JP4840176B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、アレーアンテナの移相器に設定するビーム走査位相を演算し、ビームを走査するアンテナ装置に関する。

従来のアンテナ装置は、アンテナ素子と移相器と演算回路を有した複数の送受信用のモジュールが設けられ、ビーム制御回路にて各モジュールの位相を制御することでビーム走査を行っていた。ビーム制御回路は、各モジュールに対し、波長データを識別するデータと、方向余弦データを転送する。各モジュールは転送されたデータと予め記憶された各アンテナ素子の素子座標データおよび波長データを用いて、内部演算器がビーム走査位相を演算する。モジュール毎に素子座標データが異なるので、ビーム走査位相の演算量は莫大なものとなる。しかし、各モジュールが並列処理してビーム走査位相を演算するので、全体として位相演算の時間が短くなり、ビーム方向の切り替え時間を短くすることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２３７０２２号公報（図１、２）

従来のアンテナ装置では、各モジュールの演算回路に予め複数の波長データが記憶されている。ビーム制御回路は、各モジュールに波長データを識別するデータを転送し、各モジュールではその識別コードに基づいて、波長データを選択し、ビーム走査位相を求める。しかし、各モジュールで記憶している波長データ以外の波長でビーム走査位相を演算する場合、ビーム制御回路から各モジュールに波長データそのものが転送される。すなわち、ビーム制御回路から各モジュールへ新たな波長データが転送され、モジュール内の記憶装置に一時記憶させた後に、ビーム制御回路から波長データを識別する情報と方向余弦データが転送される。その後、各モジュールでビーム走査位相の演算が行われることとなる。

これについて具体的に説明する。各モジュール内の記憶装置において波長データを記憶する領域のアドレスが２ビット、つまり４つの波長データが記憶でき、波長データと方向余弦データは３２ビットであるとする。モジュールでは波長データ１番から波長データ４番までが記憶されており、波長データの識別を表すデータとしては少なくとも２ビットのデータが転送される。モジュールにて記憶されている波長データにてビーム走査位相を演算するために、波長データの識別を表す２ビットと、方向余弦データ３２ビットの、合わせて３４ビットのデータが転送される。

ここで、モジュールにて記憶されていない波長データにてビーム走査位相を演算させるためには、ビーム制御回路から各モジュールに記憶領域を表すデータの２ビットと、新しい波長データの３２ビット、合計３４ビットのデータが転送された後、再度波長データの識別を表す２ビットと、方向余弦データ３２ビット、合計３４ビットのデータが転送される。或いは、ビーム制御回路から各モジュールに波長データ３２ビットと、方向余弦データ３２ビット、合計６４ビットが転送される。このため、各モジュールで記憶している以外の波長データを転送する場合、データ量が増加するという問題点があった。また、データ転送量の増加によりデータ転送時間が長くなり、ビームの切り替え時間が長くなるという問題もあった。

また、データ転送時間を短くするために、記憶されていない波長データでのビーム走査位相演算時において、記憶している最も近い波長データに近似してビーム走査位相を演算させる方法もある。しかし、この方法の場合は、ビーム走査角度が所望の方向にならないという問題点を生じる。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、ビーム制御回路から各モジュールへのデータ転送量を増加させること無く、所望の角度方向にビームを指向させるビーム走査位相を、モジュール毎に演算することのできる、アンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明によるアンテナ装置は、複数個の素子アンテナと、上記各素子アンテナに夫々接続された複数個の移相器と、少なくとも予め記憶された波長データおよび各素子アンテナの位置座標データと、ビーム制御回路から転送されたビーム指向角度に対応した方向余弦とを用いて、上記移相器に設定するビーム走査位相を演算する演算器とからなるモジュールと、下記の（式１）により求めたビーム指向角度に対応した方向余弦を上記演算器に転送するビーム制御回路と、を備えたものである。

ここで、cosα _rx 及びcosα _ry ：ビーム指向角度に対応した方向余弦、
cosα _x 及びcosα _y ： 外部から入力される方向余弦データ、
λu：使用する周波数の波長データ、
λm：上記演算器が予め記憶している波長データ
である。

