１２ｂの周方向に隣接する他のリアクタンス値に変更することを意味している。このシフトにより、アレーアンテナ１２を回転させずに到来波を擬似的に回転させた状態でステップＳ２４による測定が行えるようになる。また、シフトは無給電素子１２ｂの個数に対応する回数（実際には無給電素子１２ｂの個数−１）だけ行えばよく、アレーアンテナ１２の給電素子１２ａを中心として周囲に配置されている複数の無給電素子１２ｂにそれぞれ対応した複数の方向（到来方向）での利得の測定を行うことができる。
【００３０】
ステップＳ２５によるシフトが終了すれば（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）、算出部１８は、指向特性に適したリアクタンス値を算出する（ステップＳ２７）。そして、算出された複数のリアクタンス値を格納部２０に格納する（ステップＳ２８）。
【００３１】
以上により、アレーアンテナ１２に対する一つの到来波の到来方向に適した複数のリアクタンス値が算出でき、格納部２０に格納されることになる。これにより、利得を大きくとれるリアクタンス値を得ることができる。以上の処理は、到来波の方向が基準方向（０°）とし、アレーアンテナ１２をある角度に位置させて行った処理である。
【００３２】
この後、アンテナの各角度毎に関連付けた情報を取得していく。全ての到来波の到来方向に対する測定が終了したか判断し（ステップＳ２９）、終了していなければ（ステップＳ２９：Ｎｏ）、角度制御部１９によって到来波の到来方向を変更させ（アレーアンテナ１２を実際に所定角度ずつ角度変更させ）（ステップＳ３０）、ステップＳ２３以降の処理を繰り返す。全ての到来波の到来方向に関する測定が終了すると（ステップＳ２９：Ｙｅｓ）、上記一連の処理を終了する。
【００３３】
アレーアンテナ１２の測定角度は、０°〜３５９°まで１°刻みに行う場合には、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すればよい。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１２の形状が点対称なので、６０°〜１２０°、１２０°〜１８０°、１８０°〜２４０°、２４０°〜３６０°の測定結果をそれぞれ０°〜６０°の結果を用いて代用することもできる。
【００３４】
以上説明した実施の形態によれば、リアクタンス値をシフトさせることにより擬似的に到来方向を変更して利得の測定を行えるため、所望した指向特性に適したより正確なリアクタンス値の設定が行えるようになる。
【実施例１】
【００３５】
以下、本発明によって実現可能なアレーアンテナ装置の例として実施例１では、セクタパターンのアレーアンテナ装置について説明する。セクタパターンでは、任意の方向に指向性を向けた指向特性を実現する。
【００３６】
（ハードウェア構成）
図３は、この発明の実施例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。
【００３７】
アレーアンテナ１０１は、無線信号の受信を行う（アレーアンテナ１０１の詳細な構成については、後に詳しく述べる）。ＣＰＵ１０２は、アレーアンテナ１００装置全体の制御を司る。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、ＣＰＵ１０２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（後に詳しく述べる）が保存される。
【００３８】
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に対する復号化等の処理を行う。
【００３９】
図４は、アレーアンテナの構成を示す斜視図である。また、図５は、アレーアンテナの構成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、６本の無給電素子Ｂ１〜Ｂ６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〜Ｂ６との配置間隔は、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したものであるが、これに限定されるものではない。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６本用いており、図５に示すように無給電素子Ｂ１〜Ｂ６を６０°間隔で配置する。
【００４０】
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１１４（図３参照）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。
【００４１】
無給電素子Ｂ１〜Ｂ６には、非励振素子６０３に可変リアクタンス素子（以下、「素子１〜素子６」という。）が接続され、素子１〜素子６から接地されている。素子１〜素子６のリアクタンス値は、ＣＰＵ１０２からの制御により個々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。
【００４２】
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。電波暗室７００内に備えられた受信測定系１０８は、測定用アレーアンテナ７０１と、回転台７０２と、送信用アンテナ７０３とからなる。回転台７０２の上に取り付けられた測定用アレーアンテナ７０１には、アンテナ制御装置７０４と、受信信号測定装置７０５とが接続されており、回転台７０２には、回転台制御装置７０６が接続されている。また、送信用アンテナ７０３には、信号発生機７０７が接続されている。
【００４３】
受信利得を測定する際に受信測定系１０８は、まず信号発生機７０７によって発生させた一定出力の信号を、送信用アンテナ７０３から無線信号として送信する。この無線信号は、測定用アレーアンテナ７０１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７０５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、測定用アレーアンテナ７０１は、回転台制御装置７０６によって回転台７０２を回転させることで、任意の角度に回転制御ができるようになっている。また、測定用アレーアンテナ７０１は、アンテナ制御装置７０４によって、無給電素子Ｂ１〜Ｂ６のリアクタンス素子（素子１〜素子６）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。
【００４４】
図８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。電波暗室７００内に備えられた送信測定系１０９は、測定用アレーアンテナ７０１と、回転台７０２と、受信用アンテナ８００とからなる。回転台７０２の上に取り付けられた測定用アレーアンテナ７０１には、アンテナ制御装置７０４と、信号発生機７０７とが接続されており、回転台７０２には、回転台制御装置７０６が接続されている。また、受信用アンテナ８００には、受信信号測定装置７０５が接続されている。
【００４５】
送信利得の測定を行う際に送信測定系１０９は、信号発生機７０７から発生される一定レベルの出力の信号により、測定用アレーアンテナ７０１から無線信号が送信される。このときアンテナ制御装置７０４によって測定用アレーアンテナ７０１の６つの可変リアクタンス素子（素子１〜素子６）のリアクタンス値を制御できるようになっている。また、測定用アレーアンテナ７０１は、回転台７０２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７０６によって制御できるようになっている。測定用アレーアンテナ７０１は、無線信号を送信したい方向に受信用アンテナ８００が位置するように回転台７０２を制御する。このときの受信信号測定装置７０５によって受信用アンテナ８００における受信利得を測定する。この受信利得が測定用アレーアンテナ７０１の送信利得として記録される。
【００４６】
以上説明したような受信測定系１０８および送信測定系１０９において測定した受信利得もしくは送信利得の結果を基に所定の演算を行う。これにより、ユーザの所望する最適な指向特性を実現させるためにアレーアンテナ１０１の素子１〜素子６のリアクタンス値を決定し、素子１〜素子６のリアクタンス値をリアクタンス値テーブルとしてＨＤ１０６に記録する。そして、アレーアンテナ装置１００の利用時には、リアクタンス値テーブルから所望方向におけるリアクタンス値を読み出すことで、直ちに理想的な指向特性を実現することができる。
【００４７】
なお、この実施例では、測定用アレーアンテナ７０１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、あくまでも一例であり、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７０２（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。さらに、測定する際の角度範囲も３６０°に限らず、例えば０°〜６０°の範囲の結果を他の角度範囲（６０°〜１２０°，１２０°〜１８０°，１８０°〜２４０°，２４０°〜３６０°の結果として用いることもでき、測定範囲内での理想的な指向特性を実現することができる。
【００４８】
また、図３に示したハードウェア構成においてアレーアンテナ１０１を用いて、一定の出力の無線信号を発生させる外部の無線信号発生機（送信利得を測定する場合は、外部の受信機）を用いてもよいが、電波暗室７００（図７，８参照）を用いることでより正確な測定値を得ることができる。
【００４９】
以下に説明するのは、アレーアンテナ装置１００を受信アンテナとして用いる際の処理である。したがって、受信利得の測定を行う際は、受信測定系１０８における測定結果を用いる。しかし、以下の処理における受信利得の測定をそのまま送信利得の測定に置き換えれば、送信測定系１０９での測定結果を用いることで、そのままアレーアンテナ装置１００を送信アンテナとして用いる際の処理に適用できる。
【００５０】
（受信利得の測定方法について）
図９は、アレーアンテナの受信利得測定を示す図である。例えば、図９に示すような方向から到来波９００（受信したい無線信号）が送られてくる場合、図７において説明したように、送信用アンテナ７０３は固定されているため、回転台７０２により測定用アレーアンテナ７０１を図９に示すような位置関係となるよう回転させる。
【００５１】
図１０は、素子１〜素子６のリアクタンス値を１回シフトした際の受信利得測定を示す図である。測定用アレーアンテナ７０１の位置関係は、そのままの状態に留め、無電給素子Ｂ１〜Ｂ６の可変リアクタンス素子（素子１〜素子６）のリアクタンス値を時計回りに１素子分シフトさせる。つまり、素子１を素子２のリアクタンス値へ、素子２を素子３のリアクタンス値へとずらす作業を行う。すると、結果的に図１０に示すように測定用アレーアンテナ７０１によって到来波９０１を測定する作業は、測定用アレーアンテナ７０１の位置を１素子分（６０°）回転させて測定を行ったことと同じ状態を得ることができる。
【００５２】
図１１は、素子１〜素子６のリアクタンス値のシフトが終了した際の測定利得方向を示す図である。図１０のようなシフトを１周分行いシフトが終了し、素子１〜素子６のリアクタンス値が図９の状態に戻ると、図１１に示したように実際に到来波９００を受信する方向に加えて、等角度の間隔をあけた５つの方向において、到来波９００と同じ出力の無線信号が送信されてくることになる。この時の無線信号を擬似的な到来波９０１として、受信利得を測定することができる。したがって、素子１〜素子６のリアクタンス値のシフトが終了した際には、測定用アレーアンテナ７０１は、回転制御を行わずに到来波９００と５つの擬似的な到来波９０１の測定を行ったことになる。なお、測定方向の角度の間隔＝３６０／無給電素子数となる。
