JP6860777B2 - 無線通信装置、及び位相調整方法 - Google Patents
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Description
図1を参照しながら、第1実施形態について説明する。第1実施形態は、複数のアンテナを利用して信号を送信する無線通信装置において、アンテナを含む線路で位相調整後の信号に生じる位相ズレを測定し、その位相ズレを抑制するように信号の位相を調整する方法に関する。図1は、第1実施形態に係る無線通信装置の一例を示した図である。
記憶部11は、RAM(Random Access Memory)などの揮発性記憶装置、或いは、HDD(Hard Disk Drive)やフラッシュメモリなどの不揮発性記憶装置である。演算部12は、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)などのプロセッサである。
…(1)
S2(X)=A2・sin(K・X−Q2)
…(2)
S3=S1(D13)+S2(D23)
…(3)
ここで、A1=A2=A、D13=D23=λ/2、Q1=Qとすると、合成信号S3は、下記の式(4)のようになる。但し、Rは減衰係数である。この場合、dQが0のときS3が最大になる。言い換えると、dQが0のとき、第1の信号21と第2の信号22とは第3のアンテナ15において同位相になり、強め合う。また、dQがπのときS3が最小になる。つまり、dQがπのとき、第1の信号21と第2の信号22とは第3のアンテナ15において逆位相になり、打ち消し合う。
=R・A・{sin(π−Q)+sin(π−Q−dQ)}
…(4)
演算部12は、第1の信号21と第2の信号22との合成信号を第3のアンテナ15で受信した場合の受信電力パターンを測定する。そして、演算部12は、測定した受信電力パターン(dQ−受信電力グラフの破線)と、計算で得られる受信電力パターン(dQ−受信電力グラフの実線)との差に基づいて位相ズレの量を計算する。
<2.第2実施形態>
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、複数のアンテナを利用して信号を送信する無線通信装置において、アンテナを含む線路で位相調整後の信号に生じる位相ズレを測定し、その位相ズレを抑制するように信号の位相を調整する方法に関する。
以下、図2に示すような複数のアンテナ(ANT)を有する無線通信装置100を例に説明を進める。図2は、第2実施形態に係る無線通信システムの一例を示した図である。
まず、図3を参照しながら、無線通信装置100について、さらに説明する。図3は、第2実施形態に係る無線通信装置の一例を示した図である。
図3に示すように、無線通信装置100は、DSP101と、無線部102と、アンテナ(ANT)103a、103b、103cを有する。なお、ここでは説明の都合上、アンテナの本数を3としているが、4以上のアンテナを有していてもよい。
RF処理部120は、アナログのベースバンド信号とデジタルのベースバンド信号との間のAD/DA(Analog to Digital / Digital to Analog)変換処理、及びアナログのベースバンド信号をRF信号に周波数変換する処理を実行する。また、RF処理部120は、移相器121、122、123に接続されている。
ここで、図4を参照しながら、アンテナ103a、103b、103cに平面アンテナ(パッチアンテナ)を用いる例について説明する。なお、アンテナ103a、103b、103cの機能を実現する要素をアンテナ部と呼ぶ場合がある。
図4(A)でハッチングを施した部分は導電体(金属材料など)である。この導電体は、図4(B)に示すように、誘電体基板104の上面に設置される。誘電体基板104の底面には、グランド(GND)として機能する導電体板が設置される。
(位相調整の方法)
ここで、図5を参照しながら、第2実施形態に係る位相調整の方法について説明する。図5は、第2実施形態に係る位相調整に用いるアンテナの配置及び合成信号の一例(1つの送信アンテナが受信アンテナに隣接する場合の例)を示した図である。
…(5)
Sigb(X)=A・sin[k・X+φb]
…(6)
アンテナ103cで受信される信号Sigcは、アンテナ103cにおける信号Siga、Sigbの合成信号である。そのため、距離Dに依存する減衰係数R[D]を用いて、信号Sigcは、下記の式(7)のように表現できる。
=Aa・sin[k・(Dab+Dbc)+φa]
+Ab・sin[k・Dbc+φb]
(但し、Aa=R[Dab+Dbc]・A、Ab=R[Dbc]・A)
…(7)
Dab=Dbc=D、A a =R[2D]・A=0.5、A b =R[D]・A=1.0、dφ=φb−φaとし、D=0.5λ、0.75λ、1.0λの3条件で位相差dφの変化に応じたSigc(受信電力)の変化を計算すると、図6のようなグラフが得られる。図6は、合成信号の受信電力と位相差との関係を示した図である。なお、縦軸の単位は任意単位(a.u.)であり、横軸の単位はラジアン(rad.)である。
=Aa・sin[k・Dab+φa]
+Ac・sin[k・Dbc+φc]
