JP6289785B2 - アンテナ装置及びグレーティングローブの低減方法 - Google Patents
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Description
また、任意の方向に放射パターンのピークを向ける手段として、アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナが送受信する信号の励振位相を調整するディジタルビームフォーミングアンテナ装置が用いられることがある。
これらのアンテナ装置を搭載しているレーダ装置では、グレーティングローブが発生している場合、グレーティングローブ方向に物体が存在していれば、指向方向に存在している物体として、グレーティングローブ方向に存在している物体を誤検出してしまうことがある。したがって、グレーティングローブは発生していないことが望ましい。
また、以下の特許文献1には、主となるアレーアンテナの他に、補助アレーアンテナを配置し、主となるアレーアンテナと補助アレーアンテナの信号を合成することで、グレーティングローブの利得を低減しているアンテナ装置が開示されている。
また、特許文献1の場合、主となるアレーアンテナの他に、補助アレーアンテナを配置する必要があるため、構成の複雑化を招いてしまうとともに、補助アレーアンテナを配置することができない場合、適用することができないという課題があった。また、補助アレーアンテナの開口が、主となるアレーアンテナの開口よりも一般的に小さいため、補助アレーアンテナのビーム幅が主となるアレーアンテナのビーム幅よりも広くなる。このため、レベルの高い不要なローブを低減する代償として、レベルの低い不要なローブが広い角度範囲に生じてしまうという課題があった。
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、アレーアンテナ1はN個の素子アンテナ2−1〜2−NとN個の移相器3−1〜3−Nとを含んでいる。
Nは2以上の整数であり、素子アンテナ2及び移相器3の個数は2個以上であれば、何個でもよい。
図1の例では、アレーアンテナ1がN個の移相器3−1〜3−Nを含んでいるが、N個の移相器3−1〜3−Nがアレーアンテナ1の外部に設けられていてもよい。
素子アンテナ2−1〜2−Nは放射パターンの切換が可能な素子であり、素子アンテナ2−1〜2−Nはdの間隔で配置されている。
素子アンテナ2−1〜2−Nは、例えば、指向方向の利得が高く、グレーティングローブ方向の利得が低い放射パターンと、指向方向の利得が低く、グレーティングローブ方向の利得が高い放射パターンとの切換が可能である。
放射パターンの切換が可能な素子アンテナ2−1〜2−Nは、例えば、上記の非特許文献1に開示されている。ただし、放射パターンの切換が可能な素子アンテナ2−1〜2−Nであれば、非特許文献1に開示されている素子アンテナに限るものではなく、どのような構成の素子アンテナであってもよい。したがって、例えば、1つの素子アンテナ2が向きの異なる複数の素子アンテナの組み合わせで構成されていて、いずれかの素子アンテナを機械的に選択することで、放射パターンを切り換えるようにしてもよいし、1つの素子アンテナ2の向きを電子的に切り換えるようにしてもよい。
また、この実施の形態1では、素子アンテナ2−1〜2−Nが、電波を受信する受信アンテナとして利用するものを想定しているが、素子アンテナ2−1〜2−Nが、電波を送信する送信アンテナを兼ねるものであってもよい。
移相器3−1〜3−Nは放射パターン制御部10によって与えられる移相量だけ、素子アンテナ2−1〜2−Nの受信信号の位相をシフトして、位相シフト後の受信信号を信号検波部20に出力する。
また、放射パターン制御部10はアレーアンテナ1の放射パターンでの指向方向を変える場合、移相器3−1〜3−Nの移相量の切り換えを実行する。
この実施の形態1では、放射パターン制御部10が、指向方向の利得がグレーティングローブ方向の利得より高くなる第1の放射パターンをアレーアンテナ1に設定するとともに、指向方向の利得がグレーティングローブ方向の利得より低くなる第2の放射パターンをアレーアンテナ1に設定する例を説明するが、3種類以上の放射パターンをアレーアンテナ1に設定することができる。
3種類以上の放射パターンをアレーアンテナ1に設定する例は、実施の形態3で説明する。
即ち、信号検波部20は放射パターン制御部10により第1の放射パターンが設定されたとき、アレーアンテナ1の受信信号から直交信号であるI(In−phase)信号とQ(Quadrature)信号を検波し、放射パターン制御部10により第2の放射パターンが設定されたとき、アレーアンテナ1の受信信号から直交信号であるI信号とQ信号を検波する。
90度移相器22は発振器21から出力された局部発振信号の位相を90度だけシフトし、位相シフト後の局部発振信号をミキサ24に出力する。
ミキサ23はアレーアンテナ1の受信信号と発振器21から出力された局部発振信号を乗算することで、その受信信号の周波数を無線周波数から中間周波数に変換し、中間周波数の受信信号を出力する。
ミキサ24はアレーアンテナ1の受信信号と90度移相器22から出力された位相シフト後の局部発振信号を乗算することで、その受信信号の周波数を無線周波数から中間周波数に変換し、中間周波数の受信信号を出力する。
LPF26はミキサ24から出力された受信信号に含まれている高調波の通過を阻止して、その受信信号に含まれているベースバンド信号だけをA/Dコンバータ28に出力する。
A/Dコンバータ27はLPF25から出力されたアナログのベースバンド信号をディジタル信号に変換して、そのディジタル信号を信号処理部30に出力する。
A/Dコンバータ28はLPF26から出力されたアナログのベースバンド信号をディジタル信号に変換して、そのディジタル信号を信号処理部30に出力する。
この実施の形態1では、信号検波部20が、発振器21、90度移相器22、ミキサ23,24、LPF25,26及びA/Dコンバータ27,28を含んでいる例を示しているが、アレーアンテナ1の受信信号を検波して、その受信信号をディジタル信号に変換することができればよく、信号検波部20が他の構成であってもよい。
図2はこの発明の実施の形態1によるアンテナ装置における信号処理部30のハードウェア構成図である。
信号算出記憶部31は例えばCPUを実装している半導体集積回路又はワンチップマイコンとメモリなどから構成されている信号記憶処理回路41によって実現されるものであり、信号検波部20のA/Dコンバータ27,28からディジタル信号が出力される毎に、当該ディジタル信号からアレーアンテナ1の受信信号の振幅及び位相を示すディジタル受信信号を算出して、そのディジタル受信信号を記憶する。なお、信号算出記憶部31は信号記憶部を構成している。
