JP2007047179A

JP2007047179A - 電波到来方向の探知方法

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Publication number: JP2007047179A
Application number: JP2006249030A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Mogi; 智哉茂木; Tsutomu Nakagishi; 努仲岸; Yoshinobu Mogi; 好伸茂木
Original assignee: Nakayo Telecommunications Inc
Current assignee: Nakayo Telecommunications Inc
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】簡単なハードウエアによって、電波到来方向を探知することができ、小型化が可能な無線方向探知機を提供する。
【解決手段】２本の無指向性アンテナ１，１１を使用し、探知する電波の周波数においてそれぞれの無指向性アンテナ端に入力される電波の位相差が９０°以下になるようにアンテナ間の間隔を離して配置し、かつ２本の無指向性アンテナによって入力された電波の内一方のみに対して位相を遅らせる位相器５を備えた無線方向探知機であって、遅らせる位相とアンテナ間の間隔を、位相を遅らせる回路で遅らせる位相値に２本のアンテナ端に入力される電波の位相を加えたものと、位相を遅らせる回路で遅らせる位相値から２本のアンテナ端に入力される電波の位相の差を減じたものが、０°〜１８０°の範囲に、あるいは１８０°〜３６０°といったように１８０°毎の範囲に同時に満たす値を取るようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、無指向性アンテナを用いた無線方向探知機に関するものである。

従来の方向探知機は、一つの指向性アンテナを使用し、指向性アンテナの方向を変えることで到来電波の大きさを検出して到来方向を探知している（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の他の方向探知機は、複数の指向性アンテナを使用し、それらの指向性アンテナで受信した信号を用いて到来方向を探知している（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−１５１９３３号公報特開平０５−０４５４３５号公報

特許文献１または特許文献２に示される従来の無線方向探知機は、小型化することが難しい指向性アンテナを使用するので、無線方向探知機自体を小型化することができなかった。また、特許文献２に示される複数の指向性アンテナを使用し、位相検出回路で検出した位相を信号処理器で処理して到来方向を探知する無線方向探知機は、信号処理の部品が必要で小型化には向いていなかった。

上記問題に対し、本発明は、簡単なハードウエアによって、電波到来方向を探知することができ、小型化が可能な無線方向探知機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、基板などや筐体あるいは支柱に固定された２本の無指向性アンテナを使用し、探知する電波の周波数において、それぞれの無指向性アンテナ端に入力される位相の差が９０°以下となるように無指向性アンテナ間の間隔を離して配置する。

そして、本発明は、２本の無指向性アンテナによって入力された電波の内、一方のみに対して位相を遅らせ、もう一方の信号との積を取る。この際、遅らせる位相値とアンテナ間の間隔値は位相を遅らせる回路で遅らせる位相値に２本のアンテナ端に入力される電波の位相との差を加えたものと、位相を遅らせる回路で遅らせる位相値から２本のアンテナ端に入力される電波の位相の差を減じたものとが、０°〜１８０°の範囲に、あるいは１８０°〜３６０°といったように１８０°毎の範囲を同時に満たす値を取る。

これによって得られた信号に対して直流成分のみが取り出せるようなローパスフィルタを通すと、到来方向によって大きさおよび正負が変化する信号を取り出すことができ、２本の無指向性アンテナを通る延長線が到来方向になったときに、その直流成分の絶対値は最大となる。

したがって、この直流電圧を表示することで、電波の到来方向を探知することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、簡単なハードウエアによって、電波到来方向を探知することができるので、無線方向探知機の小型化が可能となる。

［実施例１］
以下、本発明にかかる無線方向探知機の第１の実施例について、図面を用いて説明する。図１は、本発明にかかる無線方向探知機の構成を説明するブロック図である。

無線方向探知機は、無指向性アンテナ１、バンドパスフィルタ２、低雑音増幅器３、バンドパスフィルタ４、位相器５、第１ミキサ６、バンドパスフィルタ７、リミッティングアンプ８、からなる第１の信号処理系と、無指向性アンテナ１１、バンドパスフィルタ１２、低雑音増幅器１３、バンドパスフィルタ１４、第１ミキサ１６、バンドパスフィルタ１７、リミッティングアンプ１８からなる第２の信号処理系と、ミキサ３０、ローパスフィルタ３１、オペアンプ３２、電圧表示部３３、およびローカル発振器２０から構成される。

