JP6811155B2

JP6811155B2 - Ｏａｍ多重通信システムおよびアンテナ軸ずれ補正方法

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Publication number: JP6811155B2
Application number: JP2017183849A
Authority: JP
Inventors: 浩之福本; 斗煥李; 裕文笹木; 宏礼芝
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: JP2019062297A

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多重通信システムおよびアンテナ軸ずれ補正方法に関する。

無線通信の伝送容量向上に向けた技術として、ＯＡＭを用いて無線信号を空間多重伝送する技術がある（非特許文献１）。ＯＡＭモードをもつ電波は、ビームの伝搬軸を中心とする回転方向に沿って等位相面が螺旋状に分布することを特徴とし、等位相面が形成する螺旋の周期が２π×ｋのモードをＯＡＭモードｋと呼ぶ。異なるＯＡＭモード同士は回転方向に直交性を有するため、複数のＯＡＭモードの信号を空間多重伝送できる。例えば、ＯＡＭモード１とＯＡＭモード２の信号は空間上で互いに直交しているため、送信アンテナからこれらのモードを同時に送信しても、受信側でＯＡＭモード１とＯＡＭモード２の信号を分離できる。ＯＡＭモードを生成する方法として、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（Uniform Circular Array：ＵＣＡ）（非特許文献２）を用いる方法や、ＳＰＰ（Spiral Phase Plate）（非特許文献３）を用いる方法が報告されている。

Y. Yan, et. al.,"High-capacity millimetre-wave communications with orbital angular momentum multiplexing ", Nat. Commun., 5, 4876, 2014. A. Honda, et. al.,"Development of wireless communication technologies for future multi-gigabit data transmission ",in Proc. of APMC 2014. F. Eslampanahi, et. al.,"4-Gbps uncompressed video transmission over a 60-GHz orbital angular momentum wireless channel", IEEE wireless commun. lett., vol.2, No.2, pp.223-226, 2013. O. Edfors et. al.,"Is orbital angular momentum (OAM) based radio communication an unexploited area?", IEEE Trans. on Antennas and Propag., vol.60, no.2., pp.1126-1131, 2011.

ＯＡＭ多重通信システムでは、ＯＡＭモードの直交性を利用すれば、空間上に複数の独立なチャネルを形成できる。ところで、複数のＯＡＭモードの信号をモード間の干渉なく分離するには、送信アンテナと受信アンテナが正面で対向する位置に固定設置する必要がある。例えば、非特許文献４の送受信アンテナ配置は、送受信アンテナが正面で対向している状態にあり、複数のＯＡＭモードの信号を干渉なく分離できるシステムである。

しかしながら、実運用上は、送信アンテナと受信アンテナを正面対向に配置することは困難であり、送受信アンテナは正面対向の状態からわずかにチルトした状態でビル壁面などに固定されることが想定される。配置関係が正面対向から乖離している場合、受信アンテナで受信した複数のＯＡＭモードの信号を干渉なく分離することができずモード間の干渉が発生してしまう。例えば、送信アンテナがＯＡＭモード１とＯＡＭモード２を多重して送信した場合、受信側で分離を試みてもＯＡＭモード１の信号にＯＡＭモード２の信号が重畳されたまま受信されてしまうため、通信品質が低下してしまう。このため、ＯＡＭ多重伝送を実運用しようとすると、送信アンテナと受信アンテナとの間の相対的な軸ずれ量を検出し、補正する技術が必要になる。

本発明は、複数のＯＡＭモードの信号を送受信する送信アンテナと受信アンテナを正面で対向する位置に配置することができるＯＡＭ多重通信システムおよびアンテナ軸ずれ補正方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させる手段と、受信局の受信アンテナをその光軸に対して直交する方向に移動させながら、該受信アンテナのアンテナ開口面でＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該受信アンテナの光軸がその位相特異点を通るように該受信アンテナの位置を設定する第１のアライメント手段と、第１のアライメント手段で位置が設定された受信アンテナで受信したＯＡＭモードの信号を分離処理し、送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に受信アンテナをチルトさせる第２のアライメント手段とを備え、送信アンテナと受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とする。