信号合成部33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いる信号合成処理回路43によって実現されるものであり、第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得と、第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得とから、信号算出記憶部31により記憶されている2つのディジタル受信信号を合成したときに、即ち、第1の放射パターンが設定された際に算出されたディジタル受信信号と、第2の放射パターンが設定された際に算出されたディジタル受信信号とを合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、その重み係数を用いて、信号算出記憶部31により記憶されている2つのディジタル受信信号を合成する処理を実施する。
図3は信号処理部30がコンピュータで構成される場合のハードウェア構成図である。
信号処理部30がコンピュータで構成される場合、信号算出記憶部31のメモリ機能がコンピュータのRAM51上に構成されるとともに、放射パターン記憶部32がRAM51又はROM(Read Only Memory)52上に構成され、また、信号算出記憶部31及び信号合成部33の処理内容を記述しているプログラムがROM52に記憶され、コンピュータのプロセッサ53がROM52に記憶されているプログラムを実行するようにすればよい。
ここでは、信号処理部30がコンピュータで構成される場合を示したが、信号処理部30がDSP(digital signal processor)あるいはFPGA(field−programmable gate array)で構成され、入出力インタフェース54がDSPあるいはFPGAのバスであってもよい。
図5は指向方向の利得がグレーティングローブ方向の利得より高くなる第1の放射パターンと、指向方向の利得がグレーティングローブ方向の利得より低くなる第2の放射パターンとの概略を示す説明図である。
図5において、実線が第1の放射パターンを示し、破線が第2の放射パターンを示している。
まず、信号処理部30の信号合成部33は、第1の放射パターンの設定指令を放射パターン制御部10に出力する。
放射パターン制御部10は、信号処理部30の信号合成部33から第1の放射パターンの設定指令を受けると、素子アンテナ2−1〜2−Nの放射パターンを切り換えることで、アレーアンテナ1の放射パターンを第1の放射パターンに設定する(図4のステップST1)。
ここで、アレーアンテナ1の放射パターンは、素子アンテナ2−1〜2−Nの配置で決まるアレーファクタと、素子アンテナ2−1〜2−Nの放射パターンとの積で決まり、アレーアンテナ1の指向方向は、移相器3−1〜3−Nの移相量を変えることで、切り換えることができる。
第1の放射パターンでは、図6に示すように、−17度の方向にグレーティングローブが生じている。しかし、アレーアンテナ1の第1の放射パターンは、素子アンテナ2−1〜2−Nの放射パターンとして、指向方向の利得が高く、グレーティングローブ方向の利得が低い放射パターンが設定されることで設定されているため、第1の放射パターンにおいても、グレーティングローブの利得が低減されている。
図6の例では、グレーティングローブ方向の利得が指向方向の利得より10dB程度低くなっている。ただし、グレーティングローブは残存している。
なお、アレーアンテナ1が受信する電波は、当該アンテナ装置と別の地点に設置されている外部装置から送信されてきた電波、あるいは、空間に存在している物体等に反射されてきた電波などが想定される。
即ち、信号検波部20の発振器21は、放射パターン制御部10が第1の放射パターンを設定すると、局部発振信号を90度移相器22及びミキサ23に出力する。
90度移相器22は、発振器21から局部発振信号を受けると、その局部発振信号の位相を90度だけシフトし、位相シフト後の局部発振信号をミキサ24に出力する。
ミキサ24は、アレーアンテナ1の受信信号と90度移相器22から出力された位相シフト後の局部発振信号を乗算することで、その受信信号の周波数を無線周波数から中間周波数に変換し、中間周波数の受信信号をLPF26に出力する。
LPF26は、ミキサ24から中間周波数の受信信号を受けると、その受信信号に含まれている高調波の通過を阻止して、その受信信号に含まれているベースバンド信号だけをA/Dコンバータ28に出力する。
A/Dコンバータ28は、LPF26からベースバンド信号を受けると、そのベースバンド信号をディジタル信号に変換して、そのディジタル信号を信号処理部30に出力する。
なお、A/Dコンバータ27から出力されるディジタル信号は、I信号に相当し、A/Dコンバータ28から出力されるディジタル信号は、Q信号に相当する。
A/Dコンバータ27から出力されるディジタル信号をI、A/Dコンバータ28から出力されるディジタル信号をQとすると、アレーアンテナ1の受信信号の振幅m,位相φは、下記の式(1)(2)のように算出される。
放射パターン制御部10は、信号処理部30の信号合成部33から第2の放射パターンの設定指令を受けると、素子アンテナ2−1〜2−Nの放射パターンを切り換えることで、アレーアンテナ1の放射パターンを第2の放射パターンに設定する(図4のステップST5)。
図7は素子アンテナ2−1〜2−Nの間隔dが1波長の長さで、指向方向が45度の方向である場合の第2の放射パターンの利得を示す説明図である。
第2の放射パターンでは、図7に示すように、−17度の方向にグレーティングローブが生じている。しかし、アレーアンテナ1の第2の放射パターンは、素子アンテナ2−1〜2−Nの放射パターンとして、指向方向の利得が低く、グレーティングローブ方向の利得が高い放射パターンが設定されることで設定されているため、第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得が指向方向の利得より高くなっている。
図7の例では、グレーティングローブ方向の利得が指向方向の利得より18dB程度高くなっている。
なお、第1の放射パターンと第2の放射パターンでの指向方向と、第1の放射パターンと第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向とが同じであるため、第1の放射パターンを設定する際の移相器3−1〜3−Nの移相量と、第2の放射パターンを設定する際の移相器3−1〜3−Nの移相量とは同じである。ただし、第1の放射パターンから第2の放射パターンに切り換える際、素子アンテナ2−1〜2−Nの放射パターンの変更に伴う影響等で、素子アンテナ2毎の放射位相が変化する場合には、素子アンテナ2−1〜2−Nがグレーティングローブ方向を指向するように移相器3−1〜3−Nの移相量を変更するようにしてもよい。
