JP6663328B2 - Antenna adjustment method and communication device - Google Patents
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Description
本発明は、アンテナ調整方法及び通信装置に関する。 The present invention relates to an antenna adjustment method and a communication device .
無線通信において、OAM(Orbital Angular Momentum:軌道運動量)波を使用して、同じ周波数や偏波に加えて多重を行うことにより、通信容量を増加できると期待されている(例えば、非特許文献1、2参照)。OAM波は、軌道運動量を持つ電波である。この電波は進行方向に対して螺旋状に同位相となる。この螺旋状に位相が回転する数に応じてOAMモードが異なる。OAMモードL=1が1回転するのに対し、OAMモードL=2は倍の2回転となる。同様にOAMモードL=3は3倍の回転数、…である。これら複数のOAMモードに対しそれぞれ別々の無線信号が通信できる。さらに、このような特徴を持つOAM波はV(垂直)/H(水平)偏波や周波数チャネルなどと組合せて多重することもできる。 In wireless communication, it is expected that communication capacity can be increased by performing multiplexing in addition to the same frequency and polarization using OAM (Orbital Angular Momentum) waves (for example, Non-Patent Document 1). , 2). OAM waves are radio waves having orbital momentum. This radio wave has the same phase spirally with respect to the traveling direction. The OAM mode is different depending on the number of rotations of the phase in a spiral. The OAM mode L = 1 makes one rotation, whereas the OAM mode L = 2 doubles twice. Similarly, the OAM mode L = 3 is triple the number of rotations,. Separate radio signals can be communicated for each of the plurality of OAM modes. Furthermore, OAM waves having such characteristics can be multiplexed in combination with V (vertical) / H (horizontal) polarization, frequency channels, and the like.
OAM波を無線通信に利用するためには、切り込みがあるパラボラアンテナや段差を設けた誘電体に電波を透過させることもある。或いはOAM波を複数のパッチアンテナを円周上に配置し、アンテナ素子毎に所定の位相設定をすることによりOAM波を送受信するケースもある。 In order to use the OAM wave for wireless communication, a radio wave may be transmitted through a parabolic antenna having a notch or a dielectric having a step. Alternatively, the OAM wave may be transmitted and received by arranging a plurality of patch antennas on the circumference of the OAM wave and setting a predetermined phase for each antenna element.
送信方向に同位相が螺旋状に変化するOAM波を用いた無線通信を実現するためには、送受信間において送受信の軸の方向(送受信方向)を的確に調整する必要がある。例え僅かな軸ズレであっても、送信側の通信装置と受信側の通信装置との間で螺旋状の位相変化に違いが生じる。この軸ズレの影響により、OAM波の多重(例えばOAMモードL=−1とL=2など)の識別が困難となる場合がある。 In order to realize wireless communication using an OAM wave whose phase changes helically in the transmission direction, it is necessary to accurately adjust the direction of the transmission / reception axis (transmission / reception direction) between transmission and reception. Even if the axis is slightly misaligned, a difference occurs in the spiral phase change between the communication device on the transmitting side and the communication device on the receiving side. Due to the influence of the axis shift, it is sometimes difficult to distinguish the multiplexing of the OAM waves (for example, the OAM modes L = -1 and L = 2).
上記事情に鑑み、本発明は、OAM波の送受信方向を調整することができるアンテナ調整方法及び通信装置を提供することを目的としている。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an antenna adjustment method and a communication device that can adjust the transmission and reception direction of an OAM wave.
本発明の一態様は、OAM(Orbital Angular Momentum)波を受信する通信装置におけるアンテナ調整方法であって、前記通信装置の複数のアンテナ素子からなるアンテナが、他の通信装置から送信されたOAM波を受信する受信ステップと、前記通信装置の制御部が、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける受信信号の位相に基づいて、前記アンテナにおける電波受信方向のズレの角度を求め、求められた前記角度に基づいて前記アンテナの垂直方向の向きの調整と前記アンテナの水平方向の向きの調整とを個別に行う制御ステップと、を有し、前記制御ステップにおいては、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける前記受信信号の位相と、前記他の通信装置から送信されたOAM波を前記アンテナが受信したときの、前記アンテナにおける電波受信方向のズレの角度に対する前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける受信信号の位相変化の特性とに基づいて、前記アンテナにおける電波受信方向の垂直方向又は水平方向のズレの角度を求める。 One aspect of the present invention provides an antenna adjusting method in a communication apparatus that receives the OAM (Orbital Angular Momentum) waves, the antenna comprising a plurality of antenna elements before Symbol communications device, transmitted from another communication device a receiving step of receiving the OAM wave, the control unit of the previous SL communications device, before based on your Keru phase of the received signal to each of Kifuku number of antenna elements, prior to radio wave reception direction of displacement in Kia antenna obtains an angle, have a, and a control step of performing separately the adjustment of the horizontal direction of the adjustment and before Kia antenna vertical orientation before Kia antenna based on the angle obtained, the control In the step, the phase of the reception signal in each of the plurality of antenna elements and the OAM wave transmitted from the other communication device, the antenna when the antenna receives, A vertical or horizontal deviation angle of the radio wave receiving direction of the antenna is obtained based on a characteristic of a phase change of a received signal in each of the plurality of antenna elements with respect to the deviation angle of the radio wave receiving direction.
本発明の一態様は、上述したアンテナ調整方法であって、前記制御ステップにおいては、前記アンテナを回転させたときの異なる2つの角度について前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける前記受信信号の位相を取得し、前記複数のアンテナ素子のそれぞれについて取得した前記受信信号の2つの位相の差である位相変化量を計算し、前記位相変化量と前記位相変化の特性とに基づいて、前記アンテナにおける電波受信方向の垂直方向又は水平方向のズレの角度を求める。 One aspect of the present invention is an above-described antenna adjustment method, in the control step, two different angles For additional details about the received signal to each of the plurality of antenna elements when rotating the pre Kia antenna And a phase change amount, which is a difference between two phases of the received signal obtained for each of the plurality of antenna elements, is calculated based on the phase change amount and the characteristic of the phase change. determining the angle of deviation in the vertical direction or the horizontal direction of the radio wave receiving direction of Kia container.
本発明の一態様は、上述したアンテナ調整方法であって、前記制御部が、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける前記受信信号の位相に基づいて、水平方向又は垂直方向の調整が必要か否かを判断する判断ステップをさらに有し、前記制御ステップにおいては、前記判断ステップにより垂直方向の調整が必要と判断された場合に前記アンテナの垂直方向の回転の調整を行い、前記判断ステップにより水平方向の調整が必要と判断された場合に前記アンテナの水平方向の回転の調整を行う。 One aspect of the present invention provides an antenna adjusting method described above, the control section, before based on the phase of Kifuku number of each contact Keru the received signal of the antenna element, the adjustment of the horizontal or vertical direction further comprising a determination step of determining whether necessary or not, in the control step, adjusts the rotation of the front Kia antenna vertical when it is determined that required vertical adjustment by the determining step, adjust the rotation of the horizontal direction before Kia container when it is determined that required horizontal adjustment by the determining step.
本発明の一態様は、OAM(Orbital Angular Momentum)波を受信する通信装置であって、他の通信装置から送信されたOAM波を受信する複数のアンテナ素子からなるアンテナと、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける受信信号の位相に基づいて、前記アンテナにおける電波受信方向のズレの角度を求め、求められた前記角度に基づいて前記アンテナの垂直方向の向きの調整と前記アンテナの水平方向の向きの調整とを個別に行う制御部とを備え、前記制御部は、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける前記受信信号の位相と、前記他の通信装置から送信されたOAM波を前記アンテナが受信したときの、前記アンテナにおける電波受信方向のズレの角度に対する前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける受信信号の位相変化の特性とに基づいて、前記アンテナにおける電波受信方向の垂直方向又は水平方向のズレの角度を求める。 One aspect of the present invention, OAM a communication device for receiving (Orbital Angular Momentum) waves, the antenna comprising a plurality of antenna elements for receiving OAM wave transmitted from another communication apparatus, before Kifuku number of based on the phase of your Keru received signal to each antenna element, prior to seeking an angle of deviation of the radio wave receiving direction of Kia container, adjustment of the vertical orientation of Kia container before on the basis of the angle obtained and and a control unit that performs separately the adjustment of the horizontal direction of the previous Kia antenna, wherein the control unit includes a phase of the received signal at each of the plurality of antenna elements is transmitted from the other communication apparatus When the antenna receives the OAM wave, the characteristic of the phase change of the received signal in each of the plurality of antenna elements with respect to the angle of deviation of the radio wave receiving direction of the antenna. The angle of deviation of the radio wave receiving direction in the antenna in the vertical direction or the horizontal direction is obtained based on
本発明の一態様は、上述した通信装置であって、前記制御部は、前記アンテナを回転させたときの異なる2つの角度について前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける前記受信信号の位相を取得し、前記複数のアンテナ素子のそれぞれについて取得した前記受信信号の2つの位相の差である位相変化量を計算し、前記位相変化量と前記位相変化の特性とに基づいて、前記アンテナにおける電波受信方向の垂直方向又は水平方向のズレの角度を求める。 One aspect of the present invention is an above-described communication device, the control unit, two different angles for the phase of our Keru the received signal to each of the plurality of antenna elements when rotating the pre Kia antenna It acquires the phase change amount which is the difference between the two phases of the received signal acquired for each of the plurality of antenna elements to calculate, on the basis on the characteristic of the phase change amount and the phase change, before Kia The vertical or horizontal deviation angle of the radio wave receiving direction in the antenna is obtained.
