JP4352164B2 - アクティブスイッチアンテナを用いた自己校正方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレーアンテナを用いたアレー送受信機のための自己校正方法及びその自己校正に適したアクティブスイッチアンテナに関する。
【0002】
本発明は、アレー送受信のためのアクティブスイッチアンテナを用いた自己校正方法に関する。
【0003】
(1)アレー送受信システムを送信機として使用する場合
アレー送受信システムへのm次の入力ベクトル、つまりD/A変換器40の出力をvs(t)とすると、アレーアンテナ10の出力ベクトルvant(t)は下記数1で与えられる。
【0004】
【数1】
ここで、上記数1中の(I+S)は送信時におけるアンテナ素子間相互結合の影響を表わしており、“I”はm×m次の単位行列(対角が1で、他は全て0)を表わしている。これと送信機ポート間特性差との同時補償を行うには、下記数2の送信時補償行列Csが必要となる。なお、“−1”は逆行列を表わしている。
【0005】
【数2】
この送信時補償行列Csを用いることにより、下記数3に従って送信時アレー送受信システムの校正を行うことができる。
【0006】
【数3】
(2)アレー送受信システムを受信機として使用する場合
アレーアンテナ10へのm次の入力ベクトルを
【数4】
とすると、アレー送受信システムの出力ベクトル、つまりアレー受信機20の出力vr(t)は下記数5で与えられる。
【0007】
【数5】
ここで、数5中の(I−S)は、受信時におけるアンテナ素子間相互結合の影響を表わしており、これと受信機ポート間特性差との同時補償を行うには、下記数6の受信時補償行列Crが必要となる。
【0008】
【数6】
この受信時補償行列Crを用いることにより、下記数7に従って受信時アレー送受信システムの校正を行うことができる。
【0009】
【数7】
(3)補償行列を求める方法
ここにおいて、送信時補償行列Cs及び受信時補償行列Crを求める方法としては、従来最小二乗法に基づく方法が提案されている((1)稲葉, 坂本, 大堂, 三浦, “成層圏無線プラットフォーム搭載用DBFアンテナ送信アレーアンテナの素子間結合補償法”、 電子情報通信学会ソサイエティ大会, B-1-152, 2001年9月(非特許文献1)、(2)稲葉, 坂本, 荒木, “受信アレーアンテナにおける素子間結合補償法の検討”、電子情報通信学会 技術報告, A・P2001-53, 2001年7月(非特許文献2))。これら非特許文献1及び2ではいずれも別置きの参照アンテナ(外部基準アンテン)を使用しており、送信時の場合は、参照信号vs(t)に対するアレーアンテナ出力vant(t)を既知の観測点で測定することによって送信時補償行列Csを求め、受信時の場合は、既知の到来方向からの参照信号
【数4】
に対するアレー送受信システムの出力vr(t)を測定することにより、受信時補償行列Crを求めている。これらの測定を実現するためには、アレーアンテナ10との相対位置及びその間の電波伝搬環境が既知である複数の観測点(例えば電波暗室内における測定)が必要である。よって、校正のための大規模なハードウェアが必要であり、かつ物理的に精度の高い測定を要求されるという問題がある。また、電波暗室における測定を想定すると、オンサイト(アレー送受信システムを運用する一般的な環境)での校正には不向きである。
【0010】
【非特許文献1】
稲葉, 坂本, 大堂, 三浦, “成層圏無線プラットフォーム搭載用DBFアンテナ送信アレーアンテナの素子間結合補償法”、 電子情報通信学会ソサイエティ大会, B-1-152, 2001年9月
【0011】
【非特許文献2】
稲葉, 坂本, 荒木, “受信アレーアンテナにおける素子間結合補償法の検討”、電子情報通信学会 技術報告, A・P2001-53, 2001年7月
【0012】
【非特許文献3】
西森, 長, 堀,“アンテナ間の信号帰還を利用したアダプティブアレーの自動校正法”、電子情報通信学会技術報告, SST2000-92, A・P2000-226, RCS2000-226, MW2000-217, 2001年3月
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題を解決する方法として、アレーアンテナ間のフィードバック信号(アレー送受信システムの散乱行列)を測定し、補償行列を推定する方法が提案されている(西森, 長, 堀,“アンテナ間の信号帰還を利用したアダプティブアレーの自動校正法”、電子情報通信学会技術報告, SST2000-92, A・P2000-226, RCS2000-226, MW2000-217, 2001年3月(非特許文献3))。しかし、この非特許文献3に記述された方法は、アレーアンテナの散乱行列Sの対角要素が同一であるという仮定の基に成り立っているため、送信機及び受信機におけるポート間特性差は補償できるが、アンテナ素子間相互結合の影響は取り除くことができない問題がある。つまり、アレーアンテナの間隔が大きい場合にはアンテナ素子間相互結合の影響が小さく、補償行列をほぼ正確に推定することができるが、アレーアンテナの間隔が小さい場合にはアンテナ素子間相互結合の影響が大きくなり、補償行列の推定を正確に行うことができない。
