JPH0130112B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は複数個の素子アンテナから成り、各
素子アンテナに可変移相器をつなぎ、これら移相
器の設定位相を電子的に制御してビーム走査や放
射パターンの合成を行なう、いわゆるフエーズド
アレーアンテナ（phased array antenna、以下、
フエーズドアレーと略す。）において、全素子ア
ンテナが動作している、ある基準状態で、各素子
アンテナの振幅パターンおよび位相パターンを測
定するアンテナ測定方式に関するものである。

〔従来技術〕

フエーズドアレーを含めてアンテナは一般に、
いわゆる遠方界の領域で電波を送受信するため、
その放射パターンの測定は、通常、遠方界領域で
行われる。ここで、アンテナの直径をＤ、電波の
波長をλとするとき、遠方界領域となるための観
測距離Ｒは次の関係を満たさなければならない。

Ｒ＞2D²／λ (1) 従つて、フエーズドアレーでも、素子アンテナ
の数が多く、そのアレー全体の開口径が大きくな
るほど観測距離Ｒが大きくなり、広い測定場を必
要とする。

又、観測距離Ｒが大きいほど屋外で測定するこ
とになるが、この場合には、電波法の規制が問題
になることもある。

これらの不都合を避けるため、外部と遮蔽さ
れ、電波の反射のない、いわゆる電波暗室内にア
ンテナを持込み、アンテナの近傍界をプローブア
ンテナによつて測定し、この結果を計算処理して
遠方界を求めるという、いわゆる近傍界測定法が
ある。しかし、フエーズドアレーでは、ビーム走
査角や所望の合成放射パターンを変えるごとに、
各素子アンテナの励振振幅位相分布が異なる。従
つて、これに上記の近傍界測定法をそのまま適用
したのでは、アレーの励振分布を変えるごとにプ
ローブアンテナの機械的走査と近傍界のデータ取
得を繰返すことになり、フエーズドアレーの開口
が平面状で、素子数が増大し、アレー開口径が大
きくなるほど、膨大な測定時間を必要とし、現実
に測定が実行不可能となる。

〔発明の概要〕

この発明は、上記の欠点を除くためになされた
もので、フエーズドアレーの近傍界の領域で、プ
ローブアンテナの一つの位置で、各素子アンテナ
の相対的な振幅と位相を、従来からある方法を応
用して測定し、これを計算処理することによつ
て、プローブアンテナの１回の機械的走査を行な
うだけで、任意の所望の励振振幅位相分布を設定
するために必要な、全素子アンテナ動作中での任
意の基準状態における各素子アンテナの振幅パタ
ーンおよび位相パターンを高速に、精度よく測定
するアンテナ測定方式を提供するものである。以
下、図面を用いて詳細に説明する。なお、説明の
便宜上、ここでは、フエーズドアレーを送信側、
プローブアンテナを受信側として考える。又、近
傍界測定においては、供試アンテナとしてのフエ
ーズドアレーと、プローブアンテナのいずれを移
動、あるいは回転させても構わないが、ここで
は、プローブアンテナを移動し、機械的走査させ
る場合について説明する。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明によるアンテナ測定方式を説
明する図で、１は送信機、２は電力分配器、３
１，３１，…３ｎは移相器、４１，４２…４ｎは
素子アンテナである。電力分配器２、移相器３
１，３２，…３ｎ、素子アンテナ４１，４２，…
４ｎによつてフエーズドアレー５を構成してい
る。６はプローブアンテナ、７は受信機、８は計
算機である。プローブアンテナ６は素子アンテナ
４１，４２…４ｎの配列軸に平行する。プローブ
アンテナ６と前記配列軸との距離ｒについては、
一つの素子アンテナの開口径ｄに対して、そのプ
ローブアンテナ位置での観測点が十分、遠方界に
なればよい。但し、第１図のように全素子アンテ
ナが給電されたアレー動作状態においては、素子
アンテナ間の電気的な相互結合や、隣接する素子
アンテナによる散乱などの影響から、一つの素子
アンテナの実効的な有効開口径は大きくなる。通
常、一つの素子アンテナについて、その素子アン
テナの両側の二つの素子アンテナからの相互結合
を考えれば実用上十分であり、従つて、上記の有
効開口径は5dと考えればよい。すなわち、上記
の距離ｒは次式を満たすように選べばよい。

