JP2011049962A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のナル点形成部から確定的に簡易な位相分布を設定できる励振分布設定方法を適用したアンテナ装置を得る。
【解決手段】一次元アレーアンテナは、各アンテナ素子が等間隔に配置され、各アンテナ素子のうち、中央部（Ａ）のアンテナ素子は、位相が均一であり、両端部（Ｂ、Ｃ）のアンテナ素子は、同一の位相傾きを持つとともに、両端部のそれぞれの位相中心における位相が異なるように構成され、両端部のアンテナ素子の位相傾きは、所望の角度にて両端部のアンテナ素子による放射パターンの振幅レベルが所望値となるように設定され、両端部のアンテナ素子の位相中心の間隔は、所望の角度にて両端部のアンテナ素子から放射される電界のビーム幅が所望値となるように設定され、両端部のアンテナ素子の位相中心における位相差は、所望の角度にて両端部のアンテナ素子から放射される電界の位相が所望値となるように設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、所望の角度にナル点を形成するための励振分布設定方法を適用したアンテナ装置に関する。

アンテナ装置において、妨害波やクラッタが存在する場合には、これらの到来方向に対する受信感度を小さくするために、放射パターンの平常の形を変形して、妨害波方向にナル点を形成する必要がある。このようなアンテナ装置として、平面波合成法と非線形最適化法とを組み合わせることで、不要信号波の方向にナル点を形成する従来技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６３−０１９９０２号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来のアンテナ装置においては、所望のナル点形成部から各素子の励振位相分布を確定的に求められないという問題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、所望のナル点形成部から確定的に簡易な位相分布を設定できる励振分布設定方法を適用したアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るアンテナ装置は、直線状に配列された一次元アレーアンテナを備えたアンテナ装置において、一次元アレーアンテナは、各アンテナ素子が等間隔に配置され、各アンテナ素子のうち、中央部のアンテナ素子は、位相が均一であり、両端部のアンテナ素子は、同一の位相傾きを持つとともに、両端部のそれぞれの位相中心における位相が異なるように構成され、両端部のアンテナ素子の位相傾きは、所望の角度にて両端部のアンテナ素子による放射パターンの振幅レベルが所望値となるように設定され、両端部のアンテナ素子の位相中心の間隔は、所望の角度にて両端部のアンテナ素子から放射される電界のビーム幅が所望値となるように設定され、両端部のアンテナ素子の位相中心における位相差は、所望の角度にて両端部のアンテナ素子から放射される電界の位相が所望値となるように設定され、中央部による放射パターンと、両端部による放射パターンとを、所望の角度にて互いに相殺させることで、所望の角度においてナル点を形成するものである。

本発明に係るアンテナ装置によれば、直線状に配列され、各アンテナ素子が等間隔に配置された一次元アレーアンテナを有し、中央部のアンテナ素子は、位相が均一であり、両端部のアンテナ素子は、同一の位相傾きを持つとともに、位相中心における位相が異なるように、アンテナ装置が構成され、両端部のアンテナ素子の位相傾き、位相中心の間隔、および位相中心における位相差を適切に設定することで、中央部による放射パターンと、両端部による放射パターンとを、所望の角度にて互いに相殺させて、ナル点を形成することにより、所望のナル点形成部から確定的に簡易な位相分布を設定できる励振分布設定方法を適用したアンテナ装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置のアンテナ素子配列および各アンテナ素子の位相分布を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の放射パターンを示す図である。 本発明の実施の形態１のアンテナ装置において、Ｂ（Ｃ）部の位相傾きを変化させたときの放射パターンの変化を示す図である。 本発明の実施の形態１のアンテナ装置において、Ｂ、Ｃ部の位相傾きを変化させたときの放射パターンの変化を示す図である。 本発明の実施の形態１のアンテナ装置において、Ｂ、Ｃ部の位相中心間隔を変化させたときの放射パターンの変化を示す図である。 本発明の実施の形態１のアンテナ装置において、Ｂ、Ｃ部の位相中心における位相差を変化させたときの放射パターンの変化を示す図である。 本発明の実施の形態１のアンテナ装置において、所望の角度にてナル点が形成されたことを示す図である。 本発明の実施の形態２における二次元平面アレーアンテナ装置のアンテナ素子配列および各アンテナ素子の位相分布を示す図である。 本発明の実施の形態４のアンテナ装置において、ビーム走査位相が付加されたときの位相分布、および放射パターンを示す図である。 本発明の実施の形態５におけるアンテナ装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態５におけるアンテナ装置の位相分布の変化を示す図である。 本発明の実施の形態５におけるアンテナ装置の放射パターンを示した図である。 本発明の実施の形態６におけるアンテナ装置の位相分布の変化を示す図である。 本発明の実施の形態７におけるアンテナ装置の位相分布の変化を示す図である。

