JP7624726B2 - Antenna device and sandwich array device - Google Patents
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Description
本発明は、アンテナ装置およびサンドイッチアレー装置に関する。 The present invention relates to an antenna device and a sandwich array device.
近年、都市の渋滞を避けた通勤もしくは通学、離島もしくは山間部での新しい移動手段、または、災害時の救急搬送もしくは迅速な物資輸送などに活用することができる乗り物として、空飛ぶ車の実用化が期待されている。空飛ぶ車の実用化に際しては、空飛ぶ車同士(飛翔車両間)の通信の実現に多くの関心が集まっている。In recent years, there are high hopes for the practical application of flying cars as vehicles that can be used for commuting to work or school while avoiding city traffic jams, as a new means of transportation on remote islands or in mountainous areas, or for emergency transport or rapid transportation of goods in the event of a disaster. When flying cars are put to practical use, there is much interest in realizing communication between flying cars (flying vehicles).
例えば、特許文献1では、水平面内における受信電波の到来波方向を検出できる受信用アンテナ装置について開示されている。これによれば、円上に等間隔に配列されたアンテナ素子と中心に配されたアンテナ素子とからなる円形配列フェーズドアレーアンテナを用いることで、小型軽量に構成でき、受信電波の到来波方向を高精度で検出できるアンテナ装置を実現できる。For example,
しかしながら、特許文献1に開示される技術では、水平方向における到来波方向を推定できるものの、仰角方向の到来波方向は推定できないという課題がある。換言すると、空飛ぶ車は、水平および垂直方向へ自由に飛行方向を変化させることができるため、従来の自動車とは異なり、通信を行うターゲットが水平面に限定されないため、全立体角に渡る放射特性を有するアンテナが必要となる。However, the technology disclosed in
本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、水平方向だけでなく仰角方向の到来波方向を推定し、高速通信可能なアンテナ装置およびサンドイッチアレー装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide an antenna device and a sandwich array device capable of high-speed communication by estimating the direction of arrival waves not only in the horizontal direction but also in the elevation direction.
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係るアンテナ装置は、円上に等間隔に配列されたN個(Nは3以上の自然数)の第1アンテナ素子と、前記円の略中心に配された1個の第2アンテナ素子とからなる円形配列フェーズドアレーアンテナと、スイッチング制御により半径が可変である円形状の地板と、を備え、前記第1アンテナ素子と前記第2アンテナ素子とは、前記地板に実装されたモノポールアンテナで構成される。In order to achieve the above object, an antenna device according to one embodiment of the present invention comprises a circularly arranged phased array antenna consisting of N first antenna elements (N is a natural number equal to or greater than 3) arranged at equal intervals on a circle and one second antenna element arranged approximately at the center of the circle, and a circular base plate whose radius is variable by switching control, and the first antenna elements and the second antenna element are composed of monopole antennas mounted on the base plate.
この構成により、水平方向だけでなく仰角方向の到来波方向を推定し、高速通信可能なアンテナ装置を実現できる。 This configuration makes it possible to estimate the direction of incoming waves not only in the horizontal direction but also in the elevation direction, realizing an antenna device capable of high-speed communication.
ここで、例えば、前記第1アンテナ素子と前記第2アンテナ素子とは、1/4波長モノポールアンテナで構成される。Here, for example, the first antenna element and the second antenna element are configured as 1/4 wavelength monopole antennas.
また、例えば、前記円形配列フェーズドアレーアンテナに到来する到来波の前記地板と平行な方向である到来波方向に応じて、前記N個の第1アンテナ素子を前記到来波方向に直交するように前記N/2個のサブアレーに分割し、前記サブアレーの指向性を制御することで前記到来波方向に向いた前記N/2個のビームを独立に形成するサブアレー制御部を備えるとしてもよい。 In addition, for example, the antenna may be provided with a subarray control unit that divides the N first antenna elements into N/2 subarrays perpendicular to the direction of the incoming wave, which is a direction parallel to the ground plane of the incoming wave arriving at the circularly arranged phased array antenna, and controls the directivity of the subarrays to independently form the N/2 beams facing the direction of the incoming wave.
この構成により、推定した到来波方向に対して指向性を制御することができる。これにより、常時最適な受信信号を得ることができ、高速通信を実現することができる。This configuration allows the directivity to be controlled based on the estimated direction of the incoming wave, which in turn allows the optimum received signal to be obtained at all times, enabling high-speed communication.
ここで、前記N/2個のサブアレーそれぞれは、配列方向が平行となる2個のアンテナ素子の組み合わせで構成され、前記組み合わせは、前記到来波方向に応じて、変更されるとしてもよい。Here, each of the N/2 subarrays is composed of a combination of two antenna elements whose arrangement directions are parallel, and the combination may be changed depending on the direction of the arriving wave.
また、前記円形配列フェーズドアレーアンテナに到来する到来波の前記地板となす方向である仰角方向の経路差を用いて算出されるデルタ指向性およびシグマ指向性を形成するために与えられる位相を、所望の通信方向に最も近い2つの前記第1アンテナ素子に与えることによって、前記仰角方向を含む所定の角度範囲に、前記円形配列フェーズドアレーアンテナの指向性を制御する指向性制御部を備え、前記デルタ指向性は、前記仰角方向に逆相励振を実現することによって放射利得を小さくさせる指向性であり、前記シグマ指向性は、前記仰角方向に同相励振を実現することによって放射利得を大きくさせる指向性であるとしてもよい。 In addition, a directivity control unit is provided that controls the directivity of the circularly arranged phased array antenna within a predetermined angle range including the elevation angle direction by providing the two first antenna elements closest to the desired communication direction with a phase that is given to form delta directivity and sigma directivity calculated using the path difference in the elevation angle direction, which is the direction in which the incoming waves arriving at the circularly arranged phased array antenna make with the ground plane, and the delta directivity may be a directivity that reduces the radiation gain by realizing anti-phase excitation in the elevation angle direction, and the sigma directivity may be a directivity that increases the radiation gain by realizing in-phase excitation in the elevation angle direction.
この構成により、指向性を所定方向の角度範囲に形成することができるので、ターゲットのみと通信するようにすることができる。 This configuration allows directivity to be formed within an angular range in a specified direction, allowing communication only with the target.
また、前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた2つの重みそれぞれをかけて合計した第1信号および第2信号と、前記第2アンテナ素子の受信信号である第3信号とを統計解析し、前記第1信号および前記第3信号の位相差を算出することにより、前記円形配列フェーズドアレーアンテナに到来する到来波の前記地板となす方向である到来波方向を推定する演算部とを備え、前記演算部は、前記第3信号の電圧の位相角を、前記第1信号の電圧の位相角と前記第2信号の電圧の位相角との平均により算出することで、前記第1信号および前記第3信号の位相差を算出し、前記位相差は、前記到来波方向に略比例するとしてもよい。The antenna may further include a calculation unit that performs statistical analysis on a first signal and a second signal obtained by multiplying the received signal of each of the first antenna elements by two weights corresponding to the arrangement of the first antenna elements and adding them up, and a third signal which is the received signal of the second antenna element, and calculates a phase difference between the first signal and the third signal, thereby estimating the direction of arrival of the incoming wave, which is the direction of the incoming wave arriving at the circularly arranged phased array antenna relative to the ground plane, and the calculation unit calculates the phase difference between the first signal and the third signal by averaging the phase angle of the voltage of the third signal and the phase angle of the voltage of the first signal, and the phase difference may be approximately proportional to the direction of arrival of the wave.
また、上記目的を達成するために、本発明の一形態に係るサンドイッチアレー装置は、上記態様のいずれかの2つのアンテナ装置である第1アンテナ装置および第2アンテナ装置を備え、前記第1アンテナ装置は、飛翔車両の天頂部に配置され、前記第2アンテナ装置は、前記飛翔車両の天底部に配置され、前記第1アンテナ装置および前記第2アンテナ装置における前記地板から見た前記円形配列フェーズドアレーアンテナの立設方向は、反対方向である。In order to achieve the above object, a sandwich array device according to one embodiment of the present invention comprises a first antenna device and a second antenna device which are two antenna devices of any of the above aspects, the first antenna device being arranged at the zenith part of the flying vehicle and the second antenna device being arranged at the nadir part of the flying vehicle, and the erection directions of the circularly arranged phased array antennas of the first antenna device and the second antenna device as viewed from the ground plate are opposite to each other.
なお、これらの全般的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータで読み取り可能なCD-ROMなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。 These general or specific aspects may be realized by a system, method, integrated circuit, computer program, or computer-readable recording medium such as a CD-ROM, or by any combination of a system, method, integrated circuit, computer program, and recording medium.
本発明のアンテナ装置等によれば、水平方向だけでなく仰角方向の到来波方向を推定し、高速通信できる。 The antenna device of the present invention can estimate the direction of arrival of waves not only in the horizontal direction but also in the elevation direction, enabling high-speed communication.
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Note that each of the embodiments described below represents a specific example of the present invention. The numerical values, shapes, materials, components, component placement and connection forms, steps, and order of steps shown in the following embodiments are merely examples and are not intended to limit the present invention. Furthermore, among the components in the following embodiments, components that are not described in an independent claim that represents the highest concept are described as optional components.
(実施の形態)
[アンテナ装置の構成]
図1は、本実施の形態におけるアンテナ装置10の概要構成の一例を示す図である。
(Embodiment)
[Configuration of Antenna Device]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an
図1に示すように、本実施の形態におけるアンテナ装置10は、円形配列フェーズドアレーアンテナ1と、地板2と、制御部3と、演算部4とを備える。本実施の形態におけるアンテナ装置10は、例えば飛翔車両(空飛ぶ車とも称される)に搭載される。図1に示す例では、円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、9個のアンテナ素子を有している。図1で示されるθは仰角を表している。As shown in Fig. 1, the
[円形配列フェーズドアレーアンテナ1]
図2は、図1に示す円形配列フェーズドアレーアンテナ1の具体的構成例を示す図である。図2で示されるφは、水平面(XY平面)におけるX軸となす方向であり、XY平面における到来波の方向(到来波方向)を表している。
[Circularly arranged phased array antenna 1]
Fig. 2 is a diagram showing a specific configuration example of the circularly arranged phased
円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、図1および図2に示すように、円上に等間隔に配列されたN個(Nは3以上の自然数)の第1アンテナ素子と、当該円の略中心に配された1個の第2アンテナ素子とからなる。第1アンテナ素子と第2アンテナ素子とは、地板2に実装されたモノポールアンテナで地板2上に構成される。本実施の形態では、第1アンテナ素子と第2アンテナ素子とは、1/4波長モノポールアンテナであり、半径rgの地板2上に構成されている。
1 and 2, the circularly arranged phased
これにより、円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、当該円の領域を含む平面(水平面内)の指向特性が実質的に全方向となるだけでなく、天頂方向(図1で+Z軸方向)にも指向特性を有する。As a result, the circularly arranged phased
以下、N=8の場合すなわち、円形配列フェーズドアレーアンテナ1が8個の第1アンテナ素子を備える場合を例に挙げて説明する。
Below, we will explain the case where N = 8, i.e., the circularly arranged phased
例えば図2に示すように、円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、半径aの円周上に45度間隔で配列された8個のアンテナ素子(第1アンテナ素子:#1~#8)と、円の中心に配置された1個の無給電素子であるアンテナ素子(第2アンテナ素子:#9)とで構成される。ここで、半径aは、例えば4.9cmである。また、これら9個のアンテナ素子は、1/4波長モノポールアンテナであり、半径rgの地板2上に構成されている。
For example, as shown in Fig. 2, a circularly arranged phased
そして、8個の第1アンテナ素子の受信信号を足し合わせたときの位相と、中心に配置された1個の第2アンテナ素子の受信信号の位相との差を求めることにより、仰角方向にも角度を有する受信信号の到来波方向を推定できる。その推定方法の詳細については後述するが、到来する受信電波によって第2アンテナ素子(#9)に誘起される信号の電圧の位相角は、後述する位相反転重みづけ法により合成される。Then, by calculating the difference between the phase of the sum of the received signals of the eight first antenna elements and the phase of the received signal of the single second antenna element located in the center, the arrival direction of the received signal, which also has an angle in the elevation direction, can be estimated. The details of the estimation method will be described later, but the phase angle of the voltage of the signal induced in the second antenna element (#9) by the incoming received radio waves is synthesized using a phase inversion weighting method, which will be described later.
