JP2004260398A - Array antenna device and its control method and device - Google Patents
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Abstract
【課題】送受信する無線信号の偏波を変化させることができるアレーアンテナ装置等を提供する。
【解決手段】アレーアンテナ装置100は、無線信号を送受信するための励振素子A0と、励振素子A0から所定の間隔だけ離れて設けられた6個の非励振素子A1乃至A6と、各非励振素子A1乃至A6にそれぞれ接続された6個の可変リアクタンス素子12−1乃至12−6とを備え、各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させて少なくとも1つの非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させて指向特性を変化させる。各非励振素子A1乃至A6を、励振素子A0に対して傾斜するように設けて垂直偏波成分に加えて水平偏波成分の無線信号を送受信し、各可変リアクタンス素子A1乃至A6のリアクタンス値を変化させることにより無線信号の垂直偏波成分及び水平偏波成分を制御することにより当該アレーアンテナ装置100の偏波を変化させる。
【選択図】 図1An array antenna device capable of changing the polarization of a radio signal to be transmitted and received is provided.
An array antenna device includes an excitation element for transmitting and receiving a radio signal, six non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation element, and each non-excitation element. And six variable reactance elements 12-1 to 12-6 connected to A1 to A6, respectively, wherein at least one parasitic element is changed to a director or a reflector by changing the reactance value of each variable reactance element. To change the directional characteristics. Each of the non-excitation elements A1 to A6 is provided so as to be inclined with respect to the excitation element A0, and transmits and receives a radio signal of a horizontal polarization component in addition to a vertical polarization component. The polarization of the array antenna apparatus 100 is changed by controlling the vertical polarization component and the horizontal polarization component of the radio signal by changing the polarization.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアンテナ素子を備え、指向特性を変化させることができる、例えば電子制御導波器アレーアンテナ装置(Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna)やリニアアレーアンテナ装置などのアレーアンテナ装置とその制御方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来技術の電子制御導波器アレーアンテナ装置は、例えば、特許文献1や非特許文献1において提案されている。このアレーアンテナ装置は、無線信号が給電される励振素子と、この励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも1個の非励振素子と、この非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記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、上記アレーアンテナの指向特性を変化させることができる。
【0003】
このアレーアンテナ装置は1つの給電系で構成され、可変リアクタンス素子として安価な可変容量ダイオードで可変指向特性が得られるアンテナである。このため、小型、軽量、低消費電力、低コスト等の特徴を備えるので、アダプティブアンテナ普及の先導物として期待される。このアレーアンテナ装置のアダプティブ制御においては、通信相手が位置する方向にビームを向け、干渉波の到来方向にヌルを向けるようにアレーアンテナ装置の指向特性を制御することにより、受信された信号の信号対干渉雑音電力比(SINR)値を改善できる。
【0004】
また、このアレーアンテナ装置の動作解析や定式化、制御方法について、非特許文献2乃至8において開示されている。また、非特許文献9乃至11では、このアレーアンテナ装置におけるアンテナ素子上の電流分布を制御して、当該アンテナ素子のベクトル実効長を変化させる方法が開示されている。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−24431号公報。
【非特許文献1】
大平孝ほか,“アンテナの指向特性を電子的に制御する:高周波ハードウェア設計の観点から見たアダプティブアレー”,電子情報通信学会誌,電子情報通信学会発行,Vol.83,No.12,pp.920−926,2000年12月。
【非特許文献2】
大平孝ほか,“エスパアンテナの等価ウェイトベクトルとアレーファクタ表現”,電子情報通信学会技術研究報告,電子情報通信学会発行,AP2000−44,SAT2000−41,MW2000−44,pp.7−12,2000年7月。
【非特許文献3】
大平孝ほか,“エスパアンテナの等価ウェイトベクトルとその勾配に関する基本的定式化”,電子情報通信学会技術研究報告,電子情報通信学会発行,AP2001−16,SAT2001−3,pp.15−20,2001年5月。
【非特許文献4】
飯草恭一ほか,“エスパアンテナの素子上電流分布に基づく等価ウェイトベクトルの高精度化”,電子情報通信学会技術研究報告,電子情報通信学会発行,AP2002−44,pp.25−30,2002年7月。
【非特許文献5】
飯草恭一ほか,“線状アンテナアレー素子上のアドミタンス分布によるベクトル実効長の考察”,電子情報通信学会技術研究報告,電子情報通信学会発行,AP2002−109,pp.45−52,2002年10月。
【非特許文献6】
飯草恭一ほか,“線上アレーアンテナの素子上電流分布をポート電流と電圧から簡単に計算する方法“,電子情報通信学会技術研究報告,電子情報通信学会発行,AP2002−117,pp.31−38,2002年12月。
【非特許文献7】
程俊ほか,「エスパアンテナのMCCC及びMMC規範による適応制御実験」,電子情報通信学会総合大会,電子情報通信学会発行,B−1−117,2002年。
【非特許文献8】
滝沢賢一ほか,「SN比ブラインド推定を用いたエスパアンテナ適応ビーム形成規範」,電子情報通信学会技術研究報告,電子情報通信学会発行,A・P2002−114,2002年12月。
【非特許文献9】
飯草恭一ほか,“リアクタンス制御で素子を透明化するリコンフィギャラブルアレーアンテナ”,電子情報通信学会技術研究報告,電子情報通信学会発行,AP2002−122,pp.19−24,2003年1月。
【非特許文献10】
J. Cheng, et al.,“Adaptive beamforming of ESPAR antenna based on steepest gradient algorithm”, IEICE Transaction on Communication, E84−B, No.7, July 2001。
【非特許文献11】
飯草恭一ほか,“エスパアンテナの最急勾配法によるビーム・ヌル形成に関する検討”,電子情報通信学会技術研究報告,電子情報通信学会発行,AP2002−27,pp.33−38,2002年5月。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
図36は、特許文献1等に開示された従来技術に係る電子制御導波器アレーアンテナ装置150に到来する無線信号の偏波成分を説明するための図である。図36の無線環境において、送信アンテナ装置160は直線偏波の無線信号を送信している。室内無線通信等ではマルチパス波が多数存在し、反射面S1及びS2などの散乱体表面への入射角度などによりマルチパス波の偏波が変化するので、図36のように、所望波の散乱波あるいは干渉波は、送信された無線信号に対して直交した偏波成分を有するようになる。しかしながら、従来技術の電子制御導波器アレーアンテナ装置150は、所定方向の直線偏波の無線信号しか受信することができないという問題点があった。また、これにより、受信すべき無線信号を最適の放射パターンや偏波で受信できないという問題点があった。
【0007】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、送受信する無線信号の偏波を変化させることができるアレーアンテナ装置とその制御方法及び装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
第1の発明に係るアレーアンテナ装置は、無線信号を送受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた少なくとも1つの非励振素子と、上記少なくとも1つの非励振素子にそれぞれ接続された少なくとも1つの可変リアクタンス素子とを備え、上記各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、上記少なくとも1つの非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させて指向特性を変化させるアレーアンテナ装置において、
上記少なくとも1つの非励振素子を、ダイポールアンテナで構成しかつ上記励振素子に対して傾斜するように設けることにより、上記励振素子に平行な垂直偏波成分に加えて、水平偏波成分の無線信号を送受信することを特徴とする。
【0009】
上記アレーアンテナ装置において、上記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、送受信する無線信号の垂直偏波成分及び水平偏波成分を制御することを特徴とする。
【0010】
また、上記アレーアンテナ装置において、上記励振素子に対して所定の正の角度で傾斜する第1の非励振素子と、上記励振素子に対して上記角度とは逆の方向である所定の負の角度で傾斜する第2の非励振素子との少なくとも1組の非励振素子セットを備え、上記第1の非励振素子に接続される可変リアクタンス素子のリアクタンス値と、上記第2の非励振素子に接続される可変リアクタンス素子のリアクタンス値とを変化させることにより、上記第1の非励振素子と上記第2の非励振素子とのうちの少なくとも一方を動作させることを特徴とする。
【0011】
さらに、上記アレーアンテナ装置において、上記第1と第2の非励振素子のうちの一方の非励振素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該アンテナ素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該アンテナ素子を電気的に除去することにより、他方の非励振素子のみを選択的に動作させることを特徴とする。
【0012】
またさらに、上記アレーアンテナ装置において、上記各組の非励振素子セットにおける第1の非励振素子と第2の非励振素子とを、実質的に同一の位置に設けたことを特徴とする。もしくは、上記アレーアンテナ装置において、上記各組の非励振素子セットにおける第1の非励振素子と第2の非励振素子とを、互いに所定の間隔だけ離れて設けたことを特徴とする。
【0013】
また、上記アレーアンテナ装置において、上記励振素子に対して直交するように設けられた少なくとも1つの第3の非励振素子をさらに備えたことを特徴とする。
【0014】
さらに、上記アレーアンテナ装置において、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子に代えて、上記励振素子と複数の非励振素子とが1直線上に並置するように複数の非励振素子を設けたことを特徴とする。
【0015】
第2の発明に係るアレーアンテナ装置の制御方法は、上記アレーアンテナ装置の制御方法であって、上記励振素子によって受信された受信信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定することを特徴とする。
【0016】
第3の発明に係るアレーアンテナ装置の制御装置は、上記アレーアンテナ装置の制御装置であって、上記励振素子によって受信された受信信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定する制御手段を備えたことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【0018】
従来技術の項で説明した図36の無線環境において、例えば、所望波の直交偏波成分を受信することにより受信信号を増加することができる。また、干渉波除去は干渉波到来方向にヌルを形成しなくても、その方向の干渉波の偏波方向に対して、電子制御導波器アレーアンテナ装置の偏波を直交させることによっても実現できる。さらに、干渉波は幾つかの方向から到来するので、各干渉波を低減しなくても干渉波の受信信号の合計を低減するように、偏波の自由度を利用すればよいと考えられる。これまでに提案されている電子制御導波器アレーアンテナ装置はモノポール又はダイポールを用いた垂直偏波アンテナであった。本実施形態では、水平偏波に対して所定のアンテナ利得を有する電子制御導波器アレーアンテナ装置を提案し、可変リアクタンス素子のリアクタンス値によって、所望方向の偏波を制御できることを示す。この際、偏波の最適状態を解析的に求めることは出来ないので、最急勾配法を用いる。そのために、提案する電子制御導波器アレーアンテナ装置に対して等価ウェイトベクトル表現を求める方法を以下に示す。
【0019】
<第1の実施形態>
図1は本発明に係る第1の実施形態である、電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100を備えたアレーアンテナ装置の制御装置の構成を示すブロック図である。この実施形態のアレーアンテナ装置の制御装置は、図1に示すように、1つの励振素子A0と、可変リアクタンス素子12−1乃至12−6がそれぞれ装荷された6個の非励振素子A1乃至A6とを備えてなるアレーアンテナ装置100と、適応制御型コントローラ20とを備えて構成され、アレーアンテナ装置100は、垂直偏波の成分のみならず、水平偏波の成分に対して通信可能なアンテナ利得を有し、当該アレーアンテナ装置100の偏波を変化させることができることを特徴としている。
【0020】
以下の説明では、図1のxyz座標を用い、励振素子A0の長手方向をz軸とし、z軸と直交し、接地導体11の面をxy平面とする。ここで、励振素子A0から放射する垂直偏波の成分はz軸と平行な偏波面を有し、当該偏波面と直交する偏波を水平偏波という。
【0021】
図2は、図1のアレーアンテナ装置100の詳細構成を示す斜視図である。図2に示すように、アレーアンテナ装置100は、7本の半波長ダイポールのアンテナ素子、すなわち、励振素子A0と、励振素子A0を中心とした所定半径の円周200上に設けられた非励振素子A1乃至A6とから構成されている。具体的には、図2中のxyz座標を参照すると、励振素子A0は、z軸上で、長手方向の中心を原点Oに合わせて配置され、非励振素子A1乃至A6については、それぞれの長手方向の中心が、原点Oを中心とするxy平面内の円周200上に互いに等間隔を保って配置される。円周200の半径は、例えば、所望波の波長λに対して約λ/4になるように構成される。ここで、従来技術のアレーアンテナ装置150では、励振素子A0と非励振素子A1乃至A6は互いに平行に配置されたが、本実施形態のアレーアンテナ装置100では、各非励振素子A1乃至A6の向きは、励振素子A0の長手方向(鉛直方向)に対してねじれている。詳しくは、図3に示されたように、非励振素子A1は、原点Oと、非励振素子A1の長手方向の中心の点OA1とを通る半径の直線を軸として、鉛直方向から傾斜角ωだけ回転されている。傾斜角ωは0°<ω<90°であり、好ましくは45°である。各非励振素子A2乃至A6もまた、原点Oと各非励振素子の長手方向の中心の点とを通る半径の直線を軸として、鉛直方向から例えば同一の傾斜角ωだけ回転されている。ただし、非励振素子A1乃至A6の傾き方向は、原点と各非励振素子の長手方向の中心とを通る軸に関する回転でなくても、偏波可変の特性は得られ、例えば、円周200の接線の軸などの他の軸に関する回転であってもよい。また、本実施形態では非励振素子数が6であるが、1つ以上であれば偏波は可変となる。
【0022】
励振素子A0の長手方向の中心に位置した給電点(励振素子A0のポートという。)は、同軸ケーブル5及びサーキュレータ6を介して低雑音増幅器(LNA)1に接続されている。また、非励振素子A1乃至A6において、その長手方向の中心においてそれぞれ可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に接続されている。具体的には、例えば図1に示されたように、非励振素子A3は1対のアンテナ素子からなるダイポールアンテナであって、1対のアンテナ素子の中央部において、そのポートに可変リアクタンス素子12−3が接続される。また、他の可変リアクタンス素子12−1,12−2,12−4乃至12−6も同様に、非励振素子A1,A2,A4乃至A6に接続される。これら可変リアクタンス素子12−1乃至12−6は、適応制御型コントローラ20からの制御電圧信号に応答してそのリアクタンス値を変化させる。図2と図5乃至図11では、表記の簡単化のために、可変リアクタンス素子12−1乃至12−6が接続される非励振素子上の中央部を、参照番号12−1乃至12−6の引き出し線によって示し、可変リアクタンス素子12−1乃至12−6が設けられていることを表す。
【0023】
可変リアクタンス素子12−1乃至12−6の動作を説明すると、例えば励振素子A0と非励振素子A1乃至A6の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変リアクタンス素子12−1がインダクタンス性(L性)を有するときは、可変リアクタンス素子12−1は延長コイルとなり、非励振素子A1乃至A6の電気長が励振素子A0に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス素子12−1がキャパシタンス性(C性)を有するときは、可変リアクタンス素子12−1は短縮コンデンサとなり、非励振素子A1の電気長が励振素子A0に比較して短くなり、導波器として働く。また、他の可変リアクタンス素子12−2乃至12−6に接続された非励振素子A2乃至A6についても同様に動作する。
