(57)【要約】【課題】ビーム幅の制御可能な小型の指向性アンテナを用いて車車間通信を行う。【解決手段】指向性アンテナ１００は、各々外径Ｈ、導体の幅Ｌのループ状のアンテナ素子１０−１〜１０−Ｍが配置されたものである。一方の面には奇数番号のアンテナ素子１０−１、１０−３、…がｙ軸方向に２Ｇだけ平行移動させた位置に、他方の面には偶数番号のアンテナ素子１０−２、１０−４、…がｙ軸方向に２Ｇだけ平行移動させた位置に配置される。アンテナ素子１０−２はアンテナ素子１０−１をｙ軸方向にＧ、ｘ軸方向にＤ平行移動させた位置に配置される。ループ状の各アンテナ素子１０−ｍの中心を通る、ｘｙ平面に平行な面と各アンテナ素子１０−ｍの合計２Ｍ個の交点をポートとする。ポートの１箇所に通信装置を接続し、他のポートは可変リアクタンス素子を接続する。２Ｍ−１個の可変リアクタンス素子の値を所望のビーム幅が得られるように予め決定しておく。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム幅が可変である指向性アンテナと、
前記指向性アンテナのビーム幅を制御するビーム幅制御手段とを有することを特徴とする車車間通信装置。
【請求項２】
自車両の速度を検出する速度検出手段を更に有し、
前記ビーム幅制御手段は、前記速度検出手段により検出された自車両の速度に応じて前記指向性アンテナのビーム幅を制御することを特徴とする請求項１に記載の車車間通信装置。
【請求項３】
自車両を基準とした所定範囲内に存在する車両の数を検出する周辺状況取得手段を更に有し、
前記ビーム幅制御手段は、前記周辺状況取得手段により検出された前記所定範囲内に存在する車両の数に応じて前記指向性アンテナのビーム幅を制御することを特徴とする請求項１に記載の車車間通信装置。
【請求項４】
自車両を基準とした所定範囲内に所定の大きさを越える大きさの車両が存在するか否かを判定する周辺状況取得手段を更に有し、
前記ビーム幅制御手段は、前記周辺状況取得手段の判定に基づき前記指向性アンテナのビーム幅を制御することを特徴とする請求項１に記載の車車間通信装置。
【請求項５】
前記指向性アンテナは、
２点１組の給電点から成る給電部を備えて１つの基準平面上に配置された１つの主のループ配線と、前記主のループ配線と平行または同一平面上に配置された、給電点を備えない少なくとも１つの従のループ配線とを有するアンテナであって、
各前記ループ配線は、それぞれ互いに交点及び接点を持たず、
前記従のループ配線に囲まれた平面領域の中心点は、前記主のループ配線に囲まれた平面領域の中心点を通る、前記基準平面に垂直な１つの垂直断面上に位置しており、
任意の１つの前記ループ配線によって囲まれる平面領域は、前記基準平面の法線方向から見たときに、隣り合う他の前記ループ配線によって囲まれる他の平面領域と部分的に重なって見え、
前記従のループ配線は、前記垂直断面上の２箇所にそれぞれ可変リアクタンス素子を有し、
前記主のループ配線は、前記垂直断面上の１箇所に可変リアクタンス素子を有し、前記垂直断面上の他の１箇所に前記給電部を有するものであり、
前記給電点を中心とする主のループ配線の半分を給電素子、前記可変リアクタンス素子を中心とする主のループ配線及び従のループ配線を複数の無給電素子とみなし、
前記複数の可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることによりビーム幅を変化可能としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の車車間通信装置。
【請求項６】
更に、前記指向性アンテナのビーム方向を制御するビーム方向制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の車車間通信装置。
【請求項７】
ビーム幅が可変である指向性アンテナを用い、
前記指向性アンテナのビーム幅を、自車両の速度、自車両を基準とした所定範囲内に存在する車両の数、又は自車両を基準とした所定範囲内に所定の大きさを越える大きさの車両が存在するか否かにより、前記指向性アンテナのビーム幅を制御することを特徴とする車車間通信方法。
【請求項８】
更に、前記指向性アンテナのビーム方向を制御することを特徴とする請求項７に記載の車車間通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高度道路交通システム、いわゆるＩＴＳに用いることを想定した、車車間通信装置及び車車間通信方法に関する。本発明は特に、ビーム幅を制御可能とした指向性アンテナを用いた車車間通信装置及び車車間通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＴＳとして想定されている技術の一つに、走行中の車両同士の車車間通信がある。通信内容としては、衝突防止に関わる情報交換が特に必要とされている。衝突防止には、自車両の進行方向に存在する、低速走行中、減速中、或いは停止動作中の先行車両、自車両の進行方向に進入する可能性のある見通し外の走行車両との通信が不可欠である。ここで無指向性の送信アンテナを用いて車車間通信を行うと、自車両の進行とは全く関係の無い広範囲に双方向通信を行うこととなり、極めて非効率的な通信方法となる。このため、特に市街地では、自車両の進行に影響の高い範囲に通信領域を絞るため、アンテナの指向性制御が重要となる。
【０００３】
以下に示す非特許文献１乃至７は、主として車車間通信における指向性アンテナについての論文である。また、特許文献１は、本願出願人による平面アンテナの先行出願である。
【特許文献１】特開２００６−３３９７６９号公報
【非特許文献１】R. Ramanathan, J. Redi, C. Santivanez, D. Wiggins, and S. Polit, “Ad hoc networking with directional antennas: a complete system solution,” IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 23, no. 3, pp. 496 506, Mar. 2005.
