JP6248971B2

JP6248971B2 - アンテナ装置、振幅位相演算装置

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Publication number: JP6248971B2
Application number: JP2015055992A
Authority: JP
Inventors: 研小川; 孝弘松本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2035-03-19
Also published as: JP2016178413A

Description

本発明は、ビームを電子的に走査するアンテナ装置、振幅位相演算装置に関するものである。

一般に、目標の速度成分や距離、角度情報等の位置情報を高精度に検出する事を目的としたレーダシステム等においては、低サイドローブ特性を有するアンテナ装置が要求される。

このようなレーダシステムにおいて、従来のアンテナ装置は、コヒーレント積分区間（ＣｏｈｅｒｅｎｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＩｎｔｅｒｖａｌ：ＣＰＩ）に満たない連続する複数のパルス繰り返し周期（ＰｕｌｓｅＲｅｐｅｔｉｔｉｏｎＩｎｔｅｒｖａｌ：ＰＲＩ）毎に、ビーム指向方向、ビーム形状、あるいはその両方を切り換えることを行っていた。
ビーム指向方向を切り換えるには所望の角度方向にビームを指向させる励振位相の演算が必要である。また、ビーム形状を切り換えるためには所望のビーム形状を決定する振幅位相分布を演算する必要がある。

このようなアンテナ装置では、例えば１種類の指示角位相に対してＭ種類の形状振幅位相分布を用いて時間平均処理を行うためにはＭ倍の演算時間が必要となり、ビーム指向方向やビーム形状の切換が積分区間内で収まらないという課題があった。

従来、低サイドローブ化を実現するアンテナ装置として、複数の素子アンテナの励振振幅及び位相を時分割で変化させることにより時分割で開口分布を変化させ、前記開口分布毎の受信信号を一定時間内で平均化処理を行うことで、低サイドローブ化を実現するアンテナ装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

ここでは、特許文献１のアンテナ装置について簡単に説明する。図３は、特許文献１に記載のアンテナ装置を示す構成図である。図３において、４は移相器、６は素子アンテナ、１１は切換装置、２８は低雑音増幅器、２９は可変減衰器、３０は励振分布設定装置、３１は切換分布数設定装置、３２は振幅位相分布・励振時間算出装置、３３は振幅分布制御装置、３４は位相分布制御装置、３５は励振時間制御装置、３６は時間積分装置、３７は信号処理装置である。ここでは受信アンテナを想定して動作を説明する。

Ｎ個の素子アンテナ６-１〜６-Ｎはアンテナ開口を形成する。低雑音増幅器２８-１〜２８-Ｎは素子アンテナ６-１〜６-Ｎにより受信された信号を増幅する。可変減衰器２９-１〜２９-Ｎは振幅分布制御装置３３-１〜３３-Ｎのうち、切換装置１１により選択された振幅分布制御装置３３の下で、低雑音増幅器２８-１〜２８-Ｎによる増幅後の信号の振幅を調整する。移相器４-１〜４-Ｎは位相分布制御装置３４-１〜３４-Ｎのうち、切換装置１１により選択された位相分布制御装置３４の下で、低雑音増幅器２８-１〜２８-Ｎによる増幅後の信号の位相を調整する。

分配合成器３は移相器４-１〜４-Ｎにより位相が調整された信号を合成し、その合成信号を時間積分装置３６に出力する。

励振分布設定装置３０は所望の励振分布を設定する。切換分布数設定装置３１は励振分布を時分割で切り換える切換数Ｍを設定する。

振幅分布制御装置３３-１〜３３-Ｍは、振幅位相分布・励振時間算出装置３２により算出された振幅分布を記憶する。振幅分布制御装置３３-１〜３３-Ｍは、切換装置１１により選択されると、記憶している振幅分布に従って可変減衰器２９-１〜２９-Ｎの振幅調整量を制御する。
位相分布制御装置３４-１〜３４-Ｍは振幅位相分布・励振時間算出装置３２により算出された位相分布を記憶し、切換装置１１により選択されると、記憶している位相分布に従って移相器４-１〜４-Ｎの位相調整量を制御する。

励振時間制御装置３５は、振幅位相分布・励振時間算出装置３２により算出された励振時間毎に、振幅分布と位相分布の切換を切換装置１１に指示するとともに、時間積分装置３６の積分処理時間を制御する。
切換装置１１は励振時間制御装置１１から切換指示を受けると、振幅分布制御装置３３-１〜３３-Ｍの中から、１つの振幅分布制御装置３３を選択するととともに、位相分布制御装置３４-１〜３４-Ｍの中から、１つの位相分布制御装置３４を選択する。

