JPH10209750A - Dbfアンテナ装置 - Google Patents

Dbfアンテナ装置

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JPH10209750A
JPH10209750A JP9013993A JP1399397A JPH10209750A JP H10209750 A JPH10209750 A JP H10209750A JP 9013993 A JP9013993 A JP 9013993A JP 1399397 A JP1399397 A JP 1399397A JP H10209750 A JPH10209750 A JP H10209750A
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勉 渡部
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハードウェアの回路規模を増大させることな
く、同時形成ビーム数の増加を実現できるDBFアンテ
ナ装置を提供する。 【解決手段】 本発明のDBFアンテナ装置は、複数の
アンテナ素子11〜1iから構成されるサブアレイSB
をk個配列することによりアレイアンテナを構成してい
る。各サブアレイSB1〜SBkで合成したm個のディ
ジタルI/Q信号はサブアレイビーム出力回路811〜
81m,…,8k1〜8kmに入力され、サブアレイビ
ーム#11〜#1m,…,#k1〜#kmが形成され
る。サブアレイビーム出力回路811〜81m,…,8
(k−1)1〜8(k−1)mは次段のサブアレイにデ
ータをバイパスする機能も有しており、全てのアンテナ
素子11〜1nを用いた合成ビームをk番目のサブアレ
イSBkから出力することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、DBF(Digital
Beam Forming:デジタルビームフォーミング)方式を用
いたアンテナ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、レーダ等に用いられるアンテ
ナ装置にあっては、DBF方式を用いたフェーズドアレ
イアンテナの開発が進められている。DBF方式はアン
テナ素子で受信された受信信号をそれぞれディジタル変
換し、振幅位相制御した後、加算することによってビー
ム出力を得る方式である。この方式を用い、高精度な振
幅位相制御を行うことにより、特に低サイドローブ化が
可能となる。また、各アンテナ素子から得られたディジ
タル信号を分配し、それぞれ独立に合成することによ
り、マルチビーム形成が可能となる。
【0003】従来のDBF方式を用いたフェーズドアレ
イアンテナの構成例を図5を用いて説明する。図5にお
いて、n個のアンテナ素子11〜1nはそれぞれ外部か
ら到来する電波を受信するもので、その受信信号はそれ
ぞれ受信モジュール21〜2nで低雑音増幅され、周波
数変換器31〜3nでIF(中間周波数)信号に周波数
変換される。そして、A/D変換器41〜4nでデジタ
ル信号に変換され、デジタル位相検波器51〜5nでI
/Q直交検波により位相変化分に相当する複素ビデオ信
号Is,Qsとなって遅延回路61〜6nに供給され
る。
【0004】各遅延回路61〜6nには、第1段目から
第n段目までの遅延時間が順にτずつ増加するように設
定されている。各遅延回路61〜6nでそれぞれ遅延さ
れた複素ビデオ信号Is,Qsは、それぞれm分配され
てm系列のビーム合成回路711〜71m,721〜7
2m,731〜73m,…,7n1〜7nmに供給され
る。
【0005】上記ビーム合成回路711〜71m,72
1〜72m,731〜73m,…,7n1〜7nmはい
ずれも同構成であり、それぞれ入力した複素ビデオ信号
Is,Qsをそれぞれ所望のビーム形状、方向に応じた
複素ウェイトと複素乗算し、前段からのビーム合成出力
(第1段目のビーム合成回路711〜71mには“0”
が入力される)と加算して出力する。
【0006】このようにして最終段のビーム合成回路7
n1〜7nmから得られる出力信号は、合成ビームの受
信信号となる。以上のビーム合成方式の構成は一般にシ
ストリックアレイと呼ばれている。
