JP2013029348A - Antenna measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、直線または平面上に等間隔で配列された放射素子アンテナと各放射素子アンテナにつながれた移相器からなるフェーズドアレーアンテナにおいて、アレーアンテナの励振振幅及び位相分布を測定するアンテナ測定法に関する。 The present invention relates to an antenna measurement method for measuring the excitation amplitude and phase distribution of an array antenna in a phased array antenna comprising a radiating element antenna arranged on a straight line or a plane at equal intervals and a phase shifter connected to each radiating element antenna. About.
フェーズドアレーアンテナは、直線または平面上に配列された放射素子アンテナを移相器により所望の励振振幅・位相で励振することで、所望のビーム形状、サイドローブ形状を得る。フェーズドアレーアンテナは、通信装置またはレーダー装置において広く用いられている。 The phased array antenna obtains a desired beam shape and sidelobe shape by exciting radiating element antennas arranged in a straight line or a plane with a desired excitation amplitude and phase by a phase shifter. Phased array antennas are widely used in communication devices or radar devices.
しかしながら、実際に製造したフェーズドアレーアンテナは給電回路、移相器、素子アンテナ等の製造誤差、または素子アンテナ間の相互結合の影響により、所望の励振振幅・位相からずれてしまい、ビーム形状の変動、利得の低下またはサイドローブの上昇等の問題が生じる。 However, the phased array antenna actually manufactured deviates from the desired excitation amplitude and phase due to the manufacturing error of the feeding circuit, phase shifter, element antenna, etc., or the mutual coupling between the element antennas, resulting in fluctuations in the beam shape. Problems such as a decrease in gain or an increase in side lobe occur.
従ってフェーズドアレーアンテナの試験調整において、実際の励振振幅・位相分布を知る必要があり、そのようなフェーズドアレーアンテナの励振振幅及び位相分布の測定方法として、特許文献１に示す従来技術があった。
Therefore, it is necessary to know the actual excitation amplitude and phase distribution in the test adjustment of the phased array antenna. As a method for measuring the excitation amplitude and the phase distribution of such a phased array antenna, there is a conventional technique disclosed in
従来のフェーズドアレーアンテナにおける励振振幅・位相分布の測定方法は、各素子アンテナの位相を変化させて、合成電力レベルの変化を測定し、位相変化に対するｃｏｓｉｎｅカーブ（余弦曲線）状のレベル変化を求め、求めたレベル変化のデータを処理することより、最大／最小比ｒ及び最大点Δｐを求めている。これらの求められたｒとΔｐを用いて所定の計算を行うことで、位相変化させた素子アンテナの相対振幅、位相が決定されることになる。初期設定を同じにして全ての素子アンテナについて同様の測定とデータ処理と計算をくり返し行なえば、全ての素子アンテナの相対振幅、位相を知ることができる。 The measurement method of excitation amplitude and phase distribution in the conventional phased array antenna is to measure the change of the combined power level by changing the phase of each element antenna and obtain the level change in the shape of a cosine curve (cosine curve) with respect to the phase change. The maximum / minimum ratio r and the maximum point Δp are obtained by processing the obtained level change data. By performing a predetermined calculation using these determined r and Δp, the relative amplitude and phase of the element antenna whose phase has been changed are determined. By repeating the same measurement, data processing and calculation for all element antennas with the same initial settings, the relative amplitudes and phases of all element antennas can be known.
しかしながら、フェーズドアレーアンテナにおける所定のビーム形成、ビーム走査を行うための通常の制御回路とは別に、励振振幅・位相分布の測定時に各素子アンテナの位相を変化させるための試験用の制御回路や、制御コマンド及びプログラムを用意する必要があるので、試験準備に手間がかかり、時間を要するという問題があった。 However, apart from the normal control circuit for performing predetermined beam formation and beam scanning in the phased array antenna, a test control circuit for changing the phase of each element antenna when measuring the excitation amplitude and phase distribution, Since it is necessary to prepare control commands and programs, there is a problem that it takes time and effort to prepare for the test.
また、素子アンテナの位相を変化させた場合の初期位相により解の選択が変化するため、測定振幅と電力分配器の設計上の電力分配比との対応を取って計測を行うことや、あるいは初期設定の位相分布を変えて、もう一度全ての素子アンテナについて励振振幅・位相分布の測定を行ない、１回目の結果と比較して同じものを解とする等、アレーアンテナの特性に応じた試験方法の調整及び最適化が必要であり、試験準備に時間を必要とした。 In addition, since the selection of the solution changes depending on the initial phase when the phase of the element antenna is changed, measurement is performed by taking the correspondence between the measurement amplitude and the power distribution ratio in the design of the power distributor, or in the initial stage. Change the set phase distribution, measure the excitation amplitude and phase distribution for all the element antennas once again, and make the same solution as the first result. Adjustment and optimization were required and time was required for test preparation.