第２の発明は、固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させる手段と、送信局の送信アンテナをその光軸に対して直交する方向に移動させながら、受信局の受信アンテナのアンテナ開口面でＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該送信アンテナの光軸が該受信アンテナの位相特異点を通るように該送信アンテナの位置を設定する第１のアライメント手段と、第１のアライメント手段で位置が設定された送信アンテナから送信されたＯＡＭモードの信号を受信局の受信アンテナで受信して分離処理し、送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に受信アンテナをチルトさせる第２のアライメント手段とを備え、送信アンテナと受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とする。

第３の発明は、固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させる手段と、送信局の送信アンテナの光軸の角度を回転させながら、受信局の受信アンテナのアンテナ開口面でＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該送信アンテナの光軸が該受信アンテナの位相特異点を通るように該送信アンテナの光軸の角度を設定する第１のアライメント手段と、第１のアライメント手段で光軸の角度が設定された送信アンテナから送信されたＯＡＭモードの信号を受信局の受信アンテナで受信して分離処理し、送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に受信アンテナをチルトさせる第２のアライメント手段とを備え、送信アンテナと受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とする。

第１〜第３の発明のＯＡＭ多重通信システムにおいて、第１のアライメント手段は、ＯＡＭモード０以外の受信電力の測定点のうち隣接する測定点との間の受信電力の勾配を算出し、すべての隣接測定点よりも受信電力が低くなる地点を位相特異点の位置とする構成としてもよい。

第４の発明は、固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムのアンテナ軸ずれ補正方法において、送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させるステップと、受信局の受信アンテナをその光軸に対して直交する方向に移動させながら、該受信アンテナのアンテナ開口面でＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該受信アンテナの光軸がその位相特異点を通るように該受信アンテナの位置を設定する第１のアライメントステップと、第１のアライメントステップで位置が設定された受信アンテナで受信したＯＡＭモードの信号を分離処理し、送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に受信アンテナをチルトさせる第２のアライメントステップとを有し、送信アンテナと受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とする。

第５の発明は、固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムのアンテナ軸ずれ補正方法において、送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させるステップと、送信局の送信アンテナをその光軸に対して直交する方向に移動させながら、受信局の受信アンテナのアンテナ開口面でＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該送信アンテナの光軸が該受信アンテナの位相特異点を通るように該送信アンテナの位置を設定する第１のアライメントステップと、第１のアライメントステップで位置が設定された送信アンテナから送信されたＯＡＭモードの信号を受信局の受信アンテナで受信して分離処理し、送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に受信アンテナをチルトさせる第２のアライメントステップとを有し、送信アンテナと受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とする。

第６の発明は、固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムのアンテナ軸ずれ補正方法において、送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させるステップと、送信局の送信アンテナの光軸の角度を回転させながら、受信局の受信アンテナのアンテナ開口面でＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該送信アンテナの光軸が該受信アンテナの位相特異点を通るように該送信アンテナの光軸の角度を設定する第１のアライメントステップと、第１のアライメントステップで光軸の角度が設定された送信アンテナから送信されたＯＡＭモードの信号を受信局の受信アンテナで受信して分離処理し、送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に受信アンテナをチルトさせる第２のアライメントステップとを有し、送信アンテナと受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とする。

第４〜第６の発明のアンテナ軸ずれ補正方法において、第１のアライメントステップは、ＯＡＭモード０以外の受信電力の測定点のうち隣接する測定点との間の受信電力の勾配を算出し、すべての隣接測定点よりも受信電力が低くなる地点を位相特異点の位置としてもよい。

本発明は、ＯＡＭモードがもつ電波の特徴を利用し、送信アンテナと受信アンテナの光軸を合わせるアンテナ軸ずれ補正を行うことにより、送信アンテナと受信アンテナを正面対向させることができる。これにより、ＯＡＭ多重通信システムにおいて、ＯＡＭモードをモード間の干渉なく分離できるようになり、通信品質を向上させることができる。

ＯＡＭ多重通信システムの基本構成を示す図である。送信局および受信局の実施例１の構成例を示す図である。送信アンテナ１１の３軸を示す図である。受信局の水平垂直移動機構２５および軸回転機構２６の構成例を示す図である。送信アンテナ１１および受信アンテナ２１の初期配置を示す図である。実施例１における第１のステップの処理例を示す図である。実施例１における第１のステップの処理手順を示すフローチャートである。８素子のＵＣＡの例を示す。実施例１における第２のステップの処理手順を示すフローチャートである。送信局および受信局の実施例２の構成例を示す図である。実施例２における軸回転機構１４，２６の構成例を示す図である。実施例２における第１のステップの処理手順を示すフローチャートである。実施例２における第１のステップの処理例を示す図である。