【0007】ここで、上記ビーム合成回路(711〜7
1m,721〜72m,731〜73m,…,7n1〜
7nm)の構成例を図6に示す。このビーム合成回路は
複素乗算器A1と複素加算器A2,A3とから構成され
る。複素乗算器A1は、所望の遅延時間だけ遅延された
デジタルI/Q信号IS,QSに外部から与えられる所望
のビーム形状に応じた複素ウェイト(W=WI+jWQ
を複素乗算するもので、その演算出力I1,Q1はそれぞ
れ前段のビーム合成回路の出力であるデジタルI/Q信
号IIN,QINと複素加算器A2,A3により加算され、
ビーム合成信号IOUT,QOUTとして次段のビーム合成回
路に出力される。
【0008】I/Q信号の入出力の関係は下式に示され
る。 I1=ISI−QSQ …(1) Q1=ISQ+QSI …(2) IOUT=I1+IIN=ISI−QSQ+IIN …(3) QOUT=Q1+QIN=ISQ+QSI+QIN …(4) 一方、前述の遅延回路61〜6nはパイプライン式に信
号が送られることによる処理遅延時間を補正するための
ものであり、次段に信号を転送することに要する基準遅
延時間をτとすると、各遅延回路61〜6nで設定され
る遅延時間はτ,2τ,3τ,…,nτとなり、合成ビ
ームが得られるまでの遅延時間はnτとなる。また、初
段のビーム合成回路711〜71mには初期値としてI
/Qいずれにも“0”が入力される。
【0009】ここで、例えばm本の合成ビームを形成す
るには、遅延回路から出力されるディジタルI/Q信号
をm個に分割し、その分割数(m)だけのビーム合成回
路をアンテナ素子数(図5ではn素子)分だけ持つ必要
がある。したがって、合計m×n個のビーム合成回路が
必要となる。言い換えれば、m×n個のビーム合成回路
を有したn素子のアレイアンテナではマルチビーム数は
m個となる。
【0010】ところで、近年のレーダでは、同時多目標
処理能力の向上や広い覆域を高いデータレートで捜索す
る等の要求がある。この要求を実現するためには、同時
形成ビーム数(マルチビーム数)を増加させる必要があ
る。
【0011】しかしながら、上述のような従来のDBF
アンテナ装置の場合には、同時形成ビーム数の増加に比
例してハードウェアの回路規模も増加してしまうという
問題があった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来のDBFアンテナ装置では、同時形成ビーム数を増加
させるとハードウェアの回路規模が比例して増加すると
いう問題がある。本発明は上記の課題を解決するために
なされたもので、ハードウェアの回路規模を増大させる
ことなく、同時形成ビーム数の増加を実現できるDBF
アンテナ装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るDBFアンテナ装置は、以下のように構
成される。 (1)電波を受信する複数のアンテナ素子、これら複数
のアンテナ素子毎に設けられ、対応するアンテナ素子の
受信信号を周波数変換した後、デジタル化して位相検波
する複数の信号処理回路、これらの信号処理回路の検波
出力を加算合成してサブアレイビームを形成するビーム
形成手段を備える複数のサブアレイと、前記複数のサブ
アレイの各サブアレイビーム出力信号を加算合成して合
成ビームを形成する合成ビーム形成手段とを具備する。
【0014】(2)(1)の構成において、前記複数の
サブアレイのビーム形成手段は、それぞれ前記複数の信
号処理回路の出力を、シストリックアレイ方式により順
次伝送遅延時間だけ信号遅延して重み付け加算すること
でサブアレイビームを形成する。
【0015】(3)(1)の構成において、前記複数の
サブアレイのビーム形成手段は、前記複数の信号処理回
路の出力を複数系統に分配して、各系統の分配出力をそ
れぞれ独立に重み付け加算することにより、各サブアレ
イにおいて複数のサブアレイビームを形成し、前記合成
ビーム形成手段は、前記複数のサブアレイで得られる複
数のサブアレイビーム出力信号を系統別に加算合成して
複数の合成ビームを形成する。
【0016】(4)(1)の構成において、前記合成ビ
ーム形成手段は、前記複数のサブアレイのサブアレイビ
ーム出力信号を次段のサブアレイのビーム形成手段に入
力し、最終段のサブアレイの出力を合成ビーム出力信号
