JP2023094271A - アンテナ装置、ビームフォーミング方法及びプログラム - Google Patents

アンテナ装置、ビームフォーミング方法及びプログラム Download PDF

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Abstract

Figure 2023094271000001
【課題】レンズアンテナ又はパラボラアンテナとアレイ給電部又はアレイ受信部との組み合わせにおいて、アレイ給電部が生成する波面又はアレイ受信部が合成する波面の設計自由度を向上させることができるアンテナ装置及びビームフォーミング方法を提供する。
【解決手段】アンテナ装置１００は、電磁波を放射する複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部１１１と、電磁波を屈折させるレンズ１１０と、を備える。アレイ給電部１１１は、電磁波がレンズ１１０によって屈折された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で複数のアンテナ素子を励振する。
【選択図】図１

Description

本開示は、アンテナ装置、ビームフォーミング方法及びプログラムに関し、より詳細には、ビームフォーミングを実行するためのアンテナ装置、ビームフォーミング方法及びプログラムに関する。
高高度プラットフォーム（ＨＡＰＳ：High-Altitude Platform Station）の事業化に向けて国際的に環境整備及び技術開発が進み、その普及拡大が見込まれている。特にＨＡＰＳを利用した固定通信システムに対しては、上空経由にてバックホール回線の冗長経路確保実現等への期待が高まっている。ＷＲＣ－１９（２０１９年世界無線通信会議）にてＨＡＰＳに分配された３８ＧＨｚ帯による５Ｇ網と連携した高速大容量のＨＡＰＳシステムの実現が期待される（例えば、非特許文献１）。ＨＡＰＳは、高度２０ｋｍ付近の成層圏で円周上を周回して飛行するため、地上局の方向にビーム（放射指向特性）が向くように、ビームフォーミングを行って追尾する必要がある。一方、地上局もＨＡＰＳの方向にビームが向くように、ビームフォーミングを行って追尾する必要がある。
地上局に用いるアンテナ装置には開口面アンテナやフェーズドアレイアンテナ等が考えられる。開口面アンテナは、導波路を用いたホーンアンテナ、反射を用いたパラボラアンテナ、屈折を用いたレンズアンテナ等に大別される。開口面アンテナは、大きな開口面を形成して高利得アンテナを構成することが容易であるが、ＨＡＰＳを追尾するためにアンテナ装置の向きを常に機械的に駆動する必要があり、駆動のための消費電力が大きいという課題を有する。一方で、フェーズドアレイアンテナは、アンテナ素子の励振位相を制御することでビームの方向を制御してＨＡＰＳを追尾することが容易であるが、開口面を大きくして高利得アンテナを構成するためには多数のアンテナ素子が必要になるという課題を有する。
非特許文献２では、レンズアンテナと電子制御可能なアレイ給電部とを組み合わせ、更に全体を機械駆動ジンバルで制御する方式を採用し、他の無線との干渉を軽減するためのサイドローブの抑制と追尾制御の際の消費電力の低減とを図っている。
特許文献１には、ＯＡＭ（Orbital Angular Momentum）の各モードに対して各々円形アレイを具備し、レンズと組み合わせることで、各モードの最大利得の放射角が同じになるようにするアンテナ装置が開示されている。
特許文献２には、アレイ状に配置された複数のレンズセットを具備し、各レンズセットが１つのレンズと複数の給電素子とを組み合わせる構成をとるアンテナシステムが開示されている。各レンズセットにおいて、給電素子毎にビームが異なり、アンテナシステムは、どの給電素子に給電するかにより粗いビーム制御を行う。また、アンテナシステムは、複数のレンズセットの給電素子に給電する信号を各々制御することにより、精密なビーム制御を行う。
特許文献３には、静止衛星に搭載されるパラボラアンテナに関して、降雨減衰時等において特定地域の放射利得を変更するための設計及び製造フローが示されている。パラボラアンテナと組み合わせるアレイ給電部の励振振幅や位相の変更で特定地域の放射利得変更が可能なように、パラボラアンテナ及びアレイ給電部を設計して製造を行う。製造後運用時に、降雨減衰時等において特定地域の放射利得を変更する際に、指示される各アレイ素子に対する励振振幅値及び／又は励振位相値に基づき、特定地域の放射利得を変更する。
特開２０１７－２２８８５６号公報 特開２０１９－２２０９９５号公報 特開２０１４－１４３５２５号公報
鈴木他，"高高度プラットフォーム（HAPS）による5G網と連携した38ＧＨｚ帯の無線通信システム開発－5G網の高速大容量バックホール回線に係る検討－"，2021年電子情報通信学会総合大会，B-3-1（2021年3月） 辻他，"高高度プラットフォーム（HAPS）による5G網と連携した38GHz帯の無線通信システム開発－HAPS向け38GHz帯地上局アンテナシステムの検討－",2021年電子情報通信学会総合大会，B-3-4（2021年3月）
しかしながら、前述の従来技術では、これらの組み合わせにおいて、アンテナ装置（レンズアンテナ又はパラボラアンテナ及びアレイ給電部）の設計自由度を向上させる波面の生成方法について示されていないという点で、改善の余地がある。
本開示の非限定的な実施例は、レンズアンテナ又はパラボラアンテナとアレイ給電部又はアレイ受信部との組み合わせにおいて、アレイ給電部が生成する波面又はアレイ受信部が合成する波面の設計自由度を向上させることができるアンテナ装置及びビームフォーミング方法の提供に資する。
本開示の一実施例に係るアンテナ装置は、電磁波を放射する複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部と、前記電磁波を屈折させるレンズと、を備え、前記アレイ給電部は、前記電磁波が前記レンズによって屈折された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する。
本開示の一実施例に係るアンテナ装置は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部と、到来した電磁波を屈折させて前記アレイ受信部に照射するレンズと、を備え、前記アレイ受信部は、前記レンズによって屈折される前の前記電磁波が所定の方向からの平面波として前記レンズに入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、前記レンズによって屈折された後の前記電磁波の波面を合成する。
