JP7133532B2

JP7133532B2 - アンテナ装置及び探索装置

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Publication number: JP7133532B2
Application number: JP2019197869A
Authority: JP
Inventors: 由佳子堤; 誠桧垣
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Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2022-09-08
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Description

本発明の実施形態は、アンテナ装置及び探索装置に関する。

円偏波アンテナであるパッチアンテナを同心円状に配置し、パッチアンテナ間に位相差を持たせたアレーアンテナ装置がある。このアレーアンテナ装置では、同心円の中心方向に放射のヌルを形成しつつ、同心円の半径に基づいてアレーアンテナの最大指向性方向を決定する。衛星等の追尾機構が不要となり、小型、簡易な構成で、移動体通信ができるようにする。

しかしながら、この構成では、ヌル周辺の軸比（円偏波特性）及び広帯域な周波数特性が劣化する問題がある。

特開２００４－８８３２５号公報

本発明の実施形態は、円偏波特性を向上させたアンテナ装置及び高い円偏波特性の放射を利用した探索装置を提供する。

本実施形態のアンテナ装置は、平面状に配置された少なくとも４つの第１～第Ｎの円偏波アンテナと、前記第１～第Ｎの円偏波アンテナから送信される第１～第Ｎの信号又は前記第１～第Ｎの円偏波アンテナで受信された第１～第Ｎの信号の位相関係を調整する位相調整回路と、を備える。前記第１～第Ｍの円偏波アンテナと、前記第Ｍ＋１～第Ｎの円偏波アンテナとは互いに面対称の位置に配置されている。前記第１～第Ｎの円偏波アンテナは、前記第１～第Ｎの円偏波アンテナに平行な第１方向に対して、互い異なる第１～第Ｎの角度で向きを回転させられている。前記位相調整回路は、前記第１～第Ｍの信号の位相を、前記第１～第Ｍの角度に応じた第１～第Ｍの位相に設定し、前記第Ｍ+１～第Ｎの信号の位相を、前記第Ｍ+１～第Ｎの角度に応じた位相に第１の値を加算した第Ｍ+１～第Ｎの位相に設定する。

第１の実施形態に係るアンテナ装置のブロック図。第１の実施形態に係るアンテナ装置における複数の円偏波アンテナの概略構成図。２つの給電点を有するパッチアンテナの例を示す図。円偏波アンテナの電流強度を示す図。円偏波アンテナを４つ同方向に配置し、同位相で給電したアンテナ構成の電流強度を示す図。シーケンシャルアレーアンテナの電流強度を示す図。関連技術のアンテナの電流強度を示す図。第１の実施形態に係るアンテナ装置の電流強度を示す図。軸比特性のシミュレーション結果のグラフを示す図。第１の実施形態に係る円偏波放射パターンの例を示す図。第１の実施形態に係る他の円偏波放射パターンの例を示す図。ヌルの方向を変えた状態を示す図。変形例に係るアンテナ装置における複数の円偏波アンテナの概略構成図。第２の実施形態に係るアンテナ装置における複数の円偏波アンテナの概略構成図。第３の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成図。第４の実施形態に係るアンテナ装置の具体的な構成例を示す図。第５の実施形態に係る探索装置の概略ブロック図。探索のイメージ図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以降では、同一または類似の要素には同一または類似の符号が付され、同じ説明は適宜省略する。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係るアンテナ装置のブロック構成を示す。図１のアンテナ装置は複数の円偏波アンテナを含むアレーアンテナ装置として構成される。

図１のアンテナ装置は、円偏波アンテナ１、２、３，４と、円偏波アンテナ１～４にそれぞれ接続される複数の移相器１０と、分配／合成器１１とを備える。分配／合成器１１は、端子Ｔから供給される入力信号を４つに分割し、当該信号を円偏波アンテナ１～４に供給する分配器、及び円偏波アンテナ１～４から出力される信号を合成し、合成した信号を端子Ｔから出力する合成器の少なくとも一方を含む。

円偏波アンテナ１～４は、第１～第４の円偏波アンテナ又は第１～第Ｎの円偏波アンテナに対応する。一例として、円偏波アンテナ１、２は、第１～第Ｍ（Ｍ＝２）の円偏波アンテナ、円偏波アンテナ３、４は、第Ｍ＋１～第Ｎ（Ｎ＝４）の円偏波アンテナに対応する。円偏波アンテナ１～４に供給する信号、又は円偏波アンテナ１～４から出力される信号は、第１～第４の信号又は第１～第Ｎの信号に対応する。複数の移相器１０は、円偏波アンテナ１～４に提供される第１～第４の信号（又は第１～第Ｎの信号）、又は円偏波アンテナ１～４で受信された第１～第４の信号（第１～第Ｎの信号）の位相関係を調整する位相調整回路の一例に相当する。

複数の移相器１０は、円偏波アンテナ１～４に供給される信号又は円偏波アンテナ１～４から受信した信号に、後述する位相差を設定する。この位相差を設定できる限り、円偏波アンテナ１～４のすべてに移相器１０が接続されていなくてもよい。１つ又は２つの円偏波アンテナに移相器１０が接続されていてもよい。以下の説明において、円偏波アンテナの位相との表現を用いることがあるが、円偏波アンテナの位相は、円偏波アンテナへ供給される信号の位相、もしくは、円偏波アンテナで受信された信号に対して調整する位相のことである。

