(57)【要約】【課題】複数のビーム形成ができ、アンテナ素子の増加に伴う回路規模の増大を軽減できるアンテナシステムを提供する。【解決手段】実施形態のアンテナシステムは、第１のアレイアンテナと、送信部と、第２のアレイアンテナと、送信ウェイト決定部と、を持つ。第１のアレイアンテナは、複数の第１のアンテナ素子を有する。送信部は、第１のアンテナ素子に対応する送信ウェイトを信号に乗じた送信信号を第１のアンテナ素子それぞれに供給する。第２のアレイアンテナは、第１のアレイアンテナから供給される送信信号を入力し、入力した送信信号を第１のアレイアンテナへの方向と異なる方向へ送信する複数の第２のアンテナ素子を有する。送信ウェイト決定部は、第２のアレイアンテナの送信ビーム形状と、第２のアンテナ素子の位置とに応じて定まる第２のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、第１のアンテナ素子の送信ウェイトを決定する。【選択図】図１
2020150353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１のアンテナ素子を有する第１のアレイアンテナと、
前記複数の第１のアンテナ素子それぞれに対応する送信ウェイトを信号に乗じた送信信号を前記複数の第１のアンテナ素子それぞれに供給する送信部と、
前記第１のアレイアンテナから供給される前記送信信号を入力し、入力した前記送信信号を前記第１のアレイアンテナへの方向と異なる方向へ送信する複数の第２のアンテナ素子を有する第２のアレイアンテナと、
前記第２のアレイアンテナで形成する送信ビーム形状と、前記第２のアンテナ素子それぞれの位置とに応じて定まる前記第２のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、前記複数の第１のアンテナ素子それぞれの前記送信ウェイトを決定する送信ウェイト決定部と、
を備えるアンテナシステム。
【請求項２】
前記第２のアレイアンテナで受信される信号を、前記複数の第１のアンテナ素子それぞれで取得し、取得した信号に対応する受信ウェイトを乗じて合成するビーム形成部と、
前記第２のアレイアンテナで形成する受信ビーム形状と前記第２のアンテナ素子それぞれの位置とに応じて定まる前記複数の第２のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、前記受信ウェイトを決定する受信ウェイト決定部と、
を更に備える、請求項１のアンテナシステム。
【請求項３】
前記第１のアレイアンテナは、複数の第３のアンテナ素子を有し、
前記第２のアレイアンテナから供給される信号を、前記複数の第３のアンテナ素子それぞれで取得し、取得した信号に対応する受信ウェイトを乗じて合成するビーム形成部と、
前記第２のアレイアンテナで形成する受信ビーム形状と、前記第２のアンテナ素子それぞれの位置とに応じて定まる前記複数の第２のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、前記受信ウェイトを決定する受信ウェイト決定部と、
を更に備える、請求項１のアンテナシステム。
【請求項４】
前記第２のアレイアンテナは、前記複数の第２のアンテナ素子それぞれで受信した信号を前記第１のアレイアンテナに向けて供給する、
請求項２又は請求項３のアンテナシステム。
【請求項５】
前記第２のアレイアンテナは、複数の第４のアンテナ素子を有し、
前記第２のアレイアンテナは、前記複数の第４のアンテナ素子それぞれで受信した信号を前記第１のアレイアンテナに向けて供給する、
請求項２又は請求項３のアンテナシステム。
【請求項６】
前記送信信号は、複数の周波数帯の信号を含み、
前記送信ウェイト決定部は、前記第２のアレイアンテナで形成する複数の送信ビーム形状に応じて、前記複数の周波数帯それぞれの信号に対する前記送信ウェイトを算出する、
請求項１から請求項５のいずれか一項のアンテナシステム。
【請求項７】
前記第２のアレイアンテナは、前記複数の第２のアンテナ素子それぞれが送信する前記送信信号を増幅する第１の増幅器と、前記複数の第２のアンテナ素子それぞれが受信する信号を増幅して前記第１のアレイアンテナに向けて供給する第２の増幅器とを有し、
前記第１及び第２の増幅器の増幅率は、前記第２のアンテナ素子と前記第１のアレイアンテナとの距離が長いほど大きい、
請求項２又は請求項３のアンテナシステム。
【請求項８】
前記第２のアレイアンテナにおいて前記複数の第２のアンテナ素子それぞれ配置される面は、前記第２のアンテナ素子それぞれと前記第１のアレイアンテナとの距離の差が小さくなるように湾曲している、
請求項２又は請求項３のアンテナシステム。
【請求項９】
複数の前記第１のアレイアンテナと、
複数の前記第１のアレイアンテナそれぞれに対応する、前記送信部、前記送信ウェイト決定部、前記ビーム形成部、前記受信ウェイト決定部及び前記第２のアレイアンテナとを備える、
請求項２又は請求項３のアンテナシステム。
【請求項１０】
複数の第１のアンテナ素子を有する第１のアレイアンテナと、
前記複数の第１のアンテナ素子それぞれで受信される信号に受信ウェイトを乗じて合成するビーム形成部と、
前記第１のアレイアンテナへの方向と異なる方向の信号を受信し、受信した信号を前記第１のアレイアンテナへ供給する複数の第２のアンテナ素子を有する第２のアレイアンテナと、
前記第２のアレイアンテナで形成する受信ビーム形状と前記第２のアンテナ素子それぞれの位置とに応じて定まる前記複数の第２のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、前記受信ウェイトを決定する受信ウェイト決定部と、
を備えるアンテナシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、アンテナシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アレイアンテナを用いた送受信性能の向上を図るためにアンテナ素子の数を増やすと、アレイアンテナが大型になるとともに、信号処理を行う回路規模が増大する。また、複数のビームを形成するには回路規模が増大してしまう。このように、単にアンテナ素子を増やしてアレイアンテナの性能向上を図ると、回路規模の増大に伴って製造コストが増加してしまう。アンテナ素子数の増加に伴う回路規模の増大を抑える手法として、空間給電方式を適用したアレイアンテナがある。空間給電方式を適用することで、アンテナ素子数の増加に伴う回路規模の増大を抑えられる。しかし、複数のビームを形成する場合には２次アレイ側で各ビーム形成に応じた位相制御が必要となり、回路規模の増大を抑えられない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４００５９４９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】吉田、「改訂  レーダ技術」、電子情報通信学会、１９９６年、ｐｐ．２８９−２９１
【非特許文献２】吉田、「改訂  レーダ技術」、電子情報通信学会、１９９６年、ｐｐ．１１９−１２３
