JP3813898B2 - Phased array antenna, beam forming circuit thereof and beam forming method - Google Patents

Phased array antenna, beam forming circuit thereof and beam forming method Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば通信衛星に搭載されるフェーズドアレーアンテナに係り、特にその小型軽量化、信頼性向上に寄与する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のフェーズドアレーアンテナを大別すると以下の3つに分類することができる。
(1)全放射素子独立制御型
全放射素子独立制御型のビーム形成回路により給電されるフェーズドアレーアンテナを図11に示す。すなわち、入力端子inに供給された入力信号を、分配回路aで放射素子数分の信号a−1,…,a−Nに分配後、位相制御回路b1,b2,b3,b4,…,bNによりそれぞれの信号の位相を制御して、位相制御回路b1,b2,b3,b4,…,bNの出力端子out1,out2,out3,out4,…,outNより放射素子f1,f2,f3,f4,…,fNに給電し、ビームを形成する。
(2)サブアレー独立制御型
サブアレー独立制御型のビーム形成回路により給電されるフェーズドアレーアンテナを図12に示す。幾つかの放射素子f1,f2,f3,f4,…,fNをグループ化、すなわちサブアレー化することで、ビーム形成回路の回路規模を縮小している。入力端子inに供給された入力信号を、サブアレー分の信号a−1,…,a−Mに分配後、位相制御回路b1,b2,…,bMによりそれぞれの信号の位相を制御し、同相分配回路c1,c2,…,cMによりサブアレーを構成する放射素子f1とf2、f3とf4、…、fNを同一の位相で給電しビームを形成する。図12では、2素子でサブアレーを構成している。
(3)マトリクス回路を用いた一括制御型
マトリクス回路を用いた一括制御型のビーム形成回路により給電されるフェーズドアレーアンテナを図13に示す。すなわち、入力端子in1,in2,in3,in4,…,inNに応じて異なる出力位相分布を有するマトリクス回路MCをビーム形成回路に適用している。代表例はバトラマトリクスをビーム形成回路に適用したものである。バトラマトリクスの入力端子を切り替えることで、形成ビームの照射領域を切り替えることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術を大きく3分類したが、それぞれについての課題を以下に示す。
(1)全放射素子独立制御型
全ての放射素子を任意の位相で給電できるため、自由度の高いビーム形成が実現できるが、図11に示すように放射素子数分の位相制御回路が必要となる。特に複数のビームを同時に形成する場合は、(放射素子数×ビーム数)分の位相制御回路が必要となるため回路規模が大きくなる。回路規模が大きくなると、ビーム形成回路の重量、形状、消費電力が増大し、部品点数が多くなるため信頼性は低下する。衛星という限られた環境を考慮すると、回路規模が大きくなること自体が課題となる。
(2)サブアレー独立制御型
サブアレー独立制御型は、(1)の全放射素子独立制御型の課題を解決する方法の一つであるが、サブアレーを構成する放射素子数を多くすると、グレーティングローブが発生するという課題がある。グレーティングローブは放射素子間隔が広がることにより発生する現象である。サブアレー独立制御型の場合、個々の放射素子間隔をグレーティングローブが発生しない条件で配置しても、サブアレーを形成するグループ化された放射素子は、同一の位相で給電されるため、各サブアレーを開口径の大きい1つの放射素子として、広い素子間隔で配置されていることと等価になる。よって、グループ化したことによりグレーティングローブが発生する可能性がある。
(3)マトリクス回路を用いた一括制御型
バトラマトリクスをビーム形成回路に適用する場合は、位相分布が入力端子数分に限定されるため、自由度の高いビーム形成ができず、放射方向を任意に設定できないという課題がある。
【0004】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、位相制御回路の数を少なくでき、またグレーティングローブの発生要因となることなく、さらに自由度の高いビーム形成が実現でき、これによって放射方向を任意に設定できるフェーズドアレーアンテナとそのビーム形成回路及びビーム形成方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、等間隔で配置された第1〜第N(Nは3以上の整数)の放射素子を備えるフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路において、1つのビームを形成する場合、入力端子から入力されるビーム形成信号を分配手段によりM(Mは2以上の整数、N>M)系統に分配し、この分配手段で分配されたM個の信号をそれぞれ第1〜第Mの位相制御手段で個別に位相制御した後、それぞれ第1〜第Mの同相分配手段によって同相でL(Lは2以上の整数)分配し、各同相分配手段で分配されたL個の出力信号のうち各々の1つを第1〜第Mの伝送手段で伝送し、前記第1〜第Mの同相分配手段で分配された出力信号のうち、前記第1〜第Mの伝送手段への信号以外で、位相差が180度以内であり、異なる同相分配手段からの2つの信号を第1〜第(N−M)の2信号合成手段のそれぞれの入力端子に入力して合成するようにし、前記第1〜第Mの同相分配手段と前記伝送手段及び2信号合成手段とを接続する各経路を互いに等しい電気長とし、前記第1〜第Mの伝送手段の出力と第1〜第(N−M)の2信号合成手段の出力をそれぞれ前記第1〜第Nの放射素子に給電するようにしている。
【0006】
上記構成によるフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路では、合成する2つの信号の位相差が180度以内であれば、放射素子数より少ない数の位相制御手段で、隣り合う放射素子との位相差が90度以内の任意位相差を有する位相分布で放射素子を給電することができる。この場合、分配制御手段や2信号合成手段を付加する必要が有るが、これらは受動回路であるため、消費電力はほとんどなく、信頼性の劣化は軽微である。反面、位相制御手段は、FETやスイッチなどの可変素子を有し、またそれらを制御するための回路も必要となる。つまり、電力を消費し、故障の可能性により信頼性を低下させる要因となるので、位相制御手段の数を低減できる効果は非常に大きい。
【0007】
具体的には、課題(1)で述べた全放射素子独立制御型と比較した場合、位相制御手段の数が削減されるため、回路規模の縮小、低消費電力化、信頼性の向上が図れる。課題(2)で述べたサブアレー独立制御型と比較した場合、全ての放射素子を均一な位相差を有する位相分布で給電することが可能となるため、グレーティングローブが個々の放射素子間隔の条件だけに依存するようになる。この結果、放射素子間隔を適宜調整することで、グレーティングローブの発生を抑圧することが可能となる。課題(3)で述べたマトリクス回路を用いた一括制御型と比較した場合、任意の位相差を実現できるため、自由度の高いビーム形成を実現することができ、これによって放射方向を任意に設定できるようになる。
【0008】
上記構成によるフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路において、X個のビームを形成する場合には、第1〜第Xの入力端子からビーム数X(Xは2以上の整数)に応じたビーム形成の信号を入力し、それぞれ第1〜第Xの分配手段によりM(Mは2以上の整数、N>M)系統に分配した後、第1群〜第X群の第1〜第Mの位相制御手段によってそれぞれ個別に位相制御するようにし、第1群〜第X群の第1〜第Mの位相制御手段の出力のうち、それぞれ各群の一つの位相制御手段の出力を第1〜第Mのビーム合成手段に入力してビーム合成し、各ビーム合成出力を前記第1〜第Mの同相分配手段に入力する。
【0009】
このように構成することで、第1群〜第X群の第1〜第Mの位相制御手段によってビーム毎に独立して位相制御することが可能となり、マルチビーム形成が可能となる。
【0010】
前記第1〜第Mの伝送手段としては、それぞれ前記第1〜第(N−M)の2信号合成手段と同等の特性を備え、一方の入力端子が終端された2信号合成手段を用い、各2信号合成手段の他方の入力端子から前記第1〜第Mの同相分配手段からの信号を入力し、その出力を前記放射素子に給電する構成、それぞれ前記第1〜第(N−M)の2信号合成手段に等しい電気長を有する伝送線路を用いる構成、それぞれ第1〜第(N−M)の2信号合成手段に等しい電気長を有する振幅制御手段を用いる構成が考えられる。
【0011】
一方の入力が終端された2信号合成手段を用いることで、第1〜第(N−M)の2信号合成手段の信号レベルとの差が低減できるため、2信号の位相差に対する最大利得の最大値が得られる放射角度を正面方向(0度)からずらすことができる。ビーム走査を行う場合の利得変動はレベル差によって決まるため、最大値を正面方向からずらすことで、一定の利得を得る放射角度を広くすることができる。尚、伝送線路を用いた場合にも同様の効果が得られる。
【0012】
また、振幅制御手段を用いた場合には、放射素子への信号振幅を調整することができ、これによって任意の位相差において全放射素子の振幅を揃えることが可能となる。
【0013】
さらに、前記分配手段の入力段に入力振幅制御手段を備えるようにすれば、入力信号の振幅を制御することで形成ビームの放射電力を調整することが可能となり、特に位相制御に伴う放射電力の変化を抑制することが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図1乃至図10を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0015】
(第1実施形態)
図1は、本発明に係るフェーズドアレーアンテナの第1実施形態の構成を示すブロック図である。ビーム形成回路の入力端子inから入力される信号は、分配回路aにより等振幅にM分配され、それぞれの出力端子a1,a2,…,aMから出力される信号(以下、出力端子と同一符号で説明する)は、位相制御回路b:b1,b2,…,bMによって位相制御された後に、同相分配回路c:c1,c2,…,cMにて、同相かつ等振幅にL分配される。
【0016】
各同相分配回路c1〜cMの出力端子c1−1,…,c1−L、c2−1,…,c2−L、…、cM−1,…,cM−Lから出力される信号(以下、出力端子と同一符号で説明する)のうち、各々の1つの信号は第一群の2信号合成回路e:e1,e2,…,eMの一方の入力端子に供給される。これらの2信号合成回路e1〜eMは、他方の入力端子が終端抵抗r1,r2,…,rMにより終端されており、入力端子に供給される信号をそのままの状態で出力する。
【0017】
また、同相分配回路c1〜cMの出力信号c1−1〜c1−L、c2−1〜c2−L、…、cM−1〜cM−Lのうち、位相差が180度以内である2信号は第二群の2信号合成回路f:f1,f2,…,f(N−M)のそれぞれの入力端子に供給される。これらの2信号合成回路f1〜f(N−M)は、それぞれ位相差が180度以内である2信号を入力して合成出力する。
【0018】
ここで、上記同相分配回路c1〜cMと合成回路e1〜eM,f1〜f(N−M)との間を接続する経路は、互いに等しい電気長に設定される。
【0019】
