JP3869799B2 - Array antenna control method and control apparatus - Google Patents

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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナの指向特性を変化させることができるアレーアンテナの制御方法及び制御装置に関し、例えば、電子制御導波器アレーアンテナ装置（Electronically Steerable Passive Array Radiator (ESPAR) Antenna；以下、エスパアンテナという。）などのアレーアンテナの制御方法及び制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術のエスパアンテナは、例えば、特許文献１や非特許文献１において提案されている。このエスパアンテナは、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。
【０００３】
このエスパアンテナにおいては、可変リアクタンス素子として安価な可変容量ダイオードを使用でき、また１つの給電系で構成できるため、小型、軽量、低コストのアダプティブアンテナが実現可能であり、端末用のアダプティブアンテナとして期待される。また、可変容量ダイオードを逆バイアスで用いるので低消費電力であり、空間ビームを形成するため、回路の損失がなく高ダイナミックレンジが得られる。
【０００４】
また、このエスパアンテナの動作解析や定式化、制御方法について、非特許文献２乃至６において開示されている。また、非特許文献７において、アレーアンテナ素子切替によるＯＦＤＭ移動受信機の伝搬路高速時変動補償の方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２４４３１号公報。
【非特許文献１】
大平孝ほか，“アンテナの指向性を電子的に制御する：高周波ハードウェア設計の観点から見たアダプティブアレー”，電子情報通信学会誌，電子情報通信学会発行，Ｖｏｌ．８３，Ｎｏ．１２，ｐｐ．９２０−９２６，２０００年１２月。
【非特許文献２】
大平孝，“エスパアンテナの等価ウェイトベクトルとアレーファクタ表現”，電子情報通信学会技術研究報告，電子情報通信学会発行，ＡＰ２０００−４４，ＳＡＴ２０００−４１，ＭＷ２０００−４４，ｐｐ．７−１２，２０００年７月。
【非特許文献３】
大平孝，“エスパアンテナの等価ウェイトベクトルとその勾配に関する基本的定式化”，電子情報通信学会技術研究報告，電子情報通信学会発行，ＡＰ２００１−１６，ＳＡＴ２００１−３，ｐｐ．１５−２０，２００１年５月。
【非特許文献４】
飯草恭一ほか，“エスパアンテナの素子上電流分布に基づく等価ウェイトベクトルの高精度化”，電子情報通信学会技術研究報告，電子情報通信学会発行，ＡＰ２００２−４４，ｐｐ．２５−３０，２００２年７月。
【非特許文献５】
飯草恭一ほか，“線状アンテナアレー素子上のアドミタンス分布によるベクトル実効長の考察”，電子情報通信学会技術研究報告，電子情報通信学会発行，ＡＰ２００２−１０９，ｐｐ．４５−５２，２００２年１０月。
【非特許文献６】
俵覚ほか，“エスパアンテナの可変リアクタ制御範囲の選定による狭ビーム化の可能性”，電子情報通信学会ソサイエティ大会講演論文集，電子情報通信学会発行，Ｂ−１−１３８，２００２年８月。
【非特許文献７】
高柳英晃ほか，“アレーアンテナ素子切替によるＯＦＤＭ移動受信機の伝搬路高速時変動補償”，電子情報通信学会総合大会講演論文集，電子情報通信学会発行，Ｂ−５−２９１，２００２年３月。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のエスパアンテナはアレーの構造や動作周波数等が固定されていたので、固定された動作環境においてのみ使用可能であった。
【０００７】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、アレーアンテナの構造や動作周波数等の構成要件を電気的に変化させることができるアレーアンテナの制御方法及び制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係るアレーアンテナの制御方法は、複数のアンテナ素子を備えたアレーアンテナの制御方法において、
上記複数のアンテナ素子にそれぞれ複数の可変リアクタンス素子が接続され、上記複数のアンテナ素子のうち、所定のアンテナ素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該アンテナ素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該アンテナ素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該アンテナ素子を電気的に除去することを特徴とする。
【０００９】
上記アレーアンテナの制御方法において、上記複数のアンテナ素子は一直線上に配列されてなり、
上記複数のアンテナ素子のうち、電気的に除去しない１つのアンテナ素子を順次選択的に切り換えて無線機に接続し、電気的に除去しない他のアンテナ素子に接続された可変リアクタンス素子に、当該アンテナ素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を設定することを特徴とする。
【００１０】
第２の発明に係るアレーアンテナの制御方法は、無線信号を送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、
上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の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、上記複数の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の制御方法において、
上記複数の非励振素子のうち、所定の非励振素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該非励振素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該非励振素子を電気的に除去することを特徴とする。
【００１１】
上記アレーアンテナの制御方法において、上記複数の非励振素子は上記励振素子を中心として互いに異なる方向に配置され、所定の方向に位置する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする。
【００１２】
また、上記アレーアンテナの制御方法において、上記複数の非励振素子のうちの少なくとも１つは、上記励振素子から他の非励振素子とは異なる間隔で設けられ、所定の間隔に位置する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする。
【００１３】
さらに、上記アレーアンテナの制御方法において、上記複数の非励振素子のうち少なくとも１つは、他の非励振素子とは異なる素子長を有し、所定の素子長を有する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする。
【００１４】
またさらに、上記アレーアンテナの制御方法において、上記複数の非励振素子のうちの少なくとも１つは、他の非励振素子とは異なる動作周波数を有し、所定の動作周波数を有する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの動作周波数を変化させることを特徴とする。
【００１５】
またさらに、上記アレーアンテナの制御方法において、上記励振素子によって受信された受信信号に基づいて、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けるための可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定することをさらに含むことを特徴とする。
【００１６】
第３の発明に係るアレーアンテナの制御装置は、複数のアンテナ素子を備えたアレーアンテナの制御装置において、
上記複数のアンテナ素子にそれぞれ複数の可変リアクタンス素子が接続され、
上記複数のアンテナ素子のうち、所定のアンテナ素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該アンテナ素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該アンテナ素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該アンテナ素子を電気的に除去する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１７】
上記アレーアンテナの制御装置において、上記複数のアンテナ素子は一直線上に配列されてなり、
上記制御手段は、上記複数のアンテナ素子のうち、電気的に除去しない１つのアンテナ素子を順次選択的に切り換えて無線機に接続し、電気的に除去しない他のアンテナ素子に接続された可変リアクタンス素子に、当該アンテナ素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を設定することを特徴とする。
【００１８】
第４の発明に係るアレーアンテナの制御装置は、無線信号を送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、
上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の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、上記複数の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の制御装置において、
上記複数の非励振素子のうち、所定の非励振素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該非励振素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該非励振素子を電気的に除去する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１９】
上記アレーアンテナの制御装置において、上記複数の非励振素子は上記励振素子を中心として互いに異なる方向に配置され、上記制御手段は、所定の方向に位置する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする。
【００２０】
また、上記アレーアンテナの制御装置において、上記複数の非励振素子のうちの少なくとも１つは、上記励振素子から他の非励振素子とは異なる間隔で設けられ、上記制御手段は、所定の間隔に位置する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする。
【００２１】
さらに、上記アレーアンテナの制御装置において、上記複数の非励振素子のうち少なくとも１つは、他の非励振素子とは異なる素子長を有し、上記制御手段は、所定の素子長を有する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする。
【００２２】
またさらに、上記アレーアンテナの制御装置において、上記複数の非励振素子のうちの少なくとも１つは、他の非励振素子とは異なる動作周波数を有し、上記制御手段は、所定の動作周波数を有する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの動作周波数を変化させることを特徴とする。
【００２３】
またさらに、上記アレーアンテナの制御装置において、上記制御手段は、上記励振素子によって受信された受信信号に基づいて、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けるための可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定することを特徴とする。
【００２４】
【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。
【００２５】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明に係る第１の実施形態の、エスパアンテナ装置１００であるアレーアンテナの制御装置の構成を示すブロック図である。この実施形態のアレーアンテナの制御装置は、図１に示すように、１つの励振素子Ａ０と、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６がそれぞれ装荷された６個の非励振素子Ａ１乃至Ａ６と、接地導体１１とを備えてなるエスパアンテナ装置１００と、適応制御型コントローラ２０とを備えて構成される。
【００２６】
ここで、適応制御型コントローラ２０は、例えばコンピュータなどのディジタル計算機で構成され、適応制御型コントローラ２０にはキーボードなどの入力装置２２が接続される。復調器又は無線送信機７を用いた無線通信を開始する前に、ユーザは入力装置２２を用いて、非励振素子Ａ１乃至Ａ６のうち電気的に除去したい非励振素子を選択して入力し、これに応答して、その指示内容を含む指示信号は入力装置２２から適応制御型コントローラ２０に入力される。適応制御型コントローラ２０は、選択された所定の非励振素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に出力して設定することによって、当該非励振素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該非励振素子を電気的に除去する。従って、電気的に除去される非励振素子の本数によって、アレーの構造や動作周波数等の構成要件を変化させることができる。非励振素子を電気的に除去するようなアレーアンテナの制御方法については詳細後述する。
【００２７】
適応制御型コントローラ２０は、さらに、受信時において、復調器４による無線通信を開始する前に、相手先の送信機から送信される無線信号に含まれる学習シーケンス信号を上記エスパアンテナ装置１００の励振素子Ａ０により受信したときの受信信号ｙ（ｔ）と、上記学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有して学習シーケンス信号発生器２１で発生された学習シーケンス信号ｒ（ｔ）とに基づいて、最急勾配法による適応制御処理を実行する。この適応制御処理では、上記エスパアンテナ装置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素子１２−１乃至１２−６のうちで、電気的に除去されていない非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に印加されるバイアス電圧値を探索して制御電圧信号を用いて設定する。具体的には、適応制御型コントローラ２０は、電気的に除去されていない非励振素子に接続された可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、順次所定の差分幅だけ摂動させ、各リアクタンス値に対して所定の評価関数値（例えば、受信信号の電力）を計算し、上記計算された評価関数値に基づいて、例えば、最急勾配法を用いて、当該評価関数値が最大となるように、各リアクタンス値を反復して計算することにより、当該エスパアンテナ装置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素子のリアクタンス値を計算して設定するように制御する。これにより、当該評価関数値が実質的に最大となるように、上記エスパアンテナ装置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素子のバイアス電圧値を探索し、探索された各バイアス電圧値を有する制御電圧信号を各可変リアクタンス素子に出力して設定する。
【００２８】
以上の実施形態においては、最急勾配法を用いているが、本発明はこれに限らず、他の適応制御方法を用いてもよい。
【００２９】
図１において、エスパアンテナ装置１００は、接地導体１１上に設けられた７本のアンテナ素子、すなわち励振素子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ｄ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ｄの円周上に互いに等間隔を保って設けられる。各励振素子Ａ０及び非励振素子Ａ１乃至Ａ６は、例えば、所望波の波長λに対して約λ／４の長さのモノポール素子になるように構成され、また、上記半径ｄはλ／４になるように構成される。励振素子Ａ０の給電点は、同軸ケーブル５及びサーキュレータ６を介して低雑音増幅器（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素子１２−１乃至１２−６に接続され、これら可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６は、適応制御型コントローラ２０からの制御電圧信号に応答してそのリアクタンス値を変化させる。
【００３０】
図２は、エスパアンテナ装置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、可変リアクタンス素子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。可変リアクタンス素子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、可変リアクタンス素子１２−１がインダクタンス性（Ｌ性）を有するときは、可変リアクタンス素子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、可変リアクタンス素子１２−１がキャパシタンス性（Ｃ性）を有するときは、可変リアクタンス素子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素子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。
【００３１】
従って、図１のエスパアンテナ装置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素子１２−１乃至１２−６に印加するバイアス電圧値を変化させて、その接合容量値であるリアクタンス値を変化させることにより、エスパアンテナ装置１００の平面指向特性を変化させることができる。
【００３２】
図１のアレーアンテナの制御装置において、適応制御型コントローラ２０は、入力装置２２からの指示信号に基づいて、ユーザにより選択された所定の非励振素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に出力して設定することによって、当該非励振素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該非励振素子を電気的に除去する。
【００３３】
アレーアンテナ１００で受信される無線信号を送信する送信局は、学習シーケンス信号発生器２１で発生される所定の学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有する学習シーケンス信号を含む所定のシンボルレートのディジタルデータ信号に従って、無線周波数の搬送波信号を、例えばＢＰＳＫ、ＱＰＳＫなどのディジタル変調法を用いて変調し、当該変調信号を電力増幅して受信局のエスパアンテナ装置１００に向けて送信する。本実施形態においては、データ通信を行う前に、送信局から受信局に向けて学習シーケンス信号を含む無線信号が送信され、受信局では、適応制御型コントローラ２０による適応制御処理が実行される。
【００３４】
エスパアンテナ装置１００は送信局からの無線信号を受信し、上記受信された信号は、給電用同軸ケーブル５及びサーキュレータ６を介して低雑音増幅器（ＬＮＡ）１に入力されて増幅され、次いで、ダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ）２は増幅された信号を所定の中間周波数の信号（ＩＦ信号）に低域変換する。さらに、Ａ／Ｄ変換器３は低域変換されたアナログ信号をディジタル信号にＡ／Ｄ変換し、そのディジタル信号を適応制御型コントローラ２０及び復調器４に出力する。次いで、適応制御型コントローラ２０は、入力される受信信号ｙ（ｔ）と学習シーケンス信号ｒ（ｔ）とに基づいて、電気的に除去されていない非励振素子に接続された可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、順次所定の差分幅だけ摂動させ、各リアクタンス値に対して所定の評価関数値（例えば、受信信号の電力）を計算し、上記計算された評価関数値に基づいて、最急勾配法を用いて、当該評価関数値が最大となるように、各リアクタンス値を反復して計算することにより、当該エスパアンテナ装置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素子のリアクタンス値を計算して設定するように制御する。これにより、当該評価関数値が最大となるように、上記エスパアンテナ装置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素子のバイアス電圧値を探索し、探索された各バイアス電圧値を有する制御電圧信号を各可変リアクタンス素子に出力して設定する。