とする。
【0017】(5)(4)の構成において、前記合成ビ
ーム形成手段は、前記複数のサブアレイ毎に設けられ、
外部からの合成ビーム形成指示入力に応じて自段のサブ
アレイのサブアレイビーム出力信号を次段のサブアレイ
のビーム形成手段に切換入力して合成ビームの形成に共
する。
【0018】(6)(1)の構成において、前記合成ビ
ーム形成手段は、前記複数のサブアレイのサブアレイビ
ーム出力信号を分配し、その分配出力を加算合成するこ
とで合成ビームを形成する。
【0019】(7)(6)の構成において、前記合成ビ
ーム形成手段は、前記分配出力をシストリックアレイ方
式により順次伝送遅延時間だけ信号遅延してから加算合
成する。
【0020】(8)(6)の構成において、前記合成ビ
ーム形成手段は、前記複数のサブアレイの各出力をそれ
ぞれ重み付け加算して合成ビームを形成する。 (9)(6)の構成において、前記合成ビーム形成手段
は、合成ビーム形成時に複数のサブアレイにおけるビー
ム形成手段のウェイトを所望の合成ビームに合わせて制
御し、各サブアレイのサブアレイビーム出力信号を加算
合成する。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、図1乃至図4を参照して本
発明の実施の形態を詳細に説明する。 (第1の実施形態)図1は本発明に係るDBFアンテナ
装置(フェーズドアレイアンテナ)の第1の実施形態の
構成を示すものである。但し、図1において図5と同一
部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分を
中心に説明する。
【0022】図1において、サブアレイSB1〜SBk
はn系統のアンテナ受信系をk分割したもので、各サブ
アレイSB1〜SBkはそれぞれi系統のアンテナ受信
系を備える。図では第1番目のサブアレイSB1のみそ
の内部構成を代表して示しているが、他のサブアレイS
B2〜SBkも全く同一の構成である。
【0023】サブアレイSB1において、各アンテナ受
信系のアンテナ素子11,12,…,1iで受信された
信号は受信モジュール21,22,…,2iで低雑音増
幅され、周波数変換器31,32,…,3iでIF信号
に周波数変換された後、A/D変換器41,42,…,
4iでデジタル信号に変換される。そして、デジタル位
相検波器51,52,…,5iでI/Q直交検波されて
複素形式のI/Q信号に変換され、遅延回路61,6
2,…,6iでτ,2τ,…,iτだけ遅延される。
【0024】それぞれの遅延出力は、さらにm個のビー
ム合成回路711〜71m,721〜72m,…,7i
1〜7imに分配され、重み付け加算により前段のビー
ム合成出力と加算される。ここで、ビーム合成回路71
1〜71m,721〜72m,…,7i1〜7imの構
成は、図6に示したものと同様であり、ここでの説明は
省略する。
【0025】このようにして最終段のビーム合成回路7
i1〜7imからアンテナ素子数i個分だけ重み付け加
算されて出力されるm系統のI/Q信号は、サブアレイ
SB1のビーム出力としてそれぞれサブアレイビーム出
力回路811〜81mに供給される。
【0026】これらのサブアレイビーム出力回路811
〜81mは、図2(a)に示すように、切換スイッチS
1,S2を外部からの制御信号に応じて切り替えること
で、サブアレイSB1からのデジタルI/Q信号IIN
INをそれぞれサブアレイビーム出力ISUB,QSUB(#
11〜#1m)とするか、合成ビームを生成するために
バイパスしてその出力IOUT,QOUTを次段のサブアレイ
SB2の初段のビーム合成回路に送るかを選択するもの
である。
【0027】2段以降のサブアレイSB2〜SBkの出
力も同様であり、それぞれm系統のI/Q信号はサブア
レイビーム出力回路821〜82m,831〜83m,
…,8k1〜8kmに供給され、選択的にサブアレイビ
ーム出力#21〜#2m,#31〜#3m,…,#k1
〜#kmまたは合成ビーム出力#1〜#mとなる。
【0028】すなわち、本実施形態のアンテナ装置は、
複数のアンテナ素子11〜1iから構成されるサブアレ
イSBをk個配列することによりアレイアンテナを構成
している。各サブアレイSB1〜SBkで合成したm個
