JP2012182714A - 非周期アレーアンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】非周期アレーアンテナ10の開口を同心円状に距離方向にN等分割し、N等分割された分割領域Yの各々がテイラー分布となるような分割領域の素子密度aを算出し、算出された素子密度aと一致するように、オフ素子数Mを用いて分割領域Yを角度方向にM等分割し、M等分割された分割領域Q内から1つの素子アンテナをランダムにオフして、オン/オフ制御によりテイラー分布に近い励振振幅分布を実現する。
【選択図】図3
Description
このように配列されたアレーアンテナにおいては、各素子配列間隔を大きくすると、メインローブとは異なる方向に、メインローブとほぼ同一の利得を有する不要なグレーティングローブが発生することが知られている。
たとえば、4角配列とした場合には、光速c、周波数f、最大走査角θmに対して、以下の式(1)で示すように、素子配列間隔dを設定する必要がある。
一般に、送受信モジュールは高価なので、アンテナ全体における送受信モジュールの数を抑制することが望まれる。
したがって、グレーティングローブの発生を回避するための構成を実現したうえで、素子アンテナの数を低減することが望まれる。
上記非周期アレーアンテナによれば、周期アレーアンテナと比較して、サイドローブレベルが最大8.24[dB]だけ改善されることが知られている。
また、たとえば非特許文献4に記載のように、開口分布にテーパ状の振幅分布を設けた場合には、複雑な給電回路または複数種類の送受信モジュールが必要となることから、製造コストが増大するという課題があった。
以下、図面を参照しながら、この発明について詳細に説明する。なお、各図において、同一または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
図1はこの発明の実施の形態1に係る非周期アレーアンテナ装置の概略構成を示すブロック図である。
給電回路9は、複数の素子アンテナ7のオン/オフ処理によって実質的な配列を決定するための演算処理部9Aを備えており、後述の処理ルーチン(図3)を実行する。
同一構成からなる各送受信モジュール2は、給電回路9に接続された移相器3と、移相器3に接続された並列構成の送信用増幅器4および受信用増幅器5と、送信用増幅器4および受信用増幅器5と素子アンテナ7との間に挿入された3端子の送受切替部6と、により構成されている。
送信用増幅器4は送受切替部6の第1端に接続され、受信用増幅器5は送受切替部6の第2端に接続され、送受切替部6の第3端は素子アンテナ7に接続される。
まず、送信時において、外部回路(図示せず)から入出力コネクタ8を介して入力されたRF信号は、給電回路9を介してn分配され、n個の送受信モジュール2に供給される。
以下、各素子アンテナ7は、各送受信モジュール2からの送信信号を電波として空中に放射する。
以下、給電回路9は、各送受信モジュール2からの受信信号をn合成し、入出力コネクタ8を介して、RF信号として外部回路に出力する。
図2において、複数(n個)の素子アンテナ7は、ピンウィールタイル11、12により、非周期的に配列されて、非周期アレーアンテナ10を構成している。
また、1つのピンウィールタイル11は、5分割された最小単位のピンウィールタイル12により構成されており、開口部(円形平面)上に非周期的に充填配列されている。
最小単位のピンウィールタイル12内には、たとえば、8個の素子アンテナ7が任意に配置されている。
また、図2においては、1つのピンウィールタイル12内の素子アンテナ7の配置数を「8」とした例を示したが、これに限定されることはなく、ピンウィールタイル12内に配置される素子アンテナ7の数(以下、「素子数」という)は任意に設定され得る。
非周期アレーアンテナ装置1の素子アンテナ7の配列は、図3の処理によって決定される。
すべての素子アンテナ7がオン状態にある非周期アレーアンテナ10から、選択的に素子アンテナ7をオフすることにより、残された有効な素子アンテナ7の配列を決定する。
また、図5はステップST2による角度方向分割領域の分割処理を示す説明図であり、図6はステップST3による分割領域内の素子アンテナのオフ処理(間引き処理)を示す説明図である。
図5において、横軸は、各分割線K1〜KNにより分割された分割領域Y1〜YNの各区間を示しており、縦軸は、振幅A0〜ANおよび振幅平均値X1〜XNを示している。