【００３５】
また、送信時においても、入力装置２２からの指示信号に基づいて、ユーザにより選択された所定の非励振素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に出力して設定することによって、当該非励振素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該非励振素子を電気的に除去することもできる。
【００３６】
次いで、無線送信機７は入力される送信ベースバンド信号に基づいて無線搬送波を所定の変調方式で変調し、変調された無線搬送波である無線信号をサーキュレータ６、給電用同軸ケーブル５を介してエスパアンテナ装置１００の励振素子Ａ０に出力され、これにより当該エスパアンテナ装置１００から無線信号が放射される。なお、適応制御型コントローラ２０は、送信時において、例えば、電気的に除去されていない非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に対して、受信時に設定された各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を設定する。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、適応制御型コントローラ２０は、複数の非励振素子Ａ１乃至Ａ６のうちユーザが選択した非励振素子を電気的に除去し、かつ当該アンテナ装置のビームを所望波の方向に向けるように適応制御もできる。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
図３は、本発明に係る第２の実施形態のアレーアンテナの制御装置において用いられる、７素子の半波長ダイポール型エスパアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図３のエスパンテナ装置は、図１のエスパンテナ装置１００の変形例である。
【００３９】
ここでは、半波長ダイポールの励振素子Ａ０の中央に給電用同軸ケーブルが接続され、半波長ダイポールの各非励振素子Ａ１乃至Ａ６の中央に可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６が接続されている。具体的には、例えば、非励振素子Ａ１は１対の素子からなり、１対の素子の中央点において、１対の素子の対応するポートに可変リアクタンス素子１２−１が接続され、可変リアクタンス素子１２−２乃至１２−６も同様に接続される。図３において、これら可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６については、非励振素子Ａ１乃至Ａ６の中央部において黒で塗りつぶした楕円でその位置を示している。本実施形態において、例えば、アンテナ素子長Ｌは半波長であり、アンテナ素子の直径は０．０２波長であり、アンテナ素子間隔は０．２５波長である。以下、図３のエスパアンテナ装置を参照して、本実施形態のアレーアンテナの制御方法について説明する。
【００４０】
まず、可変リアクタンス素子を制御することによって達成される、電気的に透明な非励振素子の概念について説明する。非特許文献４及び５によれば、ｉ番目（１≦ｉ≦６）の非励振素子Ａｉに直交する方向のベクトル実効長ｌｅｉは、ｉ番目の無給電素子（すなわち非励振素子）に装荷される可変リアクタンス素子のリアクタンス値Ｘｉを用いて、次式で表される。
【００４１】
【数１】
ｌｅｉ＝ｌｅｉ （０）（１−αＸｉ）
【００４２】
ｌｅｉ （０）は、リアクタンス値が０［Ω］の状態、あるいは可変リアクタンス素子を装荷しない状態のベクトル実効長であり、物理的なアンテナ素子長の約６５％の値をとる。比例定数αはアンテナの構造、特にアンテナ素子自体の長さと太さによりほぼ決まる定数である。数１より、ベクトル実効長は制御結果に実現される電流のアレー分布（等価ウェイトベクトル）に依存せず、制御パラメータであるリアクタンス値で決まる。また、非励振素子自体に装荷された可変リアクタンス素子のリアクタンス値Ｘｉのみにより決まるので、他の非励振素子のリアクタンス値とは独立に制御できることが分かる。さらに、数１の線形性より、リアクタンス値Ｘｉを数２の値に設定することによって、他の非励振素子の状態によらず、非励振素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉを常に０とすることができる。
【００４３】
【数２】
Ｘｉ＝１／α
【００４４】
ただし、ベクトル実効長ｌｅｉは数３で定義されるので、ｌｅｉ＝０は、素子上に電流が全く流れないのではなく、素子上の電流分布関数ｉｉ（ｚ）の積分値が０であることを意味する。ここで、電流分布関数ｉｉ（ｚ）は、アンテナ素子の長手方向の中央点を原点とする素子上の位置の座標ｚに対する、電流振幅値を表す。
【００４５】
【数３】
ｌｅｉ＝∫ｉｉ（ｚ）ｄｚ／ｉｉ（０）
【００４６】
ここで、数３の右辺の積分範囲は、−Ｌ／２からＬ／２までである。
【００４７】
従って、以上説明された方法に従ってアレーアンテナを制御すれば、選択された所定の非励振素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該非励振素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該非励振素子を電気的に除去することができる。
【００４８】
図４は、図３の非励振素子Ａｉが存在しないのと等価な状態を実現するアレーアンテナの制御方法を説明するための説明図である。アンテナ素子の物理的素子長Ｌが約半波長でありアンテナ素子各部からの観測点までの行路長差が無視できるので、数２が満たされるときの状態は、アンテナ素子上の電流が０である状態にほぼ等しいと考えられる。従って、図４に示すように、非励振素子Ａｉが存在しないのと等価な状態は、ダイポールの非励振素子Ａｉの中央（すなわち、素子ＡｉａとＡｉｂの間）に何も接続しない開放状態（図４の左側を参照）にしても非励振素子Ａｉ上に電流が流れるため実現できないが、非励振素子Ａｉに接続された可変リアクタンス素子１２−ｉに対して、数２を満たすリアクタンス値を設定することにより（図４の右側を参照）、数３の積分値が０となり、非励振素子Ａｉが存在しないのとほぼ等価な状態が実現できる。
【００４９】
図５は、図３の非励振素子Ａｉが他の非励振素子１２−ｊによる影響を受けたときの、非励振素子Ａｉ上の電流分布を示す説明図である。図５に示すように、他の非励振素子Ａｊに装荷された可変リアクタンス素子１２−ｊのリアクタンス値Ｘｊにより、非励振素子Ａｉの中央の電流分布関数値ｉｉ（０）が変化しても、非励振素子Ａｉ上の電流の積分値が０であることは維持される。
【００５０】
図６は、図３の非励振素子Ａ４が電気的に除去された状態を示す斜視図である。アンテナ素子上の電流が０であるということは、遠方界及び他のアンテナ素子に電気的影響を与えないということになる。すなわち、アンテナ素子は物理的に存在しても電気的には存在しない（透明な）状態である。よって、本実施形態のアレーアンテナの制御方法によれば、物理的に非励振素子を除去することと等価な制御を、非励振素子に装荷された可変リアクタンス素子のリアクタンス値Ｘｉを１／α［Ω］に設定することによって、電気的に行うことができる。本実施形態において、以上のように非励振素子を電気的に除去することを「電気的に透明化する」という。
【００５１】
以下、本実施形態のアレーアンテナの制御方法を用いて、図３のエスパアンテナ装置を制御したシミュレーション結果を示す。図３のエスパアンテナ装置において、素子長Ｌは半波長であり、素子直径は０．０２波長であり、素子間隔を０．２５波長とする７素子ダイポール型エスパアンテナを考える。いくつかの素子に１／α［Ω］のリアクタンス値を与えた場合と、それらの素子を物理的に除去した場合のエスパアンテナ各素子に流れる電流振幅分布と水平面内指向性をモーメント法で計算した。この寸法時の定数αは０．００２１８６であるので、数２を満たすリアクタンス値１／αは４５７．５［Ω］である。図７は、本シミュレーションにおいて、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に設定される６通りのリアクタンス値のセットを示す表である。図７のケース１からケース６までの６つの場合について調べた。
【００５２】
各アンテナ素子に流れる電流の振幅分布を図８乃至図１３に示す。図８乃至図１３の（ａ）は、図７のケース１乃至ケース６のリアクタンス値が設定されたときの素子上の電流分布をそれぞれ示すグラフである。また、図８（ｂ）は非励振素子Ａ４を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフであり、図９（ｂ）は非励振素子Ａ４及びＡ６を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフであり、図１０（ｂ）は非励振素子Ａ２，Ａ４及びＡ６を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフであり、図１１（ｂ）は非励振素子Ａ２，Ａ４〜Ａ６を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフであり、図１２（ｂ）は非励振素子Ａ２〜Ａ６を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフであり、図１３（ｂ）は非励振素子Ａ１〜Ａ６を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフである。
【００５３】
図８乃至図１３において、横軸は、アンテナ素子長の半分の長さで正規化された、アンテナ素子の中央点からの距離である。図８乃至図１３の各グラフと図７の表とを参照すると、リアクタンス値を４５７．５［Ω］に設定した非励振素子の電流振幅値が小さくなっていることがわかる。また、素子の中央点からの距離ｚ／（Ｌ／２）が０．３付近で電流振幅値が０に接している点が見られるが、位相はその点を境に反転しており、数３の電流積分値は０となっている。その他のアンテナ素子の電流振幅分布は、図８乃至図１３のそれぞれの（ａ）と（ｂ）のグラフでよく一致している。
【００５４】
図１４乃至図１９のグラフにはそれぞれ、図８乃至図１３の（ａ）及び（ｂ）の各場合における当該アレーアンテナ装置の水平面内の指向性パターンを示す。図７の表に従ってリアクタンス値を制御した結果を太い破線で示し、非励振素子を物理的に除去した場合の結果を実線で示す。図１４乃至図１８の各グラフでは実線と破線が重なっており、区別できないほど良く一致している。以上の結果から、リアクタンス値を１／α［Ω］に設定することにより電気的に非励振素子を除去できることが確認できる。
【００５５】
次に、本実施形態に係るアレーアンテナの制御方法の適応限界について説明する。
【００５６】
前述のように、ベクトル実効長が０であってもアンテナ素子上に流れる電流は０でない。電流が０と見えるのはアンテナ素子各部からの行路差長が無視できる場合である。故に、アンテナ素子長が長い場合や観測点（他のアンテナ素子）までの間隔が短い場合には、電流は０とは見なせないと考えられる。そこで、アンテナ素子を物理的に除去した場合とリアクタンス値１／α［Ω］を与えた場合の指向性の変化の、素子長Ｌと素子間隔ｄに対する依存性を調べる。励振素子１素子、非励振素子１素子の関係が基本なので、等しい長さと太さを有するダイポールが並んだ２素子エスパアンテナ（図示せず。）について調べる。アンテナ素子直径は０．０２波長とし、モーメント法で計算した。
【００５７】
図２０は、アンテナ素子長Ｌを変化させたときにおける、２素子エスパアンテナの水平面内の指向性パターンを示すグラフである。図２０のグラフは、まずアンテナ素子間隔ｄを４分の１波長に固定し、アンテナ素子長Ｌを１λ、０．７５λ、０．５λ、０．４λ、及び０．３λに変化させた場合の指向性利得パターンを示している。各アンテナ素子長に対応した定数αを計算し、非励振素子に装荷された可変リアクタンス素子のリアクタンス値を１／α［Ω］とした場合の水平面内指向性をモーメント法で計算した。２素子エスパアンテナが無指向性に近いならば、非励振素子が電気的に除去されていると判断できる。このことからアンテナ素子長が０．５波長以下ではほぼ電気的にアンテナ素子が除去されることが分かる。
【００５８】
図２１は、アンテナ素子間隔ｄを変化させたときにおける、２素子エスパアンテナの水平面内の指向性パターンを示すグラフである。図２１においては、アンテナ素子長Ｌは半波長で一定とし、アンテナ素子間隔ｄをλ／２、λ／４、λ／１６、λ／３２、及びλ／６４に変化させた場合の指向性利得パターンを示している。各アンテナ素子間隔に対応した定数αを計算し、非励振素子に装荷された可変リアクタンス素子のリアクタンス値を１／α［Ω］とした場合の水平面内指向性をモーメント法で計算した。また非励振素子が無い場合（すなわち、励振素子のみ）のパターンを太い破線で示す。いずれの場合もほぼ無指向性が得られている。非励振素子間隔ｄがλ／６４とかなり近づいても無指向性は維持されていることから、非励振素子に装荷された可変リアクタンス素子のリアクタンス値を１／α［Ω］とすることによる非励振素子の透明化は、アンテナ素子間隔に制限されないことが分かる。
【００５９】
なお、リアクタンス値１／α［Ω］は図５及び図６の検討では約４５７．５［Ω］と大きな値であるが、この値は回路素子の組み合わせによって実現可能である（非特許文献６を参照。）。また１／α［Ω］の定数αはアンテナ素子が太くなると敏感に小さくなるので（非特許文献５を参照。）、アンテナ素子を太くすることによりアンテナ素子を透明化するために必要なリアクタンス値を小さくすることができる。
【００６０】
＜第２の実施形態の変形例＞
以下、数２に基づいて可変リアクタンス素子に１／α［Ω］のリアクタンス値を設定することにより、非励振素子を電気的に除去する（透明にする）制御方法を用いた、第２の実施形態のエスパアンテナのいくつかの変形例を説明する。いくつかの変形例の斜視図を図２２乃至図２６に示す。
【００６１】
図２２は、図３のエスパアンテナ装置に対する第１の変形例であって、アンテナ素子数を可変にすることができるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図２２において、エスパアンテナ装置であるこのアレーアンテナ装置は、装荷されるリアクタンス値は可変であるが、アンテナ素子の長さや配置は固定される。しかし、物理的には存在する非励振素子Ａ２，Ａ４及びＡ６に装荷された各可変リアクタンス素子１２−２，１２−４及び１２−６のリアクタンス値を１／α［Ω］とすることにより、当該非励振素子を電気的に透明にすることができる。このような透明化可能なアンテナ素子を配置することによって、素子数を７素子から４素子（又は任意の素子数）に変化させることができる。
【００６２】
また、アンテナ素子の配列位置や配列半径も変化させることができる。図２３は、図３のエスパアンテナ装置に対する第２の変形例であって、アンテナ素子の配列位置を可変にすることができるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図２３において、このアレーアンテナ装置では、所定の方位角を基準として、非励振素子Ａ１は励振素子Ａ０の位置から角度φ１の方向に位置しており、非励振素子Ａ１１は励振素子Ａ０の位置から角度φ２（≠φ１）の方向に位置している。さらに、非励振素子Ａ１乃至Ａ６は励振素子Ａ０を中心として所定の半径の円周上で互いに隣接して６０度おきに配列される一方、非励振素子Ａ１１乃至Ａ１６は励振素子Ａ０を中心として上記半径と同一の半径の円周上で互いに隣接して６０度おきに配列されている。
【００６３】
非励振素子Ａ１乃至Ａ６に装荷された可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を１／α［Ω］に設定することによって、非励振素子Ａ１乃至Ａ６を電気的に除去することができる。同様に、非励振素子Ａ１１乃至Ａ１６に装荷された可変リアクタンス素子１２−１１乃至１２−１６のリアクタンス値を１／α［Ω］に設定することによって、非励振素子Ａ１１乃至Ａ１６を電気的に除去することもできる。これら２組の非励振素子（Ａ１乃至Ａ６；Ａ１１乃至Ａ１６）のうち少なくとも１組の非励振素子を電気的に除去することができ、また、これら２組の非励振素子を選択的に切り換えることにより、配列位置を変化させることができる。これにより、当該アレーアンテナ装置の全体の指向特性を変化指せることができる。
【００６４】
図２４は、図３のエスパアンテナ装置に対する第３の変形例であって、アンテナ素子の配列半径を可変にすることができるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。非励振素子Ａ１乃至Ａ６は、励振素子Ａ０を中心とする半径ｄの円周上で互いに隣接して６０度おきに配列され、非励振素子Ａ２１乃至Ａ２６は、励振素子Ａ０を中心とする半径ｄ’の円周上で互いに隣接して６０度おきに配列されている。非励振素子Ａ１乃至Ａ６に装荷された可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を１／α［Ω］に設定することによって、非励振素子Ａ１乃至Ａ６を電気的に除去することができる。同様に、非励振素子Ａ２１乃至Ａ２６に装荷された可変リアクタンス素子１２−２１乃至１２−２６のリアクタンス値を１／α［Ω］に設定することによって、非励振素子Ａ２１乃至Ａ２６を電気的に除去することもできる。これら２組の非励振素子（Ａ１乃至Ａ６；Ａ２１乃至Ａ２６）のうち少なくとも１組の非励振素子を電気的に除去することができ、また、これら２組の非励振素子を選択的に切り換えることにより、配列半径を変化させることができる。これにより、当該アレーアンテナ装置の全体の指向特性を変化させることができる。
【００６５】
さらに、アンテナ素子の長さも変化させることができる。図２５は、図３のエスパアンテナ装置に対する第４の変形例であって、アンテナ素子長を可変にすることができるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図２５において、素子長Ｌの非励振素子Ａ１乃至Ａ６のそれぞれに近接して、素子長Ｌ’の非励振素子Ａ３１乃至Ａ３６が配列されている。なお、非励振素子Ａ３１乃至Ａ３６も、非励振素子Ａ１乃至Ａ６と同様の配列で配置される。また、非励振素子Ａ３１乃至Ａ３６に装荷された可変リアクタンス素子１２−３１乃至１２−３６のリアクタンス値が１／α’［Ω］に設定されるときに、数２が満たされるとする。
【００６６】
ここで、１２本の非励振素子のうち、非励振素子Ａ１乃至Ａ６に装荷された可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を１／α［Ω］に設定することによって、非励振素子Ａ１乃至Ａ６を電気的に除去することができる。このとき、素子長Ｌ’の非励振素子Ａ３１乃至Ａ３６のみが有効的に動作させることができ、各非励振素子の素子長はＬ’となる。一方、１２本の非励振素子のうち、非励振素子Ａ３１乃至Ａ３６に装荷された可変リアクタンス素子１２−３１乃至１２−３６のリアクタンス値を１／α’［Ω］に設定することによって、非励振素子Ａ３１乃至Ａ３６を電気的に除去することができる。このとき、素子長Ｌの非励振素子Ａ１乃至３６のみが有効的に動作させることができ、各非励振素子の素子長はＬとなる。これら２つの場合を切り換えることにより、各非励振素子の素子長を変化させることができる。これにより、当該アンテナ装置の指向特性を変化させることができる。
【００６７】
また、これらの技術を利用して、異なる周波数で動作するアンテナ素子を同時に配置することにより、動作周波数を可変にすることも可能である。図２６は、図３のエスパアンテナ装置に対する第５の変形例であって、当該アレーアンテナ装置の動作周波数を可変にすることができるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【００６８】
図２６において、非励振素子Ａ１乃至Ａ６は、動作周波数ｆを有するアンテナ素子であり、非励振素子Ａ４１乃至Ａ４６は、動作周波数ｆ’（≠ｆ）を有し、非励振素子Ａ１乃至Ａ６とは異なる素子長及び配列半径を有するアンテナ素子である。なお、非励振素子Ａ４１乃至Ａ４６の励振素子Ａ０からの各配列方向は、非励振素子Ａ１乃至Ａ６と同様である。さらに、非励振素子Ａ４１乃至Ａ４６に装荷された可変リアクタンス素子１２−４１乃至１２−４６のリアクタンス値が１／α’［Ω］に設定されるときに、数２が満たされるとする。
【００６９】
１２本の非励振素子Ａ１乃至Ａ６のうち、非励振素子Ａ１乃至Ａ６に装荷された可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を１／α［Ω］に設定することによって、非励振素子Ａ１乃至Ａ６を電気的に除去することができる。このとき、非励振素子Ａ４１乃至Ａ４６を用いて動作周波数ｆ’で動作させることができる。もしくは、１２本の非励振素子Ａ１乃至Ａ６のうち、非励振素子Ａ４１乃至Ａ４６に装荷された可変リアクタンス素子１２−４１乃至１２−４６のリアクタンス値を１／α’［Ω］に設定することによって、非励振素子Ａ１乃至Ａ６を電気的に除去することができる。このとき、非励振素子Ａ４１乃至Ａ４６を用いて動作周波数ｆで動作させることができる。なお、これら２つの場合において、放射パターンが同一になるように、配列半径を設定する。これら２つの場合を切り換えることにより、２つの動作周波数のうち１つの動作周波数を選択的に設定することができる。なお、図２６の変形例において、放射パターンが同一となるように配列半径を設定しているが、本発明はこれに限らず、放射パターンを同一にしなくてもよい。
