JPWO2013140758A1

JPWO2013140758A1 - アンテナ装置

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Publication number: JPWO2013140758A1
Application number: JP2014506010A
Authority: JP
Inventors: 高英吉田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2015-08-03
Also published as: WO2013140758A1

Abstract

本発明は、通信環境に応じて複数アンテナ形態と１アンテナ形態とを切り替えて、最適な無線通信品質を提供することの出来るアンテナ装置を提供することを目的とする。本発明のアンテナ装置は、線状の第１のアンテナ素子と、線状の第２のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子の一端と前記第２のアンテナ素子の一端とを電気的に開閉する第１の開閉スイッチと、前記第１のアンテナ素子の他端と前記第２のアンテナ素子の他端とを電気的に開閉する第２の開閉スイッチと、前記第２のアンテナの一端に接続される選択スイッチと、を有し、前記選択スイッチは、前記第２のアンテナの一端をグランドに接続するか前記第２のアンテナの一端に信号を供給する給電部に接続するかを選択する。

Description

本発明は、主として通信環境に応じて、最適なアンテナ形態に切り替えることができるアンテナ装置に関する。

近年、通信容量を増大させて高速通信を実現するために、複数の無線信号（ストリーム）を空間分割多重方式により同時に送受信する、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を採用したアンテナ装置が登場している。ＭＩＭＯ通信方式では、送信側および受信側がそれぞれ複数のアンテナ素子を用いる。送信側はそれぞれのアンテナから同時に異なるデータ（ストリーム）を送信し、受信側は受信したデータを合成することにより通信の高速化を図る。

ＭＩＭＯ通信方式以外の方式には、ＳＩＳＯ通信、ＳＩＭＯ通信、ＭＩＳＯ通信がある。ＳＩＳＯはＳｉｎｇｌｅ−ＩｎｐｕｔＳｉｎｇｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ、ＳＩＭＯはＳｉｎｇｌｅ−ＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ、ＭＩＳＯはＭｕｌｔｉｐｌｅ−ＩｎｐｕｔＳｉｎｇｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔの略である。ＳＩＳＯ通信、ＳＩＭＯ通信、ＭＩＳＯ通信は１ストリーム通信方式である。ＳＩＳＯ通信に於いては、送受共に１アンテナを用いて行われる。ＳＩＭＯ通信に於いては、受信は複数アンテナを用いて行われるが、送信は１アンテナを用いて行われる。ＭＩＳＯ通信に於いては、逆に、送信は複数アンテナを用いて行われるが、受信は１アンテナを用いて行うことができる。即ち１ストリーム通信方式に於いては送信側アンテナまたは受信側アンテナのうち、何れかのアンテナは１本のアンテナでも良い。

携帯端末等の移動体通信に於いては、一般的に、アンテナの実装可能面積は非常に限られている。アンテナ実装可能面積が少ないので、なるべく複数のアンテナ素子を一箇所にまとめて小さい面積で設置できることが望ましい。

ところが、複数のアンテナ素子が一箇所にまとめられることにより近接すると、アンテナ間に電磁結合が生じ、アンテナ放射効率が低下するおそれがある。また、受信した空間分割多重信号の間に相関が発生し、複数アンテナの特性が十分発揮出来ず、ＭＩＭＯ通信等の通信性能が劣化するおそれもある。

従って、ＭＩＭＯ通信を行う場合、携帯電話に於ける限られた実装可能面積の中で、複数のアンテナを実装し、更に、それら複数のアンテナが互いに干渉しない様にアンテナを実装する技術が求められる。

一方、ＭＩＭＯ通信以外の、ＳＩＳＯ通信、ＳＩＭＯ通信、ＭＩＳＯ通信においては、前述の通り、使用されるアンテナが１本の場合があるが、その場合でも、良好な通信を行えるだけの十分な放射効率を有するアンテナ素子が求められる。

携帯端末のような移動体通信では、様々な通信環境がありうる。従って、状況によって、送受信の両方に複数アンテナが用いられるＭＩＭＯ通信のような複数ストリームによる通信方式と、送受信うちの一方は１アンテナで足りる１ストリームの通信方式とを使い分けるのが好ましい。更には、１ストリーム通信方式の場合でも、送信側及び受信側の環境によって、ＳＩＳＯ通信、ＳＩＭＯ通信、ＭＩＳＯ通信を使い分けるのが好ましい。即ち、送信側と受信側の何れに於いても、１アンテナである場合と複数アンテナである場合とが柔軟に切り換えられるのが好ましい。