各振幅平均値X1〜XNは、黒丸点のレベルに対応しており、たとえば分割領域YN内においては、振幅AN−1〜ANから振幅平均値XNが求められる。
すなわち、最初に、分割領域Yiを角度方向にMi等分割した分割領域Q内で間引き処理を行い、素子配列が決定しない場合には、分割領域YiをPi等分割(Pi<Mi)した分割領域Q’内で間引き処理を行い、さらに素子配列が決定しない場合には、分割領域YiをPi’等分割(Pi’<Pi)した分割領域Q”内で間引き処理を行う状態を示している。
なお、ステップST11に戻った最の再分割時には、任意の分割数Nを前回値よりも小さい値にして分割領域Yiを拡大設定する。
まず、ステップST2内のステップST21において、分割領域Yiの振幅平均値Xi(図5参照)それぞれ求める。
=Ii−Ii・a1(Xi/X1) ・・・(5)
続いて、ステップST32においては、分割領域Q内からランダムに1つの素子アンテナ7をオフ操作して間引き処理を行う。
図7においては、一例として、半径方向の分割数Nを「12」とし、すべての素子アンテナ7がオン状態の非周期アレーアンテナ10(図2参照)の素子アンテナ7の数nを「1400」とした場合を示している。
図7において、有効な素子アンテナ7の配列は、非周期的に分布することになり、かつ、開口部の中心部では素子密度が高く、外周部では素子密度が低くなるように分布する。
図8においては、解析した基本周波数f0を3[GHz]とし、放射パターンは、基本周波数f0と基本周波数の2倍の周波数2f0とで解析した結果である。
図8の放射パターンから分かるように、カット面において約−30[dB]の低いサイドローブレベルを得ることができる。
この発明の実施の形態1(図1〜図7)に係る非周期アレーアンテナ装置1によれば、図8の性能を有する素子配列を実現可能なことが分かる。
複数の送受信モジュール2の各々は、給電回路9に接続された移相器3と、移相器3と個別の素子アンテナ7との間に介在された送信用増幅器4および受信用増幅器5と、を備えている。
また、給電回路9は、複数の素子アンテナ7のオン/オフ処理によって実質的な配列を決定するための演算処理部9Aを備えている。
この場合、素子アンテナのオン/オフ制御は不要になり、あらかじめ算出したオフ制御の位置の素子アンテナを取り除くことができるので、低コスト化/軽量化を図りつつ、グレーティングローブの抑圧および低サイドローブ化を実現することができる。
なお、上記実施の形態1(図1〜図8)では、同心円状に12分割してサイドローブレベルが−25[dB]の円形テイラー分布の設定について説明したが、同心円状の分割数Nや、角度方向の分割数Miは、テイラー分布での所望のサイドローブレベルによって可変設定することができる。
また、ここでは、円形開口の例を示したが、この開口形状に限定されることはなく、長方形開口、楕円開口、多角形開口などの任意の開口形状であってもよい。
図9においては、半径方向の分割数Nを「6」とし、素子アンテナ7をオフ操作(間引き処理)する前の非周期アレーアンテナ10の素子数nを「1400」とし、素子アンテナ7の数を決定するテイラー分布を、前述と同様のサイドローブレベル−35[dB]の「円形テイラー分布」とした場合を示している。
図10においては、解析した基本周波数f0を3[GHz]とし、放射パターンは、基本周波数f0および基本周波数の2倍の周波数2f0で解析した結果を示している。
また、図9から明らかなように、この場合、前述(図7)と比べて、実質的に有効な素子アンテナ7の数が少なくて済むので、消費電力を軽減することもできる。
なお、上記実施の形態1(図2)では、ピンウィールタイル11、12を用いて配置された非周期アレーアンテナ10に対してオフ操作(間引き処理)を実行したが、他のタイルを用いた非周期アレーアンテナに適用してもよい。
Claims (3)
- RF信号が入出力される給電回路と、
前記給電回路に接続された複数の送受信モジュールと、
前記複数の送受信モジュールに個別に接続され、各々が非周期的に配列された複数の素子アンテナからなる非周期アレーアンテナと、により構成され、
前記複数の送受信モジュールの各々は、
前記給電回路に接続された移相器と、
前記移相器と前記個別の素子アンテナとの間に介在された送信用増幅器および受信用増幅器と、
を備えた非周期アレーアンテナ装置において、
複数の素子アンテナを間引く手段として、
