JP2005156423A - Ｄｂｆアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可視領域にグレーティングローブが発生する条件においてもメインビームとグレーティングローブが識別でき、かつ、微弱な到来波が受信できるＤＢＦアンテナ装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 到来波をＲＦ信号に変換する複数の素子アンテナと、変換された各ＲＦ信号をベースバンド信号に変換する複数のＤ／Ｃ（Down Converter）と、変換された各ベースバンド信号をディジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄと、変換された各Ａ／Ｄから入力されたディジタル信号に対して、所望の方向に最大利得を持つビームが形成される係数を乗算してビームデータを生成する複数のビーム形成器と、複数のビーム形成器が生成するビームデータの振幅を比較して大きい方のビームデータを出力する振幅比較器を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、航空機搭載通信システムや移動体通信基地局のように、単一のアレーアンテナで複数の到来波を同時に受信するＤＢＦ（Digital Beam Forming）アンテナ装置に関するものである。

アレーアンテナでは、波長と素子間隔の比が一定値を越えると、グレーティングローブと呼ばれる高利得の不要ビームが発生して、本来の指向角に形成したメインビームと識別できなくなる。そこで、メインビームとグレーティングローブを識別するための様々なアンテナ方式が提案されていることは周知のところである。

一例として、和パターン合成手段から出力された合成信号と差パターン合成手段から出力された差分信号の差分を求め、その差分結果の符号からビームを識別する従来技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、アンテナ開口中央部に指向性の広い独立した基準アンテナを設けて、これによる受信信号を取り出せるようにし、さらにアレーアンテナでの受信信号出力部には方向性結合器を設けて、分岐出力を取り出せるようにし、アレーアンテナでの受信信号の分岐出力信号伝送経路に設けた可変移相器によって、この両信号の位相差を所定の最適値に合わせた後、別に設けた信号比較回路に入力して振幅比較し、その結果により受信信号がアレーアンテナの主ビーム方向から到来したものか、グレーティング方向から到来したものかを判定する従来技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−１８９０７１号公報（第１図） 特開平１１−９４９２５号公報（第１図）

サブアレーの和パターンと差パターンを利用する方式では、和パターンの可視領域にグレーティングローブが現れると、差分結果の正符号に複数のピークが発生して、メインビームとグレーティングローブを識別できないという問題点があった。

また、指向性の広い独立した基準アンテナを設ける方式では、基準アンテナの指向性利得が低いために、微弱な到来波を受信できないという問題点があった。

この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、可視領域にグレーティングローブが発生する条件においてもメインビームとグレーティングローブが識別でき、かつ、微弱な到来波が受信できるＤＢＦアンテナ装置を得ることを目的としている。

この発明によるＤＢＦアンテナ装置は、到来波をＲＦ（Radio Frequency）信号に変換する複数の素子アンテナと、変換された各ＲＦ信号を、夫々ベースバンド信号に変換する複数のＤ／Ｃ（Down Converter）と、変換された各ベースバンド信号を、夫々ディジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ（Analog to Digital Converter）と、変換された各Ａ／Ｄから入力されたディジタル信号に対して、所望の方向に最大利得を持つビームが形成される係数を掛け合わせてビームデータを生成する複数のビーム形成器と、上記複数のビーム形成器が夫々生成するビームデータから得られる振幅を少なくとも２以上比較して、大きい方のビームデータを出力する振幅比較器と、を備えたものである。

この発明によれば、可視領域にグレーティングローブが発生する条件においてもメインビームとグレーティングローブが識別でき、かつ、微弱な到来波を受信できるＤＢＦアンテナ装置を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態１．
図１はこの発明に係るＤＢＦアンテナ装置の実施の形態１を示すブロック図である。なお、符号の末尾に付け足した−１，−２，…，−Ｎ等は個々の区別を明らかにして動作の説明を容易にするためのものであり、同一の符号は同等の機能を表わしている。まず、図１を使って、実施の形態１によるＤＢＦアンテナ装置の構成と動作を説明する。

