JP6988816B2 - 車載移動局用アンテナ装置及び車載移動局 - Google Patents

Description

本発明は、車載移動局用アンテナ装置及び車載移動局に関するものである。本出願は、２０１６年１１月１４日出願の日本特許出願２０１６−２２１３８０号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

モバイル通信においては、基地局と移動局との間で通信が行われる。特許文献１は、基地局によるビームフォーミングを開示している。

国際公開第２０１１／４３２９８号

本開示の一の態様は、モバイル通信基地局と通信する車載移動局用のアンテナ装置である。実施形態において、アンテナ装置は、車両に取り付けられるベースと、前記ベースに支持された複数の第１アンテナ素子と、を備える。複数の前記第１アンテナ素子は、水平面において円周状に等間隔に配置される。ここで、水平面は、アンテナ装置において物理的に存在している必要はなく、仮想的に観念される水平面であれば足りる。複数のアンテナ素子は、それぞれ前記円周の径方向外方に向く指向性を有する。アンテナ素子の円筒状配置は、各アンテナ素子の一部（好ましくはアンテナ水平方向中心）が、仮想的な円周上に位置していれば足り、アンテナ素子の全体が仮想的な円周上に位置している必要はない。したがって、アンテナ素子を指示するベースが円周状である必要はなく、多角形状であってもよい。

図１は車載移動局を搭載した車両を示す図である。 図２Ａは、アンテナ装置の平面図である。図２Ｂは、アンテナ装置の側面図である。 図３は、アンテナ装置の回路図である。 図４Ａは、アンテナ素子切替の説明図である。図４Ｂは、アンテナ素子切替の説明図である。 図５Ａは、運行方向推定によるアンテナ素子切替の説明図である。図５Ｂは、運行方向推定によるアンテナ素子切替の説明図である。図５Ｃは、運行方向推定によるアンテナ素子切替の説明図である。 図６は、アンテナ装置の変形例を示す図である。 図７は、アンテナ装置の変形例を示す図である。 図８は、アンテナ装置の変形例を示す図である。 図９は、アンテナ装置の変形例を示す図である。 図１０は、送信パスキャリブレーションの説明図である。 図１１は、受信パスキャリブレーションの説明図である。 図１２Ａは、第２実施形態に係るアンテナ装置の構成図である。図１２Ｂは、第２実施形態に係るアンテナ装置の平面図である。図１２Ｃは、第２実施形態に係るアンテナ装置の側面図である。

［１．実施形態の概要］

モバイル通信においては、移動局と基地局の相対位置関係は、変動し続ける。特に、水平面における相対方向の変化が激しい。このため、移動局のアンテナは、水平面の全方向に対応していることが望ましい。

本開示は、携帯電話及びスマートフォンのように人によって携帯される移動局のアンテナではなく、車載移動局におけるアンテナ装置において、水平面の全方向に対応するための新規な構造に関する。

（１）実施形態において、モバイル通信基地局と通信する車載移動局用のアンテナ装置は、車両に取り付けられるベースと、前記ベースに支持された複数の第１アンテナ素子と、
を備え、複数の前記第１アンテナ素子は、水平面において円周状に等間隔に配置され、それぞれ前記円周の径方向外方に向く指向性を有する。かかる構成により、水平面全方向への対応が容易となり、基地局との安定した通信が可能となる。

（２）複数の前記第１アンテナ素子は、水平面全方向にビームを向けることができるように配置されているのが好ましい。この場合、基地局が水平面のどの方向にあっても、基地局とのより安定した通信が可能となる。

（３）複数の前記第１アンテナ素子のうちの一部を、前記モバイル通信基地局との通信に用いられる１又は複数の使用アンテナ素子として選択する選択部を更に備えるのが好ましい。この場合、使用アンテナ素子を切り替えることが可能となる。

（４）前記車載移動局用アンテナ装置の移動に応じて水平面におけるビームの向きを変えるために、前記使用アンテナ素子として選択される第１アンテナ素子を切り替える切替処理を実行する制御部を更に備えるのが好ましい。この場合、移動局の移動に応じて、使用アンテナを切り替えることができる。

（５）切り替え後の複数の使用アンテナ素子の数及び円周方向間隔は、切り替え前の複数の使用アンテナ素子の数及び円周方向間隔と同じであるのが好ましい。この場合、切替によるアンテナ利得の変動を防止できる。

（６）切り替え後の複数の使用アンテナ素子の少なくともいずれか一つは、切り替え前の複数の使用アンテナ素子に含まれるのが好ましい。この場合、ビームの向きを細かく変化させることが可能となる。

（７）前記切替処理は、前記車載移動局用アンテナ装置と前記モバイル通信基地局との相対運行方向を算出し、前記相対運行方向に基づいて、前記使用アンテナ素子として選択される第１アンテナ素子を切り替えることを含むのが好ましい。この場合、相対運行方向に基づいて、容易に切り替えを行うことができる。また、全方向のビームスイープをする必要がなくなる。

（８）各第１アンテナ素子のアンテナキャリブレーションのための複数のキャリブレーション用アンテナ素子を更に備えるのが好ましい。この場合、キャリブレーションアンテナ素子を用いた第１アンテナ素子のキャリブレーションが可能となる。第１アンテナ素子のキャリブレーションによって、より正確なビーム制御が可能となる。複数の前記キャリブレーション用アンテナ素子の数は、複数の前記第１アンテナ素子の数と同じであり、複数の前記キャリブレーション用アンテナ素子は、複数の前記第１アンテナ素子とは垂直方向に異なる位置に配置され、水平面において円周状に等間隔に配置され、それぞれの円周方向位置が、いずれか一つの前記第１アンテナ素子の円周方向位置と一致するのが好ましい。

