JP6309831B2

JP6309831B2 - 無線装置

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Publication number: JP6309831B2
Application number: JP2014120035A
Authority: JP
Inventors: 由佳子堤; 耕司秋田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2034-06-10
Also published as: US20150357707A1; US9543647B2; JP2015233253A

Description

本開示は、無線装置に関する。

固定部と回転部との間で無線通信する場合、送受信アンテナとして、衛星通信やＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）で主に使われている円偏波アンテナを利用することで、回転しても偏波が直交する偏波不整合が生じず、全回転角で良好に通信できる。しかしながら、円偏波アンテナは２つの直交する偏波を同振幅かつ９０度位相差で生じさせる必要があるため、構成が複雑である。
一方、直線偏波アンテナおよび楕円偏波アンテナは、無線ＬＡＮ（Local Area Network）などの広い用途で主に使われており、設計および製造は円偏波アンテナと比べると容易である。設計および製造コストを考慮すると、固定部と回転部との間の通信にも直線偏波アンテナおよび楕円偏波アンテナを用いることが望ましい。固定部と回転部との間の無線通信に直線偏波アンテナを用いる手法として、車輪の回転軸に対して放射素子が平行となるように、送信アンテナを回転部に配置し、受信アンテナを固定部に配置する手法がある。

しかし、上述の手法において用いられるアンテナとしては、放射指向性が回転対称であるダイポールアンテナが想定されており、送信アンテナ、受信アンテナともに主放射素子が回転軸に沿って平行に配置される。そのため、主放射素子のサイズが大きい場合、回転軸方向にアンテナ設置のための空間が広く必要となってしまう。一方、回転軸方向に垂直な平面にアンテナの主放射素子を配置すればアンテナ設置のための回転軸方向の空間を狭くすることができるが、回転によって固定部と回転部とのアンテナの偏波が直交する場合があり、結果として、偏波不整合が生じ受信電力が低下してしまう問題がある。

特開２００５−２５８９０４号公報

本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、アンテナ設置のための空間を広く必要とせず回転時に安定した無線通信を行なうことができる無線装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の一実施形態に係る無線装置は、第１アンテナと第２アンテナとを含む。第１アンテナは、回転軸に直交する第１仮想平面上に位置し、電磁波を放射する部分である第１主放射素子を含む。第２アンテナは、前記回転軸に直交しかつ前記第１仮想平面と第１間隔を空けて対向する第２仮想平面上に位置し、電磁波を放射する部分である第２主放射素子を含む。前記第２アンテナは、前記回転軸を中心に回転可能であり、かつ前記第１アンテナとの間で前記電磁波の送信および受信の少なくとも一方を行い、前記第１主放射素子および前記第２主放射素子の少なくとも一方は、前記回転軸からオフセットして配置される。

第１の実施形態に係る無線装置を示す図。第２アンテナが９０度回転した場合の第１の実施形態に係る無線装置を示す図。第２アンテナが１８０度回転した場合の第１の実施形態に係る無線装置を示す図。第２アンテナが２７０度回転した場合の第１の実施形態に係る無線装置を示す図。第２の実施形態に係る無線装置を示す図。第２の実施形態に係る無線装置の別例を示す図。第２アンテナが９０度回転した場合の第２の実施形態に係る無線装置の別例を示す図。第２アンテナが１８０度回転した場合の第２の実施形態に係る無線装置の別例を示す図。第２アンテナが２７０度回転した場合の第２の実施形態に係る無線装置の別例を示す図。第４の実施形態で想定するアンテナの放射指向性特性の一例を示す図。第４の実施形態に係る無線装置を示す図。第２アンテナが９０度回転した場合の第４の実施形態に係る無線装置を示す図。第２アンテナが１８０度回転した場合の第４の実施形態に係る無線装置を示す図。第２アンテナが２７０度回転した場合の第４の実施形態に係る無線装置を示す図。第４の実施形態に係る無線装置の回転時における第１アンテナと第２アンテナとの位置関係を示す図。第４の実施形態に係る無線装置の受信電力測定結果の一例を示す図。本実施形態に係る無線装置を含む無線機器を示すブロック図。従来のアンテナ配置における受信電力測定結果を示す図。