(但し、Aa=R[Dab]・A、Ac=R[Dbc]・A)
…(8)
図5の例ではSigcを検出器129が検出する。図7の例ではSigbを検出器128が検出する。Sigcの検出結果から特定される位相ズレは、2つのフィードラインFL#a、FL#bの少なくとも一方で生じたものである。そして、特定された位相ズレの分だけ移相器121、122が制御する位相を調整(シフト)すれば、位相ズレを抑制することができる。ここではアンテナ103aから送信される信号の位相を基準とする。この場合、移相器122の位相が調整される。
(位相調整の機能)
ここで、図8を参照しながら、無線通信装置100が有する機能について、さらに説明する。図8は、第2実施形態に係る無線通信装置の機能の一例を示した図である。
変換情報105aは、図9に示すように、合成信号の受信時に検出器127、128、129で検出される電圧(検出電圧)を受信電力に変換する情報である。図9は、第2実施形態に係る変換情報の一例を示した図である。説明の都合上、図9には、受信電力Sigと検出電圧Vとの関係を示すグラフをそのまま記載しているが、変換情報105aは、例えば、図9のグラフを表現した式V[Sig]や、検出電圧と受信電力との対応関係を示す変換テーブルで表現されうる。
図11及び図13のシミュレーションのように、アンテナ103bの位置で逆位相となる2つの信号をそれぞれアンテナ103a、103cから送信し、アンテナ103bで受信する場合、アンテナ部に形成される電磁界の強度は、図14のような分布となる。図14は、位相差πにおける平面アンテナ上の電磁界強度分布を示した図である。受信アンテナ103b直下の電界は非常に弱く、検出電圧又は受信電力が最小となる試算結果に対応している。
次に、図16を参照しながら、位相ズレ計算の流れについて説明する。図16は、第2実施形態に係る位相ズレ計算の流れを示したフロー図である。なお、ここではアンテナの本数をN、m番目(m=1,…,N)のアンテナをANT#mと表記する。また、ANT#mで送信される信号の位相をφmと表記し、ANT#mの位相φmと呼ぶ場合がある。
(S102)位相ズレ計算部101bは、N本のアンテナの中から、送信アンテナの組(ANT#n、ANT#i)及び受信アンテナ(ANT#j)を決定する。なお、ANT#i、ANT#jの決定方法については後述する。
=φm−φq+φq−φn
=dφmq+dφqn
(但し、q≠m、n)
…(9)
上記の方法で位相ズレ計算部101bはdφn(n=2,…,N)を計算し、計算したdφnをANT#nに繋がる移相器の情報に対応付けて位相情報105bに追加する。この位相情報105bが得られると、位相制御部101aは、位相情報105bに基づいてANT#n(n=2,…,N)に繋がる移相器の位相を調整できる。S110の処理が完了すると、図16に示した一連の処理は終了する。
ここで、図17を参照しながら、送信アンテナの組及び受信アンテナを決定する方法について説明する。図17は、第2実施形態に係る位相ズレ計算のうち、送信アンテナの組及び受信アンテナを決定する処理の流れを示したフロー図である。なお、図17に示した処理は、図16に示したS102の処理に相当する。
(S124、S125)位相ズレ計算部101bは、ANT#(n+1)を受信アンテナANT#jに決定する(j=n+1)。また、位相ズレ計算部101bは、ANT#(n−1)を送信アンテナANT#i(i=n−1)に決定する。
なお、送信アンテナの組及び受信アンテナを決定する方法は上記の例に限定されない。しかし、上記のように、受信アンテナに近い送信アンテナを積極的に選択することで、位相ズレの検出精度を高める効果が期待できる。
ここで、第2実施形態に係る変形例について述べる。
(所定電力値に対応する位相差の中間値を利用する方法)
まず、図18を参照しながら、受信電力が最小又は最大になる位相差dφを決める方法に関する変形例(変形例#1)について述べる。図18は、第2実施形態の一変形例(変形例#1)に係る位相ズレの検出方法を示した図である。
次に、図19を参照しながら、受信電力が最小又は最大になる位相差dφを決める方法に関する他の変形例(変形例#2)について述べる。図19は、第2実施形態の一変形例(変形例#2)に係る位相ズレの検出方法を示した図である。
これまでは、説明の都合上、一次元的に並べて配置された3つのアンテナを利用して位相ズレを検出する方法について説明してきた。しかし、第2実施形態に係る技術は、任意の形状に配置された3つ以上のアンテナを有する無線通信装置に適用可能である。
これまで、説明の都合上、図3に示した無線部102を想定して説明を進めてきたが、図21に示すように、無線部102が送受信機201、202、203を具備する場合で(変形例#4)も第2実施形態の技術を適用可能である。図21は、第2実施形態の一変形例(変形例#4)に係る無線通信装置の一例を示した図である。
11 記憶部
12 演算部
13 第1のアンテナ
14 第2のアンテナ
15 第3のアンテナ
21 第1の信号
22 第2の信号
D13、D23、X 距離
A1、A2、A 振幅
Q1、Q2 位相
dQ 位相差
λ 波長
K 波数
Claims (7)
