(57)【要約】【課題】すべての素子アンテナで同時に電波を放射しなくても、各素子アンテナの位相基準を揃えるように較正する。【解決手段】位相調整制御装置は、複数の素子アンテナ１を素子アンテナ群１０に分け、測定済みの素子アンテナ群１０を含む少なくとも２つの素子アンテナ群１０を含む動作素子アンテナ集合２０を順に動作状態にする。素子アンテナ１の位相を変化させて、異なる位相で放射される電波の複数の受信電力値を使用して、位相を変化させる素子アンテナ１が生成する素子電界ベクトルの動作素子アンテナ集合２０の中での集合内位相差を計算する素子電界演算回路１１と、複数の異なる動作素子アンテナ集合２０を使用して素子電界ベクトルを計算した素子アンテナ１の素子電界ベクトルを用いて、異なる動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１の素子電界ベクトルの位相差を計算する位相差計算部１６とを備える。【選択図】  図２
2019022229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機からの送信信号を電波として放射する複数の素子アンテナと、１個または複数個の前記素子アンテナごとに設けられた、前記素子アンテナが前記電波を放射する動作状態と前記電波を放射しない非動作状態を切替える複数の動作切替部と、１個または複数個の前記素子アンテナごとに設けられた、前記素子アンテナに入力される前記送信信号の位相を変更する複数の可変移相器とを有するフェーズドアレイアンテナが放射する前記電波を受信できる位置に配置された受信アンテナが受信する前記電波の電力の測定値である受信電力値を取得する受信電力値取得部と、
前記動作切替部で同時に前記動作状態または前記非動作状態を切り替えられる前記素子アンテナを単位に決められた、一部の前記素子アンテナの集合である複数の動作素子アンテナ集合のそれぞれに応じて、前記動作素子アンテナ集合に属する前記素子アンテナを前記動作状態にし、前記動作素子アンテナ集合に属さない前記素子アンテナを前記非動作状態にするように複数の前記動作切替部を制御する放射制御部と、
複数の前記動作素子アンテナ集合のそれぞれに応じて前記放射制御部が複数の前記動作切替部を制御している状態で、前記動作素子アンテナ集合に属する少なくとも一部の前記素子アンテナの集合である位相計測素子アンテナ集合に属する前記素子アンテナに入力される前記送信信号の位相を変更させ、異なる複数の位相変更量での前記受信電力値を使用して、前記位相計測素子アンテナ集合に属するそれぞれの前記素子アンテナが放射し前記受信アンテナで受信される前記電波により生成される素子電界ベクトルの間での位相差である集合内位相差を計算する集合内位相差計算部と、
複数の前記動作素子アンテナ集合のそれぞれが他の前記動作素子アンテナ集合と共通な前記素子アンテナを有するように決められており、かつ、複数の前記動作素子アンテナ集合のそれぞれに対応する複数の前記位相計測素子アンテナ集合のそれぞれが他の前記位相計測素子アンテナ集合と共通な前記素子アンテナを有するように決められており、複数の前記位相計測素子アンテナ集合で計算した複数の前記集合内位相差に基づき、異なる前記位相計測素子アンテナ集合に属する前記素子アンテナが生成する前記素子電界ベクトルの位相差を計算する位相差計算部とを備えたフェーズドアレイアンテナの位相調整制御装置。
【請求項２】
複数の前記動作素子アンテナ集合は、共通な前記素子アンテナが存在する前記動作素子アンテナ集合の和集合をすべての前記動作素子アンテナ集合について求めると、和集合はすべての前記素子アンテナの集合になるように決められており、
複数の前記位相計測素子アンテナ集合は、共通な前記素子アンテナが存在する前記位相計測素子アンテナ集合の和集合をすべての前記位相計測素子アンテナ集合について求めると、和集合はすべての前記素子アンテナの集合になるように決められている、
請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナの位相調整制御装置。
【請求項３】
複数の前記動作素子アンテナ集合のそれぞれが、その前記動作素子アンテナ集合に属する前記素子アンテナの放射面の和である合成放射面が鉛直方向の長さが鉛直長下限値以上であるように決められている、
