WO2009107601A1

WO2009107601A1 - アレーアンテナ、タグ通信装置、タグ通信システム及びアレーアンテナのビーム制御方法

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Publication number: WO2009107601A1
Application number: PCT/JP2009/053261
Authority: WO
Inventors: 英克野上
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2010-08-29
Also published as: CN101919116A; EP2246934A1; JPWO2009107601A1; JP5234372B2; US8362954B2; EP2246934B1; US20100295729A1; CN101919116B; EP2246934A4

Abstract

【課題】サイドローブを低減させつつアレーアンテナの小型化を図れるアレーアンテナと、このアレーアンテナを有するタグ通信装置及びタグ通信システムと、アレーアンテナのビーム制御方法を提供すること。【解決手段】各アンテナ素子２１ａ～２１ｄのＸＹ座標及び給電位相をそれぞれアンテナ素子２１a（０,Ｙ１）・φ１、アンテナ素子２１ｂ（－Ｘ１,０）・φ２、アンテナ素子２１ｃ（Ｘ２,０）・φ３、アンテナ素子２１ｄ（０,－Ｙ２）・φ４、波長λ及び指向方向θとした場合に、次の条件式＜数式＞φ１＝φ４、φ２＝２π・Ｘ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ１、φ３＝φ１－２π・Ｘ２・ｓｉｎ（θ）／λを全て満たすように各給電位相を設定する。

Description

アレーアンテナ、タグ通信装置、タグ通信システム及びアレーアンテナのビーム制御方法

　本発明は、電波のビームの方向を可変可能なアレーアンテナと、該アレーアンテナを有するタグ通信装置及びタグ通信システムと、アレーアンテナのビーム制御方法に関するものである。

　従来から、指向性アンテナの１つとしてアレーアンテナがある。このアレーアンテナは、アンテナ素子を複数個配列（アレー）して、各アンテナ素子に流れる信号の位相（フェーズ）を制御しながら、電波のビームの指向方向を電子的に変化させることができる。各アンテナ素子の給電位相を変化させることにより電波のビームの指向方向を可変可能であることから、例えば、特許文献１に記載のタグ通信用アンテナのように電波のビームをスキャンすることにより通信領域の拡大を図ったり、特許文献２に記載のタグ移動方向検知システムのように、タグの移動方向の検知に使用したりすることが可能である。なお、本明細書及び図において、角度を度（°あるいはｄｅｇ）を単位として表示する場合と、ラジアンを単位として表示する場合があるが、数式中に度を単位として角度を表記した部分があるときは、その数式では角度を度を単位として取り扱うと解釈する。また、数式中にラジアンを単位として角度を表記した部分があるときは、その数式では角度をラジアンを単位として取り扱うと解釈する。

　一方、アレーアンテナの小型化の要請があり、アレーアンテナを小型化するためには構成するアンテナ素子数を削減することが最も効果的である。本出願人においては、試作として図７（ａ）に示すような水平方向（Ｘ軸）に３素子、垂直方向（Ｙ軸）に２素子の３×２＝６素子（２１０ａ～２１０ｆ）からなるアレーアンテナ２００を使用している。本出願人は、このアレーアンテナ２００を試作として使用して、特許文献２に記載のように荷物の移動方向の検知を行っている。すなわち、図７（ｂ）に示すように、各アンテナ素子の給電位相を変化させ、アレーアンテナ２００から発射する電波のビームであるメインローブ（ＭＬα、ＭＬβ）の指向方向を、スキャン角α、β（ブロードサイド方向に対する水平方向の傾斜角）と繰り返し変化させることにより、荷物などの移動体の移動方向を検知している。この移動方向検知の方法は、特許文献２に詳細に説明されているが、図７（ｃ）を参照して概要を説明すると次のようになる。

　メインローブの指向方向が、ブロードサイド方向に対し図中＋方向のときは（メインローブＭＬα）、スキャン角β側では（図示しない）荷物に貼付されたＲＦＩＤタグと通信せずスキャン角α側でのみ通信する。同様に、メインローブの指向方向が、ブロードサイド方向に対し図中－方向のときは（メインローブＭＬβ）、スキャン角α側では（図示しない）荷物に貼付されたＲＦＩＤタグと通信せずスキャン角β側でのみ通信する。このことから、メインローブの指向方向をスキャン角α、βと繰り返し切り換えてＲＦＩＤタグと通信を行うことにより、メインローブＭＬαで通信した複数のデータ（プロットデータＰ）とメインローブＭＬβで通信した複数のデータ（プロットデータＰ）の分布から線形近似直線Ｌを求め、この傾きを算出することにより移動方向の検知を行っている。この図７（ｃ）を参照すれば分かる通り、移動方向検知の精度を向上させるためには、メインローブＭＬαに切り換えた際には－側ではＲＦＩＤタグとは通信をせず、メインローブＭＬβに切り換えた際には＋側では通信をしないことが重要である。