のディジタルI/Q信号はサブアレイビーム出力回路8
11〜81m,…,8k1〜8kmに入力され、サブア
レイビーム#11〜#1m,…,#k1〜#kmが形成
される。サブアレイビーム出力回路811〜81m,
…,8(k−1)1〜8(k−1)mは次段のサブアレ
イにデータをバイパスする機能も有しており、全てのア
ンテナ素子11〜1nを用いた合成ビームをk番目のサ
ブアレイSBkから出力することができる。
【0029】上記構成において、サブアレイビーム出力
回路811〜81m,…,8k1〜8kmに切換制御信
号によりサブアレイビーム出力を選択させた場合には、
各サブアレイSB1〜SBkからm個のビームが得られ
るため、合計m×k個のサブアレイビーム出力が得られ
る。また、上記の切換制御信号により合成ビーム出力を
選択した場合はm個の合成ビームが得られる。
【0030】したがって、本実施形態によるDBFアン
テナ装置は、図5に示した従来構成と比較してわかるよ
うに、ハードウェアの回路規模を増大させることなく、
同時形成ビーム数の増加を実現することができる。
【0031】尚、上記実施形態において、ビーム合成時
には、全てのサブアレイSB1〜SBk中でアンテナ素
子11〜1nの受信出力に対する遅延時間を、第1番目
から順にτずつ増加させる必要がある。
【0032】また、各サブアレイSB1〜SBkのビー
ム出力は、第1段目から順にiτずつずれている。この
ため、サブアレイビーム出力回路811〜81m,…,
8k1〜8kmの内部において、図2(b)に示すよう
に、スイッチS1,S2のサブアレイビーム出力経路に
遅延回路Dを設け、第1段目から順に(k−1)iτ,
(k−2)iτ,…,(k−n)iτだけサブアレイビ
ーム出力を遅延させれば、全段のサブアレイビームを同
時に出力することができ、後段の信号処理の軽減を図る
ことができる。
【0033】(第2の実施形態)図3は本発明に係るD
BFアンテナ装置の第2の実施形態の構成をしめすもの
である。尚、図3において、図1と同一部分には同一符
号を付して示し、ここでは異なる部分について説明す
る。
【0034】まず、本実施形態のDBFアンテナ装置
は、第1の実施形態と同様に、n系統のアンテナ受信系
をk分割したサブアレイSB1〜SBkを備える。各サ
ブアレイSB1〜SBkの構成は第1の実施形態の構成
と同じであるが、各サブアレイ内のアンテナ受信系の遅
延時間は第1番目から順にτ,2τ,3τ,…,iτと
する。また、各サブアレイSB1〜SBk内の初段のビ
ーム合成回路における加算器には、初期値としてI/Q
とも“0”が入力される。
【0035】各サブアレイSB1〜SBkのm系統のI
/Q出力はそれぞれ信号分配回路911〜91m,92
1〜92m,931〜93m,…,9k1〜9kmによ
って2系統に分配され、一方はサブアレイビーム#11
〜#1m,#21〜#2m,#31〜#3m,…,#k
1〜#kmとして出力され、他方は遅延回路1011〜
101m,1021〜102m,1031〜103m,
…,10k1〜10kmによりそれぞれτ,2τ,3
τ,…,kτだけ遅延された後、ビーム合成回路111
1〜111m,1121〜112m,1131〜113
m,…,11k1〜11kmに供給される。
【0036】各ビーム合成回路はいずれも図6に示した
ものと同構成でよく、自段のサブアレイビーム出力を複
素ウェイトで重み付けし、前段のビーム合成回路の出力
(初段は“0”)と加算する。最終段のビーム合成回路
11k1〜11kmの出力は合成ビーム#1〜#mとし
て取り出される。
【0037】ここで、前述の遅延回路1011〜101
m,1021〜102m,1031〜103m,…,1
0k1〜10kmはパイプライン式に信号が送られるこ
とによる処理遅延時間を補正するためのものである。ま
た、初段のサブアレイSB1に対応するビーム合成回路
1111〜111mの加算器には初期値としてI/Qと
も“0”が入力される。
【0038】本実施形態の構成の場合、図1の第1の実
施形態の構成に比べ、回路構成は複雑であるものの、サ
ブアレイビーム出力(m×k個)と合成ビーム出力(m
個)を切換制御することなく常時に得られるようにな
る。
【0039】また、第1の実施形態の回路構成では、合
成ビームが得られるまでの遅延時間が、次段に信号を転