請求項１または請求項２に記載のフェーズドアレイアンテナの位相調整制御装置。
【請求項４】
複数の前記動作素子アンテナ集合のそれぞれが、その前記動作素子アンテナ集合に属する前記素子アンテナの放射面の和である合成放射面が、前記放射面が隣接する前記動作素子アンテナ集合に属する前記素子アンテナの前記放射面の和である部分合成放射面を複数有するものであり、それぞれの前記部分合成放射面の鉛直方向の長さが鉛直長下限値以上であり、複数の前記部分合成放射面を囲む最小の凸な範囲である被覆範囲の水平方向の長さが前記フェーズドアレイアンテナの放射面の水平方向の長さに対する比率である被覆率が被覆率下限値以上に決められている、
請求項１または請求項２に記載のフェーズドアレイアンテナの位相調整制御装置。
【請求項５】
前記位相計測素子アンテナ集合ごとに、前記位相計測素子アンテナ集合に属する前記素子アンテナが生成する前記素子電界ベクトルの振幅比である集合内振幅比を計算する集合内振幅比計算部と、
複数の前記位相計測素子アンテナ集合で計算した複数の前記集合内振幅比に基づき、異なる前記位相計測素子アンテナ集合に属する前記素子アンテナが生成する前記素子電界ベクトルの振幅比を計算する振幅比計算部とを位相調整制御装置がさらに有する、
請求項１から請求項４の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナの位相調整制御装置。
【請求項６】
複数の前記素子アンテナが重複しないように複数の素子アンテナ群に分けられており、
前記動作素子アンテナ集合が、前記素子アンテナ群を単位として決められている、
請求項１から請求項５の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナの位相調整制御装置。
【請求項７】
２個目以降に処理する前記動作素子アンテナ集合が、前記素子電界ベクトルの前記集合内位相差を計算済の少なくとも１個の前記素子アンテナと、初めて前記素子電界ベクトルの前記集合内位相差を計算する少なくとも１個の前記素子アンテナを含むように決められている、
請求項１から請求項６の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナの位相調整制御装置。
【請求項８】
複数の前記動作素子アンテナ集合のそれぞれにおいて、その前記動作素子アンテナ集合に対応する位相計測素子アンテナ集合に属する前記素子アンテナに対応して設けられた前記可変移相器の集合であり、属する前記可変移相器が異なるように決められた複数の可変移相器集合のそれぞれに応じて、対応する前記動作素子アンテナ集合に応じて前記放射制御部が複数の前記動作切替部を制御する状態で、前記可変移相器集合に属する前記可変移相器が同じ位相変更量だけ前記送信信号の位相を変更するように、異なる複数の前記位相変更量で前記可変移相器を制御する位相制御部と、
前記動作素子アンテナ集合ごとに、前記位相制御部が前記可変移相器集合に属する前記可変移相器を制御する状態での前記受信電力値、前記可変移相器集合および前記位相変更量の組である複数の位相受信電力値組を生成する位相受信電力値組生成部とをさらに備え、
前記集合内位相差計算部が、複数の前記位相受信電力値組から前記集合内位相差を計算する、
請求項１から請求項７の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナの位相調整制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、無線電力伝送に使用されるフェーズドアレイアンテナの位相調整制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙に設置した大規模な太陽光発電装置から地上に電力を送電する宇宙太陽発電システム（ＳＳＰＳ：Space Solar Power Systems）が構想されている。そのために、マイクロ波などの周波数帯域の電波により、電力を送受電する無線電力伝送システムの研究開発が進められている。
