WO2023063041A1 - 最適位相条件決定方法、アンテナモジュール、及び通信システム - Google Patents

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WO2023063041A1
WO2023063041A1 PCT/JP2022/035209 JP2022035209W WO2023063041A1 WO 2023063041 A1 WO2023063041 A1 WO 2023063041A1 JP 2022035209 W JP2022035209 W JP 2022035209W WO 2023063041 A1 WO2023063041 A1 WO 2023063041A1
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光一 越能
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株式会社村田製作所
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    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining optimum phase conditions for high-frequency signals to be supplied to a plurality of antenna elements forming an array antenna, and an antenna module and communication system using this method.
  • a radio wave emitted from a circularly polarized antenna is often an elliptically polarized wave.
  • the reception level fluctuates depending on the relationship between the major axis direction of the elliptically polarized wave and the vibration direction of the linearly polarized wave of the receiving antenna.
  • the longitudinal direction of the elliptically polarized wave and the vibration direction of the linearly polarized wave of the receiving antenna match, the reception level is maximized.
  • the short axis direction of the elliptical polarization coincides with the vibration direction of the linear polarization of the receiving antenna, the reception level is minimized.
  • the “axial ratio” is defined as the ratio (Emi/Emj) of the maximum value Emj of the major axis component to the maximum value Emi of the minor axis component of the electric field vector of the elliptically polarized wave.
  • Perfect circular polarization has an axial ratio of one, and elliptical polarization has an axial ratio of greater than one.
  • Patent Document 1 discloses a sequential array antenna capable of improving the axial ratio of circularly polarized waves.
  • the sequential array antenna comprises a plurality of subarrays, each subarray including a plurality of circularly polarized antenna elements.
  • a plurality of antenna elements included in each of the sub-arrays are sequential by shifting their attitudes in the rotational direction. Furthermore, it is also sequential among a plurality of sub-arrays.
  • a conventional sequential array antenna may not be able to maintain a good axial ratio when operating some circularly polarized antenna elements. If a favorable axial ratio cannot be maintained, the stability of communication cannot be sufficiently improved. It is desired to improve the stability of communication even when operating some circularly polarized antenna elements.
  • An object of the present invention is to provide an optimum phase condition determination method that enables stable communication in both cases of operating all circularly polarized antenna elements and operating some of the circularly polarized antenna elements. is to provide Another object of the present invention is to provide an antenna module and a communication system to which this optimum phase condition determination method is applied.
  • a short-axis strength which is the maximum value of a short-axis direction component of an electric field vector of a composite wave of radio waves radiated in a first direction from each of the plurality of antenna elements constituting the array antenna, is supplied to the plurality of antenna elements. obtained for a plurality of phase conditions with different phase conditions of the high-frequency signal, An optimal phase condition determination method is provided for determining the optimal phase condition of the high frequency signals supplied to the plurality of antenna elements so that the short axis intensity of the composite wave is maximized.
  • Long-axis strength which is the maximum value of long-axis direction components of electric field vectors of composite waves of radio waves radiated in a first direction from each of the plurality of antenna elements constituting the array antenna, is supplied to the plurality of antenna elements. obtained for a plurality of phase conditions with different phase conditions of the high-frequency signal, An optimal phase condition determining method is provided for determining an optimal phase condition of high-frequency signals supplied to the plurality of antenna elements so that the long-axis intensity of the composite wave is maximized.
  • an array antenna including a plurality of antenna elements for transmitting and receiving circularly polarized waves; a high-frequency circuit that supplies a high-frequency signal to each of the plurality of antenna elements by adjusting the phase between the antenna elements; An optimum phase condition list is stored in which phase conditions of high-frequency signals to be supplied to the plurality of antenna elements are associated with each of a plurality of directions viewed from the array antenna. a control unit that controls the high-frequency circuit to operate with a phase condition associated with a direction; The phase conditions included in the optimum phase condition list are short axis strengths that are maximum values of short axis direction components of electric field vectors of composite waves of radio waves radiated from the plurality of antenna elements in directions associated with the phase conditions. An antenna module is provided wherein is determined to maximize .
  • an array antenna including a plurality of antenna elements for transmitting and receiving linearly polarized waves; a high-frequency circuit that supplies a high-frequency signal to each of the plurality of antenna elements by adjusting the phase between the antenna elements; An optimum phase condition list is stored in which phase conditions of high-frequency signals to be supplied to the plurality of antenna elements are associated with each of a plurality of directions viewed from the array antenna. a control unit that controls the high-frequency circuit to operate with a phase condition associated with a direction; The phase conditions included in the optimum phase condition list are long-axis strengths that are the maximum values of long-axis direction components of electric field vectors of composite waves of radio waves radiated from the plurality of antenna elements in directions associated with the phase conditions. An antenna module is provided wherein is determined to maximize .
  • a first antenna module A communication system comprising a second antenna module that communicates with the first antenna module by transmitting and receiving linearly polarized waves
  • the first antenna module is a first array antenna including a plurality of first antenna elements for transmitting and receiving circularly polarized waves; a first high-frequency circuit that adjusts the phase between the first antenna elements and supplies a high-frequency signal to each of the plurality of first antenna elements; phase conditions of high-frequency signals to be supplied to the plurality of first antenna elements are associated with each of the plurality of directions viewed from the first array antenna, and stored according to the direction in which radio waves should be transmitted, a first control unit that controls the first high-frequency circuit to operate under a phase condition associated with the direction;
  • the phase condition stored in the first control unit is the maximum value of the short-axis direction component of the electric field vector of the composite wave of radio waves radiated from the plurality of first antenna elements in the direction associated with the phase condition.
  • the second antenna module includes a second antenna element that transmits and receives a linearly polarized wave, and upon receiving radio waves from the first antenna module, transmits a measured value of reception strength to the first antenna module;
  • the first control unit operates the first high-frequency circuit under a plurality of phase conditions, determines a phase condition in which a measured value of reception strength received from the second antenna module is the highest as an optimum phase condition, and determines the optimum phase condition.
  • a communication system is provided in which the first high-frequency circuit is operated under phase conditions to communicate with the second antenna module.
  • a first antenna module that transmits and receives circularly polarized waves
  • a communication system comprising a second antenna module that communicates with the first antenna module,
  • the second antenna module is a second array antenna including a plurality of second antenna elements for transmitting and receiving linearly polarized waves;
  • a second high-frequency circuit that adjusts the phase between the second antenna elements and supplies a high-frequency signal to each of the plurality of second antenna elements;
  • phase conditions of high-frequency signals to be supplied to the plurality of second antenna elements are associated with each of the plurality of directions viewed from the second array antenna, and stored according to the direction in which radio waves should be transmitted, a second control unit that controls the second high-frequency circuit to operate under the phase condition associated with the direction;
  • the phase condition stored in the second control unit is the maximum value of the longitudinal component of the electric field vector of the composite wave of radio waves radiated from the plurality of second antenna elements in the direction associated with the phase condition.
  • the first antenna module includes a first antenna element that transmits and receives circularly polarized waves, and upon receiving radio waves from the second antenna module, transmits a measured value of reception strength to the second antenna module,
  • the second control unit operates the second high-frequency circuit under a plurality of phase conditions, determines a phase condition in which a measured value of reception strength received from the first antenna module is the highest as an optimum phase condition, and determines the optimum phase condition.
  • a communication system is provided in which the second high-frequency circuit is operated under phase conditions to communicate with the first antenna module.
  • the linearly polarized wave can be received stably regardless of the positional relationship between the direction of polarization of the incoming linearly polarized wave and the circularly polarized wave receiving antenna.
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing the positional relationship between the first antenna module and the second antenna module and the definition of the coordinate system
  • FIG. 1B shows the direction from the first array antenna and the reception at the second antenna module. It is a graph which shows an example of the relationship with a level.
  • FIG. 2 is a flow chart showing the procedure of phase condition determination processing employed in the optimum phase condition determination method according to the reference example.
  • 3A and 3B are schematic diagrams showing two polarization states of a composite wave radiated from the first array antenna.
  • FIG. 4 is a flow chart showing the procedure of phase condition determination processing employed in the optimum phase condition determination method according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a chart showing an example of the optimum phase condition list.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing trajectories of electric field vectors of circularly polarized waves and elliptical polarized waves.
  • FIG. 7 is a graph qualitatively showing the relationship between complexity and superiority of array antennas.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the positional relationship between the first antenna module and the second antenna module and the definition of the coordinate system.
  • FIG. 9 is a flow chart showing the procedure of phase condition determination processing employed in the optimum phase condition determination method according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a communication system according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram of a communication system according to the third embodiment.
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing the positional relationship between the first antenna module 20 and the second antenna module 30 and the definition of the coordinate system.
  • An xyz orthogonal coordinate system is defined in which the boresight direction of the first antenna module 20 is the positive direction of the z-axis. The polar angle in any direction is labeled ⁇ , and the azimuthal angle is labeled ⁇ .
  • the first antenna module 20 mounts a first array antenna 21 composed of, for example, a plurality of antenna elements 22 arranged on a plane. Each of the plurality of antenna elements 22 is designed to transmit and receive circularly polarized waves 27 .
  • a composite wave of radio waves radiated from each of the plurality of antenna elements 22 is generally an elliptically polarized wave. This is because the composite wave contains not only the main polarization component but also the cross polarization component.
  • the second antenna module 30 transmits and receives linearly polarized waves 37 .
  • the expression “transmitting/receiving circularly polarized waves” includes not only transmitting/receiving strictly circularly polarized waves but also transmitting/receiving elliptical polarized waves.
  • the conditions for driving the first antenna module 20 include information specifying on/off of each of the plurality of antenna elements 22 and the phase of the high-frequency signal supplied to each of the antenna elements 22 to be turned on.
  • “on” means supplying the high frequency signal to the antenna element
  • “off” means stopping the supply of the high frequency signal to the antenna element.
  • Conditions including the on/off state of the antenna elements 22 and the phase of the high-frequency signal supplied to the antenna elements 22 are referred to as phase conditions for driving the plurality of antenna elements 22 .
  • a specific direction when viewed from the first antenna module 20 is called a first direction D.
  • the optimum phase condition is determined so as to maximize the main polarization component of the composite wave directed in the first direction D from the first antenna module 20, and the high-frequency wave is applied to the plurality of antenna elements 22 under the optimum phase condition. provide a signal.
  • phase condition search process the process of finding the optimum phase condition for a certain first direction D.
  • phase condition search process the process of finding the optimum phase condition for a certain first direction D.
  • the phase condition search process is a process of determining one optimum phase condition from (4+1) 32 phase conditions.
  • FIG. 1B is a graph showing an example of the relationship between the direction when the second antenna module 30 is viewed from the first array antenna 21 and the reception level at the second antenna module 30 .
  • the horizontal axis represents the direction of viewing the second antenna module 30 from the first antenna module 20, and the vertical axis represents the reception level.
  • FIG. 1B shows the direction in one dimension.
  • the phase condition Phc0 is optimum.
  • the phase conditions Phc1 and Phc2 are optimum, respectively.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the procedure of the optimal phase condition determination method (phase condition search process) according to the reference example.
  • the main polarized wave is a right-handed circularly polarized wave.
  • the cross polarized wave having an orthogonal relationship with the main polarized wave is the left circularly polarized wave.
  • Orthogonal polarization will be described below.