【0024】
本実施形態では、アレーアンテナ装置100は、非励振素子A1乃至A6を鉛直方向に対して斜めに配置したことによって、水平偏波成分を含む無線信号を送受信することができる。送信で考えた場合、励振素子A0は直接的に垂直偏波を送信すると同時に、斜めに設置された非励振素子A1乃至A6を励振する。励振された非励振素子A1乃至A6は、無線信号の垂直偏波成分を送信すると同時に水平偏波成分を送信する。このように、無線信号の水平偏波成分は非励振素子A1乃至A6のみから放射される。従って、図1のアレーアンテナ装置100において、各非励振素子A1乃至A6に接続された可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に印加するバイアス電圧値を変化させて、その接合容量値であるリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置100の平面指向特性と、アレーアンテナ装置100で送受信される無線信号の偏波とを変化させることができる。
【0025】
鉛直方向からの非励振素子A1乃至A6の傾斜角ωが全て等しいとする場合、励振素子A0に対して反対の位置に配置される非励振素子同士で、励振される垂直偏波の向きが等しい時、水平偏波の向きは反対である。このため、アレーアンテナ装置100上で実現される偏波は方向によって異なる。このことは詳細後述される。
【0026】
図1において、適応制御型コントローラ20は、例えばコンピュータなどのディジタル計算機で構成される。適応制御型コントローラ20は、受信時において、復調器4による無線通信を開始する前に、相手先の送信機から送信される無線信号に含まれる学習シーケンス信号を上記アレーアンテナ装置100の励振素子A0により受信したときの受信信号y(t)と、上記学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有して学習シーケンス信号発生器21で発生された学習シーケンス信号r(t)とに基づいて、所定の評価関数を用いて、最急勾配法による適応制御処理を実行する。この適応制御処理では、上記アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための、各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に印加されるバイアス電圧値を探索して制御電圧信号を用いて設定する。
【0027】
アレーアンテナ100で受信される無線信号を送信する送信局は、学習シーケンス信号発生器21で発生される所定の学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有する学習シーケンス信号を含む所定のシンボルレートのディジタルデータ信号に従って、無線周波数の搬送波信号を、例えばBPSK、QPSKなどのディジタル変調法を用いて変調し、当該変調信号を電力増幅して受信局のアレーアンテナ装置100に向けて送信する。本実施形態においては、データ通信を行う前に、送信局から受信局に向けて学習シーケンス信号を含む無線信号が送信され、受信局では、適応制御型コントローラ20による適応制御処理が実行される。
【0028】
アレーアンテナ装置100は送信局からの無線信号を受信し、上記受信された信号は、同軸ケーブル5及びサーキュレータ6を介して低雑音増幅器(LNA)1に入力されて増幅され、次いで、ダウンコンバータ(D/C)2は増幅された信号を所定の中間周波数の信号(IF信号)に低域変換する。さらに、A/D変換器3は低域変換されたアナログ信号をディジタル信号にA/D変換し、そのディジタル信号を適応制御型コントローラ20及び復調器4に出力する。次いで、適応制御型コントローラ20は、入力される受信信号y(t)と学習シーケンス信号r(t)とに基づいて、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を順次所定の差分幅だけ摂動させ、各リアクタンス値に対して所定の評価関数値を計算し、上記計算された評価関数値に基づいて、例えば、最急勾配法を用いて、当該評価関数値が最大となるように、各リアクタンス値を反復して計算することにより、当該アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定するように制御する。これにより、当該評価関数値が最大となるように、上記アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のバイアス電圧値を探索し、探索された各バイアス電圧値を有する制御電圧信号を各可変リアクタンス素子に出力して設定する。
【0029】
以上の実施形態においては、最急勾配法を用いているが、本発明はこれに限らず、他の適応制御方法を用いてもよい。また、評価関数の具体例については、詳細後述する。
【0030】
また、無線送信機7は入力される送信ベースバンド信号に基づいて無線搬送波を所定の変調方式で変調し、変調された無線搬送波である無線信号をサーキュレータ6、同軸ケーブル5を介してアレーアンテナ装置100の励振素子A0に出力し、これにより当該アレーアンテナ装置100から無線信号が放射される。なお、適応制御型コントローラ20は、送信時において、例えば、受信時に設定された各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6のリアクタンス値を、各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に設定する。
【0031】
以上説明したように、本実施形態によれば、アレーアンテナ装置100において、各非励振素子A1乃至A6に接続された可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に印加するバイアス電圧値を変化させて、その接合容量値であるリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置100の平面指向特性と、アレーアンテナ装置100で送受信される無線信号の偏波とを変化させることができる。
【0032】
次いで、本実施形態のアレーアンテナ装置の制御方法を説明するために、まず、アレーアンテナ装置100で受信される信号の信号モデルを定式化する。
【0033】
連続時間で表された時刻tにおいて、送信された無線信号u(t)は、図2に示されたように方位角φ(原点Oを中心とし、非励振素子A1の中心からのxy平面での角度)及び仰角(z軸方向である鉛直方向からの角度)θで到来するものと仮定する。sm(t)(m=0,1,…,6)はアレーアンテナ装置100のm番目の素子に到来する信号を示し、s(t)はm番目の成分sm(t)を有する列ベクトルであるものとすると、列ベクトルs(t)を次のように表すことができる。
【0034】
【数1】
s(t)=a(θ,φ)Tu(t)
【0035】
ここで、上付き添字のTは転置行列を表す。ステアリングベクトルa(θ,φ)は、アレーアンテナ装置100に到来する無線信号の仰角θと方位角φとの関数として次式で表される。
【0036】
【数2】
【0037】
ここで、βは伝搬定数2π/λであり、dはアンテナ素子の間隔であって、本実施形態ではλ/4であり、さらに、
【数3】
φm=2π(m−1)/6
m=1,…,6
である。
【0038】
この信号モデルによれば、アレーアンテナ装置100で受信された受信信号y(t)を次のように表すことができる。
【0039】
【数4】
y(t)=iTs(t)=iTa(θ,φ)u(t)
【0040】
ここで、ベクトルi=[i0,i1,…,i6]Tはアレーアンテナ装置100の高周波電流ベクトルであり、各素子上の信号を観測可能な従来のアレーアンテナにおけるウエイトベクトルと同様の役割を果たし、本実施形態では「等価ウエイトベクトル」と呼ぶ。等価ウエイトベクトルiは、次のように定式化される。
【0041】
【数5】
又は
【数6】
i=(Y−1+X)−1[vs,0,…,0]T
【0042】
ここで、vsは給電電圧を表す定数であり、Zsはアレーアンテナ装置100の出力インピーダンスを表す定数である。対角行列Xはリアクタンス行列と呼ばれ、アレーアンテナ装置100の出力インピーダンスZsと、虚数単位jを乗算された可変リアクタンス素子のリアクタンス値Xm(m=1,…,6)とを成分とする行列である。さらに数5において、Y=[Ykl](6+1)×(6+1)はアドミタンス行列と呼ばれ、その要素Yklはアレーアンテナ装置100の素子Akと素子Al(0≦k,l≦6)の間の相互アドミタンス要素を表す。アドミタンス要素Yklの値には、公知の相反定理により、通常型のアレーアンテナ装置と同様にYkl=Ylkが成り立つ。アドミタンス要素Yklの値はまた、例えば半径、空間の間隔及び素子の長さといったアンテナの物理的構造に依存して一定であり、さらに、アレーアンテナ装置100の回転対称性より、次の関係を満たす。
【0043】
【数7】
Y11=Y22=Y33=Y44=Y55=Y66
【数8】
Y01=Y02=Y03=Y04=Y05=Y06
【数9】
Y12=Y23=Y34=Y45=Y56=Y61
【数10】
Y13=Y24=Y35=Y46=Y51=Y62
【数11】
Y14=Y25=Y36
【0044】
ゆえに、アドミタンス行列Yは、アドミタンス要素の6個の成分Y00,Y10,Y11,Y21,Y31及びY41のみによって決定されることがわかる。以下、説明の簡単化のために、アレーアンテナ装置100から出力される受信信号と、A/D変換器3から出力される受信信号とを同一視して、y(t)で表す。
【0045】
次に、アレーアンテナ装置100の各アンテナ素子に係るベクトル実効長の概念を導入し、このベクトル実効長がベクトルの性質と方向依存性とを有することについて説明する。
【0046】
本実施形態のアレーアンテナ装置100、及び特許文献1に開示されたようなアレーアンテナ装置は通常のアレーアンテナと異なり、各アンテナ素子上に励振される電流を直接制御できず、リアクタンス値によって実現可能な電流のアレー配列(等価ウェイトベクトル)が明確でないため、所望の指向特性や偏波を実現するリアクタンス値を解析的に求めることは困難である。そこで、最急勾配法を用いた反復による収束解を用いる。そのためには、等価ウェイトベクトル表現(非特許文献2及び3を参照)が便利であるので、本実施形態のアレーアンテナ装置100に対して定式化を行う。
【0047】
アンテナ素子Am(m=0,1,…,6)のポート(本実施形態では、各アンテナ素子の長手方向の中央部に位置し、1対のアンテナ素子の給電点のポートをいう。)に流れる電流imは給電線路や可変リアクタンス素子12−m等の回路素子に流れる電流に等しいので、信号処理やリアクタンス制御にとって重要な値である。また、この電流imは回路理論により計算可能である。この電流imを成分とするベクトルを等価ウェイトベクトルiとし、等価ウエイトベクトルiとステアリングベクトルa(θ,φ)との積によりアレーファクタ(すなわちアレーアンテナ装置100の指向特性)E(θ,φ)を計算してきた(非特許文献2及び3を参照)。しかしながら、電波は、送信時には、ポート電流imからだけではなくアンテナ素子上に流れる電流全体により放射され、また、受信時にも同様に、到来した電波はアンテナ素子全体に流れる電流を発生させる。アンテナ素子Am上の電流分布(大きさ、位相と形状)は、ベクトル実効長lemにより表現することができる。なお、可変リアクタンス素子が装荷されていないアンテナ素子のベクトル実効長lem (0)は、各アンテナ素子Amの物理長Lmにほぼ比例したγ×Lmで表すことができる。ここで、比例定数γは約0.65である。比例定数γは正確にはアンテナ構造に依存するが、大きく変化しない。ここで、新たに、各アンテナ素子Amに流れる電流i’mを数12で表す。
【0048】
【数12】
i’m=lemim
【0049】
i’mを成分とする新たな等価ウェイトベクトルをi’で表すと、アレーファクタE(θ,φ)は数13で計算される。
【0050】
【数13】
E(θ,φ)=aT(θ,φ)i’
【0051】
非特許文献4及び5において、ベクトル実効長lemは一定でなくアンテナ素子毎に変化するということが示され、非特許文献6において、ベクトル実効長lemは、ポート電流imと電圧vmを用いて数14のように表現できるということが示された。
【0052】
【数14】
lem=lem (0)(1−jαmvm/im)
【0053】
lem (0)はポートに何も接続しない場合のベクトル実効長であり、αmは比例定数である。数14において、ベクトル実効長lemは電流の強さと位相を表す複素スカラ量である。しかし、一般にベクトル実効長は実空間におけるベクトル量であり、また、方向依存性を有する。このように、数12、数14のベクトル実効長lemを複素スカラ量から、方向依存性を有するベクトル量に拡張するによって、図1のような偏波を変化させることができるアレーアンテナ装置100を表現できる。
【0054】
そこで、図3に示したように、各非励振素子A1乃至A6のベクトル実効長lemを、z軸に平行な垂直成分lem Vと、z軸に直交する水平成分lem Hとに分けて考える。これらのベクトルは実空間におけるベクトルであり、等価ウェイトベクトルi’等におけるアンテナ素子のアレー配列を表すベクトルとは異なる。図3のように、非励振素子Amが鉛直方向となす傾斜角ωを有するとすると、ベクトル実効長の垂直成分lem Vと水平成分lem Hは、各非励振素子Amの正面方向である仰角θ=90、方位角φ=φmにおいて、数15及び数16のように表される。
【0055】
【数15】
lem V=lemcosω
【数16】
lem H=lemsinω
【0056】
また、ベクトル実効長の方向(θ,φ)に対する依存性は、ベクトル実効長の垂直成分と水平成分とで異なり、数17及び数18のように表される。
【0057】
【数17】
lem V(θ,φ)=lem Vfm(θ−90)
【数18】
lem H(θ,φ)=lem Hfm(φ−φm)
【0058】
ここで、fm(ξ)は素子パターンを表し、アンテナ素子長が約半波長以下に短い場合、数19で近似できる。
【0059】
【数19】
fm(ξ)≒cos(ξ)
【0060】
従って、各非励振素子Amのベクトル実効長の垂直成分lem V(θ,φ)は、ベクトル実効長lemに基づいて当該アレーアンテナの仰角の関数fm(θ−90)を用いて計算され、各非励振素子Amのベクトル実効長の水平成分lem H(θ,φ)は、ベクトル実効長lemに基づいて、当該アレーアンテナの方位角の関数fm(φ−φm)を用いて計算される。
【0061】
図36に図示された従来技術のアレーアンテナ装置150や、非特許文献4,5及び9に記載されたアレーアンテナ装置では、鉛直方向からのアンテナ素子の傾斜角ωが0であったため、数16より水平偏波成分が存在しないので、ベクトル実効長をスカラ量lem=lem Vとして扱うことができた。また、数17及び数19から分かるように、方位角(θ,φ)に対するベクトル実効長の依存性は全てのアンテナ素子で同一なので、素子パターンfm(θ−90)をまとめて別に考えることができた。さらには、ベクトル実効長lemがアンテナ素子によらず一定と考えたので、ベクトル実効長lemすなわち素子パターンを考慮せず、アレーファクタを計算していた(非特許文献2を参照)。一方、上記で考察したように、ベクトル実効長の水平偏波成分lem H(θ,φ)は、アンテナ素子の向きが変わるため、数18のようにアンテナ素子Amにより方位角φに対する依存性が異なることが特徴である。
【0062】
以上の説明によれば、数17のベクトル実効長の垂直成分lem V(θ,φ)で補正された等価ウエイトベクトルの垂直成分をiVで表し、数18のベクトル実効長の水平成分lem H(θ,φ)で補正された等価ウエイトベクトルの水平成分をiHで表すことができ、数4の受信信号y(t)の式は次のように変形される。
【0063】
【数20】
y(t)={(iV+iH)Ta(θ,φ)}×u(t)
={(iV)Ta(θ,φ)}×u(t)
+{(iH)Ta(θ,φ)}×u(t)
=EV×u(t)+EH×u(t)
【0064】
ここで、EV={(iV)Ta(θ,φ)}はアレーファクタの垂直成分を表し、EH={(iH)Ta(θ,φ)}はアレーファクタの水平成分を表す。従って、数13のアレーファクタE(θ,φ)は、次式のように垂直成分EVと水平成分EHとの和として表すことができる。
【0065】
【数21】
E(θ,φ)=EV+EH
【0066】
以下、アレーファクタの垂直成分EVを、アレーアンテナ装置100の電界の垂直成分と呼び、アレーファクタの水平成分EHを、アレーアンテナ装置100の電界の水平成分と呼ぶことができる。従って、前者はアレーアンテナ装置100の垂直面内の指向特性であり、後者はその水平面内の指向特性である。すなわち、以下の手順を用いて、当該アレーアンテナ装置100の指向特性を計算できる。
【0067】
(1)アレーアンテナ装置100における励振素子A0と各非励振素子A1乃至A6からなる各素子(これら7本の素子をいう。)A0乃至A7間のアドミタンスからなるアドミタンス行列Yと、各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6のリアクタンス値からなるリアクタンス行列Xとに基づいて、数5を用いて、各素子A0乃至A7に流れる電流のアレー分布の等価ウエイトベクトルiを計算する。
(2)各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6が装荷されないときの各素子A0乃至A7のベクトル実効長lem (0)と、各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6上のポート電流及びポート電圧とに基づいて、上記数14を用いて、各素子A0乃至A7のベクトル実効長lemを計算する。
(3)計算された各素子A0乃至A7のベクトル実効長lemに基づいて、各素子A0乃至A7のベクトル実効長lemと、励振素子A0に対する各非励振素子A1乃至A7の傾斜角ωと、励振素子A0と平行な方向からの傾斜角である仰角φと、非励振素子A0と直交する面での方位角θとの関係を示す式(上記数15乃至数19)を用いて、各素子A0乃至A7に関する、励振素子A0と平行なベクトル実効長の成分lem V(θ,φ)と、励振素子A0と直交するベクトル実効長の成分lem H(θ,φ)とを計算する。
(4)計算された各素子A0乃至A7に関する、励振素子A0と平行なベクトル実効長の成分lem V(θ,φ)と、励振素子A0と直交するベクトル実効長の成分lem H(θ,φ)とに対して、計算された等価ウエイトベクトルiを乗算しかつアレーアンテナ装置100の放射方向を示すステアリングベクトルa(φ,θ)を乗算することにより(上記数12及び数13を用いる。)、励振素子A0と平行な垂直面内の指向特性Ev(θ,φ)と、励振素子A0と直交する水平面内の指向特性EH(θ,φ)とを計算する。
【0068】
なお、この指向特性の計算において、詳細後述するように、ベクトル実効長lemに対して、実質的に1.1である補正係数γを乗算することによりベクトル実効長lemを補正することが好ましく、これにより、指向特性の計算精度を大幅に向上できる。
【0069】
ところで、従来技術のアレーアンテナ装置150では、到来した無線信号の水平偏波成分を受信できなかったので、受信信号のうちの水平偏波の無線信号から生じた成分EV×u(t)しか取得することができなかった。それに対して、本実施形態のアレーアンテナ装置100では、数20からわかるように、受信信号y(t)の中に、到来した無線信号の垂直偏波成分と水平偏波成分との両方が含まれているので、アレーアンテナ装置100のアンテナ利得は、従来技術のアレーアンテナ装置150と比較して向上することが期待される。
