JP3723062B2 - フェーズドアレーアンテナ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、通信やレーダ等に適用するフェーズドアレーアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来のフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示し、例えば、文献、N．V．Jespersen and P．R．Herczfeld 、"Phased Array Antennas with Phasers and True Time Delay Phase Sifters"、 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 1990 Digest、 pp．778-781、 1990．に記載されたフェーズドアレーアンテナ装置と同じ構成を有するものである。図において、２１は広周波数帯域にわたる高周波電気信号を電波として送信する素子アンテナ、２２は高周波電気信号の位相を３６０度以内で変化させることが可能な３６０度移相器、２３は複数個の素子アンテナ２１からなるサブアレー、２４はサブアレー２３の各素子に電気信号を分配するサブアレー電力分配回路、２５は複数個の素子アンテナ２１を１つのサブアレー２３としこのサブアレー単位で設けられ、かつ高周波電気信号の遅延時間を変化させることのできる実時間遅延移相器（ＴＴＤ）、２６は電力分配回路、２７は高周波電気信号を出力する送信機である。
【０００３】
次に動作について説明する。
送信機２７から送信された高周波電気信号は、電力分配回路２６により各サブアレーに分配された後、実時間遅延移相器２５により遅延時間を調整され、サブアレー電力分配回路２４により各素子アンテナに分配された後、さらに３６０度移相器２２により位相を調整され素子アンテナ２１から電波として放射される。この構成によれば３６０度移相器２２により各素子アンテナ２１から放射される電波の位相を調整することが可能であるので任意の方向に電波の位相が揃う。すなわち、該方向に電波を放射することが可能である。また高周波電気信号の遅延時間そのものを変化させることのできる実時間遅延移相器２５がサブアレー単位で設けられているため、上記電気信号の周波数が変化した場合においても上記電波の方向の変動を少なくすることが可能である。すなわち、広周波数帯域にわたる電気信号を同時にかつほぼ同じ方向に放射することが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のフェーズドアレーアンテナ装置では、広周波数帯域にわたる高周波電気信号を同時にかつほぼ同じ方向に放射するためにサブアレー単位で実時間遅延移相器を用いている。この実時間遅延移相器に要求される遅延時間は、アンテナ開口寸法及びビーム走査角に依存し、大開口アンテナの場合あるいは広角ビーム走査アンテナの場合には非常に大きな遅延時間が必要となる。しかしながら大きな遅延時間を有する実時間遅延移相器においては製造上のわずかな誤差やばらつきが積み重なり、結果として遅延時間に大きな誤差が生じてしまい、これがフェーズドアレーアンテナ装置としてのビーム指向誤差やサイドローブレベルの上昇など電気性能の劣化につながるという課題があった。
【０００５】
また、広周波数帯域にわたる高周波電気信号を同時にかつ周波数変動に伴う電波放射方向の変動を抑えるために、サブアレー単位で実時間遅延移相器を設けているが、サブアレー内では３６０度移相器のみが設けられているので、サブアレー内の放射パターンに注目するとその電波の方向は周波数により変動する。このため、サブアレーの分割や個数の選択に誤りがあると、周波数が変動した場合ビーム指向誤差が生じてしまう。しかしながら、要求される電気性能に対し最適なサブアレー構成や実時間遅延移相器の最大遅延時間が明らかになっていないため、必要以上の実時間遅延移相器を設ける可能性があったり、あるいは必要以上の遅延時間を有する実時間遅延移相器を設ける可能性があり、装置が大型化するとともに、複雑化するという課題があった。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、実時間遅延移相器に遅延誤差が生じた場合においてもビーム指向誤差やサイドローブレベルの上昇など電気性能の劣化を抑制したフェーズドアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
また、要求された電気性能に対し最も最適かつ簡易な構成により広周波数にわたる電気信号を同時に送信あるいは受信することのできるフェーズドアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、広周波数帯域にわたる複数系統の高周波電気信号を同時に送信あるいは受信する複数個の素子アンテナと、素子アンテナに接続されかつ高周波電気信号の位相を３６０度以内で変化させることが可能な３６０度移相器と、１つの素子アンテナ毎又は複数個の素子アンテナからなるサブアレー毎に設けられかつ高周波電気信号の遅延時間を変化させる実時間遅延移相器と、メインビーム方向を指示するビーム走査角指示回路と、ビーム走査角指示回路の指示に従い実時間遅延移相器を制御する実時間遅延移相器制御回路と、各実時間遅延移相器の遅延時間に応じた遅延時間誤差を３６０度移相器により補正するのに必要な補正位相を保存した補正位相記憶装置と、実時間遅延移相器制御回路から各実時間遅延移相器の遅延時間に関する情報を取得した後、各実時間遅延移相器の遅延時間に応じた補正位相を補正位相記憶装置から取得し補正位相を指示する補正位相指示回路と、ビーム走査位相指示回路及び補正位相指示回路の指示に従い３６０度移相器を制御する３６０度移相器制御回路とを有するものである。
【０００８】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、実時間遅延移相器の遅延時間誤差を補正する補正位相を、使用周波数帯域内の中心周波数において決定するものである。
【０００９】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置において、複数個の素子アンテナは比帯域ＢＷなる周波数帯域にわたり複数系統の高周波電気信号を同時に送信あるいは受信し、かつアンテナ正面方向から最大ビーム走査角度θｍａｘまでビーム走査し、周波数帯域内の周波数変動に伴うビーム方向角度誤差として許容することのできる角度をΔθとし、アンテナ正面方向及び最大ビーム走査角度方向を含む面に沿う方向に対しアンテナ開口を下記数式（１）で表される個数のサブアレーに分割し、かつこのサブアレー毎に実時間遅延移相器を設けたものである。
【数３】
【００１０】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、アンテナ正面方向を含みかつ互いに直交する２つの面に沿う方向に格子状となるようにアンテナ開口をサブアレーに分割し、かつ各方向のサブアレーの分割数については、各方向の最大ビーム走査角度θｍａｘ及びビーム方向角度許容誤差Δθから下記数式（１）により決定される分割数とするものである。
【数４】
【００１１】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、サブアレーが３角配列となるものである。
