JP2006033295A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブロッキングによるアンテナパターンへの悪影響を抑圧し得るアンテナ装置を、構成簡易にして低コストで提供すること。
【解決手段】開口面上にブロッキングを有する主アンテナ３の開口面上又はその近傍に、補助アンテナ４を備える。主アンテナ３の低減すべきサイドローブパターンを逆フーリエ変換し、当該サイドローブパターンを反映する複素ウェイトを算出する。この複素ウェイトを用いて補助アンテナ４のメインローブを制御し、いわば指向性合成により当該サイドローブパターン形状に類似の補助ビームを得る。これにより得られた補助ビームを主アンテナのアンテナパターンから減算することにより、主アンテナ３のサイドローブを低減させるようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、アンテナ装置全般に関する。

アンテナ装置はその開口面上に給電回路やリフレクタなどを備えることが多く、これらが遮蔽物として電波をブロッキングすることがある。開口面上にブロッキングがあるとサイドローブが高くなり、電波送信時および受信時のいずれにおいても不要波成分が多くなることは良く知られている（例えば、非特許文献１を参照）。

その対策のため、開口面上の振幅や位相を制御してサイドローブを抑えることが一般的に行われている。しかしながらこの手法では主ビームに悪影響の及ぶ可能性がある。また振幅や位相の複雑な制御を要するため、高いキャリブレーション精度やウェイト演算などの煩雑な処理が必要になり、装置規模の拡大やコストの上昇などの不具合がある。
吉田 孝 著 "改訂 レーダ技術"、電子情報通信学会（1996）、pp.108-109

以上述べたようにアンテナ開口面にブロッキングがあると、主アンテナのサイドローブが高くなったり、メインローブの利得が低下したりする。その対処のため既存のアンテナ装置には、装置規模の拡大やコストの上昇などといった代償を余儀なくされるという不具合がある。
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、ブロッキングによるアンテナパターンへの悪影響を抑圧し得るアンテナ装置を、構成簡易にして低コストで提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の一態様によれば、アンテナパターンにサイドローブを有する主アンテナと、この主アンテナとは異なるアンテナパターンを有する補助アンテナと、前記補助アンテナのメインローブパターンを前記主アンテナのサイドローブパターンに類似の形状に整形する整形手段と、この整形手段により整形された前記補助アンテナのメインローブパターンを前記主アンテナのサイドローブパターンから減算する減算手段とを具備することを特徴とするアンテナ装置が提供される。

このような手段を講じることにより、補助アンテナのメインローブを用いて、主アンテナのサイドローブに類似する形状のビームが形成される。このビームを主アンテナのサイドローブから減算することにより両者が相殺され、その結果、主アンテナのサイドローブを低減させることが可能になる。

良く知られているようにアンテナのメインローブ形状を安定して制御することは困難ではない。上記手段ではその利点を生かし、主アンテナのサイドローブから補助アンテナのメインローブ（安定的に制御可能）を直接的に減算してサイドローブ低減の実現を図っている。既存のＳＬＣ（サイドローブキャンセラ）などの手法は、主アンテナのアンテナパターンそれ自体を整形するための複素ウェイトを補助アンテナにより取得した情報から得ようとするものであり、本発明とは異なる手段を用いるものである。

本発明によれば、ブロッキングによるアンテナパターンへの悪影響を抑圧し得るアンテナ装置を、構成簡易にして低コストで提供することができる。

図１は、本発明に係わるアンテナ装置の一例を示す外観斜視図である。図１において、主アンテナ３はその開口面にブロッキングを有する。このブロッキングは給電回路やリフレクタなどの遮蔽物により生じる。または、比較的大規模なアンテナ装置においては複数のモジュールを組み合わせて一つのアンテナ開口を形成することがある。ブロッキングは、各モジュールの接合部においても生じる。さらに、図１において、例えば主アンテナ３の開口面内に補助アンテナ４が配列される。次に、本発明の実施の形態につき詳しく説明する。

［第１の実施形態］
図２は、図１のアンテナ装置の要部を示す機能ブロック図である。図２において、送信器１からの送信信号はサーキュレータ２を介して主アンテナ３の給電回路３１に入力される。給電回路３１は複数の送受信モジュール３２に接続される。送受信モジュール３２は送信信号の振幅および位相を制御し、任意の方向に主アンテナ３の送信ビームを形成する。同様に送信信号の一部はサーキュレータ７を介して補助アンテナ４の給電回路４１に入力され、送受信モジュール３２を介して補助アンテナ４から放射される。

主アンテナ３に到達した受信信号は、送受信モジュール３２から給電回路３１およびサーキュレータ２を介して受信処理部５に入力される。受信処理部５は送受信モジュール３２を制御して任意の方向に主アンテナ３の受信ビーム（主ビーム）を形成する。同様に受信信号の一部は、補助アンテナ４の送受信モジュール３２から給電回路４１およびサーキュレータ７を介して受信処理部５に入力される。受信処理部５は補助アンテナ４の送受信モジュール３２を制御して補助アンテナ４の受信ビーム（補助ビーム）を形成する。

図３は、図２の送受信モジュール３２を示す機能ブロック図である。送信時においては図３のスイッチ３２４が送信増幅器３２２に接続され、給電端から移相器３２５により位相制御された送信信号が送信増幅器３２２に入力される。これにより電力増幅された送信信号がサーキュレータ３２１を介してアンテナ端に達する。受信時においてはスイッチ３２４が受信増幅器３２３に接続され、サーキュレータ３２１を介して入力された受信信号が低雑音増幅されて移相器３２５により位相制御される。この位相制御された受信信号は給電回路３１，４１においてアンテナごとに合成され、受信処理部５により周波数変換されたのちディジタル信号に変換される。

次に、上記構成における作用を説明する。本実施形態では主アンテナ３のサイドローブに近い形状を持つビームを補助アンテナ４のメインローブにより形成し、両者を相殺させることにより主アンテナ３のサイドローブを低減する。以下に、その処理に用いられる計算式を示す。以下の演算は主として図２の受信処理部５におけるソフトウェア処理により実現される。

まず、素子位置ベクトルおよび波数ベクトルを、図４に示す座標系を用いて次式（１）、（２）により定義することができる。

次に、サイドローブを低減させたい角度範囲における、主アンテナ３の振幅及び位相の応答をｂｍとする。そして、ｂｍを逆フーリエ変換することによりｂｍに対応する複素ウェイト（振幅及び位相ウェイト）を算出することができる。次式（３）、（４）にこの処理を示す。ｂｍの逆フーリエ変換は式（４）により示される。

式（４）により複素ウェイトが得られると、この値を用いて補助ビームのメインローブ形状を、上記角度範囲における主アンテナ３のサイドローブに近似させることができる。次式（５）に、式（４）の複素ウェイトに基づく補助ビーム応答ｂａを示す。

式（５）のｂａを用いた減算処理により主ビームのサイドローブ形状を補正すること、すなわちブロッキングを補償することができる。ブロッキング補償後のビームｂｍａは、次式（６）により表すことができる。式（６）の演算は図２の減算処理部６により実施される。

図５は、主アンテナ３の初期ビーム、すなわちブロッキングを補償しない状態のビームを示す模式図である。図５において最も振幅の高い主ビームが一定の角度に形成されると、その他の角度にはサイドローブが形成されるのが普通である。このサイドローブレベルをＢとすると、図５の点線または実線で示す位置に、補助ビームのメインローブを形成する。

図６は、主アンテナ３のブロッキング補償後のビームを示す模式図である。図５の補助ビームを主ビームから減算すると、図６に示すようにサイドローブレベルを低下させることができる。なお主アンテナ３のメインローブレベルは原理的には低下しないため、メインローブへの影響を最小限に留めることが可能になる。

このように本実施形態では、開口面上にブロッキングを有する主アンテナ３の開口面上又はその近傍に、補助アンテナ４を備える。主アンテナ３の低減すべきサイドローブパターンを逆フーリエ変換し、当該サイドローブパターンを反映する複素ウェイトを算出する。この複素ウェイトを用いて補助アンテナ４のメインローブを制御し、いわば指向性合成により当該サイドローブパターン形状に類似の補助ビームを得る。これにより得られた補助ビームを主アンテナのアンテナパターンから減算することにより、主アンテナ３のサイドローブを低減させるようにしている。

既存のＳＬＣのように、補助アンテナを用いて主アンテナのサイドローブ形状を補正することは、原理的には可能であるが複雑な処理を要するため実現には困難が伴う。これに対し本実施形態では、補助アンテナ４のメインローブを利用して、主アンテナ３のサイドローブを下げるためのビームを形成するようにしている。一般にアンテナのメインローブ形状を制御することは容易であるため、ＳＬＣなどの手法を用いたアンテナ装置に比べて装置構成をシンプル化することが可能である。

すなわち上記構成では、補助アンテナ４のメインローブを利用してブロッキング補償用のビームを形成し、主アンテナ３のサイドローブと相殺させるようにしている。これにより、主アンテナ３にブロッキングがある場合でもその影響を効果的に抑圧でき、サイドローブを低下させることが可能になる。これらのことから本実施形態によれば、ブロッキングによるアンテナパターンへの悪影響を抑圧し得るアンテナ装置を、構成簡易にして低コストで提供することが可能となる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態では、主アンテナ３のサイドローブと相殺させるための補助アンテナ４のメインローブ形状を、より簡易的に得るための手法につき開示する。すなわち主アンテナ３の低減すべきサイドローブの指向方向、角度幅、振幅及び位相は、いずれも既知である。受信処理部５においてこれらの値を取得し、補助アンテナ４の送受信モジュール３２にこれらの値を適用することにより、主ビームのサイドローブ形状に類似の補助ビームを形成するようにする。

第２の実施形態における補助ビームのウェイトＷａは、次式（７），（８）により表される。次式においてθｐａｚおよびθｐｅｌは、それぞれ補助ビームのアジマス面（ＡＺ面）およびエレベーション面（ＥＬ面）におけるピーク方向である。

式（７），（８）において、振幅及び位相ウェイトＷは、主ビームの低減させたいサイドローブの角度幅と振幅及び位相に応じて決められる量である。

式（７），（８）を用いて、次式（９）により補助ビーム応答ｂａを表すことができる。

式（９）のｂａを用いた減算処理により、主アンテナ３におけるブロッキングを補償することができる。ブロッキング補償後のビームｂｍａは次式（１０）により表すことができる。

このように本実施形態では主ビームのサイドローブ方向の指向方向、角度幅、振幅及び位相に基づいて、主アンテナ３のサイドローブに近似した形状を持つ補助ビームを直接的に生成する。そして、補助ビームを主アンテナ３のビームパターンから減算することにより、主アンテナ３のサイドローブを低減させるようにしている。これにより、ブロッキングによるアンテナパターンへの悪影響を抑圧し得るアンテナ装置を、より簡易的に提供することが可能となる。

［第３の実施形態］
本発明は、サイドローブの低減だけでなく、メインローブの利得向上にも適用することができる。すなわちサイドローブを低減するには、サイドローブに近似する形状の補助ビームを形成して両者を相殺させれば良い。逆にメインローブを上昇させるには、メインローブに合わせた補助ビームを形成して両者を重ねあわせれば良い。

主ビームのメインローブ位置に形成すべき補助ビームのウェイトＷａは、次式（１１），（１２）により求めることができる。次式においてθｍａｚおよびθｍｅｌは、それぞれ主ビームのアジマス面（ＡＺ面）およびエレベーション面（ＥＬ面）におけるピーク方向である。

式（１１），（１２）において、振幅及び位相ウェイトＷは、主ビームのメインローブの角度幅と振幅及び位相に応じて決められる量である。

式（１１），（１２）を用いて、次式（１３）により補助ビーム応答ｂａを表すことができる。

式（１３）のｂａを用いた加算処理により、主ビームにおけるメインローブの利得を向上させることができる。図７に示すように、補助ビームは主ビームのメインローブ位置に形成される。これらを加算すると、図８に示すようにメインローブの利得レベルのみを向上させることができる。利得向上後のビームｂｍａは次式（１４）により表すことができる。

なお式（１４）に示す加算処理は、減算処理部６において振幅位相ウェイトＡの位相を反転することにより等価的に実現される。

このように本実施形態では、主ビームのメインローブと同じ位置に補助ビームのメインローブを形成し、両者を重ねあわせることにより主ビームのメインローブ利得を向上させるようにしている。補助ビームは、第１または第２の実施形態と同様の手法により形成できる。すなわち第１の実施形態において主ビームのメインローブを逆フーリエ変換すれば、補助ビーム形成のための複素ウェイトを得られる。また第２の実施形態においても、主アンテナ３のメインローブの指向方向、角度幅、振幅及び位相は、いずれも既知であることから、これらの値を用いて補助ビームを形成することができる。これらのことから、ブロッキングによるアンテナパターンへの悪影響を抑圧するだけでなく、メインローブ利得をより積極的に向上させ得るアンテナ装置を、構成簡易にして低コストで提供することが可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば図２において目標の捕捉処理、または目標の追尾処理を行う機能ブロックを追加すれば、本発明はレーダ装置に対しても適用することができる。
また第１および第２の実施形態では、送信時および受信時におけるサイドローブの低減につき述べた。第３の実施形態ではメインローブの向上につき述べたが、これも送信時および受信時のいずれに対しても可逆的に実現できる。よってこれらの処理を、一つのアンテナ装置において実現することも可能である。

つまり、［送信時および受信時のいずれにおいてもサイドローブを低下させる処理］、［送信時にはサイドローブを低下させ、受信時にはメインローブを向上させる処理］、［送信時にはメインローブを向上させ、受信時にはサイドローブを低下させる処理］、および、［送信時および受信時のいずれにおいてもメインローブを向上させる処理］の全てを、本発明により実現することができる。これらの処理は、特に本発明をレーダ装置に適用する場合に、その運用モードに応じて切り替えて実施すればより効果的である。

また式（１）〜（１３）においては一般的に２次元における演算式を示したが、１次元の場合にも適用できるのは言うまでもない。２次元の演算式はプラナーアレイアンテナなどに適用でき、１次元の演算式はリニアアレイアンテナに適用できる。また送受信モジュールは図３に限らず、送信信号及び受信信号の位相を制御できればよいので、他の構成であっても良いのは言うまでもない。さらに位相のみに限らず、信号の振幅をも合わせて制御しても良い。

さらに、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係わるアンテナ装置の一例を示す外観斜視図。 図１のアンテナ装置の要部を示す機能ブロック図。 図２の送受信モジュール３２を示す機能ブロック図。 本発明の実施の形態に係わるアンテナ座標系を示す模式図。 主アンテナ３の初期ビームを示す模式図。 主アンテナ３のブロッキング補償後のビームを示す模式図。 主アンテナ３のメインローブ利得向上前の状態を示す模式図。 主アンテナ３のメインローブ利得向上後の状態を示す模式図。

符号の説明

１…送信器、２…サーキュレータ、３…主アンテナ、４…補助アンテナ、５…受信処理部、６…減算処理部、７…サーキュレータ、３１，４１…給電回路、３２…送受信モジュール、３２１…サーキュレータ、３２２…送信増幅器、３２３…受信増幅器、３２４…スイッチ、３２５…移相器

Claims (6)

1. アンテナパターンにサイドローブを有する主アンテナと、
   この主アンテナとは異なるアンテナパターンを有する補助アンテナと、
   前記補助アンテナのメインローブパターンを前記主アンテナのサイドローブパターンに類似の形状に整形する整形手段と、
   この整形手段により整形された前記補助アンテナのメインローブパターンを前記主アンテナのサイドローブパターンから減算する減算手段とを具備することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記整形手段は、
   前記主アンテナのサイドローブパターンを逆フーリエ変換して複素ウェイトを算出する算出手段と、
   前記算出された複素ウェイトを用いて前記補助アンテナのビームを指向性合成して、当該補助アンテナのメインローブパターンを前記主アンテナのサイドローブパターンに類似させる合成手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記整形手段は、
   前記主アンテナのサイドローブパターンの指向方向情報、角度幅情報、振幅情報、および位相情報の少なくともいずれか１を取得する取得手段と、
   この取得手段により取得された情報に基づいて前記補助アンテナのビームを指向性合成して、当該補助アンテナのメインローブパターンを前記主アンテナのサイドローブパターンに類似させる合成手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 指向性を有する主アンテナと、
   この主アンテナとは異なるアンテナパターンを有する補助アンテナと、
   前記補助アンテナのメインローブパターンを前記主アンテナのメインローブパターンに類似の形状に整形する整形手段と、
   この整形手段により整形された前記補助アンテナのメインローブパターンを前記主アンテナのメインローブパターンに加算する加算手段とを具備することを特徴とするアンテナ装置。
5. 前記整形手段は、
   前記主アンテナのメインローブパターンを逆フーリエ変換して複素ウェイトを算出する算出手段と、
   前記算出された複素ウェイトを用いて前記補助アンテナのビームを指向性合成して、当該補助アンテナのメインローブパターンを前記主アンテナのメインローブパターンに類似させる合成手段とを備えることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記整形手段は、
   前記主アンテナのメインローブパターンの指向方向情報、角度幅情報、振幅情報、および位相情報の少なくともいずれか１を取得する取得手段と、
   この取得手段により取得された情報に基づいて前記補助アンテナのビームを指向性合成して、当該補助アンテナのメインローブパターンを前記主アンテナのメインローブパターンに類似させる合成手段とを備えることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。

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