JP2004257820A - Method and apparatus for detecting arrival direction of radio wave - Google Patents

Method and apparatus for detecting arrival direction of radio wave Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform arrival angle estimation with high resolution by reducing calculation time. <P>SOLUTION: A pattern measurement computer 50 receives a reference radio signal transmitted from the directions of a plurality of azimuth angles of an electronic control director array antenna apparatus 100 by each radiation pattern, where a plurality of sets of different reactance values of each variable reactance element are set, measures the power of each received reference radio signal, and obtains a power pattern for each azimuth angle for each set. An electric wave arrival direction detection computer 30 receives an unknown radio signal by an array antenna apparatus 100 in the state of a plurality of different radiation patterns, where a plurality of different reactance values of each variable reactance element are set, measures power in each unknown radio signal for each set, calculates the correlation coefficient between the power pattern for each azimuth angle for each set and the power of each measured, unknown radio signal for each azimuth angle, and estimates the azimuth angle, where the correlation coefficient is maximized, as the arrival angle of the unknown radio signal. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアンテナ素子を備えて指向特性を変化させることができるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法及び装置に関し、特に、指向特性を適応的に変化させることができる電子制御導波器アレーアンテナ装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ Ｐａｓｓｉｖｅ Ａｒｒａｙ Ｒａｄｉａｔｏｒ Ａｎｔｅｎｎａ）を用いた電波到来方向探知方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１や非特許文献１において提案されている電子制御導波器アレーアンテナ装置は、無線信号が給電される励振素子と、この励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも１個の非励振素子と、この非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記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により、上記アレーアンテナの指向特性を変化させることができる。この電子制御導波器アレーアンテナ装置は、従来のアレーアンテナに比べて低コストであって、電力消費量が少なく、簡単な構成を有することを特徴としている。従って、この簡単なハードウェア構成により、電子制御導波器アレーアンテナ装置は、無線ユーザ端末又は到来方向の発見といったアプリケーションにとって非常に魅力的なものとなっている。
【０００３】
非特許文献２等に記載された既存の研究は、適応型アルゴリズムを使用することによって、電子制御導波器アレーアンテナ装置が任意の方向にビーム及びヌルを形成し得るということを示している。電子制御導波器アレーアンテナ装置はまた、非特許文献３で説明されたように、３０゜の精度の電波到来方向探知装置として使用可能であり、また、非特許文献４で説明されたＭＵＳＩＣ法を使用すれば、非特許文献５に記載されたように、より高い分解能の電波到来方向探知装置として使用可能である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２４４３１号公報。
【非特許文献１】
Ｔ． Ｏｈｉｒａ ｅｔ ａｌ．， “Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ ｓｔｅｅｒａｂｌｅ ｐａｓｓｉｖｅ ａｒｒａｙ ｒａｄｉａｔｏｒ ａｎｔｅｎｎａｓ ｆｏｒ ｌｏｗ−ｃｏｓｔ ａｎａｌｏｇ ａｄａｐｔｉｖｅ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ，” ２０００ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｓｙｓｔｅｍ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｐ． １０１−１０４， Ｄａｎａ ｐｏｉｎｔ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， Ｍａｙ ２１−２５， ２０００。
【非特許文献２】
橋口正哉ほか，「エスパアンテナの適応制御のための基礎実験」，電子情報通信学会通信ソサイエティ大会講演論文集，電子情報通信学会発行，Ｂ−１−６５，ｐｐ．７１−７６，２００１年９月１８日。
【非特許文献３】
Ｔ． Ｏｈｉｒａ ｅｔ ａｌ．， ”Ｈａｎｄ−ｈｅｌｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−ａｒｒｉｖａｌ ｆｉｎｄｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖａｒａｃｔｏｒ−ｔｕｎｅｄ ａｎａｌｏｇ ａｅｒｉａｌ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ”， ＩＥＥＥ Ａｓｉａ−Ｐａｃｉｆｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｐｐ． ５８５−５８８， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００２。
【非特許文献４】
Ｒ． Ｏ． Ｓｃｈｍｉｄｔ， ”Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ”， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ， Ｖｏｌ． ＡＰ−３４， Ｎｏ． ３， ｐｐ． ２７６−２８０， Ｍａｒｃｈ， １９８６。
【非特許文献５】
プラプース・シリルほか，「エスパアンテナによるリアクタンスドメインＭＵＳＩＣ法」，電子情報通信学会技術研究報告，ＲＣＳ２００２−１４７，電子通信情報学会発行，Ｖｏｌ．１０２，ｐｐ．１−８，２００２年８月。
【非特許文献６】
橋口正哉ほか，「無線アドホックネットワーク用エスパアンテナの設計と試作」，電子情報通信学会論文誌，電子情報通信学会発行，Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｂ，ｐｐ．２２４５−２２５６，２００２年１２月。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術の電波到来方向探知方法において、非特許文献３に記載の方法では、分解能が低く、また、非特許文献５に記載の方法では、ＭＵＳＩＣ法による行列の固有値計算を実行する必要があるために、計算時間が長いという問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、特許文献１において開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いて電波の到来角を推定するときに、従来技術に比較して計算時間を短縮することができ、高い分解能で到来角を推定でき、しかも構成が簡単である電波到来方向探知方法及び装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る電波到来方向探知方法は、無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各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により、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得る第１のステップと、
上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する第２のステップと、
上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する第３のステップとを含むことを特徴とする。
【０００８】
上記電波到来方向探知方法において、上記第２のステップの処理の前に実行され、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算する第４のステップと、
上記第３のステップの処理の前に実行され、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択する第５のステップとをさらに含み、
上記第３のステップは、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定することを特徴とする。
【０００９】
第２の発明に係る電波到来方向探知装置は、無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各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により、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知装置において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得る第１の制御手段と、
上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する第２の制御手段と、
上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する第３の制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記電波到来方向探知装置において、上記第２の制御手段の処理の前において、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算する第４の制御手段と、
上記第３の制御手段の処理の前において、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択する第５の制御手段とをさらに備え、
上記第３の制御手段は、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図面において、同様の構成要素については、同一の符号を付している。
【００１２】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明に係る実施形態である電波到来方向探知装置の構成を示すブロック図であり、図３は、図１の電波到来方向探知装置で用いる電力パターンを取得するためのパターン測定装置の構成を示すブロック図である。
【００１３】
この実施形態の電波到来方向探知装置は、図１に示すように、１つの励振素子Ａ０と、６個の非励振素子Ａ１乃至Ａ６とを備えて構成され特許文献１において開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置（以下、アレーアンテナ装置という。）１００と、無線受信機４と、電波到来方向探知コンピュータ３０と、リアクタンス値コントローラ１０とを備えて構成される。ここで、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６には可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６が装荷される。
【００１４】
この実施形態に係る電波到来方向探知コンピュータ３０の到来方向探知処理の前に、図３のパターン測定装置のパターン測定コンピュータ５０は、アレーアンテナ装置１００の互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される基準無線信号をそれぞれ、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態においてアレーアンテナ装置１００で受信し、受信された各基準無線信号の電力を測定し、各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得て電力パターンメモリ５４に格納する。次いで、図１の電波到来方向探知コンピュータ３０は、アレーアンテナ装置１００に到来する到来方向が未知の未知無線信号を、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態においてアレーアンテナで受信し、各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する。次いで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、電力パターンメモリ５４に格納された各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を各方位角毎に計算し、相関係数Γ（θ）が最大になるときの方位角θを、未知無線信号の到来角として推定することを特徴としている。
【００１５】
図１において、アレーアンテナ装置１００は、接地導体１１上に設けられた励振素子Ａ０及び非励振素子Ａ１乃至Ａ６から構成され、励振素子Ａ０は、半径ｒの円周上に設けられた６本の非励振素子Ａ１乃至Ａ６によって囲まれるように配置されている。好ましくは、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６は上記半径ｒの円周上に互いに等間隔を保って設けられる。励振素子Ａ０及び各非励振素子Ａ１乃至Ａ６の長さは、例えば約λ／４（但し、λは所望波の波長である。）になるように構成され、本実施形態では０．２３λである。また、上記半径ｒはλ／４になるように構成される。接地導体１１は、半径λ／２の円板形状の上面部と、上面部の外周縁端部から下に延在する長さλ／４の円筒形状のスカート部とから構成され、このスカート部を備えた構成により、主ビームの仰角を減少させることができる。励振素子Ａ０の給電点は同軸ケーブル９を介して無線受信機４の低雑音増幅器（ＬＮＡ）１に接続され、また、非励振素子Ａ１乃至Ａ６はそれぞれ可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に接続され、これら可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値はリアクタンス値コントローラ１０からのリアクタンス値信号によって設定される。
【００１６】