（９）複数の前記第１アンテナ素子の数と同数の複数の第２アンテナ素子を更に備え、複数の前記第２アンテナ素子は、複数の前記第１アンテナ素子とは垂直方向に異なる位置に配置され、水平面において円周状に等間隔に配置され、それぞれの円周方向位置が、いずれか一つの前記第１アンテナ素子の円周方向位置と一致し、それぞれ前記円周の径方向外方に向く指向性を有するのが好ましい。この場合、垂直方向におけるアンテナ素子多段構造が得られ、アンテナ利得向上が可能となるか、又は垂直面におけるビームフォーミングが可能となる。

（１０）複数の前記第２アンテナ素子は、複数の前記第１アンテナ素子よりも下方に配置され、複数の前記第１アンテナ素子よりも前記円周の径方向外方に配置されていてもよい。この場合、斜めに傾斜した配置が得られる。

（１１）複数の前記第１アンテナ素子及び複数の前記第２アンテナ素子は、それぞれ、前記円周の径方向外方かつ斜め上方に向く指向性を有するのが好ましい。この場合、斜め上方の指向性が得られる。

（１２）複数の前記第１アンテナ素子及び複数の第２アンテナ素子は、水平面において無指向性となるビームを形成するのが好ましい。この場合、どの方向に基地局があっても安定した通信が可能である。

（１３）複数の前記第１アンテナ素子と複数の前記第２アンテナ素子とのアレイ合成によりビームのチルト角制御が行われるのが好ましい。この場合、基地局の相対的高さ位置に応じたチルト角制御を行うことができる。

（１４）実施形態において、車載移動局は、（１）〜（１３）ののいずれか１項に記載の車載移動局用アンテナ装置を備えることができる。

［２．実施形態の詳細］

［２．１ 第１実施形態］
図１は、車載移動局１０が搭載された車両２０を示している。車載移動局１０は、モバイル通信基地局３０と通信をする。基地局３０は、建物の屋上、鉄塔の上などの比較的高い場所に設置され、地上の移動局と通信する。モバイル通信は、高速通信の実現のため、ミリ波又は準ミリ波が利用される通信であるのが好ましい。ミリ波又は準ミリ波が利用されるモバイル通信は、例えば、第５世代モバイルネットワーク（５Ｇ）である。

ミリ波又は準ミリ波が利用される通信では、高い周波数のため、伝搬損失が大きい。本実施形態では、伝播損失の補償のため、ビームフォーミングが行われる。ビームフォーミングをすることで、特定の方向に指向性を向けて利得を向上させることができる。本実施形態では、ビームフォーミングは、基地局３０だけでなく移動局１０によっても行われ、高速通信を可能とする。ビームフォーミングを行うため、車載移動局１０は、複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナを有するが、この点については後述する。

車両２０は、例えば、バス・電車などの交通機関における車両である。実施形態に係る車載移動局１０は、無線ＬＡＮ無線部４０と接続されている。無線ＬＡＮ無線部４０は、無線ＬＡＮアクセスポイントであり、車内の無線ＬＡＮ端末５０に対して、無線ＬＡＮサービスを提供する。車内の無線ＬＡＮ端末５０は、例えば、車両２０の乗客が有する携帯電話、スマートフォン、タブレット、又はノートパソコンなどである。乗客が有する端末５０は、無線ＬＡＮ及びモバイル通信ネットワークを介して、インターネット接続が可能である。

車載移動局１０は、基地局３０と通信するためのアンテナ装置１００を備える。図２は、アンテナ装置１００の一例を示している。図２に示すンテナ装置１００は、車両２０の外部の基地局３０との通信のため、車両２０の外部に設置されるのが好ましい。アンテナ装置１００は、例えば、図１及び図２に示すように車両２０の天井２０ａから上方突出状に配置できるが、車両２０の側面に設置されてもよい。

ここで、図２におけるＸＹ平面は、水平面であり、Ｚ方向は垂直方向を示す。本実施形態においては、車両２０の天井２０ａは水平とする。また、水平とは、車両２０が水平な面の上で直立している状態での水平をいう。したがって、例えば、車両２０が水平な面の上で直立しているときに、車両２０の天井２０ａが水平であれば、車両の姿勢にかかわらず、天井２０ａは、水平な面として扱う。つまり、水平に関して、車両２０が傾斜面上にある場合や、カーブ走行などにより車両が傾斜している場合は考えないものとする。

アンテナ装置１００は、ベース１１０を有する。図２に示すベース１１０は、車両に取り付けられる取付部１１１を有する。取付部１１１は、例えば、板状部材であり、例えば、車両２０の天井２０ａに取り付けられる。取付部１１１は、例えば、ボルト等の締結具、接着剤、又は溶接などによって、車両２０に取り付けられる。ベース１１０は、アンテナ素子１２０の支持体１１２を備える。後述するように、本実施形態において、アンテナ素子１２０は、パッチアンテナ素子である。パッチアンテナ素子は、誘電体基板の表面に形成されるため、誘電体基板は、アンテナ素子の支持体１１２でもある。誘電体としては、フレキシブルプリント配線基板を用いることができる。なお、図２において、支持体１１２及びアンテナ素子１２０は、露出しているが、図示しないレドームによって覆われて、保護されるのが好ましい。

図２において、支持体１１２は、複数のアンテナ素子１２０の円周状配置を得るため、筒状に形成されている。支持体１１２は、円筒状であってもよいし、多角形筒状（ｎ角筒状：ｎは３以上の整数）であってもよい。多角形は円を近似するため、多角形筒状の支持体１１２でも、アンテナ素子１２０の円周状配置は得られる。

なお、アンテナ素子１２０の円筒状配置は、各アンテナ素子１２０の一部（好ましくはアンテナ水平方向中心）が、仮想的な円周上に位置していれば足り、アンテナ素子１２０の全体が仮想的な円周上に位置している必要はない。なお、支持体が円筒状であれば、アンテナ素子１２０の全体が仮想的な円周上に位置している配置を容易に得ることができる。

