JP4922956B2

JP4922956B2 - 無給電素子を備えたマルチアンテナ装置

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Publication number: JP4922956B2
Application number: JP2008016765A
Authority: JP
Inventors: 由樹岡野; 敬三長
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2028-01-28
Also published as: JP2009177732A

Description

本発明は、無給電素子を備えたマルチアンテナ装置に関し、特に複数の給電素子及び切替可能な無給電素子を備えたマルチアンテナ装置に関するものである。

移動通信端末用のマルチアンテナ装置またはアレーアンテナ装置としては、ダイバーシティアンテナ装置が一般的であり、１／２波長ダイポールアンテナを用いてアンテナ素子間隔を０．５波長程度とした理想的なアンテナ条件が前提とされている場合が多い。これは、アレー理論に基づいてグレーティング・ローブを発生させずに高いアンテナ利得を得るためであり、素子間結合の影響による利得の低下を避けるためにも、アンテナ素子間隔を０．５波長程度に十分離して配置する場合が多い。

従来、無給電素子の追加によりアンテナ特性を改善するものとして、以下のような特許文献が知られている。しかしながら、いずれも単数の給電素子を用いるものであり、複数の給電素子を有するマルチアンテナ装置を用いるものではなかった。
特開２００３−２８３２３８号公報特開２００４−６４３１２号公報特開２００５−２８６８９５号公報特開２００６−５０４９６号公報特開２００６−６７２３４号公報

半波長ダイポールアンテナにより構成される０．５波長間隔のマルチアンテナは、相互結合の影響が小さいため高いアンテナ利得が得られ、またアンテナ相関についても十分小さい値を得ることができる。しかしながら、実際の携帯端末等へ搭載することを考慮した場合、アンテナ給電方式やアンテナ容積について問題があり０．５波長間隔のマルチアンテナを使用することができない。

また、実際の携帯電話型端末に搭載されたマルチアンテナとして、PDC方式の携帯端末では図１８に示すように、地板３に対してモノポール形状のアンテナ素子４と逆F形状のアンテナ素子５を素子間隔０．５波長以下として配置したものがあった。しかしながら，この構成の場合、逆F形状のアンテナ素子では十分なアンテナ利得を得ることができず、通信性能が劣化するという問題があった。

さらに、カード型端末に搭載するマルチアンテナとして、図１９に示すようにノート型パソコンの外部拡張スロットに搭載するカード型無線端末の端部にモノポール形状のアンテナ素子を複数配置する構成が考えられる。これは、複数の給電点を備える地板３とモノポール形状のアンテナ素子1および2から構成される。このマルチアンテナ構成の場合，アンテナ間相互結合が大きいためアンテナ利得が低下し、通信性能が劣化するという問題があった。

そこで、本発明の目的は，移動通信システムにおいて複数の送受信アンテナを使用して通信を行うマルチアンテナ装置において、複数のアンテナを近接して配置した場合においても高いアンテナ利得を得るとともに、十分低いアンテナ相関を得ることにより様々な伝搬環境において高い伝送容量を得ることが可能なマルチアンテナ装置を提供することである。

本発明の特徴に従ったマルチアンテナ装置は、
複数の給電点を備えた地板；
前記各給電点に接続された複数のアンテナ素子；
切替制御部；
任意の前記給電点近傍に配置され、前記切替制御部から出力される制御信号によって切り替えられる、少なくとも１つのスイッチ素子；及び
一端が開放され他端が前記各スイッチ素子を介して選択的に地板に接続される、少なくとも１つの付加素子；
を備えることを特徴とする。

前記スイッチ素子は、対応する前記付加素子を選択的に開放端又は前記地板に接続するよう切り替えるようにしても良い。

マルチアンテナ装置は、
さらに通信用回路を備え；
前記スイッチ素子は、対応する前記付加素子を選択的に前記通信用回路又は前記地板に接続するよう切り替えるようにしても良い。

マルチアンテナ装置は、
前記複数のアンテナ素子のうち少なくとも1つのアンテナ素子は、地板に対して垂直に配置され、
当該アンテナ素子の給電点近傍に配置するスイッチ素子を介して接続される付加素子は、当該アンテナ素子と直交して配置されるようにしても良い。

マルチアンテナ装置は、
受信信号強度が所定値よりも高い場合には前記付加素子を開放端に接続し、受信信号強度が低い場合には前記付加素子を前記地板に接続するよう前記スイッチ素子が切り替えられる、ようにしても良い。

マルチアンテナ装置は、
受信信号偏波成分のうち垂直偏波成分の方が高い場合には前記付加素子を前記地板に接続し、水平偏波成分の方が高い場合には前記付加素子を前記通信用回路に接続するよう前記スイッチ素子が切り替えられる、ようにしても良い。

