JP5811903B2

JP5811903B2 - フェーズドアレーアンテナ装置

Info

Publication number: JP5811903B2
Application number: JP2012051245A
Authority: JP
Inventors: 圭介西; 龍彦鈴木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: JP2013187730A

Description

この発明は、位相制御によりビーム走査を行うフェーズドアレーアンテナ装置に関するものである。

従来、移相器の制御を行う移相器制御装置内に、電力分配合成回路から各素子アンテナまでの電気長の差による理想波面からのずれを補正する移相量を、ビーム制御計算機と同じ計算精度で量子化した位相データと、不足している計算精度を補うランダムな位相データを加えた位相データを持ち、ビーム制御計算機から送られる量子化されたビーム走査用位相にそれぞれの位相データを加える構成にした、フェーズドアレーアンテナ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−２０９２０９号公報

ディジタル移相器を用いたフェーズドアレーアンテナ装置は、微小ビーム走査の際、ビーム指示角に対して、実際に指向したビーム指向角が異なり、指向誤差が発生する。これは、移相器のビット数と位相演算回路の計算ビット数によって発生する量子化誤差によるものであり、この量子化誤差がアンテナ面内の素子の移相器の位相切り換えにおいて片寄って発生するためである。また、この指向誤差の発生は、素子数の少なく、アンテナ径の小さいアンテナにおいて顕著に発生する傾向がある。

従来のフェーズドアレーアンテナ装置は、量子化誤差によるアンテナ面内での移相器の位相切り替えの片寄りを軽減するために、上記した通り計算精度を補うランダムな計算精度補正用の位相データを用意して、その計算精度補正用の位相データをビーム走査用位相に加算した後、移相器のビット数で量子化している。

しかしながら、従来のフェーズドアレーアンテナ装置は、ビーム指向の片寄りは軽減するものの、結果的に理想波面に対して量子化誤差を与えることとなり、ビーム指向誤差自体はなくならないという問題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、ディジタル移相器を用いて微小ビーム走査を行うフェーズドアレーアンテナ装置において、ビーム指向精度の劣化を抑えることを目的とする。

この発明によるフェーズドアレーアンテナ装置は、垂直方向及び水平方向の少なくとも４象限に分割されたサブアレーアンテナにそれぞれ設けられる複数の素子アンテナと、上記素子アンテナにそれぞれ接続された複数の移相器と、上記素子アンテナ及び移相器からなる各サブアレーアンテナにそれぞれ接続された合成分配器と、上記各合成分配器に接続され、上記サブアレーアンテナ毎に合成された受信波の受信信号を得る受信機と、上記受信機に接続され、所望のビーム走査方向と上記移相器のビーム指向方向から複素ウェイトを求め、上記サブアレーアンテナ毎の受信信号について、上記複素ウェイトを乗算してモノパルス測角を行い、和信号、垂直方向の差信号及び水平方向の差信号を求めるディジタルモノパルスコンパレータと、上記ディジタルモノパルスコンパレータから得られる和信号、垂直方向の差信号及び水平方向の差信号から、所望のビーム走査方向と受信波の方向との誤差角を補正したビーム走査方向を求め、当該補正したビーム走査方向を新たに上記所望のビーム走査方向として上記ディジタルモノパルスコンパレータに出力する信号処理部と、予め区分けされた角度領域毎に対応するビーム指示角が設定され、上記信号処理部により求められた補正したビーム走査方向を取得し、当該補正したビーム走査方向を領域内に存在する、上記角度領域に対応した上記移相器のビーム指向方向を選択し、当該選択した移相器のビーム指向方向を与えるビーム指示角を元に、上記移相器の位相を設定するビーム制御器と、を備えたものである。

