JP2012134643A - Radio transmitter/receiver device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は無線送受信装置および方法に係り、特に、送信アンテナおよび受信アンテナの少なくとも一方にフェーズドアレイアンテナを使用する無線送受信装置および方法に関する。 The present invention relates to a radio transmission / reception apparatus and method, and more particularly, to a radio transmission / reception apparatus and method using a phased array antenna for at least one of a transmission antenna and a reception antenna.
レーダ等の無線送受信装置にあっては、アンテナの指向性を電気的に制御可能なフェーズドアレイアンテナが使用されるようになってきている。
フェーズドアレイアンテナは、１次元あるいは２次元的に配列されたアンテナ素子ごとに所定の位相差で給電することにより、全体として所定の指向性を有することとなる。
In a radio transmission / reception apparatus such as a radar, a phased array antenna capable of electrically controlling the directivity of the antenna has been used.
The phased array antenna has a predetermined directivity as a whole by supplying power with a predetermined phase difference to each antenna element arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
このため、フェーズドアレイアンテナでは、位相を調整するための移相器をアンテナ素子ごとに設置する必要があるが、移相器としていわゆるデジタル移相器を適用した場合には、指向特性に量子化ローブが生じることが知られている。 For this reason, in a phased array antenna, it is necessary to install a phase shifter for adjusting the phase for each antenna element. However, when a so-called digital phase shifter is applied as a phase shifter, quantization is applied to the directivity. It is known that lobes occur.
量子化ローブを含むサイドローブは、所望の方向（メインローブの方向）以外の方向にも感度を有することとなり、無線送受信装置をレーダとして使用した場合には誤探知の原因となるので、フェーズドアレイアンテナにおいては量子化ローブを低減することが重要となる。 The side lobe including the quantization lobe has sensitivity in a direction other than the desired direction (the direction of the main lobe), and causes a false detection when the radio transmission / reception apparatus is used as a radar. In the antenna, it is important to reduce the quantization lobe.
量子化ローブを低減するためには、移相器の量子化ビット数を増加することが有効であるが、多段階に移相を制御することのできる移相器は構成が複雑となるだけでなく、経済性も悪化してしまう。
このため、できる限り少ない量子化ビットの移相器を使用して量子化ローブを低減することが望ましく、従来から種々の提案がなされている（たとえば、特許文献１参照）。
In order to reduce the quantization lobe, it is effective to increase the number of quantization bits of the phase shifter, but the phase shifter that can control the phase shift in multiple stages only has a complicated configuration. In addition, economic efficiency will deteriorate.
For this reason, it is desirable to reduce the quantization lobe by using a phase shifter with as few quantization bits as possible, and various proposals have been made conventionally (see, for example, Patent Document 1).
すなわち、特許文献１に開示された発明では、各アンテナ素子の移相器で理想位相値にランダムな位相値を加算した移相を付与し、量子化ローブの周期的な規則性を乱すことにより量子化ローブを低減している。 That is, in the invention disclosed in Patent Document 1, the phase shifter of each antenna element gives a phase shift obtained by adding a random phase value to the ideal phase value, thereby disturbing the periodic regularity of the quantization lobe. The quantization lobe is reduced.
しかしながら、特許文献１に開示された発明は、量子化ローブのエネルギを分散させているに過ぎず、量子化ローブのエネルギの平均値は変化しない。
このため、新たな方向に感度が発生するおそれがあり、レーダにあっては、特に多数のターゲットが存在する場合は、新たな誤探知の原因となるおそれもある。
However, the invention disclosed in Patent Document 1 merely disperses the energy of the quantization lobe, and the average value of the energy of the quantization lobe does not change.
For this reason, sensitivity may be generated in a new direction, and in the case of a radar, in particular, when there are a large number of targets, there is a possibility of causing a new false detection.
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、フェーズドアレイアンテナの量子化ローブのエネルギ平均値を低減することができる無線送受信装置および方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a wireless transmission / reception apparatus and method that can reduce the average energy value of the quantization lobe of a phased array antenna.
本発明に係る無線送受信装置は、電波を放射する送信機と、送信機から放射された電波を受信する受信機と、から成る無線送受信装置であって、
前記送信機および前記受信機の少なくとも一方の機器が、１次元または２次元に配列された複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子ごとに設けられ、前記アンテナ素子を伝播する信号の位相を離散的に変更するデジタル移相器と、を含むフェーズドアレイアンテナを備え、
前記フェーズドアレイアンテナを備えた前記一方の機器が、前記フェーズドアレイアンテナの指向方向に応じて前記アンテナ素子ごとに算出され前記アンテナ素子を伝播する信号に付与されるべき理想位相値にオフセット位相値を加えた複数のオフセット理想位相値に基づいて前記デジタル移相器を制御するデジタル移相器制御部を含み、
前記送信機が、前記複数回数電波を放射する送信信号発生器を含み、
前記受信機が、受信信号の位相を前記オフセット位相値に応じて補正するオフセット補正部と、オフセット補正後の受信信号をコヒーレント合成するコヒーレント合成部と、を含む構成を有している。
本発明に係る無線送受信装置によれば、フェーズドアレイアンテナの量子化ローブのエネルギ平均値を低減することができることとなる。
A wireless transmission / reception device according to the present invention is a wireless transmission / reception device comprising a transmitter that radiates radio waves and a receiver that receives radio waves radiated from the transmitter,
At least one of the transmitter and the receiver is provided with a plurality of antenna elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and the phase of a signal propagating through the antenna elements is discretely provided for each antenna element. A phased array antenna including a digital phase shifter to change,
The one device having the phased array antenna calculates an offset phase value to an ideal phase value to be added to a signal that is calculated for each antenna element and propagates through the antenna element according to the direction of the phased array antenna. A digital phase shifter control unit for controlling the digital phase shifter based on a plurality of offset ideal phase values added;
The transmitter includes a transmission signal generator that radiates the radio wave a plurality of times;
The receiver has a configuration including an offset correction unit that corrects the phase of the reception signal according to the offset phase value, and a coherent synthesis unit that coherently synthesizes the received signal after the offset correction.
According to the wireless transmission / reception apparatus according to the present invention, the energy average value of the quantization lobe of the phased array antenna can be reduced.
