JP2005109596A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
到来角検出用アンテナは少なくとも一以上のアンテナを設置する必要があり、通信アンテナとあわせて複数のアンテナを通信と位置検出のために精度良く設置する必要があった。また、到来角検出用アンテナは、受信電波が筐体内で反射し、到来角の検出特性が悪化するという問題があった。
【解決手段】
電波の到来角検出アンテナと通信アンテナとを同一の筐体に納め、少なくとも一方のアンテナは角度調整を可能とし、到来角検出用アンテナの背面及び側面に遮蔽構造物を配置し、遮蔽構造物の到来角検出用アンテナに面した面を電波吸収体で覆うことによって、前記課題は解決される。
【効果】
到来角検出精度を上げることができる。また、設置コストを低く抑えることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電波到来角を検出する技術に関する。特に、車両等に搭載された移動局と、基地局との間で自動料金収受に関する通信を行う際に、移動局の送信する電波の到来角を基地局に於いて検出する到来角検出用アンテナ等に関する。

高速道路等上の無線装置（基地局）と車両に搭載された無線装置（移動局）との間で無線電波を利用して路車間で通信を行い、利用料金の決済を行わせる自動料金収受システムＥＴＣ(Electronic Toll Collection)に於いては、当該路車間通信をミス無く行わせるために通信領域を基地局周辺の数メートル四方に限定している。これによって、移動局からの電波の到来角を路側で検知し、現在通信している移動局がどの車両に搭載されたものかを検出し、通信領域外の基地局と移動局との誤課金等を防止する。斯様な技術として、アレイアンテナの受信信号を用いて、電波の到来角を検出する技術が知られている。即ち、
１．アレイアンテナを用いて、アレイの各アンテナ素子に到達する電波の位相差を検知することにより到来角を求める技術（特開平６−２５８４２５号公報）や、
２．アレイアンテナで受信した信号を、ＭＵＳＩＣ(Multiple Signal Classification)法を適用して処理し、到来角を求める技術（特開平１０−１３４２１３号公報）、
が知られている。

到来角を検出する目的は、移動体（車両）に搭載した車載器アンテナの位置を検出することにあるので、位置検出精度に見合うアレイアンテナの取り付け精度が要求されることになる。

特開平０６−２５８４２５号公報 特開平１０−１３４２１３号公報

フリーフロー方式のＥＴＣを実用化する場合には、前記取り付け精度や指向性等が厳しく要求される。何故なら、現行のＥＴＣでの移動局の移動速度よりも移動速度が大きいフリーフロー方式のＥＴＣでは、ＥＴＣゲートの真下辺りの領域だけでなく移動局が遠方にある場合からでも通信を開始することによって通信領域を拡大し、基地局と移動局との通信時間を十分確保する必要があるからであり、また、どのレーンを走行しているかを正確に把握して路車間通信を行う必要があるからである。

そこで、本発明は、移動局の到来角を正確に検出できるアンテナシステムを提供することを目的とする。

本発明の目的は、到来角検出アンテナと通信アンテナとを一の筐体内に備え、到来角検出アンテナを電波吸収体でシールドしたアンテナ装置によって達成される。また、本発明の目的は、到来角検出アンテナと通信アンテナとを一の筐体内に備え、筐体内の各アンテナのうち、少なくとも一のアンテナの設置角度を変更可能にする機構を備えたアンテナ装置によって達成される。

本発明によれば、移動局の到来角を正確に検出することができる。

図１に一つの実施例を示す。１００は、アンテナ装置の全体を示す。このアンテナ装置では、通信アンテナ１０１と到来角検出アンテナ１０２とが一の筐体１０４の中に固定されて収められている。ガントリにアンテナ装置を据え付ければ、通信アンテナ１０１と到来角検出アンテナ１０２との双方を一度に設置できるものである。

ＤＳＲＣ(Dedicated Short Range Communication) における通信アンテナには複数の種類があり、例えばＥＴＣではアンテナの指向特性に厳しい規定があるため、大型のアレイアンテナが通信アンテナ１０１として利用される。また、到来角検出アンテナ１０２として、ここではアレイアンテナを用いている。アレイアンテナ１０２には、アンテナ素子
１０３が複数配設され、各アンテナ素子で受信する振幅と位相を検出することにより、電波の到来角を推定することが可能となる。到来角の推定については公知のものを用いればよい。

図２のように、図１のアンテナ装置に加えて第二の到来角検出アンテナ２０２を、第一の到来角検出アンテナに対してアンテナ素子の配列方向が異なるように配設すれば（ここでは互いに直角に配設）、電波の到来角度が２種類得られるため三角測量の原理により、２次元的な移動体の位置を検出することが可能となる。