【００５３】
（最急勾配法について）
最急勾配法とは、現在の値から最も評価の良くなる方向へ値を変化させる方法である。リアクタンス値を初期値から微小変化させ、微小変化後のリアクタンス値における受信利得を測定し、微小変化における受信利得の変化（勾配）を演算する。つぎに、初期値＋勾配×収束定数をリアクタンス値の初期値として、同様に初期値から微小変化させ、微小変化後のリアクタンス値における受信利得を測定し、微小変化における受信利得の変化（勾配）を演算する。このとき、受信利得の比較を行い、受信利得値の大きい方をリアクタンス値として更新する。この作業を所定の回数繰り返すことで、最終的に受信利得が最も大きくなるリアクタンス値を求めることができる。
【００５４】
この実施例１（および後述する実施例２）では、従来方法における測定方向である到来波９００の測定に加え、５つの擬似的な到来波９０１の方向に関しても測定を行い、同様に微小変化における勾配を求める。さらに、本実施例では、計６方向の勾配演算結果に方向性重みベクトル（後で詳しく述べる）という新たな値を掛け合わせ、演算作業を所定回数繰り返して行う。これにより、最終的に更新されたリアクタンス値は、６方向に指向性を考慮した指向特性を有する。
【００５５】
（方向性重みベクトルについて）
方向性重みベクトルとは、本発明にかかる指向性制御方法に用いる独自のベクトル値である。図９〜図１１を用いて説明したように、受信測定系１０８では、実際の受信信号の到来方向の受信利得と、素子１〜素子６のリアクタンス値をシフトさせた擬似的な多方向からの受信信号の到来方向の受信利得とが測定される。これらの測定値の方向の違いによってその重みを決定する、”方向性重みベクトル”を掛け合わせることで、受信利得をどれだけ評価値として取り入れるかを変化させることができる。
【００５６】
例えば、ユーザの所望する方向に受信利得が大きくなるように設定することが重要であるか、バックローブ（所望の方向と反対側の利得）を抑えることが重要なのか、または、サイドローブ（所望の方向の両脇部分に位置する方向の利得）を考慮に入れるか等のユーザの希望を、方向性重みベクトルによって設定できる。その設定が反映された指向特性を実現することができる。
【００５７】
具体的に、方向性重みベクトルは、下記の（１）式で表す。式中のｋは、無給電素子の数を表し、その数はベクトルの要素数となる。実施例１の場合、無給電素子は、６本であるため、方向性重みベクトルＥのベクトル要素数は、６つとなる。
【００５８】
方向性重みベクトルＥ＝μ［Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅｋ−１，Ｅｋ］ …（１）
μ：収束定数（最急勾配法の繰り返し回数との兼ね合いから適宜定める）
【００５９】
ベクトル要素数が６の本実施例の場合、（１）式の各ベクトル要素は、以下のような意味をもつ。
・ベクトル第１要素Ｅ１：到来波の方向に対して正面方向（０°）の重み
・ベクトル第２要素Ｅ２：到来波の方向に対して６０°反時計回りの重み
・ベクトル第３要素Ｅ３：到来波の方向に対して１２０°反時計回りの重み
・ベクトル第４要素Ｅ４：到来波の方向に対して反対方向（１８０°）重み
・ベクトル第５要素Ｅ５：到来波の方向に対して２４０°反時計回りの重み
・ベクトル第６要素Ｅ６：到来波の方向に対して３００°反時計回りの重み
【００６０】
したがって、到来波に対して正面方向の受信利得を大きくしたい場合は、ベクトル第１要素を大きく設定し、到来波に対して反対方向の受信利得を抑えたい場合は、ベクトル第４要素を小さく設定すればよい。一般的に、セクタパターンのアレーアンテナ装置の場合、下記の（２）式のように方向性重みベクトルの要素Ｅ１〜要素Ｅｋを設定すれば、妥当な値となる。
【００６１】
方向性重みベクトルＥ＝μ［ｃｏｓ（０×３６０／ｋ），ｃｏｓ（１×３６０／ｋ），ｃｏｓ（２×３６０／ｋ），…，ｃｏｓ｛（ｋ−１）×３６０／ｋ｝］ …（２）
【００６２】
また、方向性重みベクトルＥの各要素は、受信利得を大きくしたい方向は、「１」に、利得を排除したい方向は、「−１」、あまり考慮する必要がない方向は、「０」と単純に設定を行うだけでもよい。また、特定の方向の方向性重みベクトルＥの要素を「０」とした場合、その方向に関しては、結局「０」が掛け合わされるため、図９〜図１１において述べたような素子１〜素子６のリアクタンス値のシフトとによる擬似的な到来波９０１の測定を行う必要がない。
【００６３】
（セクタパターンの指向性制御方法について）
図１２−１および図１２−２は、実施例１におけるアレーアンテナ装置の動作の概略を示すフローチャートである。図１２−１は、リアクタンス値テーブルの作成処理内容を示すフローチャートであり、図１２−２は、到来波の到来方向に応じたリアクタンス値の設定内容を示すフローチャートである。上述した、受信利得の測定方法と、最急勾配法と、方向性重みベクトルとを用いて、リアクタンス値テーブルを生成し、受信用アンテナとしてアレーアンテナ装置１００を利用するまでの動作を説明する。
【００６４】
図１２−１に示す処理内容については、まず、所望する指向特性情報を設定する（ステップＳ１２１１）。所望する指向特性情報とは、方向性重みベクトルの値を指し、例えば、ユーザがキーボード１１３（図３参照）を用いて方向性重みベクトルを入力する。ＣＰＵ１０２は、この指向特性情報の設定により、リアクタンス値テーブルの生成を行い（ステップＳ１２１２）、処理を終了する。リアクタンス値テーブルの生成処理に関しては、後で詳しく述べる。
【００６５】
図１２−２に示す処理内容については、図１２−１によってリアクタンス値テーブルを生成した後に行われる。アレーアンテナ装置１００を利用する状態となり、到来波の到来方向θの情報が入力されたか否かの判断を行う（ステップＳ１２２１）。例えば、到来波の到来方向は、一般的な方向推定技術を用いて得ることができる。ＣＰＵ１０２は、到来方向θの情報が入力されると（ステップＳ１２２１：Ｙｅｓ）、リアクタンス値テーブルから、受信した方向θのリアクタンス値の読み出しを行う（ステップＳ１２２２）。リアクタンス値テーブルは、方向θと、素子１〜素子６のリアクタンス値が対となってＨＤ１０６に記録されている。到来方向θの情報が入力されていなければ（ステップＳ１２２１：Ｎｏ）、ステップＳ１２２１の処理の待機状態となる。
【００６６】
最後にリアクタンス値テーブルから読み出されたアレーアンテナ１０１の素子１〜素子６のリアクタンス値を設定し（ステップＳ１２２３）、処理を終了する。ＣＰＵ１０２は、ＨＤ１０６から読み出した素子１〜素子６のリアクタンス値をアレーアンテナ１０１の素子１〜素子６のリアクタンス値として設定を行う。これにより、アレーアンテナ装置１００は、到来波を最も理想的な指向特性によって受信する。
【００６７】
図１３は、リアクタンス値テーブル生成処理を示すフローチャートである。まず、到来方向θ＝０［°］に設定する（ステップＳ１３０１）。つぎに、リアクタンス値を初期値に設定する（ステップＳ１３０２）。このとき、素子１〜素子６の初期値を設定し、下記の（３）式で表す。１回目の処理なので、ここではｎ＝０となる。
【００６８】
Ｖ（ｎ）＝［Ｖ１（ｎ），…，Ｖｍ（ｎ），…，Ｖ６（ｎ）］ …（３）
Ｖ（ｎ）：ステップをｎ回繰り返した時の素子１〜素子６のリアクタンス値
Ｖｍ（ｎ）：ステップをｎ回繰り返した時の素子ｍのリアクタンス値
ｎ：最急勾配法によるリアクタンス値の更新処理の回数
ｍ：素子数（１〜６の値をとる）
【００６９】
フローチャートに戻り、測定用アレーアンテナ７０１（図７参照）のリアクタンス値がＶ（ｎ）に設定された時の受信利得を測定する（ステップＳ１３０３）。このとき測定値は、下記の（４）式のように表される。
【００７０】
Ｐ０ｋ（ｎ）＝Ｐ［Ｖ１（ｎ），Ｖ２（ｎ），…，Ｖｍ−１（ｎ），Ｖｍ（ｎ）］…（４）
Ｐ０（ｎ）：リアクタンス値がＶ（ｎ）に設定された時の受信利得
ｋ：シフト回数（１〜６）ただし、最初の測定時を１回目とする
【００７１】
つぎに、各リアクタンス値を微小変化させた時の受信利得を測定し（ステップＳ１３０４）、測定値から各リアクタンス値の微小変化による勾配を演算する（ステップＳ１３０５）。まず、素子１のリアクタンス値を微小変化させ、受信利得を測定する。このとき測定値は、下記の（５）式のように表される。勾配は、下記（６）式に表すように、リアクタンス値を微小変化させた前後の受信利得の積を微小変化で割ることで求められる。
【００７２】
Ｐ１１ （ｎ）＝Ｐ｛Ｖ１（ｎ）＋ΔＶ１，Ｖ２，…，Ｖ５（ｎ），Ｖ６（ｎ）｝…（５）
ｄＰ１（ｎ）／ｄＶ１＝｛Ｐ１１（ｎ）−Ｐ０ｋ（ｎ）｝／ΔＶ１…（６）
【００７３】
つぎに、素子２に関しても同様にリアクタンス値を微小変化させ受信利得を測定後、勾配を演算する。この処理を一般化して表したのが下記（７），（８）式である。（７）式は、受信利得の測定値を表し、（８）式は勾配を表す。
【００７４】
Ｐｍｋ（ｎ）＝Ｐ｛Ｖｋ（ｎ），…，Ｖｍ（ｎ）＋ΔＶｍ，Ｖｋ−１｝…（７）
ｄＰｋ（ｎ）／ｄＶｍ＝｛Ｐｍｋ（ｎ）−Ｐ０ｋ（ｎ）｝／ΔＶｍ…（８）
Ｐｍｋ（ｎ）：素子１〜素子６のリアクタンス値のシフトをｋ回行われた時、素子ｍのリアクタンス値を微小変化させた時の受信利得
ｄＰｋ（ｎ）／ｄＶｍ：Ｐｍｋ（ｎ）の時の勾配
【００７５】
素子６までステップＳ１３０４およびステップＳ１３０５の処理が終了すると素子１〜素子６のリアクタンス値をｋ回シフトした時の評価値が下記（９）式のように表される。
【００７６】
【数１】
【００７７】
つぎに、素子数分シフト終了か否かの判断を行う（ステップＳ１３０６）。この処理は、ｋの値が１〜５の値であればリアクタンス値のシフトが終了していないと判断し（ステップＳ１３０６：Ｎｏ）、素子１〜素子６のリアクタンス値をシフトし（ステップＳ１３０７）、ステップＳ１３０３からの作業を行う。当然ｋの値は設定値＋１となる。
【００７８】
図１３に戻り、ステップＳ１３０６において素子数分シフト終了と判断すれば（ステップＳ１３０６：Ｙｅｓ）、図１１に示すように全６方向（到来波９００×１＋擬似的な到来波９０１×５）からの無線信号に関して勾配の演算を終了したことになり、つぎに、方向性重みベクトルによる評価値の算出を行う（ステップＳ１３０８）。シフト回数毎に求められた評価値は、下記（１０）式のようにまとめられる。
【００７９】
【数２】
【００８０】
Ｒ（ｎ）は、素子１〜素子６の方向別の受信利得の増加率を表す。よって、下記の（１１）式のように、Ｒ（ｎ）にユーザがあらかじめ設定した方向性重みベクトルＥを掛け合わすことで、指向特性へのユーザの考慮を反映した評価値Ｒとなる。
【００８１】
評価値Ｒ＝Ｅ×Ｒ（ｎ）…（１１）
【００８２】
つぎに、最急勾配法でリアクタンス値を更新する（ステップＳ１３０９）。この最急勾配法では、下記の式（１２）を用いる。最初にこのステップの処理を行う際は、ステップＳ１３０８によって算出された評価値Ｒにおける素子１〜素子６のリアクタンス値を最適なリアクタンス値であると設定する。そして、２回目以降の処理では、下記の式（１２）により、設定されているリアクタンス値の評価値Ｒを、直前のステップＳ１３０８によって算出された更新量でリアクタンス値が更新されていく。
【００８３】
Ｖ（ｎ＋１）＝Ｖ（ｎ）＋Ｅ×Ｒ…（１２）
【００８４】
つぎに、所定の回数ステップを繰り返したか否かの判断を行う（ステップＳ１３１０）、所定の回数（各式中のｎ）は、ユーザの任意であり、経験的に最適な回数を設定すればよい。所定の回数ステップを繰り返していない場合（ステップＳ１３１０：Ｎｏ）、ステップＳ１３０３に戻り、同様の処理を行う。
【００８５】
