JP2004247922A

JP2004247922A - 広帯域アクティブフェーズドアレイアンテナ装置

Info

Publication number: JP2004247922A
Application number: JP2003035059A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Inoue; 良彦井上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: JP3941940B2

Abstract

【課題】周波数が高くなるとアンテナ開口面積を小さくしてビーム幅を所定の大きさ以下にしないようにすることで、高い周波数においても送信ビームを対象目標に当てることを容易にした広帯域アクティブフェーズドアレーアンテナ装置を提供する。
【解決手段】ＡＰＡＡでの送受信の周波数が所定値未満の場合は全てのアンテナ素子を動作させる全開口とし、所定値以上の場合は動作させるアンテナ素子を制限して部分開口としてＡＰＡＡのビーム幅を規定値以下にしないよう制御するビーム制御器４を備えた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、広帯域のアクティブフェーズドアレーアンテナ（ＡＰＡＡ）装置、特に、周波数に関わらずビーム幅を一定に保つことに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、広帯域で使用される多機能アクティブフェーズドアレーアンテナ装置としてアンテナ素子群を分割して複数のグループを形成して異なった機能を割り付けるものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−７６４０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に従来の広帯域アクティブフェーズドアレーアンテナ装置は、周波数が高いほどアンテナゲインが大きくなり、ビーム幅が狭くなる。このため、周波数が高くなれば、実効放射電力（ＥＲＰ）は大きくなるものの、ビームが細くなるため、送信ビームを対象目標に当てるのが難しくなり、有効な効果が得られない状況になるという課題があった。また、他の目標検出手段により得られる方位データの精度によっては、データの移管がスムーズに行うことが不可能となる。つまり、他の目標検出手段の方位精度がＡＰＡＡのビーム幅より大きければ、移管された時に失探する可能性があるという課題があった。
【０００５】
この発明は上記の課題を解消するためになされたもので、周波数が高くなるとアンテナ開口面積を小さくしてビーム幅を所定の大きさ以下にしないようにすることで、高い周波数においても送信ビームを対象目標に当てることを容易にした広帯域アクティブフェーズドアレーアンテナ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、ＡＰＡＡでの送受信の周波数が所定値未満の場合は全てのアンテナ素子を動作させる全開口とし、所定値以上の場合は動作させるアンテナ素子を制限して部分開口としてＡＰＡＡのビーム幅を規定値以下にしないよう制御するビーム制御器を備えたことを特徴とする広帯域アクティブフェーズドアレイアンテナ装置にある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明による広帯域アクティブフェーズドアレーアンテナ（ＡＰＡＡ）装置の概略的構成の一例を示す図である。図１において広帯域アクティブフェーズドアレーアンテナ装置は、アクティブフェーズドアレーアンテナ（ＡＰＡＡ）１、オペレータがＡＰＡＡ装置を操作するための指示器２、この指示器２による指示に従ってＡＰＡＡ１の送受信を含む装置全体を制御する信号処理器３、信号処理器３の制御に従ってＡＰＡＡ１のビームを制御するビーム制御器４、ＡＰＡＡ１に送信種信号を入力するための変調器５、ＡＰＡＡ１のΣ、Δ信号出力（モノパルス信号）を入力することにより目標の方位を探知（検出）する受信機６、目標方位の初期値を与える他の目標検出手段７を備えている。
【０００８】
またＡＰＡＡ１は、変調器５からの種信号を増幅・分配する分配・増幅部１１、ＡＰＡＡ１の受信信号からΣ、Δ信号を作成する合成・前置比較部１２、送信時に分配・増幅部１１からの送信種信号をさらに分配し受信時に受信信号を合成する合成・分配部１３、送信時に送信種信号を増幅し受信時に受信信号を増幅するモジュール１４、送信時に分配、増幅された送信種信号を空中へ放射し受信時に電波を受信する素子アンテナ１５を含んでいる。
【０００９】
さらにビーム制御器４は、位相制御手段４１、開口制御手段４２、実行放射電力安定化手段４３を含んでいる。
【００１０】
