JP5830397B2 - アレーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、アレー状に配列された複数のアンテナにより通信するアレーアンテナに関する。

近年、無線ＬＡＮ（Local Area Network）、携帯電話、地上デジタル放送のモバイル受信機等、アダプティブアレーアンテナを応用した無線機器の使用が日常化してきている傾向にあり、結果、これら無線機器の低コスト化の必要性が益々高まってきている。しかし、アダプティブアレーアンテナは、原理的に、フィルタ、アンプ、ダウンコンバータ、Ａ／Ｄコンバータ等のアナログ回路がアンテナ数分必要となるので、例えば単一アンテナの無線機器と比較すると、高コストになるという問題があった。

そこで、これを解決する方法として、例えばスイッチによる時分割多重を用いて、アナログ回路を削減する方式（C-TDM-AAA：Conventional Time-Division Multiplexing Adaptive Array Antenna）のアダプティブアレーアンテナが過去に提案されている（非特許文献１参照）。非特許文献１では、無線機器が使用する帯域幅とスイッチ切換速度、フィルタ帯域幅、サンプリング速度が満たすべき条件に関して詳細に検討がなされ、適切なタイミングでスイッチ切り換え、サンプリングを行った場合、各アンテナの受信信号が完全に再生可能であることが示されている。

A CMA Adaptive Array Antenna System with a Single Receiver Using Time-Division Multiplexing,（IEICE Trans. Commun., vol. E84-B, no. 6, pp. 1637-1646, June 2001.）

ところで、時分割多重の場合、あるスイッチを接続した際に取り込んだ受信信号と、他のスイッチを接続した際に取り込んだ信号とが混信することになる。このとき、仮にこれら受信信号の位相差が大きくなってしまうと、希望波の受信電力が減少し、これが信号対雑音比の劣化に繋がる問題があった。よって、受信対象となる電波が希望波又は妨害波に関わらず、この種の時分割多重アレーアンテナにおいて、アンテナの指向性を最適な向きに設定することができる技術開発のニーズがあった。

本発明の目的は、アンテナの指向性を所望の方向に適宜設定することができるアレーアンテナを提供することにある。

前記問題点を解決するために、本発明では、複数のアンテナと共用の１つの受信回路との間に、複数のスイッチを有するスイッチ回路を接続し、前記アンテナを前記スイッチによって選択的に前記受信回路に接続することにより、当該スイッチによる時分割多重によって電波を受信する時分割多重方式のアレーアンテナにおいて、複数の前記スイッチの切換順序を切り換え可能であり、スイッチ切換前後における複数のアンテナ間の信号の位相差が切換前よりも切換後が小さくなるようにスイッチ切換順序を設定するスイッチ切換順序設定手段を備えたことを要旨とする。

本発明の構成によれば、１つの受信回路を複数のアンテナで共用する時分割多重のアレーアンテナにおいて、複数のアンテナと受信回路との接続を選択的に切り換えるスイッチのスイッチ切換順序を、スイッチ切換順序設定手段により設定可能とした。このため、時分割多重のアレーアンテナを、所望の指向性に設定することが可能となる。よって、例えば希望波を感度よく受信したり、指向性を妨害波の方向に向かせたりするなど、必要とする指向性に適宜設定することが可能となる。

本発明では、前記スイッチ切換順序設定手段は、前記スイッチ切換順序を変更可能であることを要旨とする。この構成によれば、アレーアンテナの指向性を、その都度、自由に設定変更することが可能となる。

本発明では、前記スイッチ切換順序設定手段は、前記アンテナで受信した受信信号を基に前記スイッチ切換順序を変更可能であることを要旨とする。この構成によれば、アレーアンテナの指向性を、受信信号に応じた最適な向きに設定することが可能となる。

本発明では、前記スイッチ切換順序設定手段は、前記スイッチ切換順序を変更する前の順序において相関ベクトルを求め、前記相関ベクトルを基に前記スイッチ切換順序を設定することを要旨とする。この構成によれば、必要とするスイッチ切換順序を、相関ベクトルを用い、精度よく設定することが可能となる。

本発明では、前記スイッチ切換順序設定手段は、前記スイッチ切換順序を変更する前の順序において前記受信信号の到来方向推定を行い、その推定した方向から算出されたモードベクトルを基に前記スイッチ切換順序を設定することを要旨とする。この構成によれば、必要とするスイッチ切換順序を、モードベクトルを用い、精度よく設定することが可能となる。

本発明では、前記スイッチ切換順序設定手段は、切換順序１番のアンテナを設定した後、前記受信信号の位相差が最も小さいアンテナを、次に切り換えるアンテナとして設定することを要旨とする。この構成によれば、各アンテナで受信した信号が同相に近い状態で混ざり合うので、信号の受信電力が増大する。よって、信号対雑音比の劣化防止に効果が高くなる。

本発明では、前記スイッチ切換順序設定手段は、スイッチ切換前後のそれぞれの相関ベクトルを求め、これら相関ベクトルの位相差の和を求め、この和が最も小さくなる順番に前記スイッチ切換順序を設定することを要旨とする。この構成によれば、各アンテナで受信した信号が同相に近い状態で混ざり合うので、信号の受信電力が増大する。よって、信号対雑音比の劣化防止に効果が高くなる。

