WO2022070355A1

WO2022070355A1 - フェーズドアレイアンテナの校正方法及び校正システム

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Publication number: WO2022070355A1
Application number: PCT/JP2020/037312
Authority: WO
Inventors: 貴史丸山; 重雄宇田川; 満桐田; 泰田中; 諒太郎大橋
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-04-07
Also published as: DE112020007645T5; US20230361463A1; JPWO2022070355A1; JP7427105B2

Abstract

信号源（１）から出力された高周波信号の位相を変換する移相器（３）、高周波信号の振幅を増幅する増幅器（４）及び高周波信号を電波に変換する送信アンテナ（５）を各々が備える複数の送信モジュール（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）と、受信アンテナ（１２）を備えた受信モジュール（１１）とを備えたフェーズドアレイアンテナ（１００）の校正方法であって、複数の送信モジュール（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）の各々の送信アンテナ（５）から送信され外部で反射された電波である反射波を受信アンテナ（１２）で受信する工程と、受信した反射波の振幅及び位相に基づいて、複数の送信モジュール（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）の各々の移相器（３）及び増幅器（４）を調整する工程とを備える。

Description

フェーズドアレイアンテナの校正方法及び校正システム

　本開示は、フェーズドアレイアンテナの複数のアンテナから送信される電波の振幅及び位相を揃えるフェーズドアレイアンテナの校正方法及び校正システムに関する。

　複数のアンテナを備えたフェーズドアレイアンテナは、アンテナごとに電界ベクトルを制御することによって、各アンテナによる電界ベクトルを合成した合成電界ベクトルの方向を変化させて任意の放射指向性を得ることができ、特定の方向に電波を送信したり、特定の方向から到来する電波を受信したりすることができる。

　一般に、フェーズドアレイアンテナは、初期状態では、配線長の違い及び製造誤差といった要因により、各アンテナに入力される高周波信号の振幅及び位相が揃っていないため、各アンテナから送信される電波の振幅及び位相も揃っていない。このため、各アンテナから送信される電波の振幅及び位相を揃える「校正」を行う必要がある。

　フェーズドアレイアンテナの校正にフェーズドアレイアンテナ以外の部材又は装置を用いる場合には、これらの部材及び装置とフェーズドアレイアンテナとによって、フェーズドアレイアンテナの校正用測定系が構成される。

　特許文献１には、フェーズドアレイアンテナとは別に送信機を設置した校正用測定系において、送信機からの電波を空間を介してフェーズドアレイアンテナで受信した結果に基づいてフェーズドアレイアンテナを校正する方法が開示されている。

特開昭５７－１６２８０３号公報

　特許文献１に開示されるフェーズドアレイアンテナの校正方法は、校正対象のフェーズドアレイアンテナの他に送信機が必要であり校正用測定系が複雑になってしまう。

　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成の校正用測定系で正確な校正を行えるフェーズドアレイアンテナの校正方法を得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るフェーズドアレイアンテナの校正方法は、信号源から出力された高周波信号の位相を変換する移相器、高周波信号の振幅を増幅する増幅器及び高周波信号を電波に変換する送信アンテナを各々が備える複数の送信モジュールと、受信アンテナを備えた受信モジュールとを備えたフェーズドアレイアンテナの校正方法である。本開示に係るフェーズドアレイアンテナの校正方法は、複数の送信モジュールの各々の送信アンテナから送信され外部で反射された電波である反射波を受信アンテナで受信する工程と、受信した反射波の振幅及び位相に基づいて、複数の送信モジュールの各々の移相器及び増幅器を調整する工程とを備える。

　本開示に係るフェーズドアレイアンテナの校正方法は、簡易な構成の校正用測定系で正確な校正を行えるという効果を奏する。

実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系を示す図実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系における高周波信号の周波数を示す図実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系における受信機で変換されたディジタル信号の周波数スペクトルの第１の例を示す図実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系における受信機で変換されたディジタル信号の周波数スペクトルの第２の例を示す図実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系を示す図実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系での空間内での電波の経路を示す図実施の形態３の第１の変形例に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系を示す図実施の形態３の第２の変形例に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系を示す図実施の形態１から３に係る校正処理部の機能をハードウェアで実現した構成を示す図実施の形態１から３に係る校正処理部の機能をソフトウェアで実現した構成を示す図

　以下に、実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナの校正方法及び校正システムを図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系を示す図である。フェーズドアレイアンテナ１００の校正用測定系は、校正対象であるフェーズドアレイアンテナ１００と、高周波信号を反射する反射器２１とを有する。フェーズドアレイアンテナ１００及び反射器２１は、フェーズドアレイアンテナ１００を校正する校正システムを構成している。反射器２１は、フェーズドアレイアンテナ１００の校正時のみ設置されていればよい。