所定の回数ステップを終了した場合（ステップＳ１３１０：Ｙｅｓ）、所定の回数ステップを終了した時点で設定されている値が最も評価値のよいリアクタンス値であることから、到来方向θとリアクタンス値をリアクタンス値テーブルに記録する（ステップＳ１３１１）。つぎに、到来方向θ≧３６０か否かの判断を行う（ステップＳ１３１２）。到来方向θの設定が３６０°未満であれば（ステップＳ１３１２：Ｎｏ）、到来方向θ＝θ＋１に設定し、（ステップＳ１３１３）、ステップＳ１３０２に戻り、新しく設定された到来方向θにおけるリアクタンス値の設定処理（ステップＳ１３０２〜ステップＳ１３１１）を行う。
【００８６】
以上の処理をステップＳ１３１２において到来方向θ≧３６０になるまで行う（ステップＳ１３１２：Ｙｅｓ）ことで、３６０°全方向１°刻みにおいてユーザの所望する指向特性を実現するためのリアクタンス値を記録したリアクタンス値テーブルを生成することができる。
【００８７】
図１４は、到来波方向θ＝０°における、実施例１の指向性制御方法による指向特性と、従来の指向性制御方法による指向特性を比較して示した図、図１５は、到来波方向θ＝６０°における、実施例１の指向性制御方法による指向特性と、従来の指向性制御方法による指向特性を比較して示した図、図１６は、到来波方向θ＝１２０°における、実施例１の指向性制御方法による指向特性と、従来の指向性制御方法による指向特性を比較して示した図である。
【００８８】
図１４〜図１６において、太矢印で示したのは、到来波方向である。また、画面（１４００，１５００および１６００）の左半分に示したのは、特許文献１で開示された指向性制御方法によって実現された指向特性（１４０１，１５０１および１６０１）である。画面（１４００，１５００および１６００）の右半分に示したのは、実施例１の指向性制御方法によって実現された指向特性（１４０２，１５０２および１６０２）である。
【００８９】
図１４〜図１６から明らかなように、従来法による指向性制御演算によって実現された指向特性は、到来波の到来方向における受信利得が最も高利得ではあるが、図１５の指向特性１５０１のように、到来波の到来方向とほぼ同利得の指向性を有した方向も存在する。これでは、多方向からの無線信号も到来波の無線信号同様に受信してしまう。また、図１４および、図１６に示した指向特性１４０１および、指向特性１６０１に至っては、全方向が同様の指向性を示しており、ほぼ無指向性の状態となっている。
【００９０】
以上のように、実施例１にかかる指向性制御方法では、重み値を考慮している。図１４〜図１６の指向特性１４０２、指向特性１５０２、指向特性１６０２に示したように、ユーザが受信利得を大きくしたい方向（無線信号の到来方向）と、受信利得を小さくしたい方向とを反映させた指向特性を実現することができる。
【００９１】
なお、この実施例１では、アレーアンテナ１０１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。上述したが、測定する際の角度範囲も３６０°に限らず、例えば０°〜６０°の範囲の結果を他の角度範囲（６０°〜１２０°，１２０°〜１８０°，１８０°〜２４０°，２４０°〜３６０°の結果として用いることもできる。
【００９２】
以上説明した実施例１によれば、リアクタンス値をシフトさせることにより擬似的に到来方向を変更して多方向の利得測定が行え、さらに、方向性重みベクトルを用いることにより、ユーザが所望している方向以外に関する利得も最急勾配法の評価値として取り入れることができる。したがって、ユーザが所望する指向特性により適したリアクタンス値の算出が行えるとともに、リアクタンス値の算出にかかる処理手順（ステップ数）を削減でき、簡単に算出できるようになる。
【実施例２】
【００９３】
つぎに、実施例２では、適応制御パターンのアレーアンテナ装置について説明する。適応制御パターンでは、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ものである。
【００９４】
実施例２におけるハードウェア構成は、図３に示した実施例１のハードウェア構成をそのまま用いることができるが、リアクタンス値テーブルを作成する必要がないため、ＨＤＤ１０５およびＨＤ１０６を除いた構成でもよい。図１に示した構成においては、角度制御部１９と、格納部２０の構成が不要である。実施例２は、方向性重みベクトルの設定と、到来方向が不明な到来波に対して所望の指向特性が実現できるようなリアクタンス値の設定とを行う構成である。
【００９５】
ただし、適応制御パターンのアレーアンテナ装置として利用する場合は、到来波が他の方向からの妨害信号やノイズよりも高出力であるという条件が必要である。到来波よりも高出力の無線信号を受信した場合、その無線信号を到来波と誤認して指向特性を形成してしまうためである。
【００９６】
（適応制御パターンの指向性制御方法について）
図１７は、実施例２におけるアレーアンテナ装置の動作の概略を示すフローチャートである。まず、所望する指向特性情報を設定したか判断を行う（ステップＳ１７０１）。所望する指向特性情報とは、方向性重みベクトルの値を指す。例えば、ユーザがキーボード１１３（図３参照）等から、方向性重みベクトルを入力する。ＣＰＵ１０２は、この指向特性情報を受け付けたと判断すると（ステップＳ１７０１：Ｙｅｓ）、リアクタンス値の演算を行う（ステップＳ１７０２）。ユーザの所望する指向特性情報を受け付けていなければ（ステップＳ１７０１：Ｎｏ）、そのままステップＳ１７０１の処理に戻り、待機状態となる。
【００９７】
そして、ステップＳ１７０２において演算したアレーアンテナ１０１の素子１〜素子６のリアクタンス値を設定し（ステップＳ１７０３）、動作を終了する。ＣＰＵ１０２は、演算した素子１〜素子６のリアクタンス値をアレーアンテナ１０１の素子１〜素子６のリアクタンス値として設定する。これにより、アレーアンテナ装置１００は、適応制御パターンの指向特性を実現することができる。
【００９８】
図１８は、適応制御の処理内容を示すフローチャートである。まず。リアクタンス値を初期値に設定する（ステップＳ１８０１）。つぎに、受信利得を測定する（ステップＳ１８０２）。つぎに、各リアクタンス値を微小変化させた時の受信利得を測定し（ステップＳ１８０３）、側定値から各リアクタンス値の微小変化による勾配を演算する（ステップＳ１８０４）。素子１〜素子６のリアクタンス値をそれぞれ、微小変化させた時の測定値から勾配を演算する。
【００９９】
つぎに、素子数分のシフトが終了したか否かの判断を行う（ステップＳ１８０５）。素子数分とは素子１〜素子６までの一周分を意味するが、最初の素子１〜素子６のリアクタンス値の設定状態を１回目とするため、実際のシフト回数は、５回となる。素子数分のシフトが終了していなければ（ステップＳ１８０５：Ｎｏ）、素子１〜素子６のリアクタンス値をシフトさせ（ステップＳ１８０６）、リアクタンス値がシフトした状態でステップＳ１８０２へ戻り処理を行う。
【０１００】
素子数分のシフトが終了してれば（ステップＳ１８０５：Ｙｅｓ）、図１１に示すように、全６方向（到来波９００×１＋擬似的な到来波９０１×５）からの無線信号に関して勾配の演算を終了したことになり、つぎに、方向性重みベクトルによる評価値の算出を行う（ステップＳ１８０７）。このステップで行う評価値の算出は、セクタパターンのリアクタンス値テーブル生成時の（１０）式と、図１７のステップＳ１７０１入力された指向特性情報つまり、方向性重みベクトルとを掛け合わせた値となる。
【０１０１】
つぎに、最急勾配法でリアクタンス値を更新する（ステップＳ１８０８）。この最急勾配法では、上記の（１２）式を用いる。最初にこのステップの処理を行う際は、ステップＳ１８０７によって算出された評価値における素子１〜素子６のリアクタンス値を最適なリアクタンス値であると設定する。そして、２回目以降の処理では、上記の（１２）式により、設定されているリアクタンス値の評価値を、直前のステップＳ１３０８（図１３参照）によって算出された更新量でリアクタンス値を更新していく。
【０１０２】
つぎに、所定の回数ステップを繰り返したか否かの判断を行う（ステップＳ１８０９）、所定の回数（各式中のｎ）は、ユーザの任意であり、経験的に最適な回数を設定すればよい。所定の回数ステップを繰り返していない場合（ステップＳ１８０９：Ｎｏ）、ステップＳ１８０２に戻り、同様の処理を行う。所定の回数ステップを繰り返したと判断すると（ステップＳ１８０９：Ｙｅｓ）、ステップ終了時の素子１〜素子６のリアクタンス値の設定値が最適な値となり、処理を終了する。
【０１０３】
以上、述べたような処理により、実施例２では、適応制御パターンのアレーアンテナ装置を実現することができる。
【０１０４】
なお、実施例１および実施例２におけるリアクタンス値は、実際の処理の中では可変リアクタンス素子の印加電圧値として置き換えて考えることが可能である。したがって、上記「リアクタンス値」は、全て「可変リアクタンス素子の印加電圧値」と置き換えても良い。
【０１０５】
以上説明したアレーアンテナ装置、指向性制御方法、指向性制御プログラムおよび指向性制御プログラムを記録した記録媒体によれば、複数方向の利得を考慮した指向特性を必要最低限の測定で効果的な演算を行って実現することができる。
【０１０６】
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。
【０００１】
この発明は、給電素子と、複数の無給電素子とからなるアレーアンテナの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、指向性制御プログラムおよび指向性制御プログラムを記録した記録媒体に関する。
【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、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り、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で実現されている。また、機能面での特徴としては、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。この指向性は、あらかじめ計算値的に求めることができず、実際に無線信号の送受信を行うことではじめてその指向特性（３６０°の指向性パターン）がわかる。
【０００３】
従来、このようなアレーアンテナ装置の指向性制御方法としては、複数の無給電素子にそれぞれ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のとりうる全ての組み合わせを順次設定し、それぞれの組み合わせ時のアレーアンテナ装置の受信利得を測定する。この作業を全方向で行うことで指向特性を導いていた。しかし、この制御方法では、相当回数の測定を行わなくてはならない。例えば、可変リアクタンス素子が−１０Ω〜１０Ωの間を１Ω刻みの値をとり、無給電素子が６本備えられたアレーアンテナ装置の場合、パラメータの数の６乗、つまり２１6回測定しなければならない。また、指向特性を測定するためには、この作業を３６０°で行わなければならない。よって０°〜３５９°を１°刻みとしたときの測定回数は、２１6回×３６０回必要となる。
【０００４】
そこで測定回数を減らすための対策として、受信信号の到来角度などのユーザの所望する角度に関して、各リアクタンス値を初期値に設定して受信利得の測定を行い、つぎに各リアクタンス値を微小量値変化させ、受信利得の測定を行う。このリアクタンス値の微小量変化による測定利得の勾配を測定し、最急勾配法を用いてリアクタンス値の更新を行う。この処理を所定回数繰り返すことで、所望の方向における受信利得が最大となるリアクタンス値を導き出すことができるようなリアクタンス値の指向性制御方法が開示されている（例えば、下記特許文献１参照。）。
［０００５］