信号検波部20は、放射パターン制御部10により第2の放射パターンが設定されたとき、アレーアンテナ1の受信信号を検波する(ステップST7)。
即ち、信号検波部20の発振器21は、放射パターン制御部10が第2の放射パターンを設定すると、局部発振信号を90度移相器22及びミキサ23に出力する。
90度移相器22は、発振器21から局部発振信号を受けると、その局部発振信号の位相を90度だけシフトし、位相シフト後の局部発振信号をミキサ24に出力する。
ミキサ24は、アレーアンテナ1の受信信号と90度移相器22から出力された位相シフト後の局部発振信号を乗算することで、その受信信号の周波数を無線周波数から中間周波数に変換し、中間周波数の受信信号をLPF26に出力する。
LPF26は、ミキサ24から中間周波数の受信信号を受けると、その受信信号に含まれている高調波の通過を阻止して、その受信信号に含まれているベースバンド信号だけをA/Dコンバータ28に出力する。
A/Dコンバータ28は、LPF26からベースバンド信号を受けると、そのベースバンド信号をディジタル信号に変換して、そのディジタル信号を信号処理部30に出力する。
A/Dコンバータ27から出力されるディジタル信号をI、A/Dコンバータ28から出力されるディジタル信号をQとすると、アレーアンテナ1の受信信号の振幅m,位相φは、上記の式(1)(2)のように算出される。
そして、第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相と、第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相とから、信号算出記憶部31により記憶されているディジタル受信信号S1とディジタル受信信号S2を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数wを特定する。
例えば、第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相を示す変数がG0、第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相を示す変数がGSであるとすれば、重み係数wは、下記の式(3)のように表される。
なお、S1,S2,S3,wは、Aejφで表される複素数である。Aは振幅、φは位相である。
一方、グレーティングローブ方向から到来している信号は、右辺第1項と第2項で相殺されてほぼゼロとなる。
これにより、指向方向から到来している信号は、式(4)の演算の影響をほとんど受けないが、グレーティングローブ方向から到来している信号は、利得が低減される。
図8は信号合成部33により合成されることで仮想的に形成される第3の放射パターンを示す説明図である。
これにより、信号合成部33から出力される合成信号S3は、仮想的に形成される第3の放射パターンでのアレーアンテナ1の受信信号に相当する。
図8より、第3の放射パターンでは、グレーティングローブがほぼ存在していないことが分かる。
なお、信号合成部33から出力される合成信号S3は、レーダ信号処理などの任意の信号処理に用いることができる。
上記実施の形態1では、信号検波部20が、放射パターン制御部10により第1の放射パターンが設定されると、アレーアンテナ1の受信信号を1回検波し、放射パターン制御部10により第2の放射パターンが設定されると、アレーアンテナ1の受信信号を1回検波するものを示しているが、アレーアンテナ1により受信される電波が微弱である場合でも、アレーアンテナ1の受信信号が得られるように、放射パターン制御部10により第1の放射パターンが設定されると、アレーアンテナ1の受信信号を複数回検波し、放射パターン制御部10により第2の放射パターンが設定されると、アレーアンテナ1の受信信号を複数回検波するようにしてもよい。
信号検波部60は図1の信号検波部20と同一の構成であるが、放射パターン制御部10により第1の放射パターンが設定されると、アレーアンテナ1の受信信号をM(Mは2以上の整数)回検波して、M個のディジタル信号I(t),Q(t)(t=1,2,・・・,M)を出力する。また、放射パターン制御部10により第2の放射パターンが設定されると、アレーアンテナ1の受信信号をN(Nは2以上の整数)回検波して、N個のディジタル信号I(t),Q(t)(t=1,2,・・・,N)を出力する。ただし、M=Nでもよいし、M>Nでもよいし、M<Nでもよい。
信号算出記憶部34は例えば図2の信号記憶処理回路41によって実現されるものであり、放射パターン制御部10により第1の放射パターンが設定されているとき、信号検波部60のA/Dコンバータ27,28からディジタル信号I(t),Q(t)が出力される毎に、当該ディジタル信号I(t),Q(t)からアレーアンテナ1の受信信号(第1の受信信号)の振幅m(t)及び位相φ(t)を示すディジタル受信信号S1(t)を算出して、そのディジタル受信信号S1(t)を記憶する。
また、放射パターン制御部10により第2の放射パターンが設定されているとき、信号検波部60のA/Dコンバータ27,28からディジタル信号I(t),Q(t)が出力される毎に、当該ディジタル信号I(t),Q(t)からアレーアンテナ1の受信信号(第2の受信信号)の振幅m(t)及び位相φ(t)を示すディジタル受信信号S2(t)を算出して、そのディジタル受信信号S2(t)を記憶する。
図10は信号算出記憶部34により記憶されるM個のディジタル受信信号S1(t)とN個のディジタル受信信号S2(t)を示す説明図である。
信号処理部30がコンピュータで構成される場合、信号算出記憶部34のメモリ機能が図3に示すコンピュータのRAM51上に構成されるとともに、放射パターン記憶部32がRAM51又はROM52上に構成され、また、信号算出記憶部34及び信号合成部35の処理内容を記述しているプログラムがROM52に記憶され、図3に示すコンピュータのプロセッサ53がROM52に記憶されているプログラムを実行するようにすればよい。
信号処理部30の信号合成部35は、第1の放射パターンの設定指令を放射パターン制御部10に出力する。
放射パターン制御部10は、信号処理部30の信号合成部35から第1の放射パターンの設定指令を受けると、上記実施の形態1と同様に、素子アンテナ2−1〜2−Nの放射パターンを切り換えることで、アレーアンテナ1の放射パターンを第1の放射パターンに設定する。
信号検波部60は、放射パターン制御部10が第1の放射パターンを設定すると、アレーアンテナ1の受信信号をM回検波して、M個のディジタル信号I(t),Q(t)(t=1,2,・・・,M)を出力する。
