JP2012112812A

JP2012112812A - アンテナ測定装置

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Publication number: JP2012112812A
Application number: JP2010262337A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Takahashi; 智宏高橋; Tomohiro Mizuno; 友宏水野; Takuo Sasaki; 拓郎佐々木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-06-14

Abstract

【課題】少なくとも２つの素子アンテナの素子電界振幅及び位相を同時に求めることのできるアンテナ測定装置を得る。
【解決手段】フェーズドアレーアンテナを構成する素子アンテナの電界分布を求める素子電界ベクトル回転法を用いたアンテナ測定装置において、ピックアップアンテナと、それにより受信される上記高周波信号の受信電力を測定する検波回路と、測定された受信電力の変化をフーリエ級数展開しフーリエ係数を求めるフーリエ級数展開演算回路と、当該フーリエ係数から仮想サブアレー内の全素子励振位相を同時に変化させたときの受信電力の変化を演算し、この演算結果から各サブアレー電界振幅及び位相を測定するサブアレー電界演算回路と、このサブアレー電界振幅及び位相から各アンテナ素子電界振幅および位相を推定する複数素子電界演算回路とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、通信／レーダ等のフェーズドアレーアンテナを構成する素子アンテナの素子電界を測定するためのアンテナ測定装置に関する。

従来のアンテナ装置では、送信機から送信された高周波信号は、ピックアップアンテナから空間に放射される。この放射された高周波信号は、複数の素子アンテナにより受信される。この受信される状態で、可変移相器を制御して、各素子アンテナの設定位相を制御回路により順次変化させる。測定演算回路は、全アレー合成出力電力の最大値と最小値の比、および、最大値を与える位相変化量を測定して、各素子アンテナの素子電界振幅、位相を算出する。例えば、特許文献１参照の素子電界ベクトル回転法（ＲＥＶ法）。

上記のように構成された従来のアンテナ測定装置においては、素子アンテナの素子電界を求めるためには、当該素子アンテナに接続されている移相器のみ位相値を変化させる必要があった。つまり、全ての素子アンテナの素子電界を求めるためには、素子数分だけ測定を繰り返さなければならなかった。このため、多素子のアレーアンテナの場合には測定時間が膨大になるという問題点があった。

また、上記問題点を回避するための手法も提案されている。特許文献２のものでは、少なくとも２つの素子アンテナの位相を同時に制御させたときのアレー合成電力の変化を測定し、この記電力の変化をフーリエ級数展開した結果を用いて素子アンテナの素子電界振幅および位相を同時に求めることができ、測定時間の短縮を図ることができる。

特公平１−３７８８２号公報特開２００５−１１４３９１号公報

しかしながら、特許文献２のものでは、用いるディジタル移相器のビット数により同時に求めることのできる素子アンテナの素子電界振幅および位相の数が制限される。このため、素子数が非常に多い場合（例えば、数万以上）、全素子アンテナの素子電界振幅および位相を求めるために非常に時間がかかるという問題がある。また、数個の素子電界ベクトルを変化させても、アレーアンテナ全体のＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）比に埋もれてしまい、精度よく各素子アンテナの素子電界振幅および位相を測定できないという問題がある。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、複数素子を仮想サブアレーとして定義し、この仮想サブアレーを通常のＲＥＶ法の素子とみなして仮想サブアレーのサブアレー振幅および位相を測定し、この結果から各素子の素子電界振幅および位相を推定する。ここで、任意の素子が複数の仮想サブアレーに包含されるように仮想サブアレー群を定義することで、全素子の素子電界振幅および位相を推定することができる。