図１１に、複数の到来角検出アンテナを設けたアンテナ装置の例を示す。図１１では、通信アンテナ１０１は省略して記載している。到来角検出アンテナ１０２および２０２は、アンテナ装置の４辺中２辺に添えて設置している。各到来各検出アンテナの、アンテナ素子の配列方向１１０２および１１０３のなす角度１１０１は、６０度以上開ける。このようにすることにより、１０２および２０２で取得した角度から、精度良く位置を算出することが可能となり、かつ、その間に通信アンテナ１０１を設置することが可能となる。

更に、図８のように、図２のアンテナ装置に加えて第三・第四の到来角検出アンテナ
８０１，８０２を配設することにより、到来角度のサンプリング数を増やし、移動局の到来角検出精度を向上させることができる。同様の構成によるアンテナ装置においては、位置検出計算において、少なくとも位置算出の自由度よりも大きい到来角度が必要となる。すなわち、移動局がある直線上のみを移動すると仮定できる場合は、到来角度は一つ測定できれば、移動局位置を検出することが可能である。従って、位置計算の自由度を超える到来角を用いれば、統計的に位置計算の精度を向上させることが可能となる。

また、到来角度は一つ以上の対面同士の組み合わせ、即ち、到来角検出アンテナ２０２及び８０１の到来角検出アンテナの組み合わせ、並びに、到来角検出アンテナ１０２及び８０３の組み合わせを、相補する組み合わせのアンテナにおける到来角の平均値を取ることにより、マルチパスによる誤差を減少させることが可能となる。

図９に、到来角検出に関する部分の構成図を示す。

配置情報保持部９０４は、各到来角検出アンテナ１０２，２０２，８０１，８０２の配置データを保持する。到来角判定部９０３により、配置情報保持部９０４に保持した各到来角検出アンテナの受信角度を、アンテナのローカル座標系での測定値から、道路面の絶対座標系での値に変換することが可能となる。各到来角検出アンテナは、到来角を検出した結果である到来角データ９０１−１〜４を、到来角判定部９０３に送る。到来角判定部９０３は、配置情報保持部９０４に保持する各到来角検出アンテナの配置情報を元に、ペアとなっているアンテナ毎に相補的に到来角データを利用し、到来角の推定値を決定する。

図３のアンテナ装置は、図１のアンテナ装置に加えて遮蔽構造体３０１を備えている。遮蔽構造体３０１は、到来角検出アンテナの素子が対面する面を開放とし、その他の面である側方及び後方を覆うように配置する（図４参照）。図３のアンテナ装置は、アンテナの正面方向が、道路上に設置したガントリから道路面に向かう方向に設置される。すなわち、道路を走行する車両内に設置された移動局から放射される電波を最も良く受信し得る方向に、アンテナの正面方向が向くように設置される。

図４に、遮蔽構造体３０１の詳細な図面を示す。説明のため、遮蔽構造体３０１を切断した図を記載している。遮蔽構造体３０１は、遮蔽板４０１と電波吸収体４０２とから構成する。また、到来角検出アンテナ１０２も記載を省略しているが、図３に示すように、遮蔽構造体３０１の内部に配置される。図３と図４の遮蔽構造体３０１は、双方とも同じ方向から見ているものである。

遮蔽構造体３０１は、到来角検出アンテナ１０２の受信面以外の５面、即ち、側面及び後方を覆うように遮蔽板４０１を配置し、更に其の内側、即ち、到来角検出アンテナ102に面した表面に電波吸収体４０２を具備する(図４参照)。電波吸収体４０２は、ＤＳＲＣで使用する周波数帯をカバーし、厚みが数ミリ程度のものが適する。到来角検出アンテナ１０２は、後方及び側方にも僅かながら受信特性を持つので、到来角検出用アンテナと通信用アンテナとを一の筐体内に共存させることで発生する受信電波の回り込み（アンテナ後方からの回りこみ）を受信してしまう。これは、到来角検出特性を劣化させる原因となるが、遮蔽構造体３０１を設けることにより、到来角検出アンテナ１０２の側方及び後方からの回り込み電波を大幅に減衰させ、到来角検出特性の劣化を防ぐことが可能となる。

同一筐体内でも、通信アンテナと、位置検出アンテナが統一した面に設置されてしまうと、移動局の位置によっては、精度良く到来角を検出することができなくなる虞があるので、図５のアンテナ装置は、到来角検出アンテナ１０２に角度調整部５０１を具備している。角度調整部５０１は、到来角検出アンテナの面する方向を調節する機能を持つ。例えば、到来角検出アンテナと筐体にアームを取り付け、これらをボルトで止めたような構造が適用できる。角度調整は、モータなどにより電気的に駆動することによって行ってもよい。ここでは、到来角検出アンテナの角度を調整する角度調整部であるが、その代わりに通信アンテナの角度を調整する角度調整部があってもよいし、双方の角度調整部があってもよい。図８のような場合には、アンテナの数だけ、つまり５個の角度調整部があってもよい。よって、通信用アンテナによって規定される通信範囲に対し、到来角検出アンテナの取り付け角度を最適に配置することができる。

