JP3567102B2 - 給電方法およびフェーズドアレーアンテナ - Google Patents
給電方法およびフェーズドアレーアンテナ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナに関し、特に、アンテナ開口面の位相分布を制御する給電方法、およびこれを用いた給電回路を有するフェーズドアレーアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナは、給電点（給電を行うマトリクス回路のポート）の位置に対応してビーム方向が変化することから給電点切換走査型のフェーズドアレーアンテナと呼ばれている。
【０００３】
一般的に走査の細かさ（個々のビーム間隔）はビーム幅程度となり、信号を入力するポートを適当に選択することにより幾つかのマルチビームを発生させることが可能という特徴を有している。［文献：電子通信学会「アンテナ工学ハンドブック」、５章、オーム社 参照］
図８はＮポートの１次元マトリクス回路を用いた直接放射型のフェーズドアレーアンテナを説明する図である。同図において数字符号６は入力信号、７はマトリクス回路、８は素子アンテナ、１〜５はビームの方向を示している。入力信号６は、所望するビーム方向に応じて入力位置（この場合はポート１〜ポートＮのいずれか１つ）を選択して入力する。
【０００４】
同図のマトリクス回路７としてはバトラーマトリクス等が用いられる。また、１、２、３はそれぞれポート１、ポート２、ポート３から信号が給電された場合のビーム方向であり、４、５はそれぞれポートｉ、ポートＮから信号が給電された場合のビーム方向を示している。
【０００５】
マトリクス回路７に入力された信号はマトリクス回路の中で分配され、ポート毎に異なる位相差をもって出力される。信号を入力するポート位置によって、出力側で生じる位相の傾きが異なるため、給電を行うマトリクス回路のポート位置に応じてビーム方向が変化する。
【０００６】
一般に給電点から入力された電力はマトリクス回路によって等分配されるため、開口面励振分布は一様分布となり、このままの振幅強度で素子アンテナ（放射素子）を励振したのではサイドローブ特性が悪い。また、給電点切換走査型アンテナのビーム数、およびビーム方向は給電点の数（マトリクス回路のポート数）で制約を受ける。これらを同時に解決するものとして、マトリクス回路の３つ以上のポートに信号を同相（同じ位相）で給電するアンテナが提案されている。［文献：吉良他、「良好なパターン特性を有するマルチビームマトリクス型アンテナの一構成法」、１９９８電子情報通信学会ソサイエティ大会、Ｂ−１−７０，ｐ．７０ 参照］
図９はこれを説明するものである。同図において、数字符号６は入力信号、９は可変電力分配回路（ビーム方向に応じて信号電力の分配比を操作する。信号位相は全て同相である。）、７はマトリクス回路、８は素子アンテナを示している。入力信号６は、可変電力分配回路９で分配されて３つ以上のポートに同相で給電される。
【０００７】
それぞれのポートに給電される信号電力は、積分値が１（面積が１）になるように規格化された実数係数のガウス関数Ａ ｅｘｐ［−ＢＸ２ ］を給電信号の電力密度分布として、定積分を実行することにより求める。図１０はこれを説明するものである。係数Ａはガウス関数の積分値を１とするための規格化係数であり、係数Ｂはガウス関数の広がりを規定するパラメータである。
【０００８】
このアンテナの原理は以下の考えに基づいている。
【０００９】
マトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナが給電を行うポートの位置に応じてビーム方向が変化するのは、入力信号がマトリクス回路で分配されると同時に給電を行うポートの位置によってそれぞれの出力ポートにおける信号の位相が回転し、位相面に傾きを生じるためである。これは原理上、フーリェ変換を行っていると考えることができる。
【００１０】
ｘを変数としたガウス関数ａ ｅｘｐ（−ｂｘ２ ）のフーリェ変換は、同じくガウス関数の形ｃ ｅｘｐ（−ｄｘ２ ）になる。ａ，ｂ，ｃ，ｄは係数である。つまり、入力信号をガウス関数の振幅分布でマトリクス回路に給電した場合、出力信号における振幅分布もガウス関数となる。なお、信号の電力は振幅の平方根に比例するので振幅分布がガウス関数で表わされる場合、電力分布もまたガウス関数である。開口面の振幅分布にガウス関数型のテーパが付くことによりサイドローブ特性が改善される。
【００１１】
また、フーリェ変換の性質から、入力信号の分布形状をそのままに、給電位置（給電ポートの位置）をずらした場合、出力信号位相面の傾きが一定値だけ変化するのみであり、開口面の振幅分布自体は変化しない。すなわち、ビームパターン（開口面の振幅分布）をそのままにビーム方向のみを連続的に変化させることが可能である。この性質はフーリェ変換における時間軸の推移と呼ばれるものである。
【００１２】
図１１は従来技術のアンテナパターン計算結果である。アンテナは素子間隔０．６８波長の１６素子直線アレー（マトリクス回路のポート数Ｎ＝１６）である。
【００１３】
前記電力密度分布Ａ ｅｘｐ［−ＢＸ２ ］において、変数Ｘを１ポート分のビーム幅を単位とした場合（変数ＸでＮポートマトリクス回路の幅を表わすとＮとなる）、係数Ｂは４．０であり、このときの規格化係数Ａは１．１３である。なお、この場合のアンテナ開口の振幅分布のエッジテーパ（両端の素子の中央の素子に対する励振振幅比）は−１０．７ｄＢである。
【００１４】
同図において数字符号１３，１４，１５はそれぞれビーム方向−１３．２°、−１４．６°、−１６．０°のビームパターンである。なお、図１１において、数字符号１３は前記電力密度分布のピーク位置がポート１１の位置にある場合のものであり、数字符号１５は電力密度分布のピーク位置がポート１１とポート１２の中間に位置している場合のものを示している。またこの時に、給電に用いているポート数は４つである。
【００１５】
即ち、図１１において、数字符号１３と数字符号１５は、図１０に示すような電力密度分布は同一であるが、４つの給電ポートに供給する電力比が異なる場合を示している。この図１１の示すことは、４つのポートに供給する電力比を変化させた場合においても、ビームパターンがほぼ同じで、ビーム方向の異なる放射パターンが得られるということである。
【００１６】
直線アレーアンテナまたは平面アレーアンテナにおいては開口面の理想的な位相分布は歪の無い直線又は平面であるが、実際のアンテナでは熱変形や製造のバラツキによってアンテナ開口に歪みが生じる。図１２はこれを説明する図あり、これはアンテナ開口面の励振分布に位相誤差として現れる。即ち、素子アンテナ８よりなる歪んだアンテナ面４１と理想的なアンテナ面４０が０．２波長分の幅であれば７２°の位相差が生じる。図１３はアンテナ開口両端で＋７２°の２次位相歪が存在する場合において、先に示した条件（図１１と同じ給電条件）で従来技術アンテナパターンを計算した結果１６，１７，１８である。７２°の位相歪みはアンテナ開口が１／５波長だけ歪んでいることに相当しており、１５ＧＨｚのアンテナでは１波長２ｃｍであることから４ｍｍの歪みに相当する。このようなわずかな値であってもアンテナパターンは大きく変化してしまうことが分かる。メインローブは第一サイドローブと区別がつかなくなり、利得も纔ながら劣化している。
【００１７】
このことを避ける為には構造的にアンテナの剛性を高めるアプローチと、電気的アプローチとして素子アンテナとマトリクス回路の間に位相器を入れて位相歪みを補正する等の手段が考えられる。しかし、構造的にアンテナの剛性を高める方法では限界があると同時にアンテナ重量の増加を伴う。また、位相器等を用いて素子アンテナの位相を直接調整する方法では、アンテナ構成が複雑になるだけでなく素子アンテナの数に応じて大量に必要となる位相器の調整に大きな手間が必要となる。
