JP6807292B2 - Ｏａｍ多重通信システム、ｏａｍ多重送信装置、ｏａｍ多重受信装置およびｏａｍ多重通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波の軌道角運動量（Orbital Angular Momentum：ＯＡＭ）を用いて無線信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システム、ＯＡＭ多重送信装置、ＯＡＭ多重受信装置およびＯＡＭ多重通信方法に関する。

近年、伝送容量向上のため、ＯＡＭを用いた無線信号の空間多重伝送技術が報告されている（非特許文献１）。ＯＡＭをもつ電磁波は、伝搬軸を中心に伝搬方向にそって等位相面が螺旋状に分布する。異なるＯＡＭモードをもち、同一方向に伝搬する電磁波は、回転軸方向において空間位相分布が直交するため、異なる信号系列で変調された各ＯＡＭモードの信号を受信局において分離することにより、信号を多重伝送することが可能である。

このＯＡＭ多重技術を用いた無線通信システムでは、複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置した等間隔円形アレーアンテナ（以下、ＵＣＡ（Uniform Circular Array）と称する。）を用い、複数のＯＡＭモードを生成・合成して送信することにより、異なる信号系列の空間多重伝送が行われる（非特許文献２）。

図１３は、ＯＡＭモードの信号を生成するためのＵＣＡの位相設定例を示す。
図１３において、送信側におけるＯＡＭモード０，１，２，３，…の信号は、ＵＣＡの各アンテナ素子（●で示す）の位相差により生成される。すなわち、ＯＡＭモードｎの信号は、ＵＣＡの位相がｎ回転（ｎ×360 度）になるように各アンテナ素子の位相を設定して生成する。例えば、ＵＣＡがｍ＝８個のアンテナ素子で構成される場合で、ＯＡＭモードｎ＝２の信号を生成する場合は、図１３(3) に示すように、位相が２回転するように、各アンテナ素子に反時計回りに 360ｎ／ｍ＝90度の位相差（０度，90度， 180度， 270度，０度，90度， 180度， 270度）を設定する。なお、ＯＡＭモードｎの信号に対して位相の回転方向を逆にした信号をＯＡＭモード−ｎとする。例えば、正のＯＡＭモードの信号の位相の回転方向を反時計回りとし、負のＯＡＭモードの信号の位相の回転方向を時計回りとする。

異なる信号系列を異なるＯＡＭモードの信号として生成し、生成した信号を同時に送信することで、空間多重による無線通信ができる。送信側では、各ＯＡＭモードで伝送する信号をあらかじめ生成・合成し、単一ＵＣＡで各ＯＡＭモードの合成信号を送信してもよいし、複数のＵＣＡを用いて、ＯＡＭモード毎に異なるＵＣＡで各ＯＡＭモードの信号を送信してもよい。

図１４は、ＯＡＭ多重信号の位相分布と信号強度分布の例を示す。
図１４(1),(2) において、送信側から伝搬方向に直交する端面（伝搬直交平面）で見た、ＯＡＭモード１とＯＡＭモード２の信号の位相分布を矢印で表す。矢印の始めは０度であり、位相が線形に変化して矢印の終わりは 360度である。すなわち、ＯＡＭモードｎの信号は、伝搬直交平面において、位相がｎ回転（ｎ×360 度）しながら伝搬する。なお、ＯＡＭモード−１，−２の信号の位相分布の矢印は逆向きになる。

各ＯＡＭモードの信号は、ＯＡＭモード毎に信号強度分布と信号強度が最大になる位置が異なる。ただし、符号が異なる同じＯＡＭモードの強度分布は同じである。具体的には、ＯＡＭモードが高次になるほど、信号強度が最大になる位置が伝搬軸から遠くなる（非特許文献２）。ここで、ＯＡＭモードの値が大きい方を高次モードと称する。例えば、ＯＡＭモード３の信号は、ＯＡＭモード０、ＯＡＭモード１、ＯＡＭモード２の信号より、高次モードである。

図１４(3) は、ＯＡＭモードごとに信号強度が最大になる位置を円環で示すが、ＯＡＭモードが高次になるほど信号強度が最大になる位置が中心軸から遠くなり、かつ伝搬距離に応じてＯＡＭモード多重信号のビーム径が広がり、ＯＡＭモードごとに信号強度が最大になる位置を示す円環が大きくなる。

図１５は、ＯＡＭ多重信号を分離するためのＵＣＡの位相設定例を示す。
図１５において、受信側では、ＵＣＡの各アンテナ素子の位相を、送信側のアンテナ素子の位相と逆方向になるように設定し、各ＯＡＭモードの信号を分離する。すなわち、各アンテナ素子の位相は、図１３の場合と逆方向に回転するように設定し、例えばＯＡＭモード２の信号を分離する場合は、位相が２回転するように、各アンテナ素子に時計回りに90度の位相差（０度，90度， 180度， 270度，０度，90度， 180度， 270度）を設定する。

受信側の分離処理は、単一ＵＣＡを用いて各ＯＡＭモードを一括受信してから分離することもできるし、複数のＵＣＡを用いて、ＵＣＡ毎に異なるＯＡＭモードの信号を受信することも可能である。

J. Wang et al., "Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing, "Nature Photonics, Vol.6, pp.488-496, July 2012. Y. Yan et al.,"High-capacity millimeter-wave communications with orbital angular momentum multiplexing,"Nature Commun., vol.5, p.4876, Sep. 2014. B. Palacin et el.,"An 8x8 Butler Matrix for Generation of Waves Carrying Orbital Angular Momentum (OAM)", EuCAP 2014, pp.2814-2818. V. Alagappan et. al., "A Simplified 16-channel Butler Matrix for Parallel Excitation with the Birdcage Modes at 7T "Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 16 (2008).