近年、ＳＳＰＳの要素技術の開発が進み、離島や飛翔体に向けて、長距離・大電力の電力伝送を行うシステムの検討が多くなされている。
【０００３】
上記のような、長距離・大電力の電力伝送システムでは、多数の素子アンテナを直線状あるいは平面状に配列したフェーズドアレイアンテナが用いられる。フェーズドアレイアンテナは、各素子アンテナの位相を調整することでビーム形状やビームを放射する方向を可変にできる特徴を持つ。フェーズドアレイアンテナは、機械的な駆動が不要であり、高速に指向方向を変更できる。フェーズドアレイアンテナで所望の方向に効率よく送電するためには、複数の素子アンテナの位相が調整されている必要がある。すなわち、複数の素子アンテナの位相基準が揃う状態に較正されている必要がある。
【０００４】
複数の素子アンテナの位相を調整するための従来のアンテナ測定装置では、送信機から送信される高周波信号は、ピックアップアンテナから空間に放射される。この放射される高周波信号は、複数の素子アンテナにより受信される。この受信される状態で、可変移相器を制御して、各素子アンテナの移相設定値を制御回路により１個ずつ順次変化させる。測定演算回路は、すべての素子アンテナの合成出力の最大値と最小値の比、および、最大値を与える移相設定値を測定して、各素子アンテナの振幅および位相を算出する。このような方法は、素子電界ベクトル回転法（Rotating Element Electric Field Vector (REV) Method、ＲＥＶ法）と呼ばれる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
上記のように構成された従来のアンテナ測定装置では、素子アンテナの素子電界ベクトルを求めるためには、すべての素子アンテナを動作状態（電波を放射している状態）にして、当該素子アンテナに接続されている可変移相器だけその移相設定値を変化させる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平１−３７８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
長距離・大電力の電力伝送システムでは、システム規模を最小にするため、送電用アンテナと受電用アンテナを一般的に分けている。送電用アンテナのフェーズドアレイアンテナの位相を調整するには、送電用アンテナから電波を放射する状態で各素子アンテナの素子電界ベクトルを求める必要がある。また、地上設置型のアンテナでは、周囲環境の影響を受けるため、設置環境で較正しておく必要もある。しかしながら、未較正の状態で、すべての素子アンテナを動作状態にすると、電波被爆や無線通信機器の故障を引き起こすおそれがあるなど、安全性を確保できない可能性があるという課題がある。較正にあたっては、電磁波使用の安全基準として国が制定している電波法や電波防護指針などに準拠した電波を放射することが保証されている必要がある。
【０００８】
一方、小電力で電波を放射することにより安全性を確保することもできる。しかし、Ｓ／Ｎ比の劣化により較正ができない、あるいは較正精度が劣化し、所望のビーム形成が行えず、送電時の安全性を確保できない可能性があるという課題がある。
【０００９】
この発明は、すべての素子アンテナを同時に動作状態することなしに、フェーズドアレイアンテナを構成する各素子アンテナの位相基準を揃えるように較正できるアレイアンテナ装置、アンテナ測定装置およびフェーズドアレイアンテナの位相調整方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るフェーズドアレイアンテナの位相調整制御装置は、フェーズドアレイアンテナが放射する電波の位相を調整するものである。フェーズドアレイアンテナは、送信機からの送信信号を電波として放射する複数の素子アンテナと、１個または複数個の素子アンテナごとに設けられた、素子アンテナが電波を放射する動作状態と電波を放射しない非動作状態を切替える複数の動作切替部と、１個または複数個の素子アンテナごとに設けられた、素子アンテナに入力される送信信号の位相を変更する複数の可変移相器とを有する。
【００１１】