図２は、アレーアンテナ装置１００の縦断面図である。励振素子Ａ０は接地導体１１と電気的に絶縁され、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６は、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６を介して、接地導体１１に対して高周波的に接地される。可変リアクタンス回路１２−１は、バイアス電圧が印加されることによってそのリアクタンス値が変化する可変リアクタンス素子（例えば可変容量ダイオード）を含む回路として構成され、例えば図２に示されたように、接地導体１１において各アンテナ素子が設けられた側とは逆の側に設けられ、非励振素子Ａ１の下端部に位置するポートＰ１に接続されている。詳しくは、可変リアクタンス回路１２−１において、可変容量ダイオードＤ１１及びＤ１２のカソードはポートＰ１に接続され、可変容量ダイオードＤ１１及びＤ１２のアノードは接地されている。ポートＰ１はさらに、１０ｋΩの抵抗Ｒ１を介して、３ｐＦのキャパシタＣ１の一端とリアクタンス値コントローラ１０とに接続されている。キャパシタＣ１の他端は接地されている。可変リアクタンス回路１２−１に印加されるバイアス電圧は、リアクタンス値コントローラ１０からのリアクタンス値信号の形式で可変リアクタンス回路１２−１に供給される。非励振素子Ａ２乃至Ａ６にそれぞれ接続された可変リアクタンス回路１２−２乃至１２−６も、同様に構成される。また、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６は、図２のように構成された回路に限定されず、リアクタンス値を変化させることができる可変リアクタンス素子であればよい。
【００１７】
リアクタンス値コントローラ１０は、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）をベースとするコントローラであって、リアクタンス値テーブルメモリ２０内に予め設定されたディジタル電圧値を参照し、内蔵した６個のＤ／Ａ変換器（図示せず。）を使って上記ディジタル電圧値をアナログのバイアス電圧値に変換し、このバイアス電圧値をリアクタンス値信号として可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に出力して設定することによって、アレーアンテナ装置１００上で、対応する各指向性ビームパターンが形成される。
【００１８】
可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６の動作を説明すると、例えば励振素子Ａ０と非励振素子Ａ１乃至Ａ６の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変リアクタンス回路１２−１がインダクタンス性（Ｌ性）を有するときは、可変リアクタンス回路１２−１は延長コイルとなり、非励振素子Ａ１乃至Ａ６の電気長が励振素子Ａ０に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス回路１２−１がキャパシタンス性（Ｃ性）を有するときは、可変リアクタンス回路１２−１は短縮コンデンサとなり、非励振素子Ａ１の電気長が励振素子Ａ０に比較して短くなり、導波器として働く。また、他の可変リアクタンス回路１２−２乃至１２−６に接続された非励振素子Ａ２乃至Ａ６についても同様に動作する。従って、図１のアレーアンテナ装置１００において、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６に接続された可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置１００の水平面内の指向特性を変化させることができる。
【００１９】
図１の電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００は無線信号を受信し、上記受信された無線信号である受信信号は、励振素子Ａ０に接続された同軸ケーブル９から出力される。出力された受信信号は、無線受信機４の低雑音増幅器１を介してダウンコンバータ２に入力され、ダウンコンバータ２は入力される受信信号を所定の中間周波数の中間周波信号に周波数変換した後、Ａ／Ｄ変換器３に出力する。Ａ／Ｄ変換器３は、入力されるアナログの中間周波信号をディジタルの中間周波信号に変換した後、電波到来方向探知コンピュータ３０に出力する。さらに、電波到来方向探知コンピュータ３０は、入力される中間周波信号に基づいて、受信された無線信号の到来角を計算し、その結果をＣＲＴディスプレイ３１に出力して表示する。ここで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、アレーアンテナ装置１００に到来する到来方向が未知の未知無線信号を、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態においてアレーアンテナで受信し、各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する。次いで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、電力パターンメモリ５４に格納された各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を各方位角毎に計算し、相関係数Γ（θ）が最大になるときの方位角θを、未知無線信号の到来角として推定する。
【００２０】
次いで、図１の電波到来方向探知装置を用いて、未知無線信号の到来角を推定する前に、アレーアンテナ装置１００の電力パターンを取得する方法について図を参照して以下に説明する。
【００２１】
図３のパターン測定装置において、電波暗室２００の内部には、送信用アンテナとしてのホーンアンテナ装置４１と、支持台１０１上に取り付けられた受信用アンテナとしてのアレーアンテナ装置１００とが、互いに約１８ｍだけ離間されて設置されている。ホーンアンテナ装置４１の開口面とアレーアンテナ装置１００との電波暗室２００内の床面からの高さは約５ｍである。無線送信機４０は、Ｍ系列シーケンス信号発生器を含む信号発生器を備え、Ｍ系列シーケンス信号に従って変調された、例えば２．４８４ＧＨｚのＲＦ周波数の無線信号を発生し、ホーンアンテナ装置４１は、無線送信機４０で発生された無線信号をアレーアンテナ装置１００に向けて送信する。アレーアンテナ装置１００が取り付けられた支持台１０１は、方位角コントローラ５１により制御されて、励振素子Ａ０を回転軸としてアレーアンテナ装置１００を回転させて所定の方位角θの位置で停止させることができる。
【００２２】
アレーアンテナ装置１００で受信された無線信号は同軸ケーブル９を介して無線受信機４に入力され、無線受信機４は、受信された無線信号に対して増幅、低域周波数変換及びＡ／Ｄ変換を実行してディジタルの中間周波信号を生成し、この中間周波信号である受信信号をパターン測定コンピュータ５０に出力する。受信信号は、復調された直交位相信号及び同相信号を含む。パターン測定コンピュータ５０はディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）をベースとするコンピュータであって、無線受信機４から入力された受信信号の電力レベルを測定する。測定された電力レベルを、例えば１度毎にアレーアンテナ装置１００を回転させて３６０個の電力レベルを収集して、方位角θに対する電力パターンを得る。ここで、電力パターンを得る処理を、互いに異なる可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数のセットに対してそれぞれ実行する。上記パターン測定コンピュータ５０のＤＳＰは、例えばテキサス・インスツルメンツ社製のＴＭＳ３２０Ｃ６７０１であって、無線受信機４から入力されたアナログ信号を、１２ビットの分解能でディジタル信号に変換するために使用され、こうして観測されたデータである電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を取得する。この電力パターンは、本実施形態において、上記可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数のセット毎の方位角θに対する電力パターンである。
【００２３】
なお、送信される無線信号内のシーケンス信号に対して受信信号のシーケンス信号を同期化するために、パターン測定コンピュータ５０には、無線送信機４０から１０ＭＨｚの基準信号が入力される。また、互いに異なる複数の放射パターンを設定するときには、電波到来方向探知コンピュータ３０とパターン測定コンピュータ５０とは、リアクタンス値コントローラ１０を制御して、リアクタンス値テーブルメモリ２０に格納された可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数のセットを用いて、パターン測定と到来角測定で同一である複数の放射パターンを用いる。ここで、複数の放射パターンは互いに異なる。
【００２４】
具体的には、パターン測定コンピュータ５０は、ホーンアンテナ装置４１が位置する方向に向けたアレーアンテナ装置１００の方位角を変化させる毎に、６個のリアクタンス値にてなる６種類の異なるセットを可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６にそれぞれ設定し、これらのリアクタンス値のセットを設定する毎に受信信号の電力を検出して電力パターンを得て、電力パターンメモリ５４に記憶する。
【００２５】
ユーザは、初期設定として、アレーアンテナ装置１００の方位角の変化のステップサイズ、アレーアンテナ装置１００に設定されるリアクタンス値、出力電力を測定するためのデータサンプル数等のパラメータを、入力装置５２を用いてパターン測定コンピュータ５０に設定することができる。パターン測定コンピュータ５０は、アレーアンテナ装置１００の電力パターンの測定結果等をＣＲＴディスプレイ５３に出力して表示する。図３のパターン測定装置の構成は、非特許文献６に提案されている実験で用いたものと同様である。
【００２６】
次に、本実施形態の電波到来方向探知方法について詳述する。
【００２７】
図１において、接地導体１１の面であって励振素子Ａ０の給電点を原点とし、角度θはアレーアンテナ装置１００の水平面内の方位角を表し、励振素子Ａ０に対して非励振素子Ａ１が位置する方位角を０°とした。また、接地導体１１の水平面から到来する無線信号を仰ぎ見る角度を仰角φとした。
【００２８】
アレーアンテナ装置１００の制御は、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値Ｘｍ（ｍ＝１，２，…，６）を調節することによって行われる。リアクタンス値のセットを変更すれば、アレーアンテナ装置１００の放射パターンを制御することができる。以下、本実施形態では、水平面内の全方位にわたって放射が変化する複数の放射パターン、すなわち０゜≦θ＜３６０゜かつφ＝０゜で指向特性を有する放射パターンがアレーアンテナ装置１００に設定されるように、リアクタンス値を制御する。また、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値のセットはセット｛Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘ６｝を意味し、以下、これをリアクタンスベクトルｘ＝［Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘ６］と呼ぶ。本実施形態では、このリアクタンスベクトルｘを互いに異なる複数セット予め用意してリアクタンス値テーブルメモリ２０に格納する。
【００２９】
以下では、本実施形態の電波到来方向探知方法において用いる電力パターン相互相関法（ＰＰＣＣ法）について説明する。前述したように、アレーアンテナ装置１００の調節可能なリアクタンスの変化は、複数のビームパターンの間のダイバーシティをもたらす。従って、ＰＰＣＣ法は、アレーアンテナ装置１００に設定される複数のビームパターンの間のダイバーシティに基づくものである。ＰＰＣＣ法の基本的な概念によると、ＰＰＣＣ法は、未知の到来角θでアンテナに入射する１つの信号に関して次のように説明されることが可能である。
【００３０】
まず、Ｎ個のリアクタンスベクトルｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）より成る集合に対してそれぞれ、アレーアンテナ装置１００に係るＮ個の電力パターンＰ１，Ｐ２，…，ＰＮより成る集合を取得する。ここで、電力パターンＰｉ＝Ｐ（ｘ（ｉ），θ）は、アレーアンテナ装置１００にリアクタンスベクトルｘ（ｉ）が設定されるときに、同一の無線信号を方位角θ（０°≦θ＜３６０°）からアレーアンテナ装置１００にそれぞれ送信して、アレーアンテナ装置１００で受信された無線信号の各電力測定値にて形成される指向性パターンである。次いで、未知の方位角θ１からアレーアンテナ装置１００に到来する無線信号を、各リアクタンスベクトルｘ（１），…，ｘ（Ｎ）が設定されたアレーアンテナ装置１００で受信したときの各出力電力Ｙ（ｘ（１）），…，Ｙ（ｘ（Ｎ））を測定し、出力電力Ｙ（ｘ（１）），…，Ｙ（ｘ（Ｎ））と、電力パターンＰ（ｘ（１），θ），…，Ｐ（ｘ（Ｎ），θ）との相関係数を計算する（以下の数１を参照）。相関係数は０°≦θ＜３６０°のそれぞれの方位角θについて計算され、相関係数が最大になるときの方位角θｍａｘが、無線信号の到来角θ１である。
【００３１】
このように、各リアクタンスベクトルｘ（１），…，ｘ（Ｎ）で形成されるビームパターンの間のダイバーシティが十分に達成されていれば、未知の方位角から到来する無線信号を受信したことによる出力電力と、アレーアンテナ装置１００の電力パターンとの相関係数が最大になるときの方位角θｍａｘを、到来角θの推定値であると考えることができる。
【００３２】
ここで、基本的なＰＰＣＣ法について説明する。ここで、データ信号に従って例えばＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、２ｑ−ＱＡＭなどのディジタル変調方法で変調された無線信号の到来角推定に係る実際的な場合を想定すると、ＰＰＣＣ法は次のステップで実行される。
【００３３】
＜ステップＳ１＞互いに異なるＮ個のリアクタンスベクトルのセットｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）を選択する。選択されたリアクタンスベクトルの成分に対応するディジタル電圧値が、リアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶される。パターン測定コンピュータ５０は、電波暗室２００内において、各リアクタンスベクトルをアレーアンテナ装置１００に設定させる毎に、アレーアンテナ装置１００に入射する連続波の無線信号について電力パターンの値を測定する。ｉ番目のリアクタンスベクトルｘ（ｉ）に対応する方位角θでの電力パターンの値が、Ｐ（ｘ（ｉ），θ）（１≦ｉ≦Ｎ，−１８０゜≦θ＜１８０゜）で記録され、電力パターンメモリ５４に記憶される。このステップＳ１は、ただ１度だけ実行されるという点に注意する。電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を記憶した電力パターンメモリ５４は、電波到来方向探知コンピュータ３０に接続される。
【００３４】
＜ステップＳ２＞アレーアンテナ装置１００の出力電力を計算するために使用されるデータサンプル数Ｑを決める。電波到来方向探知コンピュータ３０は、未知の方位角から到来する無線信号が存在するとき、リアクタンスベクトルｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）をアレーアンテナ装置１００に設定する毎に、上記無線信号をデータサンプル数Ｑでそれぞれ受信して、受信された無線信号に対応する各出力電力Ｙ（ｘ（１）），Ｙ（ｘ（２）），…，Ｙ（ｘ（Ｎ））を測定する。この測定は、Ｑ個のサンプルにわたって受信された無線信号の電力の平均値を計算することによって実行される。
【００３５】
＜ステップＳ３＞電波到来方向探知コンピュータ３０は、−１８０゜乃至１８０゜の方位角αについて、ステップＳ１で測定された電力パターンと、ステップＳ２で測定されたアレーアンテナ装置１００の出力電力との間の相関係数を、次のＰＰＣＣ関数Γ（α）を用いて計算する。この計算は、例えば方位角の１度毎で実行される。
【００３６】
【数１】

Figure 2004257820
【００３７】
＜ステップＳ４＞最後に、ＰＰＣＣ関数Γ（α）の最大値に対応する方位角θｍａｘが、その入射信号の到来角の推定値となる。
【００３８】
ここで、ステップＳ１は図３のパターン測定装置を用いて実行され、ステップＳ２乃至４は図１の電波到来方向探知装置を用いて実行されるものである。このとき、図１と図３のリアクタンス値テーブルメモリ２０には、同一のＮ個のリアクタンスベクトルのセットｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）に対応するディジタル電圧値が記憶されている。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、アレーアンテナ装置１００を用いて電波の到来角を推定するときに、従来技術に比較して、ＭＵＳＩＣ法による行列演算を実行する必要がないので、計算時間を大幅に短縮できるとともに、高い分解能で到来角を推定できる。また、装置構成が簡単であるという利点がある。
【００４０】