時間積分装置３６は切換装置１１により選択される振幅分布制御装置３３及び位相分布制御装置３４が切り換わる毎に、振幅位相分布・励振時間算出装置３２により算出された励振時間で分配合成器３による合成信号の時間積分を行う。
信号処理装置３７は時間積分装置３６の出力信号を入力して、所望の信号を探知する処理を行う。

特開２０１３―２１９７４２号公報

特許文献１に記載された従来のアンテナ装置はこのような構成、動作により低サイドローブ特性を実現するが、（１）演算周期毎に振幅位相分布を算出する必要があること、（２）素子アンテナの増大に比例して演算量が増大することから、周期内に演算が完了するように、高速で振幅位相分布の算出処理を行わなければならないという課題があった。
また、従来のアンテナ装置は振幅位相分布・励振時間算出装置を備えるため、アンテナ装置が大規模なものになるという課題があった。

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、素子アンテナ数が増大した場合であっても、演算部に多大な負荷をかけることなく、また、装置を大規模化することなく、低サイドローブ特性を実現可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、パルス繰り返し周期毎に送信パルス信号を生成し、送受信信号分離装置に出力する生成送信機と、演算周期内に受信した受信信号に対し信号処理を行い所望の目標信号を探知する受信機と、前記送信パルス信号と受信信号を分離する送受信信号分離装置と、アンテナ開口を形成する複数の素子アンテナと、前記素子アンテナの各々に接続され、前記送信パルス信号の振幅を、振幅位相演算部から出力される形状振幅分布を用いて調整する複数の振幅調整器と、前記振幅調整器に接続され、前記送信パルス信号の位相を、振幅位相演算部から出力される形状位相分布を用いて制御する移相器と、複数の分配ポートと１つの合成ポートを有し、前記分配ポートは前記移相器と接続され、前記合成ポートは前記送受信信号分離装置と接続される分配合成器を備えるアンテナ装置であって、前記振幅位相演算部は、前記演算周期毎に、前記アンテナ開口から放射するビームの指向方向を設定する指示角位相を出力する指示角位相演算装置と、前記アンテナ開口から放射するビームの形状を設定する形状位相分布と形状振幅分布を保持する複数の形状振幅位相設定装置と、パルス繰り返し周期毎に切り換え選択した前記形状振幅位相設定装置が保持する前記形状振幅分布を前記振幅調整器に出力するとともに、前記形状振幅位相設定装置が保持する前記前記形状位相分布を加算器に出力する切換装置と、前記切換装置から出力される形状位相分布と、前記指示角位相演算装置から出力される指示角位相を前記パルス繰り返し周期毎に加算し、前記移相器に出力する加算器とからなる。

本発明に係るアンテナ装置によれば、素子アンテナ数が増大した場合であっても、演算部に多大な負荷をかけることなく、また、装置を大規模化することなく、低サイドローブ特性を有するアンテナ装置を提供できる。

本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を説明する図である。本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の運用例を説明する図である。従来のアンテナ装置の構成を説明する図である。

実施の形態１.
以下、本発明に係るアンテナ装置について、図を参照して説明する。なお、図中、同一あるいは相当部分には同一符号を付す。

図１は、本実施の形態のアンテナ装置の構成を示す図である。
本実施の形態のアンテナ装置１００は、送信機１と、送受信信号分離装置２と、分配合成器３と、移相器４-１〜４-Ｎと、振幅調整器５-１〜５-Ｎと、素子アンテナ６-１〜６-Ｎと、ビーム制御装置７と、指示角位相演算装置８と、形状振幅位相設定装置１０-１〜１０-Ｍと、切換装置１１と、加算器１４と、受信機１６から構成される。形状振幅位相設定装置１０-１〜１０-Ｍの各々には、ビーム形状を定める形状位相分布１２と形状振幅分布１３であって、ビーム指向方向に応じた形状位相分布１２と形状振幅分布１３が予め演算され、各々の形状振幅位相設定装置に保持されている。

図２は、本実施の形態のアンテナ装置における運用例を示した図であり、（ａ）は素子アンテナ６-１から放射される送信パルス信号２１の態様、（ｂ）は加算器１４に出力される指示角位相信号の態様、（ｃ）は加算器１４に出力される形状位相信号の態様を示している。
なお図２において、１７はパルス繰り返し周期（ＰＲＩ）、１８はパルス繰り返し周期１７と同期し、パルス繰り返し周期１７とは異なる周期である演算周期、１９は送信可能時間範囲Ｔ、２０は受信可能時間範囲Ｒ、２１は素子アンテナ６のアンテナ開口から所定の指向方向にビーム放射される送信パルス信号、２２、２３、２４はそれぞれ第１の指示角位相信号、第２の指示角位相信号、第３の指示角位相信号、２５、２６、２７は第１の形状位相信号、第２の形状位相信号、第３の形状位相信号を模擬的に示している。ここで、第２の形状位相信号２６は、形状振幅位相設定装置１０-１〜１０-Ｍから各々出力される形状位相信号に対応し、第２の形状位相信号２６-１〜２６-Ｍからなる。