【非特許文献３】吉田、「改訂  レーダ技術」、電子情報通信学会、１９９６年、ｐｐ．１３４−１３５
【非特許文献４】谷萩、「ディジタルフィルタと信号処理」、コロナ社、２００１年、ｐｐ．１２０−１６５
【非特許文献５】吉田、「改訂  レーダ技術」、電子情報通信学会、１９９６年、ｐｐ．１４４−１４５
【非特許文献６】Merrill I. Skolnik, "Introduction to radar systems," McGRAW-HILL Inc., 1980, pp.428-430
【非特許文献７】吉田、「改訂  レーダ技術」、電子情報通信学会、１９９６年、ｐｐ．２６０−２６４
【非特許文献８】Jian Li, Petre Stoica, "MIMO Radar Signal Processing," John Wiley & Sons, Inc., 2009, pp.1-5
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、複数のビーム形成ができ、アンテナ素子の増加に伴う回路規模の増大を軽減できるアンテナシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のアンテナシステムは、第１のアレイアンテナと、送信部と、第２のアレイアンテナと、送信ウェイト決定部と、を持つ。第１のアレイアンテナは、複数の第１のアンテナ素子を有する。送信部は、複数の第１のアンテナ素子それぞれに対応する送信ウェイトを信号に乗じた送信信号を複数の第１のアンテナ素子それぞれに供給する。第２のアレイアンテナは、第１のアレイアンテナから供給される送信信号を入力し、入力した送信信号を第１のアレイアンテナへの方向と異なる方向へ送信する複数の第２のアンテナ素子を有する。送信ウェイト決定部は、第２のアレイアンテナで形成する送信ビーム形状と、第２のアンテナ素子それぞれの位置とに応じて定まる第２のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、複数の第１のアンテナ素子それぞれの送信ウェイトを決定する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。
【図２】第１の実施形態における１次アンテナの構成例を示す図。
【図３】第１の実施形態におけるアンテナモジュールの構成例を示す図。
【図４】第１の実施形態における１次アンテナのビーム角度と、２次アンテナの開口面のウェイト（振幅及び位相）との関係を示す図。
【図５】第１の実施形態における２次アンテナに係る座標系の一例を示す図。
【図６】第１の実施形態における送信ウェイトを算出する手順を示す図。
【図７】第１の実施形態におけるアンテナシステムにおいて複数の送信ビームを形成する場合の１次アンテナの動作例を示す図。
【図８】第１の実施形態におけるアンテナシステムにおいて複数の送信ビームを形成する場合の１次アンテナの他の動作例を示す図。
【図９】第２の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。
【図１０】第２の実施形態におけるアンテナモジュールの構成例を示す図。
【図１１】第２の実施形態における１次アンテナの構成例を示す図。
【図１２】第３の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。
【図１３】第３の実施形態における１次アンテナの構成例を示す図。
【図１４】第３の実施形態におけるアンテナモジュールの構成例を示す図。
【図１５】第４の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。
【図１６】第５の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。
【図１７】第６の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態のアンテナシステムを、図面を参照して説明する。以下の実施形態では、同一の符号を付した構成要素は同様の動作を行うものとして、重複する説明を適宜省略する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第１の実施形態のアンテナシステムは、複数のアンテナ素子を有する、１次アンテナ１及び２次アンテナ２を備える。１次アンテナ１は、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）方式を適用した送信を２次アンテナ２に向けて行う（非特許文献１）。２次アンテナ２は、１次アンテナ１から空間給電により供給される信号を送信する。２次アンテナ２は、複数のアンテナモジュール２１（２１−１，２１−２，…，２１−Ｎｓ）を有する。２次アンテナ２において形成される送信ビーム（ｂ１，ｂ２，…，ｂＢｔ）の形状は、１次アンテナが送信する信号を制御することにより定められる。送信ビームの形状は、メインローブの方向及び角度応答、サイドローブの方向及び角度応答を含んでもよい。以下、１次アンテナ１及び２次アンテナ２の構成例について説明する。
【００１０】
図２は、第１の実施形態における１次アンテナ１の構成例を示す図である。１次アンテナ１は、信号生成部１１と、複数のアンテナ素子１６（１６−１，１６−２，…，１６−Ｎｐ）とを備える。ＮｐはＮｓより小さい値でもよい。すなわち、２次アンテナ２のアンテナ素子の数より、１次アンテナ１のアンテナ素子１６の数が少なくてもよい。Ｎｐ個のアンテナ素子１６は、規則的に配列され、アレイアンテナ（第１のアレイアンテナ）を形成する。更に、１次アンテナ１は、各アンテナ素子１６に対応する、ＤＡ（Digital-Analog）変換器１２（１２−１，１２−２，…，１２−Ｎｐ）、周波数変換器１３（１３−１，１３−２，…，１３−Ｎｐ）及びＨＰＡ（High Power Amplifier；大電力増幅器）１４（１４−１，１４−２，…，１４−Ｎｐ）を送信部として備える。信号生成部１１は、信号生成器１１１と、送信ウェイト決定部１１２と、各アンテナ素子１６に対応する乗算器１１３（１１３−１，１１３−２，…，１１３−Ｎｐ）とを備える。
【００１１】
信号生成器１１１は、パルス又は連続波を含む信号を生成し、生成した信号を各乗算器１１３−１〜１１３−Ｎｐに供給する。信号生成器１１１により生成される信号の周波数及び振幅は、外部より入力されるビーム制御信号で与えられる。パルスを含む信号が生成される場合は、パルス幅及びパルス間隔もビーム制御信号で与えられる。信号生成器１１１により生成される信号は、パルス変調が施された信号であってもよい。なお、生成される信号を定めるパラメータは、予め定められてもよい。
【００１２】
送信ウェイト決定部１１２は、２次アンテナ２において形成する送信ビーム形状と、２次アンテナ２に備えられる複数のアンテナ素子それぞれの位置とに基づいて、複数のアンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐそれぞれに対応する送信ウェイトを決定する。２次アンテナ２において形成する送信ビーム形状は、ビーム制御信号で与えられる。送信ウェイト決定部１１２は、アンテナ素子１６ごとに決定した送信ウェイトを、対応する乗算器１１３に供給する。送信ウェイト決定部１１２が各送信ウェイトを決定する手順については、後述する。