本発明では、前記スイッチ切換順序設定手段は、切換順序１番のアンテナが異なる複数の順序を求めた後、これら複数の切換順序のうち最も受信電力が大きくなる順序を前記スイッチ切換順序に設定することを要旨とする。この構成によれば、より好ましいスイッチ切換順序の設定が可能となるので、信号対雑音比の劣化防止に一層効果が高くなる。

本発明では、前記スイッチ切換順序設定手段は、切換順序を１番にしてスイッチ切換順序を割り出す処理を全アンテナにおいて実施し、これら複数の切換順序のうち最も受信電力が大きくなる順序を前記スイッチ切換順序に設定することを要旨とする。この構成によれば、切換順序を１番にしてスイッチ切換順序を割り出す処理を全アンテナにおいて実施するので、最適なスイッチ切換順序を選定することが可能となる。よって、信号対雑音比の劣化防止に一層効果が高くなる。

本発明では、前記スイッチ切換順序設定手段は、前記受信電力を計算によって算出することを要旨とする。この構成によれば、どのスイッチ切換順序において受信電力が最も大きくなるのかを実測せずに済むので、簡単にスイッチ切換順序を設定することが可能となる。

本発明では、前記スイッチ切換順序設定手段は、前記スイッチ切換順序を変更する前の順序において相関ベクトルを求め、前記相関ベクトルを基に前記スイッチ切換順序を設定可能であり、前記相関ベクトルをｒ_ｘｒとし、複素共役転置を^Ｈとし、演算のための行列をΦとし、切換順序を表す行列をＶとすると、受信電力を式ｒ_ｘｒ ^ＨΦ^ＨＶ^Ｈ（Φ^−１）^２ＶΦｒ_ｘｒにより算出することを要旨とする。この構成によれば、この式を用いて受信電力を演算することにより、受信電力を簡単かつ精度よく求めることが可能となる。

本発明では、複数の前記アンテナの配置が点対称となっていることを要旨とする。この構成によれば、アンテナが配置される面内で受信電力が均一になり易い。よって、全方向に対して受信電力がなるべく均一になる。

本発明では、アダプティブ制御によって信号を処理するアダプティブ方式であることを要旨とする。この構成によれば、アレーアンテナをアダプティブアレーアンテナとしたので、アンテナの指向性を、アダプティブ制御によって受信電波に応じた向きに精度よく設定することが可能となる。

本発明では、前記スイッチ切換順序は、前記アンテナの配列形状を円形状とすることにより、全方向に対して受信電力が均一となり得る順序に設定されていることを要旨とする。この構成によれば、どの方向から受信する電波であっても、感度よく受信することが可能となる。

本発明では、前記スイッチ切換順序設定手段は、まず、全方向に対して受信電力が均一となったスイッチ切換順序で電波を受信し、この受信信号を基に、必要とする最終的なスイッチ切換順序を設定することを要旨とする。この構成によれば、スイッチ切換順序を設定するのに必要な電波を、より確実に受信することが可能となるので、処理の信頼性を確保することが可能となる。

本発明によれば、アレーアンテナの指向性を、必要とする所望の方向に適宜設定することができる。

一実施形態のアダプティブアレーアンテナの構成図。 スイッチ制御信号の時間波形図。 サンプリング信号の時間波形図。 受信電力の到来方向による変化を表すグラフ。 Φ^−１の具体例を示す例示図。 スイッチ切換順序の設定手順を示すフローチャート。 相関ベクトルの位相とスイッチ切換順序との関係を示す表。 （ａ），（ｂ）はアンテナの配列図。 受信電力の到来方向による変化を表すグラフ。 時分割多重を用いる単一受信機のシミュレーションモデル図。 シミュレーション条件を示す表。 相関ベクトルの位相とスイッチ切換順序の選択結果を示す表。 受信電力の到来方向による変化を表すグラフ。 MMSEアルゴリズムで形成された指向性を示すグラフ。 TDM-AAAにおけるSNR-BERの特性図。

以下、本発明をアダプティブアレーアンテナに具体化した一実施形態を図１〜図１５に従って説明する。
[時分割多重アダプティブアレーアンテナの概要]
図１に示すように、アダプティブアレーアンテナ１は、複数のアンテナ（アンテナ素子）２を備え、各アンテナ２の重み付けを伝播環境に応じてアダプティブ制御することにより、目的の希望波の到来方向に指向性を向けたり、不要な電波の到来方向にヌル点を向けて除去したりすることで、高い通信特性を持つアンテナとして機能する。本例のアダプティブアレーアンテナ１は、複数のアンテナ２で１つの受信回路３を共用し、受信信号を時間単位で区切ることにより、１つの伝送路で通信する時分割多重式でもある。

時分割多重式のアダプティブアレーアンテナ１において、アンテナ２の個数をＫ（Ｋは任意の奇数）とすると、ｋ番目のアンテナ２の受信信号は、次式(1)のように表される。

ここで、ｆ_ｋ(t)は、ｋ番目のアンテナ２における受信ベースバンド信号である。また、cos(ω_ｃｔ)は、搬送波を表し、ω_ｃは搬送波の各周波数を表す。

各アンテナ２には、通過帯域幅がＷの第１バンドパスフィルタ４が各々接続されている。これら第１バンドパスフィルタ４は、アンテナ２で受信した受信信号ｆ_ｋ(ｔ)cos(ω_ｃｔ)を通過帯域幅Ｗでフィルタし、Ｗに準じた周波数のみを通過させる。

