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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, Patent Document 1 discloses a receiving antenna device that can detect the direction of arrival of a received radio wave in a horizontal plane. According to this, by using a circularly arranged phased array antenna consisting of antenna elements arranged at equal intervals on a circle and an antenna element arranged in the center, it is possible to realize an antenna device that can be constructed small and lightweight and can detect the direction of arrival of a received radio wave with high accuracy.

特開昭59-114907号公報Japanese Patent Application Publication No. 59-114907

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 Patent Document 1 has the problem that although it can estimate the direction of arrival waves in the horizontal direction, it cannot estimate the direction of arrival waves in the elevation angle direction. In other words, since a flying car can freely change its flight direction in the horizontal and vertical directions, unlike conventional automobiles, the targets with which it communicates are not limited to the horizontal plane, and therefore an antenna with radiation characteristics that cover the entire solid angle is required.

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.

図1は、実施の形態におけるアンテナ装置の概要構成の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a schematic configuration of an antenna device according to an embodiment. 図2は、図1に示す円形配列フェーズドアレーアンテナの具体的構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration example of the circularly arranged phased array antenna shown in FIG. 図3Aは、実施の形態におけるサイズが可変である地板の構成の一例を示す図である。FIG. 3A is a diagram showing an example of the configuration of a base plate whose size is variable according to the embodiment. 図3Bは、図3Aに示す地板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。FIG. 3B is a diagram showing a specific configuration used to switch the size of the main plate shown in FIG. 3A. 図4は、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。FIG. 4 is a diagram showing a specific example of the configuration of a sub-array when radio waves arrive from the +X-axis direction of a circularly arranged phased array antenna according to an embodiment. 図5Aは、実施の形態におけるサンドイッチアレー装置の概要構成の一例を示す図である。FIG. 5A is a diagram showing an example of a schematic configuration of a sandwich array device according to an embodiment. 図5Bは、図5Aに示すサンドイッチアレー装置のユースケースを示す図である。FIG. 5B is a diagram showing a use case of the sandwich array device shown in FIG. 5A. 図6は、実施の形態におけるサンドイッチアレー装置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。FIG. 6 is a diagram showing a concept of communication between flying vehicles using a sandwich array device according to an embodiment. 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。FIG. 7A is a diagram showing the positional relationship in the XY plane of the first antenna element excited to form a monopulse directivity. 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。FIG. 7B illustrates the elevation path difference used to design the delta and sigma beam patterns. 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。FIG. 7C illustrates the angles used to determine the electrical length of the excited first antenna element shown in FIG. 7A. 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。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the phase and elevation angle of the first antenna elements #1 and #8 required to form sigma and delta directivities. 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。FIG. 9A is a diagram showing an example of sigma and delta directivities forming a monopulse directivity that realizes the space division monopulse method. 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つのパルスの概念を示す図である。FIG. 9B illustrates the concept of two pulses transmitted to form a monopulse directivity. 図10Aは、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。FIG. 10A is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in directional scanning in the elevation angle direction according to an embodiment. 図10Bは、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。FIG. 10B is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in directional scanning in the elevation angle direction according to an embodiment. 図10Cは、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。FIG. 10C is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in directional scanning in the elevation angle direction according to an embodiment. 図10Dは、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。FIG. 10D is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in directional scanning in the elevation angle direction according to an embodiment. 図10Eは、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。FIG. 10E is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in directional scanning in the elevation angle direction according to an embodiment. 図10Fは、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。FIG. 10F is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in directional scanning in the elevation angle direction according to an embodiment. 図11Aは、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。FIG. 11A is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in horizontal directional scanning according to an embodiment. 図11Bは、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。FIG. 11B is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in horizontal directional scanning in the embodiment. 図11Cは、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。FIG. 11C is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in horizontal directional scanning in the embodiment. 図11Dは、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。FIG. 11D is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in horizontal directional scanning in an embodiment. 図11Eは、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。FIG. 11E is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in horizontal directional scanning in an embodiment. 図11Fは、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。FIG. 11F is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in horizontal directional scanning in an embodiment. 図11Gは、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。FIG. 11G is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in horizontal directional scanning in an embodiment. 図11Hは、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。FIG. 11H is a diagram showing an example of an analysis result of sigma directivity and delta directivity of a circularly arranged phased array antenna formed in horizontal directional scanning in an embodiment. 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に誘起される信号の電圧を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the voltage of a signal induced in a circularly arranged phased array antenna in the comparative example. 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。