図１は、ＯＡＭ多重通信システムの基本構成を示す。
図１において、ＯＡＭ多重通信システムは、送信局の送信アンテナ１１と受信局の受信アンテナ２１を対向させ、見通し内環境におけるポイントツーポイントの通信を行う。送信局は、送信アンテナ１１から複数のＯＡＭモードの信号を空間多重して送信する。受信局は、受信アンテナ２１で空間多重された複数のＯＡＭモードの信号を受信し、分離処理する。

本発明の特徴は、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１を正面対向させるために、ＯＡＭモードがもつ電波の特徴を利用し、双方のアンテナの光軸を合わせるアンテナ軸ずれ補正の方法にある。

すなわち、送信アンテナ１１からＯＡＭモード０以外のビームを送信しながら、第１のステップでは、
(1) 受信アンテナ２１をその光軸に対して直交する方向に移動させる、
(2) 送信アンテナ１１をその光軸に対して直交する方向に移動させる、
(3) 送信アンテナ１１の光軸を回転させる、
このいずれかを行いながら、受信アンテナ２１のアンテナ開口面でＯＡＭモード０以外のビームの受信電力が最小となる位相特異点を探索し、受信アンテナ２１のアンテナ開口面と光軸の交差点がその位相特異点の位置にくるように、
(1) 受信アンテナ２１を移動する、
(2) 送信アンテナ１１を移動する、
(3) 送信アンテナ１１の光軸の角度を設定する。

さらに、第２のステップでは、受信アンテナ２１で受信したＯＡＭモードの信号を分離処理し、送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に受信アンテナ２１をチルトさせる。

以下に示す実施例１は、第１のステップにおいて、受信局に(1) 受信アンテナ２１をその光軸に対して直交する方向に移動させる位置合わせ機構について説明する。なお、送信局に(2) 送信アンテナ１１をその光軸に対して直交する方向に移動させる位置合わせ機構についても同様であるが、受信側の位相特異点に対応する送信アンテナ１１の位置を受信局から送信局にフィードバックする必要がある。

以下に示す実施例２は、第１のステップにおいて、送信局に(3) 送信アンテナ１１の光軸を回転させる位置合わせ機構について説明する。ただし、受信側の位相特異点に対応する送信アンテナ１１の光軸の角度を受信局から送信局にフィードバックする必要がある。

以下、各実施例１，２について説明する。
（実施例１）
図２は、送信局および受信局の実施例１の構成例を示す。
図２において、送信局は、複数のＯＡＭモードの信号を生成して送信する変調部１２および送信アンテナ１１を備える。実施例１の送信アンテナ１１の位置および光軸の方向は固定である。

受信局は、空間多重された複数のＯＡＭモードの信号を受信し、各ＯＡＭモードの信号を分離して復調する受信アンテナ２１および復調部２２を備える。さらに、受信アンテナ２１の位置合わせ機構として、測定部２３、制御部２４、水平垂直移動機構２５および軸回転機構２６を備える。受信アンテナ２１は、水平垂直移動機構２５および軸回転機構２６を備える固定台に設置される。

図３は、送信アンテナ１１の３軸を示す。
図３において、送信アンテナ１１は、アンテナ素子（図中●で示す）を等間隔に円形配置したＵＣＡとした場合に、アンテナ素子が配置された平面をアンテナ開口面とする。ＵＣＡの中心を原点（図中クロスマーカ×で示す）とし、原点を通りアンテナ開口面に垂直なｚ_T軸（光軸）と、原点を通りｚ_T軸に対して互いに直交するｘ_T軸とｙ_T軸を定義する。実施例１では、送信アンテナ１１のｚ_T軸およびｘ_T軸が地面に対して水平、ｙ_T軸が地面に対して垂直とする。

