JPH0744377B2

JPH0744377B2 - 電子走査アンテナ装置

Info

Publication number: JPH0744377B2
Application number: JP60065234A
Authority: JP
Inventors: 郁夫鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-03-29
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1995-05-15
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: JPS61224603A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕この発明は、マイクロ波着陸システムに用いられる電子
走査アンテナのビーム指向誤差の監視およびビーム指向
方向の修正を行う電子走査アンテナ装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

マイクロ波着陸システムの地上装置には、角度情報を伝
達するためにビームを往復走査するビーム走査アンテナ
が用いられており、往復走査ビームはモニタによって監
視されている。

第４図は従来より、マイクロ波着陸システムの方位誘導
装置に用いられているビーム走査アンテナおよび往復走
査ビームを監視する装置の系統図である。

この第４図において、ビーム走査アンテナは放射器11₁
〜11_Ｎ、移相器12₁〜12_Ｎ、電力分配器13、移相器制御
データ発生器14から構成される通常の電子走査アンテナ
である。

第５図に示すのは時間とビーム走査角の関係である。な
お、方位角はビーム走査アンテナのボアサイトを零度と
し、上方からビーム走査アンテナを見下したとき、ボア
サイトから時計方向が正、反時計方向が負と定義されて
いる。

往復走査ビームはビーム走査アンテナの前方、方位角θ
_Ｆの方向に設置されたフィールドモニタアンテナ16で受
信される。

また、ビーム走査アンテナには導波管の壁面に高周波電
力の結合孔を穿った、インテグラルモニタマニホールド
15が設けられており、放射器11₁〜11_Ｎに入力する高周
波電力の一部を取り出て合成するか、あるいは放射器11
₁〜11_Ｎから放射された信号を放射器の近傍で受信して
合成し、その左右両端から、空間における方位角θ_Ｌ，
θ_Ｒの方向で受信されるのと等価な信号を出力する。な
お、θ_Ｌ＝−θ_Ｒである。

上記のように、フィールドモニタアンテナ16とインテグ
ラルモニタマニホールド１によって三つの方位角におけ
る受信信号が得られる。これら三つの信号は信号検出器
17₁,17₂,17₃によって検波、増幅される。これらのビデ
オ出力は角度検出器18に導かれ、第５図に示すように、
往復ビームの時間間隔Ｔが計測され、時間対ビーム走査
角の関係から方位角θが求められる。

ここで得られた三つの方向の方位角のデータはデータ処
理器20に送られ、所期の基準値θ_Ｆ，θ_Ｌ，θ_Ｒと比較
され、角度誤差が求められる。

このデータ処理器20には、通常マイクロプロセッサが用
いられており、角度誤差の平均化処理、ノイズ分析など
の処理が行われている。ここで処理されたデータはデー
タ表示装置やデータ印字装置などへ送られる。

なお、標準ビデオ発生器19で受信ビデオと同等のビデオ
を発生させ、このビデオを上記ビーム走査アンテナの送
信休止期間中に角度検出器18に入力し、角度検出器の動
作を監視している。

〔背景技術の問題点〕

マイクロ波着陸システムにおいては、ビーム走査アンテ
ナから伝達される角度情報は非常に正確であることが要
求されるため、ビーム指向誤差は非常に小さくしなけれ
ばならない。

一般に、電子走査アンテナにおいては、温度の変化によ
って、放射器を取り付けている部材が伸縮するため、放
射器の配列間隔が変化してビーム指向誤差が生じる。

また、電力分配器13の入力端から各放射器11₁〜11_Ｎへ
至る給電線路の遅延位相は温度によって変化し、ビーム
走査アンテナ内部の温度が均一でないと、上記各給電線
路の遅延位相の変化が一様でなくなり、放射器の相対励
振位相に誤差を生じるため、ビーム指向誤差が生じる。

そこで、マイクロ波着陸システムにおいては、ビーム走
査アンテナ内部の温度を一定に保つために空調機を用い
るか、あるい放射器11₁〜11_Ｎを取り付ける部材および
インテグラルモニタマニホールド15に熱膨張係数の非常
に小さい特殊金属をい、かつ、ビーム走査アンテナ内部
の空気を循環させる機構を設けるなどの方策が講じられ
ていた。