FIG. 13A is a diagram showing directional characteristics in the XY plane of a first signal and a third signal in a comparative example. 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。FIG. 13B is a diagram showing phase characteristics in the XY plane of the first signal and the third signal in the comparative example. 図14は、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の第1アンテナ素子の2つの重み関数を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing two weighting functions of the first antenna element of the circularly arranged phased array antenna according to the embodiment. 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。FIG. 15A shows the elevation angle directivity of the first signal obtained by performing electromagnetic field analysis using the method of moments. 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。FIG. 15B shows the elevation angle directivity of the third signal obtained by performing electromagnetic field analysis using the method of moments. 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。FIG. 16 is a schematic diagram for explaining the principle of the phase inversion weighting method. 図17は、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。FIG. 17 is a diagram illustrating three-dimensional directivities of a first signal and a third signal in the embodiment. 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。FIG. 18A shows the angular characteristics of the directivity and the estimated direction of arrival wave when the elevation angle is 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。FIG. 18B shows the angular characteristics of the directivity and the estimated direction of arrival wave when the elevation angle is 80 degrees. 図19は、実施の形態における地板の半径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。FIG. 19 is a diagram showing a change in transmission capacity with respect to the elevation angle of an incoming wave when the radius of the base plate is changed in the embodiment. 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。FIG. 20A is a diagram showing three-dimensional radiation directivity of a dipole array antenna in a comparative example. 図20Bは、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。FIG. 20B is a diagram showing three-dimensional radiation directivity of the monopole array antenna according to the embodiment. 図21Aは、実施の形態におけるサンドイッチアレー装置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。FIG. 21A is a diagram showing three-dimensional directivity when directional scanning is performed by the sandwich array device according to the embodiment. 図21Bは、実施の形態におけるサンドイッチアレー装置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。FIG. 21B is a diagram showing three-dimensional directivity when directional scanning is performed by the sandwich array device according to the embodiment. 図21Cは、実施の形態におけるサンドイッチアレー装置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。FIG. 21C is a diagram showing three-dimensional directivity when directional scanning is performed by the sandwich array device according to the embodiment. 図21Dは、実施の形態におけるサンドイッチアレー装置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。FIG. 21D is a diagram showing three-dimensional directivity when directional scanning is performed by the sandwich array device according to the embodiment. 図22Aは、実施の形態におけるサンドイッチアレー装置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。FIG. 22A is a diagram showing three-dimensional directivity when directional scanning is performed by the sandwich array device according to the embodiment. 図22Bは、実施の形態におけるサンドイッチアレー装置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。FIG. 22B is a diagram showing three-dimensional directivity when directional scanning is performed by the sandwich array device according to the embodiment. 図22Cは、実施の形態におけるサンドイッチアレー装置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。FIG. 22C is a diagram showing three-dimensional directivity when directional scanning is performed by the sandwich array device according to the embodiment. 図22Dは、実施の形態におけるサンドイッチアレー装置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。FIG. 22D is a diagram showing three-dimensional directivity when directional scanning is performed by the sandwich array device according to the embodiment. 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。FIG. 23 is a diagram showing the elevation angle characteristics of the transmission capacity of a MIMO array antenna using a half-wavelength dipole array antenna in a comparative example. 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。FIG. 24A is a diagram showing the azimuth characteristics of the transmission capacity of a MIMO array antenna using a sandwich array device according to an embodiment. 図24B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仰角特性を示す図である。FIG. 24B is a diagram showing the elevation angle characteristics of the transmission capacity of a MIMO array antenna using a sandwich array device according to an embodiment. 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。FIG. 25 is a diagram showing the three-dimensional transmission capacity over the entire solid angle of a MIMO array antenna using half-wavelength dipole array antennas in a comparative example. 図26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アレーアンテナの全立体角にわたる3次元伝送容量を示す図である。FIG. 26 is a diagram showing the three-dimensional transmission capacity over the entire solid angle of a MIMO array antenna using a sandwich array device according to an embodiment. 図27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アレーアンテナの全立体角にわたる通信遮断確率を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing the communication outage probability over the entire solid angle of a MIMO array antenna using a sandwich array device according to an embodiment. 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。FIG. 28 is a diagram showing an example of a multi-element MIMO array antenna according to a modified example. 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。FIG. 29A is a diagram showing an example of a 4×4 MIMO array antenna in a modified example. 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。FIG. 29B is a diagram showing an example of an 8×8 MIMO array antenna in a modified example. 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。FIG. 29C is a diagram showing an example of a 16×16 MIMO array antenna in a modified example. 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。FIG. 29D is a diagram showing an example of a 32×32 MIMO array antenna in a modified example. 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。FIG. 29E is a diagram showing an example of a 64×64 MIMO array antenna in a modified example. 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。FIG. 29F is a diagram showing an example of a 128×128 MIMO array antenna in a modified example. 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。FIG. 29G is a diagram showing an example of a 256×256 MIMO array antenna in a modified example.

