WO2021230301A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

移動体で用いられるアンテナ装置であって、低仰角の指向性利得が高仰角の指向性利得よりも高い垂直偏波アンテナ（４０）と、垂直偏波アンテナ（４０）が送受信する電波と電界の振動方向が交差する電波を送受信し、基地局が低仰角にあるときに基地局との間で通信でき、かつ、垂直偏波アンテナ（４０）よりも高仰角の指向性利得が高い水平偏波アンテナ（３０）と、水平偏波アンテナ（３０）が送受信する電波と電界の振動方向が交差し、かつ、垂直偏波アンテナ（４０）よりも高仰角の指向性利得が高い天頂用アンテナ（５０）とを備える。

Description

アンテナ装置 関連出願の相互参照

　この出願は、２０２０年５月１５日に日本に出願された特許出願第２０２０－８６０１６号を基礎としており、基礎の出願の内容を、全体的に、参照により援用している。

　アンテナ装置に関し、特に、交差偏波を送受信するアンテナに関する。

　交差偏波を送受信するアンテナ装置が知られている。特許文献１には、車両において水平方向への直交偏波を用いて高速通信を実現するアンテナ構成が開示されている。１つのアンテナは水平偏波を送受信するアンテナであり、もう一つのアンテナは垂直偏波を送受信するアンテナである。水平偏波を送受信するアンテナは逆Ｌアンテナであり、垂直偏波アンテナはモノポールアンテナである。

特開２０１７－２２４９７号公報

　移動体にアンテナ装置が搭載される場合、移動体が移動することにより、アンテナ装置から見ると、基地局が高仰角に位置する場合も生じ得る。特許文献１に開示されたアンテナ構成は、垂直偏波を送受信するアンテナがモノポールアンテナであるため、天頂方向など、高仰角の利得が十分でない。したがって、特許文献１に開示されたアンテナ構成では、基地局が高仰角に位置する場合、直接波による通信を良好に行うことができない恐れがある。

　基地局が高仰角にあっても、種々の物体で反射して生じる反射波の中には、低仰角から到来する反射波も生じる可能性が十分にある。したがって、反射波が受信できれば、高仰角の利得が十分でなくても、アンテナ装置は、高仰角にある基地局と通信できる可能性が高くなる。

　しかし、送受信する電波の周波数がミリ波帯になると、距離に応じた減衰量が大きいので、反射波は受信しにくくなる。したがって、送受信する電波の周波数帯がミリ波帯になると、基地局が高仰角に位置する場合に通信を良好に行うことができない可能性が特に高くなる。

　また、送受信する電波の周波数がミリ波よりも低い周波数であっても、直接波が受信できない点ではミリ波と同じである。したがって、送受信する電波の周波数がミリ波よりも低い周波数であっても、基地局が高仰角にあると、良好に通信できない恐れがある。

　本開示は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、基地局が低仰角にあっても高仰角にあっても、良好に通信することができるアンテナ装置を提供することにある。

　上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は更なる有利な具体例を規定する。請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示した技術的範囲を限定するものではない。

　上記目的を達成するための１つの開示は、
　移動体で用いられるアンテナ装置であって、
　低仰角の指向性利得が高仰角の指向性利得よりも高い第１アンテナと、
　第１アンテナが送受信する電波と電界の振動方向が交差する電波を送受信し、基地局が低仰角にあるときに基地局との間で通信でき、かつ、第１アンテナよりも高仰角の指向性利得が高い第２アンテナと、
　第２アンテナが送受信する電波と電界の振動方向が交差し、かつ、第１アンテナよりも高仰角の指向性利得が高い第３アンテナと、を備える。

　第１アンテナと第２アンテナとを使うことにより、低仰角にある基地局との間で交差偏波による通信の利得を高くすることができる。また、第２アンテナと第３アンテナとを使うことにより、高仰角にある基地局との間でも交差偏波による通信の利得を高くすることができる。よって、基地局が低仰角にあっても、また、高仰角にあっても、良好に通信することができる。

アンテナ装置１０の構成を示す図 アンテナ３０、４０、５０の具体的構成を示す図 図２のIII－III線断面図 図２のIV－IV線断面図 水平偏波アンテナ３０の指向性利得を説明する図 垂直偏波アンテナ４０の指向性利得を説明する図 天頂用アンテナ５０の指向性利得を説明する図 第２実施形態のアンテナの構成を示す図 水平偏波アンテナ１５０の指向性利得を示す図 第３実施形態のアンテナ装置２００の構成を示す図 第４実施形態のアンテナ装置３００の構成を示す図

