ＭＩＭＯアンテナ装置及びそれを備えた無線通信装置
【課題】ＭＩＭＯアンテナ装置の給電アンテナ素子の個数を増やすことなく、受信信号の信号レベル差の低減と高感度化を達成する。
【解決手段】ＭＩＭＯアンテナ装置は、複数の給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃと、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃでそれぞれ受信された無線信号をＭＩＭＯ方式で復調する復調回路３とを備える。また、各給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃと電磁的に結合する無給電素子７と、無給電素子７に接続された可変負荷インピーダンス素子６と、受信された各無線信号の受信信号レベルを検出して比較し、最小の受信信号レベルを検出する信号レベル比較回路４と、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、信号レベル比較回路４により検出された各受信信号レベルに基づいて可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御するコントローラ５とを備える。
【解決手段】ＭＩＭＯアンテナ装置は、複数の給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃと、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃでそれぞれ受信された無線信号をＭＩＭＯ方式で復調する復調回路３とを備える。また、各給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃと電磁的に結合する無給電素子７と、無給電素子７に接続された可変負荷インピーダンス素子６と、受信された各無線信号の受信信号レベルを検出して比較し、最小の受信信号レベルを検出する信号レベル比較回路４と、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、信号レベル比較回路４により検出された各受信信号レベルに基づいて可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御するコントローラ５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話機等を用いた移動体通信において通信容量を増大させて高速通信を実現しながら通信品質を良好に保つように制御される無線通信装置のためのアンテナ装置に関し、特にＭＩＭＯアンテナ装置及びそれを備えた無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のアンテナを用いて複数のチャンネルの無線信号を同時に送受信するＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を採用したアンテナ装置として、例えば特許文献１に開示されたＭＩＭＯアンテナ装置がある。
【０００３】
特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置は、等間隔に配置された４つのアンテナ素子群と、本体部とにより構成されている。各アンテナ素子群は、互いに異なる偏波方向を有する４つのアンテナ素子をそれぞれ備えて構成される。一方、本体部は、各アンテナ素子に接続されたスイッチ部と、スイッチ部を介して受信信号を受信する信号受信部と、スイッチ部に対する制御信号を生成するアンテナ制御部と、アンテナ素子の組み合わせを生成し、選択素子情報をアンテナ制御部に通知するアンテナ選択部と、アンテナ選択部によって生成されたアンテナ素子によって受信された受信信号に基づいて、特定のアンテナ素子の組み合わせを決定し、決定素子情報をアンテナ制御部に通知するアンテナ決定部とを備えて構成される。この従来のＭＩＭＯアンテナ装置は、この構成により、各アンテナ素子群から１つずつアンテナ素子を選択するようにアンテナ素子の組み合わせを決定することで、アンテナ素子間の相関を低減し、伝送容量を十分に確保することを目的としている。
【０００４】
すなわち、ＭＩＭＯアンテナ装置では、複数のアンテナ素子が同時に動作して各アンテナ素子ができるだけ大きな受信電力を得ることが、ＭＩＭＯ復調した後の複数の信号系列に係る合計の伝送速度の高速化につながる。特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置では、ＭＩＭＯの同時通信チャンネル数より多くのアンテナ素子を備え、そのうちの受信信号強度の大きいアンテナ素子を選択してＭＩＭＯ復調を行うことにより、このことを達成している。このようなアンテナ素子の選択は、特に、移動体通信において、移動局（使用者）の移動や周囲環境の時間的変化により主偏波及び交差偏波の信号強度が時間的に変化したり到来角度が変化したりする場合に特に有効である。また、偏波特性の異なるアンテナ素子を用いることで偏波方向の変化に対処し、アンテナ素子を切り換えるように制御することにより時間的変化を克服することができる。
【０００５】
以上により、特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置は、複数のアンテナ素子によりそれぞれ構成された複数のアンテナ素子群を備え、スイッチ部を用いて、最も相関の低いアンテナ素子の組み合わせ、もしくは最も伝送容量の大きいアンテナ素子の組み合わせを選択することによりアンテナ素子間の相関を低減し、伝送容量を向上させることが可能なＭＩＭＯアンテナ装置を提供することができる。
【０００６】
さらに、特許文献２を参照して、無給電素子と可変負荷インピーダンス素子とを備えたアダプティブアンテナ装置の一例について説明する。
【０００７】
特許文献２のアダプティブアンテナ装置は、１つの給電アンテナ素子（特許文献２では「励振素子」と記載されている。）と、給電アンテナ素子の周囲に配置された複数の無給電素子（特許文献２では「非励振素子」と記載されている。）とを備えた構造となっている。さらに、各無給電素子には、可変負荷インピーダンス素子として可変リアクタンス素子がそれぞれ接続されている。各無給電素子は給電アンテナ素子と電磁的に結合しており、適応制御型コントローラにより可変リアクタンス素子のリアクタンス値を制御することにより、アダプティブアンテナ装置の放射指向性を変化させることが可能になる。この構成により、無線送受信機に到来する干渉電波を抑圧し、所望電波のみを受信することを目的としている。このように特許文献２のアダプティブアンテナ装置によれば、１つの給電アンテナ素子と複数の無給電素子と可変リアクタンス素子により、指向性を制御して高品位な無線通信を実現することが期待できる。
【０００８】
さらに、特許文献２のアダプティブアンテナ装置によれば、１つの無線通信回路（例えば無線送受信回路）によりアダプティブアンテナ装置を構成することが可能になる。特に携帯電話機のような、充電式電池により動作する携帯無線通信装置では、通話時間ができるだけ長くなるように小消費電力の構成が必要となる。通常のアダプティブアンテナ装置ではアンテナ素子数と等しいだけの無線通信回路が必要になり、多くの電力を消費する。しかしながら、特許文献２の構成によれば、無給電素子を制御することにより１つの無線通信回路（特許文献２では「復調器」と記載されている。）でアダプティブアンテナ装置を実現している。これにより、小消費電力と、小型形状を両立することができる。
【０００９】
以上により、特許文献２のアダプティブアンテナ装置は、１つの給電アンテナ素子と複数の無給電素子と可変リアクタンス素子とにより構成され、可変リアクタンス素子を適応制御型コントローラで制御することにより当該アダプティブアンテナ装置の指向性を変化させ、干渉波を抑圧するとともに所望波方向にビームを向けるように指向性を制御する。これにより、高品位な無線伝送を可能にするアダプティブアンテナ装置を提供することができる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−３１２３８１号公報。
【特許文献２】特開２００３−８７０５１号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置には以下のような問題があった。この従来のＭＩＭＯアンテナ装置は、できるだけ大きな受信電力を得るために、前述のように、ＭＩＭＯの同時通信チャンネル数より多くのアンテナ素子を備え、そのうちの受信信号強度の大きいアンテナ素子を選択してＭＩＭＯ復調を行う構成を有している。しかしながら、携帯電話機のような１波長もしくはそれ以下のサイズの小型機器には、特許文献１のような複数のアンテナ素子群を搭載することはきわめて困難である。
【００１２】
一方、特許文献２のアダプティブアンテナ装置には以下のような問題があった。この従来のアダプティブアンテナ装置では、１つの給電アンテナ素子を用いることで小型形状を実現し、携帯電話機のような１波長もしくはそれ以下のサイズの小型機器に搭載することが可能となっている。しかしながら、給電アンテナ素子が１つであるので、複数の送信回路（又は複数の受信回路）毎に複数のアンテナ素子の指向性を制御するＭＩＭＯアンテナ装置に適用することは不可能であった。すなわち、特許文献２のアダプティブアンテナ装置の給電アンテナ素子を２つにしても、２つの給電アンテナ素子がすべての無給電素子と電磁的に結合されてしまうので、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させても２つの給電アンテナ素子の指向性を独立に変化させることは不可能であった。従って、特許文献２のアダプティブアンテナ装置をＭＩＭＯアンテナ装置に用いることはできない。
【００１３】
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、小型形状であっても、複数の給電アンテナ素子が同時に良好な受信状態を維持することにより伝送容量及び伝送品位が高いＭＩＭＯ通信を行うことが可能なＭＩＭＯアンテナ装置、及びそれを備えた移動体用の無線通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の態様に係るＭＩＭＯアンテナ装置によれば、
複数の無線信号をそれぞれ受信する複数の給電アンテナ素子と、
上記複数の給電アンテナ素子でそれぞれ受信された無線信号をＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）方式で復調する復調手段とを備えたＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記各給電アンテナ素子と電磁的に結合するように設けられた少なくとも１つの無給電素子と、
上記無給電素子に接続された少なくとも１つの可変負荷インピーダンス素子と、
上記各給電アンテナ素子でそれぞれ受信された各無線信号の各受信信号レベルを検出して比較し、最小の受信信号レベルを検出する比較手段と、
上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された各受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記比較手段はさらに、所定の第１のしきい値未満の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、上記検出された第１のしきい値未満の受信信号レベルを有する無線信号のうち、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする。
【００１６】
また、上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差を所定の第２のしきい値と比較し、
上記制御手段はさらに、上記信号レベル差が上記第２のしきい値以上であるとき、上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする。
【００１７】
さらに、上記ＭＩＭＯアンテナ装置は、上記複数の無線信号を送信する送信側無線局装置によって使用される通信方式を制御する制御信号を上記送信側無線局装置に無線送信する無線送信手段をさらに備え、
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、最大の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、
（ｉ）上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御し、
（ｉｉ）上記最大の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする。
【００１８】
またさらに、上記ＭＩＭＯアンテナ装置は、上記複数の無線信号を送信する送信側無線局装置によって使用される通信方式を制御する制御信号を上記送信側無線局装置に無線送信する無線送信手段をさらに備え、
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差を所定の第２のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、最大の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、
（ａ）少なくとも１つの無線信号の受信信号レベルが第１のしきい値未満であり、かつ少なくとも１つの無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、
上記検出された第１のしきい値未満の受信信号レベルを有する無線信号のうち、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御し、
（ｂ）すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であり、かつ最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差が上記第２のしきい値以上であるとき、
上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御し、
（ｃ）すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、
（ｉ）上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御し、
（ｉｉ）上記最大の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする。
【００１９】
また、上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記制御手段は、上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更した場合、さらに、
（ａ）上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御したことにより上記すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上になったとき、又は、
（ｂ）所定の制御固定時間が経過したとき、
上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＳＩＳＯ方式からＭＩＭＯ方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御することを特徴とする。
【００２０】
さらに、上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記可変負荷インピーダンス素子は、上記制御手段の制御に従って連続的に変化するインピーダンス値を有することを特徴とする。
【００２１】
またさらに、上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記可変負荷インピーダンス素子は、上記制御手段の制御に従って選択的に切り換えられる複数のインピーダンス値を有することを特徴とする。
【００２２】
また、上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
所定の無線信号を受信し又は送信する無線通信回路と、
上記可変負荷インピーダンス素子と上記無線通信回路とのいずれか一方を上記無給電素子に接続するスイッチ手段とをさらに備えたことを特徴とする。
【００２３】
さらに、本発明によれば、上記ＭＩＭＯアンテナ装置を備えたことを特徴とする無線通信装置が提供される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。複数の給電アンテナ素子と１つ以上の無給電素子とを備えたＭＩＭＯアンテナ装置であって、受信信号レベルが低い無線信号を受信している給電アンテナ素子に係る当該無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、無給電素子に接続された可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を変化させて指向性を制御する。
【００２５】
このＭＩＭＯアンテナ装置によれば、制御手段が、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、比較手段により検出された各受信信号レベルに基づいて可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することにより、小型形状であっても、複数の給電アンテナ素子が同時に良好な受信状態を維持することにより伝送容量及び伝送品位が高いＭＩＭＯ通信を行うことが可能なＭＩＭＯアンテナ装置、及びそれを備えた移動体用の無線通信装置を提供することができる。
【００２６】
特に、最も受信信号レベルの低い給電アンテナ素子を選択し、その給電アンテナ素子で受信される無線信号の受信信号レベルが最大となるように可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御する。これにより、不等中央値（給電アンテナ素子間の信号レベル差）の低減と受信信号レベルの増大により、ＭＩＭＯ伝送特性の向上を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明の実施形態を説明するため図面の全体にわたり、同様の作用を有する構成要素は同一の符号を付与し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２８】
第１の実施形態．
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。以下、図１を参照しながら本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置について説明する。図１において、３つの給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃは、ＭＩＭＯ送信側基地局装置（図示せず。）から所定のＭＩＭＯ変調方式を用いて送信された３つの異なる無線信号をそれぞれ受信するために設けられ、これらの給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃに近接して電磁的に結合されるように、１つの無給電素子７が設けられる。無給電素子７には、可変なインピーダンス値を有する可変負荷インピーダンス素子６が接続されている。給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃは、受信された各無線信号をアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換回路２に入力する。Ａ／Ｄ変換回路２は、入力された各無線信号に対応して３つのＡ／Ｄ変換器を備え、これらのＡ／Ｄ変換器により各無線信号に対して別個にＡ／Ｄ変換処理を実行して、処理後の各信号（以下、受信信号という。）をＭＩＭＯ復調回路３と信号レベル比較回路４とにそれぞれ出力する。ＭＩＭＯ復調回路３は、３つの受信信号に対してＭＩＭＯ復調処理を実行して１つの復調信号を出力する。信号レベル比較回路４は、３つの受信信号の信号レベルを互いに比較し、比較結果の情報をコントローラ５に出力する。コントローラ５は、信号レベルの比較結果に基づいて、図７乃至図１３を参照して後述されるＭＩＭＯ適応制御処理を実行し、それによって可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を変化させる。
【００２９】