以下、図面を参照しながら本開示の一実施形態に係る無線装置について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る無線装置について、図１Ａから図１Ｄまでを参照して説明する。
第１の実施形態に係る無線装置１００は、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１とを含む。第１アンテナ１０１は、第１主放射素子１０２を含み、第２アンテナ１５１は、第２主放射素子１５２を含む。

第１アンテナ１０１の第１主放射素子１０２は、回転軸１１０（図１ＡのＺ軸方向）に対し直交する第１仮想平面１０３上に位置する。
第１主放射素子１０２は、第１アンテナ１０１のうちの電磁波を放射する部分である。なお、第１アンテナ１０１全体が第１主放射素子１０２であってもよい。なお、本実施形態では、第１アンテナ１０１は回転せずに固定される場合を想定する。

第２アンテナ１５１の第２主放射素子１５２は、回転軸１１０に対し直交し、かつ第１仮想平面１０３から所定の間隔を空けて対向する第２仮想平面１５３上に位置する。第２アンテナ１５１は、第１アンテナ１０１との間で、使用周波数における電磁波の送信および受信の少なくともどちらか一方を行う。
第２主放射素子１５２は、第２アンテナ１５１のうちの電磁波を放射する部分である。なお、第２アンテナ１５１全体が第２主放射素子１５２であってもよい。本実施形態では、第２アンテナ１５１は回転軸１１０の回転方向に沿って回転可能である場合を想定する。また、本実施形態では、静止した第１アンテナ１０１と回転している第２アンテナ１５１との間で電磁波を送受信する場合を想定するが、第２アンテナ１５１が静止した状態でも第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１とは電磁波を送受信できる。

第１の実施形態では、第１主放射素子１０２が、第１仮想平面１０３における回転軸１１０上の位置に固定され、第２主放射素子１５２が、第２仮想平面１５３における回転軸１１０上からずらした位置に配置される場合を想定する。なお、以下では、「ずらす」という表現と「オフセットする」という表現は同義であるとする。
また、これに限らず、第１主放射素子１０２が回転軸１１０上からオフセットし、第２主放射素子１５２が回転軸１１０上の位置に固定されてもよいし、第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２の両方を回転軸１１０上の位置からオフセットしてもよい。図１Ａの例では、第２主放射素子１５２が第２仮想平面１５３において回転軸１１０上の位置からｘ軸の負の方向かつｙ軸の負の方向にオフセットした場合を示す。なお、第２アンテナ１５１は回転方向と逆方向に回転してもよい。

第１アンテナ１０１および第２アンテナ１５１の形成プロセスは、それぞれ第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２とそれ以外の部分との区別なく、一体として行われる。しかし、電磁波を放射または受信するといった放射電磁界の生成に主に関与するのは、アンテナのうちの主放射素子の部分となる。主放射素子がアンテナの一部である場合には、アンテナのうちの主放射素子以外の部分として、例えば主放射素子と外部の回路および素子とを接続するための配線が挙げられる。なお、アンテナ全体が主放射素子となる場合は、アンテナ全体が放射電磁界の生成に関与することになる。

本実施形態に係る第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２は、例えば、ダイポールアンテナ、ループアンテナ、逆Ｆアンテナ、パッチアンテナ、その他複雑な形状のアンテナの一部または全体である。なお、図１Ａから図１Ｄでは、第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２がともに１つである場合を想定するが、複数でもよい。すなわち、第１アンテナ１０１につき複数の第１主放射素子１０２が存在してもよいし、第２アンテナ１５１につき複数の第２主放射素子１５２が存在してもよい。

次に、第２アンテナ１５１が回転する場合の第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との位置関係について、図１Ａから図１Ｄを参照して説明する。
図１Ａは、第１アンテナ１０１の主偏波方向１０４と、第２アンテナ１５１の主偏波方向１５４とが平行となる位置に存在する場合を示す。
主偏波方向とは、放射に主に寄与する電界が振動する向きである。主偏波方向と電磁波の伝搬方向とを含む面を主偏波面と呼ぶ。また、主偏波方向に直交する偏波の向きを交差偏波方向と呼ぶ。すなわち、主偏波方向１０４に直交する偏波の向きを交差偏波方向１０５と呼び、主偏波方向１５４に直交する偏波の向きを交差偏波方向１５５と呼ぶ。交差偏波方向と電磁波の伝搬方向とを含む面を交差偏波面と呼ぶ。主偏波面で振動する電界成分によって放射される電磁波を電磁波の主偏波成分と呼ぶ。また、交差偏波面で振動する電界成分によって放射される電磁波を電磁波の交差偏波成分と呼ぶ。