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 antenna device 10 according to the present embodiment.

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 antenna device 10 in this embodiment includes a circularly arranged phased array antenna 1, a ground plate 2, a control unit 3, and a calculation unit 4. The antenna device 10 in this embodiment is mounted on, for example, a flying vehicle (also called a flying car). In the example shown in Fig. 1, the circularly arranged phased array antenna 1 has nine antenna elements. θ shown in Fig. 1 represents the elevation angle.

[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 array antenna 1 shown in Fig. 1. φ shown in Fig. 2 is a direction that intersects with the X-axis in a horizontal plane (XY plane), and represents the direction of an arriving wave (arrival wave direction) in the XY plane.

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rの地板2上に構成されている。 1 and 2, the circularly arranged phased array antenna 1 comprises 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. The first antenna element and the second antenna element are monopole antennas mounted on a ground plate 2 and configured on the ground plate 2. In this embodiment, the first antenna element and the second antenna element are 1/4 wavelength monopole antennas and configured on the ground plate 2 with a radius rg .

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 array antenna 1 not only has a substantially omnidirectional directional characteristic in the plane (horizontal plane) containing the circular area, but also has a directional characteristic in the zenith direction (the +Z axis direction in Figure 1).

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 array antenna 1 has eight first antenna elements.

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rの地板2上に構成されている。 For example, as shown in Fig. 2, a circularly arranged phased array antenna 1 is composed of eight antenna elements (first antenna elements: #1 to #8) arranged at 45 degree intervals on a circumference of a radius a, and one parasitic antenna element (second antenna element: #9) arranged at the center of the circle. Here, the radius a is, for example, 4.9 cm. Furthermore, these nine antenna elements are 1/4 wavelength monopole antennas and are constructed on a ground plate 2 of a radius rg .

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 array antenna 1, the eight antenna elements (first antenna elements: #1 to #8) are divided and controlled (phase-differential power supply) into sub-arrays consisting of four pairs of elements so that they are orthogonal to the direction of the incoming wave according to the direction of the incoming wave by the control unit 3. This allows the circularly arranged phased array antenna 1 to operate as a directional scanning array antenna such as a MIMO (Multiple Input Multiple Output) array antenna.

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 array antenna 1 is optimized by switching control of the radius size of the ground plate 2. In other words, when the circularly arranged phased array antenna 1 is operated as a MIMO array antenna, the radius size of the ground plate 2 is switched and controlled to be different from that when estimating the direction of arrival waves.

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 array antenna 1, the directivity in the elevation angle direction is controlled within a predetermined angle range including the elevation angle direction by the control unit 3 using the space division monopulse method described below.

[地板2]
地板2は、スイッチング制御により半径r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r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 ground plane 2 is a circular ground plane whose radius rg is variable by switching control. In this embodiment, the ground plane 2 is a planar (plate-like) conductor, for example as shown in Fig. 1. The reason why the size of the radius rg of the ground plane 2 is made variable is because the optimal size of the ground plane 2 differs between the case where the circularly arranged phased array antenna 1 is used to estimate the direction of arrival waves and the case where the antenna is used as a MIMO array antenna.

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 base plate 2 whose size is variable in this embodiment. Figure 3B is a diagram showing a specific configuration used to switch the size of the base plate 2 shown in Figure 3A.

地板2の半径r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r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V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V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rは10cmに変更される。また、例えば0Vのバイアス電圧V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rは7cmに変更される。 The radius rg of the ground plate 2 is switched by the control unit 3. In this embodiment, as shown in FIG. 3A, the diode 301 is controlled to be turned on and off, and the radius rg of the ground plate 2 is changed to, for example, 7 cm or 10 cm. More specifically, as shown in FIG. 3B, the diode 301 and the choke coil 302 may be connected to the ground plate 2, and a bias voltage Vd of 5 V or 0 V may be applied to the diode 301 to control the size of the ground plate 2. In this case, for example, when a bias voltage Vd of 5 V is applied, the diode 301 is turned on, and a current flows through the outer ground plate 2a, so that the radius rg of the ground plate 2 is changed to 10 cm. Also, for example, when a bias voltage Vd of 0 V is applied, the diode 301 is turned off, and no current flows through the outer ground plate 2a, and only the inner ground plate 2b is active, so that the radius rg of the ground plate 2 is changed to 7 cm.

なお、地板2の半径r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 base plate 2 is not limited to being switched to either 7 cm or 10 cm, but may be switched to an appropriate size depending on the system to be realized.

[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 control unit 3 has a subarray control function for dividing and controlling the circularly arranged phased array antenna 1 into subarrays. More specifically, the control unit 3 divides the N first antenna elements into N/2 subarrays orthogonal to the direction of the incoming wave, which is a direction parallel to the ground plane 2 of the incoming wave arriving at the circularly arranged phased array antenna 1. The control unit 3 then controls the directivity of the subarrays in this manner to independently form N/2 beams facing the direction of the incoming wave.

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 control unit 3 changes the combination according to the direction of the incoming wave by selecting, from the N/2 pattern combinations, a combination pattern of two antenna elements that are parallel to the direction of the incoming wave within a specified angle range.

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 array antenna 1 in this embodiment.

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 array antenna 1 includes eight first antenna elements, the control unit 3 selects one of four combination patterns according to the direction of the incoming wave. In the example shown in Figure 4, the combinations shown are the first antenna elements #2 and #3, the first antenna elements #1 and #4, the first antenna elements #5 and #8, and the first antenna elements #6 and #7 as subarrays (subarrays 1 to 4).

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 control unit 3 divides the eight first antenna elements of the circularly arranged phased array antenna 1 into four so that the combination of subarrays is arranged perpendicular to the direction of the incoming wave, so that the four received signals have low correlation. Furthermore, since the eight first antenna elements are arranged in a circle at 45 degree intervals in the circularly arranged phased array antenna 1, the control unit 3 can rotate the combination of subarrays every 45 degrees by switching the power supply of the subarrays according to the direction of the incoming wave.