マルチアンテナ装置は、
さらに通信用回路を備え；
前記スイッチ素子は、対応する前記付加素子を選択的に開放端、前記地板又は前記通信用回路に接続するよう切り替え、
前記通信用回路において各アンテナにおける受信信号の強度を監視する機能を有し、
受信信号強度が所定値よりも高い場合には前記付加素子を開放端に接続し、受信信号強度が低い場合において、受信信号偏波成分のうち垂直偏波成分の方が高いときには前記付加素子を前記地板に接続し、水平偏波成分の方が高いときには前記付加素子を前記通信用回路に接続するよう、前記スイッチ素子が切り替えられる、ようにしても良い。

マルチアンテナ装置は、
前記通信用回路において各アンテナ素子における受信信号を用いてチャネル応答行列を推定し、推定したチャネル応答行列をもとに相関行列の固有値を演算する機能を備え、
前記切替制御部は前記通信用回路から送出される前記固有値に関する情報に基づいて前記スイッチ素子を切り替える、ようにしても良い。

マルチアンテナ装置は、
ビームフォーミング機能、ダイバーシティ機能及びMIMO伝送機能の3機能を有する無線装置に接続され、
伝搬環境に応じて適切な伝送機能およびマルチアンテナ切替を行う機能を有する、ようにしても良い。

マルチアンテナ装置は、
前記付加素子が動作周波数の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さの素子長を有する、ようにしても良い。

本発明の実施例に従ったマルチアンテナ装置によれば、アンテナ素子間の相互結合を低減することができるため、複数のアンテナを極めて近接して配置した場合においてもアンテナを十分離して配置した場合と同等の性能を得ることができるとともに、スイッチを切り替えることでアンテナ間の相関係数を低減することが可能となり、アンテナ構成を変更することなく様々な伝搬環境において高い伝送容量を得ることが可能となる。

本発明者等は、図１９に示すようなアンテナ素子１，２間の相互結合を低減することによりアンテナ特性を改善する方法を発明して、未公開特願２００６-１８４７８７号に開示した。特願２００６-１８４７８７号に開示した発明は、複数のアンテナ素子を使用するマルチアンテナ装置において、無給電素子を任意の給電点近傍において地板に接続することを特徴とするものである。その発明では、高いアンテナ放射効率が得られるが、アンテナ間相関が上昇するという問題があり、また無線環境の変動に応じた対処が不可能であった。

以下、図面を参照しながら本発明に従ったアンテナ装置の実施例について説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に従った切替機能付きマルチアンテナ装置８の基本構成を示す概略図である。マルチアンテナ装置８は基本的に、回路基板又は地板１０、地板１０上の複数の給電点１１及び複数の給電アンテナ素子１２a、１２bを備えている。各給電アンテナ素子１２a、１２bは一端が開放され、他端が対応する給電点１１にそれぞれ接続されている。各給電アンテナ素子１２a、１２bは、動作周波数又は使用周波数の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さを有する。各給電点１１は、地板１０上に配置された通信用回路部１５に接続されている。本実施形態では、地板１０は長方形とされ、その短辺端部に2つの給電点１１が設けられ、給電点１１に接続する2つの給電アンテナ素子１２a、１２bは、地板１０に直交して配置されている。

マルチアンテナ装置８はさらに、単数または複数の付加素子１３を備えている。付加素子１３は、一端が開放され、他端がスイッチ素子１７を介して地板１０に接続されている。本実施形態では、付加素子１３は、地板１０に平行に配置され、スイッチ素子１７との接続点から地板１０の長辺とほぼ平行方向にわずかな長さだけ延長された後、ほぼ直角に折り曲げられ地板１０の短辺にほぼ平行方向に延長されている。また、スイッチ素子１７は、地板１０上の給電点１１の近傍に配置されており、通信用回路部１５に内蔵された切替制御部１６から出力される制御信号に応じて付加素子１３の接続先を切り替える。

スイッチ素子１７が遮断された（開放端に接続された）状態で、付加素子１３は、動作周波数の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さを有し、より好適には動作周波数の約1/4波長の長さを有する。

携帯端末用のアンテナ装置としては、小型化および内蔵化が可能な1/4波長モノポール方式のアンテナを採用することが多く、本実施形態においても素子長約1/4波長のモノポールアンテナを用いるのが好適である。

また、本実施形態では、給電アンテナ素子１２は２本あり、地板１０の端部に配置され、それぞれ給電点１１に接続されている。無給電素子１３は１本であり、地板１０の端部において片方の給電点１１の近傍にあるスイッチ素子１７に接続されている。

図2は、スイッチ素子１７の動作を表すブロック図である。スイッチ素子１７は、切替制御部１６から出力される制御信号に応じて、電気的な遮断状態又は導通状態となる。本実施形態では，スイッチ素子１７が遮断状態のとき、付加素子１３は開放端に接続され、地板１０には接続されない。スイッチ素子１７が導通状態のとき、付加素子１３は地板１０に接続される。スイッチ素子１７としては、例えばGaAsダイオードが用いられ、導通状態における挿入損失を抑えることが出来る。