【0070】
図4は、本発明に係るアレーアンテナ装置と従来技術のアレーアンテナ装置とにおいてベクトル実効長を計算するときに考慮されている概念を示す表である。この表では特に、これまでのアレーアンテナに対する等価ウェイトベクトル表現における、ベクトル実効長の概念の拡張の経過をまとめている。最初に、本発明者らは、非特許文献4及び5(第1の従来例という。)において、アレーアンテナの素子上電流分布が一定でないことを見い出し、ベクトル実効長の導入を提案した。ベクトル実効長は、各非励振素子に装荷された可変リアクタンス素子のリアクタンス値にほぼ比例していることを示した。方向依存性は全て等しいので素子パターンとして分離して議論した。次に、本発明者らは、非特許文献6(第2の従来例と呼ぶ。)において、アレーアンテナに関してベクトル実効長はポート電流imと電圧vmで表されることを示した。この段階でベクトル実効長は複素数に拡張され、位相情報を有するようになった。そして、本実施形態に係るアレーアンテナ装置110のための等価ウエイトベクトル表現では、第2の従来例の内容に加えてさらに、ベクトル実効長に対して、実空間におけるベクトルの特性と方向依存性とを導入した。
【0071】
図1の適応制御型コントローラ20は、以上の原理に基づいて、所定の評価関数を用いてアレーアンテナ装置100を制御する。以下、いくつかの評価関数を用いたときに、適応制御型コントローラ20がアレーアンテナ装置100をそれぞれ制御する方法について説明する。
【0072】
図1を参照してすでに説明された実施形態では、適応制御型コントローラ20は、相手先の送信機から送信される無線信号に含まれる学習シーケンス信号をアレーアンテナ装置100の励振素子A0により受信したときの受信信号y(t)と、上記学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有して学習シーケンス信号発生器21で発生された学習シーケンス信号r(t)とに基づく所定の評価関数値を計算し、最急勾配法による適応制御処理を実行した。このとき、評価関数として、次式で定義される受信信号y(t)と学習シーケンス信号r(t)との相互相関係数を用いることができる(非特許文献7を参照)。
【0073】
【数22】
【0074】
ここで、連続時間のパラメータtは、離散化されたパラメータnで表されている。y(n)は、所定時刻nから受信される所定のP個のシンボルの受信信号にてなるベクトルを表し、r(n)は、時刻nから受信される所定のP個のシンボルの学習シーケンス信号にてなるベクトルを表し、適応制御型コントローラ20は、ベクトルy(n)とr(n)に基づいて数22を用いて評価関数値J1を計算する。適応制御型コントローラ20は、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を順次所定の差分幅だけ摂動させ、各リアクタンス値に対して上記評価関数値J1を計算し、上記計算された評価関数値J1に基づいて、例えば、最急勾配法を用いて、当該評価関数値J1が最大となるように、各リアクタンス値を反復して計算することにより、当該アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定するように制御する。これにより、当該評価関数値が最大となるように、上記アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のバイアス電圧値を探索し、探索された各バイアス電圧値を有する制御電圧信号を各可変リアクタンス素子に出力して設定する。
【0075】
それに代わって、適応制御型コントローラ20は、学習シーケンス信号r(t)を必要とせず、受信信号y(t)のみから計算可能な評価関数を用いることもできる。このようなリアクタンス値の推定はブラインド推定と呼ばれる。この場合は、図1の構成から学習シーケンス信号発生器21を除去することができる。そのような評価関数として、例えば、非特許文献7に開示された数23の式、非特許文献8に開示された数24及び数25の式を用いることができる。
【0076】
【数23】
【数24】
【数25】
【0077】
数23において、受信信号yp(n),(p=1,…,P)は、時刻nから受信されるP個のシンボルに対応し、数23の評価関数J2は、受信信号yp(n)のモーメントを最大化することに基づいた評価関数である。数24の評価関数J3は、受信信号ynの2次モーメントE{|yn|2}と4次モーメントE{|yn|4}に基づいた評価関数である。数25において、受信信号ynはm相PSK信号であり、数25の評価関数J4は、受信信号ynの高次モーメント比を表す汎関数である。
【0078】
適応制御型コントローラ20は、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を順次所定の差分幅だけ摂動させ、各リアクタンス値に対して評価関数J2乃至J4のうちのいずれかの値を計算し、上記計算された評価関数値に基づいて、例えば、最急勾配法を用いて、当該評価関数値が最大となるように、各リアクタンス値を反復して計算することにより、当該アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定するように制御する。これにより、当該評価関数値が最大となるように、上記アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のバイアス電圧値を探索し、探索された各バイアス電圧値を有する制御電圧信号を各可変リアクタンス素子に出力して設定する。
【0079】
数23乃至数25の評価関数を用いるときは、学習シーケンス信号発生器21が不要になるので、アレーアンテナ装置の制御装置の構成が簡単になる。また、適用制御型コントローラ20が使用可能な評価関数は、上述の評価関数J1乃至J4のみに限定されるものではない。さらに、以上の実施形態では、最急勾配法を用いているが、本発明はこれに限らず、例えば、順次ランダム法、ランダム法、高次元二分法などの非線形計画法における反復的な数値解法を用いることができる。
【0080】
なお、無線信号のうちの1方向に偏波した成分のみを送受信するためのアレーアンテナ(例えば図36のアレーアンテナ装置150)の場合は、半波長ダイポール素子の代わりに、接地導体上の1/4波長モノポールのアンテナ素子を用いることができたが、鉛直方向に対して斜めに傾けたモノポールのアンテナ素子を接地導体上に設置すると、電波の鏡像において垂直偏波は同じ向きに写るが、水平偏波は逆向きに写り互いにキャンセルしあうので、接地導体と平行な水平偏波成分を含む無線信号を送受信するためには、接地導体上に設けられたモノポールの非励振素子を用いることは不適当である。従って、本実施形態の非励振素子としては、半波長ダイポールのアンテナ素子のみを用いることができる。しかしながら、励振素子には、接地導体上の1/4波長モノポールのアンテナ素子が使用されてもよい。もちろん、ダイポールの励振素子A0も使用できる。
【0081】
以上説明したように、本実施形態のアレーアンテナ装置の制御装置によれば、受信する無線信号の偏波に対するアンテナ利得を変化させ、かつ送信する無線信号の偏波を変化させることができるアレーアンテナ装置100を制御し、特に受信時には、所望波方向の偏波面に対して当該アレーアンテナ装置100で受信可能な偏波面を一致させ、干渉波に対しては、当該アレーアンテナ装置100で受信可能な偏波方向を直交させるように、アレーアンテナ装置100を制御することができる。また、説明されたアレーアンテナの等価ウエイトベクトル表現によれば、ベクトルの性質と方向依存性を考慮したアレーアンテナ装置100の等価ウエイトベクトル表現を提供することができるので、この等価ウエイトベクトル表現を用いると、アレーアンテナ装置100の指向特性をより正確に計算することができる。
【0082】
<第2の実施形態>
図5は、本発明に係る第2の実施形態であるアレーアンテナ装置110の構成を示す斜視図であり、図6は、本発明に係る第2の実施形態の変形例であるアレーアンテナ装置111の構成を示す斜視図である。これらの実施形態は、右旋楕円偏波と左旋楕円偏波とを対称に実現するように偏波を変化させることができるアレーアンテナ装置である。
【0083】
図5のアレーアンテナ装置110では、第1の実施形態のアレーアンテナ装置100の構成に加えて、円周200上で非励振素子A1乃至A6が位置する場所にそれぞれ、非励振素子A11乃至A16を非励振素子A1乃至A6の傾斜角ωとは逆の傾斜角(すなわち、−ω)で配置し、円周200上に6対の十字型のダイポールアンテナを互いに所定の同一間隔だけ離れて形成する。当該傾斜角は第1の実施形態と同様に、傾斜角ωは0°<ω<90°であり、好ましくは45°である。非励振素子A11乃至A16はそれぞれ、その長手方向の中央部のポートに可変リアクタンス素子12−11乃至12−16が装荷されている。
【0084】
図36の無線環境においては、円偏波(又は楕円偏波)の無線信号は、反射面S1,S2などにおける反射によって偏波の旋回方向が反転する。所望波の有効受信や干渉波の除去のためには、右旋又は左旋の任意の楕円偏波を受信できることが望ましいと考えられる。後述のシミュレーション結果より、第1の実施形態のアレーアンテナ装置100では、形成しやすい円偏波の旋回方向に差があることが分かるが、これは、アレーアンテナ装置100では鉛直方向に対する非励振素子A1乃至A6の傾きが一方向のみであるため、すなわち、図2を参照すると、非励振素子A1乃至A6が、原点Oから各非励振素子A1乃至A6の長手方向の中央部とをそれぞれ結ぶ直線を回転軸としていずれも正の方向に角度ωで回転されているためと考えられる。同じリアクタンス値を設定した時、各非励振素子の傾斜角を、第1の実施形態とは逆の角度−ωにすれば、第1の実施形態のときとは逆向きの偏波が得られる。
【0085】
一方、非特許文献9に記載されたように、可変リアクタンス素子が装荷されたダイポールのアンテナ素子は、適切なリアクタンス値を与えることにより電気的に除去可能である。すなわち、i番目(1≦i≦6)の非励振素子Aiに直交する方向のベクトル実効長leiは、i番目の非励振素子に装荷される可変リアクタンス素子のリアクタンス値Xiを用いて、lei=lei (0)(1−αXi)で表される。ここで、lei (0)は、リアクタンス値が0[Ω]の状態、あるいは可変リアクタンス素子を装荷しない状態のベクトル実効長であり、物理的なアンテナ素子長の約65%の値をとる。比例定数αはアンテナの構造、特にアンテナ素子自体の長さと太さによりほぼ決まる定数である。上記式より、ベクトル実効長は制御結果に実現される電流のアレー分布(等価ウェイトベクトル)に依存せず、制御パラメータであるリアクタンス値で決まる。また、非励振素子自体に装荷された可変リアクタンス素子のリアクタンス値Xiのみにより決まるので、他の非励振素子のリアクタンス値とは独立に制御できることが分かる。さらに、上記式の線形性より、リアクタンス値Xiを所定値に設定することによって、他の非励振素子の状態によらず、非励振素子Aiのベクトル実効長leiを常に0とすることができる。以上を要約すれば、所定のアンテナ素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該アンテナ素子に接続された可変リアクタンス素子に設定することによって、当該アンテナ素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該アンテナ素子を電気的に除去することができる。
【0086】
そこで、右旋楕円偏波と左旋楕円偏波の送受信のためにそれぞれ互いに逆の傾きで鉛直方向から傾けられたダイポールのアンテナ素子を予め配置する、図5及び図6のようなアレーアンテナ装置を提案する。図5のアレーアンテナ装置110では、右旋楕円偏波のためのアンテナ素子として非励振素子A1乃至A6を備え、左旋楕円偏波のためのアンテナ素子として非励振素子A11乃至A16を備えている。右旋楕円偏波の無線信号を送受信するときには、非特許文献9記載の方法に従って可変リアクタンス素子12−11乃至12−16に適切なリアクタンス値を設定することによって非励振素子A11乃至A16を電気的に除去し、第1の実施形態と同様に非励振素子A1乃至A6に装荷された可変リアクタンス素子12−1乃至12−6のリアクタンス値を制御し、右旋楕円偏波を形成することができる。同様に、左旋楕円偏波の無線信号を送受信するときには、非特許文献9記載の方法に従って可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に適切なリアクタンス値を設定することによって非励振素子A1乃至A6を電気的に除去し、第1の実施形態と同様に非励振素子A11乃至A16に装荷された可変リアクタンス素子12−11乃至12−16のリアクタンス値を制御し、左旋楕円偏波を形成することができる。右旋楕円偏波のときと左旋楕円偏波のときとでは、アレーアンテナ装置110の水平面内指向特性が対称になる。
【0087】
すなわち、図5のアレーアンテナ装置111では、右旋楕円偏波のためのアンテナ素子としての非励振素子A1乃至A6と、左旋楕円偏波のためのアンテナ素子としての非励振素子A11乃至A16とが、円周200で所定の同一の間隔だけ離れて異偏波で交互に配置されているので、異偏波交互配置型ということができる。
【0088】
また、図6のアレーアンテナ装置111においては、非励振素子A21乃至A26を非励振素子A1乃至A6の位置からそれぞれ30度だけ円周200上でずらして、隣接する非励振素子A1とA2の間の位置、隣接する非励振素子A2とA3の間の位置、隣接する非励振素子A3とA4の間の位置、隣接する非励振素子A4とA5の間の位置、隣接する非励振素子A5とA6の間の位置、隣接する非励振素子A6とA1の間の位置に配置しても、図5のアレーアンテナ装置110と同様の効果は得られる。すなわち、図6のアレーアンテナ装置111では、第1の実施形態のアレーアンテナ装置100の構成に加えて、円周200上で非励振素子A1乃至A6から30°ずらした位置にそれぞれ、非励振素子A21乃至A26を非励振素子A1乃至A6とは逆の傾斜角−ωで配置する。非励振素子A21乃至A26にはそれぞれ、その長手方向の中央部のポートに可変リアクタンス素子12−21乃至12−26が装荷されている。アレーアンテナ装置111では、右旋楕円偏波のためのアンテナ素子として非励振素子A1乃至A6を備え、左旋楕円偏波のためのアンテナ素子として非励振素子A21乃至A26を備えている。アレーアンテナ装置111は、図5のアレーアンテナ装置110と同様に、非励振素子A1乃至A6の組と、非励振素子A21乃至A26の組とのうちの一方を、上述のごとく、非特許文献9記載の方法に従って電気的に除去し、残りの非励振素子の組で右旋楕円偏波又は左旋楕円偏波の無線信号を送受信することができる。
【0089】
以上の実施形態においては、楕円偏波で送受信するアレーアンテナ装置110,111について説明しているが、傾斜角ωや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、円偏波で送受信するアレーアンテナ装置を構成できる。
【0090】
以下、図1のアレーアンテナ装置の制御装置において、第1の実施形態のアレーアンテナ装置100に代わって、アレーアンテナ装置110を備えたときの制御方法について説明する。
【0091】
適応制御型コントローラ20にはキーボードなどの入力装置22が接続されている。復調器又は無線送信機7を用いた無線通信を開始する前に、ユーザは入力装置22を用いて、非励振素子A1乃至A6の組又は非励振素子A11乃至A16の組のうち、電気的に除去したい非励振素子の組を選択して入力し、これに応答して、その指示内容を含む指示信号は入力装置22から適応制御型コントローラ20に入力される。適応制御型コントローラ20は、選択された非励振素子上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に出力して設定することによって、当該非励振素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該非励振素子を電気的に除去する。
【0092】
また、送信時においても、入力装置22からの指示信号に基づいて、ユーザにより選択された非励振素子の組(A1乃至A6、又はA11乃至A16)上の電流の積分値が実質的に零になるようなリアクタンス値を、当該非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に出力して設定することによって、当該非励振素子のベクトル実効長を実質的に零にして当該非励振素子を電気的に除去することもできる。
【0093】
非励振素子A1乃至A6、又は非励振素子A11乃至A16のうちのいずれかを電気的に除去した後で、適応制御型コントローラ20は、第1の実施形態と同様に所定の評価関数を用いて、アレーアンテナ装置110又は111の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための、可変リアクタンス素子のうちで、電気的に除去されていない非励振素子に接続された可変リアクタンス素子に印加されるバイアス電圧値を探索して制御電圧信号を用いて設定する。
【0094】
以上説明した実施形態では、電気的に除去すべき非励振素子をユーザが入力装置22を用いて予め設定したが、それに代わって、適応制御型コントローラ20が受信信号y(t)に基づいて自動的に設定してもよい。このとき、適応制御型コントローラ20は、受信する無線信号が右旋偏波であると仮定して非励振素子A11乃至A16を電気的に除去した場合と、受信する無線信号が左旋偏波であると仮定して非励振素子A1乃至A6を電気的に除去した場合とについて、受信信号に対する所定の評価関数値(例えば、受信信号電力)を比較する。詳しくは、適応制御型コントローラ20は、非励振素子A11乃至A16を電気的に除去して、非励振素子A1乃至A6に対応するリアクタンス値を適応的に制御した場合の評価関数値と、非励振素子A1乃至A6を電気的に除去して、非励振素子A11乃至A16に対応するリアクタンス値を適応的に制御した場合の評価関数値とを比較し、より大きいほうの評価関数値に対応するリアクタンス値、すなわち、当該評価関数値が大きくなるような偏波を受信できる非励振素子の組(すなわち、非励振素子A1乃至A6の組、又は非励振素子A11乃至A16の組)を残して他方の非励振素子の組を電気的に除去するようなリアクタンス値を、各非励振素子A1乃至A6及びA11乃至A16に設定する。
【0095】
なお、非励振素子A1乃至A6の組と非励振素子A11乃至A16の組とのうちの片方を電気的に除去しておく必要はないので、6×2個のリアクタンス値のパラメータを有効利用すれば、指向特性と偏波に関する可変な自由度はさらに向上する。この場合も、非励振素子A1及びA11,A2及びA12,…,A6及びA16のペア毎にリアクタンス値を入れ替えれば、偏波の向きがやはり逆転する。これは、垂直偏波は変わらないが、水平偏波の向きが変わるためである。
【0096】
以上説明したように、本実施形態のアレーアンテナ装置によれば、右旋楕円偏波の無線信号と左辺楕円偏波の無線信号とを送受信することができるアレーアンテナ装置を提供することができる。
【0097】
<第3の実施形態>
本実施形態では、可変リアクタンス素子をそれぞれ装荷した1つ又は複数の非励振素子を配列し、偏波を変化させることができるリニアアレーアンテナ装置について説明する。以下の実施形態もまた、図1のアレーアンテナ装置の制御装置において、アレーアンテナ装置100と置き換えて使用することができる。
【0098】
