WO2006103878A1 - 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

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WO2006103878A1
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reactance
elements
directivity
array antenna
value
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PCT/JP2006/304285
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Inventor
Kiyoshi Yajima
Original Assignee
Pioneer Corporation
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/28—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements
    • H01Q19/32—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements the primary active element being end-fed and elongated
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/20—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/32—Vertical arrangement of element

Definitions

  • the present invention relates to an array antenna device that performs directivity control by changing a reactance value of a variable reactance element provided in a parasitic element of an array antenna including a feeding element and a plurality of parasitic elements,
  • the present invention relates to a directivity control method, a directivity control program, and a recording medium on which a directivity control program is recorded.
  • an array antenna apparatus has been provided as an antenna capable of controlling directivity.
  • the array antenna device can be used as both a transmission antenna and a reception antenna, and includes a single dipole antenna that is a feed element that is a radiating element that transmits and receives radio waves.
  • the directivity can be changed by changing the reactance value of the variable reactance element attached to the parasitic element. This directivity cannot be calculated in advance, and the directivity characteristics (360 ° directivity pattern) can only be determined by actually transmitting and receiving radio signals.
  • each reactance value is set to an initial value, and the reception gain is measured.
  • each reactance value is changed by a minute amount value, and the reception gain is measured.
  • the gradient of the measurement gain due to this minute change in the reactance value is measured, and the reactance value is updated using the steepest gradient method.
  • a reactance value directivity control method is disclosed in which a reactance value that maximizes the reception gain in a desired direction can be derived by repeating this process a predetermined number of times (see, for example, Patent Document 1 below).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-23239
  • Patent Document 1 discloses a reactance value calculation method for maximizing a reception gain in a user's desired direction.
  • this calculation method there is no consideration of directivity characteristics in directions other than the desired direction. For example, even if the directivity characteristics are high in addition to the user's desired direction, the desired direction is The highest directivity is the best gain.
  • Such a method of calculating the reactance value is not appropriate from the viewpoint of directivity.
  • the array antenna device includes a feeding element and a plurality of elements arranged at predetermined angles in the circumferential direction around the feeding element.
  • a receiving unit that receives setting information related to directivity, and reactances of the plurality of variable reactance elements The reactance value set by the setting means for setting each value and the reactance value set by the setting means is used as the reactance value of the variable reactance element connected to another parasitic element adjacent in the circumferential direction of the parasitic element.
  • a reactance value shift means for shifting, and a reactance value shifted by the reactance value shift means A measurement means for measuring the gain of the feed element, the setting information about the directional characteristic from the reception unit, by the measuring means Calculation means for calculating reactance values of the plurality of variable reactance elements corresponding to the directivity characteristics based on measurement results, reactance values of the plurality of variable reactance elements, and information on incoming waves. It is characterized by that.
  • the array antenna device includes a feeding element, a plurality of parasitic elements arranged at predetermined angles in the circumferential direction around the feeding element, and the plurality of parasitic elements.
  • a storage storing a plurality of reactance values of the plurality of variable reactance elements corresponding to a predetermined directivity characteristic for each arrival direction of an incoming wave
  • setting means for setting each of the plurality of reactance values stored in the storage means to the variable reactance element based on the input of the arrival direction information of the incoming wave. It is characterized by.
  • the array antenna device includes a feeding element, a plurality of parasitic elements arranged at predetermined angles in the circumferential direction around the feeding element, and the plurality of parasitic elements.
  • a receiving means for receiving setting information regarding directivity and a reactance value set for the variable reactance element are adjacent to each other in the circumferential direction of the parasitic element.
  • Reactance value shifting means for shifting the reactance value of the variable reactance element connected to another parasitic element, and measuring means for measuring the gain of the feeding element at the reactance value shifted by the reactance value shifting means And setting information on the direction characteristics from the receiving means, and the measurement result by the measuring means.
  • the directivity control method includes a power feeding element, a plurality of parasitic elements arranged at predetermined angles in the circumferential direction around the power feeding element, and the plurality of parasitic power sources.
  • a receiving step for receiving setting information related to directivity characteristics;
  • a setting step for setting reactance values of the plurality of variable reactance elements, and the reactance values set by the setting step are connected to other parasitic elements adjacent in the circumferential direction of the parasitic elements.
  • a reactance value shifting step for shifting the reactance value of the element; a measuring step for measuring a gain of the feeding element at the reactance value shifted by the reactance value shifting step; and the directivity characteristics received by the receiving step.
  • the reactance values of the plurality of variable reactance elements Based on the setting information, the measurement result of the measurement step, the reactance values of the plurality of variable reactance elements, and the information on the incoming wave, the reactance values of the plurality of variable reactance elements corresponding to the directivity characteristics
  • a calculation step of calculating To for calculating To.
  • the directivity control method according to claim 10 includes a feeding element, a plurality of parasitic elements arranged at predetermined angles in the circumferential direction around the feeding element, and the plurality of parasitic elements.
  • a directivity control method for an array antenna apparatus having a plurality of variable reactance elements each connected to a feed element a predetermined directivity stored in a storage device is input based on input of arrival direction information of an incoming wave.
  • the directivity control method includes a feeding element, a plurality of parasitic elements arranged at predetermined angles in the circumferential direction around the feeding element, and the plurality of parasitic elements.