素子アンテナ１は到来波をＲＦ（Radio Frequency）信号に変換して、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）３に出力する。ＬＮＡ３はＲＦ信号に電力増幅を加えて、Ｄ／Ｃ（Down Converter）４に出力する。Ｄ／Ｃ４は電力増幅したＲＦ信号をベースバンド信号に変換して、Ａ／Ｄ（Analog to Digital Converter）５に出力する。Ａ／Ｄ５はアナログのベースバンド信号をディジタル信号に変換して、ビーム形成器６に出力する。ビーム形成器６は複数のＡ／Ｄ５から入力したディジタル信号に対して、所望の方向に最大利得を持つビームが形成される係数を掛け合わせて、振幅比較器７にビームデータを出力する。振幅比較器７は複数のビーム形成器６から入力したビームデータの振幅を比較して、大きい方のビームデータを出力端子８に出力する。出力端子８はビームデータをＤＢＦアンテナ装置の外部に出力する。

図２は素子アンテナ１の配列を放射面の側から示した図である。素子アンテナ１−１，素子アンテナ１−２，…，素子アンテナ１−２Ｎ（Ｎは２以上の整数）は直線上に並んでおり、素子アンテナ１−Ｎと素子アンテナ１−（Ｎ＋１）の間隔だけが他の１．５倍となっていることを除いて、素子間隔ｄは一定である。２Ｎ個の素子アンテナ１はサブアレー２−１とサブアレー２−２に分割され、サブアレー２−１は素子アンテナ１−１，素子アンテナ１−２，…，素子アンテナ１−Ｎで、サブアレー２−２は素子アンテナ１−（Ｎ＋１），素子アンテナ１−（Ｎ＋２），…，素子アンテナ１−２Ｎで構成されている。

次に、図３および図４、図５を使って、ビーム形成器６と振幅比較器７の動作を説明する。図３はビーム形成器６が出力するビームデータの相対電力と到来波の入射方向の関係を示したグラフである。
例えば、素子間隔ｄが到来波の波長λに等しい場合、−９０°〜＋９０°の可視領域には１本のグレーティングローブが発生する。メインビームの方向をθｍ、グレーティングローブの方向をθｇと置くと、θｍとθｇの間には図３に示した関係が成立する。また、図２に示した素子アンテナ１の配列では、メインビームの到来波は同相で合成されるのに対して、グレーティングローブは逆相で合成されるため、グレーティングローブは図３に示したようなθｇでヌル点を持ったパターン形状となる。

そこで、図４に示す通り、ビーム形成器６−ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ、かつＭは２以上の整数）で形成したメインビームの方向と、ビーム形成器６−（ｍ＋Ｍ）が形成したグレーティングローブの方向を一致させると、θｍの近傍では、ビーム形成器６−ｍの形成したメインビームの方が、ビーム形成器６−（ｍ＋Ｍ）の形成したグレーティングローブよりも大きな振幅を得る。同時に、ビーム形成器６−（ｍ＋Ｍ）が形成したメインビームの方向θｍ＋Ｍの近傍では、ビーム形成器６−（ｍ＋Ｍ）が形成したメインビームはビーム形成器６−ｍが形成したグレーティングローブよりも大きな振幅を得る。

振幅比較器７では、振幅の比較結果を利用して、到来波がメインビームとグレーティングローブのどちらで受信したかを識別し、識別の結果大きい方のビームデータを出力する。具体的には、振幅比較器７−ｍには、ビーム形成器６−ｍのビームデータと、ビーム形成器６−（ｍ＋Ｍ）のビームデータが入力される。振幅比較器７−ｍは、入力される各ビームデータの方向θｍの近傍において、ビーム形成器６−ｍのビームデータと、ビーム形成器６−（ｍ＋Ｍ）のビームデータとを比較する。振幅比較器７−ｍは、比較の結果大きい方のビームデータとして、方向θｍの近傍でビーム形成器６−ｍの形成したメインビームのみを出力する。また、振幅比較器７−（ｍ＋Ｍ）には、ビーム形成器６−（ｍ＋Ｍ）のビームデータと、ビーム形成器６−ｍのビームデータが入力される。振幅比較器７−（ｍ＋Ｍ）は、入力される各ビームデータの方向θｍ＋Ｍの近傍において、ビーム形成器６−（ｍ＋Ｍ）のビームデータと、ビーム形成器６−ｍのビームデータとを比較する。振幅比較器７−（ｍ＋Ｍ）は、比較の結果大きい方のビームデータとして、方向θｍ＋Ｍの近傍でビーム形成器６−（ｍ＋Ｍ）の形成したメインビームのみを出力する。

