JP3331350B2 - 和パターンと差パターンを有するフェーズドアレーアンテナシステムとその電力合成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、和パターンと差
パターンを有するフェーズドアレーアンテナシステムと
その電力合成方法に関するものである。特に、移動する
ことにより方向の変化する目標物にアンテナビームを指
向させるフェーズドアレーアンテナシステムとその電力
合成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】移動する目標物から到来する電波を利用
して、アンテナビームをその目標物の方向に指向させる
自動追尾方式でフェーズドアレーアンテナシステムが用
いられている。このシステムでは、信号の受信などのた
めに、各素子アンテナからの信号の和パターンと差パタ
ーンを生成する必要があり、従来は、移相器と電力合成
器で作られてきた。これを以下に説明する。

【０００３】図９は、従来技術によるフェーズドアレー
アンテナシステムを示す概念図である。図９に示されて
いる様に、ある素子アンテナで受信された電波は、電力
分配器により２系統に分配され、一方は和パターン用の
移相量を調整可能な移相器で移相され、他方は差パター
ン用の移相量を調整可能な移相器で移相される。それぞ
れの素子アンテナにおいて、この様に移相された和パタ
ーン用の信号は、和パターン用の電力合成器で重ね合わ
され、和パターンが生成される。差パターンの場合は、
和パターンの場合と同様に、差パターン用に移相された
信号は、差パターン用の電力合成器で重ね合わされ、差
パターンが生成される。従って、和パターンと差パター
ンを有するＮ素子フェーズドアレーアンテナシステムを
従来技術で構成すると、図９のように、和パターン用に
Ｎ個の移相量を調整可能な移相器と差パターン用にＮ個
の移相量を調整可能な移相器の、合計２×Ｎ個の移相量
を調整可能な移相器が必要となる。この構成のフェーズ
ドアレーアンテナシステムの欠点は移相量を調整可能な
移相器の数が素子アンテナの数の２倍必要となることで
ある。移相量を調整可能な移相器は高価であり、このた
め、コストの上昇を招いている。また、移相量を調整可
能な移相器の数が多くなると、それだけ移相器制御回路
や制御線の数が多く必要となり、ハードウエアの重量が
増すことになる。従って、フェーズドアレーアンテナシ
ステムにおいて移相量を調整可能な移相器の数を減らす
ことは重要なことである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の和パタ
ーンと差パターンを有するフェーズドアレーアンテナシ
ステムとその電力合成方法では、和パターン用にＮ個の
移相量を調整可能な移相器と差パターン用にＮ個の移相
量を調整可能な移相器の合計２×Ｎ個の移相量を調整可
能な移相器が必要となり、移相量を調整可能な移相器は
高価であるため、コストの上昇を招いていた。また、移
相量を調整可能な移相器の数が多くなるとそれだけ移相
器制御回路や制御線の数が多く必要となり、ハードウエ
アの重量が増していた。

【０００５】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
移相量を調整可能な移相器の数を従来の方式に比べて減
ずることができる和パターンと差パターンを有するフェ
ーズドアレーアンテナシステムとその電力合成方法を提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、複数の素子アンテナと単
数あるいは複数の移相器とで構成された和パターンと差
パターンを有するフェーズドアレーアンテナシステムに
おいて、（１）複数の素子アンテナと複数の移相器と電
力合成器を用いる和パターンを発生する構成と、複数の
素子アンテナと複数の移相器と電力合成器を用いる差パ
ターンを発生する構成とを備え、（２）上記の和パター
ンを発生する構成と差パターンを発生する構成とは、少
なくともひとつの素子アンテナを、移相量を調整可能な
一台の移相器と遅延回路を使用した和パターン用の移相
量と差パターン用の移相量を同時に与えることが可能な
移相器を用いて併用した構成、を備えたことを特徴とし
ている。

【０００７】また、請求項２に記載の発明は、各素子ア
ンテナの位置ベクトルと、該フェーズドアレーアンテナ
システム位置での電波の到来方向とは逆方向の単位ベク
トルと、の内積値に単位長当たりの波数値に二倍の円周
率を乗じた値の移相を行なった後、それぞれの素子アン
テナからの信号を足し合わせることを特徴としている。