特許文献１ 特開２００４−２３２３９号公報
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００６］
しかしながら、特許文献１で開示されているのは、ユーザの所望の方向における受信利得を最大にするためのリアクタンス値の演算方法である。この演算方法では、所望する方向以外の方向に対しての指向特性への配慮がないため、例えば、ユーザの所望の方向以外にも高利得となる指向特性であっても、所望する方向が最も高利得であれば最適な指向特性となる。これにより、受信信号以外に、他の方向から妨害電波等が送信されてきた場合には、高利得で受信することとなる問題点が一例として挙げられる。このような、リアクタンス値の演算方法は、指向特性の観点から鑑みて適切ではない。
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に記載のアレーアンテナ装置は、給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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、送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付手段と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値をそれぞれ設定する設定手段と、前記設定手段によって設定されたリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト手段と、前記リアクタンス値シフト手段によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定手段と、前記受付手段によって受け付けた指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト手段による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値として算出する算出手段と、を備え、前記受付手段が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定手段によって測定した測定結果を、前記到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、前記算出手段は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項７に記載のアレーアンテナ装置は、給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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、送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付手段と、前記可変リアクタンス素子に設定したリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト手段と、前記リアクタンス値シフト手段によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定手段と、前記受付手段によって受け付けた指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト手段による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値として算出する算出手段と、前記算出手段により算出された前記指向特性を構成するためのリアクタンス値を各可変リアクタンス素子に設定する設定手段と、を備え、前記受付手段が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定手段によって測定した測定結果を、前記到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、前記算出手段は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項８に記載の指向性制御方法は、給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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制御方法において、送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付工程と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値をそれぞれ設定する設定工程と、前記設定工程によって設定されたリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト工程と、前記リアクタンス値シフト工程によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定工程と、前記受付工程によって受け付けられた前記指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト工程による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を算出する算出工程と、を含み、前記受付工程が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定工程によって測定した測定結果を、前記到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、前記算出工程は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項１０に記載の指向性制御方法は、給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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制御方法において、送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付工程と、前記可変リアクタンス素子に設定したリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト工程と、前記リアクタンス値シフト工程によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定工程と、前記受付工程によって受け付けた指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト工程による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値として算出する算出工程と、前記算出工程により算出された前記指向特性を構成するためのリアクタンス値を各可変リアクタンス素子に設定する設定工程と、を含み、前記受付工程が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定工程によって測定した測定結果を、前記到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、前記算出工程は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項１１に記載の指向性制御プログラムは、請求項８〜１０のいずれか一つに記載の指向性制御方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項１２に記載のコンピュータに読み取り可能な記録媒体は、請求項１１に記載の指向性制御プログラムを記録したことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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、この発明のアレーアンテナ装置の実施の形態の制御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、アレーアンテナの構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、アレーアンテナの構成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、送信測定系のハードウェア構成の一例を示す図である。
【図９】図９は、アレーアンテナの受信利得測定を示す図である。
【図１０】図１０は、素子１〜素子６のリアクタンス値を１回シフトした際の受信利得測定を示す図である。
【図１１】図１１は、素子１〜素子６のリアクタンス値のシフトが終了した際の測定利得方向を示す図である。
【図１２−１】図１２ー１は、実施例１におけるアレーアンテナ装置の動作の概略を示すフローチャートである。
【図１２−２】図１２−２は、実施例１におけるアレーアンテナ装置の動作の概略を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、リアクタンス値テーブル生成処理を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、到来波方向θ＝０°における、実施例１の指向制御方法による指向特性と、従来の指向制御方法による指向特性を比較して示した図である。
【図１５】図１５は、到来波方向θ＝６０°における、実施例１の指向制御方法による指向特性と、従来の指向制御方法による指向特性を比較して示した図である。
【図１６】図１６は、到来波方向θ＝１２０°における、実施例１の指向制御方法による指向特性と、従来の指向制御方法による指向特性を比較して示した図である。
【図１７】図１７は、実施例２におけるアレーアンテナ装置の動作の概略を示すフローチャートである。
【図１８】図１８は、適応制御の処理内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００１６】
１０，１００ アレーアンテナ装置
１２，１０１ アレーアンテナ
１２ａ 給電素子
１２ｂ 無給電素子
１３ 可変リアクタンス素子
１４ 設定部
１５ リアクタンス値シフト部
１６ 測定部
１７ 受付部
１８ 算出部
１９ 角度制御部
２０ 格納部
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】
【００１７】
（実施の形態）
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、指向性制御プログラムおよび指向性制御プログラムを記録した記録媒体の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
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１２ｂとにより構成されている。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。設定部１４は、複数の可変リアクタンス素子１３それぞれにリアクタンス値を設定する。複数の可変リアクタンス素子１３それぞれにリアクタンス値を設定することにより、アレーアンテナ１２は、所定の指向特性をもたせることができる。
【００１９】