フェーズドアレイアンテナの位相調整制御装置は、フェーズドアレイアンテナが放射する電波を受信できる位置に配置された受信アンテナが受信する電波の電力の測定値である受信電力値を取得する受信電力値取得部と、動作切替部で同時に動作状態または非動作状態を切り替えられる素子アンテナを単位に決められた、一部の素子アンテナの集合である複数の動作素子アンテナ集合のそれぞれに応じて、動作素子アンテナ集合に属する素子アンテナを動作状態にし、動作素子アンテナ集合に属さない素子アンテナを非動作状態にするように複数の動作切替部を制御する放射制御部と、複数の動作素子アンテナ集合のそれぞれに応じて放射制御部が複数の動作切替部を制御している状態で、動作素子アンテナ集合に属する少なくとも一部の素子アンテナの集合である位相計測素子アンテナ集合に属する素子アンテナに入力される送信信号の位相を変更させ、異なる複数の位相変更量での受信電力値を使用して、位相計測素子アンテナ集合に属するそれぞれの素子アンテナが放射し受信アンテナで受信される電波により生成される素子電界ベクトルの間での位相差である集合内位相差を計算する集合内位相差計算部と、複数の動作素子アンテナ集合のそれぞれが他の動作素子アンテナ集合と共通な素子アンテナを有するように決められており、かつ、複数の動作素子アンテナ集合のそれぞれに対応する複数の位相計測素子アンテナ集合のそれぞれが他の位相計測素子アンテナ集合と共通な素子アンテナを有するように決められており、複数の位相計測素子アンテナ集合で計算した複数の集合内位相差に基づき、異なる位相計測素子アンテナ集合に属する素子アンテナが生成する素子電界ベクトルの位相差を計算する位相差計算部とを有する。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、すべての素子アンテナを同時に動作状態することなしに、フェーズドアレイアンテナを構成する各素子アンテナの位相基準を揃えるように較正できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１に係るアレイアンテナ装置が有する位相調整制御装置の機能構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１に係るアレイアンテナ装置での素子アンテナ群の例を説明する図である。
【図４】実施の形態１に係るアレイアンテナ装置での１個目の動作素子アンテナ集合での集合内位相差を計算する例を示す図である。
【図５】実施の形態１に係るアレイアンテナ装置での２個目の動作素子アンテナ集合での集合内位相差を計算する例を示す図である。
【図６】実施の形態１に係るアレイアンテナ装置での素子電界ベクトルの位相差を計算する方法を例により説明する図である。
【図７】実施の形態１に係るアレイアンテナ装置での素子電界ベクトルの位相差を計算した結果を例により説明する図である。
【図８】実施の形態１に係るアレイアンテナ装置において、すべての素子アンテナの位相基準を揃えて、すべての素子アンテナを使用して送電するまでの処理の１例を説明するフローチャートである。
【図９】実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の１回目に処理する動作素子アンテナ集合での素子アンテナの動作状態／非動作状態を表す図である。
【図１０】実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の２回目に処理する動作素子アンテナ集合での素子アンテナの動作状態／非動作状態を表す図である。
【図１１】実施の形態１に係るアレイアンテナ装置で使用する動作素子アンテナ集合によりビーム形状を水平方向に長細くできることを例により説明する図である。
【図１２】この発明の実施の形態２に係るアレイアンテナ装置で処理する動作素子アンテナ集合での素子アンテナの動作状態／非動作状態を表す図である。
