JP2019140510A - アンテナ校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑えつつ、全アンテナ素子の校正を行うことが可能なアンテナ校正方法を提供する。【解決手段】アンテナ校正方法は、複数のアンテナ素子、並びに電磁波の反射に用いられる反射鏡を備えたアンテナ装置に適用されることを前提とする。本方法では、複数のアンテナ素子のなかで同じエリア（２１、２１−１〜ｍ）を対象とする２つ以上のアンテナ素子を想定し、２つ以上のエリアが重なる部分である重複エリア内に、電磁波の受信、及び該電磁波の放射のうちの少なくとも一方に用いる観測点（２２、２２−１、２２−２）を決定し、複数のアンテナ素子のなかで同じエリアを対象とする２つ以上のアンテナ素子を想定し、該決定した各観測点での電磁波の受信、及び電磁波の放射のうちの少なくとも一方を行うことにより、同じエリアを対象とする２つ以上のアンテナ素子の校正位相を算出する。【選択図】図２

Description

本発明は、複数のアンテナ素子、及び電磁波を反射する反射鏡を備えたアンテナ装置に適用されるアンテナ校正方法に関する。

アンテナ装置のなかには、アレー給電方式を採用し、アンテナ素子群がそれぞれ放射する電磁波を反射鏡により反射させてアンテナビームを形成するタイプがある。そのようなアンテナ装置では、所望の放射特性を得るために、給電回路を含めた各アンテナ素子間の振幅、位相特性の差異を補償する校正が行われる。

この校正に用いられる方法としては、素子電界ベクトル回転法がある（例えば、非特許文献１参照）。素子電界ベクトル回転法では、複数のアンテナ素子であるフェイズドアレーアンテナの遠方領域に、アンテナ素子から放射された電磁波を受信するピックアップアンテナを配置する。次に、フェイズドアレーアンテナにおいて、各アンテナ素子の移送器の位相を回転させた状態の電磁波を放射させ、その電磁波をピックアップアンテナで受信する。これを全アンテナ素子で繰り返し、受信した電磁波を基に、各アンテナ素子を校正する位相を算出する。

真野、片木、"フェイズドアレーアンテナの素子振幅位相測定法―素子電界ベクトル回転法―"、電子情報通信学会論文誌1982年

フェイズドアレーアンテナを備えたアンテナ装置の場合、放射可能なマルチビームは、それぞれ異なるエリアを照射する。そのため、単一場所のピックアップアンテナでアンテナビーム、つまり電磁波を受信可能なアンテナ素子は、限定されている。電磁波を受信できないアンテナ素子の校正はできない。

形成されるアンテナビーム毎にピックアップアンテナを配置することにより、全アンテナ素子の校正は、可能となる。しかし、ピックアップアンテナを配置する場所の数が多くなるほど、全アンテナ素子の校正に要するコストは上昇する。従って、コストを抑えつつ、全アンテナ素子の校正を行えるようにすることが重要となる。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、その目的は、コストを抑えつつ、各アンテナ素子間の位相特性の差異を補償する校正を行うことが可能なアンテナ校正方法を提供することにある。

本発明に係るアンテナ校正方法は、複数のアンテナ素子、並びに各アンテナ素子から放射された電磁波の反射、及び該各アンテナ素子への電磁波の反射のうちの少なくとも一方に用いられる反射鏡を備えたアンテナ装置に適用されることを前提とし、複数のアンテナ素子のなかで同じエリアを対象とする２つ以上のアンテナ素子を想定し、２つ以上のエリアが重なる部分である重複エリア内に、電磁波の受信、及び該電磁波の放射のうちの少なくとも一方に用いる観測点を決定し、該決定した各観測点での電磁波の受信、及び電磁波の放射のうちの少なくとも一方を行うことにより、同じエリアを対象とする２つ以上のアンテナ素子の校正する位相を算出する。

本発明によれば、コストを抑えつつ、全アンテナ素子の校正を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係るアンテナ校正方法が適用可能なアンテナ装置の構成例を説明する図である。 図１に示すアンテナ装置が形成する各アンテナビームによって照射されるエリア、及び本発明の実施の形態１に係るアンテナ校正方法によるピックアップアンテナの設置箇所の例を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係るアンテナ校正方法により観測点で観測可能となるアンテナビームの例を説明する図である。

以下、本発明に係るリソース割当方法の各実施の形態を、図を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ校正方法が適用可能なアンテナ装置の構成例を説明する図である。

このアンテナ装置は、アレー給電方式を採用したものである。図１に示すように、このアンテナ装置は、反射鏡１を備え、フェイズドアレイアンテナを構成する各アンテナ素子２（２−１〜ｎ。ｎは４以上の整数）から放射された電磁波４を反射鏡１により反射させてアンテナビームを形成するようになっている。各アンテナ素子２にはそれぞれ対応するアンテナ素子２を励振する給電部３（３−１〜ｎ）が接続されている。なお、反射鏡１は複数、存在していても良い。