【０００８】また、請求項３に記載の発明は、和パター
ンと差パターンを有するフェーズドアレーアンテナシス
テムの差パターン用の電力合成方法であり、上記した請
求項１に記載の発明の構成に加えて、差パターンの生成
に使用される複数の素子アンテナの数をＮとするとき、
ｎ番めの素子アンテナの位置ベクトルと、該フェーズド
アレーアンテナシステム位置での電波の到来方向とは逆
方向の単位ベクトルと、の内積値に単位長当たりの波数
値に二倍の円周率を乗じた値（ψｎ）を、ｎから１を減
じた値に二倍の円周率を乗じてＮで除した値（２π×
（ｎ−１）／Ｎ）から差し引いた値（２π×（ｎ−１）
／Ｎ −ψｎ）の移相を行なった後、それぞれの素子ア
ンテナからの信号を足し合わせることを特徴としてい
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】先ず、本発明の原理を以下に示
す。本発明は、和パターンと差パターンのボアサイト方
向（トラッキング軸の方向）が同じであることを利用し
て、移相量を調整可能な移相器の数が素子アンテナの数
と同じでも和パターンと差パターンを得ることができる
フェーズドアレーアンテナシステムを構成するものであ
る。

【００１０】まず、Ｎ個の素子アンテナからなるフェー
ズドアレーアンテナシステムを考える。図２のようにＮ
個の素子アンテナが平面上に配列されていたとする。図
２は、Ｎ個の素子アンテナをもつフェーズドアレーアン
テナシステムに属する素子アンテナの平面上の配置と座
標系を示す図である。電波の到来方向を（θ₀ 、φ₀）
とすると、第ｎ番目素子での受信電界の位相は、図２の
基準素子＃１に対して、次の位相ψｎだけ進んでいる。

【数１】 ここで、

【数２】 は、それぞれ素子アンテナの位置ベクトルと、電波の到
来方向（θ₀ 、φ₀ ）とは逆方向の単位ベクトルとであ
る。このときの第ｎ番目の素子アンテナ＃ｎでの受信電
界は、基準素子アンテナ＃１での受信電界をＥ₀ とする
と、次の様にあらわせる。

【数３】

【００１１】従って、和パターンを得るには、第ｎ番目
の素子アンテナ＃ｎに、−ψｎ、の移相を行なえばよい
ことが以下の式から分かる。このときの第１番目から第
Ｎ番目までの素子アンテナの電界を上記の様に移相した
後に合成した合成電界ＥΣは、次の様に表わされる。

【数４】

【００１２】また、差パターンを得るには、第ｎ番目素
子に、

【数５】 の位相を与えればよいことが以下の式から分かる。この
ときの第１番目から第Ｎ番目までの素子アンテナの電界
を上記の様に移相した後に合成した合成電界ＥΔは、次
の様に表わされる。

【数６】 となり、差パターンが得られることを示している。

【００１３】なお、差パターン用の移相量、数５、は位
相進みとなる可能性があることから、基準素子の位相を
オフセットさせることで各素子に与える移相量を位相遅
れ状態にすることによりハードウエアの実現性が容易に
なる。オフセット量としては

【数７】 が適当である。このとき、第ｎ番目の素子アンテナ＃ｎ
の移相量は、

【数８】 となる。すなわち、差パターン用の移相量（数８）は、
ボアサイト方向の変化に対応する移相量（−ψｎ）と各
素子アンテナに固定の移相量

【数９】 とから成る。ボアサイト方向の変化に対応する移相量
（−ψｎ）については和パターン及び差パターンを得る
場合に共通であることから、各素子アンテナ用として
は、１台の通常の、移相量を調整可能な移相器を、和パ
ターン及び差パターンで共用することができることが分
かる。また、差パターンの生成で必要となる各素子アン
テナに固定の移相量（数９）については固定の遅延回路
で対応することができる。

【００１４】以上により、通常の移相量を調整可能な移
相器１台のみと受動回路である遅延回路を使用して、和
パターン用の移相量と差パターン用の移相量を同時に与
えることが可能な移相器を実現できることが分かる。こ
の方法に沿った、和パターン用と差パターン用の移相量
を同時に実現する構成は、図１（ａ）のようになる。図
１（ａ）の構成では、移相量を調整可能な移相器はひと
つのみである。ここで、以下の記述においては、図１
（ａ）の構成を図１（ｂ）の様に略記する。この図１
（ａ）の構成を用いた和パターンと差パターン同時に生
成することのできるフェーズドアレーアンテナシステム
の構成を図１（ｂ）の略記を用いて図３に示す。このよ
うに、図３の構成では、移相量を調整可能な移相器の数
はＮ台だけで済むことになる。但し、基準素子アンテナ
＃１に移相量を調整可能な移相器を使用しない場合は
（Ｎ−１）台である。