なお、受信アンテナ２１についても同様のｘ_T軸、ｙ_T軸、ｚ_T軸（光軸）が定義される。受信アンテナ２１は、図２に示す水平垂直移動機構２５によりｘ_T軸方向およびｙ_T軸方向に移動可能とし、軸回転機構２６により原点を中心にヨー方向およびピッチ方向に回転可能とする。実施例１では説明しないが、送信局においても送信アンテナ１１に対する同様の位置合わせ機構を備えてもよい。

図４は、受信局の水平垂直移動機構２５および軸回転機構２６の構成例を示す。
図４において、水平垂直移動機構２５は、受信アンテナ２１をｙ_T軸方向（地面対して垂直方向）に移動する垂直移動機構２５１と、垂直移動機構２５１に支持された受信アンテナ２１をｘ_T軸方向（地面に対して水平方向）に移動する水平移動機構２５２により構成される。垂直移動機構２５１の単位移動量をΔy とし、その移動範囲をｙ_minからｙ_maxとする。水平移動機構２５２の単位移動量をΔx とし、その移動範囲をｘ_minからｘ_maxとする。

受信アンテナ２１を支持する垂直移動機構２５１には、受信アンテナ２１をピッチ方向とヨー方向に回転させる軸回転機構２６を備える。軸回転機構２６のピッチ方向の単位回転量をΔθ_pitch、ヨー方向の単位回転量をΔθ_yawとする。

図４中のクロスマーカ×は、受信アンテナ２１のアンテナ開口面と光軸が直交する交差点を表している。ＵＣＡの場合は、その円の中心がクロスマーカ×の位置になる。

図２に示す測定部２３は、受信アンテナ２１に受信するＯＡＭモードの受信電力と位相を測定する。制御部２４は、測定部２３の測定値に基づいて、水平垂直移動機構２５に対して単位移動量Δx ，Δy および移動範囲内で移動制御し、軸回転機構２６に対して単位回転量Δθ_pitch，Δθ_yawで回転制御する。

図５は、送信アンテナ１１および受信アンテナ２１の初期配置を示す。
図５(1) はｘ_Tｚ_T平面の平面視図であり、図５(2) はｙ_Tｚ_T平面の平面視図である。図中のクロスマーカ×は、図３および図４に示すアンテナ開口面と光軸の交差点を示す。ここで、送信アンテナ１１のｚ_T軸（光軸）に受信アンテナ２１をアライメントする第１のステップについて、図６を参照して説明する。

受信アンテナ２１をｘ_T軸方向およびｙ_T軸方向に移動させ、送信アンテナ１１のｚ_T軸（光軸）上に受信アンテナ２１の光軸とアンテナ開口面との交差点（クロスマーカ×）が重なるように制御する。このとき、ＯＡＭモードがもつ電波の位相特異点の特徴を利用する。

送信アンテナ１１からＯＡＭモード０以外のビームを放射した場合、ビームは光軸上で逆位相合成されるため電波が打ち消され、図６(3) に示すように、位相特異点と呼ばれる理論上エネルギーが０になる点が空間上に生じる。したがって、受信アンテナ２１をｘ_T軸方向およびｙ_T軸方向に移動させて受信電力の分布から位相特異点を探索し、受信アンテナ２１のアンテナ開口面と光軸の交差点がその位相特異点の位置にくるように受信アンテナ２１を移動させる。

図７は、実施例１における第１のステップの処理手順を示す。
前提として、送信アンテナ１１からＯＡＭモード０以外のビームを放射し続けるものとする。

図７において、まず、受信アンテナ２１をｘ_T軸方向およびｙ_T軸方向の各移動範囲の一端である座標（ｘ_min，ｙ_min）に移動させる（Ｓ1 ，Ｓ2 ）。次に、受信アンテナ２１を構成する複数のアンテナ素子の中の１素子で電波を受信する（Ｓ3 ）。なお、受信するアンテナ素子は、受信アンテナ２１を構成するアンテナ素子の中の１素子とする代わりに、受信アンテナ２１と同一平面上に別のアンテナ素子を設置してもよい。例えば、受信アンテナ２１のクロスマーカ×の位置にアンテナ素子を配置してもよい。次に、測定部２３が受信するアンテナ素子の座標と対応づけてその地点の受信電力を記録する（Ｓ4 ）。