【００１２】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、所定のビーム方向誤差許容値を満足する範囲で最大遅延時間を制限した実時間遅延移相器を用い、かつアンテナ開口端部付近における遅延時間を制限するものである。
【００１３】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、低サイドローブ化のため振幅分布をつけるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示す図であり、図において、１は周波数ｆ０からｆ１にわたる複数系統の高周波電気信号を電波として送信する素子アンテナ、２は高周波の電気信号の位相を３６０度以内で変化させることが可能な３６０度移相器、３は複数個の素子アンテナ１からなるサブアレー、４はサブアレー３の各素子に電気信号を分配するサブアレー電力分配回路、５は複数個の素子アンテナ１を１つのサブアレー３としこのサブアレー単位で設けられ、かつ高周波電気信号の遅延時間を変化させることのできる実時間遅延移相器（ＴＴＤ）、６は電力分配回路、７は高周波の電気信号を出力する送信機、８はフェーズドアレーアンテナ装置のメインビーム方向を指示するビーム走査角指示回路、９は上記ビーム走査角指示回路８の指示に従い上記実時間遅延移相器５を制御する実時間遅延移相器制御装置、１０は上記実時間遅延移相器５の遅延時間に応じた遅延時間誤差を上記３６０度移相器２により補正するのに必要な補正位相をあらかじめ取得しておきこれを保存した補正位相記憶装置、１１は上記実時間遅延移相器制御装置９から各実時間遅延移相器５の遅延時間に関する情報を取得した後、各実時間遅延移相器５の遅延時間に応じた補正位相を上記補正位相記憶装置１０から取得し補正位相を指示する補正位相指示回路、１２は上記ビーム走査角指示回路８及び上記補正位相指示回路１１の指示に従い上記３６０度移相器２を制御する３６０度移相器制御装置である。
【００１５】
次に動作について説明する。
送信機７から送信された高周波の電気信号は、電力分配回路６により各サブアレー３に分配された後、実時間遅延移相器５により遅延時間を調整され、サブアレー電力分配回路４により各素子アンテナに分配された後、さらに３６０度移相器２により位相を調整され素子アンテナ１から電波として放射される。また、サブアレー単位で設けられた実時間遅延移相器５の遅延時間は、周波数ｆ０においてビーム走査角指示回路８からの指示されるビーム走査角方向にメインビームを形成するように実時間遅延移相器制御装置９により調整される。
【００１６】
さらに、補正位相指示回路１１は、実時間遅延移相器制御装置９から各実時間遅延移相器の遅延時間の情報を取得した後、その遅延時間に応じた補正位相を補正位相記憶装置１０から取得しこれを３６０度移相器制御装置１２に指示する。また、３６０度移相器制御装置１２は、周波数ｆ０においてビーム走査角指示回路８からの指示されるビーム走査角方向対しメインビームを形成する位相及び補正位相指示回路１１により指示される補正位相を足し合わせた位相を３６０度移相器２に設定する。
【００１７】
図２は、この実施の形態１のフェーズドアレーアンテナ装置として素子アンテナ間隔が０．３５波長、全素子アンテナの個数が１１２、全サブアレー数が１４となるリニアアレーアンテナ装置を考えた場合の放射パターンを示すものであり、実時間遅延移相器５が遅延誤差として平均が零、標準偏差が電気長にして０．５波長となる正規分布誤差を有する場合の放射パターン（点線で示すＰ１）の一例である。なお、図２には比較のため、同様の遅延誤差を有する従来のフェーズドアレーアンテナ装置における放射パターン（２点鎖線で示すＰ２）及び遅延誤差のない場合の放射パターン（実線で示すＰ３）も併せて示す。これよりこの実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナ装置の放射パターンは、従来のフェーズドアレーアンテナ装置と比べ、メインビーム指向誤差及びサイドローブ上昇といった電気性能の劣化が抑制されていることが分かる。
【００１８】
すなわち、この実施の形態１のフェーズドアレーアンテナ装置は、上記のように実時間遅延移相器５の遅延誤差を３６０度移相器２により補正する機構を有しているので、実時間遅延移相器５に遅延誤差がある場合においてもメインビーム指向誤差及びサイドローブ上昇といった電気性能の劣化を抑制することが可能であるという効果がある。また、サブアレー単位で実時間遅延移相器５を設け、かつ周波数ｆ０において実時間遅延移相器５の遅延誤差を３６０度移相器２により補正しているので、周波数がｆ１に変化した場合においてほぼ同じ方向に電波を送信することが可能である、すなわち遅延誤差がある場合においても広周波数帯域にわたる高周波電気信号を同時に送信可能であるという効果がある。
【００１９】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２におけるフェーズドアレーアンテナ装置の構成は、図１に示した実施の形態１と同じであるが、実施の形態２では、実時間遅延移相器５の遅延誤差を３６０度移相器２により補正するための補正位相を、使用周波数帯域の中心周波数において決定する。図３（ａ），（ｂ）は、図１のフェーズドアレーアンテナ装置のある１つのサブアレー３に着目し、周波数ｆ０（波長λ０）、ビーム走査角θ０の場合に各素子アンテナ１に入力される電気信号の遅延位相を表したものである。
【００２０】
図３（ａ），（ｂ）において、ｘはサブアレー３のアレー方向の位置、ｄはｘ方向の各素子アンテナ１の間隔、τ（ｘ）は位置ｘにおける素子アンテナ１に必要な遅延位相、Ｓは所定の傾き２π・ｓｉｎ（θ０）／λである。図３（ａ）は実時間遅延移相器５に遅延誤差がない理想的な場合であり、その遅延位相はτである。図３（ｂ）は実時間遅延移相器５にδなる遅延位相誤差があり、遅延位相は（τ−δ）となっている。これを周波数ｆ０において、上記実施の形態１における構成により、３６０度移相器２により遅延誤差δを補正して、遅延位相をτにした場合を示している。したがって、周波数ｆ０においては、図３（ａ）と図３（ｂ）における遅延位相は等価となる。
【００２１】
次に、このときの３６０度移相器２及び実時間遅延移相器５の設定状態を保持し、周波数ｆ１（波長λ１）の電気信号を同時に送信する場合を考える。このときの各素子アンテナ１に入力される周波数ｆ１の電気信号の遅延位相を図４に示す。図４（ａ）は図３（ａ）の状態に対応し、実時間遅延移相器５に遅延誤差がない理想的な場合であり、その遅延位相はτとなっている。図４（ｂ）は図３（ｂ）の状態に対応し、実時間遅延移相器５にδなる遅延位相誤差があり、遅延位相は（τ−δ）となっている場合である。
【００２２】
図に示すように、３６０度移相器２による遅延位相は周波数が変動しても変化しないため、周波数ｆ１においてはδ・（ｆ１−ｆ０）／ｆ１なる遅延位相誤差ｅが生じる。この遅延位相誤差ｅは周波数ｆ１がｆ０から離れるほど大きくなるため、補正位相の周波数を使用する周波数帯域の中心周波数に選ぶことにより周波数変化に対する遅延位相誤差ｅを最小にすることができる。
【００２３】
