JP6218541B2 - アンテナ装置及びアンテナ励振方法 - Google Patents

Description

この発明は、フェーズドアレーアンテナを構成する素子アンテナの各移相状態で生じる励振振幅位相誤差の影響を低減するアンテナ装置及びアンテナ励振方法に関するものである。

フェーズドアレーアンテナを用いる通信システムでは、複数の素子アンテナ及び素子アンテナに接続されている複数の移相器を備えたフェーズドアレーアンテナと、複数の移相器を制御する移相器制御装置とから構成される。
移相器として、ディジタル移相器を使用する場合、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るため、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り、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利用されている。

一般に、ディジタル移相器は、ダイオードなどの半導体素子を複数備えており、複数の半導体素子の動作状態／非動作状態を適宜組み合わせることで、複数の移相状態を実現している。
ただし、半導体素子は、個体毎に異なる動作特性を有するため、ディジタル移相器の通過特性は、移相状態毎に異なる特性となる。
この移相状態毎の通過特性のばらつき（以下、「通過移相誤差」と称する）と、挿入損（通過振幅）のばらつき（以下、「通過振幅誤差」と称する）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、特性劣化を生じることがある。

特性劣化の対策として、ディジタル移相器の移相状態毎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が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照）。
即ち、特許文献１には、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、通過振幅誤差を考慮して、その移相値を量子化することで決まる移相状態のアンテナ利得低下量を算出し、そのアンテナ利得低下量が最小となる移相状態をアンテナ励振位相に決定する方法が開示されている。
また、非特許文献１には、移相器の移相状態毎の通過振幅誤差と通過移相誤差を同時に考慮して、アンテナ利得劣化やヌルの深さ等を改善して、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アンテナ励振位相の算出手法が開示されている。

ただし、フェーズドアレーアンテナにおいて、励振振幅を自在に制御することは容易ではなく、特許文献１及び非特許文献１でも、励振位相の補正（設定）のみを考慮している。
一方、フェーズドアレーアンテナにおいて、振幅位相制御を実現する技術として、時間ウエイトの概念を利用する時間変調アレーアンテナが以下の非特許文献２，３に開示されている。
これは、複数の励振位相でそれぞれ受信された信号、あるいは、送信された信号を時間平均（時間積分）することにより、等価的に所定の振幅分布を与えた状態と同じ効果（放射特性）を得るものである。

特開２０１１−２１７２９９号公報

中本他, フェーズドアレーアンテナの全移相状態における素子電界誤差を考慮した高精度ビーム形成手法に関する検討, 信学技報AP2012-169, pp.31-36, 2013. W. Kummer他, Ultra-Low Sidelobes from Time-Modulated Arrays, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.11, iss.6, pp.633-639, 1963. 中西他, 時間変調アレーアンテナにおける不要高調波抑圧励振分布切換アルゴリズムの実験検証, 電子情報通信学会総合大会, B-1-213, 2013.

従来のアンテナ装置は以上のように構成されているので、特許文献１及び非特許文献１の場合、移相器を使う制約上、励振位相誤差の補正のみを考慮しており、励振振幅誤差を補正することはできない。つまり、通過振幅誤差及び通過移相誤差の影響が小さくなる励振位相の組み合わせを探索するものであり、励振誤差自体を低減することができない課題があった。
一方、非特許文献２，３の場合、フェーズドアレーアンテナの性能を高めることができるが、励振振幅あるいは励振位相の誤差に対する対策は開示されておらず、励振振幅や励振位相の誤差を低減することができない課題があった。

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、フェーズドアレーアンテナを構成する素子アンテナの各移相状態で生じる励振振幅位相誤差の影響を低減することができるアンテナ装置及びアンテナ励振方法を得ることを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、フェーズドアレーアンテナを構成する素子アンテナと接続されている複数の移相器と、送信信号を出力する送信機と、複数の移相器の出力信号を合成する一方、送信機から出力された送信信号を複数の移相器に分配する合成器と、合成器により合成された信号を受信する受信機と、素子アンテナの励振位相を設定する励振位相設定手段と、励振位相設定手段により設定された励振位相に加える位相オフセット量を設定するとともに、その位相オフセット量を加える回数を設定するオフセット設定手段と、励振位相設定手段により設定された励振位相に対して、オフセット設定手段により設定された回数に至るまで、位相オフセット量を繰り返し加える位相オフセット手段と、位相オフセット手段により位相オフセット量が励振位相に加えられる毎に、その励振位相にしたがって複数の移相器の移相状態を制御する移相状態制御手段と、移相状態制御手段により移相状態が制御される毎に、受信機により受信された信号を蓄積して、信号の時間平均を算出する時間平均手段とを備え、励振位相設定手段が、フェーズドアレーアンテナにより信号が送信される際の励振位相と、フェーズドアレーアンテナにより信号が受信される際の励振位相とを異なる値に設定するようにしたものである。

この発明によれば、励振位相設定手段により設定された励振位相に対して、オフセット設定手段により設定された回数に至るまで、位相オフセット量を繰り返し加える位相オフセット手段と、位相オフセット手段により位相オフセット量が励振位相に加えられる毎に、その励振位相にしたがって複数の移相器の移相状態を制御する移相状態制御手段とを設け、時間平均手段が、移相状態制御手段により移相状態が制御される毎に、受信機により受信された信号を蓄積して、その信号の時間平均を算出するように構成したので、フェーズドアレーアンテナを構成する素子アンテナの各移相状態で生じる励振振幅位相誤差の影響を低減することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によ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によるアンテナ装置の処理内容（アンテナ励振方法）を示すフローチャートである。 アンテナ装置における時間方向の各処理を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２によ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２によるアンテナ装置の処理内容（アンテナ励振方法）を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３によ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３によるアンテナ装置の処理内容（アンテナ励振方法）を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態４によるアンテナ装置の移相器制御装置６を示す構成図である。 量子化励振位相設定部５２の処理内容を示す説明図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図である。
図１において、フェーズドアレーアンテナ１はＫ本の素子アンテナ２−ｋ（ｋ＝１，２，３，・・・，Ｋ）から構成されており、素子アンテナ２−ｋには移相器３−ｋ（ｋ＝１，２，３，・・・，Ｋ）が接続されている。
移相器３−ｋは移相器制御装置６から出力された移相器制御信号が示す励振位相にしたがって素子アンテナ２−ｋから入射された高周波信号（電波）の位相を変化させる処理を実施する。
合成器４は移相器３−１〜３−Ｋから出力された高周波信号を合成し、合成後の高周波信号を受信機５に出力する処理を実施する。