また、円形配列フェーズドアレーアンテナ1では、制御部3によって、8個のアンテナ素子(第1アンテナ素子:#1~#8)を到来波方向に応じて到来波方向に直交するように4組のペア素子からなるサブアレーに分割制御(位相差給電)される。これにより、円形配列フェーズドアレーアンテナ1を、MIMO(Multiple Input Multiple Output)アレーアンテナなどの指向性走査アレーアンテナとして動作させることができる。In addition, in the circularly arranged phased
また、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の仰角方向への放射指向性は、地板2の半径のサイズがスイッチング制御されることで最適化される。つまり、円形配列フェーズドアレーアンテナ1を、MIMOアレーアンテナとして動作させる場合には、到来波方向を推定する場合と異なる地板2の半径のサイズにスイッチング制御される。
In addition, the radiation directivity in the elevation direction of the circularly arranged phased
さらに、円形配列フェーズドアレーアンテナ1では、後述する空間分割モノパルス法を用いて制御部3によって制御されることで、仰角方向を含む所定の角度範囲内に、仰角方向の指向性が制御される。
Furthermore, in the circularly arranged phased
[地板2]
地板2は、スイッチング制御により半径rgが可変である円形状の地板である。本実施の形態では、地板2は、例えば図1に示されるように、面状(板状)の導体である。なお、地板2の半径rgのサイズを可変にするのは、円形配列フェーズドアレーアンテナ1を用いて到来波方向を推定する動作を行う場合と、MIMOアレーアンテナとして動作させる場合とにおいて最適な地板2のサイズが異なるためである。
[Main plate 2]
The
図3Aは、本実施の形態におけるサイズが可変である地板2の構成の一例を示す図である。図3Bは、図3Aに示す地板2のサイズを切り替えるために用いられる具体的な構成を示す図である。
Figure 3A is a diagram showing an example of the configuration of a
地板2の半径rgは、制御部3により、スイッチング制御される。本実施の形態では、図3Aに示すように、ダイオード301のオンとオフとが制御されて、地板2の半径rgが例えば7cmまたは10cmに変更される。より具体的には、図3Bに示すように、地板2にダイオード301とチョークコイル302とが接続され、ダイオード301に5Vまたは0Vのバイアス電圧Vdが与えられることで、地板2のサイズを制御してもよい。この場合、例えば5Vのバイアス電圧Vdが与えられると、ダイオード301がオンになり、外側の地板2aに電流が流れるので地板2の半径rgは10cmに変更される。また、例えば0Vのバイアス電圧Vdが与えられると、ダイオード301がオフになり、外側の地板2aに電流が流れず、内側の地板2bのみが有効となるので、地板2の半径rgは7cmに変更される。
The radius rg of the
なお、地板2の半径rgは、7cmおよび10cmのいずれかにスイッチング制御される場合に限らず、実現したいシステムに応じて適切なサイズに構成されるようにスイッチング制御されればよい。
The radius rg of the
[制御部3]
制御部3は、円形配列フェーズドアレーアンテナ1をサブアレーに分割制御するサブアレー制御機能を有する。より具体的には、制御部3は、円形配列フェーズドアレーアンテナ1に到来する到来波の地板2と平行な方向である到来波方向に応じて、N個の第1アンテナ素子を到来波方向に直交するようにN/2個のサブアレーに分割する。そして、制御部3は、このようにサブアレーの指向性を制御することで到来波方向に向いたN/2個のビームを独立に形成する。
[Control unit 3]
The
ここで、N/2個のサブアレーはそれぞれ、配列方向が平行となる2個のアンテナ素子の組み合わせで構成され、組み合わせは、到来波方向に応じて、変更される。組み合わせには、N/2のパターンがある。制御部3は、N/2のパターンの組み合わせのうち、到来波方向と所定の角度範囲以内において平行となる2個のアンテナ素子の組み合わせのパターンを選択することで、組み合わせを、到来波方向に応じて変更する。Here, each of the N/2 subarrays is composed of a combination of two antenna elements whose arrangement direction is parallel, and the combination is changed according to the direction of the incoming wave. There are N/2 combination patterns. The
図4は、本実施の形態における円形配列フェーズドアレーアンテナ1の+X軸方向から電波が到来した場合のサブアレーの具体的構成例を示す図である。
Figure 4 is a diagram showing a specific example configuration of a sub-array when radio waves arrive from the +X-axis direction of the circularly arranged phased
例えば、制御部3は、円形配列フェーズドアレーアンテナ1を構成する第1アンテナ素子が8個であるので、到来波方向に応じて4パターンの組み合わせの一を選択する。図4に示す例では、第1アンテナ素子#2,#3と、第1アンテナ素子#1,#4と、第1アンテナ素子#5,#8と、第1アンテナ素子#6,#7とをそれぞれサブアレー(サブアレー1~4)とする組み合わせが示されている。For example, since the circularly arranged phased
一般にクラスター伝搬環境では、到来波方向に対してサブアレーの配列が平行な場合は受信信号の相関が高くなるのに対して、直交している場合は受信信号の相関が低くなる。制御部3は、到来波方向に対して垂直に配列されたサブアレーの組み合わせとなるように、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の8個の第1アンテナ素子を4つに分割するため、4つの受信信号は低相関となる。さらに、円形配列フェーズドアレーアンテナ1では、8個の第1アンテナ素子が45度間隔で円形に配列されているため、制御部3は、到来波方向に応じてサブアレーの給電をスイッチングによって切り替えることによって、サブアレーの組み合わせを45度ごとに回転することができる。
In general, in a cluster propagation environment, when the subarray arrangement is parallel to the direction of the incoming wave, the correlation of the received signals is high, whereas when it is orthogonal, the correlation of the received signals is low. The
また、制御部3は、空間分割モノパルス法を用いることで、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の指向性を、仰角方向を含む所定の角度範囲内に制御する全立体角指向性制御機能を有する。より具体的には、制御部3は、デルタ指向性およびシグマ指向性を形成するために与えられる位相を、所望の通信方向に最も近い2つの第1アンテナ素子に与えることによって、仰角方向を含む所定の角度範囲に、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の指向性を制御する。ここで、デルタ指向性は、仰角方向に逆相励振を実現することによって放射利得を小さくさせる指向性であり、シグマ指向性は、仰角方向に同相励振を実現することによって放射利得を大きくさせる指向性である。デルタ指向性およびシグマ指向性は、円形配列フェーズドアレーアンテナ1に到来する到来波の地板2となす方向である仰角方向の経路差を用いて算出される。なお、空間分割モノパルス法は、シグマ指向性とデルタ指向性によるSLS機能(Side Lobe Suppression)すなわちサイドローブ抑圧機能の実現方法である。詳細は後述する。
The
また、制御部3は、地板2の半径サイズを制御するスイッチング制御機能を有する。例えば図3Bに示すように、制御部3は、ダイオード301に与えるバイアス電圧Vdを0Vまたは5Vに制御することで、地板2の半径サイズを制御すればよい。
The
[演算部4]
演算部4は、円形配列フェーズドアレーアンテナ1に到来する到来波の方向である到来波方向を推定する到来波方向推定機能を有する。より具体的には、演算部4は、第1アンテナ素子それぞれの受信信号を第1アンテナ素子の配置に応じた2つの重みそれぞれをかけて合計した第1信号および第2信号と、第2アンテナ素子の受信信号である第3信号とを統計解析し、第1信号および第3信号の位相差を算出する。ここで、位相差は、到来波方向に略比例する。このように、演算部4は、第1信号および第3信号の位相差を算出することにより、円形配列フェーズドアレーアンテナ1に到来する到来波の仰角方向にも角度を有する到来波方向を推定する。なお、本実施の形態では、演算部4は、第3信号の電圧の位相角を、第1信号の電圧の位相角と第2信号の電圧の位相角との平均により算出することで、第1信号および第3信号の位相差を算出する。また、本実施の形態では、統計解析として、平均値を求める演算を行っているが、平均値を求める演算に限らず、多重波環境に適応させるために行う演算とを組み合わせてもよい。
[Calculation unit 4]
The
本実施の形態では、8個の第1アンテナ素子のそれぞれは、図2に示すように、第1アンテナ素子の配置に応じた2つの重みを有する。このため、演算部4は、8個の第1アンテナ素子のそれぞれの一方の重み(反時計回りの重み)を8個の第1アンテナ素子の受信信号それぞれにかけて合計した第1信号を取得する。また、演算部4は、8個の第1アンテナ素子のそれぞれの他方の重み(時計回りの重み)を8個の第1アンテナ素子の受信信号それぞれにかけて合計した第2信号を取得する。また、演算部4は、第2アンテナ素子から、第3信号を取得する。In this embodiment, each of the eight first antenna elements has two weights according to the arrangement of the first antenna elements, as shown in FIG. 2. Therefore, the
そして、演算部4は、第1信号の電圧の位相と、第3信号の電圧の位相の差を求めることにより、仰角方向にも角度を有する受信信号の到来波方向を推定することができる。なお、第3信号の電圧の位相は、位相反転重みづけ法を適用し、第1信号の電圧の位相と第2信号の電圧の位相とを合成すなわち平均化することで算出される。The
[効果等]
以上のように、本実施の形態のアンテナ装置10は、円上に等間隔に配列された複数の第1アンテナ素子と、当該円の略中心に配された1個の第2アンテナ素子とからなる円形配列フェーズドアレーアンテナ1が地板2上に構成される。第1アンテナ素子と第2アンテナ素子とは、地板2に実装されたモノポールアンテナである。これにより、本実施の形態のアンテナ装置10は、水平方向だけでなく仰角方向の到来波方向を推定できる。また、本実施の形態のアンテナ装置10は、推定した到来波方向に対して指向性を制御することができる。これにより、常時最適な受信信号を得ることができるので、高速通信を実現することができる。さらに、本実施の形態のアンテナ装置10では、仰角方向を含む所定方向の角度範囲に指向性を制御することができるので、ターゲットとなる通信相手のみと通信するようにすることができる。
[Effects, etc.]