受信ベースバンド信号ｆ_ｋ(ｔ)の周波数帯域幅Ｗ"は、第１バンドパスフィルタ４の通過帯域幅Ｗよりも小さい。よって、受信信号ｆ_ｋ(ｔ)cos(ω_ｃｔ)は、第１バンドパスフィルタ４をそのまま通過する。

複数のこれら第１バンドパスフィルタ４と受信回路３との間には、第１バンドパスフィルタ４（アンテナ２）の接続を選択的に切り換えるスイッチ回路５が接続されている。スイッチ回路５は、受信回路３の１構成要素であって、第１バンドパスフィルタ４ごとにスイッチ６を複数有する。これらスイッチ６は、クロック回路７から入力するスイッチ制御信号ｇ_ｋ(ｔ)によってスイッチ制御される。

ここで、図２に示すように、ｋ番目のスイッチ６を、矩形波状のＯＮ時間τ、周期Ｔ_Ｓで切り換えを行うとすると、スイッチ制御信号ｇ_ｋ(ｔ)は、次式(2)により表される。なお、次式のｒは、任意の整数である。

ここで、スイッチ切換周波数をＷ’（Ｗ’＝１／Ｔ_Ｓ）とすると、スイッチ切換周周期Ｔ_Ｓは、Ｗ’＞Ｗを満たすように適切に設定する必要がある。

各アンテナ２の受信信号ｆ_ｋ(ｔ)cos(jω_ｃｔ)は、スイッチ通過時にスイッチ制御信号ｇ_ｋ(ｔ)を乗算された後、Ｋ個のアンテナ２からの信号が合成される。この合成信号ｈ(ｔ)は、次式(3)のように表される。

受信回路３には、周波数帯域幅がＫＷ’の第２バンドパスフィルタ８が設けられている。第２バンドパスフィルタ８は、１つのみ設けられ、複数のスイッチ６において共用される。合成信号ｈ(ｔ)は、第２バンドパスフィルタ８を通過すると、出力信号ｈ’(ｔ)として出力される。出力信号ｈ’(ｔ)は、次式(4)，(5)のように表される。

受信回路３には、出力信号ｈ’(ｔ)を増幅するアンプ９と、増幅後の出力信号ｈ’(ｔ)をＩＦ（Intermediate Frequency）周波数にダウンコンバートするコンバータ１０と、ＩＦ周波数の信号を通過させるＩＦバンドパスフィルタ１１と、ＩＦ周波数を直交ダウンコンバートする一対のコンバータ１２，１２とが設けられている。各コンバータ１２，１２には、各コンバータ１２，１２からの出力をフィルタリングするローパスフィルタ１３，１３が接続されている。各ローパスフィルタ１３，１３には、フィルタリングされた信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ１４，１４が各々接続されている。

ローパスフィルタ１３が出力するベースバンド信号ｈ"(ｔ)は、アンプの増幅やフィルタの損失を無視すれば、次式(6)のように表される。

ベースバンド信号ｈ"(ｔ)は、Ａ／Ｄコンバータ１４において、サンプル出力部１５により周期Ｔ_Ｓでサンプリングされる。即ち、Ａ／Ｄコンバータ１４から出力される信号は、サンプル出力部１５により、各アンテナ２の信号として分岐／出力される。このサンプリング信号ｚ_ｉ(ｔ)は、次式(7)のように表される。

図３に示すように、サンプリング信号ｚ_ｉ(ｔ)は、それぞれＴ_Ｓ／Ｋずつタイミングのずれた信号である。実際、Ａ／Ｄコンバータ１４は、次式(8)で表されるｚ(ｔ)でサンプリングを行う。

さて、ベースバンド信号ｈ"(ｔ)をサンプリング信号ｚ_ｉ(ｔ)でサンプルしたサンプル信号ｘ_ｉ(ｔ)は、次式(9)，(10)のように表される。

サンプル信号ｘ_ｉ(ｔ)は、式(10)からも分かる通り、各アンテナ２の受信ベースバンド信号ｆ_ｋ(ｔ)が混在された形で得られる。ここで、一見、スイッチ６のＯＮ時間τを、τ＜（Ｔ_Ｓ／Ｋ）とすれば、２つのスイッチが同時に接続されることはなく、受信ベースバンド信号ｆ_ｋ(ｔ)の混合は生じないように思われるが、実際にはフィルタを通過する際の波形なまりにより、受信ベースバンド信号ｆ_ｋ(ｔ)の混合が生じる。

ところで、背景技術で挙げた非特許文献１は、各アンテナ系統と共用化されたアナログ回路とを接続するスイッチ６のＯＮ時間が、非常に短い場合に限定して検討がなされている。これは、スイッチ６のＯＮ時間を長くとってしまうと、各アンテナの受信信号が混在されるためである。よって、非特許文献１は、スイッチ６での損失が非常に大きいという課題があった。加えて、非特許文献１では、各アンテナ系統に設けられていたアンプを、さらなるアナログ回路削減を目的に共用化する場合、再生された受信信号のSNR(Signal-to-Noise Ratio（信号対雑音比）)に著しい劣化が生じてしまう。