　一方、小型化するためには、アンテナ素子の数を削減することが最も効果的であり、また、ＶＭＩ（Vendor Managed Inventory）などの在庫管理や物流管理の観点では、縦方向横方向が同じ指向性が望ましい。すると、縦横（垂直水平方向）の指向性が良好であり、かつ最小のアレーアンテナは、図８（ａ）に示すような水平方向（Ｘ軸）に２素子、垂直方向（Ｙ軸）に２素子の２×２＝４素子（２１１ａ～２１１ｄ）からなるアレーアンテナ２０１ということとなる。

　しかしながら、アンテナ素子の数を２×２＝４素子とすると、新たな問題が生ずることが本出願人による実験により判明した。その新たな問題とは、サイドローブ、グレーティングローブの問題である。すなわち、図８（ｂ）に示すように、メインローブＭＬαに切り替えたときに、サイドローブＳＬαが大きくなり過ぎて（同様にメインローブＭＬβに切り換えたときに、サイドローブＳＬβが大きくなり過ぎる）、移動方向の検知の精度が落ちると言う問題が発生した。このようにサイドローブが大きくなり過ぎると、図８（ｃ）に示すように、スキャン角αに切り替えたときに＋側でメインローブＭＬαが発生するのと同時に－側で発生したサイドローブＳＬα（同様に、スキャン角βに切り替えたときに－側でメインローブＭＬβが発生するのと同時に＋側で発生したサイドローブＳＬβ）が（図示しない）ＲＦＩＤタグと通信してしまう。その結果、線形近似直線の傾きが求まらず移動方向の検知の精度が著しく落ちるということが実験により判明した。

　このようなサイドローブを低減させるためには、図９に示すように各アンテナ素子への電力分配比を変更させるのが一般的である。すなわち、複数個のアンテナ素子（２１２a～２１２ｅ）では、中央のアンテナ素子２１２ｃに高い電力を与え、端に行くほど電力を低くする。しかしながら、このような方法では制御が複雑になってしまう。

特開２００６－　２００８３号公報

特開２００７－３０３９３５号公報

　本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであり、その目的は、サイドローブ、グレーティングローブの低減を図りつつ、アレーアンテナ自体の小型化も図れるアレーアンテナと、このアレーアンテナを有するタグ通信装置及びタグ通信システムと、アレーアンテナのビーム制御方法を提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明は、電波のビームの指向方向を電気的に制御可能なアレーアンテナであって、第１の仮想直線上に離間して配置された第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子と、第１の仮想直線と直交する第２の仮想直線上に第１の仮想直線を挟むように離間して配置された第１のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子と、各アンテナ素子の給電位相を可変に設定する可変移相器と、電波のビームの指向方向が第１の仮想直線に沿って変更されるよう可変移相器を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

　また、各アンテナ素子の給電位相を、第２のアンテナ素子はφ２、第３のアンテナ素子はφ３、第１のアンテナ素子はφ１、第４のアンテナ素子はφ４とし、第１の仮想直線をＸ軸、第２の仮想直線をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点（０,０）及び原点を通過しＸＹ平面と直交する軸をＺ軸とした際における各アンテナ素子のＸＹ座標を、それぞれ、第１のアンテナ素子（０,Ｙ１）、第２のアンテナ素子（－Ｘ１,０）、第３のアンテナ素子（Ｘ２,０）、第４のアンテナ素子（０,－Ｙ２）、波長λ及び指向方向θとした場合に、制御手段は、可変移相器に対し、次の条件式φ１＝φ４、φ２＝２π・Ｘ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ１、φ３＝φ１－２π・Ｘ２・ｓｉｎ（θ）／λを全て満たすように各給電位相を設定させることにより、電波のビームの指向方向をＸＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けさせるようにしてもよい。

　また、本発明は、電波のビームの指向方向を電気的に制御可能なアレーアンテナであって、第１の仮想直線上に離間して配置された第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子と、第１の仮想直線と直交する第２の仮想直線上に第１の仮想直線を挟むように離間して配置された第１のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子と、各アンテナ素子の給電位相を可変に設定する可変移相器と、電波のビームの指向方向が第１の仮想直線あるいは第２の仮想直線に沿って選択可能に変更されるよう可変移相器を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