アレーアンテナ1の受信信号の検波処理自体は、上記実施の形態1と同様であるため詳細な説明を省略する。
放射パターン制御部10は、信号処理部30の信号合成部35から第2の放射パターンの設定指令を受けると、上記実施の形態1と同様に、素子アンテナ2−1〜2−Nの放射パターンを切り換えることで、アレーアンテナ1の放射パターンを第2の放射パターンに設定する。
信号検波部60は、放射パターン制御部10が第2の放射パターンを設定すると、アレーアンテナ1の受信信号をN回検波して、N個のディジタル信号I(t),Q(t)(t=1,2,・・・,N)を出力する。
そして、第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相と、第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相とから、信号算出記憶部34により記憶されているディジタル受信信号S1(t)の総和とディジタル受信信号S2(t)の総和を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数wを特定する。
例えば、第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相を示す変数がG0、第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相を示す変数がGSであるとすれば、重み係数wは、下記の式(7)のように表される。
なお、S1(t),S2(t),S3,wは、Aejφで表される複素数である。Aは振幅、φは位相である。
一方、グレーティングローブ方向から到来している信号は、右辺第1項と第2項で相殺されてほぼゼロとなる。
これにより、指向方向から到来している信号は、式(8)の演算の影響をほとんど受けないが、グレーティングローブ方向から到来している信号は、利得が低減される。
上記実施の形態1,2では、第1の放射パターンと第2の放射パターンをアレーアンテナ1に設定するものを示しているが、3種類以上の放射パターンをアレーアンテナ1に設定するようにしてもよい。
この発明の実施の形態3によるアンテナ装置の構成図は、上記実施の形態1における図1のアンテナ装置の構成図と同じである。
ただし、図1では、素子アンテナ2−1〜2−Nが一直線上に配置されているように描かれているが、この実施の形態3では、図11に示すように、xy平面状に2次元配置されているものとする。図11の例では、13個の素子アンテナ2−1〜2−13が配置されている。
この実施の形態3では、説明の簡単化のため、M=2として、3個の放射パターンを設定する例を説明する。ただし、これは一例に過ぎず、4個以上の放射パターンを設定するものであってもよい。
図13において、GL1,GL2は図12の座標系でのグレーティングローブ方向を示している。
第1の放射パターンでは、指向方向の利得がGL1,GL2の利得より高く、第2の放射パターンでは、指向方向の利得がGL1の利得より低く、第3の放射パターンでは、指向方向の利得がGL2の利得より低くなっている。
なお、2個のグレーティングローブ方向を含んでいるアレーアンテナ1の第1から第3の放射パターンは、素子アンテナ2−1〜2−13が、2個のグレーティングローブ方向を含んでいる放射パターンの切換が可能な素子アンテナであれば設定することができる。
この実施の形態3では、放射パターン制御部10により第1の放射パターンが設定された際に、信号検波部20により検波された受信信号からアレーアンテナ1の受信信号の振幅及び位相を示すディジタル受信信号S1を算出して、そのディジタル受信信号S1を記憶し、放射パターン制御部10により第2の放射パターンが設定された際に、信号検波部20により検波された受信信号からアレーアンテナ1の受信信号の振幅及び位相を示すディジタル受信信号S2を算出して、そのディジタル受信信号S2を記憶する。
また、放射パターン制御部10により第3の放射パターンが設定された際に、信号検波部20により検波された受信信号からアレーアンテナ1の受信信号の振幅及び位相を示すディジタル受信信号S3を算出して、そのディジタル受信信号S3を記憶する。
信号合成部33は、第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得と、第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得と、第3の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得とから、信号算出記憶部31により記憶されているディジタル受信信号S1とディジタル受信信号S2とディジタル受信信号S3とを合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数w2,w3を特定し、その重み係数w2,w3を用いて、信号算出記憶部31により記憶されているディジタル受信信号S1とディジタル受信信号S2とディジタル受信信号S3とを合成する処理を実施する。
まず、信号処理部30の信号合成部33は、上記実施の形態1と同様に、第1の放射パターンの設定指令を放射パターン制御部10に出力する。
放射パターン制御部10は、信号処理部30の信号合成部33から第1の放射パターンの設定指令を受けると、素子アンテナ2−1〜2−13の放射パターンを切り換えることで、アレーアンテナ1の放射パターンを第1の放射パターンに設定する。
信号検波部20は、放射パターン制御部10が第1の放射パターンを設定すると、上記実施の形態1と同様に、アレーアンテナ1の受信信号を検波して、ディジタル信号I,Qを出力する。
信号処理部30の信号算出記憶部31は、信号検波部20のA/Dコンバータ27,28からディジタル信号I,Qを受けると、上記の式(1)(2)に示すように、そのディジタル信号I,Qからアレーアンテナ1の受信信号の振幅m及び位相φを示すディジタル受信信号S1を算出して、そのディジタル受信信号S1を記憶する。
放射パターン制御部10は、信号処理部30の信号合成部33から第2の放射パターンの設定指令を受けると、素子アンテナ2−1〜2−13の放射パターンを切り換えることで、アレーアンテナ1の放射パターンを第2の放射パターンに設定する。
信号検波部20は、放射パターン制御部10が第2の放射パターンを設定すると、アレーアンテナ1の受信信号を検波して、ディジタル信号I,Qを出力する。
信号処理部30の信号算出記憶部31は、信号検波部20のA/Dコンバータ27,28からディジタル信号I,Qを受けると、上記の式(1)(2)に示すように、そのディジタル信号I,Qからアレーアンテナ1の受信信号の振幅m及び位相φを示すディジタル受信信号S2を算出して、そのディジタル受信信号S2を記憶する。