そこで、本出願人は、スイッチ６のＯＮ時間が任意であっても、後処理を工夫することにより、各アンテナ２の受信信号を混合から分離し、完全に再生可能とする技術（M-TDM-AAA：Modified Time-Division Multiplexing Adaptive Array Antenna）を提案している（特願２０１１−１８９７６０参照）。この方法を採用すれば、スイッチ６のＯＮ時間を任意に設定可能であるので、スイッチ６のＯＮ時間を最大限に長くすることにより、時分割多重によるSNRの劣化を低減できるとしている。

しかし、この方法の場合、仮にスイッチ６の切り換え前後のアンテナ２における希望波の位相差が大きくなってしまうと、希望波の受信電力Ｐが減少してしまう問題があった。そこで、本例においては、各アンテナ２の受信信号の混合を除去するのではなく、混合を積極的に利用することでSNRの劣化を更に低減する。即ち、本例の技術は、これまでアンテナ番号順であったスイッチ６の切換順序を、受信信号に応じた適切な順序に設定することで対処する。

アダプティブアレーアンテナ１には、電波到来方向をアダプティブ制御により演算して、アレーアンテナ１の機能（動作状態）を設定するアダプティブプロセッサ１６が設けられている。アダプティブプロセッサ１６は、サンプル出力部１５から入力したアンテナ２ごとのＩ相信号及びＱ相信号を基に、希望波や不要な電波（妨害波）の電波到来方向を演算し、アダプティブアレーアンテナ１の機能を設定する。

［時分割多重を用いる受信機における受信電力の到来方向による変化］
次に、TDM-AAAにおいて受信波の到来方向により受信電力Ｐが変化することを説明する。単一の受信回路３における受信信号ベクトルＸ(ｔ)は、次式(11)〜(19)により表される。なお、次式においては、スイッチ切換周波数１／Ｔ_Ｓの高調波成分を表す整数をｎとし、^Ｔを転置とする。

いま、アレー形状を半波長等間隔リニアアレーとし、１つの到来波がボアサイト方向となす角θで到来する場合、各アンテナ２の受信ベースバンド信号ｆ_ｋ(ｔ)を要素とするベクトルＦ(Δｔ)は、モードベクトルａ(θ)及び到来信号ｆ(Δｔ)を用いて次式(20)，(21)のように表される。

ここで、アダプティブアレーアンテナ１の受信電力Ｐを次式(22)のように定義する。なお、式(22)において、Ｅ[・]は期待値を表し、^Ｈは複素共役転置を表す。

アンテナ数Ｋ＝１３の場合、受信電力Ｐは到来波の到来方向θにより、図４のように変化する。即ち、同図に示されるように、到来方向が０°に近い場合には、受信電力Ｐが大きく、到来方向が０°から離れるに連れて、受信電力Ｐが小さくなることが確認できる。これは、０°の場合には、各アンテナ２の受信信号が全て同位相であることから、信号が混在された場合に強め合うことが原因と考えられる。一方、到来方向が０°から離れていき、例えば±９０°の場合には、隣り合うアンテナ２、つまりスイッチ切り換えの直前と直後とのアンテナの受信信号が全て逆位相となる。信号の混合量は、スイッチ切り換えの直前と直後のアンテナ２からのものが最も多くなるので、到来方向が±９０°に近づくと、受信電力Ｐが小さくなると考えられる。

この考察により、受信信号の混合が生じる場合には、スイッチ切り換えの直前と直後との信号位相差がなるべく同位相となるようにスイッチ切換順序を設定（変更）すれば、アダプティブアレーアンテナ１の受信電力Ｐを増大させることが可能となると予想される。

図５に、アンテナ数Ｋ＝１３の場合の行列Φ^−１の各要素の値を示す。Φ^−１は巡回行列であるためその一部のみを示し、値は有効数字１桁で表示している。Φ^−１は前述の式(11)からも分かる通り、各アンテナ２の受信ベースバンド信号Ｆ(Δｔ)がどのように混合されるかを表している。

図５に示されるように、非対角要素が「０」である場合には受信信号の混合は生じないが、実際には少しずつ混合されることが分かる。特徴としては、Φ^−１の非対角要素のうち、対角要素と隣接する要素の絶対値が、その他の非対角要素と比較し、かなり大きいことが挙げられる。これは、スイッチ切換順序が直前及び直後のアンテナ２の受信信号からの混合が大きな割合を占めることを意味する。このことからも、スイッチ切換前後のアンテナ２の受信信号がなるべく同位相となるようにスイッチ切換順序を変更することは、受信電力Ｐの向上に有効と考えられる。

[スイッチ切換順序を考慮した受信信号ベクトルＸ(ｔ)の数式表現]
スイッチ切換順序の変更は、数学的な観点からすると、前述の式(11)においてベクトルＦ(Δｔ)の要素を置換することと等価である。いま、p，u~_pを、−μからμの範囲の整数とし、ベクトルｕ≡［−μ，…，ｐ，…，μ］^Ｔと、これを並べ替えたベクトルu~≡［u~_−μ，…，u~_p，…，u~_μ］^Ｔとを考える。このとき、ｕからu~への置換を表すＫ次正方行例をＶとし、Ｖの第ｌ行及び第ｍ列の要素をｖ_ｌ，ｍとすると、ｖ_ｌ，ｍ及びu~は、次式(23)，(24)のように表される。なお、u~はuの上に~が付された記号を表す。