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 control unit 3 also has a full solid angle directivity control function that controls the directivity of the circularly arranged phased array antenna 1 within a predetermined angle range including the elevation angle direction by using the space division monopulse method. More specifically, the control unit 3 controls the directivity of the circularly arranged phased array antenna 1 within a predetermined angle range including the elevation angle direction by providing the phases given to form delta directivity and sigma directivity to the two first antenna elements closest to the desired communication direction. Here, the delta directivity is a directivity that reduces the radiation gain by realizing anti-phase excitation in the elevation angle direction, and the sigma directivity is a directivity that increases the radiation gain by realizing in-phase excitation in the elevation angle direction. The delta directivity and sigma directivity are calculated using the path difference in the elevation angle direction, which is the direction of the incoming wave arriving at the circularly arranged phased array antenna 1 and the ground plane 2. The space division monopulse method is a method of realizing the SLS function (Side Lobe Suppression) using sigma directivity and delta directivity. Details will be described later.

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V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 control unit 3 also has a switching control function for controlling the radius of the ground plate 2. For example, as shown in Fig. 3B, the control unit 3 may control the radius of the ground plate 2 by controlling the bias voltage Vd applied to the diode 301 to 0 V or 5 V.

[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 calculation unit 4 has an arrival wave direction estimation function for estimating the arrival wave direction, which is the direction of the arrival wave arriving at the circular array phased array antenna 1. More specifically, the calculation unit 4 statistically analyzes a first signal and a second signal obtained by multiplying the received signals of the first antenna elements by two weights according to the arrangement of the first antenna elements and summing them, 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. Here, the phase difference is approximately proportional to the arrival wave direction. In this manner, the calculation unit 4 estimates the arrival wave direction, which also has an angle in the elevation angle direction of the arrival wave arriving at the circular array phased array antenna 1, by calculating the phase difference between the first signal and the third signal. In this embodiment, the calculation unit 4 calculates the phase angle of the voltage of the third signal by averaging the phase angle of the voltage of the first signal and the phase angle of the voltage of the second signal, thereby calculating the phase difference between the first signal and the third signal. Furthermore, in this embodiment, a calculation for finding an average value is performed as the statistical analysis, but it is not limited to the calculation for finding an average value, and it may be combined with a calculation performed to adapt to a multipath environment.

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 calculation unit 4 obtains a first signal by multiplying each of the received signals of the eight first antenna elements by one weight (counterclockwise weight) of each of the eight first antenna elements and adding them up. The calculation unit 4 also obtains a second signal by multiplying each of the received signals of the eight first antenna elements by the other weight (clockwise weight) of each of the eight first antenna elements and adding them up. The calculation unit 4 also obtains a third signal from the second antenna element.

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 calculation unit 4 can estimate the direction of arrival of the received signal, which also has an angle in the elevation direction, by calculating the difference between the phase of the voltage of the first signal and the phase of the voltage of the third signal. The phase of the voltage of the third signal is calculated by applying a phase inversion weighting method to combine, i.e., average, the phase of the voltage of the first signal and the phase of the voltage of the second signal.

[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 antenna device 10 of the present embodiment is configured with a circularly arranged phased array antenna 1 on the ground plate 2, which is composed of a plurality of first antenna elements arranged at equal intervals on a circle and one second antenna element arranged approximately at the center of the circle. The first antenna element and the second antenna element are monopole antennas mounted on the ground plate 2. As a result, the antenna device 10 of the present embodiment can estimate the direction of arrival of a wave not only in the horizontal direction but also in the elevation angle direction. In addition, the antenna device 10 of the present embodiment can control directivity with respect to the estimated direction of arrival of a wave. As a result, an optimal reception signal can be obtained at all times, and high-speed communication can be realized. Furthermore, the antenna device 10 of the present embodiment can control directivity to a predetermined angle range including the elevation angle direction, so that communication can be performed only with a target communication partner.

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 antenna device 10 of this embodiment, the second antenna element, which is a parasitic element arranged at the center of the circle of the circularly arranged phased array antenna 1, contributes to improving the gain by utilizing electromagnetic coupling. In addition, the radiation directivity in the elevation angle direction of the antenna device 10 of this embodiment is optimized by switching control of the size of the base plate 2.

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 antenna device 10 of this embodiment has directional characteristics not only in the horizontal direction but also in the zenith direction (+Z-axis direction in Figure 1), but has no directional characteristics in the downward direction of the base plate 2 (-Z direction in Figure 1). Therefore, by arranging the antenna devices 10 in a sandwich shape above and below, it is possible to provide directivity over the entire solid angle. Below, we will explain the sandwich array device 100 in which the antenna devices 10 are arranged in a sandwich shape above and below.

[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 sandwich array device 100 according to this embodiment.

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 sandwich array device 100 includes two of the above-mentioned antenna devices 10, which are sandwiched vertically (in the Z-axis direction in Fig. 5A). More specifically, the sandwich array device 100 includes two antenna devices 10, a first antenna device 10A and a second antenna device 10B. The standing direction of the circularly arranged phased array antenna 1A as viewed from the ground plane 2A of the first antenna device 10A is opposite to the standing direction of the circularly arranged phased array antenna 1B as viewed from the ground plane 2B of the second antenna device 10B. This configuration allows the sandwich array device 100 to have radiation characteristics over the entire solid angle.

