(57)【要約】【課題】通信において、走査時間は、より広角のアンテナで走査することで短縮可能であるが、マルチパス発生時には、より狭角のアンテナで走査しなければならない。ビームフォーミングを有するアンテナ構造で、アンテナ要素への分配合成を実現しつつ有効なアンテナ要素数を増減することは困難である。本発明の課題は、ロトマンレンズのアンテナポート、ビームポート数を増やすことなく、アンテナビームの狭角化と障害物方向への電波電力抑制を行うことを可能にすることにある。【解決手段】位相器を用いて逆相の電波をロトマンレンズの隣り合うビームポートに入力することで、アンテナビームにnull点を設けた。さらに、可変増幅器で２つのビームポートの電力比を調整することで、null点の無段階走査を実現した。【選択図】図１
2012222523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナポートと３つ以上のビームポート間で電力分配合成を行うロトマンレンズと、
該ロトマンレンズの前記各アンテナポートに接続され、電波が入出力される複数のアンテナ要素と、
前記ビームポートと同数で、前記ロトマンレンズのビームポートの各々に接続され、信号の振幅変調を行う複数の増幅器と、
前記複数の増幅器の各々に対して設けられた送信信号の入力経路と、
前記各入力経路を切替える切替えスイッチと、
前記各増幅器及び前記各切替えスイッチを制御するビーム制御部とを備えてなり、
前記入力経路は、第一の経路と、該第一の経路の位相と異なる信号を生成する第二の経路とで構成されており、
前記ビーム制御部は、隣り合う２つの前記ビームポートを選択し、該２つのビームポートに対する入力経路としての前記第一の経路と前記第二の経路を切替え可能に構成されている
ことを特徴とするアンテナ走査装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ビーム制御部は、外部から供給されるビーム走査制御信号に基づいて、前記ロトマンレンズの物理的に隣り合う一組の前記入力経路を選択して、同相と逆相の給電経路を形成し、前記ロトマンレンズを介して電力分配され合成される前記アンテナ要素のビームにnull点が形成されるように制御する
ことを特徴とするアンテナ走査装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記ビーム制御部は、前記ロトマンレンズの複数のビームポートの中で、前記隣り合う２つのビームポートを順に選択し、該選択されたビームポートに接続された前記増幅器の振幅利得の調整と、前記切替えスイッチによる位相の調整を同時に独立的に制御し、それ以外の前記増幅器はピンチオフ状態で信号減衰する状態に制御する
ことを特徴とするアンテナ走査装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記ビーム制御部は、前記隣り合う２つのビームポートを順に選択し、２つの選択された前記増幅器の振幅比を調整することによりアンテナビーム角度を無段階に走査する機能を備えている
ことを特徴とするアンテナ走査装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記入力経路は、前記第一の経路と、該第一の経路の位相と異なる信号を生成する固定位相器を有する前記第二の経路とで構成されている
ことを特徴とするアンテナ走査装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記送信信号の入力経路は、電力分配を行う分配器を備えており、該分配器に前記送信信号が入力される
ことを特徴とするアンテナ走査装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記分配器は、前記隣り合うロトマンレンズの各入力ポートに対応して設けられ、前記各切替えスイッチに各々接続された２つの出力を有する２分配器であり、さらに
前記分配器を介さずに前記切替えスイッチに直結された多点出力スイッチを備えている
ことを特徴とするアンテナ走査装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記２分配器は、前記ロトマンレンズの前記隣り合うビームポートに給電するための方向性分配器であり、前記ビームポート間のアイソレーションを確保するため、１方向のみに通過するダイオードを備えている
ことを特徴とするアンテナ走査装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記入力経路の前記第一の経路と前記第二の経路は、２つの固定位相器の位相差が逆相となるよう設計された第一の位相器と第二の位相器とで構成されている
ことを特徴とするアンテナ走査装置。
【請求項１０】
送信用アンテナ走査装置と、受信用アンテナ走査装置と、前記両アンテナ走査装置から入出力されるRF信号を変復調するマイクロ波帯ミリ波帯トランシーバと、該トランシーバと信号受け渡しにおいてアナログ信号とデジタル信号変換するアナログ／デジタル変換回路と、デジタル化された通信信号の信号処理を行う信号処理回路と、前記アンテナ走査装置を制御するアンテナ走査用コントローラと、外部デジタル機器との接続を行う入出力端子とを備え、
前記アンテナ走査用コントローラは、
前記ロトマンレンズの３つ以上のビームポート群の中で、隣り合う２つのビームポートを順に選択し、該選択されたビームポートに接続された前記増幅器の振幅利得の調整と前記切替えスイッチによる位相の調整を同時に独立的に制御し、それ以外の前記増幅器はピンチオフ状態で信号減衰する状態に制御し、
前記ロトマンレンズを介し電力分配合成される前記アンテナのビームが隣り合う前記ビームポートから入力される信号の合成波によって生成され、該隣り合う２つのビームポートを順に選択し、該２つの選択された前記増幅器の振幅比を調整する