　＜第１実施形態＞
　以下、実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態のアンテナ装置１０の構成を示す図である。アンテナ装置１０は、車両Ｃに搭載されている。車両Ｃは、移動体の一例である。車両Ｃは、道路を走行するものであり、本実施形態では４輪の乗用車である。ただし、アンテナ装置１０は、４輪の乗用車以外の車両Ｃに搭載されてもよいし、また、車両Ｃ以外の移動体とともに移動するものであってもよい。

　アンテナ装置１０は、第５世代移動通信システム（以下、５Ｇ）により通信できる装置である。アンテナ装置１０が通信に用いる電波の周波数帯には、ミリ波帯、たとえば、２８ＧＨｚ帯が含まれる。アンテナ装置１０の構成は、通信機２０と、水平偏波アンテナ３０と、垂直偏波アンテナ４０と、天頂用アンテナ５０とを備えている。なお、水平偏波アンテナ３０は第２アンテナに相当し、垂直偏波アンテナ４０は第１アンテナに相当し、天頂用アンテナ５０は第３アンテナに相当する。

　通信機２０は、水平偏波アンテナ３０、垂直偏波アンテナ４０、天頂用アンテナ５０を介して、車両Ｃの外部にある基地局ＢＳとの間で電波により信号を送受信する。基地局ＢＳは、図示の便宜上、図１には１つしか示していないが、複数存在する。複数存在する基地局ＢＳが設置される地上高は様々である。

　通信機２０の具体的な作動は、上記アンテナ３０、４０、５０から送信する信号の増幅、変調、上記アンテナ３０、４０、５０が受信した電波の復調、増幅などである。通信機２０は、車両Ｃに搭載された種々の制御装置３と車内ＬＡＮ４により相互通信が可能となっている。

　水平偏波アンテナ３０は、水平偏波を送受信するアンテナである。水平偏波は電波の振動方向が大地に対して水平となる電波である。垂直偏波アンテナ４０は、垂直偏波を送受信するアンテナである。垂直偏波は、電波の振動方向が大地に対して垂直方向となる電波である。天頂用アンテナ５０は、天頂方向に指向性利得が高いアンテナである。

　図２に、アンテナ装置１０が備えるアンテナ３０、４０、５０の具体的構成を示す。本実施形態では、水平偏波アンテナ３０、垂直偏波アンテナ４０、天頂用アンテナ５０は、１つの基板６０に配置される。基板６０はガラスエポキシ樹脂などの誘電体材料製である。基板６０の形状は本実施形態では、矩形平板状である。この基板６０の設置位置は、車両Ｃの屋根上であり、カバーに覆われて屋根上に設置される。また、屋根の一部を凹ませて、そこに基板６０を嵌め入れてもよい。基板６０の姿勢は、屋根に沿った姿勢である。基板６０は誘電体シート７０を介して、屋根などの所定の設置位置に設置される。

　水平偏波アンテナ３０は、基板６０の１辺、具体的には、基板６０において車両Ｃの前側となる辺から延びる給電線３１により基板６０に接続されている。水平偏波アンテナ３０はダイポールアンテナであり、車幅方向に延びている。ダイポールアンテナは棒状アンテナの一例である。

　水平偏波アンテナ３０はダイポールアンテナであるから、長さは約λ／２（すなわち約半波長）である。なお、λは、送受信する電波の波長を表す。また、水平偏波アンテナ３０は、互いに同一の形状のものが、車幅方向に沿って２つ配置されている。水平偏波アンテナ３０の数は一例である。水平偏波アンテナ３０の数は１つでも、また３つ以上でもよい。

　垂直偏波アンテナ４０は、互いに同じ形状のものが、基板６０に８つ備えられている。各垂直偏波アンテナ４０は、図２に図示されている導体板４１を備える。本実施形態において、板には箔状の薄いものも含まれ、導体板４１は銅箔などの導電体製である。導体板４１の形状は、平板状であって、平面形状は正方形である。８つの垂直偏波アンテナ４０は、基板６０の４つの辺に沿う正方形を形成するように等間隔で配置されている。この８つの垂直偏波アンテナ４０に囲まれる位置に、天頂用アンテナ５０が配置されている。天頂用アンテナ５０は、図２に示されている導体板５１を備える。

　図３に図２のIII－III線断面図を示す。なお、図３では誘電体シート７０は省略している。垂直偏波アンテナ４０は、基板６０の上面に配置された導体板４１と、基板６０の裏面に配置されたグランド６１と、基板６０を厚さ方向に貫通し、導体板４１とグランド６１とを電気的に接続する短絡ピン４２とを備えた構成である。短絡ピン４２は、導体板４１の中心において導体板４１に接続されている。短絡ピン４２は、基板６０に設けられたビアにより実現することができる。

