JP5159718B2 - アンテナ装置 - Google Patents
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Description
図1はこの発明の実施の形態1によるアンテナ装置の構成を示した図である。図1のアンテナ装置100において、アンテナの開口面上に設置され例えばm×n個の平面のアレーアンテナを構成する複数の素子アンテナ1−m,n(m=1,2,3,・・・,M、n=1,2,3,・・・,N)には、それぞれに素子アンテナの移相量を変える移相器2−m,n(m=1,2,3,・・・,M、n=1,2,3,・・・,N)が接続されている。これらの移相器2−m,nは各移相器への入出力信号を合成分配を行う電力分配合成回路4に接続され、さらに電力分配合成回路4には検波回路6が接続されている。各移相器2−m,nはこれらの設定位相量を制御する移相器制御装置3に接続されている。各移相器2−m,n、電力分配合成回路4、および移相器制御装置3を合わせてビーム形成回路5と呼び、さらに各素子アンテナ1−m,nを加えてフェーズドアレーアンテナと呼ぶ。
Γ={(r−1)/(r+1)} (3)
k0ymncos(ξ0+Δξ)sin(η0+Δη)}−φ0mn (5)
=−k0xmnsin(ξ0+Δξ)−k0ymncos(ξ0+Δξ)sin(η0+Δη)
+k0xmnsinξ0+k0ymncosξ0sinη0 (6)
b=cos(ξ0+Δξ)sin(η0+Δη)−cosξ0sinη0 (10)
c=0
図4はこの発明の実施の形態2によるアンテナ装置の構成を示した図である。図4のアンテナ装置100では、アンテナ装置本体101側では電力分配合成回路4には第1の送信機16が接続される。このアンテナ装置本体101のフェーズドアレーアンテナから放射された電波は、アンテナ装置本体101とは別に設けられる(図5参照)、第1の受信アンテナ17、第1の検波回路6、素子電界位相演算装置9、第2の送信機16a、送信アンテナ18で構成されるサブアンテナ装置19において受信、検波される。なお、第1の受信アンテナ17、第1の検波回路6、第2の送信機16a、送信アンテナ18が送受信手段を構成する。
図6はこの発明の実施の形態3によるアンテナ装置の構成を示した図である。図6のアンテナ装置100では、図6のアンテナ装置において、電波到来方向演算装置13に、電波到来方向記憶装置22が接続される。電波到来方向記憶装置22は、電波到来方向演算装置13において求めた複数の電波の到来方向を記憶する装置である。電波到来方向記憶装置22には、ヌル形成位相演算装置23が接続され、ヌル形成位相演算装置23は移相器制御装置3に接続される。ヌル形成位相演算装置23は、フェーズドアレーアンテナの主ビームを所定の方向に形成し、かつ電波到来方向記憶装置22により記憶された複数の電波到来方向のうち少なくとも一方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求める装置である。
図8はこの発明の実施の形態4によるアンテナ装置の構成を示した図である。図8では、1つのアンテナ装置本体101に対して複数のサブアンテナ装置19−n(n=1,2,3,・・・,Ns)が設けられている。各サブアンテナ装置19−nはそれぞれ、第1の検波回路6、素子電界位相演算装置9、第2の送信機16aと共にそれぞれの第1の受信アンテナ17−1〜17−Ns、送信アンテナ18−1〜18−Nsを備える。測定アンテナ方向演算装置21には測定アンテナ方向記憶装置24が接続され、測定アンテナ方向記憶装置24は測定アンテナ方向演算装置21で求められた、アレーアンテナから見た各サブアンテナ装置19−n(n=1,2,3,・・・,Ns)における第1の受信アンテナ17の方向を記憶する。
図10はこの発明の実施の形態5によるアンテナ装置の構成を示した図である。図10のアンテナ装置100は、各素子アンテナ1−m,nが複数のビーム形成回路5−n(n=1,2,3,・・・,Nb)のそれぞれに接続され、各ビーム形成回路5−nで形成されるビームを合成、分配したビームの送受信を行うマルチビームアンテナ装置を想定したものである。各ビーム形成回路5−nには、検波回路6、初期位相演算装置8、ヌル形成位相演算装置23がそれぞれ接続されている。複数のビーム形成回路5−nの各素子アンテナ端子は各素子アンテナごとに分配合成する複数の第2の電力分配合成回路4a−m,n(m=1,2,3,・・・,M、n=1,2,3,・・・,N)に接続され、第2の電力分配合成回路4a−m,nはそれぞれ対応した各素子アンテナ1−m,nにそれぞれ接続される。すなわち、全ての素子アンテナ1−m,nにそれぞれの第2の電力分配合成回路4a−m,nが接続されて全てのビーム形成回路5−nに接続されている。
