JPH04111502A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、アレーアンテナに係わり、特に、ビーム走
査面に直交する仰角方向のビームパターンの歪を低減し
た平面アレーアンテナに関するものである。

［従来の技術］ 第７図は例えばアンテナ工学ハンドブック（オーム社）
ｐｐ２２５に示されているアレーアンテナの例であり、
レーダなどにおいて、目標方向の測角を行うモノパルス
パターンを形成するように構成された直線アレーアンテ
ナである。図において、（１）は素子アンテナ、（２）
は各素子アンテナ（１）に接続された移相器、（３）は
２つの群に分割された素子アンテナ（１）のそれぞれの
群の出力を合成する合成器、（４）は各素子アンテナ（
１）の励振位相を演算する位相量演算装置、（５）は位
相量演算装置（４）の演算結果に従って移相器（２）を
制御する移相器制御装置、（６）は２つの合成器（３）
からの入力の和と差を出力する１８０°ハイブリツドで
ある。なお、ここで移相器（２）は通常可変移相器が用
いられる。

次に、動作について説明する。

アレーアンテナの配列方向に直交する方向、即ちボアサ
イト軸からθ傾いた方向にアンテナビームを向ける場合
、位相量演算装置（４）はｎ番目の素子アンテナ（１）
に与える励振位相φ。を次の演算式に従って計算する。

φ、＝（２π／λ）ＸｎＸｃｉＸＳ　ｉｎ　（θ）ここ
で、ｄは素子間隔、λは波長である。この演算式に従っ
て計算された励振位相φ。が移相器制御装置（５）を通
じて移相器（２）に与えられる。

この動作によってθ方向にアンテナビームを向けること
ができる。従って、このアレーアンテナを用いればアン
テナを機械的に動かさずにアンテナビームを走査でき、
電波の到来方向が検出できる。

電波の到来方向の検出は例えば次のようにして行う。ア
ンテナの開口をそれぞれの合成出力がほぼ等しくなるよ
うに水平方向で２分割し、各々の群に接続された合成器
（３）の出力を１８０°ハイブリツド（６）に入力しΣ
端子から和信号、Δ端子から差信号を取り出す。第８図
は観測方向角を変えた場合のΣ端子とΔ端子の受信電力
、すなわち和ビームと差ビームを表したものである。電
波の到来方向を検出するには、和ビームと差ヒムのレベ
ル差がある一定のレベルＬとなる方向角を差ビームの零
点近傍で２か所検出し、その方向角をθ１　θ２とする
とき、平均値（θ１＋０２）／２で電波の到来方向角を
決定する。あるいは、差ビームと和ビームの比をとり、
その誤差曲線から到来角を検出する、いわゆるモノパル
ス方式を用いて到来方向角を決定する。

［発明が解決しようとする課題］ ここで、上記のような従来のアレーアンテナを第９図に
示すような座標系にアンテナを置き、電波到来方向の方
位方向角、仰角方向角を検出する場合を考える。第１０
図および第１１図は方位方向角、仰角方向角に対する受
信電力を示した図である。第１０図はΔ端子の受信出力
、すなわち差ビームを示す図、第１１図はΣ端子の受信
出力、すなわち和ビームを示す図である。第１０図およ
び第１１図に示すように方位角と仰角の座標系ではアン
テナビームが湾曲するため、電波が仰角方向が０°から
離れた方向から到来した場合、方位方向の検出角度に誤
差が生じる。例えば、電波が仰角＝１０°、方位角＝６
０°から到来した場合、このアレーアンテナでは、方位
角−６１，２°から電波が到来したものとしてしまう。

なお、上記のような方位角と仰角の座標系でアンテナビ
ームが湾曲する特性は直線アレーアンテナに固有のもの
である。さらに、平面アレーアンテナを用いた場合にお
いても、直線アレーアンテナ同様の励振位相の設定では
アンテナビームは湾曲する。従って、このような検出誤
差を無くす一手段として、第１２図に示すようにアレー
アンテナの素子アンテナを２次元に配列して各素子アン
テナに移相器を接続し、かつ、アンテナを４分割してハ
イブリッド回路４個を２段構成として用い、方位角・仰
角両方の到来方向検出を行えば良いことが上記文献に示
されている。しかし、この構成では信号処理装置が２系
統必要で、ハードウェアが複雑になり、方向検出に時間
がかかり過ぎる問題点がある。