【００７０】
なお、このときアンテナ素子を電気的に透明化する（すなわち除去する）リアクタンス値を決定する定数αの値は周波数によって変化する。故に、あるアンテナ素子をいくつかの周波数に対して透明化することはできるが、同時に２つ以上の周波数に対して透明化することはできない。
【００７１】
以上説明した変形例以外にも、アンテナ素子の半径（太さ）を可変にする変形例や、アンテナ装置の周囲に透明化可能素子を網の目のように配置し、アンテナの放射に影響を与えたり、影響を無くしたりするなどの変形例が考えられる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態に係るアレーアンテナの制御方法によれば、選択された所定の非励振素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に出力して設定することによって、当該非励振素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該非励振素子を電気的に除去することができる。本実施形態は、可変リアクタンス素子による素子上電流分布制御に着目したことを特徴とする。リアクタンス値を適切に選ぶことにより、他の非励振素子のリアクタンス値や等価ウェイトベクトル（非特許文献２及び３を参照）によらず、ベクトル実効長を常に実質的にほぼ０とすることが可能である。従って、本実施形態によれば、リアクタンス値を制御することによってアンテナ素子が電気的に透明になるので、アンテナ素子配置や配列半径、素子長、動作周波数等を可変とするエスパアンテナ装置（リコンフィギャラブルアレーアンテナ）を実現することができる。
【００７３】
以上の第１と第２の実施形態及び変形例においては、エスパアンテナ装置におけるアンテナ素子の電気的な透明化方法について説明しているが、本発明はこれに限らず、この方法をリニアアレーアンテナなどの、複数本のアンテナ素子からなるアレーアンテナ装置に適用することができる。
【００７４】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態に係る、移動体上に設けられたアレーアンテナの制御方法について説明する。図２７（ａ）は本発明に係る第３の実施形態のアレーアンテナ装置２００を示す説明図であり、図２７（ｂ）は、アレーアンテナ装置２００の詳細構成を示す、自動車２０１の縦断面図であり、図２７（ｃ）は可変リアクタンス素子１２−ａを含む給電回路の詳細構成を示す回路図である。
【００７５】
図２７（ａ）において、リニアアレーのアレーアンテナ装置２００は、移動体、例えば自動車２０１上に、自動車２０１の進行方向とアレーアンテナ装置２００の素子配列とが一致するように固定されている。本実施形態では、無線送受信機３０と接続する１つのアンテナ素子（以下、動作素子という。）を、スイッチ３１を用いて車速と同じ速度で後方に順に切り替え、他のアンテナ素子をスイッチ３１で電気的透明状態を実現する可変リアクタンス素子に接続することにより、動作状態のアンテナ素子の位置を地面に対して静止状態にすることができる。
【００７６】
図２７（ｂ）において、アレーアンテナ装置２００は、例えば８本のアンテナ素子Ａａ，Ａｂ，Ａｃ，Ａｄ，Ａｅ，Ａｆ，Ａｇ，Ａｈを備えて構成され、これらのアンテナ素子Ａａ乃至Ａｈは所定の間隔で、かつ自動車２０１の進行方向と平行な一直線上で配列される。これらのアンテナ素子Ａａ乃至Ａｈは半波長ダイポールアンテナであり、各アンテナ素子Ａａ乃至Ａｈの中央点にそれぞれ、可変リアクタンス素子１２−ａ乃至１２−ｈが装荷される。
【００７７】
図２７（ｃ）において、アンテナ素子Ａａは、上側半分の素子Ａａ−１と下側半分の素子Ａａ−２とから構成され、下側半分の素子Ａａ−２は、可変容量ダイオード１２−ａのアノードと無線送信機３０の１つの端子とに接続され、上側半分の素子Ａａ−１は、スイッチ３１の接点ｂを介して、可変容量ダイオード１２−ａのカソードに接続されるとともに、スイッチ３１の接点ａを介して、無線送信機３０のもう１つの端子に接続される。可変容量ダイオード１２−ａは、コントローラ（図示せず。）から逆バイアス電圧を印加することによって、数２を満たすようなリアクタンス値を有するように構成される。スイッチ３１が接点ａに切り換えられたときは、アンテナ素子Ａａは励振素子として動作し、スイッチ３１が接点ｂに切り換えられたときは、アンテナ素子Ａａは電気的に透明になり、除去される。なお、他のアンテナ素子Ａｂ乃至Ａｈについても同様に構成される。
【００７８】
以上のように構成することにより、８本のアンテナ素子Ａａ乃至Ａｈのうち、１本のアンテナ素子を選択的に動作素子とすることができるが、本実施形態では、８本のアンテナ素子Ａａ乃至Ａｈのうち、１本の動作素子のみが発生するように、スイッチ３１を用いて車速と同じ速度で前方から後方に向かって順次切り替えて動作させる。これにより、動作状態のアンテナ素子の位置を地面に対して実質的に静止状態にすることができる。
【００７９】
非特許文献７においては、例えば短時間のバーストデータ信号期間で、直線アレーアンテナを用いて大地に対して静止した地点における受信信号を空間的に内挿処理して推定することが開示され、直線アレーアンテナの複数のアンテナ素子のうち１本のアンテナ素子のみを接続するように高速で切り換えることにより、移動受信フェージング変動を補償できることが開示されている。また、非特許文献７においては、選択されたアンテナ素子以外の電気的に開放されているので、アンテナ素子間の相互結合は生じない旨の開示がある。しかしながら、開放状態でもアンテナ素子上に電流が流れ、相互結合は無視することはできないと考えられる。非特許文献７に開示されたアプリケーションに対して、上述のごとく、本発明に係る「アンテナ素子を電気的に透明化する方法」を用いることにより、上記の相互結合を軽減することができる。
【００８０】
以上説明したように、本実施形態に係るアレーアンテナの制御方法によれば、１つのアンテナ素子から無線信号を送受信する一方で、残りのアンテナ素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該残りのアンテナ素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該残りのアンテナ素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該残りのアンテナ素子を電気的に除去することができる。このアレーアンテナが自動車２０１等の移動体上に固定されたリニアアレーのアレーアンテナ装置２００であるとき、無線信号を送受信するためのアンテナ素子を、移動体の進行方向とは逆向きに、移動体の速度と同じ速さで次々に切り換えると、アレーアンテナ装置２００内で無線信号が送受信されているアンテナ素子の位置を、地面に対して実質的に静止させることができる。
【００８１】
＜第４の実施形態＞
以下、本発明に係る第４の実施形態のアドミタンス行列計算方法について説明する。エスパアンテナでは、電流のアレー分布が制御変数であるリアクタンス値と非線形の関係にあり直接制御できないため、所望形状のビームを形成するのに必要なリアクタンス値を解析的に計算することは難しい。そこで、従来、最急勾配法などの反復による収束状態を所望ビームとして用いている。反復では制御変数を変えて評価関数値を繰り返し計算する必要があるので、シミュレーションで最急勾配法を行うのに、指向特性を簡易かつ高速に計算できる等価ウェイトベクトルが便利である（例えば、非特許文献２及び３を参照）。等価ウェイトベクトルの各要素は、エスパアンテナの各アンテナ素子上において給電線や可変リアクタが接続される点に流れる電流値であり、回路理論によりアドミタンス行列と接続リアクタンス値とから正確に計算できる。ただし、アドミタンス行列は回路素子接続点間の自己アドミタンスと相互アドミタンスを要素とする。アドミタンス値はリアクタンス値に依存せずにアンテナ構造により決まるので、一度計算しておけば、等価ウェイトベクトルは、非励振素子に装荷された可変リアクタンス素子のリアクタンス値により一意に算出可能である。アドミタンス値はモーメント法で解析的に計算することができる。７素子エスパアンテナでは構造の対称性より６個の複素数値のみで表されるので、便利である。
【００８２】
等価ウェイトベクトルに素子上の電流分布の情報を持たせるため、本発明者らは、非特許文献４で実効長行列を等価ウェイトベクトルに乗じた新たな等価ウェイトベクトルから指向性を計算することを提案した。ここで、実効長行列は各素子のベクトル実効長を対角成分とする行列である。ベクトル実効長は素子上の電流分布を計算しなくても、非励振素子に装荷された可変リアクタンス素子のリアクタンス値や給電電流値から計算できることが分かった（特許文献５を参照）。これまでは、リアクタンス値は、電流のアレー分布（等価ウェイトベクトル）の制御を目的に、取り扱われてきた。本実施形態ではベクトル実効長制御の立場からリアクタンス値を取り扱いものである。
【００８３】
数２の関係は、前述のように実際のハードへの応用（すなわちアレーアンテナの制御）の他に、アレーアンテナの解析への応用も可能である。等価ウェイトベクトル表現においてアンテナ特性を表現するアドミタンス行列は重要なパラメータである。その要素はモーメント法などで計算することができる。７素子エスパアンテナ装置ではその構造対称性から６個の複素パラメータのみで表されるが、対称性がない場合には一般に全アンテナ素子数をＭ個とした場合、Ｍ（Ｍ−１）／２個の複素パラメータを計算する必要がある。以下に示すように、非励振素子の透明化を用いると、少ないパラメータで表現されるより対称性の高いアンテナ素子配列のアドミタンス行列から、ある非励振素子を除去したような対称性の低いアンテナ素子配列のアドミタンス行列要素を計算することができる。
【００８４】
非特許文献３にあるように、回路理論により数４の関係が成り立つ。
【００８５】
【数４】
［ｉ］＝ｖｓ（［Ｙ］−１＋［Ｘ］）−１［ｕ０］
【００８６】
［ｉ］は電流成分を要素とするＭ列のベクトルであり、［Ｙ］は自己アドミタンス及び相互アドミタンスを要素とするＭ行Ｍ列のアドミタンス行列であり、［Ｘ］は入力インピーダンスと各素子に接続されるリアクタンス値を対角成分とするＭ行Ｍ列の対角行列であり、［ｕ０］は１列成分のみ１で他が０の単位列ベクトルである。ｖｓは励振素子の給電電圧である（非特許文献５を参照）。ベクトル［ｕ０］の第１列成分のみ１であるのは、第１列に相当するアンテナ素子のみに給電されるためだが、数４をより一般化して、数５のように表すことができる。
【００８７】
【数５】
［ｉ］＝（［Ｙ］−１＋［Ｘ］）−１［ｖ］
【００８８】
ここで、［ｖ］は各素子に給電される電圧を要素とする列ベクトルである。可変リアクタンス素子が装荷されない場合、［Ｘ］＝［０］として、アドミタンスに関する定義である数６が得られる。
【００８９】
【数６】
［ｉ］＝［Ｙ］［ｖ］
【００９０】
第２の実施形態における議論によると、数５においてｉ，…，ｊ番目の非励振素子に装荷された可変リアクタンス素子のリアクタンス値Ｘｉ，…，Ｘｊを１／α［Ω］とした場合の電流のアレー分布ベクトル［ｉ］のｉ，…，ｊ番目以外の要素は、ｉ，…，ｊ番目の電圧以外が任意の有限値を有する給電電圧ベクトル［ｖ］に対して、ｉ，…，ｊ番目の非励振素子を除去した数６におけるベクトル［ｉ］の値に等しい。ｉ番目の非励振素子Ａｉを物理的に除去した場合のアドミタンス行列［Ｙ’］は、ｉ行ｉ列を取り除く作用を「＃ｉ」で表すことにすると、数７の右辺のような逆行列計算で求めることができる。
【００９１】
【数７】
［Ｙ’］＝{（［Ｙ］−１＋［Ｘ（ｉ）］）−１}＃ｉ
【００９２】
ここで、［Ｘ（ｉ）］はｉ番目のリアクタンス値のみに１／α［Ω］の値を有する行列である。複数の非励振素子が除去される場合は、数７に対してそれらの非励振素子に対応する要素を増やして表すことができるが、数７をそれらの非励振素子に対して繰り返し適用しても良い。数７の成立により、非励振素子を物理的に除去した場合のアドミタンス行列［Ｙ’］を、逆行列計算で求めることができる。
【００９３】
数７は非励振素子を物理的に除去するという状態変化が逆行列で表されることを意味しているが、直感的に理解しにくいので、この逆行列演算について調べる。行列のｉ行ｉ列を取り除く作用を示す「＃ｉ」は、逆行列演算「−１」と演算順序に関して交換可能であるように見える。そこで、ある行列［Ａ］に対して、数８が成り立つと仮定する。
【００９４】
【数８】
（［Ａ］−１）＃ｉ＝（［Ａ］＃ｉ）−１
【００９５】
このとき、数７の右辺は行列［Ｘ（ｉ）］がｉ行ｉ列成分のみにｊ／αのリアクタンスを持つ行列であるから、次式のように変形される。
【００９６】
【数９】
{（［Ｙ］−１＋［Ｘ（ｉ）］）−１}＃ｉ
＝{（［Ｙ］−１＋［Ｘ（ｉ）］）＃ｉ}−１
＝{（［Ｙ］−１）＃ｉ}−１
＝{（［Ｙ］−１）−１}＃ｉ
＝［Ｙ］＃ｉ
【００９７】
さらに、数７は次式のように変形される。
【００９８】
【数１０】
［Ｙ’］＝［Ｙ］＃ｉ
【００９９】
数１０はｉ番目の非励振素子Ａｉを取り除いた場合のアドミタンスは、取り除く前のアドミタンス行列のｉ行ｉ列を取り除いた行列に等しいというものであり、物理的に考えて正しくない。このことから、作用「＃ｉ」は逆行列演算「−１」と演算順序に関して交換可能でない、すなわち、数８は成り立たないことが分かる。数８は一般的に成り立たないことは、数学的に行列の次数が２の場合に容易に証明できる。ｉ＝２のとき、行列［Ａ］の要素をＡｉｊ（１≦ｉ，ｊ≦２）として、数８は数１１のようになり、成り立たないことは明らかである。
【０１００】
【数１１】
Ａ２２／（Ａ１１Ａ２２−Ａ１２Ａ２１）＝１／Ａ１１
【０１０１】
ただし、数１１は、行列［Ａ］の要素Ａ１２、Ａ２１が十分小さい時成り立つ。従って、行列［Ａ］をアドミタンス行列［Ｙ］に置きかえると、アンテナ素子間の相互作用を表す相互アドミタンス値Ｙｉｊ（ｉ≠ｊ）が十分に小さいときに数１１が成り立つ。数８が相互結合が小さいときに成り立つことは物理的に理解できる。逆にいえば、素子間相互結合がある場合に数７が成り立つために、適切な行列［Ｘ（ｉ）］が必要になっていることが分かる。この時、この行列［Ｘ（ｉ）］の唯一の要素である１／αはｉ番目の素子の構造に強く依存して決まる（非特許文献５を参照）。このことから、数７が成り立つことは、行列［Ｙ’］や［Ｙ］がアンテナ素子配置のみでなく、アンテナ素子構造に依存していること、すなわち、アンテナ素子構造の情報を持っていることを意味している。
【０１０２】
数７の正当性を調べるため、図３のような、素子長は０．５波長であり、素子間隔は０．２５波長であり、素子直径が０．０２波長である７素子ダイポール型エスパアンテナからいくつかの非励振素子を取り除いた場合の数７の左辺のアドミタンス行列［Ｙ］の要素Ｙｉｊを、従来のモーメント法で計算した結果と、本実施形態のアドミタンス行列［Ｙ］の計算方法に従って数７の右辺の逆行列を計算した結果との比較を図２８乃至図３２に示す。ここで、図２８は非励振素子Ａ４が除去されているときのグラフを示し、図２９は非励振素子Ａ３及びＡ５が除去されているときのグラフを示し、図３０は非励振素子Ａ２，Ａ４及びＡ６が除去されているときのグラフを示し、図３１は非励振素子Ａ２，Ａ３，Ａ５及びＡ６が除去されているときのグラフを示し、図３２は非励振素子Ａ２〜Ａ６が除去されているときのグラフである。各グラフの横軸はアドミタンス行列の要素Ｙｉｊを示す数の対「ｉｊ」を示す。縦軸にアドミタンス値の実数部と虚素部の大きさを示す。図２８乃至図３２において、大きい黒丸及び小さい黒丸はモーメント法で計算した数７の左辺の結果を示し、ここで、大きい黒丸が計算結果の実数部を示し、小さい黒丸が計算結果の虚数部を示す。また、２つの正方形は数７の逆行列計算を実行して求めた数７の右辺の結果を示し、大きい正方形が計算結果の実数部を示し、小さい正方形が計算結果の虚数部を示す。
【０１０３】
図２８乃至図３２の全てのグラフにおいて、これら２つの実数部の印は重なっており、これら２つの虚数部の印は重なっており、数７が成り立つことが確認できる。数７の右辺は素子配列モデルの設計なしに、解析的に計算できるので、計算が容易である。このように、ある状態のアドミタンスを、別の特に対称性の良い素子配列のアドミタンスから容易に計算することができる。
【０１０４】
以上説明したように、本実施形態に係るアレーアンテナのアドミタンス行列の計算方法によれば、ある非励振素子を取り除いた素子配列のアドミタンス行列を、取り除く前のアンテナ素子配列のアドミタンス行列に対する逆行列演算で計算することができ、これにより、ある状態のアドミタンスを、別の特に対称性の良い素子配列のアドミタンスから容易に計算することができる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係るアレーアンテナの制御方法又は制御装置によれば、複数のアンテナ素子を備えたアレーアンテナにおいて、上記複数のアンテナ素子にそれぞれ複数の可変リアクタンス素子が接続され、上記複数のアンテナ素子のうち、所定のアンテナ素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該アンテナ素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該アンテナ素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該アンテナ素子を電気的に除去する。従って、アンテナ素子をきわめて簡単な方法で、電気的に見えない状態とすることができる。この性質を用いて、電気的に構造や動作周波数を変更可能なアレーアンテナを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第１の実施形態のアレーアンテナの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 図１のエスパアンテナ装置１００の詳細構成を示す縦断面図である。
【図３】 本発明に係る第２の実施形態のアレーアンテナの制御装置において用いられる、半波長ダイポール型エスパアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図４】 図３の非励振素子Ａｉが存在しないのと等価な状態を実現するアレーアンテナの制御方法を説明するための説明図である。
【図５】 図３の非励振素子Ａｉが他の非励振素子１２−ｊによる影響を受けたときの、非励振素子Ａｉ上の電流分布を示す説明図である。
【図６】 図３の非励振素子Ａ３が電気的に除去された状態を示す斜視図である。
【図７】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーションにおいて用いる、図３の可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に設定される６通りのリアクタンス値のセットを示す表である。
【図８】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、（ａ）は図７のケース１のリアクタンス値が設定されたときの素子上の電流分布を示すグラフであり、（ｂ）は非励振素子Ａ４を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフである。
【図９】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、（ａ）は図７のケース２のリアクタンス値が設定されたときの素子上の電流分布を示すグラフであり、（ｂ）は非励振素子Ａ４及びＡ６を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフである。
【図１０】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、（ａ）は図７のケース３のリアクタンス値が設定されたときの素子上の電流分布を示すグラフであり、（ｂ）は非励振素子Ａ２，Ａ４及びＡ６を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフである。
【図１１】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、（ａ）は図７のケース４のリアクタンス値が設定されたときの素子上の電流分布を示すグラフであり、（ｂ）は非励振素子Ａ２，Ａ４〜Ａ６を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフである。
【図１２】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、（ａ）は図７のケース５のリアクタンス値が設定されたときの素子上の電流分布を示すグラフであり、（ｂ）は非励振素子Ａ２〜Ａ６を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフである。
【図１３】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、（ａ）は図７のケース６のリアクタンス値が設定されたときの素子上の電流分布を示すグラフであり、（ｂ）は非励振素子Ａ１〜Ａ６を物理的に除去したときの素子上の電流分布を示すグラフである。
