JPWO2016194127A1 - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、この発明の実施の形態1に係るアンテナ装置の側面図である。図2は、実施の形態1に係るアンテナ装置の平面図である。図3は、実施の形態1に係るアンテナ装置の正面図である。図4は、実施の形態1に係るアンテナ装置の背面図である。図5は、実施の形態1に係るアンテナ装置の機能ブロック図である。この実施の形態1に係るアンテナ装置100では、2個のアンテナユニット30A、30Bが航空機70の機首上部に、機体と平行に一列に決められた間隔で配置されている。アンテナユニットは、3個以上を1列に決められた間隔で配列してもよい。なお、機体の方向と機体の進行方向とは、同じ方向である。機体の方向を機首方向とも呼ぶ。
アンテナ1A、1Bの受信信号が位相器6A、6Bにより位相が一致するように調整されているため、合成器7では最大合成され受信信号強度が2倍になる。こうして、アンテナ1Aおよびアンテナ1Bの2倍の開口面積を有する1個のアンテナで衛星からの信号を受信した場合と同等のアンテナ利得を得ることができる。
なお、位相差をゼロにすることが目的なので、一方の側の位相だけを調整することにして、位相器6A、6Bのどちらかを備えないようにしてもよい。位相差に基づき複数の受信信号の位相を合わせることができるように、必要な数の位相器を必要な箇所に設ければよい。
D=L*cosα (1)
E=D*sinβ (2)
式(1)と式(2)とを組み合わせて、以下の式が得られる。つまり、経路長差Eは、方位角αと高度角βとから決まる。
E=L*cosα*sinβ (3)
アンテナ1A、1Bが受信する衛星からの信号の位相差δは、経路長差Eを信号の波長λで割ることにより得られる。
W1=√(W0 2+H0 2+d0 2) (4)
ここで、ユニット間距離Lは、それぞれのアンテナユニット30が支障なく回転できるようにする必要があり、以下を満足する必要がある。
L≧W1 (5)
H1=H0/2+√((H0/2)2+d0 2) (6)
機首方向から見た場合のアンテナ空間の断面積である機首向断面積を変数S1で表現すると、S1は以下の式で計算できる。厳密にはアンテナ空間の断面形状は角が丸いが、簡単のため長方形として計算する。
S1=W1*H1
=√(W0 2+H0 2+d0 2)*(H0/2+√((H0/2)2+d0 2)) (7)
式(7)から分かるように、この発明に係るアンテナ装置では、機首向断面積S1がアンテナユニット30間の距離Lによらないという特長を持つ。
第1の比較例でのアンテナ空間の直径W2、高さH2および機首向断面積S2は、以下の式で計算できる。
W2=√(W0 2+4H0 2+d0 2) (8)
H2=H0+√(H0 2+d0 2) (9)
S2=W2*H2
=√(W0 2+4H0 2+d0 2)*(H0+√(H0 2+d0 2)) (10)
W1=√(1.002+0.302+0.102)=1.049m
H1=0.30/2+√((0.30/2)2+0.102)=0.330m
S1=W1*H1=1.049*0.330=0.346m2
第1の比較例のアンテナ装置100Xに対して計算すると、以下のようになる。
W2=√(1.002+4*0.302+0.102)=1.170m
H2=0.30+√(0.302+0.102)=0.616m
S2=W2*H2=1.170*0.616=0.721m2
第1の比較例に対する機首向断面積の減少率γ2は、以下のようになる。第1の比較例に対して約48%と半分未満に、機首向断面積を小さくできる。
γ2=S1/S2=0.346/0.721=0.480
なお、高度軸距離d0がより小さくなれば、減少率γ2はより小さくなる。d0=0mであれば、γ2=0.448になる。
第2の比較例でのアンテナ空間の直径W3、高さH3および機首向断面積S3は、以下の式で計算できる。
W3=√(W0 2+(L+√(H0 2+d0 2))2) (11)
H3=H1=H0/2+√((H0/2)2+d0 2) (12)
S3=W3*H3
=√(W0 2+(L+√(H0 2+d0 2))2)
*(H0/2+√((H0/2)2+d0 2)) (13)
L=W1の場合での第2の比較例について計算した結果は、以下のようになる。
W3=√(1.002+(1.049+√(0.302+0.102))=1.692m
H3=H1=0.330m
S3=W3*H3=1.692*0.330=0.558m2
γ3=S1/S3=0.346/0.6558=0.620
L=W1の場合の第2の比較例は、低仰角での遮蔽がこの発明と同程度であると想定する場合である。この発明の方が、機首向断面積を第2の比較例の半分近くまで小さくできることが分かる。
GH1=max(0, H0−L*cosα*cosβ) (14)
βs0=cos-1(H0/L) (15)
高さ方向で重複する部分が発生する高度角βにおいて、高さ方向で重複する部分が発生する方位角αである遮蔽開始方位角αSは、以下の式で計算できる。
αS=0 for β≧βs0 (16)
αS=cos-1(H0/(L*cosβ)) for β<βs0 (17)
GW1=max(0, W0−L*sinα) (18)
αF=sin−1(W0/L) (19)
式(19)に示すように、方位角αが大きい、すなわち航空機の進行方向と指向方向の方位角成分との角度差が大きい場合に、高度角βによらず遮蔽が発生しないことが、従来技術にはなかったこの発明の特長である。
GS1=GH1*GW1
=max(0, H0−L*cosα*cosβ)
*max(0, W0−L*sinα) (20)
βsm=cos-1(H0/√(L2−W0 2)) (21)
