(57)【要約】【課題】本発明は、送受信スイッチ内の移相器に入力される信号の周波数を変化させて生成することにより、移相器の位相を変化させることがなくても単純な制御によってビームステアリング角を作ることができる位相配列アンテナを用いたビームステアリングシステムを提供する。【解決手段】本発明に係るビームステアリングシステムは、入力される信号の位相を調整するための移相器を含む複数の送受信スイッチ；前記送受信スイッチから出力される信号を自由空間に輻射する複数のアレイアンテナ；および前記送受信スイッチに入力される信号を生成し、外部から入力される制御信号に応じて前記信号の周波数を変化させて生成する広帯域送信機を含むことを特徴とする。【選択図】図３
2011109660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムであって、
入力される信号の位相を調整するための移相器を含む複数の送受信スイッチ；
前記送受信スイッチから出力される信号を自由空間に輻射する複数のアレイアンテナ；および
前記送受信スイッチに入力される信号を生成し、外部から入力される制御信号に応じて前記信号の周波数を変化させて生成する広帯域送信機を含むことを特徴とするビームステアリングシステム。
【請求項２】
前記アレイアンテナに流入される信号を受信し、前記制御信号に応じて特定周波数帯域から受信する広帯域受信機をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のビームステアリングシステム。
【請求項３】
前記広帯域送信機から生成される信号の周波数帯域と前記広帯域受信機の周波数帯域が同期化されることを特徴とする、請求項２に記載のビームステアリングシステム。
【請求項４】
前記制御信号を生成する制御部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のビームステアリングシステム。
【請求項５】
周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムであって、
入力される信号の位相を調整するための移相器を含む複数の送受信スイッチ；
前記送受信スイッチから出力される信号を自由空間に輻射する複数のアレイアンテナ；および
前記送受信スイッチに入力される信号を生成し、複数の周波数帯域の信号を生成する広帯域送信機を含むことを特徴とするビームステアリングシステム。
【請求項６】
前記アレイアンテナに流入される信号を受信し、複数の周波数帯域から受信する広帯域受信機をさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載のビームステアリングシステム。
【請求項７】
前記広帯域送信機は、外部から入力される制御信号に応じて前記複数の周波数帯域を変化させて前記信号を生成することを特徴とする、請求項５に記載のビームステアリングシステム。
【請求項８】
前記広帯域受信機は、外部から入力される制御信号に応じて特定周波数帯域から受信することを特徴とする、請求項６に記載のビームステアリングシステム。
【請求項９】
前記広帯域送信機から生成される信号の周波数帯域と前記広帯域受信機の周波数帯域が同期化されることを特徴とする、請求項６に記載のビームステアリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーダーなどに用いられるビームステアリングシステムに関し、より詳しくは、周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にレーダーシステムは、大きい指向性を有するアンテナを介して任意の物体に電磁波を送信し、物体から反射波を受信して物体までの距離と方向を測定することができる装置であって、船舶または航空機の探索と誘導を通じて安全確保などの色々な分野に利用されている。
【０００３】
特に、アンテナ分野において高い指向性と低いサイドローブレベル、迅速なビーム走査、低電力特性を有するアンテナを必要とする場合に位相配列アンテナを利用する。位相配列アンテナは、機械的な回転によってアンテナのビームを走査する代わりに、配列要素に供給される電力の位相を電子的に制御してビームを走査する。そこで、ビームの形状と方向を瞬間的に変化させられる長所を有するため、位相配列アンテナに対する関心が高まっている。
【０００４】
図１は、従来の位相配列アンテナの概略的な構成図である。図１に示すように、従来の位相配列アンテナは、Ｍ個のアンテナ１と、アンテナ１の各々に入力される信号の位相を調整する移相器２とを含んでなる。位相配列アンテナの動作を説明すれば次の通りである。
【０００５】
移相器２は、制御器（図示せず）の制御によって各アンテナ１に伝達される信号の位相を適切に調整してアンテナ１に出力する。この時、各アンテナ１によって輻射される電磁波はアンテナによって位相が異なるため、空間において移相器２に設定された位相に応じてビームの指向方向が定められる。言い換えれば、各移相器２が制御器（図示せず）の制御によって配列アンテナ１の各々に入力される信号の位相を適切に調整すれば、配列アンテナ１の各々によって輻射される電磁波信号は位相において時間差が発生し、ホイヘンスの原理（Ｈｕｙｇｅｎ’ｓ  Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）によってアンテナビームは特定の角度（θ）に指向する。