受信機５は合成器４から出力された合成後の高周波信号を検波し、その高周波信号を例えばベースバンドのディジタル信号（以下、「ディジタル受信データ」と称する）に変換する処理を実施する。ここでは、高周波信号をディジタル受信データに変換する例を説明するが、後段の信号処理に供する信号に変換するものであればよく、ディジタル受信データに変換するものに限るものではない。
移相器制御装置６は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、移相器３−ｋの移相状態を制御することで、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装置である。

励振位相設定部７は例えばマウスやキーボードなどのマンマシンインタフェースで構成されており、ユーザの操作の下で、素子アンテナ２−１〜２−Ｋで共通の励振位相を設定する処理を実施する。なお、励振位相設定部７は励振位相設定手段を構成している。
位相オフセット量設定部８は例えばマンマシンインタフェースで構成されており、ユーザの操作の下で、励振位相設定部７により設定された励振位相に加える位相オフセット量を設定する処理を実施する。
位相オフセット回数設定部９は例えばマンマシンインタフェースで構成されており、ユーザの操作の下で、位相オフセット量設定部８により設定された位相オフセット量を加える回数である位相オフセット回数を設定する処理を実施する。
なお、位相オフセット量設定部８及び位相オフセット回数設定部９からオフセット設定手段が構成されている。
ここでは、励振位相設定部７、位相オフセット量設定部８及び位相オフセット回数設定部９がマンマシンインタフェースで構成されている例を示しているが、これに限るものではなく、例えば、外部から送信された設定値を示す情報を受信する通信機器などから構成されて、その情報にしたがって励振位相等を設定するものであってもよい。

位相オフセット部１０は励振時間制御部１３から移相器３−ｋの更新タイミングを示す制御信号を受ける毎に、励振位相設定部７により設定された励振位相に対して、位相オフセット回数設定部９により設定された位相オフセット回数に至るまで、位相オフセット量設定部８により設定された位相オフセット量を加える処理を実施する。なお、位相オフセット部１０は位相オフセット手段を構成している。
移相器制御信号出力部１１は位相オフセット部１０により位相オフセット量が励振位相に加えられる毎に、その励振位相を示す移相器制御信号を移相器３−１〜３−Ｋに出力する処理を実施する。なお、移相器制御信号出力部１１は移相状態制御手段を構成している。

時間平均処理部１２は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、励振時間制御部１３からディジタル受信データの蓄積タイミングを示す制御信号を受ける毎に、受信機５から出力されたディジタル受信データを蓄積して、そのディジタル受信データの時間平均を算出する処理を実施する。なお、時間平均処理部１２は時間平均手段を構成している。
励振時間制御部１３は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、移相器３−ｋにおける移相状態の制御周期と、時間平均処理部１２における時間平均周期との同期を図るために、移相器３−ｋの更新タイミングを示す制御信号を位相オフセット部１０に出力するとともに、受信機５から出力されたディジタル受信データの蓄積タイミングを示す制御信号を時間平均処理部１２に出力する処理を実施する。

図１の例では、アンテナ装置の構成要素であるフェーズドアレーアンテナ１、受信機５、移相器制御装置６、時間平均処理部１２及び励振時間制御部１３のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、アンテナ装置の一部がコンピュータで構成されていてもよい。
例えば、アンテナ装置の一部として、移相器制御装置６、時間平均処理部１２及び励振時間制御部１３がコンピュータで構成されている場合、移相器制御装置６、時間平均処理部１２及び励振時間制御部１３の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのＣＰＵが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図２はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置の処理内容（アンテナ励振方法）を示すフローチャートである。

次に動作について説明する。
例えば、観測対象である目標物から到来する高周波信号（電波）は、フェーズドアレーアンテナ１を構成する素子アンテナ２−ｋから入射されて、移相器３−１〜３−Ｋに入力される。
移相器３−１〜３−Ｋは、素子アンテナ２−ｋから入射された高周波信号を入力すると、後述する移相器制御装置６から出力された移相器制御信号が示す励振位相にしたがって当該高周波信号の位相を変化させ、位相変化後の高周波信号を合成器４に出力する。

合成器４は、移相器３−１〜３−Ｋから位相変化後の高周波信号を受けると、それらの高周波信号を合成し、合成後の高周波信号を受信機５に出力する。
受信機５は、合成器４から合成後の高周波信号を受けると、その高周波信号を検波し、その高周波信号を例えばベースバンドのディジタル信号であるディジタル受信データに変換する。例えば、受信機５がディジタル受信機であれば、Ａ／Ｄ変換後のディジタル信号を出力する。

移相器制御装置６は、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ために、移相器３−ｋの移相状態を制御する。
以下、移相器制御装置６の処理内容を具体的に説明する。

まず、移相器制御装置６の励振位相設定部７は、所望の放射パターンの実現に必要な励振位相β_k（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ、Ｋは素子アンテナの本数）を設定する（図２のステップＳＴ１）。
位相オフセット量設定部８は、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kに加える位相オフセット量φを設定する（ステップＳＴ２）。
また、位相オフセット回数設定部９は、位相オフセット量設定部８により設定された位相オフセット量φを励振位相β_kに加える回数である位相オフセット回数Ｍを設定する（ステップＳＴ２）。
この位相オフセット回数Ｍは、移相器３−１〜３−Ｋの移相状態を変化させる回数に相当する。