図11はこの発明の実施の形態6によるアンテナ装置の構成を示した図である。図11のアンテナ装置100は、実施の形態5の図10に示すマルチビームアンテナ装置を想定したアンテナ装置を実施の形態4の図8に示す送信の場合に対応させたものである。図8のアンテナ装置において、素子アンテナ1−m,nと、移相器2−m,n、移相器制御装置3、電力分配合成回路4を含むビーム形成回路5とからなるフェーズドアレーアンテナの部分が、図10の素子アンテナ1−m,nと、第2の電力分配合成回路4a−m,nと、ビーム形成回路5−nとからなるフェーズドアレーアンテナで構成され、各ビーム形成回路5−nには、第1の送信機16、初期位相演算装置8、ヌル形成位相演算装置23がそれぞれ接続されている。
図12はこの発明の実施の形態7によるアンテナ装置の第1の測定状況を示した図である。実施の形態7では、上記アンテナ装置100が航空機14に搭載され、測定対象アンテナ15が例えば地上局などの位置が既知の位置に設置された固定局の場合を想定している。このとき、角度記憶装置7に記憶させる角度を、航空機14の大まかな位置情報と位置が既知の測定対象アンテナ15の位置情報から求められるアレーアンテナから見た測定対象アンテナ15の方向とする。実施の形態1の場合と同様の手法により、測定対象アンテナからの電波の到来方向を求めた場合、測定対象アンテナ15の位置は既知でかつ固定であるため、求めた電波の到来方向と角度記憶装置7で記憶した角度の差、つまり(Δξ,Δη)は、航空機14の姿勢誤差、もしくはフェーズドアレーアンテナの開口面の傾斜による誤差に起因する方向誤差を表わすこととなる。すなわち、(Δξ,Δη)を求めることにより、フェーズドアレーアンテナの開口面(放射面)もしくはそれを搭載した航空機14の姿勢誤差を求めることが可能となる。
以上の処理は、例えば電波到来方向演算装置13で行われる。
上記各実施の形態においては、実施の形態1において述べたように、上式(10)を(Δξ,Δη)について解くことにより、電波の到来方向または受信アンテナの方向を求めた。今、角度記憶装置7で記憶されている(ξ0,η0)と、実際の電波の到来方向またはサブアンテナ装置の受信アンテナの方向(ξ0+Δξ,η0+Δη)との差異が十分小さい、つまりΔξ<<1、Δη<<1とすると、上式(10)は
図14はこの発明の実施の形態9によるアンテナ装置の構成を示した図である。図14のアンテナ装置100は、各素子アンテナ1−m,nにはそれぞれ切換器25−m,nに接続され、切換器25−m,nには切換器制御装置26が接続され、切換器制御装置26には素子電界位相演算装置9が接続されている。
上記各実施の形態では、最適位相平面演算装置11は最小二乗法を用いて差分位相演算装置10によって求めた位相量の分布からアンテナ素子座標の1次式で表されるような最適な平面の位相分布を求めたが、素子電界位相演算装置9で求められる位相量が有する360度の位相不確定性を考慮した方法として、最適位相平面演算装置11で下式(16)を最小とするようなa,b,cを例えば共役勾配法などにより求めた場合にも同様の効果を得ることができる。
Claims (12)
- 複数の素子アンテナから成るアレーアンテナと、前記各素子アンテナ毎に設けられそれぞれの位相量を変える移相器、前記各移相器の設定位相を制御する移相器制御装置および前記各移相器への入出力信号の分配合成を行う電力分配合成回路を含むビーム形成回路とにより構成されるフェーズドアレーアンテナを備えたアンテナ装置であって、
前記電力分配合成回路に接続され各素子アンテナの受信信号の検波を行う検波回路と、
前記フェーズドアレーアンテナの複数の素子アンテナで形成した主ビームを放射する少なくとも1つの測定対象アンテナの位置情報に基づく方向を記憶する角度記憶装置と、
前記角度記憶装置で記憶された方向に主ビームを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を計算する初期位相演算装置と、
前記検波回路の検波に基づき、前記少なくとも1つの測定対象アンテナからの電波によるフェーズドアレーアンテナの受信信号から各素子アンテナの受信電界の位相量の逆符号の位相量を求める素子電界位相演算装置と、
前記各素子アンテナの前記初期位相演算装置の位相量と前記素子電界位相演算装置の位相量の差分をとる差分位相演算装置と、