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記送信用アンテナ走査装置は、
複数のアンテナポートと３つ以上のビームポート間で電力分配合成を行うロトマンレンズと、
該ロトマンレンズの前記各アンテナポートに接続され、電波が入出力される複数のアンテナ要素と、
前記ビームポートと同数で、前記ロトマンレンズのビームポートの各々に接続され、信号の振幅変調を行う複数の増幅器と、
前記複数の増幅器の各々に対して設けられた送信信号の入力経路と、
前記各入力経路を切替える切替えスイッチと、
前記各増幅器及び前記各切替えスイッチを制御するビーム制御部とを備えてなり、
前記入力経路は、第一の経路と、該第一の経路の位相と異なる信号を生成する第二の経路とで構成されており、
前記アンテナ走査用コントローラは、ビーム走査制御信号に基づいて、前記ビーム制御部を制御し、前記ロトマンレンズの物理的に隣り合う一組の前記入力経路を選択して、同相と逆相の給電経路を形成し、前記ロトマンレンズを介して電力分配され合成される前記アンテナ要素のビームにnull点を形成する
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項１２】
請求項１０において、
前記ロトマンレンズのビームポート数と同数に電力分配する分配器を備え、
該分配器の端子は、前記位相差を生成する２つの経路を有する前記切替えスイッチに接続する際、直接給電する端子と、隣り合うスイッチに等分配して電力供給する２分配器を有する端子から形成され、
前記ロトマンレンズのビームポート数がN個の場合、前記直列接続端子がN個、前記２分配器がN-１個の総端子数２N-１個の多数出力スイッチで構成されている
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記位相差を生成する前記２つの経路を有するスイッチは、前記２つの経路に共に固定位相器を有し、ミリ波帯の経路において所望の位相差を該スイッチにて生成する
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項１４】
請求項１０において、
前記アンテナ走査用コントローラにより、前記送受信用のアンテナ走査装置ではビームスキャン機能、および合成波の位相制御を行い、
前記マイクロ波帯ミリ波帯トランシーバにより、変復調方式の選択や受信信号レベルの制御を行い、
前記信号処理装置により、通信信号の有無や信号レベルの数値化、通信信号ビット列のエラー補正やビットエラーレートの算出結等を制御し、
該信号処理回路から得られる通信品質の評価結果から、前記アンテナ走査装置において、前記ビーム走査制御信号を生成し、前記ロトマンレンズの物理的に隣り合う一組の前記入力経路を選択して、同相と逆相の給電経路を形成し、前記ロトマンレンズを介して電力分配され合成される前記アンテナ要素のビームに前記null点を形成する
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項１５】
請求項１０において、
前記アンテナ走査用コントローラは、前記ロトマンレンズの３つ以上のビームポート群の中で、選択されたビームポートに接続された前記増幅器の振幅利得の調整と前記切替えスイッチによる位相の調整を同時に独立的に制御し、それ以外の前記増幅器はピンチオフ状態で信号減衰する状態に制御し、
前記ロトマンレンズを介し電力分配合成される前記アンテナのビームが、前記隣り合う前記ビームポートから入力される信号の合成波によって生成され、該隣り合う２つのビームポートを順に選択し、該２つの選択された前記増幅器の振幅比を調整することによりアンテナビーム角度を無段階に走査する
ことを特徴とする無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ走査装置及びそれを用いた無線通信システムに係り、特に、ロトマンレンズを用いて位相合成分配を行う、アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターゲットの通信機器や目標物付近に、反射強度の高い障害物（トラックやガードレール、シャッターや冷蔵庫など）がある場合、マルチパスにより電波障害が発生し、通信品質が低下する。狭角のビームをスキャンすることで特定方向へ選択的に電磁波を送受する技術として、フェーズドアレイアンテナが知られている。複数のアンテナ要素から構成されるフェーズドアレイアンテナは、各々のアンテナ要素からの電磁波位相面を能動的に変化させることでビームをスキャンすることが可能となる。その実現方法として、各アンテナ要素に可変位相器を設け、所望のビーム角度となるよう独立的に制御することで実現される。また、可変位相器を用いないフェーズドアレイアンテナ実現方法として、電磁波の分配合成が可能なロトマンレンズを介して、各アンテナ要素に接続することで実現される。
【０００３】
従来のロトマンレンズを用いたフェーズドアレイアンテナは、特許文献１に示されるように、多数のアンテナ要素で形成した狭角のアンテナビームを生成し、所望の方向の通信機器のみ電磁波を送受することで、障害物からのマルチパスを避けることが可能となっている。
【０００４】
特許文献２では、２つの入力ポートを有するロトマンレンズを用いて、フェーズドアレイアンテナを構成している。２つの入力ポートへの電力供給時に各々設けられた可変増幅器を用いて電力比を制御することで、各入力ポートから得られるビームの中間の範囲で、無限の刻み角度でビームを制御することが可能となっている。
【０００５】
