(57)【要約】【課題】  従来のアレーアンテナでは、マルチビームを形成する際にビーム形成するための励振振幅、励振位相を計算し、単純にその励振位相のみを移相器に設定し、計算した励振振幅は用いないものである。【解決手段】  主ビームの方向ベクトルと複数Ｍ個のアンテナ素子の位置ベクトルによって得られる主ビームに対応する複素ウエイトに、副ビームの方向ベクトルと複数Ｍ個のアンテナ素子の位置ベクトル、副ビームの放射位相をオフセットするオフセット位相及び、重み付け係数によって得られる副ビームに対応する複素ウエイトを加算して複素合成ウエイトを算出する。この複素合成ウエイトの位相成分のみを励振位相として各アンテナ素子に設定するアレーアンテナのビーム制御方法。【選択図】      図１
2006222710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチビームを形成するアレーアンテナのビーム制御方法において、
主ビームの方向ベクトルｄ０とｍ番目（ｍ＝１〜Ｍ、Ｍは２以上の整数）のアンテナ素子の位置ベクトルｒｍとの内積（ｒｍ・ｄ０）に対する波数ｋの積に基づいて、上記主ビームに対応する複素ウエイト、
ＷMAIN,ｍ＝ｅｘｐ[−ｊｋ（ｒｍ・ｄ０）]
を演算する第１のステップと、
複数Ｎ個（Nは２以上の整数）の副ビームのうち、ｎ番目（ｎ＝１〜Ｎ）の副ビームにおける方向ベクトルｄｎとｍ番目の上記アンテナ素子の位置ベクトルｒｍとの内積（ｒｍ・ｄｎ）に対する波数ｋの積と、放射位相をオフセットするためのオフセット位相φoff_nとの、加算値に基づいて、複素ウエイトを演算し、
さらに演算した複素ウエイトと重み付け係数αｎとの積をとって上記ｎ番目の副ビームに対応する複素ウエイト、
Ｗｎ,ｍ＝αｎｅｘｐ[−ｊ｛ｋ（ｒｍ・ｄｎ）＋φoff_n]
を求め、
求めたｎ番目の副ビームに対応する複素ウエイトを、Ｎ個の副ビームに対して総和をとることにより、上記Ｎ個の副ビームに対応する複素ウエイトを演算する第２のステップと、
上記第１のステップにて演算した複数Ｍ個の複素ウエイトＷMAIN,ｍと上記第２のステップにて演算した複数Ｍ個の複素ウエイトＷSUB,ｍの総和を取り、
得られた複数Ｍ個の複素合成ウエイトＷｍを構成する位相成分のみを、各アンテナ素子の励振位相として設定する第３のステップと、
から成ることを特徴とするアレーアンテナのビーム制御方法。
【請求項２】
上記オフセット位相φoff_nが、
φoff_n =180÷（N+1）×n
で計算されることを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナのビーム制御方法。
【請求項３】
主ビームと複数個の副ビームの放射強度を任意のレベルに設定するビーム制御器と、
結合ポートに入力されたＲＦ信号を等分配する合成分配器と、
上記合成分配器で等分配されたＲＦ信号の位相を、上記ビーム制御器により設定された位相にて制御する複数の移相器と、
上記移相器から入力されたＲＦ信号を空間に放射する複数のアンテナ素子と、
を具備し、
上記ビーム制御器は、上記請求項１あるいは請求項２記載のアレーアンテナのビーム制御方法に基づいて制御することを特徴とするアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マルチビームを形成し且つビーム走査可能なアレーアンテナを用いたアンテナ装置及びアレーアンテナのビーム制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のアレーアンテナを用いたアンテナ装置では、マルチビームを形成する際は、マルチビームを形成する励振振幅、励振位相の両方を計算し、計算した励振位相のみを制御することにより、アレーアンテナのビーム制御を実現している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３１７３７号公報（第２−７頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のアレーアンテナでは、マルチビームを形成する際にビーム形成するための励振振幅、励振位相を計算し、単純にその励振位相のみを移相器に設定し、計算した励振振幅は用いないものである。また、マルチビームにおいて、ビーム間にレベル差を与えると、その放射位相の関係によりレベルが大小に変化し、所望のレベルにならない場合が発生する。