ＰＰＣＣ法の動作は、アレーアンテナ装置１００に設定されるビームパターンの個数（すなわちリアクタンスベクトルのセット数）Ｎ、これらのビームパターンのダイバーシティ、及び各電力パターンの測定精度に依存する。またＰＰＣＣ法は、本発明の第２の実施形態において説明されるように、アレーアンテナ装置１００で受信される無線信号が、マルチパスや雑音のために安定でない場合にも使用可能である。
【００４１】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明に係る第２の実施形態の電波到来方向探知装置について説明する。本実施形態では、第１の実施形態の電波到来方向探知方法を改良したものであり、事前探索を用いたＰＰＣＣ法を用いている。
【００４２】
ＰＰＣＣ法を電波到来方向探知方法として使用する場合は、それは、マルチパスと雑音のある環境の効果について考慮するものでなければならない。この場合、本方法が矛盾した結果をもたらすことを防止するために、第１の実施形態に係るＰＰＣＣ法のステップＳ２の前に新たなステップを追加し、かつステップＳ３を改良することを提案する。
【００４３】
図４乃至図９は、本実施形態に係る電波到来方向探知方法において、アレーアンテナ装置１００に設定された適応制御用放射パターンであるセクターパターンＳＰ１乃至ＳＰ６の水平面内指向性を示すグラフである。水平面内セクタのＭ個の方向にそれぞれビームを形成するようなＭ個のセクタパターンに対応するＭ個の予め計算されたリアクタンスベクトルを使用すれば、ＰＰＣＣ関数Γ（α）の最大値（数１参照）を求めるための最適な範囲を事前に探索することができる。すなわちＭ＝６の場合は、０゜，６０゜，１２０゜，１８０゜，２４０゜及び３００゜の方向にビームを形成する６個のセクタパターンに対応する６個のリアクタンスベクトルを、図３のパターン測定コンピュータ５０により予め計算する必要がある。すなわち、これら６個のリアクタンスベクトルは、アレーアンテナ装置１００の互いに異なる複数の方位角θの方向（本実施形態では、例えば、０゜，６０゜，１２０゜，１８０゜，２４０゜及び３００゜の方向）から送信される基準無線信号をそれぞれ受信し、受信した各基準無線信号に基づいて、例えば最急勾配法や高次元二分法など非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、アレーアンテナ装置１００の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算してリアクタンス値テーブルメモリ２０に格納する。この計算結果を各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定したときの放射パターンは、適応制御用放射パターンとなる。
【００４４】
ここで、評価関数は、送信信号に含まれるシーケンス信号と、受信側で発生される同一のシーケンス信号との相互相関係数や、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）などを用いることができる。例えば、非特許文献６で提案されている適応制御ビーム形成アルゴリズムを用いることによって、６個のセクタの方向にそれぞれ最大のビームを形成する６個のビームパターンに対応した６個のリアクタンスベクトルを提供できる。従って、第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法は次のように改良することができる。
【００４５】
＜ステップＳ１１＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ１と同様である。
【００４６】
＜ステップＳ１２＞（このステップは、ステップＳ１１よりも前に実行してもよい。）未知の方位角からアレーアンテナ装置１００に到来する無線信号を受信するときに、電波到来方向探知コンピュータ３０は、６個の放射パターンとしてセクタパターンＳＰ１乃至ＳＰ６をアレーアンテナ装置１００に設定して上記無線信号を受信し、各セクタパターンＳＰ１乃至ＳＰ６の主ビームの方位角０゜，６０゜，…，３００゜のうちで、受信された無線信号の出力電力が最大であるときの方位角αｃを見付け出す。これによって、後のステップＳ１４での探索する方位角の範囲は、αｍｉｎ＝αｃ−６０゜からαｍａｘ＝αｃ＋６０゜までの範囲に設定される。本実施形態では、各セクタパターンの主ビーム方位角の角度差は６０゜であって、当該主ビームの半値幅も６０゜であるときにこのように探索する角度範囲を限定している。これらの値は一例であって、各セクタパターンの主ビーム方位角の角度差、主ビームの半値幅等に依存して限定する角度範囲は変化する。
【００４７】
＜ステップＳ１３＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ２と同様である。
【００４８】
＜ステップＳ１４＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ３と同様であるが、ＰＰＣＣ関数Γ（α）の計算は、αｍｉｎからαｍａｘまでの範囲に関してのみ行う。
【００４９】
＜ステップＳ１５＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ４と同じである。
【００５０】
この改良されたＰＰＣＣ法では、Ｍ個の初期ビームパターンに対応するリアクタンスベクトルが、ＰＰＣＣ関数の生成に使用されるＮ個の異なるリアクタンスベクトルのセットに含まれてもよい。それによって、リアクタンス値テーブルメモリ２０内に記憶すべきディジタル電圧値の個数を減らすことができる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、パターン測定コンピュータ５０は、アレーアンテナ装置１００の互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される基準無線信号をそれぞれ受信し、受信した各基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算してリアクタンス値テーブルメモリ２０に格納する。次いで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、計算された各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択し、相関係数Γ（θ）の計算を、選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定する。
【００５２】
従って、本実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を有するとともに、相関係数を計算する方位角を限定しているので、計算時間を大幅に短縮できる。また、アレーアンテナ装置１００で受信される電波が、マルチパスや雑音のために安定でない場合にも使用可能である。
【００５３】
【実施例】
本発明者らは、ＰＰＣＣ法と、外部環境の干渉を考慮して改良したＰＰＣＣ法とを提案した。以下に、実験条件について説明し、かつ実験結果を示してＰＰＣＣ法の動作について説明する。実験による測定は、図３に示されたパターン測定装置を用いて電波暗室２００内で行われた。この場合、方位角コントローラ５１は、無線信号が所定の到来角でアレーアンテナ装置１００に入射するように支持台１０１を用いてアレーアンテナ装置１００を回転させて固定し、パターン測定コンピュータ５０は、電波到来方向探知コンピュータ３０と同様の動作を実行して、上記無線信号の到来角を探知する。
【００５４】
実験は図３の電波暗室２００内で行われたので、基本的なＰＰＣＣ法を改良なしで（第１の実施形態のみ）使用することができた。
【００５５】
リアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶された−２０４８乃至２０４７の範囲のディジタル電圧は、リアクタンス値コントローラ１０によって、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６の各リアクタンス値Ｘｍを調節するアナログのバイアス電圧Ｖｍ（ｍ＝１，２，…，６）に変換される。バイアス電圧Ｖｍはリアクタンス値信号として各可変リアクタンス回路１２−ｍに印加される。実験で使用した東芝製１ＳＶ２８７のバラクタダイオードの仕様によれば、バイアス電圧が２０Ｖから−０．５Ｖまでの範囲で変化すると、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６に装荷された可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６は、−４５．８Ωから−３．６Ωまでの範囲で変化するリアクタンス値を提供する（図２参照）。
【００５６】
以下では、いくつかの実験結果について示す。表１は、実験の仕様についてまとめたものである。
【００５７】
【表１】
実験上の設定値
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
入射信号のＲＦ周波数 ２．４８４ＧＨｚ
データ信号の変調タイプ ＢＰＳＫ
受信される信号のデータサンプル数Ｑ １０
電波暗室２００内の推定雑音（ＳＮＲ） ２０ｄＢ
電力パターンの角度ステップの精度 １°
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
【００５８】
実験は、いくつかの異なる到来角について、及びリアクタンスベクトルのセットが異なっているシナリオについて、第１の実施形態のＰＰＣＣ法を使用する電波到来方向推定を実行することで構成された。個々のケースで、３６０゜の円形セクタに広がった３６個の異なる到来方向推定、すなわち−１７０゜，−１６０゜，…，０゜，…，１８０゜での推定を行った。この実験の主たる目的は、ＰＰＣＣ法の動作、リアクタンスベクトルのセット数Ｎに対する関数、及びこれらのリアクタンスベクトルの特性を確認することであった。
【００５９】
図１０は、電波到来方向探知装置に対する第１の実験の結果であって、使用したリアクタンスベクトルのセット数Ｎに対する到来角推定値の誤差を示すグラフである。第１の実験の目的は、ＰＰＣＣ関数Γ（α）（数１参照）を計算するために使用されるリアクタンスベクトルのセット数Ｎの効果を調べることであった。実際に、本実施形態の電波到来方向探知方法はリアクタンスベクトルのセット数Ｎに依存している。図１０に示された実験結果は、リアクタンスベクトルのセット数が４以上であるときに、到来角推定値の誤差の平均値が区間［１．３１゜，１．５８゜］に含まれ、到来角推定値の誤差の標準偏差が区間［１．１０゜，１．２８゜］に含まれるということを示している。
【００６０】
図１１乃至図１３は、電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、それぞれ異なるリアクタンスベクトルのセットがアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。第１の実験では、リアクタンスベクトルの成分のリアクタンス値は、任意に選択された。第２の実験では、Ｎ＝６個のリアクタンスベクトルを用いる場合において、予め設定されるリアクタンスベクトルのセットについて３つの異なるケースＣＡ１，ＣＡ２及びＣＡ３に対して、ＰＰＣＣ法の動作を調べた。
【００６１】
まず、ケースＣＡ１では、１つのリアクタンスベクトルの初期値ｘ（１）＝ｘ（ｉｎｉｔ）から６個のリアクタンスベクトルより成るセットを取得する。リアクタンスベクトルｘ（２）乃至ｘ（６）は、リアクタンスベクトルｘ（ｉｎｉｔ）の成分の各リアクタンス値を巡回させることによって取得される。われわれが行った実験では、表２と表３のセットＳ１及びＳ２を用いた。ここで、Ｖ１乃至Ｖ６は、リアクタンス値Ｘ１乃至Ｘ６に対応するディジタル電圧値を表す。
【００６２】
【表２】
Figure 2004257820
【００６３】
【表３】
Figure 2004257820
【００６４】
図１１は、ケースＣＡ１のリアクタンスベクトルのセットＳ１及びＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。さらに、以下の表４は、各セットＳ１及びＳ２の場合における平均誤差の絶対値と標準偏差を示している。
【００６５】
【表４】
Figure 2004257820
【００６６】
次に、ケースＣＡ２では、６個のリアクタンスベクトルより成るセットを任意（ランダム）に選択した。われわれが行った実験では、表５と表６のセットＲＳ１及びＲＳ２を用いた。
【００６７】
【表５】
Figure 2004257820
【００６８】
【表６】
Figure 2004257820
【００６９】
図１２は、ケースＣＡ２のリアクタンスベクトルのセットＲＳ１及びＲＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。さらに、以下の表７は、各セットＲＳ１及びＲＳ２の場合における平均誤差の絶対値と標準偏差を示している。
【００７０】
【表７】
Figure 2004257820
【００７１】
最後に、ケースＣＡ３では、６個のリアクタンスベクトルより成るセットは、水平面内セクタの６個の方向、すなわち０゜，６０゜，１２０゜，１８０゜，２４０゜及び３００゜の方向に主ビームを形成するセクタパターンに対応している。われわれが行った実験では、表８のセットＳＳを用いた。
【００７２】
【表８】
Figure 2004257820
【００７３】
図１３は、ケースＣＡ３のリアクタンスベクトルのセットＳＳがアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。さらに、以下の表９は、セットＳＳの場合における平均誤差の絶対値と標準偏差を示している。
【００７４】
【表９】
ケースＣＡ３（セットＳＳ）
――――――――――――――――――――――――
平均誤差の絶対値 ０．６７°
標準偏差 ０．５９°
――――――――――――――――――――――――
【００７５】
第２の実験の結果から、ＰＰＣＣ法の動作は、リアクタンスベクトルのセットを選択することに依存するということが分かる。実験では、セクタパターンを用いたケースＣＡ３において最良の推定値に到達している。従って、セクタパターンに対応するリアクタンスベクトルは良好な相関ダイバーシティを有すると言える。
【００７６】
以上説明したように、本発明に係る実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、電力パターン相互相関法（ＰＰＣＣ法）と呼ばれ、かつこの名称が表すように、電力に基づいて計算される電力パターンと、アレーアンテナ装置１００で信号データを受信したときの出力電力との相関係数に基づいた、電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いた簡単な到来方向探知方法及び装置を提供することができる。説明された実施形態の方法及び装置は、低い計算コストや、到来する信号データの位相の摂動に関する頑健さといったいくつかの利点を有している。
【００７７】
電波暗室２００で行った実験は、異なる機器構成（すなわち、リアクタンスベクトルのセット数、又は当該リアクタンスベクトルで形成されるビームパターンが異なる構成）における、ＰＰＣＣ法の動作についての情報を提供した。これらの結果から、推定の精度を最適化する、最も適当なパラメータを得ることができる。よって、最良の調査結果を得たケースで到達した精度は、本実施形態に係る方法及び装置が、未知の信号の到来角をわずか１゜の２乗平均平方根の精度で推定できることを示している。
【００７８】
＜変形例＞
以上の実施形態においては、数１のＰＰＣＣ関数Γ（α）を計算するために受信された無線信号の電力を用いたが、本発明はこれに限らず、当該無線信号の電圧レベル、電流レベルなどの信号レベルを含む所定のレベルであればよい。
【００７９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る電波到来方向探知方法又は装置によれば、電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いた電波到来方向探知方法又は装置において、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得て、上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する。従って、従来技術に比較して計算時間を短縮することができ、高い分解能で到来角を推定でき、しかも構成が簡単である。
【００８０】
上記電波到来方向探知方法又は装置において、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算し、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択し、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定する。従って、上記相関係数を計算する方位角を限定することができるので、上記の方法又は装置に比較して、計算時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電波到来方向探知装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のアレーアンテナ装置１００の詳細構成を示す断面図である。