ここで、位相オフセット量設定部８により設定される位相オフセット量φは、移相器３−１〜３−Ｋで位相を変えることが可能な最小の位相変位量であり、移相器３−１〜３−Ｋで位相を変えることが可能な位相範囲が、例えば、２π［ｒａｄ］である場合、位相オフセット量φ×位相オフセット回数Ｍが２π［ｒａｄ］になるように、位相オフセット量φ及び位相オフセット回数Ｍが設定される。
例えば、移相器３−１〜３−Ｋが、Ｎｂビットのディジタル移相器である場合、ディジタル移相器は、２^Nb個の量子化移相状態を有するので、位相を変えることが可能な位相範囲が２π［ｒａｄ］であれば、位相オフセット量φは、２π／２^Nbとなる。

励振時間制御部１３は、移相器３−ｋにおける移相状態の制御周期と、時間平均処理部１２における時間平均周期との同期を図るために、移相器３−ｋの更新タイミングを示す制御信号を位相オフセット部１０に出力するとともに、受信機５から出力されたディジタル受信データの蓄積タイミングを示す制御信号を時間平均処理部１２に出力する。
また、励振時間制御部１３は、高周波信号の蓄積数が位相オフセット回数Ｍに至ると、時間平均の算出指令を時間平均処理部１２に出力する。

位相オフセット部１０は、励振時間制御部１３から移相器３−ｋの更新タイミングを示す制御信号を受けると、下記の式（１）に示すように、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kに対して、位相オフセット量設定部８により設定された位相オフセット量φを加算し、その加算結果であるオフセットした値を新たな励振位相θ_k,mとして設定する（ステップＳＴ３）。
なお、位相オフセット部１０は、位相オフセット量φの加算処理の実施回数ｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）が、位相オフセット回数設定部９により設定された位相オフセット回数Ｍに至るまで、移相器３−ｋの更新タイミングを示す制御信号を受ける毎に、位相オフセット量φの加算処理を実施する。

移相器制御信号出力部１１は、位相オフセット部１０が新たな励振位相θ_k,mを設定する毎に、その励振位相θ_k,mを示す移相器制御信号を移相器３−ｋに出力する（ステップＳＴ４）。
これにより、移相器３−１〜３−Ｋが、移相器制御装置６から出力された移相器制御信号が示す励振位相θ_1,m〜θ_K,mにしたがって、素子アンテナ２−ｋから入射された高周波信号の位相を変化させるが、励振位相β_kは、上述したように、素子アンテナ２−１〜２−Ｋで共通の設定値であり、また、位相オフセット量φも素子アンテナ２−１〜２−Ｋで共通の設定値である。このため、励振位相θ_1,m〜θ_K,mにしたがって高周波信号の位相を変化させても、素子アンテナ２−１〜２−Ｋの間（移相器３−１〜３−Ｋの間）の相対位相差は不変である。
したがって、移相器３−ｋの移相状態を変化させても、フェーズドアレーアンテナ１の放射パターンの振幅特性（包絡線）は不変であり、アンテナ利得は原理的に一定である。

ただし、移相器３−ｋの移相状態を変化させても、通過振幅誤差と通過移相誤差は発生する。
各移相状態で生じる通過振幅誤差をΔａ_k,m、通過移相誤差をΔθ_k,mとすると、移相器３−ｋにおける実際の励振移相θ’_k,mは、下記の式（２）のようになる。

移相器３−１〜３−Ｋで位相が変化された高周波信号は合成器４に入力され、上述したように、合成器４でＫ個の高周波信号が合成される。
合成後の高周波信号は受信機５に入力され、上述したように、受信機５で合成後の高周波信号が検波されて、その高周波信号が例えばベースバンドのディジタル信号であるディジタル受信データに変換される。

時間平均処理部１２は、励振時間制御部１３からディジタル受信データの蓄積タイミングを示す制御信号を受ける毎に、受信機５から出力されたディジタル受信データを蓄積する（ステップＳＴ５）。
即ち、時間平均処理部１２は、ディジタル受信データの蓄積数が位相オフセット回数Ｍに至るまで、受信機５から出力されたディジタル受信データを蓄積する。
時間平均処理部１２は、ディジタル受信データの蓄積数が位相オフセット回数Ｍに到達して、励振時間制御部１３から時間平均の算出指令を受けると（ステップＳＴ６）、蓄積しているＭ個のディジタル受信データを位相オフセット回数Ｍで除算することで、そのディジタル受信データの時間平均（時間積分）を算出する（ステップＳＴ７）。

また、ディジタル受信データの時間平均（時間積分）を算出する際、位相オフセット量φは既知であるので、位相オフセットの影響を除去するために、各ディジタル受信データに対して、その影響を打ち消す逆位相を補正しながら、時間平均をとるようにしてもよい。

一般的に、移相器などのハードウェアにおける振幅位相誤差は、平均が０、標準偏差がσのいわゆる正規分布に従うことが知られており、通過移相誤差Δθ_k,mの影響はＭ回の平均化効果によって低減される。また、通過振幅誤差についても、同様の平均化効果が得られる。

ここで、図３はアンテナ装置における時間方向の各処理を示すタイミングチャートである。
図３（ａ）に示すように、素子アンテナ２−ｋが同一波形の信号ｓを繰り返し受信している状況を想定する。
移相器３−ｋの移相状態の切り替えタイミングは、図３（ｂ）に示すように、受信信号ｓの周期に同期させている。