図7は、本発明に係る第3の実施形態であるアレーアンテナ装置120の構成を示す斜視図である。このアレーアンテナ装置120では、垂直状態の励振素子A0に対して、平行でなく、かつ直交しない向きに非励振素子A41を配置し、その非励振素子に可変リアクタンス素子12−41(具体的には可変容量ダイオードダイオードなど)を装荷し、そのリアクタンス値を制御することにより、偏波を変化させている。具体的には、図7中のxyz座標を参照すると、半波長ダイポールの励振素子A0は、z軸上で、長手方向の中心を原点Oに合わせて配置され、半波長ダイポールの非励振素子A41は、yz平面と平行な平面内において、長手方向の中心がx軸上に位置するように、励振素子A0からx軸の正の方向に所定距離だけ離れて並置される。非励振素子A41は、図3に示された第1の実施形態と同様に、x軸を回転軸として、鉛直方向から所定の角度(例えば45°)だけ回転されている。
【0099】
アレーアンテナ装置120において、励振素子A0で放射された、垂直偏波成分のみを含む無線信号は、非励振素子A41を励振し、次いで、非励振素子A41は垂直偏波成分と水平偏波成分を含む電波を放射することができる。本実施形態のアレーアンテナ装置120によれば、第1及び第2の実施形態のように複数本の非励振素子を備えなくても、励振素子A0に対してx軸を回転軸とする傾斜角を有する1本以上の非励振素子が存在することで、アレーアンテナ装置で送受信する無線信号の偏波を変化させることができる。
【0100】
なお、本実施形態では、非励振素子A41は、x軸を回転軸として回転しているが、本発明はこれに限らず、z軸とは異なる軸で回転させて、励振素子A0と位置がずれかつ励振素子A0に対して傾斜するように構成してもよい。このことは、以下に示す第3の実施形態の変形例でも同様である。
【0101】
図8は、本発明に係る第3の実施形態の第1の変形例であるアレーアンテナ装置121の構成を示す斜視図である。このアレーアンテナ装置121は、励振素子A0と2個の非励振素子A41及びA42とを並べたリニアアレーアンテナ装置である。
【0102】
図8のアレーアンテナ装置121において、図7の非励振素子A41の前(直線上でなくてもよい)に、さらに非励振素子A42を配置することにより、励振素子A0と、2本の非励振素子A41及びA42とをx軸上で並置している。具体的には、図8中のxyz座標を参照すると、半波長ダイポールの非励振素子A42は、yz平面と平行な平面内において、長手方向の中心がx軸上に位置するように、非励振素子A41からx軸の正の方向に所定距離だけ離れて配置される。非励振素子A42は、x軸を回転軸として、鉛直方向に対して非励振素子A41とは異なる角度だけ回転されている。図8に示された実施例では、非励振素子A42は励振素子A0に対して90°回転されている。
【0103】
このように構成されたアレーアンテナ装置121によれば、利得向上と水平偏波成分の増加とが得ることができる。追加された非励振素子A42は、図8のように、励振素子A0に対して直交していてもよい。非励振素子A42は励振素子A0により直接に励振されないが、非励振素子A42を備えたことにより水平偏波成分が増大するのは、非励振素子A42を、可変リアクタンス素子12−41を装荷した非励振素子A41を介して励振させることが可能であることに起因する。また、追加する非励振素子A42には、必ずしも可変リアクタンス素子12−42を装荷する必要はない。可変リアクタンス素子12−42を装荷しない場合でも、八木宇田アレーアンテナの原理に従って、予め短く設計することにより導波器として動作させ、長く設計することにより反射器として動作させることが可能であり、制御の複雑さやコストを低減させることが期待できる。
【0104】
図9は、本発明に係る第3の実施形態の第2の変形例であるアレーアンテナ装置122の構成を示す斜視図である。このアレーアンテナ装置122は、3素子以上の複数の非励振素子を励振素子A0の前後に配置するリニアアレーである。
【0105】
アレーアンテナ装置122において、具体的には、図9中のxyz座標を参照すると、図8のアレーアンテナ装置121の構成に加えて、x軸の正の方向に非励振素子A43をさらに備え、x軸の負の方向に非励振素子A39及びA38をさらに備えている。ここで、励振素子A0と、非励振素子A41,A42,A38,A39はx軸上で並置されている。半波長ダイポールの非励振素子A43は、yz平面と平行な平面内において、長手方向の中心がx軸上に位置するように、非励振素子A42からx軸の正の方向に所定距離だけ離れて配置される。非励振素子A43は、x軸を回転軸として、鉛直方向に対して非励振素子A41及びA42とは異なる角度(例えば135°)だけ回転されている。非励振素子A43の長手方向の中央部のポートには、可変リアクタンス素子12−43が装荷される。
【0106】
また、複数の非励振素子を励振素子A0の前方(x軸の正の方向)にのみ配置する必要はなく、図のように励振素子A0の後方(x軸の負の方向)にも配置し、それらを反射器として動作させることにより、アレーアンテナ装置の利得を向上できる。半波長ダイポールの非励振素子A39は、yz平面と平行な平面内において、長手方向の中心がx軸上に位置するように、励振素子A0からx軸の負の方向に所定距離だけ離れて配置される。非励振素子A39は、x軸を回転軸として、鉛直方向に対して非励振素子A41乃至A43とは異なる角度(例えば−45°)だけ回転されている。非励振素子A39の長手方向の中央部のポートには、可変リアクタンス素子12−39が装荷される。同様に、半波長ダイポールの非励振素子A38は、yz平面と平行な平面内において、長手方向の中心がx軸上に位置するように、非励振素子A39からx軸の負の方向に所定距離だけ離れて配置される。非励振素子A38は、x軸を回転軸として、鉛直方向に対して非励振素子A39とは異なる角度(例えば−90°)だけ回転されている。非励振素子A38の長手方向の中央部のポートには、可変リアクタンス素子12−38が装荷される。
【0107】
アレーアンテナ装置122によれば、八木宇田アレーアンテナの原理に従って、偏波制御の自由度と利得とを向上させることが可能である。各アンテナ素子を必ずしも直線状に配置する必要はない。また、いくつかの非励振素子(図9の実施例では、非励振素子A42及びA38)は励振素子A0と直交した状態に配置することができる。また、複数のリアクタンス値を制御する処理を簡単化するために、すべての非励振素子に可変リアクタンス素子を装荷しなくてもよい。
【0108】
<第4の実施形態>
図10は、本発明に係る第4の実施形態であるアレーアンテナ装置130の構成を示す斜視図である。このアレーアンテナ装置130は、励振素子A0の周囲に、非励振素子が2重に配列され、偏波を変化させることができるアレーアンテナ装置である。この実施形態もまた、図1のアレーアンテナ装置の制御装置において、アレーアンテナ装置100と置き換えて使用することができる。
【0109】
図10に示されたxyz座標を参照すると、アレーアンテナ装置130は、第1の実施形態のアレーアンテナ装置100の構成に加えて、原点Oを中心として円周200よりも大きな半径を有するxy平面内の円周210上に配置された、半波長ダイポールの非励振素子A51乃至A56をさらに備えたことを特徴とする。非励振素子A51乃至A56は、その長手方向を円周210の接線方向に合わせて配置され、非励振素子A51の長手方向の中心は、原点Oと非励振素子A1の長手方向の中心との延長線上に位置し、非励振素子A52の長手方向の中心は、原点Oと非励振素子A2の長手方向の中心との延長線上に位置し、以下、非励振素子A53乃至A56についても同様である。
【0110】
図10のアレーアンテナ装置130の実施例では、非励振素子A1乃至A6とA51乃至A56とを半径が異なる2つの円周上に配列したが、非励振素子は2重に限らず、3重、4重等に配列されてもよい。これにより、偏波制御の自由度と利得とを向上させることができる。1重の場合(すなわち第1の実施形態と同様の場合)は、励振素子A0が垂直偏波であるので、水平偏波成分の励振が弱い。前述のように、第1の実施形態では、非励振素子A1乃至A6は励振素子A0と直交してはならなかった。そこで、図10のように外側の円周210上に、水平にダイポールの非励振素子A51乃至A56を配置することにより、水平偏波を増加し、例えば円偏波軸比(垂直成分と水平成分のレベル差)を改善できる。また、外側の円周210上の非励振素子A51乃至A56には可変リアクタンス素子を装荷しなくてもよい。これにより、制御の複雑化を回避できる。
【0111】
<第5の実施形態>
図11は、本発明に係る第5の実施形態であるアレーアンテナ装置140の構成を示す斜視図である。この実施形態もまた、図1のアレーアンテナ装置の制御装置において、アレーアンテナ装置100と置き換えて使用することができる。
【0112】
アレーアンテナ装置140は、第4の実施形態のアレーアンテナ装置130の構成に加えて、円周200上で非励振素子A1乃至A6が位置する場所にそれぞれ、非励振素子A11乃至A16を非励振素子A1乃至A6とは逆の傾斜角(すなわち、−ω)で配置し、円周200上に6個の十字型のダイポールを形成する。非励振素子A11乃至A16はそれぞれ、その長手方向の中央部のポートに可変リアクタンス素子12−11乃至12−16が装荷されている。従って、アレーアンテナ装置140は、第2の実施形態と同様に非励振素子A1乃至A6とA11乃至A16とを備えたことにより右旋と左旋との対称な偏波を実現可能であり、第4の実施形態と同様に円周200上に6対の十字ダイポール型アンテナを所定の同一間隔だけ離れて備えるとともに、円周210上にその長手方向が円周210の接線に平行である水平偏波用非励振素子A51乃至A56を所定の同一の間隔だけ離れて備えたことにより、2重に配列された非励振素子群を有し偏波を変化させることができるアレーアンテナ装置を構成できる。
【0113】
後述のシミュレーション結果からわかるように、図1のアレーアンテナ装置100では右旋楕円偏波は実現しやすいが、左旋偏波は実現しにくい。そこで、対称な偏波特性を実現できるように、内側の非励振素子の配列の傾斜角が対称なペアを配置する。外側の円周210上に追加した水平なダイポールの非励振素子A51乃至A56は、非励振素子A1乃至A6の組に対しても、あるいは非励振素子A11乃至A16の組に対しても同様に動作するので、右旋偏波又は左旋偏波の無線信号に対して同様に水平偏波成分を増大させる効果をもたらす。
【0114】
【実施例】
以下のシミュレーションでは、第1の実施形態のアレーアンテナ装置100を用いて、それの等価ウェイトベクトル表現を検証する。図2のような7素子のアレーアンテナ装置100を解析する。各アンテナ素子の太さは0.02λであり、xy平面内での各アンテナ素子の間隔はλ/4であり、非励振素子A1乃至A6の素子長はλ/2であり、励振素子A0の素子長はλ/23/2であるとする。非励振素子A1乃至A6の傾斜角ωは全て等しく45度とする。励振素子A0と非励振素子A1乃至A6とのz軸方向の高さは等しい設定とした。図12はアレーアンテナ装置100の電気的構造パラメータを示す表である。図12の表には、この構造のアレーアンテナ装置100に対してモーメント法で計算して得られた電気的構造パラメータであるアドミタンス要素Yijと、励振素子A0の給電ポートに同軸ケーブル5を接続しないときの励振素子A0のベクトル実効長le0 (0)と、リアクタンス値が0Ωのときの非励振素子Amのベクトル実効長lem (0)と、数14の比例定数αmとが示されている。
【0115】
非励振素子A1乃至A6が傾斜角ωを持つため、従来の垂直な偏波面のみを有するアレーアンテナ装置150が有していた構造のxz面に対する対称性はなくなったが、x軸に対する180°の回転対称性が存在するため、アドミタンス要素Yijは数26のような対称性を維持していることが分かった。
【0116】
【数26】
Y12=Y16
【数27】
Y13=Y15
【0117】
従って、独立なアドミタンス要素Yijは図12の表に示す6個のみである。また、ベクトル実効長lem (0)と比例定数αmは、非特許文献5に従って、アンテナ素子上のアドミタンス分布から計算した。その結果、非特許文献4及び5で比例定数αmはほぼ実数となっていたが、本実施形態のようにアンテナ素子を斜めに配置した場合には虚数部が無視できない程度に大きいことが分かったので、本実施形態で解析するアレーアンテナ装置100では複素数として与える。
【0118】
図13及び図14は、図12の表のパラメータを有するアレーアンテナ装置100に対して、以下の表1に示されたケースC1及びC2の各リアクタンス値が設定されているときの当該アレーアンテナ装置100の水平面内指向特性パターンをそれぞれ示すグラフである。
【0119】
【表1】
【0120】
ケース1のリアクタンス値は、アレーアンテナ装置100の各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に設定されたときに、アレーアンテナ装置100において所定の主ビーム方位角とビーム幅とを有するセクターパターンを形成するように選択されたものであり、一方、ケース2のリアクタンス値はランダムに選択されたものである。
【0121】
図13及び図14において、EVで示された曲線は電界の垂直偏波成分を示し、EHで示された曲線は電界の水平偏波成分を表す。方位角φによって垂直偏波と水平偏波の比率が変化していることが分かる。これは、前述されたように、励振素子A0に対して反対の位置に配置される非励振素子同士で、励振される垂直偏波の向きが等しい時、水平偏波の向きは反対であるため、アレーアンテナ装置100上で実現される偏波は方向によって異なると考察された内容と合致している。実線の曲線EV(Mom)及びEH(Mom)はモーメント法で計算した結果の電界を示し、粗い破線EV(le)及びEH(le)は等価ウェイトベクトルから計算した結果の電界を示す。両者はほぼ一致している。このことから、ベクトル実効長を方向依存性を有する実空間ベクトルとして扱うことにより、偏波を変化させることができるアレーアンテナ装置100を、等価ウェイトベクトルを用いて表現できることが確認できた。
【0122】
しかしながら、特に垂直偏波の指向特性は非特許文献5に見られたほどの一致は見られない。この原因を調べるため、モーメント法で計算した素子上電流分布im(z)と、等価ウェイトベクトルの計算で求めたポート電流im(0)とを図15乃至図18に示す。図15は、アレーアンテナ装置100にケースC1のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子の素子上電流分布im(z)とポート電流im(0)の振幅を示すグラフであり、図16は、アレーアンテナ装置100にケースC1のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子の素子上電流分布im(z)とポート電流im(0)の位相を示すグラフである。また、図17は、アレーアンテナ装置100にケースC2のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子の素子上電流分布im(z)とポート電流im(0)の振幅を示すグラフであり、図18は、アレーアンテナ装置100にケースC2のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子の素子上電流分布im(z)とポート電流im(0)の位相を示すグラフである。両計算法のポート電流im(0)は振幅及び位相とも良く一致していることが分かる。
【0123】
次にベクトル実効長の計算結果を調べる。図19は、アレーアンテナ装置100にケースC1のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子のベクトル実効長を示すグラフであり、図20は、アレーアンテナ装置100にケースC2のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子のベクトル実効長を示すグラフである。図19及び図20には、励振素子A0のベクトル実効長le0で正規化したベクトル実効長lemの実数部と虚数部を示している。モーメント法による計算結果を中抜きの記号(中抜きの正方形□、及び45°回転された正方形◇)で示し、数14の等価ウエイトベクトルによる計算結果を中の詰まった記号(円●、及び中の詰まった正方形■)で示す。こちらも大きな違いはなく、数14で素子上電流分布が精度良く表されていることが分かる。図13及び図14の指向特性において、垂直偏波に比べて水平偏波の指向特性の形は良く一致していることから、その差の原因は水平偏波に寄与しない励振素子A0の放射波にあると推測できる。この放射波は無指向特性なので原因としてはその大きさが候補として残る。そこで、補正のために、励振素子A0のベクトル実効長を相対的にγ倍した値を新たなベクトル実効長lem (0)’とする。
【0124】
【数28】
lem (0)’=γlem (0)
【0125】
補正係数γ=1.1とした場合の結果を図13及び図14に、間隔の細かい破線EV(le’)及びEH(le’)で示す。垂直偏波、水平偏波ともにモーメント法の計算結果に近い結果が得られている。このことより、モーメント法の計算結果に合わせるためには、45度の傾きを有する非励振素子A1乃至A6から放射される垂直偏波を小さく評価する必要があることが分かる。なお、数19のように全てのアンテナ素子の素子パターンが等しいとしたが、図12の表のように励振素子A0と非励振素子A1乃至A6でベクトル実効長lem (0)の相違が大きい場合には、素子上電流分布が異なっており素子パターンは等しくならないので、素子パターンの相違により、補正係数γ=1.1の補正が必要となっている可能性がある。すなわち、最も好ましい実施形態では、補正係数γ=1.1であるが、好ましくは、補正係数γは1.0を超えかつ1.2以下であり、より好ましくは、補正係数γは1.05以上でかつ1.15以下である。
【0126】
次に、水平方向の非励振素子A0の方向(φ=0°)と、非励振素子A1及びA2の間の方向(φ=30°)とに注目して、アレーアンテナ装置100において可変な偏波とビームパターンとを形成する能力を調べる。リアクタンス値の組み合わせで実現可能な電流のアレー配列(等価ウェイトベクトル)が明確でないため、解析的に最適解を見つけるのは困難なので、最急勾配法を用いる(非特許文献10及び11を参照)。ただし、最急勾配法で得られた収束状態は最適解とは限らない。リアクタンス値を変化させることができる範囲に制限はないものとする。また、反復におけるリアクタンス値の初期値は、非励振素子A1(φ=0)方向に注目するときは非励振素子A1のリアクタンス値を−100Ω、他の非励振素子A2乃至A6のリアクタンス値を0Ωとし、非励振素子A1とA2の中間(φ=30)方向に注目するときには非励振素子A1とA2のリアクタンス値を−100Ω、他の非励振素子A3乃至A6のリアクタンス値を0Ωとする。なおベクトル実効長の計算では、数28を用い補正係数γ=1.1とした。最大化する評価関数として数29乃至数35のような量を用いる。
【0127】
【数29】
|EV|
【数30】
|EH|
【数31】
|EV|−|EH|
【数32】
|EV|−|EV|
【数33】
|EV+jEH|
【数34】
|EV−jEH|
【数35】
|EV|+|EH|
【0128】
ここで、電界の垂直偏波成分EVと水平偏波成分EHとは、次式で定義される。
【0129】
【数36】
【数37】
【0130】
ここで、補正係数γ≒1.1であり、kは伝搬定数2π/λであり、dはアンテナ素子の間隔であって、本実施形態ではλ/4であり、さらに、方位角φmは次式で表される。
【数38】
φm=2π(m−1)/6
m=1,…,6
【0131】