次にまず、基本動作について説明する。他の目標検出手段７により検出した目標に対して操作員が指示器２により目標に対して送信ビームを向けるよう設定を行う。その指示により信号処理器３でビームを向けるためのモジュール１４の位相計算を行い、その情報を元にビーム制御器４の位相制御手段４１によりＡＰＡＡ１内の各モジュール１４に位相設定値を指示する。一方、信号処理器３の指示により変調器５は設定された送信種信号を発生し、ＡＰＡＡ１内の分配・増幅部１１で分配・増幅（レベルダイヤ上必要な場合）され、さらに合成・分配部１３で分配される。モジュール１４内では、この種信号を増幅して、指定された位相に制御して素子アンテナ１５から空中へ放射し、空間合成によりビームを形成する。
【００１１】
一方、目標の移動や諸元変更に対応するために設定した時間毎に送信を止め、ＡＰＡＡ１による受信を行う。素子アンテナ１５で受信した信号は、ビーム制御器４からの位相指示値により位相制御されたモジュール１４で増幅され、合成・分配部１３で合成されることにより、空間合成されたビームからの受信信号が得られる。開口面を４等分に分割した各開口面からの合成信号から合成・前置比較部１２によりΣ、Δのモノパルス信号を得て、この信号を受信機６に入力することで、目標の諸元及び方位を得ることができる。この結果を信号処理器３に入力することにより、目標の追尾を行い、送信に切り換えて引き続き、その諸元に従って、ビームを指向し、設定した種信号を増幅して送信する。
【００１２】
一般にＡＰＡＡ１は、（１）式に示すように周波数が高いほどアンテナゲインが大きくなり、（２）式に示すようにビーム幅が狭くなる。
【００１３】
Ｇ＝（４πＳη）／λ^２＝４πＳη（ｆ／ｃ）^２（１）
Ｇ：アンテナゲイン
Ｓ：開口面積（＝ａｂ）
η：開口能率（＝１：均一分布時）
λ：波長（＝ｃ／ｆ）
ｆ：周波数
ｃ：光速
【００１４】
Ｂ＝Ｋ・λ／ａ（２）
Ｋ：定数（＝５０：均一分布時）
ａ：開口寸法
【００１５】
そして図２はこの発明の広帯域ＡＰＡＡ装置の開口面を示す図である。ビーム制御器４の開口制御手段４２により各モジュール１４を制御することにより、図３（上が実効放射電力ＥＲＰ、下がビーム幅）のように、周波数帯域ｆＬ〜ｆＨのうち低域ｆＬ〜ｆＭでは、開口面を全面（開口面１）で使用し、全面開口を使用したときビーム幅が規定値（ＢＬ）以下となる周波数ｆＭ以上では、開口面を狭く（開口面２）し、ビーム幅を広げて使用する。例えば周波数ｆＭは予め設定しておき、現在の周波数は信号処理器３より得る。
【００１６】
このように周波数帯域を２つに分け、低い周波数帯では全開口を使用し、高い周波数帯では使用する開口を制限することでビーム幅を規定値以下に下げないようにし、これにより他の目標検出手段により検出された方位に対する誤差をビーム幅の範囲まで許容できる。
【００１７】
実施の形態２．
なお、ＡＰＡＡ１の開口面が非常に多数の素子アンテナ１５で構成されている場合、実施の形態１のような１段階ではなく、図４（上が実効放射電力ＥＲＰ、下がビーム幅）のように多段階で変化させることにより、ビーム幅をほぼ一定にすることができる。
【００１８】
実施の形態３．
また、ビーム制御器４の実行放射電力安定化手段４３により各モジュール１４を制御して、図５（上から実効放射電力ＥＲＰ、モジュール出力、アンテナ利得）に示すように、実施の形態１において、モジュール１４の出力特性を利用して、周波数によってアンテナ利得が高い場合はモジュール出力を下げ、アンテナ利得が低い場合はモジュール出力を上げることにより、実効放射電力ＥＲＰをほぼ一定に保つようにすることができる。
【００１９】
実施の形態４．
さらに図６（上から実効放射電力ＥＲＰ、モジュール出力、アンテナ利得）に示すように、実施の形態２において、同様にモジュールの出力特性を利用して、周波数によってアンテナ利得が高い場合は出力を下げ、アンテナ利得が低い場合は出力を上げることにより、実効放射電力をほぼ一定に保つことが可能である。実施の形態３と比較すると、モジュールの出力制御範囲すなわち出力特性の調整幅が小さくてよい。
【００２０】
実施の形態５．
また図７に示すように、ＡＰＡＡビームをθ°方向に指向させた場合、開口面が等価的に小さくなり（ａ→ａｃｏｓθ）、結果として（２）式に示した通り、アンテナ利得が低下して実効放射電力が小さくなり、ビーム幅が大きくなる。そこでビーム幅を一定に保ちたい場合、もしくは実効放射電力を一定に保ちたい場合には、ビーム制御器４の開口制御手段４２により各モジュール１４を制御することにより、図８に示すようにビームを指向させた方向の開口面を広げる。つまり、水平方向にビームを指向させた場合は、水平方向の開口面を広げる。全面開口時（開口面１）は使用できないが、開口面２のようにアンテナ素子１５に余裕がある場合は開口面３のようにすることで適用可能である。また、予め大きな開口（余分に拡張部分を設けておく）を準備しておけば、開口面１に対しても実施することは可能である。
【００２１】
このようにビームを指向させた時、ビーム幅が広がるが、開口を制限している場合は（予め拡張部分を設けておけば制限されてない場合でも同等）ビームが広がる方向に開口を広げることにより、ビーム幅の調整が可能である。
【００２２】
実施の形態６．