放射パターン制御部10は、信号処理部30の信号合成部33から第3の放射パターンの設定指令を受けると、素子アンテナ2−1〜2−13の放射パターンを切り換えることで、アレーアンテナ1の放射パターンを第3の放射パターンに設定する。
信号検波部20は、放射パターン制御部10が第3の放射パターンを設定すると、アレーアンテナ1の受信信号を検波して、ディジタル信号I,Qを出力する。
信号処理部30の信号算出記憶部31は、信号検波部20のA/Dコンバータ27,28からディジタル信号I,Qを受けると、上記の式(1)(2)に示すように、そのディジタル信号I,Qからアレーアンテナ1の受信信号の振幅m及び位相φを示すディジタル受信信号S3を算出して、そのディジタル受信信号S3を記憶する。
そして、第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相と、第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相と、第3の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相とから、信号算出記憶部31により記憶されているディジタル受信信号S1とディジタル受信信号S2とディジタル受信信号S3とを合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数w2,w3を特定する。
例えば、第1の放射パターンでのGL1の利得がG1(GL1)、第1の放射パターンでのGL2の利得がG1(GL2)、第2の放射パターンでのGL1の利得がG2(GL1)、第2の放射パターンでのGL2の利得がG2(GL2)、第3の放射パターンでのGL1の利得がG3(GL1)、第3の放射パターンでのGL2の利得がG3(GL2)であるとすれば、重み係数w2,w3は、下記の式(9)のように表される。
なお、S1,S2,S3,S4,w2,w3は、Aejφで表される複素数である。Aは振幅、φは位相である。
一方、グレーティングローブ方向から到来している信号は、右辺第1項と第2項と第3項で相殺されてほぼゼロとなる。
これにより、指向方向から到来している信号は、式(10)の演算の影響をほとんど受けないが、グレーティングローブ方向から到来している信号は、利得が低減される。
したがって、アレーアンテナ1の各放射パターンでのグレーティングローブ方向が3個以上である場合でも、当該実施の形態3を適用することができる。
上記実施の形態1〜3では、信号検波部20又は60が、アレーアンテナ1の受信信号からディジタル信号I,Q又はI(t),Q(t)を検波し、信号処理部30の信号算出記憶部31又は34が、ディジタル信号I,Q又はI(t),Q(t)から、アレーアンテナ1の受信信号の振幅m又はm(t),位相φ又はφ(t)を示すディジタル受信信号を算出して記憶するものを示しているが、信号検波部が、アレーアンテナ1の受信信号をディジタル信号に変換して、そのディジタル信号を出力し、信号処理部30の信号記憶部が、そのディジタル信号を記憶するようにしてもよい。
この実施の形態4では、信号検波部20が、A/Dコンバータ27のみを有しており、A/Dコンバータ27が、アレーアンテナ1の受信信号をディジタル信号に変換して、そのディジタル信号を信号処理部30に出力する。
信号処理部30は信号記憶部36、放射パターン記憶部32及び信号合成部33を含んでおり、アレーアンテナ1の各放射パターンが設定された際に信号検波部20により検波された受信信号を合成する処理を実施する。
信号記憶部36は例えば図2の記憶装置42によって実現されるものであり、信号検波部20のA/Dコンバータ27からディジタル信号が出力される毎に、当該ディジタル信号を記憶する。
信号処理部30がコンピュータで構成される場合、信号記憶部36が図3に示すコンピュータのRAM51上に構成されるとともに、放射パターン記憶部32がRAM51又はROM52上に構成され、また、信号合成部33の処理内容を記述しているプログラムがROM52に記憶され、図3に示すコンピュータのプロセッサ53がROM52に記憶されているプログラムを実行するようにすればよい。
まず、信号処理部30の信号合成部33は、上記実施の形態1と同様に、第1の放射パターンの設定指令を放射パターン制御部10に出力する。
放射パターン制御部10は、信号処理部30の信号合成部33から第1の放射パターンの設定指令を受けると、上記実施の形態1と同様に、素子アンテナ2−1〜2−Nの放射パターンを切り換えることで、アレーアンテナ1の放射パターンを第1の放射パターンに設定する。
信号検波部20のA/Dコンバータ27は、放射パターン制御部10が第1の放射パターンを設定すると、アレーアンテナ1の受信信号をディジタル信号に変換して、そのディジタル信号を信号処理部30に出力する。
信号処理部30の信号記憶部36は、信号検波部20のA/Dコンバータ27からディジタル信号を受けると、そのディジタル信号を記憶する。
以下、信号記憶部36により記憶されるディジタル信号をディジタル受信信号S1とし、そのディジタル受信信号S1は、アレーアンテナ1の受信信号の振幅に相当する。
放射パターン制御部10は、信号処理部30の信号合成部33から第2の放射パターンの設定指令を受けると、上記実施の形態1と同様に、素子アンテナ2−1〜2−Nの放射パターンを切り換えることで、アレーアンテナ1の放射パターンを第2の放射パターンに設定する。
信号検波部20のA/Dコンバータ27は、放射パターン制御部10が第2の放射パターンを設定すると、アレーアンテナ1の受信信号をディジタル信号に変換して、そのディジタル信号を信号処理部30に出力する。
信号処理部30の信号記憶部36は、信号検波部20のA/Dコンバータ27からディジタル信号を受けると、そのディジタル信号を記憶する。
以下、信号記憶部36により記憶されるディジタル信号をディジタル受信信号S2とし、そのディジタル受信信号S2は、アレーアンテナ1の受信信号の振幅に相当する。
そして、第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得と、第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得とから、信号算出記憶部31により記憶されているディジタル受信信号S1とディジタル受信信号S2を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数wを特定する。
例えば、第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得を示す変数がG0、第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得を示す変数がGSであるとすれば、重み係数wは、下記の式(11)のように表される。