コントローラ５は、ＭＩＭＯ適応制御処理の結果によっては、ＭＩＭＯ送信側基地局装置及びＭＩＭＯ復調回路３において使用されているＭＩＭＯ通信方式を変更させてもよい。すなわち、コントローラ５は、無線送信回路８及びそれに接続された送信アンテナ素子９を用いて、ＭＩＭＯ送信側基地局装置におけるＭＩＭＯ変調方式を変更させるようにＭＩＭＯ送信側基地局装置に要求する制御信号を送信し、それとともに、ＭＩＭＯ復調回路３において使用されているＭＩＭＯ復調方式を変更させる。
【００３０】
本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置は、Ａ／Ｄ変換回路２の前段において、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃにおいて受信された各無線信号から所定の周波数の信号を分離する高周波フィルタと、信号を増幅するための高周波増幅器とを必要に応じて備えることが好ましい。また、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置は、ＭＩＭＯ復調回路３の前段において、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号の周波数を変換するためのミキサー等の高周波回路や、中間周波数回路及び信号処理回路等を必要に応じて備えることが好ましい。以上に列挙した構成要素は、本願明細書及び図面では説明の簡単化のために省略した。
【００３１】
ここでは一例として、給電アンテナ素子数が３つで無給電素子が１つの場合を例に説明を行うが、給電アンテナ素子数が２つもしくは４つ以上の構成や、さらには無給電素子が２つ以上の構成も可能である。無給電素子が複数個設けられた場合には、それらに対応して可変負荷インピーダンス素子も複数個だけ設けられてもよい。
【００３２】
ここで、図２及び図３を参照して、可変負荷インピーダンス素子６の実施例について説明する。図２は、可変負荷インピーダンス素子６の第１の実施例である可変負荷インピーダンス回路６ａの詳細構成を示す回路図である。可変負荷インピーダンス回路６は、インピーダンス値を変化させるために可変容量ダイオード１１を備えたことを特徴とし、可変容量ダイオード１１のカソードは、無給電素子７に接続されるとともに高周波阻止用インダクタ１１ａを介してコントローラ５に接続され、可変容量ダイオード１１のアノードは接地される。可変容量ダイオード１１のインピーダンス値は、コントローラ５によって印加される制御電圧に従って変化する。さらに、所望の負荷インピーダンス値を得るために、他の固定素子（コンデンサ、インダクタ）を付加的に備えた回路構成や、複数の可変容量ダイオードを用いた回路構成も利用可能である。
【００３３】
また、図３は、可変負荷インピーダンス素子６の第２の実施例である可変負荷インピーダンス回路６ｂの詳細構成を示す回路図である。可変負荷インピーダンス回路６ｂは、それぞれ異なるインピーダンス値を有する負荷インピーダンス素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを備えたことを特徴とし、各負荷インピーダンス素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの一端はスイッチ１２にそれぞれ接続され、他端はそれぞれ接地されている。スイッチ１２は、コントローラ５の制御に従って負荷インピーダンス素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄのうちのいずれか１つを無給電素子７に接続する。図３では、一例として４つの負荷インピーダンス素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄによる構成を例示しているが、これに限られるものではなく２つ以上の任意個数の負荷インピーダンス素子を用いた構成を利用することができる。また、変形例の負荷インピーダンス素子としては、所望の負荷インピーダンス値を得るために、他の固定素子又は可変容量ダイオードを付加的に備えた構成、もしくはこれらを組み合わせた回路による構成も利用可能である。この変形例の構成により、負荷インピーダンス値をステップ状に変化させるとともに、広範囲にわたって連続的に変化させることが可能になる。
【００３４】
以上説明した本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置によれば、コントローラ５が、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、信号レベル比較回路４により検出された各受信信号レベルに基づいて可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御することにより、小型形状であっても、複数の給電アンテナ素子が同時に良好な受信状態を維持することにより伝送容量及び伝送品位が高いＭＩＭＯ通信を行うことが可能なＭＩＭＯアンテナ装置を提供することができる。
【００３５】
図４は、本発明の第１の実施形態の変形例に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。この変形例のＭＩＭＯアンテナ装置は、図１の送信アンテナ素子９を、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃのうちの１つに一体化させた構成を有することを特徴とする。図４において、給電アンテナ素子１ｃはその下端においてアンテナ共用器（デュプレクサ）２１を備え、給電アンテナ素子１ｃで受信された無線信号はアンテナ共用器２１を介してＡ／Ｄ変換回路２に入力される一方、無線送信回路８から出力された無線信号はアンテナ共用器２１を介して給電アンテナ素子１ｃを励振させる。送信アンテナ素子９を一体化させる給電アンテナ素子は、給電アンテナ素子１ａ，１ｂのいずれかであってもよい。以上の構成により、図４の変形例のＭＩＭＯアンテナ装置は、装置内のアンテナ素子の個数を削減することができる。
【００３６】
次に、図５及び図６を参照して、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置を携帯無線通信装置として実装する例について説明する。図５は、本実施形態の第１の実装例に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置を備えた携帯無線通信装置の構成を示す透視図である。この実装例では、２本の給電アンテナ素子１ａ，１ｂを備え、そのうち一方（例えば給電アンテナ素子１ｂ）を送信アンテナ素子として共用する場合について説明する。
【００３７】
図５の携帯無線通信装置は、ほぼ直方体形状の上部筐体３１と下部筐体３２とを備え、これらがヒンジ部３３により連結された折りたたみ型の携帯電話機として構成されている。上部筐体３１はスピーカ３５とディスプレイ３６を備え、下部筐体３２はキーボード３７とマイクロホン３８を備えて構成される。上部筐体３１の内部には、その左端に近接しかつ携帯無線通信装置の長手方向と平行になるようにストリップ導体１ａａが設けられ、ストリップ導体１ａａは、ヒンジ部３３の一部を構成するヒンジ部導体１ａｂと電気的に接続され、ストリップ導体１ａａとヒンジ部導体１ａｂとは、ともに給電アンテナ素子１ａとして動作する。同様に、上部筐体３１の内部には、その右端に近接しかつ携帯無線通信装置の長手方向と平行になるようにストリップ導体１ｂａが設けられ、ストリップ導体１ｂａは、ヒンジ部３３の一部を構成するヒンジ部導体１ｂｂと電気的に接続され、ストリップ導体１ｂａとヒンジ部導体１ｂｂとは、ともに給電アンテナ素子１ｂとして動作する。下部筐体３２内には、Ｕ字型に折り曲げられたストリップ状の導体にてなる無給電素子７が設けられ、無給電素子７の一方の端部には可変負荷インピーダンス素子６が接続されている。図５に示した実装例では、無給電素子７の一部は、下部筐体３２の下端から突出したブーム部３４の中を貫通するように設けられるが、それに代わって、無給電素子７の全体が下部筐体３２の内部に設けられてもよい。携帯無線通信装置は、図４のＡ／Ｄ変換回路２、ＭＩＭＯ復調回路３、信号レベル比較回路４、コントローラ５、無線送信回路８及びアンテナ共用器２１などを含む無線通信回路３９を備え、無線通信回路３９のＡ／Ｄ変換回路２は給電アンテナ素子１ａに接続されるとともに、アンテナ共用器２１を介して給電アンテナ素子１ｂに接続され、無線通信回路３９の無線送信回路８はアンテナ共用器２１を介して給電アンテナ素子１ｂに接続され、無線通信回路３９のコントローラ５は可変負荷インピーダンス素子６に接続されて、そのインピーダンス値を変化させる。
【００３８】
また、図６は、本実施形態の第２の実装例に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置を備えた携帯無線通信装置の構成を示す透視図である。図６の実装例では、図５の実装例に加えて、ロッド状の導体にてなり下部筐体３１から突出した給電アンテナ素子１ｃを備え、３個の給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃを利用して通信するように構成されている。ここで、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃのうちの１つ（例えば給電アンテナ素子１ｃ）は、送信アンテナ素子として共用される。図６の実装例の携帯無線通信装置によれば、図５の実装例の場合よりも多数の給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃを用いることにより、伝送容量及び伝送品位がより高いＭＩＭＯ通信を実行することができる。
【００３９】
以下、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置の動作原理について説明する。なお、本明細書において、イメージ入力された数式とテキスト入力された数式とを混在させて用いており、各数式を識別するために、それら各数式の最後部に記載した一連の通し番号（１），（２），…を用いて「式（１），式（２），…」等と呼ぶこととする。
【００４０】
ＭＩＭＯ通信システムは、送信機及び受信機においてそれぞれ複数のアンテナ素子を用いて、同じ周波数帯域内で同時に送信された複数の信号系列を空間的に多重化することによって伝送容量を増大させ、ＭＩＭＯ復調後の複数の信号系列に係る合計伝送速度の増大を図る技術である。ここでは一例として、固有モード伝送方式をもとに説明を行う。送信機及び受信機のアンテナ素子の数をそれぞれｎ個とすると、受信信号ｙは次式で表すことができる。
【００４１】
［数１］
ｙ＝Ｈｘ＋ｗ （１）
【００４２】
ここで、受信信号を表すｙは、サイズがｎのベクトルであり、その各要素は受信機の各アンテナ素子で受信された信号を表す。Ｈはサイズがｎ×ｎの行列であり、チャンネル行列と呼ばれ、その各要素Ｈｉｊ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、すなわち、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。また、送信信号を表すｘは、サイズがｎのベクトルであり、その各要素ｘｉは、送信機の各アンテナ素子から送信される信号であって、互いに直交する信号を表す。ｗはサイズがｎのベクトルであり、その各要素は受信機の各アンテナ素子で受信された熱雑音を表す。
【００４３】
受信機においてチャンネル行列Ｈを取得するために、受信機は所定のパイロット信号ｘを予め記憶し、送信機はこの既知のパイロット信号ｘを受信機に伝送し、受信機は、予め記憶したパイロット信号ｘと、受信信号ｙ（すなわち伝送されたパイロット信号ｘ）とに基づいて、式（１）からチャンネル行列Ｈを計算する。
【００４４】
ここで、チャンネル行列Ｈに対する特異値分解（Ｓｉｎｇｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＳＶＤ）を行うと、次式のようになる。
【００４５】
【数１】
【００４６】
式（２）において、Ｕ，Σ，Ｖはそれぞれサイズがｎ×ｎの行列であり、Σはそのｉ行目ｉ列目の要素がσｉ（０≦ｉ≦ｑ）でありかつその他の要素が０である行列である。また、ｕｉとｖｉはそれぞれ行列ＵとＶのｉ番目の列ベクトルであり、それぞれ他の列ベクトルと直交している。ｑはチャンネル行列Ｈのランクであり、以下の説明ではｑ＝ｎであるとする。上付き添字Ｈは複素共役転置を表す。ここで、行列ＵとＶは、サイズがｎ×ｎの単位行列Ｉｎに対して次式を満足する。
【００４７】
［数２］
ＵＨＵ＝Ｉｎ （３）
［数３］
ＶＨＶ＝Ｉｎ （４）
【００４８】
さらに、固有値分解（Ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＥＶＤ）を行うと、次式が求まる。
【００４９】
【数２】
【００５０】
式（５）において、λｉはチャンネル行列の積ＨＨＨの固有値であり、λｉ＝σｉ２である。
【００５１】
ベクトルｕｉＨは、行列ＵＨの要素となる他の行ベクトルと互いに直交しており、送信機の各アンテナ素子から送信される信号のウエイト（振幅と位相）に使用され、ベクトルｕｉは、行列Ｕの要素となる他の列ベクトルと互いに直交しており、受信機の各アンテナ素子において受信される信号のウエイトに使用される。このようにウエイトを使用することにより直交した指向性が得られる。
【００５２】
ここで、式（１）より、受信信号電力はＨｘ（Ｈｘ）Ｈ＝ＨＨＨｘｘＨとなる。行列ｘｘＨは送信信号電力を表す。ただし、ベクトルｘの各要素は互いに直交した信号であるので、行列ｘｘＨは対角行列ｄｉａｇ［ｘ１ｘ１＊，ｘ２ｘ２＊，…，ｘｎｘｎ＊］となる。一方、行列ＨＨＨは対角行列ｄｉａｇ［λ１，λ２，…，λｑ］となる。すなわち、送信機及び受信機の各アンテナ素子において直交したウエイトを使用することにより複数の伝搬経路を分離することができ、このときの受信信号電力はλｉｘｉｘｉ＊となる。信号ｘｉがすべて等しい場合、各伝搬経路における受信信号電力は固有値λｉの比になる。
【００５３】
ここで、送信機のアンテナ素子数が２個であり、かつ受信機のアンテナ素子数が２個であるＭＩＭＯ通信システムを一例として、受信信号電力の導出について具体的に説明する。この場合、チャンネル行列Ｈと、送信機のアンテナ素子から送信された送信信号ベクトルｘとは、以下の式で表される。
【００５４】
【数３】
【数４】
【００５５】
ここで、ｗを、受信機のアンテナ素子で受信された雑音ベクトル（送信信号ベクトルｘに対する振幅比）であるとすると、受信信号ベクトルｙは以下の式で求められる。
【００５６】
【数５】
【００５７】
次に、受信信号ベクトルの共分散行列Ｒｙｙを次式により求める。
【００５８】
【数６】
【００５９】
上式で、ベクトルｙＨは以下の式で表される。
【００６０】
【数７】
【００６１】
通常、ＭＩＭＯ通信システムでは、送信機の異なるアンテナ素子から送信される異なる信号は互いに無相関である。ここで送信信号が無相関であるということについて説明する。送信信号系列は「−１」と「１」の要素からなる１次元信号系列であるものとする。例えば、送信信号ベクトルｘ１，ｘ２がそれぞれ４つの要素を有する場合の一例を以下に示す。
【００６２】
［数４］
ｘ１＝（１，−１，１，１） （１１）
［数５］
ｘ２＝（１，１，−１，１） （１２）
【００６３】
相関とは、信号系列の要素毎の積の和を系列数で割ったものと定義すると、送信信号ベクトルｘ１とｘ２の相関値Ｒ１２は次式で表される。
【００６４】
［数６］
Ｒ１２＝（１・１＋（−１）・１＋１・（−１）＋１・１）／４＝０ （１３）
【００６５】
すなわち、相関値Ｒ１２が０となる場合に無相関となる。逆に、相関値が１となるのは、ｘ１＝ｘ２の場合である。また、雑音ベクトルは送信信号ベクトルと無相関であり、かつ、異なるアンテナ素子で受信される雑音ベクトルも互いに無相関である。
【００６６】
以上より、式（９）の共分散行列Ｒｙｙの期待値を受信信号電力として次式のように計算することができる。
【００６７】
【数８】
【００６８】
ここで、送信信号ベクトルについての仮定より、次式を用いた。
【００６９】
【数９】
【００７０】
以上説明したＭＩＭＯアンテナ装置の動作原理によれば、ＭＩＭＯ通信システムの伝送容量は次式で与えられる。
【００７１】
【数１０】
【００７２】
ここで、ＳＮＲは総送信信号電力対雑音比であり、すなわちＳＮＲ／ｎ＝ｘｉｘｉ＊である。ＣＭＩＭＯの単位は［ビット／秒／Ｈｚ］である。一方、送信機において１つのアンテナ素子を用い、かつ受信機において１つのアンテナ素子を用いる通常の一対一通信（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ：ＳＩＳＯ）の場合には、伝送容量は以下の式で得られる。
【００７３】
【数１１】
【００７４】
式（１７）において、ｈは伝搬係数であり、ＣＳＩＳＯの単位は［ビット／秒／Ｈｚ］である。
【００７５】
例えば、式（１６）と式（１７）の比較を簡単化するため、ｈｈ＊＝λｉ＝λとし、ＳＮＲ・λ／ｎ≫１とする。このとき、式（１６）の伝送容量は、次式のように計算される。
【００７６】
【数１２】
【００７７】
一方、式（１７）の伝送容量は、次式のように計算される。
【００７８】
【数１３】
【００７９】
例えば、ｎ＝４、ＳＮＲ・λ＝１０２４の場合には、ＭＩＭＯ伝送容量ＣＭＩＭＯ＝４・（１０−２）＝３２［ビット／秒／Ｈｚ］であり、ＳＩＳＯ伝送容量ＣＳＩＳＯ＝１０［ビット／秒／Ｈｚ］であり、ＭＩＭＯ伝送容量はＳＩＳＯ伝送容量よりも増加していることがわかる。
【００８０】
以上のように、ＭＩＭＯアンテナ装置では、互いに直交する指向性を複数の信号系列に割り振ることで空間的に信号を多重させ伝送容量を増加させ、それにより、ＭＩＭＯ復調後の複数の信号系列の合計の伝送速度の高速化を達成することができる。
【００８１】
式（１６）によれば、チャンネル行列Ｈから計算される固有値λｉが大きいほど、ＭＩＭＯ伝送容量は増加することがわかる。固有値λｉはチャンネル行列Ｈの各要素により求まるので、上記のことは、チャンネル行列Ｈの各要素が大きいほど高速伝送が可能であることを意味している。また、式（１）に記したように、受信された信号には熱雑音ベクトルｗが含まれる。実際の受信機では熱雑音成分を除去することができないので、このことがチャンネル行列Ｈから固有値λｉを計算する際の誤差要因となる。従って、できるだけ大きな受信信号電力を得ることが、ＭＩＭＯアンテナ装置における伝送速度の高速化につながる。またチャンネル行列Ｈには、伝搬損失の他に送信機のアンテナ素子及び受信機のアンテナ素子の利得が含まれる。従って、同じ伝搬環境であればアンテナ素子の利得の高い方が望ましいことがわかる。
【００８２】
このように、ＭＩＭＯアンテナ装置は複数の給電アンテナ素子によりそれぞれ受信される各受信信号が同時に良好な受信状態である必要がある。しかしながら、特に携帯電話機等の人体に近接させて使用するような無線通信装置では、人体の影響等により複数のアンテナ素子の中でいくつかのアンテナ素子の指向性が劣化するおそれがある。これにより、ＭＩＭＯアンテナ装置の本来の高速無線通信が実行不可能になるおそれがある。
【００８３】
そこで、図１に示したように、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃと電磁結合を有する１つの無給電素子７に可変負荷インピーダンス素子６を接続して、Ａ／Ｄ変換回路２により受信信号をデジタル信号に変換した後に信号レベル比較回路４において給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃで受信された各受信信号の信号レベルを比較し、信号レベルが最も低い１つの給電アンテナ素子に係る信号レベルが実質的に最大となるように、無給電素子６に接続された可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を変化させる。すなわち、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃと電磁的に結合された無給電素子７に流れる電流を可変負荷インピーダンス素子６により変化させることで、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃの指向性を間接的に制御することが可能になる。これにより、ＭＩＭＯ復調回路３に入力される各アンテナ素子の受信信号間の信号レベル差の低減と、各アンテナ素子の高感度化とにより、ＭＩＭＯ伝送特性の向上が達成される。
【００８４】
以下、図７乃至図１３を参照して、以上のような制御を実現するために、コントローラ５によって実行されるＭＩＭＯ適応制御処理について説明する。
【００８５】
