JP2010068482A

JP2010068482A - アレイアンテナ装置

Info

Publication number: JP2010068482A
Application number: JP2008235644A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kumamoto; 剛熊本; Masahiro Tanabe; 正宏田邊
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-25

Abstract

【課題】ＤＢＦ処理回路の簡素化及び低コスト化を実現できるアレイアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】アレイアンテナ装置は、複数のアンテナ素子１１と、対応するアンテナ素子の送受信信号の位相制御を行う移相器を有する複数のモジュール２１とを備える複数のサブアレイＳＢ１〜ＳＢｋを備える。走査制御器１０１は、複数のモジュール２１の移相器を走査角度に応じた位相制御量で制御する。各サブアレイＳＢ１〜ＳＢｋにて電力合成された受信信号は、周波数変換器６１〜6ｋにて周波数変換された後、Ａ／Ｄ変換器７１〜７ｋによりディジタル信号へ変換された後、ディジタル位相検波器８１〜８ｋによって直交検波されＩ／Ｑ信号に変換される。ビーム形成器９１は、このサブアレイ毎のＩ／Ｑ信号をそれぞれの位相制御し、加算合成して複数の合成ビームを形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）方式を用いたアレイアンテナ装置に関する。

２次元ＤＢＦ方式のアレイアンテナ装置では、数千素子にも及ぶ各アンテナ素子信号の周波数変換回路及び、この周波数変換された信号をアナログ信号またはディジタル信号により位相検波を行う処理回路が必要であり、これらは各アンテナ素子に１対１で対応するため膨大な回路規模となる。さらに、これら各アンテナ素子の数千にも及ぶ検波出力を加算合成してビーム形成する処理回路が必要となり、回路規模に加え信号インターフェースも膨大なものとなる。

そこで、このような回路規模の増大という問題を解決するために、サブアレイ化手法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。しかし、この手法を用いても、広い範囲へのビーム走査を伴う場合にはサブアレイ単位となる位相制御量の周期性によりグレーティングローブが生じ、誤検出など観測結果の正確さが著しく劣化するという課題がある。
特開平１０−２０９７５０公報

上述したように、広い範囲に受信ビームを形成する必要のある２次元ＤＢＦアンテナでは、回路規模、信号インターフェースが膨大かつ複雑化するといった問題があり、有効な解決手段がなかった。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、ＤＢＦ処理回路の簡素化及び低コスト化を実現できるアレイアンテナ装置を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明に係るアレイアンテナ装置の一態様は、複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子毎に設けられ、対応するアンテナ素子の送受信信号の位相制御を行う複数の移相器を有する複数のモジュールとを備え、送信用のアンテナ開口と送信用に比べ面積の広い受信開口を構成する複数のサブアレイと、前記複数のモジュールそれぞれの複数の移相器を走査角度に応じた位相制御量で制御する走査制御手段と、前記複数のサブアレイ毎の受信信号をもとに複数のサブアレイビームを形成する複数のサブアレイビーム形成手段と、前記形成された複数のサブアレイビームのそれぞれを位相制御し、加算合成して複数の合成ビームを形成する合成ビーム形成手段とを具備する。

上記構成では、各アンテナ素子に移相器を設け、これを複数の単位でサブアレイ化する。このサブアレイ単位で受信信号のＤＢＦ処理を行うことにより、ＤＢＦ処理回路の大幅な規模削減を可能とした。ここで、レーダ装置等、送信波と受信波との相関から目標を検出する場合において、各アンテナ素子に有する移相器にて送信ビームの角度方向に位相制御を行うことで、受信マルチビーム形成時のサブアレイ単位によるビーム走査範囲を限定することが可能となる。このように、ビーム合成時の理想的な位相値に対してサブアレイ単位の位相誤差を小さくできる範囲にマルチビーム形成の範囲を限定することによって、従来生じていたグレーティングローブの発生なく良好なアンテナ性能を得ることができる。

また、この発明に係るアレイアンテナ装置の他の態様は、前記合成ビーム形成手段は、前記複数のサブアレイビーム全体により形成される複数の合成ビームの走査角度範囲を前記送信ビームのカバーする範囲に合わせるようにする。
このように、受信マルチビームの形成範囲を送信ビームのカバーする範囲に限定することで、グレーティングローブを生じることなくＤＢＦ処理単位のサブアレイ化することができる。