　また、各アンテナ素子の給電位相を、第２のアンテナ素子はφ２、第３のアンテナ素子はφ３、第１のアンテナ素子はφ１、第４のアンテナ素子はφ４とし、第１の仮想直線をＸ軸、第２の仮想直線をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点（０,０）及び原点を通過しＸＹ平面と直交する軸をＺ軸とした際における各アンテナ素子のＸＹ座標を、それぞれ、第１のアンテナ素子（０,Ｙ１）、第２のアンテナ素子（－Ｘ１,０）、第３のアンテナ素子（Ｘ２,０）、第４のアンテナ素子（０,－Ｙ２）、波長λ及び指向方向θとした場合に、制御手段は、可変移相器に対し、次の条件式φ１＝φ４、φ２＝２π・Ｘ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ１、φ３＝φ１－２π・Ｘ２・ｓｉｎ（θ）／λを全て満たすように各給電位相を設定させることにより、電波のビームの指向方向をＸＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けることができ、一方、次の条件式φ２＝φ３、φ１＝２π・Ｙ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ２、φ４＝φ２－２π・Ｙ２・ｓｉｎ（θ）／λを全て満たすように各給電位相を設定させることにより、電波のビームの指向方向をＹＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けさせるようにしてもよい。

　ここで、第１のアンテナ素子、第２のアンテナ素子、第３のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子における番号は、４つのアンテナ素子を有することと、それぞれにおける関係を明確にすべく付けたものであり、それぞれの配置関係と条件式との関係が本発明においては重要な要素となる。

　また、第１の仮想直線及び第２の仮想直線とは、各第１～４のアンテナ素子の配置関係を明確にすべく仮想的に用いた線であり実線ではない。ここで、第１の仮想直線上あるいは第２の仮想直線上に配置されているとは、それぞれの第１～４のアンテナ素子の中心点がそれぞれの仮想直線上に配置されていることを意味するものであるが、厳密に中心部がそれぞれの仮想直線上に位置することまでは要求しておらず略仮想直線上に位置していればよい。

　各第１～４のアンテナ素子により正方形状を形成していてもよいが、正方形状である必要はなく、例えば、ひし形状であってもいいし、また、四方形を形成する各辺（アンテナ素子間の間隔）は同一である必要もない。

　上記第１のアンテナ素子、第２のアンテナ素子、第３のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子は、パッチアンテナから構成してもよい。パッチアンテナから複数のアンテナ素子を構成すれば、スキャンアンテナを薄く製造できるし、製造コストも低く抑えられるので好適である。

　また、本発明のタグ通信装置は、上記アレーアンテナに接続されるとともに、このアレーアンテナを介してＲＦＩＤタグと無線通信を行うことを特徴とする。ここで、タグ通信装置とは、リーダ、ライタあるいはリーダライタを意味するものである。

　また、本発明のタグ通信システムは、電波のビームの指向方向を決定する指向角度指令信号を、上記タグ通信装置あるいは端末装置から上記アレーアンテナに対し発信することにより、上記電波のビームの指向方向を所定のピッチで繰り返し可変可能であることを特徴とする。指向角度指令信号とは、電波のビームの方向を決めるための信号であり、この指向角度指令信号は、タグ通信装置から直接発信されるようにしてもよい。また、このタグ通信装置に接続されるＰＣ（パーソナルコンピュータ）などの端末装置からタグ通信装置を介して発信されるようにしてもよい。更に、タグ通信装置を介さずに端末装置から直接発信されるようにしてもよい。

　また、本発明のアレーアンテナのビーム制御方法は、第１の仮想直線上に離間して配置された第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子と、第１の仮想直線と直交する第２の仮想直線上に第１の仮想直線を挟むように離間して配置された第１のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子と、各アンテナ素子の給電位相を可変に設定する可変移相器と、を有するとともに、電波のビームの指向方向を電気的に制御可能なアレーアンテナのビーム制御方法であって、電波のビームの指向方向が第１の仮想直線に沿って変更されるよう可変移相器を制御することを特徴とする。

　また、上記アレーアンテナのビーム制御方法において、各アンテナ素子の給電位相を、第２のアンテナ素子はφ２、第３のアンテナ素子はφ３、第１のアンテナ素子はφ１、第４のアンテナ素子はφ４とし、第１の仮想直線をＸ軸、第２の仮想直線をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点（０,０）及び原点を通過しＸＹ平面と直交する軸をＺ軸とした際における各アンテナ素子のＸＹ座標を、それぞれ、第１のアンテナ素子（０,Ｙ１）、第２のアンテナ素子（－Ｘ１,０）、第３のアンテナ素子（Ｘ２,０）、第４のアンテナ素子（０,－Ｙ２）、波長λ及び指向方向θとした場合に、可変移相器に対し、次の条件式φ１＝φ４、φ２＝２π・Ｘ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ１、φ３＝φ１－２π・Ｘ２・ｓｉｎ（θ）／λを全て満たすように各給電位相を設定させ、電波のビームの指向方向をＸＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けさせるようにしてもよい。