スイッチ切換順序を入れ換えた場合の受信信号は、置換行列Ｖを用いると、次式(25)のように表される。

なお、スイッチ切換順序が従来通りアンテナ番号順である場合には、Ｖ＝Ｉ（Ｉは単位行列）となる。

［スイッチ切換順序の最適化方法］
前述したように、受信信号の位相変化がなるべく小さくなるようにスイッチ切換順序を最適化すれば、受信電力Ｐの向上が可能と考えられる。そこで、ここからは、最適なスイッチ切換順序の決定方法を示す。

MMSE(Minimum Mean Square Error)アダプティブアレーアンテナにおける相関ベクトルｒ_ｘｒは、スイッチ切換順序がアンテナ番号順である（Ｖ＝Ｉ）とすると、次式(26)により表される。なお、式(26)において、ｒ(ｔ)は参照信号を表し、^＊は複素共役を表す。

相関ベクトルｒ_ｘｒは、式(26)からも分かるように、入力信号と参照信号との間の相関を表す。相関ベクトルｒ_ｘｒは、到来する希望波が１波の場合、モードベクトルａ(θ)を用いて次式(27)のように表される。なお、式(27)において、ξは複素定数を表す。

モードベクトルａ(θ)は到来方向θに対する各アンテナ２の応答を表すので、相関ベクトルｒ_ｘｒを求めることで各アンテナ２間の希望波の受信位相が算出可能であることが確認できる。そして、本例の場合は、この相関ベクトルｒ_ｘｒを用い、スイッチ６の切換順序を最適に設定する。

［スイッチ切換順序設定に関係する具体的説明］
図１に示すように、アダプティブプロセッサ１６には、スイッチ切換順序を設定する際に必要な相関ベクトルｒ_ｘｒを算出する相関ベクトル算出部１７が設けられている。本例の相関ベクトル算出部１７は、スイッチ切換順序を設定する始めにおいて、スイッチ切換順序をアンテナ番号順として信号を受信し、相関ベクトルｒ_ｘｒを算出する。なお、相関ベクトル算出部１７がスイッチ切換順序設定手段を構成する。

クロック回路７には、相関ベクトル算出部１７が求めた相関ベクトルｒ_ｘｒを基に、スイッチ切換順序を設定するスイッチ切換順序設定部１８が設けられている。本例のスイッチ切換順序設定部１８は、いまスイッチ６で接続されているアンテナ２の受信信号と、スイッチ切り換えにより次に接続されるアンテナ２の受信信号との位相差がなるべく小さくなるように、スイッチ６の切換順序を設定する。なお、スイッチ切換順序設定部１８がスイッチ切換順序設定手段を構成する。

続いて、スイッチ切換順序が決定されるまでの動作を、図６のフローチャートを用いて説明する。
ステップ１０１において、相関ベクトル算出部１７は、スイッチ切換順序をアンテナ番号順として信号を受信し、相関ベクトルｒ_ｘｒを算出する。相関ベクトル算出部１７は、求めた相関ベクトルｒ_ｘｒの値を、スイッチ切換順序設定部１８に出力する。

ステップ１０２において、スイッチ切換順序設定部１８は、切換順序１番のアンテナ２を選択する。ここでは、図７に示すように、例えば♯１のアンテナ２が切換順序１番のアンテナとして選択されたとする。

ステップ１０３において、スイッチ切換順序設定部１８は、選択されたアンテナ２と未選択のアンテナ２との位相差を算出する。
ステップ１０４において、スイッチ切換順序設定部１８は、位相差が最小であるアンテナ２を次に切り換えるアンテナ２として選択する。図７の例では、♯３のアンテナ２が次に切り換えるアンテナ２として選択される。

ステップ１０５において、スイッチ切換順序設定部１８は、全アンテナ２の切換順序が決まるまで、ステップ１０３及びステップ１０４を繰り返す。そして、全アンテナ２の切換順序が決定された時点で、あるアンテナ２が切換順序１番のときの最も位相変化が小さくなる切換順序が決定する。図７の例では、♯１→♯３→♯５→♯７→♯９→♯１１→♯１３→♯２→♯４→♯６→♯８→♯１０→♯１２の切換順序に決まる。

ステップ１０６において、スイッチ切換順序設定部１８は、切換順序１番のアンテナ２を変更し、ステップ１０３〜１０５を繰り返す。例えば、♯２のアンテナ２を切換順序１番のアンテナ２とし、同様にステップ１０３〜１０５を実施する。

ステップ１０７において、スイッチ切換順序設定部１８は、切換順序１番のアンテナ２が異なるＫ個の切換順序のうち、受信電力Ｐが最も大きくなるものをスイッチ切換順序と決定する。ここで、スイッチ切換順序設定部１８は、次式(28)，(29)を使用して受信電力Ｐを算出する。

なお、ＸはＫ次の列ベクトル（Ｋ：アンテナ数）であるので、式(28)，(29)を用いて演算を行えば、各切換順序の受信電力Ｐが求まる。また、式(28)は、ｒ_ｘｒ ^ＨΦ^ＨＶ^Ｈ（Φ^−１）^２ＶΦｒ_ｘｒと同義である。スイッチ切換順序設定部１８は、最も受信電力Ｐが大きくなるスイッチ切換順序を求め、これを実施する切換順序として設定する。スイッチ切換順序が決定されれば、その順序で信号を再度受信し、アダプティブ処理を行う。