本発明に係る無線送受信装置は、前記受信機が前記フェーズドアレイアンテナを備える機器である構成を有している。 The wireless transmission / reception apparatus according to the present invention has a configuration in which the receiver is a device including the phased array antenna.
本発明に係る無線送受信装置は、前記送信機が前記フェーズドアレイアンテナを備える機器である構成を有している。 The wireless transmission / reception apparatus according to the present invention has a configuration in which the transmitter is a device including the phased array antenna.
本発明に係る無線送受信装置は、１次元または２次元に配列された複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子ごとに設けられ、前記アンテナ素子を伝播する信号の位相を離散的に変更するデジタル移相器と、を含む送受信用フェーズドアレイアンテナと、
前記送受信用フェーズドアレイアンテナの指向方向に応じて前記アンテナ素子ごとに算出され前記アンテナ素子を伝播する信号に付与されるべき理想位相値にオフセット位相値を加えた複数のオフセット理想位相値に基づいて前記デジタル移相器を制御するデジタル移相器制御部と、
前記送受信用フェーズドアレイアンテナから前記複数回数電波を放射する送信信号発生器と、
前記送受信用フェーズドアレイアンテナで受信された受信信号の位相を前記オフセット位相値に応じて補正するオフセット補正部と、
オフセット補正後の受信信号をコヒーレント合成するコヒーレント合成部と、を含む構成を有している。
A radio transmission / reception apparatus according to the present invention includes a plurality of antenna elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally and a digital phase shift provided for each of the antenna elements and discretely changing the phase of a signal propagating through the antenna element A phased array antenna for transmission and reception including
Based on a plurality of offset ideal phase values obtained by adding an offset phase value to an ideal phase value that is calculated for each antenna element according to the directivity direction of the transmission / reception phased array antenna and is to be transmitted to the antenna element A digital phase shifter controller for controlling the digital phase shifter;
A transmission signal generator that radiates the radio wave a plurality of times from the transmission / reception phased array antenna;
An offset correction unit that corrects the phase of the received signal received by the transmission / reception phased array antenna according to the offset phase value;
And a coherent combining unit that coherently combines the received signal after the offset correction.
本発明に係る無線送受信方法は、送信アンテナおよび受信アンテナの少なくとも一方に、１次元または２次元に配列された複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子ごとに設けられ、前記アンテナ素子を伝播する信号の位相を離散的に変更するデジタル移相器と、を含むフェーズドアレイアンテナを使用する送受信方法であって、
前記フェーズドアレイアンテナの指向方向に応じて前記アンテナ素子ごとに算出され前記アンテナ素子を伝播する信号に付与されるべき理想位相値にオフセット位相値を加えた複数のオフセット理想位相値に基づいて前記デジタル移相器を制御するデジタル移相器制御段階と、
前記複数回数電波を放射する送信信号発生段階と、
受信信号の位相を前記オフセット位相値に応じて補正するオフセット補正段階と、
オフセット補正後の受信信号をコヒーレント合成するコヒーレント合成段階と、から成る。
A radio transmission / reception method according to the present invention includes a plurality of antenna elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally on at least one of a transmission antenna and a reception antenna, and a signal propagating through the antenna element provided for each antenna element. A digital phase shifter that discretely changes the phase, and a transmission / reception method using a phased array antenna,
The digital signal based on a plurality of offset ideal phase values obtained by adding an offset phase value to an ideal phase value that is calculated for each antenna element according to the directivity direction of the phased array antenna and to be transmitted to the antenna element. A digital phase shifter control stage for controlling the phase shifter;
A transmission signal generation stage for radiating the radio wave a plurality of times;
An offset correction stage for correcting the phase of the received signal according to the offset phase value;
A coherent combining step of coherently combining the received signal after the offset correction.
本発明に係る無線送受信装置および方法によれば、フェーズドアレイアンテナに量子化ビット数の小さいデジタル移相器を適用した場合であっても、量子化ローブのエネルギ平均値を低減することが可能となる。 According to the wireless transmission / reception apparatus and method of the present invention, even when a digital phase shifter with a small number of quantization bits is applied to a phased array antenna, the energy average value of the quantization lobe can be reduced. Become.
まず本発明に係る無線送受信装置および方法の基本的な考え方を説明する。
図１は、１次元フェーズドアレイアンテナの模式図であって、アンテナ素子１ｎ（ｎ＝１、２・・・Ｎ）をＸ軸方向に間隔ｄごとにＮ個配置した構成を有する。
なお、フェーズドアレイアンテナは送信アンテナとして使用されるものとして説明するが、受信アンテナとして使用される場合であっても考え方は同じである。
Ｎ個のアンテナ素子に同位相で給電すれば、フェーズドアレイアンテナはＹ軸方向の指向性を有する。
First, the basic concept of the wireless transmission / reception apparatus and method according to the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram of a one-dimensional phased array antenna having a configuration in which N antenna elements 1n (n = 1, 2,... N) are arranged at intervals d in the X-axis direction.
Although the phased array antenna is described as being used as a transmission antenna, the concept is the same even when used as a reception antenna.
If the N antenna elements are fed in the same phase, the phased array antenna has directivity in the Y-axis direction.
フェーズドアレイアンテナのビーム指向方向をＹ軸に対してθ傾けるためには、アンテナ素子１ｎを伝播する信号に対して、［数１］で算出される位相φｎ（以下「理想位相値」と呼ぶ）を付与することが必要となる。 In order to tilt the beam directing direction of the phased array antenna by θ with respect to the Y axis, the phase φ n (hereinafter referred to as “ideal phase value”) calculated by [Equation 1] with respect to the signal propagating through the antenna element 1n. ) Is required.
しかし、デジタル移相器では位相を連続的に変更することはできず、量子化ビットがｍである場合には、付与できる位相は（２π／２ｍ）刻みでしか制御できない。
前述したように、量子化ローブを低減するには、量子化ビットｍを大きくすることが本来的な解決方法であるが、多段階に位相を制御可能なデジタル移相器は構成が複雑となり、経済性も悪化する。
However, in the digital phase shifter, the phase cannot be changed continuously, and when the quantization bit is m, the phase that can be given can be controlled only in increments of (2π / 2 m ).