図１Ａから図１Ｄでは、第１主放射素子１０２は第１アンテナ１０１全体、第２主放射素子１５２は第２アンテナ１５１全体として図示する。図１Ａでは、第１アンテナ１０１の主偏波方向と第２アンテナ１５１の主偏波方向とが平行になっているので、偏波整合が取れている。この図１Ａに示す第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との位置関係を回転角０（ゼロ）度とする。

図１Ｂは、第２アンテナ１５１が回転軸１１０の回転方向に９０度回転した場合の第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との位置関係を示す。
第２アンテナ１５１が９０度回転することにより、第２アンテナ１５１の主偏波方向１５４も９０度回転する。よって、第１アンテナ１０１の主偏波方向１０４に対して第２アンテナ１５１の主偏波方向１５４が垂直となり、交差偏波方向１５５が平行となる。

ここで、第１アンテナ１０１および第２アンテナ１５１が完全な直線偏波のアンテナであり、交差偏波成分を持たないのであれば、回転角が±９０度となる位置で互いのアンテナの偏波が完全に直交するため、偏波不整合となり、受信電力が著しく低下する。
しかしながら、実際には、アンテナの形状の対称性および給電系の不完全性、さらにアンテナ近傍に存在する金属および誘電体などの影響により、交差偏波成分を有する。それでも、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１とが回転軸１１０上の位置に配置されると、回転させても第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１とが常に正面同士で対向するため、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１が回転軸１１０と平行な方向に交差偏波成分を持たない場合は、回転角が±９０度となる位置で偏波不整合となり、受信電力が著しく低下する。

図１Ｂに示すように回転角が９０度の場合に、第２アンテナ１５１が回転軸１１０上の位置からオフセットして配置されることにより、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１とが正面同士で対向するのではなく、ある程度の角度を有して対向する。第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１とが正面同士で対向する場合の互いの方向に交差偏波成分が存在するよりも、正面同士で対向する場合の互いの方向以外に交差偏波成分が存在する確率が大きいため、回転角が９０度の際に第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１とがある程度の角度を有して対向することで、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１とが位置する互いの方向に交差偏波成分が存在する確率を上げ、受信電力が低下する頻度を低減することができる。

図１Ｃは、第２アンテナ１５１が回転軸１１０の回転方向に１８０度回転した場合の、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との位置関係を示す。
第２アンテナ１５１が１８０度回転することにより、第２アンテナ１５１の主偏波方向１５４も１８０度回転し、第１アンテナ１０１の主偏波方向１０４に対して第２アンテナ１５１の主偏波方向１５４が平行となる。よって、図１Ａの場合と同様に、偏波整合が取れるので、受信電力は低下せず効率よく電磁波を送受信できる。

図１Ｄは、第２アンテナ１５１が回転軸１１０の回転方向に２７０度（−９０度）回転した場合の、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との位置関係である。
第２アンテナ１５１が２７０度回転することにより、第２アンテナ１５１の主偏波方向１５４も２７０度回転する。よって、図１Ｂの場合と同様に、第１アンテナ１０１の主偏波方向１０４に対して第２アンテナの主偏波方向１５４が垂直となり、交差偏波方向が平行となる。この場合でも、第２主放射素子１５２は回転軸１１０からオフセットした位置に存在するので、交差偏波成分により電磁波を送受信できる確率を上げ、受信電力が低下する頻度を低減することができる。

なお、回転軸１１０方向から見た場合に、第１主放射素子１０２と第２主放射素子１５２とが重ならないようにずれて配置されることが望ましい。このように配置することで、第１主放射素子１０２と第２主放射素子１５２との距離が離れるため、第２アンテナ１５１が、回転軸１１０から離れた角度（ｘｙ面に近い方向）に交差偏波成分を有する場合でも、回転角が９０度および２７０度の場合（すなわち±９０度の場合）の受信電力が減少する頻度を低減することができる。