それぞれ、数29は垂直偏波、数30は水平偏波、数33は左旋円偏波、数34は右旋円偏波が強くなる条件である。また、数31は垂直偏波に対する水平偏波の交差偏波識別度、数32は水平偏波に対する垂直偏波の交差偏波識別度が、また、数35は放射電力が強くなる条件である。図21は、所望波方向を0°とした場合と30°とした場合とのそれぞれについて、適応制御型コントローラ20が異なる評価関数を用いたときの各収束リアクタンス値を示す表である。図22乃至図35は、図21の各所望波方向と各評価関数に対応する収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。図22乃至図35において、図21の表のリアクタンス値でモーメント法により計算した結果を、実線EV(Mom)及びEH(Mom)で表し、数28の補正を行いベクトル実効長を考慮した等価ウェイトベクトル表現の結果を、破線EV(le’)及びEH(le’)で表す。また、垂直偏波成分EV(Mom)及びEV(le’)を細線で、水平偏波成分EH(Mom)及びEH(le’)を太線で示す。
【0132】
収束リアクタンス値の結果はモーメント法の結果に良く一致しており、拡張したベクトル実効長による等価ウェイトベクトル表現と、最急勾配法による最適化の手法の有効性が確認できる。全体的に垂直偏波に対し水平偏波のレベルが低い。これは大きな電流の流れる励振素子A0から水平偏波成分が放射されないためである。このため、評価関数の収束状態の決定において垂直偏波が支配的な役割をしている。しかし、数32の評価関数では、非励振素子が位置する方向と非励振素子間の方向に対して水平偏波を垂直偏波より強くすることは可能であることが分かる。逆に水平偏波を抑え、約13dBの交差偏波識別度を有する垂直偏波も実現できている。数34の値を評価関数値とした場合、0度方向で1.9(5.6dB)、30度方向で2.0(6.0dB)の円偏波軸比が得られている。軸比の良い円偏波は得られていない。また、右旋偏波を実現しようとすると、水平偏波成分が大きくなるが、左旋偏波を実現しようとすると水平偏波が小さくなる。また、数32、数34と数35の収束結果がほぼ等しくなる。これらは水平偏波の励振位相が中央部の励振素子A0の垂直偏波より進む傾向にあるためと考えられる。
【0133】
以上説明したように、実施形態に係るアレーアンテナの等価ウエイトベクトル表現によれば、ベクトルの性質と方向依存性を考慮したアレーアンテナ装置の等価ウエイトベクトル表現を提供することができる。従って、この等価ウエイトベクトル表現を用いると、アレーアンテナ装置の指向特性をより正確に計算することができる。
【0134】
以上説明したように、本発明に係る実施形態のアレーアンテナ装置によれば、ダイポールの非励振素子を傾けて配置することにより、励振素子が送受信する無線信号の偏波面に対して交差した偏波(又は直交した偏波)にアンテナ利得を有するアレーアンテナ装置を提供することができる。偏波を制御することにより所望波の送受信強度を増加し、干渉波抑圧の自由度を増加することができる。また、ダイポールのアンテナ素子のベクトル実効長に実空間ベクトルの特性と方向依存性とを考慮することにより、等価ウェイトベクトル表現が可能であることを示した。さらに、シミュレーションでは、最急勾配法を用いて、所望方向の偏波の可変能力を調べた。シミュレーション結果からは、素子方向及び素子間方向において、水平偏波を垂直偏波より強くすることが可能であること分かった。また、所望方向に軸比約2(6dB)の円偏波を実現できることが分かった。さらに、実現できる円偏波旋回方向の対称性を持たせるために、対称な傾きのダイポールのアンテナ素子を重ねて配置するアレーアンテナ装置も提案した。これにより、偏波が切り替え可能であり、また偏波の設定自由度が高いアレーアンテナ装置を実現することができる。
【0135】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係るアレーアンテナ装置によれば、電子制御導波器アレーアンテナ装置やリニアアレーアンテナ装置において、少なくとも1つの非励振素子を、励振素子に対して傾斜するように設けることにより、垂直偏波成分に加えて水平偏波成分の無線信号を送受信し、上記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、送受信する無線信号の垂直偏波成分及び水平偏波成分を制御する。これにより、当該アレーアンテナ装置の偏波を変化させることができる。従って、図36に図示された無線環境などのマルチパス環境であっても、種々の偏波成分の無線信号を所定のアンテナ利得以上で送受信することができる。
【0136】
また、本発明に係るアレーアンテナ装置の制御方法又は装置によれば、上記アレーアンテナ装置の励振素子によって受信された受信信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定する。従って、図36に図示された無線環境などのマルチパス環境であっても、当該アレーアンテナ装置の放射パターン及びその偏波を実質的に最良の状態に設定して無線通信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第1の実施形態であるアレーアンテナ装置の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1のアレーアンテナ装置100の詳細構成を示す斜視図である。
【図3】鉛直方向からの図2の非励振素子A1の傾斜角ωと、ベクトル実効長の垂直成分及び水平成分とを示す図である。
【図4】図1のアレーアンテナ装置100と従来のアレーアンテナ装置とにおいてベクトル実効長を計算するときに考慮されている概念を示す表である。
【図5】本発明に係る第2の実施形態であるアレーアンテナ装置110の構成を示す斜視図である。
【図6】本発明に係る第2の実施形態の変形例であるアレーアンテナ装置111の構成を示す斜視図である。
【図7】本発明に係る第3の実施形態であるアレーアンテナ装置120の構成を示す斜視図である。
【図8】本発明に係る第3の実施形態の第1の変形例であるアレーアンテナ装置121の構成を示す斜視図である。
【図9】本発明に係る第3の実施形態の第2の変形例であるアレーアンテナ装置122の構成を示す斜視図である。
【図10】本発明に係る第4の実施形態であるアレーアンテナ装置130の構成を示す斜視図である。
【図11】本発明に係る第5の実施形態であるアレーアンテナ装置140の構成を示す斜視図である。
【図12】図1のアレーアンテナ装置100の電気的構造パラメータを示す表である。
【図13】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、アレーアンテナ装置100にケースC1のリアクタンス値が設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図14】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、アレーアンテナ装置100にケースC2のリアクタンス値が設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図15】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、アレーアンテナ装置100にケースC1のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子の素子上電流分布im(z)とポート電流im(0)の振幅を示すグラフである。
【図16】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、アレーアンテナ装置100にケースC1のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子の素子上電流分布im(z)とポート電流im(0)の位相を示すグラフである。
【図17】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、アレーアンテナ装置100にケースC2のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子の素子上電流分布im(z)とポート電流im(0)の振幅を示すグラフである。
【図18】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、アレーアンテナ装置100にケースC2のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子の素子上電流分布im(z)とポート電流im(0)の位相を示すグラフである。
【図19】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、アレーアンテナ装置100にケースC1のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子のベクトル実効長を示すグラフである。
【図20】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、アレーアンテナ装置100にケースC2のリアクタンス値が設定されたときの、各アンテナ素子のベクトル実効長を示すグラフである。
【図21】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、適応制御型コントローラ20が異なる評価関数を用いたときの各収束リアクタンス値を示す表である。
【図22】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=0°、評価関数|EV|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図23】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=0°、評価関数|EH|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図24】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=0°、評価関数|EV|−|EH|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図25】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=0°、評価関数|EH|−|EV|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図26】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=0°、評価関数|EV+jEH|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図27】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=0°、評価関数|EV−jEH|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図28】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=0°、評価関数|EV|+|EH|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図29】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=0°、評価関数|EV|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図30】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=30°、評価関数|EH|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図31】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=30°、評価関数|EV|−|EH|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図32】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=30°、評価関数|EH|−|EV|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図33】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=30°、評価関数|EV+jEH|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図34】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=30°、評価関数|EV−jEH|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図35】図1のアレーアンテナ装置の制御装置のシミュレーション結果であって、所望波方向φ=30°、評価関数|EV|+|EH|のときの収束リアクタンス値がアレーアンテナ装置100に設定されているときの水平面内指向特性パターンを示すグラフである。
【図36】従来技術に係るアレーアンテナ装置150に到来する無線信号の偏波成分を説明するための図である。
【符号の説明】
A0…励振素子、
A1乃至A6,A11乃至A16,A21乃至A26,A38乃至A43,A51乃至A56…非励振素子、
1…低雑音増幅器(LNA)、
2…ダウンコンバータ、
3…A/D変換器、
4…復調器、
5…同軸ケーブル、
6…サーキュレータ、
7…無線送信機、
11…接地導体、
12−1乃至12−6,12−11乃至12−16,12−21乃至12−26,12−38乃至12−43…可変リアクタンス素子、
20…適応制御型コントローラ、
21…学習シーケンス信号発生器、
22…入力装置、
100,110,111,120,121,122,130,140…アレーアンテナ装置、
200,210…円周。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides an array antenna device such as an electronically steerable passive array radiator antenna device or a linear array antenna device which includes a plurality of antenna elements and can change directional characteristics, such as an electronically steerable passive array radiator antenna device. Method and apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventional electronically controlled waveguide array antenna devices have been proposed in, for example,
[0003]
This array antenna device is an antenna which is constituted by one feed system and can obtain variable directional characteristics by using an inexpensive variable capacitance diode as a variable reactance element. For this reason, it has features such as small size, light weight, low power consumption, and low cost, so that it is expected to be a leader in the spread of adaptive antennas. In the adaptive control of the array antenna device, a signal of a received signal is controlled by directing a beam in a direction where a communication partner is located and controlling a directional characteristic of the array antenna device so as to direct null in a direction of arrival of an interference wave. The interference to noise power ratio (SINR) value can be improved.
[0004]
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-24431 A.
[Non-patent document 1]
Takashi Ohira et al., "Electronic control of antenna directional characteristics: Adaptive array from the viewpoint of high-frequency hardware design", IEICE Journal, IEICE, Vol. 83, no. 12, pp. 920-926, December 2000.
[Non-patent document 2]
Takahira Ohira et al., "Equivalent Weight Vector and Array Factor Expression of ESPAR Antenna", IEICE Technical Report, IEICE Technical Report, AP2000-44, SAT2000-41, MW2000-44, pp. 7-12, July 2000.
[Non-Patent Document 3]
Takashi Ohira et al., "Basic Formulation on Equivalent Weight Vector of ESPAR Antenna and Its Gradient," IEICE Technical Report, IEICE Technical Report, AP2001-16, SAT2001-3, pp. 15-20, May 2001.
[Non-patent document 4]
Kyoichi Iigusa et al., "High-precision Equivalent Weight Vector Based on Current Distribution on Element of ESPAR Antenna", IEICE Technical Report, IEICE Technical Report, AP2002-44, pp. 25-30, July 2002.
[Non-Patent Document 5]
Kyoichi Iigusa et al., "Consideration of vector effective length by admittance distribution on linear antenna array element", IEICE Technical Report, IEICE Technical Report, AP2002-109, pp. 45-52, October 2002.
