JP5854946B2 - Antenna excitation phase determination method, phase shifter control device, and communication system - Google Patents
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Description
この発明は、フェーズドアレーアンテナの複数の移相器の移相状態を制御することで、当該各移相器にそれぞれ接続された複数の素子アンテナの励振位相を決定するアンテナ励振位相決定方法、移相器制御装置及び通信システムに関するものである。 The present invention provides an antenna excitation phase determination method, a phase shift method for determining excitation phases of a plurality of element antennas connected to each phase shifter by controlling a phase shift state of a plurality of phase shifters of a phased array antenna. The present invention relates to a phase control device and a communication system.
フェーズドアレーアンテナシステム（通信システム）は、複数の素子アンテナ、及び各素子アンテナに接続された移相器を備えたフェーズドアレーアンテナと、通常それら移相器を制御する移相器制御装置とから構成されている。
移相器としてディジタル移相器を用いた場合には、各移相器の移相状態を移相器制御装置によって容易に制御することができ、電子的にアンテナ放射パターンを制御することが可能であるため、衛星通信システムやレーダシステム等のアンテナとして広く使用されている。
A phased array antenna system (communication system) is composed of a plurality of element antennas, a phased array antenna having a phase shifter connected to each element antenna, and a phase shifter control device that normally controls these phase shifters. Has been.
When a digital phase shifter is used as the phase shifter, the phase shift state of each phase shifter can be easily controlled by the phase shifter control device, and the antenna radiation pattern can be controlled electronically. Therefore, it is widely used as an antenna for satellite communication systems and radar systems.
一般に、ディジタル移相器は内部に複数のダイオードを備えており、それら複数のダイオードの動作／非動作状態の組み合わせによって複数の移相状態を実現している。通常、これらダイオードは個体ごとに異なる動作特性を有するため、結果としてディジタル移相器の通過特性は移相状態ごとに異なる特性となる。そして、この移相状態ごとの通過特性のばらつき（以下、通過移相のばらつきを通過移相誤差、挿入損すなわち通過振幅のばらつきを通過振幅誤差と呼ぶ）によってアンテナ放射パターンが所望の特性と異なるものとなり、特性劣化が生じることがある。 In general, a digital phase shifter includes a plurality of diodes therein, and a plurality of phase shift states are realized by a combination of operating / non-operating states of the plurality of diodes. Normally, these diodes have different operating characteristics for each individual, and as a result, the passing characteristics of the digital phase shifter differ depending on the phase shift state. The antenna radiation pattern differs from the desired characteristics due to variations in pass characteristics for each phase shift state (hereinafter referred to as pass phase shift error, insertion loss, ie, pass amplitude error). And deterioration of characteristics may occur.
それに対して、従来から、上記ディジタル移相器の移相状態ごとの通過特性によるアンテナ利得の劣化を低減するアンテナ励振位相を決定する方法について知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に記載の従来技術では、所望の特性を実現する理想的なアナログ値の移相値を微小量ずつオフセットさせながら、オフセットさせた移相値を量子化して決まる移相状態におけるアンテナ利得低下量を通過振幅誤差を考慮して算出し、上記利得低下量が最小となる移相状態をアンテナ励振位相としている。
On the other hand, a method for determining an antenna excitation phase for reducing deterioration of antenna gain due to a pass characteristic for each phase shift state of the digital phase shifter has been known (see, for example, Patent Document 1). In the prior art described in
図１５は特許文献１に記載の従来技術の構成を示すブロック図である。また、図１６は従来技術の動作における移相状態の様子を説明した図である。
従来技術では、図１６（ａ），（ｂ）に示すように、アンテナのメインビームを指向させる方向を指定し、上記指定したビーム指向方向より理想移相値を求める。上記理想移相値に移相オフセット値（初期値は０）を加算し、オフセット理想移相値を求める。その後、オフセット理想移相値を量子化した量子化移相値を求め、量子化に伴う量子化誤差及び上記量子化移相値に対応する移相状態におけるディジタル移相器の挿入損を考慮して利得劣化量を求め、そのときの移相オフセット値と利得劣化量をメモリに記憶する。次に、移相オフセット値を微小量増加させ上記動作を再度実行する。上記動作を移相オフセット値が２π以上となるまで繰り返し実行し、図１６（ｃ）に示すように、最終的にメモリに記憶された利得劣化量が最小の移相オフセット値を抽出する。そして、理想移相値に上記抽出した移相オフセット値を加えた移相値を算出し、その移相値を量子化した移相値を励振位相として出力する。
FIG. 15 is a block diagram showing the configuration of the prior art described in
In the prior art, as shown in FIGS. 16A and 16B, the direction in which the main beam of the antenna is directed is designated, and the ideal phase shift value is obtained from the designated beam directing direction. A phase shift offset value (initial value is 0) is added to the ideal phase shift value to obtain an offset ideal phase shift value. After that, a quantized phase shift value obtained by quantizing the offset ideal phase shift value is obtained, taking into account the quantization error accompanying quantization and the insertion loss of the digital phase shifter in the phase shift state corresponding to the quantized phase shift value. The gain deterioration amount is obtained, and the phase shift offset value and the gain deterioration amount at that time are stored in the memory. Next, the phase shift offset value is increased by a small amount and the above operation is executed again. The above operation is repeatedly executed until the phase shift offset value becomes 2π or more, and finally the phase shift offset value with the minimum gain deterioration amount stored in the memory is extracted as shown in FIG. Then, a phase shift value obtained by adding the extracted phase shift offset value to the ideal phase shift value is calculated, and a phase shift value obtained by quantizing the phase shift value is output as an excitation phase.
上記の従来技術では、ディジタル移相器の移相状態ごとの挿入損のばらつき、すなわち通過振幅誤差のみを考慮して、アンテナ利得劣化が最小となるように移相値を求めている。一方、上記のように一般にディジタル移相器は、通過振幅誤差だけでなく、移相状態ごとに異なる通過移相誤差を有する。そのため、設定した移相値とそれに対応した移相状態における通過移相誤差とを足し合わせた位相値が実際には各素子アンテナに供されることとなる。アンテナ利得は、各素子アンテナ電界の振幅と位相によって決まるため、上記通過振幅誤差だけでなく通過移相誤差によってもアンテナ利得劣化が生じることとなる。そのため、アンテナ利得劣化量をより効率的に改善するには、移相器の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差を同時に考慮して励振位相を決定することが必要である。
しかしながら、上記従来技術においては通過振幅誤差のみを考慮し、通過移相誤差を無視しているため、従来技術によって決定した励振位相では、必ずしもアンテナ利得劣化量が最小になるとは限らないという課題があった。
In the above prior art, the phase shift value is obtained so as to minimize the antenna gain degradation in consideration of only the insertion loss variation in each phase shift state of the digital phase shifter, that is, the passing amplitude error. On the other hand, in general, a digital phase shifter has not only a pass amplitude error but also a different pass phase error for each phase shift state as described above. Therefore, a phase value obtained by adding the set phase shift value and the passing phase shift error in the corresponding phase shift state is actually provided to each element antenna. Since the antenna gain is determined by the amplitude and phase of each element antenna electric field, the antenna gain deterioration is caused not only by the passing amplitude error but also by the passing phase shift error. Therefore, in order to improve the antenna gain deterioration amount more efficiently, it is necessary to determine the excitation phase in consideration of the pass amplitude error and the pass phase shift error for each phase shift state of the phase shifter at the same time.
However, in the above prior art, only the passing amplitude error is considered and the passing phase shift error is ignored. Therefore, there is a problem that the antenna gain deterioration amount is not necessarily minimized in the excitation phase determined by the prior art. there were.