【図３】図１の電波到来方向探知装置で用いる電力パターンを取得するためのパターン測定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ１の水平面内指向性を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ２の水平面内指向性を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ３の水平面内指向性を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ４の水平面内指向性を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ５の水平面内指向性を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ６の水平面内指向性を示すグラフである。
【図１０】図１の電波到来方向探知装置に対する第１の実験の結果であって、使用したリアクタンスベクトルのセット数Ｎに対する到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【図１１】図１の電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、ケースＣＡ１のリアクタンスベクトルのセットＳ１及びＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【図１２】図１の電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、ケースＣＡ２のリアクタンスベクトルのセットＲＳ１及びＲＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【図１３】図１の電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、ケースＣＡ３のリアクタンスベクトルのセットＳＳがアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ０…励振素子、
Ａ１乃至Ａ６…非励振素子、
Ｃ１，Ｃ４…キャパシタ、
Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ４１，Ｄ４２…可変容量ダイオード、
Ｐ１，Ｐ４…ポート、
Ｒ１，Ｒ４…抵抗、
１…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、
２…ダウンコンバータ、
３…Ａ／Ｄ変換器、
４…無線受信機、
９…同軸ケーブル、
１０…リアクタンス値コントローラ、
１１…接地導体、
１２−１乃至１２−６…可変リアクタンス回路、
２０…リアクタンス値テーブルメモリ、
３０…電波到来方向探知コンピュータ、
３１，５３…ＣＲＴディスプレイ、
４０…無線送信機、
４１…ホーンアンテナ装置、
５０…パターン測定コンピュータ、
５１…方位角コントローラ、
５２…入力装置、
５４…電力パターンメモリ、
１００…アレーアンテナ装置、
１０１…支持台、
２００…電波暗室。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for detecting a radio wave arrival direction using an array antenna having a plurality of antenna elements and capable of changing a directional characteristic, and more particularly, to an electronic control waveguide capable of adaptively changing a directional characteristic. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and apparatus for detecting the direction of arrival of a radio wave using an electronically steerable passive array antenna.
[0002]
[Prior art]
The electronically controlled waveguide array antenna device proposed in Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 1 is provided with an excitation element to which a radio signal is supplied and a predetermined distance from the excitation element so that the radio signal is supplied. An array antenna composed of at least one parasitic element not to be excited and a variable reactance element connected to the parasitic element, and changing a reactance value of the variable reactance element to change a directional characteristic of the array antenna. Can be done. This electronically controlled waveguide array antenna device is characterized by a lower cost, lower power consumption, and a simple configuration as compared with a conventional array antenna. Thus, this simple hardware configuration makes the electronically controlled director array antenna device very attractive for applications such as wireless user terminals or direction of arrival finding.
[0003]
Existing research described in Non-Patent Document 2 and the like has shown that by using an adaptive algorithm, an electronically controlled director array antenna device can form beams and nulls in arbitrary directions. The electronically controlled waveguide array antenna device can also be used as a radio wave direction-of-arrival detecting device with an accuracy of 30 ° as described in Non-Patent Document 3, and the MUSIC method described in Non-Patent Document 4 Is used, as described in Non-Patent Document 5, it can be used as a higher-resolution radio wave direction-of-arrival detecting device.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-24431 A.
[Non-patent document 1]
T. Ohira et al. , "Electronically Steerable Passive Array Radiator Antennas for Low-Cost Analog Analog Beamforming," 2000 IEEE International Conference on Electronics and Technology. 101-104, Dana point, California, May 21-25, 2000.
[Non-patent document 2]
Masaya Hashiguchi et al., "Basic Experiment for Adaptive Control of ESPAR Antenna", Proc. Of the IEICE Communication Society Conference, Published by the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, B-1-65, p. 71-76, September 18, 2001.
[Non-Patent Document 3]
T. Ohira et al. , "Hand-held microwave direction-of-arrival finder based on variable-tuned analog analog beamforming", IEEE Asia-Pacifica Micropowice. 585-588, December 2002.
[Non-patent document 4]
R. O. Schmidt, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, no. 3, pp. 276-280, March, 1986.
[Non-Patent Document 5]
Plapus Cyril et al., "Reactance Domain MUSIC Method Using ESPAR Antenna", IEICE Technical Report, RCS2002-147, Published by IEICE, Vol. 102, pp. 1-8, August 2002.
[Non-Patent Document 6]
Masaya Hashiguchi et al., "Design and Prototyping of ESPAR Antenna for Wireless Ad Hoc Networks", Transactions of IEICE, published by IEICE, Vol. J85-B, pp. 2245-2256, December 2002.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in these conventional radio wave direction-of-arrival detection methods, the method described in Non-Patent Document 3 has a low resolution, and the method described in Non-Patent Document 5 executes eigenvalue calculation of a matrix by the MUSIC method. Because of the necessity, the calculation time is long.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems, and to estimate the arrival angle of a radio wave using the electronically controlled waveguide array antenna device disclosed in Patent Document 1, the calculation time compared to the conventional technology. It is an object of the present invention to provide a radio wave direction-of-arrival detecting method and apparatus which can shorten the distance, can estimate the angle of arrival with high resolution, and have a simple configuration.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A radio wave arrival direction detecting method according to a first aspect of the present invention includes an excitation element for receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation element, and each of the non-excitation elements. A variable reactance element connected thereto, and by changing the reactance value of each of the variable reactance elements, each of the non-exciting elements operates as a director or a reflector, thereby changing the directional characteristics of the array antenna. In the method of detecting the direction of arrival of radio waves using an array antenna,
The first reference radio signals transmitted from the plurality of different azimuth angles θ of the array antenna are respectively converted into a plurality of different sets x of reactance values of the variable reactance elements. (I) Are received by the array antenna in a state of a plurality of radiation patterns different from each other, the power of each of the received first reference radio signals is measured, and the power pattern for each azimuth θ for each of the sets is measured. P (x (I) , Θ), and
An unknown radio signal arriving at the array antenna whose direction of arrival is unknown is divided into the plurality of different sets x of reactance values of the respective variable reactance elements. (I) Are received by the array antenna in a state of a plurality of radiation patterns different from each other, and the power Y (x (I) A) measuring the second step;
The power pattern P (x (I) , Θ) and the measured power Y (x (I) ) Is calculated for each of the azimuth angles, and the azimuth angle θ when the correlation coefficient Γ (θ) is maximized is defined as the arrival angle of the unknown radio signal. And a third step of estimating.
