JP2022120520A - アレイアンテナキャリブレーション用ｌｕｔの更新方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法を提供する。【解決手段】第１のアンテナ素子１１ｔｘから第１のテスト信号波を放射させ、第１のアンテナ素子の周りの複数のアンテナ素子１１ｒのそれぞれが受信するレドームからの反射波から当該複数のアンテナ素子の受信電波の相対的な位相差および振幅差を計算し、ＬＵＴ４０に記録されている当該複数のアンテナ素子の補正値を当該計算した値に更新する第１の工程と、第２のアンテナ素子１１ｒｘの周りの複数のアンテナ素子１１ｔから隣り合う２つを順に選択し、当該選択したアンテナ素子ペアから互いに逆相の第２のテスト信号波を放射させ、第２のアンテナ素子が受信するレドームからの反射波から当該複数のアンテナ素子の放射電波の相対的な位相差および振幅差を計算し、ＬＵＴに記録されている当該複数のアンテナ素子の補正値を当該計算した値に更新する第２の工程とによりＬＵＴを更新する。【選択図】図２

Description

本発明は、アレイアンテナのキャリブレーションに使用されるＬＵＴ（ルックアップテーブル）の更新方法に関する。

近年、無線通信やレーダーのアンテナとしてアレイアンテナが多く用いられている。アレイアンテナは規則的に配列された複数のアンテナ素子で構成され、個々または数個単位のアンテナ素子に給電される信号の位相および振幅を制御することでビーム幅や指向性を自由に変えられるようになっている。

このように複数のアンテナ素子が配列されてなるアレイアンテナではアンテナ素子のアライメント誤差がアンテナ性能に影響する。電波周波数が低くければアンテナ素子のサイズおよび配列間隔が大きいため、アンテナ素子配列が多少ずれていてもアンテナ性能にさほど影響を及ぼさないが、例えばミリ波～テラヘルツ波のような高周波電波ではアンテナ素子のサイズおよび配列間隔は数ｍｍ以下となり、配列のわずかなずれがアンテナ性能に大きく影響を及ぼしてしまう。そこで、個別のアレイアンテナ製品ごとに各アンテナ素子のアライメント誤差および送受信特性をＬＵＴに記録しておき、ＬＵＴに記録された補正値に基づいて各アンテナ素子の位相および振幅のキャリブレーションを行う手法が取られる（例えば、非特許文献１を参照）。

S. Jang, D. Kim and S. Kim, "A study on the channel error tolerance and LUT calibration for Active Phased Array Antenna," 2015 16th International Radar Symposium (IRS), Dresden, 2015, pp. 1094-1099

通常、アレイアンテナは、内部に風雨や埃などが入り込まないように図略のカバーあるいはレドームに収容されて使用される。このため、実使用環境では、ＬＵＴに記録されている、製造時に計測した各アンテナ素子の補正値に基づいて各アンテナ素子のキャリブレーションを行っても、レドームの裏面表面（アレイアンテナに面するレドーム表面）からの反射波などの影響で各アンテナ素子の特性が狙った値からずれてしまう。そこで、アレイアンテナキャリブレーション用のＬＵＴに記録されている各アンテナ素子の補正値をレドームによる損失の影響を反映させた値に更新することが求められる。

本発明の一局面に従ったアレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法は、コントローラが、規則的に配列された複数のアンテナ素子を含むアレイアンテナのキャリブレーションに使用されるＬＵＴを自動更新する方法であって、前記アレイアンテナに含まれる第１のアンテナ素子から第１のテスト信号波を放射させ、前記第１のアンテナ素子の周りの複数のアンテナ素子のそれぞれが受信する，前記アレイアンテナを収容するレドームからの反射波から当該複数のアンテナ素子の受信電波の相対的な位相差および振幅差を計算し、前記ＬＵＴに記録されている当該複数のアンテナ素子の補正値を当該計算した値に更新する第１の工程と、前記アレイアンテナに含まれる第２のアンテナ素子の周りの複数のアンテナ素子から隣り合う２つを順に選択し、当該選択したアンテナ素子ペアから互いに逆相の第２のテスト信号波を放射させ、前記第２のアンテナ素子が受信する前記レドームからの反射波から当該複数のアンテナ素子の放射電波の相対的な位相差および振幅差を計算し、前記ＬＵＴに記録されている当該複数のアンテナ素子の補正値を当該計算した値に更新する第２の工程とを備えている。