【図１４】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、図８の（ａ）及び（ｂ）の各場合における当該アレーアンテナ装置の水平面内の指向性パターンを示すグラフである。
【図１５】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、図９の（ａ）及び（ｂ）の各場合における当該アレーアンテナ装置の水平面内の指向性パターンを示すグラフである。
【図１６】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、図１０の（ａ）及び（ｂ）の各場合における当該アレーアンテナ装置の水平面内の指向性パターンを示すグラフである。
【図１７】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、図１１の（ａ）及び（ｂ）の各場合における当該アレーアンテナ装置の水平面内の指向性パターンを示すグラフである。
【図１８】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、図１２の（ａ）及び（ｂ）の各場合における当該アレーアンテナ装置の水平面内の指向性パターンを示すグラフである。
【図１９】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、図１３の（ａ）及び（ｂ）の各場合における当該アレーアンテナ装置の水平面内の指向性パターンを示すグラフである。
【図２０】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、アンテナ素子長Ｌを変化させたときの水平面内の指向性パターンを示すグラフである。
【図２１】 本発明に係る第２の実施形態のシミュレーション結果であって、アンテナ素子間隔ｄを変化させたときの水平面内の指向性パターンを示すグラフである。
【図２２】 本発明に係る第２の実施形態の第１の変形例であって、アンテナ素子数を可変にすることができるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図２３】 本発明に係る第２の実施形態の第２の変形例であって、アンテナ素子の配列位置を可変にすることができるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図２４】 本発明に係る第２の実施形態の第３の変形例であって、アンテナ素子の配列半径を可変にすることができるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図２５】 本発明に係る第２の実施形態の第４の変形例であって、アンテナ素子長を可変にすることができるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図２６】 本発明に係る第２の実施形態の第５の変形例であって、当該アレーアンテナ装置の動作周波数を可変にすることができるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図２７】 （ａ）は本発明に係る第３の実施形態のアレーアンテナ装置２００を示す説明図であり、（ｂ）は、（ａ）のアレーアンテナ装置２００の詳細構成を示す、自動車２０１の縦断面図であり、（ｃ）は（ｂ）の可変リアクタンス素子１２−ａを含む給電回路の詳細構成を示す回路図である。
【図２８】 本発明に係る第４の実施形態のアドミタンス行列計算方法のシミュレーション結果であって、図３のエスパアンテナ装置において非励振素子Ａ４が除去されているときに、当該計算方法を用いて計算されたアドミタンス行列の要素と、従来のモーメント法を用いて計算されたアドミタンス行列の要素とを示すグラフである。
【図２９】 本発明に係る第４の実施形態のアドミタンス行列計算方法のシミュレーション結果であって、図３のエスパアンテナ装置において非励振素子Ａ３及びＡ５が除去されているときに、当該計算方法を用いて計算されたアドミタンス行列の要素と、従来のモーメント法を用いて計算されたアドミタンス行列の要素とを示すグラフである。
【図３０】 本発明に係る第４の実施形態のアドミタンス行列計算方法のシミュレーション結果であって、図３のエスパアンテナ装置において非励振素子Ａ２，Ａ４及びＡ６が除去されているときに、当該計算方法を用いて計算されたアドミタンス行列の要素と、従来のモーメント法を用いて計算されたアドミタンス行列の要素とを示すグラフである。
【図３１】 本発明に係る第４の実施形態のアドミタンス行列計算方法のシミュレーション結果であって、図３のエスパアンテナ装置において非励振素子Ａ２，Ａ３，Ａ５及びＡ６が除去されているときに、当該計算方法を用いて計算されたアドミタンス行列の要素と、従来のモーメント法を用いて計算されたアドミタンス行列の要素とを示すグラフである。
【図３２】 本発明に係る第４の実施形態のアドミタンス行列計算方法のシミュレーション結果であって、図３のエスパアンテナ装置において非励振素子Ａ２〜Ａ６が除去されているときに、当該計算方法を用いて計算されたアドミタンス行列の要素と、従来のモーメント法を用いて計算されたアドミタンス行列の要素とを示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ０…励振素子、
Ａ１乃至Ａ６，Ａ１１乃至Ａ１６，Ａ２１乃至Ａ２６，Ａ３１乃至Ａ３６，Ａ４１乃至Ａ４６…非励振素子、
Ａａ、Ａｂ，Ａｃ，Ａｄ，Ａｅ，Ａｆ，Ａｇ，Ａｈ…アンテナ素子、
Ａｉａ，Ａｉｂ，Ａａ−１，Ａａ−２…素子、
１…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、
２…ダウンコンバータ、
３…Ａ／Ｄ変換器、
４…復調器、
５…給電用同軸ケーブル、
６…サーキュレータ、
７…無線送信機、
１１…接地導体、
１２−１乃至１２−６，１２−１１乃至１２−１６，１２−２１乃至１２−２６，１２−３１乃至１２−３６，１２−４１乃至１２−４６，１２−ａ乃至１２−ｈ…可変リアクタンス素子、
２０…適応制御型コントローラ、
２１…学習シーケンス信号発生器、
２２…入力装置、
３０…無線送受信機、
３１…スイッチ、
１００…エスパアンテナ装置、
２００…アレーアンテナ装置、
２０１…自動車。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an array antenna control method and control apparatus capable of changing the directivity characteristics of an array antenna composed of a plurality of antenna elements. For example, the present invention relates to an electronically controlled waveguide array antenna apparatus (ESPAR). The present invention relates to an array antenna control method and control apparatus such as an antenna (hereinafter referred to as an ESPAR antenna).
[0002]
[Prior art]
Conventional ESPAR antennas are proposed in, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1. The ESPAR antenna is connected to an excitation element to which a radio signal is supplied, at least one non-excitation element that is provided at a predetermined interval from the excitation element and to which no radio signal is supplied, and the non-excitation element. A directivity characteristic of the array antenna can be changed by providing an array antenna including a variable reactance element and changing a reactance value of the variable reactance element.
[0003]
In this ESPAR antenna, an inexpensive variable-capacitance diode can be used as a variable reactance element, and since it can be configured with a single feeding system, a compact, lightweight, low-cost adaptive antenna can be realized, and as an adaptive antenna for a terminal Be expected. Further, since a variable capacitance diode is used with a reverse bias, the power consumption is low, and a spatial beam is formed, so that a high dynamic range can be obtained without any circuit loss.
[0004]
Non-Patent Documents 2 to 6 disclose operation analysis, formulation, and control method of the ESPAR antenna. Non-Patent Document 7 discloses a method for compensating for a high-speed fluctuation in a propagation path of an OFDM mobile receiver by switching array antenna elements.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-24431A.
[Non-Patent Document 1]
Takashi Ohira et al., “Electronic Directionality Control of Antennas: An Adaptive Array from the Viewpoint of High-Frequency Hardware Design”, IEICE Journal, IEICE, Vol. 83, no. 12, pp. 920-926, December 2000.
[Non-Patent Document 2]
Takashi Ohira, “Espa antenna equivalent weight vector and array factor expression”, IEICE technical report, AP2000-44, SAT2000-41, MW2000-44, pp. 7-12, July 2000.
[Non-Patent Document 3]
Takashi Ohira, “Basic formulation for equivalent weight vector of ESPAR antenna and its gradient”, IEICE technical report, AP2001-16, SAT2001-3, pp. 15-20, May 2001.
[Non-Patent Document 4]
Shinichi Iigusa et al., “High accuracy of equivalent weight vector based on current distribution on ESPAR antenna”, IEICE technical report, IEICE publication, AP2002-44, pp. 25-30, July 2002.
[Non-Patent Document 5]
Shinichi Iigusa et al., “Consideration of vector effective length by admittance distribution on linear antenna array element”, IEICE technical report, IEICE publication, AP2002-109, pp. 45-52, October 2002.
[Non-Patent Document 6]
Hakusaku et al., “Possibility of narrow beam by selecting variable reactor control range of ESPAR antenna”, Proceedings of Society Conference of IEICE, IEICE, B-138, August 2002.
[Non-Patent Document 7]
Hideyan Takayanagi et al., “Frequency fluctuation compensation of OFDM mobile receiver by array antenna element switching”, Proceedings of the IEICE General Conference, IEICE, B-5-291, March 2002.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the conventional ESPAR antenna has a fixed array structure and operating frequency, it can be used only in a fixed operating environment.
[0007]
An object of the present invention is to solve the above problems and provide an array antenna control method and control apparatus capable of electrically changing the configuration requirements such as the structure and operating frequency of the array antenna.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An array antenna control method according to a first invention is an array antenna control method including a plurality of antenna elements.
A plurality of variable reactance elements are connected to each of the plurality of antenna elements, and a reactance value such that an integral value of a current on a predetermined antenna element among the plurality of antenna elements is substantially zero is set to the antenna element. By setting the variable reactance element connected to, the vector effective length of the antenna element is made substantially zero, and the antenna element is electrically removed.
[0009]
In the array antenna control method, the plurality of antenna elements are arranged on a straight line,
Among the plurality of antenna elements, one antenna element that is not electrically removed is selectively switched in order and connected to the radio, and the variable reactance element connected to the other antenna element that is not electrically removed is connected to the antenna. The reactance value is set such that the integrated value of the current on the element is substantially zero.
[0010]
An array antenna control method according to a second invention includes an excitation element for transmitting and receiving a radio signal,
A plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation elements;
A plurality of variable reactance elements respectively connected to the plurality of non-excitation elements,
In the array antenna control method in which the reactance values of the variable reactance elements are changed to operate the plurality of non-excited elements as waveguides or reflectors, respectively, and the directivity characteristics of the array antenna are changed.
By setting the reactance value such that the integral value of the current on the predetermined non-excitation element is substantially zero among the plurality of non-excitation elements, by setting the variable reactance element connected to the non-excitation element, The vector effective length of the non-excitation element is substantially zero, and the non-excitation element is electrically removed.
[0011]
In the array antenna control method, the plurality of non-excitation elements are arranged in different directions around the excitation element, and the non-excitation elements other than the non-excitation elements located in a predetermined direction are electrically removed. The directional characteristics of the array antenna are changed by the above.
[0012]
In the array antenna control method, at least one of the plurality of non-excitation elements is provided at a different interval from the excitation element to other non-excitation elements, and is located at a predetermined interval. The directional characteristics of the array antenna are changed by electrically removing the non-excitation elements other than the above.