【００１８】
また、反射鏡とアレーとを組合せた場合には、反射鏡に対してアレーから球面波に近い電波を放射する為に、素子アンテナを曲面上に配置したり、位相器を設置する等して意図的に位相面に２次の分布を与えることも行われる。［文献：小林他、「マイクロ波ＦＦＴ回路をビーム形成回路網に用いた衛星搭載用マルチビームアンテナの放射特性の検討」、１９９７宇宙科学技術連合講演会９７−１３−６、参照］この場合もアンテナ構成が複雑になるという問題がある。
【００１９】
以上の議論では１次元の直線アレーについて述べてきたが、関数がｘ，ｙの２変数（マトリクス回路が２次元）となってもフーリェ変換は各変数について独立に行われるので、１変数の問題に帰着し、同様の議論が成立する。つまり、関数ａ ｅｘｐ［−ｂｘ２ ］、ｅ ｅｘｐ［−ｆｙ２ ］のフーリェ変換がそれぞれｃ ｅｘｐ［−ｄｘ２ ］、ｇ ｅｘｐ［−ｈｙ２ ］である場合、２次元のマトリクス回路において入力信号の横方向分布をａ ｅｘｐ［−ｂｘ２ ］、縦方向分布をｅ ｅｘｐ［−ｆｙ２ ］とすれば、出力の横方向分布、縦方向分布はそれぞれｃ ｅｘｐ［−ｄｘ２ ］、ｇ ｅｘｐ［−ｈｙ２ ］であり、アンテナが形成するビームパターンについても横方向、縦方向について１次元の場合に帰着される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来のアンテナではアンテナに歪みが存在する場合に、アンテナパターンが大きく変化してしまう。これをアンテナの剛性を高める等の方法によって解決する場合にはアンテナ重量の増加を招く。また、位相器等を用いてアンテナの歪みより生じる位相歪を補正する方法ではアンテナ構成が複雑になるだけでなく位相器の調整に大きな手間が必要になるという問題があった。また、反射鏡とアレーとを組合せた場合などで、意図的にアレーの位相面に２次の分布を与える場合においても同様にアンテナ構成が複雑になるという課題があった。
【００２１】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、小規模な制御回路で、アンテナ開口面の励振分布（マトリクス回路の出力）の位相分布に、任意の大きさの２次成分を付与することが可能であり、アンテナに歪みが存在する場合でも、位相補償を行い良好なアンテナパターンを得ることが可能となる給電方法およびフェーズドアレーアンテナを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナの給電方法において、前記マトリクス回路の出力における中心位相を給電ポートの位置に依らず一定とし、前記マトリクス回路の給電ポート（ｉ，ｊ）に給電した時のビーム方向を（θｉ，φｊ）、所望ビーム方向を（θｓ，φｓ）とするとき、ｓｉｎ［θｓ］−ｓｉｎ［θｉ］およびｓｉｎ［φｓ］−ｓｉｎ［φｉ］を変数ｘとする複素係数ｃ（ただし、ｃは開口面励振分布の振幅のエッジテーパを規定するパラメータａおよび位相分布の２次の成分を規定するパラメータｂよりなる複素係数である。）のガウス関数Ｋ｜ exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜ ２ の定積分（Ｋは規格化定数）により求めた給電を行うポートの電力分布と、関数 exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜ exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜の定積分の偏角より求めた給電を行うポートの位相分布に従って、前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートに信号を分配するか、もしくは、前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートから信号を合成することを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、前記給電方法において、給電ポート（ｉ，ｊ）の、ｉもしくはｊのいずれか一方についてのみ３つ以上の給電ポートを用いて給電することを特徴とする。
【００２４】
たとえば、マトリクス回路が横方向Ｎポート、縦方向Ｍポートから成る２次元的なマトリクス回路の場合、給電ポート（ｉ，ｊ）（ｉ＝１，２，３，…，Ｎ）（ｊ＝１，２，３，…，Ｍ）のｉ（またはｊ）についてのみ３つ以上の給電ポートを用いて本発明を適用した場合は横方向（または縦方向）のみのアンテナ特性の改善を図るものである。また、Ｎ＝１またはＭ＝１の場合は１次元の直線アレーアンテナとなる。
【００２５】
また本発明は、給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナであって、請求項１又は２記載の給電方法によって、信号を分配、もしくは合成する給電回路を具備することを特徴とするものである。
【００２６】
先に説明したように、従来のアンテナでは開口面の位相分布を調整する際、位相器等を用いて個々の素子アンテナの位相を直接調整していた。
【００２７】
本発明マトリクス回路のポート（ｉ，ｊ）からのみ給電した場合のビーム方向を（θｉ ，φｊ ）、所望ビーム方向を（θｓ ，φｓ ）とするとき、送信信号（または受信信号）を、ｓｉｎ［θｓ ］−ｓｉｎ［θｉ ］およびｓｉｎ［φｓ ］−ｓｉｎ［φｉ ］を変数とする複素数係数のガウス関数により求められる電力密度分布と位相分布に従って、マストクス回路の３つ以上の複数ポートに信号を分配（または複数ポートから信号を合成）する給電回路を有することを最も主要な特徴とする。
【００２８】
マトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナが給電を行うポートの位置に応じてビーム方向が変化するのは、入力信号がマトリクス回路で分配されると同時に給電を行うポートの位置によってそれぞれの出力ポートにおける信号の位相が回転し、位相面に傾きを生じるためである。これは原理上、フーリェ変換を行っていると考えることができる。
【００２９】
開口面振幅分布をｘを変数としたガウス関数 ｅｘｐ［−（ａｘ）２ ／２］とし、これに２次の位相分布 ｅｘｐ［−Ｉｂｘ２ ］を与えた場合（Ｉは虚数単位、Ｉ２ ＝−１）、
この開口面励振分布は ｅｘｐ［−（ａ２ ＋Ｉｂ）ｘ２ ／２］となり、
ａ２ ＋Ｉｂ＝ｃ２ とすることにより複素係数のガウス関数 ｅｘｐ［−（ｃｘ）２ ／２］
として表わすことができる。
【００３０】
この関数のフーリェ変換は、同じく複素係数のガウス関数形 ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃになる。
【００３１】
この関数より給電を行う各々のポートへの電力および位相を算出し、給電することにより、開口面に２次の位相分布を与えることが可能になる。
【００３２】
具体的には、前記関数 ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃの絶対値を自乗することにより求められる電力密度分布Ｋ｜ ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜２ の定積分（Ｋは規格化定数）により、給電を行うポートの電力分布を求め、同様に電力密度で重み付けした関数ｅｘｐ ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜ｅｘｐ ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜の定積分の偏角より、給電を行うポートの位相分布を求める。
【００３３】