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 sandwich array device 100 shown in Figure 5A.

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 sandwich array device 100 is mounted on an air vehicle 300 as a use case. More specifically, the first antenna device 10A is arranged at the zenith of the air vehicle 300, and the second antenna device 10B is arranged at the nadir of the air vehicle 300. The erection direction of the circularly arranged phased array antenna 1A as viewed from the ground plate 2A of the first antenna device 10A is opposite to the erection direction of the circularly arranged phased array antenna 1B as viewed from the ground plate 2B of the second antenna device 10B.

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 vehicle 300 is also called a flying car, and can freely change its flight direction in the horizontal and vertical directions (up and down). In order to perform highly reliable communication between the flying vehicles 300, it is necessary to achieve MIMO communication between the flying vehicles in any direction. In other words, the flying vehicle 300 needs an antenna with radiation characteristics over the entire solid angle. Therefore, by mounting the sandwich array device 100 on the flying vehicle 300, communication between the flying vehicles can be performed.

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 vehicle 300, communication between any upper and lower sides can be realized by switching the antenna devices 10A and 10B of the sandwich array device 100 according to the direction of arrival of the received signal. In addition, the radiation directivity in the elevation direction of the antenna devices 10A and 10B can be controlled by changing the size of the ground plate 2 and the ground plate 2B. Of course, for example, if the communication partner is fixed on the zenith side of the flying vehicle 300, the flying vehicle 300 may use only the upper antenna device 10A. Also, if the communication partner is fixed on the nadir side, the flying vehicle 300 may use only the lower antenna device 10B.

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 vehicle 300 can estimate the direction of arrival of the received signal over the entire solid angle by mounting the sandwich array device 100, and can direct the directivity to the estimated direction of arrival, thereby realizing highly reliable communication between the flying vehicles. The antenna device 10 constituting the sandwich array device 100 can estimate the direction of arrival of the wave in a simple manner by processing in the RF section. More specifically, as shown in FIG. 5A, the eight first antenna elements constituting the circularly arranged phased array antennas 1A and 1B are arranged in a circle at 45 degree intervals. Therefore, the flying vehicle 300 can rotate the combination of the subarrays every 45 degrees by switching the power supply for dividing and controlling the eight first antenna elements into subarrays according to the direction of arrival of the wave. As a result, even if the flying vehicle 300 freely changes the flight direction up, down, left, and right in space, it is possible to appropriately select the combination of subarrays arranged perpendicular to the direction of arrival of the wave, thereby improving the transmission capacity.

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 vehicle 300 can use the sandwich array device 100 to direct a beam in the estimated direction of the incoming wave of the received signal, making it possible to network with other flying vehicles and not only prevent collisions with other flying vehicles but also exchange high-definition video content.

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 vehicle 300 can form a directivity that is spatially divided over the entire solid angle by forming a directivity while sequentially shifting (spatially dividing) the angular range in a predetermined direction using the sandwich array device 100. This allows the flying vehicle 300 to eliminate synchronous interference and communicate only with the target flying vehicle, even if there are multiple other flying vehicles with which it can communicate in the space.

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 sandwich array device 100 according to this embodiment. Fig. 6 shows four flying vehicles 300 that can freely change flight direction, and are referred to as flying vehicles 300a, 300b, 300c, and 300d, respectively. Each of the flying vehicles 300a to 300d is equipped with a sandwich array device 100 that is composed of antenna devices 10A and 10B.

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 sandwich array device 100 needs to have radiation characteristics over the entire solid angle. However, if there is synchronous interference, communication cannot be performed correctly, and there is a risk of collision between the multiple flying vehicles 300. In other words, for example, in order for flying vehicle 300a to communicate with flying vehicles 300b, 300c, and 300d, communication must be realized between flying vehicles 300b to 300d in any direction. On the other hand, if flying vehicle 300a communicates simultaneously (synchronously) with flying vehicles 300b, 300c, and 300d, it will not be able to distinguish between flying vehicles 300b, 300c, and 300d, and in the worst case scenario, there is a risk of collision. For this reason, a collision prevention function is required.

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 sandwich array device 100, i.e., the antenna device 10, by using the space division monopulse method to sequentially shift (spatially divide) the angular range in a specified direction and control the directivity to that angular range in the specified direction.

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 antenna element #1 and first antenna element #2, or the electrical length between first antenna element #7 and first antenna element #8 can be calculated by (Equation 1).

Figure 0007624726000001
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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 antenna element #7 and the first antenna element #8 in the X direction, can be expressed using the radius a of the circularly arranged phased array antenna 1 shown in Fig. 7A and the angle δ shown in Fig. 7C. In other words, it can be expressed as S = a cos δ - a sin δ = a (cos δ - sin δ).

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.

Figure 0007624726000002
Figure 0007624726000002

Figure 0007624726000003
Figure 0007624726000003

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rを7cmとしている。 Fig. 8 is a diagram showing the relationship between the phase and elevation angle of the first antenna elements #1 and #8 required to form sigma directivity and delta directivity. In Fig. 8, the phase of the first antenna elements #2 and #7 is set to 0. In Fig. 8, the frequency used for the analysis is 2 GHz, the radius a of the circularly arranged phased array antenna 1 in this embodiment is 4.9 cm, and the radius rg of the ground plate 2 is 7 cm.

