電波到来方向推定装置および電波到来方向推定方法
【課題】電波到来方向を推定するための受信回路の構成を簡略にした、電波到来方向推定装置および電波到来方向推定方法を提供する
【解決手段】複数のアンテナ１１は相対的な位置を固定して配置される。受信機１は、複数のアンテナの数より少ない数であって、所定の電波を受信する。時分割スイッチ１４は、受信機１に同時には１つのアンテナ１１が接続するように、受信機１とアンテナ１１との接続を所定の周期で切り替える。直並列変換器４は、受信機１とアンテナ１１との接続を所定の周期で切り替えて受信機１で受信した信号を、複数のアンテナ１１のそれぞれで受信した信号に分配する。到来方向算出部５は、複数のアンテナ１１のそれぞれで受信した信号に分配した信号から、受信した電波の到来方向を算出する。
【解決手段】複数のアンテナ１１は相対的な位置を固定して配置される。受信機１は、複数のアンテナの数より少ない数であって、所定の電波を受信する。時分割スイッチ１４は、受信機１に同時には１つのアンテナ１１が接続するように、受信機１とアンテナ１１との接続を所定の周期で切り替える。直並列変換器４は、受信機１とアンテナ１１との接続を所定の周期で切り替えて受信機１で受信した信号を、複数のアンテナ１１のそれぞれで受信した信号に分配する。到来方向算出部５は、複数のアンテナ１１のそれぞれで受信した信号に分配した信号から、受信した電波の到来方向を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波の到来方向を検知する電波到来方向推定装置および電波到来方向推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触型のＩＣカードなどに、無線通信によって外部からその情報を読み書きするＲＦタグ（無線タグ）が使われている。ＲＦタグには、パッシブタグ（受動型のＲＦタグ）とアクティブタグ（能動型のＲＦタグ）がある。パッシブタグは、タグリーダから放射される電波をエネルギー源として動作するＲＦタグで、電池を内蔵する必要がない。
【０００３】
パッシブタグのデータを読み取るために、タグリーダはアンテナ指向性により定められるエリアに電波を放射している。ＲＦタグはそのエリア内に入ったときに、タグリーダが放射する電波を検知した後データを送出する。タグリーダではＲＦタグが定められたエリア内に存在する場合にしかデータを読み取ることができない。ＲＦタグが、タグリーダのエリア内においてどちらの方向に存在するかを検知するためには、電波の到来方向を推定する必要がある。
【０００４】
例えば特許文献１には、電波到来方向推定装置の技術が記載されている。特許文献１の技術は、発振器の発生する送信信号はアンテナより放射され、応答器の信号吸収反射手段は、終端条件を変えることにより送信信号を反射吸収する。再放射された信号は、再び質問器のアンテナで受信され、直交復調手段に入力される。直交復調手段は、受信信号に対し発振器の信号をローカル信号として直交復調を行いベースバンド信号を得る。受信信号記憶手段は、アンテナ順次移動手段がアンテナを移動する毎にベースバンド信号を記憶する。到来方向推定手段は、記憶されたベースバンド信号を用いて到来方向を推定する。
【０００５】
ＲＦタグの応用のひとつに、ＲＦタグをつけた物品や人の位置探索がある。パッシブタグの位置推定として、例えば非特許文献１には、複数の空間的に離した受信アンテナでの応答時間差に基づく方法が提案されている。非特許文献１の技術は、ＲＣＲ ＳＴＤ−1規格内の４０ＭＨｚ帯域内で周波数ホッピングを行っており到達時間（Time Of Arrival）推定に基づく方法がとられている．
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１０８８１６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】北吉均，“双曲線位置測定のための長距離パッシブ無線タグシステム”，電子情報通信学会技術研究報告，AP2005−135，2006．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
方向性を有しない電磁波の到来する方向を検知するには、指向性を有するアンテナの向きを変えて受信するか、複数のアンテナで電波を受信する必要がある。複数のアンテナで電波を受信する方法では、一般的にアンテナごとに受信機を備える。その場合、受信機をアンテナごとに設ける必要があり、消費電力もそれだけ大きい。
【０００９】
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、電波到来方向を推定するための受信回路の構成を簡略にした、電波到来方向推定装置および電波到来方向推定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の観点に係る電波到来方向推定装置は、
相対的な位置を固定して配置した複数のアンテナと、
所定の電波を受信する前記複数のアンテナの数より少ない数の受信機と、
１つの前記受信機に同時には１つの前記アンテナが接続するように、前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替える時分割接続手段と、
前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替えて前記受信機で受信した信号を、前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配する手段と、
前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配した信号から、受信した電波の到来方向を算出する手段と、
を備える。
【００１１】
本発明の第２の観点に係る電波到来方向推定方法は、
所定の電波を受信する複数のアンテナより少ない数の受信機のうちの１つの受信機に、前記複数のアンテナのうち同時には１つのアンテナが接続するように、前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替える時分割接続ステップと、
前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替えて前記所定の電波を受信するステップと、
前記所定の電波を受信するステップで受信した信号を、前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配するステップと、
前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配した信号から、受信した電波の到来方向を算出するステップと、
を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電波到来方向推定装置または電波到来方向推定方法によれば、電波到来方向を推定するための受信回路の構成を簡略にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電波到来方向推定装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】時分割処理の作用を示す概念図である。
【図３】実施の形態１に係る電波到来方向検知の動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る電波到来方向推定装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】実施の形態２に係るアンテナの配列の例を示す図である。
【図６】受信信号、ＲＦタグの応答および送電信号の関係を示す図である。
【図７】バトラーマトリックスによるマルチビーム指向性の例を示す図である。
【図８】同一ビーム内にＲＦタグが１つ存在する場合のＭＵＳＩＣスペクトルの例を示す図である。