この発明に係るアンテナ測定装置は、高周波信号を送信する送信機と、上記高周波信号を分配する電力分配回路と、分配された上記高周波信号を放射する少なくとも２つの素子アンテナと、上記各素子アンテナにより放射される上記高周波信号に通過位相を与えるディジタル移相器と、上記ディジタル移相器の少なくとも２つに関してその通過位相を同時に回転させる複数素子移相器制御回路とを有するフェーズドアレーアンテナと、上記各素子アンテナから放射された上記高周波信号を受信するピックアップアンテナと、上記ピックアップアンテナにより受信された上記高周波信号の受信電力を測定する検波回路と、上記フェーズドアレーアンテナの上記複数素子移相器制御回路により上記ディジタル移相器の通過位相を回転させたときの上記検波回路により測定される受信電力の変化をフーリエ級数展開してフーリエ係数を求めるフーリエ級数展開演算回路と、上記フーリエ級数展開演算回路が求めたフーリエ係数から、仮想サブアレー内の全素子励振位相を変化させたときの受信電力変化を演算し、この演算結果から当該素子アンテナの素子電界振幅及び位相を測定するサブアレー電界演算回路と，このサブアレー電界から各素子アンテナの素子電界振幅および位相を推定する複数素子電界演算回路とを備えた。

本発明では、複数素子を仮想サブアレーとして定義して、この仮想サブアレーごとにＲＥＶ法を適用し、この結果から全素子アンテナの素子電界振幅および位相を推定することができる。このため、通常のＲＥＶ法に比べて、測定時間を早めることができる。また、仮想サブアレー内の全素子の移送を変化させるため、測定時にアレーアンテナ全体のＳ／Ｎに埋もれることを避けることができ、精度よく各素子アンテナの素子電界振幅および位相を測定できる。

この発明の実施の形態１に係るアンテナ測定装置の構成を示したブロック図である。素子アンテナ１−ｎに関して、アンテナ面に対して正面方向からみた図である。素子アンテナの素子電界振幅および位相の推定フローチャートである。この発明の実施の形態３に係るアンテナ測定装置の構成を示したブロック図である。この発明の実施の形態４に係るアンテナ測定装置の構成を示したブロック図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ測定装置の構成を示したブロック図である。図１に示すように、複数の素子アンテナ１−ｎ（ｎ＝１、２、・・・Ｎ）が同一の開口上に配置され、各素子アンテナ１−ｎには、Ｍビットのディジタル移相器２−ｎ（ｎ＝１、２、・・・Ｎ）がそれぞれ１つずつ、配置されている。また、各ディジタル移相器２−ｎは、電力分配回路３に接続されている。また、各ディジタル移相器２−ｎは複数素子移相器制御回路４にも接続されている。複数素子移相器制御回路４は、ディジタル移相器２−ｎの複数個に関して、その通過位相を同時に変化させる。また、電力分配器３には、送信機５が接続されている。以上の構成要素により、フェーズドアレーアンテナ１００を構成している。

図１に示すように、ピックアップアンテナ６ａが、素子アンテナ１−ｎに対向して離間して設けられている。ピックアップアンテナ６ａには、ピックアップアンテナ６ａの受信電力を測定する検波回路７が接続されている。検波回路７にはフーリエ級数展開演算回路８が接続されている。フーリエ級数展開演算回路８は、複数個の素子アンテナ１−ｎのディジタル移相器２−ｎの通過位相を複数素子移相器制御回路４により変化させたときに、検波回路７により測定される受信電力の変化をフーリエ級数展開し、フーリエ係数を求めるものである。また、フーリエ級数展開演算回路８にはサブアレー電界演算回路９が接続されている。サブアレー電界演算回路９は、フーリエ級数展開演算回路８により求めたフーリエ係数から、当該サブアレー１１−ｐおよび１２−ｑのサブアレー電界振幅および位相を求める。複数素子電界演算回路１０は、サブアレー電界演算回路９により求めた各サブアレー１１−ｐ、１２−ｑのサブアレー振幅および位相から各素子アンテナ１−ｎの素子電界振幅および位相を求める。

