JP7394615B2

JP7394615B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP7394615B2
Application number: JP2019229961A
Authority: JP
Inventors: 浩司藤田; 泰明和田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2023-12-08
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: JP2021100155A

Description

実施形態は、アンテナ装置に関する。

複数のアンテナ素子を含み、各アンテナ素子において送受信する信号に位相補正を施すことにより、指向性を制御するアンテナ装置がある。このようなアンテナ装置を広帯域で使用する場合、送受信される信号に位相補正を施すアナログ回路の規模が大きくなる。また、アナログ回路の規模を大きくしない位相補正法を用いると、ディジタル信号処理回路の規模が大きくなる。

特開平７－３２１５３６号公報

実施形態は、広帯域信号の送受信のためのアナログ回路およびディジタル信号処理回路の規模を抑制できるアンテナ装置を提供する。

実施形態に係るアンテナ装置は、複数の第１アンテナ素子と、前記複数の第１アンテナ素子のうちの１つの第１アンテナ素子において送信される出力信号をディジタル信号からアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部と、前記１つの第１アンテナ素子において受信された入力信号をアナログ信号からディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記出力信号および前記入力信号を処理する信号処理部と、を備える。前記処理部は、前記出力信号に対し、前記Ｄ／Ａ変換部の第１サンプリング周期に、前記複数の第１アンテナにおける前記１つの第１アンテナ素子の相対位置に対応した第１倍数を乗じた第１遅延時間による第１空間遅延補正を施し、且つ、前記第１遅延時間と前記出力信号の帯域の中心波長とに基づいた第１位相補正を施す。前記信号処理部は、前記入力信号に対し、前記Ａ／Ｄ変換部の第２サンプリング周期に、前記１つの第１アンテナ素子の前記相対位置に対応した第２倍数を乗じた第２遅延時間による第２空間遅延補正を施し、且つ、前記第２遅延時間と前記入力信号の帯域の中心波長とに基づいた第２位相補正を施す。

実施形態に係るアンテナ装置を示すブロック図である。実施形態に係るアンテナ装置の動作を示す模式図である。実施形態に係るアンテナ装置を示す機能ブロック図である。実施形態の変形例に係るアンテナ装置を示すブロック図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものである。

図１は、実施形態に係るアンテナ装置１を示すブロック図である。アンテナ装置１は、複数の第１アンテナ素子（以下、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎ：ｎは正の整数）を含むアレイアンテナを備える。

アンテナ装置１は、例えば、アンテナ制御部１０と、遅延処理部２０と、送信部３０と、信号切替部４０と、受信部５０と、受信ビーム形成部６０と、をさらに備える。例えば、遅延処理部２０、送信部３０、信号切替部４０および受信部５０は、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎのそれぞれに対して設けられる。

アンテナ制御部１０は、遅延処理部２０を介してアンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎを制御する。アンテナ制御部１０は、例えば、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎを含むアンテナアレイの指向性を制御する。

遅延処理部２０は、アンテナ制御部１０から送られた指向性情報（例えば、ビーム方向）に基づき、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎのそれぞれの位置における空間遅延および位相を設定した後、送信部３０に送る。

送信部３０は、出力信号をＤ／Ａ変換した上で、波長変換する。送信部３０は、例えば、波長変換された出力信号を、信号切替部４０を介して、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎに送る。信号切替部４０は、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎにおける送信および受信を切替る。

受信部５０は、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎにおいて受信され、信号切替部４０を介して入力された受信波を波長変換し、受信波を波長変換した入力信号にＡ／Ｄ変換を施す。受信部５０から出力される入力信号は、遅延処理部２０へ送られる。

遅延処理部２０は、入力信号に空間遅延補正および位相補正を施し、受信ビーム形成部６０に送る。

受信ビーム形成部６０は、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎにおいて受信され、遅延処理部２０において空間遅延補正および位相補正が施された入力信号により受信ビームを形成する。

次に、図２および図３を参照して、実施形態に係るアンテナ装置１の動作（ビームフォーミング）を説明する。図２は、実施形態に係るアンテナ装置１の動作を示す模式図である。図３は、実施形態に係るアンテナ装置１を示す機能ブロック図である。

アンテナ装置１は、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎのそれぞれにおいて送受信される信号の振幅および位相を設定することにより指向性を制御し、任意のビーム方向における信号の送受信を行う。

図２に示すように、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎは、例えば、同一平面内に並ぶように配置される。アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎは、例えば、同一面内の座標（Ｘ_１、Ｘ_２、・・・Ｘ_ｎ）に配置される。以下、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎは、１次元配置されるものとして説明するが、これに限定される訳ではない。アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎは、例えば、２次元配置されても良い。

