JP2998317B2 - フェーズドアレーアンテナ装置およびフェーズドアレーアンテナ装置における位相量演算方法 - Google Patents
フェーズドアレーアンテナ装置およびフェーズドアレーアンテナ装置における位相量演算方法Info
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- JP2998317B2 JP2998317B2 JP3193064A JP19306491A JP2998317B2 JP 2998317 B2 JP2998317 B2 JP 2998317B2 JP 3193064 A JP3193064 A JP 3193064A JP 19306491 A JP19306491 A JP 19306491A JP 2998317 B2 JP2998317 B2 JP 2998317B2
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Description
器、位相量演算手段より構成されたフェーズドアレーア
ンテナ装置およびフェーズドアレーアンテナ装置におけ
る位相量演算方法に関するものである。
ク(オーム社)pp.216に掲載された従来のフェー
ズドアレーアンテナ装置の図である。図において1は素
子アンテナ、5は分波器、6は座標、7は素子間隔d、
8はアンテナの正面方向(zx平面)に対するビームの
角度θ、9は移相器、10は移相器制御手段、11は位
相量演算手段である。
ナのビームを角度θ8へ向ける場合、位相量演算手段4
はi番目の素子アンテナに与える励振位相Φi を(1)
式にしたがって計算する。
テナの位置である。この演算式に従って計算された励振
位相Φi が移相器制御手段3を通じて移相器2に与えら
れる。以上の動作により角度θ8方向へビームを向ける
ことができる。
ーアンテナ装置は以上のように構成されていた。しかし
従来例では移相器の精度や位相量演算手段の計算精度が
ビーム走査角に及ぼす影響を考慮していなかったため、
所望するビーム走査角の最小変化量が実現できない場合
があるという問題があった。
ためになされたもので、所望するビーム走査角の最小変
化量を実現し得る精度の移相器を備えたモノパルスフェ
ーズドアレーアンテナ装置を提供することを目的として
おり、さらに上記ビーム走査角の最小変化量を実現する
のに必要な演算精度を有する位相量演算手段を備えたモ
ノパルスフェーズドアレーアンテナ装置及び、正面方向
付近でビームを動かすときに生ずるビーム走査角の大き
なとびを解消するための演算過程を持つ位相量演算手段
を備えたモノパルスフェーズドアレーアンテナ装置を提
供することを目的としている。
個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、アンテナ
素子に接続され、アンテナ素子への給電位相を設定する
ディジタル移相器と、ディジタル移相器の設定位相を演
算するディジタル位相量演算手段とを備え、アレーアン
テナのビーム走査をするフェーズドアレーアンテナ装置
において、ディジタル移相器が、振幅が最小のアンテナ
素子1個のディジタル移相器の最小ビットを1ビット変
化させたときのビーム走査角の変化量がビーム走査角の
最小変化量以内となる条件で決められたビット数のディ
ジタル移相器であり、ディジタル位相量演算手段が、デ
ィジタル位相量演算手段で演算できる最小位相量がビー
ム走査角の最小変化量を与える複数個のアンテナ素子へ
のそれぞれの給電位相における最大位相差の2倍以内と
なる条件で決められたビット数のディジタル位相量演算
手段であることを特徴とするものである。
ーアンテナ装置における位相量演算方法であって、ディ
ジタル位相量演算手段によりビーム走査方向に対応する
各アンテナ素子への給電位相を所定のビット数(Nビッ
ト)に対してN+1ビット以上で演算し、その演算結果
φに対してφ−sin(φ)・2π/2N+1 の演算を
し、その演算結果のN+1ビット以下を切り捨てて得ら
れた位相量に基づいてディジタル移相器に与える移相量
を決定し、アレーアンテナのビーム走査をすることを特
徴とするものである。
算手段を、ディジタル位相量演算手段で演算できる最小
位相量がビーム走査角の最小変化量を与える複数個のア
ンテナ素子へのそれぞれの給電位相における最大位相差
の2倍以内となる条件で決められたビット数としたの
で、所望するビーム走査角の最小変化量を実現するに必
要十分なビット数のディジタル位相量演算手段を備えら