図２は、素子アンテナ１−ｎに関して、アンテナ面に対して正面方向からみた図である。各素子アンテナの配列される開口はどのような形状でもよい。そして、図２に示すように各行、各列の素子アンテナ群をそれぞれ、行サブアレー１１−ｐ（ｐ＝１、２、・・・Ｐ）、列サブアレー１２−ｑ（ｑ＝１、２、・・・Ｑ）と定義する。なお、この行サブアレー１１−ｐ、列サブアレー１２−ｑはともに、仮想的なサブアレーであり、物理的に分割されたサブアレーでなくてもよい。

図３は、素子アンテナの素子電界振幅および位相の推定フローチャートである。動作について図１および図３のフローチャートを用いて簡単に説明する。送信機５から放射された高周波信号は、電力分配器３により分配され、ディジタル移相器２−ｎにより適当な透過位相をあたえられた後に複数の素子アンテナ１−ｎから空間に放射される。なお、このときのディジタル移相器２−ｎの通過位相は、複数素子移相器制御回路４により、行サブアレー１１−ｐ内の全ての素子アンテナの透過位相が同時に同じ位相量だけ変化されている。このようにして素子アンテナ１−ｎから放射された高周波信号は、ピックアップアンテナ６ａにより受信される。このときの受信電力を検波回路７が測定し、フーリエ級数展開演算回路８により当該受信電力の変化がフーリエ級数展開され、フーリエ係数が求められる。

サブアレー電界演算回路９は、フーリエ級数展開演算回路８により求めたフーリエ係数から各行サブアレー１１−ｐのサブアレー電界振幅および位相を求める（Ｓ１）。

次に、行サブアレー１１−ｐのサブアレー電界および位相を求めたのと同様の方法で、サブアレー電界演算回路９は、各列サブアレー１２−ｑのサブアレー電界および位相を求める（Ｓ２）。

複数素子電界演算回路１０は、サブアレー電界演算回路９により求められた行サブアレー１１−ｐおよび列サブアレー１２−ｑのそれぞれのサブアレー電界振幅および位相から、各素子アンテナ１−ｎの素子電界振幅および位相を推定する（Ｓ３）。

本発明におけるサブアレー電界演算回路９の演算原理を以下に示す。ここでは行サブアレーのサブアレー電界振幅および位相の求め方について示すが、列サブアレーに関しても同様である。初期状態における各サブアレー電界の振幅をＥｐ、位相をφｐとし、このときのアレー合成電界の振幅をＥ_０、位相をφ_０とする。この初期状態から各サブアレー内の素子数Ｐ’個に対して全ての位相を同時にΦｐだけ変化させたときのアレー合成電界は以下の式（１）で求められる。

初期状態のアレー合成電界との相対値を考えると以下の式（２）のようになる。

ここで、ｋｐは初期状態のアレー合成電界振幅との相対値、Ｘｐは初期状態のアレー合成電界位相との相対値である。式（２）より、アレー合成電力を求めると以下の式（３）となる。

式（３）において、ｐとｐ’を入れ替えた項は等しくなると考えると、式（３）は次式（４）のように表すことができる。

ここで、Ａ、ＸＣｐｐ’、ＸＳｐｐ’、Ｃｐ、Ｓｐは所定のある係数であり、式（４）の形から明らかなように初期状態からＰ’個の行サブアレー１１−ｐの位相を同時に変化させたときのアレー合成電力の変化を観測し、これをフーリエ級数展開演算回路８によりもとめたフーリエ係数そのものである。すなわち、フーリエ級数展開演算回路８により求めたフーリエ係数の内、Ａは定数項、ＸＣｐｐ’はｃｏｓ（Φｐ−Φｐ’）に関するフーリエ係数、ＸＳｐｐ’はｓｉｎ（Φｐ−Φｐ’）に関するフーリエ係数である。式（４）において、ｐ＝Ｒとなる項を除いて、Φｐ＝０とおくと式（５）を得る。

式（５）は、ｐ＝Ｒとなる行サブアレー１１−ｐ内の全素子励振位相を３６０度変化させたときのアレー合成電力の変化がコサインカーブとなることを意味している。したがって、ｐ＝Ｒとなる行サブアレー１１−ｐ内の全素子励振位相を３６０度変化させたときのアレー合成電力の変化の最大値と最小値の比ｒは式（６）で求めることができる。