以上のことから、本発明アンテナの給電回路によりマトリクス回路に給電された信号はアンテナ開口の位相分布において２次成分を有することになる。また、位相分布の２次成分の大きさは複素係数ｃ＝Ｓｑｒｔ［ａ２ ＋Ｉｂ］の定数ｂの値によって様々な値を採ることが可能である。なお、複素係数ｃ＝Ｓｑｒｔ［ａ２ ＋Ｉｂ］の定数ａはアンテナ開口の振幅分布（エッジテーパの強さ）を規定するパラメータである。
【００３４】
なお、信号給電に用いる複数ポートは給電電力が大きなものから優先的に用いることとする。これら選択されたポートに対応するビーム方向は互いに隣接したものとなり、マトリクス回路の個々のポート単独で給電した場合のビーム方向がポート位置に対応して順番に並んでいる場合、信号給電に用いる複数ポートは、隣接した複数ポートとなる。
【００３５】
フーリェ変換の性質上、開口面励振分布で得ようとする振幅分布のエッジテーパが深くなる程、給電信号の電力密度分布は広くする（定数ａを大きくする）必要がある。また、位相分布の２次成分を大きく（定数ｂを大きくする）する場合も給電信号の電力密度分布は広がる傾向がある。これはガウス関数の複素係数ｃ＝Ｓｑｒｔ［ａ２ ＋Ｉｂ］の値が大きくなることからも理解できる。
【００３６】
しかし、開口面励振分布に比較的深いエッジテーパを設けた場合においても、要求される電力密度分布の広がりは小さなものである。（例えば開口面励振分布のエッジテーパを−２０ｄＢとした場合においても、３ポート分の幅があれば最大で約９９．８％までカバーすることが可能である。）
また、位相分布に２次成分をもたせる場合においても、アンテナ開口の歪みを補正することによる給電信号の広がりは大きくない。（例えば開口面励振分布のエッジテーパを−２０ｄＢ、位相歪の２次成分をアンテナ開口両端で＋７２°とした場合、位相歪を補正することによる給電信号の電力密度分布の広がりは約７％である。）
なお、これまでの議論は基本的にマトリクス回路規模に依存しない。よって本発明技術を用いた場合はマトリクス回路規模が大きな場合（アレーアンテナの規模が大きな場合）でも、１ビームにつき、マトリクス回路における１次元方向あたりの信号給電に３ないし４ポートを用いることにより、開口面に２次の位相分布を与えることが可能になり、アンテナの歪み等によって生じるパターン劣化を補正することが可能になる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態例を詳細に説明する。
【００３８】
以下にＮポートのマトリクス回路であるＮポートのバトラーマトリクスを用いた直接放射型の（１次元）直線アレーアンテナを例にとり、本発明を説明する。図１〜図３は本発明の、実施形態例１〜３を説明する図である。これらの図において、数字符号１９は入力信号、２０はマトリクス回路、２１は素子アンテナ、２２はビーム方向に応じて信号電力（ｐ）と信号位相（φ）を操作するＮポート可変電力分配／位相制御回路、２３はＭ×Ｎポート電力分配／位相調整回路、２４は電力合成器を表わしている。
【００３９】
図１は、マトリクス回路２０と、信号を任意の電力比に分割して個々の位相を制御してからマトリクス回路に供給する、Ｎポート可変電力分配／位相調整回路２２とを組み合わせたものである。図３はｋ個のマルチビームを想定したものであり、ｋ個のＮポート可変電力分配／位相制御回路２２を電力合成器（ＰＣ）２４を介してマトリクス回路２０に接続した構成となっている。図２は連続的なビーム走査を必要としない場合において、可変電力分配器の代わりに、予め幾つかの電力分配比／位相調整値が設定されたＭ×Ｎポート電力分配／位相調整回路２３を用いるものである。入力信号１９はビーム方向に応じて入力位置を選択する。
【００４０】
なお、広範囲のビーム走査を必要としない場合などは、必ずしもマトリクス回路２０のＮポート全てに信号給電する必要は無いので、使用しないポートは終端しておけば良い。また、上記のマトリクス給電回路（Ｎポート可変電力分配／位相制御回路２２、Ｍ×Ｎポート電力分配／位相調整回路２３）はＤＳＰ等のデジタル回路を用いれば比較的容易に実現可能である。
【００４１】
次に、素子アンテナ２１の配置を距離ｄλの等間隔配置とし、マトリクス回路２０の各ポートへ給電する電力密度分布を求める。マトリクス回路２０の出力における隣接ポートの位相差は、入力ポートの位置によって（−（Ｎ−１）／Ｎ）＊ １８０°〜（＋（Ｎ−１）／Ｎ）＊ １８０°まで、（２／Ｎ）＊ １８０°刻みでＮ通りの値を取り得る。これらに対応する入力ポートを出力位相差が小さい順にポート１，ポート２，…，ポートＮとする。一般に素子アンテナ２１の指向特性はアレーアンテナ全体の指向特性と比較して非常にブロードなものとなるので、ビーム方向を求めるにあたって素子アンテナ２１の指向特性の影響は殆ど考えなくて良い。以上のことから、給電を行うポート位置ｉに対応するビーム方向θｉ はマトリクス回路の出力位相差より
θｉ ＝ｓｉｎ−１［−（２ｉ−Ｎ−１）／２Ｎｄ］と表される。
【００４２】
よって、ｓｉｎ［θｉ ］＝−（２ｉ−Ｎ−１）／２Ｎｄである。ここで、所望とするビーム方向をθｓ とするとき、マトリクス回路２０の各ポートへの励振分布は以下の関数を用いて求められる。なお、変数ｘを求めるに際し、Ｎポート分の幅をＦＦＴ（高速フーリエ変換）の幅ｓｑｒｔ［２πＮ］に対応させる為にｓｉｎ［θｓ ］−ｓｉｎ［θｉ ］に係数ｄ ｓｑｒｔ ［２πＮ］を掛けている。
【００４３】
ここで複素係数ｃはｃ２ ＝ａ２ ＋Ｉｂという関係式で書き表わすことができａは開口面励振分布の振幅のエッジテーパを規定するパラメータであり、ｂは位相分布の２次の成分を規定するパラメータである。
【００４４】
これより、給電部における個々のポートの電力は上記関数 ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃの絶対値を自乗した関数Ｋ｜ ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜２の定積分（Ｋは規格化定数）により求められ、位相については同様に、電力密度で重み付けした関数 ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜ ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜の定積分の偏角として求められる。図４は複素係数のガウス関数 ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃとマトリクス回路の各ポートへ給電する電力についての関係を示したものである。図４において、複素係数ｃはｃ２＝ａ２＋２Ｉｂという関係式で書き表わすことができ、ａはアンテナ開口面の振幅分布を規定するパラメータであり、ｂはアンテナ開口面の位相分布の２次成分を規定するパラメータである。ポートｉの給電位相φｉは、同様に電力密度で重み付けした関数
【００４５】
【数１】
【００４６】
の定積分の偏角より求められる。
【００４７】
図５及び図６は、振幅のエッジテーパを規定するパラメータａを固定し、位相分布の２次成分を規定するパラメータｂを変化させた場合における、アンテナ開口面の振幅分布、位相分布をそれぞれ示したものである。なお、マトリクス回路２０のポート数Ｎは１６とした。図５の数字符号２５，２６，２７，２８，２９はパラメータｂの値をそれぞれを０，０．２５，０．５，０．７５，０．１とした場合の振幅分布を示しており、図６の数字符号２５′，２６′，２７′，２８′，２９′はパラメータｂの値をそれぞれを０，０．２５，０．５，０．７５，０．１とした場合の位相分布を示している。個々のｂの値に対応する位相分布の２次成分の大きさはアンテナ開口の両端でそれぞれ０°，３６°，７２°，１０８°，１４４°である。パラメータａの値はｓｑｒｔ［π／Ｎ］であり、これに対応する開口面のエッジテーパの値は−２１．４ｄＢである。
【００４８】
図５及び図６より、本発明手法を用いればアンテナ開口面の振幅分布はそのままに位相分布に２次の成分を付与することが可能であることがわかる。
