JP7023563B2

JP7023563B2 - Ｍｉｍｏレーダー用アンテナ構造

Info

Publication number: JP7023563B2
Application number: JP2017195408A
Authority: JP
Inventors: 康明小田; 幸伸時枝
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2037-10-05
Also published as: JP2019071510A

Description

本発明は、複数のアンテナ素子（放射素子）が規則的に配設されたアンテナ構造に関し、特に、仮想アンテナ素子を有するＭＩＭＯ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）レーダー用アンテナ構造に関する。

レーダーのアレーアンテナ装置において、分解能を高めるにはアンテナの開口長を大きくすることが有効であるが、多くのアンテナ素子を配設すると、コストが嵩むばかりでなく、回路規模や演算規模が大きくなり実用化が困難になるおそれがある。このため、少ないアンテナ素子で大開口と同等の性能が得られるレーダーとして、ＭＩＭＯレーダーが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このＭＩＭＯレーダーは、例えば図７に示すように、アンテナ素子が第１の間隔ｄ１で配設された送信アンテナＴｘと、アンテナ素子が第２の間隔ｄ２で配設され、送信アンテナＴｘのアンテナ素子間隔ｄ１と同じ配列長を有する受信アンテナＲｘと、で構成される。そして、送信アンテナＴｘの各アンテナ素子からの送信信号を受信アンテナＲｘの各アンテナ素子で受信し、信号処理（ＭＩＭＯアレー処理）を施すことで、図中ＶＡで示すように、間隔が広い送信アンテナＴｘのアンテナ素子間を受信アンテナＲｘのアンテナ素子で補間するように、仮想アレーアンテナＶＡが形成される。これにより、従来必要とされていた数分の１のアンテナ素子数で、所望のアンテナ指向性を実現できるものである。

特開２０１４－１５３１４２号公報

ところで、アンテナ素子の間隔が大きいと、グレーティングローブが発生し、測角できる角度範囲が狭くなって、真の方位を推定できなくなる。このため、従来のＭＩＭＯレーダーでは、アンテナ素子の間隔（例えば、上記の受信アンテナＲｘの第２の間隔ｄ２）が半波長に設定されている。しかしながら、高周波化が進むと半波長が短くなるため、アンテナ素子や給電部を配設することが困難となる場合がある。例えば、８０ＧＨｚの場合、半波長が２ｍｍ以下となり、２ｍｍ以下の間隔でアンテナ素子や給電部を配設することが困難となる。

そこで本発明は、仮想的にアンテナ素子を短い間隔で配設可能なＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、送信アンテナおよび受信アンテナの一方を第１のアンテナ、他方を第２のアンテナとし、
前記第１のアンテナは、第１の間隔ｄ１ごとに複数の第１のアンテナ素子が配設され、
前記第２のアンテナは、第２の間隔ｄ２ごとに複数の第２のアンテナ素子が配設され、
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとによるＭＩＭＯアレー処理によって生成される仮想アンテナ素子の配設間隔を所望間隔ｄとした場合に、
ｄ１＝Ｎｅ×ｄ（Ｎｅ：偶数）
中央のｄ２＝３×ｄ、その他のｄ２＝２×ｄ
第２のアンテナ素子の配設数＝Ｎｅ
ｄ１＜第２のアンテナ素子の配設長＜２×ｄ１
が成り立っていることを特徴とするＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造において、前記第２のアンテナ素子が、配設方向に直交する方向にずれて配設されている、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１のアンテナ素子の第１の間隔ｄ１と第２のアンテナ素子の第２の間隔ｄ２がともに、仮想アンテナ素子の所望間隔ｄよりも大きく設定されている。換言すると、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子を大きな間隔で配設しても、短い間隔で仮想アンテナ素子を生成することができる。この結果、高周波化が進んで半波長が短くなっても、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子、給電部などを容易に配設した上で、半波長間隔で仮想アンテナ素子を配設することが可能となる。

また、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子を大きな間隔で配設できるため、隣接するアンテナ素子間の電磁結合を抑制することができる。さらに、アンテナ素子の横方向（配設方向）の開口長を拡張することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、配設方向に直交する方向にずれて第２のアンテナ素子が配設されているため、仮想アンテナ素子も配設方向に直交する方向にずれて配設される。つまり、一直線状ではなく縦横に（ジグザグ状に）配設された仮想アンテナ素子を生成することができ、使用目的に応じたアレーアンテナを形成することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係るＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造を示す図である。図１のＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造の一具体例を示す図である。図１のＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造を備えたレーダー装置を示す概略構成図である。この発明の実施の形態２に係るＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造を示す図である。図４のＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造の一具体例を示す図である。この発明の実施の形態３に係るＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造を示す図である。従来のＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造を示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１～図３は、この実施の形態を示し、図３は、この実施の形態に係るＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造を備えたレーダー装置１を示す概略構成図である。このレーダー装置１は、第１のアンテナとしての送信アンテナ３と第２のアンテナとしての受信アンテナ４が上下に配置されたアレーアンテナ装置（仮想アレーアンテナ）２と、受信信号をデジタルビームフォーミング等によって信号処理してレーダー映像に変換する信号処理装置５と、を備える。

このＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造では、図１に示すように、送信アンテナ３には、第１の間隔ｄ_Ｔ（ｄ１）ごとに複数の送信アンテナ素子（第１のアンテナ素子）ＦＴが配設され、受信アンテナ４には、第２の間隔ｄ_Ｒ（ｄ２）ごとに複数（Ｎ_Ｒ個）の受信アンテナ素子（第２のアンテナ素子）ＦＲが配設されている。また、送信アンテナ３と受信アンテナ４とによるＭＩＭＯアレー処理によって生成される仮想アンテナＶＡの仮想アンテナ素子ＦＶの配設間隔を所望間隔ｄとした場合に、次の第１の関係が成り立っている。
ｄ_Ｔ＝Ｎｏ×ｄ（Ｎｏ：奇数）
ｄ_Ｒ＝２×ｄ
受信アンテナ素子ＦＲの配設数Ｎ_Ｒ＝Ｎｏ
ｄ_Ｔ＜受信アンテナ素子ＦＲの配設長＜２×ｄ_Ｔ

すなわち、送信アンテナ素子ＦＴの第１の間隔ｄ_Ｔは、仮想アンテナ素子ＦＶの所望間隔ｄの奇数Ｎｏ倍（Ｎｏは３以上の奇数）に設定され、受信アンテナ素子ＦＲの第２の間隔ｄ_Ｒは、仮想アンテナ素子ＦＶの所望間隔ｄの２倍に設定されている。また、受信アンテナ素子ＦＲの配設数Ｎ_Ｒは、上記の奇数Ｎｏ（＝ｄ_Ｔ÷ｄ）に設定されている。さらに、受信アンテナ素子ＦＲの配設長（≒ｄ_Ｒ×（Ｎ_Ｒ－１））は、第１の間隔ｄ_Ｔよりも大きく第１の間隔ｄ_Ｔの２倍よりも小さく設定されている。

そして、このような送信アンテナ３と受信アンテナ４とによるＭＩＭＯアレー処理によって、所望間隔ｄで仮想アンテナ素子ＦＶが配設された仮想アンテナＶＡが生成される。すなわち、図示のように、先頭（最左）の受信アンテナ素子ＦＲが各送信アンテナ素子ＦＴに位置するように、受信アンテナ４（全受信アンテナ素子ＦＲ）を送信アンテナ３に重ねる（この図では３度重ねる）ことで、仮想アンテナ素子ＦＶが所望間隔ｄで配設された仮想アンテナＶＡが生成される。

ここで、送信アンテナ素子ＦＴの配設数、配設長は、所望の任意の数、長さでよい。また、仮想アンテナＶＡの両端においては、仮想アンテナ素子ＦＶの配設間隔が所望間隔ｄではなく第２の間隔ｄ_Ｒ（＝２×ｄ）となり、この部分の信号を目的に応じて使用しても使用しなくてもよい。

このような第１の関係が成り立つＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造の具体例を図２に示す。この例では、仮想アンテナ素子ＦＶの所望間隔ｄが０．５λ（λ：波長）に設定され、送信アンテナ素子ＦＴの第１の間隔ｄ_Ｔが３．５λに設定され、受信アンテナ素子ＦＲの第２の間隔ｄ_Ｒが１．０λに設定されている。また、受信アンテナ素子ＦＲの配設数Ｎ_Ｒは、７（＝３．５λ÷０．５λ）に設定されている。

以上のように、本ＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造によれば、送信アンテナ素子ＦＴの第１の間隔ｄ_Ｔと受信アンテナ素子ＦＲの第２の間隔ｄ_Ｒがともに、仮想アンテナ素子ＦＶの所望間隔ｄよりも大きく設定されている。換言すると、送信アンテナ素子ＦＴと受信アンテナ素子ＦＲを大きな間隔（所望間隔ｄの数倍の間隔）で配設しても、短い間隔で仮想アンテナ素子ＦＶを生成することができる。この結果、高周波化が進んで半波長（０．５λ）が短くなっても、送信アンテナ素子ＦＴと受信アンテナ素子ＦＲ、給電部などを容易に配設した上で（１．０λ以上の間隔でアンテナ素子ＦＴ、ＦＲなどを配設した上で）、半波長間隔で仮想アンテナ素子ＦＶを配設することが可能となる。