【図９】同一ビーム内にＲＦタグが２つ存在する場合のＭＵＳＩＣスペクトルの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について図を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電波到来方向推定装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１の電波到来方向推定装置１０は、受動型のＲＦタグを対象に、電波の到来方向を検出する。電波到来方向推定装置１０は、受動型のＲＦタグに電力を供給して質問電波を送信するために、送信部を備える。実施の形態１では、送信部と受信部でアンテナ１１を共用する。
【００１６】
送信部は、信号発生器（ＳＧ）２１、パターンジェネレータ（ＰＧ）２２、変調器２３、アンプ２４、カップラ２５、スイッチ（ＳＷ）２６、バトラーマトリックス２７、サーキュレータ１２およびアンテナ１１から構成される。受信部は、複数のアンテナ１１、サーキュレータ１２、合成器１３、時分割スイッチ（ＴＤＭ ＳＷ）１４、受信機１、局部発振器（ＬＯ）２、Ａ−Ｄ変換器３、直並列変換器４および到来方向算出部５から構成される。また、受信信号から送電信号成分をキャンセルするために、分配器６およびラインストレッチャー７を備える。送信部の信号発生器２１と受信部の局部発振器２は同期して、それぞれ所定の周期の信号を発生する。受信機１は、ミキサー（ＭＩＸ）１５、フィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）１６およびアンプ（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）１７を備える。
【００１７】
変調器２３は、信号発生器２１で発生した搬送波を、パターンジェネレータ２２で発生したＲＦタグを応答させるための質問系列によって変調する。ＲＦタグの搬送波と変調方式は、対象のＲＦタグの規格に合わせたものである。例えばISO／IEC18000−4規格では、搬送波は２．４５ＧＨｚ、変調方式はＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）である。その場合、変調器２３にはＧａＡｓスイッチなどを用いることができる。
【００１８】
変調器２３で変調された信号を、アンプ２４（高周波増幅器）によって増幅する。増幅した変調信号は、送信信号成分を受信信号からキャンセルするために、カップラ２５で分岐したのち、バトラーマトリックス２７に入力される。バトラーマトリックス２７では、送信電波のビームを絞り、主ビーム方向を切り替える。バトラーマトリックス２７の前にあるスイッチ２６は、主ビームの方向を切り替えるためのものである。バトラーマトリックス２７では、主ビームの方向が例えば、アンテナ１１の配列の正面方向を０°として、−４５°、−１５°、＋１５°、＋４５°のいずれかに向くように各アンテナ１１への給電信号が生成される。
【００１９】
バトラーマトリックス２７で位相制御された信号は、サーキュレータ１２を経由して各アンテナ１１に供給され、空間に放射される。送信信号によって給電されたＲＦタグ（図示せず）は、質問系列に対して応答を返す。ＲＦタグからの応答は送信したアンテナ１１と同じアンテナ１１によって捕捉され、アンテナ１１ごとにサーキュレータ１２を経由して合成器１３へ送られる。
【００２０】
アンテナ１１は例えば、一点給電の円偏波マイクロストリップパッチアンテナ（ＭＳＰＡ）を４つ、相対的な位置を固定して直列に配置して用いる。アンテナ１１の数は２つ以上であればよい。４つ以上のアンテナ１１を備え、アンテナ１１をマトリックス状に配置してもよい。アンテナ１１をマトリックス状に配置する場合は、電波到来方向推定について立体的に等方な解像度を得ることができる。
【００２１】
受信系統にはＲＦタグの応答のほか送信系統から漏れこむ送電信号が入力される。電波到来方向推定では送電信号を取り除きＲＦタグの応答だけを取り出す必要がある。サーキュレータ１２のアイソレーションは−２０ｄＢ程度であり、そのままでは受信機１の飽和レベルを超える送電信号が受信機１に入力する。このため、送電信号の一部をカップラ２５で取り出し、各アンテナ１１で受信される送電信号と同一振幅で１８０度位相が異なる信号を生成して受信信号に加え、送電信号成分をキャンセルする。
【００２２】
バトラーマトリックス２７のビーム切り替えによって、アンテナ１１ごとに送電信号の振幅と位相が異なるので、アンテナ１１ごとに位相と振幅を調節して受信信号に加える。そこで、カップラ２５で分岐した信号を分配器６でアンテナ１１の数に分配し、アンテナ１１ごとの送信信号の成分と逆位相になるように位相と振幅を調整する。ラインストレッチャー７は、アンテナ１１ごとの位相器（フェーズシフタ）と減衰器を備える。
【００２３】
合成器１３はアンテナ１１ごとに、受信信号にラインストレッチャー７で調整された信号を加える。その結果、各アンテナ１１で受信した信号から送電信号成分がキャンセルされる。図１では煩雑になるのを避けるために、合成器１３とラインストレッチャー７をそれぞれ１つで表しているが、ラインストレッチャー７（位相器および減衰器）と合成器１３はアンテナ１１の系統ごとに独立に備えられる。
【００２４】
送信信号の成分がキャンセルされた各アンテナ１１の受信信号は、それぞれ時分割スイッチ１４（ＴＤＭ ＳＷ）へ送られる。時分割スイッチ１４は、受信機１に同時には１つのアンテナ１１が接続するように、受信機１とアンテナ１１との接続を所定の周期で切り替える。したがって、受信機１は、時分割でアンテナ１１が切り替えられて、同時には１つのアンテナ１１の信号を順番に受信する。時分割スイッチ１４は、時分割接続手段を構成する。
【００２５】
時分割で受信した信号はミキサー（ＭＩＸ）１５と局部発振器（ＬＯ）２、およびフィルタ（ＬＰＦ）１６によって弧４Ｈの中間周波数（ＩＦ）信号に変換される。搬送波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、例えば、局部発振器２の信号の周波数を２．４４９ＧＨｚとすると、ＩＦ信号の周波数は１ＭＨｚである。ＩＦ信号はアンプ（ＬＮＡ）１７で増幅されて、Ａ−Ｄ変換器３に送られる。
【００２６】
Ａ−Ｄ変換器３は増幅したＩＦ信号を、アンテナ１１を切り替える周期よりも充分短い周期である所定の標本化周波数でサンプリングして、ディジタル信号に変換する。直並列変換器４は、サンプリングされたディジタル信号をアンテナ１１ごとの並列な信号に変換（分配）する。
【００２７】
図２は、時分割処理の作用を示す概念図である。パターンジェネレータ２２で発生される質問系列開始信号（Trigger Timing）に基づき、変調のシンボルごとに各アンテナ１１の受信信号が並列−直列変換されるように、シンボルレートより充分短い周期の切り替え信号（Switch Timing）を発生する。切り替え信号に基づき時分割スイッチ１４が作動する。受信機１は、図２のANT1〜ANT４に塗り分けた信号を順次直列に受信する。時分割受信信号は直並列変換器４で直列−並列変換されて、図２の下のANT1〜ANT4の段に示すように、アンテナ１１ごとの信号に分配される。
【００２８】
図１のアンテナ１１ごとに分配された信号はそれぞれ、到来方向算出部５に送られる。到来方向算出部５は、アンテナ１１ごとに分配された信号を、各アンテナ１１で受信した信号とみなして、電波の到来方向を算出する。アンテナ１１ごとに分配された信号はそれぞれ、アンテナ１１の数分の１の時間分しかないので、その間の時間のデータを補間する。データを補間するには、例えば、同じデータを他のアンテナ１１で受信している時間の分に当てはめる。あるいは、１つのアンテナ１１で受信していない空白時間がなかったものとして、それぞれのアンテナ１１の受信データを連続させて時間軸を圧縮して計算し、圧縮した分をあとで補正して正確な到来方向を算出する。
【００２９】
到来方向算出部５は、原理的には、アンテナ１１に電波が到達する時間差によって、到来方向を算出する。電波の反射、回折などによる干渉や、送信電力の漏れ信号が生じるので、到来方向を正確に検知するには、それらの干渉を除去する必要がある。到来方向算出には、例えば、ＲＢＦ（Radial Basis Function）ニューラルネットワークまたはＭＵＳＩＣ法（MUltiple SIgnal Classification法）を用いることができる。その他例えば、最小ノルム法（Min-Norm）またはＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）などを用いてもよい。
