JPH04150303A - アダプティブアンテナ装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、レーダや無線通信分野において主に用いら
れるアダプティブアンテナ装置に関する。

（従来の技術） より高い機能性が求められているレーダや無線通信装置
を複雑化する電波環境の中で実現するため、アンテナ技
術に対して従来とは異なる新しい技術手段か求められて
いる。特に、不要信号により生ずる電波干渉の低減、マ
ルチパス・フェージングの軽減、また所望信号に対する
追尾機能などが重要な技術的課題となってきている。

このような技術的課題に対する解決手段として、アダプ
ティブアンテナの技術が注目されている。

アダプティブアンテナは、アンテナが置かれている電波
環境の状態によりその特性を変化させ、常に電波環境に
対して最適な特性を自動的に実現するものである。これ
は、複数個のアレー素子出力の荷重和をとることにより
その出力を形成するアレーアンテナにおいて、荷重和を
とるための係数をアダプティブループと呼ばれるサーボ
回路により適応的に可変することで実現される。アダプ
ティブループでは、アレー素子出力の荷重和であるアレ
ーアンテナ出力とそれぞれのアレー素子間の相関演算す
ることが重要となる。

従来から提唱されているアダプティブアンテナとしては
、サイドローブキャンセラー型のアダプティブアレーが
よく知られている。すなわち、従来のサイドローブキャ
ンセラー型のアダプティブアレーでは、例えば第６図に
示すように、アレー素子１．２３の出力信号（ディジタ
ル給電回路方式ではこれはディジタル化された信号であ
る）を固定合成器４により荷重合成し、主アンテナ出力
信号と呼ばれる信号５を作り出す。一方、アレー素子１
，２．３の出力信号は、その出力信号自身のいくつか、
または固定合成器４により合成された出力信号により、
補助アレー出力信号と呼ばれる信号６，７を作り出す。

これらの出力信号６゜７を入力とする減算器８、適応信
号処理装置９により構成されるアダプティブループによ
り、干渉信号等が抑圧された出力信号１０を得ることが
できる。

一方、上記で述べたアダプティブアンテナを実際に実現
するため、従来より、アナログ回路を主体とした装置が
用いられていた。しかしながら、既に述べたような機能
を実現するために、また急速なディジタル回路素子技術
の発展を背景に、処理回路をディジタル回路で実現する
ディジタル給電回路方式−が開発され始めている。すな
わち、ディジタル給電回路方式では、それぞれのアレー
素子出力をデジイタル信号に変換し、前記のアレ素子出
力の荷重和回路、サーボ回路をディジタル回路により実
現するものである。

しかし、ディジタル給電回路方式では回路の速度や実装
上の問題により、その回路型式すなわち信号処理アルゴ
リズムにいくつかの制約が存在している。ディジタル給
電回路方式に適した代表的な回路方式（アルゴリズム）
としては、いわゆるシストリック回路型式がある。この
方式では、単位処理素子と呼ばれる多数の演算素子を規
則正しく配列しく例えば、正方形の格子状に配列）、か
つ、信号の伝達を隣接する単位処理素子間に限定するこ
とにより、高速で実装性の優れたディジタル給電回路方
式に適した方法を提供している。

前述のサイトローブキャンセラー、特に補助アレー出力
信号としてアレー素子出力信号自身を使用する、すなわ
ち第６図において固定合成器４がない構成のサイドロー
ブキャンセラーのシストリック回路形式構成については
、従来からいくつかが提案されている。

一方、サイドローブキャンセラーとして、補助アレー出
力信号用の固定合成器を持つ形式についでは、特にレー
ダ等の応用分野において重要性が増している。すなわち
、レーダ等では目標物標の追尾が重要であり、このため
モノパルス技術が用いられている。モノパルス技術にお
いては、主アレーとして、いわゆるデルタパターンと呼
ばれる、主放射パターンの主方向にナル（ｎｕｌｌ）点
を形成することが必須である。ところが、前述の補助ア
レー出力信号としてアレー素子出力信号自身を使用する
サイドローブキャンセラーでは、第６図に示すように、
例えば干渉信号抑圧動作の際に、この主方向のナル点レ
ベルが上昇し、目標物標の追尾機能が激しく劣化する。