[Non-Patent Document 6]
Kyoichi Iigusa, et al., "A Simple Method for Calculating the Current Distribution on Elements of a Linear Array Antenna from Port Current and Voltage", IEICE Technical Report, IEICE Technical Report, AP2002-117, pg. 31-38, December 2002.
[Non-Patent Document 7]
Hoshitoshi et al., "Experiment on Adaptive Control of ESPAR Antenna by MCCC and MMC Standards", IEICE General Conference, published by IEICE, B-1-117, 2002.
[Non-Patent Document 8]
Kenichi Takizawa et al., "Espa Antenna Adaptive Beamforming Norm Using SNR Blind Estimation", IEICE Technical Report, IEICE Technical Report, A-P2002-114, December 2002.
[Non-Patent Document 9]
Kyoichi Iigusa et al., "Reconfigurable Array Antenna for Making Elements Transparent by Reactance Control," IEICE Technical Report, IEICE Technical Report, AP2002-122, pp. 139-143. 19-24, January 2003.
[Non-Patent Document 10]
J. Cheng, et al. , "Adaptive Beamforming of ESPAR antenna based on graded algorithm", IEICE Transaction on Communication, E84-B, 7, July 2001.
[Non-Patent Document 11]
Kyoichi Iigusa, et al., "Study on beam null formation of ESPAR antenna by steepest gradient method", IEICE technical report, IEICE published by AP2002-27, pp. 33-38, May 2002.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 36 is a diagram for explaining a polarization component of a radio signal arriving at the electronically controlled waveguide array antenna device 150 according to the related art disclosed in
[0007]
An object of the present invention is to solve the above problems and to provide an array antenna apparatus capable of changing the polarization of a radio signal to be transmitted and received, and a control method and apparatus therefor.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An array antenna device according to a first aspect of the present invention provides an excitation element for transmitting and receiving a radio signal, at least one non-excitation element provided at a predetermined distance from the excitation element, and at least one non-excitation element And at least one variable reactance element connected to each of the variable reactance elements, and by changing a reactance value of each of the variable reactance elements, the at least one non-excitation element is operated as a director or a reflector, respectively, so that a directivity characteristic is obtained. In an array antenna device that changes
The at least one non-excitation element is formed of a dipole antenna and is provided so as to be inclined with respect to the excitation element, so that a radio signal of a horizontal polarization component in addition to a vertical polarization component parallel to the excitation element is provided. Is transmitted and received.
[0009]
In the above-mentioned array antenna apparatus, a vertical polarization component and a horizontal polarization component of a radio signal to be transmitted and received are controlled by changing a reactance value of the variable reactance element.
[0010]
Further, in the array antenna apparatus, a first non-excitation element inclined at a predetermined positive angle with respect to the excitation element, and a predetermined negative angle relative to the excitation element with a direction opposite to the angle. At least one set of a non-exciting element and a second non-exciting element that is inclined with respect to the reactance value of the variable reactance element connected to the first non-exciting element, and connected to the second non-exciting element. By changing the reactance value of the variable reactance element to be operated, at least one of the first parasitic element and the second parasitic element is operated.
[0011]
Further, in the array antenna apparatus, a reactance value such that an integral value of a current on one of the first and second parasitic elements becomes substantially zero is provided to the parasitic element. By setting the connected variable reactance element to make the vector effective length of the antenna element substantially zero and electrically removing the antenna element, only the other parasitic element is selectively operated. It is characterized by the following.
[0012]
Still further, in the above array antenna device, the first parasitic element and the second parasitic element in each set of the parasitic elements are provided at substantially the same position. Alternatively, in the array antenna apparatus, the first parasitic element and the second parasitic element in each set of the parasitic elements are provided at a predetermined distance from each other.
[0013]
Further, the array antenna apparatus is characterized in that at least one third non-excitation element is provided so as to be orthogonal to the excitation element.
[0014]
Further, in the array antenna device, instead of the plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation element, a plurality of the excitation elements and the plurality of non-excitation elements are arranged so as to be arranged in a straight line. Characterized in that the non-excitation element is provided.
[0015]
A method for controlling an array antenna device according to a second aspect of the present invention is the method for controlling an array antenna device according to the present invention, wherein the iterative numerical solution in a nonlinear programming method is used based on a reception signal received by the excitation element. The reactance of the variable reactance element for directing the main beam of the array antenna in the direction of the desired wave and nulling in the direction of the interference wave so that the value of the predetermined evaluation function including the received signal is maximum or minimum. It is characterized by calculating and setting a value.
[0016]
A control device for an array antenna device according to a third invention is the control device for the array antenna device, wherein the control device uses an iterative numerical solution in a nonlinear programming method based on a reception signal received by the excitation element. The reactance of the variable reactance element for directing the main beam of the array antenna in the direction of the desired wave and nulling in the direction of the interference wave so that the value of the predetermined evaluation function including the received signal is maximum or minimum. A control means for calculating and setting a value is provided.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
In the wireless environment of FIG. 36 described in the section of the related art, for example, the number of received signals can be increased by receiving orthogonal polarization components of a desired wave. Also, interference wave removal can be realized by making the polarization of the electronically controlled waveguide array antenna device orthogonal to the polarization direction of the interference wave in that direction without forming a null in the direction of arrival of the interference wave. it can. Furthermore, since the interference wave arrives from several directions, it is considered that the degree of freedom of the polarization may be used so as to reduce the total of the reception signals of the interference wave without reducing each interference wave. The electronically controlled waveguide array antenna device proposed so far has been a vertically polarized antenna using a monopole or a dipole. In the present embodiment, an electronically controlled director array antenna device having a predetermined antenna gain with respect to horizontal polarization is proposed, and it is shown that polarization in a desired direction can be controlled by a reactance value of a variable reactance element. In this case, the steepest gradient method is used because the optimum state of polarization cannot be obtained analytically. For this purpose, a method for obtaining an equivalent weight vector expression for the proposed electronically controlled waveguide array antenna device will be described below.
[0019]
<First embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control device of an array antenna device including an array antenna device 100 which is an electronically controlled waveguide array antenna device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the control device of the array antenna device according to this embodiment includes one excitation element A0 and six non-excitation elements A1 to A6 loaded with variable reactance elements 12-1 to 12-6, respectively. And an adaptive
[0020]
In the following description, the xyz coordinates in FIG. 1 are used, the longitudinal direction of the excitation element A0 is the z-axis, and the plane of the
[0021]
FIG. 2 is a perspective view showing a detailed configuration of the array antenna device 100 of FIG. As shown in FIG. 2, the array antenna device 100 includes seven half-wavelength dipole antenna elements, that is, an excitation element A0 and a non-excitation element provided on a
[0022]
A feed point (referred to as a port of the excitation element A0) located at the center in the longitudinal direction of the excitation element A0 is connected to a low noise amplifier (LNA) 1 via a
[0023]
The operation of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 will be described. For example, when the longitudinal lengths of the excitation element A0 and the non-excitation elements A1 to A6 are substantially the same, for example, the variable reactance element 12-1 Has an inductance property (L property), the variable reactance element 12-1 becomes an extension coil, and the electrical length of the non-exciting elements A1 to A6 becomes longer than that of the exciting element A0, thus acting as a reflector. On the other hand, for example, when the variable reactance element 12-1 has a capacitance property (C property), the variable reactance element 12-1 becomes a shortening capacitor, and the electrical length of the non-excitation element A1 becomes shorter than that of the excitation element A0. , Work as a director. The same applies to the non-exciting elements A2 to A6 connected to the other variable reactance elements 12-2 to 12-6.
[0024]
In the present embodiment, the array antenna device 100 can transmit and receive a radio signal including a horizontally polarized component by disposing the non-exciting elements A1 to A6 obliquely to the vertical direction. In the case of transmission, the excitation element A0 directly transmits the vertically polarized wave and simultaneously excites the non-excitation elements A1 to A6 installed at an angle. The excited non-exciting elements A1 to A6 transmit the vertical polarization component of the radio signal and simultaneously transmit the horizontal polarization component. As described above, the horizontal polarization component of the radio signal is radiated only from the non-exciting elements A1 to A6. Therefore, in the array antenna apparatus 100 of FIG. 1, the bias voltage value applied to the variable reactance elements 12-1 to 12-6 connected to the respective non-exciting elements A1 to A6 is changed, and the reactance corresponding to the junction capacitance value is changed. By changing the value, it is possible to change the planar directivity characteristics of the array antenna device 100 and the polarization of a radio signal transmitted and received by the array antenna device 100.
[0025]
Assuming that the inclination angles ω of the non-exciting elements A1 to A6 from the vertical direction are all equal, the non-exciting elements disposed at positions opposite to each other with respect to the exciting element A0 have the same direction of the vertically polarized wave excited. At times, the directions of horizontal polarization are opposite. Therefore, the polarization realized on the array antenna device 100 differs depending on the direction. This will be described in detail later.
[0026]
In FIG. 1, an adaptive
[0027]
The transmitting station transmitting the radio signal received by the array antenna 100 is a digital data of a predetermined symbol rate including a learning sequence signal having the same signal pattern as the predetermined learning sequence signal generated by the learning
[0028]
The array antenna device 100 receives a radio signal from a transmitting station, and the received signal is input to a low noise amplifier (LNA) 1 via a
[0029]
In the above embodiment, the steepest gradient method is used, but the present invention is not limited to this, and another adaptive control method may be used. Further, a specific example of the evaluation function will be described later in detail.
[0030]
The
[0031]
As described above, according to the present embodiment, in the array antenna device 100, the bias voltage applied to the variable reactance elements 12-1 to 12-6 connected to the non-exciting elements A1 to A6 is changed. By changing the reactance value, which is the junction capacitance value, it is possible to change the planar directivity characteristics of the array antenna device 100 and the polarization of a radio signal transmitted and received by the array antenna device 100.
[0032]
Next, in order to explain the control method of the array antenna device of the present embodiment, first, a signal model of a signal received by the array antenna device 100 is formulated.
[0033]
At a time t represented by a continuous time, the transmitted radio signal u (t) has an azimuth φ (centered on the origin O and an xy plane from the center of the parasitic element A1) as shown in FIG. ) And an elevation angle (an angle from the vertical direction which is the z-axis direction) θ. sm(T) (m = 0, 1,..., 6) indicates a signal arriving at the m-th element of the array antenna apparatus 100, and s (t) indicates the m-th component smAssuming that the column vector has (t), the column vector s (t) can be expressed as follows.
[0034]
(Equation 1)
s (t) = a (θ, φ)Tu (t)
[0035]
Here, the superscript T represents a transposed matrix. The steering vector a (θ, φ) is represented by the following equation as a function of the elevation angle θ and the azimuth angle φ of the radio signal arriving at the array antenna device 100.
[0036]
(Equation 2)
[0037]
Here, β is a propagation constant 2π / λ, d is an interval between antenna elements, and in the present embodiment, λ / 4, and
(Equation 3)
φm= 2π (m-1) / 6
m = 1, ..., 6
It is.
[0038]
According to this signal model, the received signal y (t) received by the array antenna device 100 can be expressed as follows.
[0039]
(Equation 4)
y (t) = iTs (t) = iTa (θ, φ) u (t)
[0040]
Here, the vector i = [i0, I1, ..., i6]TDenotes a high-frequency current vector of the array antenna apparatus 100, which has the same role as a weight vector in a conventional array antenna capable of observing signals on each element, and is referred to as an "equivalent weight vector" in the present embodiment. The equivalent weight vector i is formulated as follows.
[0041]
(Equation 5)
Or
(Equation 6)
i = (Y-1+ X)-1[Vs, 0, ..., 0]T
[0042]
Where vsIs a constant representing the feed voltage, and Zs is a constant representing the output impedance of the array antenna device 100. The diagonal matrix X is called a reactance matrix, and is a matrix having components of the output impedance Zs of the array antenna device 100 and the reactance value Xm (m = 1,..., 6) of the variable reactance element multiplied by the imaginary unit j. It is. Further, in
[0043]
(Equation 7)
Y11= Y22= Y33= Y44= Y55= Y66
(Equation 8)
Y01= Y02= Y03= Y04= Y05= Y06
(Equation 9)
Y12= Y23= Y34= Y45= Y56= Y61
(Equation 10)
YThirteen= Y24= Y35= Y46= Y51= Y62
(Equation 11)
Y14= Y25= Y36
[0044]
Therefore, the admittance matrix Y has six components Y of the admittance element.00, Y10, Y11, Y21, Y31And Y41It is understood that it is determined only by. Hereinafter, for the sake of simplicity, the received signal output from the array antenna device 100 and the received signal output from the A /
[0045]
Next, the concept of the vector effective length related to each antenna element of the array antenna device 100 will be introduced, and the fact that the vector effective length has vector properties and direction dependency will be described.
[0046]
The array antenna device 100 of the present embodiment and the array antenna device as disclosed in
[0047]
Ports of the antenna elements Am (m = 0, 1,..., 6) (in the present embodiment, located at the central portion in the longitudinal direction of each antenna element and refer to ports at feed points of a pair of antenna elements). Flowing current imIs an important value for signal processing and reactance control because it is equal to the current flowing through the circuit elements such as the feed line and the variable reactance element 12-m. Also, this current imCan be calculated by circuit theory. This current imIs defined as an equivalent weight vector i, and an array factor (that is, the directivity characteristic of the array antenna apparatus 100) E (θ, φ) is calculated by the product of the equivalent weight vector i and the steering vector a (θ, φ). (See
[0048]
(Equation 12)
i 'm= Lemim
[0049]
i 'mIf a new equivalent weight vector having a component as is represented by i ′, the array factor E (θ, φ) is calculated by
[0050]
(Equation 13)
E (θ, φ) = aT(Θ, φ) i ′
[0051]
In
[0052]
[Equation 14]
lem= Lem (0)(1-jαmvm/ Im)
[0053]
lem (0)Is the vector effective length when nothing is connected to the port, and αmIs a proportionality constant. In
[0054]
Therefore, as shown in FIG. 3, the vector effective length le of each of the parasitic elements A1 to A6 is set.mIs the vertical component le parallel to the z-axis.m VAnd a horizontal component le orthogonal to the z axism HThink separately. These vectors are vectors in the real space, and are different from the vectors representing the array arrangement of the antenna elements in the equivalent weight vector i 'and the like. As shown in FIG. 3, if the parasitic element Am has an inclination angle ω that is perpendicular to the vertical direction, the vertical component le of the vector effective lengthm VAnd the horizontal component lem HAre elevation angles θ = 90 and azimuth angles φ = φ, which are front directions of the respective parasitic elements Am.mAre represented as in
[0055]
[Equation 15]
lem V= Lemcos ω
(Equation 16)
lem H= Lemsinω
[0056]
The dependence of the vector effective length on the direction (θ, φ) differs between the vertical component and the horizontal component of the vector effective length, and is expressed as in Expressions 17 and 18.
[0057]
[Equation 17]
lem V(Θ, φ) = lem Vfm(Θ-90)
(Equation 18)
lem H(Θ, φ) = lem Hfm(Φ-φm)
[0058]
Where fm(Ξ) represents an element pattern. When the antenna element length is shorter than about half a wavelength, it can be approximated by
[0059]
[Equation 19]
fm(Ξ) ≒ cos (ξ)
[0060]
Therefore, the vertical component le of the effective vector length of each parasitic element Amm V(Θ, φ) is the vector effective length lemFunction of the elevation angle of the array antenna based onmThe horizontal component le of the vector effective length of each parasitic element Am calculated using (θ−90)m H(Θ, φ) is the vector effective length lemBased on the function f of the azimuth of the array antennam(Φ-φm).