すなわち、この実施の形態２のフェーズドアレーアンテアンテナ装置は、実時間遅延移相器５の遅延誤差ｅを３６０度移相器２により補正するための補正位相を、使用周波数帯域の中心周波数において決定することにより周波数変動に伴う遅延位相誤差を最小限に抑制することができるので、実時間遅延移相器に遅延誤差がある場合においてもメインビーム指向誤差及びサイドローブ上昇といった電気性能の劣化を抑制しつつ、広周波数帯域にわたる電気信号を同時かつほぼ同じ方向に送信することが可能であるという効果がある。
【００２４】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３におけるフェーズドアレーアンテナ装置におけるサブアレー３の構成を示す図であり、図において、ｘはサブアレー３のアレー方向の位置、ｚはアンテナ正面方向、ｄはｘ方向の各素子アンテナ１の間隔、Ａはアンテナ開口寸法、Ａｓは実時間遅延移相器５が設けられるサブアレー開口寸法である。また、フェーズドアレーアンテナ装置が同時に送信する高周波電気信号の周波数比帯域をＢＷ、アンテナ正面方向から最大ビーム走査角度をθｍａｘ、上記周波数帯域内の周波数変動に伴うビーム方向角度誤差として許容することのできる角度をΔθとすれば、アンテナ正面方向ｚ及び上記最大ビーム走査角度方向を含む面に沿う方向すなわちアレー方向ｘに対し、アンテナ開口Ａを下記数式（１）で表される個数のサブアレーに分割し、かつこのサブアレー毎に上記実時間遅延移相器５を設ける。
【数５】
【００２５】
次に動作について説明する。
図５において、全サブアレー数を２Ｍ、全素子アンテナ数を２Ｎとする。また、実時間遅延移相器５は周波数ｆ０（波長λ０）における位相２・ｕ・πラジアンを単位としてその整数倍で遅延位相を変化させることができるものとし、かつ最大遅延位相が周波数ｆ０において２・ｕ・Ｍlim・πラジアンであるとする。このとき周波数ｆ０の高周波電気信号がθ＝θｍａｘ方向に放射するように各実時間遅延移相器５の遅延位相及び各３６０度移相器２の位相設定を調整した後、周波数ｆ１の高周波電気信号も同時に放射すると、周波数ｆ１の高周波電気信号放射方向はθ＝θｍａｘからわずかに誤差が生じる。このビーム方向誤差角度Δθを解析的に導出すると下記数式（２）で表わすことができる。
【数６】
【００２６】
次に、上記数式（２）の妥当性を示す。図５に示したフェーズドアレーアンテナ装置においてＡ＝１３．４λ０、Ａｓ＝１．１２λ０、ｄ＝０．５５８λ０、２Ｎ＝２４、θｍａｘ＝５０度、ｕ＝１とし、ｆ１＝１．０３３ｆ０におけるビーム方向誤差を求める。図６はこのときのビーム方向誤差計算結果を示したものであり、上記数式（２）により求められた値と数値計算により求められた値を比較したものである。図において縦軸はビーム方向誤差Δθ（角度）を表し、横軸は実時間遅延移相器５の最大遅延量τｍａｘを表し、ここでは周波数ｆ０における遅延位相を表している。すなわち、図６は実時間遅延移相器５の最大遅延量とビーム方向誤差の関係を表していることになる。図６の結果より上記数式（２）による計算結果と数値計算による計算結果はよく一致しており、上記数式（２）の妥当性が確認できることになる。
【００２７】
ところで、上記数式（２）の右辺第１項は、実時間遅延移相器５をサブアレー単位で設けたことによるビーム方向誤差であり、右辺第２項は実時間遅延移相器５の最大遅延位相τｍａｘを周波数ｆ０における２・ｕ・Ｍlim・πラジアンに制限したことよるビーム方向誤差であると理解できる。いま、実時間遅延移相器５の最大遅延位相τｍａｘを無制限であるとすると、上記数式（２）は次の数式（３）のようになる。
【数７】
さらに、ｆ０を使用周波数帯域内の中心周波数とすると、上記式（３）はサブアレー数２Ｍと周波数比帯域ＢＷを用いて、次の数式（４）又は数式（５）のように近似できる。
【数８】
【００２８】
上記数式（４）及び数式（５）はサブアレー数２Ｍとビーム方向誤差Δθの関係を一意に決定する式である。したがって、使用周波数帯域内の周波数変動に伴うビーム方向角度誤差許容値から最適なサブアレー個数を算出することができる。すなわち、この実施の形態３では、上記数式（５）で表される個数でサブアレーに分割し、かつこのサブアレー毎に上記実時間遅延移相器５を設けるので、所定のビーム方向角度誤差許容値に対し最適なサブアレーを構成できるという効果がある。
【００２９】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４におけるフェーズドアレーアンテナ装置におけるサブアレーの分割構成図を示したものである。この実施の形態４では、各素子アンテナは図７中のｘ−ｙ平面上に２次元的に配列される。さらに図７に示すようなｘｙ直交格子状にアンテナ開口をサブアレーとして分割し、各サブアレーには実時間遅延移相器５を設ける。サブアレーの分割数は、ｘ、ｙそれぞれの方向に対し上記数式（５）により決定する。したがって、図７におけるｘ方向のサブアレー分割数Ｎｘは図中φ＝０度面の最大ビーム走査角及び許容ビーム方向誤差から上記数式（５）により決定され、図７におけるｙ方向のサブアレー分割数Ｎｙは図中φ＝９０度面の最大ビーム走査角及び許容ビーム方向誤差から上記数式（５）により決定される。したがって、この実施の形態４では、直交する２つの方向に対する所定のビーム方向角度誤差許容値に対し、最適なサブアレー構成を有する二次元開口のフェーズドアレーアンテナを得るという効果がある。
【００３０】
実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５におけるフェーズドアレーアンテナ装置におけるサブアレーの分割構成図を示したものである。この実施の形態５では、各素子アンテナは図８中のｘ−ｙ平面上に２次元的に配列され、かつサブアレーは図８に示すような三角配列となるように分割し、各サブアレーには実時間遅延移相器を設ける。サブアレーの分割数は、上記実施の形態４同様にｘ、ｙそれぞれの方向に対し上記数式（５）により決定するので、直交する２つの方向に対する所定のビーム方向角度誤差許容値に対し、最適なサブアレー構成を有する二次元開口のフェーズドアレーアンテナを得るという効果がある。さらに、サブアレーは三角配列されているので、サブアレー周期に伴うグレーティングローブを抑制することができるという効果がある。
【００３１】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６においては、所定のビーム方向誤差許容値から上記実施の形態３記載の数式（２）により実時間遅延移相器の周波数ｆ０における最大遅延位相２・ｕ・Ｍlim・πラジアンを算出し、アンテナ開口と最大ビーム走査角から求められる下記の数式（６）で示す最大遅延位相ラジアンと比較し、下記の数式（７）が成立するならば、周波数ｆ０において２・ｕ・Ｍlim・πラジアンを最大遅延位相とする実時間遅延移相器を使用する。したがって、実時間遅延移相器の遅延位相が小さくなるため、実時間遅延移相器を小型化することが可能になるという効果がある。
【数９】
【００３２】
実施の形態７．