As described above, in order to reduce the quantization lobe, it is an original solution to increase the quantization bit m, but the configuration of the digital phase shifter capable of controlling the phase in multiple stages becomes complicated, Economic efficiency also deteriorates.
本発明にあっては、量子化ビットｍが少ない（例えば"１"）場合であっても量子化ローブの平均エネルギを低減できるように、理想位相値φｎとオフセット位相値Ｐｏの和であるオフセット理想位相値ψｎ（＝φｎ＋Ｐｏ）に基づいてデジタル移相器の制御信号を生成することにより、量子化ローブの平均エネルギを低減するようにしている。 In the present invention, the sum of the ideal phase value φ n and the offset phase value P o is used so that the average energy of the quantization lobe can be reduced even when the quantization bit m is small (for example, “1”). By generating a control signal for the digital phase shifter based on a certain offset ideal phase value ψ n (= φ n + P o ), the average energy of the quantization lobe is reduced.
なお、量子化ビットは"１"とし、オフセット理想位相値ψｎが０≦ψｎ＜πである場合は移相器でπ／２の位相を付与し、オフセット理想位相値ψｎがπ≦ψｎ＜２πである場合は３π／２の位相を付与するものとする。
たとえば、理想位相値φｎがπ／４、オフセット位相値Ｐｏがπ／６である場合は、オフセット理想位相値ψｎは５π／１２（＜π）となり、オフセット位相値Ｐｏが零の場合と同じく受信信号にπ／２の位相が付与されるので、量子化誤差ＱＥ（φｎ，Ｐｏ）は［数２］で算出されるようにπ／１２となる。
When the quantization bit is “1” and the offset ideal phase value ψ n is 0 ≦ ψ n <π, the phase shifter gives a phase of π / 2, and the offset ideal phase value ψ n is π ≦ π. When ψ n <2π, a phase of 3π / 2 is given.
For example, when the ideal phase value φ n is π / 4 and the offset phase value P o is π / 6, the offset ideal phase value ψ n is 5π / 12 (<π), and the offset phase value P o is zero. Since the phase of π / 2 is added to the received signal as in the case, the quantization error QE (φ n , P o ) is π / 12 as calculated by [Equation 2].
なお、オフセット位相値Ｐｏが零の場合の量子化誤差は、π／４である。
理想位相値φｎがπ／４であっても、オフセット位相値Ｐｏが５π／６である場合は、オフセット理想位相値ψｎは１３π／１２（＞π）となり、受信信号に３π／２の位相が付与されるので、量子化誤差ＱＥ（φｎ，Ｐｏ）は［数３］で算出されるように５π／１２となる。
Note that the quantization error when the offset phase value Po is zero is π / 4.
Even if the ideal phase value φ n is π / 4, if the offset phase value P o is 5π / 6, the offset ideal phase value ψ n is 13π / 12 (> π), and the received signal is 3π / 2. Thus, the quantization error QE (φ n , P o ) is 5π / 12 as calculated by [Equation 3].
このことは、デジタル移相器を適用した場合には、理想位相値φｎが一定であってもオフセット位相値Ｐｏを変更すると、量子化誤差が変化するため、量子化ローブのパターンも変動することを示している。 This is because, when a digital phase shifter is applied, even if the ideal phase value φ n is constant, changing the offset phase value P o changes the quantization error, so the quantization lobe pattern also varies. It shows that
したがって、送信機でオフセット位相値Ｐｏの送信信号を送信し、受信機でオフセット位相値を補正した後の受信信号を記憶する送受信操作を複数のオフセット位相値Ｐｏについて実行し、複数のオフセット位相値Ｐｏに対応する複数の受信信号をコヒーレント合成することにより、量子化ローブレベルの平均値を低減できるものと予測できる。 Thus, transmits a transmission signal of the offset phase value P o at the transmitter performs the transmission and reception operations for storing the received signal after correction of the offset phase value for a plurality of offset phase value P o at the receiver, a plurality of offset a plurality of reception signals corresponding to the phase value P o by coherent combination, can be predicted that it can reduce the average value of the quantization lobe levels.
ここで、受信後にオフセット位相値Ｐｏの補正を行う理由は、コヒーレント合成するときに、メインローブで受信した信号が同相で合成されるように、送信時に加算したオフセット位相値Ｐｏを受信信号の位相から減算する必要があるからである。 The reason for correcting the offset phase value P o after reception, when coherent combining, so that the signals received by the main lobe is synthesized in the same phase, the received signal offset phase value P o which is obtained by adding the time of transmission This is because it is necessary to subtract from the phase.
上記のことを確認するために以下のシミュレーション実験を行った。
図２はシミュレーション実験に使用したフェーズドアレイアンテナであるリフレクトアレイアンテナの概略図および緒元である。
リフレクトアレイアンテナは、１次放射器から放射された電波を各アンテナ素子が反射するが、アンテナ素子ごとに設置される移相器によりアンテナ素子から放射される反射波の位相を変更できる構成となっている。
In order to confirm the above, the following simulation experiment was conducted.
FIG. 2 is a schematic view and a specification of a reflect array antenna which is a phased array antenna used in a simulation experiment.
In the reflect array antenna, each antenna element reflects the radio wave radiated from the primary radiator, but the phase of the reflected wave radiated from the antenna element can be changed by a phase shifter installed for each antenna element. ing.
図３はフェーズドアレイアンテナのビーム指向方向をブロードサイド方向（アジマス（Ａｚ）＝０度、エレベーション（Ｅｌ）＝０度）、オフセット位相値Ｐｏを零とした場合のビームパターンであって、（イ）は２次元表示されたビームパターンを、(ロ)はＡｚ＝０度の切断面のビームパターンを示す。 FIG. 3 shows a beam pattern when the beam pointing direction of the phased array antenna is the broad side direction (azimuth (Az) = 0 degree, elevation (El) = 0 degree), and the offset phase value Po is zero. (A) shows the beam pattern displayed two-dimensionally, and (B) shows the beam pattern of the cut surface at Az = 0 degree.