【非特許文献２】G. V. Tsoulos, “Smart antennas for mobile communication systems: Benefits and challenges,” Electron. Commun. Eng. J., vol. 11, no. 2, pp. 84 94, Apr. 1999.
【非特許文献３】R. Choudhury, X. Yang, R. Ramanathan, and N. H. Vaidya, “On Designing MAC Protocols for Wireless Networks Using Directional Antennas,” IEEE Trans. Moblie Computing, vol. 5, no. 5, pp. 477-491, 2006.
【非特許文献４】S. Lim, C. Caloz, and T. Itoh, “Metamaterial-based electronically controlled transmission-line structure as a novel leaky-wave antenna with tunable radiation angle and beamwidth,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 53, no. 1, pp. 161 173, Jan. 2005.
【非特許文献５】K. Bhan, S. Ghosh, and G. Srivastava, “Study of control of beamwidth of radiation pattern of a waveguide using inclined slotted flanges,”IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 26, no. 3, pp. 447 450, May 1978.
【非特許文献６】U. Sterr, A. Olver, and P. Clarricoats, “Variable beamwidth corner reflector antenna,” Electronics Letters, vol. 34, no. 11, pp. 1050 1051, May 1998.
【非特許文献７】P. Lampariello, F. Frezza, H. Shigesawa, M. Tsuji, and A. Oliner, “A versatile leaky-wave antenna based on stub-loaded rectangularwaveguide. I. Theory,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 46, no. 7, pp. 1032 1041, July 1998.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
まず非特許文献１乃至３について検討する。これらは車車間通信やアドホックネットワークにおいて指向性アンテナを利用する技術についての論文である。アンテナ指向性のビーム方向とヌルの方向に着目して制御している。これらはビーム幅を制御するものではない。不要な方向への電波放射を減らすことでシステム全体としての通信容量を増加させることができるとしている。またゲインの増加によりＳＮＲも向上するとしている。しかし、他の端末との協調により制御するものであり、自端末のみの制御では効果が得られない。このためシステムが複雑となるほか、最適制御に至るまでの時間遅延が大きい。このことから、現実的な移動局用アンテナを構成することが困難である。実際、普通乗用車程度の小さな搭載スペースに通信装置を搭載することも、デザイン的に違和感無く小型のアンテナ、好ましくは平面アンテナを乗用車表面に設置することも考慮されていない。また、指向性アンテナのビーム幅を利用した車車間通信システムの具体的提案も、非特許文献１乃至３にはされていない。
【０００５】
また、非特許文献４乃至７には、ビーム幅を可変とした指向性アンテナが記載されている。これらは高周波通信装置の受信側又は送信側の１系統の状態のみでビーム幅を可変とするものである。しかし、非特許文献５乃至７に記載された技術は、指向性アンテナの構成部品を機械的に操作することでビーム幅を可変とするものであり、いずれも小型の平面アンテナではない。このため、例えば普通乗用車程度の小さな搭載スペースにそれらの指向性アンテナを搭載することは極めて困難である。また、指向性アンテナの構成部品を機械的に操作するものは、信頼性や調整等の面で難点であるといえる。非特許文献４に記載された技術は、電気的にビーム幅を可変とする構成であるがアンテナのサイズが１０波長程度と大きく、且つ損失も大きいものである。結局、普通乗用車程度の小型車両に搭載することが現実的な、ビーム幅を可変とした小型の指向性アンテナは存在していない。