この場合、ｍ＝１回目のとき、素子アンテナ２−ｋに接続されている移相器３−ｋの移相状態がθ_k,1に設定されると、図３（ｃ）に示すように、受信機５の出力信号としてｙ＿１が得られる。
以後、受信信号ｓの周期に同期して、移相状態θ_k,mを更新すると、受信機５の出力信号としてｙ＿ｍが得られ、受信機５の出力信号ｙ＿ｍが蓄積される。
最終的には、受信機５のＭ個の出力信号ｙ＿１〜ｙ＿Ｍが蓄積され、Ｍ個の出力信号ｙ＿１〜ｙ＿Ｍが時間平均処理された出力ｙ＿ａｖｅが得られる。
図３の例では、受信信号ｓが間欠的で、かつ、その周期Ｔと移相状態の保持周期Ｔ１を同一としているが、これに限るものではなく、例えば、移相状態毎に受信信号ｓの同一部分を受信できれば、移相器の更新遅延があってもよく、Ｔ１がＴより短くてもよい。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kに対して、位相オフセット回数設定部９により設定された位相オフセット回数Ｍに至るまで、位相オフセット量設定部８により設定された位相オフセット量φを加えることで、新たな励振位相θ_k,mを繰り返し設定する位相オフセット部１０と、位相オフセット部１０により設定された新たな励振位相θ_k,mにしたがって移相器３−ｍの移相状態を制御する移相器制御信号出力部１１とを設け、時間平均処理部１２が、移相器制御信号出力部１１により移相状態が制御される毎に、受信機５から出力されたディジタル受信データを蓄積して、そのディジタル受信データの時間平均を算出するように構成したので、フェーズドアレーアンテナを構成する素子アンテナ２−ｋの各移相状態で生じる励振振幅位相誤差の影響を低減することができるようになり、より精度の高い振幅位相制御が可能なアンテナ装置が得られる効果がある。

この実施の形態１では、時間平均処理部１２が、蓄積しているＭ個のディジタル受信データを位相オフセット回数Ｍで除算することで、そのディジタル受信データの時間平均を算出するものを示したが、蓄積しているＭ個のディジタル受信データのデータサンプル数をＬとして、Ｍ×Ｌのデータサイズに対して離散フーリエ変換を実施し、その離散フーリエ変換結果の中で最も高い値、即ち、ピークが検出される出力点を時間平均の結果として利用するようにしてもよい。
なお、Ｍ×Ｌが２のべき乗のサイズであれば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を適用することが可能である。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
送信機２１は送信信号である高周波信号を生成し、その高周波信号をフェーズドアレーアンテナ１に出力する処理を実施する。
フェーズドアレーアンテナ１の分配器２２は送信機２１から出力された高周波信号を移相器３−１〜３−Ｋに分配する処理を実施する。

受信アンテナ３１はフェーズドアレーアンテナ１の素子アンテナ２−１〜２−Ｋから放射された高周波信号を入射する。
図４の例では、受信アンテナ３１はフェーズドアレーアンテナ１と異なる場所に設置されているが、フェーズドアレーアンテナ１と同一の場所又は近接している場所に設置されていてもよい。
送信側と受信側が離れた場所にある場合、両者をつなぐ配線を敷設することは現実的ではないため、この実施の形態２では、送信側のフェーズドアレーアンテナ１と別個に受信アンテナ３１を配置している。
受信機３２は受信アンテナ３１から入射された高周波信号を検波し、その高周波信号を例えばベースバンドのディジタル信号であるディジタル受信データに変換する処理を実施する。
なお、受信アンテナ３１及び受信機３２から信号受信手段が構成されている。

励振時間記憶部３３は例えばＲＡＭやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、予め、励振時間制御部１３から出力される制御信号が示す移相器３−ｋの更新タイミングや、位相オフセット回数設定部９により設定された位相オフセット回数Ｍを記憶している。
時間平均処理部３４は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、励振時間記憶部３３に記憶されている移相器３−ｋの更新タイミング毎に、受信機３２から出力されたディジタル受信データを蓄積して、そのディジタル受信データの時間平均を算出する処理を実施する。
なお、励振時間記憶部３３及び時間平均処理部３４から時間平均手段が構成されている。

図４の例では、アンテナ装置の構成要素であるフェーズドアレーアンテナ１、送信機２１、移相器制御装置６、励振時間制御部１３、受信アンテナ３１、受信機３２、励振時間記憶部３３及び時間平均処理部３４のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、アンテナ装置の一部がコンピュータで構成されていてもよい。
例えば、アンテナ装置の一部として、移相器制御装置６及び励振時間制御部１３がコンピュータで構成されている場合、移相器制御装置６及び励振時間制御部１３の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのＣＰＵが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図５はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置の処理内容（アンテナ励振方法）を示すフローチャートである。

上記実施の形態１では、アンテナ装置が高周波信号を受信する例を示したが、アンテナ装置のフェーズドアレーアンテナ１から放射された高周波信号を、フェーズドアレーアンテナ１と異なる場所に設置されている受信アンテナ３１が入射することで、時間平均処理部３４が高周波信号の時間平均を算出するようにしてもよい。
この場合、上記実施の形態１と比べて、フェーズドアレーアンテナ１における高周波信号の入出力関係が逆になるが、基本的な動作は変わらない。
このとき、移相器制御装置６及び励振時間制御部１３も、上記実施の形態１と同様の動作を行うが、時間平均処理部１２が実装されていないため、励振時間制御部１３が時間平均処理部１２を制御する処理は行われない。

次に動作について説明する。
送信機２１は、送信信号である高周波信号を生成し、その高周波信号をフェーズドアレーアンテナ１に出力する。
フェーズドアレーアンテナ１の分配器２２は、送信機２１から高周波信号を受けると、その高周波信号を移相器３−１〜３−Ｋに分配する。