例えば、アンテナ装置１から送信（もしくは受信）される信号の波面と、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎと、の間の距離「ｄ」は、Ｘ_ｋｓｉｎθ（ｋ：１～ｎの整数）で表される。ここで、「θ」は、ビーム走査角であり、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎの配置面に対する波面の傾き角である。ビーム走査角θは、アンテナ制御部１０において、任意に設定される。また、座標の原点は、例えば、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎの配置面と波面との交点に設定される。

図３に示すように、アンテナ制御部１０は、遅延処理部２０および受信ビーム形成部６０にビーム走査角θを出力する。

遅延処理部２０では、出力信号に対する空間遅延補正を設定する。遅延処理部２０は、アンテナ素子Ａ_ｋの座標Ｘ_ｋ、サンプリング周波数ｆｓおよびビーム走査角θに基づいて遅延時間を算出し、アンテナ素子Ａ_ｋから出力される出力信号Ｙ_ｋ（ｔ）に対して空間遅延補正を設定する。

例えば、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎのそれぞれにおける遅延時間（ｄ/ｃ）は、次のように算出される（ステップＴ０１）。

ここで、「ｃ」は、電磁波の伝搬速度（光速）である。「θ」は、ビーム走査角である。

遅延時間（ｄ／ｃ）をＡ／Ｄ変換のサンプリング時間で規格化した空間遅延補正を設定する。（ステップＴ０２）
まず、遅延時間（ｄ／ｃ）を規格化したサンプリングセル数τ_１～τ_ｎを算出する。

ここで、「ｆｓ」は、送信部３０におけるＤ／Ａ変換のサンプリング周波数である。

さらに、整数化されたサンプリングセル数Ｃ_１、Ｃ_２～Ｃ_ｎを算出する。

ここで、Ｃ_１～Ｃ_ｎは、小数点以下の桁を丸めた整数である。

続いて、遅延処理部２０は、補正位相を算出する（ステップＴ０３）。
例えば、サンプリングセル数τ_ｋと整数化されたＣ_ｋとを比較し、Ｃ_ｋ＞τ_ｋである場合、τ_ｋ－（Ｃ_ｋ－１）を算出する。また、Ｃ_ｋ≦τ_ｋである場合、τ_ｋ－Ｃ_ｋを算出する。

さらに、遅延処理部２０は、送信信号の中心周波数ｆｃに基づいて、位相補正量を算出する（ステップＴ０４）。

Ｃｋ＞τｋの場合、位相補正量は、τ_ｋ－（Ｃ_ｋ－１）にサンプリング時間（１／ｆｓ）を乗じ、送信信号の中心周期（１／ｆｃ）で除した値に設定される。また、Ｃ_ｋ≦τ_ｋの場合、位相補正量は、τ_ｋ－Ｃ_ｋにサンプリング時間（１／ｆｓ）を乗じ、中心周期（１／ｆｃ）で除した値である。すなわち、位相補正量は、サンプリングセル数τ_ｋの丸め誤差分を位相に変換した値である。

遅延処理部２０は、空間遅延補正量（サンプリングセル数）および位相補正量を、送信部３０に出力する。送信部３０では、送信信号Ｙ（ｔ）に空間遅延補正および位相補正を施した後、送信信号Ｙ（ｔ）をＡ／Ｄ変換する（ステップＴ０５）。

例えば、送信部３０に入力される送信信号Ｙ（ｔ）を、ｙ（ｔ_０）、ｙ（ｔ_１）・・・ｙ（ｔ_ｍ）、・・・とすれば、アンテナ素子Ａ_ｋに出力される空間遅延補正後の送信信号Ｙ_ｋ（ｔ）は、時間ｔ_ｍにおいて振幅Ｙ_ｋ（ｔ_ｍ）を有する。

ここで、ｔ_０～ｔ_ｍはサンプリング時間である。

すなわち、アンテナ素子Ａ_ｋにおいて送信される空間遅延補正後の出力信号Ｙ_ｋ（ｔ）は、時間ｔ_ｍにおいて、サンプリング周期（１／ｆｓ）にサンプリングセル数Ｃ_ｋを乗じた時間だけ遅れた時点ｔ_ｍ+Ｃｋにおける振幅ｙ（ｔ_ｍ+Ｃｋ）を有する。なお、Ｃ_ｋが正の整数の場合、ｔ_ｍ+Ｃｋは、時間ｔ_ｍよりもＣ_ｋ／ｆｓだけ遅れた時点であり、Ｃ_ｋが負の整数の場合、ｔ_ｍ+Ｃｋは、時間ｔ_ｍよりもＣ_ｋ／ｆｓだけ前の時点である。

