JP2005164567A - Apparatus for measuring electrical characteristics of array antenna - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のアンテナ素子からなり、指向特性が可変であるアレーアンテナの電気的特性を高精度で計算することができるアレーアンテナの電気的特性の測定装置に関し、特に、電子制御導波器アレーアンテナ装置(Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna)の指向特性を変化させることができるアレーアンテナの電気的特性の測定装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna comprising a plurality of antenna elements and capable of calculating the electrical characteristics of an array antenna having variable directivity characteristics, and in particular, an electronic control waveguide. The present invention relates to an apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna that can change the directivity of an array antenna apparatus (Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna).
従来技術の電子制御導波器アレーアンテナ装置は、例えば、特許文献1や、非特許文献1乃至4において提案されている。このアレーアンテナ装置は、無線信号が給電される給電素子と、この給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも1個の無給電素子と、この無給電素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナの指向性を変化させることができる。この電子制御導波器アレーアンテナ装置においては、可変リアクタンス素子として安価な可変容量ダイオードを使用でき、また1つの給電系で構成できるため、小型、軽量、低コストの適応型アンテナが実現可能である。また、可変容量ダイオードを逆バイアス電圧で用いるので低消費電力であり、空間ビームを形成するため、回路の損失がなく高いダイナミックレンジが得られる。
Prior art electronically controlled waveguide array antenna devices have been proposed in, for example,
非特許文献1に記載されたように、電子制御導波器アレーアンテナ装置は、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を制御することによって指向性を変化させることが可能なアンテナである。指向性や入力インピーダンス等のアンテナ特性はモーメント法やICT(Improved Circuit Theory)法により計算できるが、リアクタンス値が変わる度に計算をやり直す必要がある。しかし、リアクタンス値とは独立にアンテナ構造で決まる構造パラメータが存在するので、それを一度求めておけば、リアクタンス値のみを変化量として指向性や入力インピーダンス等を簡単に計算することができる。このような計算法の基になる数学モデルか幾つか提案されている(非特許文献2及び3を参照)。すべてのリアクタンス値の組み合わせのもとでアンテナ特性を正確に計算するには、アンテナの構造特性をすべて考慮できる数学モデルが必要である。等価ステアリングベクトルモデルは、素子ポート間のアドミタンス値(あるいはインピーダンス値)と等価ステアリングベクトルを構造パラメータとし、有限面積の接地導体等の影響を考慮できる正確な数学モデルである(非特許文献3を参照)。構造パラメータはモーメント法などの解析法によって計算することができる。しかし、電子制御導波器アレーアンテナ装置は可変リアクタンス素子を装荷するための回路基板を有し、その回路基板やレドーム等のアンテナ筐体を精度良く寸法取りして考慮することは難しい。従って、寸法取り等の煩雑な作業が不要であり、かつ対象のアンテナを1度測定するだけで任意のリアクタンス値セットが設定されたときのアンテナ測定を計算可能な、アンテナの構造パラメータの測定方法及び測定装置を提供することが望ましい。
As described in
また、電子制御導波器アレーアンテナ装置では、各アンテナ素子に可変リアクタンス素子が装荷されるため、素子ばらつきや取り付けばらつきによりアンテナの対称性が電気的に崩れ、個体差も生じる。従って、上記のばらつきを考慮して実装状態の可変リアクタンス素子の制御特性を測定できる、アンテナの構造パラメータの測定方法及び測定装置を提供することが望ましい。 Further, in the electronically controlled waveguide array antenna device, since variable reactance elements are loaded on each antenna element, the symmetry of the antenna is electrically broken due to element variations and mounting variations, and individual differences also occur. Accordingly, it is desirable to provide an antenna structural parameter measurement method and measurement apparatus that can measure the control characteristics of a mounted variable reactance element in consideration of the above-described variations.
さらに、非特許文献4では、7素子の電子制御導波器アレーアンテナ装置の機械的対称性を利用して、構造パラメータを12個の測定データから計算する方法を提案したが、実測値に等しい指向性を計算できるまでに至っていない。アンテナでは電気的対称性が崩れているためと考えられる。従って、アンテナの電気的対称性を仮定しない、構造パラメータの測定方法及び測定装置を提供することが望ましい。さらに、上記構造パラメータに基づいて計算される当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンスや遠方界指向性の計算値をより正確にすることが望ましい。
Furthermore, Non-Patent
本発明の第1の目的は以上の問題点を解決し、電子制御導波器アレーアンテナ装置中の各アンテナ素子間のアドミタンス値からなるアドミタンス行列や、アレーアンテナ装置の電界指向性を表すための等価ステアリングベクトルを含むアレーアンテナ装置の構造パラメータを簡単かつ正確に計算することができる、アレーアンテナの電気的特性の測定装置を提供することにある。 The first object of the present invention is to solve the above-described problems, and to express an admittance matrix composed of admittance values between antenna elements in an electronically controlled waveguide array antenna device and an electric field directivity of the array antenna device. An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna, which can easily and accurately calculate the structural parameters of the array antenna apparatus including an equivalent steering vector.
本発明の第2の目的は、電子制御導波器アレーアンテナ装置の各無給電素子に装荷された可変リアクタンス素子のインピーダンス値を測定できる、アレーアンテナの電気的特性の測定装置を提供することにある。 It is a second object of the present invention to provide an apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna, which can measure the impedance value of a variable reactance element loaded on each parasitic element of the electronically controlled waveguide array antenna apparatus. is there.
本発明の第3の目的はさらに、以上測定されたアレーアンテナ装置の構造パラメータに基づいて、当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンス及び/又は電界指向性を計算することができる、アレーアンテナの電気的特性の測定装置を提供することにある。 The third object of the present invention is to further calculate the electrical characteristics of the array antenna capable of calculating the input impedance and / or the electric field directivity of the array antenna apparatus based on the measured structural parameters of the array antenna apparatus. It is in providing a measuring device.
本発明の第4の目的はさらに、以上測定されたアレーアンテナ装置の構造パラメータに基づいて、当該アレーアンテナ装置の入力インピーダンス及び/又は電界指向性をさらに簡単に計算することができる、アレーアンテナの電気的特性の測定装置を提供することにある。 The fourth object of the present invention is to provide an array antenna that can more easily calculate the input impedance and / or the electric field directivity of the array antenna apparatus based on the measured structural parameters of the array antenna apparatus. An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring electrical characteristics.
本願の第1の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置は、無線信号を送受信するための給電素子と、
上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、
上記各無給電素子にそれぞれ接続された少なくとも1本の可変リアクタンス素子とを備え、
上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定装置であって、
上記各可変リアクタンス素子に対してそれぞれ少なくとも3つの制御電圧を印加するように設定し、上記各可変リアクタンス素子に対する当該制御電圧についてのすべての組み合わせのうちの複数の第1の制御状態において上記アレーアンテナの入力インピーダンスを測定する手段と、
上記測定された入力インピーダンスと、上記各第1の制御状態における各無給電素子からそれぞれ見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値とに基づいて、上記アレーアンテナの給電素子及び少なくとも1本の無給電素子を含む複数のアンテナ素子のうちの各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記各無給電素子からそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、上記アレーアンテナの入力インピーダンスとの関係を示す関係式を用いて、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値を計算する手段とを備えたことを特徴とする。
An apparatus for measuring electrical characteristics of an array antenna according to a first invention of the present application includes a feeding element for transmitting and receiving a radio signal,
At least one parasitic element provided at a predetermined interval from the feeding element;
And at least one variable reactance element connected to each parasitic element,
By setting a control voltage for each of the variable reactance elements and changing a reactance value of each of the variable reactance elements, the directivity characteristics are changed by operating each parasitic element as a director or a reflector. An apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna,
The array antenna is configured to apply at least three control voltages to each of the variable reactance elements, and in a plurality of first control states of all combinations of the control voltages for the variable reactance elements. Means for measuring the input impedance of
Based on the measured input impedance and the impedance value of the variable reactance element viewed from each parasitic element in each first control state, the array antenna feeding element and at least one parasitic element are The relationship which shows the relationship between the admittance value or impedance value between each antenna element of a plurality of including antenna elements, the impedance value of each variable reactance element viewed from each parasitic element, and the input impedance of the array antenna And a means for calculating an admittance value or an impedance value between the antenna elements using an equation.
また、本願の第2の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置は、無線信号を送受信するための給電素子と、
上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、
上記各無給電素子にそれぞれ接続された少なくとも1本の可変リアクタンス素子とを備え、
上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定装置であって、
上記各可変リアクタンス素子に対してそれぞれ少なくとも3つの制御電圧を印加するように設定し、上記各可変リアクタンス素子に対する当該制御電圧についてのすべての組み合わせのうちの複数の第2の制御状態において上記アレーアンテナの入力インピーダンス及び遠方界指向特性を測定する手段と、
上記測定された入力インピーダンス及び遠方界指向特性と、上記各第2の制御状態における各無給電素子からそれぞれ見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値とに基づいて、上記アレーアンテナの給電素子及び少なくとも1本の無給電素子を含む複数のアンテナ素子のうちの各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトルと、上記各無給電素子からそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、上記アレーアンテナの入力インピーダンス及び遠方界指向特性との関係を示す関係式を用いて、上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトルと、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値を計算する手段とを備えたことを特徴とする。
An apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna according to the second invention of the present application includes a feeding element for transmitting and receiving a radio signal,
At least one parasitic element provided at a predetermined interval from the feeding element;
And at least one variable reactance element connected to each parasitic element,
By setting a control voltage for each of the variable reactance elements and changing a reactance value of each of the variable reactance elements, the directivity characteristics are changed by operating each parasitic element as a director or a reflector. An apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna,
The array antenna is configured to apply at least three control voltages to each of the variable reactance elements, and in a plurality of second control states of all combinations of the control voltages for the variable reactance elements. Means for measuring the input impedance and far-field directivity of
Based on the measured input impedance and far field directivity, and the impedance value of the variable reactance element viewed from each parasitic element in each second control state, at least one feeding element of the array antenna The admittance value or impedance value between the antenna elements of the plurality of antenna elements including the parasitic elements, the equivalent steering vector of the array antenna, and the impedance values of the variable reactance elements viewed from the parasitic elements, respectively And means for calculating an equivalent steering vector of the array antenna and an admittance value or an impedance value between the antenna elements, using a relational expression indicating a relation between the input impedance of the array antenna and a far field directivity characteristic. It is characterized by having.
さらに、本願の第3の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置は、第1又は第2の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置において、
1つの無給電素子に接続された可変リアクタンス素子に対して、可変リアクタンス素子のインピーダンス値が未知である制御電圧を印加するように設定し、当該設定したときの第3の制御状態における上記アレーアンテナの入力インピーダンスを測定する手段と、
上記第3の制御状態において測定された入力インピーダンスと、上記計算された上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値とに基づいて、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記各無給電素子のポートからそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、上記アレーアンテナの入力インピーダンスとの関係を示す関係式を用いて、上記第3の制御状態における当該可変リアクタンス素子に接続された無給電素子から見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値を計算する手段とを備えたことを特徴とする。
Furthermore, the measurement apparatus for the electrical characteristics of the array antenna according to the third invention of the present application is the measurement apparatus for the electrical characteristics of the array antenna according to the first or second invention.
The array antenna in the third control state when the variable reactance element connected to one parasitic element is set to apply a control voltage whose impedance value of the variable reactance element is unknown. Means for measuring the input impedance of
Based on the input impedance measured in the third control state and the calculated admittance value or impedance value between the antenna elements, the admittance value or impedance value between the antenna elements, A relational expression indicating the relationship between the impedance value of each variable reactance element viewed from the port of the feed element and the input impedance of the array antenna is used to determine whether the variable reactance element connected to the variable reactance element in the third control state is connected. And a means for calculating the impedance value of the variable reactance element as viewed from the power feeding element.
またさらに、本願の第4の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置は、第2の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置において、
1つの無給電素子に接続された可変リアクタンス素子に対して、可変リアクタンス素子のインピーダンス値が未知である制御電圧を印加するように設定し、当該設定したときの第4の制御状態における上記アレーアンテナの所定方向の遠方界指向特性を測定する手段と、
上記第4の制御状態において測定された上記アレーアンテナの所定方向の遠方界指向特性と、上記測定された上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトル及び上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値とに基づいて、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトル及び遠方界指向特性と、上記各無給電素子のポートからそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値との関係を示す関係式を用いて、上記第4の制御状態における当該可変リアクタンス素子に接続された無給電素子から見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値を計算する手段とを備えたことを特徴とする。
Furthermore, an apparatus for measuring electrical characteristics of an array antenna according to a fourth invention of the present application is the apparatus for measuring electrical characteristics of an array antenna according to the second invention,
The array antenna in the fourth control state when the variable reactance element connected to one parasitic element is set to apply a control voltage whose impedance value of the variable reactance element is unknown. Means for measuring the far-field directivity in a predetermined direction of
Based on the far-field directivity characteristics of the array antenna in a predetermined direction measured in the fourth control state, the measured equivalent steering vector of the array antenna, and the admittance value or impedance value between the antenna elements. The relationship between the admittance value or impedance value between the antenna elements, the equivalent steering vector and far-field directivity of the array antenna, and the impedance values of the variable reactance elements viewed from the ports of the parasitic elements, respectively. And a means for calculating an impedance value of the variable reactance element viewed from a parasitic element connected to the variable reactance element in the fourth control state using the relational expression shown.
さらに、本願の第5の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置は、無線信号を送受信するための給電素子と、
上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、
上記各無給電素子にそれぞれ接続された少なくとも1本の可変リアクタンス素子とを備え、
上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定装置であって、
第1又は第2の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置を用いて測定された上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、第3又は第4の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置を用いて測定された上記第3の制御状態又は上記第4の制御状態における当該可変リアクタンス素子に接続された無給電素子から見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値とに基づいて、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記各無給電素子からそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、上記アレーアンテナの入力インピーダンスとの関係を示す関係式を用いて、上記各無給電素子にそれぞれ所定の各制御電圧が設定された第5の制御状態における入力インピーダンス値を計算する手段とを備えたことを特徴とする。
Furthermore, an apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna according to a fifth invention of the present application includes a feeding element for transmitting and receiving a radio signal,
At least one parasitic element provided at a predetermined interval from the feeding element;
And at least one variable reactance element connected to each parasitic element,
By setting a control voltage for each of the variable reactance elements and changing a reactance value of each of the variable reactance elements, the directivity characteristics are changed by operating each parasitic element as a director or a reflector. An apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna,
The admittance value or impedance value between the antenna elements measured using the measuring device for measuring the electrical characteristics of the array antenna according to the first or second invention, and the electricity of the array antenna according to the third or fourth invention Based on the impedance value of the variable reactance element as viewed from the parasitic element connected to the variable reactance element in the third control state or the fourth control state measured using the measurement device of the mechanical characteristics, Using the relational expressions indicating the relationship between the admittance value or impedance value between the antenna elements, the impedance value of each variable reactance element viewed from the parasitic elements, and the input impedance of the array antenna, Input impedance in the fifth control state in which predetermined control voltages are set for the parasitic elements, respectively. Characterized by comprising a means for calculating the value.
またさらに、本願の第6の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置は、無線信号を送受信するための給電素子と、
上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、
上記各無給電素子にそれぞれ接続された少なくとも1本の可変リアクタンス素子とを備え、
上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定装置であって、
第2の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置を用いて測定された上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトル及び上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、第4の発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置を用いて測定された上記第4の制御状態における当該可変リアクタンス素子に接続された無給電素子から見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値とに基づいて、上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトルと、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記各無給電素子からそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、上記アレーアンテナの遠方界指向特性との関係を示す関係式を用いて、上記各無給電素子にそれぞれ所定の各制御電圧が設定された第6の制御状態におけるアレーアンテナの遠方界指向特性を計算する手段とを備えたことを特徴とする。
Furthermore, an apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna according to a sixth invention of the present application includes a feeding element for transmitting and receiving a radio signal,
At least one parasitic element provided at a predetermined interval from the feeding element;
And at least one variable reactance element connected to each parasitic element,
By setting a control voltage for each of the variable reactance elements and changing a reactance value of each of the variable reactance elements, the directivity characteristics are changed by operating each parasitic element as a director or a reflector. An apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna,
An equivalent steering vector of the array antenna and an admittance value or impedance value between the antenna elements measured using the measuring device for the electrical characteristics of the array antenna according to the second invention, and the array antenna according to the fourth invention Of the array antenna based on the impedance value of the variable reactance element as viewed from the parasitic element connected to the variable reactance element in the fourth control state measured using the electrical characteristic measuring device Relational expression showing the relationship between the steering vector, the admittance value or impedance value between each antenna element, the impedance value of each variable reactance element viewed from each parasitic element, and the far field directivity of the array antenna Each of the parasitic elements is used for each control. Characterized by comprising a means for calculating a far field directional characteristics of the array antenna in the sixth control state of pressure is set.
本発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置によれば、アレーアンテナの入力インピーダンスを測定することによって、当該アレーアンテナの各アンテナ素子間のアドミタンス値を高精度で計算することができる。 The apparatus for measuring electrical characteristics of an array antenna according to the present invention can calculate the admittance value between the antenna elements of the array antenna with high accuracy by measuring the input impedance of the array antenna.
また、本発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置によれば、アレーアンテナの電界を測定することによって、当該アレーアンテナの等価ステアリングベクトルを高精度で計算することができる。 Further, according to the apparatus for measuring the electrical characteristics of the array antenna according to the present invention, the equivalent steering vector of the array antenna can be calculated with high accuracy by measuring the electric field of the array antenna.
本発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置によれば、アレーアンテナの入力インピーダンスを測定することによって、当該アレーアンテナの各アンテナ素子間のアドミタンス値を高精度でかつより簡単に計算することができる。 According to the array antenna electrical characteristic measuring apparatus of the present invention, the admittance value between the antenna elements of the array antenna can be calculated with high accuracy and more easily by measuring the input impedance of the array antenna. Can do.
また、本発明に係るアレーアンテナの電気的特性の測定装置によれば、アレーアンテナの電界を測定することによって、当該アレーアンテナの等価ステアリングベクトルを高精度でかつより簡単に計算することができる。 Further, according to the apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna according to the present invention, the equivalent steering vector of the array antenna can be calculated with high accuracy and more easily by measuring the electric field of the array antenna.
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
<第1の実施形態>
図1は本発明に係る第1の実施形態である電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100を備えたアレーアンテナの制御装置の構成を示すブロック図である。この実施形態のアレーアンテナの制御装置は、図1に示すように、1つの給電素子A0と、可変リアクタンス素子12−1乃至12−6がそれぞれ装荷された6個の無給電素子A1乃至A6と、接地導体11とを備えてなるアレーアンテナ装置100と、適応制御型コントローラ20とを備えて構成される。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an array antenna control apparatus including an
本発明に係る第1の実施形態の第1の実施例であるアレーアンテナの電気的特性の測定方法によれば、図11の測定計算システムを用いてアレーアンテナ装置100の入力インピーダンスを測定することによって、当該アレーアンテナ装置100の給電素子A0及び無給電素子A1乃至A6を含む各アンテナ素子間のアドミタンス値を高精度で計算する。また、本発明に係る第1の実施形態の第2の実施例であるアレーアンテナの電気的特性の測定方法によれば、図16の測定計算システムを用いてアレーアンテナ装置100の遠方界の指向性(電界)を測定することによって、アレーアンテナ装置100の各アンテナ素子A0乃至A6の指向特性を表す展開関数を要素とする等価ステアリングベクトルを高精度で計算する。
According to the array antenna electrical characteristic measurement method of the first example of the first embodiment of the present invention, the input impedance of the
ここで、適応制御型コントローラ20は、例えばコンピュータなどのディジタル計算機で構成され、受信時において、復調器4による無線通信を開始する前に、相手先の送信機から送信される無線信号に含まれる学習シーケンス信号を上記アレーアンテナ装置100の給電素子A0により受信したときの受信信号y(t)と、上記学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有して学習シーケンス信号発生器21で発生された学習シーケンス信号r(t)とに基づいて、例えば最急勾配法による適応制御処理を実行する。この適応制御処理では、上記アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための、各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に印加されるバイアス電圧値を探索する。制御電圧コントローラ30は、例えばコンピュータなどのディジタル計算機で構成され、適応制御型コントローラ20からの制御信号に基づき、制御電圧テーブルメモリ31を参照して、探索されたバイアス電圧値に対応する直流の制御電圧信号を各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に出力して設定する。以上の説明においては最急勾配法を用いているが、これに限らず他の適応制御方法を用いてもよい。
Here, the adaptive
図1において、アレーアンテナ装置100は、接地導体11上に設けられた7本のアンテナ素子、すなわち給電素子A0及び無給電素子A1乃至A6から構成され、給電素子A0は、半径rの円周上に設けられた6本の無給電素子A1乃至A6によって囲まれるように配置されている。好ましくは、各無給電素子A1乃至A6は上記半径rの円周上に互いに等間隔(すなわち、給電素子A0を中心として互いに等角度で離間して)を保って設けられる。各給電素子A0及び無給電素子A1乃至A6は、例えば、所望波の波長λに対して約λ/4の長さのモノポール素子になるように構成され、また、上記半径rはλ/4になるように構成される。また、各アンテナ素子の直径は0.02λである。給電素子A0の給電点は、同軸ケーブル5及びサーキュレータ6を介して低雑音増幅器(LNA)1に接続され、また、無給電素子A1乃至A6はそれぞれ可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に接続され、これら可変リアクタンス素子12−1乃至12−6は、制御電圧コントローラ30からの制御電圧信号に応答してそのリアクタンス値を変化させる。
In FIG. 1, an
図2は、アレーアンテナ装置100の縦断面図である。給電素子A0は接地導体11と電気的に絶縁され、各無給電素子A1乃至A6は、可変リアクタンス素子12−1乃至12−6を介して、接地導体11に対して高周波的に接地される。可変リアクタンス素子12−1乃至12−6の動作を説明すると、例えば給電素子A0と無給電素子A1乃至A6の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変リアクタンス素子12−1がインダクタンス性(L性)を有するときは、可変リアクタンス素子12−1は延長コイルとなり、無給電素子A1乃至A6の電気長が給電素子A0に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス素子12−1がキャパシタンス性(C性)を有するときは、可変リアクタンス素子12−1は短縮コンデンサとなり、無給電素子A1の電気長が給電素子A0に比較して短くなり、導波器として働く。また、他の可変リアクタンス素子12−2乃至12−6に接続された無給電素子A2乃至A6についても同様に動作する。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the
従って、図1のアレーアンテナ装置100において、各無給電素子A1乃至A6に接続された可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に印加するバイアス電圧値を変化させて、その接合容量値であるリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置100の平面指向特性を変化させることができる。
Therefore, in the
アレーアンテナ100で受信される無線信号を送信する送信局は、学習シーケンス信号発生器21で発生される所定の学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有する学習シーケンス信号を含む所定のシンボルレートのディジタルデータ信号に従って、無線周波数の搬送波信号を、例えばBPSK、QPSKなどのディジタル変調法を用いて変調し、当該変調信号を電力増幅して受信局のアレーアンテナ装置100に向けて送信する。本実施形態においては、データ通信を行う前に、送信局から受信局に向けて学習シーケンス信号を含む無線信号が送信され、受信局では、適応制御型コントローラ20による適応制御処理が実行される。
A transmitting station that transmits a radio signal received by the
アレーアンテナ装置100は送信局からの無線信号を受信し、上記受信された信号は、給電用同軸ケーブル5及びサーキュレータ6を介して低雑音増幅器(LNA)1に入力されて増幅され、次いで、ダウンコンバータ(D/C)2は増幅された信号を所定の中間周波数の信号(IF信号)に低域変換する。さらに、A/D変換器3は低域変換されたアナログ信号をディジタル信号にA/D変換し、そのディジタル信号を適応制御型コントローラ20及び復調器4に出力する。次いで、適応制御型コントローラ20は、入力される受信信号y(t)と学習シーケンス信号r(t)とに基づいて、各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、順次所定の差分幅だけ摂動させ、各リアクタンス値に対して所定の評価関数値(例えば、受信信号の電力)を計算し、上記計算された評価関数値に基づいて、最急勾配法を用いて、当該評価関数値が最大となるように、各リアクタンス値を反復して計算することにより、当該アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定するように制御する。これにより、当該評価関数値が最大となるように、上記アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のバイアス電圧値を探索し、探索された各バイアス電圧値を有する制御電圧信号を各可変リアクタンス素子に出力して設定する。
The
また、無線送信機7は入力される送信ベースバンド信号に基づいて無線搬送波を所定の変調方式で変調し、変調された無線搬送波である無線信号をサーキュレータ6、給電用同軸ケーブル5を介してアレーアンテナ装置100の給電素子A0に出力され、これにより当該アレーアンテナ装置100から無線信号が放射される。
The
以下、アレーアンテナ装置100の構造パラメータを測定して計算する方法について説明する。
Hereinafter, a method for measuring and calculating the structural parameters of the
最初に、アレーアンテナ装置100の等価ステアリングベクトルモデルについて概説し、この等価ステアリングベクトルモデルに基づいて、当該アレーアンテナ装置100の構造パラメータを導入する。図3は、本実施形態のアレーアンテナ装置の電気的特性の測定及び計算方法と、従来の電流測定プローブ300を用いた極近傍界測定法との比較を示す概略図である。電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100では、無給電素子Am(m=1,2,…,6)に装荷される可変リアクタンス素子12−mのリアクタンス値Xmを、直流のバイアス電圧(以下、制御電圧という。)VDCmで制御することにより、アンテナの指向性(すなわち、遠方界の電界)E(θ,φ)を変化させる。ゆえに、各アンテナ素子A0乃至A6に流れる電流は、直接に制御できない未知数である。
First, an outline of the equivalent steering vector model of the
図3では、等価ステアリングベクトルモデルで表したパラメータの関係を示している。図示されたポート電流imは、アレーアンテナ装置100の各アンテナ素子上において給電用同軸ケーブル5や可変リアクタンス素子12−1乃至12−6等の回路素子が接続される端子対(すなわちポート)における電流値である。リアクタンス値Xmとポート電流imの関係は、ポート間インピーダンス値Zmnと給電回路のインピーダンス値Zsにより決まる。ポート電流imと指向性(すなわち、遠方界の電界)E(θ,φ)との関係は、後に詳しく記す等価ステアリングベクトルの要素um i(θ,φ)により決まる。インピーダンス値Zmn及びZsと、等価ステアリングベクトルの要素um i(θ,φ)とは、リアクタンス値Xmに依存しない構造パラメータである。また、各可変リアクタンス素子12−mのリアクタンス値Xmの制御電圧値VDCmに対する依存性は、その可変リアクタンス素子12−mの特性により決まる。これらの固有パラメータを測定により求めることが本実施形態の目的である。
FIG. 3 shows the relationship of parameters represented by an equivalent steering vector model. Port current i m which is illustrated in the
従来の測定法として、ポート電流imを直接測定することにより、インピーダンス値Zmnと可変リアクタンス値Xmを求めることができる。しかしながら、この従来の測定法では電流測定プローブ300が必要である。本実施形態では、図11及び図16のネットワークアナライザ40による入力インピーダンス値Zinの測定と、遠方界指向性測定を実行する図16の測定計算システム等のパターン測定装置による指向性(すなわち遠方界の電界)E(θ,φ)の測定から、アレーアンテナ装置100の構造パラメータを計算する方法を提案する。ただし、各可変リアクタンス素子12−mに関して、2つの制御電圧値がそれぞれ入力されたときにおける各リアクタンス値の、所定の基準リアクタンス値に対する相対的な値は既知であるとする。
As a conventional measuring method, by measuring the port current i m directly, it is possible to determine the impedance value Z mn and the variable reactance value X m. However, this conventional measurement method requires the
図4は、図3に示された本実施形態のアレーアンテナ装置の電気的特性の測定及び計算方法と、従来の極近傍界測定法(すなわち電流測定法)とを比較した表である。本実施形態の入力インピーダンス値を測定データとする測定及び計算方法では、アレーアンテナ装置100の構造パラメータとして、アレーアンテナ装置100のインピーダンス行列[Zmn](又はインピーダンス行列[Zmn]の逆行列であるアドミタンス行列[Ymn])を計算できる。また、本実施形態の遠方界データを測定データとする測定及び計算方法では、アレーアンテナ装置100の構造パラメータとして、アレーアンテナ装置100の等価ステアリングベクトル[um i(φ)]を計算できる。
FIG. 4 is a table comparing the method of measuring and calculating the electrical characteristics of the array antenna apparatus of the present embodiment shown in FIG. 3 and the conventional pole near-field measurement method (that is, current measurement method). In the measurement and calculation method using the input impedance value of the present embodiment as measurement data, the impedance matrix [Z mn ] (or the inverse matrix of the impedance matrix [Z mn ]) of the
次いで、アレーアンテナ装置100のポートを仮想的に短絡するための変数変換を導入する。詳細後述するように、本実施形態では、指向性(すなわち、遠方界の電界)を表す関数E(θ,φ)を、アンテナ構造に固有の展開関数で展開した表現形式を用いる。この表現形式では、指向性は、各アンテナ素子Am(m=1,2,…,6)上のポート電流im又はポート電圧vmを展開係数とする複数の展開関数を線形結合した関数として表現される。展開係数としてポート電流やポート電圧を用いることができる。ポート電流imを係数とする展開関数um i(θ,φ)(m=1,2,…,6)は、各ポートのみに1Aの電流を流し他のポートを開放した場合の指向性関数である。一方、ポート電圧vmを係数とする展開関数um v(θ,φ)は、各ポートのみに1Vの電圧をかけ他のポートを短絡した場合の指向性関数である。ポート電流imを展開係数とするとき、ポート電流imがウェイトの働きをするので、展開関数um i(θ,φ)は形式的にステアリングベクトルの要素と見ることもできる(ゆえに、本願明細書では、複数の展開関数にてなるベクトル[um i(θ,φ)]を等価ステアリングベクトルという。)。
Next, variable conversion for virtually short-circuiting the ports of the
ここで、非特許文献3等に開示された従来の等価ウェイトベクトルモデルでは、アンテナ素子上の点をポートとするが、各ポートは、アレーアンテナ装置100中の各アンテナ素子Amに対して固定されていれば、アンテナ素子以外の部分にあってもよい。以下に、図5乃至図8を参照して、ポート位置の任意性と可変リアクタンス素子制御特性について説明する。
Here, in the conventional equivalent weight vector model disclosed in
図5は、図1のアレーアンテナ装置100の無給電素子Amにおけるポート位置p1を示す概略図である。等価ウェイトベクトルモデルの一般的なポート位置p2は、無給電素子Am上で、接地導体11に近い側の端部に設けられる。等価ステアリングベクトルモデルの一般的なポート位置p3は、可変リアクタンス素子12−mと同じ位置に設けられるが、本実施形態の等価ステアリングべクトルモデルにおいて、ポートの位置は任意である。図5において、可変リアクタンス素子12−mと無給電素子Amの間に接続線路(例えば分布定数線路L1)が存在する場合、ポート位置p1をその線路上のどこに設定しても良い。ただし、ポート位置p1は固定して考える必要がある。ポート位置p1を変化させることにより、可変リアクタンス素子12−m側のインピーダンスがずれるだけでなく、接続線路が分布定数線路L1の場合、ポートから可変リアクタンス素子12−mを見たインピーダンス値の、可変なリアクタンス値に対する依存性も変化するためである。その様子を図6乃至図8に示す。図6乃至図8はそれぞれ、図5のポート位置p1とp3の間の距離δ=λ/10のときと、δ=λ/20のときと、δ=0のときのリアクタンス値対インピーダンス値特性を示すグラフである。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the port position p1 in the parasitic element Am of the
従って、通常のアレーアンテナの場合は、各アンテナ素子の給電コネクタ部をポートとすれば、開放や短絡を実現することができるので、等価ステアリングベクトルを直接測定することができる。しかし、電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100では、無給電素子A1乃至A6に可変リアクタンス素子12−1乃至12−6が装荷されているため、ポートを開放あるいは短絡にすることができない。そこで、適当なリアクタンス値セットの指向性から、等価ステアリングベクトルを計算により求める必要がある。ポートの短絡を仮想的に実現して計算を簡単にするために、変数変換を導入する。この変数変換は、図3の破線で囲った部分で示された変換を行う。この方法については非特許文献4に記述しているが(等価ステアリングベクトルの要素uai mとuav mの定義は本願明細書とは逆である)、以降の計算の基本となるので以下に整理して記す。
Therefore, in the case of a normal array antenna, if the feeding connector portion of each antenna element is used as a port, opening and short-circuiting can be realized, so that the equivalent steering vector can be directly measured. However, in the
この変数変換では、前提条件として、各可変リアクタンス素子12−m毎に、2つのリアクタンス変動値を既知であるとする。詳細後述するアレーアンテナの構造パラメータの測定計算処理において、各可変リアクタンス素子12−mを制御するために3つの制御電圧値を用い、これら3つの制御電圧値のうち、1つの電圧における可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値(以下、可変リアクタンス素子自身の素子のインピーダンス値を素子インピーダンス値という。)を基準値として、残りの2つの制御電圧における可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値をそれぞれ基準値からの変動値として表し、この2つの変動値が、各可変リアクタンス素子12−mに対してそれぞれ既知であるとする。 In this variable conversion, as a precondition, it is assumed that two reactance fluctuation values are known for each variable reactance element 12-m. In the measurement calculation processing of the structure parameter of the array antenna, which will be described later in detail, three control voltage values are used to control each variable reactance element 12-m, and among these three control voltage values, the variable reactance element at one voltage is used. The element impedance value of 12-m (hereinafter, the impedance value of the element of the variable reactance element itself is referred to as the element impedance value) is used as a reference value, and the element impedance value of the variable reactance element 12-m at the remaining two control voltages is respectively set. It is expressed as a fluctuation value from a reference value, and these two fluctuation values are known for each variable reactance element 12-m.