このような機能劣化を抑えるためには、サイドローブキ
ャンセラーとして、補助アレーの放射パターンを、主ア
レーの放射パターンの主方向ナル点方向に、同様なナル
点をもつように、補助アレー用固定合成器において形成
すれば良い。より一般的には、補助アレーの放射パター
ンを補助アレー用固定合成器において適切に形成するこ
とが必須となる。

しかしながら、前述したように、上記の補助アレー用固
定合成器を用いたサイドローブキャンセラーについては
、シストリック回路形式を活用しての実現がされていな
かった。すなわち、従来技術においては、ディジタル給
電回路方式として最も実現性の高いシストリック回路形
式を用いて、応用上重要な種類のアダプティブアレーア
ンテナが実現されておらず、ディジタル給電回路方式の
真の意味での有用性が発揮されていなかったといえる。

（発明が解決しようとする課題） このようにアダプティブアンテナ装置においては、補助
アレー用固定合成器を用いたサイドローブキャンセラに
より主放射パターンの主方向にナル点を形成することが
できるが、従来よりこうしたサイドローブキャンセラを
シストリック回路形式により構成することは実現されて
いないため、動作速度や実装面において問題があった。

そこで、この発明は、補助アレー用固定合成器を用いた
サイドローブキャンセラーをシストリック回路形式によ
り実現することができ、高速かつ実装性の優れたアダプ
ティブアンテナ装置を提供することを目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） この発明は、上記課題を解決するため、複数のアレー素
子により構成されるアレーアンテナと、前記各アレー素
子毎に設けられ、それぞれのアレー索子のアレー出力信
号をディジタル信号に変換する複数の信号変換手段と、
前記各信号変換手段毎に設けられておりかつそれぞれが
順次接続されている単位演算素子であって、前記信号変
換手段の出力信号に対し予め定めたアレー位相ウェイト
及び振幅ウェイトを荷重合成しかつ隣接する一方の単位
演算素子から出力される積算アレー出力信号を加算して
なる積算アレー出力信号を出力すると共に、前記信号変
換手段の出力信号に対し前記アレー位相ウェイ！・を荷
重合成した信号から前記隣接する一方の単位演算素子の
出力信号に対し前記アレー位相ウェイトを荷重合成した
信号を減算してなる減算アレー出力信号を出力する単位
演算素子を有し、前記全ての単位演算素子により積算さ
れた積算アレー出力信号を主アレー出力信号として出力
すると共に、前記各単位演算素子の減算アレー出力信号
を補助アレー出力信号として出力する第１のシストリッ
ク回路形式信号処理器と、この第１のシストリック回路
形式信号処理器に縦続接続され、前記主アレー出力信号
主信号とし前記補助アレー出力信号を参照信号とする最
小二乗アルゴリズムに基づき動作する第２のシストリッ
ク回路形式信号処理器とを具備したことを特徴とする。

（作　用） この発明では、第１のシストリック回路形式信号処理器
は、アレー素子出力を予め定めたウェイト値により逐次
荷重合成することにより主アレー出力信号を形成すると
共に、前記アレー素子出力の一部または全てを予め定め
たウェイト値により逐次荷重合成することにより補助ア
レー出力信号を形成しその出力とする。この時、前記補
助アレー出力形成用ウェイト値は、例えば、主アレー出
力放射パターン主方向にナル点を形成するように定める
ものとする。この出力は第２のシストリック回路形式信
号処理器において、主アレー出力信号を主信号、補助ア
レー信号を参照信号とする最小二乗アルゴリズムに基づ
き動作する。すなわち、主アレー出力信号と補助アレー
の出力は適応的に制御されるウェイトより加重合成され
た信号との差（これを誤差信号と称する）を最小とする
ように動作する。アダプティブアレーの最終出力を誤差
信号とすることにより、例えばモル信号の抑圧等ができ
る。また、補助アレー出力の放射パターンの主アレー出
力放射パターン主方向にナル点を形成するように定める
ことにより、最終アレー出力放射パターンとして、主出
力放射パターンの主方向パターンと同様な特性を得るこ
とができる。