　フェーズドアレイアンテナ１００は、高周波信号を出力する信号源１に加え、送信モジュール２、受信モジュール１１及び信号処理部１５を備える。フェーズドアレイアンテナ１００は、送信モジュール２を四つ備えている。以下、四つの送信モジュール２の各々を区別する場合は、送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄという。なお、送信モジュール２を四つ備えるフェーズドアレイアンテナ１００を例に説明するが、送信モジュール２の数は、二つ以上であればよく、四つに限定されない。送信モジュール２は、リニアアレイ、プレーナアレイ又はサーキュラアレイといった配列パターンで設置できるが、特定の配列パターンに限定されない。送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々は、移相器３、増幅器４及び送信アンテナ５を備える。移相器３は、信号源１から入力された高周波信号の位相を任意の位相に変えて出力することができる。増幅器４は、移相器３から入力された高周波信号の出力電圧を任意に変えて送信アンテナ５へ出力することができる。すなわち、増幅器４は、高周波信号の振幅を任意の大きさに変えることができる。受信モジュール１１は、受信アンテナ１２、ミキサ１３及び受信機１４を備える。

　信号処理部１５は、目標の位置、移動方向及び移動速度の算出などを行う。信号処理部１５は、送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の振幅及び位相の推定と、移相器３から出力される高周波信号の位相の調整と、増幅器４から出力される高周波信号の振幅の調整とを行う校正処理部３１を備える。送信モジュール２の移相器３及び増幅器４は、校正処理部３１により調整される。

　反射器２１は、送信された高周波信号を反射するものであれば種類は問わない。反射器２１の一例には、再帰反射性を有するコーナリフレクタを挙げることができる。

　ここで、フェーズドアレイアンテナ１００が電波を送信する動作について説明する。信号源１から高周波信号が出力される。信号源１から出力された高周波信号は、移相器３で位相が調整され、増幅器４で電力が増幅されたのち、送信アンテナ５に送られる。送信アンテナ５に入力された高周波信号は、電波に変換されて送信アンテナ５から送信される。以降の説明において、送信モジュール２の送信アンテナ５から電波が送信されることを、「送信モジュール２から電波が送信される」という。また、以降の説明において、送信アンテナ５から送信される電波の振幅を、「送信モジュール２の振幅」という。また、以降の説明において、送信アンテナ５から送信される電波の位相を、「送信モジュール２の位相」という。

　フェーズドアレイアンテナ１００は、複数の送信モジュール２を備えるため、各送信モジュール２の振幅及び位相を調整することで、各送信アンテナ５による電界ベクトルを合成した合成電界ベクトルの向きを変化させ、フェーズドアレイアンテナ１００の放射指向性を変更することができる。

　しかし、移相器３、増幅器４、送信アンテナ５及びこれらを接続する線路には、送信モジュール２ごとにばらつきがあり、送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の振幅及び位相は、フェーズドアレイアンテナ１００の校正前は、未知である。

　したがって、フェーズドアレイアンテナ１００を運用するにあたっては、送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の振幅及び位相を推定し、推定結果に基づいて送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の振幅及び位相を調整する「校正」が必要である。

　フェーズドアレイアンテナ１００の校正について説明する。送信モジュール２から送信された電波は、反射器２１で反射される。受信アンテナ１２は、反射器２１で反射された電波を受信する。ミキサ１３は、受信アンテナ１２が電波を受信することによって変換された高周波信号を、信号源１から直接出力された高周波信号と乗算することによって周波数変調し、ベースバンド信号を出力する。受信機１４は、ベースバンド信号をディジタル信号に変換する。信号処理部１５は、受信機１４でディジタル信号に変換されたベースバンド信号を保存するとともに、ディジタル信号に変換されたベースバンド信号に対し、各種の信号処理を行い、目標の位置、移動方向及び移動速度の算出などを行う。以降の説明においては、電波が受信モジュール１１の受信アンテナ１２で受信され、ミキサ１３で周波数変調されてから受信機１４でディジタル信号に変換されることを、単に「電波が受信モジュール１１で受信される」という。

　校正処理部３１は、信号処理部１５に入力されたディジタル信号の振幅及び位相に基づいて、受信モジュール１１で受信された電波の振幅及び位相を特定し、送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの振幅及び位相を推定する。したがって、信号処理部１５に入力されるディジタル信号の振幅及び位相に基づいて、校正処理部３１が送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の移相器３及び増幅器４の設定を変更することで、送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の振幅及び位相を調整し、フェーズドアレイアンテナ１００を校正することができる。

　このように、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ１００の校正は、複数の送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の送信アンテナ５から送信され外部で反射された電波である反射波を受信アンテナ１２で受信する工程と、受信した反射波の振幅及び位相に基づいて、複数の送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の移相器３及び増幅器４を調整する工程とによって行われる。フェーズドアレイアンテナ１００の校正の際に、フェーズドアレイアンテナ１００自体が備えている受信モジュール１１を用いることにより、校正のために行う電波の送信及び受信がフェーズドアレイアンテナ１００で完結するため、校正用測定系の構成及び制御が簡単になる。なお、移相器３及び増幅器４の設定を変更して送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの振幅及び位相を調整する作業は、人手によって行ってもよい。

