ホーム > 特許ランキング > 国立大学法人東京工業大学
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022125839
(43)【公開日】2022-08-29
(54)【発明の名称】アレーアンテナ、及びアンテナ装置
(51)【国際特許分類】
H01Q 3/36 20060101AFI20220822BHJP
H01Q 21/06 20060101ALI20220822BHJP
H04B 7/06 20060101ALI20220822BHJP
H04B 7/0413 20170101ALI20220822BHJP
H04W 16/26 20090101ALI20220822BHJP
H04W 16/28 20090101ALI20220822BHJP
H02J 50/23 20160101ALI20220822BHJP
【ＦＩ】
H01Q3/36
H01Q21/06
H04B7/06 150
H04B7/0413 300
H04W16/26
H04W16/28
H02J50/23
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021023649
(22)【出願日】2021-02-17
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、総務省、５Ｇの超小型衛星通信への展開に向けたフェーズドアレイ無線機の研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100181722
【弁理士】
【氏名又は名称】春田 洋孝
(74)【代理人】
【識別番号】100163496
【弁理士】
【氏名又は名称】荒 則彦
(74)【代理人】
【識別番号】100154852
【弁理士】
【氏名又は名称】酒井 太一
(72)【発明者】
【氏名】白根 篤史
【テーマコード（参考）】
5J021
5K067
【Ｆターム（参考）】
5J021AA05
5J021AA09
5J021AA11
5J021CA06
5J021DB03
5J021FA06
5J021FA17
5J021FA31
5J021GA02
5J021HA01
5J021JA09
5K067AA22
5K067AA43
5K067EE08
5K067KK02
(57)【要約】
【課題】任意の方向に通信電波の中継を行うと共に、消費電力を低減することができるアレーアンテナ、及びアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アレーアンテナは、給電装置から送信された給電電波を受信すると共に、受信した通信用の電波を中継して中継電波を送信する複数のアンテナ素子を有するアンテナ部と、各前記アンテナ素子において受信した受信電波に含まれる信号の位相を変化させた送信信号を生成する移相調整部と、各前記アンテナ素子において受信した給電電波に基づいて電力を生成する電源部と、前記電力により駆動され前記移相調整部を制御して各前記アンテナ素子から送信される前記送信信号の位相を個別に調整し、前記送信信号に基づいて前記アンテナ部から送信される前記中継電波のビーム方向を調整する制御部と、を備える。
【選択図】図２
【解決手段】アレーアンテナは、給電装置から送信された給電電波を受信すると共に、受信した通信用の電波を中継して中継電波を送信する複数のアンテナ素子を有するアンテナ部と、各前記アンテナ素子において受信した受信電波に含まれる信号の位相を変化させた送信信号を生成する移相調整部と、各前記アンテナ素子において受信した給電電波に基づいて電力を生成する電源部と、前記電力により駆動され前記移相調整部を制御して各前記アンテナ素子から送信される前記送信信号の位相を個別に調整し、前記送信信号に基づいて前記アンテナ部から送信される前記中継電波のビーム方向を調整する制御部と、を備える。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
給電装置から送信された給電電波を受信すると共に、受信した通信用の電波を中継して中継電波を送信する複数のアンテナ素子を有するアンテナ部と、
各前記アンテナ素子において受信した受信電波に含まれる信号の位相を変化させた送信信号を生成する移相調整部と、
各前記アンテナ素子において受信した給電電波に基づいて電力を生成する電源部と、
前記電力により駆動され前記移相調整部を制御して各前記アンテナ素子から送信される前記送信信号の位相を個別に調整し、前記送信信号に基づいて前記アンテナ部から送信される前記中継電波のビーム方向を調整する制御部と、を備える、
アレーアンテナ。
各前記アンテナ素子において受信した受信電波に含まれる信号の位相を変化させた送信信号を生成する移相調整部と、
各前記アンテナ素子において受信した給電電波に基づいて電力を生成する電源部と、
前記電力により駆動され前記移相調整部を制御して各前記アンテナ素子から送信される前記送信信号の位相を個別に調整し、前記送信信号に基づいて前記アンテナ部から送信される前記中継電波のビーム方向を調整する制御部と、を備える、
アレーアンテナ。
【請求項2】
前記移相調整部は、各前記アンテナ素子に対応して設けられた複数の移相調整回路を備え、
前記制御部は、各前記移相調整回路において前記送信信号の位相を調整し、前記ビーム方向を調整する、
請求項１に記載のアレーアンテナ。
前記制御部は、各前記移相調整回路において前記送信信号の位相を調整し、前記ビーム方向を調整する、
請求項１に記載のアレーアンテナ。
【請求項3】
前記制御部は、通信対象である通信装置の方向に前記中継電波の前記ビーム方向を調整する、
請求項１または２に記載のアレーアンテナ。
請求項１または２に記載のアレーアンテナ。
【請求項4】
前記アンテナ部と異なる位置に設けられた他のアンテナ部を備え、