（実施例） 以下、この発明の実施例の詳細を図面に基づき説明する
。

第１図はこの発明の一実施例に係るアダプティブアンテ
ナ装置の構成を示す図である。

同図において、１１，１２．１３はアレー索子、１４．
１５．１６はディジタル変換回路を示している。

２０は第１のシストリック回路形式信号処理器を示し、
この第１のシストリック回路形式信号処理器２０は、第
１の単位演算素子２１，２２．２３と、主アレー出力信
号を第２のシストリック回路形式信号処理器に転送する
信号転送器２４とから構成されている。

３０は第２のシストリック回路形式信号処理器を示し、
この第２のシストリック回路形式信号部埋葬３０は、第
２の単位演算素子３１．３２．３３から構成されている
。

また、４１，４２．４３は各アレー素子１１゜１２．１
３から出力されるアレー素子出力信号（ディジタル化さ
れた信号である。）、４４．４５は第１の単位演算素子
２２．２３から出力される補助アレー出力信号、４６は
信号転送器２４から出力される主アレー出力信号を示し
ている。

第２図は上記第１の単位演算素子２１，２２゜２３の詳
細構成を示す図である。

同図において、２０１は位相ウェイト乗算器、２０２は
補助アレー出力信号形成用の減算器、２０３は振幅ウェ
イト乗算器、２０４は主アレー出力信号形成用の加算器
を示している。

第３図は上記第２の単位演算素子３１，３２゜３３の詳
細構成を示す図である。

同図において、３０１は乗算器、３０２は減算器、３０
３は積分器、３０４は相関用乗算器を示している。

ここで、アレー素子出力信号４１，４２．４３のアレー
素子出力信号ベクトルを ｕ”　（ｕ＋＋　　２＋　　０１１ とする。

また、アレー位相ウェイト、振幅ウェイトをそれぞれＳ
　１＋　　ａ＋とすると、主アレー出力信号４６は、 ｈ　３　＝　Σ　　Ｓ　１　ａ　Ｉ　ｕと定義される。

実際のシストリック回路形式を用いるには上記の演算を
次のように書き直す。

ｈ　＋　＝ｈ１−　　＋Ｓ＋　ａ＋　ｕすなわち、主ア
レー出力信号４６は逐次その部分和を演算することによ
り計算される。

この処理は、第２図に示すように、ｉ番目の第１の単位
演算素子に入力されたアレー素子出力信号ｔｚに対し、
位相ウェイト乗算器２０１および振幅ウェイト乗算器２
０３によりそれぞれアレー位相ウェイトＳ、および振幅
ウェイトａｌを加重し、主アレー出力信号形成用加算器
２０４により隣接するｉ−１番目の第１の単位演算素子
より転送された主アレー出力信号の部分和ｈ　＋−＋を
加算して主アレー出力信号の部分和り、を形成し、隣接
するｉ＋１番目の第１の単位演算素子に転送する。これ
を逐次繰り返すことにより、最終的な主アレー出力信号
ｈ３を演算する。

また、第１のシストリック回路形式信号処理器２０では
、上述の主アレー出力信号の形成と同時に、以下に説明
するように補助アレー出力信号４４．４５を形成する。

今、補助アレー出力信号４４．４５の放射パターンは主
アレー出力信号の主放射方向にナル点を持つものとする
。すなわち、補助アレー出力信号は次のように表すこと
ができる。

ｔ　１１−１”　Ｖ　ｌ−Ｉ　　Ｖ この演算は、第２図に示すように、ｉ番目の第１の単位
演算素子において、隣接するｉ−１番目の第１の単位演
算素子より転送されたアレー出力信号Ｖ　ｌ−１とｉ番
目の第１の単位演算素子への入力であるアレー出力信号
ｖ１を、補助アレー出力信号形成用の減算器２０２によ
り減算することにより行われる。

以上説明したように、第１のシストリック回路形式信号
処理器２０において、主アレー出力信号４６および補助
アレー出力信号４４．４５がシストリック回路形式をも
って形成することができる。