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φ=φ=-45度となり、デルタ指向性に対してφ=φ=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 18 =-45 degrees for sigma directivity, and φ 18 =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 array antenna 1 have a rotationally symmetric structure. For this reason, four first antenna elements (#1, #2, #3, #8) rotated by 45 degrees are excited, and the other first antenna elements (#4, #5, #6, #7) are terminated with 50Ω, and the phase that realizes in-phase excitation and anti-phase excitation in this case is calculated. In other words, the combination of the four first antenna elements to be excited is rotated by 45 degrees in the azimuth direction, and the phase that realizes in-phase excitation and anti-phase excitation is calculated each time, so that sigma directivity and delta directivity can be formed in all azimuth directions. The azimuth direction is an angle defined as +X-axis direction being 0 degrees and +Y-axis direction being 90 degrees in FIG. 2 or FIG. 7B, and is represented by φ in FIG.

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P、P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P、Pを送信する。パルスP、Pとは同じ電力で送信され、パルスPはシグマ指向性により送信され、パルスP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PがパルスP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 array antenna 1 formed in directional scanning in the elevation angle direction in this embodiment. More specifically, Figures 10A to 10F are calculation results of the sigma directivity and delta directivity formed at an elevation angle represented by θ when the phase calculated using Figure 8 is given to the first antenna elements #1 and #8. Figure 10A is the calculation result of the sigma directivity and delta directivity formed at θ = 0 degrees, Figure 10B is the calculation result of θ = 15 degrees, Figure 10C is the calculation result of θ = 30 degrees, Figure 10D is the calculation result of θ = 45 degrees, Figure 10E is the calculation result of θ = 60 degrees, and Figure 10F is the calculation result of the sigma directivity and delta directivity formed at θ = 75 degrees. Also, Figures 10A to 10F show a predetermined angle range δ in which the delta directivity is 9 dB smaller than the sigma directivity in the directivity of each elevation angle based on the relationship between the two pulses forming the monopulse directivity described in Figure 9B.

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 array antenna 1 formed in horizontal directional scanning in this embodiment. Each of Figures 11A to 11H shows the sigma directivity and delta directivity formed at θ = 30 degrees representing the elevation angle when φ, which is the desired communication direction, is changed. Figure 11A shows the calculation results for φ = 0 degrees, Figure 11B shows φ = 45 degrees, Figure 11C shows φ = 90 degrees, Figure 11D shows φ = 135 degrees, Figure 11E shows φ = 180 degrees, Figure 11F shows φ = 225 degrees, Figure 11G shows φ = 270 degrees, and Figure 11H shows φ = 315 degrees.

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 sandwich array device 100 composed of antenna devices 10A and 10B can perform the space division monopulse method for the entire solid angle.

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 sandwich array device 100 can form monopulse directivity, which is directivity in a specific direction and angle range, using sigma directivity and delta directivity, and perform three-dimensional scanning. This allows the flying vehicle 300 equipped with the sandwich array device 100 to selectively communicate with other flying vehicles by eliminating synchronous interference, thereby preventing collisions with other flying vehicles.

<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 array antenna 1 will be described as having eight first antenna elements.

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 array antenna 1 in the comparative example. Figure 12 shows the voltage of a signal induced in the circularly arranged phased array antenna 1 in the comparative example by a received radio wave in an arrival wave direction that has no angle in the elevation angle direction.

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 array antenna 1. In this case, the signal, i.e., voltage Ei(φ), induced in the i-th first antenna element by the received radio waves can be calculated from the following (Equation 4).

Figure 0007624726000004
Figure 0007624726000004

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).

Figure 0007624726000005
Figure 0007624726000005

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.

Figure 0007624726000006
Figure 0007624726000006

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φ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 (φ). Furthermore, if the phase angle of the voltage (φ) of the third signal is denoted as ∠EΩ and the phase angle of the voltage (φ) of the first signal is denoted as ∠EΔ , then the phase difference φm can be calculated using the following (Equation 7).

Figure 0007624726000007
Figure 0007624726000007

したがって、第1信号と第3信号との位相差φ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 array antenna 1, the arrival wave direction that has no angle in the elevation angle direction can be estimated.

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 array antenna 1 is 4.9 cm.

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 array antenna 1 in this embodiment. In Figure 14, two weighting functions are shown for each of the first antenna elements (#1 to #8): a counterclockwise weighting function (weight) and a clockwise weighting function (weight).

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 array antenna 1 shown in Figure 14, assume that the received radio waves having an angle in the elevation direction arrive from a direction that forms an angle φ with the X-axis. In this case, the signal, i.e., voltage Vi(φ), induced in the i-th first antenna element located on the circumference by the received radio waves can be calculated from the following (Equation 8).

Figure 0007624726000008
Figure 0007624726000008

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W 、W 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).

Figure 0007624726000009
Figure 0007624726000009

Figure 0007624726000010
Figure 0007624726000010

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 、第2信号の電圧EΔ を得ることができる。より具体的には、第1信号の電圧EΔ は、(式11)から、第2信号の電圧EΔ 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).