[0008]
In the method for detecting a direction of arrival of a radio wave, a second reference radio signal, which is executed before the processing in the second step and is transmitted from a plurality of directions at different azimuth angles θ of the array antenna, is received, Based on each received second reference radio signal, using an iterative numerical solution in a nonlinear programming method, the value of a predetermined evaluation function including the received signal is maximized or minimized so that the array antenna A fourth step of calculating a plurality of adaptive control sets of reactance values for each variable reactance element for directing the main beam in the direction of the desired wave and in the direction of the interference wave;
A plurality of adaptive control sets of the reactance values of the calculated variable reactance elements, which are executed before the processing of the third step, are respectively different from the plurality of adaptive control radiations set to the respective variable reactance elements. A fifth step of receiving the unknown radio signal and measuring a signal level in the state of the pattern, and selecting an adaptive control radiation pattern having a maximum signal level among the adaptive control radiation patterns. Including
In the third step, the calculation of the correlation coefficient Γ (θ) includes the azimuth of the main beam of the selected adaptive control radiation pattern, and the azimuth within a predetermined width range around the azimuth. It is characterized by being limited to.
[0009]
A radio wave direction-of-arrival detecting device according to a second aspect of the present invention includes an excitation element for receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation element, and a plurality of non-excitation elements. A variable reactance element connected thereto, and by changing the reactance value of each of the variable reactance elements, each of the non-excitation elements operates as a director or a reflector, thereby changing the directional characteristics of the array antenna. In a radio wave direction-of-arrival detection device using an array antenna,
The first reference radio signals transmitted from the plurality of different azimuth angles θ of the array antenna are respectively converted into a plurality of different sets x of reactance values of the variable reactance elements. (I) Are received by the array antenna in a state of a plurality of radiation patterns different from each other, the power of each of the received first reference radio signals is measured, and the power pattern for each azimuth θ for each of the sets is measured. P (x (I) , Θ);
An unknown radio signal arriving at the array antenna whose direction of arrival is unknown is divided into the plurality of different sets x of reactance values of the respective variable reactance elements. (I) Are received by the array antenna in a state of a plurality of radiation patterns different from each other, and the power Y (x (I) A) a second control means for measuring
The power pattern P (x (I) , Θ) and the measured power Y (x (I) ) Is calculated for each of the azimuth angles, and the azimuth angle θ when the correlation coefficient Γ (θ) is maximized is defined as the arrival angle of the unknown radio signal. And a third control unit for estimating.
[0010]
In the radio wave direction-of-arrival detection device, before the processing by the second control means, the array antenna receives second reference wireless signals transmitted from directions of a plurality of different azimuth angles θ from each other, and Using the iterative numerical solution in the nonlinear programming based on each of the second reference radio signals thus obtained, the main antenna of the array antenna such that the value of the predetermined evaluation function including the received signal becomes maximum or minimum. Fourth control means for calculating a plurality of adaptive control sets of reactance values for each variable reactance element for directing the beam in the direction of the desired wave and for nulling in the direction of the interference wave;
Prior to the processing of the third control means, the plurality of adaptive control sets of the calculated reactance values of the variable reactance elements calculated above are respectively different from the plurality of adaptive control radiation patterns set in the respective variable reactance elements. And a fifth control means for receiving the unknown radio signal, measuring the signal level, and selecting the adaptive control radiation pattern having the maximum signal level among the adaptive control radiation patterns. Prepare,
The third control means calculates the correlation coefficient Γ (θ) by including the azimuth of the main beam of the selected adaptive control radiation pattern and having an azimuth within a predetermined width around the azimuth. It is characterized by being limited to corners.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals.
[0012]
<First embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a radio wave direction-of-arrival detection device according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a block diagram of a pattern measurement device for acquiring a power pattern used in the radio direction-of-arrival detection device of FIG. FIG. 3 is a block diagram showing a configuration.
[0013]
As shown in FIG. 1, the radio wave direction-of-arrival detecting device of this embodiment includes one excitation element A0 and six non-excitation elements A1 to A6. It comprises a wave array antenna device (hereinafter, referred to as an array antenna device) 100, a radio receiver 4, a radio wave arrival direction detection computer 30, and a reactance value controller 10. Here, variable reactance circuits 12-1 to 12-6 are loaded on each of the non-exciting elements A1 to A6.
[0014]
Prior to the arrival direction detection process of the radio wave arrival direction detection computer 30 according to this embodiment, the pattern measurement computer 50 of the pattern measurement apparatus of FIG. A plurality of different sets x of reactance values of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6, respectively, (I) Are received by the array antenna apparatus 100 in a state of a plurality of radiation patterns different from each other, the power of each received reference radio signal is measured, and the power pattern P (x (I) , Θ) are obtained and stored in the power pattern memory 54. Next, the radio wave direction-of-arrival detection computer 30 of FIG. 1 converts an unknown radio signal arriving at the array antenna device 100 whose unknown direction is unknown into a plurality of sets of reactance values of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 different from each other. x (I) Are received by the array antenna in a state of a plurality of different radiation patterns set respectively, and the power Y (x (I) ) Is measured. Next, the radio wave direction-of-arrival detection computer 30 outputs the power pattern P (x) for each azimuth θ for each set stored in the power pattern memory 54. (I) , Θ) and the measured power Y (x (I) ) Is calculated for each azimuth angle, and the azimuth angle θ when the correlation coefficient Γ (θ) is maximized is estimated as the arrival angle of the unknown radio signal. Features.
[0015]
In FIG. 1, an array antenna device 100 includes an excitation element A0 and non-excitation elements A1 to A6 provided on a ground conductor 11, and the excitation element A0 includes six excitation elements A0 provided on a circumference having a radius r. It is arranged so as to be surrounded by the non-exciting elements A1 to A6. Preferably, the non-exciting elements A1 to A6 are provided at equal intervals on the circumference of the radius r. The length of the excitation element A0 and each of the non-excitation elements A1 to A6 are configured to be, for example, about λ / 4 (where λ is the wavelength of a desired wave), and is 0.23λ in the present embodiment. . The radius r is configured to be λ / 4. The grounding conductor 11 includes a disk-shaped upper surface having a radius of λ / 2 and a cylindrical skirt having a length of λ / 4 extending downward from an outer peripheral edge of the upper surface. The elevation angle of the main beam can be reduced. The feeding point of the excitation element A0 is connected to the low noise amplifier (LNA) 1 of the radio receiver 4 via the coaxial cable 9, and the non-excitation elements A1 to A6 are connected to the variable reactance circuits 12-1 to 12-6, respectively. The reactance values of these variable reactance circuits 12-1 to 12-6 are set by a reactance value signal from the reactance value controller 10.
[0016]
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the array antenna device 100. The excitation element A0 is electrically insulated from the ground conductor 11, and the non-excitation elements A1 to A6 are grounded at a high frequency with respect to the ground conductor 11 via the variable reactance circuits 12-1 to 12-6. The variable reactance circuit 12-1 is configured as a circuit including a variable reactance element (for example, a variable capacitance diode) whose reactance value changes when a bias voltage is applied, and for example, as shown in FIG. 11 is provided on the side opposite to the side on which each antenna element is provided, and is connected to a port P1 located at the lower end of the parasitic element A1. Specifically, in the variable reactance circuit 12-1, the cathodes of the variable capacitance diodes D11 and D12 are connected to the port P1, and the anodes of the variable capacitance diodes D11 and D12 are grounded. The port P1 is further connected to one end of a 3 pF capacitor C1 and a reactance value controller 10 via a 10 kΩ resistor R1. The other end of the capacitor C1 is grounded. The bias voltage applied to the variable reactance circuit 12-1 is supplied to the variable reactance circuit 12-1 in the form of a reactance value signal from the reactance value controller 10. The variable reactance circuits 12-2 to 12-6 connected to the non-exciting elements A2 to A6 respectively have the same configuration. Further, each of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 is not limited to the circuit configured as shown in FIG. 2, but may be any variable reactance element that can change a reactance value.
[0017]
The reactance value controller 10 is a controller based on a digital signal processor (DSP), and refers to digital voltage values set in advance in a reactance value table memory 20 and includes six built-in D / A converters ( The digital voltage value is converted into an analog bias voltage value by using an analog bias voltage value, and the bias voltage value is output as a reactance value signal to the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 for setting. Each corresponding directional beam pattern is formed on the array antenna device 100.
[0018]
The operation of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 will be described. For example, when the longitudinal lengths of the excitation element A0 and the non-excitation elements A1 to A6 are substantially the same, for example, the variable reactance circuit 12-1 Has an inductance property (L property), the variable reactance circuit 12-1 becomes an extension coil, and the electrical length of the non-exciting elements A1 to A6 becomes longer than that of the exciting element A0, thereby acting as a reflector. On the other hand, for example, when the variable reactance circuit 12-1 has a capacitance (C characteristic), the variable reactance circuit 12-1 becomes a shortening capacitor, and the electrical length of the non-exciting element A1 becomes shorter than that of the exciting element A0. , Work as a director. The non-exciting elements A2 to A6 connected to the other variable reactance circuits 12-2 to 12-6 operate in the same manner. Therefore, in the array antenna apparatus 100 of FIG. 1, by changing the reactance values of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 connected to the respective non-exciting elements A1 to A6, the directivity of the array antenna apparatus 100 in the horizontal plane is changed. Characteristics can be changed.
[0019]
In the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG. 1, the array antenna device 100 receives a radio signal, and the received signal, which is the received radio signal, is output from the coaxial cable 9 connected to the excitation element A0. The output reception signal is input to the down converter 2 via the low noise amplifier 1 of the wireless receiver 4, and the down converter 2 converts the input reception signal into an intermediate frequency signal having a predetermined intermediate frequency. Output to the A / D converter 3. The A / D converter 3 converts the input analog intermediate frequency signal into a digital intermediate frequency signal, and outputs the digital intermediate frequency signal to the radio wave arrival direction detection computer 30. Further, the radio wave arrival direction detection computer 30 calculates the angle of arrival of the received radio signal based on the input intermediate frequency signal, and outputs the result to the CRT display 31 for display. Here, the radio wave direction-of-arrival detection computer 30 converts an unknown radio signal arriving at the array antenna apparatus 100 whose unknown direction is unknown into a plurality of sets x of different reactance values of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6. (I) Are received by the array antenna in a state of a plurality of different radiation patterns set respectively, and the power Y (x (I) ) Is measured. Next, the radio wave direction-of-arrival detection computer 30 outputs the power pattern P (x) for each azimuth θ for each set stored in the power pattern memory 54. (I) , Θ) and the measured power Y (x (I) ) Is calculated for each azimuth angle, and the azimuth angle θ when the correlation coefficient Γ (θ) is maximized is estimated as the arrival angle of the unknown radio signal.
[0020]
Next, a method of acquiring the power pattern of the array antenna device 100 before estimating the angle of arrival of the unknown radio signal using the radio wave direction-of-arrival detection device of FIG. 1 will be described below with reference to the drawings.
[0021]
In the pattern measuring apparatus of FIG. 3, a horn antenna device 41 as a transmitting antenna and an array antenna device 100 as a receiving antenna mounted on a support 101 are arranged about 18 m apart from each other in an anechoic chamber 200. It is installed only apart. The height of the opening of the horn antenna device 41 and the height of the array antenna device 100 from the floor in the anechoic chamber 200 is about 5 m. The wireless transmitter 40 includes a signal generator including an M-sequence sequence signal generator, and generates a wireless signal of an RF frequency of, for example, 2.484 GHz, which is modulated according to the M-sequence sequence signal. The wireless signal generated by the transmitter 40 is transmitted to the array antenna device 100. The support 101 on which the array antenna device 100 is mounted can be controlled by the azimuth controller 51 to stop the array antenna device 100 at a predetermined azimuth angle θ by rotating the array antenna device 100 with the excitation element A0 as a rotation axis. .