【０００６】
前記したように、従来の位相配列アンテナは、ビームをステアリングするためにアンテナごとに所望のビームステアリング角を作るための位相を各々制御しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の位相配列アンテナは、１つのビームステアリング角を作るためにアンテナごとに各々位相を制御しなければならないので制御が複雑あり、同時に複数のビームステアリング角を生成できない問題点がある。
【０００８】
本発明が達成しようとする技術的課題は、単純な制御によってビームステアリング角を作ることができ、同時に複数のビームステアリング角を生成することができる、位相配列アンテナを用いたビームステアリングシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態による周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムは、入力される信号の位相を調整するための移相器を含む複数の送受信スイッチ；前記送受信スイッチから出力される信号を自由空間に輻射する複数のアレイアンテナ；および前記送受信スイッチに入力される信号を生成し、外部から入力される制御信号に応じて前記信号の周波数を変化させて生成する広帯域送信機を含むことを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記ビームステアリングシステムは、前記アレイアンテナに流入される信号を受信し、前記制御信号に応じて特定周波数帯域から受信する広帯域受信機をさらに含むことができる。
また、前記広帯域送信機から生成される信号の周波数帯域と前記広帯域受信機の周波数帯域を同期化することができる。
また、前記ビームステアリングシステムは、前記制御信号を生成する制御部をさらに含むことができる。
【００１１】
前記技術的課題を解決するために、本発明の他の実施形態による周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムは、入力される信号の位相を調整するための移相器を含む複数の送受信スイッチ；前記送受信スイッチから出力される信号を自由空間に輻射する複数のアレイアンテナ；および前記送受信スイッチに入力される信号を生成し、複数の周波数帯域の信号を生成する広帯域送信機を含むことを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記ビームステアリングシステムは、前記アレイアンテナに流入される信号を受信し、複数の周波数帯域から受信する広帯域受信機をさらに含むことができる。
【００１３】
また、前記広帯域送信機は、外部から入力される制御信号に応じて前記複数の周波数帯域を変化させて前記信号を生成することができる。
また、前記広帯域受信機は、外部から入力される制御信号に応じて特定周波数帯域から受信することができる。
また、前記広帯域送信機から生成される信号の周波数帯域と前記広帯域受信機の周波数帯域を同期化することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、移相器に入力される信号の周波数を変化させて生成することにより、作ろうとする複数のビームステアリング角に合うように移相器の位相情報をステアリング角ごとに変化させることがなくても、単純な制御によって複数のビームステアリング角を作ることができる。
【００１５】
また、本発明によれば、移相器に入力される信号によって複数の周波数帯域の信号を同時に生成することにより、同時に複数のビームステアリング角を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の位相配列アンテナの概略的な構成図である。
【図２】本発明によるビームステアリング角の制御原理を示す概念図である。
【図３】本発明の一実施形態による、位相配列アンテナを用いたビームステアリングシステムの構成図である。
【図４】本発明の一実施形態により、広帯域送信機５０が生成する信号の周波数帯域の例とそれに伴うアンテナの放射パターンを示す。
【図５】本発明の他の実施形態により、広帯域送信機５０が生成する信号の周波数帯域の例とそれに伴うアンテナの放射パターンを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では図面を参照して本発明の好ましい実施形態についてより詳細に説明する。以下の説明および添付図面において、実質的に同一の構成要素は各々同一の符号を付することによって重複する説明は省略する。また、本発明を説明する際、関連した公知機能あるいは構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に濁す恐れがあると判断される場合にはそれに対する詳細な説明は省略する。
【００１８】
本発明によれば、移相器に入力される信号の周波数を利用してビームステアリング角を制御する。図２は、本発明によるビームステアリング角の制御原理を示す概念図である。