　また、本発明のアレーアンテナのビーム制御方法は、第１の仮想直線上に離間して配置された第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子と、第１の仮想直線と直交する第２の仮想直線上に第１の仮想直線を挟むように離間して配置された第１のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子と、各アンテナ素子の給電位相を可変に設定する可変移相器と、を有するとともに、電波のビームの指向方向を電気的に制御可能なアレーアンテナのビーム制御方法であって、電波のビームの指向方向が第１の仮想直線あるいは第２の仮想直線に沿って選択可能に変更されるよう可変移相器を制御することを特徴とする。

　また、上記アレーアンテナのビーム制御方法において、各アンテナ素子の給電位相を、第２のアンテナ素子はφ２、第３のアンテナ素子はφ３、第１のアンテナ素子はφ１、第４のアンテナ素子はφ４とし、第１の仮想直線をＸ軸、第２の仮想直線をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点（０,０）及び原点を通過しＸＹ平面と直交する軸をＺ軸とした際における各アンテナ素子のＸＹ座標を、それぞれ、第１のアンテナ素子（０,Ｙ１）、第２のアンテナ素子（－Ｘ１,０）、第３のアンテナ素子（Ｘ２,０）、第４のアンテナ素子（０,－Ｙ２）、波長λ及び指向方向θとした場合に、可変移相器に対し、次の条件式φ１＝φ４、φ２＝２π・Ｘ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ１、φ３＝φ１－２π・Ｘ２・ｓｉｎ（θ）／λを全て満たすように各給電位相を設定させ、電波のビームの指向方向をＸＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けさせ、一方、次の条件式φ２＝φ３、φ１＝２π・Ｙ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ２、φ４＝φ２－２π・Ｙ２・ｓｉｎ（θ）／λを全て満たすように各給電位相を設定させ、電波のビームの指向方向をＹＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けさせるようにしてもよい。

　以上説明したように本発明によれば、第１の仮想直線上に離間して配置された第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子と、第１の仮想直線と直交する第２の仮想直線上に第１の仮想直線を挟むように離間して配置された第１のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子と、各アンテナ素子の給電位相を可変に設定する可変移相器と、を有するとともに、電波のビームの指向方向を電気的に制御可能なアレーアンテナにおいて、電波のビームの指向方向が第１の仮想直線に沿って変更されるよう可変移相器を制御するようにした。これにより、グレーティングローブ、サイドローブを低減させつつ、アンテナ全体の小型化が図れる。

　以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

　図１は本発明のタグ通信システムの概略構成を模式的に示すブロック図、図２（ａ）は本発明のアレーアンテナの概略構成を裏面側から見た平面図、（ｂ）はコントローラに記憶された内部テーブル、図３は本発明のアレーアンテナの指向方向を説明するための模式図、図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明のアレーアンテナの各アンテナ素子への給電位相の原理を説明するための概念図、図５は本発明のアレーアンテナの各アンテナ素子への給電位相の原理を説明するための概念図、図６は本発明のアレーアンテナにおけるサイドローブの低減効果を示すグラフをそれぞれ示す。

　図１に示すように、本発明のタグ通信システム１０は、アレーアンテナ２０と、アレーアンテナ２０に接続されたリーダライタ３０と、リーダライタ３０に接続されたパーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」と称する）４０とからなる。

　アレーアンテナ２０は、４つのアンテナ素子２１ａ～２１ｄと、それぞれのアンテナ素子２１ａ～２１ｄに接続された可変移相器２２ａ～２２ｄと、各可変移相器２２ａ～２２ｄに接続されたコントローラ２５を搭載した制御ボード２４からなる。

　４つのアンテナ素子２１ａ～２１ｄは、ここでは円形パッチアンテナ、すなわち、銅などからなる導体板を地板としてその上に誘電体を積層し更にこの上に円形状の導体を積層してなる薄型の平面アンテナである。ここでは円形パッチアンテナをアンテナ素子として使用しているが、これに限定するものではなく例えば方形状のパッチアンテナや、ダイポールアンテナなども適用可能である。

　アンテナ素子２１ｂとアンテナ素子２１ｃは仮想直線Ｌ１上に、アンテナ素子２１ａとアンテナ素子２１ｄは仮想直線Ｌ２上にそれぞれ配設されている。この仮想直線Ｌ１と仮想直線Ｌ２とは図２（ａ）のように水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸とした場合に、それぞれの軸線上に各アンテナ素子２１ａ～２１ｄが配設されていることを説明するために用いた仮想的な線であり、実線ではない。

　「アンテナ素子２１ｂとアンテナ素子２１ｃとが仮想直線Ｌ１上（アンテナ素子２１ａとアンテナ素子２１ｄが仮想直線Ｌ２上）に配設されている」とは、各アンテナ素子２１ａ～２１ｄ中心がそれぞれの仮想直線Ｌ１、Ｌ２に位置することを意味するが、厳密に中心部がそれぞれの仮想直線Ｌ１、Ｌ２上に位置することまでは要求しておらず略仮想直線Ｌ１、Ｌ２上に位置していればよい。なお、ここで言う、水平方向（Ｘ軸）及び垂直方向（Ｙ軸）とは、後述するメインビームをスキャンする際の方向及び軸である。

