JP2018046369A - antenna - Google Patents
antenna Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018046369A JP2018046369A JP2016178787A JP2016178787A JP2018046369A JP 2018046369 A JP2018046369 A JP 2018046369A JP 2016178787 A JP2016178787 A JP 2016178787A JP 2016178787 A JP2016178787 A JP 2016178787A JP 2018046369 A JP2018046369 A JP 2018046369A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- antenna
- transmission
- mode
- reception
- elements
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
【課題】受信レベルの低下を抑制しながらOAM波の多重通信を行うことができるアンテナを提供する。【解決手段】アンテナは、複数種類のアレイアンテナを有する。アレイアンテナの種類は、OAM波のモードと送信か受信かの送受信種別とにより示される。各アレイアンテナはそれぞれ、円周上に配置された複数のアンテナ素子により構成される。アンテナ素子が配置される円周は、複数のアレイアンテナについて同心かつ同一直径である。送受信種別が異なる複数のアレイアンテナにおいて、少なくとも一部のアンテナ素子を共用してもよく、OAM波のモードが異なる複数のアレイアンテナにおいて、少なくとも一部のアンテナ素子を共用してもよい。1つのアレイアンテナを構成する複数のアンテナ素子は、円周上に等間隔に配置される。【選択図】図10An antenna capable of performing multiplex communication of OAM waves while suppressing a decrease in reception level is provided. The antenna has a plurality of types of array antennas. The type of the array antenna is indicated by the OAM wave mode and the transmission / reception type of transmission or reception. Each array antenna is composed of a plurality of antenna elements arranged on the circumference. The circumference in which the antenna elements are arranged is concentric and has the same diameter for a plurality of array antennas. A plurality of array antennas with different transmission / reception types may share at least some antenna elements, and a plurality of array antennas with different OAM wave modes may share at least some antenna elements. A plurality of antenna elements constituting one array antenna are arranged at equal intervals on the circumference. [Selection] Figure 10
Description
本発明は、アンテナに関する。 The present invention relates to an antenna.
図1〜図4は、OAM(Orbital Angular Momentum)波の特性を示す図である。図1はOAMモードL0のOAM波の特性を、図2はOAMモードL1のOAM波の特性を、図3はOAMモードL2のOAM波の特性を、図4はOAMモードL3のOAM波の特性を示す。以下では、OAMモードを単に「モード」とも記載する。これらの図1〜図4に示すような異なる軌道角運動量を持つ電波(モードL0,L1,L2,L3,…)にそれぞれに違う信号に対応させ、それら電波を多重することができる。図1〜図4に示すように、送信側からの距離が同じ平面における位相の変化を比べると、モードL0では同じ位相であるが、モードL1では位相が0〜360°と1回転し、L2では2回転、L3では3回転する(例えば、非特許文献1、2参照)。このような幾つものモードのOAM波を多重することにより、無線の通信容量を大幅に増加できると考えられる(例えば、非特許文献1、2、3参照)。 1 to 4 are diagrams showing characteristics of OAM (Orbital Angular Momentum) waves. 1 shows the characteristics of the OAM wave in the OAM mode L0, FIG. 2 shows the characteristics of the OAM wave in the OAM mode L1, FIG. 3 shows the characteristics of the OAM wave in the OAM mode L2, and FIG. 4 shows the characteristics of the OAM wave in the OAM mode L3. Indicates. Hereinafter, the OAM mode is also simply referred to as “mode”. The radio waves having different orbital angular momentum as shown in FIGS. 1 to 4 (modes L0, L1, L2, L3,...) Can be made to correspond to different signals and multiplexed. As shown in FIGS. 1 to 4, when comparing changes in the phase in the same distance from the transmission side, the phase is the same in mode L0, but in mode L1, the phase rotates once from 0 to 360 °, and L2 2 rotations and L3 3 rotations (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). It is considered that the wireless communication capacity can be greatly increased by multiplexing such OAM waves in several modes (for example, see Non-Patent Documents 1, 2, and 3).
この無線通信に使用されるOAM波の放射のピークは、送信側から受信側の方向に対し円錐状に広がる。また、選択されたOAMモード(OAM波のモード)により、その放射における円錐状のピークの広がりが異なる。この差異として、図1〜図4のレベル分布に示すように、OAM波のモードが高次となるに従い、送信側から同じ距離だけ離れた位置における円状の放射ピークがより広がる点が確認できる。このようなOAM波の特徴を考慮して送受信アンテナの配置などに工夫が必要である。 The peak of OAM wave radiation used in this wireless communication spreads conically in the direction from the transmission side to the reception side. Moreover, the spread of the conical peak in the radiation differs depending on the selected OAM mode (OAM wave mode). As the difference, as shown in the level distributions of FIGS. 1 to 4, it can be confirmed that as the OAM wave mode becomes higher order, the circular radiation peak at a position away from the transmission side by the same distance spreads more. . Considering the characteristics of such OAM waves, it is necessary to devise the arrangement of transmission / reception antennas.
図34は、従来技術による多重送受におけるアンテナ素子の配置を示す図である(例えば、非特許文献3)。同図に示すように、アンテナ980とアンテナ990はそれぞれ、OAM波を放射する複数種類のアレイアンテナを有する。アレイアンテナは円周上に配置された複数のアンテナ素子により構成される。アレイアンテナの種類は、送信(放射)か受信かの送受信種別と、OAMモードとの組み合わせで表される。送受信種別とOAMモードの少なくとも一方が異なる場合、アレイアンテナの種類は異なる。同図では、送信側のアンテナ980及び受信側のアンテナ990がそれぞれ、2つのアレイアンテナを有する場合を示している。 FIG. 34 is a diagram showing the arrangement of antenna elements in multiplex transmission / reception according to the prior art (for example, Non-Patent Document 3). As shown in the figure, each of the antenna 980 and the antenna 990 has a plurality of types of array antennas that radiate OAM waves. The array antenna is composed of a plurality of antenna elements arranged on the circumference. The type of array antenna is represented by a combination of transmission / reception type of transmission (radiation) or reception and the OAM mode. When at least one of the transmission / reception type and the OAM mode is different, the type of the array antenna is different. This figure shows a case where the transmitting antenna 980 and the receiving antenna 990 each have two array antennas.
1つのアンテナが複数種類のアレイアンテナを備える場合、各アレイアンテナを構成するアンテナ素子は、それら複数種類のアレイアンテナにおいて中心が同じ、かつ、それら複数種類のアレイアンテナごとに異なる半径の円周上に配置される。同図では、アンテナ980において、1つ目のアレイアンテナのアンテナ素子981は円周C1上に配置され、2つ目のアレイアンテナのアンテナ素子982は円周C1と同心かつ円周C1より小さい円周C2に配置されている。また、アンテナ990において1つ目のアレイアンテナのアンテナ素子991は円周C3の上に配置され、2つ目のアレイアンテナのアンテナ素子992は円周C3と同心かつ円周C3より小さい円周C4上に配置されている。これら別々の円周上に配置されたアンテナ素子で構成されるアレイアンテナは、異なるモードのOAM波の放射又は受信を行う。このように異なるモードのOAM波を扱うことにより、多重通信を実現する。また、アンテナ素子981及びアンテナ素子982と、アンテナ素子991及びアンテナ素子992との違いは、上記のように扱うOAM波のモードの違いであってもよく、送信と受信の違いであってもよい。以下では、OAM波を放射(送信)するアレイアンテナを「送信側アレイアンテナ」とも記載し、送信側アレイアンテナから放射されたOAM波を受信するアレイアンテナを「受信側アレイアンテナ」とも記載する。また、以下では、アンテナ素子を「素子」とも記載し、受信側アレイアンテナのアンテナ素子を「受信素子」とも記載する。 When one antenna is provided with a plurality of types of array antennas, the antenna elements constituting each array antenna have the same center in the plurality of types of array antennas, and on a circumference with a different radius for each of the plurality of types of array antennas. Placed in. In the figure, in the antenna 980, the antenna element 981 of the first array antenna is arranged on the circumference C1, and the antenna element 982 of the second array antenna is concentric with the circumference C1 and smaller than the circumference C1. It arrange | positions at the periphery C2. In the antenna 990, the antenna element 991 of the first array antenna is arranged on the circumference C3, and the antenna element 992 of the second array antenna is concentric with the circumference C3 and smaller than the circumference C3. Is placed on top. The array antenna composed of antenna elements arranged on these separate circumferences emits or receives OAM waves of different modes. By handling OAM waves of different modes in this way, multiplex communication is realized. Further, the difference between the antenna element 981 and the antenna element 982 and the antenna element 991 and the antenna element 992 may be a difference in OAM wave mode handled as described above, or may be a difference between transmission and reception. . Hereinafter, an array antenna that radiates (transmits) an OAM wave is also referred to as a “transmission-side array antenna”, and an array antenna that receives an OAM wave radiated from the transmission-side array antenna is also referred to as a “reception-side array antenna”. Hereinafter, the antenna element is also referred to as “element”, and the antenna element of the receiving array antenna is also referred to as “reception element”.
図35及び図36に示す2種類の従来例の送受信アンテナを用いて従来技術の課題を説明する。
図35に示す2台のアンテナはそれぞれ、異なる大きさの同心の円周上にアンテナ素子が配置された送信側アレイアンテナと受信側アレイアンテナとを有する。送信側アレイアンテナが配置される円周の直径は、受信側アレイアンテナが配置される円周の直径のよりも小さい。これは、送信側アレイアンテナのアンテナ素子から放射されるOAM波のピークは円錐状に広がるために、受信側アレイアンテナのアンテナ素子を直径が大きいほうの円周上に配置することにより、広がったOAM波をより効果的に受信できるからである。
The problems of the prior art will be described using two types of conventional transmission / reception antennas shown in FIGS.
Each of the two antennas shown in FIG. 35 has a transmission-side array antenna and a reception-side array antenna in which antenna elements are arranged on concentric circumferences having different sizes. The diameter of the circumference where the transmission side array antenna is arranged is smaller than the diameter of the circumference where the reception side array antenna is arranged. This is because the peak of the OAM wave radiated from the antenna element of the transmitting side array antenna spreads in a conical shape, so that the antenna element of the receiving side array antenna is spread on the circumference having the larger diameter. This is because OAM waves can be received more effectively.
図36に示す送信側のアンテナは、同心の異なる大きさの円周上にアンテナ素子が配置された送信側アレイアンテナを2つ有し、受信側のアンテナは、同心の異なる大きさの円周上にアンテナ素子が配置された受信側アレイアンテナを2つ有している。送信側のアンテナにおいて、送信モードL1のOAM波を扱う送信側アレイアンテナのアンテナ素子は小径の円周上に配置されており、送信モードL2のOAM波を扱う送信側アレイアンテナでのアンテナ素子は大径の円周上に配置される。同様に、受信側のアンテナにおいて、受信モードL1のOAM波を扱う受信側アレイアンテナのアンテナ素子は小径の円周上に配置されており、受信モードL2のOAM波を扱う受信側アレイアンテナのアンテナ素子は大径の円周上に配置される。この大小の円周に対して異なるモードを割り当てる理由は、OAM波のモードにより放射の広がり角度が違うことによる。すなわち、同じ条件の場合はモードL1に比べモードL2の方がOAM波で放射の広がりが大きいため、外側の円周上のアンテナ素子でモードL2を扱う点に合理性がある。 The transmission-side antenna shown in FIG. 36 has two transmission-side array antennas in which antenna elements are arranged on circumferences of concentric different sizes, and the reception-side antenna has concentric circumferences of different sizes. It has two receiving side array antennas on which antenna elements are arranged. In the transmission-side antenna, the antenna elements of the transmission-side array antenna that handles OAM waves in the transmission mode L1 are arranged on a small-diameter circumference, and the antenna elements in the transmission-side array antenna that handles OAM waves in the transmission mode L2 are It is arranged on the circumference of the large diameter. Similarly, in the receiving-side antenna, the antenna elements of the receiving-side array antenna that handles the OAM wave in the receiving mode L1 are arranged on the circumference of a small diameter, and the antenna of the receiving-side array antenna that handles the OAM wave in the receiving mode L2 The elements are arranged on a large diameter circumference. The reason for assigning different modes to the large and small circumferences is that the radiation spread angle differs depending on the OAM wave mode. That is, in the case of the same conditions, the mode L2 has a larger spread of radiation in the OAM wave than the mode L1, so that there is a rational point in handling the mode L2 with the antenna elements on the outer circumference.
ところで、これら図35及び図36に挙げた2つの従来例においては、点線の円の中の矢印に示すように、放射ピークに対する受信素子の方向の外れ量が存在する。特に、図36に示す送信モードL1の送信側アレイアンテナのように、送信側アレイアンテナのアンテナ素子が、直径が小さい円周上に配置される場合、送信側アレイアンテナの放射ピークに対する受信素子の方向の外れ量が大きくなる。このように“方向の外れ量”が大きいと、当然ながら受信レベルが大幅に低下するために送信信号を受信できず、OAM波を使用する無線通信ができなくなる恐れがある。 Incidentally, in these two conventional examples shown in FIGS. 35 and 36, there is a deviation amount in the direction of the receiving element with respect to the radiation peak, as indicated by an arrow in a dotted circle. In particular, when the antenna elements of the transmission side array antenna are arranged on a circle having a small diameter, like the transmission side array antenna of the transmission mode L1 shown in FIG. The amount of deviation in the direction increases. If the “out-of-direction amount” is large as described above, the reception level is naturally greatly reduced, so that a transmission signal cannot be received, and wireless communication using an OAM wave may not be possible.
上記事情に鑑み、本発明は、受信レベルの低下を抑制しながらOAM波の多重通信を行うことができるアンテナ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 capable of performing multiplex communication of OAM waves while suppressing a decrease in reception level.
本発明の一態様は、OAM(Orbital Angular Momentum)波のモードと送信か受信かの送受信種別との組み合わせで示される種類がそれぞれ異なるアレイアンテナを複数有するアンテナであって、複数の前記アレイアンテナはそれぞれ、円周上に配置される複数のアンテナ素子を有し、前記アンテナ素子が配置される前記円周は、複数の前記アレイアンテナについて同心かつ同一直径である。 One aspect of the present invention is an antenna having a plurality of array antennas each having a different type indicated by a combination of an OAM (Orbital Angular Momentum) wave mode and a transmission / reception transmission / reception type. Each has a plurality of antenna elements arranged on the circumference, and the circumference on which the antenna elements are arranged is concentric and has the same diameter with respect to the plurality of array antennas.
本発明の一態様は、上記のアンテナであって、送受信種別が異なる複数の前記アレイアンテナにおいて、少なくとも一部の前記アンテナ素子を共用し、前記アレイアンテナごとに当該アレイアンテナを構成する複数の前記アンテナ素子は、前記円周上に等間隔に配置される。 One aspect of the present invention is the antenna described above, wherein a plurality of the array antennas having different transmission / reception types share at least a part of the antenna elements, and each of the array antennas configures the array antenna. The antenna elements are arranged at equal intervals on the circumference.
本発明の一態様は、上記のアンテナであって、OAM波のモードが異なる複数の前記アレイアンテナにおいて、少なくとも一部の前記アンテナ素子を共用し、前記アレイアンテナごとに当該アレイアンテナを構成する複数の前記アンテナ素子は、前記円周上に等間隔に配置される。 One embodiment of the present invention is the above-described antenna, wherein a plurality of the array antennas having different OAM wave modes share at least a part of the antenna elements, and each array antenna includes a plurality of the array antennas. The antenna elements are arranged at equal intervals on the circumference.
本発明により、受信レベルの低下を抑制しながらOAM波の多重通信を行うことができるアンテナを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide an antenna that can perform multiplex communication of OAM waves while suppressing a decrease in reception level.
OAM波は、複数モードを使用して多重化できる。この多重化したOAM波を生成するために、アンテナは複数のアレイアンテナを有する。各アレイアンテナにおいては、円周上にアンテナ素子が配置される。従来技術では、モード別に複数の円周上にアンテナ素子を配置したり、送受信で別の円周上にアンテナ素子を配置したりしていた。本実施形態では、同一円周上(多重する全モードのアレイアンテナの最大の円周上)に複数モードのアンテナ素子、又は、送受信のアンテナ素子を配置する。これによりOAM波の広がりを抑制し、送信から見た受信素子方向もOAM波の広がりから外れる量を可能な限り少なくしたOAM波の多重送受信を実現する。
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。
OAM waves can be multiplexed using multiple modes. In order to generate this multiplexed OAM wave, the antenna has a plurality of array antennas. In each array antenna, antenna elements are arranged on the circumference. In the prior art, antenna elements are arranged on a plurality of circumferences for each mode, or antenna elements are arranged on different circumferences for transmission and reception. In the present embodiment, a multi-mode antenna element or a transmission / reception antenna element is arranged on the same circumference (on the maximum circumference of all the array antennas to be multiplexed). As a result, the spread of the OAM wave is suppressed, and the OAM wave multiplex transmission / reception in which the receiving element direction viewed from the transmission is reduced as much as possible from the spread of the OAM wave is realized.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
図1〜図4に示すOAM(Orbital Angular Momentum)波の特性を、各モードの放射ピークや位相についての具体例を挙げて詳細に説明する。以下では、図1に示す通常の電波(モードL0)と、図2、図3、図4に示すモードL1,L2,L3の3種類のOAM波とを合せて、4種類の電波を挙げて説明する。
[First Embodiment]
The characteristics of OAM (Orbital Angular Momentum) waves shown in FIGS. 1 to 4 will be described in detail with specific examples of radiation peaks and phases in each mode. In the following, four types of radio waves are listed by combining the normal radio wave (mode L0) shown in FIG. 1 and the three types of OAM waves of modes L1, L2, and L3 shown in FIGS. explain.