第一群の2信号合成回路e1〜eMの出力信号は、ビーム形成回路の出力端子out1,out3,…,outNを介して放射素子g1,g3,…,gNに給電され、(N−M)個の第二群の2信号合成回路f1〜f(N−M)の出力信号はビーム形成回路の出力端子out2,out4,…,out(N−1)を介して放射素子g2,g4,…,g(N−1)に給電される。上記放射素子g:g1〜gNは同一線上に間隔dで均等に配列される。
【0020】
上記構成において、以下にその処理動作を説明する。但し、ここでは説明を簡略化するため、図1において放射素子数が3(N=3)個で、かつ、分配回路aが同相で信号分配するものであるとする。
【0021】
いま、分配回路aに入力される信号の位相をθ0とし、分配回路aの出力信号a1,a2が位相制御回路b1,b2によってθ1,θ2の位相制御を受けたとすると、同相分配回路c1の出力信号c1−1,c1−2は互いに等振幅で、位相が入力信号の位相に対して相対的にθ1,θ2となる。同様に、同相分配回路c2の出力信号c2−1,c2−2は互いに等振幅で、位相が入力信号の位相に対して相対的にθ1,θ2となる。
【0022】
ここで第一群の2信号合成回路e1に同相分配回路c1の出力信号c1−1を入力し、第二群の2信号合成回路f1に同相分配回路c1の出力信号c1−2と同相分配回路c2の出力信号c2−1を入力し、第一群の2信号合成回路e2に同相分配回路c2の出力信号c2−2を入力する。第二群の2信号合成回路f1では、2つの入力信号をベクトル合成するため、2信号の振幅が等しく、且つ、位相差が180度以内であれば、合成信号の位相は、2信号の位相の中間値となる。同相分配回路c1,c2と2信号合成回路e1,e2,f1とを接続する各経路は等しい電気長であるため、第一群の2信号合成回路e1,e2によって合成された信号の位相はそれぞれ入力信号に対して相対的にθ1,θ2となり,第二群の2信号合成回路f1によって合成された信号の位相は、入力信号の位相に対して相対的に(θ1+θ2)/2となる。つまり、該フェーズドアレーアンテナは、{(θ1+θ2)/2}間隔の位相分布で励振される。
【0023】
尚、分配回路aが同相分配でない場合や、位相制御回路b1〜bMと同相分配回路c1〜cMとを接続する経路に差異があった場合は、位相制御回路b1〜bMにおいて、所望の位相制御の他に、分配回路aの位相差及び位相制御回路b1〜bMと同相分配回路c1〜cMと間の電気長差を打ち消すように位相制御することで、同相分配とみなすことができる。また、隣り合う放射素子g1〜gNにθの位相差で位相分布を与えたい場合は、隣り合う位相制御回路b1〜bMに2θの位相差となるように位相分布を与え、第二群の2信号合成回路f1〜f(M−1)には位相差が2θの2信号を入力することで実現できる。
【0024】
図1は同一線上に放射素子を配置した場合の構成を示しているが、同一平面上に放射素子を配置した場合の構成について説明する。
【0025】
まず、放射素子を正方配列とする場合は、線上に配置したものを複数列等間隔に配列して対応すればよい。三角配列とする場合は、構成が複雑になる。このため、図2に同相分配回路cと2信号合成回路e,fの接続例を示して具体的に説明する。
【0026】
図2において、二重の丸印が第一群の2信号合成回路e、一重の丸印が第二群の2信号合成回路f、星印が同相分配回路cを表しており、ここでは便宜的に2信号合成回路e,fの位置を放射素子(図示せず)の配置位置に対応させて示している。放射素子は三角形を連続させた場合の各頂点に配置されるのに対し、隣接する三角形で互いに重ならない一つの頂点に合成回路eを対応させ、残りの頂点に合成回路fを対応させる。
【0027】
上記の配置構成において、同相分配回路cは分配数を7(L=7)とし、第一群の2信号合成回路eに対応させて、いずれかの分配出力端子c−1を当該合成回路eに接続し、残りの分配出力端子c−2〜c−7を合成回路eの周囲にある6個の第二群の2信号合成回路fに接続する。このように同相分配回路cと2信号合成回路e,fを接続し、位相制御回路bで適切な位相制御を行うことで、任意の位相差の位相分布で放射素子gを給電することが可能となる。
【0028】
図3は、本実施形態のフェーズドアレーアンテナについて、第二群の2信号合成回路fに入力される2信号の位相差Δθ(0°≦Δθ<180°)に対する最大利得と、この最大利得を得るための放射角度をそれぞれ計測してプロットした特性図を示している。この場合の計算は11個の放射素子を線上に1波長間隔で配列した等方性アンテナを想定して行った。
【0029】
この特性図から、2信号の位相差に対して最大利得の値が変化することが確認できるが、これは、2信号合成回路fでは入力される2信号の位相差Δθ(0°≦Δθ<180°)に対し、次式(1)で表される合成損失(dB)が存在し、励振振幅に差が生ずるからである。
20log10{cos(Δθ/2)}[dB] …(1)
図4は、2信号合成回路fに入力される2信号の位相差に対する合成損失を計測してプロットした特性図を示している。図3及び図4に示す特性から、本実施形態のフェーズドアレーアンテナの場合、2信号の位相差Δθが120°のとき、全ての出力端子が等振幅となり、2信号の位相差に対して最大値が得られることがわかる。
【0030】
ここで、本実施形態のフェーズドアレーアンテナでは、三角配列において従来の全放射素子独立制御型のものと比較した場合、放射素子数に対する位相制御回路の個数は次のようになる。すなわち、放射素子数19,37,61,91,127,169,217,271,…に対し、全放射素子独立制御型では素子数と同数の19,37,61,91,127,169,217,271,…の位相制御回路が必要であるが、本実施形態では7,19,19,37,37,61,61,91,…で済む。
【0031】
したがって、本実施形態の構成によるフェーズドアレーアンテナは、従来の全放射素子独立制御型と比較した場合、放射素子数分必要であった位相制御回路の個数を大幅に削減することができ、これによって回路規模の縮小による大きさ、重量、消費電力の削減、信頼性の向上を実現することができる。
【0032】
また、従来のサブアレー独立制御型と比較した場合、全ての放射素子を均一な位相差を有する位相分布で給電することができるため、グレーティングローブが個々の放射素子間隔の条件だけに依存するようになり、放射素子間隔dを調整することによってグレーティングローブの発生を抑制することができる。
【0033】
さらに、従来の一括制御型と比較すると、連続的な位相差を有する位相分布で励振されるように位相差を制御できるため、自由度の高いビーム形成を実現することができ、これによって放射方向を任意に設定することができる。
【0034】
(第2実施形態)
図5は本発明に係るフェーズドアレーアンテナの第2実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の構成は、第1実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、M個の第一群の2信号合成回路e:e1,e2,…,eMを、当該2信号合成回路と等しい電気長を有する伝送線路h:h1,h2,…,hMに置き換えたものである。このことは、伝送線路hの電気長が第二群の2信号合成回路fの電気長と等しいことを意味する。
【0035】
図6は、第2実施形態のフェーズドアレーアンテナについて、第二群の2信号合成回路fに入力される2信号の位相差Δθに対する最大利得と、この最大利得を得るための放射角度をそれぞれ計測してプロットした特性図を示している。この場合の計算は、図3の場合と同様に、11個の放射素子を線上に1波長間隔で配列した等方性アンテナを想定して行った。
【0036】
図6から明らかなように、本実施形態では、2信号の位相差が90°のとき全ての出力端子は等振幅となり、2信号の位相差に対し最大値を得る。これは第一群の2信号合成回路eの損失−3dB分が伝送線路hへの置き換えにより解消され、信号レベルが上がるためである。このことから、第1実施形態のフェーズドアレーアンテナに比較して、ビーム走査を行った場合、利得変動が小さいことが確認できる。
【0037】
(第3実施形態)
図7は本発明に係るフェーズドアレーアンテナの第3実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の構成は、第1実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、M個の第一群の2信号合成回路e:e1,e2,…,eMを、当該2信号合成回路と等しい電気長を有する振幅制御回路i:i1,i2,…,iMに置き換えたものである。このことは、振幅制御回路iの電気長が第二群の2信号合成回路fの電気長と等しいことを意味する。
【0038】
図8は、第3実施形態のフェーズドアレーアンテナについて、第二群の2信号合成回路fに入力される2信号の位相差Δθに対する最大利得と、この最大利得を得るための放射角度をそれぞれ計測してプロットした特性図を示しており、図中A,B,C,Dはそれぞれ振幅制御回路iで+3,0,−3,−6dBの利得を与えたときの特性を示している。この場合の計算は、図3、図6の場合と同様に、11個の放射素子を線上に1波長間隔で配列した等方性アンテナを想定して行った。
【0039】
図8から明らかなように、振幅制御回路iで出力信号の振幅を調整することにより、2信号の位相差Δθに対する最大値を調整することが可能となる。これは、0°≦Δθ<180°の任意位相差に対し、全ての出力端子の振幅を揃えることが可能だからである。尚、図8の−3dBおよび0dBの特性C,Bは、それぞれ第1及び第2実施形態の特性と同一である。
【0040】
(第4実施形態)
図9は本発明に係るフェーズドアレーアンテナの第4実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の構成は、第1実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、電力制御機能を有する振幅制御回路jを介して入力信号を同相分配回路cに入力するようにしたことを特徴とする。第1実施形態のフェーズドアレーアンテナでは、位相制御回路bの設定値により、出力端子outの振幅やトータル電力和に差が生じ、アンテナ全体の放射電力に差が生じることになる。本実施形態の構成によれば、振幅制御回路jによって入力信号の電力を制御することで、位相制御回路bの設定値によらず、アンテナ全体の放射電力を均等にすることが可能となる。
【0041】
尚、本実施形態において、第2実施形態と同様に第一群の2信号合成回路eを当該回路と同一電気長の伝送線路hに置き換える、第3実施形態と同様に第一群の2信号合成回路eを当該回路と同一電気長の振幅制御回路iに置き換えるといったことも可能であり、これによって第2実施形態、第3実施形態と同様の効果が得られる。
【0042】
(第5実施形態)
図10は本発明に係るフェーズドアレーアンテナの第5実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の構成は、第1実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、入力端子inと分配回路aとM個の位相制御回路b1〜bMをビーム数Xに応じて備える。
【0043】
具体的には、入力端子in1,in2,…,inXに供給される入力信号をそれぞれ分配回路a1,a2,…,aXでM分配し、それぞれのM分配出力a1−1〜a1−M,a2−1〜a2−M,…,aX−1〜aX−Mを位相制御回路b1−1〜b1−M,b2−1〜b2−M,…,bX−1〜bX−Mで任意の位相制御を施した後、M個のビーム合成回路k1,k2,…,kMに供給する。すなわち、各ビーム合成回路k1〜kMは、入力端子in1〜inXからの入力信号に対して個別に位相制御を施した信号を入力し、合成して出力する。