この発明によれば、フェーズドアレーアンテナ装置のビーム走査方向に対し、ビーム指向誤差を抑制して、微小ビーム走査を行うことができる。

実施の形態１に係るフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１に係るフェーズドアレーアンテナ装置における、素子アンテナの配置とビーム走査方向の関係を例示する斜視図である。実施の形態１に係るフェーズドアレーアンテナ装置における、補正値取得角とビーム走査軌跡の関係を例示する図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図２は、実施の形態１に係るフェーズドアレーアンテナ装置における、素子アンテナのアンテナ面への配置とビーム走査方向の関係を例示する斜視図である。図３は、実施の形態１に係るフェーズドアレーアンテナ装置における、補正値取得角とビーム走査軌跡の関係を例示する図である。図１において、実施の形態１のフェーズドアレーアンテナ装置は、アンテナ面に２次元に配列された複数の素子アンテナ１と、複数の移相器２と、複の合成分配器４と、受信機６と、信号処理器８と、ビーム制御器１５を備えて構成される。また、信号処理器８は、ディジタルモノパルスコンパレータ部９と、信号処理部１１から構成されている。ビーム制御器１５は、ビーム走査方向分離部１６と、移相器設定位相演算部１９から構成されている。

素子アンテナ１は、所望の覆域において所定の利得を有し、受信した電波３を移相器２に送信する。移相器２の一端は、それぞれの素子アンテナ１の一端と接続される。移相器２の他端は、合成分配器４における対応する分配ポートにそれぞれ接続されている。移相器２は、電波３の位相を制御する例えば複数ビットのディジタル形の移相器からなり、位相制御された後の電波５を合成分配器４の分配ポートに送信する。

図１の例では、素子アンテナ１及び移相器２は８個設けられているが、８個以上設けられていても良い。また、合成分配器４は少なくとも４つ設けられている。各合成分配器４は、入力側の２つ以上の分配ポートと出力側の１つの合成ポートを有している。各合成分配器４のそれぞれの分配ポートは、それぞれ移相器２に接続されている。各合成分配器４の分配ポートに接続される移相器２及び素子アンテナ１は、サブアレーアンテナを構成している。フェーズドアレーアンテナ装置の複数の素子アンテナ１配列からなるアンテナ面は、垂直方向及び水平方向に各２分割され、全部で少なくとも４象限に分割されたサブアレーアンテナを構成する。この４象限に分割されたサブアレーアンテナ毎のアンテナ面の各象限内には、各合成分配器４がそれぞれ１個設けられて、同一象限内の複数の移相器２及び複数の素子アンテナ１とそれぞれ接続されている。

また、１つの受信機６は４つの入力ポート及び出力ポートが設けられ、１つのディジタルモノパルスコンパレータ部９は４つの入力ポートが設けられている。この受信機６の入力ポート及び出力ポートとディジタルモノパルスコンパレータ部９の入力ポートは、上記アンテナ面の４象限にそれぞれ対応している。各合成分配器４の合成ポートは、受信機６の入力ポートと接続されており、サブアレーアンテナ毎に合成された後の、受信波の電波７を受信機６に送信する。各受信機６の出力ポートは、信号処理器８の中のディジタルモノパルスコンパレータ部９の入力ポートに接続されている。受信機６は、各象限の合成分配器４から出力される電波７について、それぞれ信号の周波数変換、アナログーディジタル変換（Ａ／Ｄ変換）等の受信処理を行い、処理した受信信号１０を、ディジタルモノパルスコンパレータ部９のそれぞれの入力ポートに送信する。

ディジタルモノパルスコンパレータ部９の出力ポートは、和信号、垂直方向の差信号、及び水平方向の差信号にそれぞれ対応して３つ設けられている。また、ビーム走査方向分離部１６は、１つの入力ポートと２つの出力ポートが設けられている。ディジタルモノパルスコンパレータ部９の出力ポートは、信号処理部１１に接続されており、それぞれ和信号１２、垂直方向の差信号１３、水平方向の差信号１４を信号処理部１１に送信する。また、ディジタルモノパルスコンパレータ部９は、ビーム走査方向分離部１６の出力側の一端に接続されている。