この発明の実施の形態７では、上記実施の形態６に対し低サイドローブ化のための振幅分布を有するフェーズドアレーアンテナ装置の構成とする。一般に低サイドローブ化のための振幅分布は、アンテナ開口中心の振幅が最も大きくアンテナ開口端部になるにつれ振幅が小さくなるため、上記実施の形態６のようにアンテナ開口端部付近において実時間遅延移相器の遅延位相が制限されている場合にはその誤差の影響が小さくなる。したがって、この実施の形態７のように、低サイドローブ化のための振幅分布を有する構成にすれば、振幅分布をつけたことによりビーム方向誤差を低減することができるという効果がある。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、広周波数帯域にわたる複数系統の高周波電気信号を同時に送信あるいは受信する複数個の素子アンテナと、素子アンテナに接続されかつ高周波電気信号の位相を３６０度以内で変化させることが可能な３６０度移相器と、１つの素子アンテナ毎又は複数個の素子アンテナからなるサブアレー毎に設けられかつ高周波電気信号の遅延時間を変化させる実時間遅延移相器と、メインビーム方向を指示するビーム走査角指示回路と、ビーム走査角指示回路の指示に従い実時間遅延移相器を制御する実時間遅延移相器制御回路と、各実時間遅延移相器の遅延時間に応じた遅延時間誤差を３６０度移相器により補正するのに必要な補正位相を保存した補正位相記憶装置と、実時間遅延移相器制御回路から各実時間遅延移相器の遅延時間に関する情報を取得した後、各実時間遅延移相器の遅延時間に応じた補正位相を補正位相記憶装置から取得し補正位相を指示する補正位相指示回路と、ビーム走査位相指示回路及び補正位相指示回路の指示に従い３６０度移相器を制御する３６０度移相器制御回路とを有する構成にしたので、実時間遅延移相器に遅延誤差がある場合においてもメインビーム指向誤差及びサイドローブ上昇といった電気性能の劣化を抑制することが可能であるという効果がある。また、遅延誤差がある場合においても広周波数帯域にわたる高周波電気信号を同時に送信可能であるという効果がある。
【００３４】
この発明によれば、実時間遅延移相器の遅延時間誤差を補正する補正位相を、使用周波数帯域内の中心周波数において決定するように構成したので、実時間遅延移相器に遅延誤差がある場合においてもメインビーム指向誤差及びサイドローブ上昇といった電気性能の劣化を抑制しつつ、広周波数帯域にわたる電気信号を同時かつほぼ同じ方向に送信することが可能であるという効果がある。
【００３５】
この発明によれば、複数個の素子アンテナは比帯域ＢＷなる周波数帯域にわたり複数系統の高周波電気信号を同時に送信あるいは受信し、かつアンテナ正面方向から最大ビーム走査角度θｍａｘまでビーム走査し、周波数帯域内の周波数変動に伴うビーム方向角度誤差として許容することのできる角度をΔθとし、アンテナ正面方向及び最大ビーム走査角度方向を含む面に沿う方向に対しアンテナ開口を下記数式（１）で表される個数のサブアレーに分割し、かつこのサブアレー毎に実時間遅延移相器を設けたように構成したので、所定のビーム方向角度誤差許容値に対し最適なサブアレーを構成できるという効果がある。
【数１０】
【００３６】
この発明によれば、アンテナ正面方向を含みかつ互いに直交する２つの面に沿う方向に格子状となるようにアンテナ開口をサブアレーに分割し、かつ各方向のサブアレーの分割数については、各方向の最大ビーム走査角度θｍａｘ及びビーム方向角度許容誤差Δθから下記数式（１）により決定される分割数とするような構成にしたので、直交する2つの方向に対する所定のビーム方向角度誤差許容値に対し、最適なサブアレーを構成できるという効果がある。
【数１１】
【００３７】
この発明によれば、サブアレーが３角配列となるように構成したので、サブアレー周期に伴うグレーティングローブを抑制することができるという効果がある。
【００３８】
この発明によれば、所定のビーム方向誤差許容値を満足する範囲で最大遅延時間を制限した実時間遅延移相器を用い、かつアンテナ開口端部付近における遅延時間を制限するように構成したので、実時間遅延移相器の遅延位相が小さくなるため、実時間遅延移相器を小型化することが可能になるという効果がある。
【００３９】
この発明によれば、低サイドローブ化のため振幅分布をつけるように構成したので、ビーム方向誤差を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナ装置と従来のものとの放射パターンを比較する図である。
【図３】 この発明の実施の形態２における周波数ｆ０における実時間遅延位相器において、（ａ）は遅延誤差がない場合の遅延位相を示す図、（ｂ）は遅延誤差を補正した場合の遅延位相を示す図である。
【図４】 図３を周波数ｆ１に適用した場合において、（ａ）は遅延誤差がない場合の遅延位相を示す図、（ｂ）は遅延誤差を補正した場合の遅延位相を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態３におけるフェーズドアレーアンテナ装置のサブアレーの構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態３における実時間遅延位相器の最大遅延量とビーム方向誤差との関係を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態４におけるフェーズドアレーアンテナ装置のサブアレーの分割構成を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態５におけるフェーズドアレーアンテナ装置のサブアレーの分割構成を示す図である。
【図９】 従来のフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 素子アンテナ、２ ３６０度移相器、３ サブアレー、４ サブアレー電力分配回路、５ 実時間遅延移相器、６ 電力分配回路、７ 送信機、８ ビーム走査角指示回路、９ 実時間遅延移相器制御装置、１０ 補正位相記憶装置、１１ 補正位相指示回路、１２ ３６０度移相器制御装置、２１ 素子アンテナ、２２ ３６０度移相器、２３ サブアレー、２４ サブアレー電力分配回路、２５ 実時間遅延移相器、２６ 電力分配回路、２７ 送信機。
【発明の属する技術分野】
この発明は、通信やレーダ等に適用するフェーズドアレーアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来のフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示し、例えば、文献、N．V．Jespersen and P．R．Herczfeld 、"Phased Array Antennas with Phasers and True Time Delay Phase Sifters"、 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 1990 Digest、 pp．778-781、 1990．に記載されたフェーズドアレーアンテナ装置と同じ構成を有するものである。図において、２１は広周波数帯域にわたる高周波電気信号を電波として送信する素子アンテナ、２２は高周波電気信号の位相を３６０度以内で変化させることが可能な３６０度移相器、２３は複数個の素子アンテナ２１からなるサブアレー、２４はサブアレー２３の各素子に電気信号を分配するサブアレー電力分配回路、２５は複数個の素子アンテナ２１を１つのサブアレー２３としこのサブアレー単位で設けられ、かつ高周波電気信号の遅延時間を変化させることのできる実時間遅延移相器（ＴＴＤ）、２６は電力分配回路、２７は高周波電気信号を出力する送信機である。