【0044】
各ビーム合成回路k1〜kMの出力信号は、それぞれ対応する同相分配回路c1〜cMに供給されて等振幅でL分配され、以後、第1実施形態と同様に、第一群の2信号合成回路e1〜eM、第二群の2信号合成回路f1〜f(N−M)で適宜合成されて、出力端子out1〜outNより放射素子g1〜gNに給電される。このように構成することで、入力端子in1〜inXに供給される入力信号毎に位相分布を設定することが可能となり、マルチビームに対応することができる。
【0045】
尚、本実施形態においても、第2実施形態と同様に第一群の2信号合成回路eを当該回路と同一電気長の伝送線路hに置き換える、第3実施形態と同様に第一群の2信号合成回路eを当該回路と同一電気長の振幅制御回路iに置き換える、第4の実施形態と同様に入力信号を振幅制御回路jで電力制御するといったことも可能であり、これによって第2実施形態、第3実施形態、第4の実施形態と同様の効果が得られる。
【0046】
(その他の実施形態)
アンテナ構成は、通常、可逆性を有することが知られており、本発明においても同様である。すなわち、以上の実施形態は、送信アンテナとして活用する場合の構成であるが、合成回路を分配回路に、分配回路を合成回路に、入力端子を出力端子と見ることで、受信アンテナとして活用することができる。また、第1実施形態において、放射素子の配列の仕方として、正方配列、三角配列の場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、素子配列が等間隔ならば同様に実施可能である。また、上記実施形態では特に言及していないが、アナログビーム形成、デジタルビーム形成のどちらでも実施可能であることはいうまでもない。
【0047】
【発明の効果】
以上のように、本発明のフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路は、従来の全放射素子独立制御型と比較した場合、位相制御回路の数を少なくでき、回路規模縮小による大きさ、重量、消費電力の削減および信頼性の向上が期待できる。サブアレー独立制御型と比較した場合、全ての放射素子を均一な位相差を有する位相分布で給電することができるため、放射素子間隔を調整することによりグレーティングローブを抑制することができる。また、一括制御型と比較すると、連続的な位相差を有する位相分布で励振されるため、任意の方向にビームを放射させることが実現できる。
【0048】
よって、本発明によれば、位相制御回路の数を少なくでき、またグレーティングローブの発生要因となることなく、さらに自由度の高いビーム形成が実現でき、これによって放射方向を任意に設定できるフェーズドアレーアンテナとそのビーム形成回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る第1実施形態のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図2】 第1実施形態において、放射素子を三角配列した場合の合成回路と同相分配回路の接続を示す配線図である。
【図3】 第1実施形態において、入力信号の位相差に対する最大利得と放射角度を示す特性図である。
【図4】 第1実施形態において、合成回路に入力される2つの信号の位相差に対する合成損失を示す特性図である。
【図5】 本発明に係る第2実施形態のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図6】 第2実施形態において、入力信号の位相差に対する最大利得と放射角度を示す特性図である。
【図7】 本発明に係る第3実施形態のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図8】 第3実施形態において、入力信号の位相差に対する最大利得と放射角度を示す特性図である。
【図9】 本発明に係る第4実施形態のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図10】 本発明に係る第5実施形態のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図11】 従来の全放射素子独立制御型のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図12】 従来のサブアレー独立制御型のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図13】 従来のマトリクス回路を用いた一括制御型のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
in,in1〜inX…ビーム形成回路の入力端子、
out1〜outN…ビーム形成回路の出力端子、
a,a1〜aX…分配回路、
a1〜aM,a1−1〜a1−M,aX−1〜aX−M…分配回路の分配出力端子(信号)、
r1〜rM…終端抵抗、
b,b1〜bM,b1−1〜b1−M,bX−1〜bX−M…位相制御回路、
c,c1〜cM…同相分配回路、
c1−1〜c1−L,cM−1〜cM−L…同相分配回路の分配出力端子(信号)、
d…素子間隔、
e,e1〜eM…第一群の2信号合成回路、
f,f1〜f(N−M)…第二群の2信号合成回路、
g,g1〜gN…放射素子、
h,h1〜hM…伝送線路、
i,i1〜iM,j…振幅制御回路、
k,k1〜kM…ビーム合成回路。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a phased array antenna mounted on, for example, a communication satellite, and more particularly to a technique that contributes to reduction in size and weight and improvement in reliability.
[0002]
[Prior art]
Conventional phased array antennas can be roughly classified into the following three types.
(1) All radiation element independent control type
FIG. 11 shows a phased array antenna fed by an all-radiation element independent control type beam forming circuit. That is, after the input signal supplied to the input terminal in is distributed to the signals a-1,..., AN by the number of radiating elements by the distribution circuit a, the phase control circuits b1, b2, b3, b4,. .., BN output terminals out1, out2, out3, out4,..., OutN from the radiation elements f1, f2, f3, f4. ..., fN is fed to form a beam.
(2) Subarray independent control type
FIG. 12 shows a phased array antenna fed by a sub-array independent control type beam forming circuit. Several radiating elements f1, f2, f3, f4,..., FN are grouped, that is, sub-arrayed, thereby reducing the circuit scale of the beam forming circuit. After the input signal supplied to the input terminal “in” is distributed to the subarray signals a−1,..., AM, the phase of the respective signals is controlled by the phase control circuits b1, b2,. The circuits c1, c2,..., CM feed the radiating elements f1 and f2, f3 and f4,. In FIG. 12, a sub-array is constituted by two elements.
(3) Collective control type using matrix circuit
FIG. 13 shows a phased array antenna fed by a collective control type beam forming circuit using a matrix circuit. That is, the matrix circuit MC having different output phase distributions according to the input terminals in1, in2, in3, in4, ..., inN is applied to the beam forming circuit. A typical example is a butler matrix applied to a beam forming circuit. By switching the input terminal of the butler matrix, the irradiation region of the forming beam can be switched.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional techniques are roughly classified into three categories.
(1) All radiation element independent control type
Since all the radiating elements can be fed with an arbitrary phase, beam forming with a high degree of freedom can be realized, but as many phase control circuits as the number of radiating elements are required as shown in FIG. In particular, when a plurality of beams are formed at the same time, phase control circuits corresponding to (the number of radiating elements × the number of beams) are required, so that the circuit scale becomes large. As the circuit scale increases, the weight, shape, and power consumption of the beam forming circuit increase, and the number of parts increases, so the reliability decreases. Considering the limited environment of satellites, increasing the circuit scale itself becomes a problem.