前記差分位相演算装置の差分位相量の分布からアンテナ素子座標の1次式で表されるような平面の位相分布を求める最適位相平面演算装置と、
前記平面の位相分布の法線ベクトルを求める法線ベクトル演算装置と、
前記法線ベクトルと前記角度記憶装置で記憶した方向を用いて実際の電波の到来方向を求める電波到来方向演算装置と、
を備えたことを特徴とするアンテナ装置。 - 複数の素子アンテナから成るアレーアンテナと、前記各素子アンテナ毎に設けられそれぞれの位相量を変える移相器、前記各移相器の設定位相を制御する移相器制御装置および前記各移相器への入出力信号の分配合成を行う電力分配合成回路を含むビーム形成回路とにより構成されるフェーズドアレーアンテナを含むアンテナ装置本体と前記アンテナ装置本体と別体に設けられた少なくとも1つのサブアンテナ装置からなるアンテナ装置であって、
前記アンテナ装置本体が、送信機、角度記憶装置、初期位相演算装置、受信アンテナ、検波回路、素子電界位相記憶装置、差分位相演算装置、最適位相平面演算装置、法線ベクトル演算装置、測定アンテナ方向演算装置を備え、
前記各サブアンテナ装置が、送受信手段、素子電界位相演算装置を備え、
前記アンテナ装置本体の
前記角度記憶装置がフェーズドアレーアンテナの複数の素子アンテナで形成した主ビームを放射する少なくとも1つの前記サブアンテナ装置の位置情報に基づく方向を記憶し、
前記初期位相演算装置が前記角度記憶装置で記憶された方向に主ビームを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を計算し、
前記移相器制御装置が計算された位相量に従って前記各移相器の設定位相を制御し、
前記第1の送信機が前記電力分配合成回路に接続されて前記複数の素子アンテナで形成される主ビームを前記少なくとも1つの測定対象アンテナに放射し、
前記サブアンテナ装置の
前記送受信手段が第1の受信アンテナと送信アンテナを有し、前記主ビームを受信すると共に演算結果としての逆符号の位相量を示す信号を送信し、
前記素子電界位相演算装置が受信結果から前記フェーズドアレーアンテナの各素子アンテナからの放射電界の位相量の前記逆符号の位相量を演算して求め、
前記アンテナ装置本体の
前記受信アンテナが前記サブアンテナ装置より送信された前記逆符号の位相量を示す信号を受信し、
前記検波回路が前記受信アンテナでの受信信号を検波し、
前記素子電界位相記憶装置が検波結果に基づき前記各素子アンテナの逆符号の位相量を記憶し、
前記差分位相演算装置が前記各素子アンテナの前記初期位相演算装置の位相量と前記素子電界位相記憶装置の位相量の差分を求め、
前記最適位相平面演算装置が前記差分位相演算装置の差分位相量の分布からアンテナ素子座標の1次式で表されるような平面の位相分布を求め
前記法線ベクトル演算装置が前記平面の位相分布の法線ベクトルを求め、
前記測定アンテナ方向演算装置が前記法線ベクトルと前記角度記憶装置で記憶した方向を用いて、前記アレーアンテナからみた前記サブアンテナ装置の第1の受信アンテナの方向を求める、
ことを特徴とするアンテナ装置。 - 複数の前記測定対象アンテナの方向から複数の電波が到来する場合に、前記電波到来方向演算装置が前記複数の電波に対して各電波の到来方向をそれぞれ求め、
求めた複数の電波の到来方向を記憶する電波到来方向記憶装置と、
前記電波到来方向記憶装置に記憶された方向のうち所望の1つの方向に前記フェーズドアレーアンテナの主ビームを形成し、かつ前記所望の1つの方向以外のうち少なくとも1方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。 - 複数のサブアンテナ装置を備え、前記測定アンテナ方向演算装置が複数の前記サブアンテナ装置に搭載された各第1の受信アンテナに対して、アレーアンテナからみた各第1の受信アンテナの方向をそれぞれ求め、
求めたアレーアンテナからみた複数の第1の受信アンテナの方向を記憶する測定アンテナ方向記憶装置と、
前記測定アンテナ方向記憶装置に記憶された方向のうち所望の1つの方向に前記フェーズドアレーアンテナの主ビームを形成し、かつ前記所望の1つの方向以外のうち少なくとも1方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項2に記載のアンテナ装置。 - 前記フェーズドアレーアンテナが、マルチビームを形成するための複数のビーム形成回路、及び前記複数のビーム形成回路の各素子アンテナ端子を各素子アンテナごとに分配合成する複数の電力分配合成回路とを備えたマルチビームアンテナからなり、