　フェーズドアレイアンテナ１００の校正は、任意の方法で行うことができるが、「真野、片木、フェイズドアレーアンテナの素子振幅位相測定法　-素子電界ベクトル回転法-、電子情報通信学会論文誌　B、Vol.J65-B、No.5、pp.555-560、1982年5月」に記載の方法を用いるものとして、校正の具体例について説明する。

　まず、全ての送信モジュール２の増幅器４の出力を初期値とする。一例は全ての送信モジュール２で同一の指示値とする。また、全ての送信モジュール２の移相器３の位相を初期値とする。一例は全て０°であるが、別の値としてもよい。全ての送信モジュール２で増幅器４及び移相器３を初期値にしたのち、全ての送信モジュール２から電波を出力する。上述の通り、移相器３、増幅器４、送信アンテナ５及びこれらを接続する線路には、送信モジュール２ごとのばらつきがあるため、各送信モジュール２から送信される電波の振幅及び位相は、この時点では未知である。

　反射器２１で反射された電波は受信モジュール１１で受信される。受信モジュール１１で受信された電波を変換したベースバンド信号をディジタル化した信号の受信電力の大きさは、信号処理部１５に保管される。

　次に、着目する一つの送信モジュール２の移相器３の位相状態を変更する。移相器３がディジタル移相器であれば、位相を１ビット分変える。そして、全ての送信モジュール２から電波を送信する。反射器２１で反射された電波は、受信モジュール１１で受信される。受信モジュール１１で受信された電波を変換したベースバンド信号の受信電力の大きさは、信号処理部１５に保管される。

　このように、着目する一つの送信モジュール２の移相器３の位相状態の変更と、電波の送受信と、受信電力の大きさの信号処理部１５への保管との一連の動作を、移相器３の全ての位相状態について受信電力の大きさを信号処理部１５に保管するまで繰り返す。移相器３がディジタル移相器であれば、全てのビットの組み合わせについて受信電力の大きさを信号処理部１５に保管するまで一連の動作を繰り返す。

　信号処理部１５に保管された受信電力の大きさは、着目する一つの送信モジュール２の移相器３の位相状態を一周期分変化させることで、コサインカーブを描く。ここで、着目する一つの送信モジュール２を除く他の送信モジュール２は、出力が初期値のままであるため、着目する一つの送信モジュール２の移相器３の位相状態を一周期分変化させた場合の受信電力の位相は、着目する一つの送信モジュール２の移相器３の位相状態のみに起因して変化している。したがって、校正処理部３１は、信号処理部１５に保管された受信電力が最大となるときの位相の値及び電力の変動の大きさから、着目する一つの送信モジュール２から送信される電波の振幅及び位相を推定できる。

　振幅及び位相の解は、下記のｋ_１，ｋ_２，Ｘ_１，Ｘ_２で表される。ここで、ｋ_１及びｋ_２は、着目する送信モジュール２の相対振幅であり、Ｘ_１及びＸ_２は、相対位相である。

　なお、ｐ＝（ｒ－１）／（ｒ＋１）である。ｒ^２は、信号処理部１５に保管された受信電力の大きさのコサインカーブの最大値と最小値との比であり、－Δ_０は、受信電力の大きさのコサインカーブが最大となるときの位相の値である。ｒ^２及び－Δ_０は、観測値から求めることができる。

　ｒが正の値の時、ｋ_１，Ｘ_１の組が求まり、ｒが負の値の時、ｋ_２，Ｘ_２の組が求まる。したがって、ｋ_１，Ｘ_１の組が正しい解であるかｋ_２，Ｘ_２の組が正しい解であるかを判定する必要があるが、判定には公知の方法を用いることができる。一例を挙げると、初期設定の位相分布を変えてもう一度判定を行って相対振幅及び相対位相を求め、１回目の結果と比較して相対振幅が同じとなる解を選ぶ方法でｋ_１，Ｘ_１の組が正しい解であるか、ｋ_２，Ｘ_２の組が正しい解であるかを判定することができる。ｋ_１，Ｘ_１の組が正しい解であるか、ｋ_２，Ｘ_２の組が正しい解であるかの判定は、例示した方法とは別の公知の方法を用いて行ってもよい。

　校正処理部３１は、着目する送信モジュール２の振幅及び位相を推定したのち、振幅及び位相を未推定の別の送信モジュール２を着目する送信モジュール２に変更して上記の動作を行うことで、振幅及び位相を推定する。振幅及び位相を未推定の送信モジュール２が無くなるまで、着目する送信モジュール２を順次変更しながら、上記の動作を繰り返していく。上記の手順を全ての送信モジュール２に対して行うことで、校正処理部３１は、全ての送信モジュール２の振幅及び位相を推定できる。