  • a directivity control method for an array antenna apparatus having a plurality of variable reactance elements respectively connected to a feed element, an accepting step for receiving setting information related to directivity, and a reactance value set in the variable reactance element
  • a reactance value shifting step of shifting as a reactance value of the variable reactance element connected to another parasitic element adjacent in the circumferential direction of the feeding element; and a reactance value shifted by the reactance value shifting step of the feeding element A measurement process for measuring the gain, setting information regarding the directivity received in the reception process, A calculation step of calculating reactance values of the plurality of variable reactance elements corresponding to the directivity characteristics based on a measurement result of the measurement step and reactance values of the plurality of variable reactance elements; And a setting step of setting a plurality of reactance values in the pluralit
  • the computer-readable recording medium according to claim 13 records the directivity control program according to claim 12.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an embodiment of an array antenna apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining the control contents of the embodiment of the array antenna apparatus of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of an array antenna apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of an array antenna.
  • FIG. 5 is a top view showing the configuration of the array antenna.
  • Fig. 6 is a diagram showing a configuration of a feeding element and a parasitic element.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of a reception measurement system.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of a transmission measurement system.
  • FIG. 9 is a diagram showing reception gain measurement of an array antenna.
  • FIG. 10 is a diagram showing reception gain measurement when reactance values of elements 1 to 6 are shifted once.
  • FIG. 11 is a diagram showing the measured gain direction when the shift of the reactance values of elements 1 to 6 is completed.
  • FIG. 12-1 is a flowchart showing an outline of the operation of the array antenna apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 12-2 is a flowchart showing an outline of the operation of the array antenna apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 13 is a flowchart showing reactance value table generation processing.
  • FIG. 17 is a flowchart showing an outline of the operation of the array antenna apparatus in the second embodiment.
  • FIG. 18 is a flowchart showing processing contents of adaptive control.
  • FIG. 1 is a block diagram for explaining an embodiment of an array antenna apparatus according to the present invention.
  • the array antenna device 10 includes an array antenna 12.
  • the array antenna 12 includes, for example, one feeding element 12a and a plurality of parasitic elements 12b.
  • a variable reactance element 13 is connected to each of the plurality of parasitic elements 12b.
  • the setting unit 14 sets a reactance value for each of the plurality of variable reactance elements 13. By setting a reactance value for each of the plurality of variable reactance elements 13, the array antenna 12 can have a predetermined directivity.
  • the reactance value shift unit 15 shifts and resets the reactance value set by the setting unit 14 as the reactance value of another parasitic element adjacent in the circumferential direction of the parasitic element.
  • the measurement unit 16 measures the gain of the feed element 12a. At this time, the measurement unit 16 measures the transmission or reception gain in each of the reactance value set by the setting unit 14 and the reactance value shifted by the reactance value shift unit 15.
  • the receiving unit 17 receives setting information related to directivity characteristics. Specifically, the measurement result measured by the measurement unit 16 is input with a coefficient for giving a weight to the gain change obtained for each shift with reference to the arrival direction of the incoming wave to the array antenna 12 (described later). Directional weight vector). [0021] The calculation unit 18 performs a predetermined calculation based on the setting information related to the directivity received by the reception unit 17 and the measurement result obtained by the measurement unit 16, and a plurality of non-powered elements 12b corresponding to the directivity Each reactance value is calculated.
  • the angle control unit 19 rotates the plurality of parasitic elements 12b (array antenna 12) arranged around the feeding element 12a to change the arrival angle of the radio signal (the angle of the incoming wave).
  • the calculation unit 18 calculates a reactance value corresponding to the directivity for each angle obtained by rotating the array antenna 12 in a predetermined angular range in the circumferential direction by the angle control unit 19.
  • the reactance value calculated by the calculation unit 18 is stored in the storage unit 20 and can be read and used during antenna control.
  • reactance value forces of the plurality of parasitic elements 12b for each angle are stored in association with each other.
  • the angle control unit 19 may rotate the array antenna 12 once in the circumferential direction, but can be substituted by rotating it within a predetermined angle range.
  • This angular range can be determined by the number of parasitic elements 12b (circulation angle interval in the circumferential direction). As described above, when the number of parasitic elements 12b is six, the angle range to be rotated is 60 ° obtained by dividing the entire circumference (3 60 °) into six equal parts.
  • the array antenna 12 having a sector pattern can be configured, and a directivity characteristic having a desired directivity in an arbitrary direction can be realized.
  • the present invention is not limited to this, and can also be applied to the array antenna 12 of the adaptive control pattern.
  • the arrival direction of the incoming wave is unknown, and the array antenna 12 is adapted so that the beam direction and null direction can be realized so that the radio wave of this incoming wave is strong or the desired radio wave is weak.
  • the same configuration as in FIG. 1 can be used.
  • the adaptive control pattern can be realized by a configuration in which the angle control unit 19 and the storage unit 20 shown in FIG. 1 are omitted.
  • FIG. 2 is a flowchart explaining the control contents of the embodiment of the array antenna apparatus of the present invention.
  • the receiving unit 17 receives setting information related to directivity (step S21). Specifically, it is a directional weight vector used as a coefficient of reactance values of a plurality of variable reactance elements 13. For more information on the directional weight vector As will be described later, when the gain of the actual incoming wave and the gain of the incoming wave from the pseudo multi-direction in which the reactance values of the plurality of variable reactance elements 13 are shifted are measured depending on the difference in the direction of the measured value. Used to determine weights.
  • the arrival direction of the incoming wave is set (step S22).
  • the arrival direction of the incoming wave to the array antenna 12 is assumed to be 0 ° as a reference.
  • the initial value of each reactance value is set (step S23).
  • a reactance value is set for each of the plurality of variable reactance elements 13.
  • step S24 the effect on the gain is measured by slightly changing each reactance value. Specifically, the measurement unit 16 measures the gain of the feed element 12a. Then, it is determined whether or not the force has been shifted by the reactance value shift unit 15 (step S25). If the shift has not been completed (step S25: No), a plurality of variable reactance values are shifted (step S26), and the measurement in step S24 is repeated in the shifted state.
