JPWO2020202256A1 - アンテナ装置、レーダ装置及び通信装置 - Google Patents

アンテナ装置、レーダ装置及び通信装置 Download PDF

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Abstract

信号を受信する複数の素子アンテナ(11−1)〜(11−K)と、複数の素子アンテナ(11−1)〜(11−K)により受信されたそれぞれの信号の信号成分を含む周波数帯域が互いに重ならないように、それぞれの信号の周波数を変換し、互いの周波数帯域が重なっていないそれぞれの信号を出力する周波数変換部(13)と、周波数変換部(13)から出力されたそれぞれの信号の中から、それぞれの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出し、抽出したそれぞれの信号成分を互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を出力する信号合成部(14)と、信号合成部(14)から出力された合成信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、デジタル信号を出力するA/D変換器(17)と、A/D変換器(17)から出力されたデジタル信号を、複数の素子アンテナ(11−1)〜(11−K)により受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離し、分離したそれぞれの信号を用いて、ビーム信号を形成するビーム形成部(18)とを備えるように、アンテナ装置(1)を構成した。

Description

この発明は、ビーム信号を形成するアンテナ装置、レーダ装置及び通信装置に関するものである。
以下の特許文献1には、1つのアナログデジタル(以下、「A/D」と称する)変換手段で、多重搬送波信号をA/ D変換できる無線受信装置が開示されている。
以下の特許文献1に開示されている無線受信装置は、1つのA/D変換手段で、多重搬送波信号をA/ D変換できるようにするために、複数のアナログ処理手段と、加算手段とを備えている。
特許文献1に記載されている複数のアナログ処理手段は、複数のアンテナにより受信されたそれぞれの信号が、互いに異なる中心周波数を持つように、それぞれの信号の周波数を変換している。
特許文献1に記載されている加算手段は、複数のアナログ処理手段から出力されたそれぞれの信号を加算して、加算信号をA/D変換手段に出力している。
特開2005−260720号公報
特許文献1に記載されている複数のアナログ処理手段から出力されたそれぞれの信号は、信号成分を含む周波数帯域だけでなく、当該周波数帯域よりも低い周波数から、当該周波数帯域よりも高い周波数に亘って雑音成分を含んでいる(図6を参照)。
したがって、特許文献1に記載されている加算手段が、複数のアナログ処理手段から出力されたそれぞれの信号を加算することで、それぞれの信号の周波数帯域には、元々、それぞれの信号に含まれている雑音成分だけでなく、加算された他の信号に含まれている雑音成分も重畳されることになる(図9を参照)。
よって、加算信号に含まれている、それぞれのアナログ処理手段の出力信号についての信号対雑音電力比が劣化してしまうという課題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、信号対雑音電力比の劣化を防ぐことができるアンテナ装置、レーダ装置及び通信装置を得ることを目的とする。
この発明に係るアンテナ装置は、信号を受信する複数の素子アンテナと、複数の素子アンテナにより受信されたそれぞれの信号の信号成分を含む周波数帯域が互いに重ならないように、それぞれの信号の周波数を変換し、互いの周波数帯域が重なっていないそれぞれの信号を出力する周波数変換部と、周波数変換部から出力されたそれぞれの信号の中から、それぞれの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出し、抽出したそれぞれの信号成分を互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を出力する信号合成部と、信号合成部から出力された合成信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、デジタル信号を出力するアナログデジタル変換器と、アナログデジタル変換器から出力されたデジタル信号を、複数の素子アンテナにより受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離し、分離したそれぞれの信号を用いて、ビーム信号を形成するビーム形成部とを備えるようにしたものである。
この発明によれば、周波数変換部から出力されたそれぞれの信号の中から、それぞれの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出し、抽出したそれぞれの信号成分を互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を出力する信号合成部を備えるように、アンテナ装置を構成した。したがって、この発明に係るアンテナ装置は、信号対雑音電力比の劣化を防ぐことができる。
図1Aは、実施の形態1に係るアンテナ装置1を含むレーダ装置を示す構成図、図1Bは、実施の形態1に係るアンテナ装置1を含む通信装置を示す構成図である。 実施の形態1に係るアンテナ装置1を示す構成図である。 アンテナ装置1におけるビーム形成部18のハードウェアを示すハードウェア構成図である。 ビーム形成部18が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。 ビーム形成部18の処理手順を示すフローチャートである。 周波数変換処理部13−1〜13−4から出力された系統#1〜#4の受信信号を示す説明図である。 フィルタ部15−1〜15−4により信号成分が抽出された系統#1〜#4の受信信号を示す説明図である。 信号合成処理部16から出力される合成信号を示す説明図である。 信号合成処理部16のみを備えている信号合成部14から出力される合成信号を示す説明図である。 実施の形態2に係るアンテナ装置1を示す構成図である。 実施の形態3に係るアンテナ装置1を示す構成図である。 フィルタ部15−1〜15−4が用いるフィルタの種類と通過帯域とを示す説明図である。 信号合成処理部16から出力される合成信号を示す説明図である。 フィルタ部15−1〜15−4が用いるフィルタの種類と通過帯域とを示す説明図である。 信号合成処理部16から出力される合成信号を示す説明図である。 フィルタ部15−1〜15−4が用いるフィルタの種類と通過帯域とを示す説明図である。 信号合成処理部16から出力される合成信号を示す説明図である。
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態1.
