JPH0338548B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 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
器の位相を制御して電子的にビーム走査、あるい
はパターン成形を行なうアレイアンテナ、すなわ
ちフエイズドアレイアンテナ（phased array
antenna）において、全素子アンテナの動作状態
における各素子アンテナの励振振幅・位相を精度
良く測定できるアンテナ測定法に関するものであ
る。

フエイズドアレイアンテナによつて所望の放射
パターン、例えば低サイドロープパターン、成形
パターン（cosec²パターン、フアンビーム、モノ
パルスパターンなど）、走査ビームパターンを得
るためには各素子アンテナの励振振幅位相を所要
の値に設定する必要があるが、これは全素子アン
テナが動作している状態（以下、全アレイ動作状
態）、すなわちフエイズアレイ全体として給電回
路特性、素子アンテナ間の相互結合、素子アンテ
ナの特性のバラツキなどの種々の影響、条件を含
んだ状態で設定されなければ現実的に意味がな
い、このためには、前記全アレイ動作状態におい
て各素子アンテナの励振振幅・位相を正確に知る
ことが必要である。

通常、フエイズドアレイは基本的に第１図のよ
うな構成になつている。すなわち、第１図におい
て、１は素子アンテナ、１１は複数の素子アンテ
ナ１から成るアレイアンテナ、２は可変の移相
器、３は電力分配器、４は送信源である。第１図
は送信の例で、送信源４を受信機に替れば受信の
フエイズドアレイ構成となる。第１図において、
送信源４で発生した信号電力は電力分配器３によ
り所要の分配比でもつて各移相器２に分配され、
素子アンテナ１から空間へ放射される。この場
合、所望の放射パターンを得るためのアレイアン
テナ１１に与えられるべき励振分布、すなわち、
各素子アンテナ１に与えられるべき励振振幅・位
相は従来のアンテナ工学のいわゆる指向性合成理
論によつて決定される。したがつて、第１図のフ
エイズドアレイアンテナでは各素子アンテナ１に
必要な振幅分布に対応した電力分配比をもつ電力
分配器３を用い、さらに、必要な励振位相は移相
器２の位相を調整して設定される。しかし、実際
問題として分配比や移相器の設定位相には必ず、
誤差を伴なう。すなわち、素子アンテナ１が比較
的接近して配列されるために素子アンテナ間の結
合などのために素子アンテナ１の入力インピーダ
ンスは素子アンテナ１が単独で置かれている場合
とは異なり、設定位相が所望の値からずれる。ま
た、工作上の精度によつて電力分配器３、移相器
２、素子アンテナ１の特性にバラツキが生じる。
さらに、アレイアンテナ１１の中央部と両端部と
では周囲環境が異なるために素子アンテナ１の特
性（入力インピーダンスや放射パターンなど）が
異なる。したがつて、低サイドロープパターンや
精度なパターン成形に必要な励振分布の実現には
まず、例えば第１図の全アレイ状態で各素子アン
テナ１の振幅・位相を正確に知る必要がある。こ
れは、その振幅・位相が正確にわかれば本来必要
な励振振幅位相に対する補正量がわかり、正しい
振幅位相の設定が可能となるからである。

しかるに、従来、全アレイ動作状態における素
子アンテナの振幅位相測定法としては各素子アン
テナの振幅位相をピツクアツプ素子で直接検出す
る方法があつた。従来のこのピツクアツプ法を第
２図を用いて説明する。

第２図において、４１は信号源、５は方向性結
合器、６はスイツチ、７Ａ，７Ｂは移相器、８Ａ
と８Ｂはピツクアツプホーンアンテナ、９１と９
２はミキサー、１０は受信機、１２は表示器であ
る。なお、第２図の素子アンテナ１はここではホ
ーンアンテナとする。従来のピツクアツプ法は以
上のように構成されており、信号源４１からの主
たる信号はスイツチ６を介して移相器７Ａまたは
７Ｂを通り、ピツクアツプホーン８Ａまたは８Ｂ
に進み、これらピツクアツプホーン８Ａまたは８
Ｂが密着している素子アンテナ１に入り、移相器
２、電力分配器３、ミキサー９１を通つて受信機
１０に入る。一方、信号源４１の信号の一部は参
照波として方向性結合器５から取出され、ミキサ
ー９２を通つて受信機１０に入る。ミキサー９１
からの信号の振幅、位相はミキサー９２からの参
照波の振幅、位相を基準として表示器１２に表示
される。素子アンテナ１の振幅・位相の測定手順
としては先ず、ピツクアツプホーン８Ａと８Ｂを
一つの素子アンテナ１に交互につなぎかえて、移
相器７Ａと７Ｂを調節し、等位相になるようにす
る。なお、振幅はそれぞれ等しいとする。この状
態で、ピツクアツプホーン８Ａと８Ｂをそれぞれ
異なる素子アンテナ１につなぎ、スイツチ６を切
換えてお互いの振幅、位相の差を測定する。次
に、一方のピツクアツプホーン８Ｂは固定したま
ま、他方のピツクアツプホーン８Ａを他の素子ア
ンテナ１につなぎかえて振幅、位相を測定する。
以下、このピツクアツプホーン８Ａのつなぎかえ
をくり返すことによつて、ピツクアツプホーン８
Ｂにつながれた素子アンテナ１の振幅、位相を基
準とした各素子アンテナ１の振幅、位相ができ
る。