アンテナの動作について説明する。スイッチ素子１７が開放端に接続された状態では、付加素子１３は地板１０に接続されていないため、付加素子１３に電流が生じることは無く、アンテナ素子１２は付加素子１３を配置しない場合と同等な特性となる。このとき、アンテナ素子１２aとアンテナ素子１２bとの間に生じる素子間相互結合は、アンテナから放射される電磁界に加えて、アンテナ素子１２aとアンテナ素子１２bとの共通の地板１０に生じる電流に起因してさらに大きくなる。一方、スイッチ素子１７が地板１０に接続された状態では、付加素子１３が動作周波数の０．２波長乃至０．３波長の長さを有するため、付加素子１３に電流が生じることで付加素子１３が地板１０の一部として動作する。このとき、アンテナ素子１２aとアンテナ素子１２bとの間に生じる素子間相互結合は大幅に低減される。

図３は、アンテナ装置８の素子間相互結合量と放射効率を示したグラフである。図３のグラフには、マルチアンテナ装置８の付加素子１３が開放端に接続された場合と、地板１０に接続された場合の特性の比較が示されている。図３に示された値は、モーメント法による数値計算を用いてマルチアンテナ装置を構成する各アンテナ素子の相互結合量と放射効率とを算出した結果の値である。図２のグラフより、付加素子１３が開放端に接続された場合には、相互結合量が−１０ｄＢ以上であり、その強い相互結合に起因して放射効率が約１ｄB劣化していることが分かる。一方、付加素子１３が地板１０に接続された場合には、相互結合量は−１５ｄＢ程度であって、放射効率の劣化が０．１ｄＢ程度に抑えられていることが分かる。

図４は、アンテナ装置８の水平面内放射指向性を示したチャートである。付加素子１３が地板１０に接続され、アンテナ素子１２aとアンテナ素子１２bとの間に生じる素子間相互結合が大幅に低減された場合のアンテナ装置８の水平面内放射指向性は、例えば図４の右側のチャートに示すようになる。

これは、モーメント法による数値計算を行った例である。スイッチ位置が開放端の場合には、放射指向性に多くの歪みが生じるとともに、垂直偏波成分（V）と同等以上の水平偏波成分（H）が生じている。一方、スイッチ位置が地板接続の場合には、付加素子１３が地板１０の一部として動作することにより、垂直偏波成分（Ｖ）が支配的であり歪みの少ない無限地板上にアンテナ素子を配置した場合と同等な放射指向性が実現されており、各方向において高いアンテナ利得が得られることが示されている。

図５は、スイッチ位置によるアンテナ利得およびアンテナ相関の差異を示すグラフである。スイッチ位置が開放端の場合には、図４に示したように放射指向性に歪みが生じ、垂直・水平の両偏波成分が生じるためアンテナ利得が低くなるが、アンテナ１２aおよびアンテナ１２bの放射指向性に大きな差異が生じるため、アンテナ相関は低くなる。一方、スイッチ位置が地板接続の場合には、垂直偏波成分（Ｖ）が支配的で歪みの少ない放射指向性となるためアンテナ利得は高くなる。しかしながら、アンテナ1２aおよびアンテナ１２bの放射指向性の差異が小さいため、アンテナ相関は高くなることが示されている。

ここで、付加素子１３の長さについて説明する。図６のグラフに、本実施形態に従ったマルチアンテナ装置８の付加素子１３の長さに対する、アンテナ素子間相互結合量を数値計算により評価した値を示す。

図７のグラフには、本実施形態に従ったマルチアンテナ装置８の付加素子１３の長さに対する、アンテナ装置８の放射効率を数値計算により評価した値を示す。

図６より、例えば相互結合量を−１０ｄＢ以下にするためには、付加素子１３の長さを使用周波数帯の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長とする必要があることが分かる。また、図７より、例えば放射効率の劣化を０．２ｄＢ以内にするためには、付加素子１３の長さを使用周波数帯の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長とする必要があることが分かる。つまり、本発明者らは、付加素子１３の長さを給電素子１２と同様に約１／４波長とし、給電素子１２だけでなく付加素子１３にも電流を積極的に生じさせることで、アンテナ素子間の結合を低減させ放射効率を改善できることを確認した。

図８は、アンテナ装置８の受信信号強度に対する伝送容量を示すグラフである。図８には、指向性の合成を行うビームフォーミングや信号の合成を行うダイバーシティ、複数の信号系列を空間多重により並列伝送するMIMO伝送を行った場合の受信信号強度に対する伝送容量が示されている。