移相器制御装置６は、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ために、上記実施の形態１と同様に、移相器３−ｋの移相状態を制御する。
即ち、移相器制御装置６の励振位相設定部７は、上記実施の形態１と同様に、所望の放射パターンの実現に必要な励振位相β_k（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ、Ｋは素子アンテナの本数）を設定する（図５のステップＳＴ１１）。この励振位相β_kは、素子アンテナ２−１〜２−Ｋで共通の設定値である。
位相オフセット量設定部８は、上記実施の形態１と同様に、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kに加える位相オフセット量φを設定する（ステップＳＴ１２）。
また、位相オフセット回数設定部９は、上記実施の形態１と同様に、位相オフセット量設定部８により設定された位相オフセット量φを励振位相β_kに加える回数である位相オフセット回数Ｍを設定する（ステップＳＴ１２）。

位相オフセット部１０は、励振時間制御部１３から移相器３−ｋの更新タイミングを示す制御信号を受けると、上記の式（１）に示すように、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kに対して、位相オフセット量設定部８により設定された位相オフセット量φを加算し、その加算結果であるオフセットした値を新たな励振位相θ_k,mとして設定する（ステップＳＴ１３）。
なお、位相オフセット部１０は、位相オフセット量φの加算処理の実施回数ｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）が、位相オフセット回数設定部９により設定された位相オフセット回数Ｍに至るまで、移相器３−ｋの更新タイミングを示す制御信号を受ける毎に、位相オフセット量φの加算処理を実施する。

移相器制御信号出力部１１は、位相オフセット部１０が新たな励振位相θ_k,mを設定する毎に、その励振位相θ_k,mを示す移相器制御信号を移相器３−ｋに出力する（ステップＳＴ１４）。
これにより、移相器３−１〜３−Ｋが、移相器制御装置６から出力された移相器制御信号が示す励振位相θ_1,m〜θ_K,mにしたがって、素子アンテナ２−ｋから放射される高周波信号の位相を変化させるが、励振位相β_kは、上述したように、素子アンテナ２−１〜２−Ｋで共通の設定値であり、また、位相オフセット量φも素子アンテナ２−１〜２−Ｋで共通の設定値である。このため、励振位相θ_1,m〜θ_K,mにしたがって高周波信号の位相を変化させても、素子アンテナ２−１〜２−Ｋの間（移相器３−１〜３−Ｋの間）の相対位相差は不変である。
したがって、移相器３−ｋの移相状態を変化させても、フェーズドアレーアンテナ１の放射パターンの振幅特性（包絡線）は不変であり、アンテナ利得は原理的に一定である。

移相器３−１〜３−Ｋは、分配器２２により分配された高周波信号を入力すると、移相器制御装置６から出力された移相器制御信号が示す励振位相θ_1,m〜θ_K,mにしたがって当該高周波信号の位相を変化させ、位相変化後の高周波信号を素子アンテナ２−１〜２−Ｋに出力する。
これにより、フェーズドアレーアンテナ１の素子アンテナ２−１〜２−Ｋから位相変化後の高周波信号が放射される（ステップＳＴ１５）。

受信アンテナ３１は、フェーズドアレーアンテナ１の素子アンテナ２−１〜２−Ｋから放射された高周波信号を入射する。
受信機３２は、受信アンテナ３１から入射された高周波信号を検波し、その高周波信号を例えばベースバンドのディジタル信号であるディジタル受信データに変換する（ステップＳＴ１６）。

時間平均処理部３４は、励振時間記憶部３３の記憶内容を参照して、移相器３−ｋの更新タイミングを把握し、移相器３−ｋの更新タイミング毎に、受信機３２から出力されたディジタル受信データを蓄積する（ステップＳＴ１７）。
即ち、時間平均処理部３４は、ディジタル受信データの蓄積数が位相オフセット回数Ｍに至るまで、受信機３２から出力されたディジタル受信データを蓄積する。
時間平均処理部３４は、ディジタル受信データの蓄積数が位相オフセット回数Ｍに到達すると（ステップＳＴ１８）、蓄積しているＭ個のディジタル受信データを位相オフセット回数Ｍで除算することで、そのディジタル受信データの時間平均（時間積分）を算出する（ステップＳＴ１９）。

また、ディジタル受信データの時間平均（時間積分）を算出する際、位相オフセット量φは既知であるので、図１の時間平均処理部１２と同様に、位相オフセットの影響を除去するために、各ディジタル受信データに対して、その影響を打ち消す逆位相を補正しながら、時間平均をとるようにしてもよい。
一般的に、移相器などのハードウェアにおける振幅位相誤差は、平均が０、標準偏差がσのいわゆる正規分布に従うことが知られており、通過移相誤差Δθ_k,mの影響はＭ回の平均化効果によって低減される。また、通過振幅誤差についても、同様の平均化効果が得られる。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、時間平均処理部３４が、励振時間記憶部３３に記憶されている移相器３−ｋの更新タイミング毎に、受信機３２から出力されたディジタル受信データを蓄積して、そのディジタル受信データの時間平均を算出するように構成したので、上記実施の形態１と同様に、フェーズドアレーアンテナを構成する素子アンテナ２−ｋの各移相状態で生じる励振振幅位相誤差の影響を低減することができるようになり、より精度の高い振幅位相制御が可能なアンテナ装置が得られる効果がある。
この実施の形態２では、時間平均処理部３４が、励振時間記憶部３３に記憶されている移相器３−ｋの更新タイミング毎に、受信機３２から出力されたディジタル受信データを蓄積しているが、送信側と受信側が完全に同期している訳ではない。ただし、予め決められた手順により送信側から放射された高周波信号を受信しているので、送信側と受信側が完全に同期している場合と同様の結果を得ることができる。