主ビーム内での放射位相が０度一定に対して、主ビームの隣のサイドローブではナルを境に放射位相は反転し、１８０度一定になり、ナルごとに１８０度反転するため、マルチビームを形成する場合、主ビームのパターンと副ビームのパターンが同相で合成された角度はレベルが大きくなり、逆相で合成された角度はレベルが小さくなるという問題がある。
【０００５】
この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、マルチビームにおいて、主ビーム近傍に副ビーム形成した場合においても主ビームのサイドローブによる副ビームへのレベルの影響を軽減することが可能になることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明のアレーアンテナのビーム制御方法は、マルチビームを形成するアレーアンテナのビーム制御方法において、
主ビームの方向ベクトルｄ０とｍ番目（ｍ＝１〜Ｍ、Ｍは２以上の整数）のアンテナ素子の位置ベクトルｒｍとの内積（ｒｍ・ｄ０）に対する波数ｋの積に基づいて、上記主ビームに対応する複素ウエイト、
ＷMAIN,ｍ＝ｅｘｐ[−ｊｋ（ｒｍ・ｄ０）]
を演算する第１のステップと、
複数Ｎ個（Nは２以上の整数）の副ビームのうち、ｎ番目（ｎ＝１〜Ｎ）の副ビームにおける方向ベクトルｄｎとｍ番目の上記アンテナ素子の位置ベクトルｒｍとの内積（ｒｍ・ｄｎ）に対する波数ｋの積と、放射位相をオフセットするためのオフセット位相φoff_nとの、加算値に基づいて、複素ウエイトを演算し、
さらに演算した複素ウエイトと重み付け係数αｎとの積をとって上記ｎ番目の副ビームに対応する複素ウエイト、
Ｗｎ,ｍ＝αｎｅｘｐ[−ｊ｛ｋ（ｒｍ・ｄｎ）＋φoff_n]
を求め、
求めたｎ番目の副ビームに対応する複素ウエイトを、Ｎ個の副ビームに対して総和をとることにより、上記Ｎ個の副ビームに対応する複素ウエイトを演算する第２のステップと、
上記第１のステップにて演算した複数Ｍ個の複素ウエイトＷMAIN,ｍと上記第２のステップにて演算した複数Ｍ個の複素ウエイトＷSUB,ｍの総和を取り、
得られた複数Ｍ個の複素合成ウエイトＷｍを構成する位相成分のみを、各アンテナ素子の励振位相として設定する第３のステップと、
から成るものである。
【０００７】
また、この発明のアレーアンテナ装置は、主ビームと複数個の副ビームの放射強度を任意のレベルに設定するビーム制御器と、結合ポートに入力されたＲＦ信号を等分配する合成分配器と、上記合成分配器で等分配されたＲＦ信号の位相を、上記ビーム制御器により設定された位相にて制御する複数の移相器と、上記移相器から入力されたＲＦ信号を空間に放射する複数のアンテナ素子と、を具備して、
上記ビーム制御器は、上記アレーアンテナのビーム制御方法に基づいて制御を行うものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明は、主ビーム近傍に副ビームを形成した場合においても、オフセット位相φnを設け、主ビームと副ビームの放射パターンの放射位相関係を同相、逆相にならないようにすることにより、主ビームのサイドローブによる副ビームへのレベルの影響を軽減することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１を説明するためのアンテナ装置の構成図であり、１はアレーアンテナ、２はアンテナ素子、３は移相器、４は合成分配器、５はＲＦ信号、６はビーム制御器である。
【００１０】
図１において、アレーアンテナ１は所定の配置形状で配置された複数Ｍ個のアンテナ素子２を有して構成される。
複数Ｍ個のアンテナ素子２は、複数Ｍ個の移相器３の一端とそれぞれ接続され、複数Ｍ個の移相器３の他端は、等Ｍ分配の合成分配器４の分配ポートとそれぞれ接続されている。
また、アレーアンテナ１内の複数Ｍ個の移相器３はそれぞれビーム制御器６と接続されている。
アレーアンテナ１、移相器３、合成分配器４、ビーム制御器６は、この実施の形態のアンテナ装置を構成する。
【００１１】
次に動作について説明する。
ここでは送受信可逆であることから、送信の場合について説明する。
合成分配器４の結合ポートに入力されたＲＦ信号５は、等Ｍ分配され、移相器３に入力される。移相器３では、ビーム制御器６により設定された位相制御を行なって、ＲＦ信号をアンテナ素子２に出力する。アンテナ素子２は入力されたＲＦ信号を空間に放射する。
