Antenna Pattern Multiplexing Based on Fusion of Variable Directivity Antenna and Signal Multiplexing Technology

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K04468
• Research Institution: University of the Ryukyus
• Principal Investigator: 齋藤 将人 琉球大学, 工学部, 准教授 (30335476)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 指向性多重アンテナ / 受信ダイバーシチ / 多入力多出力 (MIMO) / アンテナパターン / 符号分割多重 (CDM)

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，アンテナの指向性形成に信号多重の概念を取り入れた，指向性多重アンテナにより，小型でありながら，複数の指向性アンテナが同一地点に同時に設置されたかのようなアンテナの実現を目標としている．本研究で掲げるテーマである(A)指向性多重アンテナにおける指向性形成法の研究と(B) 指向性多重化を実現する印加電圧の生成と実験による指向性の検証という面で研究成果について述べる．
(A)指向性多重アンテナにおける指向性形成法の研究：指向性多重アンテナでは，無給電素子のリアクタンスを印加電圧により周期的に変化させることにより指向性多重を行う．リアクタンスと指向性の関係性は非線形であるため，リアクタンスを与えて指向性を求める方法では総当たりによる最適化が必要となる．そのため，本年度は，所望の指向性からリアクタンスを解析的に求める手法を検討した．数値例を加えて次年度発表予定としている．
(B)指向性多重化を実現する印加電圧の生成と実験による指向性の検証：昨年度作製した，無給電素子，無給電素子に直流と任意信号電圧波形を重畳した電圧を伝送可能な重畳器を用いて地上デジタルテレビ放送波を受信し，スペクトルアナライザを用いて受信スペクトルを観測した．所望のスペクトル成分は観測できたものの，強度が低く，一部は雑音レベル以下という観測結果であった．過去に同一のアンテナで観測した結果と比較しても，強度は低いものであった．このことから，予定していた正弦波以外の周期波形による指向性変化に関する検討は困難と判断した．そこで，実績のある既存研究を参考にし，新たに3素子2.4GHz帯向けアンテナの作製を行った．この指向性多重アンテナにより，複数の仮想的なアンテナ出力が得られるかどうか実験による検証を次年度実施する予定である．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

令和3年度までの進捗状況について，本研究で設定したテーマ(A)指向性多重アンテナにおける指向性形成法の研究と(B)指向性多重化を実現する印加電圧の生成と実験による指向性の検証，に分けて述べる．
(A)に関しては，昨年度電磁界解析や指向性の計算プログラムの検証を課題として挙げていた．利用を想定していた電磁界解析ソフトに関して，新たな条件を加えて解析をした所，動作しないことが分かった．また，当該ソフトのサポートが終了していたため，別の電磁界解析ソフトである AltairエンジニアリングのFekoのライセンスを購入した．ライセンス購入が1月下旬であったため，研究協力者の卒業研究であったことから，新規ソフトを利用した解析まで到達しなかった．また，指向性計算プログラムの検証を実施し，問題無いことを確認した．電磁界解析ソフトの出力を利用した解析を今後行う．
(B)に関しては，昨年度作製した，2組の無給電素子と重畳器が正しく動作しているか，動作検証を行った．可変リアクタンス素子の印加電圧＝リアクタンス特性を測定し，問題が無いことを確認した．無給電素子と給電素子を用いて，地上デジタル放送波を受信し，スペクトルアナライザを用いて指向性変化の確認を行った．リアクタンスの変化によるスペクトルの変化を確認することができたが，本研究の目標としている指向性多重を実現するほどの強いスペクトル成分は得られなかった．この結果を踏まえて，既存研究を参考に無線LAN信号の受信を想定した2.4GHz帯向け3素子可変指向性アンテナを作製し，2月に完成した．こちらも研究協力者の卒業研究であったためアンテナの指向性変化を実験する段階にまで達しなかった．

Strategy for Future Research Activity

現在までの進捗状況を踏まえて，今後の研究推進方策について述べる．本研究で設定したテーマ(A)指向性多重アンテナにおける指向性形成法の研究と(B) 指向性多重化を実現する印加電圧の生成と実験による指向性の検証，に分けて示す．
(A)に関する今年度の検討では，新規購入した電磁界解析ソフトを利用したアンテナ指向性の解析を行う．一つはリアクタンスの時間変化をその都度パラメータとして入力し，得られる指向性の時間変化により，指向性の多重度を求める実験を行う．もう一方で，電磁界解析ソフトから，アンテナ構造のパラメータを求め，それをこれまで開発した指向性計算プログラムに取り込み，指向性の多重度を求める実験を行う．
(B)に関する今年度の検討では，新規作成した，2.4GHz帯向け3素子可変指向性アンテナの動作検証を行う．2.4GHz帯無線LANの信号を受信して，テーマ(A)で得られた結果を元に生成した周期電圧を用いて指向性を変化させ，スペクトルアナライザで，指向性変化の影響を確認する．任意信号発生器について，計算機上でデザインした波形を実際の電圧として出力する方法を習得し，理論検討で得られたリアクタンス波形を実現する方法を確立する．
新規アンテナが所望の指向性変化特性を有する場合，予算内であればソフトウェア受信機に接続し，受信信号を取り込み，受信信号処理を施すことにより，多重された各指向性により得られる受信信号間の直交性を解析し，実際に得られる指向性の多重度を測定する．一方，指向性変化特性が修理等施しても不十分であった場合，アンテナの作製について，外注の可能性を検討する．アンテナ作製後，前述のようにアンテナの指向性評価を行う．

Causes of Carryover

当初利用を予定していた旅費の支出が想定よりも少なかったため．研究の進捗が計画より遅れたため，購入予定であったソフトウェア無線機の購入を見送ったため．
研究の進捗により，ソフトウェア無線機の購入に割り当てるか，または，新規アンテナ作製費に割り当てる．