JP5519818B1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストでアンテナ軸のずれ方向を推定する。
【解決手段】最大の指向性が得られる方向がそれぞれ異なる平面２次元アレイアンテナ１０Ａ及び１次元アレイアンテナ１０Ｂ，１０Ｃを備えたアンテナ１０と、平面２次元アレイアンテナ１０Ａ、１次元アレイアンテナ１０Ｂ，１０Ｃそれぞれに接続された検波器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを有し、検波器１１Ａの受信電力強度が低下した際に、検波器１１Ｂ，１１Ｃの受信電力強度の変化の組み合わせに基いてアンテナ１０のずれた方向を推定し、平面２次元アレイアンテナに接続した検波器１１Ａの受信電力強度が最大となるようにアンテナの方向を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高指向性アンテナの方位を最大受信電力が得られる方向に調整する技術に関する。

近年、無線通信の大容量化に対応すべく、ミリ波を用いた無線通信システムが開発されている。例えば６０ＧＨｚ帯を用いた通信速度１．２５ＧＨｚを有するギガビットイーサネット（ＧｂＥ）信号の伝送が可能な無線通信システムも既に開発されている。

しかし、屋外で利用するミリ波無線では、指向性の高いアンテナを使用するため、アンテナのわずかな軸ずれが大きな受信電力の低下につながるという課題があった。アンテナの軸ずれを自動的に補正するためには、電波の到来方向を推定する必要がある。一般的なパラボラアンテナはアンテナの軸ずれ方向を検波する機能を有していない。

アレイアンテナでは、複数のアンテナ素子の各々に個別に接続された可変位相器により、対応するアンテナ素子の出力する高周波信号の高周波位相を位相シフトし、複数のアンテナ素子で構成されるアレイアンテナの指向性を変えることで、電波の到来方向を推定することが可能である（特許文献１参照）。

特許第３９２０４８３号公報

J. Hirokawa, J. D. Kim, K. Sakurai, M. Ando, T. Takada, and T. Nagatsuma, "Designs and measurements of plate-laminated waveguide slot array antennas for 120GHz band and 350GHz band", 2011 Asia Pacific Microwave Conference, pp. 445-448, 2011

しかしながら、アレイアンテナのアンテナ素子の位相をシフトする方法では、各アンテナ素子に可変位相器を設けるため、部品点数およびコストが増大するという問題がある。また、非特許文献１に記載された高周波のミリ波アンテナは、１つの入力で分岐回路により各アンテナ素子に給電するアレイアンテナであるため、各アンテナ素子に可変位相器などの受信回路を設けることは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、低コストでアンテナ軸のずれ方向を推定することを目的とする。

本発明に係るアンテナ装置は、平面２次元アレイアンテナと、前記平面２次元アレイアンテナの最大の指向性が得られる方向とは異なる方向で最大の指向性が得られる第１の方向推定用アンテナと、前記平面２次元アレイアンテナ及び前記第１の方向推定用アンテナの最大の指向性が得られる方向とは異なる方向で最大の指向性が得られる第２の方向推定用アンテナと、を有することを特徴とする。

上記アンテナ装置において、前記平面２次元アレイアンテナが受信した電力を測定する第１の検波器と、前記第１の方向推定用アンテナが受信した電力を測定する第２の検波器と、前記第２の方向推定用アンテナが受信した電力を測定する第３の検波器と、前記第１の検波器の受信電力強度が低下した際に、前記第２、第３の検波器の受信電力強度の変化の組み合わせに基いて前記平面２次元アレイアンテナのずれた方向を推定する推定手段と、前記推定手段が推定したずれた方向に基いて前記第１の検波器の受信電力強度が最大となるように前記平面２次元アレイアンテナの方向を調整する制御手段と、を有することを特徴とする。

上記アンテナ装置において、前記推定手段は、前記第１、第２、第３の検波器の全ての受信電力強度が低下した場合であって、前記制御手段が前記平面２次元アレイアンテナの方向を調整したときに前記第１の検波器の受信電力強度がさらに低下した場合は、伝搬路の条件変動に起因した減衰と判定し、前記制御手段は、前記推定手段が伝搬路の条件変動に起因した減衰と判定したときは、前記平面２次元アレイアンテナの方向を調整前の位置の方向に戻すことを特徴とする。

