JPS5954301A - アンテナ測定法 - 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】 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、これら移相器の移相を制御
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、すなわちフェイズドアレイアンテナ
（ｐｂａｓｅｄ　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
の励振動振幅・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。

フェイズドアレイアンテナによって所望の放射パターン
、例えば低サイドローブパターン、成形パターン（ｃｏ
ｓｅｃ２　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）、すなわちフェイズドアレイ全体
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、前記全プ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、フェイズドアレイアンテナは基本的に第１図のよ
うな構成になっている。すなわち、第１図において、（
１）は素子アンテナ、（２）は複数の素子アンテナ（１
）から成るアレイアンテナ、（３）は可変の移相器、（
４）は電力分配器、（５）は送信源である。

第１図は送信の例で、送信源（５）を受信機に替えれば
受信のフェイズドアレイアンテナの構成となる。

第１図において、送信源（５）で発生した信号電力は電
力分配器（４）により所要の分配比でもって各移相器（
３）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（２）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
よって決定される。したがって、第１図のフェイズドア
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（４）を用い
、さらに、必要な励振位相は移相器（３）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、工作上の精度によって電力分配器（４）、移相器
（３）、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（２）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
たがって、低サイドロープパターンや精密なパターン成
形に必要な励振分布の実現にはまず、例えば第１図の全
アレイ動作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
。

従来の全アレイ動作状態における素子アンテナの振幅・
位相測定法を第１図を用いて説明する。

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２図（ａ）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Ｅｎｅｊφｎとして、この位相φ
ｎ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って変化する。

ここに、この合成電界ベクトルの振幅の変化のみ測定す
ることによって、第ｎ素子の相対振幅、位相Ｅｎ／Ｅｏ
，φｎ−φｏ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。

■１＝Ｅｏｅｊφｏ−Ｅｎｅｊφｎ（１−ｅｊ△）　（
１）したがって、 Ｘ＝φｎ−φｏ　（２） とおいて，式（１）を変形すれは、次のようになる。

■１＝｛（ＥｏｃｏｓＸ＋Ｅｎｃｏｓ△−Ｅｎ）＋ｊ（
−ＥｏｓｉｎＸ＋Ｅｎｓｉｎ△）｝ｅｊ（Ｘ＋φｏ）（
３） したがって、 とおけば、式（３）より次式が導かれる。

ただし、 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）から第２図（ｂ）に示すように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 となる。また、式（５）より−△ｏ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△ｏ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△ｏより第ｎ素子の相対振幅（ｋ＝Ｅｎ／Ｅｏ
）と相対位相（Ｘ＝φｎ−φｏ）が以下のようにして決
定される。

式（８）より であり、正符号の場合を考えると、 となり、また、式（７）より、 となる。し，たがって、式（１０）、（１１）、（１２
）よりＹを消去すれば、ｋとＸの連立方程式、 が得られ、これを解けば結局、次式が得られる。

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。

すなわち、第ｎ素子の位相を移相器（２）によって変化
させて、合成電力レベルの変化を測定すれば、移相変化
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△ｏが求められる。これらｒと△ｏを用いて式（１
５）、（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。

従来の測定法は以上のような測定法であるが、第２図（
ａ）および（ｂ）に示すように、素子アンテナ数が増大
するに従って各素子アンテナの相対振幅は小さくなり、
式（５）で与えられる相対電力の変化も小さくなるため
測定誤差の影響を受け、測定データより算出される相対
振幅・位相の精度が低下するという欠点がある。

この発明によるアンテナ測定法では上記の欠点を除去す
べくなされたものであり、アレイアンテナを複数個のザ
ブアレイに分割して測定を行なうことにより測定精度の
劣化を防止し得る測定法を提供するものである。