また、特許文献３に示されるように、フェーズドアレイアンテナを構成するアンテナ要素数の増加なしに、狭角化（高解像度化）する手段として、Null点を有するアンテナが知られている。Null点を有するアンテナを用いてモノパルス方式のレーダを形成する場合、ΔパターンビームとΣパターンビームを必要とする。モノパルス方式とは、２つのアンテナを横に配置した場合、２つのアンテナの２等分線上では距離が等しく同位相で受信され、それ以外の領域では距離差により位相差が発生するため、２つのアンテナの受信電力の和差信号を生成し、その振幅比により到来角度を推定する手段である。特に差信号はnull点付近で急激な振幅変化を示すため、フェーズドアレイアンテナのビームスキャン時に、和差信号比の極値を同時計測することで、角度分解能の高いレーダを実現することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１５２４２２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０７４７８１号公報
【特許文献３】特開２００５−３５４３８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のフェーズドアレイアンテナでは、ロトマンレンズにより生成される各ビームのピーク角度の中間にターゲットとなる通信機器が存在する場合には、ロトマンレンズの隣り合う入力ポートの位相振幅合成を加算器や乗算器を用いて処理することにより、所望方向へのアンテナ利得とアンテナビームの狭角化を実現する。また、ロトマンレンズを用いたフェーズドアレイアンテナでは、ロトマンレンズの隣り合う入力ポートの振幅合成で容易に中間ビームが生成可能である。ロトマンレンズを用いたフェーズドアレイアンテナは、電力合成にて中間ビームを生成可能であるため、ロトマンレンズの入力ポートを増やすことなく、ビーム数を増やすことが可能である。しかしながら、障害物が目標物と近接する場合には、１つのビームの範囲に存在することも多く、より細かいビーム指向性が望まれる。
【０００８】
これに対し、特許文献２の方式によれば、ロトマンレンズと可変増幅器を用いることによって、ビーム方向を任意に制御することが可能であるが、フェーズドアレイアンテナに仕立てた各々のビームの半値幅で交差するようアンテナ要素を構成した場合にのみ、アンテナゲインと一致する合成波が得られる。入力ポートからそれぞれ加えられた電力はロトマンレンズで分配合成されアンテナ要素から放射されるため、ベクトル加算（空間合成）されたアンテナ指向性でためである。フェーズドアレイアンテナの各々のビームのアンテナ指向性の重なりが半値幅より数dB以上下がった場合では、各々のアンテナビームに与える影響が小さい（重なりがピーク値より１０dBの位置の場合、電力比で０.１以下） ため、各々アンテナビームをスカラ加算したアンテナ指向性となり、ビーム角度は広角化する。
【０００９】
従って、ビームの広角化は、マルチパスの発生が頻発する空間では通信品質の低下を招くため、ロトマンレンズの設計において、ビームの重なりが１０dB未満のアンテナ指向性を有する多数の３つ以上の入力ポートで構成された、ロトマンレンズアンテナを設けなければならい。ビーム角度の狭角化可能な乗算器の利用は、受信信号の数値処理で可能であるが、送信信号には空間合成であるため、障害物に電磁波は到来し、マルチパスの抑制には効果がない。
【００１０】
通信において、走査時間は、より広角のアンテナで走査することで短縮可能であるが、マルチパス発生時には、より狭角のアンテナで走査しなければならない。ビームフォーミングを有するアンテナ構造で、アンテナ要素への分配合成を実現しつつ有効なアンテナ要素数を増減することは困難である。特に、目標物と近接した障害物が存在する場合、障害物からの反射波によりマルチパスの通信障害を受ける。より多数のアンテナ要素による狭角ビームフォーミングで回避可能であるが、ビームフォームング装置の構成はより複雑化する。
【００１１】
また、特許文献３に示されるようなモノパルス方式では、null点生成のため交換光位相分布変換器にて、１８０°位相差のあるローカルビーム光を生成する必要があるが、光の１／２、１／４波長サイズで部材加工が必要であり、ビーム合成器やファイバーアレイとの位置精度等の高度な精度が求められる。
【００１２】
本発明は、上記各問題点を解決し、ロトマンレンズを用いたフェーズドアレイアンテナにおける、入力ビーム数を増加させることなく所望方向へのアンテナ利得とアンテナビームの狭角化が可能な、アンテナ走査装置及びそれを用いた無線通信システム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】
【００１３】
上記目的を達成するための発明であるアンテナ走査装置は、複数のアンテナポートと３つ以上のビームポート間で電力分配合成を行うロトマンレンズと、該ロトマンレンズの前記各アンテナポートに接続され、電波が入出力される複数のアンテナ要素と、前記ビームポートと同数で、前記ロトマンレンズのビームポートの各々に接続され、信号の振幅変調を行う複数の増幅器と、前記複数の増幅器の各々に対して設けられた送信信号の入力経路と、前記各入力経路を切替える切替えスイッチと、前記各増幅器及び前記各切替えスイッチを制御するビーム制御部とを備えてなり、前記入力経路は、第一の経路と、該第一の経路の位相と異なる信号を生成する第二の経路とで構成されており、前記ビーム制御部は、隣り合う２つの前記ビームポートを選択し、該２つのビームポートに対する入力経路としての前記第一の経路と前記第二の経路を切替え可能に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、入力ビーム数を増加させることなく所望方向へのアンテナ利得とアンテナビームの狭角化が可能な、アンテナ走査装置及びそれを用いた無線通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一の実施例になる送信用ロトマンレンズを用いたアンテナ走査装置の構成図。