複数アンテナを用いる場合、アンテナ素子間の相関を下げて通信特性を改善するために、様々な技術が提案されてきた。

例えば、特許文献１では、２本のアンテナ素子間の電磁結合を減少させる技術が記載されている。この技術では隣接した２本のアンテナ素子間の相互結合インピーダンスがキャンセルされるように、アンテナ素子間に接続回路が設けられている。この技術により、同一周波数で動作する、低結合で高効率なＭＩＭＯ通信用アンテナを実現できるとしている。

特開２０１１−２０５３１６号公報

しかし特許文献１の技術においては、２本のアンテナのうちの一方のみを用いて通信を行う場合は、単体のアンテナ素子と比べると放射効率が劣化するおそれがある。また特許文献１の技術では、２つのアンテナ素子が近接しているために、各アンテナ素子に反対方向に指向性が生じ、利得の低い方向が生じるという問題がある。この問題は携帯端末を用いた無線通信のように、電波の到来方向が変化する場合に、送受信特性の劣化の原因となる。

従って、特許文献１の技術では、ＭＩＭＯ通信方式とそれ以外の１ストリームの通信方式とを通信環境に応じて切り換えたい場合に、以下の様な問題が生じる。即ち、ＭＩＭＯ通信を行うには不適切な通信環境になった場合に、ＭＩＭＯ通信以外の、アンテナ１本で行う１ストリーム通信方式に切り換えて通信が行なわれる。その際、１アンテナに於ける放射効率が十分でない為、良質な通信品質を確保できない、という問題が生じる。
（発明の目的）
本発明は、通信環境に応じて、複数のアンテナとして機能する状態（複数アンテナ形態）と、１本のアンテナとして機能する状態（１アンテナ形態）と、を切り替えて、最適な無線通信品質を提供することの出来るアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、線状の第１のアンテナ素子と、線状の第２のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子の一端と前記第２のアンテナ素子の一端とを電気的に開閉する第１の開閉スイッチと、前記第１のアンテナ素子の他端と前記第２のアンテナ素子の他端とを電気的に開閉する第２の開閉スイッチと、前記第２のアンテナの一端に接続され、前記第２のアンテナの一端をグランドに接続するか、前記第２のアンテナの一端に信号を供給する給電部に接続するか、を選択する選択スイッチと、を有する。

本発明のアンテナ切り替え方法は、第１のアンテナ素子の他端と第２のアンテナ素子の他端とを電気的に開閉し、
前記第２のアンテナの一端をグランドに接続するか、前記第２のアンテナの一端に信号を供給する給電部に接続するか、を選択する。

以上説明したように、本発明においては、以下に記載するような効果を奏する。

通信環境に応じて複数アンテナ形態と、１アンテナ形態と、を切り替えて、最適な無線通信品質を提供することの出来るアンテナ装置を提供することができる。

第１の実施形態のアンテナ装置のアンテナ回路部１２０１を示す図である。第１の実施形態アンテナ回路部１２０１の各構成回路を示す図である。第１の実施形態のアンテナ装置の構成を示す図である。第１の実施形態のアンテナ装置のアンテナ形態選択動作の説明のフローチャートである。第１の実施形態のアンテナ装置の折り返しモノポールアンテナ形態におけるアンテナ共振時の電流分布を示す図である。第１の実施形態のアンテナ装置の非結合モノポールアンテナ形態におけるアンテナ素子ａ１２１に給電して、アンテナ素子ｂ１２２を終端した際の電流分布を示す図である。第１の実施形態のアンテナ装置の折り返しモノポールアンテナ形態における指向性を示す図である。第１の実施形態のアンテナ装置の非結合モノポールアンテナ形態における各アンテナの指向性を示す図である。第１の実施形態のアンテナ装置の折り返しモノポールアンテナ形態および非結合モノポールアンテナ形態における放射効率を示す図である。第１の実施形態のアンテナ装置の非結合モノポールアンテナ形態におけるアンテナ間の相関係数を示す図である。第１の実施形態のアンテナ装置の折り返しモノポールアンテナおよび非結合モノポールアンテナ形態における各アンテナパラメータおよびチャネル容量を示す図である。第１の実施形態のアンテナ装置の構成を示す図である。第２の実施形態のアンテナ装置の構成を示す図である。