送受信機において、ＵＣＡを構成するアンテナ素子数を増やすほど、アレー利得等により受信ＳＮＲを向上できるが、ＯＡＭモードに応じてアンテナ素子間に設定する位相間隔が小さくなる。例えば、８個のアンテナ素子で構成されるＵＣＡにおいてＯＡＭモード１を生成するためには、図１３(2) に示すように各アンテナ素子に45度間隔の位相を設定すればよいが、16個のアンテナ素子の場合には22.5度間隔の位相を設定する必要が生じる。さらに、64個のアンテナ素子の場合には 5.625度間隔の位相を設定する必要が生じる。このように、アンテナ素子を増やすことにより受信ＳＮＲの向上は期待できるが、高分解度の位相変換器が多数必要となってコストが上昇する。

また、ＯＡＭモード生成／分離処理を行うために、アンテナ素子数Ｎに応じたＮ×Ｎバトラー行列回路を用いる構成（例えば、非特許文献３，４）があるが、アンテナ素子数Ｎに応じて、バトラー行列回路の内部に高分解度の位相変換器の数が増えることになる。たとえば、４×４バトラー行列回路の場合の位相変換器の最高分解度は45度であるが、８×８バトラー行列回路の場合は最高分解度が22.5度の位相変換器が８個必要になる（非特許文献４）。したがって、バトラー行列回路を用いる構成でも、アンテナ素子を増やすことにより受信ＳＮＲの向上は期待できるが、高分解度の位相変換器が多数必要となってコストが上昇する。

本発明は、ＯＡＭを用いて空間多重伝送を行う無線通信システムにおいて、ＯＡＭモード生成／分離処理に必要な高分解度の位相変換器の数を最小限にしてコストを抑えながら、ＵＣＡのアンテナ素子数を増やして受信ＳＮＲを向上させることができるＯＡＭ多重通信システム、ＯＡＭ多重送信装置、ＯＡＭ多重受信装置およびＯＡＭ多重通信方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置したＵＣＡを用い、ＯＡＭモードをｎ、ＵＣＡのアンテナ素子数をｍ、ＯＡＭモードｎに応じてアンテナ素子間に設定する位相差を 360ｎ／ｍとし、ＵＣＡの各アンテナ素子に 360ｎ／ｍの位相差を設定してＯＡＭモードｎの信号を生成し、各ＯＡＭモードの信号を空間多重送信するＯＡＭ多重送信装置において、ＵＣＡのｍ個のアンテナ素子を等間隔で互いに異なるｍ／ｓ個のアンテナ素子からなるｓ個のサブセットに分割する設定とし、ＯＡＭモードごとに、ＯＡＭモードｎで送信する信号をｓ分岐し、各信号に対して 360ｎ／ｍの位相差を設定して出力する第１の位相変換手段と、ＯＡＭモードごとに、第１の位相変換手段から出力される信号をそれぞれ入力してｍ／ｓ分岐し、各信号に(360ｎ／ｍ) ×ｓの位相差を設定して出力するｓ個の第２の位相変換手段と、ＯＡＭモードごとのｓ個の第２の位相変換手段から出力される信号をアンテナ素子ごとに合波して各アンテナ素子に入力するｍ個の合波器とを備える。

第１の発明のＯＡＭ多重送信装置において、第２の位相変換手段は、（１：ｍ／ｓ）分波器と、(360ｎ／ｍ) ×ｓの位相差を設定するｍ／ｓ個の位相変換器とを備え、ｍ／ｓ個の位相変換器の出力を合波器を介してｍ／ｓ個のアンテナ素子に接続する構成である。

第１の発明のＯＡＭ多重送信装置において、第２の位相変換手段は、設定する(360ｎ／ｍ) ×ｓの位相差が45度および−45度の場合は、４入力４出力間に90度ハイブリットと45度位相変換器を配置し、入力１に対する出力１〜出力４の位相差が45度になり、入力４に対する出力１〜出力４の位相差が−45度になる第１および第２の４×４の45度バトラー行列回路を用い、ＯＡＭモード１の信号は２分岐して 180度の位相差を与えて第１および第２の４×４の45度バトラー行列回路の各入力１に入力し、ＯＡＭモード−１の信号は２分岐して 180度の位相差を与えて第１および第２の４×４の45度バトラー行列回路の各入力４に入力する構成である。

第１の発明のＯＡＭ多重送信装置において、第２の位相変換手段は、設定する(360ｎ／ｍ) ×ｓの位相差が90度および−90度の場合は、４入力４出力間に90度ハイブリットと90度位相変換器を配置し、入力２に対する出力１〜出力４の位相差が90度になり、入力３に対する出力１〜出力４の位相差が−90度になる第１および第２の４×４の90度バトラー行列回路を用い、ＯＡＭモード２の信号は２分岐して第１および第２の４×４の90度バトラー行列回路の各入力２に入力し、ＯＡＭモード−１の信号は２分岐して第１および第２の４×４の90度バトラー行列回路の各入力３に入力する構成である。

第２の発明は、第１の発明のＯＡＭ多重送信装置の第１の位相変換手段、第２の位相変換手段および合波器から構成されるＯＡＭモード生成回路を可逆の構成で用い、設定する位相を正負反対にしてＯＡＭモード分離回路として用いてＯＡＭ多重受信装置を構成する。