次に、ｘ_T軸方向の移動が最大移動量（ｘ_max）に達するまで、ｘ_T軸方向に＋Δx だけ移動させながら、Ｓ2 〜Ｓ4 の処理を繰り返す（Ｓ5 ，Ｓ 6）。そして、ｘ_T軸方向の移動が最大移動量（ｘ_max）に達すれば、ｙ_T軸方向に＋Δy だけ移動させて（Ｓ7 ，Ｓ8 ）、ｙ_T軸方向の移動が最大移動量（ｙ_max）に達するまで、Ｓ2 〜Ｓ8 の処理によりｘ_T軸方向およびｙ_T軸方向の移動と測定を繰り返し、ｘ_Tｙ_T平面上の電波の分布図を作成する。

次に、制御部２４において、電波の分布図のうち受信電力が最小となるアンテナ位置に対応する位相特異点を探索し（Ｓ9 ）、水平垂直移動機構２５を用いて受信アンテナ２１のクロスマーカ×がその位相特異点の位置になるように移動させる（Ｓ10）。あるいは、別の算出方法として、隣接する測定点との間の受信電力の勾配を算出し、すべての隣接測定点よりも受信電力が低くなる窪地の座標（位相特異点）を見つけ、この座標に受信アンテナ２１を移動させてもよい。この操作によって図６(1),(2) に示す状態を作り出すことができる。

以上が第１のステップの受信アンテナ２１のｘ_T軸方向およびｙ_T軸方向のアライメントであり、続く第２のステップでは、受信アンテナ２１のヨー角およびピッチ角を変更し、送信アンテナ１１に対して正面対向状態にアライメントする。

第２のステップでは、受信アンテナ２１の回転量の指標としてモード間アイソレーションを導入する。送信アンテナ１１からＯＡＭモード０以外のビームを放射し、受信アンテナ２１で受信して分離処理を行う場合、その直交性から放射したＯＡＭモードのみ受信電力が高まり、それ以外のＯＡＭモードの受信電力は低くなる。例えば、ＯＡＭモード１を伝送し、受信アンテナ２１の受信信号からＯＡＭモード１の分離処理を行えば、受信信号は同相合成されて受信電力が高くなる。一方、ＯＡＭモード２の分離処理を行った場合、受信信号は逆相合成されるため、分離処理後の信号の受信電力は低くなる。

正面対向状態の場合は、理論上完全に打消されるため、伝送したＯＡＭモード以外の分離処理を行えば受信電力は０になる。一方、アンテナチルトがある場合、直交性がくずれるため、伝送したＯＡＭモード以外の分離処理をしても受信電力は０にならない。チルト角が小さくなればなるほど、伝送したＯＡＭモードの分離処理によって受信電力は高まり、それ以外のＯＡＭモードの分離処理によって受信電力は低くなる。そこで、アンテナチルト量の指標としてモード間アイソレーション値Ｉを導入する。

Ｉ＝伝送したＯＡＭモードの分離処理後の受信電力／それ以外のＯＡＭモードの分離処理後の受信電力の和

図８に示す８素子のＵＣＡにおけるモード間アイソレーション値Ｉの計算式は、送信アンテナ１１がＯＡＭモード１を送信した場合に式(1) のようになる。

ここで、アンテナ素子ｎで受信する受信電力をｒ_n（ｎ＝１，２，…，８）とする。

モード間アイソレーション値Ｉは、理想的な正面対向時の場合には、無限大となる。正面対向状態から乖離している場合には有限の値となる。正面対向に近づけば近づくほどモード間アイソレーション値Ｉは高まるため、山登り法を用いて正面対向に近い状態を作り出すことができる。以下、モード間アイソレーション値Ｉの基準に基づき受信アンテナをチルトさせる第２のステップの処理手順について説明する。

図９は、実施例１における第２のステップの処理手順を示す。
前提として、送信アンテナ１１は所定のＯＡＭモードのビームを放射し続けるものとする。

図９おいて、まず、補正アルゴリズムの繰り返し回数の初期値をｍ＝１とし、その規定回数Ｍを決定する（Ｓ11）。次に、受信アンテナ２１を初期配置の状態からヨー方向に＋Δθ_yawだけ回転させ（Ｓ12）、この地点でのモード間アイソレーション値Ｉ1 を計算する（Ｓ13）。次に、受信アンテナ２１をヨー方向に−Δθ_yawだけ回転させて初期配置に戻し（Ｓ14）、さらにヨー方向に−Δθ_yawだけ回転させ（Ｓ15）、この地点でのモード間アイソレーション値Ｉ2 を計算する（Ｓ16）。次に、受信アンテナ２１をヨー方向に＋Δθ_yawだけ回転させて初期配置に戻す（Ｓ17）。