移相器１０はディスクリート部品、ＩＣ、伝送線路又はこれらの組合せなどにより構成される。同様に、分配／合成器１１もディスクリート部品、ＩＣ、伝送線路などの組合せにより構成される。移相器１０の例として、伝送線路、フェライト移相器、ＭＥＭＳ移相器、可変インピーダンス素子と９０°ハイブリッドカプラを組み合わせた移相器などがある。分配／合成器１１の例として、ウィルキンソン型分配器、Ｔ分岐、マジックＴ、９０°ハイブリッド、ラットレースなどがある。

図２は、図１の円偏波アンテナ１～４の概略構成を示す図である。

円偏波アンテナ１～４は平面状に配置されている。具体的には、円偏波アンテナ１～４は、基板１２の平面Ｈ１に配置されている。ここでは円偏波アンテナ１～４は同一基板に配置されているが、同一基板上に配置される必要はない。

円偏波アンテナ１～４は、１つの給電点Ｐ１～Ｐ４のみを有するパッチアンテナとして構成される。但し、円偏波アンテナ１～４は、２つの給電点を有するパッチアンテナでもよいし、他の構成のアンテナでもよい。

図３は、２つの給電点Ｐ１１、Ｐ１２を有するパッチアンテナの例を示す。

図２の円偏波アンテナ１、２は、円偏波アンテナ３、４に対して、円偏波アンテナ１～４に平行な面（平面Ｈ１あるいは円偏波アンテナ１～４の配置面）に直交する平面Ｈ２に対して面対称な位置に配置される。平面Ｈ２は、円偏波アンテナ１、２の位置と、円偏波アンテナ３、４の位置とが対称になる対称面である。

円偏波アンテナ１、２の中心を通り、平面Ｈ１に直交する線を中心軸Ｃ１、Ｃ２と呼ぶ。円偏波アンテナ３、４の中心を通り、平面Ｈ１に直交する線を中心軸Ｃ３、Ｃ４と呼ぶ。中心軸Ｃ１～Ｃ４は実際に存在する軸ではなく、説明用の仮想的な線である。

平面Ｈ１に平行なある方向（すなわち円偏波アンテナ１～４に平行なある方向）を基準方向１３として定義する。基準方向１３の角度を０度とする。

円偏波アンテナ１は、基準方向１３に対して、中心軸Ｃ１を回転軸として角度（回転角度と呼ぶ）Ｒ１だけ回転させられた向きに配置されている。同様に、円偏波アンテナ２は、基準方向１３に対して、中心軸Ｃ２を回転軸として回転角度Ｒ２だけ回転させられた向きに配置されている。円偏波アンテナ３は、基準方向１３に対して、中心軸Ｃ３を回転軸として回転角度Ｒ３だけ回転させられた向きに配置されている。円偏波アンテナ４は、基準方向１３に対して、中心軸Ｃ４を回転軸として回転角度Ｒ４だけ回転させられた向きに配置されている。図の例では回転角度Ｒ１は０度、回転角度Ｒ２は９０度、回転角度Ｒ３は２７０、回転角度Ｒ４は１８０度である。回転角度Ｒ１～Ｒ４は互いに異なる。

円偏波アンテナ１の位相は、回転角度Ｒ１に応じた位相とされている。同様に、円偏波アンテナ２の位相は、回転角度Ｒ２に応じた位相とされている。図の例では、円偏波アンテナ１の位相は０度（回転角度Ｒ１は０度）、円偏波アンテナ２の位相は９０度（回転角度Ｒ２は９０度）である。すなわち、この場合、円偏波アンテナ１に対応する移相器１０は、円偏波アンテナ１に提供される信号又は円偏波アンテナ１で受信した信号の位相（第１位相）を０度に設定する。同様に、円偏波アンテナ２に対応する移相器１０は、円偏波アンテナ２に提供される信号又は円偏波アンテナ２で受信した信号の位相（第２位相）を９０度の位相に設定する。この例では、円偏波アンテナ１、２の位相と回転角度が一致しているが、円偏波アンテナ１、２の位相の差と回転角度の差が同一であれば、円偏波アンテナ１、２の位相と回転角度の絶対値はどのような値であってもよい。例えば、アンテナ１の回転角度が９０度、アンテナ２の回転角度が１８０度の場合（円偏波アンテナ１、２の回転角度の差が９０度）に、円偏波アンテナ１の位相が１８０度、円偏波アンテナ２の位相が２７０度（円偏波アンテナ１、２の位相の差が９０度）でもよく、円偏波アンテナ１の位相が２７０度、円偏波アンテナ２の位相が３６０度（円偏波アンテナ１、２の位相の差が９０度）でもよい。