第３の発明のＯＡＭ多重通信システムは、第１の発明のＯＡＭ多重送信装置のＵＣＡと、第２の発明のＯＡＭ多重受信装置のＵＣＡを対向させ、複数のＯＡＭモードの信号を空間多重伝送する。

第４の発明は、複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置したＵＣＡを用い、ＯＡＭモードをｎ、ＵＣＡのアンテナ素子数をｍ、ＯＡＭモードｎに応じてアンテナ素子間に設定する位相差を 360ｎ／ｍとし、ＵＣＡの各アンテナ素子に 360ｎ／ｍの位相差を設定してＯＡＭモードｎの信号を生成するＯＡＭ多重送信装置から、可逆の構成でＯＡＭモードの信号を分離するＯＡＭ多重受信装置に、各ＯＡＭモードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信方法において、ＯＡＭ多重送信装置は、ＵＣＡのｍ個のアンテナ素子を等間隔で互いに異なるｍ／ｓ個のアンテナ素子からなるｓ個のサブセットに分割する設定とし、ＯＡＭモードごとに、ＯＡＭモードｎで送信する信号を第１の位相変換手段に入力してｓ分岐し、各信号に対して 360ｎ／ｍの位相差を設定して出力し、ＯＡＭモードごとに、第１の位相変換手段から出力される信号をそれぞれｓ個の第２の位相変換手段に入力してそれぞれｍ／ｓ分岐して、各信号に(360ｎ／ｍ) ×ｓの位相差を設定して出力し、ＯＡＭモードごとのｓ個の第２の位相変換手段から出力される信号をアンテナ素子ごとに合波して各アンテナ素子に入力して送信する。

本発明は、ＵＣＡを構成するアンテナ素子をサブセットに分け、サブセット間を高分解度の位相変換手段でつなげ、サブセットごとに低分解度の位相変換手段を用いてＯＡＭモードの生成・分離を行うことにより、高分解度の位相変換手段の数を減らすことができる。

また、サブセットの位相変換手段を４×４のバトラー行列回路を用いて構成することにより、バトラー行列回路における高分解度の位相変換器の数を減らすことができる。

これにより、ＯＡＭ多重通信システムのＯＡＭ多重送信装置およびＯＡＭ多重受信装置において、低コストおよび簡単な回路構成でＵＣＡを構成するアンテナ素子の数を増やすことができ、受信ＳＮＲおよび伝送容量を向上させることができる。

本発明のＯＡＭ多重送信装置においるＯＡＭモード生成回路の第１の構成例を示す図である。 従来のＯＡＭモード生成回路の構成例を示す図である。 本発明におけるＯＡＭモード１位相変換部１０Ａの実施例１の構成を示す図である。 本発明におけるＯＡＭモード１位相変換部１０Ａの実施例２の構成を示す図である。 本発明におけるＯＡＭモード２位相変換部２０Ａの実施例１の構成を示す図である。 本発明におけるＯＡＭモード２位相変換部２０Ａの実施例２の構成を示す図である。 ４×４ 45度／90度バトラー行列回路の構成例を示す図である。 本発明における８素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部３０の実施例構成を示す図である。 本発明における８素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部４０の実施例構成を示す図である。 本発明における16素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部５０の実施例構成を示す図である。 本発明における16素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部６０の実施例構成を示す図である。 本発明のＯＡＭ多重送信装置においるＯＡＭモード生成回路の第２の構成例を示す図である。 ＯＡＭモードの信号を生成するためのＵＣＡの位相設定例を示す図である。 ＯＡＭ多重信号の位相分布と信号強度分布の例を示す図である。 ＯＡＭ多重信号を分離するためのＵＣＡの位相設定例を示す図である。

（ＯＡＭモード生成回路の第１の構成例）
図１は、本発明のＯＡＭ多重送信装置におけるＯＡＭモード生成回路の第１の構成例を示す。

図１において、ここではＵＣＡのアンテナ素子（●で示す）の数を16個とし、反時計回りにアンテナ素子を＃１〜＃16とする。ここに示す16素子用のＯＡＭモード生成回路では、５つのＯＡＭモード０，１，−１，２，−２の送信信号を生成する構成とする。

ＯＡＭモード０位相変換部００は、ＯＡＭモード０で送信しようとする信号を入力してアンテナ素子数の16に分波し、それぞれ同位相（０度）のまま、他のＯＡＭモード信号と５：１合波器でそれぞれ合波し、各アンテナ素子＃１〜＃16に入力する。なお、ＯＡＭモード０位相変換部００は、１：16分波器と同等の構成である。

ＯＡＭモード１位相変換部１０Ａは、ＯＡＭモード１で送信しようとする信号を入力してアンテナ素子数の16に分波し、順番に
360度×モード値／アンテナ素子数＝ 360×１／16＝22.5度
の位相差を設定し、他のＯＡＭモード信号と５：１合波器でそれぞれ合波し、各アンテナ素子＃１〜＃16に入力する。ここでは、アンテナ素子＃１〜＃16に０度，22.5度，45度，…， 337.5度の位相を対応させる例を示す。ＯＡＭモード１位相変換部１０Ａの実施例構成は、図３または図４に示す。

ＯＡＭモード−１位相変換部１０Ｂは、ＯＡＭモード−１の信号を入力してアンテナ素子数の16に分波し、 360×(-1)／16＝−22.5度の位相差を設定し、他のＯＡＭモード信号と５：１合波器でそれぞれ合波し、各アンテナ素子＃１〜＃16に入力する。

ＯＡＭモード２位相変換部２０Ａは、ＯＡＭモード２の信号を入力してアンテナ素子数の16に分波し、 360×２／16＝45度の位相差を設定し、他のＯＡＭモード信号と５：１合波器でそれぞれ合波し、各アンテナ素子＃１〜＃16に入力する。ＯＡＭモード２位相変換部２０Ａの実施例構成は、図５または図６に示す。