ｒ＞２（5d）²／λ (2) このｒは、フエーズドアレー５の全開口径に比
べれば、一般に十分小さくアレーの近傍界の領域
内にある。

さて、第１図において、各移相器３１，３２…
３ｎはある基準の励振位相状態、例えば全ての移
相器が位相0゜に設定されているものとする。又、
プローブアンテナ６はある位置P₁にあるとする。
このとき、各素子アンテナ４１，４２…４ｎから
の放射電界e₁ ⁽¹⁾，e₂ ⁽¹⁾，…の合成されたものがプ
ローブアンテナ６によつて受信され、その受信信
号は受信機７に入り、その信号が計算機８に入力
され、計算、処理される。

ここで、着目する素子アンテナ、例えば素子ア
ンテナ４１について、これにつながれた移相器３
１の設定位相を0゜から変化させていく。この結
果、プローブアンテナ６で受信される合成電界
は、この一つの素子アンテナ４１の放射電界の位
相変化△にしたがつて変化する。この合成電界の
振幅Ａの変化を受信機７によつて測定し、計算機
８によつて、振幅Ａの最大値と最小値の比ｐ、お
よび振幅Ａを最大にする位相変化量△＝△₀を求
め、これらのｐと△₀とから移相器３１，３２…
の設定位相が全て0゜とした最初の基準状態におい
てプローブアンテナ６で受信される基準の合成電
界E₁に対する素子アンテナ４１からの放射電界
e₁ ⁽¹⁾の相対値e₁ ⁽¹⁾／E₁の振幅ｋと位相ｘが形成さ
れる。

ｘ＝tan^-1（sin△₀／cos△₀＋Γ） (4) 但し、Γ＝（Ｐ＋１）／（Ｐ−１） Ｐ＝Amax／Amin 次に、移相器３１の設定位相を0゜に戻し、移相
器３２の設定位相を0゜から変化させ、同様にして
合成電界の振幅変化を測定し、計算処理すること
によつて、基準状態での素子アンテナ４２からの
放射電界e₂ ⁽¹⁾の相対値e₂ ⁽¹⁾／E₁を知ることができ
る。これらの操作を各素子アンテナについて繰り
返し行えば、全ての素子アンテナの、それぞれの
放射電界e₁ ⁽¹⁾，e₂ ⁽¹⁾，…の基準合成電界E₁に対す
る相対振幅と相対位相が得られる。この方法は遠
方界領域における測定法として知られており、
1982年発行の電子通信学会論文誌第J65−Ｂ巻５
号第555頁〜第560頁に記載されている。

しかし、この発明においては、遠方界での測定
とは異なり、第１図において、プローブアンテナ
１はフエーズドアレー５の近傍界に置かれている
ため、各素子アンテナ４１，４２…４ｎとプロー
ブアンテナ６との相対距離および相互の指向方向
がそれぞれ異なつている。従つて、フエーズドア
レー５の十分遠方となる領域では、各素子アンテ
ナから観測点までの距離や方向の条件が異なるた
め、上記の測定によつて得られた結果に対して、
各素子アンテナ４１，４２…４ｎとプローブアン
テナ６との間の相対距離や相対的指向方向でのプ
ローブアンテナ６の放射指向性を補正することが
必要である。これは、既に知られている各素子ア
ンテナ４１，４２…４ｎとプローブアンテナ６の
位置P₁のデータ、およびプローブアンテナ６の
放射指向性から、計算機８を用いて計算し、補正
することができる。

移相器としては、通常、位相を量子化して設定
するデイジタル移相器が用いられ、一例として、
Ｘバンドのダイオード移相器のスイツチングスピ
ードを500^{n sec}とすると、３ビツト移相器で、素
子アンテナ数を1000とするとき、上記の測定時間
は、 500^{n sec}×2³×1000＝4^{m sec} となる。これに受信機の応答速度や計算機の処理
時間を加えてもプローブアンテナ６が移動して機
械的に走査する時間に比べて十分小さい。

次に、プローブアンテナ６の位置をP₁からP₂
に移動した場合には次のような新たな問題が発生
する。すなわち、プローブアンテナ６がP₂の位
置にあるときの、基準位相状態での合成電界E₂
はP₁にあるときの合成電界E₁とは一般に振幅、
位相とも異なる。

従つて、P₂にあるときの各素子アンテナから
の放射電界e₁ ⁽²⁾，e₂ ⁽²⁾，…のE₂に対する相対値
e₁ ⁽²⁾／E₂，e₂ ⁽²⁾／E₂，…は上記の方法と同様にし
て求められるが、更に、e₁ ⁽¹⁾とe₁ ⁽²⁾、あるいは
e₂ ⁽¹⁾とe₂ ⁽²⁾などの間の相対関係を明らかにするた
めには、二つの基準状態での合成電界値E₁とE₂
との間の振幅、位相関係を求めなければならな
い。従つて、次に、図を用いてこれらとE₁とE₂
の相対値を測定するこの発明による方法を説明す
る。