信号処理部１１は、ディジタルモノパルスコンパレータ部９の入力ポートと、ビーム制御器１５内のビーム走査方向分離部１６の入力ポートに、それぞれ接続されている。信号処理部１１は、ディジタルモノパルスコンパレータ部９の入力ポートと、ビーム走査方向分離部１６の入力ポートに、それぞれにビーム走査方向１７を送信する。ビーム走査方向分離部１６の一方の出力ポートは、信号処理器８内のディジタルモノパルスコンパレータ部９の入力ポートに、移相器ビーム指向方向１８を送信する。ビーム走査方向分離部１６の他方の出力ポートは、移相器設定位相演算部１９の入力ポートに接続されており、移相器設定位相演算部１９に移相器用ビーム指示方向２０を送信する。ビーム制御器１５内の移相器設定位相演算部１９の出力ポートは、複数の移相器２の制御信号入力ポートに接続されており、それぞれの移相器２に移相器用設定位相２１を送信する。

次に、実施の形態１によるフェーズドアレーアンテナ装置の動作について説明する。
複数の素子アンテナ１は、所望の覆域において所定の利得を有している。移相器設定位相演算部１９は、所望の方向にフェーズドアレーアンテナ装置のビームを指向させるように各移相器２に移相器設定位相２１を設定し、各移相器２は、この移相器設定位相２１に従って各素子アンテナ１の受信した電波３の位相を変化させる位相制御を行う。各移相器２にて位相制御された後の電波５は、各象限の合成分配器４の分配ポートに送信される。各象限の合成分配器４に入力された位相制御された後の電波５は、合成分配器４において合成される。各象限の合成分配器４は、この合成した後の電波７を、それぞれ合成ポートから受信機６に送信する。受信機６は、象限毎に合成された後の電波７について、低周波への周波数変換、Ａ／Ｄ変換等を施し、象限毎の振幅位相情報を求めて、得られた象限毎の振幅位相情報を受信信号１０として、それぞれ信号処理機８内のディジタルモノパルスコンパレータ部９へ送信する。ディジタルモノパルスコンパレータ部９は、信号処理部１１から入力されたビーム走査方向１７と、ビーム制御器１５内のビーム走査方向分離部１６から入力された移相器ビーム指向方向１８とから複素ウェイトを求め、入力された各象限のサブアレーアンテナ毎の受信信号１０について、後述する数値処理により求めた複素ウェイト乗算して、和信号１２、垂直方向の差信号１３、及び水平方向の差信号１４を形成し、信号処理部１１へ送信する。

ここで、信号処理部１１は、ディジタルモノパルスコンパレータ部９の出力する和信号１２、垂直方向の差信号１３、及び水平方向の差信号１４からモノパルス測角を行い、ビーム方向と受信波の方向との誤差角を求める。信号処理部１１は、この誤差角を補正したビーム走査方向１７を、ディジタルモノパルスコンパレータ部９とビーム走査方向分離部１６に対して送信する。ビーム走査角分離部１６は、信号処理部１１から入力されたビーム走査方向１７を、後述する方法で移相器ビーム指向方向１８と移相器用ビーム指示方向２０に分離する。ビーム走査角分離部１６は、分離後の移相器ビーム指向方向１８をディジタルモノパルスコンパレータ部９に送信し、分離後の移相器用ビーム指示方向２０を移相器設定位相演算部１９へ送信する。移相器設定位相演算部１９は、後述する手法により、入力された移相器用ビーム指示方向２０に対応した各移相器２の移相器用設定位相２１を演算により求め、求めた移相器用設定位相２１を対応するそれぞれの移相器２へ送信する。