【００４９】
図７はアンテナ開口両端で＋７２°の２次位相歪が存在する場合において、信号を上記の電力／位相分布に従って給電した場合のアンテナパターン計算結果である。アンテナは素子間隔０．６８波長の１６素子直線アレー（Ｎ＝１６）であり、同図において数字符号３０，３１，３２はそれぞれビーム方向を−１３．２°，−１４．６°，−１６．０°としたビームパターンを示している。このときのパラメータａの値はｓｑｒｔ［π／（２Ｎ）］であり、これに対応する開口面のエッジテーパの値は−１０．７ｄＢである。なお、給電に用いているポートの数は４個である。
【００５０】
従来技術を用いてこれと同条件（素子間隔０．６８波長の１６素子直線アレー、開口両端で＋７２°の２次位相歪、開口面のエッジテーパの値は−１０．７ｄＢ）でアンテナパターンを計算した場合は図１３に示したようにアンテナパターンが大きく変形していたが、本発明のアンテナパターンでは開口面位相の２次歪成分がうまく相殺されており、図１１に示したアンテナ開口面に位相歪が存在しない理想的な場合のアンテナパターンと概ね同じものが得られていることが理解される。実際、開口面における位相歪成分（２次成分）の分散値は８９％〜９６％が解消されている。なお、３個あるいは５個のポートを用いて給電を行った場合の値はそれぞれ４％〜９１％、８８％〜９７％であり、この計算においては４個のビームポートを用いればビーム走査時でも良好な歪補償効果がえられることが分かる。
【００５１】
ちなみに横方向Ｎポート、縦方向Ｍポートの（２次元の）マトリクス回路２０を用いた平面アレーアンテナの場合、各ポートへ給電する電力密度分布は以下のようになる。
【００５２】
なお、素子アンテナ２１の配置は横、縦方向とも距離ｄλの等間隔配置とし、給電を行うポート位置（ｉ，ｊ）に対応するビーム方向を（θｉ ，φｊ ）とする。
【００５３】
所望とするビーム方向を（θｓ ，φｓ ）とした場合、横方向の励振分布を表わす関数は
と表わすことができ、縦方向の励振分布を表わす関数は
である。よって、信号が従う励振分布はそれぞれの方向における励振分布から、ｆｇ ｅｘｐ［−｛（ｘ／ｃ）２ ＋（ｙ／ｈ）２ ／２｝］／（ｃｈ）とあらわされる。ここでｃ，ｈは開口面励振分布を規定する複素係数であり、ｆ，ｇは横方向および縦方向の励振分布の大きさを規定する係数である。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナの給電方法において、前記マトリクス回路の出力における中心位相を給電ポートの位置に依らず一定とし、前記マトリクス回路の給電ポート（ｉ，ｊ）に給電した時のビーム方向を（θ ｉ ，φ ｊ ）、所望ビーム方向を（θ ｓ ，φ ｓ ）とするとき、ｓｉｎ［θ ｓ ］−ｓｉｎ［θ ｉ ］およびｓｉｎ［φ ｓ ］−ｓｉｎ［φ ｉ ］を変数ｘとする複素係数ｃ（ただし、ｃは開口面励振分布の振幅のエッジテーパを規定するパラメータａおよび位相分布の２次の成分を規定するパラメータｂよりなる複素係数である。）のガウス関数Ｋ｜ exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜ ２ の定積分（Ｋは規格化定数）により求めた給電を行うポートの電力分布と、関数 exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜ exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜の定積分の偏角より求めた給電を行うポートの位相分布に従って、前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートに信号を分配するか、もしくは、前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートから信号を合成することにより、アンテナ開口面の励振分布（マトリクス回路の出力）の位相分布に、任意の大きさの２次成分を付与することが可能であり、アンテナに歪みが存在する場合でも、位相補償を行い良好なアンテナパターンを得ることが可能となる。これは小規模な制御回路で実現可能であり、従来技術のように数多く存在する素子アンテナの位相を直接制御する必要も無いので装置の調整が簡単になると同時にアンテナ構成の複雑化やアンテナ重量の増大を小さく抑えることが可能であり低コスト化につながる。また、反射鏡とアレーとを組合せた場合などでも、曲面上にアレーを配置したり、素子アンテナの位相を位相器等で直接制御すること無く、小規模な制御回路でアレーの位相面に２次の分布を与えることが可能である。
【００５５】
また、マトリクス回路における１次元方向あたりの信号分配（または信号合成）を３ないし４とした場合は、マトリクス回路に接続した信号分配回路（信号合成回路）の規模を小さくすることが可能になり、低コスト化につながる。また、信号分配（信号合成）が少なくて良いことから、信号分配回路（信号合成回路）内の干渉や損失が小さくなり、アンテナ性能が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例１を示す構成説明図である。
【図２】本発明の実施形態例２を示す構成説明図である。
【図３】本発明の実施形態例３を示す構成説明図である。
【図４】本発明の実施形態例に係る給電信号分布を説明する特性図である。
【図５】本発明の実施形態例に係るアンテナ開口面の振幅分布を示す特性図である。
【図６】本発明の実施形態例に係るアンテナ開口面の位相分布を示す特性図である。
【図７】本発明の実施形態例に係るアンテナパターンを説明する特性図である。
【図８】従来のフェーズドアレーアンテナの給電方法の一例を示す構成説明図である。
【図９】従来のフェーズドアレーアンテナの給電方法の他の例を示す構成説明図である。
【図１０】従来のフェーズドアレーアンテナの分配電力を説明する図である。
【図１１】従来のフェーズドアレーアンテナのアンテナパターンを説明する特性図である。
【図１２】従来のフェーズドアレーアンテナの歪により生じる位相誤差を説明する図である。
【図１３】従来のフェーズドアレーアンテナのアンテナパターンを説明する特性図である。
【符号の説明】
１ マトリクス回路のポート１から給電した場合のビーム方向
２ マトリクス回路のポート２から給電した場合のビーム方向
３ マトリクス回路のポート３から給電した場合のビーム方向
４ マトリクス回路のポート４から給電した場合のビーム方向
５ マトリクス回路のポート５から給電した場合のビーム方向
６ 入力信号
７ マトリクス回路
８ 素子アンテナ
９ 可変電力分配回路
１０ ポートｉ−１への給電信号
１１ ポートｉへの給電信号
１２ ポートｉ＋１への給電信号
１３〜１５ アンテナパターンの計算結果
１６〜１８ アンテナパターンの計算結果
１９ 入力信号
２０ マトリクス回路
２１ 素子アンテナ
２２ Ｎポート可変電力分配／位相制御回路
２３ Ｎ×Ｍポート電力分配／位相調整回路
２４ 電力合成器
２５〜２９ 開口面振幅分布の計算結果
２５′〜２９′ 開口面位相分布の計算結果
３０〜３２ アンテナパターンの計算結果
【発明の属する技術分野】
本発明は、給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナに関し、特に、アンテナ開口面の位相分布を制御する給電方法、およびこれを用いた給電回路を有するフェーズドアレーアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナは、給電点（給電を行うマトリクス回路のポート）の位置に対応してビーム方向が変化することから給電点切換走査型のフェーズドアレーアンテナと呼ばれている。
【０００３】