[0013]
Further, in the array antenna control method, at least one of the plurality of non-excited elements has an element length different from that of the other non-excited elements, and the non-excited elements other than the non-excited elements having a predetermined element length. The directional characteristic of the array antenna is changed by electrically removing the excitation element.
[0014]
Still further, in the array antenna control method, at least one of the plurality of non-excitation elements has an operating frequency different from that of the other non-excitation elements, and other than the non-excitation elements having a predetermined operating frequency. The operating frequency of the array antenna is changed by electrically removing the non-excitation element.
[0015]
Still further, in the array antenna control method, the reactance value of the variable reactance element for directing the main beam of the array antenna in the direction of the desired wave is calculated and set based on the received signal received by the excitation element. The method further includes:
[0016]
An array antenna control apparatus according to a third invention is an array antenna control apparatus including a plurality of antenna elements.
A plurality of variable reactance elements are connected to the plurality of antenna elements,
Among the plurality of antenna elements, by setting a reactance value such that an integral value of a current on a predetermined antenna element is substantially zero in a variable reactance element connected to the antenna element, the antenna element And a control means for electrically removing the antenna element with a vector effective length of substantially zero.
[0017]
In the array antenna control apparatus, the plurality of antenna elements are arranged in a straight line,
The control means selectively switches one antenna element that is not electrically removed from the plurality of antenna elements in order to connect to the radio, and a variable reactance connected to another antenna element that is not electrically removed. A reactance value is set in the element so that an integral value of a current on the antenna element becomes substantially zero.
[0018]
An array antenna control apparatus according to a fourth aspect of the present invention includes an excitation element for transmitting and receiving a radio signal;
A plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation elements;
A plurality of variable reactance elements respectively connected to the plurality of non-excitation elements,
By changing the reactance value of each of the variable reactance elements, the plurality of non-excited elements are each operated as a director or a reflector, and the array antenna control apparatus changes the directivity characteristics of the array antenna.
By setting the reactance value such that the integral value of the current on the predetermined non-excitation element is substantially zero among the plurality of non-excitation elements, by setting the variable reactance element connected to the non-excitation element, Control means for electrically removing the non-exciting element by setting the vector effective length of the non-exciting element to substantially zero is provided.
[0019]
In the array antenna control apparatus, the plurality of non-excitation elements are arranged in different directions with the excitation element as a center, and the control means electrically connects the non-excitation elements other than the non-excitation elements positioned in a predetermined direction. It is characterized in that the directivity characteristics of the array antenna are changed by removing them.
[0020]
Further, in the array antenna control device, at least one of the plurality of non-excitation elements is provided at a different interval from the excitation element to other non-excitation elements, and the control means is provided at a predetermined interval. The directional characteristics of the array antenna are changed by electrically removing the non-exciting elements other than the non-exciting elements located.
[0021]
Further, in the array antenna control apparatus, at least one of the plurality of non-excitation elements has an element length different from that of the other non-excitation elements, and the control means includes a non-excitation having a predetermined element length. The directional characteristics of the array antenna are changed by electrically removing the non-excited elements other than the elements.
[0022]
Still further, in the array antenna control apparatus, at least one of the plurality of non-excitation elements has an operating frequency different from other non-excitation elements, and the control means has a predetermined operating frequency. The operating frequency of the array antenna is changed by electrically removing the non-exciting elements other than the non-exciting elements.
[0023]
Still further, in the array antenna control apparatus, the control means has a reactance value of a variable reactance element for directing a main beam of the array antenna in a direction of a desired wave based on a received signal received by the excitation element. Is calculated and set.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0025]
<First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an array antenna control apparatus which is an ESPAR antenna apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the array antenna control apparatus of this embodiment includes one excitation element A0 and six non-excitation elements A1 to A6 loaded with variable reactance elements 12-1 to 12-6, respectively. The ESPAR antenna apparatus 100 including the ground conductor 11 and the adaptive control controller 20 are configured.
[0026]
Here, the adaptive control type controller 20 is configured by a digital computer such as a computer, for example, and an input device 22 such as a keyboard is connected to the adaptive control type controller 20. Before starting the wireless communication using the demodulator or the wireless transmitter 7, the user selects and inputs a non-excited element to be electrically removed from the non-excited elements A1 to A6 using the input device 22, In response to this, an instruction signal including the instruction content is input from the input device 22 to the adaptive control controller 20. The adaptive control type controller 20 outputs and sets a reactance value such that the integral value of the current on the selected predetermined non-excitation element becomes substantially zero to the variable reactance element connected to the non-excitation element. Thus, the vector effective length of the non-exciting element is made substantially zero, and the non-exciting element is electrically removed. Therefore, the configuration requirements such as the array structure and the operating frequency can be changed depending on the number of non-excited elements to be electrically removed. An array antenna control method for electrically removing the non-exciting element will be described in detail later.
[0027]
The adaptive control controller 20 further excites the learning sequence signal included in the radio signal transmitted from the counterpart transmitter before the radio communication by the demodulator 4 at the time of reception. Based on the received signal y (t) when received by the element A0 and the learning sequence signal r (t) generated by the learning sequence signal generator 21 having the same signal pattern as the learning sequence signal, The adaptive control process by the steepest gradient method is executed. In this adaptive control process, among the variable reactance elements 12-1 to 12-6 for directing the main beam of the ESPAR antenna apparatus 100 in the desired wave direction and the null in the interference wave direction, The bias voltage value applied to the variable reactance element connected to the non-excited element not removed is searched and set using the control voltage signal. Specifically, the adaptive control type controller 20 sequentially perturbs the reactance values of the variable reactance elements connected to the non-excited elements that are not electrically removed by a predetermined difference width, and sets the predetermined reactance values for each reactance value. The evaluation function value (for example, the power of the received signal) is calculated, and based on the calculated evaluation function value, for example, using the steepest gradient method, each reactance is maximized so that the evaluation function value becomes maximum. By calculating the value repeatedly, the reactance value of each variable reactance element for directing the main beam of the ESPAR antenna apparatus 100 in the direction of the desired wave and in the direction of the interference wave is calculated and set. To control. Thus, the bias voltage of each variable reactance element for directing the main beam of the ESPAR antenna apparatus 100 in the direction of the desired wave and the null in the direction of the interference wave so that the evaluation function value is substantially maximized. A value is searched, and a control voltage signal having each searched bias voltage value is output to each variable reactance element and set.
[0028]
In the above embodiment, the steepest gradient method is used, but the present invention is not limited to this, and other adaptive control methods may be used.
[0029]
In FIG. 1, an ESPAR antenna device 100 includes seven antenna elements provided on a ground conductor 11, that is, an excitation element A0 and non-excitation elements A1 to A6. The excitation element A0 is on the circumference of a radius d. Are arranged so as to be surrounded by six non-excitation elements A1 to A6. Preferably, the non-exciting elements A1 to A6 are provided at equal intervals on the circumference of the radius d. Each of the excitation elements A0 and the non-excitation elements A1 to A6 is configured to be a monopole element having a length of about λ / 4 with respect to the wavelength λ of the desired wave, and the radius d is λ / 4. Configured to be. The feeding point of the excitation element A0 is connected to the low noise amplifier (LNA) 1 via the coaxial cable 5 and the circulator 6, and the non-excitation elements A1 to A6 are connected to the variable reactance elements 12-1 to 12-6, respectively. These variable reactance elements 12-1 to 12-6 change their reactance values in response to a control voltage signal from the adaptive control type controller 20.
[0030]
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the ESPAR 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 with respect to the ground conductor 11 via the variable reactance elements 12-1 to 12-6. The operation of the variable reactance elements 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 element 12-1 Is inductive (L property), the variable reactance element 12-1 becomes an extension coil, and the electrical lengths of the non-excitation elements A1 to A6 are longer than that of the excitation element A0, and function as a reflector. On the other hand, for example, when the variable reactance element 12-1 has capacitance (C-type), the variable reactance element 12-1 becomes a shortening capacitor, and the electrical length of the non-excitation element A1 becomes shorter than that of the excitation element A0. Acts as a director. The non-excitation elements A2 to A6 connected to the other variable reactance elements 12-2 to 12-6 operate in the same manner.
[0031]
Therefore, in the ESPAR antenna device 100 of FIG. 1, the reactance that is the junction capacitance value is changed by changing the bias voltage value applied to the variable reactance elements 12-1 to 12-6 connected to the non-excitation elements A1 to A6. By changing the value, the plane directivity characteristic of the ESPAR antenna device 100 can be changed.
[0032]
In the array antenna control apparatus of FIG. 1, the adaptive control type controller 20 makes the integral value of the current on the predetermined non-excitation element selected by the user substantially zero based on the instruction signal from the input apparatus 22. The reactance value is set to be output to the variable reactance element connected to the non-excitation element, thereby setting the vector effective length of the non-excitation element substantially to zero and electrically Remove.
[0033]
A transmitting station that transmits a radio signal received by the array antenna 100 includes digital data having a predetermined symbol rate including a learning sequence signal having the same signal pattern as the predetermined learning sequence signal generated by the learning sequence signal generator 21. In accordance with the signal, a radio frequency carrier signal is modulated using a digital modulation method such as BPSK or QPSK, and the modulated signal is amplified and transmitted to the ESPAR antenna apparatus 100 of the receiving station. In this embodiment, before performing data communication, a radio signal including a learning sequence signal is transmitted from the transmitting station to the receiving station, and adaptive control processing by the adaptive control type controller 20 is executed at the receiving station.
[0034]
The ESPAR antenna apparatus 100 receives a radio signal from a transmitting station, and the received signal is input to a low noise amplifier (LNA) 1 through a feeding coaxial cable 5 and a circulator 6 and then amplified, and then downed. The converter (D / C) 2 performs low-frequency conversion of the amplified signal into a signal having a predetermined intermediate frequency (IF signal). Further, the A / D converter 3 A / D converts the low-frequency converted analog signal into a digital signal, and outputs the digital signal to the adaptive control controller 20 and the demodulator 4. Next, the adaptive control type controller 20 reacts the reactance of the variable reactance element connected to the non-excited element that is not electrically removed based on the received signal y (t) and the learning sequence signal r (t). The value is sequentially perturbed by a predetermined difference width, a predetermined evaluation function value (for example, the power of the received signal) is calculated for each reactance value, and the steepest gradient method is calculated based on the calculated evaluation function value. Is used to repeatedly calculate each reactance value so as to maximize the evaluation function value, thereby directing the main beam of the ESPAR antenna apparatus 100 in the direction of the desired wave and nulling in the direction of the interference wave. Control is performed so that the reactance value of each variable reactance element to be directed is calculated and set. Thereby, the bias voltage value of each variable reactance element for directing the main beam of the ESPAR antenna apparatus 100 in the direction of the desired wave and the null in the direction of the interference wave is searched so that the evaluation function value becomes maximum. Then, a control voltage signal having each searched bias voltage value is output to each variable reactance element and set.
[0035]
Also, at the time of transmission, a reactance value is set such that the integral value of the current on the predetermined non-excitation element selected by the user is substantially zero based on the instruction signal from the input device 22. By outputting to a variable reactance element connected to the element and setting it, the vector effective length of the non-excitation element can be made substantially zero, and the non-excitation element can be electrically removed.
[0036]
Next, the wireless transmitter 7 modulates the wireless carrier wave by a predetermined modulation method based on the input transmission baseband signal, and the modulated wireless carrier wave is transmitted through the circulator 6 and the feeding coaxial cable 5. The signal is output to the excitation element A0 of the antenna device 100, whereby a radio signal is radiated from the ESPAR antenna device 100. Note that the adaptive control type controller 20 transmits, for example, each variable reactance element 12-1 to 12 set at the time of reception with respect to a variable reactance element connected to a non-excitation element that is not electrically removed. Set a reactance value of -6.
[0037]
As described above, according to the present embodiment, the adaptive control type controller 20 electrically removes the non-excited element selected by the user from the plurality of non-excited elements A1 to A6, and the beam of the antenna device. It is also possible to perform adaptive control so that is directed in the direction of the desired wave.
[0038]
<Second Embodiment>
FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of a seven-element half-wave dipole ESPAR antenna device used in the array antenna control device according to the second embodiment of the present invention. The spanner apparatus of FIG. 3 is a modification of the spanner apparatus 100 of FIG.
[0039]
Here, a feeding coaxial cable is connected to the center of the half-wavelength dipole excitation element A0, and variable reactance elements 12-1 to 12-6 are connected to the centers of the non-excitation elements A1 to A6 of the half-wavelength dipole. . Specifically, for example, the non-excitation element A1 is composed of a pair of elements, and the variable reactance element 12-1 is connected to the corresponding port of the pair of elements at the center point of the pair of elements. 12-2 to 12-6 are similarly connected. In FIG. 3, the positions of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 are indicated by ellipses filled with black at the central portions of the non-excitation elements A1 to A6. In this embodiment, for example, the antenna element length L is a half wavelength, the diameter of the antenna element is 0.02 wavelength, and the antenna element interval is 0.25 wavelength. Hereinafter, the array antenna control method of this embodiment will be described with reference to the ESPAR antenna apparatus of FIG.
[0040]
First, the concept of an electrically transparent non-excitation element that is achieved by controlling a variable reactance element will be described. According to Non-Patent Documents 4 and 5, the vector effective length le in the direction orthogonal to the i-th (1 ≦ i ≦ 6) non-excitation element Ai.iIs the reactance value X of the variable reactance element loaded in the i-th parasitic element (that is, the non-excitation element)iIs expressed by the following formula.
[0041]
[Expression 1]
lei= Lei (0)(1-αXi)
[0042]
lei (0)Is the vector effective length when the reactance value is 0 [Ω] or when the variable reactance element is not loaded, and takes about 65% of the physical antenna element length. The proportionality constant α is a constant that is substantially determined by the structure of the antenna, particularly the length and thickness of the antenna element itself. From Equation 1, the vector effective length does not depend on the current distribution (equivalent weight vector) realized by the control result, but is determined by the reactance value that is a control parameter. In addition, the reactance value X of the variable reactance element loaded on the non-excitation element itselfiTherefore, it can be seen that it can be controlled independently from the reactance values of other non-excited elements. Furthermore, from the linearity of Equation 1, the reactance value XiIs set to the value of Formula 2 so that the vector effective length le of the non-exciting element Ai is independent of the state of other non-exciting elements.iCan always be zero.
[0043]
[Expression 2]
Xi= 1 / α
[0044]
However, the vector effective length leiIs defined by Equation 3, so lei= 0 means that no current flows on the element, but the current distribution function i on the element.iIt means that the integral value of (z) is 0. Where the current distribution function ii(Z) represents the current amplitude value with respect to the coordinate z of the position on the element with the center point in the longitudinal direction of the antenna element as the origin.
[0045]
[Equation 3]
lei= ∫ii(Z) dz / ii(0)
[0046]
Here, the integration range on the right side of Equation 3 is from -L / 2 to L / 2.
[0047]
Therefore, if the array antenna is controlled according to the above-described method, a reactance value that causes the integral value of the current on the selected predetermined non-excited element to be substantially zero is connected to the non-excited element. By setting the variable reactance element, the vector effective length of the non-excitation element can be made substantially zero, and the non-excitation element can be electrically removed.
[0048]
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a method of controlling the array antenna that realizes a state equivalent to the absence of the non-excitation element Ai of FIG. Since the physical element length L of the antenna element is about half a wavelength, and the path length difference from each part of the antenna element to the observation point can be ignored, the current on the antenna element is 0 when Equation 2 is satisfied. It is considered to be almost equal to the state. Therefore, as shown in FIG. 4, the state equivalent to the absence of the non-excitation element Ai is an open state in which nothing is connected to the center of the dipole non-excitation element Ai (ie, between the elements Aia and Aib) (see FIG. 4). 4), a current flows through the non-excitation element Ai, but this cannot be realized. However, a reactance value satisfying Equation 2 is set for the variable reactance element 12-i connected to the non-excitation element Ai. Thus (see the right side of FIG. 4), the integral value of Equation 3 becomes 0, and a state almost equivalent to the absence of the non-excitation element Ai can be realized.