図７は、図１のコントローラ５によって実行される第１のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。コントローラ５は、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃのうちのいずれか１つで受信された受信信号の信号レベルを向上させるように、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御することができる。しかしながら、すべての給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃに係る受信信号の信号レベルがしきい値以上となるように、コントローラ５により可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を変化させることが最も望ましい制御方法である。図７では、このようなＭＩＭＯ適応制御処理について説明する。なお、図７にはＭＩＭＯ復調回路３による復調処理は記載していないが、ＭＩＭＯ復調回路３は、コントローラ５によるＭＩＭＯ適応制御処理と並列に、Ａ／Ｄ変換回路２で取得された受信信号のデータに基づいた復調動作を常に実行する。
【００８６】
図７のステップＳ１において、コントローラ５は、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルをしきい値と比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ここで、信号レベルのしきい値は、例えば、受信信号の検出が可能であるか否かの限界となる低いレベルに設定されるが、それに代わって、ＭＩＭＯ通信方式で決まるエラーフリーとなるしきい値の信号レベルなどの他のレベルであってもよい。第１のＭＩＭＯ適応制御処理では、信号レベル比較回路４は、しきい値未満の受信信号レベルを検出する。ステップＳ２において、コントローラ５は、しきい値未満の信号レベルの受信信号が存在する場合にはステップＳ３に進み、そうでない場合には、ステップＳ１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。ステップＳ３において、コントローラ５は、しきい値未満の信号レベルのうちで最小の信号レベルの受信信号を受信した給電アンテナ素子に係る当該受信信号の信号レベルが実質的に最大となるように、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御する。制御方法についての詳細は後述する。可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御した後、ステップＳ４において、コントローラ５は、ステップＳ１における処理と同様に、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルをステップＳ１のしきい値と再び比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ステップＳ５において、コントローラ５は、しきい値未満の信号レベルの受信信号が存在する場合にはステップＳ６に進み、そうでない場合には、ステップＳ１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。ステップＳ６において、コントローラ５は、インピーダンス値の制御の試行回数（すなわちステップＳ３を実行した回数）が最大試行回数以下であるか否かを判断する。最大試行回数は例えば３回に設定されるが、コントローラ５の処理能力等に応じて異なる回数であってもよい。ステップＳ６の結果がＹＥＳのときはステップＳ３に戻り、ＮＯのときは、ＭＩＭＯ適応制御処理の効果が得られなかったと判断して、ステップＳ１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。
【００８７】
以下に、ステップＳ３における可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値の制御方法の一例を示す。ここで、時刻ｔ０における、対象となる給電アンテナ素子に係る受信信号の信号レベルをＰｒ（ｔ０）とする。このとき、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値がＺ（ｔ０）＝ｊ×Ｘであるとする。ここでｊは虚数単位である。すなわち、インピーダンス値Ｚ０はリアクタンスで構成される。これは、可変負荷インピーダンス素子６を抵抗器により構成すると、抵抗器の熱損失により受信信号の信号レベルが低下するからである。
【００８８】
ここで、インピーダンス値を変更する最小時間ステップ量をΔｔと表し、変更されるインピーダンス値の最小ステップ量をΔＸと表すとき、時刻ｔ０＋Δｔにおいて可変負荷インピーダンスの値をＺ（ｔ０＋Δｔ）＝ｊ×（Ｘ＋ΔＸ）に変化させると、信号レベルはＰｒ（ｔ０＋Δｔ）に変化するものとする。ここで、自然数ｎをインピーダンス値の変更の試行回数として、一般に、隣接する時刻ｔ０＋（ｎ−１）×Δｔ，ｔ０＋ｎ×Δｔ間における信号レベル差ΔＰｒ（ｔ０＋ｎ×Δｔ）を、以下の式で定義する。
【００８９】
［数７］
ΔＰｒ（ｔ０＋ｎ×Δｔ）
＝ΔＰｒ（ｔ０＋ｎ×Δｔ）−ΔＰｒ（ｔ０＋（ｎ−１）×Δｔ） （２０）
【００９０】
時刻ｔ０＋Δｔにおける信号レベル差がΔＰｒ（ｔ０＋Δｔ）≧０である場合には、インピーダンス値を、
［数８］
Ｚ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ＋ΔＸ＋ΔＸ）＝ｊ×（Ｘ＋２×ΔＸ）
（２１）
になるように変化させ、信号レベル差がΔＰｒ（ｔ０＋Δｔ）＜０である場合には、インピーダンス値を、
［数９］
Ｚ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ−ΔＸ） （２２）
になるように変化させる。
【００９１】
次に、時刻ｔ０＋２×Δｔにおける信号レベル差ΔＰｒ（ｔ０＋２×Δｔ）の符号を判定する。ここで、信号レベル差ΔＰｒ（ｔ０＋２×Δｔ）≧０であれば、時刻ｔ０＋２×Δｔのときのインピーダンス値の変化と同符号でステップ量ΔＸだけインピーダンス値を変化させる。例えば、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値がＺ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ＋２×ΔＸ）であるときは、インピーダンス値を、
［数１０］
Ｚ（ｔ０＋３×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ＋３×ΔＸ） （２３）
になるように変化させ、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値がＺ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ−ΔＸ）であるときは、インピーダンス値を、
［数１１］
Ｚ（ｔ０＋３×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ−２×ΔＸ） （２４）
になるように変化させる。逆に、信号レベル差ΔＰｒ（ｔ０＋２×Δｔ）＜０であれば、時刻ｔ０＋２×Δｔのときのインピーダンス値の変化と逆符号でステップ量ｋ×ΔＸだけインピーダンス値を変化させる。ここで、パラメータｋは、０＜ｋ＜１であるとする。具体的には、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値がＺ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ＋２×ΔＸ）であるときは、インピーダンス値を、
［数１２］
Ｚ（ｔ０＋３×Δｔ）
＝ｊ×（Ｘ＋２×ΔＸ−ｋ×ΔＸ）＝ｊ×（Ｘ＋（２−ｋ）×ΔＸ） （２５）
になるように変化させ、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値がＺ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ−ΔＸ）であるときは、インピーダンス値を、
［数１３］
Ｚ（ｔ０＋３×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ−ΔＸ＋ｋ×ΔＸ）＝ｊ×（Ｘ−（１−ｋ）×ΔＸ）
（２６）
になるように変化させる。
【００９２】
すなわち、インピーダンス値の変化量は、判定された信号レベル差ΔＰｒ（ｔ０＋２×Δｔ）の符号に基づいて決まり、信号レベル差がΔＰｒ≧０である場合、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値Ｚ（ｔ０＋２×Δｔ）と同符号で変化量ｊ×ｋ×ΔＸだけインピーダンス値は変化させられる。ここでパラメータｋ＝１であり、信号レベル差ΔＰｒ≧０の状態が続く限り、パラメータｋ＝１のままである。逆に、信号レベル差がΔＰｒ＜０となると、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値Ｚ（ｔ０＋２×Δｔ）と逆符号で変化量ｊ×ｋ×ΔＸだけインピーダンス値は変化させられる。このときパラメータｋは、０＜ｋ＜１を満たす正の実定数に変更される。いったん信号レベル差がΔＰｒ＜０となり、その後の試行において信号レベル差がΔＰｒ＜０であり続ける限り、これ以降のインピーダンス値の変化量はｊ×ｋ（ｉ＋１）×ΔＸとなる。ここで、パラメータｉは、信号レベル差ΔＰｒ＜０となったときを最初（すなわちｉ＝１）としたときの試行回数である。この場合においても、試行回数を繰り返すときに信号レベル差ΔＰｒ≧０であれば、前回のインピーダンス値の変化と同符号に変化させ、信号レベル差ΔＰｒ＜０であれば、前回のインピーダンス値の変化と逆符号に変化させる。なお、パラメータｋの条件を０＜ｋ＜１の正の実定数としたのは、解の発散及び振動を防ぎ、収束させるためである。
【００９３】
ステップＳ３では、以上の試行を予め定めた回数まで繰り返すことにより、信号レベルが最も低い受信信号をもたらす給電アンテナ素子に係る当該受信信号の信号レベルを実質的に最大化することができる。さらに、好ましい信号レベルのしきい値を設定してもよく、この場合には、信号レベルがしきい値を越えた時点で試行を止めることにより、不要な制御を行わないことで電力の消費を抑えることができる。
【００９４】
また、本実施形態のＭＩＭＯ適応制御処理では、最小の信号レベルの受信信号のみに着ものするのではなく、各受信信号の信号レベル差を縮小させるように、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御してもよい。図１４は、本実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置において、複数のアンテナ素子で受信される受信信号間に信号レベル差が存在するときの平均チャンネル伝送容量の低下を示すグラフである。このグラフは、２つの給電アンテナ素子が存在するとき、その一方で受信される受信信号の信号レベル（すなわち電力）が減少して信号レベル差が生じた場合の平均チャンネル伝送容量の低下について、信号対雑音比（ＳＮＲ）が１０，２０，３０，４０［ｄＢ］の各場合についてそれぞれ示している。このグラフによれば、信号レベル差が０ｄＢから１０ｄＢになったときに、平均チャンネル伝送容量が元の８０％に低下することがわかる。そこで、一例として、各給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃでそれぞれ受信される受信信号の信号レベル差が１０ｄＢになったときに、信号レベル差を縮小させるために実行されるＭＩＭＯ適応制御処理について説明する。
【００９５】
図８は、コントローラ５によって実行される第２のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。図８のステップＳ１１において、コントローラ５は、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルを比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ここで、信号レベルの比較は、最大の信号レベルの受信信号と最小の信号レベルの受信信号との間における信号レベル差が所定のしきい値以上であるか否かを判断することによって実行され、信号レベル差のしきい値は、例えば前述したように１０ｄＢに設定される。ステップＳ１２において、コントローラ５は、信号レベル差がしきい値以上である場合にはステップＳ１３に進み、そうでない場合には、ステップＳ１１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。ステップＳ１３において、コントローラ５は、最小の信号レベルの受信信号を受信した給電アンテナ素子に係る当該受信信号の信号レベルが実質的に最大となるように、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御する。可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御した後、ステップＳ１４において、コントローラ５は、ステップＳ１１における処理と同様に、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルを再び比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ステップＳ１５において、コントローラ５は、最大の信号レベルの受信信号と最小の信号レベルの受信信号との間における信号レベル差がステップＳ１２のしきい値以上である場合にはステップＳ１６に進み、そうでない場合には、ステップＳ１１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。ステップＳ１６において、コントローラ５は、インピーダンス値の制御の試行回数（すなわちステップＳ１３を実行した回数）が最大試行回数以下であるか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ１３に戻り、ＮＯのときは、ステップＳ１１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。
【００９６】
この第２のＭＩＭＯ適応制御処理によれば、各受信信号の信号レベルが高い場合（すなわち、各信号レベルがそれぞれ、第１のＭＩＭＯ適応制御処理におけるしきい値を越えた場合）に、より高感度で、高速かつ高品位の通信を達成するように可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御する場合に適している。このことは、式（２）の特異値分解を参照して説明すると、各給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃに係る受信信号の信号レベル差が小さい方が、算出される固有値が大きくなり、よりチャンネル伝送容量が増加するためである。
【００９７】
次に、図７のステップＳ２においてすべての受信信号の信号レベルがしきい値未満になるような、各受信信号の信号レベルが非常に低い場合に実行される処理について説明する。
【００９８】
図９は、コントローラ５によって実行される第３のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。この処理では、受信信号の信号レベルが非常に弱く、すべての受信信号の信号レベルがしきい値未満になった場合において、最大の信号レベルの受信信号のみについてその信号レベルが実質的に最大となるように可変負荷インピーダンスを制御する。これにより、ＭＩＭＯ通信は不可能になるが、ＳＩＳＯ通信を可能にするだけの信号レベルを維持することによって無線通信チャンネルを確保する。
【００９９】
図９のステップＳ２１において、コントローラ５は、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルをしきい値と比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ここで、信号レベルのしきい値は、図７のステップＳ１のしきい値と同じであり、信号レベル比較回路４は、各受信信号レベルをしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、最大の受信信号レベルを検出する。ステップＳ２２において、コントローラ５は、しきい値以上の信号レベルの受信信号が存在する場合にはステップＳ２１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させ、そうでない場合にはステップＳ２３に進む。以下、ステップＳ２３乃至Ｓ２７においては、ステップＳ２１で比較された受信信号のうちで、最大の信号レベルの受信信号を受信した給電アンテナ素子に係る当該受信信号（以下、所望受信信号という。）のみについて、その信号レベルが実質的に最大となるように制御し、所望受信信号を用いてＳＩＳＯ通信を実行する。ステップＳ２３において、コントローラ５は、ＭＩＭＯ送信側基地局装置とＭＩＭＯ復調回路３とに、通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更させる。すなわち、コントローラ５は、無線送信回路８及びそれに接続された送信アンテナ素子９を用いて、ＭＩＭＯ送信側基地局装置における変調方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更させるようにＭＩＭＯ送信側基地局装置に要求する制御信号を送信し、それとともに、ＭＩＭＯ復調回路３において使用されている復調方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更させる。ＭＩＭＯ復調回路３は、ＳＩＳＯ方式で動作するとき、所望受信信号のみを復調する。ステップＳ２４において、コントローラ５は、所望受信信号の信号レベルが実質的に最大となるように、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御する。可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御した後、ステップＳ２５において、コントローラ５は、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各信号レベルをステップＳ２１のしきい値と比較させ、各比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ステップＳ２６において、コントローラ５は、ステップＳ２４における可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値の制御により所望受信信号の信号レベルがしきい値以上になった場合にはステップＳ２８に進み、そうでない場合にはステップＳ２７に進む。ステップＳ２７において、コントローラ５は、インピーダンス値の制御の試行回数（すなわちステップＳ２４を実行した回数）が最大試行回数以下であるか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ２４に戻り、ＮＯのときはステップＳ２９に進む。また、ステップＳ２８において、コントローラ５は、ステップＳ２４における可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値の制御によりすべての受信信号の信号レベルがステップＳ２１のしきい値以上になったか否かを、ステップＳ２５の比較結果に基づいて判断し、ＹＥＳのときはステップＳ３０に進み、ＮＯのときはステップＳ２９に進む。ステップＳ２９において、コントローラ５は、内部のタイマ（図示せず。）を参照し、所定の制御固定時間が経過するまでＭＩＭＯ復調回路３に所望受信信号の復調処理を継続させ、制御固定時間が経過するとステップＳ３０に進む。ステップＳ３０において、コントローラ５は、無線送信回路８及びそれに接続された送信アンテナ素子９を用いて、ＭＩＭＯ送信側基地局装置における変調方式をＳＩＳＯ方式からＭＩＭＯ方式に変更させるようにＭＩＭＯ送信側基地局装置に要求する制御信号を送信し、それとともに、ＭＩＭＯ復調回路３において使用されている復調方式をＳＩＳＯ方式からＭＩＭＯ方式に変更させ、ステップＳ２１に戻る。
【０１００】
以上説明した第１乃至第３のＭＩＭＯ適応制御処理を組み合わせた処理を実行することも可能である。図１０乃至図１３は、コントローラ５によって実行される第４のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。
【０１０１】