このため、ビーム走査アンテナは高価なものとなるとと
もに、空調機あるいは空気循環機構に用いられる回転機
の定期的な交換作業も必要となるという欠点があった。

また、いかに熱膨張係数の小さい材料を用いても、ビー
ム指向誤差を完全になくすことは不可能であり、また、
インテグラルモニタマニホールド15の伸縮も完全になく
すことはできないために、インテグラルモニタマニホー
ルド15自体に起因する検出角度誤差が生じるという欠点
があった。

〔発明の目的〕

この発明は、上記従来の欠点を除去するためになされた
もので、空調機あるいは特殊材料、空気循環機構を用い
ることなしに、ビーム指向誤差を抑制することのできる
電子走査アンテナを提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

この発明の電子走査アンテナ装置は、複数の放射器を配
列しかつ電力分配器から各放射器に至る給電線路の位相
を移相する移相器を有する電子走査アンテナにより複数
の方向にビームを形成してそれぞれのビーム指向誤差を
検出し、検出された複数のビーム指向誤差相互の関係を
利用して、複数の方向におけるビーム指向誤差を、放射
器配列間隔の伸縮、放射器励振位相の変動、ボアサイト
の機械的変位を含むビーム指向誤差発生要因別の成分に
分離し、分離要因別のビーム指向誤差成分がなくなるよ
うに上記移相器のそれぞれの移相量を制御することで、
ビーム指向誤差を抑圧するものである。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の電子走査アンテナ装置の実施例につい
て図面に基づき説明する。第１図はその一実施例の系統
図であり、この第１図において、第４図と同一部分には
重複説明を避けるために同一符号を付してその構成の説
明を省略し、第４図とは異なるる部分を主体にして述べ
る。

この第１図では、第３図の構成に新たにデータ出力入力
回路21、データ入力回路22が付加されたものであり、デ
ータ処理器20でのデータ処理計算結果をデータ出力回路
21、データ入力回路22を通して移相器制御データ発生器
14に送出するようにしている。

このように構成することによってデータ処理器20におい
て、検出角度誤差の原因となるビーム指向誤差の要因を
分離し、各要因によって生じるビーム指向誤差成分をな
くすように、移相器制御データ発生器14において発生さ
れる移相器制御データを修正するようにしている。

次に、この発明の電子走査アンテナ装置の動作について
ビーム指向誤差の要因を分離離する場合およびインテグ
ラルモニタホールド自体に起因する検出角度誤差を除去
する場合について説明する。

電子走査アンテナの放射パターンは次式で与えられる。

なお、ビームをθｓ方向に指向させるためのφ（ｎ）は
次式で与えられる。

φ（ｎ）＝−nkdsinθｓ ……（２）ここで、温度が変わったことにより、放射器配列間隔ｄ
が（１＋α）ｄになったとする。このとき、放射器励振
位相を変えないとすると、放射パターンは次式で与えら
れる。

このとき、ビーム指向誤差をΔθとすると、（１＋α）sin（θｓ＋Δθ）＝sinθｓ ……（４）という関係が成り立つから、Δθは次のようになる。

Δθ−αtanθｓ ……（５）また、給電線路の温度が不均一になったために、放射器
11₁〜11_Ｎの相対励振位相にΔφ（ｎ）なる誤差を生じ
たとすると、このときの放射パターンは次式で与えられ
る。

ここで、Δφ（ｎ）はθとθｓに依存しないから、第２
図に示すように、sinθ−sinθｓを横軸にとったとき、
Δφ（ｎ）によってE₂（θ）のビーム指向方向がE
₀（θ）のビーム指向方向からΔｕだけずれたとする
と、このずれΔｕは第３図に示すようにsinθ軸上で不
変である。したがって、θｓ＝０のとき、実角θ上のE₂
（θ）のビーム指向方向がE₀（θ）のビーム指向方向か
らΔθ_０だけずれるとすると、 Δｕ＝sinΔθ_０ ……（７）となり、また、θｓ方向におけるE₀（θ）に対するE
₂（θ）のビーム指向方向のずれをΔθとすると、 sin（θｓ＋Δθ）−sinθｓ＝Δｕ ……（８）という関係が成り立つから、Δθは次のようになる。