リアクタンス値シフト部１５は、設定部１４によって設定されたリアクタンス値を、無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子のリアクタンス値としてシフトさせて再設定する。測定部１６は、給電素子１２ａの利得を測定する。この際、測定部１６は、設定部１４により設定されたリアクタンス値、およびリアクタンス値シフト部１５によりシフトされたリアクタンス値、のそれぞれにおける送信または受信の利得を測定することになる。
【００２０】
受付部１７は、指向特性に関する設定情報を受け付ける。具体的には、測定部１６によって測定した測定結果に対して、アレーアンテナ１２に対する到来波の到来方向を基準として、シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数の入力（後述する方向性重みベクトル）を受け付ける。
【００２１】
算出部１８は、受付部１７により受け付けた指向特性に関する設定情報と、測定部１６による測定結果とに基づき、所定の演算を行い、指向特性に対応して複数の無給電素子１２ｂの各リアクタンス値を算出する。
【００２２】
角度制御部１９は、給電素子１２ａを中心として配置された複数の無給電素子１２ｂ（アレーアンテナ１２）を回転させて無線信号の到来角度（到来波の角度）を変化させる。算出部１８は、この角度制御部１９によりアレーアンテナ１２を周方向の所定の角度範囲で回転させた各角度毎に、指向特性に対応したリアクタンス値を算出する。算出部１８によって算出されたリアクタンス値は、格納部２０に格納され、アンテナ制御時に読み出して用いることができる。この格納部２０には、各角度毎の複数の無給電素子１２ｂのリアクタンス値が、が関連付けて格納される。
【００２３】
なお、アレーアンテナ１２を回転させるに限らず、アレーアンテナ１２に対して到来波の到来方向が変わる構成としてもよい。また、角度制御部１９は、アレーアンテナ１２を周方向に１回転させてもよいが、所定の角度範囲で回転させることで代用できる。この角度範囲は、無給電素子１２ｂの数（周方向の配置角度間隔）によって決定できる。上記のように、無給電素子１２ｂの数が６つの場合、回転させる角度範囲は、全周（３６０°）を６等分した６０°となる。
【００２４】
これにより、セクタパターンのアレーアンテナ１２を構成することができ、任意の方向に所望する指向性を有した指向特性を実現できる。これに限らず、適応制御パターンのアレーアンテナ１２に適用することもできる。適応制御パターンでは、到来波の到来方向が未知であり、この到来波の電波が強く、もしくは所望の電波が弱くなるようビーム方向やヌル方向を実現できるようにアレーアンテナ１２を適応的に操作する。この適応制御パターンにおいても、図１同様の構成を用いることができる。なお、適応制御パターンの場合、図１に示した角度制御部１９および格納部２０を省いた構成によって実現することができる。
【００２５】
図２は、この発明のアレーアンテナ装置の実施の形態の制御内容を説明するフローチャートである。はじめに、受付部１７により、指向特性に関する設定情報を受け付ける（ステップＳ２１）。具体的には複数の可変リアクタンス素子１３のリアクタンス値の係数として用いる方向性重みベクトルである。方向性重みベクトルの詳細については後述するが、実際の到来波の利得と、複数の可変リアクタンス素子１３のリアクタンス値をシフトさせた擬似的な多方向からの到来波の利得とを測定した時に、測定値の方向の違いによってその重みを決定するために用いる。
【００２６】
つぎに、到来波の到来方向を設定する（ステップＳ２２）。ここで、アレーアンテナ１２に対する到来波の到来方向を基準となる０°とする。つぎに、各リアクタンス値の初期値を設定する（ステップＳ２３）。ここでは、複数の可変リアクタンス素子１３に対してそれぞれリアクタンス値を設定する。
【００２７】
このように複数の可変リアクタンス素子１３にそれぞれリアクタンス値を設定した状態で、指向特性に対応したリアクタンス値を算出するための処理を行う。この算出は、方向性重みベクトルや、評価値をパラメータとする最急勾配法を用いて行うことができる。
【００２８】
まず、各リアクタンス値を微少変化させて利得への影響を測定する（ステップＳ２４）。具体的には、測定部１６が給電素子１２ａの利得を測定する。そして、リアクタンス値シフト部１５によるシフトが終了したか否かを判断する（ステップＳ２５）。シフトが終了していなければ（ステップＳ２５：Ｎｏ）、複数の可変リアクタンス値をシフトさせ（ステップＳ２６）、シフトした状態でステップＳ２４による測定を再度実行することを繰り返す。
【００２９】
上記のシフトは、無給電素子１２ｂにそれぞれ対応する可変リアクタンス素子１３に設定されていたリアクタンス値を変更させることであり、無給電素子１２ｂの周方向に隣接する他のリアクタンス値に変更することを意味している。このシフトにより、アレーアンテナ１２を回転させずに到来波を擬似的に回転させた状態でステップＳ２４による測定が行えるようになる。また、シフトは無給電素子１２ｂの個数に対応する回数（実際には無給電素子１２ｂの個数−１）だけ行えばよく、アレーアンテナ１２の給電素子１２ａを中心として周囲に配置されている複数の無給電素子１２ｂにそれぞれ対応した複数の方向（到来方向）での利得の測定を行うことができる。
【００３０】
ステップＳ２５によるシフトが終了すれば（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）、算出部１８は、指向特性に適したリアクタンス値を算出する（ステップＳ２７）。そして、算出された複数のリアクタンス値を格納部２０に格納する（ステップＳ２８）。
【００３１】
以上により、アレーアンテナ１２に対する一つの到来波の到来方向に適した複数のリアクタンス値が算出でき、格納部２０に格納されることになる。これにより、利得を大きくとれるリアクタンス値を得ることができる。以上の処理は、到来波の方向が基準方向（０°）とし、アレーアンテナ１２をある角度に位置させて行った処理である。
【００３２】
この後、アンテナの各角度毎に関連付けた情報を取得していく。全ての到来波の到来方向に対する測定が終了したか判断し（ステップＳ２９）、終了していなければ（ステップＳ２９：Ｎｏ）、角度制御部１９によって到来波の到来方向を変更させ（アレーアンテナ１２を実際に所定角度ずつ角度変更させ）（ステップＳ３０）、ステップＳ２３以降の処理を繰り返す。全ての到来波の到来方向に関する測定が終了すると（ステップＳ２９：Ｙｅｓ）、上記一連の処理を終了する。
【００３３】
アレーアンテナ１２の測定角度は、０°〜３５９°まで１°刻みに行う場合には、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すればよい。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１２の形状が点対称なので、６０°〜１２０°、１２０°〜１８０°、１８０°〜２４０°、２４０°〜３６０°の測定結果をそれぞれ０°〜６０°の結果を用いて代用することもできる。
【００３４】
以上説明した実施の形態によれば、リアクタンス値をシフトさせることにより擬似的に到来方向を変更して利得の測定を行えるため、所望した指向特性に適したより正確なリアクタンス値の設定が行えるようになる。
【実施例１】
【００３５】
以下、本発明によって実現可能なアレーアンテナ装置の例として実施例１では、セクタパターンのアレーアンテナ装置について説明する。セクタパターンでは、任意の方向に指向性を向けた指向特性を実現する。
【００３６】
（ハードウェア構成）
図３は、この発明の実施例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。
【００３７】
アレーアンテナ１０１は、無線信号の受信を行う（アレーアンテナ１０１の詳細な構成については、後に詳しく述べる）。ＣＰＵ１０２は、アレーアンテナ１００装置全体の制御を司る。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、ＣＰＵ１０２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（後に詳しく述べる）が保存される。
【００３８】
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に対する復号化等の処理を行う。
【００３９】
図４は、アレーアンテナの構成を示す斜視図である。また、図５は、アレーアンテナの構成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、６本の無給電素子Ｂ１〜Ｂ６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〜Ｂ６との配置間隔は、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したものであるが、これに限定されるものではない。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６本用いており、図５に示すように無給電素子Ｂ１〜Ｂ６を６０°間隔で配置する。
【００４０】
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１１４（図３参照）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。
【００４１】
無給電素子Ｂ１〜Ｂ６には、非励振素子６０３に可変リアクタンス素子（以下、「素子１〜素子６」という。）が接続され、素子１〜素子６から接地されている。素子１〜素子６のリアクタンス値は、ＣＰＵ１０２からの制御により個々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。
【００４２】
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。電波暗室７００内に備えられた受信測定系１０８は、測定用アレーアンテナ７０１と、回転台７０２と、送信用アンテナ７０３とからなる。回転台７０２の上に取り付けられた測定用アレーアンテナ７０１には、アンテナ制御装置７０４と、受信信号測定装置７０５とが接続されており、回転台７０２には、回転台制御装置７０６が接続されている。また、送信用アンテナ７０３には、信号発生機７０７が接続されている。
【００４３】
受信利得を測定する際に受信測定系１０８は、まず信号発生機７０７によって発生させた一定出力の信号を、送信用アンテナ７０３から無線信号として送信する。この無線信号は、測定用アレーアンテナ７０１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７０５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、測定用アレーアンテナ７０１は、回転台制御装置７０６によって回転台７０２を回転させることで、任意の角度に回転制御ができるようになっている。また、測定用アレーアンテナ７０１は、アンテナ制御装置７０４によって、無給電素子Ｂ１〜Ｂ６のリアクタンス素子（素子１〜素子６）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。
【００４４】
図８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。電波暗室７００内に備えられた送信測定系１０９は、測定用アレーアンテナ７０１と、回転台７０２と、受信用アンテナ８００とからなる。回転台７０２の上に取り付けられた測定用アレーアンテナ７０１には、アンテナ制御装置７０４と、信号発生機７０７とが接続されており、回転台７０２には、回転台制御装置７０６が接続されている。また、受信用アンテナ８００には、受信信号測定装置７０５が接続されている。
【００４５】