第２図において、９は方向性結合器、１０は給
電線、１１は振幅位相受信機である。すなわち、
第２図においては給電線１０を介して一定の基準
信号E₀を振幅位相受信機１１に入力させ、この
信号E₀に対して、プローブアンテナ６で受信さ
れる合成電界E₁，E₂…の相対振幅、相対位相を
測定する。これによつて、E₁とE₂の関係が求め
られる。

第３図において、１２は基準アンテナ、１３は
給電線である。

すなわち、第３図では、固定された基準アンテ
ナ１２からの信号を基準信号E₀として用いるこ
とによつて、プローブアンテナ６からの合成信号
E₁とE₂の相対値を求めることができる。

しかし、第２図、第３図とも、位相の測定を行
なつており、周波数が高くなるほど、測定系の設
定状態のわずかの変化などが位相の測定に大きく
影響し、位相の測定精度が悪くなる。従つて、次
に、本発明による振幅のみの測定によつて位相を
求め、位相測定の高精度化の方法を図を用いて説
明する。

第４図において、二つのプローブアンテナ６
ａ，６ｂはそれぞれP₁，P₂の位置にあり、一方
のプローブアンテナ６ａには移相器１４とスイツ
チ１５ａが、他方のプローブアンテナ６ｂには、
スイツチ１５ｂがつながれており、それぞれの経
路はスイツチ１５ａ，１５ｂの後で一緒になつて
受信機７につながれている。第４図において、ま
ず、スイツチ１５ａを接続状態（以下、ONとす
る）とし、スイツチ１５ｂを開放状態（以下、
OFFとする）とし、移相器１４は位相0゜に設定す
る。この状態では一方のプローブアンテナ６ａか
らのみ受信され、したがつて、第１図を用いて説
明した測定法を用いることによつて、フエーズド
アレー５側の各素子アンテナの放射電界のP₁点
における相対振幅、位相の測定ができる。次に、
スイツチ１５ａをOFFとし、スイツチ１５ｂを
ONとして、同様に測定すればP₂点での相対振
幅、位相が求められる。次に、スイツチ１５ａと
１５ｂを共にONとし、且つ、フエーズドアレー
５側の各素子アンテナの移相器の設定位相を基準
状態にする。この状態で、移相器１４の設定位相
を0゜から変化させて、そのときの二つのプローブ
アンテナ６ａ，６ｂからの信号の合成信号の振幅
変化を測定し、計算処理すれば、前の方法と同様
にして、プローブアンテナ６ａに入る合成電界
E₁とプローブアンテナ６ｂに入る合成電界E₂と
の間の相対振幅、位相が決定される。これらの結
果から、測定点、P₁とP₂とにおける各素子アン
テナからの放射電界の相対振幅、位相値を求める
ことができる。更に、プローブアンテナ６ａを
P₂の位置に移し、プローブアンテナ６ｂを次の
P₃に移せば、同様にしてP₂とP₃とにおける各素
子アンテナからの放射電界の相対振幅、位相値を
求めることができる。以下、この操作をプローブ
アンテナの必要な移動範囲にわたつて繰り返すこ
とによつて、全ての素子アンテナの必要な観測角
度範囲内の放射電界の振幅値と位相値を求めるこ
とができる。

第５図は、第４図の構成を改良したもので、プ
ローブアンテナ６ｂにのみスイツチ１５がつなが
れている。すなわち、第４図では、二つのプロー
ブアンテナ６ａ，６ｂがある位置に置かれた状態
で、二つのスイツチ１５ａ，１５ｂの一方を
ON、他方をOFFにする二つの状態でそれぞれ各
素子アンテナの相対振幅、位相の測定を行なつ
た。一方、第５図では、次に述べるように、一方
のプローブアンテナ６ａによる測定だけで十分で
ある。すなわち、第５図において、スイツチ１５
をOFFにして、プローブアンテナ６ａのみを受
信状態にして、フエーズドアレー５の各素子アン
テナの相対振幅、位相を測定する。次に、スイツ
チ１５をONとし、フエーズドアレー５の各移相
器を基準状態とし、移相器１４の位相変化によつ
てP₁とP₂での合成電界E₁とE₂の相対振幅、位相
を測定する。但し、この場合、プローブアンテナ
６ａにつながれている測定経路とプローブアンテ
ナ６ｂにつながれている測定経路の違いに基づ
く、それぞれの経路の間の振幅、位相のずれ（一
定値）は予め測定しておいて、上記のE₁とE₂の
相対値の測定の際に補正するものとする。次にプ
ローブアンテナ６ａを第５図のプローブアンテナ
６ｂの位置P₂にずらし、プローブアンテナ６ｂ
をP₃の位置に移す状態にする。この状態で、ス
イツチ１５をOFFにし、P₂の位置にあるプロー
ブアンテナ６ａによつて各素子アンテナの相対振
幅、位相を測り、又、スイツチ１５をONにし、
移相器１４を利用して、点P₂とP₃での合成電界
E₂とE₃との相対振幅、位相を求める。