【０００６】
本発明者らは、例えば特許文献１で報告したような指向性を可変とした平面アンテナが、当該指向性制御に用いる際の制御方法で、ビーム幅を可変としうることを見出し、本願発明を完成させた。即ち、本発明の目的は、普通乗用車程度の小型車両にも搭載可能な、ビーム幅を可変とした指向性アンテナを用いた車車間通信装置及び車車間通信方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、ビーム幅が可変である指向性アンテナと、指向性アンテナのビーム幅を制御するビーム幅制御手段とを有することを特徴とする車車間通信装置である。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の車車間通信装置において、自車両の速度を検出する速度検出手段を更に有し、ビーム幅制御手段は、速度検出手段により検出された自車両の速度に応じて指向性アンテナのビーム幅を制御することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の車車間通信装置において、自車両を基準とした所定範囲内に存在する車両の数を検出する周辺状況取得手段を更に有し、ビーム幅制御手段は、周辺状況取得手段により検出された所定範囲内に存在する車両の数に応じて指向性アンテナのビーム幅を制御することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の車車間通信装置において、自車両を基準とした所定範囲内に所定の大きさを越える大きさの車両が存在するか否かを判定する周辺状況取得手段を更に有し、ビーム幅制御手段は、周辺状況取得手段の判定に基づき指向性アンテナのビーム幅を制御することを特徴とする。
【０００８】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の車車間通信装置において、指向性アンテナは、２点１組の給電点から成る給電部を備えて１つの基準平面上に配置された１つの主のループ配線と、主のループ配線と平行または同一平面上に配置された、給電点を備えない少なくとも１つの従のループ配線とを有するアンテナであって、
各ループ配線は、それぞれ互いに交点及び接点を持たず、従のループ配線に囲まれた平面領域の中心点は、主のループ配線に囲まれた平面領域の中心点を通る、基準平面に垂直な１つの垂直断面上に位置しており、任意の１つのループ配線によって囲まれる平面領域は、基準平面の法線方向から見たときに、隣り合う他のループ配線によって囲まれる他の平面領域と部分的に重なって見え、
従のループ配線は、垂直断面上の２箇所にそれぞれ可変リアクタンス素子を有し、主のループ配線は、垂直断面上の１箇所に可変リアクタンス素子を有し、垂直断面上の他の１箇所に給電部を有するものであり、
給電点を中心とする主のループ配線の半分を給電素子、可変リアクタンス素子を中心とする主のループ配線及び従のループ配線を複数の無給電素子とみなし、複数の可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることによりビーム幅を変化可能としたことを特徴とする。
請求項６に係る発明は、更に、指向性アンテナのビーム方向を制御するビーム方向制御手段を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項７に係る発明は、ビーム幅が可変である指向性アンテナを用い、指向性アンテナのビーム幅を、自車両の速度、自車両を基準とした所定範囲内に存在する車両の数、又は自車両を基準とした所定範囲内に所定の大きさを越える大きさの車両が存在するか否かにより、指向性アンテナのビーム幅を制御することを特徴とする車車間通信方法である。
請求項８に係る発明は、更に、前記指向性アンテナのビーム方向を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、車車間通信において、指向性アンテナのビーム幅を可変とすることで、情報のやりとりが必要な車両のみと通信を可能とすることを主たる特徴とするものである。これにより、各車両においての、及び当該車両と通信することが必要な車両との間での、通信容量を増加させることが可能となり、車車間通信の信頼性を向上させることができる。この際、自車両に備えられた装置のみから得られる情報で、指向性アンテナのビーム幅の制御を完結させるので、例えば他車両からのフィードバックが必要な従来技術と比較して、制御全体を簡略化でき、最適制御に至るまでの時間遅延を大幅に削減することが可能となる。