【図１３】実施の形態２に係るアレイアンテナ装置で使用する動作素子アンテナ集合によりビーム形状を水平方向および鉛直方向に細くできることを例により説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の電気的構成を示すブロック図である。図１に示されるように、フェーズドアレイアンテナ５０では、複数（Ｎ個）の素子アンテナ１ｎ（ｎ＝１、２、・・・、Ｎ）がアンテナ面上に配列されている。各素子アンテナ１ｎには、電力増幅器２ｎが接続されている。電力増幅器２ｎの入力端子には、可変移相器３ｎが接続されている。可変移相器３ｎの入力端子には、切替回路４ｎが接続されている。切替回路４ｎの入力端子には、送信機５が接続されている。なお、どの素子アンテナかを特定する必要がない場合は、素子アンテナ１などのように表記する場合がある。他の構成要素に関しても同様である。
【００１５】
電力増幅器２ｎ、可変移相器３ｎ、切替回路４ｎおよび送信機５は、位相調整制御装置３０により制御される。位相調整制御装置３０は、ＣＰＵ３１、メモリ部３２などを含む電子計算機により実装される。メモリ部３２は、ＣＰＵ３１で実行されるプログラムや処理に使用するデータあるいは処理の結果で得られるデータなどを記憶する。メモリ部３２は、フラッシュメモリのような半導体メモリおよびハードディスクである。メモリ部３２は、揮発性の記憶装置および不揮発性の記憶装置を含む。
【００１６】
送信機５は、高周波の送信信号を生成する。送信信号は、図示しない分配回路により分配されてＮ個の切替回路４ｎへ入力される。切替回路４ｎは、送信信号を可変移相器３ｎに入力するかどうかを切り替える。可変移相器３ｎは、入力される送信信号の位相を位相調整制御装置３０から指示される位相変更量だけ変化させる。可変移相器３ｎが出力する位相を変更された送信信号は、電力増幅器２ｎに入力される。電力増幅器２ｎは、入力される送信信号を所望の電力まで増幅する。電力増幅器２ｎは、素子アンテナ１ｎに入力される送信信号の振幅を大きくする増幅器である。増幅された送信信号は、素子アンテナ１ｎから、電波として受信アンテナ６に向けて空間に放射される。複数組の素子アンテナ１ｎ、電力増幅器２ｎ、可変移相器３ｎおよび切替回路４ｎは、フェーズドアレイアンテナ５０を構成する。Ｎ個の素子アンテナ１ｎは、すべて同じ構成である。それぞれＮ個の電力増幅器２ｎ、可変移相器３ｎおよび切替回路４ｎに関しても、それぞれすべて同じ構成である。
【００１７】
素子アンテナ１ｎが動作状態にあるとは、素子アンテナ１ｎが電波を放射している状態である。非動作状態は、素子アンテナ１ｎが電波を放射していない状態である。切替回路４ｎは、素子アンテナ１ｎが電波を放射する動作状態と電波を放射しない非動作状態を切替える動作切替部である。１個の切替回路４ｎが、複数個の素子アンテナ１ｎの動作状態または非動作状態を切替えてもよい。
【００１８】
可変移相器３ｎは、決められた位相回転の刻み幅で位相を回転させる。位相の分解能を決められたビット数の整数で表現する場合には、刻み幅はビット数に応じて決まる。例えば、５ビット移相器の場合には、刻み幅は３６０°／２５＝１１．２５°になる。
【００１９】
図１に示すように、受信アンテナ６は、素子アンテナ１に対向して設置される。受信アンテナ６は、フェーズドアレイアンテナ５０が放射する電波を受信できる位置に配置されていればよい。受信アンテナ６には、受信アンテナが受信する電波の電力である受信電力値を測定する受信回路７が接続されている。受信回路７で測定する受信電力値は、位相調整制御装置３０に入力される。
【００２０】
受信アンテナ６、受信回路７および位相調整制御装置３０は、アンテナ測定装置を構成する。フェーズドアレイアンテナ５０および位相調整制御装置３０は、アレイアンテナ装置１００を構成する。アンテナ測定装置は、フェーズドアレイアンテナ５０が有する素子アンテナ１が放射する電波により生成され受信アンテナ６で受信される素子電界ベクトルの位相、または位相および振幅を測定する。
【００２１】
図２に示すように、位相調整制御装置３０は、素子電界演算回路１１、受信電力値取得部１２、放射制御部１３、位相制御部１４、位相受信電力値組生成部１５、位相差計算部１６、振幅比計算部１７、振幅位相決定部１８およびメモリ部３２を有する。受信電力値取得部１２、放射制御部１３、位相制御部１４、位相受信電力値組生成部１５、位相差計算部１６、振幅比計算部１７、振幅位相決定部１８は、メモリ部３２に記憶した専用プログラムをＣＰＵ３１で実行させることにより実現する。
【００２２】