【００１３】
乗算器１１３−１は、信号生成器１１１から供給される信号にアンテナ素子１６−１に対応する送信ウェイトを乗じて送信信号を算出する。乗算器１１３−１は、算出した送信信号をＤＡ変換器１２−１へ供給する。乗算器１１３−２〜１１３−Ｎｐは、乗算器１１３−１と同様に、対応するアンテナ素子１６の送信ウェイトを乗じて送信信号を算出し、送信信号をＤＡ変換器１２−２〜１２−Ｎｐそれぞれに供給する。
【００１４】
信号生成部１１に備えられる、信号生成器１１１、送信ウェイト決定部１１２及び複数の乗算器１１３それぞれの動作は、ディジタル回路を用いたり、それぞれの動作を指示するプログラムをＤＳＰ（Digital Signal Processor）や汎用のＣＰＵ（Central Processing Unit）で実行したりすることで実現してもよい。ディジタル回路を実現するハードウェアには、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いてもよい。
【００１５】
ＤＡ変換器１２−１は、乗算器１１３−１から供給されるディジタルの送信信号をアナログの送信信号に変換し、アナログの送信信号を周波数変換器１３−１に供給する。周波数変換器１３−１は、ＤＡ変換器１２−１から供給される送信信号の周波数をＲＦ（Radio Frequency）帯に変換し、ＲＦ帯の送信信号をＨＰＡ１４−１に供給する。ＨＰＡ１４−１は、周波数変換器１３−１から供給される送信信号を増幅し、増幅した送信信号をアンテナ素子１６−１に供給する。送信信号は、アンテナ素子１６−１から送出される。
【００１６】
ＤＡ変換器１２−２〜１２−Ｎｐ、周波数変換器１３−２〜１３−Ｎｐ及びＨＰＡ１４−２〜１４−Ｎｐは、ＤＡ変換器１２−１、周波数変換器１３−１及びＨＰＡ１４−１それぞれと同様に動作する。アンテナ素子１６−２〜１６−Ｎｐに対応する送信ウェイトを乗じた送信信号は、アンテナ素子１６−２〜１６−Ｎｐからそれぞれ送出される。
【００１７】
図３は、第１の実施形態におけるアンテナモジュール２１の構成例を示す図である。アンテナモジュール２１は、２つのアンテナ素子２１１、２１５と、ＨＰＡ２１３とを有する。アンテナ素子２１１の指向方向は、複数のアンテナ素子１６により形成されるアレイアンテナに向けられている。アンテナ素子２１１は、１次アンテナの各アンテナ素子１６から送出される送信信号が伝送空間において合成された信号を受信する。アンテナ素子２１１で受信された信号は、ＨＰＡ２１３により増幅され、アンテナ素子２１５から送出される。アンテナ素子２１５の指向方向は、アンテナ素子２１１と異なる方向に向けられている。アンテナモジュール２１は、１次アンテナ１の各アンテナ素子１６から供給される送信信号をアンテナ素子２１１で取得し、取得した信号を増幅して１次アンテナ１に向かう方向と異なる方向へ送信信号を送出する。
【００１８】
２次アンテナ２は、図１に示すように、複数のアンテナモジュール２１を有する。アンテナモジュール２１は規則的に配列され、複数のアンテナ素子２１５は、アレイアンテナ（第２のアレイアンテナ）を形成する。複数のアンテナ素子２１１は、１次アンテナ１側に向けられたアレイアンテナを形成する。図１に示すように、これら２つのアレイアンテナの指向方向が、互いに逆向きとなるように、複数のアンテナ素子２１１及び複数のアンテナ素子２１５が配列されてもよい。また、２つのアレイアンテナの指向方向が任意の角度差を有するように、複数のアンテナ素子２１１及び複数のアンテナ素子２１５が配列されてもよい。
【００１９】
２次アンテナ２の各アンテナモジュール２１は、１次アンテナ１の各アンテナ素子１６から送出される送信信号が空間合成された信号を取得する。各アンテナモジュール２１が１次アンテナ１から取得する信号の振幅及び位相は、アンテナモジュール２１のアンテナ素子２１１の位置と１次アンテナ１との位置に応じて異なる。アンテナ素子２１１で取得した信号の振幅及び位相が、２次アンテナの各アンテナ素子２１５の振幅及び位相のウェイトとなる。
【００２０】
図４は、第１の実施形態における１次アンテナ１のビーム角度と、２次アンテナ２の開口面のウェイト（振幅及び位相）との関係を示す図である。２次アンテナの開口面は、各アンテナ素子２１５により形成されるアレイアンテナの開口面である。図４に示すように、１次アンテナ１の複数のアンテナ素子１６で形成されるアレイアンテナで角度Θ方向にビームを形成した場合、２次アンテナ２の各アンテナ素子２１１の位置で取得される信号の振幅及び位相が、アンテナ素子２１１に接続されるアンテナ素子２１５のウェイトとなる。２次アンテナ２は、各アンテナ素子２１１の位置に応じたウェイトで定まる送信ビームを形成する。このように、１次アンテナ１のアンテナ素子１６で形成されるアレイアンテナの送信ビームに応じて、２次アンテナ２のアンテナ素子２１５で形成されるアレイアンテナの送信ビームが形成される。すなわち、２次アンテナ２における送信ビームの形状は、１次アンテナ１における送信ウェイトで制御できる。
【００２１】
ここで、１次アンテナ１における送信ウェイトを決定する手法、すなわち１次アンテナ１における送信ビームを形成する手法について説明する。２次アンテナ２における送信ビームの走査を考慮すると、２次アンテナ２における送信ビームの出力は、式（１）で表される。なお、図１及び図４では２次アンテナ１のアンテナ素子２１５がリニアアレイを形成する場合を示したが、式（１）はアンテナ素子２１５がプラナアレイを形成する場合を表している。
【００２２】
【数１】
2020150353.tif 000003
式（１）に示すように、送信ビームの角度応答（ＡＺｐ，ＥＬｐ）は、２次アンテナ２の各素子の信号に、素子に対応する複素ウェイトを乗じた総和となる（非特許文献２）。式（１）において、ＡＺｐ及びＥＬｐは、送信ビームの指向方向の方位角及び仰角を表す。Ｗｓｎは、２次アンテナ２のｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎｓ）番目のアンテナ素子２１５の複素ウェイトを表す。Ｘｓｎは、２次アンテナ２のｎ番目のアンテナ素子２１５で送信される信号を表す。
【００２３】
複素ウェイトＷｓｎを要素とする複素ウェイトベクトルＷｓは、図５に示す座標系において式（２）で表される。図５は、第１の実施形態における２次アンテナ２に係る座標系の一例を示す図である。ＸＹＺ軸の３次元座標系が２次アンテナ２におけるアレイアンテナの位相中心を原点として設定されている。
【００２４】
【数２】
2020150353.tif 000004
式（２）において、Ａｓｎは、２次アンテナ２のｎ番目のアンテナ素子２１５に対応するサイドローブ低減用ウェイトを表す。サイドローブ低減用ウェイトとして、例えばテーラー分布を用いてもよい（非特許文献３）。ｊは、虚数単位を表す。ｘｓｎ、ｙｓｎ及びｚｓｎは、ｎ番目のアンテナ素子２１５の位置座標を表す。図５に示すように、アレイアンテナの位相中心が位置座標における原点である。ｋｐｘ、ｋｐｙ及びｋｐｚは、式（３）で与えられる。
【００２５】
【数３】