複数の到来波を同時に受信するためには、図５に示す通り、２Ｍ本のメインビームを可視領域（−９０°から９０°までの領域）に配置する。メインビームのビーム幅は正面方向が最も狭く、端に向かって広がっていくことから、メインビームの方向θ１，θ２，…，θ２Ｍは均一ではない。さらに、上記で述べたグレーティングローブ方向に別のメインビームを形成するための条件として、θｍ＝sin^-1｛λ／Ｄ×（２ｍ−２Ｍ−１）／２Ｍ｝ （ここでｍ＝１，２，…，２Ｍ）という解がある。例えば、ｄ＝λ、かつ、Ｎ＝５、Ｍ＝１０の場合には、θｍ＝±７２°，±５８°，±４９°，±４１°，±３３°，±２７°，±２０°，±１４°，±９°，±３°という間隔で２０本のマルチビームを配置すれば良い。

この実施の形態によれば、図２に示すような素子アンテナの配列を取ることにより、メインビーム方向の到来波は同相で合成され、グレーティング方向の到来波は逆相で合成される。グレーティングローブ方向に別のメインビームを形成して、両者の振幅を比較することにより、サブアレーの可視領域にグレーティングローブが発生する条件においても、メインビームとグレーティングローブを識別することができる。また、識別結果に基いて、グレーティングローブを抑圧してメインビームのみを出力することができる。

また、この実施の形態によれば、メインビームは高い利得を有する一方で、グレーティングローブはメインビームよりも利得が低いことを利用しているため、微弱な到来波に対しても、メインビームとグレーティングローブを識別し、識別結果に基いて、グレーティングローブを抑圧してメインビームのみを出力することができる。

実施の形態２．
図６はこの発明に係るＤＢＦアンテナ装置の実施の形態２を示すブロック図である。まず、図６を使って、実施の形態２によるＤＢＦアンテナ装置の構成と動作を説明する。

素子アンテナ１は到来波をＲＦ信号に変換して、ＬＮＡ３に出力する。ＬＮＡ３はＲＦ信号に電力増幅を加えて、Ｄ／Ｃ４に出力する。Ｄ／Ｃ４は電力増幅したＲＦ信号をベースバンド信号に変換して、Ａ／Ｄ５に出力する。Ａ／Ｄ５はアナログのベースバンド信号をディジタル信号に変換して、ビーム形成器６に出力する。ビーム形成器６は複数のＡ／Ｄ５から入力したディジタル信号に対して、所望の方向に最大利得を持つビームが形成される係数を掛け合わせて、モノパルスコンパレータ９にビームデータを出力する。モノパルスコンパレータ９は複数のビーム形成器６から入力したビームデータを加減算して、３入力振幅比較器１０に出力する。３入力振幅比較器１０はモノパルスコンパレータから入力したビームデータの加減算結果を比較して、最も大きい加減算結果を出力端子８に出力する。出力端子８は３入力振幅比較器１０から入力したビームデータの加減算結果をＤＢＦアンテナ装置の外部に出力する。

ここで、図７にモノパルスコンパレータ９の内部構成を示す。第１の加算器１１は複数のビーム形成器６から入力したビームデータを加算して、第２の加算器１３および第２の減算器１４に出力する。第１の減算器１２は複数のビーム形成器６から入力したビームデータを減算して、第２の加算器１３および第２の減算器１４に出力する。第２の加算器１３は複数の第１の加算器１１ないし第１の減算器１２から入力した加算結果ないし減算結果を加算して３入力振幅比較器１０に出力する。第２の減算器１４は複数の第１の加算器１１ないし第１の減算器１２から入力した加算結果ないし減算結果を減算して３入力振幅比較器１０に出力する。