以下、本発明のアンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置のアンテナ素子配列および各アンテナ素子の位相分布を示す図であり、（ａ）がアンテナ素子配置、（ｂ）が各素子の位相分布をそれぞれ示している。図１（ａ）に示すように、アンテナ素子は、Ｘ軸方向に一次元に等間隔に配置されている。そして、中央部に相当するＡ部のアンテナ素子は、位相が均一とし、両端部に相当するＢ、Ｃ部のアンテナ素子は、位相傾きを持つとする。

なお、Ｂ、Ｃ部における位相傾き角度、およびＸ軸方向の幅は、等しいとする。さらに、ナル点形成角度に応じて、Ｂ、Ｃ部の位相傾き角度、Ｂ、Ｃ部の位相中心の間隔、およびＢ、Ｃ部の位相中心における位相差は、任意に設定できるとする。

ここで、所望の角度においてナル点を形成する方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図２（ａ）は、Ａ部による放射パターンを示している。一方、図２（ｂ）は、Ｂ部またはＣ部単体の放射パターン（以下、Ｂ（Ｃ）部による放射パターンと称す）、およびＢ部とＣ部の組合せによる放射パターン（以下、Ｂ、Ｃ部による放射パターンと称す）を示している。

図２中の＋、−の記号は、放射パターンの位相を示し、点線間の角度幅を所望のナル点形成角度とする。ここで、Ｂ部とＣ部は、同じ位相傾きを有しているため、Ｂ（Ｃ）部による放射パターンとＢ、Ｃ部による放射パターンとを比較すると、それぞれの放射パターンの包絡線は、レベルは異なるが同形状となる。

さらに、各素子は、１波長以上隔てて配置されるため、グレーティングローブが発生し、図２（ｂ）のような放射パターンを描く。ここで、ナル点を形成するためには、Ａ部による放射パターンと、Ｂ部とＣ部による放射パターンとを、所望の角度にて互いに相殺させる必要がある。

そこで、本発明のアンテナ装置では、以下の３つのパラメータを適切に設定することで、Ａ部による放射パターンと、Ｂ部とＣ部による放射パターンとを、所望の角度にて互いに相殺させ、所望のナル点形成部から確定的に簡易な位相分布を設定できるアンテナ装置を実現している。
［パラメータ１］両端部であるＢ部、Ｃ部のアンテナ素子の位相傾き
［パラメータ２］両端部であるＢ部、Ｃ部のアンテナ素子の位相中心の間隔
［パラメータ３］両端部であるＢ部、Ｃ部のアンテナ素子の位相中心における位相差
以下に、各パラメータの役目について、個別に説明する。

まず、パラメータ１について説明する。
図３Ａは、本発明の実施の形態１のアンテナ装置において、Ｂ（Ｃ）部の位相傾きを変化させたときの放射パターンの変化を示す図である。また、図３Ｂは、本発明の実施の形態１のアンテナ装置において、Ｂ、Ｃ部の位相傾きを変化させたときの放射パターンの変化を示す図である。