本開示の一実施例に係るアンテナ装置は、電磁波を放射する複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部と、前記電磁波を反射させる反射鏡と、を備え、前記アレイ給電部は、前記電磁波が前記反射鏡によって反射された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する。
本開示の一実施例に係るアンテナ装置は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部と、到来した電磁波を反射させて前記アレイ受信部に照射する反射鏡と、を備え、前記アレイ受信部は、前記反射鏡によって反射される前の前記電磁波が所定の方向からの平面波として前記反射鏡に入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、前記反射鏡によって反射された後の前記電磁波の波面を合成する。
本開示の一実施例に係るビームフォーミング方法は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部とレンズとを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、前記複数のアンテナ素子が、電磁波を放射し、前記アレイ給電部が、前記電磁波が前記レンズによって屈折された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する。
本開示の一実施例に係るビームフォーミング方法は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部とレンズとを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、前記アレイ受信部が、前記レンズによって屈折される前の到来した電磁波が所定の方向からの平面波として前記レンズに入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、前記アレイ受信部が、前記レンズによって屈折された後の前記電磁波の波面を合成する。
本開示の一実施例に係るビームフォーミング方法は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部と反射鏡とを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、前記複数のアンテナ素子が、電磁波を放射し、前記アレイ給電部が、前記電磁波が前記反射鏡によって反射された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する。
本開示の一実施例に係るビームフォーミング方法は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部と反射鏡とを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、前記アレイ受信部が、前記反射鏡によって反射される前の到来した電磁波が所定の方向からの平面波として前記反射鏡に入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、前記アレイ受信部が、前記反射鏡によって反射された後の前記電磁波の波面を合成する。
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータープログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータープログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示の一実施例によれば、アレイ給電部は、電磁波がレンズによって屈折された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で複数のアンテナ素子を励振する。これにより、放射される電力がレンズ内に収まるようにビーム整形（ビーム形成と称されてもよい）を行い、開口効率の向上及びレンズ外への放射の抑圧が可能となり、レンズとアレイ給電部との組み合わせにおいて、アレイ給電部が生成する波面の設計自由度を向上させることができる。
本開示の一実施例における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および／または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
本開示の実施の形態１におけるアンテナ装置の基本構成及び基本動作の一例を示す図 実施の形態１におけるアレイ給電部のビームシフト方法の一例を示す図 実施の形態１における理想的なレンズの集光特性を仮定した場合のアンテナ装置の基本動作の詳細の一例を示す図 実施の形態１におけるアレイ給電部の励振振幅の一例を説明するための図 実施の形態１におけるアレイ給電部がビームシフトを行うための波面整形の一例を説明するための図 実施の形態１における２次元平面アレイによる波面整形の開口効率に対する効果の一例を示す図 実施の形態１における２次元平面アレイによる波面整形のＦ／Ｄ比（焦点距離／直径）の自由度向上に対する効果の一例を示す図 実施の形態１におけるアレイ給電部の構成の一例を示す図 実施の形態１における受信機能についてのアレイ受信部の構成の一例を示す図 本開示の実施の形態２におけるアレイ給電部の配置をレンズの焦点面からずらした場合の効果の一例を示す図 本開示の実施の形態２におけるアレイ給電部の配置をレンズの焦点面からずらした場合の効果の一例を示す図 本開示の実施の形態３におけるアンテナ装置の基本構成及び基本動作の一例を示す図
以下、図面を適宜参照して、本開示の実施の形態について、詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１におけるアンテナ装置１００の基本構成及び基本動作の一例を示す図である。アンテナ装置１００は、レンズ１１０と、アレイ給電部１１１と、を備える。
レンズ１１０は、アレイ給電部１１１によって放射された電磁波を屈折させる。
アレイ給電部１１１は、電磁波を放射する２次元に配列されたアンテナ素子を含み、送信ビームを生成して（レンズ１１０に向けて）放射する。
図１に示すように、アレイ給電部１１１の基本動作は、例えば、レンズ１１０の仮想的な放射位置から放射される波面を生成し、放射される電力がレンズ１１０内に収まるようにビーム整形を行うことである。
図２は、実施の形態１におけるアンテナ装置１００におけるアレイ給電部１１１のビームシフト方法を示す図である。