　導体板４１には給電線８０が接続されており、この給電線８０から給電される。グランド６１は基板６０の裏面の全面に形成されており、グランド６１は全部の垂直偏波アンテナ４０および天頂用アンテナ５０に共通である。

　図４に図２のIV－IV線断面図を示す。なお、図４でも誘電体シート７０は省略している。天頂用アンテナ５０は、パッチアンテナであり、導体板５１に給電線８０が接続されている。導体板５１は、平面形状が、一辺の長さがλ／２の正方形状である。導体板５１において給電線８０が接続される位置は、導体板５１において車両前後方向の後ろ寄りの位置である。

　図５、図６、図７には、水平偏波アンテナ３０、垂直偏波アンテナ４０、天頂用アンテナ５０の指向性利得をそれぞれ示している。図５、図６、図７において、一点鎖線が指向性利得を示している。実際の指向性利得は、周囲に存在する物体の影響を受ける等の理由により複雑な形状を示す。図５、図６、図７に示す指向性利得は概念的なものである。以下の説明では、車両前後方向をＸ軸方向、車幅方向をＹ軸方向、鉛直方向をＺ軸方向ということもある。これらの各軸は、図１－図７にも示している。

　水平偏波アンテナ３０は、ダイポールアンテナであってＹ軸方向にアンテナ素子が延びるので、水平偏波アンテナ３０が放射する直線偏波は水平面内においてＹ軸方向に振動する。また、水平偏波アンテナ３０は、ダイポールアンテナであることから、アンテナの軸周りの指向性が等方的に高い。よって、図５に示すように、Ｘ軸方向の指向性利得も高い。したがって、水平偏波アンテナ３０は、基地局ＢＳが低仰角にあるときに基地局ＢＳと通信できるアンテナである。また、水平偏波アンテナ３０はアンテナの軸周りの指向性が等方的に高いのでＺ軸方向の指向性利得も高い。よって、水平偏波アンテナ３０は、基地局ＢＳが高仰角にあっても、基地局ＢＳと通信できる。ただし、水平偏波アンテナ３０が延びるＹ軸方向の指向性利得は低い。

　垂直偏波アンテナ４０は、０次共振アンテナである。垂直偏波アンテナ４０が０次共振によりアンテナとして動作する原理を概説する。導体板４１の面積は、短絡ピン４２が備えるインダクタンスと、垂直偏波アンテナ４０が送受信する電波の周波数（以下、動作周波数）において並列共振する静電容量を形成する面積となっている。このため、動作周波数およびその近傍においては、インダクタンスと静電容量との間のエネルギー交換によって並列共振（いわゆるＬＣ並列共振）が生じる。この並列共振により、グランド６１と導体板４１との間には、グランド６１および導体板４１に対して垂直な電界（以下、垂直電界）が発生する。なお、動作周波数は整合素子を用いて調整されてもよい。

　この垂直電界は、短絡ピン４２から導体板４１の縁部に向かって伝搬していき、導体板４１の縁部において、導体板４１に対して垂直な偏波（したがって垂直偏波）となって空間を伝搬していく。垂直偏波アンテナ４０が送受信する電波が垂直偏波であり、水平偏波アンテナ３０が送受信する電波が水平偏波であるので、水平偏波アンテナ３０と垂直偏波アンテナ４０が送受信する電波の電界の振動方向は、交差、より詳しくは直交する。

　垂直偏波アンテナ４０から放射される電波は、導体板４１の各縁部から空間へ放射されるので、グランド６１が水平となるように配置されている場合、垂直偏波アンテナ４０の放射方向は、図６に示すようにＸ軸方向およびＹ軸方向になる。垂直電界の伝搬方向は、短絡ピン４２を中心として対称である。そのため、グランド６１に平行な方向に対する放射特性は無指向性（換言すれば全方向性）となる。したがって、垂直偏波アンテナ４０は、基地局ＢＳが低仰角にあるときには、基地局ＢＳの方位によらず良好に基地局ＢＳと通信することができる。なお、低仰角は、次に説明する天頂用アンテナ５０の指向性利得が低くなるほどに低い仰角を意味する。

　ただし、短絡ピン４２は導体板４１の中心に配置されているため、導体板４１に流れる電流は、短絡ピン４２を中心として対称となる。そのため、導体板４１において中心から或る方向に流れる電流が発するアンテナ高さ方向の電波は、逆向きに流れる電流が発する電波によって相殺される。つまり、導体板４１に励起される電流は、電波の放射に寄与しない。故に、垂直偏波アンテナ４０は導体板４１に対して垂直方向、すなわち天頂方向には電波を放射しない。