[0022]
The wireless signal received by the array antenna device 100 is input to the wireless receiver 4 via the coaxial cable 9, and the wireless receiver 4 amplifies the received wireless signal, performs low-frequency conversion, and performs A / D conversion. Is performed to generate a digital intermediate frequency signal, and the received signal which is the intermediate frequency signal is output to the pattern measurement computer 50. The received signal includes a demodulated quadrature signal and an in-phase signal. The pattern measurement computer 50 is a computer based on a digital signal processor (DSP), and measures the power level of a received signal input from the wireless receiver 4. The measured power level is collected, for example, by rotating the array antenna device 100 every one degree, and 360 power levels are collected to obtain a power pattern for the azimuth θ. Here, the process of obtaining the power pattern is executed for each of a plurality of sets of reactance values of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 different from each other. The DSP of the pattern measurement computer 50 is, for example, TMS320C6701 manufactured by Texas Instruments, and is used to convert an analog signal input from the wireless receiver 4 into a digital signal with a 12-bit resolution. Power pattern P (x (I) , Θ). This power pattern is a power pattern for the azimuth angle θ for each of a plurality of sets of reactance values of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 in the present embodiment.
[0023]
In order to synchronize the sequence signal of the received signal with the sequence signal in the transmitted wireless signal, a 10 MHz reference signal is input to the pattern measurement computer 50 from the wireless transmitter 40. When setting a plurality of radiation patterns different from each other, the radio wave arrival direction detection computer 30 and the pattern measurement computer 50 control the reactance value controller 10 to control the variable reactance circuit 12-stored in the reactance value table memory 20. Using multiple sets of reactance values from 1 to 12-6, multiple radiation patterns that are the same for pattern measurement and angle of arrival measurement are used. Here, the plurality of radiation patterns are different from each other.
[0024]
Specifically, the pattern measurement computer 50 changes six different sets of six reactance values each time the azimuth of the array antenna device 100 is changed in the direction in which the horn antenna device 41 is located. Each of the reactance circuits 12-1 to 12-6 is set, and each time a set of these reactance values is set, the power of the received signal is detected to obtain a power pattern and stored in the power pattern memory 54.
[0025]
The user sets parameters such as the step size of the change in the azimuth angle of the array antenna device 100, the reactance value set in the array antenna device 100, the number of data samples for measuring the output power, and the like as initial settings. And can be set in the pattern measurement computer 50. The pattern measurement computer 50 outputs the measurement result of the power pattern of the array antenna device 100 and the like to the CRT display 53 for display. The configuration of the pattern measurement device in FIG. 3 is the same as that used in the experiment proposed in Non-Patent Document 6.
[0026]
Next, the radio wave arrival direction detecting method of the present embodiment will be described in detail.
[0027]
In FIG. 1, the origin is the feed point of the excitation element A0 on the surface of the ground conductor 11, the angle θ represents the azimuth in the horizontal plane of the array antenna device 100, and the non-excitation element A1 is positioned with respect to the excitation element A0. The azimuth angle is 0 °. The angle at which the radio signal coming from the horizontal plane of the ground conductor 11 is looked up is defined as an elevation angle φ.
[0028]
Control of the array antenna device 100 is performed by adjusting reactance values Xm (m = 1, 2,..., 6) of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6. By changing the set of reactance values, the radiation pattern of the array antenna device 100 can be controlled. Hereinafter, in the present embodiment, a plurality of radiation patterns whose radiation changes in all directions in the horizontal plane, that is, radiation patterns having directivity characteristics at 0 ° ≦ θ <360 ° and φ = 0 ° are set in the array antenna device 100. So that the reactance value is controlled. Also, a set of reactance values of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 means a set {X1, X2,..., X6}, which is hereinafter referred to as a reactance vector x = [X1, X2,. Call. In the present embodiment, a plurality of different reactance vectors x are prepared in advance and stored in the reactance value table memory 20.
[0029]
Hereinafter, the power pattern cross-correlation method (PPCC method) used in the radio wave direction-of-arrival detection method of the present embodiment will be described. As described above, the change in the adjustable reactance of the array antenna device 100 results in diversity between the plurality of beam patterns. Therefore, the PPCC method is based on the diversity among a plurality of beam patterns set in the array antenna device 100. According to the basic concept of the PPCC method, the PPCC method can be described as follows with respect to one signal incident on the antenna at an unknown angle of arrival θ.
[0030]
First, N reactance vectors x (1) , X (2) , ..., x (N) N power patterns P according to the array antenna device 100 1 , P 2 , ..., P N Get the set of Here, the power pattern P i = P (x (I) , Θ) is the reactance vector x (I) Is set, the same radio signal is transmitted from the azimuth angle θ (0 ° ≦ θ <360 °) to the array antenna device 100, and the measured power of each radio signal received by the array antenna device 100 Is a directional pattern formed by. Then, the unknown azimuth θ 1 A radio signal arriving at the array antenna device 100 from the (1) , ..., x (N) Output power Y (x) when received by array antenna apparatus 100 in which (1) ), ..., Y (x (N) ) And output power Y (x (1) ), ..., Y (x (N) ) And the power pattern P (x (1) , Θ), ..., P (x (N) , Θ) (see Equation 1 below). The correlation coefficient is calculated for each azimuth θ of 0 ° ≦ θ <360 °, and the azimuth θ at which the correlation coefficient is maximized max Is the angle of arrival θ of the radio signal 1 It is.
[0031]
Thus, each reactance vector x (1) , ..., x (N) If the diversity between the beam patterns formed in step (1) is sufficiently achieved, the correlation coefficient between the output power due to the reception of the radio signal arriving from the unknown azimuth and the power pattern of the array antenna apparatus 100 Azimuth θ at maximum max Can be considered as an estimated value of the angle of arrival θ.
[0032]
Here, the basic PPCC method will be described. Here, for example, BPSK, QPSK, 2 q Assuming a practical case of estimating the angle of arrival of a radio signal modulated by a digital modulation method such as -QAM, the PPCC method is executed in the following steps.
[0033]
<Step S1> A set x of N different reactance vectors (1) , X (2) , ..., x (N) Select The digital voltage value corresponding to the selected reactance vector component is stored in the reactance value table memory 20. The pattern measurement computer 50 measures the value of the power pattern for the continuous wave radio signal incident on the array antenna device 100 every time each reactance vector is set in the array antenna device 100 in the anechoic chamber 200. i-th reactance vector x (I) The value of the power pattern at the azimuth angle θ corresponding to P (x (I) , Θ) (1 ≦ i ≦ N, −180 ° ≦ θ <180 °) and stored in the power pattern memory 54. Note that this step S1 is performed only once. Power pattern P (x (I) , Θ) is connected to the radio wave arrival direction detection computer 30.
[0034]
<Step S2> The number Q of data samples used for calculating the output power of the array antenna device 100 is determined. When a radio signal arriving from an unknown azimuth exists, the radio wave direction-of-arrival detection computer 30 detects a reactance vector x (1) , X (2) , ..., x (N) Is set in the array antenna apparatus 100, the wireless signal is received with the number of data samples Q, and the output power Y (x) corresponding to the received wireless signal is received. (1) ), Y (x (2) ), ..., Y (x (N) ) Is measured. This measurement is performed by calculating the average value of the power of the received radio signal over Q samples.
[0035]
<Step S3> For the azimuth α of −180 ° to 180 °, the radio wave direction-of-arrival detection computer 30 determines the difference between the power pattern measured in step S1 and the output power of the array antenna device 100 measured in step S2. Is calculated using the following PPCC function Γ (α). This calculation is performed, for example, for each azimuth angle of 1 degree.
[0036]
(Equation 1)
Figure 2004257820
[0037]
<Step S4> Finally, the azimuth θ corresponding to the maximum value of the PPCC function Γ (α) max Is the estimated value of the angle of arrival of the incident signal.
[0038]
Here, step S1 is executed by using the pattern measuring apparatus of FIG. 3, and steps S2 to S4 are executed by using the radio wave arrival direction detecting apparatus of FIG. At this time, the reactance value table memory 20 of FIGS. 1 and 3 stores the same set of N reactance vectors x (1) , X (2) , ..., x (N) Are stored.
[0039]
As described above, according to the radio wave direction-of-arrival detection method and apparatus of the present embodiment, when estimating the angle of arrival of a radio wave using the array antenna apparatus 100, the matrix operation by the MUSIC method is compared with the related art. Since it is not necessary to execute the calculation, the calculation time can be significantly reduced, and the angle of arrival can be estimated with high resolution. Also, there is an advantage that the device configuration is simple.
[0040]
The operation of the PPCC method depends on the number N of beam patterns (ie, the number of sets of reactance vectors) N set in the array antenna apparatus 100, the diversity of these beam patterns, and the measurement accuracy of each power pattern. Further, as described in the second embodiment of the present invention, the PPCC method can be used even when a radio signal received by the array antenna apparatus 100 is not stable due to multipath and noise.
[0041]
<Second embodiment>
Hereinafter, a radio wave arrival direction detecting device according to a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the radio wave arrival direction detecting method of the first embodiment is improved, and a PPCC method using a prior search is used.
[0042]
If the PPCC method is used as a radio direction-of-arrival method, it must take into account the effects of multipath and noisy environments. In this case, it is proposed to add a new step before step S2 of the PPCC method according to the first embodiment and to improve step S3 in order to prevent the method from producing inconsistent results. .
[0043]
FIGS. 4 to 9 are graphs showing the directivity in the horizontal plane of the sector patterns SP1 to SP6, which are the adaptive control radiation patterns set in the array antenna apparatus 100, in the radio wave arrival direction detecting method according to the present embodiment. By using M pre-calculated reactance vectors corresponding to M sector patterns that form beams in M directions of sectors in the horizontal plane, respectively, the maximum value of the PPCC function Γ (α) (Equation 1) ) Can be searched in advance. That is, when M = 6, six reactance vectors corresponding to six sector patterns forming a beam in the directions of 0 °, 60 °, 120 °, 180 °, 240 °, and 300 ° are represented by FIG. It must be calculated in advance by the pattern measurement computer 50. In other words, these six reactance vectors correspond to directions of a plurality of different azimuth angles θ of the array antenna apparatus 100 (in the present embodiment, for example, 0 °, 60 °, 120 °, 180 °, 240 °, and 300 °). Direction), and receives the received reference radio signals based on each of the received reference radio signals using an iterative numerical solution in a nonlinear programming method such as a steepest gradient method or a high-dimensional bisection method. Each variable reactance circuit 12-1 for directing the main beam of the array antenna device 100 in the direction of the desired wave and nulling in the direction of the interference wave so that the value of the predetermined evaluation function including the signal becomes the maximum or the minimum. A plurality of adaptive control sets of reactance values of (1) to (12-6) are calculated and stored in the reactance value table memory 20. The radiation pattern when this calculation result is set in each of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 is a radiation pattern for adaptive control.