図４はメインビームの方向をブロードサイド方向（アジマス（Ａｚ）＝０度、エレベーション（Ｅｌ）＝０度）、オフセット位相値Ｐｏをπ／２とした場合のビームパターンであって、（ハ）は２次元表示されたビームパターンを、（ニ）はＡｚ＝０度の切断面のビームパターンを示す。 FIG. 4 shows a beam pattern when the direction of the main beam is the broadside direction (azimuth (Az) = 0 degree, elevation (El) = 0 degree) and the offset phase value Po is π / 2. (C) shows the beam pattern displayed two-dimensionally, and (d) shows the beam pattern of the cut surface at Az = 0 degree.
図３と図４とを比較すると、メインローブ以外の量子化ローブを含むサイドローブのパターンは相違している。すなわち、理想位相値φｎが同じであっても、オフセット位相値Ｐｏを変更すれば、サイドローブパターンを変更できることがシミュレーション実験により確認されたこととなる。
なお、オフセット位相値Ｐｏが零およびπ／２のときの平均サイドローブレベル（量子化ローブを含む）は、それぞれ−２８．８ｄＢ、−２８．７ｄＢである。
When FIG. 3 and FIG. 4 are compared, the patterns of side lobes including quantization lobes other than the main lobe are different. That is, even in the ideal phase value phi n are the same, by changing the offset phase value P o, it becomes possible has been confirmed by simulation experiments can change the side lobe pattern.
The offset phase value P o (including quantization lobe) average side lobe level at zero and [pi / 2, respectively -28.8DB, is -28.7DB.
図５は、オフセット位相値Ｐｏが零のときのビームパターンとオフセット位相値Ｐｏをπ／２としたときのビームパターンとをオフセット位相値Ｐｏを補正した後にコヒーレント合成したビームパターンであり、（ホ）は２次元表示されたビームパターンを、（ヘ）はＡｚ＝０度の切断面のビームパターンを示す。 FIG. 5 is a beam pattern obtained by coherently combining the beam pattern when the offset phase value P o is zero and the beam pattern when the offset phase value P o is π / 2 after correcting the offset phase value P o . (E) shows the beam pattern displayed two-dimensionally, and (f) shows the beam pattern of the cut surface with Az = 0 degree.
この場合の平均サイドローブレベルは−３７．０ｄＢであり、図３および図４に比べ約８ｄＢ低減している。すなわち、オフセット位相値Ｐｏの相違する受信信号をオフセット位相値の補正後にコヒーレント合成することによって、平均サイドローブレベルを低減できることがシミュレーション実験により確認されたこととなる。 In this case, the average sidelobe level is −37.0 dB, which is about 8 dB lower than those in FIGS. 3 and 4. That is, by coherently combining signals received having different offset phase value P o after the correction of the offset phase value, we can reduce the average side lobe level is that has been confirmed by simulation experiments.
図６は、オフセット位相値ＰｏをΔＰ＝π／２０ごとに零からπ／２まで１１段階に変更して得られたビームパターンをオフセット補正した後コヒーレント合成したビームパターンであって、（ト）は２次元表示されたビームパターンを、（チ）はＡｚ＝０度の切断面のビームパターンを示す。
この場合の平均サイドローブレベルは−４４．７ｄＢであり、図３および図４に比べ約１６ｄＢ、図５に比べて約８ｄＢ低減している。
FIG. 6 shows a beam pattern obtained by coherent synthesis after offset correction of a beam pattern obtained by changing the offset phase value P o in 11 steps from zero to π / 2 every ΔP = π / 20. ) Indicates a beam pattern displayed in a two-dimensional manner, and (H) indicates a beam pattern of a cut surface at Az = 0 degree.
In this case, the average sidelobe level is −44.7 dB, which is about 16 dB lower than FIGS. 3 and 4 and about 8 dB lower than FIG.
そして、図７は量子化ビットｍを"１"とした場合の繰り返し処理回数と平均サイドローブレベルの関係を示すグラフであって、繰り返し回数を増加するに従って、アナログ移相器を用いて理想位相値を付与して指向性を形成したときの平均サイドローブレベル−４５．７ｄＢに漸近していることが判る。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the number of iterations and the average sidelobe level when the quantization bit m is “1”. As the iteration number is increased, an ideal phase is obtained using an analog phase shifter. It can be seen that the value is asymptotic to the average sidelobe level of −45.7 dB when the directivity is formed by assigning a value.
以上から、送信機でオフセット位相値Ｐｏの送信信号を送信し、受信機でオフセット位相値を補正した後の受信信号を記憶する送受信操作を複数のオフセット位相値Ｐｏについて実行し、複数のオフセット位相値Ｐｏに対応する複数の受信信号をコヒーレント合成することにより、量子化ローブレベルの平均値を低減できることがシミュレーション実験により確認された。 From the above, the transmission operation of transmitting the transmission signal of the offset phase value P o at the transmitter and storing the reception signal after correcting the offset phase value at the receiver is performed for the plurality of offset phase values P o , by a plurality of received signal corresponding to offset phase value P o coherent synthesis, we can reduce the average value of the quantization lobe levels has been confirmed by simulation experiments.
本発明に係る無線送受信装置の第１の実施例である第１のレーダ装置３は、受信機が、１次元または２次元に配列された複数のアンテナ素子と、アンテナ素子ごとに設けられ、アンテナ素子を伝播する信号の位相を離散的に変更するデジタル移相器と、を含むフェーズドアレイアンテナと、フェーズドアレイアンテナの指向方向に応じてアンテナ素子ごとに算出されアンテナ素子を伝播する信号に付与されるべき理想位相値にオフセット位相値を加えたオフセット理想位相値に基づいてデジタル移相器を制御するデジタル移相器制御部と、受信信号の位相をオフセット位相値に応じて補正するオフセット補正部と、オフセット補正後の受信信号をコヒーレント合成するコヒーレント合成部と、を含み、送信機が、複数回電波を放射する送信信号発生器を含む構成を有している。 A first radar apparatus 3 which is a first embodiment of a wireless transmission / reception apparatus according to the present invention includes a receiver provided with a plurality of antenna elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and each antenna element. A phased array antenna including a digital phase shifter that discretely changes the phase of a signal propagating through the element, and is calculated for each antenna element according to the direction of the phased array antenna and applied to the signal propagating through the antenna element A digital phase shifter control unit that controls the digital phase shifter based on the offset ideal phase value obtained by adding the offset phase value to the ideal phase value to be corrected, and an offset correction unit that corrects the phase of the received signal according to the offset phase value And a coherent synthesizer that coherently synthesizes the received signal after offset correction, and the transmitter radiates the radio wave a plurality of times. And it has a configuration including a generator.