本発明によると、アレイアンテナキャリブレーション用のＬＵＴに記録されている各アンテナ素子の補正値をレドームによる損失の影響を反映させた値に更新することができる。

本発明の一実施形態に係るＬＵＴ更新方法が適用されるアレイアンテナシステム例の概要図 本発明の一実施形態に係るアレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法のフローチャート 受信アンテナ素子に関するＬＵＴ更新の模式図 送信アンテナ素子に関するＬＵＴ更新の模式図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本発明を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。また、図面に描かれた各部材の寸法、細部の詳細形状などは実際のものとは異なることがある。

≪アレイアンテナシステム≫
図１は、本発明の一実施形態に係るＬＵＴ更新方法が適用されるアレイアンテナシステム例の概要図である。一例に係るアレイアンテナシステム１００は、概して、アレイアンテナ１０と、複数の送受信モジュール（以下、ＴＲＸと称する。）２０と、コントローラ３０と、ＬＵＴ４０とを備えている。ミリ波～テラヘルツ波の無線通信用のアレイアンテナシステム１００ではこれら構成要素は一つの基板上に実装される。

アレイアンテナ１０は、規則的に配列された複数のアンテナ素子１１を備えている。例えば、これらアンテナ素子１１は縦横のマトリックス状に配列される。ミリ波～テラヘルツ波の無線通信の場合、個々のアンテナ素子１１の大きさおよび配列間隔は数ｍｍ以下となる。これらアンテナ素子１１には、電波の放射に使用されるアンテナ素子（以下、便宜上、送信アンテナ素子と称する。）、電波の受信に使用されるアンテナ素子（以下、便宜上、受信アンテナ素子と称する。）、およびＬＵＴ４０更新のためのテスト信号波を放射または受信するのに使用されるアンテナ素子（以下、便宜上、リファレンスアンテナ素子と称する。）が含まれる。

ＴＲＸ２０は、図略のパワーアンプ、低雑音アンプ、位相器、アップ／ダウンコンバータ、データコンバータなどを備えている。個々のＴＲＸ２０に個々のアンテナ素子１１が接続されており、個々のＴＲＸ２０は独立した送受信器として機能する。

コントローラ３０は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などで構成され、複数のＴＲＸ２０を個別に制御してアレイアンテナ１０のビーム幅や指向性を任意に調整する。このとき、コントローラ３０は、ＬＵＴ４０に記録された各アンテナ素子１１の補正値に基づいて、各アンテナ素子１１に接続されたＴＲＸ２０における図略のアンプや位相器を制御して各アンテナ素子１１のキャリブレーションを行う。

ＬＵＴ４０は、データ書き換え可能な不揮発性メモリに置かれており、各アンテナ素子１１のアライメント誤差や送受信特性などの補正値を記録している。ＬＵＴ４０には初期値として、アレイアンテナシステム１００の出荷前検査において計測された、各アンテナ素子１１の物理的なアライメント誤差およびレドームによる損失を考慮した各アンテナ素子１１の送受信特性などがセットされている。ＬＵＴ４０に記録された各アンテナ素子１１の補正値は、アレイシステム１００が出荷されてさまざまな機器に組み込まれた後からも、コントローラ３０が適宜書き換えて更新できるようになっている。

≪ＬＵＴ更新≫
次に、アレイアンテナシステム１００におけるＬＵＴ４０の更新方法について説明する。なお、下記のＬＵＴ更新処理は、実環境で使用されるアレイアンテナシステム１００において定期的あるいは不定期にコントローラ３０により自動的に実行されるものである。

図２は、本発明の一実施形態に係るアレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法のフローチャートである。ＬＵＴ更新の全体処理は、図３に示したような受信アンテナ素子（アンテナ素子１１のうち電波受信に使用されるもの）に関するＬＵＴ更新と、図４の模式図で示したような送信アンテナ素子（アンテナ素子１１のうち電波放射に使用されるもの）に関するＬＵＴ更新の２パートに分かれる。以下、図２ないし図４を参照して本実施形態に係るＬＵＴ更新方法について説明する。

図３は、受信アンテナ素子に関するＬＵＴ更新の模式図である。図３に示したように、アレイアンテナ１０において４個の受信アンテナ素子１１ｒ１，１１ｒ２，１１ｒ３，１１ｒ４が縦横マトリクス状に配列されており、これら受信アンテナ素子に囲まれてテスト信号送信用のリファレンスアンテナ素子１１ｔｘが配置されているものとする。

まず、コントローラ３０は、アレイアンテナ１０に配置されたテスト信号送信用のリファレンスアンテナ素子１１ｔｘを選択し（Ｓ１１）、当該選択したリファレンスアンテナ素子１１ｔｘから微弱かつ広ビーム幅のテスト信号波Ｗ１を放射させる（Ｓ１２）。このように微弱のテスト信号波を放射させるようにした理由は、ＬＵＴ更新処理は実使用環境において実施されるため、電波法などで規定されたＥＭＩ（Electro-Magnetic Interference）レベルを越えることがないようアレイアンテナ１０から不要な電波を極力外部に放射させないようにするためである。