図８は素子アンテナ１の配列を放射面の側から示した図である。図の複雑化を避けるため、素子アンテナ１の個数は６４に限定している。サブアレー２の中では隣接する素子アンテナ１の間隔ｄが一定となるように千鳥配置されている。具体的には、ｘ方向（水平方向）には隣接する各素子アンテナが平行に配列されて、隣接した各素子アンテナの間隔がｄとなるように配置される。また、ｙ方向（垂直方向）には、一対の素子アンテナが夫々ｘ方向にオフセットした素子アンテナを間に挟むように、ｙ方向に１．７３２ｄの間隔で配置される。これによって、隣接する素子アンテナが間隔ｄで配置される。また、サブアレー２の境界では隣接する素子アンテナ１の間隔が縦方向と横方向に１．５倍となっている。すなわち、ｘ方向のサブアレーの境界部分では１．５ｄの間隔、ｙ方向のサブアレーの境界部分では１．７３２ｄ×１．５（＝２．５９８ｄ）の間隔で配置される。

また、４Ｎ個の素子アンテナ１はサブアレー２−１、サブアレー２−２、サブアレー２−３、サブアレー２−４に分割され、図６に示す通り、サブアレー２−１は素子アンテナ１−１，素子アンテナ１−２，…，素子アンテナ１−Ｎで、サブアレー２−２は素子アンテナ１−（Ｎ＋１），素子アンテナ１−（Ｎ＋２），…，素子アンテナ１−２Ｎで、サブアレー２−３は素子アンテナ１−（２Ｎ＋１），素子アンテナ１−（２Ｎ＋２），…，素子アンテナ１−３Ｎで、サブアレー２−４は素子アンテナ１−（３Ｎ＋１），素子アンテナ１−（３Ｎ＋２），…，素子アンテナ１−４Ｎで構成されている。

次に、図９および、図１０、図１１、図１２を使って、モノパルスコンパレータ９と３入力振幅比較器１０の動作を説明する。図９、図１０、図１１、図１２はモノパルスコンパレータ９が出力するビームデータの加減算結果と、到来波の入射方向の関係を等高線で表現したグラフであり、それぞれ第２の加算器１３−１、第２の加算器１３−２、第２の減算器１４−１、第２の減算器１４−２に対応している。以下の説明を容易にするため、第２の加算器１３−１、第２の加算器１３−２、第２の減算器１４−１、第２の減算器１４−２が出力するビームデータの加減算結果を、それぞれ加算−加算出力（Ｓ１）、減算−加算出力（Ｓ２）、加算−減算出力（Ｓ３）、減算−減算出力（Ｓ４）と呼ぶ。

素子間隔ｄが到来波の波長λに等しく、メインビームの方向を（＋３０°，＋３０°）に設定した条件では、（＋３０°，−４１°）と（−３０°，−４°）の方向に２本のグレーティングローブが発生する。サブアレー単位の受信信号がメインビームの方向では同相に合成されるが、グレーティングローブの方向では逆相に合成されるため、グレーティングローブの方向に線状のヌルが形成されることになる。このことを利用して、メインビームとグレーティングローブの振幅を比較すれば、メインビームとグレーティングローブを識別することができる。
例えば、（＋３０°，＋３０°）のメインビームで受信した到来波は加算−加算出力（Ｓ１）で大きな振幅となるが、加算−減算出力（Ｓ３）および減算−減算出力（Ｓ４）では小さな振幅となる。一方、（＋３０°，−４１°）のグレーティングローブで受信した到来波は加算−減算出力（Ｓ３）で大きな振幅となるが、加算−加算出力（Ｓ１）および減算−加算出力（Ｓ２）では小さな振幅となる。同様に、（−３０°，−４°）のグレーティングローブで受信した到来波は減算−減算出力（Ｓ４）で大きな振幅となるが、加算−加算出力（Ｓ１）および減算−加算出力（Ｓ２）では小さな振幅となることが判る。
これによって、３入力振幅比較器１０−１は、入力される加算−加算出力（Ｓ１）、加算−減算出力（Ｓ３）および減算−減算出力（Ｓ４）を、（＋３０°，＋３０°）付近で比較することによって、最も大きい振幅を成すメインビームを与える加算−加算出力（Ｓ１）のみが、出力されることになる。また、３入力振幅比較器１０−２は、入力される加算−減算出力（Ｓ３）、加算−加算出力（Ｓ１）および減算−加算出力（Ｓ２）を、（＋３０°，−４１°）付近で比較することによって、最も大きい振幅を成すメインビームを与える加算−加算出力（Ｓ１）のみが、出力されることになる。さらに、３入力振幅比較器１０−３は、入力される減算−減算出力（Ｓ４）、加算−加算出力（Ｓ１）および減算−加算出力（Ｓ２）を、（＋３０°，−４°）付近で比較することによって、最も大きい振幅を成すメインビームを与える加算−加算出力（Ｓ１）のみが、出力されることになる。