また、上記ビーム制御回路は、波長データを識別する波長識別データを上記演算器に転送し、上記演算器は、予め記憶された複数の波長データの中から転送された波長識別データに対応する波長データを選択し、選択した波長データおよび各素子アンテナの位置座標データと、転送されたビーム指向角度に対応した方向余弦とを用いて、上記移相器に設定するビーム走査位相を演算するものである。

この発明によれば、ビーム制御回路に記憶した波長データと記憶していない波長データを用いて、記憶した波長データに対応付けた方向余弦データを求め、移相器に設定する位相を求める演算器に対し、上記求めた方向余弦データを転送することにより、転送するデータ量を増加させずに、記憶していない波長データを用いてビーム走査位相演算を行うことができる。

実施の形態１．
この発明に係る実施の形態１によるアンテナ装置は、複数個の素子アンテナと、夫々の素子アンテナに接続され少なくとも可変移相器と上記可変移相器に設定する位相データを演算する演算回路と、外部入力されるデータを保持する記憶装置と、を有するモジュールと、複数個のモジュールに接続される給電回路と、上記複数個のモジュール内の記憶装置とデータをやり取りするビーム制御回路を有するアンテナ装置において、モジュールにて記憶していない波長データの周波数においても、ビーム制御回路からモジュールへのデータ転送量を増加させること無く、正確なビーム走査位相を移相器に設定することのできるものである。以下、図を用いて実施の形態１の詳細を説明する。

図１は、実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示す図である。
図において、アンテナ装置は、複数個の素子アンテナ１ａ乃至１ｎが夫々接続された複数個のモジュール７ａ乃至７ｎと、給電回路８と、ビーム制御回路１３とを、少なくとも備えて構成される。給電回路８は、モジュール７ａ乃至７ｎの各モジュール７に接続され、各モジュール７に送信電力を分配して送信信号を給電するとともに、各モジュール７で受信した受信信号を合成処理するか若しくはディジタルビーム形成（ＤＢＦ）処理を行う。

モジュール７ａ乃至７ｎの各モジュール７は、移相器２（移相器２ａ乃至２ｎ）と、演算回路６（演算回路６ａ乃至６ｎ）と、記憶装置５（記憶装置５ａ乃至５ｎ）とを、夫々備える。各演算回路６と各記憶装置５は演算器を構成する。記憶装置５ａ乃至５ｎには、夫々、素子座標データ３ａ乃至３ｎ、記憶波長データ４ａ乃至４ｎが格納されている。

ビーム制御回路１３は、各モジュール７（７ａ乃至７ｎ）に接続され、演算回路１２と波長データ記憶装置１１を備える。ビーム制御回路１３は、外部から供給される方向余弦データ９および使用する波長データ１０に基づいて、各モジュール７のビーム走査位相を制御する。波長データ記憶装置１１は、予め記憶波長データが保持され格納されている。演算回路１２は、外部から方向余弦データ９および使用する波長データ１０が入力され、使用する波長データ１０に基づいて波長データ記憶装置１１を参照し、参照された記憶波長データが入力される。

次に、実施の形態１によるアンテナ装置のビーム走査位相演算の処理動作について説明する。図２は実施の形態１におけるアンテナ装置のビーム走査フローを示す図である。図中、ＭＤＬはモジュール７を指す。
図において、予めビーム制御回路１３から各モジュール７へ素子座標データ３を転送する（ステップＳ１）。各モジュール７は記憶装置５にて転送されてきた素子座標データ３を記憶する（ステップＳ２）。

また、ビーム制御回路１３から各モジュール７に波長データ４を転送する（ステップＳ３）。各モジュール７は記憶装置５にて転送されてきた波長データ４を記憶する（ステップＳ４）。
ここで、波長データとは、周波数に反比例した値であり周波数に相関を有する。波長データはビーム制御回路１３の波長データ記憶装置１１にも記憶しており、波長データ記憶装置１１における記憶波長データの記憶領域を示す記憶波長データ領域情報は、各モジュール７の記憶装置５における記憶波長データ領域情報と同一とする。

次に、ビーム制御回路１３は、外部の制御装置からビーム走査角度情報と使用する波長データ情報が転送され、入力される。演算回路１２は、外部から入力されるビーム走査角度情報に対応した方向余弦データと、使用する波長データ情報と、内部で記憶している波長データとを用いて、式１のように新たな方向余弦データを演算する（ステップＳ５）。

