JP5682969B2 - アンテナ装置、および電波到来方向推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電波の到来方向を推定するアンテナ装置および電波到来方向推定方法に関する。

電波の到来方向を推定する技術として、特許文献１には、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され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から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技術が記載されている。

また、非特許文献１には、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、高周波のミリ波アレイアンテナの構造が記載されている。

特許第3920483号公報

"Design and fabrication of a corporate-feed plate-laminated waveguide slot array antenna for 120GHz-band", Dongjin Kim et al, 2011 IEEE Internal Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), pp. 3044-3047

特許文献１のアレイアンテナでは、各アンテナ素子毎に可変位相器を設け、各アンテナ素子が受信した電波の位相を計測する必要がある。特許文献１では、各アンテナ素子毎に可変位相器を設けるため、部品点数およびコストが増加するという問題がある。

また、非特許文献１のような高周波のミリ波アレイアンテナの場合、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、各アンテナ素子毎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、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、アレイアンテナの各アンテナ素子毎に受信回路を設けることなく、より少ない部品点数でより低コストに電波の到来方向を推定するアンテナ装置および電波到来方向推定方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、平面アンテナと、前記平面アンテナを挟むように対向して配置された一対の方向推定用アンテナと、前記一対の方向推定用アンテナのそれぞれに接続され、対応する方向推定用アンテナのアンテナ素子が受信した受信電力強度を検出する検波器と、前記各検波器から出力される受信電力強度を比較することにより、電波の到来方向を推定する推定手段と、を備え、前記方向推定用アンテナは、複数のアンテナ素子が一次元に配置されたアレイアンテナであり、一方の方向推定用アンテナの各アンテナ素子への給電線の各線路長を複数のアンテナ素子の配列方向に順次増加させ、対となる他方の方向推定用アンテナの各アンテナ素子への給電線の各線路長は反対方向に順次増加させる。

本発明は、平面アンテナと、当該平面アンテナを挟むように対向して配置され、互いの指向性を逆方向に傾けた一対の方向推定用アンテナとを有するアンテナ装置により、電波の到来方向を推定する電波到来方向推定方法であって、前記一対の方向推定用アンテナのアンテナ素子が受信した受信電力強度を検出する検出ステップと、前記検出ステップで検出した受信電力強度を比較し、電波の到来方向を推定する推定ステップと、を行う。

本発明によれば、アレイアンテナの各アンテナ素子毎に受信回路を設けることなく、より少ない部品点数でより低コストに電波の到来方向を推定するアンテナ装置および電波到来方向推定方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るアンテナ装置の構成図である。 アレイアンテナの構成を示す構成図である。 電波の到来方向の推定動作を具体的に説明するための説明図である。 電波の到来方向の推定動作を具体的に説明するための他の説明図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナ装置の構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係るアンテナ装置の構成図である。本実施形態のアンテナ装置は、アレイアンテナ１（平面アンテナ）と、複数の方向推定用アンテナ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄと、各方向推定用アンテナにそれぞれ接続される複数の検波器３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄと、推定装置４とを備える。

本実施形態のアレイアンテナ１は、複数のアンテナ素子（スロットアンテナ）１１が２次元に配置された矩形（正方形を含む）の平面スロットアレイアンテナであり、高い指向性を有する。このアレイアンテナ１の具体例は、図２に示すように導波管型平面アンテナであって、１つの給電端子（入力導波管ポート）１２から分岐され、等しい長さの給電線（給電用導波管）１３の線路長で全てのアンテナ素子１１に接続されている。これにより、アレイアンテナ１の最大利得方向（指向性）は、アレイアンテナ１の平面１４に対して垂直な方向（正面方向）となる。すなわち、アレイアンテナ１のアンテナビームは、アレイアンテナ１の平面１４に対して垂直な方向に形成される。また、図示するアレイアンテナ１は、メタル層の平板により形成される。なお、このような導波管型平面アンテナは、高周波のミリ波アレイアンテナとして好適である。本実施形態では、導波管型平面アンテナを例示したが、アレイ化するアンテナ素子としてパッチアンテナ等の他のアンテナ素子を利用することも可能である。また、給電線として、導波管を使用したが、マイクロストリップライン等の平面線路を使用することも可能である。