　天頂用アンテナ５０は、パッチアンテナであるので、図７に示すように、Ｚ軸方向すなわち天頂方向に電波を放射する。また、天頂用アンテナ５０は、給電線８０が導体板５１において、その中心からＸ軸方向のずれた位置に接続されているので、天頂用アンテナ５０が放射する直線偏波はＸ軸方向に振動する。

　水平偏波アンテナ３０が送受信する電波の電界の振動方向がＸＹ平面内においてＹ軸方向であるのに対して、天頂用アンテナ５０が送受信する電波の電界の振動方向は、ＸＺ平面内においてＸ軸方向である。したがって、天頂用アンテナ５０が送受信する電波の電界の振動方向は、水平偏波アンテナ３０が送受信する電波の電界の振動方向と、交差、より詳しくは直交する。

　〔第１実施形態のまとめ〕
　この第１実施形態のアンテナ装置１０によれば、水平偏波アンテナ３０と垂直偏波アンテナ４０は低仰角にある基地局ＢＳとの通信が可能であり、かつ、水平偏波アンテナ３０と垂直偏波アンテナ４０が送受信する電波の電界の振動方向は互いに交差する。したがって、アンテナ装置１０は低仰角にある基地局ＢＳとの間で、互いに交差する２つの偏波で通信をすることができる。

　さらに、水平偏波アンテナ３０は高仰角の指向性利得も高く、また、アンテナ装置１０は、高仰角の指向性利得が高い天頂用アンテナ５０を備える。そして、これら水平偏波アンテナ３０と天頂用アンテナ５０が送受信する電波の電界の振動方向は互いに直交する。したがって、アンテナ装置１０は基地局ＢＳが高仰角にあるときにも、互いに交差する２つの偏波で直接波により基地局ＢＳと良好に通信することができる。直接波による通信であることから、ミリ波帯を用いている５Ｇ通信でも、良好に基地局ＢＳと通信をすることができる。

　また、本実施形態では、０次共振アンテナである垂直偏波アンテナ４０と、パッチアンテナである天頂用アンテナ５０が同じ基板６０に配置されている。すなわち、垂直偏波アンテナ４０と天頂用アンテナ５０が同一層に配置されている。垂直偏波アンテナ４０と天頂用アンテナ５０が同一層に配置されていることで、天頂用アンテナ５０が放射する電波のサイドローブが垂直偏波アンテナ４０により反射される。これにより、天頂用アンテナ５０は、不要な方向への放射が減少するので、天頂方向への指向性利得が向上する。

　さらに、天頂用アンテナ５０は、垂直偏波アンテナ４０と同一層に配置されているだけでなく、天頂用アンテナ５０は同一の基板６０上で垂直偏波アンテナ４０に挟まれている。このような配置にすることで、天頂用アンテナ５０は、よりサイドローブを抑制できるので、天頂方向の指向性利得がより向上する。なお、挟まれているとは、２つの垂直偏波アンテナ４０を結ぶ線分上に天頂用アンテナ５０があることを意味する。

　また、本実施形態では、水平偏波アンテナ３０と垂直偏波アンテナ４０と天頂用アンテナ５０を、同一の基板６０に配置している。これら３つのアンテナ３０、４０、５０は、電界の振動方向が相互に交差するので、同一の基板６０にこれらのアンテナ３０、４０、５０を配置しても、電波の干渉を抑制できる。したがって、アンテナ装置１０を小型にしつつ、通信性能の低下も抑制できる。

　＜第２実施形態＞
　次に、第２実施形態を説明する。この第２実施形態以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。

　図８に、第２実施形態のアンテナの構成を示す。第２実施形態では、第１実施形態と同じ水平偏波アンテナ３０、垂直偏波アンテナ４０を備える。一方、天頂用アンテナ５０は備えられておらず、代わりに、第３アンテナとして２つの水平偏波アンテナ１５０を備える。水平偏波アンテナ１５０の数は、一例であり、１つでも、また、３つ以上の複数でもよい。

　水平偏波アンテナ１５０は、給電線１５１により基板６０に接続されている。水平偏波アンテナ１５０は、水平偏波アンテナ３０と同じ形状のダイポールアンテナである。ただし、配置されている位置と向きは水平偏波アンテナ３０とは異なる。

　水平偏波アンテナ１５０が配置されている位置は、基板６０において水平偏波アンテナ３０が接続されている辺と直交する辺である。この辺に平行に水平偏波アンテナ１５０は配置されている。したがって、水平偏波アンテナ１５０は、水平偏波アンテナ３０と同一平面内において直交する。