従来のピツクアツプ法は以上のような測定法で
あり、第２図の構成からも明らかなように、構成
が比較的大がかりであると共に、ピツクアツプホ
ーン８Ａ，８Ｂを素子アンテナ１に直接密着する
ために、素子アンテナ１の入力インピーダンスは
本来のピツクアツプホーンのない第１図の状態で
の入力インピーダンスとは異なり、測定された振
幅、位相も異なつたものとなる。このピツクアツ
プ法に基づいて等位相に設定した32素子リニアア
レイアンテナの放射パターンを第３図に示す。こ
の例は特に低サイドロープパターンの実現の場合
であり、第３図は理想的な振幅、位相を各素子ア
ンテナに与えたときの放射パターンの理論値であ
る。第３図より、ピツクアツプ法による実測パタ
ーンは理論値に比べてサイドロープレベルが高
く、正しい素子アンテナ１の位相が測定されてい
ないことがわかる。

しかるに本発明によるアンテナ測定法はこれら
従来の方法の欠点を除去するために、基本的に異
なる測定理論に基づき、ピツクアツプ法のような
特別に大がかりな装置を必要とせず、フエイズド
アレイの各素子アンテナにつながれた移相器を利
用して比較的簡単な測定によつて全アレイ動作状
態の各素子アンテナの振幅、位相を正確に測定で
きる測定法を提供するものである。以下、本発明
のアンテナ測定法の測定理論について詳述する。

まず、第１図の全アレイ動作状態において、合
成の電界ベクトルは第４図に示すように各素子ア
ンテナ１による電界ベクトルの和で表わされる。
ここで、第ｎ番目の素子アンテナ１（以下、第ｎ
素子）の電界ベクトルをE_oe ^j〓ⁿとして、この位相
φ_oを変化させれば全アレイ合成の電界ベクトル
は第ｎ素子の電界ベクトルの回転に伴なつて変化
する。ここに、この合成電界ベクトルの振幅の変
化のみ測定することによつて、第ｎ素子の相対振
幅、位相E_o／E_p、φ_o−φ_pが以下のようにして求
められる。

第ｎ素子の位相を△だけ変化させたときの合成
電界ベクトルは次式で表わされる。

E〓₁＝E_pe ^j〓^o−E_oe ^j〓ⁿ（１−e^j△） (1) したがつて、 Ｘ＝φ_o−φ_p (2) とおいて、式(1)を変形すれば、次のようになる。

E〓₁＝｛（E_pcosX＋E_ocos△−E_o）＋ｊ（−E
_psinX＋E_osin△）｝e^j(X+〓^o)(3) したがつて、 ｋ＝E_o／E_p (4) とおけば、式(3)より次式が導かれる。

｜E₁｜²／E_p ²＝Y²＋k²＋2kYcos（△−△_p）(5) ただし、 Y₂＝（cosX−ｋ）²＋sin²X (6) tan△_p＝sinX／cosX−ｋ (7) すなわち、第ｎ素子の位相変化により合成電力
レベルは式(5)のようにcosineで変化する。ここ
で、cosine変化の最大値と最小値の比をr²とすれ
ば、式(5)より r²＝（Ｙ＋ｋ）²／（Ｙ−ｋ）² (8) となる。また、式(5)より−△_pはcosine変化の最
大値を与える位相変化量である。これらｒと△_p
は式(5)の相対電力の測定により求められる量であ
り、このｒと△_pより第ｎ素子の相対振幅（ｋ＝
E_o／E_p）と相対位相（Ｘ＝φ_o−φ_p）が以下のよ
うにして決定される。

式(8)より ｒ＝±（Ｙ＋ｋ／Ｙ−ｋ） (9) であり、正符号の場合を考えると、 Ｙ＝（ｒ＋１／ｒ−１）ｋ(10) となり、また、式(7)より、 sin△_p＝sinX／Ｙ （11） cos△_p＝cosX−ｋ／Ｙ （12） となる。したがつて、式(10)、（11）、（12）よりＹ
を消去すれば、ｋとＸの連立方程式、 sinX＝（ｒ＋１／ｒ−１sin△_p）ｋ （13） cosX＝（１＋ｒ＋１／ｒ−１cos△_p）ｋ（14） が得られ、これを解けば結局、次式が得られる。

Ｘ＝X₁＝tan^-1（sin△_p／cos△_p＋ｐ） （16） ただし、 ｐ＝ｒ−１／ｒ＋１ （17） 以上は式(9)の右辺が正符号の場合であるが、同
じく負符号の場合は同様にして次式が得られる。

