JP7150641B2 - antenna system - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、アンテナシステムに関する。 Embodiments of the present invention relate to antenna systems.

アレイアンテナを用いた送受信性能の向上を図るためにアンテナ素子の数を増やすと、アレイアンテナが大型になるとともに、信号処理を行う回路規模が増大する。また、複数のビームを形成するには回路規模が増大してしまう。このように、単にアンテナ素子を増やしてアレイアンテナの性能向上を図ると、回路規模の増大に伴って製造コストが増加してしまう。アンテナ素子数の増加に伴う回路規模の増大を抑える手法として、空間給電方式を適用したアレイアンテナがある。空間給電方式を適用することで、アンテナ素子数の増加に伴う回路規模の増大を抑えられる。しかし、複数のビームを形成する場合には2次アレイ側で各ビーム形成に応じた位相制御が必要となり、回路規模の増大を抑えられない場合がある。 If the number of antenna elements is increased in order to improve transmission/reception performance using an array antenna, the size of the array antenna will increase and the size of the circuit that performs signal processing will also increase. Also, forming a plurality of beams increases the circuit scale. Thus, if the performance of the array antenna is improved by simply increasing the number of antenna elements, the manufacturing cost will increase as the circuit scale increases. As a technique for suppressing an increase in circuit size due to an increase in the number of antenna elements, there is an array antenna that applies a space feeding system. By applying the space feeding method, it is possible to suppress an increase in circuit size due to an increase in the number of antenna elements. However, when forming a plurality of beams, phase control corresponding to each beam formation is required on the secondary array side, and an increase in circuit scale may not be suppressed.

特許第4005949号公報Japanese Patent No. 4005949

吉田、「改訂 レーダ技術」、電子情報通信学会、1996年、pp.289-291Yoshida, "Revised Radar Technology", The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 1996, pp. 289-291 吉田、「改訂 レーダ技術」、電子情報通信学会、1996年、pp.119-123Yoshida, "Revised Radar Technology", The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 1996, pp. 119-123 吉田、「改訂 レーダ技術」、電子情報通信学会、1996年、pp.134-135Yoshida, "Revised Radar Technology", The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 1996, pp. 134-135 谷萩、「ディジタルフィルタと信号処理」、コロナ社、2001年、pp.120-165Tanahagi, "Digital Filter and Signal Processing", Corona Publishing, 2001, pp. 120-165 吉田、「改訂 レーダ技術」、電子情報通信学会、1996年、pp.144-145Yoshida, "Revised Radar Technology", The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 1996, pp. 144-145 Merrill I. Skolnik, "Introduction to radar systems," McGRAW-HILL Inc., 1980, pp.428-430Merrill I. Skolnik, "Introduction to radar systems," McGRAW-HILL Inc., 1980, pp.428-430 吉田、「改訂 レーダ技術」、電子情報通信学会、1996年、pp.260-264Yoshida, "Revised Radar Technology", The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 1996, pp. 260-264 Jian Li, Petre Stoica, "MIMO Radar Signal Processing," John Wiley & Sons, Inc., 2009, pp.1-5Jian Li, Petre Stoica, "MIMO Radar Signal Processing," John Wiley & Sons, Inc., 2009, pp.1-5

本発明が解決しようとする課題は、複数のビーム形成ができ、アンテナ素子の増加に伴う回路規模の増大を軽減できるアンテナシステムを提供することである。 A problem to be solved by the present invention is to provide an antenna system capable of forming a plurality of beams and reducing an increase in circuit size due to an increase in the number of antenna elements.

実施形態のアンテナシステムは、第1のアレイアンテナと、送信部と、第2のアレイアンテナと、送信ウェイト決定部と、を持つ。第1のアレイアンテナは、複数の第1のアンテナ素子を有する。送信部は、複数の第1のアンテナ素子それぞれに対応する送信ウェイトを信号に乗じた送信信号を複数の第1のアンテナ素子それぞれに供給する。第2のアレイアンテナは、第1のアレイアンテナから供給される送信信号を入力し、入力した送信信号を第1のアレイアンテナへの方向と異なる方向へ送信する複数の第2のアンテナ素子を有する。送信ウェイト決定部は、第2のアレイアンテナで形成する送信ビーム形状と、第2のアンテナ素子それぞれの位置とに応じて定まる第2のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、複数の第1のアンテナ素子それぞれの送信ウェイトを決定する。 An antenna system according to an embodiment has a first array antenna, a transmission section, a second array antenna, and a transmission weight determination section. The first array antenna has a plurality of first antenna elements. The transmitter supplies to each of the plurality of first antenna elements a transmission signal obtained by multiplying a signal by a transmission weight corresponding to each of the plurality of first antenna elements. The second array antenna has a plurality of second antenna elements for receiving the transmission signal supplied from the first array antenna and transmitting the input transmission signal in a direction different from the direction to the first array antenna. . The transmission weight determination unit determines a plurality of determine transmit weights for each of the first antenna elements of .

第1の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the antenna system in 1st Embodiment. 第1の実施形態における1次アンテナの構成例を示す図。4 is a diagram showing a configuration example of a primary antenna in the first embodiment; FIG. 第1の実施形態におけるアンテナモジュールの構成例を示す図。4 is a diagram showing a configuration example of an antenna module according to the first embodiment; FIG. 第1の実施形態における1次アンテナのビーム角度と、2次アンテナの開口面のウェイト(振幅及び位相)との関係を示す図。4 is a diagram showing the relationship between the beam angle of the primary antenna and the weight (amplitude and phase) of the aperture plane of the secondary antenna in the first embodiment; FIG. 第1の実施形態における2次アンテナに係る座標系の一例を示す図。The figure which shows an example of the coordinate system which concerns on the secondary antenna in 1st Embodiment. 第1の実施形態における送信ウェイトを算出する手順を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a procedure for calculating transmission weights in the first embodiment; 第1の実施形態におけるアンテナシステムにおいて複数の送信ビームを形成する場合の1次アンテナの動作例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an operation example of a primary antenna when forming a plurality of transmission beams in the antenna system according to the first embodiment; 第1の実施形態におけるアンテナシステムにおいて複数の送信ビームを形成する場合の1次アンテナの他の動作例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing another operation example of the primary antenna when forming a plurality of transmission beams in the antenna system according to the first embodiment; 第2の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the antenna system in 2nd Embodiment. 第2の実施形態におけるアンテナモジュールの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the antenna module in 2nd Embodiment. 第2の実施形態における1次アンテナの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the primary antenna in 2nd Embodiment. 第3の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the antenna system in 3rd Embodiment. 第3の実施形態における1次アンテナの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the primary antenna in 3rd Embodiment. 第3の実施形態におけるアンテナモジュールの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the antenna module in 3rd Embodiment. 第4の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the antenna system in 4th Embodiment. 第5の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the antenna system in 5th Embodiment. 第6の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the antenna system in 6th Embodiment.

以下、実施形態のアンテナシステムを、図面を参照して説明する。以下の実施形態では、同一の符号を付した構成要素は同様の動作を行うものとして、重複する説明を適宜省略する。 An antenna system according to an embodiment will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, it is assumed that constituent elements with the same reference numerals perform the same operations, and overlapping descriptions will be omitted as appropriate.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第1の実施形態のアンテナシステムは、複数のアンテナ素子を有する、1次アンテナ1及び2次アンテナ2を備える。1次アンテナ1は、DBF(Digital Beam Forming)方式を適用した送信を2次アンテナ2に向けて行う(非特許文献1)。2次アンテナ2は、1次アンテナ1から空間給電により供給される信号を送信する。2次アンテナ2は、複数のアンテナモジュール21(21-1,21-2,…,21-Ns)を有する。2次アンテナ2において形成される送信ビーム(b1,b2,…,bBt)の形状は、1次アンテナが送信する信号を制御することにより定められる。送信ビームの形状は、メインローブの方向及び角度応答、サイドローブの方向及び角度応答を含んでもよい。以下、1次アンテナ1及び2次アンテナ2の構成例について説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an antenna system according to the first embodiment. The antenna system of the first embodiment comprises a primary antenna 1 and a secondary antenna 2 having multiple antenna elements. A primary antenna 1 performs transmission using a DBF (Digital Beam Forming) method toward a secondary antenna 2 (Non-Patent Document 1). The secondary antenna 2 transmits a signal supplied from the primary antenna 1 by spatial feeding. The secondary antenna 2 has a plurality of antenna modules 21 (21-1, 21-2, . . . , 21-Ns). The shape of the transmission beams (b1, b2, . . . , bBt) formed by the secondary antenna 2 is determined by controlling the signal transmitted by the primary antenna. The shape of the transmit beam may include mainlobe directional and angular response, sidelobe directional and angular response. Configuration examples of the primary antenna 1 and the secondary antenna 2 will be described below.

図2は、第1の実施形態における1次アンテナ1の構成例を示す図である。1次アンテナ1は、信号生成部11と、複数のアンテナ素子16(16-1,16-2,…,16-Np)とを備える。NpはNsより小さい値でもよい。すなわち、2次アンテナ2のアンテナ素子の数より、1次アンテナ1のアンテナ素子16の数が少なくてもよい。Np個のアンテナ素子16は、規則的に配列され、アレイアンテナ(第1のアレイアンテナ)を形成する。更に、1次アンテナ1は、各アンテナ素子16に対応する、DA(Digital-Analog)変換器12(12-1,12-2,…,12-Np)、周波数変換器13(13-1,13-2,…,13-Np)及びHPA(High Power Amplifier;大電力増幅器)14(14-1,14-2,…,14-Np)を送信部として備える。信号生成部11は、信号生成器111と、送信ウェイト決定部112と、各アンテナ素子16に対応する乗算器113(113-1,113-2,…,113-Np)とを備える。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the primary antenna 1 in the first embodiment. The primary antenna 1 includes a signal generator 11 and a plurality of antenna elements 16 (16-1, 16-2, . . . , 16-Np). Np may be a value smaller than Ns. That is, the number of antenna elements 16 of primary antenna 1 may be less than the number of antenna elements of secondary antenna 2 . The Np antenna elements 16 are arranged regularly to form an array antenna (first array antenna). Further, the primary antenna 1 includes DA (Digital-Analog) converters 12 (12-1, 12-2, . . . , 12-Np), frequency converters 13 (13-1, . 13-2, . . . , 13-Np) and HPA (High Power Amplifier) 14 (14-1, 14-2, . The signal generator 11 includes a signal generator 111, a transmission weight determiner 112, and a multiplier 113 (113-1, 113-2, . . . , 113-Np) corresponding to each antenna element 16. FIG.

信号生成器111は、パルス又は連続波を含む信号を生成し、生成した信号を各乗算器113-1~113-Npに供給する。信号生成器111により生成される信号の周波数及び振幅は、外部より入力されるビーム制御信号で与えられる。パルスを含む信号が生成される場合は、パルス幅及びパルス間隔もビーム制御信号で与えられる。信号生成器111により生成される信号は、パルス変調が施された信号であってもよい。なお、生成される信号を定めるパラメータは、予め定められてもよい。 The signal generator 111 generates a signal including pulses or continuous waves, and supplies the generated signal to each multiplier 113-1 to 113-Np. The frequency and amplitude of the signal generated by the signal generator 111 are given by an externally input beam control signal. If a signal containing pulses is generated, the pulse width and pulse interval are also provided in the beam control signal. The signal generated by the signal generator 111 may be a pulse-modulated signal. Note that the parameters that define the signal to be generated may be determined in advance.