(2) Subarray independent control type
The subarray independent control type is one of the methods for solving the problem of the all radiating element independent control type of (1). However, when the number of radiating elements constituting the subarray is increased, there is a problem that a grating lobe is generated. A grating lobe is a phenomenon that occurs when the spacing between radiating elements increases. In the case of the subarray independent control type, the grouped radiating elements forming the subarray are fed with the same phase even if the individual radiating element intervals are arranged on the condition that no grating lobe is generated. This is equivalent to disposing one radiating element having a large aperture at a wide element interval. Therefore, grating lobes may occur due to grouping.
(3) Collective control type using matrix circuit
When the Butler matrix is applied to a beam forming circuit, the phase distribution is limited to the number of input terminals, so that there is a problem that a beam with a high degree of freedom cannot be formed and the radiation direction cannot be set arbitrarily.
[0004]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the number of phase control circuits can be reduced, and a beam forming with a higher degree of freedom can be realized without causing a grating lobe, thereby changing the radiation direction. An object of the present invention is to provide a phased array antenna that can be arbitrarily set, a beam forming circuit thereof, and a beam forming method.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention forms one beam in a beam forming circuit of a phased array antenna including first to Nth (N is an integer of 3 or more) radiating elements arranged at equal intervals. In this case, the beam forming signal input from the input terminal is distributed by the distributing means to M (M is an integer of 2 or more, N> M), and the M signals distributed by the distributing means are first to first. After the phase is individually controlled by the M phase control means, L (L is an integer of 2 or more) is distributed in the same phase by the first to Mth in-phase distribution means, and L outputs distributed by each in-phase distribution means Each one of the signals is transmitted by the first to Mth transmission means, and among the output signals distributed by the first to Mth in-phase distribution means, to the first to Mth transmission means Other than the signal, the phase difference is within 180 degrees and the in-phase component is different. Two signals from the first to (N-M) two-signal combining means are input to the respective input terminals for synthesis, and the first to Mth in-phase distribution means, the transmission means, The paths connecting the two-signal combining means have the same electrical length, and the outputs of the first to M-th transmitting means and the outputs of the first to (N−M) -two-signal combining means are the first and second, respectively. Power is supplied to the Nth radiating element.
[0006]
In the beam forming circuit of the phased array antenna configured as described above, if the phase difference between the two signals to be combined is within 180 degrees, the number of phase control means is smaller than the number of radiating elements, and the phase difference between adjacent radiating elements is 90. The radiating element can be fed with a phase distribution having an arbitrary phase difference within a degree. In this case, it is necessary to add a distribution control means and a two-signal combining means. However, since these are passive circuits, there is almost no power consumption and the deterioration of reliability is slight. On the other hand, the phase control means has variable elements such as FETs and switches, and also requires a circuit for controlling them. In other words, power is consumed and the reliability is lowered due to the possibility of failure, so that the effect of reducing the number of phase control means is very great.
[0007]
Specifically, when compared with the all-radiation element independent control type described in the problem (1), the number of phase control means is reduced, so that the circuit scale can be reduced, the power consumption can be reduced, and the reliability can be improved. . Compared with the sub-array independent control type described in the problem (2), all the radiating elements can be fed with a phase distribution having a uniform phase difference. Depends on. As a result, it is possible to suppress the occurrence of grating lobes by appropriately adjusting the spacing between the radiating elements. Compared with the collective control type using the matrix circuit described in the problem (3), an arbitrary phase difference can be realized, so that it is possible to realize a beam forming with a high degree of freedom, thereby arbitrarily setting the radiation direction. become able to.