　校正処理部３１は、送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の振幅及び位相の推定結果に基づいて、送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の移相器３及び増幅器４を調整する。校正処理部３１が送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の移相器３及び増幅器４を調整することにより、各送信アンテナ５の電界ベクトルを任意の方向に向けることができるようになるため、フェーズドアレイアンテナ１００の放射指向性を任意に設定することが可能となる。例えば、送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの全てで振幅及び位相が同じになるように移相器３及び増幅器４を調整すれば、フェーズドアレイアンテナ１００のアレイ面と直交する方向にビームを形成できる。

　なお、送信モジュール２から送信される電波の振幅の推定については、一つの送信モジュール２のみから電波を送信し、反射器２１を介して受信モジュール１１で電力を測定するという手順を全ての送信モジュール２に対して行ってもよい。

　実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ１００の校正方法は、複数の送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の送信アンテナ５から送信した電波の反射波を受信アンテナ１２で受信する工程と、受信した反射波の振幅及び位相に基づいて、複数の送信モジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の移相器３及び増幅器４を調整する工程とを備え、電波の送受信にはフェーズドアレイアンテナ１００が備える送信モジュール２及び受信モジュール１１を用い、反射器２１との間を往復した電波を利用して送信モジュール２の振幅及び位相を推定する。したがって、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ１００は、簡易な構成の校正用測定系により正確に校正できる。

実施の形態２．
　実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ１００の校正用測定系は、実施の形態１と同様である。ただし、実施の形態２においては、信号源１から出力される高周波信号は、時間とともに周波数が変化するチャープ信号である。

　校正時、信号源１から出力される高周波信号は、電波に変換されて送信モジュール２から送信され、反射器２１で反射される。

　反射器２１で反射された電波は受信アンテナ１２で受信される。ミキサ１３には、受信アンテナ１２で受信された高周波信号と信号源１から直接入力される高周波信号とが入力される。ここで、受信アンテナ１２からミキサ１３へ入力された高周波信号は、反射器２１を介して空間を伝搬した信号であるため、信号源１から直接入力された高周波信号と比較して、位相が遅れている。信号源１から出力される高周波信号がチャープ信号であるため、ミキサ１３へ入力される位相の異なる二つの高周波信号は、周波数が異なる。

　図２は、実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系における高周波信号の周波数を示す図である。図２におけるΔｆは、受信アンテナ１２で受信された高周波信号と信号源１から直接入力される高周波信号との周波数差を表す。経路長の差により、ミキサ１３に入力される二つの高周波信号は、信号源１から出力された時刻が異なるため、周波数に差が生じている。

　ミキサ１３は二つの信号の周波数差Δｆのベースバンド信号を出力する。周波数差Δｆの大きさは、反射器２１とフェーズドアレイアンテナ１００との距離に比例する。受信機１４は、ベースバンド信号をディジタル信号に変換する。信号処理部１５は、受信機１４で変換されたディジタル信号に対し、各種の信号処理を行う。信号処理部１５はこのディジタル信号の周波数スペクトルを計算し、反射器２１とフェーズドアレイアンテナ１００との距離に対応する周波数における電力の大きさを保管する。

　図３は、実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系における受信機で変換されたディジタル信号の周波数スペクトルの第１の例を示す図である。実施の形態２における受信機１４で変換されたディジタル信号は、周波数差Δｆの成分を有するため、このディジタル信号をフーリエ変換して周波数成分を求めると、周波数Δｆに電力の極大値Ｐを生じる。周波数Δｆは、反射器２１とフェーズドアレイアンテナ１００との距離に比例した周波数であるため、周波数Δｆに生じる電力の極大値Ｐを用いて校正処理部３１がフェーズドアレイアンテナ１００の校正を行うことにより、反射器２１とフェーズドアレイアンテナ１００との距離に対応する周波数以外の周波数成分に起因するノイズ成分を除外でき、校正の精度を高めることができる。

　図４は、実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系における受信機で変換されたディジタル信号の周波数スペクトルの第２の例を示す図である。反射器２１とフェーズドアレイアンテナ１００との距離に応じた周波数Δｆに生じる電力の極大値Ｐの他にも、電力の極大値Ｎが生じている。

　校正を電波暗室内で実施した場合、反射器２１に対応する極大値のみが生じるが、電波暗室内に反射器２１以外の反射物が存在する場合、又は電波暗室外で校正を実施した場合には、図４の電力の極大値Ｎのように、不要な極大値が発生する。なお、図４では不要な極大値は一つであるが、複数発生する場合もある。このような場合でも、反射器２１の距離に応じた周波数Δｆに生じる電力の極大値Ｐを校正に用いることで、反射器２１とフェーズドアレイアンテナ１００との距離に対応する周波数以外の周波数成分に起因するノイズ成分を除外でき、校正の精度を高めることができる。

　なお、フェーズドアレイアンテナ１００と反射器２１との距離が既知であるため、フェーズドアレイアンテナ１００と反射器２１との距離に対応して定まる周波数Δｆも既知である。したがって、フェーズドアレイアンテナ１００と反射器２１との距離から周波数Δｆを求め、周波数スペクトルの周波数Δｆにおける電力の大きさを校正に用いてもよい。この場合、周波数Δｆにおける電力が極大値であるか否かは問わない。