送信ウェイト決定部112は、2次アンテナ2において形成する送信ビーム形状と、2次アンテナ2に備えられる複数のアンテナ素子それぞれの位置とに基づいて、複数のアンテナ素子16-1~16-Npそれぞれに対応する送信ウェイトを決定する。2次アンテナ2において形成する送信ビーム形状は、ビーム制御信号で与えられる。送信ウェイト決定部112は、アンテナ素子16ごとに決定した送信ウェイトを、対応する乗算器113に供給する。送信ウェイト決定部112が各送信ウェイトを決定する手順については、後述する。 Transmission weight determination section 112 determines each of the plurality of antenna elements 16-1 to 16-Np based on the transmission beam shape formed in secondary antenna 2 and the positions of the plurality of antenna elements provided in secondary antenna 2. determine the transmission weights corresponding to A transmission beam shape formed in the secondary antenna 2 is given by a beam control signal. Transmission weight determination section 112 supplies the transmission weight determined for each antenna element 16 to corresponding multiplier 113 . A procedure for determining each transmission weight by transmission weight determining section 112 will be described later.

乗算器113-1は、信号生成器111から供給される信号にアンテナ素子16-1に対応する送信ウェイトを乗じて送信信号を算出する。乗算器113-1は、算出した送信信号をDA変換器12-1へ供給する。乗算器113-2~113-Npは、乗算器113-1と同様に、対応するアンテナ素子16の送信ウェイトを乗じて送信信号を算出し、送信信号をDA変換器12-2~12-Npそれぞれに供給する。 Multiplier 113-1 multiplies the signal supplied from signal generator 111 by a transmission weight corresponding to antenna element 16-1 to calculate a transmission signal. The multiplier 113-1 supplies the calculated transmission signal to the DA converter 12-1. Similar to multiplier 113-1, multipliers 113-2 to 113-Np multiply transmission weights of corresponding antenna elements 16 to calculate transmission signals, and convert the transmission signals to DA converters 12-2 to 12-Np. supply each.

信号生成部11に備えられる、信号生成器111、送信ウェイト決定部112及び複数の乗算器113それぞれの動作は、ディジタル回路を用いたり、それぞれの動作を指示するプログラムをDSP(Digital Signal Processor)や汎用のCPU(Central Processing Unit)で実行したりすることで実現してもよい。ディジタル回路を実現するハードウェアには、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)などを用いてもよい。 The operations of the signal generator 111, the transmission weight determination unit 112, and the plurality of multipliers 113 provided in the signal generation unit 11 are performed using digital circuits, or by using a DSP (Digital Signal Processor) or a DSP (Digital Signal Processor) as a program that instructs each operation. It may be realized by executing it with a general-purpose CPU (Central Processing Unit). ASICs (Application Specific Integrated Circuits), FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), and the like may be used as hardware that implements digital circuits.

DA変換器12-1は、乗算器113-1から供給されるディジタルの送信信号をアナログの送信信号に変換し、アナログの送信信号を周波数変換器13-1に供給する。周波数変換器13-1は、DA変換器12-1から供給される送信信号の周波数をRF(Radio Frequency)帯に変換し、RF帯の送信信号をHPA14-1に供給する。HPA14-1は、周波数変換器13-1から供給される送信信号を増幅し、増幅した送信信号をアンテナ素子16-1に供給する。送信信号は、アンテナ素子16-1から送出される。 The DA converter 12-1 converts the digital transmission signal supplied from the multiplier 113-1 into an analog transmission signal, and supplies the analog transmission signal to the frequency converter 13-1. The frequency converter 13-1 converts the frequency of the transmission signal supplied from the DA converter 12-1 into an RF (Radio Frequency) band, and supplies the RF band transmission signal to the HPA 14-1. HPA 14-1 amplifies the transmission signal supplied from frequency converter 13-1 and supplies the amplified transmission signal to antenna element 16-1. A transmission signal is sent out from the antenna element 16-1.

DA変換器12-2~12-Np、周波数変換器13-2~13-Np及びHPA14-2~14-Npは、DA変換器12-1、周波数変換器13-1及びHPA14-1それぞれと同様に動作する。アンテナ素子16-2~16-Npに対応する送信ウェイトを乗じた送信信号は、アンテナ素子16-2~16-Npからそれぞれ送出される。 DA converters 12-2 to 12-Np, frequency converters 13-2 to 13-Np and HPAs 14-2 to 14-Np are connected to DA converter 12-1, frequency converter 13-1 and HPA 14-1 respectively. works similarly. Transmission signals multiplied by transmission weights corresponding to antenna elements 16-2 to 16-Np are transmitted from antenna elements 16-2 to 16-Np, respectively.

図3は、第1の実施形態におけるアンテナモジュール21の構成例を示す図である。アンテナモジュール21は、2つのアンテナ素子211、215と、HPA213とを有する。アンテナ素子211の指向方向は、複数のアンテナ素子16により形成されるアレイアンテナに向けられている。アンテナ素子211は、1次アンテナの各アンテナ素子16から送出される送信信号が伝送空間において合成された信号を受信する。アンテナ素子211で受信された信号は、HPA213により増幅され、アンテナ素子215から送出される。アンテナ素子215の指向方向は、アンテナ素子211と異なる方向に向けられている。アンテナモジュール21は、1次アンテナ1の各アンテナ素子16から供給される送信信号をアンテナ素子211で取得し、取得した信号を増幅して1次アンテナ1に向かう方向と異なる方向へ送信信号を送出する。 FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the antenna module 21 in the first embodiment. Antenna module 21 has two antenna elements 211 , 215 and HPA 213 . The directivity direction of the antenna element 211 is directed toward the array antenna formed by the plurality of antenna elements 16 . Antenna element 211 receives a signal obtained by synthesizing transmission signals transmitted from each antenna element 16 of the primary antenna in transmission space. A signal received by antenna element 211 is amplified by HPA 213 and sent out from antenna element 215 . The directivity direction of antenna element 215 is directed in a direction different from that of antenna element 211 . The antenna module 21 acquires the transmission signal supplied from each antenna element 16 of the primary antenna 1 with the antenna element 211, amplifies the acquired signal, and transmits the transmission signal in a direction different from the direction toward the primary antenna 1. do.

2次アンテナ2は、図1に示すように、複数のアンテナモジュール21を有する。アンテナモジュール21は規則的に配列され、複数のアンテナ素子215は、アレイアンテナ(第2のアレイアンテナ)を形成する。複数のアンテナ素子211は、1次アンテナ1側に向けられたアレイアンテナを形成する。図1に示すように、これら2つのアレイアンテナの指向方向が、互いに逆向きとなるように、複数のアンテナ素子211及び複数のアンテナ素子215が配列されてもよい。また、2つのアレイアンテナの指向方向が任意の角度差を有するように、複数のアンテナ素子211及び複数のアンテナ素子215が配列されてもよい。 The secondary antenna 2 has a plurality of antenna modules 21, as shown in FIG. The antenna modules 21 are arranged regularly, and the plurality of antenna elements 215 form an array antenna (second array antenna). A plurality of antenna elements 211 form an array antenna directed toward the primary antenna 1 side. As shown in FIG. 1, a plurality of antenna elements 211 and a plurality of antenna elements 215 may be arranged such that the directivity directions of these two array antennas are opposite to each other. Also, the plurality of antenna elements 211 and the plurality of antenna elements 215 may be arranged such that the directivity directions of the two array antennas have an arbitrary angular difference.

2次アンテナ2の各アンテナモジュール21は、1次アンテナ1の各アンテナ素子16から送出される送信信号が空間合成された信号を取得する。各アンテナモジュール21が1次アンテナ1から取得する信号の振幅及び位相は、アンテナモジュール21のアンテナ素子211の位置と1次アンテナ1との位置に応じて異なる。アンテナ素子211で取得した信号の振幅及び位相が、2次アンテナの各アンテナ素子215の振幅及び位相のウェイトとなる。 Each antenna module 21 of the secondary antenna 2 obtains a signal obtained by spatially combining the transmission signals transmitted from each antenna element 16 of the primary antenna 1 . The amplitude and phase of the signal that each antenna module 21 acquires from the primary antenna 1 differ according to the position of the antenna element 211 of the antenna module 21 and the position of the primary antenna 1 . The amplitude and phase of the signal acquired by the antenna element 211 serve as weights for the amplitude and phase of each antenna element 215 of the secondary antenna.

図4は、第1の実施形態における1次アンテナ1のビーム角度と、2次アンテナ2の開口面のウェイト(振幅及び位相)との関係を示す図である。2次アンテナの開口面は、各アンテナ素子215により形成されるアレイアンテナの開口面である。図4に示すように、1次アンテナ1の複数のアンテナ素子16で形成されるアレイアンテナで角度Θ方向にビームを形成した場合、2次アンテナ2の各アンテナ素子211の位置で取得される信号の振幅及び位相が、アンテナ素子211に接続されるアンテナ素子215のウェイトとなる。2次アンテナ2は、各アンテナ素子211の位置に応じたウェイトで定まる送信ビームを形成する。このように、1次アンテナ1のアンテナ素子16で形成されるアレイアンテナの送信ビームに応じて、2次アンテナ2のアンテナ素子215で形成されるアレイアンテナの送信ビームが形成される。すなわち、2次アンテナ2における送信ビームの形状は、1次アンテナ1における送信ウェイトで制御できる。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the beam angle of the primary antenna 1 and the weight (amplitude and phase) of the aperture plane of the secondary antenna 2 in the first embodiment. The aperture plane of the secondary antenna is the aperture plane of the array antenna formed by each antenna element 215 . As shown in FIG. 4, when the array antenna formed by the plurality of antenna elements 16 of the primary antenna 1 forms a beam in the direction of angle Θ, the signal obtained at the position of each antenna element 211 of the secondary antenna 2 is becomes the weight of the antenna element 215 connected to the antenna element 211 . The secondary antenna 2 forms transmission beams determined by weights according to the positions of the antenna elements 211 . Thus, the transmission beam of the array antenna formed by the antenna element 215 of the secondary antenna 2 is formed according to the transmission beam of the array antenna formed by the antenna element 16 of the primary antenna 1 . That is, the shape of the transmission beam in the secondary antenna 2 can be controlled by the transmission weight in the primary antenna 1. FIG.

ここで、1次アンテナ1における送信ウェイトを決定する手法、すなわち1次アンテナ1における送信ビームを形成する手法について説明する。2次アンテナ2における送信ビームの走査を考慮すると、2次アンテナ2における送信ビームの出力は、式(1)で表される。なお、図1及び図4では2次アンテナ1のアンテナ素子215がリニアアレイを形成する場合を示したが、式(1)はアンテナ素子215がプラナアレイを形成する場合を表している。 Here, a method for determining transmission weights for primary antenna 1, that is, a method for forming transmission beams for primary antenna 1 will be described. Considering the scanning of the transmission beam in the secondary antenna 2, the power of the transmission beam in the secondary antenna 2 is represented by Equation (1). Although FIGS. 1 and 4 show the case where the antenna elements 215 of the secondary antenna 1 form a linear array, Equation (1) expresses the case where the antenna elements 215 form a planar array.

Figure 0007150641000001
式(1)に示すように、送信ビームの角度応答(AZp,ELp)は、2次アンテナ2の各素子の信号に、素子に対応する複素ウェイトを乗じた総和となる(非特許文献2)。式(1)において、AZp及びELpは、送信ビームの指向方向の方位角及び仰角を表す。Wsnは、2次アンテナ2のn(n=1,2,…,Ns)番目のアンテナ素子215の複素ウェイトを表す。Xsnは、2次アンテナ2のn番目のアンテナ素子215で送信される信号を表す。
Figure 0007150641000001
As shown in Equation (1), the angular response (AZp, ELp) of the transmission beam is the sum of the signals of each element of the secondary antenna 2 multiplied by the complex weight corresponding to the element (Non-Patent Document 2). . In Equation (1), AZp and ELp represent the azimuth and elevation of the direction of transmission beam. Wsn represents the complex weight of the n-th (n=1, 2, . . . , Ns) antenna element 215 of the secondary antenna 2 . Xsn represents the signal transmitted at the n-th antenna element 215 of the secondary antenna 2;

複素ウェイトWsnを要素とする複素ウェイトベクトルWsは、図5に示す座標系において式(2)で表される。図5は、第1の実施形態における2次アンテナ2に係る座標系の一例を示す図である。XYZ軸の3次元座標系が2次アンテナ2におけるアレイアンテナの位相中心を原点として設定されている。 A complex weight vector Ws whose element is the complex weight Wsn is represented by Equation (2) in the coordinate system shown in FIG. FIG. 5 is a diagram showing an example of a coordinate system related to the secondary antenna 2 in the first embodiment. A three-dimensional coordinate system of the XYZ axes is set with the phase center of the array antenna in the secondary antenna 2 as the origin.