また、フェーズドアレーアンテナを搭載した通信システムにおいて、ビーム指向方向とは別な方向に同一周波数を利用する他の通信システム等が存在する場合を考えると、他のシステムから到来する電波は自システムにとっては、干渉成分となる。そのため、効率よく通信を行うには、他の通信システム方向からの干渉成分を抑圧する必要がある。これは、他の通信システム方向へのアンテナ利得を低くする、つまりフェーズドアレーアンテナの放射パターンのヌルを当該方向へ向けることで実現可能である。このフェーズドアレーアンテナの放射パターンのヌルは、各素子アンテナ電界の振幅誤差、位相誤差によって大きく変化するため、ディジタル移相器が通過振幅誤差と通過移相誤差を有する場合、他の通信システム方向に形成したヌルのアンテナ利得（以下、ヌルの深さ）は所望の値から劣化する。そのため、所望のヌルの深さを実現するには、移相器の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差を同時に考慮して励振位相を決定することが必要となる。
しかしながら、上記従来技術においては、ビーム指向方向におけるアンテナ利得劣化量を最小とする励振位相を求めることのみに着目しているため、フェーズドアレーアンテナの放射パターンのヌルの深さを改善することができないという課題があった。
In addition, in a communication system equipped with a phased array antenna, when there are other communication systems that use the same frequency in a direction different from the beam directing direction, radio waves coming from other systems are Becomes an interference component. Therefore, in order to communicate efficiently, it is necessary to suppress interference components from other communication system directions. This can be realized by reducing the antenna gain in the direction of the other communication system, that is, by directing the null of the radiation pattern of the phased array antenna in that direction. Since the null of the radiation pattern of this phased array antenna varies greatly depending on the amplitude error and phase error of the electric field of each element antenna, if the digital phase shifter has a passing amplitude error and a passing phase shift error, it will be in the direction of other communication systems. The antenna gain (hereinafter, null depth) of the formed null deteriorates from a desired value. Therefore, in order to realize a desired null depth, it is necessary to determine the excitation phase in consideration of the pass amplitude error and the pass phase shift error for each phase shift state of the phase shifter at the same time.
However, the above prior art focuses only on obtaining the excitation phase that minimizes the amount of antenna gain degradation in the beam directing direction, so the null depth of the radiation pattern of the phased array antenna cannot be improved. There was a problem.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、移相器の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差を同時に考慮し、アンテナ利得劣化の改善やヌルの深さの改善等所望のフェーズドアレーアンテナの放射パターンを高精度に実現する励振位相を決定するアンテナ励振位相決定方法、移相器制御装置及び通信システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and simultaneously considers the passing amplitude error and the passing phase shift error for each phase shift state of the phase shifter to improve the antenna gain deterioration and null depth. It is an object of the present invention to provide an antenna excitation phase determining method, a phase shifter control device, and a communication system that determine an excitation phase for realizing a radiation pattern of a desired phased array antenna with high accuracy.
この発明に係るアンテナ励振位相決定方法は、フェーズドアレーアンテナの放射パターンに関する所望条件を設定する所望条件設定ステップと、各素子アンテナの放射パターン又は構造を表すパラメータを設定する素子アンテナ情報設定ステップと、各移相器の動作特性に応じて生じる移相状態ごとの通過振幅誤差及び通過移相誤差を設定する移相器誤差設定ステップと、所望条件設定ステップ、素子アンテナ情報設定ステップ及び移相器誤差設定ステップにおいて設定した各情報に基づく評価関数を用い、各移相器に対して設定された設定移相から評価関数値を算出する評価関数値算出ステップと、評価関数値算出ステップにおいて算出した評価関数値を、対応する設定移相とともに記憶する記憶ステップと、各移相器の設定移相を所定量だけ変化させながら、評価関数値算出ステップ及び記憶ステップにおける処理を所定回数繰り返し実行させる繰り返し処理ステップと、繰り返し処理ステップにおける処理の後、記憶ステップにおいて記憶した複数の評価関数値のうち最小の評価関数値を選出し、当該最小の評価関数値に対応する設定移相を各素子アンテナの励振位相とするアンテナ励振位相設定ステップとを有するものである。 The antenna excitation phase determination method according to the present invention includes a desired condition setting step for setting a desired condition regarding the radiation pattern of the phased array antenna, an element antenna information setting step for setting a parameter representing the radiation pattern or structure of each element antenna, A phase shifter error setting step for setting a pass amplitude error and a pass phase shift error for each phase shift state generated according to the operating characteristics of each phase shifter, a desired condition setting step, an element antenna information setting step, and a phase shifter error Using the evaluation function based on each information set in the setting step, the evaluation function value calculating step for calculating the evaluation function value from the setting phase shift set for each phase shifter, and the evaluation calculated in the evaluation function value calculating step A storage step for storing the function value together with the corresponding set phase shift, and the set phase shift of each phase shifter by a predetermined amount The evaluation function value calculation step and the storage step are repeatedly executed a predetermined number of times, and the minimum evaluation function among the plurality of evaluation function values stored in the storage step after the processing in the repetition processing step. An antenna excitation phase setting step that selects a value and sets a set phase shift corresponding to the minimum evaluation function value as an excitation phase of each element antenna.
この発明によれば、上記のように構成したので、移相器の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差を同時に考慮し、アンテナ利得劣化の改善やヌルの深さの改善等所望のフェーズドアレーアンテナの放射パターンを高精度に実現することができる。 According to the present invention, since it is configured as described above, it is possible to take into consideration the pass amplitude error and the pass phase shift error for each phase shift state of the phase shifter at the same time, and to improve the antenna gain deterioration and the null depth. The radiation pattern of the phased array antenna can be realized with high accuracy.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る通信システムの構成を示す図である。