スイッチ位置が開放端の場合には、図５に示したようにアンテナ相関が低いために受信信号強度が高い環境では高い伝送容量が得られるものの、アンテナ利得が低いために受信信号強度が低い環境では伝送容量が大幅に劣化する。なお、受信信号強度が高い環境では、通信用回路における自動利得制御機能により受信電力が補償されるため、アンテナ利得の低下は問題とならない。

一方、スイッチ素子が地板接続の場合には、図５に示したように高いアンテナ利得が得られるために受信信号強度が低い環境においても高い伝送容量が得られるものの、アンテナ相関が高いために受信信号強度が高い環境でも伝送容量は増大しない。

そこで、本実施形態に従った切替機能付きマルチアンテナ装置８の切替制御部１６は、受信信号強度を監視し、受信信号強度の値に応じた制御信号をスイッチ素子１７に送出する機能を備える。受信信号強度が高い場合には付加素子１３を開放端に接続し、受信信号強度が低い場合には付加素子１３を地板１０に接続するようにスイッチ素子１７を切り替える。スイッチ素子１７を切り替えるポイントの所定数値としては、受信側の受信電力補償機能（自動利得制御機能）の限界点が考えられ、例えば、ＨＳＤＰＡでは、ＣＰＩＣＨＲＳＣＰ＝ -80 〜-70ｄＢ、Draft 802.11nでは、ＲＳＳＩ＝ -70 〜 -60ｄＢ等である。本発明を適用する対象の移動通信システム（例えば、ＨＳＤＰＡ、無線ＬＡＮ、ＬＴＥ、Ｗ−ＣＤＭＡ等）により数値は異なる。このように受信信号強度に応じてスイッチを適切に切り替えることにより、受信信号強度の変動に影響されず常に高い伝送容量を得ることが可能となる。

また、通信用回路１５において各アンテナにおける受信信号のフェージング相関を監視する機能を有し、フェージング相関が高い場合には付加素子を開放端に接続し、フェージング相関が低い場合には付加素子を地板に接続するようスイッチ素子１７を切り替えるようにしても良い。

なお、本実施形態では切替制御部１６が監視する情報として受信信号強度（RSSI：Received Signal Strength Indicator）を用いたが、受信電力（RSCP：Received Signal Code Power）や信号対雑音電力比（SNR：Signal to Noise Ratio），信号対干渉電力比（SIR：Signal to Interference Signal）、信号対干渉雑音電力比（SINR：Signal to Interference and Noise Ratio）、搬送波対雑音電力比（CNR：Carrier to Noise Ratio）、搬送波対干渉電力比（CIR：Carrier to Interference Ratio）、搬送波対干渉雑音電力比（CINR：Carrier to Interference and Noise Ratio）などの情報を用いても良い。

また，マルチアンテナ装置８を受信装置として使用する場合には、上述の通り、受信信号強度が高い環境では自動利得制御機能により受信電力が補償されるため、アンテナ利得の低下は問題とならない。しかし、マルチアンテナ装置８を送信装置として使用する場合には、アンテナ利得の低下により送信電力の低下が生じる。したがって、通信時の送信電力が不足している場合には、切替スイッチを地板に接続するよう制御することで送信性能の改善が可能となる。

さらに、通信用回路１５において、各アンテナ素子における受信信号の強度やフェージング相関を監視する機能を有し、これらの情報をもとに切り替え制御を行っても良い。

さらに、通信用回路１５において各アンテナ素子における受信信号を用いてチャネル応答行列を推定し、推定したチャネル応答行列をもとに算出される相関行列の固有値を演算する機能を備え、切替制御部１６が通信用回路１５から送出される固有値に関する情報に基づいてスイッチ素子１７を切り替えるような切替制御を行っても良い。

さらに、本実施形態によれば、アンテナ素子１２ではなく、付加素子１３をスイッチ素子１７により開放端または地板に接続するよう切り替えるので、通信中にスイッチの切替えを行った際にも信号が途切れることはないため、通信を維持したまま、アンテナ構成を変更することなく伝送容量を向上させることが可能となる。

なお、本実施形態ではアンテナ素子１２と付加素子１３が互いに直交するように配置した構成を用いたが、直交しない場合においても、付加素子１３をスイッチ素子１７により開放端または地板に接続するよう切り替えることで、アンテナの放射指向性を変化させることができるため、直交配置構成と同様な伝送容量向上を図ることが出来る。