前記制御部は、前記移相調整部を制御して前記送信信号を生成し、前記他のアンテナ部から前記送信信号に基づく前記中継電波を送信する、
請求項１から３のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
前記制御部は、前記移相調整部を制御して前記送信信号を生成し、前記他のアンテナ部から前記送信信号に基づく前記中継電波を送信する、
請求項１から３のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
【請求項5】
前記制御部は、前記移相調整部を制御して前記アンテナ部において受信した前記信号を低周波に周波数変換したＩＦ信号を生成し、前記アンテナ部から他のアンテナ部に前記ＩＦ信号を送信し、前記他のアンテナ部における他の移相調整部を制御して前記ＩＦ信号を高周波に変調した前記送信信号を生成し、前記ビーム方向が調整された前記中継電波を送信する、
請求項２から４のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
請求項２から４のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
【請求項6】
移相調整回路は、前記送信信号において、Ｉ成分と前記Ｉ成分と直交するＱ成分を有する直交位相信号を生成し、前記直交位相信号において前記Ｉ成分の大きさ及び前記Ｑ成分の大きさを個別に調整して合成し位相を調整する、
請求項１から５のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
請求項１から５のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
【請求項7】
移相調整回路は、位相調整のための複数のトランジスタを備え、
前記制御部は、前記移相調整回路を制御して前記送信信号の位相調整量に応じた個数の前記トランジスタへのスイッチングを行う、
請求項１から５のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
前記制御部は、前記移相調整回路を制御して前記送信信号の位相調整量に応じた個数の前記トランジスタへのスイッチングを行う、
請求項１から５のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
【請求項8】
給電電波を送信する給電装置と、
前記給電電波を受信すると共に、受信した通信用の電波を中継して中継電波を送信する複数のアンテナ素子を有するアンテナ部と、
各前記アンテナ素子において受信した受信電波に含まれる信号の位相を変化させた送信信号を生成する移相調整部と、
各前記アンテナ素子において受信した給電電波に基づいて電力を生成する電源部と、
前記電力により駆動され前記移相調整部を制御して各前記アンテナ素子から送信される前記送信信号の位相を個別に調整し、前記送信信号に基づいて前記アンテナ部から送信される前記中継電波のビーム方向を調整する制御部と、を備える、
アンテナ装置。
前記給電電波を受信すると共に、受信した通信用の電波を中継して中継電波を送信する複数のアンテナ素子を有するアンテナ部と、
各前記アンテナ素子において受信した受信電波に含まれる信号の位相を変化させた送信信号を生成する移相調整部と、
各前記アンテナ素子において受信した給電電波に基づいて電力を生成する電源部と、
前記電力により駆動され前記移相調整部を制御して各前記アンテナ素子から送信される前記送信信号の位相を個別に調整し、前記送信信号に基づいて前記アンテナ部から送信される前記中継電波のビーム方向を調整する制御部と、を備える、
アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、消費電力を低減するアレーアンテナ、及びアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
第５世代通信（５Ｇ）ネットワークの普及に伴い、高速大容量通信を可能とする通信サービスの増加が見込まれている。５Ｇ通信においては、例えば２８ＧＨｚ帯の高周波の電波を利用した通信が行われる。２８ＧＨｚ帯の高周波の電波は、回折が発生し難く、伝搬損失が発生するため通信が困難となる場合がある。従って５Ｇ通信においては、指向性を有するフェーズドアレーアンテナを用いてミリ波帯の電波により通信することが研究されている。
【0003】
フェーズドアレーアンテナは、複数のアンテナ素子が配列されたアンテナ部から任意の方向に送信電波のビームを送信する。フェーズドアレーアンテナは、送受信アンテナの間に遮蔽物が無い環境における通信（見通し内通信）に適用される場合が多い。
【0004】
従来、基地局のアンテナと通信対象との間に障害物が存在する領域に対して基地局から送信された電波を受信し、通信対象に対して無線中継を行う無線中継装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された無線中継装置は、基地局と、基地局から送信される電波を受信するアンテナ部と、アンテナ部に無線給電すると共に、受信電波に含まれる信号に基づいて送信信号を生成し、室内に向けて送信信号に基づく中継電波を送信する中継装置とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０２０－０２８０１５号公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】J. Pang, et al., “A 28-GHz CMOS Phased-Array Beamformer Supporting Dual-Polarized MIMO with Cross-Polarization Leakage Cancellation” VLSI Circuits, June 2020.
