JPH0313761B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えば高速度あるいは不規則にマイ
クロ波ビームを走査する電子走査アンテナに係
り、特に位相走査形フエーズドアレイアンテナの
改良に関する。

周知のように、電子走査アンテナの走査方法と
しては、アンテナ構造に機械的な動きを与えるこ
となしにマイクロ波ビームに走査運動を行なわせ
るための、比較的狭い間隔で配置された放射素子
アレイの給電点を電気的に切り換える方法。電気
的に移相量を変えられる移相器をそれぞれに有す
る比較的狭い間隔で配置された放射素子アレイの
各移相器を電気的に制御する方法。あるいは１つ
の給電点から直列的に結合され、比較的狭い間隔
で配置された放射素子アレイがもつ固定ビーム
を、給電周波数を変化させることによつて各放射
素子の放射位相を変化させる方法などがある。

ここで問題とするアンテナは、電気的に制御可
能な可変移相器と分配器とを介して給電点に結合
される複数の放射素子を、比較的狭い間隔で直線
状、または平面状にあるいは曲線状、球面状に配
置した放射素子アレイであり、各放射素子から放
射される電波の位相を、可変移相器を電気的に制
御することにより、マイクロ波ビームを走査する
位相走査形フエーズドアレイアンテナである。

従来、位相走査形フエーズドアレイアンテナは
デイジタル制御が容易なことから、位相を段階的
に変化させる周知のデイジタル可変移相器が使用
されることが多い。この移相器は同種のものを製
作しても殆んどのものが、それぞれ固有の通過位
相、即ち移相器の固有位相をもつており、しかも
その値がアンテナの性能上無視できない程のバラ
ツキをもつているのが普通である。したがつて、
これらの可変移相器を用いて構成された位相走査
形フエーズドアレイアンテナでは放射素子アレイ
における同位相波面を得るために、それぞれの放
射エレメント毎に、給電点から放射端までの線路
長の違いや構成部品などによる位相のバラツキと
ともに、可変移相器のもつ固有位相についても各
放射素子毎に何らかの補正をして放射素子アレイ
における素子間の相対位相を必要な値に設定する
のが通常である。

したがつて、一旦、各放射素子毎に必要な位相
の補正を行つて所望のアンテナ特性を得て、また
は実際にアンテナを使用している段階において、
例えば、ある移相器を交換した場合、上述した通
り、その放射素子については他の素子との相対位
相の補正をやり直さなければならず、一般的な意
味での互換性、即ち、交換部品を取り替えるだけ
でもとの状態に復帰する意味で云えば、この場
合、互換性が無く、また時間や労力を費して位相
の補正をやり直さなければならない欠点がある。

以下、従来の位相走査形フエーズドアレイアン
テナ一例として直線アレイの場合について説明す
る。第１図において、マイクロ波発生器１１で発
生されたマイクロ波電力は給電点ａおよび給電線
１２を介して分配器１３に供給される。この分配
器１３によつて複数に分配されたマイクロ波電力
はそれぞれ可変移相器１４₁，１４₂〜１４_oに供
給される。この各位相器１４₁，１４₂〜１４_oの
出力信号はそれぞれ放射素子１５₁，１５₂〜１５
_ｏに供給される。前記分配器１３としては、第２
図に示すように給電点ａから直列に延びる給電線
１２に沿つて所定間隔をおいて挿入される複数の
分配回路２１によつて構成されるもの。あるい
は、第３図に示すように給電点ａから２等分割さ
れた給電線１２に沿つて所定間隔をおき、給電点
ａに対して対称に設けられた複数の分配回路２１
によつて構成されるもの。または第４図に示すよ
うに給電点ａから対称的、且つ並列的に順次２等
分割するよう設けられた複数の分配回路２１から
構成されるもの等がある。尚、第１図及至第４図
において同一部分には同一符号を付す。

また、第１図において、マイクロ波電力の伝送
路の各部を識別するため、分配器１３に接続され
る各可変移相器１４₁，１４₂〜１４_oの入力端を
それぞれ１ｂ，ｂ〜Nb出力端をそれぞれ１ｃ，
２ｃ〜Nc、各放射素子１５₁，１５₂，〜１５_oの
マイクロ波電力放射端をそれぞれ１ｄ，２ｄ〜
Ndと表わす。