例えば、交差点付近における車両配置と必要な通信距離を考えると、車両の対向接近時や見通し外接近時は長い通信距離が必要になるのに対し、対向通過後や見通し外通過後は通信距離を短くして良い。このことから、車車間通信においては、進行方向である車両前方に指向性を持つアンテナの使用が望ましいと考えられる。これにより、電波の届く範囲内における通信の必要な車両の割合が増加し、通信の効率が改善できる。また、見通し外車両との通信を実現するのに必要な送信電力を抑えることができ、所要帯域幅の削減が期待できる。
【００１１】
請求項５に記載のアンテナは、通信波長λに対して各ループの直径をλ／πとすることで、例えば主従合わせてＭ個のループから成るアンテナが、λ／２のダイポールアンテナの２Ｍ個のアレーと等価であるものとして設計が可能である。即ち、λ／２のダイポールアンテナの２Ｍ個のアレーとして２Ｍ−１個の可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、用ちいるべき指向性のビーム毎に予めシミュレーションにより決定しておけば良い。すなわち、当該有限個の指向性のビームを選択するものとして、各指向性のビーム毎に２Ｍ−１個の可変リアクタンス素子のリアクタンス値を生成するようにすることで、指向性を容易に制御可能である。請求項５に記載のアンテナがビーム幅を制御できることについては、実施例にて詳しく述べる。
尚、このアンテナは特許文献１に記載の通り、やはり２Ｍ−１個の可変リアクタンス素子のリアクタンス値によりビーム方向をも制御できる。即ち、有限個のビーム方向及びビーム幅の組を生成するような２Ｍ−１個のリアクタンス値の組を、
当該有限個のビーム方向及びビーム幅の組毎に用意することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に言う車車間通信システムとは、移動局同士である車両間の通信システムを言う。本発明は、ＧＰＳと組み合わせて、道路自体の情報と、互いに接近する又は近接して走行している車両との通信により、衝突回避その他の安全走行に特に有用である。
本発明に言うビーム幅を可変とした指向性アンテナには、最もゲインの高い方位角の両側の、例えばそのゲインの１／２となるゲインの方位角までの幅を可変とするものが該当する。基本的にはヌル方位を有するものは好ましくないが、全く使用できないわけではない。以下には、主として特許文献１に記載されたアンテナを基本構造とするビーム幅を可変とした指向性アンテナを用いて説明するが、本発明は当該アンテナを必須の構成要素とするものに限定されない。
本発明においては、指向性アンテナのビーム幅を車両の周囲環境に応じて制御することで、走行車両である自車両が、衝突回避その他の安全走行に必要な情報を得るために必要な範囲を通信範囲とするものである。当該周囲環境を把握又は判定する手段として、カメラやレーダーなどが想定される。また、自車両の走行速度は重要なパラメータであるので、速度計からの速度情報も有用である。
【００１３】
〔実施態様１〕
自車両の走行速度をパラメータとすると、例えば次のような構成が考えられる。即ち、速度が大である場合にビーム幅を小さく、速度が小である場合にビーム幅を大きくすることで、他車両に情報を提供し、或いは他車両から情報を得たいエリアのみに電波を放射するものである。
【００１４】
この効果を図１で説明する。尚、以下で「速度」は単にその絶対値である速さを意味するものとする。
図１は、交差点付近を走行中の自車両と他車両の関係を示す５つの模式図である。図１．Ａは、２ブロック離れた自車両Ｓと他車両Ｏが対向接近する様子を示している。この場合、例えば自車両Ｓの速度と他車両Ｏの速度の和である相対接近速度が大きいほど、互いが遠く離れた位置から車車間通信が確立されていることが好ましい。逆に自車両Ｓの速度と他車両Ｏの速度の和である相対接近速度が小さければ近い位置まで接近するまで車車間通信が確立されていなくても良い。
図１．Ｂは自車両Ｓが接近する交差点に、他車両Ｏが向って右方向から接近する様子を
示している。この場合、自車両Ｓと他車両Ｏが衝突するのは、他車両Ｏが自車両Ｓの進行方向に先に進入するか、自車両Ｓが交差点に達したときに他車両Ｏも交差点に達する場合である。
図１．Ｃは、自車両Ｓに他車両Ｏが後方から接近する様子を示している。これは、自車両Ｓの速度が他車両Ｏの速度より遅い場合である。
図１．Ｄは、図１．Ａの状態の後の状態を示すものであって、自車両Ｓと他車両Ｏが対向して接近した後、通過した様子を示している。図１．Ｄの状態では、自車両Ｓと他車両Ｏが衝突する可能性は０と考えて良い。即ち、相互衝突の危険回避の面からは情報交換の必要性はほとんど無い。