また、送信アンテナ素子ＦＴと受信アンテナ素子ＦＲを大きな間隔で配設できるため、隣接するアンテナ素子ＦＴ、ＦＲ間の電磁結合を抑制することができる。さらに、アンテナ素子ＦＴ、ＦＲの横方向（配設方向）の開口長を拡張する（１．０λにする）ことが可能となる。

（実施の形態２）
図４、図５は、この実施の形態を示し、実施の形態１と同等の構成については、同一符号を付することで、その説明を省略する。

この実施の形態のＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造では、図４に示すように、送信アンテナ３には、第１の間隔ｄ_Ｔ（ｄ１）ごとに複数の送信アンテナ素子（第１のアンテナ素子）ＦＴが配設され、受信アンテナ４には、第２の間隔ｄ_Ｒ（ｄ２）ごとに複数（Ｎ_Ｒ個）の受信アンテナ素子（第２のアンテナ素子）ＦＲが配設されている。また、送信アンテナ３と受信アンテナ４とによるＭＩＭＯアレー処理によって生成される仮想アンテナＶＡの仮想アンテナ素子ＦＶの配設間隔を所望間隔ｄとした場合に、次の第２の関係が成り立っている。
ｄ_Ｔ＝Ｎｅ×ｄ（Ｎｅ：偶数）
中央のｄ_Ｒ＝３×ｄ、その他のｄ_Ｒ＝２×ｄ
受信アンテナ素子ＦＲの配設数Ｎ_Ｒ＝Ｎｅ
ｄ_Ｔ＜受信アンテナ素子ＦＲの配設長＜２×ｄ_Ｔ

すなわち、送信アンテナ素子ＦＴの第１の間隔ｄ_Ｔは、仮想アンテナ素子ＦＶの所望間隔ｄの偶数Ｎｅ倍（Ｎｅは４以上の偶数）に設定され、受信アンテナ素子ＦＲの第２の間隔ｄ_Ｒは、基本的に仮想アンテナ素子ＦＶの所望間隔ｄの２倍に設定され、中央の第２の間隔ｄ_Ｒ（中央に位置する間隔である図中のｄ_Ｒ（Ｎ_Ｒ／２））は、所望間隔ｄの３倍に設定されている。また、受信アンテナ素子ＦＲの配設数Ｎ_Ｒは、上記の偶数Ｎｅ（＝ｄ_Ｔ÷ｄ）に設定されている。さらに、受信アンテナ素子ＦＲの配設長（≒ｄ_Ｒ×（Ｎ_Ｒ－２）＋ｄ_Ｒ（Ｎ_Ｒ／２）は、第１の間隔ｄ_Ｔよりも大きく第１の間隔ｄ_Ｔの２倍よりも小さく設定されている。

このような第２の関係が成り立つＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造の具体例を図５に示す。この例では、仮想アンテナ素子ＦＶの所望間隔ｄが０．５λに設定され、送信アンテナ素子ＦＴの第１の間隔ｄ_Ｔが４．０λに設定され、受信アンテナ素子ＦＲの第２の間隔ｄ_Ｒが１．０λに設定され、中央の第２の間隔ｄ_Ｒ（Ｎ_Ｒ／２）が１．５λに設定されている。また、受信アンテナ素子ＦＲの配設数Ｎ_Ｒは、８（＝４．０λ÷０．５λ）に設定されている。

以上のように、この実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、送信アンテナ素子ＦＴの第１の間隔ｄ_Ｔと受信アンテナ素子ＦＲの第２の間隔ｄ_Ｒがともに、仮想アンテナ素子ＦＶの所望間隔ｄよりも大きく設定されている。換言すると、送信アンテナ素子ＦＴと受信アンテナ素子ＦＲを大きな間隔（所望間隔ｄの数倍の間隔）で配設しても、短い間隔で仮想アンテナ素子ＦＶを生成することができる。この結果、高周波化が進んで半波長（０．５λ）が短くなっても、送信アンテナ素子ＦＴと受信アンテナ素子ＦＲ、給電部などを容易に配設した上で（１．０λ以上の間隔でアンテナ素子ＦＴ、ＦＲなどを配設した上で）、半波長間隔で仮想アンテナ素子ＦＶを配設することが可能となる。

