JP4532248B2 - Array antenna device - Google Patents
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この発明は、複数の素子アンテナから成るアレーアンテナ装置に関し、特に、所定数の素子アンテナをユニット化してサブアレーを構成し、サブアレー単位毎に間引きを行ったアレーアンテナ装置に関するものである。 The present invention relates to an array antenna apparatus including a plurality of element antennas, and more particularly to an array antenna apparatus in which a predetermined number of element antennas are unitized to form a subarray, and thinning is performed for each subarray unit.
アレーアンテナ装置において、低サイドローブ化を図るなど所望の指向性を実現する方法の一つとして、素子アンテナを励振したり、励振しなかったりすることで、素子密度分布を調整する素子間引きが行われる。 In an array antenna device, as one method of achieving desired directivity, such as reducing the side lobe, element thinning is performed to adjust the element density distribution by exciting or not exciting the element antenna. Is called.
従来の素子間引き方法の一例として、配列密度関数の最大値を１に規格化した値を配列位置の順番に従って累積加算し、これを整数値化して評価することにより、０または１の値を持つ間引き関数を一義的に決め、この間引き関数に基づいて、与えられた素子アンテナ配列位置での素子アンテナの励振あるいは非励振を定める方法がある（例えば、特許文献１参照）。 As an example of a conventional element thinning method, a value obtained by normalizing the maximum value of the array density function to 1 is cumulatively added according to the order of the array positions, and this is converted into an integer value, thereby having a value of 0 or 1 There is a method in which a thinning function is uniquely determined and excitation or non-excitation of an element antenna at a given element antenna arrangement position is determined based on this thinning function (see, for example, Patent Document 1).
従来のアレーアンテナ装置は、素子アンテナ１素子毎に励振、非励振を決定するため、励振する素子アンテナ毎にアンテナを励振するための給電回路を用意する必要があり、アレーアンテナの製造コストが高いという問題があった。 Since the conventional array antenna apparatus determines excitation and non-excitation for each element antenna, it is necessary to prepare a feeding circuit for exciting the antenna for each element antenna to be excited, and the manufacturing cost of the array antenna is high. There was a problem.
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、電源装置など素子アンテナ間で共有可能な部品を共有して製造コストを低く抑えることができ、所望の指向性を得るアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can share parts that can be shared between element antennas such as a power supply device to reduce manufacturing cost and obtain desired directivity. An object is to obtain an array antenna device.
この発明に係るアレーアンテナ装置は、所望の指向性を得るために、素子アンテナを励振したり、励振しなかったりすることで、前記素子アンテナの間引きを行うアレーアンテナ装置であって、複数の前記素子アンテナをユニット化することで励振するサブアレーと励振しないサブアレーを構成し、前記励振するサブアレーの素子アンテナが分布する平面上の互いに直交するｘ軸およびｙ軸に投影して得られる素子密度分布が、所望の素子密度分布が得られるように、ｘ軸およびｙ軸に関する現状の素子数とｘ軸およびｙ軸に投影した励振する素子数とのｘ軸およびｙ軸に関するそれぞれの２乗誤差の和を足し合わせた評価関数が最小となるサブアレー毎の間引きを行う配列を選択し、サブアレー単位での間引きを行うことを特徴とする。
An array antenna apparatus according to the present invention is an array antenna apparatus that performs thinning of the element antenna by exciting or not exciting the element antenna in order to obtain a desired directivity. An element density distribution obtained by projecting the sub-array to be excited and the sub-array not to be excited by unitizing the element antennas and projecting to the mutually orthogonal x-axis and y-axis on the plane in which the element antennas of the excited sub-array are distributed. The sum of the square error of each of the x-axis and y-axis between the current number of elements related to the x-axis and y-axis and the number of excited elements projected on the x-axis and y-axis so that a desired element density distribution can be obtained. An array that performs thinning for each subarray that minimizes the evaluation function obtained by adding together is selected , and thinning is performed in units of subarrays.