　ここでは、各アンテナ素子２１ａ～２１ｄにより正方形状を形成するとしているが、正方形状である必要はなく、例えば、ひし形状であってもいいし、また、四方形を形成する各辺（アンテナ素子間の間隔ｄ）は同一である必要もない。

　４つの可変移相器２２ａ～２２ｄは、各アンテナ素子への給電位相を変えるように機能する素子であり、種々の可変移相器が適用可能である。例えば、この可変移相器としては、導体線路とアースとの間に液晶を入れて構成される可変移相器がある。導体線路とアースの間に制御信号を加えると、液晶の誘電率が変化し、その結果、伝送線路を伝わるマイクロ波の伝搬速度が変化するように構成されている。

　コントローラ２５は、リーダライタ３０から送信される角度指令信号に応じて各可変移相器２２ａ～２２ｄへのＤＣ電圧を制御するように機能するものであり、内部には図２（ｂ）に示す内部テーブルＴＢが記憶されている。ここで、角度指令信号とは、アレーアンテナ２０から発射する電波のビーム（メインローブ）の指向方向を決める角度θを指示する信号である。内部テーブルＴＢには、指向方向θごとに、各アンテナ素子２１ａ～２１ｄへの給電位相φ１～φ４がＤＣ電圧に対応づけられて記憶されている。例えば、指向方向θ＝１０°にするとの角度指令信号がリーダライタ３０から送信されてきた場合には、各アンテナ素子２１ａ～２１ｄにそれぞれＶ_１Ａ、Ｖ_１Ｂ、Ｖ_１Ｃ、Ｖ_１Ｄ［Ｖ］のＤＣ電圧を印加すれば、電波のビームの指向方向はθ＝１０°となる。

　リーダライタ３０は、ＰＣ４０の制御のもと、コントローラ２５に対し角度指令信号を送信したり、各アンテナ素子２１ａ～２１ｄに対しＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｅｎｃｙ）信号を送信したりするように機能する。ＲＦ信号はまず分配器２３ｂによりアンテナ素子２１ａ及び２１ｂ側と、アンテナ素子２１ｃ及びアンテナ素子２１ｄ側に２つに分配され、更に、分配されたＲＦ信号は、分配器２３ａによりアンテナ素子２１ａと２１ｂに、分配器２３ｃによりアンテナ素子２１ｃと２１ｄにそれぞれ分配される。

　なお、ここでは、ＰＣ４０の制御のもと角度指令信号を送信したりＲＦ信号を送信するようにしたが、ＰＣ４０の制御機能をリーダライタ３０に取り込みＰＣ４０を不要とする構成も適用可能である。また、コントローラ２５をアレーアンテナ２０に搭載する構成としているが、このコントローラ２５の機能を外部に設けアレーアンテナ２０にはコントローラ２５を搭載しないように構成したり、リーダライタ３０に当該機能を取り込むという構成も適用可能である。本発明においては、各アンテナ素子２１ａ～２１ｄの配列構成と、各アンテナ素子２１ａ～２１ｄへの給電位相を下記数式を満たすように設定することを特徴とするものであり、それ以外の構成は種々の構成が適用可能である。

　本発明においては、上記のようにアレーアンテナ２０の各アンテナ素子２１ａ～２１ｄを配設、すなわち、水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸、ＸＹ平面に直交する軸をＺ軸とした場合に、各アンテナ素子の座標をそれぞれアンテナ素子２１a（０,Ｙ１）、アンテナ素子２１ｂ（－Ｘ１,０）、アンテナ素子２１ｃ（Ｘ２,０）、アンテナ素子２１ｄ（０,－Ｙ２）とし、波長λ及び指向方向θとした場合に、次の条件式
＜数１＞
　φ１＝φ４
　φ２＝２π・Ｘ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ１
　φ３＝φ１－２π・Ｘ２・ｓｉｎ（θ）／λ
を全て満たすように各給電位相を設定することにより、電波のビームの指向方向をＸＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けることができる。以下この原理について図３～５を参照して説明する。

　図３は、アレーアンテナにおける指向方向の制御の原理を説明するための模式図である。具体的には、並列に距離ｄ離間して配置されたアンテナ素子２１ａとアンテナ素子２１ｂがある場合において、それぞれの給電位相φ１、φ２とすると、電波のビームの指向方向がブロードサイド方向に対しθ方向に傾斜した状態が示されている。各アンテナ素子２１ａ、２１ｂへの給電位相φ１、φ２は、所望の指向方向（指向角度θ）、アンテナ素子２１ａ、２１ｂの間隔ｄによって決まり、所望の指向角度をθとすると、θ方向の波面を合わせればよい。従って、
＜数２＞
　ｄ・ｓｉｎ（θ）＝（φ１－φ２）・λ／２π・・・（１）　となる。