As described above, the
また、本実施の形態のアンテナ装置10では、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の円の中心に構成された1個の無給電素子である第2アンテナ素子は、電磁結合を利用して利得向上に寄与する。また、本実施の形態のアンテナ装置10の仰角方向への放射指向性は、地板2のサイズをスイッチング制御することによって最適化される。In addition, in the
なお、本実施の形態のアンテナ装置10は、水平方向だけでなく天頂方向(図1で+Z軸方向)にも指向特性を有するが、地板2の下方向(図1で-Z方向)には指向特性を有さない。そこで、アンテナ装置10を上下にサンドイッチ状に配置することで、全立体角に指向性を持たせることができる。以下、アンテナ装置10を上下にサンドイッチ状に配置したサンドイッチアレー装置100について説明する。
The
[サンドイッチアレー装置100]
図5Aは、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100の概要構成の一例を示す図である。
[Sandwich array device 100]
FIG. 5A is a diagram showing an example of a schematic configuration of a
サンドイッチアレー装置100は、図5Aに示すように、上述したアンテナ装置10を2つ備え、上下(図5AでZ軸方向)にサンドイッチ状に配置されている。より具体的には、サンドイッチアレー装置100は、2つのアンテナ装置10である第1アンテナ装置10Aおよび第2アンテナ装置10Bを備える。第1アンテナ装置10Aの地板2Aから見た円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aの立設方向は、第2アンテナ装置10Bの地板2Bから見た円形配列フェーズドアレーアンテナ1Bの立設方向とは反対方向である。この構成により、サンドイッチアレー装置100は、全立体角にわたる放射特性を有することができる。As shown in Fig. 5A, the
図5Bは、図5Aに示すサンドイッチアレー装置100のユースケースを示す図である。
Figure 5B shows a use case of the
図5Bに示すように、サンドイッチアレー装置100は、ユースケースとして、飛翔車両300に搭載される。より具体的には、第1アンテナ装置10Aは、飛翔車両300の天頂部に配置され、第2アンテナ装置10Bは、飛翔車両300の天底部に配置される。そして、第1アンテナ装置10Aの地板2Aから見た円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aの立設方向は、第2アンテナ装置10Bの地板2Bから見た円形配列フェーズドアレーアンテナ1Bの立設方向とは反対方向である。As shown in FIG. 5B, the
飛翔車両300は、空飛ぶ車とも称され、水平方向および垂直方向(上下方向)へ自由に飛行方向を変化させることができる。飛翔車両300は、飛翔車両間で信頼性の高い通信を行うために、任意の方向において飛翔車両間のMIMO通信が達成される必要がある。つまり、飛翔車両300は、全立体角に渡る放射特性を有するアンテナが必要となる。そこで、飛翔車両300は、サンドイッチアレー装置100を搭載することで、飛翔車両間の通信を行うことができる。
The flying
飛翔車両300では、サンドイッチアレー装置100のアンテナ装置10Aおよび10Bを、受信信号の到来波方向に応じて切り替えることで、任意上下間の通信を実現することができる。また、アンテナ装置10Aおよび10Bの仰角方向への放射指向性は、地板2および地板2Bのサイズを変更することによって制御できる。もちろん、例えば通信相手が飛翔車両300の天頂側に固定されている場合、飛翔車両300は、上側のアンテナ装置10Aのみを使用してもよい。また、通信相手が天底側に固定されている場合、飛翔車両300は、下側のアンテナ装置10Bのみを使用してもよい。In the flying
以上のようにして、飛翔車両300は、サンドイッチアレー装置100を搭載することで、全立体角に渡って受信信号の到来波方向を推定し、推定した到来波方向に指向性を向けることができるので飛翔車両間で高信頼性通信を実現できる。サンドイッチアレー装置100を構成するアンテナ装置10は、RF部において処理することで簡便な方法で到来波方向を推定することができる。より具体的には、図5Aに示すように、円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aおよび1Bを構成する8個の第1アンテナ素子が45度間隔で円形に配列されている。このため、飛翔車両300は、到来波方向に応じて、当該8個の第1アンテナ素子をサブアレーに分割制御するための給電をスイッチングによって切り替えることによって、サブアレーの組み合わせを45度ごとに回転することができる。これにより、飛翔車両300が空間において上下左右に飛行方向を自由に変化させた場合でも、到来波方向に対して垂直に配列されたサブアレーの組み合わせを適切に選択することができるので、伝送容量の向上を図ることができる。As described above, the flying
さらに、飛翔車両300は、サンドイッチアレー装置100を用いて、推定した受信信号の到来波方向にビームを向けることができるので、他の飛翔車両とネットワーク化し、他の飛翔車両との衝突防止のみならず高画質ビデオコンテンツの交換が実現可能となる。
Furthermore, the flying
また、飛翔車両300は、サンドイッチアレー装置100を用いて、所定方向の角度範囲を順次ずらしながら(空間分割しながら)、指向性を形成することで、全立体角に渡って空間分割した指向性を形成することができる。これにより、飛翔車両300は、空間中に複数の通信可能な他の飛翔車両が存在していたとしても、同期性干渉を排除してターゲットの飛翔車両のみと通信するようにすることができる。In addition, the flying
以下、所定方向の角度範囲に指向性を制御するために用いられる空間分割モノパルス法について説明する。 Below, we explain the spatial division monopulse method, which is used to control directivity within an angular range in a specified direction.
<空間分割モノパルス法>
図6は、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100を用いて飛翔車両間の通信を行う場合の概念を示す図である。図6には、自由に飛行方向を変化させることができる4つの飛翔車両300が示されており、それぞれ飛翔車両300a、300b、300c、300dと称している。飛翔車両300a~300dのそれぞれには、アンテナ装置10Aおよび10Bで構成されるサンドイッチアレー装置100が搭載されている。
<Space division monopulse method>
Fig. 6 is a diagram showing the concept of communication between flying vehicles using the
図6に示すように、複数の飛翔車両300の間(飛翔車両間)で通信を行うためには、それぞれのサンドイッチアレー装置100は、全立体角にわたる放射特性を有する必要がある。しかし、同期性の干渉があると、正しく通信を行えず、複数の飛翔車両300同士で衝突する恐れが発生する。換言すると、例えば飛翔車両300aは、飛翔車両300b、300cおよび300dと通信を行うために、任意の方向において飛翔車両300b~300dと間で通信が実現される必要がある。一方で、飛翔車両300aは、飛翔車両300b、300cおよび300dと同時(同期的)に通信すると、飛翔車両300b、300cおよび300dを区別できず、最悪の場合、衝突してしまう恐れがある。このため、衝突防止機能が必要になる。
As shown in FIG. 6, in order to communicate between multiple flying vehicles 300 (between flying vehicles), each
この衝突防止機能を、サンドイッチアレー装置100すなわちアンテナ装置10において、空間分割モノパルス法を用いて、所定方向の角度範囲を順次ずらしながら(空間分割しながら)、当該所定方向の角度範囲に指向性を制御することで実現する。This collision prevention function is achieved in the
以下、指向性を所定方向の角度範囲に形成するための手法(以降、モノパルス指向性の形成手法とも称する)として、デルタ指向性とシグマ指向性とを形成する位相を計算する方法について説明する。Below, we will explain a method for calculating the phase that forms delta directivity and sigma directivity as a method for forming directivity within an angular range in a specified direction (hereinafter also referred to as a method for forming monopulse directivity).
図7Aは、モノパルス指向性を形成するために励振される第1アンテナ素子のXY平面における位置関係を示す図である。図7Bは、デルタ指向性とシグマ指向性とを設計するために用いた仰角方向の経路差を示す図である。図7Cは、図7Aに示される励振された第1アンテナ素子の電気長を求めるために用いた角度を示す図である。 Figure 7A shows the positional relationship in the XY plane of the first antenna element excited to form a monopulse directivity. Figure 7B shows the elevation path difference used to design the delta and sigma directivity. Figure 7C shows the angles used to determine the electrical length of the excited first antenna element shown in Figure 7A.
モノパルス指向性の形成のため、例えば、図7Aに示す8個の第1アンテナ素子のうち、4個の第1アンテナ素子(#1、#2、#7、#8)を励振し、その他の第1アンテナ素子(#3、#4、#5、#6)を50Ωで終端する。この場合、図7Bに示される仰角方向の経路差により、第1アンテナ素子#1と第1アンテナ素子#2との間の電気長、または、第1アンテナ素子#7と第1アンテナ素子#8との間の電気長は、(式1)によって求められる。To form a monopulse directivity, for example, of the eight first antenna elements shown in Fig. 7A, four first antenna elements (#1, #2, #7, #8) are excited, and the remaining first antenna elements (#3, #4, #5, #6) are terminated at 50 Ω. In this case, due to the path difference in the elevation angle direction shown in Fig. 7B, the electrical length between first
ここで、図7Aに示される距離S、換言すると、X方向における第1アンテナ素子#7と第1アンテナ素子#8との間の距離Sは、図7Aに示される円形配列フェーズドアレーアンテナ1の半径aと、図7Cに示される角度δを用いて表すことができる。すなわち、S=a・cosδ-a・sinδ=a・(cosδ-sinδ)と表すことができる。
Here, the distance S shown in Fig. 7A, in other words, the distance S between the first
また、三角関数の加法定理から、sin(α-β)=sinα・cosβ-cosα・sinβが成立する。ここで、α=π/4、β=δとすると、sin(π/4-δ)=sin(π/4)・cosδ-cos(π/4)・sinδ=1/√2(cosδ-sinδ)と変形できる。 Furthermore, from the addition theorem of trigonometric functions, sin(α - β) = sin α cos β - cos α sin β. If α = π/4 and β = δ, then sin(π/4 - δ) = sin(π/4) cos δ - cos(π/4) sin δ = 1/√2(cos δ - sin δ).
したがって、cosδ-sinδ=√2sin(π/4-δ)と導出できる。Therefore, we can derive that cos δ - sin δ = √2 sin(π/4 - δ).
また、図7Cに示される角度δは、22.5度であることから、距離Sは、次のように変形できる。すなわち、S=a(cosδ-sinδ)=√2a・sin(π/4-δ)=√2a・sin(π/8)と変形できる。 In addition, since the angle δ shown in Figure 7C is 22.5 degrees, the distance S can be transformed as follows: S = a(cos δ - sin δ) = √2a sin(π/4 - δ) = √2a sin(π/8).
一方、図7Bに示されるように、Δl=S・cosθであり、Δl=S・cosθ=√2a・sin(π/8)・cosθと変形できる。このようにして、上記の(式1)を求めることができる。On the other hand, as shown in Figure 7B, Δl = S · cos θ, which can be transformed to Δl = S · cos θ = √2a · sin(π/8) · cos θ. In this way, the above (Equation 1) can be obtained.
ここで、k=2π/λであることから、シグマ指向性は、下記の(式2)で表すことができ、デルタ指向性は、下記の(式3)で表すことができる。なお、上述したが、シグマ指向性は、仰角方向に同相励振を実現することによって放射利得を大きくさせる指向性であり、デルタ指向性は、仰角方向に逆相励振を実現することによって放射利得を小さくさせる指向性である。Here, since k = 2π/λ, the sigma directivity can be expressed by the following (Equation 2), and the delta directivity can be expressed by the following (Equation 3). As mentioned above, the sigma directivity is a directivity that increases the radiation gain by realizing in-phase excitation in the elevation angle direction, and the delta directivity is a directivity that decreases the radiation gain by realizing out-of-phase excitation in the elevation angle direction.