図２を参照すれば、Ｎ個のアンテナと、アンテナの各々に入力される信号の位相を調整して出力するＮ個の移相器が示されている。Ｎ個の移相器は、従来のようにＮ個のアンテナがビームステアリング角θ０を形成するように各々の位相が設定される。ビームステアリング角をθ０として形成するための各アンテナの間の位相差Φは次のように求めることができる。
【００１９】
配列因子（ａｒｒａｙ  ｆａｃｔｏｒ、ＡＦ）は次の数学式の通りである。
【数学式１】
【００２０】
2011109660.tif 000003
アンテナの間の位相差Φは次の数学式によって求めることができる。
【数学式２】
【００２１】
2011109660.tif 000004
ここで、θ＝９０°−θ０、ｄはアンテナの間の距離、ｋｆは周波数ｆにおける波数（ｗａｖｅ  ｎｕｍｂｅｒ）である。
この時、
2011109660.tif 000005
から次の数学式が導き出される。
【数学式３】
【００２２】
2011109660.tif 000006
ここで、
2011109660.tif 000007
であるため、周波数ｆに応じて変化する。したがって、ビームステアリング角θ０も周波数ｆに応じて変化する値であることが分かる。したがって、アンテナの間の位相差をΦに固定し、周波数ｆを調整してｋｆを変化させることにより、ビームステアリング角を調整することができる。例えば、１つの位相差Φに対し、２つの周波数ｆ１とｆ２によって次のような相異なるビームステアリング角θ０１およびθ０２を生成することができる。
【数学式４】
【００２３】
2011109660.tif 000008
ここで、本発明に係るビームステアリングシステムは、移相器に入力される信号の周波数を調整することによって所望のビームステアリング角を作る。
【００２４】
図３は、本発明の一実施形態による、周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムの構成図である。本実施形態によるビームステアリングシステムは２次元位相配列アンテナを利用したものであって、上述した本発明の原理と以下の説明を通じ、本発明が、１次元位相配列アンテナおよび３次元位相配列アンテナにも適用可能であることを当業者であれば容易に理解することができる。
【００２５】
本実施形態に係るビームステアリングシステムは、図示したように、縦方向に配列されたアレイアンテナ１０、アレイアンテナ１０の各々に連結された送受信スイッチ２０、電力分配／結合器３０、循環器４０、広帯域送信機５０、広帯域受信機６０、および制御部７０を含んでなる。
【００２６】
アレイアンテナ１０は、送受信スイッチ２０から出力される信号を自由空間に輻射したり、自由空間から流入される信号を送受信スイッチ２０に伝達する。
【００２７】
送受信スイッチ２０は、各々図示したように、循環器、電力増幅器、低雑音増幅器、移相器を含み、送信時には、電力分配／結合器３０から入力される信号を移相器によって位相を調整し、電力増幅器によって電力増幅させた後、アレイアンテナ１０に伝達し、受信時には、アレイアンテナ１０から入力される信号を低雑音増幅器によって低雑音増幅した後、移相器によって位相を調整し、電力分配／結合器３０に出力する。送受信スイッチ２０内にある各々の移相器の位相は、アレイアンテナ１０が特定ビームステアリング角を形成できるように、後述する制御部７０の制御によって位相が設定される。
【００２８】
電力分配／結合器３０は、送受信スイッチ２０から出力される信号の電力を結合して後述する循環器４０に伝達するか、循環器４０から入力される信号を同一の電力に分配して送受信スイッチ２０の各々に伝達する。
【００２９】
循環器４０は、後述する広帯域送信機５０からの送信信号を電力分配／結合器３０に伝達し、電力分配／結合器３０からの受信信号を後述する広帯域受信機６０に伝達する。循環器４０の役割は、アレイアンテナ１０、送受信スイッチ２０、および電力分配／結合器３０を通じて送信および受信が共に行われるようにしたものであり、スイッチなどが循環器４０の役割を代わりにすることもできる。
【００３０】
送信過程を見てみれば、広帯域送信機５０から生成された送信電力が電力分配／結合器３０に伝達されれば、電力分配／結合器３０はいくつかの信号で電力を配分して送受信スイッチ２０の各々に伝達し、送受信スイッチ２０はこれを電力増幅および位相調整してアレイアンテナ１０に伝達する。
【００３１】
受信過程を見てみれば、アレイアンテナ１０に流入された信号が送受信スイッチ２０において低雑音増幅および位相調整され、電力分配／結合器３０、循環器４０を経て広帯域受信機６０に伝達される。
【００３２】
制御部７０はユーザ命令または予め設定されたプログラムに従って制御信号を生成し、送受信スイッチ２０各々の移相器の位相を設定したり、広帯域送信機５０から生成される信号の周波数を設定したり、広帯域受信機６０によって受信する信号の周波数帯域を設定したりする。
【００３３】
広帯域送信機５０は送受信スイッチ２０に入力される送信信号を生成する。本発明の一実施形態において、この時、広帯域送信機５０は、制御部７０から入力される制御信号に応じて送信信号の周波数を変化させて出力する。
【００３４】