図1Aは、実施の形態1に係るアンテナ装置1を含むレーダ装置を示す構成図であり、図1Bは、実施の形態1に係るアンテナ装置1を含む通信装置を示す構成図である。
図1A及び図1Bにおいて、アンテナ装置1は、複数の素子アンテナ11−1〜11−Kにより受信されたそれぞれの信号を用いて、ビーム信号を形成する。Kは、2以上の整数である。
図1Aにおいて、信号処理装置2は、アンテナ装置1により形成されたビーム信号を用いて、目標を検出するレーダ処理等を実施する。
図1Bにおいて、信号処理装置3は、アンテナ装置1により形成されたビーム信号に含まれている情報を復号する処理等を実施する。
図2は、実施の形態1に係るアンテナ装置1を示す構成図である。
図3は、アンテナ装置1におけるビーム形成部18のハードウェアを示すハードウェア構成図である。
図2において、素子アンテナ11−k(k=1,・・・,K)は、信号を受信し、受信した信号を低雑音増幅器(以下、「LNA:Low Noise Amplifier」と称する)12−kに出力する。
LNA12−kは、素子アンテナ11−kにより受信された信号を増幅し、増幅後の信号を周波数変換部13の周波数変換処理部13−kに出力する。
周波数変換部13は、周波数変換処理部13−1〜13−Kを備えている。
周波数変換部13は、LNA12−1〜12−Kにより増幅されたそれぞれの信号の信号成分を含む周波数帯域が互いに重ならないように、それぞれの信号の周波数を変換し、互いの周波数帯域が重なっていないそれぞれの信号を信号合成部14に出力する。
周波数変換処理部13−kは、例えば、ミキサを用いて、LNA12−kから出力された増幅後の信号の中心周波数がfになるように、LNA12−kから出力された増幅後の信号の周波数を変換し、中心周波数がfの信号をフィルタ部15−kに出力する。
例えば、中心周波数がfの信号の周波数帯域と、中心周波数がfの信号の周波数帯域と、中心周波数がfの信号の周波数帯域とは、互いに重なっていない。
信号合成部14は、フィルタ部15−1〜15−K及び信号合成処理部16を備えている。
信号合成部14は、周波数変換部13から出力されたそれぞれの信号の中から、それぞれの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出し、抽出したそれぞれの信号成分を互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を生成する。
信号合成部14は、生成した合成信号をアナログデジタル変換器(以下、「A/D変換器」と称する)17に出力する。
フィルタ部15−kは、バンドパスフィルタ(以下、「BPF(Band Pass Filter)」と称する)を用いて、周波数変換処理部13−kから出力された中心周波数fの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出し、抽出した信号成分を信号合成処理部16に出力する。
信号合成処理部16は、フィルタ部15−1〜15−Kにより抽出されたそれぞれの信号成分を互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を生成し、合成信号をA/D変換器17に出力する。
A/D変換器17は、信号合成部14から出力された合成信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、デジタル信号をビーム形成部18に出力する。
ビーム形成部18は、信号分離部19及びビーム形成処理部20を備えている。
ビーム形成部18は、A/D変換器17から出力されたデジタル信号を、素子アンテナ11−1〜11−Kにより受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離し、分離したそれぞれの信号を用いて、ビーム信号を形成する。
信号分離部19は、例えば、図3に示す信号分離回路31によって実現される。
信号分離部19は、A/D変換器17から出力されたデジタル信号を、素子アンテナ11−1〜11−Kにより受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離し、分離したそれぞれの信号をビーム形成処理部20に出力する。
ビーム形成処理部20は、例えば、図3に示すビーム形成処理回路32によって実現される。
ビーム形成処理部20は、信号分離部19により分離されたそれぞれの信号を用いて、ビーム信号#1〜#Mを形成し、ビーム信号#1〜#Mを信号処理装置2又は信号処理装置3に出力する。Mは、2以上の整数である。
図2では、ビーム形成部18の構成要素である信号分離部19及びビーム形成処理部20のそれぞれが、図3に示すような専用のハードウェアによって実現されるものを想定している。即ち、ビーム形成部18が、信号分離回路31及びビーム形成処理回路32によって実現されるものを想定している。
ここで、信号分離回路31及びビーム形成処理回路32のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
ビーム形成部18の構成要素は、専用のハードウェアによって実現されるものに限るものではなく、ビーム形成部18が、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現されるものであってもよい。
ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、CPU(Central Processing Unit)、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいは、DSP(Digital Signal Processor)が該当する。
図4は、ビーム形成部18が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。
ビーム形成部18が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合、信号分離部19及びビーム形成処理部20の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムがメモリ41に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ42がメモリ41に格納されているプログラムを実行する。