ただし、計算では、各無給電素子Amに装荷された可変リアクタンス素子12−mをはずして直接測定できないので、同型の可変リアクタンス素子12−mを測定した値を用いる。よって、この値を用いた場合には、すべての可変リアクタンス素子12−mに関して共通の値を用いる。 However, in the calculation, since the variable reactance element 12-m loaded on each parasitic element Am cannot be removed and directly measured, the value obtained by measuring the variable reactance element 12-m of the same type is used. Therefore, when this value is used, a common value is used for all the variable reactance elements 12-m.
可変リアクタンス素子12−mの取り付けばらつきがある場合、それは基準値のばらつきとして表れるが、可変リアクタンス素子12−mの素子性能にばらつきがなければ、可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値の変動値は均一と考えられる。すなわち、変動値が既知とする仮定は、素子インピーダンス値そのものを既知とする仮定より、制限が弱く、可変リアクタンス素子12−mの取り付けばらつきに対して自由度を残している。 If there is a variation in the attachment of the variable reactance element 12-m, it appears as a variation in the reference value. If there is no variation in the element performance of the variable reactance element 12-m, the variation value of the element impedance value of the variable reactance element 12-m. Is considered uniform. That is, the assumption that the variation value is known is less restrictive than the assumption that the element impedance value itself is known, and leaves a degree of freedom with respect to variations in the attachment of the variable reactance element 12-m.
以下の説明では、簡単化のために、可変リアクタンス素子の素子インピーダンス値として、そのリアクタンス値のみを考慮する。 In the following description, for the sake of simplicity, only the reactance value is considered as the element impedance value of the variable reactance element.
給電素子A0に接続されたコネクタ部を給電素子のポートと考え、無給電素子A1乃至A6に装荷される可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に近接した各接続点を無給電素子A1乃至A6の各ポートと考える(図5を参照)。さらに、無給電素子Amの個数をM個(m=1,2,…,M)に一般化して、各アンテナ素子を示す番号をmやn、kで表す。給電素子Amを示す番号をm=n=k=0とする。アンテナ素子Amのポートに流れる電流imは、アレーアンテナ装置のポート間のインピーダンス値Zmnを要素とするインピーダンス行列[Zmn]と、可変なリアクタンス値Xmとを用いて数1のように表される。
The connector connected to the feeding element A0 is regarded as a port of the feeding element, and each connection point close to the variable reactance elements 12-1 to 12-6 loaded on the parasitic elements A1 to A6 is defined as the parasitic elements A1 to A6. (Refer to FIG. 5). Further, the number of parasitic elements Am is generalized to M (m = 1, 2,..., M), and numbers indicating the antenna elements are represented by m, n, and k. A number indicating the power feeding element Am is m = n = k = 0. Current i m flowing through the ports of the antenna element Am, the impedance matrix of the impedance value Z mn between ports of an array antenna apparatus with elements and [Z mn], using a variable reactance value X m as in
ここで、リアクタンス行列[Xmn]は数2の対角行列であり、ベクトル[vsn]はM+1個の要素を持つ数3のベクトルである。
Here, the reactance matrix [X mn ] is a diagonal matrix of
ここで、vsは給電回路の開放電圧である。数1において、アンテナ部のインピーダンス行列[Zmn]と回路部のリアクタンス行列[Xmn]は対当であることが分かる。そこで、次式のような変数変換を導入することにより、変数変換された変数変換リアクタンス値Xam及び変数変換された変数変換インピーダンス値Zamを定義する。なお、当該変数変換の逆処理を逆変数変換という。
Here, vs is an open circuit voltage of the power feeding circuit. In
本願明細書では、Xm (0)を基準リアクタンス値という。基準リアクタンス値Xm (0)は、リアクタンスが変化可能な範囲内(最小値Xm (min)と最大値Xm (max)を有する)の任意の値であり、その値自体は未知でも構わない。 In the present specification, X m (0) is referred to as a reference reactance value. The reference reactance value X m (0) is an arbitrary value within a range in which the reactance can be changed (having a minimum value X m (min) and a maximum value X m (max)) , and the value itself may be unknown. Absent.
本実施形態に係るアレーアンテナ装置100の電気的特性の測定及び計算方法では、各可変リアクタンス素子12−m毎に、基準リアクタンス値Xm (0)とは異なる第1及び第2のリアクタンス値Xm (a),Xm (b)を、基準リアクタンス値Xm (0)からの変動値として用いる。本願明細書ではまた、Xamを偏移リアクタンス値といい、これは、リアクタンス値Xmが、基準リアクタンス値Xm (0)からの偏移(変動)で表されたことを意味する。従って、基準リアクタンス値Xm (0)は偏移リアクタンス値の表現では0になり、リアクタンス値Xm (a),Xm (b)は偏移リアクタンス値の表現ではそれぞれXam (a),Xam (b)(第1及び第2の偏移リアクタンス値ともいう。)になる。また、同様に、Zamを変数変換インピーダンス値という。
In the measurement and calculation method of the electrical characteristics of the
数4及び数5の変数変換より、数1は数7乃至数9のように変形できる。ここで、行列[Xamn]は、偏移リアクタンス値Xam(m=1,2,…,M)を、数2の右辺のリアクタンス値Xmに代入することによって得られる偏移リアクタンス行列であり、行列[Zamn]は、対角要素Z11,Z22,…,ZMMのみが数5の変数変換インピーダンス値Zammに置換されたインピーダンス行列[Zmn]に等しい変数変換インピーダンス行列である。
電圧ベクトル[van]は、偏移リアクタンス値Xamの関数であり、その要素vam(m=1,2,…,M)を本願明細書では偏移電圧値という。 Voltage vector [va n] is a function of the deviation reactance values Xa m, the element va m (m = 1,2, ... , M) is called shift voltage value herein.
図9は、アレーアンテナ装置100の無給電素子Am(m=1,2,…,M)におけるポート部の集中定数回路モデルと、電圧vamの仮想的なポートp4とを示す概略図である。上記の変数変換を行っても、ポート電流imは影響を受けないので、変数変換はポート位置p1の変更を意味するのではない。しかしながら、図9のように、ポートの部分を仮想的に集中定数回路で表す(電流値は場所によらず一定とする。)場合、偏移電圧値vamは、可変リアクタンス素子12−mを、基準リアクタンス値jXm (0)に対応する部分12−m1と、偏移リアクタンス値jXamに対応する部分12−m2とに分割した点p4における電圧値と見ることができる。すなわち、偏移電圧値vamや偏移リアクタンス値Xamのような変数変化されたパラメータ表現は、このポート電圧を展開係数としたものといえる。
9, parasitic elements Am (m = 1,2, ..., M) of the
数7乃至数9より、変数変換されたポート電圧vanはポート電流imの関数であり未知数であるが、偏移リアクタンス値Xam=0とできるので、そのポート電流値imによらず変数変換されたポート電圧値van=0(すなわちポートが短絡した状態)にできる。ゆえに、無給電素子Amの偏移リアクタンス値Xamのみ有限の値を持ち、他のすべての偏移リアクタンス値がXan=0(n≠m)の場合のポート電流im (p)は、数7のm+1列目の関係より次式で表される。
Than the
ここで、変数変換されたアドミタンス値(以下、変数変換アドミタンス値という。)Ya0mは、変数変換インピーダンス行列[Zamn]の逆行列である変数変換アドミタンス行列[Yamn]の要素である。 Here, the variable-converted admittance value (hereinafter referred to as a variable-transform admittance value) Ya 0m is an element of a variable-transform admittance matrix [Y a mn ] that is an inverse matrix of the variable-transform impedance matrix [Z a mn ].
また、無給電素子Am及びAn(n≠m)の可変リアクタンス素子12−m,12−nのみに有限の偏移リアクタンス値Xam (q)とXan (q)を与えた場合のポート電流im (q)は、数7のm+1列目とn+1列目の関係より次式で表される。
Further, port currents when finite shift reactance values Xa m (q) and Xa n (q) are given only to the variable reactance elements 12-m and 12-n of the parasitic elements Am and An (n ≠ m). i m (q) is expressed by the following equation from the relationship of the ( m + 1 ) th column and the (n + 1) th column of
無給電素子Ak(k≠m,k≠n)上の電流も有限の値を有するが、可変リアクタンス素子12−kの偏移リアクタンス値Xakが0であるために、偏移電圧値vakは0となる。よって、数8の右辺の変数変換された電圧ベクトル[van]は、数12の電流im (q)やin (q)のみにより与えることができるので、左辺の電流ベクトル[im]は解ける。
Parasitic element Ak (k ≠ m, k ≠ n) for it on the current also has a finite value, shift reactance values Xa k of the variable reactance element 12-k is 0, shift voltage value va k Becomes 0. Therefore, the variable-converted voltage vector [va n ] on the right side of
次いで、本発明の実施形態に係るアレーアンテナの電気的特性の測定及び計算方法の第1の実施例である、アレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値を測定することによる当該アレーアンテナ装置100の構造パラメータの計算について説明する。この実施例では、アレーアンテナ装置100の入力インピーダンスを測定することによって、当該アレーアンテナ装置100のアドミタンス行列を計算する。
Next, the structural parameters of the
アレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値は、給電素子A0の給電ポートであるコネクタ部にネットワークアナライザ40(図11又は図16を参照)を接続することにより測定できる。この状態の電流等の変数を、ポートに送受信機を接続した状態と区別するため、「’」をつけて表示する。入力インピーダンス値Zinは給電素子A0のポート電流i0’と次式の関係を有する。
The input impedance value of the
ここで、vs’及びZs’は、それぞれネットワークアナライザ40の内部電圧と回路インピーダンスである。アレーアンテナ装置100の給電素子A0の給電ポートに接続する装置の電圧vs’によって、ポート電流i0’は変化するが、それらの比は変らない。ポート電流i0’は数7の1列目の関係から次式で表される。
Here, vs ′ and Zs ′ are the internal voltage and circuit impedance of the
すべての可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,M)の偏移リアクタンス値Xamを0とした場合の入力インピーダンスをZin(0)と表すと、数14及び数15より、次式の変数変換アドミタンス値Ya00が計算される。
All of the variable reactance element 12-m (m = 1,2, ..., M) expressed as Zin (0) the input impedance in the case of a zero shift reactance values Xa m of, than the
可変リアクタンス素子12−mの偏移リアクタンス値のみ第1の偏移リアクタンス値Xam (a)と設定し、他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値を0と設定した場合に測定された入力インピーダンス値をZinm (a)とし、さらに、可変リアクタンス素子12−mの偏移リアクタンス値のみ第2の偏移リアクタンス値Xam (b)と設定し、他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値を0と設定した場合に測定された入力インピーダンス値をZinm (b)とすると、数10、数14及び数15より、次式の変数変換アドミタンス値Yamm及びYa0mが計算される。
The input impedance measured when only the shift reactance value of the variable reactance element 12-m is set to the first shift reactance value Xa m (a) and the shift reactance values of the other variable reactance elements are set to 0. The value is set to Zin m (a) , only the shift reactance value of the variable reactance element 12-m is set as the second shift reactance value Xa m (b), and the shift reactance values of the other variable reactance elements are set as the second reactance reactance value. Assuming that the input impedance value measured when set to 0 is Zin m (b) , the variable conversion admittance values Ya mm and Ya 0m of the following equations are calculated from
可変リアクタンス素子12−m及び12−n(n≠m)のみにそれぞれ第1の偏移リアクタンス値Xam (a)、Xam (a)の偏移リアクタンス値を与え、他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値を0とした場合に測定された入力インピーダンスをZinmn (a)とすると、数12、数14及び数15より、次式の変数変換アドミタンス値Yamnが計算される。
Only the variable reactance elements 12-m and 12-n (n ≠ m) are given the shift reactance values of the first shift reactance values Xa m (a) and Xa m (a) , respectively. Assuming that the input impedance measured when the shift reactance value is 0 is Zin mn (a) , the variable conversion admittance value Ya mn of the following equation is calculated from
変数変換アドミタンス値Yamnをすべて計算するために必要な入力インピーダンス値測定項目を模式的に図10の表の左側の欄に示すように分類する。分類(0)の測定では、数16の計算に必要な測定値を取得し、同様に、分類(i),(ii),(iii)の測定ではそれぞれ、数17乃至数19の計算に必要な測定値を取得する。計算されるべき(測定して計算されるべき)変数変換アドミタンス値Yamnは(M+1)(M+2)/2個存在し、必要な測定回数も1+M+M+M(M−1)/2=(M+1)(M+2)/2回である。
The input impedance value measurement items necessary for calculating all the variable conversion admittance values Ya mn are typically classified as shown in the left column of the table of FIG. In the measurement of the classification (0), the measurement values necessary for the calculation of the
なお、測定して計算される変数変換アドミタンス値Yamnは、数16乃至数23中のインピーダンス値Zs’に依存するが、アドミタンス値Ymnは給電側の特性とは独立であるためインピーダンス値Zs’には依存しない。測定に用いるネットワークアナライザ40(図11を参照)の入力インピーダンスは50Ωと考えられるので、計算にはこの値を用いる。
Note that the variable conversion admittance value Ya mn calculated by measurement depends on the impedance value Zs ′ in
以上説明したように、本実施例に係るアレーアンテナの電気的特性の測定及び計算方法によれば、次のステップでアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値を高精度で測定して計算できる。
(1−1)すべての可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,M)の偏移リアクタンス値Xamを0としたときの入力インピーダンス値Zin(0)を測定し、数16より変数変換アドミタンス値Ya00を計算する。(1回の測定)
(1−2)各可変リアクタンス素子12−1乃至12−Mに関して、可変リアクタンス素子12−mのみに偏移リアクタンス値Xam (a)とXam (b)を与え残りの可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値Xamを0としたときのそれぞれの入力インピーダンス値Zinm (a),Zinm (b)を測定し、数17より変数変換アドミタンス値Yammを計算し、数18より変数変換アドミタンス値Ya0mを計算する。(M回+M回の測定)
(1−3)可変リアクタンス素子12−m及び12−n(n≠m)の偏移リアクタンス値をそれぞれXam (a),Xam (a)とし、残りの偏移リアクタンス値Xamを0としたときの入力インピーダンス値Zinmn (a)を測定し、数19乃至数23より変数変換アドミタンス値Yamnを計算する。(M(M−1)/2回の測定)
(1−4)変数変換されていない(すなわち基準リアクタンス値Xm (0)に対する相対的な値ではない)アドミタンス行列あるいはインピーダンス行列を計算するためには、先の可変リアクタンス素子のインピーダンスの基準値である、基準リアクタンス値Xm (0)を用いて数4、数5、数11及び数24より計算する。
As described above, according to the measurement and calculation method of the electrical characteristics of the array antenna according to the present embodiment, the input impedance value of the
(1-1) All of the variable reactance element 12-m (m = 1,2, ..., M) input impedance Zin when the zero shift reactance values Xa m of the (0) was measured, the
(1-2) For each of the variable reactance elements 12-1 to 12-M, the deviation reactance values Xa m (a) and Xa m (b) are given only to the variable reactance element 12-m, and the deviations of the remaining variable reactance elements are given. transfer reactance values Xa m 0 and then each of the input impedance value when the Zin m (a), measured Zin m (b), the variable conversion admittance value Ya mm than the number 17 is calculated, the number 18 from the variable transformation admittance The value Ya 0m is calculated. (M times + M times measurement)
(1-3) a variable reactance element 12-m and 12-n (n ≠ m) of shift reactance value of each Xa m (a), and Xa m (a), 0 the remaining shift reactance values Xa m The input impedance value Zin mn (a) is measured, and the variable conversion admittance value Ya mn is calculated from
(1-4) In order to calculate an admittance matrix or impedance matrix that is not subjected to variable conversion (that is, not a relative value to the reference reactance value X m (0)) , the reference value of the impedance of the previous variable reactance element Using the reference reactance value X m (0) , the calculation is performed from
なお、変数変換された(すなわち基準リアクタンス値Xm (0)に対する相対的な値として表された)パラメータからアンテナ特性は計算できるので、変数変換されていないパラメータを計算する必要は必ずしも無い。すなわち、基準リアクタンス値Xm (0)は未知数でもアンテナ特性は計算できる。 Since the antenna characteristic can be calculated from the parameter that has been subjected to variable conversion (that is, expressed as a value relative to the reference reactance value X m (0)), it is not always necessary to calculate a parameter that has not been subjected to variable conversion. That is, the antenna characteristic can be calculated even if the reference reactance value X m (0) is unknown.
ここで、アレーアンテナ装置100の構造パラメータの測定及び計算における、リアクタンス値の任意性について述べる。各可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,M)について、偏移リアクタンス値Xam (a)とXam (b)の2つの値は既知である必要がある。これらは基準リアクタンス値Xm (0)からの相対的なリアクタンス値であるので、接続部の影響により集中定数的なインピーダンスにより、実際のリアクタンス値Xm (0)が入力する値からずれていても、変数変換インピーダンス値Zamn (a)や変数変換リアクタンス値Zam (b)は変化しない。この場合、数4及び数5より、このずれは放射部の特性である変数変換インピーダンス値Zamnに含まれることになる。すなわち、各可変リアクタンス素子12−mの可変範囲のずれにばらつきがある場合、そのずれは変数変換インピーダンス値Zamnの非対称性として反映される。ただし、ポートと可変リアクタンス素子12−m間に配線が存在する場合、分布定数的な影響を受け、定義するポート位置により偏移リアクタンス値Xam (a)とXam (b)も変化する(図5乃至図8を参照)。
Here, the arbitraryness of the reactance value in the measurement and calculation of the structural parameter of the
従って、所定の制御電圧VDCmにおいて、基準リアクタンス値Xm (0)からのリアクタンス変動値として単体の偏移リアクタンス値Xam (a)が得られているためには、ポート位置p1は可変リアクタンス素子12−mに近接していなければならない。逆に可変リアクタンス素子12−m単体のリアクタンス変動値が偏移リアクタンス値Xam (a)から少しずれている場合には、計算に偏移リアクタンス値Xam (a)を用いる時点で変動値が偏移リアクタンス値Xam (a)となるような点をポートに選んでいることになる。すなわち、ポート位置p1の自由度は、リアクタンス変動値が実際に偏移リアクタンス値Xam (a)となる点をポートにすることに使われる。 Therefore, in order to obtain the single shift reactance value Xa m (a) as the reactance fluctuation value from the reference reactance value X m (0) at the predetermined control voltage V DCm , the port position p1 has the variable reactance. Must be in proximity to element 12-m. If the reactance fluctuation value of the variable reactance element 12-m alone is slightly deviated from the shift reactance values Xa m (a) in the opposite variation value at the time of using the calculated shift reactance values Xa m (a) is A point having a deviation reactance value Xa m (a) is selected as a port. That is, the degree of freedom of the port position p1 is used to set the point where the reactance fluctuation value actually becomes the shift reactance value Xa m (a) as a port.
本実施形態では、ポート位置の変化による偏移リアクタンス値の変動を避けるために、ポートを可変リアクタンス素子12−mに近接させて設ける。 In the present embodiment, the port is provided close to the variable reactance element 12-m in order to avoid the fluctuation of the shift reactance value due to the change of the port position.
一方、基準リアクタンス値Xm (0)は、測定値から導出された構造パラメータである変数変換インピーダンス値Zamnから、数5に従ってインピーダンス値Zmnを計算する時に必要である。しかし、数5によって(すなわち変数変換されていない)インピーダンス値Zmnや、数4によってリアクタンス値Xmが分からなくても、変数変換インピーダンス値Zamnと偏移リアクタンス値Xamにより、数7を用いて正しくポート電流imを計算でき、さらにアンテナ特性を計算できる。すなわち、アレーアンテナ装置100に関する基準リアクタンス値Xm (0)は任意(未知)で良い。基準リアクタンス値Xm (0)を各無給電素子の自己入力インピーダンス値Zmmの一部と見なしても、可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,M)のリアクタンス値Xmの一部と見なしても、数7からわかるように、アンテナ特性に影響が無いためである。
On the other hand, the reference reactance value X m (0) is necessary when the impedance value Z mn is calculated according to
一方、基準リアクタンス値Xm (0)を用いて、(変数変換されていない)インピーダンス値Zmnが計算されると、さらに、次式を用いて、アドミタンス値Ymn(すなわち、アドミタンス行列[Ymn]の要素)を計算できる。 On the other hand, when the impedance value Z mn (not subjected to variable conversion) is calculated using the reference reactance value X m (0) , the admittance value Y mn (that is, the admittance matrix [Y mn ])).
次に、アレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値を測定することによる、当該アレーアンテナ装置100の可変リアクタンス素子12−mの制御特性の測定方法について説明する。
Next, a method for measuring the control characteristic of the variable reactance element 12-m of the
1つの可変リアクタンス素子12−mの可変リアクタンス値の制御電圧のみを変化させたときの入力インピーダンス値を測定することにより、装荷された可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXmを計算する。装荷された可変リアクタンス素子12−mは実際にはリアクタンス値Xmの成分の他に抵抗成分Rmを持つので、これも合わせて測定して計算される。これにより、装荷された可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXmが、制御パラメータ(ここでは制御電圧)に対してどのような依存性を有するかが分かる。 By measuring the input impedance value when only the control voltage of the variable reactance value of one variable reactance element 12-m is changed, the element impedance value (Z m =) R of the loaded variable reactance element 12-m is measured. m + jX m is calculated. Since armed variable reactance element 12-m actually has a resistance component R m to the other components of the reactance value X m, which is also calculated by measuring the combined. Thereby, it can be seen how the element impedance value (Z m =) R m + jX m of the loaded variable reactance element 12-m has a dependency on the control parameter (here, the control voltage).
変数変換アドミタンス行列の各要素Yamn(n,m=1,2,…,M)が決まると、可変リアクタンス素子12−m以外の偏移リアクタンス値Xan(n≠m)を0とした場合の入力インピーダンスの測定値Zinm (p)から、可変リアクタンス素子12−mのポートから見た変数変換された素子インピーダンス値(以下、変数変換素子インピーダンス値という。)Ram+jXamを次式により計算することができる。 When each element Ya mn (n, m = 1, 2,..., M) of the variable conversion admittance matrix is determined, the shifted reactance value Xa n (n ≠ m) other than the variable reactance element 12-m is set to 0. From the measured value Zin m (p) of the input impedance of the variable reactance element 12-m, the variable-transformed element impedance value (hereinafter referred to as the variable conversion element impedance value) Ra m + jXa m is expressed by the following equation. Can be calculated.
制御電圧を変えながら入力インピーダンス値Zinm (p)を測定することにより、可変リアクタンス素子12−mの変数変換素子インピーダンス値(Zam=)Ram+jXamの制御電圧依存性を測定することができる。 By measuring the input impedance value Zin m (p) while changing the control voltage, to measure the control voltage dependence of the variable variable transducer impedance value of the reactance element 12-m (Za m =) Ra m + jXa m it can.
さらに、次式の可変リアクタンス素子12−mのインピーダンス値の実数部(すなわち抵抗成分)Rmに関する変数変換を用いると、得られた可変リアクタンス素子12−mの変数変換素子インピーダンス値(Zam=)Ram+jXamから、変数変換されていない素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXmを計算することができる。 Moreover, the real part of the impedance value of the variable reactance element 12-m of the formula (i.e., a resistance component) is used variable transformation regarding R m, resulting variable transducer impedance value of the variable reactance element 12-m (Za m = ) From Ra m + jXa m , the element impedance value (Z m =) R m + jX m that has not been subjected to variable conversion can be calculated.
ここで、Rm (0)は、数4と同様に設定される可変リアクタンス素子12−mの基準抵抗値である。
Here, R m (0) is a reference resistance value of the variable reactance element 12-m set in the same manner as in
以上説明したように、本実施形態のアレーアンテナの電気的特性の測定及び計算方法によれば、以下の手順により、可変リアクタンス素子12−mの制御電圧対素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXm特性を高精度で測定できる。
(2−1)無給電素子Amに装荷されている可変リアクタンス素子12−mの制御特性を調べるためには、その制御パラメータ(制御電圧)を与え、残りの可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値Xamを0としたときの、入力インピーダンス値Zinm (p)を測定し、上記で計算した変数変換アドミタンス値を用いて、数25より、可変リアクタンス素子の変数変換素子インピーダンス値Ram+jXamを求める。
(2−2)可変リアクタンス素子12−mの制御パラメータ(制御電圧VDCm)を変化させ、変化させる毎に入力インピーダンス値Zinm (p)を測定し、可変リアクタンス素子の変数変換素子インピーダンス値Ram+jXamの制御特性を求める。
(2−3)基準抵抗値Rm (0)及び基準リアクタンス値Xm (0)を用いて、数4及び数26より、求められた制御特性を、変数変換されていない素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXmで表された制御特性に変換する。
それによって、アレーアンテナ装置100中の可変リアクタンス素子12−mの制御電圧対素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXm特性を測定できる。
As described above, according to the measurement and calculation method of the electrical characteristics of the array antenna of the present embodiment, the control voltage of the variable reactance element 12-m versus the element impedance value (Z m =) R m is obtained by the following procedure. + JX m characteristics can be measured with high accuracy.
(2-1) In order to investigate the control characteristics of the variable reactance element 12-m loaded in the parasitic element Am, its control parameter (control voltage) is given, and the shift reactance value Xa of the remaining variable reactance elements When m is set to 0, the input impedance value Zin m (p) is measured, and the variable conversion admittance value calculated above is used to calculate the variable conversion element impedance value Ra m + jXa m of the variable reactance element from
(2-2) The control parameter (control voltage V DCm ) of the variable reactance element 12-m is changed, and the input impedance value Zin m (p) is measured every time the variable reactance element 12-m is changed, and the variable conversion element impedance value Ra of the variable reactance element The control characteristic of m + jXa m is obtained.