[0049]
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a current distribution on the non-excited element Ai when the non-excited element Ai of FIG. 3 is affected by another non-excited element 12-j. As shown in FIG. 5, the reactance value X of the variable reactance element 12-j loaded on another non-excitation element Aj.jThus, the current distribution function value i at the center of the non-excited element AiiEven if (0) changes, the integral value of the current on the non-excitation element Ai is maintained to be zero.
[0050]
FIG. 6 is a perspective view showing a state where the non-excitation element A4 of FIG. 3 is electrically removed. The fact that the current on the antenna element is zero means that there is no electrical influence on the far field and other antenna elements. That is, even though the antenna element is physically present, it is not electrically present (transparent). Therefore, according to the array antenna control method of the present embodiment, the control equivalent to physically removing the non-excited element is performed using the reactance value X of the variable reactance element loaded on the non-excited element.iIs set to 1 / α [Ω]. In the present embodiment, electrically removing the non-exciting element as described above is referred to as “electrically transparent”.
[0051]
Hereinafter, a simulation result of controlling the ESPAR antenna apparatus of FIG. 3 using the array antenna control method of the present embodiment will be shown. In the ESPAR antenna apparatus of FIG. 3, a 7-element dipole ESPAR antenna is considered in which the element length L is a half wavelength, the element diameter is 0.02 wavelength, and the element interval is 0.25 wavelength. The moment method calculates the current amplitude distribution and horizontal plane directivity flowing in each element of ESPAR antenna when reactance value of 1 / α [Ω] is given to some elements and when those elements are physically removed did. Since the constant α at this dimension is 0.002186, the reactance value 1 / α that satisfies Equation 2 is 457.5 [Ω]. FIG. 7 is a table showing six sets of reactance values set in the variable reactance elements 12-1 to 12-6 in this simulation. Six cases from case 1 to case 6 in FIG. 7 were examined.
[0052]
The amplitude distribution of the current flowing through each antenna element is shown in FIGS. FIG. 8A to FIG. 13A are graphs showing current distributions on the elements when the reactance values of cases 1 to 6 in FIG. 7 are set, respectively. FIG. 8B is a graph showing a current distribution on the element when the non-excited element A4 is physically removed, and FIG. 9B is a graph when the non-excited elements A4 and A6 are physically removed. FIG. 10B is a graph showing the current distribution on the element when the non-excited elements A2, A4 and A6 are physically removed, and FIG. FIG. 12 is a graph showing the current distribution on the element when the non-exciting elements A2, A4 to A6 are physically removed, and FIG. 12B shows the element distribution when the non-exciting elements A2 to A6 are physically removed. FIG. 13B is a graph showing the current distribution on the element when the non-excited elements A1 to A6 are physically removed.
[0053]
8 to 13, the horizontal axis represents the distance from the center point of the antenna element normalized by half the length of the antenna element. Referring to the graphs of FIGS. 8 to 13 and the table of FIG. 7, it can be seen that the current amplitude value of the non-excitation element having the reactance value set to 457.5 [Ω] is small. In addition, there is a point where the distance z / (L / 2) from the center point of the element is near 0.3 and the current amplitude value is in contact with 0, but the phase is reversed at that point, The current integral value of 3 is 0. The current amplitude distributions of the other antenna elements are in good agreement in the graphs (a) and (b) of FIGS.
[0054]
The graphs of FIGS. 14 to 19 show the directivity patterns in the horizontal plane of the array antenna device in the cases of FIGS. 8 to 13 (a) and (b), respectively. The result of controlling the reactance value according to the table of FIG. 7 is indicated by a thick broken line, and the result when the non-excited element is physically removed is indicated by a solid line. In each graph of FIG. 14 to FIG. 18, the solid line and the broken line are overlapped, and they are well matched so that they cannot be distinguished. From the above results, it can be confirmed that the non-excited element can be electrically removed by setting the reactance value to 1 / α [Ω].
[0055]
Next, the adaptation limit of the array antenna control method according to this embodiment will be described.
[0056]
As described above, even if the vector effective length is zero, the current flowing on the antenna element is not zero. The current is seen as 0 when the path difference length from each part of the antenna element can be ignored. Therefore, when the antenna element length is long or when the distance to the observation point (other antenna elements) is short, it is considered that the current cannot be regarded as zero. Therefore, the dependency of the change in directivity when the antenna element is physically removed and when the reactance value 1 / α [Ω] is given to the element length L and the element interval d is examined. Since the relationship between one excitation element and one non-excitation element is basic, a two-element ESPAR antenna (not shown) in which dipoles having equal lengths and thicknesses are arranged will be examined. The antenna element diameter was 0.02 wavelength, and the moment method was used for calculation.
[0057]
FIG. 20 is a graph showing the directivity pattern in the horizontal plane of the two-element ESPAR antenna when the antenna element length L is changed. In the graph of FIG. 20, the antenna element interval d is first fixed to a quarter wavelength, and the antenna element length L is changed to 1λ, 0.75λ, 0.5λ, 0.4λ, and 0.3λ. A directivity gain pattern is shown. The constant α corresponding to each antenna element length was calculated, and the directivity in the horizontal plane when the reactance value of the variable reactance element loaded on the non-excitation element was 1 / α [Ω] was calculated by the moment method. If the two-element ESPAR antenna is nearly omnidirectional, it can be determined that the non-excited element is electrically removed. This shows that the antenna element is almost electrically removed when the antenna element length is 0.5 wavelength or less.
[0058]
FIG. 21 is a graph showing the directivity pattern in the horizontal plane of the two-element ESPAR antenna when the antenna element interval d is changed. In FIG. 21, the antenna element length L is constant at half wavelength, and the directivity gain when the antenna element interval d is changed to λ / 2, λ / 4, λ / 16, λ / 32, and λ / 64. The pattern is shown. A constant α corresponding to the distance between the antenna elements was calculated, and the directivity in the horizontal plane was calculated by the moment method when the reactance value of the variable reactance element loaded on the non-excitation element was 1 / α [Ω]. Further, the pattern when there is no non-excitation element (that is, only the excitation element) is indicated by a thick broken line. In either case, almost no directivity is obtained. Since the omnidirectionality is maintained even when the non-excited element interval d is very close to λ / 64, non-directivity is maintained by setting the reactance value of the variable reactance element loaded on the non-excited element to 1 / α [Ω]. It can be seen that the transparency of the excitation elements is not limited by the antenna element spacing.
[0059]
The reactance value 1 / α [Ω] is a large value of about 457.5 [Ω] in the examination of FIG. 5 and FIG. 6, but this value can be realized by a combination of circuit elements (Non-Patent Document 6). See). Further, the constant α of 1 / α [Ω] becomes sensitively small when the antenna element becomes thick (see Non-Patent Document 5). Therefore, the reactance value necessary for making the antenna element transparent by making the antenna element thicker. Can be reduced.
[0060]
<Modification of Second Embodiment>
Hereinafter, the second implementation using the control method of electrically removing the non-excited element (making it transparent) by setting the reactance value of 1 / α [Ω] to the variable reactance element based on Equation 2 Several modifications of the ESPAR antenna will be described. A perspective view of some modifications is shown in FIGS.
[0061]
FIG. 22 is a perspective view showing a configuration of an array antenna apparatus that is a first modification of the ESPAR antenna apparatus of FIG. 3 and that can vary the number of antenna elements. In FIG. 22, in this array antenna device which is an ESPAR antenna device, the loaded reactance value is variable, but the length and arrangement of the antenna elements are fixed. However, by making the reactance values of the variable reactance elements 12-2, 12-4 and 12-6 loaded on the non-excitation elements A2, A4 and A6 that are physically present to be 1 / α [Ω], The non-excitation element can be made electrically transparent. By arranging such transparent antenna elements, the number of elements can be changed from 7 elements to 4 elements (or any number of elements).
[0062]
In addition, the arrangement position and the arrangement radius of the antenna elements can be changed. FIG. 23 is a perspective view showing a configuration of an array antenna apparatus that is a second modification example of the ESPAR antenna apparatus of FIG. 3 and that can change the array position of the antenna elements. In FIG. 23, in this array antenna apparatus, with a predetermined azimuth angle as a reference, the non-excitation element A1 is located in the direction of the angle φ1 from the position of the excitation element A0, and the non-excitation element A11 is from the position of the excitation element A0. It is located in the direction of angle φ2 (≠ φ1). Further, the non-exciting elements A1 to A6 are arranged every 60 degrees adjacent to each other on the circumference of a predetermined radius around the exciting element A0, while the non-exciting elements A11 to A16 are arranged above the exciting element A0. They are arranged every 60 degrees adjacent to each other on the circumference of the same radius as the radius.
[0063]
By setting the reactance values of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 loaded in the non-excitation elements A1 to A6 to 1 / α [Ω], the non-excitation elements A1 to A6 can be electrically removed. it can. Similarly, the non-exciting elements A11 to A16 are electrically removed by setting the reactance values of the variable reactance elements 12-11 to 12-16 loaded in the non-exciting elements A11 to A16 to 1 / α [Ω]. You can also At least one set of non-excited elements can be electrically removed from these two sets of non-excited elements (A1 to A6; A11 to A16), and the two sets of non-excited elements are selectively switched. Thus, the arrangement position can be changed. As a result, the directivity characteristics of the entire array antenna apparatus can be changed.
[0064]
FIG. 24 is a perspective view showing a configuration of an array antenna apparatus that is a third modification of the ESPAR antenna apparatus of FIG. 3 and that can change the array radius of the antenna elements. The non-excitation elements A1 to A6 are arranged adjacent to each other on the circumference of the radius d centered on the excitation element A0 at intervals of 60 degrees, and the non-excitation elements A21 to A26 are arranged with a radius d centered on the excitation element A0. Are arranged every 60 degrees adjacent to each other on the circumference of '. By setting the reactance values of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 loaded in the non-excitation elements A1 to A6 to 1 / α [Ω], the non-excitation elements A1 to A6 can be electrically removed. it can. Similarly, by setting the reactance values of the variable reactance elements 12-21 to 12-26 loaded in the non-excitation elements A21 to A26 to 1 / α [Ω], the non-excitation elements A21 to A26 are electrically removed. You can also At least one set of non-excited elements of these two sets of non-excited elements (A1 to A6; A21 to A26) can be electrically removed, and these two sets of non-excited elements are selectively switched. Thus, the arrangement radius can be changed. As a result, the overall directivity of the array antenna apparatus can be changed.
[0065]
Further, the length of the antenna element can be changed. FIG. 25 is a perspective view showing a configuration of an array antenna apparatus that is a fourth modification example of the ESPAR antenna apparatus of FIG. 3 and that can change the antenna element length. In FIG. 25, the non-excited elements A31 to A36 having the element length L ′ are arranged in proximity to the non-excited elements A1 to A6 having the element length L, respectively. The non-excitation elements A31 to A36 are also arranged in the same arrangement as the non-excitation elements A1 to A6. Further, when the reactance values of the variable reactance elements 12-31 to 12-36 loaded on the non-exciting elements A31 to A36 are set to 1 / α ′ [Ω], Equation 2 is satisfied.
[0066]
Here, among the twelve non-exciting elements, the reactance values of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 loaded on the non-exciting elements A1 to A6 are set to 1 / α [Ω], so that The elements A1 to A6 can be electrically removed. At this time, only the non-excited elements A31 to A36 having the element length L 'can be effectively operated, and the element length of each non-excited element is L'. On the other hand, by setting the reactance values of the variable reactance elements 12-31 to 12-36 loaded in the non-excitation elements A31 to A36 among the 12 non-excitation elements to 1 / α ′ [Ω], The elements A31 to A36 can be electrically removed. At this time, only the non-excited elements A1 to A36 having the element length L can be effectively operated, and the element length of each non-excited element is L. By switching between these two cases, the element length of each non-excitation element can be changed. Thereby, the directivity characteristic of the antenna device can be changed.
[0067]
In addition, it is possible to make the operating frequency variable by simultaneously arranging antenna elements that operate at different frequencies by using these techniques. FIG. 26 is a perspective view showing a configuration of an array antenna apparatus that is a fifth modification of the ESPAR antenna apparatus of FIG. 3 and that can change the operating frequency of the array antenna apparatus.
[0068]
In FIG. 26, the non-exciting elements A1 to A6 are antenna elements having the operating frequency f, the non-exciting elements A41 to A46 have the operating frequency f ′ (≠ f), and the non-exciting elements A1 to A6 are Antenna elements having different element lengths and arrangement radii. The arrangement directions of the non-excitation elements A41 to A46 from the excitation element A0 are the same as those of the non-excitation elements A1 to A6. Furthermore, when the reactance values of the variable reactance elements 12-41 to 12-46 loaded in the non-exciting elements A41 to A46 are set to 1 / α ′ [Ω], Equation 2 is satisfied.
[0069]
By setting the reactance values of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 loaded in the non-excitation elements A1 to A6 out of the twelve non-excitation elements A1 to A6 to 1 / α [Ω], The elements A1 to A6 can be electrically removed. At this time, the non-excitation elements A41 to A46 can be used to operate at the operating frequency f '. Alternatively, by setting the reactance values of the variable reactance elements 12-41 to 12-46 loaded in the non-excitation elements A41 to A46 out of the twelve non-excitation elements A1 to A6 to 1 / α ′ [Ω]. The non-exciting elements A1 to A6 can be electrically removed. At this time, the non-excitation elements A41 to A46 can be used to operate at the operating frequency f. In these two cases, the arrangement radius is set so that the radiation patterns are the same. By switching between these two cases, it is possible to selectively set one of the two operating frequencies. In the modification of FIG. 26, the arrangement radius is set so that the radiation patterns are the same, but the present invention is not limited to this, and the radiation patterns may not be the same.
[0070]
At this time, the value of the constant α that determines the reactance value that electrically transparentizes (ie removes) the antenna element varies depending on the frequency. Therefore, an antenna element can be made transparent for several frequencies, but cannot be made transparent for two or more frequencies at the same time.
[0071]
In addition to the above-described modification examples, a modification example in which the radius (thickness) of the antenna element is variable, or a transparent element is arranged around the antenna device like a mesh to affect the radiation of the antenna. Variations such as giving or eliminating the influence can be considered.
[0072]
As described above, according to the array antenna control method of the present embodiment, a reactance value such that the integral value of the current on the selected predetermined non-excitation element is substantially zero is set to the non-excitation By outputting and setting the variable reactance element connected to the element, the vector effective length of the non-excited element can be made substantially zero, and the non-excited element can be electrically removed. The present embodiment is characterized by focusing on the on-element current distribution control by the variable reactance element. By selecting the reactance value appropriately, the vector effective length can always be substantially substantially zero regardless of the reactance value of other non-excitation elements and the equivalent weight vector (see Non-Patent Documents 2 and 3). It is. Therefore, according to the present embodiment, the antenna element becomes electrically transparent by controlling the reactance value. Therefore, the ESPAR antenna apparatus (reconfigurable device) that can change the antenna element arrangement, the arrangement radius, the element length, the operating frequency, and the like. Rabbit array antenna) can be realized.
[0073]
In the above first and second embodiments and modifications, the method for electrically transparent antenna elements in the ESPAR antenna device has been described. However, the present invention is not limited to this, and this method is not limited to the linear array antenna. The present invention can be applied to an array antenna apparatus including a plurality of antenna elements.
[0074]
<Third Embodiment>
Next, a method for controlling an array antenna provided on a moving body according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 27A is an explanatory view showing an array antenna apparatus 200 according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 27B is a longitudinal sectional view of the automobile 201 showing a detailed configuration of the array antenna apparatus 200. FIG. 27C is a circuit diagram showing a detailed configuration of the power feeding circuit including the variable reactance element 12-a.
[0075]
In FIG. 27A, an array antenna apparatus 200 of a linear array is fixed on a moving body, for example, an automobile 201 so that the traveling direction of the automobile 201 and the element arrangement of the array antenna apparatus 200 coincide. In the present embodiment, one antenna element (hereinafter referred to as an operating element) connected to the wireless transceiver 30 is sequentially switched backward using the switch 31 at the same speed as the vehicle speed, and the other antenna elements are electrically connected by the switch 31. By connecting to a variable reactance element that realizes a transparent state, the position of the antenna element in the operating state can be made stationary with respect to the ground.