アレイ給電部１１１は、アレイ給電部１１１が備える制御部（例えば、後述する制御部１２９）が、アンテナ素子の励振位相を制御することによって、図２に示すように放射位置を仮想的にシフトした波面を生成し、放射される電力がレンズ１１０内に収まるようにビーム整形を行い、これにより、ビームシフトを実現する。
以降、アンテナ装置１００の動作原理を説明するために、まず理想的なレンズの集光特性を仮定して、アレイ給電部１１１の励振振幅について説明する。次いで、一般的なレンズ特性について説明する。ここで、理想的な集光特性とは、焦点から放射された球面波がレンズを通過することで平面波に変換される位相変換特性を指す。また、レンズは、厚みがない円形の平面とし、レンズの通過損失はないものとする。
図３は、アンテナ装置１００において理想的なレンズの集光特性を仮定した場合のアンテナ装置１００の基本動作の詳細の一例を示す図である。
図３において、理想的な集光特性を有するレンズは、レンズ１１０ａとして示されている。図３に示すように、直交座標系においてレンズ１１０ａの焦点を原点とし、レンズ１１０ａの主軸をｚ軸とし、レンズ面をｘ－ｙ平面に対して平行に配置する。レンズの直径をＤとし、焦点距離をＦとすると、レンズ面の座標（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）は、式（１）のように表される。
Figure 2023094271000002
レンズ１１０ａは、焦点から放射された球面波ｓ（ｘ，ｙ，ｚ）を屈折させてｚ軸方向に進行する平面波ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）に変換する。球面波ｓ（ｘ，ｙ，ｚ）及び平面波ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は各々、式（２）及び式（３）のように表される。
Figure 2023094271000003
Figure 2023094271000004
 ここで、kは波数であり、ψは位相遅れである。
レンズ面（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）におけるレンズの変換特性ｆ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）は、式（４）のように表される。
Figure 2023094271000005
 ここでは位相遅れを考慮する必要がないため、式（５）に示すように式（４）に含まれる位相遅れの項を０として省略してもよい。
Figure 2023094271000006
図４は、アンテナ装置１００におけるアレイ給電部１１１の励振振幅を説明するための図である。
アレイ給電部１１１として、例えば、上述したように、アンテナ素子を２次元に等間隔に配置した平面アレイアンテナが用いられてよい。１つのアンテナ素子から放射される電磁波の電界Ｅ（ｒ，θ，φ）は、球面座標を用いて式（６）のように表される。
Figure 2023094271000007
 ここで、Ｅ０は、複素励振振幅であり、ｇｅ（θ，φ）は、アンテナ素子の放射指向特性であり、ｇ（ｒ，θ，φ）は、距離による減衰と位相遅延とを含む、アンテナ素子の放射指向特性である。また、ｒは、放射半径であり、θは、ｚ軸からの天頂角であり、φは、ｘ－ｙ平面上のｘ軸を基準とする方位角である。放射半径r、天頂角θ及び方位角φは各々、式（７）、式（８）及び（９）として直交座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表される。また、式（６）の電界を直交座標系でＥ（ｘ，ｙ，ｚ）と表す。
Figure 2023094271000008
Figure 2023094271000009
Figure 2023094271000010
位置（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）におけるアンテナ素子の複素励振振幅をＥ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）とする。アレイ給電部１１１から放射される電磁波の位置（ｘ，ｙ，ｚ）における電界Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）は、全アンテナ素子から放射された電磁波の電界の和として、式（１０）のように表される。
Figure 2023094271000011
 式（１０）の畳み込み演算は、フーリエ領域の積として演算することが可能であり、式（１０）は、式（１１）のように変換可能である。
Figure 2023094271000012
 ここで、Ｆ［］はフーリエ変換である。
アレイ給電によって所望の電界分布Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）を得たい場合、アレイ給電部１１１は、式（１２）に従って各アンテナ素子のＥ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）を求めて（別言すれば、決定して又は算出して）、求められたＥ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）で各アンテナ素子を励振すればよい。
Figure 2023094271000013
 ここで、Ｆ－１［］は逆フーリエ変換である。但し、Ｆ［ｇ（ｘ，ｙ，ｚ）］が小さい値を持つ場合には除算は好ましくないため、近似的に式（１３）に従って各アンテナ素子の複素励振振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）を求めてもよい。
Figure 2023094271000014
 ここで、（）＊は複素共役演算である。
なお、上記で説明した演算は、アレイ給電部１１１が備える制御部（例えば、後述する制御部１２９）によって行われてもよいし、別の機能部によって行われてもよい。
図５は、アンテナ装置１００においてアレイ給電部１１１がビームシフトを行うための波面整形を説明するための図である。
図５に示すように、レンズ１１０ａから放射される平面波（ビーム）を（θ，φ）方向にビームフォーミングする場合を考える。ビーム方向の単位ベクトルを式（１４）のように表すと、式（１５）で示される座標ベクトルを用いて、（θ，φ）方向に進行する平面波は、式（１６）又は式（１７）のように表すことができる。
Figure 2023094271000015
Figure 2023094271000016
Figure 2023094271000017
Figure 2023094271000018
 ここで、「・」はベクトルの内積である。