また、アレイアンテナ１は、方向推定用アンテナ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄにより電波の到来方向が推定され、アレイアンテナ１の最大利得方向である垂直方向に電波が到来するようにアレイアンテナ１（アンテナ装置）の向きを調整した後に、ミリ波などの高周波信号を受信する。

方向推定用アンテナ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄは、電波の到来方向を推定するためのアンテナであって、一次元に複数のアンテナ素子２１が配置されている。本実施形態では、方向推定用アンテナは、アレイアンテナ１と同一平板内に形成され、複数のアンテナ素子２１の位置と配列方向を互いに異ならせ、アレイアンテナ１の周囲の４辺にそれぞれ配置されている。また、方向推定用アンテナは、対向する２つの辺に設置された方向推定用アンテナを一対とする。具体的には、方向推定用アンテナ２Ａと２Ｃとを一対とし、方向推定用アンテナ２Ｂと２Ｄとを一対する。

そして、方向推定用アンテナの各アンテナ素子２１への給電線２２の各線路長を変えることにより、各方向推定用アンテナの指向性を正面方向からそれぞれ違う方向に傾ける。本実施形態では、方向推定用アンテナの各アンテナ素子２１への給電線２２の各線路長を、対向する辺の方向推定用アンテナの各アンテナ素子２１への給電線２２の各線路長と反対方向に順次増加させ、対となる方向推定用アンテナの指向性を各アンテナ素子２１の配列方向において互いに逆方向に傾けている。例えば、方向推定用アンテナ２Ａにおいて、給電端子（不図示）から各アンテナ素子２１への給電線２２の各線路長は、図面上で一番右のアンテナ素子２１の経路長が最も短く、左に行くに従って順次長くなるように配線されている。

このように方向推定用アンテナ２Ａの各アンテナ素子２１の給電線２２の経路長をそれぞれ異なる長さにすることにより、方向推定用アンテナ２Ａの最大利得方向（指向性）は、アレイアンテナ１および方向推定用アンテナを含むアンテナ装置の平面に対して垂直な方向からＸ軸に対して＋（プラス）方向（図１（ｂ）参照）に傾く。すなわち、方向推定用アンテナ２Ａのアンテナビーム２３Ａの向きは、アレイアンテナ装置の平面に対して垂直方向からＸ軸に対して＋方向に傾いて形成される。一方、Ｙ軸方向の指向性に関しては、基板平面に対して垂直な指向性を有する。

なお、垂直方向からα°指向性を傾けた方向推定用アンテナを作成する場合、隣に配置されたアンテナ素子との経路長差を0.5×sin（α）×λとする。λは波長である。例えば、120GHz帯で30°の傾きを持つ方向推定用アンテナを作成するには、隣に配置されたアンテナ素子との経路長差を0.625 mmとする。方向推定用アンテナ２Ａの場合、各アンテナ素子２１への給電線２２の各線路長は、左に行くに従って0.625 mmづつ長くなるように配線されている。

方向推定用アンテナ２Ａの対となる、対向する辺の方向推定用アンテナ２Ｃでは、給電端子（不図示）から各アンテナ素子２１への給電線２２の各線路長は、図面上で一番左のアンテナ素子２１の経路長が最も短く、右に行くに従って順次長くなるように配線されている。このように各アンテナ素子２１の給電線２２の長さをそれぞれ異なる長さにすることにより、方向推定用アンテナ２Ｃの最大利得方向（指向性）は、アンテナ装置の平面に対して垂直な方向からＸ軸に対して−（マイナス）方向（図１（ｂ）参照）に傾く。すなわち、方向推定用アンテナ２Ｃのアンテナビーム２３Ｃの向きは、アンテナ装置の平面に対して垂直方向からＸ軸に対して−方向に傾いて形成される。一方、Ｙ軸方向の指向性に関しては、基板平面に対して垂直な指向性を有する。なお、方向推定用アンテナ２Ａと同様に、垂直方向からα°指向性を傾けた方向推定用アンテナを作成する場合、隣に配置されたアンテナ素子との経路長差を0.5×sin（α）×λとする。