まず、各種類の電波の電界強度分布(強度のレベル分布)について述べると、図1に示すように、通常の電波では中心が強い円形であり、図2〜図4に示すように、OAM波では中心が弱い円環形である。これらの各モードのOAM波の円環形のレベル分布において強度レベルがピークとなる円環の直径を比較すると、モードL1,L2,L3の順にそれらピークが中心から広がっていることが確認できる。また、位相変化に関しては、通常の電波では一様であるが、OAM波においてはモードL1〜L3に応じて、中心角に対し0〜360°で1周〜3周の変化がある。 First, the electric field intensity distribution (intensity level distribution) of each type of radio wave will be described. As shown in FIG. 1, a normal radio wave has a strong circular center, and as shown in FIGS. Then, the center is a weak ring shape. Comparing the diameters of the circular rings whose intensity levels are peaks in the annular level distribution of the OAM wave in each mode, it can be confirmed that the peaks spread from the center in the order of modes L1, L2, and L3. In addition, the phase change is uniform in normal radio waves, but in OAM waves, there is a change of 1 to 3 rounds at 0 to 360 ° with respect to the central angle according to modes L1 to L3.
図5及び図6は、2種類の異なるパラメータに対するOAM波の放射の広がり角度の表を示す図である。この2種類のパラメータは、OAM波の送信モードと、OAM波を生成し放射するアンテナ素子を円周上に配置した送信側アレイアンテナの直径、すなわち、送信側アレイアンテナの開口径の長さである。図5は、OAMモードL±1の同一送信モードで送信側アレイアンテナの開口径が異なる場合のOAM波の広がり角度の違いを示す。図6は、送信側アレイアンテナの開口径が同一の4λでOAM波の送信モードが異なる場合の広がり角度の違いを示す。この開口径を4λとした、この“λ”は波長を示す。また一方で、広がり角度は、放射された電波の強度レベルのピークが円錐状に広がった角度である。 5 and 6 are tables showing the spread angle of the radiation of the OAM wave with respect to two different parameters. These two types of parameters are the transmission mode of the OAM wave and the diameter of the transmission side array antenna in which the antenna elements that generate and radiate the OAM wave are arranged on the circumference, that is, the length of the opening diameter of the transmission side array antenna. is there. FIG. 5 shows the difference in the spread angle of the OAM wave when the aperture diameter of the transmitting array antenna is different in the same transmission mode of the OAM mode L ± 1. FIG. 6 shows the difference in spread angle when the transmission side array antenna has the same aperture diameter of 4λ and the transmission mode of the OAM wave is different. This opening diameter is 4λ, and “λ” indicates a wavelength. On the other hand, the spread angle is an angle at which the peak of the intensity level of the radiated radio wave spreads in a conical shape.
図5から分かるように、条件をOAMモードL±1の同一送信モードとした場合、送信側アレイアンテナのアンテナ素子を円周上に配置した直径である開口径が短いλから2λ,…,4λと長くなるに従い、広がり角度は34°,17°,…,8°と逆順に小さくなる。一方、図6に示したとおり、条件を開口径が同一直径4λ(λは波長)とした場合、低いOAMモードL±1からL±2,…,L±4と高くなるに従い、OAM波の広がり角度も8°,14°,…,25°と順に大きくなる。 As can be seen from FIG. 5, when the condition is the same transmission mode of the OAM mode L ± 1, the aperture diameter, which is the diameter in which the antenna elements of the transmitting-side array antenna are arranged on the circumference, is short from λ to 2λ,. As the length increases, the spread angle decreases in the reverse order of 34 °, 17 °,..., 8 °. On the other hand, as shown in FIG. 6, when the condition is that the aperture diameter is the same diameter 4λ (λ is the wavelength), the OAM wave is increased as the low OAM mode L ± 1 increases to L ± 2,. The spread angle also increases in order of 8 °, 14 °,..., 25 °.
これら図5及び図6に示す数値は、後述する図8と図9に挙げるシミュレーション結果から得ている。また、図5及び図6において挙げた2つのパラメータがOAM波の広がり角度に影響があるとき、後述する図10では次の検討を行う。すなわち、比較的簡単な2種類のモードL±1と±2を多重し、かつ送信側アレイアンテナのサイズ(開口径)を最大4λに制限する。この制約条件で少し図10での検討に触れておくと、図34に示す従来例となるケースAでは、モードL±1を扱う送信側アレイアンテナのサイズは2λであり、モードL±2を扱う送信側アレイアンテナのサイズは4λである。一方、後述する図10に示す本実施形態では、モードL±1を扱う送信側アレイアンテナのサイズ及びモードL±2を扱う送信側アレイアンテナのサイズは、両方とも4λである。 The numerical values shown in FIGS. 5 and 6 are obtained from simulation results shown in FIGS. 8 and 9 described later. When the two parameters listed in FIGS. 5 and 6 affect the spread angle of the OAM wave, the following examination is performed in FIG. 10 described later. That is, two relatively simple modes L ± 1 and ± 2 are multiplexed, and the size (aperture diameter) of the transmitting-side array antenna is limited to a maximum of 4λ. In the case of the conventional case A shown in FIG. 34, the size of the transmitting array antenna that handles the mode L ± 1 is 2λ, and the mode L ± 2 is The size of the transmission side array antenna to be handled is 4λ. On the other hand, in the present embodiment shown in FIG. 10 described later, the size of the transmission side array antenna that handles the mode L ± 1 and the size of the transmission side array antenna that handles the mode L ± 2 are both 4λ.
図7は、送信モードと開口径を変えた時のピーク方向の一覧表を示す図である。同図に示す一覧表では、モードL±1,L±2,…,L±4,L±5をカバーする。さらに、同図に示す一覧表では、OAM波を放射する送信側アレイアンテナにおいて円周上にアンテナ素子を配置する場合に、これらアンテナ素子が配置される円周の直径である開口径Dがλ,2λ,…,4λ,…,6λと異なる条件もカバーする。つまり、図7に示す一覧表では、これら異なるOAMモードと開口径の組合せにより変化するピーク方向として、OAM波の放射ピークの広がり角度の数値が示されている。同図に示す一覧表全体から総じて、低次のOAMモードに比べ高次のOAMモードになるとピーク方向の広がり角度が拡大する傾向がある。また、同じOAMモードの時には、開口径が大きくなるとピークの広がり角度が小さくなる傾向がある。先に図5、図6に挙げた条件(モードL1で開口径λ〜4λ,開口径4λでモードL1〜L4)におけるOAM波の広がり角度はそれぞれ、一覧表において符号A1、符号A2に囲まれた範囲に含まれている。 FIG. 7 is a diagram showing a list of peak directions when the transmission mode and the aperture diameter are changed. The list shown in the figure covers modes L ± 1, L ± 2,..., L ± 4, L ± 5. Furthermore, in the table shown in FIG. 6, when antenna elements are arranged on the circumference of the transmitting-side array antenna that radiates OAM waves, the aperture diameter D, which is the diameter of the circumference where these antenna elements are arranged, is λ. , 2λ,..., 4λ,. That is, the list shown in FIG. 7 shows the numerical value of the spread angle of the emission peak of the OAM wave as the peak direction that changes depending on the combination of these different OAM modes and aperture diameters. As a whole, the entire list shown in the figure tends to increase the spread angle in the peak direction when the OAM mode is higher than the low-order OAM mode. In the same OAM mode, the peak spread angle tends to decrease as the aperture diameter increases. The spread angle of the OAM wave under the conditions shown in FIGS. 5 and 6 (the aperture diameters λ to 4λ in the mode L1 and the modes L1 to L4 in the aperture diameter 4λ) are respectively surrounded by the symbols A1 and A2 in the list. Is included in the range.
図8は、同一送信モードで送信側アレイアンテナの開口径が異なる場合のOAM波の放射パターンを示す図であり、図9は、送信側アレイアンテナの開口径が同一で送信モードが異なる場合のOAM波の放射パターンを示している。図8及び図9に示す放射パターンは、円周上に、長さλ/20の微小ダイポールであるアンテナ素子が16個配置されることを条件として、放射パターンをシミュレーションした結果である。このシミュレーションでは、使用周波数f=5.2GHz(波長λ=5.8cm)である。 FIG. 8 is a diagram showing a radiation pattern of OAM waves when the aperture diameter of the transmission side array antenna is different in the same transmission mode, and FIG. 9 is a diagram when the aperture diameter of the transmission side array antenna is the same and the transmission mode is different. The radiation pattern of an OAM wave is shown. The radiation patterns shown in FIGS. 8 and 9 are the results of simulating the radiation pattern on the condition that 16 antenna elements, which are microdipoles having a length λ / 20, are arranged on the circumference. In this simulation, the used frequency is f = 5.2 GHz (wavelength λ = 5.8 cm).
まず図8は、送信モードがモードL1であるときに、λ,2λ,3λ,4λと異なる直径(開口径)の円周上にアンテナ素子を配置した送信側アレイアンテナの放射パターンを示す。これらのケースでは、開口径が大きくなるに従って、矢印で示したピーク方向が絞られていくことが分かる。続いて図9は、同じ4λの直径の円周上にアンテナ素子を配置し(同一開口径)、送信モードをモードL1,L2,L3,L4と変えたときの放射パターンを示す。モードが高次になるに従い、矢印で示したピーク方向が拡大することが見てとれる。これら図8や図9のようにシミュレーションにより様々なモードと送信側アレイアンテナの開口径を組み合わせた条件での広がり角度の結果をまとめたものが先の図7の一覧表である。 First, FIG. 8 shows a radiation pattern of a transmitting-side array antenna in which antenna elements are arranged on a circumference having a diameter (opening diameter) different from λ, 2λ, 3λ, and 4λ when the transmission mode is mode L1. In these cases, it can be seen that the peak direction indicated by the arrow is narrowed as the opening diameter increases. Next, FIG. 9 shows a radiation pattern when antenna elements are arranged on the circumference of the same 4λ diameter (same aperture diameter) and the transmission mode is changed to modes L1, L2, L3, and L4. It can be seen that the peak direction indicated by the arrow expands as the mode becomes higher. The list of FIG. 7 is a summary of the results of the spread angle under the condition of combining various modes and the aperture diameter of the transmitting-side array antenna by simulation as shown in FIG. 8 and FIG.
図10は、本実施形態における多重送受を行うアンテナにおける素子配置を示す図である。同図に示す送信側のアンテナ100及び受信側のアンテナ200はそれぞれ、複数のアレイアンテナを有する。送信側のアンテナ100は、OAMモードが異なる送信側アレイアンテナを2つ有し、受信側のアンテナはOAMモードが異なる受信側アレイアンテナを2つ有する。なお、1つのアンテナが、OAMモードが同一又は異なる送信側アレイアンテナと受信側アレイアンテナを備えてもよい。アンテナ100において、アンテナ素子101とアンテナ素子102はそれぞれ、種類が異なるアレイアンテナを構成する。アンテナ素子101が配置される円周と、アンテナ素子102が配置される円周は同心で同径の円周C5である。同様に、アンテナ200において、アンテナ素子201とアンテナ素子202はそれぞれ、種類が異なるアレイアンテナを構成する。アンテナ素子201が配置される円周と、アンテナ素子202が配置される円周は、同心で同径の円の円周C5である。 FIG. 10 is a diagram showing an element arrangement in an antenna that performs multiplex transmission / reception in the present embodiment. Each of the transmitting-side antenna 100 and the receiving-side antenna 200 shown in the figure has a plurality of array antennas. The transmitting-side antenna 100 has two transmitting-side array antennas having different OAM modes, and the receiving-side antenna has two receiving-side array antennas having different OAM modes. One antenna may include a transmitting-side array antenna and a receiving-side array antenna that have the same or different OAM modes. In the antenna 100, the antenna element 101 and the antenna element 102 constitute an array antenna of a different type. The circumference where the antenna element 101 is arranged and the circumference where the antenna element 102 is arranged are a circumference C5 which is concentric and has the same diameter. Similarly, in the antenna 200, the antenna element 201 and the antenna element 202 constitute different types of array antennas. The circumference where the antenna element 201 is arranged and the circumference where the antenna element 202 is arranged are a circumference C5 of a concentric and the same diameter circle.
先に従来技術のアンテナを図34で説明したが、同図に示すアンテナ100、200それぞれが備える2つのアレイアンテナの円周C5は、図34に示すアンテナ990の外側のアレイアンテナの円周C3と同じ直径である。すなわち、図34に示すアンテナ990の外側のアレイアンテナの開口径と、図10に示すアンテナ100、200のそれぞれが有するアレイアンテナの開口径を同じとして検討する。この条件の場合では、図34に示す従来技術に対して、図10に示すアンテナ100、200では、最も大きな直径の円周上に、OAM波のモードと送受信種別とのうち少なくとも一方が異なるアレイアンテナのアンテナ素子を配置するため、OAM波による放射ピークの広がりを抑制できる。つまり、送信側アレイアンテナでは、最も大きな直径の円周上にアンテナ素子を配置することで、従来技術における課題であった放射ピークの広がりを抑制する。さらには、受信側アレイアンテナにおいても最も大きな直径の円周上にアンテナ素子を配置することで、OAMモードと送信側の開口径で決まる放射ピークに可能な限り近い角度で受信することを狙う。 The prior art antenna has been described with reference to FIG. 34. The circumference C5 of the two array antennas included in each of the antennas 100 and 200 shown in FIG. 34 is the circumference C3 of the array antenna outside the antenna 990 shown in FIG. Is the same diameter. That is, the aperture diameter of the array antenna outside the antenna 990 shown in FIG. 34 is considered to be the same as the aperture diameter of the array antenna included in each of the antennas 100 and 200 shown in FIG. In the case of this condition, the antennas 100 and 200 shown in FIG. 10 have an array in which at least one of the OAM wave mode and the transmission / reception type is different on the circumference of the largest diameter in the antenna 100 and 200 shown in FIG. Since the antenna element of the antenna is arranged, the spread of the radiation peak due to the OAM wave can be suppressed. That is, in the transmission-side array antenna, the antenna element is arranged on the circumference of the largest diameter, thereby suppressing the spread of the radiation peak, which is a problem in the prior art. Furthermore, by arranging antenna elements on the circumference of the largest diameter in the receiving side array antenna, it is aimed to receive at an angle as close as possible to the radiation peak determined by the OAM mode and the aperture diameter on the transmitting side.
図11は、本実施形態のアンテナを用いたときの放射ピークに対する受信素子方向の外れ量の削除効果を示す図である。同図に示すように、送信側のアンテナ及び受信側のアンテナともに、同じ円周上に、モードL1のアレイアンテナのアンテナ素子とモードL2のアレイアンテナのアンテナ素子とを配置する。アンテナ素子101は、図10に示すアンテナ100において送信モードL1の送信側アレイアンテナを構成するアンテナ素子であり、アンテナ素子102は、図10に示すアンテナ100において送信モードL2の送信側アレイアンテナを構成するアンテナ素子である。アンテナ素子201は、図10に示すアンテナ200において受信モードL1の受信側アレイアンテナを構成するアンテナ素子であり、アンテナ素子202は、図10に示すアンテナ200において受信モードL2の受信側アレイアンテナを構成するアンテナ素子である。 FIG. 11 is a diagram illustrating the effect of deleting the amount of deviation in the receiving element direction with respect to the radiation peak when the antenna of this embodiment is used. As shown in the figure, the antenna element of the mode L1 array antenna and the antenna element of the mode L2 array antenna are arranged on the same circumference in both the transmission side antenna and the reception side antenna. The antenna element 101 is an antenna element that constitutes the transmission-side array antenna in the transmission mode L1 in the antenna 100 shown in FIG. 10, and the antenna element 102 constitutes the transmission-side array antenna in the transmission mode L2 in the antenna 100 shown in FIG. Antenna element. The antenna element 201 is an antenna element that constitutes a reception-side array antenna in the reception mode L1 in the antenna 200 shown in FIG. 10, and the antenna element 202 constitutes a reception-side array antenna in the reception mode L2 in the antenna 200 shown in FIG. Antenna element.
これら送信モードL1、L2それぞれの送信側アレイアンテナにより生成されるOAM波の放射ピークに対して、送信モードL1、L2それぞれの受信側アレイアンテナの方向が外れる量は少なくなる。特にモードL1の放射ピークについては、そのピーク方向が受信側のアンテナ素子201への方向から外れる量は、符号B1、B2の範囲に示すように僅かである。この点に関して、後述する図12及び図13で、具体的な数値を伴う例を挙げて補足する。その後には、送受信装置の構成(後述する図14、図15)、OAM波を用いた多重化のシミュレーションの結果(後述する図18)、OAM波を用いた多重化の検証実験に基づく追加検討(後述する図17、図19、図20)について説明する。 The amount by which the receiving-side array antennas of the transmission modes L1 and L2 deviate from the radiation peaks of the OAM waves generated by the transmitting-side array antennas of the transmission modes L1 and L2 is small. In particular, with respect to the radiation peak of mode L1, the amount of the peak direction deviating from the direction toward the antenna element 201 on the receiving side is small as shown in the ranges of B1 and B2. This point will be supplemented with examples with specific numerical values in FIGS. 12 and 13 described later. Thereafter, the configuration of the transmitting / receiving apparatus (FIGS. 14 and 15 to be described later), the result of the simulation of multiplexing using the OAM wave (FIG. 18 to be described later), and additional examination based on the verification experiment of the multiplexing using the OAM wave (FIGS. 17, 19, and 20 described later) will be described.