【０００３】
次に動作について説明する。
送信機２７から送信された高周波電気信号は、電力分配回路２６により各サブアレーに分配された後、実時間遅延移相器２５により遅延時間を調整され、サブアレー電力分配回路２４により各素子アンテナに分配された後、さらに３６０度移相器２２により位相を調整され素子アンテナ２１から電波として放射される。この構成によれば３６０度移相器２２により各素子アンテナ２１から放射される電波の位相を調整することが可能であるので任意の方向に電波の位相が揃う。すなわち、該方向に電波を放射することが可能である。また高周波電気信号の遅延時間そのものを変化させることのできる実時間遅延移相器２５がサブアレー単位で設けられているため、上記電気信号の周波数が変化した場合においても上記電波の方向の変動を少なくすることが可能である。すなわち、広周波数帯域にわたる電気信号を同時にかつほぼ同じ方向に放射することが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のフェーズドアレーアンテナ装置では、広周波数帯域にわたる高周波電気信号を同時にかつほぼ同じ方向に放射するためにサブアレー単位で実時間遅延移相器を用いている。この実時間遅延移相器に要求される遅延時間は、アンテナ開口寸法及びビーム走査角に依存し、大開口アンテナの場合あるいは広角ビーム走査アンテナの場合には非常に大きな遅延時間が必要となる。しかしながら大きな遅延時間を有する実時間遅延移相器においては製造上のわずかな誤差やばらつきが積み重なり、結果として遅延時間に大きな誤差が生じてしまい、これがフェーズドアレーアンテナ装置としてのビーム指向誤差やサイドローブレベルの上昇など電気性能の劣化につながるという課題があった。
【０００５】
また、広周波数帯域にわたる高周波電気信号を同時にかつ周波数変動に伴う電波放射方向の変動を抑えるために、サブアレー単位で実時間遅延移相器を設けているが、サブアレー内では３６０度移相器のみが設けられているので、サブアレー内の放射パターンに注目するとその電波の方向は周波数により変動する。このため、サブアレーの分割や個数の選択に誤りがあると、周波数が変動した場合ビーム指向誤差が生じてしまう。しかしながら、要求される電気性能に対し最適なサブアレー構成や実時間遅延移相器の最大遅延時間が明らかになっていないため、必要以上の実時間遅延移相器を設ける可能性があったり、あるいは必要以上の遅延時間を有する実時間遅延移相器を設ける可能性があり、装置が大型化するとともに、複雑化するという課題があった。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、実時間遅延移相器に遅延誤差が生じた場合においてもビーム指向誤差やサイドローブレベルの上昇など電気性能の劣化を抑制したフェーズドアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
また、要求された電気性能に対し最も最適かつ簡易な構成により広周波数にわたる電気信号を同時に送信あるいは受信することのできるフェーズドアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、広周波数帯域にわたる複数系統の高周波電気信号を同時に送信あるいは受信する複数個の素子アンテナと、素子アンテナに接続されかつ高周波電気信号の位相を３６０度以内で変化させることが可能な３６０度移相器と、１つの素子アンテナ毎又は複数個の素子アンテナからなるサブアレー毎に設けられかつ高周波電気信号の遅延時間を変化させる実時間遅延移相器と、メインビーム方向を指示するビーム走査角指示回路と、ビーム走査角指示回路の指示に従い実時間遅延移相器を制御する実時間遅延移相器制御回路と、各実時間遅延移相器の遅延時間に応じた遅延時間誤差を３６０度移相器により補正するのに必要な補正位相を保存した補正位相記憶装置と、実時間遅延移相器制御回路から各実時間遅延移相器の遅延時間に関する情報を取得した後、各実時間遅延移相器の遅延時間に応じた補正位相を補正位相記憶装置から取得し補正位相を指示する補正位相指示回路と、ビーム走査位相指示回路及び補正位相指示回路の指示に従い３６０度移相器を制御する３６０度移相器制御回路とを有するものである。
【０００８】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、実時間遅延移相器の遅延時間誤差を補正する補正位相を、使用周波数帯域内の中心周波数において決定するものである。
【０００９】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置において、複数個の素子アンテナは比帯域ＢＷなる周波数帯域にわたり複数系統の高周波電気信号を同時に送信あるいは受信し、かつアンテナ正面方向から最大ビーム走査角度θｍａｘまでビーム走査し、周波数帯域内の周波数変動に伴うビーム方向角度誤差として許容することのできる角度をΔθとし、アンテナ正面方向及び最大ビーム走査角度方向を含む面に沿う方向に対しアンテナ開口を下記数式（１）で表される個数のサブアレーに分割し、かつこのサブアレー毎に実時間遅延移相器を設けたものである。
【数３】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、アンテナ正面方向を含みかつ互いに直交する２つの面に沿う方向に格子状となるようにアンテナ開口をサブアレーに分割し、かつ各方向のサブアレーの分割数については、各方向の最大ビーム走査角度θｍａｘ及びビーム方向角度許容誤差Δθから下記数式（１）により決定される分割数とするものである。
【数４】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、サブアレーが３角配列となるものである。
【００１２】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、所定のビーム方向誤差許容値を満足する範囲で最大遅延時間を制限した実時間遅延移相器を用い、かつアンテナ開口端部付近における遅延時間を制限するものである。
【００１３】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、低サイドローブ化のため振幅分布をつけるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示す図であり、図において、１は周波数ｆ０からｆ１にわたる複数系統の高周波電気信号を電波として送信する素子アンテナ、２は高周波の電気信号の位相を３６０度以内で変化させることが可能な３６０度移相器、３は複数個の素子アンテナ１からなるサブアレー、４はサブアレー３の各素子に電気信号を分配するサブアレー電力分配回路、５は複数個の素子アンテナ１を１つのサブアレー３としこのサブアレー単位で設けられ、かつ高周波電気信号の遅延時間を変化させることのできる実時間遅延移相器（ＴＴＤ）、６は電力分配回路、７は高周波の電気信号を出力する送信機、８はフェーズドアレーアンテナ装置のメインビーム方向を指示するビーム走査角指示回路、９は上記ビーム走査角指示回路８の指示に従い上記実時間遅延移相器５を制御する実時間遅延移相器制御装置、１０は上記実時間遅延移相器５の遅延時間に応じた遅延時間誤差を上記３６０度移相器２により補正するのに必要な補正位相をあらかじめ取得しておきこれを保存した補正位相記憶装置、１１は上記実時間遅延移相器制御装置９から各実時間遅延移相器５の遅延時間に関する情報を取得した後、各実時間遅延移相器５の遅延時間に応じた補正位相を上記補正位相記憶装置１０から取得し補正位相を指示する補正位相指示回路、１２は上記ビーム走査角指示回路８及び上記補正位相指示回路１１の指示に従い上記３６０度移相器２を制御する３６０度移相器制御装置である。