次に、受信アンテナ２１を初期配置の状態からピッチ方向に＋Δθ_pitchだけ回転させ（Ｓ18）、この地点でのモード間アイソレーション値Ｉ3 を計算する（Ｓ19）。次に、受信アンテナ２１をピッチ方向に−Δθ_pitchだけ回転させて初期配置に戻し（Ｓ20）、さらにピッチ方向に−Δθ_pitchだけ回転させ（Ｓ21）、この地点でのモード間アイソレーション値Ｉ4 を計算する（Ｓ22）。次に、受信アンテナ２１をピッチ方向に＋Δθ_pitchだけ回転させて初期配置に戻す（Ｓ23）。

次に、初期配置の更新を行う。ここで、Ｉ1 とＩ2 の大小関係を判定し（Ｓ24）、Ｉ1 ＞Ｉ2 であればヨー方向に＋Δθ_yawだけ回転させて初期配置を変更し（Ｓ25）、Ｉ1 ＞Ｉ2 でなければヨー方向に−Δθ_yawだけ回転させて初期配置を変更する（Ｓ26）。

続いて、Ｉ3 とＩ4 の大小関係を判定し（Ｓ27）、Ｉ3 ＞Ｉ4 であればピッチ方向に＋Δθ_pitchだけ回転させて初期配置を変更し（Ｓ28）、Ｉ3 ＞Ｉ4 でなければピッチ方向に−Δθ_pitchだけ回転させて初期配置を変更する（Ｓ29）。

その後、繰り返し回数ｍをインクリメントし（Ｓ30）、繰り返し回数ｍが規定回数Ｍに達するまで、Ｓ12〜Ｓ30の処理を続行する。規定回数Ｍに達すれば処理を終了し、そのときの受信アンテナ２１の方向が、送信アンテナ１１に対する正面対向状態とする。

（実施例２）
実施例２の特徴は、送信局および受信局の双方にアンテナの軸回転機構を備えるところにある。送信局および受信局は、実施例１と同様に第１のステップおよび第２のステップによるアライメントを行うが、第１のステップでは、上記の(3) 送信アンテナの光軸を回転させながら受信アンテナの位置における位相特異点を探索し、その方向に送信アンテナの光軸の角度を設定し、第２のステップでは、モード間アイソレーション値を高めるように受信アンテナをチルトさせる。

図１０は、送信局および受信局の実施例２の構成例を示す。
図１０において、送信局は、複数のＯＡＭモードの信号を生成して送信する変調部１２および送信アンテナ１１を備える。さらに、送信アンテナ１１の位置合わせ機構として、制御部１３および軸回転機構１４を備える。送信アンテナ１１は、軸回転機構１４を備える固定台に設置される。

受信局は、空間多重された複数のＯＡＭモードの信号を受信し、各ＯＡＭモードの信号を分離して復調する受信アンテナ２１および復調部２２を備える。さらに、受信アンテナ２１の位置合わせ機構として、測定部２３、制御部２４、軸回転機構２６を備える。受信アンテナ２１は、軸回転機構２６を備える固定台に設置される。なお、実施例２の受信局は、図２に示す実施例１の受信局から水平垂直移動機構２５を除いた構成であり、その他の構成の機能は同一である。

なお、ここでは図示していないが、受信局の制御部２４から送信局の制御部１３に対して制御信号を伝送する手段が別途備えられる。

図１１は、実施例２における軸回転機構１４，２６の構成例を示す。
図１１において、軸回転機構１４は、送信アンテナ１１をピッチ方向とヨー方向に回転させる。軸回転機構２６は、受信アンテナ２１をピッチ方向とヨー方向に回転させる。軸回転機構１４，２６のピッチ方向の単位回転量をΔθ_pitch、ヨー方向の単位回転量をΔθ_yawとする。また、可動範囲は、θ_yaw(min)からθ_yaw(max)である。