[0076]
In FIG. 27B, the array antenna apparatus 200 is configured to include, for example, eight antenna elements Aa, Ab, Ac, Ad, Ae, Af, Ag, and Ah, and these antenna elements Aa to Ah are predetermined. They are arranged at intervals and on a straight line parallel to the traveling direction of the automobile 201. These antenna elements Aa to Ah are half-wave dipole antennas, and variable reactance elements 12-a to 12-h are loaded at the center points of the antenna elements Aa to Ah, respectively.
[0077]
In FIG. 27C, the antenna element Aa is composed of an upper half element Aa-1 and a lower half element Aa-2, and the lower half element Aa-2 is composed of the variable capacitance diode 12-a. The upper half element Aa-1 is connected to the anode and one terminal of the wireless transmitter 30, and is connected to the cathode of the variable capacitance diode 12-a via the contact b of the switch 31. It is connected to another terminal of the wireless transmitter 30 via the contact a. The variable capacitance diode 12-a is configured to have a reactance value that satisfies Equation 2 by applying a reverse bias voltage from a controller (not shown). When the switch 31 is switched to the contact a, the antenna element Aa operates as an excitation element, and when the switch 31 is switched to the contact b, the antenna element Aa becomes electrically transparent and is removed. The other antenna elements Ab to Ah are configured similarly.
[0078]
With the above configuration, one of the eight antenna elements Aa to Ah can be selectively used as an operating element. However, in the present embodiment, the eight antenna elements Aa to Ah are used. In order to generate only one operating element in Ah, the switch 31 is used to switch the operation sequentially from the front to the rear at the same speed as the vehicle speed. Thereby, the position of the antenna element in an operating state can be made substantially stationary with respect to the ground.
[0079]
Non-Patent Document 7 discloses that, for example, in a short burst data signal period, a received signal at a point stationary with respect to the ground is estimated by spatial interpolation using a linear array antenna. It is disclosed that mobile reception fading fluctuation can be compensated by switching at high speed so as to connect only one antenna element among a plurality of antenna elements of an array antenna. Further, Non-Patent Document 7 discloses that mutual coupling between antenna elements does not occur because the elements other than the selected antenna element are electrically open. However, it is considered that a current flows through the antenna element even in an open state, and mutual coupling cannot be ignored. For the application disclosed in Non-Patent Document 7, as described above, the above-described mutual coupling can be reduced by using the “method of electrically transparent antenna element” according to the present invention.
[0080]
As described above, according to the array antenna control method of the present embodiment, radio signals are transmitted / received from one antenna element, while the integrated value of the current on the remaining antenna elements becomes substantially zero. By setting such a reactance value to a variable reactance element connected to the remaining antenna element, the effective vector length of the remaining antenna element is substantially zero, and the remaining antenna element is electrically removed. can do. When this array antenna is a linear array antenna apparatus 200 fixed on a moving body such as an automobile 201, an antenna element for transmitting and receiving radio signals is placed in a direction opposite to the traveling direction of the moving body. By switching one after another at the same speed as the speed, the position of the antenna element that transmits / receives a radio signal in the array antenna apparatus 200 can be substantially stationary with respect to the ground.
[0081]
<Fourth Embodiment>
The admittance matrix calculation method according to the fourth embodiment of the present invention will be described below. In the ESPAR antenna, since the current array distribution has a non-linear relationship with the reactance value as a control variable and cannot be directly controlled, it is difficult to analytically calculate the reactance value necessary to form a beam having a desired shape. Therefore, conventionally, a convergence state by repetition such as the steepest gradient method is used as the desired beam. Since it is necessary to repeatedly calculate the evaluation function value by changing the control variable in the iteration, an equivalent weight vector that can easily and quickly calculate the directivity is convenient for performing the steepest gradient method in the simulation (for example, (See Patent Documents 2 and 3). Each element of the equivalent weight vector is a current value that flows to a point where a feed line or a variable reactor is connected on each antenna element of the ESPAR antenna, and can be accurately calculated from an admittance matrix and a connected reactance value by circuit theory. However, the admittance matrix has self-admittance and mutual admittance between circuit element connection points as elements. Since the admittance value is determined by the antenna structure without depending on the reactance value, once calculated, the equivalent weight vector can be uniquely calculated by the reactance value of the variable reactance element loaded on the non-excited element. The admittance value can be calculated analytically by the method of moments. The 7-element ESPAR antenna is convenient because it is represented by only 6 complex values due to the symmetry of the structure.
[0082]
In order to make the equivalent weight vector have information on the current distribution on the element, the present inventors have calculated the directivity from a new equivalent weight vector obtained by multiplying the equivalent weight vector by the effective length matrix in Non-Patent Document 4. Proposed. Here, the effective length matrix is a matrix having the vector effective length of each element as a diagonal component. It has been found that the effective vector length can be calculated from the reactance value and the feeding current value of the variable reactance element loaded on the non-excited element without calculating the current distribution on the element (see Patent Document 5). Until now, reactance values have been handled for the purpose of controlling the current array distribution (equivalent weight vector). In the present embodiment, reactance values are handled from the standpoint of vector effective length control.
[0083]
As described above, the relationship of Equation 2 can be applied to analysis of an array antenna in addition to application to actual hardware (that is, control of an array antenna). An admittance matrix that represents antenna characteristics in the equivalent weight vector representation is an important parameter. The element can be calculated by the method of moments. The seven-element ESPAR antenna device is represented by only six complex parameters because of its structural symmetry. When there is no symmetry, in general, when the total number of antenna elements is M, M (M−1) / 2 It is necessary to calculate complex parameters. As shown below, when transparency of a non-excited element is used, an antenna element with low symmetry such as a certain non-excited element is removed from an admittance matrix of a highly symmetric antenna element array expressed by a small number of parameters. The admittance matrix elements of the array can be calculated.
[0084]
As described in Non-Patent Document 3, the relationship of Equation 4 is established by circuit theory.
[0085]
[Expression 4]
[I] = vs([Y]-1+ [X])-1[U0]
[0086]
[I] is an M column vector having current components as elements, [Y] is an M row and M column admittance matrix having self admittance and mutual admittance as elements, and [X] is an input impedance and each element. It is a diagonal matrix of M rows and M columns with a reactance value to be connected as a diagonal component, and [u0] Is a unit column vector in which only one column component is 1 and the others are 0. vsIs a feeding voltage of the excitation element (see Non-Patent Document 5). Vector [u0], Only the first column component is 1 because the power is fed only to the antenna elements corresponding to the first column. However, Formula 4 can be generalized and expressed as Formula 5.
[0087]
[Equation 5]
[I] = ([Y]-1+ [X])-1[V]
[0088]
Here, [v] is a column vector whose elements are voltages supplied to the respective elements. When the variable reactance element is not loaded, Equation 6 which is a definition regarding admittance is obtained as [X] = [0].
[0089]
[Formula 6]
[I] = [Y] [v]
[0090]
According to the discussion in the second embodiment, the reactance value X of the variable reactance element loaded in the i-th,.i, ..., Xj,..., J elements other than the i,..., J th voltage of the current array distribution vector [i] when. For [v], it is equal to the value of the vector [i] in Equation 6 with the i,. The admittance matrix [Y ′] when the i-th non-excited element Ai is physically removed has the effect of removing i rows and i columns.#IIt can be obtained by inverse matrix calculation like the right side of Equation 7.
[0091]
[Expression 7]
[Y ′] = {([Y]-1+ [X(I)])-1}#I
[0092]
Where [X(I)] Is a matrix having a value of 1 / α [Ω] only in the i-th reactance value. When a plurality of non-exciting elements are removed, the number of elements corresponding to those non-exciting elements can be increased with respect to Expression 7, but Expression 7 is repeatedly applied to those non-exciting elements. Also good. By satisfying Equation 7, the admittance matrix [Y ′] when the non-excited element is physically removed can be obtained by inverse matrix calculation.
[0093]
Equation 7 means that the state change of physically removing the non-excited element is represented by an inverse matrix, but it is difficult to understand intuitively, so this inverse matrix operation is examined. Shows the action of removing i rows and i columns of a matrix.#I"Is the inverse matrix operation"-1It seems to be interchangeable with respect to the operation order. Therefore, it is assumed that Equation 8 holds for a certain matrix [A].
[0094]
[Equation 8]
([A]-1)#I= ([A]#I)-1
[0095]
At this time, the right side of Equation 7 is the matrix [X(I)] Is a matrix having reactance of j / α only in the i-row and i-column components, it is transformed as follows.
[0096]
[Equation 9]
{([Y]-1+ [X(I)])-1}#I
= {([Y]-1+ [X(I)])#I}-1
= {([Y]-1)#I}-1
= {([Y]-1)-1}#I
= [Y]#I
[0097]
Furthermore, Equation 7 is transformed as follows:
[0098]
[Expression 10]
[Y '] = [Y]#I
[0099]
In Equation 10, the admittance when the i-th non-excited element Ai is removed is equal to the matrix obtained by removing i rows and i columns of the admittance matrix before removal, which is not physically correct. From this, the action “#I"Is the inverse matrix operation"-1It can be seen that the calculation order is not interchangeable, that is, the number 8 does not hold. It can be easily proved mathematically that Equation 8 does not generally hold when the order of the matrix is 2. When i = 2, the element of the matrix [A] is AijAs (1 ≦ i, j ≦ 2), the equation 8 becomes the equation 11, and it is clear that it does not hold.
[0100]
## EQU11 ##
A22/ (A11A22-A12A21) = 1 / A11
[0101]
However, Formula 11 is the element A of the matrix [A].12, A21Holds when is sufficiently small. Accordingly, when the matrix [A] is replaced with the admittance matrix [Y], the mutual admittance value Y representing the interaction between the antenna elements.ijEquation (11) holds when (i ≠ j) is sufficiently small. It can be physically understood that Equation 8 holds when the mutual coupling is small. Conversely, since Equation 7 holds when there is mutual coupling between elements, an appropriate matrix [X(I)] Is necessary. At this time, this matrix [X(I)1 / α, which is the only element of], depends on the structure of the i-th element (see Non-Patent Document 5). From this, Equation 7 holds that the matrix [Y ′] or [Y] depends not only on the antenna element arrangement but also on the antenna element structure, that is, has information on the antenna element structure. Means.
[0102]
In order to check the validity of Equation 7, a 7-element dipole ESPAR antenna having an element length of 0.5 wavelength, an element interval of 0.25 wavelength, and an element diameter of 0.02 wavelength as shown in FIG. Element Y of the admittance matrix [Y] on the left side of Equation 7 when several non-exciting elements are removed fromijFIG. 28 to FIG. 32 show a comparison between the result calculated by the conventional moment method and the result calculated by the inverse matrix of the right side of Equation 7 according to the method of calculating the admittance matrix [Y] of this embodiment. Here, FIG. 28 shows a graph when the non-exciting element A4 is removed, FIG. 29 shows a graph when the non-exciting elements A3 and A5 are removed, and FIG. 30 shows the non-exciting elements A2, A4. FIG. 31 shows a graph when the non-exciting elements A2, A3, A5 and A6 are removed, and FIG. 32 shows a case where the non-exciting elements A2 to A6 are removed. It is a graph when. The horizontal axis of each graph is the element Y of the admittance matrixijA pair of numbers “ij” is shown. The vertical axis shows the size of the real part and imaginary part of the admittance value. In FIG. 28 to FIG. 32, the large black circle and the small black circle indicate the result of the left side of Equation 7 calculated by the method of moments, where the large black circle indicates the real part of the calculation result and the small black circle indicates the imaginary part of the calculation result. Show. The two squares indicate the result of the right side of Equation 7 obtained by executing the inverse matrix calculation of Equation 7, the large square indicates the real part of the calculation result, and the small square indicates the imaginary part of the calculation result.
[0103]
In all the graphs of FIG. 28 to FIG. 32, these two real part marks are overlapped, and these two imaginary part marks are overlapped, and it can be confirmed that Expression 7 holds. Since the right side of Equation 7 can be calculated analytically without designing an element array model, the calculation is easy. In this way, the admittance of a certain state can be easily calculated from the admittance of another particularly symmetric element arrangement.
[0104]
As described above, according to the array antenna admittance matrix calculation method according to the present embodiment, an inverse matrix operation is performed on the admittance matrix of the antenna element array before removing the admittance matrix of the element array from which a certain non-excited element is removed. Thus, the admittance of a certain state can be easily calculated from the admittance of another particularly symmetric element arrangement.
[0105]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the array antenna control method or control apparatus of the present invention, in the array antenna including a plurality of antenna elements, a plurality of variable reactance elements are connected to the plurality of antenna elements, respectively. Among the plurality of antenna elements, by setting a reactance value such that an integral value of a current on a predetermined antenna element is substantially zero in a variable reactance element connected to the antenna element, the antenna element The antenna element is electrically removed by making the vector effective length of the antenna element substantially zero. Therefore, the antenna element can be made invisible in a very simple manner. Using this property, it is possible to realize an array antenna capable of electrically changing the structure and operating frequency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an array antenna control apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a detailed configuration of the ESPAR antenna apparatus 100 of FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of a half-wavelength dipole ESPAR antenna device used in an array antenna control device according to a second embodiment of the present invention.
4 is an explanatory diagram for explaining an array antenna control method that realizes a state equivalent to the absence of the non-excitation element Ai of FIG. 3; FIG.
5 is an explanatory diagram showing a current distribution on the non-excitation element Ai when the non-excitation element Ai of FIG. 3 is affected by another non-excitation element 12-j. FIG.
6 is a perspective view showing a state where the non-excitation element A3 of FIG. 3 is electrically removed. FIG.
7 is a table showing six sets of reactance values set in the variable reactance elements 12-1 to 12-6 in FIG. 3 used in the simulation of the second embodiment according to the present invention.
8 is a simulation result of the second embodiment according to the present invention, where (a) is a graph showing a current distribution on the element when the reactance value of case 1 in FIG. 7 is set; b) is a graph showing a current distribution on the element when the non-excited element A4 is physically removed.
9 is a simulation result of the second embodiment according to the present invention, in which (a) is a graph showing a current distribution on the element when the reactance value of case 2 of FIG. 7 is set; b) is a graph showing the current distribution on the element when the non-excited elements A4 and A6 are physically removed.
10 is a simulation result of the second embodiment according to the present invention, where (a) is a graph showing a current distribution on the element when the reactance value of case 3 in FIG. 7 is set; b) is a graph showing the current distribution on the element when the non-excited elements A2, A4 and A6 are physically removed.
11 is a simulation result of the second embodiment according to the present invention, in which (a) is a graph showing a current distribution on the element when the reactance value of case 4 in FIG. 7 is set; b) is a graph showing a current distribution on the element when the non-excited elements A2, A4 to A6 are physically removed.
12 is a simulation result of the second embodiment according to the present invention, where (a) is a graph showing a current distribution on the element when the reactance value of case 5 in FIG. 7 is set, b) is a graph showing a current distribution on the element when the non-excited elements A2 to A6 are physically removed.
13 is a simulation result of the second embodiment according to the present invention, where (a) is a graph showing a current distribution on the element when the reactance value of case 6 in FIG. 7 is set; b) is a graph showing a current distribution on the element when the non-excited elements A1 to A6 are physically removed.
14 is a graph showing the directivity pattern in the horizontal plane of the array antenna device in each case of FIGS. 8A and 8B, which is a simulation result of the second embodiment according to the present invention. FIG. .
15 is a graph showing the directivity pattern in the horizontal plane of the array antenna device in each case of FIGS. 9A and 9B, which is a simulation result of the second embodiment according to the present invention. FIG. .
FIG. 16 is a graph showing the directivity pattern in the horizontal plane of the array antenna device in each case of FIGS. 10A and 10B, which is a simulation result of the second embodiment according to the present invention. .
FIG. 17 is a graph showing the directivity pattern in the horizontal plane of the array antenna apparatus in each case of FIGS. 11 (a) and 11 (b), which is a simulation result of the second embodiment according to the present invention. .