【００３０】
図３は、実施の形態１に係る電波到来方向検知の動作の一例を示すフローチャートである。電波到来方向推定装置１０は、まず、送信ビームの方向を選択し、質問電波の送信を開始する（ステップＳ１１）。同時に、時分割スイッチ１４の動作を開始する（ステップＳ１２）。
【００３１】
受信側では、時分割スイッチ１４は受信する１つのアンテナ１１を選択して受信機１に接続する（ステップＳ１３）。その状態で、受信機１で受信した信号をＡ−Ｄ変換する（ステップＳ１４）。アンテナ１１を切り替える時間が来るまで（ステップＳ１５；ＮＯ）、受信およびＡ−Ｄ変換を行う。
【００３２】
アンテナ１１を切り替える時間になったら（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、Ａ−Ｄ変換した信号をそれまでに受信していたアンテナ１１の信号として分配する（ステップＳ１６）。送信終了でなければ（ステップＳ１７；ＮＯ）、ステップＳ１３に戻って次のアンテナ１１を選択して受信機１に接続し、受信とＡ−Ｄ変換（ステップＳ１４）、ないし信号分配（ステップＳ１６）を行う。以上を繰り返すことによって、時分割受信が行われる。
【００３３】
送信を終了したら（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、ＲＦタグからの応答はなくなるので、受信動作を終了し、時分割スイッチ１４の動作を停止する（ステップＳ１８）。それまでに受信してアンテナ１１ごとに分配したデータから、電波の到来方向を算出する（ステップＳ１９）。同時に、受信信号からＲＦタグのデータを検出し（ステップＳ２０）、電波の到来方向とＲＦタグのデータを記憶する（ステップＳ２１）。
【００３４】
そして、ステップＳ１１に戻って、送信ビームの方向を変えて上述の処理と同様に送受信することによって、異なる方向にあるＲＦタグからの電波の到来方向を検出することができる。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態１の電波到来方向推定装置１０によれば、アンテナ１１の数よりも少ない１台の受信機１を用いて電波到来方向を推定できるので、受信回路の構成を簡略にできる。その結果、電波到来方向推定装置１０の消費電力を削減できる。さらに、受動型のＲＦタグの場合は、送信している間だけ受信動作すればよいので、時分割受信処理を常時動作させる必要がない。受動型のＲＦタグの場合は、ＲＦタグに応答させるタイミングを電波到来方向推定装置１０の側で決定できるので、時分割受信を動作させる時間を限ることができる。
【００３６】
本実施の形態１では、受動型のＲＦタグを対象とする形態を説明した。本実施の形態１の時分割受信の構成は、能動型のＲＦタグに適用することができる。その場合、送電信号を送信してＲＦタグに給電する必要はない。対象が能動型のＲＦタグで、ＲＦタグが送信するタイミングを知ることができない場合は、常時時分割受信を動作させる必要があるかもしれない。
【００３７】
なお、１つの電波到来方向推定装置１０について、受信機１の数はアンテナ１１の数より少なければ１台に限らず２台以上であってもよい。例えば、複数のアンテナ１１をいくつかの組に分け、アンテナ１１の組ごとに１台の受信機１を割り当てて、それぞれの組で時分割受信を行うように構成してもよい。その場合、組ごとにアンテナ１１の数は異なっていても構わない。
【００３８】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る電波到来方向推定装置１０の構成例を示すブロック図である。実施の形態２では、送信部に受信部のアンテナ１１とは別に送信アンテナ２８を設ける。したがって、サーキュレータ１２は不要である。また、送信と受信のアンテナ間の距離でアイソレーションをとることによって、送信アンテナ２８から受信部のアンテナ１１に漏れ込む送信信号の影響を抑える。そのため、分配器６およびラインストレッチャー７を省略している。その他の構成は、実施の形態１と同様である。ここではカップラ２５は、送信アンテナ２８とのインピーダンス整合をとるために備えられている。
【００３９】
実施の形態２の送信部は、送信信号をカップラ２５で分岐しないことと、サーキュレータ１２を経由しないことを除いて、実施の形態１の構成と同じである。送信部の動作については、実施の形態１と同様である。
【００４０】
受信部は、サーキュレータ１２を経由しないことと、分配器６およびラインストレッチャー７を備えないことを除いて、実施の形態１の構成と同様である。受信部の動作は、アナログ信号で送電信号をキャンセルしないことを除いて、実施の形態１と同様である。
【００４１】
図５は、実施の形態２に係るアンテナ１１の配列（アレーアンテナ）の例を示す。ＲＦタグには左旋円偏波が用いられている。円偏波マイクロストリップパッチアンテナ（ＭＳＰＡ）で円偏波を実現する方法として、３ｄＢハイブリッドカップラによる２点給電法と縮退分離法が知られている。アンテナ１１および送信アンテナ２８は例えば、一点給電の円偏波マイクロストリップパッチアンテナ（ＭＳＰＡ）を４つ、相対的な位置を固定して直列に配置して用いる。図５のアレーアンテナは、円偏波にするために、左上角と右下角を削り取った形状を示す。
【００４２】
例えば、アンテナ１１、送信アンテナ２８を、誘電率２．６、厚さ１．６１ｎｍの基板上に形成し、アンテナ寸法は３６．５ｍｍ×３６．５ｍｍで給電点は中心から６ｍｍ下方とする。ＶＳＷＲ≦２の帯域は約５０ＭＨｚ、交差偏波比は正面方向で１１ｄＢ、利得は６ｄＢｉである。素子間隔は０．５波長（５８ｍｍ）で、±４５°方向の利得は１０ｄＢｉ、最大サイドローブレベルは−９ｄＢである。
【００４３】
送信と受信のアレーアンテナは、ネットワークアナライザでアレーアンテナ間の結合量を計測して、適度なアイソレーションになるようにアレー間距離を設定する。例えば上述のアレーアンテナの場合、アレー間距離を３０ｃｍ以上とすると、アイソレーションは４０ｄＢ以上である。
【００４４】
対象が受動型のＲＦタグの場合は、ＲＦタグが送信中であっても送電し続けなければならない。従って、ＲＦタグからの応答は送電信号に重畳されて受信される。送信と受信で分離したアレーアンテナを使用しても、受信信号から完全に送電信号の成分を取り除くことはできない。送電信号の成分をさらに小さくするために、実施の形態１と同様に合成器を用いて送電信号の成分をキャンセルする他、ソフトウェア処理によって送電信号の成分をキャンセルすることもできる。図６に示すように、受信された信号はＲＦタグの応答と送電信号がベクトル合成された信号である。電波到来方向を算出するためにアイソレーションが不充分の場合は、ベクトル平面上で受信信号から送電信号成分を引くことによってＲＦタグの応答を取り出すことができる。
【００４５】
ソフトウェア処理によって送電信号をキャンセルするのは、例えば、到来方向算出部５で行う。到来方向算出部５には、例えば、電波暗室でＲＦタグがない状態で送電信号を送信し、受信した信号のパターンを記憶しておく。実際にＲＦタグの応答を受信するときには、受信した信号から記憶しておいたパターンのデータを引けばよい。
【００４６】
実施の形態２の電波到来方向検知の動作は、実施の形態１と同様である。ソフトウェア処理で送電信号をキャンセルする場合は、例えば、図３のステップＳ１９の電波の到来方向算出の前に、キャンセル処理を行う。
【００４７】
以上説明したように、実施の形態２の電波到来方向推定装置１０によれば、送信と受信のアンテナ１１、２８を分けるので、分配器６、ラインストレッチャー７（位相器と減衰器を含む）および合成器１３が不要になり、装置の構成を簡単にできる。
【００４８】
（具体例）
以下に説明する具体例では、ISO／IEC18000−4規格のＲＦタグを用い、搬送波は２．４５ＧＨｚ、変調方式はＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）、シンボルレートは３０ｋ〜４０ｋｓｐｓである。アレーアンテナは送信と受信を分離し、それぞれ４つのアンテナ１１、２８から構成される。アンテナ１１を切り替える周波数は、１ＭＨｚである。局部発振器２の周波数は２．４４９ＧＨｚ、ＩＦ信号の周波数は１ＭＨｚである。Ａ−Ｄ変換器３の標本化周波数は４０ＭＨｚである。電波到来方向の推定には、ＭＵＳＩＣ法を用いる。