図12は、本実施形態の素子配置の効果であるピーク外れ量の改善を説明するための図である。同図では、具体的な数値の例として、次のようなケースを想定する。まず、無線通信に使用する周波数fは5.2GHz(波長λ=5.76cm)である。送信側のアンテナには、直径4λと直径6λのそれぞれの送信側アレイアンテナの円周上にアンテナ素子を配置して、各送信側アレイアンテナからモードL1、モードL2のOAM波を放射する。そして、受信側のアンテナにおいても、送信と同じ大きさの円周(半径2λ=11.53cmと3λ=17.29cm)上に受信素子を配置し、半径2λの受信側アレイアンテナでモードL1のOAM波を受信し、半径3λの受信側アレイアンテナでモードL2のOAM波を受信する。また、送信側アレイアンテナと受信側アレイアンテナ間の距離dは1.8mである。 FIG. 12 is a diagram for explaining the improvement of the off-peak amount, which is an effect of the element arrangement of the present embodiment. In the figure, the following cases are assumed as specific numerical examples. First, the frequency f used for wireless communication is 5.2 GHz (wavelength λ = 5.76 cm). In the antenna on the transmission side, antenna elements are arranged on the circumferences of the respective transmission-side array antennas having a diameter of 4λ and a diameter of 6λ, and the OAM waves of mode L1 and mode L2 are radiated from the respective transmission-side array antennas. In the antenna on the receiving side, the receiving element is arranged on a circumference (radius 2λ = 11.53 cm and 3λ = 17.29 cm) of the same size as that of the transmission, and the mode L1 of the receiving side array antenna having the radius 2λ is set. An OAM wave is received, and an OAM wave of mode L2 is received by a receiving side array antenna having a radius of 3λ. The distance d between the transmitting side array antenna and the receiving side array antenna is 1.8 m.
このケースについて、まず直径6λの送信側アレイアンテナから、モードL2のOAM波を放射する場合について考える。開口径6λでモードL2のOAM波は、放射の広がり角度9°である(図7の一覧表における符号A3)。このピーク方向9°での受信側の半径はd・tan(9°)=28.50cm、受信素子の方向はtan−1(3λ/d)=tan−1(0.096)=5.5°と計算できる。従って、直径6λの送信側アレイアンテナ、モードL2のピーク外れ量は9−5.5=3.5°となる。 In this case, first, consider a case where a mode L2 OAM wave is radiated from a transmitting-side array antenna having a diameter of 6λ. The OAM wave of mode L2 with an aperture diameter of 6λ has a radiation spread angle of 9 ° (reference A3 in the list of FIG. 7). The radius of the receiving side in this peak direction 9 ° is d · tan (9 °) = 28.50cm, the direction of the receiving element is tan -1 (3λ / d) = tan -1 (0.096) = 5.5 It can be calculated as °. Therefore, the off-peak amount of the transmitting array antenna having a diameter of 6λ and the mode L2 is 9−5.5 = 3.5 °.
次に、他方の直径4λの送信側アレイアンテナからモードL1のOAM波を放射する場合について考える。開口径4λでモードL1のOAM波は、放射の広がり角度8°である(図7の一覧表における符号A4)。このピーク方向8°で受信側の半径はd・tan(8°)=25.29cm、受信素子の方向はtan−1(2λ/d)=tan−1(0.064)=3.7°と計算できる。従って、直径4λの送信側アレイアンテナ、モードL1のピーク外れ量は8−3.7=4.3°となる。 Next, consider a case where a mode L1 OAM wave is radiated from the other array antenna having a diameter of 4λ. The OAM wave of mode L1 with an aperture diameter of 4λ has a radiation spread angle of 8 ° (symbol A4 in the list of FIG. 7). At the peak direction of 8 °, the radius on the receiving side is d · tan (8 °) = 25.29 cm, and the direction of the receiving element is tan −1 (2λ / d) = tan −1 (0.064) = 3.7 °. Can be calculated. Therefore, the off-peak amount of the transmission side array antenna having the diameter of 4λ and the mode L1 is 8−3.7 = 4.3 °.
ここで、上記のモードL1のOAM波を受信する受信素子の配置を、直径4λの円周上から、上述したモードL2を受信する受信素子と同じ直径6λの円周上とすれば、モードL1のピーク外れ量が8−5.5=2.5°と減少する(外れ量の改善1)。 Here, if the arrangement of the receiving elements that receive the OAM wave of the mode L1 is changed from the circumference of the diameter 4λ to the circumference of the same diameter 6λ as the receiving element that receives the mode L2, the mode L1 Is reduced to 8−5.5 = 2.5 ° (Improved deviation 1).
さらに、モードL1のOAM波を送信する送信側アレイアンテナのアンテナ素子の配置も、受信側アレイアンテナと同様に、直径4λの円周上から直径6λの円周上へ変更すると、広がり角度は6°(図7の一覧表の符号A5)へと変わる。このピーク方向6°で受信側の半径はd・tan(6°)=18.91cmであり、受信素子の方向は上述のようにtan−1(3λ/d)=5.5°である。この広がり角度の変化により、受信素子の方向との外れ量を、6−5.5=0.5°とさらに減らすことができる(外れ量の改善2)。 Further, when the arrangement of the antenna elements of the transmitting-side array antenna that transmits the OAM wave of mode L1 is changed from the circumference of the diameter 4λ to the circumference of the diameter 6λ similarly to the receiving-side array antenna, the spread angle becomes 6 Changes to (° A5 in the list of FIG. 7). At this peak direction of 6 °, the radius on the receiving side is d · tan (6 °) = 18.91 cm, and the direction of the receiving element is tan −1 (3λ / d) = 5.5 ° as described above. Due to this change in the spread angle, the amount of deviation from the direction of the receiving element can be further reduced to 6-5.5 = 0.5 ° (improved amount of deviation 2).
図13は、放射パターンの正対方向を拡大したグラフを示す図である。同図に示すグラフの横軸は送信側アレイアンテナが配置される平面が向いている方向に対する角度である方位角[°]であり、縦軸は信号強度レベルの利得[dB]である。このグラフのパラメータは、円周上にアンテナ素子を配置する送信側アレイアンテナの直径(開口径)と、OAM波の送信モードとの組み合わせである。同図では、送信側アレイアンテナの直径(開口径)4λ及び6λと、OAM波の送信モードL1及びL2とを組合せた、(4λ,L1)、(6λ,L1)、(6λ,L2)を条件として用いたときの放射パターンを示す。それぞれのグラフにおいて、ピーク方向とそのピークの強度レベルは、(8°,14.7dB)、(6°,14.4dB)、(9°,13dB)である。ここで、先の図12で説明したモードL1でのOAM波のピーク方向に対する受信素子の方向の外れ量について検討する。 FIG. 13 is a diagram showing a graph in which the facing direction of the radiation pattern is enlarged. The horizontal axis of the graph shown in the figure is an azimuth angle [°] that is an angle with respect to the direction in which the plane on which the transmitting array antenna is arranged faces, and the vertical axis is a gain [dB] of the signal strength level. The parameter of this graph is a combination of the diameter (opening diameter) of the transmitting-side array antenna in which the antenna elements are arranged on the circumference and the transmission mode of the OAM wave. In the figure, (4λ, L1), (6λ, L1), and (6λ, L2), which are combinations of the diameters (opening diameters) 4λ and 6λ of the transmitting array antenna and the OAM wave transmission modes L1 and L2, The radiation pattern when used as a condition is shown. In each graph, the peak direction and the intensity level of the peak are (8 °, 14.7 dB), (6 °, 14.4 dB), and (9 °, 13 dB). Here, the amount of deviation of the direction of the receiving element with respect to the peak direction of the OAM wave in the mode L1 described with reference to FIG.
まず送受信のアレイアンテナが開口径4λである時は、受信素子の方向は3.7°であった。この時の信号強度レベルは相当低いことが図13のグラフから分かる。ここで、受信側アレイアンテナの直径を、4λから6λ(モードL2の受信側アレイアンテナと同じ開口径)へ変えることにより受信素子の方向が5.5°になるので、同じパラメータ(4λ,L1)のグラフでも強度レベルが上昇し、利得が改善される(外れ量の改善1)。さらに送信側アレイアンテナも6λ(モードL2の受信側アレイアンテナと同じ開口径)とすると、図13ではパラメータ(4λ,L1)のグラフから(6λ,L1)のグラフへと移り、同じ方位角5.5°でもそれらの利得がさらに上昇する(外れ量の改善2)。 First, when the transmitting / receiving array antenna had an aperture diameter of 4λ, the direction of the receiving element was 3.7 °. It can be seen from the graph of FIG. 13 that the signal intensity level at this time is considerably low. Here, the direction of the receiving element becomes 5.5 ° by changing the diameter of the receiving array antenna from 4λ to 6λ (the same aperture diameter as that of the receiving array antenna in mode L2), so the same parameters (4λ, L1 ) Also increases the intensity level and improves the gain (improvement of outliers 1). Further, if the transmitting-side array antenna is also 6λ (the same aperture diameter as that of the receiving-side array antenna in mode L2), the graph of parameter (4λ, L1) in FIG. Even at .5 °, the gains are further increased (improvement of outlier 2).
図14及び図15を用いて、本実施形態における多重送受を行うアンテナを用いた通信装置の構成について説明する。
図14は、送信側の通信装置300の構成を示す図である。送信側の通信装置300は、M個の送信信号生成装置301と、Nポートを有するM個の分波器302と、M×N個の位相器303と、アンテナ310とを有する。位相器303は、設定により、位相調整量が可変である。アンテナ310は、M×N個のアンテナ素子311を有する。通信装置300の構成要素は、送信信号生成装置301、分波器302、位相器303、アンテナ素子311の順に接続される。ここで、MはOAM波を多重するモード数であり、Nは1つのモードのOAM波を送信するために用いられる素子数、すなわち、1つの送信側アレイアンテナを構成する素子数である。
The configuration of a communication apparatus using an antenna that performs multiplex transmission / reception in this embodiment will be described with reference to FIGS. 14 and 15.
FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of the communication device 300 on the transmission side. The transmission-side communication apparatus 300 includes M transmission signal generation apparatuses 301, M demultiplexers 302 having N ports, M × N phase shifters 303, and antennas 310. The phase adjustment amount of the phase shifter 303 is variable depending on the setting. The antenna 310 has M × N antenna elements 311. The components of the communication device 300 are connected in the order of the transmission signal generation device 301, the duplexer 302, the phase shifter 303, and the antenna element 311. Here, M is the number of modes in which OAM waves are multiplexed, and N is the number of elements used to transmit an OAM wave of one mode, that is, the number of elements constituting one transmitting side array antenna.
多重するM種類の送信モードのうち、m種類目(mは1以上M以下の整数)の送信モードで送信する信号を生成する送信信号生成装置301を送信信号生成装置301−mと記載し、送信信号生成装置301−mと接続される分波器302を分波器302−mと記載する。分波器302−mのn番目(nは1以上N以下の整数)のポートと接続される位相器303を位相器303−m−nと記載し、位相器303−m−nと接続されるアンテナ素子311をアンテナ素子311−m−nと記載する。アンテナ素子311−m−1〜311−m−Nは、m種類目の送信モードのOAM波を送信するアレイアンテナを構成する。全てのアンテナ素子311−1−1〜311−M−Nは、先の図11までに説明したように、最大サイズの送信側アレイアンテナと同じ直径の円周上に配置される。 Among the M types of transmission modes to be multiplexed, the transmission signal generation device 301 that generates a signal to be transmitted in the m-th transmission mode (m is an integer of 1 to M) is referred to as a transmission signal generation device 301-m. The duplexer 302 connected to the transmission signal generation device 301-m is referred to as a duplexer 302-m. The phase shifter 303 connected to the n-th port (n is an integer of 1 to N) of the duplexer 302-m is referred to as a phase shifter 303-mn and is connected to the phase shifter 303-mn. The antenna element 311 is referred to as an antenna element 311-mn. The antenna elements 311-m-1 to 311-m-N constitute an array antenna that transmits an OAM wave in the m-th transmission mode. All the antenna elements 311-1-1 to 311-MN are arranged on a circumference having the same diameter as that of the maximum-size transmitting-side array antenna as described above with reference to FIG.
上記構成において、送信信号生成装置301−mは、生成した信号を分波器302−mに出力する。分波器302−mは、送信信号生成装置301−mから入力した信号をN個のポートに分波し、位相器303−m−1〜303−m−Nに出力する。位相器303−m−nは、分波器302−mのn番目のポートから入力した信号の位相を送信モードに基づいて調整し、アンテナ素子311−m−nに出力する。アンテナ素子311−m−nは、位相器303−m−nから入力した信号を放射する。 In the above configuration, the transmission signal generation device 301-m outputs the generated signal to the duplexer 302-m. The demultiplexer 302-m demultiplexes the signal input from the transmission signal generation device 301-m into N ports and outputs the demultiplexed signals to the phase shifters 303-m-1 to 303-m-N. The phase shifter 303-mn adjusts the phase of the signal input from the n-th port of the duplexer 302-m based on the transmission mode, and outputs it to the antenna element 311-mn. The antenna element 311-mn radiates the signal input from the phase shifter 303-mn.
図15は、受信側の通信装置400の構成を示す図である。受信側の通信装置400は、アンテナ410と、M×N個の位相器421と、Nポートを有するM個の合波器422と、M個の受信信号復調装置423とを有する。アンテナ410は、M×N個のアンテナ素子411を有する。位相器421は、設定により、位相調整量が可変である。通信装置400の構成要素は、アンテナ素子411、位相器421、合波器422、受信信号復調装置423の順に接続される。MはOAM波を多重するモード数であり、Nは1つのモードのOAM波を受信するために用いられる素子数、すなわち、受信側アレイアンテナを構成する素子数である。 FIG. 15 is a diagram illustrating the configuration of the communication device 400 on the receiving side. The communication device 400 on the reception side includes an antenna 410, M × N phase shifters 421, M multiplexers 422 having N ports, and M received signal demodulation devices 423. The antenna 410 has M × N antenna elements 411. The phase adjustment amount of the phase shifter 421 is variable depending on the setting. The components of the communication device 400 are connected in the order of an antenna element 411, a phase shifter 421, a multiplexer 422, and a received signal demodulation device 423. M is the number of modes in which OAM waves are multiplexed, and N is the number of elements used to receive one mode of OAM waves, that is, the number of elements constituting the receiving side array antenna.
m種類目(mは1以上M以下の整数)のモードのOAM波を受信するn個目(nは1以上N以下の整数)のアンテナ素子411をアンテナ素子411−m−nと記載し、アンテナ素子411−m−nと接続される位相器421を位相器421−m−nと記載する。Nポートのそれぞれが、位相器421−m−1〜421−m−Nと接続される合波器422を合波器422−mと記載し、合波器422−mと接続される受信信号復調装置423を受信信号復調装置423−mと記載する。 The n-th (n is an integer not less than 1 and not more than N) antenna element 411 that receives an OAM wave in an m-th mode (m is an integer not less than 1 and not more than M) is described as an antenna element 411-mn. The phase shifter 421 connected to the antenna element 411-mn is referred to as a phase shifter 421-mn. The multiplexer 422 in which each of the N ports is connected to the phase shifters 421-m-1 to 421-m-N is referred to as a multiplexer 422-m, and the received signal is connected to the multiplexer 422-m. The demodulator 423 is referred to as a received signal demodulator 423-m.
アンテナ素子411−m−nは、受信した信号を位相器421−m−nに出力する。位相器421−m−nは、アンテナ素子411−m−nから入力した信号の位相を受信モードに基づいて調整し、合波器422−mのn番目のポートに出力する。合波器422−mは、位相器421−m−1〜421−m−Nから入力した信号を合波し、受信信号復調装置423−mに出力する。受信信号復調装置423−mは、合波器422−mから入力した信号を復調する。
ここまでで、図15に示す受信側の構成を図14の送信側と合せるように構成要素数に同じ符号M、Nを用いた。しかし必ずしも送受信は対応する構成要素を同じ数にしなくてもよい。
The antenna element 411-mn outputs the received signal to the phase shifter 421-mn. The phase shifter 421-mn adjusts the phase of the signal input from the antenna element 411-mn based on the reception mode, and outputs it to the nth port of the multiplexer 422-m. The multiplexer 422-m multiplexes the signals input from the phase shifters 421-m-1 to 421-m-N and outputs the combined signals to the received signal demodulator 423-m. The received signal demodulator 423-m demodulates the signal input from the multiplexer 422-m.
Up to this point, the same symbols M and N are used for the number of components so that the configuration on the reception side shown in FIG. 15 is matched with the transmission side in FIG. However, transmission / reception does not necessarily require the same number of corresponding components.
