JP3985675B2 - アンテナ装置及びアレーアンテナのビーム制御方法 - Google Patents

アンテナ装置及びアレーアンテナのビーム制御方法 Download PDF

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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】
THOMAS A.MILLIGAN著 「MODERN ANTENNA DESIGN」 McGRAW−HILL BOOK COMPANY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からφ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、dからd(以下、代表して符号をd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、rからr(以下、代表して符号をr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WMAIN, を演算する(第1のステップ)。
【0016】
【数1】
Figure 0003985675
【0017】
ここで、(r・d)は方向ベクトルdと位置ベクトルr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】
Figure 0003985675
【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からd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 , を演算し出力する。
【0020】
【数3】
Figure 0003985675
【0021】
ここで、(r・d)は方向ベクトルdと位置ベクトルrとの内積であって、α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WSUB, を演算する(第2のステップ)。
【0023】
【数4】
Figure 0003985675
【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WMAIN, と副ビーム複素ウエイト演算部8の出力WSUB, の和である複素合成ウエイトWを、数5を用いて演算する。
【0025】
【数5】
Figure 0003985675
【0026】
ここで、複素合成ウエイトW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は振幅を示し、φ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を構成する位相成分φのみを、前述の移相器3に励振位相φ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は使用していない
【0027】
ただし、振幅成分A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、 5 RF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 (4)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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とm番目(m=1〜M)の上記アンテナ素子の位置ベクトルrとの内積(r・d)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WMAIN, =exp[−jk(r・d)]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とm番目の上記アンテナ素子の位置ベクトルrとの内積(r・d)と波数kと重み付け係数α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 , =αexp[−jk(r・d)]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WMAIN, 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WSUB, 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。
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