【００４９】
図７は、バトラーマトリックス２７によるマルチビーム指向性の例を示す。送信と受信のアレーアンテナは実施の形態２で述べた例のものである。送信信号の周波数は、２．４５ＧＨｚである。主ビームの方向は、アレーアンテナの正面方向を０°として、−４５°（Ｂｅａｍ１）、−１５°（Ｂｅａｍ２）、＋１５°（Ｂｅａｍ３）、＋４５°（Ｂｅａｍ４）である。この例では、±４５°方向のビーム利得は８．５〜９ｄＢｉであった。
【００５０】
図８は、同一ビーム内にＲＦタグが１つ存在する場合のＭＵＳＩＣスペクトルの例を示す。図８の例は、ＲＦタグを送信アンテナ２８から１００ｃｍ離し、ボアサイト方向から−２０°（図８（ａ））、＋５０°（図８（ｂ））方向に置いた時のＭＵＳＩＣスペクトルである。図８では、ＲＦタグを置いた方向をグラフの上の縦の実線で示す。ＲＦタグの存在する方向付近にピークが現れており、ＲＦタグの方向が正しく推定されていることがわかる。距離５０、７５、１００ｃｍにおける−６０°〜６０°まで１０°おきに計測した場合の最大誤差は、それぞれ５°、７°、１０°、平均２乗誤差はそれぞれ２°、２．５°、３°であった。
【００５１】
図９は、同一ビーム内にＲＦタグが２つ存在する場合のＭＵＳＩＣスペクトルの例を示す。ＲＦタグと送信アンテナ２８の距離は１００ｃｍである。図９では、ＲＦタグを置いた方向をグラフの上の２つの縦の実線で示す。図９（ａ）は、ＲＦタグを−３０°と−５°に置いた場合のＭＵＳＩＣスペクトルを示す。図９（ｂ）は、ＲＦタグを＋３０°と＋６０°に置いた場合のＭＵＳＩＣスペクトルを示す。同一ビーム内にＲＦタグが２つ同時に存在する場合でも、それぞれのＲＦタグの方向を推定できることがわかる。
【００５２】
−６０°〜６０°までの範囲で同一ビーム内の２つの到来角の組み合わせを−６０°と−３０°、次に−６０°と−３５°というように５°置きに角度の組み合わせを変えて距離５０、７５、１００ｃｍについて評価した結果、最小分離角（ＭＵＳＩＣスペクトルで分離が認められる角度）は１５°、１５°、２０°、最大誤差は８°、１０°、１５°、平均２乗誤差は２．１°、３．２°、５°であった。
【００５３】
本発明の好適な変形として、以下の構成が含まれる。
【００５４】
本発明の第１の観点に係る電波到来方向推定装置について、
好ましくは、前記受信機は１台であって、前記時分割接続手段は、前記複数のアンテナを所定の順番で前記受信機に接続することを特徴とする。
【００５５】
好ましくは、受動型のＲＦタグに電波を放射して、前記ＲＦタグに電力を供給する給電手段を備え、
前記受信機は、前記給電手段が放射した電波に応答して前記受動型のＲＦタグが発生する電波を受信することを特徴とする。
【００５６】
好ましくは、前記給電手段は、前記受動型のＲＦタグに放射する電波のビームの方向を変動させる手段を備える。
【００５７】
好ましくは、前記給電手段は、前記受信機に接続するアンテナとは別の送信アンテナを備える。
【００５８】
本発明の第２の観点に係る電波到来方向推定方法について、
好ましくは、前記受信機は１台であって、前記時分割接続ステップは、前記複数のアンテナを所定の順番で前記受信機に接続することを特徴とする。
【００５９】
好ましくは、受動型のＲＦタグに電波を放射して、前記ＲＦタグに電力を供給する給電ステップを備え、
前記所定の電波を受信するステップは、前記給電ステップで放射した電波に応答して前記受動型のＲＦタグが発生する電波を受信する。
【００６０】
好ましくは、前記受動型のＲＦタグに放射する電波のビームの方向を変動させるステップを備え、
前記電波の到来方向を算出するステップは、前記給電ステップで放射する電波のビームの方向が一定の間に、前記電波を受信するステップで受信した信号から電波の到来方向を算出する。
【００６１】
その他、前記のハードウエア構成やフローチャートは一例であり、任意に変更および修正が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 受信機
２ 局部発振器（ＬＯ）
３ Ａ−Ｄ変換器
４ 直並列変換器
５ 到来方向算出部
６ 分配器
７ ラインストレッチャー
１０ 電波到来方向推定装置
１１ アンテナ
１２ サーキュレータ
１３ 合成器
１４ 時分割スイッチ（ＴＤＭ ＳＷ）
１５ ミキサー（ＭＩＸ）
１６ フィルタ（ＬＰＦ）
１７ アンプ（ＬＮＡ）
２１ 信号発生器（ＳＧ）
２２ パターンジェネレータ（ＰＧ）
２３ 変調器
２４ アンプ
２５ カップラ
２６ スイッチ（ＳＷ）
２７ バトラーマトリックス
２８ 送信アンテナ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波の到来方向を検知する電波到来方向推定装置および電波到来方向推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触型のＩＣカードなどに、無線通信によって外部からその情報を読み書きするＲＦタグ（無線タグ）が使われている。ＲＦタグには、パッシブタグ（受動型のＲＦタグ）とアクティブタグ（能動型のＲＦタグ）がある。パッシブタグは、タグリーダから放射される電波をエネルギー源として動作するＲＦタグで、電池を内蔵する必要がない。
【０００３】
パッシブタグのデータを読み取るために、タグリーダはアンテナ指向性により定められるエリアに電波を放射している。ＲＦタグはそのエリア内に入ったときに、タグリーダが放射する電波を検知した後データを送出する。タグリーダではＲＦタグが定められたエリア内に存在する場合にしかデータを読み取ることができない。ＲＦタグが、タグリーダのエリア内においてどちらの方向に存在するかを検知するためには、電波の到来方向を推定する必要がある。
【０００４】
例えば特許文献１には、電波到来方向推定装置の技術が記載されている。特許文献１の技術は、発振器の発生する送信信号はアンテナより放射され、応答器の信号吸収反射手段は、終端条件を変えることにより送信信号を反射吸収する。再放射された信号は、再び質問器のアンテナで受信され、直交復調手段に入力される。直交復調手段は、受信信号に対し発振器の信号をローカル信号として直交復調を行いベースバンド信号を得る。受信信号記憶手段は、アンテナ順次移動手段がアンテナを移動する毎にベースバンド信号を記憶する。到来方向推定手段は、記憶されたベースバンド信号を用いて到来方向を推定する。
【０００５】
ＲＦタグの応用のひとつに、ＲＦタグをつけた物品や人の位置探索がある。パッシブタグの位置推定として、例えば非特許文献１には、複数の空間的に離した受信アンテナでの応答時間差に基づく方法が提案されている。非特許文献１の技術は、ＲＣＲ ＳＴＤ−1規格内の４０ＭＨｚ帯域内で周波数ホッピングを行っており到達時間（Time Of Arrival）推定に基づく方法がとられている．
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１０８８１６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】北吉均，“双曲線位置測定のための長距離パッシブ無線タグシステム”，電子情報通信学会技術研究報告，AP2005−135，2006．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
方向性を有しない電磁波の到来する方向を検知するには、指向性を有するアンテナの向きを変えて受信するか、複数のアンテナで電波を受信する必要がある。複数のアンテナで電波を受信する方法では、一般的にアンテナごとに受信機を備える。その場合、受信機をアンテナごとに設ける必要があり、消費電力もそれだけ大きい。
【０００９】
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、電波到来方向を推定するための受信回路の構成を簡略にした、電波到来方向推定装置および電波到来方向推定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の観点に係る電波到来方向推定装置は、
相対的な位置を固定して配置した複数のアンテナと、
所定の電波を受信する前記複数のアンテナの数より少ない数の受信機と、