［アンテナの配列形状］
アンテナ２の配列形状は、図８（ａ）に示すような直線状をとしてもよいし、図８（ｂ）に示すような点対称配置の一例として円形状としてもよい。ちなみに、本例で言うアンテナ番号順とは、これら図に示す並び方向順のことである。図９に示すように、アンテナ２の配列形状を円形状とした場合（同図の実線）、直線形状の場合（同図の一点鎖線）に比べて、受信電力Ｐの均一化に効果が高くなる。これは、アンテナ２が配置される面内で、均一に電波を受信できるからと考えられる。

［シミュレーション］
続いて、計算機シミュレーションにより本例の技術の評価を行う。本例の場合、計算負荷軽減のため、回路構成を図１から図１０のように変更し、シミュレーションを実施する。ここでは、ダウンコンバート用のコンバータ１０，１２を削除する。このため、各アンテナ２における受信信号は、電波の到来角度による所定の位相差を有するベースバンド信号とする。スイッチ６での波形変化とフィルタ４，８での帯域制限は、行列ΨＳΓ₋Ｖの乗算に置き換える。また、Ａ／Ｄコンバータ１４でのサンプリング時に発生するエイリアシングによる波形変化はΓ_＋の乗算に置き換えることとする。さらに、時分割処理で発生する各アンテナ２の受信信号のサンプルタイミングの差異はないとする。熱雑音については、アンプ部でそれぞれ無相関のホワイトガウシアンノイズが付加されることとする。

図１１に、シミュレーション諸元を示す。アレーアンテナ１は13素子等間隔リニアアレーとし、アンテナ間隔は0．5波長とする。また、スイッチ切換周期は1μsecとし、スイッチ６のＯＮ時間比率Ψは1／13(＝常にいずれかのアンテナ２が接続された状態)とする。到来波は２波で、FSK（Frequency Shift Keying）変調された希望波と、広帯域ノイズである妨害波が到来する。なお、妨害波の電力は希望波に対して＋30dBとする。アダプティブアレーアルゴリズムとしてはMMSEアルゴリズムを採用し、最適ウェイトの決定法としてはSMI(Sample Matrix Inversion)アルゴリズムを採用する。

まず、TDM-AAAにおいて、スイッチ切換順序の最適化アルゴリズムが正しく動作していることを確認する。図１２に、SNR＝12dBのときの、ある試行における相関ベクトルｒ_ｘｒの位相と、決定されたスイッチ切換順序とを示す。なお、理想値は、妨害波及び熱雑音ともに存在しない状態での値を表す。同図に示されるように、相関ベクトル位相の理想値との差異は最大でも１°であり、切換順序も正しく決定されていることが分かる。また、切換順序がアンテナ番号順の場合には170°程度ある切換前後の信号の位相差は、切換順序を最適化した場合、20°程度まで減少することが分かる。

図１３に、最適化された切換順序でのアレーアンテナ１の受信電力Ｐの到来方向依存性を示す。同図に示されるように、図４とは異なり、図１３では希望波が到来する−70°方向の受信電力Ｐが向上していることが確認される。

図１４に、MMSEアルゴリズムにより形成されたアレーアンテナ１の指向性を示す。同図に示されるように、希望波の方向にビームが形成され、妨害波の到来方向に指向性ヌルが形成されており、MMSEアルゴリズムが良好に動作していることが確認される。

図１５に、TDM-AAAにおけるスイッチ切換順序の最適化の有無によるBER(Bit Error Rate)特性の違いを示す。同図に示されるように、スイッチ切換順序がアンテナ番号順である場合の「＋印」と比較し、スイッチ切換順序を最適化した場合には、約３dB、特性が改善することが確認でき、本例の技術の有効性が確認される。この３dBという値は、図４及び図１３における−70°方向の受信電力Ｐの差異とほぼ等しく、特性の改善は希望波の受信電力Ｐの増加によるものと考えられる。また、図１５の「×印」は、スイッチ切換順序を理想的な順序に固定した場合の特性である。スイッチ切換順序を固定した場合と、アルゴリズムにより最適化した場合の特性との間に差異は見られず、スイッチ切換順序の最適化アルゴリズムが正しく動作していることが確認される。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）時分割多重アダプティブアレーアンテナ１において、スイッチ６の切換順序を単なるアンテナ番号順ではなく、ある特定の指向性を有する順番に設定可能とした。このため、時分割多重アダプティブアレーアンテナ１を、所望の指向性に設定することができる。よって、例えば希望波を感度よく受信したり、指向性を妨害波の方向に向かせたりするなど、必要とする指向性に適宜設定することができる。

（２）スイッチ切換順序を変更可能としたので、アレーアンテナ１の指向性を、その都度、自由に設定変更することができる。また、アンテナ２で受信した信号を基にスイッチ切換順序を設定するので、アレーアンテナ１の指向性を、受信信号に応じた最適な向きに設定することができる。

（３）あるアンテナ２から次に切り換えるアンテナ２を、最も位相差が小さいアンテナ２とするので、スイッチ６の切換前後のアンテナ２における希望波の位相差がなるべく小さくなるようにスイッチ切換順序が最適化される。このため、各アンテナ２で受信した信号が同相に近い状態で混ざり合うので、信号の受信電力Ｐが増大する。よって、信号対雑音比の劣化を防止することができる。