2020150353.tif 000005
式（３）において、λは送信される信号の波長である。ＡＺｐ及びＥＬｐは、２次アンテナ２におけるアレイアンテナの位相中心からみたＡＺ軸及びＥＬ軸のビーム指向角を表す。
【００２６】
Ｎｓ個のアンテナ素子２１５それぞれに対する振幅及び位相のウェイトベクトルＷｓは、図４で示したように、２次アンテナ２のアンテナ素子２１１それぞれの位置で定まる。ウェイトベクトルＷｓに基づいて、１次アンテナ１のアンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐそれぞれの送信ウェイトが算出される。送信ウェイトの算出は、送信ウェイト決定部１１２により行われる。
【００２７】
図６は、第１の実施形態における送信ウェイトを算出する手順を示す図である。まず、送信ウェイト決定部１１２は、２次アンテナ２におけるＮｓ個のアンテナ素子２１１の位置それぞれに対応する角度Θであって、１次アンテナ１のアンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐで形成されるアレイアンテナの位相中心からみたｓｉｎΘ軸（空間周波数軸）における角度Θを算出する。送信ウェイト決定部１１２は、位置それぞれに対応する角度Θを用いて、Ｎｓ個のアンテナ素子２１１のウェイトＷｓｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎｓ）を、ｓｉｎΘ軸のウェイトＷｓｎ’に変換する。ウェイトＷｓｎをｓｉｎΘ軸のウェイトＷｓｎ’へ変換するのは、１次アンテナ１のアレイアンテナの開口分布を逆フーリエ変換で算出する際に、ｓｉｎΘ軸における等間隔の信号が必要となるためである。アレイアンテナの開口分布と、ｓｉｎΘ軸における等間隔の直交ビームとは、フーリエ変換の関係にある。
【００２８】
次に、送信ウェイト決定部１１２は、アンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐで形成されるアレイアンテナの開口分布を算出するために、Ｎｓ個のウェイトＷｓｎ’に対して補間手法により等間隔に配置されるＮｐ個の点それぞれにおけるウェイトＷｓｃｏｎｖを抽出する。補間手法には、スプライン補間などの公知の補間手法を用いる。送信ウェイト決定部１１２は、抽出したウェイトＷｓｃｏｎｖに対する逆フーリエ変換により、Ｎｐ個の複素ウェイトを算出する。逆フーリエ変換により算出されるＮｐ個の複素ウェイトが、Ｎｐ個のアンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐそれぞれの送信ウェイトとして得られる。アンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐそれぞれの送信ウェイトを要素とする送信ウェイトベクトルＷｐは、式（４）で表される。
【００２９】
【数４】
2020150353.tif 000006
式（４）において、ＦＦＴ［・］はフーリエ変換を表し、ＩＦＦＴ［・］は逆フーリエ変換を表す。Ｗｓｃｏｎｖは、２次アンテナ２の各アンテナ素子２１５に対するウェイトベクトルＷｓを変換して得られる複素ウェイトベクトルを表す。
【００３０】
複素ウェイトベクトルＷｓｃｏｎｖから１次アンテナ１の送信ウェイトベクトルＷｐを求める手法は、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）の周波数フィルタを設計する際のタップ係数を求める手法と同様である（非特許文献４）。すなわち、所望の周波数応答を満足する時間軸の振幅及び位相のタップ係数を算出する手法は、複素ウェイトベクトルＷｓｃｏｎｖに対応する送信ウェイトベクトルＷｐを算出する手法として利用できる。したがって、送信ウェイト決定部１１２は、逆フーリエ変換を用いた手法に代えて、上述のタップ係数を算出する手法や他の手法を用いてもよい。
【００３１】
上述した送信ウェイトベクトルＷｐを求める手法は、１次アンテナ１と２次アンテナ２とが充分に離隔しているファーフィールド条件を満たす場合である（非特許文献５）。ファーフィールド条件が満たされない場合、送信ウェイト決定部１１２は、近傍界の条件を含めて、１次アンテナ１の送信ビームの形状を定める送信ウェイトベクトルＷｐを決定する。すなわち、１次アンテナ１の各アンテナ素子１６から送信される信号と、２次アンテナ２の各アンテナ素子２１１までの経路長及びアンテナ素子２１１の角度応答とによる振幅及び位相の変化を考慮した手法を用いる。式（４）に示した逆フーリエ変換を用いる手法では、Ｗｓｃｏｎｖ及びＷｐをベクトル形式で表現した。しかし、近傍界の条件を考慮する場合、より分かりやすくするためにベクトルの要素（ｎ，ｎ２）を用いて表現する。この場合、複素ウェイトベクトルＷｓｃｏｎｖは、式（５）で表される。
【００３２】
【数５】
2020150353.tif 000007
式（５）において、Ｗｓｃｏｎｖ（ｎ２）は、ウェイトベクトルＷｓを変換して得られる複素ウェイトベクトルのｎ２（ｎ２＝１，２，…，Ｎｐ）番目の要素を表す。Ｘｐｓ（ｎ，ｎ２）は、１次アンテナ１のｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎｐ）番目のアンテナ素子１６と、補間手法により得られる２次アンテナ２のｎ２番目の仮想のアンテナ素子との位置から決まる振幅及び位相を表す。仮想のアンテナ素子は、ウェイトＷｓｃｏｎｖを抽出する際に補間手法により等間隔に配置されるＮｐ個の点に仮想的に設けられたアンテナ素子である。仮想のアンテナ素子の位置は、ｓｉｎΘ軸における位置である。振幅及び位相を表すＸｐｓ（ｎ，ｎ２）は、式（６）で得られる。
【００３３】
【数６】
2020150353.tif 000008
式（６）において、Ａ１２（・）は、アンテナ素子１６と仮想のアンテナ素子との位置関係と互いの角度応答とにより決まる振幅及び位相を表す。Ｌ１２（・）は、アンテナ素子１６と仮想のアンテナ素子との位置により定まる経路長を表す。ｘｐｎ、ｙｐｎ及びｚｐｎはアンテナ素子１６の位置を表し、ｘｓｎ２、ｙｓｎ２及びｚｓｎ２は仮想のアンテナ素子の位置を表す。ｋは（２π／λ）であり、λは送信される信号の波長である。
【００３４】
送信ウェイト決定部１１２は、Ｎｐ個の点それぞれにおいて、式（５）の右辺と左辺との値が等しく、又は差分が一定以下になる送信ウェイトベクトルＷｐを数値計算に算出する。数値計算における送信ウェイトベクトルＷｐの初期値として、ファーフィールド条件における式（４）で得られるベクトルを用いることにより、数値計算の演算時間を削減できる。
【００３５】
送信ウェイト決定部１１２は、以上のようにして、２次アンテナ２で形成するビーム形状に応じて定まる各アンテナ素子２１１、２１５の位相及び振幅から、アンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐに対する送信ウェイトベクトルＷｐを決定する。なお、送信ウェイトが振幅及び位相に対するウェイトを含む場合を説明したが、送信ウェイトは振幅に対するウェイトを含まずともよい。
【００３６】