　このような配置となっているので、水平偏波アンテナ１５０が送受信する電波の電界の振動方向は、ＸＹ平面内でＸ軸方向である。また、水平偏波アンテナ１５０の指向性利得は、図９に示すように、Ｚ軸方向の指向性利得が高い。したがって、基地局ＢＳが高仰角にあるとき、水平偏波アンテナ１５０は基地局ＢＳと通信できる。また、水平偏波アンテナ１５０はＹ軸方向の指向性利得も高い。

　基地局ＢＳがＹ軸方向において低仰角にあれば、水平偏波アンテナ１５０を用いて良好に通信ができる。ただし、Ｙ方向は車両Ｃの進行方向ではない。したがって、車両Ｃが走行しているときに通信する必要性が高い、車両Ｃの前方の低仰角に基地局ＢＳがあり、その基地局ＢＳと交差偏波により通信する場合には、水平偏波アンテナ３０と垂直偏波アンテナ４０を用いることが好ましい。

　車両Ｃの前方にある基地局ＢＳが道路から高い位置に設置されている場合、車両Ｃが基地局ＢＳに近づいていくと、基地局ＢＳは車両Ｃから見て高仰角に位置する可能性がある。水平偏波アンテナ３０が送受信する電波の電界の振動方向と、水平偏波アンテナ１５０が送受信する電波の電界の振動方向は、ＸＹ平面内である点では共通する。したがって、車両Ｃに対して水平方向に基地局ＢＳが存在する場合には、これらの２つのアンテナ３０、１５０が送受信する電波は交差偏波とはみなせない。

　しかし、水平偏波アンテナ３０が送受信する電波の電界の振動方向はＹ軸方向であるのに対して、水平偏波アンテナ１５０が送受信する電波の電界の振動方向はＸ軸方向である。高仰角にある基地局ＢＳと通信する場合には、基地局ＢＳとアンテナ装置１０が電波を送受信する方向は、水平面に交差する方向である。この方向においては、水平偏波アンテナ３０が送受信する電波と水平偏波アンテナ１５０が送受信する電波は、交差偏波とみなすことができる。したがって、第２実施形態では、高仰角にある基地局ＢＳと交差偏波により通信する場合には、水平偏波アンテナ３０と水平偏波アンテナ１５０とを使うことができる。

　＜第３実施形態＞
　図１０に、第３実施形態のアンテナ装置２００の構成を示す。アンテナ装置２００は、第１実施形態と同じ通信機２０、水平偏波アンテナ３０、垂直偏波アンテナ４０、天頂用アンテナ５０を備えている。ただし、水平偏波アンテナ３０の数および位置は第１実施形態のアンテナ装置１０とは相違する。なお、第１実施形態と同様、車両Ｃは車内ＬＡＮ４、制御装置３を備えているが、これらは図示を省略している。

　アンテナ装置２００は、水平偏波アンテナ３０として、水平偏波アンテナ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを備えている。これら各水平偏波アンテナ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、１つのダイポールアンテナでもよいし、複数のダイポールアンテナを備えたアレーアンテナでもよい。

　水平偏波アンテナ３０ａは、車両Ｃの前部において車幅方向中央に配置されている。水平偏波アンテナ３０ｂは、車両Ｃの右端部において車両前後方向中央に配置されている。水平偏波アンテナ３０ｃは、車両Ｃの後部において車幅方向中央に配置されている。水平偏波アンテナ３０ｄは、車両の左端部において車両前後方向中央に配置されている。垂直偏波アンテナ４０と天頂用アンテナ５０は、車両Ｃの屋根上において車幅方向の中央に配置されている。このような配置であるため、当然に、水平偏波アンテナ３０ａと水平偏波アンテナ３０ｃは、車両Ｃの前後方向においてλ／２以上離れており、水平偏波アンテナ３０ｂと水平偏波アンテナ３０ｄは、車両Ｃの幅方向においてλ／２以上離れている。

　水平偏波アンテナ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄはこのように分散して配置されている。そのため、水平偏波アンテナ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄのいずれかが送信する電波が、他の水平偏波アンテナ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが送受信する電波に干渉してしまうことが抑制されている。

　＜第４実施形態＞
　図１１に第４実施形態のアンテナ装置３００の構成を示す。なお、図１１でも、車内ＬＡＮ４、制御装置３は図示を省略している。アンテナ装置３００は、第１実施形態と同じ水平偏波アンテナ３０、垂直偏波アンテナ４０、天頂用アンテナ５０を備える。