一方、円偏波アンテナ３の位相は、回転角度Ｒ３に応じた位相に一定の値（第１の値）である位相αを足した位相とされている。円偏波アンテナ４の位相は、回転角度Ｒ４に応じた位相に一定の値（第１の値）である位相αを足した位相とされている。αは、円偏波アンテナ３、４で同じである。図の例では、円偏波アンテナ３の位相は２７０＋α度、（回転角度Ｒ３は２７０度）、円偏波アンテナ４の位相は１８０＋α度、（回転角度Ｒ４は１８０度）である。すなわち、この場合、円偏波アンテナ３に対応する移相器１０は、円偏波アンテナ３に提供される信号又は円偏波アンテナ３で受信した信号の位相（第３位相）を、２７０度の角度にαを加算した２７０＋α度の位相に設定する。円偏波アンテナ４に対応する移相器１０は、円偏波アンテナ４に提供される信号又は円偏波アンテナ４で受信した信号の位相（第４位相）を、１８０度の角度にαを加算した１８０＋α度の位相に設定する。

移相器１０及び分配／合成器１１は、基板１２の表面、基板１２の内部、又は、基板１２とは別の箇所に配置されている。

図４は、円偏波アンテナ単体の電流強度を示す。直交する２つの電流Ｊ１、Ｊ２が矢印付きの線によって示されており、線の長さが長いほど、電流強度が大きいことを表している。円偏波が放射される条件は、直交する２つの電流において、振幅が同じでかつ位相が９０度ずれていることである。しかしながら実際には直交する２つの電流の振幅を全く同じにすることは難しい。図４のように例えばｘ軸方向の電流Ｊ２の振幅が、ｙ軸方向の電流Ｊ１の振幅より小さいというようなアンバランスな特性となる。本実施形態において、このようなアンバランスな特性のアンテナであっても（直交する２つの電流の振幅が全く同じでないアンテナであっても）、円偏波アンテナと呼ぶ。

図５は、第１の比較例として、円偏波アンテナを４つ同じ向きに配置しかつ同位相で給電した場合の電流強度の例を示す。（ａ）は時刻ｔの電流の分布、（ｂ）は時刻ｔから位相が９０度進んだ時刻ｔ’の電流の分布を表している。時刻ｔで４つの円偏波アンテナの電流を合成した電流の強度は、時刻ｔ’で４つの円偏波アンテナの電流を合成した電流の強度と異なる。したがって、円偏波の条件は満たされない。このため、放射される電波は楕円偏波となり、円偏波特性の指標である軸比特性が劣化する。軸比は、２つの直交する電流の振幅の比である。軸比が小さいほど、軸比特性は良好である。

図６は、第２の比較例として、４つの円偏波アンテナによりシーケンシャルアレーアンテナを構成した場合の電流強度の例を示す。（ａ）は時刻ｔの電流の分布、（ｂ）は時刻ｔから位相が９０度進んだ時刻ｔ’の電流の分布を表している。４つの円偏波アンテナによるシーケンシャルアレーアンテナでは、４つの円偏波アンテナを基準方向に対してそれぞれ異なる回転角度で配置し、かつ４つの円偏波アンテナにそれぞれの回転角度に応じた位相の信号を提供（給電）する。シーケンシャルアレーアンテナの場合、時刻ｔで４つの円偏波アンテナの電流を合成した電流の強度と、時刻ｔ’で４つの円偏波アンテナの電流を合成した電流の強度と同じである。よって、良好な軸比特性が得られる。

図７は、第３の比較例として、円偏波アンテナ４つをそれぞれ異なる回転角度で配置し、かつ４つの円偏波アンテナに同位相にて給電した場合の電流強度の例を示す。（ａ）は時刻ｔの電流の分布、（ｂ）は時刻ｔから位相が９０度進んだ時刻ｔ’の電流の分布を表している。４つの円偏波アンテナの電流が同時刻にバラバラの方向を向いて打消し合っているため、軸比特性を良好にする効果は小さい。この構成では、４つの円偏波アンテナ間の中心側に点状のヌルが形成される。

図８は、第１の実施形態に係るアンテナ装置の電流強度の例を示す。

円偏波アンテナ１の位相は、回転角度Ｒ１に応じた位相（ここでは０度）であり、円偏波アンテナ２の位相は、回転角度Ｒ２に応じた位相（ここでは９０度）である。

円偏波アンテナ３の位相は、回転角度Ｒ３に応じた位相（ここでは２７０度）に位相αを足した位相であり、円偏波アンテナ４の位相は、回転角度Ｒ４に応じた位相（ここでは１８０度）に位相αを足し併せた位相である。ここでは、位相αを１８０度としている。したがって、円偏波アンテナ３の位相は２７０＋１８０＝９０度＋３６０度、円偏波アンテナ４の位相は１８０＋１８０＝３６０度である。

時刻ｔにおいて、円偏波アンテナ１、２の位相が、円偏波アンテナ３、４の位相と逆位相になっているため、対称面である平面Ｈ２に平行な方向（紙面に垂直な方向）が放射のヌルとなる。ヌルＮ１を模式的に示す。一例としてヌルＮ１は平面Ｈ２に平行でかつ紙面に垂直な方向から見て線状の形状を有する。

また、円偏波アンテナ１、２は図６のシーケンシャルアレーアンテナの上側２つのアンテナの構成と同じになっており、円偏波アンテナ３、４も図６のシーケンシャルアレーアンテナの下側の２つの構成と同じになっている。つまり時刻ｔで円偏波アンテナ１、２の電流を合成した電流の強度と、時刻ｔ’で円偏波アンテナ１、２の電流を合成した電流の強度とは同じである。また、時刻ｔで円偏波アンテナ３、４の電流を合成した電流の強度と、時刻ｔ’で円偏波アンテナ３、４の電流を合成した電流の強度とは同じである。したがって、時刻ｔで円偏波アンテナ１～４の電流を合成した電流の強度と、時刻ｔ’で円偏波アンテナ１～４の電流を合成した電流の強度とは同じである。よって、ヌルＮ１の周辺において良好な軸比特性が得られる。