図8は、シグマ指向性およびデルタ指向性を形成するために必要な第1アンテナ素子#1、#8の位相と仰角との関係を示す図である。図8において、第1アンテナ素子#2、#7の位相は0としている。また、図8において、解析に使用した周波数は2GHzであり、本実施の形態における円形配列フェーズドアレーアンテナ1の半径aを4.9cmとし、地板2の半径rgを7cmとしている。
Fig. 8 is a diagram showing the relationship between the phase and elevation angle of the first
なお、仰角(エレベーション角)とは、水平面(図2でXY平面)を0度、天頂方向(図1で+Z軸方向)を+90度、天底方向(図1で-Z軸方向)を-90度で定義される角度である。 The elevation angle is the angle defined as 0 degrees in the horizontal plane (XY plane in Figure 2), +90 degrees in the zenith direction (+Z axis direction in Figure 1), and -90 degrees in the nadir direction (-Z axis direction in Figure 1).
図8から、仰角=45度のとき,シグマ指向性に対してφ1=φ8=-45度となり、デルタ指向性に対してφ1=φ8=135度となる。図1、図7Aおよび図7Cに示されるように、円形配列フェーズドアレーアンテナ1を構成する8個の第1アンテナ素子は、回転対称構造である。このため、45度だけ回転した4個の第1アンテナ素子(#1、#2、#3、#8)を励振し、その他の第1アンテナ素子(#4、#5、#6、#7)を50Ωで終端し、この場合において同相励振と逆相励振を実現する位相を算出すればよい。つまり、励振させる4個の第1アンテナ素子の組み合わせをアジマス方向に45度ずつ回転させ、同相励振と逆相励振を実現する位相を都度算出することにより、全アジマス方向に対してシグマ指向性とデルタ指向性とを形成することができる。なお、アジマス方向とは、図2または図7Bにおいて、+X軸方向を0度、+Y軸方向を90度であると定義される角度であり、図1ではφで表現されている。
From FIG. 8, when the elevation angle is 45 degrees, φ 1 =φ 8 =-45 degrees for sigma directivity, and φ 1 =φ 8 =135 degrees for delta directivity. As shown in FIG. 1, FIG. 7A, and FIG. 7C, the eight first antenna elements constituting the circularly arranged phased
図9Aは、空間分割モノパルス法を実現するモノパルス指向性を形成するシグマ指向性およびデルタ指向性の一例を示す図である。図9Bは、モノパルス指向性を形成するために送信される2つのパルスP1、P2の概念を示す図である。なお、空間分割モノパルス法は、上述したように、シグマ指向性とデルタ指向性によるサイドローブ抑圧機能の実現方法である。 Fig. 9A is a diagram showing an example of sigma directivity and delta directivity forming a monopulse directivity that realizes the space division monopulse method. Fig. 9B is a diagram showing the concept of two pulses P1 and P2 transmitted to form the monopulse directivity. As described above, the space division monopulse method is a method for realizing a side lobe suppression function by using sigma directivity and delta directivity.
図9Aに示すように,シグマ指向性の前方向(図9Aで上方向)においてデルタ指向性よりも9dB大きい領域が所定の角度範囲だけ存在している。さらに、シグマ指向性のサイドローブはデルタ指向性によって完全に包含されている。As shown in Figure 9A, there is an area in the forward direction of the sigma directivity (upward in Figure 9A) where the directivity is 9 dB higher than the delta directivity over a certain angular range. Furthermore, the side lobes of the sigma directivity are completely encompassed by the delta directivity.
TCAS II(Traffic alert and Collision Avoidance System II)において、質問機は、周囲のターゲット機に図9Bに示されるような2つのパルスP1、P2を送信する。パルスP1、P2とは同じ電力で送信され、パルスP1はシグマ指向性により送信され、パルスP2はデルタ指向性により送信される。そして、ターゲット機は、パルスP2がパルスP1よりも9dB小さい場合のみ、IDコード等を付与して応答する。つまり、TCAS IIでは、この所定の角度範囲に存在するターゲット機のトランスポンダのみ応答する。これにより、質問機は、図9Aに示す所定の角度範囲に存在するターゲット機のみと通信することが可能となるので、同期性干渉を排除できる。さらに、TCAS IIでは選択的に空間分割を行って通信することで、全空間に渡る質問応答のシーケンスを実施することができる。 In TCAS II (Traffic Alert and Collision Avoidance System II), the interrogator transmits two pulses P1 and P2 to the surrounding target aircraft as shown in FIG. 9B. The pulses P1 and P2 are transmitted with the same power, with the pulse P1 being transmitted with sigma directivity and the pulse P2 being transmitted with delta directivity. The target aircraft responds by providing an ID code or the like only when the pulse P2 is 9 dB smaller than the pulse P1 . In other words, in TCAS II, only the transponders of the target aircraft present in this predetermined angle range respond. This allows the interrogator to communicate only with the target aircraft present in the predetermined angle range shown in FIG. 9A, thereby eliminating synchronous interference. Furthermore, in TCAS II, the interrogator selectively performs space division for communication, thereby enabling the interrogation-response sequence to be carried out over the entire space.
このように、空間分割モノパルス法を用いることによって、小型アンテナであっても、大型のSSRアンテナと同様のサイドローブ抑圧機能を実現することが可能となる。In this way, by using the space division monopulse method, it is possible to achieve side lobe suppression functionality similar to that of a large SSR antenna, even with a small antenna.
図10A~図10Fは、本実施の形態における仰角方向の指向性走査において形成される円形配列フェーズドアレーアンテナ1のシグマ指向性およびデルタ指向性の解析結果の一例を示す図である。より具体的には、図10A~図10Fは、図8を用いて算出した位相を第1アンテナ素子#1、#8に与えた場合に、θで表される仰角において形成されるシグマ指向性およびデルタ指向性の計算結果である。図10Aは、θ=0度、図10Bは、θ=15度、図10Cは、θ=30度、図10Dは、θ=45度、図10Eは、θ=60度、図10Fは、θ=75度において形成されるシグマ指向性およびデルタ指向性の計算結果である。また、図10A~図10Fでは、図9Bで説明したモノパルス指向性を形成する2つのパルスの関係に基づき、各仰角の指向性においてデルタ指向性がシグマ指向性よりも9dBだけ小さくなる所定の角度範囲δが示されている。
Figures 10A to 10F are diagrams showing an example of the analysis results of the sigma directivity and delta directivity of the circularly arranged phased
図10A~図10Fからわかるように、すべての仰角において所定の角度範囲δは70度前後である。このことは、仰角(エレベーション角)によらずアジマス方向の一定の角度範囲のターゲットを補足可能であることを意味する。さらに、この70度前後という値は、アジマス方向の指向性走査を実施する場合に、隣接指向性の重ね合わせが適度に発生することから好適である。 As can be seen from Figures 10A to 10F, the predetermined angle range δ is around 70 degrees for all elevation angles. This means that targets in a certain angular range in the azimuth direction can be captured regardless of the elevation angle. Furthermore, this value of around 70 degrees is preferable because it allows for a moderate amount of overlapping of adjacent directivities when performing directional scanning in the azimuth direction.
図11A~図11Hは、本実施の形態における水平方向の指向性走査において形成される円形配列フェーズドアレーアンテナ1のシグマ指向性およびデルタ指向性の解析結果の一例を示す図である。図11A~図11Hのそれぞれでは、所望の通信方向であるφを変化させた場合に、仰角を表すθ=30度において形成されるシグマ指向性およびデルタ指向性が示されている。図11Aは、φ=0度、図11Bは、φ=45度、図11Cは、φ=90度、図11Dは、φ=135度、図11Eは、φ=180度、図11Fは、φ=225度、図11Gは、φ=270度、図11Hは、φ=315度における計算結果である。
Figures 11A to 11H are diagrams showing an example of the analysis results of the sigma directivity and delta directivity of the circularly arranged phased
図11A~図11Hに示すように、φ=0度からφ=315度まで45度間隔で指向性走査することによって、アンテナ装置10A及び10Bで構成されるサンドイッチアレー装置100は、全立体角に対する空間分割モノパルス法を実施することができるのがわかる。As shown in Figures 11A to 11H, by directional scanning at 45 degree intervals from φ = 0 degrees to φ = 315 degrees, it can be seen that the
したがって、サンドイッチアレー装置100は、シグマ指向性およびデルタ指向性を用いて、所定方向の角度範囲の指向性であるモノパルス指向性を形成し、3次元走査することができる。これにより、サンドイッチアレー装置100を搭載した飛翔車両300は、同期性干渉を除去して選択的に他の飛翔車両と通信が可能となるので、他の飛翔車両との衝突防止を実現できる。Therefore, the
<位相反転重みづけ法>
次に、仰角方向にも角度を有する受信電波によって第2アンテナ素子(#9)に誘起される信号の電圧の位相を合成によって得る位相反転重みづけ法について説明する。以下でも、円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、8個の第1アンテナ素子を有するとして説明する。
<Phase inversion weighting method>
Next, a phase inversion weighting method will be described, in which the phase of the voltage of the signal induced in the second antenna element (#9) by the received radio wave having an angle in the elevation angle direction is obtained by synthesis. In the following description, the circularly arranged phased
まず、比較例として仰角方向に角度を有しない到来波の方向を推定する方法について説明する。 First, as a comparative example, we will explain a method for estimating the direction of an arriving wave that has no angle in the elevation direction.
図12は、比較例における円形配列フェーズドアレーアンテナ1に誘起される信号の電圧を示す図である。図12では、仰角方向に角度を有しない到来波方向の受信電波によって比較例における円形配列フェーズドアレーアンテナ1に誘起される信号の電圧が示されている。
Figure 12 is a diagram showing the voltage of a signal induced in the circularly arranged phased
比較例では、到来波方向は、中心と円上に配置したアンテナ素子の電圧の位相差を利用して推定できる。より具体的には、8個の第1アンテナ素子の受信信号を足し合わせたときの位相と、中心に配置された1個の第2アンテナ素子の受信信号の位相との差を求めることにより、受信信号の到来波方向を推定できる。In the comparative example, the direction of arrival of the wave can be estimated using the phase difference between the voltages of the antenna elements arranged at the center and on the circle. More specifically, the direction of arrival of the received signal can be estimated by calculating the difference between the phase of the sum of the received signals of the eight first antenna elements and the phase of the received signal of the one second antenna element arranged at the center.
円形配列フェーズドアレーアンテナ1の平面であるXY平面のX軸とφをなす方向のみから受信電波が到来するとする。この場合、受信電波によってi番目の第1アンテナ素子に誘起される信号すなわち電圧Ei(φ)は、次の(式4)から算出できる。Assume that the received radio waves arrive only from the direction that forms an angle φ with the X-axis of the XY plane, which is the plane of the circularly arranged phased
第1アンテナ素子(#1~#8)ごとに受信のタイミングが微妙にずれるので、それを反映した重み関数を(式4)から算出した電圧Eiにかけて重み付けしたものを、円上のすべての第1アンテナ素子の信号を足し合わせる。これにより、8個の第1アンテナ素子それぞれの受信信号の合計である第1信号の電圧EΔ(φ)を得ることができる。この第1信号の電圧EΔ(φ)は、(式5)から算出できる。 Since the timing of reception for each of the first antenna elements (#1 to #8) is slightly different, a weighting function that reflects this is applied to the voltage Ei calculated from (Equation 4) and the weighted results are then added together for all of the signals from the first antenna elements on the circle. This makes it possible to obtain the voltage E Δ (φ) of the first signal, which is the sum of the received signals from each of the eight first antenna elements. This voltage E Δ (φ) of the first signal can be calculated from (Equation 5).