また、この発明に係るアレイアンテナ装置の他の態様は、前記複数のモジュールのうちの一部が送信時と受信時とで共用される場合に、受信開口の一部分に送信開口が構成されるように配置されるものである。
送受信モジュールの場合は、各アンテナ素子には送信ビーム形成のための移相器を有するが、受信ビーム形成時もこの移相器を共用し、移相器への位相制御量は送信時と共通とする。このようにすることで、送信ビームは広いビーム幅により広範囲な覆域をカバーし、受信ビームでは狭いビーム幅により観測精度の向上を図るとともに、送信ビームの広範囲な覆域内に複数の受信ビームを同時形成することにより、観測時間の短縮が可能となる。

したがってこの発明によれば、ＤＢＦ処理回路の簡素化及び低コスト化を実現できるアレイアンテナ装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係るアレイアンテナ装置の一実施形態を示すブロック図である。また、図２Ａは送受信モジュールの構成を示す回路図であり、図２Ｂは受信モジュールの構成を示す回路図である。モジュール２１は、送受信モジュール２１Ａ又は受信モジュール２１Ｂからなる。

図１において、送信時には、送信機５１からの送信信号を電力分配器４１にて各サブアレイＳＢ１〜ＳＢｋに対して分配供給する。さらに、各サブアレイＳＢ１〜ＳＢｋでは電力分配合成器３１により送信信号は分配され、送受信モジュール２１Ａにより位相制御された後、高出力増幅器にて信号増幅されアンテナ素子１１により空間へ放射される。送受信モジュール２１での位相制御量は、走査制御器１０１にてビーム走査角に応じてアンテナ素子１１毎の設定位相を算出し、これに基づき各送受信モジュール２１Ａへ制御信号として入力される。

この時、図３に示すアンテナ開口のモジュール配置にあるように、送受信モジュール２１Ａはアンテナ開口の一部分にのみ配置されるため、送信ビームは受信ビームに比べビーム幅の広い指向性が得られることになる。

なお、サブアレイＳＢ１〜ＳＢｋは、アンテナ素子数に対応した複数系統からなる送受信系をｋ分割したものであり、各サブアレイＳＢ１〜ＳＢｋは複数（図１では４系統）の送受信系を有する。

受信時には、サブアレイＳＢ１において複数のアンテナ素子１１にて受信された信号は、図２に主要回路を示す送受信モジュール２１Ａまたは受信モジュール２１Ｂにより低雑音増幅及び位相制御された後、電力合成器３１にてサブアレイＳＢ１内の全ての信号と電力合成される。

同様に各サブアレイＳＢ１〜ＳＢｋにて電力合成された受信信号は、それぞれ周波数変換器６１〜6ｋにてＩＦ（Intermediate Frequency）周波数へ周波数変換された後、Ａ／Ｄ変換器７１〜７ｋによりディジタル信号へ変換される。さらに、ディジタル位相検波器８１〜８ｋによって直交検波され、複素形式のＩ／Ｑ信号へ変換される。

この各サブアレイＳＢ１〜ＳＢｋの受信信号出力となるＩ／Ｑ信号は、ビーム形成器９１によりｍ系統に分配され、ｍ種類の複素ウェイトにより各Ｉ／Ｑ信号と重み付け加算されることによってｍ種類の合成ビームが出力される。このｍ種類の合成ビームは同時に形成されることから、ｍ種類の受信信号を同時に得ることができる。

次に、このように構成されたアレイアンテナ装置の動作について説明する。図４にこのアレイアンテナ装置のビーム走査の一例を示し、図５に位相制御の一例を示す。
アンテナ素子１１にて受信された信号は、サブアレイＳＢ１〜ＳＢｋの単位によらず全て低雑音増幅され移相器にて所望の位相へと制御される。この時、各アンテナ素子の位相制御量をφｉとすると、一次元ビーム走査の場合は、
φｉ＝ｋ・ｄｉ・ｓｉｎθｃ
ｋ：波数
ｄｉ：アンテナ素子間隔
θｃ：ビーム走査角
となる。