図１０のステップＳ４１において、コントローラ５は、図７のステップＳ１と同様に、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルをしきい値と比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ここで、信号レベルのしきい値は、例えば、図７のステップＳ１のしきい値と同じである。ステップＳ４２において、コントローラ５は、すべての受信信号の信号レベルがしきい値未満である場合にはステップＳ４３の第１の適応制御サブルーチン処理に進み、すべての受信信号の信号レベルがしきい値以上である場合にはステップＳ４５の第３の適応制御サブルーチン処理に進み、その他の場合（すなわち、一部の受信信号の信号レベルがしきい値以上であり、かつ一部の受信信号の信号レベルがしきい値未満である場合）にはステップＳ４４の第２の適応制御サブルーチン処理に進む。
【０１０２】
図１１は、図１０のステップＳ４３における第１の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。図１１のステップＳ５１乃至Ｓ５８は図９のステップＳ２３乃至Ｓ３０と同様であり、ステップＳ５８の実行後、コントローラ５は、図１０のステップＳ４１に戻る。
【０１０３】
図１２は、図１０のステップＳ４４における第２の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。図１０乃至図１３のＭＩＭＯ適応制御処理では、ＭＩＭＯ送信側基地局装置及びＭＩＭＯアンテナ装置が複数の伝送レートを有するＭＩＭＯ通信方式を実行できるものと想定している。ステップＳ６１において、コントローラ５は、ＭＩＭＯ送信側基地局装置及びＭＩＭＯ復調回路３で使用中のＭＩＭＯ通信方式の伝送レートが、これらにより使用可能な最高速の伝送レートであるか否かを判定し、ＹＥＳのときはステップＳ７０に進み、ＮＯのときはステップＳ６２に進む。ステップＳ６２において、コントローラ５は、無線送信回路８及びそれに接続された送信アンテナ素子９を用いて、ＭＩＭＯ送信側基地局装置における変調方式の伝送レートをより高速の伝送レートに変更させるようにＭＩＭＯ送信側基地局装置に要求する制御信号を送信し、それとともに、ＭＩＭＯ復調回路３において使用されている復調方式の伝送レートを、対応するより高速なＭＩＭＯ通信方式に係る伝送レートに変更させる。続くステップＳ６３乃至ステップＳ６８は図７のステップＳ１乃至Ｓ６と同様であるが、ただし、ステップＳ６４及びＳ６７においてしきい値未満の信号レベルの受信信号が存在しないと判断された場合には、ステップＳ６１に戻ってＭＩＭＯ通信方式の高速化を再度試みる。ステップＳ６８においてインピーダンス値の制御の試行回数（すなわちステップＳ６５を実行した回数）が最大試行回数より大きいと判断された場合には、ステップＳ６２におけるＭＩＭＯ通信方式の高速化が不適切であったと判断し、ステップＳ６９に進む。ステップＳ６９において、コントローラ５は、無線送信回路８及びそれに接続された送信アンテナ素子９を用いて、ＭＩＭＯ送信側基地局装置における変調方式の伝送レートをより低速の伝送レートに変更させるようにＭＩＭＯ送信側基地局装置に要求する制御信号を送信し、それとともに、ＭＩＭＯ復調回路３において使用されている復調方式の伝送レートを、対応するより低速なＭＩＭＯ通信方式に係る伝送レートに変更させる。ステップＳ６９の実行後、コントローラ５はステップＳ７０に進み、所定の制御固定時間が経過するまでＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させ、制御固定時間が経過すると図１０のステップＳ４１に戻る。
【０１０４】
図１３は、図１０のステップＳ４５における第３の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。図１３のステップＳ８１乃至Ｓ８５は図８のステップＳ１２乃至Ｓ１６と同様である。ステップＳ８１，Ｓ８４及びＳ８５がＮＯの場合、コントローラ５はステップＳ８６に進み、所定の制御固定時間が経過するまでＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させ、制御固定時間が経過すると図１０のステップＳ４１に戻る。
【０１０５】
以上説明した第４のＭＩＭＯ適応制御処理によれば、いずれの給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃで受信された受信信号の信号レベルもＭＩＭＯ通信を行うことができる信号レベル（例えば、ＭＩＭＯ通信方式で決まるエラーフリーとなるしきい値の信号レベル）に比べて十分強い場合には、第２のＭＩＭＯ適応制御処理を実行する。これは、受信信号の信号レベル差を小さくすることにより、より高品位なＭＩＭＯ無線通信を実現できるからである。また、信号レベルがしきい値未満となる受信信号をもたらす給電アンテナ素子が存在する場合には、第１のＭＩＭＯ適応制御処理を実行し、また、受信信号の信号レベルが非常に弱く、すべての受信信号の信号レベルがしきい値未満になった場合には、第３のＭＩＭＯ適応制御処理を実行する。これにより、受信信号の信号レベルにより最適な制御を選択することで、常に最良の無線通信が可能になる。
【０１０６】
本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置によれば、以下のような特有の効果が存在する。
【０１０７】
特に、移動体通信の場合には、使用者の移動及び周囲環境の時間的変化による主偏波特性や偏波特性の時間的変化が想定され、携帯端末装置の場合にはそれに加えて、使用時における保持状態が多様であることによるアンテナ装置の指向性及び偏波方向の変化が想定され、これらのことに対処するために、本実施形態のような指向性制御が望まれる。また、携帯端末装置の使用者が給電点を手で覆うことによって、受信信号電力が大きく低下することがあるが、本実施形態の構成を採用することによりこのような受信信号電力低下を克服することが可能になる。
【０１０８】
さらに、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置によれば、給電アンテナ素子数を増やすことなく高感度なＭＩＭＯアンテナ装置を実現することができる。一般に、ＭＩＭＯアンテナ装置では、給電アンテナ素子毎に別個に動作する無線通信回路が必要になる。すなわち、ＭＩＭＯアンテナ装置の利得を向上させるために給電アンテナ素子数を増加させると、無線通信回路が増えることにより回路規模が増大するとともに消費電力が増大するおそれがある。この場合、特に携帯電話機のような充電式電池により動作する携帯無線通信装置では、消費電力の増加により通話可能な時間が短くなってしまう。しかしながら、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置の構成によれば、給電アンテナ素子を増やすことなく無給電素子による指向性制御を行う構成であるために、利得の向上により伝送容量及び伝送品位を向上させながら、小消費電力と小型形状を達成できるという利点もある。
【０１０９】
さらに、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置においては、制御を高速化かつ簡単化するために、ＭＩＭＯ復調後の複数の信号系列に係る所望の合計伝送速度を達成するために必要な信号レベルのしきい値を予め設定し、いずれかの給電アンテナ素子で受信された受信信号の信号レベルがしきい値以下となったときに、しきい値以下の給電アンテナ素子に係る信号レベルがしきい値以上となるように可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を変化させる。これにより、制御の高速化が図れるとともに、常時制御を行う必要がないために消費電力の低減にも効果がある。このような消費電力の低減は、特に電池駆動の携帯無線通信装置において効果が大きい。
【０１１０】
また、本実施形態によれば、給電アンテナ素子を高感度化しかつ信号レベル差を縮小したことの効果により、最大のＭＩＭＯ無線伝送特性を達成することができる。
【０１１１】
また、変形例として、コントローラ５が受信信号レベルを送信側基地局装置に通知し、適応的に送信される無線信号の変調方式を切り換える無線通信システムに本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置を用いる場合に、図７等のＭＩＭＯ適応制御処理を行うことで受信信号レベルを増大させた後の受信信号レベルを送信側基地局装置に通知する。これにより、より変調速度の速い変調方式での送受信を可能にし、高速な無線通信を実現できるという利点がある。
【０１１２】
第２の実施形態．
図１５は、本発明の第２の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置は、図１の可変負荷インピーダンス素子６に代えて無給電素子制御回路４０を備えたことを特徴とし、この無給電素子制御回路４０は、その内部に異なる目的に係る複数の回路及び／又は素子を備え、これらの回路及び／又は素子のうちのいずれか１つを無給電素子７に接続する。本実施形態において、無給電素子制御回路４０は、図１と同様の可変負荷インピーダンス素子６と、無給電素子７を介して受信される無線信号を復調するための復調回路４２と、可変負荷インピーダンス素子６と復調回路４２とのうちの一方を無給電素子７に接続するスイッチ４１とを備え、スイッチ４１はコントローラ５の制御に従って動作する。無給電素子７が可変負荷インピーダンス素子６に接続されている場合には、コントローラ５は可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御し、それにより、無給電素子７は第１の実施形態の場合と同様に、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃの指向性を制御するために使用される。一方、無給電素子７が復調回路４２に接続されている場合には、無給電素子７は給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃとは別個の受信アンテナ素子として動作し、無給電素子７及び復調回路４２は、ＭＩＭＯ復調回路３で復調される音声通信及び／又はデータ通信とは異なる通信を処理する。復調回路４２は、例えばテレビジョン放送の復調回路であるが、それに代えて、他の無線信号の送信及び／又は受信を行うための他の無線通信回路を設けてもよい。スイッチ４１の切り換えは、コントローラ５によってではなく、ＭＩＭＯアンテナ装置のユーザにより手動で行われてもよい。
【０１１３】
図１５の構成によれば、無給電素子７を、（１）給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃの指向性の制御と、（２）復調回路４２で復調するための無線信号の受信とに切り換えて使用することにより、小型の移動体端末において効率よくアダプティブ制御を実行可能な無線通信装置を実現することができる。
【０１１４】
以上説明した第２の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置もまた、図５及び図６に示した携帯無線通信装置に実装することが可能である。
【０１１５】
以上のように、本発明の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置によれば、複数の給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃに電磁的に結合された無給電素子７に接続された可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を変化させる構成で高感度化を実現し、所定のしきい値を用いた制御を実行することにより制御の高速化を可能にしたＭＩＭＯアンテナ装置を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
以上に示したように、本実施形態の構成によれば、小型形状が望まれる携帯無線通信装置において、より少ないアンテナ素子を用いてより大きな伝送容量を得ることが可能なＭＩＭＯアンテナ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の可変負荷インピーダンス素子６の第１の実施例である可変負荷インピーダンス回路６ａの詳細構成を示す回路図である。
【図３】図１の可変負荷インピーダンス素子６の第２の実施例である可変負荷インピーダンス回路６ｂの詳細構成を示す回路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の変形例に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の第１の実装例に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置を備えた携帯無線通信装置の構成を示す透視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の第２の実装例に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置を備えた携帯無線通信装置の構成を示す透視図である。
【図７】図１のコントローラ５によって実行される第１のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。
【図８】図１のコントローラ５によって実行される第２のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。
【図９】図１のコントローラ５によって実行される第３のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。
【図１０】図１のコントローラ５によって実行される第４のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。
【図１１】図１０のステップＳ４３における第１の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。
【図１２】図１０のステップＳ４４における第２の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。
【図１３】図１０のステップＳ４５における第３の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の第１の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置において、複数のアンテナ素子で受信される受信信号間に信号レベル差が存在するときの平均チャンネル伝送容量の低下を示すグラフである。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１ａ，１ｂ，１ｃ…給電アンテナ素子、
１ａａ，１ｂａ…ストリップ導体、
１ａｂ，１ｂｂ…ヒンジ部導体、
２…Ａ／Ｄ変換回路、
３…ＭＩＭＯ復調回路、
４…信号レベル比較回路、
５…コントローラ、
６…可変負荷インピーダンス素子、
６ａ，６ｂ…可変負荷インピーダンス回路、
７…無給電素子、
８…無線送信回路、
９…送信アンテナ素子、
１１…可変容量ダイオード、
１１ａ…高周波阻止用インダクタ、
１２，４１…スイッチ、
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ…負荷インピーダンス素子、
２１…アンテナ共用器、
３１…上部筐体、
３２…下部筐体、
３３…ヒンジ部、
３４…ブーム部、
３５…スピーカ、
３６…ディスプレイ、
３７…キーボード、
３８…マイクロホン、
３９…無線通信回路、
４０…無給電素子制御回路、
４２…復調回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話機等を用いた移動体通信において通信容量を増大させて高速通信を実現しながら通信品質を良好に保つように制御される無線通信装置のためのアンテナ装置に関し、特にＭＩＭＯアンテナ装置及びそれを備えた無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のアンテナを用いて複数のチャンネルの無線信号を同時に送受信するＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を採用したアンテナ装置として、例えば特許文献１に開示されたＭＩＭＯアンテナ装置がある。
【０００３】
特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置は、等間隔に配置された４つのアンテナ素子群と、本体部とにより構成されている。各アンテナ素子群は、互いに異なる偏波方向を有する４つのアンテナ素子をそれぞれ備えて構成される。一方、本体部は、各アンテナ素子に接続されたスイッチ部と、スイッチ部を介して受信信号を受信する信号受信部と、スイッチ部に対する制御信号を生成するアンテナ制御部と、アンテナ素子の組み合わせを生成し、選択素子情報をアンテナ制御部に通知するアンテナ選択部と、アンテナ選択部によって生成されたアンテナ素子によって受信された受信信号に基づいて、特定のアンテナ素子の組み合わせを決定し、決定素子情報をアンテナ制御部に通知するアンテナ決定部とを備えて構成される。この従来のＭＩＭＯアンテナ装置は、この構成により、各アンテナ素子群から１つずつアンテナ素子を選択するようにアンテナ素子の組み合わせを決定することで、アンテナ素子間の相関を低減し、伝送容量を十分に確保することを目的としている。
【０００４】
すなわち、ＭＩＭＯアンテナ装置では、複数のアンテナ素子が同時に動作して各アンテナ素子ができるだけ大きな受信電力を得ることが、ＭＩＭＯ復調した後の複数の信号系列に係る合計の伝送速度の高速化につながる。特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置では、ＭＩＭＯの同時通信チャンネル数より多くのアンテナ素子を備え、そのうちの受信信号強度の大きいアンテナ素子を選択してＭＩＭＯ復調を行うことにより、このことを達成している。このようなアンテナ素子の選択は、特に、移動体通信において、移動局（使用者）の移動や周囲環境の時間的変化により主偏波及び交差偏波の信号強度が時間的に変化したり到来角度が変化したりする場合に特に有効である。また、偏波特性の異なるアンテナ素子を用いることで偏波方向の変化に対処し、アンテナ素子を切り換えるように制御することにより時間的変化を克服することができる。
【０００５】
以上により、特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置は、複数のアンテナ素子によりそれぞれ構成された複数のアンテナ素子群を備え、スイッチ部を用いて、最も相関の低いアンテナ素子の組み合わせ、もしくは最も伝送容量の大きいアンテナ素子の組み合わせを選択することによりアンテナ素子間の相関を低減し、伝送容量を向上させることが可能なＭＩＭＯアンテナ装置を提供することができる。
【０００６】
さらに、特許文献２を参照して、無給電素子と可変負荷インピーダンス素子とを備えたアダプティブアンテナ装置の一例について説明する。
【０００７】
特許文献２のアダプティブアンテナ装置は、１つの給電アンテナ素子（特許文献２では「励振素子」と記載されている。）と、給電アンテナ素子の周囲に配置された複数の無給電素子（特許文献２では「非励振素子」と記載されている。）とを備えた構造となっている。さらに、各無給電素子には、可変負荷インピーダンス素子として可変リアクタンス素子がそれぞれ接続されている。各無給電素子は給電アンテナ素子と電磁的に結合しており、適応制御型コントローラにより可変リアクタンス素子のリアクタンス値を制御することにより、アダプティブアンテナ装置の放射指向性を変化させることが可能になる。この構成により、無線送受信機に到来する干渉電波を抑圧し、所望電波のみを受信することを目的としている。このように特許文献２のアダプティブアンテナ装置によれば、１つの給電アンテナ素子と複数の無給電素子と可変リアクタンス素子により、指向性を制御して高品位な無線通信を実現することが期待できる。
【０００８】
さらに、特許文献２のアダプティブアンテナ装置によれば、１つの無線通信回路（例えば無線送受信回路）によりアダプティブアンテナ装置を構成することが可能になる。特に携帯電話機のような、充電式電池により動作する携帯無線通信装置では、通話時間ができるだけ長くなるように小消費電力の構成が必要となる。通常のアダプティブアンテナ装置ではアンテナ素子数と等しいだけの無線通信回路が必要になり、多くの電力を消費する。しかしながら、特許文献２の構成によれば、無給電素子を制御することにより１つの無線通信回路（特許文献２では「復調器」と記載されている。）でアダプティブアンテナ装置を実現している。これにより、小消費電力と、小型形状を両立することができる。
【０００９】