この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、フェーズドアレーアンテナにおける励振振幅及び位相分布の測定時に、試験準備に要する手間を省くことのできる、アンテナ測定法を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to obtain an antenna measurement method that can save labor required for test preparation when measuring excitation amplitude and phase distribution in a phased array antenna. .
この発明によるアンテナ測定法は、直線または平面上に等間隔で配列された放射素子アンテナと、各放射素子アンテナに接続された移相器からなるフェーズドアレーアンテナの励振振幅及び位相分布を測定するアンテナ測定法において、
フェーズドアレーアンテナをビーム走査する方向をθ0とし、θ0を変化させてアンテナ正面のピックアップアンテナで受信した信号をＦ（θ0）とした場合、可視領域−ｋ≦ｕ≦ｋの放射パターンを−Ｍｋ≦ｕ≦Ｍｋ（Ｍは励振振幅、位相の解析精度を決めるパラメータである自然数）の不可視領域まで伸長した上で、式１により逆フーリエ変換を行なうことによって、励振振幅及び位相分布Ｅ（ｘ）を求めるアンテナ測定法。
The antenna measurement method according to the present invention is an antenna for measuring the excitation amplitude and phase distribution of a phased array antenna comprising a radiating element antenna arranged at equal intervals on a straight line or a plane, and a phase shifter connected to each radiating element antenna. In the measurement method,
When the beam scanning direction of the phased array antenna is θ 0 and θ 0 is changed and the signal received by the pickup antenna in front of the antenna is F (θ 0 ), the radiation pattern in the visible region −k ≦ u ≦ k is -Mk.ltoreq.u.ltoreq.Mk (M is a natural number that is a parameter that determines the accuracy of analysis of excitation amplitude and phase), and the inverse Fourier transform is performed by
この発明に係るアンテナ測定法によれば、ビーム形成、ビーム走査用のコマンドのみで励振振幅，位相を測定することが可能となり、試験準備の手間を省くことができる。また、素子アンテナの相対振幅、位相の解が一義的に求められるため、試験方法の調整・最適化が不要であり、試験準備時間の短縮が可能となる。 According to the antenna measurement method according to the present invention, it is possible to measure the excitation amplitude and phase with only the commands for beam forming and beam scanning, and it is possible to save labor for test preparation. In addition, since the solutions of the relative amplitude and phase of the element antenna are uniquely determined, it is not necessary to adjust and optimize the test method, and the test preparation time can be shortened.
実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１のアレーアンテナの開口分布を測定するアンテナ測定法について説明する。図１において、実施の形態１による、フェーズドアレーアンテナの励振振幅及び位相分布を測定するアレーアンテナの測定法は、アレーアンテナ１と、アレーアンテナ１のアンテナ正面に設けられたピックアップアンテナ５を用いて測定が行われる。アレーアンテナ１は、複数の放射素子アンテナ２と、各放射素子アンテナ２に接続された移相器３、各移相器につながれ、移相器を制御する制御器４からなる。ピックアップアンテナ５で受信された信号は信号解析用の受信器６に送られ、受信器６にて測定された受信信号を基に放射パターンの解析を行う。
Hereinafter, an antenna measurement method for measuring the aperture distribution of the array antenna according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 1, the array antenna measurement method for measuring the excitation amplitude and phase distribution of a phased array antenna according to
図１において、ｇｎ(θ)は放射素子アンテナｎの素子パターン、F（θ）はアレーアンテナの放射パターン、ｄは素子間隔を示している。このようなアレーアンテナ１の放射パターンF（θ）は、次式で表される。
In FIG. 1, g n (θ) is the element pattern of the radiating element antenna n, F (θ) is the radiation pattern of the array antenna, and d is the element spacing. Such a radiation pattern F (θ) of the
ここで、Ｎは素子数、Ａｎは素子ｎの複素励振分布、ｋは波数である。制御器４にて式２においてθ0方向にビームを走査した場合は、アレーアンテナ１の放射パターンは次式で表される。
Here, N is the number of elements, An is the complex excitation distribution of element n, and k is the wave number. When the controller 4 scans the beam in the θ 0 direction in
式３で表される放射パターンをアンテナ正面に置かれたピップアップアンテナ５で受信すると、θ=０のため、アレーアンテナ１の放射パターンは次式で表される。
When the radiation pattern represented by Equation 3 is received by the pip-
ここで、ｇｎ（０）は全ての放射素子アンテナが同一方式であれば、すべて等しい。従ってこれは、素子ｎの複素励振分布Ａｎに含めて考えて良い。式４より、フェーズドアレーアンテナで連続的にビーム走査を行い、アンテナ正面に置かれたピックアップアンテナでＲＦ信号を受信した場合、その受信信号は正面方向における励振振幅位相を離散フーリエ変換したものに等しいことがわかる。 Here, g n (0) is all equal if all the radiating element antennas are of the same type. Therefore, this may be included in the complex excitation distribution An of the element n. From Equation 4, when a beam scan is continuously performed with a phased array antenna and an RF signal is received with a pickup antenna placed in front of the antenna, the received signal is equal to a discrete Fourier transform of the excitation amplitude phase in the front direction. I understand that.