レンズ面（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）において、（θ，φ）方向に進行する平面波ｐθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）を放射するためには、レンズに対して式（１８）のように表される波面ｓθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）を入射すればよい。
Figure 2023094271000019
入射波面ｓθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）を得るためには、アレイ給電部１１１は、式（１９）で得られる複素励振振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）で各アンテナ素子を励振すればよい。但し、式（１９）で得られる励振振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）は、アンテナ素子間の相対的な値であるため、全アンテナ素子の送信電力の総和が所定の送信電力になるように各アンテナ素子の送信電力を正規化することが望ましい。
Figure 2023094271000020
上記は、理想的なレンズ１１０ａの集光特性を仮定した場合のアンテナ装置１００の基本動作の詳細の一例である。収差や厚みがある一般的なレンズ１１０の場合は、レンズの変換特性ｆ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）を予め計算又は測定しておくか、レンズ１１０の入射面付近の入射平面（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）での所望の波面特性ｓθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）を予め計算又は測定しておく等の手順によって、対応する複素励振振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）を求めることができる。
図６は、２次元平面アレイ（アレイ給電部１１１）における波面整形の開口効率に対する効果の一例を示す図である。この例では、レンズの直径Ｄを６００ｍｍとし、焦点距離Ｆを７５０ｍｍとしている。
図６（ａ）は、３２ｘ３２素子の２次元平面アレイに対して上記の波面整形を行った場合を示しており、図６（ｂ）は、４ｘ４素子の平面アレイに対して上記の波面整形を行わず等位相かつ等振幅で励振した場合を示している。
図６の左側は各々、複素励振振幅の実数部の振幅値を表している。図６の右側は各々、放射特性を表しており、±２０°付近の破線は、レンズ径の両端の位置を表している。上記の波面整形を行うことにより、レンズ径内の利得が高く、平坦であるため開口効率が向上し、アンテナ利得が向上することが分かる。また、上記の波面整形を行うことにより、レンズ外への不要な放射が抑圧されるが分かる。
以上により、レンズ１１０とアレイ給電部１１１との組み合わせにおいて、アレイ給電部１１１の複数のアンテナ素子を励振する複素励振振幅を適切に制御することで、レンズの変換特性に応じて所望のビーム形状を得ることができ、ビームフォーミングによる追尾が可能となる。さらに、アンテナ利得を向上させ、不要な放射を抑圧することができる。
図７は、２次元平面アレイ（アレイ給電部１１１）における波面整形のＦ／Ｄ比（焦点距離／直径）の自由度向上に対する効果の一例を示す図である。
図示するように、波面整形を行わず等位相かつ等振幅で励振した場合には、大きな利得が得られるＦ／Ｄ比の範囲が狭く、その範囲は、アンテナ素子数により異なる。一方、波面整形を行った場合には、大きな利得が得られる範囲が広く、Ｆ／Ｄ比が小さい領域（すなわちアンテナ装置１００の小型化が可能）で高い利得を維持することが可能であり、特にアンテナ素子数が多い場合（３２ｘ３２素子の場合）は、Ｆ／Ｄ比が大きい領域においても高い利得を維持することが可能である。以上より、波面整形によりＦ／Ｄ比の自由度向上が可能であることが分かる。
図８は、アレイ給電部１１１の構成の一例を示す図である。アレイ給電部１１１は、Ｎ個の複素振幅乗算部１２０－１～１２０－Ｎと、Ｎ個の高周波変換部１２１－１～１２１－Ｎと、Ｎ個のアンテナ素子１２５－１～１２５－Ｎと、制御部１２９と、を備える。複素振幅乗算部１２０－１～１２０－Ｎは各々、複素振幅励振部１２０－１～１２０－Ｎと称されてもよい。
Ｎ個の複素振幅乗算部１２０－１～１２０－Ｎは各々、レンズ面（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）において、（θ，φ）方向に進行する平面波ｐθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）を放射するように、送信ベースバンド信号に複素励振振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）を乗算して（すなわち、複素励振振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）で送信ベースバンド信号を励振して）Ｎ個の高周波変換部１２１－１～１２１－Ｎに出力する。
Ｎ個の高周波変換部１２１－１～１２１－Ｎは各々、Ｎ個の複素振幅乗算部１２０－１～１２０－Ｎから入力された励振された送信ベースバンド信号を、送信する高周波信号に変換してＮ個のアンテナ素子１２５－１～１２５－Ｎに出力する。
制御部１２９は、アレイ給電部１１１の処理全般を制御する。例えば、制御部１２９は、上述した処理を実行するように、Ｎ個の複素振幅乗算部１２０－１～１２０－Ｎ、Ｎ個の高周波変換部１２１－１～１２１－Ｎ及びＮ個のアンテナ素子１２５－１～１２５－Ｎを制御する。例えば、制御部１２９は、記憶部（例えばメモリ；図示せず）に記憶されたプログラムを実行することによって、上述した処理を実行するように、Ｎ個の複素振幅乗算部１２０－１～１２０－Ｎ、Ｎ個の高周波変換部１２１－１～１２１－Ｎ及びＮ個のアンテナ素子１２５－１～１２５－Ｎを制御してもよい。別言すれば、このようなプログラムは、本開示に係るビームフォーミング方法を実行するように、制御部１２９に、Ｎ個のアンテナ素子１３５－１～１３５－Ｎを備えるアレイ給電部１１１を制御させてもよい。また、制御部１２９は、上述したように、各アンテナ素子の複素励振振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）を算出してもよい。