  • the above-mentioned shift is to change the reactance value set in the variable reactance element 13 corresponding to the parasitic element 12b, and to another reactance value adjacent to the circumferential direction of the parasitic element 12b. Means to change.
  • the measurement in step S24 can be performed in a state where the incoming wave is artificially rotated without rotating the array antenna 12.
  • it is sufficient to shift the number of times corresponding to the number of parasitic elements 12b (actually, the number of parasitic elements 12b minus 1).
  • the gain can be measured in multiple directions (directions of arrival) corresponding to the parasitic elements 12b.
  • step S25 When the shift in step S25 is completed (step S25: Yes), the calculation unit 18 calculates a reactance value suitable for the directivity (step S27). Then, the plurality of calculated reactance values are stored in the storage unit 20 (step S28).
  • the reactance value can be calculated and stored in the storage unit 20. As a result, a reactance value with a large gain can be obtained.
  • the above processing is performed by setting the direction of the incoming wave as the reference direction (0 °) and positioning the array antenna 12 at a certain angle.
  • step S29 The force that the measurement for the arrival direction of all the incoming waves is completed is judged (step S29). If the measurement is not completed (step S29: No), the angle control unit 19 changes the arrival direction of the incoming waves (array antenna 12). (Step S30), and repeat the process after Step S23. When the measurement regarding the arrival directions of all the incoming waves is completed (step S29: Yes), the above series of processing is terminated.
  • the reactance value table has 360 item forces. However, this is only an example, and the number of measurement angles can be set by the user. If the step size of this measurement angle is small, the accuracy of the directivity can be improved. Since the shape of the array antenna 12 is point-symmetric, the measurement results of 60 ° to 120 °, 120 ° to 180 °, 180 ° to 240 °, 240 ° to 360 ° are the results of 0 ° to 60 °, respectively. Can be used instead.
  • the gain can be measured by changing the arrival direction in a pseudo manner by shifting the reactance value, it is possible to set a more accurate reactance value suitable for the desired directivity. You can do it.
  • the sector pattern realizes directivity characteristics with directivity directed in any direction.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of the array antenna apparatus which is effective in the embodiment of the present invention.
  • an array antenna apparatus 100 includes an array antenna 101, a CPU 102, a ROM 103, a RAM 104, an HDD (node disk drive) 105, an HD (hard disk) 106, a measurement IZF 107, and a reception measurement system 108.
  • Each component 101 to 114 is connected by a bus 115.
  • Array antenna 101 receives a radio signal (the detailed configuration of array antenna 101 will be described in detail later).
  • the CPU 102 controls the entire array antenna 100 device.
  • the ROM 103 stores a program such as a calculation program for directivity control.
  • the RAM 104 is used as a work area for the CPU 102.
  • the HDD 105 controls data read / write to the HD 106 in accordance with a command from the CPU 102.
  • the HD 106 stores a reactance value table (described in detail later) created for directivity control.
  • a reception measurement system 108 and a transmission measurement system 109 are connected to the IZF 107, and the characteristics of the array antenna 101 for creating the directivity control table are measured. Detailed configurations of the reception measurement system 108 and the transmission measurement system 109 will be described later.
  • a display 111 is connected to the output IZF 110, and display information sent from each functional unit is displayed using the display 111.
  • a keyboard 113 is connected to the input IZF 112, and user instruction information input from the keyboard 113 is sent to the CPU 102.
  • the transmission / reception unit 114 performs processing such as decoding on the radio signal received by the array antenna 101.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the array antenna.
  • FIG. 5 is a top view showing the configuration of the array antenna.
  • the array antenna 101 has a configuration in which a feeding element A and six parasitic elements B1 to B6 are provided on a dielectric substrate 400.
  • the spacing between feeding element A and parasitic elements B1 to B6 was arranged at equal intervals on a circle centered on feeding element A and having a radius of 1Z4 (fZ4) of the wavelength f of the radio wave handled.
  • fZ4 1Z4
  • the array antenna apparatus 100 according to the present invention uses six parasitic elements, and the parasitic elements B1 to B6 are arranged at 60 ° intervals as shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the feed element and the parasitic element.
  • the feed element A includes a radiating element 600 serving as an antenna unit, a resistor 601 serving as an input impedance when used as a transmitting antenna, and an alternating current that outputs high-frequency energy corresponding to a transmission signal from the transmitting / receiving unit 114 (see FIG. 3)
  • the power supply 602 is connected.
  • the power feeding element A is grounded from the AC power source 602.
  • the radio signal received by such a power feeding element A is transmitted / received by the transmitting / receiving unit 114. Sent to.
  • the parasitic elements B1 to B6 are connected to the non-excited element 603 with variable reactance elements (hereinafter referred to as “element 1 to element 6”) and grounded from the elements 1 to 6.
  • the reactance values of the elements 1 to 6 can be individually changed by control from the CPU 102.
  • a variable diode or the like is used as the variable reactance element.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of the reception measurement system.
  • the reception measurement system 108 provided in the anechoic chamber 700 also has the power of the measurement array antenna 701, the turntable 702, and the transmission antenna 703.
  • An antenna control device 704 and a received signal measurement device 705 are connected to the measurement array antenna 70 1 mounted on the turntable 702, and a turntable control device 706 is connected to the turntable 702. ing.
  • a signal generator 707 is connected to the transmission antenna 703.