【0014】
上述のようにアレーアンテナとアレー送受信機を搭載したアレー送受信システムでは、アンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機におけるポート間特性差が問題となる。実例としてアレー送受信システムを搭載したディジタルビームフォーマでは、これらの問題により所望したビームの形成が困難となる。また、アレー送受信システムを用いた到来方向の推定では、これらの問題により角度推定値に誤差が生じてしまう。
【0015】
本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、アレーアンテナとアレー送受信機を搭載したアレー送受信システムにおいて、アンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機におけるポート間特性差の影響を取り除く校正方法を提供することにある。特にオンサイト(アレー送受信システムを運用する一般的な環境)における自己校正機能を実現するためのアンテナ構成(アクティブスイッチアンテナ)及び補償アルゴリズムを提供する。
【0016】
本発明は、アレー送受信のためのアクティブスイッチアンテナを用いた自己校正方法に関し、本発明の上記目的は、アレー送受信システムの各アレーアンテナのアレー給電部に、前記アレー給電部から見たアンテナインピーダンスが短絡又は開放となるスイッチ手段を実装し、前記スイッチ手段の短絡又は開放のそれぞれの場合に前記アレー送受信システムの散乱行列を測定して前記散乱行列の観測量を増やし、観測量の増えた前記散乱行列に基づいて前記アレーアンテナの散乱行列S、アレー送信機の伝達行列Hs及びアレー受信機の伝達行列Hrを求め、Iをm×m次の単位行列として、送信時には、Cs=Hs−1(I+S)−1に従って送信時補償行列Csを演算して校正し、受信時には、Cr=(I−S)−1Hs−1に従って受信時補償行列Crを演算して校正することにより達成され、前記スイッチ手段が前記アレーアンテナのアレー給電部に直列又は並列に接続されていることにより、より効果的に達成される。
【0017】
また、本発明の上記目的は、アレー送受信システムの各アレーアンテナの端部より波長/4の位置にスイッチ手段を実装し、前記スイッチ手段の短絡又は開放のそれぞれの場合に前記アレー送受信システムの散乱行列を測定して前記散乱行列の観測量を増やし、観測量の増えた前記散乱行列に基づいて前記アレーアンテナの散乱行列S、アレー送信機の伝達行列Hs及びアレー受信機の伝達行列Hrを求め、Iをm×m次の単位行列として、送信時には、Cs=Hs−1(I+S)−1に従って送信時補償行列Csを演算して校正し、受信時には、Cr=(I−S)−1Hs−1に従って受信時補償行列Crを演算して校正することにより達成され、前記スイッチ手段を前記端部より波長/4の位置に直列に設けることにより、或いは前記スイッチ手段を前記端部より波長/4の位置に並列に設けることにより、より効果的に達成される。
【0018】
本発明では、アレー送受信システムにおいてアンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機のポート間特性差を同時に、かつオンサイトで補償するに最適なアクティブスイッチアンテナ及び補償アルゴリズムを提案する。アレー送受信システムを多ポート回路と考えたときの散乱行列と、アレー給電部(面位置)から見たアンテナインピーダンスを短絡又は開放としたときの散乱行列を測定することによって、補償行列を同時にかつオンサイトで計算する。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明では、アレーアンテナとアレー送受信機を搭載したアレー送受信システムにおいて、アンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機におけるポート間特性差の影響を取り除く新しい校正方法を提案する。特に校正方法に適したアレーアンテナであるアクティブスイッチアンテナと、自己校正機能を実現するための補償アルゴリズムを提案する。本発明の自己校正機能をアレー送受信システムに搭載することにより、例えばディジタルビームフォーマのビーム形成精度や、到来方向推定の角度推定精度を飛躍的に向上させることができる。
【0020】
オンサイトでの校正を考慮に入れると、アンテナ間のフィードバック信号を用いた前記非特許文献3の校正方法が最も適した方法であると考えられる。送受信機間のアイソレーションが充分に確保できているとすると、アンテナ間のフィードバック信号(アレー送受信システムの散乱行列)は一般に下記数8のように記述することができる。
【0021】
【数8】
