JP3832234B2

JP3832234B2 - アンテナ装置およびそのアンテナの測定方法

Info

Publication number: JP3832234B2
Application number: JP2000370087A
Authority: JP
Inventors: 央任小島; 弘晶中畔; 勇千葉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: JP2002176309A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は例えば、２０００年電子情報通信学会通信ソサィエティ大会B-1-138「サブアレー単位で実時間遅延移相器を設けたフェーズドアレーアンテナのビーム指向誤差近似式」に示されたような、レーダまたは通信用装置において広周波数帯域にわたる信号を同時に送受信するために、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の素子アンテナとそれぞれの素子アンテナにつながれ、０度から３６０度の間で透過位相を変化させる事ができるＮ個の移相器、上記Ｎ個の移相器の出力をサブアレーとして合成するＭ個（Ｍは２以上、Ｎ以下の整数）のＲＦ合成回路、上記それぞれのＲＦ合成回路につながれたＭ個の実時間遅延線路、上記それぞれの実時間遅延線路につながれたＲＦ合成回路を備えたアンテナ装置において、アンテナの動作状態における各実時間遅延線路の設定誤差によるビーム指向性誤差の影響を軽減できるアンテナ装置を提案するとともに、そのアンテナ装置の遅延設定量と実際の遅延量の差異を精度良く測定できるアンテナ測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来のアンテナ装置の構成を示す図である。図において1-1…1-NはＮ個の素子アンテナ、２-1…２−Nは同じくＮ個の移相器、3-1…3-NはＭ個のサブアレーＲＦ分配回路、４は4-1…4-MはＭ個の実時間遅延線路、５はＲＦ分配回路、６は送信器である。７は計測用のピックアップアンテナ、８は計測用の受信器である。
【０００３】
次に動作について説明する。図３は送信の例であり、送信器６より発生した信号電力は電力分配回路５により所望の分配比に分配されて、各実時間遅延線路に送られる。各実時間遅延線路４は所望のビームを形成する為に必要な時間遅延量を信号電力に与える。サブアレーＲＦ分配回路にて所望の分配比に分配された信号電力は所望のビームを形成するために、所望の位相量にコントロールされた移相器２により位相が変えられ、素子アンテナ1-1…1-Nから放射されて、所望のアンテナ特性を得る。受信の場合も送信器と受信器が入れ替わるだけで、送信の場合と同一である。
【０００４】
ここで、実時間遅延線路４の働きについて、より詳しく説明する。説明においてアンテナは素子アンテナがＸ軸に沿って配置されたリニアアレーアンテナとする。図３に示すアンテナにおいて、主ビームをθ₁方向に向ける為に、各素子アンテナ１に設定する必要な位相は次式で与えられる。
【０００５】
【数３】

【０００６】
ここで、φ_iはｉ番目の素子アンテナ1-ｉに設定する位相、λは波長、θ₁は主ビーム方向、Ｘ_iは素子アンテナ1-ｉの座標である。アンテナの開口長４５λ、ビーム走査角度を＋２０度の場合、45sin(20)＝15.39λであるため、アンテナ左端の移相器２に0度を設定した場合、アンテナ右端の移相器２には0.39λ=140.4度を設定すれば良い。
【０００７】
しかし、レーダ、または通信等で広帯域な変調信号を使用する場合、アンテナの放射パターンには広帯域にわたり、その特性が変化しないことが求められる。しかしながら、上記のように移相器２を用いてビーム走査を行った場合、運用帯域幅が±３％であるとすると、帯域上限(Ｆ_H)、帯域中心(Ｆ_C)、帯域下限(Ｆ_L)、における主ビーム方向は、
【０００８】
【数４】

【０００９】
となり、帯域内で±０．６度程度変動する。開口長４５λの場合、ビーム幅は約１．２度であるため、この主ビーム方向の変動はシステム上大きな問題となる。
【００１０】
そこで、移相器２のみで、主ビーム方向に対応する位相を設定するのではなく、各素子アンテナから所望の方向へビームを形成するために必要な信号遅延量を実時間遅延経路４により実現することが行われている。
【００１１】
実時間遅延線路４の構成を図４に示す。図は最小遅延量が中心周波数における1λ、４ビットの遅延線路の例である。ここで、最小遅延量とビット数はアンテナ開口長と所望のビーム走査特性によって決まる値である。図４において１１は１λ遅延回路、１２は２λ遅延回路、１3は４λ遅延回路、１４は８λ遅延回路、１５は制御回路であり、線路長が異なる線路をスイッチで切り替える事により、所望の遅延特性を得る。上記の例において1λ、2λ、4λ、8λの遅延線路を動作させることで、15λの遅延を実現し、移相器に0.39λ=140.9度の位相を設定してビーム走査を行った場合の帯域内で主ビーム方向は、
【００１２】
【数５】