【図２】図１の送信用ロトマンレンズに対応する、受信用を想定した多入カロトマンレンズにおける電力分配の構成図。
【図３】図１のアンテナ走査装置を用いた本発明の無線装置の構成例を示す図。
【図４】図３の無線装置において、アンテナ走査装置を操作するアンテナ走査コントローラのフローチャート図。
【図５】図１のロトマンレンズを用いたアンテナ走査装置における、放射パターンの例を示す図。
【図６】図１のロトマンレンズのポートに複数給電した際の放射パターンの例を示す図。
【図７】図１のロトマンレンズのポートにおいて、半値幅の外で交差する入力ポート間に給電した放射パターンの例を示す図。
【図８Ａ】ロトマンレンズ入カポートの隣り合う２つに、同相と逆相で給電した場合の放射パターンを示す図。
【図８Ｂ】図８Ａの同相の合成波パターンの特性（ａ）を拡大して示した図である。
【図８Ｃ】図８Ａの逆相の合成波パターンの特性（ｂ）を拡大して示した図である。
【図９】本発明の第二の実施例になる送信用多入力ロトマンレンズにおける、電力分配の構成図。
【図１０】本発明の第三の実施例になる送信用多入カロトマンレンズにおける電力分配の構成図。
【図１１】本発明の何れかの実施例のアンテナ走査装置を用いた本発明の無線装置の他の構成例を示す図。
【図１２】図１１のアンテナ走査装置を操作する、アンテナ走査コントローラのフローチャート図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の代表的な実施例によれば、アンテナ走査装置は、複数の入出力ポート間で電力分配合成を行うロトマンレンズを具備するフェーズシフトアンテナを備え、このロトマンレンズの一方のアンテナポート群に電波が入出力される複数のアンテナ要素を接続し、このロトマンレンズの対向する他方のビームポート群の１つ１つのポートに対し信号を振幅変調が可能な増幅器を接続する。そして、この増幅器の入力端子に２つの経路を選択的に入力可能なスイッチを有し、一方の経路は位相差無しで、他方の経路では一方の位相と異なる信号を生成する固定位相器を配置し、ビームポートと同数の増幅器へ、このスイッチを介し電力分配する分配器を設ける。さらに、このアンテナ走査装置において、ロトマンレンズの３つ以上のビームポート群の中で、隣り合う２つのビームポートを順に選択し、選択されたビームポートに接続された増幅器の振幅利得の調整とスイッチによる位相調整を同時に独立的に制御し、それ以外の増幅器はピンチオフ状態で信号減衰する状態に制御する手段を有する。
【００１７】
このような構成を採用することで、ロトマンレンズを介し電力分配合成されるフェーズドアンテナのビームが隣り合うビームポートから入力される信号の合成波によって生成され、隣り合う２つのビームポートを順に選択し、２つの選択された増幅器の振幅比を調整することにより、アンテナビーム角度を無段階に走査可能となる。これにより、入力ビーム数を増加させることなく所望方向へのアンテナ利得とアンテナビームの狭角化が可能となる。
【００１８】
また、本発明の代表的な実施例によれば、無線通信システムは、電磁波の分配合成を行うロトマンレンズと、前記ロトマンレンズの入力ポート各々に振幅変調を行う可変増幅器と、アンテナ合成時にNull点生成を生成する固定位相器と、前記可変増幅器の入力信号に位相無変調信号と位相変調信号の切り替えを行うスイッチと、前記ロトマンレンズの入力数に等しく給電するための分配器、もしくは多出力切り替えスイッチと、ロトマンレンズの出力ポート数に応じたアンテナ要素と、送受信波をデジタルの情報に変復調するトランシーバと、前記トランシーバからの通信信号により通信回線の品質を検査する信号処理回路を備えている。  
本発明によれば、ロトマンレンズの多数の入力ポートの中から隣り合う２つの入力ポートに振幅比制御を行い、ビームスキャンを実行し、トランシーバと信号処理回路を介して信号品質の検査を行うことで、目標物の有無、通信品質の劣化度を判断する。さらに、目標物近傍の障害物からのマルチパスの影響により通信品質の劣化が大きく、通信回線の開設が困難な場合には、ロトマンレンズの隣り合う２つの入力ポートの１つに位相器を介して入力することで、フェーズドアレイアンテナにnull点を有するビーム指向性を持たせビームスキャンすることで、障害物からの反射波電力を抑制し、通信品質の改善を図る効果がある。
【００１９】
以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の第一の実施例になる、ミリ波用アンテナ走査装置を用いた無線通信システムについて、図１乃至図８Ｃで説明する。
【００２１】
まず、図１により、ロトマンレンズを用いた本実施例の送信用フェーズドアレイアンテナ走査装置１００の構成を説明する。図１において、１はロトマンレンズ、２はアンテナ要素、３（３−１〜３−ｎ）は可変増幅器、４は入力部である。ロトマンレンズ１は、複数の入出力ポートすなわち、アンテナポート（ＡＰ１〜ｍ）及びビームポート（ＢＰ１〜ｎ）を備え、アンテナポートに電波が入出力される複数のアンテナ要素２が接続され、他方のビームポートの１つ１つのポートに対し信号を振幅変調が可能な可変増幅器３が接続される。すなわち、可変増幅器の数はビームポート（３つ以上）と同数である。そして、この増幅器の入力端子に２つの経路を選択的に入力可能な入力部４が設けられている。各可変増幅器３の入力経路である入力部４は、位相差無しの第一の経路と、この第一の経路の位相と異なる信号を生成する第二の経路とで構成されている。すなわち、隣り合うビームポート間の位相を同相に保つためのスルーのパス４２（第一の経路）と、ロトマンレンズを介してアンテナ要素から放射した際にNull点を生成するための固定位相器４１（４−１〜４−ｎ）を有する第二の経路とで構成されている。