複数の前記測定対象アンテナの方向から複数の電波が到来する場合に、前記電波到来方向演算装置が前記複数の電波に対して少なくとも一つの前記ビーム形成回路を用いて到来方向を求め、
求めた複数の電波の到来方向を記憶する電波到来方向記憶装置と、
前記電波到来方向記憶装置に記憶された電波の到来方向のうち所望の1つの方向に前記マルチビームアンテナの各ビームの主ビームを形成し、かつ前記所望の1つの方向以外の方向に各ビームのヌルを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記フェーズドアレーアンテナが、マルチビームを形成するための複数のビーム形成回路、及び前記複数のビーム形成回路の各素子アンテナ端子を各素子アンテナごとに分配合成する複数の電力分配合成回路とを備えたマルチビームアンテナからなり、
複数のサブアンテナ装置を有する場合に、前記測定アンテナ方向演算装置が前記複数のサブアンテナ装置に搭載された各第1の受信アンテナに対してアレーアンテナからみた各第1の受信アンテナの方向をそれぞれ求め、
求めたアレーアンテナからみた複数の第1の受信アンテナの方向を記憶する測定アンテナ方向記憶装置と、
前記測定アンテナ方向記憶装置に記憶されたアレーアンテナからみた複数の第1の受信アンテナの方向のうち所望の1つの方向に前記マルチビームアンテナの各ビームの主ビームを形成し、かつ前記所望の1つの方向以外の方向に各ビームのヌルを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項2に記載のアンテナ装置。 - 前記ヌル形成位相演算装置が、フェーズドアレーアンテナの主ビームおよびヌルを所望の方向に形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求める際に、主ビーム方向とヌルを向ける方向に対応した各素子アンテナ設定する位相量を記憶したデータベースを利用する方法、平面波合成法を用いる方法、最適化演算を行う方法のいずれか1つを用いて各素子アンテナに設定する位相量を計算することを特徴とする請求項3から6までのいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記最適位相平面演算装置が、最小二乗法、最急降下法、共役勾配法のいずれか1つを用いて平面の位相分布を求めることを特徴とする請求項1から7までのいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記素子電界位相演算装置が、素子電界ベクトル回転法を用いてフェーズドアレーアンテナの各素子アンテナの電界位相を求めることを特徴とする請求項1から8までのいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記複数の素子アンテナと前記移相器の間にそれぞれに設けられ前記素子アンテナを前記移相器と整合負荷との間で切り換えて接続する切換器と、
前記複数の切換器を、1つの素子アンテナを移相器側に接続して動作状態にし、その他の素子アンテナを整合負荷側に接続して非動作状態に制御する切換器制御装置と、
をさらに備え、
前記素子電界位相演算装置が前記切換器制御装置を制御して前記複数の素子アンテナを1つずつ動作状態にして各素子アンテナの電界位相の逆符号の位相量を求めることを特徴とする請求項1から8までのいずれか1項に記載のアンテナ装置。 - 前記測定対象アンテナまたはサブアンテナ装置が既知の位置に固定された固定局である場合に、前記電波到来方向演算装置または測定アンテナ方向演算装置が、前記法線ベクトル演算装置で求めた法線ベクトルを用いて求めた電波到来方向またはサブアンテナ装置の第1の受信アンテナの方向と前記角度記憶装置で記憶した方向の差、または複数の求めた電波到来方向またはサブアンテナ装置の第1の受信アンテナの方向と前記角度記憶装置で記憶した方向の差の平均値から、アンテナ装置の姿勢誤差またはフェーズドアレーアンテナの開口面の傾斜誤差を求めることを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記電波到来方向演算装置または前記測定アンテナ方向演算装置において電波の到来方向または第1の受信アンテナの方向を求める際に、前記法線ベクトル演算装置で求めた法線ベクトルと前記角度記憶装置で記憶した方向の差が充分小さくかつフェーズドアレーアンテナの視野角が充分小さいことを条件とする近似式により求めることを特徴とする請求項1から11までのいずれか1項に記載のアンテナ装置。
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