一般的に走査の細かさ（個々のビーム間隔）はビーム幅程度となり、信号を入力するポートを適当に選択することにより幾つかのマルチビームを発生させることが可能という特徴を有している。［文献：電子通信学会「アンテナ工学ハンドブック」、５章、オーム社 参照］
図８はＮポートの１次元マトリクス回路を用いた直接放射型のフェーズドアレーアンテナを説明する図である。同図において数字符号６は入力信号、７はマトリクス回路、８は素子アンテナ、１〜５はビームの方向を示している。入力信号６は、所望するビーム方向に応じて入力位置（この場合はポート１〜ポートＮのいずれか１つ）を選択して入力する。
【０００４】
同図のマトリクス回路７としてはバトラーマトリクス等が用いられる。また、１、２、３はそれぞれポート１、ポート２、ポート３から信号が給電された場合のビーム方向であり、４、５はそれぞれポートｉ、ポートＮから信号が給電された場合のビーム方向を示している。
【０００５】
マトリクス回路７に入力された信号はマトリクス回路の中で分配され、ポート毎に異なる位相差をもって出力される。信号を入力するポート位置によって、出力側で生じる位相の傾きが異なるため、給電を行うマトリクス回路のポート位置に応じてビーム方向が変化する。
【０００６】
一般に給電点から入力された電力はマトリクス回路によって等分配されるため、開口面励振分布は一様分布となり、このままの振幅強度で素子アンテナ（放射素子）を励振したのではサイドローブ特性が悪い。また、給電点切換走査型アンテナのビーム数、およびビーム方向は給電点の数（マトリクス回路のポート数）で制約を受ける。これらを同時に解決するものとして、マトリクス回路の３つ以上のポートに信号を同相（同じ位相）で給電するアンテナが提案されている。［文献：吉良他、「良好なパターン特性を有するマルチビームマトリクス型アンテナの一構成法」、１９９８電子情報通信学会ソサイエティ大会、Ｂ−１−７０，ｐ．７０ 参照］
図９はこれを説明するものである。同図において、数字符号６は入力信号、９は可変電力分配回路（ビーム方向に応じて信号電力の分配比を操作する。信号位相は全て同相である。）、７はマトリクス回路、８は素子アンテナを示している。入力信号６は、可変電力分配回路９で分配されて３つ以上のポートに同相で給電される。
【０００７】
それぞれのポートに給電される信号電力は、積分値が１（面積が１）になるように規格化された実数係数のガウス関数Ａ ｅｘｐ［−ＢＸ２ ］を給電信号の電力密度分布として、定積分を実行することにより求める。図１０はこれを説明するものである。係数Ａはガウス関数の積分値を１とするための規格化係数であり、係数Ｂはガウス関数の広がりを規定するパラメータである。
【０００８】
このアンテナの原理は以下の考えに基づいている。
【０００９】
マトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナが給電を行うポートの位置に応じてビーム方向が変化するのは、入力信号がマトリクス回路で分配されると同時に給電を行うポートの位置によってそれぞれの出力ポートにおける信号の位相が回転し、位相面に傾きを生じるためである。これは原理上、フーリェ変換を行っていると考えることができる。
【００１０】
ｘを変数としたガウス関数ａ ｅｘｐ（−ｂｘ２ ）のフーリェ変換は、同じくガウス関数の形ｃ ｅｘｐ（−ｄｘ２ ）になる。ａ，ｂ，ｃ，ｄは係数である。つまり、入力信号をガウス関数の振幅分布でマトリクス回路に給電した場合、出力信号における振幅分布もガウス関数となる。なお、信号の電力は振幅の平方根に比例するので振幅分布がガウス関数で表わされる場合、電力分布もまたガウス関数である。開口面の振幅分布にガウス関数型のテーパが付くことによりサイドローブ特性が改善される。
【００１１】
また、フーリェ変換の性質から、入力信号の分布形状をそのままに、給電位置（給電ポートの位置）をずらした場合、出力信号位相面の傾きが一定値だけ変化するのみであり、開口面の振幅分布自体は変化しない。すなわち、ビームパターン（開口面の振幅分布）をそのままにビーム方向のみを連続的に変化させることが可能である。この性質はフーリェ変換における時間軸の推移と呼ばれるものである。
【００１２】
図１１は従来技術のアンテナパターン計算結果である。アンテナは素子間隔０．６８波長の１６素子直線アレー（マトリクス回路のポート数Ｎ＝１６）である。
【００１３】
前記電力密度分布Ａ ｅｘｐ［−ＢＸ２ ］において、変数Ｘを１ポート分のビーム幅を単位とした場合（変数ＸでＮポートマトリクス回路の幅を表わすとＮとなる）、係数Ｂは４．０であり、このときの規格化係数Ａは１．１３である。なお、この場合のアンテナ開口の振幅分布のエッジテーパ（両端の素子の中央の素子に対する励振振幅比）は−１０．７ｄＢである。
【００１４】
同図において数字符号１３，１４，１５はそれぞれビーム方向−１３．２°、−１４．６°、−１６．０°のビームパターンである。なお、図１１において、数字符号１３は前記電力密度分布のピーク位置がポート１１の位置にある場合のものであり、数字符号１５は電力密度分布のピーク位置がポート１１とポート１２の中間に位置している場合のものを示している。またこの時に、給電に用いているポート数は４つである。
【００１５】
即ち、図１１において、数字符号１３と数字符号１５は、図１０に示すような電力密度分布は同一であるが、４つの給電ポートに供給する電力比が異なる場合を示している。この図１１の示すことは、４つのポートに供給する電力比を変化させた場合においても、ビームパターンがほぼ同じで、ビーム方向の異なる放射パターンが得られるということである。
【００１６】
直線アレーアンテナまたは平面アレーアンテナにおいては開口面の理想的な位相分布は歪の無い直線又は平面であるが、実際のアンテナでは熱変形や製造のバラツキによってアンテナ開口に歪みが生じる。図１２はこれを説明する図あり、これはアンテナ開口面の励振分布に位相誤差として現れる。即ち、素子アンテナ８よりなる歪んだアンテナ面４１と理想的なアンテナ面４０が０．２波長分の幅であれば７２°の位相差が生じる。図１３はアンテナ開口両端で＋７２°の２次位相歪が存在する場合において、先に示した条件（図１１と同じ給電条件）で従来技術アンテナパターンを計算した結果１６，１７，１８である。７２°の位相歪みはアンテナ開口が１／５波長だけ歪んでいることに相当しており、１５ＧＨｚのアンテナでは１波長２ｃｍであることから４ｍｍの歪みに相当する。このようなわずかな値であってもアンテナパターンは大きく変化してしまうことが分かる。メインローブは第一サイドローブと区別がつかなくなり、利得も纔ながら劣化している。
【００１７】
このことを避ける為には構造的にアンテナの剛性を高めるアプローチと、電気的アプローチとして素子アンテナとマトリクス回路の間に位相器を入れて位相歪みを補正する等の手段が考えられる。しかし、構造的にアンテナの剛性を高める方法では限界があると同時にアンテナ重量の増加を伴う。また、位相器等を用いて素子アンテナの位相を直接調整する方法では、アンテナ構成が複雑になるだけでなく素子アンテナの数に応じて大量に必要となる位相器の調整に大きな手間が必要となる。
【００１８】
また、反射鏡とアレーとを組合せた場合には、反射鏡に対してアレーから球面波に近い電波を放射する為に、素子アンテナを曲面上に配置したり、位相器を設置する等して意図的に位相面に２次の分布を与えることも行われる。［文献：小林他、「マイクロ波ＦＦＴ回路をビーム形成回路網に用いた衛星搭載用マルチビームアンテナの放射特性の検討」、１９９７宇宙科学技術連合講演会９７−１３−６、参照］この場合もアンテナ構成が複雑になるという問題がある。
【００１９】