送信利得の測定を行う際に送信測定系１０９は、信号発生機７０７から発生される一定レベルの出力の信号により、測定用アレーアンテナ７０１から無線信号が送信される。このときアンテナ制御装置７０４によって測定用アレーアンテナ７０１の６つの可変リアクタンス素子（素子１〜素子６）のリアクタンス値を制御できるようになっている。また、測定用アレーアンテナ７０１は、回転台７０２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７０６によって制御できるようになっている。測定用アレーアンテナ７０１は、無線信号を送信したい方向に受信用アンテナ８００が位置するように回転台７０２を制御する。このときの受信信号測定装置７０５によって受信用アンテナ８００における受信利得を測定する。この受信利得が測定用アレーアンテナ７０１の送信利得として記録される。
【００４６】
以上説明したような受信測定系１０８および送信測定系１０９において測定した受信利得もしくは送信利得の結果を基に所定の演算を行う。これにより、ユーザの所望する最適な指向特性を実現させるためにアレーアンテナ１０１の素子１〜素子６のリアクタンス値を決定し、素子１〜素子６のリアクタンス値をリアクタンス値テーブルとしてＨＤ１０６に記録する。そして、アレーアンテナ装置１００の利用時には、リアクタンス値テーブルから所望方向におけるリアクタンス値を読み出すことで、直ちに理想的な指向特性を実現することができる。
【００４７】
なお、この実施例では、測定用アレーアンテナ７０１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、あくまでも一例であり、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７０２（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。さらに、測定する際の角度範囲も３６０°に限らず、例えば０°〜６０°の範囲の結果を他の角度範囲（６０°〜１２０°，１２０°〜１８０°，１８０°〜２４０°，２４０°〜３６０°の結果として用いることもでき、測定範囲内での理想的な指向特性を実現することができる。
【００４８】
また、図３に示したハードウェア構成においてアレーアンテナ１０１を用いて、一定の出力の無線信号を発生させる外部の無線信号発生機（送信利得を測定する場合は、外部の受信機）を用いてもよいが、電波暗室７００（図７，８参照）を用いることでより正確な測定値を得ることができる。
【００４９】
以下に説明するのは、アレーアンテナ装置１００を受信アンテナとして用いる際の処理である。したがって、受信利得の測定を行う際は、受信測定系１０８における測定結果を用いる。しかし、以下の処理における受信利得の測定をそのまま送信利得の測定に置き換えれば、送信測定系１０９での測定結果を用いることで、そのままアレーアンテナ装置１００を送信アンテナとして用いる際の処理に適用できる。
【００５０】
（受信利得の測定方法について）
図９は、アレーアンテナの受信利得測定を示す図である。例えば、図９に示すような方向から到来波９００（受信したい無線信号）が送られてくる場合、図７において説明したように、送信用アンテナ７０３は固定されているため、回転台７０２により測定用アレーアンテナ７０１を図９に示すような位置関係となるよう回転させる。
【００５１】
図１０は、素子１〜素子６のリアクタンス値を１回シフトした際の受信利得測定を示す図である。測定用アレーアンテナ７０１の位置関係は、そのままの状態に留め、無電給素子Ｂ１〜Ｂ６の可変リアクタンス素子（素子１〜素子６）のリアクタンス値を時計回りに１素子分シフトさせる。つまり、素子１を素子２のリアクタンス値へ、素子２を素子３のリアクタンス値へとずらす作業を行う。すると、結果的に図１０に示すように測定用アレーアンテナ７０１によって到来波９０１を測定する作業は、測定用アレーアンテナ７０１の位置を１素子分（６０°）回転させて測定を行ったことと同じ状態を得ることができる。
【００５２】
図１１は、素子１〜素子６のリアクタンス値のシフトが終了した際の測定利得方向を示す図である。図１０のようなシフトを１周分行いシフトが終了し、素子１〜素子６のリアクタンス値が図９の状態に戻ると、図１１に示したように実際に到来波９００を受信する方向に加えて、等角度の間隔をあけた５つの方向において、到来波９００と同じ出力の無線信号が送信されてくることになる。この時の無線信号を擬似的な到来波９０１として、受信利得を測定することができる。したがって、素子１〜素子６のリアクタンス値のシフトが終了した際には、測定用アレーアンテナ７０１は、回転制御を行わずに到来波９００と５つの擬似的な到来波９０１の測定を行ったことになる。なお、測定方向の角度の間隔＝３６０／無給電素子数となる。
【００５３】
（最急勾配法について）
最急勾配法とは、現在の値から最も評価の良くなる方向へ値を変化させる方法である。リアクタンス値を初期値から微小変化させ、微小変化後のリアクタンス値における受信利得を測定し、微小変化における受信利得の変化（勾配）を演算する。つぎに、初期値＋勾配×収束定数をリアクタンス値の初期値として、同様に初期値から微小変化させ、微小変化後のリアクタンス値における受信利得を測定し、微小変化における受信利得の変化（勾配）を演算する。このとき、受信利得の比較を行い、受信利得値の大きい方をリアクタンス値として更新する。この作業を所定の回数繰り返すことで、最終的に受信利得が最も大きくなるリアクタンス値を求めることができる。
【００５４】
この実施例１（および後述する実施例２）では、従来方法における測定方向である到来波９００の測定に加え、５つの擬似的な到来波９０１の方向に関しても測定を行い、同様に微小変化における勾配を求める。さらに、本実施例では、計６方向の勾配演算結果に方向性重みベクトル（後で詳しく述べる）という新たな値を掛け合わせ、演算作業を所定回数繰り返して行う。これにより、最終的に更新されたリアクタンス値は、６方向に指向性を考慮した指向特性を有する。
【００５５】
（方向性重みベクトルについて）
方向性重みベクトルとは、本発明にかかる指向性制御方法に用いる独自のベクトル値である。図９〜図１１を用いて説明したように、受信測定系１０８では、実際の受信信号の到来方向の受信利得と、素子１〜素子６のリアクタンス値をシフトさせた擬似的な多方向からの受信信号の到来方向の受信利得とが測定される。これらの測定値の方向の違いによってその重みを決定する、”方向性重みベクトル”を掛け合わせることで、受信利得をどれだけ評価値として取り入れるかを変化させることができる。
【００５６】
例えば、ユーザの所望する方向に受信利得が大きくなるように設定することが重要であるか、バックローブ（所望の方向と反対側の利得）を抑えることが重要なのか、または、サイドローブ（所望の方向の両脇部分に位置する方向の利得）を考慮に入れるか等のユーザの希望を、方向性重みベクトルによって設定できる。その設定が反映された指向特性を実現することができる。
【００５７】
具体的に、方向性重みベクトルは、下記の（１）式で表す。式中のｋは、無給電素子の数を表し、その数はベクトルの要素数となる。実施例１の場合、無給電素子は、６本であるため、方向性重みベクトルＥのベクトル要素数は、６つとなる。
【００５８】
方向性重みベクトルＥ＝μ［Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅｋ−１，Ｅｋ］ …（１）
μ：収束定数（最急勾配法の繰り返し回数との兼ね合いから適宜定める）
【００５９】
ベクトル要素数が６の本実施例の場合、（１）式の各ベクトル要素は、以下のような意味をもつ。
・ベクトル第１要素Ｅ１：到来波の方向に対して正面方向（０°）の重み
・ベクトル第２要素Ｅ２：到来波の方向に対して６０°反時計回りの重み
・ベクトル第３要素Ｅ３：到来波の方向に対して１２０°反時計回りの重み
・ベクトル第４要素Ｅ４：到来波の方向に対して反対方向（１８０°）重み
・ベクトル第５要素Ｅ５：到来波の方向に対して２４０°反時計回りの重み
・ベクトル第６要素Ｅ６：到来波の方向に対して３００°反時計回りの重み
【００６０】
したがって、到来波に対して正面方向の受信利得を大きくしたい場合は、ベクトル第１要素を大きく設定し、到来波に対して反対方向の受信利得を抑えたい場合は、ベクトル第４要素を小さく設定すればよい。一般的に、セクタパターンのアレーアンテナ装置の場合、下記の（２）式のように方向性重みベクトルの要素Ｅ１〜要素Ｅｋを設定すれば、妥当な値となる。
【００６１】
方向性重みベクトルＥ＝μ［ｃｏｓ（０×３６０／ｋ），ｃｏｓ（１×３６０／ｋ），ｃｏｓ（２×３６０／ｋ），…，ｃｏｓ｛（ｋ−１）×３６０／ｋ｝］ …（２）
【００６２】
また、方向性重みベクトルＥの各要素は、受信利得を大きくしたい方向は、「１」に、利得を排除したい方向は、「−１」、あまり考慮する必要がない方向は、「０」と単純に設定を行うだけでもよい。また、特定の方向の方向性重みベクトルＥの要素を「０」とした場合、その方向に関しては、結局「０」が掛け合わされるため、図９〜図１１において述べたような素子１〜素子６のリアクタンス値のシフトとによる擬似的な到来波９０１の測定を行う必要がない。
【００６３】
（セクタパターンの指向性制御方法について）
図１２−１および図１２−２は、実施例１におけるアレーアンテナ装置の動作の概略を示すフローチャートである。図１２−１は、リアクタンス値テーブルの作成処理内容を示すフローチャートであり、図１２−２は、到来波の到来方向に応じたリアクタンス値の設定内容を示すフローチャートである。上述した、受信利得の測定方法と、最急勾配法と、方向性重みベクトルとを用いて、リアクタンス値テーブルを生成し、受信用アンテナとしてアレーアンテナ装置１００を利用するまでの動作を説明する。
【００６４】
図１２−１に示す処理内容については、まず、所望する指向特性情報を設定する（ステップＳ１２１１）。所望する指向特性情報とは、方向性重みベクトルの値を指し、例えば、ユーザがキーボード１１３（図３参照）を用いて方向性重みベクトルを入力する。ＣＰＵ１０２は、この指向特性情報の設定により、リアクタンス値テーブルの生成を行い（ステップＳ１２１２）、処理を終了する。リアクタンス値テーブルの生成処理に関しては、後で詳しく述べる。
【００６５】
図１２−２に示す処理内容については、図１２−１によってリアクタンス値テーブルを生成した後に行われる。アレーアンテナ装置１００を利用する状態となり、到来波の到来方向θの情報が入力されたか否かの判断を行う（ステップＳ１２２１）。例えば、到来波の到来方向は、一般的な方向推定技術を用いて得ることができる。ＣＰＵ１０２は、到来方向θの情報が入力されると（ステップＳ１２２１：Ｙｅｓ）、リアクタンス値テーブルから、受信した方向θのリアクタンス値の読み出しを行う（ステップＳ１２２２）。リアクタンス値テーブルは、方向θと、素子１〜素子６のリアクタンス値が対となってＨＤ１０６に記録されている。到来方向θの情報が入力されていなければ（ステップＳ１２２１：Ｎｏ）、ステップＳ１２２１の処理の待機状態となる。
【００６６】
最後にリアクタンス値テーブルから読み出されたアレーアンテナ１０１の素子１〜素子６のリアクタンス値を設定し（ステップＳ１２２３）、処理を終了する。ＣＰＵ１０２は、ＨＤ１０６から読み出した素子１〜素子６のリアクタンス値をアレーアンテナ１０１の素子１〜素子６のリアクタンス値として設定を行う。これにより、アレーアンテナ装置１００は、到来波を最も理想的な指向特性によって受信する。
【００６７】
図１３は、リアクタンス値テーブル生成処理を示すフローチャートである。まず、到来方向θ＝０［°］に設定する（ステップＳ１３０１）。つぎに、リアクタンス値を初期値に設定する（ステップＳ１３０２）。このとき、素子１〜素子６の初期値を設定し、下記の（３）式で表す。１回目の処理なので、ここではｎ＝０となる。