  • the reception measurement system 108 When measuring the reception gain, the reception measurement system 108 first transmits a constant output signal generated by the signal generator 707 from the transmission antenna 703 as a radio signal. This radio signal is received by the measurement array antenna 701. The received radio signal is measured by the received signal measuring device 705 as a gain representing the output of the radio signal. At this time, the measurement array antenna 701 can be controlled to rotate at an arbitrary angle by rotating the turntable 702 by the turntable control device 706. The measurement array antenna 701 can control the reactance values of the parasitic elements B1 to B6 (elements 1 to 6) by the antenna control device 704, respectively.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of the transmission measurement system.
  • the transmission measurement system 109 provided in the anechoic chamber 700 also has the power of the measurement array antenna 701, the turntable 702, and the reception antenna 800.
  • An antenna control device 704 and a signal generator 707 are connected to the measurement array antenna 70 1 mounted on the turntable 702, and a turntable control device 706 is connected to the turntable 702. Yes.
  • a reception signal measuring device 705 is connected to the reception antenna 800.
  • the transmission measurement system 109 transmits a radio signal from the measurement array antenna 701 by a signal with a constant level output generated from the signal generator 707.
  • the measurement array antenna 701 can be rotated 360 ° by a turntable 702, and the rotation angle can be controlled by a turntable control device 706.
  • the measurement array antenna 701 controls the turntable 702 so that the reception antenna 800 is positioned in a direction in which a radio signal is desired to be transmitted.
  • the reception signal measuring apparatus 705 measures the reception gain in the reception antenna 800. This reception gain is recorded as the transmission gain of the measurement array antenna 701.
  • a predetermined calculation is performed based on the result of the reception gain or transmission gain measured in the reception measurement system 108 and the transmission measurement system 109 as described above.
  • the reactance values of the elements 1 to 6 of the array antenna 101 are determined, and the reactance values of the elements 1 to 6 are stored in the HD 106 as a reactance value table. Record.
  • the reactance value table force can be realized immediately by reading out the reactance value in the desired direction.
  • the reactance value table is composed of 360 items.
  • the angle range for measurement is not limited to 360 °.
  • the results in the range of 0 ° to 60 ° can be compared with other angle ranges (60 ° to 120 °, 120 ° to 180 °, 180 ° to 240 °, It can also be used as a result of 240 ° to 360 °, and an ideal directivity within the measurement range can be realized.
  • an external radio signal generator that generates a radio signal with a constant output using the array antenna 101 in the hardware configuration shown in FIG. 3 (or an external receiver when measuring the transmission gain)
  • an external radio signal generator that generates a radio signal with a constant output using the array antenna 101 in the hardware configuration shown in FIG. 3 (or an external receiver when measuring the transmission gain)
  • more accurate measurements can be obtained by using the anechoic chamber 700 (see Figs. 7 and 8).
  • FIG. 9 is a diagram illustrating measurement of reception gain of the array antenna. For example, when an incoming wave 900 (radio signal to be received) is sent from the direction shown in FIG. 9, the transmission antenna 703 is fixed as described in FIG. The array antenna 701 is rotated so that the positional relationship shown in FIG. 9 is obtained.
  • an incoming wave 900 radio signal to be received
  • FIG. 10 is a diagram showing reception gain measurement when reactance values of the elements 1 to 6 are shifted once.
  • the positional relationship of the measurement array antenna 701 is kept as it is, and the reactance values of the variable reactance elements (elements 1 to 6) of the non-powered elements B1 to B6 are shifted by one element clockwise.
  • the operation of shifting element 1 to the reactance value of element 2 and shifting element 2 to the reactance value of element 3 is performed.
  • the work of measuring the incoming wave 901 by the measurement array antenna 701 was performed by rotating the position of the measurement array antenna 701 by one element (60 °). Can get the same state
  • FIG. 11 is a diagram showing the measured gain direction when the shift of the reactance values of the elements 1 to 6 is completed.
  • the direction in which the incoming wave 900 is actually received as shown in Fig. 11 In addition, a radio signal with the same output as the incoming wave 900 is transmitted in five directions spaced at equal angular intervals.
  • the reception gain can be measured using the wireless signal at this time as the pseudo arrival wave 901. Therefore, when the shift of the reactance values of the elements 1 to 6 is completed, the measurement array antenna 701 measures the incoming wave 900 and the five pseudo incoming waves 901 without rotating control. It will be.
  • the angle interval in the measurement direction 360Z parasitic element count.
  • the steepest gradient method is a method of changing the value in the direction that gives the best evaluation.
  • the Change the reactance value slightly with the initial value force, measure the reception gain at the reactance value after the minute change, and calculate the change (gradient) of the reception gain at the minute change.
  • the initial value + gradient X convergence constant as the initial value of the reactance value
  • slightly change the initial value measure the reception gain at the reactance value after the minute change, and change the reception gain ( Slope).
  • the reception gains are compared, and the magnitude of the reception gain value is updated as the reactance value.
  • Example 1 in addition to the measurement of the incoming wave 900 which is the measurement direction in the conventional method, the measurement is also performed on the directions of five pseudo incoming waves 901. Find the gradient at a minute change. Furthermore, in this embodiment, the gradient calculation results in a total of six directions are multiplied by a new value called a directional weight vector (described in detail later), and the calculation operation is repeated a predetermined number of times. As a result, the finally updated reactance value has directivity characteristics in consideration of directivity in six directions.
  • a directional weight vector described in detail later
  • the directional weight vector is a unique vector value used in the directivity control method that works well in the present invention. As described with reference to FIGS. 9 to 11, in the reception measurement system 108, the reception gain in the arrival direction of the actual reception signal and the pseudo multi-direction in which the reactance values of the elements 1 to 6 are shifted. The reception gain in the direction of arrival of the received signal is measured. By multiplying the “directional weight vector” that determines the weight according to the difference in direction of these measured values, it is possible to change how much the reception gain is taken as an evaluation value.