次に、図２に示すアンテナ装置のアンテナ面の斜視図を用いて、前述のディジタルモノパルスコンパレータ部９における、和信号１２、垂直方向の差信号１３、水平方向の差信号１４を形成する数値処理について説明する。
図２は、Ｘ軸を垂直方向、Ｙ軸を水平方向の軸とした場合の素子アンテナ１をＸ−Ｙ平面上に配置したアンテナの一例を示している。図２において、ビーム走査方向１７を所定の原点Ｏから見たときの方向ベクトルをｄとし、移相器ビーム指向方向１８を所定の原点Ｏから見たときの方向ベクトルをｄ_ｐｈｓとしている。また、素子アンテナ１の位置は、上記所定の原点Ｏから見たときの位置ベクトルｒ_１、ｒ_２からｒ_Ｍ（以下、代表して符号をｒ_Ｍとする）として、予め決められている。また、アンテナ面において、符号２２は第１象限、符号２３は第２象限、符号２４は第３象限、符号２５は第４象限を示している。各象限の中心位置は、上記所定の原点Ｏから見たときの位置ベクトルをｓ_１、ｓ_２、ｓ_３、ｓ_４として予め決められている。

ディジタルモノパルスコンパレータ部９は、信号処理部１１から入力されたビーム走査方向１７と、ビーム走査方向分離部１６から入力された移相器ビーム指向方向１８と、受信機６から入力された各象限の受信信号１０に基いて、複素ウェイトを用いた数１の数値処理により、和信号１２（Σ）を演算する。

ここで、受信機６から入力される象限毎の受信信号１０は、第１象限の受信信号１０をａ_１・exp(jφ_１)、第２象限の受信信号１０をａ_２・exp(jφ_２)、第３象限の受信信号１０をａ_３・exp(jφ_３)、第４象限の受信信号１０をａ_４・exp(jφ_４)となる。また、(s_ｉ・d)（ｉ＝１〜４）は位置ベクトルと方向ベクトルの内積であり、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。ここでのexp[-jk{(s₁・d)-(s₁・d_phs)}]、exp[-jk{(s₂・d)-(s₂・d_phs)}]、exp[-jk{(s₃・d)-(s₃・d_phs)}]、exp[-jk{(s₄・d)-(s₄・d_phs)}]は、それぞれ複素ウェイトとなっている。

また、ディジタルモノパルスコンパレータ部９は、信号処理部１１から入力されたビーム走査方向１７と、ビーム走査方向分離部１６から入力された移相器ビーム指向方向１８と、受信機６から入力された各象限の受信信号１０に基いて、上記複素ウェイトを用いた数３の数値処理により、垂直方向の差信号１３（Δβ）を演算する。

また、ディジタルモノパルスコンパレータ部９は、信号処理部１１から入力されたビーム走査方向１７と、ビーム走査方向分離部１６から入力された移相器ビーム指向方向１８と、受信機６から入力された各象限の受信信号１０に基いて、上記複素ウェイトを用いた数４の数値処理により、水平方向の差信号１４（Δα）を演算する。

次に、図３に示す補正値取得角とビーム走査の軌跡の図を用いて、ビーム走査角分離部１６による、移相器ビーム指向方向１８と移相器用ビーム指示方向２０の分離方法を説明する。

図３は、実施の形態１のフェーズドアレイアンテナ装置によるビーム走査方向を、ＡＺ（水平方向）とＥＬ（垂直方向）の角度（度）で示している。図３の白丸で示す補正値取得角２６は、予めフェーズドアレイアンテナ装置のビーム走査特性を計測することにより、走査角分離部１６が、その補正値取得角２６にビーム指向させるためのビーム指示角として予め取得している角度である。補正値取得角２６は、フェーズドアレイアンテナ装置のビーム走査の覆域内に区分けされた任意の角度領域毎に設けられる。例えば、図３においては、ＡＺ、ＥＬともに、補正値取得角２６を０．５度ステップ（刻み）の角度領域毎に設けている。