ＯＡＭモード−２位相変換部２０Ｂは、ＯＡＭモード−２の信号を入力してアンテナ素子数の16に分波し、 360×(-2)／16＝−45度の位相差を設定し、他のＯＡＭモード信号と５：１合波器でそれぞれ合波され、各アンテナ素子＃１〜＃16に入力する。

本発明におけるＯＡＭモード生成回路の第１の構成例の特徴は、ＯＡＭモード１位相変換部１０Ａ〜ＯＡＭモード−２位相変換部２０Ｂの構成にあるが、まず比較のために従来の構成例を図２に示し、本発明による実施例構成について図３〜図６を参照して説明する。

（従来のＯＡＭモード生成回路の構成例）
図２は、従来のＯＡＭモード生成回路の構成例を示す。
図２において、従来のＯＡＭモード１位相変換部１０Ａは、１：16分波器と、22.5度の位相差（０度，22.5度，45度，…，337.5 度）を設定する16個の位相変換器を用いて、各アンテナ素子間に22.5度の位相差を設定してＯＡＭモード１の送信信号を生成する。なお、ＯＡＭモード−１位相変換部１０Ｂは、−22.5度の位相差（０度， 337.5度， 315度，…，22.5度）を設定する16個の位相変換器を用いる。従来のＯＡＭモード２位相変換部２０Ａは、１：16分波器と、45度の位相差（０度，45度，90度，…，315 度）を設定する16個の位相変換器を用いて、各アンテナ素子間に45度の位相差を設定してＯＡＭモード２の送信信号を生成する。なお、ＯＡＭモード−２位相変換部２０Ｂは、−45度の位相差（０度， 315度， 270度，…，45度）を設定する16個の位相変換器を用いる。

（ＯＡＭモード１位相変換部１０Ａの実施例１）
図３は、本発明におけるＯＡＭモード１位相変換部１０Ａの実施例１の構成を示す。
図３において、実施例１のＯＡＭモード１位相変換部１０Ａは、１：２分波器１１、０度位相変換器１２、22.5度位相変換器１３、１：８分波器１４−１，１４−２、45度の位相差（０度，45度，90度，…，315 度）を設定する８個の位相変換器からなる位相変換器セット１５−１，１５−２により構成される。ＯＡＭモード１の信号は、１：２分波器１１で２分岐して０度位相変換器１２および22.5度位相変換器１３に入力し、22.5度の位相差を設定して１：８分波器１４−１，１４−２に入力する。

１：８分波器１４−１から出力される位相０度のＯＡＭモード１の信号は位相変換器セット１５−１に入力し、45度の位相差（０度，45度，90度，…，315 度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に入力する。１：８分波器１４−２から出力される位相22.5度のＯＡＭモード１の信号は位相変換器セット１５−２に入力し、45度の位相差（22.5度，67.5度，…，337.5 度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、偶数番号のアンテナ素子＃２，＃４，…，＃16に入力する。

このように、22.5度間隔の２個の０度位相変換器１２および22.5度位相変換器１３と、45度間隔の８個の位相変換器からなる位相変換器セット１５−１，１５−２により、16個のアンテナ素子＃１〜＃16に22.5度の位相差で入力してＯＡＭモード１の送信信号を生成することができる。これにより、図２に示す従来の構成例に比べて、22.5度の位相差を設定する位相変換器が16個から２個に削減できることになる。なお、ＯＡＭモード−１位相変換部１０Ｂについても同様である。

（ＯＡＭモード１位相変換部１０Ａの実施例２）
図４は、本発明におけるＯＡＭモード１位相変換部１０Ａの実施例２の構成を示す。
図４において、実施例２のＯＡＭモード１位相変換部１０Ａは、１：４分波器１６−０〜１６−５、０度位相変換器１２、22.5度位相変換器１３、45度位相変換器１７、67.5位相変換器１８、90度の位相差（０度，90度，180 度，270 度）を設定する４個の位相変換器からなる位相変換器セット１９−１〜１９−４により構成される。ＯＡＭモード１の信号は、１：４分波器１６−０で４分岐して０度位相変換器１１〜67.5度位相変換器１８に入力し、順番に22.5度の位相差を設定して１：４分波器１６−１〜１６−４に入力する。

１：４分波器１６−１から出力される位相０度のＯＡＭモード１の信号は位相変換器セット１９−１に入力し、90度の位相差（０度，90度，180 度，270 度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、アンテナ素子＃１，＃５，＃９，＃13に入力する。１：４分波器１６−２から出力される位相22.5度のＯＡＭモード１の信号は位相変換器セット１９−２に入力し、90度の位相差（22.5度，112.5 度，202.5 度，292.5 度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、アンテナ素子＃２，＃６，＃10，＃14に入力する。１：４分波器１６−３から出力される位相45度のＯＡＭモード１の信号は位相変換器セット１９−３に入力し、90度の位相差（45度，135 度，225 度，315 度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、アンテナ素子＃３，＃７，＃11，＃15に入力する。１：４分波器１６−４から出力される位相67.5度のＯＡＭモード１の信号は位相変換器セット１９−４に入力し、90度の位相差（67.5度，157.5 度，247.5 度，337.5 度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、アンテナ素子＃４，＃８，＃12，＃16に入力する。