【００６８】
Ｖ（ｎ）＝［Ｖ１（ｎ），…，Ｖｍ（ｎ），…，Ｖ６（ｎ）］ …（３）
Ｖ（ｎ）：ステップをｎ回繰り返した時の素子１〜素子６のリアクタンス値
Ｖｍ（ｎ）：ステップをｎ回繰り返した時の素子ｍのリアクタンス値
ｎ：最急勾配法によるリアクタンス値の更新処理の回数
ｍ：素子数（１〜６の値をとる）
【００６９】
フローチャートに戻り、測定用アレーアンテナ７０１（図７参照）のリアクタンス値がＶ（ｎ）に設定された時の受信利得を測定する（ステップＳ１３０３）。このとき測定値は、下記の（４）式のように表される。
【００７０】
Ｐ０ｋ（ｎ）＝Ｐ［Ｖ１（ｎ），Ｖ２（ｎ），…，Ｖｍ−１（ｎ），Ｖｍ（ｎ）］…（４）
Ｐ０（ｎ）：リアクタンス値がＶ（ｎ）に設定された時の受信利得
ｋ：シフト回数（１〜６）ただし、最初の測定時を１回目とする
【００７１】
つぎに、各リアクタンス値を微小変化させた時の受信利得を測定し（ステップＳ１３０４）、測定値から各リアクタンス値の微小変化による勾配を演算する（ステップＳ１３０５）。まず、素子１のリアクタンス値を微小変化させ、受信利得を測定する。このとき測定値は、下記の（５）式のように表される。勾配は、下記（６）式に表すように、リアクタンス値を微小変化させた前後の受信利得の積を微小変化で割ることで求められる。
【００７２】
Ｐ１１ （ｎ）＝Ｐ｛Ｖ１（ｎ）＋ΔＶ１，Ｖ２，…，Ｖ５（ｎ），Ｖ６（ｎ）｝…（５）
ｄＰ１（ｎ）／ｄＶ１＝｛Ｐ１１（ｎ）−Ｐ０ｋ（ｎ）｝／ΔＶ１…（６）
【００７３】
つぎに、素子２に関しても同様にリアクタンス値を微小変化させ受信利得を測定後、勾配を演算する。この処理を一般化して表したのが下記（７），（８）式である。（７）式は、受信利得の測定値を表し、（８）式は勾配を表す。
【００７４】
Ｐｍｋ（ｎ）＝Ｐ｛Ｖｋ（ｎ），…，Ｖｍ（ｎ）＋ΔＶｍ，Ｖｋ−１｝…（７）
ｄＰｋ（ｎ）／ｄＶｍ＝｛Ｐｍｋ（ｎ）−Ｐ０ｋ（ｎ）｝／ΔＶｍ…（８）
Ｐｍｋ（ｎ）：素子１〜素子６のリアクタンス値のシフトをｋ回行われた時、素子ｍのリアクタンス値を微小変化させた時の受信利得
ｄＰｋ（ｎ）／ｄＶｍ：Ｐｍｋ（ｎ）の時の勾配
【００７５】
素子６までステップＳ１３０４およびステップＳ１３０５の処理が終了すると素子１〜素子６のリアクタンス値をｋ回シフトした時の評価値が下記（９）式のように表される。
【００７６】
【数１】
つぎに、素子数分シフト終了か否かの判断を行う（ステップＳ１３０６）。この処理は、ｋの値が１〜５の値であればリアクタンス値のシフトが終了していないと判断し（ステップＳ１３０６：Ｎｏ）、素子１〜素子６のリアクタンス値をシフトし（ステップＳ１３０７）、ステップＳ１３０３からの作業を行う。当然ｋの値は設定値＋１となる。
【００７８】
図１３に戻り、ステップＳ１３０６において素子数分シフト終了と判断すれば（ステップＳ１３０６：Ｙｅｓ）、図１１に示すように全６方向（到来波９００×１＋擬似的な到来波９０１×５）からの無線信号に関して勾配の演算を終了したことになり、つぎに、方向性重みベクトルによる評価値の算出を行う（ステップＳ１３０８）。シフト回数毎に求められた評価値は、下記（１０）式のようにまとめられる。
【００７９】
【数２】
Ｒ（ｎ）は、素子１〜素子６の方向別の受信利得の増加率を表す。よって、下記の（１１）式のように、Ｒ（ｎ）にユーザがあらかじめ設定した方向性重みベクトルＥを掛け合わすことで、指向特性へのユーザの考慮を反映した評価値Ｒとなる。
【００８１】
評価値Ｒ＝Ｅ×Ｒ（ｎ）…（１１）
【００８２】
つぎに、最急勾配法でリアクタンス値を更新する（ステップＳ１３０９）。この最急勾配法では、下記の式（１２）を用いる。最初にこのステップの処理を行う際は、ステップＳ１３０８によって算出された評価値Ｒにおける素子１〜素子６のリアクタンス値を最適なリアクタンス値であると設定する。そして、２回目以降の処理では、下記の式（１２）により、設定されているリアクタンス値の評価値Ｒを、直前のステップＳ１３０８によって算出された更新量でリアクタンス値が更新されていく。
【００８３】
Ｖ（ｎ＋１）＝Ｖ（ｎ）＋Ｅ×Ｒ…（１２）
【００８４】
つぎに、所定の回数ステップを繰り返したか否かの判断を行う（ステップＳ１３１０）、所定の回数（各式中のｎ）は、ユーザの任意であり、経験的に最適な回数を設定すればよい。所定の回数ステップを繰り返していない場合（ステップＳ１３１０：Ｎｏ）、ステップＳ１３０３に戻り、同様の処理を行う。
【００８５】
所定の回数ステップを終了した場合（ステップＳ１３１０：Ｙｅｓ）、所定の回数ステップを終了した時点で設定されている値が最も評価値のよいリアクタンス値であることから、到来方向θとリアクタンス値をリアクタンス値テーブルに記録する（ステップＳ１３１１）。つぎに、到来方向θ≧３６０か否かの判断を行う（ステップＳ１３１２）。到来方向θの設定が３６０°未満であれば（ステップＳ１３１２：Ｎｏ）、到来方向θ＝θ＋１に設定し、（ステップＳ１３１３）、ステップＳ１３０２に戻り、新しく設定された到来方向θにおけるリアクタンス値の設定処理（ステップＳ１３０２〜ステップＳ１３１１）を行う。
【００８６】
以上の処理をステップＳ１３１２において到来方向θ≧３６０になるまで行う（ステップＳ１３１２：Ｙｅｓ）ことで、３６０°全方向１°刻みにおいてユーザの所望する指向特性を実現するためのリアクタンス値を記録したリアクタンス値テーブルを生成することができる。
【００８７】
図１４は、到来波方向θ＝０°における、実施例１の指向性制御方法による指向特性と、従来の指向性制御方法による指向特性を比較して示した図、図１５は、到来波方向θ＝６０°における、実施例１の指向性制御方法による指向特性と、従来の指向性制御方法による指向特性を比較して示した図、図１６は、到来波方向θ＝１２０°における、実施例１の指向性制御方法による指向特性と、従来の指向性制御方法による指向特性を比較して示した図である。
【００８８】
図１４〜図１６において、太矢印で示したのは、到来波方向である。また、画面（１４００，１５００および１６００）の左半分に示したのは、特許文献１で開示された指向性制御方法によって実現された指向特性（１４０１，１５０１および１６０１）である。画面（１４００，１５００および１６００）の右半分に示したのは、実施例１の指向性制御方法によって実現された指向特性（１４０２，１５０２および１６０２）である。
【００８９】
図１４〜図１６から明らかなように、従来法による指向性制御演算によって実現された指向特性は、到来波の到来方向における受信利得が最も高利得ではあるが、図１５の指向特性１５０１のように、到来波の到来方向とほぼ同利得の指向性を有した方向も存在する。これでは、多方向からの無線信号も到来波の無線信号同様に受信してしまう。また、図１４および、図１６に示した指向特性１４０１および、指向特性１６０１に至っては、全方向が同様の指向性を示しており、ほぼ無指向性の状態となっている。
【００９０】
以上のように、実施例１にかかる指向性制御方法では、重み値を考慮している。図１４〜図１６の指向特性１４０２、指向特性１５０２、指向特性１６０２に示したように、ユーザが受信利得を大きくしたい方向（無線信号の到来方向）と、受信利得を小さくしたい方向とを反映させた指向特性を実現することができる。
【００９１】
なお、この実施例１では、アレーアンテナ１０１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。上述したが、測定する際の角度範囲も３６０°に限らず、例えば０°〜６０°の範囲の結果を他の角度範囲（６０°〜１２０°，１２０°〜１８０°，１８０°〜２４０°，２４０°〜３６０°の結果として用いることもできる。
【００９２】
以上説明した実施例１によれば、リアクタンス値をシフトさせることにより擬似的に到来方向を変更して多方向の利得測定が行え、さらに、方向性重みベクトルを用いることにより、ユーザが所望している方向以外に関する利得も最急勾配法の評価値として取り入れることができる。したがって、ユーザが所望する指向特性により適したリアクタンス値の算出が行えるとともに、リアクタンス値の算出にかかる処理手順（ステップ数）を削減でき、簡単に算出できるようになる。
【実施例２】
【００９３】
つぎに、実施例２では、適応制御パターンのアレーアンテナ装置について説明する。適応制御パターンでは、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ものである。
【００９４】
実施例２におけるハードウェア構成は、図３に示した実施例１のハードウェア構成をそのまま用いることができるが、リアクタンス値テーブルを作成する必要がないため、ＨＤＤ１０５およびＨＤ１０６を除いた構成でもよい。図１に示した構成においては、角度制御部１９と、格納部２０の構成が不要である。実施例２は、方向性重みベクトルの設定と、到来方向が不明な到来波に対して所望の指向特性が実現できるようなリアクタンス値の設定とを行う構成である。
【００９５】
ただし、適応制御パターンのアレーアンテナ装置として利用する場合は、到来波が他の方向からの妨害信号やノイズよりも高出力であるという条件が必要である。到来波よりも高出力の無線信号を受信した場合、その無線信号を到来波と誤認して指向特性を形成してしまうためである。
【００９６】
（適応制御パターンの指向性制御方法について）
図１７は、実施例２におけるアレーアンテナ装置の動作の概略を示すフローチャートである。まず、所望する指向特性情報を設定したか判断を行う（ステップＳ１７０１）。所望する指向特性情報とは、方向性重みベクトルの値を指す。例えば、ユーザがキーボード１１３（図３参照）等から、方向性重みベクトルを入力する。ＣＰＵ１０２は、この指向特性情報を受け付けたと判断すると（ステップＳ１７０１：Ｙｅｓ）、リアクタンス値の演算を行う（ステップＳ１７０２）。ユーザの所望する指向特性情報を受け付けていなければ（ステップＳ１７０１：Ｎｏ）、そのままステップＳ１７０１の処理に戻り、待機状態となる。
【００９７】
そして、ステップＳ１７０２において演算したアレーアンテナ１０１の素子１〜素子６のリアクタンス値を設定し（ステップＳ１７０３）、動作を終了する。ＣＰＵ１０２は、演算した素子１〜素子６のリアクタンス値をアレーアンテナ１０１の素子１〜素子６のリアクタンス値として設定する。これにより、アレーアンテナ装置１００は、適応制御パターンの指向特性を実現することができる。
【００９８】
図１８は、適応制御の処理内容を示すフローチャートである。まず。リアクタンス値を初期値に設定する（ステップＳ１８０１）。つぎに、受信利得を測定する（ステップＳ１８０２）。つぎに、各リアクタンス値を微小変化させた時の受信利得を測定し（ステップＳ１８０３）、側定値から各リアクタンス値の微小変化による勾配を演算する（ステップＳ１８０４）。素子１〜素子６のリアクタンス値をそれぞれ、微小変化させた時の測定値から勾配を演算する。
【００９９】
つぎに、素子数分のシフトが終了したか否かの判断を行う（ステップＳ１８０５）。素子数分とは素子１〜素子６までの一周分を意味するが、最初の素子１〜素子６のリアクタンス値の設定状態を１回目とするため、実際のシフト回数は、５回となる。素子数分のシフトが終了していなければ（ステップＳ１８０５：Ｎｏ）、素子１〜素子６のリアクタンス値をシフトさせ（ステップＳ１８０６）、リアクタンス値がシフトした状態でステップＳ１８０２へ戻り処理を行う。
【０１００】
素子数分のシフトが終了してれば（ステップＳ１８０５：Ｙｅｓ）、図１１に示すように、全６方向（到来波９００×１＋擬似的な到来波９０１×５）からの無線信号に関して勾配の演算を終了したことになり、つぎに、方向性重みベクトルによる評価値の算出を行う（ステップＳ１８０７）。このステップで行う評価値の算出は、セクタパターンのリアクタンス値テーブル生成時の（１０）式と、図１７のステップＳ１７０１入力された指向特性情報つまり、方向性重みベクトルとを掛け合わせた値となる。