なお、上記の説明では移相器12₁〜12_Ｎの量子化位相誤
差および移相器の製造誤差による移相量誤差を省略した
が、通常、実用に供せられている移相器が有する程度の
誤差を考慮した場合も上記と同じ結果が得られることは
容易に確められよう。

次に、インテグラルモニタマニホールド15の出力から検
出される方位角θは放射波とインテグラルモニタマニホ
ールド15の結合位相に対して次の（11）式または（12）
式で与えられる。

ここで、λｇはインテグラルモニタマニホールド15に用
いられる導波管の管内波長である。なお、λ_０とｄは
（１）式で用いているものと同じである。

（11），（12）式の両式とも正の符号は第１図において
インテグラルモニタマニホールド15の右側から出力され
る信号に対応し、負の符号は左側から出力される信号に
対応する。

いま、温度変化によってｄが（１＋α）ｄになり、イン
テグラルモニタマニホールド15の内径も（１＋α）倍に
なったとすると、インテグラルモニタマニホールド15の
管内波長λｇ′は次のようになる。

なお、ａはインテグラルモニタマニホールド15の内径の
矩形の長い方の辺の長である。

検出方位角が（11）式で与えられる場合、温度変化によ
って検出方位角がΔθだけずれたとすると、という関係が成り立つから、Δθは次のようになる。

である。

検出方位角が（12）式で与えられる場合も同様に、Δθ
は次のようになる。

である。

（17），（18）式と、（20），（21）式の複号はそれぞ
れ（11）式、（12）式と同順である。すなわち、正の符
号は第１図において、インテグラルモニタマニホールド
15の右側から出力される信号に対応し、負の符号は左側
から出力される信号に対応する。

次に、ビーム走査アンテナの機械軸が変動して、ボアサ
イトがΔθ_Ｂだけずれたとすると、ビーム指向誤差は方
位角に無関係に一律にΔθ_Ｂとなる。ただし、この誤差
はビーム走査アンテナと一体となっているインテグラル
モニタマニホールドの出力には現われない。

放射器配列間隔の伸縮、放射器励振位相誤差、インテグ
ラルモニタマニホールド15の伸縮、ボアサイトの機械的
変位によるビーム指向誤差あるいは検出方位角の誤差は
上記の通りであるから、フィールドモニタアンテナ、イ
ンテグラルモニタマニホールドの出力信号から得られる
検出方位角のずれ、Δθ_Ｆ，Δθ_Ｒ，Δθ_Ｌは次式で表
われる。なお、Δθ_ＲとΔθ_Ｌはインテグラルモニタマ
ニホールドの右端と左端の出力信号に対応する。

第１図において、インテグラルモニタマニホールド15の
右側から出力される信号に対応し、負の符号は左側から
出力される信号に対応する。

放射器配列間隔の伸縮、放射器励振位相誤差、インテグ
ラルモニタマニホールド15の伸縮、ボアサイトの機械変
位によるビーム指向誤差あるいは検出方位角の誤差は上
記の通りであるから、フィールドモニタアンテナ、イン
テグラルモニタマニホールドの出力信号から得られる検
出方位角のずれ、Δθ_Ｆ，Δθ_Ｂ，Δθ_Ｌは次式で表わ
される。なお、Δθ_ＲとΔθ_Ｌはインテグラルモニタマ
ニホールドの右端と左端の出力信号に対応する。

上記の（23）式の右辺の括弧の中にはビーム指向誤差成
分の和であり、括弧の前に負の符号が付いているのは、
第５図に示した角度検出法から、検出方位角の誤差はビ
ーム指向誤差と符号が逆になるためである。また、（2
4），（25）式の右辺第２項に負の符号が付いているの
も同じ理由による。

（23），（24），（25）式から、α，Δθ_Ｏ，Δθ_Ｂを
求めると次のようになる。

ここで、（24），（25）式の右辺第１項はインテグラル
モニタマニホールドの伸縮に起因するものであり、これ
を除いたものがビーム指向誤差による検出方位角の誤差
となる。これをΔθ_Ｒ′，Δθ_Ｌ′とすると次のように
なる。