本発明は下記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。
（第１の実施形態）
（構成の説明）
第１の実施形態のアンテナ装置の構成について説明する。

図１２は第１の実施形態のアンテナ装置の構成を示す図である。

本実施形態のアンテナ装置１２００は、アンテナ回路部１２０１、ＲＦ回路部１２０２、１スイッチ制御部２０３、通信性能評価部１２０４を有する。

ＲＦ回路部１２０２は、信号の送受信を行う際の、アンテナと送受信部（図示せず）との間の信号のやりとりを担う。即ち、ＲＦ回路部１２０２は、送受信部からのベースバンド信号を高周波信号に変換し、アンテナ回路部１２０１に送信信号として出力する。また、ＲＦ回路部１２０２は、アンテナ回路部１２０１からの高周波信号を復調し、受信信号として送受信部に出力する。更に、ＲＦ回路部１２０２は、通信性能評価部１２０４に対して、評価の対象となる受信信号を出力する。

スイッチ制御部１２０３は、通信性能評価部１２０４の指示に基づき、図２に示すアンテナ回路１２０１のアンテナ回路ａ１３１、アンテナ回路ｂ１３２、アンテナ回路ｄ１３４のスイッチの切り替え動作の制御を行う。

通信性能評価部１２０４は、ＲＦ回路部１２０２から入力された、評価対象となる受信信号を基に、アンテナ装置の通信性能を評価する。通信性能評価部１２０４に於ける通信性能指標としては、例えばチャネル容量、スループット、ビットエラーレート、ブロックエラーレートなどが挙げられる。通信性能評価部１２０４の動作の詳細については後述する。

図１は本実施形態のアンテナ回路部１２０１の構成を示す図である。

アンテナ回路部１２０１はグランド板１０１を有する。グランド板１０１には、アンテナ装置のアンテナ素子ａ１２１、アンテナ素子ｂ１２２、アンテナ回路ａ１３１、アンテナ回路ｂ１３２、アンテナ回路ｃ１３３、アンテナ回路ｄ１３４、給電部ａ１０４が接続されている。

グランド板１０１、アンテナ素子ａ１２１、アンテナ素子ｂ１２２の材料には、導体が用いられる。アンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２は基本的に互いに隣接して設置される。

また必要に応じてアンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２の形状は折り曲げるなどして変形されていてもよい。図１の実施形態では、実装面積が極力小さくなるよう、アンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２は、互いに平行に設置されている。

更に、アンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２は、実装面積を極力小さくするため、グランド板に近接するようＬ字型に折り曲げられている。

アンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２は２種類の形態として機能しうる。一つは、それぞれが独立した２本のモノポールアンテナとして機能する状態（非結合モノポールアンテナ形態）である。もう一つは、アンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２が電気的に接続されて１本の折り返しモノポールアンテナとして機能する状態（折り返しモノポールアンテナ形態）である。これら２種類の形態は、アンテナ回路ａ１３１、アンテナ回路ｂ１３２、アンテナ回路ｄ１３４を構成するスイッチによって切り換えられる。

図１に於いて、四角形で表されているアンテナ回路ａ１３１、アンテナ回路ｂ１３２、アンテナ回路ｃ１３３、アンテナ回路ｄ１３４について、それぞれの回路の詳細が図２に示されている。

図２に於いて、アンテナ回路ａ１３１は、コイルとスイッチ回路とを有する。アンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２とを、２本の非結合モノポールアンテナ形態とする際に、アンテナ回路ａ１３１のスイッチがＯＮにされる。

アンテナ回路ａ１３１のコイルは、２本のモノポールアンテナの結合をキャンセルする（非結合）機能をもつ。アンテナ回路ａ１３１は、図１のようにアンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２との間に設置される。アンテナ回路ａ１３１は、特にグランド板１０１の近くに、アンテナ回路ｃ１３３、アンテナ回路ｄ１３４、給電部ａ１０４を挟んで設置される。