図８は、本発明の第１の実施例である第１のレーダ装置３のハードウエア構成を示すブロック線図である。
フェーズドアレイアンテナ４は、ターゲットで反射された電波を受信信号として受信する受信アンテナとして使用され、受信電波を受信する１次元または２次元に配列された複数のアンテナ素子４１、アンテナ素子４１ごとに配置され、受信信号の位相を所定量変更する複数のデジタル移相器４２、およびデジタル移相器４２で位相が変更された受信信号を合成して出力する合成器４３から構成されている。
FIG. 8 is a block diagram showing a hardware configuration of the first radar apparatus 3 according to the first embodiment of the present invention.
The phased array antenna 4 is used as a reception antenna that receives a radio wave reflected by a target as a reception signal, and is arranged for each of a plurality of antenna elements 41 arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner for receiving a reception radio wave. The plurality of digital phase shifters 42 change the phase of the received signal by a predetermined amount, and the combiner 43 synthesizes and outputs the received signal whose phase is changed by the digital phase shifter 42.
フェーズドアレイアンテナ４から出力される受信信号は、受信信号増幅回路３１で増幅されたのち、局部発信信号発生回路３２で発生された局部発信信号と混合回路３３で混合されて中間周波信号に変換され、デジタル処理部５に出力される。
なお、送信信号発生器３４が発生した送信信号は、送信信号増幅回路３５で増幅され、送信アンテナ３６から空中に放射される。
The reception signal output from the phased array antenna 4 is amplified by the reception signal amplifier circuit 31, and then mixed with the local transmission signal generated by the local transmission signal generation circuit 32 by the mixing circuit 33 to be converted into an intermediate frequency signal. Are output to the digital processing unit 5.
The transmission signal generated by the transmission signal generator 34 is amplified by the transmission signal amplifier circuit 35 and radiated from the transmission antenna 36 into the air.
デジタル処理部５は、マイクロプロセッサシステムであり、バス５１に、レーダ制御プログラムを実行するＣＰＵ５２、レーダ制御プログラムおよびＣＰＵ５２の演算結果を記憶するメモリ５３、デジタル移相器４２および送信信号発生器３４に対する制御信号を出力する制御信号インターフェイス（以下「Ｉ／Ｆ」と記す）５４、混合回路３３から出力される中間周波信号に変換された受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器５５、およびデジタル処理部５での処理結果をたとえば影像信号として出力する出力Ｉ／Ｆ５６が結合された構成を有する。
そして、デジタル移相器制御部、オフセット補正部およびコヒーレント合成部はデジタル処理部５の中にソフトウエア的に構成される。
The digital processing unit 5 is a microprocessor system. The CPU 51 executes a radar control program on a bus 51, a memory 53 that stores a radar control program and a calculation result of the CPU 52, a digital phase shifter 42, and a transmission signal generator 34. A control signal interface (hereinafter referred to as “I / F”) 54 for outputting a control signal, an A / D converter 55 for converting the received signal converted from the intermediate frequency signal output from the mixing circuit 33 into a digital signal, and For example, an output I / F 56 that outputs the processing result in the digital processing unit 5 as an image signal is combined.
The digital phase shifter control unit, the offset correction unit, and the coherent synthesis unit are configured in software in the digital processing unit 5.
なお、出力Ｉ／Ｆ５６には、たとえば液晶パネルである表示器３７が接続されており、第１のレーダ装置３の補足したターゲットの画像を表示するために使用される。 In addition, the display 37 which is a liquid crystal panel, for example, is connected to the output I / F 56, and is used for displaying the target image captured by the first radar device 3.
図９は、デジタル処理部５で実行されるレーダ制御プログラムのフローチャートである。
ＣＰＵ５２は、まず、初期化処理を実行（ステップＳ９１）する。
初期化処理では、オフセット位相値Ｐｏを初期値の零とするほか、メモリ５３の一部に構成される受信信号メモリをリセットする。
ＣＰＵ５２は、次に、［数１］を用いて理想位相値φｎを算出（ステップＳ９２）する。
そして、ＣＰＵ５２は、移相器制御処理を実行（ステップＳ９３）する。
FIG. 9 is a flowchart of a radar control program executed by the digital processing unit 5.
First, the CPU 52 executes initialization processing (step S91).
In the initialization process, the offset phase value Po is set to zero as an initial value, and the reception signal memory configured as a part of the memory 53 is reset.
Next, the CPU 52 calculates the ideal phase value φ n using [Equation 1] (step S92).
And CPU52 performs a phase shifter control process (step S93).
図１０は、移相器制御処理のフローチャートであって、ＣＰＵ５２は理想位相値φｎにオフセット位相値Ｐｏを加算して、オフセット理想位相値ψｎを算出（ステップＳ９３１）する。
さらに、ＣＰＵ５２はオフセット理想位相値ψｎに基づいて移相器制御信号を生成（ステップＳ９３２）する。
Figure 10 is a flowchart of the phase shifter control process, CPU 52 adds the offset phase value P o to the ideal phase values phi n, calculates the offset ideal phase values [psi n (step S931).
Further, CPU 52 generates a phase shifter control signal based on the offset ideal phase values [psi n (step S932).
前述した量子化ビットが"１"の移相器を使用する場合には、移相器制御信号Ｃｐは、０≦ψｎ＜πの場合には"０"と、π≦ψｎ＜２πの場合には"１"となるものとする。
最後に移相器制御信号Ｃｎを制御信号Ｉ／Ｆ５４を介して、デジタル移相器４２に出力（ステップＳ９３３）する。
When the phase shifter having the quantization bit of “1” is used, the phase shifter control signal C p is “0” when 0 ≦ ψ n <π, and π ≦ ψ n <2π. In this case, “1” is assumed.
Finally, the phase shifter control signal C n via the control signal I / F 54, and outputs the digital phase shifter 42 (step S933).