ここで、cosαrx及びcosαryは新たな方向余弦データ、cosαx及びcosαyは外部から入力される方向余弦データ９、外部から入力されるλuは使用する周波数の波長データ１０、λmは記憶していた波長データ４を示す。アンテナ正面方向とビーム走査方向とのなす角θと、X軸とアンテナ面に投影したビーム走査方向とのなす角φを用いると、cosαx＝sinθ・cosφ、cosαy＝sinθ・sinφとなる。
なお、演算回路１２は、波長データ記憶装置１１の格納情報の中から、使用する波長データ情報λuに最も近い値となる、記憶された波長データλmを選択する。波長データλmを大きい順に並べて、最も近い値が波長データ情報λuの両側に２つある場合は、そのどちらか一方を選ぶようにする。モジュール７内の演算回路５を簡略化するほど、使用できるビット長に制約が出る。この点で、できる限りλu近いλmを選択することにより、演算結果が１に近づくため、計算誤差は少なくなる。よって、できる限り近いλmを選択することが好ましい。勿論、この選び方はこれに限るものではない。

ビーム制御回路１３は、新たに演算した方向余弦データと、演算に使用した記憶波長データ領域情報とを、各モジュール７に転送する（ステップＳ６）。各モジュール７の演算回路６では、転送された記憶波長データ領域情報に基づいて記憶装置５を参照し、予め記憶された複数の波長データの中から、記憶波長データ領域情報に基づいて参照された波長データを選択する。選択した波長データは、演算回路１２で選択された記憶された波長データλmと同じ値となる。なお、ここでの記憶波長データ領域情報は、記憶装置５に予め記憶された複数の波長データの中から、転送されてきた記憶波長データを識別するための波長識別データとして用いられる。

次に、各演算回路６は、選択した波長データと、転送されてきた方向余弦データと、記憶装置５に記憶している座標データを用いて、ビーム走査位相を演算する。各演算回路６は、演算結果として得られたビーム走査位相を各移相器２に設定する（ステップＳ７）。

各モジュール７は、各移相器２に設定されたビーム走査位相に基づいて、給電回路８から分配された送信信号をアンテナ素子１に給電する。これによって、アンテナ装置は、送信するビームを走査する。或いは、各モジュール７は、各移相器２に設定されたビーム走査位相に基づいて、アンテナ素子１で受信した信号を給電回路８に送り、受信ビームを形成する。

次いで、ビーム制御回路１３は、外部の制御装置から波長データまたはビーム走査角度を変更するための指示が与えられた場合（ＹＥＳ）、再びステップＳ５に戻って、新たな使用波長データと、方向余弦データが入力される（ステップＳ８）。また、外部の制御装置から波長データまたはビーム走査角度を変更しない指示が与えられた場合（ＮＯ）、ビーム制御回路１３はビーム走査を行うための制御処理を終了する。

ここで、各モジュール７の演算回路６におけるビーム走査位相の演算は、式２にて算出される。式２において、ψはビーム走査位相、λmは記憶された波長データ、Xnはｎ番目の素子アンテナの素子座標のX成分、Ynはｎ番目の素子アンテナの素子座標のY成分、cosαrx及びcosαryは新たな方向余弦データである。 [ ]内の式は式２の意味を説明するために付記したものであり、方向余弦データcosαx及びcosαyや波長データλuとの関係を示している。また、アンテナ正面方向とビーム走査方向とのなす角θ、X軸とアンテナ面に投影したビーム走査方向とのなす角φを用いると、式２はさらに式３のように表現される。式２、３中で、校正値等の補正移相値の項は省略している。

なお、アレーアンテナにおけるアンテナの指向性やビーム走査位相を求める式３の詳細は、Richard Ｃ．Johnson編纂、「Antenna Engineering Handbook Second Edition」、1984年、McGraw-Hill,Inc.、20章 Phased Arrays、P.20-15〜20-17、Fig.20-9に記述されている。

次に、ビーム制御回路１３から各モジュール７に転送されるデータ量について、具体的なビット長の例を用いてさらに説明する。
波長データを記憶する領域のアドレスが２ビット、波長データと方向余弦データは３２ビットとする。使用波長データ１０として、記憶している波長データ４を用いた場合には、ビーム制御回路での方向余弦の演算においてλm/λuが１となる。このときの、ビーム制御回路から各モジュールへのデータ転送のビット長は、波長データの識別を表す２ビットと、方向余弦データ３２ビット、合わせて３４ビットのデータを転送する。