Figure 0007150641000002
式(2)において、Asnは、2次アンテナ2のn番目のアンテナ素子215に対応するサイドローブ低減用ウェイトを表す。サイドローブ低減用ウェイトとして、例えばテーラー分布を用いてもよい(非特許文献3)。jは、虚数単位を表す。xsn、ysn及びzsnは、n番目のアンテナ素子215の位置座標を表す。図5に示すように、アレイアンテナの位相中心が位置座標における原点である。kpx、kpy及びkpzは、式(3)で与えられる。
Figure 0007150641000002
In equation (2), Asn represents the side lobe reduction weight corresponding to the nth antenna element 215 of the secondary antenna 2 . Taylor distribution, for example, may be used as the side lobe reduction weight (Non-Patent Document 3). j represents an imaginary unit. xsn, ysn and zsn represent the position coordinates of the nth antenna element 215 . As shown in FIG. 5, the phase center of the array antenna is the origin of the position coordinates. kpx, kpy and kpz are given by equation (3).

Figure 0007150641000003
式(3)において、λは送信される信号の波長である。AZp及びELpは、2次アンテナ2におけるアレイアンテナの位相中心からみたAZ軸及びEL軸のビーム指向角を表す。
Figure 0007150641000003
In equation (3), λ is the wavelength of the transmitted signal. AZp and ELp represent the beam directivity angles of the AZ axis and the EL axis of the secondary antenna 2 viewed from the phase center of the array antenna.

Ns個のアンテナ素子215それぞれに対する振幅及び位相のウェイトベクトルWsは、図4で示したように、2次アンテナ2のアンテナ素子211それぞれの位置で定まる。ウェイトベクトルWsに基づいて、1次アンテナ1のアンテナ素子16-1~16-Npそれぞれの送信ウェイトが算出される。送信ウェイトの算出は、送信ウェイト決定部112により行われる。 The weight vector Ws of amplitude and phase for each of the Ns antenna elements 215 is determined at each position of the antenna element 211 of the secondary antenna 2, as shown in FIG. Transmission weights for the antenna elements 16-1 to 16-Np of the primary antenna 1 are calculated based on the weight vector Ws. Transmission weight calculation is performed by transmission weight determination section 112 .

図6は、第1の実施形態における送信ウェイトを算出する手順を示す図である。まず、送信ウェイト決定部112は、2次アンテナ2におけるNs個のアンテナ素子211の位置それぞれに対応する角度Θであって、1次アンテナ1のアンテナ素子16-1~16-Npで形成されるアレイアンテナの位相中心からみたsinΘ軸(空間周波数軸)における角度Θを算出する。送信ウェイト決定部112は、位置それぞれに対応する角度Θを用いて、Ns個のアンテナ素子211のウェイトWsn(n=1,2,…,Ns)を、sinΘ軸のウェイトWsn’に変換する。ウェイトWsnをsinΘ軸のウェイトWsn’へ変換するのは、1次アンテナ1のアレイアンテナの開口分布を逆フーリエ変換で算出する際に、sinΘ軸における等間隔の信号が必要となるためである。アレイアンテナの開口分布と、sinΘ軸における等間隔の直交ビームとは、フーリエ変換の関係にある。 FIG. 6 is a diagram showing a procedure for calculating transmission weights in the first embodiment. First, transmission weight determination section 112 determines angles Θ corresponding to the positions of Ns antenna elements 211 in secondary antenna 2, which are formed by antenna elements 16-1 to 16-Np in primary antenna 1. An angle Θ on the sin Θ axis (spatial frequency axis) viewed from the phase center of the array antenna is calculated. Transmission weight determination section 112 uses angle Θ corresponding to each position to convert weights Wsn (n=1, 2, . The reason why the weight Wsn is converted to the weight Wsn' on the sin Θ axis is that when calculating the aperture distribution of the array antenna of the primary antenna 1 by inverse Fourier transform, signals at equal intervals on the sin Θ axis are required. The aperture distribution of the array antenna and the orthogonal beams equidistantly spaced along the sin Θ axis have a Fourier transform relationship.

次に、送信ウェイト決定部112は、アンテナ素子16-1~16-Npで形成されるアレイアンテナの開口分布を算出するために、Ns個のウェイトWsn’に対して補間手法により等間隔に配置されるNp個の点それぞれにおけるウェイトWsconvを抽出する。補間手法には、スプライン補間などの公知の補間手法を用いる。送信ウェイト決定部112は、抽出したウェイトWsconvに対する逆フーリエ変換により、Np個の複素ウェイトを算出する。逆フーリエ変換により算出されるNp個の複素ウェイトが、Np個のアンテナ素子16-1~16-Npそれぞれの送信ウェイトとして得られる。アンテナ素子16-1~16-Npそれぞれの送信ウェイトを要素とする送信ウェイトベクトルWpは、式(4)で表される。 Next, in order to calculate the aperture distribution of the array antenna formed by the antenna elements 16-1 to 16-Np, the transmission weight determination unit 112 arranges the Ns weights Wsn' at regular intervals by an interpolation method. Extract the weight Wsconv at each of the Np points obtained. A known interpolation method such as spline interpolation is used as the interpolation method. Transmission weight determination section 112 calculates Np complex weights by performing inverse Fourier transform on the extracted weight Wsconv. Np complex weights calculated by inverse Fourier transform are obtained as transmission weights for each of the Np antenna elements 16-1 to 16-Np. A transmission weight vector Wp whose elements are the transmission weights of the antenna elements 16-1 to 16-Np is expressed by Equation (4).

Figure 0007150641000004
式(4)において、FFT[・]はフーリエ変換を表し、IFFT[・]は逆フーリエ変換を表す。Wsconvは、2次アンテナ2の各アンテナ素子215に対するウェイトベクトルWsを変換して得られる複素ウェイトベクトルを表す。
Figure 0007150641000004
In equation (4), FFT[·] represents Fourier transform and IFFT[·] represents inverse Fourier transform. Wsconv represents a complex weight vector obtained by transforming the weight vector Ws for each antenna element 215 of the secondary antenna 2 .

複素ウェイトベクトルWsconvから1次アンテナ1の送信ウェイトベクトルWpを求める手法は、FIR(Finite Impulse Response)の周波数フィルタを設計する際のタップ係数を求める手法と同様である(非特許文献4)。すなわち、所望の周波数応答を満足する時間軸の振幅及び位相のタップ係数を算出する手法は、複素ウェイトベクトルWsconvに対応する送信ウェイトベクトルWpを算出する手法として利用できる。したがって、送信ウェイト決定部112は、逆フーリエ変換を用いた手法に代えて、上述のタップ係数を算出する手法や他の手法を用いてもよい。 The method of obtaining the transmission weight vector Wp of the primary antenna 1 from the complex weight vector Wsconv is the same as the method of obtaining tap coefficients when designing a frequency filter for FIR (Finite Impulse Response) (Non-Patent Document 4). That is, a method of calculating the amplitude and phase tap coefficients on the time axis that satisfy a desired frequency response can be used as a method of calculating the transmission weight vector Wp corresponding to the complex weight vector Wsconv. Therefore, transmission weight determining section 112 may use the above-described method of calculating tap coefficients or other methods instead of the method using inverse Fourier transform.

上述した送信ウェイトベクトルWpを求める手法は、1次アンテナ1と2次アンテナ2とが充分に離隔しているファーフィールド条件を満たす場合である(非特許文献5)。ファーフィールド条件が満たされない場合、送信ウェイト決定部112は、近傍界の条件を含めて、1次アンテナ1の送信ビームの形状を定める送信ウェイトベクトルWpを決定する。すなわち、1次アンテナ1の各アンテナ素子16から送信される信号と、2次アンテナ2の各アンテナ素子211までの経路長及びアンテナ素子211の角度応答とによる振幅及び位相の変化を考慮した手法を用いる。式(4)に示した逆フーリエ変換を用いる手法では、Wsconv及びWpをベクトル形式で表現した。しかし、近傍界の条件を考慮する場合、より分かりやすくするためにベクトルの要素(n,n2)を用いて表現する。この場合、複素ウェイトベクトルWsconvは、式(5)で表される。 The method of obtaining the transmission weight vector Wp described above is a case where the far-field condition that the primary antenna 1 and the secondary antenna 2 are sufficiently separated is satisfied (Non-Patent Document 5). If the far-field condition is not satisfied, transmission weight determination section 112 determines transmission weight vector Wp that determines the shape of the transmission beam of primary antenna 1, including near-field conditions. In other words, a method that considers changes in amplitude and phase due to the signal transmitted from each antenna element 16 of the primary antenna 1, the path length to each antenna element 211 of the secondary antenna 2, and the angular response of the antenna element 211. use. In the method using the inverse Fourier transform shown in Equation (4), Wsconv and Wp are expressed in vector form. However, when the near-field conditions are taken into consideration, the vector element (n, n2) is used for the sake of clarity. In this case, the complex weight vector Wsconv is represented by Equation (5).

Figure 0007150641000005
式(5)において、Wsconv(n2)は、ウェイトベクトルWsを変換して得られる複素ウェイトベクトルのn2(n2=1,2,…,Np)番目の要素を表す。Xps(n,n2)は、1次アンテナ1のn(n=1,2,…,Np)番目のアンテナ素子16と、補間手法により得られる2次アンテナ2のn2番目の仮想のアンテナ素子との位置から決まる振幅及び位相を表す。仮想のアンテナ素子は、ウェイトWsconvを抽出する際に補間手法により等間隔に配置されるNp個の点に仮想的に設けられたアンテナ素子である。仮想のアンテナ素子の位置は、sinΘ軸における位置である。振幅及び位相を表すXps(n,n2)は、式(6)で得られる。
Figure 0007150641000005
In Equation (5), Wsconv(n2) represents the n2 (n2=1, 2, . . . , Np)-th element of the complex weight vector obtained by transforming the weight vector Ws. Xps(n,n2) is the n (n=1, 2, . represents the amplitude and phase determined from the position of . The virtual antenna elements are antenna elements that are virtually provided at Np points that are evenly spaced by an interpolation method when extracting the weight Wsconv. The position of the virtual antenna element is the position on the sin Θ axis. Xps(n, n2) representing amplitude and phase is obtained by equation (6).

Figure 0007150641000006
式(6)において、A12(・)は、アンテナ素子16と仮想のアンテナ素子との位置関係と互いの角度応答とにより決まる振幅及び位相を表す。L12(・)は、アンテナ素子16と仮想のアンテナ素子との位置により定まる経路長を表す。xpn、ypn及びzpnはアンテナ素子16の位置を表し、xsn2、ysn2及びzsn2は仮想のアンテナ素子の位置を表す。kは(2π/λ)であり、λは送信される信号の波長である。
Figure 0007150641000006
In equation (6), A12(·) represents the amplitude and phase determined by the positional relationship and mutual angular response between the antenna element 16 and the virtual antenna element. L12(·) represents the path length determined by the positions of the antenna element 16 and the virtual antenna element. xpn, ypn and zpn represent the positions of the antenna elements 16, and xsn2, ysn2 and zsn2 represent the positions of virtual antenna elements. k is (2π/λ) and λ is the wavelength of the signal to be transmitted.