本発明により、OAM波の送受信方向を調整することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to adjust the transmission / reception direction of the OAM wave.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態による通信システム1の構成図である。同図では、OAM(Orbital Angular Momentum:軌道運動量)波の送受信アレイアンテナの方向調整に関わる構成を抽出して示している。同図に示す通信システム1は、通信装置10及び通信装置20を備える。以下では、OAM波の送信を行う通信装置10又は通信装置20を「送信側」、OAM波の受信を行う通信装置10又は通信装置20を「受信側」とも記載する。以下では、送信側が通信装置10であり、受信側が通信装置20である場合を例に説明する。また、以下では、送信側からの電波の放射方向をY軸、Y軸に直交する水平方向をX軸、垂直方向をZ軸とする。また、軸ズレとは、送信側が信号を送信する方向を送信軸とし、受信側が信号を受信する方向を受信軸としたときの、送信軸と受信軸のズレ(差分)である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a
通信装置10は、信号発生部11、位相調整部12、アレイアンテナ13、軸ズレ推定・制御部15、可動部16及び制御無線部17を備える。例えば、通信装置10は、信号発生部11、位相調整部12及びアレイアンテナ13を備える既存の通信装置に、軸ズレ推定・制御部15、可動部16及び制御無線部17を追加することにより実現することができる。一方、通信装置20は、アレイアンテナ21、位相調整部23、信号復調部24、位相測定部25、軸ズレ推定・制御部26、可動部27及び制御無線部28を備える。
例えば、通信装置20は、アレイアンテナ21、位相調整部23及び信号復調部24を備える既存の通信装置に、位相測定部25、軸ズレ推定・制御部26、可動部27及び制御無線部28を追加して実現することができる。
The
For example, the
各装置が送受信において共用する機能部は、通信装置10では位相調整部12、アレイアンテナ13、軸ズレ推定・制御部15、可動部16及び制御無線部17であり、通信装置20ではアレイアンテナ21、位相調整部23、軸ズレ推定・制御部26、可動部27及び制御無線部28である。つまり、通信装置10が受信側である場合には、位相調整部12、アレイアンテナ13、軸ズレ推定・制御部15、可動部16及び制御無線部17のそれぞれが、受信側の通信装置20の位相調整部23、アレイアンテナ21、軸ズレ推定・制御部26、可動部27及び制御無線部28と同様の動作を行う。通信装置20が送信側である場合には、位相調整部23、アレイアンテナ21、軸ズレ推定・制御部26、可動部27及び制御無線部28のそれぞれが、送信側の通信装置10の位相調整部12、アレイアンテナ13、軸ズレ推定・制御部15、可動部16及び制御無線部17と同様の動作を行う。なお、同図においては、通信装置10には、受信で必要な信号復調部24及び位相測定部25の記載を省略しており、通信装置20には、送信に必要な信号発生部11の記載を省略している。以下に、通信側の通信装置10及び受信側の通信装置20それぞれの構成を述べる。
The functional units shared by the respective devices in transmission and reception are the
<送信側の構成>
信号発生部11は、無線通信に用いる送信信号を発生する機能を持ち、必要があれば送信信号の変調も行う。位相調整部12は、信号発生部11が発生させた送信信号に対して、アレイアンテナ13の各アンテナ素子14に応じて異なる所定の位相を加える。アレイアンテナ13は、送信用のアレイアンテナであり、複数のアンテナ素子14を有する。同図では、アレイアンテナ13が、8素子のアレイアンテナであり、8個のアンテナ素子14を備える例を示している。この各アンテナ素子14への入力信号それぞれは、位相調整部12により位相調整される。アレイアンテナ13は、これら位相調整された送信信号をOAM波として送出する。
<Configuration of transmitting side>
The
軸ズレ推定・制御部15は、自装置が受信側であるときに、受信信号から得た位相などの情報を基にして、アレイアンテナ13の回転による軸ズレを推定する。軸ズレ推定・制御部15は、この推定した軸ズレの情報に基づいて、可動部16を制御するよう指示する。
The axis deviation estimating / controlling unit 15 estimates the axis deviation due to the rotation of the
可動部16は、自装置が受信側であるときに、アレイアンテナ13の受信方向を2軸回転により変えるための機構を有する。可動部16は、この時、アレイアンテナ13に対しZ軸回転とX軸回転の2軸回転によりを行い、アレイアンテナ13の受信方向を変更する。
The
制御無線部17は、制御無線により通信装置10と通信装置20との間の通信を行う。制御無線は、OAM波の通信とは別の無線である。制御無線部17は、この制御無線により、通信装置20との間で制御通信を行う。制御無線部17は、受信側の通信装置20との間で軸ズレの調整に関する情報を送受信する。この制御無線を用いて、受信側回転の調整開始・完了を送受信間で通知・確認する。
The
なお、図1では無線通信により制御通信を行う場合を示しているが、通信装置10と通信装置20が関係情報をやり取りできれば有線通信を行ってもよい。この場合には、通信装置10は、制御無線部17に代えて、通信装置20と有線により通信する「制御通信部」を備える。
Although FIG. 1 shows a case where control communication is performed by wireless communication, wired communication may be performed as long as the
<受信側の構成>
アレイアンテナ21は、受信用のアレイアンテナであり、複数のアンテナ素子22を備える。アレイアンテナ21は、送信用のアレイアンテナ13から送信されたOAM波を受信する。同図では、アレイアンテナ21が、送信用のアレイアンテナ13と同じ8素子のアレイアンテナである例を示している。ただし、必ずしも受信用のアレイアンテナ21の素子数を、送信用のアレイアンテナ13の素子数と同じにする必要はない。アレイアンテナ21が無線により受信した受信信号は位相調整部23に渡される。
<Configuration of receiving side>
The
位相調整部23は、送信側に対応して、各アンテナ素子22それぞれが受信した信号に位相を加える調整を行う。位相調整部23は、位相調整後の受信信号を信号復調部24へ受け渡す。位相調整部23は、送信側のアレイアンテナ13の素子数と受信側のアレイアンテナ21の素子数とが異なる場合、送信側のアレイアンテナ13のアンテナ素子14と位相調整に対応して、受信側のアレイアンテナ21が備えるアンテナ素子22の素子数や配置を考慮し、受信信号の位相調整を行う。信号復調部24は、位相調整された受信信号を受け、送信側で施された変調に応じた復調を行い、通信情報を出力する。
The
位相測定部25は、受信用のアレイアンテナ21の全てのアンテナ素子22それぞれにおいて受信した信号を受け、これら信号の位相を測定する。位相測定部25は、測定された位相の情報を、軸ズレ推定・制御部26へ渡す。
The
軸ズレ推定・制御部26は、位相測定部25から渡された位相情報に基づいてアレイアンテナ21の回転による軸ズレを推定する。軸ズレ推定・制御部26は、この推定した軸ズレの情報に基づいて、可動部27を制御するよう指示する。
The axis deviation estimating / controlling
可動部27は、軸ズレ推定・制御部26からの指示に従ってアレイアンテナ21を2軸回転させ、軸ズレを補正する機構を有する。
The
制御無線部28は、受信側回転の調整開始・完了を送受信間で通知・確認する。なお、通信装置20は必ずしも無線でなくても有線により送受信間の制御通信を行ってもよい。この場合、通信装置20は、制御無線部28に代えて有線で通信装置10と通信する制御通信部を備える。
The
図2〜図4は、OAM波の特徴と生成を示す図である。OAM波は、位相が螺旋状に変化する電波である。図2〜図4では、送信側の通信装置10が、送信用のアレイアンテナ13を用いてOAM波を送信し、受信側の通信装置20が、その送信されたOAM波を、送信用のアレイアンテナ13と同様の受信用のアレイアンテナ21を用いて受信する。アレイアンテナ13の各アンテナ素子14への入力信号には位相がそれぞれ設定される。位相の設定により、OAM波のモードLを変更できる。
2 to 4 are diagrams showing characteristics and generation of the OAM wave. The OAM wave is a radio wave whose phase changes spirally. 2 to 4, the
図2は、モードL=1のOAM波の特徴と生成を示す。モードL=1では、アレイアンテナ13の全アンテナ素子14を1周して位相が2π(つまり360[°])となるように各アンテナ素子14に対する位相が設定される。例えば、同図に示すように1周が8素子の場合、隣り合うアンテナ素子14間の位相の変化をπ/4(45[°])とする。
FIG. 2 shows the characteristics and generation of an OAM wave of mode L = 1. In mode L = 1, the phase for each
図3は、モードL=2のOAM波の特徴と生成を示す。モードL=2では、アレイアンテナ13の全アンテナ素子14を1周して、位相が4π(つまり720[°])となるように各アンテナ素子14に対する位相が設定される。1周が8素子の場合には、隣接するアンテナ素子14間では位相がπ/2(90[°])となる。モードL=2では、モードL=1の螺旋に比べて2倍の回転となる。
FIG. 3 shows the characteristics and generation of an OAM wave of mode L = 2. In the mode L = 2, the phase for each
図4は、モードL=−1のOAM波の特徴と生成を示す。モードL=−1では、アレイアンテナ13の全アンテナ素子14を1周して、位相が−2π(−360[°])になるように各アンテナ素子14に対する位相が設定される。1周が8素子の場合、隣接するアンテナ素子14間では位相が−π/4(−45[°])となる。このモードL=−1は、モードL=1での螺旋の回転に対して逆転の螺旋となる。
FIG. 4 shows the characteristics and generation of an OAM wave of mode L = -1. In the mode L = -1, the phase for each
さらに、モードL=3、L=4、L=5、…の場合、アレイアンテナ13の全アンテナ素子14による1周で設定される位相は、6π、8π、10π、…(1080[°]、1440[°]、1800[°]、…)である。上記と同様に1周が8素子の場合には、モードL=3、L=4、L=5、…のとき、隣接するアンテナ素子14間の位相は、3π/4、π、5π/4、…(135[°]、180[°]、225[°]、…)となる。また、モードL=−2、L=−3、L=−4、…の場合、アレイアンテナ13の全アンテナ素子14による1周で設定される位相は、−4π、−6π、−8π、…(−720[°]、−1080[°]、−1440[°]、…)である。上記と同様に1周が8素子の場合には、モードL=−2、L=−3、L=−4、…のとき、隣接するアンテナ素子14間の位相は、−π/2、−3π/4、−π、…(−90[°]、−135[°]、−180[°]、…)となる。
Further, in the case of modes L = 3, L = 4, L = 5,..., The phases set in one round by all the
受信側のアレイアンテナ21のアンテナ素子22が受信した信号は、位相調整部23により、上述したOAMモードに応じた位相、つまり送信側のアンテナ素子14に対応した位相調整が施される。
The signal received by the
図2〜図4に示すように、送信側のアレイアンテナ13および受信側のアレイアンテナ21が8素子の場合、モードL=1のとき、受信側の調整位相は、送信側の調整位相0[°]、45[°]、90[°]、…、315[°]に対応して、315[°]、270[°]、225[°]、…、0[°]となる。また、モードL=2の場合、受信側の調整位相は、送信側の調整位相0[°]、90[°]、180[°]、…、630[°]に対応して、630[°]、540[°]、450[°]、…、0[°]となる。さらに、モードL=−1のとき、受信側の調整位相は、送信側の調整位相0[°]、315[°](−45[°])、270[°](−90[°])、…、45[°](−315[°])に対応して、45[°](−315[°])、90[°](−270[°])、135[°](−225[°])、…、0[°]となる。
As shown in FIGS. 2 to 4, when the
ここで、図5〜図7を用いて軸回転の軸ズレの影響を説明する。
図5は、受信側がZ軸回転した状態を示す図である。図6及び図7は、図5に示すZ軸回転による軸ズレの影響を示す図である。
Here, the influence of the shaft deviation of the shaft rotation will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 is a diagram illustrating a state where the receiving side has rotated in the Z axis. FIG. 6 and FIG. 7 are diagrams showing the influence of the axis shift due to the Z-axis rotation shown in FIG.