また、図３のビーム走査角の軌跡２７は、信号処理部１１の出力したビーム走査方向１７の走査軌跡における、ＡＺ、ＥＬの角度（度）を示している。ビーム走査角の軌跡２７は、図３において、例えば、（ＡＺ、ＥＬ）＝（０．２５、０．２５）から走査を開始し、（ＡＺ、ＥＬ）＝（１．２５、１．０）で走査を終了している。また、開始時点では、符号２８に示す正方形の角度領域１内にビーム走査方向１７はある。その後、符号２９に示す正方形の角度領域２内へビーム走査方向１７が移行し、終了時には、符号３０に示す正方形の角度領域３内にビーム走査方向１７は移動している。

ここで、角度領域１はＡＺが０．２５以上０．７５未満、ＥＬが０．２５以上０．７５未満の領域である。この角度領域１内に、ビーム走査方向１７のビーム走査角がある場合には、ビーム走査角分離部１６により、補正値取得角２６は（ＡＺ，ＥＬ）＝（０．５，０．５）で選択され、この補正値取得角２６を移相器ビーム指向方向１８とする。このときビーム走査角分離部１６は、予め取得している移相器ビーム指向方向１８へビーム指向させるためのビーム指示方向を、移相器用ビーム指示方向２０として与える。

次に、角度領域２はＡＺが０．７５以上１．２５未満、ＥＬが０．２５以上０．７５未満の領域である。この角度領域２内に、ビーム走査方向１７のビーム走査角がある場合には、ビーム走査角分離部１６により、補正値取得角２６は（ＡＺ，ＥＬ）＝（１，０．５）で選択され、この補正値取得角２６を移相器ビーム指向方向１８とする。このときビーム走査角分離部１６は、予め取得している移相器ビーム指向方向１８へビーム指向させるためのビーム指示方向を、移相器用ビーム指示方向２０として与える。

次に、角度領域３はＡＺが０．７５以上１．２５未満、ＥＬが０．７５以上１．２５未満の領域である。この角度領域３内に、ビーム走査方向１７のビーム走査角がある場合には、ビーム走査角分離部１６により、補正値取得角２６は（ＡＺ，ＥＬ）＝（１，１）で選択され、この補正値取得角２６を移相器ビーム指向方向１８とする。このときビーム走査角分離部１６は、予め取得している移相器ビーム指向方向１８へビーム指向させるためのビーム指示方向を、移相器用ビーム指示方向２０として与える。

これは、ビーム走査角１７に対する補正値取得角２６の関係を示す一例であり、ビーム走査の覆域内のビーム走査角１７に対して、予め任意の角度毎に取得した補正値取得角２６が割り当てられることを示しており、他の方法でも同じである。

次に、図２に示すアンテナ装置のアンテナ面の斜視図を用いて、前述の移相器設定位相演算部１９における移相器用設定位相２１を演算する数値処理を説明する。図２において、移相器用ビーム指示方向２０は、所定の原点Ｏから見たときの方向ベクトルが、ｄ_ｒｅａｌで与えられている。移相器設定位相演算部１９は、移相器用ビーム指示方向２０が入力されると、ｍ（ｍは整数）番目の素子アンテナ１に接続される移相器２に対して、ビーム指示角φ_ｍ与える移相器用設定位相２１を設定する。この移相器用設定位相２１の設定を、ｍ＝１からＮ（Ｎは全素子アンテナ１の数）までの全ての移相器２に対して行う。ここで、移相器設定位相演算部１９の演算する移相器用設定位相２１は、数５に示す数値処理によってビーム指示角φ_ｍが与えられる。