【非特許文献2】J. Dunworth, et al., “A 28 GHz Bulk-CMOS Dual-Polarization Phased-Array Transceiver with 24 Channels for 5G User and Basestation Equipment,” ISSCC, pp.70-71, Feb. 2018.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１に記載された技術によれば、基地局からの電波を中継する中継装置は室内に存在する通信装置に対して中継電波のビーム方向を調整するものでは無かった。
【0008】
本発明は、任意の方向に通信電波の中継を行うと共に、消費電力を低減することができるアレーアンテナ、及びアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一態様は、給電装置から送信された給電電波を受信すると共に、受信した通信用の電波を中継して中継電波を送信する複数のアンテナ素子を有するアンテナ部と、各前記アンテナ素子において受信した受信電波に含まれる信号の位相を変化させた送信信号を生成する移相調整部と、各前記アンテナ素子において受信した給電電波に基づいて電力を生成する電源部と、前記電力により駆動され前記移相調整部を制御して各前記アンテナ素子から送信される前記送信信号の位相を個別に調整し、前記送信信号に基づいて前記アンテナ部から送信される前記中継電波のビーム方向を調整する制御部と、を備えるアレーアンテナである。
【0010】
本発明によれば、アンテナ部が給電装置により無線給電された給電電波に基づいて電力を生成するため、電源が設けられていない位置にアンテナ部が設置されていても、中継電波のビーム方向を調整して、中継電波を通信対象に送信することができる。本発明によれば、給電電波に基づいて中継電波を送信するため、消費電力を低減することができる。
【0011】
また、本発明の一態様は、前記移相調整部が各前記アンテナ素子に対応して設けられた複数の移相調整回路を備え、前記制御部は、各前記移相調整回路において前記送信信号の位相を調整し、前記ビーム方向を調整してもよい。
【0012】
本発明によれば、各アンテナ素子から送信される電波の位相を個別に調整することで、アンテナ部から放射される中継電波のビーム方向を任意の方向に調整することができる。
【0013】
また、本発明の一態様は、前記制御部が通信対象の通信装置の方向に前記中継電波の前記ビーム方向を調整してもよい。
【0014】
本発明によれば、給電電波に基づいて通信対象に対して中継電波のビーム方向を調整した中継電波を送信するため、消費電力を低減することができる。
【0015】
また、本発明の一態様は、前記アンテナ部と異なる位置に設けられた他のアンテナ部を備え、前記制御部は、前記移相調整部を制御して前記送信信号を生成し、前記他のアンテナ部から前記送信信号に基づく前記中継電波を送信してもよい。
【0016】
本発明によれば、アンテナ部において中継電波を送信しにくい領域に対して他のアンテナ部を設けることにより、アンテナ部において受信した送信電波に基づいて、他のアンテナ部から中継電波を送信することができる。
【0017】
また、本発明の一態様は、前記制御部が前記移相調整部を制御して前記アンテナ部において受信した前記信号を低周波に周波数変換したＩＦ信号を生成し、前記アンテナ部から他のアンテナ部に前記ＩＦ信号を送信し、前記他のアンテナ部における他の移相調整部を制御して前記ＩＦ信号を高周波に変調した前記送信信号を生成し、前記ビーム方向が調整された前記中継電波を送信してもよい。
【0018】
本発明によれば、アンテナ部と他のアンテナ部との間にコンクリート壁等の高周波の通信用電波を透過しにくい材質が存在していても、これらの材質を透過するように調整された低周波のＩＦ信号を用いることにより、アンテナ部と他のアンテナ部との間において通信することができる。
【0019】
また、本発明の移相調整回路は、前記送信信号において、Ｉ成分と前記Ｉ成分と直交するＱ成分を有する直交位相信号を生成し、前記直交位相信号において前記Ｉ成分の大きさ及び前記Ｑ成分の大きさを個別に調整して合成し位相を調整してもよい。
【0020】
本発明によれば、直交位相信号を生成することにより、直交成分毎に付加する位相量を任意に調整することができる。
【0021】
また、本発明の一態様は、移相調整回路は、位相調整のための複数のトランジスタを備え、前記制御部は、前記移相調整回路を制御して前記送信信号の位相調整量に応じた個数の前記トランジスタへのスイッチングを行ってもよい。
【0022】
本発明によれば、スイッチングするトランジスタの個数を調整することにより実効的なトランジスタのサイズを変更し、付加する位相量の調整をすることができる。
【0023】
本発明の一態様は、給電電波を送信する給電装置と、前記給電電波を受信すると共に、受信した通信用の電波を中継して中継電波を送信する複数のアンテナ素子を有するアンテナ部と、各前記アンテナ素子において受信した受信電波に含まれる信号の位相を変化させた送信信号を生成する移相調整部と、各前記アンテナ素子において受信した給電電波に基づいて電力を生成する電源部と、前記電力により駆動され前記移相調整部を制御して各前記アンテナ素子から送信される前記送信信号の位相を個別に調整し、前記アンテナ部から送信される前記中継電波のビーム方向を調整する制御部と、を備えるアンテナ装置である。
