JP2014173932A

JP2014173932A - アンテナ装置

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Publication number: JP2014173932A
Application number: JP2013045376A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nishioka; 泰弘西岡; Yasushi Tanaka; 泰田中; Yoshio Inasawa; 良夫稲沢; Tsuyoshi Yamamoto; 剛司山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: JP6292758B2

Abstract

【課題】到来波の到来方向のＲＣＳを低減するアンテナ装置を提供する。
【解決手段】演算部１４において推定された到来波１の周波数および到来方向に応じて、インピーダンス可変回路３のインピーダンス値を制御する制御部２１を備えた。
よって、制御部２１による制御を、アンテナ２において、到来波１の到来方向のＲＣＳが最小となるようにインピーダンス可変回路３のインピーダンス値を制御することにより、到来波１の到来方向のＲＣＳを低減するアンテナ装置を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置のステルス化技術に関する。

近年、所望物体をレーダに探知されにくくするステルス技術の研究開発が活発になされており、アンテナにおいても、ステルス化、即ち、レーダ断面積（Radar Cross Section；以下、ＲＣＳと略す）を低減する低ＲＣＳ化が重要な課題となっている。
ＲＣＳとは、電波に対し、どれだけのステルス性を持っているかを表す指針である。
この値が小さければ小さいほど、レーダに探知される距離が短くなる。

レーダには、１つのアンテナを送信／受信で共用するモノスタティックレーダと、送信アンテナと受信アンテナの位置が非常に離れているバイスタティックレーダがあるが、実用されているレーダのほとんどはモノスタティックである。
従って、モノスタティックレーダに対するＲＣＳの低減、即ち、到来波の方向への散乱波を低減することが最優先課題である。

アンテナのＲＣＳは、アンテナに接続される電気回路の特性（以下、終端条件と称する）に大きく依存することが知られている。
このことを筆者らが実際に実験して確かめた例を図４に示す。
図４は、アレーアンテナの終端インピーダンスをＺ＝Ｚ１とした場合と、Ｚ＝Ｚ２にした場合の、ＲＣＳパターン測定結果の比較を示している。
横軸は到来波の到来方向および散乱波の散乱方向であり、縦軸はＲＣＳである。
図４の結果からわかるように、アンテナの終端インピーダンスが変化することによって、ＲＣＳパターンが大幅に変化し、ＲＣＳが増大する角度範囲とＲＣＳが低下する角度範囲があることがわかる。
つまり、ＲＣＳを最小にするための終端条件最適値は、方向によって異なることを意味している。

図５は、下記特許文献１に示されたアンテナ装置である。
図５では、時間的に、送信モード、受信モード、および待機モード（送信／受信を行わないモード）の３つのモードに時分割し、各モードに応じて終端条件（可変インピーダンス部のインピーダンス特性）を切換え、アンテナのＲＣＳ特性を制御している。
この場合、待機モードではＲＣＳが低くなるように、可変インピーダンス部のインピーダンス特性を設定し、送信および受信モードでは可変インピーダンス部における通過損失が零となるように、インピーダンス特性を設定すれば、送受信性能を損なわずに、待機モードにおいて、低ＲＣＳ化を図ることが可能となる。
しかしながら、送信および受信モードにおいては、低ＲＣＳ化を達成することができない。
さらに、前述したように、ＲＣＳを最小にするための終端条件の最適値は、方向に依存するが、図５に示した方法では、到来波の到来方向がわからないため、到来方向のＲＣＳを低減することができない。

ＵＳ７２０２８０７Ｂ２

R. O. Schmidt,"Multiple emitter location and signal parameter estimation,"IEEE Trans.Antennas Propagat., vol. AP-34, no. 3, pp. 276-280, Mar. 1986. R. Roy and T. Kailath,"ESPRIT−estimation of signal parameters via rotational invariance techniques,"IEEE Trans. Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 37, no. 7, pp. 984-995, July 1989.

従来のアンテナ装置は以上のように構成されているので、到来波の到来方向のＲＣＳを低減することができない課題があった。

本発明は、到来波の到来方向のＲＣＳを低減するアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、アンテナに接続された第１のインピーダンス可変回路と、第１のインピーダンス可変回路に接続され、送信および／または受信を行う送／受信機と、アレーアンテナを通じて到来波の受信を行う受信機と、受信機によるアナログ受信信号をデジタル受信信号に変換するアナログ／デジタル変換器と、デジタル受信信号に応じて、到来波の周波数および到来方向を推定する演算部と、推定された到来波の周波数および到来方向に応じて、第１のインピーダンス可変回路のインピーダンス値を制御する制御部とを備えた。