図２において支持体１１２は、正多角筒状であり、より具体的には、正３２角筒状（ｎ＝３２）である。ｎの値は特に限定されないが、ｎは、６以上であるのが好ましく、１２以上であるのがより好ましく、２４以上であるのがさらに好ましい。ｎが大きいほど、水平面全方向への対応が容易となる。

支持体１１２は、その下部が取付部１１１に接続されている。支持体１１２は、筒軸心２００が、垂直方向（Ｚ方向）に向くように、水平な取付部１１１に対して取り付けられている。したがって、多角筒状支持体１１２の３２個（ｎ個）の側面２０１は、垂直面となっている。

支持体１１２の側面２０１（外表面；アンテナ素子支持面）には、複数のアンテナ素子１２０が形成されている。アンテナ素子１２０は、アンテナ装置１００の小型化のため、例えば、平面アンテナ素子であるのが有利である。実施形態においては、平面アンテナ素子として、パッチアンテナ素子を採用した。実施形態において、アンテナ素子１２０は、支持体１１２の３２個（ｎ個）の側面２０１それぞれ形成されている。したがって、図２Ａに示すように、支持体１１２には、水平面(ＸＹ平面)において、３２個（ｎ個）のアンテナ素子１２０が円周状に配置されている。図２Ａにおいて、円周方向の３２個のアンテナ素子１２０は、全周（３６０°）に亘って均等間隔で配置されている。図２Ａにおいて、円周方向に隣接する任意の２つのアンテナ素子１２０，１２０間の円周方向角θは１１．２５°である。

支持体１１２の３２個の側面２０１それぞれには、垂直方向に複数のアンテナ素子１２０が配置されている。図２Ｂにおいては、垂直方向に４段のアンテナ素子１２０が配置されている。各段におけるアンテナ素子１２０の数・配置は共通しており、円周状等間隔配置である。つまり、支持体１１２には、合計で１２８個＝（３２個×４段）のアンテナ素子１２０が形成されている。また、各段のアンテナ素子１２０の円周方向位置も揃っている。なお、各アンテナ素子１２０は、同じ形状であり、同じアンテナ利得を持つ。

以下では、図２Ｂの最上段に配置された３２個のアンテナ素子１２０それぞれを「第１アンテナ素子１２０ａ」といい、３２個の第１アンテナ素子１２０ａの集合を第１アンテナ素子群１３０ａという。第１アンテナ素子１２０ａの直下（上から２段目）に配置された３２個のアンテナ素子１２０それぞれを「第２アンテナ素子１２０ｂ」といい、３２個の第２アンテナ素子１２０ｂの集合を第２アンテナ素子群１３０ｂという。第２アンテナ素子１２０ｂの直下（上から３段目）に配置された３２個のアンテナ素子１２０それぞれを「第３アンテナ素子１２０ｃ」といい、３２個の第３アンテナ素子１２０ｂの集合を第３アンテナ素子群１３０ｃという。第３アンテナ素子１２０ｃの直下（上から３段目）に配置された３２個のアンテナ素子１２０それぞれを「第４アンテナ素子１２０ｄ」といい、３２個の第４アンテナ素子１２０ｃの集合を第４アンテナ素子群１３０ｄという。なお、第１から第４アンテナ素子を区別しない場合には、単に、アンテナ素子１２０という。

平面アンテナ素子であるアンテナ素子１２０は、垂直面である支持体側面２０１の表面に形成されているため、アンテナ素子１２０の面方向が垂直方向を向いている。そして、平面アンテナ素子は、その面方向に対して直交する正面方向に指向性を持つ指向性アンテナである。したがって、支持体側面２０１に配置されたアンテナ素子１２０は、筒状支持体１１２の径方向２１０の外方、すなわち水平方向に向く指向性を有する。

図２Ａにおいて、符号２２０は、１個のアンテナ素子１２０によって形成されるビーム２２０の指向性を示している。図２Ａに示すように、各アンテナ素子１２０によって形成されるビーム２２０は、互いに水平面周方向に重複するように、それらの水平ビーム幅が設定されている。したがって、円周方向の複数のアンテナ素子１２０を用いることにより、水平面全方向にビームを向けることができる。ここで、「水平面全方向にビームを向けることができる」とは、円周方向における複数のアンテナ素子１２０のうちのいずれかだけを用いて、水平面全方向に含まれる任意の方向にビームを向けることを含むとともに、円周方向における複数のアンテナ素子１２０全てを同時に用いて、水平面全方向に無指向のビームを向けることの双方を含む。

第１実施形態では、１つの支持体側面３０１に形成され垂直方向に並ぶ４つのアンテナ素子１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄを一つのアンテナ１４０として使う例を説明する。４つのアンテナ素子１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄを一つのアンテナ１４０として使う場合、アンテナ装置１００は、３２個のアンテナ１４０が円周状に並んだものとなる。なお、３２個のアンテナ１４０が円周状に並んでいる状態は、３２個の第１アンテナ素子１２０ａだけが円周状に並んでいる状態に置き換えて考えても良い。

また、第１実施形態では、円周状の３２個のアンテナ１４０をビーフォーミングのためのアレイアンテナとして用いる。ただし、第１実施形態では、３２個のアンテナ１４０は、全てが同時に使用されるのではなく、３２個のアンテナのうちの一部のアンテナ１４０が同時に使用される。一部のアンテナは、１個でも複数個でもよい。以下では、一部のアンテナ１４０は、３個のアンテナ１４０とする。同時に使用される３個のアンテナを使用アンテナ（使用アンテナ素子）という。つまり、本実施形態では、アンテナ装置１００は、３個のアンテナ１４０（アンテナ素子）を有するアレーアンテナとして動作する。アレーアンテナを構成する３個のアンテナ（アンテナ素子）は切替可能である。