　次に、本発明の４つのアンテナ素子２１ａ～２１ｄからなり各アンテナ素子２１ａ～２１ｄを正方形状に配置したアレーアンテナ２０を、図のように間隔ｄを示す線とＸ軸との角度をΘ、原点をＯ（０，０）とすると、原点Ｏとアンテナ素子２１ｂとの間隔ｄ´は、
＜数３＞
　ｄ´＝ｄ・ｃｏｓ（Θ）・・・（２）
となる。このアレーアンテナ２０を水平方向で見てみると、あたかも原点Ｏ（０，０）にアンテナ素子２１ｅが存在するかのように見え、水平方向で見れば３つのアンテナ素子２１ｂ、２１ｅ、２１ｃが間隔ｄ´を介してＸ軸上に配置されているのと等価である。なお、ここでは、正方形状であるので、Θ＝４５°となり、

となる。

　ここで、図５のように各アンテナ素子２１ａ～２１ｄに１～４の番号を付け、各アンテナ素子２１ａ～２１ｄへの給電位相をφ１～φ４とし、図のようにＸ軸、Ｙ軸をとった場合の各アンテナ素子２１ａ～２１ｄのＸＹ座標は、それぞれアンテナ素子２１ａ（０，Ｙ１）、２１ｂ（－Ｘ２，０）、２１ｃ（Ｘ２，０）、２１ｄ（０，－Ｙ２）とする。すると、本発明において、図７（ｂ）のようにＸ軸を指向方向の軸としてメインローブの方向を向ける場合、すなわち、ブロードサイド方向をＺ軸としてＸＺ平面上Ｚ軸からθ方向へメインビームを向ける場合、給電位相φ１及びφ４は、φ１＝φ４・・・（３）を満たす必要があり、この式（３）と上記式（１）から各給電位相φ１～φ４は、以下の条件式（３）～（５）を全て満たす必要がある。
＜数４＞
　φ１＝φ４・・・（３）
　φ２＝２π・Ｘ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ１・・・（４）
　φ３＝φ１－２π・Ｘ２・ｓｉｎ（θ）／λ・・・（５）

　このように構成された本発明のアレーアンテナ２０における位相差と、図８（ａ）のように構成されたアレーアンテナ２０１（以下「従来のアレーアンテナ」と言う）における位相差とを具体的な数値を入れて比較すると次のようになる。例えば、図４（ａ）に示すアンテナ素子の間隔ｄを１５０ｍｍ（０．１５ｍ）とし、アンテナ素子２１ａ～２１ｄ全体で１辺を１５０ｍｍとする正方形状のアレーアンテナ２０を形成し、使用周波数を９５０ＭＨｚ（波長λ＝０．３１ｍ）とした場合において、指向方向を－３５°にするためには、上記式（１）より、φ１－φ２＝９９°となる。一方、本発明のアレーアンテナ２０においては、φ２－φ１＝７０°、φ１－φ３＝７０°となる。

　上記説明したように本発明のアレーアンテナ２０を構成することにより、図６に示すような効果が得られる。この図６は、指向方向を－３５°に設定した場合におけるサイドローブの発生状態を通常のアレーアンテナとの比較において示している。縦軸を利得［ｄＢｉ］、横軸をθ［ｄｅｇ］にとり、実線が図８（ａ）に示すアレーアンテナ、点線が本発明のアレーアンテナを使用した場合であり、図中左側の第１の山はメインローブの利得を示し、右側の第２の山はそれぞれのアレーアンテナにおけるサイドローブの利得を示している。この図６から明らかなように、従来の通常のアレーアンテナに比べて劇的にサイドローブが低減されていることが分かる。このように、本発明においては、図２（ａ）、図５のように各アンテナ素子２１ａ～２１ｄを配設し、かつ各アンテナ素子２１ａ～２１ｄへの給電位相φ１～φ４を、上記条件式（３）～（５）を全て満たすように設定することにより、サイドローブを低減させつつ、アレーアンテナ自体の小型化が図れる。そして、この小型化されたアレーアンテナを上述した荷物などの移動体の移動方向の検知に使用すれば、アレーアンテナ自体の小型化が図れつつ、移動体検知の精度も落ちることがない。