通信システムは、図１に示すように、フェーズドアレーアンテナ１及び移相器制御装置２から構成されている。なお、ここでいう通信システムとは、音声、データなどの通信を行うシステムに限らず、レーダシステムなど、電波を通じて情報を伝達するあらゆるシステムを含むものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 is a diagram showing a configuration of a communication system according to
The communication system includes a phased
フェーズドアレーアンテナ１は、図１に示すように、送信機３、分配器４、複数の移相器５−１〜５−Ｎ及び複数の素子アンテナ６−１〜６−Ｎから構成されている。なお、各移相器５−１〜５−Ｎ、及び各移相器５−１〜５−Ｎにそれぞれ接続された各素子アンテナ６−１〜６−Ｎについて、特に区別する必要がない場合には、以降まとめて移相器５及び素子アンテナ６と表記する。また、図１ではフェーズドアレーアンテナ１が送信系である場合について示しているが、送信機３を受信機に置き換えて受信系とした場合においても、以下に説明する動作は同様である。
As shown in FIG. 1, the phased
送信機３は、フェーズドアレーアンテナ１にて送信する信号を分配器４に出力するものである。
分配器４は、送信機３から出力された信号の電力を複数に分配するものである。この分配器４により分配された各信号は各移相器５に出力される。
The
The
移相器５は、分配器４から出力された信号の位相を変化させるものである。この移相器５により位相が変化された信号は素子アンテナ６に出力される。
素子アンテナ６は、移相器５から出力された信号を電波として外部に送信するものである。
The
The
一方、移相器制御装置２は、移相器５の移相状態を制御することで各素子アンテナ６を励振する位相値（励振位相）を決定し、所望のフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンを実現するものである。
On the other hand, the phase
次に、移相器制御装置２の構成について、図２を参照しながら説明する。
移相器制御装置２は、図２に示すように、所望条件設定部２０１、素子アンテナ情報設定部２０２、移相器誤差設定部２０３、励振位相算出部２０４及び移相器制御信号出力部２０５から構成されている。
Next, the configuration of the phase
As shown in FIG. 2, the phase
所望条件設定部２０１は、所望のフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンに関する所望条件を設定するものである。
素子アンテナ情報設定部２０２は、フェーズドアレーアンテナ１の放射パターンを評価するために必要となる素子アンテナ６に関する情報（素子アンテナ６の放射パターンや構造を表すパラメータ）を設定するものである。
移相器誤差設定部２０３は、制御する各移相器５の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差を設定するものである。
The desired
The element antenna
The phase shifter
励振位相算出部２０４は、所望条件設定部２０１、素子アンテナ情報設定部２０２及び移相器誤差設定部２０３により設定された各情報に基づいて、各素子アンテナ６の励振位相を算出するものである。この励振位相算出部２０４の詳細構成については後述する。
移相器制御信号出力部２０５は、励振位相算出部２０４により算出された励振位相に対応して各移相器５を制御するための所定の制御信号を生成し、当該各移相器５に出力するものである。
The excitation
The phase shifter control
次に、励振位相算出部２０４の詳細構成について、図３を参照しながら説明する。
励振位相算出部２０４は、図３に示すように、評価関数設定部２０６、評価関数値算出部２０７、記憶部２０８、繰り返し処理部２０９及びアンテナ励振位相設定部２１０から構成されている。
Next, a detailed configuration of the excitation
As shown in FIG. 3, the excitation
評価関数設定部２０６は、所望条件設定部２０１、素子アンテナ情報設定部２０２及び移相器誤差設定部２０３により設定された各情報に基づいて、所望のフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンに近づくほど値が小さくなるような評価関数を設定するものである。
The evaluation
評価関数値算出部２０７は、評価関数設定部２０６により設定された評価関数を用いて、繰り返し処理部２０９により設定された各移相器５の設定移相から、評価関数値を算出するものである。
記憶部２０８は、評価関数値算出部２０７により算出された評価関数値を、対応する設定移相とともに記憶するものである。
The evaluation function
The
繰り返し処理部２０９は、各移相器５の設定移相を所定量だけ変化させながら、評価関数値算出部２０７及び記憶部２０８による処理を所定回数だけ繰り返し実行させるものである。
The
アンテナ励振位相設定部２１０は、繰り返し処理部２０９による処理の後、記憶部２０８に記憶された複数の評価関数値のうち、その大きさが最小の評価関数値を選出し、当該評価関数値に対応する設定移相を各素子アンテナ６の励振位相とするものである。
After the processing by the
次に、上記のように構成された移相器制御装置２の動作について、図４を参照しながら説明する。
移相器制御装置２の動作では、図４に示すように、まず、所望条件設定部２０１は、所望のフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンに関する所望条件として、例えば、所定のメインビーム方向や所定のヌルを形成する方向等の方向に関する情報や、当該方向における所望アンテナ利得等の条件を設定する（ステップＳＴ４０１、所望条件設定ステップ）。ここでは例として、メインビーム方向θ０での所望アンテナ利得Ｇ０、及び複数のヌル形成方向θｉ（ｉ＝１，２，・・・，Ｉ）での所望アンテナ利得Ｇｉを設定する場合を考える。
Next, the operation of the phase
In the operation of the phase
次いで、素子アンテナ情報設定部２０２は、フェーズドアレーアンテナ１の放射パターンを評価するために必要となる各素子アンテナ６に関する情報（以下では、各素子アンテナ６の放射パターン）を設定する（ステップＳＴ４０２、素子アンテナ情報設定ステップ）。この際、例えば、電磁気学的な理論に基づいて素子アンテナ６の構成から解析によって放射パターンを求めてもよいし、外部から放射パターンを入力してもよい。ここで、設定した素子アンテナ６−ｎの電界に関する放射パターンをＥｎ（θ）とおく。
Next, the element antenna
次いで、移相器誤差設定部２０３は、各移相器５の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差を設定する（ステップＳＴ４０３、移相器誤差設定ステップ）。例えば、移相器５としてＮｂビットのディジタル移相器を使用した場合を考えると、２Ｎｂ個だけ移相状態はあり、各移相器５に対して上記移相状態数分だけ通過振幅誤差と通過移相誤差を設定することとなる。ここで、移相器５−ｎの移相状態ｍ（＝０，１，・・・，２Ｎｂ−１）における通過振幅誤差をΔａ（ｎ，ｍ）とおき、通過移相誤差をΔφ（ｎ，ｍ）とおく。
Next, the phase shifter
次いで、評価関数設定部２０６は、所望条件設定部２０１により設定されたフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンに関する所望条件、素子アンテナ情報設定部２０２により設定された各素子アンテナ６に関する情報、及び移相器誤差設定部２０３により設定された各移相器５の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差に基づいて、所望のフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンに近づくほど値が小さくなるような評価関数Ｆを設定する（ステップＳＴ４０４）。評価関数Ｆとしては、例えば下式（１），（２）等が挙げられる。
ここで、Ａｎは素子アンテナ６―ｎの所定の励振振幅を、φｎは移相器５−ｎの設定移相を、ｍはφｎにおける移相器５−ｎの移相状態を、ｗｉはθｉ方向におけるウエイトを示している。そして、当該方向において、所望アンテナ利得より大きなアンテナ利得を得たい場合には正の任意の実数を、所望アンテナ利得より小さなアンテナ利得を得たい場合には負の任意の実数を設定すればよい。 Here, An is a predetermined excitation amplitude of the element antenna 6-n, φn is a set phase shift of the phase shifter 5-n, m is a phase shift state of the phase shifter 5-n at φn, and wi is θi. The weight in the direction is shown. In this direction, an arbitrary positive real number may be set when it is desired to obtain an antenna gain larger than the desired antenna gain, and an arbitrary negative real number may be set when an antenna gain smaller than the desired antenna gain is desired.
次いで、評価関数値算出部２０７は、評価関数設定部２０６により設定された評価関数Ｆを用いて、繰り返し処理部２０９により設定された各移相器５の設定移相から、評価関数値を算出する（ステップＳＴ４０５、評価関数算出ステップ）。この際、繰り返し処理部２０９は、まず初期状態として、移相器５の設定移相φｎをすべて０に設定する。
次いで、記憶部２０８は、評価関数値算出部２０７により算出された評価関数値を、対応する設定移相とともに記憶する（ステップＳＴ４０６、記憶ステップ）。
Next, the evaluation function
Next, the
次いで、繰り返し処理部２０９は、各移相器５の設定移相を所定量だけ変化させながら、評価関数値算出部２０７及び記憶部２０８による処理を所定回数だけ繰り返し実行させる（ステップＳＴ４０７，４０８）。このように、各移相器５の設定移相を変化させながらステップＳＴ４０５，４０６の処理を繰り返すことで、取りうるすべての移相状態の組み合わせだけ評価関数値を算出させ、その際の設定移相とともに記憶する。例えば、移相器５としてＮｂビットのディジタル移相器を使用した場合を考えると、とりうる移相状態数は（２Ｎｂ）Ｎ個となるため、（２Ｎｂ）Ｎ回だけ本動作を実行することとなる。
Next, the
この繰り返し処理部２０９による処理の後、アンテナ励振位相設定部２１０は、記憶部２０８に記憶された複数の評価関数値のうち、その大きさが最小の評価関数値を選出し、当該評価関数値に対応する設定移相を各素子アンテナ６の励振位相とする（ステップＳＴ４０９，４１０、アンテナ励振位相設定ステップ）。
After the processing by the
ここで、５ビットディジタル移相器を備えた５素子フェーズドアレーアンテナに対して、上記アンテナ励振位相決定方法を適用した場合の放射パターンのシミュレーション結果を図５に示す。
図５において、放射パターン５１は本発明の実施の形態１におけるアンテナ励振位相決定方法によって得られたアンテナ励振位相を適用した場合の放射パターンを、放射パターン５２は上記従来技術によって得られたアンテナ励振位相を適用した場合の放射パターンを示す。本例では、０度方向にメインビームを向け、当該方向における利得劣化量をなるべく小さくし、かつ１０度方向にヌルを形成し、当該方向のヌルの深さをできるだけ深くする場合を想定している。
Here, FIG. 5 shows a simulation result of the radiation pattern when the antenna excitation phase determination method is applied to a 5-element phased array antenna having a 5-bit digital phase shifter.