この発明によれば、複数の素子アンテナをユニット化してサブアレーを構成することで、電源装置など素子アンテナ間で共有可能な部品をサブアレー内で共有して製造コストを低く抑えることができ、サブアレー単位で間引くことで所望の指向性を得ることができる。 According to the present invention, by forming a sub-array by unitizing a plurality of element antennas, components that can be shared between the element antennas such as a power supply device can be shared in the sub-array, and the manufacturing cost can be kept low. The desired directivity can be obtained by thinning out with.
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の開口を示す模式図である。図１に示すアレーアンテナ装置１においては、横軸をｘ、これに対し直交する縦軸をｙとし、ｘｙ平面内に素子アンテナが分布し、複数（図１では２個）の素子アンテナをｙ方向に伸張するようにユニット化してサブアレーを構成しており、所望の指向性を得られるような素子分布に沿うように、素子アンテナを励振するサブアレー２と、素子アンテナを励振しないサブアレー３とを配列し、サブアレー毎の間引きを行ったアレーアンテナの素子分布を示している。
Embodiment 1 FIG.
1 is a schematic diagram showing an opening of an array antenna apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the array antenna apparatus 1 shown in FIG. 1, the horizontal axis is x, the vertical axis orthogonal to this is y, element antennas are distributed in the xy plane, and a plurality (two in FIG. 1) of element antennas are represented by y. A sub-array is configured by unitizing so as to extend in the direction, and a
図１に示すアレーアンテナ装置１において、所望の面で所望の指向性を得るためには、その面とアレーアンテナ開口面の交線上（ｘ軸やｙ軸）に投影した素子アンテナの素子密度分布が、テーラー分布などの理想的な素子密度分布に沿うように、励振するサブアレー２を配列すればよい。以下、サブアレー配列の最適化手順について説明する。
In the array antenna apparatus 1 shown in FIG. 1, in order to obtain a desired directivity on a desired surface, the element density distribution of the element antenna projected on the intersection line (x-axis or y-axis) between that surface and the array antenna opening surface. However, the
サブアレー配列生成時の初期値としては、従来の１素子毎の素子間引きにより生成された素子配列分布や、素子アンテナを確率的に配列したものなど、適宜選択すればよい。このとき、励振する素子アンテナを１、励振しない素子アンテナを０とする２値の整数を与え、ｘ軸、ｙ軸に投影した励振する素子アンテナ数をカウントし、それぞれＱｘｉ、Ｑｙｊとする。ただし、ｉはｘ軸上の素子位置番号を、ｊはｙ軸上の素子位置番号を表し、ｉ＝１〜Ｍ（Ｍはｘ軸上の列数）、ｊ＝１〜Ｎ（Ｎはｙ軸上の行数）の範囲の整数を取る。図１の場合、ｉとｊは共に１〜１６となる。 The initial value at the time of generating the sub-array arrangement may be selected as appropriate, such as a conventional element arrangement distribution generated by element thinning for each element, or an element antenna that is stochastically arranged. At this time, a binary integer is given, in which the element antenna to be excited is 1 and the element antenna that is not excited is 0, and the number of excited element antennas projected on the x-axis and y-axis is counted as Q xi and Q yj respectively . However, i represents the element position number on the x axis, j represents the element position number on the y axis, i = 1 to M (M is the number of columns on the x axis), j = 1 to N (N is y) Take an integer in the range of (number of rows on the axis). In the case of FIG. 1, i and j are both 1-16.
次に、所望の指向性を得るための理想的な素子密度分布を、ｘ軸、ｙ軸に関してそれぞれＰｘｉ、Ｐｙｊとすると、現状の素子数と理想値との誤差Ｄｘｉ、Ｄｙｊは、
Ｄｘｉ＝Ｐｘｉ−Ｑｘｉ （１）
Ｄｙｊ＝Ｐｙｊ−Ｑｙｊ （２）
で与えられる。評価関数Ｆとして、両者の２乗誤差の和を足し合わせた、
Next, assuming that ideal element density distributions for obtaining desired directivity are P xi and P yj with respect to the x-axis and y-axis, respectively, errors D xi and D yj between the current number of elements and ideal values are ,
D xi = P xi -Q xi ( 1)
D yj = P yj −Q yj (2)
Given in. As the evaluation function F, the sum of the square errors of both is added.