  • the reception gain in the direction desired by the user it is important to set the reception gain in the direction desired by the user, or it is important to suppress the knock lobe (gain opposite to the desired direction)
  • the user's wishes such as whether to take into account side lobes (direction gains located on both sides of the desired direction) can be set by the directional weight vector.
  • the directivity characteristics that reflect this setting can be realized.
  • the directionality weight vector is expressed by the following equation (1).
  • K in the equation represents the number of parasitic elements, which is the number of elements in the vector. In the case of the first embodiment, since there are six parasitic elements, the number of vector elements of the directional weight vector E is six. [0058]
  • Directional weight vector E ⁇ [El, E2, ⁇ , Ek— 1, Ek]...
  • Beta 4th element ⁇ 4 Weight opposite to the direction of incoming wave (180 °)
  • Directional weight vector ⁇ ⁇ [cos (0 X 360 / k), cos (IX 360 / k), cos (2 X 360 / k), ..., cos ⁇ (k- l) X 360 / k ⁇ ]--(2)
  • Each element of the directional weight vector E is "1" for the direction in which the reception gain is to be increased, "1” for the direction in which the gain is to be excluded, and " You can simply set “0”.
  • the element of the directional weight vector E in a specific direction is set to “0”
  • the direction is multiplied by “0” in the end, so that the elements 1 to 1 as described in FIGS. 9 to 11 are used. There is no need to measure the pseudo incoming wave 901 due to a 6 reactance shift.
  • FIG. 12-1 and FIG. 12-2 are flowcharts showing an outline of the operation of the array antenna apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 12-1 is a flowchart showing the contents of the reactance value table creation process
  • FIG. 12-2 is a flowchart showing the contents of setting the reactance value according to the arrival direction of the incoming wave.
  • the above-described reception gain measurement method and steepest slope The operation until the reactance value table is generated using the method and the directional weight vector and the array antenna apparatus 100 is used as the receiving antenna will be described.
  • desired directivity information is set (step S1211).
  • the desired directional characteristic information refers to the value of the directional weight vector.
  • the user inputs the directional weight vector using the keyboard 113 (see FIG. 3).
  • the CPU 102 generates a reactance value table by setting the directivity information (step S1212), and ends the process.
  • the reactance value table generation process will be described in detail later.
  • the processing content shown in FIG. 12-2 is performed after the reactance value table is generated as shown in FIG. 12-1.
  • the array antenna apparatus 100 is used, and it is determined whether or not the information on the arrival direction ⁇ of the incoming wave is input (step S1221).
  • the arrival direction of the incoming wave can be obtained using a general direction estimation technique.
  • the CPU 102 reads the received reactance value in the direction ⁇ from the reactance value table (step S1222).
  • the reactance value table the direction ⁇ and the reactance values of the elements 1 to 6 are recorded in the HD 106 as a pair. If the information of the arrival direction ⁇ is not input (step S1221: No), the process enters the standby state for the process of step SI 221.
  • the reactance values of the elements 1 to 6 of the array antenna 101 from which the reactance value table force has also been read are set (step S 1223), and the process is terminated.
  • the CPU 102 sets the reactance values of the elements 1 to 6 read from the HD 106 as the reactance values of the elements 1 to 6 of the array antenna 101. Thereby, array antenna apparatus 100 receives the incoming wave with the most ideal directivity.
  • FIG. 13 is a flowchart showing reactance value table generation processing.
  • the reactance value is set to an initial value (step S1302).
  • V (n) [Vl (n), ⁇ , Vm (n), ⁇ , V6 (n)], ⁇ (3)
  • V (n) Reactance value of element 1 to element 6 when step is repeated ⁇ times
  • Vm (n) reactance value of element m when step is repeated n times
  • n Reactance value update processing by steepest gradient method
  • m Number of elements (takes values from 1 to 6)
  • the reception gain when the reactance value of the measurement array antenna 701 (see FIG. 7) is set to V (n) is measured (step SI 303).
  • the measured value is expressed as the following equation (4).
  • POk (n) P [VI (n), V2 (n), ..., Vm— 1 (n), Vm (n)] ... (4)
  • the reception gain when each reactance value is slightly changed is measured (step S 1304), and the measured value force is also calculated as a gradient due to the minute change of each reactance value (step S 1305).
  • the reactance value of element 1 is slightly changed, and the reception gain is measured. At this time, the measured value is expressed by the following equation (5).
  • the slope is obtained by dividing the product of the reception gain before and after the reactance value is minutely changed by the minute change.
  • Equation (7) represents the measured value of the reception gain
  • Equation (8) represents the slope
  • Pmk (n) P ⁇ Vk (n), ⁇ , Vm (n) + AVm, Vk— ⁇ ⁇ (7)
  • step S1304 and step S1305 When the processing of step S1304 and step S1305 is completed up to element 6, the evaluation value when the reactance values of element 1 to element 6 are shifted k times is expressed by the following equation (9).
  • step S1306 it is determined whether or not the shift is completed for the number of elements.
  • step S1306 it is determined that the shift of the reactance value is completed! / ⁇ (step S1306: No), and the reactance values of elements 1 to 6 are shifted.
  • Step S1307 work from Step S1303 is performed.
  • the value of k is the set value + 1.
  • step S 1306 if it is determined in step S 1306 that the shift is completed for the number of elements (step S 1306: Yes), as shown in FIG. 11, all six directions (incoming wave 900 X 1 + pseudo) The calculation of the gradient is completed for the radio signal from the incoming wave 901 X 5), and then the evaluation value is calculated using the directional weight vector (step S1308).