図３Ａに示すように、Ｂ（Ｃ）部の位相傾きを変えることにより、Ｂ（Ｃ）部による放射パターンのビームはシフトする。そのため、Ｂ、Ｃ部による放射パターンもビームがシフトし、所望の角度にてＢ、Ｃ部による放射パターンの振幅レベルを制御することが可能となる。これにより、図３Ｂに示すように、所望の角度において、Ａ部による放射パターンに対して、Ｂ部とＣ部による放射パターンの振幅レベルを等しくすることができる。

次に、パラメータ２について説明する。
図４は、本発明の実施の形態１のアンテナ装置において、Ｂ、Ｃ部の位相中心間隔を変化させたときの放射パターンの変化を示す図である。図４に示すように、Ｂ、Ｃ部の位相中心の間隔を変えることにより、グレーティングローブの発生角度幅を変化させることが可能となる。そのため、所望の角度において、Ａ部による放射パターンのビーム幅に対して、Ｂ、Ｃ部による放射パターンのビーム幅を等しくすることができる。

次に、パラメータ３について説明する。
図５は、本発明の実施の形態１のアンテナ装置において、Ｂ、Ｃ部の位相中心における位相差を変化させたときの放射パターンの変化を示す図である。図５に示すように、Ｂ、Ｃ部の位相中心における位相差を変えることにより、Ｂ、Ｃ部による放射パターンのビームをシフトさせることが可能となる。そのため、Ｂ、Ｃ部による放射パターンの位相が制御でき、所望の角度において、Ａ部による放射パターンのナル点位置に対して、Ｂ、Ｃ部による放射パターンのナル点位置を等しくすることができる。

最後に、パラメータ１〜３の全てを適切に調整した場合について説明する。
図６は、本発明の実施の形態１のアンテナ装置において、所望の角度にてナル点が形成されたことを示す図である。図３Ａ、図３Ｂ、図４、図５を用いて説明したパラメータ１〜３の作用により、図６に示すように、Ａ部による放射パターンと、Ｂ、Ｃ部による放射パターンとを所望の角度にて相殺させることができ、ナル点を形成することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、直線状に配列され、各アンテナ素子が等間隔に配置された一次元アレーアンテナを有するアンテナ装置において、中央部のアンテナ素子は、位相が均一であり、両端部のアンテナ素子は、同一の位相傾きを持つとともに、位相中心における位相が異なるように構成されている。このような構成を備えたアンテナ装置において、両端部のアンテナ素子の位相傾き、位相中心の間隔、および位相中心における位相差を適切に設定することで、中央部による放射パターンと、両端部による放射パターンとを、所望の角度にて互いに相殺させて、ナル点を形成することができる。この結果、所望のナル点形成部から確定的に簡易な位相分布を設定できるアンテナ装置を実現できる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、一次元に配列したアンテナ素子により構成された、一次元のアンテナ装置について説明した。これに対して、本実施の形態２では、先の実施の形態１における一次元のアンテナ装置を、二次元平面アレーアンテナに応用した場合について説明する。図７は、本発明の実施の形態２における二次元平面アレーアンテナ装置のアンテナ素子配列および各アンテナ素子の位相分布を示す図であり、（ａ）がアンテナ素子配置、（ｂ）が各素子の位相分布をそれぞれ示している。

Ｘ軸方向は、先の実施の形態１と同様の位相分布とし、Ｘ軸と直交するＹ軸方向は、均一な位相分布としている。これにより、ＸＺ面の所望の角度にて、ナル点を形成することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、先の実施の形態１の一次元アレーアンテナを一方の軸方向に有するとともに、一次元アレーアンテナに直交する他方の軸方向では均一な位相分布を有するようにアンテナ素子を配列することで、二次元平面アレーアンテナを形成している。このような構成を備えることで、二次元平面のアンテナ装置においても、先の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、先の実施の形態１、２のアンテナ装置において、ナル点形成部を任意角度に変化させる場合について説明する。Ｂ、Ｃ部の位相傾き角度、Ｂ、Ｃ部の位相中心の間隔、さらにＢ、Ｃ部の位相中心における位相差を可変とすることで、ナル点形成部を任意角度に変化させることができる。すなわち、先の実施の形態１で説明したパラメータ１〜３を可変制御する制御部を備えたアンテナ装置とすることで、ナル点形成部を任意角度に変化させることが可能となる。