【００１２】
ここで、ビーム制御器６は入力されたビーム走査指示角により、主ビームと複数Ｎ個の副ビームをそれぞれ所望の方向に向け、且つ複数個の副ビームの放射強度を主ビームに対し任意のレベルに設定することができる励振位相φ１からφＭをそれぞれ移相器３に設定する。
【００１３】
図２はアレーアンテナの素子配列の一例を示す斜視図であり、移相器３に設定される励振位相について説明する。
図２において、アンテナ素子２をＸ−Ｙ平面上に配置したアレーアンテナの一例を斜視図で示しており、Ｘ−Ｙ平面上に素子間隔ｄで４×４のマトリックス形状で配置されている場合である。
【００１４】
主ビームの方向を所定の原点から見たときの方向ベクトルをｄ０とし、複数Ｎ個の副ビームの方向を所定の原点から見たときの方向ベクトルをｄ１、ｄ２からｄＮ（以下、代表して符号をｄｎとする）で表す。
また、アレーアンテナの各アンテナ素子２の位置ベクトルｒ１、ｒ２からｒＭ（以下、代表して符号をｒｍとする）が、上記所定の原点Ｏから見たときの方向ベクトルとして予め決められる。
【００１５】
図３はこの発明の実施の形態１によるビーム制御器の構成を示すブロック図であり、７は主ビーム複素ウエイト演算部、８は副ビーム複素ウエイト演算部、９は励振位相演算部であり、６は図１と同じものである。
【００１６】
図３において、ビーム制御器６にはビーム走査指示角として主ビーム指示角と副ビーム指示角が入力され、主ビーム指示角は主ビーム複素ウエイト演算部７に入力され、副ビーム指示角は副ビーム複素ウエイト演算部８に入力される。
励振位相演算部９の入力端子は主ビーム複素ウエイト演算部７と副ビーム複素ウエイト演算部８と接続されており、出力端子は複数Ｍ個の移相器３と接続されている。
【００１７】
次に、この実施の形態によるアレーアンテナのビーム制御方法を用いたビーム制御動作について説明する。
主ビーム複素ウエイト演算部７は、入力された主ビーム指示角は図２の方向ベクトルｄ０を規定する角度であり、数１を用いて、主ビームを形成するための各アンテナ素子２の励振振幅、励振位相を複素数表現した複素ウエイトＷMAIN,ｍを演算する（第１のステップ）。
【００１８】
【数１】
2006222710.tif 000003
【００１９】
ここで、（ｒｍ・ｄ０）は方向ベクトルｄ０と位置ベクトルｒｍとの内積であり、ｋは数２で示される波数である。また、数２におけるλは自由空間における波長である。
【００２０】
【数２】
2006222710.tif 000004
【００２１】
次に副ビーム複素ウエイト演算部８においては、入力された複数Ｎ個の副ビーム指示角は図２の方向ベクトルｄ１からｄＮを規定する角度であり、数３を用いて、複数Ｎ個のｎ番目の副ビームを形成するための各アンテナ素子２の励振振幅、励振位相を複素数表現した複素ウエイトＷｎ,ｍを演算し出力する。
【００２２】
【数３】
2006222710.tif 000005
【００２３】
ここで、（ｒｍ・ｄｎ）は方向ベクトルｄｎと位置ベクトルｒｍとの内積であって、αｎは１以下の値であり、それぞれ副ビームの重み付けをするための項である。
αｎの値を小さくするほど、主ビームの放射強度に対するそれぞれ副ビームの放射強度を小さく制御することが可能であるが、主ビームの放射パターンの位相関係により変動するため調整しながら設定を行なう。
また、オフセット位相φoff_nは前述の位相関係による変動を軽減するために設けている。
オフセット位相φoff_nについては後述する。
【００２４】
アレーアンテナの放射パターンとその放射位相の関係は、主ビーム内での放射位相が０度一定に対して、主ビームの隣のサイドローブではナルを境に放射位相は反転し、１８０度一定になり、ナルごとに１８０度反転する。
このためマルチビームを形成する場合、主ビームのパターンと副ビームのパターンが同相で合成された角度はレベルが大きくなり、逆相で合成された角度はレベルが小さくなる。
【００２５】
さらにレベルが同じで位相関係が逆相の場合にはナルを形成してしまう。
このため、オフセット位相φnを設けることにより、主ビームと副ビームの放射パターンの放射位相関係を同相、逆相にならないようにすることにより合成による影響を軽減できる。
【００２６】