リファレンスアンテナ素子１１ｔｘから放射されたテスト信号波Ｗ１はレドーム２００の裏側表面で反射し、リファレンスアンテナ素子１１ｔｘの周りの４個の受信アンテナ素子１１ｒ１，１１ｒ２，１１ｒ３，１１ｒ４に反射波Ｗ１ｒｅｆが届く。コントローラ３０は、これら４個の受信アンテナ素子１１ｒ１，１１ｒ２，１１ｒ３，１１ｒ４が受信するレドーム２００からの反射波Ｗ１ｒｅｆを計測し（Ｓ１３）、各受信アンテナ素子の計測結果のずれから、これら４個の受信アンテナ素子１１ｒ１，１１ｒ２，１１ｒ３，１１ｒ４の受信電波の相対的な位相差および振幅差を計算する（Ｓ１４）。そして、コントローラ３０は、ＬＵＴ４０に記録されているこれら４個の受信アンテナ素子１１ｒ１，１１ｒ２，１１ｒ３，１１ｒ４の各補正値を当該計算した値に更新する（Ｓ１５）。

なお、リファレンスアンテナ素子１１ｔｘが複数存在する場合には、次のリファレンスアンテナ素子１１ｔｘを選択して上記Ｓ１２からＳ１５までの行程を繰り返す。以上が受信アンテナ素子に関するＬＵＴ更新である。

図４は、送信アンテナ素子に関するＬＵＴ更新の模式図である。図４に示したように、アレイアンテナ１０において４個の送信アンテナ素子１１ｔ１，１１ｔ２，１１ｔ３，１１ｔ４が縦横マトリクス状に配列されており、これら送信アンテナ素子に囲まれてテスト信号受信用のリファレンスアンテナ素子１１ｒｘが配置されているものとする。

まず、コントローラ３０は、アレイアンテナ１０に配置されたテスト信号受信用のリファレンスアンテナ素子１１ｒｘを選択し（Ｓ２１）、リファレンスアンテナ素子１１ｒｘの周りの４個の送信アンテナ１１ｔ１，１１ｔ２，１１ｔ３，１１ｔ４から隣り合う２つを順に選択し（Ｓ２２）、当該選択した送信アンテナ素子ペア（例えば、１１ｔ１と１１ｔ２）から互いに逆相の広ビーム幅のテスト信号波Ｗ２，Ｗ３を放射させる（Ｓ２３）。このように互いに逆相のテスト信号波を放射させるようにした理由は、ＬＵＴ更新処理は実使用環境において実施されるため、電波法などで規定されたＥＭＩレベルを越えることがないようアレイアンテナ１０から放射されるテスト信号波を互いに打ち消して不要な電波を極力外部に放射させないようにするためである。

送信アンテナ素子ペア１１ｔ１，１１ｔ２から放射されたテスト信号波Ｗ２，Ｗ３はレドーム２００の裏側表面で反射し、リファレンスアンテナ素子１１ｒｘに反射波Ｗ２ｒｅｆ，Ｗ３ｒｅｆが届く。コントローラ３０は、リファレンスアンテナ素子１１ｒｘが受信するレドーム２００からの反射波、すなわち、Ｗ２ｒｅｆ，Ｗ３ｒｅｆの合成波を計測する（Ｓ２４）。続いて、コントローラ３０は、別の送信アンテナ素子ペア（例えば、１１ｔ２と１１ｔ３）を選択して（Ｓ２２）、上記Ｓ２３からＳ２４までの行程を繰り返す。

すべての送信アンテナ素子ペア（本例では４通りのペア）について上記Ｓ２２からＳ２４までの行程が終了したら、コントローラ３０は、リファレンスアンテナ素子１１ｒｘによる計測結果から、これら４個の送信アンテナ素子１１ｔ１，１１ｔ２，１１ｔ３，１１ｔ４の放射電波の相対的な位相差および振幅差を計算する（Ｓ２５）。そして、コントローラ３０は、ＬＵＴ４０に記録されているこれら４個の送信アンテナ素子１１ｔ１，１１ｔ２，１１ｔ３，１１ｔ４の各補正値を当該計算した値に更新する（Ｓ２６）。

なお、リファレンスアンテナ素子１１ｒｘが複数存在する場合には、次のリファレンスアンテナ素子１１ｒｘを選択して上記Ｓ２２からＳ２６までの行程を繰り返す。以上が送信アンテナ素子に関するＬＵＴ更新である。