以下、この発明のアンテナ測定法について説明する。

すなわち、第３図に示すように、各素子アンテナ（１）
から成るアレイアンテナ（２）をＮ個のサブアレイ（２
Ａ）〜（２Ｎ）に分割することにより、第４図（ａ）お
よび（ｂ）に示すように各サブアレイ（２Ａ）〜（２Ｎ
）内の各素子アンテナ（１）の相対振幅をアレイアンテ
ナ（２）の素子数によらず大きくすることができる。し
たがって、各サブアレイ（２Ａ）〜（２Ｎ）内の各素子
アンテナ（１）につながれた移相器（３）の位相を変化
させて得られる合成電力レベルの変化は第４図（ｂ）に
示すように、従来のものに比べ大きくすることができる
ため，その電力レベル変化の最大対最小比ｒ２と最大値
を与える移相変化量△ｏを精度よくも求めることができ
る。例えば通常の測定機器では０．１〜０．３ｄＢ程度
の測定誤差があるため、測定精度を確保するためには各
サブアレイ（２Ａ）〜（２Ｎ）における合成電力レベル
の変化を１ｄＢ以上にする必要がある。このようにする
ことにより、各サブアレイ（２Ａ）〜（２Ｎ）毎に前述
の測定法を適用し、最大対最小比ｒ２および最大値を与
える移相変化量△ｏを用いて式（１５）、（１６）、ま
たは式（１８）、（１９）を計算すれば、各サブアレイ
（２Ａ）〜（２Ｎ）内の位相変化させた素子アンテナ（
１）の相対振幅・位相が相度よく決定される。

例えば具体的にサブアレイ（２Ａ）の測定を行なう場合
、サブアレイ（２Ａ）の合成電界ベクトルの基準位相を
φｏとすると、サブアレイ（２Ｂ）〜（２Ｎ）の位相を
φｏから±９０°異なるように互いに逆位相に設定し、
サブアレイ（２Ｂ）〜（２Ｎ）の合成電界ベクトルが零
になるようにすればよい。

また、各サブアレイ（２Ａ）〜（２Ｎ）間の相対振幅・
位相は、各サブアレイ（２Ａ）〜（２Ｎ）の素子アンテ
ナ（１）につながる移相器（３）を各サブアレイ（２Ａ
）〜（２Ｎ）毎に同一位相となるよう制御し各サブアレ
イ（２Ａ）〜（２Ｎ）を一つの素子アンテナとみなして
前述の測定法を適用することにより、上記と同様に精度
よく求められる。

なお，上記説明では第３図のフェイズドアレイアンテナ
を列にしたが、この発明によるアンテナ側定法は、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ェイズドア
レイアンテナに実施可能である。また、アレイアンテナ
の分割法として各サブアレイを次々と小ブロックに分割
する場合にも実施可能であり、分割法や分割数によらな
い。

以上のようにこの発明による測定法ではフェイズドアレ
イアンテナの各素子アンテナを複数個のサブアレイに分
割し、各サブアレイ内の各素子アンテナにつながれた移
相器の位相変化に対する合成電力の変化を測定すること
により、全アレイ動作状態の素子アンテナの振幅・位相
を、フェイズドアレイアンテナの素子数によらず、精度
よく測定できるため、実用的効果は著しく大きいと言え
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はフェイズドアレイアンテナの概略構成図，第２
図（ａ）および（ｂ）は従来の測定法による素子アンテ
ナの電界ベクトルと合成電界ベクトルの説明図および特
性図、第３図はこの発明のアンテナ測定法を説明するた
めの構成図、第４図（ａ）および（ｂ）はこの発明の測
定法による素子アンテナの電界ベクトルと合成ベクトル
の説明図および特性図である。 図中、（１）は素子アンテナ、（２）はアレイアンテナ
、（３）は移相器、（４）は電力分配器、（５）は送信
源である。 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 (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数個の素子アンテナおよび各素子アンテナにつ
   ながれた移相器から成るフェイズドアレイアンテナの上
   記各素子アンテナの振幅および位相を測定するアンテナ
   測定法において、上記フェイスドアレイアンテナを複数
   個のサブアレイに分割し、各サブアレイ内の各素子アン
   テナにつながれた移相器の位相を変化させて上記フェイ
   ズドアレイアンテナの合成電力を測定し、その電力レベ
   ル変化の最大対最小比ｒ２と最大値を与える位相変化量
   △ｏを求め、これらｒと△ｏから各サブアレイ内の各素
   子アンテナの振幅および位相を算出するとともに、上記
   各サブアレイ間の相対振幅および位相を測定するため各
   サブアレイ内の各素子アンテナにつながれた移相器を同
   一位相で変化させ、上記と同一の測定および計算を行な
   うことにより、上記フェイズドアレイアンテナの各素子
   アンテナの振幅および位相を算出することを特徴とする
   アンテナ測定法。
2. （２）測定するサブアレイ以外の各サブアレイ間の位相
   を逆位相に設定し合成電界ベクトルを零にすることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のアンテナ測定
   法。