無指向性アンテナ１，１１は、到来電波を受信する手段である。

バンドパスフィルタ２，１２は、受信周波数帯域外の電波を除去する手段であり、受信周波数以外の電波によってそれに続く低雑音増幅器３，１３が飽和しないようにするとともに、第１ミキサ６，１６で受信周波数以外の電波が受信中間周波数に変換されないように受信周波数帯域外の電波を除去する手段である。

低雑音増幅器３，１３は、受信周波数のレベルを増幅する手段である。低雑音増幅器３，１３は、受信機のＮＦ（ノイズフィギュア）を改善する。

バンドパスフィルタ４，１４は、受信周波数帯域外の電波を除去する手段である。このバンドパスフィルタ４，１４は、第１ミキサ６，１６で受信周波数以外の電波が受信中間周波数に変換されないように受信周波数帯域外の電波を除去する。

位相器５は、方向探知精度を向上させるために、受信電波の一方のみに対して位相を遅らせる手段である。

第１ミキサ６，１６は、受信電波をそれよりも低い受信中間周波数に変換する手段である。受信中間周波数に変換するのは周波数を下げて妨害電波を除去しやすくすることと、リミッティングアンプ８，１８のハード的な実現をしやすくするためである。受信周波数以外の電波をより取り除くためには、スーパーヘテロダイン方式とし、ミキサとバンドパスフィルタをさらにバンドパスフィルタ７とリミッティングアンプ８の間、バンドパスフィルタ１７とリミッティングアンプ１８の間に入れてもよい。

バンドパスフィルタ７，１７は、第１ミキサ６，１６から出力される不要周波数を除去するとともに、受信周波数以外の電波によって、ミキサ３０で受信周波数以外の電波が直流出力電圧に変換されないようにするための手段である。

リミッティングアンプ８，１８は、受信電波レベルを一定にする手段であり、電波発射位置から探知機までの距離やフェージングもしくは定在波に基づく電波レベルの変動などの要因よって、ミキサ３０の直流出力電圧の変動が発生することを防ぎ、到来方向の探知精度の劣化を防ぐ手段である。

ローカル発振器２０は、第１ミキサ６，１６で受信周波数を受信中間周波数まで下げるために使用する信号を出力する手段である。

ミキサ３０は、第１の信号処理系の出力と第２の信号処理系の出力を掛け合わせ、位相に応じた直流成分を含む信号を取り出す手段である。

ローパスフィルタ３１は、電波の到来方向によって変化する直流出力電圧を得るために、不要な高周波成分を除去し、直流成分のみを取り出す手段である。

オペアンプ３２は、得られた電波の到来方向によって変化する直流出力電圧をロジック回路で扱いやすい信号振幅レベルとなるよう増幅する手段であり、また、リミッティングアンプ８，１８のリミッティングレベルの相対的なずれを補正する手段である。

電圧表示器３３は、オペアンプ３２で得られた直流出力電圧を表示する手段である。

ここで、各ブロックの増幅率を以下のように設定する。すなわち、バンドパスフィルタ２の増幅率をＧ_２、低雑音増幅器３の増幅率をＧ_３、バンドパスフィルタ４の増幅率をＧ_４、位相器５の増幅率をＧ_５、第１ミキサ６の増幅率をＧ_６、バンドパスフィルタ７の増幅率をＧ_７、バンドパスフィルタ１２の増幅率をＧ_１２、低雑音増幅器１３の増幅率をＧ_１３、バンドパスフィルタ１４の増幅率をＧ_１４、第１ミキサ１６の増幅率をＧ_１６、バンドパスフィルタ１７の増幅率をＧ_１７、ミキサ３０の増幅率をＧ_３０、ローパスフィルタ３１の増幅率をＧ_３１、オペアンプ３２の増幅率をＧ_３２とする。

また、リミッティングアンプ８の出力電圧をＥ_８、リミッティングアンプ１８の出力電圧をＥ_１８とする。

さらに、ミキサー３０は、回路構成によってその出力に内部のバイアス直流電圧が出力されることがあるため、これをＶ_Ｍとする。

図２を用いて、本発明にかかる無線方向探知機における無指向性アンテナの配置例を説明する。本発明にかかる無線方向探知機は、２本の無指向性アンテナ１，１１が実装された基板４０を、筐体４１内に収容して構成される。本実施例では、２本の無指向性アンテナ１、１１は、探知する電波（到来電波）の周波数においてそれぞれのアンテナ端に入力される位相の差（すなわち、アンテナ間間隔）が、到来電波の波長をλとしてλ／４（９０°）となるように実装している。