５（５−１〜５−ｎ）は入力部４と電力分配を行う分配器６との接続状態を切替える２出力の切替えスイッチである。この２出力のスイッチ５は、可変増幅器３に入力する信号の位相シフトの有無を選択するために、一方を位相差無しのスルーのパスの経路４２に、他方を上記一方の位相と異なる信号を生成する固定位相器４１の経路へ接続する。分配器６には送信信号Ｔｘが入力される。７はビーム制御部である。このビーム制御部７は、可変増幅器３のゲインを制御するゲインコントローラ７１、切替えスイッチ５を制御するスイッチコントローラ７２、及び、ビーム走査制御信号Contに基づいてゲインコントローラ７１とスイッチコントローラ７２を制御するビームスキャンコントローラ７３とを備えている。スイッチコントローラ７２は、ビーム走査制御信号Contに基づきnull点制御を行う機能を有しており、切替えスイッチ５（５−１〜５−ｎ）をスルーのパス４２に接続している「位相器OFF」の状態と、切替えスイッチ５を固定位相器４１に接続している「位相器ON」の状態とに切り替える。固定位相器４１が接続されている第二の経路の信号は、接続されていない第一の経路の信号に対して逆相となる。すなわち、本実施例では、ロトマンレンズの物理的に隣り合う一組の入力経路に、同相と、逆相の給電経路（第一、第二の経路）を形成し、これらの経路を経て電波をロトマンレンズ入力することで、アンテナビームにnull点を設ける点に特徴がある。なお、Null点を有する逆相合成波の生成に関しては、図８Ａ〜図８Ｃで詳細に説明する。
【００２２】
本実施例のロトマンレンズ１は、アンテナポートが１２個（ＡＰ１〜ＡＰ１２）、ビームポートが８個（ＢＰ１〜ＢＰ８）の例である。Ｗはアンテナ要素の幅を示している。ロトマンレンズ１のアンテナポート（ＡＰ１〜ＡＰ１２）にはアンテナ要素２がそれぞれ接続され、各ビームポート（ＢＰ１〜ＢＰ８）には振幅変調が可能な可変増幅器３の出力がそれぞれ接続されている。分配器６は、送信信号Ｔｘをアンテナ走査装置１００のビーム数（ロトマンレンズの入力ポートであるビームポート数）に電力分配し、それぞれの出力を切替えスイッチ５の入力に接続する。
【００２３】
第一の実施例における、受信用のアンテナ走査装置１０１の実施形態を図２に示す。１はロトマンレンズ、２はアンテナ要素、６３は２分配器、７はビーム制御部、８（８-１,８-２）は多点出力スイッチ、９は低ノイズアンプである。多点出力スイッチ８から受信信号Ｒｘが得られる。ビーム制御部７は、低ノイズアンプ９のゲインを制御するゲインコントローラ７１、切替えスイッチ５及び多点出力スイッチ８を制御するスイッチコントローラ７２、及び、ビーム走査制御信号Contに基づいてゲインコントローラ７１とスイッチコントローラ７２を制御するビームスキャンコントローラ７３とを備えている。
【００２４】
図２に示すロトマンレンズ１も、アンテナポートが１２個（ＡＰ１〜ＡＰ１２）、ビームポートが８個（ＢＰ１〜ＢＰ８）の例である。ロトマンレンズ１のアンテナポートにはアンテナ要素２がそれぞれ接続され、各ビームポートには低ノイズアンプ９の入力がそれぞれ接続されている。低ノイズアンプ９の出力端子は２分配器６３の各入力端子に接続される。分配器６３は、各入力端子に対して各々２つの出力端子６４を有している。２分配器の左右の各出力端子６４は２つの多点スイッチ８-１,８-２にそれぞれ接続される。
【００２５】
図２のアンテナ走査装置１０１は受信用であり、トランシーバを介して受信信号Ｒｘを復調した後、信号処理回路にて信号解析可能である。そのため、アンテナ走査装置１０１ではロトマンレンズ１のいずれか２つのビームポートの受信信号を出力する機能を有するのみである。
【００２６】
第一の実施例における、無線装置１１０の実施形態を図３に示す。１００は送信用アンテナ走査装置、１０１は受信用アンテナ走査装置、１０２はマイクロ波帯ミリ波帯トランシーバ、１０３はアナログ／デジタル変換回路、１０４は信号処理回路である。１０５はアンテナ走査用コントローラ、１０６は入出力端子である。
【００２７】
無線装置１１０は、無線通信を確立するため、アンテナ走査用コントローラ１０５を介して信号処理回路１０４にて通信プロトコルに則り、送信用データを生成する。マイクロ波ミリ波トランシーバ１０２は送信用データを元に変調を行い、送信用アンテナ走査装置１００にマイクロ波ミリ波信号、すなわち送信信号Ｔｘを伝達する。一方、アンテナ走査装置１００、１０１のビーム制御部７は、アンテナ走査用コントローラ１０５からのビーム走査制御信号に基づく指令により、ロトマンレンズのビームポートＢＰの選択とnull点制御（同相／逆相合成波）を行う。ビームポートの選択では走査装置内部の可変増幅器３の増幅制御と多点スイッチ８の切り替え、null点制御は切替えスイッチ５の切り替え、すなわち、対をなす位相器（「位相器OFF」／「位相器ON」の組み合わせ）の選択制御を行う。送信時には、送信用データを伝送後、目標物の通信装置からの信号を捕らえるため、受信用アンテナ走査装置１０１から電波を傍受し、受信信号Ｒｘをトランシーバ１０２で復調後、信号処理回路１０４にて通信信号の有無、信号レベルの評価、データエラーバーの確率等検査し、アンテナ走査用コントローラ１０５に結果を伝達する。ビーム制御部７は、通信データが存在しない場合には、アンテナ走査用コントローラからのビーム走査制御信号に基づく指令を更新し、ロトマンレンズ１のポートを順に走査することにより、通信信号の探索を実施する。
【００２８】