以上に示した第１の実施形態によれば、第１主放射素子および第２主放射素子の少なくともどちらか一方が回転軸からオフセットして配置されることにより、送受のアンテナの主偏波方向が直交し、主偏波方向と交差偏波方向とが平行となるような場合でも、受信電力が減少する頻度を低減ことができる。さらに、第１主放射素子と第２主放射素子とが回転軸に直交する平面に配置されることで、アンテナの主放射素子のサイズが大きい場合でもアンテナ設置に必要な回転軸方向の空間を小さくすることができ、省スペース化を図ることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、アンテナが配置される仮想平面上に基板および無線部などが配置される点が第１の実施形態と異なる。このようにすることで、アンテナが対向する空間を省スペース化することができる。

第２の実施形態に係る無線装置について、図２を参照して説明する。
第２の実施形態に係る無線装置２００は、第１アンテナ１０１、第１主放射素子１０２、第２アンテナ１５１、第２主放射素子１５２、第１基板２０１および第２基板２５１を含む。第１アンテナ１０１、第１主放射素子１０２、第２アンテナ１５１および第２主放射素子１５２は、第１の実施形態と同様であるのでここでの説明を省略する。

第１基板２０１は、第１仮想平面１０３と平行に配置され、第１主放射素子１０２が配置される。
第２基板２５１は、第２仮想平面１５３と平行に配置され、第２主放射素子１５２が配置される。第２基板２５１には、回転軸１１０上からオフセットした位置に第２主放射素子１５２が配置される。
第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２を、それぞれ第１仮想平面１０３および第２仮想平面１５３に平行に配置する際に第１主放射素子１０２を第１基板２０１に、第２主放射素子１５２を第２基板２５１にそれぞれ平行に形成することで、容易に主放射素子を仮想平面と平行に配置することができる。さらに、基板を配置する際の回転軸方向の追加空間を最小限に抑えることができる。

第１基板２０１および第２基板２５１上に、さらに無線部を含む構成としてもよい。
無線部を含む第２の実施形態に係る無線装置の別例について、図３Ａから図３Ｄまでを参照して説明する。

図３Ａから図３Ｄに示す無線装置３００は、第２の実施形態に係る無線装置２００に加え、第１無線部３０１および第２無線部３５１を含む。
第１無線部３０１は、第１基板２０１上に配置され、無線通信に関する送信処理および受信処理といった、信号処理を行う。
第２無線部３５１は、第２基板２５１上に配置され、無線通信に関する送信処理および受信処理といった、信号処理を行う。
第１無線部３０１および第２無線部３５１が行う無線の送信処理および受信処理としては、例えば、それぞれのアンテナに入力する信号を処理する機能であり、それぞれのアンテナで受信して出力される信号を処理する機能である。第１無線部３０１および第２無線部３５１は、例えば、集積回路およびディスクリート部品の組み合わせで構成される。また、図３Ａから図３Ｄでは、第１無線部３０１および第２無線部３５１は１つの部品として図示しているが、パッケージングされた状態でもよいし、モジュール化された状態でも、集積回路やディスクリート部品がむき出しになっている状態でもよい。

図３Ａに示す無線装置３００では、第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２は、第１無線部３０１および第２無線部３５１とそれぞれ別々に図示されているが、パッケージングされたまたはモジュール化された第１無線部３０１および第２無線部３５１に、第１アンテナ１０１、第２アンテナ１５１がそれぞれ組み込まれてもよい。

図３Ａは、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との位置関係を０（ゼロ）度の場合を示し、図１Ａと同様に偏波整合が取れているので、受信電力が低下せず効率よく電磁波を送受信できる。
図３Ｂは、第２アンテナ１５１が回転軸１１０の回転方向に９０度回転した場合の第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との位置関係を示す。図１Ｂと同様に、第２主放射素子１５２が回転軸１１０からオフセットして配置されることにより、受信電力が低下する頻度を低減することができる。
図３Ｃは、第２アンテナ１５１が回転軸１１０の回転方向に１８０度回転した場合の、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との位置関係を示す。図１Ｃと同様に、偏波整合が取れるので、受信電力は低下せず効率よく電磁波を送受信できる。
図３Ｄは、第２アンテナ１５１が回転軸１１０の回転方向に２７０度回転した場合の、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との位置関係を示す。図３Ｄと同様に、第２主放射素子１５２は回転軸１１０からオフセットした位置に存在するので、受信電力が低下する頻度を低減することができる。