【0024】
給電装置が給電電波をアンテナ部に送信することにより、アンテナ部に無線給電することができる。
【発明の効果】
【0025】
本発明によれば、任意の方向に通信電波の中継を行うと共に、消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本発明に係る通信システムの構成を概略的に示す図である。
【図2】アンテナ部の具体的な構成を示す図である。
【図3】通信システムの構成を示すブロック図である。
【図4】アンテナ部の回路構成を概略的に示す図である。
【図5】アンテナ部の送信側の回路構成を概念的に示す図である。
【図6】アンテナ装置における無線給電の性能試験の結果を示す図である。
【図7】アンテナ素子の配列数と、発生する電力との関係を示す図である。
【図8】アンテナ部における中継電波の強度に関する測定結果を示す図である。
【図9】アンテナ部から送信される中継電波のビームの方向、強度の測定結果を示す図である。
【図10】アンテナ装置における受信信号と送信信号との比較結果を示す図である。
【図11】アンテナ装置における発電能力と消費電力の性能を示す図である。
【図12】変形例に係る通信システムの構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
【0028】
基地局２０は、例えば、複数のアンテナ素子２２が配列されたアンテナ部２１を備える。アンテナ部２１は、送信する電波のビーム方向を任意に調整するフェーズドアレーアンテナである。基地局２０は、移動局３０との間に建物等の遮蔽物Ｓが存在しない場合、移動局３０の方向に送信電波のビーム方向を調整し移動局３０と見通し内通信を行う。基地局２０は、所定の位置に固定された通信装置であってもよいし、移動可能な通信装置であってもよい。
【0029】
図示するように、基地局２０は、移動局３０との間に遮蔽物Ｓが存在して見通し内通信ができない場合、アンテナ装置Ｆの方向に送信電波のビーム方向を調整し、アンテナ装置Ｆにより電波を中継して移動局３０と通信を行う。基地局２０は、所定の周波数帯の電波（例えば、２８ＧＨｚ帯）により移動局３０と通信する。
【0030】
移動局３０は、例えば、ユーザが所持する携帯電話、スマートフォン、タブレット型端末等の移動可能な通信装置である。移動局３０は、所定の位置に固定された通信装置であってもよい。移動局３０は、基地局２０との間において見通し内通信を行う。移動局３０は、遮蔽物Ｓの影響により基地局２０からの電波を受信しにくい領域に移動し、見通し内通信ができない場合がある。
【0031】
アンテナ装置Ｆは、基地局２０から送信される電波を中継して移動局３０に送信するリレーノードである。また、アンテナ装置Ｆは、移動局３０から送信される電波を中継して基地局２０に送信する。基地局２０は、既知の位置検知方法に基づいてアンテナ装置Ｆの位置を推定する。アンテナ装置Ｆは、所定の位置に固定された通信装置であってもよいし、移動可能な通信装置であってもよい。基地局２０は、アンテナ装置Ｆの方向に送信電波Ｒ１のビーム方向を調整してアンテナ装置Ｆに送信電波Ｒ１を送信する。また、アンテナ装置Ｆは、既知の位置検知方法に基づいて移動局３０の位置を推定する。
【0032】
図示するように基地局２０及び移動局３０は、１つずつ示されているが、アンテナ装置Ｆは、２つ以上の基地局２０と通信してもよく、２つ以上の移動局３０と通信してもよい。アンテナ装置Ｆは、例えば、電波を送受信するアレーアンテナ２と、アレーアンテナ２に電源を供給する給電電波を送信する給電装置１０とを備える。給電装置１０は、無線給電によりアレーアンテナ２に電力を供給する。
【0033】
給電装置１０は、複数のアンテナ素子１２が配列されたアンテナ部１１を備える。アンテナ部１１は、送信する電波のビーム方向を調整して送信するフェーズドアレーアンテナである。給電装置１０は、例えば、所定の周波数帯（例えば、２４Ｇｈｚ）の給電電波を生成する。給電装置１０は、アレーアンテナ２の位置に給電電波のビーム方向を調整し、給電電波を送信する。
【0034】
アレーアンテナ２は、例えば、複数のアンテナ素子４が配列されたアンテナ部３を備える（図２参照）。アンテナ部３は、送信する電波のビーム方向を任意に調整するフェーズドアレーアンテナである。アンテナ部３は、例えば、シート状に形成された板状体３Ａの表面に複数のアンテナ素子４がマトリクス状に配置されている。板状体３Ａの裏面には、例えば、後述のアンテナ素子４における電波の送受信を制御するための後述の構成に係るチップが実装されている。
【0035】
アンテナ部３は、例えば、建物の壁等に貼り付けられる。アレーアンテナ２は、外部電源が接続されておらず、電源を設置することが困難な場所に設置される。アレーアンテナ２は、給電装置１０から受信した給電電波Ｒ２に基づいて動作する。
【0036】
以下、通信システム１の具体的な構成について説明する。