  • Time variations of the electric field vectors of the two polarized waves at a certain position are denoted by A(t) and B(t) in complex numbers.
  • Two polarizations are said to be orthogonal between times t0 and t1 if they satisfy the following equation: where A * (t) represents the complex conjugate of the electric field vector A(t).
  • the polarization state at a point on the Poincare sphere and the polarization state at the point directly behind the Poincare sphere are orthogonal to each other. For example, vertically polarized waves and horizontally polarized waves are orthogonal to each other, and right-handed circularly polarized waves and left-handed circularly polarized waves are orthogonal to each other.
  • the first direction D (FIG. 1A) to be calibrated is determined (step S01).
  • the initial value of the phase condition of the first array antenna 21 is determined (step S02).
  • the phase condition of all the antenna elements 22 is set to 0°.
  • the “phase condition of the antenna element 22 ” means the phase of the high-frequency signal supplied to the antenna element 22 .
  • the initial value of the phase condition is represented by the following equation.
  • N is the number of antenna elements 22 .
  • one unselected antenna element 22 is selected from the plurality of antenna elements 22 .
  • Step S03 all antenna elements 22 are in an unselected state, so the first antenna element 22 is selected, for example. Once selected, the antenna element 22 is in a selected state.
  • the intensity of the right-handed circularly polarized wave component of the composite wave radiated in the first direction D is obtained for each phase condition (step S04).
  • the right-handed circularly polarized wave component can measure the intensity of
  • the phase condition of the selected antenna element 22 is fixed to the phase condition when the intensity of the right-handed circularly polarized wave component is maximized (step S05).
  • the procedure from step S03 to step S05 is repeated until all antenna elements 22 are selected (step S06). For example, the 1st, 2nd, 3rd, . . . Nth antenna elements 22 are selected in order.
  • the phase conditions fixed to each of the antenna elements 22 are set as the current values of the phase conditions (step S07). It is determined whether or not the current value of the phase condition matches the initial value (step S08). If the current value of the phase condition differs from the initial value, that is, if the phase condition of at least one antenna element 22 is changed in step S05, the current value of the phase condition is set as a new initial value (step S09).
  • All antenna elements 22 are set to the unselected state (step S10), and the procedure from step S03 is repeated. That is, the procedure from step S03 to step S10 is repeated until the current value and the initial value of the phase condition match. If the current value of the phase condition matches the initial value in step S08, the current value of the phase condition is set as the optimum phase condition (step S11).
  • the right-handed circularly polarized wave component of the radio wave radiated in the first direction D (FIG. 1A) is can be maximized.
  • “maximize” means to be the maximum among the plurality of phase conditions evaluated, and the phase condition not evaluated, for example, the step width of the phase when evaluated If the phase is changed by an angle smaller than , the right-handed circularly polarized wave component may become larger. Maximizing the right-handed circularly polarized wave component of the radio waves radiated in the first direction D corresponds to making the phases of the right-handed circularly polarized wave components of the plurality of antenna elements 22 the same.
  • 3A and 3B are schematic diagrams showing examples of two polarization states of the composite wave radiated from the first array antenna 21.
  • FIG. In FIGS. 3A and 3B as an example, the directions of the instantaneous values of the right-handed circularly polarized wave component ER and the left-handed circularly polarized wave component EL match when facing upward and downward.
  • the trajectory E of the tip of the combined vector of the right-handed circularly polarized wave component ER and the left-handed circularly polarized wave component EL of the electric field vector becomes an ellipse elongated in the vertical direction.
  • the right-hand circular polarization component ER of the polarization shown in FIG. 3A is larger than the right-hand circular polarization component ER of the polarization shown in FIG. 3B. Therefore, when the optimum phase condition is determined by the phase condition search process (FIG. 2) according to the reference example, the phase condition that results in the polarization state of FIG. 3A rather than that of FIG. 3B is determined as the optimum phase condition.
  • the left-hand circular polarization component EL of the polarization state shown in FIG. 3A is larger than the left-hand circular polarization component EL of the polarization shown in FIG. 3B.
  • the difference between the right-handed circularly polarized wave component ER and the left-handed circularly polarized wave component EL is smaller for the polarized wave in FIG. 3A than for the polarized wave in FIG. 3B. Therefore, the maximum value of the short-axis direction component of the electric field vector of the elliptically polarized wave (hereinafter referred to as short-axis intensity Emi) is smaller for the polarized wave in FIG. 3A than for the polarized wave in FIG. 3B.
  • major axis strength Emj the maximum value of the longitudinal component of the electric field vector of the elliptical polarization (hereinafter referred to as major axis strength Emj) is greater for the polarized wave in FIG. 3A than for the polarized wave in FIG. 3B.
  • the reception level of the elliptical polarization in FIG. 3A is the reception level of the elliptical polarization in FIG. becomes lower.
  • the reception level fluctuates greatly depending on the orientation of the electric field vibration direction of the receiving antenna. If the optimum phase condition is determined by the phase condition search process according to the reference example, the reception level tends to become unstable because the composite wave becomes the elliptically polarized wave shown in FIG. 3A.
  • the minor axis intensity of the elliptically polarized wave can be maximized if any of the following conditions are met.
  • the first condition is that, in the polarized waves radiated in the first direction D from each of the plurality of antenna elements 22, the cross polarized wave component is so small as to be negligible with respect to the main polarized wave component.
  • the inclination angles of the ellipses of the elliptically polarized waves radiated in the first direction D by the antenna elements 22 of each pair are orthogonal to each other.
  • the condition is that the phase condition that maximizes the polarization component and the phase condition that the cross-polarization components cancel each other are the same.
  • the antenna In order to satisfy either of the above two conditions in a wide variety of first directions D, the antenna must be manufactured with high precision, which is not realistic.
  • FIG. 1A is referred to as necessary. Duplicate descriptions of configurations similar to those of the above-described reference example may be omitted.
  • the phase condition is adjusted so that the intensity of the right-handed circularly polarized wave component of the composite wave is maximized (step S05 in FIG. 2).
  • the phase condition is adjusted so that the minor axis intensity of the composite wave is maximized.
  • FIG. 4 is a flow chart showing the procedure of the optimum phase condition determination method (phase condition search processing) according to the first embodiment.
  • a first direction D (FIG. 1A) to be calibrated is determined (step S01).
  • the initial value of the phase condition including the ON/OFF state is determined (step S02a).
  • turning off the antenna element 22 is not considered, but in the first embodiment it is possible to turn off the antenna element 22 . This is because depending on the antenna element 22, the minor axis intensity of the composite wave may be reduced no matter how the phase is adjusted with the antenna element 22 turned on. In such a case, the antenna element 22 is turned off.
  • each of the antenna elements 22 is set to one of five phase states: 0°, 90°, 180°, 270°, and OFF.
  • As an initial value of the phase condition for example, all antenna elements 22 are set to OFF.
  • one antenna element 22 is selected from the unselected antenna elements 22 (step S03).
  • the right-handed circularly polarized wave component and left-handed circularly polarized wave component of the composite wave radiated in the first direction D from the first array antenna 21 (FIG. 1A)
  • the intensity of each circularly polarized wave component is acquired (step S04a).
  • a circularly polarized wave receiving antenna is arranged in the first direction D, and is set to receive right-handed circularly polarized waves to receive the composite wave. receive. Thereby, the intensity of the right-handed circularly polarized wave component and the intensity of the left-handed circularly polarized wave component can be measured.
  • the phase condition of the selected antenna element 22 is fixed to the condition when the minor axis intensity of the composite wave is maximized (step S05a).
  • the phase condition of the selected antenna element 22 is fixed to any one of OFF, 0°, 90°, 180° and 270°.
  • the minor axis intensity is maximized means that the minor axis intensity is maximized among a plurality of evaluated phase conditions. If it is made smaller, the minor axis strength may become larger.
  • maximizing the short-axis strength means maximizing the short-axis strength among a plurality of phase conditions to be evaluated.
  • a method for obtaining the short-axis intensity of the composite wave will be described below.
  • the intensity of the right-hand circular polarization component of the composite wave is denoted as A sum,R [dBm]
  • the intensity of the left-hand circular polarization component is denoted as A sum,L [dBm].
  • square brackets [ ] represent units.
  • the unit of the intensity of the right-handed circularly polarized wave component and the intensity of the left-handed circularly polarized wave component is converted to (mW) 1/2 using the following conversion formula.
  • the minor axis intensity A sum,mi of the composite wave can be calculated by the following formula.
  • step S05a After fixing the phase condition of the selected antenna element 22 to the phase condition that maximizes the minor axis intensity of the composite wave (step S05a), the procedure from step S03 to step S05a is performed until all the antenna elements 22 are selected. is repeated (step S06).
  • step S07a the phase conditions fixed to each of the antenna elements 22 are set as the current values of the phase conditions. It is determined whether or not the current value of the phase condition matches the initial value (step S08). If the current value of the phase condition does not match the initial value, the current value of the phase condition is set as a new initial value (step S09), and all antenna elements are set to an unselected state (step S10). The procedure from step S03 to step S10 is repeated until the current value of the phase condition matches the initial value.
  • step S08 if the current value of the phase condition matches the initial value, the current value of the phase condition is adopted as the optimum phase condition (step S11).
  • the optimum phase condition is determined for each of the plurality of first directions D.
  • an optimum phase condition list is obtained in which the optimum phase condition for operating the first array antenna 21 is associated with each of a plurality of directions viewed from the first array antenna 21 (FIG. 1).
  • FIG. 5 is a chart showing an example of the optimum phase condition list 29.
  • each of the multiple directions is identified by a polar angle ⁇ and an azimuth angle ⁇ .
  • An optimum phase condition is associated with each direction.
  • the optimum phase conditions include on/off states and phase values set for each antenna element 22 .
  • each of a plurality of parentheses within curly braces represents the phase condition of one antenna element 22 .
  • One brace represents the optimum phase condition in the first direction D of the first array antenna 21 .
  • the optimum phase condition list 29 includes a plurality of phase conditions Phc0, Phc1, Phc2, .
  • the optimum phase condition is determined so that the short-axis intensity of the composite wave is maximized (step S05a).
  • the minor axis intensity Emi of the elliptical polarization shown in FIG. 3B is greater than the minor axis intensity Emi of the elliptical polarization shown in FIG. 3A. Therefore, when the first array antenna 21 is operated under the optimum phase conditions obtained by executing the phase condition determination process employed in the method according to the first embodiment, the elliptical polarization of FIG. 3B rather than the elliptical polarization of FIG. Composite waves close to polarization can be obtained.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing trajectories of electric field vectors of circularly polarized waves and elliptically polarized waves.
  • the locus shown on the left is for circularly polarized wave PW1, which has an axial ratio of one.
  • the trajectories shown in the center and right are for elliptically polarized waves PW2 and PW3, respectively.
  • the axial ratio of both is greater than one.
  • the minor axis intensity Emi2 of the elliptically polarized wave PW2 is greater than the intensity E1 of the circularly polarized wave PW1
  • the minor axis intensity Emi3 of the elliptically polarized wave PW3 is smaller than the intensity E1 of the circularly polarized wave PW1.
  • the circularly polarized waves PW1 and the elliptical polarized waves PW2 and PW3 shown in FIG. 6 are realized by changing the phase conditions.
  • the composite wave is received by at least three types of linearly polarized antennas with different polarization directions, and a phase condition is obtained such that the strengths of the radio waves received by the at least three types of linearly polarized antennas are equal.
