JP3985675B2

JP3985675B2 - アンテナ装置及びアレーアンテナのビーム制御方法

Info

Publication number: JP3985675B2
Application number: JP2002373752A
Authority: JP
Inventors: 圭介西; 正人佐藤; 勇千葉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP2004207945A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マルチビームを形成し且つビーム走査可能なアレーアンテナを用いたアンテナ装置、及びアレーアンテナのビーム制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のアレーアンテナを用いたアンテナ装置では、マルチビームを形成する際には、励振振幅、励振位相の両方を制御することにより、アレーアンテナのビーム制御を実現している（例えば，非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
ＴＨＯＭＡＳＡ．ＭＩＬＬＩＧＡＮ著「ＭＯＤＥＲＮＡＮＴＥＮＮＡＤＥＳＩＧＮ」ＭｃＧＲＡＷ−ＨＩＬＬＢＯＯＫＣＯＭＰＡＮＹ出版，１９８５年、ｐ６３−６５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のアンテナ装置におけるアレーアンテナのビーム制御方法では、励振振幅と励振位相の両方の制御が必要であり、アンテナ構成と制御方法が複雑になるといった問題があった。また、各ビームの放射強度を所望の分布に制御できず、各ビームのレベルが等しいマルチビームが形成されるため、全体としてアンテナの利得が低下するという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、アンテナの制御をより簡潔に行うことができ、また、各ビームの放射強度を所望の分布に制御可能なアンテナ装置及びアレーアンテナのビーム制御方法を得ることを目的とする。
【０００６】
【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、複数Ｍ個のアンテナ素子と、主ビームの方向ベクトルと上記夫々のアンテナ素子の位置ベクトルとの積に基づいて、複数Ｍ個の主ビーム複素ウエイトを演算する主ビーム複素ウエイト演算部と、複数Ｎ個の副ビームの方向ベクトルと上記夫々のアンテナ素子の位置ベクトルと重み付け係数α_ｎとの積に基づいて複数Ｎ個の副ビームに夫々対応するＮ個の複素ウエイトを演算し、当該夫々のアンテナ素子毎に演算された複数Ｎ個の副ビームについて、当該複数Ｎ個の副ビームに夫々対応するＮ個の複素ウエイトの総和をとることにより、複数Ｍ個の副ビーム複素ウエイトを演算する副ビーム複素ウエイト演算部と、上記主ビーム複素ウエイト演算部にて演算した複数Ｍ個の主ビーム複素ウエイトと上記副ビーム複素ウエイト演算部にて演算した複数Ｍ個の副ビーム複素ウエイトとの和に基づいて、複数Ｍ個の複素合成ウエイトの位相成分を演算する励振位相演算部と、当該励振位相演算部で算出された各位相成分に基づいて各アンテナ素子の励振位相を設定する移相器とを備えたものである。
【０００７】
これによって、励振位相制御のみで複数個の副ビームの放射強度を主ビームに対し任意のレベルに設定可能で、それゆえ、主ビームのレベル低下を少なくすることが可能となる。
【０００８】
また、主ビームと複数個の副ビームのビーム走査方向を個々に制御可能で、且つ副ビームの放射強度も任意に可変することが可能となる
【０００９】
【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を説明するためのアンテナ装置の構成図、図２はアンテナ装置に搭載されるアレーアンテナの素子配列の一例を示す斜視図、図３はアンテナ装置に搭載されるビーム制御器の構成を示すブロック図、図４はアンテナ装置の形成するマルチビームの一例を示す放射パターン図である。
【００１０】
図１において、アレーアンテナ１は所定の配置形状で配置された複数Ｍ個のアンテナ素子２を有して構成される。複数Ｍ個のアンテナ素子２は、複数Ｍ個の移相器３の一端とそれぞれ接続され、複数Ｍ個の移相器３の他端は、等Ｍ分配の合成分配器４の分配ポートとそれぞれ接続されている。また、アレーアンテナ１内の複数Ｍ個の移相器３はそれぞれビーム制御器６と接続されている。アレーアンテナ１、移相器３、合成分配器４、ビーム制御器６は、この実施の形態のアンテナ装置を構成する。
【００１１】
次に動作について説明する。ここでは送受信可逆であることから、送信の場合について説明する。
合成分配器４の結合ポートに入力されたＲＦ信号５は、等Ｍ分配され、移相器３に入力される。位相器３では、ビーム制御器６により設定された位相制御を行なって、ＲＦ信号をアンテナ素子２に出力する。アンテナ素子２は入力されたＲＦ信号を空間に放射する。
【００１２】
ここで、ビーム制御器６は入力されたビーム走査指示角により、主ビームと複数Ｎ個の副ビームをそれぞれ所望の方向に向け、且つ複数個の副ビームの放射強度を主ビームに対し任意のレベルに設定することができる励振位相φ_１からφ_Ｍをそれぞれ移相器３に設定する。
【００１３】
次に移相器３に設定される励振位相について説明する。図２は、アンテナ素子２をＸ−Ｙ平面上に配置したアレーアンテナの一例を示す斜視図であり、Ｘ−Ｙ平面上に素子間隔ｄで４×４のマトリックス形状で配置されている場合である。主ビームの方向を所定の原点から見たときの方向ベクトルをｄ_０とし、複数Ｎ個の副ビームの方向を所定の原点から見たときの方向ベクトルをｄ_１、ｄ_２からｄ_Ｎ（以下、代表して符号をｄ_ｎとする）で表す。また、アレーアンテナの各アンテナ素子２の位置ベクトルｒ_１、ｒ_２からｒ_Ｍ（以下、代表して符号をｒ_ｍとする）が、上記所定の原点Ｏから見たときの方向ベクトルとして予め決められる。
【００１４】
図３において、ビーム制御器６にはビーム走査指示角として主ビーム指示角と副ビーム指示角が入力され、主ビーム指示角は主ビーム複素ウエイト演算部７に入力され、副ビーム指示角は副ビーム複素ウエイト演算部８に入力される。励振位相演算部９の入力端子は主ビーム複素ウエイト演算部７と副ビーム複素ウエイト演算部８と接続されており、出力端子は複数Ｍ個の移相器３と接続されている。
【００１５】
次に、この実施の形態によるアレーアンテナのビーム制御方法を用いたビーム制御動作について説明する。主ビーム複素ウエイト演算部７は、入力された主ビーム指示角は図２の方向ベクトルｄ_０を規定する角度であり、数１を用いて、主ビームを形成するための各アンテナ素子２の励振振幅、励振位相を複素数表現した複素ウエイトＷ_MAIN, _ｍを演算する（第１のステップ）。
【００１６】
【数１】