[0061]
In the conventional array antenna device 150 shown in FIG. 36 and the array antenna devices described in
[0062]
According to the above description, the vertical component le of the vector effective length of Expression 17m VThe vertical component of the equivalent weight vector corrected by (θ, φ) is iVAnd the horizontal component le of the vector effective length of Equation 18m HThe horizontal component of the equivalent weight vector corrected by (θ, φ) is iHAnd the equation of the received signal y (t) in
[0063]
(Equation 20)
y (t) = {(iV+ IH)Ta (θ, φ)} × u (t)
= {(IV)Ta (θ, φ)} × u (t)
+ {(IH)Ta (θ, φ)} × u (t)
= EV× u (t) + EH× u (t)
[0064]
Where EV= {(IV)Ta (θ, φ)} represents the vertical component of the array factor,H= {(IH)Ta (θ, φ)} represents the horizontal component of the array factor. Therefore, the array factor E (θ, φ) in
[0065]
(Equation 21)
E (θ, φ) = EV+ EH
[0066]
Hereinafter, the vertical component E of the array factorVIs called the vertical component of the electric field of the array antenna device 100, and the horizontal component E of the array factor.HCan be referred to as a horizontal component of the electric field of the array antenna device 100. Therefore, the former is the directional characteristic in the vertical plane of the array antenna device 100, and the latter is the directional characteristic in the horizontal plane. That is, the directional characteristics of the array antenna device 100 can be calculated using the following procedure.
[0067]
(1) In the array antenna device 100, the admittance matrix Y composed of the admittances between the elements A0 to A7 (these seven elements) including the excitation element A0 and the non-excitation elements A1 to A6, and the variable reactance elements Based on the reactance matrix X including the reactance values of 12-1 to 12-6, the equivalent weight vector i of the array distribution of the current flowing through each of the elements A0 to A7 is calculated using
(2) Vector effective length le of each of the elements A0 to A7 when the variable reactance elements 12-1 to 12-6 are not loadedm (0)And the port current and the port voltage on each of the variable reactance elements 12-1 to 12-6, and using the
(3) The calculated vector effective length le of each of the elements A0 to A7m, The vector effective length le of each of the elements A0 to A7mAnd the inclination angle ω of each of the non-excitation elements A1 to A7 with respect to the excitation element A0, the elevation angle φ which is an inclination angle from a direction parallel to the excitation element A0, and the azimuth θ in a plane orthogonal to the non-excitation element A0. Using the equation (
(4) The component le of the vector effective length parallel to the excitation element A0 for each of the calculated elements A0 to A7m V(Θ, φ) and a component le of a vector effective length orthogonal to the excitation element A0m H(Θ, φ) is multiplied by the calculated equivalent weight vector i and multiplied by the steering vector a (φ, θ) indicating the radiation direction of the array antenna apparatus 100 (
[0068]
In the calculation of the directional characteristics, as will be described later in detail, the vector effective length lemIs multiplied by a correction coefficient γ that is substantially 1.1 to obtain a vector effective length lemIs preferably corrected, whereby the calculation accuracy of the directional characteristics can be greatly improved.
[0069]
By the way, in the conventional array antenna apparatus 150, the horizontal polarization component of the incoming radio signal could not be received.V× u (t) only could be obtained. On the other hand, in the array antenna apparatus 100 of the present embodiment, as can be seen from
[0070]
FIG. 4 is a table showing a concept considered when calculating the vector effective length in the array antenna device according to the present invention and the array antenna device according to the related art. In particular, this table summarizes the progress of the extension of the concept of the vector effective length in the equivalent weight vector expression for the array antenna so far. First, the present inventors have found in
[0071]
The adaptive
[0072]
In the embodiment already described with reference to FIG. 1, the adaptive
[0073]
(Equation 22)
[0074]
Here, the continuous time parameter t is represented by a discrete parameter n. y (n) represents a vector composed of reception signals of predetermined P symbols received from predetermined time n, and r (n) is a learning sequence of predetermined P symbols received from time n. The adaptive
[0075]
Instead, the adaptive
[0076]
(Equation 23)
[Equation 24]
(Equation 25)
[0077]
In Equation 23, the received signal yp(N), (p = 1,..., P) correspond to the P symbols received from time n, and the evaluation function J2Is the received signal ypThis is an evaluation function based on maximizing the moment of (n). 24 evaluation function J3Is the received signal ynSecond moment E {| yn|2} And fourth moment E {| yn|4This is an evaluation function based on}. In Equation 25, the received signal ynIs an m-phase PSK signal, and the evaluation function J of Expression 25 is4Is the received signal ynIs a functional that represents the higher moment ratio of.
[0078]
The adaptive
[0079]
When the evaluation functions of Expressions 23 to 25 are used, the learning
[0080]
In the case of an array antenna for transmitting and receiving only a component of a radio signal that is polarized in one direction (for example, the array antenna device 150 in FIG. 36), instead of a half-wavelength dipole element, 1 / Although a four-wavelength monopole antenna element could be used, if a monopole antenna element inclined at an angle to the vertical direction is installed on the ground conductor, the vertically polarized wave will appear in the same direction in the mirror image of the radio wave. In order to transmit and receive a radio signal including a horizontal polarization component parallel to the ground conductor, a monopole non-exciting element provided on the ground conductor is used because horizontal polarization is reflected in the opposite direction and cancels each other. It is inappropriate. Therefore, only a half-wave dipole antenna element can be used as the non-excitation element of the present embodiment. However, a quarter-wave monopole antenna element on the ground conductor may be used as the excitation element. Of course, a dipole excitation element A0 can also be used.
[0081]
As described above, according to the control device of the array antenna device of the present embodiment, the array antenna that can change the antenna gain with respect to the polarization of the radio signal to be received and change the polarization of the radio signal to be transmitted The apparatus 100 is controlled, and particularly, at the time of reception, the polarization plane receivable by the array antenna apparatus 100 is matched with the polarization plane in the desired wave direction, and the interference wave is receivable by the array antenna apparatus 100. The array antenna device 100 can be controlled so that the polarization directions are orthogonal. Further, according to the equivalent weight vector expression of the array antenna described above, it is possible to provide an equivalent weight vector expression of the array antenna apparatus 100 in consideration of the nature and direction dependency of the vector. Thus, the directional characteristics of the array antenna device 100 can be calculated more accurately.
[0082]
<Second embodiment>
FIG. 5 is a perspective view illustrating a configuration of an array antenna device 110 according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a perspective view illustrating an array antenna device 111 according to a modification of the second embodiment of the present invention. It is a perspective view which shows a structure of. These embodiments are array antenna devices capable of changing the polarization so as to realize right-handed elliptical polarization and left-handed elliptical polarization symmetrically.
[0083]
In the array antenna device 110 of FIG. 5, in addition to the configuration of the array antenna device 100 of the first embodiment, the non-exciting elements A11 to A16 are respectively provided at positions where the non-exciting elements A1 to A6 are located on the
[0084]
In the wireless environment of FIG. 36, the circularly polarized (or elliptically polarized) wireless signal has its polarization turning direction reversed by reflection on the reflection surfaces S1, S2 and the like. For effective reception of a desired wave and removal of an interference wave, it is considered desirable to be able to receive any elliptically polarized wave of right or left rotation. From the simulation results described later, it can be seen that the array antenna device 100 of the first embodiment has a difference in the circularly polarized wave turning direction that is easy to form, but this is due to the non-excited element in the vertical direction in the array antenna device 100. Since the inclinations of A1 to A6 are only in one direction, that is, referring to FIG. 2, the non-exciting elements A1 to A6 are straight lines connecting the origin O to the longitudinal center of each of the non-exciting elements A1 to A6. It is considered that both are rotated in the positive direction at an angle ω with the rotation axis as a rotation axis. When the same reactance value is set, if the inclination angle of each non-excitation element is set to an angle −ω opposite to that of the first embodiment, a polarization direction opposite to that of the first embodiment can be obtained. .
[0085]
On the other hand, as described in
[0086]
Therefore, in order to transmit and receive right-handed elliptical polarization and left-handed elliptical polarization, an array antenna device as shown in FIG. 5 and FIG. suggest. The array antenna device 110 of FIG. 5 includes non-exciting elements A1 to A6 as antenna elements for right-handed elliptically polarized light, and non-exciting elements A11 to A16 as antenna elements for left-handed elliptically polarized light. When transmitting and receiving right-handed elliptically polarized radio signals, the non-excited elements A11 to A16 are electrically connected by setting appropriate reactance values to the variable reactance elements 12-11 to 12-16 according to the method described in
[0087]
That is, in the array antenna device 111 of FIG. 5, non-exciting elements A1 to A6 as antenna elements for right-handed elliptical polarization and non-exciting elements A11 to A16 as antenna elements for left-handed elliptical polarization are included. , Are alternately arranged with different polarizations at a predetermined same interval on the
[0088]
In the array antenna device 111 of FIG. 6, the parasitic elements A21 to A26 are shifted by 30 degrees on the
[0089]
In the above embodiments, the array antenna devices 110 and 111 that transmit and receive elliptically polarized waves have been described. However, the array antennas that transmit and receive circularly polarized waves by changing the inclination angle ω and the reactance value of the variable reactance element. The device can be configured.
[0090]
Hereinafter, a description will be given of a control method when the array antenna device of FIG. 1 includes an array antenna device 110 instead of the array antenna device 100 of the first embodiment.
[0091]
An
[0092]
Also at the time of transmission, based on the instruction signal from the
[0093]
After electrically removing any of the parasitic elements A1 to A6 or the parasitic elements A11 to A16, the adaptive
[0094]
In the embodiment described above, the parasitic element to be electrically removed is set in advance by the user using the
[0095]
Since it is not necessary to electrically remove one of the set of the parasitic elements A1 to A6 and the set of the parasitic elements A11 to A16, it is possible to effectively use the parameters of 6 × 2 reactance values. For example, the degree of freedom regarding the directional characteristics and the polarization is further improved. Also in this case, if the reactance values are exchanged for each pair of the non-excited elements A1, A11, A2 and A12,..., A6 and A16, the direction of the polarization is also reversed. This is because the vertical polarization does not change, but the direction of the horizontal polarization changes.
[0096]
As described above, according to the array antenna device of the present embodiment, it is possible to provide an array antenna device capable of transmitting and receiving a right-handed elliptically polarized radio signal and a left-handed elliptically polarized radio signal.
[0097]
<Third embodiment>
In the present embodiment, a description will be given of a linear array antenna device in which one or a plurality of non-exciting elements loaded with variable reactance elements are arranged and the polarization can be changed. The following embodiment can also be used in the control device of the array antenna device of FIG.
[0098]
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of an
[0099]
In the
[0100]
In the present embodiment, the non-exciting element A41 rotates around the x-axis as a rotation axis. However, the present invention is not limited to this. It may be configured to be shifted and inclined with respect to the excitation element A0. This is the same in a modified example of the third embodiment described below.
[0101]
FIG. 8 is a perspective view showing a configuration of an array antenna device 121 which is a first modification of the third embodiment according to the present invention. This array antenna device 121 is a linear array antenna device in which an excitation element A0 and two non-excitation elements A41 and A42 are arranged.
[0102]
In the array antenna device 121 of FIG. 8, by disposing the non-excitation element A42 before (not necessarily on a straight line) the non-excitation element A41 of FIG. The elements A41 and A42 are juxtaposed on the x-axis. Specifically, referring to the xyz coordinates in FIG. 8, the non-excitation element A42 of the half-wave dipole has a non-excitation element such that the center in the longitudinal direction is located on the x-axis in a plane parallel to the yz plane. It is arranged at a predetermined distance from the element A41 in the positive direction of the x-axis. The non-exciting element A42 is rotated by an angle different from that of the non-exciting element A41 in the vertical direction about the x-axis as a rotation axis. In the embodiment shown in FIG. 8, the non-exciting element A42 is rotated by 90 ° with respect to the exciting element A0.
[0103]
According to the array antenna device 121 configured as described above, gain improvement and increase in horizontal polarization component can be obtained. The added parasitic element A42 may be orthogonal to the excitation element A0 as shown in FIG. The non-excitation element A42 is not directly excited by the excitation element A0, but the horizontal polarization component increases due to the provision of the non-excitation element A42 because the non-excitation element A42 is replaced with the non-excitation element loaded with the variable reactance element 12-41. This is because it is possible to excite via the excitation element A41. Further, it is not always necessary to load the variable reactance element 12-42 on the additional parasitic element A42. Even when the variable reactance element 12-42 is not loaded, it is possible to operate as a director by designing it short beforehand and operate as a reflector by designing it long according to the principle of the Yagi Uda array antenna. Can be expected to reduce the complexity and cost of
[0104]
FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of an array antenna device 122 which is a second modification of the third embodiment according to the present invention. The array antenna device 122 is a linear array in which three or more non-excitation elements are arranged before and after the excitation element A0.
[0105]
In the array antenna device 122, specifically, referring to the xyz coordinates in FIG. 9, in addition to the configuration of the array antenna device 121 in FIG. 8, a parasitic element A43 is further provided in the positive direction of the x-axis. Parasitic elements A39 and A38 are further provided in the negative direction of the axis. Here, the excitation element A0 and the non-excitation elements A41, A42, A38, and A39 are juxtaposed on the x-axis. The parasitic element A43 of the half-wavelength dipole is separated from the parasitic element A42 by a predetermined distance in the positive direction of the x axis so that the center in the longitudinal direction is located on the x axis in a plane parallel to the yz plane. Be placed. The non-exciting element A43 is rotated about the x axis by a different angle (for example, 135 °) with respect to the vertical direction from the non-exciting elements A41 and A42. A variable reactance element 12-43 is loaded on a central port in the longitudinal direction of the non-exciting element A43.
[0106]
Further, it is not necessary to dispose a plurality of non-excitation elements only in front of the excitation element A0 (positive direction of the x-axis), and as shown in the figure, also behind the excitation element A0 (negative direction of the x-axis). By operating them as reflectors, the gain of the array antenna device can be improved. The non-exciting element A39 of the half-wave dipole is arranged at a predetermined distance in the negative x-axis direction from the exciting element A0 such that the center in the longitudinal direction is located on the x-axis in a plane parallel to the yz plane. Is done. The non-exciting element A39 is rotated around the x-axis by a different angle (for example, −45 °) with respect to the vertical direction from the non-exciting elements A41 to A43. A variable reactance element 12-39 is loaded in the central port in the longitudinal direction of the non-exciting element A39. Similarly, the parasitic element A38 of the half-wave dipole is located at a predetermined distance from the parasitic element A39 in the negative direction of the x axis such that the center in the longitudinal direction is located on the x axis in a plane parallel to the yz plane. Just placed away. The non-exciting element A38 is rotated by an angle (for example, −90 °) different from that of the non-exciting element A39 in the vertical direction about the x-axis as the rotation axis. A variable reactance element 12-38 is loaded on a central port in the longitudinal direction of the non-exciting element A38.
[0107]
According to the array antenna device 122, the degree of freedom and the gain of the polarization control can be improved in accordance with the principle of the Yagi-Uda array antenna. It is not necessary to arrange each antenna element linearly. Also, some parasitic elements (parasitic elements A42 and A38 in the embodiment of FIG. 9) can be arranged orthogonal to the exciting element A0. Further, in order to simplify the process of controlling a plurality of reactance values, it is not necessary to load the variable reactance elements on all the non-excitation elements.
[0108]
<Fourth embodiment>
FIG. 10 is a perspective view illustrating a configuration of an array antenna device 130 according to a fourth embodiment of the present invention. The array antenna apparatus 130 is an array antenna apparatus in which non-excitation elements are arranged doubly around an excitation element A0 and can change the polarization. This embodiment can also be used in place of the array antenna device 100 in the control device for the array antenna device of FIG.
[0109]
Referring to the xyz coordinates shown in FIG. 10, the array antenna device 130 has an xy plane having a radius larger than the
[0110]
In the embodiment of the array antenna apparatus 130 in FIG. 10, the non-exciting elements A1 to A6 and A51 to A56 are arranged on two circumferences having different radii. They may be arranged in quadruple or the like. Thereby, the degree of freedom and the gain of the polarization control can be improved. In a single case (that is, a case similar to the first embodiment), the excitation of the horizontal polarization component is weak because the excitation element A0 is a vertically polarized wave. As described above, in the first embodiment, the non-excitation elements A1 to A6 must not be orthogonal to the excitation element A0. Therefore, by disposing the non-exciting elements A51 to A56 of the dipole horizontally on the
[0111]
<Fifth embodiment>
FIG. 11 is a perspective view illustrating a configuration of an array antenna device 140 according to a fifth embodiment of the present invention. This embodiment can also be used in place of the array antenna device 100 in the control device for the array antenna device of FIG.