　通信機３２０は、無線回路３２１と、現在位置取得部３２２と、電波方向推定部３２３を備える。無線回路３２１は、第１実施形態の通信機２０と同じ機能であり、水平偏波アンテナ３０、垂直偏波アンテナ４０、天頂用アンテナ５０を介して、車両Ｃの外部にある基地局ＢＳとの間で電波により信号を送受信する。

　現在位置取得部３２２は、アンテナ装置３００の現在位置を取得する。この現在位置に車両Ｃの現在位置を用いることができる。車両Ｃに搭載された他の装置が現在位置を逐次決定している場合、現在位置取得部３２２はその装置から現在位置を取得する。また、現在位置取得部３２２は、ＧＮＳＳ受信器を備え、現在位置取得部３２２が現在位置を決定してもよい。現在位置取得部３２２は三次元座標の形式で現在位置を取得する。

　電波方向推定部３２３は、基地局ＢＳからの電波が到来する仰角が低仰角範囲であるか、高仰角範囲であるかを推定する。事前に決定した境界仰角よりも大きい仰角範囲を高仰角範囲とし、境界仰角以下の仰角範囲を低仰角範囲とする。境界仰角は、垂直偏波アンテナ４０よりも天頂用アンテナ５０を用いて通信したほうが高利得となる角度範囲の下限値である。なお、電波方向推定部３２３は、仰角に加えて方位角も推定してもよい。

　電波方向推定部３２３は、たとえば、プロセッサを備えたコンピュータが、電波方向推定のために作られたプログラムを実行することで実現できる。このプログラムはコンピュータが備える不揮発性メモリなどに記憶される。

　次に、電波方向推定部３２３が、電波が到来する仰角を推定する方法を説明する。本実施形態では、基地局ＢＳは、送信する電波に基地局ＢＳが設置されている位置（以下、基地局位置）を示す信号を含ませる。基地局位置は、三次元座標で表現されている。基地局位置は、基地局ＢＳの設置時などに、基地局ＢＳが備える記憶装置に記憶させておく。

　電波方向推定部３２３は、現在位置取得部３２２が取得した現在位置の三次元座標と、基地局ＢＳが送信した電波に含まれている基地局位置の三次元座標とから、現在位置における基地局ＢＳの仰角を決定する。

　アンテナ装置３００はアンテナ切り替え部３９０を備える。アンテナ切り替え部３９０は、通信に用いるアンテナを、水平偏波アンテナ３０と垂直偏波アンテナ４０とする状態と、通信に用いるアンテナを、水平偏波アンテナ３０と天頂用アンテナ５０とする状態に切り替える。

　アンテナ切り替え部３９０は、たとえば、リレーを備えた構成であり、水平偏波アンテナ３０と垂直偏波アンテナ４０が無線回路３２１に接続された状態と、水平偏波アンテナ３０と天頂用アンテナ５０が無線回路３２１に接続された状態との間で状態を切り替える。アンテナ切り替え部３９０の制御は無線回路３２１が行う構成とすることができる。

　アンテナ切り替え部３９０は、電波方向推定部３２３が、電波が到来する仰角が低仰角範囲であると推定した場合には、通信に用いるアンテナを水平偏波アンテナ３０と垂直偏波アンテナ４０とする。一方、電波方向推定部３２３が、電波が到来する仰角が高仰角範囲であると推定した場合には、通信に用いるアンテナを、水平偏波アンテナ３０と天頂用アンテナ５０とする。

　このように、通信に用いるアンテナを切り替えることで、常に３種類のアンテナを使うよりも、不要なアンテナで電波を受信することに伴う通信品質の低下を抑制でき、また、消費電力も低減できる。

　以上、実施形態を説明したが、開示した技術は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も開示した範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

　＜変形例１＞
　変形例１は、第４実施形態の変形例である。アンテナ切り替え部３９０は、垂直偏波アンテナ４０をアレーアンテナとして動作させてビーム方向を走査する機能も備える。

　変形例１では、電波方向推定部３２３は、基地局ＢＳと車両Ｃとの距離を推定し、この距離に基づいて基地局ＢＳからの電波が到来する仰角が低仰角範囲にあるか高仰角範囲にあるかを推定する。具体的には、推定した距離が事前に設定した遠距離閾値よりも長い場合、低仰角範囲であると推定し、推定した距離が遠距離閾値以下である場合、高仰角範囲であると推定する。

　距離は、基地局ＢＳが送信する電波を受信した受信電力をもとに推定する。送受信する電波の周波数が高いので、受信できる電波はほとんど直接波である。したがって、受信電力をもとに精度良く距離を推定することができる。