G0,GSは、上記実施の形態1と異なり、グレーティングローブ方向の利得のみを示し、位相の情報を含んでいない。
なお、S1,S2,S3,wは、上記実施の形態1と異なり、振幅のみを示し、位相の情報を含んでいない。
一方、グレーティングローブ方向から到来している信号は、右辺第1項と第2項で相殺されてほぼゼロとなる。
これにより、指向方向から到来している信号は、式(12)の演算の影響をほとんど受けないが、グレーティングローブ方向から到来している信号は、利得が低減される。
上記実施の形態1〜4では、指向方向を変える場合、放射パターン制御部10が、移相器3−1〜3−Nの移相量を変えるものを示しているが、素子アンテナ2−1〜2−Nの受信信号に対するディジタルビームフォーミングを実施して、指向方向を所望の方向に設定するようにしてもよい。
図15及び図16において、図1及び図2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。
信号検波部70はN個の信号検波処理部71−1〜71−Nを含んでいる。
信号検波処理部71−1〜71−Nは放射パターン制御部10により新たな放射パターンが設定される毎に、素子アンテナ2−1〜2−Nの受信信号を検波する。
即ち、信号検波処理部71−1〜71−Nは放射パターン制御部10により第1の放射パターンが設定されたとき、素子アンテナ2−1〜2−Nの受信信号から直交信号であるI信号とQ信号を検波し、放射パターン制御部10により第2の放射パターンが設定されたとき、素子アンテナ2−1〜2−Nの受信信号から直交信号であるI信号とQ信号を検波する。
ディジタルビームフォーミング部81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いるディジタルビームフォーミング処理回路44によって実現されるものであり、信号検波処理部71−1〜71−Nにより算出されたディジタル受信信号に対するディジタルビームフォーミングを実施して、アレーアンテナ1の受信信号の振幅及び位相を示すディジタル受信信号を算出する処理を実施する。
信号記憶部82は例えば記憶装置42によって実現されるものであり、ディジタルビームフォーミング部81により算出されたディジタル受信信号を記憶する。
信号処理部80がコンピュータで構成される場合、信号記憶部82が図3に示すコンピュータのRAM51上に構成されるとともに、放射パターン記憶部32がRAM51又はROM52上に構成され、また、ディジタルビームフォーミング部81及び信号合成部33の処理内容を記述しているプログラムがROM52に記憶され、図3に示すコンピュータのプロセッサ53がROM52に記憶されているプログラムを実行するようにすればよい。
図17はこの発明の実施の形態5によるアンテナ装置の処理内容であるグレーティングローブの低減方法を示すフローチャートである。
まず、信号処理部80の信号合成部33は、上記実施の形態1と同様に、第1の放射パターンの設定指令を放射パターン制御部10に出力する。
放射パターン制御部10は、信号処理部80の信号合成部33から第1の放射パターンの設定指令を受けると、上記実施の形態1と同様に、素子アンテナ2−1〜2−Nの放射パターンを切り換えることで、アレーアンテナ1の放射パターンを第1の放射パターンに設定する(図17のステップST11)。
アレーアンテナ1の素子アンテナ2−1〜2−Nは、放射パターン制御部10によって第1の放射パターンが設定されているときに到来してきた電波を受信し、その受信信号を信号検波部70に出力する(ステップST12)。
即ち、信号検波処理部71−1〜71−Nは、図1の信号検波部20と同様の構成を備えており、素子アンテナ2−1〜2−Nの受信信号から、直交信号であるディジタル信号Iとディジタル信号Qを取得する。
そして、信号検波処理部71−1〜71−Nは、そのディジタル信号I,Qから素子アンテナ2−1〜2−Nの受信信号の振幅m及び位相φを示すディジタル受信信号を算出する。
ディジタル信号I,Qからディジタル受信信号を算出する処理は、図1の信号算出記憶部31が、ディジタル信号I,Qからディジタル受信信号を算出する処理と同様である。
信号記憶部82は、ディジタルビームフォーミング部81により算出されたディジタル受信信号S1を記憶する。
なお、ディジタルビームフォーミングは、N個のディジタル受信信号に対して、ディジタル信号処理で位相を付加するものであり、ディジタルビームフォーミング自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
放射パターン制御部10は、信号処理部80の信号合成部33から第2の放射パターンの設定指令を受けると、上記実施の形態1と同様に、素子アンテナ2−1〜2−13の放射パターンを切り換えることで、アレーアンテナ1の放射パターンを第2の放射パターンに設定する(ステップST15)。
アレーアンテナ1の素子アンテナ2−1〜2−Nは、放射パターン制御部10によって第2の放射パターンが設定されているときに到来してきた電波を受信し、その受信信号を信号検波部70に出力する(ステップST16)。
即ち、信号検波処理部71−1〜71−Nは、図1の信号検波部20と同様の構成を備えており、素子アンテナ2−1〜2−Nの受信信号から、直交信号であるディジタル信号Iとディジタル信号Qを取得する。
そして、信号検波処理部71−1〜71−Nは、そのディジタル信号I,Qから素子アンテナ2−1〜2−Nの受信信号の振幅m及び位相φを示すディジタル受信信号を算出する。
信号記憶部82は、ディジタルビームフォーミング部81により算出されたディジタル受信信号S2を記憶する。
ディジタルビームフォーミングは、第1及び第2の放射パターンでの指向方向を設定するものである。ディジタルビームフォーミングの1回の実施で1つの指向方向を設定することができることは言うまでもないが、ディジタルビームフォーミングの1回の実施で複数の指向方向を同時に設定することもできる。
そして、第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相と、第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得及び位相とから、信号記憶部82により記憶されているディジタル受信信号S1とディジタル受信信号S2を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数wを特定する。
信号合成部33は、重み係数wを特定すると、上記の式(4)に示すように、その重み係数wを用いて、信号記憶部82により記憶されているディジタル受信信号S1とディジタル受信信号S2を合成し、その合成信号S3を出力する(ステップST19)。
