JP2012100234A

JP2012100234A - アレイアンテナ

Info

Publication number: JP2012100234A
Application number: JP2010258332A
Authority: JP
Inventors: Fuminori Sakai; 文則酒井; Kazuo Ota; 和夫太田; Mitsuo Makimoto; 三夫牧本
Original assignee: Sakuratech Co Ltd
Current assignee: Sakuratech Co Ltd
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2012-05-24

Abstract

【課題】高価な広帯域移相器及び移相器のコントローラが不要で、送信トリガ間隔でビーム方向を走査でき低価格なトリガ周期でビーム制御するアレイアンテナを提供する。
【解決手段】各素子に移相器の代わりにインパルス発生器２０１〜２０４を接続し、さらに可変遅延線２１３〜２１５を接続した構成をとる。インパルス発生タイミングをコントロールするため、送信トリガを可変遅延線２１３〜２１５の遅延時間を変えることで対応するようにした。可変遅延線２１３〜２１５は５から６ビットのプログラマブル遅延線が適用でき、高速制御が可能で、送信スペクトルが変化せず、かつ低コストなＵＷＢアレイアンテナのビーム制御回路が実現した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＵＷＢレーダ等に使用するアレイアンテナのビーム電子走査方式に関し、各素子にインパルス発生器を接続するとともにインパルス発生器に直列に可変遅延線を接続し、各素子のインパルス発生器への送信トリガ時間を遅延させることにより、等価的にアンテナから放射される電波の位相を変化させた。可変遅延線の遅延時間を変化させることによりビーム方向を制御することを特徴としたＵＷＢ電子走査アレイアンテナの構成方法に関する。

従来の代表的な方法である位相走査方式を図３に示す。電子走査の代表的な方式である位相走査方式は、アレイ状に配置した各アンテナ素子に移相器３０１〜３０４を接続し、移相制御器３１１により移相量を制御することによりビーム走査する方法である。移相器としては制御が容易なデジタル移相器を用いるのが一般的である。インパ発生器３１０で発生した広帯域信号を電力分配３０９で分配し各素子へ供給している。
通常のレーダの周波数帯域は狭いので、電力分配器および移相器のバラツキは少なく製作が容易であったが、ＵＷＢレーダのような占有帯域が５００ＭＨｚ以上もあり移相量がフラットな移相器の製作が困難であり、かつ、移相器の制御が複雑であった。また、高価な移相器を使用することに加え部品点数が多く高コストとなり、低コスト化が課題であった。
この課題を解決する手法として各素子にインパルス発生器を接続し、各素子のインパルス発生器への送信トリガ時間を遅延させることにより、等価的にアンテナから放射される電波の位相を変化させて、アンテナビーム方向を制御することを特徴としたＵＷＢ電子走査アレイアンテナの構成方法（インパルス・アレイ・アンテナ）が最近提案されている。この方式は固定遅延線を用い送信トリガ周波数を変えることによりビーム制御するものであり、低コストで簡便なＵＷＢ走査アンテナを提供するものであるが、固定遅延線に高精度でかつ遅延時間の長い特性が要求されること、送信トリガの開始直後、終了直前にビーム制御が困難であることからビーム切り替え時間が長くなること、送信出力スペクトル分布がビーム方向で若干変化することなど改良の余地が残されている。本出願は、特願２００８−３３５９０４及び特願２００９−１８１０３０アレイアンテナにおける遅延線に関する方式特許である。

発明が解決しようとする課題

上述したように、従来のＵＷＢレーダは、各素子に高価な部品である広帯域移相器および移相器の制御器が必要であり、構成が複雑となり次の課題があった。
１）広帯域の移相器が必要
２）移相器のコントロールが複雑
３）広帯域な電力分配器が必要
４）部品点数が多く価格が高い
さらに、最近提案されたインパルス・アレイ・アンテナの改良すべき課題として
５）固定遅延線に高精度が要求される
６）アンテナビーム方向切り替えに時間を要する
７）ビーム方向で出力スペクトル分布が変化する
があげられる。