　受信電力から距離を推定するために、方位角別の指向性利得を事前に測定等して決定し、所定の記憶部に記憶しておく。また、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＳＴ法、ビームフォーマ法などの到来方向推定手法により電波が到来する方位角を決定する。方位角はＸＹ平面内における、電波到来方向を意味する。

　決定した方位角と、所定の記憶部に記憶した方位角別の指向性利得とから、基地局ＢＳが存在する方位角の指向性利得を決定する。指向性利得が高い方位角と、指向性利得が低い方位角とを比較した場合、同じ受信電力でも、車両Ｃから基地局ＢＳまでの距離は異なる。

　そこで、基地局ＢＳが存在する方位角の指向性利得をもとに、距離と受信電力の関係を決定する。たとえば、指向性利得別に、距離と受信電力の関係を事前に設定しておき、今回決定した指向性利得から、事前に設定した指向性利得別の距離と受信電力の関係から、今回決定した指向性利得に対応する関係を選択する。あるいは、基準となる指向性利得に対して事前に距離と受信電力の関係を設定しておく。そして、今回決定した指向性利得に基づいて、基準となる指向性利得に対して設定した距離と受信電力の関係を補正してもよい。

　なお、指向性利得は、方位角のみではなく仰角によっても変化する。しかし、基地局ＢＳは、路面など地表面を移動する移動体に対して、水平偏波と垂直偏波で通信する必要があるので、基地局ＢＳの設置高さ範囲は、ある程度限定される。そのため、基地局ＢＳまでの距離が遠い場合には、車両Ｃから見た基地局ＢＳの仰角は低仰角範囲にあると言える。そして、低仰角範囲では、仰角の変化による指向性利得の変化は少ない。従って、方位角のみにより、距離と受信電力の関係を決定する。

　距離と受信電力の関係を決定した後、その関係、および、基地局ＢＳから受信した電波の受信電力から、車両Ｃと基地局ＢＳとの距離を推定する。基地局ＢＳは種々の高さに設置されるけれども、基地局ＢＳの設置高さの変動範囲を考慮しても、基地局ＢＳまでの距離が遠い場合には、基地局ＢＳは低仰角範囲にあるとみなすことができる。そこで、車両Ｃと基地局ＢＳとの距離が事前に設定した遠距離閾値以上であれば、基地局ＢＳからの電波が到来する仰角が低仰角範囲とする。一方、その距離が遠距離閾値よりも短ければ、基地局ＢＳからの電波が到来する仰角が高仰角範囲とする。

　＜変形例２＞
　変形例２も、第４実施形態の変形例である。電波方向推定部３２３は、逐次受信する基地局ＢＳからの電波の受信電力の移動距離に対する変化量をもとに、基地局ＢＳの方位角と仰角を推定してもよい。指向性利得は方位角および仰角により異なる。これは、移動距離に対する受信電力の変化量が、基地局ＢＳが存在する方位角および仰角により異なることを意味する。したがって、基地局ＢＳからの電波の受信電力の移動距離に対する変化量から、基地局ＢＳの方位角と仰角を推定できる。

　＜変形例３＞
　第４実施形態では、基地局ＢＳが、基地局ＢＳが設置されている位置を含む信号を送信していた。それに対して、この変形例３では、アンテナ装置３００が基地局ＢＳの座標を記憶したデータベースをサーバ等から取得し、また、基地局ＢＳとの通信において取得した基地局ＢＳのＩＤを取得する。そして、基地局ＢＳのＩＤをもとに、サーバ等に記憶されている基地局ＢＳの座標を取得する。

　＜変形例４＞
　実施形態では、基板６０は車両Ｃの屋根上に設置されていた。しかし、基板６０は、カバーとともにフロントガラスに貼り付けられてもよい。

　＜変形例５＞
　実施形態では、０次共振アンテナである垂直偏波アンテナ４０を複数備えており、その複数の垂直偏波アンテナ４０間の距離はλ／２よりも短かった。しかし、複数の垂直偏波アンテナ４０の間の距離をλ／２以上としてもよい。

　＜変形例６＞
　複数の水平偏波アンテナ３０が車両Ｃにおいて分散して配置されている場合、各水平偏波アンテナ３０として、他の水平偏波アンテナ３０が存在している方位の指向性利得を低くし、他の水平偏波アンテナ３０が存在していない方位の指向性利得を高くしたアンテナを用いてもよい。