  • a composite wave close to the circularly polarized wave PW1 is realized.
  • the optimum phase condition is determined so that the minor axis intensity is maximized. Therefore, the first array antenna 21 (FIG. 1A) is operated under the optimum phase condition determined by the method according to the first embodiment.
  • an elliptically polarized wave PW2 is obtained. Therefore, stable communication can be performed as compared with the case where the radio wave of the elliptically polarized wave PW3 is received by the linearly polarized antenna.
  • the circularly polarized wave PW1 is received regardless of the direction of the electric field oscillation direction of the linearly polarized antenna.
  • receive level is higher.
  • FIG. 7 is a graph qualitatively showing the relationship between complexity and superiority of array antennas.
  • the horizontal axis represents the complexity of the array antenna, and the vertical axis represents the superiority.
  • the complexity of the array antenna includes the number of antenna elements forming the array antenna, the complexity of the shape of the antenna elements, the size of the communication range to be covered, and the like. Complexity increases as the number of antenna elements increases. Complexity increases as the range to be covered increases.
  • the solid line in the graph of FIG. 7 indicates the superiority of the method according to the first embodiment, that is, the method of performing the phase condition determination processing so as to maximize the minor axis intensity.
  • the dashed line indicates the superiority of the method according to the reference example (FIG. 2), that is, the method of performing phase condition determination processing so as to maximize the intensity of the main polarization component.
  • the circularly polarized wave receiving antenna need to be switched. Further, it is necessary to receive two polarized waves, and it is necessary to operate the antenna element 22 selected in step S03 (FIG. 4) in each of five states including OFF. It takes longer time to process.
  • the phase condition determination process can be performed in a short time without switching the receiving antenna. Therefore, it can be said that the reference example is superior to the first example.
  • the first embodiment is superior to the reference example. Actually, it can be said that the first embodiment is superior to the reference example in many cases.
  • the optimum phase condition is obtained by focusing only on the main polarization component. phase condition.
  • a comparative example will be described below.
  • the difference between the gain of the main polarization component of the composite wave in the first direction D (FIG. 1A) viewed from the array antenna and the desired gain is denoted by Gd, and the first direction D (FIG. 1A) viewed from the array antenna.
  • Gd the gain of the cross-polarization component of the composite wave at .
  • An optimum phase condition is obtained so that the sum of the square of the difference Gd between the main polarization component and the desired gain and the square of the gain Gc of the cross polarization component is minimized.
  • a phase condition is obtained in which the gain of the main polarization component approaches the desired gain and the gain Gc of the cross polarization component becomes small.
  • the obtained phase condition depends on the desired gain of the main polarization component.
  • setting the gain corresponding to the intensity E1 of the circularly polarized wave PW1 shown on the left end of FIG. A composite wave close to the circularly polarized wave PW1 is realized.
  • a synthetic wave like the elliptically polarized wave shown in the center of FIG. 6 can be realized. .
  • the obtained phase condition does not always maximize the short-axis intensity of the composite wave.
  • the optimum phase condition is obtained by the method according to the first embodiment, it is possible to maximize the minor axis intensity of the composite wave.
  • step S04a circularly polarized waves are radiated from the plurality of antenna elements 22 of the first array antenna 21 (FIG. 1A), and the combined wave is received to obtain a right-handed circularly polarized wave.
  • the intensity of the wave component and the intensity of the left-hand circular polarization component are measured.
  • radio waves are radiated from each of the plurality of antenna elements 22 at different times, and the circularly polarized waves radiated from each of the antenna elements 22 are individually received.
  • the intensity of the right-handed circularly polarized wave component and the intensity of the left-handed circularly polarized wave component of the radio wave are measured. Furthermore, the phase difference between the antenna elements 22 for the right-handed circularly polarized component and the phase difference between the antenna elements 22 for the left-handed circularly polarized component are measured.
  • step S04a if a certain antenna element 22 has already received radio waves radiated under the same phase condition, there is no need to re-execute the procedure of radiating and receiving under the same phase condition, and the measured information should be used.
  • the optimum phase condition determination method according to the second modification of the first embodiment will be described.
  • the intensity of the right-handed circularly polarized wave component, the intensity of the left-handed circularly polarized wave component, and the antenna The phase difference of the right-handed circularly polarized wave component and the phase difference of the left-handed circularly polarized wave component between the elements 22 are measured.
  • these physical quantities are calculated using an electromagnetic field simulator for each antenna element 22 .
  • step S05a the minor axis intensity of the composite wave is calculated based on the simulation results.
  • the optimum phase condition can be determined in the same manner as in the first embodiment.
  • step S04a the circularly polarized wave receiving antenna for reception is operated for right-handed circularly polarized waves and left-handed circularly polarized waves to receive the combined wave, and the right-handed circularly polarized waves are received.
  • Any two mutually linearly independent polarization components may be received in addition to the right-hand circular polarization component and the left-hand circular polarization component.
  • An example of a linearly independent relationship is an orthogonal relationship.
  • An example of two non-orthogonal, linearly independent polarization components is a vertical polarization component and a left-handed circular polarization component.
  • Examples of two mutually orthogonal polarization components include a left-hand circular polarization component and a right-hand circular polarization component, as well as a vertical polarization component and a horizontal polarization component.
  • a vertically polarized wave component and a horizontally polarized wave component are received, and the intensity of two mutually orthogonal polarized wave components and the phase difference between the two are obtained. Based on the intensities of the two mutually orthogonal polarization components and the phase difference between the two, the minor axis intensity of the composite wave can be obtained.
  • radio waves are radiated from the plurality of antenna elements 22 at different times, and the antenna elements 22 are orthogonal to each other.
  • Two polarization components may be received.
  • the intensity and phase difference of two mutually orthogonal polarization components may be obtained by simulation.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the positional relationship between the first antenna module 20 and the second antenna module 30 and the definition of the coordinate system.
  • the optimum phase condition of the first array antenna 21 that radiates circularly polarized waves is determined.
  • the optimum phase condition for the second array antenna 31 that radiates linearly polarized waves is determined.
  • a second array antenna 31 is mounted on the second antenna module 30 , and the second array antenna 31 is composed of a plurality of antenna elements 32 .
  • An xyz orthogonal coordinate system is defined in which the boresight direction of the second array antenna 31 is the positive direction of the z-axis.
  • a direction from the second array antenna 31 is specified by a polar angle ⁇ and an azimuth angle ⁇ .
  • the optimum phase condition for receiving the linearly polarized wave 37 emitted from the second array antenna 31 by the first antenna module 20 that transmits and receives the circularly polarized wave 27 is determined.
  • FIG. 9 is a flow chart showing the procedure of phase condition determination processing employed in the optimum phase condition determination method according to the second embodiment.
  • Step S05a of the phase condition determination process (FIG. 4) employed in the method according to the first embodiment is replaced with step S05b.
  • Other steps are the same as the corresponding steps of the phase condition determination process (FIG. 4) employed in the method according to the first embodiment.
  • the phase condition of the selected antenna element 22 is fixed so that the short-axis intensity of the composite wave is maximized.
  • the phase condition of the selected antenna element 32 is fixed so that the long-axis intensity of the composite wave is maximized (step S05b).
  • the long axis intensity is maximized means that it is maximized among a plurality of evaluated phase conditions. If it is made smaller, the long axis strength may become larger.
  • maximizing the long-axis strength means maximizing the long-axis strength among a plurality of phase conditions to be evaluated.
  • the long-axis intensity A sum,mj of the composite wave can be obtained by the following equation instead of the above equation (4).
  • the long-axis intensity of polarized waves in a desired direction as viewed from the second array antenna 31 is maximized.
  • the short axis intensity is sufficiently smaller than the long axis intensity, when the radio waves radiated from the second array antenna 31 are received by the circularly polarized wave receiving antenna, the polarization direction of the linearly polarized wave and the direction of the circularly polarized wave receiving antenna A sufficient reception level can be ensured regardless of the relationship with the turning direction.
  • step S04a linearly polarized waves are radiated from the plurality of antenna elements 32 of the second array antenna 31 (FIG. 8), and the synthesized waves are received to generate right-handed circularly polarized waves.
  • the intensity of the wave component and the intensity of the left-hand circular polarization component are measured.
  • radio waves are radiated from each of the plurality of antenna elements 32 at different times, and the linearly polarized waves radiated from each of the antenna elements 32 are individually received.
  • the intensity of the right-handed circularly polarized wave component and the intensity of the left-handed circularly polarized wave component of the radio wave are measured. Furthermore, the phase difference between the antenna elements 22 for the right-handed circularly polarized component and the phase difference between the antenna elements 22 for the left-handed circularly polarized component are measured.
  • step S04a if the radio wave radiated under the same phase condition has already been received, there is no need to repeat the procedure of radiating and receiving under the same phase condition, and the measured information can be used.
  • the optimal phase condition determination method according to the second modification of the second embodiment will be described.
  • radio waves are actually radiated from each of the antenna elements 32 and received by the receiving antenna, thereby obtaining the intensity of the right-handed circularly polarized wave component, the intensity of the left-handed circularly polarized wave component, and the right-handed
  • the phase difference between the antenna elements 32 of the circular polarization component and the phase difference between the antenna elements 32 of the left circular polarization component are measured.
  • these physical quantities are calculated using an electromagnetic field simulator for each antenna element 32 .
  • the optimum phase condition can be determined in the same manner as in the second embodiment.
  • FIG. 5 The communication system according to the third embodiment performs communication using information similar to the optimal phase condition list 29 (FIG. 5) determined by the optimal phase condition determination method according to the first or second embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a communication system according to the third embodiment.
  • a first antenna module 20 is mounted on a processing device 51 and a second antenna module 30 is mounted on augmented reality (AR) glasses 52 .
  • the first antenna module 20 transmits and receives circularly polarized waves 27
  • the second antenna module 30 transmits and receives linearly polarized waves 37 .
  • the processing device 51 communicates with various servers and the like via the Internet 53 .
  • the processing device 51 is stored, for example, in a bag carried by the person wearing the AR glasses 52 or in a pocket of the person's clothing.
  • FIG. 11 is a block diagram of a communication system according to the third embodiment.
  • a first antenna module 20 includes a first array antenna 21 , a high frequency circuit 23 and a control section 24 .
  • the first array antenna 21 is composed of a plurality of antenna elements 22 and transmits and receives circularly polarized waves 27 .
  • High frequency circuit 23 includes a plurality of phase shifters 25 connected to each of antenna elements 22 . Phase shifter 25 changes the phase of the high frequency signal supplied to antenna element 22 .
  • the control unit 24 stores an optimum phase condition list 29 (FIG. 5).
  • the optimum phase condition list 29 is created using the optimum phase condition determination method (FIG. 4) according to the first embodiment.
  • the control unit 24 refers to the optimum phase condition list 29 and controls the phase shifter 25 .
  • the control unit 24 selects one optimum phase condition from the plurality of optimum phase conditions included in the optimum phase condition list 29 based on the reception level of the radio waves received by the second antenna module 30, which is the communication partner. to select. For example, the optimum phase condition is selected such that the reception level by the second antenna module 30 is maximized.
  • the control unit 24 controls the phase shifter 25 of the high frequency circuit 23 under the selected optimum phase condition.
  • the control unit 24 of the first antenna module 20 selects one optimal phase condition from the optimal phase condition list 29 and controls the phase of the first array antenna 21 based on the selected optimal phase condition.