図７及び図８は、第１の実施形態におけるアンテナシステムにおいて複数の送信ビームｂ１〜ｂＢｔを形成する場合の１次アンテナ１の動作例を示す図である。アンテナシステムが、図１に示すように、複数の送信ビームｂ１〜ｂＢｔを形成する場合、１次アンテナ１において、信号生成器１１１は生成する信号の周波数を一定の周期で変更し、送信ウェイト決定部１１２が送信ビームｂ１〜ｂＢｔに応じた送信ウェイトベクトルＷｐを決定し、各乗算器１１３−１〜１１３−Ｎｐに送信ウェイトを供給する。これらの動作により、１次アンテナ１は、図７に示すように、時分割に送信ビームを切り替えることで、２次アンテナ２に複数の送信ビームｂ１〜ｂＢｔを形成させる。
【００３７】
１次アンテナ１が複数の送信ビームｂ１〜ｂＢｔを同時に形成する場合、信号生成器１１１が、送信信号の周波数帯をＢｔ個に分割した各周波数帯の信号を生成する。この場合、送信ウェイト決定部１１２が、送信ビームｂ１〜ｂＢｔそれぞれに応じた送信ウェイトベクトルＷｐを決定し、各乗算器１１３−１〜１１３−Ｎｐに送信ウェイトを供給する。各乗算器１１３−１〜１１３−Ｎｐは、分割された各周波数帯の信号に、送信ビームに応じた送信ウェイトを乗じて、周波数帯の信号ごとに送信ビームの信号を算出する。各乗算器１１３−１〜１１３−Ｎｐは、算出した各送信ビームの信号を合成してＤＡ変換器１２−１〜１２−Ｎｐに供給する。これらの動作により、１次アンテナ１は、図８に示すように、分割した周波数帯それぞれに送信ビームを割り当てることで、２次アンテナ２に複数の送信ビームｂ１〜ｂＢｔを形成させる。アンテナシステムは、複数の送信ビームを形成する際に各送信ビームに異なる周波数帯を用いるので、送信ビーム間のアイソレーションを維持しつつ、独立に制御できるマルチ送信ビームを形成できる。
【００３８】
なお、図８に示す例では、複数の送信ビームを同時に形成するために周波数帯を分割する動作を説明した。しかし、１次アンテナ１は、周波数帯の分割に代えて、相互干渉が少ない異なる符号系列を用いて送信ビーム間のアイソレーションを維持してもよい。相互干渉が少ない符号系列として、Ｍ系列を用いてもよい（非特許文献６）。
【００３９】
第１の実施形態のアンテナシステムは、２次アンテナ２の各アンテナモジュール２１で位相制御を行わない簡単な構成であり、１次アンテナ１の送信ビームを変えることで２次アンテナ２の各アンテナ素子２１５に対する振幅及び位相を制御できる。これにより、２次アンテナ２のアレイアンテナにおける複数の送信ビーム形成を高性能かつ低コストで実現できる。また、２次アンテナ２におけるアンテナモジュール２１が簡単な構成であるため、２次アンテナ２の開口面を広くする場合においても、回路規模の増大を軽減でき、製造コストも抑制できる。
【００４０】
また、１次アンテナ１が、アンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐで形成されるアレイアンテナの送信ビームをＤＢＦで制御するため、２次アンテナ２の各アンテナ素子２１５に対するウェイト設定の自由度が高くでき、使用状況に応じた角度応答を有する送信ビームの形成が可能である。また、上述したように、アンテナシステムは、２次アンテナ２のアンテナモジュール２１を変更せずに形成する送信ビームの数を変更することができる。
【００４１】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、信号を送信するアンテナシステムを説明した。第２の実施形態では、信号を受信するアンテナシステムについて説明する。図９は、第２の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第２の実施形態のアンテナシステムは、複数のアンテナ素子を有する、２次アンテナ３及び１次アンテナ４を備える。２次アンテナ３は、複数のアンテナモジュール３１（３１−１，３２−２，…，３２−Ｎｓ）を有する。各アンテナモジュール３１で受信された信号は、空間給電により１次アンテナ４へ供給される。１次アンテナ４は、空間給電される信号にＤＢＦ方式を適用して、２次アンテナ３における複数の受信ビーム（ｂ１，ｂ２，…，ｂＢｒ）を形成する。受信ビームの形状は、メインローブの方向及び角度応答、サイドローブの方向及び角度応答を含んでもよい。以下、２次アンテナ３及び１次アンテナ４の構成例について説明する。
【００４２】
図１０は、第２の実施形態におけるアンテナモジュール３１の構成例を示す図である。アンテナモジュール３１は、２つのアンテナ素子３１１、３１３と、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier；低雑音増幅器）３１２とを有する。アンテナ素子３１１の指向方向は、第１アンテナ４へ向かう方向と異なる方向に向けられている。アンテナ素子３１１は、受信した信号をＬＮＡ３１２に供給する。アンテナ素子３１３は、ＬＮＡ３１２で増幅された信号を１次アンテナ４に空間給電で供給する。アンテナ素子３１３の指向方向は、アンテナ素子３１１の指向方向と異なる方向に向けられている。アンテナモジュール３１は、１次アンテナ４への方向と異なる方向から到来する信号をアンテナ素子３１１で受信して増幅し、１次アンテナ４へ供給する。
【００４３】
２次アンテナ３は、図９に示すように、複数のアンテナモジュール３１を有する。アンテナモジュール３１は、規則的に配列され、複数のアンテナ素子３１１はアレイアンテナを形成する。複数のアンテナ素子３１３は、１次アンテナ４側に向けられたアレイアンテナを形成する。図９に示すように、これら２つのアレイアンテナの指向方向が、互いに逆向きとなるように、複数のアンテナ素子３１１及び複数のアンテナ素子３１３が配列されてもよい。また、２つのアレイアンテナの指向方向が任意の角度差を有するように、複数のアンテナ素子３１１及び複数のアンテナ素子３１３が配列されてもよい。
【００４４】
図１１は、第２の実施形態における１次アンテナ４の構成例を示す図である。１次アンテナ４は、複数のアンテナ素子４１（４１−１，４１−２，…，４２−Ｎｐ）を備える。Ｎｐ個のアンテナ素子４１は、規則的に配列され、アレイアンテナを形成する。１次アンテナ４は、各アンテナ素子４１に対応する、ＬＮＡ４２（４２−１，４２−２，…，４２−Ｎｐ）、周波数変換器４３（４３−１，４３−２，…，４３−Ｎｐ）及びＡＤ（Analog-Digital）変換器４４（４４−１，４４−２，…，４４−Ｎｐ）を備える。更に、１次アンテナ４は、ビーム形成部４５を備える。ビーム形成部４５は、受信ウェイト決定部４５１と、各アンテナ素子４１に対応する乗算器４５２（４５２−１，４５２−２，…，４５２−Ｎｐ）と、加算器４５３とを備える。
【００４５】
ＬＮＡ４２−１は、アンテナ素子４１−１で受信された信号を増幅し、増幅した信号を周波数変換器４３−１へ供給する。周波数変換器４３−１は、ＬＮＡ４２−１から供給される信号の周波数をＲＦ帯からベースバンドの信号に変換し、ベースバンドの信号をＡＤ変換器４４−１へ供給する。ＡＤ変換器４４−１は、周波数変換器４３−１から供給される信号をディジタルの信号に変換し、ディジタルの信号を乗算器４５２−１へ供給する。
【００４６】