上記アンテナ装置において、前記第１、第２の方向推定用アンテナは、アンテナ素子の配列方向が互いに異なる１次元アレイアンテナであって、各アンテナ素子への給電線の線路長をアンテナ素子の配列方向に順次増加させたことを特徴とする。

上記アンテナ装置において、前記第１、第２の方向推定用アンテナの隣り合うアンテナ素子への給電線の線路長差は、最大の指向性が得られる方向を傾ける角度をα、波長をλとすると、０．５×ｓｉｎ（α）×λであることを特徴とする。

上記アンテナ装置において、前記平面２次元アレイアンテナ及び前記第１、第２の方向推定用アンテナは、同一平板内に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、低コストでアンテナ軸のずれ方向を推定することができる。

本実施の形態におけるアンテナ装置の構成を示す図である。 アンテナが−Ｘ方向に回転してずれた様子を示す図である。 １次元アレイアンテナに接続された２つの検波器の受信電力強度の変化とアンテナの回転方向の関係を示す図である。 平面２次元アレイアンテナの方位を最大受信電力が得られる方位に調整する処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態におけるアンテナ装置の構成を示す図である。図１に示すアンテナ装置は、アンテナ１０、検波器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ、判定部１２、および制御部１３を備える。

アンテナ１０には、平面２次元アレイアンテナ１０Ａ、アンテナ素子の配列方向が互いに異なる方向推定用の１次元アレイアンテナ１０Ｂ，１０Ｃが同一平板内に形成されている。

平面２次元アレイアンテナ１０Ａの最大の指向性が得られる方向は、アンテナ平面の垂直方向と一致している。平面２次元アレイアンテナ１０Ａの給電線は、１つの給電端子から分岐されて、給電端子から各アンテナ素子まで等長で接続されている。

１次元アレイアンテナ１０Ｂ，１０Ｃの最大の指向性が得られる方向は、アンテナ平面の垂直方向とは異なっている。本実施の形態では、１次元アレイアンテナ１０Ｂ，１０Ｃの各アンテナ素子への給電線の線路長をアンテナ素子の配列方向に順次増加させることで、１次元アレイアンテナ１０Ｂ，１０Ｃの最大の指向性が得られる方向を、アンテナ平面の垂直方向からアンテナ素子の配列方向に傾けている。

具体的には、１次元アレイアンテナ１０Ｂにおいて、給電端子Ｂ０から各アンテナ素子への給電線は、図上で一番右のアンテナ素子Ｂ１への線路長が最も短く、左に行くに従って順次長くなるように配線されている。図上のアンテナ平面の左右をＸ方向（右が＋、左が−）、上下をＹ方向（上が＋、下が−）とすると、１次元アレイアンテナ１０Ｂの最大の指向性が得られる方向は、アンテナ平面の垂直方向からＸ軸の＋方向に傾いて形成される。なお、Ｙ軸方向の指向性に関しては、アンテナ平面に対して垂直な指向性を有する。

１次元アレイアンテナ１０Ｃは、給電端子から各アンテナ素子への給電線は、図上で一番下のアンテナ素子の線路長が最も短く、上に行くに従って順次長くなるように配線されている。１次元アレイアンテナ１０Ｂの最大の指向性が得られる方向は、アンテナ平面の垂直方向からＹ軸の−方向に傾いて形成される。Ｘ軸方向の指向性に関してはアンテナ平面に対して垂直な指向性を有する。

垂直方向からα°指向性を傾けた方向推定用の１次元アレイアンテナを作成する場合、隣り合うアンテナ素子への給電線の線路長差を０．５×ｓｉｎ（α）×λとする（後藤尚久著「図説・アンテナ」ｐ．２９７参照）。λは波長である。線路長差は、図１の例では、１次元アレイアンテナ１０Ｂの給電端子Ｂ０とアンテナ素子Ｂ１，Ｂ２間の距離Ｂ０−Ｂ１，Ｂ０−Ｂ２の差を意味する。例えば、１２０ＧＨｚ帯で３０°の傾きを持つ１次元アレイアンテナを作成するには、隣り合うアンテナ素子への給電線の線路長差を０．７５ｍｍとする。