上記のように、図13に示す送信側の装置構成に対し、図14に示す受信側の装置構成においては、分波器に代えて合波器を、送信信号生成装置に代えて受信信号復調装置を備えた構成である。図13に示すアンテナ310が有するアンテナ素子311の配置を、図10に示すアンテナ100のアンテナ素子101、102の配置や、図11に示す送信側のアレイアンテナのアンテナ素子101、102の配置とする。つまり、異なる種類のアレイアンテナのアンテナ素子311を全て同一円上に配置する。同様に、図14に示すアンテナ410が有するアンテナ素子411の配置を、図10に示す本実施形態のアンテナ200のアンテナ素子201、202の配置や、図11に示す受信側のアレイアンテナのアンテナ素子201、202の配置とする。つまり、異なる種類のアレイアンテナのアンテナ素子411を全て同一円上に配置する。これにより、以下のように、複数モードや送受信に対応して異なる円周上にアンテナ素子を配置した従来技術において課題となる点を解消したり、本実施形態のメリットを引き出したりしている。 As described above, in contrast to the transmission-side apparatus configuration shown in FIG. 13, in the reception-side apparatus configuration shown in FIG. 14, a multiplexer is substituted for the demultiplexer, and a reception signal demodulation is substituted for the transmission signal generation apparatus. It is the structure provided with the apparatus. The arrangement of the antenna elements 311 included in the antenna 310 shown in FIG. 13 is the arrangement of the antenna elements 101 and 102 of the antenna 100 shown in FIG. 10 and the arrangement of the antenna elements 101 and 102 of the array antenna on the transmission side shown in FIG. . That is, the antenna elements 311 of different types of array antennas are all arranged on the same circle. Similarly, the arrangement of the antenna elements 411 of the antenna 410 shown in FIG. 14 is the same as the arrangement of the antenna elements 201 and 202 of the antenna 200 of the present embodiment shown in FIG. 10 and the antenna elements of the array antenna on the receiving side shown in FIG. Assume that 201 and 202 are arranged. That is, the antenna elements 411 of different types of array antennas are all arranged on the same circle. As a result, as described below, the problems in the prior art in which antenna elements are arranged on different circumferences corresponding to a plurality of modes and transmission / reception are eliminated, and the advantages of the present embodiment are derived.
(1)送信側アレイアンテナの開口径がどのモードも可能な限り大きく、OAM波の広がり角度が小さい。つまり指向性が高い。
(2)アンテナ素子の位置決定(配置)が単純である。
(3)素子数を削減し、アンテナの製作コストを軽減可能である。
(1) The aperture diameter of the transmitting array antenna is as large as possible in any mode, and the spread angle of the OAM wave is small. In other words, directivity is high.
(2) The position (arrangement) of antenna elements is simple.
(3) The number of elements can be reduced and the manufacturing cost of the antenna can be reduced.
なお、後述する第2の実施形態では、ハイブリッドを用い、送信側のアンテナ素子への入力信号を合波したり、受信側のアンテナ素子による受信信号を分波したりすることにより、1つのアンテナ素子で複数のモードを共用する。また、後述する第3の実施形態では、アンテナが双方向通信する場合に、サーキュレータにより通信信号を入出力して1つのアンテナ素子で送受信を共用する。 In the second embodiment to be described later, one antenna is used by using a hybrid to multiplex input signals to the transmitting-side antenna element or to demultiplex the received signal from the receiving-side antenna element. The device shares multiple modes. In a third embodiment to be described later, when the antenna performs two-way communication, a communication signal is input / output by a circulator and transmission / reception is shared by one antenna element.
図16は、本実施形態の通信装置を用いて複数モードのOAM波の送信を直接受信するケースの具体的な数値例を示す図である。同図に示す数値例では、OAM波に複数のモードを使用した送受信の条件として、送受信間の距離dを1.8m、周波数を5.2GHz、開口径Dを4λ(=23cm)、多重モードをモードL1,L2(,L3)とする。送信側アレイアンテナと受信側アレイアンテナは、同じ開口径(同径)D(=4λ)であり、送信側においては、同心の円周上に各モードのアンテナ素子311が配置される。同図においては、モードL1,L2(,L3)それぞれのアンテナ素子311を、アンテナ素子311−1、311−2、311−3と記載している。送信モードL1,L2(,L3)でのピーク方向は、送信側からの広がり角度8°,14°(,20°)であるため、受信側アレイアンテナの位置では半径0.25m,0.45m,0.65mの円状へ広がる。これら各送信モードでのピーク広がりに対し、受信側アレイアンテナの開口径が23cmであるので、送信側から見ると、受信側のアンテナ素子は3.9°(≒4°)の方向になる。従って、送信側からの受信素子の方向と、各モードL1,L2(,L3)のピーク方向との差は、4°,10°(,16°)となる。 FIG. 16 is a diagram illustrating specific numerical examples in the case of directly receiving transmission of OAM waves in a plurality of modes using the communication apparatus of the present embodiment. In the numerical example shown in the figure, as conditions for transmission / reception using a plurality of modes for OAM waves, the distance d between transmission / reception is 1.8 m, the frequency is 5.2 GHz, the aperture diameter D is 4λ (= 23 cm), and the multiple mode Is mode L1, L2 (, L3). The transmission-side array antenna and the reception-side array antenna have the same aperture diameter (same diameter) D (= 4λ), and on the transmission side, antenna elements 311 for each mode are arranged on a concentric circumference. In the figure, the antenna elements 311 of the modes L1, L2 (, L3) are described as antenna elements 311-1, 311-2, 311-3. The peak directions in the transmission modes L1, L2 (, L3) are 8 ° and 14 ° (, 20 °) spread angles from the transmission side, and therefore the radius of 0.25 m and 0.45 m at the position of the reception side array antenna. , Spread out into a 0.65m circle. Since the aperture diameter of the receiving array antenna is 23 cm with respect to the peak spread in each of these transmission modes, the antenna element on the receiving side has a direction of 3.9 ° (≈4 °) when viewed from the transmitting side. Therefore, the difference between the direction of the receiving element from the transmission side and the peak direction of each mode L1, L2 (, L3) is 4 °, 10 ° (, 16 °).
図17は、本実施形態によるOAM波の多重送受信系を示す図である。同図において送信側は、図14に示す通信装置300と同様の構成を有しており、受信側は図15に示す通信装置400と同様の構成を有している。なお、M=2、N=4である。ただし、受信側はネットワークアナライザ501をさらに備え、送信側は、ネットワークアナライザ502を備える。また、受信側は受信信号復調装置423として、スペクトラムアナライザ503を用いる。 FIG. 17 is a diagram showing an OAM wave multiplex transmission / reception system according to this embodiment. In the figure, the transmission side has the same configuration as the communication device 300 shown in FIG. 14, and the reception side has the same configuration as the communication device 400 shown in FIG. Note that M = 2 and N = 4. However, the reception side further includes a network analyzer 501, and the transmission side includes a network analyzer 502. On the receiving side, a spectrum analyzer 503 is used as the received signal demodulator 423.
同図に示す多重送受信系を用いた検証実験では、使用した周波数は5.2GHz(波長:5.765cm)、OAM波のモードはL1とL−1である。送信側アンテナ及び受信側アンテナの素子はそれぞれ、モードL1が4素子、モードL2が4素子の計8素子であり、送受信のアレイアンテナの開口径は4λ(23.06cm)である。 In the verification experiment using the multiplex transmission / reception system shown in the figure, the used frequency is 5.2 GHz (wavelength: 5.765 cm), and the OAM wave modes are L1 and L-1. The elements of the transmission side antenna and the reception side antenna are 8 elements in total, with 4 elements for mode L1 and 4 elements for mode L2, and the aperture diameter of the array antenna for transmission and reception is 4λ (23.06 cm).
信号源(SG)である2個の送信信号生成装置301−1、301−2はそれぞれ、送信信号を生成し、分波器302−1、302−2に出力する。この2つの送信信号は送信に用いられるモードがL1、L−1と異なる。送信信号生成装置301−1、301−2から出力された送信信号は、2個の分波器302−1、302−2によってそれぞれ4ポートに分配される。2×4個の位相器303−1−1〜303−1−4、303−2−1〜303−2−4は、送信信号の位相を調整し、アンテナ310が有する2組4素子の送信側アレイアンテナへ出力する。モードL1の送信側アレイアンテナのアンテナ素子311−1−1〜311−1−4と、モードL−1の送信側アレイアンテナのアンテナ素子311−2−1〜311−2−4とは、同じ直径4λの円周上に配置される。 The two transmission signal generation devices 301-1 and 301-2 that are signal sources (SG) generate transmission signals and output them to the demultiplexers 302-1 and 302-2, respectively. These two transmission signals have different modes used for transmission from L1 and L-1. The transmission signals output from the transmission signal generators 301-1 and 301-2 are distributed to four ports by the two demultiplexers 302-1 and 302-2, respectively. The 2 × 4 phase shifters 303-1-1 to 303-1-4, 303-2-1 to 303-2-4 adjust the phase of the transmission signal and transmit two sets of four elements included in the antenna 310. Output to the side array antenna. The antenna elements 311-1-1 to 311-1-4 of the transmission side array antenna in mode L1 are the same as the antenna elements 311-2-1 to 311-2-4 of the transmission side array antenna in mode L-1. It arrange | positions on the circumference of diameter 4lambda.
各アンテナ素子311の直前に挿入された位相器303には、5.2GHzで位相が設定される。位相器303に設定される位相は、位相器303が接続されるアンテナ素子311の円周上の位置とモードにより決められる。つまり、位相器421にはそれぞれ、モードL1に対する0[°]、45[°]、90[°]、…、−45(315)[°]とモードL−1に対する0[°]、−45[°]、−90[°]、…、45(−315)[°]がネットワークアナライザ501により設定される。また、多重化するOAM波を信号分離できるかの評価のため、垂直軸(Z軸)を中心に送信側のアンテナ310を回転させる。この回転角度をα[°]とする。 A phase is set at 5.2 GHz in the phase shifter 303 inserted immediately before each antenna element 311. The phase set in the phase shifter 303 is determined by the position and mode on the circumference of the antenna element 311 to which the phase shifter 303 is connected. That is, the phase shifter 421 includes 0 [°], 45 [°], 90 [°],..., −45 (315) [°] for the mode L1 and 0 [°], −45 for the mode L-1. [°], −90 [°],..., 45 (−315) [°] are set by the network analyzer 501. Further, in order to evaluate whether or not the OAM wave to be multiplexed can be separated, the transmitting-side antenna 310 is rotated around the vertical axis (Z-axis). This rotation angle is α [°].
対向するアンテナ410の受信側アレイアンテナは、送信側アレイアンテナと対称である。受信側アレイアンテナの各アンテナ素子411−1−1〜411−1−4、411−2−1〜411−2−4が受信したOAM信号は、位相器421−1−1〜421−1−4、421−2−1〜421−2−4を通過し、合波器422−1、422−2でモード毎に集約される。モード毎に集約された2つの信号は、受信信号復調装置としてのスペクトラムアナライザ503へ出力される。なお、位相器421には、ネットワークアナライザ502により、接続されるアンテナ素子411毎に、5.2GHzで位相が設定される。位相器421の位相設定を変えることにより、受信に用いられるモードが選択される。 The reception side array antenna of the opposing antenna 410 is symmetrical with the transmission side array antenna. OAM signals received by the antenna elements 411-1-1 to 411-1-4, 411-2-1 to 411-2-4 of the receiving side array antenna are phase shifters 421-1-1 to 421-1-1. 4, 421-2-1 to 421-2-4, and is aggregated for each mode by the multiplexers 422-1 and 422-2. The two signals aggregated for each mode are output to a spectrum analyzer 503 as a received signal demodulator. In the phase shifter 421, the phase is set at 5.2 GHz for each antenna element 411 connected by the network analyzer 502. The mode used for reception is selected by changing the phase setting of the phase shifter 421.
図18は、放射ピークを外れたときの受信電力レベルの低下を示す図である。同図は、送信側アレイアンテナの前方±180°の強度レベルをシミュレーションしたパターン結果である。この解析条件は、使用周波数5.2GHz、8素子を送信側アレイアンテナとして円周上に等間隔に配置し、この送信側アレイアンテナの直径である開口径は4λ(λは波長)、送受信距離は1.8mである。また、各アンテナ素子の位相設定は、OAM波モードL1を送信するように、隣り合う素子で円周上の配置順に45°(=360÷8)ずつ増加させた位相を設定する。 FIG. 18 is a diagram illustrating a decrease in the reception power level when the emission peak is deviated. This figure shows a pattern result simulating the intensity level of ± 180 ° in front of the transmitting side array antenna. The analysis conditions are as follows: use frequency is 5.2 GHz, 8 elements are arranged at equal intervals on the circumference as a transmission side array antenna, the aperture diameter which is the diameter of the transmission side array antenna is 4λ (λ is the wavelength), and transmission / reception distance Is 1.8 m. Further, the phase of each antenna element is set by increasing the phase by 45 ° (= 360 ÷ 8) in the order of arrangement on the circumference of adjacent elements so as to transmit the OAM wave mode L1.
同図に示すシミュレーション結果から、8°方向のピークでの受信電力レベル(8.27dB)から、受信素子の位置に当る4°方向(受信電力レベル:4.98dB)への違いによるレベル低下は、3.29dBと僅かである。このレベル低下を考慮して、同じ直径の送受信側アレイアンテナを対向させてOAM波を送受することができると分かる。 From the simulation results shown in the figure, the level drop due to the difference from the received power level (8.27 dB) at the peak in the 8 ° direction to the 4 ° direction (received power level: 4.98 dB) corresponding to the position of the receiving element is It is only 3.29 dB. Considering this level reduction, it can be seen that the OAM wave can be transmitted and received with the transmitting and receiving side array antennas having the same diameter facing each other.
図19及び図20は、図17に示す多重送受信系における多重されたOAM波の受信レベル変化を示す図である。この系では、送信側アレイアンテナの4つのアンテナ素子にモードL1を、別の送信側アレイアンテナの4つのアンテナ素子にモードL−1を設定し、受信側アレイアンテナの4つのアンテナ素子にモードL1を、別の受信側アレイアンテナの4つのアンテナ素子にモードL−1を設定する。 19 and 20 are diagrams showing changes in the reception level of multiplexed OAM waves in the multiplex transmission / reception system shown in FIG. In this system, mode L1 is set for the four antenna elements of the transmitting array antenna, mode L-1 is set for the four antenna elements of another transmitting array antenna, and mode L1 is set for the four antenna elements of the receiving array antenna. , Mode L-1 is set for four antenna elements of another receiving-side array antenna.
図19は、送信側アレイアンテナの4つのアンテナ素子にモードL1を、別の送信側アレイアンテナの4つのアンテナ素子にモードL−1を設定して送信したOAM波を、モードL1を設定した受信側アレイアンテナの4つのアンテナ素子により受信して得た受信ピーク強度の結果を示す。一方、図20は、送信側アレイアンテナの4つのアンテナ素子にモードL1を、別の送信側アレイアンテナの4つのアンテナ素子にモードL−1を設定して送信したOAM波を、モードL−1を設定した受信側アレイアンテナの4つのアンテナ素子により受信して得た受信ピーク強度の結果を示す。 FIG. 19 shows reception of an OAM wave transmitted with mode L1 set to four antenna elements of the transmitting side array antenna and mode L-1 set to four antenna elements of another transmitting side array antenna. The result of the receiving peak intensity obtained by receiving with the four antenna elements of the side array antenna is shown. On the other hand, FIG. 20 shows an OAM wave transmitted with mode L1 set for the four antenna elements of the transmitting side array antenna and mode L-1 set for the four antenna elements of another transmitting side array antenna. The result of the receiving peak intensity obtained by receiving with the four antenna elements of the receiving side array antenna for which is set.
図19の符号B1のグラフ(送信、受信ともモードL1)や、図20の符号B3のグラフ(送信、受信ともモードL−1)に示すように、送受信のアンテナ素子が同じモードの場合には、送受信が対向する方向(送信回転角度α=0[°])では、受信ピーク強度が約−40dBである。これに対して、図19の符号B2のグラフ(送信がモードL−1かつ受信がモードL1)や、図20の符号B4のグラフ(送信がモードLかつ受信がモードL−1)に示すように、送受信のアンテナ素子が異なるモードの場合、同じ対向方向では受信ピーク強度が−60dB未満と強度が低い。つまり、図19のグラフに示すように、送受信が同じモードL1の場合と、異なるモードL−1(送信)対L1(受信)の場合とでは、送受信のアレイアンテナが対向している時、受信レベル差は>20dBとなる。また、図20のグラフに示すように、送受信のアンテナ素子が同じモードL−1である場合と、異なるモードL1(送信)対L−1(受信)である場合とでは、送受信のアレイアンテナが対向している時、受信レベル差は>30dBとなる。これら図19、図20に示すように、送信側と同一モードで受信した信号強度と送信側と異なるモードで受信した信号強度とでは20dBを超えるレベル差がある。このことから、受信側のアンテナにおいて、OAM波のモードにより送信側のアンテナからの受信信号を識別できるため、OAM波による多重通信が可能である。 When the transmission / reception antenna elements are in the same mode as shown in the graph of B1 in FIG. 19 (mode L1 for both transmission and reception) and the graph of B3 in FIG. 20 (mode L-1 for both transmission and reception). In the direction in which transmission and reception are opposite (transmission rotation angle α = 0 [°]), the reception peak intensity is about −40 dB. On the other hand, as shown in the graph of symbol B2 in FIG. 19 (transmission mode L-1 and reception mode L1) and the graph of symbol B4 in FIG. 20 (transmission mode L and reception mode L-1). In addition, when the transmitting and receiving antenna elements are in different modes, the received peak intensity is low at less than −60 dB in the same facing direction. That is, as shown in the graph of FIG. 19, when the transmission / reception array antennas face each other in the case of the same mode L1 for transmission and reception and the case of different mode L-1 (transmission) vs. L1 (reception), reception is performed. The level difference is> 20 dB. Also, as shown in the graph of FIG. 20, the array antenna for transmission / reception is different between the case where the antenna elements for transmission / reception are the same mode L-1 and the case where the mode L1 (transmission) is different from L-1 (reception). When facing each other, the reception level difference is> 30 dB. As shown in FIGS. 19 and 20, there is a level difference exceeding 20 dB between the signal intensity received in the same mode as the transmission side and the signal intensity received in a mode different from the transmission side. From this, the receiving antenna can identify the received signal from the transmitting antenna by the OAM wave mode, so that multiplex communication using the OAM wave is possible.