(2-3) Using the reference resistance value R m (0) and the reference reactance value X m (0) , the control characteristic obtained from
Thereby, the control voltage versus element impedance value (Z m =) R m + jX m characteristic of the variable reactance element 12-m in the
次に、上記のごとく測定して計算されたアレーアンテナ装置100の構造パラメータに基づいた、当該アレーアンテナ装置のリアクタンス値対入力インピーダンス値特性の計算について説明する。
Next, calculation of reactance value versus input impedance value characteristics of the array antenna apparatus based on the structural parameters of the
アレーアンテナ装置100の各アンテナ素子A0乃至A6間のインピーダンス行列[Zmn]を上述の方法で測定及び計算し、任意の制御電圧が印加されたときの各可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXmを、上述の方法にしたがい測定して計算する。その素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXmのときのアンテナ特性を以下のステップの計算によって求める。
The impedance matrix [Z mn ] between the antenna elements A0 to A6 of the
(3−1)可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値における抵抗成分を考慮するため、数1及び数2のリアクタンス値jXmの代わりに複素数の素子インピーダンス値Rm+jXmを代入した数27及び数28と、数3とを用いて、ポート電流imを計算する。
(3-1) to account for the resistance component in the element impedance value of the variable reactance element 12-m, the number of substituting element impedance value R m + jX m complex instead of
(3−2)数14のプライム「’」を除いた次式の電流i0に、ステップ(3−1)で求めた値を代入して入力インピーダンス値Zinを計算する。なお、ポートに図11のネットワークアナライザ40が接続された場合を「’」を付けて表記した。
(3-2) the current i 0 of the formula, except the
なお、数3のvsは給電部の開放電圧であるが、任意の値を用いても計算結果は同じである。また、本実施形態では、ポート電流imを計算するために、数27及び数28により、可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXm(すなわち、実数部と虚数部の両方を含む。)を用いたが、数1及び数2によって可変リアクタンス素子12−mのリアクタンス値Xmを用いてポート電流imを計算してもよい。
Note that vs in
さらに、数4及び数5の変数変換に代わって、可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値の実数部と虚数部の両方(すなわち、抵抗値Rmとリアクタンス値Xm)を考慮した次式の変数変換を実行してもよい。
Further, in place of the variable transformations of
このような変数変換を実行した後で、アレーアンテナ装置100の入力インピーダンスを測定することによって当該アレーアンテナ装置100の構造パラメータを計算することは、上記で説明した方法と同様に可能である。
After performing such variable conversion, it is possible to calculate the structural parameters of the
次いで、本発明の第1の実施形態に係るアレーアンテナの電気的特性の測定及び計算方法の第2の実施例である、アレーアンテナ装置100の遠方界指向性を測定することによる当該アレーアンテナ装置100の構造パラメータの計算について説明する。
Next, the array antenna apparatus by measuring the far-field directivity of the
等価ステアリングベクトルモデルによると、アレーアンテナ装置100の方位角をφとして、仰角(すなわち鉛直方向からの傾き角)をθとするとき、遠方における電界E(θ,φ)は次式で表される(非特許文献3を参照)。
According to the equivalent steering vector model, when the azimuth angle of the
ここで、偏移電圧ベクトル[vam]や変数変換アドミタンス行列[Yamn]を用いた表現では、数33は次式のように表される。
Here, in the expression using the shift voltage vector [va m ] and the variable conversion admittance matrix [Ya mn ],
非特許文献4では、展開関数を要素とするベクトル(すなわち、等価ステアリングベクトル)[uam v(θ,φ)]を、[uam i(θ,φ)]と表した。本願明細書では、以下、仰角θの表記を省略し、断りのない限り仰角θ=90度である。また、方位角φは、アレーアンテナ装置100の給電素子A0に対して無給電素子A1が位置する方向を0度とする。
In
すべての可変リアクタンス素子12−mの偏移リアクタンス値Xam(m=1,2,…,M)を0とした場合の指向性をE(0)(φ)=E(0)(θ,φ)とすると、数34より次式が得られる。
The directivity when the deviation reactance values Xa m (m = 1, 2,..., M) of all the variable reactance elements 12-m are set to 0 is represented by E (0) (φ) = E (0) (θ, If φ), the following equation is obtained from
可変リアクタンス素子12−mの偏移リアクタンス値のみXam (a)として他の可変リアクタンス素子12−n(n≠m)の偏移リアクタンス値を0とした場合のアレーアンテナ装置100の指向性(すなわち遠方界の電界)をEm (a)(φ)=Em (a)(θ,φ)とし、可変リアクタンス素子12−mの偏移リアクタンス値のみXam (b)として他の可変リアクタンス素子12−n(n≠m)の偏移リアクタンス値を0とした場合の方位角φ=φ0方向の電界をEm (b)(φ0)=Em (b)(θ,φ0)とすると、数10と数34の関係より、次式の変数変換アドミタンス値Yammと途中計算値uam v(φ)Ya0mが計算される。
Directivity of
数38より、ある仰角面内(θ=θ0)の変数変換等価ステアリングベクトルの各要素uam v(θ0,φ)(m=1,2,…,M)はその面内の指向性E(θ0,φ)から計算可能であり、他の仰角面内の指向性とは独立に決定されることが分かる。
From
可変リアクタンス素子12−mと可変リアクタンス素子12−n(n≠m)のみに有限の偏移リアクタンス値Xam (a)とXan (a)をそれぞれ与えた場合の方位角φ=φ0方向の指向性をEmn (a)(φ0)=Emn (a)(θ,φ0)とすると、数12と数34より、次式の変数変換アドミタンス値Yamnが計算される。
Azimuth angle φ = φ 0 direction when finite shift reactance values Xa m (a) and Xa n (a) are given only to variable reactance element 12-m and variable reactance element 12-n (n ≠ m ) , respectively Is expressed as E mn (a) (φ 0 ) = E mn (a) (θ, φ 0 ), the variable conversion admittance value Ya mn of the following equation is calculated from
途中計算値Q3及びQ4(数22及び数23を参照)は、数37を用いて計算される。
Intermediate calculation values Q 3 and Q 4 (see
入力インピーダンス値を測定してアレーアンテナ装置100の構造パラメータを計算した前述の実施例と同様に、偏移リアクタンス値Xam (a)とXam (b)は既知とする必要がある。対応する測定項目を模式的に図10の表の右の欄に示すように分類する。分類(0)の測定では、数36の計算に必要な測定値を取得し、同様に、分類(i),(ii),(iii)の測定ではそれぞれ、数38と、数37と、数39乃至数43の計算に必要な測定値を取得する。遠方界指向性の測定回数は入力インピーダンス値を測定する場合に等しく、(M+1)(M+2)/2回である。
Similar to the above-described embodiment in which the input impedance value is measured and the structural parameters of the
数38の途中計算値uam v(φ)Ya0mは、アドミタンス値を繰り込んだ等価ステアリングベクトルとみなすことができる。ここで、途中計算値uam v(φ)Ya0mから、変数変換等価ステアリングベクトルの要素uam v(φ)を導出する方法について説明する。
The midway calculated value ua m v (φ) Ya 0m in
数38は変数変換アドミタンス値Ya0mと変数変換等価ステアリングベクトルの要素uam v(φ)との積を与え、アンテナの指向性はこの積から計算することができる。すなわち、等価ステアリングベクトルの要素uam v(φ)に変数変換アドミタンス値Ya0mを繰り込んで考えることができる。しかし、各々の値を決める式が無い。また、数36乃至数43には変数変換アドミタンス値Ya00を決める式が無い。数4及び数5を用いて、変数変換されていないパラメータを計算するために、変数変換アドミタンス値Ya00、Ya0mが必要である。変数変換アドミタンス値Ya00は、すべての偏移リアクタンス値Xamを0にした場合の入力インピーダンス値Zin(0)を測定し数16により求めることができる。また、変数変換アドミタンス値Ya0mは、M個の可変リアクタンス素子12−mに関して、各可変リアクタンス素子12−mに偏移リアクタンス値Xam (a)を与えて他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値を0にした場合の入力インピーダンス値Zinm (a)を測定し、数37から計算できる変数変換アドミタンス値Yammを数18に代入して計算できる。すなわち、入力インピーダンス値測定に関する分類(0)と分類(i)の測定項目を追加すれば良い。それによって、次の除算を行って、等価ステアリングベクトルの要素uam v(φ)を計算できる。
次いで、送受信機回路インピーダンス値Zsを計算する方法を説明する。変数変換アドミタンス値Ya00、Ya0mを計算するためには、数16及び数18のインピーダンス値Zs’を送受信機部のインピーダンス値Zsに変えた次式を用いる。
Next, a method for calculating the transceiver circuit impedance value Zs will be described. In order to calculate the variable conversion admittance values Ya 00 and Ya 0m , the following equation is used in which the impedance value Zs ′ of
インピーダンス値Zsは、数37により変数変換アドミタンス値Yakkが与えられるので決まる。インピーダンス値Zsを算出するために、可変リアクタンス素子12−kのみに偏移リアクタンス値Xak (b)を与えて他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値を0にした場合の入力インピーダンス値測定をさらに1回実行する。その測定された入力インピーダンス値をZink (p)として、インピーダンス値Zsを次式により計算する。 The impedance value Zs is determined because the variable conversion admittance value Yakk is given by Equation 37. In order to calculate the impedance value Zs, the input reactance value is measured when the shift reactance value Xa k (b) is given only to the variable reactance element 12-k and the shift reactance values of the other variable reactance elements are set to zero. Run once more. Using the measured input impedance value as Zin k (p) , the impedance value Zs is calculated by the following equation.
以上説明したように、本実施形態に係るアレーアンテナの電気的特性の測定及び計算方法によれば、アレーアンテナ装置100の遠方界の電界を測定することによって、当該アレーアンテナ装置100の等価ステアリングベクトルを計算できる。等価ステアリングベクトルの要素um i(θ,φ)を計算するためには、遠方界指向性の測定をM+2個追加する。
As described above, according to the measurement and calculation method of the electrical characteristics of the array antenna according to the present embodiment, the equivalent steering vector of the
以上説明したように、本実施形態の測定及び計算方法によれば、以下のステップでアレーアンテナ装置100の構造パラメータを測定して計算することができる。
(4−1)各可変リアクタンス素子12−mのすべてに上記基準リアクタンス値が設定されたときのアレーアンテナ装置100の遠方界の電界E(0)(θ,φ)を測定する。
(4−2)各可変リアクタンス素子12−mの1つに第1の偏移リアクタンス値Xam (a)を設定して他の可変リアクタンス素子に基準リアクタンス値を設定したときと、第1の偏移リアクタンス値Xam (a)を設定する可変リアクタンス素子を順次に変化させたときのアレーアンテナ装置100の遠方界の電界Em (a)(θ,φ)をそれぞれ測定する。
(4−3)各可変リアクタンス素子12−mの1つに第2の偏移リアクタンス値Xam (b)を設定して他の可変リアクタンス素子に基準リアクタンス値を設定したときと、第2の偏移リアクタンス値Xam (b)を設定する可変リアクタンス素子を順次に変化させたときのアレーアンテナ装置100の所定の方位角φ0における遠方界の電界Em (b)(θ,φ0)をそれぞれ測定する。
(4−4)各可変リアクタンス素子12−mのうちの2つに第1の偏移リアクタンス値Xam (a)を設定して他の可変リアクタンス素子に基準リアクタンス値を設定したときと、第1の偏移リアクタンス値Xam (a)を設定する2つの可変リアクタンス素子12−m,12−n(n≠m)を、各可変リアクタンス素子のすべての組み合わせを含むように順次に変化させたときのアレーアンテナ装置100の所定の方位角φ0における遠方界の電界Emn (a)(θ,φ0)を測定する。
(4−5)各可変リアクタンス素子12−mのすべてに上記基準リアクタンス値が設定されたときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zin(0)を測定する。
(4−6)各可変リアクタンス素子12−mの1つに第1の偏移リアクタンス値Xam (a)を設定して他の可変リアクタンス素子に基準リアクタンス値を設定したときと、上記第1の偏移リアクタンス値を設定する可変リアクタンス素子を順次に変化させたときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zinm (a)をそれぞれ測定する。
(4−7)各可変リアクタンス素子12−mの1つに第2の偏移リアクタンス値Xam (b)を設定して他の可変リアクタンス素子に基準リアクタンス値を設定したときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zink (b)を測定する。
(4−8)測定された各遠方界の電界E(0)(θ,φ)、Em (a)(θ,φ)、Em (b)(θ,φ0)及びEmn (a)(θ,φ0)と、上記測定された各入力インピーダンス値Zin(0)、Zinm (a)及びZink (b)とに基づいて、上記遠方界の電界と、上記入力インピーダンス値と、上記第1及び第2の偏移リアクタンス値と、アレーアンテナ装置100の給電素子A0と各無給電素子A1乃至A6を含む各アンテナ素子間のアドミタンス値との関係式(すなわち、数37、数39乃至数43、数47乃至数49、数16及び数18)を用いて、偏移リアクタンス値に関連付けられたアレーアンテナ装置100の各アンテナ素子間のアドミタンス値である変数変換アドミタンス値を計算する。
(4−9)各測定された各遠方界の電界E(0)(θ,φ)及びEm (a)(θ,φ)と、上記計算された変数変換アドミタンス値とに基づいて、上記遠方界の電界と、上記第1の偏移リアクタンス値と、上記変数変換アドミタンス値と、アレーアンテナ装置100の上記各アンテナ素子の指向特性関数との関係式(すなわち、数36、数38及び数44)を用いて、偏移リアクタンス値に関連付けられたアレーアンテナ装置100の上記各アンテナ素子の指向特性関数を要素とする等価ステアリングベクトルを計算する。
(4−10)変数変化されていない等価ステアリングベクトルを計算するときには、計算された偏移リアクタンス値に関連付けられたアレーアンテナ装置100の各アンテナ素子A0乃至A6の指向特性関数を要素とする等価ステアリングベクトルと、上記計算された変数変換アドミタンス値とに基づいて、上記変数変換アドミタンス値と等価ステアリングベクトルとの関係式(数35)を用いて、上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトルを計算する。
As described above, according to the measurement and calculation method of this embodiment, the structural parameters of the
(4-1) The far-field electric field E (0) (θ, φ) of the
(4-2) When the first shift reactance value Xa m (a) is set in one of the variable reactance elements 12-m and the reference reactance value is set in the other variable reactance elements, The far-field electric field E m (a) (θ, φ) of the
(4-3) When the second shift reactance value Xa m (b) is set in one of the variable reactance elements 12-m and the reference reactance value is set in the other variable reactance elements, A far-field electric field E m (b) (θ, φ 0 ) at a predetermined azimuth angle φ 0 of the
(4-4) When the first shift reactance value Xa m (a) is set in two of the variable reactance elements 12-m and the reference reactance value is set in the other variable reactance elements, Two variable reactance elements 12-m and 12-n (n ≠ m ) for setting one shift reactance value Xa m (a) were sequentially changed so as to include all combinations of the variable reactance elements. The far-field electric field E mn (a) (θ, φ 0 ) at a predetermined azimuth angle φ 0 of the
(4-5) The input impedance value Zin (0) of the
(4-6) When the first shift reactance value Xa m (a) is set in one of the variable reactance elements 12-m and the reference reactance value is set in the other variable reactance elements, The input impedance value Zin m (a) of the
(4-7)
(4-8) The measured electric fields E (0) (θ, φ), E m (a) (θ, φ), E m (b) (θ, φ 0 ), and E mn (a ) Based on (θ, φ 0 ) and the measured input impedance values Zin (0) , Zin m (a) and Zin k (b) , the far-field electric field, the input impedance value, , A relational expression between the first and second shift reactance values and an admittance value between the antenna elements including the feeding element A0 and the parasitic elements A1 to A6 of the array antenna apparatus 100 (that is, Expression 37, Expression 39 to
(4-9) Based on each measured far field electric field E (0) (θ, φ) and E m (a) (θ, φ) and the calculated variable transformation admittance value, Relational expressions of the far-field electric field, the first shift reactance value, the variable conversion admittance value, and the directivity function of each antenna element of the array antenna apparatus 100 (that is,
(4-10) When calculating an equivalent steering vector in which no variable is changed, an equivalent steering having the directivity function of each of the antenna elements A0 to A6 of the
また、本実施形態の測定及び計算方法によれば、変形例として、以下のステップでアレーアンテナ装置100の構造パラメータを測定して計算することもできる。
(4−1’)すべての偏移リアクタンス値Xamを0としたときの指向性E(0)(φ)を測定し、数36より等価ステアリングベクトルの要素ua0(φ)を計算する。(1回の測定)
(4−2’)可変リアクタンス素子12−mのみに偏移リアクタンス値Xam (a)を与え、残りの偏移リアクタンス値Xamを0としたときの遠方界指向性Em (a)(φ)を測定し、この測定を、各可変リアクタンス素子12−mに関して繰り返す(M回の測定)。
(4−3’)1つの可変リアクタンス素子12−kのみに関して、可変リアクタンス素子12−kのみに偏移リアクタンス値Xam (b)を与え、残りの偏移リアクタンス値Xamを0としたときの、特定の方位角φ0における遠方界の電界Ek (b)(φ0)を測定する。(1回の測定)
(4−4’)数37においてm=kとした式にステップ(4−2’)及び(4−3’)の測定値を代入して、変数変換アドミタンス値Yakkを計算する。
(4−5’)上記で測定した入力インピーダンス値Zink (0),Zink (a),Zink (b)と、ステップ(4−4’)で求めた変数変換アドミタンス値Yakkを用いて、数47より、送受信機部のインピーダンス値Zsを計算する。
(4−6’)上記の入力インピーダンス値測定の測定値を用い、数16乃至数23のインピーダンス値Zs’の代わりにステップ(4−5’)で求めたインピーダンス値Zsを代入して、変数変換アドミタンス値Ya00,Yamm,Ya0m,Yamnを計算する。m=kに関する変数変換アドミタンス値Yakkはステップ(4−4’)で求めているので、計算は不要である。
(4−7’)ステップ(4−2’)の測定値である電界Em (a)(φ)を用いて、数38より、途中計算値uam v(φ)Ya0mを計算する。
(4−8’)ステップ(4−6’)で求めた変数変換アドミタンス値Ya0mより、ステップ(4−7)の途中計算値uam v(φ)Ya0mより、変数変換等価ステアリングベクトルの要素uam v(φ)を計算する。
(4−9’)変数変換されていない等価ステアリングベクトルの要素um i(φ)を計算するには、変数変換等価ステアリングベクトルの要素uam v(φ)から数35により計算する。
Further, according to the measurement and calculation method of the present embodiment, as a modification, the structural parameters of the
(4-1 ') of all the shift reactance directional E when the Xa m was 0 (0) (phi) is measured to calculate the elements ua 0 equivalent steering vector from the number 36 (phi). (One measurement)
(4-2 ') variable only reactance element 12-m to give a shift reactance values Xa m (a), the remaining shift reactance values Xa m 0 and the far field directivity E m when (a) ( φ) is measured and this measurement is repeated for each variable reactance element 12-m (M measurements).
(4-3 ') with respect to only one variable reactance element 12-k, only the variable reactance element 12-k to give shift reactance values Xa m (b), when the remaining shift reactance values Xa m is 0 The far-field electric field E k (b) (φ 0 ) at a specific azimuth angle φ 0 is measured. (One measurement)
(4-4 ′) The variable conversion admittance value Ya kk is calculated by substituting the measured values of steps (4-2 ′) and (4-3 ′) into the equation where m = k in Equation 37.
(4-5 ′) Using the input impedance values Zin k (0) , Zin k (a) , Zin k (b) measured above and the variable conversion admittance value Ya kk obtained in step (4-4 ′). Thus, the impedance value Zs of the transceiver unit is calculated from Equation 47.
(4-6 ′) Using the measured value of the input impedance value measurement described above, the impedance value Zs obtained in step (4-5 ′) is substituted for the impedance value Zs ′ in
(4-7 ′) Using the electric field E m (a) (φ) that is the measurement value in step (4-2 ′), the midway calculated value ua m v (φ) Ya 0m is calculated from
(4-8 ′) From the variable conversion admittance value Ya 0m obtained in step (4-6 ′), from the intermediate calculation value ua m v (φ) Ya 0m in step (4-7), the variable conversion equivalent steering vector The element ua m v (φ) is calculated.
(4-9 ') to compute the elements u m i of an equivalent steering vector that are not variable transformation (phi) is calculated by means of the elements ua m v
次に、アレーアンテナ装置100の遠方界指向性を測定することによる、当該アレーアンテナ装置100の可変リアクタンス素子12−mの制御特性の測定方法について説明する。
Next, a method for measuring the control characteristics of the variable reactance element 12-m of the
1つの可変リアクタンス素子12−mの可変リアクタンス値の制御電圧のみを変化させたときのある方向の遠方界の電界より、装荷された可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXmを測定する。(装荷された可変リアクタンス素子12−mは実際にはリアクタンス値Xmの成分の他に抵抗成分Rmを持つので合わせて測定される。)これにより、装荷された可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXmが、制御電圧に対してどのような依存性を有するかが分かる。 From the far-field electric field in a certain direction when only the control voltage of the variable reactance value of one variable reactance element 12-m is changed, the element impedance value (Z m =) R of the loaded variable reactance element 12-m m + jX m is measured. (Armed variable reactance element 12-m is determined to suit the actual To have in addition to the resistance component R m of the components of the reactance value X m.) Thus, armed of the variable reactance element 12-m It can be seen how the element impedance value (Z m =) R m + jX m has a dependency on the control voltage.
アレーアンテナ装置100の変数変換アドミタンス値Yamnがすべて計算されれば、1つの可変リアクタンス素子12−mのリアクタンス値を制御したときの指向性Em (p)(φ0)の測定から可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,M)の変数変換素子インピーダンス値Ram+jXamを次式で計算することができる。
If all the variable conversion admittance values Ya mn of the
制御電圧を変えながら遠方界の電界Em (p)(φ)を測定することにより、可変リアクタンス素子の変数変換素子インピーダンス値の制御電圧依存性を測定することができる。さらに、数4及び数26を用いて、変数変換素子インピーダンス値Zamで表された数50の制御電圧依存性から、変数変換されていない素子インピーダンス値Zmで表された制御電圧依存性を計算することができる。
By measuring the far-field electric field E m (p) (φ) while changing the control voltage, the control voltage dependence of the variable conversion element impedance value of the variable reactance element can be measured. Furthermore, the
以上説明したように、可変リアクタンス素子の制御電圧対素子インピーダンス値(又は素子リアクタンス値)特性の測定方法によれば、以下の手順で当該特性を測定できる。
(5−1)無給電素子Amに装荷されている可変リアクタンス素子12−mの制御特性を調べるためには、その制御パラメータ(制御電圧)を与え、残りの可変リアクタンス素子のリアクタンス値Xan(n≠m)を0としたときの、特定の方位角φ0における遠方界の電界Em (p)(φ0)を測定し、上記で求めた変数変換アドミタンス値を用いて、数50より、可変リアクタンス素子の変数変換素子インピーダンス値Ram+jXamを求める。
(5−2)可変リアクタンス素子12−mの制御パラメータ(制御電圧)を変えながら遠方界の電界Em (p)(φ0)を測定し、可変リアクタンス素子の変数変換素子インピーダンス値Ram+jXamの制御特性を求める。
(5−3)基準リアクタンス値Xm (0)を用いて、数4及び数26より、変数変換されていない素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXmに変換する。
それによって、アレーアンテナ装置100中の可変リアクタンス素子12−mの制御電圧対素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXm特性を高精度で測定できる。
As described above, according to the method for measuring the control voltage versus element impedance value (or element reactance value) characteristic of the variable reactance element, the characteristic can be measured by the following procedure.
(5-1) In order to investigate the control characteristics of the variable reactance element 12-m loaded on the parasitic element Am, its control parameter (control voltage) is given, and the reactance value Xa n ( Measure the far-field electric field E m (p) (φ 0 ) at a specific azimuth angle φ 0 when n ≠ m) is 0, and use the variable conversion admittance value obtained above, The variable conversion element impedance value Ra m + jXa m of the variable reactance element is obtained.
(5-2) The far-field electric field E m (p) (φ 0 ) is measured while changing the control parameter (control voltage) of the variable reactance element 12-m, and the variable conversion element impedance value Ra m + jXa of the variable reactance element Determine the control characteristic of m .
(5-3) Using the standard reactance value X m (0) , the element impedance value (Z m =) R m + jX m not subjected to variable conversion is converted from
As a result, the control voltage versus element impedance value (Z m =) R m + jX m characteristic of the variable reactance element 12-m in the
次に、以上測定して計算されたアレーアンテナ装置100の構造パラメータに基づいた、当該アレーアンテナ装置のリアクタンス値対遠方界指向性の計算について説明する。
Next, calculation of reactance value vs. far-field directivity of the array antenna device based on the structure parameters of the
予め、アレーアンテナ装置100の各アンテナ素子A0乃至A6間のインピーダンス値Zmnと、アレーアンテナ装置100の等価ステアリングベクトルの要素um i(θ,φ)とを、上述のように求める。さらに、任意の制御電圧が印加されたときの各可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXmを、上述の方法にしたがい測定して計算する。その素子インピーダンス値(Zm=)Rm+jXmのときのアンテナ特性を以下のステップの計算によって求める。
(6−1)可変リアクタンス素子12−mの抵抗成分を考慮するため、数3、数27及び数28を用いて、ポート電流imを計算する。
(6−2)数33の電流imにステップ(6−1)で求めた値を代入して指向性E(θ,φ)を計算する。
遠方界指向性測定を用いた構造パラメータの計算において、等価ステアリングベクトルの要素um i(θ,φ)は、数3の電圧vsとの積の形で計算できる(vs=1とする)ので、上述の指向性の計算結果は、電圧vsの値に依存しない。
The impedance value Z mn between the antenna elements A0 to A6 of the
(6-1) to account for the resistance component of the variable reactance element 12-m, the
(6-2) The
In the calculation of the structural parameter using the far-field directivity measurement, the element u m i (θ, φ) of the equivalent steering vector can be calculated in the form of the product of the voltage vs of Equation 3 (vs = 1). The directivity calculation result described above does not depend on the value of the voltage vs.
以上説明した第1の実施例と第2の実施例に係るアレーアンテナの電気的特性の測定及び計算方法において、測定方法が含む自由度といくつかの変形例について説明する。 In the measurement and calculation methods for the electrical characteristics of the array antennas according to the first and second embodiments described above, the degree of freedom included in the measurement method and some modifications will be described.
図10の各測定分類(0),(i),(ii),(iii)において、入力インピーダンス値と遠方界指向性の測定項目は交換可能である。また、図10のすべての入力インピーダンス値測定を(M+1)(M+2)/2回だけ実行し、分類(0)と分類(i)の指向性測定M+1回と、インピーダンス値Zsを求めるための分類(ii)の測定を1回だけ実行することにより、すべての構造パラメータ{Yamn,uam,ua0,Zs}を計算できる。構造パラメータの個数も測定回数と同じ(M+2)(M+3)/2個である。分類(ii)の遠方界指向性測定を行う素子に関しては、変数変換アドミタンス値Yakkは数37より計算し、その値を用いて数47よりインピーダンス値Zsを計算する。本実施形態の変形例では、この測定項目の組み合わせを用いる。7素子の電子制御導波器アレーアンテナ装置は可変リアクタンス素子の個数M=6なので36回の測定を行うことになる。
In each measurement classification (0), (i), (ii), (iii) of FIG. 10, the measurement items of the input impedance value and the far-field directivity can be exchanged. Further, all the input impedance value measurements in FIG. 10 are performed only (M + 1) (M + 2) / 2 times, the directivity measurement M + 1 times of classification (0) and classification (i), and the classification for obtaining the impedance value Zs. by only performing a single measurement of (ii), all
測定項目の交換が可能なのは、数15と、数34及び数35とが同じ形をしているためである。指向性(すなわち遠方界の電界)E(φ)は角度依存性を有するが、ある方位角φ0の電界E(φ0)に固定して考えた場合、この電界E(φ0)と入力インピーダンス値Zinは、偏移リアクタンス値Xamに対して同じ依存性を示す。従って、これら2つの値を測定しても、偏移リアクタンス値Xamに関する情報は2倍に増えない。増えるようであれば、測定を行う偏移リアクタンス値Xamの数を増やすことにより、すべての偏移リアクタンス値Xamを容易に解くことができる。これができないため、本実施形態の測定及び計算方法では偏移リアクタンス値Xam (a)とXam (b)とは既知とする。一方、従来の各アンテナ素子上の電流を測定する方法では、例えばM+1個の素子数と同じ個数の電流値が測定できるので、リアクタンス値を変えて幾つかの測定を行うことにより、すべてのリアクタンス値Xmを未知数として解くことができる(図4の表を参照)。
The reason why the measurement items can be exchanged is that
入力インピーダンス値測定と、特定方向の遠方界指向性測定との交換に関して幾つかの組み合わせがあるが、ここに2つの例を示す。第1の例として、アレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値による変数変換アドミタンス値Yamnを計算するためのステップ(1−3)を、次の指向性測定処理で代用する。
(1−3’)可変リアクタンス素子12−m及び12−n(n≠m)の偏移リアクタンス値をそれぞれXam (a),Xan (a)とし、残りの偏移リアクタンス値Xamを0としたときの、特定の方位角φ0における遠方界の電界Emn (a)(φ0)を測定し、上記で求めた変数変換アドミタンス値を用いて、数39より変数変換アドミタンス値Yamnを計算する。これによれば、M(M−1)/2回の測定がさらに必要になる。
There are several combinations regarding the exchange of the input impedance value measurement and the far-field directivity measurement in a specific direction, but here are two examples. As a first example, the step (1-3) for calculating the variable conversion admittance value Ya mn by the input impedance value of the
(1-3 ') variable reactance element 12-m and 12-n (n ≠ m) a shift reactance value each Xa m (a), and Xa n (a), the rest of the shift reactance values Xa m A far-field electric field E mn (a) (φ 0 ) at a specific azimuth angle φ 0 , when set to 0, is measured, and the variable conversion admittance value Ya is calculated from Equation 39 using the variable conversion admittance value obtained above. Calculate mn . This further requires M (M-1) / 2 measurements.
次いで、第2の例として、アレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値測定による変数変換アドミタンス値Yammを計算するためのステップ(1−2)を、次の遠方界指向性測定で代用する。
(1−2’)各可変リアクタンス素子12−1乃至12−Mに関して、可変リアクタンス素子12−mのみに偏移リアクタンス値Xam (a)を与え残りの可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値Xamを0としたときの指向性Em (a)(φ)を測定し(M回の測定)、可変リアクタンス素子12−mのみに偏移リアクタンス値Xam (b)を与え残りの可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値Xamを0としたときの特定の方位角φ0における遠方界の電界Em (b)(φ0)を測定し(M回の測定)、数37より変数変換アドミタンス値Yammを計算し、数38より途中計算値uam v(φ)Ya0mを計算する。数37及び数38の計算に必要な電界E(0)(φ)は測定により求める必要がある。
Next, as a second example, the step (1-2) for calculating the variable conversion admittance value Ya mm by measuring the input impedance value of the
(1-2 ') with respect to each of the variable reactance elements 12-1 to 12-M, the variable reactance element 12-m only shift reactance values Xa m of the remaining variable reactance element given shift reactance values Xa m (a) The directivity E m (a) (φ) is measured when M is 0 (measurement of M times), and the shift reactance value Xa m (b) is given only to the variable reactance element 12-m, and the remaining variable reactance elements the measured shift reactance values Xa m 0 and the electric field E m of far-field at a particular azimuth angle phi 0 when (b) (φ 0) ( M measurements of), the number 37 from the variable conversion admittance value Ya mm is calculated, and an intermediate calculation value ua m v (φ) Ya 0 m is calculated from
また、途中計算値uam v(φ)Ya0mから、変数変換等価ステアリングベクトルの要素uam v(φ)を求めるためには、変数変換アドミタンス値Ya0mが必要である。そのためには、ステップ(1−2)の一部である下記のステップ(1−2)”の測定を行う。
(1−2)” 各可変リアクタンス素子12−mに関して、可変リアクタンス素子12−mのみに偏移リアクタンス値Xam (a)を与え残りの可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値Xamを0としたときの入力インピーダンス値Zinm (a)を測定し、数18より変数変換アドミタンス値Ya0mを計算する。
Further, in order to obtain the element ua m v (φ) of the variable conversion equivalent steering vector from the midway calculated value ua m v (φ) Ya 0m , the variable conversion admittance value Ya 0m is required. For that purpose, the following step (1-2) ", which is a part of step (1-2), is measured.
(1-2) "with respect to each of the variable reactance element 12-m, and a zero shift reactance values Xa m of the remaining variable reactance element giving a variable reactance element 12-m only shift reactance values Xa m (a) Input impedance value Zin m (a) is measured, and a variable conversion admittance value Ya 0m is calculated from Equation 18.
これより、以上説明した第1の実施例及び第2の実施例に係るアレーアンテナの電気的特性の測定及び計算方法に係る処理を実行するシステムをそれぞれ示す。 Hereafter, systems for executing the processes related to the measurement and calculation method of the electrical characteristics of the array antenna according to the first and second embodiments described above will be respectively shown.