Figure 0007624726000011
Figure 0007624726000011

Figure 0007624726000012
Figure 0007624726000012

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r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 array antenna 1 is 4.9 cm, and the radius rg of the ground plate is 7 cm.

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W 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 および第2信号の電圧EΔ 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 の位相角および第2信号の電圧EΔ 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 の位相角∠EΔ と、第2信号の電圧EΔ の位相角∠EΔ とが示されている。図16に示されるように、位相角∠EΔ と位相角∠EΔ 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 と位相角∠EΔ 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φ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).

Figure 0007624726000013
Figure 0007624726000013

Figure 0007624726000014
Figure 0007624726000014

ここで、第1信号の電圧EΔ と第2信号の電圧EΔ 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 と第2信号の電圧EΔ 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 の指向性と第2信号の電圧EΔ の指向性との平均であることから、第1信号の電圧EΔ と同じ振幅特性である。図17から、第1信号の電圧EΔ 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 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 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 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φ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φ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 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φ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φ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 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φ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 antenna device 10 of this embodiment, the eight first antenna elements of the circularly arranged phased array antenna 1 are divided into four elements to form a combination of sub-arrays arranged perpendicular to the direction of incoming waves, thereby realizing a MIMO array antenna function. By realizing the MIMO array antenna function, the antenna device 10 of this embodiment can improve the transmission capacity.

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r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 base plate 2 in this embodiment is changed. FIG. 19 shows the result of a Monte Carlo simulation using a channel model of a cluster propagation environment in which both the azimuth angle and the elevation angle in a three-dimensional coordinate system have Gaussian distribution incoming waves. The radiation characteristics of the entire MIMO array antenna were calculated by the moment method. The analysis frequency is 2 GHz. All antenna elements constituting the circularly arranged phased array antenna 1 are 1/4 wavelength monopole antennas with a length of 37.5 mm and a radius of 0.5 mm. The radius a of the circularly arranged phased array antenna 1 functioning as a 4×4 MIMO array antenna is 4.9 cm, and the spacing between the first antenna elements #2 and #3 is 1/4 wavelength at 2 GHz to form a cardioid directivity.

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r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rが13cm、15~60度の範囲は地板2の半径rが10cm、60~90度の範囲は地板の半径r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r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 ground plate 2. More specifically, from Fig. 19, the transmission capacity is maximum when the radius rg of the ground plate 2 is 13 cm in the elevation angle range of 0 to 15 degrees, when the radius rg of the ground plate 2 is 10 cm in the range of 15 to 60 degrees, and when the radius rg of the ground plate is 13 cm in the range of 60 to 90 degrees. Therefore, it can be seen that it is necessary to control the optimum radius rg of the ground plate according to the elevation angle at which communication is desired.

特に、地板2の半径r=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rの一方を10cmとした。 In particular, when the radius rg of the ground plate 2 is 10 cm, the transmission capacity increases significantly at high elevation angles of 30 degrees to 60 degrees. From this result, taking into consideration the elevation angle characteristics and a practical antenna shape, one of the variable radii rg of the ground plate 2 in this embodiment is set to 10 cm.

<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 antenna elements #1 and #4 are the sub-array 2 (hereinafter also referred to as the monopole array antenna) in the circularly arranged phased array antenna 1. As a comparative example, the three-dimensional radiation directivity when the first antenna elements #1 and #4 are the sub-array 2 (hereinafter also referred to as the dipole array antenna) in the circularly arranged phased array antenna 1 that does not have the ground plane 2 and is composed of nine dipole antennas will also be described.

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 Sandwich Array Device 100>
Next, a three-dimensional radiation directivity when the sandwich array device 100 of this embodiment performs directional scanning will be described. The sandwich array device 100 has a function of performing directional scanning at 45-degree intervals, but the following description will be given by taking only the three-dimensional radiation directivity at 90-degree intervals as an example.

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r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r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 sandwich array device 100 of this embodiment. In Figs. 21A to 21D, three-dimensional radiation directivity is shown when the azimuth angle desired for communication is changed in the antenna device 10A at the top of the sandwich array device 100, where the radius rg of the ground plate 2 is 10 cm and the first antenna elements #1 and #4 are the subarray 2. In Figs. 22A to 22D, three-dimensional radiation directivity is shown when the azimuth angle desired for communication is changed in the antenna device 10B at the bottom of the sandwich array device 100, where the radius rg of the ground plate 2 is 10 cm and the first antenna elements #1 and #4 are the subarray 2. In Figs. 21A to 21D and Figs. 22A to 22D, three-dimensional radiation directivity at 90 degree intervals is shown.

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 (subarrays 1, 3, and 4).

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 upper antenna device 10A and the lower antenna device 10B in a complementary manner, the directional gain in the depression angle direction can be improved and the entire solid angle can be covered.

<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 sandwich array device 100 according to the present embodiment is operated as a MIMO array antenna will be described. As a comparative example, the transmission capacity when a circularly arranged phased array antenna 1 (referred to as a half-wavelength dipole array antenna) that does not have a base plate 2 and is composed of nine half-wavelength dipole antennas is operated as a MIMO array antenna will also be described.