ここで、(式5)に示される要素は8であるが、第1信号の電圧EΔ(φ)の性質を理解するために第1アンテナ素子の数が無限個になったとすると、電圧EΔ(φ)はベッセル関数を用いて以下の(式6)で表すことができる。 Here, the number of elements shown in (Equation 5) is 8. However, if the number of first antenna elements becomes infinite in order to understand the nature of the voltage E Δ (φ) of the first signal, the voltage E Δ (φ) can be expressed by the following (Equation 6) using a Bessel function.
また、X軸とφをなす方向から到来する受信電波によって第2アンテナ素子(#9)に誘起される信号(第3信号)の電圧をEΩ(φ)とする。さらに、第3信号の電圧EΩ(φ)の位相角を∠EΩ、第1信号の電圧EΔ(φ)の位相角を∠EΔとすれば、位相差φmは以下の(式7)を用いて算出することができる。 Also, the voltage of the signal (third signal) induced in the second antenna element (#9) by the received radio wave arriving from the direction forming φ with the X-axis is denoted as EΩ (φ). Furthermore, if the phase angle of the voltage EΩ (φ) of the third signal is denoted as ∠EΩ and the phase angle of the voltage EΔ (φ) of the first signal is denoted as ∠EΔ , then the phase difference φm can be calculated using the following (Equation 7).
したがって、第1信号と第3信号との位相差φmは、仰角方向に角度を有しない受信電波の到来波角度φにほぼ比例した値となっているのがわかる。このようにして、円形配列フェーズドアレーアンテナ1における中心と円周上に配置したアンテナ素子の電圧の位相差を利用することで、仰角方向に角度を有しない到来波方向を推定できる。
Therefore, it can be seen that the phase difference φ m between the first and third signals is a value that is approximately proportional to the arrival wave angle φ of the received radio wave that has no angle in the elevation angle direction. In this way, by utilizing the phase difference between the voltages of the antenna elements arranged at the center and on the circumference of the circularly arranged phased
図13Aは、比較例における第1信号および第3信号のXY平面における指向特性を示す図である。図13Bは、比較例における第1信号および第3信号それぞれのXY平面における位相特性を示す図である。図13Aおよび図13Bには、比較例すなわちX軸とφをなす方向のみから受信電波が到来するとして、モーメント法を用いて電磁界解析を行った解析結果が示されている。なお、解析に使用した周波数は2GHzであり、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の半径aを4.9cmとしている。
Figure 13A is a diagram showing the directional characteristics in the XY plane of the first signal and the third signal in the comparative example. Figure 13B is a diagram showing the phase characteristics in the XY plane of the first signal and the third signal in the comparative example. Figures 13A and 13B show the analysis results of an electromagnetic field analysis performed using the moment method, assuming that the received radio waves arrive only from the direction that forms an angle φ with the X axis in the comparative example. The frequency used in the analysis is 2 GHz, and the radius a of the circularly arranged phased
図13Aに示すように、第1信号の指向特性および第3信号の指向特性、すなわち第1アンテナ素子の受信信号を足し合わせたときの指向特性と第2アンテナ素子の受信信号の指向特性とがXY平面において無指向性であるのがわかる。図13Bから、第1信号の指向性の位相特性はアジマス角に応じて変化することがわかる。これにより、第1信号の指向性の位相特性と第3信号の指向性の位相特性との差が、到来波方向に比例するのがわかる。As shown in Figure 13A, the directional characteristics of the first signal and the third signal, i.e., the directional characteristics when the received signals of the first antenna element are added together and the directional characteristics of the received signal of the second antenna element, are omnidirectional in the XY plane. Figure 13B shows that the phase characteristics of the directionality of the first signal change depending on the azimuth angle. This shows that the difference between the phase characteristics of the directionality of the first signal and the phase characteristics of the directionality of the third signal is proportional to the direction of the arriving wave.
次に、本実施の形態における、仰角方向に角度を有する到来波の方向を推定する方法について説明する。Next, we will explain the method for estimating the direction of an arriving wave having an angle in the elevation direction in this embodiment.
図14は、本実施の形態における円形配列フェーズドアレーアンテナ1の第1アンテナ素子の2つの重み関数を示す図である。図14では、第1アンテナ素子(#1~#8)のそれぞれには、反時計回りの重み関数(重み)と時計回りの重み関数(重み)との2つの重み関数が示されている。
Figure 14 is a diagram showing two weighting functions of the first antenna element of the circularly arranged phased
図14に示す円形配列フェーズドアレーアンテナ1において、仰角方向に角度を有する受信電波がX軸とφをなす方向から到来するとする。この場合、受信電波によって、円周上に位置するi番目の第1アンテナ素子に誘起される信号すなわち電圧Vi(φ)は、次の(式8)から算出できる。In the circularly arranged phased
第1アンテナ素子(#1~#8)ごとに受信のタイミングがずれるので、それを反映するために、(式9)および(式10)で定義される2つの重み関数Wi a、Wi bを(式8)から算出した電圧Viにかけて重み付けする。 Since the reception timing differs for each first antenna element (#1 to #8), in order to reflect this, the voltage Vi calculated from (Equation 8) is weighted by two weighting functions W i a and W i b defined in (Equation 9) and (Equation 10).
そして、円上のすべての第1アンテナ素子の信号を足し合わせれば、8個の第1アンテナ素子それぞれの受信信号の合計である第1信号の電圧EΔ a、第2信号の電圧EΔ bを得ることができる。より具体的には、第1信号の電圧EΔ aは、(式11)から、第2信号の電圧EΔ bは(式12)から算出できる。 Then, by adding up the signals of all the first antenna elements on the circle, it is possible to obtain the first signal voltage E Δ a and the second signal voltage E Δ b, which are the sum of the received signals of each of the eight first antenna elements. More specifically, the first signal voltage E Δ a can be calculated from (Equation 11), and the second signal voltage E Δ b can be calculated from (Equation 12).
図15Aは、モーメント法を用いて電磁界解析を行うことにより得た第1信号の仰角指向性である。図15Bは、モーメント法を用いて電磁界解析を行うことにより得た第3信号の仰角指向性である。図15Aおよび図15Bにおいて、解析に使用した周波数は2GHzであり、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の半径aを4.9cmとし、地板の半径rgを7cmとしている。
Fig. 15A shows the elevation angle directivity of the first signal obtained by performing electromagnetic field analysis using the moment method. Fig. 15B shows the elevation angle directivity of the third signal obtained by performing electromagnetic field analysis using the moment method. In Fig. 15A and Fig. 15B, the frequency used in the analysis is 2 GHz, the radius a of the circularly arranged phased
図15Aに示すように、第1信号の指向特性すなわち重み関数Wi aで重み付けられた第1アンテナ素子の受信信号を足し合わせたときの指向特性は、天頂方向(+Z軸方向)も含め、高仰角において良好な放射特性を有しているのがわかる。これに対して、図15Bに示すように、第3信号の指向特性すなわち第2アンテナ素子の受信信号の指向特性は、天頂方向に深いヌルが形成されている。これにより、比較例と同じ手法で、第1信号の指向性の位相特性と第3信号の指向性の位相特性との差を算出しても、天頂方向まで含めた到来波方向の推定ができないことがわかる。 As shown in Fig. 15A, the directional characteristic of the first signal, i.e., the directional characteristic when the received signal of the first antenna element weighted by the weighting function W i a is added, has good radiation characteristics at high elevation angles, including the zenith direction (+Z axis direction). In contrast, as shown in Fig. 15B, the directional characteristic of the third signal, i.e., the directional characteristic of the received signal of the second antenna element, has a deep null in the zenith direction. This means that even if the difference between the phase characteristic of the directivity of the first signal and the phase characteristic of the directivity of the third signal is calculated using the same method as in the comparative example, it is not possible to estimate the direction of arrival of the wave including the zenith direction.
そこで、本実施の形態では、以下で説明する位相反転重みづけ法を用いて、第1信号の電圧EΔ aおよび第2信号の電圧EΔ bから第3信号の電圧EΩを合成する方法を想到するに至った。すなわち、本実施の形態では、第1信号EΔ aの位相角および第2信号の電圧EΔ bの位相角から、第2アンテナ素子に誘起される第3信号の電圧EΩの位相角を合成する方法を想到するに至った。 Therefore, in this embodiment, a method of synthesizing the voltage E Ω of the third signal from the voltage E Δa of the first signal and the voltage E Δb of the second signal using a phase inversion weighting method described below has been devised. That is, in this embodiment, a method of synthesizing the phase angle of the voltage E Ω of the third signal induced in the second antenna element from the phase angle of the first signal E Δa and the phase angle of the voltage E Δb of the second signal has been devised.
図16は、位相反転重み付け法の原理を説明するための概略図である。図16には、第1信号の電圧EΔ aの位相角∠EΔ aと、第2信号の電圧EΔ bの位相角∠EΔ bとが示されている。図16に示されるように、位相角∠EΔ aと位相角∠EΔ bとは、到来波方向に対して逆の傾きを有している。つまり、位相角∠EΔ aと位相角∠EΔ bとは対称性をもつ。したがって、到来波方向を推定するために用いる第3信号の電圧EΩの位相角∠EΩ(基準位相とも称する)を、下記の(式13)に示されるように定義する。これにより、仰角方向に角度を有する到来波の方向を表す角度φmは、(式14)で表すことができる。 FIG. 16 is a schematic diagram for explaining the principle of the phase inversion weighting method. In FIG. 16, the phase angle ∠E Δ a of the voltage E Δ a of the first signal and the phase angle ∠E Δ b of the voltage E Δ b of the second signal are shown. As shown in FIG. 16, the phase angle ∠E Δ a and the phase angle ∠E Δ b have opposite inclinations with respect to the direction of the incoming wave. In other words, the phase angle ∠E Δ a and the phase angle ∠E Δ b are symmetrical. Therefore, the phase angle ∠E Ω (also called the reference phase) of the voltage E Ω of the third signal used to estimate the direction of the incoming wave is defined as shown in the following (Equation 13). As a result, the angle φ m representing the direction of the incoming wave having an angle in the elevation angle direction can be expressed by (Equation 14).
ここで、第1信号の電圧EΔ aと第2信号の電圧EΔ bとはともに、図15Aに示される仰角指向性を有する。一方、(式13)より、第3信号の電圧EΩの指向性は第1信号の電圧EΔ aと第2信号の電圧EΔ bとの指向性の平均値である。従って、第3信号の電圧EΩの指向性は、図15Aと同一となり良好な仰角指向性を有することになるので、高仰角における到来波方向の推定を可能とすることがわかる。 Here, both the voltage E Δ a of the first signal and the voltage E Δ b of the second signal have the elevation angle directivity shown in Fig. 15A. Meanwhile, according to (Equation 13), the directivity of the voltage E Ω of the third signal is the average value of the directivities of the voltage E Δ a of the first signal and the voltage E Δ b of the second signal. Therefore, the directivity of the voltage E Ω of the third signal is the same as that of Fig. 15A and has good elevation angle directivity, so it can be seen that it is possible to estimate the direction of arrival waves at high elevation angles.