【００１７】
ここで、（ｒ_ｍ・ｄ_０）は方向ベクトルｄ_０と位置ベクトルｒ_ｍとの内積であり、ｋは数２で示される波数である。また，数２におけるλは自由空間における波長である。
【００１８】
【数２】

【００１９】
次に副ビーム複素ウエイト演算部８においては、入力された複数Ｎ個の副ビーム指示角は図２の方向ベクトルｄ_１からｄ_Ｎを規定する角度であり、数３を用いて、複数Ｎ個のｎ番目の副ビームを形成するための各アンテナ素子２の励振振幅，励振位相を複素数表現した複素ウエイトＷ_ｎ _, _ｍを演算し出力する。
【００２０】
【数３】

【００２１】
ここで、（ｒ_ｍ・ｄ_ｎ）は方向ベクトルｄ_ｎと位置ベクトルｒ_ｍとの内積であって、α_ｎは1以下の値であり，それぞれ副ビームの重み付けをするための項である。α_ｎの値を小さくするほど、主ビームの放射強度に対するそれぞれ副ビームの放射強度を小さく制御することが可能であるが、主ビームの放射パターンの位相関係により変動するため調整しながら設定を行なう。
【００２２】
次に数４を用いて、全ての副ビームに対する複素合成ウエイトＷ_SUB, _ｍを演算する（第２のステップ）。
【００２３】
【数４】

【００２４】
次いで、励振位相演算部９においては、入力される主ビーム複素ウエイト演算部７の出力Ｗ_MAIN, _ｍと副ビーム複素ウエイト演算部８の出力Ｗ_SUB, _ｍの和である複素合成ウエイトＷ_ｍを、数５を用いて演算する。
【００２５】
【数５】