(第1の実施形態の変形例)
図21は、受信側のアンテナが複数モードのOAM波の送信を反射させて受信するケースを示す図である。同図に示すように、送信側のアレイアンテナの前方に、複数の反射板450をリング状に配置する。同図では、3つの反射板450として、反射板450−1、450−2、450−3をリング状に、各リングの中心が一致するように配置している。リング状の反射板450の直径は、各モードでの広がり角度と送信側アレイアンテナまでの距離により決まる。ここで、送信側アレイアンテナから反射板450まではOAM波が生成されるために必要な距離を確保する。さらに、1つ1つのリング状の反射板450の傾斜は、上述した広がり角度の半分とする。このように複数枚のリング状の反射板450を同心円状に重ねて設置することで、OAM波がそれぞれの広がりから平行になって伝搬される。受信側にも対向して、送信側の反射板450と対称となる同じ複数のリング状の反射板と受信側アレイアンテナを設ける。こうして、送信側アレイアンテナから広がりをもって放射されたOAM波が送信側のリング状の反射板で平行に伝搬するようになり、平行伝搬したOAM波が受信側の反射板により受信側アレイアンテナにて受信する最適な角度に曲げられる。
(Modification of the first embodiment)
FIG. 21 is a diagram illustrating a case where the reception-side antenna reflects and receives transmission of a multi-mode OAM wave. As shown in the figure, a plurality of reflectors 450 are arranged in a ring shape in front of the array antenna on the transmission side. In the figure, as the three reflecting plates 450, the reflecting plates 450-1, 450-2, and 450-3 are arranged in a ring shape so that the centers of the rings coincide. The diameter of the ring-shaped reflecting plate 450 is determined by the spread angle in each mode and the distance to the transmitting-side array antenna. Here, a necessary distance is secured from the transmitting-side array antenna to the reflecting plate 450 in order to generate an OAM wave. Furthermore, the inclination of each ring-shaped reflecting plate 450 is half of the above-described spread angle. In this way, by installing a plurality of ring-shaped reflectors 450 in a concentric manner, OAM waves are propagated in parallel from the respective spreads. A plurality of ring-shaped reflectors that are symmetrical with the transmission-side reflection plate 450 and a reception-side array antenna are also provided facing the reception side. Thus, the OAM wave radiated from the transmitting array antenna propagates in parallel on the transmitting ring-shaped reflecting plate, and the parallel propagated OAM wave is received by the receiving array antenna by the receiving reflector. Bent to the optimal angle to receive.
図21に挙げた具体的な数値例としては、使用する周波数75GHz、アレイアンテナの開口径D=4λ(=16mm)、送信側アレイアンテナと反射板450までの距離d=12cmである。多重する送信モードがモードL1,L2(,L3)の時は、それぞれのモードでの広がり角度が8°,14°(,20°)なので、反射板450−1、450−2(、450−3)のリング半径は17mm,30mm(,44mm)であり、それぞれ反射板の傾きは4°,7°(,10°)となる。この反射板450−1、450−2(、450−3)の傾きの数値を、先の広がり角度の半分とすることで、OAM波を平行伝搬させることができる。受信側でも、送信側と同じアレイアンテナと送信側のアンテナの前に置かれた反射板450−1、450−2(、450−3)と対称となる複数枚のリング状の反射板を備えることで、受信側の受信モードL1,L2(,L3)の各アレイアンテナは、送信側の反射板450−1、450−2(、450−3)で反射して平行伝搬された複数モードのOAM波を受信できる。この図21に示すリング状の複数の反射板を送受信側も受信側にも持つことでピークレベルを平行に伝搬させれば、理論的には多重するOAM波の全モードでピークレベルを受信する位置に関係なく確保でき、送受信距離をさらに伸ばすことができる。 As specific numerical examples shown in FIG. 21, the frequency used is 75 GHz, the aperture diameter D of the array antenna is D = 4λ (= 16 mm), and the distance d between the transmitting-side array antenna and the reflector 450 is 12 cm. When the transmission modes to be multiplexed are the modes L1, L2 (, L3), the spread angles in the respective modes are 8 °, 14 ° (, 20 °), so that the reflectors 450-1, 450-2 (, 450- The ring radius of 3) is 17 mm and 30 mm (, 44 mm), and the inclination of the reflector is 4 ° and 7 ° (, 10 °), respectively. The OAM wave can be propagated in parallel by setting the numerical value of the inclination of the reflectors 450-1, 450-2 (, 450-3) to half the previous spread angle. The receiving side also includes the same array antenna as the transmitting side and a plurality of ring-shaped reflecting plates that are symmetrical to the reflecting plates 450-1, 450-2 (450-3) placed in front of the transmitting side antenna. Thus, each array antenna in the reception mode L1, L2 (, L3) on the reception side is reflected by the reflection plates 450-1, 450-2 (, 450-3) on the transmission side and propagated in parallel. OAM waves can be received. If the peak level is propagated in parallel by having a plurality of ring-shaped reflectors shown in FIG. 21 on both the transmitting and receiving sides, the peak level is theoretically received in all modes of the multiplexed OAM waves. It can be secured regardless of the position, and the transmission / reception distance can be further extended.
[第2の実施形態]
本実施形態では、異なるOAMモードのアレイアンテナでアンテナ素子を共有する。
[Second Embodiment]
In this embodiment, antenna elements are shared by array antennas of different OAM modes.
図22は、複数モードのOAM波の送信を直接受信するケースを示す図である。先の第1の実施形態における図16に対して、この図22では、アレイアンテナにおいて多重する複数モードに対するアンテナ素子の配置を詳細に検討する。 FIG. 22 is a diagram illustrating a case in which transmission of a multi-mode OAM wave is directly received. In contrast to FIG. 16 in the first embodiment, in FIG. 22, the arrangement of antenna elements for a plurality of modes multiplexed in the array antenna is examined in detail.
先の図16では、OAM波のモードL1,L2,L3それぞれに6素子を割当て、合計18素子を同じ円周上に配置して送信側のアンテナを構成した。この送信側のアンテナを構成する条件は、送信のみの各モードのアレイアンテナを有することと、モードに応じたOAM波を生成するために必要な素子数があることである。モードL1,L2,L3,…,Li,…である場合にモード数L=1,L=2,L=3,…,L=i,…とすると、送信側アレイアンテナがモード数LのOAM波を生成する時に必要な最小の素子数は2|L|+1であり、高次モードでは相応の素子数が必要となる。ここで、モードL3には最低でも7素子が必要なので、図16に示す6素子ではモードL3は実現できないことになる。加えて、送信側アレイアンテナの円周を素子数で割った長さよりもアンテナ素子単体の対角の長さが短いこと、つまり図16では1つ1つのアンテナ素子のサイズが小さいことも条件である。また、条件として、複数モードのアンテナ素子を同じ円周上に並べた時に、各モードにおいてアンテナ素子が等間隔に配置される点もある。例えば、図22では、モードL1用のアンテナ素子351が2素子飛び毎に等間隔に配置されているが、モードL2用のアンテナ素子352は1素子飛びと隣の素子が混在しており等間隔ではない。これらの条件を端的に言い換えれば、目的とするアレイアンテナの範囲内に全てのアンテナ素子を円周上に配置できることが求められる。これらの条件を満たさないケースが図22であり、第1の実施形態に対する課題として、次の2項目が挙げられる。 In FIG. 16, six elements are assigned to each of the OAM wave modes L1, L2, and L3, and a total of 18 elements are arranged on the same circumference to configure the transmitting antenna. The conditions for configuring the antenna on the transmitting side are to have an array antenna for each mode for transmission only and to have the number of elements necessary to generate an OAM wave corresponding to the mode. When the modes are L1, L2, L3,..., Li,..., And the number of modes is L = 1, L = 2, L = 3,. The minimum number of elements required when generating a wave is 2 | L | +1, and a corresponding number of elements is required in the higher-order mode. Here, since the mode L3 requires at least 7 elements, the mode L3 cannot be realized with the 6 elements shown in FIG. In addition, the diagonal length of each antenna element is shorter than the length obtained by dividing the circumference of the transmitting-side array antenna by the number of elements, that is, the size of each antenna element is small in FIG. is there. In addition, as a condition, when antenna elements in a plurality of modes are arranged on the same circumference, the antenna elements are arranged at equal intervals in each mode. For example, in FIG. 22, the antenna elements 351 for mode L1 are arranged at equal intervals for every two elements jumped, but the antenna elements 352 for mode L2 are mixed with one element jump and adjacent elements at equal intervals. is not. In other words, it is required that all antenna elements can be arranged on the circumference within the range of the target array antenna. A case that does not satisfy these conditions is shown in FIG. 22, and the following two items can be cited as problems to the first embodiment.
(a)モード毎にアンテナ素子が等間隔の配置とならない。つまり、同一円周上に配置されるアンテナ素子がモード毎に不等間隔である。
(b)複数モードのアンテナ素子が配置できない。例えば、図22ではモードL1のアンテナ素子351とL2のアンテナ素子352は配置できているが、モードL3のアンテナ素子は配置できていない。高次モードでは相応の素子数が必要である。
(A) The antenna elements are not arranged at equal intervals for each mode. That is, the antenna elements arranged on the same circumference are unequal intervals for each mode.
(B) A multi-mode antenna element cannot be arranged. For example, in FIG. 22, the antenna element 351 of mode L1 and the antenna element 352 of L2 can be arranged, but the antenna element of mode L3 cannot be arranged. In higher order modes, a corresponding number of elements is required.
図23及び図24に、この第1の実施形態に対する課題を解決する対策となるアンテナ素子の配置を示す。この対策では、複数のアレイアンテナにおいてアンテナ素子を共有し、素子数を削減する。素子数の削減により、図22で挙げた課題((a)同一円周上に配置される素子がモード毎に不等間隔、(b)多重のモード数でアンテナ素子が配置できない)を解決する。 FIG. 23 and FIG. 24 show the arrangement of antenna elements as a countermeasure for solving the problem with respect to the first embodiment. In this measure, the antenna elements are shared by a plurality of array antennas to reduce the number of elements. Reduction of the number of elements solves the problem shown in FIG. 22 ((a) elements arranged on the same circumference are unequally spaced for each mode, and (b) antenna elements cannot be arranged with multiple modes). .
図23に示す対策(a)では、送受信別に同じアンテナ素子を異なるモード間で共用することにより、アンテナに円周上に配置されるアンテナ素子を削減する。図23では、OAM波としてモードL1,L2,L3の3種類のモードがある。これらのモードそれぞれには、送信側のみで4素子、8素子、8素子が用いられる。このため、アンテナ素子を共用しないと、合計20素子が必要になる。そこで、これらの3種類のモード全てを共用するアンテナ素子601を4素子、モードL2とモードL3を共用するアンテナ素子603を4素子とすると合せて8素子となり、さらに送受別々にアンテナ素子があるので、合計16素子になる。従って、アンテナ素子を共用しない場合に比べて4素子が削減される。同図に示す4つのアンテナ素子602は、モードL1,L2,L3の3種類のモードを共有する受信アンテナ素子であり、4つのアンテナ素子604は、モードL1,L2の2種類のモードを共有する受信アンテナ素子である。このように種類の異なるアンテナ素子601、602、603、604を、図23ではそれぞれに等間隔に配置できている。例えば、モードL1は3素子飛ばしで配置され、モードL2とモードL3は1素子飛ばしで配置される。 In the measure (a) shown in FIG. 23, the antenna elements arranged on the circumference of the antenna are reduced by sharing the same antenna element between different modes for transmission and reception. In FIG. 23, there are three types of modes, L1, L2, and L3, as OAM waves. In each of these modes, 4 elements, 8 elements, and 8 elements are used only on the transmission side. For this reason, if antenna elements are not shared, a total of 20 elements are required. Therefore, if four antenna elements 601 sharing all these three modes and four antenna elements 603 sharing mode L2 and mode L3 are combined, there are eight elements, and there are separate antenna elements for transmission and reception. The total is 16 elements. Therefore, four elements are reduced compared to the case where the antenna element is not shared. The four antenna elements 602 shown in the figure are receiving antenna elements sharing three types of modes L1, L2, and L3, and the four antenna elements 604 share two types of modes L1 and L2. It is a receiving antenna element. In this way, different types of antenna elements 601, 602, 603, and 604 can be arranged at equal intervals in FIG. For example, mode L1 is arranged with three elements skipped, and mode L2 and mode L3 are arranged with one element skipped.
図24に示す対策(b)は、異なるモード間において送受信で同じアンテナ素子を共用して、図23に示す対策(a)よりもさらに素子数を削減することを狙う。上述した図23では送信側と受信側を合わせて2×8素子、総計16素子となる。これに対して、図24では送受信を同じアンテナ素子で共用するため、図23の半分の8素子で対応できる。同図においてアンテナ素子611は、モードL1,L2,L3の3種類のモードの送受信を共用するアンテナ素子であり、アンテナ素子612は、モードL1,L2の2種類のモードの送受信を共用するアンテナ素子である。同図に示すように、モードL1用のアンテナ素子は1素子飛ばしの等間隔に配置され、モードL2用とモードL3用のアンテナ素子はアレイアンテナを構成する全8素子で等間隔になっている。 The measure (b) shown in FIG. 24 aims to further reduce the number of elements than the measure (a) shown in FIG. 23 by sharing the same antenna element for transmission and reception between different modes. In FIG. 23 described above, the total of the transmission side and the reception side is 2 × 8 elements, for a total of 16 elements. On the other hand, in FIG. 24, since transmission / reception is shared by the same antenna element, the half of FIG. In the figure, an antenna element 611 is an antenna element that shares transmission / reception of three types of modes L1, L2, and L3, and an antenna element 612 is an antenna element that shares transmission / reception of two types of modes L1 and L2. It is. As shown in the figure, the antenna elements for mode L1 are arranged at equal intervals by skipping one element, and the antenna elements for mode L2 and mode L3 are equally spaced by all eight elements constituting the array antenna. .
なお、図23に示す異なるモード間でアンテナ素子を共用する対策(a)については、この直後の図25に構成を示し、図29と図30に検証実験とその結果を示す。また、図24に示すアンテナ素子を送受信でも共用する対策(b)については、次の第3の実施形態において図32を示して構成を述べる。 In addition, about the countermeasure (a) which shares an antenna element between different modes shown in FIG. 23, a structure is shown in FIG. 25 immediately after this, and a verification experiment and its result are shown in FIG. 29 and FIG. Further, a measure (b) for sharing the antenna element shown in FIG. 24 for transmission and reception will be described with reference to FIG. 32 in the third embodiment.
図25及び図26を用いて、本実施形態における多重送受での素子配置(変形例)とアンテナ素子の設定位相を説明する。図25及び図26では、全てのアンテナ素子を、多重される全てのモードのアレイアンテナで共用する。 The element arrangement (modification) and the set phase of the antenna element in the multiplex transmission / reception in this embodiment will be described with reference to FIGS. In FIG. 25 and FIG. 26, all antenna elements are shared by array antennas of all modes to be multiplexed.
図25は、送受信を異にするアンテナ素子を有する通信装置650における接続構成図である。同図では、通信装置650の送信側の構成のみを示している。通信装置650は、M個の送信信号生成装置651と、Nポートを有するM個の分波器652と、M×N個の位相器653と、N個のハイブリッド合波器654と、アンテナ660とを有する。位相器653は、位相調整量が可変である。アンテナ660は、N個の送信用のアンテナ素子661を有する。 FIG. 25 is a connection configuration diagram in a communication device 650 having antenna elements for different transmission and reception. In the figure, only the configuration on the transmission side of the communication device 650 is shown. The communication device 650 includes M transmission signal generation devices 651, M demultiplexers 652 having N ports, M × N phase shifters 653, N hybrid multiplexers 654, and antennas 660. And have. The phase adjuster 653 has a variable phase adjustment amount. The antenna 660 includes N antenna elements 661 for transmission.
信号を放射するN個のアンテナ素子661はそれぞれ、N個のハイブリッド合波器654と接続される。このN個のハイブリッド合波器654はそれぞれ、モード数M個の位相器653と繋がっている。つまり、合計M×N個の位相器653がある。各位相器653は、Nポートの出力を持つM個の分波器652を通じて、M個の送信信号生成装置651に繋がっている。なお、ハイブリッド合波器654は入力と出力間で信号を通過させ、複数の入力間では信号を遮断する。 N antenna elements 661 that radiate signals are connected to N hybrid multiplexers 654, respectively. Each of the N hybrid multiplexers 654 is connected to M phase shifters 653 having a mode number. That is, there are a total of M × N phase shifters 653. Each phase shifter 653 is connected to M transmission signal generators 651 through M demultiplexers 652 having N-port outputs. Note that the hybrid multiplexer 654 allows a signal to pass between the input and the output, and blocks the signal between a plurality of inputs.
以下では、m個目の送信信号生成装置651を送信信号生成装置651−m(mは1以上M以下の整数)と記載し、送信信号生成装置651−mと接続される分波器652を分波器652−mと記載する。分波器652−mのn番目(nは1以上N以下の整数)のポートと接続される位相器653を位相器653−m−nと記載し、位相器653−1−n〜653−M−mと接続されるハイブリッド合波器654をハイブリッド合波器654−nと記載する。ハイブリッド合波器654−nと接続されるアンテナ素子661をアンテナ素子661−nと記載する。 Hereinafter, the m-th transmission signal generation device 651 is referred to as a transmission signal generation device 651-m (m is an integer of 1 to M), and the duplexer 652 connected to the transmission signal generation device 651-m This is described as a demultiplexer 652-m. The phase shifter 653 connected to the n-th port (n is an integer not smaller than 1 and not larger than N) of the duplexer 652-m is referred to as a phase shifter 653-mn, and the phase shifters 653-1-n to 653- The hybrid multiplexer 654 connected to M-m is referred to as a hybrid multiplexer 654-n. The antenna element 661 connected to the hybrid multiplexer 654-n is referred to as an antenna element 661-n.