送信ウェイト決定部112は、Np個の点それぞれにおいて、式(5)の右辺と左辺との値が等しく、又は差分が一定以下になる送信ウェイトベクトルWpを数値計算に算出する。数値計算における送信ウェイトベクトルWpの初期値として、ファーフィールド条件における式(4)で得られるベクトルを用いることにより、数値計算の演算時間を削減できる。 Transmission weight determination section 112 numerically calculates a transmission weight vector Wp in which the values of the right and left sides of equation (5) are equal or the difference is equal to or less than a certain value at each of the Np points. By using the vector obtained by the formula (4) under the far-field condition as the initial value of the transmission weight vector Wp in the numerical calculation, the calculation time of the numerical calculation can be reduced.

送信ウェイト決定部112は、以上のようにして、2次アンテナ2で形成するビーム形状に応じて定まる各アンテナ素子211、215の位相及び振幅から、アンテナ素子16-1~16-Npに対する送信ウェイトベクトルWpを決定する。なお、送信ウェイトが振幅及び位相に対するウェイトを含む場合を説明したが、送信ウェイトは振幅に対するウェイトを含まずともよい。 As described above, the transmission weight determination unit 112 determines transmission weights for the antenna elements 16-1 to 16-Np from the phases and amplitudes of the antenna elements 211 and 215 determined according to the beam shape formed by the secondary antenna 2. Determine the vector Wp. Although the case where the transmission weights include weights for amplitude and phase has been described, transmission weights may not include weights for amplitude.

図7及び図8は、第1の実施形態におけるアンテナシステムにおいて複数の送信ビームb1~bBtを形成する場合の1次アンテナ1の動作例を示す図である。アンテナシステムが、図1に示すように、複数の送信ビームb1~bBtを形成する場合、1次アンテナ1において、信号生成器111は生成する信号の周波数を一定の周期で変更し、送信ウェイト決定部112が送信ビームb1~bBtに応じた送信ウェイトベクトルWpを決定し、各乗算器113-1~113-Npに送信ウェイトを供給する。これらの動作により、1次アンテナ1は、図7に示すように、時分割に送信ビームを切り替えることで、2次アンテナ2に複数の送信ビームb1~bBtを形成させる。 7 and 8 are diagrams showing an operation example of the primary antenna 1 when forming a plurality of transmission beams b1 to bBt in the antenna system according to the first embodiment. When the antenna system forms a plurality of transmission beams b1 to bBt as shown in FIG. Section 112 determines transmission weight vectors Wp corresponding to transmission beams b1 to bBt, and supplies the transmission weights to multipliers 113-1 to 113-Np. By these operations, as shown in FIG. 7, the primary antenna 1 switches transmission beams in a time division manner, thereby allowing the secondary antenna 2 to form a plurality of transmission beams b1 to bBt.

1次アンテナ1が複数の送信ビームb1~bBtを同時に形成する場合、信号生成器111が、送信信号の周波数帯をBt個に分割した各周波数帯の信号を生成する。この場合、送信ウェイト決定部112が、送信ビームb1~bBtそれぞれに応じた送信ウェイトベクトルWpを決定し、各乗算器113-1~113-Npに送信ウェイトを供給する。各乗算器113-1~113-Npは、分割された各周波数帯の信号に、送信ビームに応じた送信ウェイトを乗じて、周波数帯の信号ごとに送信ビームの信号を算出する。各乗算器113-1~113-Npは、算出した各送信ビームの信号を合成してDA変換器12-1~12-Npに供給する。これらの動作により、1次アンテナ1は、図8に示すように、分割した周波数帯それぞれに送信ビームを割り当てることで、2次アンテナ2に複数の送信ビームb1~bBtを形成させる。アンテナシステムは、複数の送信ビームを形成する際に各送信ビームに異なる周波数帯を用いるので、送信ビーム間のアイソレーションを維持しつつ、独立に制御できるマルチ送信ビームを形成できる。 When the primary antenna 1 simultaneously forms a plurality of transmission beams b1 to bBt, the signal generator 111 divides the frequency band of the transmission signal into Bt frequency bands to generate signals for each frequency band. In this case, transmission weight determination section 112 determines transmission weight vectors Wp corresponding to transmission beams b1 to bBt, respectively, and supplies the transmission weights to multipliers 113-1 to 113-Np. Each of multipliers 113-1 to 113-Np multiplies each divided frequency band signal by a transmission weight according to the transmission beam to calculate a transmission beam signal for each frequency band signal. Each multiplier 113-1 to 113-Np synthesizes the calculated signal of each transmission beam and supplies it to the DA converters 12-1 to 12-Np. Through these operations, the primary antenna 1 allocates transmission beams to the divided frequency bands, respectively, so that the secondary antenna 2 forms a plurality of transmission beams b1 to bBt, as shown in FIG. Since the antenna system uses different frequency bands for each transmission beam when forming a plurality of transmission beams, it is possible to form independently controllable multiple transmission beams while maintaining isolation between the transmission beams.

なお、図8に示す例では、複数の送信ビームを同時に形成するために周波数帯を分割する動作を説明した。しかし、1次アンテナ1は、周波数帯の分割に代えて、相互干渉が少ない異なる符号系列を用いて送信ビーム間のアイソレーションを維持してもよい。相互干渉が少ない符号系列として、M系列を用いてもよい(非特許文献6)。 Note that in the example shown in FIG. 8, the operation of dividing the frequency band in order to simultaneously form a plurality of transmission beams has been described. However, the primary antenna 1 may maintain isolation between transmission beams by using different code sequences with less mutual interference instead of dividing the frequency band. As a code sequence with little mutual interference, an M sequence may be used (Non-Patent Document 6).

第1の実施形態のアンテナシステムは、2次アンテナ2の各アンテナモジュール21で位相制御を行わない簡単な構成であり、1次アンテナ1の送信ビームを変えることで2次アンテナ2の各アンテナ素子215に対する振幅及び位相を制御できる。これにより、2次アンテナ2のアレイアンテナにおける複数の送信ビーム形成を高性能かつ低コストで実現できる。また、2次アンテナ2におけるアンテナモジュール21が簡単な構成であるため、2次アンテナ2の開口面を広くする場合においても、回路規模の増大を軽減でき、製造コストも抑制できる。 The antenna system of the first embodiment has a simple configuration in which each antenna module 21 of the secondary antenna 2 does not perform phase control. By changing the transmission beam of the primary antenna 1, each antenna element of the secondary antenna 2 215 can be controlled in amplitude and phase. As a result, it is possible to form a plurality of transmission beams in the array antenna of the secondary antenna 2 with high performance and low cost. In addition, since the antenna module 21 in the secondary antenna 2 has a simple configuration, even when the aperture of the secondary antenna 2 is widened, an increase in circuit scale can be reduced, and manufacturing costs can be suppressed.

また、1次アンテナ1が、アンテナ素子16-1~16-Npで形成されるアレイアンテナの送信ビームをDBFで制御するため、2次アンテナ2の各アンテナ素子215に対するウェイト設定の自由度が高くでき、使用状況に応じた角度応答を有する送信ビームの形成が可能である。また、上述したように、アンテナシステムは、2次アンテナ2のアンテナモジュール21を変更せずに形成する送信ビームの数を変更することができる。 In addition, since the primary antenna 1 controls the transmission beam of the array antenna formed by the antenna elements 16-1 to 16-Np with the DBF, the degree of freedom in weight setting for each antenna element 215 of the secondary antenna 2 is high. It is possible to form a transmit beam with an angular response that depends on the usage situation. Also, as described above, the antenna system can change the number of transmit beams formed without changing the antenna module 21 of the secondary antenna 2 .

(第2の実施形態)
第1の実施形態では、信号を送信するアンテナシステムを説明した。第2の実施形態では、信号を受信するアンテナシステムについて説明する。図9は、第2の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第2の実施形態のアンテナシステムは、複数のアンテナ素子を有する、2次アンテナ3及び1次アンテナ4を備える。2次アンテナ3は、複数のアンテナモジュール31(31-1,32-2,…,32-Ns)を有する。各アンテナモジュール31で受信された信号は、空間給電により1次アンテナ4へ供給される。1次アンテナ4は、空間給電される信号にDBF方式を適用して、2次アンテナ3における複数の受信ビーム(b1,b2,…,bBr)を形成する。受信ビームの形状は、メインローブの方向及び角度応答、サイドローブの方向及び角度応答を含んでもよい。以下、2次アンテナ3及び1次アンテナ4の構成例について説明する。
(Second embodiment)
In the first embodiment, an antenna system for transmitting signals was described. In a second embodiment, an antenna system for receiving signals will be described. FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of an antenna system according to the second embodiment. The antenna system of the second embodiment comprises a secondary antenna 3 and a primary antenna 4 having multiple antenna elements. The secondary antenna 3 has a plurality of antenna modules 31 (31-1, 32-2, . . . , 32-Ns). A signal received by each antenna module 31 is supplied to the primary antenna 4 by spatial feeding. The primary antenna 4 applies the DBF method to the spatially-fed signal to form a plurality of reception beams (b1, b2, . . . , bBr) at the secondary antenna 3. FIG. The shape of the receive beam may include mainlobe direction and angular response, sidelobe direction and angle response. Configuration examples of the secondary antenna 3 and the primary antenna 4 will be described below.

図10は、第2の実施形態におけるアンテナモジュール31の構成例を示す図である。アンテナモジュール31は、2つのアンテナ素子311、313と、LNA(Low Noise Amplifier;低雑音増幅器)312とを有する。アンテナ素子311の指向方向は、第1アンテナ4へ向かう方向と異なる方向に向けられている。アンテナ素子311は、受信した信号をLNA312に供給する。アンテナ素子313は、LNA312で増幅された信号を1次アンテナ4に空間給電で供給する。アンテナ素子313の指向方向は、アンテナ素子311の指向方向と異なる方向に向けられている。アンテナモジュール31は、1次アンテナ4への方向と異なる方向から到来する信号をアンテナ素子311で受信して増幅し、1次アンテナ4へ供給する。 FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of the antenna module 31 in the second embodiment. The antenna module 31 has two antenna elements 311 and 313 and an LNA (Low Noise Amplifier) 312 . The directivity direction of the antenna element 311 is directed in a direction different from the direction toward the first antenna 4 . Antenna element 311 provides a received signal to LNA 312 . The antenna element 313 supplies the signal amplified by the LNA 312 to the primary antenna 4 by spatial feeding. The directivity direction of antenna element 313 is directed in a direction different from the directivity direction of antenna element 311 . The antenna module 31 receives a signal arriving from a direction different from the direction toward the primary antenna 4 with the antenna element 311 , amplifies the signal, and supplies the amplified signal to the primary antenna 4 .

2次アンテナ3は、図9に示すように、複数のアンテナモジュール31を有する。アンテナモジュール31は、規則的に配列され、複数のアンテナ素子311はアレイアンテナを形成する。複数のアンテナ素子313は、1次アンテナ4側に向けられたアレイアンテナを形成する。図9に示すように、これら2つのアレイアンテナの指向方向が、互いに逆向きとなるように、複数のアンテナ素子311及び複数のアンテナ素子313が配列されてもよい。また、2つのアレイアンテナの指向方向が任意の角度差を有するように、複数のアンテナ素子311及び複数のアンテナ素子313が配列されてもよい。 The secondary antenna 3 has a plurality of antenna modules 31 as shown in FIG. The antenna modules 31 are regularly arranged, and the plurality of antenna elements 311 form an array antenna. A plurality of antenna elements 313 form an array antenna directed toward the primary antenna 4 side. As shown in FIG. 9, a plurality of antenna elements 311 and a plurality of antenna elements 313 may be arranged such that the directivity directions of these two array antennas are opposite to each other. Also, the plurality of antenna elements 311 and the plurality of antenna elements 313 may be arranged such that the directivity directions of the two array antennas have an arbitrary angular difference.