この実施の形態２では、時間平均処理部３４が、蓄積しているＭ個のディジタル受信データを位相オフセット回数Ｍで除算することで、そのディジタル受信データの時間平均を算出するものを示したが、蓄積しているＭ個のディジタル受信データのデータサンプル数をＬとして、Ｍ×Ｌのデータサイズに対して離散フーリエ変換を実施し、その離散フーリエ変換結果の中で最も高い値、即ち、ピークが検出される出力点を時間平均の結果として利用するようにしてもよい。
なお、Ｍ×Ｌが２のべき乗のサイズであれば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を適用することが可能である。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３によるアンテナ装置を示す構成図であり、図において、図１及び図４と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
合成分配器４０は送信機２１から出力された高周波信号を移相器３−１〜３−Ｋに分配する一方、移相器３−１〜３−Ｋから出力された高周波信号を合成して、合成後の高周波信号を受信機５に出力する処理を実施する。

上記実施の形態１では、フェーズドアレーアンテナ１を構成する素子アンテナ２−ｋが、観測対象である目標物から到来する高周波信号（電波）を入射する例を示したが、フェーズドアレーアンテナ１を構成する素子アンテナ２−ｋが高周波信号（電波）を放射したのち、例えば、観測対象である目標物に反射されて戻ってきた上記高周波信号の反射波を、フェーズドアレーアンテナ１を構成する素子アンテナ２−ｋが入射するようにしてもよい。

次に動作について説明する。
送信機２１は、上記実施の形態２と同様に、送信信号である高周波信号を生成し、その高周波信号をフェーズドアレーアンテナ１に出力する。
フェーズドアレーアンテナ１の合成分配器４０は、送信機２１から高周波信号を受けると、その高周波信号を移相器３−１〜３−Ｋに分配する。

移相器制御装置６は、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ために、上記実施の形態１，２と同様に、移相器３−ｋの移相状態を制御する。
即ち、移相器制御装置６の励振位相設定部７は、上記実施の形態１，２と同様に、所望の放射パターンの実現に必要な励振位相β_kを設定する（図７のステップＳＴ２１）。この励振位相β_kは、素子アンテナ２−１〜２−Ｋで共通の設定値である。また、高周波信号の送信時と受信時で同じ設定値である。
位相オフセット量設定部８は、上記実施の形態１，２と同様に、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kに加える位相オフセット量φを設定する（ステップＳＴ２２）。
また、位相オフセット回数設定部９は、上記実施の形態１，２と同様に、位相オフセット量設定部８により設定された位相オフセット量φを励振位相β_kに加える回数である位相オフセット回数Ｍを設定する（ステップＳＴ１２）。

位相オフセット部１０は、励振時間制御部１３から移相器３−ｋの更新タイミングを示す制御信号を受けると、上記実施の形態１，２と同様に、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kに対して、位相オフセット量設定部８により設定された位相オフセット量φを加算し、その加算結果であるオフセットした値を新たな励振位相θ_k,mとして設定する（ステップＳＴ２３）。

移相器制御信号出力部１１は、位相オフセット部１０が新たな励振位相θ_k,mを設定すると、その励振位相θ_k,mを示す移相器制御信号を移相器３−ｋに出力する（ステップＳＴ２４）。
これにより、移相器３−１〜３−Ｋが、移相器制御装置６から出力された移相器制御信号が示す励振位相θ_1,m〜θ_K,mにしたがって、素子アンテナ２−ｋから放射される高周波信号の位相を変化させるが、励振位相β_kは、上述したように、素子アンテナ２−１〜２−Ｋで共通の設定値であり、また、位相オフセット量φも素子アンテナ２−１〜２−Ｋで共通の設定値である。このため、励振位相θ_1,m〜θ_K,mにしたがって高周波信号の位相を変化させても、素子アンテナ２−１〜２−Ｋの間（移相器３−１〜３−Ｋの間）の相対位相差は不変である。
したがって、移相器３−ｋの移相状態を変化させても、フェーズドアレーアンテナ１の放射パターンの振幅特性（包絡線）は不変であり、アンテナ利得は原理的に一定である。

移相器３−１〜３−Ｋは、合成分配器４０により分配された高周波信号を入力すると、移相器制御装置６から出力された移相器制御信号が示す励振位相θ_1,m〜θ_K,mにしたがって当該高周波信号の位相を変化させ、位相変化後の高周波信号を素子アンテナ２−１〜２−Ｋに出力する。
これにより、フェーズドアレーアンテナ１の素子アンテナ２−１〜２−Ｋから位相変化後の高周波信号が放射される（ステップＳＴ２５）。
フェーズドアレーアンテナ１の素子アンテナ２−１〜２−Ｋから放射された高周波信号の一部は、観測対象である目標物により反射（あるいは散乱）されてフェーズドアレーアンテナ１に戻ってくる。
フェーズドアレーアンテナ１の素子アンテナ２−１〜２−Ｋは、目標物により反射されて戻ってきた高周波信号を入射する。

位相オフセット部１０は、フェーズドアレーアンテナ１の素子アンテナ２−１〜２−Ｋから高周波信号が放射されたのち、目標物により反射されて戻ってきた高周波信号が素子アンテナ２−１〜２−Ｋに入射されるまでの間に、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kに対して、さらに、位相オフセット量設定部８により設定された位相オフセット量φを加算し、その加算結果であるオフセットした値を新たな励振位相θ_k,mとして設定する（ステップＳＴ２６）。

移相器制御信号出力部１１は、位相オフセット部１０が新たな励振位相θ_k,mを設定すると、その励振位相θ_k,mを示す移相器制御信号を移相器３−ｋに出力する（ステップＳＴ２７）。
これにより、移相器３−１〜３−Ｋが、移相器制御装置６から出力された移相器制御信号が示す励振位相θ_1,m〜θ_K,mにしたがって、素子アンテナ２−ｋから入射された高周波信号の位相を変化させるが、励振位相β_kは、上述したように、素子アンテナ２−１〜２−Ｋで共通の設定値であり、また、位相オフセット量φも素子アンテナ２−１〜２−Ｋで共通の設定値である。このため、励振位相θ_1,m〜θ_K,mにしたがって高周波信号の位相を変化させても、素子アンテナ２−１〜２−Ｋの間（移相器３−１〜３−Ｋの間）の相対位相差は不変である。
したがって、移相器３−ｋの移相状態を変化させても、フェーズドアレーアンテナ１の放射パターンの振幅特性（包絡線）は不変であり、アンテナ利得は原理的に一定である。