ＬＮＡ４２−２〜４２−Ｎｐ、周波数変換器４３−２〜４３−Ｎｐ、ＡＤ変換器４４−２〜４４−Ｎｐは、ＬＮＡ４２−１、周波数変換器４３−１及びＡＤ変換器４４−１とそれぞれと同様に動作する。アンテナ素子４１−２〜４１−Ｎｐで受信された信号に増幅、周波数変換及びＡＤ変換が施され、乗算器４５２−２〜４５２−Ｎｐに供給される。
【００４７】
受信ウェイト決定部４５１は、２次アンテナ３において形成する受信ビーム形状と、２次アンテナ２に備えられる複数のアンテナ素子３１３それぞれの位置とに基づいて、複数のアンテナ素子４１−１〜４１−Ｎｐそれぞれに対応する受信ウェイトを決定する。２次アンテナ３において形成する受信ビーム形状は、ビーム制御信号で与えられる。受信ウェイト決定部４５１は、アンテナ素子４１ごとに決定した受信ウェイトを、対応する乗算器４５２に供給する。受信ウェイト決定部４５１が各受信ウェイトを決定する手順は、第１の実施形態における送信ウェイト決定部１１２が各送信ウェイトを決定する手順と同様であり、その手順の説明を省略する。
【００４８】
乗算器４５２−１は、ＡＤ変換器４４−１から供給されるディジタルの信号に、アンテナ素子４１−１に対応する受信ウェイトを乗じて受信信号を算出する。乗算器４５２−１は、算出した受信信号を加算器４５３へ供給する。乗算器４５２−２〜４５２−Ｎｐは、乗算器４５２−１と同様に、ＡＤ変換器４４−２〜４４−Ｎｐから供給されるディジタルの信号に、アンテナ素子４１−２〜４１−Ｎｐに対応する受信ウェイトを乗じて受信信号を算出する。乗算器４５２−２〜４５２−Ｎｐそれぞれは、算出した受信信号を加算器４５３へ供給する。加算器４５３は、乗算器４５２−１〜４５２−Ｎｐそれぞれから供給される受信信号を加算合成し、合成により得られる信号を受信ビーム信号として外部へ出力する。
【００４９】
ビーム形成部４５に備えられる、受信ウェイト決定部４５１、複数の乗算器４５２及び加算器４５３それぞれの動作は、ディジタル回路を用いたり、それぞれの動作を指示するプログラムをＤＳＰや汎用のＣＰＵで実行したりすることで実現してもよい。ディジタル回路を実現するハードウェアには、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどを用いてもよい。
【００５０】
第２の実施形態におけるアンテナシステムは、受信ウェイト決定部４５１が複数の受信ビームそれぞれに対応する各アンテナ素子４１の受信ウェイトを算出し、加算器４５３が受信ビームごとに受信信号の加算合成を行う。これらの動作により、図９に示すように、１次アンテナ４は、２次アンテナ３における複数の受信ビームｂ１〜ｂＢｒを同時に形成できる。２次アンテナ３に移相器などを設けずとも、１次アンテナ４の受信ビームを変えることで２次アンテナ３のアレイアンテナにおける受信ビーム形状を制御できる。これにより、２次アンテナ３における複数の受信ビーム形成を高性能かつ低コストで実現できる。また、２次アンテナ３におけるアンテナモジュール３１が簡単な構成であるため、２次アンテナ３の開口面を広くする場合においても、回路規模の増大を軽減でき、製造コストも抑制できる。
【００５１】
なお、２次アンテナ３の開口面を４つに分割し、各分割開口面の信号に基づいたΣ、ΔＡＺ及びΔＥＬのモノパルスビーム（非特許文献７）を形成する場合、１次アンテナ４のアンテナ素子４１で形成されるアレイアンテナの開口面を４つに分割してΣ、ΔＡＺ及びΔＥＬのモノパルスビームを形成すればよい。第２の実施形態におけるアンテナシステムにおいて、モノパルスビームを適用することで、自由度が高く、かつ角度分解能を高めた受信ビームを利用することができる。
【００５２】
（第３の実施形態）
第１の実施形態では信号を送信するアンテナシステムを説明し、第２の実施形態では信号を受信するアンテナシステムを説明した。第３の実施形態では、これらのアンテナシステムを組み合わせてレーダ装置として利用できるアンテナシステムを説明する。図１２は、第３の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第３の実施形態のアンテナシステムは、複数のアンテナ素子を有する、１次アンテナ５及び２次アンテナ６を備える。２次アンテナ６は、複数のアンテナモジュール６１（６１−１，６１−２，…，６１−Ｎｓ）を有する。
【００５３】
１次アンテナ５は、ＤＢＦ方式を適用した送信により、２次アンテナ６の各アンテナモジュール６１に空間給電を行う。２次アンテナ６の各アンテナモジュール６１は、１次アンテナ５から供給される信号を送信する。また、２次アンテナ６は、各アンテナモジュール６１で受信した信号を空間給電により、１次アンテナ５に供給する。１次アンテナ５は、空間給電される信号にＤＢＦ方式を適用して、２次アンテナ６における複数の送受信ビーム（ｂ１，ｂ２，…，ｂＢｒ）を形成する。
【００５４】
図１３は、第３の実施形態における１次アンテナ５の構成例を示す図である。１次アンテナ５は、複数のアンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐを備える。Ｎｐ個のアンテナ素子１６は、規則的に配列され、アレイアンテナを形成する。更に、１次アンテナ５は、各アンテナ素子１６に対応する、サーキュレータ１５（１５−１，…，１５−Ｎｐ）、ＤＡ変換器１２（１２−１，…，１２−Ｎｐ）、周波数変換器１３（１３−１，…，１３−Ｎｐ）、ＨＰＡ１４（１４−１，…，１４−Ｎｐ）、ＬＮＡ４２（４２−１，…，４２−Ｎｐ）、周波数変換器４３（４３−１，…，４３−Ｎｐ）及びＡＤ変換器４４（４４−１，…，４４−Ｎｐ）を備える。複数のアンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐを用いて送信と受信とを行うため、送信系統と受信系統とを分離するサーキュレータ１５−１〜１５−Ｎｐを介して、アンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐと、ＨＰＡ１４−１〜１４−Ｎｐ及びＬＮＡ４２−１〜４２−Ｎｐとが接続されている。
【００５５】
図１４は、第３の実施形態におけるアンテナモジュール６１の構成例を示す図である。アンテナモジュール６１は、２つのアンテナ素子２１１、２１５と、ＨＰＡ２１３と、ＬＮＡ３２１と、２つのサーキュレータ２１２、２１４とを備える。１次アンテナ５と同様に、アンテナ素子２１１を用いて送信と受信とを行うため、送信系と受信系とを分離するサーキュレータ２１２を介して、アンテナ素子２１１と、ＨＰＡ２１３及びＬＮＡ３１２とが接続されている。また、サーキュレータ２１４を介して、アンテナ素子２１５と、ＨＰＡ２１３及びＬＮＡ３１２とが接続されている。
【００５６】
第３の実施形態におけるアンテナシステムは、図１２に示すように、複数の送受信ビームｂ１〜ｂＢｔｒを形成する。送受信ビームは、送信ビームと受信ビームとの組み合わせである。アンテナシステムをレーダ装置として利用する場合、送信ビームの方向に応じて受信ビームを形成する。アンテナシステムが複数の送受信ビームを形成する場合、第１の実施形態において説明したように、時分割又は周波数分割により複数の送信ビームを形成する。受信に関しては、未知の目標にて反射された信号を検出する必要があるため、アンテナシステムは、複数の受信ビームを同時に形成する必要がある。