送することに要する基準遅延時間をτとすると、 nτ=(k×i)τ で示され、アンテナ素子数(n=k×i)に依存する。
【0040】これに対して、本実施形態の場合には、サ
ブアレイ内の素子数(i)とサブアレイの数(k)の和
に依存し、 (k+i)τ となる。したがって、本実施形態の構成によれば、合成
ビームが得られるまでの遅延時間を短縮することができ
る。
【0041】尚、本実施形態の構成では、ビーム合成回
路1111〜111m,1121〜112m,1131
〜113m,…,11k1〜11kmにおいて、自段の
I/Q信号を重み付けするようにしたが、各サブアレイ
SB1〜SBk側でまとめて複素ウェィトを掛けるよう
にすれば、複素乗算回路が不要となり、前段のビーム合
成出力と加算するための複素加算器だけで構成すること
も可能である。
【0042】(他の実施形態)以上の実施形態における
構成例では、全てのアンテナ素子で得られた受信信号を
周波数変換及びデジタル変換し、DBF処理を行ったフ
ルDBF方式を例に挙げたが、複数のアンテナ素子をR
F合成した後、周波数変換及びデジタル変換し、同様の
処理を行う場合においても適応できる。
【0043】また、アンテナ素子の配列は1次元に配列
された場合でも、2次元に配列された場合でも適応でき
る。特に、2次元配列の場合には、例えば縦方向に配列
されたアンテナ素子列をサブアレイとし、サブアレイビ
ームを形成する等、サブアレイを形成するエリアの構成
方法に依存せず適応することができる。
【0044】また、アンテナ開口はプラナー形状である
必要性はなく、任意形状でも実現できる。また、以上の
実施形態では受信系についてのみ記載したが、受信モジ
ュールの代わりに送信機能を有した送受信モジュールを
用いた場合においても同様に適応可能である。
【0045】(実施例)本発明では、回路規模を増加さ
せることなくサブアレイビームを形成することにより、
同時形成ビーム数をサブアレイ分割数(k)倍に増加さ
せることができる。
【0046】図4にサブアレイビームを形成したときの
ビーム形成イメージを示す。簡単のため、合成ビーム数
m=1の場合を示している。サブアレイを形成するアン
テナ開口は、合成ビームを形成するアンテナ開口に比べ
て開口面積が小さい。
【0047】図4に示したようなリニアアレイの場合で
は、概算的にサブアレイビームは合成ビームに対してビ
ーム幅がk倍(但し、アンテナ利得は1/k)となる。
また、同時に形成できるビーム数については、サブアレ
イビームは合成ビームのk倍となる。したがって、サブ
アレイビームを異なる角度に形成することにより、到来
する受信信号を検出できる領域は合成ビームで形成する
領域に対して、おおよそk2倍(ビーム幅×同時形成ビ
ーム数)の角度幅となる。
【0048】合成ビームで所望の角度領域を捜索する場
合には、その角度領域をビーム走査するため、多くの捜
索時間を要する。これに対し、サブアレイビームで所望
の角度範囲を捜索する場合には、捜索時間は合成ビーム
の1/k2となり、高いデータレートが得られる。
【0049】例えば、目標を高いデータレート(短い目
標検出時間)で検出する必要がある場合には、同時形成
されたk個のサブアレイビームで目標検出し、さらに目
標の位置を精度良く検出するには、検出されたサブアレ
イビーム内の領域(1/kに捜索領域を制限された領
域)を合成ビームで捜索すればよい。この場合、総合的
な目標検出時間は、合成ビームで捜索した場合の(1/
2+1/k)倍となり、高いデータレートが得られ
る。
【0050】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、回路規模
を増大させることなく、同時形成ビーム数を増加させる
ことができるDBF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】
【図1】 本発明に係るDBFアンテナ装置の第1の実
施形態を示すブロック構成図。
【図2】 第1の実施形態の主要構成品であるサブアレ
イビーム出力回路の具体的な構成を示すブロック構成
図。
【図3】 本発明に係るDBFアンテナ装置の第2の実
施形態を示すブロック構成図。
【図4】 本発明に係るDBFアンテナ装置の作用を説
明するためにアンテナ開口とビームパターンの例を示す