課題を解決するための手段

本発明のＵＷＢ電子走査アレイアンテナの構成を、図１に示す。
各素子に図５に示す従来例での移相器の代わりにインパルス発生器１０１〜１０４を接続し、インパルス発生器に直列に可変遅延線を接続した構成になっている。インパルス発生タイミングをコントロールするため、プログラマブル遅延線などの可変遅延線１１３〜１１６の遅延時間を遅延時間制御器１１７からそれぞれ独立に設定可能とし、送信トリガ信号を各可変遅延線に同時に入力する構成とした。遅延時間制御器はアンテナビーム方向などアンテナ放射パターンを変化させる場合のみ切りかえればよく、高速制御が可能で、切り替えた時点でアンテナパーンが定まり、かつ図６の従来例に示す送信トリガ波形のトリガ信号とは独立して制御できる。可変遅延線の遅延時間を同一の値に設定するとアレイアンテナは正面方向にビームが向くが、図１はこの状態を示している。
ビームの指向方向を正面方向から変えた動作原理を図７に示す。可変遅延線７１３〜７１６に設定される遅延時間を徐々に変化させることによりインパルス発生器７０１〜７０８の送信トリガタイミングを変えることができ、アレイアンテナの各素子７０５〜７０８から放射されるインパルス波形７０９〜７１２に時間差が生じ、アンテナビーム方向を制御可能となる。通常のビーム制御では隣接する２つの可変遅延線の遅延時間の時間差は一定とし、時間差に比例してビーム制御角を制御できる。また可変遅延線は５〜６ビット程度のプログラマブル遅延線で構成できる。遅延時間ｔをｔ＝ｔ_０±δ_ｔと（ｔ_０：固定遅延）とすると、直線状アレイの中央部は遅延時間の変化幅δ_ｔは小さく、アレイの両端に近いほど遅延時間の変化量は大きく設定する必要があるため、プログラム遅延線のステップ幅を中央部と端部で変えることで、少ないビット数のプログラム遅延線が適用でき、制御の容易さと低コスト化が図れる。
このように、可変遅延線７１３〜７１６と各素子のインパルス発生器７０１〜７０４を使い、送信トリガ間隔を変化させビームを制御する簡単な構成で、かつ、低コストなＵＷＢアレイアンテナのビーム制御回路が実現した。
動作説明のアンテナ数は、４素子で説明しているが素子数は限定されない。また、ここでは、インパルス発生器で動作説明しているが、類似の機能を有する逓倍器でも同様の動作が可能となり置き換え可能である。

発明の効果

本発明の方法を用いると、以下に示す効果がある。
１）高価な広帯域移相器が不要
２）移相器のコントローラが不要
３）送信トリガ間隔でビーム方向を走査でき、制御が簡単
４）部品点数が少なく、低価格が可能
また、トリガ周期でビーム制御する方式に比して
５）少ないビット数の可変遅延線で構成できＩＣ化が可能である。
６）アンテナビーム制御が高速化できる。
７）トリガ周波数に依存しないため出力スペクトル分布が変化しない。
効果も発揮できる。

以下、本発明に係るアレイアンテナについて、〔実施形態１〕、〔実施形態２〕、〔実施形態３〕、〔実施形態４〕の順で図面を参集しつつ詳細に説明する。

〔実施形態１〕図１は、可変遅延線とインパルス発生器を使用した送信用のＵＷＢ電子走査アレイアンテナである。インパルス発生器１０１〜１０４、可変遅延線１１３〜１１６、アンテナ素子１０５〜１０８および遅延時間制御器１１７から構成される。前述したように、可変遅延線のそれぞれの遅延時間が変わることによりインパルス波が放射される方向が変化する。

〔実施形態２〕図２は可変遅延線とインパルス発生器を使用するＵＷＢ電子走査アンテナの他の実施例である。この場合は可変遅延線２１３〜２１５はタップ付きの遅延線でありそれぞれのタップの出力はインパルス発生器に接続された構成をとる。遅延時間の設定は遅延時間制御器２１７でおこなわれ、通常各可変遅延線には同一の遅延時間が遅延時間制御器７１７で設定される。図８に動作原理説明図を示している。各遅延線８１３〜７１５に設定される遅延時間をｔ_０とするとアンテナ素子８０５〜８０８から放射されるインパルス波形８０９〜８１２の時間差ｔ_ｄ１，ｔ_ｄ２，ｔ_ｄ３はｔ_０、２ｔ_０、３ｔ_０となり、ビーム方向を正面方向から時計方向に変化させることが可能となる。反時計方向にビームを向けるには双方向の可変遅延線を用い、トリガ信号の入出力（入力側と終端８１６）を入れ替えればよい。また正面方向には遅延時間の設定を零にすればよいが、通常可変遅延線は固定遅延を持っているので、遅延線をバイパスするようなスイッチ機能を持たせることが必要となる。さらに単一ビームだけではなく複数のビーム方向を持たせたり、受信アンテナでヌル点（感度がゼロとなるアンテナ方向）制御などの複雑な制御を行うには、タップ付き可変遅延線を複数に分割し、それぞれ独立に制御することで実現可能となる。

〔実施形態３〕図３は、相関受信器を使用した受信用のＵＷＢ電子走査アレイアンテナである。相関検波器３０１〜３０４、可変遅延線３１３〜３１６、遅延時間制御器３１８、ビデオ帯電力合成器３１７およびアンテナ素子３０５〜３０８から構成される。相関受信器は、受信信号を受信トリガでシーケンシャルサンプリングされビデオ帯に周波数変換される。ビデオ帯電力合成器３１６は、ＲＦ帯電力分配器３０９に比べると種は周波数が低いので容易に製作できる。

〔実施形態４〕図４は、相関受信器を使用した受信用のＵＷＢ電子走査アレイアンテナの他の実施携帯である。相関検波器４０１〜４０４、可変遅延線４１３〜３１５、遅延時間制御器４１８、ビデオ帯電力合成器４１７およびアンテナ素子４０５〜４０８から構成される。可変遅延線の動作が異なるだけで、受信機としてのメカニズムは前述の実施形態３と同一である。