図11は、本発明の第1の実施形態に係る第1の実施例に係る、入力インピーダンス値測定を用いたアレーアンテナ装置100の構造パラメータ測定計算システムの構成を示すブロック図である。
FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the structural parameter measurement calculation system of the
図11の測定計算システムにおいて、電波暗室200の内部には、測定対象としてのアレーアンテナ装置100が、支持台101上に取り付けられて設置されている。アレーアンテナ装置100の給電素子A0の給電ポート(図示せず。)は同軸ケーブル5を介してネットワークアナライザ40に接続され、ネットワークアナライザ40は、アレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値を測定し、測定された入力インピーダンス値を測定コンピュータ50に出力する。測定コンピュータ50は、例えばディジタル計算機で構成され、制御電圧コントローラ30を制御してアレーアンテナ装置100に所望のビームパターンを設定させる。制御電圧コントローラ30は、図1と同様に、制御電圧テーブルメモリ31を参照して、測定コンピュータ50が指定したバイアス電圧値に対応する制御電圧信号を各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に出力して設定する。
In the measurement calculation system of FIG. 11, an
測定コンピュータ50は、制御電圧コントローラ30を用いて、6個の制御電圧にてなる異なるセットを可変リアクタンス素子12−1乃至12−6にそれぞれ設定させ、これらの制御電圧セットを設定する毎にアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値を測定して、処理メモリ54に記憶する。測定コンピュータ50は、測定された入力インピーダンス値に基づいて、アレーアンテナ装置100に固有の構造パラメータを、前述された方法を用いて計算して、処理メモリ54に記憶する。
The
ユーザは、初期設定として、各可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,6)の基準リアクタンス値Xm (0)と、基準リアクタンス値とは異なる第1及び第2のリアクタンス値Xm (a),Xm (b)とを含むパラメータを、それらを記憶した初期値メモリ52を測定コンピュータ50に接続することによって、測定コンピュータ50に設定することができる。測定コンピュータ50は、リアクタンス値Xm (0),Xm (a),Xm (b)を初期値メモリ52から読み出して、これらを偏移リアクタンス値0,Xam (a),Xam (b)に変換する。それに代わって、初期値メモリ52には、基準リアクタンス値Xm (0)と、偏移リアクタンス値Xam (a),Xam (b)とを記憶しておいてもよい。測定コンピュータ50はまた、アレーアンテナ装置100の構造パラメータの測定結果等をCRTディスプレイ53に出力して表示する。
As an initial setting, the user sets a reference reactance value X m (0) of each variable reactance element 12-m (m = 1, 2,..., 6) and first and second reactance values different from the reference reactance value. Parameters including X m (a) and X m (b) can be set in the
図12乃至図15は、図11の測定コンピュータ50によって実行される、アレーアンテナ装置の構造パラメータの測定計算処理を示すフローチャートである。
FIGS. 12 to 15 are flowcharts showing the measurement calculation processing of the structural parameters of the array antenna apparatus, which is executed by the
図12のステップS1において、各可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,6)の基準リアクタンス値Xm (0)と、各可変リアクタンス素子12−mに対する1対の偏移リアクタンス値Xam (a)、Xam (b)(m=1,2,…,6)とを初期値メモリ52から読み出す。ステップS2において、制御電圧コントローラ30を用いてすべての可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,6)の各偏移リアクタンス値をそれぞれ0に設定し、ネットワークアナライザ40を用いて、このときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zin(0)を測定する。ステップS3では、測定された入力インピーダンス値Zin(0)に基づいて数9を用いて変数変換アドミタンス値Ya00を計算する。
In step S1 of FIG. 12, the reference reactance value X m (0) of each variable reactance element 12-m (m = 1, 2,..., 6 ) and a pair of shift reactances for each variable reactance element 12-m. The values Xa m (a) and Xa m (b) (m = 1, 2,..., 6) are read from the
ステップS4乃至ステップS7では、1つの可変リアクタンス素子12−mに偏移リアクタンス値Xam (a)が設定されて他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値が0に設定されたときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zinm (a)が測定される。ステップS4においてパラメータsを1に初期化し、ステップS5において、制御電圧コントローラ30を用いて可変リアクタンス素子12−sの偏移リアクタンス値をXas (a)に設定して他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値をそれぞれ0に設定し、ネットワークアナライザ40を用いてこのときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zins (a)を測定する。ステップS6において、パラメータsが6に達したと判断されるとステップS8に進む。そうでないときはステップS7でパラメータsを1だけインクリメントし、ステップS5に戻る。同様に、ステップS8乃至ステップS11では、1つの可変リアクタンス素子12−mに偏移リアクタンス値Xam (b)が設定されて他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値が0に設定されたときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zinm (b)が測定される。
In steps S4 to S7, the array antenna apparatus when the shift reactance value Xa m (a) is set in one variable reactance element 12-m and the shift reactance values of the other variable reactance elements are set to 0. An input
ステップS12において、測定された入力インピーダンス値Zin(0)、Zinm (a)、Zinm (b)(m=1,2,…,6)に基づいて数17及び数18を用いて変数変換アドミタンス値Yamm、Ya0mを計算する。 In step S12, based on the measured input impedance values Zin (0) , Zin m (a) , Zin m (b) (m = 1, 2,..., 6), variable conversion is performed using Expression 17 and Expression 18. The admittance values Ya mm and Ya 0m are calculated.
図13のステップS13乃至ステップS19では、2つの可変リアクタンス素子12−m,12−nに偏移リアクタンス値Xamn (a)が設定されて他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値が0に設定されたときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zinmn (a)が測定される。ステップS13で第1のパラメータsを1に初期化し、ステップS14で第2のパラメータtをs+1に設定する。ステップS15において、制御電圧コントローラ30を用いて2つの可変リアクタンス素子12−s、12−tの偏移リアクタンス値をそれぞれXas (a)、Xat (a)に設定して他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値をそれぞれ0に設定し、ネットワークアナライザ40を用いてこのときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zinst (a)=Zints (a)を測定する。ステップS16においてパラメータtが6に達したと判断されると、ステップS18に進む。そうでないときはステップS17でパラメータtを1だけインクリメントし、ステップS15に戻る。ステップS18においてパラメータsが5に達したと判断されると、ステップS20に進む。そうでないときはステップS19でパラメータsを1だけインクリメントし、ステップS14に戻る。
In step S13 to step S19 in FIG. 13, the shift reactance value Xa mn (a) is set to the two variable reactance elements 12-m and 12-n, and the shift reactance values of the other variable reactance elements are set to 0. When this is done, the input impedance value Zin mn (a) of the
ステップS20において、測定された入力インピーダンス値Zin(0)、Zinm (a)、Zinm (b)、Zinmn (a)(m,n=1,2,…,6;m≠n)に基づいて、数19を用いて変数変換アドミタンス値Yamnを計算する。ステップS21において、計算された変数変換アドミタンス値Ya00、Ya0m、Yamm、Yamnに基づいて、数11を用いて変数変換インピーダンス行列[Zamn]を計算する。ステップS22において、基準リアクタンス値Xm (0)(m=1,2,…,6)に基づいて、数5を用いて、インピーダンス行列[Zmn]を計算し、数24を用いてアドミタンス行列[Ymn]を計算する。次いで、ステップS23において図14の可変リアクタンス素子の測定処理を実行し、ステップS24において図15のアレーアンテナ装置のリアクタンス値対入力インピーダンス値特性の計算処理を実行して当該測定計算処理を終了する。
In step S20, the measured input impedance values Zin (0) , Zin m (a) , Zin m (b) , Zin mn (a) (m, n = 1, 2,..., 6; m ≠ n) are set. Based on this, the variable conversion admittance value Ya mn is calculated using
図14は、図13のサブルーチンである可変リアクタンス素子の測定処理(S23)を示すフローチャートである。処理を実行する前に、予め、測定対象の各可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,6)の基準抵抗値Rm (0)と基準リアクタンス値Xm (0)とを設定する。 FIG. 14 is a flowchart showing a variable reactance element measurement process (S23) which is a subroutine of FIG. Before executing the processing, the reference resistance value R m (0) and the reference reactance value X m (0) of each variable reactance element 12-m (m = 1, 2,..., 6) to be measured are previously determined. Set.
図14のステップS31ではパラメータsを1に初期化し、ステップS32では制御電圧VDCsをその最小値に初期化する。ステップS33において、制御電圧コントローラ30を用いて可変リアクタンス素子12−sに制御電圧VDCsを印加するとともに他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値をそれぞれ0に設定する制御電圧セットを各可変リアクタンス素子に印加し、ネットワークアナライザ40を用いてこのときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zins (p)を測定する。ステップS34において、測定された入力インピーダンス値Zins (p)に基づいて、数25を用いて制御電圧VDCsが印加されたときの可変リアクタンス素子12−sの変数変換インピーダンス値Ras+jXasを計算する。次いで、ステップS35において制御電圧VDCsを所定のステップサイズだけインクリメントし、ステップS36において制御電圧VDCsがその最大値に達したと判断されたときはステップS37に進む。そうでないときはステップS33に戻る。ステップS37においてパラメータsを1だけインクリメントし、ステップS38においてパラメータsが6を超えたと判断されたときは、ステップS39に進む。そうでないときはステップS32に戻る。
In step S31 of FIG. 14, the parameter s is initialized to 1, and in step S32, the control voltage V DCs is initialized to its minimum value. In step S33, the
ステップS39において、計算された変数変換素子インピーダンス値Ram+jXam(m=1,2,…,6)に基づいて各可変リアクタンス素子12−mの制御電圧対変数変換素子インピーダンス値特性を求める。ステップS40において、基準抵抗値Rm (0)及び基準リアクタンス値Xm (0)(m=1,2,…,6)に基づいて、数26及び数4を用いて、素子インピーダンス値Rm+jXmで表された各可変リアクタンス素子12−mの制御電圧対素子インピーダンス値特性を計算した後、元のメインルーチンに戻る。
In step S39, the control voltage versus variable conversion element impedance value characteristic of each variable reactance element 12-m is obtained based on the calculated variable conversion element impedance value Ra m + jXa m (m = 1, 2,..., 6). In step S40, based on the reference resistance value R m (0) and the reference reactance value X m (0) (m = 1, 2,..., 6), the element impedance value R m is calculated using
図15は、図13のサブルーチンであるアレーアンテナ装置のリアクタンス値対入力インピーダンス値特性の計算処理(S24)を示すフローチャートである。図15のステップS51において、各可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,6)の素子インピーダンス値Rm+jXmに基づいて、数27を用いて給電素子A0のポート電流i0を計算する。ステップS52において、計算されたポート電流i0に基づいて、数29を用いてアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zinを計算した後、元のメインルーチンに戻る。
FIG. 15 is a flowchart showing a calculation process (S24) of reactance value versus input impedance value characteristics of the array antenna apparatus, which is a subroutine of FIG. In step S51 of FIG. 15, based on the element impedance value R m + jX m of each variable reactance element 12-m (m = 1, 2,..., 6), the port current i 0 of the power feeding element A0 is calculated using
以上説明したように、本実施例に係るアレーアンテナ装置の構造パラメータの測定及び計算方法によれば、アレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値を測定することによって、当該アレーアンテナ装置100の各アンテナ素子A0乃至A6間のアドミタンス値(又はその逆行列である各アンテナ素子A0乃至A6間のインピーダンス値)を高精度で計算することができる。
As described above, according to the structure parameter measurement and calculation method of the array antenna apparatus according to the present embodiment, by measuring the input impedance value of the
図16は、本発明の第1の実施形態に係る第2の実施例である、遠方界指向性測定を用いたアレーアンテナ装置100の構造パラメータ測定計算システムの構成を示すブロック図である。本実施例に係る測定計算システムは、図11の測定計算システムの構成に加えて、無線送信機41と、無線受信機42と、ホーンアンテナ装置43と、方位角及び仰角コントローラ51とをさらに備えたことを特徴としている。
FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of a structural parameter measurement calculation system of the
図16の測定計算システムにおいて、電波暗室200の内部には、支持台102のプラットフォーム上に取り付けられた送信用アンテナとしてのアレーアンテナ装置100と、受信用アンテナとしてのホーンアンテナ装置41とが、互いに所定距離だけ離間されて設置されている。アレーアンテナ装置100は無線送信機41からの無線信号を送信し、ホーンアンテナ装置43において受信されたこの無線信号は、無線受信機42において復調され、アレーアンテナ装置100に対する遠方界の電界として測定コンピュータ60に入力される。アレーアンテナ装置100が取り付けられた支持台102は、方位角及び仰角コントローラ51により制御されて、給電素子A0を回転軸としてアレーアンテナ装置100を回転させて所定の方位角φの位置で停止させるとともに、さらに、ホーンアンテナ装置41が位置する方向に向けてこの回転軸を水平方向(接地導体11の水平面の方向)から傾き角θ(本実施形態において、仰角という。)だけ傾けることができる。本願明細書中の表記において、傾き角θは、特に必要がない場合には省略する。
In the measurement calculation system of FIG. 16, in the
測定コンピュータ60は、ネットワークアナライザ40と無線送信機41を制御し、さらに、ネットワークアナライザ40と無線送信機41のうちにいずれかを同軸ケーブル5を介してアレーアンテナ装置100に接続するためのスイッチ61を制御する。測定コンピュータ60は、方位角及び仰角コントローラ51に支持台102を制御させることによって、アレーアンテナ装置100において所望の方位角と仰角の方向に無線信号を送信するように設定し、また、制御電圧コントローラ30を制御してアレーアンテナ装置100に所望のビームパターンを設定させる。
The
測定コンピュータ60は、ホーンアンテナ装置41が位置する方向に向けたアレーアンテナ装置100の方位角を変化させる毎に、6個のリアクタンス値にてなる異なるセットを可変リアクタンス素子12−1乃至12−6にそれぞれ設定し、これらのリアクタンス値セットを設定する毎に、ホーンアンテナ装置43及び無線受信機42を用いてアレーアンテナ装置100の遠方界の電界を測定する。測定コンピュータ60は、測定された遠方界の電界に基づいて、アレーアンテナ装置100に固有の構造パラメータを、前述した方法を用いて計算して、処理メモリ54に記憶する。
Each time the
ユーザは、初期設定として、各可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,6)の基準リアクタンス値Xm (0)と、基準リアクタンス値とは異なる第1及び第2のリアクタンス値Xm (a),Xm (b)とを含むパラメータを、それらを記憶した初期値メモリ52を測定コンピュータ60に接続することによって、測定コンピュータ60に設定することができる。測定コンピュータ60は、リアクタンス値Xm (0),Xm (a),Xm (b)を初期値メモリ52から読み出して、これらを偏移リアクタンス値0,Xam (a),Xam (b)に変換する。測定コンピュータ60はまた、アレーアンテナ装置100の構造パラメータの測定結果等をCRTディスプレイ53に出力して表示する。
As an initial setting, the user sets a reference reactance value X m (0) of each variable reactance element 12-m (m = 1, 2,..., 6) and first and second reactance values different from the reference reactance value. Parameters including X m (a) and X m (b) can be set in the
図17乃至図25は、図16の測定コンピュータ60によって実行される、アレーアンテナ装置の構造パラメータの測定計算処理を示すフローチャートである。
FIGS. 17 to 25 are flowcharts showing the measurement calculation process of the structural parameters of the array antenna apparatus, which is executed by the
図17のステップS61において、各可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,6)の基準リアクタンス値Xm (0)と、各可変リアクタンス素子12−mに対する1対の偏移リアクタンス値Xam (a)、Xam (b)(m=1,2,…,6)とを初期値メモリ52から読み出す。ステップS62において、スイッチ61を接点bに接続し、それによって無線送信機41をアレーアンテナ装置に接続する。ステップS63において図20の遠方界の電界E(0)(φ)測定処理を実行し、ステップS64において、測定された電界E(0)(φ)(φ=0,1,…,359)に基づいて、数36を用いて、変数変換等価ステアリングベクトルの要素ua0(φ)を計算する。ステップS65において図21の遠方界の電界Em (a)(φ)測定処理を実行し、次いで、ステップS66において、方位角及び仰角コントローラ51と支持台102とを用いてアレーアンテナ装置100の方位角φ0[度]の方向を、ホーンアンテナ装置43が配置された位置に向ける。ステップS67において図22の遠方界の電界Em (b)(φ0)測定処理を実行し、ステップS68において、測定された電界E(0)(φ)、Em (a)(φ)、Em (b)(φ0)(φ=0,1,…,359;m=1,2,…,6)に基づいて、数37及び数38を用いて、変数変換アドミタンス値Yamn及び途中計算値uam v(φ)Ya0mを計算する。ステップS69において図23の遠方界の電界Emn (a)(φ0)測定処理を実行し、ステップS70において、測定された電界E(0)(φ)、Em (a)(φ)、Em (b)(φ0)、Emn (a)(φ0)(φ=0,1,…,359;m,n=1,2,…,6;m≠n)に基づいて、数39を用いて、変数変換アドミタンス値Yamnを計算する。次いで、ステップS71において、スイッチ61を接点aに接続し、それによってネットワークアナライザ40をアレーアンテナ装置100に接続する。
In step S61 of FIG. 17, the reference reactance value X m (0) of each variable reactance element 12-m (m = 1, 2,..., 6 ) and a pair of shift reactances for each variable reactance element 12-m. The values Xa m (a) and Xa m (b) (m = 1, 2,..., 6) are read from the
図18のステップS72乃至ステップS77では、必要ないくつかの変数変換アドミタンス値を計算するために、アレーアンテナ装置100の入力インピーダンスを測定する。ステップS72において、制御電圧コントローラ30を用いてすべての可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,6)の各偏移リアクタンス値をそれぞれ0に設定し、ネットワークアナライザ40を用いてこのときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zin(0)を測定する。ステップS73においてパラメータsを1に初期化し、ステップS74において、制御電圧コントローラ30を用いて可変リアクタンス素子12−sの偏移リアクタンス値をXas (a)に設定して他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値をそれぞれ0に設定し、ネットワークアナライザ40を用いてこのときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zins (a)を測定する。ステップS75においてパラメータsが6に達したと判断されたときは、ステップS77に進む。そうでないときはステップ76でsを1だけインクリメントし、ステップS74に戻る。ステップS77において、制御電圧コントローラ30を用いていずれか1つの可変リアクタンス素子12−kの偏移リアクタンス値をXak (b)に設定して他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値をそれぞれ0に設定し、ネットワークアナライザ40を用いてこのときのアレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zink (b)を測定する。
In steps S72 to S77 in FIG. 18, the input impedance of the
ステップS78において、測定された入力インピーダンス値Zin(0)、Zink (a)、Zink (b)及び変数変換アドミタンス値Yakkに基づいて数47を用いて無線送信機41の回路インピーダンス値Zsを計算する。ステップS79において、測定された入力インピーダンス値Zin(0)及び計算された回路インピーダンス値Zsに基づいて数16を用いて変数変換アドミタンス値Ya00を計算する。ステップS80において、測定された入力インピーダンス値Zinm (a)と、計算された回路インピーダンス値Zs及び変数変換アドミタンス値Yamm(m=1,2,…,6)とに基づいて数18を用いて変数変換アドミタンス値Ya0mを計算する。ステップS81において、途中計算値uam v(φ)Ya0m及び変数変換アドミタンス値Ya0m(m=1,2,…,6)に基づいて、数44を用いて変数変換等価ステアリングベクトルの要素uam v(φ)及び変数変換等価ステアリングベクトル[uam v(φ)]を計算する。ステップS82において、変数変換等価ステアリングベクトル[uam v(φ)]及び変数変換アドミタンス行列[Yamn]に基づいて数35を用いて等価ステアリングベクトル[um i(φ)]を計算する。
In step S78, the circuit impedance value Zs of the
図19のステップS83において、変数変換アドミタンス行列[Yamn]に基づいて数11を用いて変数変換インピーダンス行列[Zamn]を計算する。ステップS84において、基準リアクタンス値Xm (0)(m=1,2,…,6)に基づいて数5を用いてインピーダンス行列[Zmn]を計算し、数24を用いてアドミタンス行列[Ymn]を計算する。次いで、ステップS85において図24の可変リアクタンス素子の測定処理を実行し、ステップS86において図25のアレーアンテナ装置のリアクタンス値対遠方界指向性の計算処理を実行して、当該測定計算処理を終了する。
In step S83 in FIG. 19, a variable transformation impedance matrix [Za mn ] is calculated using Equation 11 based on the variable transformation admittance matrix [Ya mn ]. In step S84, the impedance matrix [Z mn ] is calculated using
図20は、図17のサブルーチンである遠方界の電界E(0)(φ)測定処理(S63)を示すフローチャートである。 FIG. 20 is a flowchart showing the far-field electric field E (0) (φ) measurement process (S63), which is a subroutine of FIG.
図20のステップS91において、方位角のパラメータαを0に初期化し、ステップS92において、方位角及び仰角コントローラ51と支持台102とを用いて、アレーアンテナ装置100の方位角α[度]の方向を、ホーンアンテナ装置43が配置された位置に向ける。ステップS93において、制御電圧コントローラ30を用いてすべての可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,6)の各偏移リアクタンス値をそれぞれ0に設定し、無線送信機41を用いてアレーアンテナ装置100から無線信号を送信し、無線受信機42を用いて、ホーンアンテナ装置43で受信される無線信号の電界E(0)(α)を測定する。ステップS94において、パラメータαが359に達したと判断されると図17のステップS64に進む。そうでないときはステップS95でパラメータαを1だけインクリメントして、ステップS92に戻る。
In step S91 of FIG. 20, the azimuth angle parameter α is initialized to 0. In step S92, the direction of the azimuth angle α [degree] of the
図21は、図17のサブルーチンである遠方界の電界Em (a)(φ)測定処理(S65)を示すフローチャートである。 FIG. 21 is a flowchart showing a far-field electric field E m (a) (φ) measurement process (S65) which is a subroutine of FIG.
図21のステップS101においてパラメータαを0に初期化し、ステップS102において、方位角及び仰角コントローラ51と支持台102とを用いて、アレーアンテナ装置100の方位核α[度]の方向を、ホーンアンテナ装置43が配置された位置に向ける。ステップS3において、無給電素子を示すパラメータsを1に初期化し、ステップS104において、制御電圧コントローラ30を用いて可変リアクタンス素子12−sの偏移リアクタンス値をXas (a)に設定して他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値をそれぞれ0に設定し、無線送信機41を用いてアレーアンテナ装置100から無線信号を送信し、無線受信機42を用いてホーンアンテナ装置43で受信される無線信号の電界Es (a)(α)を測定する。ステップS105において、パラメータsが6に達したと判断されたときはステップS107に進み、そうでないときはステップS106でパラメータsを1だけインクリメントしてステップS104に戻る。ステップS107において、パラメータαが359に達したと判断されたときは、図17のステップS66に進み、そうでないときはステップS108でパラメータαを1だけインクリメントしてステップS102に戻る。
In step S101 of FIG. 21, the parameter α is initialized to 0. In step S102, the direction of the azimuth α [degree] of the
図22は、図17のサブルーチンである遠方界の電界Em (b)(φ0)測定処理(S67)を示すフローチャートである。 FIG. 22 is a flowchart showing the far-field electric field E m (b) (φ 0 ) measurement process (S 67), which is a subroutine of FIG.
図22のステップS111においてパラメータsを1に初期化し、ステップS112において、制御電圧コントローラ30を用いて可変リアクタンス素子12−sの偏移リアクタンス値をXas (b)に設定して他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値をそれぞれ0に設定し、無線送信機41を用いてアレーアンテナ装置100から方位角φ0[度]の方向に無線信号を送信し、無線受信機42を用いてホーンアンテナ装置43で受信される無線信号の電界Es (b)(φ0)を測定する。ステップS113においてパラメータsが6に達したと判断されたときは、図17のステップS68に進み、そうでないときはステップS114においてパラメータsを1だけインクリメントして、ステップS112に戻る。
In step S111 of FIG. 22, the parameter s is initialized to 1, and in step S112, the
図23は、図17のサブルーチンである遠方界の電界Emn (a)(φ0)測定処理(S69)を示すフローチャートである。 FIG. 23 is a flowchart showing a far-field electric field E mn (a) (φ 0 ) measurement process (S69), which is a subroutine of FIG.
図23のステップS121において第1のパラメータsを1に初期化し、ステップS122において第2のパラメータtをs+1に設定する。ステップS123において、制御電圧コントローラ30を用いて2つの可変リアクタンス素子12−s、12−tの偏移リアクタンス値をそれぞれXas (a)、Xat (a)に設定して他の可変リアクタンス素子の偏移リアクタンス値をそれぞれ0に設定し、無線送信機41を用いてアレーアンテナ装置100から方位角φ0[度]の方向に無線信号を送信し、無線受信機42を用いてホーンアンテナ装置43で受信される無線信号の電界Est (α)(φ0)=Ets (α)(φ0)を測定する。ステップS124において、パラメータtが6に達したと判断されたときはステップS126に進み、そうでないときはステップS125でパラメータtを1だけインクリメントして、ステップS123に戻る。ステップS126において、パラメータsが5に達したと判断されたときは、図17のステップS70に進み、そうでないときはステップS127においてパラメータsを1だけインクリメントして、ステップS122に戻る。
In step S121 of FIG. 23, the first parameter s is initialized to 1, and in step S122, the second parameter t is set to s + 1. In step S123, using the
図24は、図19のサブルーチンである可変リアクタンス素子の測定処理(S85)を示すフローチャートである。処理を実行する前に、予め、測定対象の各可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,6)の基準抵抗値Rm (0)と基準リアクタンス値Xm (0)とを設定する。 FIG. 24 is a flowchart showing a variable reactance element measurement process (S85) which is a subroutine of FIG. Before executing the processing, the reference resistance value R m (0) and the reference reactance value X m (0) of each variable reactance element 12-m (m = 1, 2,..., 6) to be measured are previously determined. Set.
図24のステップS131において、スイッチ61を接点bに接続し、それによって無線送信機41をアレーアンテナ装置100に接続する。ステップS132において、パラメータsを1に初期化し、ステップS133において、制御電圧VDCsを最小値に設定する。ステップS134において、制御電圧コントローラ30を用いて1つの可変リアクタンス素子12−sに制御電圧VDCsを印加するとともに他の可変リアクタンス素子のリアクタンス値をそれぞれ0に設定する制御電圧セットを各可変リアクタンス素子に印加し、無線送信機41を用いてアレーアンテナ装置100から方位角φ0[度]の方向に無線信号を送信し、無線受信機42を用いてホーンアンテナ装置43で受信される無線信号の電界Es (p)(φ0)を測定する。ステップS135において、測定された電界Es (p)(φ0)に基づいて、数50を用いて、制御電圧VDCsが印加されたときの可変リアクタンス素子12−sの変数変換素子インピーダンスRas+jXasを計算する。ステップS136において、制御電圧VDCsを所定のステップサイズだけインクリメントし、ステップS137において、制御電圧VDCsが最大値を超えたと判断されたときはステップS138に進み、そうでないときはステップS134に戻る。ステップS138において、パラメータsを1だけインクリメントし、ステップS139において、パラメータsが6を超えたと判断されたときはステップS140に進み、そうでないときはステップS133に戻る。ステップS140において、計算された変数変換素子インピーダンス値Ram+jXam(m=1,2,…,6)に基づいて各可変リアクタンス素子12−mの制御電圧対インピーダンス値特性を求める。ステップS141において、基準抵抗値Rm (0)及び基準リアクタンス値Xm (0)(m=1,2,…,6)に基づいて、数26及び数4を用いて、素子インピーダンス値Rm+jXmで表された各可変リアクタンス素子12−mの制御電圧対素子インピーダンス値特性を計算した後、元のメインルーチンに戻る。
In step S131 of FIG. 24, the
図25は、図19のサブルーチンであるアレーアンテナ装置のリアクタンス値対遠方界指向性の計算処理(S86)を示すフローチャートである。 FIG. 25 is a flowchart showing a calculation process (S86) of reactance values versus far-field directivity of the array antenna apparatus, which is a subroutine of FIG.
図25のステップS151において、各可変リアクタンス素子12−m(m=1,2,…,6)の素子インピーダンス値Rm+jXmに基づいて、数27を用いて、ポート電流ベクトル[im]を計算する。ステップS152において、計算されたポート電流ベクトル[im]と等価ステアリングベクトル[um i(φ)](m=1,2,…,6;φ=0,1,…,359)とに基づいて、数33を用いて、遠方界の電界E(φ)を計算した後、元のメインルーチンに戻る。
In step S151 of FIG. 25, based on the element impedance value R m + jX m of each variable reactance element 12-m (m = 1, 2,..., 6), the port current vector [i m ] is calculated using
以上説明したように、本実施形態に係るアレーアンテナ装置の構造パラメータの測定及び計算方法によれば、アレーアンテナ装置100の遠方界指向性を測定することによって、当該アレーアンテナ装置100の等価ステアリングベクトルを計算することができる。
As described above, according to the structure parameter measurement and calculation method of the array antenna apparatus according to the present embodiment, the equivalent steering vector of the
以下、本発明の第1の実施形態に係るアレーアンテナの電気的特性の測定及び計算方法を用いたシミュレーション結果について説明する。 Hereinafter, simulation results using the measurement and calculation method of the electrical characteristics of the array antenna according to the first embodiment of the present invention will be described.
最初に、非対称な構造を有するアレーアンテナ装置のモデルに対するシミュレーションを行った。図26は、図1のアレーアンテナ装置100に取って代わる、本発明の第3の実施例に係るアレーアンテナ装置110の構成を示す斜視図である。アレーアンテナ装置110は電子制御導波器アレーアンテナ装置であって、送受信する無線信号の波長をλとするとき、図中のxy平面上に原点Oを中心として配置された半径5λの円形の接地導体111を備え、接地導体111上において、原点Oから0.25λの距離に、互いに等間隔(距離0.25λ)を有して無給電素子A11乃至A16を備えている。一方、給電素子A10は、原点Oから+x方向と+y方向とにそれぞれλ/6ずれている。各アンテナ素子A10乃至A16の素子長は0.25波長とし、各アンテナ素子A10乃至A16の半径は0.01波長とする。各無給電素子A11乃至A16には、図1と同様に可変リアクタンス素子12−1乃至12−6(図示せず。)が接続される。従って、このシミュレーションでは、構造的に非対称な7素子の電子制御導波器アレーアンテナ装置の構造パラメータを計算する。
First, a simulation was performed on a model of an array antenna apparatus having an asymmetric structure. FIG. 26 is a perspective view showing a configuration of an
図27は、アレーアンテナ装置110に係るシミュレーションにおいて、アレーアンテナ装置110の各可変リアクタンス素子12−mに設定されるリアクタンス値を示す表である。可変リアクタンス素子12−mの可変幅は均一であるが、図27の表のように非対称な可変範囲であるとする。前述した36個の入力インピーダンスと遠方界指向性をモーメント法で算出し、それらを測定データとして、数16乃至数23、数36、及び数38を用いて構造パラメータを計算した。有限面積の接地導体111の影響を見るため、仰角θ=60度の面内の指向性を調べた。
FIG. 27 is a table showing reactance values set in the variable reactance elements 12-m of the
図28は、アレーアンテナ装置110に係るシミュレーション結果であって、計算されたアレーアンテナ装置110の各アンテナ素子間におけるアドミタンス値Ymnを示す表である。図28の表の中のアドミタンス値はYmn=Ynmを満たすので、表の左下半分は省略している。このアドミタンス値Ymnは、基準リアクタンス値Xm (0)を既知量として計算された。
FIG. 28 is a table showing the admittance value Y mn between the antenna elements of the
図29及び図30は、アレーアンテナ装置110に係るシミュレーション結果であって、測定して計算されたアレーアンテナ装置110の等価ステアリングベクトルの各要素um i=um i(φ)の振幅と位相をそれぞれ示すグラフである。太い破線が、このシミュレーションで測定及び計算された等価ステアリングベクトルの要素u1 i,…,u6 iを示し、細い実線が、直接モーメント法を用いて計算した等価ステアリングベクトルの要素u1 i,…,u6 iである。各々良く一致している。また、図28のアドミタンス値Ymnに非対称性が反映されている。以上により、本実施形態の測定及び計算方法の有効性が確認できる。
29 and 30 show simulation results for the
次に、図1のアレーアンテナ装置100を用いたシミュレーション結果について説明する。アンテナ筐体全体の特性は、アドミタンス行列と等価ステアリングベクトルに反映される。その構造パラメータを実測により計算する。設計周波数2.484GHzで測定を行った。
Next, simulation results using the
まず、可変リアクタンス素子単体の素子インピーダンス値の制御電圧VDCに対する依存性を調べた。図31は、アレーアンテナ装置100に使用した可変リアクタンス素子単体での、制御電圧VDCに対する素子インピーダンス値Z特性を示すグラフである。第1の実施形態のアレーアンテナ装置100に装荷されるものと同型の可変リアクタンス素子(本実施形態では東芝製1SV287のバラクタダイオードを用いた。)をSMAコネクタ先端に付け、制御電圧VDCを変えながらネットワークアナライザで素子インピーダンス値を測定した。SMAコネクタ先端面での校正を行い、可変リアクタンス素子単体のインピーダンス値を計算した。その計算結果を図31に示す。可変リアクタンス素子はコンデンサであるが、制御電圧VDCが0のときリアクタンス値が正になることがわかる。リアクタンス値の反動幅はカタログ値どおりであるが、その範囲は全体的に正の方向にずれており、このずれは周波数が高くなると大きくなる。その周波数依存性から約1.5nHの電気誘導性が存在することが分かった。この電気誘電性の存在は、可変リアクタンス素子内部のリード線が原因と考えられる。
First, the dependence of the element impedance value of the single variable reactance element on the control voltage VDC was examined. FIG. 31 is a graph showing the element impedance value Z characteristic with respect to the control voltage VDC in the single variable reactance element used in the
図31中の曲線は、次式で表される制御電圧VDCの6次関数で表すことができ、この関数は可変リアクタンス素子のリアクタンス値特性をよく表している。 The curve in FIG. 31 can be expressed by a sixth-order function of the control voltage VDC expressed by the following equation, and this function well represents the reactance value characteristic of the variable reactance element.