アンテナ回路ｂ１３２は単体のスイッチ回路を有し、アンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２の先端部の間に設置される。アンテナ回路ｂ１３２のスイッチがＯＮになることにより、２本のアンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２は電気的に接続され、１本の折り返しモノポールアンテナとして機能する。即ち、アンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２は、２本の非結合モノポールアンテナとしての形態から、１本の折り返しモノポールアンテナ形態へと変化する。

アンテナ回路ｃ１３３はコンデンサを有する。このアンテナ回路ｃ１３３のコンデンサは、非結合モノポールアンテナ形態ではアンテナ素子ａ１２１の整合回路として働く。また、折り返しモノポールアンテナ形態に於いては、このアンテナ回路ｃ１３３のコンデンサは、非結合モノポールアンテナの共振周波数を調整する働きがある。

アンテナ回路ｄ１３４は、アンテナ素子ｂ１２２の接続先を、グランド板１０１と給電部ｂ２０１との間で切り替えるスイッチ回路を有する。折り返しモノポールアンテナ形態の場合はグランド側に、また非結合モノポールアンテナ形態の場合は給電部ｂ２０１側に、スイッチが切り替えられる。

即ち、２本の非結合モノポールアンテナ形態に於いては、給電部ａ１０４からアンテナ素子ａ１２１へ給電されると共に、給電部ｂ２０１からアンテナ素子ｂ１２２へ給電される。

それに対し、折り返しモノポールアンテナ形態に於いては、アンテナ素子ａ１２１、及びスイッチ回路ｂ１３２によって電気的に接続されたアンテナ素子ｂ１２２に対して、給電部ａ１０４のみから給電される。

以上の説明により、アンテナ回路ａ１３１のスイッチがＯＮ(接続）、アンテナ回路ｂ１３２がＯＦＦ（開放）、そしてアンテナ素子ａ１２１がアンテナ回路ｄ１３４によって給電部ａ２０１に接続されると、アンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２は、２本の非結合モノポールアンテナ形態となることが分かる。また、アンテナ回路ａ１３１がＯＦＦ、アンテナ回路ｂ１３２がＯＮ、アンテナ素子ａ１２１がアンテナ回路ｄ１３４によってグランド板１０１に接続されると、アンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２は、折り返しモノポール形態となることが分かる。

この様にして、各スイッチの切り替えにより、折り返しモノポールアンテナ形態、非結合モノポールアンテナ形態のいずれかを選択することができる。

なお、本実施形態では実装面積を極力小さくするため、２本のアンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２は、互いに平行に配置され、更に省面積の為に近接して、０．０１λ（波長の０．０１倍）程度の間隔で設置されている。しかし、２本のアンテナの位置関係は、アンテナの実装場所、実装面積、アンテナの特性等に制約が無ければ、特に平行に限られるものではなく、また２本のアンテナが離れて設置されていても良い。

更に２本のアンテナが、ほぼ一直性上に設置されていても良い。この場合、２本のアンテナ素子が電気的に接続された場合のアンテナは、折り返しでない１本のモノポールアンテナとして機能することになる。

図５は、折り返しモノポールアンテナ形態に於ける、アンテナ共振周波数でのアンテナ装置の電流分布を示した電磁界シミュレーションの結果を示した図である。図の明暗は電流密度の高低を示す。明るいほど電流密度が高いことを示す。アンテナ（アンテナ素子ａ１２１及びアンテナ素子ｂ１２２）と基板とを、全体にわたって電流が分布していることが分かる。このように、広い面積に電流が比較的均一に分布することにより、アンテナの放射効率が大きくなるという効果が期待できる。

一方、図６は、非結合モノポールアンテナ形態に於いて、アンテナ素子ｂ１２２を使用せず、アンテナ素子ａ１２１に対してのみ給電部ａ１０４より給電した場合の、アンテナ装置のアンテナ共振周波数での電流分布を示している。

このときアンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２のポート間には、アンテナ回路ａ１３１の結合抑制効果によって、電流が流れていないことが分かる。これはアンテナ回路ａ１３１が、アンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２との間の結合インピーダンスをキャンセルしているためである。