図１に示すように、本実施の形態のアンテナ装置１００はＮ個の素子アンテナ６-１〜６-Ｎを備えて動作する場合を想定しており、所望の角度方向にビームを指向させる指示角位相を算出する指示角位相演算装置８と、レーダシステムの用途に合わせたビーム形状を定める形状振幅位相分布を保持する形状振幅位相設定装置１０-１〜１０-Ｍと、位相を加算する加算器１４を備える点で、従来のアンテナ装置と異なる。
また、本実施の形態のアンテナ装置１００は、形状振幅位相設定装置１０-１〜１０-Ｍと加算器１４との間に切換装置１１を備え、演算周期１８毎に指示角位相演算装置８から出力される指示角位相９と、演算周期１８と異なる周期であるパルス繰り返し周期１７毎に切換装置１１から出力される形状位相分布１２を、パルス繰り返し周期１７毎に加算する加算器１４を備える点で、従来のアンテナ装置と異なる。

このような構成とすることで、後述するようにビーム指向方向を固定して高速でビーム形状を切り換えることが可能となり、また、複数種類の受信信号を得ることができるため、演算周期１８内に受信した複数種類の受信信号に対して時間積分等の所定の信号処理を行うことで、アンテナ装置の低サイドローブ化を実現できる。

次に、本実施の形態に係るアンテナ装置１００の動作について説明する。
最初に、送信機１はパルス繰り返し周期１７毎に送信パルス信号を生成し、送受信信号分離装置２に出力する。送受信信号分離装置２は送信機１から入力した送信パルス信号を分配合成器３に出力する。
分配合成器３は２以上の分配ポートと１つの合成ポートを有しており、送受信信号分離装置２から入力した送信パルス信号を合成ポートから入力し、分配合成器３のＮ個の分配ポートに各々接続されている移相器４-１〜４-Ｎに向けて出力する。

移相器４-１〜４-Ｎは例えば複数ビットのディジタル形の移相器からなり、分配合成器３から入力した送信パルス信号の位相を、指示角位相演算装置８の指示角位相９を用いて制御する。そして、位相制御後の信号を移相器４-１〜４-Ｎに接続された振幅調整器５-１〜５-Ｎに各々出力する。

振幅調整器５-１〜５-Ｎは、移相器４-１〜４-Ｎから入力した位相制御後の信号の振幅を、形状振幅分布１３を用いて調整し、振幅調整後の信号を素子アンテナ６-１〜６-Ｎに各々出力する。

素子アンテナ６-１〜６-Ｎは所望の覆域において所定の利得を有し、アンテナ開口を形成して振幅調整器５-１〜５-Ｎから入力した信号を送信可能時間範囲１９のタイミングで空間へ向けて放射する。

一方、受信機１６は先に空間へ放射した信号の反射信号を素子アンテナ６介して受信し、演算周期１８の期間内に受信した複数の受信信号に対して時間積分等の所定の信号処理を行うことで、所望の目標信号を探知する。

次に、移相器４-１〜４-Ｎにおいて、指示角位相演算装置８により設定される指示角位相９の位相分布、および、振幅調整器５-１〜５-Ｎにおいて、切替装置１１により設定される形状振幅分布１３の振幅分布の設定について説明する。

ビーム制御装置７は、演算周期１８毎に、タイミング信号とビーム指向方向（指示角）に関する制御情報を指示角位相演算装置８に出力する。
また、ビーム制御装置７は、パルス繰り返し周期１７毎に、ビーム指向方向（指示角）に関連付けして形状振幅位相設定装置を切り替える切替制御信号を切換装置１１に出力する。
指示角位相演算装置８はビーム制御装置７からタイミング信号を入力すると、入力したビーム指向方向（指示角）に対応し、アンテナ開口から放射するビーム指向方向を定める指示角位相９を、加算器１４に出力する。