但し、（６）において、変数α、ｃおよびｓは、それぞれ、以下により定義される。

また、ｐ＝Ｒとなる行サブアレー１１−ｐ内の全素子励振位相を３６０度変化させたときのアレー合成電力が最大値となる位相値−Φ_０は式（１０）で求めることができる。

したがって、ｐ＝Ｒとなるサブアレー１１−ｐ内の全素子の励振位相を３６０度変化させたときのアレー合成電力の最大値と最小値の比および上記最大値を与える位相変化量が、それぞれ、式（６）および式（１０）による求めることができるので、これらの値から当該行サブアレー１１−ｐのサブアレー電界振幅および位相を求めることができる。なお、アレー合成電力の最大値と最小値の比および上記最大値を与える位相変化量から、行サブアレーの電界振幅および位相を求める演算方法としては、例えば、上記特許文献１に示された演算式等を用いて計算すればよい。以上がサブアレー電界演算回路９により行サブアレー電界振幅および位相を求める原理である。

サブアレー電界演算回路９により、上記に述べた行サブアレー１１−ｐと同様の方法で列サブアレー１２−ｑの電界振幅および位相を求めることができる。

本発明における複数素子電界演算回路１０の演算原理を以下に示す。ここで、上記サブアレー電界演算回路９で得られた行サブアレー１１−ｐのサブアレー電界振幅をＥＡ_１１−ｐ、位相をＥＰ_１１−ｐ、列サブアレー１２−ｑのサブアレー電界振幅をＥＡ_１２−ｑ、位相をＥＰ_１２−ｑとする。また、各素子アンテナの素子電界振幅をＥＡ_１−ｎ、位相をＥＰ_１−ｎとする。複数素子電界演算回路１０は行サブアレー電界振幅および位相と列サブアレー電界振幅および位相から各素子アンテナの素子電界振幅を式（１１）を用いて、位相を式（１２）を用いて推定する。ここで、式（１１）、（１２）で求められるのは、行サブアレー１１−ｐと列サブアレー１２−ｑが交差する部分の素子アンテナの素子電界振幅および位相である。

以上のように、本実施の形態によれば、行サブアレー、および列サブアレー内の全素子の位相を変化させたときのアレー合成電力の変化を測定し、上記合成電力の変化をフーリエ級数演算回路８によりフーリエ級数展開した結果を用いて、サブアレー電界演算回路９によりサブアレー電界振幅および位相をもとめ、これらの結果から複数素子電界演算回路１０を用いて、各素子電界の振幅および位相を求めることができるので、従来の測定装置に比べ、測定時間を大幅に短縮できるという効果がある。また、アレー合成電力の振幅を測定するだけでよいので、ミリ波帯以上の周波数帯域のように正確な測定が困難な場合においても、素子電界振幅および位相を精度よくもとめることができるという効果がある。

実施の形態２．
この発明の実施の形態１において、仮想サブアレーの選択の方法は行列としたが、行列に限定されるものではない。例えば矩形にサブアレーを選択する等の任意の形状でよい。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係るアンテナ測定装置の構成を示したブロック図である。図１の構成に相当する構成については、同一符号を付して示し、ここではその説明を省略する。図３に示すように、本実施の形態においては、複数のピックアップアンテナ６ａ〜６ｃが設けられている。なお、図３においては、３個のピックアップアンテナが設けられている例が記載されているが、それに限定されるものではなく、２以上の任意の個数でよい。また、それらのピックアップアンテナ６ａ〜６ｃには、電力合成回路１６が接続されている。電力合成回路１６は、ピックアップアンテナ６ａ〜６ｃによって受信された高周波信号を合成するための回路である。