≪効果≫
本実施形態に係るアレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法によると、アレイアンテナシステム１００が出荷されてさまざまな機器に組み込まれた後において、ＬＵＴ４０に記録されている各アンテナ素子１１の補正値を、その機器の固有の影響（例えば、その機器におけるレドーム２００による損失の影響）や実使用環境の変化（例えば、環境温度の変化）を反映させた値に随時更新することができる。こうして随時更新されたＬＵＴ４０を参照してキャリブレーションを行うことで、各種機器に組み込まれたアレイアンテナシステム１００のアンテナ特性を良好に保つことができる。

また、テスト信号波が極力外部に漏れ出ないようにしていることで、電波障害を引き起こさないようにＬＵＴ更新を実施することができる。

≪変形例≫
上記ＬＵＴ更新例では、先に受信アンテナ素子に関してＬＵＴ更新を行なってその後に送信アンテナ素子に関してＬＵＴ更新を行なっているが、この順序を逆にしてもよい。

テスト信号送信用のリファレンスアンテナ素子１１ｔｘを独立して設けずに、任意の送信アンテナ素子をリファレンスアンテナ素子１１ｔｘとして使用するようにしてもよい。同様に、テスト信号受信用のリファレンスアンテナ素子１１ｒｘを独立して設けずに、任意の受信アンテナ素子をリファレンスアンテナ素子１１ｒｘとして使用するようにしてもよい。

各アンテナ素子１１は送受信の双方に使用されるものであってもよい。その場合、受信アンテナ素子に関するＬＵＴ更新を実施するときには各アンテナ素子１１を受信モードで使用し、送信アンテナ素子に関するＬＵＴ更新を実施するときには各アンテナ素子１１を送信モードで使用すればよい。

以上のように、本発明における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。また、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

１０ アレイアンテナ
１１ｔ１，１１ｔ２，１１ｔ３，１１ｔ４ 送信アンテナ素子
１１ｒ１，１１ｒ２，１１ｒ３，１１ｒ４ 受信アンテナ素子
３０ コントローラ
４０ ＬＵＴ
２００ レドーム
１１ｔｘ リファレンスアンテナ素子（第１のアンテナ素子）
１１ｒｘ リファレンスアンテナ素子（第２のアンテナ素子）

Claims (7)

1. コントローラが、規則的に配列された複数のアンテナ素子を含むアレイアンテナのキャリブレーションに使用されるＬＵＴ（ルックアップテーブル）を自動更新する方法であって、
   前記アレイアンテナに含まれる第１のアンテナ素子から第１のテスト信号波を放射させ、前記第１のアンテナ素子の周りの複数のアンテナ素子のそれぞれが受信する，前記アレイアンテナを収容するレドームからの反射波から当該複数のアンテナ素子の受信電波の相対的な位相差および振幅差を計算し、前記ＬＵＴに記録されている当該複数のアンテナ素子の補正値を当該計算した値に更新する第１の工程と、
   前記アレイアンテナに含まれる第２のアンテナ素子の周りの複数のアンテナ素子から隣り合う２つを順に選択し、当該選択したアンテナ素子ペアから互いに逆相の第２のテスト信号波を放射させ、前記第２のアンテナ素子が受信する前記レドームからの反射波から当該複数のアンテナ素子の放射電波の相対的な位相差および振幅差を計算し、前記ＬＵＴに記録されている当該複数のアンテナ素子の補正値を当該計算した値に更新する第２の工程とを備えた
   ことを特徴とするアレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法。
2. 前記アレイアンテナに前記第１のアンテナ素子が複数含まれており、これら複数の第１のアンテナ素子から任意の一つを順に選択して前記第１の工程を実施する、請求項１に記載のアレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法。
3. 前記アレイアンテナに前記第２のアンテナ素子が複数含まれており、これら複数の第２のアンテナ素子から任意の一つを順に選択して前記第２の工程を実施する、請求項１または２に記載のアレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法。
4. 前記アレイアンテナに含まれる複数のアンテナ素子の任意の一つを前記第１のアンテナ素子として使用する、請求項１ないし３のいずれかに記載のアレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法。
5. 前記アレイアンテナに含まれる複数のアンテナ素子の任意の一つを前記第２のアンテナ素子として使用する、請求項１ないし４のいずれかに記載のアレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法。
6. 前記第１の工程において前記第１のアンテナ素子から微弱かつ広ビーム幅の前記第１のテスト信号波を放射させる、請求項１ないし５のいずれかに記載のアレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法。
7. 前記第２の工程において前記アンテナ素子ペアから広ビーム幅の前記第２のテスト信号波を放射させる、請求項１ないし６のいずれかに記載のアレイアンテナキャリブレーション用ＬＵＴの更新方法。

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