【００５７】
具体的には、ビーム形成部４５は、各送信ビームと同一方向受信ビームを形成する受信ウェイトを決定する。また、ビーム形成部４５は、各送信ビームで用いた周波数帯に応じて、各ＡＤ変換器４４から供給されるディジタル信号の周波数帯を分離し、分離した信号それぞれに対応する受信ウェイトを乗じて受信ビームの受信信号を算出する。ビーム形成部４５は、周波数帯ごとに受信信号を合成して、各受信ビームの受信ビーム信号を得る。なお、ビーム形成部４５は、送信ウェイト決定部１１２において決定された各送信ビームの送信ウェイトを受信ウェイトとして用いてもよい。
【００５８】
第３の実施形態のアンテナシステムのように第１及び第２の実施形態のアンテナシステムを組み合わせることで、２次アンテナ６に送受信ビームの走査に係る回路を備えずとも、１次アンテナ５の送信ビーム及び受信ビームを変えることで、２次アンテナ６のアレイアンテナにおける送受信ビームの形状を制御できる。これにより、２次アンテナ６における複数の送受信ビーム形成を高性能かつ低コストで実現できる。
【００５９】
なお、第３の実施形態のアンテナシステムでは、１次アンテナ５に備えられる複数のアンテナ素子１６を送信及び受信で使用する構成を説明した。しかし、この構成に限ることなく、１次アンテナ５は、送信に使用する送信アンテナ素子と、受信に使用する受信アンテナ素子（第３のアンテナ素子）とを備えてもよい。１次アンテナ５が送信アンテナ素子及び受信アンテナ素子を備える場合、１次アンテナ５は、サーキュレータ１５−１〜１５−Ｎｐを備えずともよい。この場合においても、ビーム形成部４５は、前述の動作と同じ動作を行う。送信アンテナ素子及び受信アンテナ素子は、規則的に配列されアレイアンテナを形成する。送信アンテナ素子及び受信アンテナ素子は、アレイアンテナにおいて、交互に配置されたり、任意のパターンで配置されたりしてもよい。また、送信に使用する送信アンテナ素子と、受信に使用する受信アンテナ素子とを分ける場合、アンテナシステムは、１次アンテナ５に代えて、第１の実施形態の１次アンテナ１と、第２の実施形態の１次アンテナ４とを備えてもよい。また、アンテナシステムは、一部のアンテナ素子１６を送信及び受信で使用するとともに、前述の送信アンテナ素子及び受信アンテナ素子を備えてもよい。
【００６０】
また、第３の実施形態のアンテナシステムでは、２次アンテナ６に備えられる複数のアンテナモジュール６１が、送信及び受信を行う構成を説明した。しかし、この構成に限ることなく、２次アンテナ６が、第１の実施形態のアンテナモジュール２１と、第２の実施形態のアンテナモジュール３１（第４のアンテナ素子）とを備えてもよい。２次アンテナ６が、アンテナモジュール２１、３１を備える場合、アンテナモジュール２１、３１は、規則的に配列されアレイアンテナを形成する。この場合においても、１次アンテナ５は、前述の動作と同じ動作を行う。アンテナモジュール２１、３１は、アレイアンテナにおいて、交互に配置されたり、任意のパターンで配置されたりしてもよい。また、２次アンテナ６は、送信及び受信を行うアンテナモジュール６１と、送信を行うアンテナモジュール２１と、受信を行うアンテナモジュール３１とを備えてもよい。
【００６１】
（第４の実施形態）
第３の実施形態のアンテナシステムでは、１次アンテナ５が備えるアンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐと、２次アンテナ６が備える各アンテナモジュール６１との距離及び各アンテナ素子の角度応答に応じて、１次アンテナ５と２次アンテナ６との間で空間給電される信号のレベルが低下する場合がある。空間給電される信号のレベル低下は、送受信ビームの劣化を生じさせることがある。第４の実施形態では、このような信号のレベル低下を補償するアンテナシステムを説明する。
【００６２】
図１５は、第４の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第４の実施形態のアンテナシステムは、第３の実施形態のアンテナシステムと同じ構成を備える。図１５に示すように、アンテナ素子１６−１〜１６−Ｎｐで形成されるアレイアンテナから他のアンテナモジュール６１よりも遠くに位置するアンテナモジュール６１−１、６１−Ｎｓでは、１次アンテナ５から空間給電される送信信号のレベルが低下する。このレベルの低下は、空間経路長に応じて経路損失が大きくなるためである。また、各アンテナ素子１６の向きと、アンテナモジュール６１のアンテナ素子２１１の向きとの角度がアンテナモジュール６１ごとに異なることで生じる角度応答特性の差により、送信信号のレベルに差が生じる。
【００６３】
第４の実施形態におけるアンテナモジュール６１では、上述の送信信号のレベル低下及びレベル差を補償するために、２次アンテナ６におけるアンテナモジュール６１の位置及び角度応答特性の差に応じてＨＰＡ２１３の増幅率を高くする。各アンテナモジュール６１のＨＰＡ２１３の増幅率を、経路損失及び角度応答特性の差により生じる送信信号のレベル差を小さくするように定める。すなわち、空間経路長が長く経路損失が大きいほど、増幅率を大きくし、角度応答特性が小さいほど、ＨＰＡ２１３の増幅率を大きくする。このようにＨＰＡ２１３（第１の増幅器）の増幅率を定めることにより、各アンテナ素子２１５の送信電力を一様でき、２次アンテナ６において形成する送信ビームの精度を向上させることができる。
【００６４】
送信信号のレベル低下及びレベル差により、送信信号のレベルがＨＰＡ２１３の入力許容範囲より低くなる場合、ＨＰＡ２１３が動作しないことがある。このような場合には、送信信号のレベルを入力許容範囲に含む増幅器をＨＰＡ２１３の前段に設けたり、各アンテナモジュール６１における送信信号のレベルに適した入力許容範囲を有する増幅器をＨＰＡ２１３として用いたりしてもよい。
【００６５】
２次アンテナ６から空間給電される信号を１次アンテナ５で受信する場合においても、送信信号と同様に、信号のレベル低下が生じることがある。これは、１次アンテナ５のアンテナ素子１６で形成されるアレイアンテナの開口面の振幅分布を一様としているのに対し、空間給電される信号の開口面における振幅分布にばらつきが生じて、信号の振幅が所望の振幅とずれるためである。
【００６６】
１次アンテナ５のアレイアンテナの開口面における振幅分布を一様にするように、信号レベルの低下に応じてアンテナモジュール６１のＬＮＡ３１２の増幅率を大きくする。このようにＬＮＡ３１２（第２の増幅器）の増幅率を定めることにより、１次アンテナ５のアレイアンテナにおける振幅分布が一様になり、ビーム形成部４５がＤＢＦ方式で形成する受信ビームの精度を向上させることができる。
【００６７】
なお、各アンテナモジュール６１のＨＰＡ２１３及びＬＮＡ３１２の増幅率は、経路損失（経路距離）に応じて定めてもよい。
【００６８】
（第５の実施形態）
第４の実施形態では、１次アンテナの各アンテナ素子と２次アンテナとの各アンテナ素子との間における経路損失及び角度応答特性の差を、２次アンテナのアンテナモジュールにおける信号増幅により補償するアンテナシステムについて説明した。第５の実施形態では、他の手法により経路損失及び角度応答特性の差を低減させるアンテナシステムについて説明する。