【0037】
図３に示されるように、基地局２０は、例えば、電波を送受信する複数のアンテナ素子２２を有するアンテナ部２１と、電波の送受信に関する回路を有する送受信部２３と、送受信部２３を制御する制御部２４を備える。送受信部２３は、複数のアンテナ素子２２から送信される電波の位相を個別に調整しアンテナ部２１から放射される送信電波Ｒ１のビーム方向を調整する移相調整回路を有する。送受信部２３は、制御部２４により制御される。
【0038】
アンテナ装置Ｆにおいて給電装置１０は、給電電波Ｒ２を送信する複数のアンテナ素子１２を有するアンテナ部１１と、給電電波を生成し送信する通信部１３と、通信部１３を制御する制御部１４とを備える。給電装置１０は、例えば、アレーアンテナ２から離間した位置に設置されている。給電装置１０は、例えば、電源が確保可能な位置に設置される。給電装置１０は、アレーアンテナ２との間に遮蔽物が無い位置に設置される。
【0039】
通信部１３は、複数のアンテナ素子１２から送信される給電電波Ｒ２の信号を生成する。給電電波Ｒ２は、例えば、所定のマイクロ波の周波数帯（例えば、２４ＧＨｚ帯）の電磁波である。通信部１３は、複数のアンテナ素子１２から送信される給電電波Ｒ２の位相を個別に調整しアンテナ部１１から給電電波Ｒ２を送信する。通信部１３は、アレーアンテナ２と給電装置１０との位置関係が固定されている場合、予め設定された位相差を与えた給電電波Ｒ２を各アンテナ素子１２から放射し、アレーアンテナ２が設置された方向に対して給電電波Ｒ２のビームを送信する。
【0040】
制御部１４は、通信部１３を制御して給電電波Ｒ２の送信の開始、停止を行う。制御部１４は、例えば、アレーアンテナ２が送信電波Ｒ１を受信した所定のタイミングにおいて送信した所定の制御信号に基づいて、通信部１３を制御してアンテナ部１１から給電電波Ｒ２を送信する。また、制御部１４は、通信部１３を制御してアレーアンテナ２に定常的に給電電波Ｒ２を送信してもよい。
【0041】
アレーアンテナ２は、受信した給電電波Ｒ２に基づいて電力を生成し、生成した電力に基づいて、受信した送信電波Ｒ１を移動局３０に送信する受動型のフェーズドアレーアンテナである。アレーアンテナ２は、送受信において指向性を有する無線通信を可能とする。
【0042】
アレーアンテナ２は、給電装置１０から送信された給電電波Ｒ２を受信すると共に、送信側の通信装置から送信された電波を受信して受信側の通信装置に中継電波を送信する複数のアンテナ素子４を有するアンテナ部３と、各アンテナ素子４において受信した受信電波に含まれる信号の位相を変化させた送信信号を生成する移相調整部５と、各アンテナ素子４において受信した給電電波に基づいて電力を生成する電源部７と、電源部７により生成された電力により駆動され移相調整部５を制御する制御部６と、を備える。
【0043】
電源部７は、例えば、アンテナ部３において受信した給電電波Ｒ２に基づいて電源用の電力を生成する。
【0044】
制御部６は、例えば、電源部７により生成された電力に基づいて、移相調整部５を制御する。制御部６は、例えば、移相調整部５を制御して、各アンテナ素子４から送信される送信信号の位相を個別に調整し、アンテナ部３から送信される中継電波Ｒ３のビーム方向を調整する。即ち、制御部６は、移相調整部５を制御して、基地局２０の通信対象である通信装置の方向にアンテナ部３から放射される中継電波のビーム方向を調整する。制御部６は、移動局３０から基地局２０への中継においても同様にアンテナ部３から放射される中継電波のビーム方向を調整する。
【0045】
移相調整部５は、例えば、各アンテナ素子に対応して設けられた後述の複数の移相調整回路を備える。制御部６は、各移相調整回路において送信信号の位相を調整し、ビーム方向を調整する。移相調整部５の内容の詳細な説明については後述する。制御部６は、例えば、移相調整部５を制御して基地局２０から受信した送信電波Ｒ１の到来方向と異なる方向に存在する移動局３０に向けて中継電波Ｒ３を送信する。
【0046】
次に、アレーアンテナ２の具体的な回路構成について説明する。
【0047】
図４に示されるように、アレーアンテナ２は、例えば、各アンテナ素子４から受信した電波に基づいて受信信号を生成する受信側（ＲＸ）側の回路２Ｒと、受信信号に基づいて送信信号を生成すると共に、送信信号に基づいて各アンテナ素子４から送信電波を放射する送信側（ＴＸ）の回路２Ｔとを備える。回路２Ｒと回路２Ｔとは、アンテナ部３を共有している。
【0048】
受信側の回路２Ｒには、電源部７を構成する２個の４対１のパワーコンバイナ７Ａと、２個のパワーコンバイナ７Ａにそれぞれ設けられた２個のＬＣ整流器７Ｂが設けられている。パワーコンバイナ７Ａは、例えば、各アンテナ素子４が受信した給電電波Ｒ２に基づいて発生した複数の伝送路上の交流電流を合成する。ＬＣ整流器７Ｂは、合成した交流電流を整流し、電源電力を生成する。電源部７は、この他、生成した電力を蓄電する二次電池、キャパシタ等を備えていてもよい。
【0049】
