(57)【要約】【課題】  簡単な計算でビームの方向を制御できるアンテナ装置、及び、給電装置を提供する。【解決手段】  アンテナ装置は、第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、前記複数のアンテナ素子に供給される電力の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置変換部と、前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を求める仰角取得部と、前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御する制御部とを含む。【選択図】図１
2020136918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
前記複数のアンテナ素子に供給される電力の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、
魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置変換部と、
前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を求める仰角取得部と、
前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御する制御部と
を含む、アンテナ装置。
【請求項２】
前記仰角取得部は、前記第２位置を前記第１軸に写像した写像位置の座標を前記魚眼レンズの焦点距離で除算した値を、前記仰角として求める、請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記写像位置の座標は、前記極座標における動径に偏角の余弦を乗算した値で表される、請求項２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記複数のアンテナ素子は、前記第２軸方向に沿って伸びる複数のサブアレイにグループ分けされており、
前記位相調節部は、前記複数のサブアレイにそれぞれ接続され、前記電力の位相をサブアレイ毎に調整する複数の位相シフタである、請求項１乃至３のいずれか一項記載のアンテナ装置。
【請求項５】
同一の前記サブアレイに含まれるアンテナ素子同士には位相が同一の電力が供給される、請求項４記載のアンテナ装置。
【請求項６】
第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
電波発生源と、
前記アレイアンテナと前記電波発生源との間に設けられ、前記電波発生源から前記複数のアンテナ素子に供給される電力の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、
魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置変換部と、
前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を求める仰角取得部と、
前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御する制御部と
を含む、給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置、及び、給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アレイ状又はサブアレイ状に配列した多くのアンテナ素子を備えるアンテナセクションを含むアンテナ装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５２３７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、複数のアンテナ素子から放射される電波によって形成されるビームの方向を制御する際に、ビームの方向を仰角と方位角とで制御すると計算が複雑になる。
【０００５】
そこで、簡単な計算でビームの方向を制御できるアンテナ装置、及び、給電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施の形態のアンテナ装置は、第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、前記複数のアンテナ素子に供給される電力の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置変換部と、前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を求める仰角取得部と、前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御する制御部とを含む。