図３を用いて、本発明にかかる無線方向探知機に電波の到来方向が与える影響について説明する。まず、電波の到来方向がＡであり、２本の無指向性アンテナをアンテナ端に入力される位相の差が９０°となるように配置し、位相器５で一方の信号を９０°遅らせるようにした場合を説明する。

無指向性アンテナ１でとらえた電波を（１）式のようにおく。

その後、バンドパスフィルタ２で受信周波数帯域外の電波を除去し、低雑音増幅器３で増幅し、バンドパスフィルタ４でさらに受信周波数帯域外の電波を除去する。そして位相器５で位相を９０°遅らせると、その信号は、（２）式で示される。

次に、第１ミキサ６でローカル発振器２０の信号により周波数変換され下記（３）式となる。

ここでローカル発振器２０の信号を下記（４）式のようにおいた。θ_２は、無指向性アンテナでとらえた電波の位相に対するローカル発振器２０の位相である。

（３）式の信号から、フィルタ７で所望受信周波数以外の高周波成分を除去すると下記（５）式となる。

（５）式の信号を、リミッティングアンプ８で増幅してミキサ３０に入力する。リミッティングアンプ８の出力は、下記（６）式で示される。

同様に、無指向性アンテナ１１でとらえた電波は、無指向性アンテナ１１が無指向性アンテナ１に対してλ／４離してあるので、その位相は無指向性アンテナ１でとらえた電波より位相がλ／４（９０°）遅れる。したがって（１）式より下記（７）式となる。

その後、バンドパスフィルタ１２で受信周波数帯域外の電波を除去し、低雑音増幅器１３で増幅し、バンドパスフィルタ１４でさらに受信周波数帯域外の電波を除去する。そして第１ミキサ１６でローカル発振器２０の信号により周波数変換され、下記（８）式となる。

（８）式の信号を、フィルタ１７で所望受信周波数以外の高周波成分を除去すると下記（９）式となる。

（９）式の信号を、リミッティングアンプ１８で増幅してミキサ３０に入力する。リミッティングアンプ１８の出力は、下記（１０）式で示される。

リミッティングアンプ８、１８は、無指向性アンテナ１からの電波のレベルＥ_８と、無指向性アンテナ１１からの電波のレベルＥ_１８の電波レベル変動を除去するもので、これによってフェージングや定在波に基づく電波レベル変動による要因で生じる、到来方向の探知精度の劣化を防ぐものである。リミッティングアンプがなくミキサ３０において、無指向性アンテナ１からの電波のレベルと無指向性アンテナ１１からの電波のレベルが変動すると、下記（１１）式のミキサ３０の出力直流電圧の値に時間的および空間的な変動が発生し、電波到来方向の探知精度が劣化することになる。

ミキサ３０の出力は、（６）式と（１０）式とから下記（１１）式のようになる。

（１１）式のミキサ３０の出力をローパスフィルタ３１に通すと、下記（１２）式で示す直流電圧が得られる。

（１２）式の信号を、オペアンプ３２で増幅して電圧表示部３３に入力する。オペアンプ３２の増幅率Ｇ_３２を正とすると、（１２）式の直流電圧は、下記（１３）式となる。

同様に、電波到来方向がＣの場合は、電波到来方向がＡの場合と同様の計算によって、下記（１４）式のようになる。

また、電波到来方向がＢまたはＤの場合は、同様の計算によって、下記（１５）式となる。

これらをまとめると、本発明にかかる無線方向探知機においては、オペアンプ３２の電波到来方向に対する直流出力電圧は、下記表１のようになる。

以上のように、本発明にかかる無線方向探知機によれば、電波の到来方向によって変化する直流電圧出力を得ることができ、これによって方向探知することができる。この電圧を電圧表示部３３で表示して、表示値が最大になる方向へ２本の無指向性アンテナの並び方向を向けることによって、電波到来方向を知ることができる。

［比較例］
本発明にかかる無線方向探知機においては、２本の無指向性アンテナによって入力された電波の内、一方のみに対して位相を遅らせる位相器５を備えているが、位相器５がない場合の図４のブロック図で示される無線方向探知機における方向探知の例を、以下に説明する。

この例では、第１の信号処理系から位相器５を取り除いた他は、図１に示した無線方向探知機の構成と同じである。

この例では、電波到来方向が図３のＡの場合は、以下のようになる。無指向性アンテナ１でとらえた電波を（１）式と同様におくと、バンドパスフィルタ２で受信周波数帯域外の電波を除去し、低雑音増幅器３で増幅しバンドパスフィルタ４でさらに受信周波数帯域外の電波を除去する。そして第１ミキサ６でローカル発振器２０の信号により周波数変換され、下記（１６）式となる。ここで、ローカル発振器２０の信号を前記（４）式と同様においた。