一方、グレーティングローブ方向から到来している信号は、右辺第1項と第2項で相殺されてほぼゼロとなる。
これにより、指向方向から到来している信号は、式(4)の演算の影響をほとんど受けないが、グレーティングローブ方向から到来している信号は、利得が低減される。
Claims (13)
- 放射パターンの切換が可能な複数の素子アンテナを有するアレーアンテナと、
前記複数の素子アンテナの放射パターンを切り換えることで、前記アレーアンテナの放射パターンを設定する放射パターン制御部と、
前記放射パターン制御部によりアレーアンテナの放射パターンが新たに設定される毎に、前記アレーアンテナの受信信号を検波する信号検波部と、
前記放射パターン制御部により設定される前記アレーアンテナの複数の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得から、前記アレーアンテナの各放射パターンが設定された際に前記信号検波部により検波された受信信号を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記アレーアンテナの各放射パターンが設定された際に前記信号検波部により検波された受信信号を合成する信号処理部と
を備えたアンテナ装置。 - 前記信号処理部は、
前記信号検波部により受信信号が検波される毎に、当該受信信号を記憶する信号記憶部と、
前記放射パターン制御部により設定される前記アレーアンテナの複数の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得から、前記信号記憶部により記憶されている複数の受信信号を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記信号記憶部により記憶されている複数の受信信号を合成する信号合成部とを備えることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記放射パターン制御部は、指向方向の利得がグレーティングローブ方向の利得より高くなる第1の放射パターンを前記アレーアンテナに設定するとともに、指向方向の利得がグレーティングローブ方向の利得より低くなる第2の放射パターンを前記アレーアンテナに設定し、
前記信号記憶部は、前記第1の放射パターンが設定された際に、前記信号検波部により検波された受信信号を記憶するとともに、前記第2の放射パターンが設定された際に、前記信号検波部により検波された受信信号を記憶し、
前記信号合成部は、前記第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得と、前記第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得とから、前記信号記憶部により記憶されている2つの受信信号を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記2つの受信信号を合成することを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。 - 前記信号記憶部は、前記放射パターン制御部により前記第1の放射パターンが設定されたとき、前記信号検波部により複数回検波された複数の受信信号を第1の受信信号として記憶するとともに、前記放射パターン制御部により前記第2の放射パターンが設定されたとき、前記信号検波部により複数回検波された複数の受信信号を第2の受信信号として記憶し、
前記信号合成部は、前記第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得と、前記第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得とから、前記信号記憶部により記憶されている複数の第1の受信信号の総和と複数の第2の受信信号の総和とを合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記複数の第1の受信信号の総和と前記複数の第2の受信信号の総和とを合成することを特徴とする請求項3記載のアンテナ装置。 - 前記放射パターン制御部は、指向方向の利得がM(Mは2以上の整数)個のグレーティングローブ方向の利得より高くなる第1の放射パターンを前記アレーアンテナに設定するとともに、指向方向の利得がM個のグレーティングローブ方向の中のm(mは1以上、M以下の整数)番目のグレーティングローブ方向の利得より低くなる第2から第M+1の放射パターンを前記アレーアンテナにそれぞれ設定し、
前記信号記憶部は、前記第1の放射パターンが設定された際に、前記信号検波部により検波された受信信号を記憶するとともに、前記第2から第M+1の放射パターンが設定された際に、前記信号検波部により検波された受信信号を記憶し、
前記信号合成部は、前記第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得と、前記第2から第M+1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得とから、前記信号記憶部により記憶されている全ての受信信号を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記全ての受信信号を合成することを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。 - 前記信号合成部は、前記第2から第M+1の放射パターンでのM個のグレーティングローブ方向の利得を要素とする第1の行列の逆行列と、前記第1の放射パターンでのM個のグレーティングローブ方向の利得を要素とする第2の行列とを乗算することで、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を算出することを特徴とする請求項5記載のアンテナ装置。
- 前記信号検波部は、前記アレーアンテナの受信信号から直交信号であるI信号とQ信号を検波し、
前記信号記憶部は、前記信号検波部によりI信号とQ信号が検波される毎に、当該I信号とQ信号から前記アレーアンテナの受信信号の振幅及び位相を示すディジタル受信信号を算出して、前記ディジタル受信信号を記憶し、