図5は、ビーム形成部18の処理手順を示すフローチャートである。
また、図3では、ビーム形成部18の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアによって実現される例を示し、図4では、ビーム形成部18がソフトウェア又はファームウェア等によって実現される例を示している。しかし、これは一例に過ぎず、ビーム形成部18における一部の構成要素が専用のハードウェアによって実現され、残りの構成要素がソフトウェア又はファームウェア等によって実現されるものであってもよい。
次に、図2に示すアンテナ装置1の動作について説明する。
素子アンテナ11−k(k=1,・・・,K)は、信号を受信し、受信した信号である受信信号をLNA12−kに出力する。
図1に示すアンテナ装置1では、説明の便宜上、K=4であるものとして説明する。ただし、Kは、2以上の整数であればよく、K=4に限るものではない。
また、図1に示すアンテナ装置1では、k=1が系統#1、k=2が系統#2、k=3が系統#3、k=4が系統#4であるとする。
LNA12−k(k=1,2,3,4)は、素子アンテナ11−kから受信信号を受けると、受信信号を増幅し、増幅後の受信信号を周波数変換処理部13−kに出力する。
周波数変換部13は、LNA12−1〜12−Kから増幅後の受信信号を受けると、図6に示すように、それぞれの受信信号の周波数帯域が互いに重ならないように、それぞれの受信信号の周波数を変換する。
具体的には、周波数変換処理部13−kは、LNA12−kから出力された増幅後の受信信号である系統#kの受信信号の中心周波数がfになるように、系統#kの受信信号の周波数を変換する。
>f>f>fであり、系統#1の受信信号の周波数帯域と、系統#2の受信信号の周波数帯域と、系統#3の受信信号の周波数帯域と、系統#4の受信信号の周波数帯域とは、互いに重なっていない。
図6は、周波数変換処理部13−1〜13−4から出力された系統#1〜#4の受信信号を示す説明図である。
系統#1〜#4の受信信号は、信号成分を含んでいる周波数帯域だけでなく、当該周波数帯域よりも低い周波数から、当該周波数帯域よりも高い周波数に亘って雑音成分を含んでいる。
周波数変換処理部13−kは、中心周波数がfの受信信号をフィルタ部15−kに出力する。
フィルタ部15−kは、周波数変換処理部13−kから中心周波数がfの受信信号を受けると、図7に示すように、BPFを用いて、中心周波数がfの受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出する。
フィルタ部15−kは、抽出した信号成分を信号合成処理部16に出力する。
図7は、フィルタ部15−1〜15−4により信号成分が抽出された系統#1〜#4の受信信号を示す説明図である。
フィルタ部15−1〜15−4により信号成分が抽出された系統#1〜#4の受信信号の周波数帯域は、図7に示すように、雑音成分を含んでいる。しかし、系統#kの受信信号の周波数帯域以外の帯域に含まれていた雑音成分は、図7に示すように、フィルタ部15−kによって抑圧されている。
信号合成処理部16は、フィルタ部15−1〜15−4から系統#1〜#4の受信信号の信号成分を受けると、図8に示すように、系統#1〜#4の受信信号の信号成分を互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を生成する。
信号合成処理部16は、生成した合成信号をA/D変換器17に出力する。
図8は、信号合成処理部16から出力される合成信号を示す説明図である。
図2に示すアンテナ装置では、信号合成部14が、フィルタ部15−1〜15−K及び信号合成処理部16を備えている。
特許文献1に開示されている無線受信装置と同様に、信号合成部14が、フィルタ部15−1〜15−Kを備えておらず、信号合成処理部16のみを備えている場合、信号合成部14からA/D変換器17に出力される合成信号は、図9のようになる。
図9は、信号合成処理部16のみを備えている信号合成部14から出力される合成信号を示す説明図である。
信号合成部14が、フィルタ部15−1〜15−Kを備えていない場合、信号合成処理部16が、周波数変換処理部13−1〜13−4から出力された系統#1〜#4の受信信号の信号成分を互いに合成することで、系統#1〜#4の受信信号に含まれているそれぞれの雑音成分は、互いに合成される。
図8に示す合成信号では、例えば、系統#1の受信信号に着目すると、系統#1の受信信号の周波数帯域は、系統#1の受信信号の雑音成分を含んでいるが、系統#2〜#4の受信信号の雑音成分を含んでいない。
一方、図9に示す合成信号では、系統#1の受信信号の周波数帯域は、系統#1の受信信号の雑音成分のほかに、系統#2〜#4の受信信号の雑音成分も含んでいる。
したがって、図9に示す合成信号に含まれている系統#1の受信信号の信号対雑音電力比と比べて、図8に示す合成信号に含まれている系統#1の受信信号の信号対雑音電力比は、改善している。
図8に示す合成信号に含まれている系統#2〜系統#4の受信信号の信号対雑音電力比についても、同様に改善している。
A/D変換器17は、信号合成部14から合成信号を受けると、合成信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、デジタル信号をビーム形成部18の信号分離部19に出力する。
ビーム形成部18は、A/D変換器17からデジタル信号を受けると、デジタル信号を、素子アンテナ11−1〜11−Kにより受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離し、分離したそれぞれの信号を用いて、ビーム信号を形成する。
以下、ビーム形成部18の処理内容を具体的に説明する。
信号分離部19は、A/D変換器17からデジタル信号を受けると、例えば、デジタル信号をFFT(Fast Fourier Transform)することで、デジタル信号を周波数領域の信号に変換する(図5のステップST1)。
信号分離部19は、周波数領域の信号から系統#1の受信信号に対応する信号として、中心周波数がfの信号を抽出し、周波数領域の信号から系統#2の受信信号に対応する信号として、中心周波数がfの信号を抽出する(図5のステップST2)。
また、信号分離部19は、周波数領域の信号から系統#3の受信信号に対応する信号として、中心周波数がfの信号を抽出し、周波数領域の信号から系統#4の受信信号に対応する信号として、中心周波数がfの信号を抽出する(図5のステップST2)。