素子電界演算回路１１は、入力される受信電力値と、その受信電力値が得られる際の動作状態にある素子アンテナ１ｎに送信信号を入力する可変移相器３に指令されている位相変更量とから、各素子アンテナ１ｎの素子電界の振幅および位相（素子電界ベクトル）を算出する。
【００２３】
素子電界演算回路１１は、素子電界ベクトル回転法（Rotating Element Electric Field Vector (REV) Method、ＲＥＶ法）により、各素子アンテナ１ｎの素子電界ベクトルを測定する。ＲＥＶ法では、動作状態にある１個の素子アンテナ１ｊに入力される送信信号の位相を変更し、変更した位相ごとに受信アンテナ６で受信する受信電力値を測定する。位相を変更する素子アンテナ１ｊに指令される位相変更量に対して、受信電力値はコサインカーブで変化する。このコサインカーブがピークをとる位相変更量と受信電力値の最大値と最小値の比から、位相を変更する素子アンテナ１ｊの素子電界ベクトルＥｊを計算する。１個ずつ素子アンテナ１ｊの位相を変更して、その素子電界ベクトルを求めることを繰り返して、動作状態にあるすべての素子アンテナ１ｎの素子電界ベクトルＥｎを計算する。
【００２４】
メモリ部３２には、素子アンテナ群定義データ７１、動作素子アンテナ集合定義データ７２、移相器集合定義データ７３、素子電界ベクトル７４、位相差７５および振幅比７６、位相受信電力値組７７などを記憶する。素子アンテナ群１０（図３に図示）は、同時に動作させる素子アンテナ１の集合を決める単位である。素子アンテナ群定義データ７１は、素子アンテナ群１０を定義するデータである。動作素子アンテナ集合定義データ７２は、同時に動作させる素子アンテナ１の集合を表すデータである。移相器集合定義データ７３は、素子電界ベクトルを求めるために同時に位相を変更する可変移相器３の集合を表すデータである。素子電界ベクトル７４は、素子アンテナ１ごとに求められる。位相受信電力値組７７は、素子電界ベクトル７４を求めるために使用されるデータである。
【００２５】
素子アンテナ群定義データ７１は、すべての素子アンテナ１を重複なしに複数のグループに分ける素子アンテナ群１０への分け方を定義するものである。素子アンテナ群１０の例を図３に示す。図３は、実施の形態１に係るアレイアンテナ装置での素子アンテナ群の例を説明する図である。図３において、１個の「○」が、１個の素子アンテナ１を表している。なお、「○」で表現しているからといって、素子アンテナ１の放射面（開口面）が円形であることを意味しない。
【００２６】
図３に示す例では、縦横にマトリクス状に配置した素子アンテナ１ｎの中で、縦に並ぶ１列の素子アンテナ１の集合を素子アンテナ群１０とする。素子アンテナ群１０の個数は、Ｍg個とする。各素子アンテナ群１０に属する素子アンテナ１の個数はすべて同じで、Ｍn個とする。素子アンテナ群１０の個数Ｍgは、３以上であればよい。各素子アンテナ群１０に属する素子アンテナ１の個数Ｍnは、２以上であればよい。また、素子アンテナ群１０により、属する素子アンテナ１の個数が変化してもよい。素子アンテナ群１０は物理的に隣接しない素子アンテナ１の集合でもよい。素子アンテナ群１０は、仮想的なグループとして決められた素子アンテナ１の集合である。
【００２７】
動作素子アンテナ集合２０は、同時に動作させる複数の素子アンテナ群１０である。動作素子アンテナ集合定義データ７２は、素子アンテナ群１０を単位として、どの２つの素子アンテナ群１０を同時に動作させるかを定義するデータである。同時にすべての素子アンテナ１を動作状態にすることはできないので、複数の動作素子アンテナ集合２０に分けて動作状態にする。動作素子アンテナ集合定義データ７２は、一部の素子アンテナ１を動作状態にする複数の動作素子アンテナ集合２０を、すべての素子アンテナ１を少なくとも１回は動作状態にするように定義する。動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１の個数は、放射する電波の電力が許容値以下になるように決める。
【００２８】