このようにして、アレイ給電部１１１は、レンズ１１０で屈折された後の電磁波の放射特性が所望のビーム形状になるようにレンズ１１０へ入射する電磁波の波面を制御する。具体的には、アレイ給電部１１１は、電磁波がレンズ１１０によって屈折された後に平面波ｐθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）として所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）でＮ個のアンテナ素子１２５－１～１２５－Ｎを励振する。
以上の構成により、レンズ１１０とアレイ給電部１１１との組み合わせにおいて、アレイ給電部１１１が生成する波面の設計自由度を向上させることを可能にするアンテナ装置１００を提供することができる。
上記は、アンテナ装置１００の送信機能に関する説明であるが、同じ原理でアンテナ装置１００の受信機能も実現できる。そのために、アンテナ装置１００は、アレイ受信部１１２をさらに備えてよい。
レンズ１１０は、到来した電磁波を屈折させてアレイ受信部１１２に照射する。
アレイ受信部１１２は、アレイ給電部１１１と対応するように、レンズ１１０によって屈折された到来した電磁波を受ける２次元に配列されたアンテナ素子を含む。
図９は、アレイ受信部１１２の構成の一例を示す図である。アレイ受信部１１２は、アレイ給電部１１１と対応するように、Ｎ個のアンテナ素子１３５－１～１３５－Ｎと、Ｎ個の高周波変換部１３１－１～１３１－Ｎと、Ｎ個の複素振幅乗算部１３０－１～１３０－Ｎと、加算部１３２と、制御部１３９と、を備える。
Ｎ個のアンテナ素子１３５－１～１３５－Ｎは各々、電磁波（高周波信号）を受信してＮ個の高周波変換部１３１－１～１３１－Ｎに出力する。
Ｎ個の高周波変換部１３１－１～１３１－Ｎは各々、Ｎ個のアンテナ素子１３５－１～１３５－Ｎから入力された高周波信号をベースバンド信号に変換してＮ個の複素振幅乗算部１３０－１～Ｎに出力する。
Ｎ個の複素振幅乗算部１３０－１～Ｎは各々、レンズ面（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）において、（θ，φ）方向から到来した平面波ｐθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）が入射するように、ベースバンド信号に対して複素振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）を乗算して（すなわち、送信機能における複素励振振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）をベースバンド信号に乗算して）加算部１３２に出力する。
加算部１３２は、Ｎ個の複素振幅乗算部１３０－１～Ｎから入力された乗算されたＮ個のベースバンド信号を加算し（すなわち、レンズ１１０によって屈折された後の電磁波の波面を合成し）、これにより、アンテナ素子１３５－１～１３５－Ｎでの所望の波面特性ｓθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）を実現する。
制御部１３９は、アレイ受信部１１２の処理全般を制御する。例えば、制御部１３９は、上述した処理を実行するように、Ｎ個のアンテナ素子１３５－１～１３５－Ｎ、Ｎ個の高周波変換部１３１－１～１３１－Ｎ、Ｎ個の複素振幅乗算部１３０－１～１３０－Ｎ及び加算部１３２を制御する。例えば、制御部１３９は、アンテナ装置１００の記憶部（例えばメモリ；図示せず）に記憶されているプログラムを実行することによって、上述した処理を実行するように、Ｎ個のアンテナ素子１３５－１～１３５－Ｎ、Ｎ個の高周波変換部１３１－１～１３１－Ｎ、Ｎ個の複素振幅乗算部１３０－１～１３０－Ｎ及び加算部１３２を制御してもよい。別言すれば、このようなプログラムは、本開示に係るビームフォーミング方法を実行するように、制御部１３９に、Ｎ個のアンテナ素子１３５－１～１３５－Ｎを備えるアレイ受信部１１２を制御させてもよい。また、制御部１３９は、上述したように、各アンテナ素子の複素（励振）振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）を算出してもよい。
このようにして、アレイ受信部１１２は、レンズ１１０で屈折される前の電磁波の受信特性が所望のビーム形状になるようにレンズ１１０から照射された電磁波の波面を合成する。具体的には、アレイ受信部１１２は、レンズ１１０によって屈折される前の電磁波が所定の方向からの平面波ｐθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）としてレンズ１１０に入射させられるように、複素振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）でＮ個のアンテナ素子１３５－１～１３５－Ｎを介して受信したベースバンド信号を重みづけし（別言すれば、レンズ１１０によって屈折される前の電磁波が所定の方向からの平面波ｐθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）としてレンズ１１０に入射させられる複素振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）でＮ個のアンテナ素子１３５－１～１３５－Ｎを重みづけし）、レンズ１１０によって屈折された後の電磁波の波面を合成する。
以上の構成により、レンズ１１０とアレイ受信部１１２との組み合わせにおいて、アレイ受信部１１２が合成する波面の設計自由度を向上させることを可能にするアンテナ装置１００を提供することができる。
（実施の形態２）
図１０Ａ及び図１０Ｂは、２次元平面アレイにおいてアレイ給電部１１１の配置をレンズ１１０の焦点面からずらした場合の効果の一例を示す図である。この例では、レンズ１１０の直径Ｄを６００ｍｍとし、焦点距離Ｆを３００ｍｍとしている。
図１０Ａ（ａ）は、送信電力の総和に対する素子当たりの最大電力を示しており、図１０Ａ（ｂ）は、利得を示している。本実施の形態では波面整形を行った場合のみが図示されている。図１０Ａ（ａ）及び図１０Ａ（ｂ）の横軸は、アレイ給電部１１１が配置される位置を示している。横軸の０は、アレイ給電部１１１の配置がレンズ１１０の焦点面である場合を示しており、右方向（正の方向）は、レンズ１１０の焦点面からレンズ１１０に対して近付く場合を示しており、左方向（負の方向）は、レンズ１１０の焦点面からレンズ１１０に対して遠ざかる場合を示している。
図１０Ａ（ａ）に示す通り、アンテナ素子数が４ｘ４から３２ｘ３２の全てで、アレイ給電部１１１の配置をレンズ１１０の焦点面からずらすにしたがって、素子当たりの最大電力を減少させることが可能であることが分かる。