このように、22.5度間隔の４個の０度位相変換器１１〜67.5度位相変換器１８と、90度間隔の４個の位相変換器からなる位相変換器セット１９−１〜１９−４により、16個のアンテナ素子＃１〜＃16に22.5度の位相差で入力してＯＡＭモード１の送信信号を生成することができる。これにより、図２に示す従来の構成例に比べて、22.5度の位相差を設定する位相変換器が16個から４個に削減できることになる。なお、ＯＡＭモード−１位相変換部１０Ｂについても同様である。

（ＯＡＭモード２位相変換部２０Ａの実施例１）
図５は、本発明におけるＯＡＭモード２位相変換部２０Ａの実施例１の構成を示す。
図５において、実施例１のＯＡＭモード２位相変換部２０Ａは、１：２分波器２１、０度位相変換器２２、45度位相変換器２３、１：８分波器２４−１，２４−２、90度の位相差（０度，90度， 180度， 270度，０度，90度， 180度， 270度）を設定する８個の位相変換器からなる位相変換器セット２５−１，２５−２により構成される。ＯＡＭモード２の信号は、１：２分波器２１で２分岐して０度位相変換器２２および45度位相変換器２３に入力し、45度の位相差を設定して１：８分波器２４−１，２４−２に入力する。

１：８分波器２４−１から出力される位相０度のＯＡＭモード２の信号は位相変換器セット２５−１に入力し、90度の位相差（０度，90度，…， 270度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に入力する。１：８分波器２４−２から出力される位相45度のＯＡＭモード２の信号は位相変換器セット２５−２に入力し、90度の位相差（45度， 135度，…， 315度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、偶数番号のアンテナ素子＃２，＃４，…，＃16に入力する。

このように、45度間隔の２個の０度位相変換器２２および45度位相変換器２３と、90度間隔の８個の位相変換器からなる位相変換器セット２５−１，２５−２により、16個のアンテナ素子＃１〜＃16に45度の位相差で入力してＯＡＭモード２の送信信号を生成することができる。これにより、図２に示す従来の構成例に比べて、45度の位相差を設定する位相変換器が16個から２個に削減できることになる。なお、ＯＡＭモード−２位相変換部２０Ｂについても同様である。

（ＯＡＭモード２位相変換部２０Ａの実施例２）
図６は、本発明におけるＯＡＭモード２位相変換部２０Ａの実施例２の構成を示す。
図６において、実施例２のＯＡＭモード２位相変換部２０Ａは、１：４分波器２６−０〜２６−５、０度位相変換器２２、45度位相変換器２３、90度位相変換器２７、135 位相変換器２８、180 度の位相差（０度，180 度，０度，180 度）を設定する４個の位相変換器からなる位相変換器セット２９−１〜２９−４により構成される。ＯＡＭモード２の信号は、１：４分波器２６−０で４分岐して０度位相変換器２２〜135 度位相変換器２８に入力し、45度の位相差を設定して１：４分波器２６−１〜２６−４に入力する。

１：４分波器２６−１から出力される位相０度のＯＡＭモード２の信号は位相変換器セット２９−１に入力し、 180度の位相差（０度， 180度，０度， 180度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、アンテナ素子＃１，＃５，＃９，＃13に入力する。１：４分波器２６−２から出力される位相45度のＯＡＭモード２の信号は位相変換器セット２９−２に入力し、 180度の位相差（45度， 225度，45度， 225度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、アンテナ素子＃２，＃６，＃10，＃14に入力する。１：４分波器２６−３から出力される位相90度のＯＡＭモード２の信号は位相変換器セット２９−３に入力し、 180度の位相差（90度， 270度，90度， 270度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、アンテナ素子＃３，＃７，＃11，＃15に入力する。１：４分波器２６−４から出力される位相135 度のＯＡＭモード２の信号は位相変換器セット２９−４に入力し、 180度の位相差（ 135度， 315度， 135度， 315度）に設定され、他のＯＡＭモード信号と合波され、アンテナ素子＃４，＃８，＃12，＃16に入力する。

このように、45度間隔の４個の０度位相変換器２２〜135 度位相変換器２８と、 180度間隔の４個の位相変換器からなる位相変換器セット２９−１〜２９−４により、16個のアンテナ素子＃１〜＃16に45度の位相差で入力してＯＡＭモード２の送信信号を生成することができる。これにより、図２に示す従来の構成例に比べて、45度の位相差を設定する位相変換器が16個から４個に削減できることになる。なお、ＯＡＭモード−２位相変換部２０Ｂについても同様である。

（バトラー行列回路を用いた位相変換器セットの構成）
入力信号に対して45度の位相差（０度，45度，90度， 135度）で出力する構成は、４×４の45度バトラー行列回路により実現可能である。入力信号に対して90度の位相差（０度，90度， 180度， 270度）で出力する構成は、４×４の90度バトラー行列回路により実現可能である。

したがって、図３に示す位相変換器セット１５は、45度の位相差（０度，45度，90度，…，315 度）を設定する８個の位相変換器から構成されるが、２つの４×４の45度バトラー行列回路を用いて構成することができる。図４に示す位相変換器セット１９は、90度の位相差（０度，90度， 180度， 270度）を設定する４個の位相変換器から構成されるが、４×４の90度バトラー行列回路を用いて構成することができる。また、図５に示す位相変換器セット２５は、90度の位相差（０度，90度，…， 270度）を設定する８個の位相変換器から構成されるが、２つの４×４の90度バトラー行列回路を用いて構成することができる。それぞれの構成については後述するが、まず４×４の45度バトラー行列回路および４×４の90度バトラー行列回路の基本構成について説明する。

