JP2014239370A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の素子アンテナをまとめたサブアレーアンテナ毎に移相器を設け、前記移相器を束ねてビーム形成を行うアンテナ装置において、グレーティングローブの抑圧が可能で、主ビームの利得低下を抑えることができるアンテナ装置を提供する。【解決手段】複数の素子アンテナをまとめたサブアレーアンテナ毎に移相器を設けて束ね、ビーム形成を行うアンテナ装置であって、前記複数の素子アンテナは周期的に配列されており、前記サブアレーアンテナは、アンテナの開口平面を非周期に平面充填するタイルにより包括される前記素子アンテナから形成される。【選択図】図１

Description

この発明は、各々に移相器を設けた複数個の素子アンテナをまとめてサブアレーアンテナを構成し、サブアレーアンテナ単位に移相器を設けて束ね、ビーム形成を行うアンテナ装置に関する。

複数個の素子アンテナをもつ電子走査式アンテナは、レーダ装置あるいは電波監視装置のアンテナとして多く用いられており、より遠くの目標を正確に検出し、あるいはより微弱な電波を検知するために、より大きなアンテナ利得が要求される。

電子走査式アンテナでは、デジタルビームフォーミングを行うために、受信信号をＡ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）変換する必要がある。利得を大きくするために素子アンテナ数を増やすと、必然的に取り付けるＡ／Ｄ変換器の数も増えることになる。
しかしながら一般にＡ／Ｄ変換器は高価であり、また、Ａ／Ｄ変換器の数が増えると制御が困難となるため、Ａ／Ｄ変換器を設置できる数には制約がある。
このため、いくつかの素子アンテナでまとめてサブアレーアンテナを構成し、サブアレーアンテナ毎にＡ／Ｄ変換器を設置することで、Ａ／Ｄ変換器の数の低減を実現している。

しかしながら、この場合、サブアレーアンテナは周期的な並びとなることと、素子アンテナの寸法が波長程度であることによりサブアレーアンテナの位相中心間の間隔を１波長以下に抑えることは困難であることから、アレーアンテナにおいて必然的にグレーティングローブが発生する。
グレーティングローブを抑えるために、従来、例えば素子アンテナの励振振幅を制御して各々のサブアレーアンテナの位相中心をばらす技術（例えば、特許文献１参照）や、ピンウィールタイルにより非周期的に配列された複数個の素子アンテナを、更にピンウィールタイルでサブアレーアンテナに分割することで位相中心をばらす技術（例えば、特許文献２参照）が試みられてきた。

特開２０１１−１０９１８１号公報 特開２０１０−５７０９１号公報

しかしながら、従来の電子走査式アンテナ装置では、（１）励振振幅を制御する場合、振幅制御によって主ビームの利得が低下する、（２）ＧＡ（Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）等の最適化アルゴリズムによる振幅分布導出には時間を要する、（３）非周期配列を利用する場合は素子アンテナに接続される給電系が非常に複雑になり製作が難しい、などの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、アンテナの主ビームの利得を低下させることなく、グレーティングローブを抑圧可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、複数の素子アンテナをまとめたサブアレーアンテナ毎に移相器を設け、前記移相器を束ねてビーム形成を行うアンテナ装置であって、前記素子アンテナは各々周期的に配列されており、前記サブアレーアンテナは、アンテナの開口平面を非周期に平面充填するタイルにより包括される前記素子アンテナから形成される。

この発明に係るアンテナ装置によれば、アンテナの利得を低下させることなくグレーティングローブを抑圧することができ、より遠くの目標を正確に検出し、あるいはより微弱な電波を検知することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成図である。 この発明の実施の形態１に係る非周期平面充填タイルによるサブアレーアンテナ分割を示すアレー開口の平面図である。 この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成図である。 この発明の実施の形態３に係るペンローズタイルによるサブアレーアンテナ分割を示すアレー開口平面図である。 この発明の実施の形態３に係るダイヤモンドタイルによるサブアレーアンテナ分割を示すアレー開口平面図である。 この発明の実施の形態３に係るピンウィールタイルによるサブアレーアンテナ分割を示すアレー開口平面図である。

以下、この発明の実施の形態について図を用いて説明する。各実施の形態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。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置１の構成図である。
図１において、アンテナ装置１は、複数個の素子アンテナ２を有し、各素子アンテナ２にはそれぞれ１つの第１移相器３が接続される。第１移相器３はそれぞれ、電力を合成する第１合成器４に接続される。
ここで、第１合成器４と、第１合成器４に接続される複数の第１移相器３と、複数の第１移相器３に各々接続される複数の素子アンテナ２は、１つのサブアレーアンテナ５として包括される。
第１合成器４には、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を中間周波数のＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号へ変換するダウンコンバータ６、Ａ／Ｄ変換器７、第２移相器８が直列に接続される。
第２移相器８は、第２移相器からの信号を合成する第２合成器９に接続される。
第２合成器９は、送受信機１０に接続される。