送信側の回路２Ｔには、例えば、移相調整部５が設けられている。移相調整部５は、複数のアンテナ素子４における電波の送受信における位相を個別に制御する移相調整回路を備える。移相調整回路は、例えば、各アンテナ素子４に個別に対応して設けられた複数の移相器５Ａと、移相器５Ａに入力する直交位相信号を生成するＩ／Ｑ信号発生器５Ｂと、送受信信号を中間周波数として例えば、４ＧＨｚのＩＦ（Intermediate Frequency）信号に変換する変換部５Ｃ等により構成されている。
【0050】
移相器５Ａは、アンテナ素子４において送受信される送受信信号の位相を調整する。複数の移相器５Ａにより複数のアンテナ素子４から送信される送信電波により生成される電波のビーム方向が調整される。即ち、複数の移相器５Ａを有するアンテナ部３から放射される電波は、ビーム方向が調整され（ビームフォーミングされ）送信される。
【0051】
Ｉ／Ｑ信号発生器５Ｂは、変換部５Ｃにより生成されたＩＦ信号を２８ＧＨｚにアップコンバートした信号を生成する。直交位相信号は、例えば、４ＧＨｚのＩＦ信号に基づいて入力信号の振幅を保持しつつ位相のみ変化させるオールパスフィルター（ＡＰＦ：不図示）によって生成される。
【0052】
Ｉ／Ｑ信号発生器５Ｂは、ＩＦ信号をアップコンバートして生成した信号に基づいて直交するＩ成分及びＱ成分の直交位相信号を分離して生成する。Ｉ／Ｑ信号発生器５Ｂにおいて生成された直交位相信号は、移相器５Ａに入力される。Ｉ／Ｑ信号発生器５Ｂにより、２ビットのシンボルに対応する信号が生成される。
【0053】
図５に示されるように、移相器５Ａは、Ｉ成分の信号を入力し位相を調整する第１移相器５ＡＩと、Ｑ成分の信号を入力し位相を調整する第２移相器５ＡＱとを備える。図において、Ｉ成分の信号及びＱ成分の信号に任意の位相差を発生させる移相器５Ａが例示されている。第１移相器５ＡＩは、Ｉ成分の大きさを調整する。第２移相器５ＡＱは、Ｑ成分の大きさを調整する。
【0054】
第１移相器５ＡＩは、位相のシフト量に応じたサイズに可変するＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタを有する。第１移相器５ＡＩは、例えば、複数の並列接続されたＭＯＳトランジスタにより形成されている。第１移相器５ＡＩは、複数の並列接続されたＭＯＳトランジスタのうちゲート入力されてオン状態となるＭＯＳトランジスタの数に応じて実効的なＭＯＳトランジスタのサイズを変更し、位相のシフト量を調整する。第１移相器５ＡＩは、位相のシフト量が調整できるのであればＭＯＳトランジスタだけでなくバイポーラトランジスタ等の他のトランジスタを有していてもよい。
【0055】
第２移相器５ＡＱは、位相のシフト量に応じたサイズに可変するＭＯＳトランジスタを有する。第２移相器５ＡＱは、例えば、複数の並列接続されたＭＯＳトランジスタにより形成されている。即ち、移相調整回路は、位相調整のための複数のＭＯＳトランジスタを備える。
【0056】
第２移相器５ＡＱは、複数の並列接続されたＭＯＳトランジスタのうちゲート入力されてオン状態となるＭＯＳトランジスタの個数に応じて実効的なＭＯＳトランジスタのサイズを変更し、位相のシフト量を調整する。即ち、制御部６は、移相調整回路を制御し、送信信号の位相調整量に応じた個数のＭＯＳトランジスタチップへのスイッチングを行い、アンテナ部３から放射される中継電波Ｒ３のビーム方向を調整する。
【0057】
第１移相器５ＡＩ及び第２移相器５ＡＱにおけるＭＯＳトランジスタのサイズは、送信電波の送信方向が固定されている場合、送信電波のビーム方向に応じた位相差を発生するように固定されていてもよい。
【0058】
第１移相器５ＡＩ及び第２移相器５ＡＱのオン／オフのスイッチングは、制御部６により制御されたＩ／Ｑ信号発生器５Ｂにより行われる。制御部６は、Ｉ／Ｑ信号発生器５Ｂを制御して第１移相器５ＡＩ及び第２移相器５ＡＱにおける直交位相信号に付加される位相量を任意に調整する。制御部６は、Ｉ／Ｑ信号発生器５Ｂを制御して、直交位相信号においてＩ成分とＱ成分との９０°の位相差を保持しつつ、大きさが調整されたＩ成分と大きさが調整されたＱ成分とを合成し、送信信号の位相を調整する。上述したアレーアンテナ２における回路構成は、一例であり、送信電波に基づいてアンテナ素子４から送信される電波の位相量を任意に調整し中継電波のビーム方向を調整可能であれば他の回路構成が適用されてもよい。
【0059】
上記構成により、アレーアンテナ２は、受信した電波をリレー中継する際に、各アンテナ素子４において受信した給電電波Ｒ２に基づいて電力を生成し、生成した電力に基づいて各アンテナ素子４から送信される送信信号の位相を個別に調整し、アンテナ部３から放射される中継電波Ｒ３のビーム方向を調整して中継電波を送信することができる。アレーアンテナ２は、中継電波Ｒ３の生成自体には電力を消費せずに位相調整の制御において電力を消費するため、消費電力を大幅に低減することができる。
【0060】
図６には、アンテナ装置Ｆにおける無線給電の性能試験の結果が示されている。試験において、アレーアンテナ２の各アンテナ素子４における受信電力（ＰＷＰＴ）に対して発生する電力（ｍＷ）が測定された。発生する電力は、２４ＧＨｚの給電電波Ｒ２の電力、角度、および給電装置１０からの距離によって異なる。
【0061】