  • the second antenna module 30 measures the reception strength and transmits the measured value to the first antenna module 20 . This procedure is repeated for all optimum phase conditions stored in optimum phase condition list 29 .
  • the control unit 24 of the first antenna module 20 adopts the optimum phase condition when the measured value of the reception strength received from the second antenna module 30 is the highest.
  • the control unit 24 operates the high frequency circuit 23 under the adopted optimum phase condition to communicate with the second antenna module 30 .
  • This method does not use the directional information contained in the optimum phase condition list 29 (FIG. 5). Therefore, the optimum phase condition list 29 does not necessarily contain information about directions.
  • the optimum phase condition list 29 is searched in the direction of the communication partner, and the optimum phase condition associated with the direction closest to the direction in which the communication partner exists is adopted. do it. In this case, the transmission/reception procedure for adopting one optimum phase condition from the optimum phase condition list 29 can be omitted.
  • the second antenna module 30 similarly includes a second array antenna 31, a high frequency circuit 33, and a control section .
  • the second array antenna 31 is composed of a plurality of antenna elements 32 and transmits and receives linearly polarized waves 37 .
  • High frequency circuit 33 includes a plurality of phase shifters 35 connected to each of antenna elements 32 .
  • the phase shifter 35 changes the phase of the high frequency signal supplied to the antenna element 32 .
  • An optimum phase condition list 39 is stored in the control unit 34 .
  • the optimum phase condition list 39 is created using the optimum phase condition determination method (FIG. 9) according to the second embodiment.
  • the control unit 34 refers to the optimum phase condition list 39 and controls the phase shifter 35 .
  • the control unit 34 adds the optimum phase condition list 39 based on the reception level of the radio waves received by the first antenna module 20, which is the communication partner.
  • One optimal phase condition is selected from a plurality of included optimal phase conditions.
  • the procedure for the control unit 34 of the second antenna module 30 to select one optimum phase condition from a plurality of optimum phase conditions included in the optimum phase condition list 39 is the same as the procedure performed by the control unit 24 of the first antenna module 20. is.
  • the control unit 24 of the first antenna module 20 of the communication system stores the optimum phase condition list 29 created by the method (FIG. 4) according to the first embodiment, and controls the second antenna module 30.
  • the unit 34 stores an optimum phase condition list 39 created by the method (FIG. 9) according to the second embodiment.
  • First antenna module 21
  • First array antenna 22
  • Antenna element 23
  • High frequency circuit 24
  • Control unit 25
  • Phase shifter 26
  • Elliptical polarization 27
  • Optimum phase condition list 30
  • Second antenna module 31
  • Second array antenna 32
  • Antenna element 33
  • Frequency circuit 34
  • Phase shifter 37
  • Linear polarization 39
  • Optimal phase condition list 51
  • Processing device 52
  • Augmented reality (AR) glasses 53 53

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子のそれぞれから第１方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの短軸方向成分の最大値である短軸強度を、複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の位相条件が異なる複数の位相条件について求める。合成波の短軸強度が最大になるように、複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の最適な位相条件を決定する。

Description

最適位相条件決定方法、アンテナモジュール、及び通信システム
　本発明は、アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子に供給する高周波信号の最適な位相条件を決定する方法、及びこの方法を利用したアンテナモジュール及び通信システムに関する。
　円偏波を送受信するアンテナと直線偏波を送受信するアンテナとの間で安定した通信を行うことが求められている。円偏波用のアンテナから放射される電波は、実際には楕円偏波である場合が多い。楕円偏波を直線偏波用の受信アンテナで受信する場合、楕円偏波の長軸方向と、受信アンテナの直線偏波の振動方向との関係によって、受信レベルが変動する。楕円偏波の長軸方向と受信アンテナの直線偏波の振動方向とが一致する場合に、受信レベルが最大になる。逆に、楕円偏波の短軸方向と受信アンテナの直線偏波の振動方向とが一致する場合には、受信レベルが最小になる。
　楕円偏波の長軸方向と、受信アンテナの直線偏波の振動方向との位置関係に依らず安定した通信を行うために、円偏波の軸比を改善することが好ましい。ここで、「軸比」は、楕円偏波の電界ベクトルの短軸成分の最大値Ｅｍｉに対する長軸成分の最大値Ｅｍｊの比（Ｅｍｉ／Ｅｍｊ）と定義される。完全な円偏波の軸比は１であり、楕円偏波の軸比は１より大きい。
　下記の特許文献１に、円偏波の軸比を改善することができるシーケンシャルアレーアンテナが開示されている。このシーケンシャルアレーアンテナは、複数のサブアレーを備えており、サブアレーの各々は、複数の円偏波アンテナ素子を含む。サブアレーの各々に含まれる複数のアンテナ素子が、回転方向の姿勢をずらすことによりシーケンシャル化されている。さらに、複数のサブアレーの間でもシーケンシャル化されている。このように配置することにより、個々のアンテナ素子の軸比にばらつきがあっても、全体として軸比のばらつきの影響が軽減される。
特開平３－１５１７０３号公報
　通信距離や通信速度（ビットレート）によっては、すべての円偏波アンテナ素子を動作させる必要がない場合がある。従来のシーケンシャルアレーアンテナでは、一部の円偏波アンテナ素子を動作せる場合に、良好な軸比を維持できない場合がある。良好な軸比を維持できなくなると、通信の安定性を十分高めることができない。一部の円偏波アンテナ素子を動作させる場合にも、通信の安定性を高めることが望まれる。
　本発明の目的は、すべての円偏波アンテナ素子を動作させる場合、及び一部の円偏波アンテナ素子を動作させる場合のいずれにおいても、安定した通信を行うことが可能な最適位相条件決定方法を提供することである。本発明の他の目的は、この最適位相条件決定方法を適用したアンテナモジュール及び通信システムを提供することである。
　本発明の一観点によると、
　アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子のそれぞれから第１方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの短軸方向成分の最大値である短軸強度を、前記複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の位相条件が異なる複数の位相条件について求め、
　前記合成波の短軸強度が最大になるように、前記複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の最適な位相条件を決定する最適位相条件決定方法が提供される。
　本発明の他の観点によると、
　アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子のそれぞれから第１方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの長軸方向成分の最大値である長軸強度を、前記複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の位相条件が異なる複数の位相条件について求め、
　前記合成波の長軸強度が最大になるように、前記複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の最適な位相条件を決定する最適位相条件決定方法が提供される。
　本発明のさらに他の観点によると、
　円偏波の送受信を行う複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナと、
　前記複数のアンテナ素子のそれぞれに、アンテナ素子間で位相を調整して高周波信号を供給する高周波回路と、