[0044]
Here, as the evaluation function, a cross-correlation coefficient between a sequence signal included in the transmission signal and the same sequence signal generated on the reception side, a signal-to-interference-and-noise ratio (SINR), or the like can be used. For example, by using the adaptive control beam forming algorithm proposed in Non-Patent Document 6, six reactance vectors corresponding to six beam patterns forming the maximum beam in the directions of six sectors are provided. it can. Therefore, the PPCC method in the first embodiment can be improved as follows.
[0045]
<Step S11> This is the same as step S1 of the PPCC method in the first embodiment.
[0046]
<Step S12> (This step may be performed before step S11.) When receiving a radio signal arriving at the array antenna device 100 from an unknown azimuth, the radio wave arrival direction detection computer 30 performs The sector signals SP1 to SP6 are set in the array antenna apparatus 100 as the six radiation patterns to receive the radio signal, and the azimuth angles of the main beams of the sector patterns SP1 to SP6 of 0 °, 60 °,. The azimuth αc at which the output power of the received wireless signal is the maximum is found. As a result, the range of the azimuth angle to be searched in step S14 is α min = Αc-60 ° to α max = Αc + 60 °. In the present embodiment, when the angular difference between the main beam azimuth angles of each sector pattern is 60 °, and the half width of the main beam is also 60 °, the angle range searched in this way is limited. These values are merely examples, and the limited angle range changes depending on the angle difference between the main beam azimuth angles of each sector pattern, the half value width of the main beam, and the like.
[0047]
<Step S13> This is the same as step S2 of the PPCC method in the first embodiment.
[0048]
<Step S14> Similar to step S3 of the PPCC method in the first embodiment, except that the calculation of the PPCC function Γ (α) is α min From α max Only for the range up to.
[0049]
<Step S15> This is the same as step S4 of the PPCC method in the first embodiment.
[0050]
In this improved PPCC method, reactance vectors corresponding to the M initial beam patterns may be included in a set of N different reactance vectors used to generate the PPCC function. Thereby, the number of digital voltage values to be stored in the reactance value table memory 20 can be reduced.
[0051]
As described above, according to the radio wave direction-of-arrival detection method and apparatus of the present embodiment, the pattern measurement computer 50 transmits the reference radio signals transmitted from the array antenna apparatus 100 from a plurality of different azimuth angles θ. Received, based on each received reference radio signal, using an iterative numerical solution in nonlinear programming, the main beam of the array antenna so that the value of a predetermined evaluation function including the received signal is maximum or minimum Are calculated in the reactance value table memory 20 by calculating a plurality of adaptive control sets of reactance values of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 for directing the target in the direction of the desired wave and in the direction of the interference wave. I do. Next, the radio wave arrival direction detecting computer 30 sets a plurality of adaptive control sets of the calculated reactance values of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 in the variable reactance circuits 12-1 to 12-6, respectively. In a state of a plurality of different adaptive control radiation patterns, an unknown radio signal is received, a signal level is measured, and an adaptive control radiation pattern having a maximum signal level is selected from among the adaptive control radiation patterns. , The calculation of the correlation coefficient Γ (θ) is limited to an azimuth within a predetermined width range including the azimuth of the main beam of the selected adaptive control radiation pattern.
[0052]
Therefore, according to the radio wave direction-of-arrival detecting method and apparatus of the present embodiment, the azimuth for calculating the correlation coefficient is limited while having the same operation and effect as the first embodiment, so that the calculation time is greatly reduced. Can be shortened to Further, the present invention can be used even when radio waves received by the array antenna device 100 are not stable due to multipath and noise.
[0053]
【Example】
The present inventors have proposed a PPCC method and a PPCC method improved in consideration of interference of an external environment. Hereinafter, the experimental conditions will be described, and the operation of the PPCC method will be described with reference to experimental results. The measurement by the experiment was performed in the anechoic chamber 200 using the pattern measuring apparatus shown in FIG. In this case, the azimuth controller 51 rotates and fixes the array antenna device 100 using the support 101 so that the radio signal is incident on the array antenna device 100 at a predetermined arrival angle. The same operation as the arrival direction detection computer 30 is executed to detect the arrival angle of the wireless signal.
[0054]
Since the experiment was performed in the anechoic chamber 200 of FIG. 3, the basic PPCC method could be used without modification (only the first embodiment).
[0055]
The digital voltage in the range of −2048 to 2047 stored in the reactance value table memory 20 is converted by the reactance value controller 10 into an analog bias voltage Vm () that adjusts each reactance value Xm of the variable reactance circuits 12-1 to 12-6. m = 1, 2,..., 6). The bias voltage Vm is applied to each variable reactance circuit 12-m as a reactance value signal. According to the specifications of the varactor diode of Toshiba 1SV287 used in the experiment, when the bias voltage changes in the range from 20V to -0.5V, the variable reactance circuits 12-1 to 12-1 loaded in the respective parasitic elements A1 to A6. 12-6 provides reactance values that vary from -45.8Ω to -3.6Ω (see FIG. 2).
[0056]
In the following, some experimental results are shown. Table 1 summarizes the specifications of the experiment.
[0057]
[Table 1]
Experimental settings
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
RF frequency of incident signal 2.484 GHz
Data signal modulation type BPSK
Number of data samples Q 10 of the received signal
Estimated noise (SNR) in the anechoic chamber 200 20dB
Power pattern angle step accuracy 1 °
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
[0058]
The experiment consisted of performing a radio direction of arrival estimation using the PPCC method of the first embodiment for several different angles of arrival and for scenarios with different sets of reactance vectors. In each case, 36 different direction-of-arrival estimates spread over a 360 ° circular sector, ie, at −170 °, −160 °,..., 0 °,. The main purpose of this experiment was to confirm the operation of the PPCC method, the function of the set of reactance vectors N, and the characteristics of these reactance vectors.
[0059]
FIG. 10 is a graph showing a result of a first experiment for the radio wave direction-of-arrival detecting device, showing an error of the arrival angle estimation value with respect to the number N of reactance vectors used. The purpose of the first experiment was to investigate the effect of the number N of sets of reactance vectors used to calculate the PPCC function Γ (α) (see Equation 1). Actually, the radio wave arrival direction detecting method of the present embodiment depends on the set number N of reactance vectors. The experimental results shown in FIG. 10 show that when the number of sets of the reactance vectors is four or more, the average value of the error in the angle-of-arrival estimation value is included in the section [1.31 °, 1.58 °]. This indicates that the standard deviation of the error of the angle estimation value is included in the section [1.10 °, 1.28 °].
[0060]
FIGS. 11 to 13 show the results of a second experiment for the radio wave direction-of-arrival detection device, in which different sets of reactance vectors are set in the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 of the array antenna. It is a graph which shows the error of an arrival angle estimation value. In the first experiment, the reactance values of the components of the reactance vector were arbitrarily selected. In the second experiment, when N = 6 reactance vectors were used, the operation of the PPCC method was examined for three different cases CA1, CA2, and CA3 for a set of reactance vectors set in advance.
[0061]
First, in case CA1, the initial value x of one reactance vector (1) = X (Init) To obtain a set consisting of six reactance vectors. Reactance vector x (2) Or x (6) Is the reactance vector x (Init) Is obtained by circulating each reactance value of the component. In the experiments we performed, sets S1 and S2 from Tables 2 and 3 were used. Here, V1 to V6 represent digital voltage values corresponding to reactance values X1 to X6.
[0062]
[Table 2]
Figure 2004257820
[0063]
[Table 3]
Figure 2004257820
[0064]
FIG. 11 is a graph showing the error of the angle-of-arrival estimation value when the reactance vector sets S1 and S2 of the case CA1 are set in the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 of the array antenna. Further, Table 4 below shows the absolute value and the standard deviation of the average error in the case of each set S1 and S2.
[0065]
[Table 4]
Figure 2004257820
[0066]
Next, in case CA2, a set of six reactance vectors was arbitrarily (randomly) selected. In the experiments we performed, the sets RS1 and RS2 from Tables 5 and 6 were used.
[0067]
[Table 5]
Figure 2004257820
[0068]
[Table 6]
Figure 2004257820
[0069]
FIG. 12 is a graph showing the error of the estimated angle of arrival when the reactance vector sets RS1 and RS2 of the case CA2 are set in the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 of the array antenna. Further, Table 7 below shows the absolute value and the standard deviation of the average error in the case of each of the sets RS1 and RS2.
[0070]
[Table 7]
Figure 2004257820
[0071]
Finally, in case CA3, a set of six reactance vectors directs the main beam in the six directions of the sector in the horizontal plane: 0 °, 60 °, 120 °, 180 °, 240 ° and 300 °. It corresponds to the sector pattern to be formed. In the experiments we performed, the set SS in Table 8 was used.
[0072]
[Table 8]
Figure 2004257820
[0073]
FIG. 13 is a graph showing the error of the arrival angle estimation value when the reactance vector set SS of the case CA3 is set in the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 of the array antenna. Further, Table 9 below shows the absolute value of the average error and the standard deviation in the case of the set SS.
[0074]
[Table 9]
Case CA3 (Set SS)
――――――――――――――――――――――――――
Absolute value of average error 0.67 °
Standard deviation 0.59 °
――――――――――――――――――――――――――
[0075]
From the results of the second experiment, it can be seen that the operation of the PPCC method depends on choosing a set of reactance vectors. In the experiment, the best estimated value is reached in case CA3 using the sector pattern. Therefore, it can be said that the reactance vector corresponding to the sector pattern has good correlation diversity.
[0076]
As described above, according to the radio wave direction-of-arrival detection method and apparatus according to the embodiment of the present invention, it is called a power pattern cross-correlation method (PPCC method) and, as the name implies, calculates based on power. A simple direction-of-arrival detection method and apparatus using an electronically controlled waveguide array antenna apparatus based on a correlation coefficient between a power pattern to be performed and output power when signal data is received by the array antenna apparatus 100 is provided. can do. The method and apparatus of the described embodiments have several advantages, such as low computational cost and robustness with respect to the perturbation of the phase of the incoming signal data.
[0077]
Experiments performed in the anechoic chamber 200 provided information on the operation of the PPCC method in different equipment configurations (ie, different numbers of sets of reactance vectors or different beam patterns formed by the reactance vectors). From these results, the most appropriate parameters that optimize the estimation accuracy can be obtained. Thus, the accuracy achieved in the case of obtaining the best findings indicates that the method and apparatus according to the present embodiment can estimate the angle of arrival of the unknown signal with an accuracy of only the root mean square of 1 °. .