検波器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、それぞれ平面２次元アレイアンテナ１０Ａ、１次元アレイアンテナ１０Ｂ、１次元アレイアンテナ１０Ｃに接続される。アレイアンテナの各アンテナ素子で受信した電力は合波され、検波器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、アレイアンテナそれぞれの受信電力強度を測定する。

判定部１２は、検波器１１Ａの受信電力強度が低下した際に、検波器１１Ｂ，１１Ｃの受信電力強度の変化の組み合わせに基いてアンテナ１０がずれた方向を推定する。具体的には、検波器１１Ａの受信電力強度が低下したときに、１次元アレイアンテナ１０Ｂに接続された検波器１１Ｂの受信電力強度が減少した場合はアンテナ１０が＋Ｘ方向に回転してずれ、増加した場合はアンテナ１０が−Ｘ方向に回転してずれたと推定する。例えば、図２に示すように、アンテナ１０が−Ｘ方向に回転してずれた場合、電波の到来方向が１次元アレイアンテナ１０Ｂの最大の指向性が得られる方向に近づくため、検波器１１Ｂの受信電力強度は増加する。同様に、１次元アレイアンテナ１０Ｃに接続された検波器１１Ｃの受信電力強度が減少した場合はアンテナ１０が−Ｙ方向に回転してずれ、増加した場合はアンテナ１０が＋Ｙ方向に回転してずれたと推定する。

図３に、検波器１１Ｂ，１１Ｃの受信電力強度の変化と回転方向の関係を示す。図中の＋記号は受信電力強度が増加したことを示し、−記号は受信電力強度が減少したことを示す。例えば、検波器１１Ｂの受信電力強度が減少し、検波器１１Ｃの受信電力強度が増加した場合は、アンテナ１０は＋Ｘ方向、＋Ｙ方向に回転してずれたと推定する。

制御部１３は、判定部１２が推定したアンテナのずれを戻すようにアンテナ方位を動かして、検波器１１Ａの受信電力強度が最大となるようにアンテナ１０を制御する。

次に、平面２次元アレイアンテナの方位を最大受信電力が得られる方位に調整する方法について説明する。

図４は、平面２次元アレイアンテナ１０Ａの方位を最大受信電力が得られる方位に調整する処理の流れを示すフローチャートである。

平面２次元アレイアンテナ１０Ａに接続された検波器１１Ａの受信電力強度が低下すると、１次元アレイアンテナ１０Ｂ，１０Ｃに接続された検波器１１Ｂ，１１Ｃの受信電力強度を測定する（ステップＳ１１）。

判定部１２は、検波器１１Ｂ，１１Ｃの受信電力強度の変化の組み合わせに基づき、アンテナ１０がずれた回転方向を推定する（ステップＳ１２）。

制御部１３は、アンテナ１０がずれた回転方向に基づき、ずれた回転方向を戻すようにアンテナ１０の方位を動かす（ステップＳ１３）。

そして、平面２次元アレイアンテナ１０Ａに接続された検波器１１Ａの受信電力強度が最大となった時点でアンテナ１０の制御を停止する（ステップＳ１４）。

以上の方法でアンテナ１０の方位を制御することにより、平面２次元アレイアンテナ１０Ａの方位を常に最大受信電力が得られる方位に自動的に維持することが可能となる。

アンテナ１０のずれ以外に降雨等の伝搬路の条件変動に起因した減衰が発生したときは、検波器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの全ての受信電力強度が低下してしまう。この場合、上記のステップＳ１２で＋Ｘ，−Ｙ方向にアンテナ１０の方位がずれたと判定し、ステップＳ１３で−Ｘ，＋Ｙ方向にアンテナ１０の方位を動かすが、検波器１１Ａの受信電力強度は減少してしまう。

