JP2009085790A - 移動体搭載アレーアンテナのビーム形成手法 - Google Patents

Abstract

【課題】物理的、機械的な制約を受けることなく、サイドローブ、グレーティングローブを軽減することができ、さらには広帯域での利用を可能とする。
【解決手段】アレーアンテナ１１の移動中にアレーアンテナ１１を構成するアンテナ素子Ａ１〜Ａｎの座標を、移動によるその移動軌跡の中から決定し、一定のずれ量ｄ_X1，ｄ_X2，…が生じる間隔で複数回のパルス送受信を行うものとし、複数回のパルス送受信における基準位相同士の位相差を各パルス送受信時点のアンテナ基準座標の差を用いてビーム走査方向に対して波面が揃うように決定し、複数回のパルス送受信それぞれの送受信信号の合成により一つの指向性パターンを生成し、移動によるずれ量を調整することでサイドローブレベルを調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体搭載のレーダや通信で使用されるアレーアンテナのビーム形成手法に関する。

周知のように、アレーアンテナのサイドローブレベルを低減させる手段として、アンテナ開口内の励振分布をコサイン分布やテイラー分布などに対応するように分布させる方法がある。しかしながら、開口アンテナでそのような分布を実現することは物理的に非常に困難である。また、アレーアンテナの場合、サイドローブ低減を目的として開口上に非一様な振幅分布を持たせる方法があるが、その実現には機械的な制限がかかることが多い。

さらに、アンテナ素子間隔を一定以上離すと、グレーティングローブが可視領域内に発生してしまう。このため、アンテナ素子間隔は規定の値より短くするのが一般的である。しかしながら、この規定の素子間隔は波長によって決まるため、適切な素子間隔の選択には周波数の制限がかかることが多い。この際、アンテナの開口長を大きくすることにより、発生するグレーティングローブのレベルを小さくすることが可能であるが、サイドローブレベルがそのアンテナ単体のサイドローブレベルよりも大きくなってしまう傾向がある。特に、移動体搭載のレーダや通信で使用されるアレーアンテナにあっては、搭載場所の制約から上記の問題がいっそう顕著になる。

尚、衛星や航空機等のプラットフォームに搭載するレーダ装置において、アレーアンテナのアンテナ角度とプラットフォーム速度と送信時の高周波パルスのパルス繰り返し周期に応じてアンテナのベースライン長を算出することが特許文献１に開示されている。
特開平１１−３５２２２４号公報

以上のように、従来の移動体搭載のアレーアンテナでは、物理的、機械的な制約によってサイドローブ、グレーティングローブを軽減することが困難であった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、移動体搭載のアレーアンテナにおけるアンテナ指向性パターンにおいて、物理的、機械的な制約を受けることなく、サイドローブ、グレーティングローブを軽減することができ、さらには広帯域での利用を可能とするビーム形成方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明に係る移動体搭載のアレーアンテナに用いられるビーム形成手法は、前記アレーアンテナの移動中に前記アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の座標を、移動によるその移動軌跡の中から決定し、一定のずれ量が生じる間隔で複数回のパルス送受信を行うものとし、前記複数回のパルス送受信における基準位相同士の位相差を各パルス送受信時点のアンテナ素子それぞれの基準座標の差を用いてビーム走査方向に対して波面が揃うように決定し、前記複数回のパルス送受信それぞれの送受信信号の合成により一つの指向性パターンを生成し、前記ずれ量を調整することでサイドローブレベルを調整することを特徴とする。

すなわち、本発明に係る移動体搭載アレーアンテナのビーム形成方法では、アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の座標をその移動軌跡の中から複数点決定することによって、実際のアンテナ個数より多数の座標を用いてビーム形成処理を行う。これにより、アダプティブアレー技術における自由度が大きくなるなど、サイドローブもしくはグレーティングローブの発生を軽減させることができる。このビーム形成方法では、使用周波数によって発生する制限を緩和できるという特徴から、広帯域での利用が可能となる。