以上のように、実施の形態３によれば、先の実施の形態１、２のアンテナ装置において、両端部のアンテナ素子の位相傾き、位相中心の間隔、および位相中心における位相差を適切に可変制御することで、ナル点形成部を任意角度に動的に変化させることが可能となる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、ビーム走査位相を付加する場合のアンテナ装置について説明する。
図８は、本発明の実施の形態４のアンテナ装置において、ビーム走査位相が付加されたときの位相分布、および放射パターンを示す図である。図８（ａ）は、先の実施の形態１〜３のアンテナ装置における位相分布に、ビーム走査位相を付加した場合の位相分布例である。この図８（ａ）に示すように、所望の角度幅にてナル点を形成することで、ビーム走査時においても、特定の固定角度にてナル点を保持することができる。

図８（ｂ）に示した放射パターンを参照すると、ビームが約１５度走査されているにもかかわらず、固定角度（図８（ｂ）中の点線部の角度）にてナル点が保持されていることが分かる。

以上のように、実施の形態４によれば、先の実施の形態１〜３で示したアンテナ装置において、その位相分布に対してビーム走査位相を与えることでビーム走査をした場合にも、特定の固定角度にてナル点を保持することが可能となる。

実施の形態５．
従来のアンテナ装置においては、ナル点形成位相分布を量子化した場合、量子化誤差により、ナル点レベルが劣化するという問題があった。そこで、本実施の形態５では、先の実施の形態２〜４の二次元平面アレーを有するアンテナ装置おいて、位相の量子化時によるナル点レベルの劣化を防ぐ方法について説明する。

図９は、本発明の実施の形態５におけるアンテナ装置の構成を示す図である。送受信機１０から電波が送信される場合を考えると、分配器／合成器２０における分配器で分配された電波の位相に、付加位相発生部３０から発生された乱数位相を付加して、移相器制御部４０によりデジタル移相器（量子化移相器）５０で量子化された電波が、アンテナ６０から放射される構成となっている。

この構成において、付加位相発生部３０により付加位相を付加することで、位相の量子化時によるナル点レベルの劣化を防ぐことを可能としている。本実施の形態５では、付加位相として、付加位相発生部３０により乱数位相を発生させる場合について、以下に説明する。

図１０は、本発明の実施の形態５におけるアンテナ装置の位相分布の変化を示す図である。図１０（ａ）は、乱数位相を付加しない場合の位相分布の変化を示している。図１０（ａ）に示すように、乱数位相を付加しない場合には、Ｙ軸方向に均一な位相が量子化されることで、全素子が同一位相に量子化される。

これに対して、図１０（ｂ）は、乱数位相を付加した場合の位相分布の変化を示している。図１０（ｂ）に示すように、全素子に最小量子化単位内乱数位相を付加した場合には、Ｙ軸方向において位相が均等に分散される。このため、量子化によりＹ軸方向の位相平均値と初期位相がほぼ等しくなる。なお、図１０（ｃ）は、全素子に付加される最小量子化単位内乱数位相の確率密度分布を示したものである。

ここで、Ｙ軸方向の素子数が多ければ多いほど、その効果が得られる。図１１は、本発明の実施の形態５におけるアンテナ装置の放射パターンを示した図である。図１１（ａ）は、初期位相における放射パターン、図１１（ｂ）は、初期位相を量子化した場合の放射パターン、そして図１１（ｃ）は、乱数位相を付加して量子化した放射パターンをそれぞれ示している。

図１１（ｂ）に示すように、初期位相を量子化した場合の放射パターンでは、１５度付近でナル点レベルが劣化し、−４０ｄＢ以上となっている。しかしながら、図１１（ｃ）に示すように、乱数位相を付加して量子化した放射パターンでは、図１１（ａ）の初期位相による放射パターンが再現されていることがわかる。