以上により、特許文献２のアダプティブアンテナ装置は、１つの給電アンテナ素子と複数の無給電素子と可変リアクタンス素子とにより構成され、可変リアクタンス素子を適応制御型コントローラで制御することにより当該アダプティブアンテナ装置の指向性を変化させ、干渉波を抑圧するとともに所望波方向にビームを向けるように指向性を制御する。これにより、高品位な無線伝送を可能にするアダプティブアンテナ装置を提供することができる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−３１２３８１号公報。
【特許文献２】特開２００３−８７０５１号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１のＭＩＭＯアンテナ装置には以下のような問題があった。この従来のＭＩＭＯアンテナ装置は、できるだけ大きな受信電力を得るために、前述のように、ＭＩＭＯの同時通信チャンネル数より多くのアンテナ素子を備え、そのうちの受信信号強度の大きいアンテナ素子を選択してＭＩＭＯ復調を行う構成を有している。しかしながら、携帯電話機のような１波長もしくはそれ以下のサイズの小型機器には、特許文献１のような複数のアンテナ素子群を搭載することはきわめて困難である。
【００１２】
一方、特許文献２のアダプティブアンテナ装置には以下のような問題があった。この従来のアダプティブアンテナ装置では、１つの給電アンテナ素子を用いることで小型形状を実現し、携帯電話機のような１波長もしくはそれ以下のサイズの小型機器に搭載することが可能となっている。しかしながら、給電アンテナ素子が１つであるので、複数の送信回路（又は複数の受信回路）毎に複数のアンテナ素子の指向性を制御するＭＩＭＯアンテナ装置に適用することは不可能であった。すなわち、特許文献２のアダプティブアンテナ装置の給電アンテナ素子を２つにしても、２つの給電アンテナ素子がすべての無給電素子と電磁的に結合されてしまうので、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させても２つの給電アンテナ素子の指向性を独立に変化させることは不可能であった。従って、特許文献２のアダプティブアンテナ装置をＭＩＭＯアンテナ装置に用いることはできない。
【００１３】
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、小型形状であっても、複数の給電アンテナ素子が同時に良好な受信状態を維持することにより伝送容量及び伝送品位が高いＭＩＭＯ通信を行うことが可能なＭＩＭＯアンテナ装置、及びそれを備えた移動体用の無線通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の態様に係るＭＩＭＯアンテナ装置によれば、
複数の無線信号をそれぞれ受信する複数の給電アンテナ素子と、
上記複数の給電アンテナ素子でそれぞれ受信された無線信号をＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）方式で復調する復調手段とを備えたＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記各給電アンテナ素子と電磁的に結合するように設けられた少なくとも１つの無給電素子と、
上記無給電素子に接続された少なくとも１つの可変負荷インピーダンス素子と、
上記各給電アンテナ素子でそれぞれ受信された各無線信号の各受信信号レベルを検出して比較し、最小の受信信号レベルを検出する比較手段と、
上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された各受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記比較手段はさらに、所定の第１のしきい値未満の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、上記検出された第１のしきい値未満の受信信号レベルを有する無線信号のうち、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする。
【００１６】
また、上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差を所定の第２のしきい値と比較し、
上記制御手段はさらに、上記信号レベル差が上記第２のしきい値以上であるとき、上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする。
【００１７】
さらに、上記ＭＩＭＯアンテナ装置は、上記複数の無線信号を送信する送信側無線局装置によって使用される通信方式を制御する制御信号を上記送信側無線局装置に無線送信する無線送信手段をさらに備え、
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、最大の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、
（ｉ）上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御し、
（ｉｉ）上記最大の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする。
【００１８】
またさらに、上記ＭＩＭＯアンテナ装置は、上記複数の無線信号を送信する送信側無線局装置によって使用される通信方式を制御する制御信号を上記送信側無線局装置に無線送信する無線送信手段をさらに備え、
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差を所定の第２のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、最大の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、
（ａ）少なくとも１つの無線信号の受信信号レベルが第１のしきい値未満であり、かつ少なくとも１つの無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、
上記検出された第１のしきい値未満の受信信号レベルを有する無線信号のうち、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御し、
（ｂ）すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であり、かつ最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差が上記第２のしきい値以上であるとき、
上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御し、
（ｃ）すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、
（ｉ）上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御し、
（ｉｉ）上記最大の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする。
【００１９】
また、上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記制御手段は、上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更した場合、さらに、
（ａ）上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御したことにより上記すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上になったとき、又は、
（ｂ）所定の制御固定時間が経過したとき、
上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＳＩＳＯ方式からＭＩＭＯ方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御することを特徴とする。
【００２０】
さらに、上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記可変負荷インピーダンス素子は、上記制御手段の制御に従って連続的に変化するインピーダンス値を有することを特徴とする。
【００２１】
またさらに、上記ＭＩＭＯアンテナ装置において、上記可変負荷インピーダンス素子は、上記制御手段の制御に従って選択的に切り換えられる複数のインピーダンス値を有することを特徴とする。
【００２２】
また、上記ＭＩＭＯアンテナ装置はさらに、
所定の無線信号を受信し又は送信する無線通信回路と、
上記可変負荷インピーダンス素子と上記無線通信回路とのいずれか一方を上記無給電素子に接続するスイッチ手段とをさらに備えたことを特徴とする。
【００２３】
さらに、本発明によれば、上記ＭＩＭＯアンテナ装置を備えたことを特徴とする無線通信装置が提供される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。複数の給電アンテナ素子と１つ以上の無給電素子とを備えたＭＩＭＯアンテナ装置であって、受信信号レベルが低い無線信号を受信している給電アンテナ素子に係る当該無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、無給電素子に接続された可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を変化させて指向性を制御する。
【００２５】
このＭＩＭＯアンテナ装置によれば、制御手段が、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、比較手段により検出された各受信信号レベルに基づいて可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することにより、小型形状であっても、複数の給電アンテナ素子が同時に良好な受信状態を維持することにより伝送容量及び伝送品位が高いＭＩＭＯ通信を行うことが可能なＭＩＭＯアンテナ装置、及びそれを備えた移動体用の無線通信装置を提供することができる。
【００２６】
特に、最も受信信号レベルの低い給電アンテナ素子を選択し、その給電アンテナ素子で受信される無線信号の受信信号レベルが最大となるように可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御する。これにより、不等中央値（給電アンテナ素子間の信号レベル差）の低減と受信信号レベルの増大により、ＭＩＭＯ伝送特性の向上を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明の実施形態を説明するため図面の全体にわたり、同様の作用を有する構成要素は同一の符号を付与し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２８】
第１の実施形態．
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。以下、図１を参照しながら本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置について説明する。図１において、３つの給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃは、ＭＩＭＯ送信側基地局装置（図示せず。）から所定のＭＩＭＯ変調方式を用いて送信された３つの異なる無線信号をそれぞれ受信するために設けられ、これらの給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃに近接して電磁的に結合されるように、１つの無給電素子７が設けられる。無給電素子７には、可変なインピーダンス値を有する可変負荷インピーダンス素子６が接続されている。給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃは、受信された各無線信号をアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換回路２に入力する。Ａ／Ｄ変換回路２は、入力された各無線信号に対応して３つのＡ／Ｄ変換器を備え、これらのＡ／Ｄ変換器により各無線信号に対して別個にＡ／Ｄ変換処理を実行して、処理後の各信号（以下、受信信号という。）をＭＩＭＯ復調回路３と信号レベル比較回路４とにそれぞれ出力する。ＭＩＭＯ復調回路３は、３つの受信信号に対してＭＩＭＯ復調処理を実行して１つの復調信号を出力する。信号レベル比較回路４は、３つの受信信号の信号レベルを互いに比較し、比較結果の情報をコントローラ５に出力する。コントローラ５は、信号レベルの比較結果に基づいて、図７乃至図１３を参照して後述されるＭＩＭＯ適応制御処理を実行し、それによって可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を変化させる。
【００２９】
コントローラ５は、ＭＩＭＯ適応制御処理の結果によっては、ＭＩＭＯ送信側基地局装置及びＭＩＭＯ復調回路３において使用されているＭＩＭＯ通信方式を変更させてもよい。すなわち、コントローラ５は、無線送信回路８及びそれに接続された送信アンテナ素子９を用いて、ＭＩＭＯ送信側基地局装置におけるＭＩＭＯ変調方式を変更させるようにＭＩＭＯ送信側基地局装置に要求する制御信号を送信し、それとともに、ＭＩＭＯ復調回路３において使用されているＭＩＭＯ復調方式を変更させる。
【００３０】
本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置は、Ａ／Ｄ変換回路２の前段において、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃにおいて受信された各無線信号から所定の周波数の信号を分離する高周波フィルタと、信号を増幅するための高周波増幅器とを必要に応じて備えることが好ましい。また、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置は、ＭＩＭＯ復調回路３の前段において、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号の周波数を変換するためのミキサー等の高周波回路や、中間周波数回路及び信号処理回路等を必要に応じて備えることが好ましい。以上に列挙した構成要素は、本願明細書及び図面では説明の簡単化のために省略した。
【００３１】
ここでは一例として、給電アンテナ素子数が３つで無給電素子が１つの場合を例に説明を行うが、給電アンテナ素子数が２つもしくは４つ以上の構成や、さらには無給電素子が２つ以上の構成も可能である。無給電素子が複数個設けられた場合には、それらに対応して可変負荷インピーダンス素子も複数個だけ設けられてもよい。
【００３２】
ここで、図２及び図３を参照して、可変負荷インピーダンス素子６の実施例について説明する。図２は、可変負荷インピーダンス素子６の第１の実施例である可変負荷インピーダンス回路６ａの詳細構成を示す回路図である。可変負荷インピーダンス回路６は、インピーダンス値を変化させるために可変容量ダイオード１１を備えたことを特徴とし、可変容量ダイオード１１のカソードは、無給電素子７に接続されるとともに高周波阻止用インダクタ１１ａを介してコントローラ５に接続され、可変容量ダイオード１１のアノードは接地される。可変容量ダイオード１１のインピーダンス値は、コントローラ５によって印加される制御電圧に従って変化する。さらに、所望の負荷インピーダンス値を得るために、他の固定素子（コンデンサ、インダクタ）を付加的に備えた回路構成や、複数の可変容量ダイオードを用いた回路構成も利用可能である。
【００３３】
また、図３は、可変負荷インピーダンス素子６の第２の実施例である可変負荷インピーダンス回路６ｂの詳細構成を示す回路図である。可変負荷インピーダンス回路６ｂは、それぞれ異なるインピーダンス値を有する負荷インピーダンス素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを備えたことを特徴とし、各負荷インピーダンス素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの一端はスイッチ１２にそれぞれ接続され、他端はそれぞれ接地されている。スイッチ１２は、コントローラ５の制御に従って負荷インピーダンス素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄのうちのいずれか１つを無給電素子７に接続する。図３では、一例として４つの負荷インピーダンス素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄによる構成を例示しているが、これに限られるものではなく２つ以上の任意個数の負荷インピーダンス素子を用いた構成を利用することができる。また、変形例の負荷インピーダンス素子としては、所望の負荷インピーダンス値を得るために、他の固定素子又は可変容量ダイオードを付加的に備えた構成、もしくはこれらを組み合わせた回路による構成も利用可能である。この変形例の構成により、負荷インピーダンス値をステップ状に変化させるとともに、広範囲にわたって連続的に変化させることが可能になる。
【００３４】
以上説明した本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置によれば、コントローラ５が、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、信号レベル比較回路４により検出された各受信信号レベルに基づいて可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御することにより、小型形状であっても、複数の給電アンテナ素子が同時に良好な受信状態を維持することにより伝送容量及び伝送品位が高いＭＩＭＯ通信を行うことが可能なＭＩＭＯアンテナ装置を提供することができる。
【００３５】
図４は、本発明の第１の実施形態の変形例に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。この変形例のＭＩＭＯアンテナ装置は、図１の送信アンテナ素子９を、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃのうちの１つに一体化させた構成を有することを特徴とする。図４において、給電アンテナ素子１ｃはその下端においてアンテナ共用器（デュプレクサ）２１を備え、給電アンテナ素子１ｃで受信された無線信号はアンテナ共用器２１を介してＡ／Ｄ変換回路２に入力される一方、無線送信回路８から出力された無線信号はアンテナ共用器２１を介して給電アンテナ素子１ｃを励振させる。送信アンテナ素子９を一体化させる給電アンテナ素子は、給電アンテナ素子１ａ，１ｂのいずれかであってもよい。以上の構成により、図４の変形例のＭＩＭＯアンテナ装置は、装置内のアンテナ素子の個数を削減することができる。
【００３６】
次に、図５及び図６を参照して、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置を携帯無線通信装置として実装する例について説明する。図５は、本実施形態の第１の実装例に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置を備えた携帯無線通信装置の構成を示す透視図である。この実装例では、２本の給電アンテナ素子１ａ，１ｂを備え、そのうち一方（例えば給電アンテナ素子１ｂ）を送信アンテナ素子として共用する場合について説明する。
【００３７】
図５の携帯無線通信装置は、ほぼ直方体形状の上部筐体３１と下部筐体３２とを備え、これらがヒンジ部３３により連結された折りたたみ型の携帯電話機として構成されている。上部筐体３１はスピーカ３５とディスプレイ３６を備え、下部筐体３２はキーボード３７とマイクロホン３８を備えて構成される。上部筐体３１の内部には、その左端に近接しかつ携帯無線通信装置の長手方向と平行になるようにストリップ導体１ａａが設けられ、ストリップ導体１ａａは、ヒンジ部３３の一部を構成するヒンジ部導体１ａｂと電気的に接続され、ストリップ導体１ａａとヒンジ部導体１ａｂとは、ともに給電アンテナ素子１ａとして動作する。同様に、上部筐体３１の内部には、その右端に近接しかつ携帯無線通信装置の長手方向と平行になるようにストリップ導体１ｂａが設けられ、ストリップ導体１ｂａは、ヒンジ部３３の一部を構成するヒンジ部導体１ｂｂと電気的に接続され、ストリップ導体１ｂａとヒンジ部導体１ｂｂとは、ともに給電アンテナ素子１ｂとして動作する。下部筐体３２内には、Ｕ字型に折り曲げられたストリップ状の導体にてなる無給電素子７が設けられ、無給電素子７の一方の端部には可変負荷インピーダンス素子６が接続されている。図５に示した実装例では、無給電素子７の一部は、下部筐体３２の下端から突出したブーム部３４の中を貫通するように設けられるが、それに代わって、無給電素子７の全体が下部筐体３２の内部に設けられてもよい。携帯無線通信装置は、図４のＡ／Ｄ変換回路２、ＭＩＭＯ復調回路３、信号レベル比較回路４、コントローラ５、無線送信回路８及びアンテナ共用器２１などを含む無線通信回路３９を備え、無線通信回路３９のＡ／Ｄ変換回路２は給電アンテナ素子１ａに接続されるとともに、アンテナ共用器２１を介して給電アンテナ素子１ｂに接続され、無線通信回路３９の無線送信回路８はアンテナ共用器２１を介して給電アンテナ素子１ｂに接続され、無線通信回路３９のコントローラ５は可変負荷インピーダンス素子６に接続されて、そのインピーダンス値を変化させる。