ここで、θｃは図４及び図５に示すように送信ビームの走査角度とし、送信時と共通の位相制御量によってθｃ方向へのビーム走査に必要な位相へ制御される。さらに、複数の受信ビームを形成する範囲θｓ〜θｅの角度範囲には、ビーム形成器９１によるｍ種類の複素ウェイトの位相成分をφｋとすると、
φｋ=ｋ・ｄｎ・ｓｉｎθｍ
ｋ：波数
ｄｎ：サブアレイ位相中心間隔
θｍ：ビーム走査角
で表される位相成分を複素乗算時に設定することで、θｓ〜θｅの範囲をカバーする各々の角度方向へｍ種類の合成ビームを形成することができる。

この時、位相成分φｋはサブアレイＳＢ１〜ＳＢｋごとの設定量であり、ビーム走査範囲の中心角度を除く他の角度へはサブアレイ単位での位相制御がなされる。一般的に、サブアレイ単位の位相制御によるビーム走査は、サブアレイの周期性によるグレーティングローブが生じ、広い範囲へのビーム走査には問題があった。

ここでは、図４に示すように、複数の受信ビームを形成する角度範囲を送信ビームのカバーする範囲に合わせたθｓ〜θｅとし、この範囲の中心角度θｃへのビーム走査に応じた位相制御を移相器により行うことによって、マルチビーム形成時のサブアレイ単位によるビーム走査範囲を限定することが可能となる。これによって、ビーム合成時の理想的な位相値に対してサブアレイ単位の位相誤差を小さくすることができ、従来生じていたグレーティングローブの発生なく良好なアンテナ性能を得ることができる。また、上記関係を維持することで広いビーム走査範囲においても、当然、グレーティングローブを生じることなく複数の受信ビームを同時に形成することが可能となる。

以上述べたように、広い範囲へのビーム走査が必要となる２次元ＤＢＦ方式のアレイアンテナ装置において、各アンテナ素子に移相器を備え、これらを複数単位でサブアレイ化することにより、従来、アンテナ素子と１対１であった周波数変換器やディジタル位相検波器等の回路を大幅に削減することができ、これに伴い検波出力を加算合成するビーム形成器の信号インターフェースや回路規模も大幅に削減できる。

これは、複数の同時受信ビーム形成範囲を送信ビームのカバーする範囲に合わせて限定することと、受信時においても送信時と同様にアンテナ素子ごとに設けられた移相器を使用することによって、アンテナ性能を劣化させることなくサブアレイ単位でのＤＢＦ処理を可能としたことによる。

なお、この発明は、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、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明に係るアレイアンテナ装置の一実施形態を示すブロック図。送受信モジュールの構成を示す回路図。受信モジュールの構成を示す回路図。図１に示すアレイアンテナ装置のアンテナ開口の構成を示す図。図１に示すアレイアンテナ装置のビーム走査の一例を示す図。図１に示すアレイアンテナ装置の位相制御の一例を示す図。

符号の説明

ＳＢ１〜ＳＢｋ…サブアレイ、１１…アンテナ素子、２１…モジュール、２１Ａ…送受信モジュール、２１Ｂ…受信モジュール、３１…電力分配合成器、４１…電力分配器、５１…送信機、６１〜６ｋ…周波数変換器、７１〜７ｋ…Ａ／Ｄ変換器、８１〜８ｋ…ディジタル位相検波器、９１…ビーム形成器、１０１…走査制御器、２１１…サーキュレータ、２１２…高出力増幅器、２１３…スイッチ、２１４…移相器、２１５…低雑音増幅器。

Claims

複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子毎に設けられ、対応するアンテナ素子の送受信信号の位相制御を行う複数の移相器を有する複数のモジュールとを備え、送信用のアンテナ開口と送信用に比べ面積の広い受信開口を構成する複数のサブアレイと、
前記複数のモジュールそれぞれの複数の移相器を走査角度に応じた位相制御量で制御する走査制御手段と、
前記複数のサブアレイ毎の受信信号をもとに複数のサブアレイビームを形成する複数のサブアレイビーム形成手段と、
前記形成された複数のサブアレイビームのそれぞれを位相制御し、加算合成して複数の合成ビームを形成する合成ビーム形成手段と
を具備することを特徴とするアレイアンテナ装置。
前記合成ビーム形成手段は、前記複数のサブアレイビーム全体により形成される複数の合成ビームの走査角度範囲を前記送信ビームのカバーする範囲に合わせることを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ装置。
前記複数のモジュールのうちの一部が送信時と受信時とで共用される場合に、受信開口の一部分に送信開口が構成されるように配置されることを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ装置。