【００１５】
次に動作について説明する。
送信機７から送信された高周波の電気信号は、電力分配回路６により各サブアレー３に分配された後、実時間遅延移相器５により遅延時間を調整され、サブアレー電力分配回路４により各素子アンテナに分配された後、さらに３６０度移相器２により位相を調整され素子アンテナ１から電波として放射される。また、サブアレー単位で設けられた実時間遅延移相器５の遅延時間は、周波数ｆ０においてビーム走査角指示回路８からの指示されるビーム走査角方向にメインビームを形成するように実時間遅延移相器制御装置９により調整される。
【００１６】
さらに、補正位相指示回路１１は、実時間遅延移相器制御装置９から各実時間遅延移相器の遅延時間の情報を取得した後、その遅延時間に応じた補正位相を補正位相記憶装置１０から取得しこれを３６０度移相器制御装置１２に指示する。また、３６０度移相器制御装置１２は、周波数ｆ０においてビーム走査角指示回路８からの指示されるビーム走査角方向対しメインビームを形成する位相及び補正位相指示回路１１により指示される補正位相を足し合わせた位相を３６０度移相器２に設定する。
【００１７】
図２は、この実施の形態１のフェーズドアレーアンテナ装置として素子アンテナ間隔が０．３５波長、全素子アンテナの個数が１１２、全サブアレー数が１４となるリニアアレーアンテナ装置を考えた場合の放射パターンを示すものであり、実時間遅延移相器５が遅延誤差として平均が零、標準偏差が電気長にして０．５波長となる正規分布誤差を有する場合の放射パターン（点線で示すＰ１）の一例である。なお、図２には比較のため、同様の遅延誤差を有する従来のフェーズドアレーアンテナ装置における放射パターン（２点鎖線で示すＰ２）及び遅延誤差のない場合の放射パターン（実線で示すＰ３）も併せて示す。これよりこの実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナ装置の放射パターンは、従来のフェーズドアレーアンテナ装置と比べ、メインビーム指向誤差及びサイドローブ上昇といった電気性能の劣化が抑制されていることが分かる。
【００１８】
すなわち、この実施の形態１のフェーズドアレーアンテナ装置は、上記のように実時間遅延移相器５の遅延誤差を３６０度移相器２により補正する機構を有しているので、実時間遅延移相器５に遅延誤差がある場合においてもメインビーム指向誤差及びサイドローブ上昇といった電気性能の劣化を抑制することが可能であるという効果がある。また、サブアレー単位で実時間遅延移相器５を設け、かつ周波数ｆ０において実時間遅延移相器５の遅延誤差を３６０度移相器２により補正しているので、周波数がｆ１に変化した場合においてほぼ同じ方向に電波を送信することが可能である、すなわち遅延誤差がある場合においても広周波数帯域にわたる高周波電気信号を同時に送信可能であるという効果がある。
【００１９】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２におけるフェーズドアレーアンテナ装置の構成は、図１に示した実施の形態１と同じであるが、実施の形態２では、実時間遅延移相器５の遅延誤差を３６０度移相器２により補正するための補正位相を、使用周波数帯域の中心周波数において決定する。図３（ａ），（ｂ）は、図１のフェーズドアレーアンテナ装置のある１つのサブアレー３に着目し、周波数ｆ０（波長λ０）、ビーム走査角θ０の場合に各素子アンテナ１に入力される電気信号の遅延位相を表したものである。
【００２０】
図３（ａ），（ｂ）において、ｘはサブアレー３のアレー方向の位置、ｄはｘ方向の各素子アンテナ１の間隔、τ（ｘ）は位置ｘにおける素子アンテナ１に必要な遅延位相、Ｓは所定の傾き２π・ｓｉｎ（θ０）／λである。図３（ａ）は実時間遅延移相器５に遅延誤差がない理想的な場合であり、その遅延位相はτである。図３（ｂ）は実時間遅延移相器５にδなる遅延位相誤差があり、遅延位相は（τ−δ）となっている。これを周波数ｆ０において、上記実施の形態１における構成により、３６０度移相器２により遅延誤差δを補正して、遅延位相をτにした場合を示している。したがって、周波数ｆ０においては、図３（ａ）と図３（ｂ）における遅延位相は等価となる。
【００２１】
次に、このときの３６０度移相器２及び実時間遅延移相器５の設定状態を保持し、周波数ｆ１（波長λ１）の電気信号を同時に送信する場合を考える。このときの各素子アンテナ１に入力される周波数ｆ１の電気信号の遅延位相を図４に示す。図４（ａ）は図３（ａ）の状態に対応し、実時間遅延移相器５に遅延誤差がない理想的な場合であり、その遅延位相はτとなっている。図４（ｂ）は図３（ｂ）の状態に対応し、実時間遅延移相器５にδなる遅延位相誤差があり、遅延位相は（τ−δ）となっている場合である。
【００２２】
図に示すように、３６０度移相器２による遅延位相は周波数が変動しても変化しないため、周波数ｆ１においてはδ・（ｆ１−ｆ０）／ｆ１なる遅延位相誤差ｅが生じる。この遅延位相誤差ｅは周波数ｆ１がｆ０から離れるほど大きくなるため、補正位相の周波数を使用する周波数帯域の中心周波数に選ぶことにより周波数変化に対する遅延位相誤差ｅを最小にすることができる。
【００２３】
すなわち、この実施の形態２のフェーズドアレーアンテアンテナ装置は、実時間遅延移相器５の遅延誤差ｅを３６０度移相器２により補正するための補正位相を、使用周波数帯域の中心周波数において決定することにより周波数変動に伴う遅延位相誤差を最小限に抑制することができるので、実時間遅延移相器に遅延誤差がある場合においてもメインビーム指向誤差及びサイドローブ上昇といった電気性能の劣化を抑制しつつ、広周波数帯域にわたる電気信号を同時かつほぼ同じ方向に送信することが可能であるという効果がある。
【００２４】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３におけるフェーズドアレーアンテナ装置におけるサブアレー３の構成を示す図であり、図において、ｘはサブアレー３のアレー方向の位置、ｚはアンテナ正面方向、ｄはｘ方向の各素子アンテナ１の間隔、Ａはアンテナ開口寸法、Ａｓは実時間遅延移相器５が設けられるサブアレー開口寸法である。また、フェーズドアレーアンテナ装置が同時に送信する高周波電気信号の周波数比帯域をＢＷ、アンテナ正面方向から最大ビーム走査角度をθｍａｘ、上記周波数帯域内の周波数変動に伴うビーム方向角度誤差として許容することのできる角度をΔθとすれば、アンテナ正面方向ｚ及び上記最大ビーム走査角度方向を含む面に沿う方向すなわちアレー方向ｘに対し、アンテナ開口Ａを下記数式（１）で表される個数のサブアレーに分割し、かつこのサブアレー毎に上記実時間遅延移相器５を設ける。
【数５】
次に動作について説明する。