【００３８】
また、図６は、本実施形態の第２の実装例に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置を備えた携帯無線通信装置の構成を示す透視図である。図６の実装例では、図５の実装例に加えて、ロッド状の導体にてなり下部筐体３１から突出した給電アンテナ素子１ｃを備え、３個の給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃを利用して通信するように構成されている。ここで、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃのうちの１つ（例えば給電アンテナ素子１ｃ）は、送信アンテナ素子として共用される。図６の実装例の携帯無線通信装置によれば、図５の実装例の場合よりも多数の給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃを用いることにより、伝送容量及び伝送品位がより高いＭＩＭＯ通信を実行することができる。
【００３９】
以下、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置の動作原理について説明する。なお、本明細書において、イメージ入力された数式とテキスト入力された数式とを混在させて用いており、各数式を識別するために、それら各数式の最後部に記載した一連の通し番号（１），（２），…を用いて「式（１），式（２），…」等と呼ぶこととする。
【００４０】
ＭＩＭＯ通信システムは、送信機及び受信機においてそれぞれ複数のアンテナ素子を用いて、同じ周波数帯域内で同時に送信された複数の信号系列を空間的に多重化することによって伝送容量を増大させ、ＭＩＭＯ復調後の複数の信号系列に係る合計伝送速度の増大を図る技術である。ここでは一例として、固有モード伝送方式をもとに説明を行う。送信機及び受信機のアンテナ素子の数をそれぞれｎ個とすると、受信信号ｙは次式で表すことができる。
【００４１】
［数１］
ｙ＝Ｈｘ＋ｗ （１）
【００４２】
ここで、受信信号を表すｙは、サイズがｎのベクトルであり、その各要素は受信機の各アンテナ素子で受信された信号を表す。Ｈはサイズがｎ×ｎの行列であり、チャンネル行列と呼ばれ、その各要素Ｈｉｊ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、すなわち、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。また、送信信号を表すｘは、サイズがｎのベクトルであり、その各要素ｘｉは、送信機の各アンテナ素子から送信される信号であって、互いに直交する信号を表す。ｗはサイズがｎのベクトルであり、その各要素は受信機の各アンテナ素子で受信された熱雑音を表す。
【００４３】
受信機においてチャンネル行列Ｈを取得するために、受信機は所定のパイロット信号ｘを予め記憶し、送信機はこの既知のパイロット信号ｘを受信機に伝送し、受信機は、予め記憶したパイロット信号ｘと、受信信号ｙ（すなわち伝送されたパイロット信号ｘ）とに基づいて、式（１）からチャンネル行列Ｈを計算する。
【００４４】
ここで、チャンネル行列Ｈに対する特異値分解（Ｓｉｎｇｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＳＶＤ）を行うと、次式のようになる。
【００４５】
【数１】
【００４６】
式（２）において、Ｕ，Σ，Ｖはそれぞれサイズがｎ×ｎの行列であり、Σはそのｉ行目ｉ列目の要素がσｉ（０≦ｉ≦ｑ）でありかつその他の要素が０である行列である。また、ｕｉとｖｉはそれぞれ行列ＵとＶのｉ番目の列ベクトルであり、それぞれ他の列ベクトルと直交している。ｑはチャンネル行列Ｈのランクであり、以下の説明ではｑ＝ｎであるとする。上付き添字Ｈは複素共役転置を表す。ここで、行列ＵとＶは、サイズがｎ×ｎの単位行列Ｉｎに対して次式を満足する。
【００４７】
［数２］
ＵＨＵ＝Ｉｎ （３）
［数３］
ＶＨＶ＝Ｉｎ （４）
【００４８】
さらに、固有値分解（Ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＥＶＤ）を行うと、次式が求まる。
【００４９】
【数２】
【００５０】
式（５）において、λｉはチャンネル行列の積ＨＨＨの固有値であり、λｉ＝σｉ２である。
【００５１】
ベクトルｕｉＨは、行列ＵＨの要素となる他の行ベクトルと互いに直交しており、送信機の各アンテナ素子から送信される信号のウエイト（振幅と位相）に使用され、ベクトルｕｉは、行列Ｕの要素となる他の列ベクトルと互いに直交しており、受信機の各アンテナ素子において受信される信号のウエイトに使用される。このようにウエイトを使用することにより直交した指向性が得られる。
【００５２】
ここで、式（１）より、受信信号電力はＨｘ（Ｈｘ）Ｈ＝ＨＨＨｘｘＨとなる。行列ｘｘＨは送信信号電力を表す。ただし、ベクトルｘの各要素は互いに直交した信号であるので、行列ｘｘＨは対角行列ｄｉａｇ［ｘ１ｘ１＊，ｘ２ｘ２＊，…，ｘｎｘｎ＊］となる。一方、行列ＨＨＨは対角行列ｄｉａｇ［λ１，λ２，…，λｑ］となる。すなわち、送信機及び受信機の各アンテナ素子において直交したウエイトを使用することにより複数の伝搬経路を分離することができ、このときの受信信号電力はλｉｘｉｘｉ＊となる。信号ｘｉがすべて等しい場合、各伝搬経路における受信信号電力は固有値λｉの比になる。
【００５３】
ここで、送信機のアンテナ素子数が２個であり、かつ受信機のアンテナ素子数が２個であるＭＩＭＯ通信システムを一例として、受信信号電力の導出について具体的に説明する。この場合、チャンネル行列Ｈと、送信機のアンテナ素子から送信された送信信号ベクトルｘとは、以下の式で表される。
【００５４】
【数３】
【数４】
【００５５】
ここで、ｗを、受信機のアンテナ素子で受信された雑音ベクトル（送信信号ベクトルｘに対する振幅比）であるとすると、受信信号ベクトルｙは以下の式で求められる。
【００５６】
【数５】
【００５７】
次に、受信信号ベクトルの共分散行列Ｒｙｙを次式により求める。
【００５８】
【数６】
【００５９】
上式で、ベクトルｙＨは以下の式で表される。
【００６０】
【数７】
【００６１】
通常、ＭＩＭＯ通信システムでは、送信機の異なるアンテナ素子から送信される異なる信号は互いに無相関である。ここで送信信号が無相関であるということについて説明する。送信信号系列は「−１」と「１」の要素からなる１次元信号系列であるものとする。例えば、送信信号ベクトルｘ１，ｘ２がそれぞれ４つの要素を有する場合の一例を以下に示す。
【００６２】
［数４］
ｘ１＝（１，−１，１，１） （１１）
［数５］
ｘ２＝（１，１，−１，１） （１２）
【００６３】
相関とは、信号系列の要素毎の積の和を系列数で割ったものと定義すると、送信信号ベクトルｘ１とｘ２の相関値Ｒ１２は次式で表される。
【００６４】
［数６］
Ｒ１２＝（１・１＋（−１）・１＋１・（−１）＋１・１）／４＝０ （１３）
【００６５】
すなわち、相関値Ｒ１２が０となる場合に無相関となる。逆に、相関値が１となるのは、ｘ１＝ｘ２の場合である。また、雑音ベクトルは送信信号ベクトルと無相関であり、かつ、異なるアンテナ素子で受信される雑音ベクトルも互いに無相関である。
【００６６】
以上より、式（９）の共分散行列Ｒｙｙの期待値を受信信号電力として次式のように計算することができる。
【００６７】
【数８】
【００６８】
ここで、送信信号ベクトルについての仮定より、次式を用いた。
【００６９】
【数９】
【００７０】
以上説明したＭＩＭＯアンテナ装置の動作原理によれば、ＭＩＭＯ通信システムの伝送容量は次式で与えられる。
【００７１】
【数１０】
【００７２】
ここで、ＳＮＲは総送信信号電力対雑音比であり、すなわちＳＮＲ／ｎ＝ｘｉｘｉ＊である。ＣＭＩＭＯの単位は［ビット／秒／Ｈｚ］である。一方、送信機において１つのアンテナ素子を用い、かつ受信機において１つのアンテナ素子を用いる通常の一対一通信（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ：ＳＩＳＯ）の場合には、伝送容量は以下の式で得られる。
【００７３】
【数１１】
【００７４】
式（１７）において、ｈは伝搬係数であり、ＣＳＩＳＯの単位は［ビット／秒／Ｈｚ］である。
【００７５】
例えば、式（１６）と式（１７）の比較を簡単化するため、ｈｈ＊＝λｉ＝λとし、ＳＮＲ・λ／ｎ≫１とする。このとき、式（１６）の伝送容量は、次式のように計算される。
【００７６】
【数１２】
【００７７】
一方、式（１７）の伝送容量は、次式のように計算される。
【００７８】
【数１３】
【００７９】
例えば、ｎ＝４、ＳＮＲ・λ＝１０２４の場合には、ＭＩＭＯ伝送容量ＣＭＩＭＯ＝４・（１０−２）＝３２［ビット／秒／Ｈｚ］であり、ＳＩＳＯ伝送容量ＣＳＩＳＯ＝１０［ビット／秒／Ｈｚ］であり、ＭＩＭＯ伝送容量はＳＩＳＯ伝送容量よりも増加していることがわかる。
【００８０】
以上のように、ＭＩＭＯアンテナ装置では、互いに直交する指向性を複数の信号系列に割り振ることで空間的に信号を多重させ伝送容量を増加させ、それにより、ＭＩＭＯ復調後の複数の信号系列の合計の伝送速度の高速化を達成することができる。
【００８１】
式（１６）によれば、チャンネル行列Ｈから計算される固有値λｉが大きいほど、ＭＩＭＯ伝送容量は増加することがわかる。固有値λｉはチャンネル行列Ｈの各要素により求まるので、上記のことは、チャンネル行列Ｈの各要素が大きいほど高速伝送が可能であることを意味している。また、式（１）に記したように、受信された信号には熱雑音ベクトルｗが含まれる。実際の受信機では熱雑音成分を除去することができないので、このことがチャンネル行列Ｈから固有値λｉを計算する際の誤差要因となる。従って、できるだけ大きな受信信号電力を得ることが、ＭＩＭＯアンテナ装置における伝送速度の高速化につながる。またチャンネル行列Ｈには、伝搬損失の他に送信機のアンテナ素子及び受信機のアンテナ素子の利得が含まれる。従って、同じ伝搬環境であればアンテナ素子の利得の高い方が望ましいことがわかる。
【００８２】
このように、ＭＩＭＯアンテナ装置は複数の給電アンテナ素子によりそれぞれ受信される各受信信号が同時に良好な受信状態である必要がある。しかしながら、特に携帯電話機等の人体に近接させて使用するような無線通信装置では、人体の影響等により複数のアンテナ素子の中でいくつかのアンテナ素子の指向性が劣化するおそれがある。これにより、ＭＩＭＯアンテナ装置の本来の高速無線通信が実行不可能になるおそれがある。
【００８３】
そこで、図１に示したように、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃと電磁結合を有する１つの無給電素子７に可変負荷インピーダンス素子６を接続して、Ａ／Ｄ変換回路２により受信信号をデジタル信号に変換した後に信号レベル比較回路４において給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃで受信された各受信信号の信号レベルを比較し、信号レベルが最も低い１つの給電アンテナ素子に係る信号レベルが実質的に最大となるように、無給電素子６に接続された可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を変化させる。すなわち、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃと電磁的に結合された無給電素子７に流れる電流を可変負荷インピーダンス素子６により変化させることで、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃの指向性を間接的に制御することが可能になる。これにより、ＭＩＭＯ復調回路３に入力される各アンテナ素子の受信信号間の信号レベル差の低減と、各アンテナ素子の高感度化とにより、ＭＩＭＯ伝送特性の向上が達成される。
【００８４】
以下、図７乃至図１３を参照して、以上のような制御を実現するために、コントローラ５によって実行されるＭＩＭＯ適応制御処理について説明する。
【００８５】
図７は、図１のコントローラ５によって実行される第１のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。コントローラ５は、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃのうちのいずれか１つで受信された受信信号の信号レベルを向上させるように、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御することができる。しかしながら、すべての給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃに係る受信信号の信号レベルがしきい値以上となるように、コントローラ５により可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を変化させることが最も望ましい制御方法である。図７では、このようなＭＩＭＯ適応制御処理について説明する。なお、図７にはＭＩＭＯ復調回路３による復調処理は記載していないが、ＭＩＭＯ復調回路３は、コントローラ５によるＭＩＭＯ適応制御処理と並列に、Ａ／Ｄ変換回路２で取得された受信信号のデータに基づいた復調動作を常に実行する。
【００８６】
図７のステップＳ１において、コントローラ５は、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルをしきい値と比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ここで、信号レベルのしきい値は、例えば、受信信号の検出が可能であるか否かの限界となる低いレベルに設定されるが、それに代わって、ＭＩＭＯ通信方式で決まるエラーフリーとなるしきい値の信号レベルなどの他のレベルであってもよい。第１のＭＩＭＯ適応制御処理では、信号レベル比較回路４は、しきい値未満の受信信号レベルを検出する。ステップＳ２において、コントローラ５は、しきい値未満の信号レベルの受信信号が存在する場合にはステップＳ３に進み、そうでない場合には、ステップＳ１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。ステップＳ３において、コントローラ５は、しきい値未満の信号レベルのうちで最小の信号レベルの受信信号を受信した給電アンテナ素子に係る当該受信信号の信号レベルが実質的に最大となるように、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御する。制御方法についての詳細は後述する。可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御した後、ステップＳ４において、コントローラ５は、ステップＳ１における処理と同様に、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルをステップＳ１のしきい値と再び比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ステップＳ５において、コントローラ５は、しきい値未満の信号レベルの受信信号が存在する場合にはステップＳ６に進み、そうでない場合には、ステップＳ１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。ステップＳ６において、コントローラ５は、インピーダンス値の制御の試行回数（すなわちステップＳ３を実行した回数）が最大試行回数以下であるか否かを判断する。最大試行回数は例えば３回に設定されるが、コントローラ５の処理能力等に応じて異なる回数であってもよい。ステップＳ６の結果がＹＥＳのときはステップＳ３に戻り、ＮＯのときは、ＭＩＭＯ適応制御処理の効果が得られなかったと判断して、ステップＳ１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。
【００８７】
以下に、ステップＳ３における可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値の制御方法の一例を示す。ここで、時刻ｔ０における、対象となる給電アンテナ素子に係る受信信号の信号レベルをＰｒ（ｔ０）とする。このとき、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値がＺ（ｔ０）＝ｊ×Ｘであるとする。ここでｊは虚数単位である。すなわち、インピーダンス値Ｚ０はリアクタンスで構成される。これは、可変負荷インピーダンス素子６を抵抗器により構成すると、抵抗器の熱損失により受信信号の信号レベルが低下するからである。
【００８８】
ここで、インピーダンス値を変更する最小時間ステップ量をΔｔと表し、変更されるインピーダンス値の最小ステップ量をΔＸと表すとき、時刻ｔ０＋Δｔにおいて可変負荷インピーダンスの値をＺ（ｔ０＋Δｔ）＝ｊ×（Ｘ＋ΔＸ）に変化させると、信号レベルはＰｒ（ｔ０＋Δｔ）に変化するものとする。ここで、自然数ｎをインピーダンス値の変更の試行回数として、一般に、隣接する時刻ｔ０＋（ｎ−１）×Δｔ，ｔ０＋ｎ×Δｔ間における信号レベル差ΔＰｒ（ｔ０＋ｎ×Δｔ）を、以下の式で定義する。
【００８９】
［数７］
ΔＰｒ（ｔ０＋ｎ×Δｔ）
＝ΔＰｒ（ｔ０＋ｎ×Δｔ）−ΔＰｒ（ｔ０＋（ｎ−１）×Δｔ） （２０）
【００９０】
時刻ｔ０＋Δｔにおける信号レベル差がΔＰｒ（ｔ０＋Δｔ）≧０である場合には、インピーダンス値を、
［数８］
Ｚ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ＋ΔＸ＋ΔＸ）＝ｊ×（Ｘ＋２×ΔＸ）
（２１）
になるように変化させ、信号レベル差がΔＰｒ（ｔ０＋Δｔ）＜０である場合には、インピーダンス値を、
［数９］
Ｚ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ−ΔＸ） （２２）
になるように変化させる。
【００９１】
次に、時刻ｔ０＋２×Δｔにおける信号レベル差ΔＰｒ（ｔ０＋２×Δｔ）の符号を判定する。ここで、信号レベル差ΔＰｒ（ｔ０＋２×Δｔ）≧０であれば、時刻ｔ０＋２×Δｔのときのインピーダンス値の変化と同符号でステップ量ΔＸだけインピーダンス値を変化させる。例えば、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値がＺ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ＋２×ΔＸ）であるときは、インピーダンス値を、
［数１０］
Ｚ（ｔ０＋３×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ＋３×ΔＸ） （２３）
になるように変化させ、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値がＺ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ−ΔＸ）であるときは、インピーダンス値を、
［数１１］
Ｚ（ｔ０＋３×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ−２×ΔＸ） （２４）
になるように変化させる。逆に、信号レベル差ΔＰｒ（ｔ０＋２×Δｔ）＜０であれば、時刻ｔ０＋２×Δｔのときのインピーダンス値の変化と逆符号でステップ量ｋ×ΔＸだけインピーダンス値を変化させる。ここで、パラメータｋは、０＜ｋ＜１であるとする。具体的には、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値がＺ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ＋２×ΔＸ）であるときは、インピーダンス値を、
［数１２］
Ｚ（ｔ０＋３×Δｔ）
＝ｊ×（Ｘ＋２×ΔＸ−ｋ×ΔＸ）＝ｊ×（Ｘ＋（２−ｋ）×ΔＸ） （２５）
になるように変化させ、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値がＺ（ｔ０＋２×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ−ΔＸ）であるときは、インピーダンス値を、