（１６）式の信号を、フィルタ７で所望受信周波数帯域外の高周波成分を除去すると、下記（１７）式となる。

（１７）式の信号を、リミッティングアンプ８で増幅してミキサ３０に入力する。リミッティングアンプ８の出力は、下記（１８）式となる。

同様に、無指向性アンテナ１１がとらえた電波は、無指向性アンテナ１に対してλ／４離してあるので、その位相は無指向性アンテナでとらえた電波より位相がλ／４（９０°）遅れる。したがって、（１）式より、下記（１９）式となる。これは前記（７）式と同じである。

その後、バンドパスフィルタ１２で受信周波数帯域外の電波を除去し、低雑音増幅器１３で増幅し、バンドパスフィルタ１４でさらに受信周波数帯域外の電波を除去する。そして、第１ミキサ１６でローカル発振器２０の信号により周波数変換され、前記（８）式となる。

（８）式の信号を、フィルタ１７で所望受信周波数帯域外の高周波成分を除去すると、前記（９）式が得られる。

（９）式の信号を、リミッティングアンプ１８で増幅してミキサ３０に入力する。リミッティングアンプ１８の出力は、前記（１０）式となる。

これらによって得られたミキサ３０の出力は、（１８）式および（１０）式から、下記（２０）式となる。

（２０）式で示されるミキサ３０の出力を、増幅率がＧ_３１のローパスフィルタ３１を経由して増幅率Ｇ_３２が正のオペアンプ３２に通すと、前記（１１）式と同じ下記（２１）式が得られる。

電波の到来方向が図３のＣの場合には、同様の計算によって、オペアンプ３２の出力は、前記（２１）式と同じになる。

また、電波到来方向が図３のＢ、Ｄの場合には、同様の計算によって、下記（２２）式となる。

これらをまとめると、この比較例の位相器５を持たない無線方向探知機においては、オペアンプ３２の電波到来方向に対する直流出力電圧は、下記表２のようになる。

表２から分かるように、位相器５がない場合には電波の到来方向がＡの場合とＣの場合では区別ができず、また電波の到来方向がＢの場合とＤの場合でも区別できないことが分かる。これでは電波の到来方向を判断することができない。

第１の実施例の表１では、到来方向がＢの場合とＤの場合には区別がつかないが、到来方向がＡの場合とＣの場合では区別がつく。したがって、２本のアンテナを使用し、探知する電波の周波数においてそれぞれの無線指向性アンテナ端に入力される電波の位相差が９０°以下になるように、アンテナ間の間隔を離して配置し、かつ２本の無指向性アンテナによって入力された電波の内一方のみに対して位相を遅らせる回路を備え、遅らせる位相値とアンテナ間の間隔値に２本のアンテナ端に入力される電波の位相の差を加えたものと、位相を遅らせる回路で遅らせる位相値から２本のアンテナ端に入力される電波の位相の差を減じたものとが、０°〜１８０°の範囲に、あるいは１８０°〜３６０°といったように１８０°ごとの範囲に同時に満たす値を取ることによって、ローパスフィルタ３１の直流出力電圧の正負、および絶対値の電圧の大きさによって、電波の到来方向を探知することが可能となる。

すなわち、位相器５を備えることによって、電波の到来方向の探知精度を向上している。

オペアンプ３２の直流出力電圧は、電圧表示部３３に送られ、その表示によって電波の到来方向を探知することができる。

［実施例２］
図５を用いて、本発明の第２の実施例について説明する。図５は、４本のアンテナを使用して全方向の電波の到来方向を探知できる無線方向探知機の機能構成を示すブロック図である。

この実施例は、図１に示した無線方向探知機を２組用いて構成され、それぞれの直流出力電圧７０，７１をＣＰＵ３４を介して電圧表示部３３へ出力するものである。無指向性アンテナ１，１１，５１，６１は、図７に示すように配置される。アンテナ１，１１が第１の対をなし、アンテナ５１，６１が第２の対をなしており、それぞれのアンテナの対は９０°回転して配置される。

これによって、第１の実施例と同様に電波の到来方向によって変化する、表３に示すような２組の直流電圧を得ることができる。電波の到来方向は図８に示すものとした。

この第２の実施例によれば、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの全ての方向について直流出力電圧７０と直流出力電圧７１の電圧の組み合せで、電波の到来方向を特定することができる。また、到来電波の方向がＡとＢの間といったような方向であっても、直流出力電圧７０と直流出力電圧７１の正負、および絶対値の電圧の大きさで探知することができる。