図5において、Z軸回転がないときのアレイアンテナ21をアレイアンテナ21a、Z軸回転があるときのアレイアンテナ21をアレイアンテナ21bと記載している。また、アレイアンテナ21aのアンテナ素子22をアンテナ素子22a、アレイアンテナ21bのアンテナ素子22をアンテナ素子22bと記載している。図5〜図7からは、次の様な点が分かる。
In FIG. 5, the
(1)受信側がZ軸回転した場合でも、受信側のアレイアンテナ21がある平面内でZ軸上だけは、受信側が軸回転する前後とで比較して変化は無い。
(1) Even when the receiving side rotates in the Z-axis, there is no change in the Z-axis only in the plane where the receiving-
(2)受信側のアレイアンテナ21にZ軸回転が発生した場合、送信側のアレイアンテナ13の中心Txからアレイアンテナ21の各アンテナ素子22までの距離は、Z軸からのアンテナ素子22の距離に応じて変化する。つまり、Z軸に近いアンテナ素子22においては送信側のアレイアンテナ13の中心Txからの距離のZ軸回転による変化は僅かである一方、Z軸と距離があるアンテナ素子22においては送信側のアレイアンテナ13からの距離のZ軸回転による変化は大きい。
(2) When the Z-axis rotation occurs in the
(3)受信側がZ軸回転した場合、送信側のアレイアンテナ13の中心Txから受信側のアレイアンテナ21の各アンテナ素子22それぞれへの方向は、Z軸上にないアンテナ素子22では変化する。
(3) When the receiving side rotates in the Z axis, the direction from the center Tx of the
なお、受信側のアレイアンテナ21の回転に対する軸ズレの影響による厳密な考察による受信側で得られる位相の計算は、第2の実施形態(図12〜図15、図18)で後述する。上述したように受信側のアレイアンテナ21の回転で、送受信間の距離の伸張、送受信方向の変化がある。送信側のアレイアンテナ13の中心Txと受信側のアレイアンテナ21の中心Roとの間の距離Dが受信側のアレイアンテナ21の開口径(半径ro)に比べ十分に長く(D≫ro)、かつ、受信側のアレイアンテナ21の回転の角度αRが数度以内の範囲(αR<5°)である場合、受信側の各アンテナ素子22においては送受信間の距離(送信側のアレイアンテナ13の中心Txから受信側の各アンテナ素子22までの距離)が主に位相を変化させる要因となる。この第1の実施形態では受信側の回転が受信側の位相を変化させる事を大まかに捉え検討する。
Note that the calculation of the phase obtained on the receiving side by strict consideration due to the influence of the axis shift on the rotation of the
図6及び図7を参照して、図5に示すような受信側がZ軸回転した時、送受信間距離が変化した位相の影響を説明する。図6は受信側におけるZ軸回転後の受信側の各アンテナ素子22と送信側のアレイアンテナ13の中心Txからの距離の変化を示す。図7は、Z軸回転後の受信側の各アンテナ素子22の位相値を示す。
With reference to FIGS. 6 and 7, the influence of the phase in which the transmission / reception distance changes when the receiving side rotates in the Z axis as shown in FIG. 5 will be described. FIG. 6 shows a change in distance from the center Tx of each
まず、図7の上の図に示すように、アレイアンテナ21が備える8個のアンテナ素子22をそれぞれ、アンテナ素子a、b、c、d、e、f、g、hとする。Z軸回転していない時、Z軸から各アンテナ素子までの距離は、4つのアンテナ素子a、d、e、hが同じで短く、その他のアンテナ素子b、c、f、gが同じで長い。また図6は、送受信側を含めてZ軸のプラス側である上から見た平面図である。この図6においてアンテナ素子a〜hの位置は、上から見るとアンテナ素子aとアンテナ素子dが同じ位置となり、アンテナ素子bとアンテナ素子c、アンテナ素子eとアンテナ素子g、アンテナ素子gとアンテナ素子fがそれぞれ同じ位置になる。これら同じ位置のアンテナ素子22の組は、Z軸を中心に受信側のアレイアンテナ21を回転させた場合でも、変わらない。従って、Z軸回転前後で、各アンテナ素子22の組ごとに、送信側のアレイアンテナ13との距離が変化している。この距離の変化により、アンテナ素子a及びアンテナ素子dの位相が+p変化し、アンテナ素子b及びアンテナ素子cの位相は+q変化すると仮定する。この場合、これらアンテナ素子とは反対に残りのアンテナ素子22では、同じZ軸回転前後で逆のアンテナ距離の変化が生じ、アンテナ素子e及びアンテナ素子hの位相は−p変化し、アンテナ素子g及びアンテナ素子fの位相は−q変化する。
First, as shown in the upper part of FIG. 7, the eight
図7の下側に示す表にはZ軸回転があるときの受信側の各アンテナ素子a〜hの位相と、OAMモードL=2でありZ軸回転がないときの位相を示す。この表のアンテナ素子の欄において、上述したアンテナ素子a〜hに続いて括弧“()”内に示す数値は、OAM波のモードL=1であると仮定したときのZ軸回転がない場合の位相を示す。この位相は、X−Z平面において、受信側のアレイアンテナ21の中心Roを円の中心として、0°のX軸と各アンテナ素子a〜hが成す中心角、つまりそのアンテナ素子の位置を示す。また位相の欄は、Z軸回転があるときに各アンテナ素子a〜hにより得られる位相を示す。この表では上述した+p=18[°]、+q=54[°]であるときの位相が、簡単な計算で求められる。さらに同表の(L=2)欄では、OAM波がモードL=2のときに受信側のアレイアンテナ21がZ軸回転していない場合に得られる各アンテナ素子a〜hの位相を示す。
The table on the lower side of FIG. 7 shows the phases of the antenna elements a to h on the receiving side when the Z-axis rotation is performed and the phases when the OAM mode L = 2 and the Z-axis rotation is not performed. In the column of antenna elements in this table, numerical values shown in parentheses “()” following the above-mentioned antenna elements “a” to “h” indicate the case where there is no Z-axis rotation when the mode L of the OAM wave is assumed to be L = 1. Shows the phase of This phase indicates a central angle formed by the X axis of 0 ° and each of the antenna elements a to h with respect to the center Ro of the
この図7の下側の表から分かるように、受信側のアレイアンテナ21がZ軸回転すると、各アンテナ素子a〜hのそれぞれの位相値が、本来のOAM波のモードL=1よりも別のモードL=2の時に近い値となる。すなわち、表中において破線枠で囲まれたアンテナ素子a、b、g、hのように半数のアンテナ素子22が本来とは異なるOAM波のモードL=2と誤った識別になる。従って、図5に示す軸ズレの状態で全てのアンテナ素子a〜hの位相はOAMモードL=1による送信において(当然、他のOAMモードL=−1、L=2、…などの送信においても)受信が上手くできない。
As can be seen from the lower table of FIG. 7, when the
上記では、受信側でのZ軸回転の軸ズレについて示したが、X軸回転の軸ズレについても同様の問題が生じる。以下では、このようにOAM波を使用する無線通信において課題となる受信側でのZ軸回転およびX軸回転による軸ズレを調整するために必要な機構及び調整法を説明する。 In the above, the axis shift of the Z-axis rotation on the receiving side has been described, but the same problem occurs with the axis shift of the X-axis rotation. Hereinafter, a mechanism and an adjustment method necessary for adjusting the axis shift due to the Z-axis rotation and the X-axis rotation on the receiving side, which is a problem in the wireless communication using the OAM wave, will be described.
図8は、位置ズレ・方向ズレを調整する可動部27の構成例を示す図である。同図に示す構成例の可動部27は、2軸(X軸、Z軸)を中心としてアレイアンテナ21を回転させる機能がある。Z軸は垂直軸、Y軸は電波の放射方向、X軸はZ軸及びY軸に垂直な水平軸である。同図では、8素子のアンテナ素子22を円状に配置したアレイアンテナ21を例に挙げている。アレイアンテナ21の板31は、複数の背面支持部32により、背面板及び外枠33に接続される。同図は、各背面支持部32の設置位置は、四角のアレイアンテナ21を支える板31の左右上下の4辺それぞれの中央から中心に移動した位置である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the
同図に示す可動部27の軸回転は、左側の吹き出し内に示すように、複数ある背面支持部32を伸縮させることにより実現される。この吹き出しに示した左右の2つの背面支持部32のうち、片方が伸張し、他方が収縮することで、Z軸を中心とする回転(垂直軸回転)が実現される。吹き出し内の下側は上面図であり、アレイアンテナ21を取り付ける板31をZ軸で回転させている(垂直軸回転の)様子が分かる。このZ軸の回転に伴い、電波の放射方向がY軸から左右に方向を変えている。以上のような垂直軸回転に加えて、X軸を中心とする回転(水平軸回転)には、上下に位置する2つの背面支持部32の伸縮を利用する。上下の背面支持部32の伸縮により、上述した左右の背面支持部でZ軸回転させたのと同様に、X軸を中心とする回転(水平軸回転)が実現される。
The axial rotation of the
なお、背面支持部32の位置は、四角のアレイアンテナ21を支える板31の左右上下の4辺それぞれの中央付近とは限らない。例えば、四角の4隅を背面支持部32の位置としてもよい。この場合は、X軸回転とZ軸回転のための背面支持部32の伸縮は、上述したように背面支持部32の設置位置を、四角の板31の四辺の中央から中心に寄った位置とした場合とは多少異なる。例えば、Z軸回転では、右側の辺の上下の隅にある2組の背面支持部32に同時に同じ伸縮をさせ、左側の辺の上下の隅にある2組の背面支持部32に同時に逆の伸縮をさせる。
The position of the
図9は、方向ズレを調整する可動部27の他の構成例を示す図である。同図に示す構成の可動部27は、先の図8と同様に、2軸で回転する機能がある。この図でも8素子のアンテナ素子22を円状に配置したアレイアンテナ21を、取付け板40に取り付けている。同図においても図8と同様に、Z軸は垂直軸、Y軸は電波の放射方向、X軸はZ軸及びY軸に垂直な水平軸である。X軸を中心とする回転(水平軸回転)を行うために、アレイアンテナ21の取付け板40を支持している左右のアーム44それぞれに、X軸回転する回転部45、46が備えられている。回転部45、46は、曲線矢印に示すように、前後に同じ方向に回転することによりX軸回転が実現される。
FIG. 9 is a diagram illustrating another configuration example of the
また、Z軸を中心とする回転(垂直軸回転)は、底面板41の上に立てられた支柱42を含めて、底面板41よりも上部の全ての部分がZ軸で回転できる回転部47により実現される。回転部47は、曲線矢印に示すようにZ軸回転する。その支柱42には、アレイアンテナ21の取付け板40を支持し、左右に伸びるアーム44が取り付けられる。従って、アーム44とアレイアンテナ21の取付け板40もZ軸で回転するので、上述したX軸の回転と併せ、2軸でアレイアンテナを回転できる。
The rotation about the Z axis (vertical axis rotation) is performed by the
さらに、図9に示す構成の可動部16は、Y軸で回転させる機構も追加して実現できる。左右に伸びるアーム44は、破線の矢印で示すようにアレイアンテナ21をY軸中心に回転させる回転部48により支柱42に接続される。
Further, the
図10は、三次元アレイからのサブアレイ選択によるアレイアンテナ21の2軸回転を説明する図である。同図では、多数のアンテナ素子232が並べられた三次元アレイ231から方向に応じたサブアレイを選択する。図10(a)は、三次元アレイ231を示す図である。三次元アレイ231には、多数のアンテナ素子232が直方体の領域に三次元配置された大規模アレイである。図10(b)は、図10(a)と同じアンテナ素子232の配置の三次元アレイ231を、上から見た図である。
FIG. 10 is a diagram for explaining biaxial rotation of the
図10(a)及び図10(b)では、三次元アレイ231の直方体の領域内で、2つの平面のサブアレイSA1、SA2を選択している。サブアレイSA1、SA2は、サブアレイ範囲として選択された2つの平面のサブアレイを示す。同図では、これらサブアレイSA1、SA2において利用されるアンテナ素子232を、サブアレイ範囲内に円状に配置される8素子である場合としている。サブアレイSA1、SA2において利用されるアンテナ素子232を、網掛けにより示している。
In FIGS. 10A and 10B, two plane sub-arrays SA1 and SA2 are selected in the rectangular parallelepiped region of the three-
図10(b)に示す、これら2つの選択されたサブアレイSA1、SA2を上から見た図面によれば、各サブアレイSA1、SA2の受信軸は異なっている。回転前のサブアレイSA1の受信軸をB1とすると、回転時のサブアレイSA2の受信軸はB2となる。図10に示すように、三次元アレイ231内に三次元に配置される多数のアンテナ素子232から複数個のアンテナ素子を適切に選択したサブアレイにより、またこのサブアレイからアンテナ素子232を選び直して別のサブアレイとすることにより、受信軸を回転させる操作が実現できる。
According to the top view of these two selected sub-arrays SA1 and SA2 shown in FIG. 10B, the receiving axes of each sub-array SA1 and SA2 are different. Assuming that the receiving axis of the sub-array SA1 before rotation is B1, the receiving axis of the sub-array SA2 during rotation is B2. As shown in FIG. 10, a plurality of
なお、この図10のようなサブアレイの選択を採用する場合は、図1に示す通信装置20は、可動部27に代えて、三次元アレイ231からサブアレイを選択する「サブアレイ選択機能部」を備える。
When the selection of the sub-array as shown in FIG. 10 is adopted, the
なお、図8〜図10では、軸ズレを調整するための受信側の可動部27の機構の例を示したが、送信側における軸ズレを調整するための可動部16の機構も、図8〜図10と同様である。図10に示すサブアレイの選択を採用する場合、図1に示す通信装置10は、可動部16に代えて、三次元アレイ231からサブアレイを選択するサブアレイ選択機能部を備える。
8 to 10 show an example of the mechanism of the
ここまで第1の実施形態では、OAM波を送受信するアレイアンテナの方向調整に関して、方向調整の可動機構(図8、図9)またはサブアレイの選択による方向調整の実現(図10)を示した。この後、第2の実施形態以降では、方向調整の処理について説明する。 In the first embodiment, the direction adjustment of the array antenna for transmitting and receiving the OAM wave has been described so far by realizing the direction adjustment movable mechanism (FIGS. 8 and 9) or the direction adjustment by selecting the sub-array (FIG. 10). Thereafter, in the second and subsequent embodiments, the direction adjustment processing will be described.