アンテナ間の結合が抑えられることにより、非結合モノポールアンテナに於いては、アンテナ間結合が強い場合に比べて高い放射効率を発揮することが出来る。またアンテナ間の結合が小さくなることによりアンテナ相関係数が低下し、空間分割多重方式であるＭＩＭＯ通信の通信性能の向上につながる。

その一方、図５（折り返しモノポールアンテナ形態）に示される電流分布は、図６（非結合モノポールアンテナ形態）に示される場合に比べて色が明るく表されていることから、電流密度が高いことがわかる。従って、アンテナ単体での放射効率は、非結合モノポールアンテナ形態の場合よりも折り返しモノポールアンテナ形態の場合の方が高くなることが期待できる。

図７は、折り返しモノポールアンテナ形態に於けるアンテナ指向性を示す。基板の垂直方向を使って電磁波が放射されるため、無指向性の垂直偏波と、８の字型の水平偏波という様な、ダイポールアンテナに近い指向性を示していることが分かる。

図８（ａ）と図８（ｂ）は、それぞれ非結合モノポールアンテナ形態でのアンテナ素子ａ１２１とアンテナ素子ｂ１２２の指向性を示す。一般に、対称構造を持つ隣接したアンテナ同士に対し、非結合回路を用いてアイソレーションをとると、それぞれのアンテナに対して互いに反対方向に放射する指向性特性が生じる。その結果、或る方向から到来する電波を受信しにくくなってしまうという問題が生ずることがある。

しかし本実施形態による非結合モノポールアンテナでは、二つのアンテナが非対称構造であるので、アンテナ素子ａ１２１には、水平方向に無指向性の放射特性が現れる。

図９は折り返しモノポールアンテナ形態と、非結合モノポールアンテナ形態でのアンテナ放射効率を示す。この図からは、共振周波数に於いて、折り返しモノポールアンテナが、最も高い放射効率を示すことが分かる。

図１０は、非結合モノポールアンテナの、アンテナ間における相関係数を示す。共振周波数で、アンテナ回路ａ１３１の効果によって相関係数がほぼゼロとなることが分かる。空間分割多重方式であるＭＩＭＯ通信では、複数ストリームの送信信号を受信側で区別できるように、アンテナ間の相関係数が低いことが要求されるが、ここでの相関係数は十分低い値を示している。
（動作の説明）
次に第１の実施形態の動作を説明する。図３は、図１に示された本実施形態のアンテナ装置の構成の詳細、特に、アンテナ回路部１２０１内の詳細な構成を示している。

アンテナ形態として、折り返しモノポールアンテナ形態と非結合モノポールアンテナ形態の２種類が、スイッチ回路ａ〜ｄによる切り替えによって選択される。アンテナ形態の選択は、ＲＦ回路部１２０２から入力される受信信号に対する通信性能評価部１２０４での評価結果に基づいて行われる。通信性能評価部１２０４は図４に示されるフローチャートに従って通信性能の評価を行う。

スイッチ制御部１２０３はアンテナ回路１２０１内のアンテナ回路ａ１３１、アンテナ回路ｂ１３２、アンテナ回路ｄ１３４のスイッチを制御する。

図４は、第１の実施形態のアンテナ装置の通信性能評価部１２０４に於けるアンテナ形態の選択動作の説明のフローチャートである。

本実施形態のアンテナ形態選択処理では、先ず、折り返しモノポールアンテナ形態における通信性能評価が行われる（Ｓ１）。この場合、受信側アンテナは１本なので、１ストリーム通信方式であるＭＩＳＯ通信、ＳＩＳＯ通信が主体となる。通信性能評価としては、ＲＦ回路１２０２から入力される受信信号に対して、所定の指標に基づいて評価が実施される。

通信性能評価の指標としては、例えばスループット、チャネル容量、ビットエラーレート、ブロックエラーレートなどが挙げられる。この実施形態では、チャネル容量を指標として用いることとする。

チャネル容量は式（１）で求められる。

ここで、ＳＮＲはＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ、即ち受信信号と雑音電力の比、Ｉは２×２の単位行列を表す。