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 sandwich array device 100 in this embodiment. Figure 24A shows the elevation angle characteristic of the transmission capacity with respect to the azimuth angle, and Figure 24B shows the elevation angle characteristic of the transmission capacity with respect to the elevation angle.

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 sandwich array device 100, as a MIMO array antenna, the upper antenna device 10A is selected for an elevation angle target of 0 degrees to 90 degrees, and the lower antenna device 10B is selected for a depression angle target of -90 degrees to 0 degrees.

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 sandwich array device 100 to the azimuth angle of the arriving wave.

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 upper antenna device 10A and the lower antenna device 10B. Also, from Figure 24B, it can be seen that the fluctuation in the transmission capacity of the MIMO array antenna with respect to the elevation angle is small. This shows that a stable transmission capacity can be achieved by controlling the beam (directivity) of the MIMO array antenna using the sandwich array device 100 to the elevation angle of the arriving wave.

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 sandwich array device 100 is almost the same as the maximum transmission capacity of the MIMO array antenna using the half-wavelength dipole array antenna.

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r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 base plate 2 to 10 cm from FIG. 19 for the purpose of achieving full solid angle irradiation in the above embodiment.

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 sandwich array device 100 in this embodiment.

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 sandwich array device 100 of this embodiment has a spherical shape of equal radius. This shows that the MIMO array antenna using the sandwich array device 100 of this embodiment has the ability to connect to a target in any direction.

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 sandwich array device 100 in this embodiment are obtained by appropriate power synthesis of the θ and φ components of the radiation directivity. In particular, the φ component arises from the current distribution induced in the ground plate 2. For this reason, in principle, the φ component does not exist in a half-wavelength dipole array antenna made up of dipole antennas.

<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 sandwich array device 100 in this embodiment is operated as a MIMO array antenna by using outage probability based on transmission capacity, as will be described below.

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.

Figure 0007624726000015
Figure 0007624726000015

(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 sandwich array device 100 according to the present embodiment. The present disclosure shown in Fig. 27 shows a MIMO array antenna using the sandwich array device 100. The comparative example shown in Fig. 27 shows a MIMO array antenna using the above-mentioned half-wavelength dipole array antenna. In Fig. 27, the horizontal axis represents the transmission capacity normalized by the maximum transmission capacity Cmax defined by the following (Equation 16).

Figure 0007624726000016
Figure 0007624726000016

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 sandwich array device 100 of this disclosure, i.e., this embodiment, enables high-speed communication at 87% of the maximum transmission capacity in all directions in three-dimensional space.

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r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r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rを切り替える。 From the above confirmations, it has become clear that the sandwich array device 100 of this embodiment 1) can form monopulse directivity by the space division monopulse method, 2) can estimate the direction of arrival of a wave over the entire solid angle, and 3) has the function of a MIMO array antenna. In addition, in the sandwich array device 100 of this embodiment, the radius rg of the ground plate 2 is set to 7 cm when forming monopulse directivity and when estimating the direction of arrival of a wave over the entire solid angle, and the radius rg of the ground plate 2 is set to 10 cm when realizing the function of a MIMO array antenna. In other words, in the sandwich array device 100 of this embodiment, in order to realize all the functions 1) to 3) with a single device, the radius rg of the ground plate 2 is switched by turning the diode on and off.

(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 sandwich array device 100 composed of two antenna devices 10 is used as a MIMO array antenna, but this is not limiting. A multi-element MIMO array antenna may be formed by modularizing and combining sandwich array device 100. This case will be described below.

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 sandwich array devices 100a, 100b, 100c, 100d, and 100e are combined to form a multi-element MIMO array antenna.

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 antenna device 10 is used as a MIMO array antenna, but this is not limiting. The antenna device 10 may be modularized and combined to form a multi-element MIMO array antenna. This case will be described below.

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 antenna devices 10 when the multi-element MIMO array antenna is viewed from above.

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 sandwich array device 100 or the antenna device 10, it can be easily expanded into a multi-element MIMO array antenna.

(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 antenna device 10 may be realized in the form of IC (integrated circuit), ASIC (application specific integrated circuit), and LSI (large scale integration), or may be realized by a processor based on a CPU such as ARM and a machine such as a PC (personal computer). Each of these modules may be included in many single-function LSIs or one LSI. Although the name used here is LSI, it may also be called IC, system LSI, super LSI, or ultra LSI depending on the degree of integration. Furthermore, the integration method is not limited to LSI, and integration can also be done by dedicated circuits or general-purpose processors. This includes special microprocessors such as DSP (digital signal processors) that can be instructed by program instructions. FPGA (field programmable gate array) that can be programmed after LSI manufacture or reconfigurable processors that can reconfigure the connection or arrangement of LSI can be used for the same purpose. In the future, as manufacturing and processing technologies develop, completely new technologies may replace LSI. Integration can be realized by such technologies.

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 LIST 1, 1A, 1B Circularly arranged phased array antenna 2, 2A, 2B, 2a, 2b Ground plate 3 Control unit 4 Calculation unit 10, 10A, 10B Antenna device 100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e Sandwich array device 301 Diode 302 Choke coil

Claims (6)

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、
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.
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、
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、
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 .
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、
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、
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.
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、
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、
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.
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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