　なお、上記においては、水平方向を軸とした場合について説明したが、垂直方向（Ｙ軸）を軸とした場合においては、上記と同様に、以下の条件式
＜数５＞
　φ２＝φ３
　φ１＝２π・Ｙ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ２
　φ４＝φ２－２π・Ｙ２・ｓｉｎ（θ）／λ
を全て満たすように各給電位相φ１～φ４を設定することにより、電波のビームの指向方向をＹＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けることができる。なお、コントローラ２５により、電波のビームの指向方向を、水平方向あるいは垂直方向に沿って選択可能にしておくことも可能である。

本発明のタグ通信システムの概略構成を模式的に示すブロック図。（ａ）は本発明のアレーアンテナの概略構成を示す平面図、（ｂ）はコントローラに記憶された内部テーブル。本発明のアレーアンテナの指向方向を説明するための模式図。（ａ）及び（ｂ）は、本発明のアレーアンテナの各アンテナ素子への給電位相の原理を説明するための概念図。本発明のアレーアンテナの各アンテナ素子への給電位相の原理を説明するための概念図。本発明のアレーアンテナにおけるサイドローブの低減効果を示すグラフ。（ａ）は従来のアレーアンテナの概略構成を示す平面図、（ｂ）はスキャンの状態を示す模式図、（ｃ）は移動方向検知の原理を示すグラフ。（ａ）は従来のアレーアンテナの概略構成を示す平面図、（ｂ）はスキャンの状態を示す模式図、（ｃ）は移動方向検知の原理を示すグラフ。従来のサイドローブの低減手法の一例を示す概念図。

符号の説明

　１０　タグ通信システム
　２０　アレーアンテナ
　２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ　アンテナ素子
　２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ　可変移相器
　２３ａ、２３ｂ、２３ｃ　分配器
　２４　制御ボード
　２５　コントローラ
　３０　リーダライタ（タグ通信装置）
　４０　パーソナルコンピュータ
　Ｌ１　第１の仮想直線
　Ｌ２　第２の仮想直線
　ＴＢ　内部テーブル
　φ１、φ２、φ３、φ４給電位相
　θ　　アレーアンテナの指向方向を示す角度