を与えれば、評価関数Ｆが最小となるときに、得られた配列が理想分布に最も近づくことになる。 If the evaluation function F is minimized, the obtained array is closest to the ideal distribution.
所望の軸の内の一方、例えばｘ軸に沿って素子のサブアレー化操作を行う場合、あるｉにおけるサブアレーの組合せ数は２Ｎ’組ある。ここで、Ｎ’はｙ軸方向のサブアレー数で、図１の場合Ｎ’＝８である。これら組合せの内で、前記評価関数Ｆが最小となるものを選択するようにし、この操作をｉ＝１からＭまで順に繰り返して行う。これにより、理想値からの誤差が最小となるサブアレー毎の間引きを行った配列を生成することができる。 In the case where the element subarraying operation is performed along one of the desired axes, for example, the x axis, the number of combinations of subarrays in a given i is 2 N ′ . Here, N ′ is the number of subarrays in the y-axis direction, and N ′ = 8 in the case of FIG. Of these combinations, the one having the smallest evaluation function F is selected, and this operation is repeated in order from i = 1 to M. As a result, it is possible to generate an array in which thinning out is performed for each subarray in which an error from the ideal value is minimized.
なお、前記手順においては、サブアレーの組合せを変えるたびに式（３）を計算するだけでよく、配列を生成する途中でその都度アレーアンテナの放射パターンを計算し、特性評価を行う必要はない。したがって、アレーアンテナの放射パターンを計算する際に必要となる数値積分などの複雑な計算を必要としないので、高速に解を得ることができる。 In the above procedure, it is only necessary to calculate the expression (3) each time the subarray combination is changed, and it is not necessary to calculate the radiation pattern of the array antenna and evaluate the characteristics each time the array is generated. Therefore, a complicated calculation such as numerical integration required for calculating the radiation pattern of the array antenna is not required, and a solution can be obtained at high speed.
前記手順に沿ってサブアレー毎の間引きを行ったアレーアンテナの素子分布を図１に、ｘ軸に投影して得られる素子密度分布を図２に、ｙ軸に投影して得られる素子密度分布を図３にそれぞれ示す。図２及び図３において、実線が各々の軸における理想分布の一例を表し、前記手順によって、ｘ軸、ｙ軸の両方に関して最も理想分布に近い素子密度分布が得られる。 FIG. 1 shows the element distribution of the array antenna obtained by thinning out each subarray according to the above procedure, FIG. 2 shows the element density distribution obtained by projecting to the x axis, and FIG. 2 shows the element density distribution obtained by projecting to the y axis. Each is shown in FIG. 2 and 3, the solid line represents an example of an ideal distribution on each axis, and the above procedure yields an element density distribution that is closest to the ideal distribution with respect to both the x-axis and the y-axis.
なお、図１では、２個の素子アンテナをｙ方向に伸張するようにユニット化してサブアレーを構成しているが、ｘ方向に伸張するようにユニット化してもよい。また、配列格子の形状も正方形に限らず、長方形や３角形などでもよい。さらに、アンテナ開口形状も方形開口アレーに限らず、円形、楕円形など任意の開口形状に適用しても同様の効果を得ることができる。 In FIG. 1, the sub-array is configured by unitizing two element antennas so as to extend in the y direction, but may be unitized so as to extend in the x direction. Also, the shape of the array grid is not limited to a square, but may be a rectangle or a triangle. Furthermore, the antenna aperture shape is not limited to the rectangular aperture array, and the same effect can be obtained even when the antenna aperture shape is applied to an arbitrary aperture shape such as a circle or an ellipse.