（実施の形態３）
図６は、この実施の形態を示し、実施の形態１と同等の構成については、同一符号を付することで、その説明を省略する。

この実施の形態では、受信アンテナ素子ＦＲが、配設方向に直交する方向にずれて配設されている。すなわち、実施の形態２と同様に、上記の第２の関係が成り立つように送信アンテナ素子ＦＴと受信アンテナ素子ＦＲが配設され（受信アンテナ素子ＦＲの配設数Ｎ_Ｒが偶数）、さらに、いくつかの受信アンテナ素子ＦＲが、受信アンテナ素子ＦＲの横並びに直交する方向にずれて（段差状に）配設されている。

具体的には、仮想アンテナ素子ＦＶの所望間隔ｄが０．５λに設定され、送信アンテナ素子ＦＴの第１の間隔ｄ_Ｔが２．０λに設定され、受信アンテナ素子ＦＲの第２の間隔ｄ_Ｒが１．０λに設定され、中央の第２の間隔ｄ_Ｒ（Ｎ_Ｒ／２）が１．５λに設定されている。また、受信アンテナ素子ＦＲの配設数Ｎ_Ｒは、４（＝２．０λ÷０．５λ）に設定されている。さらに、左側の２つの受信アンテナ素子ＦＲと右側の２つの受信アンテナ素子ＦＲとが、横並びに直交する方向（縦方向）に０．５λずれて配設されている。

そして、送信アンテナ３と受信アンテナ４とによるＭＩＭＯアレー処理によって、横方向の間隔が所望間隔０．５λで、縦方向に０．５λずれて仮想アンテナ素子ＦＶが配設された仮想アンテナＶＡが生成される。すなわち、上下方向にジグザグ状に０．５λずれて仮想アンテナ素子ＦＶが所望間隔０．５λで配設された仮想アンテナＶＡが生成される。

以上のように、この実施の形態によれば、実施の形態１、２と同様に、高周波化が進んで半波長（０．５λ）が短くなっても、送信アンテナ素子ＦＴと受信アンテナ素子ＦＲ、給電部などを容易に配設した上で（１．０λ以上の間隔でアンテナ素子ＦＴ、ＦＲなどを配設した上で）、半波長間隔で仮想アンテナ素子ＦＶを配設することが可能となる。さらに、配設方向に直交する方向にずれて受信アンテナ素子ＦＲが配設されているため、仮想アンテナ素子ＦＶも配設方向に直交する方向にずれて配設される。つまり、一直線状ではなく縦横に（ジグザグ状に）配設された仮想アンテナ素子ＦＶを生成することができ、使用目的に応じたアレーアンテナを形成することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、送信アンテナ３を第１のアンテナとし受信アンテナ４を第２のアンテナとしているが、送信アンテナ３を第２のアンテナとし受信アンテナ４を第１のアンテナとしてもよい。また、実施の形態３において、第２の関係が成り立つ場合（受信アンテナ素子ＦＲの配設数Ｎ_Ｒが偶数の場合）について説明したが、第１の関係が成り立つ場合（受信アンテナ素子ＦＲの配設数Ｎ_Ｒが奇数の場合）に適用してもよい。

１レーダー装置
３送信アンテナ（第１のアンテナ）
４受信アンテナ（第２のアンテナ）
ＶＡ仮想アンテナ
ＦＴ送信アンテナ素子（第１のアンテナ素子）
ＦＲ受信アンテナ素子（第２のアンテナ素子）
ＦＶ仮想アンテナ素子
ｄ_Ｔ（ｄ１）第１の間隔
ｄ_Ｒ（ｄ２）第２の間隔
ｄ所望間隔

Claims

送信アンテナおよび受信アンテナの一方を第１のアンテナ、他方を第２のアンテナとし、
前記第１のアンテナは、第１の間隔ｄ１ごとに複数の第１のアンテナ素子が配設され、
前記第２のアンテナは、第２の間隔ｄ２ごとに複数の第２のアンテナ素子が配設され、
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとによるＭＩＭＯアレー処理によって生成される仮想アンテナ素子の配設間隔を所望間隔ｄとした場合に、
ｄ１＝Ｎｅ×ｄ（Ｎｅ：偶数）
中央のｄ２＝３×ｄ、その他のｄ２＝２×ｄ
第２のアンテナ素子の配設数＝Ｎｅ
ｄ１＜第２のアンテナ素子の配設長＜２×ｄ１
が成り立っていることを特徴とするＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造。
前記第２のアンテナ素子が、配設方向に直交する方向にずれて配設されている、ことを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯレーダー用アンテナ構造。