K1(α,β)=GS1(α,β)/(H0*W0) (22)
M1(α,β)=1.0−0.5*K1(α,β) (23)
GH2=max(0, H0−L*cosβ) (24)
第2の比較例では、方位軸の回りに回転しても常に前方のアンテナの指向方向の真後ろに後方のアンテナが存在する。そのため、重複幅GW2は、以下の式で計算できる。
GW2=W0 (25)
したがって、遮蔽部分の面積変数GS2は、以下の式で計算できる。
GS2=GH2*GW2
=max(0, H0−L*cosβ)*W0 (26)
K2(β)=GS2(β)/(H0*W0) (27)
M2(β)=1.0−0.5*K2(β) (28)
遮蔽部分の平均面積GSAは、下に示す式で計算できる。なお、方位角αに関しては、前後のアンテナの位置関係は、正負対称かつ90度(=π/2[rad])に対しても対称なので、αの積分範囲は0からπ/2[rad]とする。
GSA=(1/π)∫GS1dα (29)
GSA=(2/π)*H0*W0
*(αF−αS−(L/W0)*(cosαS−cosαF)
−(W0/H0)*(cosβ/2)
+(L*cosβ/H0)*sinαS
−(L2*cosβ/(2H0*W0))*sin2αS ) (30)
方位角αが0度で高さ方向に重複する部分が発生する高度角β(≧βs0)での遮蔽部分の平均面積GSAは、以下の式で計算できる。
GSA=(2/π)*H0*W0
*(αF−(L/W0)*(1−cosαF)−(W0/H0)*(cosβ/2)) (31)
KA1(β)=GSA(β)/(H0*W0) (32)
MA1(β)=1.0−0.5*KA1(β) (33)
このように、この発明では、前後のアンテナを別の方位軸で回転させることにより、方位角が大きくなると、前後のアンテナの重なりが発生しなくなる。そのため、第2の比較例よりも、この発明の方が、アンテナが低仰角を指向する場合のアンテナの遮蔽による有効な開口面の面積の減少が小さくなる。すなわち、アンテナの利用率すなわちアンテナ利得が低下する場合でも、アンテナ利得を許容できる下限以上にある状態を維持できる。
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。
実施の形態2は、アンテナが受信した電波から生成したアナログ信号をデジタル信号に変換してから合成する場合である。図18は、この発明の実施の形態2の機能ブロック図である。実施の形態1の場合の図5と異なる点だけを説明する。
30A、30B アンテナユニット
70 機体
71A、71B 機体固定部(移動体固定部)
1A、1B、1X、1YA、1YB アンテナ
2A、2B 増幅器
3A、3B アンテナ駆動部
31A、31B 高度軸
32A、32B 高度角変更部
33A、33B 方位角変更部
34 駆動制御部
4 位相差算出部
5 方向指令値生成部
40 信号合成装置
6A、6B 位相器
7 合成器
50 復調装置
81 機首方向
82 指向方向
83 機体面垂直方向
84 アンテナ空間
85 遮蔽部分
91、92、93、94、95、96,97、98、99 グラフ
8A、8B 周波数変換器
9A、9B A/D変換器9A
15 復調演算部
Claims (7)
- 衛星からの電波を受信して受信信号を生成するアンテナと、前記アンテナが向く方向である指向方向を変更するアンテナ駆動部とを有し、一列に配置された複数のアンテナユニットと、
前記衛星が存在する方向と前記指向方向とが一致するように、前記アンテナ駆動部に与えられる指令値である方向指令値を生成する方向指令値生成部と、
複数の前記アンテナが生成する前記受信信号の位相の差である位相差を算出する位相差算出部と、
前記位相差に基づき複数の前記受信信号を合成する信号合成装置とを備えたアンテナ装置。 - 前記アンテナユニットは、前記アンテナ駆動部を移動体に固定する移動体固定部を有し、
前記方向指令値生成部は、前記移動体の位置および姿勢と前記衛星の位置に基づき前記方向指令値を生成することを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記アンテナ駆動部は、前記アンテナの長手方向に平行な高度軸の回りに前記アンテナを回転可能に支持する高度角変更部と、前記高度軸に垂直な方位軸の回りに前記高度角変更部を前記移動体固定部に対して回転可能に支持する方位角変更部とを有することを特徴とする請求項2に記載のアンテナ装置。
- 複数の前記アンテナユニットは、前記移動体の進行方向に平行な一本の直線上にそれぞれの前記方位軸が存在するように配置されることを特徴とする請求項3に記載のアンテナ装置。
- 複数の前記アンテナユニットが有する前記アンテナが同じ大きさであることを特徴とする請求項1から請求項4までの何れか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記信号合成装置は、前記位相差に基づき複数の前記受信信号の位相を合わせることができるように設けられた位相器と、前記位相器が出力する位相が調整された前記受信信号を合成する合成器とを有することを特徴とする請求項1から請求項5までの何れか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記信号合成装置は、前記受信信号を決められたサンプリング周期で決められたビット数のデジタル信号であるデジタル受信信号に変換する前記アンテナごとに設けられた複数の連続離散変換器と、複数の前記デジタル受信信号を前記位相差に基づいて合成する復調演算部とを有することを特徴とする請求項1から請求項5までの何れか1項に記載のアンテナ装置。
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