また、実数成分である抵抗Rは、次式で表される制御電圧VDCの1次関数でよく表現できている。 Further, the resistance R, which is a real component, can be well expressed by a linear function of the control voltage V DC expressed by the following equation.
可変リアクタンス素子12−mの素子インピーダンス値の基準となる基準素子インピーダンス値Rm (0)+jXm (0)にばらつきがある場合は、前述したように、そのばらつきは、当該可変リアクタンス素子を装荷したアレーアンテナ装置のインピーダンス行列[Zmn]に繰り込まれることになる。基準リアクタンス値X(0)に対応する制御電圧VDCとして、リアクタンス値が最大となる−0.5[V]とした。すなわち、各可変リアクタンス素子の基準素子インピーダンス値R(0)+jX(0)は、0.762+14.04j(Ω)とする。また、リアクタンス値X(a)の制御電圧VDCとして、リアクタンス値が最小となる20[V]とした。素子インピーダンス値と制御電圧VDCはほぼ線形の関係を満たすので、リアクタンス値X(b)の制御電圧VDCとして、これら両端の2点を結んだ直線と数51の特性曲線との交点I1における電圧値である7.4[V]を選択した。
When the reference element impedance value R m (0) + jX m (0) , which is the reference of the element impedance value of the variable reactance element 12-m, varies, as described above, the variation loads the variable reactance element. The impedance matrix [Z mn ] of the array antenna apparatus is transferred. The control voltage V DC corresponding to the reference reactance value X (0) is set to −0.5 [V] at which the reactance value is maximized. That is, the reference element impedance value R (0) + jX (0) of each variable reactance element is 0.762 + 14.04 j (Ω). Further, the control voltage V DC of the reactance value X (a) is set to 20 [V] at which the reactance value is minimized. Since the control voltage V DC and the element impedance value satisfies an approximately linear relationship, as a control voltage V DC reactance value X (b), at the intersection I1 of the characteristic curve of the straight line and the
次いで、アレーアンテナ装置100の構造パラメータ計算について説明する。図32は、本発明の第1の実施形態に係るシミュレーション結果であって、測定して計算されたアレーアンテナ装置100の各アンテナ素子間におけるアドミタンス値Ymnを示す表である。図32の表の中のアドミタンス値はYmn=Ynmを満たすので、表の左下半分は省略している。図32の表では、先のアレーアンテナ装置110のシミュレーションと同様に、36個のデータを測定し、計算で求めたアドミタンス値Ymnを示す。また図33及び図34は、本発明の第1の実施形態に係るシミュレーション結果であって、測定して計算されたアレーアンテナ装置100の等価ステアリングベクトルの各要素um i=um i(φ)の振幅と位相をそれぞれ示すグラフである。図33の縦軸の振幅|E|は、送信機の出力レベル情報を含んだ、測定点(すなわちホーンアンテナ装置43が配置された位置)における電界の値である。非対称性はアドミタンス値Ymnにも見られるが、等価ステアリングベクトルの各要素um i(φ)においてより顕著に表れている。図26のアレーアンテナ装置110に対するシミュレーション結果よりも、等価ステアリングベクトルの各要素um i(φ)の非対称性が顕著であることから、アレーアンテナ装置100の筐体か、あるいは装荷されている可変リアクタンス素子12−mの影響であると考えられる。なお、等価ステアリングベクトルの各要素um i(φ)の位相パターンは、アレーアンテナ装置100を、測定時に回転する支持台102に乗せる方法(すなわち回転軸の中心位置)によって変わる。
Next, the structural parameter calculation of the
次に、実装状態の可変リアクタンス素子12−mの制御電圧特性について説明する。図35は、本発明の第1の実施形態に係るシミュレーション結果であって、アレーアンテナ装置100の無給電素子A3に装荷された可変リアクタンス素子12−3の、制御電圧VDC3に対するインピーダンス値Z特性を示すグラフである。このシミュレーションでは、無給電素子A3に装荷された可変リアクタンス素子12−3に印加される制御電圧VDC3を変えながら測定した入力インピーダンス値Zinから、数25と、数26及び数4とにしたがい計算した可変リアクタンス素子の素子インピーダンス値Z3=R3+jX3を図35のグラフに丸印で示し、それによって、素子インピーダンス値Z3の制御電圧依存性を表した。試作したアレーアンテナ装置100のモノポールの各無給電素子には可変リアクタンス素子を並列に2個装荷したので、1個分に換算するために2倍した値を示す。なお、基準素子インピーダンス値Rm (0)+jXm (0)=0.762+14.04jとした。図中の線は数51及び数52であるが、測定結果を示す丸印はこの曲線上に非常に良く乗っており、図31の単体測定での結果に良く一致する。
Next, the control voltage characteristics of the mounted variable reactance element 12-m will be described. FIG. 35 is a simulation result according to the first embodiment of the present invention, and shows an impedance value Z characteristic of the variable reactance element 12-3 loaded on the parasitic element A3 of the
最後に、アレーアンテナ装置100の構造パラメータに係る計算値と実測値とを比較する。図36は、本発明の第1の実施形態に係るシミュレーションにおいて、図1のアレーアンテナ装置100の各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6にそれぞれ設定される制御電圧VDC1乃至VDC6のセットを示す表であり、図37は、図36のケース1乃至3の制御電圧セットが設定されたときにおける、アレーアンテナ装置100の入力インピーダンス値Zinを示す表である。計算した構造パラメータを用いて、図36の表のようなリアクタンス値セットのときの入力インピーダンスを数14及び数15を用いて、仰角θ=90度面内の指向性を数33を用いて計算した。入力インピーダンス値の結果を図37の表に示す。実測した入力インピーダンス値に良く一致している。このことから、適切なアドミタンス値Ymnが計算されていることが分かる。
Finally, the calculated value related to the structural parameter of the
図38及び図39は、本発明の第1の実施形態に係るシミュレーション結果であって、アレーアンテナ装置100に図36のケース1の制御電圧セットが設定された場合の利得と位相の指向性パターンをそれぞれ示すグラフであり、図40及び図41は、アレーアンテナ装置100に図36のケース2の制御電圧セットが設定された場合の利得と位相の指向性パターンをそれぞれ示すグラフであり、図42及び図43はアレーアンテナ装置100に図36のケース3の制御電圧セットが設定された場合の利得と位相の指向性パターンをそれぞれ示すグラフである。図38、図40及び図42の利得を示すグラフの縦軸は、測定生データの値で示す。実測値を細い実線で示し、本実施形態の等価ステアリングベクトルモデルによる計算結果を細かい破線で示す。両者は良く一致しており、正しい等価ステアリングベクトルが計算できていることが分かる。対称性を仮定した非特許文献3の方法による計算結果を粗い破線で示すが、この計算結果は実測値と部分的に大きく異なり、本発明の第1の実施形態に係る方法による改善が大きいことが分かる。等価ウェイトベクトルモデルによる結果を一点鎖線で示すが、正しい指向性が計算されていないことが分かる。入力インピーダンス値が実験結果によく一致していることから、計算されたアドミタンス値は誤っていないと考えられる。
38 and 39 are simulation results according to the first embodiment of the present invention, and the directivity pattern of the gain and phase when the control voltage set of
また、図32の表のアドミタンス値Ymnがモーメント法計算結果と大きく違うことから、可変リアクタンス素子12−mに近接したポートに関するアドミタンス値が算出されているためと考えられる。可変リアクタンス素子12−mと無給電素子Am間の線路長が無視できない場合、可変リアクタンス素子12−mに近接した位置の電流は、無給電素子Amに流れる電流からずれる。このことは、等価ステアリングベクトルモデルでは問題ないが、等価ウェイトベクトルモデルではポート電流が空間に放射されると考えるので問題となる。すなわち、図6乃至図8に模式的に示すように、両モデルでポートとして想定する位置が異なる。従ってポート間アドミタンスの値も異なる。 Further, since the admittance value Y mn in the table of FIG. 32 is greatly different from the moment method calculation result, it is considered that the admittance value related to the port close to the variable reactance element 12-m is calculated. When the line length between the variable reactance element 12-m and the parasitic element Am cannot be ignored, the current at a position close to the variable reactance element 12-m deviates from the current flowing through the parasitic element Am. This is not a problem with the equivalent steering vector model, but is a problem because the equivalent weight vector model thinks that port current is radiated into space. That is, as schematically shown in FIGS. 6 to 8, the positions assumed as ports in the two models are different. Therefore, the value of admittance between ports is also different.
以上説明したように、等価ステアリングベクトルモデルに基づき、電子制御導波器アレーアンテナ装置の構造パラメータ(アドミタンス行列と等価ステアリングベクトル)をM+2回の指向性測定と(M+1)(M+2)/2回の入力インピーダンス値の測定により求める方法を示し、試作された電子制御導波器アレーアンテナ装置の構造パラメータを初めて計算した。これにより、任意のリアクタンス値セットときのアンテナ特性を計算することができる。また、装荷された状態における可変リアクタンス素子の素子インピーダンスの制御電圧依存性も計算できる。ただし、本方法では、各無給電素子に対してそれぞれ印加する2つの制御電圧において、リアクタンス値を基準値から変化させる量が既知とする。測定により構造パラメータを求められれば、寸法取り等の煩雑な作業が不要となり、幾つかのリアクタンス値セットが各可変リアクタンス素子に設定されたときのアンテナ特性を一度測定することにより、任意のリアクタンス値セットが可変リアクタンス素子に設定されたときのアンテナ特性を計算することができる。 As described above, based on the equivalent steering vector model, the structural parameters (admittance matrix and equivalent steering vector) of the electronically controlled waveguide array antenna device are measured M + 2 times, and (M + 1) (M + 2) / 2 times. A method for obtaining the impedance by measuring the input impedance value is shown, and the structural parameters of the prototype electronically controlled waveguide array antenna device are calculated for the first time. Thereby, it is possible to calculate the antenna characteristics when an arbitrary reactance value is set. Also, the control voltage dependence of the element impedance of the variable reactance element in the loaded state can be calculated. However, in this method, it is assumed that the amount by which the reactance value is changed from the reference value in the two control voltages applied to each parasitic element is known. If structural parameters can be obtained by measurement, complicated work such as dimensioning becomes unnecessary, and any reactance value can be obtained by measuring antenna characteristics once several reactance value sets are set for each variable reactance element. The antenna characteristics when the set is set to a variable reactance element can be calculated.
<第2の実施形態>
次いで、本発明の第2の実施形態に係るアレーアンテナの電気的特性の計算及び測定方法について以下に説明する。本発明者らは、入力インピーダンス測定と遠方界指向性測定により算出する電子制御導波器アレーアンテナ装置の構造パラメータ(インピーダンス行列と等価ステアリングベクトル)は、測定時の可変リアクタンス素子の値として算出式に代入する各可変リアクタンス素子12に対して3つのリアクタンス値により変化するが、任意の制御状態の入力インピーダンスと指向性、給電回路の出力インピーダンスは、算出パラメータ値によらず一定であることを発見した。第2の実施形態においては、このリアクタンス値の任意性の原因と自由度について調べ、また、この任意性を利用した構造パラメータ抽出の測定回数の削減及び計算の簡単化について説明する。
<Second Embodiment>
Next, a method for calculating and measuring the electrical characteristics of the array antenna according to the second embodiment of the present invention will be described below. The present inventors calculated the structural parameters (impedance matrix and equivalent steering vector) of the electronically controlled waveguide array antenna device calculated by the input impedance measurement and the far field directivity measurement as a value of the variable reactance element at the time of measurement. For each
上述のように、電子制御導波器アレーアンテナ装置は1本の給電素子A0と少なくとも1本の無給電素子(A1−A6など)から構成され、無給電素子A0に装荷される可変リアクタンス素子12の可変リアクタンス値の制御により指向性を変化することができる(非特許文献5参照。)。指向性や入力インピーダンスのリアクタンス値に対する依存性は等価ステアリングベクトルモデルにより表すことができる(非特許文献3参照。)。このモデルに用いられるアドミタンス行列と等価ステアリングベクトルはリアクタンス値に依存しない構造パラメータである。構造パラメータはモーメント法、有限要素法、ICT法などの解析法により計算することができるが、アンテナ筐体の影響を含めて計算することは難しい。測定を用いれば、製作誤差の影響を含めた構造パラメータを抽出することができる。一方、可変リアクタンス値は制御により変化する量であるが、正確な制御特性(リアクタンス値のDC電圧依存性)は分からない。実際の可変リアクタンス値は素子の個体差があり、個体差も考慮するためには測定を行う必要がある。構造パラメータを抽出し、可変リアクタンス素子の制御特性を校正すれば、任意の制御状態における実際のアンテナ特性を計算により求めることができる。これにより、電子制御導波器アレーアンテナ装置の指向性可変能力や、電波環境に適した指向性制御を計算機上でシミュレーションすることが可能となる。
As described above, the electronically controlled waveguide array antenna device includes one feed element A0 and at least one parasitic element (such as A1-A6), and the
本実施形態では、測定により構造パラメータ及び可変リアクタンス値を求める方法として、入力インピーダンスや遠方界指向性測定を利用する方法(非特許文献4及び6参照。)を以下に提案している(以下、I2F2(Input Impedance and Far Field)法という。)。上述の第2の実施形態や例えば非特許文献6では、各可変リアクタンス素子に対して3つの制御状態におけるリアクタンス値を既知として、その値を基準として構造パラメータを算出し、さらにその構造パラメータをもとに、任意の制御状態における可変リアクタンス値を計算できることを示した。しかしながら、基準となる3つのリアクタンス値の求め方が課題として残っており、本実施形態では、この課題を解決することを目的に、I2F2法について検討を進める。
In the present embodiment, as a method for obtaining the structural parameter and the variable reactance value by measurement, a method using input impedance or far-field directivity measurement (see
まず、構造パラメータ、可変量及び測定量の関係について以下に説明する。構造パラメータとリアクタンス値は測定量から計算する。そこで以下では、これらの物理量の関係を整理する。電子制御導波器アレーアンテナ装置において、給電素子A0に給電回路が接続される接続部(給電点)と、無給電素子(A1−A6など)に可変リアクタンス素子12が装荷される接続部をポートと呼ぶことにする(どこまでを接続部と見るかには不定性がある。また、各ポートは接地導体11とは電気的に絶縁されている。)。本実施形態では、m番目の素子(無給電素子数をMとし、給電素子をm=0とする)のポート部に流れる電流をimとする。無給電素子のポート電流imはポート間相互結合により励振される。その結合はm番目のポートとn番目のポート間の相互インピーダンスZmnで表される。また、無給電素子には可変リアクタンス素子12が装荷されるので、自己インピーダンスは、インピーダンスZmmと可変リアクタンス素子12のインピーダンスjXmの和で表される。これを「バラクタ繰り込み自己インピーダンス」と呼ぶ(非特許文献5参照。)。ここで、Xmはm番目の無給電素子ポートに装荷される可変リアクタンス値である。以上をまとめると、ポート電流imは次式のように可変リアクタンス値Xmにより間接的に制御されることが分かる(非特許文献5参照。)。なお、以下の記載においては、数式がイメージ入力された墨付き括弧の数番号と、数式が文字入力された大括弧の数式番号とを混在して用いており、また、当該明細書での一連の数式番号として「式(1)」の形式を用いて数式番号を式の最後部に付与して(付与していない数式も存在する)用いることとする。
First, the relationship between the structural parameter, the variable amount, and the measured amount will be described below. Structural parameters and reactance values are calculated from measured quantities. Therefore, the relationship between these physical quantities is organized below. In the electronically controlled waveguide array antenna device, the connection part (feed point) where the feed circuit is connected to the feed element A0 and the connection part where the
[数1]
[im]=([Zmn]+[Xm])−1[vsn] (1)
[数2]
[Xm]≡diag[Zs,jX1,jX2,…,jXM]
[数3]
[vsn]=[vs,0,0,…,0]T
[Equation 1]
[I m ] = ([Z mn ] + [X m ]) −1 [vs n ] (1)
[Equation 2]
[X m ] ≡diag [Zs, jX 1 , jX 2 ,..., JX M ]
[Equation 3]
[Vs n] = [v s , 0,0, ..., 0] T
vsは給電回路の開放電圧、Zsは給電回路の内部インピーダンスである。また、上付きのTは行列の転置を表す。入力インピーダンスは給電ポート電流により次式で表される。 Vs is an open circuit voltage of the power feeding circuit, and Zs is an internal impedance of the power feeding circuit. Superscript T represents transposition of the matrix. The input impedance is expressed by the following equation depending on the power feeding port current.
[数4]
Zin=(vs/i0)−Zs (2)
[Equation 4]
Zin = (vs / i 0 ) −Zs (2)
一方、指向性(すなわち、遠方界の電界)E(φ,θ)はポート電流imを要素とするベクトル[im]と等価ステアリングベクトル[um i(φ,θ)]の積により、次式で表される(非特許文献5及び6参照。)。
On the other hand, by the product of the directivity (i.e., far-field electric field) E (phi, theta) vector the port current i m and element [i m] equivalent steering vector [u m i (φ, θ )], It is represented by the following formula (see
[数5]
E(θ,φ)=[um i(θ,φ)]T[im] (3)
[Equation 5]
E (θ, φ) = [u m i (θ, φ)] T [i m ] (3)
等価ステアリングベクトルの要素um i(θ,φ)は、ポートmのみに単位電流が流れたときの指向性であり、ポートnに生ずる電圧がインピーダンスZmnである。同様に、ポートmのみに単位電圧が生じたときにポートnに流れる電流をアドミタンスYmnとし、遠方界の電界である指向性をum v(θ,φ)として定義する。アドミタンス行列[Ymn]はインピーダンス行列[Zmn]の逆行列になる。[um v(θ,φ)]を等価ステアリングベクトルとした場合はポート電圧vmをウェイト(重み付け係数)として、指向性E(φ,θ)を表すことができる(非特許文献4及び6参照。)。
The element u m i (θ, φ) of the equivalent steering vector is directivity when a unit current flows only through the port m, and the voltage generated at the port n is the impedance Z mn . Similarly, the admittance Y mn is defined as a current flowing through the port n when a unit voltage is generated only in the port m, and the directivity that is a far-field electric field is defined as u m v (θ, φ). The admittance matrix [Y mn ] is an inverse matrix of the impedance matrix [Z mn ]. When [u m v (θ, φ)] is an equivalent steering vector, the directivity E (φ, θ) can be expressed using the port voltage v m as a weight (weighting coefficient) (
[数6]
E(θ,φ)=[um v(θ,φ)]T[vm] (4)
[Equation 6]
E (θ, φ) = [u m v (θ, φ)] T [v m ] (4)
各パラメータZmn、um i(θ,φ)とYmn、um v(θ,φ)は、それらの定義より各ポートのみをそれぞれ開放又は短絡にすることにより直接に測定することができる。しかしながら、電子制御導波器アレーアンテナ装置ではポートに可変リアクタンス素子12が半田付けなどにより装荷されているため、ポートを開放又は短絡するには加工が必要となる。
Each parameter Z mn , u m i (θ, φ) and Y mn , u m v (θ, φ) can be directly measured by opening or short-circuiting only each port according to their definition. . However, in the electronically controlled waveguide array antenna device, since the
一方、可変リアクタンス素子12を取り外して測定すれば、個体差(製品ばらつき)を含めて可変リアクタンス素子12の印加電圧対容量特性を求めることができる。しかしながら、実装状態の特性は、半田付けやリード線などの影響を受けており、その影響も一定ではない(取り付けのばらつき)。この取り付けのばらつきを含んだ特性は、実装した状態で測定する必要がある。そこで、可変リアクタンス素子を装荷したまま、幾つかの可変リアクタンス素子の制御状態で測定を行い、その測定値から構造パラメータと可変リアクタンス値を算出する。
On the other hand, if the
構造パラメータ、リアクタンス値及び測定量の関係を図44に示す。構造パラメータであるインピーダンスZmnと等価ステアリングベクトルum i(θ,φ)及び給電回路の回路インピーダンスZsは固定パラメータである。一方、リアクタンス値は可変量であり、この値により測定量の値も変わる。構造パラメータと可変リアクタンス値はともに未知数である。ポート電流imを測定量とすれば、式(1)の関係より、構造パラメータZmnやリアクタンス値Xmを求めることができる(非特許文献7参照。)。しかしながら、電流を測定するには電流プローブが必要である。I2F2法では、より汎用の測定装置を用いて入力インピーダンスZinや遠方電界の指向性E(φ,θ)を測定することができる。
The relationship between the structural parameters, reactance values, and measured quantities is shown in FIG. The impedance Z mn , which is a structural parameter, the equivalent steering vector u m i (θ, φ), and the circuit impedance Zs of the feeder circuit are fixed parameters. On the other hand, the reactance value is a variable amount, and the value of the measured amount varies depending on this value. Both structural parameters and variable reactance values are unknown. If the port current i m and the measured amount from the relation of equation (1) can be determined structural parameters Z mn and the reactance value X m (
次いで、自己インピーダンスに関する任意性について以下に説明する。以下では、アドミタンス行列とともに可変リアクタンス値を未知数とする場合に表れる任意性について記す。アンテナ特性はポート電流[im]により表されるが、式(1)より[im]から決定されるのは次式の行列[Emn]
[数7]
[Emn]=[Zmn]+[Xm]
であり、インピーダンス行列[Zmn]と可変リアクタンスの行列[Xm]の各々は決まらないことが分かる。行列[Xm]は対角行列であるから、対角成分のZmmとjXmの和は決まるが、それらの分け方には任意性があることになる。その任意性を表すために、ある制御状態(0)におけるリアクタンス値をXm (0)で表す。式(5)を満たす特別な解を「a」付きのパラメータで表すことにする。
Next, the optionality regarding self-impedance will be described below. In the following, the arbitraryness that appears when the variable reactance value is an unknown number together with the admittance matrix will be described. The antenna characteristic is expressed by the port current [i m ], but the equation [1] determines the [i m ] from the equation [1] to the following matrix [E mn ]:
[Equation 7]
[E mn ] = [Z mn ] + [X m ]
It can be seen that the impedance matrix [Z mn ] and the variable reactance matrix [X m ] are not determined. Since the matrix [X m ] is a diagonal matrix, the sum of the diagonal components Z mm and jX m is determined, but the way of dividing them is arbitrary. In order to express the arbitraryness, the reactance value in a certain control state (0) is represented by X m (0) . A special solution satisfying equation (5) is represented by a parameter with “a”.
[数8]
Xam (0)=0 (5)
[Equation 8]
Xa m (0) = 0 (5)
上記のように設定すると、次式で表される任意のインピーダンスZmmとリアクタンスXmも式(1)の解となる。 If set as described above, an arbitrary impedance Z mm and reactance X m expressed by the following equations are also solutions to the equation (1).
[数9]
Xm=Xam+Xm (0) (6)
[数10]
Zmm=Zamm−jXm (0)
[Equation 9]
X m = Xa m + X m (0) (6)
[Equation 10]
Z mm = Za mm -jX m (0)
ここで、リアクタンスXm (0)は未知数でなく、任意パラメータである。すなわち、未知数は無給電素子数M個分少なくなる。「a」付きのパラメータに関する式(1)、(3)は、チルダ付のポート電圧vamを次式のように定義すると、整理して表すことができる。 Here, the reactance X m (0) is not an unknown but an arbitrary parameter. That is, the unknowns are reduced by the number M of parasitic elements. Equation for the parameter with "a" (1), (3), defining the port voltage va m dated tilde as follows, can be expressed and organize.
[数11]
[im]=([Zamn]+[Xam])−1[vsn]
[数12]
[Zamn][im]=[vsn]−[Xam][im]=[van] (7)
[数13]
[van]=[vs,−jXa1i1,−jXa2i2,…,−jXaMiM]T
[数14]
E(θ,φ)=[uam v(θ,φ)][vam] (8)
[数15]
[uam v(θ,φ)]=[um i(θ,φ)][Yamn]
[Equation 11]
[I m ] = ([Z a mn ] + [X a m ]) −1 [vs n ]
[Equation 12]
[Za mn] [i m] = [vs n] - [Xa m] [i m] = [va n] (7)
[Equation 13]
[Va n ] = [vs, −jXa 1 i 1 , −jXa 2 i 2 ,..., −jXa M i M ] T
[Formula 14]
E (θ, φ) = [ua m v (θ, φ)] [va m ] (8)
[Equation 15]
[Ua m v (θ, φ)] = [u m i (θ, φ)] [Ya mn ]
なお、ポート電流imはそのままである。「a」付きのパラメータでは状態(0)のとき、Xam(0)=0なので、vam=0、すなわち短絡状態とみることができる。これにより、短絡された素子に関するパラメータを消去できるので、式(7)や(8)の計算が簡単になる。 Incidentally, the port current i m is intact. In the parameter with “a”, since Xa m (0) = 0 in the state (0), it can be considered that va m = 0, that is, a short-circuit state. As a result, the parameters relating to the short-circuited element can be erased, and the calculations of equations (7) and (8) are simplified.
次いで、測定数の評価について以下に説明する。未知数を解くためには、それより多くの測定量を得る必要がある。以下では、未知数の数と測定量の数の関係について記す。無給電素子数をMとすると、インピーダンスZmn又はアドミタンスYmnの数は{(M+1)(M+2)/2}個である。また、等価ステアリングベクトルの要素um i(θ,φ)又はum v(θ,φ)は(M+1)個存在する。さらに、送受信機の内部インピーダンスZsは固定の未知数であるので、全部で{(M+2)(M+3)/2}個の構造パラメータが存在する。なお、「a」付きのパラメータで考えても未知数は同数である。リアクタンス値が既知であるとすれば、必要な回数まで測定を増やすことによりすべての構造パラメータを算出することができる。例えば第1の実施形態や非特許文献6では、各無給電素子に対してXm (0)以外に2つの状態のリアクタンス値Xm (a)とXm (b)を既知とすることにより、入力インピーダンス測定と、遠方電界の指向性の測定を合わせて{(M+2)(M+3)/2}回行えば、すべての構造パラメータを抽出できることを示した。
Next, evaluation of the number of measurements will be described below. In order to solve the unknown, it is necessary to obtain a larger amount of measurement. Below, the relationship between the number of unknowns and the number of measured quantities is described. When the number of parasitic elements is M, the number of impedances Z mn or admittances Y mn is {(M + 1) (M + 2) / 2}. There are (M + 1) elements u m i (θ, φ) or u m v (θ, φ) of the equivalent steering vector. Furthermore, since the internal impedance Zs of the transceiver is a fixed unknown, there are {(M + 2) (M + 3) / 2} structural parameters in total. Note that the number of unknowns is the same even if the parameters with “a” are considered. If the reactance value is known, all structural parameters can be calculated by increasing the measurement to the required number of times. For example, in the first embodiment and
一方、すべての可変リアクタンス素子12のリアクタンス値が既知でない場合は、測定量を増やそうとすると、測定時に設定するリアクタンス値の数も増えるので、未知数も増えてしまう。電流測定では、あるリアクタンス値セットの状態において、素子数M+1個の電流を測定することができる。一方、I2F2法では、測定可能なのは入力インピーダンスと遠方界指向性の2つのみである。入力インピーダンスZinは式(2)で表される。また、式(2)中の給電ポート電流i0は次式で表される。
On the other hand, if the reactance values of all the
[数16]
i0=[Ya0m][vam] (9)
[Equation 16]
i 0 = [Ya 0m ] [va m ] (9)
式(3)と式(9)を比較すると、ポート電圧vamに対する依存性は等しく、リアクタンス値Xmはポート電圧vamのみに含まれるので、入力インピーダンスZinと、遠方電界E(φ,θ)はリアクタンスXm依存性に関して独立でない。故に、未知数のリアクタンス値Xmを解く立場から、測定量は1つだけと考えられる。なお、遠方電界E(φ,θ)は方向依存性を有するが、方向依存性とリアクタンスXm依存性とは無関係である。測定量が1つだけなので、未知のリアクタンス値Xmを1つ増やしても、測定量も1つしか得られない。しかしながら、式(7)又は式(9)のように、測定量が無給電素子数M個のリアクタンス値の関数であるため、リアクタンス値の組み合わせで複数の測定量を得ることができる。各無給電素子に関してXm (0)以外の未知のリアクタンス値の数をN個とした場合、可変リアクタンス素子の未知数の数はNM個、測定可能な測定量の数は(N+1)Mである。入力インピーダンスの測定において、アドミタンスZmnを{(M+1)(M+2)/2}個を求める場合の未知数の数と測定量の数との関係を図45に示す。 Comparing the equations (3) and (9), the dependency on the port voltage va m is equal, and the reactance value X m is included only in the port voltage va m. Therefore, the input impedance Zin and the far electric field E (φ, θ ) is not independent with respect to the reactance X m dependence. Thus, from the standpoint of solving the reactance value X m unknowns, measured quantity is considered to only one. Incidentally, the electric far field E (φ, θ) has a directional dependence is independent of the direction dependence and reactance X m dependence. Since the measurement amount is only one, increasing one unknown reactance value X m, measured quantities only be one obtained. However, as the equation (7) or the equation (9), the measurement amount is a function of the reactance value of M parasitic elements, so that a plurality of measurement amounts can be obtained by combining the reactance values. When the number of unknown reactance values other than X m (0) is N for each parasitic element, the number of unknowns of variable reactance elements is NM, and the number of measurable measurable quantities is (N + 1) M. . FIG. 45 shows the relationship between the number of unknowns and the number of measured quantities when obtaining {(M + 1) (M + 2) / 2} admittances Z mn in the measurement of input impedance.