図１１は、１つのデジタル移相器４２ｎ（ｎ＝１，２・・・Ｎ）の一例を示すブロック図であって、アンテナ素子４１ｎは第１の切換え器４２１のｃ端子４２１ｃに接続されている。
また、第２の切換え器４２２のｃ端子４２２ｃは、合成器４３に接続されている。
FIG. 11 is a block diagram showing an example of one digital phase shifter 42 n (n = 1, 2,... N), and the antenna element 41 n is connected to the c terminal 421 c of the first switch 421. Has been.
The c terminal 422 c of the second switch 422 is connected to the synthesizer 43.
第１の切換え器４２１のａ端子４２１ａと第２の切換え器４２２のａ端子４２２ａの間は、伝搬する信号の位相をπ／２遅らすことのできる遅延線４２３で接続されている。
第１の切換え器４２１のｂ端子４２１ｂと第２の切換え器４２２のｂ端子４２２ｂの間は、伝搬する信号の位相を３π／２遅らすことのできる遅延線４２４で接続されている。
The a terminal 421a of the first switch 421 and the a terminal 422a of the second switch 422 are connected by a delay line 423 that can delay the phase of the propagated signal by π / 2.
The b terminal 421b of the first switch 421 and the b terminal 422b of the second switch 422 are connected by a delay line 424 that can delay the phase of the propagating signal by 3π / 2.
第１の切換え器４２１および第２の切換え器４２２は、切換え制御回路４２５から送られる切換え信号によって制御され、切換え信号が"０"の場合は第１の切換え器４２１および第２の切換え器４２２のａ端子とｃ端子とが導通する状態となり、切換え信号が"１"の場合は第１の切換え器４２１および第２の切換え器４２２のｂ端子とｃ端子とが導通する状態となるように構成されている。 The first switching device 421 and the second switching device 422 are controlled by a switching signal sent from the switching control circuit 425. When the switching signal is "0", the first switching device 421 and the second switching device 422 are controlled. When the switching signal is “1”, the b terminal and the c terminal of the first switching device 421 and the second switching device 422 are conductive. It is configured.
そして、制御信号Ｉ／Ｆ５４を介して出力される移相器制御信号Ｃｎは、切換え制御回路４２５に供給される。
したがって、移相器制御信号Ｃｎが"０"の場合はアンテナ素子４１ｎで受信された受信信号の位相はπ／２遅延され、移相器制御信号Ｃｎが"１"の場合はアンテナ素子４１ｎで受信された受信信号の位相は３π／２遅延されることとなる。
Then, the phase shifter control signal C n output via the control signal I / F 54 is supplied to the switching control circuit 425.
Therefore, when the phase shifter control signal C n is “0”, the phase of the received signal received by the antenna element 41 n is delayed by π / 2, and when the phase shifter control signal C n is “1”, the antenna The phase of the received signal received by the element 41 n is delayed by 3π / 2.
図９のレーダ制御プログラムにもどって、ＣＰＵ５２は、制御信号Ｉ／Ｆ５４を介して送信信号発生器３４に送信開始信号を出力する送信処理を実行（ステップＳ９４）する。
すると、送信信号発生器３４で生成された送信信号は、送信信号増幅回路３５で増幅されたのち、送信アンテナ３６から電波として放射される。
次に、ＣＰＵ５２は、受信処理を実行（ステップＳ９５）する。
Returning to the radar control program of FIG. 9, the CPU 52 executes a transmission process of outputting a transmission start signal to the transmission signal generator 34 via the control signal I / F 54 (step S94).
Then, the transmission signal generated by the transmission signal generator 34 is amplified by the transmission signal amplification circuit 35 and then radiated as a radio wave from the transmission antenna 36.
Next, the CPU 52 executes reception processing (step S95).
図１２は、受信処理のフローチャートであって、ＣＰＵ５２は、中間周波信号に変換された入力信号を順次読み込む（ステップＳ９５１）。
次に、ＣＰＵ５２は、入力信号の位相からオフセット位相値Ｐｏを減算して、オフセット補正（ステップＳ９５２）を行う。
FIG. 12 is a flowchart of the reception process, in which the CPU 52 sequentially reads input signals converted into intermediate frequency signals (step S951).
Then, CPU 52, from the phase of the input signal by subtracting the offset phase value P o, an offset correction (step S952).
そして、ＣＰＵ５２は、オフセット補正後の入力信号を受信信号メモリにすでに記憶されている入力信号とコヒーレント的に合成して受信信号メモリに記憶（ステップＳ９５３）してこの処理を終了する。
図９のレーダ制御プログラムに戻って、ＣＰＵ５２は、オフセット位相値Ｐ０に予め定めた増量ΔＰを加算（ステップＳ９６）し、オフセット位相値Ｐ０が２π／２ｍ以上となったか否かを判定（ステップＳ９７）する。
量子化ビットｍが"１"である場合には、オフセット位相値Ｐ０がπに到達するまでステップＳ９３からＳ９５までの処理を繰り返す。
Then, the CPU 52 coherently synthesizes the input signal after offset correction with the input signal already stored in the reception signal memory and stores it in the reception signal memory (step S953), and ends this processing.
Returning to radar control program of FIG. 9, CPU 52 is a predetermined increment ΔP to the offset phase value P 0 is added (step S96), it determines whether the offset phase value P 0 becomes 2 [pi / 2 m or more (Step S97).
When quantization bits m is "1", and repeats the processing from step S93 to S95 until the offset phase value P 0 reaches [pi.
ＣＰＵ５２は、オフセット位相値Ｐ０が２π／２ｍ未満であると判断したときは、ステップＳ９３の処理に戻る。
ＣＰＵ５２は、オフセット位相値Ｐ０が２π／２ｍ以上となったと判断したときは、受信信号メモリに記憶されている情報を出力Ｉ／Ｆ５６を介して表示器３７に出力（ステップＳ９８）して、レーダ制御プログラムを終了する。
When the CPU 52 determines that the offset phase value P 0 is less than 2π / 2 m , the CPU 52 returns to the process of step S93.
When the CPU 52 determines that the offset phase value P 0 is 2π / 2 m or more, the CPU 52 outputs the information stored in the received signal memory to the display 37 via the output I / F 56 (step S98). The radar control program is terminated.