以上説明した通り、実施の形態１によるフェーズドアレイアンテナ装置は、垂直方向及び水平方向の少なくとも４象限に分割されたサブアレーアンテナにそれぞれ設けられる複数の素子アンテナ１と、上記素子アンテナ１にそれぞれ接続された複数の移相器２と、上記素子アンテナ１及び移相器２からなる各サブアレーアンテナにそれぞれ接続された合成分配器４と、上記各合成分配器４に接続され、上記サブアレーアンテナ毎に合成された受信波の受信信号を得る受信機６と、上記受信機６に接続され、所望のビーム走査方向と上記移相器２のビーム指向方向から複素ウェイトを求め、上記サブアレーアンテナ毎の受信信号について、上記複素ウェイトを乗算して、和信号、垂直方向の差信号及び水平方向の差信号を求めるディジタルモノパルスコンパレータ９と、上記ディジタルモノパルスコンパレータ９から得られる和信号、垂直方向の差信号及び水平方向の差信号からモノパルス測角を行い、所望のビーム走査方向と受信波の方向との誤差角を補正したビーム走査方向を求め、当該補正したビーム走査方向を新たに上記所望のビーム走査方向として上記ディジタルモノパルスコンパレータ９に出力する信号処理部１１と、予め区分けされた角度領域毎に対応するビーム指示角が設定され、上記信号処理部１１により求められた補正したビーム走査方向を取得し、当該補正したビーム走査方向を領域内に存在する、上記角度領域に対応した上記移相器２のビーム指向方向を選択し、当該選択した移相器２のビーム指向方向を与えるビーム指示角を元に、上記移相器２の位相を設定するビーム制御器１５と、を備えたことを特徴とする。このように、ビーム走査の覆域内に任意の角度毎に補正値取得角２６を設け、移相器ビーム指向方向１８へビーム指向させる移相器用ビーム指示方向２０を予め取得している。このため、この補正値取得角２６へは誤差なくビーム走査することができる。

また、ディジタルモノパルスコンパレータ部９において、ビーム走査方向１７と移相器ビーム指向方向１８の差分について、予め取得している移相器用ビーム指示方向２０によって微小ビーム走査を行う。したがって、アンテナ装置のビーム走査方向１７に対して、ビーム指向誤差を生じることなく、微小ビーム走査を行うことが可能となる。

１素子アンテナ、２移相器、３電波、４合成分配器、６受信機、８信号処理機、９ディジタルモノパルスコンパレータ部、１１信号処理部、１５ビーム制御器、１６ビーム走査方向分離部、１９移相器設定位相演算部、２１移相器用設定位相。

Claims

垂直方向及び水平方向の少なくとも４象限に分割されたサブアレーアンテナにそれぞれ設けられる複数の素子アンテナと、
上記素子アンテナにそれぞれ接続された複数の移相器と、
上記素子アンテナ及び移相器からなる各サブアレーアンテナにそれぞれ接続された合成分配器と、
上記各合成分配器に接続され、上記サブアレーアンテナ毎に合成された受信波の受信信号を得る受信機と、
上記受信機に接続され、所望のビーム走査方向と上記移相器のビーム指向方向から複素ウェイトを求め、上記サブアレーアンテナ毎の受信信号について、上記複素ウェイトを乗算してモノパルス測角を行い、和信号、垂直方向の差信号及び水平方向の差信号を求めるディジタルモノパルスコンパレータと、
上記ディジタルモノパルスコンパレータから得られる和信号、垂直方向の差信号及び水平方向の差信号から、所望のビーム走査方向と受信波の方向との誤差角を補正したビーム走査方向を求め、当該補正したビーム走査方向を新たに上記所望のビーム走査方向として上記ディジタルモノパルスコンパレータに出力する信号処理部と、
予め区分けされた角度領域毎に対応するビーム指示角が設定され、上記信号処理部により求められた補正したビーム走査方向を取得し、当該補正したビーム走査方向を領域内に存在する、上記角度領域に対応した上記移相器のビーム指向方向を選択し、当該選択した移相器のビーム指向方向を与えるビーム指示角を元に、上記移相器の位相を設定するビーム制御器と、
を備えたフェーズドアレーアンテナ装置。