この発明の実施の形態１を用いて、サブアレー毎の間引きを行ったアレーアンテナの放射パターンの特性例を図４に示す。図４は、一辺１５波長の方形開口アレーアンテナで、配列格子形状を一辺０．６波長の正３角形格子とした場合の計算値である。理想的な配列密度関数として、サイドローブが−２５ｄＢとなるテーラー分布を与え、素子アンテナ４素子をユニット化してサブアレー毎の間引きを行っている。図４より、サイドローブレベルが−２５ｄＢをほぼ達成しており、十分に低いサイドローブ特性が実現できている。目標値−２５ｄＢよりも悪化している分は、得られた配列の理想分布からの誤差の影響である。 FIG. 4 shows a characteristic example of the radiation pattern of the array antenna that is thinned out for each sub-array using the first embodiment of the present invention. FIG. 4 shows the calculated values in the case of a square aperture array antenna with 15 wavelengths on one side and an arrayed lattice shape with a regular triangular lattice with 0.6 wavelengths on one side. As an ideal array density function, a tailor distribution with a side lobe of −25 dB is given, and four element antennas are unitized to perform thinning for each subarray. As shown in FIG. 4, the side lobe level is almost -25 dB, and a sufficiently low side lobe characteristic can be realized. What is worse than the target value of −25 dB is an influence of an error from the ideal distribution of the obtained array.
以上より、この発明の実施の形態１によれば、複数の素子アンテナをユニット化してサブアレーを構成することで、製造コストを低く抑えたアレーアンテナで、前記サブアレー単位で間引くことで所望の指向性を得るアレーアンテナ装置が得られるという効果がある。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, the sub-array is formed by unitizing a plurality of element antennas, so that the desired directivity can be obtained by thinning out the sub-array unit with an array antenna with reduced manufacturing cost. There is an effect that an array antenna device for obtaining
実施の形態２．
上記実施の形態１では、ｘ軸とｙ軸に投影して得られる素子分布が、所望の指向性を得られるような素子分布に沿うように励振するサブアレー２を配列したが、ｘ軸もしくはｙ軸から回転した所望の軸（例えば斜め４５度など）を含む面内においても所望の指向性が得られるように励振するサブアレー２の配置を行ってもよい。
In the first embodiment, the
このとき、実施の形態１で述べた評価関数Ｆに、追加する前記所望の軸に関する２乗誤差の和の項を追加すればよい。したがって、評価する面が増えた場合でも、配列を生成するために要する計算時間が大幅に増大することはない。 At this time, a term of the sum of square errors regarding the desired axis to be added may be added to the evaluation function F described in the first embodiment. Therefore, even when the number of planes to be evaluated increases, the calculation time required to generate the array does not increase significantly.
以上より、この発明の実施の形態２によれば、前記実施の形態１に対して、２次元的に所望の指向性を得られるサブアレー毎の間引きを行ったアレーアンテナ装置が得られるという効果がある。 As described above, according to the second embodiment of the present invention, there is an effect that an array antenna apparatus can be obtained in which thinning out is performed for each subarray that can obtain desired directivity two-dimensionally with respect to the first embodiment. is there.
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置の開口を示す模式図である。図５に示す実施の形態３において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。この実施の形態３では、図５に示すように、励振しないサブアレーが取り除かれている。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an aperture of the array antenna apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In the third embodiment shown in FIG. 5, the same parts as those in the first embodiment shown in FIG. In this Embodiment 3, as shown in FIG. 5, the subarray which is not excited is removed.