また、開口電力分布を和・差パターンで共用するため、
両パターンに対し同時に最適化をはかることができない
という問題点がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになさ
れたもので、アンテナビームが走査される平面に直交す
るビーム走査方向の平面内の放射電界強度分布を一定に
するよう励振位相を最適化することで、第１０図および
第１１図に示したようなアンテナビームの湾曲を補正し
、電波の到来方向の検出を精度良くできるアレーアンテ
ナを得ることを目的としている。

［課題を解決するための手段］ この発明に係わるアレーアンテナは、２次元的に配列さ
れた複数個の素子アンテナから成り、アンテナビームが
平面内で１次元的に走査される平面アレーアンテナと、
上記素子アンテナの各々に接続された移相器と、ビーム
走査方向に対し、上記アンテナビームが走査される平面
に直交するビーム走査方向の平面内の放射電界強度分布
を一定にするよう補正された励振位相のデータを有する
設定位相メモリと、上記設定位相メモリの有するビーム
走査方向に対する励振位相のデータに従って上記移相器
の位相を制御する移相器制御手段とを備えたものである
。

［作用］ 上記のように構成されたアレーアンテナの移相器制御手
段は、設定位相メモリの有するビーム走査方向に対する
励振位相のデータに従って素子アンテナの各々に接続さ
れた移相器を制御するので、アンテナビームが走査され
る平面に直交するビム走査方向の平面内の放射電界強度
分布を一定にでき、方位角と仰角の座標系でアンテナビ
ームの湾曲を補正する。

［実施例］ 第１図はこの発明のアレーアンテナの一実施例の基本構
成部分を示す構成説明図である。図において、（７）は
２次元的に配列された複数個の素子アンテナ（１）から
成る平面アレーアンテナ、（８）は設定位相メモリ、（
９）は設定位相メモリ（８）の有するビーム走査方向に
対する励振位相のデータに従って素子アンテナ（１）の
各々に接続された移相器（２）を制御する移相器制御手
段であって、ここでは移相器制御装置であり、（１）（
２）は上記従来例と同様のものである。

なお、ここで移相器（２）は通常可変移相器が用いられ
る。また、アンテナビームは第１図中に示す座標系にア
ンテナを置いた場合には、Ｙ−Ｚ平面内で１次元的に走
査されるものである。ここで、設定位相メモリ（８）に
はそれぞれのビーム走査方向に対し、アンテナビームが
走査される平面に直交するビーム走査方向の平面内の放
射電界強度分布（あるいは放射電力密度分布でも同一パ
ターンである）を一定にするよう補正された励振位相の
データが記憶されている。

次に、設定位相メモリ（８）に記憶させる励振位相の演
算方法の一実施例について述べる。

まず、評価関数Ｆを次のように設定する。

ｊｑ、）　　１２−Ｇｏ、）　　２　”　　’　　−−
（２）ここで、ｍはアンテナビームの主ビームの位置に
関する添字で、この位置は、ビーム走査する平面に直交
する方向に直線的にとる。ｎは素子アンテナの番号に関
する添字である。また、ａ、。。

ｐ、。は、ｎ番目素子のｍ方向のアレー素子電界の振幅
、位相を表ず。ｑ、は励振位相で、Ｇｏ、はアンテナビ
ームの主ビームの受信レベルである。

この評価関数Ｆを最小にするように励振位相ｑｎを決定
すれば、アンテナビームの主ビームの位置がビーム走査
する平面に直交する方向に向く。

なお、上記（２）式におけるｑｎの求め方は、最急降下
法や共役勾配法などの非線形最適化手法を用いる。これ
らの方法は、いずれも関数Ｆのｑ７に関する勾配を計算
し、その勾配の方向にｑｌ、を計算しながら繰り返し計
算を行うものである。設定位相メモリ（８）には上記の
ように計算されたそれぞれのビーム走査方向に対する励
振位相ｑ。

が記憶される。

従って、上記実施例においては、移相器制御装置（９）
は設定位相メモリ（８）の有するビーム走査方向に対す
る励振位相のデータに従って素子アンテナ（１）の各々
に接続された移相器（２）を制御するので、アンテナビ
ームが走査される平面に直交するビーム走査方向の平面
内の放射電界強度分布を一定にでき、方位角と仰角の座
標系でアンテナビームの湾曲が補正される。

第２図はこの発明のアレーアンテナの他の実施例を示す
構成図であり、電波到来方向の測角を行う差ビームある
いは和ビームを形成するように構成されたアレーアンテ
ナである。図において、（１０）は２次元的に配列され
、２つの群に分割された複数個の素子アンテナ（１）か
ら成る平面アレーアンテナ、（１１）は２つの群に分割
された素子アンテナ（１）のそれぞれの群の出力を合成
する合成器であり、（１）（２）（５）（６）（８）は
上記第１図と同様のものである。ここで、アンテナの開
口はそれぞれの群の合成出力がほぼ等しくなるようにア
ンテナビーム走査方向で２分割されている。なお、アン
テナビームは第２図中に示す座標系にアンテナを置いた
場合には、Ｙ−２平面内で１次元的に走査されるもので
ある。