（４）相関ベクトルｒ_ｘｒを使用してスイッチ切換順序を決めるので、必要とするスイッチ切換順序を精度よく設定することができる。
（５）切換順序１番のアンテナ２が異なる複数の順序を求め、これら複数の順序のうち、最も受信電力Ｐが大きくなる順序をスイッチ切換順序に設定する。このため、より好ましいスイッチ切換順序の設定が可能となるので、信号対雑音比の劣化防止に一層効果が高くなる。また、切換順序を１番にしてスイッチ切換順序を割り出す処理を全アンテナ２において行い、この中から受信電力Ｐが最も高い順序をスイッチ切換順序に設定するので、最適なスイッチ切換順序を選定することができ、信号対雑音比の劣化防止に一層効果が高くなる。

（６）どのスイッチ切換順序において受信電力Ｐが最も大きくなるのかを計算により算出するので、これを実測する場合に比べ、簡単に順序設定を行うことができる。
（７）アンテナ２の配置を図８（ｂ）に示す円形配置とすれば、アンテナ２が配置される面内で受信電力Ｐが均一（等方的）になり易い。よって、全方向に対して受信電力Ｐがなるべく均一になるので、どの方向からの電波も感度よく受信することができるようになる。

（８）アレーアンテナ１をアダプティブアレー方式としたので、アレーアンテナ１の指向性を、アダプティブ制御によって受信電波に応じた向きに精度よく設定することができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・スイッチ切換順序は、相関ベクトルｒ_ｘｒを使用する方式に限定されない。例えば、ステップ１０１の処理を、電波到来方向推定の処理に置き換え、推定した方向から算出したモードベクトルａ(θ)を使用して、スイッチ切換順序を設定してもよい。

・スイッチ切り換えの順番は、ベクトルの位相差が最も小さいものを次に切り換えるアンテナ２として設定する方式に限定されない。例えば、スイッチ６の切り換え前後の相関ベクトルｒ_ｘｒ（モードベクトルａ(θ)）の位相差の和が最も小さく順番をスイッチ切換順序に設定してもよい。

・全方向に対する受信電力Ｐの均一化は、アンテナ２の配列を円形状とすることにより実現することに限定されない。例えば、アンテナ２の配列が直線形状となっていても、全方向に対する受信電力Ｐの均一化するスイッチ切換順序に設定することで実現してもよい。

・ステップ１０１のスイッチ切換順序は、アンテナ番号順に限定されない。例えば、全方向に対して受信電力Ｐがなるべく均一になるスイッチ切換順序で信号を受信し、この受信信号を基に相関ベクトルｒ_ｘｒを算出してもよい。

・ステップ１０１の処理は、プリアンブル信号で実施してもよいし、実際の通信データで実施してもよい。
・切換順序１番としてスイッチ切換順序を求める処理（ステップ１０３〜１０５）は、全アンテナ２で実施されなくてもよく、数パターンのみ求める形式でもよい。

・受信回路３は、直交ダウンコンバータ１２，１２ではなく、通常のコンバータにて信号をダウンコンバートする回路でもよい。
・受信回路３は、ベースバンド信号をＡ／Ｄコンバータ１４でサンプルする構成に限らず、例えばＩＦ信号をサンプルする構成や、第２バンドパスフィルタ８から出力される（Radio Frequency）信号をサンプルする構成でもよい。

・複数のアンテナ２と受信回路３とは、スイッチ回路５により一対一接続されることに限定されず、例えば複数のアンテナ２を受信回路３に同時接続するようにしてもよい。
・アンテナ素子数Ｋは、任意の奇数に限らず、任意の偶数であってもよい。

・スイッチ６のＯＮ時間τ（ＯＮ時間比率Ψ）は、実施形態に述べた例に限定されず、他の時間幅に適宜変更可能である。
・第２バンドパスフィルタ８の周波数帯域幅は、例えば第１バンドパスフィルタ４の周波数帯域に係数のＫを乗算した値でもよい。

・アンテナ２の後段に位相器、減衰器、増幅器を追加してもよい。この場合、指向性自由度がさらに増大するとともに、スイッチ切り換えにより形成されるビームの方向を、より柔軟に制御することができる。

・アンテナ２の後段に、アンテナ２の複数のアンテナ出力を合成し、単一あるいは複数の出力を得る回路を追加してもよい。この場合、スイッチ切り換えにより形成されるビームの方向を、より柔軟に制御することができる。

・本例のアレーアンテナは、アダプティブアレーアンテナ１に限定されず、例えば固定アンテナを使用したアレーアンテナなど、他の種類に変更してもよい。
・スイッチ切換順序は、受信信号がなるべく大きくなる順序に決定可能であるならば、他の方法を採用することが可能である。

・スイッチ切換順序の設定は、いつ実施されてもよい。
・実施例で記載した種々の演算は、等価的であれば、他の演算式に適宜変更可能である。

・スイッチ切換順序は、変更可能であることに限定されず、例えば所望の希望波や除きたい妨害波が予め判明しているのであれば、１値に固定されていてもよい。
・アダプティブアレーアンテナ１は、車両や電子キーの受信機として使用されることに限定されず、他の機器や装置に適宜応用可能である。

・本例のアダプティブアレーアンテナ１は、種々の装置やシステムに採用可能である。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。