FIG. 18 is a graph showing the directivity pattern in the horizontal plane of the array antenna device in each case of FIGS. 12A and 12B, which is a simulation result of the second embodiment according to the present invention. .
FIG. 19 is a graph showing the directivity pattern in the horizontal plane of the array antenna device in each case of FIGS. 13A and 13B, which is a simulation result of the second embodiment according to the present invention. .
FIG. 20 is a graph showing the directivity pattern in the horizontal plane when the antenna element length L is changed, which is the simulation result of the second embodiment according to the present invention.
FIG. 21 is a graph showing the directivity pattern in the horizontal plane when the antenna element interval d is changed, which is a simulation result of the second embodiment according to the present invention.
FIG. 22 is a perspective view showing a configuration of an array antenna apparatus which is a first modification of the second embodiment according to the present invention and can vary the number of antenna elements.
FIG. 23 is a perspective view showing a configuration of an array antenna apparatus that is a second modification of the second embodiment according to the present invention and that can change the array position of the antenna elements.
FIG. 24 is a perspective view showing a configuration of an array antenna apparatus which is a third modification of the second embodiment according to the present invention and can vary the arrangement radius of the antenna elements.
FIG. 25 is a perspective view showing a configuration of an array antenna apparatus which is a fourth modification example of the second embodiment according to the present invention and can vary the antenna element length.
FIG. 26 is a perspective view showing a configuration of an array antenna apparatus that is a fifth modification example of the second embodiment according to the present invention and that can vary the operating frequency of the array antenna apparatus.
FIG. 27A is an explanatory diagram showing an array antenna apparatus 200 according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 27B is an automobile 201 showing a detailed configuration of the array antenna apparatus 200 of FIG. (C) is a circuit diagram showing a detailed configuration of a power feeding circuit including the variable reactance element 12-a of (b).
28 is a simulation result of the admittance matrix calculation method of the fourth embodiment according to the present invention, and when the non-excitation element A4 is removed in the ESPAR antenna apparatus of FIG. 3, the calculation method is used. It is a graph which shows the element of the calculated admittance matrix, and the element of the admittance matrix calculated using the conventional moment method.
29 is a simulation result of the admittance matrix calculation method of the fourth embodiment according to the present invention, and when the non-excitation elements A3 and A5 are removed in the ESPAR antenna apparatus of FIG. It is a graph which shows the element of the admittance matrix calculated using and the element of the admittance matrix calculated using the conventional moment method.
30 is a simulation result of the admittance matrix calculation method of the fourth embodiment according to the present invention, and when the non-excitation elements A2, A4 and A6 are removed in the ESPAR antenna apparatus of FIG. It is a graph which shows the element of the admittance matrix calculated using the method, and the element of the admittance matrix calculated using the conventional moment method.
31 is a simulation result of the admittance matrix calculation method of the fourth embodiment according to the present invention, and when the non-excitation elements A2, A3, A5 and A6 are removed in the ESPAR antenna apparatus of FIG. It is a graph which shows the element of the admittance matrix calculated using the said calculation method, and the element of the admittance matrix calculated using the conventional moment method.
32 is a simulation result of the admittance matrix calculation method of the fourth embodiment according to the present invention, and when the non-excitation elements A2 to A6 are removed in the ESPAR antenna apparatus of FIG. It is a graph which shows the element of the admittance matrix calculated using and the element of the admittance matrix calculated using the conventional moment method.
[Explanation of symbols]
A0: Excitation element,
A1 to A6, A11 to A16, A21 to A26, A31 to A36, A41 to A46 ... non-excitation elements,
Aa, Ab, Ac, Ad, Ae, Af, Ag, Ah ... antenna elements,
Aia, Aib, Aa-1, Aa-2 ... element,
1 ... Low noise amplifier (LNA),
2 ... down converter,
3 ... A / D converter,
4 ... demodulator,
5 ... Coaxial cable for feeding,
6 ... circulator,
7 ... Wireless transmitter,
11: Ground conductor,
12-1 to 12-6, 12-11 to 12-16, 12-21 to 12-26, 12-31 to 12-36, 12-41 to 12-46, 12-a to 12-h ... variable reactance element,
20 ... Adaptive control type controller,
21 ... Learning sequence signal generator,
22: Input device,
30 ... wireless transceiver,
31 ... switch,
100 ... ESPAR antenna device,
200: Array antenna device,
201 ... Automobile.

Claims (16)

複数のアンテナ素子を備えたアレーアンテナの制御方法において、
上記複数のアンテナ素子にそれぞれ複数の可変リアクタンス素子が接続され、上記各アンテナ素子の素子長は送受信する無線信号の０．３波長以上でかつ０．５波長以下の素子長を有し、上記複数のアンテナ素子のうち互いに隣接する１対のアンテナ素子間の間隔は送受信する無線信号の１／６４波長以上でかつ１／２波長以下に設定され、
上記複数のアンテナ素子のうち、所定のアンテナ素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該アンテナ素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該アンテナ素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該アンテナ素子を電気的に除去することを特徴とするアレーアンテナの制御方法。In an array antenna control method including a plurality of antenna elements,
A plurality of variable reactance elements are connected to the plurality of antenna elements, respectively, and an element length of each of the antenna elements has an element length of not less than 0.3 wavelength and not more than 0.5 wavelength of a radio signal to be transmitted / received. The interval between a pair of antenna elements adjacent to each other is set to 1/64 wavelength or more and 1/2 wavelength or less of a radio signal to be transmitted and received,
Among the plurality of antenna elements, by setting a reactance value such that an integral value of a current on a predetermined antenna element is substantially zero in a variable reactance element connected to the antenna element, the antenna element A method for controlling an array antenna, wherein the antenna element is electrically removed by making the effective vector length of the antenna substantially zero. 上記複数のアンテナ素子は一直線上に配列されてなり、
上記複数のアンテナ素子のうち、電気的に除去しない１つのアンテナ素子を順次選択的に切り換えて無線機に接続し、電気的に除去しない他のアンテナ素子に接続された可変リアクタンス素子に、当該アンテナ素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を設定することを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナの制御方法。The plurality of antenna elements are arranged in a straight line,
Among the plurality of antenna elements, one antenna element that is not electrically removed is selectively switched in order and connected to the radio, and the variable reactance element connected to the other antenna element that is not electrically removed is connected to the antenna. 2. The array antenna control method according to claim 1, wherein a reactance value is set such that an integral value of a current on the element is substantially zero. 無線信号を送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、
上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の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、上記複数の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の制御方法において、
上記励振素子及び上記各非励振素子の素子長は送受信する無線信号の０．３波長以上でかつ０．５波長以下の素子長を有し、上記励振素子と上記各非励振素子との間の間隔は送受信する無線信号の１／６４波長以上でかつ１／２波長以下に設定され、
上記複数の非励振素子のうち、所定の非励振素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該非励振素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該非励振素子を電気的に除去することを特徴とするアレーアンテナの制御方法。An excitation element for transmitting and receiving radio signals;
A plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation elements;
A plurality of variable reactance elements respectively connected to the plurality of non-excitation elements,
In the array antenna control method in which the reactance values of the variable reactance elements are changed to operate the plurality of non-excited elements as waveguides or reflectors, respectively, and the directivity characteristics of the array antenna are changed.
The element length of each of the excitation element and each non-excitation element has an element length of 0.3 wavelength or more and 0.5 wavelength or less of a radio signal to be transmitted / received, and is between the excitation element and each non-excitation element. The interval is set to 1/64 wavelength or more and 1/2 wavelength or less of the radio signal to be transmitted / received,
By setting the reactance value such that the integral value of the current on the predetermined non-excitation element is substantially zero among the plurality of non-excitation elements, by setting the variable reactance element connected to the non-excitation element, A method of controlling an array antenna, wherein the effective vector length of the non-excitation element is substantially zero and the non-excitation element is electrically removed. 上記複数の非励振素子は上記励振素子を中心として互いに異なる方向に配置され、所定の方向に位置する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする請求項３記載のアレーアンテナの制御方法。  The plurality of non-excitation elements are arranged in different directions around the excitation element, and the directivity characteristics of the array antenna are changed by electrically removing the non-excitation elements other than the non-excitation elements located in a predetermined direction. 4. The array antenna control method according to claim 3, wherein: 上記複数の非励振素子のうちの少なくとも１つは、上記励振素子から他の非励振素子とは異なる間隔で設けられ、所定の間隔に位置する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする請求項３記載のアレーアンテナの制御方法。  At least one of the plurality of non-excitation elements is provided at a different interval from the excitation element to other non-excitation elements, and the non-excitation elements other than the non-excitation elements located at a predetermined interval are electrically connected. 4. The array antenna control method according to claim 3, wherein the directivity characteristic of the array antenna is changed by removing the array antenna. 上記複数の非励振素子のうち少なくとも１つは、他の非励振素子とは異なる素子長を有し、所定の素子長を有する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする請求項３記載のアレーアンテナの制御方法。  At least one of the plurality of non-excitation elements has an element length different from other non-excitation elements, and electrically removes the non-excitation elements other than the non-excitation elements having a predetermined element length. 4. The array antenna control method according to claim 3, wherein the directivity characteristic of the array antenna is changed. 上記複数の非励振素子のうちの少なくとも１つは、他の非励振素子とは異なる動作周波数を有し、所定の動作周波数を有する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの動作周波数を変化させることを特徴とする請求項３記載のアレーアンテナの制御方法。  At least one of the plurality of non-excitation elements has an operating frequency different from other non-excitation elements, and electrically removes the non-excitation elements other than the non-excitation elements having a predetermined operating frequency. 4. The array antenna control method according to claim 3, wherein the operating frequency of the array antenna is changed by the step. 上記励振素子によって受信された受信信号に基づいて、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けるための可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定することをさらに含むことを特徴とする請求項３乃至７のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナの制御方法。  The method further comprises calculating and setting a reactance value of the variable reactance element for directing the main beam of the array antenna in the direction of a desired wave based on the received signal received by the excitation element. Item 8. The array antenna control method according to any one of Items 3 to 7. 複数のアンテナ素子を備えたアレーアンテナの制御装置において、
上記複数のアンテナ素子にそれぞれ複数の可変リアクタンス素子が接続され、上記各ア ンテナ素子の素子長は送受信する無線信号の０．３波長以上でかつ０．５波長以下の素子長を有し、上記複数のアンテナ素子のうち互いに隣接する１対のアンテナ素子間の間隔は送受信する無線信号の１／６４波長以上でかつ１／２波長以下に設定され、
上記複数のアンテナ素子のうち、所定のアンテナ素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該アンテナ素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該アンテナ素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該アンテナ素子を電気的に除去する制御手段を備えたことを特徴とするアレーアンテナの制御装置。In an array antenna control device including a plurality of antenna elements,
It said each of the plurality of antenna elements a plurality of variable reactance elements connected, element length of each antenna element has an element length of the and 0.5 wavelengths below 0.3 wavelengths or more wireless signal transmitted and received, said An interval between a pair of antenna elements adjacent to each other among the plurality of antenna elements is set to 1/64 wavelength or more and 1/2 wavelength or less of a radio signal to be transmitted / received,
Among the plurality of antenna elements, by setting a reactance value such that an integral value of a current on a predetermined antenna element is substantially zero in a variable reactance element connected to the antenna element, the antenna element An array antenna control apparatus comprising control means for electrically removing the antenna element by making the vector effective length of the antenna substantially zero. 上記複数のアンテナ素子は一直線上に配列されてなり、
上記制御手段は、上記複数のアンテナ素子のうち、電気的に除去しない１つのアンテナ素子を順次選択的に切り換えて無線機に接続し、電気的に除去しない他のアンテナ素子に接続された可変リアクタンス素子に、当該アンテナ素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を設定することを特徴とする請求項９記載のアレーアンテナの制御装置。The plurality of antenna elements are arranged in a straight line,
The control means selectively switches one antenna element that is not electrically removed from the plurality of antenna elements in order to connect to the radio, and a variable reactance connected to another antenna element that is not electrically removed. 10. The array antenna control apparatus according to claim 9, wherein a reactance value is set in the element such that an integral value of a current on the antenna element is substantially zero. 無線信号を送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、
上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の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、上記複数の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の制御装置において、
上記励振素子及び上記各非励振素子の素子長は送受信する無線信号の０．３波長以上でかつ０．５波長以下の素子長を有し、上記励振素子と上記各非励振素子との間の間隔は送受信する無線信号の１／６４波長以上でかつ１／２波長以下に設定され、
上記複数の非励振素子のうち、所定の非励振素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該非励振素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該非励振素子を電気的に除去する制御手段を備えたことを特徴とするアレーアンテナの制御装置。An excitation element for transmitting and receiving radio signals;
A plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation elements;
A plurality of variable reactance elements respectively connected to the plurality of non-excitation elements,
By changing the reactance value of each of the variable reactance elements, the plurality of non-excited elements are each operated as a director or a reflector, and the array antenna control apparatus changes the directivity characteristics of the array antenna.
The element length of each of the excitation element and each non-excitation element has an element length of 0.3 wavelength or more and 0.5 wavelength or less of a radio signal to be transmitted / received, and is between the excitation element and each non-excitation element. The interval is set to 1/64 wavelength or more and 1/2 wavelength or less of the radio signal to be transmitted / received,
By setting the reactance value such that the integral value of the current on the predetermined non-excitation element becomes substantially zero among the plurality of non-excitation elements, by setting the variable reactance element connected to the non-excitation element, A control apparatus for an array antenna, comprising: control means for making the vector effective length of the non-excitation element substantially zero and electrically removing the non-excitation element. 上記複数の非励振素子は上記励振素子を中心として互いに異なる方向に配置され、上記制御手段は、所定の方向に位置する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする請求項１１記載のアレーアンテナの制御装置。  The plurality of non-excitation elements are arranged in different directions from each other with the excitation element as a center, and the control means electrically removes the non-excitation elements other than the non-excitation elements located in a predetermined direction, thereby forming an array antenna. 12. The array antenna control device according to claim 11, wherein the directivity characteristic of the array antenna is changed. 上記複数の非励振素子のうちの少なくとも１つは、上記励振素子から他の非励振素子とは異なる間隔で設けられ、上記制御手段は、所定の間隔に位置する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする請求項１１記載のアレーアンテナの制御装置。  At least one of the plurality of non-excitation elements is provided at a different interval from the non-excitation element from the excitation element, and the control means includes the non-excitation elements other than the non-excitation elements located at a predetermined interval. 12. The array antenna control device according to claim 11, wherein the directivity of the array antenna is changed by electrically removing the element. 上記複数の非励振素子のうち少なくとも１つは、他の非励振素子とは異なる素子長を有し、上記制御手段は、所定の素子長を有する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする請求項１１記載のアレーアンテナの制御装置。  At least one of the plurality of non-excitation elements has an element length different from that of the other non-excitation elements, and the control means electrically connects the non-excitation elements other than the non-excitation elements having a predetermined element length. 12. The array antenna control apparatus according to claim 11, wherein the directivity characteristic of the array antenna is changed by removing the array antenna. 上記複数の非励振素子のうちの少なくとも１つは、他の非励振素子とは異なる動作周波数を有し、上記制御手段は、所定の動作周波数を有する非励振素子以外の上記非励振素子を電気的に除去することによってアレーアンテナの動作周波数を変化させることを特徴とする請求項１１記載のアレーアンテナの制御装置。  At least one of the plurality of non-excitation elements has an operating frequency different from that of the other non-excitation elements, and the control means electrically operates the non-excitation elements other than the non-excitation elements having a predetermined operating frequency. The array antenna control apparatus according to claim 11, wherein the operating frequency of the array antenna is changed by removing the antenna periodically. 上記制御手段は、上記励振素子によって受信された受信信号に基づいて、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けるための可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定することを特徴とする請求項１１乃至１５のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナの制御装置。  The control means calculates and sets a reactance value of a variable reactance element for directing a main beam of the array antenna in a desired wave direction based on a reception signal received by the excitation element. The array antenna control apparatus according to claim 11.
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