[0112]
The array antenna device 140 has the same configuration as that of the array antenna device 130 of the fourth embodiment, except that the parasitic elements A11 to A16 are respectively located at positions where the parasitic elements A1 to A6 are located on the
[0113]
As can be seen from the simulation results described later, the right-handed elliptical polarization is easily realized in the array antenna apparatus 100 of FIG. 1, but the left-handed polarization is hardly realized. Therefore, in order to realize a symmetric polarization characteristic, a pair in which the inclination angle of the arrangement of the inner parasitic elements is symmetric is arranged. The horizontal dipole passive elements A51 to A56 added on the
[0114]
【Example】
In the following simulation, the equivalent weight vector expression of the array antenna device 100 of the first embodiment is verified. The seven-element array antenna device 100 shown in FIG. 2 is analyzed. The thickness of each antenna element is 0.02λ, the interval between each antenna element in the xy plane is λ / 4, the element length of the non-exciting elements A1 to A6 is λ / 2, and the Element length is λ / 23/2And The inclination angles ω of the parasitic elements A1 to A6 are all equal to 45 degrees. The height in the z-axis direction of the excitation element A0 and the non-excitation elements A1 to A6 was set to be equal. FIG. 12 is a table showing the electrical structure parameters of the array antenna device 100. The table of FIG. 12 shows an admittance element Y which is an electrical structure parameter obtained by calculating the array antenna apparatus 100 having this structure by the moment method.ijAnd the vector effective length le of the excitation element A0 when the
[0115]
Since the non-exciting elements A1 to A6 have the inclination angle ω, the symmetry with respect to the xz plane of the structure of the conventional array antenna device 150 having only the vertical polarization plane is lost, Due to the existence of rotational symmetry, the admittance element YijHas been found to maintain the symmetry shown in Equation 26.
[0116]
(Equation 26)
Y12= Y16
[Equation 27]
YThirteen= YFifteen
[0117]
Therefore, the independent admittance element YijAre only six shown in the table of FIG. Also, the vector effective length lem (0)And the proportionality constant αmWas calculated from the admittance distribution on the antenna element according to
[0118]
FIGS. 13 and 14 show the array antenna apparatus when the reactance values of the cases C1 and C2 shown in Table 1 below are set for the array antenna apparatus 100 having the parameters shown in FIG. It is a graph which shows 100 directional characteristic patterns in a horizontal plane, respectively.
[0119]
[Table 1]
[0120]
When the reactance value of
[0121]
13 and FIG.VThe curve shown by indicates the vertical polarization component of the electric field, and EHThe curve shown by represents the horizontal polarization component of the electric field. It can be seen that the ratio of vertical polarization to horizontal polarization changes depending on the azimuth angle φ. This is because, as described above, when the directions of the vertically polarized waves to be excited are the same between the non-excited elements arranged at positions opposite to the excited element A0, the directions of the horizontally polarized waves are opposite. The polarization realized on the array antenna apparatus 100 is consistent with the content considered to be different depending on the direction. Solid curve EV(Mom) and EH(Mom) indicates the electric field calculated by the moment method, and is indicated by a coarse broken line E.V(Le) and EH(Le) shows the electric field calculated from the equivalent weight vector. Both are almost the same. From this, it was confirmed that by treating the vector effective length as a real space vector having direction dependency, the array antenna apparatus 100 capable of changing the polarization can be expressed using the equivalent weight vector.
[0122]
However, in particular, the directivity characteristics of the vertical polarization do not match as much as those described in
[0123]
Next, the calculation result of the vector effective length is examined. FIG. 19 is a graph showing the vector effective length of each antenna element when the reactance value of case C1 is set in the array antenna device 100. FIG. 20 is a graph showing the reactance value of case C2 set in the array antenna device 100. 9 is a graph showing a vector effective length of each antenna element when the operation is performed. FIGS. 19 and 20 show the vector effective length le of the excitation element A0.0Vector effective length le normalized bymThe real part and the imaginary part of are shown. The calculation results by the moment method are shown by hollow symbols (open squares □ and 45 ° rotated squares ◇), and the calculation results by the equivalent weight vector of
[0124]
[Equation 28]
lem (0)’= Γlem (0)
[0125]
The results obtained when the correction coefficient γ = 1.1 are shown in FIGS.V(Le ') and EH(Le '). The results close to the calculation results of the moment method are obtained for both vertically polarized waves and horizontally polarized waves. From this, it can be seen that it is necessary to evaluate the vertical polarization radiated from the non-exciting elements A1 to A6 having the inclination of 45 degrees to be small in order to match the calculation result of the moment method. It is assumed that the element patterns of all the antenna elements are equal as shown in
[0126]
Next, paying attention to the horizontal direction of the parasitic element A0 (φ = 0 °) and the direction between the parasitic elements A1 and A2 (φ = 30 °), the variable polarization in the array antenna apparatus 100 is changed. Examine the ability to form waves and beam patterns. The steepest gradient method is used because it is difficult to analytically find the optimal solution because the current array arrangement (equivalent weight vector) that can be realized by the combination of reactance values is not clear (see
[0127]
(Equation 29)
| EV|
[Equation 30]
| EH|
[Equation 31]
| EV|-| EH|
(Equation 32)
| EV|-| EV|
[Equation 33]
| EV+ JEH|
[Equation 34]
| EV−jEH|
(Equation 35)
| EV| + | EH|
[0128]
Here, the vertical polarization component E of the electric fieldVAnd the horizontal polarization component EHIs defined by the following equation.
[0129]
[Equation 36]
(37)
[0130]
Here, a correction coefficient γ ≒ 1.1, k is a propagation constant 2π / λ, d is an interval between antenna elements, which is λ / 4 in the present embodiment, and an azimuth angle φmIs represented by the following equation.
[Equation 38]
φm= 2π (m-1) / 6
m = 1, ..., 6
[0131]
Equation 29 is a condition for increasing vertical polarization, Equation 30 is for horizontal polarization, Equation 33 is for left-hand circular polarization, and Equation 34 is for right-hand circular polarization. Further, Equation 31 is the cross polarization discrimination degree of the horizontal polarization with respect to the vertical polarization, Equation 32 is the cross polarization discrimination degree of the vertical polarization with respect to the horizontal polarization, and Equation 35 is the condition that the radiated power becomes strong. . FIG. 21 is a table showing the respective convergent reactance values when the adaptive
[0132]
The result of the convergent reactance value agrees well with the result of the moment method, confirming the effectiveness of the equivalent weight vector expression using the extended vector effective length and the optimization method using the steepest gradient method. Overall, the level of horizontal polarization is lower than that of vertical polarization. This is because a horizontally polarized component is not radiated from the excitation element A0 through which a large current flows. Therefore, vertical polarization plays a dominant role in determining the convergence state of the evaluation function. However, it can be seen from the evaluation function of Equation 32 that it is possible to make the horizontal polarization stronger than the vertical polarization in the direction where the parasitic element is located and in the direction between the parasitic elements. Conversely, horizontal polarization is suppressed, and vertical polarization having a cross polarization discrimination of about 13 dB can be realized. When the value of Equation 34 is used as the evaluation function value, a circular polarization axis ratio of 1.9 (5.6 dB) in the 0-degree direction and 2.0 (6.0 dB) in the 30-degree direction is obtained. A circularly polarized wave with a good axial ratio has not been obtained. Further, when trying to realize right-handed polarization, the horizontal polarization component increases, but when trying to realize left-handed polarization, the horizontal polarization decreases. Also, the convergence results of Equations 32, 34, and 35 become substantially equal. It is considered that these are due to the fact that the excitation phase of the horizontal polarization tends to advance from the vertical polarization of the central excitation element A0.
[0133]
As described above, according to the equivalent weight vector expression of the array antenna according to the embodiment, it is possible to provide an equivalent weight vector expression of the array antenna device in consideration of the properties of the vector and the direction dependency. Therefore, by using the equivalent weight vector expression, the directional characteristics of the array antenna device can be calculated more accurately.
[0134]
As described above, according to the array antenna device of the embodiment according to the present invention, by arranging the non-excitation element of the dipole at an angle, the polarization crossing the polarization plane of the radio signal transmitted and received by the excitation element An array antenna device having an antenna gain for (or orthogonal polarization) can be provided. By controlling the polarization, the transmission / reception intensity of the desired wave can be increased, and the degree of freedom in suppressing the interference wave can be increased. In addition, it was shown that the equivalent weight vector can be expressed by considering the characteristic and direction dependency of the real space vector in the vector effective length of the antenna element of the dipole. Furthermore, in the simulation, the steepness gradient method was used to examine the ability to change the polarization in the desired direction. From the simulation results, it was found that the horizontal polarization can be made stronger than the vertical polarization in the element direction and the inter-element direction. It was also found that circular polarization with an axial ratio of about 2 (6 dB) can be realized in a desired direction. Furthermore, an array antenna device in which dipole antenna elements having a symmetrical inclination are arranged in an overlapping manner in order to have a achievable symmetry in a circularly polarized wave turning direction has been proposed. As a result, it is possible to realize an array antenna device that can switch the polarization and has a high degree of freedom in setting the polarization.
[0135]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the array antenna device of the present invention, in the electronically controlled waveguide array antenna device or the linear array antenna device, at least one non-exciting element is inclined with respect to the exciting element. By providing, by transmitting and receiving the radio signal of the horizontal polarization component in addition to the vertical polarization component, by changing the reactance value of the variable reactance element, the vertical polarization component and the horizontal polarization component of the radio signal to be transmitted and received Control. Thereby, the polarization of the array antenna device can be changed. Therefore, even in a multipath environment such as the wireless environment shown in FIG. 36, wireless signals of various polarization components can be transmitted and received with a predetermined antenna gain or more.
[0136]
Further, according to the control method or apparatus of the array antenna apparatus according to the present invention, based on the received signal received by the excitation element of the array antenna apparatus, the reception method is performed by using an iterative numerical solution in a nonlinear programming method. Calculate the reactance value of the variable reactance element for directing the main beam of the array antenna in the direction of the desired wave and nulling in the direction of the interference wave so that the value of the predetermined evaluation function including the signal becomes maximum or minimum. And set. Therefore, even in a multipath environment such as the wireless environment shown in FIG. 36, wireless communication can be performed by setting the radiation pattern of the array antenna device and its polarization to substantially the best state.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a control device of an array antenna device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a detailed configuration of the array antenna device 100 of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing an inclination angle ω of the parasitic element A1 of FIG. 2 from a vertical direction, and a vertical component and a horizontal component of a vector effective length.
4 is a table showing a concept considered when calculating a vector effective length in the array antenna device 100 of FIG. 1 and a conventional array antenna device.
FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of an array antenna device 110 according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing a configuration of an array antenna device 111 which is a modification of the second embodiment according to the present invention.
FIG. 7 is a perspective view illustrating a configuration of an
FIG. 8 is a perspective view showing a configuration of an array antenna device 121 which is a first modification of the third embodiment according to the present invention.
FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of an array antenna device 122 which is a second modification of the third embodiment according to the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing a configuration of an array antenna device 130 according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a perspective view showing a configuration of an array antenna device 140 according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a table showing electrical structure parameters of the array antenna device 100 of FIG. 1;
13 is a graph showing a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1 and showing a directional characteristic pattern in a horizontal plane when the reactance value of the case C1 is set in the array antenna device 100. FIG.
14 is a graph showing a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1 and showing a directional characteristic pattern in a horizontal plane when the reactance value of the case C2 is set in the array antenna device 100. FIG.
FIG. 15 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, and shows a current distribution i on each antenna element when the reactance value of the case C1 is set in the array antenna device 100;m(Z) and port current imIt is a graph which shows the amplitude of (0).
FIG. 16 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, and shows a current distribution i on the element of each antenna element when the reactance value of the case C1 is set in the array antenna device 100;m(Z) and port current imIt is a graph which shows the phase of (0).
FIG. 17 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1 and shows a current distribution i on the element of each antenna element when the reactance value of the case C2 is set in the array antenna device 100;m(Z) and port current imIt is a graph which shows the amplitude of (0).
FIG. 18 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, and shows a current distribution i on the element of each antenna element when the reactance value of the case C2 is set in the array antenna device 100;m(Z) and port current imIt is a graph which shows the phase of (0).
19 is a graph showing a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1 and showing a vector effective length of each antenna element when the reactance value of the case C1 is set in the array antenna device 100. FIG.
20 is a graph showing a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1 and showing a vector effective length of each antenna element when the reactance value of the case C2 is set in the array antenna device 100. FIG.
21 is a table showing simulation results of the control device of the array antenna device of FIG. 1 and showing respective convergent reactance values when the adaptive
FIG. 22 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, where a desired wave direction φ = 0 ° and an evaluation function |
23 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, which shows a desired wave direction φ = 0 °, and an evaluation function | E.H6 is a graph showing a directional characteristic pattern in a horizontal plane when a convergent reactance value when | is set in the array antenna device 100.
24 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, which shows a desired wave direction φ = 0 °, and an evaluation function | E.V|-|
FIG. 25 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, which shows a desired wave direction φ = 0 °, and an evaluation function | E.H|-|
26 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, where a desired wave direction φ = 0 ° and an evaluation function | EV+
27 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, where a desired wave direction φ = 0 ° and an evaluation function | EV−
FIG. 28 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, where a desired wave direction φ = 0 ° and an evaluation function | EV| + |
FIG. 29 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, where a desired wave direction φ = 0 ° and an evaluation function |
30 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, where a desired wave direction φ = 30 °, and an evaluation function |
31 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, which shows a desired wave direction φ = 30 ° and an evaluation function | EV|-|
FIG. 32 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, where a desired wave direction φ = 30 °, and an evaluation function | EH|-|
FIG. 33 shows simulation results of the control device of the array antenna device of FIG. 1, in which a desired wave direction φ = 30 ° and an evaluation function | EV+
FIG. 34 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, where a desired wave direction φ = 30 °, and an evaluation function | EV−
FIG. 35 is a simulation result of the control device of the array antenna device of FIG. 1, where a desired wave direction φ = 30 °, and an evaluation function | EV| + |
FIG. 36 is a diagram illustrating a polarization component of a radio signal arriving at an array antenna device 150 according to the related art.
[Explanation of symbols]
A0: Exciting element,
A1 to A6, A11 to A16, A21 to A26, A38 to A43, A51 to A56...
1. Low noise amplifier (LNA),
2. Down converter,
3. A / D converter,
4 demodulator,
5 ... coaxial cable,
6 ... Circulator,
7 ... wireless transmitter,
11 ground conductor
12-1 to 12-6, 12-11 to 12-16, 12-21 to 12-26, 12-38 to 12-43 ... variable reactance element,
20 ... Adaptive control type controller,
21: learning sequence signal generator
22 input device,
100, 110, 111, 120, 121, 122, 130, 140 ... array antenna device,
200, 210 ... circumference.
Claims (10)
上記少なくとも1つの非励振素子を、ダイポールアンテナで構成しかつ上記励振素子に対して傾斜するように設けることにより、上記励振素子に平行な垂直偏波成分に加えて、水平偏波成分の無線信号を送受信することを特徴とするアレーアンテナ装置。An excitation element for transmitting and receiving a radio signal, at least one non-excitation element provided at a predetermined distance from the excitation element, and at least one variable reactance element respectively connected to the at least one non-excitation element By changing the reactance value of each of the variable reactance elements, an array antenna device that changes the directional characteristics by operating the at least one non-excitation element as a director or a reflector, respectively.
The at least one non-excitation element is formed of a dipole antenna and is provided so as to be inclined with respect to the excitation element, so that a radio signal of a horizontal polarization component in addition to a vertical polarization component parallel to the excitation element is provided. An array antenna device for transmitting and receiving data.
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