<第2の実施形態>
この第2の実施形態では、受信側での回転による軸ズレ調整について述べる。図11には、受信側回転ズレによる調整として、受信側回転による調整の動作フローを示す。
<Second embodiment>
In the second embodiment, a description will be given of an axis shift adjustment by rotation on the receiving side. FIG. 11 shows an operation flow of adjustment by rotation on the reception side as adjustment by rotation deviation on the reception side.
図11は、通信システム1における、受信側の軸回転による方向調整の動作フローを示す図である。この動作フローでは、受信側において受信側のアレイアンテナ21の垂直と水平の軸(Z軸とX軸)を回転させて送受信方向を調整する。また、この動作フローでは、Z軸とX軸の回転で段階的に調整を行う。この調整において、本来の方向に受信軸が合っているか否かの確認については、後で詳細を示す位相変化の特徴を用いて判定する。
FIG. 11 is a diagram illustrating an operation flow of the direction adjustment by the shaft rotation on the receiving side in the
同図に示す動作フローは、4つの段階、「調整の必要確認」、「受信側Z軸回転の調整」、「受信側X軸回転の調整」、「調整完了の確認」からなる。 The operation flow shown in the figure includes four steps, “confirmation of necessity of adjustment”, “adjustment of rotation of reception-side Z-axis”, “adjustment of rotation of reception-side X-axis”, and “confirmation of adjustment completion”.
同図に示す動作フローの「調整の必要確認」段階では、受信側の通信装置20の軸ズレ推定・制御部26が、「受信側Z軸回転の調整」段階に移行するために、受信側でZ軸回転による調整が不要か否か(又は調整が終了したか否か)を判定する(ステップS1105)。軸ズレ推定・制御部26は、受信側でZ軸回転の調整が必要と判定した場合(ステップS1105:YES)、次のステップS1110へ移行する。受信側の軸ズレ推定・制御部26は、受信側のZ軸回転調整を全範囲内で確認したか否かを判定する(ステップS1110)。
In the “adjustment necessity confirmation” stage of the operation flow shown in the figure, the axis deviation estimating /
受信側の軸ズレ推定・制御部26が、まだ受信側のZ軸回転調整の確認は全範囲分に達しないと判定した場合(ステップS1110:NO)、次に通信システム1は、第2段階である「受信側Z軸回転の調整」段階に進み、受信側のZ軸回転での調整を行う(ステップS1115)。ステップS1115の受信側のZ軸回転での調整処理においては、受信側の通信装置20のZ軸回転角を変更する。具体的には、ステップS1115の受信側のZ軸回転の調整処理において、受信側の通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、アレイアンテナ21が有する複数のアンテナ素子22のそれぞれが受信したOAM波の位相に基づき、受信側のZ軸回転の調整量を算出する。受信側の通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、算出した受信側のZ軸回転の調整量に基づき可動部27を制御し、アレイアンテナ21のZ軸回転角を変更する。ステップS1115の受信側のZ軸回転での調整処理の後、通信システム1は、最初のステップS1105に戻り、判定と受信側のZ軸回転の調整(ステップS1105〜ステップS1115)を繰り返す。
If the receiving-side axis deviation estimating /
なお、「調整の必要確認」を行うに当り、ステップS1105において、通信装置20は、制御無線を用いて通信装置10に「受信側Z軸回転の調整開始」を通知し、通信装置10及び通信装置20の間で、「受信側Z軸回転の調整開始」を確認している。この通知により、通信装置10のアレイアンテナ13は、軸回転調整に向けた試験信号のOAM波を送信する。通信装置20は、各アンテナ素子22が受信したOAM波の位相測定結果に基づく受信側Z軸回転調整の動作を開始する。ただし、送受信側の双方にオペレータを配備して、オペレータの指示により、予め決めた時刻に受信側Z軸回転調整の動作を開始すれば、制御無線による通知はなくてもよい。あるいは、オペレータを配備することなく、送受信側の双方で、タイマーにより、予め決めた時刻に受信側Z軸回転調整の動作を開始するようにしてもよい。
In performing “adjustment necessity confirmation”, in step S1105, the
受信側の通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、ステップS1105において受信側のZ軸回転による調整が不要(又は終了)と判定した場合(ステップS1105:NO)、受信側Z軸回転の調整(ステップS1105〜ステップS1115)が終了したと判断する。通信システム1は、第3段階の「受信側X軸回転の調整」段階、及び、最後の段階の「調整完了の確認」を合せた動作段階に移行する。ただし、受信側の通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、ステップS1110において受信側のZ軸回転調整を全範囲内で確認したと判定した場合(ステップS1110:YES)、受信側での回転調整の未完了を表示し(ステップS1140)、図11の動作フロー処理を終了する。
If the axis deviation estimating /
「受信側X軸回転の調整」段階に移行すると、受信側の通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、受信側でX軸回転による調整が必要か否かを判定する(ステップS1120)。軸ズレ推定・制御部26は、受信側でX軸回転による調整が必要と判定した場合(ステップS1120:YES)、続いて、受信側のX軸回転調整を全範囲内で確認したか否かを判定する(ステップS1125)。
When the process proceeds to the “adjustment of X axis rotation on the receiving side” stage, the axis misalignment estimation /
受信側の軸ズレ推定・制御部26は、まだ受信側のX軸回転調整の確認が全範囲分に渡っていないと判定した時(ステップS1125:NO)、受信側のX軸回転での調整を行う(ステップS1130)。ステップS1130における受信側のX軸回転での調整処理は、受信側の通信装置20のX軸回転角を変更する。この受信側X軸回転の調整処理において、まず、受信側の通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、アレイアンテナ21が有する複数のアンテナ素子22のそれぞれで受信したOAM波の位相に基づき、受信側におけるX軸回転の調整量を算出する。受信側の通信装置20は、算出した受信側におけるX軸回転の調整量に基づき可動部27を制御し、アレイアンテナ21のX軸回転角を変更する。ステップS1130の受信側のX軸回転での調整処理の後、通信システム1はステップS1120に戻り、再度受信側でX軸回転での調整が不要か/否かの判定と、受信側のX軸回転での調整を繰り返す(ステップS1120〜ステップS1130)。
When the reception-side axis deviation estimating /
なお、「受信側X軸回転の調整」へ移行する際に、通信装置20は、制御無線を用いて通信装置10に「受信側Z軸回転を終え、受信側X軸回転調整へ移行」を通知する。この通知により、通信装置10は、OAM波による軸回転調整の試験信号をアレイアンテナ13から送信し続け、通信装置20はそのOAM波の位相に基づいて受信側X軸回転調整を進める。しかし、制御無線を使わない場合、通信装置10は、予め受信側X軸回転調整と受信側Z軸回転調整に要する時間を想定し、これらを合せた時間内は軸回転調整のOAM波の試験信号を放射し続ける。
When shifting to “adjustment of reception-side X-axis rotation”, the
受信側の通信装置20の軸ズレ推定・制御部26が、ステップS1120において受信側でX軸回転による調整は不要(又は終了)と判定した場合(ステップS1120:NO)、通信システム1は回転調整を完了する(ステップS1135)。ステップS1135では、制御無線を用い、送受側と受信側が制御無線により、「受信側での回転調整完了」を知らせる。この受信側の通信装置20から「受信側での回転調整完了」の制御無線での通知により、送信側の通信装置10は「受信側での回転調整完了」を認識する。
If the axis misalignment estimation /
なお、受信側の通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、受信側X軸回転の調整途中で、受信側の全ての範囲のX軸回転調整を確認したと判定した場合(ステップS1125:YES)、回転調整の未完了を表示し(ステップS1140)、図11の動作フローを終了する。ステップS1140の処理では、制御無線を用い受信側から送信側へ「受信側での回転調整未完了」を通知する。
Note that the axis misalignment estimation /
上述したように、通信装置20は、制御無線を用いて通信装置10へ「受信側での回転調整完了」又は「受信側での回転調整未完了」を通知しているが、制御無線を用いない場合、上述した受信側X軸回転調整と受信側Z軸回転調整とに要すると想定される時間を超えたときに、通信装置10は、OAM波による通信を試みる。このOAM波で通信ができない、若しくはエラー率が満足できない場合、通信装置10は、軸調整が不調と判断する。
As described above, the
ここまで、Z軸とX軸の回転により段階的に受信側のアレイアンテナ21の方向を調整する方法を挙げた。それぞれの回転による調整が不要か否かの判定は、軸の回転による位相変化の特徴に基づく。以下、調整が必要かの判定に使用する、軸回転による位相変化の特徴の幾つかの例と、その特徴を用いた調整の詳細な処理を説明する。
The method of adjusting the direction of the receiving-
<第2の実施形態の詳細な処理の例1>
図12及び図13は、受信側回転での位相計算を説明するための図である。図12は、受信側のアレイアンテナ21がZ軸回転したときの状態を示す図である。送信側のアレイアンテナ13の中心Txと受信側のアレイアンテナ21の中心Roとの間の距離はD[m]であり、送信側・受信側とも8素子を円周上に配置したアレイアンテナを想定する。またZ軸を中心に受信側のアレイアンテナ21を角度αRだけ回転させる。回転前のアレイアンテナ21をアレイアンテナ21aと記載し、回転後のアレイアンテナ21をアレイアンテナ21bと記載している。
<Detailed processing example 1 of the second embodiment>
FIG. 12 and FIG. 13 are diagrams for explaining phase calculation in rotation on the receiving side. FIG. 12 is a diagram illustrating a state when the receiving-
図13は、図12に示すように受信側のアレイアンテナ21のZ軸を角度αR回転させたときの上面図である。図13に示すように、Z軸回転がないときの受信側のアレイアンテナ21a上の受信円C3、Z軸回転があるときの受信側のアレイアンテナ21b上の受信円C4、位相を求めるための計算補助円C5の3つの円を考え、受信側のアンテナ素子22bでの位相を計算する。
Figure 13 is a top view in which the angle α is R rotating the Z-axis of the receiving
図12及び図13では受信側に回転ズレがある場合の各アンテナ素子位置での位相を示している。ここで、同図におけるパラメータ条件の定義について述べる。送受信間(通信装置10と通信装置20の間)の距離はDである。Z軸回転がない受信側のアレイアンテナ21aにおいて、円周上に全てのアンテナ素子22aを配置する円が受信円C3となる。この受信円C3は、Z軸回転があると受信円C4となる。つまり受信円C4は、Z軸回転があるときの受信側のアレイアンテナ21bにおいて、円周上に全てのアンテナ素子22bを配置する円である。受信円C3の中心を点Ro、送信側の全てのアンテナ素子14を配置する円の中心を点Txとした場合、距離Dは、点Tx−Roの間の距離である。受信側のあるアンテナ素子22aの位置は、受信円C3における中心角θo[°]と広がり角β[°]により決まる。従って、受信側のアンテナ素子22aが配置される受信円C3の半径はD・tanβとなる。
FIGS. 12 and 13 show the phase at each antenna element position when the receiving side has a rotational displacement. Here, the definition of the parameter conditions in FIG. The distance between transmission and reception (between the