アンテナ素子２に付した符号でハイフンに続く数字、及び給電部３に付した符号でハイフンに続く数字は、アンテナ素子２と給電部３間の対応関係を表している。それにより、例えばアンテナ素子２−１には給電部３−１が接続され、アンテナ素子２−ｎには給電部３−ｎが接続されている。

図２は、図１に示すアンテナ装置が形成する各アンテナビームによって照射されるエリア、及び本発明の実施の形態１に係るアンテナ校正方法によるピックアップアンテナの設置箇所の例を説明する図である。図２には、各アンテナビームによって照射されるエリア２１（２１−１〜ｍ。ｍはｎ以下の整数）と、ピックアップアンテナの２つの配置箇所２２（２２−１、２２−２）とを示している。各エリア２１は例えばセルに相当する。

各エリア２１を照射するアンテナビームは、２つ以上のアンテナ素子２が放射する電磁波４によって形成される。ここでは、各アンテナビームは全て２つのアンテナ素子２が放射する電磁波４によって形成されると想定する。例えばエリア２１−１を照射するアンテナビームは、アンテナ素子２−１及び２−２がそれぞれ放射する電磁波４によって形成される１番目のアンテナビームとする。エリア２１−２を照射するアンテナビームは、アンテナ素子２−２及び２−３がそれぞれ放射する電磁波４によって形成される２番目のアンテナビームとする。エリア２１−ｍを照射するアンテナビームは、アンテナ素子２−（ｎ−１）及び２−ｎがそれぞれ放射する電磁波４によって形成されるｍ番目のアンテナビームとする。この想定では、ｍ＝ｎ−１、の関係となる。同じエリア２１の照射に用いられるアンテナ素子２の数は３以上であっても良い。

複数のアンテナビームは、対象範囲とする全サービスエリアをカバーするように形成される。そのため、隣接するエリア２１間には重なる部分が存在するのが普通である。本実施の形態１では、このことに着目し、ピックアップアンテナの配置箇所２２は、隣接するエリア２１が重なる部分としている。アンテナビームの観測は、各配置箇所２２で行われる。このことから、以降、配置箇所２２は「観測点２２」と表記する。また、隣接するエリア２１が重なる部分は、以降「重複エリア」と表記する。

重複エリア内に観測点２２を設けた場合、エリア２１毎に観測点２２を設ける場合と比較して、観測点２２の数をより少なくすることができる。観測点２２の数が少なくなることにより、電磁波を受信する受信素子の数も減り、設置コストがより低減する。その受信素子が出力する信号を処理するシステムも、より安価に構築できるようになる。この結果、全アンテナ素子２の校正は、より低コストで行うことができる。

観測点２２−１では、エリア２１−１を照射する１番目のアンテナビームと、エリア２１−２を照射する２番目のアンテナビームとが主に観測される。これは、上記のように、アンテナ素子２−１〜３から放射された電磁波４が主に観測されることを意味する。この観測点２２−１での実際の校正は、具体的には例えば次のように行われる。

先ず、１番目のアンテナビームに着目して、アンテナ素子２−１、及び２−２間の適切な位相量である校正位相φ１の算出を行う。観測点２２−１では、アンテナ素子２−１及び２−２から放射された電磁波を受信することができる。この２つのアンテナ素子２−１及び２−２に対して、素子電界ベクトル法を適用することにより、校正位相φ１を算出することができる。校正位相φ１の算出を含む各種処理は、例えばアンテナ装置を管理する通信システムのなかで地上に構築された分のシステムである地上システム側で行われる。

あるいは、アンテナ素子２−１の位相を固定し、アンテナ素子２−２の位相を３６０度以上回転させたときに、観測点２２−１における１番目のアンテナビームが最大となる位相を観測することにより、アンテナ素子２−１とアンテナ素子２−２間の校正位相φ１を算出することもできる。

次に、同じ観測点２２−１において、２番目のアンテナビームに着目してアンテナ素子２−２、２−３間の校正位相φ２の算出を行う。観測点２２−１では、２番目のアンテナビームを受信することができるため、アンテナ素子２−２、アンテナ素子２−３から放射された電磁波４を受信することができる。そこで、この２つのアンテナ素子２−２、２−３に対して、素子電界ベクトル法を適用することにより、校正位相φ２を算出することができる。

あるいは、アンテナ素子２−２の位相を固定し、アンテナ素子２−３の位相を３６０度以上回転させたときに、観測点２２−１における２番目のアンテナビームが最大となる位相を観測することにより、校正位相φ２を算出することができる。

アンテナ素子２−１の位相をφ０とすると、アンテナ素子２−２の位相はφ０＋φ１、アンテナ素子２−３の位相はφ０＋φ１＋φ２とすることにより、アンテナ素子２−１〜２−３の校正を行うことができる。すなわち、同一の観測点２２−１において、１番目のアンテナビームおよび２番目のアンテナビームの２回の受信結果から、３つのアンテナ素子２−１〜２−３の位相を校正することができる。