図３に示すアンテナ装置１００は、３個（複数）の使用アンテナ１４０それぞれの位相・振幅を調整するための３個の調整部３０１，３０２，３０３を備える。各調整部３０１，３０２，３０３は、それぞれ、位相調整のための可変移相器４０１及び振幅調整のための減衰器４０２を備える。調整部３０の数は、使用アンテナ（使用アンテナ素子）の数に対応していればよい。調整部３０１，３０２，３０３は、合成器４１０を介して、車載移動局１０が有する信号処理部５００に接続されている。信号処理部５００は、車載移動局１０においてモバイル通信のための信号処理を行う。なお、調整部の数は、使用アンテナの数に対応した数であってもよく、その場合、使用アンテナに接続されている調整部だけを使用すればよい。

図３のアンテナ装置１００は、３つの調整部３０１，３０２，３０３それぞれを、３２個（複数）のアンテナ１４０のいずれか３つに接続するための選択部３５０を備える。調整部３０１，３０２，３０３に接続されたアンテナ１４０が使用アンテナとなる。選択部３５０は、３個の第１ポート３５１と、３２個の第２ポート３５２を有する。３個の第１ポート３５１は、それぞれ、３個の調整部３０１，３０２，３０３のうちの１つに接続されている。３２個の第２ポート３５２は、それぞれ、３２個のアンテナ１４０のうちの１つに接続されている。

選択部３５０は、各第１ポート３５１を、複数の第２ポート３５２のうちのいずれか一つに選択的に接続するためのスイッチ３５５を備えて構成されている。スイッチ３５５は、第１ポート３５１が３つあることに対応して、３つ設けられている。各スイッチは、それぞれ、異なる第２ポート３５２を選択する。３つのスイッチによって、３つの使用アンテナ１４０それぞれが、３つの調整部３０１，３０２，３０３のうちの１つに接続される。なお、本実施形態では、選択部３５０は、円周全体に等間隔に配置された複数のアンテナ１４０の中から隣接する３つのアンテナ１４０を選択するが、一つ又は二つ置きに３つのアンテナ１４０を選択してもよい。どのアンテナ１４０を使用アンテナとして選択するかは、制御部６００によって決定される。制御部６００は、選択部３５０を制御し、使用アンテナとして選択されるアンテナを切り替える切替処理を実行する。実施形態において、制御部６００が行う処理によってビーム制御方法が実現される。また、実施形態において、制御部６００が行う処理は、コンピュータプログラムをコンピュータに実行させることによって実現されるが、制御部６００が行う処理の一部又は全部が、半導体集積回路によって実現されてもよい。

図４は、仮想的な円周７００に沿った円周状配置の複数のアンテナ１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，・・・が、制御部６００によって制御される選択部３５０によって切り替えられる様子を示している。図４Ａでは、選択部３５０によって、アンテナ１４０ａ、アンテナ１４０ｂ及びアンテナ１４０ｃが選択されている。したがって、これら３つのアンテナ１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃのアレイ合成によりビーム２５１が形成される。図４Ｂでは、選択部３５０によって選択されているアンテナは、アンテナ１４０ｂ、アンテナ１４０ｃ及びアンテナ１４０ｄに切り替わる。これら３つのアンテナ１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄのアレイ合成によりビーム２５２が形成される。ビーム２５２は、ビーム２５１よりも、図４Ｂにおいて時計回りに指向性が変化しており、ビームの向きを変更できている。

図４Ａから図４Ｂの切り替え前後において、選択部３５０によって選択されている使用アンテナの数は、３つであって、同じである。図４Ａから図４Ｂの切り替え前後において、３つの使用アンテナは、円周方向に均等配置された複数のアンテナ１４０から選択された３つの隣接するアンテナ１４０であるため、円周方向間隔も等しい。

したがって、図４Ａから図４Ｂの切り替え前後において、３つの使用アンテナのアレイ合成により得られるビーム２５１，２５２は、円周方向位置は異なるものの、その他の点においては同じ特性を持つことができる。一般に移動局におけるアンテナの切り替えは、基地局３０との間の伝搬環境を変化させ、基地局３０との通信に問題を招き易いため好ましくない。しかし、本実施形態では、使用アンテナを切り替えても、アンテナ利得は変化せず、ビームの方向が変化するだけであるため、使用アンテナを切り替えても問題が少ない。

また、本実施形態では、切替後の使用アンテナ１４０ｂ，１４０ｃ，１０４ｄは、切替前の使用アンテナ１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃのうちの一部のアンテナ１４０ｂ，１０４ｃを含むことができる。このような切替を行うと、図２Ａに示される複数のビーム２５１，２５２，２５３，２５４，２５５，２５６のように、円周方向に細かくビームの向きを調整することができる。これにより、水平面のいずれの方向へも強いビームを形成することが可能となる。アンテナ切替によるビーム方向の調整と信号の位相又は振幅の調整とを併用したビームフォーミングをすることで、高い利得を維持しつつ、水平面のいずれの方向へも対応することができ、高速通信が可能となる。

なお、切替前後において、使用アンテナが重複しないように切替を行っても良い。例えば、切替前においては、図２Ａにおけるアンテナ１４０ｐ，１４０ｑ，１４０ｒが使用アンテナとなってビーム２５７が形成されており、切替後においては、図２Ｂにおけるアンテナ１４０ｓ，１４０ｔ，１４０ｕが使用アンテナとなってビーム２５８が形成されてもよい。

図４に示すような、使用アンテナの切り替えは、例えば、車両２０（車載移動局１０；アンテナ装置１００）の移動に応じて、水平面におけるビームの向きを変えるために行われる。車両２０の運行により、車両２０の位置・向きが変わり、基地局３０との相対的な位置関係が変化する。アンテナ装置１００の制御部６００は、基地局３０と移動局１０との相対的位置関係に基づいて、最適なビーム方向を得るための使用アンテナとなるアンテナ１４０を決定する。

基地局３０と移動局１０との相対的位置関係は、例えば、基地局３０に対する移動局１０の相対運行方向として算出される。図３に示すように、制御部６００は、切替処理において、通信信号の周波数からドップラー周波数を推定し（ステップＳ１０）、ドップラー周波数から、移動局１０の相対運行方向を推定し（ステップＳ２０）、相対運行方向に基づいて、使用アンテナ（切替先アンテナ）を決定することができる（ステップＳ３０）。