Ｈはチャネル行列を表し、サイズが２×２の行列である。Ｈの上付き文字Ｈはエルミート転置、即ち複素共役転置の演算を示す。送信信号をＳとして、受信信号ＲをＨを用い、雑音成分を無視して表すと式（２）で表される。

r_１，ｒ_２は、それぞれ受信側の１番目及び２番目のアンテナ素子で受信される信号、ｓ_１，ｓ_２は、それぞれ送信側の１番目及び２番目のアンテナ素子から送信される信号である。

つまりチャネル行列Ｈの各要素ｈ_ｉｊは、送信機のｊ番目のアンテナ素子と、受信機のｉ番目のアンテナ素子との間の伝搬係数、即ち、これらのアンテナ素子間で送受信される信号の位相回転量及び振幅減衰量を表す。

伝搬係数は、例えば、次の様にして推定される。即ち、受信機には所定のパイロット信号が予め記憶されており、送信機は、この既知のパイロット信号を受信機に向けて伝送する。受信機では、予め記憶されているパイロット信号と、受信された信号（すなわち伝送されたパイロット信号）との振幅、位相を比較することにより伝搬係数が推定出来る。この伝搬係数からチャネル行列Ｈが求められる。

伝搬係数は、通信性能評価部１２０４に於いてＲＦ回路１２０２からの受信信号を基に推定される。更にこの実施形態では、ＳＮＲについても、通信性能評価部１２０４に於いてＲＦ回路１２０２からの受信信号をもとに推定されるものとする。

折り返しモノポールアンテナ形態の場合は、受信側アンテナは１本なので、ＳＩＳＯ通信やＭＩＳＯ通信が主体となる。この状態での伝送容量が計算され、通信性能評価部１２０４内にその結果が保持される。例えばＳＩＳＯ通信の通信容量は式（３）で表される。

ｈは、ＳＩＳＯ通信伝送路に於ける伝搬係数（上付き＊は複素共役の意）である。

次にスイッチ制御器１２０３は、アンテナ回路１２０１内のアンテナ回路ａ１３１、アンテナ回路ｂ１３２、アンテナ回路ｄ１３４のスイッチを切り替え、アンテナ形態を、２本の非結合モノポールアンテナ形態へと変更する（Ｓ２）。この場合は送受信共にアンテナ数が２以上であれば、ＭＩＭＯ通信も可能な状態である。

その後、送信信号のストリーム数が２以上の場合は２本の非結合モノポールアンテナアレイ構成によるＭＩＭＯ通信が可能であるため、ＭＩＭＯ通信時の通信性能評価が行われる（Ｓ４）。なおストリーム数の設定については、通信性能評価部１２０４に対し、通信機器の設定として予め与えられているものとする。

この状態に於いて、測定されたＨと別途測定されたＳＮＲを基に式（１）を用いて通信容量が算出され、保持される。

送信信号のストリーム数が２以上でない場合、即ち、ストリーム数が１の場合は次の様に動作する。まず、２本の受信アンテナによるダイバシティ受信を使用するか否かが判断される（Ｓ５）。ダイバシティ受信を使用するか否かについては予め通信性能評価部１２０４に設定されているものとする。２本の非結合モノポールアンテナアレイ構成によるダイバシティ受信を使用する場合（即ちＳ５でＹＥＳ）は受信ダイバシティ方式での通信性能が評価される（Ｓ６）。この場合の送信アンテナは１本であり、受信アンテナは２本である。この状態での通信容量が計算され、保持される。

受信ダイバシティ方式を使用しない場合（Ｓ５でＮＯ）には、１本の非結合モノポールアンテナ構成として、アンテナ素子ａ１２１単体を用いた場合の通信容量が計算され、保持される（Ｓ７）。

続けて、２本のうちのもう一方の非結合モノポールアンテナを構成するアンテナ素子ｂ１２２を用いた場合の通信容量が計算され、保持される（Ｓ８）。

最終的にＳ１、Ｓ４、Ｓ６〜Ｓ８に於いて保持された通信容量のうち最大の値が得られたアンテナ形態が、最も良質な通信性能が得られるアンテナ形態であると判断される。通信性能評価部１２０４は、スイッチ制御部１２０３に対し、最良と判断されたアンテナ形態を選択するよう、アンテナ形態切替の指示を行い、更に、ＲＦ回路部１２０２に通信方式（ＭＩＭＯ、ＳＩＳＯ通信方式等）の指示を行い、処理を完了する（Ｓ９）。