図９に、第１の実施形態に係るアンテナ装置の場合、比較例１の場合（円偏波アンテナを４つ同じ向きに配置し、同位相で給電した場合）、比較例２（シーケンシャルアレーアンテナ）の場合、比較例３の場合（円偏波アンテナ４つをそれぞれ異なる回転角度で配置し、かつ同位相にて給電した場合）の軸比特性のシミュレーション結果のグラフを示す。

比較例２（シーケンシャルアレーアンテナ）の場合、及び比較例１の場合は、正面方向（＋ｚ軸方向）における特性を示す。第１の実施形態に係るアンテナ装置の場合、及び比較例４の場合は、ヌルが形成されるため、ヌルの放射方向（＋ｚ軸方向）からｙ軸方向に３０度傾いた位置における特性を示している。第１の実施形態に係るアンテナ装置の場合の軸比は、比較例２（シーケンシャルアレー）の場合と比較して劣るものの、比較例１及び比較例３と比較して、良好な軸比特性が得られている。また、第１の実施形態に係るアンテナ装置では、周波数に対する軸比の変動が小さい。具体的には、広い周波数帯域で軸比３ｄＢ以下が得られている。

図１０は、第１の実施形態に係るアンテナ装置において、位相αを１８０度としたときの円偏波放射パターンの例を示す。ここでの仰角は＋z方向を０度とする。図１０の左側がＹ軸方向から見た場合、図１０の右側がＸ軸方向から見た場合を示す。平面Ｈ２に沿った方向、すなわちｚｘ平面に沿った方向が、放射のヌルとなっていることが確認できる。

ここで、位相αを変化させることで、ヌルの方向を傾けることが可能である。

図１１は、位相αを１８０度から、１５０度、１２０度、９０度、４５度、３０度と変化させた場合の円偏波放射パターンの例を示す。ここでの仰角は＋z方向を０度とする。位相αを１８０度から、１５０度、１２０度、９０度、４５度、３０度と変化させると、放射のヌルの方向がｚｘ平面に沿った方向（０度）から、１０度、２０度、３０度、５５度、７０度とずれているのが確認できる。
このように位相αの設定値より、ｚｘ平面に沿った方向から、ｙ軸方向に傾けた方向にヌルの方向を変更できる。すなわち、平面Ｈ１と平面Ｈ２の交線に直径が位置する半円の半径方向を放射のヌルとし、ヌルの位置（向き）を任意に設定できる。図１２を用いて具体的に示す。

図１２は、平面Ｈ２の沿った方向にヌルが形成されている状態から位相αを変更してヌルの方向を変えたときのヌルの状態を示す。平面Ｈ２に沿った方向から概ね６０度傾いた位置にヌルが形成されている。平面Ｈ１と平面Ｈ２の交線に直径が位置する半円３１の半径方向３２にヌルが形成されている。

図１１では、位相αを１８０度から３０度まで段階的に小さくする例を示したが、１８０度から段階的に増やすと、ｚｘ平面に沿った方向（０度）から、図１１と逆方向に放射のヌルの方向がずれていく。例えば、位相αを１８０度から、２１０度、２４０度、２７０度、３１５度、３３０度と変化させると、－１０度、－２０度、－３０度、－５５度、－７０度とずれていく。

ヌルを形成した方向又はヌルを走査したい方向の範囲に応じて、一例として位相αは９０度以上かつ２７０度以下の範囲から選択される。あるいは、一例として位相αは４５度以上かつ３１５度以下の範囲から選択される。あるいは、一例として、位相αは、３０度以上かつ３３０度以下の範囲から選択される。

本実施形態では、円偏波アンテナ１～４のそれぞれに移相器１０が接続されていたが、第１～第４のアンテナ全てに移相器１０が接続される必要はない。円偏波アンテナ１～２の位相を回転角度Ｒ１、Ｒ２に応じた値にし、円偏波アンテナ３、４の位相を、回転角度Ｒ３、Ｒ４に応じた値にαを加算した値にできれば、３個以下のアンテナに移相器１０を接続してもよい。移相器１０を有さず、分配／合成器１１でアンテナ間の位相差を持たせる動作を行ってもよい。

ただし、第１～第４のアンテナのそれぞれに移相器１０が接続されている方が、移相器１０の損失が第１～第４のアンテナのそれぞれに追加されるので振幅のバランスが良くなる。また、移相器１０を第１～第４のアンテナのそれぞれに接続することで、分配／合成器１１で位相を調整する必要がなくなり、分配／合成器１１で扱う複数の信号が同位相であるとして分配／合成器１１を設計できるので、分配／合成器１１の設計が容易となる。

以上のように、第１の実施形態に係るアンテナ装置においては、平面Ｈ１と平面Ｈ２の交線に直径が位置する半円の半径方向を放射のヌルにすることができ、かつ、ヌルの周辺において良好な軸比特性を得ることができる。