図11は、第2の実施形態における1次アンテナ4の構成例を示す図である。1次アンテナ4は、複数のアンテナ素子41(41-1,41-2,…,42-Np)を備える。Np個のアンテナ素子41は、規則的に配列され、アレイアンテナを形成する。1次アンテナ4は、各アンテナ素子41に対応する、LNA42(42-1,42-2,…,42-Np)、周波数変換器43(43-1,43-2,…,43-Np)及びAD(Analog-Digital)変換器44(44-1,44-2,…,44-Np)を備える。更に、1次アンテナ4は、ビーム形成部45を備える。ビーム形成部45は、受信ウェイト決定部451と、各アンテナ素子41に対応する乗算器452(452-1,452-2,…,452-Np)と、加算器453とを備える。 FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of the primary antenna 4 in the second embodiment. The primary antenna 4 comprises a plurality of antenna elements 41 (41-1, 41-2, . . . , 42-Np). Np antenna elements 41 are arranged regularly to form an array antenna. The primary antenna 4 includes LNAs 42 (42-1, 42-2, ..., 42-Np) and frequency converters 43 (43-1, 43-2, ..., 43-Np) corresponding to the respective antenna elements 41. and AD (Analog-Digital) converters 44 (44-1, 44-2, . . . , 44-Np). Further, the primary antenna 4 comprises a beamformer 45 . The beam forming unit 45 includes a reception weight determining unit 451, multipliers 452 (452-1, 452-2, . . . , 452-Np) corresponding to the antenna elements 41, and an adder 453.

LNA42-1は、アンテナ素子41-1で受信された信号を増幅し、増幅した信号を周波数変換器43-1へ供給する。周波数変換器43-1は、LNA42-1から供給される信号の周波数をRF帯からベースバンドの信号に変換し、ベースバンドの信号をAD変換器44-1へ供給する。AD変換器44-1は、周波数変換器43-1から供給される信号をディジタルの信号に変換し、ディジタルの信号を乗算器452-1へ供給する。 LNA 42-1 amplifies the signal received by antenna element 41-1 and supplies the amplified signal to frequency converter 43-1. The frequency converter 43-1 converts the frequency of the signal supplied from the LNA 42-1 from the RF band to a baseband signal, and supplies the baseband signal to the AD converter 44-1. The AD converter 44-1 converts the signal supplied from the frequency converter 43-1 into a digital signal and supplies the digital signal to the multiplier 452-1.

LNA42-2~42-Np、周波数変換器43-2~43-Np、AD変換器44-2~44-Npは、LNA42-1、周波数変換器43-1及びAD変換器44-1とそれぞれと同様に動作する。アンテナ素子41-2~41-Npで受信された信号に増幅、周波数変換及びAD変換が施され、乗算器452-2~452-Npに供給される。 LNAs 42-2 to 42-Np, frequency converters 43-2 to 43-Np, and AD converters 44-2 to 44-Np are LNA 42-1, frequency converter 43-1, and AD converter 44-1, respectively. behaves similarly to Signals received by the antenna elements 41-2 to 41-Np are amplified, frequency-converted, and AD-converted, and supplied to multipliers 452-2 to 452-Np.

受信ウェイト決定部451は、2次アンテナ3において形成する受信ビーム形状と、2次アンテナ2に備えられる複数のアンテナ素子313それぞれの位置とに基づいて、複数のアンテナ素子41-1~41-Npそれぞれに対応する受信ウェイトを決定する。2次アンテナ3において形成する受信ビーム形状は、ビーム制御信号で与えられる。受信ウェイト決定部451は、アンテナ素子41ごとに決定した受信ウェイトを、対応する乗算器452に供給する。受信ウェイト決定部451が各受信ウェイトを決定する手順は、第1の実施形態における送信ウェイト決定部112が各送信ウェイトを決定する手順と同様であり、その手順の説明を省略する。 Reception weight determination section 451 determines a plurality of antenna elements 41-1 to 41-Np based on the reception beam shape formed in secondary antenna 3 and the respective positions of a plurality of antenna elements 313 provided in secondary antenna 2. Determine the receive weight corresponding to each. A receive beam shape formed in the secondary antenna 3 is given by a beam control signal. The reception weight determining section 451 supplies the reception weight determined for each antenna element 41 to the corresponding multiplier 452 . The procedure for determining each reception weight by the reception weight determining unit 451 is the same as the procedure for determining each transmission weight by the transmission weight determining unit 112 in the first embodiment, so description of the procedure is omitted.

乗算器452-1は、AD変換器44-1から供給されるディジタルの信号に、アンテナ素子41-1に対応する受信ウェイトを乗じて受信信号を算出する。乗算器452-1は、算出した受信信号を加算器453へ供給する。乗算器452-2~452-Npは、乗算器452-1と同様に、AD変換器44-2~44-Npから供給されるディジタルの信号に、アンテナ素子41-2~41-Npに対応する受信ウェイトを乗じて受信信号を算出する。乗算器452-2~452-Npそれぞれは、算出した受信信号を加算器453へ供給する。加算器453は、乗算器452-1~452-Npそれぞれから供給される受信信号を加算合成し、合成により得られる信号を受信ビーム信号として外部へ出力する。 The multiplier 452-1 calculates a received signal by multiplying the digital signal supplied from the AD converter 44-1 by the reception weight corresponding to the antenna element 41-1. Multiplier 452 - 1 supplies the calculated received signal to adder 453 . Similar to the multiplier 452-1, the multipliers 452-2 to 452-Np correspond to the digital signals supplied from the AD converters 44-2 to 44-Np to the antenna elements 41-2 to 41-Np. Received signal is calculated by multiplying by the received weight. Each of multipliers 452 - 2 to 452 -Np supplies the calculated received signal to adder 453 . The adder 453 adds and synthesizes the reception signals supplied from the multipliers 452-1 to 452-Np, and outputs a signal obtained by the synthesis to the outside as a reception beam signal.

ビーム形成部45に備えられる、受信ウェイト決定部451、複数の乗算器452及び加算器453それぞれの動作は、ディジタル回路を用いたり、それぞれの動作を指示するプログラムをDSPや汎用のCPUで実行したりすることで実現してもよい。ディジタル回路を実現するハードウェアには、ASICやFPGAなどを用いてもよい。 The operations of the reception weight determination unit 451, the plurality of multipliers 452, and the adders 453 provided in the beam forming unit 45 are performed by using digital circuits or by executing programs instructing the respective operations by a DSP or a general-purpose CPU. It may be realized by ASIC, FPGA, or the like may be used as hardware for realizing the digital circuit.

第2の実施形態におけるアンテナシステムは、受信ウェイト決定部451が複数の受信ビームそれぞれに対応する各アンテナ素子41の受信ウェイトを算出し、加算器453が受信ビームごとに受信信号の加算合成を行う。これらの動作により、図9に示すように、1次アンテナ4は、2次アンテナ3における複数の受信ビームb1~bBrを同時に形成できる。2次アンテナ3に移相器などを設けずとも、1次アンテナ4の受信ビームを変えることで2次アンテナ3のアレイアンテナにおける受信ビーム形状を制御できる。これにより、2次アンテナ3における複数の受信ビーム形成を高性能かつ低コストで実現できる。また、2次アンテナ3におけるアンテナモジュール31が簡単な構成であるため、2次アンテナ3の開口面を広くする場合においても、回路規模の増大を軽減でき、製造コストも抑制できる。 In the antenna system according to the second embodiment, the reception weight determining unit 451 calculates the reception weight of each antenna element 41 corresponding to each of a plurality of reception beams, and the adder 453 adds and combines the reception signals for each reception beam. . By these operations, the primary antenna 4 can simultaneously form a plurality of reception beams b1 to bBr in the secondary antenna 3, as shown in FIG. Even if the secondary antenna 3 is not provided with a phase shifter or the like, the receiving beam shape of the array antenna of the secondary antenna 3 can be controlled by changing the receiving beam of the primary antenna 4 . As a result, the secondary antenna 3 can form a plurality of reception beams with high performance and low cost. In addition, since the antenna module 31 in the secondary antenna 3 has a simple configuration, even when the aperture of the secondary antenna 3 is widened, an increase in circuit scale can be reduced, and manufacturing costs can be suppressed.

なお、2次アンテナ3の開口面を4つに分割し、各分割開口面の信号に基づいたΣ、ΔAZ及びΔELのモノパルスビーム(非特許文献7)を形成する場合、1次アンテナ4のアンテナ素子41で形成されるアレイアンテナの開口面を4つに分割してΣ、ΔAZ及びΔELのモノパルスビームを形成すればよい。第2の実施形態におけるアンテナシステムにおいて、モノパルスビームを適用することで、自由度が高く、かつ角度分解能を高めた受信ビームを利用することができる。 When the aperture plane of the secondary antenna 3 is divided into four and monopulse beams of Σ, ΔAZ, and ΔEL (Non-Patent Document 7) are formed based on the signals of the divided aperture planes, the antenna of the primary antenna 4 The aperture plane of the array antenna formed by the elements 41 may be divided into four to form monopulse beams of Σ, ΔAZ and ΔEL. By applying a monopulse beam to the antenna system of the second embodiment, it is possible to use a reception beam with a high degree of freedom and an improved angular resolution.

(第3の実施形態)
第1の実施形態では信号を送信するアンテナシステムを説明し、第2の実施形態では信号を受信するアンテナシステムを説明した。第3の実施形態では、これらのアンテナシステムを組み合わせてレーダ装置として利用できるアンテナシステムを説明する。図12は、第3の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第3の実施形態のアンテナシステムは、複数のアンテナ素子を有する、1次アンテナ5及び2次アンテナ6を備える。2次アンテナ6は、複数のアンテナモジュール61(61-1,61-2,…,61-Ns)を有する。
(Third embodiment)
The antenna system for transmitting signals has been described in the first embodiment, and the antenna system for receiving signals has been described in the second embodiment. In the third embodiment, an antenna system that can be used as a radar device by combining these antenna systems will be described. FIG. 12 is a diagram showing a configuration example of an antenna system according to the third embodiment. The antenna system of the third embodiment comprises a primary antenna 5 and a secondary antenna 6 with multiple antenna elements. The secondary antenna 6 has a plurality of antenna modules 61 (61-1, 61-2, . . . , 61-Ns).

1次アンテナ5は、DBF方式を適用した送信により、2次アンテナ6の各アンテナモジュール61に空間給電を行う。2次アンテナ6の各アンテナモジュール61は、1次アンテナ5から供給される信号を送信する。また、2次アンテナ6は、各アンテナモジュール61で受信した信号を空間給電により、1次アンテナ5に供給する。1次アンテナ5は、空間給電される信号にDBF方式を適用して、2次アンテナ6における複数の送受信ビーム(b1,b2,…,bBr)を形成する。 The primary antenna 5 spatially feeds each antenna module 61 of the secondary antenna 6 by transmission using the DBF method. Each antenna module 61 of the secondary antenna 6 transmits the signal supplied by the primary antenna 5 . Further, the secondary antenna 6 supplies the signal received by each antenna module 61 to the primary antenna 5 by spatial feeding. The primary antenna 5 applies the DBF scheme to the spatially-fed signals to form a plurality of transmission/reception beams (b1, b2, . . . , bBr) in the secondary antenna 6 .

図13は、第3の実施形態における1次アンテナ5の構成例を示す図である。1次アンテナ5は、複数のアンテナ素子16-1~16-Npを備える。Np個のアンテナ素子16は、規則的に配列され、アレイアンテナを形成する。更に、1次アンテナ5は、各アンテナ素子16に対応する、サーキュレータ15(15-1,…,15-Np)、DA変換器12(12-1,…,12-Np)、周波数変換器13(13-1,…,13-Np)、HPA14(14-1,…,14-Np)、LNA42(42-1,…,42-Np)、周波数変換器43(43-1,…,43-Np)及びAD変換器44(44-1,…,44-Np)を備える。複数のアンテナ素子16-1~16-Npを用いて送信と受信とを行うため、送信系統と受信系統とを分離するサーキュレータ15-1~15-Npを介して、アンテナ素子16-1~16-Npと、HPA14-1~14-Np及びLNA42-1~42-Npとが接続されている。 FIG. 13 is a diagram showing a configuration example of the primary antenna 5 in the third embodiment. The primary antenna 5 comprises a plurality of antenna elements 16-1 to 16-Np. The Np antenna elements 16 are arranged regularly to form an array antenna. Further, the primary antenna 5 includes circulators 15 (15-1, . . . , 15-Np), DA converters 12 (12-1, . (13-1, ..., 13-Np), HPA 14 (14-1, ..., 14-Np), LNA 42 (42-1, ..., 42-Np), frequency converter 43 (43-1, ..., 43 -Np) and AD converters 44 (44-1, . . . , 44-Np). Since transmission and reception are performed using a plurality of antenna elements 16-1 to 16-Np, the antenna elements 16-1 to 16 are connected via circulators 15-1 to 15-Np that separate the transmission system and the reception system. -Np, HPAs 14-1 to 14-Np and LNAs 42-1 to 42-Np are connected.