以上のように、実施の形態５によれば、付加位相として乱数位相を発生する付加位相発生部を備え、乱数位相を付加した後に量子化する構成としている。このような構成を備えることで、二次元平面アレーを有するアンテナ装置おいて、位相の量子化時によるナル点レベルの劣化を防ぐことができる。

実施の形態６．
本実施の形態６では、付加位相として、付加位相発生部３０によりガウス分布位相を発生させる場合について説明する。
図１２は、本発明の実施の形態６におけるアンテナ装置の位相分布の変化を示す図である。この場合にも、付加位相として乱数位相を用いた先の実施の形態５と同様の効果が得られる。

以上のように、実施の形態６によれば、付加位相としてガウス分布位相を発生する付加位相発生部を備え、ガウス分布位相を付加した後に量子化する構成としている。このような構成を備えることで、先の実施の形態５と同様に、二次元平面アレーを有するアンテナ装置おいて、位相の量子化時によるナル点レベルの劣化を防ぐことができる。

実施の形態７．
本実施の形態７では、付加位相として、付加位相発生部３０により正弦波位相を発生させる場合について説明する。
図１３は、本発明の実施の形態７におけるアンテナ装置の位相分布の変化を示す図である。この場合にも、付加位相として乱数位相を用いた先の実施の形態５、あるいは、付加位相としてガウス分布位相を用いた先の実施の形態６と同様の効果が得られる。

以上のように、実施の形態７によれば、付加位相として正弦波位相を発生する付加位相発生部を備え、正弦波位相を付加した後に量子化する構成としている。このような構成を備えることで、先の実施の形態５、６と同様に、二次元平面アレーを有するアンテナ装置おいて、位相の量子化時によるナル点レベルの劣化を防ぐことができる。

３０ 付加位相発生部

Claims (7)

1. 直線状に配列された一次元アレーアンテナを備えたアンテナ装置において、
   前記一次元アレーアンテナは、各アンテナ素子が等間隔に配置され、前記各アンテナ素子のうち、中央部のアンテナ素子は、位相が均一であり、両端部のアンテナ素子は、同一の位相傾きを持つとともに、前記両端部のそれぞれの位相中心における位相が異なるように構成され、
   前記両端部のアンテナ素子の位相傾きは、所望の角度にて前記両端部のアンテナ素子による放射パターンの振幅レベルが所望値となるように設定され、
   前記両端部のアンテナ素子の位相中心の間隔は、前記所望の角度にて前記両端部のアンテナ素子から放射される電界のビーム幅が所望値となるように設定され、
   前記両端部のアンテナ素子の位相中心における位相差は、前記所望の角度にて前記両端部のアンテナ素子から放射される電界の位相が所望値となるように設定され、
   中央部による放射パターンと、両端部による放射パターンとを、前記所望の角度にて互いに相殺させることで、前記所望の角度においてナル点を形成する
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記両端部のアンテナ素子の位相傾き、前記両端部のアンテナ素子の位相中心の間隔、および前記両端部のアンテナ素子の位相中心における位相差を可変制御する制御部をさらに備える
   ことを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   位相分布にビーム走査位相を与えることでビーム走査を行う
   ことを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
   前記一次元アレーアンテナを一方の軸方向に有するとともに、前記一次元アレーアンテナに直交する他方の軸方向では均一な位相分布を有するようにアンテナ素子を配列することで二次元平面アレーアンテナが形成されている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項４に記載のアンテナ装置において、
   各アンテナ素子に設けられた量子化移相器に最小量子化単位内の乱数位相を付加する付加位相発生部をさらに備える
   ことを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項４に記載のアンテナ装置において、
   各アンテナ素子に設けられた量子化移相器に最小量子化単位内のガウス分布を有する位相を付加する付加位相発生部をさらに備える
   ことを特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項４に記載のアンテナ装置において、
   各アンテナ素子に設けられた量子化移相器に最小量子化単位内の正弦波位相を付加する付加位相発生部をさらに備える
   ことを特徴とするアンテナ装置。

Images