図12に示す受信側のアレイアンテナ21aの例では、円状に8素子のアンテナ素子22aを配置する。中心角θo=22.5[°]、67.5[°]、112.5[°]、…、337.5[°]のアンテナ素子22aをそれぞれ、アンテナ素子a、b、c、…、hとする。そして、ズレ回転角(軸ズレ回転角ともいう)αR[°]だけ、受信側のアレイアンテナ21aがZ軸回転しており、図12ではアレイアンテナ21bとして示されている。この回転ズレによる位相の値(位相変化)をθ3[°]とする。OAMモードL=1の場合、回転ズレのない(本来の)アンテナ素子22aの位相を、ここでは簡単に検討できるよう仮に中心角θoと同じとして検討する。この仮定を同様に適用し、回転ズレの位相も軸ズレのある時は放射方向のY軸に対し垂直なXZ平面で位相を求めるための計算補助円C5を考え、計算補助円C5におけるY軸を中心(点R1)として受信側のアンテナ素子22bの位置を見る中心角をθ1とする。加えて送信側からの距離に関する位相変化θ2を加算し、受信側のアレイアンテナ21の回転による位相変化θ3(=θ1+θ2)を求める。これにより軸ズレに伴う位相の変化の程度となる位相差Δθ3(=θ3−θo)も計算できる。
In the example of the receiving-
なお、ここではOAMモードL=1の場合を前提にする簡単な検討であるが、仮にOAMモードL=2の場合は回転ズレのない(本来の)位相が中心角θoに対し2倍と考える。アンテナ素子22が8素子のアンテナ素子a、b、c、…、hに対し、45[°]、135[°]、225[°]、…、675[°](315[°])とする。さらに、別の仮定でOAMモードL=3は中心角θoに対し3倍と考え、同じアンテナ素子22の条件に対し、67.5[°]、202.5[°]、337.5[°]、…、1012.5[°](292.5[°])とする。或いは別の仮定でOAMモードL=−1では中心角θoに対し−1倍、同条件で−22.5[°](337.5[°])、−67.5[°](292.5[°])、−112.5[°](247.5[°])、…、−337.5[°](22.5[°])、つまりプラスマイナス(±)符号が反転すると考える。
Note that, here, a simple study is based on the assumption that the OAM mode L = 1. However, if the OAM mode L = 2, the (original) phase without rotational displacement is considered to be twice the center angle θo. . .., H, the
また、この図12では円状に配置する素子数を8個としたが、例えば素子数を12個とすると、12個のアンテナ素子22の中心角θoはそれぞれ、15[°]、45[°]、75[°]、…、345[°]になる。さらに、素子数が18個なら、18個のアンテナ素子22の中心角θoは、10[°]、30[°]、50[°]、…、350[°]となる。
In FIG. 12, the number of elements arranged in a circle is eight. However, if the number of elements is 12, for example, the central angles θo of the twelve
図14および図18は、受信側の回転ズレがある時の各受信アンテナ位置における位相変化の特徴を示す位相計算グラフである。以降は、図14に示す位相計算グラフを位相計算グラフ(1)とし、図18に示す位相計算グラフを位相計算グラフ(2)と記載する。図14と図18では、先の図12に示す条件で、一例として受信側のズレ回転角αRを−6〜6[°]まで変化させた場合の位相変化θ3を示す。 FIG. 14 and FIG. 18 are phase calculation graphs showing characteristics of a phase change at each receiving antenna position when there is a rotational deviation on the receiving side. Hereinafter, the phase calculation graph shown in FIG. 14 is referred to as a phase calculation graph (1), and the phase calculation graph shown in FIG. 18 is referred to as a phase calculation graph (2). In Figure 14 and Figure 18, under the conditions shown in previous FIG. 12 shows the phase change θ3 in the case of changing the offset angle of rotation alpha R of the receiving side as an example to -6~6 [°].
図14に示す位相計算グラフ(1)にてプロットされた点は、中心角θoが受信側の異なる8つのアンテナ素子22の回転角αR=−6、−3、0、3、6[°]のときの位相変化θ3を表す。なお、送受信間距離Dは1.8m、周波数fは5.2GHz(波長λが5.769cm)とした。また、受信側のアンテナ素子22の位置については、広がり角β=8[°]のときの8個のアンテナ素子a、b、c、…、hそれぞれの位置(中心角θo=22.5[°]、67.5[°]、112.5[°]、…、337.5[°])を例とした。
The point plotted in the phase calculation graph (1) shown in FIG. 14 is that the center angles θo are the rotation angles α R of the eight
図14の位相計算グラフ(1)に示すように、ズレ回転角αRの変化に伴い、円周上にアンテナ素子22が配置された受信円C3の中心角θo=22.5[°]、67.5[°]、112.5[°]、…、337.5[°](グラフ中に点線で囲まれた8つのプロットの集合はそれぞれ各アンテナ素子a、b、c、…、hの位置に対応)に対して、位相変化θ3が違うことが分かる。さらに、受信側のズレ回転角αRが変化すると、図14の位相計算グラフ(1)に示すように、各アンテナ素子a〜hの位相変化θ3の値が変化する。そして、図18の位相計算グラフ(2)に示すように、位相差Δθ3はアンテナ素子a、b、c、…、hそれぞれの位置(θo=22.5[°]、67.5[°]、112.5[°]、…、337.5[°]に対応した線)に依存する。これらの変化の特徴から、各アンテナ素子22の位相を把握して受信側のズレ回転角αRを特定する。
As shown in the phase computation graph of FIG. 14 (1), with the change of shift rotation angle alpha R, center angle .theta.o = 22.5 reception circle C3 to the
この図14に示した、受信側回転の軸ズレがあるときの受信側の各アンテナ素子位置における位相変化の特徴は、図15及び図16に示す系から求められる。
図15は、位相計算をするための図形の全体を示す図であり、図16は、図15における回転による位相θ1に関する部分図を拡大して示す図である。
The characteristic of the phase change at each antenna element position on the receiving side when there is a rotational axis shift of the receiving side shown in FIG. 14 can be obtained from the systems shown in FIGS. 15 and 16.
FIG. 15 is a view showing the entire figure for calculating the phase, and FIG. 16 is an enlarged view showing a partial view related to the phase θ1 due to the rotation in FIG.
この図15において、送信側のアレイアンテナ13の中心となる点Txの座標を原点(0,0,0)に設定する。同図の受信側には、先の図12で触れた3つの円がある。すなわち、符号C3はZ軸回転がない受信円、符号C4はZ軸回転がある受信円、符号C5は位相を求めるための計算補助円である。これら2つの受信円C3、C4の中心である点Roの座標は(0,D,0)となる。そして受信円C3においてX軸から反時計回りに中心角θo[°]にあるアンテナ素子22の位置Rxを座標(Xo,D,Zo)とする。さらに、受信円C3上のアンテナ素子22の位置Rxから回転角αRだけZ軸回転させた受信円C4にあるそのアンテナ素子22の位置Rxを座標(X,D+Y,Z)とする。計算補助円C5は、受信円C4にあるアンテナ素子22の位置Rxを通り、X軸−Z軸平面と平行な面上のY軸を中心とする円である。計算補助円C5の中心を点R1とする。また、Z軸回転後の受信側のアンテナ素子22の位置RxをX−Y平面に投影した点をSrとする。
In FIG. 15, the coordinates of a point Tx serving as the center of the
ここで、図15から距離Ro−Rxを考える。先の記述にて、Z軸回転がない受信円C3上の半径がD・tanβ、つまり受信側のアンテナ素子22の位置Rxへの方向となる広がり角βの三角関数(tan)と送受信間距離のDとの積であると説明した。この広がり角βは、Y軸である送信側のアレイアンテナ13からの送信方向と、送信側のアレイアンテナ13の中心Txから見た受信側のアンテナ素子22の位置Rxへの方向とがなす角である。次に、この受信円C3の半径はZ軸回転させた受信円C4の半径と同じなので、距離Ro−RxはD・tanβである。また、図16からZ軸回転していない場合のアンテナ素子22の位置Rxの座標(Xo,D,Zo)およびこのアンテナ素子22のZ軸回転後の位置Rxの座標(X,D+Y,Z)について考える。
Here, the distance Ro-Rx is considered from FIG. In the above description, the radius on the receiving circle C3 having no Z-axis rotation is D · tan β, that is, the trigonometric function (tan) of the spread angle β that is the direction to the position Rx of the
最初に座標(X,D+Y,Z)のZの値について検討する。点Rxが受信円C4上にあるので、上述のようにRo−Rxが半径のD・tanβであり、受信円C3がZ軸回転して受信円C4になるのでX−Y平面と点Rx間の角度はθoである。従って点Rxの座標のZは、X−Y平面と点Rxとの間の距離(=Sr−Rxの距離)であり、角度θoの正弦(sin)とD・tanβ(Ro−Rxの距離)との積、すなわち、Z=D・tanβsinθoとなる。この式では、受信側のアレイアンテナ21のZ軸を中心とする回転とは無関係であるため、Zo=Z(=D・tanβsinθo)である。
First, consider the value of Z at the coordinates (X, D + Y, Z). Since the point Rx is on the receiving circle C4, Ro-Rx is the radius D · tanβ as described above, and the receiving circle C3 rotates in the Z axis to become the receiving circle C4. Is θo. Therefore, the coordinate Z of the point Rx is the distance between the XY plane and the point Rx (= distance of Sr-Rx), and the sine (sin) of the angle θo and D · tanβ (distance of Ro-Rx) , That is, Z = D · tan β sin θo. In this equation, Zo = Z (= D · tan β sin θo) because it is irrelevant to the rotation of the
位置Rxの座標(X,D+Y,Z)におけるXの値とYの値については、Z軸回転後の受信側のアンテナ素子22の位置RxをX−Y平面に投影した点Srと、受信側のアレイアンテナ21の中心の点Roの距離を考える。
Regarding the value of X and the value of Y at the coordinates (X, D + Y, Z) of the position Rx, a point Sr obtained by projecting the position Rx of the
まず、三角形RoRxSrにおいてRoの角度はθoである。また、Ro−Rxの距離は受信円C3の半径に等しく、D・tanβである。これらから三角形RoRxSrの点Roの角度θoでの余弦(cos)、つまりD・tanβcosθoがSr−Roの距離となる。 First, the angle of Ro in the triangle RoRxSr is θo. The distance Ro-Rx is equal to the radius of the receiving circle C3, and is D · tanβ. From these, the cosine (cos) of the point Ro of the triangle RoRxSr at the angle θo, that is, D · tanβcosθo, is the distance of Sr-Ro.