特に、アンテナ容積の限られる携帯端末に複数のアンテナを搭載するマルチアンテナ装置の場合には、十分なアンテナ間距離を確保することができないため、アンテナ間相互結合の影響によりアンテナ利得が低下し、アンテナ相関が増大してしまう。そうした課題に対し、本実施形態によれば、スイッチ素子１７により付加素子１３を地板へ選択的に接続することにより、アンテナ構成を変更することなくアンテナ利得と相関係数を両立したマルチアンテナ装置が実現出来る。そのため、ダイバーシティやMIMO伝送に適用して、高い伝送容量を得ることが可能なマルチアンテナ装置を提供できる。
［第２実施形態］
図９は、本発明の第２実施形態に従った切替機能付きマルチアンテナ装置２８の基本構成を示す概略図である。マルチアンテナ装置２８は基本的に、回路基板又は地板１０、地板１０上の複数の給電点１１及び複数の給電アンテナ素子１２a、１２bを備えている。各給電アンテナ素子１２a、１２bは一端が開放され、他端が対応する給電点１１にそれぞれ接続されている。各給電アンテナ素子１２a、１２bは、動作周波数又は使用周波数の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さを有する。各給電点１１は、地板１０上に配置された通信用回路部１５に接続されている。本実施形態では、地板１０は長方形とされ、その短辺端部に2つの給電点１１が設けられ、給電点１１に接続する2つの給電アンテナ素子１２a、１２bは、地板１０に直交して配置されている。

マルチアンテナ装置２８はさらに、単数または複数の付加素子１３を備えている。付加素子１３は、一端が開放され、他端がスイッチ素子２７を介して地板１０に接続されている。本実施形態では、付加素子１３は、地板１０に平行に配置され、スイッチ素子２７との接続点から地板１０の長辺とほぼ平行方向にわずかな長さだけ延長された後、ほぼ直角に折り曲げられ地板１０の短辺にほぼ平行方向に延長されている。また、スイッチ素子２７は、地板１０上の給電点１１の近傍に配置されており、通信用回路部１５に内蔵された切替制御部１６から出力される制御信号に応じて付加素子１３の接続先を切り替える。

付加素子１３は、動作周波数の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さを有し、より好適には動作周波数の約1/4波長の長さを有する。

また、本実施形態では、給電アンテナ素子１２は２本あり、地板１０の端部に配置され、それぞれ給電点１１に接続されている。無給電素子１３は１本であり、地板１０の端部において片方の給電点１１の近傍にあるスイッチ素子２７に接続されている。

本実施形態は、地板１０上に配置される通信用回路２５が3つの入力端子を備えていることを特徴とする。

図１０は、スイッチ素子２７のブロック図である。スイッチ素子２７は，切替制御部１６から出力される制御信号に応じて、付加素子１３を通信用回路２５又は地板１０に接続する。スイッチ素子２７としては、例えばGaAsダイオードが用いられ、挿入損失を抑えることが出来る。

アンテナの動作について説明する。スイッチ素子２７により付加素子１３が通信用回路２５に接続された状態では、付加素子１３がアンテナ素子として動作し、アンテナ装置２８は合計3つのアンテナ素子を備えるマルチアンテナ装置となる。一方、スイッチ素子２７により付加素子１３が地板１０に接続された状態では、第1実施形態において説明したように、付加素子１３が地板１０の一部として動作し、アンテナ素子1２aとアンテナ素子１２bとの間に生じる素子間相互結合が低減され、アンテナ利得を向上させることができる。なお、付加素子１３が地板１０に接続される場合には、通信用回路２５の未使用入力端子を終端しておく。

図１１は、アンテナ装置２８の水平面内放射指向性を示したチャートである。付加素子１３が地板１０に接続され、アンテナ素子１２aとアンテナ素子１２bとの間に生じる素子間相互結合が低減された場合のアンテナ装置２８の水平面内放射指向性は、例えば図１１の右側のチャートに示すようになる。一方、付加素子１３が通信用回路２５に接続されてアンテナ素子として動作する場合のアンテナ装置２８の水平面内放射指向性は、例えば図１１の左側のチャートに示すようになる。

これは、モーメント法による数値計算を行った例である。スイッチ素子２７の位置が通信用回路２５に接続する位置の場合には、付加素子１３がアンテナ素子として動作する。付加素子１３を水平に配置しているため、水平面内の各方向において水平偏波成分（H）が強く放射されている。一方、スイッチ素子２７の位置が地板１０に接続する位置の場合には、垂直偏波成分（V）が強く放射されている。

図１２は、スイッチ位置によるアンテナ交差偏波識別度の差異を示すグラフである。スイッチ位置が通信用回路接続の場合には、水平偏波成分（Ｈ）が支配的となるため、到来する電波の偏波特性について水平偏波が支配的な環境で高いアンテナ利得が得られる。一方、スイッチ位置が地板接続の場合には、垂直偏波成分（Ｖ）が支配的となるため、到来する電波の偏波特性について垂直偏波が支配的な環境で高いアンテナ利得が得られる。

図１３は、アンテナ装置２８の到来波偏波成分に対する伝送容量を示すグラフであり、ダイバーシティやMIMO伝送を行った場合の伝送容量を示すグラフである。スイッチ位置が通信用回路接続の場合、図１２に示したようにアンテナの放射特性は水平偏波成分（Ｈ）が支配的となるため、到来波偏波成分について水平偏波成分（Ｈ）が高い環境では高い伝送容量が得られるものの、垂直偏波成分（Ｖ）が高い環境では伝送容量が大幅に劣化する。