この実施の形態１では、動作素子アンテナ集合２０の個数Ｍdは、素子アンテナ群１０の個数Ｍgよりも１個少ない。すなわち、Ｍd＝Ｍg−１である。動作素子アンテナ集合２０のそれぞれは、２個の素子アンテナ群１０で構成される。２個の素子アンテナ群１０の組合せは、動作素子アンテナ集合２０ごとに異なる。２個の素子アンテナ群１０は、１個の動作素子アンテナ集合２０に属する。２個以外の素子アンテナ群１０は、２個の動作素子アンテナ集合２０に属する。共通に属する素子アンテナ群１０を有する２個の動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ群１０の和集合を取ることを繰り返すと、すべての動作素子アンテナ集合２０を処理した後には、和集合はすべての素子アンテナ群１０の集合になる。動作素子アンテナ集合定義データ７２で定義される順番に、動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１を順番に動作状態にする。
【００２９】
移相器集合定義データ７３は、各動作素子アンテナ集合２０において、同時に位相を変化させる可変移相器３の集合（可変移相器集合）を定義するデータである。素子アンテナ１の素子電界ベクトルを求めるために、１個または複数個の可変移相器３の位相を同時に変化させることを繰り返す。可変移相器集合のそれぞれでは、属する可変移相器３が異なる。すべての可変移相器３は、どれかの可変移相器集合に属する。複数の可変移相器集合に属する可変移相器３があってもよい。ここでは、同時に動作状態にする素子アンテナ１に対応する可変移相器３で１個ずつ位相を変化させるような可変移相器集合を、移相器集合定義データ７３で定義する。移相器集合義データ７３を用いずに、動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１に対応する可変移相器３の集合から、可変移相器３を１個ずつ取り出すようなプログラムを実行することでもよい。
【００３０】
位相受信電力値組７７は、位相を変化させる可変移相器３、位相を変化させる量である位相変更量、位相を変化させた状態で受信回路７が測定する受信電力値の組である。素子電界演算回路１１は、可変移相器３ごとに複数の位相受信電力値組７７を使用して、可変移相器３で位相が調整された送信信号が入力される素子アンテナ１の素子電界ベクトル７４を演算する。なお、複数の可変移相器３で同時に位相を変更する場合は、位相を変更するすべての可変移相器３で同じ量だけ位相を変更し、位相受信電力値組７７には可変移相器３の集合を記録する。位相受信電力値組７７を記憶するメモリ部３２は、動作素子アンテナ集合２０ごとに、可変移相器集合、位相変更量および受信電力値の組である位相受信電力値組を記憶する位相受信電力値組記憶部である。
【００３１】
受信電力値取得部１２は、受信回路７が測定する受信電力値を取得する。放射制御部１３は、動作素子アンテナ集合定義データ７２で定義されている順番に動作素子アンテナ集合２０を処理する。放射制御部１３は、処理中の動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１を動作状態にし、それ以外の素子アンテナ１を非動作状態にするように、切替回路４を制御する。位相制御部１４は、動作状態である素子アンテナ１に入力する送信信号の位相を変化させる可変移相器３を、移相器集合定義データ７３にしたがって選択する。選択した可変移相器３の位相を、刻み幅ごとに３６０度回転させるように制御する。位相受信電力値組生成部１５は、位相制御部１４が位相を回転させるごとに得られる受信電力値と、位相を回転させる量である位相変更量と、位相を回転させる可変移相器３との組である位相受信電力値組７７を作成して、メモリ部３２に格納する。
【００３２】
素子電界演算回路１１は、複数の位相受信電力値組７７から例えば特許文献１に記載の方法で、各素子アンテナ１ｎの素子電界ベクトルＥn、すなわち各素子アンテナ１ｎの位相ずれΔnおよび振幅比ｒnを計算する。素子電界演算回路１１は、計算した素子電界ベクトル７４を、メモリ部３２に記憶させる。
【００３３】
ここで、以下の変数を定義する。
Ｅn：位相を回転させる可変移相器３ｎに対応する素子アンテナ１ｎの素子電界ベクトル。
Ｅ0：処理中の動作素子アンテナ集合２０に属するすべての素子アンテナ１ｎの位相および振幅を調整する前の状態である基準状態での合成電界ベクトル。