以上の議論では１次元の直線アレーについて述べてきたが、関数がｘ，ｙの２変数（マトリクス回路が２次元）となってもフーリェ変換は各変数について独立に行われるので、１変数の問題に帰着し、同様の議論が成立する。つまり、関数ａ ｅｘｐ［−ｂｘ２ ］、ｅ ｅｘｐ［−ｆｙ２ ］のフーリェ変換がそれぞれｃ ｅｘｐ［−ｄｘ２ ］、ｇ ｅｘｐ［−ｈｙ２ ］である場合、２次元のマトリクス回路において入力信号の横方向分布をａ ｅｘｐ［−ｂｘ２ ］、縦方向分布をｅ ｅｘｐ［−ｆｙ２ ］とすれば、出力の横方向分布、縦方向分布はそれぞれｃ ｅｘｐ［−ｄｘ２ ］、ｇ ｅｘｐ［−ｈｙ２ ］であり、アンテナが形成するビームパターンについても横方向、縦方向について１次元の場合に帰着される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来のアンテナではアンテナに歪みが存在する場合に、アンテナパターンが大きく変化してしまう。これをアンテナの剛性を高める等の方法によって解決する場合にはアンテナ重量の増加を招く。また、位相器等を用いてアンテナの歪みより生じる位相歪を補正する方法ではアンテナ構成が複雑になるだけでなく位相器の調整に大きな手間が必要になるという問題があった。また、反射鏡とアレーとを組合せた場合などで、意図的にアレーの位相面に２次の分布を与える場合においても同様にアンテナ構成が複雑になるという課題があった。
【００２１】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、小規模な制御回路で、アンテナ開口面の励振分布（マトリクス回路の出力）の位相分布に、任意の大きさの２次成分を付与することが可能であり、アンテナに歪みが存在する場合でも、位相補償を行い良好なアンテナパターンを得ることが可能となる給電方法およびフェーズドアレーアンテナを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナの給電方法において、前記マトリクス回路の出力における中心位相を給電ポートの位置に依らず一定とし、前記マトリクス回路の給電ポート（ｉ，ｊ）に給電した時のビーム方向を（θｉ，φｊ）、所望ビーム方向を（θｓ，φｓ）とするとき、ｓｉｎ［θｓ］−ｓｉｎ［θｉ］およびｓｉｎ［φｓ］−ｓｉｎ［φｉ］を変数ｘとする複素係数ｃ（ただし、ｃは開口面励振分布の振幅のエッジテーパを規定するパラメータａおよび位相分布の２次の成分を規定するパラメータｂよりなる複素係数である。）のガウス関数Ｋ｜ exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜ ２ の定積分（Ｋは規格化定数）により求めた給電を行うポートの電力分布と、関数 exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜ exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜の定積分の偏角より求めた給電を行うポートの位相分布に従って、前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートに信号を分配するか、もしくは、前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートから信号を合成することを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、前記給電方法において、給電ポート（ｉ，ｊ）の、ｉもしくはｊのいずれか一方についてのみ３つ以上の給電ポートを用いて給電することを特徴とする。
【００２４】
たとえば、マトリクス回路が横方向Ｎポート、縦方向Ｍポートから成る２次元的なマトリクス回路の場合、給電ポート（ｉ，ｊ）（ｉ＝１，２，３，…，Ｎ）（ｊ＝１，２，３，…，Ｍ）のｉ（またはｊ）についてのみ３つ以上の給電ポートを用いて本発明を適用した場合は横方向（または縦方向）のみのアンテナ特性の改善を図るものである。また、Ｎ＝１またはＭ＝１の場合は１次元の直線アレーアンテナとなる。
【００２５】
また本発明は、給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナであって、請求項１又は２記載の給電方法によって、信号を分配、もしくは合成する給電回路を具備することを特徴とするものである。
【００２６】
先に説明したように、従来のアンテナでは開口面の位相分布を調整する際、位相器等を用いて個々の素子アンテナの位相を直接調整していた。
【００２７】
本発明マトリクス回路のポート（ｉ，ｊ）からのみ給電した場合のビーム方向を（θｉ ，φｊ ）、所望ビーム方向を（θｓ ，φｓ ）とするとき、送信信号（または受信信号）を、ｓｉｎ［θｓ ］−ｓｉｎ［θｉ ］およびｓｉｎ［φｓ ］−ｓｉｎ［φｉ ］を変数とする複素数係数のガウス関数により求められる電力密度分布と位相分布に従って、マストクス回路の３つ以上の複数ポートに信号を分配（または複数ポートから信号を合成）する給電回路を有することを最も主要な特徴とする。
【００２８】
マトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナが給電を行うポートの位置に応じてビーム方向が変化するのは、入力信号がマトリクス回路で分配されると同時に給電を行うポートの位置によってそれぞれの出力ポートにおける信号の位相が回転し、位相面に傾きを生じるためである。これは原理上、フーリェ変換を行っていると考えることができる。
【００２９】
開口面振幅分布をｘを変数としたガウス関数 ｅｘｐ［−（ａｘ）２ ／２］とし、これに２次の位相分布 ｅｘｐ［−Ｉｂｘ２ ］を与えた場合（Ｉは虚数単位、Ｉ２ ＝−１）、
この開口面励振分布は ｅｘｐ［−（ａ２ ＋Ｉｂ）ｘ２ ／２］となり、
ａ２ ＋Ｉｂ＝ｃ２ とすることにより複素係数のガウス関数 ｅｘｐ［−（ｃｘ）２ ／２］
として表わすことができる。
【００３０】
この関数のフーリェ変換は、同じく複素係数のガウス関数形 ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃになる。
【００３１】
この関数より給電を行う各々のポートへの電力および位相を算出し、給電することにより、開口面に２次の位相分布を与えることが可能になる。
【００３２】
具体的には、前記関数 ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃの絶対値を自乗することにより求められる電力密度分布Ｋ｜ ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜２ の定積分（Ｋは規格化定数）により、給電を行うポートの電力分布を求め、同様に電力密度で重み付けした関数ｅｘｐ ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜ｅｘｐ ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜の定積分の偏角より、給電を行うポートの位相分布を求める。
【００３３】
以上のことから、本発明アンテナの給電回路によりマトリクス回路に給電された信号はアンテナ開口の位相分布において２次成分を有することになる。また、位相分布の２次成分の大きさは複素係数ｃ＝Ｓｑｒｔ［ａ２ ＋Ｉｂ］の定数ｂの値によって様々な値を採ることが可能である。なお、複素係数ｃ＝Ｓｑｒｔ［ａ２ ＋Ｉｂ］の定数ａはアンテナ開口の振幅分布（エッジテーパの強さ）を規定するパラメータである。
【００３４】
なお、信号給電に用いる複数ポートは給電電力が大きなものから優先的に用いることとする。これら選択されたポートに対応するビーム方向は互いに隣接したものとなり、マトリクス回路の個々のポート単独で給電した場合のビーム方向がポート位置に対応して順番に並んでいる場合、信号給電に用いる複数ポートは、隣接した複数ポートとなる。
【００３５】