移相器３−１〜３−Ｋは、素子アンテナ２−ｋから入射された高周波信号（目標物により反射されて戻ってきた高周波信号）を入力すると、移相器制御装置６から出力された移相器制御信号が示す励振位相θ_1,m〜θ_K,mにしたがって当該高周波信号の位相を変化させ、位相変化後の高周波信号を合成分配器４０に出力する。
合成分配器４０は、移相器３−１〜３−Ｋから位相変化後の高周波信号を受けると、それらの高周波信号を合成し、合成後の高周波信号を受信機５に出力する。
受信機５は、合成分配器４０から合成後の高周波信号を受けると、その高周波信号を検波し、その高周波信号を例えばベースバンドのディジタル信号であるディジタル受信データに変換する（ステップＳＴ２８）。

時間平均処理部１２は、上記実施の形態１と同様に、励振時間制御部１３からディジタル受信データの蓄積タイミングを示す制御信号を受ける毎に、受信機５から出力されたディジタル受信データを蓄積する（ステップＳＴ２９）。
即ち、時間平均処理部１２は、ディジタル受信データの蓄積数が位相オフセット回数Ｍ／２に至るまで、受信機５から出力されたディジタル受信データを蓄積する。
時間平均処理部１２は、ディジタル受信データの蓄積数が位相オフセット回数Ｍ／２に到達して、励振時間制御部１３から時間平均の算出指令を受けると（ステップＳＴ３０）、蓄積しているＭ／２個のディジタル受信データを位相オフセット回数Ｍ／２で除算することで、そのディジタル受信データの時間平均（時間積分）を算出する（ステップＳＴ３１）。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、１回の送信処理と受信処理で２回の位相オフセットが実行され、ディジタル受信データの蓄積数がＭ／２個になった時点で、位相オフセットの実行回数ｍが位相オフセット回数Ｍに到達する。このため、ディジタル受信データの蓄積数がＭ／２個になった時点で時間平均（時間積分）の算出処理が行われる。この結果、上記実施の形態１と比べて、時間平均するデータサイズを１／２に削減することができる効果を奏する。

この実施の形態３では、励振位相β_k及び位相オフセット量φが高周波信号の送信時と受信時で同じ設定値である例を示したが、高周波信号の送信時の励振位相β_k及び位相オフセット量φと、高周波信号の受信時の励振位相β_k及び位相オフセット量φとが異なる値に設定されていてもよい。

実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４によるアンテナ装置の移相器制御装置６を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
量子化移相状態記憶部５１は例えばＲＡＭやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、移相器３−ｋにおける複数の量子化移相状態での通過移相量を記憶している。なお、量子化移相状態記憶部５１はオフセット設定手段を構成している。
量子化励振位相設定部５２は量子化移相状態記憶部５１により記憶されている複数の量子化移相状態での通過移相量の中から、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kと最も近い移相候補点（以下、「第一通過移相量」と称する）を選択し、励振時間制御部１３から移相器３−ｋの更新タイミングを示す制御信号を受ける毎に、第一通過移相量に隣接している移相候補点（以下、「第二通過移相量」と称する）を励振位相θ_k,mとして設定する処理を実施する。なお、量子化励振位相設定部５２は位相オフセット手段を構成している。

上記実施の形態１〜３では、位相オフセット部１０が、励振時間制御部１３から移相器３−ｋの更新タイミングを示す制御信号を受けると、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kに対して、位相オフセット量設定部８により設定された位相オフセット量φを加算し、その加算結果であるオフセットした値を新たな励振位相θ_k,mとして設定するものを示したが、この実施の形態４では、量子化励振位相設定部５２が、以下のようにして、励振位相θ_k,mを設定する例を説明する。
図９は量子化励振位相設定部５２の処理内容を示す説明図である。

移相器３−ｋがＮｂビットのディジタル移相器で構成されている場合、実現可能な移相状態数Ｉは２^Nb個である。したがって、位相オフセット量φの最小値やオフセット回数Ｍの上限値が明確に定まる。
図９の横軸は、移相器３−ｋ（ｋ＝１，２・・・，，Ｋ）を示す番号であり、縦軸は、移相器３−ｋの通過移相量（量子化された通過移相量）である。
図９において、点線の○（符号６０が付されている○）は、取りうる移相状態（以下、「移相候補点」と称する）を示しており、移相器毎に最大Ｉ点の状態がある。量子化移相状態記憶部５１には、この複数の量子化移相状態での通過移相量が記憶されている。

量子化励振位相設定部５２は、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kを入力する。
ここでは説明の便宜上、励振位相設定部７により設定された励振位相β_kは、図９において、符号６１が付されている×印で表されているものとする。
量子化励振位相設定部５２は、量子化移相状態記憶部５１により記憶されている複数の量子化移相状態での通過移相量の中から、励振位相設定部７により設定された励振位相β_k（×印の励振位相）と最も近い移相候補点である第一通過移相量を選択する。
図９の例では、実線の○（符号６２が付されている○）を移相器３−ｋの第一通過移相量として選択している。

量子化励振位相設定部５２は、移相器３−ｋの第一通過移相量（符号６２が付されている〇）を選択すると、その第一通過移相量を最初の励振位相θ_k,mに設定する。
移相器制御信号出力部１１は、位相オフセット部１０が最初の励振位相θ_k,mを設定すると、上記実施の形態１〜３と同様に、その励振位相θ_k,mを示す移相器制御信号を移相器３−ｋに出力する。