前記分配器１３の分配係数はアンテナのビーム
幅やサイドローブレベルなどの特性から決定され
るもので、例えば「IRE会報（TransactionIRE）
第Ａ・Ｐ−３巻第１号（1955年１月発行）」のペ
ージ16ffに記載されているテイー・テイー・テイ
ラー（Ｔ・Ｔ・Taylar）の設計原理に従つて、
放射面における電力分布を決め、給電点ａから放
射端１ｄ〜Ndに至るまで、分配器１３の分配比、
可変移相器１４₁〜１４_oやその他のマイクロ波伝
送路の損失などについて綿密な設計と製作を行な
うことによつて、所望のアンテナ特性が得られ
る。

第１図において、一般的にアンテナビームを形
成する場合は、各放射素子１５₁〜１５_oから放射
されるマイクロ波の等位相点を結ぶ線、即ち同位
相波面PHがアンテナの開口面前の空間において
直線となるように制御する。このときアンテナ
は、その同位相波面と直角の方向にマイクロ波ビ
ームを形成する。したがつて、フエーズドアレイ
アンテナにおいては、ビームをある方向に指向さ
せるために、放射素子アレイから放射されるマイ
クロ波の同位相波面がアンテナの開口面前の空間
でビームを指向させる方向と直角になるように放
射素子アレイの位相を制御するのが通常である。
このようなフエーズドアレイアンテナにおけるビ
ームの指向は各可変位相器１４₁〜１４_oにおい
て、次に示す周知の式によつて決定される位相角
の増分または減分をマイクロ波の位相角加算ある
いは減算により制御する。

φ_N＝−360×Nd sinθ（度） ここで、 φ_N：素子で必要な理想移相角（度） Ｎ：素子番号（正または負） ｄ：素子間隔（波長） θ：アレイ軸に対する法線から時計方向へのビ
ーム指向角 但し、位相走査形フエーズドアレイアンテナで
一般的に用いられている移相器は、段階的に移相
を行なうデイジタル移相器が程んどであり、それ
が例えばｎビツトの移相器であれば、360゜／2nの
段階（量子）に量子化された移相を行なうことし
かできないので、上式で求められる位相角の増分
または減分は最小の量子化単位に変換された位相
信号として移相器に供給される。したがつて、可
変移相器１４以外のマイクロ波の伝送路を構成す
る各構成部品の位相をどんなに厳密に管理して製
作しても、デイジタル移相器における量子化位相
による位相誤差は最終的に放射素子アレイから放
射されるマイクロ波の同位相波面を非直線とし、
ビームの指向誤差やサイドローブの劣化として現
われるのは避けられない。

第５図は、第１図の給電点ａから放射端１ｄ〜
Ndまでの線路長の違いや構成部品の位相バラツ
キ、可変移相器のもつ固有位相のバラツキ、これ
らによつて生ずる各素子間の相対位相のバラツキ
を補正してアンテナ開口面前の空間に同位相波面
を形成するために必要な補正位相角、および、あ
る方向へビームを指向させるために各素子に必要
な位相角の増分を分解して表わし、アンテナの開
口面前の空間にビーム指向角に直角な直線状の同
位相波面の形成を示すものである。

第５図の１ａ〜１ｂで示す直線は、第１図の給
電点ａから分配器１３を通して可変移相器１４₁
の入力端子１ｂに至るまでのマイクロ波伝送路に
おける位相遅れを直線の長さで示すもので、同じ
く第５図の１ｂ〜１ｃは第１図の可変移相器１４
_１の入力端から出力端までの位相遅れ、即ちこの
発明で問題とする移相器の固有位相を示し、１ｃ
〜１ｄは可変移相器１４₁の出力端から放射素子
１５₁の放射端１ｄに至るまでの伝送路における
位相遅れを示し、１ｄ〜１ｅはアンテナの開口面
前に同位相波面を形成するために必要な各素子間
の相対位相のバラツキを補正するための補正位相
角を示すものである。