前記数2及び数6より送信時補償行列Cs及び受信時補償行列Crを求めるためには、上記数8においてアレーアンテナ10の散乱行列S、アレー送信機50の伝達行列Hs及びアレー受信機20の伝達行列Hrを分離する必要があるが、測定可能な観測量より未知数が多すぎるため求めることができない。そこで、非特許文献3では散乱行列Sの対角要素が同一であるという仮定をおき、その条件の基に送信機の伝達行列Hs及び受信機の伝達行列Hrを相対的に求める方法を採用している。よって、非特許文献3の方法は、アンテナ素子間相互結合の影響が小さいアレーアンテナ(例えば素子間隔が充分に広いアレーアンテナ)では有効であるが、ディジタルビームフォーマや到来方向推定に用いられるようなアンテナ素子間隔が狭い素子間相互結合の影響の大きいアレーアンテナにおいては、充分な補償を得ることができない。
【0022】
そこで、本発明では、アレーアンテナ10自体にアレー給電部(面位置)から見たアンテナインピーダンスが短絡又は開放となるスイッチ手段(例えばピン・ダイオード・スイッチ、RFスイッチ等)を実装し、そのときアレー送受信システムの散乱行列を測定することで観測量を増やし、アレーアンテナの散乱行列S、アレー送信機50の伝達行列Hs及びアレー受信機20の伝達行列Hrを同時に求めるようにしている。
【0023】
アレー給電部(面位置)から見たアンテナインピーダンスが短絡又は開放となるスイッチ機能を、アンテナ100に装着した例(第1実施例〜第4実施例)を図1〜図4に示す。
【0024】
図1の第1実施例は、アンテナ端部より波長λ/4位置にスイッチ手段101を並列に設けた例であり、スイッチオンはアレー給電部から見たインピーダンス無限大状態(開放状態)、スイッチオフはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。図2の第2実施例は、アンテナ一端部より波長λ/4位置にスイッチ手段102を直列に設けた例であり、スイッチオフは短絡状態、スイッチオンはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。これら第1実施例及び第2実施例では、スイッチ手段101及び102の配設位置が端部より波長λ/4に限定されるため、波長λが変化した場合にはその波長に基づいてスイッチ配設位置も変える必要がある。
【0025】
また、図3の第3実施例はアンテナ一端部にスイッチ手段103を直列に設けた例であり、スイッチオフは開放状態、スイッチオンはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。図4の第4実施例はアンテナ端部にスイッチ手段104を並列に設けた例であり、スイッチオンは短絡状態、スイッチオフはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。上述のような機能を有したアンテナを、本発明ではアクティブスイッチアンテナと呼ぶ。
上述のようなアクティブスイッチアンテナの機能を用いると、スイッチ手段のオン/オフ状態に応じて、例えば第1実施例の場合は次の2つの情報(数9及び数10)を観測することができる。
【0026】
【数9】
【数10】
これら2つの情報より、アレーアンテナ10の散乱行列Sを絶対的に、アレー送信機50の伝達行列Hs及びアレー受信機20の伝達行列Hrを相対的に求めることができる。始めに、説明の便宜上次の2つの行列を定義する。
【0027】
【数11】
【数12】
ここで、“diag” は行列の対角要素を抽出し、ベクトルに納める関数である。これらチルドHs及びHrは、アレー送信機50の伝達行列Hs及びアレー受信機20の伝達行列Hrの全てのポート間の相対値を表わす行列であり、これらを求めることによって伝達行列Hs及びHrの相対値ハットHs及びHrを求めることができる。また、チルドHs及びHrは次式を満たしている。
【0028】
【数13】
【数14】
ここで 、“.√”、“.×”、“./” はそれぞれ要素毎の演算を表わしている。またM1及びM2は次式で定義される。
【0029】
【数15】
【数16】
求められた伝達行列Hs及びHrの相対値ハットHs及び相対値ハットHrを用いて、アレーアンテナ10の散乱行列Sを次式により求める。
【0030】
【数17】
最後にアレーアンテナ10の散乱行列をS、アレー送信機50の伝達行列ハットHs及びアレー受信機20の伝達行列ハットHrより、前記数2に従って送信時補償行列Csを、前記数6に従って受信時補償行列Crをそれぞれ求めることが可能である。
【0031】