[0078]
<Modification>
In the above embodiment, the power of the received radio signal is used to calculate the PPCC function Γ (α) of Equation 1, but the present invention is not limited to this, and the voltage level and the current level of the radio signal are used. It may be a predetermined level including a signal level such as
[0079]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the radio wave direction-of-arrival detection method or device according to the present invention, in the radio wave direction-of-arrival detection method or device using the electronically controlled waveguide array antenna device, a plurality of mutually different array antennas are used. The first reference radio signals transmitted from the direction of the azimuth angle θ are respectively converted into a plurality of sets x of different reactance values of the respective variable reactance elements. (I) Are received by the array antenna in a state of a plurality of radiation patterns different from each other, the power of each of the received first reference radio signals is measured, and the power pattern for each azimuth θ for each of the sets is measured. P (x (I) , Θ), and the unknown radio signal arriving at the array antenna whose unknown direction is unknown is converted to the plurality of different sets x of reactance values of the variable reactance elements. (I) Are received by the array antenna in a state of a plurality of radiation patterns different from each other, and the power Y (x (I) ) Is measured, and the power pattern P (x (I) , Θ) and the measured power Y (x (I) ) Is calculated for each of the azimuth angles, and the azimuth angle θ when the correlation coefficient Γ (θ) is maximized is defined as the arrival angle of the unknown radio signal. presume. Therefore, the calculation time can be reduced as compared with the prior art, the angle of arrival can be estimated with high resolution, and the configuration is simple.
[0080]
In the method or apparatus for detecting a direction of arrival of a radio wave, a second reference radio signal transmitted from a plurality of directions of a plurality of azimuths θ different from each other of the array antenna is received, and based on each of the received second reference radio signals. The main beam of the array antenna is directed and interfered with a desired wave so that the value of a predetermined evaluation function including the received signal is maximized or minimized by using an iterative numerical solution in a nonlinear programming method. A plurality of adaptive control sets of reactance values of the respective variable reactance elements for directing nulls in the wave direction are calculated, and the plurality of adaptive control sets of the reactance values of the respective variable reactance elements calculated above are respectively used for the respective variable control elements. In the state of a plurality of different adaptive control radiation patterns set in the reactance element, the unknown radio signal is received and the signal level is received. The adaptive control radiation pattern having the maximum signal level is selected from the adaptive control radiation patterns, and the calculation of the correlation coefficient Γ (θ) is performed by the selected adaptive control radiation pattern. Includes the azimuth of the main beam of the pattern and limits it to an azimuth within a predetermined width centered on it. Therefore, the azimuth for calculating the correlation coefficient can be limited, so that the calculation time can be significantly reduced as compared with the above method or apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a radio wave direction-of-arrival detecting device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a detailed configuration of the array antenna device 100 of FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a pattern measuring device for acquiring a power pattern used in the radio wave direction of arrival detecting device of FIG. 1;
FIG. 4 is a graph showing a directivity in a horizontal plane of a sector pattern SP1 set in an array antenna device 100 in a radio wave direction-of-arrival detecting device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a directivity in a horizontal plane of a sector pattern SP2 set in an array antenna device 100 in the radio wave direction-of-arrival detecting device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the directivity in a horizontal plane of a sector pattern SP3 set in the array antenna device 100 in the radio wave direction-of-arrival detecting device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the directivity in a horizontal plane of a sector pattern SP4 set in the array antenna device 100 in the radio wave direction-of-arrival detecting device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing a directivity in a horizontal plane of a sector pattern SP5 set in the array antenna device 100 in the radio wave direction-of-arrival detecting device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the directivity in a horizontal plane of a sector pattern SP6 set in the array antenna device 100 in the radio wave direction-of-arrival detecting device according to the second embodiment of the present invention.
10 is a graph showing a result of a first experiment for the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG. 1 and showing an error of an arrival angle estimation value with respect to a set number N of reactance vectors used.
11 is a result of a second experiment for the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG. 1, in which reactance vector sets S1 and S2 of case CA1 are set in variable reactance circuits 12-1 to 12-6 of the array antenna. 7 is a graph showing an error in an angle of arrival estimation value when an error occurs.
FIG. 12 shows a result of a second experiment for the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG. 1, in which reactance vector sets RS1 and RS2 of case CA2 are set in variable reactance circuits 12-1 to 12-6 of the array antenna. 7 is a graph showing an error in an angle of arrival estimation value when an error occurs.
FIG. 13 is a result of a second experiment for the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG. 1, in which a set SS of a reactance vector of a case CA3 is set in the variable reactance circuits 12-1 to 12-6 of the array antenna. 9 is a graph showing an error of an arrival angle estimation value at the time.
[Explanation of symbols]
A0: Exciting element,
A1 to A6: parasitic element,
C1, C4 ... capacitors,
D11, D12, D41, D42 ... variable capacitance diode,
P1, P4 ... ports,
R1, R4 ... resistance,
1. Low noise amplifier (LNA),
2. Down converter,
3: A / D converter,
4 ... Wireless receiver,
9 ... coaxial cable,
10. Reactance value controller,
11 ground conductor
12-1 to 12-6: Variable reactance circuit,
20: Reactance value table memory,
30 ... A radio wave arrival direction detection computer,
31, 53… CRT display,
40 ... wireless transmitter,
41 ... horn antenna device,
50 ... Pattern measurement computer,
51 ... azimuth controller
52 input device,
54 ... power pattern memory,
100 ... array antenna device,
101 ... support base,
200 ... Anechoic chamber.

Claims (4)

無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各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により、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得る第１のステップと、
上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する第２のステップと、
上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する第３のステップとを含むことを特徴とする電波到来方向探知方法。An excitation element for receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation element, and a variable reactance element respectively connected to each of the non-excitation elements; By changing the reactance value of the variable reactance element, each of the non-excited elements is operated as a director or a reflector, and a radio wave arrival direction detecting method using an array antenna that changes the directional characteristic of the array antenna,
The first reference radio signals transmitted from the directions of the plurality of different azimuth angles θ of the array antenna are respectively converted into the plurality of sets x (i) of the reactance values of the variable reactance elements different from each other. In the state of a plurality of different radiation patterns, the power is received by the array antenna, the power of each of the received first reference radio signals is measured, and the power pattern P (x (i) for each azimuth angle θ of each of the sets is measured. , Θ), and
The unknown radio signal arriving at the array antenna whose unknown direction is unknown is subjected to the above-described plurality of different sets of reactance values x (i) of the variable reactance elements in a state of a plurality of different radiation patterns set respectively. A second step of measuring the power Y (x (i) ) of each unknown radio signal for each set received by the array antenna;
The correlation coefficient Γ (θ) between the power pattern P (x (i) , θ) for each azimuth angle θ of each set and the measured power Y (x (i) ) of each unknown radio signal. ) For each of the azimuth angles, and estimating the azimuth angle θ when the correlation coefficient Γ (θ) is maximized as the arrival angle of the unknown radio signal. Characteristic radio wave arrival direction detection method. 上記第２のステップの処理の前に実行され、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算する第４のステップと、
上記第３のステップの処理の前に実行され、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択する第５のステップとをさらに含み、
上記第３のステップは、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定することを特徴とする請求項１記載の電波到来方向探知方法。Each of the second reference radio signals, which is executed before the processing of the second step and is transmitted from the plurality of directions of the azimuth angle θ different from each other of the array antenna, is received, and the received second reference radio signals are received. Based on the signal, the main beam of the array antenna is moved in the direction of a desired wave such that the value of a predetermined evaluation function including the received signal is maximized or minimized using an iterative numerical solution in a nonlinear programming method. A fourth step of calculating a plurality of adaptive control sets of reactance values of each variable reactance element for directing and nulling in the direction of the interference wave;
A plurality of adaptive control sets of the reactance values of the calculated variable reactance elements, which are executed before the processing of the third step, are respectively different from the plurality of adaptive control radiations set to the respective variable reactance elements. A fifth step of receiving the unknown radio signal and measuring a signal level in the state of the pattern, and selecting an adaptive control radiation pattern having a maximum signal level among the adaptive control radiation patterns. Including
In the third step, the calculation of the correlation coefficient Γ (θ) includes the azimuth of the main beam of the selected adaptive control radiation pattern, and the azimuth within a predetermined width range around the azimuth. 2. The method for detecting the direction of arrival of a radio wave according to claim 1, wherein the method is limited to: 無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各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により、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知装置において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得る第１の制御手段と、
上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する第２の制御手段と、
上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する第３の制御手段とを備えたことを特徴とする電波到来方向探知装置。An excitation element for receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation element, and a variable reactance element respectively connected to each of the non-excitation elements; By changing the reactance value of the variable reactance element, each of the non-excited elements is operated as a director or a reflector, and in a radio wave arrival direction detecting device using an array antenna that changes the directional characteristics of the array antenna,
The first reference radio signals transmitted from the directions of the plurality of different azimuth angles θ of the array antenna are respectively converted into the plurality of sets x (i) of the reactance values of the variable reactance elements different from each other. In the state of a plurality of different radiation patterns, the power is received by the array antenna, the power of each of the received first reference radio signals is measured, and the power pattern P (x (i) for each azimuth angle θ of each of the sets is measured. , Θ);
The unknown radio signal arriving at the array antenna whose unknown direction is unknown is subjected to the above-described plurality of different sets of reactance values x (i) of the variable reactance elements in a state of a plurality of different radiation patterns set respectively. Second control means for receiving power by the array antenna and measuring the power Y (x (i) ) of each unknown radio signal for each set;
The correlation coefficient Γ (θ) between the power pattern P (x (i) , θ) for each azimuth angle θ of each set and the measured power Y (x (i) ) of each unknown radio signal. ) Is calculated for each azimuth angle, and the azimuth angle θ when the correlation coefficient Γ (θ) is maximized is estimated as an arrival angle of the unknown radio signal. A radio wave direction-of-arrival detection device, 上記第２の制御手段の処理の前において、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算する第４の制御手段と、
上記第３の制御手段の処理の前において、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択する第５の制御手段とをさらに備え、
上記第３の制御手段は、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定することを特徴とする請求項３記載の電波到来方向探知装置。Before the processing by the second control means, the second reference radio signals transmitted from the plurality of directions of the azimuth θ different from each other of the array antenna are respectively received, and the received second reference radio signals are received. The main beam of the array antenna is directed in the direction of a desired wave such that the value of a predetermined evaluation function including the received signal is maximized or minimized by using an iterative numerical solution in a nonlinear programming method. And fourth control means for calculating a plurality of adaptive control sets of reactance values of each variable reactance element for pointing null in the direction of the interference wave;
Prior to the processing of the third control means, the plurality of adaptive control sets of the calculated reactance values of the variable reactance elements calculated above are respectively different from the plurality of adaptive control radiation patterns set in the respective variable reactance elements. And a fifth control means for receiving the unknown radio signal, measuring the signal level, and selecting the adaptive control radiation pattern having the maximum signal level among the adaptive control radiation patterns. Prepare,
The third control means calculates the correlation coefficient Γ (θ) by including the azimuth of the main beam of the selected adaptive control radiation pattern and having an azimuth within a predetermined width around the azimuth. The radio wave arrival direction detecting device according to claim 3, wherein the radio wave arrival direction is limited to a corner.
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