本発明に係る無線送受信装置の第２の実施例である第２のレーダ装置６は、送信機が、１次元または２次元に配列された複数のアンテナ素子と、アンテナ素子ごとに設けられ、アンテナ素子を伝播する信号の位相を離散的に変更するデジタル移相器と、を含むフェーズドアレイアンテナと、フェーズドアレイアンテナの指向方向に応じてアンテナ素子ごとに算出されアンテナ素子を伝播する信号に付与されるべき理想位相値にオフセット位相値を加えたオフセット理想位相値に基づいてデジタル移相器を制御するデジタル移相器制御部と、複数回電波を放射する送信信号発生器と、を含み、受信機が、受信信号の位相をオフセット位相値に応じて補正するオフセット補正部と、オフセット補正後の受信信号をコヒーレント合成するコヒーレント合成部と、を含む構成を有している。 A second radar apparatus 6 which is a second embodiment of the radio transmitting / receiving apparatus according to the present invention includes a transmitter provided with a plurality of antenna elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and each antenna element. A phased array antenna including a digital phase shifter that discretely changes the phase of a signal propagating through the element, and is calculated for each antenna element according to the direction of the phased array antenna and applied to the signal propagating through the antenna element Including a digital phase shifter control unit that controls a digital phase shifter based on an offset ideal phase value obtained by adding an offset phase value to an ideal phase value to be received, and a transmission signal generator that radiates radio waves multiple times. The machine corrects the phase of the received signal according to the offset phase value, and the coherence that coherently synthesizes the received signal after offset correction. It has a configuration comprising a combining unit.
図１３は、本発明の第２の実施例である第２のレーダ装置６のハードウエア構成を示すブロック線図であって、第１のレーダ装置３とは、フェーズドアレイアンテナ４が送信アンテナとして使用され、ターゲットで反射された電波は受信アンテナ３８により受信される点が相違する。
よって、第１のレーダ装置３と同一の要素は同一の参照番号を付して詳細な説明を省略する。
FIG. 13 is a block diagram showing the hardware configuration of the second radar apparatus 6 according to the second embodiment of the present invention. The first radar apparatus 3 is different from the first radar apparatus 3 in that the phased array antenna 4 is used as a transmission antenna. The difference is that the radio wave used and reflected by the target is received by the receiving antenna 38.
Therefore, the same elements as those of the first radar device 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
ハードウエア構成における第１のレーダ装置３との相違点は、フェーズドアレイアンテナ４が送信信号増幅回路３５に接続されており、受信信号増幅器３１には受信アンテナ３８が接続されていることである。
なお、デジタル処理部５で実行されるレーダ制御プログラムには変更はなく、動作も同じであるので説明を省略する。
The difference from the first radar apparatus 3 in the hardware configuration is that the phased array antenna 4 is connected to the transmission signal amplifier circuit 35 and the reception antenna 38 is connected to the reception signal amplifier 31.
Since the radar control program executed by the digital processing unit 5 is not changed and the operation is the same, the description thereof is omitted.
本発明に係る無線送受信装置の第３の実施例である第３のレーダ装置７は、１次元または２次元に配列された複数のアンテナ素子と、アンテナ素子ごとに設けられ、アンテナ素子を伝播する信号の位相を離散的に変更するデジタル移相器と、を含むフェーズドアレイアンテナと、フェーズドアレイアンテナの指向方向に応じてアンテナ素子ごとに算出されアンテナ素子を伝播する信号に付与されるべき理想位相値にオフセット位相値を加えたオフセット理想位相値に基づいてデジタル移相器を制御するデジタル移相器制御部と、複数回電波を放射する送信信号発生器と、受信信号の位相をオフセット位相値に応じて補正するオフセット補正部と、オフセット補正後の受信信号をコヒーレント合成するコヒーレント合成部と、を含む構成を有している。 A third radar apparatus 7 which is a third embodiment of the wireless transmission / reception apparatus according to the present invention is provided with a plurality of antenna elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally and for each antenna element, and propagates through the antenna elements. A phased array antenna including a digital phase shifter that discretely changes the phase of the signal, and an ideal phase to be added to a signal that is calculated for each antenna element according to the direction of the phased array antenna and propagates through the antenna element The digital phase shifter controller that controls the digital phase shifter based on the offset ideal phase value obtained by adding the offset phase value to the value, the transmission signal generator that radiates radio waves multiple times, and the phase of the received signal as the offset phase value And a coherent synthesis unit that coherently synthesizes the received signal after the offset correction. There.
図１４は、本発明の第３の実施例である第３のレーダ装置７のハードウエア構成を示すブロック線図であって、第１のレーダ装置３とは、フェーズドアレイアンテナ４が送受信共用である点が相違する。
よって、第１のレーダ装置３と同一の要素は同一の参照番号を付して詳細な説明を省略する。
FIG. 14 is a block diagram showing a hardware configuration of the third radar apparatus 7 according to the third embodiment of the present invention. The phased array antenna 4 is shared with the first radar apparatus 3 for transmission and reception. There are some differences.
Therefore, the same elements as those of the first radar device 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
ハードウエア構成における第１のレーダ装置３との相違点は、フェーズドアレイアンテナ４の合成器４３の後段にアンテナ共用器６１が設けられており、受信信号増幅器３１および送信信号増幅器３５がアンテナ共用器６１に接続されていることである。
デジタル処理部５で実行されるレーダ制御プログラムも第１のレーダ装置３用とほとんど同じであるが、フェーズドアレイアンテナ４を送受信に使用しているために、図１２の受信処理のステップＳ９５２のオフセット補正で、受信信号の位相から"２Ｐ０"を減算する点のみが相違する。
The difference from the first radar apparatus 3 in the hardware configuration is that an antenna duplexer 61 is provided after the combiner 43 of the phased array antenna 4, and the reception signal amplifier 31 and the transmission signal amplifier 35 are the antenna duplexer. 61 is connected.
The radar control program executed by the digital processing unit 5 is almost the same as that for the first radar device 3, but since the phased array antenna 4 is used for transmission and reception, the offset in step S952 of the reception process in FIG. The only difference is that “2P 0 ” is subtracted from the phase of the received signal in the correction.