次に、三角形RoSrR1におけるSr−R1間の距離が求めたいXの値に、また、R1−Ro間の距離が求めたいYの値となる。ここで三角形RoSrR1における点Srの角度は、先のZ軸回転させた角度αRになっている。先に導いたSr−Ro間の距離D・tanβcosθoから、三角形RoSrR1における点Srの角度αRでの余弦(cos)となるD・tanβcosαRcosθoが点RxのXの座標値である。この式X=D・tanβcosαRcosθoにおいて、Z軸回転がないαR=0としたらcosαR=1となり、このZ軸回転していないアンテナ素子22の位置RxのX座標値がXoであるから、D・tanβcosθoとなる。
Next, the distance between Sr-R1 in the triangle RoSrR1 becomes the value of X to be obtained, and the distance between R1 and Ro becomes the value of Y to be obtained. Here the angle of the point Sr in the triangle RoSrR1 in is at an angle alpha R rotated previous Z-axis. From the distance D · tanβcosθo between previously led the Sr-Ro, which is the coordinate value of X of the cosine (cos) and becomes D · tanβcosα R cosθo the point Rx at an angle alpha R of the point Sr in triangular RoSrR1. In this equation X = D · tanβcosα R cosθo, next cos [alpha] R = 1 After that there is no rotation Z axis α R = 0, because the X coordinate values of the position
さらに同じ様に、三角形RoSrR1における点Srの角度αRの正弦(sin)から、Z軸回転後のアンテナ素子22の位置Rx(X,D+Y,Z)におけるYの値となるRo−R1距離を求めると、D・tanβsinαRcosθoになる。もし、この式Y=D・tanβsinαRcosθoからZ軸回転しない(αR=0)アンテナ素子22の位置RxのY軸での座標を得ようとしても、sinαR=0からD・tanβsinαRcosθo=0となる。すなわちZ軸回転しない時にアンテナ素子22の位置RxにおけるY軸での座標は、必ず送受信距離Dとなる。
More same way, from the sine (sin) of the angle alpha R of the point Sr in triangular RoSrR1, position
以上の受信円C3と受信円C4の関係からアンテナ素子位置の点Rxの座標を整理すると、次のように関係式(1)〜式(5)が挙げられる。 When the coordinates of the point Rx at the antenna element position are arranged based on the relationship between the reception circle C3 and the reception circle C4, the following relational expressions (1) to (5) can be given.
ここで、回転がある受信円C4の中心角θoに対して、回転による位相θ1(計算補助円C5の中心角θ1)について求めるため、その余弦を取ると次式(6)となる。 Here, in order to obtain the phase θ1 due to rotation (the center angle θ1 of the calculation assisting circle C5) with respect to the center angle θo of the receiving circle C4 having a rotation, the cosine is obtained as the following equation (6).
この式(6)は、式中のX、Zに先の式(1)〜(3)を代入し、式変形の途中に分子分母をD・tanβで約分して整理した。そして、式(6)から受信側回転による位相θ1を求める式(7)が導出される。 In Equation (6), the above Equations (1) to (3) are substituted for X and Z in the equation, and the numerator denominator is reduced by D · tan β during the equation transformation to arrange. Then, Expression (7) for obtaining the phase θ1 due to the rotation on the receiving side is derived from Expression (6).
また、受信側のアレイアンテナ21の回転による送受信間の距離差からの追加位相θ2を求めるため、受信側回転がない場合と、Z軸の受信側回転がある場合のそれぞれにおいて、送信側のアレイアンテナ13の中心Txから受信側のアンテナ素子22の位置Rxまでの距離を求める式(8)、式(9)は以下となる。
Further, in order to obtain the additional phase θ2 from the distance difference between transmission and reception due to the rotation of the
この式(8)は、左辺のXo、Zoに先の式(1)、式(2)を代入し、式変形には三角関数の公式(平方和:cos2θo+sin2θo=1)を用いることによって得られる。 In this equation (8), the above equations (1) and (2) are substituted for Xo and Zo on the left side, and a trigonometric function formula (sum of squares: cos 2 θo + sin 2 θo = 1) is used for the equation transformation. Obtained by:
この式(9)は、左辺のX、Y、Zに先の式(3)、式(4)、式(5)を代入し、式変形には三角関数の公式(平方和:cos2αR+sin2αR=1、cos2θo+sin2θo=1)を用いることによって得られる。
In this equation (9), the above equations (3), (4), and (5) are substituted for X, Y, and Z on the left side, and a trigonometric function formula (sum of squares: cos 2 α) is used for the equation transformation. obtained by using the R + sin 2 α R = 1 ,
そして、式(8)、式(9)より距離差からの追加位相θ2は次の式(10)により求められる。 Then, the additional phase θ2 from the distance difference is obtained from the following equation (10) from the equations (8) and (9).
ここで、式(10)におけるλは波長であり、OAM波を生成する際に使用する周波数より決まる。 Here, λ in Expression (10) is a wavelength, and is determined by a frequency used when generating an OAM wave.
受信側のアレイアンテナ21をZ軸回転させた時の位相変化θ3は次の式(11)の様になる。
The phase change θ3 when the receiving-
上記のように導出された式(11)により、図14に示す位相計算グラフ(1)を得ることができる。 From the equation (11) derived as described above, a phase calculation graph (1) shown in FIG. 14 can be obtained.
この図14に挙げた位相計算グラフ(1)には受信側の回転角αRにより位相が変化する状況を示す。このグラフでは回転角αRは−6〜6[°]までを示す。受信側のアンテナ素子22で得られる位相を測定し、このグラフのどの曲線に近いかを確認し、その時の受信側回転の軸ズレの程度を知る。このように把握された軸ズレとは反対の方向へ回転すれば、軸ズレ調整ができる。
This is the phase computation graph listed in FIG. 14 (1) shows a situation where the phase is changed by the rotation angle alpha R receivers. Rotation angle alpha R in this graph showing up -6~6 [°]. The phase obtained by the
以下に示す図17は、受信側回転の軸ズレ調整(1)として、位相計算グラフ(1)を用いた調整のサブフローを示す。この図17では、先に説明した図11に示す受信側回転の軸ズレ調整における、受信側回転による調整動作の一部フローを詳細にする。 FIG. 17 shown below shows a sub-flow of adjustment using the phase calculation graph (1) as the axis deviation adjustment (1) of the rotation on the receiving side. In FIG. 17, a flow of a part of the adjustment operation by the rotation of the reception side in the axis deviation adjustment of the rotation of the reception side shown in FIG. 11 described above will be described in detail.
図17は、図14の位相計算グラフ(1)が示す位相変化の特徴を用いた、通信システム1の動作サブフローを示す図である。この図17に示す動作サブフローは、図11に示す方向調整の動作フローの一部分(ステップS1105〜ステップS1115)における、ステップS1105の受信側でZ軸回転による調整が必要か否かの判定処理と、ステップS1115における受信側のZ軸回転での調整(Z軸回転角の変更)処理の詳細を示す。
FIG. 17 is a diagram showing an operation sub-flow of the
まず、ステップS1105における調整が必要か否かの判定処理の詳細な処理を説明する。ステップS1105において、通信装置20は、次の4段階で処理と判定を実施する。
First, a detailed process of determining whether or not adjustment is necessary in step S1105 will be described. In step S1105, the
1段階目では、通信装置20の位相測定部25は、各アンテナ素子22から位相を取得する(ステップS1205)。図14(或いは、図18)では仮定する受信側のアレイアンテナ21は8素子の形態であり、位相測定部25は、これらの各アンテナ素子22により受信した無線信号の位相値を得る。
In the first stage, the
2段階目では、通信装置20の軸ズレ推定・制御部26が、全アンテナ素子22の相対的な位相を算出する(ステップS1210)。この後のステップS1215にて比較に用いる位相計算グラフ(1)では、受信側のアレイアンテナ21におけるアンテナ素子22の位置での位相θoを基にし、OAM波による受信の位相値を想定する。つまりθo=22.5[°]、67.5[°]、112.5[°]、…、337.5[°]は、アンテナ素子22の位置が、X−Z座標の平面上でX軸方向を0[°]とし反時計回りにθo=22.5[°]、67.5[°]、112.5[°]、…、337.5[°]の所になる。従って、軸ズレ推定・制御部26は、各アンテナ素子22から取得した位相に(8素子なら8つの位相の全てに)適切な位相差を加える。
In the second stage, the axis misalignment estimation /
例えば、具体的には、位相θo=22.5[°]、67.5[°]、112.5[°]、…、337.5[°]の位置の各アンテナ素子22について、位相値−106.9(253.1)[°]、−62.1(297.9)[°]、−18.3(341.7)[°]、…、206.8[°]を得た場合、軸ズレ推定・制御部26は、位相差130[°]を加算する。この加算により、各アンテナ素子22の位相値は、アンテナ素子位置θoに近い値、θo=23.1[°]、67.9[°]、111.7[°]、…、336.8[°]となる。この例の適切な位相差を求める算出方法は、次の手順により求められる。
For example, specifically, the phase value of each
まずは、一旦仮に各アンテナ素子位置を特定するθoからそのアンテナ素子22で得られた位相値を減算する。この処理により円周上のアンテナ素子22の順に129.4(=22.5−(−106.9))[°]、129.6(=67.5−(−62.1))[°]、130.8(=112.5−(−18.3))[°]、・・・、130.7(=337.5−206.8)[°]が得られる。次に、これら引いた計算値の最小から最大まで、例えば129.4[°]〜130.8[°]で0.1[°]毎に得られた位相から実際に引き算した値が、各アンテナ素子22の位置を特定するθoとどの程度差があるかを確認する。すなわち、それぞれアンテナ素子22での差の2乗を求め、全アンテナ素子22の位相差の2乗が最小になるようにすれば、適切な位相差を得ることができる。この説明はOAMモードL=1の場合である。もしOAMモードL=2、L=3、…ならば、アンテナ素子位置θoに対し2倍、3倍、…となる位相を想定し加算する位相差とする。またOAMモードL=−1の場合、想定する位相をアンテナ素子位置θoの符号のプラスマイナスを反転した位相差とする。
First, the phase value obtained by the
3段階目では、軸ズレ推定・制御部26は、前段階のステップS1210にて算出した位相を図14に示す位相計算グラフ(1)と比較する(ステップS1215)。つまり、軸ズレ推定・制御部26は、ステップS1210において算出された全アンテナ素子22の相対的な位相を、位相計算グラフ(1)と照合する。位相計算グラフ(1)においては、ズレ回転角αRが−6〜6[°]と異なる条件での位相変化を示す。しかし、この比較処理ステップS1215では、軸ズレ推定・制御部26は、ステップS1210にて算出した位相が、αR=0[°]とズレがない条件の位相特性に一致するか、或いは図14ではαR=±3[°]とズレが最も少ない特性に近いかを確認する。
In the third stage, the axis misalignment estimation /
4段階目では、軸ズレ推定・制御部26は、ステップS1215において一致すると判断した位相特性が、ズレが無い時の直線グラフと一致する(受信側でZ軸回転調整不要)か否かを判定する(ステップS1220)。つまり、軸ズレ推定・制御部26は、ステップS1215における位相計算グラフ(1)との比較において、ステップS1210にて算出した全アンテナ素子22の位相は、αR=0[°]でありズレがない時の直線グラフに一致しZ軸回転の調整が不要なのか(ステップS1220:YES)、又は、αR≠0[°]でありズレがあるときの他の曲線グラフに似ておりZ軸回転の調整が必要なのか(ステップS1220:NO)を確認する。ステップS1220におけるYESの判定はステップS1105におけるNOの判定に対応し、ステップS1220におけるNOの判定はステップS1105におけるYESの判定に対応する。
In the fourth stage, the axis shift estimation /
或いは、軸ズレ推定・制御部26は、この確認として全ての位相を位相計算グラフ(1)と比較する際に、ズレのない時(αR=0[°])の直線グラフよりも、ズレが最小時のグラフ(図14での回転角αR=±3[°])に類似しており受信側でZ軸回転の調整が必要か、ズレのない時(αR=0[°])の直線グラフに類似しており受信側でZ軸回転の調整が不要かを判断してもよい。図14に示す位相計算グラフ(1)の最小時ズレの角度はαR=±3[°]だが、より詳細な回転角αR=±1[°]や、αR=±0.1[°]のグラフを必要に応じ計算して準備し、その回転調整の必要性判断の基準値に設定しても構わない。
Alternatively, the axis deviation estimating / controlling
次に、ステップS1115における軸回転での調整処理の詳細を説明する。ステップS1115では、受信側の通信装置20の軸ズレ推定・制御部26が、以下の2つの処理を行う。
Next, the details of the adjustment processing by shaft rotation in step S1115 will be described. In step S1115, the axis shift estimation /
1つ目の処理では、軸ズレ推定・制御部26は、各アンテナ素子22の相対的な位相が、図14に示す位相計算グラフ(1)のいずれの曲線に近いかを確かめる(ステップS1305)。軸ズレ推定・制御部26は、このステップS1305の処理より前に、受信側でZ軸回転の調整が必要か否かを判断(ステップS1105)した際に、受信側のアレイアンテナ21の全アンテナ素子22について位相測定部25が得た位相を相対的な値とした後(ステップS1210)、位相計算グラフ(1)でαR=0[°]とズレない直線グラフと比較した(ステップS1215)。ステップS1305で、軸ズレ推定・制御部26は、それら各アンテナ素子22の相対的な位相を、位相計算グラフ(1)における他の(図14で、軸ズレがある|αR|≧3[°]時の)曲線と比較する。そして、軸ズレ推定・制御部26は、8個のアンテナ素子22の位相に対して最も近い曲線を特定する。
In the first process, the axis misalignment estimation /
2つ目の処理では、軸ズレ推定・制御部26は、求められた最も近い曲線のパラメータであるズレ回転角αRに対し反対方向へ、受信側のアレイアンテナ21をZ軸回転させる(ステップS1310)。このZ軸回転の操作は、受信側のアレイアンテナ21にて得た位相から求められるズレ回転角αR分だけ受信側のアレイアンテナ21を逆方向に回転させ、軸ズレのない状態にする。つまり、通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、ステップS1305において算出したズレ回転角αRと逆方向の回転角(−αR)だけZ軸方向にアレイアンテナ21を回転するよう可動部27に指示する。可動部27は、この指示に従い、受信側でZ軸方向に回転角(−αR)だけアレイアンテナ21を回転させる。
In the second process, the axis deviation estimator and
なお、この図17(ステップS1105〜ステップS1115、ステップS1205〜ステップS1220、ステップS1305〜ステップS1310)には、受信側のZ軸回転での調整処理についてのみ説明した。これに加え、図11に示す動作フローにおける2段階目の処理(ステップS1120〜ステップS1130)にあたるX軸回転で、通信システム1は、ステップS1105〜ステップS1115におけるX軸をZ軸に、Z軸をX軸に置き換えて、図17と同様の動作サブフローにより処理を行う。
In FIG. 17 (steps S1105 to S1115, steps S1205 to step S1220, and steps S1305 to S1310), only the adjustment processing in the Z-axis rotation on the receiving side has been described. In addition, in the X-axis rotation corresponding to the second stage processing (step S1120 to step S1130) in the operation flow shown in FIG. 11, the
<第2の実施形態の詳細な処理の例2>
図18に示すグラフは、図14で計算した結果で回転角αRに対する位相で差を計算したものである。この図18では、受信側のZ軸回転である角度から別の角度へ移行した時に受信側の各アンテナ素子で得られる位相変化が分かる。この位相変化を活用し受信側の回転による軸調整に適用できる。
<Detailed process example 2 of second embodiment>
The graph shown in FIG. 18 is obtained by calculating the difference in phase relative to the rotation angle alpha R in result of calculation in Fig. In FIG. 18, the phase change obtained by each antenna element on the receiving side when the angle is shifted from one angle of the Z-axis rotation on the receiving side to another angle can be seen. The phase change can be utilized to adjust the axis by rotating the receiving side.