図５において、全サブアレー数を２Ｍ、全素子アンテナ数を２Ｎとする。また、実時間遅延移相器５は周波数ｆ０（波長λ０）における位相２・ｕ・πラジアンを単位としてその整数倍で遅延位相を変化させることができるものとし、かつ最大遅延位相が周波数ｆ０において２・ｕ・Ｍlim・πラジアンであるとする。このとき周波数ｆ０の高周波電気信号がθ＝θｍａｘ方向に放射するように各実時間遅延移相器５の遅延位相及び各３６０度移相器２の位相設定を調整した後、周波数ｆ１の高周波電気信号も同時に放射すると、周波数ｆ１の高周波電気信号放射方向はθ＝θｍａｘからわずかに誤差が生じる。このビーム方向誤差角度Δθを解析的に導出すると下記数式（２）で表わすことができる。
【数６】
次に、上記数式（２）の妥当性を示す。図５に示したフェーズドアレーアンテナ装置においてＡ＝１３．４λ０、Ａｓ＝１．１２λ０、ｄ＝０．５５８λ０、２Ｎ＝２４、θｍａｘ＝５０度、ｕ＝１とし、ｆ１＝１．０３３ｆ０におけるビーム方向誤差を求める。図６はこのときのビーム方向誤差計算結果を示したものであり、上記数式（２）により求められた値と数値計算により求められた値を比較したものである。図において縦軸はビーム方向誤差Δθ（角度）を表し、横軸は実時間遅延移相器５の最大遅延量τｍａｘを表し、ここでは周波数ｆ０における遅延位相を表している。すなわち、図６は実時間遅延移相器５の最大遅延量とビーム方向誤差の関係を表していることになる。図６の結果より上記数式（２）による計算結果と数値計算による計算結果はよく一致しており、上記数式（２）の妥当性が確認できることになる。
【００２７】
ところで、上記数式（２）の右辺第１項は、実時間遅延移相器５をサブアレー単位で設けたことによるビーム方向誤差であり、右辺第２項は実時間遅延移相器５の最大遅延位相τｍａｘを周波数ｆ０における２・ｕ・Ｍlim・πラジアンに制限したことよるビーム方向誤差であると理解できる。いま、実時間遅延移相器５の最大遅延位相τｍａｘを無制限であるとすると、上記数式（２）は次の数式（３）のようになる。
【数７】
【数８】
上記数式（４）及び数式（５）はサブアレー数２Ｍとビーム方向誤差Δθの関係を一意に決定する式である。したがって、使用周波数帯域内の周波数変動に伴うビーム方向角度誤差許容値から最適なサブアレー個数を算出することができる。すなわち、この実施の形態３では、上記数式（５）で表される個数でサブアレーに分割し、かつこのサブアレー毎に上記実時間遅延移相器５を設けるので、所定のビーム方向角度誤差許容値に対し最適なサブアレーを構成できるという効果がある。
【００２９】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４におけるフェーズドアレーアンテナ装置におけるサブアレーの分割構成図を示したものである。この実施の形態４では、各素子アンテナは図７中のｘ−ｙ平面上に２次元的に配列される。さらに図７に示すようなｘｙ直交格子状にアンテナ開口をサブアレーとして分割し、各サブアレーには実時間遅延移相器５を設ける。サブアレーの分割数は、ｘ、ｙそれぞれの方向に対し上記数式（５）により決定する。したがって、図７におけるｘ方向のサブアレー分割数Ｎｘは図中φ＝０度面の最大ビーム走査角及び許容ビーム方向誤差から上記数式（５）により決定され、図７におけるｙ方向のサブアレー分割数Ｎｙは図中φ＝９０度面の最大ビーム走査角及び許容ビーム方向誤差から上記数式（５）により決定される。したがって、この実施の形態４では、直交する２つの方向に対する所定のビーム方向角度誤差許容値に対し、最適なサブアレー構成を有する二次元開口のフェーズドアレーアンテナを得るという効果がある。
【００３０】
実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５におけるフェーズドアレーアンテナ装置におけるサブアレーの分割構成図を示したものである。この実施の形態５では、各素子アンテナは図８中のｘ−ｙ平面上に２次元的に配列され、かつサブアレーは図８に示すような三角配列となるように分割し、各サブアレーには実時間遅延移相器を設ける。サブアレーの分割数は、上記実施の形態４同様にｘ、ｙそれぞれの方向に対し上記数式（５）により決定するので、直交する２つの方向に対する所定のビーム方向角度誤差許容値に対し、最適なサブアレー構成を有する二次元開口のフェーズドアレーアンテナを得るという効果がある。さらに、サブアレーは三角配列されているので、サブアレー周期に伴うグレーティングローブを抑制することができるという効果がある。
【００３１】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６においては、所定のビーム方向誤差許容値から上記実施の形態３記載の数式（２）により実時間遅延移相器の周波数ｆ０における最大遅延位相２・ｕ・Ｍlim・πラジアンを算出し、アンテナ開口と最大ビーム走査角から求められる下記の数式（６）で示す最大遅延位相ラジアンと比較し、下記の数式（７）が成立するならば、周波数ｆ０において２・ｕ・Ｍlim・πラジアンを最大遅延位相とする実時間遅延移相器を使用する。したがって、実時間遅延移相器の遅延位相が小さくなるため、実時間遅延移相器を小型化することが可能になるという効果がある。
【数９】
実施の形態７．
この発明の実施の形態７では、上記実施の形態６に対し低サイドローブ化のための振幅分布を有するフェーズドアレーアンテナ装置の構成とする。一般に低サイドローブ化のための振幅分布は、アンテナ開口中心の振幅が最も大きくアンテナ開口端部になるにつれ振幅が小さくなるため、上記実施の形態６のようにアンテナ開口端部付近において実時間遅延移相器の遅延位相が制限されている場合にはその誤差の影響が小さくなる。したがって、この実施の形態７のように、低サイドローブ化のための振幅分布を有する構成にすれば、振幅分布をつけたことによりビーム方向誤差を低減することができるという効果がある。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、広周波数帯域にわたる複数系統の高周波電気信号を同時に送信あるいは受信する複数個の素子アンテナと、素子アンテナに接続されかつ高周波電気信号の位相を３６０度以内で変化させることが可能な３６０度移相器と、１つの素子アンテナ毎又は複数個の素子アンテナからなるサブアレー毎に設けられかつ高周波電気信号の遅延時間を変化させる実時間遅延移相器と、メインビーム方向を指示するビーム走査角指示回路と、ビーム走査角指示回路の指示に従い実時間遅延移相器を制御する実時間遅延移相器制御回路と、各実時間遅延移相器の遅延時間に応じた遅延時間誤差を３６０度移相器により補正するのに必要な補正位相を保存した補正位相記憶装置と、実時間遅延移相器制御回路から各実時間遅延移相器の遅延時間に関する情報を取得した後、各実時間遅延移相器の遅延時間に応じた補正位相を補正位相記憶装置から取得し補正位相を指示する補正位相指示回路と、ビーム走査位相指示回路及び補正位相指示回路の指示に従い３６０度移相器を制御する３６０度移相器制御回路とを有する構成にしたので、実時間遅延移相器に遅延誤差がある場合においてもメインビーム指向誤差及びサイドローブ上昇といった電気性能の劣化を抑制することが可能であるという効果がある。また、遅延誤差がある場合においても広周波数帯域にわたる高周波電気信号を同時に送信可能であるという効果がある。
【００３４】