（イ）複数のアンテナと共用の１つの受信回路との間に、複数のスイッチを有するスイッチ回路を接続し、前記アンテナを前記スイッチによって選択的に前記受信回路に接続することにより、当該スイッチによる時分割多重によって電波を受信する時分割多重方式のアレーアンテナのスイッチ切換順序設定方法において、複数の前記スイッチの切換順序を切り換え可能とし、スイッチ切換前後における複数のアンテナ間の信号の位相差が切換前よりも切換後が小さくなるようにスイッチ切換順序を設定することを特徴とするアレーアンテナのスイッチ切換順序設定方法。

１…アレーアンテナ（時分割多重アダプティブアレーアンテナ）、２…アンテナ、３…受信回路、５…スイッチ回路、６…スイッチ、１７…スイッチ切換順序設定手段を構成する相関ベクトル算出部、１８…スイッチ切換順序設定手段を構成するスイッチ切換順序設定部、ｒ_ｘｒ…相関ベクトル、ａ(θ)…モードベクトル、Ｐ…受信電力。

Claims (15)

1. 複数のアンテナと共用の１つの受信回路との間に、複数のスイッチを有するスイッチ回路を接続し、前記アンテナを前記スイッチによって選択的に前記受信回路に接続することにより、当該スイッチによる時分割多重によって電波を受信する時分割多重方式のアレーアンテナにおいて、
   複数の前記スイッチの切換順序を切り換え可能であり、スイッチ切換前後における複数のアンテナ間の信号の位相差が切換前よりも切換後が小さくなるようにスイッチ切換順序を設定するスイッチ切換順序設定手段を備えた
   ことを特徴とするアレーアンテナ。
2. 前記スイッチ切換順序設定手段は、前記スイッチ切換順序を変更可能である
   ことを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。
3. 前記スイッチ切換順序設定手段は、前記アンテナで受信した受信信号を基に前記スイッチ切換順序を変更可能である
   ことを特徴とする請求項２に記載のアレーアンテナ。
4. 前記スイッチ切換順序設定手段は、前記スイッチ切換順序を変更する前の順序において相関ベクトルを求め、前記相関ベクトルを基に前記スイッチ切換順序を設定する
   ことを特徴とする請求項３に記載のアレーアンテナ。
5. 前記スイッチ切換順序設定手段は、前記スイッチ切換順序を変更する前の順序において前記受信信号の到来方向推定を行い、その推定した方向から算出されたモードベクトルを基に前記スイッチ切換順序を設定する
   ことを特徴とする請求項３に記載のアレーアンテナ。
6. 前記スイッチ切換順序設定手段は、切換順序１番のアンテナを設定した後、前記受信信号の位相差が最も小さいアンテナを、次に切り換えるアンテナとして設定する
   ことを特徴とする請求項３〜５のうちいずれか一項に記載のアレーアンテナ。
7. 前記スイッチ切換順序設定手段は、スイッチ切換前後のそれぞれの相関ベクトルを求め、これら相関ベクトルの位相差の和を求め、この和が最も小さくなる順番に前記スイッチ切換順序を設定する
   ことを特徴とする請求項３〜５のうちいずれか一項に記載のアレーアンテナ。
8. 前記スイッチ切換順序設定手段は、切換順序１番のアンテナが異なる複数の順序を求めた後、これら複数の切換順序のうち最も受信電力が大きくなる順序を前記スイッチ切換順序に設定する
   ことを特徴とする請求項３〜７のうちいずれか一項に記載のアレーアンテナ。
9. 前記スイッチ切換順序設定手段は、切換順序を１番にしてスイッチ切換順序を割り出す処理を全アンテナにおいて実施し、これら複数の切換順序のうち最も受信電力が大きくなる順序を前記スイッチ切換順序に設定する
   ことを特徴とする請求項３〜８のうちいずれか一項に記載のアレーアンテナ。
10. 前記スイッチ切換順序設定手段は、前記受信電力を計算によって算出する
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載のアレーアンテナ。
11. 前記スイッチ切換順序設定手段は、前記スイッチ切換順序を変更する前の順序において相関ベクトルを求め、前記相関ベクトルを基に前記スイッチ切換順序を設定可能であり、前記相関ベクトルをｒ_ｘｒとし、複素共役転置を^Ｈとし、演算のための行列をΦとし、切換順序を表す行列をＶとすると、受信電力を式ｒ_ｘｒ ^ＨΦ^ＨＶ^Ｈ（Φ^−１）^２ＶΦｒ_ｘｒにより算出することを特徴とする請求項１０に記載のアレーアンテナ。
12. 複数の前記アンテナの配置が点対称となっている
    ことを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載のアレーアンテナ。
13. アダプティブ制御によって信号を処理するアダプティブ方式である
    ことを特徴とする請求項１〜１２のうちいずれか一項に記載のアレーアンテナ。
14. 前記スイッチ切換順序は、前記アンテナの配列形状を円形状とすることにより、全方向に対して受信電力が均一となり得る順序に設定されている
    ことを特徴とする請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載のアレーアンテナ。
15. 前記スイッチ切換順序設定手段は、まず、全方向に対して受信電力が均一となったスイッチ切換順序で電波を受信し、この受信信号を基に、必要とする最終的なスイッチ切換順序を設定する
    ことを特徴とする請求項１４に記載のアレーアンテナ。