以下、同様に各素子１５₂〜１５_oに対して記号
を付す。

第５図においては、ビームを指向させるための
位相の基準を第１図の素子１５₁として表わした
ため、素子１５₂〜素子１５_oに与えるビーム指向
のための位相増分（２ｅ〜２ｆ）〜（Ne〜Nf）
に相当する位相増分は素子１５₁には与えていな
い。云いかえれば、ビームを指向させるための各
素子の位相増分または減分を、常に素子１５₁の
放射端位相を基準として各素子に与えることによ
つて同位相波面は、素子１５₁を支点として傾き
が変化し、ビームはその傾いた同位相波面に直角
な方向に形成されるので、基準素子１５₁にはビ
ームを指向させるための位相増分又は減分は０で
ある。

第５図において、素子１５₂から素子１５_oに与
える位相増分（５ｅ〜２ｆ）〜（Ne〜Nf）を取
り去ると、即ち位相増分または減分を０とすると
アンテナの開口面前に形成される同位相波面は、
放射素子アレイが直線であるとすれば、その直線
に平行となり、アンテナの正面方向にビームが形
成される。

位相走査形フエーズドアレイアンテナでは、通
常、同位相波面を形成するため各素子に行なう位
相補正（１ｄ〜１ｅ）〜（Nd〜Ne）は、ビーム
の指向に必要な各素子の位相増分または減分（２
ｅ〜２ｆ）（Ne〜Nf）、（基準素子の位相増分ま
たは減分は０）と補正位相角を可変移相器１４で
加算または減算することによつて行なう方法が一
般に用いられている。

第６図、第７図は位相走査フエーズドアレイア
ンテナにおいて、ビーム走査を制御するために一
般的に用いられるビーム走査制御回路の一例を示
すものである。

第６図において、A₁，A₂〜A_oは第１図に示す
可変移相器１４であり、通常それぞれデイジタル
移相器６１₁，６１₂〜６１_o、駆動回路６２₁，６
２₂〜６２_o、移相信号の記憶素子６３₁，６３₂〜
６３_oによつて構成されている。また、Ｂはビー
ムを走査するためのビーム走査制御回路であり、
φ₁，φ₂……φ_Nで示す移相信号を前記可変移相器
A₁，A₂〜A_oに供給するものである。即ち、走査
信号発生器６４はビーム指向角θをもとに前記し
た式により各素子に必要な位相角の増分あるいは
減分を発生し、信号線６４₁，６４₂〜６４_oに出
力する。記憶素子６５₁，６５₂〜６５_oは前記走
査信号発生器６４から、信号線６４₁，６４₂，〜
６４_oに順次供給される移相信号を記憶命令信号
L₁，L₂〜L_oによつて、順次一時記憶するもので
ある。記憶素子６５₁，６５₂〜６５_oの出力信号
はそれぞれ各素子の位相のバラツキを補正するた
めの補正位相角信号Δ₁，Δ₂〜Δ_oとともに加算器
６６₁，６６₂〜６６_oに供給され、加算または減
算される。この出力信号は移相信号φ₁，φ₂〜φ_N
としてそれぞれ前記対応する可変移相器A₁〜A₂
〜A_oに供給される。この移相信号φ₁，φ₂〜φ_oは
ビーム指向命令信号Ｓによつて前記記憶素子６３
_１，６３₂〜６３_oに同時に記憶され、駆動回路６
２₁，６２₂〜６２_oで移相素子の駆動信号に変換
されてデイジタル移相器６１₁，６１₂〜６１_oに
供給される。また、前記ビーム指向命令信号Ｓは
走査信号発生器６４にも供給され、次のビーム指
向角信号θについての各素子に必要な位相増分ま
たは減分を発生するために動作を開始する。この
ように、第６図のビーム走査制御回路Ｂは各素子
に対するビーム走査のための位相増分または減分
と、各素子間の位相のバラツキを補正するための
補正位相角信号Δ₁，Δ₂〜Δ_oとを加算器６６₁，６
６₂〜６６_oによつて加算または減算するものであ
る。

これに対して、第７図は、走査信号発生器７１
が各素子に対する位相増分または減分を発生する
とき、各素子に対する補正位相角信号Δ₁，Δ₂…
Δ_oを加算または減算しながら信号線７１₁，７１₂
〜７１_oに移相信号を出力するものである。即ち、
走査信号発生器７１の内部に補正位相角Δ₁，Δ₂
〜Δ_oを記憶する記憶部を内蔵し、必要なときに
これを読み出すものである。尚、第７図において
第６図と同一部分には同一符号を付す。