１つの前記受信機に同時には１つの前記アンテナが接続するように、前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替える時分割接続手段と、
前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替えて前記受信機で受信した信号を、前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配する手段と、
前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配した信号から、受信した電波の到来方向を算出する手段と、
を備える。
【００１１】
本発明の第２の観点に係る電波到来方向推定方法は、
所定の電波を受信する複数のアンテナより少ない数の受信機のうちの１つの受信機に、前記複数のアンテナのうち同時には１つのアンテナが接続するように、前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替える時分割接続ステップと、
前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替えて前記所定の電波を受信するステップと、
前記所定の電波を受信するステップで受信した信号を、前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配するステップと、
前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配した信号から、受信した電波の到来方向を算出するステップと、
を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電波到来方向推定装置または電波到来方向推定方法によれば、電波到来方向を推定するための受信回路の構成を簡略にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電波到来方向推定装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】時分割処理の作用を示す概念図である。
【図３】実施の形態１に係る電波到来方向検知の動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る電波到来方向推定装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】実施の形態２に係るアンテナの配列の例を示す図である。
【図６】受信信号、ＲＦタグの応答および送電信号の関係を示す図である。
【図７】バトラーマトリックスによるマルチビーム指向性の例を示す図である。
【図８】同一ビーム内にＲＦタグが１つ存在する場合のＭＵＳＩＣスペクトルの例を示す図である。
【図９】同一ビーム内にＲＦタグが２つ存在する場合のＭＵＳＩＣスペクトルの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について図を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電波到来方向推定装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１の電波到来方向推定装置１０は、受動型のＲＦタグを対象に、電波の到来方向を検出する。電波到来方向推定装置１０は、受動型のＲＦタグに電力を供給して質問電波を送信するために、送信部を備える。実施の形態１では、送信部と受信部でアンテナ１１を共用する。
【００１６】
送信部は、信号発生器（ＳＧ）２１、パターンジェネレータ（ＰＧ）２２、変調器２３、アンプ２４、カップラ２５、スイッチ（ＳＷ）２６、バトラーマトリックス２７、サーキュレータ１２およびアンテナ１１から構成される。受信部は、複数のアンテナ１１、サーキュレータ１２、合成器１３、時分割スイッチ（ＴＤＭ ＳＷ）１４、受信機１、局部発振器（ＬＯ）２、Ａ−Ｄ変換器３、直並列変換器４および到来方向算出部５から構成される。また、受信信号から送電信号成分をキャンセルするために、分配器６およびラインストレッチャー７を備える。送信部の信号発生器２１と受信部の局部発振器２は同期して、それぞれ所定の周期の信号を発生する。受信機１は、ミキサー（ＭＩＸ）１５、フィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）１６およびアンプ（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）１７を備える。
【００１７】
変調器２３は、信号発生器２１で発生した搬送波を、パターンジェネレータ２２で発生したＲＦタグを応答させるための質問系列によって変調する。ＲＦタグの搬送波と変調方式は、対象のＲＦタグの規格に合わせたものである。例えばISO／IEC18000−4規格では、搬送波は２．４５ＧＨｚ、変調方式はＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）である。その場合、変調器２３にはＧａＡｓスイッチなどを用いることができる。
【００１８】
変調器２３で変調された信号を、アンプ２４（高周波増幅器）によって増幅する。増幅した変調信号は、送信信号成分を受信信号からキャンセルするために、カップラ２５で分岐したのち、バトラーマトリックス２７に入力される。バトラーマトリックス２７では、送信電波のビームを絞り、主ビーム方向を切り替える。バトラーマトリックス２７の前にあるスイッチ２６は、主ビームの方向を切り替えるためのものである。バトラーマトリックス２７では、主ビームの方向が例えば、アンテナ１１の配列の正面方向を０°として、−４５°、−１５°、＋１５°、＋４５°のいずれかに向くように各アンテナ１１への給電信号が生成される。
【００１９】
バトラーマトリックス２７で位相制御された信号は、サーキュレータ１２を経由して各アンテナ１１に供給され、空間に放射される。送信信号によって給電されたＲＦタグ（図示せず）は、質問系列に対して応答を返す。ＲＦタグからの応答は送信したアンテナ１１と同じアンテナ１１によって捕捉され、アンテナ１１ごとにサーキュレータ１２を経由して合成器１３へ送られる。
【００２０】
アンテナ１１は例えば、一点給電の円偏波マイクロストリップパッチアンテナ（ＭＳＰＡ）を４つ、相対的な位置を固定して直列に配置して用いる。アンテナ１１の数は２つ以上であればよい。４つ以上のアンテナ１１を備え、アンテナ１１をマトリックス状に配置してもよい。アンテナ１１をマトリックス状に配置する場合は、電波到来方向推定について立体的に等方な解像度を得ることができる。
【００２１】
受信系統にはＲＦタグの応答のほか送信系統から漏れこむ送電信号が入力される。電波到来方向推定では送電信号を取り除きＲＦタグの応答だけを取り出す必要がある。サーキュレータ１２のアイソレーションは−２０ｄＢ程度であり、そのままでは受信機１の飽和レベルを超える送電信号が受信機１に入力する。このため、送電信号の一部をカップラ２５で取り出し、各アンテナ１１で受信される送電信号と同一振幅で１８０度位相が異なる信号を生成して受信信号に加え、送電信号成分をキャンセルする。
【００２２】
バトラーマトリックス２７のビーム切り替えによって、アンテナ１１ごとに送電信号の振幅と位相が異なるので、アンテナ１１ごとに位相と振幅を調節して受信信号に加える。そこで、カップラ２５で分岐した信号を分配器６でアンテナ１１の数に分配し、アンテナ１１ごとの送信信号の成分と逆位相になるように位相と振幅を調整する。ラインストレッチャー７は、アンテナ１１ごとの位相器（フェーズシフタ）と減衰器を備える。
【００２３】
合成器１３はアンテナ１１ごとに、受信信号にラインストレッチャー７で調整された信号を加える。その結果、各アンテナ１１で受信した信号から送電信号成分がキャンセルされる。図１では煩雑になるのを避けるために、合成器１３とラインストレッチャー７をそれぞれ１つで表しているが、ラインストレッチャー７（位相器および減衰器）と合成器１３はアンテナ１１の系統ごとに独立に備えられる。
【００２４】