図18に示す位相計算グラフ(2)は、受信側で回転の軸ズレがある時に各受信アンテナ位置での位相変化の特徴を表す。位相計算グラフ(2)は、図14と同じ条件から得ている。すなわち、受信側でZ軸回転した時のズレ回転角αR=−6〜6[°](計算した箇所は、グラフにプロットがあるαR=−6、−4、−3、−1、1、3、4、6[°])とする。受信側のアンテナ素子22は8素子で、各アンテナ素子22は図15に示す受信円C4の円周状に配置される。それらアンテナ素子22の送信側からの広がりの角度β=8[°]であり、各アンテナ素子22の位置は、受信円C4の円周上での中心角θo=22.5[°]、67.5[°]、112.5[°]、…、337.5[°]の位置であり、各アンテナ素子22の位相差Δθ3が位相計算グラフ(2)により示される。送受信間距離Dは1.8m、周波数fは5.2GHz(波長λが5.769cm)とした。
The phase calculation graph (2) shown in FIG. 18 shows the characteristic of the phase change at each receiving antenna position when there is a rotational axis shift on the receiving side. The phase calculation graph (2) is obtained from the same conditions as in FIG. That is, the deviation rotation angle α R = −6 to 6 [°] when the receiving side is rotated on the Z axis (calculated portions are plotted in a graph, α R = −6, −4, −3, −1, 1, 3, 4, 6 [°]). The receiving-
他方、図18に示す位相計算グラフ(2)は、図14に示す位相計算グラフ(1)とは異なり、横軸にはズレ回転角αRを、縦軸に位相差Δθ3[°]を取る。この位相計算グラフ(2)では、受信側のアレイアンテナ21を回転角αR[°]で回転させた時に、受信側のアレイアンテナ21での各アンテナ素子22において得られる位相変化の差を表す。この図18に示す位相計算グラフ(2)では、どのアンテナ素子22に関しても、軸ズレがない(グラフの中央αR=0[°])時の位相を基準にする。
On the other hand, the phase calculation graph (2) shown in FIG. 18 differs from the phase calculation graph (1) shown in FIG. 14 in that the horizontal axis represents the shift rotation angle α R and the vertical axis represents the phase difference Δθ3 [°]. . In the phase calculation graph (2), a difference in phase change obtained in each
以下に示す図19は、位相計算グラフ(2)を用いた調整のサブフローを示す。この図19では、先に説明した図17と同様に、図11に示す受信側回転の軸ズレ調整における一部動作フローを詳細化する。 FIG. 19 shown below shows a sub flow of adjustment using the phase calculation graph (2). In FIG. 19, a part of the operation flow in the adjustment of the axis deviation of the rotation on the receiving side shown in FIG.
図19は、図18の位相計算グラフ(2)が示す位相変化の特徴を用いた、通信システム1の動作サブフローを示す図である。この図19に示す動作サブフローは、図11に示す方向調整の動作フローの一部分(ステップS1105〜ステップS1115)における、ステップS1105の受信側でZ軸回転による調整が必要か否か(調整の途中か否か)の判定処理と、ステップS1115における受信側Z軸回転での調整(Z軸回転角の変更)処理の詳細を示す。この図11からの抜粋部分は、図17と同じ処理の部分であるが、この図19に示す動作サブフローでは、具体的な処理の内容が異なる。
FIG. 19 is a diagram illustrating an operation sub-flow of the
まず、ステップS1105における調整が必要(又は途中)か否かの判定処理の詳細な処理を説明する。ステップS1105において、通信装置20は順に、受信アンテナの位相取得(ステップS1405)、位相変化量の把握(ステップS1410)、位相計算グラフ(2)との比較(ステップS1415)、ズレ有無の判定(ステップS1420)を行う。
First, a detailed process of determining whether adjustment is necessary (or in the middle) in step S1105 will be described. In step S1105, the
受信アンテナの位相取得処理(ステップS1405)において、通信装置20は、受信側のアレイアンテナ21をZ軸回転させ、ズレ回転角αRが異なる時に、受信側のアレイアンテナ21の全アンテナ素子22のそれぞれから位相値を2つずつ取得する。ここでは受信側のアレイアンテナ21の素子数を8とする。通信装置20の位相測定部25は、受信側のアレイアンテナ21が回転角αr3の時と、その回転角αr3から所定の角度差(ΔαR=±1〜3[°]程度)だけZ軸回転した時(回転角αr4=αr3+ΔαRの時)の各アンテナ素子22における位相の値を取得する。すなわち、受信側の全アンテナ素子22で得られる位相の値を2つずつ合計16個(8素子×2回:回転角αr3とαr4の時に)取得する。
In the phase acquisition process of receiving antennas (step S1405), the
具体的には、通信装置20の位相測定部25は、各アンテナ素子22が通信装置10から送信されるOAM波を受信したときの位相を取得する。続いて、通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、回転角ΔαRだけZ軸回転するよう指示する。この指示に基づき回転角ΔαRだけ受信側のアレイアンテナ21がZ軸回転するよう可動部27を制御する。通信装置20の位相測定部25は、受信側のアレイアンテナ21がZ軸回転した後に、各アンテナ素子22が通信装置10からのOAM波を受信して位相を取得する。
Specifically, the
位相変化量の把握処理(ステップS1410)において、受信側の軸ズレ推定・制御部26は、直前のステップS1405の処理において受信側のアレイアンテナ21をZ軸回転させることにより異なる回転角αRについて取得した受信側のアンテナ素子22毎の2つの位相値の差を計算し、各アンテナ素子22の位相変化量を把握する。それぞれのアンテナ素子22の位相変化量を得ることにより、先の図17では必要な適切に相対的な位相を算出する処理(ステップS1210)を、単純な差分計算(単に2つの位相の測定値の差を取る処理)に代えられる。
In understanding the process of the phase shift amount (step S1410), the axial deviation estimating and
位相計算グラフ(2)との比較処理(ステップS1415)において、受信側の軸ズレ推定・制御部26は、全ての受信側のアンテナ素子22について計算した位相変化量を、先の図18に示す位相計算グラフ(2)と比較する。位相計算グラフ(2)との比較では、2つの位相を取得する時に回転した回転角ΔαR(=αr3−αr4)を考える。例えば、ΔαR=3[°]である時、アンテナ素子22(受信円C4円周上のアンテナ素子位置θo:22.5[°]、67.5[°]、112.5[°]、…、337.5[°])に対し算出した位相変化がそれぞれ−12.7[°]、−5.2[°]、4.8[°]、…、−12.9[°]であったとする。これらの位相変化が求められた場合、図18の位相計算グラフ(2)においては、ズレ回転角がαR=4[°]から1[°]へ変化した時に近い。
In the comparison processing with the phase calculation graph (2) (step S1415), the receiving-side axis deviation estimating /
ズレ有無の判定処理(ステップS1420)においては、受信側の軸ズレ推定・制御部26は、直前のステップS1415における位相計算グラフ(2)との比較の結果に基づいて、現在の受信側回転角が、回転角αR=0[°]と一致するか否か(Z軸回転の調整が不要か否か)を判断する。つまり、例えば、Z軸回転角ΔαR=4[°]の時にアンテナ素子22の位相変化が−16.8[°]、−7.1[°]、7.3[°]、…、−16.5[°]になった場合は、αr3=4[°]からαr4=0[°]へ受信側でZ軸回転させたことになる。従って、このような(αr4=0[°]の)場合は、回転角αR=0[°](=αr4)となり、回転調整が不要と判定できる。なお、図18に示した位相計算グラフ(2)から分かるが、必ずしもαR=0[°]と厳密にアンテナ方向を一致させるだけでなく、無線通信での通信品質など必要性に対応し、許容できる値αR=±1[°]やαR=±0.1[°]としても構わない。ステップS1420におけるYESの判定(現在の受信側回転角が回転角αR=0[°]と一致する)はステップS1105におけるNOの判定に対応し、ステップS1420におけるNOの判定(現在の受信側回転角が回転角αR=0[°]と一致しない)はステップS1105におけるYESの判定に対応する。
In the process of determining whether or not there is a deviation (step S1420), the axis deviation estimating /
一方、受信側のZ軸回転での調整処理(ステップS1115)において、通信システム1は、位相変化量と位相計算グラフ(2)との比較で回転角αRを確認し(ステップS1505)、確認された回転角αRと反対へ受信側アレイをZ軸回転させる(ステップS1510)。
On the other hand, in the adjustment process for the Z-axis rotation on the receiving side (step S1115), the
通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、位相変化量と位相計算グラフ(2)とを比較し、先の異なる回転角αr3と回転角αr4で2つの位相差(位相変化量)と、位相計算グラフ(2)とを比較し、近い回転角αRを確認する(ステップS1505)。具体的には、上述した例では、通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、ΔαR=2[°]の場合に、受信側の全アンテナ素子22で得られた位相を、図18に示す位相計算グラフ(2)と比較する。軸ズレ推定・制御部26は、位相計算グラフ(2)と比較して各アンテナ素子22について得られた位相差が最も近いグラフを特定し、回転角をαr3=−4[°]からαr4=−2[°]へZ軸回転して位相が取得されたことを確認する。
The axis misalignment estimation /
通信装置20は、ステップS1505にて確認された回転角αRと反対方向に、受信側アレイをZ軸回転させる(ステップS1505)。つまり、通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、上記のように回転角αr3=−4[°]から回転角αr4=−2[°]へ回転して位相を取得する。この場合、軸ズレ推定・制御部26は、現在の回転角αr4=−2[°]から回転角2[°]、すなわち回転角αr4=−2[°]の反対方向へZ軸回転させるように、受信側のアレイアンテナ21をさらに回転させる。つまり、通信装置20の軸ズレ推定・制御部26は、回転角αr4と反対方向にZ軸回転するよう可動部27に指示する。可動部27は、この指示に基づき回転角αr4と反対方向にアレイアンテナ21をZ軸回転させる。この回転によって回転角αR=0[°]となり、Z軸回転の軸ズレが解消すると期待される。
なお、この図19(ステップS1105〜ステップS1115、ステップS1405〜ステップS1420、ステップS1505〜ステップS1510)には、Z軸回転での調整処理についてのみ説明した。これに加え、図11に示す動作フローにおける2段階目の処理(ステップS1120〜ステップS1130)にあたるX軸回転において、通信システム1は、ステップS1105〜ステップS1115におけるX軸をZ軸に、Z軸をX軸に置き換えて、図19と同様の動作サブフローにより処理を行う。
In FIG. 19 (steps S1105 to S1115, step S1405 to step S1420, step S1505 to step S1510), only the adjustment processing in the Z-axis rotation has been described. In addition, in the X-axis rotation corresponding to the second stage processing (step S1120 to step S1130) in the operation flow shown in FIG. 11, the
以上説明した実施形態によれば、通信システムは、第一通信装置(例えば、通信装置10)と第二通信装置(例えば、通信装置20)とを有する。第一通信装置の第一アンテナ(例えば、アレイアンテナ13)は、OAM波を送信する。第二通信装置の第二アンテナ(例えば、アレイアンテナ21)は、第一アンテナから送信されたOAM波を受信する。第二通信装置の制御部(例えば、軸ズレ推定・制御部26)は、第二アンテナが有する複数のアンテナ素子のそれぞれにおいて受信したOAM波の位相に基づいて、第二アンテナにおける電波受信方向のズレの角度を求め、求められた角度に基づいて第二アンテナの垂直方向の向きの調整と第二アンテナの水平方向の向きの調整とを個別に行う。なお、第二アンテナの垂直方向の向きの調整と水平方向の向きの調整のいずれを先に行ってもよい。 According to the embodiment described above, the communication system includes the first communication device (for example, the communication device 10) and the second communication device (for example, the communication device 20). The first antenna (for example, the array antenna 13) of the first communication device transmits an OAM wave. The second antenna (for example, the array antenna 21) of the second communication device receives the OAM wave transmitted from the first antenna. The control unit of the second communication device (for example, the axis misalignment estimation / control unit 26) determines the direction of radio wave reception by the second antenna based on the phase of the OAM wave received by each of the plurality of antenna elements of the second antenna. The deviation angle is obtained, and the adjustment of the vertical direction of the second antenna and the adjustment of the horizontal direction of the second antenna are individually performed based on the obtained angle. Either the adjustment of the vertical direction of the second antenna or the adjustment of the horizontal direction may be performed first.