以上のように、本実施の形態においては、上記実施の形態１と同様の効果があるとともに、加えて、複数のピックアップアンテナ６ａ〜６ｃによって受信された高周波信号を電力合成回路１６により合成した後の高い受信電力で検波するので、精度のよい測定が可能になるという効果がある。

実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４に係るアンテナ測定装置の構成を示したブロック図である。図５の構成は、上記図４の構成と基本的に同じであるため、同一の構成には同一符号を付して示し、ここではこの説明を省略する。なお、図４の構成との違いは、図５に示すように、本実施の形態では、複数のピックアップアンテナ６ａ〜６ｄを、すべて、素子アンテナ１−ｎ（ｎ＝１、２、・・・、Ｎ）と同一開口上に設けたことを特徴としている。なお、図５においては、３個のピックアップアンテナを設ける例について示されているが、これに限定されるものではなく、２以上の任意の個数を設けるようにしてよい。また、図１の構成に、本実施の形態を適用させてもよい。

したがって、本実施の形態においては、ピックアップアンテナ６ａ〜６ｄを素子アンテナ１−ｎ（ｎ＝１、２、・・・、Ｎ）と同一開口上に設けたことにより、例えば、フェーズドアレーアンテナが稼働状態にある場合などのように、ピックアップアンテナとフェーズドアレーアンテナを対向することができない場合においても、素子電界の測定を行うことができるという効果がある。

実施の形態５．
この発明の実施の形態１〜４において、送信と受信を入れ替えても同様の効果を得る。すなわち、例えば、図１の例で説明すれば、図１の送信機の代わりに、検波回路７、フーリエ級数展開演算回路８、サブアレー電界演算回路９、複数素子電界演算回路１０を接続するとともに、図１の検波回路７、フーリエ級数展開演算回路８、サブアレー電界演算回路９、複数素子電界演算回路１０の代わりに、送信機５を接続するようにしてもよい。なお、この場合には、図１の電力分配回路３の代わりに、電力合成回路（図示省略）を設けるようにする。他の構成については図１と同じである。

１−１、１−２、１−ｎ、１−Ｎ素子アンテナ
２−１、２−２、２−ｎ、２−Ｎディジタル移相器
３電力分配器、４複数素子移相器制御回路、５送信器
６ａ、６ｂ、６ｃピックアップアンテナ
７検波回路、８フーリエ級数展開演算回路
９不サブアレー電界演算回路、１０複数素子電界演算回路
１１仮想行サブアレー、１２仮想列サブアレー
１６電力合成回路

Claims

高周波信号を送信する送信機と、上記高周波信号を分配する電力分配回路と、分配された上記高周波信号を放射する少なくとも２つの素子アンテナと、上記各素子アンテナにより放射される上記高周波信号に通過位相を与えるディジタル移相器と、上記ディジタル移相器の少なくとも２つに関してその通過位相を同時に回転させる複数素子移相器制御回路とを有するフェーズドアレーアンテナと、上記各素子アンテナから放射された上記高周波信号を受信するピックアップアンテナと、上記ピックアップアンテナにより受信された上記高周波信号の受信電力を測定する検波回路と、上記フェーズドアレーアンテナの上記複数素子移相器制御回路により上記ディジタル移相器の通過位相を回転させたときの上記検波回路により測定される受信電力の変化をフーリエ級数展開してフーリエ係数を求めるフーリエ級数展開演算回路と、上記フーリエ級数展開演算回路が求めたフーリエ係数から、仮想サブアレー内の全素子励振位相を変化させたときの受信電力変化を演算し、この演算結果から当該素子アンテナの素子電界振幅及び位相を測定するサブアレー電界演算回路と，このサブアレー電界から各素子アンテナの素子電界振幅および位相を推定する複数素子電界演算回路とを備えたことを特徴とするアンテナ測定装置。
上記ピックアップアンテナを２つ以上設け、かつ、当該各ピックアップアンテナを電力合成回路により接続したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ測定装置。
上記ピックアップアンテナを、上記フェーズドアレーアンテナの開口内に設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のアンテナ測定装置。