図17は、本実施の形態における、第1信号と第3信号との3次元指向性を示す図である。図17には、モーメント法を用いて電磁界解析を行うことにより得た第1信号と第3信号との3次元指向性が示されている。 Figure 17 is a diagram showing the three-dimensional directivity of the first signal and the third signal in this embodiment. Figure 17 shows the three-dimensional directivity of the first signal and the third signal obtained by performing electromagnetic field analysis using the moment method.
第3信号の電圧EΩの指向性は、第1信号の電圧EΔ aの指向性と第2信号の電圧EΔ bの指向性との平均であることから、第1信号の電圧EΔ aと同じ振幅特性である。図17から、第1信号の電圧EΔ aと第3信号の電圧EΩとは、地板より上方向(+Z方向)である天頂方向に高い利得を有していることがわかる。 The directivity of the voltage EΩ of the third signal is the average of the directivity of the voltage EΔa of the first signal and the directivity of the voltage EΔb of the second signal, and therefore has the same amplitude characteristics as the voltage EΔa of the first signal. From Fig. 17, it can be seen that the voltage EΔa of the first signal and the voltage EΩ of the third signal have high gain in the zenith direction, which is above the ground plane (+Z direction).
図18Aは、仰角方向が30度である場合の指向性および推定される到来波方向の角度特性である。図18Aの(a)には、仰角方向が30度である場合における第1信号の電圧EΔ aと第3信号の電圧EΩとの指向性が示されている。図18Aの(b)には、上記の(式14)により定義される角度φmすなわち仰角方向に30度を有する到来波の方向を表す角度φmが示されている。 Fig. 18A shows the directivity and the estimated angle characteristic of the direction of the arrival wave when the elevation angle is 30 degrees. Fig. 18A (a) shows the directivity of the voltage E Δ a of the first signal and the voltage E Ω of the third signal when the elevation angle is 30 degrees. Fig. 18A (b) shows the angle φ m defined by the above (Equation 14), that is, the angle φ m representing the direction of the arrival wave having an elevation angle of 30 degrees.
図18Bは、仰角方向が80度である場合の指向性および推定される到来波方向の角度特性である。図18Bの(a)には、仰角方向が80度である場合における第1信号の電圧EΔ aと第3信号の電圧EΩとの指向性が示されている。図18Bの(b)には、上記の(式14)により定義される角度φmすなわち仰角方向に80度を有する到来波の方向を表す角度φmが示されている。 Fig. 18B shows the directivity and the estimated angle characteristic of the direction of the arrival wave when the elevation angle is 80 degrees. Fig. 18B (a) shows the directivity of the voltage E Δ a of the first signal and the voltage E Ω of the third signal when the elevation angle is 80 degrees. Fig. 18B (b) shows the angle φ m defined by the above (Equation 14), that is, the angle φ m representing the direction of the arrival wave having an elevation angle of 80 degrees.
図18Aの(a)および図18Bの(a)から、第1信号の電圧EΔ aおよび第3信号の電圧EΩともに、80度の高い仰角においてアジマス方向に一定の高い利得を維持していることがわかる。また、図18Aの(b)および図18Bの(b)から、仰角を示すθ=30度と80度とのいずれにおいても、推定される角度φmは到来波方向に比例することがわかる。 18A(a) and 18B(a) show that both the voltage E Δa of the first signal and the voltage E Ω of the third signal maintain a constant high gain in the azimuth direction at a high elevation angle of 80 degrees. Also, 18A(b) and 18B(b) show that the estimated angle φ m is proportional to the direction of arrival wave at both elevation angles θ = 30 degrees and 80 degrees.
<伝送容量と地板サイズとの関係の確認>
本実施の形態のアンテナ装置10では、到来波方向に対して垂直に配列されたサブアレーの組み合わせとなるように、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の8個の第1アンテナ素子を4つに分割制御することで、MIMOアレーアンテナ機能を実現する。そして、本実施の形態のアンテナ装置10は、MIMOアレーアンテナ機能を実現することで、伝送容量の向上を図ることができる。
<Confirmation of the relationship between transmission capacity and base plate size>
In the
ところで、円形地板の中心に取り付けられたモノポールアンテナの仰角方向への放射指向性は、地板のサイズを変更することによって制御できることが知られている。しかし、MIMOアレーアンテナの伝送容量に対する地板サイズの影響はこれまで十分に検討されていなかった。そこで、伝送容量と地板サイズとの関係を確認した結果について以下説明する。It is known that the radiation directivity in the elevation direction of a monopole antenna attached to the center of a circular ground plate can be controlled by changing the size of the ground plate. However, the effect of ground plate size on the transmission capacity of a MIMO array antenna has not been fully studied until now. Therefore, the results of confirming the relationship between transmission capacity and ground plate size are explained below.
図19は、本実施の形態における地板2の半径rgを変化させたときの到来波の仰角方向に対する伝送容量の変化を示す図である。図19には、3次元座標においてアジマス角とエレベーション角とのいずれもガウス分布到来波を有したクラスター伝搬環境のチャネルモデルを用いて、モンテカルロシミュレーションを実施した結果が示されている。MIMOアレーアンテナ全体の放射特性はモーメント法によって計算した。解析周波数は2GHzである。円形配列フェーズドアレーアンテナ1を構成するすべてのアンテナ素子は、長さ37.5mm、半径0.5mmの1/4波長モノポールアンテナとした。4×4MIMOアレーアンテナとして機能する円形配列フェーズドアレーアンテナ1の半径aは4.9cmとし、第1アンテナ素子#2、#3の間隔を2GHzで1/4波長とすることによって、カージオイド指向性を形成した。
FIG. 19 is a diagram showing the change in transmission capacity with respect to the elevation angle direction of the incoming wave when the radius r g of the
図19から、仰角(エレベーション角)における伝送容量が地板2の半径rgによって変化することがわかる。より具体的には、図19から、エレベーション角が0~15度の範囲は地板の半径rgが13cm、15~60度の範囲は地板2の半径rgが10cm、60~90度の範囲は地板の半径rgが13cmのときに伝送容量が最大となっている。従って、通信したいエレベーション角に応じて最適な地板の半径rgを制御する必要があることがわかる。
It can be seen from Fig. 19 that the transmission capacity at the elevation angle changes depending on the radius rg of the
特に、地板2の半径rg=10cmのとき、30度~60度の高仰角において伝送容量が著しく増加している。この結果から、仰角特性および実用的なアンテナ形状を考慮して、本実施の形態における可変である地板2の半径rgの一方を10cmとした。
In particular, when the radius rg of the
<サブアレーにおける3次元放射指向性の確認>
次に、サブアレーにおける3次元放射指向性について説明する。以下では、円形配列フェーズドアレーアンテナ1において第1アンテナ素子#1、#4をサブアレー2(以下、モノポールアレーアンテナとも称する)とした場合の3次元放射指向性について説明する。なお、比較例として、地板2がなく9個のダイポールアンテナで構成された円形配列フェーズドアレーアンテナ1において第1アンテナ素子#1、#4をサブアレー2(以下、ダイポールアレーアンテナとも称する)とした場合の3次元放射指向性についても説明する。
<Confirmation of 3D radiation directivity in sub-array>
Next, the three-dimensional radiation directivity in the sub-array will be described. The following describes the three-dimensional radiation directivity when the first
図20Aは、比較例におけるダイポールアレーアンテナの3次元放射指向性を示す図である。図20Bは、本実施の形態におけるモノポールアレーアンテナの3次元放射指向性を示す図である。 Figure 20A is a diagram showing the three-dimensional radiation directivity of a dipole array antenna in a comparative example. Figure 20B is a diagram showing the three-dimensional radiation directivity of a monopole array antenna in this embodiment.
図20Aおよび図20Bを比較するとわかるように、図20Aに示すダイポールアレーアンテナの3次元放射指向性は、天頂方向(+Z方向)に深いヌルが形成されており、高仰角方向における放射が著しく低下している。一方、図20Bに示すモノポールアレーアンテナでは、天頂方向(+Z方向)に深いヌルは形成されておらず、図20Aに示すダイポールアレーアンテナと比較して高仰角における放射利得の大幅な向上が見られる。 As can be seen by comparing Figures 20A and 20B, the three-dimensional radiation directivity of the dipole array antenna shown in Figure 20A has a deep null in the zenith direction (+Z direction), and radiation at high elevation angles is significantly reduced. On the other hand, the monopole array antenna shown in Figure 20B does not have a deep null in the zenith direction (+Z direction), and shows a significant improvement in radiation gain at high elevation angles compared to the dipole array antenna shown in Figure 20A.
<サンドイッチアレー装置100における3次元放射指向性の確認>
次に、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100が指向性走査を実施したときの3次元放射指向性について説明する。サンドイッチアレー装置100は、45度間隔の指向性走査を行う機能を有しているが、以下では、90度間隔の3次元放射指向性のみを例に挙げて説明する。
<Confirmation of Three-Dimensional Radiation Directivity in the
Next, a three-dimensional radiation directivity when the
図21A~図22Dは、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100に指向性走査を実施させたときの3次元指向性を示す図である。図21A~図21Dには、サンドイッチアレー装置100の上部のアンテナ装置10Aにおいて、地板2の半径rgを10cmとし、第1アンテナ素子#1、#4をサブアレー2とした場合に、通信したいアジマス角を変化させたときの3次元放射指向性が示されている。図22A~図22Dには、サンドイッチアレー装置100の下部のアンテナ装置10Bにおいて、地板2の半径rgを10cmとし、第1アンテナ素子#1、#4をサブアレー2とした場合に、通信したいアジマス角を変化させたときの3次元放射指向性が示されている。また、図21A~図21Dと図22A~図22Dとには、90度間隔の3次元放射指向性が示されている。
21A to 22D are diagrams showing three-dimensional directivity when directional scanning is performed by the
図21A~図22Dにより、通信したいアジマス方向の利得が大きくなっていることがわかる。また、図21A~図22Dに示されるように、指向性走査を実施することで高仰角角度方向を照射しながら指向性が回転している。なお、他の3つのサブアレー(サブアレー1、3、4)の指向性も同様のことが言える。
Figures 21A to 22D show that the gain in the azimuth direction of the desired communication is large. Also, as shown in Figures 21A to 22D, by performing directional scanning, the directivity rotates while irradiating the high elevation angle direction. The same can be said for the directivities of the other three subarrays (
そして、上部のアンテナ装置10Aと下部のアンテナ装置10Bとを相補的に連携させることにより、俯角方向への指向性利得を向上させることができ、全立体角をカバーすることができることがわかる。
It can be seen that by linking the
<MIMOアレーアンテナの伝送容量の確認>
次に、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100を、MIMOアレーアンテナとして動作させたときの伝送容量について説明する。なお、比較例として、地板2がなく9個の半波長ダイポールアンテナで構成された円形配列フェーズドアレーアンテナ1(半波長ダイポールアレーアンテナと称する)をMIMOアレーアンテナとして動作させたときの伝送容量についても説明する。
<Confirmation of transmission capacity of MIMO array antenna>
Next, the transmission capacity when
図23は、比較例における半波長ダイポールアレーアンテナを使用したMIMOアレーアンテナの伝送容量の仰角特性を示す図である。図23には、到来波のアジマス方向を0度(φ=0度)として、到来波エレベーション角を変化させたときのMIMOアレーアンテナの伝送容量の解析結果が示されている。ここで、解析周波数は2GHzであり、SNRは30dB、XPR(交差偏波電力比)は10dBである。図23に示されるσは、アジマス方向(水平方向)およびエレベーション方向(仰角方向)におけるガウス到来波の広がり角(標準偏差)を表している。θは、エレベーション方向の角度すなわち到来波エレベーション角を表している。 Figure 23 is a diagram showing the elevation angle characteristic of the transmission capacity of a MIMO array antenna using a half-wavelength dipole array antenna in a comparative example. Figure 23 shows the analysis result of the transmission capacity of the MIMO array antenna when the azimuth direction of the incoming wave is set to 0 degrees (φ = 0 degrees) and the incoming wave elevation angle is changed. Here, the analysis frequency is 2 GHz, the SNR is 30 dB, and the XPR (cross polarization power ratio) is 10 dB. σ shown in Figure 23 represents the spread angle (standard deviation) of the Gaussian incoming wave in the azimuth direction (horizontal direction) and the elevation direction (elevation angle direction). θ represents the angle of the elevation direction, i.e., the incoming wave elevation angle.