この実施の形態によれば、図８に示すような素子アンテナの配列を取ることにより、メインビーム方向の到来波は同相で合成され、グレーティング方向の到来波は逆相で合成される。サブアレー単位で合成した受信信号をモノパルスコンパレータに通して、その振幅を比較することにより、可視領域に複数のグレーティングローブが発生する条件においても、メインビームとグレーティングローブを識別することができる。

また、この実施の形態によれば、メインビームは高い利得を有する一方で、グレーティングローブはメインビームよりも利得が低いことを利用しているため、微弱な到来波に対しても、メインビームとグレーティングローブを識別することができる。

この発明の実施の形態１によるＤＢＦアンテナ装置を示す構成図である。 実施の形態１における素子アンテナの配列を示す構成図である。 実施の形態１におけるメインビームとグレーティングローブのパターン形状を示す説明図である。 実施の形態１におけるメインビームとグレーティングローブの識別方法を示す説明図である。 実施の形態１におけるメインビームの配置を示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるＤＢＦアンテナ装置を示す構成図である。 モノパルスコンパレータの内部構成を示す構成図である。 実施の形態２における素子アンテナの配列を示す構成図である。 モノパルスコンパレータの加算−加算出力端における２次元パターン形状を示す説明図である。 モノパルスコンパレータの減算−加算出力端における２次元パターン形状を示す説明図である。 モノパルスコンパレータの加算−減算出力端における２次元パターン形状を示す説明図である。 モノパルスコンパレータの減算−減算出力端における２次元パターン形状を示す説明図である。

符号の説明

１ 素子アンテナ、２ サブアレー、３ ＬＮＡ、４ Ｄ／Ｃ、５ Ａ／Ｄ、６ ビーム形成器、７ 振幅比較器、８ 出力端子、９ モノパルスコンパレータ、１０ ３入力振幅比較器、１１ 第１の加算器、１２ 第１の減算器、１３ 第２の加算器、１４ 第２の減算器。

Claims (2)

1. 到来波をＲＦ（Radio Frequency）信号に変換する複数の素子アンテナと、
   変換された各ＲＦ信号を、夫々ベースバンド信号に変換する複数のＤ／Ｃ（Down Converter）と、
   変換された各ベースバンド信号を、夫々ディジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ（Analog to Digital Converter）と、
   変換された各Ａ／Ｄから入力されたディジタル信号に対して、所望の方向に最大利得を持つビームが形成される係数を掛け合わせてビームデータを生成する複数のビーム形成器と、
   上記複数のビーム形成器が夫々生成するビームデータから得られる振幅を少なくとも２以上比較して、大きい方のビームデータを出力する振幅比較器と、
   を備えたことを特徴とするＤＢＦ（Digital Beam Forming）アンテナ装置。
2. 到来波をＲＦ信号に変換する複数の素子アンテナと、
   変換されたＲＦ信号を、夫々ベースバンド信号に変換する複数のＤ／Ｃと、
   変換された各ベースバンド信号をディジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄと、
   複数のＡ／Ｄから入力したディジタル信号に対して、所望の方向に最大利得を持つビームが形成される係数を掛け合わせてビームデータを生成するビーム形成器と、
   複数のビーム形成器から入力されたビームデータを加減算するモノパルスコンパレータと、
   上記モノパルスコンパレータの加減算結果を比較して、最も大きい加減算結果を出力する３入力振幅比較器と、
   を備えたことを特徴とするＤＢＦアンテナ装置。

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