上記のように、（23），（24），（25）式に示した三つ
の方位角における受信信号による検出方位角の誤差の関
係から、（26），（27），（28）式に示すようにビーム
指向誤差の要因を分離することができる。

これらを（23），（24），（25）式の右辺の各項に代入
することによって、ビーム指向誤差あるいは検出方位角
の誤差を発生要因別に求めることができる。

また、（29）式に示すように、インテグラルモニタマニ
ホールドの伸縮による検出方位角の誤差を除去できる。

これらの計算をデータ処理器20で行い、計算結果を表示
器（図示せず）などへ出力するとともに、上記のα，Δ
θ_Ｏ，Δθ_Ｂを、データ出力回路21、データ入力回路22
を介して、移相器制御データ発生器14へ入力し、以下に
説明するように、ビーム指向誤差を修正する。

移相器制御データ発生器14では、通常、移相器12₁〜12
_Ｎに与える位相データφｐ（ｎ）を次のように計算して
いる。

φｐ（ｎ）＝−nkdsinθｓ＋φｆ（ｎ） ……（30）ここで、φｆ（ｎ）は電力分配器13の入力端から各放射
器11₁〜11_Ｎに至る給電線路の相対遅延位相の差を補正
するための位相である。

上記の各種要因によって生じたビーム指向誤差を修正す
るために、（30）式を次のように補正する。

φ′ｐ（ｎ）＝−nkd′sinθ′ｓ＋φ′ｆ（ｎ） ……
（31）ここで、ｄ′＝（１＋α）ｄ ……（32） θ′ｓ＝θｓ−Δθ_Ｂ ……（33） φ′ｆ（ｎ）＝φｆ（ｎ）＋nkd′Δθ_Ｏ ……（34）である。

上記の（32）式は放射器配列間隔の補正、（33）式はボ
アサイトの機械的変位の補正であり、（34）式の右辺第
２項は放射器励振移相の誤差によって生じたビーム指向
誤差を修正するために付加する位相の傾きである。

上記の補正によってビーム指向誤差が修正されることは
明らかであろう。なお、（33）式に示す補正によって、
空間においては、ボアサイトの変動によって生じたビー
ム指向誤差成分は修正されるが、ビーム走査アンテナと
一体となっているインテグラルモニタマニホールド15の
出力信号から検出される方位角には、逆に、Δθ_Ｂなる
誤差が生じるので、データ処理器20において、（29）式
のΔθ_Ｒ′，Δθ_Ｌ′を次のように補正する。

なお、上記の実施例では角度検出器18の角度検出誤差を
省略したが、この誤差は標準ビデオを使った動作監視に
よって求められ、これによって（23），（24），（25）
式のΔθ_Ｆ，Δθ_Ｒ，Δθ_Ｌを補正できることは勿論で
ある。

上記の実施例ではフィールドモニタアンテナとインテグ
ラルモニタマニホールドを併用した場合について説明し
たが、異なる３方向における検出方位角の誤差が得られ
れば、（23），（24），（25）式と同様の関係によって
ビーム指向誤差の要因を分離し、これに基づいてビーム
指向誤差を修正できるから、３方向ともフィールドモニ
タアンテナで受信してもよいことは勿論である。

また、上記の実施例では導波管構造のインテグラルモニ
タマニホールド15を使った場合について説明したが、導
波管以外の伝送路を利用した形式についても適用できる
ことは勿論である。

さらに、上記の実施例では、ビーム指向誤差の三つの要
因を分離するために３方向における受信信号を用いてい
るが、ビーム指向誤差の要因が上記三つのうちのあるも
のに限定されることが予め十分保証されている場合に
は、受信方位角はこの要因の数だけあればよい。