　前記アレーアンテナから見た複数の方向のそれぞれに、前記複数のアンテナ素子に供給する高周波信号の位相条件を関連付けた最適位相条件リストを記憶しており、電波を送信すべき方向に応じて、当該方向に関連付けられた位相条件で動作するように前記高周波回路を制御する制御部と
を備え、
　前記最適位相条件リストに含まれる位相条件は、前記複数のアンテナ素子から当該位相条件に関連付けられた方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの短軸方向成分の最大値である短軸強度が最大になるように決定されているアンテナモジュールが提供される。
　本発明のさらに他の観点によると、
　直線偏波の送受信を行う複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナと、
　前記複数のアンテナ素子のそれぞれに、アンテナ素子間で位相を調整して高周波信号を供給する高周波回路と、
　前記アレーアンテナから見た複数の方向のそれぞれに、前記複数のアンテナ素子に供給する高周波信号の位相条件を関連付けた最適位相条件リストを記憶しており、電波を送信すべき方向に応じて、当該方向に関連付けられた位相条件で動作するように前記高周波回路を制御する制御部と
を備え、
　前記最適位相条件リストに含まれる位相条件は、前記複数のアンテナ素子から当該位相条件に関連付けられた方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの長軸方向成分の最大値である長軸強度が最大になるように決定されているアンテナモジュールが提供される。
　本発明のさらに他の観点によると、
　第１アンテナモジュールと、
　直線偏波の送受信を行うことにより前記第１アンテナモジュールと通信を行う第２アンテナモジュールと
を備えた通信システムであって、
　前記第１アンテナモジュールは、
　円偏波の送受信を行う複数の第１アンテナ素子を含む第１アレーアンテナと、
　前記複数の第１アンテナ素子のそれぞれに、第１アンテナ素子間で位相を調整して高周波信号を供給する第１高周波回路と、
　前記第１アレーアンテナから見た複数の方向のそれぞれに対して、前記複数の第１アンテナ素子に供給する高周波信号の位相条件を関連付けて記憶しており、電波を送信すべき方向に応じて、当該方向に関連付けられた位相条件で動作するように前記第１高周波回路を制御する第１制御部と
を備え、
　前記第１制御部に記憶された位相条件は、前記複数の第１アンテナ素子から当該位相条件に関連付けられた方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの短軸方向成分の最大値である短軸強度が最大になるように決定されており、
　前記第２アンテナモジュールは、直線偏波の送受信を行う第２アンテナ素子を備え、前記第１アンテナモジュールからの電波を受信すると、受信強度の測定値を前記第１アンテナモジュールに送信し、
　前記第１制御部は、複数の位相条件で前記第１高周波回路を動作させ、前記第２アンテナモジュールから受信した受信強度の測定値が最も高くなる位相条件を最適位相条件として決定し、前記最適位相条件で前記第１高周波回路を動作させて前記第２アンテナモジュールと通信を行う通信システムが提供される。
　本発明のさらに他の観点によると、
　円偏波の送受信を行う第１アンテナモジュールと、
　前記第１アンテナモジュールと通信を行う第２アンテナモジュールと
を備えた通信システムであって、
　前記第２アンテナモジュールは、
　直線偏波の送受信を行う複数の第２アンテナ素子を含む第２アレーアンテナと、
　前記複数の第２アンテナ素子のそれぞれに、第２アンテナ素子間で位相を調整して高周波信号を供給する第２高周波回路と、
　前記第２アレーアンテナから見た複数の方向のそれぞれに対して、前記複数の第２アンテナ素子に供給する高周波信号の位相条件を関連付けて記憶しており、電波を送信すべき方向に応じて、当該方向に関連付けられた位相条件で動作するように前記第２高周波回路を制御する第２制御部と
を備え、
　前記第２制御部に記憶された位相条件は、前記複数の第２アンテナ素子から当該位相条件に関連付けられた方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの長軸方向成分の最大値である長軸強度が最大になるように決定されており、
　前記第１アンテナモジュールは、円偏波の送受信を行う第１アンテナ素子を備え、前記第２アンテナモジュールからの電波を受信すると、受信強度の測定値を前記第２アンテナモジュールに送信し、
　前記第２制御部は、複数の位相条件で前記第２高周波回路を動作させ、前記第１アンテナモジュールから受信した受信強度の測定値が最も高くなる位相条件を最適位相条件として決定し、前記最適位相条件で前記第２高周波回路を動作させて前記第１アンテナモジュールと通信を行う通信システムが提供される。
　合成波の短軸強度を最大化すると、到来する楕円偏波の傾き方向と直線偏波受信アンテナの振動方向との相対位置関係に依らず、楕円偏波を安定して受信することができる。合成波の長軸強度を最大化すると、到来する直線偏波の偏波方向と円偏波受信アンテナとの位置関係に依らず、直線偏波を安定して受信することができる。
図１Ａは、第１アンテナモジュールと第２アンテナモジュールとの位置関係と、座標系の定義を示す模式図であり、図１Ｂは、第１アレーアンテナからの方向と、第２アンテナモジュールでの受信レベルとの関係の一例を示すグラフである。 図２は、参考例による最適位相条件決定方法で採用される位相条件決定処理の手順を示すフローチャートである。 図３Ａ及び図３Ｂは、第１アレーアンテナから放射された合成波の２つの偏波状態を示す模式図である。 図４は、第１実施例による最適位相条件決定方法で採用される位相条件決定処理の手順を示すフローチャートである。 図５は、最適位相条件リストの一例を示す図表である。 図６は、円偏波及び楕円偏波の電界ベクトルの軌跡を示す模式図である。 図７は、アレーアンテナの複雑さと優位性との関係を定性的に示すグラフである。 図８は、第１アンテナモジュールと第２アンテナモジュールとの位置関係と、座標系の定義を示す模式図である。 図９は、第２実施例による最適位相条件決定方法で採用される位相条件決定処理の手順を示すフローチャートである。 図１０は、第３実施例による通信システムの概略図である。 図１１は、第３実施例による通信システムのブロック図である。
　本願発明の実施例について説明する前に、図１Ａから図３Ｂまでの図面を参照して、本願の発明者らが提案する参考例による最適位相条件決定方法について説明する。なお、図１Ａ、図１Ｂ、図３Ａ、図３Ｂは、実施例による最適位相条件決定方法の説明においても参照される。
　［参考例］
　図１Ａは、第１アンテナモジュール２０と第２アンテナモジュール３０との位置関係と、座標系の定義を示す模式図である。第１アンテナモジュール２０のボアサイト方向をｚ軸の正の向きとするｘｙｚ直交座標系を定義する。任意の方向の極角をθと標記し、方位角をφと標記する。第１アンテナモジュール２０は、例えば平面上に配列した複数のアンテナ素子２２からなる第１アレーアンテナ２１を搭載している。複数のアンテナ素子２２の各々は円偏波２７の送受信を行うように設計されている。複数のアンテナ素子２２からそれぞれ放射される電波の合成波は、一般的に楕円偏波になる。これは、合成波に主偏波成分のみではなく交差偏波成分も含まれるためである。第２アンテナモジュール３０は、直線偏波３７の送受信を行う。本明細書において、「円偏波を送受信する」という表現は、厳密な円偏波を送受信する場合のみならず楕円偏波を送受信する場合を含む。
　第１アンテナモジュール２０を駆動する条件には、複数のアンテナ素子２２のそれぞれのオンオフを指定する情報、及びオンにするアンテナ素子２２の各々に供給する高周波信号の位相が含まれる。ここで、「オン」とは、アンテナ素子に高周波信号を供給することを意味し、「オフ」とは、アンテナ素子への高周波信号の供給を停止することを意味する。アンテナ素子２２のオンオフ、及びアンテナ素子２２に供給する高周波信号の位相を含む条件を、複数のアンテナ素子２２を駆動する位相条件ということとする。
　第１アンテナモジュール２０から見たときの特定の方向を第１方向Ｄということとする。本参考例では、第１アンテナモジュール２０から第１方向Ｄに向かう合成波の主偏波成分を最大化するように、最適な位相条件を決定し、最適位相条件で複数のアンテナ素子２２に高周波信号を供給する。
　第１方向Ｄが変化すると、最適位相条件も変化する。本明細書において、ある第１方向Ｄの最適位相条件を見つける処理を「位相条件探索処理」という。例えば、アンテナ素子２２が３２個配置されており、アンテナ素子２２の各々に供給する高周波信号の位相を移相器で９０°刻みで変化させる場合、位相条件は（４＋１）３２通り存在することになる。ここで、「４」は、アンテナ素子２２がオンで、かつ位相が０°、９０°、１８０°、２７０°の４つの状態をとることを表しており、「１」は、アンテナ素子２２がオフの状態をとることを表している。なお、位相の刻み幅は、９０°以外にしてもよい。位相条件探索処理は、（４＋１）３２通りの位相条件の中から、最適な１つの位相条件を決定する処理である。
　最適位相条件は、第１アレーアンテナ２１から見る方向によって異なっている。
　図１Ｂは、第１アレーアンテナ２１から第２アンテナモジュール３０を見たときの方向と、第２アンテナモジュール３０での受信レベルとの関係の一例を示すグラフである。横軸は、第１アンテナモジュール２０から第２アンテナモジュール３０を見た方向を表し、縦軸は受信レベルを表す。なお、第１アンテナモジュール２０から見た方向は、極角θと方位角φとの二次元で定義されるが、図１Ｂでは、方向を一次元で表記している。例えば、第２アンテナモジュール３０を方向Ｄ０の位置に配置したときには、位相条件Ｐｈｃ０が最適である。第２アンテナモジュール３０を方向Ｄ１、Ｄ２の位置に配置したときには、それぞれ位相条件Ｐｈｃ１、Ｐｈｃ２が最適である。
　図２は、参考例による最適位相条件決定方法（位相条件探索処理）の手順を示すフローチャートである。一例として、主偏波が右旋円偏波である場合を示している。このとき、主偏波に対して直交関係を持つ交差偏波は左旋円偏波である。以下、偏波の「直交」について説明する。
　ある位置における２つの偏波の電界ベクトルの時間変化を複素数表示でＡ（ｔ）、Ｂ（ｔ）と標記する。以下の式を満たす場合、時刻ｔ０とｔ１との間で２つの偏波が直交しているという。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここで、Ａ＊（ｔ）は、電界ベクトルＡ（ｔ）の複素共役を表す。ポアンカレ球状のある点の偏波状態と、真裏の点の偏波状態とは、相互に直交する。例えば、垂直偏波と水平偏波とは、相互に直交し、右旋円偏波と左旋円偏波とは相互に直交する。
　まず、キャリブレーションの対象となる第１方向Ｄ（図１Ａ）を決定する（ステップＳ０１）。次に、第１アレーアンテナ２１の位相条件の初期値を決定する（ステップＳ０２）。いずれか１つのアンテナ素子２２をオフからオンに切り替え、その位相を調整すると、合成波の主偏波成分の強度を大きくすることができる。したがって、本参考例では、アンテナ素子２２をオフにする状態を考慮する必要はない。アンテナ素子２２の各々は、位相が０°、９０°、１８０°、２７０°の４つの状態を取り得る。
　位相条件の初期値として、すべてのアンテナ素子２２の位相条件を０°とした状態を採用する。ここで、「アンテナ素子２２の位相条件」とは、アンテナ素子２２に供給する高周波信号の位相を意味する。ｉ番目のアンテナ素子２２の位相条件をΦｉと標記すると、位相条件の初期値は、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ここで、Ｎはアンテナ素子２２の個数である。
　次に、複数のアンテナ素子２２から未選択状態の１つのアンテナ素子２２を選択する。（ステップＳ０３）。最初は、すべてのアンテナ素子２２が未選択状態であるため、例えば、１番目のアンテナ素子２２を選択する。一旦選択されたアンテナ素子２２は、選択済の状態になる。
　次に、選択したアンテナ素子２２の位相条件を変化させて、位相条件ごとに、第１方向Ｄに放射される合成波の右旋円偏波成分の強度を取得する（ステップＳ０４）。例えば、第１方向Ｄに配置した円偏波受信アンテナを右旋円偏波受信状態に設定して、第１アレーアンテナ２１から放射された合成波を受信することにより、右旋円偏波成分の強度を測定することができる。
　選択したアンテナ素子２２の位相条件を、右旋円偏波成分の強度が最大となるときの位相条件に固定する（ステップＳ０５）。ステップＳ０３からステップＳ０５までの手順を、すべてのアンテナ素子２２が選択済になるまで繰り返す（ステップＳ０６）。例えば、１番目、２番目、３番目、・・・Ｎ番目のアンテナ素子２２を順番に選択する。
　すべてのアンテナ素子２２が選択済になったら、アンテナ素子２２のそれぞれに固定された位相条件を、位相条件の現在値とする（ステップＳ０７）。位相条件の現在値が初期値と一致するか否かを判定する（ステップＳ０８）。位相条件の現在値が初期値と異なる場合、すなわちステップＳ０５で、少なくとも一つのアンテナ素子２２の位相条件が変更された場合、位相条件の現在値を新たな初期値とする（ステップＳ０９）。