Ｘ＝X₂＝tan^-1（sin△_p／cos△_p＋（１／ｐ））（19
） すなわち、第ｎ素子の位相を移相器２によつて
変化させて、合成電力レベルの変化を測定すれ
ば、位相変化に対するcosine状のレベル変化（式
(5)に対応）が得られ、そのデータより最大／最小
比、ｒおよび最大点△_pが求められる。これらｒ
と△_pを用いて式（15）、（16）、または式（18）、
（19）を計算すれば位相変化させた素子アンテナ
の相対振幅、位相が決定されることになる。初期
設定を同じにして全ての素子アンテナ１について
同様の測定とデータ処理と計算をくり返し行なえ
ば全ての素子アンテナの相対振幅、位相を知るこ
とができる。

以上の説明で明らかなように、本発明による測
定法では全アレイ動作状態をそのままにして、各
素子アンテナ１の移相器の位相を変化させて合成
電力レベルを測るという単純な方法で精度よく素
子アンテナ１の振幅、位相を知ることができる。
ここで、第３図の場合と同じ32素子リニアアレイ
アンテナを用い、本発明による測定法で得られた
位相を補正し、全ての素子アンテナが同一位相に
なるように位相設定して測定した放射パターンを
第５図に示す。第５図の破線は第３図と同じで従
来のピツクアツプ法に基づく位相設定による放射
パターン、点線は同じく理想振幅位相による理論
値である。

第５図で明らかなように本発明による測定法に
基づいて設定した位相分布による放射パターンの
サイドローブレベルは従来の方法のものより大幅
に改善されている。理論値に比べてサイドローブ
レベルが高いが、これは振幅については補正しな
かつたためであり、通常のフエイズドアレイでは
移相器により位相のみ可変調整するためある程度
は巳むを得ない。

また、式（15）、（16）と式（18）、（19）の２組
の解のいずれを採るべきかについては、得られる
相対振幅k₁またはk₂と電力分配器３の設計電力分
配比との対応、あるいは初期設定の位相分布を変
えて、もう一度全ての素子アンテナについて上記
の測定を行なつてｋとＸを求め、１回目の結果と
比較してｋが同じとなる解を選ぶなどして決める
ことができる。

以上の説明では第１図のフエイズドアレイを例
にしたが、測定理論の説明で明らかなように本発
明によるアンテナ測定法は、素子アンテナの形
式、素子アンテナの配列構成、給電回路の構成や
形式などの種類は一切問わず全てのフエイズドア
レイに実施可能なものである。

以上のように本発明によるアンテナ測定法では
フエイズドアレイの各素子アンテナにつながれて
いる移相器を用い、各素子アンテナの位相変化に
対する合成電力の変化を測定するだけで全アレイ
動作状態の素子アンテナの振幅位相を精度良く測
定できるため、これを通信用、レーダ用などのフ
エイズドアレイでビーム走査、パターン成形、低
サイドローブ化など種々の所望の放射パターンを
実現させるための励振振幅位相の設定が全アレイ
動作状態で可能となり、その実用的効果は著しく
大きいと云える。

【図面の簡単な説明】

第１図はフエイズドアレイアンテナの概略構成
図、第２図は従来のピツクアツプ法による素子ア
ンテナ振幅位相測定の回路構成図、第３図は従来
のピツクアツプ法に基づく位相設定によりリニア
アレイアンテナの実測放射パターンの説明図、第
４図は素子アンテナの電界ベクトルと合成電界ベ
クトルの説明図、第５図は本発明のアンテナ測定
法に基づく位相設定によるリニアアレイアンテナ
の実測放射パターンの説明図である。 図中、１は素子アンテナ、２は移相器、３は電
力分配器、４は送信源、５は方向性結合器、６は
スイツチ、８Ａと８Ｂはピツクアツプホーン、１
０は受信機である。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)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数個の素子アンテナ、各素子アンテナにつ
   ながれた移相器から成るフエイズドアレイアンテ
   ナの上記各素子アンテナの励振電流、又は励振電
   圧の相対的な振幅および位相を測定するアンテナ
   測定法において、全ての素子アンテナが送信また
   は受信している動作状態で、一つの移相器の位相
   を変化させて上記フエイズドアレイアンテナの送
   信または受信の合成電力レベルの変化を測定し、
   その電力レベル変化の最大値対最小値比をr²、最
   大値を与える位相変化量を△_pとするとき、これ
   らｒと△_pから上記位相変化させた移相器につな
   がる素子アンテナの相対振幅および相対位相を計
   算によつて求め、次の素子アンテナの測定に入る
   前に、上記位相変化させた移相器の設定位相を位
   相変化させる前の位相に戻す手順を備え、この手
   順を各素子アンテナごとにくり返すことによつ
   て、各位相を測定することなく、各素子アンテナ
   間の相対振幅ならびに相対位相を求めることを特
   徴とするアンテナ測定法。