送信信号生成装置651−mは、生成した送信信号を分波器652−mに出力する。分波器652−mは、送信信号生成装置651−mから入力した送信信号をN個のポートに分波し、位相器653−m−1〜653−m−Nに出力する。位相器653−m−nは、分波器652−mから入力した送信信号の位相を送信モードに基づいて調整し、ハイブリッド合波器654−nに入力する。ハイブリッド合波器654−nは、位相器653−1−n、653−2−n、…、653−M−nのそれぞれが位相を調整した送信信号を合波してアンテナ素子661−nに出力する。アンテナ素子661−nは、ハイブリッド合波器654−nから入力した信号を放射する。 The transmission signal generation device 651-m outputs the generated transmission signal to the duplexer 652-m. The demultiplexer 652-m demultiplexes the transmission signal input from the transmission signal generation device 651-m to N ports and outputs the demultiplexed signals to the phase shifters 653-m-1 to 653-m-N. The phase shifter 653-mn adjusts the phase of the transmission signal input from the branching filter 652-m based on the transmission mode, and inputs it to the hybrid multiplexer 654-n. The hybrid multiplexer 654-n multiplexes the transmission signals whose phases are adjusted by the phase shifters 653-1-n, 653-2-n,..., 653-Mn to the antenna element 661-n. Output. The antenna element 661-n radiates the signal input from the hybrid multiplexer 654-n.
受信側の通信装置は、この図25に示す接続構成のうち3つの要素を代えることにより構成される。つまり、受信側の通信装置は、ハイブリッド合波器に代えてハイブリッド分波器を備え、分波器に代えて合波器を備え、送信信号生成装置にかえて受信信号復調装置を備える。これは、先に説明した図14の送信側の通信装置に対して図15の受信側の通信装置を説明したものに類似する。ただし、図15でも述べたが、送信側に合せるように受信側の構成要素の数を同じにする必要はない。送受信は異なる構成要素数として実現してもよい。 The receiving-side communication device is configured by replacing three elements in the connection configuration shown in FIG. That is, the communication device on the reception side includes a hybrid duplexer instead of the hybrid multiplexer, a multiplexer instead of the duplexer, and a reception signal demodulation device instead of the transmission signal generation device. This is similar to the description of the reception-side communication apparatus in FIG. 15 with respect to the transmission-side communication apparatus in FIG. 14 described above. However, as described in FIG. 15, the number of components on the receiving side does not have to be the same so as to match the transmitting side. Transmission / reception may be realized as different numbers of components.
図26は、図25に示す各アンテナ素子661に設定される位相値を示す図である。同図に示すアンテナ素子#1,#2,#3,…,#j,…,#Nは、図25に示す送信側の通信装置650の接続構成においてアンテナ660が備えるアンテナ素子661−1〜661−Nであり、同一の円周上に配置される。アンテナ660に求められる素子数Nは、最も高次のモードLmaxを基に計算される。図22の説明で述べたように、特に(LmaxをOAMモードの具体的な次数と見なして考えたとき)OAM波のモードLmaxを生成する送信側アレイアンテナの条件として、アンテナ素子の数NはN≧2Lmax+1が必要である。そして、同一の円周上に配置された各アンテナ素子#1〜#Nに出力される信号には、多重する複数のモードに対応する位相が設定される。 FIG. 26 is a diagram showing phase values set in the antenna elements 661 shown in FIG. Antenna elements # 1, # 2, # 3,..., #J,..., #N shown in the figure are antenna elements 661-1 to 661-1 included in the antenna 660 in the connection configuration of the communication device 650 on the transmission side shown in FIG. 661-N, which are arranged on the same circumference. The number N of elements required for the antenna 660 is calculated based on the highest order mode Lmax. As described in the explanation of FIG. 22, the number N of antenna elements is, in particular, as a condition of the transmitting-side array antenna that generates the OAM wave mode Lmax (when Lmax is considered as a specific order of the OAM mode). N ≧ 2Lmax + 1 is required. And the phase corresponding to the several mode to multiplex is set to the signal output to each antenna element # 1- # N arrange | positioned on the same periphery.
多重するモード数M(M≦2Lmax+1)の時に、OAM波のモードLは、L0,L±1,L±2,…,L±i,…,L±maxとなる。このような場合、アンテナ素子♯1にOAM波モードに対応する位相として、モードL1では360/N[°]、モードL2では720/N[°]、…、モードLmaxでは360・Lmax/N[°]が設定される。また、アンテナ素子#2に対応する位相として、モードL1では720/N[°]、モードL2では1440/N[°]、…、モードLmaxでは720・Lmax/N[°]が設定される。また、アンテナ素子♯jに対応する位相として、モードL1では360j/N[°]、モードL2では720j/N[°]、…、モードLmaxでは360j・Lmax/N[°]が設定される。そして、アンテナ素子♯Nに対応する位相として、モードL1では360(N−1)/N[°]、モードL2では720(N−1)/N[°]、…、モードLmaxでは360(N−1)・Lmax/N[°]が設定される。 When the number M of modes to be multiplexed (M ≦ 2Lmax + 1), the OAM wave mode L is L0, L ± 1, L ± 2,..., L ± i,. In such a case, the phase corresponding to the OAM wave mode of the antenna element # 1 is 360 / N [°] in the mode L1, 720 / N [°] in the mode L2,..., 360 · Lmax / N [ °] is set. As the phase corresponding to the antenna element # 2, 720 / N [°] is set in the mode L1, 1440 / N [°] in the mode L2,... 720 · Lmax / N [°] in the mode Lmax. Further, as a phase corresponding to the antenna element #j, 360 j / N [°] in the mode L1, 720 j / N [°] in the mode L2,..., 360 j · Lmax / N [°] in the mode Lmax are set. The phase corresponding to antenna element #N is 360 (N−1) / N [°] in mode L1, 720 (N−1) / N [°] in mode L2,..., 360 (N in mode Lmax. -1) Lmax / N [°] is set.
図27及び図28を用いて、各モードに用いられる素子数の違いによる装置構成の要素削減について、削減対応をしていない構成例と削減対応をした例を対比して示す。
図27は、余裕のある素子数と機能要素により構成された通信装置650における接続構成図である。通信装置650は、要素削減に対応をしていない構成の例である。一方、図28は、素子数を適切に設定して構成要素を削減した通信装置680における接続構成図である。
27 and 28, a configuration example in which the reduction of the device configuration due to the difference in the number of elements used in each mode is compared with an example in which the reduction is not performed is compared with an example in which the reduction is supported.
FIG. 27 is a connection configuration diagram of the communication device 650 configured with a sufficient number of elements and functional elements. The communication device 650 is an example of a configuration that does not support element reduction. On the other hand, FIG. 28 is a connection configuration diagram in the communication device 680 in which the number of elements is appropriately set and the number of components is reduced.
図27に示す通信装置650の送信側の構成は、図25に示す通信装置650の構成と同様であり、送信側の構成のみを示している。通信装置650は、M個の送信信号生成装置651−1〜651−Mと、Nポートを有するM個の分波器652−1〜652−Mと、M×N個の位相器653−1−1〜653−M−Nと、N個のハイブリッド合波器654−1〜654−Nと、アンテナ660とを有する。アンテナ660は、N個の送信用のアンテナ素子661−1〜661−Nを有する。 The configuration on the transmission side of the communication device 650 shown in FIG. 27 is the same as the configuration of the communication device 650 shown in FIG. 25, and only the configuration on the transmission side is shown. The communication device 650 includes M transmission signal generation devices 651-1 to 651-M, M duplexers 652-1 to 652-M having N ports, and M × N phase shifters 653-1. -1 to 653-MN, N hybrid multiplexers 654-1 to 654-N, and an antenna 660. The antenna 660 includes N transmission antenna elements 661-1 to 661-N.
一方、図28に示す通信装置680は、図27に示す通信装置650と同じ要素より構成されており、特に素子数Nも通信装置650と同じである。また、M個の送信信号生成装置651を備える点も通信装置650と同様である。通信装置680を構成する要素は、信号の流れの順に、送信信号を発生する送信信号生成装置651、送信信号生成装置651が生成した送信信号を分岐する分波器682、分配された送信信号にOAM波のモードに応じた位相を調整設定する位相器683、位相調整された複数モードのOAM波の送信信号を合波するハイブリッド合波器684、そして、N個のアンテナ素子691を有するアンテナ690である。N個のアンテナ素子691をそれぞれ、アンテナ素子691−1〜691−Nとする。 On the other hand, the communication device 680 shown in FIG. 28 is composed of the same elements as the communication device 650 shown in FIG. 27, and in particular, the number of elements N is also the same as that of the communication device 650. The communication device 650 is the same as the communication device 650 in that M transmission signal generation devices 651 are provided. Elements constituting the communication device 680 are, in order of signal flow, a transmission signal generation device 651 that generates a transmission signal, a demultiplexer 682 that branches the transmission signal generated by the transmission signal generation device 651, and a distributed transmission signal. A phase shifter 683 that adjusts and sets the phase according to the mode of the OAM wave, a hybrid combiner 684 that combines the phase-adjusted OAM wave transmission signals of a plurality of modes, and an antenna 690 having N antenna elements 691 It is. The N antenna elements 691 are referred to as antenna elements 691-1 to 691-N, respectively.
同図では、通信装置680の送信側の構成のみを示している。受信側の構成では、送信側アレイアンテナを受信側アレイアンテナとしてそのまま使用し、ハイブリッド合波器に代えてハイブリッド分波器を備え、位相器はそのまま使用し、分波器に代えて合波器を備え、送信信号生成装置に代えて受信信号復調装置を備える。これも、先の図14に示す送信側の通信装置300と図15に示す受信側の通信装置400の関係や、図25の通信装置650における送信側の構成のみ示した時の受信側の構成に関する説明と同様である。 In the figure, only the configuration on the transmission side of the communication device 680 is shown. In the configuration on the receiving side, the transmitting-side array antenna is used as it is as the receiving-side array antenna, a hybrid duplexer is provided instead of the hybrid multiplexer, the phase shifter is used as it is, and the multiplexer is used instead of the duplexer. And a reception signal demodulating device instead of the transmission signal generating device. This is also the relationship between the communication device 300 on the transmission side shown in FIG. 14 and the communication device 400 on the reception side shown in FIG. 15, or the configuration on the reception side when only the configuration on the transmission side in the communication device 650 in FIG. It is the same as the description regarding.
ここで図28に示す通信装置680が図27に示す通信装置650と異なる点はアンテナ素子691を共有するモードの割り当て方が違う点である。図27に示す通信装置650では全アンテナ素子661−1〜661−Nを複数のモードが共有する。これに対して、図28に示す通信装置680ではN個のアンテナ素子691のうち一部のアンテナ素子を複数のモードで共有する。つまり、一部のアンテナ素子691を高次モードと低次モードで共有し、残りの他のアンテナ素子691を、高次モードのみが使用する。図22と図25の説明で述べたように、モードL1,L2,L3,…,Li,…である場合にモード数L=1,L=2,L=3,…,L=i,…とすると、モードLのOAM波を生成するために必要な素子の最低数は、上述したように、2|L|+1とされるので、これに対し多少は余裕のある適切な素子数を確保して構成要素に割り当てる。このように、多重化する複数モードに応じて、それぞれ共有する素子数をより適切に設定する。この図27から図28へと変えたように送受信装置を構成する要素を削減し、この削減で送受信装置の製造費を低減できる。 Here, the communication apparatus 680 shown in FIG. 28 is different from the communication apparatus 650 shown in FIG. 27 in that the mode allocation method sharing the antenna element 691 is different. In communication device 650 shown in FIG. 27, all antenna elements 661-1 to 661-N share a plurality of modes. On the other hand, in the communication device 680 shown in FIG. 28, some of the N antenna elements 691 are shared in a plurality of modes. That is, some of the antenna elements 691 are shared by the higher-order mode and the lower-order mode, and the remaining other antenna elements 691 are used only by the higher-order mode. As described with reference to FIGS. 22 and 25, when the modes are L1, L2, L3,..., Li,..., The number of modes L = 1, L = 2, L = 3,. Then, since the minimum number of elements necessary for generating the mode L OAM wave is 2 | L | +1 as described above, an appropriate number of elements with a margin can be secured. And assign it to the component. In this way, the number of shared elements is set more appropriately according to the multiple modes to be multiplexed. The elements constituting the transmission / reception apparatus are reduced as shown in FIG. 27 to FIG. 28, and the manufacturing cost of the transmission / reception apparatus can be reduced by this reduction.
例えば、通信装置680がM種類の送信モードのアレイアンテナを有し、m番目(mは1以上M以下の整数)の種類の送信モードのアレイアンテナは、アンテナ690のN個のアンテナ素子691のうちNm個(Nm≦N)のアンテナ素子691を用いるとする。N個のアンテナ素子691のうち、Z個(Z<N、Zは整数)は複数のモードのアレイアンテナにより共用され、残りの(N−Z)個のアンテナ素子691は1つのモードのアレイアンテナにより使用される。複数のモードのアレイアンテナにより共用されるアンテナ素子691はそれぞれ、ハイブリッド合波器684と接続される。従って、通信装置680では、通信装置650と比較して、(N−Z)個の合波器が削減できる。 For example, the communication device 680 has an array antenna of M types of transmission modes, and the array antenna of the m-th type (m is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to M) includes N antenna elements 691 of the antenna 690. and used among N m antenna elements 691 of the number (N m ≦ N). Of the N antenna elements 691, Z (Z <N, Z is an integer) are shared by a plurality of modes of array antennas, and the remaining (NZ) antenna elements 691 are array antennas of one mode. Used by. Each of the antenna elements 691 shared by the array antennas in the plurality of modes is connected to the hybrid multiplexer 684. Therefore, the communication device 680 can reduce (NZ) multiplexers compared to the communication device 650.
また、上述のように通信装置680は、図27に示す通信装置650と同じM個の送信信号生成装置651−1〜651−Mを備える。m種類目のモードで送信する信号を生成する送信信号生成装置651−mと接続される分波器682を分波器682−mとする。分波器682−mは、Nm個のポートを有する。分波器682−mのn番目(nは1以上Nm以下の整数)のポートと接続される位相器683を、位相器683−m−nと記載する。このような構成により、通信装置680では、通信装置650と比較して、Σ(N−Nm)個の位相器が削減できる。アンテナ素子691を共用する送信モードの位相器683−m−nは、m種類目の送信モードで使用するアンテナ素子691と接続されるハイブリッド合波器684に位相を調整した信号を出力する。アンテナ素子を共用しない送信モードの位相器683−m−nは、その送信モードで使用するアンテナ素子691に位相を調整した信号を出力する。 As described above, the communication device 680 includes the same M transmission signal generation devices 651-1 to 651-M as the communication device 650 illustrated in FIG. The duplexer 682 connected to the transmission signal generation device 651-m that generates a signal to be transmitted in the m-th mode is referred to as a duplexer 682-m. Demultiplexer 682-m has a N m-number of ports. The demultiplexer 682-m n-th phase shifter 683 (n is the following integer 1 or more N m) is connected to the port, referred to as a phase shifter 683-m-n. With such a configuration, the communication device 680 can reduce Σ (N−N m ) phase shifters compared to the communication device 650. The phase shifter 683-mn of the transmission mode sharing the antenna element 691 outputs a signal whose phase is adjusted to the hybrid multiplexer 684 connected to the antenna element 691 used in the m-th transmission mode. The phase shifter 683-mn in the transmission mode that does not share the antenna element outputs a signal whose phase is adjusted to the antenna element 691 used in the transmission mode.
図29は、本実施形態によるOAM波の多重送受信系を示す図である。同図において送信側は、図25、図27に示す通信装置650と同様の構成を有しており、M=2、N=4である。受信側は、アンテナ660に代えてアンテナ750を、通信装置650のハイブリッド合波器654−1〜654−4に代えてハイブリッド分波器761−1〜761−4を、位相が可変の位相器653−1−1〜653−1−4、653−2−1〜653−2−4に代えて位相が可変の位相器762−1−1〜762−1−4、762−2−1〜762−2−4を、4ポートを有する分波器652−1、652−2に代えて4ポートを有する合波器763−1、763−2を、送信信号生成装置651−1、651−2に代えて受信信号復調装置としてのスペクトラムアナライザ764を備えた構成である。位相器762−1−1〜762−1−4、762−2−1〜762−2−4の位相設定を変えることにより、受信に用いられるモードが選択される。アンテナ750は、複数モードを多重して受信する4つのアンテナ素子751−1〜751−4を有し、送信側のアンテナ660と同様の構成である。 FIG. 29 is a diagram illustrating an OAM wave multiplex transmission / reception system according to the present embodiment. In the figure, the transmission side has the same configuration as the communication device 650 shown in FIGS. 25 and 27, and M = 2 and N = 4. On the receiving side, the antenna 750 is replaced with the antenna 660, the hybrid multiplexers 654-1 to 654-4 of the communication device 650 are replaced with the hybrid demultiplexers 761-1 to 761-4, and the phase shifter is variable. Instead of 653-1-1 to 653-1-4 and 653-2-1 to 653-2-4, phase shifters 762-1-1 to 762-1-4 and 762-2-1 having variable phases are available. 762-2-4 is replaced with duplexers 652-1 and 652-2 having four ports, and multiplexers 763-1 and 763-2 having four ports are replaced with transmission signal generating devices 651-1 and 651-. In this configuration, a spectrum analyzer 764 serving as a received signal demodulating device is provided instead of 2. The mode used for reception is selected by changing the phase setting of the phase shifters 762-1-1 to 762-1-4 and 762-2-1 to 762-2-4. The antenna 750 includes four antenna elements 751-1 to 751-4 for multiplexing and receiving a plurality of modes, and has the same configuration as the antenna 660 on the transmission side.