オフセット位相φoff_nの設定についてはマルチビームの本数によるが、一例として、主ビームと副ビームＮ本を形成する場合、主ビームの放射位相は０度と１８０度の関係であり、Ｎ本の副ビームの放射位相を均等に割り振ると数４に示すようになる。
【００２７】
【数４】
2006222710.tif 000006
【００２８】
次に数５を用いて、全ての副ビームに対する複素合成ウエイトＷSUB,ｍを演算する（第２のステップ）。
【００２９】
【数５】
2006222710.tif 000007
【００３０】
次いで、励振位相演算部９においては、入力される主ビーム複素ウエイト演算部７の出力ＷMAIN,ｍと副ビーム複素ウエイト演算部８の出力ＷSUB,ｍの和である複素合成ウエイトＷｍを、数６を用いて演算する。
【００３１】
【数６】
2006222710.tif 000008
【００３２】
ここで、複素合成ウエイトＷｍは主ビームと複数Ｎ個の副ビームを形成するための各アンテナ素子２の励振振幅、励振位相を複素数表現したものであり、Ａｍは振幅を示し、φｍは位相を示している。
この数６における複素合成ウエイトＷｍを構成する位相成分φｍのみを、前述の移相器３に励振位相φｍとして設定する（第３のステップ）。
これにより、位相制御のみで、主ビームの放射強度に対してそれぞれ副ビームのレベルを任意に制御できるマルチビームを形成することが可能になる。
ここで、振幅成分Ａｍは使用していない。
【００３３】
ただし、振幅成分Ａｍを使用していないことや主ビームと副ビームの位相関係に起因する主ビーム、副ビームのビームシフトが発生する。
しかし、この実施の形態では、ビームの放射強度を所望の分布とすることが重要であり、ビーム指向の精度が重要とされない場合においては、励振位相φｍの制御のみで有効である。
【００３４】
図４はこの発明の実施の形態１によるマルチビームの一例を示す放射パターン図であり、
ビーム制御器６による放射パターンの一例を示す。
図４において、主ビームの方向を＋３０度に設定し、副ビーム１の方向を＋４０度、重み付けα1を０．３１６、オフセット位相φoff_1を＋６０度に設定し、副ビーム２の方向を＋４８度、重み付けα2を０．３１６、オフセット位相φoff_2を＋１２０度に設定した。
この場合の励振位相φｍを、移相器３に与えた場合の放射パターンを実線で示している。
【００３５】
また、図４に従来例として、オフセット位相φoff_1、φoff_2を０度に設定した場合のパターンを点線で示す。
この従来例は、主ビームを＋３０度に形成した場合、＋４０度、＋４８度には第１サイドローブ、第２サイドローブがあり、副ビーム１を第１サイドローブの角度に形成すると副ビーム１との放射位相が逆相のため打ち消されナルが形成され、第２サイドローブと副ビーム２では放射位相が同相のためレベルが大きくなっている。
一方、オフセット位相を設けた場合はそれぞれの角度に副ビームが形成できる。
【００３６】
以上説明したように、この実施の形態のアンテナ装置およびそのアレーアンテナのビーム制御方法では、位相制御のみで、アレーアンテナの主ビーム及び複数個の副ビームをそれぞれ所望の方向に指向し、且つ主ビームに対する各副ビームの放射強度が異なるように、所望のレベルに設定し、主ビーム近傍に副ビーム形成した場合においても主ビームのサイドローブによる副ビームへのレベルの影響を軽減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成図である。
【図２】アレーアンテナの素子配列の一例を示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるビーム制御器の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるマルチビームの一例を示す放射パターン図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  アレーアンテナ、  ２  アンテナ素子、  ３  移相器、  ４  合成分配器、  ５  ＲＦ信号、  ６  ビーム制御器、  ７  主ビーム複素ウエイト演算部、  ８  副ビーム複素ウエイト演算部、  ９  励振位相演算部。
【図１】
2006222710.tif 000009
【図２】
2006222710.tif 000010
【図３】
2006222710.tif 000011
【図４】
2006222710.tif 000012