電流測定法では、各無給電素子の未知リアクタンス値の数N=1でも任意の場合に未知数より多くの測定量を得ることができる。一方、I2F2法では、N=1で未知数より多くの測定量を得るには無給電素子数Mが4以上の場合である。ただし、I2F2法では、電流と未知数の関係が電流測定法に比べて複雑であるので、1つの方程式に含まれる未知数の数Mが多いと計算が難しくなる。そこで、式(6)を満たさないリアクタンス値を有する無給電素子が2個以下となる場合に測定を限定する。測定量の数は{M(M−1)N2/2+NM+1}個となり、図45に示すように、M=6の場合にはN=2とすれば、未知数より多くの測定量を得ることができる。
In the current measurement method, even if the number of unknown reactance values N = 1 for each parasitic element, it is possible to obtain a larger amount of measurement than the unknown in any case. On the other hand, in the I 2 F 2 method, the number M of parasitic elements is 4 or more in order to obtain a measurement amount larger than the unknown when N = 1. However, in the I 2 F 2 method, the relationship between the current and the unknown is more complicated than that in the current measurement method, so that the calculation becomes difficult when the number M of unknowns included in one equation is large. Therefore, the measurement is limited to a case where the number of parasitic elements having reactance values not satisfying Expression (6) is two or less. The number of
次いで、任意性について以下に説明する。上記において、未知数より多くの測定量を得る方法について記したが、測定量が独立でなければ未知数は解けない。以下では、この点を調べる。第1の実施形態や非特許文献6の結果を整理すると、「a」付きのアドミタンスの相互アドミタンスYamnは入力インピーダンスZinの測定値から以下のように計算される。
Next, the optionality will be described below. In the above description, a method for obtaining a measurement quantity larger than the unknown quantity is described. However, the unknown quantity cannot be solved unless the measurement quantity is independent. In the following, this point will be examined. To summarize the results of the first embodiment and
ここで、Zinmn (pq)はm番目の無給電素子12のリアクタンス値がXam (p)で、n番目の無給電素子12のリアクタンス値がXan (q)で、残りの無給電素子12のリアクタンス値がXak (0)のときの入力インピーダンスである。式(10)よりリアクタンス値Xam (a)はパラメータQm (a)にのみに含まれ、式(10)よりアドミタンスYamnはパラメータQm (a)とパラメータQn (a)の積で表されることが分かる。故に、m番目の無給電素子12のリアクタンスXam (a)を変動させる効果はn番目の無給電素子12のリアクタンス値Xan (a)に依存しない。故に、リアクタンス値Xan (a)を変えて、幾つかのリアクタンス値Xam (a)で入力インピーダンスZinmn (pq)を測定しても、リアクタンス値Xan (a)の個数分の独立な測定結果が得られない。すなわち、上述のようなリアクタンス値の組み合わせによる入力インピーダンス測定値は独立とはならない。逆に言えば、パラメータQm (a)を0以外の任意の値とすることができる。さらに、式(11)よりパラメータYamnとリアクタンス値Xam (a)も任意の値に選ぶことができることになる。
Here, Zin mn (pq) is the reactance value of the mth
次いで、任意性の原因について以下に説明する。アドミタンスYamnとリアクタンス値Xam (a)に任意性がある理由を以下で考察する。電流測定法では各ポートの電流は測定されるが、I2F2法では測定されない。また、この測定法の基となる等価ステアリングベクトルモデルでは、ポートは固定されていれば、位置は任意で良い。故に、ポート位置は不定である。ポート位置が変われば、リアクタンス値Xam (a)とインピーダンスZamnは変化する(第1の実施形態及び非特許文献6参照。)。この不定性により、リアクタンス値Xam (a)とインピーダンスZamnは1つの自由度を有する。インピーダンスZamnの代わりにアドミタンスYamnが自由であると考えることができる。アドミタンスYamnとリアクタンス値Xam (a)がそれぞれ任意性を有するためにはもう1つの自由度が必要である。その自由度は、I2F2法では無給電素子のポート電流が測定されないため、許容される以下のような不定性により説明できる。 Next, the cause of the optionality will be described below. The reason why the admittance Ya mn and the reactance value Xa m (a) are arbitrary will be discussed below. The current measurement method measures the current at each port, but the I 2 F 2 method does not. Further, in the equivalent steering vector model that is the basis of this measurement method, the position may be arbitrary as long as the port is fixed. Therefore, the port position is indefinite. If the port position changes, the reactance value Xa m (a) and the impedance Za mn change (see the first embodiment and Non-Patent Document 6). Due to this indefiniteness, the reactance value Xa m (a) and the impedance Za mn have one degree of freedom. It can be considered that the admittance Ya mn is free instead of the impedance Za mn . In order for the admittance Ya mn and the reactance value Xa m (a) to be arbitrary, another degree of freedom is required. The degree of freedom can be explained by the following indefiniteness allowed because the port current of the parasitic element is not measured in the I 2 F 2 method.
次式の式(11)が成り立つとき、各無給電素子Amのリアクタンス値を任意の定数αm倍した式(12)も成り立つ。 When the following equation (11) holds, the equation (12) obtained by multiplying the reactance value of each parasitic element Am by an arbitrary constant α m also holds.
式(12)と式(13)では無給電素子のポート電流は変化しても給電素子ポート電流i0は一定に保たれている。式(2)から分かるように、入力インピーダンスZinを決定するのは給電素子のポート電流i0のみであるので、無給電素子のポート電流が実際とは異なっても、給電素子の電流i0が正しければ、入力インピーダンスに影響はない。また、等価ステアリングベクトルuam v(φ)に関しては、遠方界測定で抽出される値は、後述される式(17)のように、アドミタンスYa0mとの積なので、アドミタンスYa0mが定数倍になる場合、等価ステアリングベクトルuam v(φ)がその逆数倍になれば、遠方電界に影響はない。よって、各パラメータが図46のように定数倍変化しても、同一の入力インピーダンス遠方界測定量が得られる。 In the equations (12) and (13), the feed element port current i 0 is kept constant even if the port current of the parasitic element changes. As can be seen from equation (2), the input impedance Zin is determined only by the port current i 0 of the feed element, so that the current i 0 of the feed element is If it is correct, the input impedance is not affected. As for the equivalent steering vector ua m v (phi), value that is extracted by the far field measurements, as of the formulas described below (17), so the product of the admittance Ya 0 m, admittance Ya 0 m is a constant multiple In this case, if the equivalent steering vector ua m v (φ) is a reciprocal multiple thereof, the far electric field is not affected. Therefore, even if each parameter changes by a constant multiple as shown in FIG. 46, the same input impedance far-field measurement can be obtained.
次いで、任意パラメータの選択について以下に説明する。リアクタンス値Xm (0)とアドミタンスYamn、及びリアクタンス値Xam (a)に任意性があることが分かったが、任意パラメータとして、アドミタンスYamnとリアクタンス値Xam (a)の代わりに、リアクタンス値Xam (a)とリアクタンス値Xam (b)あるいは、アドミタンスYa0mとリアクタンス値Xam(a)とリアクタンス値Xam (a)あるいは、アドミタンスYamnとアドミタンスYa0mを選ぶことも可能である。第1の実施形態及び非特許文献6では、リアクタンス値Xm (0)とリアクタンス値Xam (a)、及びリアクタンス値Xam (b)の値を既知量として与えていたが、任意に与えても良いことに分かる。すなわち、リアクタンス値Xm (0)とリアクタンス値Xam (a)、及びリアクタンス値Xam (b)として実際の値とは異なる値が用いられても、その誤差は任意性に吸収される。任意パラメータと測定値からアドミタンス行列を計算する式を図47にまとめる(図47中のルートの正負の選択に関しては不定性が残る)。また、m番目の無給電素子のみ任意の状態(p)に設定し他の無給電素子のリアクタンス値をXak (0)とした状態の入力インピーダンス測定値をZinm (p)から、可変リアクタンス素子12の値を計算する式も図47に記す。表中のPm (p)は次式で定義される。
Next, selection of an arbitrary parameter will be described below. It has been found that the reactance value X m (0) , the admittance Ya mn , and the reactance value X a m (a) are arbitrary. However, as an optional parameter, instead of the admittance Ya mn and the reactance value X a m (a) , reactance value Xa m (a) and reactance values Xa m (b) or admittance Ya 0 m and reactance values Xa m (a) and reactance values Xa m (a) or it is also possible to choose the admittance Ya mn and admittance Ya 0 m It is. In the first embodiment and
上記の式に示されるように、実際の可変リアクタンス素子には抵抗成分も存在し、その値も算出される。既出の計算式において抵抗成分を考慮するためには、式中のインピーダンスjXmをRm+jXmに、インピーダンスjXamをRam+jXamに変えればよい。また、未知の構造パラメータの数と、それを求めるのに必要な測定回数も図47に示す。アドミタンスYammとアドミタンスYa0mあるいは、アドミタンスYammとリアクタンス値Xam (a)、アドミタンスYa0mとアドミタンスXam (a)を任意パラメータとして選ぶことにより、リアクタンス値Xam (a)とリアクタンス値Xam (b)を任意パラメータとする場合に比べて、測定回数をM回減らすことができる。アドミタンスYammとアドミタンスYa0mを任意パラメータとする場合は、未知のアドミタンスが他の2つに比べてM個減るが、入力インピーダンスZinm (a)を測定する必要があるため、測定回数はM回減るだけである。また、アドミタンスYammやアドミタンスYa0mを任意パラメータとするときは、計算式に常に表れるので計算しやすい値に選ぶと便利である。ただし、アドミタンスYamm及びアドミタンスYa0mとして0は不可であり、また、リアクタンス値Xm (0)とリアクタンス値Xam (a)及びリアクタンス値Xam (b)のどれかが等しくなるような値に設定することを避ける必要がある。なお、図47より、アドミタンスYamnはアドミタンスYa0mのみに依存し、アドミタンスYammには依存しないことが分かる。また、図47には給電回路のインピーダンスZsが含まれるが、「a」が無いアドミタンスの算出結果は給電回路の入力インピーダンスZsに依存しない。これは、当該アンテナ装置のアドミタンスが給電回路に依存しないためである。 As shown in the above equation, the actual variable reactance element also has a resistance component, and its value is also calculated. To account for the resistance component in the foregoing calculation formula, the impedance jX m in the formula to R m + jX m, may be changed impedance jXa m in Ra m + jXa m. FIG. 47 also shows the number of unknown structural parameters and the number of measurements necessary to obtain them. Admittance Ya mm and admittance Ya 0 m or by choosing admittance Ya mm and reactance values Xa m (a), the admittance Ya 0 m and admittance Xa m (a) as an optional parameter, the reactance values Xa m (a) and reactance values Xa Compared to the case where m (b) is an arbitrary parameter, the number of measurements can be reduced M times. When the admittance Ya mm and the admittance Ya 0m are used as optional parameters, the number of unknown admittances is reduced by M compared to the other two, but the input impedance Zin m (a) needs to be measured. It only decreases. When admittance Ya mm or admittance Ya 0m is used as an arbitrary parameter, it is convenient to select a value that is easy to calculate because it always appears in the calculation formula. However, 0 is not allowed as the admittance Ya mm and the admittance Ya 0m , and the reactance value X m (0) , the reactance value Xa m (a), and the reactance value Xa m (b) are equal to each other. It is necessary to avoid setting to. It can be seen from FIG. 47 that the admittance Ya mn depends only on the admittance Ya 0m and does not depend on the admittance Ya mm . 47 includes the impedance Zs of the power feeding circuit, but the calculation result of the admittance without “a” does not depend on the input impedance Zs of the power feeding circuit. This is because the admittance of the antenna device does not depend on the power feeding circuit.
遠方電界から構造パラメータとリアクタンス値を算出する式として、リアクタンス値Xam (a)とリアクタンス値Xam (b)を任意パラメータとした場合を記す(第1の実施形態及び非特許文献6参照。)。 As a formula for calculating the structural parameter and the reactance value from the far field, the case where the reactance value Xa m (a) and the reactance value Xa m (b) are arbitrary parameters is described (see the first embodiment and Non-Patent Document 6). ).
[数17]
Q5=Ya0muan v(φ0)+Ya0nuam v(φ0)
[数18]
Q6=2(Emn (aa)(φ0)−E(0)(φ0))/vs
[数19]
Q7=Q5 2−Q6Q8
[数20]
Q8
=Qm (a)Qn (a)Q6
+2jYa0muam v(φ0)Qn (a)
+2jYa0nuan v(φ0)Qm (a) (19)
[Equation 17]
Q 5 = Ya 0m ua n v (φ 0) + Ya 0n ua m v (φ 0)
[Equation 18]
Q 6 = 2 (E mn (aa) (φ 0 ) −E (0) (φ 0 )) / vs
[Equation 19]
Q 7 = Q 5 2 -Q 6 Q 8
[Equation 20]
Q 8
= Q m (a) Q n (a) Q 6
+ 2jYa 0 m ua m v (φ 0 ) Q n (a)
+ 2jYa 0n ua n v (φ 0) Q m (a) (19)
式(16)のように、遠方電界から求まるのは、アドミタンスYa0mと等価ステアリングベクトルuam v(φ)なので、アドミタンスYa00やアドミタンスYa0mを求めるために、入力インピーダンスの測定をM+1回追加する必要がある。逆に、図47の入力インピーダンスの測定において、遠方電界E(0)(φ)と遠方電界Em (a)(φ)との遠方電界の測定を(M+1)個追加すれば、式(15)及び式(17)より、等価ステアリングベクトルuam vをすべて求めることができる。入力インピーダンスや指向性パターン形状は給電回路のインピーダンスZsに依存しないが、当該インピーダンスZsは整合損による利得変化に影響するため抽出する必要がある。このためには、1つの無給電素子Amに関して状態(b)とした場合の入力インピーダンスZinm (b)と遠方電界Em (b)(φ0)を測定し、次式により算出する。 Since the admittance Ya 0m and the equivalent steering vector ua m v (φ) are obtained from the far electric field as shown in the equation (16), the input impedance measurement is added M + 1 times to obtain the admittance Ya 00 and the admittance Ya 0m. There is a need to. Conversely, in the measurement of the input impedance in FIG. 47, if (M + 1) far field measurements of the far field E (0) (φ) and the far field E m (a) (φ) are added, the equation (15) ) And equation (17), all equivalent steering vectors ua m v can be obtained. Although the input impedance and the directivity pattern shape do not depend on the impedance Zs of the power feeding circuit, the impedance Zs needs to be extracted because it affects the gain change due to the matching loss. For this purpose, the input impedance Zin m (b) and the far electric field E m (b) (φ 0 ) when the state (b) is set for one parasitic element Am are measured and calculated by the following equation.
式(18)より、給電回路のインピーダンスZsは、リアクタンス値Xam (a)及びリアクタンス値Xam (b)やアドミタンス値に依存せず、測定値のみにより決まることが分かる(後述の補足説明参照。)。給電回路のインピーダンスZsは整合損として実際に観測できる物理量なので、任意パラメータに影響されることは許されないという事実に矛盾しない結果である。 From equation (18), it can be seen that the impedance Zs of the power feeding circuit does not depend on the reactance value Xa m (a), the reactance value Xa m (b), or the admittance value, but is determined only by the measured value (see supplementary explanation below). .). Since the impedance Zs of the feeder circuit is a physical quantity that can actually be observed as a matching loss, the result is consistent with the fact that it is not allowed to be influenced by an arbitrary parameter.
さらに、数値計算及びその計算結果について以下に説明する。一般的な電子制御導波器アレーアンテナ装置に対する評価を行うため、図48のように、給電素子A0がxyz座標系の座標中心からx軸とy軸方向にλ/6ずれ、半径が半波長の円形接地導体11を有する構造的に非対称な7素子電子制御導波器アレーアンテナ装置の構造パラメータを抽出する。各素子長A0−A6と、給電素子A0を中心とする無給電素子A1−A6の配列円半径を0.25波長とし、各素子A0−A6の半径を0.01波長とする。また、測定を行うリアクタンス値Xm (0),Xm (a),Xm (b)として図49のような不均一な値を与える。図50のように、リアクタンス値X1 (a),X1 (b)又はリアクタンス値X2 (a),X2 (b)のみを実際とは異なる値を与えた場合に、算出されるm=1番目の素子の可変リアクタンス素子12のインピーダンスを図51に示す。横軸に制御パラメータの代わりに本当のリアクタンス値を示す。また、すべての無給電素子に装荷する可変リアクタンス素子12のリアクタンス値として、アドミタンスYamm=Ya0m=0.001を与えて計算した結果もケース5として示す。リアクタンス値Xam (a)とXam (b)の選択により、可変リアクタンス値が正しい値とは別の値が算出され、制御特性が変わることが分かる。アドミタンス値も正しくない値が算出される。なお、ケース4の結果から、無給電素子A2に装荷される可変リアクタンス素子12のリアクタンス値が正しくない値に設定されても、無給電素子A1に装荷されるリアクタンス素子12のリアクタンス値は正しい値が算出されることが分かる。また、ケース3のように、本来、リアクタンス値Xam (0)とリアクタンス値Xam (a)との間の大きさにあるべきリアクタンス値Xam (b)が、その範囲にないような場合にはリアクタンス値が発散するような振る舞いを示すことが分かる。制御パラメータに対して可変リアクタンス素子12のインピーダンスが連続に変化する場合には、補間を用いることにより、制御特性を求めるための測定ポイントを削減できるが、ケース3のような場合には発散点付近での補間が難しくなる。さらに、アドミタンスYamm=Ya0m=0.001とした場合には、可変リアクタンス素子12の抵抗成分が0ではない値として算出されることが分かる。これらの実際とは異なるパラメータ値を用いて、図49のようなリアクタンス値セットのアンテナ特性を計算した。入力インピーダンス計算結果を図53に示し、指向性を図54に示す。有限地板である接地導体11の影響をみるため、仰角θ=60度の面内の指向性を示す。図53及び図54から明らかなように、両特性とも、モーメント法で計算した正しい値に良く一致している。指向性のグラフでは、各ケースの結果を表すドットが重なっており、モーメント法の計算結果の曲線の上にのっている。これにより、算出される構造パラメータとリアクタンス値は本当の値とは異なるが、正しいアンテナ特性が計算されることが確認できる。
Furthermore, numerical calculation and the calculation result will be described below. In order to evaluate a general electronically controlled waveguide array antenna device, as shown in FIG. 48, the feed element A0 is shifted by λ / 6 in the x-axis and y-axis directions from the coordinate center of the xyz coordinate system, and the radius is a half wavelength. The structural parameters of a structurally asymmetric seven-element electronically controlled waveguide array antenna apparatus having a
以上説明したように、本実施形態によれば、入力インピーダンス測定と遠方界測定により、抽出される構造パラメータと校正される可変リアクタンス素子値には任意性があることが分かった。各素子に対して3つの任意性があり、その値により算出されるパラメータは変化するが、そのパラメータから計算される入力インピーダンスと遠方界指向性及び送受信機の内部インピーダンスZsは一定で、正しい値が計算される。任意性の3つの自由度のうちの1自由度は、アンテナ特性がリアクタンス値と自己インピーダンスの和に依存し、その割り振りは任意であるという性質に基づく。また、1自由度は、等価ステアリングベクトルモデルにおいてポートは固定されていればその位置は任意であり、実際の測定でも不定であるためと考えられる。残りの自由度は、無給電素子に流れる電流が測定されず、測定量に対して不定性が許されるためと考えられる。この自由度のため、自己アドミタンスYammあるいは給電素子間の相互アドミタンスYa0mを任意パラメータとすることができる。これにより、構造パラメータ算出に必要な測定回数をリアクタンス値を任意パラメータとする場合に比べてM回削減できる。また、アドミタンス値として適当な値を選ぶことにより計算を簡単に行うことができる。 As described above, according to the present embodiment, it was found that the extracted structural parameter and the calibrated variable reactance element value are arbitrary by the input impedance measurement and the far field measurement. There are three options for each element, and the parameter calculated by the value varies, but the input impedance and far field directivity calculated from the parameter and the internal impedance Zs of the transceiver are constant and correct values. Is calculated. One of the three degrees of freedom is based on the property that the antenna characteristics depend on the sum of the reactance value and the self-impedance, and the allocation is arbitrary. One degree of freedom is considered to be that the position is arbitrary as long as the port is fixed in the equivalent steering vector model, and it is undefined even in actual measurement. The remaining degrees of freedom are considered to be because the current flowing through the parasitic element is not measured and indefiniteness is allowed for the measured quantity. Due to this degree of freedom, the self-admittance Ya mm or the mutual admittance Ya 0m between the feeding elements can be set as an arbitrary parameter. As a result, the number of measurements required to calculate the structure parameter can be reduced M times compared to the case where the reactance value is an arbitrary parameter. Further, the calculation can be easily performed by selecting an appropriate value as the admittance value.
<本発明の各種態様>
以上の第1と第2の実施形態に基づいた本発明の幾つかの態様について以下に説明する。
<Various aspects of the present invention>
Several aspects of the present invention based on the above first and second embodiments will be described below.
構造パラメータ(具体的には、ポート間アドミタンス又はインピーダンス)を求める本発明の第1の態様に係るアレーアンテナの構造パラメータの測定方法によれば、
無線信号を送受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、上記給電素子と上記無給電素子との間に接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化する、例えば電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
上記各可変リアクタンス素子に設定する制御電圧を幾つかに限定し、その制御電圧の各無給電素子間の組み合わせのうちの幾つかの制御状態における入力インピーダンスを測定するステップと、
各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、入力インピーダンスとの関係式に、入力インピーダンス測定値と、上記幾つかの制御電圧設定状態における各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値を代入して、各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値を計算するステップとを含むことを特徴とする。
According to the method for measuring the structural parameter of the array antenna according to the first aspect of the present invention for determining the structural parameter (specifically, inter-port admittance or impedance),
A feed element for transmitting and receiving a radio signal, at least one parasitic element provided at a predetermined interval from the feed element, and a variable connected between the feed element and the parasitic element And reacting each parasitic element as a director or a reflector by setting a control voltage to each variable reactance element and changing a reactance value of each variable reactance element. The directivity of the array antenna is changed.
Limiting the control voltage set to each of the variable reactance elements to some, and measuring the input impedance in some control states of combinations between the parasitic elements of the control voltage;
The relationship between the admittance value or impedance value between each antenna element port, the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element, and the input impedance, the input impedance measurement value, and the above several control voltage settings Substituting the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element in the state to calculate the admittance value or impedance value between the antenna element ports.
構造パラメータ(具体的には、等価ステアリングベクトル)を求める本発明の第2の態様に係るアレーアンテナの構造パラメータの測定方法によれば、無線信号を送受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、上記給電素子と上記無給電素子との間に接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化する、例えば電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
上記各可変リアクタンス素子に設定する制御電圧を幾つかに限定し、その制御電圧の各無給電素子間の組み合わせのうちの幾つかの制御状態における入力インピーダンスと遠方界指向性を測定するステップと、
各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、等価ステアリングベクトルと、各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、遠方界指向性との関係式に、入力インピーダンスと遠方界指向性の測定値と、上記幾つかの制御状電圧設定態における各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値を代入して、等価ステアリングベクトルと各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値を計算するステップとを含むことを特徴とする。
According to the array antenna structural parameter measurement method for obtaining a structural parameter (specifically, an equivalent steering vector) according to the second aspect of the present invention, a feed element for transmitting and receiving a radio signal, and the feed element At least one parasitic element provided at a predetermined interval, and a variable reactance element connected between the feeder element and the parasitic element, and each of the variable reactance elements has a control voltage. By changing the reactance value of each of the variable reactance elements and changing the directivity of each parasitic element to operate as a director or a reflector, for example, an electronically controlled waveguide array antenna A method for measuring the electrical characteristics of an array antenna as a device,
Limiting the control voltage set to each of the variable reactance elements to some, and measuring the input impedance and far field directivity in some control states of combinations between the parasitic elements of the control voltage;
The relationship between the admittance value or impedance value between each antenna element port, the equivalent steering vector, the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element, and the far field directivity Admittance value or impedance value between the equivalent steering vector and each antenna element port by substituting the measured impedance value and the impedance value of the variable reactance element as seen from the port of each parasitic element in the above-mentioned several controlled voltage settings And calculating.
測定項目をより限定して記述する本発明の第3の態様に係るアレーアンテナの構造パラメータの測定方法によれば、第1の態様記載の測定方法において、各無給電素子に設定する制御電圧を3個とし、そのうち1つを基準制御電圧とし、残りのうちの1つを第1の制御電圧、もう一方を第2の制御電圧とし、入力インピーダンス測定を行う各無給電素子の制御電圧の組み合わせは、制御電圧がすべて基準電圧の場合と、1つの無給電素子のみが第1の制御電圧の場合と、2つの無給電素子のみが第1の制御電圧の場合と、1つのみの無給電素子が第2の制御電圧の場合のすべての組み合わせであることを特徴とする。 According to the method for measuring the structural parameters of the array antenna according to the third aspect of the present invention described with more limited measurement items, in the measurement method according to the first aspect, the control voltage set for each parasitic element is Three, one of which is a reference control voltage, one of which is a first control voltage, the other is a second control voltage, and combinations of control voltages for each parasitic element that performs input impedance measurement Are all the reference voltages, only one parasitic element is the first control voltage, only two parasitic elements are the first control voltage, and only one parasitic element. It is characterized in that all the combinations in the case where the element is the second control voltage are used.
測定項目をより限定して記述する本発明の第4の態様に係るアレーアンテナの構造パラメータの測定方法によれば、第2の態様記載の測定方法において、各無給電素子に設定する制御電圧を3個とし、そのうち1つを基準制御電圧とし、残りのうちの1つを第1の制御電圧、もう一方を第2の制御電圧とし、入力インピーダンスと遠方界指向性の測定を行う各無給電素子の制御電圧の組み合わせは、制御電圧がすべて基準電圧の場合と、1つの無給電素子のみが第1の制御電圧の場合のすべての組み合わせとし、2つの無給電素子のみが第1の制御電圧の場合と、1つのみの無給電素子が第2の制御電圧の場合のすべての組み合わせで、入力インピーダンス又はある一定方向の遠方界を測定することを特徴とする。 According to the method for measuring the structural parameters of the array antenna according to the fourth aspect of the present invention described with more limited measurement items, in the measurement method according to the second aspect, the control voltage set for each parasitic element is Each of the three is a reference control voltage, one of which is a first control voltage and the other is a second control voltage, each of which is used to measure input impedance and far field directivity The control voltage combinations of the elements are all combinations when the control voltages are all the reference voltage and when only one parasitic element is the first control voltage, and only the two parasitic elements are the first control voltage. In this case, the input impedance or the far field in a certain direction is measured in all combinations of the case where only one parasitic element is the second control voltage.
入力インピーダンス測定法を用いて可変リアクタンス素子のインピーダンスを測定する本発明の第5の態様に係るアレーアンテナの構造パラメータの測定方法によれば、無線信号を送受信するための給電素子と、記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、上記給電素子と上記無給電素子との間に接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化する、例えば電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
1つの無給電素子のみの可変リアクタンス素子の制御電圧を任意に設定した制御状態における入力インピーダンスを測定するステップと、
各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、入力インピーダンスとの関係式に、第1の態様から第4の態様までのいずれかの方法で求めたポート間アドミタンス値又はインピーダンス値と、上記入力インピーダンス測定値を代入し、任意の制御電圧を設定した無給電素子のポートから可変リアクタンスを見たインピーダンス値を計算するステップとを含むことを特徴とする。
According to the method for measuring the structural parameter of the array antenna according to the fifth aspect of the present invention for measuring the impedance of the variable reactance element using the input impedance measurement method, the feed element for transmitting and receiving a radio signal, and the feed element At least one parasitic element provided at a predetermined distance from the variable element and a variable reactance element connected between the parasitic element and the parasitic element, and each variable reactance element is controlled by the variable reactance element. By changing the reactance value of each variable reactance element by setting a voltage, the directivity changes by operating each parasitic element as a waveguide or a reflector, for example, an electronically controlled waveguide array A method for measuring electrical characteristics of an array antenna as an antenna device,
Measuring an input impedance in a control state in which a control voltage of a variable reactance element of only one parasitic element is arbitrarily set;
Any one of the first to fourth aspects of the relational expression between the admittance value or impedance value between each antenna element port, the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element, and the input impedance And inter-port admittance value or impedance value obtained by the above method, and a step of substituting the input impedance measurement value and calculating an impedance value by looking at a variable reactance from a port of a parasitic element in which an arbitrary control voltage is set. It is characterized by that.
遠方電界測定を用いて可変リアクタンス素子のインピーダンスを測定する可変リアクタンス素子の電気的特性の測定方法によれば、無線信号を送受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、上記給電素子と上記無給電素子との間に接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
1つの無給電素子のみの可変リアクタンスの制御電圧を任意に設定した制御状態におけるある一定方向の遠方電界を測定するステップと、
各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、等価ステアリングベクトルと、各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、遠方電界との関係式に、第2の態様又は第4の態様記載の方法で求めた等価ステアリングベクトルと、ポート間アドミタンス値又はインピーダンスと値、上記ある方向の遠方電界測定値を代入し、任意の制御電圧を設定した無給電素子のポートから可変リアクタンスを見たインピーダンス値を計算するステップとを含むことを特徴とする。
According to the measurement method of the electrical characteristics of the variable reactance element that measures the impedance of the variable reactance element using the far field measurement, the power supply element for transmitting and receiving a radio signal is separated from the power supply element by a predetermined interval. At least one parasitic element provided, and a variable reactance element connected between the feeding element and the parasitic element, and a control voltage is set for each of the variable reactance elements, and each of the variable reactance elements is set. A method for measuring the electrical characteristics of an array antenna in which the directivity is changed by operating each parasitic element as a director or a reflector by changing a reactance value of the reactance element,
Measuring a far electric field in a certain direction in a control state in which a variable reactance control voltage of only one parasitic element is arbitrarily set;
The relationship between the admittance value or impedance value between each antenna element port, the equivalent steering vector, the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element, and the far electric field is expressed by the second mode or the fourth mode. Substituting the equivalent steering vector, the inter-port admittance value or impedance and value, and the far field measurement value in the above-mentioned certain direction obtained by the method described in the embodiment, the variable reactance can be seen from the port of the parasitic element set with an arbitrary control voltage. And calculating an impedance value.
補間による可変リアクタンスの制御特性を測定する本発明の第7の態様に係る可変リアクタンス素子の電気的特性の測定方法によれば、第5の態様又は第6の態様記載の測定方法において、無給電素子のポートから可変リアクタンスを見たインピーダンス値を計算する際の制御電圧を複数の値に設定し、複数の制御電圧における無給電素子のポートから可変リアクタンス素子を見たインピーダンス値の関係を計算し、可変リアクタンス素子のインピーダンスの制御電圧依存性を補間によって求めることを特徴とする。 According to the measurement method of the electrical characteristics of the variable reactance element according to the seventh aspect of the present invention for measuring the control characteristic of the variable reactance by interpolation, in the measurement method according to the fifth aspect or the sixth aspect, Set the control voltage when calculating the impedance value looking at the variable reactance from the element port to multiple values, and calculate the relationship between the impedance value looking at the variable reactance element from the parasitic element port at multiple control voltages. The control voltage dependence of the impedance of the variable reactance element is obtained by interpolation.
入力インピーダンスの計算方法に係る本発明の第8の態様に係るアレーアンテナの電気的特性の測定方法によれば、無線信号を送受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、上記給電素子と上記無給電素子との間に接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、入力インピーダンスとの関係式に、第1の態様から第4の態様までのいずれかの方法で求めたポート間アドミタンス値又はインピーダンス値と、第5の態様から第7の態様までのいずれかの方法で求めた任意の制御電圧におけるポートから見た可変リアクタンスのインピーダンス値を代入し、上記各無給電素子に各制御電圧が設定された制御状態における入力インピーダンス値を計算することを特徴とする。
According to the method for measuring the electrical characteristics of the array antenna according to the eighth aspect of the present invention relating to the input impedance calculation method, the feed element for transmitting and receiving a radio signal is spaced apart from the feed element by a predetermined distance. At least one parasitic element provided between the power supply element and the parasitic element, and a control voltage is set for each of the variable reactance elements. A method for measuring the electrical characteristics of an array antenna in which the directivity is changed by operating each parasitic element as a director or a reflector by changing a reactance value of a variable reactance element,
Any one of the first to fourth aspects of the relational expression between the admittance value or impedance value between each antenna element port, the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element, and the input impedance Substituting the inter-port admittance value or impedance value obtained by the above method and the impedance value of the variable reactance seen from the port at any control voltage obtained by any method from the fifth aspect to the seventh aspect, An input impedance value in a control state in which each control voltage is set to each parasitic element is calculated.