フーリェ変換の性質上、開口面励振分布で得ようとする振幅分布のエッジテーパが深くなる程、給電信号の電力密度分布は広くする（定数ａを大きくする）必要がある。また、位相分布の２次成分を大きく（定数ｂを大きくする）する場合も給電信号の電力密度分布は広がる傾向がある。これはガウス関数の複素係数ｃ＝Ｓｑｒｔ［ａ２ ＋Ｉｂ］の値が大きくなることからも理解できる。
【００３６】
しかし、開口面励振分布に比較的深いエッジテーパを設けた場合においても、要求される電力密度分布の広がりは小さなものである。（例えば開口面励振分布のエッジテーパを−２０ｄＢとした場合においても、３ポート分の幅があれば最大で約９９．８％までカバーすることが可能である。）
また、位相分布に２次成分をもたせる場合においても、アンテナ開口の歪みを補正することによる給電信号の広がりは大きくない。（例えば開口面励振分布のエッジテーパを−２０ｄＢ、位相歪の２次成分をアンテナ開口両端で＋７２°とした場合、位相歪を補正することによる給電信号の電力密度分布の広がりは約７％である。）
なお、これまでの議論は基本的にマトリクス回路規模に依存しない。よって本発明技術を用いた場合はマトリクス回路規模が大きな場合（アレーアンテナの規模が大きな場合）でも、１ビームにつき、マトリクス回路における１次元方向あたりの信号給電に３ないし４ポートを用いることにより、開口面に２次の位相分布を与えることが可能になり、アンテナの歪み等によって生じるパターン劣化を補正することが可能になる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態例を詳細に説明する。
【００３８】
以下にＮポートのマトリクス回路であるＮポートのバトラーマトリクスを用いた直接放射型の（１次元）直線アレーアンテナを例にとり、本発明を説明する。図１〜図３は本発明の、実施形態例１〜３を説明する図である。これらの図において、数字符号１９は入力信号、２０はマトリクス回路、２１は素子アンテナ、２２はビーム方向に応じて信号電力（ｐ）と信号位相（φ）を操作するＮポート可変電力分配／位相制御回路、２３はＭ×Ｎポート電力分配／位相調整回路、２４は電力合成器を表わしている。
【００３９】
図１は、マトリクス回路２０と、信号を任意の電力比に分割して個々の位相を制御してからマトリクス回路に供給する、Ｎポート可変電力分配／位相調整回路２２とを組み合わせたものである。図３はｋ個のマルチビームを想定したものであり、ｋ個のＮポート可変電力分配／位相制御回路２２を電力合成器（ＰＣ）２４を介してマトリクス回路２０に接続した構成となっている。図２は連続的なビーム走査を必要としない場合において、可変電力分配器の代わりに、予め幾つかの電力分配比／位相調整値が設定されたＭ×Ｎポート電力分配／位相調整回路２３を用いるものである。入力信号１９はビーム方向に応じて入力位置を選択する。
【００４０】
なお、広範囲のビーム走査を必要としない場合などは、必ずしもマトリクス回路２０のＮポート全てに信号給電する必要は無いので、使用しないポートは終端しておけば良い。また、上記のマトリクス給電回路（Ｎポート可変電力分配／位相制御回路２２、Ｍ×Ｎポート電力分配／位相調整回路２３）はＤＳＰ等のデジタル回路を用いれば比較的容易に実現可能である。
【００４１】
次に、素子アンテナ２１の配置を距離ｄλの等間隔配置とし、マトリクス回路２０の各ポートへ給電する電力密度分布を求める。マトリクス回路２０の出力における隣接ポートの位相差は、入力ポートの位置によって（−（Ｎ−１）／Ｎ）＊ １８０°〜（＋（Ｎ−１）／Ｎ）＊ １８０°まで、（２／Ｎ）＊ １８０°刻みでＮ通りの値を取り得る。これらに対応する入力ポートを出力位相差が小さい順にポート１，ポート２，…，ポートＮとする。一般に素子アンテナ２１の指向特性はアレーアンテナ全体の指向特性と比較して非常にブロードなものとなるので、ビーム方向を求めるにあたって素子アンテナ２１の指向特性の影響は殆ど考えなくて良い。以上のことから、給電を行うポート位置ｉに対応するビーム方向θｉ はマトリクス回路の出力位相差より
θｉ ＝ｓｉｎ−１［−（２ｉ−Ｎ−１）／２Ｎｄ］と表される。
【００４２】
よって、ｓｉｎ［θｉ ］＝−（２ｉ−Ｎ−１）／２Ｎｄである。ここで、所望とするビーム方向をθｓ とするとき、マトリクス回路２０の各ポートへの励振分布は以下の関数を用いて求められる。なお、変数ｘを求めるに際し、Ｎポート分の幅をＦＦＴ（高速フーリエ変換）の幅ｓｑｒｔ［２πＮ］に対応させる為にｓｉｎ［θｓ ］−ｓｉｎ［θｉ ］に係数ｄ ｓｑｒｔ ［２πＮ］を掛けている。
【００４３】
【００４４】
これより、給電部における個々のポートの電力は上記関数 ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃの絶対値を自乗した関数Ｋ｜ ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜２の定積分（Ｋは規格化定数）により求められ、位相については同様に、電力密度で重み付けした関数 ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜ ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃ｜の定積分の偏角として求められる。図４は複素係数のガウス関数 ｅｘｐ［−（ｘ／ｃ）２ ／２］／ｃとマトリクス回路の各ポートへ給電する電力についての関係を示したものである。図４において、複素係数ｃはｃ２＝ａ２＋２Ｉｂという関係式で書き表わすことができ、ａはアンテナ開口面の振幅分布を規定するパラメータであり、ｂはアンテナ開口面の位相分布の２次成分を規定するパラメータである。ポートｉの給電位相φｉは、同様に電力密度で重み付けした関数
【００４５】
【数１】
の定積分の偏角より求められる。
【００４７】
図５及び図６は、振幅のエッジテーパを規定するパラメータａを固定し、位相分布の２次成分を規定するパラメータｂを変化させた場合における、アンテナ開口面の振幅分布、位相分布をそれぞれ示したものである。なお、マトリクス回路２０のポート数Ｎは１６とした。図５の数字符号２５，２６，２７，２８，２９はパラメータｂの値をそれぞれを０，０．２５，０．５，０．７５，０．１とした場合の振幅分布を示しており、図６の数字符号２５′，２６′，２７′，２８′，２９′はパラメータｂの値をそれぞれを０，０．２５，０．５，０．７５，０．１とした場合の位相分布を示している。個々のｂの値に対応する位相分布の２次成分の大きさはアンテナ開口の両端でそれぞれ０°，３６°，７２°，１０８°，１４４°である。パラメータａの値はｓｑｒｔ［π／Ｎ］であり、これに対応する開口面のエッジテーパの値は−２１．４ｄＢである。
【００４８】
図５及び図６より、本発明手法を用いればアンテナ開口面の振幅分布はそのままに位相分布に２次の成分を付与することが可能であることがわかる。
【００４９】
図７はアンテナ開口両端で＋７２°の２次位相歪が存在する場合において、信号を上記の電力／位相分布に従って給電した場合のアンテナパターン計算結果である。アンテナは素子間隔０．６８波長の１６素子直線アレー（Ｎ＝１６）であり、同図において数字符号３０，３１，３２はそれぞれビーム方向を−１３．２°，−１４．６°，−１６．０°としたビームパターンを示している。このときのパラメータａの値はｓｑｒｔ［π／（２Ｎ）］であり、これに対応する開口面のエッジテーパの値は−１０．７ｄＢである。なお、給電に用いているポートの数は４個である。
【００５０】
従来技術を用いてこれと同条件（素子間隔０．６８波長の１６素子直線アレー、開口両端で＋７２°の２次位相歪、開口面のエッジテーパの値は−１０．７ｄＢ）でアンテナパターンを計算した場合は図１３に示したようにアンテナパターンが大きく変形していたが、本発明のアンテナパターンでは開口面位相の２次歪成分がうまく相殺されており、図１１に示したアンテナ開口面に位相歪が存在しない理想的な場合のアンテナパターンと概ね同じものが得られていることが理解される。実際、開口面における位相歪成分（２次成分）の分散値は８９％〜９６％が解消されている。なお、３個あるいは５個のポートを用いて給電を行った場合の値はそれぞれ４％〜９１％、８８％〜９７％であり、この計算においては４個のビームポートを用いればビーム走査時でも良好な歪補償効果がえられることが分かる。