従来、このように、ビーム走査のための移相信
号と同位相波面を形成するための各素子間の補正
位相角信号の加算または減算を行う場合、これま
で述べたように、給電点から移相器を含め放射端
に至るまでの総合した補正位相角を、特に複数に
分割することなく、ビーム走査制御回路で一括し
て加算または減算して補正するのが普通である。

したがつて、各素子間の補正位相角Δ₁，Δ₂…
Δ_oが、給電点から放射端に至るまでの各素子を
構成するマイクロ波伝送路に関わる構成部品に固
有の位相角のバラツキによつて決まる値であるか
ら、それらの構成部品のいずれかを、何らかの理
由で取り替える場合には、その素子に対する補正
位相角、即ち、第６図や第７図に示すビーム走査
制御回路Ｂ，Ｃに与える補正位相角信号Δ₁，Δ₂
〜Δ_oを、適正な値に変えなければなない。この
ためには、例えば第１図の可変移相器１４₁を交
換する場合、第５図に１ｂ〜１ｃとして示す移相
器の固有位相の値が例えば１b′〜１′ｃなる値に
変えるものとすれば、補正位相角を示す１ｄ〜１
ｅ値を新しい補正位相角１d′〜１e′＝（１ｄ〜１
ｅ）±（１ｂ〜１ｃ）±（１b′〜１c′）なる値に変更
しなければならない。

つまり、位相走査形フエーズドアレイアンテナ
において、放射素子アレイを構成する各素子の給
電点から放射端に至るまでの、マイクロ波の伝送
路に関わる各構成部品がもつ固有の位相遅れのバ
ラツキによつて生ずる各素子間の相対位相のバラ
ツキを補正して、アンテナ開口面前の空間に直線
的な同位相波面を形成するための各素子に対する
位相の補正は、通常、それぞれ給電点から放射端
に至るまでの各構成部品の位相遅れを合計し、
360゜を底とする相対位相差として求め、各素子に
対する補正位相角としてビーム走査制御回路に供
給し、ビーム走査のために必要な、各素子に対す
る移相角にそれぞれの補正位相角を加算または減
算して、移相器への移相信号としてビーム走査制
御回路から移相器の駆動回路へ供給することによ
つてなされる したがつて、何らかの理由により、ある素子の
構成部品を取り替えなければならない場合、部品
の固有位相のバラツキから、殆どの場合、その素
子に対する補正位相角をあらたに算出または測定
によつて求め、ビーム走査制御回路に適正な値の
補正位相角を供給し直さなければならない。

このことは、形状や寸法、機能、性能が同じ部
品を取り替えても、取り替える前の状態に完全に
復帰することを前提とする互換性の意味から云え
ば、互換性は成立せず実際的に、もとの状態に復
帰させるために位相の補正をやり直さなければな
らず、それに費やす時間や労力、そのための設備
に要するコストなどを考えると、特にそれが使用
中のアンテナであれば、それらは重大な問題であ
り次点となる。特に空港に設置されるMLS
（Micro−wave Landing System）アンテナは素
子数100前後の電子走査アンテナであり、しかも
単なる航空機の位置検出だけではなく航空機の着
陸誘導という極めて高い安全性が要求されるシス
テムにおいて運用される。このようなMLSアン
テナに各アンテナ素子毎に可変移相器を有する位
相走査形フエーズドアレイアンテナが用いられる
場合、システムに要求される高い安全性から
MLSアンテナすなわち可変移相器等の故障確率
は当然小さくなければならないが、運用中に万が
一の故障が起つた場合には迅速な保守，整備が要
求される。これは常時運用態勢、すなわち24時間
態勢の空港においては特に言えることであり、万
が一の故障に対する備えも十分になされていなけ
ればならない。