（変形例）
第１の実施形態では、円偏波アンテナの個数は４であったが、４以上であれば、任意の偶数個でよい。例えば、円偏波アンテナの個数は６でも、８でもよい。

図１３は、第１の実施形態の変形例のアンテナ装置における複数の円偏波アンテナの概略構成を示す。６個の円偏波アンテナ１～６が配置されている。円偏波アンテナ１、５、２は、平面Ｈ２に対して、円偏波アンテナ３、６、４と面対称の位置に配置されている。円偏波アンテナ１～６は、第１～第Ｎの円偏波アンテナに対応する。一例として、円偏波アンテナ１、５、２は、第１～第Ｍの円偏波アンテナ、円偏波アンテナ３、６、４は、第Ｍ＋１～第Ｎの円偏波アンテナに対応する。

円偏波アンテナ１、５、２は、基準方向１３に対して、中心軸Ｃ１、Ｃ５、Ｃ２を回転軸として回転角度Ｒ１、Ｒ５、Ｒ２だけ回転させられた向きに配置されている。円偏波アンテナ３、６、４は、基準方向１３に対して、中心軸Ｃ３、Ｃ６、Ｃ４を回転軸として回転角度Ｒ３、Ｒ６、Ｒ４だけ回転させられた向きに配置されている。図の例では回転角度Ｒ１は０度、回転角度Ｒ５は６０度、回転角度Ｒ２は１２０度、回転角度Ｒ３は３００度、回転角度Ｒ６は２４０度、回転角度Ｒ４は１８０度である。回転角度Ｒ１～Ｒ６は互いに異なる。

円偏波アンテナ１、５、２の位相は、回転角度Ｒ１、Ｒ５、Ｒ２に応じた位相とされている。図の例では、円偏波アンテナ１、５、２の位相は０度、６０度、１２０度である。

一方、円偏波アンテナ３、６、４の位相は、回転角度Ｒ３、Ｒ６、Ｒ４に応じた位相に一定の値（第１の値）である位相αを足した位相とされている。αは、円偏波アンテナ３、６、４で同じである。図の例では、円偏波アンテナ３の位相は３００＋α度、円偏波アンテナ６の位相は２４０＋α度、円偏波アンテナ４の位相は１８０＋α度である。

この構成により、第１の実施形態と同様の理由で、円偏波アンテナ１、５、２の位相が、円偏波アンテナ３、６、４の位相と逆位相になっているため、対称面である平面Ｈ２に平行な方向（紙面に垂直な方向）が放射のヌルとなる。また、時刻ｔで円偏波アンテナ１、５、２の電流を合成した電流の強度と、時刻ｔより９０度位相が進んだ時刻ｔ’で円偏波アンテナ１、５、２の電流を合成した電流の強度とは同じであり、時刻ｔで円偏波アンテナ３、６、４の電流を合成した電流の強度と、時刻ｔ’で円偏波アンテナ３、６、４の電流を合成した電流の強度とは同じである。よって、ヌルの周辺において良好な軸比特性が得られる。

本変形例では円偏波アンテナの個数が６の場合を示したが、８個以上の偶数個の場合も同様である。

＜第２の実施形態＞
図１４は、第２の実施形態に係るアンテナ装置における円偏波アンテナ１～４の概略構成を示す。

円偏波アンテナ１、２と円偏波アンテナ３、４とが、平面Ｈ１に直交する平面Ｈ２に対して互いに面対称な位置に配置されることに加え、円偏波アンテナ１、３と、円偏波アンテナ２、４とが平面Ｈ１及び平面Ｈ２に直交する平面Ｈ３に対して互いに面対称な位置に配置される。平面Ｈ３は、円偏波アンテナ１、３の位置と、円偏波アンテナ２、４の位置とが対称になる対称面である。

第２の実施形態に係るアンテナ装置においては、第１の実施形態と同様、円偏波アンテナ１、２の位相はそれぞれ回転角度Ｒ１と回転角度Ｒ２に応じた位相とする。また円偏波アンテナ３の位相は回転角度Ｒ３に応じた位相に位相αを足した位相、円偏波アンテナ４の位相は回転角度Ｒ４に応じた位相に位相αを足した位相とする。このような円偏波アンテナ１～４の位相設定を第１位相モードと呼ぶ。これにより、平面Ｈ１と平面Ｈ２の交線に直径が位置する半円の半径方向を放射のヌルとすることができる。すなわち平面Ｈ１と平面Ｈ２との交線を第１軸とすると、第１軸を通る平面にヌルを形成することができる。αの値を変えることで、ヌルの方向（角度）を変更できる。

これに加えて、第２の実施形態では、円偏波アンテナ１、３の位相はそれぞれ回転角度Ｒ１と回転角度Ｒ３に応じた位相とする。また、円偏波アンテナ２の位相は回転角度Ｒ２に応じた位相に一定の値（第２の値）である位相βを足した位相、円偏波アンテナ４の位相は回転角度Ｒ４に応じた位相に一定の値（第２の値）である位相βを足した位相とする。位相βは円偏波アンテナ２、４で同じである。このような円偏波アンテナ１～４の位相設定を第２位相モードと呼ぶ。これにより、平面Ｈ１と平面Ｈ３の交線に直径が位置する半円の半径方向を放射のヌルとすることができる。すなわち平面Ｈ１と平面Ｈ３との交線を第２軸とすると、第２軸を通る平面にヌルを形成することができる。βの値を変えることで、ヌルの方向（角度）を変更できる。