【発明の効果】
【０００７】
簡単な計算でビームの方向を制御できるアンテナ装置、及び、給電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態の給電装置１００を示す図である。
【図２】アレイアンテナ１１０の極座標系を示す図である。
【図３】給電装置１００の適用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明のアンテナ装置、及び、給電装置を適用した実施の形態について説明する。
【００１０】
＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の給電装置１００を示す図である。給電装置１００は、アレイアンテナ１１０、フェーズシフタ１２０、マイクロ波発生源１３０、カメラ１４０、及び制御装置１５０を含む。実施の形態のアンテナ装置１００Ａは、給電装置１００からマイクロ波発生源１３０を除いたものである。
【００１１】
以下では、ＸＹＺ座標系を用いて説明する。平面視とはＸＹ平面視のことである。また、Ｘ軸は第１軸の一例であり、Ｙ軸は第２軸の一例であり、Ｚ軸は第３軸の一例である。また、ＸＹ平面は第１平面の一例であり、ＸＺ平面は第２平面の一例である。
【００１２】
アレイアンテナ１１０は、一例として４つのサブアレイ１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄにグループ分けされている。サブアレイ１１０Ａ〜１１０Ｄは、Ｘ軸方向に配列されており、各サブアレイ１１０Ａ〜１１０Ｄは、一例として４つのアンテナ素子１１１を含む。このため、アレイアンテナ１１０は、一例として１６個のアンテナ素子１１１を含む。アンテナ素子１１１は、平面視で矩形状のパッチアンテナである。アレイアンテナ１１０は、アンテナ素子１１１の−Ｚ方向側にグランド電位に保持されるグランド板を有していてもよい。なお、一例として、１６個のアンテナ素子１１１の位置の中心は、ＸＹＺ座標系の原点と一致している。
【００１３】
フェーズシフタ１２０は、４つのサブアレイ１１０Ａ〜１１０Ｄに対応して４つ設けられており、４つのフェーズシフタ１２０は、それぞれサブアレイ１１０Ａ〜１１０Ｄのアンテナ素子１１１に接続されている。各サブアレイ１１０Ａ〜１１０Ｄの中では、４つのアンテナ素子１１１は、１つのフェーズシフタ１２０に並列に接続されている。フェーズシフタ１２０は、位相調節部の一例である。
【００１４】
各サブアレイ１１０Ａ〜１１０Ｄの中では、４つのアンテナ素子１１１には同一の位相の電力が供給される。また、４つのフェーズシフタ１２０がサブアレイ１１０Ａ〜１１０Ｄに出力する電力の位相は互いに異なる。このため、１６個のアンテナ素子１１１から放射される電波が形成するビームの角度（仰角）をＸＺ平面内で制御することができる。
【００１５】
１６個のアンテナ素子１１１から放射される電波が形成するビームは、アレイアンテナ１１０が出力するビームと同義である。また、アレイアンテナ１１０が出力するビームは、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が出力するビームと同義である。
【００１６】
マイクロ波発生源１３０は、４つのフェーズシフタ１２０に接続されており、所定の電力のマイクロ波を供給する。マイクロ波発生源１３０は、電波発生源の一例である。マイクロ波の周波数は、一例として９１５ＭＨｚである。なお、ここでは給電装置１００がマイクロ波発生源１３０を含む形態について説明するが、マイクロ波に限られるものではなく、所定の周波数の電波であればよい。
【００１７】
カメラ１４０は、サブアレイ１１０Ｂと１１０Ｃの間に配置される。カメラ１４０は、魚眼レンズ１４１及びカメラ本体１４２を有する。カメラ１４０は、画像取得部の一例である。
【００１８】
魚眼レンズ１４１は、等距離射影方式を採用したレンズである。魚眼レンズ１４１の中心の位置は、一例として、１６個のアンテナ素子１１１の中心及びＸＹＺ座標系の原点と一致している。カメラ本体１４２は、カメラ１４０のうち魚眼レンズ１４１以外の部分であり、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサを含むカメラ、又は、赤外線カメラであってもよい。
【００１９】
カメラ１４０は、魚眼レンズ１４１を通じてマーカを含む画像を取得し、画像データを制御装置１５０に出力する。マーカは、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が出力するビームを照射したいターゲットに取り付けられている。アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、カメラ１４０で取得した画像に含まれるマーカの位置を求め、ターゲットに向けてビームを照射する。