れる。
位相量演算手段によりビーム走査方向に対応する各アン
テナ素子への給電位相を所定のビット数(Nビット)に
対してN+1ビット以上で演算し、その演算結果φに対
してφ−sin(φ)・2π/2N+1 の演算をするの
で、アレーアンテナの正面方向近傍でのビーム走査にお
ける設定ビーム走査角のわずかの変化に対するビーム走
査角の大きなとびを解消でき、アレーアンテナの全ビー
ム走査範囲で精度の良いビーム走査を実現する。
ルスフェーズドアレーを示す図である。図1(a)にお
いて2はMビット移相器、3は移相器制御手段であると
ころの移相器制御装置、4は位相量演算手段であるとこ
ろのNビット位相量演算手段、12は180゜ハイブリ
ッド、13は左側サブアレーである。ただし左側サブア
レー13と、右側サブアレー14は座標6のz軸を挟ん
で左右対象な構造であり、それぞれy軸方向にm個、x
軸方向に間隔dでn個素子アンテナが並んでいるものと
する。また、ビームはzx平面内で走査するものとす
る。5〜8については、図9と同じである。
ルスフェーズドアレーにおいて、差パターンのビームの
設定走査角をθ0 (ただし、差パターンのビーム走査角
とは電界振幅の零点方向とする。)、i番目アンテナ素
子における励振位相の設定位相からの変化分をΔψi 、
例振電界をEi 、角アンテナ素子のx座標をxi 、アン
テナ素子の総数をKとすると、差パターン電界f(θ)
は(2)式で表される。
ナ素子の位置に応じて±1の値を取る係数で、ここでは
左側サブアレー13に属するアンテナ素子では+1、右
側サブアレー14に属するアンテナ素子では−1を取る
ものとする。差パターン電界f(θ)の実際のビーム走
査角θt (零点方向)は設定位相からの変化分Δψiに
より、θo からΔθ変化しており、θt =θo +Δθと
表される。Δθが十分小さく、また指数関数の指数部が
小さい場合(3)式の関係が成立する。
Δθは(5)式のように表される。
ンテナ素子の励振振幅の和は、左右のサブアレーで等し
いので(5)式の分子の第1項は0となる。ここで設定
位相からの変化分Δψi を移相器による位相変化と考え
ると(5)式は移相器の位相変化によるビーム走査角の
変化を表す式となる。ディジタル移相器を用いたフェー
ズドアレーでは位相変化が不連続であるから、実現可能
なビーム走査角の最小変化分ΔθMIN には限界がある。
図1のモノパルスフェーズドアレーにおいて、ビーム走
査角θ0 時に実現できるビーム走査角の最小変化分Δθ
MIN は、(5)式から、振幅が最小である素子のいずれ
か一つの移相器を1ビット変化させることによって得ら
れることがわかる。ディジタル移相器を1ビット変化さ
せたときの位相量変化をΔψ0 とするとビーム走査角の
最小変化分ΔθMIN は(6)式で表される。
れに必要なビット数Mは、(6)式に(7)式を代入し
かつ、(6)式の=を>に置き換えてMについて解けば
求まり、(8)式のように表される。
矩形配列であれば
なる。
dnである。本実施例では(8)式もしくは(10)式
の条件を満たす移相器を用いることにより、要求される
ビーム走査角の最小変化分ΔθMIN を実現する。
=600mm、λ=31mm、θ0=0゜方向でビーム
走査角の最小変化量Δθ=0.002mradが要求さ
れたとする。また、片面のサブアレー13、14の総素
子数K=500とする。この場合に必要な移相器2のビ
ット数Mは(10)式よりM≧7となる。
なる。図1のモノパルスフェーズドアレーで差パターン
のビームを角度θ8へ向ける場合、i番目の素子アンテ
ナに与える励振位相Ψi は従来例と同じように計算さ
れ、(11)式のようになる。
せる場合に必要な励振位相の変化分ΔΨi は(11)式
より次のように求まる。
量とすると、(12)式によって計算される位相変化分
ΔΨi は理論的には連続量となる。しかしNビット移相
量演算装置で演算できる最小位相量qは
変化分ΔΨi は不連続量となる。図2に素子アンテナの
位置xi と位相変化分ΔΨi の関係を示す。15は理論
的な位相変化分ΔΨi 、16はNビット位相量演算装置
による位相変化分ΔΨi をしめす。図2(a)からわか
るようにNビット位相量演算装置の位相変化分ΔΨiは
理論値に対してほとんどの場合、量子化誤差を持つ。ま
た、一番端の素子アンテナでは最大の位相量変化ΔΨn
があることがわかる。ΔΨn は次式のようになる。
った場合はNビット位相量演算装置による位相変化分Δ
Ψi はすべて0となる。図2(b)にこの様子を示す。