各移相器１０の設定（分配／合成器１１で位相の調整を行う場合は分配／合成器１１の設定）により、第１位相モードと第２位相モードを選択的に実行できる。第１位相モードと第２位相モードとを組み合わせることで、１つのアンテナ装置で、第１軸および第２軸を直径とする半円の半径方向を放射のヌルとすることができる。

以上のように、第２の実施形態に係るアンテナ装置においては、第１軸および第２軸を直径とする半円の半径方向を放射のヌルとでき、かつヌルの周辺において良好な軸比特性を得ることができる。

＜第３の実施形態＞
図１５は、第３の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。第３の実施形態に係るアンテナ装置に含まれる円偏波アンテナ１～４の構成は図２もしくは図１４と同じである。

図１５のアンテナ装置が図１と異なる点は、移相器が可変移相器１４で構成されていることである。可変移相器１４はディスクリート部品、ＩＣ、伝送線路又はこれらの組合せなどから構成される。可変移相器１４は、例えば印加するバイアスを変化させることにより位相を可変にできる構成を有する。

図１５では全ての円偏波アンテナ１～４に可変移相器１４が接続されているが、必ずしもすべての円偏波アンテナ１～４に可変移相器１４が接続されている必要はない。１、２又は３つのアンテナにのみ可変移相器１４が接続されていてもよい。

このように可変移相器を用いることで、ヌルの方向を動的に変更することができる。例えば第２の実施形態に可変移相器を適用した場合、放射のヌルを独立に２軸で走査することが可能である。具体的には、円偏波アンテナ１～４に回転角度Ｒ１～Ｒ４に応じた位相を設定し、かつ、位相α及び位相βをそれぞれ変更する。

＜第４の実施形態＞
図１６に、円偏波アンテナ１～４、複数の可変移相器１４、及び分配／合成器１１を１つの基板１２に構成した場合の概略構成を示す。

基板１２の１層目４１に円偏波アンテナ１～４、基板１２の２層目４２に第１のＧＮＤ層、基板１２の３層目４３に第２のＧＮＤ層、基板１２の４層目４４に可変移相器１４及び分配／合成器１１を形成している。円偏波アンテナ１～４は、矩形の金属板にスリットを設けた構成を有している。２層目４２の第１のＧＮＤ層は、円偏波アンテナ１～４のＧＮＤになる。３層目４３の第３のＧＮＤ層は、可変移相器１４及び分配／合成器１１のＧＮＤになる。可変移相器１４はバイアス線１５に接続されており、バイアス電圧により移相量を変更可能に構成されている。分配／合成器１１はウィルキンソン型分配器又はＴ分岐などである。分配／合成器１１には端子Ｔが設けられている。各可変移相器１４は、図示しないビアホール等を介して円偏波アンテナ１～４に接続されている。各層４１～４４間には、図示しない誘電体層が配置されている。このように１つの基板１２に円偏波アンテナ１～４、可変移相器１４及び分配／合成器１１を構成することで、アンテナ装置を小型化できる。

＜第５の実施形態＞
図１７は第５の実施形態に係る探索装置の概略ブロック図である。図１７の探索装置は、第１～４の実施形態に係るアンテナ装置１００と、制御部１０１と、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）用のリーダライタ装置１０２とを有する。制御部１０１及びリーダライタ装置１０２は専用回路、マイクロプロセッサ又はＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等の任意の回路、プログラム等のソフトウェア又はこれらの組み合わせにより構成される。

アンテナ装置１００は、平面Ｈ１上の第１軸（平面Ｈ１と平面Ｈ２の交線）に直径が位置する半円の半径方向を放射の第１ヌルとし、平面Ｈ１上の第２軸（平面Ｈ１及び平面Ｈ２に直交する平面Ｈ３と、平面Ｈ１との交線）に直径が位置する半円の半径方向を放射の第２ヌルとする。制御部１０１は、第１軸を基準として第１ヌルの方向を回転させることにより、探索物の存在する第１ヌルの第１方向を特定し、第２軸を基準として第２ヌルの方向を回転させることにより、探索物の存在する前記第２ヌルの第２方向を特定する。

より詳細には、制御部１０１は位相可変用電圧をアンテナ装置１００の可変移相器１４に供給する。制御部１０１は、制御情報をリーダライタ装置１０２に提供する。制御情報は、一例として、ＲＦＩＤタグの探索と、探索したＲＦＩＤタグからのタグＩＤの読み出しと、ＲＦＩＤタグから受信した無線信号の振幅情報及び位相情報の取得とを指示する。リーダライタ装置１０２は、アンテナ装置１００を用いて、ヌルの放射パターンを走査することで、ＲＦＩＤタグの探索を行う。ヌルの放射パターンの走査は、制御部１０１から位相可変用電圧が変更されることで行われる。放射のヌルを独立に１軸又は２軸で走査することが可能である。