図１１は本実施形態の効果を検証した一例を示す。伝搬環境として、到来波は一様分布で伝搬してくるものとする。基地局のアンテナは簡単のために、無相関の無指向性アンテナを想定している。

図１１（ａ）のように、受信ＳＮＲが２ｄＢといった非常に低い場合には、ＳＩＳＯ通信を行う折り返しモノポールアンテナ形態の方が、非結合モノポールアンテナ形態の場合よりも、チャネル容量が０．２ｂｐｓ／Ｈｚだけ大きくなることが分かる。これは非結合モノポールアンテナ形態に於ける平均放射効率が−２．６ｄＢと低い値であるのに対し、折り返しモノポールアンテナの方が−０．４ｄＢと、比較的高い放射効率を持つことによるものである。つまり低い受信ＳＮＲ環境では折り返しモノポールアンテナ形態の方が優位であることを示す。

一方、高い受信ＳＮＲ環境では、空間分割多重方式であるＭＩＭＯ通信を用いた方が優位となる。例えばＳＮＲが１０ｄＢといった比較的高いＳＮＲでは、非結合モノポールアンテナ形態のＭＩＭＯ通信時のチャネル容量が５．１ｂｐｓ／Ｈｚなのに対し、折り返しモノポールアンテナ形態のＳＩＳＯ通信では４．１ｂｐｓ／Ｈｚという様に１．０ｂｐｓ／Ｈｚほど低いことが分かる。

一般にＭＩＭＯ通信の方が、ＳＩＳＯ通信よりも高い通信性能を示すとされているが、ＭＩＭＯ通信の場合には周囲の環境、即ち、電波伝搬環境の変化の影響を受けやすい。例えばアンテナ装置を人が保持していた際に、アンテナ間の相関係数、パワーバランス、受信ＳＮＲが劣化し、通信性能がＳＩＳＯ通信よりも劣化してしまうこともある。本実施形態のアンテナ装置では、通信環境に応じて最も良質な通信特性を示すアンテナ形態を選択することができるため本実施形態のアンテナ装置は、その様な問題を改善することが出来る。

なお本実施形態においては、アンテナ装置はグランド板上の１か所だけでなく、近接しなければ複数の箇所に設置してもよい。それによって３本以上のアンテナ素子を動作させて３つ以上のストリームにも対応したＭＩＭＯ通信を行うこともできる。
（効果の説明）
以上説明したように、本実施形態においては、以下に記載するような効果を奏する。

本実施形態においては、２本の非結合モノポールアンテナを電気的に接続することで１本の折り返しモノポールアンテナへと切り替えることができる。更に通信環境に応じて、折り返しモノポールアンテナ形態と非結合モノポールアンテナ形態のうち、最適な通信性能を示す方を選択することができる。それによって、通信環境に応じて最適なアンテナ形態へと切り替えることが可能なアンテナ装置を提供する。
（第２の実施形態）
（構成の説明）
次に、本発明を実施するための第２の実施形態について説明する。

図１３に第２の実施形態のアンテナ装置の構成を示す。

第２の実施形態のアンテナ装置１３００は、線状の第１のアンテナ素子１３０１と、線状の第２のアンテナ素子１３０２と、前記第１のアンテナ素子の一端と前記第２のアンテナ素子の一端とを電気的に開閉する第１の開閉スイッチ１３０３と、を有する。更に、アンテナ装置１３００は、前記第１のアンテナ素子の他端と前記第２のアンテナ素子の他端とを電気的に開閉する第２の開閉スイッチ１３０４と、前記第２のアンテナの一端に接続される選択スイッチ１３０５と、を有する。
（動作の説明）
第２の実施形態のアンテナ装置１３００に於いて、前記選択スイッチ１３０５は、前記第２のアンテナの一端をグランドに接続するか、前記第２のアンテナの一端に信号を供給する給電部に接続するか、を選択する。
(効果の説明）
本実施形態においては、以下に記載するような効果を奏する。