　すべてのアンテナ素子２２を未選択の状態に設定し（ステップＳ１０）、ステップＳ０３からの手順を繰り返す。すなわち、位相条件の現在値と初期値とが一致するまで、ステップＳ０３からステップＳ１０までの手順を繰り返す。ステップＳ０８において、位相条件の現在値が初期値に一致したら、位相条件の現在値を最適位相条件とする（ステップＳ１１）。
　参考例による位相条件探索処理を行うことによって決定された最適位相条件で第１アレーアンテナ２１を動作させることにより、第１方向Ｄ（図１Ａ）に放射する電波の右旋円偏波の成分を最大化することができる。なお、ここで「最大化」とは、評価を行った複数の位相条件の中で最大であるという意味であり、評価を行っていない位相条件、例えば、評価を行ったときの位相の刻み幅よりも小さな角度だけ位相を変化させた場合には、右旋円偏波の成分がより大きくなる場合もあり得る。第１方向Ｄに放射する電波の右旋円偏波の成分を最大化するということは、複数のアンテナ素子２２の右旋円偏波成分の位相を同相にすることに相当する。
　次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、参考例による位相条件探索処理の課題について説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、第１アレーアンテナ２１から放射された合成波の２つの偏波状態の例を示す模式図である。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、一例として、上向き及び下向きのときに右旋円偏波成分ＥＲと左旋円偏波成分ＥＬとの瞬時値の方向が一致する。電界ベクトルの右旋円偏波成分ＥＲと左旋円偏波成分ＥＬとの合成ベクトルの先端の軌跡Ｅが、縦方向に長い楕円になる。
　図３Ａに示した偏波の右旋円偏波成分ＥＲが、図３Ｂに示した偏波の右旋円偏波成分ＥＲより大きい。このため、参考例による位相条件探索処理（図２）によって最適位相条件を決定すると、図３Ｂではなく図３Ａの偏波状態となる位相条件が、最適位相条件として決定される。
　図３Ａに示した偏波状態の左旋円偏波成分ＥＬが、図３Ｂに示した偏波の左旋円偏波成分ＥＬより大きい。右旋円偏波成分ＥＲと左旋円偏波成分ＥＬとの差は、図３Ａの偏波の方が図３Ｂの偏波より小さい。このため、楕円偏波の電界ベクトルの短軸方向成分の最大値（以下、短軸強度Ｅｍｉという。）は、図３Ａの偏波の方が図３Ｂの偏波より小さくなる。なお、楕円偏波の電界ベクトルの長軸方向成分の最大値（以下、長軸強度Ｅｍｊという。）は、図３Ａの偏波の方が図３Ｂの偏波より大きくなる。
　図３Ａ及び図３Ｂの楕円偏波を、短軸方向に平行な電界振動方向を持つ直線偏波アンテナで受信すると、図３Ａの楕円偏波の受信レベルが、図３Ｂの楕円偏波の受信レベルより低くなってしまう。言い換えると、受信アンテナの電界振動方向の向きによって受信レベルが大きく変動してしまう。参考例による位相条件探索処理で最適位相条件を決定すると、合成波が図３Ａの楕円偏波になるため、受信レベルが不安定になりやすい。
　参考例による位相条件探索処理を適用して最適位相条件を決定する場合、以下のいずれかの条件が満たされていれば、楕円偏波の短軸強度を最大化することができる。
　一つ目は、複数のアンテナ素子２２の各々から第１方向Ｄに放射される偏波において、交差偏波成分が主偏波成分に対して無視できるほど小さいという条件である。二つ目は、複数のアンテナ素子２２を複数のペアに分類したとき、各ペアのアンテナ素子２２が第１方向Ｄに放射する楕円偏波の楕円の傾き角が相互に直交しており、主偏波成分を最大にする位相条件と、交差偏波成分が打ち消し合う位相条件とが一致するという条件である。
　上記２つの条件のいずれかを、広範囲の種々の第１方向Ｄで満たすためには、アンテナを高精度に製造しなければならず、現実的ではない。
　［第１実施例］
　次に、図４から図７までの図面を参照して第１実施例による最適位相条件決定方法について説明する。なお、必要に応じて図１Ａを参照する。上記参考例と同様の構成については重複した説明を省略する場合がある。上記参考例では、合成波の右旋円偏波成分の強度が最大になるように位相条件を調整している（図２のステップＳ０５）。これに対して第１実施例では、合成波の短軸強度が最大になるように位相条件を調整する。
　図４は、第１実施例による最適位相条件決定方法（位相条件探索処理）の手順を示すフローチャートである。まず、参考例と同様に、キャリブレーションの対象となる第１方向Ｄ（図１Ａ）を決定する（ステップＳ０１）。次に、オンオフ状態を含む位相条件の初期値を決定する（ステップＳ０２ａ）。参考例では、アンテナ素子２２をオフにすることは考慮されないが、第１実施例では、アンテナ素子２２をオフにすることがあり得る。これは、アンテナ素子２２によっては、それをオンにして位相をどのように調整しても、合成波の短軸強度を小さくしてしまう場合があり得るためである。このような場合は、そのアンテナ素子２２をオフにする。
　第１実施例では、アンテナ素子２２の各々は、位相が０°、９０°、１８０°、２７０°、及びオフの５つの状態のいずれかに設定される。位相条件の初期値として、例えばすべてのアンテナ素子２２をオフに設定する。
　参考例と同様に、未選択のアンテナ素子２２の中から１つのアンテナ素子２２を選択する（ステップＳ０３）。選択したアンテナ素子２２の位相条件（オフにする状態も含む）を変化させて、第１アレーアンテナ２１（図１Ａ）から第１方向Ｄに放射される合成波の右旋円偏波成分及び左旋円偏波成分のそれぞれの強度を取得する（ステップＳ０４ａ）。例えば、第１方向Ｄに、円偏波受信アンテナを配置し、右旋円偏波を受信する状態に設定して合成波を受信し、その後左旋円偏波を受信する状態に切り替えて合成波を受信する。これにより、右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を測定することができる。
　次に、選択したアンテナ素子２２の位相条件を、合成波の短軸強度が最大となるときの条件に固定する（ステップＳ０５ａ）。これにより、選択したアンテナ素子２２の位相条件が、オフ、０°、９０°、１８０°、２７０°のいずれかに固定される。ここで「短軸強度が最大となる」とは、評価を行った複数の位相条件の中で最大となるという意味であり、評価を行っていない位相条件、例えば、位相の刻み幅を９０°より小さくした場合には、短軸強度がより大きくなる場合もあり得る。本明細書において、「短軸強度を最大化する」とは、評価を行う複数の位相条件の中で短軸強度を最大化することを意味する。
　以下、合成波の短軸強度を求める方法について説明する。合成波の右旋円偏波成分の強度をＡｓｕｍ，Ｒ［ｄＢｍ］と標記し、左旋円偏波成分の強度をＡｓｕｍ，Ｌ［ｄＢｍ］と標記する。ここで、大カッコ［　］は、単位を表す。右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度の単位を、下記の換算式を用いて（ｍＷ）１／２に変換する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　合成波の短軸強度Ａｓｕｍ，ｍｉは、以下の式により計算することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　選択したアンテナ素子２２の位相条件を、合成波の短軸強度が最大になる位相条件に固定（ステップＳ０５ａ）した後、すべてのアンテナ素子２２が選択されるまで、ステップＳ０３からステップＳ０５ａまでの手順を繰り返す（ステップＳ０６）。
　すべてのアンテナ素子２２が選択済になると、アンテナ素子２２の各々に固定された位相条件を、位相条件の現在値とする（ステップＳ０７ａ）。位相条件の現在値が、初期値に一致するか否かを判定する（ステップＳ０８）。位相条件の現在値が初期値に一致しない場合は、位相条件の現在値を新たな初期値とし（ステップＳ０９）、すべてのアンテナ素子を未選択の状態に設定する（ステップＳ１０）。位相条件の現在値が初期値に一致するまで、ステップＳ０３からステップＳ１０までの手順を繰り返す。
　ステップＳ０８において、位相条件の現在値が初期値に一致した場合は、位相条件の現在値を最適位相条件として採用する（ステップＳ１１）。
　キャリブレーションの対象となる第１方向Ｄを異ならせて、図４に示した手順を実行することにより、複数の第１方向Ｄのそれぞれについて、最適位相条件を決定する。これにより、第１アレーアンテナ２１（図１）から見た複数の方向のそれぞれに、第１アレーアンテナ２１を動作させる最適位相条件を関連付けた最適位相条件リストが得られる。
　図５は、最適位相条件リスト２９の一例を示す図表である。例えば、複数の方向のそれぞれは、極角θ及び方位角φで特定される。方向ごとに、最適位相条件が関連付けられている。最適位相条件はアンテナ素子２２ごとに設定されるオンオフの状態及び位相の値を含む。図５において、中カッコの中の複数の小カッコの各々が、１つのアンテナ素子２２の位相条件を表している。１つの中カッコが、第１アレーアンテナ２１の第１方向Ｄにおける最適位相条件を表している。最適位相条件リスト２９は、複数の位相条件Ｐｈｃ０、Ｐｈｃ１、Ｐｈｃ２、・・・を含んでいる。
　次に、図３Ａ、図３Ｂ、図６、図７を参照して、第１実施例の優れた効果について説明する。
　第１実施例（図４）では、合成波の短軸強度が最大になるように最適位相条件が決定される（ステップＳ０５ａ）。図３Ｂに示した楕円偏波の短軸強度Ｅｍｉが、図３Ａに示した楕円偏波の短軸強度Ｅｍｉより大きい。このため、第１実施例による方法で採用される位相条件決定処理を実行して得られた最適位相条件で第１アレーアンテナ２１を動作させると、図３Ａの楕円偏波よりも図３Ｂの楕円偏波に近い合成波が得られる。
　この合成波を直線偏波アンテナで受信する場合、直線偏波アンテナの電界振動方向が楕円偏波の短軸方向と平行になった最悪の条件でも、ある程度大きな受信レベルを確保することができる。これにより、安定した通信を行うことが可能になる。
　図６は、円偏波及び楕円偏波の電界ベクトルの軌跡を示す模式図である。左側に示した軌跡は円偏波ＰＷ１のものであり、その軸比は１である。中央及び右側に示した軌跡は、それぞれ楕円偏波ＰＷ２、ＰＷ３のものである。両者の軸比は１より大きい。楕円偏波ＰＷ２の短軸強度Ｅｍｉ２は円偏波ＰＷ１の強度Ｅ１より大きく、楕円偏波ＰＷ３の短軸強度Ｅｍｉ３は円偏波ＰＷ１の強度Ｅ１より小さい。
　位相条件を変えることによって、図６に示した円偏波ＰＷ１、楕円偏波ＰＷ２、ＰＷ３が実現された場合について考察する。例えば、合成波を、偏波方向が異なる少なくとも３種類の直線偏波アンテナで受信し、少なくとも３種類の直線偏波アンテナで受信された電波の強度が等しくなるような位相条件を求めることにより、円偏波ＰＷ１に近い合成波が実現される。第１実施例では、短軸強度が最大となるように最適位相条件が決定されるため、第１実施例による方法で決定された最適位相条件で第１アレーアンテナ２１（図１Ａ）を動作させると、楕円偏波ＰＷ２が得られる。このため、楕円偏波ＰＷ３の電波を直線偏波アンテナで受信する場合と比べて安定した通信を行うことができる。
　また、第１実施例による方法で得られる楕円偏波ＰＷ２を直線偏波アンテナで受信する場合、直線偏波アンテナの電界振動方向がどの方向を向いていても、円偏波ＰＷ１を受信する場合より受信レベルが大きくなる。このように、第１実施例による方法で採用される位相条件決定処理を実行することにより、軸比を１に近づけるように第１アレーアンテナを調整する方法と比べても、受信レベルをより大きくし、安定した通信を行うことが可能になる。
　図７は、アレーアンテナの複雑さと優位性との関係を定性的に示すグラフである。横軸はアレーアンテナの複雑さを表し、縦軸は優位性を表す。アレーアンテナの複雑さには、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の個数、アンテナ素子の形状の複雑さ、カバーすべき通信範囲の広さ等が含まれる。アンテナ素子の個数が増加すると複雑さが増す。カバーすべき範囲が広くなると複雑さが増す。図７のグラフ中の実線は第１実施例による方法、すなわち短軸強度を最大化するように位相条件決定処理を行う方法の優位性を示す。破線は、参考例による方法（図２）、すなわち主偏波成分の強度が最大になるように位相条件決定処理を行う方法の優位性を示す。
　参考例において既に説明したように、主偏波成分を最大化する条件と、楕円偏波の短軸強度を最大化する条件とがほぼ一致する場合には、参考例による方法を用いても短軸強度を大きくすることができる。ただし、この条件を満たすためには、アンテナの製造精度を高めなければならない。
　第１実施例による方法で採用される位相条件決定処理では、ステップＳ０４ａ（図４）において右旋円偏波と左旋円偏波との２つの偏波を受信するために、円偏波受信アンテナの切り替えが必要になる。また、２つの偏波を受信する必要があること、及びステップＳ０３（図４）で選択したアンテナ素子２２を、オフを含む５つの状態のそれぞれで動作させる必要があること等により、位相条件決定処理を行うのに必要な時間が長くなってしまう。
　アレーアンテナが単純で、主偏波成分を最大化する条件と、楕円偏波の短軸強度を最大化する条件とがほぼ一致するように高精度にアレーアンテナが製造されている場合には、参考例を適用することにより、受信アンテナの切り替えを行うことなく、かつ短時間で位相条件決定処理を行うことができる。このため、第１実施例よりも参考例の方が優位であるといえる。