また、方向推定用アンテナ２Ｂにおいて、給電端子（不図示）から各アンテナ素子２１への給電線２２の各線路長は、図面上で一番上のアンテナ素子２１の経路長が最も短く、下に行くに従って順次長くなるように配線されている。このように各アンテナ素子２１の給電線２２の経路長をそれぞれ異なる長さにすることにより、方向推定用アンテナ２Ｂの最大利得方向（指向性）は、アンテナ装置の平面に対して垂直な方向からＹ軸に対して＋（プラス）方向（図１（ｂ）参照）に傾く。すなわち、方向推定用アンテナ２Ｂのアンテナビーム２３Ｂの向きは、アレイアンテナ装置の平面に対して垂直方向からＹ軸に対して＋方向に傾いて形成される。一方、Ｘ軸方向の指向性に関しては、基板平面に対して垂直な指向性を有する。なお、方向推定用アンテナ２Ａと同様に、垂直方向から垂直方向からα°指向性を傾けた方向推定用アンテナを作成する場合、隣に配置されたアンテナ素子との経路長差を0.5×sin（α）×λとする。

方向推定用アンテナ２Ｂの対となる、対向する辺の方向推定用アンテナ２Ｄでは、給電端子（不図示）から各アンテナ素子２１への給電線２２の各線路長は、図面上で一番下のアンテナ素子２１の経路長が最も短く、上に行くに従って順次長くなるように配線されている。このように各アンテナ素子２１の給電線２２の長さをそれぞれ異なる長さにすることにより、方向推定用アンテナ２Ｄの最大利得方向（指向性）は、アンテナ装置の平面に対して垂直な方向からＹ軸に対して−（マイナス）方向（図１（ｂ）参照）に傾く。すなわち、方向推定用アンテナ２Ｄのアンテナビーム２３Ｄの向きは、アンテナ装置の平面に対して垂直方向からＹ軸に対して−方向に傾いて形成される。一方、Ｘ軸方向の指向性に関しては、基板平面に対して垂直な指向性を有する。なお、方向推定用アンテナ２Ａと同様に、垂直方向からα°指向性を傾けた方向推定用アンテナを作成する場合、隣に配置されたアンテナ素子との経路長差を0.5×sin（α）×λとする。

各検波器３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄは、各方向推定用アンテナ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄにそれぞれ接続されている。方向推定用アンテナの各アンテナ素子２１が受信した電力は合波されて対応する検波器に入力され、検波器は受信電力強度（mW）を検出する。各検波器でそれぞれ検出された受信電力強度は、推定装置４に出力される。

推定装置４は、各検波器が検出した受信電力強度に基づいて電波の到来方向を推定する。例えば、推定装置４は、各検波器が検出した受信電力強度を比較し、受信電力強度が最大となった検波器に接続された方向推定用アンテナが形成するアンテナビームの方向から電波が到来していると推定する。電波の到来方向を推定した後、図示しないアンテナ調整装置は、推定した電波の到来方向に向けてアレイアンテナおよび方向推定用アンテナを含むアンテナ装置の平面の向きを移動・調整する。アンテナ調整装置としては、無線装置の自動追尾に広く利用されている２軸多回転雲台が利用可能である。アンテナ調整装置については、例えば以下の文献に記載されている。

文献：“120 GHz 帯ミリ波無線におけるアンテナ方位自動調整機構の検討”、枚田 明彦 他、電子情報通信学会ソサイエティ大会講演論文集 ２０１１年 エレクトロニクス（１）、Ｃ−２−９２、Ｐ．１１６
これにより、アレイアンテナ１における受信電力が大きくなるように調整することができる。また、アンテナ調整装置は、各検波器から出力される受信電力強度が、全て等しくなるようにアンテナの向きを調整することとしてもよい。