図１に示した実施の形態１において、励振しないサブアレー３は、素子アンテナの給電部に終端抵抗を装荷し、ダミー素子とすることが通常行われる。このとき、アンテナの軽量化を図るために、図５に示すように励振しないサブアレー３を取り除いてもよい。この場合、励振しないサブアレー３の分のコネクタや終端抵抗などの材料費を省くことができ、製造コストを低下させることができるといった効果もある。さらに、ダミー素子の終端抵抗部での消費電力を無くすことができるので、その分アレーアンテナの利得の上昇が見込めるといった効果もある。 In the first embodiment shown in FIG. 1, the sub-array 3 that is not excited is usually made a dummy element by loading a terminal resistor on the feeding portion of the element antenna. At this time, in order to reduce the weight of the antenna, the non-excited subarray 3 may be removed as shown in FIG. In this case, it is possible to save material costs such as connectors and terminating resistors for the sub-array 3 that is not excited, and to reduce the manufacturing cost. Further, since the power consumption at the terminal resistor portion of the dummy element can be eliminated, there is an effect that the gain of the array antenna can be expected to increase accordingly.
以上より、この発明の実施の形態３によれば、励振しないサブアレーを取り除くことで、アンテナの軽量化を図り、製造コストを低く抑えたサブアレー毎の間引きを行ったアレーアンテナ装置が得られるという効果がある。 As described above, according to the third embodiment of the present invention, it is possible to obtain an array antenna apparatus that performs thinning out for each subarray while reducing the antenna weight by removing the subarrays that are not excited. There is.
実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の開口を示す模式図である。図６に示す実施の形態４において、図５に示す実施の形態３と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。この実施の形態４では、図６に示すように、図５に示す実施の形態３に対して、励振するサブアレー２の位置を調整したもので、励振するサブアレー２の個数を変えずに、励振するサブアレー２の位置をｙ軸方向に沿って変えている。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an opening of an array antenna apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. In the fourth embodiment shown in FIG. 6, the same parts as those of the third embodiment shown in FIG. In the fourth embodiment, as shown in FIG. 6, the position of the sub-array 2 to be excited is adjusted with respect to the third embodiment shown in FIG. 5, and the excitation is performed without changing the number of
上述した実施の形態３では、励振しないサブアレー３を取り除くことで、励振するサブアレー２の間にスペースを生じさせたが、このスペースを活用して、励振するサブアレー２の位置を調整することができる。これにより、励振するサブアレー２の配列の自由度が増し、所望の指向性を得ることが容易になる。
In Embodiment 3 described above, a space is generated between the
図６に示すアレーアンテナの素子分布を、ｘ軸に投影して得られる素子密度分布を図７に、ｙ軸に投影して得られる素子密度分布を図８にそれぞれ示す。各々の図において、実線が各々の軸における理想分布の一例を表し、これは実施の形態１で示したものと同一のものである。前記励振するサブアレー２の位置の調整を行うことによって、ｘ軸方向の素子密度分布を変化させずに、ｙ軸方向の素子密度分布をさらに理想分布に近づけることが可能になる。
FIG. 7 shows an element density distribution obtained by projecting the element distribution of the array antenna shown in FIG. 6 on the x axis, and FIG. 8 shows an element density distribution obtained by projecting the element distribution on the y axis. In each figure, a solid line represents an example of an ideal distribution on each axis, which is the same as that shown in the first embodiment. By adjusting the position of the
以上より、この発明の実施の形態４によれば、励振するサブアレーの配列の自由度を増し、所望の指向性を得ることを容易にすることができる、サブアレー毎の間引きを行ったアレーアンテナ装置が得られるという効果がある。 As described above, according to the fourth embodiment of the present invention, the array antenna apparatus that performs thinning out for each subarray can increase the degree of freedom of arrangement of the subarrays to be excited and can easily obtain desired directivity. Is effective.
実施の形態５．
上述した実施の形態１から４では、励振するサブアレー２の励振振幅レベルは等しいとして密度テーパアレーの構成方法について説明した。しかし、密度テーパアレーは、低サイドローブ特性が得られるものの、間引きによる励振素子数の減少により、指向性利得が低下してしまう。そこで、これを改善するために、励振するサブアレー２の励振振幅レベルを複数設定すれば、振幅テーパアレーによる指向性利得の向上の効果を得ることができる。
Embodiment 5 FIG.