[0008]
In the beam forming circuit of the phased array antenna having the above-described configuration, when forming X beams, a beam forming signal corresponding to the number of beams X (X is an integer of 2 or more) from the first to Xth input terminals. Are distributed to the M (M is an integer of 2 or more, N> M) systems by the first to Xth distribution means, respectively, and then the first to Mth phase control means of the first group to the Xth group Respectively, and the outputs of the first to M-th phase control means of the first group to the X-th group are the outputs of the first to M-th phase control means of each group, respectively. The beam is synthesized by inputting to the beam synthesis means, and each beam synthesis output is inputted to the first to Mth in-phase distribution means.
[0009]
With this configuration, it is possible to perform phase control independently for each beam by the first to Mth phase control means of the first group to the Xth group, thereby enabling multi-beam formation.
[0010]
As the first to M-th transmission means, two-signal synthesis means each having characteristics equivalent to those of the first to (N-M) two-signal synthesis means and having one input terminal terminated, A configuration in which a signal from the first to Mth in-phase distribution means is input from the other input terminal of each of the two signal combining means, and the output is fed to the radiating element, the first to (N−M) th respectively. A configuration using a transmission line having the same electrical length as the two-signal combining means, and a configuration using amplitude control means having the same electrical length as the first to (N−M) th two-signal combining means can be considered.
[0011]
By using the two-signal combining means having one input terminated, the difference from the signal level of the first to (N−M) th two-signal combining means can be reduced, so that the maximum gain with respect to the phase difference of the two signals can be reduced. The radiation angle at which the maximum value can be obtained can be shifted from the front direction (0 degree). Since the gain fluctuation in beam scanning is determined by the level difference, the radiation angle for obtaining a constant gain can be widened by shifting the maximum value from the front direction. The same effect can be obtained when a transmission line is used.
[0012]
In addition, when the amplitude control means is used, the signal amplitude to the radiating element can be adjusted, whereby the amplitudes of all the radiating elements can be made uniform at an arbitrary phase difference.
[0013]
Furthermore, if the input amplitude control means is provided in the input stage of the distribution means, it becomes possible to adjust the radiated power of the forming beam by controlling the amplitude of the input signal, and particularly the radiated power associated with the phase control. It becomes possible to suppress the change.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0015]
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a first embodiment of a phased array antenna according to the present invention. A signal input from the input terminal in of the beam forming circuit is divided into M with equal amplitude by the distribution circuit a, and signals output from the respective output terminals a1, a2,. Are phase-controlled by the phase control circuits b: b1, b2,..., BM, and then L-distributed in the same phase and with the same amplitude by the in-phase distribution circuits c: c1, c2,.
[0016]
Signals output from the output terminals c1-1,..., C1-L, c2-1,..., C2-L,. Each signal is supplied to one input terminal of a first group of two-signal synthesis circuits e: e1, e2,..., EM. In these two-signal synthesis circuits e1 to eM, the other input terminals are terminated by termination resistors r1, r2,..., RM, and the signals supplied to the input terminals are output as they are.
[0017]
Among the output signals c1-1 to c1-L, c2-1 to c2-L,..., CM-1 to cM-L of the in-phase distribution circuits c1 to cM, two signals having a phase difference within 180 degrees are , F (N−M) are supplied to the input terminals of the second group of two-signal synthesis circuits f: f1, f2,. These two-signal combining circuits f1 to f (N−M) input and output two signals each having a phase difference of 180 degrees or less.
[0018]
Here, paths connecting the in-phase distribution circuits c1 to cM and the synthesis circuits e1 to eM and f1 to f (N−M) are set to have the same electrical length.
[0019]
The output signals of the first group of two-signal combining circuits e1 to eM are fed to the radiating elements g1, g3,..., GN via the output terminals out1, out3,. The output signals of the second group of two-signal combining circuits f1 to f (N−M) are radiated elements g2, g4,... Via the output terminals out2, out4,. , G (N-1). The radiating elements g: g1 to gN are evenly arranged on the same line at intervals d.
[0020]
The processing operation of the above configuration will be described below. However, in order to simplify the description here, it is assumed that the number of radiating elements in FIG. 1 is 3 (N = 3) and the distribution circuit a performs signal distribution in the same phase.
[0021]
If the phase of the signal input to the distribution circuit a is θ0 and the output signals a1 and a2 of the distribution circuit a are subjected to phase control of θ1 and θ2 by the phase control circuits b1 and b2, the output of the in-phase distribution circuit c1 The signals c1-1 and c1-2 have the same amplitude, and the phase is θ1 and θ2 relative to the phase of the input signal. Similarly, the output signals c2-1 and c2-2 of the in-phase distribution circuit c2 have the same amplitude and the phases are θ1 and θ2 relative to the phase of the input signal.
[0022]
Here, the output signal c1-1 of the in-phase distribution circuit c1 is input to the first group of two-signal combining circuits e1, and the output signal c1-2 of the in-phase distribution circuit c1 and the in-phase distribution circuit are input to the second group of two-signal combining circuits f1. The output signal c2-1 of c2 is input, and the output signal c2-2 of the in-phase distribution circuit c2 is input to the first group of two-signal synthesis circuits e2. In the second group of two-signal synthesis circuits f1, since the two input signals are vector-synthesized, if the amplitudes of the two signals are equal and the phase difference is within 180 degrees, the phase of the synthesis signal is the phase of the two signals. The intermediate value of Since the paths connecting the in-phase distribution circuits c1, c2 and the two-signal combining circuits e1, e2, f1 have the same electrical length, the phases of the signals combined by the first group of two-signal combining circuits e1, e2 are respectively The phase of the signal synthesized by the second signal synthesizing circuit f1 is relatively (θ1 + θ2) / 2 relative to the phase of the input signal. That is, the phased array antenna is excited with a phase distribution of {(θ1 + θ2) / 2} intervals.
[0023]
When the distribution circuit a is not in-phase distribution or when there is a difference in the path connecting the phase control circuits b1 to bM and the in-phase distribution circuits c1 to cM, the phase control circuits b1 to bM can perform desired phase control. In addition, the phase difference of the distribution circuit a and the phase control so as to cancel the electrical length difference between the phase control circuits b1 to bM and the in-phase distribution circuits c1 to cM can be regarded as in-phase distribution. When it is desired to give the phase distribution with the phase difference of θ to the adjacent radiating elements g1 to gN, the phase distribution is given to the adjacent phase control circuits b1 to bM so as to have the phase difference of 2θ. This can be realized by inputting two signals having a phase difference of 2θ to the signal synthesis circuits f1 to f (M−1).
[0024]
FIG. 1 shows a configuration when the radiating elements are arranged on the same line, but the configuration when the radiating elements are arranged on the same plane will be described.
[0025]
First, when the radiating elements are arranged in a square array, the elements arranged on the line may be arranged in a plurality of rows at equal intervals. In the case of a triangular array, the configuration becomes complicated. Therefore, FIG. 2 shows an example of connection between the in-phase distribution circuit c and the two-signal synthesis circuits e and f, and will be specifically described.
[0026]
In FIG. 2, a double circle represents a first group of two-signal synthesis circuits e, a single circle represents a second group of two-signal synthesis circuits f, and an asterisk represents an in-phase distribution circuit c. Specifically, the positions of the two-signal synthesis circuits e and f are shown in correspondence with the arrangement positions of the radiation elements (not shown). The radiating element is arranged at each vertex when the triangles are continuous, whereas the synthesis circuit e is made to correspond to one vertex that does not overlap each other in the adjacent triangle, and the synthesis circuit f is made to correspond to the remaining vertex.