信号分離部19は、系統#1の受信信号に対応する信号、系統#2の受信信号に対応する信号、系統#3の受信信号に対応する信号及び系統#4の受信信号に対応する信号のそれぞれをビーム形成処理部20に出力する。
ビーム形成処理部20は、信号分離部19から系統#1〜系統#4の受信信号に対応する信号を受けると、系統#1〜系統#4の受信信号に対応する信号を用いて、例えば、公知のDBF(Digital Beam Forming)処理を実施することで、M本のビーム信号#1〜#Mを形成する(図5のステップST3)。
ビーム形成処理部20は、形成したビーム信号#1〜#Mを信号処理装置2又は信号処理装置3に出力する。
信号処理装置2は、ビーム形成処理部20からビーム信号#1〜#Mを受けると、ビーム信号#1〜#Mを用いて、目標を検出するレーダ処理等を実施する。
信号処理装置3は、ビーム形成処理部20からビーム信号#1〜#Mを受けると、ビーム信号#1〜#Mに含まれている情報を復号する処理等を実施する。
目標を検出するレーダ処理及び情報を復号する処理自体は、公知の技術であるため、詳細な説明を省略する。
図2に示すアンテナ装置では、信号分離部19が、周波数領域の信号から抽出した系統#1〜系統#4の受信信号に対応する信号をビーム形成処理部20に出力している。しかし、これは一例に過ぎず、信号分離部19が、周波数領域の信号から抽出した系統#1〜系統#4の受信信号に対応する信号のそれぞれを逆FFTすることで、系統#1〜系統#4の受信信号に対応する信号のそれぞれを時間領域の信号に変換する。そして、信号分離部19が、それぞれの時間領域の信号をビーム形成処理部20に出力するようにしてもよい。この場合、ビーム形成処理部20は、それぞれの時間領域の信号を用いて、例えば、公知のDBF処理を実施することで、M本のビーム信号#1〜#Mを形成する。
図2に示すアンテナ装置では、信号分離部19が、デジタル信号をFFTすることで、デジタル信号を周波数領域の信号に変換し、周波数領域の信号から系統#1〜系統#4の受信信号に対応する信号を抽出している。しかし、これは一例に過ぎず、信号分離部19が、BPF等を用いて、デジタル信号から系統#1〜系統#4の受信信号に対応する信号のそれぞれを抽出するようにしてもよい。
以上の実施の形態1では、周波数変換部13から出力されたそれぞれの信号の中から、それぞれの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出し、抽出したそれぞれの信号成分を互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を出力する信号合成部14を備えるように、アンテナ装置1を構成した。したがって、アンテナ装置1は、特許文献1に開示されている無線受信装置で生じるような信号対雑音電力比の劣化を防ぐことができる。
実施の形態2.
図2に示すアンテナ装置1では、信号合成部14が、フィルタ部15−1〜15−K及び信号合成処理部16を備えている。
実施の形態2では、信号合成部14が、マルチプレクサ50を備えているアンテナ装置1について説明する。
図10は、実施の形態2に係るアンテナ装置1を示す構成図である。図10において、図2と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
信号合成部14は、マルチプレクサ50を備えている。
マルチプレクサ50は、周波数変換部13から出力されたそれぞれの信号の中から、それぞれの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出し、抽出したそれぞれの信号成分を互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を生成する。
マルチプレクサ50は、生成した合成信号をA/D変換器17に出力する。
次に、図10に示すアンテナ装置1の動作について説明する。マルチプレクサ50以外は、図2に示すアンテナ装置1と同様であるため、ここでは、マルチプレクサ50の動作のみを説明する。
マルチプレクサ50は、周波数変換処理部13−1から中心周波数がfの受信信号を受けると、中心周波数がfの受信信号の周波数帯域以外の帯域に含まれている雑音成分を抑圧して、中心周波数がfの受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を保持する。
マルチプレクサ50は、周波数変換処理部13−2から中心周波数がfの受信信号を受けると、中心周波数がfの受信信号の周波数帯域以外の帯域に含まれている雑音成分を抑圧して、中心周波数がfの受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を保持する。
マルチプレクサ50は、周波数変換処理部13−3から中心周波数がfの受信信号を受けると、中心周波数がfの受信信号の周波数帯域以外の帯域に含まれている雑音成分を抑圧して、中心周波数がfの受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を保持する。
マルチプレクサ50は、周波数変換処理部13−4から中心周波数がfの受信信号を受けると、中心周波数がfの受信信号の周波数帯域以外の帯域に含まれている雑音成分を抑圧して、中心周波数がfの受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を保持する。
マルチプレクサ50は、保持した中心周波数がfの受信信号の信号成分と、保持した中心周波数がfの受信信号の信号成分と、保持した中心周波数がfの受信信号の信号成分と、保持した中心周波数がfの受信信号の信号成分とを互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を生成する。
マルチプレクサ50は、生成した合成信号をA/D変換器17に出力する。
以上の実施の形態2では、信号合成部14が、マルチプレクサ50を備えるように、図10に示すアンテナ装置1を構成した。したがって、図10に示すアンテナ装置1は、図2に示すアンテナ装置1と同様に、信号対雑音電力比の劣化を防ぐことができる。また、図10に示すアンテナ装置1は、図2に示すアンテナ装置1よりも、信号合成部14の構成を簡単化することができる。
実施の形態3.