すなわち、ビーム制御部７は、ロトマンレンズ１の中で、隣り合う２つのビームポートを順に選択し、選択されたビームポートに接続された可変増幅器３の振幅利得の調整と切替えスイッチ５による位相の調整を同時に独立的に制御し、それ以外の増幅器はピンチオフ状態で信号減衰する状態に制御する。これにより、ロトマンレンズ１を介し電力分配合成されるフェーズドアンテナ２のビームが隣り合うビームポートから入力される信号の合成波によって生成され、隣り合う２つのビームポートを順に選択し、２つの選択された可変増幅器３の振幅比を調整することにより、アンテナビーム角度を無段階に走査可能である。
【００２９】
図４は、アンテナ走査装置１００、１０１を操作するアンテナ走査用コントローラ１０５及びビーム制御部７のフローチャートである。アンテナ走査コントローラ１０５は、アンテナ走査の開始（Ｓ４００）に伴い、まず、ビーム制御部７を介して、隣り合う２つのビームポート間にnull点のない同相合成波（位相器OFF）のペア状態で、各ビームポートのペアを走査し（Ｓ４０１）、信号処理回路１０４にて通信信号の存在、復調に必要な信号レベルの有無、エラーレートの評価した結果を元に通信確立に十分であるか判断する（Ｓ４０２）。通信の確立に十分な信号レベルに達している場合（Ｙｅｓ）、アンテナ走査装置の制御信号を記憶し、無線装置間通信を開始する。通信を確立している間、アンテナ走査用コントローラ１０５は通信品質の評価結果を逐次評価し（Ｓ４０３）、通信品質の劣化、通信データの有無により、走査を再スタートさせる（Ｓ４０４）。位相器OFFのみのペア状態で、ビット列のパリティチェック等でエラーレートのみ劣化が観測される場合にはマルチパスによる通信障害が発生していることが予想される。この場合には、アンテナ走査用コントローラ１０５にて、隣り合う２つのビームポート間にnull点を有するアンテナビームパターン（「位相器OFF」＋「位相器ON」のペア）に切り替え（Ｓ４０５）、ビームフォーミングによる走査を開始する。エラーレートの改善が見込める場合には（Ｓ４０６、Ｙｅｓ）通信を開始（確立）するが、それでも通信の確立に満たない通信品質の場合には（Ｓ４０６、Ｎｏ）、新たな通信パスを検索するため、スタートに戻り、フローチャートの初めから開始する。目標物近辺に障害物がないあるいは遠い場合には、同相合成波（位相器OFFのみのペア）によるロトマンレンズでの走査で十分であるが、マルチパスが発生しない通信環境が常に得られることは困難であるため、null点走査によるマルチパス回避手段を有することが通信品質の向上には不可欠である。
【００３０】
図５は、実施例１に用いたアンテナポート１２個、ビームポート８個（ＢＰ１〜ＢＰ８）のアンテナ放射パターンの例である。図中の（１）〜（８）の各パターンは、各ビームポートＢＰ１〜ＢＰ８（ＭＲＲ−Ｐｏｒｔ１〜ＭＲＲ−Ｐｏｒｔ８）から同相（全ての位相器が「OFF」）で給電された電力がロトマンレンズ１内で分配合成され、アンテナ要素２の各々から放射されて生成されたアンテナパターンである。このアンテナパターンは、アンテナ要素の幅Ｗ＝１０ｃｍ、ビーム特性が半値幅±３度、ピーク値より３dB程度の肩で隣り合うビームと交差するよう設計された、ロトマンレンズによるアンテナ特性である。
【００３１】
図６は、物理的に隣り合うビームポートＢＰ４，ＢＰ５から同相で入力し、かつ、可変増幅器３で電力比を変えて給電した合成波によるアンテナ特性である。図中の（ａ）〜（ｅ）の各パターンは、１対０、３／４対１／４、１／２対１／２、１／４対３／４、０対１の５パターンの電力比で給電し、得られた結果である。合成波のピークは、可変増幅器３で制御される電力比に応じて左右方向へシフトし、合成波の半値幅もほぼ同等の結果を得ることが可能である。
【００３２】
図７は、比較例として、ピーク値より１０dBのところでアンテナパターンが交差しかつ隣り合っていないビームポートＢＰ２，ＢＰ４を用いて生成した合成波のアンテナ特性である。図中の（ａ）〜（ｅ）の各パターンは、図６と同じく、同相でかつ、１対０、３／４対１／４、１／２対１／２、１／４対３／４、０対１の５パターンの電力比で、給電をした結果である。交差した点がピーク値より電力比６dB以下の場合、各ビームポートの主ビームに対し電力差のよる影響度が小さく、２つのピークを有するアンテナ特性となり、フェーズドアレイアンテナでの半値幅が広がる特性となる。すなわち、隣り合っていないビームポートを用いた場合は、特性の良好な合成波を生成できない。換言すると、マルチパスが発生しない通信環境を確保するためには、ロトマンレンズの隣り合うビームポートを採用する必要がある。
【００３３】
図８Ａは、本発明の構成を採用し、隣り合う２つのビームポート、例えば図６に示したＢＰ４，ＢＰ５に、第一、第二の経路から同相と逆相で給電した場合の、放射パターンを示す図である。図中の（ａ）のパターンはＢＰ４，ＢＰ５共に「位相器ON」、（ｂ）のパターンはＢＰ４が「位相器ON」、ＢＰ５が「位相器OFF」とした状態のアンテナ特性を示している。すなわち、図８Ａは、隣り合うビームポートに電力給電した場合における、（ａ）同相合成波（Sum）と、（ｂ）逆相合成波（Diff）の各アンテナパターンの計算値である。
【００３４】
（ｂ）に示したように、Null点を有する逆相合成波は、ピークが２つに分割されるため、（ａ）の同相合成波に比べ電力ピーク値は３dB程度劣化するが、null点での電力抑制は１０dB以上であり、ピーク１つでの半値幅は狭角化することが可能である。
【００３５】
また、図８Ｂは、図８Ａの同相の合成波パターンの特性（ａ）を拡大して示した図である。同相の合成波の半値幅はθAとなっている。図８Ｃは、図８Ａの逆相の合成波パターンの特性（ｂ）を拡大して示した図である。各ピーク１つでの半値幅、特に内側（θb1，θb2）は狭角化され、逆相合成波の半値幅（θb1＋θb2）は、同相の合成波の半値幅θAよりも小さくなっている。
【００３６】
このように、隣り合う「位相器OFF」のビームポートと、「位相器ON」のビームポートを用いて、Null点を有し半値幅の狭角化された逆相合成波を得ることができる。