［数１３］
Ｚ（ｔ０＋３×Δｔ）＝ｊ×（Ｘ−ΔＸ＋ｋ×ΔＸ）＝ｊ×（Ｘ−（１−ｋ）×ΔＸ）
（２６）
になるように変化させる。
【００９２】
すなわち、インピーダンス値の変化量は、判定された信号レベル差ΔＰｒ（ｔ０＋２×Δｔ）の符号に基づいて決まり、信号レベル差がΔＰｒ≧０である場合、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値Ｚ（ｔ０＋２×Δｔ）と同符号で変化量ｊ×ｋ×ΔＸだけインピーダンス値は変化させられる。ここでパラメータｋ＝１であり、信号レベル差ΔＰｒ≧０の状態が続く限り、パラメータｋ＝１のままである。逆に、信号レベル差がΔＰｒ＜０となると、時刻ｔ０＋２×Δｔにおけるインピーダンス値Ｚ（ｔ０＋２×Δｔ）と逆符号で変化量ｊ×ｋ×ΔＸだけインピーダンス値は変化させられる。このときパラメータｋは、０＜ｋ＜１を満たす正の実定数に変更される。いったん信号レベル差がΔＰｒ＜０となり、その後の試行において信号レベル差がΔＰｒ＜０であり続ける限り、これ以降のインピーダンス値の変化量はｊ×ｋ（ｉ＋１）×ΔＸとなる。ここで、パラメータｉは、信号レベル差ΔＰｒ＜０となったときを最初（すなわちｉ＝１）としたときの試行回数である。この場合においても、試行回数を繰り返すときに信号レベル差ΔＰｒ≧０であれば、前回のインピーダンス値の変化と同符号に変化させ、信号レベル差ΔＰｒ＜０であれば、前回のインピーダンス値の変化と逆符号に変化させる。なお、パラメータｋの条件を０＜ｋ＜１の正の実定数としたのは、解の発散及び振動を防ぎ、収束させるためである。
【００９３】
ステップＳ３では、以上の試行を予め定めた回数まで繰り返すことにより、信号レベルが最も低い受信信号をもたらす給電アンテナ素子に係る当該受信信号の信号レベルを実質的に最大化することができる。さらに、好ましい信号レベルのしきい値を設定してもよく、この場合には、信号レベルがしきい値を越えた時点で試行を止めることにより、不要な制御を行わないことで電力の消費を抑えることができる。
【００９４】
また、本実施形態のＭＩＭＯ適応制御処理では、最小の信号レベルの受信信号のみに着ものするのではなく、各受信信号の信号レベル差を縮小させるように、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御してもよい。図１４は、本実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置において、複数のアンテナ素子で受信される受信信号間に信号レベル差が存在するときの平均チャンネル伝送容量の低下を示すグラフである。このグラフは、２つの給電アンテナ素子が存在するとき、その一方で受信される受信信号の信号レベル（すなわち電力）が減少して信号レベル差が生じた場合の平均チャンネル伝送容量の低下について、信号対雑音比（ＳＮＲ）が１０，２０，３０，４０［ｄＢ］の各場合についてそれぞれ示している。このグラフによれば、信号レベル差が０ｄＢから１０ｄＢになったときに、平均チャンネル伝送容量が元の８０％に低下することがわかる。そこで、一例として、各給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃでそれぞれ受信される受信信号の信号レベル差が１０ｄＢになったときに、信号レベル差を縮小させるために実行されるＭＩＭＯ適応制御処理について説明する。
【００９５】
図８は、コントローラ５によって実行される第２のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。図８のステップＳ１１において、コントローラ５は、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルを比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ここで、信号レベルの比較は、最大の信号レベルの受信信号と最小の信号レベルの受信信号との間における信号レベル差が所定のしきい値以上であるか否かを判断することによって実行され、信号レベル差のしきい値は、例えば前述したように１０ｄＢに設定される。ステップＳ１２において、コントローラ５は、信号レベル差がしきい値以上である場合にはステップＳ１３に進み、そうでない場合には、ステップＳ１１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。ステップＳ１３において、コントローラ５は、最小の信号レベルの受信信号を受信した給電アンテナ素子に係る当該受信信号の信号レベルが実質的に最大となるように、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御する。可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御した後、ステップＳ１４において、コントローラ５は、ステップＳ１１における処理と同様に、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルを再び比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ステップＳ１５において、コントローラ５は、最大の信号レベルの受信信号と最小の信号レベルの受信信号との間における信号レベル差がステップＳ１２のしきい値以上である場合にはステップＳ１６に進み、そうでない場合には、ステップＳ１１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。ステップＳ１６において、コントローラ５は、インピーダンス値の制御の試行回数（すなわちステップＳ１３を実行した回数）が最大試行回数以下であるか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ１３に戻り、ＮＯのときは、ステップＳ１１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させる。
【００９６】
この第２のＭＩＭＯ適応制御処理によれば、各受信信号の信号レベルが高い場合（すなわち、各信号レベルがそれぞれ、第１のＭＩＭＯ適応制御処理におけるしきい値を越えた場合）に、より高感度で、高速かつ高品位の通信を達成するように可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御する場合に適している。このことは、式（２）の特異値分解を参照して説明すると、各給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃに係る受信信号の信号レベル差が小さい方が、算出される固有値が大きくなり、よりチャンネル伝送容量が増加するためである。
【００９７】
次に、図７のステップＳ２においてすべての受信信号の信号レベルがしきい値未満になるような、各受信信号の信号レベルが非常に低い場合に実行される処理について説明する。
【００９８】
図９は、コントローラ５によって実行される第３のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。この処理では、受信信号の信号レベルが非常に弱く、すべての受信信号の信号レベルがしきい値未満になった場合において、最大の信号レベルの受信信号のみについてその信号レベルが実質的に最大となるように可変負荷インピーダンスを制御する。これにより、ＭＩＭＯ通信は不可能になるが、ＳＩＳＯ通信を可能にするだけの信号レベルを維持することによって無線通信チャンネルを確保する。
【００９９】
図９のステップＳ２１において、コントローラ５は、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルをしきい値と比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ここで、信号レベルのしきい値は、図７のステップＳ１のしきい値と同じであり、信号レベル比較回路４は、各受信信号レベルをしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、最大の受信信号レベルを検出する。ステップＳ２２において、コントローラ５は、しきい値以上の信号レベルの受信信号が存在する場合にはステップＳ２１に戻るとともにＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させ、そうでない場合にはステップＳ２３に進む。以下、ステップＳ２３乃至Ｓ２７においては、ステップＳ２１で比較された受信信号のうちで、最大の信号レベルの受信信号を受信した給電アンテナ素子に係る当該受信信号（以下、所望受信信号という。）のみについて、その信号レベルが実質的に最大となるように制御し、所望受信信号を用いてＳＩＳＯ通信を実行する。ステップＳ２３において、コントローラ５は、ＭＩＭＯ送信側基地局装置とＭＩＭＯ復調回路３とに、通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更させる。すなわち、コントローラ５は、無線送信回路８及びそれに接続された送信アンテナ素子９を用いて、ＭＩＭＯ送信側基地局装置における変調方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更させるようにＭＩＭＯ送信側基地局装置に要求する制御信号を送信し、それとともに、ＭＩＭＯ復調回路３において使用されている復調方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更させる。ＭＩＭＯ復調回路３は、ＳＩＳＯ方式で動作するとき、所望受信信号のみを復調する。ステップＳ２４において、コントローラ５は、所望受信信号の信号レベルが実質的に最大となるように、可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御する。可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御した後、ステップＳ２５において、コントローラ５は、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各信号レベルをステップＳ２１のしきい値と比較させ、各比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ステップＳ２６において、コントローラ５は、ステップＳ２４における可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値の制御により所望受信信号の信号レベルがしきい値以上になった場合にはステップＳ２８に進み、そうでない場合にはステップＳ２７に進む。ステップＳ２７において、コントローラ５は、インピーダンス値の制御の試行回数（すなわちステップＳ２４を実行した回数）が最大試行回数以下であるか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ２４に戻り、ＮＯのときはステップＳ２９に進む。また、ステップＳ２８において、コントローラ５は、ステップＳ２４における可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値の制御によりすべての受信信号の信号レベルがステップＳ２１のしきい値以上になったか否かを、ステップＳ２５の比較結果に基づいて判断し、ＹＥＳのときはステップＳ３０に進み、ＮＯのときはステップＳ２９に進む。ステップＳ２９において、コントローラ５は、内部のタイマ（図示せず。）を参照し、所定の制御固定時間が経過するまでＭＩＭＯ復調回路３に所望受信信号の復調処理を継続させ、制御固定時間が経過するとステップＳ３０に進む。ステップＳ３０において、コントローラ５は、無線送信回路８及びそれに接続された送信アンテナ素子９を用いて、ＭＩＭＯ送信側基地局装置における変調方式をＳＩＳＯ方式からＭＩＭＯ方式に変更させるようにＭＩＭＯ送信側基地局装置に要求する制御信号を送信し、それとともに、ＭＩＭＯ復調回路３において使用されている復調方式をＳＩＳＯ方式からＭＩＭＯ方式に変更させ、ステップＳ２１に戻る。
【０１００】
以上説明した第１乃至第３のＭＩＭＯ適応制御処理を組み合わせた処理を実行することも可能である。図１０乃至図１３は、コントローラ５によって実行される第４のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。
【０１０１】
図１０のステップＳ４１において、コントローラ５は、図７のステップＳ１と同様に、Ａ／Ｄ変換回路２から出力された各受信信号に基づいて、信号レベル比較回路４に各受信信号の信号レベルをしきい値と比較させ、比較結果の情報を信号レベル比較回路４から取得する。ここで、信号レベルのしきい値は、例えば、図７のステップＳ１のしきい値と同じである。ステップＳ４２において、コントローラ５は、すべての受信信号の信号レベルがしきい値未満である場合にはステップＳ４３の第１の適応制御サブルーチン処理に進み、すべての受信信号の信号レベルがしきい値以上である場合にはステップＳ４５の第３の適応制御サブルーチン処理に進み、その他の場合（すなわち、一部の受信信号の信号レベルがしきい値以上であり、かつ一部の受信信号の信号レベルがしきい値未満である場合）にはステップＳ４４の第２の適応制御サブルーチン処理に進む。
【０１０２】
図１１は、図１０のステップＳ４３における第１の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。図１１のステップＳ５１乃至Ｓ５８は図９のステップＳ２３乃至Ｓ３０と同様であり、ステップＳ５８の実行後、コントローラ５は、図１０のステップＳ４１に戻る。
【０１０３】
図１２は、図１０のステップＳ４４における第２の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。図１０乃至図１３のＭＩＭＯ適応制御処理では、ＭＩＭＯ送信側基地局装置及びＭＩＭＯアンテナ装置が複数の伝送レートを有するＭＩＭＯ通信方式を実行できるものと想定している。ステップＳ６１において、コントローラ５は、ＭＩＭＯ送信側基地局装置及びＭＩＭＯ復調回路３で使用中のＭＩＭＯ通信方式の伝送レートが、これらにより使用可能な最高速の伝送レートであるか否かを判定し、ＹＥＳのときはステップＳ７０に進み、ＮＯのときはステップＳ６２に進む。ステップＳ６２において、コントローラ５は、無線送信回路８及びそれに接続された送信アンテナ素子９を用いて、ＭＩＭＯ送信側基地局装置における変調方式の伝送レートをより高速の伝送レートに変更させるようにＭＩＭＯ送信側基地局装置に要求する制御信号を送信し、それとともに、ＭＩＭＯ復調回路３において使用されている復調方式の伝送レートを、対応するより高速なＭＩＭＯ通信方式に係る伝送レートに変更させる。続くステップＳ６３乃至ステップＳ６８は図７のステップＳ１乃至Ｓ６と同様であるが、ただし、ステップＳ６４及びＳ６７においてしきい値未満の信号レベルの受信信号が存在しないと判断された場合には、ステップＳ６１に戻ってＭＩＭＯ通信方式の高速化を再度試みる。ステップＳ６８においてインピーダンス値の制御の試行回数（すなわちステップＳ６５を実行した回数）が最大試行回数より大きいと判断された場合には、ステップＳ６２におけるＭＩＭＯ通信方式の高速化が不適切であったと判断し、ステップＳ６９に進む。ステップＳ６９において、コントローラ５は、無線送信回路８及びそれに接続された送信アンテナ素子９を用いて、ＭＩＭＯ送信側基地局装置における変調方式の伝送レートをより低速の伝送レートに変更させるようにＭＩＭＯ送信側基地局装置に要求する制御信号を送信し、それとともに、ＭＩＭＯ復調回路３において使用されている復調方式の伝送レートを、対応するより低速なＭＩＭＯ通信方式に係る伝送レートに変更させる。ステップＳ６９の実行後、コントローラ５はステップＳ７０に進み、所定の制御固定時間が経過するまでＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させ、制御固定時間が経過すると図１０のステップＳ４１に戻る。
【０１０４】
図１３は、図１０のステップＳ４５における第３の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。図１３のステップＳ８１乃至Ｓ８５は図８のステップＳ１２乃至Ｓ１６と同様である。ステップＳ８１，Ｓ８４及びＳ８５がＮＯの場合、コントローラ５はステップＳ８６に進み、所定の制御固定時間が経過するまでＭＩＭＯ復調回路３に通常の復調処理を継続させ、制御固定時間が経過すると図１０のステップＳ４１に戻る。
【０１０５】
以上説明した第４のＭＩＭＯ適応制御処理によれば、いずれの給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃで受信された受信信号の信号レベルもＭＩＭＯ通信を行うことができる信号レベル（例えば、ＭＩＭＯ通信方式で決まるエラーフリーとなるしきい値の信号レベル）に比べて十分強い場合には、第２のＭＩＭＯ適応制御処理を実行する。これは、受信信号の信号レベル差を小さくすることにより、より高品位なＭＩＭＯ無線通信を実現できるからである。また、信号レベルがしきい値未満となる受信信号をもたらす給電アンテナ素子が存在する場合には、第１のＭＩＭＯ適応制御処理を実行し、また、受信信号の信号レベルが非常に弱く、すべての受信信号の信号レベルがしきい値未満になった場合には、第３のＭＩＭＯ適応制御処理を実行する。これにより、受信信号の信号レベルにより最適な制御を選択することで、常に最良の無線通信が可能になる。
【０１０６】
本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置によれば、以下のような特有の効果が存在する。
【０１０７】
特に、移動体通信の場合には、使用者の移動及び周囲環境の時間的変化による主偏波特性や偏波特性の時間的変化が想定され、携帯端末装置の場合にはそれに加えて、使用時における保持状態が多様であることによるアンテナ装置の指向性及び偏波方向の変化が想定され、これらのことに対処するために、本実施形態のような指向性制御が望まれる。また、携帯端末装置の使用者が給電点を手で覆うことによって、受信信号電力が大きく低下することがあるが、本実施形態の構成を採用することによりこのような受信信号電力低下を克服することが可能になる。
【０１０８】
さらに、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置によれば、給電アンテナ素子数を増やすことなく高感度なＭＩＭＯアンテナ装置を実現することができる。一般に、ＭＩＭＯアンテナ装置では、給電アンテナ素子毎に別個に動作する無線通信回路が必要になる。すなわち、ＭＩＭＯアンテナ装置の利得を向上させるために給電アンテナ素子数を増加させると、無線通信回路が増えることにより回路規模が増大するとともに消費電力が増大するおそれがある。この場合、特に携帯電話機のような充電式電池により動作する携帯無線通信装置では、消費電力の増加により通話可能な時間が短くなってしまう。しかしながら、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置の構成によれば、給電アンテナ素子を増やすことなく無給電素子による指向性制御を行う構成であるために、利得の向上により伝送容量及び伝送品位を向上させながら、小消費電力と小型形状を達成できるという利点もある。
【０１０９】
さらに、本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置においては、制御を高速化かつ簡単化するために、ＭＩＭＯ復調後の複数の信号系列に係る所望の合計伝送速度を達成するために必要な信号レベルのしきい値を予め設定し、いずれかの給電アンテナ素子で受信された受信信号の信号レベルがしきい値以下となったときに、しきい値以下の給電アンテナ素子に係る信号レベルがしきい値以上となるように可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を変化させる。これにより、制御の高速化が図れるとともに、常時制御を行う必要がないために消費電力の低減にも効果がある。このような消費電力の低減は、特に電池駆動の携帯無線通信装置において効果が大きい。
【０１１０】
また、本実施形態によれば、給電アンテナ素子を高感度化しかつ信号レベル差を縮小したことの効果により、最大のＭＩＭＯ無線伝送特性を達成することができる。
【０１１１】
また、変形例として、コントローラ５が受信信号レベルを送信側基地局装置に通知し、適応的に送信される無線信号の変調方式を切り換える無線通信システムに本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置を用いる場合に、図７等のＭＩＭＯ適応制御処理を行うことで受信信号レベルを増大させた後の受信信号レベルを送信側基地局装置に通知する。これにより、より変調速度の速い変調方式での送受信を可能にし、高速な無線通信を実現できるという利点がある。