説明図。
【図5】 従来のDBFアンテナ装置の構成を示すブロ
ック構成図。
【図6】 図5に示すDBFアンテナ装置の主要構成品
であるビーム合成回路の具体的な構成例を示すブロック
構成図。
【符号の説明】
SB1〜SBk…サブアレイ 11〜1n…アンテナ素子 21〜2n…受信モジュール 31〜3n…周波数変換器 41〜4n…A/D変換器 51〜5n…ディジタル位相検波器 61〜6n…遅延回路 711〜7nm…ビーム合成回路 A1…複素乗算器 A2,A3…複素加算器 811〜8km…サブアレイビーム出力回路 S1〜S2…切換スイッチ 911〜9km…信号分配回路 1011〜10km…遅延回路 1111〜11km…ビーム合成回路

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電波を受信する複数のアンテナ素子、こ
    れら複数のアンテナ素子毎に設けられ、対応するアンテ
    ナ素子の受信信号を周波数変換した後、デジタル化して
    位相検波する複数の信号処理回路、これらの信号処理回
    路の検波出力を加算合成してサブアレイビームを形成す
    るビーム形成手段を備える複数のサブアレイと、 前記複数のサブアレイの各サブアレイビーム出力信号を
    加算合成して合成ビームを形成する合成ビーム形成手段
    とを具備することを特徴とするDBFアンテナ装置。
  2. 【請求項2】 前記複数のサブアレイのビーム形成手段
    は、それぞれ前記複数の信号処理回路の出力を、シスト
    リックアレイ方式により順次伝送遅延時間だけ信号遅延
    して重み付け加算することでサブアレイビームを形成す
    ることを特徴とする請求項1に記載のDBFアンテナ装
    置。
  3. 【請求項3】 前記複数のサブアレイのビーム形成手段
    は、前記複数の信号処理回路の出力を複数系統に分配し
    て、各系統の分配出力をそれぞれ独立に重み付け加算す
    ることにより、各サブアレイにおいて複数のサブアレイ
    ビームを形成し、 前記合成ビーム形成手段は、前記複数のサブアレイで得
    られる複数のサブアレイビーム出力信号を系統別に加算
    合成して複数の合成ビームを形成することを特徴とする
    請求項1に記載のDBFアンテナ装置。
  4. 【請求項4】 前記合成ビーム形成手段は、前記複数の
    サブアレイのサブアレイビーム出力信号を次段のサブア
    レイのビーム形成手段に入力し、最終段のサブアレイの
    出力を合成ビーム出力信号とすることを特徴とする請求
    項1に記載のDBFアンテナ装置。
  5. 【請求項5】 前記合成ビーム形成手段は、前記複数の
    サブアレイ毎に設けられ、外部からの合成ビーム形成指
    示入力に応じて自段のサブアレイのサブアレイビーム出
    力信号を次段のサブアレイのビーム形成手段に切換入力
    して合成ビームの形成に共することを特徴とする請求項
    4に記載のDBFアンテナ装置。
  6. 【請求項6】 前記合成ビーム形成手段は、前記複数の
    サブアレイのサブアレイビーム出力信号を分配し、その
    分配出力を加算合成することで合成ビームを形成するこ
    とを特徴とする請求項1に記載のDBFアンテナ装置。
  7. 【請求項7】 前記合成ビーム形成手段は、前記分配出
    力をシストリックアレイ方式により順次伝送遅延時間だ
    け信号遅延してから加算合成するようにしたことを特徴
    とする請求項6に記載のDBFアンテナ装置。
  8. 【請求項8】 前記合成ビーム形成手段は、前記複数の
    サブアレイの各出力をそれぞれ重み付け加算して合成ビ
    ームを形成することを特徴とする請求項6に記載のDB
    Fアンテナ装置。
  9. 【請求項9】 前記合成ビーム形成手段は、合成ビーム
    形成時に複数のサブアレイにおけるビーム形成手段のウ
    ェイトを所望の合成ビームに合わせて制御し、各サブア
    レイのサブアレイビーム出力信号を加算合成することを
    特徴とする請求項6に記載のDBFアンテナ装置。
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