送信信号の成分がキャンセルされた各アンテナ１１の受信信号は、それぞれ時分割スイッチ１４（ＴＤＭ ＳＷ）へ送られる。時分割スイッチ１４は、受信機１に同時には１つのアンテナ１１が接続するように、受信機１とアンテナ１１との接続を所定の周期で切り替える。したがって、受信機１は、時分割でアンテナ１１が切り替えられて、同時には１つのアンテナ１１の信号を順番に受信する。時分割スイッチ１４は、時分割接続手段を構成する。
【００２５】
時分割で受信した信号はミキサー（ＭＩＸ）１５と局部発振器（ＬＯ）２、およびフィルタ（ＬＰＦ）１６によって弧４Ｈの中間周波数（ＩＦ）信号に変換される。搬送波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、例えば、局部発振器２の信号の周波数を２．４４９ＧＨｚとすると、ＩＦ信号の周波数は１ＭＨｚである。ＩＦ信号はアンプ（ＬＮＡ）１７で増幅されて、Ａ−Ｄ変換器３に送られる。
【００２６】
Ａ−Ｄ変換器３は増幅したＩＦ信号を、アンテナ１１を切り替える周期よりも充分短い周期である所定の標本化周波数でサンプリングして、ディジタル信号に変換する。直並列変換器４は、サンプリングされたディジタル信号をアンテナ１１ごとの並列な信号に変換（分配）する。
【００２７】
図２は、時分割処理の作用を示す概念図である。パターンジェネレータ２２で発生される質問系列開始信号（Trigger Timing）に基づき、変調のシンボルごとに各アンテナ１１の受信信号が並列−直列変換されるように、シンボルレートより充分短い周期の切り替え信号（Switch Timing）を発生する。切り替え信号に基づき時分割スイッチ１４が作動する。受信機１は、図２のANT1〜ANT４に塗り分けた信号を順次直列に受信する。時分割受信信号は直並列変換器４で直列−並列変換されて、図２の下のANT1〜ANT4の段に示すように、アンテナ１１ごとの信号に分配される。
【００２８】
図１のアンテナ１１ごとに分配された信号はそれぞれ、到来方向算出部５に送られる。到来方向算出部５は、アンテナ１１ごとに分配された信号を、各アンテナ１１で受信した信号とみなして、電波の到来方向を算出する。アンテナ１１ごとに分配された信号はそれぞれ、アンテナ１１の数分の１の時間分しかないので、その間の時間のデータを補間する。データを補間するには、例えば、同じデータを他のアンテナ１１で受信している時間の分に当てはめる。あるいは、１つのアンテナ１１で受信していない空白時間がなかったものとして、それぞれのアンテナ１１の受信データを連続させて時間軸を圧縮して計算し、圧縮した分をあとで補正して正確な到来方向を算出する。
【００２９】
到来方向算出部５は、原理的には、アンテナ１１に電波が到達する時間差によって、到来方向を算出する。電波の反射、回折などによる干渉や、送信電力の漏れ信号が生じるので、到来方向を正確に検知するには、それらの干渉を除去する必要がある。到来方向算出には、例えば、ＲＢＦ（Radial Basis Function）ニューラルネットワークまたはＭＵＳＩＣ法（MUltiple SIgnal Classification法）を用いることができる。その他例えば、最小ノルム法（Min-Norm）またはＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）などを用いてもよい。
【００３０】
図３は、実施の形態１に係る電波到来方向検知の動作の一例を示すフローチャートである。電波到来方向推定装置１０は、まず、送信ビームの方向を選択し、質問電波の送信を開始する（ステップＳ１１）。同時に、時分割スイッチ１４の動作を開始する（ステップＳ１２）。
【００３１】
受信側では、時分割スイッチ１４は受信する１つのアンテナ１１を選択して受信機１に接続する（ステップＳ１３）。その状態で、受信機１で受信した信号をＡ−Ｄ変換する（ステップＳ１４）。アンテナ１１を切り替える時間が来るまで（ステップＳ１５；ＮＯ）、受信およびＡ−Ｄ変換を行う。
【００３２】
アンテナ１１を切り替える時間になったら（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、Ａ−Ｄ変換した信号をそれまでに受信していたアンテナ１１の信号として分配する（ステップＳ１６）。送信終了でなければ（ステップＳ１７；ＮＯ）、ステップＳ１３に戻って次のアンテナ１１を選択して受信機１に接続し、受信とＡ−Ｄ変換（ステップＳ１４）、ないし信号分配（ステップＳ１６）を行う。以上を繰り返すことによって、時分割受信が行われる。
【００３３】
送信を終了したら（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、ＲＦタグからの応答はなくなるので、受信動作を終了し、時分割スイッチ１４の動作を停止する（ステップＳ１８）。それまでに受信してアンテナ１１ごとに分配したデータから、電波の到来方向を算出する（ステップＳ１９）。同時に、受信信号からＲＦタグのデータを検出し（ステップＳ２０）、電波の到来方向とＲＦタグのデータを記憶する（ステップＳ２１）。
【００３４】
そして、ステップＳ１１に戻って、送信ビームの方向を変えて上述の処理と同様に送受信することによって、異なる方向にあるＲＦタグからの電波の到来方向を検出することができる。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態１の電波到来方向推定装置１０によれば、アンテナ１１の数よりも少ない１台の受信機１を用いて電波到来方向を推定できるので、受信回路の構成を簡略にできる。その結果、電波到来方向推定装置１０の消費電力を削減できる。さらに、受動型のＲＦタグの場合は、送信している間だけ受信動作すればよいので、時分割受信処理を常時動作させる必要がない。受動型のＲＦタグの場合は、ＲＦタグに応答させるタイミングを電波到来方向推定装置１０の側で決定できるので、時分割受信を動作させる時間を限ることができる。
【００３６】
本実施の形態１では、受動型のＲＦタグを対象とする形態を説明した。本実施の形態１の時分割受信の構成は、能動型のＲＦタグに適用することができる。その場合、送電信号を送信してＲＦタグに給電する必要はない。対象が能動型のＲＦタグで、ＲＦタグが送信するタイミングを知ることができない場合は、常時時分割受信を動作させる必要があるかもしれない。
【００３７】
なお、１つの電波到来方向推定装置１０について、受信機１の数はアンテナ１１の数より少なければ１台に限らず２台以上であってもよい。例えば、複数のアンテナ１１をいくつかの組に分け、アンテナ１１の組ごとに１台の受信機１を割り当てて、それぞれの組で時分割受信を行うように構成してもよい。その場合、組ごとにアンテナ１１の数は異なっていても構わない。
【００３８】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る電波到来方向推定装置１０の構成例を示すブロック図である。実施の形態２では、送信部に受信部のアンテナ１１とは別に送信アンテナ２８を設ける。したがって、サーキュレータ１２は不要である。また、送信と受信のアンテナ間の距離でアイソレーションをとることによって、送信アンテナ２８から受信部のアンテナ１１に漏れ込む送信信号の影響を抑える。そのため、分配器６およびラインストレッチャー７を省略している。その他の構成は、実施の形態１と同様である。ここではカップラ２５は、送信アンテナ２８とのインピーダンス整合をとるために備えられている。
【００３９】
実施の形態２の送信部は、送信信号をカップラ２５で分岐しないことと、サーキュレータ１２を経由しないことを除いて、実施の形態１の構成と同じである。送信部の動作については、実施の形態１と同様である。
【００４０】
受信部は、サーキュレータ１２を経由しないことと、分配器６およびラインストレッチャー７を備えないことを除いて、実施の形態１の構成と同様である。受信部の動作は、アナログ信号で送電信号をキャンセルしないことを除いて、実施の形態１と同様である。
【００４１】
図５は、実施の形態２に係るアンテナ１１の配列（アレーアンテナ）の例を示す。ＲＦタグには左旋円偏波が用いられている。円偏波マイクロストリップパッチアンテナ（ＭＳＰＡ）で円偏波を実現する方法として、３ｄＢハイブリッドカップラによる２点給電法と縮退分離法が知られている。アンテナ１１および送信アンテナ２８は例えば、一点給電の円偏波マイクロストリップパッチアンテナ（ＭＳＰＡ）を４つ、相対的な位置を固定して直列に配置して用いる。図５のアレーアンテナは、円偏波にするために、左上角と右下角を削り取った形状を示す。