この発明では、これらの信号を第２のシストリック回路
形式信号処理器３０において処理することにより、アダ
プティブアンテナの動作をさせることになる。

以下では第２のシストリック回路形式信号処理器３０と
して、グラム−シュミット型信号処理器を用いた例につ
いて説明する。

グラム−シュミット型信号処理器は入力信号をｔ＋　＝
　（ｔ＋＋、ｔ１２＋　　ｊ＋３）出力信号を ｔｓ　−（ｔｉ＋、ｔ３２・　ｔ３３）とすると、その
動作は、 ｔ３ｆｆｉＱｔ。

と表すことができる。ただし、ｊｌｌ＋　　ｊ＋２は補
助アレー出力信号、ｔ１３は主アレー出力信号である。

また、Ｑはグラム−シュミット型信号処理器の変換行列
と呼ばれるもので、グラム−シュミット型信号処理器の
動作を記述する。アダプティブアンテナとしての最終出
力信号は、ｔ３３として得られる。

公知のごとく、グラム−シュミット型信号処理器はシス
トリック形式回路により実現できる。

第１図にその全体の構成を第２のシストリック回路形式
信号処理器として、第３図にその単位演算素子の構成を
第２の単位演算素子として示した。

グラム−シュミット型信号処理器は入力信号（ベクトル
）を逐次直行化していくもので、アダプティブアンテナ
としての最終出力信号はｔ、の要素ｔ３３として得られ
る。

第４図はこの発明の動作放射パターンの特性例を示した
ものである。

同図に示す特性は、レーダに用いられるモノパルス用ア
ンテナ装置について示したもので、第７図に示した従来
のアンテナ装置の特性に比較し、干渉信号抑圧動作の際
に、この主方向のナル点レベルの上昇が抑圧され、十分
な目標物標の追尾機能が得られる放射パターン特性を実
現していることが分かる。

以上述べたように、この発明では、補助アレー出力信号
に、適切な拘束、上記実施例では補助アレー出力信号の
放射パターンが主アレー出力信号の主放射方向にナル点
を持つものとした拘束を付した場合においても、シスト
リック回路形式を以てアダプティブアンテナが実現でき
る。

以上の実施例においては、一つの放射ビームを形成する
アダプティブアンテナ装置、すなわちその出力が一つで
あるアダプティブアンテナ装置について述べたが、通信
・レーダにおいては、多数の放射ビームを形成するマル
チビーム構成を採ることが要求されることがしばしばあ
る。そこで、以下では本発明のアダプティブアンテナ装
置のマルチビーム化を考える。その実施例として、それ
ぞれの放射ビームに対応した第１のシストリック回路形
式信号処理器を全ての放射ビームに共通使用する構成を
説明する。

第５図にその全体構成を示す。

同図において、５０は第１の放射ビームに対応する第１
のシストリック回路形式信号処理器、６０は第２の放射
ビームに対応する第１のシストリック回路形式信号処理
器を示し、第１図に示した要素と同一の要素には同一の
符号を付している。

第１の放射ビームに対応する第１のシストリック回路形
式信号処理器５０では、アレー素子出力信号を第２の放
射ビームに対応する第１のシストリック回路形式信号処
理器６０に転送する必要があるため、第１の単位演算素
子２１，２２．２３にアレー素子出力信号を転送する回
路を設ける必要があり、かつ第２の放射ビームに対応す
る第１のシストリック回路形式信号処理器では、第１の
単位演算素子２１，２２．２３に第１の放射ビームに対
応する補助アレー出力信号を第２のシストリック回路形
式信号処理器３０に転送するための回路を設ける必要が
あるが、第１の単位演算の基本釣な動作、構成は前述の
第１の実施例のそれと大幅な変更はない。

以上述べた実施例により、この発明はマルチビーム構成
が要求される場合においても、その構成規模、複雑度を
増大させることなく、アダプティブアンテナ装置を実現
することができる。

以上述べた２つの実施例では、構成としてシストリック
形式回路を用いてアダプティブアンテナ装置の構成を行
ったが、その具体的な演算順序についての詳細な説明は
行わなかった。すなわち、第１図に示すシストリック形
式回路ではアレー素子出力信号４１．４２．４３を適当
に遅延させ、演算を逐次行うことが一般的であり、この
ことはこの発明においても同様に応用して実施が可能で
ある。