Claims

　電波のビームの指向方向を電気的に制御可能なアレーアンテナであって、
第１の仮想直線上に離間して配置された第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子と、第１の仮想直線と直交する第２の仮想直線上に第１の仮想直線を挟むように離間して配置された第１のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子と、
　各アンテナ素子の給電位相を可変に設定する可変移相器と、
　電波のビームの指向方向が第１の仮想直線に沿って変更されるよう可変移相器を制御する制御手段と、を備えること
　を特徴とするアレーアンテナ。
　各アンテナ素子の給電位相を、第２のアンテナ素子はφ２、第３のアンテナ素子はφ３、第１のアンテナ素子はφ１、第４のアンテナ素子はφ４とし、第１の仮想直線をＸ軸、第２の仮想直線をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点（０,０）及び原点を通過しＸＹ平面と直交する軸をＺ軸とした際における各アンテナ素子のＸＹ座標を、それぞれ、第１のアンテナ素子（０,Ｙ１）、第２のアンテナ素子（－Ｘ１,０）、第３のアンテナ素子（Ｘ２,０）、第４のアンテナ素子（０,－Ｙ２）、波長λ及び指向方向θとした場合に、
　制御手段は、可変移相器に対し、次の条件式
φ１＝φ４
φ２＝２π・Ｘ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ１
φ３＝φ１－２π・Ｘ２・ｓｉｎ（θ）／λ
を全て満たすように各給電位相を設定させることにより、電波のビームの指向方向をＸＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けさせること
　を特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。
　電波のビームの指向方向を電気的に制御可能なアレーアンテナであって、
第１の仮想直線上に離間して配置された第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子と、第１の仮想直線と直交する第２の仮想直線上に第１の仮想直線を挟むように離間して配置された第１のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子と、
　各アンテナ素子の給電位相を可変に設定する可変移相器と、
　電波のビームの指向方向が第１の仮想直線あるいは第２の仮想直線に沿って選択可能に変更されるよう可変移相器を制御する制御手段と、を備えること
　を特徴とするアレーアンテナ。
　各アンテナ素子の給電位相を、第２のアンテナ素子はφ２、第３のアンテナ素子はφ３、第１のアンテナ素子はφ１、第４のアンテナ素子はφ４とし、第１の仮想直線をＸ軸、第２の仮想直線をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点（０,０）及び原点を通過しＸＹ平面と直交する軸をＺ軸とした際における各アンテナ素子のＸＹ座標を、それぞれ、第１のアンテナ素子（０,Ｙ１）、第２のアンテナ素子（－Ｘ１,０）、第３のアンテナ素子（Ｘ２,０）、第４のアンテナ素子（０,－Ｙ２）、波長λ及び指向方向θとした場合に、
　制御手段は、可変移相器に対し、次の条件式
φ１＝φ４
φ２＝２π・Ｘ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ１
φ３＝φ１－２π・Ｘ２・ｓｉｎ（θ）／λ
を全て満たすように各給電位相を設定させることにより、電波のビームの指向方向をＸＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けることができ、
　一方、次の条件式
φ２＝φ３
φ１＝２π・Ｙ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ２
φ４＝φ２－２π・Ｙ２・ｓｉｎ（θ）／λ
を全て満たすように各給電位相を設定させることにより、電波のビームの指向方向をＹＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けさせること
　を特徴とする請求項３に記載のアレーアンテナ。
　上記第１のアンテナ素子、第２のアンテナ素子、第３のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子は、パッチアンテナからなることを特徴する請求項１～４いずれか１項に記載のアレーアンテナ。
　請求項１～５のいずれか１項に記載のアレーアンテナに接続されるとともに、このアレーアンテナを介してＲＦＩＤタグと無線通信を行うことを特徴とするタグ通信装置。
　電波のビームの指向方向を決定する指向角度指令信号を、上記請求項６に記載のタグ通信装置あるいは端末装置から上記アレーアンテナに対し発信することにより、上記電波のビームの指向方向を所定のピッチで繰り返し可変可能であることを特徴とするタグ通信システム。
　第１の仮想直線上に離間して配置された第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子と、第１の仮想直線と直交する第２の仮想直線上に第１の仮想直線を挟むように離間して配置された第１のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子と、各アンテナ素子の給電位相を可変に設定する可変移相器と、を有するとともに、電波のビームの指向方向を電気的に制御可能なアレーアンテナのビーム制御方法であって、
　電波のビームの指向方向が第１の仮想直線に沿って変更されるよう可変移相器を制御すること
　を特徴とするアレーアンテナのビーム制御方法。
　各アンテナ素子の給電位相を、第２のアンテナ素子はφ２、第３のアンテナ素子はφ３、第１のアンテナ素子はφ１、第４のアンテナ素子はφ４とし、第１の仮想直線をＸ軸、第２の仮想直線をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点（０,０）及び原点を通過しＸＹ平面と直交する軸をＺ軸とした際における各アンテナ素子のＸＹ座標を、それぞれ、第１のアンテナ素子（０,Ｙ１）、第２のアンテナ素子（－Ｘ１,０）、第３のアンテナ素子（Ｘ２,０）、第４のアンテナ素子（０,－Ｙ２）、波長λ及び指向方向θとした場合に、
　可変移相器に対し、次の条件式
φ１＝φ４
φ２＝２π・Ｘ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ１
φ３＝φ１－２π・Ｘ２・ｓｉｎ（θ）／λ
を全て満たすように各給電位相を設定させ、電波のビームの指向方向をＸＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けさせること
　を特徴とする請求項８に記載のアレーアンテナのビーム制御方法。
　第１の仮想直線上に離間して配置された第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子と、第１の仮想直線と直交する第２の仮想直線上に第１の仮想直線を挟むように離間して配置された第１のアンテナ素子及び第４のアンテナ素子と、各アンテナ素子の給電位相を可変に設定する可変移相器と、を有するとともに、電波のビームの指向方向を電気的に制御可能なアレーアンテナのビーム制御方法であって、
　電波のビームの指向方向が第１の仮想直線あるいは第２の仮想直線に沿って選択可能に変更されるよう可変移相器を制御すること
　を特徴とするアレーアンテナのビーム制御方法。
　各アンテナ素子の給電位相を、第２のアンテナ素子はφ２、第３のアンテナ素子はφ３、第１のアンテナ素子はφ１、第４のアンテナ素子はφ４とし、第１の仮想直線をＸ軸、第２の仮想直線をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点（０,０）及び原点を通過しＸＹ平面と直交する軸をＺ軸とした際における各アンテナ素子のＸＹ座標を、それぞれ、第１のアンテナ素子（０,Ｙ１）、第２のアンテナ素子（－Ｘ１,０）、第３のアンテナ素子（Ｘ２,０）、第４のアンテナ素子（０,－Ｙ２）、波長λ及び指向方向θとした場合に、
　可変移相器に対し、次の条件式
φ１＝φ４
φ２＝２π・Ｘ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ１
φ３＝φ１－２π・Ｘ２・ｓｉｎ（θ）／λ
を全て満たすように各給電位相を設定させ、電波のビームの指向方向をＸＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けさせ、
　一方、次の条件式
φ２＝φ３
φ１＝２π・Ｙ１・ｓｉｎ（θ）／λ＋φ２
φ４＝φ２－２π・Ｙ２・ｓｉｎ（θ）／λ
を全て満たすように各給電位相を設定させ、電波のビームの指向方向をＹＺ平面上Ｚ軸からθ方向に向けさせること
　を特徴とする請求項１０に記載のアレーアンテナのビーム制御方法。