　フェーズドアレイアンテナ１００の校正は、任意の方法で行うことができる。「真野、片木、フェイズドアレーアンテナの素子振幅位相測定法　-素子電界ベクトル回転法-、電子情報通信学会論文誌　B、Vol.J65-B、No.5、pp.555-560、1982年5月」に記載の方法を用いる場合は、実施の形態１と同様の手順でフェーズドアレイアンテナ１００を校正できる。

　実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ１００の校正方法は、校正には、送受信ともにフェーズドアレイアンテナ１００自体を用い、反射器２１を介した往復の電波を利用する。したがって、簡易な構成の校正用測定系でフェーズドアレイアンテナ１００を校正できる。

実施の形態３．
　図５は、実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系を示す図である。実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナ１００の校正用測定系は、反射器２１に加え、反射器２２も用いる点で、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ１００の校正用測定系と相違する。反射器２１の設置位置を第１の位置とし、反射器２２の設置位置を第２の位置とするとき、フェーズドアレイアンテナ１００と第１の位置との距離は、フェーズドアレイアンテナ１００と第２の位置との距離よりも長い。

　例えば、反射器２１は、フェーズドアレイアンテナ１００から１０００波長以上離れた位置に設置され、反射器２２は、フェーズドアレイアンテナ１００から６０波長以上５００波長以下の位置に設置される。なお、１波長とは、フェーズドアレイアンテナ１００が送受信する電波の周波数の自由空間における波長を表す。ただし、反射器２１，２２の設置位置とフェーズドアレイアンテナ１００との距離は、例示した距離に限定されない。

　フェーズドアレイアンテナ１００と反射器２２との距離と、フェーズドアレイアンテナ１００と反射器２１との距離との差が大きいほど位相校正の精度が高くなるが、フェーズドアレイアンテナ１００と反射器２１との距離を長くすると、校正用測定系が大きくなる。このため、フェーズドアレイアンテナ１００の校正用測定系を設置するスペースを確保できる範囲内で、フェーズドアレイアンテナ１００と反射器２１との距離を大きくし、位相校正の精度を高めるとよい。一例を挙げると、フェーズドアレイアンテナ１００と反射器２１との距離を、送信モジュール２から送信される電波の１０００波長以上とすることで、位相校正の精度を高めることができる。

　実施の形態３においては、フェーズドアレイアンテナ１００は、送信モジュール２を二つ備える。以下、二つの送信モジュール２の各々を区別する場合は、送信モジュール２ａ，２ｂという。フェーズドアレイアンテナ１００が備える送信モジュール２の数は、二つ以上であればよく、二つに限定されない。

　まず、反射器２２は配置せず、反射器２１のみ配置して、実施の形態１，２と同様に校正を実施する。この動作を手順１とする。実施の形態１で説明したように、送信モジュール２のうち一つだけから電波を送信し、反射器２１で反射された反射波を受信モジュール１１で受信して電力を測定することにより振幅を推定できるため、ここでは位相の求め方について説明する。

　図６は、実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系での空間内での電波の経路を示す図である。図６に示すように、信号源１から送信モジュール２ａで送信されるまでの経路をＡ１１とする。また、送信モジュール２ａ、反射器２１及び受信アンテナ１２の間の空間部分の経路をＡ１２とする。また、信号源１から送信モジュール２ｂで送信されるまでの経路をＡ２１とする。また、送信モジュール２ｂ、反射器２１及び受信アンテナ１２の間の空間部分の経路をＡ２２とする。経路Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２の各々における位相変化をそれぞれＰ１１，Ｐ１２，Ｐ２１，Ｐ２２とする。なお、Ｐ１２，Ｐ２２には、反射器２１での反射による位相変化が含まれる。

　手順１で求まる位相変化は、送信モジュール２ａに関しては、Ｐ１１＋Ｐ１２であり、送信モジュール２ｂに関しては、Ｐ２１＋Ｐ２２である。紙面の都合上、図６において経路Ａ１２と経路Ａ２２とは異なっているが、実際には、反射器２１は遠方に配置されるため、反射器２１とフェーズドアレイアンテナ１００とが正対していれば、経路Ａ１２と経路Ａ２２とは等距離と見なすことができる。同様に、経路Ａ１２及び経路Ａ２２では、反射器２１に対する入射角が同じと見なすことができ、反射器２１における反射による挙動も同じと見なすことができる。したがって、経路Ａ１２おける位相変化Ｐ１２と経路Ａ２２における位相変化Ｐ２２とは、同じであると見なすことができ、空間に起因した位相差は生じない。すなわち、手順１では送信アンテナ５と反射器２１と受信アンテナ１２との幾何学的関係に起因する位相差は生じない。このため、手順１では、空間の影響を受けることなく、位相変化Ｐ１１，Ｐ２１の相対値を求めることができる。