また、実施例として示したシストリック回路形式信号処
理器の第１の単位演算素子２１，２２゜２３、第２の単
位演算素子３１，３２．３３の説明においては、具体的
な回路形式を示しであるが、ディジタル回路ではその回
路実現方法として種々１つ の方法が考えられる。したがって、以上述べた具体的な
回路の構成は、一つの等価回路として理解することがで
き、この発明の実際の装置は、種々の方法、例えばハー
ドウェアとして、またソフトウェアとして実現が可能で
ある。

さらに、以上述べた実施例では、補助アレー出力信号４
４．４５の拘束条件として補助アレー出力信号の放射パ
ターンが主アレー出力信号４６の主放射方向にナル点を
持つものとしたが、この拘束条件は、シストリック回路
形式信号処理器をもって構成できるものであれば、この
発明を用いて実施が可能である。

また、上記の実施例では第２のシストリック回路形式信
号処理器としてグラム−シュミット型信号処理器を用い
て説明したが、その他のいわゆる直交変換回路などを用
いてもこの発明を実現することができる。

さらに、以上述べた実施例では、いわゆる−次元アレー
アンテナについて説明を行ったが、二次元アレーアンテ
ナ等に対してもこの発明が実施可能である。

［発明の効果コ 以上説明したように、この発明によれば、サイドローブ
キャンセラーがその補助アレーの放射パターンに適切な
拘束を課しながら、シストリック形式の構成により実現
できる。これにより、このアンテナを用いるシステム、
例えばレーダモノパルス追尾システムの性能を大幅に向
上させ、かつシストリック回路形式の特徴である高速な
演算機能、ディジタル集積回路としての実現の容易さな
どの利点を持つアダプティブアンテナ装置を提供するこ
とができる。また、ディジタル集積回路としての実現の
容易さにより、移動無線移動局アンテナなど小形化が要
求される分野においても、小形で高い機能を持つアダプ
ティブアンテナ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係るアダプティブアンテ
ナ装置の構成を示す図、第２図は第１図に示す第１の単
位演算素子の構成を示す図、第３図は第１図に示す第２
の単位演算素子の構成を示す図、第４図はこの発明の実
施例によるモノパルス用アダプティブアンテナの動作時
の放射指向性特性例、第５図はこの発明の他の実施例で
あるマルチビームアダプティブアンテナの構成を示す図
、第６図は従来のサイドローブキャンセラ装置の一般的
な構成図、第７図は従来のモノパルス用アダプティブア
ンテナの動作時の放射指向性特性例である。 １１．１２．１３・・・アレー素子、１４，１５゜１６
・・・ディジタル変換回路、２０・・・第１のシストリ
ック回路形式信号処理器、２１，２２．２３・・・第１
の単位演算素子、２４・・・信号転送器、３０・・・第
２のシストリック回路形式信号処理器、３１゜３２．３
３・・・第２の単位演算素子。 出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 複数のアレー素子により構成されるアレーアンテナと、 前記各アレー素子毎に設けられ、それぞれのアレー素子
   のアレー出力信号をディジタル信号に変換する複数の信
   号変換手段と、 前記各信号変換手段毎に設けられておりかつそれぞれが
   順次接続されている単位演算素子であって、前記信号変
   換手段の出力信号に対し予め定めたアレー位相ウェイト
   及び振幅ウェイトを荷重合成しかつ隣接する一方の単位
   演算素子から出力される積算アレー出力信号を加算して
   なる積算アレー出力信号を出力すると共に、前記信号変
   換手段の出力信号に対し前記アレー位相ウェイトを荷重
   合成した信号から前記隣接する一方の単位演算素子の出
   力信号に対し前記アレー位相ウェイトを荷重合成した信
   号を減算してなる減算アレー出力信号を出力する単位演
   算素子を有し、前記全ての単位演算素子により積算され
   た積算アレー出力信号を主アレー出力信号として出力す
   ると共に、前記各単位演算素子の減算アレー出力信号を
   補助アレー出力信号として出力する第１のシストリック
   回路形式信号処理器と、 この第１のシストリック回路形式信号処理器に縦続接続
   され、前記主アレー出力信号主信号とし前記補助アレー
   出力信号を参照信号とする最小二乗アルゴリズムに基づ
   き動作する第２のシストリック回路形式信号処理器と を具備したことを特徴とするアダプティブアンテナ装置
   。