図23から、半波長ダイポールアレーアンテナを使用したMIMOアレーアンテナは、0度のエレベーション角に対して伝送容量が対称となる特性を有していることがわかる。また、天頂方向(θ=+90度)と天底方向(θ=-90度)において伝送容量の大幅な減少が見られることがわかる。また、広がり角が10度の場合において、0度のエレベーション角の伝送容量と±90度のエレベーション角の伝送容量を比較すると、22bits/s/Hz劣化することがわかる。 From Figure 23, we can see that a MIMO array antenna using a half-wavelength dipole array antenna has a characteristic in which the transmission capacity is symmetrical with respect to an elevation angle of 0 degrees. It can also be seen that there is a significant decrease in transmission capacity in the zenith direction (θ = +90 degrees) and nadir direction (θ = -90 degrees). When the spread angle is 10 degrees, we can see that the transmission capacity at an elevation angle of 0 degrees is compared to that at elevation angles of ±90 degrees, resulting in a degradation of 22 bits/s/Hz.
これらの結果は、図20Aに示すように,ダイポールアレーアンテナでは、天頂方向と天底方向とにおいて、ヌルが形成されていることに起因すると考えられる。 These results are thought to be due to the fact that nulls are formed in the zenith and nadir directions in the dipole array antenna, as shown in Figure 20A.
図24Aは、実施の形態におけるサンドイッチアレー装置を使用したMIMOアレーアンテナの伝送容量のアジマス特性を示す図である。図24Bは、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100を使用したMIMOアレーアンテナの伝送容量の仰角特性を示す図である。図24Aには、アジマス角に対する伝送容量の仰角特性が示されており、図24Bには、エレベーション角に対する伝送容量の仰角特性が示されている。
Figure 24A is a diagram showing the azimuth characteristic of the transmission capacity of a MIMO array antenna using a sandwich array device in an embodiment. Figure 24B is a diagram showing the elevation angle characteristic of the transmission capacity of a MIMO array antenna using a
図24Aおよび図24Bにおいて、解析周波数は2GHzであり、SNRは30dB、XPRは10dBである。なお、飛翔車両間通信では、見通し内(Line-of-Sight:LOS)伝搬環境が予想される。そのため,垂直偏波成分が水平偏波成分よりも優位な伝搬環境を想定し、交差偏波電力比を表すXPRを10dBとしている。 In Figures 24A and 24B, the analysis frequency is 2 GHz, the SNR is 30 dB, and the XPR is 10 dB. Note that a line-of-sight (LOS) propagation environment is expected for flying vehicle-to-vehicle communications. Therefore, a propagation environment in which the vertical polarization component is dominant over the horizontal polarization component is assumed, and the XPR, which represents the cross-polarized power ratio, is set to 10 dB.
また、サンドイッチアレー装置100では、MIMOアレーアンテナとして、0度~90度の仰角ターゲットで上部のアンテナ装置10Aが選択され、-90度~0度の俯角ターゲットで下部のアンテナ装置10Bが選択されるとした。
In addition, in the
図24Aからわかるように、いずれの広がり角に対しても、当該MIMOアレーアンテナの伝送容量は全アジマス方向でほぼ一定である。これにより、サンドイッチアレー装置100を使用したMIMOアレーアンテナのビーム(指向性)を到来波アジマス角に制御することにより、安定した伝送容量を実現できることがわかる。As can be seen from Figure 24A, the transmission capacity of the MIMO array antenna is almost constant in all azimuth directions for any spread angle. This shows that a stable transmission capacity can be achieved by controlling the beam (directivity) of the MIMO array antenna using the
また、図24Bから、上部のアンテナ装置10Aと下部のアンテナ装置10Bとの切り替え動作により、当該MIMOアレーアンテナの伝送容量は、0度のエレベーション角に対して対称な特性を有することがわかる。また、図24Bは、エレベーション角に対する当該MIMOアレーアンテナの伝送容量の変動が小さいことがわかる。これにより、サンドイッチアレー装置100を使用したMIMOアレーアンテナのビーム(指向性)を到来波エレベーション角に制御することにより、安定した伝送容量を実現できることがわかる。
Also, from Figure 24B, it can be seen that the transmission capacity of the MIMO array antenna has symmetric characteristics with respect to an elevation angle of 0 degrees due to the switching operation between the
図23と図24A、図24Bとにおいてエレベーション角が0度である場合の伝送容量を比較すると、次のことがわかる。すなわち、サンドイッチアレー装置100を使用したMIMOアレーアンテナの伝送容量は、半波長ダイポールアレーアンテナを使用したMIMOアレーアンテナの最大伝送容量をおおむね維持していることがわかる。23, 24A, and 24B, the following can be seen. That is, the transmission capacity of the MIMO array antenna using the
これにより、上記の実施の形態において、全立体角照射を目的として、図19から選択した地板2の半径rgを10cmとした(選択した)ことは、妥当であることがわかる。
This shows that it is appropriate to set the radius rg of the
図25は、比較例における半波長ダイポールアレーアンテナを使用したMIMOアレーアンテナの全立体角にわたる3次元伝送容量を示す図である。図26は、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100を使用したMIMOアレーアンテナの全立体角にわたる3次元伝送容量を示す図である。
Figure 25 is a diagram showing the three-dimensional transmission capacity over the entire solid angle of a MIMO array antenna using a half-wavelength dipole array antenna in a comparative example. Figure 26 is a diagram showing the three-dimensional transmission capacity over the entire solid angle of a MIMO array antenna using a
図25からわかるように、半波長ダイポールアレーアンテナを使用したMIMOアレーアンテナの伝送容量は、天頂方向および天底方向において深いヌルが形成されている。一方、図26に示すように、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100を使用したMIMOアレーアンテナの伝送容量は、等半径の球体形状を有している。これにより、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100を使用したMIMOアレーアンテナは、任意方向においてターゲットに接続できる能力を持っていることがわかる。As can be seen from Figure 25, the transmission capacity of a MIMO array antenna using a half-wavelength dipole array antenna has deep nulls in the zenith and nadir directions. On the other hand, as shown in Figure 26, the transmission capacity of a MIMO array antenna using the
なお、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100を使用したMIMOアレーアンテナの伝送容量の上記特徴は、放射指向性のθ成分およびφ成分の適切な電力合成によって得られる。特に、φ成分は地板2に誘導された電流分布から生じる。このため、ダイポールアンテナで構成される半波長ダイポールアレーアンテナにはφ成分は原理的に存在しない。The above-mentioned characteristics of the transmission capacity of the MIMO array antenna using the
<高速通信が可能であることの確認>
次に、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100を、MIMOアレーアンテナとして動作させたときに高速通信が可能であることを、伝送容量に基づく通信遮断確率(Outage Probability)を利用して確認したので、以下説明する。
<Verifying that high-speed communication is possible>
Next, it has been confirmed that high-speed communication is possible when
まず、通信遮断確率は、下記の(式15)に示すように、伝送容量が規定の閾値よりも下回る確率として定義した。 First, the probability of communication outage is defined as the probability that the transmission capacity falls below a specified threshold, as shown in (Equation 15) below.
(式15)において、p(θ、φ)は、全立体角にわたる伝送容量の確率密度関数(PDF)を示す。Cthは伝送容量の閾値を示す。φthは、Cthに対応するアジマス角を示し、θthはCthに対応するエレベーション角を示す。 In (Equation 15), p(θ,φ) denotes the probability density function (PDF) of the transmission capacity over the entire solid angle, C denotes the transmission capacity threshold, φ denotes the azimuth angle corresponding to C , and θ denotes the elevation angle corresponding to C.
図27は、本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100を使用したMIMOアレーアンテナの全立体角にわたる通信遮断確率を示す図である。図27に示される本開示は、サンドイッチアレー装置100を使用したMIMOアレーアンテナを表す。図27に示される比較例は、上述した半波長ダイポールアレーアンテナを使用したMIMOアレーアンテナを表す。また、図27において、横軸は、下記の(式16)で定義される伝送容量の最大値Cmaxによって規格化された伝送容量である。
Fig. 27 is a diagram showing the communication outage probability over the entire solid angle of a MIMO array antenna using the
図27より、比較例では、例えば広がり角が10度(σ=10度)のとき、通信遮断確率がゼロになる規格化伝送容量rは22%であることがわかる。一方、本開示では、広がり角が10度のとき、通信遮断確率がゼロになる規格化伝送容量rは87%である。 From Figure 27, it can be seen that in the comparative example, when the spread angle is 10 degrees (σ = 10 degrees), for example, the normalized transmission capacity r at which the probability of communication outage becomes zero is 22%. On the other hand, in the present disclosure, when the spread angle is 10 degrees, the normalized transmission capacity r at which the probability of communication outage becomes zero is 87%.