【００１３】
となり、実時間遅延線路を用いることで、主ビーム方向の変動を±０．０２度に低減可能である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアンテナ装置は、以上のように構成されているため、実時間遅延線路４の特性の変動がアンテナのビーム走査特性に大きな影響を与える。従って、実時間遅延線路特性のばらつき、変動を低減する必要があり、個々の実時間遅延線路４の試験・調整に多大な時間を必要とした。また、実際には実時間遅延線路４を透過する信号の位相は前後につながれるコンポーネントの入出力特性の影響を受けるが、その影響を考慮した制御は不可能であり、高い精度のビーム指向性を実現することが困難であった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明によるアンテナ装置は、実時間遅延線路の実際の遅延量Ｄ'と遅延設定量Ｄの差から補正位相を求め、この補正位相を格納する記憶装置と補正位相から各位相器に設定する位相を計算する演算装置を備えることで、実時間遅延線路特性のばらつき、変動を考慮した位相設定を可能とし、試験・調整時間を短縮しながらも、従来に比べて高い精度のビーム指向を可能とする。
【００１６】
また、この発明によるアンテナ測定法は２つのサブアレーＡ，Ｂのみを励振し、サブアレーＡの移相器とサブアレーＢの移相器には１８０度の位相差を与え、各サブアレーにつながれた実時間遅延線には遅延設定量として零を与えることで、アンテナ正面方向にナルパターンを形成し、次にサブアレーＢの実時間遅延線路に遅延設定量Ｄを設定した場合のナル位置の変化ΔθからサブアレーＢにつながれた実時間遅延線路の実際の遅延量Ｄ'を求めることが可能となる。
【００１７】
【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を示す図であり、図において１-1…1-NはＮ個の素子アンテナ、2-1…2-Nは同じくＮ個の移相器、3-1…3-MはＭ個のサブアレーＲＦ分配回路、4-1…4-MはＭ個の実時間遅延線路、５はＲＦ分配回路、６は送信器である。７は計測用のピックアップアンテナ、８は計測用の受信器、９は実測された実時間遅延線路の遅延量を格納する記憶装置、１０はビーム走査位相を計算する演算装置である。
【００１８】
前述のアンテナの開口長４５λ、ビーム走査各度を＋２０度、運用帯域幅が±５％の場合、遅延線路の長さが設計値に対し５％短い場合、帯域上限、中心、下限における主ビーム方向は、
【００１９】
【数６】

【００２０】
となり、帯域全体で主ビーム方向が約-1度シフトしてしまう。
【００２１】
演算装置１０は記憶装置９に格納された各遅延線路の遅延量Ｄ'を用い、次式によって補正位相を計算する。
【００２２】
【数７】

【００２３】
ｍ番目の実時間遅延線路４がつながれているそれぞれの移相器２に設定する位相に数７による補正位相を加えることで、主ビーム方向のシフトを補正することが可能であり、前述の例の場合、
【００２４】
【数８】

【００２５】
となり、帯域内でのビーム指向精度の改善が確認できる。
【００２６】
実施の形態２．
図２は実施の形態２を示す構成図であり、図において１-1…１−NはＮ個の素子アンテナ、2-1…２−Nは同じくＮ個の移相器、3-1…3-MはＭ個のサブアレーＲＦ分配回路、4-1…4-MはＭ個の実時間遅延線路、５はＲＦ分配回路、６は送信器である。７は計測用のピックアップアンテナ、８は計測用の受信器である。１６は計測において着目するサブアレー、１７は基準用サブアレーである。
【００２７】
次に動作について説明する。アンテナ装置を構成するサブアレーの内、計測において着目するサブアレー１６と基準用サブアレー１７を構成する素子アンテナ１のみを励振する。着目するサブアレー１６を構成する素子アンテナ１と基準用サブアレー１７を構成する素子アンテナ１の励振位相に１８０度の差を与え、それぞれの実時間遅延線路４の設定は０とすると、アンテナ正面方向では着目するサブアレー１６からの信号と基準用サブアレー１７からの信号が相殺しあい、放射パターンの零点が形成される。
【００２８】
アンテナ正面方向に放射パターンの零点が形成されたことは、回転台または走査型スキャナーにより、アンテナ装置と計測用ピックアップアンテナ７の相対位置関係を変化させて、受信器８の出力を測定することで確認可能である。
【００２９】
上記状態において、着目するサブアレー１６につながれた実時間遅延線路４に遅延量Ｄを設定し、放射パターンの零点位置を測定する。アンテナ正面からの零点位置の変位をΔθとすると、着目するサブアレー１６につながれた実時間遅延線路４の遅延量は次式で求められる。
【００３０】
【数９】