【００２０】
制御装置１５０は、位置変換部１５１、仰角取得部１５２、制御部１５３、及びメモリ１５４を有する。制御装置１５０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及びメモリを含むコンピュータによって実現される。位置変換部１５１、仰角取得部１５２、制御部１５３は、制御装置１５０が実行するプログラムの機能（ファンクション）を機能ブロックとして示したものである。また、メモリ１５４は、制御装置１５０のメモリを機能的に表したものである。
【００２１】
ここで、位置変換部１５１、仰角取得部１５２、制御部１５３、メモリ１５４については、図１に加えて図２を用いて説明する。図２は、アレイアンテナ１１０の極座標系を示す図である。図２には、給電装置１００のうちのアレイアンテナ１１０とカメラ１４０のみを示す。また、図２には、ＸＹ平面に平行な平面上における極座標系を示す。
【００２２】
また、ＸＹＺ座標系におけるマーカの位置をＰ１とし、原点Ｏと位置Ｐ１を結ぶ線分の仰角をθ、方位角をφとする。仰角は＋Ｚ方向に対する角度であり、方位角は＋Ｘ方向に対する角度であり、平面視で反時計回りを正の値とする。また、位置Ｐ１をＸＺ平面に投影した位置Ｐ１ａと原点Ｏとを結ぶ線分の仰角をθａとする。
【００２３】
位置Ｐ１は、第１位置の一例であり、位置Ｐ１ａは、投影位置の一例である。また、原点ＯはＸＹＺ座標系の基準点の一例である。
【００２４】
アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、アレイアンテナ１１０が出力するビームの仰角をＸＺ平面内でのみ制御する。これは、ターゲットの位置がＸＺ平面からあまりずれていない（例えば、ＹＺ平面内でのＺ軸に対する仰角で±３０度以内程度）ことを想定している。このような位置にあるターゲットであれば、ビームの仰角をＸＺ平面内で制御するだけで、ターゲットにビームを照射できるからである。
【００２５】
位置変換部１５１は、カメラ１４０が取得した画像に対して画像処理を行い、魚眼レンズ１４１を通じて得た等距離射影の画像をＸＹ平面に平行な平面上における極座標に変換する。この画像処理により、カメラ１４０によって取得される画像に含まれるマーカのアレイアンテナ１１０に対する位置Ｐ１は、ＸＹ平面上の極座標における位置Ｐ２に変換される。位置Ｐ２は、第２位置の一例である。
【００２６】
位置Ｐ２は、原点Ｏからの動径ｒと偏角φによって表される。動径ｒは、魚眼レンズ１４１の焦点距離をｆＬとすると、ｒ＝ｆＬθで表される。偏角φは方位角φと同一である。位置変換部１５１は、上述の画像処理によって、動径ｒをＸ軸に写像したｒ・ｃｏｓφを求める。
【００２７】
仰角取得部１５２は、位置Ｐ２をＸ軸に写像した写像位置Ｐ２ａのＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算した値（ｒ・ｃｏｓφ／ｆＬ）を、仰角θａとして取得（計算）する。このようにして仰角θａを取得できる理由については後述する。
【００２８】
制御部１５３は、アレイアンテナ１１０が放射するビームの方向がＸＺ平面内で仰角θａになるようにフェーズシフタ１２０を制御する。仰角θａは、仰角取得部１５２によって取得される。また、制御部１５３は、マイクロ波発生源１３０の出力制御、及び、カメラ１４０の撮影制御等を行う。
【００２９】
メモリ１５４は、位置変換部１５１、仰角取得部１５２、制御部１５３が処理を行う際に実行するプログラム、プログラムの実行に伴い利用するデータ、プログラムの実行によって生じるデータ、及び、カメラ１４０が取得する画像データ等を格納する。
【００３０】
次に、仰角θａを求める方法について説明する。
【００３１】
仰角θａは、方位角φと仰角θを用いると、位置Ｐ１と位置Ｐ１ａの幾何学的関係から次式（１）で求めることができる。
【００３２】
【数１】
2020136918.tif 000003
式（１）を展開すると、式（２）が得られる。
【００３３】
【数２】
2020136918.tif 000004
ここで、仰角θが十分に小さい場合にはｔａｎθ≒θであり、方位角φが十分に小さい場合にはｃｏｓφ≒１であり、方位角φが90度に近い場合にはｃｏｓφ≒0であるので、式（２）は次式（３）に変形できる。
【００３４】
【数３】
2020136918.tif 000005
すなわち、ターゲットの位置がＸＺ平面からあまりずれていない場合には、仰角θａは式（３）のように近似することができる。
【００３５】
また、上述したように、魚眼レンズ１４１の焦点距離をｆＬとすると、動径ｒは次式（４）で表される。
ｒ＝ｆＬθ      （４）
式（３）、（４）より、仰角θａは次式（５）で表すことができる。
θａ＝ｒ・ｃｏｓφ／ｆＬ      （５）