図１．Ｅは、図１．Ｂとは言わば逆の場合であって、他車両Ｏが自車両Ｓの後方、向って右方向から、自車両Ｓが通過済みの交差点に接近していく様子を示している。この場合も、自車両Ｓと他車両Ｏが衝突する可能性は０と考えて良く、相互衝突の危険回避の面からは情報交換の必要性はほとんど無い。
【００１５】
このように、衝突又は接触事故を起こしうる他車両Ｏが存在するエリアは、自車両Ｓの前方に大きく、左右及び後方には一般的に小さい。このエリアは自車両Ｓの速度のみを考慮すると、更に図２の２つの模式図ように概念的に把握できる。即ち、図２．Ａのように、自車両Ｓの速度が大きい場合は、前方の距離の大きな所までエリアに入る。しかし、真横や真後は比較的小さくて良い。一方、図２．Ｂのように、自車両Ｓの速度が小さい場合は、前方の距離の比較的小さな所までしかエリアに入らない。しかし、真横や真後にも比較的大きくなければならない。
【００１６】
次に無指向性アンテナと、指向性アンテナによる通信可能距離（単に到達距離とも記す）の差をシミュレーションしたものを図３及び図４に示す。条件としては、５０ｍ間隔の格子点が全て交差点で、それらを結ぶ道路を想定し、道路以外はビル群により遮蔽されているモデルである。送信波は５．８ＧＨｚとした。図３．Ａにおいては、送信側及び受信側がいずれも無指向性アンテナを用い、交差点で１回だけ送信波が９０度回折可能であるとする。図３．Ａは、送信側が交差点で停止し、受信側が接近する場合を想定したものである。図３．Ａ中央の自車両に対し、前方、後方、右方向、左方向には、送信波が直接受信側車両まで到達するので、５９７ｍの距離まで通信可能であるようにしきい値を決めた。この際、前方（又は後方、又は右方向、又は左方向）に伝搬する送信波が、５０ｍおきにある交差点で１箇所９０度回折した場合の到達距離（通信可能距離）は合計２２５ｍとなった。図３．Ａでは、例えば前方に２００ｍ、１５０ｍ、１００ｍ、５０ｍ伝搬した後に右方向に回折した場合に、各々更に２５ｍ、７５ｍ、１２５ｍ、１７５ｍ到達しうることを示しているものである。
【００１７】
図３．Ｂはある指向性を有するアンテナを、送信側である自車両と受信側である他車両の両方にもたせて、送信側が交差点で停止し、受信側が接近する場合を想定したものである。尚ここで接近とは、送信側のアンテナの指向性と受信側のアンテナの指向性の関係を意味するものであり、速度の変化による送信波の到達距離の変化は無視する。この場合、前方から接近する他車両には５９７ｍの距離まで通信可能であるようにしきい値を決めた。すると、後方には２８３ｍ、左右方向には２１２ｍまでしか到達しなかった。また、前方（又は後方、又は右方向、又は左方向）に伝搬する送信波が、５０ｍおきにある交差点で１箇所９０度回折した場合の到達距離は次の通りであった。前方に２００ｍ、１５０ｍ、１００ｍ、５０ｍ伝搬した後に左右方向に回折した場合に、更に２５ｍ、７５ｍ、１２５ｍ、１７５ｍ到達しうることを示している。左右方向に５０ｍ伝搬した後に９０度回折した場合には、更に３０ｍだけ到達しうることを示している。後方に１００ｍ、５０ｍ伝搬した後に左右方向に回折した場合には、更に６ｍ、５６ｍ到達しうることを示している。このように、自車両と他車両のいずれもが指向性アンテナを有している場合、自車両と衝突する危険性の高いエリアである自車両前方を接近走行する他車両に対し、車車間通信を効率的に確立することが可能となる。
【００１８】
次に他車両が自車両から離れていく場合を図４に示す。図４．Ａにおいては、送信側及び受信側がいずれも無指向性アンテナを用い、交差点で１回だけ送信波が９０度回折可能であるとする。図４．Ａは、送信側が交差点で停止し、受信側が離れていく場合を想定したものである。図４．Ａ中央の自車両に対し、前方、後方、右方向、左方向には、送信波が直接受信側車両まで到達するので、５９７ｍの距離まで通信可能であるようにしきい値を決めた。この際、前方（又は後方、又は右方向、又は左方向）に伝搬する送信波が、５０ｍおきにある交差点で１箇所９０度回折した場合の到達距離は合計２２５ｍとなった。図４．Ａでは、例えば前方に２００ｍ、１５０ｍ、１００ｍ、５０ｍ伝搬した後に右方向に回折した場合に、更に２５ｍ、７５ｍ、１２５ｍ、１７５ｍ到達しうることを示しているものである。図４．Ａの到達エリアは図３．Ａの到達エリアと全く同一となった。このように、自車両と他車両のいずれもが無指向性アンテナを用いた場合、互いに離れていくような、接触又は衝突する可能性がほぼ無い場合でも、互いに接近する場合と同じ範囲で車車間通信が確立され、効率が非常に悪いことがわかる。
【００１９】