【０１０１】
つぎに、最急勾配法でリアクタンス値を更新する（ステップＳ１８０８）。この最急勾配法では、上記の（１２）式を用いる。最初にこのステップの処理を行う際は、ステップＳ１８０７によって算出された評価値における素子１〜素子６のリアクタンス値を最適なリアクタンス値であると設定する。そして、２回目以降の処理では、上記の（１２）式により、設定されているリアクタンス値の評価値を、直前のステップＳ１３０８（図１３参照）によって算出された更新量でリアクタンス値を更新していく。
【０１０２】
つぎに、所定の回数ステップを繰り返したか否かの判断を行う（ステップＳ１８０９）、所定の回数（各式中のｎ）は、ユーザの任意であり、経験的に最適な回数を設定すればよい。所定の回数ステップを繰り返していない場合（ステップＳ１８０９：Ｎｏ）、ステップＳ１８０２に戻り、同様の処理を行う。所定の回数ステップを繰り返したと判断すると（ステップＳ１８０９：Ｙｅｓ）、ステップ終了時の素子１〜素子６のリアクタンス値の設定値が最適な値となり、処理を終了する。
【０１０３】
以上、述べたような処理により、実施例２では、適応制御パターンのアレーアンテナ装置を実現することができる。
【０１０４】
なお、実施例１および実施例２におけるリアクタンス値は、実際の処理の中では可変リアクタンス素子の印加電圧値として置き換えて考えることが可能である。したがって、上記「リアクタンス値」は、全て「可変リアクタンス素子の印加電圧値」と置き換えても良い。
【０１０５】
以上説明したアレーアンテナ装置、指向性制御方法、指向性制御プログラムおよび指向性制御プログラムを記録した記録媒体によれば、複数方向の利得を考慮した指向特性を必要最低限の測定で効果的な演算を行って実現することができる。
【０１０６】
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 (12)
- 給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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、
送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付手段と、
複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値をそれぞれ設定する設定手段と、
前記設定手段によって設定されたリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト手段と、
前記リアクタンス値シフト手段によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定手段と、
前記受付手段によって受け付けた指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト手段による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値として算出する算出手段と、
を備え、
前記受付手段が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定手段によって測定した測定結果を、到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、
前記算出手段は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とするアレーアンテナ装置。 - 前記給電素子を中心として前記複数の無給電素子を基準の角度位置から回転させて前記到来波の到来方向を変化させる角度制御手段を備え、
前記算出手段は、前記角度制御手段により装置あるいは前記到来波の到来方向を、当該装置の周方向に前記無給電素子の数に対応した角度範囲で回転させた時、所定の角度毎に複数の前記リアクタンス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。 - 前記算出手段は、前記リアクタンス値をシフトさせる毎に、複数のリアクタンス値を微小変化させ、当該リアクタンス値を微少変化させた前後それぞれにおいて前記測定手段によって測定された前記利得に基づき、前記複数のリアクタンス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。
- 前記算出手段により算出した複数の前記リアクタンス値を格納する格納手段を備えた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。
- 前記設定手段は、前記到来波の到来方向の情報の入力に基づいて、前記格納手段から当該所定の指向性を得るための複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値をそれぞれ読み出して設定することを特徴とする請求項４に記載のアレーアンテナ装置。
- 前記到来波の到来方向毎に、前記算出手段によって算出された前記指向特性に対応した複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を格納する格納手段を備え、
前記設定手段は、前記到来波の到来方向の情報の入力に応じて、前記格納手段に格納されている複数のリアクタンス値をそれぞれ前記可変リアクタンス素子に設定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のアレーアンテナ装置。 - 給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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、
送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付手段と、
前記可変リアクタンス素子に設定したリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト手段と、
前記リアクタンス値シフト手段によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定手段と、
前記受付手段によって受け付けた指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト手段による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値として算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された前記指向特性を構成するためのリアクタンス値を各可変リアクタンス素子に設定する設定手段と、
を備え、
前記受付手段が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定手段によって測定した測定結果を、到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、
前記算出手段は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とするアレーアンテナ装置。 - 給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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制御方法において、
送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付工程と、
複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値をそれぞれ設定する設定工程と、
前記設定工程によって設定されたリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト工程と、
前記リアクタンス値シフト工程によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定工程と、
前記受付工程によって受け付けられた前記指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト工程による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を算出する算出工程と、
を含み、
前記受付工程が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定工程によって測定した測定結果を、前記到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、
前記算出工程は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とする指向性制御方法。 - 前記アレーアンテナ装置は、到来波の到来方向毎に、前記算出工程によって算出された前記指向特性に対応した複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を格納手段に格納する格納工程を含み、
前記設定工程では、前記到来波の到来方向の情報の入力に応じて、前記格納手段に格納されている複数のリアクタンス値をそれぞれ前記可変リアクタンス素子に設定することを特徴とする請求項８に記載の指向性制御方法。 - 給電素子と、当該給電素子を中心として周方向に所定角度毎に配置された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制御方法において、
送信もしくは受信方向を基準とした各方向の指向特性に関する設定情報を受け付ける受付工程と、
前記可変リアクタンス素子に設定したリアクタンス値を、前記無給電素子の周方向に隣接する他の無給電素子に接続された前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値としてシフトさせるリアクタンス値シフト工程と、
前記リアクタンス値シフト工程によりシフトされたリアクタンス値における前記給電素子の利得を測定する測定工程と、
前記受付工程によって受け付けた指向特性に関する設定情報と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値の設定を前記リアクタンス値シフト工程による各シフトにおける前記給電素子の利得とに基づいて、前記指向特性を構成するための前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値として算出する算出工程と、
前記算出工程により算出された前記指向特性を構成するためのリアクタンス値を各可変リアクタンス素子に設定する設定工程と、
を含み、
前記受付工程が受け付ける指向特性に関する設定情報は、前記測定工程によって測定した測定結果を、前記到来波の到来方向を基準として、前記シフト毎に得られた利得変化に対する重み付けを付与するための係数であり、
前記算出工程は、前記係数を前記複数のリアクタンス値の算出に用いることを特徴とする指向性制御方法。 - 請求項８〜１０のいずれか一つに記載の指向性制御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。
- 請求項１１に記載の指向性制御プログラムを記録したことを特徴とするコンピュータに読み取り可能な記録媒体。
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