以上に示した第２の実施形態によれば、仮想平面と平行に基板を配置し、さらに基板に主放射素子を形成することにより、回転軸方向の追加空間を最小限に抑えつつアンテナの主放射素子を仮想平面と平行に容易に固定することができる。さらに、無線部を基板に配置することで、主放射素子と無線部との距離を近づけられるため、信号の損失を低減することができる。また、基板はアンテナの主放射素子を配置するためだけではなく、無線部の配置にも利用することで、無線部を配置するための別の基板が不要となり、省スペース化できる。加えて、無線部以外の別の部品を基板に配置することで、さらに効率よく部品を配置して省スペース化することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、アンテナ利得の主偏波成分が回転軸方向にビームを有し、アンテナ利得の交差偏波成分が非回転軸方向にビームを有する特性である場合、合成利得を考慮して、回転軸から主放射素子をオフセットする位置を決定する点が上述の実施形態と異なる。これによって、受信電力の低下を抑制しつつ、回転時により安定した無線通信を行うことができる。

上述の図１Ｂおよび図１Ｄに示すように、偏波整合が取れている回転角が０度の位置から、第２アンテナ１５１が９０度および２７０度回転した位置において、以下の式（１）により算出される合成利得により、回転軸１１０からのオフセット位置を決定する。

（合成利得）＝Ｇ_１Ｃ×Ｇ_２Ｘ＋Ｇ_１Ｘ×Ｇ_２Ｃ（１）
ここで、Ｇ_１Ｃは、第１アンテナ１０１から見て第２アンテナ１５１が位置する方向（第１方向ともいう）における、第１アンテナ１０１のアンテナ利得の主偏波成分である。Ｇ_２Ｘは、第２アンテナ１５１から見て第１アンテナ１０１が位置する方向（第２方向ともいう）における、第２アンテナ１５１のアンテナ利得の交差偏波成分である。Ｇ_１Ｘは、第１アンテナ１０１から見て第２アンテナ１５１が位置する方向における、第１アンテナ１０１のアンテナ利得の交差偏波成分である。Ｇ_２Ｃは、第２アンテナ１５１のアンテナ利得の主偏波成分である。

式（１）により算出される合成利得のビームが、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１とで相互に向くように、第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２の少なくともどちらか一方をオフセットして配置すればよい。

さらに、合成利得のビームが、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１とで相互に向き合わせることに加え、第１アンテナ１０１および第２アンテナ１５１の少なくともどちらか一方が受信電力がしきい値以上となるように、第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２の少なくとも一方をオフセットして配置してもよい。

また、合成利得のビームが、無線通信において所望のスループットとなるしきい値以上もしくは、無線通信の誤り率として所望の誤り率となるしきい値以下となるように、第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２の少なくともどちらか一方をオフセットして配置してもよい。

以上に示した第３の実施形態によれば、偏波整合が取れている位置から回転角が９０度または２７０度の場合に、合成利得のビームが第１アンテナおよび第２アンテナとで相互に向き合うように、第１主放射素子および第２主放射素子の少なくともどちらか一方を回転軸からオフセットして配置することにより、偏波が直交することによって生じる受信電力の低下を抑制でき、回転時に安定した無線通信を行うことができる。また、所望の受信電力、所望のスループットまたは所望の誤り率の少なくとも１つの条件を満たすように、第１主放射素子および第２主放射素子の少なくともどちらか一方を回転軸からオフセットして配置することにより、回転時に所望の受信電力、スループットまたは所望の誤り率を維持することができ、安定した無線通信を行うことができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、第１アンテナおよび第２アンテナの少なくともどちらか一方が、アンテナ利得の交差偏波成分が回転軸と平行な方向を含む平面で極小となる特性であるアンテナである場合を想定する。このような場合、第１主放射素子および第２主放射素子の両方を回転軸上の位置からオフセットして配置することにより、受信電力の低下を低減しつつ安定した無線通信を行うことができる。