図４．Ｂは、図３．Ｂのシミュレーションの際と同様の指向性をもたせて、送信側である自車両が交差点で停止し、受信側である他車両が離れていく場合を想定したものである。尚ここで離れていくとは、送信側のアンテナの指向性と受信側のアンテナの指向性の関係を意味するものであり、速度の変化による送信波の到達距離の変化は無視する。この場合、前方に遠ざかる他車両には２８３ｍの距離まで通信可能であるようにしきい値を決めた。これは図３．Ｂの後方から接近する場合と同一としたためである。すると、後方には１３４ｍ、左右方向には１００ｍまでしか到達しなかった。また、前方（又は後方、又は右方向、又は左方向）に伝搬する送信波が、５０ｍおきにある交差点で１箇所９０度回折した場合の到達距離は次の通りであった。前方に１００ｍ、５０ｍ伝搬した後に左右方向に回折した場合に、更に６ｍ、５６ｍ到達しうることを示している。左右方向には５０ｍ伝搬した後に９０度回折した場合には、最早到達しうる距離が無いことを示している。後方に５０ｍ伝搬した後に９０度回折した場合にも、最早到達しうる距離が無いことを示している。このように、自車両と他車両のいずれもが指向性アンテナを有している場合、自車両から離れていく他車両とは、自車両と極めて近い範囲でのみ車車間通信を確立することができ、効率が良いことがわかる。
【００２０】
図３．Ｂ及び図４．Ｂに示した通り、自車両と他車両のいずれもが指向性アンテナを有している場合、接触又は衝突する可能性の高い他車両に対して車車間通信が効率的に確立される。更に、自車両の指向性アンテナのビーム幅を、自車両の速度で制御し、また、他車両においても、その指向性アンテナのビーム幅を、当該他車両の速度で制御することで、車車間通信の確立を非常に効率的に実施することが可能となる。
【００２１】
〔実施態様２〕
例えば撮像装置及び画像解析装置（周辺状況取得手段）により、自車両から前後左右の見通せる範囲に存在する車両の数が多いと判定される場合に、指向性アンテナのビーム幅を小さく、見通せる範囲に存在する車両の数が少ないと判定される場合に、指向性アンテナのビーム幅を大きくする方法も考えられる。走行中の車道の中に車両が多いときは、側方からの衝突可能性が高まる。そこでビーム幅は広い方が好ましい。この方法は、路車間通信を併用する際に路側機方向へビーム幅を小さくして信頼性を上げる為にも用いることができる。
【００２２】
〔実施態様３〕
例えば撮像装置及び画像解析装置（周辺状況取得手段）により、自車両前方に大型車両が存在すると判定される場合に、指向性アンテナのビーム幅を大きく、且つビーム方向を当該大型車両が存在しない例えば側方とし、自車両前方に大型車両が存在しないと判定される場合に、指向性アンテナのビーム幅を小さく、且つビーム方向を正面とする方法も考えられる。金属製の車体の大型車両は電波を遮蔽するので、遮蔽車両の影響を緩和するために建物からの反射波を利用するためである。
【実施例１】
【００２３】
次に、上述のような、ビーム幅を制御可能な指向性アンテナの実例と、その制御方法について述べる。
図５．Ａは、本発明の車車間通信に用いる指向性アンテナ１００の構成を示す平面図、図５．Ｂはその側面図である。指向性アンテナ１００は特許文献１に示した構成を、ループをＭ個とし、給電点を任意のループに配置するものである。２Ｍ−１個の可変リアクタンス素子の位置と給電点を合わせて２Ｍ個のポートと呼ぶ。指向性アンテナ１００は、ｙｚ平面に平行で互いに間隔Ｄ離れた２つの平面上に、各々外径Ｈ、導体の幅Ｌのループ状のアンテナ素子１０−１〜１０−Ｍを配置するものである。ここでＭが奇数の場合はアンテナ素子１０−１〜１０−Ｍの配置は次の通りとなる。アンテナ素子１０−１を第１の面に配置し、ｙ軸方向に２Ｇだけ移動した位置にアンテナ素子１０−３を配置し、以下ｙ軸方向に２Ｇだけ移動した位置毎にアンテナ素子１０−Ｍまで順に配置する。アンテナ素子１０−２は、アンテナ素子１０−１をｙ軸方向にＧ、ｘ軸方向にＤだけ移動した位置に配置する。アンテナ素子１０−２をｙ軸方向に２Ｇだけ移動した位置にアンテナ素子１０−４を配置し、以下ｙ軸方向に２Ｇだけ移動した位置毎にアンテナ素子１０−（Ｍ−１）まで順に配置する。Ｍが偶数の場合も同様の配置方法である。特に図５．Ｂにおいては、Ｍが奇数の場合の配置を示しているが、容易に理解される通り、Ｍが偶数の場合の右端のアンテナ素子１０−Ｍは、Ｍが奇数の場合を示す図５．Ｂの左端のアンテナ素子１０−Ｍとは異なる側の面に位置する。