前記信号合成部は、前記放射パターン制御部により設定される前記複数の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得から、前記信号記憶部により記憶されている複数のディジタル受信信号を合成したときに、合成後のディジタル受信信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記信号記憶部により記憶されている複数のディジタル受信信号を合成することを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。 - 前記信号検波部は、前記アレーアンテナの受信信号をディジタル信号に変換して、前記ディジタル信号を出力し、
前記信号記憶部は、前記信号検波部からディジタル信号が出力される毎に、当該ディジタル信号を記憶し、
前記信号合成部は、前記放射パターン制御部により設定される前記複数の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得から、前記信号記憶部により記憶されている複数のディジタル信号を合成したときに、合成後のディジタル信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記信号記憶部により記憶されている複数のディジタル信号を合成することを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。 - 前記信号検波部は、
前記放射パターン制御部によりアレーアンテナの放射パターンが新たに設定される毎に、前記素子アンテナの受信信号を検波する複数の信号検波処理部を備え、
前記信号処理部は、
前記複数の信号検波処理部により検波された素子アンテナの受信信号に対するディジタルビームフォーミングを実施して、前記アレーアンテナの受信信号を算出するディジタルビームフォーミング部と、
前記ディジタルビームフォーミング部によりアレーアンテナの受信信号が算出される毎に、当該受信信号を記憶する信号記憶部と、
前記放射パターン制御部により設定される前記アレーアンテナの複数の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得から、前記信号記憶部により記憶されている複数の受信信号を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記信号記憶部により記憶されている複数の受信信号を合成する信号合成部とを備えることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記放射パターン制御部は、指向方向の利得がグレーティングローブ方向の利得より高くなる第1の放射パターンを前記アレーアンテナに設定するとともに、指向方向の利得がグレーティングローブ方向の利得より低くなる第2の放射パターンを前記アレーアンテナに設定し、
前記ディジタルビームフォーミング部は、前記第1の放射パターンが設定された際に、前記複数の信号検波処理部により検波された素子アンテナの受信信号に対するディジタルビームフォーミングを実施して、前記アレーアンテナの受信信号を算出するとともに、前記第2の放射パターンが設定された際に、前記複数の信号検波処理部により検波された素子アンテナの受信信号に対するディジタルビームフォーミングを実施して、前記アレーアンテナの受信信号を算出し、
前記信号記憶部は、前記第1の放射パターンが設定された際に、前記ディジタルビームフォーミング部により算出された受信信号を記憶するとともに、前記第2の放射パターンが設定された際に、前記ディジタルビームフォーミング部により算出された受信信号を記憶し、
前記信号合成部は、前記第1の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得と、前記第2の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得とから、前記信号記憶部により記憶されている2つの受信信号を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記2つの受信信号を合成することを特徴とする請求項9記載のアンテナ装置。 - 放射パターン制御部が、放射パターンの切換が可能な複数の素子アンテナの放射パターンを切り換えることで、前記複数の素子アンテナからなるアレーアンテナの放射パターンを設定し、
信号検波部が、前記放射パターン制御部によりアレーアンテナの放射パターンが新たに設定される毎に、前記アレーアンテナの受信信号を検波し、
信号処理部が、前記放射パターン制御部により設定される前記アレーアンテナの複数の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得から、前記アレーアンテナの各放射パターンが設定された際に前記信号検波部により検波された受信信号を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記アレーアンテナの各放射パターンが設定された際に前記信号検波部により検波された受信信号を合成する
グレーティングローブの低減方法。 - 前記信号処理部に含まれる信号記憶部が、前記信号検波部により受信信号が検波される毎に、当該受信信号を記憶し、
前記信号処理部に含まれる信号合成部が、前記放射パターン制御部により設定される前記アレーアンテナの複数の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得から、前記信号記憶部により記憶されている複数の受信信号を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記信号記憶部により記憶されている複数の受信信号を合成することを特徴とする請求項11記載のグレーティングローブの低減方法。 - 前記信号検波部に含まれる複数の信号検波処理部が、前記放射パターン制御部によりアレーアンテナの放射パターンが新たに設定される毎に、前記素子アンテナの受信信号を検波し、
前記信号処理部に含まれるディジタルビームフォーミング部が、前記複数の信号検波処理部により検波された素子アンテナの受信信号に対するディジタルビームフォーミングを実施して、前記アレーアンテナの受信信号を算出し、
前記信号処理部に含まれる信号記憶部が、前記ディジタルビームフォーミング部によりアレーアンテナの受信信号が算出される毎に、当該受信信号を記憶し、
前記信号処理部に含まれる信号合成部が、前記放射パターン制御部により設定される前記アレーアンテナの複数の放射パターンでのグレーティングローブ方向の利得から、前記信号記憶部により記憶されている複数の受信信号を合成したときに、合成後の信号に含まれるグレーティングローブを抑圧する重み係数を特定し、前記重み係数を用いて、前記信号記憶部により記憶されている複数の受信信号を合成することを特徴とする請求項11記載のグレーティングローブの低減方法。
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