図９にＡＰＡＡ１の素子配列の一例を示す。一般にＡＰＡＡ１のアンテナ素子１５の間隔は、後述の（３）式に示すように、周波数が高いほど（波長が短いほど）狭くする必要がある。これは、グレーティングローブの発生を抑制するためである。従って、広帯域のＡＰＡＡ１の場合、アンテナ素子１５の間隔は周波数が高い方に調整されており、素子が最も密になるように配列されている。しかし、実施の形態１のように周波数によって使用する開口が異なる場合は、それに適した素子間隔に設定することができる。すなわち、例えば図１の開口面１のみに属する領域（外周部分）は周波数ｆＭで調整される素子間隔で、開口面２に含まれる領域（内側部分）は従来どおりで周波数ｆＨで調整される素子間隔で配列する。
【００２３】
ｄ＜（１／（１＋｜ｓｉｎθ_０｜））・λ （３）
ｄ：素子間隔
λ：波長
θ_０：最大走査角
【００２４】
このように開口を制限する時に使用しない素子の間隔を広げることにより、消費電力を制限し、ＡＰＡＡの質量を軽減することができる。
【００２５】
実施の形態７．
実施の形態６において、ビーム制御器４の開口制御手段４２により各モジュール１４を制御することにより、図１０に示すように周波数がｆＬ〜ｆＭのとき開口面２の範囲にある１部の素子（黒丸で示す）をＯＦＦとする。これは、実施の形態６で示したように、低い周波数では、素子配列を開口部２のように密にする必要はなく、開口部２の素子をある程度ＯＦＦにしてもアンテナ利得は変わらず、ＯＦＦとした素子の割合だけＥＲＰが低下するにとどまる。例えば、１０００素子中の１００素子をＯＦＦにしても０．５ｄＢ程度実効放射電力が低下するのみであるが、消費電力は１０％抑制される。
【００２６】
これにより、開口を制限する時の開口の素子を、開口を制限しない時は間引きして使用することにより、消費電力を抑制することができる。
【００２７】
実施の形態８．
図１１に示すようにモジュール１４と２つのアンテナ素子１５の間にＲＦスイッチ１４５を設ける。このＲＦスイッチ１４５（スイッチ手段）は、アンテナ素子１（図１１上側）で出力する場合はモジュール１４と接続し、アンテナ素子２（図１１下側）をダミーロードで終端する。アンテナ素子２で出力する場合はモジュール１４と接続し、アンテナ素子１を終端する。このようにＲＦスイッチ１４５を介して、実施の形態７において、周波数ｆＬ〜ｆＭのみＯＮとなるモジュールと周波数ｆＭ〜ｆＨのみＯＮとなるモジュール１４を共用することにより、消費電力及びアンテナ質量を軽減できる。またこのようなＲＦスイッチ１４５の切替制御は、例えばビーム制御器４の開口制御手段４２により行うようにすればよい。
【００２８】
このように、開口を制限する時に使用しない素子と、開口を制限しない時に間引きする素子とでモジュールを共用化することにより、ＡＰＡＡ１の質量を軽減できる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、ＡＰＡＡでの送受信の周波数が所定値未満の場合は全てのアンテナ素子を動作させる全開口とし、所定値以上の場合は動作させるアンテナ素子を制限して部分開口としてＡＰＡＡのビーム幅を規定値以下にしないよう制御するビーム制御器を備えたので、高い周波数においても送信ビームを対象目標に当てることを容易にした広帯域アクティブフェーズドアレーアンテナ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による広帯域アクティブフェーズドアレーアンテナ装置の概略的構成の一例を示す図である。
【図２】この発明の広帯域ＡＰＡＡ装置の開口面の一例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるビーム幅とＥＲＰに現れる効果を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２におけるビーム幅とＥＲＰに現れる効果を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態３におけるアンテナ利得、モジュール出力、ＥＲＰに現れる効果を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態４におけるアンテナ利得、モジュール出力、ＥＲＰに現れる効果を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態５におけるビームを指向させた時の原理を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態５における開口面を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態６に関する素子のピッチを説明するための図である。
【図１０】この発明の実施の形態７における素子ピッチを示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態８におけるスイッチ手段の一例を示す図である。
【符号の説明】
１アクティブフェーズドアレーアンテナ（ＡＰＡＡ）、２指示器、３信号処理器、４ビーム制御器、５変調器、６受信機、７他の目標検出手段、１１分配・増幅部、１２合成・前置比較部、１３合成・分配部、１４モジュール、１５素子アンテナ、４１位相制御手段、４２開口制御手段、４３実行放射電力安定化手段。