以上、本発明に係る無線送受信装置をレーダ装置に適用した実施例について説明したが、本発明に係る無線送受信装置を通信装置として適用できることは当業者にとって明らかである。ただし、オフセット位相値Ｐｏの増量および増量の回数をプロトコルとして取り決めておくことが必要とある。 As described above, the embodiments in which the radio transmission / reception apparatus according to the present invention is applied to the radar apparatus have been described. However, it is obvious to those skilled in the art that the radio transmission / reception apparatus according to the present invention can be applied as a communication apparatus. However, there need be kept arrangements the number of increase and increase of the offset phase value P o as the protocol.
本発明は、フェーズドアレイアンテナを使用した無線送受信装置および方法において、デジタル移相器を使用したときに不可避的に発生する量子化ローブの平均レベルを低減する上で極めて有用であり、産業上の利用可能性を有する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is extremely useful for reducing the average level of quantization lobes that are inevitably generated when a digital phase shifter is used in a wireless transmission / reception apparatus and method using a phased array antenna. Has availability.
３：第１のレーダ装置
５：デジタル処理部
６：第２のレーダ装置
７：第３のレーダ装置
３１：受信信号増幅器
３２：局部発信信号発生回路
３３：混合回路
３４：送信信号発生器
３５：送信信号増幅器
３６：送信アンテナ
３７：表示器
３８：受信アンテナ
3: First radar device 5: Digital processing unit 6: Second radar device 7: Third radar device 31: Reception signal amplifier 32: Local transmission signal generation circuit 33: Mixing circuit 34: Transmission signal generator 35: Transmitting signal amplifier 36: transmitting antenna 37: indicator 38: receiving antenna
Claims (5)
前記送信機および前記受信機の少なくとも一方の機器が、１次元または２次元に配列された複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子ごとに設けられ、前記アンテナ素子を伝播する信号の位相を離散的に変更するデジタル移相器と、を含むフェーズドアレイアンテナを備え、
前記フェーズドアレイアンテナを備えた前記一方の機器が、
前記フェーズドアレイアンテナの指向方向に応じて前記アンテナ素子ごとに算出され前記アンテナ素子を伝播する信号に付与されるべき理想位相値にオフセット位相値を加えた複数のオフセット理想位相値に基づいて前記デジタル移相器を制御するデジタル移相器制御部を含み、
前記送信機が、前記複数回数電波を放射する送信信号発生器を含み、
前記受信機が、受信信号の位相を前記オフセット位相値に応じて補正するオフセット補正部と、オフセット補正後の受信信号をコヒーレント合成するコヒーレント合成部と、を含む無線送受信装置。 A wireless transmission / reception device comprising a transmitter that radiates radio waves and a receiver that receives radio waves radiated from the transmitter,
At least one of the transmitter and the receiver is provided with a plurality of antenna elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and the phase of a signal propagating through the antenna elements is discretely provided for each antenna element. A phased array antenna including a digital phase shifter to change,
The one device equipped with the phased array antenna is
The digital signal based on a plurality of offset ideal phase values obtained by adding an offset phase value to an ideal phase value that is calculated for each antenna element according to the directivity direction of the phased array antenna and to be transmitted to the antenna element. Including a digital phase shifter controller for controlling the phase shifter,
The transmitter includes a transmission signal generator that radiates the radio wave a plurality of times;
A radio transmission / reception apparatus, wherein the receiver includes: an offset correction unit that corrects a phase of a reception signal according to the offset phase value; and a coherent combination unit that coherently combines the reception signal after the offset correction.
前記送受信用フェーズドアレイアンテナの指向方向に応じて前記アンテナ素子ごとに算出され前記アンテナ素子を伝播する信号に付与されるべき理想位相値にオフセット位相値を加えた複数のオフセット理想位相値に基づいて前記デジタル移相器を制御するデジタル移相器制御部と、
前記送受信用フェーズドアレイアンテナから前記複数回数電波を放射する送信信号発生器と、
前記送受信用フェーズドアレイアンテナで受信された受信信号の位相を前記オフセット位相値に応じて補正するオフセット補正部と、
オフセット補正後の受信信号をコヒーレント合成するコヒーレント合成部と、を含む無線送受信装置。 A phased array for transmission / reception, comprising: a plurality of antenna elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally; and a digital phase shifter that is provided for each antenna element and discretely changes the phase of a signal that propagates through the antenna element. An antenna,
Based on a plurality of offset ideal phase values obtained by adding an offset phase value to an ideal phase value that is calculated for each antenna element according to the directivity direction of the transmission / reception phased array antenna and is to be transmitted to the antenna element A digital phase shifter controller for controlling the digital phase shifter;
A transmission signal generator that radiates the radio wave a plurality of times from the transmission / reception phased array antenna;
An offset correction unit that corrects the phase of the received signal received by the transmission / reception phased array antenna according to the offset phase value;
And a coherent combining unit that coherently combines the received signal after the offset correction.
前記フェーズドアレイアンテナの指向方向に応じて前記アンテナ素子ごとに算出され前記アンテナ素子を伝播する信号に付与されるべき理想位相値にオフセット位相値を加えた複数のオフセット理想位相値に基づいて前記デジタル移相器を制御するデジタル移相器制御段階と、
前記複数回数電波を放射する送信信号発生段階と、
受信信号の位相を前記オフセット位相値に応じて補正するオフセット補正段階と、
オフセット補正後の受信信号をコヒーレント合成するコヒーレント合成段階と、から成る無線送受信方法。 A plurality of antenna elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally on at least one of the transmitting antenna and the receiving antenna, and a digital shift that is provided for each antenna element and discretely changes the phase of a signal propagating through the antenna element. A transmission / reception method using a phased array antenna including a phaser,
The digital signal based on a plurality of offset ideal phase values obtained by adding an offset phase value to an ideal phase value that is calculated for each antenna element according to the directivity direction of the phased array antenna and to be transmitted to the antenna element. A digital phase shifter control stage for controlling the phase shifter;
A transmission signal generation stage for radiating the radio wave a plurality of times;
An offset correction stage for correcting the phase of the received signal according to the offset phase value;
A wireless transmission / reception method comprising: a coherent combining step of coherently combining a received signal after offset correction.
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