In the first to fourth embodiments described above, the configuration method of the density taper array has been described on the assumption that the excitation amplitude levels of the sub-array 2 to be excited are equal. However, although the density taper array can obtain a low sidelobe characteristic, the directivity gain decreases due to a decrease in the number of excitation elements due to thinning. Accordingly, in order to improve this, if a plurality of excitation amplitude levels of the sub-array 2 to be excited are set, the effect of improving the directivity gain by the amplitude taper array can be obtained.
また、密度テーパアレーと振幅テーパアレーを組み合わせることにより、設計の自由度を増すことができる。 Further, the degree of freedom in design can be increased by combining the density taper array and the amplitude taper array.
以上より、この発明の実施の形態５によれば、振幅テーパアレーによる指向性利得の向上を図り、また、密度テーパアレーと振幅テーパアレーを組み合わせることにより、設計の自由度を増すことのできる、サブアレー毎の間引きを行ったアレーアンテナ装置が得られるという効果がある。 As described above, according to the fifth embodiment of the present invention, the directivity gain is improved by the amplitude taper array, and the degree of design freedom can be increased by combining the density taper array and the amplitude taper array. There is an effect that an array antenna apparatus that performs thinning can be obtained.
１ アレーアンテナ装置、２ 励振するサブアレー、３ 励振しないサブアレー。 1 array antenna device, 2 excited sub-array, 3 non-excited sub-array.
Claims (4)
複数の前記素子アンテナをユニット化することで励振するサブアレーと励振しないサブアレーを構成し、前記励振するサブアレーの素子アンテナが分布する平面上の互いに直交するｘ軸およびｙ軸に投影して得られる素子密度分布が、所望の素子密度分布が得られるように、ｘ軸およびｙ軸に関する現状の素子数とｘ軸およびｙ軸に投影した励振する素子数とのｘ軸およびｙ軸に関するそれぞれの２乗誤差の和を足し合わせた評価関数が最小となるサブアレー毎の間引きを行う配列を選択し、サブアレー単位での間引きを行う
ことを特徴とするアレーアンテナ装置。 In order to obtain a desired directivity, an array antenna apparatus that performs thinning of the element antenna by exciting or not exciting the element antenna,
An element obtained by forming a sub-array to be excited and a non-excited sub-array by unitizing a plurality of the element antennas and projecting them on the x-axis and y-axis orthogonal to each other on a plane where the element antennas of the excited sub-array are distributed The density distribution is the square of the current number of elements about the x-axis and y-axis and the number of excited elements projected on the x-axis and y-axis, respectively, with respect to the x-axis and y-axis so that the desired element density distribution can be obtained. An array antenna apparatus comprising: selecting an array for performing sub-sampling for each sub-array having a minimum evaluation function obtained by adding the sum of errors, and performing sub-sampling in units of sub-arrays.
前記励振するサブアレーは、前記ｘ軸もしくはｙ軸から回転した所望の軸を含む面内において所望の指向性が得られるような素子分布に沿うように配置されている
ことを特徴とするアレーアンテナ装置。 The array antenna apparatus according to claim 1,
The array sub-array to be excited is arranged along an element distribution so as to obtain a desired directivity in a plane including a desired axis rotated from the x-axis or y-axis. .
前記励振しないサブアレーを取り除いた
ことを特徴とするアレーアンテナ装置。 The array antenna apparatus according to claim 1 or 2,
An array antenna apparatus, wherein the non-excited subarray is removed.
前記励振するサブアレーの位置を、前記サブアレーを取り除いたことによって生じたスペースを活用して調整する
ことを特徴とするアレーアンテナ装置。 The array antenna apparatus according to claim 3, wherein
An array antenna apparatus, wherein the position of the sub-array to be excited is adjusted by utilizing a space generated by removing the sub-array.
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