  • the evaluation value obtained for each shift is summarized as shown in the following equation (10).
  • R (n) represents a rate of increase in reception gain for each direction of element 1 to element 6. Therefore, as shown in the following formula (11), by multiplying R (n) by the directional weight vector E set by the user, the evaluation value reflecting the user's consideration for the directivity R.
  • the reactance value is updated by the steepest gradient method (step S 1309).
  • this steepest gradient method the following equation (12) is used.
  • the reactance values of the elements 1 to 6 at the evaluation value R calculated in step S1308 are set to be the optimum reactance values.
  • the following formula (12) is used.
  • the reactance value is updated with the update value calculated in the immediately preceding step S1308, using the evaluation value R of the set reactance value.
  • V (n + l) V (n) + E XR ⁇ (12)
  • step S1310 it is determined whether or not the step has been repeated a predetermined number of times.
  • the predetermined number of times (n in each equation) is arbitrary by the user, and is set to an empirically optimal number of times. do it. If the step has not been repeated a predetermined number of times (step S1310: No), the process returns to step S1303 and the same processing is performed.
  • step S1310 Yes
  • step S1312 No
  • step S131312 No
  • step S1312 By performing the above processing until the arrival direction ⁇ 360 in step S1312 (step S1312: Yes), the reactance value for realizing the directional characteristics desired by the user in 360 ° all-direction increments of 1 ° A reactance value table in which is recorded can be generated.
  • FIG. 6 is a diagram showing a comparison of directivity characteristics according to the directivity control method of Example 1 and directivity characteristics according to a conventional directivity control method at 120 °.
  • the direction of the incoming wave is indicated by a thick arrow.
  • the left half of the screen (140 0, 1500 and 1600) shows the directivity characteristics (1401, 1501 and 1601) realized by the directivity control method disclosed in Patent Document 1.
  • the right half of the screen (1400, 1500 and 1600) shows the directivity control method of Example 1.
  • the directional characteristics achieved (1402, 1502 and 1602).
  • the directivity characteristic realized by the directivity control calculation according to the conventional method is the force with the highest reception gain in the arrival direction of the incoming wave.
  • directions like 1501 that have directivity with almost the same gain as the arrival direction of the incoming wave.
  • radio signals from multiple directions are received in the same way as incoming radio signals.
  • all directions show the same directivity, and are almost non-directional.
  • the weight value is considered.
  • the direction in which the user wants to increase the reception gain (arrival direction of the radio signal) and the direction in which the reception gain should be decreased are shown.
  • the reflected directivity can be realized.
  • Example 1 since the measurement angle of the array antenna 101 is set in increments of 1 ° from 0 ° to 359 °, the reactance value table has 360 item forces. As described above, the angle range for measurement is not limited to 360 °. For example, the results in the range of 0 ° to 60 ° are obtained in other angle ranges (60 ° to 120 °, 120 ° to 180 °, 180 ° to Use as a result of 240 °, 240 ° to 360 °.
  • multidirectional gain measurement can be performed by changing the arrival direction in a pseudo manner by shifting the reactance value, and by using the directional weight vector, Gains other than the direction desired by the user can be incorporated as the evaluation value of the steepest gradient method. Accordingly, it is possible to calculate a reactance value that is more suitable for the directivity desired by the user, and to reduce the processing procedure (number of steps) for calculating the reactance value, so that it can be calculated easily.
  • the beam direction (direction in which the transmission / reception gain is large compared to other directions) and the null direction (direction in which almost no transmission / reception gain can be obtained) are set so that the desired radio wave is stronger or the desired radio wave is weaker. It operates adaptively.
  • the hardware configuration in the second embodiment does not need to create a force reactance value table that can be used as it is in the hardware configuration in the first embodiment shown in FIG. Good. In the configuration shown in FIG. 1, the configurations of the angle control unit 19 and the storage unit 20 are unnecessary.
  • the second embodiment is configured to perform setting of a directional weight vector and setting of a reactance value that can realize a desired directivity with respect to an incoming wave whose arrival direction is unknown.
  • the incoming wave has a higher output than interference signals and noise from other directions. This is because when a radio signal with a higher output than the incoming wave is received, the radio signal is mistaken for the incoming wave and directivity characteristics are formed.
  • FIG. 17 is a flowchart showing an outline of the operation of the array antenna apparatus in the second embodiment.
  • a force determination in which desired directivity information is set is performed (step S1701).
  • the desired directivity information indicates the value of the directionality weight vector.
  • the user inputs a directional weight vector from the keyboard 113 (see FIG. 3).
  • the CPU 102 determines that the direction characteristic information has been received (step S1701: Yes)
  • the reactance value is calculated (step S1702). If the directivity information desired by the user is not received (step S1701: No), the process returns to step S1701 and enters a standby state.
  • step S1703 the reactance values of elements 1 to 6 of array antenna 101 calculated in step S1702 are set (step S1703), and the operation ends.
  • the CPU 102 sets the calculated reactance values of the elements 1 to 6 as the reactance values of the elements 1 to 6 of the array antenna 101.
  • FIG. 18 is a flowchart showing the contents of adaptive control processing. First. Set the reactance value to the initial value (step S1801). Next, the reception gain is measured (step S 180).
  • the side constant value also calculates the gradient due to minute changes in each reactance value (step S 180).
  • step S1805 it is determined whether or not the force has been shifted by the number of elements.
  • the number of elements means one round from element 1 to element 6, but since the first setting of the reactance value of element 1 to element 6 is the first, the actual number of shifts is 5 . If the shift for the number of elements is not completed (step S1805: No), the reactance values of elements 1 to 6 are shifted (step S1806), and the process returns to step S1802 with the reactance values shifted.