第１～４の実施形態のアンテナ装置により形成されるヌルの放射パターンは、同じ数のアンテナ素子数でビームフォーミングにより形成したビームよりも急峻な角度特性を有する。したがって、第１～４の実施形態のアンテナ装置を用いた探索装置を用いることで、小型な装置にて精度よくＲＦＩＤタグを探索することが可能となる。また、第１～４の実施形態に係るアンテナ装置は、良好な円偏波特性を有するため、偏波の向き（すなわちアンテナ装置の設置方向）を考慮する必要がない利点もある。本実施形態ではＲＦＩＤタグを探索するが、探索物は、ＲＦＩＤタグに限定されず、探索装置と通信可能な回路を搭載した装置であればよい。

アンテナ装置１００でＲＦＩＤタグから受信する無線信号（例えば高周波信号）はリーダライタ装置１０２に供給される。リーダライタ装置１０２は、アンテナ装置１００で受信された無線信号を復調して、ＲＦＩＤタグのＩＤを取得し、また、当該無線信号の振幅情報及び位相情報を取得する。取得したタグＩＤ、振幅情報及び位相情報を制御部１０１に提供する。

制御部１０１は、取得したタグＩＤを有するＲＦＩＤタグが存在する位置（又は位置の範囲）を、位相可変用電圧に応じて形成されるヌルの放射パターンの形状に基づき算出する。すなわち、位相可変用電圧の値によって、どの軸（前述した第１軸又は第２軸）を回転軸としてどの方向にヌルが形成されるかが分かる。ヌルがＲＦＩＤタグを向いているときは（ビームがＲＦＩＤタグを向いていないときは）ＲＦＩＤタグからの読み出しは行われず、ヌルがＲＦＩＤタグを向いていないとき（ビームがＲＦＩＤタグを向いているとき）はＲＦＩＤタグから読み出しが行われる。したがって、ＲＦＩＤタグからの読み出しが行われなかったときの位相可変用電圧の範囲、すなわち、ＲＦＩＤタグからの読み出しが行われなかったときのヌルの方向の範囲を特定することで、その時のヌルの方向の範囲にＲＦＩＤタグが存在することを特定できる。

図１８は、探索のイメージの具体例を示す。α＝１８０度から探索を開始し、３０度までαを段階的に下げていくとする。α＝１８０度ではＲＦＩＤタグ９は検出されたが、α＝１２０度からＲＦＩＤタグ９が検出されなくなり始める。このときアンテナ装置のヌルがＲＦＩＤタグ９を向いている。この後、α＝６０度までＲＦＩＤタグ９は検出されず、αが６０度未満になると、再びＲＦＩＤタグ９が検出され始める。したがって、ＲＦＩＤタグ９の位置は、αが１２０度から６０度の範囲と推定できる。すなわち、α＝１２０度に対応するヌルの方向から、α＝６０度のヌルの方向までの間にＲＦＩＤタグ９の位置を特定できる。さらに、ＲＦＩＤタグ９から受信される無線信号の振幅情報及び位相情報を用いて、アンテナ装置からの距離を推定できる。推定した距離を用いて、さらに狭い範囲にＲＦＩＤタグの位置を特定できる。例えば、特定したヌルの方向の範囲で、かつ推定した距離の位置にＲＦＩＤタグが存在すると推定できる。

ここでは１軸でヌルを走査する場合を説明したが、２軸でヌルを走査する場合、軸ごとに走査を行ってＲＦＩＤタグの範囲をさらに狭い範囲に特定できる。具体的には、２軸でヌルを走査して、ＲＦＩＤタグが存在するヌルの方向の範囲をそれぞれ特定し、両範囲が共通する部分にＲＦＩＤタグが位置すると決定する。あるいは、２軸でヌルを走査して、ＲＦＩＤタグが存在するヌルの方向の範囲を特定するとともに、アンテナ装置から距離を推定する。ヌルの方向の範囲と推定した距離とから、ＲＦＩＤタグの存在する範囲を２軸のそれぞれについて特定する。特定した範囲の共通する部分にＲＦＩＤタグが位置すると決定できる。

本実施形態ではＲＦＩＤを用いた探索装置を示したが、ＢＬＥ（ＢｌｕｅｔｏｏｔｈＬｏｗＥｎｅｒｇｙ）など他の無線システムを用いた探索装置でもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１～４：円偏波アンテナ（アンテナ素子）
１０：移相器
７、１７：位相調整回路
９：ＲＦＩＤタグ
１１：分配／合成器
１２：基板
１３：基準方向
１４：可変移相器
３１：半円
３２：半径方向
４１：第１層
４２：第２層
４３：第３層
４４：第４層
１０１：制御部
１０２：リーダライタ装置
１００：アンテナ装置
Ｔ：端子
Ｒ１～Ｒ６：回転角度
Ｃ１～Ｃ６：中心軸
Ｐ１～Ｐ６、Ｐ１１、Ｐ１２：給電点
Ｊ１、Ｊ２：電流
Ｈ１：第１平面
Ｈ２：第２平面
Ｈ３：第３平面