本発明によれば、推定された到来波の周波数および到来方向に応じて、第１のインピーダンス可変回路のインピーダンス値を制御する制御部を備えた。
よって、到来波の到来方向のＲＣＳを低減するアンテナ装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示すブロック構成図である。インピーダンス可変回路の詳細を示す回路図である。本発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示すブロック構成図である。従来のアンテナの終端インピーダンスを変更した場合のＲＣＳパターン測定結果を示す説明図である。従来のアンテナ装置を示すブロック構成図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は本発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示すブロック構成図である。
図１において、１は到来波、２はアンテナ、３はインピーダンス可変回路、４は送信および／あるいは受信を行う送／受信機である。

１１は２つ以上のアンテナ素子を有するアレーアンテナ、１２は受信機、１３はアナログ受信信号をデジタル受信信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。
１４はデジタル受信信号をデジタル信号処理して、到来波１の周波数および到来方向を推定する演算部である。
２１は推定された到来波の周波数および到来方向に応じて、インピーダンス可変回路３のインピーダンス値を制御する制御部である。
３１は到来波１の周波数に応じた伝達信号、３２は到来波１の到来方向に応じた伝達信号、３３はインピーダンス値を制御する制御信号である。
４１はすべてのコンポーネントが設置される構造物である。

なお、図１の例では、アンテナ装置の構成要素であるインピーダンス可変回路３、送／受信機４、受信機１２、Ａ／Ｄ変換器１３、演算部１４、および制御部２１は、例えば、マイコン等を実装している半導体回路基板等のハードウエアで構成されていることを想定している。

次に、動作について説明する。
到来波１を受信したアレーアンテナ１１は、伝送線路を介して、受信信号を受信機１２に伝達する。
そして、受信信号は、受信機１２からＡ／Ｄ変換器１３に伝達される。
Ａ／Ｄ変換器１３は、受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
デジタル信号に変換された受信信号は、演算部１４に入力される。

演算部１４は、デジタル受信信号を高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform；以下ＦＦＴと略す）して、到来波１の周波数スペクトルを分析し、到来波１の周波数を推定する。
また、演算部１４は、所定のアルゴリズムに従ってデジタル受信信号を処理し、到来波１の到来方向を推定する。
到来方向を推定するアルゴリズムには、例えば、前記非特許文献１で提案されているＭＵＳＩＣ法や、前記非特許文献２で提案されているＥＳＰＲＩＴ法などを用いることができる。
演算部１４で推定された到来波１の周波数と到来方向は、伝達信号３１，３２により制御部２１に伝達される。

制御部２１は、周波数と到来方向に応じた、構造物４１を含めたアンテナ２のＲＣＳを最も低減するインピーダンス可変回路３の設定インピーダンス値を記憶したメモリ（データベース）を具備している。
図１では、データベースを、仰角（θ）方向をθ１〜θ３の３つの範囲に分割し、方位角（φ）方向をφ１〜φ３の３つの範囲に分割した場合の、Ｎ（１，２，・・・，Ｎ）個の周波数帯（Ｂａｎｄ）における設定値を示している。
Ａ〜Ｉは制御信号の種類、例えば、制御電圧値を表す。

アンテナ２と構造物４１は既知であるので、運用前に、測定および／あるいは電磁界解析を行うことによって、アンテナの終端条件とＲＳＣパターンとの関係を知ることができ、これに基づいて、データベースを作成することができる。

演算部１４から伝達された周波数と到来方向に基づいて、制御部２１は、データベースの中から該当する設定インピーダンス値を選択し、それに対応した制御信号３３をインピーダンス可変回路３に印加する。
これにより、インピーダンス可変回路３のインピーダンス値は、到来方向のＲＣＳが最小となる値に切り替わる。

インピーダンス可変回路３の構成としては、例えば、図２に示す構成が考えられる。
図２（ａ）のものは、インピーダンス可変回路素子Ｚを３つ用いたπ型のインピーダンス可変回路である。
インピーダンス可変回路素子Ｚとしては、可変インダクタや可変容量ダイオード（バラクタ）などを用いることができる。

３つのインピーダンス可変回路素子Ｚの配置は、π型に限定されるものではなく、図２（ｂ）に示すように、Ｔ型であっても、同様の効果を得ることができる。
本構成とすることにより、インピーダンス可変回路３のインピーダンス値を自在に制御することが可能となるため、アンテナ２からの再放射波の振幅と位相を自在に制御することができ、その結果、到来方向への散乱波を最小にすることが可能となる。