  • step S1805 When the shift for the number of elements has been completed (step S1805: Yes), as shown in Fig. 11, radio from all six directions (arrival wave 900 X 1 + pseudo incoming wave 901 X 5) This means that the calculation of the gradient for the signal has been completed, and then the evaluation value is calculated using the directional weight vector (step S1807).
  • the evaluation value calculated in this step is calculated by multiplying the equation (10) at the time of sector pattern reactance value table generation, the value obtained by multiplying the directional characteristic vector and the directional characteristic information input in step S1701 in FIG. Become.
  • the reactance value is updated by the steepest gradient method (step S 1808).
  • this steepest gradient method the above equation (12) is used.
  • the evaluation value of the set reactance value is calculated by the above equation (12), and the reactance value is calculated by the update amount calculated in the immediately preceding step S1308 (see FIG. 13). Update! /
  • step S 1809 it is determined whether or not the step has been repeated a predetermined number of times.
  • the predetermined number of times (n in each equation) is arbitrary by the user, and the optimum number is determined empirically. Set it. If the step has not been repeated a predetermined number of times (step S1809: No), the process returns to step S1802 and the same processing is performed. If it is determined that the step has been repeated a predetermined number of times (step S1809: Yes), the set reactance values of elements 1 to 6 at the end of the step become optimum values, and the process ends.
  • Example 1 and Example 2 are acceptable in actual processing. It can be considered as a voltage value applied to the variable reactance element. Therefore, all the above “reactance values” may be replaced with “applied voltage values of variable reactance elements”.
  • the directivity characteristics considering the gain in multiple directions are measured to the minimum necessary. This can be realized by performing effective calculations.
  • the directivity control method described in the present embodiment can be realized by executing a program prepared in advance on a computer such as a personal computer or a workstation.
  • This program is recorded on a computer-readable recording medium such as a hard disk, a flexible disk, a CD-ROM, an MO, and a DVD, and is executed by reading the recording medium force by the computer.
  • this program may be a transmission medium that can be distributed through a network such as the Internet.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

　アレーアンテナ（１２）は、給電素子（１２ａ）と、複数の無給電素子（１２ｂ）と、複数の可変リアクタンス素子（１３）とを有する。受付部（１７）は、指向特性に関する設定情報を受け付ける。設定部（１４）は、複数の可変リアクタンス素子（１３）のリアクタンス値をそれぞれ設定する。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（１２ｂ）の周方向に隣接する他の無給電素子（１２ｂ）のリアクタンス値としてシフトさせる。測定部（１６）は、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における給電素子（１２ａ）の利得を測定する。算出部（１８）は、測定部（１６）による測定結果と、無給電素子（１２ｂ）のリアクタンス値とに基づいて、指向特性に対応した最適な複数のリアクタンス値を算出する。

Description

明 細 書
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
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!ヽ 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力 なる給電素子である 1本のダイポール ·アンテナと
、複数の非励振素子力 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 ァ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 10 Ω〜10 Ωの間を 1 Ω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、ノ 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 つて 0° 〜359° を 1° 刻みとしたときの測定回数は、 216回 X 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。 ) o
[0005] 特許文献 1 :特開 2004— 23239号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] し力しながら、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、他の方向力 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、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、前記受付手段からの指向特性に関する設定情報と、前記測定手段による 測定結果と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値と、到来波に関する情 報とに基づいて、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 タンス値を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とする。
[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、到来波の到来方向毎に、所定の指向特性に対応する複数の前記可変 リアクタンス素子の複数の前記リアクタンス値が格納された格納手段と、前記到来波 の到来方向の情報の入力に基づ 、て、前記格納手段に格納されて 、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設定手段と、を備えたこと を特徴とする。
[0009] また、請求項 8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、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、前記受付手段からの指 向特性に関する設定情報と、前記測定手段による測定結果と、複数の前記可変リア クタンス素子のリアクタンス値とに基づいて、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算出する算出手段と、前記算出手段により算出 された複数のリアクタンス値をそれぞれ複数の前記可変リアクタンス素子に設定する 設定手段と、を備えたことを特徴とする。
[0010] また、請求項 9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、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、前記測定工程によ る測定結果と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値と、到来波に関する 情報とに基づいて、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 クタンス値を算出する算出工程と、を含むことを特徴とする。
[0011] 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、到来波の到来方向の情報の入力に基づいて、格納手 段に格納されている所定の指向特性に対応した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設定工程とを含むことを特徴とする。
[0012] また、請求項 11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、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 付工程により受け付けた指向特性に関する設定情報と、前記測定工程による測定結 果と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値とに基づいて、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算出する算出工程と 、前記算出工程により算出された複数のリアクタンス値をそれぞれ複数の前記可変リ ァクタンス素子に設定する設定工程と、を含むことを特徴とする。 [0013] また、請求項 12に記載の指向性制御プログラムは、請求項 9〜： L 1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。
[0014] また、請求項 13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 12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力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 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 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— 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 ヤートである。
[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
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 IZF
108 受信測定系
109 送信測定系 no 出力 IZF
111 ディスプレイ
112 入力 IZF
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 1 6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のリアクタンス値力 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（3 60° )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ぐ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 つ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 一チャートである。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力否かを判断する（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 S 26)、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)だけ行えばよぐアレーアンテナ 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 S 28)。
[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力判断し (ステップ S29)、終了していなければ (ス テツプ 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 S2 9 : 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個の項目力もなる。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 力べ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力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 (ノヽードディスクドライブ） 105 と、 HD (ハードディスク） 106と、測定 IZF107と、受信測定系 108と、送信測定系 10 9と、出力 IZF110と、ディスプレイ 111と、入力 IZF112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、 CP U102の命令にしたがって HD106に対するデータのリード Zライトを制御する。 HD 106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 IZF107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 IZF110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 1 11を用いて表示させる。入力 IZF112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 1Z4の長 さ (fZ4)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!/、。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 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と力もなる。回転台 702の上に取り付けられた測定用アレーアンテナ 70 1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 糸且みになっている。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 できるようになつている。