送信側では、ハイブリッド合波器654により複数のモードの送信信号を合波し、同じアンテナ素子661を通じて異なるモードのOAM波を放射する。使用する周波数は5.2GHz(波長:5.765cm)、アンテナ660及びアンテナ750が備える素子数は4素子、アンテナ660のアレイアンテナ及びアンテナ750のアレイアンテナの開口径は4λ(23.06cm)、OAM波のモードはL1及びL−1である。また、送受信間距離は1.8m、広がり角度は8°である。位相器653−1−1〜653−1−4及び位相器762−1−1〜762−1−4にはモードL1に対する0[°]、90[°]、180[°]、−90[°]が、位相器653−2−1〜653−2−4及び位相器762−2−1〜762−2−4にはモードL−1に対する0[°]、−90[°]、180[°]、90[°]が設定される。また、多重化されたOAM波を信号分離できるかの評価のため、垂直軸(Z軸)を中心に送信側のアンテナ660を回転させる。この回転角度をα[°]とする。 On the transmission side, a hybrid multiplexer 654 multiplexes transmission signals of a plurality of modes, and radiates OAM waves of different modes through the same antenna element 661. The frequency used is 5.2 GHz (wavelength: 5.765 cm), the number of elements included in the antenna 660 and the antenna 750 is four elements, the aperture diameter of the array antenna of the antenna 660 and the array antenna of the antenna 750 is 4λ (23.06 cm), The OAM wave modes are L1 and L-1. The distance between transmission and reception is 1.8 m, and the spread angle is 8 °. The phase shifters 653-1-1 to 653-1-4 and the phase shifters 762-1-1 to 762-1-4 have 0 [°], 90 [°], 180 [°], and −90 [ [°], the phase shifters 653-2-1 to 653-2-4 and the phase shifters 762-2-1 to 762-2-4 have 0 [°], −90 [°], 180 with respect to the mode L-1. [°] and 90 [°] are set. In addition, in order to evaluate whether the multiplexed OAM wave can be separated, the transmitting antenna 660 is rotated around the vertical axis (Z axis). This rotation angle is α [°].
そして受信側では、同じアンテナ素子751−1〜751−4により受信される多重化されたOAM波の受信信号を、ハイブリッド分波器761−1〜761−4を介してそれぞれのモードに対応した位相器762−1−1〜762−1−4、762−2−1〜762−2−4へ分けて渡す。このように送信側は、同じアンテナ素子を用いて多重化したOAM波を送信し、受信側は、多重化されたOAM波を同じアンテナ素子を用いて受信することで、素子数の削減に繋げることができる。 On the receiving side, multiplexed OAM wave reception signals received by the same antenna elements 751-1 to 751-4 correspond to the respective modes via the hybrid demultiplexers 761-1 to 761-4. The phase shifters 762-1-1 to 762-1-4 and 762-2-1 to 762-2-4 are divided and passed. In this way, the transmitting side transmits OAM waves multiplexed using the same antenna elements, and the receiving side receives multiplexed OAM waves using the same antenna elements, thereby reducing the number of elements. be able to.
図30及び図31は、図29に示す多重送受信系における多重されたOAM波の受信レベル変化を示す図である。
図30は、送信側のアンテナの4つのアンテナ素子にモードL1及びモードL−1を設定し、合波して放射されたOAM波を、受信側のアンテナのモードL1及びモードL1が設定された4つのアンテナ素子により受信した後に、分波によりモードL1について得た受信ピーク強度の結果を示す。一方、図31は、送信側アレイアンテナの4つのアンテナ素子毎にモードL1及びモードL−1を設定し、合波して放射されたOAM波を、受信側アレイアンテナのモードL−1及びモードL−1が設定された4つのアンテナ素子により受信した後、分波によりモードL−1について得た受信ピーク強度の結果を示す。
30 and 31 are diagrams showing changes in the reception level of multiplexed OAM waves in the multiplex transmission / reception system shown in FIG.
In FIG. 30, the mode L1 and the mode L-1 are set in the four antenna elements of the transmitting antenna, and the OAM wave radiated by combining is set to the mode L1 and the mode L1 of the receiving antenna. The result of reception peak intensity obtained for mode L1 by demultiplexing after reception by four antenna elements is shown. On the other hand, FIG. 31 shows that the mode L1 and the mode L-1 are set for each of the four antenna elements of the transmission side array antenna, and the combined OAM wave is radiated to the mode L-1 and the mode of the reception side array antenna. The result of reception peak intensity obtained for mode L-1 by demultiplexing after reception by four antenna elements with L-1 set is shown.
図30の符号D1、D2のグラフに示すように、送信側のOAM波のモードがL1の信号を、受信側も同じモードL1で受信した場合と、送信側のOAM波のモードがL−1の信号を、受信側が異なるモードL1で受信した場合との受信レベル差は>20dBである。同様に、図31の符号D3、D4のグラフに示すように、送信側のOAM波のモードがL−1の信号を、受信側も同じモードL−1で受信した場合と、送信側のOAM波のモードがLの信号を、受信側が異なるモードL−1で受信した場合との受信レベル差は>20dBである。従って、先に図19、図20で示したハイブリッド分波器・ハイブリッド合波器を使わずアレイアンテナを構成する素子数(8個)が多いケースと比較すると、この図30及び図31ではその半分の素子数(4個)でもOAM波のモードL±1による多重化での信号分離が実現できることが実証された。分離レベルの低下は同じ素子数のアンテナ素子を円周上に並べれば改善できると考えられるので、アレイアンテナサイズに制約があり、同じ素子数のアンテナ素子を円周上に配置する条件では、ハイブリッド分波器及びハイブリッド合波器を用いてアンテナ素子を共有することが有効である。 As shown in the graphs D1 and D2 in FIG. 30, when the signal on the transmitting side has an OAM wave mode L1 and the receiving side also receives the signal in the same mode L1, and the mode on the transmitting side OAM wave is L-1. The reception level difference from when the signal is received in the mode L1 at which the reception side is different is> 20 dB. Similarly, as shown in the graphs of D3 and D4 in FIG. 31, when the signal on the transmitting side has an OAM wave mode of L-1, and the receiving side also receives the signal in the same mode L-1, the OAM on the transmitting side The reception level difference from the case where the signal having the wave mode L is received in the mode L-1 on the receiving side is> 20 dB. Therefore, in comparison with the case where the number of elements constituting the array antenna (eight) is large without using the hybrid duplexer / hybrid multiplexer shown in FIG. 19 and FIG. 20, in FIG. 30 and FIG. It has been proved that signal separation can be realized by multiplexing with OAM wave mode L ± 1 even with half the number of elements (four). The reduction in the separation level can be improved by arranging antenna elements with the same number of elements on the circumference, so there are restrictions on the size of the array antenna, and under the condition that antenna elements with the same number of elements are arranged on the circumference, the hybrid It is effective to share an antenna element using a duplexer and a hybrid multiplexer.
[第3の実施形態]
本実施形態では、先に第2の実施形態の図24で示した第1の実施形態に対する課題を解決する対策(アンテナ素子を共有し素子数を削減)を示す。この図24で挙げた送受信でも同じアンテナ素子を共用する対策(b)について、この第3の実施形態ではアレイアンテナに接続される送受信構成を説明する。図24から分かるように、先の第2の実施形態で異なるモードのアレイアンテナ間で同一の円周上に配置されるアンテナ素子を共用することで素子数を削減することに加え、送受信が共用されることでさらに一層素子数が削減でき、より多くOAM波のモードを使用する多重化に繋げられる。
[Third Embodiment]
In the present embodiment, a measure for solving the problem of the first embodiment shown in FIG. 24 of the second embodiment (sharing antenna elements and reducing the number of elements) is shown. In the third embodiment, a transmission / reception configuration connected to the array antenna will be described as a measure (b) for sharing the same antenna element in the transmission / reception shown in FIG. As can be seen from FIG. 24, in addition to reducing the number of elements by sharing antenna elements arranged on the same circumference between array antennas of different modes in the previous second embodiment, transmission and reception are shared. By doing so, the number of elements can be further reduced, which leads to multiplexing that uses more OAM wave modes.
図32及び図33を用いて、本実施形態による多重送受での素子配置を説明する。
図32は、本実施形態による多重送受におけるアンテナ素子の配置を示す図である。同図に示すように、アンテナ810は、同心・同径円周上のアンテナ素子811を使用して送受信のアンテナ素子も共有する。同図においては、本来、同じ円周上に配置した8個のアンテナ素子811である所、共用する4つのアンテナ素子811を1つ飛びに配置した様子を示す。また、同図においては、円周上にアンテナ素子811を配置したアンテナ810は送受信とも同じであるが、必ずしも同じでなくてもよい。
The element arrangement in the multiplex transmission / reception according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 32 and 33.
FIG. 32 is a diagram showing the arrangement of antenna elements in multiplex transmission / reception according to the present embodiment. As shown in the figure, the antenna 810 uses the antenna element 811 on the circumference of the concentric circle and the same diameter to share the antenna element for transmission and reception. This figure shows a state where eight antenna elements 811 originally arranged on the same circumference and four shared antenna elements 811 are arranged one by one. Further, in the figure, the antenna 810 having the antenna element 811 arranged on the circumference is the same for both transmission and reception, but it is not necessarily the same.
図33は、通信装置800における接続構成を示す図である。送受信を行う通信装置800は、上述のように、送受信でアンテナ素子811を共用する。多重数をM、素子数をNとすると、通信装置800は、M個の送信信号生成装置801と、M個の受信信号復調装置802と、M個のサーキュレータ803と、M個の分波/合波器804と、M×N個の位相器805と、N個のハイブリッド分波/合波器806と、アンテナ810とを備える。アンテナ810は、N個のアンテナ素子811を備える。N個のアンテナ素子811をそれぞれ、アンテナ素子811−1〜811−Nと記載する。このように、通信装置800には、多重数M個の送信信号生成装置801と受信信号復調装置802、これら送信信号生成装置801と受信信号復調装置802に繋がるサーキュレータ803がある。サーキュレータ803の先はM個の分波/合波器804を介して、M×N個の可変の位相器805が接続される。位相器805では、OAM波の多重するモードに合わせて信号の位相が調整・設定される。位相器805は、先のN個のハイブリッド分波/合波器806を介してN個のアンテナ素子811と接続される。なお、サーキュレータ803では、信号の入力と出力の方向が順番に決まっており、この順番を逆にした入力から出力の方向の信号は通過させない。 FIG. 33 is a diagram illustrating a connection configuration in the communication apparatus 800. As described above, the communication device 800 that performs transmission / reception shares the antenna element 811 for transmission / reception. Assuming that the number of multiplexing is M and the number of elements is N, the communication device 800 includes M transmission signal generation devices 801, M reception signal demodulation devices 802, M circulators 803, M demultiplexing / A multiplexer 804, M × N phase shifters 805, N hybrid demultiplexers / multiplexers 806, and an antenna 810 are provided. The antenna 810 includes N antenna elements 811. The N antenna elements 811 are referred to as antenna elements 811-1 to 811-N, respectively. As described above, the communication apparatus 800 includes the multiplex number M transmission signal generation apparatuses 801 and reception signal demodulation apparatuses 802, and a circulator 803 connected to the transmission signal generation apparatuses 801 and reception signal demodulation apparatuses 802. The circulator 803 is connected to M × N variable phase shifters 805 via M demultiplexers / multiplexers 804. In the phase shifter 805, the phase of the signal is adjusted and set in accordance with the mode in which the OAM wave is multiplexed. Phase shifter 805 is connected to N antenna elements 811 via N hybrid demultiplexers / multiplexers 806. In the circulator 803, the input and output directions of signals are determined in order, and signals in the input to output directions are not allowed to pass in the reverse order.
なお、この図33に示す通信装置800の送信側の構成に対する受信側の構成については、先の図14の送信側の通信装置300に対する図15の受信側の通信装置400の構成や、図25の通信装置650、図28の通信装置680の送信側の構成に対する受信側の構成についての説明と類似する。 The configuration on the receiving side with respect to the configuration on the transmitting side of the communication device 800 shown in FIG. 33 is the configuration of the communication device 400 on the receiving side in FIG. 15 with respect to the communication device 300 on the transmitting side in FIG. The communication device 650 of FIG. 28 and the communication device 680 of FIG.
以下では、m種類目(mは1以上M以下の整数)のモードで送信する信号を生成する送信信号生成装置801を送信信号生成装置801−mと記載し、m種類目のモードで受信した信号を復調する受信信号復調装置802を受信信号復調装置802−mと記載する。送信信号生成装置801−m及び受信信号復調装置802−mと接続されるサーキュレータ803をサーキュレータ803−mと記載し、サーキュレータ803−mと接続される分波/合波器804を分波/合波器804−mと記載する。分波/合波器804−mのn番目(nは1以上N以下の整数)のポートと接続される位相器805を位相器805−m−nと記載する。位相器805−1−n〜805−M−n及びアンテナ素子811−nと接続されるハイブリッド分波/合波器806をハイブリッド分波/合波器806−nと記載する。 Hereinafter, the transmission signal generation device 801 that generates a signal to be transmitted in the m-th mode (m is an integer of 1 to M) is referred to as a transmission signal generation device 801-m, and is received in the m-th mode. The received signal demodulator 802 that demodulates the signal is referred to as a received signal demodulator 802-m. The circulator 803 connected to the transmission signal generator 801-m and the received signal demodulator 802-m is described as a circulator 803-m, and the demultiplexer / multiplexer 804 connected to the circulator 803-m is demultiplexed / combined. It is described as a waver 804-m. The phase shifter 805 connected to the n-th port (n is an integer of 1 to N) of the demultiplexer / multiplexer 804-m is referred to as a phase shifter 805-mn. The hybrid demultiplexer / multiplexer 806 connected to the phase shifters 805-1-n to 805-Mn and the antenna element 811-n is referred to as a hybrid demultiplexer / multiplexer 806-n.
送信信号生成装置801−mは、生成した送信信号をサーキュレータ803−mに出力する。サーキュレータ803−mは、送信信号生成装置801−mから入力した送信信号を分波/合波器804−mに出力する。分波/合波器804−mは、サーキュレータ803−mから入力した送信信号をN個のポートに分波し、位相器805−m−1〜805−m−Nに出力する。位相器805−m−1〜805−m−Nは、分波/合波器804−mのn番目のポートから入力した送信信号の位相をm種類目のモードに基づいて調整し、ハイブリッド分波/合波器806−nに出力する。ハイブリッド分波/合波器806−nは、位相器805−1−n〜805−M−nから入力した送信信号を合波してアンテナ素子811−nに出力する。アンテナ素子811−nは、ハイブリッド分波/合波器806−nから入力した送信信号を放射する。 The transmission signal generation device 801-m outputs the generated transmission signal to the circulator 803-m. The circulator 803-m outputs the transmission signal input from the transmission signal generation device 801-m to the demultiplexer / multiplexer 804-m. The demultiplexer / multiplexer 804-m demultiplexes the transmission signal input from the circulator 803-m to N ports and outputs the demultiplexed signals to the phase shifters 805-m-1 to 805-m-N. The phase shifters 805-m-1 to 805-m-N adjust the phase of the transmission signal input from the n-th port of the demultiplexer / multiplexer 804-m based on the mth mode, Output to the wave / multiplexer 806-n. The hybrid demultiplexer / multiplexer 806-n multiplexes the transmission signals input from the phase shifters 805-1-n to 805-Mn and outputs the combined signal to the antenna element 811-n. The antenna element 811-n radiates the transmission signal input from the hybrid demultiplexer / multiplexer 806-n.
一方、アンテナ素子811−nは、受信した信号をハイブリッド分波/合波器806−nに出力する。ハイブリッド分波/合波器806−nは、アンテナ素子811−nから入力した受信信号を、位相器805−1−n〜805−M−nに分配する。位相器805−m−nは、ハイブリッド分波/合波器806−nから入力した受信信号の位相をm種類目のモードに基づいて調整し、分波/合波器804−mのn番目のポートに出力する。分波/合波器804−mは、位相器805−m−1〜805−m−Nから入力した受信信号を合波してサーキュレータ803−mに出力する。サーキュレータ803−mは、分波/合波器804−mから入力した受信信号を受信信号復調装置802−mに出力する。受信信号復調装置802−mは、サーキュレータ803−mから入力した受信信号を復調する。 On the other hand, the antenna element 811-n outputs the received signal to the hybrid demultiplexer / multiplexer 806-n. The hybrid demultiplexer / multiplexer 806-n distributes the reception signal input from the antenna element 811-n to the phase shifters 805-1-n to 805-Mn. The phase shifter 805-mn adjusts the phase of the received signal input from the hybrid demultiplexer / multiplexer 806-n based on the mth mode, and the nth of the demultiplexer / multiplexer 804-m. Output to the port. The demultiplexer / multiplexer 804-m multiplexes the reception signals input from the phase shifters 805-m-1 to 805-m-N and outputs the multiplexed signal to the circulator 803-m. The circulator 803-m outputs the received signal input from the demultiplexer / multiplexer 804-m to the received signal demodulator 802-m. The reception signal demodulator 802-m demodulates the reception signal input from the circulator 803-m.