また、ループ状の各アンテナ素子１０−ｍの中心を通る、ｘｙ平面に平行な面と各アンテナ素子１０−ｍの交点をポートとする。２Ｍ個のポートには、左側から右側に向って（ｙ軸の正方向に）１から２Ｍまで番号を振った。このため、アンテナ素子１０−１はポート１及び３、アンテナ素子１０−ｍ（ｍ≠１，Ｍ）は、ポート２ｍ−２及び２ｍ＋１、アンテナ素子１０−Ｍはポート２Ｍ−２と２Ｍである。今、例えばＭを奇数とし、アンテナ素子１０−１のポート１を原点（０，０，０）とすれば、アンテナ素子１０−２のポート２は（Ｄ，Ｇ，０）、アンテナ素子１０−１のポート３は（０，Ｈ，０）、アンテナ素子１０−３のポート４は（０，２Ｇ，０）、アンテナ素子１０−２のポート５は（Ｄ，Ｈ＋Ｇ，０）、…、アンテナ素子１０−Ｍのポート２Ｍ−２は（０，（Ｍ−１）Ｇ，０）、アンテナ素子１０−（Ｍ−１）のポート２Ｍ−１は（Ｄ，Ｈ＋（Ｍ−２）Ｇ，０）、アンテナ素子１０−Ｍのポート２Ｍは（０，Ｈ＋（Ｍ−１）Ｇ，０）となる。また、指向性アンテナ１００の大きさはＨ×Ｗ×Ｄ（但しＷ＝Ｈ＋（Ｍ−１）Ｇ）である。
【００２４】
以下では、λを５．８ＧＨｚの波長として、各アンテナ素子１０−ｍの外径Ｈをλ／π、各アンテナ素子１０−ｍの導体の幅Ｌをλ／８０、隣り合う各アンテナ素子１０−ｍのｙ軸方向の間隔Ｇをλ／４、奇数番号のアンテナ素子の配置面と偶数番号のアンテナ素子の配置面の間隔Ｄをλ／２００、アンテナ素子の総数Ｍを２〜８としてシミュレーションを行った。この際、各々２個のポートを有するＭ個のループ状のアンテナ素子を、２Ｍ個のポートの位置を中心に有するｚ軸方向に平行な２Ｍ個のλ／２の長さのダイポールアンテナのアレーと等価であるものとしてシミュレーションを行う。こうして、指向性アンテナ１００のｘｙ平面内での方位角φに対する指向性を検証した。２Ｍ個のポートのうち、ポートｋを給電点として、インピーダンスｚsが２００Ωの送受信機を接続するものとし、残りの２Ｍ−１個のポート１、…、ポートｋ−１、ポートｋ＋１、…、ポート２Ｍに、可変リアクタンス素子を接続するものとし、当該リアクタンス値をｘ1、…、ｘk-1、ｘk+1、…、ｘ2Mとする。
【００２５】
まず、方位角φ及び２Ｍ−１個のリアクタンス成分から成るベクトルｘを変数とするスカラー関数である方角関数Ｄを次の式（１）ように定義する。尚、肩のＴの添え字は、列ベクトルを行ベクトルに変換することを意味する。αは定数である。
【数１】
2009077015.tif 000003
【００２６】
式（１）の方角関数Ｄを構成する２Ｍ次元列ベクトルであるウエイトベクトルｗ（ｘ）は次の式（２）で与えられる。
【数２】
2009077015.tif 000004
【００２７】
ここで、２Ｍ行２Ｍ列の行列Ｙは、各々２個のポートを有するＭ個のアンテナ素子を、各ポートを有するｚ軸に平行な２Ｍ個の等価ダイポールで置き換えた場合の、当該２Ｍ個のダイポールアンテナの相互アドミッタンス行列である。また、２Ｍ行２Ｍ列の行列Ｘrは、対角行列であって、その対角成分は、ベクトルｘの２Ｍ−１個のリアクタンス成分とポートｋに接続する通信装置のインピーダンスｚsを用いて次の式（３）で与えられる。
【数３】
2009077015.tif 000005
【００２８】
また、ウエイトベクトルｗ（ｘ）を構成する式（２）のベクトルｕkは、２Ｍ次元列ベクトルであって、第ｋ成分が１、他の成分が０である。クロネッカーデルタを用いれば次の式（４）のように表される。
【数４】
2009077015.tif 000006
【００２９】
式（１）の方角関数Ｄを構成する２Ｍ次元列ベクトルであるベクトルａ（φ）は次の式（５）で与えられる。尚、ｊは虚数単位である。
【数５】
2009077015.tif 000007
【００３０】
式（５）の２Ｍ個の３次元列ベクトルｒ1、…、ｒ2Mは、２Ｍ個のポート１、…、ポート２Ｍの位置ベクトルである。３次元列ベクトルＬ（φ）は単位ベクトルであって次の式（６）で与えられる。
【数６】
2009077015.tif 000008
【００３１】
即ち、式（５）の２Ｍ次元列ベクトルであるベクトルａ（φ）は、２Ｍ個の等価ダイポールアンテナの方位角φの受信波の位相をθ1、…、θ2Mと置いた場合に、第ｉ成分がｃｏｓθi＋ｊｓｉｎθiである。
【００３２】
こうして、ある評価関数Ｊを用い、そのＪを最大とする２Ｍ−１個のリアクタンス成分から成るベクトルｘをモンテカルロシミュレーションにより求める。これは例えば式（７）で表される。
【数７】
2009077015.tif 000009
【００３３】
式（１）で示したスカラーである方角関数Ｄ（φ，ｘ）は、電波到来方向φと２Ｍ−１個の可変リアクタンスと送受信機のインピーダンスｚsを決めた場合の受信信号の振幅を示す。そこで、φ0＝０、即ちｘ軸方向を中心としてビームが形成されるものとし、ベクトルｘの成分である２Ｍ−１個の可変リアクタンスを決めると、Ｄ（φh，ｘ）＝Ｄ（φ0，ｘ）／２となる角度φh（ｘ）を求めることができる。この角度φh（ｘ）は、φ0からφh（ｘ）だけ変位すると振幅が１／２となるわけであるから、一種の半値幅であると言える。そこで、希望する半値幅をφh0とし、φh0及びＤ（φ0，ｘ）により評価関数Ｊを次のように設定する。
【数８】
2009077015.tif 000010
【００３４】
ここでρ（ｘ）は反射係数であり、第１項は、可変リアクタンスにより決まるｘ軸方向のビームのゲインを、第２項は半値幅が希望値φh0からどれだけ近いかを示すものである。即ちＪの第２項はφh0とφh（ｘ）の差が小さいほど大きい。こうして、式（７）及び（８）により、希望する半値幅φh0毎に、２Ｍ−１個の可変リアクタンスの組から式（７）を最大とする２Ｍ−１個の可変リアクタンスの組を求めれば良い。そこで式（８）の第１項と第２項の重み付けのパラメータβを０．５、通信装置を接続する給電点であるポートｋ＝１、通信装置のインピーダンスｚsを２００Ωとし、半値幅の希望値φh0を５度刻みで３０〜１５０度の間で順に設定して、２Ｍ−１個の可変リアクタンスの組を各リアクタンス値を−５００Ω〜５００Ωの範囲で１０万組用意してシミュレーションした。
【００３５】
Ｍを２から８まで変化させて、ＶＳＷＲを３未満（ρ（ｘ）≦０．５）とする半値幅φh（ｘ）の最大値（ビーム幅の最大値）と最小値（ビーム幅の最大値）を求めたところ図６のようになった。半値幅φh（ｘ）の最大値は、シミュレーションの範囲のφh0の最大値１５０度付近であった。一方半値幅φh（ｘ）の最小値は、アンテナ素子１０−ｍの個数Ｍが増加するほど小さくなったが、Ｍ＝５で４０度となった以降は、変化が小さかった。
【００３６】
Ｍ＝５の場合のＤ（φ，ｘ）を、半値幅の希望値φh0の４通りに対して評価関数Ｊを最大値とするベクトルｘを用いた場合として示す。
いずれも半値幅の希望値φh0にほぼ一致する半値幅を与えた。また、半値幅は４０度から１４５度までの広範囲に渡って制御可能であることが示された。
【００３７】
本発明に用いた指向性アンテナ１００は、特許文献１に示す通り、指向性のビームの向きを制御可能である。即ち、本発明と特許文献１の技術を組み合わせて、指向性のビームの向きとそのビーム幅を制御可能である。また、その制御方法としては、離散的に設定された所望のビーム方向とビーム幅を与えうる最も好ましいリアクタンス値を予めシミュレーションにより求めておき、制御に用いる車両の速度や他車両の位置その他のパラメータに合わせて、可変リアクタンス素子を制御すれば良い。
【００３８】
また、本発明に用いた指向性アンテナ１００は、実質的に平面アンテナである。シミュレーションで用いた、５．８ＧＨｚ用でループ状のアンテナ素子の数Ｍ＝５の場合、そのｘ軸方向の厚さＤ≒０．３ｍｍ、ｙ軸方向の幅Ｗ＝Ｈ＋４Ｇ≒６．８ｃｍ、ｚ軸方向の幅Ｈ≒１．６ｃｍであり、普通乗用車のような小型車両にも十分に搭載可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】交差点付近を走行中の自車両Ｓと他車両Ｏの関係を示す５つの模式図。
【図２】衝突又は接触事故を起こしうる他車両Ｏが存在するエリアを速度の大小それぞれで示した２つの模式図。
【図３】３．Ａは、自車両と他車両が、いずれも無指向性アンテナを用いて、他車両が自車両に接近する場合の市街地での通信可能距離を示す図、３．Ｂは、自車両と他車両が、いずれも指向性アンテナを用いて、他車両が自車両に接近する場合の市街地での通信可能距離を示す図。
【図４】４．Ａは、自車両と他車両が、いずれも無指向性アンテナを用いて、他車両が自車両から離れていく場合の市街地での通信可能距離を示す図、４．Ｂは、自車両と他車両が、いずれも指向性アンテナを用いて、他車両が自車両から離れていく場合の市街地での通信可能距離を示す図。
【図５】５．Ａは本発明の具体的な一実施例に係る指向性アンテナ１００の構成を示す平面図、５．Ｂは側面図。
【図６】実施例に係る指向性アンテナ１００の、ループ状のアンテナ素子の数Ｍと、ビーム幅の制御可能範囲（φh（ｘ））のシミュレーション結果を示すグラフ図。
【図７】実施例に係る指向性アンテナ１００の、ループ状のアンテナ素子の数Ｍを５とした場合の、設計ビーム幅φh0毎の方位角φに対するアンテナゲインＤ（φ，ｘ）のシミュレーション結果を示すグラフ図。
【符号の説明】
【００４０】
１００：指向性アンテナ
１０−ｍ（ｍ＝１，…，Ｍ）：ループ状のアンテナ素子
【図５】
2009077015.tif 000011
【図６】
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【図７】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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