以下、同様の操作を繰り返すことによつて、各
点P₁，P₂，P₃…での各素子アンテナの放射電界
の振幅、位相が求められる。

第６図は、この発明の更に他の実施例である。
第６図において、移相器１４の設定位相を0゜にし
て、フエーズドアレー５の素子アンテナの放射電
界の相対振幅、位相を前の方法で測定する。

第６図では二つのプローブアンテナ６ａ，６ｂ
が同時に受信状態にあり、例えば素子アンテナ４
１からの放射電界のうち、P₁にあるプローブア
ンテナ６ａとP₂にあるプローブアンテナ６ｂで
受信される受信電界をそれぞれe₁ ⁽¹⁾，e₁ ⁽²⁾とし、
又、フエーズドアレー５の全素子アンテナ４１，
４２…からの基準合成電界をP₁，P₂でそれぞれ
E₁，E₂とすれば、受信機７では、 F₁＝e₁ ⁽¹⁾＋e₁ ⁽²⁾／E₁＋E₂ (5) なる信号が測定される。次に、移相器１４の設定
位相を180゜にして、同様の測定を行えば、受信機
７では、 F₂＝−e₁ ⁽¹⁾＋e₁ ⁽²⁾／−E₁＋E₂ (6) なる信号が測定される。更に、フエーズドアレー
５の設定位相を基準状態にして、移相器１４の設
定位相を変化させれば、先に述べた方法により、
E₁とE₂の相対値E₂／E₁が求められる。

従つて、これを式(3)、(4)に用いれば、e₁ ⁽¹⁾と
e₁ ⁽²⁾の相対値が得られる。

次にプローブアンテナ６ａ，６ｂをそれぞれ
P₂、P₃の位置に移動して同様の操作を繰り返す。
以下、同様にして、必要なデータが得られる。こ
の場合、最初のP₁，P₂の状態で、式(3)、(4)に関
係して、e₁ ⁽²⁾／E₂が求まつているから、２度目の
P₂，P₃の状態では、移相器１４の設定位相を0゜の
状態のみで測定することによつて必要なデータが
得られる。但し、この場合は誤差が累積されてい
く。この第６図の実施例でも、全て、振幅のみを
測定し、位相の測定を必要としていない。

次に、偏波の問題に対するこの発明の対応につ
いて説明する。

一般に、素子アンテナとプローブアンテナの相
対位置によつて、両者の偏波は一致しない。従つ
て、例えば第１図において、プローブアンテナ６
を、その偏波方向が互いに直交するような二つの
状態にして測定を２度行なうことによつて、全て
の偏波成分について必要な測定データを取得する
ことができる。第７図は、このような場合のこの
発明の実施例の部分的な図であり、１６は回転器
である。第７図において、プローブアンテナ６は
そのアンテナ開口面に垂直な軸を中心に回転器１
６によつて回転することができる。互いに90゜回
転させた二つの状態で測定を行なうことによつ
て、上述の全ての偏波成分の測定をすることがで
きる。

第８図では、プローブアンテナ６に偏波切換え
器１７がついている。この偏波切換え器１７はプ
ローブアンテナ６の偏波を切換えるものであり、
これによつて第７図の場合と同様の効果を得るこ
とができる。偏波切換え器１７としては電気的あ
るいは機械的に偏波面を変えるものが使われる。

以上の説明より明らかなように、この発明によ
るアンテナ測定方式では、プローブアンテナの機
械的走査を一度行なうだけで、各素子アンテナの
必要な観測角度範囲内の放射電界の振幅および位
相を精度よく求めることができる。特に、移相器
を利用することによる測定時間の短縮化、および
位相測定を振幅測定で置き換えたことによる高精
度化、更にこれらの測定をフエーズドアレーの近
傍界領域で行なうことによる測定空間の縮小化が
本発明の特長である。