一方、スイッチ素子が地板接続の場合、アンテナの放射特性は垂直偏波成分（Ｖ）が支配的となるため、到来波偏波成分について垂直偏波成分（Ｖ）が高い環境では高い伝送容量が得られるものの、水平偏波成分（Ｈ）が高い環境では伝送容量が大幅に劣化する。

そこで、本実施形態に従った切替機能付きマルチアンテナ装置２８の切替制御部１６は、各アンテナ素子からの受信信号強度を基に到来波偏波成分を監視し、その値に応じた制御信号をスイッチ素子２７に送出する手段を備える。到来波偏波成分のうち垂直偏波成分（Ｖ）が高い場合には付加素子１３を地板１０に接続し、水平偏波成分（Ｈ）が高い場合には付加素子１３を通信用回路２５に接続する。このように到来波偏波成分に応じてスイッチを適切に切り替えることにより、到来波偏波成分の高低の変動に影響されず常に高い伝送容量を得ることが可能となる。つまり、アンテナ構成を変更することなく偏波ダイバーシティ効果を得ることができる。

なお，本実施形態では通信用回路２５の入力として3つの端子を備えた構成について説明した。通信用回路２５が2つの入力端子を備える場合でも、一方の入力端子への入力をアンテナ素子１２aと付加素子１３との間で切替え、付加素子１３を選択的に地板１０に接続するようスイッチ素子２７を構成することにより、3つの入力端子を備えた上述の場合と同様に到来波偏波成分によらず高い伝送容量を得ることが可能なマルチアンテナ装置を提供することができる。

また、本実施形態ではスイッチ素子２７として単極−双極（SPDT：Single Pole Double Throw）スイッチを用いた例を示したが、図１４に示すような単極−3極（SP3T：Single Pole 3 Throw）スイッチ４７を用いることで、受信信号強度の変動にも到来波偏波成分の変動にも影響されず高い伝送容量を得ることが可能なマルチアンテナ装置を提供することができる。すなわち、受信信号強度が高い場合には付加素子１３を開放端に接続し、受信信号強度が低い場合において、受信信号偏波成分のうち垂直偏波成分（Ｖ）が高いときには付加素子１３を地板１０に接続し、水平偏波成分（Ｈ）が高いときには付加素子１３を通信用回路２５に接続するように、スイッチ素子４７を切り替えることができる。

さらに、本実施形態では地板１０上に配置する通信用回路２５の入力として3つの端子を備えた構成について説明したが、図１５に示すように通信用回路５５が4つの入力端子を備えた構成でも良い。この構成の場合、4つのアンテナ素子１２a，１２b，１２c及び１２dを備え、少なくとも2つの付加素子１３a及び１３bがそれぞれスイッチ素子２７a及び２７bを介して地板１０に接続されている。この構成において、アンテナ素子数の増加に伴い、指向性を制御するビームフォーミング機能、信号の合成を行うダイバーシティ機能及び複数の信号系列を空間多重により並列伝送するMIMO伝送機能の各機能をさらに改善することが可能となり、スイッチ素子２７を伝搬環境に応じて適切に制御することにより、アンテナ構成を変更することなく上記3機能に好適なマルチアンテナ装置を提供することができる。ビームフォーミング機能、ダイバーシティ機能及びMIMO伝送機能の3機能を有する無線装置に接続することにより、伝搬環境に応じて適切な伝送機能およびマルチアンテナ切替を行う機能を有する無線装置を提供することができる。
［第３実施形態］
図１６は、本発明の第３実施形態に従った切替機能付きマルチアンテナ装置３８の基本構成を示す概略図である。マルチアンテナ装置３８は基本的に、回路基板又は地板１０、地板１０上の複数の給電点１１及び複数の給電アンテナ素子１２a、１２bを備えている。各給電アンテナ素子１２a、１２bは一端が開放され、他端が対応する給電点１１にそれぞれ接続されている。各給電アンテナ素子１２a、１２bは、動作周波数又は使用周波数の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さを有する。各給電点１１は、地板１０上に配置された通信用回路部３５に接続されている。本実施形態では、地板１０は長方形とされ、その短辺端部に2つの給電点１１が設けられ、給電点１１に接続する2つの給電アンテナ素子１２a、１２bは、地板１０に直交して配置されている。

マルチアンテナ装置３８はさらに、複数の付加素子１３a及び１３bを備えている。付加素子１３a、１３bは、一端が開放され、他端がそれぞれスイッチ素子３７a及び３７bを介して地板１０に接続されている。本実施形態では、付加素子１３a及び１３bは、地板１０に平行に配置され、それぞれスイッチ素子３７a及び３７bとの接続点から地板１０の長辺とほぼ平行方向にわずかな長さだけ延長された後、ほぼ直角に折り曲げられ地板１０の短辺にほぼ平行方向に延長されている。また、スイッチ素子３７は、地板１０上の給電点１１の近傍に配置されており、通信用回路部３５に内蔵された切替制御部１６から出力される制御信号に応じて付加素子１３a及び１３bの接続先を切り替える。