次に、アレー送受信システムを用いた到来方向推定に本発明を適用した例を示す。 図8に示すアレー送受信システムにおいて、アレーアンテナ10としては8素子半波長間隔線形アレーアンテナ14を用いている。各素子は同一の半波長ダイポールアンテナから成り、この8素子半波長間隔線形アレーアンテナ14の散乱行列Sをイメージ表現したものを図5に示す。図5において、右図の棒グラフはアンテナ間の散乱行列Sの大きさをdBで表わしており、左図のパワー図より、対角要素は類似しているが同一ではないので、これからも非特許文献3の校正方法は正確には成り立たないことが分かる。アレー送信機50及びアレー受信機20のポート間特性差は振幅で±3[dB]以内、位相で±5[deg]以内の一様乱数としている。到来方向推定の環境は、図6に示すように1つの平面波のみが到来する環境を考えている。到来方向推定アルゴリズムとしてはESPRIT法を採用している。この環境において、到来角度を変化させたとき(図6では90度から−90度)の到来方向推定の誤差を評価する。
【0032】
比較対象としては補償を何も行わなかった場合(破線)と、非特許文献3と同様にアンテナ素子間相互結合の影響を考慮せず、受信機ポート間特性差のみを補償した場合(一点鎖線)と、本発明のような補償を行った場合(実線)とを比較して、図7に示す。これより本発明の有効性を確認することができる。なお、図7の“DOA”は”Direction Of Arrive”を示している。
【0033】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、アレー送受信システムにおけるアンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機のポート間特性差を同時に、かつオンサイトで補償することが可能となる。本発明の効果は、図7に示す到来方向推定誤差の評価からも明かである。
【0034】
本発明はオンサイトでの校正が可能なため、例えば電波暗室における大規模な測定系及び物理的に精度の良い測定などが必要ない。また、送受信機などの温度特性及び経時変化などにも追従可能である。更に、本発明のようなスイッチ手段を具備したアクティブスイッチアンテナによれば、アレー送受信システムにおける自己校正に最適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例(第1実施例)を示す模式図である。
【図2】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例(第2実施例)を示す模式図である。
【図3】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例(第3実施例)を示す模式図である。
【図4】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例(第4実施例)を示す模式図である。
【図5】本発明に用いるアレーアンテナの散乱行列のイメージ図である。
【図6】到来方向推定の環境を示す図である。
【図7】到来方向推定誤差の評価結果を示す図である。
【図8】アレー送受信システムの校正を説明するためのブロック構成図である。
【符号の説明】
10 アレーアンテナ
20 アレー受信機
30 A/D変換器
40 D/A変換器
50 アレー送信機
100 アンテナ
101〜104 スイッチ手段
Claims (5)
- アレー送受信システムの各アレーアンテナのアレー給電部に、前記アレー給電部から見たアンテナインピーダンスが短絡又は開放となるスイッチ手段を実装し、前記スイッチ手段の短絡又は開放のそれぞれの場合に前記アレー送受信システムの散乱行列を測定して前記散乱行列の観測量を増やし、観測量の増えた前記散乱行列に基づいて前記アレーアンテナの散乱行列S、アレー送信機の伝達行列Hs及びアレー受信機の伝達行列Hrを求め、Iをm×m次の単位行列として、送信時には、Cs=Hs−1(I+S)−1に従って送信時補償行列Csを演算して校正し、受信時には、Cr=(I−S)−1Hs−1に従って受信時補償行列Crを演算して校正するようにしたことを特徴とするアクティブスイッチアンテナを用いた自己校正方法。
- 前記スイッチ手段が前記アレーアンテナのアレー給電部に直列又は並列に接続されている請求項1に記載のアクティブスイッチアンテナを用いた自己校正方法。
- アレー送受信システムの各アレーアンテナの端部より波長/4の位置にスイッチ手段を実装し、前記スイッチ手段の短絡又は開放のそれぞれの場合に前記アレー送受信システムの散乱行列を測定して前記散乱行列の観測量を増やし、観測量の増えた前記散乱行列に基づいて前記アレーアンテナの散乱行列S、アレー送信機の伝達行列Hs及びアレー受信機の伝達行列Hrを求め、Iをm×m次の単位行列として、送信時には、Cs=Hs−1(I+S)−1に従って送信時補償行列Csを演算して校正し、受信時には、Cr=(I−S)−1Hs−1に従って受信時補償行列Crを演算して校正するようにしたことを特徴とするアクティブスイッチアンテナを用いた自己校正方法。
- 前記スイッチ手段が前記端部より波長/4の位置に直列に設けられている請求項3に記載のアクティブスイッチアンテナを用いた自己校正方法。
- 前記スイッチ手段が前記端部より波長/4の位置に並列に設けられている請求項3に記載のアクティブスイッチアンテナを用いた自己校正方法。
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