実施の形態3では、複数のサブアレーアンテナ61−1〜61−Nを備えるアンテナ装置1について説明する。Nは、2以上の整数である。
図11は、実施の形態3に係るアンテナ装置1を示す構成図である。図11において、図2及び図10と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
サブアレーアンテナ61−1〜61−Nは、素子アンテナ11−1〜11−Kと、周波数変換部13と、信号合成部14とを有している。
図11に示すアンテナ装置1では、サブアレーアンテナ61−1〜61−Nの信号合成部14が、フィルタ部15−1〜15−K及び信号合成処理部16を備えている。しかし、これは一例に過ぎず、サブアレーアンテナ61−1〜61−Nの信号合成部14が、図10に示すマルチプレクサ50を備えていてもよい。
図11に示すアンテナ装置1は、サブアレーアンテナ61−1〜61−Nの個数分のA/D変換器17−1〜17−Nを備えている。
A/D変換器17−n(n=1,・・・,N)は、サブアレーアンテナ61−nの信号合成部14から出力された合成信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、デジタル信号をビーム形成部62の信号分離部19−nに出力する。
ビーム形成部62は、信号分離部19−1〜19−N及びビーム形成処理部63を備えている。
ビーム形成部62は、A/D変換器17−1〜17−Nから出力されたそれぞれのデジタル信号を、サブアレーアンテナ61−1〜61−Nの素子アンテナ11−1〜11−Kにより受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離する。
ビーム形成部62は、分離したそれぞれの信号を用いて、ビーム信号#1〜#Mを形成する。
信号分離部19−nは、例えば、図3に示す信号分離回路31によって実現される。
信号分離部19−nは、A/D変換器17−nから出力されたデジタル信号を、サブアレーアンテナ61−nの素子アンテナ11−1〜11−Kにより受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離する。
信号分離部19−nは、分離したそれぞれの信号をビーム形成処理部63に出力する。
ビーム形成処理部63は、例えば、図3に示すビーム形成処理回路32によって実現される。
ビーム形成処理部63は、信号分離部19−1〜19−Nにより分離されたそれぞれの信号を用いて、ビーム信号#1〜#Mを形成し、ビーム信号#1〜#Mを信号処理装置2又は信号処理装置3に出力する。
図11では、ビーム形成部62の構成要素である信号分離部19−1〜19−N及びビーム形成処理部63のそれぞれが、図3に示すような専用のハードウェアによって実現されるものを想定している。即ち、ビーム形成部62が、信号分離回路31及びビーム形成処理回路32によって実現されるものを想定している。
ビーム形成部62の構成要素は、専用のハードウェアによって実現されるものに限るものではなく、ビーム形成部62が、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現されるものであってもよい。
ビーム形成部62が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合、信号分離部19−1〜19−N及びビーム形成処理部63の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムが図4に示すメモリ41に格納される。そして、コンピュータの図4に示すプロセッサ42がメモリ41に格納されているプログラムを実行する。
次に、図11に示すアンテナ装置1の動作について説明する。
サブアレーアンテナ61−1〜61−Nが有する素子アンテナ11−1〜11−K、LNA12−1〜12−K、周波数変換部13及び信号合成部14のそれぞれの動作は、図2に示すアンテナ装置1と同様であるため、説明を省略する。
A/D変換器17−n(n=1,・・・,N)は、サブアレーアンテナ61−nの信号合成部14から合成信号を受けると、合成信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、デジタル信号をビーム形成部62の信号分離部19−nに出力する。
ビーム形成部62の信号分離部19−nは、A/D変換器17−nからデジタル信号を受けると、図2に示す信号分離部19と同様に、例えば、デジタル信号をFFTすることで、デジタル信号を周波数領域の信号に変換する。
信号分離部19−nは、図2に示す信号分離部19と同様に、周波数領域の信号から、サブアレーアンテナ61−nが有する素子アンテナ11−1〜11−Kにより受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離する。
信号分離部19−nは、分離したそれぞれの信号をビーム形成処理部63に出力する。
ビーム形成処理部63は、信号分離部19−1〜19−Nにより分離されたそれぞれの信号を用いて、例えば、DBF処理を実施することで、ビーム信号#1〜#Mを形成し、ビーム信号#1〜#Mを信号処理装置2又は信号処理装置3に出力する。
以上の実施の形態3では、アンテナ装置1が、素子アンテナ11−1〜11−K、LNA12−1〜12−K、周波数変換部13及び信号合成部14を有するサブアレーアンテナ61−1〜61−Nを備えている。また、アンテナ装置1が、サブアレーアンテナ61−1〜61−Nの個数分のA/D変換器17−1〜17−Nを備えている。
そして、ビーム形成部62が、A/D変換器17−1〜17−Nから出力されたそれぞれのデジタル信号を、サブアレーアンテナ61−1〜61−Nの素子アンテナ11−1〜11−Kにより受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離し、分離したそれぞれの信号を用いて、ビーム信号#1〜#Mを形成するように、図11に示すアンテナ装置1を構成した。したがって、図11に示すアンテナ装置1は、図2及び図10に示すアンテナ装置1と同様に、信号対雑音電力比の劣化を防ぐことができる。また、図11に示すアンテナ装置1は、図2及び図10に示すアンテナ装置1よりも、大規模なアレーアンテナを実現することができる。
実施の形態4.