付加素子１３a及び１３bは、動作周波数の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さを有し、より好適には動作周波数の約1/4波長の長さを有する。

また、本実施形態では、給電アンテナ素子１２は２本あり、地板１０の端部両側に配置され、それぞれ給電点１１に接続されている。無給電素子１３は２本であり、地板１０の端部において両側の給電点１１の近傍にあるスイッチ素子３７に接続されている。

本実施形態は、地板１０上に配置される通信用回路３５が4つの入力端子を備えており、地板１０は2つの離れた給電点１１を備え、2つの付加素子１３a及び１３bは2つのスイッチ素子３７a及び３７bを介してそれぞれ給電点の近傍において地板１０に接続されていることを特徴とする。

本実施形態では、2つのアンテナ素子１２a及び１２bは地板１０と直交して配置され、2つの付加素子１３a及び１３bは地板１０と平行に配置されている。本実施形態におけるスイッチ素子３７a及び３７bのブロック図は、図１０に示す通りであり、切替制御部１６から送出される制御信号によって、付加素子１３a及び１３bは通信用回路３５又は地板１０に接続される。

アンテナの動作について説明する。スイッチ素子３７により付加素子１３が地板１０に接続された状態では、第1実施形態において説明したように、付加素子１３が地板１０の一部として動作し、アンテナ素子1２aおよび１2bのアンテナ利得を向上させることができる。この時、MIMO伝送に当該マルチアンテナ装置を適用した場合には、合計2つの信号系列を空間分割多重により並列伝送することが可能となる。

一方、スイッチ素子３７により付加素子１３が通信用回路３５に接続された状態では、付加素子１３がアンテナ素子として動作し、アンテナ装置３８が合計4つのアンテナ素子を備えるマルチアンテナ装置となる。この時、MIMO伝送に当該マルチアンテナ装置を適用した場合には、合計4つの信号系列を空間分割多重により並列伝送することが可能となる。

図１７は、切替機能付きマルチアンテナ装置３８の受信信号強度に対する伝送容量を示すグラフであり、当該アンテナ装置を用いてMIMO伝送を行った場合の伝送容量を示すグラフである。スイッチ位置が地板接続の場合、付加素子１３が地板の一部として動作することで高いアンテナ利得が得られるため、受信信号強度が低い環境において高い伝送容量が得られるものの，並列伝送される信号系列は2系列であるため受信信号強度が高い環境において伝送容量は飽和する。

一方、スイッチ素子が通信用回路接続の場合、付加素子１３がアンテナとして動作するため合計4つの信号系列を並列伝送することが可能となり、受信信号強度が高い環境において非常に高い伝送容量が得られるものの、各アンテナ素子の利得が低いため、受信信号強度が低い環境では伝送容量が大幅に劣化する。

そこで、本実施形態に従った切替機能付きマルチアンテナ装置３８の切替制御部１６は、受信信号強度を監視し、受信信号強度の値に応じた制御信号をスイッチ素子３７に送出する手段を備える。受信信号強度が高い場合には付加素子１３を通信用回路３５に接続し、受信信号強度が低い場合には付加素子１３を地板１０に接続する。このように受信信号強度に応じてスイッチを適切に切り替えることにより、並列伝送する信号系列の数を変化させることが可能となり、受信信号強度に応じた最適な伝送を行うことで様々な伝搬環境において高い伝送容量を得ることが可能なマルチアンテナ装置が実現される。

本発明の第１実施形態に従ったアンテナ装置の基本構成を示す概略図である。第１実施形態に従ったアンテナ装置のスイッチ素子の動作を表すブロック図である。第１実施形態に従ったアンテナ装置の素子間相互結合量と放射効率を示したグラフである。第１実施形態に従ったアンテナ装置の水平面内放射指向性を示したチャートである。第１実施形態に従ったアンテナ装置のスイッチ位置によるアンテナ利得およびアンテナ相関の差異を示すグラフである第１実施形態に従ったアンテナ装置の付加素子の長さに対する相互結合量を示すグラフである。第１実施形態に従ったアンテナ装置の付加素子の長さに対する放射効率を示すグラフである。第１実施形態に従ったアンテナ装置の受信信号強度に対する伝送容量を示すグラフである。第２実施形態に従ったアンテナ装置の基本構成を示す概略図である。第２実施形態に従ったアンテナ装置のスイッチ素子のブロック図である。第２実施形態に従ったアンテナ装置の水平面内放射指向性を示したチャートである。第２実施形態に従ったアンテナ装置のスイッチ位置によるアンテナ交差偏波識別度の差異を示すグラフである。第２実施形態に従ったアンテナ装置の到来波偏波成分に対する伝送容量を示すグラフである。第２実施形態に従ったアンテナ装置に利用できる単極−3極スイッチの動作を表すブロック図である。第２実施形態に従ったアンテナ装置の変形例である。第３実施形態に従ったアンテナ装置の基本構成を示す概略図である。第３実施形態に従ったアンテナ装置の受信信号強度に対する伝送容量を示すグラフである。従来の端末用ダイバーシティアンテナ装置の基本構成を示す概略図である。従来の端末用マルチアンテナ装置の基本構成を示す概略図である。