図14は、第3の実施形態におけるアンテナモジュール61の構成例を示す図である。アンテナモジュール61は、2つのアンテナ素子211、215と、HPA213と、LNA321と、2つのサーキュレータ212、214とを備える。1次アンテナ5と同様に、アンテナ素子211を用いて送信と受信とを行うため、送信系と受信系とを分離するサーキュレータ212を介して、アンテナ素子211と、HPA213及びLNA312とが接続されている。また、サーキュレータ214を介して、アンテナ素子215と、HPA213及びLNA312とが接続されている。 FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of the antenna module 61 in the third embodiment. The antenna module 61 comprises two antenna elements 211, 215, an HPA 213, an LNA 321, and two circulators 212, 214. As with the primary antenna 5, since the antenna element 211 is used for transmission and reception, the antenna element 211, the HPA 213 and the LNA 312 are connected via a circulator 212 that separates the transmission system and the reception system. there is Also, the antenna element 215 is connected to the HPA 213 and the LNA 312 via the circulator 214 .

第3の実施形態におけるアンテナシステムは、図12に示すように、複数の送受信ビームb1~bBtrを形成する。送受信ビームは、送信ビームと受信ビームとの組み合わせである。アンテナシステムをレーダ装置として利用する場合、送信ビームの方向に応じて受信ビームを形成する。アンテナシステムが複数の送受信ビームを形成する場合、第1の実施形態において説明したように、時分割又は周波数分割により複数の送信ビームを形成する。受信に関しては、未知の目標にて反射された信号を検出する必要があるため、アンテナシステムは、複数の受信ビームを同時に形成する必要がある。 The antenna system in the third embodiment forms a plurality of transmission/reception beams b1 to bBtr as shown in FIG. A transmit and receive beam is a combination of a transmit beam and a receive beam. When using the antenna system as a radar device, a reception beam is formed according to the direction of the transmission beam. When the antenna system forms multiple transmit and receive beams, it forms multiple transmit beams by time division or frequency division as described in the first embodiment. For reception, the need to detect signals reflected by unknown targets requires the antenna system to form multiple receive beams simultaneously.

具体的には、ビーム形成部45は、各送信ビームと同一方向受信ビームを形成する受信ウェイトを決定する。また、ビーム形成部45は、各送信ビームで用いた周波数帯に応じて、各AD変換器44から供給されるディジタル信号の周波数帯を分離し、分離した信号それぞれに対応する受信ウェイトを乗じて受信ビームの受信信号を算出する。ビーム形成部45は、周波数帯ごとに受信信号を合成して、各受信ビームの受信ビーム信号を得る。なお、ビーム形成部45は、送信ウェイト決定部112において決定された各送信ビームの送信ウェイトを受信ウェイトとして用いてもよい。 Specifically, the beam forming unit 45 determines reception weights for forming a co-directional reception beam with each transmission beam. In addition, the beam forming unit 45 separates the frequency band of the digital signal supplied from each AD converter 44 according to the frequency band used in each transmission beam, and multiplies the separated signals by corresponding reception weights. Calculate the received signal of the receive beam. The beam forming unit 45 synthesizes received signals for each frequency band to obtain a received beam signal of each received beam. The beam forming section 45 may use the transmission weight of each transmission beam determined by the transmission weight determination section 112 as the reception weight.

第3の実施形態のアンテナシステムのように第1及び第2の実施形態のアンテナシステムを組み合わせることで、2次アンテナ6に送受信ビームの走査に係る回路を備えずとも、1次アンテナ5の送信ビーム及び受信ビームを変えることで、2次アンテナ6のアレイアンテナにおける送受信ビームの形状を制御できる。これにより、2次アンテナ6における複数の送受信ビーム形成を高性能かつ低コストで実現できる。 By combining the antenna systems of the first and second embodiments like the antenna system of the third embodiment, even if the secondary antenna 6 is not provided with a circuit for scanning the transmission and reception beams, the transmission of the primary antenna 5 can be performed. By changing the beam and the reception beam, the shape of the transmission and reception beam in the array antenna of the secondary antenna 6 can be controlled. As a result, it is possible to form a plurality of transmission/reception beams in the secondary antenna 6 with high performance and low cost.

なお、第3の実施形態のアンテナシステムでは、1次アンテナ5に備えられる複数のアンテナ素子16を送信及び受信で使用する構成を説明した。しかし、この構成に限ることなく、1次アンテナ5は、送信に使用する送信アンテナ素子と、受信に使用する受信アンテナ素子(第3のアンテナ素子)とを備えてもよい。1次アンテナ5が送信アンテナ素子及び受信アンテナ素子を備える場合、1次アンテナ5は、サーキュレータ15-1~15-Npを備えずともよい。この場合においても、ビーム形成部45は、前述の動作と同じ動作を行う。送信アンテナ素子及び受信アンテナ素子は、規則的に配列されアレイアンテナを形成する。送信アンテナ素子及び受信アンテナ素子は、アレイアンテナにおいて、交互に配置されたり、任意のパターンで配置されたりしてもよい。また、送信に使用する送信アンテナ素子と、受信に使用する受信アンテナ素子とを分ける場合、アンテナシステムは、1次アンテナ5に代えて、第1の実施形態の1次アンテナ1と、第2の実施形態の1次アンテナ4とを備えてもよい。また、アンテナシステムは、一部のアンテナ素子16を送信及び受信で使用するとともに、前述の送信アンテナ素子及び受信アンテナ素子を備えてもよい。 In addition, in the antenna system of the third embodiment, the configuration in which the plurality of antenna elements 16 provided in the primary antenna 5 are used for transmission and reception has been described. However, without being limited to this configuration, the primary antenna 5 may include a transmitting antenna element used for transmission and a receiving antenna element (third antenna element) used for reception. If the primary antenna 5 has a transmitting antenna element and a receiving antenna element, the primary antenna 5 may not have the circulators 15-1 to 15-Np. Also in this case, the beam forming unit 45 performs the same operation as described above. The transmitting antenna elements and receiving antenna elements are arranged regularly to form an array antenna. The transmit antenna elements and receive antenna elements may be arranged alternately or arranged in any pattern in the array antenna. Further, when the transmitting antenna element used for transmission and the receiving antenna element used for reception are separated, the antenna system includes the primary antenna 1 of the first embodiment and the second antenna instead of the primary antenna 5. It may be provided with the primary antenna 4 of the embodiment. The antenna system may also use some of the antenna elements 16 for transmission and reception, and may comprise the aforementioned transmit and receive antenna elements.

また、第3の実施形態のアンテナシステムでは、2次アンテナ6に備えられる複数のアンテナモジュール61が、送信及び受信を行う構成を説明した。しかし、この構成に限ることなく、2次アンテナ6が、第1の実施形態のアンテナモジュール21と、第2の実施形態のアンテナモジュール31(第4のアンテナ素子)とを備えてもよい。2次アンテナ6が、アンテナモジュール21、31を備える場合、アンテナモジュール21、31は、規則的に配列されアレイアンテナを形成する。この場合においても、1次アンテナ5は、前述の動作と同じ動作を行う。アンテナモジュール21、31は、アレイアンテナにおいて、交互に配置されたり、任意のパターンで配置されたりしてもよい。また、2次アンテナ6は、送信及び受信を行うアンテナモジュール61と、送信を行うアンテナモジュール21と、受信を行うアンテナモジュール31とを備えてもよい。 Also, in the antenna system of the third embodiment, the configuration in which the plurality of antenna modules 61 provided in the secondary antenna 6 perform transmission and reception has been described. However, without being limited to this configuration, the secondary antenna 6 may include the antenna module 21 of the first embodiment and the antenna module 31 (fourth antenna element) of the second embodiment. When the secondary antenna 6 comprises antenna modules 21, 31, the antenna modules 21, 31 are arranged regularly to form an array antenna. Also in this case, the primary antenna 5 performs the same operation as described above. The antenna modules 21 and 31 may be alternately arranged or arranged in an arbitrary pattern in the array antenna. The secondary antenna 6 may also include an antenna module 61 for transmission and reception, an antenna module 21 for transmission, and an antenna module 31 for reception.

(第4の実施形態)
第3の実施形態のアンテナシステムでは、1次アンテナ5が備えるアンテナ素子16-1~16-Npと、2次アンテナ6が備える各アンテナモジュール61との距離及び各アンテナ素子の角度応答に応じて、1次アンテナ5と2次アンテナ6との間で空間給電される信号のレベルが低下する場合がある。空間給電される信号のレベル低下は、送受信ビームの劣化を生じさせることがある。第4の実施形態では、このような信号のレベル低下を補償するアンテナシステムを説明する。
(Fourth embodiment)
In the antenna system of the third embodiment, according to the distance between the antenna elements 16-1 to 16-Np provided in the primary antenna 5 and each antenna module 61 provided in the secondary antenna 6 and the angular response of each antenna element, , the level of the signal space-fed between the primary antenna 5 and the secondary antenna 6 may drop. A drop in the level of the space-fed signal can cause degradation of the transmit and receive beams. In the fourth embodiment, an antenna system that compensates for such signal level drop will be described.

図15は、第4の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第4の実施形態のアンテナシステムは、第3の実施形態のアンテナシステムと同じ構成を備える。図15に示すように、アンテナ素子16-1~16-Npで形成されるアレイアンテナから他のアンテナモジュール61よりも遠くに位置するアンテナモジュール61-1、61-Nsでは、1次アンテナ5から空間給電される送信信号のレベルが低下する。このレベルの低下は、空間経路長に応じて経路損失が大きくなるためである。また、各アンテナ素子16の向きと、アンテナモジュール61のアンテナ素子211の向きとの角度がアンテナモジュール61ごとに異なることで生じる角度応答特性の差により、送信信号のレベルに差が生じる。 FIG. 15 is a diagram showing a configuration example of an antenna system according to the fourth embodiment. The antenna system of the fourth embodiment has the same configuration as the antenna system of the third embodiment. As shown in FIG. 15, the antenna modules 61-1 and 61-Ns located farther from the array antenna formed by the antenna elements 16-1 to 16-Np than the other antenna modules 61 have The level of the space-fed transmitted signal is reduced. This drop in level is due to the path loss increasing with spatial path length. In addition, the angle between the orientation of each antenna element 16 and the orientation of the antenna element 211 of the antenna module 61 is different for each antenna module 61, resulting in a difference in angular response characteristics, which causes a difference in transmission signal level.