従って位相量演算手段の計算精度により、ビーム走査角
の最小変化量に限界があることがわかる。
分ΔΨi が0以外の値を取るのは|ΔΨn |>(q/
2)の場合であるから所望するビーム走査角の最小変化
量Δθを実現するためには(14)式より
る。本実施例では
ット位相量演算装置を用いることにより、所望するビー
ム走査角の最小変化量を実現する。
1のモノパルスフェーズドアレーにおいて、実施例1と
同じくd=15mm,アンテナ素子のx座標の差の最大
値D´=600−15/2=592.5mm、λ=31
mm、θ0 =0゜方向でビーム走査角の最小変化量Δθ
=0.002mradが要求されたとする。この場合に
必要な位相量演算装置のビット数は(16)式よりN≧
15となる。これより実施例1で示したように7ビット
の移相器を備えても、15ビット未満の演算精度では要
求されたΔθを実現できない。
ける位相量演算装置4で行われる演算と移相器にデータ
を与える過程を示すフローチャートである。ステップ
1、2では演算はJ+1ビット以上で行われ、ステップ
3、4では演算はJビットで行われる。また移相器はI
ビットである。
プ1で、ビーム走査方向に基づく移相量φaiを計算す
る。このときの計算は(11)式のように行われる。
((11)式のΨi をφaiと置き換える。)次にステッ
プ2ではステップ1で計算した移相量φaiのJ+1ビッ
ト以下を切り捨てる。ステップ3ではJビットの各アン
テナ素子1の初期位相φbiをステップ2で求めた移相量
φaiにたして、ステップ4ではステップ3の結果のI+
1ビット以下を切り捨てる。最後にステップ5でステッ
プ4の結果を移相器2に与える。
量を図4に示す。21は(11)式で得られる理論的な
移相量、22は実際に演算される移相量である。図4
(a)はビームをθの正方向に僅かに走査しようとした
場合(移相量が最大でも±2π/2J を越えない位の走
査角)の移相量である。ステップ2でJ+1ビット以下
を切り捨てるため、アレーの中心近くにおいて、負の移
相量となる右側サブアレー14では演算上の位相が−2
π/2J 変動するのに対し、正の位相量となる左側サブ
アレー13では変動しない。一方、図4(b)はビーム
をθの負方向に僅かに走査しようとした場合の移相量で
ある。図4(a)とは全く逆の結果になる。この結果、
ビームを正面方向から正負どちらに走査しようとして
も、ステップ1のビット数で演算できる走査角以上とな
ればただちに演算上の位相が変動し、結果としていくつ
かの移相器が動いてビーム走査角の変動が起きる。図5
に指令角と実際のビーム走査角の関係を示す。図5から
わかるようにビーム方向が0゜になる範囲は極僅かしか
なく、ビーム走査角の大きなとびを生じる。
で、計算した移相量φaiからsin(φai)・2π/2
J+1 [rad]を引く操作を加える。このとき移相器2
の移相量は図7のようになる。図7(a)はビームをθ
の正方向に僅かに走査しようとした場合(位相量が最大
でも±2π/2J+1 を越えない位の走査角)、(b)は
ビームをθの負方向に僅かに走査しようとした場合であ
るが、どちらの場合でも移相量φaiの理論上の値が±2
π/2J+1 [rad]以上とならないうちは移相の変動
が起きないことになる。図6の演算過程を用いた場合の
指令角と実際ビーム走査角の関係を図8に示す。図8か
らわかるようにビーム方向0゜となる範囲が広がりビー
ム走査角の大きなとびはなくなる。
パレスフェーズドアレーを用いて説明したが、他の配列
方法や一般の平面フェーズドアレーにおいても本発明が
応用できることはいうまでもない。
角の最小変化量を実現するに必要十分なビット数のディ
ジタル位相量演算手段を備えたフェーズドアレーアンテ
ナ装置を得られる効果がある。
の正面方向近傍でのビーム走査における設定ビーム走査
角のわずかの変化に対するビーム走査角の大きなとびを
解消でき、アレーアンテナの全ビーム走査範囲で精度の
良いビーム走査のできるフェーズドアレーアンテナ装置
を得られる効果がある。
レーアンテナ装置を示す構成図である。
レーアンテナ装置における各素子アンテナの励振位相を
示すグラフである。
レーアンテナ装置における位相量演算装置で行われる演
算と移相器にデータを与える過程を示すフローチャート
である。
示すグラフである。
実現されるビーム走査角の関係を示すグラフである。
置で行われる演算と移相器にデータを与える過程を示す
フローチャートである。
示すグラフである。
実現されるビーム走査角の関係を示すグラフである。