[0027]
In the above arrangement, the in-phase distribution circuit c has a distribution number of 7 (L = 7) and corresponds to the first group of two-signal synthesis circuits e, and any of the distribution output terminals c-1 is connected to the synthesis circuit e. And the remaining distribution output terminals c-2 to c-7 are connected to six second-group two-signal synthesis circuits f around the synthesis circuit e. By connecting the in-phase distribution circuit c and the two-signal synthesis circuits e and f in this way and performing appropriate phase control with the phase control circuit b, it is possible to feed the radiating element g with a phase distribution of an arbitrary phase difference. It becomes.
[0028]
FIG. 3 shows the maximum gain with respect to the phase difference Δθ (0 ° ≦ Δθ <180 °) of the two signals input to the second group of two-signal combining circuits f and the maximum gain of the phased array antenna of this embodiment. The characteristic figure which measured and plotted each radiation angle for obtaining is shown. The calculation in this case was performed assuming an isotropic antenna in which 11 radiating elements are arranged on the line at intervals of one wavelength.
[0029]
From this characteristic diagram, it can be confirmed that the value of the maximum gain changes with respect to the phase difference of the two signals. This is because the phase difference Δθ (0 ° ≦ Δθ < This is because there is a composite loss (dB) represented by the following equation (1) with respect to (180 °), and a difference occurs in the excitation amplitude.
20log Ten {Cos (Δθ / 2)} [dB] (1)
FIG. 4 shows a characteristic diagram plotted by measuring the combined loss with respect to the phase difference between the two signals input to the two-signal combining circuit f. From the characteristics shown in FIGS. 3 and 4, in the case of the phased array antenna of the present embodiment, when the phase difference Δθ between the two signals is 120 °, all the output terminals have the same amplitude, and the maximum with respect to the phase difference between the two signals. It can be seen that the value is obtained.
[0030]
Here, in the phased array antenna of the present embodiment, the number of phase control circuits with respect to the number of radiating elements is as follows when compared with a conventional all-radiating element independent control type in a triangular arrangement. That is, the number of radiating elements 19, 37, 61, 91, 127, 169, 217, 271, 271,..., 19, 37, 61, 91, 127, 169, 217 is the same as the number of elements in the all radiating element independent control type. , 271,... Are required, but in the present embodiment, 7, 19, 19, 37, 37, 61, 61, 91,.
[0031]
Therefore, the phased array antenna according to the configuration of the present embodiment can significantly reduce the number of phase control circuits required for the number of radiating elements when compared with the conventional all radiating element independent control type. A reduction in size, weight, power consumption, and improvement in reliability can be realized by reducing the circuit scale.
[0032]
Also, compared to the conventional subarray independent control type, all the radiating elements can be fed with a phase distribution having a uniform phase difference, so that the grating lobe depends only on the conditions of the individual radiating element spacing. Thus, the generation of grating lobes can be suppressed by adjusting the radiation element interval d.
[0033]
Furthermore, compared to the conventional batch control type, the phase difference can be controlled so as to be excited with a phase distribution having a continuous phase difference, so that it is possible to realize a beam forming with a high degree of freedom, and thereby the radiation direction. Can be set arbitrarily.
[0034]
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the second embodiment of the phased array antenna according to the present invention. In the phased array antenna of the first embodiment, the configuration of this embodiment has M first group two-signal synthesis circuits e: e1, e2,..., EM having the same electrical length as that of the two-signal synthesis circuit. Transmission lines h: h1, h2,..., HM. This means that the electrical length of the transmission line h is equal to the electrical length of the second group of two-signal combining circuits f.
[0035]
FIG. 6 shows the maximum gain with respect to the phase difference Δθ of the two signals input to the second group of two-signal combining circuit f and the radiation angle for obtaining this maximum gain for the phased array antenna of the second embodiment. The characteristic diagram plotted is shown. The calculation in this case was performed assuming an isotropic antenna in which 11 radiating elements are arranged on the line at intervals of one wavelength, as in the case of FIG.
[0036]
As is apparent from FIG. 6, in this embodiment, when the phase difference between the two signals is 90 °, all the output terminals have the same amplitude, and the maximum value is obtained with respect to the phase difference between the two signals. This is because the loss of −3 dB of the first group of two-signal synthesis circuits e is eliminated by the replacement with the transmission line h, and the signal level is increased. From this, it can be confirmed that the gain fluctuation is small when beam scanning is performed as compared with the phased array antenna of the first embodiment.
[0037]
(Third embodiment)
FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the third embodiment of the phased array antenna according to the present invention. In the phased array antenna of the first embodiment, the configuration of this embodiment has M first group two-signal synthesis circuits e: e1, e2,..., EM having the same electrical length as that of the two-signal synthesis circuit. The amplitude control circuit i is replaced with i1, i2,..., IM. This means that the electrical length of the amplitude control circuit i is equal to the electrical length of the second group of two-signal synthesis circuits f.
[0038]
FIG. 8 shows the measurement of the maximum gain for the phase difference Δθ of the two signals input to the second group of two-signal combining circuits f and the radiation angle for obtaining the maximum gain for the phased array antenna of the third embodiment. In the figure, A, B, C, and D indicate characteristics when gains of +3, 0, −3, and −6 dB are given by the amplitude control circuit i, respectively. The calculation in this case was performed assuming an isotropic antenna in which 11 radiating elements are arranged on the line at intervals of one wavelength, as in the case of FIGS.
[0039]
As apparent from FIG. 8, the maximum value for the phase difference Δθ between the two signals can be adjusted by adjusting the amplitude of the output signal by the amplitude control circuit i. This is because the amplitudes of all the output terminals can be made uniform for an arbitrary phase difference of 0 ° ≦ Δθ <180 °. The characteristics C and B of −3 dB and 0 dB in FIG. 8 are the same as those of the first and second embodiments, respectively.
[0040]
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the fourth embodiment of the phased array antenna according to the present invention. The configuration of this embodiment is characterized in that, in the phased array antenna of the first embodiment, an input signal is input to the in-phase distribution circuit c through an amplitude control circuit j having a power control function. In the phased array antenna of the first embodiment, a difference occurs in the amplitude of the output terminal out and the total power sum depending on the set value of the phase control circuit b, and a difference occurs in the radiated power of the entire antenna. According to the configuration of the present embodiment, by controlling the power of the input signal by the amplitude control circuit j, it is possible to equalize the radiated power of the entire antenna regardless of the set value of the phase control circuit b.
[0041]
In this embodiment, as in the second embodiment, the first group of two-signal combining circuits e is replaced with a transmission line h having the same electrical length as the circuit, and the first group of two signals as in the third embodiment. It is also possible to replace the synthesis circuit e with an amplitude control circuit i having the same electrical length as that of the circuit, thereby obtaining the same effects as those of the second and third embodiments.
[0042]
(Fifth embodiment)
FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of the fifth embodiment of the phased array antenna according to the present invention. The configuration of this embodiment includes an input terminal in, a distribution circuit a, and M phase control circuits b1 to bM according to the number of beams X in the phased array antenna of the first embodiment.
[0043]
Specifically, input signals supplied to the input terminals in1, in2,..., InX are divided into M by distribution circuits a1, a2,..., AX, respectively, and the respective M distribution outputs a1-1 to a1-M, a2 are distributed. -1 to a2-M, ..., aX-1 to aX-M can be arbitrarily controlled by phase control circuits b1-1 to b1-M, b2-1 to b2-M, ..., bX-1 to bX-M. Are supplied to M beam combining circuits k1, k2,..., KM. That is, each of the beam combining circuits k1 to kM inputs, synthesizes and outputs signals obtained by individually performing phase control on the input signals from the input terminals in1 to inX.