In FIG. 5, a
図５に示すように、０度方向においては、本発明の実施の形態１によって得られる放射パターン５１に比べて、上記従来技術によって得られる放射パターン５２の方が、わずかにアンテナ利得が高くなっていることが確認できる。一方、ヌルを形成する１０度方向においては、本発明の実施の形態１によって得られる放射パターン５１では深いヌルが形成されているが、上記従来技術によって得られる放射パターン５２では当該方向においてサイドローブが形成されヌルが形成されないことが確認できる。
このように、上記従来技術では、先述のように、メインビーム方向のアンテナ利得劣化量を改善することができるが、フェーズドアレーアンテナ１の放射パターンのヌルの深さを改善することができない。それに対して、本発明の実施の形態１では、メインビーム方向のアンテナ利得劣化量及びフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンのヌルの深さを同時に改善することが可能であることが確認できる。
As shown in FIG. 5, in the direction of 0 degree, the antenna pattern is slightly higher in the
As described above, in the conventional technique, as described above, the antenna gain deterioration amount in the main beam direction can be improved, but the null depth of the radiation pattern of the phased
以上のように、この実施の形態１によれば、移相器５の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差を同時に考慮し、アンテナ利得劣化の改善やヌルの深さの改善等、所望のフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンを高精度に実現するアンテナ励振位相を決定することが可能となる。
As described above, according to the first embodiment, the pass amplitude error and the pass phase shift error for each phase shift state of the
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２における励振位相算出部２０４の構成を示す図である。図６に示す実施の形態２に係る励振位相算出部２０４は、図３に示す実施の形態１に係る励振位相算出部２０４から繰り返し処理部２０９及びアンテナ励振位相設定部２１０を削除し、理想移相値設定部２１１、初期値設定部２１２、第１〜３の繰り返し処理部２１３，２１５，２１８、暫定解設定部２１４、励振位相候補設定部２１６、オフセット部２１７及びアンテナ励振位相設定部２１９を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the excitation
理想移相値設定部２１１は、所望条件設定部２０１により設定された所望条件を満たす理想的なアナログ値の理想移相値を設定するものである。
The ideal phase shift
初期値設定部２１２は、移相器誤差設定部２０３により設定された移相器５の移相状態ごとの通過移相誤差を考慮して、素子アンテナ６に供される位相値が理想移相値設定部２１１により設定された理想移相値に最近となる設定移相を算出し、暫定解の初期値とするものである。
The initial
第１の繰り返し処理部２１３は、初期値設定部２１２又は暫定解設定部２１４により設定された最新の暫定解のうち、所定の移相器５に対する設定移相を所定範囲内で逐次変更し、評価関数値算出部２０７及び記憶部２０８による処理を実行させるものである。
The first
暫定解設定部２１４は、第１の繰り返し処理部２１３による処理の後、記憶部２０８に記憶された複数の評価関数値のうち、その大きさが最小の評価関数値を選出し、当該評価関数値に対応した設定移相を暫定解とするものである。
After the processing by the first
第２の繰り返し処理部２１５は、移相値を変更する移相器５を順次変更させながら、第１の繰り返し処理部２１３及び暫定解設定部２１４による処理を所定回数だけ繰り返し実行させるものである。
The second
励振位相候補設定部２１６は、第２の繰り返し処理部２１５による処理の後、暫定解設定部２１４により最終的に得られた暫定解を励振位相候補とするものである。
The excitation phase
オフセット部２１７は、第２の繰り返し処理部２１５による処理の後、理想移相値設定部２１１により設定された理想移相値を所定のオフセット量だけオフセットさせて新たな理想移相値とするものである。
The offset
第３の繰り返し処理部２１８は、オフセット部２１７によるオフセット総量が２π以上となるまで、初期値設定部２１２からオフセット部２１７までの処理を繰り返し実行させるものである。
The third
アンテナ励振位相設定部２１９は、第３の繰り返し処理部２１８による処理の後、励振位相候補設定部２１６により設定された複数の励振位相候補のうち、対応する評価関数値が最小である励振位相候補を各素子アンテナ６の励振位相とするものである。
The antenna excitation
次に、上記のように構成された励振位相算出部２０４を有する移相器制御装置２の動作について、図７，８を参照しながら説明する。なお、図８は本発明の実施の形態２の以下に述べる各手順における移相状態の様子を説明した図である。また、ステップＳＴ７０１〜７０３，７０５における処理は、図４のステップＳＴ４０１〜４０４における処理と同様であるため、その説明を省略する。
Next, the operation of the phase
移相器制御装置２の動作では、図７に示すように、ステップＳＴ７０１〜７０３における処理の後、理想移相値設定部２１１は、所望条件設定部２０１により設定された所望条件を満たす理想的なアナログ値の理想移相値を設定する（ステップＳＴ７０４、理想移相値設定ステップ）。すなわち、移相器５−ｎの各移相状態における通過振幅誤差Δａ（ｎ，ｍ）及び通過移相誤差Δφ（ｎ，ｍ）がすべて０であると仮定したときに、所望条件を実現する各素子アンテナ６―ｎを励振する理想移相値φ０ｎ及び素子アンテナ６の励振振幅Ａｎを設定する。この際、例えば、外部からこれらの情報を入力してもよいし、式（１）又は式（２），（３）に示した評価関数において、移相器５−ｎの各移相状態における通過振幅誤差Δａ（ｎ，ｍ）及び通過移相誤差Δφ（ｎ，ｍ）を０とした評価関数Ｆを最小とする励振振幅及び設定移相を、最急降下法や共役勾配法等の最適化手法を用いて算出し、これら算出した結果を理想移相値φ０ｎ及び励振振幅Ａｎとしてもよい。
In the operation of the phase
次いで、ステップＳＴ７０５における処理の後、初期値設定部２１２は、図８（ａ）に示すように、移相器誤差設定部２０３により設定された移相器５の移相状態ごとの通過移相誤差を考慮して、素子アンテナ６に供される位相値が理想移相値設定部２１１により設定された理想移相値に最近となる設定移相（ベストフィット設定移相）を算出し、暫定解の初期値とする（ステップＳＴ７０６、初期値設定ステップ）。つまり、下式（４）が最小となるような設定移相φｎを求める。
次いで、第１の繰り返し処理部２１３は、図８（ｂ）に示すように、暫定解のうち所定の移相器５に対する移相値を所定範囲内で逐次変更し、評価関数値算出部２０７及び記憶部２０８による処理を実行させる（ステップＳＴ７０７〜７０９、第１の繰り返しステップ）。例えば、初期値設定部２１２により算出された暫定解の初期値のうち移相器５−１に対する移相値を所定の移相範囲内で逐次所定量だけ変化させ、評価関数値算出部２０７による評価関数値の算出、記憶部２０８による評価関数値及び対応する設定移相φｎの記憶を実行させる。ここで、移相器５としてディジタル移相器を用いた場合には、全移相状態つまり２πの範囲内でディジタル移相器の移相分解能ずつ変化させてもよいし、移相器誤差設定部２０３により設定された移相器５の全移相状態における通過移相誤差の大きさの最大値をΔφｍａxとして、±Δφｍａxの範囲内でディジタル移相器の移相分解能ずつ変化させてもよい。
Next, as shown in FIG. 8B, the first
この第１の繰り返し処理部２１３による処理の後、暫定解設定部２１４は、記憶部２０８に記憶された複数の評価関数値のうち、その大きさが最小の評価関数値を選出し、当該評価関数値に対応した設定移相を暫定解とする（ステップＳＴ７１０、暫定解設定ステップ）。
After the processing by the first
次いで、第２の繰り返し処理部２１５は、移相値を変更する移相器５（移相器５−ｎ（ｎは１以外））を順次変更させながら、第１の繰り返し処理部２１３及び暫定解設定部２１４による処理を所定回数だけ繰り返し実行させる（ステップＳＴ７１１，７１２、第２の繰り返し処理ステップ）。なおこの際、第１の繰り返し処理部２１３は、暫定解設定部２１４により設定された暫定解のうち所定の移相器５に対する移相値を所定範囲内で逐次変更する。
Next, the second
この第２の繰り返し処理部２１５による処理の後、励振位相候補設定部２１６は、図８（ｃ）に示すように、最終的に得られた暫定解を励振位相候補とし、対応する評価関数値とともに記憶する（ステップＳＴ７１３、励振位相候補設定ステップ）。
After the processing by the second
次いで、オフセット部２１７は、図８（ｄ）に示すように、理想移相値設定部２１１により設定された理想移相値φ０ｎを所定のオフセット量だけオフセットさせて新たな理想移相値φ０ｎとする（ステップＳＴ７１４、オフセットステップ）。この際、オフセット量はその大きさが２π未満の任意の実数であればよく、例えば、移相器５としてディジタル移相器を用いた場合には、オフセット量はディジタル移相器の移相分解能と同一の値としてもよい。
Next, as shown in FIG. 8D, the offset
次いで、第３の繰り返し処理部２１８は、オフセット部２１７によるオフセット総量が２π以上となるまで、初期値設定部２１２からオフセット部２１７までの処理を繰り返し実行させる（ステップＳＴ７１５、第３の繰り返し処理ステップ）。
Next, the third
この第３の繰り返し処理部２１８による処理の後、アンテナ励振位相設定部２１９は、図８（ｅ）に示すように、励振位相候補設定部２１６により設定された複数の励振位相候補のうち、対応する評価関数値が最小である励振位相候補を各素子アンテナ６の励振位相とする（ステップＳＴ７１６、アンテナ励振位相設定ステップ）。
After the processing by the third
以上のように、この実施の形態２によれば、移相器５の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差を同時に考慮し、アンテナ利得劣化の改善やヌルの深さの改善等所望のフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンを高精度に実現するアンテナ励振位相を決定することが可能となる。
また、理想移相値に最近となる設定移相を初期値として、その周辺に対して評価関数を評価して最適なアンテナ励振位相を求めるため、実施の形態１に比べて少ない計算量で励振位相を決定することが可能となる。
As described above, according to the second embodiment, the pass amplitude error and the pass phase shift error for each phase shift state of the
In addition, since the set phase shift that is most recent to the ideal phase shift value is set as an initial value and the evaluation function is evaluated for the periphery thereof to obtain the optimum antenna excitation phase, excitation is performed with a smaller amount of calculation than in the first embodiment. It becomes possible to determine the phase.