【００２６】
ここで、複素合成ウエイトＷ_ｍは主ビームと複数Ｎ個の副ビームを形成するための各アンテナ素子２の励振振幅、励振位相を複素数表現したものであり、Ａ_ｍは振幅を示し、φ_ｍは位相を示している。この数５における複素合成ウエイトＷ_ｍを構成する位相成分φ_ｍのみを、前述の移相器３に励振位相φ_ｍとして設定する（第３のステップ）。
これにより、位相制御のみで、主ビームの放射強度に対してそれぞれ副ビームのレベルを任意に制御できるマルチビームを形成することが可能になる。ここで、振幅成分Ａ_ｍは使用していない
【００２７】
ただし、振幅成分Ａ_ｍを使用していないことや主ビームと副ビームの位相関係に起因する主ビーム、副ビームのビームシフトが発生する。しかし、この実施の形態では、ビームの放射強度を所望の分布とすることが重要であり、ビーム指向の精度が重要とされない場合においては、励振位相φ_ｍの制御のみで有効である。
【００２８】
図４に、ビーム制御器６による放射パターンの一例を示す。この図では、主ビームの方向を−３０度、副ビームの方向を０度、重み付けα₁を０．３１６に設定し、この場合の励振位相φ_ｍを、移相器３に与えた場合の放射パターンを実線で示している。また、図４に参考例として、主ビームのみ形成した場合の初期パターンを点線で示す。この参考例は、放射角度０度においてはサイドローブパターンによりナルが形成されていることを示している。これに対し、この実施の形態を適用した場合の副ビームを重畳させた放射パターンでは、図４中に示すように、放射角度０度に副ビームが形成されている。
【００２９】
以上説明したように、この実施の形態のアンテナ装置およびそのアレーアンテナのビーム制御方法では、位相制御のみで、アレーアンテナの主ビーム及び複数個の副ビームをそれぞれ所望の方向に指向し、且つ主ビームに対する各副ビームの放射強度が異なるように、所望のレベルに設定することが可能になる。
【００３０】
実施の形態２．
図５は、実施の形態１で説明したアンテナ装置を、ミサイルイルミネータとして使用した場合の、この実施の形態２によるシステム運用図である。
このアンテナ装置１１は、実施の形態１の図１に示したアレーアンテナ１、およびビーム制御器６で構成される。送信信号１０が、アンテナ装置１１内のアレーアンテナ１に入力され、アンテナ装置１１内のビーム制御器６はアレーアンテナ１と接続されている。
【００３１】
ビーム制御器６は、実施の形態１に示したアレーアンテナ１のビーム制御方法を用いて、主ビームを目標体である目標１２に向け、且つ副ビームを飛行体である自ミサイル１３の方向に対して、必要な放射強度に制御するようにマルチビームを形成するための設定位相を計算し、アレーアンテナ１の設定及び制御を行なう。自ミサイル１３は、後述するように、目標１２からの反射信号と副ビームとの信号比較に基づいて目標１２に向かって飛しょうする。
【００３２】
これにより、ミサイルイルミネータにおいては、自ミサイル１３への放射強度が主ビームに対して小さくて済む。このため、自ミサイル１３の移動に応じた副ビームの走査と、主ビームに対して必要な放射強度にレベルを制御したマルチビームを形成することによって、主ビームの利得低下を少なくすることが可能になる。
【００３３】
次に、自ミサイル１３は、主ビームによって目標１２に照射された送信信号１０の反射信号を前部アンテナで受信し、後部アンテナでは副ビームによる送信信号１０を受信し，両者を位相検波して、目標１２と自ミサイル１３との相体運動によるドップラー周波数を検出する。
【００３４】
このドップラー周波数を常に追尾することにより、自ミサイル１３は目標１２の方位を検出し、目標１２の方位と自ミサイル１３の現在の飛行方向とを比較する。この比較結果に基づいて、自ミサイル１３が目標１２に向うように、自ミサイル１３の方位蛇（操舵翼）を制御する。この制御によって、自ミサイル１３は目標１２の方向に飛翔し、目標１２の近距離に近づくと爆発して目標１２を破壊する。
【００３５】
なお、ここでは自ミサイル１３が1つの場合について説明したが、副ビームを複数形成することによって、複数の自ミサイル１３に対しても同様に動作することができる。
【００３６】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、位相制御のみでアレーアンテナの主ビーム及び複数個の副ビームをそれぞれ所望の方向に指向し、且つ主ビームに対する各副ビームの放射強度を異なるレベルに設定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成図である。
【図２】アレーアンテナの素子配列の一例を示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるビーム制御器の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるマルチビームの一例を示す放射パターン図である。
【図５】この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を、ミサイルイルミネータとして使用したシステム運用図である。
【符号の説明】
１アレーアンテナ、２アンテナ素子、３移相器、４合成分配器、５ＲＦ信号、６ビーム制御器、７主ビーム複素ウエイト演算部、８副ビーム複素ウエイト演算部、９励振位相演算部、１０送信信号、１１アンテナ装置、１２目標、１３自ミサイル。