【００４２】
例えば、アンテナ１１、送信アンテナ２８を、誘電率２．６、厚さ１．６１ｎｍの基板上に形成し、アンテナ寸法は３６．５ｍｍ×３６．５ｍｍで給電点は中心から６ｍｍ下方とする。ＶＳＷＲ≦２の帯域は約５０ＭＨｚ、交差偏波比は正面方向で１１ｄＢ、利得は６ｄＢｉである。素子間隔は０．５波長（５８ｍｍ）で、±４５°方向の利得は１０ｄＢｉ、最大サイドローブレベルは−９ｄＢである。
【００４３】
送信と受信のアレーアンテナは、ネットワークアナライザでアレーアンテナ間の結合量を計測して、適度なアイソレーションになるようにアレー間距離を設定する。例えば上述のアレーアンテナの場合、アレー間距離を３０ｃｍ以上とすると、アイソレーションは４０ｄＢ以上である。
【００４４】
対象が受動型のＲＦタグの場合は、ＲＦタグが送信中であっても送電し続けなければならない。従って、ＲＦタグからの応答は送電信号に重畳されて受信される。送信と受信で分離したアレーアンテナを使用しても、受信信号から完全に送電信号の成分を取り除くことはできない。送電信号の成分をさらに小さくするために、実施の形態１と同様に合成器を用いて送電信号の成分をキャンセルする他、ソフトウェア処理によって送電信号の成分をキャンセルすることもできる。図６に示すように、受信された信号はＲＦタグの応答と送電信号がベクトル合成された信号である。電波到来方向を算出するためにアイソレーションが不充分の場合は、ベクトル平面上で受信信号から送電信号成分を引くことによってＲＦタグの応答を取り出すことができる。
【００４５】
ソフトウェア処理によって送電信号をキャンセルするのは、例えば、到来方向算出部５で行う。到来方向算出部５には、例えば、電波暗室でＲＦタグがない状態で送電信号を送信し、受信した信号のパターンを記憶しておく。実際にＲＦタグの応答を受信するときには、受信した信号から記憶しておいたパターンのデータを引けばよい。
【００４６】
実施の形態２の電波到来方向検知の動作は、実施の形態１と同様である。ソフトウェア処理で送電信号をキャンセルする場合は、例えば、図３のステップＳ１９の電波の到来方向算出の前に、キャンセル処理を行う。
【００４７】
以上説明したように、実施の形態２の電波到来方向推定装置１０によれば、送信と受信のアンテナ１１、２８を分けるので、分配器６、ラインストレッチャー７（位相器と減衰器を含む）および合成器１３が不要になり、装置の構成を簡単にできる。
【００４８】
（具体例）
以下に説明する具体例では、ISO／IEC18000−4規格のＲＦタグを用い、搬送波は２．４５ＧＨｚ、変調方式はＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）、シンボルレートは３０ｋ〜４０ｋｓｐｓである。アレーアンテナは送信と受信を分離し、それぞれ４つのアンテナ１１、２８から構成される。アンテナ１１を切り替える周波数は、１ＭＨｚである。局部発振器２の周波数は２．４４９ＧＨｚ、ＩＦ信号の周波数は１ＭＨｚである。Ａ−Ｄ変換器３の標本化周波数は４０ＭＨｚである。電波到来方向の推定には、ＭＵＳＩＣ法を用いる。
【００４９】
図７は、バトラーマトリックス２７によるマルチビーム指向性の例を示す。送信と受信のアレーアンテナは実施の形態２で述べた例のものである。送信信号の周波数は、２．４５ＧＨｚである。主ビームの方向は、アレーアンテナの正面方向を０°として、−４５°（Ｂｅａｍ１）、−１５°（Ｂｅａｍ２）、＋１５°（Ｂｅａｍ３）、＋４５°（Ｂｅａｍ４）である。この例では、±４５°方向のビーム利得は８．５〜９ｄＢｉであった。
【００５０】
図８は、同一ビーム内にＲＦタグが１つ存在する場合のＭＵＳＩＣスペクトルの例を示す。図８の例は、ＲＦタグを送信アンテナ２８から１００ｃｍ離し、ボアサイト方向から−２０°（図８（ａ））、＋５０°（図８（ｂ））方向に置いた時のＭＵＳＩＣスペクトルである。図８では、ＲＦタグを置いた方向をグラフの上の縦の実線で示す。ＲＦタグの存在する方向付近にピークが現れており、ＲＦタグの方向が正しく推定されていることがわかる。距離５０、７５、１００ｃｍにおける−６０°〜６０°まで１０°おきに計測した場合の最大誤差は、それぞれ５°、７°、１０°、平均２乗誤差はそれぞれ２°、２．５°、３°であった。
【００５１】
図９は、同一ビーム内にＲＦタグが２つ存在する場合のＭＵＳＩＣスペクトルの例を示す。ＲＦタグと送信アンテナ２８の距離は１００ｃｍである。図９では、ＲＦタグを置いた方向をグラフの上の２つの縦の実線で示す。図９（ａ）は、ＲＦタグを−３０°と−５°に置いた場合のＭＵＳＩＣスペクトルを示す。図９（ｂ）は、ＲＦタグを＋３０°と＋６０°に置いた場合のＭＵＳＩＣスペクトルを示す。同一ビーム内にＲＦタグが２つ同時に存在する場合でも、それぞれのＲＦタグの方向を推定できることがわかる。
【００５２】
−６０°〜６０°までの範囲で同一ビーム内の２つの到来角の組み合わせを−６０°と−３０°、次に−６０°と−３５°というように５°置きに角度の組み合わせを変えて距離５０、７５、１００ｃｍについて評価した結果、最小分離角（ＭＵＳＩＣスペクトルで分離が認められる角度）は１５°、１５°、２０°、最大誤差は８°、１０°、１５°、平均２乗誤差は２．１°、３．２°、５°であった。
【００５３】
本発明の好適な変形として、以下の構成が含まれる。
【００５４】
本発明の第１の観点に係る電波到来方向推定装置について、
好ましくは、前記受信機は１台であって、前記時分割接続手段は、前記複数のアンテナを所定の順番で前記受信機に接続することを特徴とする。
【００５５】
好ましくは、受動型のＲＦタグに電波を放射して、前記ＲＦタグに電力を供給する給電手段を備え、
前記受信機は、前記給電手段が放射した電波に応答して前記受動型のＲＦタグが発生する電波を受信することを特徴とする。
【００５６】
好ましくは、前記給電手段は、前記受動型のＲＦタグに放射する電波のビームの方向を変動させる手段を備える。
【００５７】
好ましくは、前記給電手段は、前記受信機に接続するアンテナとは別の送信アンテナを備える。
【００５８】
本発明の第２の観点に係る電波到来方向推定方法について、
好ましくは、前記受信機は１台であって、前記時分割接続ステップは、前記複数のアンテナを所定の順番で前記受信機に接続することを特徴とする。
【００５９】
好ましくは、受動型のＲＦタグに電波を放射して、前記ＲＦタグに電力を供給する給電ステップを備え、
前記所定の電波を受信するステップは、前記給電ステップで放射した電波に応答して前記受動型のＲＦタグが発生する電波を受信する。
【００６０】
好ましくは、前記受動型のＲＦタグに放射する電波のビームの方向を変動させるステップを備え、
前記電波の到来方向を算出するステップは、前記給電ステップで放射する電波のビームの方向が一定の間に、前記電波を受信するステップで受信した信号から電波の到来方向を算出する。
【００６１】
その他、前記のハードウエア構成やフローチャートは一例であり、任意に変更および修正が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 受信機
２ 局部発振器（ＬＯ）
３ Ａ−Ｄ変換器
４ 直並列変換器
５ 到来方向算出部
６ 分配器
７ ラインストレッチャー
１０ 電波到来方向推定装置
１１ アンテナ
１２ サーキュレータ
１３ 合成器
１４ 時分割スイッチ（ＴＤＭ ＳＷ）
１５ ミキサー（ＭＩＸ）
１６ フィルタ（ＬＰＦ）
１７ アンプ（ＬＮＡ）
２１ 信号発生器（ＳＧ）
２２ パターンジェネレータ（ＰＧ）
２３ 変調器
２４ アンプ
２５ カップラ
２６ スイッチ（ＳＷ）
２７ バトラーマトリックス
２８ 送信アンテナ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的な位置を固定して配置した複数のアンテナと、
所定の電波を受信する前記複数のアンテナの数より少ない数の受信機と、
１つの前記受信機に同時には１つの前記アンテナが接続するように、前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替える時分割接続手段と、