【０１１２】
第２の実施形態．
図１５は、本発明の第２の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。本実施形態のＭＩＭＯアンテナ装置は、図１の可変負荷インピーダンス素子６に代えて無給電素子制御回路４０を備えたことを特徴とし、この無給電素子制御回路４０は、その内部に異なる目的に係る複数の回路及び／又は素子を備え、これらの回路及び／又は素子のうちのいずれか１つを無給電素子７に接続する。本実施形態において、無給電素子制御回路４０は、図１と同様の可変負荷インピーダンス素子６と、無給電素子７を介して受信される無線信号を復調するための復調回路４２と、可変負荷インピーダンス素子６と復調回路４２とのうちの一方を無給電素子７に接続するスイッチ４１とを備え、スイッチ４１はコントローラ５の制御に従って動作する。無給電素子７が可変負荷インピーダンス素子６に接続されている場合には、コントローラ５は可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を制御し、それにより、無給電素子７は第１の実施形態の場合と同様に、給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃの指向性を制御するために使用される。一方、無給電素子７が復調回路４２に接続されている場合には、無給電素子７は給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃとは別個の受信アンテナ素子として動作し、無給電素子７及び復調回路４２は、ＭＩＭＯ復調回路３で復調される音声通信及び／又はデータ通信とは異なる通信を処理する。復調回路４２は、例えばテレビジョン放送の復調回路であるが、それに代えて、他の無線信号の送信及び／又は受信を行うための他の無線通信回路を設けてもよい。スイッチ４１の切り換えは、コントローラ５によってではなく、ＭＩＭＯアンテナ装置のユーザにより手動で行われてもよい。
【０１１３】
図１５の構成によれば、無給電素子７を、（１）給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃの指向性の制御と、（２）復調回路４２で復調するための無線信号の受信とに切り換えて使用することにより、小型の移動体端末において効率よくアダプティブ制御を実行可能な無線通信装置を実現することができる。
【０１１４】
以上説明した第２の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置もまた、図５及び図６に示した携帯無線通信装置に実装することが可能である。
【０１１５】
以上のように、本発明の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置によれば、複数の給電アンテナ素子１ａ，１ｂ，１ｃに電磁的に結合された無給電素子７に接続された可変負荷インピーダンス素子６のインピーダンス値を変化させる構成で高感度化を実現し、所定のしきい値を用いた制御を実行することにより制御の高速化を可能にしたＭＩＭＯアンテナ装置を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
以上に示したように、本実施形態の構成によれば、小型形状が望まれる携帯無線通信装置において、より少ないアンテナ素子を用いてより大きな伝送容量を得ることが可能なＭＩＭＯアンテナ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の可変負荷インピーダンス素子６の第１の実施例である可変負荷インピーダンス回路６ａの詳細構成を示す回路図である。
【図３】図１の可変負荷インピーダンス素子６の第２の実施例である可変負荷インピーダンス回路６ｂの詳細構成を示す回路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の変形例に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の第１の実装例に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置を備えた携帯無線通信装置の構成を示す透視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の第２の実装例に係る、ＭＩＭＯアンテナ装置を備えた携帯無線通信装置の構成を示す透視図である。
【図７】図１のコントローラ５によって実行される第１のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。
【図８】図１のコントローラ５によって実行される第２のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。
【図９】図１のコントローラ５によって実行される第３のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。
【図１０】図１のコントローラ５によって実行される第４のＭＩＭＯ適応制御処理を示すフローチャートである。
【図１１】図１０のステップＳ４３における第１の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。
【図１２】図１０のステップＳ４４における第２の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。
【図１３】図１０のステップＳ４５における第３の適応制御サブルーチン処理を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の第１の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置において、複数のアンテナ素子で受信される受信信号間に信号レベル差が存在するときの平均チャンネル伝送容量の低下を示すグラフである。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係るＭＩＭＯアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１ａ，１ｂ，１ｃ…給電アンテナ素子、
１ａａ，１ｂａ…ストリップ導体、
１ａｂ，１ｂｂ…ヒンジ部導体、
２…Ａ／Ｄ変換回路、
３…ＭＩＭＯ復調回路、
４…信号レベル比較回路、
５…コントローラ、
６…可変負荷インピーダンス素子、
６ａ，６ｂ…可変負荷インピーダンス回路、
７…無給電素子、
８…無線送信回路、
９…送信アンテナ素子、
１１…可変容量ダイオード、
１１ａ…高周波阻止用インダクタ、
１２，４１…スイッチ、
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ…負荷インピーダンス素子、
２１…アンテナ共用器、
３１…上部筐体、
３２…下部筐体、
３３…ヒンジ部、
３４…ブーム部、
３５…スピーカ、
３６…ディスプレイ、
３７…キーボード、
３８…マイクロホン、
３９…無線通信回路、
４０…無給電素子制御回路、
４２…復調回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線信号をそれぞれ受信する複数の給電アンテナ素子と、
上記複数の給電アンテナ素子でそれぞれ受信された無線信号をＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）方式で復調する復調手段とを備えたＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記各給電アンテナ素子と電磁的に結合するように設けられた少なくとも１つの無給電素子と、
上記無給電素子に接続された少なくとも１つの可変負荷インピーダンス素子と、
上記各給電アンテナ素子でそれぞれ受信された各無線信号の各受信信号レベルを検出して比較し、最小の受信信号レベルを検出する比較手段と、
上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された各受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項２】
上記比較手段はさらに、所定の第１のしきい値未満の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、上記検出された第１のしきい値未満の受信信号レベルを有する無線信号のうち、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項３】
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差を所定の第２のしきい値と比較し、
上記制御手段はさらに、上記信号レベル差が上記第２のしきい値以上であるとき、上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項４】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置は、上記複数の無線信号を送信する送信側無線局装置によって使用される通信方式を制御する制御信号を上記送信側無線局装置に無線送信する無線送信手段をさらに備え、
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、最大の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、
（ｉ）上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御し、
（ｉｉ）上記最大の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項５】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置は、上記複数の無線信号を送信する送信側無線局装置によって使用される通信方式を制御する制御信号を上記送信側無線局装置に無線送信する無線送信手段をさらに備え、
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差を所定の第２のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、最大の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、
（ａ）少なくとも１つの無線信号の受信信号レベルが第１のしきい値未満であり、かつ少なくとも１つの無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、
上記検出された第１のしきい値未満の受信信号レベルを有する無線信号のうち、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御し、
（ｂ）すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であり、かつ最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差が上記第２のしきい値以上であるとき、
上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御し、
（ｃ）すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、
（ｉ）上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御し、
（ｉｉ）上記最大の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項６】
上記制御手段は、上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更した場合、さらに、
（ａ）上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御したことにより上記すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上になったとき、又は、
（ｂ）所定の制御固定時間が経過したとき、
上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＳＩＳＯ方式からＭＩＭＯ方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御することを特徴とする請求項４又は５記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項７】
上記可変負荷インピーダンス素子は、上記制御手段の制御に従って連続的に変化するインピーダンス値を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項８】
上記可変負荷インピーダンス素子は、上記制御手段の制御に従って選択的に切り換えられる複数のインピーダンス値を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項９】
所定の無線信号を受信し又は送信する無線通信回路と、
上記可変負荷インピーダンス素子と上記無線通信回路とのいずれか一方を上記無給電素子に接続するスイッチ手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至８のうちのいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちのいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置を備えたことを特徴とする無線通信装置。
【請求項１】
複数の無線信号をそれぞれ受信する複数の給電アンテナ素子と、
上記複数の給電アンテナ素子でそれぞれ受信された無線信号をＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）方式で復調する復調手段とを備えたＭＩＭＯアンテナ装置において、
上記各給電アンテナ素子と電磁的に結合するように設けられた少なくとも１つの無給電素子と、
上記無給電素子に接続された少なくとも１つの可変負荷インピーダンス素子と、
上記各給電アンテナ素子でそれぞれ受信された各無線信号の各受信信号レベルを検出して比較し、最小の受信信号レベルを検出する比較手段と、
上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された各受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項２】
上記比較手段はさらに、所定の第１のしきい値未満の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、上記検出された第１のしきい値未満の受信信号レベルを有する無線信号のうち、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項３】
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差を所定の第２のしきい値と比較し、
上記制御手段はさらに、上記信号レベル差が上記第２のしきい値以上であるとき、上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項４】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置は、上記複数の無線信号を送信する送信側無線局装置によって使用される通信方式を制御する制御信号を上記送信側無線局装置に無線送信する無線送信手段をさらに備え、
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、最大の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、
（ｉ）上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御し、
（ｉｉ）上記最大の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項５】
上記ＭＩＭＯアンテナ装置は、上記複数の無線信号を送信する送信側無線局装置によって使用される通信方式を制御する制御信号を上記送信側無線局装置に無線送信する無線送信手段をさらに備え、
上記比較手段はさらに、上記各無線信号の各受信信号レベルを所定の第１のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差を所定の第２のしきい値と比較し、すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、最大の受信信号レベルを検出し、
上記制御手段はさらに、
（ａ）少なくとも１つの無線信号の受信信号レベルが第１のしきい値未満であり、かつ少なくとも１つの無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であるとき、
上記検出された第１のしきい値未満の受信信号レベルを有する無線信号のうち、最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御し、
（ｂ）すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上であり、かつ最大の受信信号レベルと最小の受信信号レベルとの信号レベル差が上記第２のしきい値以上であるとき、
上記最小の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御し、
（ｃ）すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値未満であるとき、
（ｉ）上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御し、
（ｉｉ）上記最大の受信信号レベルを有する無線信号の受信信号レベルが実質的に最大となるように、上記比較手段により検出された受信信号レベルに基づいて上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項６】
上記制御手段は、上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＭＩＭＯ方式からＳＩＳＯ方式に変更した場合、さらに、
（ａ）上記可変負荷インピーダンス素子のインピーダンス値を制御したことにより上記すべての無線信号の受信信号レベルが上記第１のしきい値以上になったとき、又は、
（ｂ）所定の制御固定時間が経過したとき、
上記送信側無線局装置と上記ＭＩＭＯ復調手段とによってそれぞれ使用される通信方式をＳＩＳＯ方式からＭＩＭＯ方式に変更するように、上記無線送信手段に上記制御信号を送信させることにより上記送信側無線局装置を制御するとともに、上記ＭＩＭＯ復調手段を制御することを特徴とする請求項４又は５記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項７】
上記可変負荷インピーダンス素子は、上記制御手段の制御に従って連続的に変化するインピーダンス値を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項８】
上記可変負荷インピーダンス素子は、上記制御手段の制御に従って選択的に切り換えられる複数のインピーダンス値を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項９】
所定の無線信号を受信し又は送信する無線通信回路と、
上記可変負荷インピーダンス素子と上記無線通信回路とのいずれか一方を上記無給電素子に接続するスイッチ手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至８のうちのいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちのいずれか１つに記載のＭＩＭＯアンテナ装置を備えたことを特徴とする無線通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００８−７２７０４（Ｐ２００８−７２７０４Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１２３１６（Ｐ２００７−２１２３１６）
【出願日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]