ここで、図１に示したアンテナ装置の構成では、指示角位相演算装置８が演算周期１８毎に出力する指示角位相９は１種類であるように示しているが、指示角位相演算装置８と加算器１４の間に２以上の指示角位相設定装置を設け、この指示角位相設定装置と加算器１４の間に切換装置を設けることで、演算周期１８の間に２つ以上の指示角位相を加算器１４に異なる順序で出力するようにしても良い。
また、図１のアンテナ装置の構成では、Ｍ台の形状振幅位相設定装置１０-１〜１０-Ｍを設けているが、時間平均処理に必要なＭ個の形状振幅位相設定値を保持する領域を有して時分割で出力を切り換えることが可能な装置であれば、Ｍ台の形状振幅位相設定装置１０-１〜１０-Ｍを１台の形状振幅位相設定装置１０に置き換えてもよい。
また、図１のアンテナ装置の構成では、形状振幅位相設定装置１０−１〜１０−Ｍの各々が、形状位相分布１２と形状振幅分布１３を１台の装置内に保持しているが、図３のように、形状振幅分布を形状振幅分布設定装置に設定し、形状位相分布を形状位相分布設定装置に設定する別々の構成にしても良い。この場合、移相器４-１〜４-Ｎに設定する形状位相分布１２と、振幅調整器５-１〜５-Ｎに設定する形状振幅分布１３の組み合わせは自由である。

なお、本実施の形態における形状振幅位相設定装置１０-１〜１０-Ｍが保持する振幅位相分布の発生方法と種類と分布数は任意に設定してよい。
また、形状振幅位相設定装置１０-１〜１０-Ｍが保持する振幅位相分布は更新可能であり、アンテナ装置が適用されるレーダシステムの用途に応じて形状振幅分布、形状位相分布を更新することができる。

切換装置１１はビーム制御装置７から入力する切替制御信号に従い、パルス繰り返し周期毎に、Ｍ台の形状振幅位相設定装置１０-１〜１０-Ｍの中の１台の形状振幅位相設定装置を選択し、選択した形状振幅位相設定装置１０が保持する形状位相分布１２を加算器１４に出力する。また、切換装置１１は、選択した形状振幅位相設定装置１０が保持する形状振幅分布１３を振幅調整器５-１〜５-Ｎに出力する。

加算器１４は、指示角位相演算装置８が出力する指示角位相９と、切換装置１１が選択した形状振幅位相設定装置１０が出力する形状位相分布１２をパルス繰り返し周期毎に加算し、加算後の位相を移相器４-１〜４-Ｎに出力する。

なお、図１のアンテナ装置の構成では、指示角位相演算装置８と、形状振幅位相設定装置１０-１〜１０-Ｍと、切換装置１１と、加算装置１４からなる振幅位相演算部１５によって、移相器４-１〜４-Ｎに移相分布を設定し、振幅調整器５-１〜５-Ｎに振幅分布を設定しているが、Ｎ個の振幅位相演算部を用いて移相器４-１〜４-Ｎと振幅調整器５-１〜５-Ｎの位相分布と振幅分布をそれぞれの振幅位相演算部を用いて設定する構成にしても良い。

このように、本実施の形態に係るアンテナ装置では、第１の指示角位相２２と第１の形状位相２５が加算器１４に出力され、加算器１４は加算した位相値を移相器４に設定するようにした。アンテナ開口を形成する各素子アンテナ６は、移相器４によって位相を制御された後、振幅調整器５によって振幅を調整された送信パルス信号２１を空間に放射する。
このとき、指示角位相演算装置８は、図２に示すように、第１の指示角位相２２から第２の指示角位相２３へ、第２の指示角位相２３から第３の指示角位相２４へのように、指示角位相を演算周期１８毎に切り換えるのに対し、切換装置１１は、第１の形状位相２５から第２の形状位相２６-１、第２の形状位相２６-１から第２の形状位相２６-２のように、パルス繰り返し周期１７毎に形状位相信号の態様を切り換える。

次に、受信時の信号の流れを説明する。
目標で反射された反射信号は、受信可能時間範囲２０のタイミングで素子アンテナ６-１〜６-Ｎにより受信され、振幅調整器５-１〜５-Ｎに出力される。
振幅調整器５-１〜５-Ｎは入力した信号の振幅を調整した後、移相器４-１〜４-Ｎに出力する。
移相器４-１〜４-Ｎは入力した信号の位相を制御した後、分配合成器３に出力する。なお、第１の指示角位相２２〜第３の指示角位相２４と、第１の形状位相２５〜第３の形状位相２７は、それぞれ受信可能時間範囲２０に合わせて加算器１４が移相器４-１〜４-Ｎに出力する。
分配合成器３は送受信信号分離装置２に出力し、送受信信号分離装置２は受信機１６に出力する。
受信機１６は、合成分配器から入力した受信信号の周波数変換、アナログ―ディジタル変換を行った後、演算周期１８の期間内に受信した複数の受信信号に対して時間積分等の所定の信号処理を行うことで、所望の目標信号を探知する。