［実施例３］
図６を用いて、本発明にかかる無線方向探知機の第３の実施例を説明する。この実施例は、図１に示した無線方向探知機の第１および第２の信号処理系に無指向性アンテナ１，１１と無指向性アンテナ５１，６１の対を交互に接続して使用する例である。このブロック図では、表３の直流出力電圧を無指向性アンテナ１，１１と無指向性アンテナ５１，６１の２組の対で同時に得ることができないが、到来電波の方向が急激に変化することが少ないことから、交互に直流出力電圧を検出する方法でも実用上問題はない。

以上の実施例では、図９（Ａ）に示すように、２本の無指向性アンテナ１，１１間の間隔を、到来電波の波長のλ／４（９０°）に配置し、位相器５で一方の受信電波を９０°遅らせることにより、電波の到来方向（Ａ）と逆方向（Ｃ）における直流出力電圧を最大値と最小値とすることができ、到来電波の方向探知精度を向上させる例を説明したが、図９（Ｂ）に示すように、アンテナ間間隔が到来電波の波長のλ／４（９０°）の場合、位相器５の遅延を２７０°とすることによっても、電波の到来方向（Ａ）と逆方向（Ｃ）における直流出力電圧を最小値と最大値とすることができ、到来方向を精度良く探知することができる。

また、図９（Ｃ）に示すように、アンテナ間間隔が到来電波の周波数の５０°に設定された場合であっても、位相器５の遅延を５０°〜１３０°とすることによって、電波の到来方向（Ａ）と逆方向（Ｃ）における直流出力電圧を最大値と最小値とすることができ、到来方向を精度良く探知することができる。比較のために、アンテナ間間隔が到来電波の波長のλ／４（９０°）の場合、位相器５の遅延を１２０°とすると、Ｃ方向からの到来電波は最小値とならず、到来方向の探知の精度が劣化する。

本発明にかかる無線方向探知機の機能構成を説明する機能ブロック図本発明にかかる無線方向探知機の無指向性アンテナ配置図電波の到来方向を説明する図位相器がない無線方向探知機の機能構成を説明する機能ブロック図アンテナ４本を用いた全方向の電波の到来を探知する無線方向探知機の機能構成を説明する機能ブロック図図５に示した無線方向探知機の応用例を説明する機能ブロック図アンテナ４本を用いた無線方向探知機の無指向性アンテナ配置図電波の到来方向を説明する図アンテナ間の間隔と位相器の遅延角度と直流出力電圧との関係を説明する図

符号の説明

１，１１，５１，６１無指向性アンテナ
２，１２バンドパスフィルタ
３，１３低雑音増幅器
４，１４バンドパスフィルタ
５位相器
６，１６第１ミキサ
７，１７バンドパスフィルタ
８，１８リミッティングアンプ
２０ローカル発振器
３０ミキサ
３１ローパスフィルタ
３２オペアンプ
３３電圧表示部
３４ＣＰＵ
４０基板
４１筐体
７０無指向性アンテナ１，１１から得られた直流電圧
７１無指向性アンテナ５１，６１から得られた直流電圧

Claims

基板や筐体あるいは支柱などに固定された２本の無指向性アンテナを使用し、探知する電波の周波数においてそれぞれの無指向性アンテナ端に入力される電波の位相差が９０°以下になるようにアンテナ間の間隔を離して配置し、かつ２本の無指向性アンテナによって入力された電波の内一方のみに対して位相を遅らせる回路を備えた無線方向探知機であって、
遅らせる位相とアンテナ間の間隔を、位相を遅らせる回路で遅らせる位相値に２本のアンテナ端に入力される電波の位相を加えたものと、位相を遅らせる回路で遅らせる位相値から２本のアンテナ端に入力される電波の位相の差を減じたものが、０°〜１８０°の範囲に、あるいは１８０°〜３６０°といったように１８０°毎の範囲に同時に満たす値を取るようにしたことを特徴とした無線方向探知機。
請求項１の無線方向探知機において、２本の無指向性アンテナによって入力されたおのおのの電波を掛け合せて得られた直流出力電圧信号の正負または大きさによって電波の到来方向を検出することを特徴とした無線方向探知機。
請求項１の装置を２組使用し、全方向の電波の到来方向を探知することができることを特徴とした無線方向探知機。