第４の実施形態で想定するアンテナの放射指向性特性の一例について図４を参照して説明する。
図４に示すグラフは、図１に示すｘｙｚ座標系（ｚ軸が回転軸１１０）において原点にアンテナを配置した場合のｚｘ平面でのアンテナの放射指向性特性であり、縦軸が指向性利得［ｄＢ］を示し、横軸が、ｘ軸を基準とした角度［度］を示す。すなわち、ｘ軸の正の方向が０度、回転軸１１０方向であるｚ軸方向が９０度、ｘ軸の負の方向が１８０度を示す。実線のグラフ４０１が主偏波成分の指向性利得であり、破線のグラフ４０２が交差偏波成分の指向性利得である。
図４に示すように、角度が９０度である回転軸１１０方向には、主偏波成分のビームの指向性利得が極大である一方、交差偏波成分のビームが極小となる。一方、回転軸１１０方向でない非回転軸方向では、交差偏波成分が放射しており、角度が４５度および１３５度付近で交差偏波成分の指向性利得が極大となる。

次に、第４の実施形態に係る無線装置について図５Ａおよび図５Ｄを参照して説明する。
第４の実施形態に係る無線装置５００は、第１アンテナ１０１、第１主放射素子１０２、第２アンテナ１５１および第２主放射素子１５２を含む。第１アンテナ１０１、第１主放射素子１０２、第２アンテナ１５１および第２主放射素子１５２は、第１の実施形態と同様であるので、ここでの説明を省略する。

図１Ａから図１Ｄ、および図３Ａから図３Ｄと同様に、図５Ａは回転角が０度の場合であり、図５Ｂは回転角が９０度の場合であり、図５Ｃは回転角が１８０度の場合であり、図５Ｄは回転角が２７０度の場合である。図５Ａから図５Ｄでは、第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２の両方が回転軸１１０上の位置からオフセットして配置される。

より詳細に、第４の実施形態に係る無線装置の回転時における第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との位置関係について図６を参照して説明する。
図６は、ｚ軸方向から見た無線装置５００の第１アンテナ１０１の第１主放射素子１０２および第２アンテナ１５１の第２主放射素子１５２の位置関係である。

第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との初期位置（０度）として、第１主放射素子１０２が（＋ｘ，−ｙ）の位置に配置され、第２主放射素子１５２が（−ｘ，−ｙ）の位置に配置される。ここで、ｘおよびｙは、任意の正数とする。第１主放射素子１０２は、（＋ｘ，−ｙ）で固定であり、第２主放射素子１５２からの電磁波を受信すると想定する。一方、第２主放射素子１５２は、回転軸１１０に沿って回転し、第１主放射素子１０２に電磁波を送信する。

第２アンテナ１５１が初期位置（０度）の場合には、ｚ軸方向から見た際に、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との偏波方向が平行となる。よって、効率よく電磁波を受信できる。

第２アンテナ１５１が９０度回転した場合、第２主放射素子１５２は（＋ｘ，−ｙ）の位置となる。この場合、第１主放射素子１０２は（＋ｘ，−ｙ）の位置にあるので、第１主放射素子１０２と第２主放射素子１５２とが重なる。よって、アンテナの交差偏波成分はヌルであるので受信電力は低下する。

第２アンテナ１５１が１８０度回転した場合、第２主放射素子１５２は（＋ｘ，＋ｙ）の位置となる。この場合、第１主放射素子１０２の（＋ｘ，−ｙ）の位置と第２主放射素子１５２の（＋ｘ，＋ｙ）の位置とは、第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１との偏波方向が平行と位置となり、効率よく電磁波を受信することができる。

第２アンテナ１５１が２７０度（−９０度）回転した場合、第２主放射素子１５２は（−ｘ，＋ｙ）の位置となる。この場合、第１主放射素子１０２の（＋ｘ，−ｙ）の位置と第２主放射素子１５２の（−ｘ，＋ｙ）の位置とは、ｚ軸方向から見た際に、互いに重ならずにある程度角度を持った方向となる。第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１のアンテナ利得の交差偏波成分は、非回転軸方向にビームを有しているため、式（１）によって定義される合成利得のビームはｚ軸方向以外の方向を向くことになる。よって、第１アンテナ１０１と第２アンテナとで互いのビームが向く方向を合わせることにより、受信電力の低下を低減することができる。

なお、上述のｘおよびｙの値は、合成利得のビームが相互に向き合い、受信電力が一定以上確保できる位置であればどのような値でもよい。本実施形態のように第１アンテナおよび第２アンテナの少なくともどちらか一方が、アンテナ利得の交差偏波成分が回転軸と平行な方向を含む平面で極小となるアンテナである場合、上述のｘおよびｙの値を軸に対して等距離、すなわちｘとｙとを同じ値にすることで、回転軸方向から見た第１主放射素子１０２の位置と第２主放射素子１５２の位置を、回転角９０度の際はほぼ重なるように、回転角２７０度の際は大きくオフセットするようにでき、回転角２７０度の際に受信電力の低下を抑制できる。