図３は、電波の到来方向の推定動作を具体的に説明するための説明図である。図示するアンテナ装置は、中央にＹ軸方向に設置された回転軸３１により、回転可能なものとする。このとき、電波は、図３の紙面に対して垂直方向（正面）から到来しているものとし、この場合のアレイアンテナ１の最大利得方向は正面（図３の点線で示した向き）となる。そして、図３に示す例では、アンテナ装置は回転軸３１を中心として時計回りの方向に回転するものとする。これにより、方向推定用アンテナ２Ａは、電波の到来方向が最大利得の方向に向くため、検波器３Ａで検出される受信電力強度が上がる。一方、方向推定用アンテナ２Ｃは、電波の到来方向の利得が下がるため、検波器３Ｃで検出される受信電力強度は下がる。方向推定用アンテナ２Ｂおよび方向推定用アンテナ２Ｄは、１次元アレイアンテナであるため、Ｙ軸方向の指向性と比較してＸ軸方向の指向性はブロードである。一方、方向推定用アンテナ２Ａおよび方向推定用アンテナ２Ｃは、Ｘ軸方向の指向性と比較してＹ軸方向の指向性はブロードである。このため、方向推定用アンテナ２Ｂおよび２Ｄについては、電波の到来方向の利得が下がるため、検波器３Ｂおよび３Ｄで検出される受信電力強度は下がるが、方向推定用アンテナ２Ｃの下がり方と比較すると小さい。

したがって、推定装置４は、方向推定用アンテナ２Ａの受信電力強度が比較的大きく上がり、方向推定用アンテナ２Ｂおよび２Ｄの受信電力強度が比較的小さく下がり、方向推定用アンテナ２Ｃの受信電力強度が比較的大きく下がる場合は、図示する方向にアンテナ装置が回転したと推測することができる。この場合、アンテナ調整装置は、回転軸３１を時計回りと逆方向に回転し、方向推定用アンテナ２Ａの最大利得の方向にアンテナ装置を向けて、アレイアンテナ１の最大利得方向が電波の到来方向に対して正面になるように調整する。

図４は、電波の到来方向の推定処理の他の具体例を説明するための説明図である。図示するアンテナ装置は、中央にＸ軸方向に設置された回転軸４１により、回転可能なものとする。このとき、電波は、図４の紙面に対して垂直方向（正面）から到来しているものとし、この場合のアレイアンテナ１の最大利得方向は正面（図４の点線で示した向き）となる。そして、図４に示す例では、アンテナ装置は回転軸４１を中心として時計回りの方向に回転するものとする。これにより、方向推定用アンテナ２Ｂは、電波の到来方向が最大利得の方向に向くため、検波器３Ｂで検出される受信電力強度が上がる。一方、方向推定用アンテナ２Ｄは、電波の到来方向の利得が下がるため、検波器３Ｄで検出される受信電力強度は下がる。方向推定用アンテナ２Ａおよび２Ｃについては、電波の到来方向の利得が下がるため、検波器３Ａ、３Ｃで検出される受信電力強度は下がるが、方向推定用アンテナ２Ｄの下がり方と比較すると小さい。

したがって、推定装置４は、方向推定用アンテナ２Ｂの受信電力強度が比較的大きく上がり、方向推定用アンテナ２Ａおよび２Ｃの受信電力強度が比較的小さく下がり、方向推定用アンテナ２Ｄの受信電力強度が比較的大きく下がる場合は、図示する方向に回転したと推測することができる。この場合、アンテナ調整装置は、回転軸４１を時計回りと逆方向に回転し、方向推定用アンテナ２Ｂの最大利得の方向にアンテナ装置を回転させ、アレイアンテナ１で受信した電波の強度をモニタしながら、アレイアンテナ１において最大受信電力が得られるように、最大利得方向が電波の到来方向に対して正面になるように調整する。

なお、本実施形態では、アレイアンテナ１の周囲の４辺のそれぞれに４つの方向推定用アンテナ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを設置したが、アレイアンテナ１の周囲の対向する２つの辺にのみ一対の方向推定用アンテナを設置することとしてもよい。各方向推定用アンテナは、前述のとおり、各アンテナ素子への給電線の各線路長を、対となる他方の方向推定用アンテナの各アンテナ素子への給電線の各線路長と反対方向に順次増加させ、当該方向推定用アンテナの指向性を他方の方向推定用アンテナの指向性とは逆方向に傾ける。

推定装置４は、２つの逆の指向性を有する方向推定用アンテナの受信電力強度を比較し、受信電力強度が大きい方の方向推定用アンテナにおいて指向性を傾けた方向（アンテナビームの方向）から電波が到来していると推定する。