図１０に示す受信局の測定部２３は、受信アンテナ２１に受信するＯＡＭモードの受信電力と位相を測定する。制御部２４は、測定部２３の測定値に基づいて、送信局の軸回転機構１４および受信局の軸回転機構２６のピッチ方向およびヨー方向の回転を単位回転量Δθ_pitch，Δθ_yawで制御する。

図１２は、実施例２における第１のステップの処理手順を示す。
前提として、送信アンテナ１１はＯＡＭモード０以外のビームを放射し続けるものとする。

図１２において、まず、送信アンテナ１１をピッチ方向およびヨー方向の各回転範囲の一端であるピッチ方向θ_pitch(min)およびヨー方向θ_yaw(min)に設定する（Ｓ41，Ｓ42）。次に、受信アンテナ２１を構成する複数のアンテナ素子の中の１素子で電波を受信する（Ｓ43）。なお、受信するアンテナ素子は、受信アンテナ２１を構成するアンテナ素子の中の１素子とする代わりに、受信アンテナ２１と同一平面上に別のアンテナ素子を設置してもよい。例えば、受信アンテナ２１のクロスマーカ×の位置にアンテナ素子を配置してもよい。次に、測定部２３が受信するアンテナ素子の座標と対応づけてその地点の受信電力を記録する（Ｓ44）。

次に、ヨー方向の回転が最大回転量（θ_yaw(max)）に達するまで、ヨー方向に＋Δθ_yawだけ回転させながら、Ｓ42〜Ｓ44の処理を繰り返す（Ｓ45，Ｓ46）。そして、ヨー方向の回転が最大回転量（θ_yaw(max)）に達すれば、ピッチ方向に＋Δθ_pitchだけ回転させて（Ｓ47，Ｓ48）、ピッチ方向の回転が最大回転量（θ_yaw(max)）に達するまで、Ｓ42〜Ｓ48の処理によりヨー方向およびピッチ方向の回転と測定を繰り返し、角度と電波の分布図を作成する。なお、送信局が送信アンテナ１１を駆動するタイミングと、受信局が受信アンテナ２１で測定するタイミングは事前にシステムで決められており、同期できるものとする。

次に、制御部２４において、電波の分布図のうち受信電力が最小となるアンテナ位置に対応する位相特異点を探索し（Ｓ49）、そのときの送信アンテナ１１の角度を通知する制御信号を送信局の制御部１３にフィードバックする（Ｓ50）。送信局の制御部１３は、軸回転機構１４を制御して送信アンテナ１１の光軸の角度をその位相特異点の方向に設定する（Ｓ51）。あるいは、別の算出方法として、隣接する測定点との間の受信電力の勾配を算出し、すべての隣接測定点よりも受信電力が低くなる窪地の座標（位相特異点）を見つけ、この方向に送信アンテナ１１の光軸の角度を設定してもよい。この操作によって図１３に示す状態を作り出すことができる。すなわち、送信アンテナ１１のｚ_T軸（光軸）上に、受信アンテナ２１の光軸とアンテナ開口面との交差点（クロスマーカ×）が重なるように制御される。

以上が第１のステップの送信アンテナ１１のヨー角およびピッチ角のアライメントであり、続く第２のステップでは、受信アンテナ２１のヨー角およびピッチ角を変更し、送信アンテナ１１に対して正面対向状態にアライメントする。この処理手順は、図９に示す実施例１とまったく同じであるので、説明は割愛する。