例えば、基地局３０と移動局１０とが図５Ａに示す位置関係にあるときに、移動局１０では、ビーム２６１が形成される使用アンテナ１４０が選択されているものとする。このとき、移動局１０の制御部６００は、基地局３０に対する移動局１０の相対運行方向を推定し、現在のビーム２６１と相対運行方向に基づき、次に向けるべきビーム２６２，２６３の方向を決定する。図５Ｂに示すように、移動局１０が、図の右方に運行している場合、ビーム方向は、図における反時計回りに変化させるべきであり、このことから次に向けるべきビーム２６２が特定される。また、図５Ｃに示すように、移動局１０が、図の左方に運行している場合、ビーム方向は、図における時計回りに変化させるべきであり、このことから次に向けるべきビーム２６３が特定される。ビームの方向が特定されると、そのビームを形成するためのアンテナ１４０が使用アンテナとして決定される。

人によって携帯（典型的には手持ち）される移動局の場合、移動局と人との相対位置関係は不規則に変化し、人の将来の移動方向の推定も容易ではない。これに対して、車載移動局１０は、車両２０に搭載されており、車両２０との相対位置関係はほとんど変化せず、車両２０自体の位置姿勢も急激に変更しない。したがって、車載移動局１０の将来の相対運行方向の推定は比較的容易である。これを利用して、基地局３０と移動局１０との相対運行方向を推定して、ビーム方向を切り替えることで、常にビームを基地局３０に向けることができる。また、ビームを基地局３０に向けるために、全てのビーム方向をスイープする必要がない。しかも、本実施形態のアンテナ装置３００は水平面の全方向にビームを向けることができるため、車載移動局１０がどの方向に運行しても対応することができる。

車載移動局１０の将来の相対運行方向の推定は、ドップラー周波数に限らず、ＧＰＳ信号に基づいて行っても良い。また、車両２０の運行ルートが予め決まっている場合、運行ルート情報に基づいて、車載移動局１０の将来の相対運行方向の推定を行っても良い。運行ルート情報は、例えば、バス又は電車の路線情報でもよいし、カーナビゲーションシステムによって選択された経路情報でもよい。

図６は、アンテナ装置１００の変形例を示している。図２において、支持体１１２は、正３２角筒状であったが、図６では、正６角筒状であり、アンテナ素子１２０（第１アンテナ素子）は、支持体１１２の６個の側面それぞれに形成され、円周方向に６個配置されている。これらの６個のアンテナ素子１２０は、水平面における仮想的な水平面（ＸＹ平面）における円周７００上に等間隔に配置され、円周状配置となっている。６個のアンテナ素子１２０それぞれの円周方向間隔は、６０°である。図６では、２つのアンテナ素子１２０のアレイ合成により形成されるビーム２５１，２５２，２５３，２５４，２５５，２５６を示したが、３つのアンテナ素子１３０のアレイ合成によりビームを形成してもよい。図６のアンテナ装置１００においても、アンテナ素子１２０を垂直方向に多段配置してもよいし、１段配置でもよい。

図７は、アンテナ装置１００の他の変形例を示している。図７に示すアンテナ装置１００は、図６に示すアンテナ装置と同様に、正６角筒状の支持体１１２を有する。支持体１１２の６個の側面それぞれには、水平方向に４個（複数）のアンテナ素子が配置されている。図７では、複数のアンテナ素子１２０は、１つの水平面において合計２４個ある。図７に示すアンテナ素子１２０は、それぞれ水平面周方向に間隔をおいいて、６角形リング状に配置されている。水平面におけるリング状配置は、多角形リング状配置でもよいし、円リング状配置でもよい。このようなリング状配置でも、水平面全方向への対応が可能である。

図８は、アンテナ装置１００の他の変形例を示している。図８において、支持体１１２は、複数（２個）の分割支持体１１２ａ，１１２ｂにより構成されている。図８の分割支持体１１２ａ，１１２ｂは、図２の正３２角筒を左右に２つに分割したものであり、それぞれ、１８個のアンテナ素子１２０を有する。図８のアンテナ装置１００の分割支持体１１２ａ，１１２ｂを結合すると、図２のアンテナ装置１００と等価である。支持体１１２が複数に分割されていると、車両２０への適切な分割配置が可能となる。例えば、一方の分割支持体１１２ａを、車両２０の前部に配置し、他方の分割支持体１１２ｂを車両２０の後部に配置することができる。また、分割数は、２分割に限られず、例えば、４分割であってもよい。４分割により、分割支持体を車両の四隅に配置することができる。

図８のように、支持体１１２が、複数の分割支持体１１２により構成されている場合、アンテナ素子１２０の円周状等間隔配置は、複数の分割支持体１１２を結合したときに得られていれば足りる。

図９〜図１１は、アンテナ装置１００の他の変形例を示している。図９に示すアンテナ装置１００は、図２Ｂに示すアンテナ装置１００のキャリブレーション用アンテナ素子１５０を追加したものである。アンテナ素子１５０は、アンテナ素子１２０のアンテナキャリブレーションに用いられる。アンテナ素子１５０も、アンテナ素子１２０と同様に、円周方向に３２個配置されている。複数のアンテナ素子１５０の配置は、各段の複数のアンテナ素子１２０の配置と共通しており、円周上等間隔配置である。また、各段のアンテナ素子１２０及びアンテナ素子１５０の円周方向位置も揃っている。つまり、支持体１１２の３２個の側面２０１それぞれには、垂直方向に５個のアンテナ素子１２０，１５０が配置されている。