前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替えて前記受信機で受信した信号を、前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配する手段と、
前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配した信号から、受信した電波の到来方向を算出する手段と、
を備える電波到来方向推定装置。
【請求項２】
前記受信機は１台であって、前記時分割接続手段は、前記複数のアンテナを所定の順番で前記受信機に接続することを特徴とする請求項１に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項３】
受動型のＲＦタグに電波を放射して、前記ＲＦタグに電力を供給する給電手段を備え、
前記受信機は、前記給電手段が放射した電波に応答して前記受動型のＲＦタグが発生する電波を受信することを特徴とする請求項１または２に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項４】
前記給電手段は、前記受動型のＲＦタグに放射する電波のビームの方向を変動させる手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項５】
前記給電手段は、前記受信機に接続するアンテナとは別の送信アンテナを備えることを特徴とする請求項３または４に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項６】
所定の電波を受信する複数のアンテナより少ない数の受信機のうちの１つの受信機に、前記複数のアンテナのうち同時には１つのアンテナが接続するように、前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替える時分割接続ステップと、
前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替えて前記所定の電波を受信するステップと、
前記所定の電波を受信するステップで受信した信号を、前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配するステップと、
前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配した信号から、受信した電波の到来方向を算出するステップと、
を備える電波到来方向推定方法。
【請求項７】
前記受信機は１台であって、前記時分割接続ステップは、前記複数のアンテナを所定の順番で前記受信機に接続することを特徴とする請求項６に記載の電波到来方向推定方法。
【請求項８】
受動型のＲＦタグに電波を放射して、前記ＲＦタグに電力を供給する給電ステップを備え、
前記所定の電波を受信するステップは、前記給電ステップで放射した電波に応答して前記受動型のＲＦタグが発生する電波を受信することを特徴とする請求項６または７に記載の電波到来方向推定方法。
【請求項９】
前記受動型のＲＦタグに放射する電波のビームの方向を変動させるステップを備え、
前記電波の到来方向を算出するステップは、前記給電ステップで放射する電波のビームの方向が一定の間に、前記所定の電波を受信するステップで受信した信号から電波の到来方向を算出する、
ことを特徴とする請求項８に記載の電波到来方向推定方法。
【請求項１】
相対的な位置を固定して配置した複数のアンテナと、
所定の電波を受信する前記複数のアンテナの数より少ない数の受信機と、
１つの前記受信機に同時には１つの前記アンテナが接続するように、前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替える時分割接続手段と、
前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替えて前記受信機で受信した信号を、前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配する手段と、
前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配した信号から、受信した電波の到来方向を算出する手段と、
を備える電波到来方向推定装置。
【請求項２】
前記受信機は１台であって、前記時分割接続手段は、前記複数のアンテナを所定の順番で前記受信機に接続することを特徴とする請求項１に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項３】
受動型のＲＦタグに電波を放射して、前記ＲＦタグに電力を供給する給電手段を備え、
前記受信機は、前記給電手段が放射した電波に応答して前記受動型のＲＦタグが発生する電波を受信することを特徴とする請求項１または２に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項４】
前記給電手段は、前記受動型のＲＦタグに放射する電波のビームの方向を変動させる手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項５】
前記給電手段は、前記受信機に接続するアンテナとは別の送信アンテナを備えることを特徴とする請求項３または４に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項６】
所定の電波を受信する複数のアンテナより少ない数の受信機のうちの１つの受信機に、前記複数のアンテナのうち同時には１つのアンテナが接続するように、前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替える時分割接続ステップと、
前記受信機と前記アンテナとの接続を所定の周期で切り替えて前記所定の電波を受信するステップと、
前記所定の電波を受信するステップで受信した信号を、前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配するステップと、
前記複数のアンテナのそれぞれで受信した信号に分配した信号から、受信した電波の到来方向を算出するステップと、
を備える電波到来方向推定方法。
【請求項７】
前記受信機は１台であって、前記時分割接続ステップは、前記複数のアンテナを所定の順番で前記受信機に接続することを特徴とする請求項６に記載の電波到来方向推定方法。
【請求項８】
受動型のＲＦタグに電波を放射して、前記ＲＦタグに電力を供給する給電ステップを備え、
前記所定の電波を受信するステップは、前記給電ステップで放射した電波に応答して前記受動型のＲＦタグが発生する電波を受信することを特徴とする請求項６または７に記載の電波到来方向推定方法。
【請求項９】
前記受動型のＲＦタグに放射する電波のビームの方向を変動させるステップを備え、
前記電波の到来方向を算出するステップは、前記給電ステップで放射する電波のビームの方向が一定の間に、前記所定の電波を受信するステップで受信した信号から電波の到来方向を算出する、
ことを特徴とする請求項８に記載の電波到来方向推定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１４９６９７（Ｐ２０１１−１４９６９７Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１４２６２（Ｐ２００９−２１４２６２）
【出願日】平成２１年９月１６日（２００９．９．１６）
【出願人】（３９０００１３９５）ＮＥＣシステムテクノロジー株式会社 (438)
【出願人】（３０４０２３３１８）国立大学法人静岡大学 (416)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１６日（２００９．９．１６）
【出願人】（３９０００１３９５）ＮＥＣシステムテクノロジー株式会社 (438)
【出願人】（３０４０２３３１８）国立大学法人静岡大学 (416)
【Ｆターム（参考）】
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