以上は、フエーズドアレー側を送信に、プロー
ブアンテナ側を受信側として説明したが、送信と
受信を逆にしても同様の効果が得られる。又、実
施例では、フエーズドアレーを固定し、プローブ
アンテナを移動したが、プローブアンテナを固定
し、フエーズドアレーを移動又は回転してもよ
く、更に両者を同時に動くようにしても構わな
い。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によればフエーズドア
レーアンテナの近傍界領域にてプローブアンテナ
の１回ないし２回の機械的走査によつて全ての素
子アンテナの放射はパターンを高速にしかも精度
よく測定できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の基本的な概略構成
図、第２図はプローブアンテナの位置の変化によ
る合成電界の変化を補正するために、給電線によ
り別に基準信号を作るときのこの発明の実施例の
説明図、第３図は同じく基準アンテナを設けて上
記の補正を行なう場合の説明図、第４図と第５図
はこの発明の他の実施例を示すプローブアンテナ
を２個用いた概略構成図、第６図は同じく、２個
のプローブアンテナに移相器を用いて構成したこ
の発明の更に他の実施例の説明図、第７図と第８
図はプローブアンテナの偏波面を回転させるよう
にしたこの発明の実施例の部分的な説明図であ
る。 図中、１は送信機、２は電力分配器、３１，３
２，…は移相器、４１，４２，…は素子アンテ
ナ、５はフエーズドアレーアンテナ、６はプロー
ブアンテナ、７は受信機、８は計算機、９は方向
性結合器、１０は給電線、１１は振幅位相受信
機、１２は基準アンテナ、１４は移相器、１５，
１５ａ，１５ｂはスイツチ、１６は回転器、１７
は偏波切換え器である。なお、図中、同一あるい
は相当部分には同一符号を付して示してある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個の素子アンテナを有しかつそれぞれに
   移相器が接続されたアレーアンテナと、このアレ
   ーアンテナに対向して配設されかつその相対的位
   置が変更できるようにされたプローブアンテナ
   と、このプローブアンテナと上記アレーアンテナ
   のそれぞれに接続された送信機および受信機とか
   らなり、上記プローブアンテナを任意の位置にお
   いて、上記各移相器の設定を変化してアレーアン
   テナの合成振幅変化を測定し、これらの測定結果
   から素子アンテナのそれぞれについて放射電界の
   間の相対振幅および相対位相を求め、ついでこの
   一連の処理操作をプローブアンテナのアレーアン
   テナに対する相対位置を逐次変えて実行するとと
   もにこの相対位置の変更に伴なう基準合成電界の
   変化をプローブアンテナ固有の指向性電界を用い
   て補正することにより、上記素子アンテナのそれ
   ぞれについて放射パターンを得るようにしたこと
   を特徴とするアンテナ測定方式。 ２ 受信機として振幅位相受信機を用い、かつ送
   信機の出力の一部を取出すとともにそれを基準信
   号として上記振幅位相受信機に入力させる方向性
   結合器及び給電線を設けてアレーアンテナの基準
   合成電界の変化を測定するようにしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のアンテナ測定
   方式。 ３ 受信機として振幅位相受信機を用い、かつア
   レーアンテナに対向して配置されその受信信号を
   基準信号として上記振幅位相受信機に入力させる
   基準アンテナを設けてアレーアンテナの基準合成
   電界の変化を測定するようにしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のアンテナ測定方
   式。 ４ プローブアンテナを２個用い、プローブアン
   テナの一方に移相器を接続してアレーアンテナの
   基準合成電界の変化を測定するようにしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のアンテナ
   測定方式。 ５ プローブアンテナを２個用い、プローブアン
   テナの一方に移相器を接続するとともに上記プロ
   ーブアンテナのいずれか一つ又は両方にスイツチ
   を接続してアレーアンテナの基準合成電界の変化
   を測定するようにしたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のアンテナ測定方式。 ６ プローブアンテナにプローブアンテナの偏波
   面を空間的に回転させる回転器あるいは偏波切換
   器を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項、第４項および第５項のいずれか記載のアンテ
   ナ測定方式。 ７ 素子アンテナの開口寸法をｄ、使用する電波
   の波長をλとするときアレーアンテナの各素子ア
   ンテナが配列されている面とプローブアンテナと
   の距離ｒが、 ｒ＞２（5d）²／λ なる関係を満足していることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項〜第６項のいずれか記載のアンテ
   ナ測定方式。