送受信スイッチ２０各々の移相器の位相が任意のビームステアリング角を形成できるように位相が設定されている場合、広帯域送信機５０が送信信号の周波数を変化させて出力することによってビームステアリング角が変化する。例えば、広帯域送信機５０が出力する信号が図４ａに示すようにｆ１を中心周波数とする一定帯域の信号である時、アンテナの放射パターンが図４ｂの実線で示すもののようであれば、広帯域送信機５０が出力する信号が図４ａに示すようにｆ２を中心周波数とする一定帯域の信号である時、アンテナの放射パターンは図４ｂの点線で示すように変化することができる。周波数とビームステアリング角間の対応関係は、前記した数学式３を利用するか、実験的に予め計算して制御部７０に格納するか、ビームステアリングシステムの運用者に提供されることができる。
【００３５】
広帯域受信機６０は、アレイアンテナ１０に流入されて送受信スイッチ２０を経て入ってくる信号を受信する。本発明の一実施形態において、この時、広帯域受信機６０は、制御部７０から入力される制御信号に応じて特定周波数帯域から信号を受信する。
【００３６】
送受信スイッチ２０各々の移相器の位相が任意のビームステアリング角を形成できるように位相が設定されている場合、広帯域受信機６０の受信周波数帯域に応じてビームステアリング角が変化する。広帯域送信機５０に関して上記で例を挙げたのと同じように、受信周波数帯域を図４ａに示すように中心周波数をｆ１からｆ２に変化させることにより、受信時、アンテナの放射パターンを図４ｂに示すように変化させることができる。
【００３７】
また、広帯域送信機５０と広帯域受信機６０の周波数帯域は同期化することができる。すなわち、制御部７０が同一の制御信号を広帯域送信機５０と広帯域受信機６０に入力し、広帯域受信機６０は広帯域送信機５０が出力する信号の周波数帯域と同一の周波数帯域から信号を受信することができる。
【００３８】
広帯域送信機５０が送受信スイッチ２０に入力される送信信号を生成する時、本発明の他の実施形態において、広帯域送信機５０は複数の周波数帯域の信号を出力する。
【００３９】
送受信スイッチ２０各々の移相器の位相が任意のビームステアリング角を形成できるように位相が設定されている場合、広帯域送信機５０が複数の周波数帯域の信号を出力することにより、複数のビームステアリング角を形成することができる。例えば、広帯域送信機５０が出力する信号が図５ａに示すようにｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５を各々中心周波数とする５個の周波数帯域の信号である時、アンテナの放射パターンは図５ｂに示すようにいくつかの放射パターンが形成される。広帯域送信機５０が出力する信号の周波数帯域は制御部７０の制御によって変化することができ、そうすると、放射パターンも変化する。
【００４０】
広帯域受信機６０がアレイアンテナ１０に流入されて送受信スイッチ２０を経て入ってくる信号を受信する時、本発明の他の実施形態において、広帯域受信機６０は複数の周波数帯域から信号を受信する。
【００４１】
広帯域送信機５０に関して上記で例を挙げたのと同じように、受信周波数帯域を図５ａに示すようにｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５を各々中心周波数とする周波数帯域にすることにより、受信時、アンテナの放射パターンを図５ｂに示すように、いくつかの放射パターンで形成することができる。広帯域受信機６０の受信周波数帯域は制御部７０の制御によって変化することができ、そうすると、受信時にアンテナの放射パターンも変化する。
【００４２】
本実施形態においても、広帯域送信機５０と広帯域受信機６０の周波数帯域は同期化することができる。すなわち、広帯域受信機６０は、広帯域送信機５０が出力する信号の周波数帯域と同一の周波数帯域から信号を受信することができる。
【００４３】
以上、本発明についてその好ましい実施形態を中心に説明した。本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者であれば、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形した形態に実現できることを理解するはずである。したがって、開示された実施形態は限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮しなければならない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、これと同等な範囲内にある全ての差異点は本発明に含まれると解釈しなければならない。
【符号の説明】
【００４４】
１０  ・・・アレイアンテナ
２０  ・・・送受信スイッチ
３０  ・・・電力分配／結合器
４０  ・・・循環器
５０  ・・・広帯域送信機
６０  ・・・広帯域受信機
７０  ・・・制御部
【図１】
2011109660.tif 000009
【図２】
2011109660.tif 000010
【図３】
2011109660.tif 000011
【図４ａ】
2011109660.tif 000012
【図４ｂ】
2011109660.tif 000013
【図５ａ】
2011109660.tif 000014
【図５ｂ】
2011109660.tif 000015