さらに、空間遅延補正後の送信信号Ｙ_ｋ（ｔ）に位相補正を施す。空間遅延補正および位相補正を施した後の送信信号Ｙ_ｋ（ｔ）は、例えば、次式で表される。

ここで、ｔ_ｍは、サンプリング時間である。

続いて、Ａ／Ｄ変換された出力信号Ｙ_ｋ（ｔ）を波長変換し（ステップＴ０６）、信号切替部４０を介してアンテナ素子Ａ_ｋへ送る。

次に、アンテナ素子Ａ_ｋにおいて受信される信号の処理を説明する。
例えば、アンテナ素子Ａ_ｋにおいて受信された受信波は、信号切替部４０を介して受信部５０に送られる。

受信部５０では、アンテナ素子Ａｋにおいて受信された受信波を周波数変換し（Ｒ０１）、入力信号Ｒ_ｋ（ｔ）を取り出す。続いて、入力信号Ｒ_ｋ（ｔ）をＡ／Ｄ変換し（Ｒ０２）、遅延処理部２０に出力する。

遅延処理部２０では、入力信号Ｒ_ｋ（ｔ）に対し、空間遅延補正および位相補正を施す。入力信号Ｒ_ｋ（ｔ）に対する空間遅延補正および位相補正には、例えば、ステップＴ０２の空間遅延補正量およびステップＴ０４の位相補正量と同様の手順で算出された補正量を用いて実施される。

遅延処理部２０は、アンテナ素子Ａ_ｋの座標Ｘ_ｋ、ビーム走査角θに基づいて、遅延時間（ｄ／ｃ）を算出し（ステップＲ０３）、受信部５０におけるＡ／Ｄ変換のサンプリング周波数ｆｓに基づいて、空間遅延補正量（サンプリングセル数Ｃ_１～Ｃ_ｎ）を算出する（ステップＲ０４）。遅延処理部２０は、サンプリングセル数Ｃ_１～Ｃ_ｎに基づいて、入力信号Ｒ_ｋ（ｔ）に空間遅延補正を施す。この例では、Ａ／Ｄ変換（ステップＲ０２）におけるサンプリング周波数ｆｓは、Ｄ／Ａ変換（ステップＴ０５）におけるサンプリング周波数ｆｓと同じであるが、実施形態は、両者のサンプリング周波数が異なる場合を排除するものではない。

さらに、遅延処理部２０は、整数化されたサンプリングセル数Ｃ_１～Ｃ_ｎとサンプリングセル数τ_１～τ_ｎとの差に基づいて、補正位相を算出し（ステップＲ０５）、入力信号Ｒ_ｋ（ｔ）に対して位相補正を施す（ステップＲ０６）。

入力信号Ｒ_ｋ（ｔ）を、例えば、ｒ（ｔ_０）、ｒ（ｔ_１）・・・ｒ（ｔ_ｍ）、・・・とすれば、空間遅延補正および位相補正を施した後の入力信号Ｒ_ｋ（ｔ）は、例えば、次式で表される。

ここで、ｔ_ｍは、サンプリング時間である。

受信ビーム形成部６０は、遅延処理部２０から送られた入力信号Ｒ_ｋ（ｔ）およびビーム走査角θに基づいて、受信ビームを形成（Digital Beam Forming：ＤＢＦ）する。

上記のように、実施形態に係るアンテナ装置１では、サンプリング周波数ｆｓに基づいて空間遅延補正を実施し、さらに、中心周波数ｆｃおよびサンプリング周波数ｆｓを用いて、位相補正を実施する。これにより、広帯域信号の送受信におけるビーム偏心を抑制することができる。また、ビーム走査角θによる空間遅延を、例えば、ＦＦＴおよびＩＦＦＴにより補正する場合に比べて、遅延処理部２０の回路規模を抑制することができる。

図４は、実施形態の変形例に係るアンテナ装置２を示すブロック図である。アンテナ装置２は、サブアレイＡＡ_１～ＡＡ_ｎを含む。サブアレイＡＡ_１～ＡＡ_ｎは、例えば、同一平面内に配置される。また、サブアレイＡＡ_１～ＡＡ_ｎは、アンテナ素子Ａ_１～Ａ_ｎをそれぞれ含む。

サブアレイＡＡ_１～ＡＡ_ｎは、それぞれアンテナ素子Ｂ_１～Ｂ_Ｐ（Ｐ：正の整数）をさらに含む。例えば、サブアレイＡＡ_ｋ（１≦ｋ≦ｎ）は、アンテナ素子Ａ_ｋと、アンテナ素子Ｂ_１～Ｂ_Ｐと、を含む。アンテナ素子Ａ_ｋおよびアンテナ素子Ｂ_１～Ｂ_Ｐは、同一平面内に配置される。例えば、アンテナ素子Ｂ_１は、アンテナ素子Ａ_ｋに近接して配置される。