また、第１移相器３は、第１移相器制御回路１１に接続される。
第１移相器制御回路１１は、素子座標データメモリ１５と、第１ビーム方向指令回路１３に接続される。
第２移相器８は、第２移相器制御回路１２に接続される。
第２移相器制御回路１２は、サブアレー座標データメモリ１６と、第２ビーム方向指令回路１４に接続される。

このように実施の形態１に係るアンテナ装置は、後述するタイル（平面図形）により包括される複数の素子アンテナ２をまとめてサブアレーアンテナを形成し、サブアレーアンテナ毎に移相器を設け、それらを更に合成器により束ねてビーム形成を行う。

次に、アンテナ装置１の動作について説明する。
アンテナ装置１は送受信にて使用可能であるが、主に受信での使用が想定されるため、ここでは受信について説明する。

アンテナ装置１へ到来したＲＦ信号は素子アンテナ２で受信され、第１移相器３により位相制御される。
この時、第１移相器３は、第１移相器制御回路１１により制御され、第１移相器３で設定する設定位相は、第１ビーム方向指令回路１３の指令角度と、素子座標データメモリ１５の素子座標データから算出される。

第１移相器制御回路１１により位相制御されたＲＦ信号は、第１合成器４によりサブアレーアンテナ５ごとに合成され、ダウンコンバータ６によりＩＦ信号へ変換される。
変換後のＩＦ信号は、Ａ／Ｄ変換器７によりデジタル信号へ変換された後、第２移相器８により、更に位相がデジタル制御される。

第２移相器８は、第２移相器制御回路１２により制御され、第２移相器８で設定する設定位相は、第２ビーム方向指令回路１４の指令角度と、サブアレー座標データメモリ１６のサブアレーアンテナ座標から算出される。

複数の第２移相器８より出力された信号は、第２合成器９により合成されることで任意のアンテナパターンが形成され、受信機１０により受信される。

図２は、実施の形態１に係るアンテナ装置の開口平面を表した図であり、実施の形態１に係る非周期平面充填タイル１７によるサブアレーアンテナの分割方法を示した図である。
図２において、アンテナ装置を構成する各素子アンテナ２は、周期的に配列されている。
このように周期的に配列された素子アンテナ２を、複数個でまとめてサブアレーアンテナを構成する。
図２の例ではアンテナの開口平面を、複数種類のタイル（平面図形）により非周期に平面充填する。ここでは平面充填する複数種類のタイルを非周期平面充填タイル１７（１７ａ〜１７ｒ）という。
そして、各々の非周期平面充填タイル１７により包括された素子アンテナ２をまとめて１つのサブアレーアンテナを構成する。例えば図２の非周期平面充填タイル１７ａでは、非周期平面充填タイル１７ａにより包括される素子アンテナ２ａ〜２ｌをまとめて、１つのサブアレーアンテナ５を形成する。

このように非周期平面充填タイル１７により形成された各サブアレーアンテナ５の位相中心は、非周期的な繰り返しとなる。
位相中心が非周期的な繰り返しとなるサブアレーアンテナ毎に移相器を設け、束ねたアンテナ装置のアンテナパターンは、グレーティングローブが抑圧されたパターンとなる。

なお、図２の例では１つの種類の非周期平面充填タイル１７でアンテナ開口平面を包括したが、後述の実施の形態３で説明する図４のように、複数種類の非周期平面充填タイル１７により、周期的に配列された素子アンテナ２を包括し、サブアレーアンテナ５を形成するようにしてもよい。

以上のように本実施の形態に係るアンテナ装置は、複数個の素子アンテナ２をアンテナ開口において周期的に配列し、周期的に配列された素子アンテナ２のうち、１種類の非周期平面充填タイル１７により各々包括された複数の素子アンテナ２を用いて、１つのサブアレーアンテナを構成するようにした。

このとき、非周期平面充填タイル１７により形成された各サブアレーアンテナ５の位相中心は非周期的な並びとなることから、本実施の形態に係るアンテナ装置はグレーティングローブを抑圧することができる。

なお、この発明の実施の形態１における素子アンテナ２は、例えばパッチ、ダイポール、ホーン、テーパノッチ、スパイラル、ボウタイ、ログペリ、スロット、またその他の素子アンテナ、およびこれらの素子アンテナの変形形状など、全て適用可能である。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係わるアンテナ装置の構成図である。実施の形態２に係るアンテナ装置は、実施の形態１のアンテナ装置の構成と比較し、素子アンテナ２と第１移相器３の間に減衰器１８が設けられる。
各減衰器１８は励振振幅制御回路１９に接続される。

次に実施の形態２に係るアンテナ装置の動作について述べる。
本実施の形態に係る減衰器１８は、励振振幅制御回路１９により、受信したＲＦ信号を減衰することで低サイドローブ化する振幅分布を与えるように、その減衰量が制御される。

その他の動作については、実施の形態１において説明した各構成部分が同様の動作を行う。これにより、グレーティングローブが抑圧され、かつ低サイドローブ化されたアンテナパターンが生成される。