【００３１】
ここで、Ｘは着目するサブアレ−１６と基準用サブアレー１７の位相中心の間隔であり、既知の量である。上記の測定を実時間遅延線路の各ビット毎に繰り返し、また、全てのサブアレーに対して行うことで、全ての実時間遅延線路の遅延特性Ｄ'を測定することが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
この発明によれば、実時間遅延線路の実際の遅延量Ｄ'と遅延設定量Ｄの差から補正位相を求め、この補正位相を格納する記憶装置と補正位相から各移相器に設定する位相を計算する演算装置を備えることで、実時間遅延線路特性のばらつき、変動を考慮した位相設定を可能とし、試験・調整時間を短縮しながらも、高精度なビーム指向を可能とする。
【００３３】
また、この発明によれば、２つのサブアレーＡ，Ｂのみを励振し、サブアレーＡの移相器とサブアレーＢの移相器には１８０度の移相差を与え、各サブアレーにつながれた実時間遅延線には遅延設定量として零を与えることで、アンテナ正面方向にナルパターンを形成し、次にサブアレーＢの実時間遅延線路に遅延設定量Ｄを設定した場合のナル位置の変化ΔθからサブアレーＢにつながれた実時間遅延線路の実際の遅延量Ｄ'を求めることを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２を示す図である。
【図３】従来のアンテナ装置の構成を示す図である。
【図４】従来のアンテナ装置における遅延線路の構成を示す図である。
【符号の説明】
１素子アンテナ、２移相器、３サブアレーＲＦ分配回路、４実時間遅延線路、５ＲＦ分配回路、６送信器、７ピックアップアンテナ、８受信器、９記憶装置、１０演算装置、１１１λ遅延回路、１２２λ遅延回路、１３４λ遅延回路、１４８λ遅延回路、１５制御回路、１６計測において着目するサブアレー、１７基準用サブアレー。

Claims

Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の素子アンテナとそれぞれの素子アンテナにつながれ、０度から３６０度の間で透過位相を変化させる事ができるＮ個の移相器、上記Ｎ個の移相器の出力をサブアレーとして合成するＭ個（Ｍは２以上、Ｎ以下の整数）のＲＦ分配回路、上記それぞれのＲＦ分配回路につながれたＭ個の実時間遅延線路、上記それぞれの実時間遅延線路につながれたＲＦ分配回路を備えたアンテナ装置において、ｍ番目（ｍは１以上、Ｍ以下の整数）の実時間遅延線路の遅延設定量Ｄmと実際の遅延量のＤ'mから、

により補正位相φmを求め、この補正位相φ mを格納するための記憶装置と、この補正位相φ mから、ｍ番目の実時間遅延線路につながれたそれぞれの移相器に設定する位相を計算するための演算装置と、を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の素子アンテナとそれぞれの素子アンテナにつながれ、０度から３６０度の間で透過位相を変化させる事ができるＮ個の移相器、上記Ｎ個の移相器の出力をサブアレーとして合成するＭ個（Ｍは２以上、Ｎ以下の整数）のＲＦ分配回路、上記ぞれぞれのＲＦ分配回路につながれたＭ個の実時間遅延線路、それぞれの上記実時間遅延線路につながれたＲＦ分配回路を備えたアンテナ装置において、２つのサブアレーＡ，Ｂのみを励振し、サブアレーＡの移相器とサブアレーＢの移相器には１８０度の位相差を与え、各サブアレーにつながれた実時間遅延線には遅延設定量として零を与えることで、アンテナ正面方向にナルパターンを形成し、次にサブアレーＢの実時間遅延線路に遅延設定量Ｄを設定した場合のナル位置の変化Δθから

により、サブアレーＢにつながれた実時間遅延線路の実際の遅延量Ｄ'を求めることを特徴とするアンテナ測定方法。