ただし、ボアサイトの機械的変位を求めるためには、フ
ィールドモニタアンテナで受信する必要があることは勿
論である。

上記の実施例ではボアサイトを中心にして、ビームを左
右両方向に走査する方位誘導用のビーム走査アンテナに
ついて説明したが、高低誘導用のビーム走査アンテナの
ように、ビームをボアサイトより上方にしか走査しない
場合には、１本のインテグラルモニタマニホールドで得
られる信号による検出角は１方向だけなので、インテグ
ラルモニタマニホールドによって２方向の検出角を得た
場合にはインテグラルモニタマニホールドを２本設けれ
ばよい。

上記の実施例では、ボアサイトの機械的な変位Δθ_Ｂを
補正するために（33）式に示すようにビーム走査角を補
正したが、第５図に示す時間対ビーム走査角の関係か
ら、ビーム走査のタイミングを変えることによってもΔ
θ_Ｂを補正できることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明の電子走査アンテナ装置によ
れば、電子走査アンテナのビーム指向誤差の各種要因を
求め、これに基づいてビーム指向誤差を修正できるの
で、空調機、特殊金属、空気循環機構を使用することな
く、ビーム指向誤差を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】第１図はこの発明の電子走査アンテナ装置の一実施例の
系統図、第２図および第３図はそれぞれ同上電子走査ア
ンテナ装置における放射器励振位相の誤差によるビーム
指向誤差を説明するための図、第４図は従来の電子走査
アンテナ装置の系統図、第５図は従来の電子走査アンテ
ナ装置における時間とビーム走査角の関係および往復走
査ビームから角度を検出する原理を説明するための図で
ある。 11₁〜11_Ｎ……放射器、12₁〜12_Ｎ……移相器、13……電
力分配器、14……移相器制御データ発生器、15……イン
テグラルモニタマニホールド、16……フィールドモニタ
アンテナ、17₁〜17₃……信号検出器、18……角度検出
器、19……標準ビデオ発生器、20……データ処理器、21
……データ出力回路、22……データ入力回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の放射器を配列しかつ電力分配器から
各放射器に至る給電線路の位相を移相する移相器を有す
る電子走査アンテナにより複数の方向にビームを形成し
てそれぞれのビーム指向誤差を検出するビーム指向誤差
検出手段と、この手段で検出された複数のビーム指向誤差相互の関係
を利用して、上記複数の方向におけるビーム指向誤差
を、上記放射器配列間隔の伸縮、放射器励振位相の変
動、ボアサイトの機械的変位を含むビーム指向誤差発生
要因別の成分に分離するデータ処理手段と、このデータ処理手段で分離される要因別のビーム指向誤
差成分を入力してそれぞれの誤差成分がなくなるように
上記移相器のそれぞれの移相量を制御する移相器制御手
段とを具備する電子走査アンテナ装置。
【請求項２】上記ビーム指向誤差検出手段は、上記電子
走査アンテナによるビーム形成時に空間における受信と
等価な信号を合成出力するモニタマニホールドを用いて
前記複数のビーム指向誤差の少なくとも一つを検出し、上記データ処理手段は、上記放射器配列間隔の伸縮率に
上記モニタマニホールドの物理的諸元によって定まる一
定の定数を乗じた結果を上記ビーム指向誤差検出手段で
検出されたビーム指向誤差に加算することで、上記モニ
タマニホールド自体に起因するビーム指向誤差の検出誤
差を除去する機能を有することを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の電子走査アンテナ装置。
【請求項３】上記移相器制御手段は、上記移相器それぞれに与える移相器制御データに、上記
放射器配列間隔の伸縮率から求まる伸縮分を加えること
で、上記放射器配列間隔の伸縮によるビーム指向誤差成
分を補正し、上記移相器それぞれに与える移相器制御データに、上記
放射器励振位相の変動によるビーム指向誤差成分のボア
サイトにおける値と空間における高周波の伝播定数と放
射器番号とを乗じた結果を加えることで、上記放射器励
振位相の変動によるビーム指向誤差成分を補正し、上記ボアサイトの機械的変位によるビーム指向誤差成分
をビーム指向角から減じる、あるいは上記ボアサイトの
機械的変位によるビーム指向誤差成分を基にビーム走査
タイミングを変更することで上記ボアサイトの機械的変
位によるビーム指向誤差成分を補正することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の電子走査アンテナ装置。