図７は、４×４ 45度／90度バトラー行列回路の構成例を示す。
図７(1) において、４×４の45度バトラー行列回路は、４つの90度ハイブリッド（Ｈ）と、２つの45度位相変換器により構成される。４×４の45度バトラー行列回路の入力１〜入力４と出力１〜出力４の位相関係を表１に示す。

入力１は、出力１〜出力４に対して45度の位相差で出力することができ、入力４は出力１〜出力４に対して−45度の位相差で出力することができる。したがって、１つの45度バトラー行列回路で、ＯＡＭモード１の信号およびＯＡＭモード−１の信号を生成することができる。

図７(2) において、４×４の90度バトラー行列回路は、４つの90度ハイブリッド（Ｈ）と、２つの90度位相変換器により構成される。４×４の90度バトラー行列回路の入力１〜入力４と出力１〜出力４の位相関係を表２に示す。

入力２は、出力１〜出力４に対して90度の位相差で出力することができ、入力３は出力１〜出力４に対して−90度の位相差で出力することができる。したがって、１つの90度バトラー行列回路で、ＯＡＭモード２の信号およびＯＡＭモード−２の信号を生成することができる。

（８素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部３０の実施例構成）
図８は、本発明における８素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部３０の実施例構成を示す。ここで、８素子とは、図１に示す16素子のＵＣＡの奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に対応し、図３に示す１：８分波器１４−１および位相変換器セット１５−１に相当する構成である。

図８において、ＯＡＭモード１／−１位相変換部３０は、１：２分波器３１−１，３１−２、０度位相変換器３２−１，３２−２、 180度位相変換器３３−１，３３−２、４×４の45度バトラー行列回路３４−１，３４−２により構成される。45度バトラー行列回路３４−１の出力１〜出力４は、アンテナ素子＃１，＃３，＃５，＃７に接続され、45度バトラー行列回路３４−２の出力１〜出力４は、アンテナ素子＃９，＃11，＃13，＃15に接続される。

ＯＡＭモード１の信号は、１：２分波器３１−１で２分岐して０度位相変換器３２−１および 180度位相変換器３３−１に入力し、 180度の位相差を設定して45度バトラー行列回路３４−１，３４−２の各入力１に入力する。ＯＡＭモード−１の信号は、１：２分波器３１−２で２分岐して０度位相変換器３２−２および 180度位相変換器３３−２に入力し、 180度の位相差を設定して45度バトラー行列回路３４−１，３４−２の各入力４に入力する。

よって、ＯＡＭモード１の信号は、45度バトラー行列回路３４−１，３４−２の各出力１〜出力４から奇数番号のアンテナ素子＃１〜＃15に、表３に示すように45度の位相差で出力される。また、ＯＡＭモード−１の信号は、45度バトラー行列回路３４−１，３４−２の各出力１〜出力４から奇数番号のアンテナ素子＃１〜＃15に、表３に示すように−45度の位相差で出力される。

なお、図３に示す構成では、アンテナ素子＃１に０度の位相が対応し、図８に示す構成では、アンテナ素子＃１に１つシフトして45度の位相が対応するが、いずれもアンテナ素子間の位相差は45度であり、ＯＡＭモード１の信号が生成される。また、図９に示す０度位相変換器３２−１と80度位相変換器３３−１の配置、０度位相変換器３２−２と 180度位相変換器３３−２の配置は、それぞれ逆でもよい。

（８素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部４０の実施例構成）
図９は、本発明における８素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部４０の実施例構成を示す。ここで、８素子とは、図１に示す16素子のＵＣＡの奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に対応し、図５に示す１：８分波器２４−１および位相変換器セット２５−１に相当する構成である。

図９において、ＯＡＭモード２／−２位相変換部４０は、１：２分波器４１−１，４１−２、４×４の90度バトラー行列回路４２−１，４２−２により構成される。90度バトラー行列回路４２−１の出力１〜出力４は、奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，＃５，＃７に接続され、90度バトラー行列回路４２−２の出力１〜出力４は、奇数番号のアンテナ素子＃９，＃11，＃13，＃15に接続される。

ＯＡＭモード２の信号は、１：２分波器４１−１で２分岐して90度バトラー行列回路４２−１，４２−２の各入力２に入力する。ＯＡＭモード−２の信号は、１：２分波器４１−２で２分岐して90度バトラー行列回路４２−１，４２−２の各入力３に入力する。よって、ＯＡＭモード２の信号は、90度バトラー行列回路４２−１，４２−２の各出力１〜出力４からアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に、表４に示すように90度の位相差で出力される。また、ＯＡＭモード−２の信号は、90度バトラー行列回路４２−１，４２−２の各出力１〜出力４から奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に、表４に示すように−90度の位相差で出力される。

なお、図５に示す構成では、アンテナ素子＃１に０度の位相が対応し、図９に示す構成では、アンテナ素子＃１に 180度の位相が対応するが、いずれもアンテナ素子間の位相差は90度であり、ＯＡＭモード２の信号が生成される。

（16素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部５０の実施例構成）
図１０は、本発明における16素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部５０の実施例構成を示す。

図１０において、16素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部５０は、図９に示す８素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部３０を２セット用い、それぞれ３０−１，３０−２とする。８素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部３０−１の出力は、16素子の奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に接続される。８素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部３０−２の出力は、16素子の偶数番号のアンテナ素子＃２，＃４，…，＃16に接続される。

ＯＡＭモード１の信号は１：２分波器１１−１で２分岐し、０度位相変換器１２−１を介して８素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部３０−１に入力するとともに、22.5度位相変換器１３−１を介して22.5度の位相差で８素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部３０−２に入力する。よって、ＯＡＭモード１の信号は、表５に示すように、奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に45度から45度の位相差で出力され、偶数番号のアンテナ素子＃２，＃４，…，＃16に67.5度から45度の位相差で出力される。