このように本実施の形態に係るアンテナ装置によれば、素子アンテナ数が増大した場合であっても、従来のアンテナ装置のように、パルス繰り返し周期を１つの演算周期としてビーム方位角とビーム形状位相振幅を演算し同時に切り替えるために、ビーム指向方向やビーム形状の切換が積分区間内で収まらないということがなく、演算処理に多大な負荷をかけることなく高速でビーム形状の切換を行うことができる。また、複数種類の受信信号を得ることができるため、演算周期１８内に受信した複数種類の受信信号に対して時間積分等の所定の信号処理を行うことで、アンテナ装置の低サイドローブ化を実現できる。

１送信機、２送受信信号分離装置、３分配合成器、４移相器、５振幅調整器、６素子アンテナ、７ビーム制御装置、８指示角位相演算装置、９指示角位相、１０形状振幅位相設定装置、１１切換装置、１２形状位相分布、１３形状振幅分布、１４加算器、１５振幅位相演算部、１６受信機、１７パルス繰り返し周期ＰＲＩ、１８演算周期、１９送信可能時間範囲Ｔ、２０受信可能時間範囲Ｒ、２１送信パルス信号、２２第１の指示角位相信号、２３第２の指示角位相信号、２４第３の指示角位相信号、２５第１の形状位相信号、２６第２の形状位相信号、２７第３の形状位相信号、２８低雑音増幅器、２９可変減衰器、３０励振分布設定装置、３１切換分布数設定装置、３２振幅位相分布・励振時間算出装置、３３振幅分布制御装置、３４位相分布制御装置、３５励振時間制御装置、３６時間積分装置、３７信号処理装置、１００アンテナ装置。

Claims

パルス繰り返し周期毎に送信パルス信号を生成し、送受信信号分離装置に出力する生成送信機と、
演算周期内に受信した受信信号に対し信号処理を行い所望の目標信号を探知する受信機と、
前記送信パルス信号と受信信号を分離する送受信信号分離装置と、
アンテナ開口を形成する複数の素子アンテナと、
前記素子アンテナの各々に接続され、前記送信パルス信号の振幅を、振幅位相演算部から出力される形状振幅分布を用いて調整する複数の振幅調整器と、
前記振幅調整器に接続され、前記送信パルス信号の位相を、振幅位相演算部から出力される形状位相分布を用いて制御する移相器と、
複数の分配ポートと１つの合成ポートを有し、前記分配ポートは前記移相器と接続され、前記合成ポートは前記送受信信号分離装置と接続される分配合成器と、
を備えるアンテナ装置であって、
前記振幅位相演算部は、
前記演算周期毎に、前記アンテナ開口から放射するビームの指向方向を設定する指示角位相を出力する指示角位相演算装置と、
前記アンテナ開口から放射するビームの形状を設定する形状位相分布と形状振幅分布を保持する複数の形状振幅位相設定装置と、
パルス繰り返し周期毎に切り換え選択した前記形状振幅位相設定装置が保持する前記形状振幅分布を前記振幅調整器に出力するとともに、前記形状振幅位相設定装置が保持する前記前記形状位相分布を加算器に出力する切換装置と、
前記切換装置から出力される形状位相分布と、前記指示角位相演算装置から出力される指示角位相を前記パルス繰り返し周期毎に加算し、前記移相器に出力する加算器と、
からなることを特徴とするアンテナ装置。
前記形状振幅位相設定装置が保持する前記形状振幅分布と前記形状位相分布は、更新可能であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
アンテナ開口を形成する複数の素子アンテナに対し、前記アンテナ開口から放射するビームの指向方向と形状を設定する位相と振幅を出力する振幅位相演算装置であって、
演算周期毎に、前記ビームの指向方向を設定する指示角位相を出力する指示角位相演算装置と、
前記ビームの形状を設定する位相分布と振幅分布を予め計算し保持する複数の形状振幅位相設定装置と、
パルス繰り返し周期毎に切り換え選択した前記形状振幅位相設定装置が保持する前記振幅分布を前記振幅として出力するとともに、前記形状振幅位相設定装置が保持する前記位相分布を加算器に出力する切換装置と、
前記切換装置から出力される前記位相分布と、前記指示角位相演算装置から出力される指示角位相をパルス繰り返し周期毎に加算し、前記位相として出力する加算器と、
からなることを特徴とする振幅位相演算装置。