実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３における励振位相算出部２０４の構成を示す図である。図９に示す実施の形態３における励振位相算出部２０４は、図６に示す実施の形態２における励振位相算出部２０４から励振位相候補設定部２１６を削除し、ランダム選択部２２０、ランダム変更部２２１、比較部２２２、更新条件判断部２２３、第４，５の繰り返し処理部２２４，２２５及び励振位相候補設定部２２６を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the excitation
ランダム選択部２２０は、第２の繰り返し処理部２１５による処理の後、設定移相を変更する移相器５をランダムに選択するものである。
The
ランダム変更部２２１は、ランダム選択部２２０により選択された移相器５の設定移相を所定の位相範囲内でランダムに変更し、評価関数値算出部２０７による処理を実行させるものである。
The
比較部２２２は、ランダム変更部２２１により得られた評価関数値と暫定解設定部２１４により設定された暫定解とを比較するものである。ここで、新たに得られた評価関数値が暫定値に比べて小さければ当該評価関数値を新たな暫定値として、対応する設定移相を暫定解として記憶する。
The
更新条件判断部２２３は、比較部２２２により新たに得られた評価関数値が暫定値以上であると判断された場合において、所定の更新条件を満たしているかを判断するものである。ここで、所定の更新条件を満たしていると判断した場合には、当該評価関数値を新たな暫定値として、対応する設定移相を暫定解として記憶する。また、更新条件判断部２２３は、第４の繰り返し処理部２２４による処理の後、更新条件を更新する。
The update
第４の繰り返し処理部２２４は、ランダム選択部２２０から更新条件判断部２２３までの処理を所定回数だけ繰り返し実行させるものである。
The fourth
第５の繰り返し処理部２２５は、所定の終了条件を満たすまで、第４の繰り返し処理部２２４による処理及び更新条件判断部２２３による更新処理を繰り返し実行させるものである。
The fifth
励振位相候補設定部２２６は、第５の繰り返し処理部２２５による処理の後、暫定解設定部２１４、比較部２２２又は更新条件判断部２２３において設定された最終的な複数の暫定解のうち、対応する評価関数値が最小である暫定解を励振位相候補とするものである。
The excitation phase
次に、上記のように構成された励振位相算出部２０４を有する移相器制御装置２の動作について、図１０，１１を参照しながら説明する。なお、図１１は本発明の実施の形態３の以下に述べる各手順における移相状態の様子を説明した図である。
また、ステップＳＴ１００１〜１０１２における処理は、図７のステップＳＴ７０１〜７１２における処理と同様であり、その説明を省略する。
Next, the operation of the phase
Moreover, the process in step ST1001-1012 is the same as the process in step ST701-712 of FIG. 7, The description is abbreviate | omitted.
移相器制御装置２の動作では、図１０に示すように、ステップＳＴ１０１２の処理の後、ランダム選択部２２０は、設定移相を変更する移相器５をランダムに選択する（ステップＳＴ１０１３、ランダム選択ステップ）。ここでは、移相器５−ｎｒが選択されたものとする。
In the operation of the phase
次いで、ランダム変更部２２１は、図１１（ｄ）に示すように、ランダム選択部２２０により選択された移相器５−ｎｒの設定移相を所定の位相範囲内でランダムに変更し、評価関数値算出部２０７による処理を実行させる（ステップＳＴ１０１４，１０１５、ランダム変更ステップ）。ここで、例えば、移相器５としてディジタル移相器を用いた場合には、全移相状態つまり２πの範囲内でランダムに変更してもよいし、移相器誤差設定部２０３により設定された移相器５の全移相状態における通過移相誤差の大きさの最大値をΔφｍａxとして、±Δφｍａxの範囲内でランダムに変更してもよい。
Next, the random changing
次いで、比較部２２２は、ランダム変更部２２１により得られた評価関数値と暫定解設定部２１４により設定された暫定解とを比較し、新たに得られた評価関数値が暫定値に比べて小さいかを判断する（ステップＳＴ１０１６）。
このステップＳＴ１０１６において、比較部２２２は、新たに得られた評価関数値が暫定値に比べて小さいと判断した場合には、当該評価関数値を新たな暫定値として、対応する設定移相を暫定解として記憶する（ステップＳＴ１０１７）。その後、シーケンスは、ステップＳＴ１０１３に戻る。
なお、ステップＳＴ１０１６，１０１７は本発明の比較ステップに相当する。
Next, the
In this step ST1016, when the
Steps ST1016 and 1017 correspond to the comparison step of the present invention.
一方、ステップＳＴ１０１７において、比較部２２２が新たに算出された評価関数値が暫定値に比べて大きいと判断した場合には、更新条件判断部２２３は、所定の更新条件を満たしているかを判断する（ステップＳＴ１０１８）。ここで、上記所定の更新条件は、例えば焼きなまし法のように、「区間［０，１］から実数ｘをランダムに選び、ｘ＜ｅｘｐ（−ΔＦ／Ｔ）であれば暫定値及び暫定解を更新する」ようにしてもよいし、単純に「ΔＦが所定の実数定数ｙ以下であれば暫定値及び暫定解を更新する」としてもよい。なお、ΔＦは算出した評価関数と暫定値との差の大きさを表し、Ｔは焼きなまし法において用いる温度を表す。
このステップＳＴ１０１８において、更新条件判断部２２３は、所定の更新条件を満たしていると判断した場合には、当該評価関数値を新たな暫定値として、対応する設定移相を暫定解として記憶する（ステップＳＴ１０１７）。その後、シーケンスは、ステップＳＴ１０１３に戻る。
なお、ステップＳＴ１０１８，１０１７は本発明の更新条件判断ステップに相当する。
On the other hand, in step ST1017, when the
In step ST1018, when the update
Steps ST1018 and 1017 correspond to the update condition determination step of the present invention.
次いで、第４の繰り返し処理部２２４は、ランダム選択部２２０から更新条件判断部２２３までの処理を所定回数だけ繰り返し実行させる（ステップＳＴ１０１９、第４の繰り返し処理ステップ）。
Next, the fourth
この第４の繰り返し処理部２２４による処理の後、更新条件判断部２２３は更新条件を変更する（ステップＳＴ１０２０、更新条件変更ステップ）。ここで、上記更新条件の変更の仕方は、例えば焼きなまし法のように、温度Ｔを微小量小さくしてもよいし、単純に所定の実数定数ｙを微小量だけ小さくしてもよい。
After the process by the fourth
次いで、第５の繰り返し処理部２２５は、所定の終了条件を満たすまで、第４の繰り返し処理部２２４による処理及び更新条件判定部２２３による更新処理を繰り返し実行させる（ステップＳＴ１０２１、第５の繰り返し処理ステップ）。ここで、終了条件としては、例えば、「所定の回数だけ第４の繰り返し処理部による処理及び更新条件判定部２２３による更新処理を実行すれば終了する」としてもよいし、「第４の繰り返し処理部による処理の後に得られる暫定値の変化が所定の微小量以下となれば終了する」としてもよい。
Next, the fifth
この第５の繰り返し処理部２２５による処理の後、励振位相候補設定部２２６は、図１１（ｅ）に示すように、暫定解設定部２１４、比較部２２２又は更新条件判断部２２３において設定された最終的な複数の暫定解のうち、対応する評価関数値が最小である暫定解を励振位相候補とする（ステップＳＴ１０２２、励振位相候補設定ステップ）。
その後のステップＳＴ１０２３〜１０２５における処理は、図７のステップＳＴ７１４〜７１６における処理と同様であり、その説明を省略する。
After the processing by the fifth
The subsequent processing in steps ST1023 to 1025 is the same as the processing in steps ST714 to 716 in FIG.