次に、電波の到来方向の検出の動作について説明する。

まず、上記のアレーアンテナで差ビームを形成して電波
の到来方向を検出する場合について説明する。この場合
に移相器制御装置（９）は設定位相メモリ（８）に予め
記憶されている、差ビームの零点が方位角と仰角の座標
系でビーム走査する平面に直交する仰角方向に直線的に
連続的に形成されるようなビーム走査方向に対する励振
位相のデータに従って素子アンテナ（１）の各々に接続
された移相器（２）を制御する。このような平面アレー
アンテナ（１０）で電波を受信し、各々の群に接続され
た合成器（１１）の出力を１８０゜ハイブリッド（６）
に入力しΣ端子から和信号、Δ端子から差信号を取り出
す。上記の動作をアンテナビームを走査して行い、それ
ぞれのアンテナビーム走査方向において形成されている
差ビームのレベルと１８０°ハイブリツド（６）のΔ端
子から取り出された差信号を比較して電波の到来方向を
検出する。

上記において、設定位相メモリ（８）に記憶させる励振
位相の演算方法の一実施例について述べる。

まず、評価関数Ｆを次のように設定する。

Ｆ−Σ　（１Σａ１゜・ｅｘｐ（ｊｐ、、ｈ＋ガ、　　
　　　％ ｊｑ。）１２−Ｇｏ。）２　・・・・　（３）ここで、
ｍは差ビームの零点の位置に関する添字で、この位置は
、ビーム走査する平面に直交する方向に直線的にとる。

ｎは素子アンテナの番号に関する添字である。また、ａ
、□２　ｐ、。は、ｎ番目素子のｍ方向のアレー素子電
界の振幅、位相を表す。ｑ、は励振位相で、Ｇ　ｏｍは
差ビームの零点の受信レベルである。この評価関数Ｆを
最小にするように励振位相ｑ、を決定すれば差ビームの
零点の位置がビーム走査する平面に直交する方向に向く
。なお、上記（３）式におけるｑ。の求め方は、上記（
２）式における求め方と同様にできる。

次に、上記のアレーアンテナで和ビームを形成して電波
の到来方向を検出する場合について説明する。この場合
に移相器制御装置（９）は設定位相メモリ（８）に予め
記憶されている、和ビームの頂点が方位角と仰角の座標
系でビーム走査する平面に直交する仰角方向に直線的に
連続的に形成されるようなビーム走査方向に対する励振
位相のデータに従って素子アンテナ（１）の各々に接続
された移相器（２）を制御する。このような平面アレー
アンテナ（１０）で電波を受信し、各々の群に接続され
た合成器（１１）の出力を１８００ハイブリツド（６）
に入力しΣ端子から和信号、Δ端子から差信号を取り出
す。上記の動作をアンテナビームを走査して行い、それ
ぞれのアンテナビーム走査方向において形成されている
和ビームのレベルと１８００ハイブリツド（６）のΣ端
子から取り出された和信号を比較して電波の到来方向を
検出する。

上記において、設定位相メモリ（８）に記憶させる励振
位相の演算方法の一実施例について述べる。

まず、評価関数Ｆを次のように設定する。

Ｆ＝Σ（１Σａ１、・ｅ　ｘ　ｐ　（ｊ　ｐ　Ｎｏ＋轡
し　　　　　・ル ｊｑｏ）１２−Ｇｏ、）２　・・・・　（４）ここで、
ｍは和ビームの頂点の位置に関する添字で、この位置は
、ビーム走査する平面に直交する方向に直線的にとる。

ｎは素子アンテナの番号に関する添字である。また、ａ
ｍ。、ｐ、。は、ｎ番目素子のｍ方向のアレー素子電界
の振幅、位相を表す。ｑｎは励振位相で、ＧＯｍは和ビ
ームの頂点の受信レベルである。この評価関数Ｆを最小
にするように励振位相ｑｎを決定すれば和ビームの頂点
の位置がビーム走査する平面に直交する方向に向く。な
お、上記（４）式におけるｑｏの求め方は、上記（２）
式における求め方と同様にできる。