図2及び図11に示すアンテナ装置では、フィルタ部15−kが、BPFを用いて、周波数変換処理部13−kから出力された中心周波数fの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出している。
実施の形態4では、フィルタ部15−kが、ハイパスフィルタ(以下、「HPF(High Pass Filter)」と称する)、ローパスフィルタ(以下、「LPF(Low Pass Filter)」と称する)、又は、BPFを用いるアンテナ装置について説明する。
実施の形態4のアンテナ装置の構成は、実施の形態1及び実施の形態3のうちのいずれかの実施の形態の構成と同様であり、実施の形態4のアンテナ装置を示す構成図は、例えば、図2又は図11である。
実施の形態4のアンテナ装置では、説明の便宜上、K=4であるものとして説明する。
また、実施の形態4のアンテナ装置では、周波数変換処理部13−1〜13−4から出力された系統#1〜系統#4の受信信号の中で、中心周波数が最も高い受信信号が、周波数変換処理部13−1から出力された中心周波数がfの受信信号であるとする。
周波数変換処理部13−1〜13−4から出力された系統#1〜系統#4の受信信号の中で、中心周波数が最も低い受信信号が、周波数変換処理部13−4から出力された中心周波数がfの受信信号であるとする。
実施の形態4のアンテナ装置では、周波数変換処理部13−1から出力された系統#1の受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−1は、図12に示すように、HPFを用いている。
周波数変換処理部13−4から出力された系統#4の受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−4は、図12に示すように、LPFを用いている。
また、周波数変換処理部13−2から出力された系統#2の受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−2及び周波数変換処理部13−3から出力された系統#3の受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−3のそれぞれは、図12に示すように、BPFを用いている。
図12は、フィルタ部15−1〜15−4が用いるフィルタの種類と通過帯域とを示す説明図である。
フィルタ部15−1がHPFを用い、フィルタ部15−2及びフィルタ部15−3のそれぞれがBPFを用い、フィルタ部15−4がLPFを用いる場合、信号合成処理部16から出力される合成信号は、図13のようになる。
図13は、信号合成処理部16から出力される合成信号を示す説明図である。
図13に示す合成信号では、例えば、系統#1の受信信号に着目すると、系統#1の受信信号の周波数帯域は、系統#1の受信信号の雑音成分を含んでいるが、系統#2〜#4の受信信号の雑音成分を含んでいない。
したがって、図9に示す合成信号に含まれている系統#1の受信信号の信号対雑音電力比と比べて、図13に示す合成信号に含まれている系統#1の受信信号の信号対雑音電力比は、改善している。
図13に示す合成信号に含まれている系統#2〜系統#4の受信信号の信号対雑音電力比についても、同様に改善している。
以上の実施の形態4では、複数のフィルタ部15−1〜15−4のうち、周波数変換部13から出力されたそれぞれの信号の中で、中心周波数が最も高い信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−1は、HPFを用いる。また、複数のフィルタ部15−1〜15−4のうち、周波数変換部13から出力されたそれぞれの信号の中で、中心周波数が最も低い信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−4は、LPFを用いる。そして、フィルタ部15−2及びフィルタ部15−4のそれぞれは、BPFを用いるように、アンテナ装置1を構成した。したがって、アンテナ装置1は、フィルタ部15−1〜15−4のそれぞれがBPFを用いる場合と同様に、信号対雑音電力比の劣化を防ぐことができるほか、フィルタ部15−1〜15−4のそれぞれがBPFを用いる場合よりも、信号合成部14の小型化を図ることができる。
実施の形態5.
図2及び図11に示すアンテナ装置では、フィルタ部15−kが、BPFを用いて、周波数変換処理部13−kから出力された中心周波数fの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出している。
実施の形態5では、フィルタ部15−kが、HPF、又は、LPFを用いるアンテナ装置について説明する。
実施の形態5のアンテナ装置の構成は、実施の形態1及び実施の形態3のうちのいずれかの実施の形態の構成と同様であり、実施の形態5のアンテナ装置を示す構成図は、例えば、図2又は図11である。
実施の形態5のアンテナ装置では、説明の便宜上、K=4であるものとして説明する。
実施の形態5のアンテナ装置では、周波数変換処理部13−1〜13−4から出力された系統#1〜系統#4の受信信号の中心周波数f〜fにおける平均周波数がfaveであり、f>f>fave>f>fであるとする。
実施の形態5のアンテナ装置では、フィルタ部15−1〜15−4のうち、平均周波数faveよりも、中心周波数fが高い受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−1は、図14に示すように、HPFを用いている。また、平均周波数faveよりも、中心周波数fが高い受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−2は、図14に示すように、HPFを用いている。
実施の形態5のアンテナ装置では、フィルタ部15−1〜15−4のうち、平均周波数faveよりも、中心周波数fが低い受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−3は、図14に示すように、LPFを用いている。また、平均周波数faveよりも、中心周波数fが低い受信信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−4は、図14に示すように、LPFを用いている。
図14は、フィルタ部15−1〜15−4が用いるフィルタの種類と通過帯域とを示す説明図である。
フィルタ部15−1が用いるHPFは、図14に示すように、周波数変換処理部13−1から出力された系統#1の受信信号の信号成分を通過させる通過帯域を有している。
フィルタ部15−2が用いるHPFは、図14に示すように、周波数変換処理部13−2から出力された系統#2の受信信号の信号成分を通過させる通過帯域を有している。
フィルタ部15−3が用いるLPFは、図14に示すように、周波数変換処理部13−3から出力された系統#3の受信信号の信号成分を通過させる通過帯域を有している。