なお、第二通信装置の制御部は、第二アンテナが有する複数のアンテナ素子のそれぞれにおいて受信したOAM波の位相と、第二アンテナにおける電波受信方向にズレがあるときに第一アンテナから送信された信号を第二アンテナが有する複数のアンテナ素子のそれぞれが受信したときの位相変化の特性とに基づいて、第二アンテナにおける電波放射方向の垂直方向又は水平方向のズレの角度を求めてもよい。 The control unit of the second communication device transmits the OAM wave received by each of the plurality of antenna elements of the second antenna and the phase of the OAM wave transmitted from the first antenna when there is a deviation in the radio wave receiving direction of the second antenna. Based on the characteristics of the phase change when each of the plurality of antenna elements of the second antenna receives the received signal, the vertical or horizontal deviation angle of the radio wave radiation direction in the second antenna may be obtained. .
また、第二通信装置の制御部は、第二アンテナが有する複数のアンテナ素子のそれぞれにおいて受信したOAM波の位相に基づいて、水平方向又は垂直方向の調整が必要か否かを判断する。そして、第二通信装置の制御部は、垂直方向の調整が必要と判断した場合に第一アンテナの垂直方向の回転の調整を行い、水平方向の調整が必要と判断した場合に第一アンテナの水平方向の回転の調整を行う。 In addition, the control unit of the second communication device determines whether adjustment in the horizontal direction or the vertical direction is necessary based on the phase of the OAM wave received by each of the plurality of antenna elements of the second antenna. Then, the control unit of the second communication device adjusts the vertical rotation of the first antenna when it determines that vertical adjustment is necessary, and adjusts the first antenna when it determines that horizontal adjustment is necessary. Adjust horizontal rotation.
上述した実施形態によれば、送受信の軸を的確に調整して、OAM波を用いた無線通信を実現できる。 According to the above-described embodiment, wireless communication using OAM waves can be realized by appropriately adjusting the axes of transmission and reception.
上述した実施形態における通信装置10の軸ズレ推定・制御部15、及び、通信装置20の軸ズレ推定・制御部26など一部の機能をコンピュータで実現するようにしてもよく、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアを用いて実現してもよい。通信装置10の軸ズレ推定・制御部15、及び、通信装置20の軸ズレ推定・制御部26など一部の機能をコンピュータで実現する場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
Some functions such as the axis deviation estimation / control unit 15 of the
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。 As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the embodiments and includes a design and the like within a range not departing from the gist of the present invention.
OAM波により通信する通信システムに利用可能である。 It can be used for a communication system that communicates by OAM waves.
1…通信システム
10、20…通信装置
11…信号発生部
12、23…位相調整部
13、21…アレイアンテナ
14、22、232…アンテナ素子
15、26…軸ズレ推定・制御部
16、27…可動部
17、28…制御無線部
24…信号復調部
25…位相測定部
31…板
32…背面支持部
33…外枠
40…取付け板
41…底面板
42…支柱
44…アーム
45、46、47、48…回転部
231…三次元アレイ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記通信装置の複数のアンテナ素子からなるアンテナが、他の通信装置から送信されたOAM波を受信する受信ステップと、
前記通信装置の制御部が、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける受信信号の位相に基づいて、前記アンテナにおける電波受信方向のズレの角度を求め、求められた前記角度に基づいて前記アンテナの垂直方向の向きの調整と前記アンテナの水平方向の向きの調整とを個別に行う制御ステップと、
を有し、
前記制御ステップにおいては、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける前記受信信号の位相と、前記他の通信装置から送信されたOAM波を前記アンテナが受信したときの、前記アンテナにおける電波受信方向のズレの角度に対する前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける受信信号の位相変化の特性とに基づいて、前記アンテナにおける電波受信方向の垂直方向又は水平方向のズレの角度を求める、
ことを特徴するアンテナ調整方法。 An antenna adjustment method in a communication device that receives an OAM (Orbital Angular Momentum) wave ,
Antenna comprising a plurality of antenna elements before Symbol communications device, a receiving step of receiving the OAM wave transmitted from another communication device,
The angle at which the control unit of the previous SL communications device, before based on your Keru phase of the received signal to each of Kifuku number of antenna elements, before asking the angle of deviation of the radio wave receiving direction of Kia container was determined a control step of performing separately the adjustment of the horizontal direction of the adjustment and before Kia antenna vertical orientation before Kia antenna based on,
Have a,
In the control step, the phase of the received signal in each of the plurality of antenna elements, and when the antenna receives the OAM wave transmitted from the other communication device, the deviation of the radio wave receiving direction of the antenna Based on the characteristic of the phase change of the received signal in each of the plurality of antenna elements with respect to the angle, determine the angle of the vertical or horizontal deviation of the radio wave receiving direction in the antenna,
An antenna adjustment method characterized in that:
ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ調整方法。 In the control step, to get the phase of your Keru the received signal to each of the plurality of antenna elements for two different angles when rotating the pre Kia antenna were obtained for each of the plurality of antenna elements a phase change amount which is the difference between the two phases of the received signal is calculated, on the basis on the characteristic of the phase change amount and the phase change, before the radio wave receiving direction of Kia container in the vertical direction or the horizontal direction of displacement Find the angle,
The method for adjusting an antenna according to claim 1, wherein:
前記制御ステップにおいては、前記判断ステップにより垂直方向の調整が必要と判断された場合に前記アンテナの垂直方向の回転の調整を行い、前記判断ステップにより水平方向の調整が必要と判断された場合に前記アンテナの水平方向の回転の調整を行う、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアンテナ調整方法。 Wherein the control unit is pre based on the phase of Kifuku number of your Keru the received signal to each of the antenna elements, further comprising a determination step of determining whether it is necessary to adjust the horizontal or vertical direction,
In the control step, to adjust the rotation of the front Kia antenna vertical when it is determined that required vertical adjustment by the determining step, it is determined that the required horizontal adjustment by the determining step adjust the rotation of the horizontal direction before Kia container when,
The antenna adjustment method according to claim 1 or 2, wherein:
他の通信装置から送信されたOAM波を受信する複数のアンテナ素子からなるアンテナと、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける受信信号の位相に基づいて、前記アンテナにおける電波受信方向のズレの角度を求め、求められた前記角度に基づいて前記アンテナの垂直方向の向きの調整と前記アンテナの水平方向の向きの調整とを個別に行う制御部とを備え、
前記制御部は、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける前記受信信号の位相と、前記他の通信装置から送信されたOAM波を前記アンテナが受信したときの、前記アンテナにおける電波受信方向のズレの角度に対する前記複数のアンテナ素子のそれぞれにおける受信信号の位相変化の特性とに基づいて、前記アンテナにおける電波受信方向の垂直方向又は水平方向のズレの角度を求める、
ことを特徴する通信装置。 A communication device for receiving an OAM (Orbital Angular Momentum) wave ,
An antenna including a plurality of antenna elements for receiving an OAM wave transmitted from another communication device ;
Based on the phase of your Keru received signal to each of the previous Kifuku number of antenna elements, before asking the angle of deviation of the radio wave receiving direction of Kia container, vertical front Kia antenna based on the angle obtained and adjusting the horizontal orientation of the direction of adjustment and before Kia antenna and a control unit for performing separately,
The control unit is configured to control a phase of the reception signal in each of the plurality of antenna elements and an angle of a shift in a radio wave reception direction of the antenna when the antenna receives an OAM wave transmitted from the another communication device. Based on the characteristics of the phase change of the received signal in each of the plurality of antenna elements with respect to, to determine the angle of the vertical or horizontal deviation of the radio wave receiving direction in the antenna,
A communication device , characterized in that:
ことを特徴とする請求項4に記載の通信装置。 Wherein the control unit obtains a phase in our Keru the received signal to each of the plurality of antenna elements for two different angles when rotating the pre Kia antenna, said acquired for each of the plurality of antenna elements a phase change amount which is the difference between the two phases of the received signals to calculate the angle of said the phase change amount based on the characteristic of the phase change, vertical or horizontal offset of the radio wave receiving direction before Kia antenna Seeking,
The communication device according to claim 4, wherein:
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