　なお、経路Ａ１１及び経路Ａ２１が電波の波長に比べて長い場合、位相変化Ｐ１１及びＰ２１には、複数周期の位相回転が生じる。一方、推定される位相は、±１８０°の範囲である。したがって、位相変化Ｐ１１及び位相変化Ｐ１２には、１波長の整数倍のずれが含まれる可能性があるが、送信モジュール２ａの位相と送信モジュール２ｂの位相とが揃いさえすれば、校正処理部３１はフェーズドアレイアンテナ１００の校正を行えるため、位相変化Ｐ１１及び位相変化Ｐ１２に１波長の整数倍のずれが含まれても問題ない。

　次に、反射器２１は配置せず、反射器２２のみ配置して、実施の形態１，２と同様に校正を実施する。この動作を手順２とする。

　図６に示すように、送信モジュール２ａ、反射器２２及び受信アンテナ１２の間の空間部分の経路をＡ１３とする。また、送信モジュール２ｂ、反射器２２及び受信アンテナ１２の間の空間部分の経路をＡ２３とする。経路Ａ１３，Ａ２３の各々における位相変化をそれぞれＰ１３，Ｐ２３とする。なお、Ｐ１３，Ｐ２３には、反射器２２での反射による位相変化が含まれる。

　手順２で求まる位相変化は、送信モジュール２ａに関しては、Ｐ１１＋Ｐ１３であり、送信モジュール２ｂに関しては、Ｐ２１＋Ｐ２３である。反射器２２は、反射器２１と比較すると、フェーズドアレイアンテナ１００の近くに配置されるため、経路Ａ１３と経路Ａ２３とは長さが異なる。また、経路Ａ１３における反射器２２への入射角と、経路Ａ２３における反射器２２への入射角とが異なることにより、反射器２２における反射による応答は、経路Ａ１３と経路Ａ２３とで異なる。したがって、経路Ａ１３における位相変化Ｐ１３と経路Ａ２３における位相変化Ｐ２３とは異なる。すなわち、フェーズドアレイアンテナ１００の近くに反射器２２を設置した場合には、送信アンテナ５と反射器２２と受信アンテナ１２との幾何学的関係に起因する位相差が生じる。

　Ｐ１２≒Ｐ２２である場合、手順１で求まる送信モジュール２ａと送信モジュール２ｂとの位相差をＣ１とすると、Ｃ１＝（Ｐ２１＋Ｐ２２）－（Ｐ１１＋Ｐ１２）≒Ｐ２１－Ｐ１１と表される。

　同様に、手順２で求まる送信モジュール２ａと送信モジュール２ｂとの位相差をＣ２とすると、Ｃ２＝（Ｐ２１＋Ｐ２３）－（Ｐ１１＋Ｐ１３）と表される。

　Ｃ１とＣ２との差をＣ３とすると、Ｃ３＝Ｃ２－Ｃ１＝Ｐ２３－Ｐ１３となる。手順２で求まる送信モジュール２ｂの位相はＰ２１＋Ｐ２３であるため、これからＣ３を引くと、Ｐ２１＋Ｐ２３―Ｃ３＝Ｐ２１＋Ｐ１３となる。

　手順２における送信モジュール２ａの位相Ｐ１１＋Ｐ１３と、送信モジュール２ｂについて上記の計算を行った位相Ｐ２１＋Ｐ１３とを比較すると、Ｐ１３が共通するため、Ｐ２１とＰ１１との相対関係を示す値となる。この計算により、手順２の空間の影響が除去され、手順１と位相の相対値が等しい値が得られる。すなわち、手順２で測定した送信モジュール２ａ，２ｂの位相から、送信アンテナ５と反射器２１と受信アンテナ１２との幾何学的関係に起因する位相差を除去することができる。

　手順１及び手順２で求めた位相には個体差がある。一方、Ｃ３＝Ｐ２３－Ｐ１３であるため、位相差Ｃ３の値は、送信アンテナ５と反射器２２と受信アンテナ１２との幾何学的関係によって定まり、個体差は生じない。このため、ある１個体で手順１及び手順２を実施して位相差Ｃ１、Ｃ２及びＣ３を求めておけば、他の個体では手順２のみを実施して位相差Ｃ２を求めて、先に求めておいたＣ３を適用することにより、空間の影響が除去された手順１相当の結果を得ることができる。すなわち、校正用測定系が大きくなる反射器２１を用いての手順１を代表個体でのみ行えば、他の個体では、反射器２２を用いた小さい校正用測定系で手順２だけを行うことで、空間の影響を受けておらず精度が高い手順１での位相変化に相当する位相変化を計算によって求めることができる。