　＜変形例７＞
　実施形態では、天頂用アンテナ５０はパッチアンテナであった。しかし、ホーンアンテナなど、天頂用アンテナ５０は他の種類のアンテナであってもよい。

　＜変形例８＞
　実施形態では、交差偏波として直交偏波を示した。しかし、直交以外の角度で交差する交差偏波を用いてもよい。

　＜変形例９＞
　第４実施形態、変形例１、２、３において、天頂用アンテナ５０に代えて、水平偏波アンテナ１５０を用いてもよい。

Claims (13)

1. 　移動体（Ｃ）で用いられるアンテナ装置（１０、２００、３００）であって、
   　低仰角の指向性利得が高仰角の指向性利得よりも高い第１アンテナ（４０）と、
   　前記第１アンテナが送受信する電波と電界の振動方向が交差する電波を送受信し、基地局が低仰角にあるときに前記基地局との間で通信でき、かつ、前記第１アンテナよりも高仰角の指向性利得が高い第２アンテナ（３０）と、
   　前記第２アンテナが送受信する電波と電界の振動方向が交差し、かつ、前記第１アンテナよりも高仰角の指向性利得が高い第３アンテナ（５０、１５０）と、
   　を備えたアンテナ装置。
2. 　請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   　前記第１アンテナは、垂直偏波を送受信し、水平方向に対して垂直方向の指向性利得が低いアンテナであり、
   　前記第３アンテナ（５０）は、パッチアンテナである、アンテナ装置。
3. 　請求項２に記載のアンテナ装置であって、
   　前記第１アンテナは、平板状の導体板（４１）と、前記導体板と平行なグランド（６１）と、前記導体板と前記グランドとを接続する短絡ピン（４２）とを備えた０次共振アンテナである、アンテナ装置。
4. 　請求項３に記載のアンテナ装置であって、
   　前記０次共振アンテナが前記パッチアンテナと同一層に配置されている、アンテナ装置。
5. 　請求項４に記載のアンテナ装置であって、
   　前記０次共振アンテナを複数備え、
   　前記パッチアンテナは、複数の前記０次共振アンテナと同じ基板に配置され、かつ、複数の前記０次共振アンテナに挟まれる位置に配置されている、アンテナ装置。
6. 　請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   　前記第１アンテナは、垂直偏波を送受信し、水平方向に対して垂直方向の指向性利得が低いアンテナであり、
   　前記第２アンテナは、水平偏波を送受信する棒状アンテナであり、
   　前記第３アンテナ（１５０）は、水平偏波を送受信する棒状アンテナであって、前記第２アンテナとは異なる向きに配置されている、アンテナ装置。
7. 　請求項６に記載のアンテナ装置であって、
   　前記第１アンテナは、平板状の導体板（４１）と、前記導体板と平行なグランド（６１）と、前記導体板と前記グランドとを接続する短絡ピン（４２）とを備えた０次共振アンテナである、アンテナ装置。
8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
   　前記アンテナ装置は車両に搭載され、
   　前記第２アンテナを複数備え、
   　複数の前記第２アンテナのうちの少なくとも２つは、前記車両の前後方向において、前記第２アンテナが送受信する電波の半波長以上離れている、アンテナ装置。
9. 　請求項１～７のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
   　前記アンテナ装置は車両に搭載され、
   　前記第２アンテナを複数備え、
   　複数の前記第２アンテナのうちの少なくとも２つは、前記車両の幅方向において、前記第２アンテナが送受信する電波の半波長以上離れている、アンテナ装置。
10. 　請求項１～７のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
    　前記第１アンテナ、前記第２アンテナ、前記第３アンテナが、同じ基板に配置されている、アンテナ装置。
11. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
    　前記基地局が送信した電波が到来する仰角が低仰角範囲であるか高仰角範囲であるかを推定する電波方向推定部（３２３）と、
    　前記電波方向推定部が、前記電波が到来する仰角が前記低仰角範囲であると推定した場合には、通信に用いるアンテナを前記第１アンテナと前記第２アンテナとし、前記電波方向推定部が、前記電波が到来する仰角が前記高仰角範囲であると推定した場合には、通信に用いるアンテナを前記第２アンテナと前記第３アンテナとするアンテナ切り替え部（３９０）と、
    　を備えるアンテナ装置。
12. 　請求項１１に記載のアンテナ装置であって、
    　前記電波方向推定部は、前記基地局の座標と、前記移動体の現在位置を示す座標とに基づいて、前記基地局からの電波が到来する仰角を推定する、アンテナ装置。
13. 　請求項１１に記載のアンテナ装置であって、
    　前記電波方向推定部は、前記基地局と前記移動体との距離を推定し、前記距離が事前に設定した遠距離閾値よりも長い場合、前記低仰角範囲であると推定する、アンテナ装置。

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