　ただし、アンテナが複雑になると、主偏波成分を最大化する条件と、楕円偏波の短軸強度を最大化する条件とがほぼ一致するようにアレーアンテナを製造することが困難であり、現実的ではない。このような場合は、第１実施例の方が参考例より優位である。実際には、多くの場合、参考例よりも第１実施例の方が優位であるといえる。
　次に、上述の参考例とは異なる比較例と比較した第１実施例の優れた効果について説明する。上記参考例では、主偏波成分のみに着目して最適な位相条件を求めているが、以下に説明する比較例では、主偏波成分のみならず、交差偏波成分にも着目して最適な位相条件を求める。
　以下、比較例について説明する。アレーアンテナから見て第１方向Ｄ（図１Ａ）における合成波の主偏波成分の利得と、所望の利得との差をＧｄと標記し、アレーアンテナから見て第１方向Ｄ（図１Ａ）における合成波の交差偏波成分の利得をＧｃと標記する。主偏波成分と所望の利得との差Ｇｄの二乗と交差偏波成分の利得Ｇｃの二乗との和が最小になるように最適位相条件を求める。この方法では、主偏波成分の利得が所望の利得に近づき、かつ交差偏波成分の利得Ｇｃが小さくなる位相条件が求まる。
　比較例では、求まる位相条件が、主偏波成分の所望の利得に依存する。一例として、図６の左端に示した円偏波ＰＷ１の強度Ｅ１に相当する利得を所望の利得として設定して、比較例による方法で最適な位相条件を求めると、図６の左端に示した円偏波ＰＷ１に近い合成波が実現される。これに対して、第１実施例のように、短軸強度が最大になるという条件で最適な位相条件を求めると、図６の中央に示した楕円偏波のような合成波が実現され得る。
　このように、比較例による方法で最適な位相条件を求める場合、求められた位相条件で、合成波の短軸強度が最大になるとは限らない。これに対して第１実施例による方法で最適な位相条件を求めると、合成波の短軸強度を最大化することが可能である。
　次に、第１実施例の第１変形例による最適位相条件決定方法について説明する。
　第１実施例では、ステップＳ０４ａ（図４）において、第１アレーアンテナ２１（図１Ａ）の複数のアンテナ素子２２から円偏波を放射し、その合成波を受信することにより、右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を測定する。これに対して第１変形例では、複数のアンテナ素子２２のそれぞれから時間をずらして電波を放射し、アンテナ素子２２のそれぞれから放射された円偏波を個別に受信する。アンテナ素子２２ごとに、電波の右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を測定する。さらに、右旋円偏波成分のアンテナ素子２２間の位相差及び左旋円偏波成分のアンテナ素子２２間の位相差を測定する。
　これらの測定結果から、複数のアンテナ素子２２から放射された電波の合成波の右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を計算する。ステップＳ０４ａにおいて、あるアンテナ素子２２で、既に同一の位相条件で放射した電波を受信している場合には、同一の位相条件で放射及び受信する手順を再度実行する必要はなく、測定済の情報を使用すればよい。
　次に、第１実施例の第２変形例による最適位相条件決定方法について説明する。
　第１変形例では、アンテナ素子２２のそれぞれから実際に電波を放射し、受信アンテナで受信することにより、アンテナ素子２２ごとの右旋円偏波成分の強度、左旋円偏波成分の強度、アンテナ素子２２間の右旋円偏波成分の位相差、左旋円偏波成分の位相差を測定する。これに対して第２変形例では、アンテナ素子２２ごとに、電磁界シミュレータを用いてこれらの物理量を計算する。ステップＳ０５ａにおいて、シミュレーション結果に基づいて、合成波の短軸強度を計算する。
　第１実施例のこれらの変形例においても、第１実施例と同様に、最適位相条件を決定することができる。
　次に、第１実施例の第３変形例による最適位相条件決定方法について説明する。
　第１実施例では、ステップＳ０４ａ（図４）において、受信用の円偏波受信アンテナを右旋円偏波用及び左旋円偏波用として動作させて合成波を受信し、右旋円偏波成分及び左旋円偏波成分の強度を取得する。右旋円偏波成分及び左旋円偏波成分以外に、相互に線形独立な任意の２つの偏波成分を受信してもよい。線形独立の関係の一つの例として、直交関係が挙げられる。直交ではない線形独立の２つの偏波成分の例として、垂直偏波成分と左旋円偏波成分とが挙げられる。相互に直交する２つの偏波成分の例として、左旋円偏波成分と右旋円偏波成分の他に、垂直偏波成分と水平偏波成分とが挙げられる。例えば、垂直偏波成分及び水平偏波成分を受信し、相互に直交する２つの偏波成分の強度、及び両者の位相差を取得する。相互に直交する２つの偏波成分の強度、及び両者の位相差に基づいて、合成波の短軸強度を求めることができる。
　第１実施例の第３変形例においても、第１実施例の第１変形例のように、複数のアンテナ素子２２から時間をずらして電波を放射し、アンテナ素子２２ごとに、相互に直交する２つの偏波成分を受信するようにしてもよい。また、第１実施例の第２変形例のように、相互に直交する２つの偏波成分の強度、位相差を、シミュレーションによって求めてもよい。
　［第２実施例］
　次に、図８及び図９を参照して第２実施例による最適位相条件決定方法で採用される位相条件決定処理について説明する。以下、第１実施例による最適位相条件決定方法と共通の構成については説明を省略する。
　図８は、第１アンテナモジュール２０と第２アンテナモジュール３０との位置関係と、座標系の定義を示す模式図である。第１実施例（図１Ａ）では、円偏波を放射する第１アレーアンテナ２１の最適位相条件を決定する。これに対して第２実施例では、直線偏波を放射する第２アレーアンテナ３１の最適位相条件を決定する。第２アンテナモジュール３０に第２アレーアンテナ３１が搭載さてており、第２アレーアンテナ３１は、複数のアンテナ素子３２で構成されている。第２アレーアンテナ３１のボアサイト方向をｚ軸の正方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。第２アレーアンテナ３１からの方向は、極角θ及び方位角φで特定される。
　第２実施例では、第２アレーアンテナ３１から放射された直線偏波３７を、円偏波２７の送受信を行う第１アンテナモジュール２０で受信する場合の最適な位相条件を決定する。
　図９は、第２実施例による最適位相条件決定方法で採用される位相条件決定処理の手順を示すフローチャートである。第１実施例による方法で採用される位相条件決定処理（図４）のステップＳ０５ａが、ステップＳ０５ｂに置き換えられている。その他のステップは、第１実施例による方法で採用される位相条件決定処理（図４）の対応するステップと同一である。
　第１実施例では、合成波の短軸強度が最大になるように、選択したアンテナ素子２２の位相条件を固定する。これに対して第２実施例では、合成波の長軸強度が最大になるように、選択したアンテナ素子３２の位相条件を固定する（ステップＳ０５ｂ）。ここで「長軸強度が最大となる」とは、評価を行った複数の位相条件の中で最大となるという意味であり、評価を行っていない位相条件、例えば、位相の刻み幅を９０°より小さくした場合には、長軸強度がより大きくなる場合もあり得る。本明細書において、「長軸強度を最大化する」とは、評価を行う複数の位相条件の中で長軸強度を最大化することを意味する。
　合成波の長軸強度Ａｓｕｍ，ｍｊは、上述の式（４）に代えて、以下の式により求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　次に、第２実施例の優れた効果について説明する。
　第２実施例では、第２アレーアンテナ３１からみて所望の方向における偏波の長軸強度が最大になる。長軸強度に比べて短軸強度が十分小さい場合、第２アレーアンテナ３１から放射された電波を円偏波受信アンテナで受信する場合、直線偏波の偏波方向と、円偏波受信アンテナの旋回方向との関係に依らず、十分な受信レベルを確保することができる。
　次に、第２実施例の第１変形例による最適位相条件決定方法について説明する。
　第２実施例では、ステップＳ０４ａ（図９）において、第２アレーアンテナ３１（図８）の複数のアンテナ素子３２から直線偏波を放射し、その合成波を受信することにより、右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を測定する。これに対して第１変形例では、複数のアンテナ素子３２のそれぞれから時間をずらして電波を放射し、アンテナ素子３２のそれぞれから放射された直線偏波を個別に受信する。アンテナ素子３２ごとに、電波の右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を測定する。さらに、右旋円偏波成分のアンテナ素子２２間の位相差、及び左旋円偏波成分のアンテナ素子２２間の位相差を測定する。
　これらの測定結果から、複数のアンテナ素子３２から放射された電波の合成波の右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を計算する。ステップＳ０４ａにおいて、既に同一の位相条件で放射した電波を受信している場合には、同一の位相条件で放射及び受信する手順を再度実行する必要はなく、測定済の情報を使用すればよい。
　次に、第２実施例の第２変形例による最適位相条件決定方法について説明する。
　第１変形例では、アンテナ素子３２のそれぞれから実際に電波を放射し、受信アンテナで受信することにより、アンテナ素子３２ごとの右旋円偏波成分の強度、左旋円偏波成分の強度、右旋円偏波成分のアンテナ素子３２間の位相差、左旋円偏波成分のアンテナ素子３２間の位相差を測定する。これに対して第２変形例では、アンテナ素子３２ごとに、電磁界シミュレータを用いてこれらの物理量を計算する。
　第２実施例のこれらの変形例においても、第２実施例と同様に、最適位相条件を決定することができる。
　［第３実施例］
　次に、図１０及び図１１を参照して第３実施例による通信システムについて説明する。第３実施例による通信システムは、第１実施例または第２実施例による最適位相条件決定方法により決定された最適位相条件リスト２９（図５）と同様の情報を利用して通信を行う。
　図１０は、第３実施例による通信システムの概略図である。第１アンテナモジュール２０が処理デバイス５１に搭載されており、第２アンテナモジュール３０が拡張現実（ＡＲ）グラス５２に搭載されている。第１アンテナモジュール２０は円偏波２７の送受信を行い、第２アンテナモジュール３０は直線偏波３７の送受信を行う。処理デバイス５１は、インターネット５３を経由して種々のサーバ等と通信を行う。処理デバイス５１は、例えばＡＲグラス５２を装着した人が携行するバッグや、その人の着衣のポケットの中に保管される。
　図１１は、第３実施例による通信システムのブロック図である。第１アンテナモジュール２０が、第１アレーアンテナ２１、高周波回路２３、制御部２４を含む。第１アレーアンテナ２１は複数のアンテナ素子２２で構成されており、円偏波２７の送受信を行う。高周波回路２３は、アンテナ素子２２のそれぞれに接続される複数の移相器２５を含む。移相器２５は、アンテナ素子２２に供給する高周波信号の位相を変化させる。
　制御部２４に、最適位相条件リスト２９（図５）が記憶されている。最適位相条件リスト２９は、第１実施例による最適位相条件決定方法（図４）を用いて作成されたものである。制御部２４は、最適位相条件リスト２９を参照して移相器２５を制御する。このとき、制御部２４は、通信を行う相手側である第２アンテナモジュール３０が受信する電波の受信レベルに基づいて、最適位相条件リスト２９に含まれる複数の最適位相条件から一つの最適位相条件を選択する。例えば、第２アンテナモジュール３０による受信レベルが最大になるように最適位相条件を選択する。制御部２４は、選択した最適位相条件で高周波回路２３の移相器２５を制御する。
　次に、制御部２４が、最適位相条件リスト２９に含まれる複数の最適位相条件から一つの最適位相条件を選択する手順の一例について説明する。
　第１アンテナモジュール２０の制御部２４は、最適位相条件リスト２９から一つの最適位相条件を選択し、選択した最適位相条件に基づいて第１アレーアンテナ２１の位相を制御する。第２アンテナモジュール３０は、第１アンテナモジュール２０からの電波を受信すると、受信強度を測定し、測定値を第１アンテナモジュール２０に送信する。この手順を、最適位相条件リスト２９に格納されているすべての最適位相条件について繰り返す。
　第１アンテナモジュール２０の制御部２４は、第２アンテナモジュール３０から受信した受信強度の測定値が最も高くなるときの最適位相条件を採用する。一つの最適位相条件が採用されると、制御部２４は、採用した最適位相条件で高周波回路２３を動作させて第２アンテナモジュール３０と通信を行う。この方法では、最適位相条件リスト２９（図５）に含まれる方向に関する情報を使用しない。したがって、最適位相条件リスト２９は、必ずしも方向に関する情報を含まなくてもよい。