フィルタ部15−4が用いるLPFは、図14に示すように、周波数変換処理部13−4から出力された系統#4の受信信号の信号成分を通過させる通過帯域を有している。
フィルタ部15−1及びフィルタ部15−2のそれぞれがHPFを用い、フィルタ部15−3及びフィルタ部15−4のそれぞれがLPFを用いる場合、信号合成処理部16から出力される合成信号は、図15のようになる。
図15は、信号合成処理部16から出力される合成信号を示す説明図である。
図15に示す合成信号では、系統#1の受信信号に着目すると、系統#1の受信信号の周波数帯域は、系統#1の受信信号の雑音成分のほかに、系統#2の受信信号の雑音成分を含んでいるが、系統#3〜#4の受信信号の雑音成分を含んでいない。
したがって、図9に示す合成信号に含まれている系統#1の受信信号の信号対雑音電力比と比べて、図15に示す合成信号に含まれている系統#1の受信信号の信号対雑音電力比は、改善している。
系統#4の受信信号に着目すると、系統#4の受信信号の周波数帯域は、系統#4の受信信号の雑音成分のほかに、系統#3の受信信号の雑音成分を含んでいるが、系統#1〜#2の受信信号の雑音成分を含んでいない。
したがって、図9に示す合成信号に含まれている系統#4の受信信号の信号対雑音電力比と比べて、図15に示す合成信号に含まれている系統#4の受信信号の信号対雑音電力比は、改善している。
系統#2の受信信号に着目すると、系統#2の受信信号の周波数帯域は、系統#2の受信信号の雑音成分を含んでいるが、系統#1,#3,#4の受信信号の雑音成分を含んでいない。
したがって、図9に示す合成信号に含まれている系統#2の受信信号の信号対雑音電力比と比べて、図15に示す合成信号に含まれている系統#2の受信信号の信号対雑音電力比は、改善している。
系統#3の受信信号に着目すると、系統#3の受信信号の周波数帯域は、系統#3の受信信号の雑音成分を含んでいるが、系統#1,#2,#4の受信信号の雑音成分を含んでいない。
したがって、図9に示す合成信号に含まれている系統#3の受信信号の信号対雑音電力比と比べて、図15に示す合成信号に含まれている系統#3の受信信号の信号対雑音電力比は、改善している。
実施の形態5のアンテナ装置では、フィルタ部15−1〜15−4のそれぞれの通過帯域が、図14に示すような通過帯域であるものを示している。
しかし、これは一例に過ぎず、平均周波数faveよりも、中心周波数が高い受信信号の信号成分を抽出するフィルタ部15−1,15−2が用いるHPFは、図16に示すように、系統#2の受信信号の信号成分を通過させる通過帯域を有していてもよい。
また、平均周波数faveよりも、中心周波数が低い受信信号の信号成分を抽出するフィルタ部15−3,15−3が用いるHPFは、図16に示すように、系統#3の受信信号の信号成分を通過させる通過帯域を有していてもよい。
図16は、フィルタ部15−1〜15−4が用いるフィルタの種類と通過帯域とを示す説明図である。
フィルタ部15−1〜15−4のそれぞれの通過帯域が、図16に示すような通過帯域である場合、信号合成処理部16から出力される合成信号は、図17のようになる。
図17は、信号合成処理部16から出力される合成信号を示す説明図である。
図17に示す合成信号では、例えば、系統#2の受信信号に着目すると、系統#2の受信信号の周波数帯域は、系統#2の受信信号の雑音成分のほかに、系統#1の受信信号の雑音成分を含んでいるが、系統#3〜#4の受信信号の雑音成分を含んでいない。
したがって、図9に示す合成信号に含まれている系統#2の受信信号の信号対雑音電力比と比べて、図17に示す合成信号に含まれている系統#2の受信信号の信号対雑音電力比は、改善している。
例えば、系統#3の受信信号に着目すると、系統#3の受信信号の周波数帯域は、系統#3の受信信号の雑音成分のほかに、系統#4の受信信号の雑音成分を含んでいるが、系統#1〜#2の受信信号の雑音成分を含んでいない。
したがって、図9に示す合成信号に含まれている系統#3の受信信号の信号対雑音電力比と比べて、図17に示す合成信号に含まれている系統#3の受信信号の信号対雑音電力比は、改善している。
以上の実施の形態5では、複数のフィルタ部15−1〜15−4のうち、周波数変換部13から出力されたそれぞれの受信信号の中心周波数の平均周波数よりも、中心周波数が高い信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−1,15−2は、HPFを用い、平均周波数よりも、中心周波数が低い信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部15−3,15−4は、LPFを用いるように、アンテナ装置1を構成した。したがって、アンテナ装置1は、フィルタ部15−1〜15−4のそれぞれがBPFを用いる場合と同様に、信号対雑音電力比の劣化を防ぐことができるほか、フィルタ部15−1〜15−4のそれぞれがBPFを用いる場合よりも、信号合成部14の小型化を図ることができる。
実施の形態5のアンテナ装置では、平均周波数faveが、中心周波数f,fよりも低く、平均周波数faveが、中心周波数f,fよりも高いものを示している。
しかし、これは一例に過ぎず、中心周波数f〜fと、平均周波数faveとの関係が、例えば、f>f=fave>f>fであってもよい。
>f=fave>f>fの場合、フィルタ部15−2は、HPF、BPF及びLPFのうちのいずれのフィルタを用いてもよい。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
この発明は、ビーム信号を形成するアンテナ装置、レーダ装置及び通信装置に適している。
1 アンテナ装置、2,3 信号処理装置、11−1〜11−K 素子アンテナ、12−1〜12−K LNA、13 周波数変換部、13−1〜13−K 周波数変換処理部、14 信号合成部、15−1〜15−K フィルタ部、16 信号合成処理部、17,17−1〜17−N A/D変換器、18 ビーム形成部、19,19−1〜19−N 信号分離部、20 ビーム形成処理部、31 信号分離回路、32 ビーム形成処理回路、41 メモリ、42 プロセッサ、50 マルチプレクサ、61−1〜61−N サブアレーアンテナ、62 ビーム形成部、63 ビーム形成処理部。