通信環境に応じて、複数アンテナ形態と、１アンテナ形態と、を切り替えて、最適な無線通信品質を提供することの出来るアンテナ装置を提供することができる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１２年０３月２１日に出願された日本出願特願２０１２−０６３９９５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、主として、通信環境に応じて、最適なアンテナ形態に切り替えることができるアンテナ装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。

１０１グランド板
１２１アンテナ素子ａ
１２２アンテナ素子ｂ
１３１アンテナ回路ａ
１３２アンテナ回路ｂ
１３３アンテナ回路ｃ
１３４アンテナ回路ｄ
１０４給電部ａ
２０１給電部ｂ
１２０１アンテナ回路部
１２０２ＲＦ回路部
１２０３スイッチ制御部
１２０４通信性能評価部

Claims

線状の第１のアンテナ素子と、
線状の第２のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子の一端と前記第２のアンテナ素子の一端とを電気的に開閉する第１の開閉スイッチと、
前記第１のアンテナ素子の他端と前記第２のアンテナ素子の他端とを電気的に開閉する第２の開閉スイッチと、
前記第２のアンテナの一端に接続され、前記第２のアンテナの一端をグランドに接続するか、前記第２のアンテナの一端に信号を供給する給電部に接続するか、を選択する選択スイッチと、
を有することを特徴とするアンテナ装置。
前記第１のアンテナ素子の一端と前記第２のアンテナ素子の一端との間に前記第１の開閉スイッチを介して接続される所定の特性のコイルを更に有し、
前記特性は前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子の間の結合インピーダンスを打ち消すように定められる
ことを特徴とする、請求項１記載のアンテナ装置。
前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子は互いに平行に設置され、
前記第１の開閉スイッチが接続され、前記第２の開閉スイッチが開放され、前記選択スイッチが前記給電部に接続された場合は、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子はそれぞれ第１のモノポールアンテナと第２のモノポールアンテナとして機能する第１のアンテナ形態となり、
前記第１の開閉スイッチが開放され、前記第２の開閉スイッチが接続され、前記選択スイッチが前記グランドに接続された場合は、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とで構成される１本の折り返しモノポールアンテナとして機能する第２のアンテナ形態となる
ことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
前記第１のアンテナ素子の両端と前記第２のアンテナ素子の両端とが互いに近接し、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子は波長の略０．０１倍の間隔で設置されていることを特徴とする、請求項３に記載のアンテナ装置。
前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とが略一直線上に設置され、
前記第１の開閉スイッチが開放され、前記第２の開閉スイッチが接続され、前記選択スイッチが前記グランドに接続された場合は、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とで構成される１本のモノポールアンテナとして機能する第２のアンテナ形態となる
ことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
前記アンテナ装置は更に、
前記第１のアンテナ形態の場合と、前記第２のアンテナ形態の場合と、のそれぞれの場合の通信性能を評価して比較する通信性能評価部と、
前記第１の開閉スイッチと前記第２の開閉スイッチと前記選択スイッチとの動作を制御するスイッチ制御部と、
前記通信性能評価部に評価の対象となる受信信号を入力するＲＦ回路部と、
を有し、
前記スイッチ制御部は、前記通信性能評価部にて、前記第１のアンテナ形態の場合と、前記第２のアンテナ形態の場合と、のうち、より通信性能が良いと評価されたアンテナ形態を選択するように、前記第１の開閉スイッチと前記第２の開閉スイッチと前記選択スイッチとを切り替える
ことを特徴とする、請求項３乃至請求項５のいずれかに記載のアンテナ装置。
前記通信性能評価部は、前記第１のアンテナ形態の場合にＭＩＭＯ通信方式における通信性能を評価し、前記第２のアンテナ形態の場合にＳＩＳＯ通信方式における通信性能を評価することを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。
前記通信性能評価部で評価される前記通信性能は、受信信号の信号対雑音比と伝搬係数とから算出される伝送容量であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のアンテナ装置。
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のアンテナ装置を含み、前記アンテナ装置からの受信信号が入力される受信手段を備えることを特徴とする無線通信受信器。
第１のアンテナ素子の他端と第２のアンテナ素子の他端とを電気的に開閉し、
前記第２のアンテナの一端をグランドに接続するか、前記第２のアンテナの一端に信号を供給する給電部に接続するか、を選択する、
ことを特徴とするアンテナ切り替え方法。