遠方電界の指向性の計算方法である本発明の第9の態様に係るアレーアンテナの電気的特性の測定方法によれば、無線信号を送受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、上記給電素子と上記無給電素子との間に接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、等価ステアリングベクトルと、各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、遠方電界指向性との関係式に、第2の態様又は第4の態様記載の方法で求めた等価ステアリングベクトルと、ポート間アドミタンス値又はインピーダンス値と、第5の態様から第7の態様までのいずれか1つ記載の測定方法で求めた任意の制御電圧におけるポートから見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値を代入し、上記各無給電素子に各制御電圧が設定された制御状態における遠方電界指向性を計算することを特徴とする。
According to the method for measuring the electrical characteristics of the array antenna according to the ninth aspect of the present invention, which is a method for calculating the directivity of the far field, a feeding element for transmitting and receiving a radio signal, and a predetermined distance from the feeding element At least one parasitic element provided apart from each other, and a variable reactance element connected between the feeding element and the parasitic element, and a control voltage is set for each of the variable reactance elements. And measuring the electrical characteristics of the array antenna in which the directivity is changed by operating each parasitic element as a director or a reflector by changing the reactance value of each variable reactance element. ,
The relationship between the admittance value or impedance value between each antenna element port, the equivalent steering vector, the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element, and the far field directivity is expressed in the second mode or The equivalent steering vector obtained by the method described in the fourth aspect, the inter-port admittance value or the impedance value, and any control voltage obtained by the measurement method described in any one of the fifth to seventh aspects. Substituting the impedance value of the variable reactance element viewed from the port, the far field directivity in the control state in which each control voltage is set to each parasitic element is calculated.
任意性を含んだ入力インピーダンスの計算方法である本発明の第10の態様に係るアレーアンテナの電気的特性の測定方法によれば、第8の態様記載の方法と同様のアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
ポート間アドミタンス又はインピーダンスを計算するために第3の態様記載の方法を用い、その際に、3個の制御電圧設定状態における各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値として、適当な異なる3つの値を用いて入力インピーダンスを計算することを特徴とする。
According to the method for measuring the electrical characteristics of the array antenna according to the tenth aspect of the present invention, which is a method of calculating input impedance including arbitraryness, the electrical characteristics of the array antenna similar to the method according to the eighth aspect Measuring method,
In order to calculate the admittance or impedance between ports, the method described in the third aspect is used. At this time, as the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element in the three control voltage setting states, an appropriate value is used. The input impedance is calculated using three different values.
任意性を含む遠方電界の指向性の計算方法である本発明の第11の態様に係るアレーアンテナの電気的特性の測定方法によれば、第9の態様記載の方法と同様のアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
等価ステアリングベクトルを計算するために、第4の態様記載の方法を用い、その際に、3個の制御電圧設定状態における各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値として、適当な異なる3つの値を用いて遠方電界の指向性を計算することを特徴とする。
According to the method for measuring the electrical characteristics of the array antenna according to the eleventh aspect of the present invention, which is a method for calculating the directivity of the far electric field including the arbitrary property, the electric power of the array antenna is the same as the method described in the ninth aspect. Measuring method of mechanical characteristics,
In order to calculate the equivalent steering vector, the method described in the fourth aspect is used, and at this time, the impedance value of the variable reactance element as viewed from the port of each parasitic element in the three control voltage setting states is appropriately different. The directivity of the far electric field is calculated using three values.
任意性を含む入力インピーダンスの計算方法であり、制御電圧設定値を2個とする本発明の第12の態様に係るアレーアンテナの電気的特性の測定方法によれば、無線信号を送受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、上記給電素子と上記無給電素子との間に接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化する、例えば電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
各無給電素子に設定する制御電圧を2個とし、そのうち1つを基準制御電圧とし、各無給電素子の制御電圧の組み合わせは、基準制御電圧以外の制御電圧を設定する無給電素子数が2個以下のすべて組み合わせで入力インピーダンスを測定するステップと、
各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、入力インピーダンスとの関係式に、上記で測定した入力インピーダンスの測定値を代入しさらに、各無給電素子に関して2つの制御電圧状態における可変リアクタンス素子のインピーダンス値2つと無給電素子の自己アドミタンス、又は、2つの制御電圧状態における可変リアクタンス素子のインピーダンス値2つと無給電素子の給電素子間の相互アドミタンス、又は、1つの制御電圧状態における可変リアクタンス素子のインピーダンス値1つと無給電素子の自己アドミタンスと給電素子と無給電素子間の相互アドミタンスとして、適当な値を代入することにより、ポート間の仮のアドミタンス値又は仮のインピーダンス値を計算するステップと、
そのポート間の仮のアドミタンス値又は仮のインピーダンス値を用いて、第5の態様から第7の態様までのうちのいずれか1つの方法で、各無給電素子のポートから見た可変リアクタンスの仮のインピーダンス値を計算するステップと、
各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、入力インピーダンスとの関係式に、上記で求めたポート間の仮のアドミタンス値又は仮のインピーダンス値と各無給電素子のポートから見た可変リアクタンス素子の仮のインピーダンス値を代入し、上記各無給電素子の制御電圧の組み合わせの制御状態における入力インピーダンスを計算するステップとを含むことを特徴とする。
According to a method for measuring electrical characteristics of an array antenna according to a twelfth aspect of the present invention, which is a calculation method of input impedance including arbitraryity and has two control voltage setting values, A feed element; at least one parasitic element provided at a predetermined distance from the feed element; and a variable reactance element connected between the feed element and the parasitic element, By setting a control voltage to each variable reactance element and changing the reactance value of each variable reactance element, the directivity characteristics change by operating each parasitic element as a director or a reflector, For example, a method for measuring the electrical characteristics of an array antenna which is an electronically controlled waveguide array antenna device,
There are two control voltages set for each parasitic element, one of which is a reference control voltage, and the combination of control voltages for each parasitic element has two parasitic elements for setting a control voltage other than the reference control voltage. Measuring input impedance with all combinations of
Substituting the measured value of the input impedance measured above into the relational expression between the admittance value or impedance value between each antenna element port, the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element, and the input impedance, and For each parasitic element, two variable reactance element impedance values in two control voltage states and the self-admittance of the parasitic element, or between two variable reactance element impedance values in two control voltage states and the parasitic element feed element By substituting appropriate values for the mutual admittance of the variable reactance element in one control voltage state, the self-admittance of the parasitic element, and the mutual admittance between the feeder element and the parasitic element, Temporary admitan Calculating the impedance value of the value or temporary,
Using the temporary admittance value or the temporary impedance value between the ports, any one of the methods from the fifth aspect to the seventh aspect can be used to estimate the variable reactance as viewed from the port of each parasitic element. Calculating an impedance value of
The relationship between the admittance value or impedance value between each antenna element port, the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element, and the input impedance is calculated using the above calculated temporary admittance value or temporary value between ports. And substituting the temporary impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element, and calculating the input impedance in the control state of the control voltage combination of each parasitic element. Features.
任意性を含む遠方電界の指向性の計算方法であり、制御電圧設定値を2個とする本発明の第13の態様に係るアレーアンテナの電気的特性の測定方法によれば、無線信号を送受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、上記給電素子と上記無給電素子との間に接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
各無給電素子に設定する制御電圧を2個とし、そのうち1つを基準制御電圧、残りを第1の制御電圧とし、すべてを基準制御電圧とした場合の遠方電界指向性と入力インピーダンス値、1つの無給電素子のみを第1の制御電圧とした場合のすべての組み合わせの遠方電界指向性と入力インピーダンス値、及び、2つの無給電素子のみに第1の制御電圧を設定した場合のある一定方向の遠方電界又は入力インピーダンス値を測定するステップと、
各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、等価ステアリングベクトルと、各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、入力インピーダンス値又は遠方電界指向性との関係式に、上記で測定した入力インピーダンスと遠方電界指向性の測定を代入し、さらに、各無給電素子に関して2つの制御電圧状態における可変リアクタンス素子のインピーダンス値2つと無給電素子の自己アドミタンス値、又は、2つの制御電圧状態における可変リアクタンス素子のインピーダンス値2つと無給電素子の給電素子間の相互アドミタンス値、又は、1つの制御電圧状態における可変リアクタンス素子のインピーダンス値1つと無給電素子の自己アドミタンス値と給電素子と無給電素子間の相互アドミタンス値として、適当な値を代入することにより、ポート間の仮のアドミタンス値又は仮のインピーダンス値と仮の等価ステアリングベクトルを計算するステップと、
そのポート間の仮のアドミタンス値又は仮のインピーダンス値と仮の等価ステアリングベクトルを用いて、第5の態様から第7の態様までのいずれか記載の方法で、各無給電素子のポートから見た可変リアクタンスの仮のインピーダンス値を計算し、各アンテナ素子ポート間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、各無給電素子のポートからみた可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、等価ステアリングベクトルと、遠方電界指向性との関係式に、上記で求めたポート間の仮のアドミタンス値又は仮のインピーダンス値と仮の等価ステアリングベクトルと各無給電素子のポートから見た可変リアクタンスの仮のインピーダンス値を代入し、上記各無給電素子の制御電圧の組み合わせの制御状態における遠方電界指向性を計算するステップとを含むことを特徴とする。
According to the method for measuring the electrical characteristics of an array antenna according to the thirteenth aspect of the present invention, which is a method for calculating the directivity of a far electric field including optionality, and has two control voltage setting values, radio signals are transmitted and received. And at least one parasitic element provided at a predetermined distance from the feeding element, and a variable reactance element connected between the feeding element and the parasitic element. Providing a control voltage for each variable reactance element and changing a reactance value of each variable reactance element, thereby causing each parasitic element to operate as a director or a reflector. A method for measuring the electrical characteristics of a changing array antenna,
Distant electric field directivity and input impedance value when two control voltages are set for each parasitic element, one is a reference control voltage, the other is a first control voltage, and all are reference control voltages, Far field directivity and input impedance values of all combinations when only one parasitic element is used as the first control voltage, and a certain direction when the first control voltage is set only for two parasitic elements Measuring the far field or input impedance value of
The relational expression between the admittance value or impedance value between each antenna element port, the equivalent steering vector, the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element, and the input impedance value or far field directivity Substituting the measured input impedance and far field directivity measurement, and for each parasitic element, the two impedance values of the variable reactance element and the self-admittance value of the parasitic element in the two control voltage states, or the two control voltages The mutual admittance value between two impedance values of the variable reactance element in the state and the feed element of the parasitic element, or one impedance value of the variable reactance element in one control voltage state, the self-admittance value of the parasitic element, and the feed element Mutual add between feeding elements As drawers value, by substituting the appropriate values, calculating a provisional admittance value or impedance value of the provisional and the temporary equivalent steering vectors between the ports,
Using the provisional admittance value or provisional impedance value between the ports and the provisional equivalent steering vector, the method according to any one of the fifth to seventh aspects is viewed from the port of each parasitic element. Calculate the temporary impedance value of the variable reactance, the admittance value or impedance value between each antenna element port, the impedance value of the variable reactance element viewed from the port of each parasitic element, the equivalent steering vector, and the far field directivity Substituting the temporary admittance value or temporary impedance value between the ports obtained above and the temporary equivalent steering vector and the temporary impedance value of the variable reactance viewed from the port of each parasitic element into the relational expression of Calculate the far field directivity in the control state of the control voltage combination of parasitic elements Tsu, characterized in that it comprises a flop.
第2の実施形態に係る発明での新規性について以下に説明する。計算に際して、各素子に関して3つのリアクタンス値Xm (0)、Xam (a)、Xam (b)を基準として与えていたが、正しくない値を用いると、正しくない構造パラメータ(アドミタンスYamn又はインピーダンスZmnと等価ステアリングベクトルuv m又はui m)とリアクタンス値Xmが算出されるが、それら正しくないパラメータを用いても正しい入力インピーダンスZinや遠方電界の指向性Eが計算される計算に際して与える各無給電素子に関して3つのパラメータを、リアクタンス値Xm (0)、Xam (a)、Xam (b)に代えて、リアクタンス値Xm (0)、Xam (a)、アドミタンスYa0mにしても、リアクタンス値Xm (0)、Xam (a)、アドミタンスYammにしても、リアクタンス値Xm (0)、アドミタンスYa0m、Yammにしてもよい。 The novelty of the invention according to the second embodiment will be described below. In the calculation, three reactance values X m (0) , Xa m (a) , and Xa m (b) are given for each element as a reference. If incorrect values are used, incorrect structural parameters (admittance Ya mn Or, the impedance Z mn , the equivalent steering vector u v m or u i m ), and the reactance value X m are calculated, but the correct input impedance Zin and the far field directivity E are calculated even if these incorrect parameters are used. three parameters for each parasitic element that gives for the calculation, the reactance value X m (0), Xa m (a), instead of Xa m (b), the reactance value X m (0), Xa m (a), even if the admittance Ya 0 m, the reactance value X m (0), Xa m (a), in the admittance Ya mm , Reactance value X m (0), the admittance Ya 0 m, may be Ya mm.
第2の実施形態における第1の実施形態との相違点は、無給電素子AmとAnのみを上付き(a)、残りの素子を上付き(0)とする状態の入力インピーダンスを、Zinmn (a)からZin(aa)に表記変更している。 The difference of the second embodiment from the first embodiment is that the input impedance in a state where only the parasitic elements Am and An are superscripted (a) and the remaining elements are superscripted (0) is Zin mn The notation has been changed from (a) to Zin (aa) .
次いで、第2の実施形態に係る計算方法の手順について以下に説明する。 Next, the procedure of the calculation method according to the second embodiment will be described below.
(ステップS1001)各無給電素子のリアクタンス値を3つの異なる状態にして、それらの組み合わせの入力インピーダンスと遠方電界の指向性を測定する。測定はすべて上付き(0)、1つのみ上付き(a)で残りを上付き(0)、1つのみ上付き(b)で残りを上付き(0)、2つの素子を上付き(a)で残りを上付き(0)で、入力インピーダンス測定はすべて上付き(0)、1つのみ上付き(a)で残りを上付き(0)で、遠方界指向性ある1つの素子のみに関して、1つのみ上付き(b)で残りを上付き(0)とした場合のある方向の利得3つの状態のリアクタンス値と測定値から、構造パラメータ(アドミタンスYamn又はインピーダンスZmnと等価ステアリングベクトルuv m又はuim)を計算する。 (Step S1001) The reactance values of the parasitic elements are set in three different states, and the input impedance and the far field directivity of those combinations are measured. All measurements are superscript (0), only one superscript (a) and the rest superscript (0), only one superscript (b) the rest superscript (0), two elements superscript ( a) Superscript (0) for the rest, input impedance measurements are all superscript (0), only one superscript (a) is superscript (0), and only one element with far field directivity With respect to the structural parameter (admittance Ya mn or impedance Z mn and equivalent steering from the reactance values and measured values of three gains in one direction when only one is superscript (b) and the rest is superscript (0) Calculate the vector u v m or u im ).
(ステップS1002)ある無給電素子に対して未知の状態のリアクタンス値の可変リアクタンス素子を装荷した場合の入力インピーダンス又はある方向の遠方電界を測定し、その測定値と先に求めた構造パラメータから、その状態のリアクタンス値を計算する。幾つかの制御状態のリアクタンス値を同様に求め、補間によって連続的な可変リアクタンス素子12の制御特性(印加電圧対容量特性)を求める。
(Step S1002) An input impedance or a far electric field in a certain direction when a variable reactance element having an unknown reactance value is loaded on a certain parasitic element is measured, and from the measured value and the structural parameter obtained previously, The reactance value in that state is calculated. The reactance values of several control states are obtained in the same manner, and the control characteristic (applied voltage versus capacity characteristic) of the continuous
(ステップS1003)各無給電素子を任意の制御状態にした場合のアンテナ特性(具体的には、入力インピーダンスや遠方界指向性)を、ステップ1001で求めた構造パラメータと、ステップS1002で求めたリアクタンス値から(測定を行わなくても)計算できる。 (Step S1003) The antenna characteristics (specifically, input impedance and far field directivity) when each parasitic element is in an arbitrary control state, the structural parameter obtained in Step 1001, and the reactance obtained in Step S1002 Can be calculated from the value (without taking measurements).
(ステップS1004)ステップS1001での計算で基準として用いる各素子に関して3つの制御状態のリアクタンス値として、各ポートから見た正しい実際の値が用いられれば、ステップS1001により正しい構造パラメータが、さらに、ステップS1002により各制御状態において正しいリアクタンス値が、そしてステップS1003により正しいアンテナ特性が算出されるが、正しくない値が用いられた場合には、正しくない構造パラメータとリアクタンス値が算出されるが、それらの正しくないパラメータを用いてステップS1003により算出された、アンテナ特性は正しくなる。算出される構造パラメータやリアクタンス値が想定するポートから見て正しくなくても、別のポート位置に対しては正しくなる自由度があるためである。なお、パラメータX,Y,uの関係式からアドミタンスYと等価ステアリングベクトルuを計算するとき、リアクタンス値Xを適当に与えることができることが分かったが、リアクタンス値Xに代わりにアドミタンスYを適当な値として与えることができる。すなわち、各無給電素子Amに関して、リアクタンス値Xm (0)、Xam (a)、Xam (b)に代えてそれぞれ、Xm (0)、Xam (a)、Ya0mにしても、リアクタンス値Xm (0)、Xam (a)、アドミタンスYammにしても、リアクタンス値Xm (0)、アドミタンスYa0m、Yammを適当に与えても良い。この場合、測定状態(b)での測定が不要となる。 (Step S1004) If the correct actual value seen from each port is used as the reactance value of the three control states for each element used as the reference in the calculation in Step S1001, the correct structural parameter is further obtained in Step S1001. A correct reactance value in each control state is calculated in S1002 and a correct antenna characteristic is calculated in Step S1003. If an incorrect value is used, an incorrect structure parameter and reactance value are calculated. The antenna characteristics calculated in step S1003 using incorrect parameters are correct. This is because even if the calculated structural parameter or reactance value is not correct from the assumed port, there is a degree of freedom to be correct for another port position. It has been found that when the admittance Y and the equivalent steering vector u are calculated from the relational expressions of the parameters X, Y, and u, the reactance value X can be appropriately given. However, instead of the reactance value X, the admittance Y is appropriately set. Can be given as a value. That is, regarding each parasitic element Am, X m (0) , Xa m (a) , Ya 0m may be used instead of the reactance values X m (0) , Xa m (a) , Xa m (b) , respectively. , reactance value X m (0), Xa m (a), even if the admittance Ya mm, reactance value X m (0), the admittance Ya 0 m, may be given appropriate the Ya mm. In this case, measurement in the measurement state (b) becomes unnecessary.
第2の実施形態に係る発明の特有の効果としては、構造パラメータ算出に必要な測定回数を、後の3つの方法ではM個減らすことができる。また、例えば、アドミタンスYa0m、Yammとして計算しやすい値を選ぶことにより、計算を簡単にすることができる。なお、これらのパラメータは計算式に必ず出てくる値であるので、恩恵は大きい。 As a unique effect of the invention according to the second embodiment, the number of times of measurement required for calculating the structure parameter can be reduced by M by the latter three methods. Further, for example, by selecting values that are easy to calculate as admittances Ya 0m and Ya mm , the calculation can be simplified. Since these parameters are values that always appear in the calculation formula, the benefits are great.
以上の実施形態においては、遠方界又は遠方電界を測定しているが、本発明はこれに限らず、遠方界又は遠方の電界を直接に測定しなくても、近傍界測定(平面走査法、円筒面走査法、球面走査法などを用いて)によって遠方界又は遠方電界を得ることができるので、I2F2法を用いて遠方界又は遠方電界を測定することに代えて、近傍界測定法で測定してもよい。 In the above embodiment, the far field or the far electric field is measured. However, the present invention is not limited to this, and the near field measurement (planar scanning method, cylindrical surface scanning method, it is possible to obtain a far-field or far field by using such as a spherical scanning method), instead of measuring the far field or far field with I 2 F 2 method, a near-field measurement You may measure by the method.
以下に示すように、測定量と任意パラメータの選び方が幾つかあるので、その組み合わせも可能である。具体的には以下の4つがある。 As shown below, there are several ways to select the measurement amount and the arbitrary parameter, and combinations thereof are also possible. Specifically, there are the following four.
(1)測定値と算出値の組み合わせも可能であり、すなわち、構造パラメータは抽出方法に依存しないから当然であるが、ステップを変えるときに測定量も変えてもよい。具体的には、入力インピーダンスZinの測定値から求めた構造パラメータを用いてリアクタンス値Xや遠方電界Eを計算したり、遠方電界Eの測定値から求めた構造パラメータを用いてリアクタンス値Xや入力インピーダンスZinを計算することができる。 (1) A combination of a measured value and a calculated value is also possible, that is, it is natural that the structural parameter does not depend on the extraction method, but the measured amount may be changed when the step is changed. Specifically, the reactance value X and the far electric field E are calculated using the structural parameter obtained from the measured value of the input impedance Zin, or the reactance value X and the input using the structural parameter obtained from the measured value of the far electric field E. Impedance Zin can be calculated.
(2)構造パラメータに算出に用いる測定量を交換してもよく、具体的には、アドミタンスYmm(Xm (a)Xm (b)を任意パラメータとしたときのみ)あるいはYmnの算出に用いる測定値として、入力インピーダンスZinの測定値と、遠方電界Eの測定値とを交換してもよい。 (2) The measurement amount used for calculation may be exchanged for the structural parameter. Specifically, calculation of admittance Y mm (only when X m (a) X m (b) is an arbitrary parameter) or calculation of Y mn As the measurement value used in the above, the measurement value of the input impedance Zin and the measurement value of the far electric field E may be exchanged.
(3)無給電素子毎の使用方法(任意パラメータの選び方)の組み合わせは自由であり、すなわち、無給電素子AmとAnに関して、ある方法(例えば、リアクタンス値Xm (a)とXm (b)を任意とする。)を、少なくとも1つの素子番号が異なる別の組み合わせである無給電素子Am’とAn’に関して、別の方法(例えば、リアクタンス値Xm’(a)とY0m’を任意とする)を用いてもよい。 (3) A combination of usage methods (how to select an arbitrary parameter) for each parasitic element is arbitrary, that is, a certain method (for example, reactance values X m (a) and X m (b ) for the parasitic elements Am and An. ) Is optional for other parasitic elements Am ′ and An ′ that are different combinations of at least one element number, for example, reactance values X m ′ (a) and Y 0m ′ May be used).
(4)無給電素子毎の測定量を交換することは自由であり、構造パラメータやリアクタンス値算出のために、無給電素子AmとAnに関して、入力インピーダンスZinの測定値を用い、少なくとも1つの素子番号が異なる別の組み合わせである無給電素子Am’とAn’に関して、遠方電界Eの測定値を用いてもよい。 (4) It is free to exchange the measurement amount for each parasitic element, and the measured value of the input impedance Zin is used for the parasitic elements Am and An to calculate the structural parameters and reactance values, and at least one element is used. A measured value of the far field E may be used for the parasitic elements Am ′ and An ′ which are different combinations having different numbers.
上述した実施形態について要約すると以下のようになる。本願発明の第1の態様に係るアレーアンテナの電気的特性の測定方法は、無線信号を送受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた複数の無給電素子と、上記各無給電素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
上記各可変リアクタンス素子に所定の基準リアクタンス値が設定されたときの上記アレーアンテナの入力インピーダンス値Zin(0)を測定するステップと、
上記各可変リアクタンス素子の1つに、上記基準リアクタンス値からの変動値を示す第1の偏移リアクタンス値に上記基準リアクタンス値を加算した加算値である第1のリアクタンス値を設定して、他の可変リアクタンス素子に上記基準リアクタンス値を設定したときと、上記第1のリアクタンス値を設定する可変リアクタンス素子を順次に変化させたときの上記アレーアンテナの入力インピーダンス値Zinm (a)をそれぞれ測定するステップと、
上記各可変リアクタンス素子の1つに、上記基準リアクタンス値からの変動値を示しかつ上記第1の偏移リアクタンス値と異なる第2の偏移リアクタンス値に上記基準リアクタンス値を加算した加算値である第2のリアクタンス値を設定して、他の可変リアクタンス素子に上記基準リアクタンス値を設定したときと、上記第2のリアクタンス値を設定する可変リアクタンス素子を順次に変化させたときの上記アレーアンテナの入力インピーダンス値Zinm (b)をそれぞれ測定するステップと、
上記各可変リアクタンス素子のうちの2つに上記第1のリアクタンス値を設定して他の可変リアクタンス素子に上記基準リアクタンス値を設定したときと、上記第1のリアクタンス値を設定する2つの可変リアクタンス素子を、上記各可変リアクタンス素子のすべての組み合わせを含むように順次に変化させたときの上記アレーアンテナの入力インピーダンス値Zinmn (a)を測定するステップと、
上記測定された各入力インピーダンス値Zin(0)、Zinm (a)、Zinm (b)及びZinmn (a)に基づいて、上記各入力インピーダンス値Zin(0)、Zinm (a)、Zinm (b)及びZinmn (a)と、上記第1及び第2の偏移リアクタンス値と、上記アレーアンテナの給電素子及び少なくとも1本の無給電素子を含む各アンテナ素子間のアドミタンス値と上記基準リアクタンス値とを含むように変数変換された複数の変数変換アドミタンス値との関係式を用いて、上記複数の変数変換アドミタンス値を計算するステップと、
上記計算された複数の変数変換アドミタンス値と上記基準リアクタンス値とに基づいて、上記計算された複数の変数変換アドミタンス値を逆変数変換することにより上記アレーアンテナの各アンテナ素子間のアドミタンス値を計算するステップとを含む。
The above-described embodiment is summarized as follows. A method for measuring the electrical characteristics of an array antenna according to a first aspect of the present invention includes a feeding element for transmitting and receiving a radio signal, and a plurality of parasitic elements provided at a predetermined interval from the feeding element. And a plurality of variable reactance elements respectively connected to the parasitic elements, and by setting a control voltage to each variable reactance element and changing a reactance value of each variable reactance element, A method for measuring the electrical characteristics of an array antenna whose directional characteristics change by operating a parasitic element as a director or a reflector, respectively,
Measuring an input impedance value Zin (0) of the array antenna when a predetermined reference reactance value is set for each variable reactance element;
One of the variable reactance elements is set with a first reactance value which is an addition value obtained by adding the reference reactance value to a first shift reactance value indicating a variation value from the reference reactance value. Measure the input impedance value Zin m (a) of the array antenna when the reference reactance value is set for the variable reactance element and when the variable reactance element for setting the first reactance value is sequentially changed. And steps to
One of the variable reactance elements is a value obtained by adding the reference reactance value to a second deviation reactance value that indicates a variation value from the reference reactance value and is different from the first deviation reactance value. When the second reactance value is set and the reference reactance value is set for another variable reactance element, and when the variable reactance element for setting the second reactance value is sequentially changed, the array antenna Measuring each of the input impedance values Zin m (b) ;
When the first reactance value is set for two of the variable reactance elements and the reference reactance value is set for the other variable reactance elements, and two variable reactances for setting the first reactance value are set. Measuring an input impedance value Zin mn (a) of the array antenna when the elements are sequentially changed so as to include all combinations of the variable reactance elements;
Based on the measured input impedance values Zin (0) , Zin m (a) , Zin m (b) and Zin mn (a) , the input impedance values Zin (0) , Zin m (a) , Zin m (b) and Zin mn (a) , the first and second shift reactance values, the admittance value between each antenna element including the feeding element and at least one parasitic element of the array antenna, Calculating the plurality of variable conversion admittance values using a relational expression with a plurality of variable conversion admittance values variable-converted to include the reference reactance value;
Based on the calculated plurality of variable conversion admittance values and the reference reactance value, an admittance value between the antenna elements of the array antenna is calculated by performing inverse variable conversion on the calculated variable conversion admittance values. Including the step of.
また、本願発明の第2の態様に係るアレーアンテナの電気的特性の測定方法は、上記各可変リアクタンス素子のうちの選択された1つの可変リアクタンス素子に所定の制御電圧を印加することにより上記制御電圧に対応したリアクタンス値を設定し、他の可変リアクタンス素子に上記基準リアクタンス値を設定したときと、上記制御電圧を順次に変化させたときの上記アレーアンテナの入力インピーダンス値Zinm (p)をそれぞれ測定するステップと、
上記測定された入力インピーダンス値Zinm (p)と、上記計算された変数変換アドミタンス値とに基づいて、上記入力インピーダンス値Zinm (p)と、上記変数変換アドミタンス値と、上記選択された可変リアクタンス素子の素子インピーダンス値と上記基準リアクタンス値と所定の基準抵抗値とを含むように変数変換された可変リアクタンス素子の変数変換素子インピーダンス値との関係式を用いて、上記選択された可変リアクタンス素子の制御電圧対変数変換素子インピーダンス値特性を計算するステップと、
上記計算された選択された可変リアクタンス素子の制御電圧対変数変換素子インピーダンス値特性に基づいて、上記変数変換素子インピーダンス値を逆変数変換することにより、上記選択された可変リアクタンス素子の制御電圧対素子インピーダンス値特性を計算するステップとをさらに含む。
Further, in the method for measuring the electrical characteristics of the array antenna according to the second aspect of the present invention, the control is performed by applying a predetermined control voltage to one selected variable reactance element among the variable reactance elements. When the reactance value corresponding to the voltage is set and the reference reactance value is set for the other variable reactance elements, and when the control voltage is sequentially changed, the input impedance value Zin m (p) of the array antenna is set. Each measuring step,
Based on the measured input impedance value Zin m (p) and the calculated variable transformation admittance value, the input impedance value Zin m (p) , the variable transformation admittance value, and the selected variable The variable reactance element selected by using the relational expression of the variable impedance element variable value of the variable reactance element variable-converted to include the element impedance value of the reactance element, the reference reactance value, and the predetermined reference resistance value. Calculating a control voltage vs. variable conversion element impedance value characteristic of
Based on the calculated control voltage versus variable conversion element impedance value characteristic of the selected variable reactance element, the variable conversion element impedance value is subjected to inverse variable conversion, thereby controlling the control voltage versus element of the selected variable reactance element. Calculating an impedance value characteristic.