【００１５】次に、この発明の具体的な実施の形態を図
４から図７に基づいて詳細に説明する。図４は、実施形
態である４個の素子アンテナからなるフェーズドアレー
アンテナシステムを示す図である。図４のように４個の
素子アンテナが平面上の任意の位置に配置されていたと
する。ここで、（θ₀ 、φ₀ ）方向からの電波を受信し
たときの各素子アンテナでの受信電界を複素平面上に表
すと図５のようになる。図５は、（１）に各素子アンテ
ナを、（２）に図４の♯１の素子アンテナを基準とした
ときの各素子アンテナでの受信電界ベクトルを、（３）
に各移相器の与える移相量を、（４）に移相器を通過後
の受信電界ベクトルを、（５）に移相器を通過後のそれ
ぞれの信号を合成する電力合成器を、（６）に合成され
た受信電界ベクトルを、示す図である。＃１から＃４の
素子アンテナで受信された信号は、素子アンテナ＃１を
基準としたときの各素子アンテナでの受信電界に対し、
それぞれ、０、ａ、ｂ、ｃラジアンの位相差を持ってお
り、ａ、ｂ、ｃは、以下で表わせる。

【数１０】 通常のフェーズドアレー動作では、これらの受信電界が
各素子アンテナに取り付けられた移相器により逆符号の
位相を与えられることにより同相となり、これらを合成
すると和パターンが得られる。

【００１６】次に、上記の電波と同じ方向の電波に対し
て差パターンを得る場合を図６に示す。図６は、（１）
に各素子アンテナを、（２）に図４の♯１の素子アンテ
ナを基準としたときの各素子アンテナでの受信電界ベク
トルを、（３）に各移相器の与える移相量を、（４）に
移相器を通過後の受信電界ベクトルを、（５）に移相器
を通過後のそれぞれの信号を合成する電力合成器を、
（６）に合成された受信電界ベクトルを、示す図であ
る。＃１から＃４の素子アンテナで受信された信号は、
素子アンテナ＃１を基準としたときの各素子アンテナで
の受信電界に対し、それぞれ、０、ａ、ｂ、ｃラジアン
の位相差を持っており、ａ、ｂ、ｃは、数１０で表せ
る。差パターンを得るためにこれらの各素子の受信電界
に対して与える移相量は、＃１を基準とすると、＃２に
対しては（π／２−ａ）、＃３に対しては（π−ｂ）、
＃４に対しては（３π／２−ｃ）、である。ただし、位
相進みを与えるのはハード的には難しいため、位相遅れ
に変換する必要がある。したがって、＃１の移相量を
（−３π／２）ラジアンとすれば、＃２に対しては（−
π−ａ）、＃３に対しては（−π／２−ｂ）、＃４に対
しては（−ｃ）、の移相量となり、容易に実現が可能で
ある。このときの受信電界ベクトルの状態を図６（４）
に示す。

【００１７】さて、上記で和パターンの場合と差パター
ンの場合とを比較して見ると、差パターンを作るために
与える移相量は、和パターンを作るために与える移相量
と同じ移相量と、さらに固定の移相量とから成ることが
分かる。これから、通常の移相量を調整可能な移相器を
１台と付加的な受動回路を用いて和パターン用の位相と
差パターン用の位相を同時に作る構成を実現可能である
事がわかる。この構成を用いたときの和パターンと差パ
ターンとを同時に生成する４素子フェーズドアレーアン
テナシステムの構成を図７に示す。図７は、（１）に各
素子アンテナを、（２）に和パターンと差パターンとを
同時に生成する移相器に与える移相量を、（３）に各移
相器と電力合成器とを結ぶ情報路を、（４）に和パター
ン用の電力合成器と差パターン用の電力合成器とを、
（５）に合成された和パターンと差パターンとの受信電
界ベクトルを、示す図である。

【００１８】上記の実施形態で、和パターン用の位相と
差パターン用の位相とを同時に作る移相器では、線路に
よる遅延を用いる例を示したが、この他の方法として
は、図８に示した移相器の構成によっても、同様の効果
を得ることができる。図８は、（１）に２電力分配器と
線路とを用いて、（−３π／２）ラジアンの移相と０ラ
ジアンの移相とを行なう構成とを、（２）に通常の移相
量を調整可能な移相器とラットレース回路等とを用いた
１８０度ハイブリッド回路により（−π−ａ）ラジアン
の移相と、（−ａ）ラジアンの移相とを行なう構成と
を、（３）に通常の移相量を調整可能な移相器とブラン
チライン回路等とを用いた９０度ハイブリッド回路によ
り（−π／２−ｂ）ラジアンの移相と、（−ｂ）ラジア
ンの移相とを行なう構成とを、（４）に通常の移相量を
調整可能な移相器と２分配器とを用いて、それぞれ（−
ｃ）ラジアンの移相を行なう構成を示す図である。図８
の移相器を使用して、図７のフェーズドアレーを実現し
た場合は、通常の移相量を調整可能な移相器は４台だけ
で済むことになる。但し、＃１には通常の移相量を調整
可能な移相器を使用しなくてもよいので、この場合は通
常の移相量を調整可能な移相器の合計台数は３台であ
る。このように構成することにより、素子アンテナの数
以下の移相量を調整可能な移相器数で和パターンと差パ
ターンとを同時に生成するフェーズドアレーが得られ
る。