図９において、アンテナ素子１５０は、アンテナ素子１２０よりも下方、つまり、最下段に配置されているが、アンテナ素子１２０よりも上方、つまり、最上段に配置されていてもよい。なお、３２個のアンテナ素子１５０の集合を、キャリブレーション用アンテナ素子群１３０ｅという。図９のアンテナ装置１００において説明を省略した点は、図２Ｂのアンテナ装置１００と同様である。

実施形態において、アンテナキャリブレーションは、通信に用いられるアンテナ素子１２０間の位相のキャリブレーションである。位相のキャリブレーションにより、指定された方向にビームを正確に向けることができる。実施形態において、位相キャリブレーションは、キャリブレーションの対象となるアンテナ素子から出力された信号を、キャリブレーション用アンテナ素子１５０にて受信し、受信した信号をキャリブレーション基準信号と比較し、比較結果に基づいて、キャリブレーションの対象となるアンテナ素子に接続された位相器の位相を校正することで行われる。

図１０及び図１１は、キャリブレーションのより具体的な方法の一例を示している。なお、ここでは、垂直方向に並ぶ４つのアンテナ素子１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄを一つのアンテナ１４０として扱い、アンテナ１４０単位でキャリブレーションが行われる。各アンテナ１４０には、位相器４０１等を含む調整部３０１，３０２，・・，３３２が設けられている。すなわち、アンテナ１４０は、円周方向に３２個配置され、調整部３０１，３０２，・・，３３２もアンテナ１４０に対応して３２個設けられている。すなわち、図１０及び図１１では、３２本の送受信パスが存在する。

図１０は、３２本の送信パスのキャリブレーションの仕方を示している。キャリブレーションのための３２個のアンテナ１４０からの送信は、時分割で順番に行われる。つまり、あるアンテナ１４０から送信の送信中は、他のアンテナ１４０からの送信は行われない。あるアンテナ１４０から送信された信号の受信のためのアンテナ素子１５０として、そのアンテナ１４０と円周方向位置が一致するアンテナ素子１５０が選択される。

受信のために選択されたアンテナ素子１５０によって受信された信号は、信号処理部５００に与えられる。信号処理部５００は、受信信号とキャリブレーション基準信号とを比較し、位相器の構成パラメータを計算する。計算された構成パラメータは、信号を送信したアンテナ１４０の送信パスに含まれる位相器に与えられ、その送信パスの位相キャリブレーションが行われる。あるアンテナ１４０の送信パスのキャリブレーションが完了すると、他のアンテナ１４０の送信パスのキャリブレーションが順次行われ、これにより、３２個全てのアンテナ１４０の送信パスのキャリブレーションが行われる。

図１１は、３２本の受信パスのキャリブレーションの仕方を示している。キャリブレーションのための３２個のアンテナ１４０による受信も、時分割で順番に行われる。キャリブレーション信号の送信は、キャリブレーション用アンテナ素子１５０によって行われる。あるアンテナ１４０によって受信される信号を送信するアンテナ素子１５０として、そのアンテナ１４０と円周方向位置が一致するアンテナ素子１５０が選択される。つまり、受信アンテナ１４０と円周方向において同じ位置にあるアンテナ素子１５０が送信アンテナとして選択される。

あるアンテナ素子１５０から送信されたキャリブレーション信号は、そのアンテナ素子１５０と円周方向において同じ位置にあるアンテナ１４０によって受信される。アンテナ１４０によって受信された信号は、信号処理部５００に与えられる。信号処理部５００は、受信信号とキャリブレーション基準信号とを比較し、位相器の構成パラメータを計算する。計算された構成パラメータは、信号を受信したアンテナ１４０の受信パスに含まれる位相器に与えられ、その受信パスの位相キャリブレーションが行われる。あるアンテナ１４０の受信パスのキャリブレーションが完了すると、他のアンテナ１４０の受信パスのキャリブレーションが順次行われ、これにより、３２個全てのアンテナ１４０の受信パスのキャリブレーションが行われる。

なお、キャリブレーションにおいては、位相キャリブレーションだけでなく、振幅キャリブレーションも行っても良い。

［２．２ 第２実施形態］

図１２は、第２実施形態に係るアンテナ装置１００を示している。このアンテナ装置１００も、第１実施形態のアンテナ装置１００と同様に車載移動局１０に設けられる。第２実施形態に関し、以下において特に説明しない点については、第１実施形態と同様である。

第２実施形態のアンテナ装置１００は、水平方向は全方向に対応した無指向性アンテナとして機能し、ビームフォーミングにより垂直方向に指向性を絞って利得を向上させて、高速通信を可能とする。

図１２Ｂ，図１２Ｃに示すように、第２実施形態において、アンテナ素子１２０を支持する支持体１１２は、錐体状である。錐体は、角錐体（ｎ角錐体）でもよいし、円錐体でもよい。錐体状には、完全な錐体だけでなく、錐台を含むものとする。錐台は、角錐台でもよいし、円錐台でもよい。

図１２Ｂ，図１２Ｃに示す支持体１１２は、８角錐体状（ｎ＝８）であり、８個の傾斜面２０１を有する。支持体１１２の傾斜面２０１には、複数のアンテナ素子１２０が配置されている。アンテナ素子１２０は、８個（ｎ個）の傾斜面２０１それぞれに形成されている。各傾斜面２０１には、傾斜面に沿った径方向に４個（複数）のアンテナ素子１２０が１列に配置されている。

図１２Ｂ，図１２Ｃにおいては、垂直方向における同じ高さに８個のアンテナ素子１２０が配置され、同じ高さの８個のアンテナ素子１２０に着目すると、その８個のアンテナ素子１２０は、水平面において円周状に等間隔で配置されている。垂直方向の各段のアンテナ素子１２０の円周方向位置は揃っている。図１２Ｂにおいて、円周方向に隣接する任意の２つのアンテナ素子１２０，１２０の間の円周方向角θは４５°である。なお、同じ高さの８個のアンテナ素子１２０は、水平面において８角形リング状に配置されているということもできる。