次に、第４の実施形態に係る無線装置の受信電力測定結果の一例について図７を参照して説明する。

図７は、第４の実施形態に係る無線装置５００の第２アンテナ１５１を回転軸に沿って１回転させて場合における、第１アンテナ１０１での回転角毎の受信電力の測定結果である。縦軸は、受信電力値［ｄＢ］であり、横軸は、初期位置を０度とした場合の第２アンテナの回転角［度］を示す。

図７に示すように、第１主放射素子１０２と第２主放射素子１５２との偏波整合が取れている角度である０度および１８０度付近で、受信電力が最大となる。第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２の両方を回転軸１１０からオフセットし、合成利得のビームを第１アンテナ１０１と第２アンテナ１５１とで相互に向くように配置することによって、受信電力が＋９０度付近では、最大の受信電力から約２０ｄＢ低下するが、−９０度（２７０度）付近では、最大の受信電力から約５ｄＢの低下に低減することができる。

以上に示した第４の実施形態によれば、アンテナ利得の交差偏波成分が回転軸方向を含む平面で極小となるアンテナを用いる場合、第１主放射素子および第２主放射素子の両方を回転軸からオフセットして配置することにより、第２アンテナが９０度回転または２７０度回転したどちらかの場合に、第１アンテナと第２アンテナとは重ならずにある程度角度を持った方向となる。よって、アンテナ利得の交差偏波成分のビームを受信することができ、受信電力の低下を低減することができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態として、上述の実施形態に係る無線装置の利用例について説明する。
本実施形態に係る無線装置を含む無線機器について図８のブロック図を参照して説明する。
第５の実施形態に係る無線機器８００は、カメラ部８０１、第２無線通信部８０２、第１無線通信部８０３、本体部８０４を含む。カメラ部８０１および第２無線通信部８０２を合わせて回転部とも呼び、第１無線通信部８０３および本体部８０４を合わせて固定部とも呼ぶ。第１無線通信部８０３および第２無線通信部８０２は、上述の実施形態に係る無線装置により構成されればよい。

カメラ部８０１は、映像を撮影し、撮影された映像を含む映像信号を生成する。

第２無線通信部８０２は、上述の実施形態に係る第２アンテナ１５１を含み、カメラ部８０１から映像信号を受け取り、映像信号を第１無線通信部８０３へ無線により伝送する。使用する無線周波数としては、例えばミリ波帯を用いればよい。回転部は回転することで、様々な回転角度において映像を撮影することができる。

第１無線通信部８０３は、上述の実施形態に係る第１アンテナ１０１を含み、第２無線通信部８０２から映像信号を受け取る。

本体部８０４は、第１無線通信部８０３から映像信号を受け取り、例えば映像信号を画像解析処理するといった、適用するアプリケーションに応じた処理を行う。

以上に示した第５の実施形態によれば、上述の実施形態に係る無線装置を用いることで、回転時に安定した無線通信をおこなうことが可能となるため、カメラ部で撮影された映像を本体部に安定して伝送することができる。また、ミリ波帯は波長が数ミリメートル程度と短いため、無線周波数にミリ波帯を使用することでアンテナを小型することができ、第１無線通信部および第２無線通信部を小さく構成することができる。第５の実施形態に係る無線機器は、例えば監視カメラのような、映像を伝送する場合に用いることができる。

（比較例）
図７に示す第４の実施形態に係る無線装置５００の受信電力測定結果の比較例として、従来のアンテナ配置における受信電力の測定結果について図９を参照して説明する。
図９は、アンテナ利得の交差偏波成分が回転軸１１０方向にヌルとなる第１アンテナ１０１および第２アンテナが、ともに回転軸の中心に配置される場合である。
図９に示すように、０度および１８０度付近では、偏波整合が取れているので受信電力が最大であるが、９０度および−９０度（２７０度）付近の両方では、最大受信電力から約２０ｄＢ低下している。これは、９０度および−９０度において、送受のアンテナの主偏波が直交し、かつ交差偏波成分が回転軸方向に放射されないためである。