以上のように、この実施の形態３によれば、移相器５の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差を同時に考慮し、アンテナ利得劣化の改善やヌルの深さの改善等所望のフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンを高精度に実現するアンテナ励振位相を決定することが可能となる。
また、上記手順で述べたように、理想移相値に最近となる設定移相を初期値として、その周辺に対して評価関数値を評価して最適な設定移相を求めた後、さらにランダムに設定移相を変更し、評価関数値が改悪となる場合にも解を更新するような処理を施すため、局所的な最適解に捕捉されることが低減でき、本発明の実施の形態１に比べて計算量が少なく、かつ本発明の実施の形態２に比べてよりよいアンテナ励振位相を決定することが可能となる。
As described above, according to the third embodiment, the pass amplitude error and the pass phase shift error for each phase shift state of the
In addition, as described in the above procedure, after setting the most recent set phase shift to the ideal phase shift value as an initial value, evaluating the evaluation function value for the surrounding area to obtain the optimal set phase shift, Since the processing is performed to update the solution even when the set phase shift is changed and the evaluation function value is deteriorated, it is possible to reduce the trapping by the local optimum solution, and
実施の形態４．
図１２はこの発明の実施の形態４における励振位相算出部２０４の構成を示す図である。図１２に示す実施の形態４における励振位相算出部２０４は、図３に示す実施の形態１における励振位相算出部２０４から評価関数値算出部２０７、記憶部２０８、繰り返し処理部２０９及びアンテナ励振位相設定部２１０を削除し、最適化変数設定部２２７、最適化部２２８及びアンテナ励振位相設定部２２９を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
なお、実施の形態４は、移相器５としてディジタル移相器を使用した場合のアンテナ励振位相を決定する方法に関するものである。
FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the excitation
最適化変数設定部２２７は、各ディジタル移相器の移相状態を表すバイナリ値の数列を所定の最適化変数に設定するものである。
The optimization
最適化部２２８は、評価関数設定部２０６により設定された評価関数を用いて、最適化変数設定部２２７により設定された最適化変数から評価関数値を算出し、所定の組み合わせ最適化手法によって当該評価関数値を最小とする最適化変数を得るものである。
The
アンテナ励振位相設定部２２９は、最適化部２２８により得られたバイナリ値の最適化変数に基づいて算出した移相値を各素子アンテナ６の励振位相とするものである。
The antenna excitation
次に、上記のように構成された励振位相算出部２０４を有する移相器制御装置２の動作について、図１３を参照しながら説明する。なお、ステップＳＴ１３０１〜１３０４における処理は、図４のステップＳＴ４０１〜４０４における処理と同様であり、その説明を省略する。
Next, the operation of the phase
移相器制御装置２の動作では、図１３に示すように、ステップＳＴ１３０４における処理の後、最適化変数設定部２２７は、各移相器（ディジタル移相器）５の設定移相を下式（５）によって設定し、各移相器５の移相状態を示すバイナリ値ｂｎｍ＝｛０、１｝（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ，ｍ＝１，２，３,・・・, Ｍ，Ｍはディジタル移相器のビット数）を以下に示す手順における最適化変数に設定する（ステップＳＴ１３０５、最適化変数設定ステップ）。
次いで、最適化部２２８は、評価関数設定部２０６により設定された評価関数Ｆ及び式（５）を用いて、最適化変数設定部２２７により設定された最適化変数から評価関数値を算出し、所定の組み合わせ最適化手法によって当該評価関数値を最小とする最適化変数を得る（ステップＳＴ１３０６、最適化ステップ）。ここで、組み合わせ最適化手法としては、全ての組み合わせを総当たりで評価する方法や、焼きなまし法等の局所探索法や、遺伝的アルゴリズムや粒子群最適化手法等がある。
Next, the
次いで、アンテナ励振位相設定部２２９は、式（５）を用いて、最適化部２２８により得られたバイナリ値の最適化変数から算出した移相値を各素子アンテナ６の励振位相とする（ステップＳＴ１３０７、アンテナ励振位相設定ステップ）。
Next, the antenna excitation
以上のように、この実施の形態４によれば、移相器５としてディジタル移相器を用いた場合、ディジタル移相器の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差を同時に考慮し、アンテナ利得劣化の改善やヌルの深さの改善等所望のフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンを高精度に実現するアンテナ励振位相を効率的に決定することが可能となる。
As described above, according to the fourth embodiment, when a digital phase shifter is used as the
実施の形態５．
図１４はこの発明の実施の形態５に係る通信システムの構成を示す図である。図１４に示す実施の形態５に係る通信システムは、図１に示す実施の形態１に係る通信システムに送信機７、測定用アンテナ８、移相器誤差測定装置９を追加し、フェーズドアレーアンテナ１に受信機１０を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a communication system according to
送信機７は、測定用アンテナ８にて送信する高周波信号を出力するものである。 The transmitter 7 outputs a high-frequency signal transmitted by the measurement antenna 8.
測定用アンテナ８は、フェーズドアレーアンテナ１に対して所定の位置に設置され、送信機７から出力された高周波信号を電波として外部に送信するものである。
The measurement antenna 8 is installed at a predetermined position with respect to the phased
受信機１０は、測定用アンテナ８及びフェーズドアレーアンテナ１（素子アンテナ６）を介して送信機７からの高周波信号を受信するものである。
The
移相器誤差測定装置９は、各移相器５の移相値を所定の手順に従って制御し、当該各移相器５を制御している間に受信機１０により受信された高周波信号に基づいて、各移相器５の通過振幅誤差及び通過移相誤差を測定するものである。
The phase shifter
なお、ここでは、移相器誤差測定装置９が移相器５を制御する手段を備える場合を考えているが、移相器制御装置２に所定の移相器誤差測定用の励振位相に関する情報を送り、この移相器制御装置２によって移相器５を制御させてもよい。
また、各移相器５の通過振幅誤差及び通過移相誤差を測定する手段としては、測定対象移相器５以外の移相器５を非動作状態とし、測定対象移相器５の移相状態を変化させ、その時の受信信号から移相器５の移相状態ごとの通過振幅誤差及び通過移相誤差を測定する方法や、全素子アンテナ６が動作状態の時に、測定対象移相器５の移相状態を変化させ、その時の受信信号の変化から演算によって移相器５の移相状態ごとの通過振幅誤差及び通過移相誤差を測定する方法等がある。
そして、移相器誤差測定装置９により測定された各移相器５の移相状態ごとの通過振幅誤差と通過移相誤差に関する情報は移相器制御装置２に送られ、その情報をもとに移相器制御装置２はアンテナ励振位相を決定し、各移相器５を制御する。
Here, the case where the phase shifter
In addition, as means for measuring the passing amplitude error and the passing phase shift error of each
Then, the information about the pass amplitude error and the pass phase shift error for each phase shift state of each
以上のように、この実施の形態５によれば、使用する移相器５の移相状態ごと通過振幅誤差と通過移相誤差を測定することができ、かつ、その測定結果をもとに、本発明の実施の形態１ないし４に記載のアンテナ励振位相決定方法によって励振位相を求め、求められた励振位相に基づき各移相器５を制御するため、アンテナ利得劣化の改善やヌルの深さの改善等所望のフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンを実現することが可能となる。
なお、本図では測定用アンテナ８に送信機７を、フェーズドアレーアンテナ１に受信機１０を接続したが、送受信を入れ替えても同様の効果を得ることができる。
As described above, according to the fifth embodiment, it is possible to measure the pass amplitude error and the pass phase shift error for each phase shift state of the
In this figure, the transmitter 7 is connected to the measurement antenna 8, and the
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of each embodiment, any modification of any component of each embodiment, or any component in each embodiment can be omitted. .