　このように、実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナ１００の校正用測定系では、送信モジュール２ａ，２ｂの各々の送信アンテナ５から送信され受信アンテナ１２で受信される反射波の位相から、送信アンテナ５と反射器２２と受信アンテナ１２との幾何学的関係に起因する位相差を除去する補正を行い、補正がなされた反射波の位相に基づいて移相器３を調整する。具体的には、送信アンテナ５から送信された電波を反射する反射器２１を第１の位置に設置した状態において受信アンテナ１２で受信される反射波の位相に基づいて、反射器２２を第１の位置よりもフェーズドアレイアンテナ１００に近い第２の位置に設置した状態において受信アンテナ１２で受信される反射波の位相から、送信アンテナ５と反射器２２と受信アンテナ１２との幾何学的関係に起因する位相差を除去する補正を行う。したがって、校正の精度を低下させることなくフェーズドアレイアンテナ１００の校正用測定系を小さくできる。

　例えば、フェーズドアレイアンテナ１００を量産する場合、代表個体のみ手順１及び手順２を行ってＣ１、Ｃ２及びＣ３を求め、他の個体では手順２のみ行って、既知のＣ３を用いて位相を補正してフェーズドアレイアンテナ１００を校正することができる。これにより、手順２のみ行う個体は、校正の精度を低下させることなくフェーズドアレイアンテナ１００の校正用測定系を小さくできる。

　図７は、実施の形態３の第１の変形例に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系を示す図である。反射器２１が存在しないことを除き、実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナ１００の校正用測定系と同様である。実施の形態３の第１の変形例では、送信アンテナ５と反射器２２と受信アンテナ１２との幾何学的関係に起因する位相差であるＰ２３とＰ１３との差を計算によって求める。

　高周波信号の周波数が既知であれば、Ｐ２３及びＰ１３は、光路長から算出できる。また、Ｐ２３及びＰ１３は、反射器２２を含んだ電磁界解析結果から算出することもできる。Ｐ２３及びＰ１３の計算方法は、必要な精度が得られるのであれば、特定の方法に限定されない。

　計算によって求めたＰ２３とＰ１３との差をＣ４とすると、Ｃ４＝Ｐ２３－Ｐ１３となる。Ｃ４を用いることにより、手順２のみでフェーズドアレイアンテナ１００の校正を行うことができる。したがって、実施の形態３の第１の変形例では、校正の精度を低下させることなく校正の校正用測定系を小さくできる。

　図８は、実施の形態３の第２の変形例に係るフェーズドアレイアンテナの校正用測定系を示す図である。実施の形態３の第２の変形例では、フェーズドアレイアンテナ１００のうちの送信モジュール２ａ，２ｂのアンテナである送信アンテナ５及び受信モジュール１１のアンテナである受信アンテナ１２と、反射器２２とによってフェーズドアレイアンテナ１００の校正用測定系が構成されている。送信アンテナ５及び反射器２２の位置関係は、実施の形態３の第１の変形例に係るフェーズドアレイアンテナ１００の校正用測定系と同様である。

　実施の形態３の第２の変形例では、送信アンテナ５と反射器２２と受信アンテナ１２との幾何学的関係に起因する位相差であるＰ２３とＰ１３との差を測定で求める。送信アンテナ５及び受信アンテナ１２にネットワークアナライザといった測定機器を接続した状態で送信アンテナ５から送信した電波の反射波を受信アンテナ１２で受信することで、Ｐ２３及びＰ１３の測定値が得られる。

　測定によって求めたＰ２３とＰ１３との差をＣ５とすると、Ｃ５＝Ｐ２３－Ｐ１３となる。送信アンテナ５及び受信アンテナ１２のみの状態でＣ５を予め求めておき、移相器３、増幅器４、ミキサ１３、受信機１４及び信号処理部１５と組み合わせてフェーズドアレイアンテナ１００を組み立て、校正システムを構成した状態で手順２を行うことで、手順２のみでフェーズドアレイアンテナ１００の校正を行うことができる。

　フェーズドアレイアンテナ１００を量産する場合、代表個体のみＣ５の測定と手順２とを行い、他の個体では手順２のみ行って、既知のＣ５を用いて位値を調整してフェーズドアレイアンテナ１００を校正することができる。

　上記の実施の形態１から３に係る校正処理部３１の機能は、処理回路により実現される。処理回路は、専用のハードウェアであっても、記憶装置に格納されるプログラムを実行する処理装置であってもよい。

　処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、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、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又はこれらを組み合わせたものが該当する。図９は、実施の形態１から３に係る校正処理部の機能をハードウェアで実現した構成を示す図である。処理回路２９には、校正処理部３１の機能を実現する論理回路２９ａが組み込まれている。

　処理回路２９が処理装置の場合、校正処理部３１の機能は、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り実現される。