なお、本実施の形態のアンテナ装置のように、励振振幅を制御する手法に限らず、励振素子の間引きなど、励振振幅を直接制御しない手法を適用することも可能である。

実施の形態３
図４は、実施の形態３に係るアンテナ装置のアレー開口平面を表した図であり、ペンローズタイルによるサブアレーアンテナ分割方法を示した図である。

実施の形態３に係るアンテナ装置は、実施の形態１、２における非周期平面充填タイル１７として、ペンローズタイルのファット菱形タイル２０とシン菱形タイル２１の２種類のタイルを用いて、アンテナ開口平面を非周期に平面充填する。そして、非周期平面充填したタイルにより包括された素子アンテナ２を用いて、サブアレーアンテナ５を形成する。
なお、シン菱形タイル２１は３６°と１４４°の内角を有し、ファット菱形タイル２０は７２°と１０８°の内角を有する。

図５は、実施の形態３に係るアンテナ装置の別のアレー開口平面を表した図であり、ダイヤモンドタイル２２によるサブアレーアンテナ分割を示すアレー開口平面図である。
図５において任意の点を中心にアレー開口を放射状にＮ等分割（Ｎは奇数）したとき、各辺同一長で内角に３６０／Ｎ°と１８０−３６０／Ｎ°のみを有する１種類のダイヤモンド菱形タイル２２により、周期的に配列された素子アンテナ２を包括することでサブアレーアンテナ５を形成する。

図６は、実施の形態３に係るアンテナ装置の別のアレー開口平面を表した図であり、ピンウィールタイル２３によるサブアレーアンテナ分割を示すアレー開口平面図である。
ピンウィールタイル２３は各辺の長さを１：２：√５とした直角三角形であり、非周期平面充填タイル１７の１種である。ピンウィールタイル２３により、周期的に配列された素子アンテナ２を包括することでサブアレーアンテナ５を形成する。

実施の形態３に係るアンテナ装置の動作は、上記のいずれのタイルによるサブアレーアンテナ分割においても前述の実施の形態１と２と同様である。

このように実施の形態３に係るアンテナ装置は、サブアレーアンテナ５の位相中心が非周期的繰り返しとなるため、グレーティングローブが抑圧されたアンテナパターンが生成されるという効果を奏する。また、低サイドローブ振幅分布を持たせることが可能となる。

１ アンテナ装置、２、２ａ〜２ｌ 素子アンテナ、３ 第１移相器、４ 第１合成器、５ サブアレーアンテナ、６ ダウンコンバータ、７ Ａ／Ｄ変換器、８ 第２移相器、９ 第２合成器、１０ 受信機、１１ 第１移相器制御回路、１２ 第２移相器制御回路、１３ 第１ビーム方向指令回路、１４ 第２ビーム方向指令回路、１５ 素子座標データメモリ、１６ サブアレー座標データメモリ、１７（１７ａ〜１７ｒ） 非周期平面充填タイル、１８ 減衰器、１９ 励振振幅制御回路、２０ ファット菱形タイル、２１ シン菱形タイル、２２ ダイヤモンド菱形タイル、２３ ピンウィールタイル。

Claims (4)

1. 複数の素子アンテナをまとめたサブアレーアンテナ毎に移相器を設け、前記移相器を束ねてビーム形成を行うアンテナ装置であって、
   前記素子アンテナは周期的に配列されており、
   前記サブアレーアンテナは、アンテナの開口平面を非周期に平面充填するタイルにより包括される前記素子アンテナから形成されることを特徴とするアンテナ装置。
2. 周期配列された複数の素子アンテナと、前記素子アンテナの各々に接続され前記素子アンテナの励振位相を所定の位相に変化させる第１の移相器と、前記第１の移相器に接続され、前記第１の移相器から出力される信号を合成する第１の合成器からなる複数のサブアレーアンテナと、
   前記素子アンテナの座標データに基づいて、所定の指令方向にビーム走査する励振位相を算出し、所定の位相として前記第１の移相器に設定する第１の設定手段と
   各々の前記サブアレーアンテナに接続され、前記サブアレーアンテナの励振位相を所定の位相に変化させる第２の移相器と、
   前記サブアレーアンテナの座標データに基づいて、前記所定の指令方向にビーム走査するための励振位相を算出し、所定の位相として前記第２の移相器に設定する第２の設定手段と、
   前記第２の移相器に接続され、前記第２の移相器から出力される信号を合成する第２の合成器と、を備えたアンテナ装置において、
   前記サブアレーアンテナは、アンテナの開口平面を非周期に平面充填するタイルにより包括される複数の素子アンテナから形成されることを特徴とするアンテナ装置。
3. 前記タイルは、ペンローズタイル、ダイヤモンドタイル、ピンウィールタイルのいずれかであることを特徴とする請求項１、２いずれか記載のアンテナ装置。
4. 前記素子アンテナと前記第１の移相器の間に設けられた減衰器と、前記減衰器の減衰量を制御する励振振幅制御部を備えることを特徴とする請求項２、３いずれか記載のアンテナ装置。

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