Claims

マルチビームを放射する複数Ｍ個のアンテナ素子と、
マルチビームを成す主ビームの方向ベクトルと上記夫々のアンテナ素子の位置ベクトルとの積に基づいて、複数Ｍ個の主ビーム複素ウエイトを演算する主ビーム複素ウエイト演算部と、
マルチビームを成す複数Ｎ個の副ビームの方向ベクトルと上記夫々のアンテナ素子の位置ベクトルと重み付け係数αｎとの積に基づいて複数Ｎ個の副ビームに夫々対応するＮ個の複素ウエイトを演算し、当該夫々のアンテナ素子毎に演算された複数Ｎ個の副ビームについて、当該複数Ｎ個の副ビームに夫々対応するＮ個の複素ウエイトの総和をとることにより、複数Ｍ個の副ビーム複素ウエイトを演算する副ビーム複素ウエイト演算部と、
上記主ビーム複素ウエイト演算部にて演算した複数Ｍ個の主ビーム複素ウエイトと上記副ビーム複素ウエイト演算部にて演算した複数Ｍ個の副ビーム複素ウエイトとの和に基づいて、主ビーム及び副ビームをそれぞれ異なる所望の方向に指向させるとともに主ビームに対する副ビームの放射強度が異なるように、複数Ｍ個の複素合成ウエイトの位相成分を演算する励振位相演算部と、
当該励振位相演算部で算出された各位相成分に基づいて各アンテナ素子の励振位相を設定する移相器と、
を備えたアンテナ装置。
上記アンテナ装置は、主ビームの放射強度が副ビームの放射強度よりも小さくなるようにマルチビームを形成することを特徴とするアンテナ装置。
上記アンテナ装置は、主ビームを目標体に照射し、副ビームを目標体に向かって飛しょうする飛行体に照射することを特徴とするアンテナ装置。
複数Ｍ個のアンテナ素子を有したアレーアンテナのビーム制御方法であって、
主ビームの方向ベクトルｄ_０とｍ番目（ｍ＝１〜Ｍ）の上記アンテナ素子の位置ベクトルｒ_ｍとの内積（ｒ_ｍ・ｄ_０）と波数ｋとの積に基づいて、上記主ビームに対応する複素ウエイトＷ_MAIN, _ｍ＝ｅｘｐ[−ｊｋ（ｒ_ｍ・ｄ_０）]を演算する第１のステップと、
上記複数Ｎ個の副ビームのうちｎ番目（ｎ＝１〜Ｎ）の副ビームにおける方向ベクトルｄ_ｎとｍ番目の上記アンテナ素子の位置ベクトルｒ_ｍとの内積（ｒ_ｍ・ｄ_ｎ）と波数ｋと重み付け係数α_ｎとの積に基づいて演算した上記ｎ番目の副ビームに対応する複素ウエイトＷ_ｎ _, _ｍ＝α_ｎｅｘｐ[−ｊｋ（ｒ_ｍ・ｄ_ｎ）]を全ての副ビーム（Ｎ個）に対して総和をとることにより、上記Ｎ個の副ビームに対応する複素ウエイトを演算する第２のステップと、
上記第１のステップにて演算された複数Ｍ個の複素ウエイトＷ_MAIN, _ｍと上記第２のステップにて演算された複数Ｍ個の複素ウエイトＷ_SUB, _ｍの和をとることで得られる複数Ｍ個の複素合成ウエイトＷ_ｍの位相成分のみを演算して、各アンテナ素子に設定する第３のステップと、
で制御するアレーアンテナのビーム制御方法。