よって、移動式のレーダや通信の利用におけるアンテナ指向性パターンにおいて、サイドローブレベルおよびグレーティングローブレベルの軽減、広帯域での利用が可能となる。

尚、上記特許文献１には、本発明と同じように、移動体搭載のアレーアンテナにおいて、移動速度に基づくパルス送受信のビーム形成手法について記載されているが、その目的とするところはパルス繰り返し周期を自由に設計できるようにすることにあり、サイドローブもしくはグレーティングローブの発生を軽減することを目的とする本発明とは基本的な構成が異なる。

以上のように、本発明によれば、移動体搭載のアレーアンテナにおけるアンテナ指向性パターンにおいて、物理的、機械的な制約を受けることなく、サイドローブ、グレーティングローブを軽減することができ、さらには広帯域での利用を可能とするビーム形成方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係るビーム形成方法が適用される移動体搭載のリニアアレーアンテナ１１の一実施形態を示す概念図で、Ｘ−Ｙ平面上を移動するリニアアレーアンテナ１１の軌跡と、その中でパルス送受信を行った時刻ｔ₁ ，ｔ₂ ，…ｔ_n での位置を示している。図２は、上記リニアアレーアンテナ１１に対して、本発明に係るビーム形成を行うシステム構成を示すブロック図である。

図１において、Ａ１，Ａ２，…,Ａｎはそれぞれ素子間隔ｄ_X でＸ軸方向に配列されてリニアアレーアンテナ１１を構成するアンテナ素子である。これらのアンテナ素子Ａ１〜Ａｎは、図２に示すビーム形成器１２により、それぞれビーム走査方向に対して波面を揃えることが可能な一様振幅分布を持つＸ軸方向の開口長ａ_X の開口アンテナを実現する。

ここで、図１に示すように、リニアアレーアンテナ１１がＸ−Ｙ平面上を移動したとする。このとき、ｎ個の時刻ｔ₁ 〜ｔ_n でのアンテナ素子Ａ１〜Ａｎの座標のＸ軸方向の座標のずれｄ_XK（ｋ＝１〜ｎ−１）が図１のようになるタイミングで、ｎ回のパルス送受信を行う。さらに、ｎ回のパルス送受信における位相差は、Ｘ−Ｚカット面上にビーム走査を行うとき、ｎ回のパルス送受信におけるＸ軸方向のアンテナ基準座標の差を用いてビーム走査方向に対して波面を揃うように決定する。そして、ｎ回の送受信信号の合成により１つの指向性パターンを生成可能となるようにする。この際、ｎ回の時刻ｔ₁ 〜ｔ_n でのアンテナ素子Ａ１〜Ａｎの座標のＸ軸方向の座標のずれを、アンテナ移動速度とパルス送受信を行うタイミングにより調節することで、Ｘ−Ｚカット面の指向性におけるグレーティングローブレベルを調節することが可能となる。また、このようにｎ回のパルス送受信を行った方が、１回のパルス送受信に比べてＸ−Ｚカット面上でグレーティングローブの発生を抑えられる。この他、サイドローブレベルも軽減でき、さらにメインローブ以外の指向性レベルはどの方位も１回のパルス送受信の指向性レベル以下に抑えることが可能となり、利得を高くすることができる。

尚、このときＹ軸方向のｎ回の時刻でのアンテナ素子の座標のずれは任意のものでよいが、Ｘ−Ｚカット面以外の指向性パターンも考慮した場合、ｄ_YK（ｋ＝１〜ｎ−１）は半波長程度もしくはそれ以下になるようにした方がよい。