【００５１】
ちなみに横方向Ｎポート、縦方向Ｍポートの（２次元の）マトリクス回路２０を用いた平面アレーアンテナの場合、各ポートへ給電する電力密度分布は以下のようになる。
【００５２】
なお、素子アンテナ２１の配置は横、縦方向とも距離ｄλの等間隔配置とし、給電を行うポート位置（ｉ，ｊ）に対応するビーム方向を（θｉ ，φｊ ）とする。
【００５３】
所望とするビーム方向を（θｓ ，φｓ ）とした場合、横方向の励振分布を表わす関数は
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナの給電方法において、前記マトリクス回路の出力における中心位相を給電ポートの位置に依らず一定とし、前記マトリクス回路の給電ポート（ｉ，ｊ）に給電した時のビーム方向を（θ ｉ ，φ ｊ ）、所望ビーム方向を（θ ｓ ，φ ｓ ）とするとき、ｓｉｎ［θ ｓ ］−ｓｉｎ［θ ｉ ］およびｓｉｎ［φ ｓ ］−ｓｉｎ［φ ｉ ］を変数ｘとする複素係数ｃ（ただし、ｃは開口面励振分布の振幅のエッジテーパを規定するパラメータａおよび位相分布の２次の成分を規定するパラメータｂよりなる複素係数である。）のガウス関数Ｋ｜ exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜ ２ の定積分（Ｋは規格化定数）により求めた給電を行うポートの電力分布と、関数 exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜ exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜の定積分の偏角より求めた給電を行うポートの位相分布に従って、前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートに信号を分配するか、もしくは、前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートから信号を合成することにより、アンテナ開口面の励振分布（マトリクス回路の出力）の位相分布に、任意の大きさの２次成分を付与することが可能であり、アンテナに歪みが存在する場合でも、位相補償を行い良好なアンテナパターンを得ることが可能となる。これは小規模な制御回路で実現可能であり、従来技術のように数多く存在する素子アンテナの位相を直接制御する必要も無いので装置の調整が簡単になると同時にアンテナ構成の複雑化やアンテナ重量の増大を小さく抑えることが可能であり低コスト化につながる。また、反射鏡とアレーとを組合せた場合などでも、曲面上にアレーを配置したり、素子アンテナの位相を位相器等で直接制御すること無く、小規模な制御回路でアレーの位相面に２次の分布を与えることが可能である。
【００５５】
また、マトリクス回路における１次元方向あたりの信号分配（または信号合成）を３ないし４とした場合は、マトリクス回路に接続した信号分配回路（信号合成回路）の規模を小さくすることが可能になり、低コスト化につながる。また、信号分配（信号合成）が少なくて良いことから、信号分配回路（信号合成回路）内の干渉や損失が小さくなり、アンテナ性能が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例１を示す構成説明図である。
【図２】本発明の実施形態例２を示す構成説明図である。
【図３】本発明の実施形態例３を示す構成説明図である。
【図４】本発明の実施形態例に係る給電信号分布を説明する特性図である。
【図５】本発明の実施形態例に係るアンテナ開口面の振幅分布を示す特性図である。
【図６】本発明の実施形態例に係るアンテナ開口面の位相分布を示す特性図である。
【図７】本発明の実施形態例に係るアンテナパターンを説明する特性図である。
【図８】従来のフェーズドアレーアンテナの給電方法の一例を示す構成説明図である。
【図９】従来のフェーズドアレーアンテナの給電方法の他の例を示す構成説明図である。
【図１０】従来のフェーズドアレーアンテナの分配電力を説明する図である。
【図１１】従来のフェーズドアレーアンテナのアンテナパターンを説明する特性図である。
【図１２】従来のフェーズドアレーアンテナの歪により生じる位相誤差を説明する図である。
【図１３】従来のフェーズドアレーアンテナのアンテナパターンを説明する特性図である。
【符号の説明】
１ マトリクス回路のポート１から給電した場合のビーム方向
２ マトリクス回路のポート２から給電した場合のビーム方向
３ マトリクス回路のポート３から給電した場合のビーム方向
４ マトリクス回路のポート４から給電した場合のビーム方向
５ マトリクス回路のポート５から給電した場合のビーム方向
６ 入力信号
７ マトリクス回路
８ 素子アンテナ
９ 可変電力分配回路
１０ ポートｉ−１への給電信号
１１ ポートｉへの給電信号
１２ ポートｉ＋１への給電信号
１３〜１５ アンテナパターンの計算結果
１６〜１８ アンテナパターンの計算結果
１９ 入力信号
２０ マトリクス回路
２１ 素子アンテナ
２２ Ｎポート可変電力分配／位相制御回路
２３ Ｎ×Ｍポート電力分配／位相調整回路
２４ 電力合成器
２５〜２９ 開口面振幅分布の計算結果
２５′〜２９′ 開口面位相分布の計算結果
３０〜３２ アンテナパターンの計算結果
Claims (3)
- 給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナの給電方法において、
前記マトリクス回路の出力における中心位相を給電ポートの位置に依らず一定とし、
前記マトリクス回路の給電ポート（ｉ，ｊ）に給電した時のビーム方向を（θｉ，φｊ）、所望ビーム方向を（θｓ，φｓ）とするとき、
ｓｉｎ［θｓ］−ｓｉｎ［θｉ］およびｓｉｎ［φｓ］−ｓｉｎ［φｉ］を変数ｘとする複素係数ｃ（ただし、ｃは開口面励振分布の振幅のエッジテーパを規定するパラメータａおよび位相分布の２次の成分を規定するパラメータｂよりなる複素係数である。）のガウス関数Ｋ｜ exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜ ２ の定積分（Ｋは規格化定数）により求めた給電を行うポートの電力分布と、関数 exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜ exp ［−（ｘ／ｃ） ２ ／２］／ｃ｜の定積分の偏角より求めた給電を行うポートの位相分布に従って、前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートに信号を分配するか、
もしくは、前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートから信号を合成することを特徴とする給電方法。 - 請求項１記載の給電方法において、給電ポート（ｉ，ｊ）の、ｉもしくはｊのいずれか一方についてのみ３つ以上の給電ポートを用いて給電することを特徴とする給電方法。
- 給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナであって、請求項１又は２記載の給電方法によって、信号を分配、もしくは合成する給電回路を具備することを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
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