この図33に示す通信装置800の構成とする利点は、アンテナ素子を多重するOAM波のモードで共有し、かつ又は、送受信でアンテナ素子を共有するため、アンテナが備える素子数を削減できる点である。これにより、同じ円周上にアンテナ素子を配置する際に、素子数の制約を解消することができる。 The advantage of the configuration of the communication apparatus 800 shown in FIG. 33 is that the number of elements included in the antenna can be reduced because the antenna element is shared in the OAM wave mode in which the antenna elements are multiplexed and / or is shared in transmission and reception. is there. Thereby, when arranging antenna elements on the same circumference, the restriction on the number of elements can be eliminated.
以上説明した実施形態によれば、OAM波を用いて無線多重通信を行うアンテナは、異なる複数種類のアレイアンテナを有する。アレイアンテナの種類は、OAM波のモードと、送信か受信かの送受信種別とにより表される。アンテナが有する複数のアレイアンテナそれぞれを構成するアンテナ素子は、同一の円周上に配置される。つまり、異なるOAM波のモードのアンテナ素子や、OAM波を送信するアンテナ素子とOAM波を受信するアンテナ素子とが、同一の円周上に配置される。 According to the embodiment described above, the antenna that performs wireless multiplex communication using an OAM wave has a plurality of different types of array antennas. The type of the array antenna is represented by an OAM wave mode and a transmission / reception transmission / reception type. The antenna elements constituting each of the plurality of array antennas included in the antenna are arranged on the same circumference. That is, antenna elements having different OAM wave modes, antenna elements that transmit OAM waves, and antenna elements that receive OAM waves are arranged on the same circumference.
また、上述したOAM波の多重通信を行うアンテナにおいて同一円周上に配置されるアンテナ素子は、OAM波の送信と受信の一方又は両方を行う。つまり、アンテナは、OAM波を送信(放射)する送信側のアレイアンテナと、OAM波を受信する受信側のアレイアンテナを有しており、送信側のアレイアンテナのアンテナ素子と、受信側のアレイアンテナのアンテナ素子の少なくとも一部を共用して使用する。それぞれのアレイアンテナにおいて、アンテナ素子は等間隔に配置される。 In addition, the antenna elements arranged on the same circumference in the antenna that performs the OAM wave multiplex communication described above perform one or both of transmission and reception of the OAM wave. That is, the antenna includes a transmitting-side array antenna that transmits (radiates) OAM waves, and a receiving-side array antenna that receives OAM waves. The antenna element of the transmitting-side array antenna and the receiving-side array Use at least a part of the antenna elements of the antenna. In each array antenna, the antenna elements are arranged at equal intervals.
また、上述したOAM波の多重通信を行うアンテナにおいて同一円周上に配置されるアンテナ素子は、OAM波の送信と受信の一方又は両方を行う。アンテナは、異なるOAMモードのOAM波を送信する送信側のアレイアンテナを複数有し、それら複数の送信側のアレイアンテナで少なくとも一部のアンテナ素子を共有する。あるいは、アンテナは、異なるOAMモードのOAM波を受信する受信側のアレイアンテナを複数有し、それら複数の受信側のアレイアンテナで少なくとも一部のアンテナ素子を共有する。アンテナは、少なくとも一部のアンテナ素子を共有する複数の送信側アレイアンテナと、少なくとも一部のアンテナ素子を共有する複数の受信側アレイアンテナの両方を有してもよい。それぞれの送信側アレイアンテナ、受信側アレイアンテナにおいて、アンテナ素子は等間隔に配置される。 In addition, the antenna elements arranged on the same circumference in the antenna that performs the OAM wave multiplex communication described above perform one or both of transmission and reception of the OAM wave. The antenna has a plurality of array antennas on the transmission side that transmit OAM waves of different OAM modes, and at least some of the antenna elements are shared by the plurality of array antennas on the transmission side. Alternatively, the antenna has a plurality of receiving-side array antennas that receive OAM waves of different OAM modes, and at least some of the antenna elements are shared by the plurality of receiving-side array antennas. The antenna may include both a plurality of transmitting side array antennas sharing at least some antenna elements and a plurality of receiving side array antennas sharing at least some antenna elements. In each of the transmitting side array antenna and the receiving side array antenna, the antenna elements are arranged at equal intervals.
以上説明した実施形態によれば、それぞれ異なる種類のアレイアンテナを複数有し、OAM波を用いて無線多重通信するアンテナは、送信側のアレイアンテナからのOAM波の放射ピークの方向と、受信側のアレイアンテナのアンテナ素子の方向との外れ量を僅かにすることにより、受信レベルの低下を抑制する。この受信レベルの低下の抑制により、OAM波を用いた多重送受信をより確実にできる。 According to the embodiment described above, an antenna that has a plurality of different types of array antennas and performs wireless multiplex communication using an OAM wave includes the direction of the radiation peak of the OAM wave from the array antenna on the transmission side, and the reception side. By reducing the amount of deviation of the array antenna from the direction of the antenna element, a decrease in reception level is suppressed. By suppressing the decrease in the reception level, multiplex transmission / reception using the OAM wave can be performed more reliably.
また送受信のアンテナ素子、又は、異なるモードのアンテナ素子を共用することにより、アレイアンテナの素子数を削減できる。そのため、従来の素子数のままでは同じ円上に異なる種別の(OAMのモードと送受信種別の少なくとも一方が異なる)アンテナ素子を等間隔で配置することが物理的にできなかった課題も解消される。 Further, by sharing antenna elements for transmission and reception or antenna elements of different modes, the number of elements of the array antenna can be reduced. For this reason, the problem of physically disposing antenna elements of different types (different at least one of OAM mode and transmission / reception type) at equal intervals on the same circle with the conventional number of elements can be solved. .
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。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes designs and the like that do not depart from the gist of the present invention.
OAM波を多重して送信又は受信するアンテナに利用可能である。 It can be used for an antenna that transmits and receives OAM waves in a multiplexed manner.
100、200…アンテナ
101、102、201、202…アンテナ素子
300…通信装置
301−1〜301−M…送信信号生成装置
302−1〜302−M…分波器
303−1−1〜303−M−N…位相器
310…アンテナ
311−1−1〜311−M−N、311−1〜311−3…アンテナ素子
351、352…アンテナ素子
400…通信装置
410…アンテナ
411−1−1〜411−M−N…アンテナ素子
421−1−1〜421−M−N…位相器
422−1〜422−M…合波器
423−1〜423−M…受信信号復調装置
450−1〜450−3…反射板
501、502…ネットワークアナライザ
503…スペクトラムアナライザ
601、602、603、604、611、612…アンテナ素子
650…通信装置
651−1〜651−M…送信信号生成装置
652−1〜652−M…分波器
653−1−1〜653−M−N…位相器
654−1〜654−N…ハイブリッド合波器
660…アンテナ
661−1〜661−N…アンテナ素子
680…通信装置
682−1〜682−M…分波器
683−1−1〜683−M−NM…位相器
684…ハイブリッド合波器
690…アンテナ
691−1〜691−N…アンテナ素子
750…アンテナ
751−1〜751−4…アンテナ素子
761−1〜761−4…ハイブリッド分波器
762−1−1〜762−2−4…位相器
763−1、763−2…合波器
764…スペクトラムアナライザ
800…通信装置
801−1〜801−M…送信信号生成装置
802−1〜802−M…受信信号復調装置
803−1〜803−M…サーキュレータ
804−1〜804−M…合波器
805−1−1〜805−M−N…位相器
806−1〜806−N…合波器
810…アンテナ
811−1〜811−N…アンテナ素子
980、990…アンテナ
981、982、991、992…アンテナ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100, 200 ... Antenna 101, 102, 201, 202 ... Antenna element 300 ... Communication apparatus 301-1 to 301-M ... Transmission signal generation apparatus 302-1 to 302-M ... Demultiplexer 303-1-1-1 to 303- M-N ... phase shifter 310 ... antennas 311-1-1 to 311-MN, 311-1 to 311-3 ... antenna elements 351 and 352 ... antenna element 400 ... communication device 410 ... antenna 411-1-1 to 411-MN ... Antenna elements 421-1-1 to 421-MN ... Phase shifters 422-1 to 422-M ... Multiplexers 423-1 to 423-M ... Received signal demodulation devices 450-1 to 450- -3 ... reflectors 501, 502 ... network analyzer 503 ... spectrum analyzer 601, 602, 603, 604, 611, 612 ... antenna element 650 ... communication device 65 -1 to 651-M ... transmission signal generators 652-1 to 652-M ... demultiplexers 653-1-1 to 653-MN ... phase shifters 654-1 to 654-N ... hybrid multiplexer 660 ... Antennas 661-1 to 661-N ... Antenna element 680 ... Communication devices 682-1 to 682-M ... Demultiplexers 683-1-1 to 683-M M ... Phase shifter 684 ... Hybrid multiplexer 690 ... Antenna 691-1 to 691-N antenna element 750 antenna 751-1 to 751-4 antenna element 761-1 to 761-4 hybrid demultiplexer 762-1-1 to 762-2-4 phase shifter 763 -1, 763-2 ... multiplexer 764 ... spectrum analyzer 800 ... communication devices 801-1 to 801-M ... transmission signal generation devices 802-1 to 802-M ... received signal demodulation devices 803-1 to 80-80 3-M ... circulators 804-1 to 804-M ... multiplexers 805-1-1 to 805-MN ... phase shifters 806-1 to 806-N ... multiplexers 810 ... antennas 811-1 to 811- N ... Antenna elements 980, 990 ... Antennas 981, 982, 991, 992 ... Antenna elements
Claims (3)
複数の前記アレイアンテナはそれぞれ、円周上に配置される複数のアンテナ素子を有し、
前記アンテナ素子が配置される前記円周は、複数の前記アレイアンテナについて同心かつ同一直径である、
ことを特徴とするアンテナ。 An antenna having a plurality of different array antennas, each of which is indicated by a combination of an OAM (Orbital Angular Momentum) wave mode and a transmission / reception transmission / reception type,
Each of the plurality of array antennas includes a plurality of antenna elements arranged on a circumference,
The circumference on which the antenna element is arranged is concentric and the same diameter for a plurality of the array antennas,
An antenna characterized by that.
前記アレイアンテナごとに当該アレイアンテナを構成する複数の前記アンテナ素子は、前記円周上に等間隔に配置される、
ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。 In the plurality of array antennas having different transmission / reception types, at least some of the antenna elements are shared,
A plurality of the antenna elements constituting the array antenna for each array antenna are arranged at equal intervals on the circumference.
The antenna according to claim 1.
前記アレイアンテナごとに当該アレイアンテナを構成する複数の前記アンテナ素子は、前記円周上に等間隔に配置される、
ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。 In the plurality of array antennas having different OAM wave modes, at least some of the antenna elements are shared,
A plurality of the antenna elements constituting the array antenna for each array antenna are arranged at equal intervals on the circumference.
The antenna according to claim 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016178787A JP6586064B2 (en) | 2016-09-13 | 2016-09-13 | antenna |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016178787A JP6586064B2 (en) | 2016-09-13 | 2016-09-13 | antenna |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018046369A true JP2018046369A (en) | 2018-03-22 |
| JP6586064B2 JP6586064B2 (en) | 2019-10-02 |
Family
ID=61693331
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016178787A Active JP6586064B2 (en) | 2016-09-13 | 2016-09-13 | antenna |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6586064B2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109755736A (en) * | 2019-01-29 | 2019-05-14 | 广东曼克维通信科技有限公司 | Leaky wave Microstrip Loop orbital angular momentum antenna |
| CN109904631A (en) * | 2019-02-22 | 2019-06-18 | 厦门大学 | A kind of micro-strip paster antenna radiating three rank vortex wave beams |
| CN114361800A (en) * | 2021-12-14 | 2022-04-15 | 浙江大学 | Transmission type super-surface-based modal multiplexing type reconfigurable terahertz orbital angular momentum beam generation method |
| CN115997349A (en) * | 2021-08-19 | 2023-04-21 | 北京小米移动软件有限公司 | OAM beam transmission method, device, user equipment and storage medium |
| WO2023070485A1 (en) * | 2021-10-29 | 2023-05-04 | Qualcomm Incorporated | Orbital angular momentum communication with variable antenna number |
| WO2023216092A1 (en) * | 2022-05-10 | 2023-11-16 | Qualcomm Incorporated | Orbital angular momentum multiplexing using multiple modes in antenna array |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014199451A1 (en) * | 2013-06-11 | 2014-12-18 | 富士通株式会社 | Antenna device, and signal transmission system |
| WO2015159808A1 (en) * | 2014-04-17 | 2015-10-22 | ソニー株式会社 | Radio communication device and radio communication system |
| WO2016036270A1 (en) * | 2014-09-04 | 2016-03-10 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Transceiver arrangement and method for transmitting and receiving electromagnetic signals in a mimo system |
-
2016
- 2016-09-13 JP JP2016178787A patent/JP6586064B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014199451A1 (en) * | 2013-06-11 | 2014-12-18 | 富士通株式会社 | Antenna device, and signal transmission system |
| WO2015159808A1 (en) * | 2014-04-17 | 2015-10-22 | ソニー株式会社 | Radio communication device and radio communication system |
| WO2016036270A1 (en) * | 2014-09-04 | 2016-03-10 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Transceiver arrangement and method for transmitting and receiving electromagnetic signals in a mimo system |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZHENGYI LI, ET.AL.: "A Dual-channel Wireless Communication System by Multiplexing Twisted Radio Wave", PROCEEDINGS OF THE 44TH EUROPEAN MICROWAVE CONFERENCE, JPN6019022276, 9 October 2014 (2014-10-09), pages 235 - 238, ISSN: 0004055085 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109755736A (en) * | 2019-01-29 | 2019-05-14 | 广东曼克维通信科技有限公司 | Leaky wave Microstrip Loop orbital angular momentum antenna |
| CN109904631A (en) * | 2019-02-22 | 2019-06-18 | 厦门大学 | A kind of micro-strip paster antenna radiating three rank vortex wave beams |
| CN109904631B (en) * | 2019-02-22 | 2020-06-09 | 厦门大学 | A Microstrip Patch Antenna Radiating Third-Order Vortex Beams |
| CN115997349A (en) * | 2021-08-19 | 2023-04-21 | 北京小米移动软件有限公司 | OAM beam transmission method, device, user equipment and storage medium |
| WO2023070485A1 (en) * | 2021-10-29 | 2023-05-04 | Qualcomm Incorporated | Orbital angular momentum communication with variable antenna number |
| US12412994B2 (en) | 2021-10-29 | 2025-09-09 | Qualcomm Incorporated | Orbital angular momentum communication with variable antenna number |
| CN114361800A (en) * | 2021-12-14 | 2022-04-15 | 浙江大学 | Transmission type super-surface-based modal multiplexing type reconfigurable terahertz orbital angular momentum beam generation method |
| CN114361800B (en) * | 2021-12-14 | 2022-11-08 | 浙江大学 | Transmission type super-surface-based modal multiplexing type reconfigurable terahertz orbital angular momentum beam generation method |
| WO2023216092A1 (en) * | 2022-05-10 | 2023-11-16 | Qualcomm Incorporated | Orbital angular momentum multiplexing using multiple modes in antenna array |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP6586064B2 (en) | 2019-10-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6586064B2 (en) | antenna | |
| US11716787B2 (en) | Antenna systems for multi-radio communications | |
| US10879627B1 (en) | Power recycling and output decoupling selectable RF signal divider and combiner | |
| CN1679257B (en) | Wireless transmitter, transceiver and method for beamforming and diversity | |
| ES2629980T3 (en) | Matrix grouping beam bearer in shared phase | |
| EP2641294B1 (en) | Antenna architecture for maintaining beam shape in a reconfigurable antenna | |
| JP6037008B2 (en) | Antenna device and signal transmission system | |
| US10665955B2 (en) | Radio signal transmitting antenna, radio signal receiving antenna, radio signal transmission/reception system, radio signal transmitting method, and radio signal receiving method | |
| CN106415930B (en) | Independent azimuth pattern for shared aperture array antennas | |
| CN104756318B (en) | Multiband antenna with variable electric tilting | |
| JP2016511598A (en) | Multi-array antenna | |
| JP2017508402A (en) | Compact antenna array using virtual rotation of radiation vector | |
| CN109509980B (en) | Hybrid multi-beam antenna | |
| JP7006961B2 (en) | Wireless communication device and antenna device | |
| CN116438717B (en) | Base station antenna and base station equipment | |
| SE517197C2 (en) | Adaptive sector classification | |
| WO2017215755A1 (en) | Flexible analog architecture for sectorization | |
| CN111149255A (en) | Multiband Antenna System | |
| Sasaki et al. | Pragmatic OAM with polarization multiplexing transmission for future 5G ultra-high capacity radio | |
| ITRM960164A1 (en) | SINGLE OR DOUBLE REFLECTOR ANTENNA, WITH SHAPED BEAMS, WITH LINEAR POLARIZATION. | |
| CN103563167A (en) | Node in wireless communication system with different functional modes | |
| KR20140077400A (en) | Multiple input/output apparatus having two or more multiple polarized antenna | |
| KR20130053242A (en) | Mimo service system, mimo apparatus and coupler for embodying mimo environment in building | |
| JP2017228856A (en) | Lens antenna device | |
| WO2021061356A1 (en) | System for mitigating unwanted emissions in a multi-rf processing chain system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180905 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190607 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190618 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190815 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190903 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190906 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6586064 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |