JP2007033095A

JP2007033095A - アンテナ遅延特定方法

Info

Publication number: JP2007033095A
Application number: JP2005213637A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kobayashi; 源小林; Masayuki Sugano; 真行菅野; Akira Itakura; 晃板倉
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-25
Also published as: JP4873525B2

Abstract

【課題】アンテナ電気長を算出するためのアンテナの遅延時間を簡単に特定する方法を提供する。
【解決手段】パッチアンテナ１０，２０のモデルを２個作成して対向配置し、電磁界シミュレーションにより該両アンテナ１０，２０の入力ポート１４と出力ポート２４の間の透過特性Ｓ２１を求め、該透過特性Ｓ２１から前記入力ポート１４と出力ポート２４の間の遅延時間ｔ１を求め、得られた遅延時間ｔ１から前記両アンテナモデルの対向する自由空間の伝播遅延時間ｔ０を差し引いた値を１／２にしてアンテナの遅延時間ｔ２を求める。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーダ装置におけるアンテナ遅延を特定する方法に関するものである。

レーダ装置を使用した測距システムでは、目標物までの距離測定精度が重要であるところから、測定値を校正することが行われている。このために、ダブルエコー方式、校正用モジュールをアンテナに装備させる方式、特別な校正装置を設ける方式等が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
実開平５−４３０８９号公報特開２０００−９８０２５号公報

ところが、これらは比較的長距離の測定値を校正するためのものであり、数ｃｍ〜数ｍのような短距離を測定するレーダ装置には適用できなかった。

このような短距離測距では、送受信器からアンテナまでの信号伝播用のケーブルの電気長、アンテナの電気長等のようにハードウエア上発生してしまうオフセット誤差が大きく影響するので、その測定値からこのオフセット誤差を差し引くことが必要となる。ケーブルの電気長については、その物理長から求めることが可能であるが、アンテナの電気長に関しては、アンテナ方式によって異なり、物理長をそのまま使用することはできない。したがって、アンテナ電気長の特定が必要となる。

そこで、従来では、アンテナ電気長の測定をその都度行って、測定値からケーブル電気長とともに差し引く作業を行っていたが、手間ががかかっていた。本発明の目的は、アンテナ電気長を算出するためのアンテナの遅延時間を簡単に特定する方法を提供することである。

請求項１にかかる発明のアンテナ遅延特定方法は、作成しようとするアンテナに対応した同一のアンテナモデルを２個作成して対向配置し、電磁界シミュレーションにより該両アンテナモデルの入力ポートと出力ポートの間の透過特性Ｓ２１を求め、該透過特性Ｓ２１から前記入力ポートと出力ポートの間の遅延時間を求め、得られた遅延時間から前記両アンテナモデルの対向する自由空間の伝播遅延時間を差し引いた値を１／２にしてアンテナの遅延時間を求めることを特徴とする。

本発明によれば、電磁界シミュレーションによってアンテナモデルの透過特性Ｓ２１を求めてアンテナ遅延時間を求めるので、レーダ装置の実際の測距時のオフセット誤差として扱うアンテナ電気長を簡単に求めることが可能となる。

本実施例では、図１に示すような同一構成のパッチアンテナ１０，２０を対向させたアンテナモデルをシミュレータ上で作成する。パッチアンテナ１０は、誘電体基板１１の裏面に接地導体１２が、表面にパッチ導体１３が配置され、裏面のポート１４からパッチ導体１３に給電が行われる。また、パッチアンテナ２０は、誘電体基板２１の裏面に接地導体２２が、表面にパッチ導体２３が配置され、裏面のポート２４からパッチ導体２３に給電が行われる。

このパッチアンテナ１０，２０をパッチ導体１３，２３が所定距離Ｌだけ離れて対向するように配置し、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain)法を用いて、電磁界シミュレーションにより、パッチアンテナ１０のポート１４から高周波電力を給電して他方のパッチアンテナ２０のポート２４から出力されるまでの電磁界を解析する。これにより、両ポート１４，２４間の各周波数における透過特性Ｓ２１を得て、その透過特性Ｓ２１から振幅と位相を得て群遅延特性を算出し、その遅延時間からパッチアンテナ１０，２０間の自由空間伝搬時間を差し引くことにより、パッチアンテナ１０，２０の内部遅延を算出する。

ＦＤＴＤ法とは、次式(1)に示すマクスウエルの方程式を時間、空間で差分化し、解析空間の電磁界を時間的に更新して、出力点の時間応答を得る方法である。Ｅは電界強度、Ｈは磁界強度、Ｄは電束密度、Ｂは磁束密度、Ｊは電流密度である。

このＦＤＴＤ法によれば、過度解あるいは周波数応答を直接求めることができる。また、アルゴリズムが簡単であること、優れた精度を持つこと、複雑な物質の解析や材料定数の異なる物質の解析にも適していること等が知られている。特に誘電体の解析では誘電率や単位計算時間間隔などの定数を変えるだけでよく、比較的簡単に解析できる。アンテナの解析法としては、解析時間がかかるが、計算機の進化に伴って近年注目されている方法である。

ＦＤＴＤ法では、解析空間の全体を複数のセル（直交格子）に分割し、各々のセル上の格子点に電界、磁界の計算点を離散的に設定し、時間についても単位計算時間間隔の離散時間上で計算を行う。マクスウエルの方程式に含まれる時間、空間に関する微分を各計算点上の電界、磁界で差分近似すると、ある時刻での電界は１計算単位時間前の電界と計算点を取り囲む位置の磁界の差分を用いて表現できる。同様に、ある時刻での磁界は１計算時間前の磁界と計算点を取り囲む位置の電界の差分により表現できる。よって、ある時刻において全部の解析空間中の電界・磁界が定まっていれば、１計算時間後の電界、磁界をマクスウエル方程式を満足するように定めることができる。

このようにＦＤＴＤ法では、全空間中の電界、磁界を時間の進行とともに逐次的に計算していく。アンテナに解析では、初期条件として、給電点の励振電界以外の空間では電磁界が零として計算を開始する。なお、このＦＤＴＤ法では、計算領域とその外側との境界が仮想的な反射面として作用するため、不要な反射が計算結果に影響を及ぼすので、吸収境界条件を設定する。これにより、マルチパス等の影響を考慮する必要がなくなる。前記のように対向させた２個のパッチアンテナ１０，２０では、その周囲６面を吸収境界条件とする。

以上のようなＦＤＴＤ法によって対向したパッチアンテナ１０，２０を解析するとき、周波数掃引を行うことにより、ポート１４，２４間について、各周波数についてのＳパラメータの通過特性Ｓ２１を得ることができる。このＳ２１は、
Ｓ２１＝Re（Ｓ２１）＋Im（Ｓ２１） (2)
のように実数部と虚数部で表されるので、振幅｜Ａ｜と位相φは、
｜Ａ｜＝（Re（Ｓ２１）²＋Im（Ｓ２１）²）^1/2 (3)
φ＝tan Im（Ｓ２１）／Re（Ｓ２１） (4)
で求めることができる。

図２は周波数−位相特性の一例を示す特性図である。このような特性を得ることによって、周波数ｆｏにおける遅延時間ｔ１を、
ｔ１＝ｄφ／ｄｆ＝（φ２−φ１）／（ｆ２−ｆ１） (5)
によって求めることができ、これを各周波数について求めることにより群遅延特性を得ることができる。

図１のアンテナ１０，２０の対向する間の距離Ｌの自由空間の伝播時間をｔ０とすれば、パッチアンテナ１０，２０のそれぞれの遅延時間ｔ２は、
ｔ２＝（ｔ１−ｔ０）／２ (6)
となる。

よって、パッチアンテナ１０，２０のそれぞれの電気長Ｄは、両アンテナ１０，２０の伝播速度をｖ（誘電体基板の比誘電率で決まる。）とすれば、
Ｄ＝ｔ２×ｖ (7)
によって得ることができる。

図３はパッチアンテナの電気長特定の実施例の処理のフローチャートである。まず、上記したようなパッチアンテナ１０，２０を作成する（ステップＳ１）。このとき、両パッチアンテナ１０，２０間の距離Ｌを把握しておく。また、ポート１４，２４を設定しておく（ステップＳ２）。次に、パッチアンテナ１０，２０の諸特性を設定する（ステップＳ３）。諸特性としては、誘電体基板１１，２１の寸法、誘電率、透磁率、誘電正接、パッチ導体１３，２３の寸法等がある。次に、ＦＤＴＤ法による解析条件を設定する（ステップＳ４）。解析条件としては、セル寸法、セル数、入力信号条件、吸収境界条件等がある。次に、ＦＤＴＤ法による解析を行う（ステップＳ５）。この解析が完了したところで、解析結果の１つであるＳパラメータの透過特性Ｓ２１を抽出する（ステップＳ６）。そして、この透過特性Ｓ２１に基づいて前記したようにアンテナ遅延、アンテナ電気長を得る（ステップＳ７）。

なお、以上の説明ではアンテナ解析の手法としてＦＤＴＤ法を使用する場合について説明したが、これに限られるものではなく、モーメント法、伝送線路行列（ＴＬＭ）法、有限要素法、その他を使用することができることは勿論であり、これらによって対向させたアンテナの透過特性Ｓ２１を得れば良い。

パッチアンテナの説明図である。アンテナの周波数−位相特性の一例の特性図である。実施例の処理のフローチャートである。

符号の説明

１０，２０：パッチアンテナ、１１，２１：誘電体基板、１２，２２：接地導体、１３，２３：パッチ導体、１４，２４：ポート

Claims

作成しようとするアンテナに対応した同一のアンテナモデルを２個作成して対向配置し、電磁界シミュレーションにより該両アンテナモデルの入力ポートと出力ポートの間の透過特性Ｓ２１を求め、該透過特性Ｓ２１から前記入力ポートと出力ポートの間の遅延時間を求め、得られた遅延時間から前記両アンテナモデルの対向する自由空間の伝播遅延時間を差し引いた値を１／２にしてアンテナの遅延時間を求めることを特徴とするアンテナ遅延特定方法。