　図１０は、実施の形態１から３に係る校正処理部の機能をソフトウェアで実現した構成を示す図である。処理回路２９は、プログラム２９ｂを実行するプロセッサ２９１と、プロセッサ２９１がワークエリアに用いるランダムアクセスメモリ２９２と、プログラム２９ｂを記憶する記憶装置２９３を有する。記憶装置２９３に記憶されているプログラム２９ｂをプロセッサ２９１がランダムアクセスメモリ２９２上に展開し、実行することにより、校正処理部３１の機能が実現される。ソフトウェア又はファームウェアはプログラム言語で記述され、記憶装置２９３に格納される。プロセッサ２９１は、中央処理装置を例示できるがこれに限定はされない。記憶装置２９３は、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable　Programmable　Read　Only　Memory）、又はＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically　Erasable　Programmable　Read　Only　Memory）といった半導体メモリを適用できる。半導体メモリは、不揮発性メモリでもよいし揮発性メモリでもよい。また記憶装置２９３は、半導体メモリ以外にも、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク又はＤＶＤ（Digital　Versatile　Disc）を適用できる。なお、プロセッサ２９１は、演算結果といったデータを記憶装置２９３に出力して記憶させてもよいし、ランダムアクセスメモリ２９２を介して不図示の補助記憶装置に当該データを記憶させてもよい。プロセッサ２９１、ランダムアクセスメモリ２９２及び記憶装置２９３を１チップに集積することにより、校正処理部３１の機能をマイクロコンピュータにより実現することができる。

　処理回路２９は、記憶装置２９３に記憶されたプログラム２９ｂを読み出して実行することにより、校正処理部３１の機能を実現する。プログラム２９ｂは、校正処理部３１の機能を実現する手順及び方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。

　なお、処理回路２９は、校正処理部３１の機能の一部を専用のハードウェアで実現し、校正処理部３１の機能の一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。

　このように、処理回路２９は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

　以上の実施の形態に示した構成は、内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１　信号源、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ　送信モジュール、３　移相器、４　増幅器、５　送信アンテナ、１１　受信モジュール、１２　受信アンテナ、１３　ミキサ、１４　受信機、１５　信号処理部、２１，２２　反射器、２９　処理回路、２９ａ　論理回路、２９ｂ　プログラム、３１　校正処理部、１００　フェーズドアレイアンテナ、２９１　プロセッサ、２９２　ランダムアクセスメモリ、２９３　記憶装置。

Claims

　信号源から出力された高周波信号の位相を変換する移相器、前記高周波信号の振幅を増幅する増幅器及び前記高周波信号を電波に変換する送信アンテナを各々が備える複数の送信モジュールと、受信アンテナを備えた受信モジュールとを備えたフェーズドアレイアンテナの校正方法であって、
　前記複数の送信モジュールの各々の前記送信アンテナから送信され外部で反射された電波である反射波を前記受信アンテナで受信する工程と、
　受信した前記反射波の振幅及び位相に基づいて、前記複数の送信モジュールの各々の前記移相器及び前記増幅器を調整する工程とを備えることを特徴とするフェーズドアレイアンテナの校正方法。
　前記信号源が出力する前記高周波信号は、時間とともに周波数が変化するチャープ信号であることを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナの校正方法。
　前記複数の送信モジュールの各々の前記送信アンテナから送信され反射器で反射されて前記受信アンテナで受信される前記反射波の位相から、前記送信アンテナと前記反射器と前記受信アンテナとの幾何学的関係に起因する位相差を除去する補正を行い、前記補正がなされた前記反射波の位相に基づいて前記移相器を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載のフェーズドアレイアンテナの校正方法。
　前記反射器を第１の位置に設置した状態において前記受信アンテナで受信される前記反射波の位相に基づいて、前記反射器を前記第１の位置よりも前記フェーズドアレイアンテナに近い第２の位置に設置した状態において前記受信アンテナで受信される前記反射波の位相から、前記送信アンテナと前記反射器と前記受信アンテナとの幾何学的関係に起因する位相差を除去する補正を行うことを特徴とする請求項３に記載のフェーズドアレイアンテナの校正方法。
　前記送信アンテナと前記反射器と前記受信アンテナとの幾何学的関係に起因する位相差を、演算によって算出することを特徴とする請求項３に記載のフェーズドアレイアンテナの校正方法。
　他のフェーズドアレイアンテナと前記反射器とにより、前記反射器を前記第１の位置に設置した状態において前記受信アンテナで受信される前記反射波の位相差を予め測定しておき、前記反射器を第２の位置に設置した状態設置した状態において前記受信アンテナで受信される前記反射波の位相から、前記送信アンテナと前記反射器と前記受信アンテナとの幾何学的関係に起因する位相差を除去する補正を行うことを特徴とする請求項４に記載のフェーズドアレイアンテナの校正方法。
　信号源から出力された高周波信号の位相を変換する移相器、前記高周波信号の振幅を増幅する増幅器及び前記高周波信号を電波に変換する送信アンテナを各々が備える複数の送信モジュールと、受信アンテナを備えた受信モジュールと、前記移相器及び前記増幅器を調整する校正処理部とを備えたフェーズドアレイアンテナと、前記高周波信号を反射する反射器とを備え、
　前記校正処理部は、前記複数の送信モジュールの各々の前記送信アンテナから送信され前記反射器で反射された電波である反射波の振幅及び位相に基づいて、前記複数の送信モジュールの各々の前記移相器及び前記増幅器を調整することを特徴とする校正システム。