第4の実施形態におけるアンテナモジュール61では、上述の送信信号のレベル低下及びレベル差を補償するために、2次アンテナ6におけるアンテナモジュール61の位置及び角度応答特性の差に応じてHPA213の増幅率を高くする。各アンテナモジュール61のHPA213の増幅率を、経路損失及び角度応答特性の差により生じる送信信号のレベル差を小さくするように定める。すなわち、空間経路長が長く経路損失が大きいほど、増幅率を大きくし、角度応答特性が小さいほど、HPA213の増幅率を大きくする。このようにHPA213(第1の増幅器)の増幅率を定めることにより、各アンテナ素子215の送信電力を一様でき、2次アンテナ6において形成する送信ビームの精度を向上させることができる。 In the antenna module 61 according to the fourth embodiment, in order to compensate for the above-described level reduction and level difference of the transmission signal, the amplification factor of the HPA 213 is adjusted according to the position of the antenna module 61 in the secondary antenna 6 and the difference in the angular response characteristics. raise the The amplification factor of the HPA 213 of each antenna module 61 is determined so as to reduce the level difference of the transmission signal caused by the difference in path loss and angular response characteristics. That is, the longer the spatial path length and the greater the path loss, the greater the amplification factor, and the smaller the angular response characteristic, the greater the amplification factor of the HPA 213 . By determining the amplification factor of the HPA 213 (first amplifier) in this way, the transmission power of each antenna element 215 can be made uniform, and the precision of the transmission beam formed by the secondary antenna 6 can be improved.

送信信号のレベル低下及びレベル差により、送信信号のレベルがHPA213の入力許容範囲より低くなる場合、HPA213が動作しないことがある。このような場合には、送信信号のレベルを入力許容範囲に含む増幅器をHPA213の前段に設けたり、各アンテナモジュール61における送信信号のレベルに適した入力許容範囲を有する増幅器をHPA213として用いたりしてもよい。 When the level of the transmission signal falls below the allowable input range of the HPA 213 due to the level drop and level difference of the transmission signal, the HPA 213 may not operate. In such a case, an amplifier that includes the level of the transmission signal within its allowable input range is provided in the preceding stage of the HPA 213, or an amplifier having an allowable input range suitable for the level of the transmission signal in each antenna module 61 is used as the HPA 213. may

2次アンテナ6から空間給電される信号を1次アンテナ5で受信する場合においても、送信信号と同様に、信号のレベル低下が生じることがある。これは、1次アンテナ5のアンテナ素子16で形成されるアレイアンテナの開口面の振幅分布を一様としているのに対し、空間給電される信号の開口面における振幅分布にばらつきが生じて、信号の振幅が所望の振幅とずれるためである。 When a signal space-fed from the secondary antenna 6 is received by the primary antenna 5 as well, the level of the signal may drop, as in the case of the transmission signal. This is because the amplitude distribution in the aperture plane of the array antenna formed by the antenna elements 16 of the primary antenna 5 is uniform, whereas the amplitude distribution in the aperture plane of the spatially-fed signal varies. This is because the amplitude of is deviated from the desired amplitude.

1次アンテナ5のアレイアンテナの開口面における振幅分布を一様にするように、信号レベルの低下に応じてアンテナモジュール61のLNA312の増幅率を大きくする。このようにLNA312(第2の増幅器)の増幅率を定めることにより、1次アンテナ5のアレイアンテナにおける振幅分布が一様になり、ビーム形成部45がDBF方式で形成する受信ビームの精度を向上させることができる。 The amplification factor of the LNA 312 of the antenna module 61 is increased in accordance with the decrease in signal level so as to make the amplitude distribution in the aperture plane of the array antenna of the primary antenna 5 uniform. By determining the amplification factor of the LNA 312 (second amplifier) in this way, the amplitude distribution in the array antenna of the primary antenna 5 becomes uniform, and the accuracy of the reception beam formed by the beam forming unit 45 by the DBF method is improved. can be made

なお、各アンテナモジュール61のHPA213及びLNA312の増幅率は、経路損失(経路距離)に応じて定めてもよい。 In addition, the amplification factor of the HPA 213 and LNA 312 of each antenna module 61 may be determined according to the path loss (path distance).

(第5の実施形態)
第4の実施形態では、1次アンテナの各アンテナ素子と2次アンテナとの各アンテナ素子との間における経路損失及び角度応答特性の差を、2次アンテナのアンテナモジュールにおける信号増幅により補償するアンテナシステムについて説明した。第5の実施形態では、他の手法により経路損失及び角度応答特性の差を低減させるアンテナシステムについて説明する。
(Fifth embodiment)
In the fourth embodiment, the antenna compensates for the difference in path loss and angular response characteristics between each antenna element of the primary antenna and each antenna element of the secondary antenna by signal amplification in the antenna module of the secondary antenna. explained the system. In a fifth embodiment, an antenna system is described that reduces the difference in path loss and angular response characteristics by another technique.

図16は、第5の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第5の実施形態のアンテナシステムは、1次アンテナ5と、2次アンテナ6aとを備える。2次アンテナ6aは、第3の実施形態の2次アンテナ6と同様に、複数のアンテナモジュール61(61-1,61-2,…,61-Ns)を有する。2次アンテナ6aでは、1次アンテナ5のアンテナ素子16で形成されるアレイアンテナのビームパターンが一様となるように、複数のアンテナモジュール61が規則的に配列される面が湾曲している点が、2次アンテナ6と異なる。すなわち、2次アンテナ6aでは、各アンテナモジュール61のアンテナ素子211から1次アンテナ5のアレイアンテナまでの距離差が小さくなるように、複数のアンテナ素子211で形成されるアレイアンテナの開口面が湾曲している。 FIG. 16 is a diagram showing a configuration example of an antenna system according to the fifth embodiment. The antenna system of the fifth embodiment comprises a primary antenna 5 and a secondary antenna 6a. The secondary antenna 6a has a plurality of antenna modules 61 (61-1, 61-2, . . . , 61-Ns) like the secondary antenna 6 of the third embodiment. In the secondary antenna 6a, the surface on which the plurality of antenna modules 61 are regularly arranged is curved so that the beam pattern of the array antenna formed by the antenna elements 16 of the primary antenna 5 is uniform. is different from the secondary antenna 6 . That is, in the secondary antenna 6a, the aperture surface of the array antenna formed by the plurality of antenna elements 211 is curved so that the distance difference from the antenna element 211 of each antenna module 61 to the array antenna of the primary antenna 5 is small. is doing.

上述のように、2次アンテナ6の端部を1次アンテナ5側に近づけて開口面を1次アンテナ5側に湾曲させることにより、2次アンテナ6aの端部における経路損失を抑えるとともに、角度応答のレベルを変化させることができ、信号レベルの低下を抑える。各アンテナモジュール61のアンテナ素子211を配列する面(アレイアンテナの開口面)を湾曲させることにより、1次アンテナ5と2次アンテナ6aとの間における経路損失及び角度応答特性の差を低減して、2次アンテナ6aにおいて形成する送信ビームの精度を向上させることができる。 As described above, by bringing the end of the secondary antenna 6 closer to the primary antenna 5 side and curving the aperture surface toward the primary antenna 5, the path loss at the end of the secondary antenna 6a is suppressed and the angle It is possible to change the level of the response and suppress the drop in the signal level. By curving the surface on which the antenna elements 211 of each antenna module 61 are arranged (the aperture surface of the array antenna), the difference in path loss and angular response characteristics between the primary antenna 5 and the secondary antenna 6a can be reduced. , the accuracy of the transmission beam formed by the secondary antenna 6a can be improved.

また、アレイアンテナの開口面を湾曲した曲面とすることにより、平面に比べて配列するアンテナモジュール61の数を増やすことができる。これにより、2次アンテナ6aで送信ビームを形成する場合に、送信出力を増加させることができる。なお、2次アンテナ6aの複数のアンテナ素子211で形成されるアレイアンテナの開口面を上述のように湾曲させる一方で、複数のアンテナ素子215で形成されるアレイアンテナの開口面を湾曲させずに平面としてもよい。 In addition, by forming the aperture surface of the array antenna into a curved surface, it is possible to increase the number of antenna modules 61 to be arranged compared to a flat surface. As a result, the transmission power can be increased when forming a transmission beam with the secondary antenna 6a. While the aperture plane of the array antenna formed by the plurality of antenna elements 211 of the secondary antenna 6a is curved as described above, the aperture plane of the array antenna formed by the plurality of antenna elements 215 is not curved. It may be flat.

(第6の実施形態)
第1~第5の実施形態では、アンテナシステムが1次アンテナと2次アンテナとを1つずつ備える場合について説明した。この場合、2次アンテナの開口面を大きくしようとすると、経路損失及び角度応答特性の差を考慮して1次アンテナと2次アンテナとの離隔距離を長くする必要がある。そのため、2次アンテナの開口面を大きくしようとすると、開口面方向だけでなく、開口面に対する奥行き方向にもアンテナシステムは大きくなってしまう。第6の実施形態では、2次アンテナの開口面を大きくする場合において、奥行き方向の寸法の増加を抑えるアンテナシステムについて説明する。
(Sixth embodiment)
In the first to fifth embodiments, the case where the antenna system has one primary antenna and one secondary antenna has been described. In this case, if an attempt is made to increase the aperture of the secondary antenna, it is necessary to increase the separation distance between the primary and secondary antennas in consideration of the difference in path loss and angular response characteristics. Therefore, when trying to increase the aperture of the secondary antenna, the size of the antenna system increases not only in the aperture direction but also in the depth direction with respect to the aperture. In the sixth embodiment, an antenna system that suppresses an increase in dimension in the depth direction when the aperture of the secondary antenna is increased will be described.

図17は、第6の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第6の実施形態のアンテナシステムは、複数の1次アンテナ5(5-1,5-2,…,5-P)と、複数の2次アンテナ6(6-1,6-2,…,6-P)とを備える。1次アンテナ5と2次アンテナ6とは、一対一に対応付けられている。第6の実施形態では、アンテナシステムに要求される開口をP分割し、分割した開口ごとに2次アンテナ6が設置され、2次アンテナ6ごとに1次アンテナ5が設置される。各1次アンテナ5が備える複数のアンテナ素子16で形成されるアレイアンテナのビームパターンのビーム幅(ビーム角度幅)が一定であっても、分割した開口ごとに2次アンテナ6を設置することにより、奥行き方向の寸法の増加を軽減できる。 FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of an antenna system according to the sixth embodiment. The antenna system of the sixth embodiment includes a plurality of primary antennas 5 (5-1, 5-2, . . . , 5-P) and a plurality of secondary antennas 6 (6-1, 6-2, . 6-P). The primary antenna 5 and the secondary antenna 6 are associated one-to-one. In the sixth embodiment, the aperture required for the antenna system is divided into P parts, a secondary antenna 6 is installed for each divided aperture, and a primary antenna 5 is installed for each secondary antenna 6 . Even if the beam width (beam angle width) of the beam pattern of the array antenna formed by the plurality of antenna elements 16 provided in each primary antenna 5 is constant, by installing the secondary antenna 6 for each divided aperture, , the increase in dimension in the depth direction can be reduced.

アンテナシステムにおいて許容できる奥行き方向の寸法Dと、1次アンテナ5のビーム角度θbwとが定まると、式(7)で2次アンテナ6の開口長Lが定まる。分割数Pは、アンテナシステムに要求される開口長Lallを、式(7)で算出される開口長Lで除算し、小数点以下を切り上げることで決定される。 Once the depth dimension D and the beam angle θbw of the primary antenna 5 that are permissible in the antenna system are determined, the aperture length L of the secondary antenna 6 is determined by Equation (7). The number of divisions P is determined by dividing the aperture length Lall required for the antenna system by the aperture length L calculated by Equation (7) and rounding up to the nearest whole number.

Figure 0007150641000007
Figure 0007150641000007

第6の実施形態におけるアンテナシステムは、2次アンテナ6の開口を大きくする際の奥行き方向の寸法の増加を軽減するだけでなく、1次アンテナ5と2次アンテナ6との組ごとに送信する信号の偏波や周波数を変えることで種々の目標や利用環境に対応したロバストな運用を可能にする。また、2次アンテナ6ごとに変調方式を変えることで、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)を構成できる(非特許文献8)。MIMOを構成した場合、複数の2次アンテナ6において送信に用いる2次アンテナ6と受信に用いる2次アンテナ6との組み合わせの自由度を増やして、アンテナシステムにおけるマルチビーム形成や不要波抑圧性能の向上などの性能向上を図ることができる。 The antenna system in the sixth embodiment not only mitigates the increase in depth dimension when increasing the aperture of the secondary antenna 6, but also transmits for each pair of primary antenna 5 and secondary antenna 6 Robust operation corresponding to various targets and usage environments is made possible by changing the polarization and frequency of the signal. Also, by changing the modulation scheme for each secondary antenna 6, MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) can be configured (Non-Patent Document 8). When MIMO is configured, the degree of freedom in combining the secondary antennas 6 used for transmission and the secondary antennas 6 used for reception in the plurality of secondary antennas 6 is increased, and multi-beam formation and unwanted wave suppression performance in the antenna system are improved. It is possible to improve performance such as improvement.