【００１９】

【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。請求
項１に記載の発明では、複数の素子アンテナと単数ある
いは複数の移相器とで構成された和パターンと差パター
ンを有するフェーズドアレーアンテナシステムにおい
て、（１）複数の素子アンテナと複数の移相器と電力合
成器を用いる和パターンを発生する構成と、複数の素子
アンテナと複数の移相器と電力合成器を用いる差パター
ンを発生する構成とを備え、（２）上記の和パターンを
発生する構成と差パターンを発生する構成とは、少なく
ともひとつの素子アンテナを、移相量を調整可能な一台
の移相器と遅延回路を使用した和パターン用の移相量と
差パターン用の移相量を同時に与えることが可能な移相
器を用いて併用した構成にしたので、従来の和パターン
と差パターンを有するフェーズドアレーアンテナシステ
ムでは和パターン用にＮ個の移相量を調整可能な移相器
と差パターン用にＮ個の移相量を調整可能な移相器の合
計２×Ｎ個の移相量を調整可能な移相器が必要であった
が、本発明では従来のものより少ない個数の移相量を調
整可能な移相器で、和パターンと差パターンを有するフ
ェーズドアレーアンテナシステムを構成できた。

【００２０】また、請求項２に記載の発明では、請求項
１に記載の和パターンと差パターンを有するフェーズド
アレーアンテナシステムにおける和パターン用の電力合
成方法を開示しており、各素子アンテナの位置ベクトル
と、該フェーズドアレーアンテナシステム位置での電波
の到来方向とは逆方向の単位ベクトルと、の内積値に単
位長当たりの波数値に二倍の円周率を乗じた値の移相を
行なった後、それぞれの素子アンテナからの信号を足し
合わせることを特徴とする和パターン用の電力合成方法
を開示したので、従来のものより少ない個数の移相量を
調整可能な移相器で構成された、和パターンと差パター
ンを有するフェーズドアレーアンテナシステムを用い
て、和パターン用の電力合成が可能になった。

【００２１】さらに、請求項３に記載の発明では、請求
項１に記載の和パターンと差パターンを有するフェーズ
ドアレーアンテナシステムにおける差パターン用の電力
合成方法を開示しており、差パターンの生成に使用され
る複数の素子アンテナの数をＮとするとき、ｎ番めの素
子アンテナの位置ベクトルと、該フェーズドアレーアン
テナシステム位置での電波の到来方向とは逆方向の単位
ベクトルと、の内積値に単位長当たりの波数値に二倍の
円周率を乗じた値（ψｎ）を、ｎから１を減じた値に二
倍の円周率を乗じてＮで除した値（２π×（ｎ−１）／
Ｎ）から差し引いた値（２π×（ｎ−１）／Ｎ−ψｎ）
の移相を行なった後、それぞれの素子アンテナからの信
号を足し合わせることを特徴とする差パターン用の電力
合成方法を開示したので、従来のものより少ない個数の
移相量を調整可能な移相器で構成された、和パターンと
差パターンを有するフェーズドアレーアンテナシステム
を用いて、差パターン用の電力合成が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の、和パターン用と差パターン用の移相
量を同時に実現する構成を示す図であり、（ａ）はひと
つの移相量を調整可能な移相器と電力分配器と遅延線路
を用いた構成を示し、（ｂ）は（ａ）の構成の略記法を
示す。

【図２】Ｎ個の素子アンテナをもつフェーズドアレーア
ンテナシステムの素子アンテナの平面上の配置と座標系
を示す図である。

【図３】図１（ａ）の構成を用いた和パターンと差パタ
ーン同時に生成することのできるフェーズドアレーアン
テナシステムの構成を図１（ｂ）の略記を用いて示した
図である。