ＯＡＭモード−１の信号は１：２分波器１１−２で２分岐し、22.5度位相変換器１３−２を介して８素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部３０−１に入力するとともに、０度位相変換器１２−２を介して−22.5度の位相差で８素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部３０−２に入力する。よって、ＯＡＭモード−１の信号は、表５に示すように、偶数番号のアンテナ素子＃２，＃４，…，＃16に 225度から−45度の位相差で出力され、奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に 202.5度から−45度の位相差で出力される。

（16素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部６０の実施例構成）
図１１は、本発明における16素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部６０の実施例構成を示す。

図１１において、16素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部６０は、図９に示す８素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部４０を２セット用い、それぞれ４０−１，４０−２とする。８素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部４０−１の出力は、16素子の奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に接続される。８素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部４０−２の出力は、16素子の偶数番号のアンテナ素子＃２，＃４，…，＃16に接続される。

ＯＡＭモード２の信号は１：２分波器２１−１で２分岐し、０度位相変換器２２−１を介して８素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部４０−１に入力するとともに、45度位相変換器２３−１を介して45度の位相差で８素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部４０−２に入力する。よって、ＯＡＭモード２の信号は、表６に示すように、奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に 180度から90度の位相差で出力され、偶数番号のアンテナ素子＃２，＃４，…，＃16に 225度から90度の位相差で出力される。

ＯＡＭモード−２の信号は１：２分波器２１−２で２分岐し、45度位相変換器２３−２を介して８素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部４０−１するとともに、０度位相変換器２２−２を介して−45度の位相差で８素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部４０−２に入力する。よって、ＯＡＭモード−２の信号は、表６に示すように、偶数番号のアンテナ素子＃２，＃４，…，＃16に90度から−90度の位相差で出力され、奇数番号のアンテナ素子＃１，＃３，…，＃15に 135度から−90度の位相差で出力される。

（ＯＡＭモード生成回路の第２の構成例）
図１２は、本発明のＯＡＭ多重送信装置におけるＯＡＭモード生成回路の第２の構成例を示す。

図１２において、ここではＵＣＡのアンテナ素子（●で示す）の数を16個とし、反時計回りにアンテナ素子を＃１〜＃16とする。ここに示す16素子用のＯＡＭモード生成回路では、５つのＯＡＭモード０，１，−１，２，−２の送信信号を生成する構成とする。なお、ＯＡＭ多重受信装置におけるＯＡＭモード分離回路は、ＯＡＭモード生成回路と可逆の関係にあり、合波器を分波器、分波器を合波器に置き換え、設定する位相を正負反対にするか、設定する位相をそのままにしてアンテナ素子＃１〜＃16の配列を時計回りにしてもよい。

ＯＡＭモード０位相変換部００は、ＯＡＭモード０で送信しようとする信号を入力してアンテナ素子数の16に分波し、それぞれ同位相（０度）のまま、他のＯＡＭモード信号と３：１合波器でそれぞれ合波し、各アンテナ素子＃１〜＃16に入力する。なお、ＯＡＭモード０位相変換部００は、１：16分波器と同等の構成である。

16素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部５０は、図１０に示す構成であり、各アンテナ素子に対応する出力を３：１合波器を介して対応するアンテナ素子＃１〜＃16に接続する。16素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部６０は、図１１に示す構成であり、各アンテナ素子に対応する出力を３：１合波器を介して対応するアンテナ素子＃１〜＃16に接続する。各ＯＡＭモード０，１，−１，２，−２とアンテナ素子＃１〜＃16の位相関係は、表５および表６を合わせて表７のようになる。

なお、本発明のＯＡＭ多重受信装置におけるＯＡＭモード分離回路は、以上説明したＯＡＭ多重送信装置におけるＯＡＭモード生成回路と可逆の関係にあり、合波器を分波器、分波器を合波器に置き換え、設定する位相を正負反対にして構成することができる。あるいは、設定する位相をそのままにしてアンテナ素子＃１〜＃16の配列を時計回りにしてもよい。

また、本発明のＯＡＭ多重通信システムは、本発明のＯＡＭ多重送信装置のＵＣＡと、本発明のＯＡＭ多重受信装置のＵＣＡを対向させ、複数のＯＡＭモードの信号を空間多重伝送する構成である。

００ ＯＡＭモード０位相変換部
１０Ａ ＯＡＭモード１位相変換部
１０Ｂ ＯＡＭモード−１位相変換部
１１ １：２分波器
１２ ０度位相変換器
１３ 22.5度位相変換器
１４ １：８分波器
１５ 位相変換器セット（45度）
１６ １：４分波器
１７ 45度位相変換器
１８ 67.5度位相変換器
１９ 位相変換器セット（90度）
２０Ａ ＯＡＭモード２位相変換部
２０Ｂ ＯＡＭモード−２位相変換部
２１ １：２分波器
２２ ０度位相変換器
２３ 45度位相変換器
２４ １：８分波器
２５ 位相変換器セット（90度）
２６ １：４分波器
２７ 90度位相変換器
２８ 135 度位相変換器
２９ 位相変換器セット（ 180度）
３０ ８素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部
３１ １：２分波器
３２ ０度位相変換器
３３ 180 度位相変換器
３４ ４×４ 45度バトラー行列回路
４０ ８素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部
４１ １：２分波器
４２ ４×４ 90度バトラー行列回路
５０ 16素子用ＯＡＭモード１／−１位相変換部
６０ 16素子用ＯＡＭモード２／−２位相変換部