上記構成に示した中で、ｄ_XK（ｋ＝１〜ｎ−１）を（１）式および（２）式の2つの条件が成り立つように調節すると、グレーティングローブの発生を抑えることが可能となる。なお、（２）式は指向性パターンの可視領域を考慮して詳細を決めればよい。（λは波長）
ｄ_XK ＝ｄ_X ／ｎ （ｋ＝１〜ｎ−１） （１）
ｄ_XK ≒λまたはｄ_XK ＜λ （ｋ＝１〜ｎ−１） （２）
図３は、アレーアンテナを移動させた場合と固定した場合のＸ−Ｚカット面の指向性パターンを示した図である。横軸はＺ軸を０deg とした方位を示しており、０〜９０deg までを示している。ビーム走査方向は０deg としてあるので、−９０〜０degは０〜９０degを対称としたものとなる。縦軸は指向性強度を示しており、カット面上の最高値を０deg としている。

例えば、リニアアレーアンテナの素子間隔ｄ_X が２λの場合、以下のように数値を決めると、（１）式および（２）式の条件を成立させることができる。
ｎ＝４
ｄ_X1 ＝ｄ_X2 ＝ｄ_X3 ＝λ／２
このときの指向性パターンは図３の実線のようになる。破線は、アレーアンテナ１１を移動させずに固定した場合の指向性パターンを示したものである。一般に、素子間隔が１波長以上のアレーアンテナでは、破線の曲線のようにグレーティングローブが発生する。一方で、実線の指向性パターンでは、破線のように発生していたグレーティングローブが発生していないことが確認できる。

素子間隔が１波長以上離れたアレーアンテナにおいても、上記のように複数回のパルス送受信を行うことにより、グレーティングローブの発生を抑えられるほか、サイドローブレベルも軽減でき、さらにメインローブ以外の指向性レベルはどの方位も１回のパルス送受信の指向性レベル以下に抑えることが可能となり、利得を高くすることができる。この際に用いられた複数のパルス送受信信号を応用して、ＭＴＩ（移動目標指示装置）も同時に用いることができる。

尚、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、例えば他の励振分布の場合、他のパルス送受信回数の場合でもよく、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、種々の発明を形成することができる。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。

本発明に係るビーム形成方法が適用される移動体搭載のアレーアンテナの一実施形態を示す概念図。 図１に示す実施形態のビーム形成を行うためのシステム構成を示すブロック図。 図１に示すアレーアンテナについて、固定時と移動時のＸ−Ｚカット面における指向性パターンを比較して示すパターン波形図。

符号の説明

１１…開口アンテナ、１２…ビーム形成器、ａ_X …開口長、ｄ_X1〜ｄ_Xn…Ｘ軸方向ずれ量、ｄ_Y1〜ｄ_Yn…Ｙ軸方向ずれ量。

Claims (4)

1. 移動体に搭載されるアレーアンテナのビーム形成方法において、
   前記アレーアンテナの移動中に前記アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の座標を、移動によるその移動軌跡の中から決定し、一定のずれ量が生じる間隔で複数回のパルス送受信を行うものとし、
   前記複数回のパルス送受信における基準位相同士の位相差を各パルス送受信時点のアンテナ素子それぞれの基準座標の差を用いてビーム走査方向に対して波面が揃うように決定し、
   前記複数回のパルス送受信それぞれの送受信信号の合成により一つの指向性パターンを生成し、
   前記ずれ量を調整することでサイドローブレベルを調整することを特徴とする移動体搭載アレーアンテナのビーム形成方法。
2. 前記パルス送受信を行うずれ量の間隔は、開口アンテナの開口長より短い間隔とすることを特徴とする請求項１記載の移動体搭載アレーアンテナのビーム形成方法。
3. 前記パルス送受信を行うずれ量の間隔は、前記開口アンテナの移動速度に基づいて決定することを特徴とする請求項１記載の移動体搭載アレーアンテナのビーム形成方法。
4. 前記パルス送受信の送受信信号は広帯域信号であることを特徴とする請求項１記載の移動体搭載アレーアンテナのビーム形成方法。

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