図１０Ｂ（ａ）及び図１０Ｂ（ｂ）は各々、図１０Ａ（ａ）の横軸（オフセット値）が０ｍｍにおけるアレイ給電の振幅及び図１０Ａ（ａ）の横軸（オフセット値）が３０ｍｍにおけるアレイ給電の振幅を示している。図１０Ｂに示す通り、アレイ給電部１１１の配置をレンズ１１０の焦点面からずらすことにより一部の素子に電力が集中することを回避する様子が分かる。
一方、図１０Ａ（ｂ）に示す通り、利得を維持可能なオフセットの範囲は、アンテナ素子数によって異なるが、アンテナ素子数が多くなるにしたがってその範囲が拡大することが分かる。
以上より、アレイ給電部１１１の配置をレンズ１１０の焦点面からずらした場合、実施の形態１と同様の処理を用いて、レンズ１１０とアレイ給電部１１１との組み合わせにおいて、利得を維持しながら一部の素子に電力が集中することを回避することを可能にするアンテナ装置１００を提供することができる。
また、アレイ受信部１１２の配置をレンズ１１０の焦点面からずらした場合も、実施の形態１と同様の処理を用いて、レンズ１１０とアレイ受信部１１２との組み合わせにおいて、利得を維持しながら一部の素子に電力が集中することを回避することを可能にするアンテナ装置１００を提供することができる。
（実施の形態３）
図１１は、本開示の実施の形態３におけるアンテナ装置３００の基本構成及び基本動作の一例を示す図である。アンテナ装置３００は、実施の形態１におけるアンテナ装置１００と同様の構成を有するため、同じ構成については説明を省略する。アンテナ装置３００は、パラボラアンテナとして構成され、パラボラ反射鏡３１０と、アレイ給電部１１１と、を備える。
パラボラ反射鏡３１０は、アレイ給電部１１１によって放射された電磁波を反射させる。
本実施の形態におけるアレイ給電部１１１は、実施の形態１におけるアレイ給電部１１１と同じである。但し、アレイ給電部１１１は、電磁波を放射する２次元に配列されたアンテナ素子を含み、送信ビームを生成して（レンズ１１０の代わりにパラボラ反射鏡３１０に向けて）放射する。
パラボラ反射鏡３１０は、反射による変換特性ｆ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）を有し、アレイ給電部１１１が生成する波面ｓ（ｘ，ｙ，ｚ）を、ｚ軸方向に進行する平面波ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）に変換する。
実施の形態１と同様にして、本実施の形態でも、アレイ給電部１１１は、パラボラ反射鏡３１０で反射された後の電磁波の放射特性が所望のビーム形状になるようにパラボラ反射鏡３１０へ入射する電磁波の波面を制御する。具体的には、アレイ給電部１１１は、電磁波がパラボラ反射鏡３１０によって反射された後に所定の方向（例えば、ｚ軸に平行な方向等）への平面波ｐθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）として進行させられる複素励振振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）でＮ個のアンテナ素子１２５－１～１２５－Ｎを励振する。
また、アンテナ装置３００は、アレイ受信部１１２をさらに備えてよい。
パラボラ反射鏡３１０は、到来した電磁波を反射させてアレイ受信部１１２に照射する。
本実施の形態におけるアレイ受信部１１２は、実施の形態１におけるアレイ受信部１１２と同じである。但し、アレイ受信部１１２は、レンズ１１０の代わりに、パラボラ反射鏡３１０によって反射された到来した電磁波を受ける２次元に配列されたアンテナ素子を含む。
実施の形態１と同様にして、本実施の形態でも、アレイ受信部１１２は、パラボラ反射鏡３１０で反射される前の電磁波の受信特性が所望のビーム形状になるようにパラボラ反射鏡３１０から照射された電磁波の波面を合成する。具体的には、アレイ受信部１１２は、パラボラ反射鏡３１０によって反射される前の電磁波が所定の方向からの平面波ｐθ，φ（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）としてパラボラ反射鏡３１０に入射させられる複素振幅Ｅ０（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）でＮ個のアンテナ素子１３５－１～１３５－Ｎを重みづけし、パラボラ反射鏡３１０によって反射された後の電磁波の波面を合成する。
よって、図１１に示すアンテナ装置３００の構成により、実施の形態１と同様にして、パラボラ反射鏡３１０とアレイ給電部１１１との組み合わせにおいて、アレイ給電部１１１が生成する波面の設計自由度を向上させることを可能にするアンテナ装置３００を提供することができる。また、実施の形態１と同様にして、パラボラ反射鏡３１０とアレイ受信部１１２との組み合わせにおいて、アレイ受信部１１２が合成する波面の設計自由度を向上させることを可能にするアンテナ装置３００を提供することができる。また、実施の形態２と同様にして、パラボラ反射鏡３１０とアレイ給電部１１１との組み合わせにおいて、利得を維持しながら一部の素子に電力が集中することを回避することを可能にするアンテナ装置３００を提供することができる。また、実施の形態２と同様にして、パラボラ反射鏡３１０とアレイ受信部１１２との組み合わせにおいて、利得を維持しながら一部の素子に電力が集中することを回避することを可能にするアンテナ装置３００を提供することができる。
（１）実施の形態１～３において、図８に示す通り、フルデジタルビームフォーミングの構成としたが、本開示はこれに限られず、ハイブリッドビームフォーミングやフルデジタルビームフォーミングの構成でもよい。これらの場合でも、上記の効果と同様の効果を得ることができる。
（２）実施の形態１～３において、アレイ給電部１１１が制御部１２９を備え、アレイ受信部１１２が制御部１３９を備える例について説明したが、本開示はこの例に限られない。例えば、アレイ給電部１１１が制御部１２９を備え、アレイ受信部１１２が制御部１３９を備える代わりに、アンテナ装置１００及び３００は、アレイ給電部１１１及びアレイ受信部１１２の外部に制御部１２９及び制御部１３９を備えてもよい。この場合、制御部１２９及び制御部１３９は、統合された制御部であってもよい。これらの制御部は、一例として、プロセッサであってもよい。
（３）実施の形態１～３において、各構成要素に用いる「・・・部」という表記は、「・・・回路（circuitry）」、「・・・アッセンブリ」、「・・・デバイス」、「・・・ユニット」、又は、「・・・モジュール」といった他の表記に置換されてもよい。