Claims

平面状に配置された少なくとも４つの第１～第Ｎの円偏波アンテナと、
前記第１～第Ｎの円偏波アンテナから送信される第１～第Ｎの信号又は前記第１～第Ｎの円偏波アンテナで受信された第１～第Ｎの信号の位相関係を調整する位相調整回路と、を備え、
前記第１～第Ｍの円偏波アンテナと、前記第Ｍ＋１～第Ｎの円偏波アンテナとは互いに面対称の位置に配置されており、
前記第１～第Ｎの円偏波アンテナは、前記第１～第Ｎの円偏波アンテナに平行な第１方向に対して、互い異なる第１～第Ｎの角度で向きを回転させられており、
前記位相調整回路は、前記第１～第Ｍの信号の位相を、前記第１～第Ｍの角度に応じた第１～第Ｍの位相に設定し、
前記第Ｍ+１～第Ｎの信号の位相を、前記第Ｍ+１～第Ｎの角度に応じた位相に第１の値を加算した第Ｍ+１～第Ｎの位相に設定する
アンテナ装置。
入力信号を前記第１～第Ｎの信号に分割し、前記第１～第Ｎの信号を前記位相調整回路に提供する、又は
前記位相調整回路により位相が調整された前記第１～第Ｎの信号を合成する
分配／合成器
を備えた請求項１に記載のアンテナ装置。
前記第１の値は、９０度以上かつ２７０度以下の範囲、４５度以上かつ３１５度以下の範囲、又は３０度以上かつ３３０度以下の範囲から選択される
請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
前記位相調整回路は、前記第１～第Ｎの円偏波アンテナの少なくとも１つに接続された少なくとも１つの移相器を含む
請求項１～３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
前記移相器は、可変移相器である
請求項４に記載のアンテナ装置。
平面状に配置された第１～第４の円偏波アンテナと、
入力信号を第１～第４の信号に分割し、前記第１～第４の信号を前記第１～第４の円偏波アンテナに提供する、又は
前記第１～第４の円偏波アンテナで受信された第１～第４の信号を合成する、
分配／合成器と、を備え、
前記第１及び第２の円偏波アンテナは、前記第３及び第４の円偏波アンテナと面対称の位置に配置されており、
前記第１～第４円偏波アンテナは、前記第１～第４円偏波アンテナに平行な第１方向に対して、互い異なる第１～第４の角度で向きを回転させられており、
前記第１の信号の位相を、前記第１の角度に応じた第１の位相とし、
前記第２の信号の位相を、前記第２の角度に応じた第２の位相とし、
前記第３の信号の位相を、前記第３の角度に応じた位相に第１の値を加算した第３の位相とし、
前記第４の信号の位相を、前記第４の角度に応じた位相に前記第１の値を加算した第３の位相する
アンテナ装置。
前記第１～第４の信号の位相関係を調整する位相調整回路
を備えた請求項６に記載のアンテナ装置。
前記位相調整回路は、前記第１～第４の円偏波アンテナの少なくともいずれかに接続された少なくとも１つの移相器を含む
請求項７に記載のアンテナ装置。
前記移相器は、可変移相器である
請求項８に記載のアンテナ装置。
前記第１の値は、
前記第１～第４の円偏波アンテナに平行な第１面と、
前記第１及び第２の円偏波アンテナの位置と前記第３及び第４の円偏波アンテナの位置とが対称となる第２面と
の交線の少なくとも一部を含む面内に放射の第１ヌルを形成する値である
請求項６～９のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
前記第１の値を変更して前記第１ヌルを走査する
請求項１０に記載のアンテナ装置。
前記第１及び第３の円偏波アンテナは、前記第２及び第４の円偏波アンテナと面対称の位置に配置されており、
前記第１の信号の位相を、前記第１の角度に応じた第５の位相とし、
前記第３の信号の位相を、前記第３の角度に応じた第６の位相とし、
前記第２の信号の位相を、前記第２の角度に応じた位相に第２の値を加算した第６の位相とする
前記第４の信号の位相を、前記第４の角度に応じた位相に前記第２の値を加算した第７の位相とする
請求項１０又は１１に記載のアンテナ装置。
前記第２の値は、
前記第１面と、
前記第１及び第３の円偏波アンテナの位置と前記第２及び第４の円偏波アンテナの位置とが対称となる第３面と
の交線の少なくとも一部を含む面内に放射の第２ヌルを形成する値である
請求項１２に記載のアンテナ装置。
前記第１の値を変更して前記第１ヌルを走査し、前記第２の値を変更して前記第２ヌルを走査する
請求項１３に記載のアンテナ装置。
前記第１の値は、９０度以上かつ２７０度以下の範囲、４５度以上かつ３１５度以下の範囲、又は３０度以上かつ３３０度以下の範囲から選択される
請求項６～１４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
請求項６～１５のいずれか一項に記載のアンテナ装置と、
前記アンテナ装置で受信した無線信号と、前記アンテナ装置により形成される放射のヌルの方向とに基づいて、前記無線信号の送信元が存在する位置又は範囲を推定する制御部と、
を備えた探索装置。
平面上の第１の線を含む面内に放射の第１ヌルを形成し、前記平面上で前記第１の線に直交する第２の線を含む面内に放射の第２ヌルを形成するアンテナ装置と、
前記第１の線を基準として前記第１ヌルの方向を回転させることにより、探索物の存在する前記第１ヌルの第１方向を特定し、前記第２の線を基準として前記第２ヌルの方向を回転させることにより、前記探索物の存在する前記第２ヌルの第２方向を特定する制御部と
を備えた探索装置。