電子走査送信アレイアンテナに実施形態１を、電子走査受信アレイアンテナに実施形態３を使用した構成の、ＵＷＢ電子走査アレイアンテナを、図９に示す。アンテナ素子９０１〜９０４は、送受信共用とするために、サーキューレータ９０９〜９１２で信号を分離している。信号処理・制御部９２８からビーム方向の制御信号を遅延時間制御器９２６およびトリガ発生器９２５に送り、指示された送信ビーム方向および受信ビーム方向になるような送信トリガ間隔および受信トリガ間隔を発生させる。

送信トリガ信号は、遅延線９１７〜９２０を介してインパルス発生器９０１〜９０４に送られ、インパルス波をアンテナから放射する。
逆に受信では、送信方向からの信号を受信するため、受信ビーム方向を送信ビーム方向に一致するよう受信トリガ発生させる。シーケンシャルサンプリングをするためには、送信間隔より長い間隔でサンプリングする必要があるため、送受信トリガ周波数はことならせる場合もある。

本発明の実施形態１の構成図本発明の実施形態２の構成図本発明の実施形態３の構成図本発明の実施形態４の構成図従来の構成の説明図１従来の構成の説明図２本発明の動作説明図１本発明の動作説明図２本発明の実施例

１０５〜１０８、２０５〜２０８、３０５〜３０８、４０５〜４０８、５０５〜５０８、６０５〜６０８、７０５〜７１２、８０５〜８０８、９１３〜９１６アンテナ素子
１０１〜１０４、２０１〜２０４、５１０、６０１〜６０４、７０１〜７０４、８０１〜８０４、９０１〜９０４インパルス発生器
１１３〜１１６、３１３〜３１６、４１３〜４１５、２１３〜２１５、４１３〜４１５、７１３〜７１６、８１３〜８１５、９１７〜９２０、９２１〜９２５可変遅延線
１１７、２１７、３１８、４１８、７１７、８１７、９２６遅延時間制御器
６１３〜６１５遅延線
２１６、４１６、６１６、８１６終端器
１０９〜１１２、２０９〜２１２、３０９〜３１２、４０９〜４１２、６０９〜６１２、７０９〜７１２、８０９〜８１２放射インパルス波形
１１７、２１７、３１２、４１７送信ビーム方向
３０１〜３０４、４０１〜４０４、９０５〜９０８相関検波器
５０１〜５０４移相器
３１７、４１７、９２７電力合成器（ビデオ帯）
５０９電力分配器（ＲＦ帯）
５１１移相制御器
９０７〜７１２サーキュレータ
９２５トリガ発生器
９２８信号処理・制御部

Claims

アレイアンテナの各素子にインパルス発生器を接続し、さらにインパルス発生器に直列に可変遅延線を接続し、送信トリガ入力を各可変遅延線に同時に入力するアレイアンテナの構成において、可変遅延線の遅延時間を変えることにより、各素子に入力される送信トリガの時間差から、発射されるインパルス波の発射タイミングを変化させ、アレイから放射されるビーム方向を制御することを特徴とした電子走査アレイアンテナ。
請求項１記載のアレイアンテナにおいてアレイアンテナの各素子が直線状に配置され、アレイの中央部近傍に接続されている可変遅延線に比してアレイの端部に近いほど可変遅延線の遅延時間の変化量あるいは変化幅が大きいことを特徴とした電子走査アレイアンテナ。
アレイアンテナの各素子にインパルス発生器を接続し、隣接する素子間を可変遅延線でつなぎ、送信トリガ入力を片端から入力するアレイアンテの構成において、可変遅延線の遅延時間を変えることにより、各素子に入力される送信トリガの時間差から、発射されるインパルス波の発射タイミングを変化させ、アレイから放射されるビーム方向を制御することを特徴とした電子走査アレイアンテナ。
請求項３記載のアレイアンテナにおいて、可変遅延線の遅延時間を極めて小さく（ピコ秒以下）、あるいは各遅延線をバイパスさせる機能を持つ可変遅延線を具備していることを特徴とする電子走査アレイアンテナ。
請求項３および請求項４記載のアレイアンテナにおいて、可変遅延線が双方向であり、送信トリガ入力と出力を入れ替え可能であることを特徴とする電子走査アレイアンテナ。
請求項３、請求項４および請求項５記載のアレイアンテナにおいて、連続して配置されているアレイを複数個のサブアレイに分割し、サブアレイごとに制御することを特徴とする電子走査アレイアンテナ。
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５および請求項６に記載のアレイアンテナの各素子にインパルス発生器のかわりに相関検波回路またはサンプリング回路を接続し、各素子に入力される受信信号を受信トリガ信号で相関検波、または、サンプリングを行うアレイアンテナの構成において、可変遅延線の遅延時間を変えることによりアレイアンテナの受信ビーム方向を制御することを特徴とした電子走査アレイアンテナ。