さらに、本願発明の第3の態様に係るアレーアンテナの電気的特性の測定方法は、無線信号を送受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた複数の無給電素子と、上記各無給電素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定方法であって、
上記各可変リアクタンス素子に所定の基準リアクタンス値が設定されたときの上記アレーアンテナの電界E(0)(θ,φ)を測定するステップと、
上記各可変リアクタンス素子の1つに、上記基準リアクタンス値からの変動値を示す第1の偏移リアクタンス値に上記基準リアクタンス値を加算した加算値である第1のリアクタンス値を設定して、他の可変リアクタンス素子に上記基準リアクタンス値を設定したときと、上記第1のリアクタンス値を設定する可変リアクタンス素子を順次に変化させたときの上記アレーアンテナの電界Em (a)(θ,φ)をそれぞれ測定するステップと、
上記各可変リアクタンス素子の1つに、上記基準リアクタンス値からの変動値を示しかつ上記第1の偏移リアクタンス値とは異なる第2の偏移リアクタンス値に上記基準リアクタンス値を加算した加算値である第2のリアクタンス値を設定して、他の可変リアクタンス素子に上記基準リアクタンス値を設定したときと、上記第2のリアクタンス値を設定する可変リアクタンス素子を順次に変化させたときの上記アレーアンテナの所定の方位角φ0における電界Em (b)(θ,φ0)をそれぞれ測定するステップと、
上記各可変リアクタンス素子のうちの2つに上記第1のリアクタンス値を設定して他の可変リアクタンス素子に上記基準リアクタンス値を設定したときと、上記第1のリアクタンス値を設定する2つの可変リアクタンス素子を、上記各可変リアクタンス素子のすべての組み合わせを含むように順次に変化させたときの上記アレーアンテナの所定の方位角φ0における電界Emn (a)(θ,φ0)を測定するステップと、
上記各可変リアクタンス素子に上記基準リアクタンス値が設定されたときの上記アレーアンテナの入力インピーダンス値Zin(0)を測定するステップと、
上記各可変リアクタンス素子の1つに上記第1のリアクタンス値を設定して他の可変リアクタンス素子に上記基準リアクタンス値を設定したときと、上記第1のリアクタンス値を設定する可変リアクタンス素子を順次に変化させたときの上記アレーアンテナの入力インピーダンス値Zinm (a)をそれぞれ測定するステップと、
上記各可変リアクタンス素子の1つに上記第2のリアクタンス値を設定して他の可変リアクタンス素子に上記基準リアクタンス値を設定したときの上記アレーアンテナの入力インピーダンス値Zink (b)を測定するステップと、
上記測定された各電界E(0)(θ,φ)、Em (a)(θ,φ)、Em (b)(θ,φ0)及びEmn (a)(θ,φ0)と、上記測定された各入力インピーダンス値Zin(0)、Zinm (a)及びZink (b)とに基づいて、上記測定された電界E(0)(θ,φ)、Em (a)(θ,φ)、Em (b)(θ,φ0)及びEmn (a)(θ,φ0)と、上記測定された入力インピーダンス値Zin(0)、Zinm (a)及びZink (b)と、上記第1及び第2の偏移リアクタンス値と、上記アレーアンテナの給電素子及び少なくとも1本の無給電素子を含む各アンテナ素子間のアドミタンス値と上記基準リアクタンス値とを含むように変数変換された複数の変数変換アドミタンス値との関係式を用いて、上記複数の変数変換アドミタンス値を計算するステップと、
上記測定された電界E(0)(θ,φ)及びEm (a)(θ,φ)と、上記計算された変数変換アドミタンス値とに基づいて、上記電界E(0)(θ,φ)及びEm (a)(θ,φ)と、上記第1の偏移リアクタンス値と、上記計算された複数の変数変換アドミタンス値と、上記複数の変数変換アドミタンス値を含む上記アレーアンテナの各アンテナ素子の変数変換指向特性関数との関係式を用いて、上記アレーアンテナの各アンテナ素子の変数変換指向特性関数を要素とする変数変換等価ステアリングベクトルを計算するステップと、
上記計算された変数変換等価ステアリングベクトルと、上記計算された複数の変数変換アドミタンス値とに基づいて、上記複数の変数変換アドミタンス値と上記変数変換等価ステアリングベクトルとの関係式を用いて、上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトルを計算するステップとを含む。
Furthermore, the method for measuring the electrical characteristics of the array antenna according to the third aspect of the present invention includes a power feeding element for transmitting and receiving a radio signal, and a plurality of devices provided at a predetermined interval from the power feeding element. By providing a feed element and a plurality of variable reactance elements respectively connected to the parasitic elements, by setting a control voltage to each variable reactance element and changing a reactance value of each variable reactance element, A method for measuring electrical characteristics of an array antenna in which directivity changes by operating each of the parasitic elements as a director or a reflector,
Measuring the electric field E (0) (θ, φ) of the array antenna when a predetermined reference reactance value is set for each variable reactance element;
One of the variable reactance elements is set with a first reactance value that is an addition value obtained by adding the reference reactance value to a first deviation reactance value indicating a variation value from the reference reactance value, Electric field E m (a) (θ, φ) of the array antenna when the reference reactance value is set for the variable reactance element and when the variable reactance element for setting the first reactance value is sequentially changed Measuring each of the
One of the variable reactance elements is a value obtained by adding the reference reactance value to a second deviation reactance value that indicates a variation value from the reference reactance value and is different from the first deviation reactance value. The array antenna when a second reactance value is set and the reference reactance value is set for another variable reactance element, and when the variable reactance element for setting the second reactance value is sequentially changed Respectively measuring the electric field E m (b) (θ, φ 0 ) at a predetermined azimuth angle φ 0 of
When the first reactance value is set for two of the variable reactance elements and the reference reactance value is set for the other variable reactance elements, and two variable reactances for setting the first reactance value are set. A step of measuring an electric field E mn (a) (θ, φ 0 ) at a predetermined azimuth angle φ 0 of the array antenna when the elements are sequentially changed so as to include all combinations of the variable reactance elements. When,
Measuring an input impedance value Zin (0) of the array antenna when the reference reactance value is set to each variable reactance element;
When the first reactance value is set for one of the variable reactance elements and the reference reactance value is set for another variable reactance element, the variable reactance elements for setting the first reactance value are sequentially set. Measuring the input impedance value Zin m (a) of the array antenna when changed, and
Measuring the input impedance value Zin k (b) of the array antenna when the second reactance value is set in one of the variable reactance elements and the reference reactance value is set in another variable reactance element; When,
The measured electric fields E (0) (θ, φ), E m (a) (θ, φ), E m (b) (θ, φ 0 ), and E mn (a) (θ, φ 0 ) And the measured electric field values E (0) (θ, φ), E m (a ) based on the measured input impedance values Zin (0) , Zin m (a) and Zin k (b). ) (Θ, φ), E m (b) (θ, φ 0 ) and E mn (a) (θ, φ 0 ), and the measured input impedance values Zin (0) , Zin m (a) and Zin k (b) , the first and second shift reactance values, the admittance value between the antenna elements including the feeding element of the array antenna and at least one parasitic element, and the reference reactance value Using a relational expression with multiple variable conversion admittance values that have been converted to include Calculating a plurality of variable transformation admittance value,
Based on the measured electric field E (0) (θ, φ) and E m (a) (θ, φ) and the calculated variable conversion admittance value, the electric field E (0) (θ, φ ) ) And E m (a) (θ, φ), the first shift reactance value, the calculated plurality of variable transformation admittance values, and each of the array antennas including the plurality of variable transformation admittance values Calculating a variable conversion equivalent steering vector having the variable conversion directivity characteristic function of each antenna element of the array antenna as an element using a relational expression with the variable conversion directivity characteristic function of the antenna element;
Based on the calculated variable conversion equivalent steering vector and the calculated plurality of variable conversion admittance values, the relational expression between the plurality of variable conversion admittance values and the variable conversion equivalent steering vector is used. Calculating an equivalent steering vector for the antenna.
<補足説明1>
以上の実施形態において、アレーアンテナの電気的特性の計算及び測定方法について説明しているが、その計算については、所定の処理メモリを備えたディジタル計算機(ハードウエア資源)により計算できる。なお、構造パラメータが任意であるとすると、給電回路の入力インピーダンスZsは次式のいずれの式でも計算できることが導出され、図48の電子制御導波器アレーアンテナ装置の例に対して、数値計算で確認した。
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In the above embodiment, the calculation and measurement method of the electrical characteristics of the array antenna has been described. However, the calculation can be performed by a digital computer (hardware resource) having a predetermined processing memory. If the structure parameter is arbitrary, it is derived that the input impedance Zs of the feeder circuit can be calculated by any of the following equations. Confirmed with.
<補足説明2>
次いで、アレーアンテナの遠方電界E(θ,φ)からアレーアンテナの構造パラメータを抽出するための関係式について以下に導出する。ここで、観測量が入力インピーダンスZinであるとき、これは次式で表される。
<
Next, a relational expression for extracting the structural parameters of the array antenna from the far electric field E (θ, φ) of the array antenna is derived below. Here, when the observed quantity is the input impedance Z in , this is expressed by the following equation.
また、無給電素子A0に流れるポート電流i0は次式で表される。 Further, the port current i 0 flowing through the parasitic element A0 is expressed by the following equation.
次いで、アレーアンテナの遠方電界E(θ,φ)は次式で表される。 Next, the far field E (θ, φ) of the array antenna is expressed by the following equation.
ここで、入力インピーダンスZinは、無給電素子A0に流れるポート電流i0から計算され、電流i0はアドミタンス行列[Ya0m]と電圧ベクトル[vam]の積で表される。一方、遠方電界E(θ,φ)は等価ステアリングベクトル[um(θ,φ)]と、電圧ベクトル[vam]の積で表される。これらの関係式における相違は構造パラメータであるアドミタンス行列[Ya0m]が等価ステアリングベクトル[um(θ,φ)]に変わっただけである。ここで、電圧ベクトル[vam]は両方の場合において以下のように表される。
Here, the input impedance Z in is calculated from the port current i 0 flowing through the
ここで、ポート電流imは未知数であるが、リアクタンス値Xam以外のリアクタンス値が0のときは次式のようになる。 Here, the port current i m is the unknown, the reactance value other than the reactance values Xa m is expressed as follows when the 0.
また、リアクタンス値XamとXan以外のリアクタンス値が0であるときは次式のように簡単化できる。 Moreover, it can be simplified as follows when the reactance value other than the reactance values Xa m and Xa n is 0.
ここで、ポート電流i0の関係式に表れるアドミタンス行列[Ya0m]と、遠方電界E(θ,φ)の関係式に表れる等価ステアリングベクトル[uam(θ,φ)]との相違は、等価ステアリングベクトル[uam(θ,φ)]が方向の関数であることと、アドミタンス行列アドミタンス行列[Ya0m]はアンテナ素子Amのポート電流imを表す式の中に表れるパラメータである点である。方向を固定して考えれば、前者の相違は無くなる。また、後者の相違により、入力インピーダンスZinに関する関係式にはアドミタンス行列[Yamn]のみが表れるので、アドミタンス行列[Yamn]について解くことができるが、遠方電界E(θ,φ)に関する関係式には、等価ステアリングベクトル[uam(θ,φ)]と、
アドミタンス行列[Ya0m]が表れるので、Ya0muam(θ,φ)についてのみしか解けないことになる。
Here, the difference between the admittance matrix [Ya 0m ] expressed in the relational expression of the port current i 0 and the equivalent steering vector [ua m (θ, φ)] expressed in the relational expression of the far electric field E (θ, φ) is equivalent steering vector [ua m (θ, φ) ] and it is a function of direction, admittance matrix admittance matrix [
Since admittance matrix [Ya 0 m] appears, Ya 0m ua m (θ, φ) would not be solved only for only.
次いで、各アンテナ素子に対してリアクタンス値Xm(a)とXm(b)を既知として、アンテナ素子Amのみにリアクタンス値Xam(a)又はXm(b)の値の可変リアクタンス素子が装荷され、残りのすべてのアンテナ素子に装荷された可変リアクタンス素子のリアクタンス値Xanが0である制御状態の各入力インピーダンスZinm (a)及びZinm (b)を測定し、さらに、アンテナ素子Amにはリアクタンス値Xam (a)の可変リアクタンス素子に装荷され、アンテナ素子Anにはリアクタンス値Xan (b)の可変リアクタンス素子に装荷され、残りのすべての可変リアクタンス素子のリアクタンス値Xanが0である制御状態の入力インピーダンスZinmn (aa)を測定し、その値から式(21)、(22)、(24)、(25)、(26)より、アドミタンス値Yamnが計算される。 Next, the reactance values Xm (a) and Xm (b) are known for each antenna element, and only the antenna element Am is loaded with a variable reactance element having the value of the reactance value Xam (a) or Xm (b). all reactance values Xa n of the variable reactance element that is loaded in the antenna element is measured 0 at which the input impedance Zin m control state (a) and Zin m (b), further reactance to the antenna element Am of is loaded to the variable reactance element values Xa m (a), the antenna element An is loaded to the variable reactance element of the reactance value Xa n (b), the reactance value Xa n of all remaining variable reactance element is 0 The input impedance Zin mn (aa) in the controlled state is measured, and from the value, equations (21) and (21 The admittance value Ya mn is calculated from 22), (24), (25), and (26).
同様にして、各アンテナ素子に対して、リアクタンス値Xam (a)とXam (b)を既知として、アンテナ素子Amのみにはリアクタンス値Xam (a)又はXam (b)の可変リアクタンス素子が装荷され、残りのすべての可変リアクタンス素子のリアクタンス値Xanが0である制御状態の遠方電界Em(a)(θ,φ)及びEm(b)(θ,φ)を測定し、さらに、アンテナ素子Amにはリアクタンス値Xam (a)の可変リアクタンス素子が装荷され、アンテナ素子Anにはリアクタンス値Xan (b)の可変リアクタンス素子が装荷され、残りのすべての可変リアクタンス素子のリアクタンス値Xanが0である制御状態の遠方電界Emn(aa)(θ,φ)を測定し、その値から式(23)、(24)、(25)、(26)より、Ya0muam(θ,φ)が計算れる。 Similarly, for each antenna element, the reactance values Xa m (a) and Xa m (b) are known, and only the antenna element Am has a variable reactance of the reactance value Xa m (a) or Xa m (b) . element is loaded, by measuring the electric far field Em control state reactance values Xa n of all remaining variable reactance element is a 0 (a) (θ, φ ) and Em (b) (θ, φ ), further The antenna element Am is loaded with a variable reactance element having a reactance value Xa m (a) , the antenna element An is loaded with a variable reactance element having a reactance value Xa n (b) , and reactances of all the remaining variable reactance elements. value Xa n is 0 in a control state of the electric far field Emn (aa) (theta, phi) measured, equation (23) from its value, (24), (25), Than 26), Ya0muam (θ, φ) is calculated.
これらのより具体的な式を下記に記載する。まず、リアクタンス値が1つ又は2つのみ0でない値を持つとき、ポート電流は次式のように解ける。 These more specific formulas are described below. First, when only one or two reactance values are non-zero, the port current can be solved as follows.
ここで、
ここで、
ここで、リアクタンス値Xam以外の可変リアクタンス素子のリアクタンス値が0のとき以下のようになる。 Here, a reactance value of the variable reactance elements other than the reactance values Xa m is as follows when 0.
また、リアクタンス値Xam及びXan以外の可変リアクタンス素子のリアクタンス値が0のときは以下のようになる。 Also, the reactance value of the variable reactance elements other than the reactance values Xa m and Xa n are is as follows when 0.
このようなポート電流を用いて、測定量である入力インピーダンスZinと遠方電界E(θ,φ)は下記のように解ける。ここで、入力インピーダンスZinに1対1に関係する給電素子A0のポート電流i0は次式で表される。
Using such a port current, the measured input impedance Zin and the far electric field E (θ, φ) can be solved as follows. Here, the port current i 0 of the power
ここで、リアクタンス値Xam以外のリアクタンス素子のリアクタンス値が0のときは、ポート電流i0は次式のようになる。 Here, when the reactance value of the reactance elements other than the reactance values Xa m is 0, the port current i 0 is given by the following equation.
上式を用いて、アンテナ素子Amのみにリアクタンス値Xam (a)又はXam (b)を有する可変リアクタンス素子が装荷された状態における入力インピーダンスの測定値Zinm (a)及びZinm (b)より、アドミタンス値Ya0m及びYammが解ける。 Using the above equation, measured values of input impedances Zin m (a) and Zin m (b ) when a variable reactance element having a reactance value Xa m (a) or Xa m (b) is loaded only on the antenna element Am. ) , The admittance values Ya 0m and Ya mm can be solved.
ここで、リアクタンス値Xam及びXanの可変リアクタンス素子以外の可変リアクタンス素子のリアクタンス値が0のとき、ポート電流i0は次式で表される。 Here, when the reactance value of the variable reactance elements other than the variable reactance element of the reactance value Xa m and Xa n is 0, the port current i 0 is expressed by the following equation.
ここで、上式を用いて、アンテナ素子Amにリアクタンス値Xam (a)の可変リアクタンス素子が装荷され、アンテナ素子Amにリアクタンス値Xan (b)の可変リアクタンス素子が装荷された状態における入力インピーダンスの測定値Zinmn (aa)よりアドミタンス値Yamnが解ける。 Here, using the above equation, the input in the state where the variable reactance element of the reactance value Xa m (a) is loaded on the antenna element Am and the variable reactance element of the reactance value Xa n (b) is loaded on the antenna element Am. The admittance value Ya mn can be solved from the measured impedance value Zin mn (aa) .
ここで、アレーアンテナの遠方電界E(θ,φ)は、リアクタンス値Xam以外の可変リアクタンス素子のリアクタンス値が0であるとき、次式で表される。 Here, the array antenna far field E (theta, phi) when the reactance value of the variable reactance elements other than the reactance values Xa m is 0, it is expressed by the following equation.
ここで、上式を用いて、アンテナ素子Amのみにリアクタンス値Xam (a)又はXam(b)を有する可変リアクタンス素子が装荷された状態におけるアレーアンテナの遠方電界の測定値Em(a)(θ,φ)及びEm(b)(θ,φ)より、uam(θ,φ)Ya0mと、アドミタンス値Yammが解ける。上記の入力インピーダンスの測定より、アドミタンス値Ya0mを計算すれば、等価ステアリングベクトルuam(θ,φ)を計算できる。ここで、リアクタンス値Xam及びXan以外の可変リアクタンス素子のリアクタンス値が0であるとき、アレーアンテナの遠方電界E(θ,φ)は次式で表される。 Here, using the above formula, the measured value Em (a) of the far field of the array antenna when only the antenna element Am is loaded with the variable reactance element having the reactance value Xa m (a) or Xam (b ). From (θ, φ) and Em (b) (θ, φ), ua m (θ, φ) Ya 0m and the admittance value Ya mm can be solved. If the admittance value Ya 0m is calculated from the measurement of the input impedance, the equivalent steering vector ua m (θ, φ) can be calculated. Here, when the reactance value of the variable reactance elements other than the reactance values Xa m and Xa n is 0, the array antenna far field E (theta, phi) is expressed by the following equation.
ここで、
ここで、上式を用いて、アンテナ素子Amにはリアクタンス値Xam (a)の可変リアクタンス素子を装荷され、アンテナ素子Anにはリアクタンス値Xan (b)の可変リアクタンス素子を装荷された状態におけるアレーアンテナの遠方電界の測定値Emn(aa)(θ,φ)より、各パラメータYamm、Ya0m、ua(θ,φ)と、Yann、Ya0n及びuan(θ、φ)の値からアドミタンス値Yamnが解ける。 Here, using the above equation, the antenna element Am is loaded with a variable reactance element having a reactance value Xa m (a) , and the antenna element An is loaded with a variable reactance element having a reactance value Xa n (b) From the measured value Emn (aa) (θ, φ) of the far field of the array antenna in Fig. 4, the parameters Ya mm , Ya 0m , ua (θ, φ), and Ya nn , Ya 0n and ua n (θ, φ) The admittance value Ya mn can be solved from the value.
A0,A10…給電素子、
A1乃至A6,A11乃至A16…無給電素子、
1…低雑音増幅器(LNA)、
2…ダウンコンバータ、
3…A/D変換器、
4…復調器、
5…給電用同軸ケーブル、
6…サーキュレータ、
7…無線送信機、
11,111…接地導体、
12−1乃至12−6…可変リアクタンス素子、
20…適応制御型コントローラ、
21…学習シーケンス信号発生器、
30…制御電圧コントローラ、
31…制御電圧テーブルメモリ、
L1…分布定数線路、
p1,p2,p3…ポート位置、
p4…仮想的なポート、
40…ネットワークアナライザ、
41…無線送信機、
42…無線受信機、
43…ホーンアンテナ装置、
50,60…測定コンピュータ、
51…方位角及び仰角コントローラ、
52…初期値メモリ、
53…CRTディスプレイ、
54…処理メモリ、
61…スイッチ、
100,110…アレーアンテナ装置、
101,102…支持台、
200…電波暗室。
A0, A10 ... feeding element,
A1 to A6, A11 to A16 ... parasitic elements,
1 ... Low noise amplifier (LNA),
2 ... Down converter,
3 ... A / D converter,
4 ... demodulator,
5 ... Coaxial cable for feeding,
6 ... circulator,
7 ... Wireless transmitter,
11, 111 ... grounding conductor,
12-1 to 12-6 ... variable reactance element,
20 ... Adaptive control type controller,
21 ... Learning sequence signal generator,
30 ... Control voltage controller,
31 ... Control voltage table memory,
L1 ... distributed constant line,
p1, p2, p3 ... port position,
p4 ... Virtual port,
40 ... Network analyzer,
41 ... wireless transmitter,
42 ... wireless receiver,
43 ... Horn antenna device,
50, 60 ... measuring computer,
51 ... Azimuth and elevation controller,
52 ... Initial value memory,
53 ... CRT display
54 ... Processing memory,
61 ... switch,
100, 110 ... array antenna device,
101, 102 ... support stand,
200 ... Anechoic chamber.
Claims (6)
上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、
上記各無給電素子にそれぞれ接続された少なくとも1本の可変リアクタンス素子とを備え、
上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定装置であって、
上記各可変リアクタンス素子に対してそれぞれ少なくとも3つの制御電圧を印加するように設定し、上記各可変リアクタンス素子に対する当該制御電圧についてのすべての組み合わせのうちの複数の第1の制御状態において上記アレーアンテナの入力インピーダンスを測定する手段と、
上記測定された入力インピーダンスと、上記各第1の制御状態における各無給電素子からそれぞれ見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値とに基づいて、上記アレーアンテナの給電素子及び少なくとも1本の無給電素子を含む複数のアンテナ素子のうちの各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記各無給電素子からそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、上記アレーアンテナの入力インピーダンスとの関係を示す関係式を用いて、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値を計算する手段とを備えたことを特徴とするアレーアンテナの電気的特性の測定装置。 A power feeding element for transmitting and receiving wireless signals;
At least one parasitic element provided at a predetermined interval from the feeding element;
And at least one variable reactance element connected to each parasitic element,
By setting a control voltage for each of the variable reactance elements and changing a reactance value of each of the variable reactance elements, the directivity characteristics are changed by operating each parasitic element as a director or a reflector. An apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna,
The array antenna is configured to apply at least three control voltages to each of the variable reactance elements, and in a plurality of first control states of all combinations of the control voltages for the variable reactance elements. Means for measuring the input impedance of
Based on the measured input impedance and the impedance value of the variable reactance element viewed from each parasitic element in each first control state, the array antenna feeding element and at least one parasitic element are The relationship which shows the relationship between the admittance value or impedance value between each antenna element of a plurality of including antenna elements, the impedance value of each variable reactance element viewed from each parasitic element, and the input impedance of the array antenna An apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna, comprising means for calculating an admittance value or an impedance value between the antenna elements using an equation.
上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、
上記各無給電素子にそれぞれ接続された少なくとも1本の可変リアクタンス素子とを備え、
上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定装置であって、
上記各可変リアクタンス素子に対してそれぞれ少なくとも3つの制御電圧を印加するように設定し、上記各可変リアクタンス素子に対する当該制御電圧についてのすべての組み合わせのうちの複数の第2の制御状態において上記アレーアンテナの入力インピーダンス及び遠方界指向特性を測定する手段と、
上記測定された入力インピーダンス及び遠方界指向特性と、上記各第2の制御状態における各無給電素子からそれぞれ見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値とに基づいて、上記アレーアンテナの給電素子及び少なくとも1本の無給電素子を含む複数のアンテナ素子のうちの各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトルと、上記各無給電素子からそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、上記アレーアンテナの入力インピーダンス及び遠方界指向特性との関係を示す関係式を用いて、上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトルと、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値を計算する手段とを備えたことを特徴とするアレーアンテナの電気的特性の測定装置。 A power feeding element for transmitting and receiving wireless signals;
At least one parasitic element provided at a predetermined interval from the feeding element;
And at least one variable reactance element connected to each parasitic element,
By setting a control voltage for each of the variable reactance elements and changing a reactance value of each of the variable reactance elements, the directivity characteristics are changed by operating each parasitic element as a director or a reflector. An apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna,
The array antenna is configured to apply at least three control voltages to each of the variable reactance elements, and in a plurality of second control states of all combinations of the control voltages for the variable reactance elements. Means for measuring the input impedance and far-field directivity of
Based on the measured input impedance and far field directivity, and the impedance value of the variable reactance element viewed from each parasitic element in each second control state, at least one feeding element of the array antenna The admittance value or impedance value between the antenna elements of the plurality of antenna elements including the parasitic elements, the equivalent steering vector of the array antenna, and the impedance values of the variable reactance elements viewed from the parasitic elements, respectively And means for calculating an equivalent steering vector of the array antenna and an admittance value or an impedance value between the antenna elements, using a relational expression indicating a relation between the input impedance of the array antenna and a far field directivity characteristic. Alle characterized by having Apparatus for measuring the electrical characteristics of the antenna.
1つの無給電素子に接続された可変リアクタンス素子に対して、可変リアクタンス素子のインピーダンス値が未知である制御電圧を印加するように設定し、当該設定したときの第3の制御状態における上記アレーアンテナの入力インピーダンスを測定する手段と、
上記第3の制御状態において測定された入力インピーダンスと、上記計算された上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値とに基づいて、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記各無給電素子のポートからそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、上記アレーアンテナの入力インピーダンスとの関係を示す関係式を用いて、上記第3の制御状態における当該可変リアクタンス素子に接続された無給電素子から見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値を計算する手段とを備えたことを特徴とするアレーアンテナの電気的特性の測定装置。 The apparatus for measuring electrical characteristics of an array antenna according to claim 1 or 2,
The array antenna in the third control state when the variable reactance element connected to one parasitic element is set to apply a control voltage whose impedance value of the variable reactance element is unknown. Means for measuring the input impedance of
Based on the input impedance measured in the third control state and the calculated admittance value or impedance value between the antenna elements, the admittance value or impedance value between the antenna elements, A relational expression indicating the relationship between the impedance value of each variable reactance element viewed from the port of the feed element and the input impedance of the array antenna is used to determine whether the variable reactance element connected to the variable reactance element in the third control state is connected. An apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna, comprising: means for calculating an impedance value of a variable reactance element viewed from a feeding element.
1つの無給電素子に接続された可変リアクタンス素子に対して、可変リアクタンス素子のインピーダンス値が未知である制御電圧を印加するように設定し、当該設定したときの第4の制御状態における上記アレーアンテナの所定方向の遠方界指向特性を測定する手段と、
上記第4の制御状態において測定された上記アレーアンテナの所定方向の遠方界指向特性と、上記測定された上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトル及び上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値とに基づいて、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトル及び遠方界指向特性と、上記各無給電素子のポートからそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値との関係を示す関係式を用いて、上記第4の制御状態における当該可変リアクタンス素子に接続された無給電素子から見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値を計算する手段とを備えたことを特徴とするアレーアンテナの電気的特性の測定装置。 The apparatus for measuring electrical characteristics of an array antenna according to claim 2,
The array antenna in the fourth control state when the variable reactance element connected to one parasitic element is set to apply a control voltage whose impedance value of the variable reactance element is unknown. Means for measuring the far-field directivity in a predetermined direction of
Based on the far-field directivity characteristics of the array antenna in a predetermined direction measured in the fourth control state, the measured equivalent steering vector of the array antenna, and the admittance value or impedance value between the antenna elements. The relationship between the admittance value or impedance value between the antenna elements, the equivalent steering vector and far-field directivity of the array antenna, and the impedance values of the variable reactance elements viewed from the ports of the parasitic elements, respectively. Means for calculating the impedance value of the variable reactance element as seen from the parasitic element connected to the variable reactance element in the fourth control state using the relational expression shown in FIG. Measuring device for electrical characteristics.
上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、
上記各無給電素子にそれぞれ接続された少なくとも1本の可変リアクタンス素子とを備え、
上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定装置であって、
請求項1又は2記載のアレーアンテナの電気的特性の測定装置を用いて測定された上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、請求項3又は4記載のアレーアンテナの電気的特性の測定装置を用いて測定された上記第3の制御状態又は上記第4の制御状態における当該可変リアクタンス素子に接続された無給電素子から見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値とに基づいて、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記各無給電素子からそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、上記アレーアンテナの入力インピーダンスとの関係を示す関係式を用いて、上記各無給電素子にそれぞれ所定の各制御電圧が設定された第5の制御状態における入力インピーダンス値を計算する手段とを備えたことを特徴とするアレーアンテナの電気的特性の測定装置。 A power feeding element for transmitting and receiving wireless signals;
At least one parasitic element provided at a predetermined interval from the feeding element;
And at least one variable reactance element connected to each parasitic element,
By setting a control voltage for each of the variable reactance elements and changing a reactance value of each of the variable reactance elements, the directivity characteristics are changed by operating each parasitic element as a director or a reflector. An apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna,
An admittance value or an impedance value between the antenna elements measured by using the array antenna electrical characteristic measuring device according to claim 1 or 2, and an electrical characteristic measurement of the array antenna according to claim 3 or 4. Each antenna element based on the impedance value of the variable reactance element viewed from a parasitic element connected to the variable reactance element in the third control state or the fourth control state measured using a device Using the relational expression showing the relationship between the admittance value or the impedance value between them, the impedance value of each variable reactance element viewed from each parasitic element, and the input impedance of the array antenna, The input impedance value in the fifth control state in which each predetermined control voltage is set is measured. Apparatus for measuring electrical characteristics of an array antenna, characterized in that a means for.
上記給電素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた少なくとも1本の無給電素子と、
上記各無給電素子にそれぞれ接続された少なくとも1本の可変リアクタンス素子とを備え、
上記各可変リアクタンス素子にそれぞれ制御電圧を設定して上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることで指向特性が変化するアレーアンテナの電気的特性の測定装置であって、
請求項2記載のアレーアンテナの電気的特性の測定装置を用いて測定された上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトル及び上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、請求項4記載のアレーアンテナの電気的特性の測定装置を用いて測定された上記第4の制御状態における当該可変リアクタンス素子に接続された無給電素子から見た可変リアクタンス素子のインピーダンス値とに基づいて、上記アレーアンテナの等価ステアリングベクトルと、上記各アンテナ素子間のアドミタンス値又はインピーダンス値と、上記各無給電素子からそれぞれ見た各可変リアクタンス素子のインピーダンス値と、上記アレーアンテナの遠方界指向特性との関係を示す関係式を用いて、上記各無給電素子にそれぞれ所定の各制御電圧が設定された第6の制御状態におけるアレーアンテナの遠方界指向特性を計算する手段とを備えたことを特徴とするアレーアンテナの電気的特性の測定装置。
A power feeding element for transmitting and receiving wireless signals;
At least one parasitic element provided at a predetermined interval from the feeding element;
And at least one variable reactance element connected to each parasitic element,
By setting a control voltage for each of the variable reactance elements and changing a reactance value of each of the variable reactance elements, the directivity characteristics are changed by operating each parasitic element as a director or a reflector. An apparatus for measuring the electrical characteristics of an array antenna,
An equivalent steering vector of the array antenna and an admittance value or an impedance value between the antenna elements measured using the apparatus for measuring the electrical characteristics of the array antenna according to claim 2, and the electricity of the array antenna according to claim 4. And the equivalent steering vector of the array antenna based on the impedance value of the variable reactance element viewed from the parasitic element connected to the variable reactance element in the fourth control state, which is measured using the measurement device for the characteristic characteristics And an admittance value or impedance value between each antenna element, an impedance value of each variable reactance element viewed from each parasitic element, and a relational expression indicating a relationship between the far field directivity characteristics of the array antenna. Predetermined control voltages to the parasitic elements. Set the sixth measuring device of the electrical characteristics of an array antenna, characterized in that a means for calculating the far-field directional characteristics of the array antenna in the control state.
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