そこで、検波器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの全ての受信電力強度が低下した場合、ステップＳ１３で−Ｘ，＋Ｙ方向にアンテナ１０の方位を動かしても検波器１１Ａの受信電力強度が増加しない場合は、伝搬路の変動による受信電力強度の低下と判定し、元の＋Ｘ，−Ｙ方向にアンテナ１０の方位を戻して、検波器１１Ａの受信電力強度が最大となった時点でアンテナ１０の制御を停止する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、最大の指向性が得られる方向がそれぞれ異なる平面２次元アレイアンテナ１０Ａ及び１次元アレイアンテナ１０Ｂ，１０Ｃを備えたアンテナ１０と、平面２次元アレイアンテナ１０Ａ、１次元アレイアンテナ１０Ｂ，１０Ｃそれぞれに接続された検波器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを有し、検波器１１Ａの受信電力強度が低下した際に、検波器１１Ｂ，１１Ｃの受信電力強度の変化の組み合わせに基いてアンテナ１０のずれた方向を推定し、平面２次元アレイアンテナに接続した検波器１１Ａの受信電力強度が最大となるようにアンテナの方向を調整することにより、多数の可変位相器を必要とした従来のアンテナ装置に比べて製品コストを抑制しつつ、アンテナ方位を調整することが可能となる。

本実施の形態によれば、検波器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの全ての受信電力強度が低下した場合であって、検波器１１Ｂ，１１Ｃの受信電力強度の変化の組み合わせに基いてアンテナ１０のずれを調整した時に、検波器１１Ａの受信電力強度がさらに低下した場合は、アンテナ１０の方向を元に戻すことにより、降雨等の伝搬路の条件変動に起因した減衰に対応することが可能となる。

本実施の形態によれば、１次元アレイアンテナ１０Ｂ，１０Ｃの各アンテナ素子への給電線の線路長をアンテナ素子の配列方向に順次増加させることで、１次元アレイアンテナ１０Ｂ，１０Ｃの最大の指向性が得られる方向を傾けることができる。

１０…アンテナ
１０Ａ…平面２次元アレイアンテナ
１０Ｂ，１０Ｃ…１次元アレイアンテナ
１０Ｃ…次元アレイアンテナ
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…検波器
１２…判定部
１３…制御部

Claims (6)

1. 平面２次元アレイアンテナと、
   前記平面２次元アレイアンテナの最大の指向性が得られる方向とは異なる方向で最大の指向性が得られる第１の方向推定用アンテナと、
   前記平面２次元アレイアンテナ及び前記第１の方向推定用アンテナの最大の指向性が得られる方向とは異なる方向で最大の指向性が得られる第２の方向推定用アンテナと、
   を有することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記平面２次元アレイアンテナが受信した電力を測定する第１の検波器と、
   前記第１の方向推定用アンテナが受信した電力を測定する第２の検波器と、
   前記第２の方向推定用アンテナが受信した電力を測定する第３の検波器と、
   前記第１の検波器の受信電力強度が低下した際に、前記第２、第３の検波器の受信電力強度の変化の組み合わせに基いて前記平面２次元アレイアンテナのずれた方向を推定する推定手段と、
   前記推定手段が推定したずれた方向に基いて前記第１の検波器の受信電力強度が最大となるように前記平面２次元アレイアンテナの方向を調整する制御手段と、
   を有することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記推定手段は、前記第１、第２、第３の検波器の全ての受信電力強度が低下した場合であって、前記制御手段が前記平面２次元アレイアンテナの方向を調整したときに前記第１の検波器の受信電力強度がさらに低下した場合は、伝搬路の条件変動に起因した減衰と判定し、
   前記制御手段は、前記推定手段が伝搬路の条件変動に起因した減衰と判定したときは、前記平面２次元アレイアンテナの方向を調整前の位置の方向に戻すことを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記第１、第２の方向推定用アンテナは、アンテナ素子の配列方向が互いに異なる１次元アレイアンテナであって、
   各アンテナ素子への給電線の線路長をアンテナ素子の配列方向に順次増加させたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記第１、第２の方向推定用アンテナの隣り合うアンテナ素子への給電線の線路長差は、最大の指向性が得られる方向を傾ける角度をα、波長をλとすると、０．５×ｓｉｎ（α）×λであることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
6. 前記平面２次元アレイアンテナ及び前記第１、第２の方向推定用アンテナは、同一平板内に形成されることを特徴とする請求項４又は５に記載のアンテナ装置。

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