[0044]
The output signals of the beam combining circuits k1 to kM are respectively supplied to the corresponding in-phase distribution circuits c1 to cM and distributed to L with equal amplitude. Thereafter, as in the first embodiment, the first group of two signal combining circuits e1 to eM and the second group of two-signal synthesis circuits f1 to f (N−M) are appropriately combined and supplied to the radiating elements g1 to gN from the output terminals out1 to outN. With this configuration, it is possible to set the phase distribution for each input signal supplied to the input terminals in1 to inX, and it is possible to deal with multi-beams.
[0045]
In the present embodiment, the first group of two-signal combining circuits e is replaced with a transmission line h having the same electrical length as that of the circuit as in the second embodiment. It is also possible to replace the signal synthesis circuit e with the amplitude control circuit i having the same electrical length as that circuit, or to control the power of the input signal with the amplitude control circuit j in the same manner as in the fourth embodiment. Effects similar to those of the embodiment, the third embodiment, and the fourth embodiment are obtained.
[0046]
(Other embodiments)
The antenna configuration is generally known to have reversibility, and the same applies to the present invention. That is, the above embodiment is a configuration when used as a transmitting antenna, but it can be used as a receiving antenna by viewing the combining circuit as a distributing circuit, the distributing circuit as a combining circuit, and the input terminal as an output terminal. Can do. Further, in the first embodiment, the case of the square arrangement and the triangular arrangement has been described as the arrangement method of the radiating elements. However, the present invention is not limited to this, and is similarly implemented if the element arrangements are equally spaced. Is possible. Further, although not specifically mentioned in the above embodiment, it goes without saying that either analog beam forming or digital beam forming can be performed.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, the beam forming circuit of the phased array antenna of the present invention can reduce the number of phase control circuits when compared with the conventional all-radiation element independent control type, and the size, weight, and power consumption due to circuit scale reduction. Reduction and improvement in reliability can be expected. Compared to the sub-array independent control type, since all the radiating elements can be fed with a phase distribution having a uniform phase difference, the grating lobes can be suppressed by adjusting the radiating element spacing. Further, as compared with the collective control type, excitation is performed with a phase distribution having a continuous phase difference, so that it is possible to emit a beam in an arbitrary direction.
[0048]
Therefore, according to the present invention, the number of phase control circuits can be reduced, and a beam forming with a higher degree of freedom can be realized without causing the generation of grating lobes. An antenna and its beam forming circuit can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a phased array antenna according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a wiring diagram showing connections between a synthesis circuit and an in-phase distribution circuit when radiating elements are arranged in a triangle in the first embodiment.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a maximum gain and a radiation angle with respect to a phase difference of an input signal in the first embodiment.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a combined loss with respect to a phase difference between two signals input to a combining circuit in the first embodiment.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a phased array antenna according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a maximum gain and a radiation angle with respect to a phase difference of an input signal in the second embodiment.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a phased array antenna according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a maximum gain and a radiation angle with respect to a phase difference of an input signal in the third embodiment.
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a phased array antenna according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a phased array antenna according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a conventional all-radiating element independent control type phased array antenna.
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a conventional subarray independent control type phased array antenna.
FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of a collective control type phased array antenna using a conventional matrix circuit.
[Explanation of symbols]
in, in1 to inX ... input terminals of the beam forming circuit,
out1 to outN: output terminals of the beam forming circuit,
a, a1 to aX: distribution circuit,
a1 to aM, a1-1 to a1-M, aX-1 to aX-M ... distribution output terminals (signals) of the distribution circuit,
r1 to rM: termination resistance,
b, b1 to bM, b1-1 to b1-M, bX-1 to bX-M... phase control circuit,
c, c1 to cM ... In-phase distribution circuit,
c1-1 to c1-L, cM-1 to cM-L: Distribution output terminals (signals) of the in-phase distribution circuit,
d: Element spacing,
e, e1 to eM, a first group of two-signal synthesis circuits;
f, f1 to f (N−M)...
g, g1 to gN: radiation element,
h, h1 to hM: transmission line,
i, i1 to iM, j... amplitude control circuit,
k, k1 to kM... beam combining circuit.

Claims (10)

等間隔で配置された第1〜第N(Nは3以上の整数)の放射素子を備えるフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路において、
前記第1〜第Nの放射素子でビーム形成する信号を入力する入力端子と、
この入力端子から入力される信号を等振幅にM(Mは2以上の整数、N>M)系統に分配する分配手段と、
この分配手段で分配されたM個の信号をそれぞれ個別に位相制御する第1〜第Mの位相制御手段と、
前記第1〜第Mの位相制御手段で位相制御されたM個の信号をそれぞれ同相でかつ等振幅にL(Lは2以上の整数)分配する第1〜第Mの同相分配手段と、
前記第1〜第Mの同相分配手段で分配されたL個の出力信号のうち各々の1つを伝送する第1〜第Mの伝送手段と、
前記第1〜第Mの同相分配手段で分配された出力信号のうち、前記第1〜第Mの伝送手段への信号以外で、隣り合う前記同相分配手段からの2つの信号をそれぞれの入力端子に入力して合成する第1〜第(N−M)の2信号合成手段と
を具備し、
前記伝送手段と前記2信号合成手段とを前記放射素子の配置に対応させて前記放射素子の配列方向に交互に配置し、前記第1〜第Mの同相分配手段と前記伝送手段及び2信号合成手段とを接続する各経路を互いに等しい電気長とし、前記第1〜第Mの伝送手段の出力と第1〜第(N−M)の2信号合成手段の出力をそれぞれ配置が対応する前記第1〜第Nの放射素子に給電するようにし
前記第1〜第Mの位相制御手段に隣り合う位相制御手段の出力の位相差が180度以内である2θとなるように位相分布を与えることにより、前記第1〜第(N−M)の2信号合成手段のそれぞれに位相差が2θの2信号を入力し、前記第1〜第Nの放射素子に隣り合う放射素子の入力の位相差がθとなるように位相分布を与える
ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。
In a beam forming circuit of a phased array antenna comprising first to Nth (N is an integer of 3 or more) radiating elements arranged at equal intervals,
An input terminal for inputting a signal for beam formation by the first to Nth radiating elements;
Distributing means for distributing the signal input from the input terminal to M (M is an integer of 2 or more, N> M) system with equal amplitude ;
First to M-th phase control means for individually controlling the phases of the M signals distributed by the distribution means;
First to M-th in-phase distribution means for distributing M signals phase-controlled by the first to M-th phase control means in the same phase and L in equal amplitude (L is an integer of 2 or more);
First to M-th transmission means for transmitting each one of L output signals distributed by the first to M-th in-phase distribution means;
Of the output signals distributed by the first to M-th in-phase distribution means, two signals from the adjacent in- phase distribution means other than the signals to the first to M-th transmission means are input terminals respectively. Comprising first to (N-M) two-signal combining means for input to and combining,
The transmission means and the two-signal combining means are alternately arranged in the arrangement direction of the radiating elements in correspondence with the arrangement of the radiating elements, and the first to Mth in-phase distribution means, the transmitting means, and the two-signal combining The paths connecting the means are set to have the same electrical length, and the outputs of the first to M-th transmission means and the outputs of the first to (N-M) two-signal combining means correspond to the respective arrangements . Power is supplied to the 1st to Nth radiating elements ,
By providing a phase distribution so that the phase difference of the outputs of the phase control means adjacent to the first to Mth phase control means is 2θ within 180 degrees, the first to (N−M) th (N−M) Two signals having a phase difference of 2θ are input to each of the two signal combining means, and a phase distribution is given so that the phase difference of the inputs of the radiating elements adjacent to the first to Nth radiating elements is θ. A beam forming circuit for a phased array antenna.