このように、式（５）を用いて、仰角θａを近似的に求めることができる。
【００３６】
以上のように、アレイアンテナ１１０のビームの仰角をＸＺ平面内でのみ制御する場合には、等距離射影によって得られた位置Ｐ１をＸＹ平面に平行な平面上における極座標に変換して位置Ｐ２を求め、さらに位置Ｐ２をＸ軸に写像した写像位置Ｐ２ａのＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算することで、仰角θａ（＝ｒ・ｃｏｓφ／ｆＬ）を求めることができる。
【００３７】
したがって、簡単な計算でビームの方向を制御できるアンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００を提供することができる。
【００３８】
また、アンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００は、アレイアンテナ１１０が出力するビームの仰角をＸＺ平面内でのみ制御するため、仰角をＸＺ平面内とＹＺ平面内の両方で制御する場合に比べてフェーズシフタ１２０の数が４分の１で済む。このため、アンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００を安価に実現することができる。
【００３９】
なお、以上では、魚眼レンズ１４１の中心が１６個のアンテナ素子１１１の中心と一致している形態について説明した。しかしながら、魚眼レンズ１４１の中心は、１６個のアンテナ素子１１１の中心からずれていてもよい。この場合には、位置ずれの分だけアレイアンテナ制御位相計算の座標原点をずらせばよい。
【００４０】
図３は、給電装置１００の適用例を示す図である。給電装置１００は、一例として車両に搭載されており、トンネルの内壁１０にはターゲットとしてのアンテナ２０が設けられている。アンテナ２０にはマーカ２１が取り付けられている。マーカ２１は、再帰性反射板又はミラーボール等である。
【００４１】
車両が＋Ｘ方向に走行する際に、カメラ１４０でマーカ２１の位置をＸＹ平面に平行な平面上における極座標に変換し、さらにＸ軸に写像した写像位置（Ｐ２ａに相当する写像位置）のＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算して求まる仰角θａ（＝ｒ・ｃｏｓφ／ｆＬ）を用いて、アンテナ２０にビームを照射することができる。
【００４２】
例えば、トンネルの内壁１０に取り付けてあるジェットファンや標識等のインフラ構造物を内壁１０に固定する固定部にアンテナ２０と、固定部のボルト等の緩みを監視するセンサと、レクテナと、無線通信モジュールとを設けておき、車両で走行しながら給電装置１００からアンテナ２０にビームを放射すると、アンテナ２０に接続されたレクテナが電力を発生して無線通信モジュールを起動し、無線通信モジュールがセンサの出力を表す信号を放射し、車両側で受信することにより、走行しながらインフラ構造物の固定状態を検査することができる。
【００４３】
この場合に、アレイアンテナ１１０で無線通信モジュールがセンサの出力を表す信号を受信してもよい。
【００４４】
また、ＸＺ平面からずれたアンテナ２０の位置からＸ軸に写像した写像位置（Ｐ２ａに相当する写像位置）のＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を求め、Ｘ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算した値（ｒ・ｃｏｓφ／ｆＬ）を仰角θａとして使用してビームを制御するので、Ｘ軸方向に走行する車両がＹ軸のプラスマイナスのどちらかにシフトとしている場合でも、その位置ずれを吸収して仰角θａを求めることができる。
【００４５】
また、ここでは図３を用いて給電装置１００（アンテナ装置１００Ａ）がトンネルの内壁１０に設けられた無線通信モジュールと通信する形態について説明したが、無線通信モジュールはトンネルの内壁１０に設けられているものに限らず、様々な場所等に設置されていてよい。このようにすれば、給電装置１００（アンテナ装置１００Ａ）を通信装置として利用することができる。
【００４６】
以上、本発明の例示的な実施の形態のアンテナ装置、及び、給電装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１００  給電装置
１１０  アレイアンテナ
１１０Ａ〜１１０Ｄ  サブアレイ
１１１  アンテナ素子
１２０  フェーズシフタ
１３０  マイクロ波発生源
１４０  カメラ
１４１  魚眼レンズ
１５０  制御装置
１５１  位置変換部
１５２  仰角取得部
１５３  制御部
【図１】
2020136918.tif 000006
【図２】
2020136918.tif 000007
【図３】
2020136918.tif 000008