【００３７】
また、図６に示したのと同様に、可変増幅器３で隣り合う２つのビームポートへの逆相で入力される電力の比を調整することにより、逆相の合成波のピークを、電力比に応じて左右方向へシフトさせ、半値幅もほぼ同等の結果を得ることが可能である。すなわち、可変増幅器３で逆相の合成波のピークをシフトさせることで、null点の無段階走査を実現できる。
【００３８】
従って、同相合成波のビームパターンに内包されてしまう障害物からの反射波によってマルチパスの影響が顕著な場合であっても、null点を有する逆相合成波によるビームスキャンによりアンテナ走査することで、null点方向を障害物に向けることでマルチパスの影響を抑制することが可能である。
【００３９】
このように、本実施例によれば、ロトマンレンズの隣り合うビームポートに対応する一組の位相器を用い、「位相器OFF」＋「位相器ON」として、これら隣り合うビームポートに逆相の電波を入力することで、アンテナビームに無null点を設けることができる。さらに、可変増幅器で２つのビームポートへの入力電力比を調整することで、null点の無段階走査を実現できる。これにより、ロトマンレンズのアンテナポート、ビームポート数を増やすことなく、アンテナビームの狭角化と障害物方向への電波電力抑制を行うことができる。すなわち、入力ビーム数を増加させることなく所望方向へのアンテナ利得とアンテナビームの狭角化が可能な、ミリ波用アンテナ走査装置及びそれを用いた無線通信システムを提供することができる。
【実施例２】
【００４０】
図９に、本発明のアンテナ走査装置の実施例２の実施形態を示す。１はロトマンレンズ、２はアンテナ要素、３は可変増幅器、４は固定位相器、５は切替えスイッチ、６０は２分配器、８は多点出力スイッチである。
【００４１】
図９に示すロトマンレンズ１も、アンテナポートが１２個、ビームポートが８個の例である。ロトマンレンズ１のアンテナポートにはアンテナ要素２がそれぞれ接続され、各ビームポートには振幅変調が可能な可変増幅器３の出力がそれぞれ接続されている。可変増幅器３の入力部４には、実施例１の場合と同様、ロトマンレンズ１を介してアンテナ要素２から放射した際にNull点を生成するための第二の経路である固定位相器４１と、隣り合うビームポート間の位相を同相に保つための第一の経路であるスルーのパスが接続されている。また、可変増幅器３に入力する信号の位相シフトの有無を選択するための２出力の切替えスイッチ５は、一方の出力をスルーのパスの経路に、他方の出力を固定位相器の経路へ接続されている。また、切替えスイッチ５の入力には、隣り合うロトマンレンズ１の入力ポート間に設けられた２分配器６０の出力２つと多点スイッチ８の出力１つが接続される。２分配器６０は、ロトマンレンズの隣り合うビームポートに給電するための方向性分配器であり、ビームポート間のアイソレーションを確保するため、１方向のみに通過するダイオード６１等を用いて形成し、隣り合う切替えスイッチ５にそれぞれ給電する。多点出力スイッチ８は、ロトマンレンズ１のビームポート数nに依存し２n-１個の出力端を有し、分配器６０で電力分配せず切替えスイッチ５に直結する端子n個と、２分配器６０のn-１個の電力分配用の入力部６２にそれぞれ接続される。多点スイッチ８が切替えスイッチ５に直結するパスの端子に接続された場合、分配器６０で電力分配せず、多点スイッチ８が接続されたスイッチの出力先にある可変増幅器１つのみ増幅機能を働かせることが可能であり、アンテナ走査装置のGain特性は２分配器の分配損失３dB改善が可能であり、装置の電源も可変増幅器１個分の電力を抑制することが可能である。
【００４２】
図１の実施例１の形態では、分配器６で電力分配するため信号強度は分配数に応じて減衰するが、本実施例の多点スイッチを利用すればスイッチのＯＮ抵抗分の損失で、信号強度の劣化を抑えることが可能である。
【実施例３】
【００４３】
図１０に、本発明のアンテナ走査装置の実施例３を示す。１はロトマンレンズであり、２はアンテナ要素、３は可変増幅器、４は固定位相器群、５はスイッチ、６０は２分配器、８は多点出力スイッチである。
【００４４】
図１０に示すロトマンレンズ１も、アンテナポートが１２個、ビームポートが８個の例である。ロトマンレンズ１のアンテナポートにはアンテナ要素２がそれぞれ接続され、各ビームポートには振幅変調が可能な可変増幅器３の出力がそれぞれ接続されている。可変増幅器３の入力部には、２つの入力に対しそれぞれに固定位相器が接続されている。固定位相器群４は、ミリ波帯で位相差０の伝送路を作成することはレイアウト上困難である。そのため、位相差無しの第一の経路と、この第一の経路の位相と異なる信号を生成する第二の経路として、第一の経路と第二の経路を、２つの固定位相器の位相差が逆相となるよう設計された第一の位相器群（４−１１〜４−ｎ１）と第二の位相器群（４−１２〜４−ｎ２）で構成する。可変増幅器に入力する信号の位相シフトの量を選択するための２出力の切替えスイッチ５は、出力端に固定位相器群の入力を各々接続する。また、切替えスイッチ５の入力は、隣り合うロトマンレンズの入力ポート間に設けられた２分配器６０の出力２つと多点スイッチ８の出力１つが接続される。２分配器６０は、ロトマンレンズの隣り合うビームポートに給電するための方向性分配器であり、ビームポート間のアイソレーションを確保するため、１方向のみに通過するダイオード６１等を用いて形成し、隣り合う切替えスイッチ５にそれぞれ給電する。多点出力スイッチ８は、ロトマンレンズのビームポート数nに依存し２n-１個の出力端を有し、分配器６０で電力分配せず切替えスイッチ５に直結する端子n個と、電力分配を行う２分配器６０のn-１個の入力部にそれぞれ接続される。
【００４５】