第１実施形態と同様に、図１２においても、最上段に設置された８個のアンテナ素子１２０それぞれを「第１アンテナ素子１２０ａ」といい、８個の第１アンテナ素子１２０ａの集合を第１アンテナ素子群１３０ａという。第１アンテナ素子１２０ａの直下（上から２段目）に配置された８個のアンテナ素子１２０それぞれを「第２アンテナ素子１２０ｂ」といい、８個の第２アンテナ素子１２０ｂの集合を第２アンテナ素子群１３０ｂという。第２アンテナ素子１２０ｂの直下（上から３段目）に配置された８個のアンテナ素子１２０それぞれを「第３アンテナ素子１２０ｃ」といい、８個の第３アンテナ素子１２０ｂの集合を第３アンテナ素子群１３０ｃという。第３アンテナ素子１２０ｃの直下（上から３段目）に配置された８個のアンテナ素子１２０それぞれを「第４アンテナ素子１２０ｄ」といい、８個の第４アンテナ素子１２０ｃの集合を第４アンテナ素子群１３０ｄという。

図１２Ｂ，図１２Ｃに示すように、各段のアンテナ素子１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄは、それぞれ、水平面において、円周状等間隔配置である。また、第２アンテナ素子１２０ｂは、第１アンテナ素子１２０ａよりも径方向外方に配置され、第１アンテナ素子１２０ａが描く円周よりも大きな円周を描くように配置されている。また、同様に、第３アンテナ素子１２０ｂは第２アンテナ素子１２０ｂよりも、第４アンテナ素子１２０ｂは第３アンテナ素子１２０ｃよりも径方向外方に配置されている。

平面アンテナであるアンテナ素子１２０は、傾斜面２０１の表面に形成されているため、アンテナ素子１２０の面方向が、傾斜している。したがって、各アンテナ素子１２０は、水平面においては径方向外方であって、垂直面においては、斜め上方に向く指向性を持つ。

図１２Ａに示すように、円周状に配置された同じ高さのアンテナ素子１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄは、同相合成される。したがって、第１アンテナ素子群１３０ａ、第２アンテナ素子群１３０ｂ、第３アンテナ素子群１３０ｃ及び第４アンテナ素子群１４０ｄは、それぞれ、水平面において無指向性となるビームを形成する。水平面において無指向性であることで、基地局３０が移動局１０からみてどの方向にあっても、基地局３０との安定した通信が可能となる。

また、図１２Ａに示すように、第２実施形態のアンテナ装置１００では、第１アンテナ素子群１３０ａ、第２アンテナ素子群１３０ｂ、第３アンテナ素子群１３０ｃ及び第４アンテナ素子群１３０ｄを４つのアンテナとして、４つのアンテナによるアレイアンテナとして機能する。４つのアンテナ１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄは、垂直方向に位置が異なるため、ビームフォーミングにより、垂直面における指向性を変えることができる。車載移動局１０と基地局３０との垂直方向の相対的位置に応じて、垂直面における指向性変えることで、基地局３０の向きにおいて大きな利得を得ることができ、安定した高速通信が可能となる。

また、第２実施形態では、アンテナ素子１２０が傾斜面２０１に配置されているため、大きな利得を得やすいアンテナ正面方向が斜め上方を向いている。基地局３０は、一般に、高所に配置されているため、アンテナ正面方向が垂直方向であったり、水平方向であったりする場合に比べて、アンテナ正面方向が斜め上方であると、基地局３０との通信において高い利得を得やすい。

しかも、傾斜面２０１に沿って並んだ４つのアンテナ１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄは、アレイ合成され、各アンテナの位相が、可変位相器４０５によって調整されることで、チルト角制御が行える。チルト角制御により、基地局３０の向きに適切にビームを向けることができる。第２実施形態では、第１実施形態のように、水平面における指向性制御は行わないが、垂直面における指向性制御を行うことで、アンテナ利得を得ることができる。

［３．他の観点からの発明の開示］

［３．１ 構成］

［３．１．１ 第１項］
アンテナ装置であって、
ベースと、
前記ベースに支持され、水平面においてリング状に配置された複数の第１アンテナ素子と、
前記ベースに支持され、水平面においてリング状に配置された複数の第２アンテナ素子と、
を備え、
複数の前記第２アンテナ素子は、複数の前記第１アンテナ素子よりも下方に配置され、複数の前記第１アンテナ素子よりも前記リングの径方向外方に配置され、
複数の前記第１アンテナ素子及び複数の前記第２アンテナ素子は、それぞれ、前記リングの径方向外方かつ斜め上方に向く指向性を有する
アンテナ装置。

［３．１．２ 第２項］
複数の前記第１アンテナ素子及び複数の第２アンテナ素子は、水平面において無指向性となるビームを形成する
第１項に記載の車載移動局用アンテナ装置。

［３．１．３ 第３項］
複数の前記第１アンテナ素子と複数の前記第２アンテナ素子とのアレイ合成によりビームのチルト角制御が行われる請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の車載移動局用アンテナ装置。

［３．１．４ 第４項］
前記アンテナ装置は、車載移動局用である
第１項〜第３項のいずれか１項に記載のアンテナ装置。

［３．１．５ 第５項］
第１項〜第３項いずれか１項に記載のアンテナ装置を備えた移動局。

［３．２ 説明］

［３．２．１ 第１項］
前述の第１項に係るアンテナ装置は、ベースと、前記ベースに支持され、水平面においてリング状に配置された複数の第１アンテナ素子と、前記ベースに支持され、水平面においてリング状に配置された複数の第２アンテナ素子と、を備える。ここで、水平面は、アンテナ装置において物理的に存在している必要はなく、仮想的に観念される水平面であれば足りる。また、リング状とは、アンテナ素子そのものの形状がリング状であるのではなく、複数のアンテナ素子の配置の全体的な形態がリング状であることをいう。リングは、真円であってもよいし、楕円であってもよいし、多角形であってもよい。リング状配置の複数のアンテナ素子は、互いに接触している必要はなく、各アンテナ素子間には間隔が存在する。第１項に係るアンテナ装置によれば、水平方向全方向に対応できるとともに、斜め上方の指向性を持つことができる。