このようなALSアンテナに上記した従来方式
の位相走査形フエーズドアレイアンテナを用いた
場合、各可変移相器の固有位相がバラバラである
ため、可変移相器の取り替え時にはあらたな可変
移相器の固有位相も含めた給電点から放射端まで
の伝送路に対する補正位相角を算出し直してあら
ためて補正値を設定しなければならず、多くの時
間と労力が必要となる。このことは、航空機の増
加に伴つて、より要求される円滑な航空機誘導を
妨げる要因になるとともに航空機の安全性の観点
からも大きな問題であり、このためにも、もしも
の故障の場合に迅速な保守，整備が可能なアンテ
ナを確立しておくことが望まれる。この発明は上
記事情に基づいてなされたもので、ビーム走査制
御回路に移相制御信号補正手段を設け、各デイジ
タル移相器の入出力端間の位相を除く給電点から
放射端までの相対位相を互いに一致させるための
各補正値を設定し、この各補正値で前記複数の移
相制御信号をそれぞれ補正するようにし、さらに
各可変移相器に記憶部及び演算器を設け、記憶部
でデイジタル移相器を同じ移相量の移相制御状態
とした場合に各移相器の通過位相量が一定になる
ようにするための補正値を記憶し、演算器により
この記憶した補正値に応じて移相制御信号補正手
段からの移相制御信号を補正することにより可変
移相器に互換性を持たせ、移相器交換に要する工
数を大幅に削減し得るとともに、予備部品のため
の費用を最少限に抑えることが可能であり、迅速
な保守，整備が可能で、稼働率、信頼性の高い位
相走査形フエーズドアレイアンテナを提供しよう
とするものである。

以下、この発明の一実施例について図面を参照
して説明する。

第８図はこの発明の要部を示すものであつて、
８１は可変移相器を示すものである。８２は例え
ばPINダイオード等によつて構成されたデイジタ
ル移相器であり、８３はこの移送器８２を駆動す
る駆動回路である。この駆動回路８３には第１の
記憶部８４より補正された位相信号が供給され
る。この第第１の記憶部８４は図示せぬビーム走
査制御回路より供給されるビーム指向命令信号Ｓ
によつて演算回路８５より供給される補正された
位相信号を記憶するものである。ここで、ビーム
走査制御回路は第６図または第７図に示すビーム
走査制御回路Ｂ，Ｃと同等のものであり、各可変
移相器８１のデイジタル移相器８２の入出力端間
の位相を除く給電点から放射端までの相対位相を
互いに一致させるための第１の補正値を移相制御
信号毎に設定し、この第１の補正値で対応する移
相制御信号をそれぞれ補正してデイジタル位相信
号φを生成する移相制御信号補正手段を有してい
る。この手段は６図または第７図において、Δ₁，
Δ₂，…Δ_oを１の補正値として設定することによ
り達成できる。上記演算回路８５はビーム走査制
御回路より供給されるデイジタル位相信号φ（第
１の補正値で補正された信号）と例えば第２の記
憶部８６に予め設定された前記デイジタル移相器
８２の固有の位相補正値である補正位相角信号Δ
（２の補正値）とを加算または減算することによ
つて、通過位相量を演算するものである。

上記構成において、９図を用いて基本原理を説
明する。第９図において、１ａ〜１ｇ、２ａ〜２
ｇ…Na〜Ngは第１図の給電点ａから結合器１３
を介して可変移相器１４₁，１４₂〜１４_oの入力
端１ｂ，２ｂ〜Nbと、可変移相器１４₁，１４₂
〜１４_oの出力端１ｃ，２ｃ〜Ncから放射素子１
５₁，１５₂〜１５_oの放射端１ｄ，２ｄ〜Ndに至
るまでのマイクロ波伝送路における位相遅れを直
線の長さで示すもので、１ｇ〜１ｈ，２ｇ〜２ｈ
…Ng〜Nhは可変移相器１４₁，１４₂〜１４_oの
固有位相を除いて、同位相波面を形成するための
各素子間の位相のバラツキを補正するために与え
る第１の補正位相角を示し、１ｈ〜１ｂ，２ｈ〜
２ｂ…Nh〜Nbは可変移相器１４₁，１４₂〜１４
_ｏの固有位相を補正するために各素子に与える第
２の補正値を示す。１ｂ〜１ｃ，２ｂ〜２ｃ…
Nb〜Ncは第５図と同じく各素子に用いる可変移
相器１４₁，１４₂〜１４_oの固有位相を示す。５
図における各素子間の位相のバラツキの補正値１
ｄ〜１ｅ，２ｄ〜２ｅ…Nd〜Neと第９図におけ
る第１の補正値１ｇ〜１ｈ，２ｇ〜２ｈ…Ng〜
Nhと第２の補正値１ｈ〜１ｂ，２ｈ〜２ｂ…Nh
〜Nbの和１ｇ〜１ｂ，２ｇ〜２ｂ…Ng〜Nbと
の間には、１ｇ〜１ｂ−１ｄ〜１ｅ＝２ｇ〜２ｂ
−２ｄ〜２ｅ＝…＝Ng〜Nb−Nd〜Neの関係が
成立する。換言すれば、第５図の補正値１ｄ〜１
ｅ，２ｄ〜２ｅ…Nd〜Neの総てに所定の値を加
算または減算すれば第９図の補正値１ｇ〜１ｂ，
２ｇ〜２ｂ…Ng〜Nbとなる。