符号の説明

８マルチアンテナ装置
１０地板
１１給電点
１２a、１２b アンテナ素子
１３付加素子
１５通信用回路
１６切替制御部
１７スイッチ素子

Claims

複数の給電点を備えた地板；
前記各給電点に接続された複数のアンテナ素子；
切替制御部；
任意の前記給電点近傍に配置され、前記切替制御部から出力される制御信号によって切り替えられる、少なくとも１つのスイッチ素子；及び
一端が開放され他端が前記各スイッチ素子を介して選択的に地板に接続される、少なくとも１つの付加素子；
を備え、
さらに通信用回路を備え；
前記スイッチ素子は、対応する前記付加素子を選択的に前記通信用回路又は前記地板に接続するよう切り替え、
受信信号偏波成分のうち垂直偏波成分の方が高い場合には前記付加素子を前記地板に接続し、水平偏波成分の方が高い場合には前記付加素子を前記通信用回路に接続するよう前記スイッチ素子が切り替えられる、
ことを特徴とするマルチアンテナ装置。
前記複数のアンテナ素子のうち少なくとも1つのアンテナ素子は、地板に対して垂直に配置され、
当該アンテナ素子の給電点近傍に配置するスイッチ素子を介して接続される付加素子は、当該アンテナ素子と直交して配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチアンテナ装置。
前記通信用回路において各アンテナ素子における受信信号を用いてチャネル応答行列を推定し、推定したチャネル応答行列をもとに相関行列の固有値を演算する機能を備え、
前記切替制御部は前記通信用回路から送出される前記固有値に関する情報に基づいて前記スイッチ素子を切り替えることを特徴とする請求項１に記載のマルチアンテナ装置。
ビームフォーミング機能、ダイバーシティ機能及びMIMO伝送機能の3機能を有する無線装置に接続され、
伝搬環境に応じて適切な伝送機能およびマルチアンテナ切替を行う機能を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチアンテナ装置。
前記付加素子が動作周波数の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さの素子長を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチアンテナ装置。
複数の給電点を備えた地板；
前記各給電点に接続された複数のアンテナ素子；
切替制御部；
任意の前記給電点近傍に配置され、前記切替制御部から出力される制御信号によって切り替えられる、少なくとも１つのスイッチ素子；及び
一端が開放され他端が前記各スイッチ素子を介して選択的に地板に接続される、少なくとも１つの付加素子；
を備え、
さらに通信用回路を備え；
前記スイッチ素子は、対応する前記付加素子を選択的に開放端、前記地板又は前記通信用回路に接続するよう切り替え、
前記通信用回路において各アンテナにおける受信信号の強度を監視する機能を有し、
受信信号強度が所定値よりも高い場合には前記付加素子を開放端に接続し、受信信号強度が低い場合において、受信信号偏波成分のうち垂直偏波成分の方が高いときには前記付加素子を前記地板に接続し、水平偏波成分の方が高いときには前記付加素子を前記通信用回路に接続するよう、前記スイッチ素子が切り替えられる、
ことを特徴とするマルチアンテナ装置。
前記複数のアンテナ素子のうち少なくとも1つのアンテナ素子は、地板に対して垂直に配置され、
当該アンテナ素子の給電点近傍に配置するスイッチ素子を介して接続される付加素子は、当該アンテナ素子と直交して配置される、
ことを特徴とする請求項６に記載のマルチアンテナ装置。
前記通信用回路において各アンテナ素子における受信信号を用いてチャネル応答行列を推定し、推定したチャネル応答行列をもとに相関行列の固有値を演算する機能を備え、
前記切替制御部は前記通信用回路から送出される前記固有値に関する情報に基づいて前記スイッチ素子を切り替えることを特徴とする請求項６に記載のマルチアンテナ装置。
ビームフォーミング機能、ダイバーシティ機能及びMIMO伝送機能の3機能を有する無線装置に接続され、
伝搬環境に応じて適切な伝送機能およびマルチアンテナ切替を行う機能を有することを特徴とする請求項６に記載のマルチアンテナ装置。
前記付加素子が動作周波数の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さの素子長を有することを特徴とする請求項６に記載のマルチアンテナ装置。