［３．２．２ 第２項］
第２項のアンテナ装置によれば、水平面において無指向性となるビームを形成することができる。

［３．２．３ 第３項］
第３項のアンテナ装置によれば、複数の前記第１アンテナ素子と複数の前記第２アンテナ素子とのアレイ合成によりビームのチルト角制御を行える。

［３．２．４ 第４項］
前記アンテナ装置は、車載移動局用に好適である。
［３．２．５ 第５項］
移動局は、第１項〜第３項いずれか１項に記載のアンテナ装置を備えることができる。

［４．付記］
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 車載移動局
２０ 車両
２０ａ 天井
３０ モバイル通信基地局
４０ 無線ＬＡＮ無線部
５０ 端末
１００ アンテナ装置
１１０ ベース
１１１ 取付部
１１２ 支持体
１２０ アンテナ素子
１２０ａ 第１アンテナ素子
１２０ｂ 第２アンテナ素子
１２０ｃ 第３アンテナ素子
１２０ｄ 第４アンテナ素子
１３０ａ 第１アンテナ素子群
１３０ｂ 第２アンテナ素子群
１３０ｃ 第３アンテナ素子群
１３０ｄ 第４アンテナ素子群
１４０ アンテナ
１５０ キャリブレーション用アンテナ素子
２００ 軸心
２０１ 側面
２１０ 径方向
２２０ ビーム
２５１ ビーム
２５２ ビーム
２５３ ビーム
２５４ ビーム
２５５ ビーム
２５６ ビーム
２５７ ビーム
２５８ ビーム
２６１ ビーム
３６２ ビーム
２６３ ビーム
３０１ 調整部
３０２ 調整部
３０３ 調整部
３３２ 調整部
３３３ 調整部
３５０ 選択部
３５１ 第１ポート
３５２ 第２ポート
３５５ スイッチ
４０１ 位相器
４０２ 減衰器
４０５ 可変位相器
４１０ 合成器
５００ 信号処理部
６００ 制御部
７００ 円周

Claims (13)

1. モバイル通信基地局と通信する車載移動局用のアンテナ装置であって、
   車両に取り付けられるベースと、
   前記ベースに支持された複数の第１アンテナ素子と、
   各第１アンテナ素子のアンテナキャリブレーションのための複数のキャリブレーション用アンテナ素子と、
   を備え、
   複数の前記第１アンテナ素子は、水平面において円周状に等間隔に配置され、それぞれ前記円周の径方向外方に向く指向性を有し、
   複数の前記キャリブレーション用アンテナ素子は、前記水平面において円周状に等間隔に配置され、
   各前記キャリブレーション用アンテナ素子の円周方向の位置は、複数の前記第１アンテナ素子のうちのいずれか１つの第１アンテナ素子の円周方向の位置と一致する
   車載移動局用アンテナ装置。
2. 複数の前記第１アンテナ素子は、水平面全方向にビームを向けることができるように配置されている
   請求項１に記載の車載移動局用アンテナ装置。
3. 複数の前記第１アンテナ素子のうちの一部を、前記モバイル通信基地局との通信に用いられる１又は複数の使用アンテナ素子として選択する選択部を更に備える
   請求項２に記載の車載移動局用アンテナ装置。
4. 前記車載移動局用アンテナ装置の移動に応じて水平面におけるビームの向きを変えるために、前記使用アンテナ素子として選択される第１アンテナ素子を切り替える切替処理を実行する制御部を更に備える
   請求項３に記載の車載移動局用アンテナ装置。
5. 切り替え後の複数の使用アンテナ素子の数及び円周方向間隔は、切り替え前の複数の使用アンテナ素子の数及び円周方向間隔と同じである
   請求項４に記載の車載移動局用アンテナ装置。
6. 切り替え後の複数の使用アンテナ素子の少なくともいずれか一つは、切り替え前の複数の使用アンテナ素子に含まれる
   請求項４又は５に記載の車載移動局用アンテナ装置。
7. 前記切替処理は、前記車載移動局用アンテナ装置と前記モバイル通信基地局との相対運行方向を算出し、前記相対運行方向に基づいて、前記使用アンテナ素子として選択される第１アンテナ素子を切り替えることを含む
   請求項４〜６のいずれか１項に記載の車載移動局用アンテナ装置。
8. 複数の前記第１アンテナ素子の数と同数の複数の第２アンテナ素子を更に備え、
   複数の前記第２アンテナ素子は、複数の前記第１アンテナ素子とは垂直方向に異なる位置に配置され、水平面において円周状に等間隔に配置され、それぞれの円周方向位置が、いずれか一つの前記第１アンテナ素子の円周方向位置と一致し、それぞれ前記円周の径方向外方に向く指向性を有する
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の車載移動局用アンテナ装置。
9. 複数の前記第２アンテナ素子は、複数の前記第１アンテナ素子よりも下方に配置され、複数の前記第１アンテナ素子よりも前記円周の径方向外方に配置されている
   請求項８に記載の車載移動局用アンテナ装置。
10. 複数の前記第１アンテナ素子及び複数の前記第２アンテナ素子は、それぞれ、前記円周の径方向外方かつ斜め上方に向く指向性を有する
    請求項９に記載の車載移動局用アンテナ装置。
11. 複数の前記第１アンテナ素子及び複数の第２アンテナ素子は、水平面において無指向性となるビームを形成する
    請求項９又は１０に記載の車載移動局用アンテナ装置。
12. 複数の前記第１アンテナ素子と複数の前記第２アンテナ素子とのアレイ合成によりビームのチルト角制御が行われる請求項９〜１１のいずれか１項に記載の車載移動局用アンテナ装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の車載移動局用アンテナ装置を備えた車載移動局。

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