　なお、通信相手が存在する方向が既知である場合は、最適位相条件リスト２９を、通信相手の方向で検索して、通信相手が存在する方向に最も近い方向に関連付けられた最適位相条件を採用するとよい。この場合は、最適位相条件リスト２９から一つの最適位相条件を採用するための送受信の手順を省略することができる。
　第２アンテナモジュール３０も同様に、第２アレーアンテナ３１、高周波回路３３、制御部３４を含む。第２アレーアンテナ３１は複数のアンテナ素子３２で構成されており、直線偏波３７の送受信を行う。高周波回路３３は、アンテナ素子３２のそれぞれに接続される複数の移相器３５を含む。移相器３５は、アンテナ素子３２に供給する高周波信号の位相を変化させる。
　制御部３４に、最適位相条件リスト３９が記憶されている。最適位相条件リスト３９は、第２実施例による最適位相条件決定方法（図９）を用いて作成されたものである。制御部３４は、最適位相条件リスト３９を参照して移相器３５を制御する。このとき、第１アンテナモジュール２０の制御部２４の制御と同様に、制御部３４は、通信相手側である第１アンテナモジュール２０が受信する電波の受信レベルに基づいて、最適位相条件リスト３９に含まれる複数の最適位相条件から一つの最適位相条件を選択する。
　第２アンテナモジュール３０の制御部３４が、最適位相条件リスト３９に含まれる複数の最適位相条件から一つの最適位相条件を選択する手順は、第１アンテナモジュール２０の制御部２４が行う手順と同一である。
　次に、第３実施例の優れた効果について説明する。
　第３実施例による通信システムの第１アンテナモジュール２０の制御部２４は、第１実施例による方法（図４）で作成した最適位相条件リスト２９を記憶しており、第２アンテナモジュール３０の制御部３４は、第２実施例による方法（図９）で作成した最適位相条件リスト３９を記憶している。この最適位相条件リスト２９、３９を用いて、それぞれ第１アレーアンテナ２１及び第２アレーアンテナ３１を動作させることにより、受信電波のレベルの低下を抑制し、安定した通信を行うことができる。
　上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
２０　第１アンテナモジュール
２１　第１アレーアンテナ
２２　アンテナ素子
２３　高周波回路
２４　制御部
２５　移相器
２７　楕円偏波
２９　最適位相条件リスト
３０　第２アンテナモジュール
３１　第２アレーアンテナ
３２　アンテナ素子
３３　項周波回路
３４　制御部
３５　移相器
３７　直線偏波
３９　最適位相条件リスト
５１　処理デバイス
５２　拡張現実（ＡＲ）グラス
５３　インターネット

Claims (15)

  1. 　アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子のそれぞれから第１方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの短軸方向成分の最大値である短軸強度を、前記複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の位相条件が異なる複数の位相条件について求め、
    　前記合成波の短軸強度が最大になるように、前記複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の最適な位相条件を決定する最適位相条件決定方法。
  2. 　前記アレーアンテナは円偏波を送受信する請求項１に記載の最適位相条件決定方法。
  3. 　前記合成波の短軸強度を求める工程において、
    　前記合成波の右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を取得し、
    　前記合成波の右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度に基づいて、前記合成波の短軸強度を求める請求項２に記載の最適位相条件決定方法。
  4. 　前記合成波の右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を取得する工程において、
    　前記複数のアンテナ素子から電波を送信し、前記第１方向に送信された電波の合成波の右旋円偏波成分及び左旋円偏波成分を円偏波受信アンテナで受信し、右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を測定する請求項３に記載の最適位相条件決定方法。
  5. 　前記合成波の右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を取得する工程において、
    　前記複数のアンテナ素子のそれぞれから送信される電波を、アンテナ素子ごとに、前記第１方向に送信される電波の右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を取得し、アンテナ素子間の右旋円偏波成分の位相差及び左旋円偏波成分の位相差を取得し、
    　取得した強度及び位相差から、前記合成波の右旋円偏波成分の強度及び左旋円偏波成分の強度を計算する請求項３に記載の最適位相条件決定方法。
  6. 　前記合成波の短軸強度を求める工程において、
    　前記合成波の相互に線形独立な２つの偏波成分のそれぞれの強度、及び２つの偏波成分の間の位相差を取得し、
    　２つの偏波成分のそれぞれの強度、及び２つの偏波成分の間の位相差に基づいて、前記合成波の短軸強度を求める請求項１または２に記載の最適位相条件決定方法。
  7. 　前記合成波の相互に直交する２つの偏波成分のそれぞれの強度、及び２つの偏波成分の間の位相差を取得する工程において、
    　前記複数のアンテナ素子から電波を送信し、前記第１方向に送信された電波の合成波の相互に線形独立な２つの偏波成分を受信アンテナで受信し、相互に線形独立な２つの偏波成分のそれぞれの強度、及び２つの偏波成分の間の位相差を測定する請求項６に記載の最適位相条件決定方法。
  8. 　前記合成波の相互に線形独立な２つの偏波成分のそれぞれの強度、及び２つの偏波成分の間の位相差を取得する工程において、
    　前記複数のアンテナ素子のそれぞれから前記第１方向に送信される電波の相互に線形独立な２つの偏波成分のそれぞれの強度、相互に線形独立な２つの偏波成分の間の位相差をアンテナ素子ごとに取得し、相互に線形独立な２つの偏波成分のそれぞれのアンテナ素子間の位相差を取得し、
    　取得した強度及び位相差から、前記合成波の相互に線形独立な２つの偏波成分のそれぞれの強度、及び２つの偏波成分の間の位相差を計算する請求項６に記載の最適位相条件決定方法。
  9. 　アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子のそれぞれから第１方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの長軸方向成分の最大値である長軸強度を、前記複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の位相条件が異なる複数の位相条件について求め、
    　前記合成波の長軸強度が最大になるように、前記複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の最適な位相条件を決定する最適位相条件決定方法。
  10. 　円偏波の送受信を行う複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナと、
    　前記複数のアンテナ素子のそれぞれに、アンテナ素子間で位相を調整して高周波信号を供給する高周波回路と、
    　前記アレーアンテナから見た複数の方向のそれぞれに、前記複数のアンテナ素子に供給する高周波信号の位相条件を関連付けた最適位相条件リストを記憶しており、電波を送信すべき方向に応じて、当該方向に関連付けられた位相条件で動作するように前記高周波回路を制御する制御部と
    を備え、
    　前記最適位相条件リストに含まれる位相条件は、前記複数のアンテナ素子から当該位相条件に関連付けられた方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの短軸方向成分の最大値である短軸強度が最大になるように決定されているアンテナモジュール。
  11. 　前記制御部は、通信を行う相手側が受信する電波の受信レベルに基づいて、前記最適位相条件リストに含まれる複数の位相条件から一つの位相条件を選択し、選択した位相条件で前記高周波回路を制御する請求項１０に記載のアンテナモジュール。
  12. 　直線偏波の送受信を行う複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナと、
    　前記複数のアンテナ素子のそれぞれに、アンテナ素子間で位相を調整して高周波信号を供給する高周波回路と、
    　前記アレーアンテナから見た複数の方向のそれぞれに、前記複数のアンテナ素子に供給する高周波信号の位相条件を関連付けた最適位相条件リストを記憶しており、電波を送信すべき方向に応じて、当該方向に関連付けられた位相条件で動作するように前記高周波回路を制御する制御部と
    を備え、
    　前記最適位相条件リストに含まれる位相条件は、前記複数のアンテナ素子から当該位相条件に関連付けられた方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの長軸方向成分の最大値である長軸強度が最大になるように決定されているアンテナモジュール。
  13. 　前記制御部は、通信を行う相手側が受信する電波の受信レベルに基づいて、前記最適位相条件リストに含まれる複数の位相条件から一つの位相条件を選択し、選択した位相条件で前記高周波回路を制御する請求項１２に記載のアンテナモジュール。
  14. 　第１アンテナモジュールと、
    　直線偏波の送受信を行うことにより前記第１アンテナモジュールと通信を行う第２アンテナモジュールと
    を備えた通信システムであって、
    　前記第１アンテナモジュールは、
    　円偏波の送受信を行う複数の第１アンテナ素子を含む第１アレーアンテナと、
    　前記複数の第１アンテナ素子のそれぞれに、第１アンテナ素子間で位相を調整して高周波信号を供給する第１高周波回路と、
    　前記第１アレーアンテナから見た複数の方向のそれぞれに対して、前記複数の第１アンテナ素子に供給する高周波信号の位相条件を関連付けて記憶しており、電波を送信すべき方向に応じて、当該方向に関連付けられた位相条件で動作するように前記第１高周波回路を制御する第１制御部と
    を備え、
    　前記第１制御部に記憶された位相条件は、前記複数の第１アンテナ素子から当該位相条件に関連付けられた方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの短軸方向成分の最大値である短軸強度が最大になるように決定されており、
    　前記第２アンテナモジュールは、直線偏波の送受信を行う第２アンテナ素子を備え、前記第１アンテナモジュールからの電波を受信すると、受信強度の測定値を前記第１アンテナモジュールに送信し、
    　前記第１制御部は、複数の位相条件で前記第１高周波回路を動作させ、前記第２アンテナモジュールから受信した受信強度の測定値が最も高くなる位相条件を最適位相条件として決定し、前記最適位相条件で前記第１高周波回路を動作させて前記第２アンテナモジュールと通信を行う通信システム。
  15. 　円偏波の送受信を行う第１アンテナモジュールと、
    　前記第１アンテナモジュールと通信を行う第２アンテナモジュールと
    を備えた通信システムであって、
    　前記第２アンテナモジュールは、
    　直線偏波の送受信を行う複数の第２アンテナ素子を含む第２アレーアンテナと、
    　前記複数の第２アンテナ素子のそれぞれに、第２アンテナ素子間で位相を調整して高周波信号を供給する第２高周波回路と、
    　前記第２アレーアンテナから見た複数の方向のそれぞれに対して、前記複数の第２アンテナ素子に供給する高周波信号の位相条件を関連付けて記憶しており、電波を送信すべき方向に応じて、当該方向に関連付けられた位相条件で動作するように前記第２高周波回路を制御する第２制御部と
    を備え、
    　前記第２制御部に記憶された位相条件は、前記複数の第２アンテナ素子から当該位相条件に関連付けられた方向に放射される電波の合成波の電界ベクトルの長軸方向成分の最大値である長軸強度が最大になるように決定されており、
    　前記第１アンテナモジュールは、円偏波の送受信を行う第１アンテナ素子を備え、前記第２アンテナモジュールからの電波を受信すると、受信強度の測定値を前記第２アンテナモジュールに送信し、
    　前記第２制御部は、複数の位相条件で前記第２高周波回路を動作させ、前記第１アンテナモジュールから受信した受信強度の測定値が最も高くなる位相条件を最適位相条件として決定し、前記最適位相条件で前記第２高周波回路を動作させて前記第１アンテナモジュールと通信を行う通信システム。
     
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