これにより、本開示すなわち本実施の形態におけるサンドイッチアレー装置100を使用したMIMOアレーアンテナでは、3次元空間の全方位に渡って最大伝送容量の87%の高速通信が可能であることがわかる。
This shows that a MIMO array antenna using the
以上の確認等により、本実施の形態のサンドイッチアレー装置100は、1)空間分割モノパルス法によりモノパルス指向性を形成できること、2)全立体角に渡り到来波方向を推定できること、3)MIMOアレーアンテナの機能を有することが明らかとなった。また、本実施の形態のサンドイッチアレー装置100では、モノパルス指向性の形成を行う場合と、全立体角に渡る到来波方向を推定する場合とには、地板2の半径rgは7cmとし、MIMOアレーアンテナの機能を実現する場合には、地板2の半径rgは10cmとする。つまり、本実施の形態のサンドイッチアレー装置100では、1)~3)のすべての機能を1つの装置で実現するため、ダイオードのオン・オフで地板2の半径rgを切り替える。
From the above confirmations, it has become clear that the
(変形例)
上記の実施の形態では、MIMOアレーアンテナとして、2つのアンテナ装置10で構成される1つのサンドイッチアレー装置100を用いる場合について説明したが、これに限らない。サンドイッチアレー装置100をモジュール化して組み合わせることで、多素子MIMOアレーアンテナを形成してもよい。以下、この場合について説明する。
(Modification)
In the above embodiment, a case has been described in which one
図28は、変形例における多素子MIMOアレーアンテナの一例を示す図である。図28では、多素子MIMOアレーアンテナを形成するために、5つのサンドイッチアレー装置100a、100b、100c、100d、100eが組み合わされた場合の一例が示されている。
Figure 28 is a diagram showing an example of a multi-element MIMO array antenna in a modified example. In Figure 28, an example is shown in which five
また、上記の実施の形態では、アンテナ装置10をMIMOアレーアンテナとして用いる場合について説明したが、これに限らない。アンテナ装置10をモジュール化して組み合わせることで、多素子MIMOアレーアンテナを形成してもよい。以下、この場合について説明する。In the above embodiment, the
図29Aは、変形例における4×4MIMOアレーアンテナの一例を示す図である。図29Bは、変形例における8×8MIMOアレーアンテナの一例を示す図である。図29Cは、変形例における16×16MIMOアレーアンテナの一例を示す図である。図29Dは、変形例における32×32MIMOアレーアンテナの一例を示す図である。図29Eは、変形例における64×64MIMOアレーアンテナの一例を示す図である。図29Fは、変形例における128×128MIMOアレーアンテナの一例を示す図である。図29Gは、変形例における256×256MIMOアレーアンテナの一例を示す図である。図29A~図29Gにはそれぞれ、多素子MIMOアレーアンテナを上面から見た場合のアンテナ装置10の組み合わせが示されている。
Figure 29A is a diagram showing an example of a 4x4 MIMO array antenna in a modified example. Figure 29B is a diagram showing an example of an 8x8 MIMO array antenna in a modified example. Figure 29C is a diagram showing an example of a 16x16 MIMO array antenna in a modified example. Figure 29D is a diagram showing an example of a 32x32 MIMO array antenna in a modified example. Figure 29E is a diagram showing an example of a 64x64 MIMO array antenna in a modified example. Figure 29F is a diagram showing an example of a 128x128 MIMO array antenna in a modified example. Figure 29G is a diagram showing an example of a 256x256 MIMO array antenna in a modified example. Each of Figures 29A to 29G shows a combination of
このように、サンドイッチアレー装置100またはアンテナ装置10をモジュール化して組み合わせることで、容易に多素子MIMOアレーアンテナとして拡張できる。In this way, by modularizing and combining the
(その他の実施の形態)
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されない。上述した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
Other Embodiments
The present invention is not limited to the above-described embodiment. Various modifications and variations can be made to the above-described embodiment within the same scope as the present invention or within an equivalent scope.
また、上記実施形態において、各構成要素は専用のハードウェアにより構成されてもよく、あるいは、ソフトウェアにより実現可能な構成要素については、プログラムを実行することによって実現されてもよい。 In addition, in the above embodiments, each component may be configured by dedicated hardware, or components that can be realized by software may be realized by executing a program.
また、例えば、アンテナ装置10を構成するモジュールを、IC(集積回路)、ASIC(特定用途向け集積回路)、およびLSI(大規模集積)などの形態で実現されるか、ARMなどのCPUに基づくプロセッサおよびPC(パーソナルコンピュータ)などの機械により実現するとしてもよい。これらの各モジュールは、多くの単機能LSIまたは1つのLSIに含まれ得る。ここで用いられた名称はLSIであるが、集積度に応じて、IC、システムLSI、スーパーLSIまたはウルトラLSIと呼称されることもある。さらに、集積方法はLSIに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサなどによっても集積することができる。これには、プログラム命令により指示可能なDSP(デジタル信号プロセッサ)などの特殊なマイクロプロセッサも含まれる。LSIの製造後にプログラム可能なFPGA(フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ)もしくはLSIの接続または配置を再構成できる再構成可能プロセッサを同様の目的で用いることができる。今後は、製造と処理技術の発展に伴い、全く新しい技術がLSIに置き換わるかもしれない。集積はそのような技術によって実現され得る。
For example, the modules constituting the
本発明は、受信電波の到来波方向を推定するとともに、推定した到来波方向に指向性を制御して高信頼性通信を実現するアンテナ装置等に利用でき、特に飛翔車両、MIMOアンテナなどに用いられるアンテナ装置等に利用することができる。 The present invention can be used in antenna devices that estimate the direction of arrival of received radio waves and control directivity to the estimated direction of arrival to achieve highly reliable communication, and can be used in particular in antenna devices used in flying vehicles, MIMO antennas, etc.
1、1A、1B 円形配列フェーズドアレーアンテナ
2、2A、2B、2a、2b 地板
3 制御部
4 演算部
10、10A、10B アンテナ装置
100、100a、100b、100c、100d、100e サンドイッチアレー装置
301 ダイオード
302 チョークコイル
REFERENCE SIGNS
Claims (6)
スイッチング制御により半径が可変である円形状の地板と、
前記円形配列フェーズドアレーアンテナに到来する到来波の前記地板と平行な方向である到来波方向に応じて、前記N個の第1アンテナ素子を前記到来波方向に直交するように前記N/2個のサブアレーに分割し、前記サブアレーの指向性を制御することで前記到来波方向に向いた前記N/2個のビームを独立に形成するサブアレー制御部と、を備え、
前記第1アンテナ素子と前記第2アンテナ素子とは、前記地板に実装されたモノポールアンテナで構成される、
アンテナ装置。 a circularly arranged phased array antenna including N first antenna elements (N being a natural number of 3 or more) arranged at equal intervals on a circle and one second antenna element arranged approximately at the center of the circle;
A circular base plate whose radius can be changed by switching control;
a subarray control unit that divides the N first antenna elements into the N/2 subarrays orthogonal to a direction of an incoming wave arriving at the circularly arranged phased array antenna, the direction being parallel to the ground plane, and controls directivities of the subarrays to independently form the N/2 beams directed in the direction of the incoming wave,
The first antenna element and the second antenna element are configured as monopole antennas mounted on the ground plane.
Antenna device.
請求項1に記載のアンテナ装置。 The first antenna element and the second antenna element are configured as 1/4 wavelength monopole antennas.
2. The antenna device according to claim 1.
前記組み合わせは、前記到来波方向に応じて、変更される、
請求項1または2に記載のアンテナ装置。 Each of the N/2 subarrays is composed of a combination of two antenna elements whose arrangement directions are parallel to each other,
The combination is changed depending on the direction of arrival of the wave.
3. The antenna device according to claim 1 or 2 .
スイッチング制御により半径が可変である円形状の地板と、
前記円形配列フェーズドアレーアンテナに到来する到来波の前記地板となす方向である仰角方向の経路差を用いて算出されるデルタ指向性およびシグマ指向性を形成するために与えられる位相を、所望の通信方向に最も近い2つの前記第1アンテナ素子に与えることによって、前記仰角方向を含む所定の角度範囲に、前記円形配列フェーズドアレーアンテナの指向性を制御する指向性制御部と、を備え、
前記第1アンテナ素子と前記第2アンテナ素子とは、前記地板に実装されたモノポールアンテナで構成され、
前記デルタ指向性は、前記仰角方向に逆相励振を実現することによって放射利得を小さくさせる指向性であり、
前記シグマ指向性は、前記仰角方向に同相励振を実現することによって放射利得を大きくさせる指向性である、
アンテナ装置。 a circularly arranged phased array antenna including N first antenna elements (N being a natural number of 3 or more) arranged at equal intervals on a circle and one second antenna element arranged approximately at the center of the circle;
A circular base plate whose radius can be changed by switching control;
a directivity control unit that controls the directivity of the circularly arranged phased array antenna within a predetermined angle range including the elevation angle direction by providing phases to two of the first antenna elements that are closest to a desired communication direction in order to form delta directivity and sigma directivity, the phases being calculated using a path difference in an elevation angle direction, which is a direction of an incoming wave arriving at the circularly arranged phased array antenna and the ground plane,
the first antenna element and the second antenna element are configured as monopole antennas mounted on the ground plane,
The delta directivity is a directivity that reduces a radiation gain by realizing anti-phase excitation in the elevation angle direction,
The sigma directivity is a directivity that increases radiation gain by realizing in-phase excitation in the elevation angle direction.
Antenna device.
スイッチング制御により半径が可変である円形状の地板と、
前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた2つの重みそれぞれをかけて合計した第1信号および第2信号と、前記第2アンテナ素子の受信信号である第3信号とを統計解析し、前記第1信号および前記第3信号の位相差を算出することにより、前記円形配列フェーズドアレーアンテナに到来する到来波の前記地板となす方向である到来波方向を推定する演算部と、を備え、
前記第1アンテナ素子と前記第2アンテナ素子とは、前記地板に実装されたモノポールアンテナで構成され、
前記演算部は、前記第3信号の電圧の位相角を、前記第1信号の電圧の位相角と前記第2信号の電圧の位相角との平均により算出することで、前記第1信号および前記第3信号の位相差を算出し、
前記位相差は、前記到来波方向に略比例する、
アンテナ装置。 a circularly arranged phased array antenna including N first antenna elements (N being a natural number of 3 or more) arranged at equal intervals on a circle and one second antenna element arranged approximately at the center of the circle;
A circular base plate whose radius can be changed by switching control;
a calculation unit that performs statistical analysis on a first signal and a second signal obtained by multiplying a received signal of each of the first antenna elements by two weights corresponding to an arrangement of the first antenna elements and summing the result, and a third signal which is a received signal of the second antenna element, and calculates a phase difference between the first signal and the third signal , thereby estimating an arrival wave direction which is a direction of an arrival wave arriving at the circularly arranged phased array antenna relative to the ground plane,
the first antenna element and the second antenna element are configured as monopole antennas mounted on the ground plane,
the calculation unit calculates a phase angle of the voltage of the third signal by averaging a phase angle of the voltage of the first signal and a phase angle of the voltage of the second signal, thereby calculating a phase difference between the first signal and the third signal;
The phase difference is approximately proportional to the direction of the incoming wave.
Antenna device.
前記第1アンテナ装置および前記第2アンテナ装置の各々は、
円上に等間隔に配列されたN個(Nは3以上の自然数)の第1アンテナ素子と、前記円の略中心に配された1個の第2アンテナ素子とからなる円形配列フェーズドアレーアンテナと、
スイッチング制御により半径が可変である円形状の地板と、を有し、
前記第1アンテナ素子と前記第2アンテナ素子とは、前記地板に実装されたモノポールアンテナで構成され、
前記第1アンテナ装置は、飛翔車両の天頂部に配置され、
前記第2アンテナ装置は、前記飛翔車両の天底部に配置され、
前記第1アンテナ装置および前記第2アンテナ装置における前記地板から見た前記円形配列フェーズドアレーアンテナの立設方向は、反対方向である、
サンドイッチアレー装置。 A first antenna device and a second antenna device are provided,
Each of the first antenna device and the second antenna device
a circularly arranged phased array antenna including N first antenna elements (N being a natural number of 3 or more) arranged at equal intervals on a circle and one second antenna element arranged approximately at the center of the circle;
A circular base plate whose radius is variable by switching control;
the first antenna element and the second antenna element are configured as monopole antennas mounted on the ground plane,
The first antenna device is disposed at the zenith of the flying vehicle;
The second antenna device is disposed at the nadir of the flying vehicle;
The first antenna device and the second antenna device have opposite directions of the circularly arranged phased array antenna as viewed from the ground plane.
Sandwich array device.
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