（４）本開示は、ハードウェアとソフトウェアを使った実装に関するものであってもよい。上記の実施の形態はコンピューティングデバイス（プロセッサ）を使って実装又は実行されてもよい。コンピューティングデバイスまたはプロセッサは、例えば、メインプロセッサ／汎用プロセッサ（general purpose processor）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（field programmable gate array）、他のプロラマブル論理デバイスなどであってよい。上記の実施の形態は、これらのデバイスの結合によって実行され、あるいは、実現されてもよい。
（５）実施の形態１～３は、プロセッサによって、または、直接ハードウェアによって実行される、ソフトウェアモジュールの仕組みによって実現されてもよい。また、ソフトウェアモジュールとハードウェア実装の組み合わせも可能である。ソフトウェアモジュールは、様々な種類のコンピュータ読み取り可能なストレージメディア、例えば、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、レジスタ、ハードディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤなど、に保存されてもよい。
（実施の形態のまとめ）
本開示の一実施例に係るアンテナ装置は、電磁波を放射する複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部と、前記電磁波を屈折させるレンズと、を備え、前記アレイ給電部は、前記電磁波が前記レンズによって屈折された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する。
本開示の一実施例に係るビームフォーミング方法は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部とレンズとを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、前記複数のアンテナ素子が、電磁波を放射し、前記アレイ給電部が、前記電磁波が前記レンズによって屈折された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する。
上記の構成により、アレイ給電部は、電磁波がレンズによって屈折された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で複数のアンテナ素子を励振する。これにより、放射される電力がレンズ内に収まるようにビーム整形を行い、開口効率の向上及びレンズ外への放射の抑圧が可能となり、レンズとアレイ給電部との組み合わせにおいて、アレイ給電部が生成する波面の設計自由度を向上させることができる。
本開示の一実施例に係るアンテナ装置は、電磁波を放射する複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部と、前記電磁波を反射させる反射鏡と、を備え、前記アレイ給電部は、前記電磁波が前記反射鏡によって反射された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する。
本開示の一実施例に係るビームフォーミング方法は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部と反射鏡とを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、前記複数のアンテナ素子が、電磁波を放射し、前記アレイ給電部が、前記電磁波が前記反射鏡によって反射された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する。
上記の構成により、アレイ給電部は、電磁波が反射鏡によって反射された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で複数のアンテナ素子を励振する。これにより、放射される電力が反射鏡内に収まるようにビーム整形を行い、開口効率の向上及び反射鏡外への放射の抑圧が可能となり、反射鏡とアレイ給電部との組み合わせにおいて、アレイ給電部が生成する波面の設計自由度を向上させることができる。
本開示の一実施例に係るアンテナ装置は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部と、到来した電磁波を屈折させて前記アレイ受信部に照射するレンズと、を備え、前記アレイ受信部は、前記レンズによって屈折される前の前記電磁波が所定の方向からの平面波として前記レンズに入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、前記レンズによって屈折された後の前記電磁波の波面を合成する。
本開示の一実施例に係るビームフォーミング方法は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部とレンズとを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、前記アレイ受信部が、前記レンズによって屈折される前の到来した電磁波が所定の方向からの平面波として前記レンズに入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、前記アレイ受信部が、前記レンズによって屈折された後の前記電磁波の波面を合成する。
上記の構成により、アレイ受信部は、電磁波がレンズによって屈折される前の到来した電磁波が所定の方向からの平面波としてレンズに入射させられる複素振幅で複数のアンテナ素子を重みづけし、レンズによって屈折された後の電磁波の波面を合成する。これにより、入射される電力がレンズ内に収まるようにビーム整形を行い、開口効率の向上及びレンズ外からの入射の抑圧が可能となり、レンズとアレイ受信部との組み合わせにおいて、アレイ受信部が合成する波面の設計自由度を向上させることができる。
本開示の一実施例に係るアンテナ装置は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部と、到来した電磁波を反射させて前記アレイ受信部に照射する反射鏡と、を備え、前記アレイ受信部は、前記反射鏡によって反射される前の前記電磁波が所定の方向からの平面波として前記反射鏡に入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、前記反射鏡によって反射された後の前記電磁波の波面を合成する。
本開示の一実施例に係るビームフォーミング方法は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部と反射鏡とを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、前記アレイ受信部が、前記反射鏡によって反射される前の到来した電磁波が所定の方向からの平面波として前記反射鏡に入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、前記アレイ受信部が、前記反射鏡によって反射された後の前記電磁波の波面を合成する。