なお、以上説明した各実施形態において、送信ウェイト決定部112が演算により送信ウェイトを決定する構成について説明した。しかし、この構成に限ることなく、2次アンテナで形成する送信ビームごとの送信ウェイトを記憶したテーブルを送信ウェイト決定部112が有し、ビーム制御信号で指定される送信ビームに対応する送信ウェイトをテーブルから選択してもよい。また、送信ウェイト決定部112は、信号生成部11の外部に設けられてもよい。同様に、受信ウェイト決定部451も、受信ビームごとの受信ウェイトを記憶したテーブルを有し、ビーム制御信号で指定される受信ビームに対応する受信ウェイトをテーブルから選択してもよい。また、受信ウェイト決定部451は、ビーム形成部45の外部に設けられてもよい。 In each of the embodiments described above, the configuration in which transmission weight determination section 112 determines transmission weights by calculation has been described. However, without being limited to this configuration, transmission weight determination section 112 has a table storing transmission weights for each transmission beam formed by the secondary antenna, and determines transmission weights corresponding to transmission beams designated by beam control signals. You can choose from the table. Also, transmission weight determination section 112 may be provided outside signal generation section 11 . Similarly, the reception weight determination unit 451 may also have a table storing reception weights for each reception beam, and select reception weights corresponding to reception beams designated by beam control signals from the table. Also, the reception weight determining unit 451 may be provided outside the beam forming unit 45 .

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、第2のアレイアンテナ(2次アンテナ2、6)で形成する送信ビーム形状と、第2のアンテナ素子(アンテナ素子215)それぞれの位置とに応じて定まる第2のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、複数の第1のアンテナ素子(アンテナ素子16)それぞれの送信ウェイトを決定する送信ウェイト決定部を持つことにより、送信ウェイトを変化させることで第2のアンテナ素子の振幅及び位相を制御できる。この振幅及び位相の制御により、第2のアレイアンテナにおいて位相制御を行わずとも、第2のアレイアンテナにおける複数の送信ビーム形成ができ、第2のアンテナ素子の増加に伴う回路規模の増大を軽減できる。 According to at least one embodiment described above, according to the transmission beam shape formed by the second array antenna (secondary antennas 2 and 6) and the position of each of the second antenna elements (antenna element 215) The transmission weight is changed by having a transmission weight determination unit that determines the transmission weight of each of the plurality of first antenna elements (antenna element 16) based on the determined phase or phase and amplitude of each of the second antenna elements. , the amplitude and phase of the second antenna element can be controlled. By controlling the amplitude and phase, it is possible to form a plurality of transmission beams in the second array antenna without phase control in the second array antenna, and reduce the increase in the circuit size due to the increase in the number of the second antenna elements. can.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 While several embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, as well as the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.

1,4,5…1次アンテナ;2,3,6,6a…2次アンテナ;11…信号生成部;12…DA変換器;13,43…周波数変換器;14,213…HPA;15,212,214…サーキュレータ;16,41,211,215,311,313…アンテナ素子;21,31,61…アンテナモジュール;42,312…LNA;44…AD変換器;45…ビーム形成部;111…信号生成器;112…送信ウェイト決定部;113,452…乗算器;451…受信ウェイト決定部;453…加算器 1, 4, 5... Primary antenna; 2, 3, 6, 6a... Secondary antenna; 11... Signal generator; 12... DA converter; 13, 43... Frequency converter; 212,214...circulator;16,41,211,215,311,313...antenna element;21,31,61...antenna module;42,312...LNA;44...AD converter;45...beam former;111... Signal generator; 112...Transmission weight determination section; 113, 452...Multiplier; 451...Reception weight determination section; 453...Adder

Claims (10)

複数の第1のアンテナ素子を有する第1のアレイアンテナと、
前記複数の第1のアンテナ素子それぞれに対応する送信ウェイトを信号に乗じた送信信号を前記複数の第1のアンテナ素子それぞれに供給する送信部と、
前記第1のアレイアンテナから供給される前記送信信号を入力し、入力した前記送信信号を前記第1のアレイアンテナへの方向と異なる方向へ送信する複数の第2のアンテナ素子を有する第2のアレイアンテナと、
前記第2のアレイアンテナで形成する送信ビーム形状と、前記第2のアンテナ素子それぞれの位置とに応じて定まる前記第2のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、前記複数の第1のアンテナ素子それぞれの前記送信ウェイトを決定する送信ウェイト決定部と、
を備えるアンテナシステム。
a first array antenna having a plurality of first antenna elements;
a transmitter that supplies to each of the plurality of first antenna elements a transmission signal obtained by multiplying a signal by a transmission weight corresponding to each of the plurality of first antenna elements;
a second antenna element having a plurality of second antenna elements for receiving the transmission signal supplied from the first array antenna and transmitting the input transmission signal in a direction different from the direction toward the first array antenna; an array antenna;
Based on the phase or the phase and amplitude of each of the second antenna elements determined according to the transmission beam shape formed by the second array antenna and the position of each of the second antenna elements, the plurality of second antenna elements a transmission weight determination unit that determines the transmission weight for each of one antenna element;
An antenna system comprising:
前記第2のアレイアンテナで受信される信号を、前記複数の第1のアンテナ素子それぞれで取得し、取得した信号に対応する受信ウェイトを乗じて合成するビーム形成部と、
前記第2のアレイアンテナで形成する受信ビーム形状と前記第2のアンテナ素子それぞれの位置とに応じて定まる前記複数の第2のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、前記受信ウェイトを決定する受信ウェイト決定部と、
を更に備える、請求項1のアンテナシステム。
a beam forming unit that acquires signals received by the second array antenna by each of the plurality of first antenna elements, and combines the acquired signals by multiplying them by corresponding reception weights;
The reception weight based on the phase or the phase and amplitude of each of the plurality of second antenna elements determined according to the reception beam shape formed by the second array antenna and the position of each of the second antenna elements. a reception weight determination unit that determines
2. The antenna system of claim 1, further comprising:
前記第1のアレイアンテナは、複数の第3のアンテナ素子を有し、
前記第2のアレイアンテナから供給される信号を、前記複数の第3のアンテナ素子それぞれで取得し、取得した信号に対応する受信ウェイトを乗じて合成するビーム形成部と、
前記第2のアレイアンテナで形成する受信ビーム形状と、前記第2のアンテナ素子それぞれの位置とに応じて定まる前記複数の第2のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、前記受信ウェイトを決定する受信ウェイト決定部と、
を更に備える、請求項1のアンテナシステム。
The first array antenna has a plurality of third antenna elements,
a beam forming unit that acquires signals supplied from the second array antenna by each of the plurality of third antenna elements, and combines the acquired signals by multiplying them by reception weights corresponding to the signals;
Based on the phase or the phase and amplitude of each of the plurality of second antenna elements determined according to the reception beam shape formed by the second array antenna and the position of each of the second antenna elements, the reception a reception weight determination unit that determines the weight;
2. The antenna system of claim 1, further comprising:
前記第2のアレイアンテナは、前記複数の第2のアンテナ素子それぞれで受信した信号を前記第1のアレイアンテナに向けて供給する、
請求項2又は請求項3のアンテナシステム。
The second array antenna supplies signals received by each of the plurality of second antenna elements toward the first array antenna,
Antenna system according to claim 2 or claim 3.
前記第2のアレイアンテナは、複数の第4のアンテナ素子を有し、
前記第2のアレイアンテナは、前記複数の第4のアンテナ素子それぞれで受信した信号を前記第1のアレイアンテナに向けて供給する、
請求項2又は請求項3のアンテナシステム。
The second array antenna has a plurality of fourth antenna elements,
The second array antenna supplies signals received by each of the plurality of fourth antenna elements toward the first array antenna,
Antenna system according to claim 2 or claim 3.
前記送信信号は、複数の周波数帯の信号を含み、
前記送信ウェイト決定部は、前記第2のアレイアンテナで形成する複数の送信ビーム形状に応じて、前記複数の周波数帯それぞれの信号に対する前記送信ウェイトを算出する、
請求項1から請求項5のいずれか一項のアンテナシステム。
The transmission signal includes signals in a plurality of frequency bands,
wherein the transmission weight determination unit calculates the transmission weights for the signals in each of the plurality of frequency bands according to a plurality of transmission beam shapes formed by the second array antenna;
Antenna system according to any one of claims 1 to 5.
前記第2のアレイアンテナは、前記複数の第2のアンテナ素子それぞれが送信する前記送信信号を増幅する第1の増幅器と、前記複数の第2のアンテナ素子それぞれが受信する信号を増幅して前記第1のアレイアンテナに向けて供給する第2の増幅器とを有し、
前記第1及び第2の増幅器の増幅率は、前記第2のアンテナ素子と前記第1のアレイアンテナとの距離が長いほど大きい、
請求項2又は請求項3のアンテナシステム。
The second array antenna includes a first amplifier for amplifying the transmission signal transmitted by each of the plurality of second antenna elements, and a signal received by each of the plurality of second antenna elements to amplify the a second amplifier feeding towards the first array antenna;
The amplification factors of the first and second amplifiers increase as the distance between the second antenna element and the first array antenna increases.
Antenna system according to claim 2 or claim 3.
前記第2のアレイアンテナにおいて前記複数の第2のアンテナ素子それぞれ配置される面は、前記第2のアンテナ素子それぞれと前記第1のアレイアンテナとの距離の差が小さくなるように湾曲している、
請求項2又は請求項3のアンテナシステム。
A surface of the second array antenna on which each of the plurality of second antenna elements is arranged is curved so as to reduce a difference in distance between each of the second antenna elements and the first array antenna. ,
Antenna system according to claim 2 or claim 3.
複数の前記第1のアレイアンテナと、
複数の前記第1のアレイアンテナそれぞれに対応する、前記送信部、前記送信ウェイト決定部、前記ビーム形成部、前記受信ウェイト決定部及び前記第2のアレイアンテナとを備える、
請求項2又は請求項3のアンテナシステム。
a plurality of the first array antennas;
The transmission unit, the transmission weight determination unit, the beam formation unit, the reception weight determination unit, and the second array antenna corresponding to each of the plurality of first array antennas,
Antenna system according to claim 2 or claim 3.
複数の第1のアンテナ素子を有する第1のアレイアンテナと、
前記複数の第1のアンテナ素子それぞれで受信される信号に受信ウェイトを乗じて合成するビーム形成部と、
前記第1のアレイアンテナへの方向と異なる方向の信号を受信し、受信した信号を前記第1のアレイアンテナへ供給する複数の第2のアンテナ素子を有する第2のアレイアンテナと、
前記第2のアレイアンテナで形成する受信ビーム形状と前記第2のアンテナ素子それぞれの位置とに応じて定まる前記複数の第2のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、前記受信ウェイトを決定する受信ウェイト決定部と、
を備えるアンテナシステム。
a first array antenna having a plurality of first antenna elements;
a beam forming unit that combines signals received by each of the plurality of first antenna elements by multiplying them by reception weights;
a second array antenna having a plurality of second antenna elements for receiving signals in a direction different from the direction to the first array antenna and for supplying received signals to the first array antenna;
The reception weight based on the phase or the phase and amplitude of each of the plurality of second antenna elements determined according to the reception beam shape formed by the second array antenna and the position of each of the second antenna elements. a reception weight determination unit that determines
An antenna system comprising:
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