[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と力もなる。回転台 702の上に取り付けられた測定用アレーアンテナ 70 1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 、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つている。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つている。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 H D106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 一ブル力 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 度の刻み幅が細力べ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° 〜1 20° , 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、そのままァレーア 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により測定用ァ 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ァレ 一アンテナ 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 = 360Z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、現在の値力 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力も微小変化させ、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 X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 、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、本発明に力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力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、ノ 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力 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 [El, E2, · ··, Ek— 1, Ek] …ひ）
μ：収束定数 (最急勾配法の繰り返し回数との兼ね合 、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 Ε2 :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 Ε3 :到来波の方向に対して 120° 反時計回りの重み
•ベタトル第 4要素 Ε4：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 Ε5 :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 Ε6 :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 Ε= μ [cos (0 X 360/k) , cos (I X 360/k) , cos (2 X 360 /k) , · ··, cos{ (k- l) X 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、「一 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っ 、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力否かの判断を行う（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 :N o)、ステップ SI 221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力も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 S 1223)、処理を終了する。 CPU102は、 HD 106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 S 1302)。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) = [Vl (n) , · ··, Vm (n) , · ··, V6 (n) ] · ,· (3)
V (n)：ステップを η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 SI 303)。このとき測定値は、下 記の（4)式のように表される。
[0070] POk (n) = P [VI (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 S 130 4)、測定値力も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] Pll (n)=P{Vl(n) + AVl, V2, ···, V5(n), V6(n)}〜（5)
dP 1 (n) /dVl = { P 11 (n)— POk (n) }/ Δ VI··· (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。この処理を一般ィ匕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) + AVm, Vk—Ι}··· (7)
dPk (n) /dVm= { Pmk (n) POk (n) } Z Δ Vnr" (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]
Figure imgf000021_0001
- O)
Rk(n) :ステップを!！回繰り返した時のリアクタンス値のシフト k回時における評価値
[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!/ヽな 、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 S 1303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 S 1306にお 、て素子数分シフト終了と判断すれば (ステップ S 1306 : Yes)、図 11に示すように全 6方向（到来波 900 X 1 +擬似的な到来波 901 X 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]
Figure imgf000021_0002
R(n) :ステップを n回繰り返した時の評価値
[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（1 1)式のように、 R(n)にユーザがあら力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 XR(n) "' (l l)
[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 S 1309)。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 S1 308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 ァ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 S 1308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 、く。
[0083] V(n+ l) =V(n) +E XR〜（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)、ステツ プ S 1303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 、る値が最も評価値のょ 、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 0≥360か否かの判断を行う（ステップ S1312)。到来方向 0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 ァクタンス値の設定処理 (ステップ S 1302〜ステップ S 1311)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 S 1312 : 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（140 0, 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力 図 1 5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個の項目力もなる。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 として用いることちでさる。
[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!/、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、所望の電波が強ぐ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力 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力判断を行う (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 ァクタンス値を設定し (ステップ S 1703)、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 S 180
2)。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 S18
03)、側定値カも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 S 180
4)。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力否かの判断を行う（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 X 1 +擬似的な到来波 901 X 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 S 1808)。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 S1 807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）によつ て算出された更新量でリアクタンス値を更新して！/、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 S 1809)、 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 S 1809 : No)、ステツ 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。したがつ 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ダラ 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力も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

請求の範囲
[1] 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ぉ 、て、
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、
前記受付手段からの指向特性に関する設定情報と、前記測定手段による測定結果 と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値と、到来波に関する情報とに基 づいて、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 を算出する算出手段と、
を備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
[2] 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。
[3] 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 、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または 2に記載のアレーアンテナ装置。
[4] 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、前記測定手段によつ 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 とする請求項 3に記載のアレーアンテナ装置。
[5] 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。
[6] 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!、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 5に記載のアレーアンテ ナ装置。
[7] 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ぉ 、て、
到来波の到来方向毎に、所定の指向特性に対応する複数の前記可変リアクタンス 素子の複数の前記リアクタンス値が格納された格納手段と、
前記到来波の到来方向の情報の入力に基づ!、て、前記格納手段に格納されて 、 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設定手段と を備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
[8] 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ぉ 、て、
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、
前記受付手段からの指向特性に関する設定情報と、前記測定手段による測定結果 と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値とに基づいて、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算出する算出手段と、 前記算出手段により算出された複数のリアクタンス値をそれぞれ複数の前記可変リ ァクタンス素子に設定する設定手段と、
を備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
[9] 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、
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、前記測 定工程による測定結果と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値と、到来 波に関する情報とに基づいて、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算出する算出工程と、
を含むことを特徴とする指向性制御方法。
[10] 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、
到来波の到来方向の情報の入力に基づ!、て、格納手段に格納されて!、る所定の 指向特性に対応した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 定する設定工程を含むことを特徴とする指向性制御方法。
[11] 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、 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、
前記受付工程により受け付けた指向特性に関する設定情報と、前記測定工程によ る測定結果と、複数の前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値とに基づいて、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算出する算 出工程と、
前記算出工程により算出された複数のリアクタンス値をそれぞれ複数の前記可変リ ァクタンス素子に設定する設定工程と、
を含むことを特徴とする指向性制御方法。
[12] 請求項 9〜11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。
[13] 請求項 12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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