上記の構成により、アレイ受信部は、電磁波が反射鏡によって反射される前の到来した電磁波が所定の方向からの平面波として反射鏡に入射させられる複素振幅で複数のアンテナ素子を重みづけし、反射鏡によって反射された後の電磁波の波面を合成する。これにより、入射される電力が反射鏡内に収まるようにビーム整形を行い、開口効率の向上及び反射鏡外からの入射の抑圧が可能となり、反射鏡とアレイ受信部との組み合わせにおいて、アレイ受信部が合成する波面の設計自由度を向上させることができる。
本開示は、ＨＡＰＳに限らず、無線伝送におけるビームフォーミング技術に適用することができる。
１００、３００ アンテナ装置
１１０ レンズ
１１１ アレイ給電部
１１２ アレイ受信部
１２０、１３０ 複素振幅乗算部
１２１、１３１ 高周波変換部
１２５、１３５ アンテナ素子
１２９、１３９ 制御部
１３２ 加算部
３１０ パラボラ反射鏡

Claims (12)

  1. 電磁波を放射する複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部と、
    前記電磁波を屈折させるレンズと、
    を備え、
    前記アレイ給電部は、前記電磁波が前記レンズによって屈折された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する、
    アンテナ装置。
  2. 予め計算又は測定された前記レンズの変換特性又は入射面での所定の波面特性に基づいて、前記複素励振振幅を算出する制御部
    をさらに備え、
    前記制御部は、前記複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振するように前記アレイ給電部を制御する、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 前記アレイ給電部は、前記レンズの焦点面からずれた位置に配置されている、
    請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
  4. 複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部と、
    到来した電磁波を屈折させて前記アレイ受信部に照射するレンズと、
    を備え、
    前記アレイ受信部は、前記レンズによって屈折される前の前記電磁波が所定の方向からの平面波として前記レンズに入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、前記レンズによって屈折された後の前記電磁波の波面を合成する、
    アンテナ装置。
  5. 電磁波を放射する複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部と、
    前記電磁波を反射させる反射鏡と、
    を備え、
    前記アレイ給電部は、前記電磁波が前記反射鏡によって反射された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する、
    アンテナ装置。
  6. 複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部と、
    到来した電磁波を反射させて前記アレイ受信部に照射する反射鏡と、
    を備え、
    前記アレイ受信部は、前記反射鏡によって反射される前の前記電磁波が所定の方向からの平面波として前記反射鏡に入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、前記反射鏡によって反射された後の前記電磁波の波面を合成する、
    アンテナ装置。
  7. 複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部とレンズとを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、
    前記複数のアンテナ素子が、電磁波を放射し、
    前記アレイ給電部が、前記電磁波が前記レンズによって屈折された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する、
    ビームフォーミング方法。
  8. 複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部とレンズとを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、
    前記アレイ受信部が、前記レンズによって屈折される前の到来した電磁波が所定の方向からの平面波として前記レンズに入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、
    前記アレイ受信部が、前記レンズによって屈折された後の前記電磁波の波面を合成する、
    ビームフォーミング方法。
  9. 複数のアンテナ素子が配列されたアレイ給電部と反射鏡とを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、
    前記複数のアンテナ素子が、電磁波を放射し、
    前記アレイ給電部が、前記電磁波が前記反射鏡によって反射された後に所定の方向への平面波として進行させられる複素励振振幅で前記複数のアンテナ素子を励振する、
    ビームフォーミング方法。
  10. 複数のアンテナ素子が配列されたアレイ受信部と反射鏡とを備えるアンテナ装置によるビームフォーミング方法であって、
    前記アレイ受信部が、前記反射鏡によって反射される前の到来した電磁波が所定の方向からの平面波として前記反射鏡に入射させられる複素振幅で前記複数のアンテナ素子を重みづけし、
    前記アレイ受信部が、前記反射鏡によって反射された後の前記電磁波の波面を合成する、
    ビームフォーミング方法。
  11. 請求項７又は９に記載のビームフォーミング方法を実行するように前記アンテナ装置が備える制御部に前記複数のアンテナ素子及び前記アレイ給電部を制御させるためのプログラム。
  12. 請求項８又は１０に記載のビームフォーミング方法を実行するように前記アンテナ装置が備える制御部に前記アレイ受信部を制御させるためのプログラム。
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