Claims (7)

1. 複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置した等間隔円形アレーアンテナ（以下、ＵＣＡ）を用い、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードをｎ、ＵＣＡのアンテナ素子数をｍ、ＯＡＭモードｎに応じてアンテナ素子間に設定する位相差を 360ｎ／ｍとし、ＵＣＡの各アンテナ素子に 360ｎ／ｍの位相差を設定してＯＡＭモードｎの信号を生成し、各ＯＡＭモードの信号を空間多重送信するＯＡＭ多重送信装置において、
   前記ＵＣＡのｍ個のアンテナ素子を等間隔で互いに異なるｍ／ｓ個のアンテナ素子からなるｓ個のサブセットに分割する設定とし、
   前記ＯＡＭモードごとに、前記ＯＡＭモードｎで送信する信号をｓ分岐し、各信号に対して 360ｎ／ｍの位相差を設定して出力する第１の位相変換手段と、
   前記ＯＡＭモードごとに、前記第１の位相変換手段から出力される信号をそれぞれ入力してｍ／ｓ分岐し、各信号に(360ｎ／ｍ) ×ｓの位相差を設定して出力するｓ個の第２の位相変換手段と、
   前記ＯＡＭモードごとの前記ｓ個の第２の位相変換手段から出力される信号を前記アンテナ素子ごとに合波して各アンテナ素子に入力するｍ個の合波器と
   を備えたことを特徴とするＯＡＭ多重送信装置。
2. 請求項１に記載のＯＡＭ多重送信装置において、
   前記第２の位相変換手段は、
   （１：ｍ／ｓ）分波器と、
   (360ｎ／ｍ) ×ｓの位相差を設定するｍ／ｓ個の位相変換器と
   を備え、前記ｍ／ｓ個の位相変換器の出力を前記合波器を介して前記ｍ／ｓ個のアンテナ素子に接続する構成である
   ことを特徴とするＯＡＭ多重送信装置。
3. 請求項１に記載のＯＡＭ多重送信装置において、
   前記第２の位相変換手段は、設定する(360ｎ／ｍ) ×ｓの位相差が45度および−45度の場合は、４入力４出力間に90度ハイブリットと45度位相変換器を配置し、入力１に対する出力１〜出力４の位相差が45度になり、入力４に対する出力１〜出力４の位相差が−45度になる第１および第２の４×４の45度バトラー行列回路を用い、ＯＡＭモード１の信号は２分岐して 180度の位相差を与えて第１および第２の４×４の45度バトラー行列回路の各入力１に入力し、ＯＡＭモード−１の信号は２分岐して 180度の位相差を与えて第１および第２の４×４の45度バトラー行列回路の各入力４に入力する構成である
   ことを特徴とするＯＡＭ多重送信装置。
4. 請求項１に記載のＯＡＭ多重送信装置において、
   前記第２の位相変換手段は、設定する(360ｎ／ｍ) ×ｓの位相差が90度および−90度の場合は、４入力４出力間に90度ハイブリットと90度位相変換器を配置し、入力２に対する出力１〜出力４の位相差が90度になり、入力３に対する出力１〜出力４の位相差が−90度になる第１および第２の４×４の90度バトラー行列回路を用い、ＯＡＭモード２の信号は２分岐して第１および第２の４×４の90度バトラー行列回路の各入力２に入力し、ＯＡＭモード−１の信号は２分岐して第１および第２の４×４の90度バトラー行列回路の各入力３に入力する構成である
   ことを特徴とするＯＡＭ多重送信装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のＯＡＭ多重送信装置の前記第１の位相変換手段、前記第２の位相変換手段および前記合波器から構成されるＯＡＭモード生成回路を可逆の構成で用い、設定する位相を正負反対にしてＯＡＭモード分離回路として用いる構成である
   ことを特徴とするＯＡＭ多重受信装置。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載のＯＡＭ多重送信装置のＵＣＡと、請求項５に記載のＯＡＭ多重受信装置のＵＣＡを対向させ、複数のＯＡＭモードの信号を空間多重伝送することを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
7. 複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置した等間隔円形アレーアンテナ（以下、ＵＣＡ）を用い、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードをｎ、ＵＣＡのアンテナ素子数をｍ、ＯＡＭモードｎに応じてアンテナ素子間に設定する位相差を 360ｎ／ｍとし、ＵＣＡの各アンテナ素子に 360ｎ／ｍの位相差を設定してＯＡＭモードｎの信号を生成するＯＡＭ多重送信装置から、可逆の構成で前記ＯＡＭモードの信号を分離するＯＡＭ多重受信装置に、各ＯＡＭモードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信方法において、
   前記ＯＡＭ多重送信装置は、
   前記ＵＣＡのｍ個のアンテナ素子を等間隔で互いに異なるｍ／ｓ個のアンテナ素子からなるｓ個のサブセットに分割する設定とし、
   前記ＯＡＭモードごとに、前記ＯＡＭモードｎで送信する信号を第１の位相変換手段に入力してｓ分岐し、各信号に対して 360ｎ／ｍの位相差を設定して出力し、
   前記ＯＡＭモードごとに、前記第１の位相変換手段から出力される信号をそれぞれｓ個の第２の位相変換手段に入力してそれぞれｍ／ｓ分岐して、各信号に(360ｎ／ｍ) ×ｓの位相差を設定して出力し、
   前記ＯＡＭモードごとの前記ｓ個の第２の位相変換手段から出力される信号を前記アンテナ素子ごとに合波して各アンテナ素子に入力して送信する
   ことを特徴とするＯＡＭ多重通信方法。

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