図５は、アレイアンテナ１の周囲の対向する２つの辺に、方向推定用アンテナ２Ａと方向推定用アンテナ２Ｃの一対の方向推定用アンテナが設置されたアンテナ装置の構成図である。例えば、図３に示す回転軸を備えたアンテナ装置の場合、方向推定用アンテナ２Ａの受信電力強度が比較的大きく上がり、方向推定用アンテナ２Ｃの受信電力が比較的大きく下がる場合は、図示する方向に回転したと推測することができる。

なお、本実施形態では、平面アンテナとしてアレイアンテナを使用したが、高指向性を有する平面アンテナであれば、スロットアンテナやパッチアンテナ等、他のアンテナを用いることとしてもよい。

また、アレイアンテナ１の周囲の対向する２つの辺に、方向推定用アンテナ２Ｂと方向推定用アンテナ２Ｄの一対の方向推定用アンテナが設置されたアンテナ装置としてもよい。例えば、図４に示す回転軸を備えたアンテナ装置の場合、方向推定用アンテナ２Ｂの受信電力強度が比較的大きく上がり、方向推定用アンテナ２Ｄの受信電力が比較的大きく下がる場合は、図示する方向に回転したと推測することができる。

以上説明した本実施形態では、アレイアンテナ１の周囲の対向する辺に、少なくとも１対の方向推定用アンテナを配置し、各方向推定用アンテナの指向性をそれぞれ違う方向に傾ける。これにより、本実施形態では、各方向推定用アンテナの受信電力強度を比較することで、電波の到来方向を推定することができる。

また、本実施形態では、方向推定用アンテナを設けることで電波の到来方法を推定することができるため、アレイアンテナの各アンテナ素子毎に、位相検出のための検波回路や受信回路を設ける必要がなく、部品点数およびコストを削減することができる。また、方向推定用アンテナについても、各方向推定用アンテナ間の位相差を比較することなく、受信電力強度の比較のみで到来方向の推定が可能となるため、検波器の検波素子として包絡線検波等の安価な素子を使用し、コストを削減することができる。

また、本実施形態では、アレイアンテナと方向推定用アンテナとを、同じ平板上に形成する。これにより、別々に作成したアレイアンテナと方向推定用アンテナとを組み合わせて本実施形態と同様のアンテナ装置を作成する場合に比べて、部品点数が少なく、また、組み立て工数も削減できるため、コストを低減することができとともに、アンテナ利得の正面方向を容易に一致させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

１ ：アレイアンテナ
１１：アンテナ素子
１２：給電端子
１３：給電線
１４：平面
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ：方向推定用アンテナ
２１：アンテナ素子
２２：給電線
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ：検波器
４ :推定装置

Claims (4)

1. 平面アンテナと、
   前記平面アンテナを挟むように対向して配置された一対の方向推定用アンテナと、
   前記一対の方向推定用アンテナのそれぞれに接続され、対応する方向推定用アンテナのアンテナ素子が受信した受信電力強度を検出する検波器と、
   前記各検波器から出力される受信電力強度を比較することにより、電波の到来方向を推定する推定手段と、を備え、
   前記方向推定用アンテナは、複数のアンテナ素子が一次元に配置されたアレイアンテナであり、一方の方向推定用アンテナの各アンテナ素子への給電線の各線路長を複数のアンテナ素子の配列方向に順次増加させ、対となる他方の方向推定用アンテナの各アンテナ素子への給電線の各線路長は反対方向に順次増加させること
   を特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記一対の１次元の方向推定用アンテナは、前記平面アンテナの周囲に、それぞれ対向して２組配置され、
   各組の方向推定用アンテナの複数のアンテナ素子の配列方向を互いに異ならせること
   を特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置であって、
   前記方向推定用アンテナの各アンテナ素子への給電線の線路長は、垂直方向からα°指向性を傾ける場合、隣に配置されたアンテナ素子との経路長差を0.5×sin（α）×λとすること
   を特徴とするアンテナ装置。
4. 平面アンテナと、当該平面アンテナを挟むように対向して配置され、互いの指向性を逆方向に傾けた一対の方向推定用アンテナとを有するアンテナ装置により、電波の到来方向を推定する電波到来方向推定方法であって、
   前記一対の方向推定用アンテナのアンテナ素子が受信した受信電力強度を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップで検出した受信電力強度を比較し、電波の到来方向を推定する推定ステップと、を行うこと
   を特徴とする電波到来方向推定方法。

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