第３図に以上の動作のフローチャートを示す。

また、第４図は上記の実施例において差ビームを形成し
て電波の到来方向を検出する場合の形成された差ビーム
の方位方向角、仰角方向角に対する受信電力レベルを示
す図である。なお、ここでは正の仰角方向角についてこ
の発明を適用したものである。第４図から差ビームの零
点がビーム走査する平面に直交する方向に向けられてい
ることが分かる。なお、図示を省略したが、上記の実施
例において和ビームを形成して電波の到来方向を検出す
る場合の、形成された和ビームの方位方向角、仰角方向
角に対する受信電力レベルを示す図における和ビームの
頂点についても上記第４図同様に改善される。

従って、上記実施例においては差ビームの形成および和
ビームの形成において、移相器制御装置（９）は予め設
定位相メモリ（８）に記憶されているビーム走査方向に
対する励振位相のデータに従って素子アンテナ（１）の
各々に接続された移相器（２）を制御するので、アンテ
ナビームが走査される平面に直交するビーム走査方向の
平面内の差ビームの零点および和ビームの頂点の放射電
界強度分布を一定にでき、方位角と仰角の座標系で差ビ
ームの零点および和ビームの頂点を連ねた線の湾曲が補
正される。

さらに、第５図および第６図はこの発明のアレーアンテ
ナと従来のアレーアンテナによる電波到来方向の検出誤
差のシミュレーション結果を示す。

なお、第５図は差ビームを形成して電波の到来方向を検
出する場合であり、第６図は和ビームを形成して電波の
到来方向を検出する場合である。これらの結果から、こ
の発明によるアレーアンテナでは、電波の到来方向の検
出精度が大幅に向上でき、特に、差ビームを形成する場
合には改善の程度が大きく、広い仰角範囲に亙り電波到
来方向検出誤差を十分小さくできることが判る。

なお、上記実施例においては差ビームおよび和ビームの
形成に１８０°ハイブリツドを用いた構成例を示したが
、これに限らず、１８０°移相器を用いた構成としても
良い。

［発明の効果コ 以上のようにこの発明によれば、２次元的に配列された
複数個の素子アンテナから成り、アンテナビームが平面
内で１次元的に走査される平面アレーアンテナで、ビー
ム走査方向に対し、アンテナビームが走査される平面に
直交するビーム走査方向の平面内の放射電界強度分布を
一定にするよう補正された励振位相のデータを有する設
定位相メモリを備え、上記設定位相メモリの有する励振
位相のデータに従って各々の素子アンテナの位相を制御
するので、アンテナビームが走査される平面に直交する
ビーム走査方向の平面内の放射電界強度分布を一定にで
き、電波の到来方向の検出を精度良くできるアレーアン
テナを得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のアレーアンテナの一実施例の基本構
成部分を示す構成説明図、第２図はこの発明のアレーア
ンテナの他の実施例を示す構成図、第３図はこの発明の
アレーアンテナの動作を示すフローチャート、第４図は
この発明のアレーアンテナの差ビームの方位方向角、仰
角方向角に対する受信電力レベルを示す図、第５図およ
び第６図はこの発明のアレーアンテナと従来のアレーア
ンテナによるビーム方向の検出誤差のシミュレーション
結果を示す図、第７図は従来例の直線アレーアンテナ・
の構成図、第８図は電波の到来方向検出の一方法の説明
図、第９図は従来例の直線アレーアンテナの動作を説明
するための構成図、第１０図は方位方向角、仰角方向角
に対する差ビームの受信電力を示す図、第１１図は方位
方向角、仰角方向角に対する和ビームの受信電力を示す
図、第１２図は方位・仰角両方の到来方向検出を行う平
面アレーアンテナの構成図である。 図において、（１）は素子アンテナ、（２）は移相器、
（３）は合成器、（４）は位相量演算装置、（５）は移
相器制御装置、（６）は１８０’ハイブリツド、（７）
は平面アレーアンテナ、（８）は設定位相メモリ、（９
）は移相器制御装置、（１０）は平面アレーアンテナ、
（１１）は合成器である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２次元的に配列された複数個の素子アンテナから成り、
   アンテナビームが平面内で１次元的に走査される平面ア
   レーアンテナと、上記素子アンテナの各々に接続された
   移相器と、ビーム走査方向に対し、上記アンテナビーム
   が走査される平面に直交するビーム走査方向の平面内の
   放射電界強度分布を一定にするよう補正された励振位相
   のデータを有する設定位相メモリと、上記設定位相メモ
   リの有するビーム走査方向に対する励振位相のデータに
   従って上記移相器を制御する移相器制御手段とを備えた
   ことを特徴とするアレーアンテナ。