【図４】実施形態である４個の素子アンテナからなるフ
ェーズドアレーアンテナの素子アンテナの配列と座標系
および電波の到来方向を一般化して示す図である。

【図５】フェーズドアレーアンテナシステムの和パター
ンを生成する電力合成方法を示す図で、（１）に各素子
アンテナを、（２）に図４の♯１の素子アンテナを基準
としたときの各素子アンテナでの受信電界ベクトルを、
（３）に各移相器の与える移相量を、（４）に移相器を
通過後の受信電界ベクトルを、（５）に移相器を通過後
のそれぞれの信号を合成する電力合成器を、（６）に合
成された受信電界ベクトルを、示す図である。

【図６】フェーズドアレーアンテナシステムの差パター
ンを生成する電力合成方法を示す図で、（１）に各素子
アンテナを、（２）に図４の♯１の素子アンテナを基準
としたときの各素子アンテナでの受信電界ベクトルを、
（３）に各移相器の与える移相量を、（４）に移相器を
通過後の受信電界ベクトルを、（５）に移相器を通過後
のそれぞれの信号を合成する電力合成器を、（６）に合
成された受信電界ベクトルを、示す図である。

【図７】和パターンと差パターンとを同時に生成する４
素子フェーズドアレーアンテナシステムの構成を示す図
で、（１）に各素子アンテナを、（２）に和パターンと
差パターンとを同時に生成する移相器に与える移相量
を、（３）に各移相器と電力合成器とを結ぶ情報路を、
（４）に和パターン用の電力合成器と差パターン用の電
力合成器とを、（５）に合成された和パターンと差パタ
ーンとの受信電界ベクトルを、示す図である。

【図８】線路による遅延以外の方法を用いた手段による
構成を示す図で、１）に２電力分配器と線路とを用い
て、（−３π／２）ラジアンの移相と０ラジアンの移相
とを行なう構成とを、（２）に通常の移相量を調整可能
な移相器とラットレース回路等とを用いた１８０度ハイ
ブリッド回路により（−π−ａ）ラジアンの移相と、−
ａラジアンの移相とを行なう構成とを、（３）に通常の
移相量を調整可能な移相器とブランチライン回路等とを
用いた９０度ハイブリッド回路により（−π／２−ｂ）
ラジアンの移相と、（−ｂ）ラジアンの移相とを行なう
構成とを、（４）に通常の移相量を調整可能な移相器と
２分配器とを用いて、それぞれ（−ｃ）ラジアンの移相
を行なう構成を示す図である。

【図９】従来技術によるフェーズドアレーアンテナシス
テムを示す概念図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 25/02 H01Q 3/26

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の素子アンテナと単数あるいは複数
   の移相器とで構成された和パターンと差パターンを有す
   るフェーズドアレーアンテナシステムにおいて、（１）
   複数の素子アンテナと複数の移相器と電力合成器を用い
   る和パターンを発生する構成と、複数の素子アンテナと
   複数の移相器と電力合成器を用いる差パターンを発生す
   る構成とを備え、（２）上記の和パターンを発生する構
   成と差パターンを発生する構成とは、少なくともひとつ
   の素子アンテナを、移相量を調整可能な一台の移相器と
   遅延回路を使用した和パターン用の移相量と差パターン
   用の移相量を同時に与えることが可能な移相器を用いて
   併用した構成、を備えたことを特徴とする和パターンと
   差パターンを有するフェーズドアレーアンテナシステ
   ム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の和パターンと差パター
   ンを有するフェーズドアレーアンテナシステムにおける
   電力合成方法で、各素子アンテナの位置ベクトルと、該
   フェーズドアレーアンテナシステム位置での電波の到来
   方向とは逆方向の単位ベクトルと、の内積値に単位長当
   たりの波数値に二倍の円周率を乗じた値の移相を行なっ
   た後、それぞれの素子アンテナからの信号を足し合わせ
   ることを特徴とする和パターン用の電力合成方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の和パターンと差パター
   ンを有するフェーズドアレーアンテナシステムにおける
   電力合成方法で、差パターンの生成に使用される複数の
   素子アンテナの数をＮとするとき、ｎ番めの素子アンテ
   ナの位置ベクトルと、該フェーズドアレーアンテナシス
   テム位置での電波の到来方向とは逆方向の単位ベクトル
   と、の内積値に単位長当たりの波数値に二倍の円周率を
   乗じた値（ψｎ）を、ｎから１を減じた値に二倍の円周
   率を乗じてＮで除した値（２π×（ｎ−１）／Ｎ）から
   差し引いた値（２π×（ｎ−１）／Ｎ −ψｎ）の移相
   を行なった後、それぞれの素子アンテナからの信号を足
   し合わせることを特徴とする差パターン用の電力合成方
   法。