一方、使用波長データ１０として、記憶していない波長データを用いた場合においては、ビーム制御回路から各モジュールへのデータ転送は、方向余弦データは、式１により演算された値３２ビットと、波長データとしてλmの記憶されている領域を表す２ビットとの、合計３４ビットを転送することとなる。各モジュール７では、転送された方向余弦データと、波長データの記憶領域を表す記憶波長データ領域情報から波長情報を得て、式２に基づいてビーム走査位相演算を行ない、演算結果として得られたビーム走査位相ψを移相器に設定する。

以上のように、ビーム制御回路において、使用波長データに基づいて記憶された波長データを選択する演算回路と、モジュール７と同じ記憶された波長データを格納する記憶回路１１を設けることにより、転送するデータ量を増加させること無く、使用波長データとして記憶していない波長データλuが与えられても、波長データλuに対応したビーム走査位相演算を正確に行うことができる。また、記憶していない波長データλuが与えられても、複数のモジュール７の演算回路６において、記憶すべき波長データを変更することなく、１つのビーム制御回路１３に記憶される波長データを変更するだけで、新たな波長データに対応したビーム走査位相演算を行うことができる。

なお、上記実施の形態による例示では、モジュール７で記憶する波長データ領域を２ビット、波長データ、方向余弦データを３２ビットとして説明したが、このビットは任意のデータ長で構わないことはいうまでも無い。さらに、この実施の形態では、ビーム制御回路が外部から受け取る方向余弦データをcosαx、cosαyとしているが、θ、φを受け取り、方向余弦を演算しても、同様の効果が得られることは言うまでも無い。

また、上記実施の形態の説明では、演算回路６の処理として、各移相器２に設定するビーム走査位相の演算に限り、例示を行った。しかし実用的には、アンテナ装置の校正時に、移相器２や給電回路８のばらつきを補正する補正移相値を取得し、取得した補正移相値を各モジュール７に設定する場合がある。この場合、演算回路６は、特許文献１（例えば、段落番号５および数１参照）に示されるように、上記式２において校正用の補正移相値の項を加算して、ビーム走査位相を求めることとなる。このような場合であっても、上記実施の形態で示したものと、同様の効果が得られることは言うまでも無い。

この発明の実施の形態１におけるアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１におけるビーム走査の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１（１ａ乃至１ｎ） 素子アンテナ、２（２ａ乃至２ｎ） 移相器、３（３ａ乃至３ｎ） 方向余弦データ、４（４ａ乃至４ｎ） 記憶波長データ、５（５ａ乃至５ｎ） 記憶装置、６（６ａ乃至６ｎ） 演算回路、７（７ａ乃至７ｎ） モジュール、８ 給電回路、９ 外部より与えられる方向余弦データ、１０ 使用する波長データ、１１ 波長データ記憶装置、１２ 演算回路、１３ ビーム制御回路。

Claims (2)

1. 複数個の素子アンテナと、
   上記各素子アンテナに夫々接続された複数個の移相器と、少なくとも予め記憶された波長データおよび各素子アンテナの位置座標データと、ビーム制御回路から転送されたビーム指向角度に対応した方向余弦とを用いて、上記移相器に設定するビーム走査位相を演算する演算器とからなるモジュールと、
   下記の（式１）により求めたビーム指向角度に対応した方向余弦を上記演算器に転送するビーム制御回路と、
   を備えたアンテナ装置。
   
   

   

   
   
   
   ここで、cosα _rx 及びcosα _ry ：ビーム指向角度に対応した方向余弦、
   cosα _x 及びcosα _y ： 外部から入力される方向余弦データ、
   λu：使用する周波数の波長データ、
   λm：上記演算器が予め記憶している波長データ
   である。
2. 上記ビーム制御回路は、波長データを識別する波長識別データを上記演算器に転送し、
   上記演算器は、予め記憶された複数の波長データの中から転送された波長識別データに
   対応する波長データを選択し、選択した波長データおよび各素子アンテナの位置座標デー
   タと、転送されたビーム指向角度に対応した方向余弦とを用いて、上記移相器に設定する
   ビーム走査位相を演算する、
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。

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