角度調整機構は、到来角検出アンテナだけでなく、通信用アンテナ側に具備していてもよい。

図６にアンテナ装置１００を路上に取り付けた様子を図示する。

６０１は、通信アンテナ１０１における電波のボアサイト方向を示す。６０３は、通信アンテナ１０１における電波の放射範囲を示す。放射範囲は、規定の通信領域内を規定の電界強度以上に保つように設計される。６０２は、到来角検出アンテナのボアサイト方向を示す。６０４は走行する車両であり、６０５は車両に搭載した移動局を示す。基地局の通信アンテナと移動局との間の無線電波の送受信は、規定された通信領域内において実施される。通常、この通信領域は、通信アンテナの最大放射方向から所定の角度内に入るように設計されている。

到来角検出アンテナにおいては、ボアサイト方向６０２付近の到来角の検出感度が高く、精度も高い。このため、通信領域内を走行する車両に搭載する移動局の位置を検出することを目的とする場合、通信領域に対して到来角検出アンテナのボアサイト方向を向けておく必要がある。図５の角度調整部５０１を具備するアンテナ装置により、通信アンテナと到来角検出アンテナが同一の筐体内にあっても、筐体の位置・角度を調整して設置し、その後、角度調整部により到来角検出アンテナを調整することで、双方のアンテナを所望の向きに向けることが可能となる。

図７は、アンテナ装置をＥＴＣシステムに利用した例である。

本実施例に係るアンテナ装置は、筐体１０４内に、通信アンテナ１０１及び３つの到来角検出アンテナ１０２−１〜３を具備する。また、これに伴い、角度調整部５０１−１〜３を備える。７０２は、車線を区切る車線分離帯である。７０３は、アンテナ装置を設置するガントリを示す。７０２に挟まれた車線はＥＴＣ車線であるものとする。ＥＴＣ車線内には、通信アンテナ１０１によって通信領域７０１が形成される。６０４は、ＥＴＣ車線を走行する車両を示す。車両６０４には、移動局６０５−１が搭載される。移動局605−１は、通信領域７０１内に進入すると、通信アンテナ１０１との通信を開始する。

７０４は隣接する車線を走行する車両を示す。車両７０４には移動局６０５−２を搭載している。移動局６０５−２は、ＥＴＣ車線以外を走行するため、通信アンテナ１０１との通信を行うべきものではないが、車両６０４等による電波反射によって通信を行ってしまう場合がある。このような場合でも、到来角検出アンテナによって移動局６０５−２から送信される電波の到来方向を検出することで当該移動局が通信領域７０１の中にあるか外にあるか判別することが可能である。

しかし、到来角検出アンテナは、電波の到来角がボアサイトから離れるほど、検出精度が落ちるという特性を持つ。このため、到来角検出アンテナのボアサイト方向を、通信領域７０１内に向けた場合、隣接車線を移動する移動局６０５−２の方向を正確に検出できない可能性がある。筐体１０４内の角度調整部５０１−３により、到来角検出アンテナ
１０２−３を隣接車線側へ向け、このアンテナにより隣接車線側の検出精度を高めることが可能となる。更に、反対側の隣接車線に対しては、到来角検出アンテナ１０２−１を用いることで、反対側の隣接車線に対する到来角検出精度を高めることが可能となる。すなわち、角度調節部５０１−１，５０１−２，５０１−３を具備する事により、アンテナを取り付けた場所の環境に合わせて、到来角検出アンテナの角度を調整することにより、所望の隣接車線に対する到来角検出精度を高めることが可能となる。

図７における到来角検出アンテナ１０２−１として、図８における２０２を採用し、図７における到来角検出アンテナ１０２−２として、図８における８０１の到来角検出アンテナを割り当てる。この場合は、２０２と８０１の到来角の平均を取るのではなく、例えば、２０２で検出した到来角が所定の値以上になったときには、８０１で検出した到来角を採用する。このようにすることにより、常に最良の精度で到来角を検出することが可能となる。

図１０には、２つの走行車線に対してフリーフローＥＴＣを実現した際におけるアンテナの設置例を示す。アンテナ装置は、ガントリ７０３に取り付けられ、走行車線の上方に設置される。アンテナ装置は、通信領域７０１に対し、その中心付近を向けた到来角検出アンテナ１０２−２と、通信領域の外側に向けた到来角検出アンテナ１０２−１および
１０２−３を備える。このように設置することにより、通信領域内を走行する移動局605−１もしくは６０５−２の位置を検出し、なおかつ、電波反射等で通信領域外に存在する移動局６０５−３からの電波の到来角を精度よく検出することが可能となる。その結果、通信領域外にある移動局６０５−３との通信は、途中で終了させることにより、誤った通行料金の徴収を防ぐことができる。