等間隔で配置された第1〜第N(Nは3以上の整数)の放射素子を備えるフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路において、
前記第1〜第Nの放射素子でビーム形成するビーム数X(Xは2以上の整数)に応じた信号を入力する第1〜第Xの入力端子と、
前記第1〜第Xの入力端子から入力される信号をそれぞれ等振幅にM(Mは2以上の整数、N>M)系統に分配する第1〜第Xの分配手段と、
前記第1〜第Xの分配手段の分配出力をそれぞれ個別に位相制御する第1群〜第X群の第1〜第Mの位相制御手段と、
前記第1群〜第X群の第1〜第Mの位相制御手段の出力のうち、それぞれ各群の一つの位相制御手段の出力を入力してビーム合成する第1〜第Mのビーム合成手段と、
前記第1〜第Mのビーム合成手段の合成出力をそれぞれ同相でかつ等振幅にL(Lは2以上の整数)分配する第1〜第Mの同相分配手段と、
前記第1〜第Mの同相分配手段で分配されたL個の出力信号のうち各々の1つを伝送する第1〜第Mの伝送手段と、
前記第1〜第Mの同相分配手段で分配された出力信号のうち、前記第1〜第Mの伝送手段への信号以外で、隣り合う前記同相分配手段からの2つの信号をそれぞれの入力端子に入力して合成する第1〜第(N−M)の2信号合成手段と
を具備し、
前記伝送手段と前記2信号合成手段とを前記放射素子の配置に対応させて前記放射素子の配列方向に交互に配置し、前記第1〜第Mの同相分配手段と前記伝送手段及び2信号合成手段とを接続する各経路を互いに等しい電気長とし、前記第1〜第Mの伝送手段の出力と第1〜第(N−M)の2信号合成手段の出力をそれぞれ配置が対応する前記第1〜第Nの放射素子に給電するようにし
前記第1群〜第X群の第1〜第Mの位相制御手段に各群ごとに隣り合う位相制御手段の出力の位相差が180度以内である2θとなるように位相分布を与えることにより、前記第1〜第(N−M)の2信号合成手段のそれぞれに位相差が2θの2信号を入力し、前記第1〜第Nの放射素子に隣り合う放射素子の入力の位相差がθとなるように位相分布を与える
ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。
In a beam forming circuit of a phased array antenna comprising first to Nth (N is an integer of 3 or more) radiating elements arranged at equal intervals,
First to Xth input terminals for inputting signals according to the number of beams X (X is an integer of 2 or more) formed by the first to Nth radiating elements;
First to Xth distribution means for distributing signals input from the first to Xth input terminals to M (M is an integer of 2 or more, N> M) systems with equal amplitudes ;
A first group to an Xth group of first to Mth phase control means for individually controlling the phase of the distribution outputs of the first to Xth distribution means;
Of the outputs of the first to M-th phase control means of the first group to the X-th group, the first to M-th beam synthesis means for performing beam synthesis by inputting the output of one phase control means of each group. When,
First to M-th in-phase distribution means for distributing the combined outputs of the first to M-th beam combining means in the same phase and in equal amplitude L (L is an integer of 2 or more);
First to M-th transmission means for transmitting each one of L output signals distributed by the first to M-th in-phase distribution means;
Of the output signals distributed by the first to M-th in-phase distribution means, two signals from the adjacent in- phase distribution means other than the signals to the first to M-th transmission means are input terminals respectively. Comprising first to (N-M) two-signal combining means for input to and combining,
The transmission means and the two-signal combining means are alternately arranged in the arrangement direction of the radiating elements in correspondence with the arrangement of the radiating elements, and the first to Mth in-phase distribution means, the transmitting means, and the two-signal combining The paths connecting the means are set to have the same electrical length, and the outputs of the first to M-th transmission means and the outputs of the first to (N-M) two-signal combining means correspond to the respective arrangements . Power is supplied to the 1st to Nth radiating elements ,
By giving a phase distribution to the first to Mth phase control means of the first group to the Xth group so that the phase difference of the outputs of the phase control means adjacent to each group is which is within 180 degrees. , Two signals having a phase difference of 2θ are input to each of the first to (N−M) two-signal combining means, and the input phase difference of the radiating elements adjacent to the first to Nth radiating elements is A beam forming circuit for a phased array antenna, characterized in that a phase distribution is given so as to be θ .
前記第1〜第Mの伝送手段は、それぞれ前記第1〜第(N−M)の2信号合成手段と同等の特性を備え、一方の入力端子が終端された2信号合成手段であり、各2信号合成手段の他方の入力端子から前記第1〜第Mの同相分配手段からの信号を入力し、その出力を前記放射素子に給電するようにしたことを特徴とする請求項1または2記載のフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。  Each of the first to M-th transmission means is a two-signal synthesis means having characteristics equivalent to those of the first to (N-M) two-signal synthesis means and having one input terminal terminated, 3. The signal from the first to Mth in-phase distribution means is input from the other input terminal of the two-signal combining means, and the output is fed to the radiating element. Beam forming circuit for phased array antenna. 前記第1〜第Mの伝送手段は、それぞれ前記第1〜第(N−M)の2信号合成手段に等しい電気長を有する伝送線路であることを特徴とする請求項1または2記載のフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。  3. The phased circuit according to claim 1, wherein each of the first to M-th transmission means is a transmission line having an electric length equal to that of each of the first to (N−M) -th two-signal combining means. Array antenna beam forming circuit. 前記第1〜第Mの伝送手段は、それぞれ第1〜第(N−M)の2信号合成手段に等しい電気長を有する振幅制御手段であることを特徴とする請求項1または2記載のフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。  3. The phased circuit according to claim 1, wherein the first to M-th transmission means are amplitude control means each having an electrical length equal to that of the first to (N−M) -th two-signal combining means. Array antenna beam forming circuit. さらに、前記分配手段に入力される信号の振幅を制御する入力振幅制御手段を備えることを特徴とする請求項1または2記載のフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。  3. The beam forming circuit for a phased array antenna according to claim 1, further comprising input amplitude control means for controlling the amplitude of a signal input to the distribution means. 請求項1〜6のいずれか記載のビーム形成回路を備えることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。  A phased array antenna comprising the beam forming circuit according to claim 1. 請求項1〜6のいずれか記載のビーム形成回路を備えるフェーズドアレーアンテナに用いられ、
前記第1〜第Mの位相制御手段により、ビーム形成に伴う位相制御と共に、前記入力端子から前記同相分配手段までの電気長が互いに等しくなるように位相制御を行うことを特徴とするフェーズドアレーアンテナのビーム形成方法。
It is used for a phased array antenna comprising the beam forming circuit according to claim 1,
A phased array antenna characterized in that the first to Mth phase control means perform phase control so as to make the electrical length from the input terminal to the in-phase distribution means equal to each other along with phase control accompanying beam formation. Beam forming method.
請求項5記載のビーム形成回路を備えるフェーズドアレーアンテナに用いられ、
前記第1〜第Mの振幅制御手段の振幅を調整することで、前記2信号合成手段に入力する信号の位相差に対する最大利得の最大値を調整することを特徴とするフェーズドアレーアンテナのビーム形成方法。
A phased array antenna comprising the beam forming circuit according to claim 5,
The beam forming of the phased array antenna, wherein the maximum value of the maximum gain with respect to the phase difference of the signals input to the two-signal combining means is adjusted by adjusting the amplitude of the first to Mth amplitude control means Method.
請求項6記載のビーム形成回路を備えるフェーズドアレーアンテナに用いられ、
前記入力振幅制御手段で前記分配手段の入力信号の振幅を制御することで、前記位相制御手段による位相制御に伴う放射電力の変化を抑制することを特徴とするフェーズドアレーアンテナのビーム形成方法。
A phased array antenna comprising the beam forming circuit according to claim 6,
A method of forming a beam for a phased array antenna, wherein the input amplitude control means controls the amplitude of an input signal of the distribution means to suppress a change in radiated power accompanying phase control by the phase control means.
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