図１０の実施例では、電力比が等比の場合に中間にNull点を発生するよう２つの位相器群からなる第一の経路と第二の経路によって逆相信号を生成した。しかし、位相差は必ずしも１８０°固定である必要はない。Null点は同振幅、逆位相のとき発生するので、ビームのピーク値の角度依存性は一定でなくとも良い。すなわち、位相差を１８０°以外の角度に固定しても、可変増幅器の電力比を調整することでNull点走査は可能である。
【実施例４】
【００４６】
次に、本発明の実施例４として、上記何れかの実施例のアンテナ走査装置を用いた、無線装置の構成例を図１１、図１２で説明する。
【００４７】
無線装置１１０は、送信用アンテナ走査装置１００、受信用アンテナ走査装置１０１、マイクロ波帯ミリ波帯トランシーバ１０２、アナログ／デジタル変換器１０３、信号処理回路１０４、アンテナ走査用コントローラ１０５、入出力端子１０６及びマイクロ波帯アンテナ１０７を備えている。アンテナ走査用コントローラ１０５は、ビーム走査制御信号を生成してビーム制御部７を制御する。すなわち、アンテナ走査用コントローラ１０５は、ビーム制御部７のビームスキャンコントローラ７３を介してゲインコントローラ７１とスイッチコントローラ７２を制御する。これにより、null点制御を行うと共に、可変増幅器３のゲインを制御する。
【００４８】
ミリ波信号は直進性が強く伝播減衰が大きいため、未知の通信回線の構築を高ゲイン狭角のアンテナビームによる走査で実現しようとすると、走査に手間取り、通信信号をロストする恐れがある。
【００４９】
よって、図１１に示すように、ミリ波帯のアンテナ走査装置１００、１０１に加えて、マイクロ波帯ミリ波帯トランシーバ１０２にマイクロ波帯の送受信アンテナ１０７を設け、IEEE８０２.１５に代表されるBluetoothやZigBeeなどの無線通信機構を有し、ミリ波帯の通信確立までの補助的な通信手段として活用し、無線装置間の通信確立を支援する。
【００５０】
図１２は、図１１のアンテナ走査装置を操作する、アンテナ走査コントローラのフローチャート図である。アンテナ走査コントローラ１０５は、アンテナ走査の開始（Ｓ４００）に伴い、まず、ビーム制御部７を介して、隣り合う２つのビームポート間にnull点のない同相合成波（位相器OFF）のペア状態で、各ビームポートのペアを走査し（Ｓ４０１）、マイクロ波帯の送受信アンテナの信号を用いて、信号処理回路１０４にて通信信号の存在、復調に必要な信号レベルの有無、エラーレートの評価した結果を元に通信確立に十分であるか判断する（Ｓ４０７）。通信の確立に十分な信号レベルに達している場合（Ｙｅｓ）、ミリ波帯のアンテナ走査装置の制御信号を記憶し、無線装置間通信を開始する。通信を確立している間、アンテナ走査用コントローラ１０５はミリ波帯の通信品質の評価結果を逐次評価し（Ｓ４０８）、通信品質の劣化、通信データの有無により、走査を再スタートさせる（Ｓ４０４）。位相器OFFのみのペア状態で、ビット列のパリティチェック等でエラーレートのみ劣化が観測される場合にはマルチパスによる通信障害が発生していることが予想される。この場合には、アンテナ走査用コントローラ１０５にて、隣り合う２つのビームポート間にnull点を有するアンテナビームパターン（「位相器OFF」＋「位相器ON」のペア）に切り替え（Ｓ４０５）、ビームフォーミングによる走査を開始する。エラーレートの改善が見込める場合には（Ｓ４０９、Ｙｅｓ）通信を開始（確立）するが、それでもミリ波帯の通信の確立に満たない通信品質の場合には、新たな通信パスを検索するため、スタートに戻り、フローチャートの初めから開始する。目標物近辺に障害物がないあるいは遠い場合には、同相合成波（位相器OFFのみのペア）によるロトマンレンズでの走査で十分であるが、マルチパスが発生しない通信環境が常に得られることは困難であるため、null点走査によるマルチパス回避手段を有することが通信品質の向上には不可欠である。
【００５１】
本実施例によれば、通信信号のロストを低減することが出来る。さらに、ミリ波信号での無用な走査を削減することが出来ると、電力効率が悪いミリ波帯トランシーバを常時動作させることなく停止することが可能であり、省電力化が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１    ロトマンレンズ
２    アンテナ要素
３    可変増幅器
４    固定位相器
５    切替えスイッチ
６    分配器
６０    ２分配器
７      ビーム制御部
７１    ゲインコントローラ
７２    スイッチコントローラ
７３    ビームスキャンコントローラ
８    多点出力スイッチ
９    低ノイズアンプ
１００、１０１  アンテナ走査装置
１０２    マイクロ波帯ミリ波帯トランシーバ
１０３    アナログ／デジタル変換器
１０４    信号処理回路
１０５    アンテナ走査用コントローラ
１０６    入出力端子
１０７    マイクロ波帯アンテナ
１１０    無線装置。
【図１】
2012222523.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2012222523.tif 000008
【図７】
2012222523.tif 000009
【図８Ａ】
2012222523.tif 000010
【図８Ｂ】
2012222523.tif 000011
【図８Ｃ】
2012222523.tif 000012
【図９】
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【図１０】
2012222523.tif 000014
【図１１】
2012222523.tif 000015
【図１２】
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