測定条件は、給電装置１０から０．２ｍ離間した位置において、４×８のマトリクス状に配置された３２個のアンテナ素子４が配列されているアンテナ部３から２４ＧＨｚの給電電波Ｒ２を受信した場合に電源部７において発生する電力が測定された。
【0062】
この測定では、０°方向において２．３ｄＢｍの受信電力を有するアンテナ素子４を有するアンテナ部３から３．１ｍＷの電力が生成された。これは、２４ＧＨｚでの受信電力密度として６．７ｍＷ／ｃｍ２に相当する。但し、この電力変換には、電源部７における各アンテナ素子４が受信した電力の合成と結線によって生じる挿入損失が含まれる。
【0063】
図７には、アンテナ部３におけるアンテナ素子４の配列数と、電源部７において発生する電力との関係が示されている。図示するように、アンテナ部３におけるアンテナ素子４の配列数と、発生する電力とは比例関係にある。
【0064】
図示するように測定結果に基づいて、１６×１６のマトリクス状に配置された２５６個のアンテナ素子４を有するアンテナ部３において、アンテナ素子４が０．２ｍの離間距離で１．７ｄＢｍの受信電力の性能を有する場合、アンテナ部３から受信した給電電波Ｒ２に基づいて２５．０ｍＷの発電が可能であると推定される。
【0065】
図８には、アンテナ部３における中継電波Ｒ３の強度に関する測定結果が示されている。図示するように、中継電波Ｒ３の強度に対してアンテナ部３の等価等方輻射電力（Equivalent Isotropically Radiated Power：EIRP）は、比例関係となる。
【0066】
ＥＩＲＰは、４×８のマトリクス状に配置された３２個のアンテナ素子４を有するアンテナ部３における０．２ｍ離間した距離で測定された。ＥＩＲＰは、比例関係の領域が終了すると非線形領域が生じる。ＥＩＲＰの非線形領域において、比例関係式から１ｄＢ低下した１ｄＢ圧縮ポイントは、－２．２ｄＢｍであった。
【0067】
図９には、アンテナ部３から送信される中継電波Ｒ３のビームの方向、強度の測定結果が示されている。アンテナ装置Ｆにおいて中継電波Ｒ３は、平面方位角１５°毎のビームパターンの後方散乱について測定された。
【0068】
図１０には、アンテナ装置Ｆにおける受信信号と送信信号との比較結果が示されている。図示するように、５Ｇモバイルネットワーク用に設定された５ＧＮＲ（New Radio）信号の送受信においてスペクトル、エラーベクトル振幅（Error Vector Modulation：EVM）、および隣接チャネル漏洩電力比（Adjacent Channel Leakage Ratio：ACLR）が測定された。測定結果により、アンテナ装置Ｆは、受信信号に基づいて様々な変調信号に対して正確な送信信号を生成し、中継電波Ｒ３を送信可能である。
【0069】
図１１には、アンテナ装置Ｆにおける発電能力と消費電力の測定結果が示されている。アンテナ装置Ｆによれば、消費電力が０．０３ｍＷ／パス程度でビーム方向を制御してリレー動作が実現される。比較例として、非特許文献１及び非特許文献２に記載されたアレーアンテナの消費電力が示されている。比較例に係るアンテナは、受信した送信電波に基づいて中継電波を生成して送信する構成を有する。アンテナ装置Ｆによれば、比較例に比して中継電波の送信において消費電力を大幅に低減可能である。
【0070】
アンテナ装置Ｆによれば、給電装置１０の無線給電により３．１ｍＷの電力を生成することができる。従って、アンテナ装置Ｆによれば、給電装置１０から受信した給電電波Ｒ２に基づいてリレー制御に必要な電力を十分に発電することができる。
【0071】
上述したようにアンテナ装置Ｆによれば、アレーアンテナ２において外部電源を用いずに任意の方向に通信電波の中継を行うことができる。アンテナ装置Ｆによれば、アレーアンテナ２は、給電装置１０に無線給電されることにより電力を生成することができ、外部電源が設置されていない任意の位置に固定することができる。アンテナ装置Ｆによれば、基地局２０から送信される送信電波を、給電装置１０から供給される給電電波Ｒ２により発生する電力に比して小さい消費電力によりリレー中継することができる。アンテナ装置Ｆによれば、受信した電波をリレー中継する際に、ビーム方向を任意に調整して中継電波を送信することができる。
【0072】
アンテナ装置Ｆによれば、受信した電波をリレー中継する際に、各アンテナ素子４において受信した給電電波に基づいて電力を生成することができ、生成した電力に基づいて各アンテナ素子４から送信される送信信号の位相を個別に調整しビーム方向を調整して中継電波を送信することができる。アンテナ装置Ｆによれば、生成した電力は、中継電波の位相の調整の制御に対して用いるため、消費電力を大幅に低減することができる。
【0073】
［変形例］
以下、変形例に係る通信システムについて説明する。以下の説明においては、上記実施形態と同一の構成については、同一の名称及び符号を用い、重複する説明については適宜省略する。
以下、変形例に係る通信システムについて説明する。以下の説明においては、上記実施形態と同一の構成については、同一の名称及び符号を用い、重複する説明については適宜省略する。
【0074】