前述のようにインピーダンス可変回路素子Ｚを用いてインピーダンス可変回路３を構成した場合、インピーダンス可変回路素子Ｚの性能により、インピーダンス可変範囲が限定される場合がある。
また、効果を奏する周波数範囲も限定される場合がある。
これを改善する他のインピーダンス可変回路３の構成としては、例えば、図２（ｃ）に示す構成が考えられる。
本構成は、途中に移相器Ｐ／Ｓｎ（１，２，・・・，ｎ）が挿入された特性インピーダンスが各々相違する複数の伝送線路Ｚｎと、複数の伝送線路Ｚｎの両端に設けられ、複数の伝送線路Ｚｎのうちのいずれかの伝送線路Ｚｎを切換選択するスイッチＳＰｎＴとで構成される。
本構成とすることにより、適用可能なインピーダンス範囲や周波数範囲を広げることが可能となる。

以上に述べた原理により、到来方向へのＲＣＳを最小にすることが可能となる。
また、到来波の到来方向が時間的に変化しても、それに追従して、常に到来方向へのＲＣＳを最小に保つことが可能となる。
なお、図１においては、アンテナ２は、１素子から成るものとして例示しているが、複数の素子から成るアレーアンテナであっても、同様の効果が得られる。

以上のように、本実施の形態１によれば、推定された到来波１の周波数および到来方向に応じて、インピーダンス可変回路３のインピーダンス値を制御する制御部２１を備えた。
よって、制御部２１による制御を、アンテナ２において、到来波１の到来方向のＲＣＳが最小となるようにインピーダンス可変回路３のインピーダンス値を制御することにより、到来波１の到来方向のＲＣＳを低減するアンテナ装置を得ることができる。

また、本実施の形態１によれば、インピーダンス可変回路３をπ型回路で構成した。
よって、インピーダンス可変回路３のインピーダンス値を自在に制御することが可能となるため、アンテナ２からの再放射波の振幅と位相を自在に制御することができ、その結果、到来方向への散乱波を最小にすることができる。

さらに、本実施の形態１によれば、インピーダンス可変回路３をＴ型回路で構成した。
よって、インピーダンス可変回路３のインピーダンス値を自在に制御することが可能となるため、アンテナ２からの再放射波の振幅と位相を自在に制御することができ、その結果、到来方向への散乱波を最小にすることができる。

さらに、本実施の形態１によれば、インピーダンス可変回路３を、途中に移相器Ｐ／Ｓｎ（１，２，・・・，ｎ）が挿入された特性インピーダンスが各々相違する複数の伝送線路Ｚｎと、複数の伝送線路Ｚｎの両端に設けられ、複数の伝送線路Ｚｎのうちのいずれかの伝送線路Ｚｎを切換選択するスイッチＳＰｎＴとで構成した。
よって、適用可能なインピーダンス範囲や周波数範囲を広げることができる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示すブロック構成図であり、前述と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
図３において、５１ａ〜５１ｎはそれぞれ、アレーアンテナ１１を構成するｎ個のアンテナ素子と受信機１２とを接続するｎ本の伝送線路に挿入されたｎ個のインピーダンス可変回路である。
２２は演算部１４において推定された到来波の周波数および到来方向に応じて、インピーダンス可変回路３のインピーダンス値に加え、インピーダンス可変回路５１ａ〜５１ｎのインピーダンス値を制御する制御部である。
３４は制御部２２からインピーダンス可変回路５１ａ〜５１ｎに印加する制御信号である。

次に、動作について説明する。
前述した実施の形態１では、到来電波方向に対するアンテナ２のＲＣＳを最小にすることができるが、到来方向を検知するためのアレーアンテナ１１のＲＣＳを低減することはできない。
そこで、アンテナ２と同様の対策をアレーアンテナ１１にも講じる。

即ち、アレーアンテナ１１と受信機１２との間にインピーダンス可変回路５１ａ〜５１ｎを挿入すると共に、制御部２２が具備するデータベースに、周波数と到来方向に応じてアレーアンテナ１１のＲＣＳを最も低減するインピーダンス可変回路５１ａ〜５１ｎの設定インピーダンス値を記憶させておく。
そして、演算部１４で推定された到来波１の周波数の伝達信号３１と到来方向の伝達信号３２に対応する制御信号３４をインピーダンス可変回路５１ａ〜５１ｎに印加する。
こうすることにより、アレーアンテナ１１のＲＣＳもまた、到来方向に対して最小となるように制御することが可能となる。

なお、インピーダンス可変回路３の具体例として、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示した構成を適用したが、インピーダンス可変回路５１ａ〜５１ｎの具体例として、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示した構成を適用してもよい。

以上のように、本実施の形態２によれば、推定された到来波１の周波数および到来方向に応じて、インピーダンス可変回路３のインピーダンス値に加え、インピーダンス可変回路５１ａ〜５１ｎのインピーダンス値を制御する制御部２２を備えた。
よって、制御部２２による制御を、アンテナ２およびアレーアンテナ１１において、到来波１の到来方向のＲＣＳが最小となるようにインピーダンス可変回路３およびインピーダンス可変回路５１ａ〜５１ｎのインピーダンス値を制御することにより、アンテナ２およびアレーアンテナ１１における到来波１の到来方向のＲＣＳを低減するアンテナ装置を得ることができる。