- それぞれ同一基板上に隣接して設けられ、送信アンテナ及び受信アンテナにそれぞれ設定変更可能な複数のアンテナと、
前記複数のアンテナ間の距離を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記距離に基づいて、前記複数のアンテナのうち、第1のアンテナ及び第2のアンテナを前記送信アンテナに設定し、前記第1のアンテナ及び前記第2のアンテナの少なくとも一方に近い第3のアンテナを前記受信アンテナに設定し、前記第1のアンテナから送信される第1の信号と、前記第2のアンテナから送信される第2の信号との間の位相差を変化させ、前記第1の信号と前記第2の信号との合成信号を前記第3のアンテナで受信した場合の受信電力パターンを測定し、測定した前記受信電力パターンと、計算で得られる前記受信電力パターンとの差に基づいて、前記第1のアンテナ又は前記第2のアンテナから送信される信号の位相ズレを調整する演算部と
を有する、無線通信装置。 - 前記演算部は、前記合成信号の受信電力が所定値になる一対の前記位相差を特定し、特定した一対の前記位相差の中間値を前記位相差の実測値とする
請求項1に記載の無線通信装置。 - それぞれ同一基板上に隣接して設けられ、送信アンテナ及び受信アンテナにそれぞれ設定変更可能な複数のアンテナを有する無線通信装置が、
前記複数のアンテナ間の距離を記憶し、
記憶された前記距離に基づいて、前記複数のアンテナのうち、第1のアンテナ及び第2のアンテナを前記送信アンテナに設定し、前記第1のアンテナ及び前記第2のアンテナの少なくとも一方に近い第3のアンテナを前記受信アンテナに設定し、前記第1のアンテナから送信される第1の信号と、前記第2のアンテナから送信される第2の信号との間の位相差を変化させ、前記第1の信号と前記第2の信号との合成信号を前記第3のアンテナで受信した場合の受信電力パターンを測定し、測定した前記受信電力パターンと、計算で得られる前記受信電力パターンとの差に基づいて、前記第1のアンテナ又は前記第2のアンテナから送信される信号の位相ズレを調整する
位相調整方法。 - 前記演算部は、
前記第1の信号と前記第2の信号が前記第3のアンテナの位置で逆位相になる第1の位相差に基づく第1の受信電力パターンを算出し、前記第1の信号と前記第2の信号とが前記第3のアンテナの位置で同位相になる第2の位相差に基づく第2の受信電力パターンを算出し、
前記合成信号の受信電力が最小になる第3の位相差を実測した場合、前記第1の受信電力パターンと、前記第3の位相差に基づく第3の受信電力パターンとの差に基づいて、前記第1のアンテナ又は前記第2のアンテナから送信される信号の第1の位相ズレを調整し、
前記合成信号の受信電力が最大になる第4の位相差を実測した場合、前記第2の受信電力パターンと、前記第4の位相差に基づく第4の受信電力パターンとの差に基づいて、前記第1のアンテナ又は前記第2のアンテナから送信される信号の第2の位相ズレを調整する
請求項1に記載の無線通信装置。 - 前記演算部は、
アンテナ間の前記距離に依存する減衰定数に基づいて前記受信電力パターンを計算し、
計算した前記受信電力パターンを最大化するときの第1の位相差を計算し、計算した前記受信電力パターンを最小化するときの第2の位相差を計算し、
測定した前記受信電力パターンを最大化するときの第3の位相差を測定し、測定した前記受信電力パターンを最小化するときの第4の位相差を測定し、
前記第1の位相差と前記第3の位相差を比較して第1の位相ズレを検出し、前記第2の位相差と前記第4の位相差を比較して第2の位相ズレを検出する
請求項1に記載の無線通信装置。 - 前記無線通信装置は、
前記第1の信号と前記第2の信号が前記第3のアンテナの位置で逆位相になる第1の位相差に基づく第1の受信電力パターンを算出し、前記第1の信号と前記第2の信号とが前記第3のアンテナの位置で同位相になる第2の位相差に基づく第2の受信電力パターンを算出し、
前記合成信号の受信電力が最小になる第3の位相差を実測した場合、前記第1の受信電力パターンと、前記第3の位相差に基づく第3の受信電力パターンとの差に基づいて、前記第1のアンテナ又は前記第2のアンテナから送信される信号の第1の位相ズレを調整し、
前記合成信号の受信電力が最大になる第4の位相差を実測した場合、前記第2の受信電力パターンと、前記第4の位相差に基づく第4の受信電力パターンとの差に基づいて、前記第1のアンテナ又は前記第2のアンテナから送信される信号の第2の位相ズレを調整する
請求項3に記載の位相調整方法。 - 前記無線通信装置は、
アンテナ間の前記距離に依存する減衰定数に基づいて前記受信電力パターンを計算し、
計算した前記受信電力パターンを最大化するときの第1の位相差を計算し、計算した前記受信電力パターンを最小化するときの第2の位相差を計算し、
測定した前記受信電力パターンを最大化するときの第3の位相差を測定し、測定した前記受信電力パターンを最小化するときの第4の位相差を測定し、
前記第1の位相差と前記第3の位相差を比較して第1の位相ズレを検出し、前記第2の位相差と前記第4の位相差を比較して第2の位相ズレを検出する
請求項3に記載の位相調整方法。
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