次に、観測点２２を変更し、例えば観測点２２−２で上記と同様の処理を行い、３番目のアンテナビームからアンテナ素子２−３とアンテナ素子２−４との間の校正位相φ３の算出を行う。それにより、アンテナ素子２−２からアンテナ素子２−４までの３アンテナ素子２の各校正位相φ１〜φ３を算出することができる。以降も同様に、他の観測点２２で同様の処理を継続的に実施することで、全アンテナ素子２の校正位相を算出することができる。

算出された各校正位相、或いはその内容を示す情報は、例えば地上システムから通信システムを介してアンテナ装置に直接、或いは間接的に送信される。その結果、アンテナ装置は、設定内容の変更が必要な給電部３の設定変更を行う。それにより、各アンテナ素子２は、算出された校正位相に応じた電磁波４を放射する。

なお、アンテナ素子２の位相を回転させる場合には、給電部３に搭載されている移相器を用いる他に、設定位相を回転させることで行っても良い。これは、デジタルビームフォーミングを行うアンテナ装置で可能である。

なお、本実施の形態１では、アンテナ装置は、送信用である。しかし、アンテナ装置は、受信用であっても良い。これは、受信用であっても校正が必要であり、本実施の形態１は、共に、受信用のアンテナ装置にも適用可能だからである。ただし、この場合、観測点２２から電磁波を放射させる必要がある。

また、本実施の形態１では、各重複エリアに観測点２２を設けているが、必ずしも各重複エリアに観測点２２を設けなくとも良い。アンテナビームの形成に用いるアンテナ素子２の組み合わせによっては、例えば重複エリアが並ぶ方向において、一つおきに観測点２２を設けても良い。その場合、図１に示す例では、観測点２２−１と隣接する観測点２２−２を、エリア２１−３と図示しない隣接するエリア２１−４の重複エリアに設けても良い。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、基本的に各重複エリア内に観測点２２を設ける必要がある。これに対し、本実施の形態２は、より少ない観測点２２により、全アンテナ素子２の校正を行えるようにしたものである。上記実施の形態１で用いた符号をそのまま用いて、その実施の形態１から異なる部分にのみ着目する形で説明を行う。

図３は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ校正方法により観測点で観測可能となるアンテナビームの例を説明する図である。

図３に示す観測点２２−１は、２番目のアンテナビームによって照射されるエリア２１−２と、３番目のアンテナビームによって照射されるエリア２１−３との重複エリア内に位置している。それにより、図２とは、重複エリアが異なっている。これは、図１に示すアンテナ装置を搭載した衛星において、そのアンテナ装置を機械的に回転させたことによるものである。機械的に回転させる前、エリア２１−１とエリア２１−２の重複エリア内に位置していた観測点２２−１は、アンテナ装置を機械的に回転させたことにより、エリア２１−２とエリア２１−３の重複エリア内に移動する形となっている。

観測点２２−１での校正位相の算出は、例えば、機械的に回転させる前、つまり図２に示す状態で先ず、１番目、及び２番目のアンテナビームに着目して行う。それにより、アンテナ素子２−１、及び２−２間の校正位相φ１、並びにアンテナ素子２−２、及び２−３間の校正位相φ２をそれぞれ算出する。その後、機械的に回転させて図３に示す状態に移行させた後、上記実施の形態１と同様に、アンテナ素子２−３及び２−４間の校正位相φ３を算出する。

このように、アンテナ装置を機械的に回転させることにより、１つの観測点２２でより多くのアンテナ素子２の校正位相の算出を行えるようになる。そのため、上記実施の形態１と比較して、より少ない観測点２２で全アンテナ素子２の校正を行うことができる。この結果、全アンテナ素子２の校正もより低コストで行えるようになる。

なお、本実施の形態２では、アンテナ装置を機械的に回転させているが、その回転は１軸を想定している。しかし、その回転は２軸以上で可能なことが多い。このことから、観測点２２の決定では、アンテナ装置の機械的な移動可能方向、移動可能範囲等を考慮する必要がある。

１ 反射鏡、２、２−１〜ｎ アンテナ素子、３、３−１〜ｎ 給電部、４ 電磁波、２１、２１−１〜２１−ｍ エリア、２２、２２−１、２２−２ 観測点。

Claims (2)

1. 複数のアンテナ素子、並びに各アンテナ素子から放射された電磁波の反射、及び該各アンテナ素子への電磁波の反射のうちの少なくとも一方に用いられる反射鏡を備えたアンテナ装置に適用されるアンテナ校正方法において、
   前記複数のアンテナ素子のなかで同じエリアを対象とする２つ以上のアンテナ素子を想定し、２つ以上のエリアが重なる部分である重複エリア内に、前記電磁波の受信、及び該電磁波の放射のうちの少なくとも一方に用いる観測点を決定し、
   該決定した各観測点での前記電磁波の受信、及び前記電磁波の放射のうちの少なくとも一方を行うことにより、前記同じエリアを対象とする前記２つ以上のアンテナ素子の校正位相を算出する、
   アンテナ校正方法。
2. 前記観測点は、前記アンテナ装置を機械的に移動させた場合の前記重複エリアを考慮し決定する、
   請求項１に記載のアンテナ校正方法。

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