離散フーリエ変換と通常のフーリエ変換の関係から、これを連続波源の形に改めると、次式のようになる。 From the relationship between the discrete Fourier transform and the normal Fourier transform, when this is changed to the form of a continuous wave source, the following equation is obtained.
ここで、Ｌはアレーアンテナ１の長さであり、Ｅ（ｘ）はアレー素子位置ではｇn（０）を含んだアレーアンテナ１の励振振幅、位相の複素表示であり、それ以外は０となる関数である。式５から、放射パターンからＥ（ｘ）を求めると、次式となる
Here, L is the length of the
式６は、例えば時間軸波形のフーリエ変換により、周波数スペクトルを求める式と同様である。しかし、アレーアンテナの場合、素子波源が離散的に分布しているため、励振振幅、位相分布の逆フーリエ変換は周期性を有する無限連続する関数となり、そのうち可視領域と呼ばれる一部のみが実測された放射パターンとして測定される。そのため、実測したアレーアンテナの放射パターンを逆フーリエ変換しても、可視領域端での不連続が生じ、正確な励振振幅、位相を求めることが難しい。
そこで実施の形態１によるアンテナ測定法では、受信器６において測定した可視領域-ｋ≦ｕ≦ｋの放射パターンを用いて、次７、８に基づいて、Ｆａ（ｕ）を−Ｍｋ≦ｕ≦Ｍｋ（Ｍは励振振幅、位相の解析精度を決めるパラメータである自然数）の範囲の不可視領域まで伸長した上で逆フーリエ変換することで、可視領域端での不連続を除去する。
Therefore, in the antenna measurement method according to the first embodiment, Fa (u) is set to −Mk ≦ u ≦ based on the following 7 and 8, using the radiation pattern of the visible region −k ≦ u ≦ k measured in the
式８のＦａ’（ｕ）を用いて、次式９のように逆フーリエ変換することで各素子アンテナの励振振幅、位相を求める。 The excitation amplitude and phase of each element antenna are obtained by performing inverse Fourier transform as shown in the following expression 9 using Fa ′ (u) of expression 8.
上記のように実施の形態１によるアンテナ測定法は、制御器４がフェーズドアレーアンテナのビーム形成、ビーム走査機能のみを有していれば、各素子アンテナ２の位相を変化させる制御を行うための特別な試験用制御回路を設けなくとも、各素子アンテナ２の励振振幅及び位相を測定することが可能である。また、式９を用いて、各素子アンテナ２の励振振幅及び位相の解が一義的に求められるため、試験方法の調整及び最適化が不要となり、試験準備時間の短縮が可能である。
As described above, the antenna measurement method according to the first embodiment is for performing control to change the phase of each
また、上記説明では、１次元に素子アンテナを配列したリニアアレーアンテナについて説明したが、素子アンテナを平面上に２次元配列したプラナーアレーアンテナにおいても、式８が２次元フーリエ変換となるだけで同様に励振振幅、位相を測定可能である。 In the above description, the linear array antenna in which the element antennas are arranged one-dimensionally has been described. However, in the planar array antenna in which the element antennas are two-dimensionally arranged on the plane, the same is true except that Equation 8 is a two-dimensional Fourier transform. The excitation amplitude and phase can be measured.
また、上記説明では、ピックアップアンテナはフェーズドアレーアンテナ１の正面としたが、他の方向であっても、角度差による位相差分を補正する必要があるだけで、同様な測定が可能である。
In the above description, the pickup antenna is the front surface of the
１ フェーズドアレーアンテナ、２ 素子アンテナ、３ 移相器、４ 制御器、５ ピックアップアンテナ、６ 受信器 1 phased array antenna, 2 element antenna, 3 phase shifter, 4 controller, 5 pickup antenna, 6 receiver
Claims (1)
フェーズドアレーアンテナをビーム走査する方向をθ0とし、θ0を変化させてアンテナ正面のピックアップアンテナで受信した信号をＦ（θ0）とした場合、可視領域−ｋ≦ｕ≦ｋの放射パターンを−Ｍｋ≦ｕ≦Ｍｋ（Ｍは励振振幅、位相の解析精度を決めるパラメータである自然数）の不可視領域まで伸長した上で、式１により逆フーリエ変換を行なうことによって、励振振幅及び位相分布Ｅ（ｘ）を求めるアンテナ測定法。
When the beam scanning direction of the phased array antenna is θ 0 and θ 0 is changed and the signal received by the pickup antenna in front of the antenna is F (θ 0 ), the radiation pattern in the visible region −k ≦ u ≦ k is -Mk.ltoreq.u.ltoreq.Mk (M is a natural number that is a parameter that determines the accuracy of analysis of excitation amplitude and phase), and the inverse Fourier transform is performed by Equation 1 to obtain the excitation amplitude and phase distribution E ( Antenna measurement method for obtaining x).
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