この発明に係るアンテナ装置は、複数系統に設けられ、それぞれが各系統の信号を受信する複数の素子アンテナと、複数系統の系統毎に、それぞれが対応する素子アンテナにより受信された信号を互いに異なる中心周波数になるように周波数変換し、当該周波数変換された各中心周波数を持つ周波数帯域が互いに重なっていない複数の中心周波数を持つ周波数帯域の信号を出力する周波数変換部と、複数系統の系統毎に設けられ、それぞれが周波数変換部から出力された対応する中心周波数を持つ周波数帯域の信号を通過させる通過帯域を有し、当該周波数帯域以外の帯域に含まれている雑音成分を抑圧する、互いに通過帯域が異なる複数のフィルタと、複数のフィルタ部それぞれから通過された中心周波数を持つ周波数帯域の信号を合成した合成信号を出力する信号合成処理部を具備する信号合成部と、信号合成部から出力された合成信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、デジタル信号を出力するアナログデジタル変換器と、アナログデジタル変換器から出力されたデジタル信号を、複数系統の系統毎に複数の素子アンテナにより受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離し、分離した系統毎の信号を用いて、ビーム信号を形成するビーム形成部とを備え

Claims (12)

  1. 信号を受信する複数の素子アンテナと、
    前記複数の素子アンテナにより受信されたそれぞれの信号の信号成分を含む周波数帯域が互いに重ならないように、それぞれの信号の周波数を変換し、互いの周波数帯域が重なっていないそれぞれの信号を出力する周波数変換部と、
    前記周波数変換部から出力されたそれぞれの信号の中から、それぞれの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出し、抽出したそれぞれの信号成分を互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を出力する信号合成部と、
    前記信号合成部から出力された合成信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、前記デジタル信号を出力するアナログデジタル変換器と、
    前記アナログデジタル変換器から出力されたデジタル信号を、前記複数の素子アンテナにより受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離し、分離したそれぞれの信号を用いて、ビーム信号を形成するビーム形成部と
    を備えたアンテナ装置。
  2. 前記信号合成部は、
    前記周波数変換部から出力されたそれぞれの信号の中から、それぞれの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出する複数のフィルタ部と、
    前記複数のフィルタ部により抽出されたそれぞれの信号成分を互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を出力する信号合成処理部とを備えていることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
  3. 前記信号合成部は、
    前記周波数変換部から出力されたそれぞれの信号の中から、それぞれの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出し、抽出したそれぞれの信号成分を互いに合成して、それぞれの信号成分の合成信号を出力するマルチプレクサを備えていることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
  4. 前記複数の素子アンテナと、前記周波数変換部と、前記信号合成部とを有する複数のサブアレーアンテナを備え、
    前記アナログデジタル変換器として、前記複数のサブアレーアンテナの個数分のアナログデジタル変換器を備え、
    前記ビーム形成部は、複数のアナログデジタル変換器から出力されたそれぞれのデジタル信号を、前記複数のサブアレーアンテナが有する前記複数の素子アンテナにより受信されたそれぞれの信号に対応する信号に分離し、分離したそれぞれの信号を用いて、ビーム信号を形成することを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
  5. 前記周波数変換部は、ミキサを用いて、前記複数の素子アンテナにより受信されたそれぞれの信号の周波数帯域が互いに重ならないように、それぞれの信号の周波数を変換することを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
  6. 前記複数のフィルタ部のそれぞれは、バンドパスフィルタを用いて、前記周波数変換部から出力されたそれぞれの信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出することを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。
  7. 前記複数のフィルタ部のうち、前記周波数変換部から出力されたそれぞれの信号の中で、中心周波数が最も高い信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部は、ハイパスフィルタを用い、
    前記複数のフィルタ部のうち、前記周波数変換部から出力されたそれぞれの信号の中で、中心周波数が最も低い信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部は、ローパスフィルタを用い、
    前記複数のフィルタ部のうち、前記ハイパスフィルタ、又は、前記ローパスフィルタのいずれかを用いるフィルタ部以外のフィルタ部は、バンドパスフィルタを用いることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。
  8. 前記複数のフィルタ部のうち、前記周波数変換部から出力されたそれぞれの信号の中心周波数の平均周波数よりも、中心周波数が高い信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部は、ハイパスフィルタを用い、
    前記複数のフィルタ部のうち、前記周波数変換部から出力されたそれぞれの信号の中心周波数の平均周波数よりも、中心周波数が低い信号の周波数帯域に含まれている信号成分を抽出するフィルタ部は、ローパスフィルタを用いることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。
  9. 前記ハイパスフィルタは、前記周波数変換部から出力されたそれぞれの信号のうち、前記平均周波数よりも、中心周波数が高い信号の信号成分を通過させる通過帯域を有していることを特徴とする請求項8記載のアンテナ装置。
  10. 前記ローパスフィルタは、前記周波数変換部から出力されたそれぞれの信号のうち、前記平均周波数よりも、中心周波数が低い信号の信号成分を通過させる通過帯域を有していることを特徴とする請求項8記載のアンテナ装置。
  11. 請求項1から請求項10のうちのいずれか1項記載のアンテナ装置を備えたレーダ装置。
  12. 請求項1から請求項10のうちのいずれか1項記載のアンテナ装置を備えた通信装置。
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