Claims

ＡＰＡＡでの送受信の周波数が所定値未満の場合は全てのアンテナ素子を動作させる全開口とし、所定値以上の場合は動作させるアンテナ素子を制限して部分開口としてＡＰＡＡのビーム幅を規定値以下にしないよう制御するビーム制御器を備えたことを特徴とする広帯域アクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
モジュール群およびこれに接続された複数のアンテナ素子を設けた広帯域のＡＰＡＡと、
このＡＰＡＡで得られた信号から目標の方位探知を行う受信機と、
ＡＰＡＡへ送信種信号を供給する変調器と、
前記受信機および変調器を介してＡＰＡＡにおける送信及び受信を制御すると共に前記受信機からの目標の方位探知結果に従って目標にビームを向けるための各モジュールの位相を計算する信号処理器と、
この信号処理器に従ってＡＰＡＡのビームの制御を行う前記ビーム制御器と、
を備え、前記ビーム制御器が、
前記信号処理器の各モジュールの位相の計算結果に従ってＡＰＡＡの各モジュールに対して位相制御を行う位相制御手段と、
前記信号処理器から得られるＡＰＡＡでの送受信の周波数が所定値未満の場合は全てのアンテナ素子を動作させる全開口とし、所定値以上の場合は使用するアンテナ素子を制限して部分開口とするように各モジュールを制御する開口制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の広帯域アクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
上記開口制御手段において、ＡＰＡＡでの送受信の周波数を複数の周波数帯域に分け、高い周波数帯域程、開口面が小さくなるように制御することを特徴とする請求項１に記載の広帯域アクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
前記ビーム制御器が、モジュールの出力特性を利用し上記周波数によってアンテナ利得が高い場合はモジュール出力を下げ、アンテナ利得が低い場合はモジュール出力を上げて実効放射電力を安定させる実行放射電力安定化手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２又は３に記載の広帯域アクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
前記開口制御手段が、ビームを指向させている場合はビームが広がる前記指向させた方向に開口を広げてビーム幅を調整することを特徴とする請求項２又は３に記載の広帯域アクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
前記ＡＰＡＡのアンテナ素子が、開口を制限する時に使用しない素子の間隔が広くされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の広帯域アクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
前記開口制御手段が、開口を制限する時に使用する開口のアンテナ素子を、開口を制限しない時は間引き使用することを特徴とする請求項６に記載の広帯域アクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
前記ＡＰＡＡが、開口を制限する時に使用しない素子と、開口を制限しない時に間引きする素子とでモジュールを共用化するためのスイッチ手段を設けたことを特徴とする請求項７に記載の広帯域アクティブフェーズドアレイアンテナ装置。