図４に示すように、アンテナ装置２は、分波・合成部７０と、移相部８０と、移相制御部９０と、をさらに備える。

例えば、送信部３０から信号切替部４０を介して出力される送信波は、分波・合成部７０において、アンテナ素子Ａ_ｋ、アンテナ素子Ｂ_１～Ｂ_Ｐに分配される。また、アンテナ素子Ａ_ｋ、アンテナ素子Ｂ_１～Ｂ_Ｐにおいて受信された受信波は、分波・合成部７０において合成され、信号切替部４０を介して受信部５０に送られる。

移相部８０は、分波・合成部７０と、アンテナ素子Ａ_１、Ｂ_１～Ｂ_Ｐと、の間にそれぞれ設けられる。移相部８０は、例えば、アンテナ素子Ａ_１、Ｂ_１～Ｂ_Ｐのそれぞれに、位相補正を施す。

位相制御部９０は、アンテナ制御部１０から送られたビーム走査角θに基づいて、移相部８０のそれぞれに位相補正量を設定する。移相制御部９０は、例えば、アンテナ素子Ａ_１、Ｂ_１～Ｂ_Ｐの座標および中心周波数ｆｃに基づいた移相設定量を、各移相部８０に送る。

この例では、サブアレイＡＡ_１～ＡＡ_ｎに位相補正を施すことにより、ビーム偏心を抑制する。さらに、送受信される信号の広帯域化による遅延処理部２０の回路規模の増大を抑制できる。

なお、上記の実施形態において、例えば、遅延処理部２０、送信部３０、信号切替部４０および受信部５０を１つの回路として構成しても良い。また、その回路は、各部の機能を実施できる構成であれば良く、各部を区別できるように構成されていないくても良い。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１、２…アンテナ装置、１０…アンテナ制御部、２０…遅延処理部、３０…送信部、４０…信号切替部、５０…受信部、６０…受信ビーム形成部、７０…分波・合成部、８０…移相部、９０…移相制御部、Ａ_１～Ａ_ｎ、Ｂ_１～Ｂ_Ｐ…アンテナ素子、ＡＡ_１～ＡＡ_ｎ…サブアレイ

Claims

複数の第１アンテナ素子と、
前記複数の第１アンテナ素子のうちの１つの第１アンテナ素子において送信される出力信号をディジタル信号からアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部と、
前記１つの第１アンテナ素子において受信された入力信号をアナログ信号からディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記出力信号および前記入力信号を処理する信号処理部と、
を備え、
前記信号処理部は、前記出力信号に対し、前記Ｄ／Ａ変換部の第１サンプリング周期に、前記複数の第１アンテナにおける前記１つの第１アンテナ素子の相対位置に対応した第１倍数を乗じた第１遅延時間による第１空間遅延補正を施し、且つ、前記第１遅延時間と前記出力信号の帯域の中心波長とに基づいた第１位相補正を施し、
前記信号処理部は、前記入力信号に対し、前記Ａ／Ｄ変換部の第２サンプリング周期に、前記１つの第１アンテナ素子の前記相対位置に対応した第２倍数を乗じた第２遅延時間による第２空間遅延補正を施し、且つ、前記第２遅延時間と前記入力信号の帯域の中心波長とに基づいた第２位相補正を施し、
前記複数の第１アンテナ素子にそれぞれ同一平面内で近接して配置された複数の第２アンテナ素子と、
前記複数の第２アンテナ素子において送受信される信号に第３位相補正をそれぞれ施す複数の移相部と、
をさらに備え、
前記複数の移相部のそれぞれは、前記出力信号および前記入力信号に前記第３位相補正を施し、
前記複数の第２アンテナのそれぞれは、前記第３位相補正された前記出力信号および前記入力信号を送受信するアンテナ装置。
前記複数の第１アンテナ素子は、同一平面内に並ぶように配置され、
前記第１倍数は、前記複数の第１アンテナ素子により送受信される信号の波面であって、前記平面と交差する波面と、前記１つのアンテナ素子と、の間の距離を光速で除し、さらに、前記第１サンプリング周期で除した値を丸めることにより導出され、
前記第１位相補正は、前記第１倍数の丸め誤差に基づいて実施され、
前記第２倍数は、前記波面と前記１つの第１アンテナ素子との間の前記距離を光速で除し、さらに、前記第２サンプリング周期で除した値を丸めることにより導出され、
前記第２位相補正は、前記第２倍数の丸め誤差に基づいて実施される請求項１記載のアンテナ装置。
前記第１サンプリング周期は、前記第２サンプリング周期に等しい請求項１または２に記載のアンテナ装置。
前記１つの第１アンテナ素子において送受信される信号に位相補正を加える移相部をさらに備えた請求項１記載のアンテナ装置。