この発明によれば、実時間遅延移相器の遅延時間誤差を補正する補正位相を、使用周波数帯域内の中心周波数において決定するように構成したので、実時間遅延移相器に遅延誤差がある場合においてもメインビーム指向誤差及びサイドローブ上昇といった電気性能の劣化を抑制しつつ、広周波数帯域にわたる電気信号を同時かつほぼ同じ方向に送信することが可能であるという効果がある。
【００３５】
この発明によれば、複数個の素子アンテナは比帯域ＢＷなる周波数帯域にわたり複数系統の高周波電気信号を同時に送信あるいは受信し、かつアンテナ正面方向から最大ビーム走査角度θｍａｘまでビーム走査し、周波数帯域内の周波数変動に伴うビーム方向角度誤差として許容することのできる角度をΔθとし、アンテナ正面方向及び最大ビーム走査角度方向を含む面に沿う方向に対しアンテナ開口を下記数式（１）で表される個数のサブアレーに分割し、かつこのサブアレー毎に実時間遅延移相器を設けたように構成したので、所定のビーム方向角度誤差許容値に対し最適なサブアレーを構成できるという効果がある。
【数１０】
この発明によれば、アンテナ正面方向を含みかつ互いに直交する２つの面に沿う方向に格子状となるようにアンテナ開口をサブアレーに分割し、かつ各方向のサブアレーの分割数については、各方向の最大ビーム走査角度θｍａｘ及びビーム方向角度許容誤差Δθから下記数式（１）により決定される分割数とするような構成にしたので、直交する2つの方向に対する所定のビーム方向角度誤差許容値に対し、最適なサブアレーを構成できるという効果がある。
【数１１】
この発明によれば、サブアレーが３角配列となるように構成したので、サブアレー周期に伴うグレーティングローブを抑制することができるという効果がある。
【００３８】
この発明によれば、所定のビーム方向誤差許容値を満足する範囲で最大遅延時間を制限した実時間遅延移相器を用い、かつアンテナ開口端部付近における遅延時間を制限するように構成したので、実時間遅延移相器の遅延位相が小さくなるため、実時間遅延移相器を小型化することが可能になるという効果がある。
【００３９】
この発明によれば、低サイドローブ化のため振幅分布をつけるように構成したので、ビーム方向誤差を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナ装置と従来のものとの放射パターンを比較する図である。
【図３】 この発明の実施の形態２における周波数ｆ０における実時間遅延位相器において、（ａ）は遅延誤差がない場合の遅延位相を示す図、（ｂ）は遅延誤差を補正した場合の遅延位相を示す図である。
【図４】 図３を周波数ｆ１に適用した場合において、（ａ）は遅延誤差がない場合の遅延位相を示す図、（ｂ）は遅延誤差を補正した場合の遅延位相を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態３におけるフェーズドアレーアンテナ装置のサブアレーの構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態３における実時間遅延位相器の最大遅延量とビーム方向誤差との関係を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態４におけるフェーズドアレーアンテナ装置のサブアレーの分割構成を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態５におけるフェーズドアレーアンテナ装置のサブアレーの分割構成を示す図である。
【図９】 従来のフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 素子アンテナ、２ ３６０度移相器、３ サブアレー、４ サブアレー電力分配回路、５ 実時間遅延移相器、６ 電力分配回路、７ 送信機、８ ビーム走査角指示回路、９ 実時間遅延移相器制御装置、１０ 補正位相記憶装置、１１ 補正位相指示回路、１２ ３６０度移相器制御装置、２１ 素子アンテナ、２２ ３６０度移相器、２３ サブアレー、２４ サブアレー電力分配回路、２５ 実時間遅延移相器、２６ 電力分配回路、２７ 送信機。
Claims (7)
- 広周波数帯域にわたる複数系統の高周波電気信号を同時に送信あるいは受信する複数個の素子アンテナと、
上記素子アンテナに接続されかつ高周波電気信号の位相を３６０度以内で変化させることが可能な３６０度移相器と、
１つの素子アンテナ毎又は複数個の素子アンテナからなるサブアレー毎に設けられかつ高周波電気信号の遅延時間を変化させる実時間遅延移相器と、
メインビーム方向を指示するビーム走査角指示回路と、
上記ビーム走査角指示回路の指示に従い上記実時間遅延移相器を制御する実時間遅延移相器制御回路と、
上記各実時間遅延移相器の遅延時間に応じた遅延時間誤差を上記３６０度移相器により補正するのに必要な補正位相を保存した補正位相記憶装置と、
上記実時間遅延移相器制御回路から上記各実時間遅延移相器の遅延時間に関する情報を取得した後、上記各実時間遅延移相器の遅延時間に応じた補正位相を上記補正位相記憶装置から取得し補正位相を指示する補正位相指示回路と、
上記ビーム走査位相指示回路及び上記補正位相指示回路の指示に従い上記３６０度移相器を制御する３６０度移相器制御回路と
を有するフェーズドアレーアンテナ装置。 - 実時間遅延移相器の遅延時間誤差を補正する補正位相を使用周波数帯域内の中心周波数において決定することを特徴とする請求項１記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
- 複数個の素子アンテナは比帯域ＢＷなる周波数帯域にわたり複数系統の高周波電気信号を同時に送信あるいは受信し、かつアンテナ正面方向から最大ビーム走査角度θｍａｘまでビーム走査し、上記周波数帯域内の周波数変動に伴うビーム方向角度誤差として許容することのできる角度をΔθとし、上記アンテナ正面方向及び上記最大ビーム走査角度方向を含む面に沿う方向に対しアンテナ開口を下記数式（１）で表される個数のサブアレーに分割し、かつこのサブアレー毎に実時間遅延移相器を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
- アンテナ正面方向を含みかつ互いに直交する２つの面に沿う方向に格子状となるようにアンテナ開口をサブアレーに分割し、かつ各方向のサブアレーの分割数については、各方向の最大ビーム走査角度θｍａｘ及びビーム方向角度許容誤差Δθから下記数式（１）により決定される分割数とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
- サブアレーが３角配列となることを特徴とする請求項４記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
- 所定のビーム方向誤差許容値を満足する範囲で最大遅延時間を制限した実時間遅延移相器を用い、かつアンテナ開口端部付近における遅延時間を制限することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
- 低サイドローブ化のため振幅分布をつけることを特徴とする請求項６記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
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