である。
Claims (2)
- 【請求項1】 複数個のアンテナ素子からなるアレーア
ンテナと、アンテナ素子に接続され、アンテナ素子への
給電位相を設定するディジタル移相器と、ディジタル移
相器の設定位相を演算するディジタル位相量演算手段と
を備え、アレーアンテナのビーム走査をするフェーズド
アレーアンテナ装置において、ディジタル移相器が、振
幅が最小のアンテナ素子1個のディジタル移相器の最小
ビットを1ビット変化させたときのビーム走査角の変化
量がビーム走査角の最小変化量以内となる条件で決めら
れたビット数のディジタル移相器であり、ディジタル位
相量演算手段が、ディジタル位相量演算手段で演算でき
る最小位相量がビーム走査角の最小変化量を与える複数
個のアンテナ素子へのそれぞれの給電位相における最大
位相差の2倍以内となる条件で決められたビット数のデ
ィジタル位相量演算手段であることを特徴とするフェー
ズドアレーアンテナ装置。 - 【請求項2】 請求項1記載のフェーズドアレーアンテ
ナ装置における位相量演算方法であって、ディジタル位
相量演算手段によりビーム走査方向に対応する各アンテ
ナ素子への給電位相を所定のビット数(Nビット)に対
してN+1ビット以上で演算し、その演算結果φに対し
てφ−sin(φ)・2π/2N+1 の演算をし、その演
算結果のN+1ビット以下を切り捨てて得られた位相量
に基づいてディジタル移相器に与える移相量を決定し、
アレーアンテナのビーム走査をすることを特徴とする位
相量演算方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3193064A JP2998317B2 (ja) | 1991-08-01 | 1991-08-01 | フェーズドアレーアンテナ装置およびフェーズドアレーアンテナ装置における位相量演算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3193064A JP2998317B2 (ja) | 1991-08-01 | 1991-08-01 | フェーズドアレーアンテナ装置およびフェーズドアレーアンテナ装置における位相量演算方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0537223A JPH0537223A (ja) | 1993-02-12 |
JP2998317B2 true JP2998317B2 (ja) | 2000-01-11 |
Family
ID=16301603
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3193064A Expired - Lifetime JP2998317B2 (ja) | 1991-08-01 | 1991-08-01 | フェーズドアレーアンテナ装置およびフェーズドアレーアンテナ装置における位相量演算方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2998317B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07291305A (ja) * | 1994-04-20 | 1995-11-07 | Eiichi Suda | 複数連結型袋体 |
KR100517954B1 (ko) * | 2002-11-27 | 2005-10-04 | 한국전자통신연구원 | 위상배열안테나의 정밀 위상제어 방법 |
CN112928495B (zh) * | 2021-01-21 | 2022-09-20 | 南京理工大学 | 基于fpga的k位数字移相器高精度顺序馈相方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03165105A (ja) * | 1989-11-24 | 1991-07-17 | Tech Res & Dev Inst Of Japan Def Agency | 電子走査アンテナ |
-
1991
- 1991-08-01 JP JP3193064A patent/JP2998317B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0537223A (ja) | 1993-02-12 |
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