次に、量子化励振位相設定部５２は、励振時間制御部１３から移相器３−ｋの更新タイミングを示す制御信号を受けると、第一通過移相量に隣接している移相候補点である第二通過移相量を新たな励振位相θ_k,mに設定する。
図９の例では、第一通過移相量に対して、プラス側で隣接している移相候補点（符号６３が付されている○）を新たな励振位相θ_k,mに設定している。
ここでは、プラス側で隣接している移相候補点を新たな励振位相θ_k,mに設定しているが、すべての移相器３の通過移相量を同一の値だけオフセットすればよく、マイナス側で隣接している移相候補点を新たな励振位相θ_k,mに設定するようにしてもよい。
移相器制御信号出力部１１は、位相オフセット部１０が新たな励振位相θ_k,mを設定すると、上記実施の形態１〜３と同様に、その励振位相θ_k,mを示す移相器制御信号を移相器３−ｋに出力する。

図９から明らかなように、移相器間の相対位相は第一通過移相量と第二通過移相量で変化しておらず、上記実施の形態１〜３と同じ効果が得られる。
この手順をＭ回繰り返すことで、第Ｍ通過移相量（符号６４が付されている○）まで選定する。
なお、Ｍ＝Ｉとすると、全移相状態を使った時間平均化となり、最も励振誤差の低減効果が大きくなる。
以上のように、量子化移相状態を候補点として、ディジタル移相器の移相状態を決定することで、位相オフセット処理の簡易化を図ることができ、より高速な移相器制御が可能になる。

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、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、も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。

１ フェーズドアレーアンテナ、２−１〜２−Ｋ 素子アンテナ、３−１〜３−Ｋ 移相器、４ 合成器、５ 受信機、６ 移相器制御装置、７ 励振位相設定部（励振位相設定手段）、８ 位相オフセット量設定部（オフセット設定手段）、９ 位相オフセット回数設定部（オフセット設定手段）、１０ 位相オフセット部（位相オフセット手段）、１１ 移相器制御信号出力部（移相状態制御手段）、１２ 時間平均処理部（時間平均手段）、１３ 励振時間制御部、２１ 送信機、２２ 分配器、３１ 受信アンテナ（信号受信手段）、３２ 受信機（信号受信手段）、３３ 励振時間記憶部（時間平均手段）、３４ 時間平均処理部（時間平均手段）、４０ 合成分配器、５１ 量子化移相状態記憶部（オフセット設定手段）、５２ 量子化励振位相設定部（位相オフセット手段）、６０ 移相候補点、６１ 励振位相設定部７により設定された励振位相、６２ 第一通過移相量、６３ 移相候補点、６４ 第Ｍ通過移相量。

Claims (5)

1. フェーズドアレーアンテナを構成する素子アンテナと接続されている複数の移相器と、
   送信信号を出力する送信機と、
   前記複数の移相器の出力信号を合成する一方、前記送信機から出力された送信信号を前記複数の移相器に分配する合成器と、
   前記合成器により合成された信号を受信する受信機と、
   前記素子アンテナの励振位相を設定する励振位相設定手段と、
   前記励振位相設定手段により設定された励振位相に加える位相オフセット量を設定するとともに、前記位相オフセット量を加える回数を設定するオフセット設定手段と、
   前記励振位相設定手段により設定された励振位相に対して、前記オフセット設定手段により設定された回数に至るまで、前記位相オフセット量を繰り返し加える位相オフセット手段と、
   前記位相オフセット手段により位相オフセット量が励振位相に加えられる毎に、前記励振位相にしたがって前記複数の移相器の移相状態を制御する移相状態制御手段と、
   前記移相状態制御手段により移相状態が制御される毎に、前記受信機により受信された信号を蓄積して、前記信号の時間平均を算出する時間平均手段と、
   を備え、
   前記励振位相設定手段は、前記フェーズドアレーアンテナにより信号が送信される際の励振位相と、前記フェーズドアレーアンテナにより信号が受信される際の励振位相とを異なる値に設定することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記時間平均手段は、受信された信号をフーリエ変換し、その変換結果から前記信号の時間平均を求めることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記移相器はディジタル移相器であり、
   前記オフセット設定手段により設定される位相オフセット量は、前記移相器で位相を変えることが可能な最小の位相変位量であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記オフセット設定手段により設定される位相オフセット量を加える回数は、前記移相器で位相を変えることが可能な位相範囲を前記位相オフセット量で除算した値であることを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
5. 送信機が、送信信号を出力する信号送信処理ステップと、
   合成器が、前記送信機から出力された送信信号を、フェーズドアレーアンテナを構成する素子アンテナと接続されている複数の移相器に分配する信号分配処理ステップと、
   前記合成器が、前記複数の移相器の出力信号を合成する信号合成処理ステップと、
   受信機が、前記信号合成処理ステップで合成された信号を受信する信号受信処理ステップと、
   励振位相設定手段が、前記素子アンテナの励振位相を設定する励振位相設定処理ステップと、
   オフセット設定手段が、前記励振位相設定処理ステップで設定された励振位相に加える位相オフセット量を設定するとともに、前記位相オフセット量を加える回数を設定するオフセット設定処理ステップと、
   位相オフセット手段が、前記励振位相設定処理ステップで設定された励振位相に対して、前記オフセット設定処理ステップで設定された回数に至るまで、前記位相オフセット量を繰り返し加える位相オフセット処理ステップと、
   移相状態制御手段が、前記位相オフセット処理ステップで位相オフセット量が励振位相に加えられる毎に、前記励振位相にしたがって前記複数の移相器の移相状態を制御する移相状態制御処理ステップと、
   時間平均手段が、前記移相状態制御処理ステップで移相状態が制御される毎に、前記信号受信処理ステップで受信された信号を蓄積して、前記信号の時間平均を算出する時間平均処理ステップと
   を備え、
   前記励振位相設定手段が、前記フェーズドアレーアンテナにより信号が送信される際の励振位相と、前記フェーズドアレーアンテナにより信号が受信される際の励振位相とを異なる値に設定することを特徴とするアンテナ励振方法。

Images