１１送信アンテナ
１２変調部
１３制御部
１４軸回転機構
２１受信アンテナ
２２復調部
２３測定部
２４制御部
２５水平垂直移動機構
２６軸回転機構

Claims

固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムにおいて、
前記送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させる手段と、
前記受信局の受信アンテナをその光軸に対して直交する方向に移動させながら、該受信アンテナのアンテナ開口面で前記ＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該受信アンテナの光軸がその位相特異点を通るように該受信アンテナの位置を設定する第１のアライメント手段と、
前記第１のアライメント手段で位置が設定された前記受信アンテナで受信したＯＡＭモードの信号を分離処理し、前記送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に前記受信アンテナをチルトさせる第２のアライメント手段と
を備え、前記送信アンテナと前記受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムにおいて、
前記送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させる手段と、
前記送信局の送信アンテナをその光軸に対して直交する方向に移動させながら、前記受信局の受信アンテナのアンテナ開口面で前記ＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該送信アンテナの光軸が該受信アンテナの位相特異点を通るように該送信アンテナの位置を設定する第１のアライメント手段と、
前記第１のアライメント手段で位置が設定された前記送信アンテナから送信されたＯＡＭモードの信号を前記受信局の受信アンテナで受信して分離処理し、前記送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に前記受信アンテナをチルトさせる第２のアライメント手段と
を備え、前記送信アンテナと前記受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムにおいて、
前記送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させる手段と、
前記送信局の送信アンテナの光軸の角度を回転させながら、前記受信局の受信アンテナのアンテナ開口面で前記ＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該送信アンテナの光軸が該受信アンテナの位相特異点を通るように該送信アンテナの光軸の角度を設定する第１のアライメント手段と、
前記第１のアライメント手段で光軸の角度が設定された前記送信アンテナから送信されたＯＡＭモードの信号を前記受信局の受信アンテナで受信して分離処理し、前記送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に前記受信アンテナをチルトさせる第２のアライメント手段と
を備え、前記送信アンテナと前記受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
前記第１のアライメント手段は、前記ＯＡＭモード０以外の受信電力の測定点のうち隣接する測定点との間の受信電力の勾配を算出し、すべての隣接測定点よりも受信電力が低くなる地点を前記位相特異点の位置とする構成である
ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムのアンテナ軸ずれ補正方法において、
前記送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させるステップと、
前記受信局の受信アンテナをその光軸に対して直交する方向に移動させながら、該受信アンテナのアンテナ開口面で前記ＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該受信アンテナの光軸がその位相特異点を通るように該受信アンテナの位置を設定する第１のアライメントステップと、
前記第１のアライメントステップで位置が設定された前記受信アンテナで受信したＯＡＭモードの信号を分離処理し、前記送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に前記受信アンテナをチルトさせる第２のアライメントステップと
を有し、前記送信アンテナと前記受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とするアンテナ軸ずれ補正方法。
固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムのアンテナ軸ずれ補正方法において、
前記送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させるステップと、
前記送信局の送信アンテナをその光軸に対して直交する方向に移動させながら、前記受信局の受信アンテナのアンテナ開口面で前記ＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該送信アンテナの光軸が該受信アンテナの位相特異点を通るように該送信アンテナの位置を設定する第１のアライメントステップと、
前記第１のアライメントステップで位置が設定された前記送信アンテナから送信されたＯＡＭモードの信号を前記受信局の受信アンテナで受信して分離処理し、前記送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に前記受信アンテナをチルトさせる第２のアライメントステップと
を有し、前記送信アンテナと前記受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とするアンテナ軸ずれ補正方法。
固定配置された送信局と受信局がポイントツーポイントで、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムのアンテナ軸ずれ補正方法において、
前記送信局の送信アンテナからＯＡＭモード０以外のビームを送信させるステップと、
前記送信局の送信アンテナの光軸の角度を回転させながら、前記受信局の受信アンテナのアンテナ開口面で前記ＯＡＭモード０以外の受信電力が最小となる位相特異点を探索し、該送信アンテナの光軸が該受信アンテナの位相特異点を通るように該送信アンテナの光軸の角度を設定する第１のアライメントステップと、
前記第１のアライメントステップで光軸の角度が設定された前記送信アンテナから送信されたＯＡＭモードの信号を前記受信局の受信アンテナで受信して分離処理し、前記送信局から伝送されたＯＡＭモードの受信電力とそれ以外のＯＡＭモードの受信電力の比であるモード間アイソレーション値を高める方向に前記受信アンテナをチルトさせる第２のアライメントステップと
を有し、前記送信アンテナと前記受信アンテナの光軸を合わせて正面対向させることを特徴とするアンテナ軸ずれ補正方法。
請求項５〜請求項７のいずれかに記載のアンテナ軸ずれ補正方法において、
前記第１のアライメントステップは、前記ＯＡＭモード０以外の受信電力の測定点のうち隣接する測定点との間の受信電力の勾配を算出し、すべての隣接測定点よりも受信電力が低くなる地点を前記位相特異点の位置とする
ことを特徴とするアンテナ軸ずれ補正方法。