【００６９】
図１６は、第５の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第５の実施形態のアンテナシステムは、１次アンテナ５と、２次アンテナ６ａとを備える。２次アンテナ６ａは、第３の実施形態の２次アンテナ６と同様に、複数のアンテナモジュール６１（６１−１，６１−２，…，６１−Ｎｓ）を有する。２次アンテナ６ａでは、１次アンテナ５のアンテナ素子１６で形成されるアレイアンテナのビームパターンが一様となるように、複数のアンテナモジュール６１が規則的に配列される面が湾曲している点が、２次アンテナ６と異なる。すなわち、２次アンテナ６ａでは、各アンテナモジュール６１のアンテナ素子２１１から１次アンテナ５のアレイアンテナまでの距離差が小さくなるように、複数のアンテナ素子２１１で形成されるアレイアンテナの開口面が湾曲している。
【００７０】
上述のように、２次アンテナ６の端部を１次アンテナ５側に近づけて開口面を１次アンテナ５側に湾曲させることにより、２次アンテナ６ａの端部における経路損失を抑えるとともに、角度応答のレベルを変化させることができ、信号レベルの低下を抑える。各アンテナモジュール６１のアンテナ素子２１１を配列する面（アレイアンテナの開口面）を湾曲させることにより、１次アンテナ５と２次アンテナ６ａとの間における経路損失及び角度応答特性の差を低減して、２次アンテナ６ａにおいて形成する送信ビームの精度を向上させることができる。
【００７１】
また、アレイアンテナの開口面を湾曲した曲面とすることにより、平面に比べて配列するアンテナモジュール６１の数を増やすことができる。これにより、２次アンテナ６ａで送信ビームを形成する場合に、送信出力を増加させることができる。なお、２次アンテナ６ａの複数のアンテナ素子２１１で形成されるアレイアンテナの開口面を上述のように湾曲させる一方で、複数のアンテナ素子２１５で形成されるアレイアンテナの開口面を湾曲させずに平面としてもよい。
【００７２】
（第６の実施形態）
第１〜第５の実施形態では、アンテナシステムが１次アンテナと２次アンテナとを１つずつ備える場合について説明した。この場合、２次アンテナの開口面を大きくしようとすると、経路損失及び角度応答特性の差を考慮して１次アンテナと２次アンテナとの離隔距離を長くする必要がある。そのため、２次アンテナの開口面を大きくしようとすると、開口面方向だけでなく、開口面に対する奥行き方向にもアンテナシステムは大きくなってしまう。第６の実施形態では、２次アンテナの開口面を大きくする場合において、奥行き方向の寸法の増加を抑えるアンテナシステムについて説明する。
【００７３】
図１７は、第６の実施形態におけるアンテナシステムの構成例を示す図である。第６の実施形態のアンテナシステムは、複数の１次アンテナ５（５−１，５−２，…，５−Ｐ）と、複数の２次アンテナ６（６−１，６−２，…，６−Ｐ）とを備える。１次アンテナ５と２次アンテナ６とは、一対一に対応付けられている。第６の実施形態では、アンテナシステムに要求される開口をＰ分割し、分割した開口ごとに２次アンテナ６が設置され、２次アンテナ６ごとに１次アンテナ５が設置される。各１次アンテナ５が備える複数のアンテナ素子１６で形成されるアレイアンテナのビームパターンのビーム幅（ビーム角度幅）が一定であっても、分割した開口ごとに２次アンテナ６を設置することにより、奥行き方向の寸法の増加を軽減できる。
【００７４】
アンテナシステムにおいて許容できる奥行き方向の寸法Ｄと、１次アンテナ５のビーム角度θｂｗとが定まると、式（７）で２次アンテナ６の開口長Ｌが定まる。分割数Ｐは、アンテナシステムに要求される開口長Ｌａｌｌを、式(７)で算出される開口長Ｌで除算し、小数点以下を切り上げることで決定される。
【００７５】
【数７】
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【００７６】
第６の実施形態におけるアンテナシステムは、２次アンテナ６の開口を大きくする際の奥行き方向の寸法の増加を軽減するだけでなく、１次アンテナ５と２次アンテナ６との組ごとに送信する信号の偏波や周波数を変えることで種々の目標や利用環境に対応したロバストな運用を可能にする。また、２次アンテナ６ごとに変調方式を変えることで、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）を構成できる（非特許文献８）。ＭＩＭＯを構成した場合、複数の２次アンテナ６において送信に用いる２次アンテナ６と受信に用いる２次アンテナ６との組み合わせの自由度を増やして、アンテナシステムにおけるマルチビーム形成や不要波抑圧性能の向上などの性能向上を図ることができる。
【００７７】
なお、以上説明した各実施形態において、送信ウェイト決定部１１２が演算により送信ウェイトを決定する構成について説明した。しかし、この構成に限ることなく、２次アンテナで形成する送信ビームごとの送信ウェイトを記憶したテーブルを送信ウェイト決定部１１２が有し、ビーム制御信号で指定される送信ビームに対応する送信ウェイトをテーブルから選択してもよい。また、送信ウェイト決定部１１２は、信号生成部１１の外部に設けられてもよい。同様に、受信ウェイト決定部４５１も、受信ビームごとの受信ウェイトを記憶したテーブルを有し、ビーム制御信号で指定される受信ビームに対応する受信ウェイトをテーブルから選択してもよい。また、受信ウェイト決定部４５１は、ビーム形成部４５の外部に設けられてもよい。
【００７８】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、第２のアレイアンテナ（２次アンテナ２、６）で形成する送信ビーム形状と、第２のアンテナ素子（アンテナ素子２１５）それぞれの位置とに応じて定まる第２のアンテナ素子それぞれの位相、又は位相及び振幅に基づいて、複数の第１のアンテナ素子（アンテナ素子１６）それぞれの送信ウェイトを決定する送信ウェイト決定部を持つことにより、送信ウェイトを変化させることで第２のアンテナ素子の振幅及び位相を制御できる。この振幅及び位相の制御により、第２のアレイアンテナにおいて位相制御を行わずとも、第２のアレイアンテナにおける複数の送信ビーム形成ができ、第２のアンテナ素子の増加に伴う回路規模の増大を軽減できる。
【００７９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８０】
１，４，５…１次アンテナ；２，３，６，６ａ…２次アンテナ；１１…信号生成部；１２…ＤＡ変換器；１３，４３…周波数変換器；１４，２１３…ＨＰＡ；１５，２１２，２１４…サーキュレータ；１６，４１，２１１，２１５，３１１，３１３…アンテナ素子；２１，３１，６１…アンテナモジュール；４２，３１２…ＬＮＡ；４４…ＡＤ変換器；４５…ビーム形成部；１１１…信号生成器；１１２…送信ウェイト決定部；１１３，４５２…乗算器；４５１…受信ウェイト決定部；４５３…加算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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