一方、第４の実施形態に係る無線装置５００によれば、第１主放射素子１０２および第２主放射素子１５２が回転軸１１０から両方ともオフセットされて配置されるため、９０度および−９０度のどちらか少なくとも一方は、受信電力の低下を低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００，２００，３００，５００・・・無線装置、１０１・・・第１アンテナ、１０２・・・第１主放射素子、１０３・・・第１仮想平面、１０４，１５４・・・主偏波方向、１０５，１５５・・・交差偏波方向、１１０・・・回転軸、１５１・・・第２アンテナ、１５２・・・第２主放射素子、１５３・・・第２仮想平面、２０１・・・第１基板、２５１・・・第２基板、３０１・・・第１無線部、３５１・・・第２無線部、４０１，４０２・・・グラフ、８００・・・無線機器、８０１・・・カメラ部、８０２・・・第２無線通信部、８０３・・・第１無線通信部、８０４・・・本体部。

Claims

回転軸に直交する第１仮想平面上に位置し、電磁波を放射する第１主放射素子を含む第１アンテナと、
前記回転軸に直交しかつ前記第１仮想平面と第１間隔を空けて対向する第２仮想平面上に位置し、電磁波を放射する第２主放射素子を含む第２アンテナと、を具備し、
前記第２アンテナは、前記回転軸を中心に回転可能であり、かつ前記第１アンテナとの間で前記電磁波の送信および受信の少なくとも一方を行い、前記第１主放射素子および前記第２主放射素子の少なくとも一方は、合成利得を考慮して決定されたオフセット位置に、前記回転軸からずらして配置される無線装置。
前記第１主放射素子および前記第２主放射素子は、前記回転軸方向から見た場合に重ならないように配置される請求項１に記載の無線装置。
前記第１仮想平面と平行に配置され、かつ前記第１主放射素子が形成される第１基板と、
前記第２仮想平面と平行に配置され、かつ前記第２主放射素子が形成される第２基板と、をさらに具備する請求項１または請求項２に記載の無線装置。
前記第１基板に配置され、無線通信に関する信号処理を行う第１無線部と、
前記第２基板に配置され、前記無線通信に関する信号処理を行う第２無線部と、をさらに具備する請求項３に記載の無線装置。
前記第１アンテナおよび前記第２アンテナは、アンテナ利得の主偏波成分が前記回転軸方向にビームを有し、前記アンテナ利得の交差偏波成分が非回転軸方向にビームを有する特性であり、
前記第１主放射素子と前記第２主放射素子との間の偏波整合が取れているときの前記第２アンテナの位置の回転角である第１角度から、該第２アンテナを９０度または２７０度回転させた位置において、前記第１主放射素子および前記第２主放射素子は、
前記第１アンテナから見て前記第２アンテナが位置する第１方向における前記第１アンテナのアンテナ利得の主偏波成分と、前記第２アンテナから見て前記第１アンテナが位置する第２方向における前記第２アンテナのアンテナ利得の交差偏波成分とを乗じた利得、および、前記第１方向における前記第１アンテナのアンテナ利得の交差偏波成分と、前記第２方向における前記第２アンテナのアンテナ利得の主偏波成分とを乗じた利得を加算して得られる合成利得のビームが相互に向くように配置される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の無線装置。
前記第１主放射素子および前記第２主放射素子は、前記第１アンテナおよび前記第２アンテナの少なくとも一方の受信電力が第１しきい値以上となるように配置される請求項５に記載の無線装置。
前記第１主放射素子および前記第２主放射素子は、無線通信に関するスループットが第２しきい値以上となるか、前記無線通信の誤り率が第３しきい値以下となるかの少なくとも一方を満たすように配置される請求項５に記載の無線装置。
前記第１アンテナおよび前記第２アンテナの少なくとも一方のアンテナ利得の交差偏波成分が前記回転軸と平行な方向を含む平面で極小となる特性であり、前記第１主放射素子および前記第２主放射素子は、前記回転軸からずれて配置される請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の無線装置。
前記第１主放射素子および前記第２主放射素子は、前記回転軸に対して直交する第１軸方向に第１距離ずれ、前記回転軸および前記第１軸に対して直交する第２軸方向に該第１軸から互いに前記第１距離ずつ離れて配置される請求項８に記載の無線装置。
無線通信に用いる使用周波数は、ミリ波帯の周波数である請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の無線装置。