したがつて、第６図、第７図に示すビーム走査
制御回路Ｂ，Ｃにおいて、第１の補正値を用いて
第９図に示す１ａ〜１ｈ，２ａ〜２ｈ…Na〜Nh
のように一定の値に揃え、第８図に示す可変移相
器８１において、第２の補正値を用いて第９図に
示す１ｈ〜１ｃ，２ｈ〜２ｃ…Nh〜Ncのように
一定の値に揃えれば、同じ位相量の移相制御状態
とした場合の各移相器８１の通過位相量は任意に
設定した１ｈ〜１ｃ＝２ｈ〜２ｃ＝…＝Nh〜Nc
と何れも等しくなるから、移相器８１をどのよう
に入れ換えても第９図に示す１ａ〜１ｂ＝２ａ〜
２ｃ＝…＝Na〜Ncの関係が成立し、移相器８１
の完全な互換性が成立する。

以上、詳述したようにこの発明によれば、可変
移相器の相対位相を揃え、移相器に互換性を持た
せることが可能であり、移相器交換に要する工数
を幅に削減し得るとともに、予備部品のための費
用を最少限に抑えることが可能であり、迅速な保
守，整備ができ、稼働率、信頼性の高い位相走査
形フエーズドアレイアンテナを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は位相走査形フエーズドアレイアンテナ
の基本構成を示す図、第２図乃至第４図はそれぞ
れ異なる分配器の構成を示す図、第５図は従来の
位相走査形フエーズドアレイアンテナの放射素子
間の相対位相および補正位相を説明するために示
す図、第６図、第７図はそれぞれビーム走査制御
回路を示す構成図、第８図はこの発明に係る位相
走査形フエーズドアレイアンテナにおける可変移
相器の一実施例を示す構成図、第９図はこの発明
における放射素子間の相対位相および補正位相を
説明するために示す図である。 ８１…可変移相器、８２…デイジタル移相器、
８３…駆動回路、８４…第１の記憶部、８５…演
算回路、８６…第２の記憶部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数のアレイアンテナ素子と、この複数のア
   レイアンテナ素子に対応して設けられ信号の位相
   を変化させる移相器及び移相制御信号に応じて前
   記移相器の移相量を制御する駆動部を有する複数
   の可変移相手段と、前記複数の可変移相手段それ
   ぞれに対する複数の移相制御信号を発生するもの
   であつて各移相制御信号を変化させて前記複数の
   アレイアンテナ素子から放射されるマイクロ波ビ
   ームを走査するビーム走査制御回路とを有する位
   相走査形フエーズドアレイアンテナにおいて、前
   記ビーム走査制御回路に設けられ前記複数の可変
   移相手段の各移相器の入出力端間の位相を除く給
   電点から放射端までの相対位相を互いに一致させ
   るための各補正値を設定し、この各補正値で前記
   複数の移相制御信号をそれぞれ補正する移相制御
   信号補正手段と、前記複数の可変移相手段それぞ
   れに設けられ各移相器を同じ移相量の移相制御状
   態とした場合に各移相器の通過位相量が一定にな
   るようにするための補正値を記憶する記憶部と、
   前記複数の可変移相手段それぞれに設けられ前記
   記憶部に記憶された補正値に応じて前記移相制御
   信号補正手段からの移相制御信号を補正し出力信
   号を前記駆動部に供給する演算手段とを具備する
   ことを特徴とする位相走査形フエーズドアレイア
   ンテナ。