図１２に示されるように、通信システム１Ａは、壁Ｗ等の遮蔽物に遮蔽された空間に中継電波を送信するものである。壁Ｗは、例えば、建物のコンクリート壁である。壁Ｗの一面ＷＸ側は、例えば、建物の外部空間である。壁Ｗの他面ＷＹ側は、例えば、建物の室内等の内部空間である。壁Ｗの一面ＷＸ側には、基地局２０と、給電装置１０Ｘが配置されている。基地局２０は、例えば、２８ＧＨｚの周波数帯の送信電波Ｒ１を送信する。送信電波Ｒ１は、壁Ｗを透過せず、他面ＷＹ側の移動局３０に届かない。
【0075】
以下、壁Ｗの一面ＷＸ側と他面ＷＹ側において重複する構成において、一面ＷＸ側については符号にＸを追加し、壁Ｗの他面ＷＹ側については符号にＹを適宜追加して説明する。
【0076】
通信システム１Ａは、壁Ｗの一面ＷＸ側においてアンテナ部３Ｘが設けられている。壁Ｗの他面ＷＹ側において他のアンテナ部３Ｙが設けられている。アンテナ部３Ｙは、アンテナ部３Ｘに対応する位置に背中合わせに配置されている。アンテナ部３Ｘは、給電装置１０Ｘから給電電波Ｒ２Ｘを受信し、電力を生成する。アンテナ部３Ｘは、基地局２０から送信電波Ｒ１を受信する。
【0077】
アンテナ部３Ｘにおいて、給電装置１０Ｘから送信される給電電波Ｒ２Ｘに基づいて電力が生成される。アンテナ部３Ｘにおいて、基地局２０から送信された送信電波Ｒ１が受信される。アンテナ部３Ｘにおいて、制御部６Ｘは、生成された電力に基づいて、移相調整部５Ｘを制御して、受信した送信電波Ｒ１に含まれる信号を低周波に周波数変換したＩＦ信号を生成する。制御部６Ｘは、例えば、移相調整部５Ｘを制御して４ＧＨｚのＩＦ信号を生成する。
【0078】
制御部６Ｘは、移相調整部５Ｘを制御して、ＩＦ信号を他のアンテナ部３Ｙ側に送信する。このとき、ＩＦ信号が壁Ｗを透過する周波数帯であれば、有線接続されていなくても壁Ｗを介して他のアンテナ部３ＹにＩＦ信号を送信することができる。４ＧＨｚ帯に変換されたＩＦ信号は、壁Ｗを透過してアンテナ部３Ｙにおいて受信される。アンテナ部３Ｘと他のアンテナ部３Ｙとは、有線接続が可能であれば有線によりＩＦ信号を送受信してもよい。
【0079】
アンテナ部３Ｙにおいて、給電装置１０Ｙから送信される給電電波Ｒ２Ｘに基づいて電力が生成される。アンテナ部３Ｙにおいて、生成された電力に基づいて駆動される他の制御部６Ｙは、他の移相調整部５Ｙを制御して、受信したＩＦ信号を高周波に変調した送信信号を生成する。制御部６Ｙは、移相調整部５Ｙを制御して各アンテナ素子４Ｙから送信される送信信号の位相を個別に調整し、アンテナ部３Ｙからビーム方向が調整された中継電波Ｒ３を移動局３０に向けて送信する。
【0080】
通信システム１Ａにおいて、アンテナ部３Ｙは、壁Ｗに関してアンテナ部３Ｘと背中合わせに配置されているだけでなく、アンテナ部３Ｘと異なる他の位置に設けられていてもよい。
【0081】
アンテナ部３Ｙは、壁Ｗの一面ＷＸ側においてアンテナ部３Ｘと離間した異なる他の位置に設けられていてもよい。この場合、アンテナ部３Ｘとアンテナ部３Ｙとは、信号を送受信するために有線接続されていてもよい。アンテナ部３Ｙは、給電装置１０Ｘを共用してもよい。
【0082】
上述したように通信システム１Ａによれば、壁Ｗに遮蔽された室内空間に位置する移動局３０に送信電波Ｒ１をリレーした中継電波Ｒ３を送信することができる。通信システム１Ａによれば、アンテナ部３Ｘにおいて送信電波Ｒ１を受信し、他のアンテナ部３Ｙからビーム方向を調整して中継電波Ｒ３を室内の移動局３０に向けて送信することができる。
【0083】
上述した実施形態における制御部６，６Ｘ，６Ｙ，１４，２４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリなどの記憶装置に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭなどの着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることでインストールされてもよい。
【0084】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。例えば、アレーアンテナ２において、給電装置１０から受信した給電電波に基づいて、送信電波のパワーを増幅して送信するためのアンプ回路が設けられていてもよい。
【符号の説明】
【0085】
１、１Ａ…通信システム、２…アレーアンテナ、２Ｒ、２Ｔ…回路、３…アンテナ部、３Ａ…板状体、３Ｘ…アンテナ部、３Ｙ…アンテナ部、４…アンテナ素子、４Ｙ…アンテナ素子、５…移相調整部、５Ａ…移相器、５ＡＩ…第１移相器、５ＡＱ…第２移相器、５Ｂ…Ｉ／Ｑ信号発生器、５Ｃ…変換部、５Ｘ、５Ｙ…移相調整部、６…制御部、６Ｘ、６Ｙ…制御部、７…電源部、７Ａ…パワーコンバイナ、７Ｂ…ＬＣ整流器、１０、１０Ｘ、１０Ｙ…給電装置、１１…アンテナ部、１２…アンテナ素子、１３…通信部、１４…制御部、２０…基地局、２１…アンテナ部、２２…アンテナ素子、２３…送受信部、２４…制御部、３０…移動局、Ｆ…アンテナ装置、Ｒ１…送信電波、Ｒ２、Ｒ２Ｘ…給電電波、Ｒ３…中継電波、Ｓ…遮蔽物、Ｗ…壁、ＷＸ…一面、ＷＹ…他面
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】