実施の形態３．
前記実施の形態１および前記実施の形態２では、到来波１の到来方向が一方向の場合であった。
到来波１が複数の方向から到来する場合には、複数の到来方向に対して平均的にＲＣＳを低減するようなインピーダンス値を制御部２１，２２のメモリに記憶させておけばよい。
こうすることにより、複数の到来方向に対しても、ＲＣＳを低減することが可能となる。

以上のように、本実施の形態３によれば、制御部２１，２２を、到来波１が複数の方向から到来する場合に、アンテナ２およびアレーアンテナ１１において、複数の到来方向に対して平均的にＲＣＳが低減されるようにインピーダンス可変回路３，５１ａ〜５１ｎのインピーダンス値を制御するようにした。
よって、到来波１が複数の方向から到来する場合にも、複数の到来方向に対してＲＣＳを低減することができる。

実施の形態４．
前記実施の形態３では、多くの到来波方向に対応する場合、制御部２１，２２のメモリに記憶させておくインピーダンス値のメモリ容量が膨大となる課題がある。
また、到来波方向の組合せは無限にある。
従って、事実上、いくつかの限られた到来波方向に対してしかＲＣＳを低減できない。

そこで、推定した各々の到来方向に対応するＲＣＳ低減インピーダンス値を、時間的に順次、切換えるようにする。
こうすることにより、複数の到来波方向に対して時間平均的にＲＣＳを低減することが可能となる。

以上のように、本実施の形態４によれば、制御部２１，２２を、到来波１が複数の方向から到来する場合に、アンテナ２およびアレーアンテナ１１において、各々の到来波の到来方向のＲＣＳが低減されるようにインピーダンス可変回路３，５１ａ〜５１ｎのインピーダンス値を時間的に切換え制御するようにした。
よって、到来波１が複数の方向から到来する場合にも、複数の到来方向に対してＲＣＳを低減することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１到来波、２アンテナ、３，５１ａ〜５１ｎインピーダンス可変回路、４送／受信機、１１アレーアンテナ、１２受信機、１３Ａ／Ｄ変換器、１４演算部、２１，２２制御部、３１，３２伝達信号、３３，３４制御信号、４１構造物。

Claims

アンテナに接続された第１のインピーダンス可変回路と、
前記第１のインピーダンス可変回路に接続され、送信および／または受信を行う送／受信機と、
アレーアンテナを通じて到来波の受信を行う受信機と、
前記受信機によるアナログ受信信号をデジタル受信信号に変換するアナログ／デジタル変換器と、
前記デジタル受信信号に応じて、到来波の周波数および到来方向を推定する演算部と、
前記推定された到来波の周波数および到来方向に応じて、前記第１のインピーダンス可変回路のインピーダンス値を制御する制御部とを備えたアンテナ装置。
前記アレーアンテナに各々接続された第２のインピーダンス可変回路を備え、
前記受信機は、
前記第２のインピーダンス可変回路に接続され、到来波の受信を行い、
前記制御部は、
前記推定された到来波の周波数および到来方向に応じて、前記第１のインピーダンス可変回路のインピーダンス値の制御に加え、前記第２のインピーダンス可変回路のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
前記制御部は、
前記アンテナにおいて、到来波の到来方向のＲＣＳが最小となるように前記第１のインピーダンス可変回路のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
前記制御部は、
前記アレーアンテナにおいて、到来波の到来方向のＲＣＳが最小となるように前記第２のインピーダンス可変回路のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
前記制御部は、
到来波が複数の方向から到来する場合に、前記アンテナにおいて、複数の到来方向に対して平均的にＲＣＳが低減されるように前記第１のインピーダンス可変回路のインピーダンス値を制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
前記制御部は、
到来波が複数の方向から到来する場合に、前記アンテナにおいて、各々の到来波の到来方向のＲＣＳが低減されるように前記第１のインピーダンス可変回路のインピーダンス値を時間的に切換え制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
前記第１のインピーダンス可変回路は、
３つのインピーダンス可変回路素子がπ型に接続されたπ型回路であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
前記第１のインピーダンス可変回路は、
３つのインピーダンス可変回路素子がＴ型に接続されたＴ型回路であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
前記第１のインピーダンス可変回路は、
途中に移相器が挿入された特性インピーダンスが各々相違する複数の伝送線路と、
前記複数の伝送線路の両端に設けられ、複数の伝送線路のうちのいずれかの伝送線路を切換選択するスイッチとを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。