非周期的に配列された前記非周期アレーアンテナの開口を、N個の分割線K1〜KNにより半径方向に等分割して、前記分割線の各隣接区間からなるN個の分割領域Y1〜YNの各々に少なくとも1つの素子アンテナが存在するように前記分割領域を設定する半径方向分割手段と、
前記分割領域Yi(i=1、2、・・・、N)に存在する素子数Iiと前記分割領域の面積Siとの比を用いて、前記分割領域の素子密度aiを、以下の式、
ai=Ii/Si
により求める素子密度算出手段と、
前記分割領域の素子密度aiの比が、前記分割領域の中心領域の振幅平均値X1で正規化した分割領域ごとの振幅平均値Xiの比と一致するように、前記分割領域Y1内で間引きする素子アンテナの数を、間引き素子数Miとして、以下の式、
Mi=Ii−Ii・a1(Xi/X1)
により求める間引き素子数算出手段と、
算出された前記間引き素子数Miが整数でない場合には、4捨5入により間引き素子数Miを整数にする整数化手段と、
整数化された間引き素子数Miを用いて、前記分割領域Yiを角度方向にMi等分割して分割領域Qを設定する角度方向分割手段と、
前記分割領域Q内からランダムに1つの素子アンテナを間引き操作する間引き処理手段と、
前記分割領域Q内に、間引き操作が可能な素子アンテナが存在しない領域がある場合には、素子アンテナが存在しない領域の数Piを用いて再び角度方向にPi等分割し、前記間引き処理手段により、Pi等分割された分割領域Q’の中からランダムに1つの素子アンテナを間引き操作し、前記分割領域QまたはQ’内に、間引き操作が可能な素子アンテナが存在しない領域がなくなるまで、前記間引き処理手段の処理を繰り返し実行する素子配列決定手段により、
間引く素子アンテナを決定することを特徴とする非周期アレーアンテナ装置。 - RF信号が入出力される給電回路と、
前記給電回路に接続された複数の送受信モジュールと、
前記複数の送受信モジュールに個別に接続され、各々が非周期的に配列された複数の素子アンテナからなる非周期アレーアンテナと、により構成され、
前記複数の送受信モジュールの各々は、
前記給電回路に接続された移相器と、
前記移相器と前記個別の素子アンテナとの間に介在された送信用増幅器および受信用増幅器と、
を備えた非周期アレーアンテナ装置において、
前記給電回路は、前記複数の素子アンテナのオン/オフ処理によって実質的な配列を決定するための演算処理部を備え、
前記演算処理部は、
非周期的に配列された前記非周期アレーアンテナの開口を、N個の分割線K1〜KNにより半径方向に等分割して、前記分割線の各隣接区間からなるN個の分割領域Y1〜YNの各々に少なくとも1つの素子アンテナが存在するように前記分割領域を設定する半径方向分割手段と、
前記分割領域Yi(i=1、2、・・・、N)に存在する素子数Iiと前記分割領域の面積Siとの比を用いて、前記分割領域の素子密度aiを、以下の式、
ai=Ii/Si
により求める素子密度算出手段と、
前記分割領域の素子密度aiの比が、前記分割領域の中心領域の振幅平均値X1で正規化した分割領域ごとの振幅平均値Xiの比と一致するように、前記分割領域Y1内でオフする素子アンテナの数を、オフ素子数Miとして、以下の式、
Mi=Ii−Ii・a1(Xi/X1)
により求めるオフ素子数算出手段と、
算出された前記オフ素子数Miが整数でない場合には、4捨5入によりオフ素子数Miを整数にする整数化手段と、
整数化されたオフ素子数Miを用いて、前記分割領域Yiを角度方向にMi等分割して分割領域Qを設定する角度方向分割手段と、
前記分割領域Q内からランダムに1つの素子アンテナをオフ操作する間引き処理手段と、
前記分割領域Q内に、オフ操作が可能な素子アンテナが存在しない領域がある場合には、素子アンテナが存在しない領域の数Piを用いて再び角度方向にPi等分割し、前記間引き処理手段により、Pi等分割された分割領域Q’の中からランダムに1つの素子アンテナをオフ操作し、前記分割領域QまたはQ’内に、オフ操作が可能な素子アンテナが存在しない領域がなくなるまで、前記間引き処理手段の処理を繰り返し実行する素子配列決定手段と、
を含むことを特徴とする非周期アレーアンテナ装置。 - 前記複数の素子アンテナは、ピンウィールタイル、ダイアモンドタイル、またはペンローズタイルのいずれかを用いて、非周期的に配列されたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の非周期アレーアンテナ装置。
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