以上の実施例ではＥＴＣを中心に説明してきたが、路車間通信アプリケーションとしては、ガソリンスタンドのサービス料金や駐車場利用料金などの自動収受，交通情報，道路情報，地域情報などの情報の双方向伝送、更には走行支援道路システムＡＨＳ(Advanced cruise-assist Highway Systems）に於ける安全運転支援情報の伝送などが考えられている。

以上によれば、電波の到来角検出アンテナと通信アンテナとを同一の筐体に納めることにより、取り付けが必要となるアンテナ装置が１つで済むので取り付けコストが大幅に削減できる。

また、到来角検出用アンテナの背面及び側面に遮蔽構造体を配置し、遮蔽構造物の内側の面を、電波吸収体で覆うことにより、到来角検出アンテナの側方及び後方からの回り込み電波を大幅に減衰させることができる。これによって、到来角検出特性を大幅に改善することが可能となる。

また、アンテナ装置の使用状態において、双方のアンテナとも最適な状態となるように筐体内での各アンテナの取り付け角度を固定する機構を具備することにより、通信アンテナと到来角検出アンテナの双方を最適な向きに設置できる。

また、筐体内の取り付け機構は、通信アンテナ及び到来角検知アンテナの双方若しくは片方の取り付け角度を調整する機構をもつことを特徴とする。

アンテナ装置を表す図である。 アンテナ装置を表す図である。 アンテナ装置を表す図である。 遮蔽構造体の詳細を説明する図である。 アンテナ装置を表す図である。 アンテナ装置の使用方法を説明する図である。 アンテナ装置の使用方法を説明する図である。 アンテナ装置を表す図である。 到来角判定部について説明する図である。 フリーフローＥＴＣを実現した際におけるアンテナの設置例を表す図である。 複数の到来角検出アンテナを設けたアンテナ装置を表す図である。

符号の説明

１００…アンテナ装置、１０１…通信アンテナ、１０２，１０２−１，１０２−２，
１０２−３，２０２，８０１，８０２…到来角検出アンテナ、１０３，２０３…アンテナ素子、１０４…筐体、３０１…遮蔽構造体、４０１…遮蔽板、４０２…電波吸収体、501，５０１−１，５０１−２，５０１−３…角度調整部、６０１…通信アンテナのボアサイト方向、６０２…到来角検出アンテナのボアサイト方向、６０３…通信アンテナの電波放射範囲、６０４，６０４−１，７０４…車両、６０５，６０５−１，６０５−２…移動局、７０１…通信領域、７０２…車線分離帯、７０３…ガントリ、９０１−１，９０１−２，９０１−３，９０１−４…到来角データ、９０３…到来角判定部、９０４…配置情報保持部。

Claims (7)

1. 基地局に設置される移動体通信用のアンテナ装置において、
   移動局からの電波を受信する、２つ以上のアンテナ素子が配列された到来角検出アンテナと、
   移動局との無線通信を行う通信アンテナと、
   を一の筐体内に備え、
   前記到来角検出アンテナを電波吸収体でシールドしたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 基地局に設置される移動体通信用のアンテナ装置において、
   移動局からの電波を受信する、２つ以上のアンテナ素子が配列された到来角検出アンテナと、
   移動局との無線通信を行う通信アンテナと、
   を一の筐体内に備え、
   前記筐体内の各アンテナのうち、少なくとも一のアンテナの設置角度を変更可能にする機構を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２のアンテナ装置おいて、
   前記到来角検出アンテナを複数備え、
   一の到来角検出アンテナのアンテナ素子の配列方向と、少なくとも他の一の到来角検出アンテナのアンテナ素子の配列方向とが、互いに所定の角度以上をなしていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項３において、
   前記到来角検出アンテナのボアサイト方向に対し、該到来角検出アンテナの電波受信面以外の５面を導体で作られた遮蔽板によって覆ったことを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項２において、
   前記角度調整部は、前記通信アンテナによって形成される通信領域の外側を向くように固定できることを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項１または２のアンテナ装置おいて、
   前記到来角検出アンテナを三つ以上備え、
   一の到来角検出アンテナのアンテナ素子の配列方向と、同方向のアンテナ素子の配列方向をもった到来角検出アンテナを少なくとも一つ以上備えていることを特徴とするアンテナ装置。
7. 上記請求項の何れかにおいて、
   各到来角の配置情報を保持する配置保持部と、
   該配置情報と、前記到来角検出アンテナで検出した複数の到来角データを用いて、到来角の推定値を求める到来角判定部と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
   

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