１ フェーズドアレーアンテナ、２ 移相器制御装置、３，７ 送信機、４ 分配器、５，５−１〜５−Ｎ 移相器、６，６−１〜６−Ｎ 素子アンテナ、８ 測定用アンテナ、９ 移相器誤差測定装置、１０ 受信機、２０１ 所望条件設定部、２０２ 素子アンテナ情報設定部、２０３ 移相器誤差設定部、２０４ 励振位相算出部、２０５ 移相器制御信号出力部、２０６ 評価関数設定部、２０７ 評価関数値算出部、２０８ 記憶部、２０９ 繰り返し処理部、２１０，２１９，２２９ アンテナ励振位相設定部、２１１ 理想移相値設定部、２１２ 初期値設定部、２１３，２１５，２１８，２２４，２２５ 第１〜５の繰り返し処理部、２１４ 暫定解設定部、２１６，２２６ 励振位相候補設定部、２１７ オフセット部、２２０ ランダム選択部、２２１ ランダム変更部、２２２ 比較部、２２３ 更新条件判断部、２２７ 最適化変数設定部、２２８ 最適化部。 1 phased array antenna, 2 phase shifter control device, 3, 7 transmitter, 4 distributor, 5,5-1 to 5-N phase shifter, 6,6-1 to 6-N element antenna, 8 for measurement Antenna, 9 phase shifter error measuring device, 10 receiver, 201 desired condition setting unit, 202 element antenna information setting unit, 203 phase shifter error setting unit, 204 excitation phase calculation unit, 205 phase shifter control signal output unit, 206 Evaluation Function Setting Unit, 207 Evaluation Function Value Calculation Unit, 208 Storage Unit, 209 Repetition Processing Unit, 210, 219, 229 Antenna Excitation Phase Setting Unit, 211 Ideal Phase Shift Value Setting Unit, 212 Initial Value Setting Unit, 213, 215 , 218, 224, 225 1st to 5th iteration processing unit, 214 provisional solution setting unit, 216, 226 excitation phase candidate setting unit, 217 offset unit, 220 random selection Selection unit, 221 random change unit, 222 comparison unit, 223 update condition determination unit, 227 optimization variable setting unit, 228 optimization unit.
Claims (7)
前記フェーズドアレーアンテナの放射パターンに関する所望条件を設定する所望条件設定ステップと、
前記各素子アンテナの放射パターン又は構造を表すパラメータを設定する素子アンテナ情報設定ステップと、
前記各移相器の動作特性に応じて生じる移相状態ごとの通過振幅誤差及び通過移相誤差を設定する移相器誤差設定ステップと、
前記所望条件設定ステップ、前記素子アンテナ情報設定ステップ及び前記移相器誤差設定ステップにおいて設定した各情報に基づく評価関数を用い、前記各移相器に対して設定された設定移相から評価関数値を算出する評価関数値算出ステップと、
前記評価関数値算出ステップにおいて算出した評価関数値を、対応する設定移相とともに記憶する記憶ステップと、
前記各移相器の設定移相を所定量だけ変化させながら、前記評価関数値算出ステップ及び前記記憶ステップにおける処理を所定回数繰り返し実行させる繰り返し処理ステップと、
前記繰り返し処理ステップにおける処理の後、前記記憶ステップにおいて記憶した複数の評価関数値のうち最小の評価関数値を選出し、当該最小の評価関数値に対応する設定移相を前記各素子アンテナの励振位相とするアンテナ励振位相設定ステップと
を有することを特徴とするアンテナ励振位相決定方法。 In the antenna excitation phase determination method for determining the excitation phase of a plurality of element antennas connected to each phase shifter by controlling the phase shift state of the plurality of phase shifters of the phased array antenna,
A desired condition setting step for setting a desired condition regarding a radiation pattern of the phased array antenna;
Element antenna information setting step for setting parameters representing the radiation pattern or structure of each element antenna;
A phase shifter error setting step for setting a pass amplitude error and a pass phase shift error for each phase shift state generated according to the operating characteristics of each phase shifter;
Using an evaluation function based on each information set in the desired condition setting step, the element antenna information setting step and the phase shifter error setting step, an evaluation function value from the set phase shift set for each phase shifter An evaluation function value calculating step for calculating
A storage step of storing the evaluation function value calculated in the evaluation function value calculation step together with a corresponding setting phase shift;
A repetitive processing step of repeatedly executing the processing in the evaluation function value calculating step and the storing step a predetermined number of times while changing the set phase shift of each phase shifter by a predetermined amount;
After the processing in the iterative processing step, a minimum evaluation function value is selected from the plurality of evaluation function values stored in the storage step, and a set phase shift corresponding to the minimum evaluation function value is excited for each element antenna. An antenna excitation phase determination method comprising: an antenna excitation phase setting step as a phase.
前記所望条件設定ステップにおいて設定した所望条件を満たす理想的なアナログ値の理想移相値を設定する理想移相値設定ステップと、
前記移相器誤差設定ステップにおいて設定した移相器の移相状態ごとの通過移相誤差を考慮して、前記励振位相が前記理想移相値設定ステップにおいて設定した理想移相値に最近となる設定移相を算出し、暫定解の初期値とする初期値設定ステップと、
前記暫定解のうち所定の移相器に対する設定移相を所定範囲内で逐次変更し、前記評価関数値算出ステップ及び前記記憶ステップにおける処理を実行させる第１の繰り返し処理ステップと、
前記第１の繰り返し処理ステップにおける処理の後、前記記憶ステップにおいて記憶した複数の評価関数値のうち最小の評価関数値を選出し、当該最小の評価関数値に対応する設定移相を前記暫定解とする暫定解設定ステップと、
前記設定移相を変更する移相器を順次変更させながら、前記第１の繰り返し処理ステップ及び前記暫定解設定ステップにおける処理を所定回数だけ繰り返し実行させる第２の繰り返し処理ステップと、
前記第２の繰り返し処理ステップにおける処理の後、前記暫定解設定ステップにおいて最終的に得られた暫定解を励振位相候補とする励振位相候補設定ステップと、
前記第２の繰り返し処理ステップにおける処理の後、前記理想移相値設定ステップにおいて設定した理想移相値を所定のオフセット量だけオフセットさせるオフセットステップと、
前記オフセットステップにおけるオフセット総量が２π以上となるまで、前記初期値設定ステップからオフセットステップまでの処理を繰り返し実行させる第３の繰り返し処理ステップと、
前記第３の繰り返し処理ステップにおける処理の後、前記励振位相候補設定ステップにおいて設定された複数の励振位相候補のうち、対応する評価関数値が最小である励振位相候補を前記各素子アンテナの励振位相とするアンテナ励振位相設定ステップと
を有することを特徴とする請求項１記載のアンテナ励振位相決定方法。 Instead of the iterative processing step and the antenna excitation phase setting step,
An ideal phase shift value setting step for setting an ideal phase shift value of an ideal analog value that satisfies the desired condition set in the desired condition setting step;
In consideration of the passing phase shift error for each phase shift state of the phase shifter set in the phase shifter error setting step, the excitation phase is closest to the ideal phase shift value set in the ideal phase shift value setting step. An initial value setting step for calculating a setting phase shift and setting it as an initial value of a provisional solution;
A first iterative processing step of sequentially changing a set phase shift for a predetermined phase shifter in the provisional solution within a predetermined range, and executing the processing in the evaluation function value calculating step and the storing step;
After the processing in the first iterative processing step, a minimum evaluation function value is selected from among the plurality of evaluation function values stored in the storage step, and a set phase shift corresponding to the minimum evaluation function value is determined as the provisional solution. A provisional solution setting step, and
A second iterative processing step for repeatedly executing the processing in the first iterative processing step and the provisional solution setting step a predetermined number of times while sequentially changing the phase shifter that changes the setting phase shift;
An excitation phase candidate setting step using the provisional solution finally obtained in the provisional solution setting step as an excitation phase candidate after the processing in the second iterative processing step;
An offset step for offsetting the ideal phase shift value set in the ideal phase shift value setting step by a predetermined offset amount after the processing in the second iterative processing step;
A third iterative processing step for repeatedly executing the processing from the initial value setting step to the offset step until the total offset amount in the offset step becomes 2π or more;
After the processing in the third iterative processing step, among the plurality of excitation phase candidates set in the excitation phase candidate setting step, the excitation phase candidate having the smallest corresponding evaluation function value is determined as the excitation phase of each element antenna. An antenna excitation phase determination method according to claim 1, further comprising: an antenna excitation phase setting step.
前記第２の繰り返し処理ステップにおける処理の後、前記設定移相を変更する移相器をランダムに選択するランダム選択ステップと、
前記ランダム選択ステップにおいて選択した移相器の設定移相を所定の位相範囲内でランダムに変更し、前記評価関数値算出ステップにおける処理を実行させるランダム変更ステップと、
前記ランダム変更ステップにおいて得られた評価関数値が前記暫定解設定ステップにおいて設定された暫定値より小さい場合に、当該評価関数値に対応する設定移相を前記暫定解とする比較ステップと、
前記比較ステップにおいて前記評価関数値が前記暫定値以上であると判断した場合において、所定の更新条件を満たしている場合に、当該評価関数値に対応する設定移相を前記暫定解とする更新条件判断ステップと、
前記ランダム選択ステップから更新条件判断ステップまでの処理を所定回数だけ繰り返し実行させる第４の繰り返し処理ステップと、
前記第４の繰り返し処理ステップにおける処理の後、前記更新条件を変更する更新条件変更ステップと、
所定の終了条件を満たすまで、前記第４の繰り返し処理ステップ及び更新条件変更ステップにおける処理を繰り返し実行させる第５の繰り返し処理ステップと、
前記第５の繰り返し処理ステップにおける処理の後、前記暫定解設定ステップ、前記比較ステップ又は前記更新条件判断ステップにおいて設定された最終的な複数の暫定解のうち、対応する評価関数値が最小である暫定解を励振位相候補とする励振位相候補設定ステップと
を有することを特徴とする請求項２記載のアンテナ励振位相決定方法。 Instead of the excitation phase candidate setting step,
A random selection step of randomly selecting a phase shifter that changes the set phase shift after the processing in the second iterative processing step;
Random change step of changing the set phase shift of the phase shifter selected in the random selection step randomly within a predetermined phase range, and executing the processing in the evaluation function value calculation step;
When the evaluation function value obtained in the random change step is smaller than the provisional value set in the provisional solution setting step, a comparison step in which the setting phase shift corresponding to the evaluation function value is the provisional solution;
In the comparison step, when it is determined that the evaluation function value is greater than or equal to the provisional value, and when a predetermined update condition is satisfied, an update condition in which the set phase shift corresponding to the evaluation function value is the provisional solution A decision step;
A fourth iterative process step for repeatedly executing the process from the random selection step to the update condition determination step a predetermined number of times;
An update condition changing step for changing the update condition after the processing in the fourth iterative processing step;
A fifth iterative processing step for repeatedly executing the processes in the fourth iterative processing step and the update condition changing step until a predetermined end condition is satisfied;
After the processing in the fifth iterative processing step, the corresponding evaluation function value is the smallest among the final provisional solutions set in the provisional solution setting step, the comparison step, or the update condition determination step. An antenna excitation phase determination method according to claim 2, further comprising an excitation phase candidate setting step using the provisional solution as an excitation phase candidate.
前記評価関数値算出ステップ、前記記憶ステップ、前記繰り返し処理ステップ及び前記アンテナ励振位相設定ステップに代えて、
前記各ディジタル移相器の移相状態を表すバイナリ値の数列を所定の最適化変数に設定する最適化変数設定ステップと、
前記所望条件設定ステップ、前記素子アンテナ情報設定ステップ及び前記移相器誤差設定ステップにおいて設定した各情報に基づく評価関数を用いて、前記最適化変数設定ステップにおいて設定した最適化変数から評価関数値を算出し、所定の組み合わせ最適化手法によって当該評価関数値を最小とする最適化変数を得る最適化ステップと、
前記最適化ステップにおいて得られた最適化変数に基づいて算出した移相値を前記各素子アンテナの励振位相とするアンテナ励振位相設定部と
を有することを特徴とする請求項１記載のアンテナ励振位相決定方法。 The phase shifter is a digital phase shifter;
Instead of the evaluation function value calculating step, the storing step, the iterative processing step and the antenna excitation phase setting step,
An optimization variable setting step for setting a sequence of binary values representing a phase shift state of each digital phase shifter to a predetermined optimization variable;
Using an evaluation function based on each information set in the desired condition setting step, the element antenna information setting step and the phase shifter error setting step, an evaluation function value is obtained from the optimization variable set in the optimization variable setting step. An optimization step for calculating and obtaining an optimization variable that minimizes the evaluation function value by a predetermined combination optimization method;
The antenna excitation phase according to claim 1, further comprising: an antenna excitation phase setting unit that sets a phase shift value calculated based on the optimization variable obtained in the optimization step as an excitation phase of each element antenna. Decision method.
前記フェーズドアレーアンテナの放射パターンに関する所望条件を設定する所望条件設定部と、
前記各素子アンテナの放射パターン又は構造を表すパラメータを設定する素子アンテナ情報設定部と、
前記各移相器の動作特性に応じて生じる移相状態ごとの通過振幅誤差及び通過移相誤差を設定する移相器誤差設定部と、
前記所望条件設定部、前記素子アンテナ情報設定部及び前記移相器誤差設定部により設定された各情報に基づく評価関数を用い、前記各移相器に対して設定された設定移相から評価関数値を算出する評価関数値算出部と、
評価関数値算出部により算出された評価関数値を、対応する設定移相とともに記憶する記憶部と、
前記各移相器の設定移相を所定量だけ変化させながら、前記評価関数値算出部及び前記記憶部による処理を所定回数繰り返し実行させる繰り返し処理部と、
前記繰り返し処理部による処理の後、前記記憶部により記憶された複数の評価関数値のうち最小の評価関数値を選出し、当該最小の評価関数値に対応する設定移相を前記各素子アンテナの励振位相とするアンテナ励振位相設定部と
を備えたことを特徴とする移相器制御装置。 In the phase shifter control device that determines the excitation phase of the plurality of element antennas connected to each phase shifter by controlling the phase shift state of the phase shifters of the phased array antenna,
A desired condition setting unit for setting a desired condition regarding the radiation pattern of the phased array antenna;
An element antenna information setting unit for setting a parameter representing a radiation pattern or structure of each element antenna;
A phase shifter error setting unit for setting a pass amplitude error and a pass phase shift error for each phase shift state generated according to the operating characteristics of each phase shifter;
Using an evaluation function based on each information set by the desired condition setting unit, the element antenna information setting unit, and the phase shifter error setting unit, an evaluation function from the set phase shift set for each phase shifter An evaluation function value calculation unit for calculating a value;
A storage unit for storing the evaluation function value calculated by the evaluation function value calculation unit together with a corresponding setting phase shift;
A repetitive processing unit that repeatedly executes the process by the evaluation function value calculating unit and the storage unit a predetermined number of times while changing the set phase shift of each phase shifter by a predetermined amount;
After the processing by the repetitive processing unit, a minimum evaluation function value is selected from the plurality of evaluation function values stored in the storage unit, and a setting phase shift corresponding to the minimum evaluation function value is set for each element antenna. A phase shifter control device comprising: an antenna excitation phase setting unit configured as an excitation phase.
請求項５記載の移相器制御装置と
を備えたことを特徴とする通信システム。 The phased array antenna;
A communication system comprising: the phase shifter control device according to claim 5.
前記フェーズドアレーアンテナ及び前記測定用アンテナのうち一方に接続され、高周波信号を出力する送信機と、
前記フェーズドアレーアンテナ及び前記測定用アンテナのうち他方に接続され、当該両アンテナを介して前記送信機からの高周波信号を受信する受信機と、
前記各移相器の移相値を制御している際に前記受信機により受信された高周波信号に基づいて、前記各移相器の通過振幅誤差及び通過移相誤差を測定する移相器誤差測定装置とを備え、
前記移相器制御装置は、前記移相器誤差測定装置により測定された各移相器の通過振幅誤差及び通過移相誤差に基づいて前記各素子アンテナの励振位相を決定する
ことを特徴とする請求項６記載の通信システム。 With respect to the phased array antenna, a measurement antenna installed at a predetermined position;
A transmitter connected to one of the phased array antenna and the measurement antenna and outputting a high-frequency signal;
A receiver connected to the other of the phased array antenna and the antenna for measurement, and receiving a high-frequency signal from the transmitter via both antennas;
A phase shifter error that measures a pass amplitude error and a pass phase shift error of each phase shifter based on a high frequency signal received by the receiver while controlling a phase shift value of each phase shifter A measuring device,
The phase shifter control device determines an excitation phase of each element antenna based on a passing amplitude error and a passing phase shift error of each phase shifter measured by the phase shifter error measuring device. The communication system according to claim 6.
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