Δn：Ｅ0に対するＥnの位相差。
ｒn：Ｅ0に対するＥnの振幅比。ｒn＝|Ｅn|/|Ｅ0|
【００３４】
位相差Δnは、素子電界ベクトルＥnと、共通な位相の基準（位相基準）になる合成電界ベクトルＥ0との位相差である。Δnから、同じ動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１ｎ１と素子アンテナ１ｎ２との間の位相差(Δn1-Δn2)も計算できる。素子電界演算回路１１は、動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１ｎの素子電界ベクトルＥnの位相差である集合内位相差を計算する集合内位相差計算部である。
【００３５】
振幅比ｒnは、素子電界ベクトルＥnの振幅|Ｅn|と、共通な振幅の基準であるＥ0の振幅|Ｅ0|との振幅比である。ｒnから、同じ動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１ｎ１と素子アンテナ１ｎ２との間の振幅比ｒn1/rn2も計算できる。素子電界演算回路１１は、動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１ｎの素子電界ベクトルＥnの振幅比である集合内振幅比ｒnを計算する集合内振幅比計算部である。
【００３６】
位相差計算部１６は、異なる動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１の素子電界ベクトルの間の位相差を計算する。位相差計算部１６は、共通な素子アンテナ１を有する複数の動作素子アンテナ集合２０で集合内位相差が決定できている場合に、共通でない素子アンテナ１の素子電界ベクトルの間の位相差を計算する。あるいは、すべての動作素子アンテナ集合２０で集合内位相差が決定できている場合に、位相差計算部１６は、すべての素子アンテナ１の素子電界ベクトルの間の位相差を計算する。同様に、振幅比計算部１７は、異なる動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１の素子電界ベクトルの間の振幅比を計算する。計算された位相差７５および振幅比７６は、メモリ部３２に記憶される。
【００３７】
振幅位相決定部１８は、素子電界ベクトルの位相差と振幅比を考慮して、各可変移相器３に対する移相調整値（位相変更量）および各電力増幅器２に対する振幅調整値（増幅率）を決める。振幅位相決定部１８は、フェーズドアレイアンテナ５０が所望の放射ビームパターンで電波を放射するように、移相調整値と振幅調整値を決める。振幅位相決定部１８は、素子アンテナの素子電界ベクトルの位相差から可変移相器の位相変更量を決める位相変更量決定部である。また、振幅位相決定部１８は、素子アンテナの素子電界ベクトルの振幅比から増幅器の増幅率を決める増幅率決定部でもある。
【００３８】
すべての素子アンテナ１ｎが生成する素子電界ベクトルＥｎの間の位相差７５は、各可変移相器３ｎまたはフェーズドアレイアンテナ５０への入力信号を決める制御装置（位相調整制御装置３０とは異なる場合）に記憶される。記憶された位相差７５は、所望のビームパターンが得られるように、振幅位相決定部１８が各素子アンテナ１ｎの位相を決める際に使用される。素子電界ベクトルＥｎの間の振幅比７６も同様である。ただし、振幅比７６は、電力増幅器２に記憶される場合がある。
【００３９】
図４から図７を参照して、位相差計算部１６が位相差を計算する方法を説明する。ここでは、ＮＯ＝１〜６の素子アンテナ１ｊＡを有する動作素子アンテナ集合２０Ａで、合成電界ベクトルＥ０Ａに対する素子電界ベクトルＥjの位相差ΔjA、（ｊ＝１〜６）が計算できているとする。また、ＮＯ＝４〜９の素子アンテナ１ｊＢを有する動作素子アンテナ集合２０Ｂで、合成電界ベクトルＥ０Ｂに対する素子電界ベクトルＥjの位相差ΔjB、（ｊ＝４〜９）が計算できているとする。位相差計算部１６は、計算した位相差７５を、メモリ部３２に記憶するとともに、合成電界ベクトルＥ０Ａを位相の基準とする素子電界ベクトルに変換する。
【００４０】
図４および図５は、実施の形態１に係るアレイアンテナ装置での２個の動作素子アンテナ集合で集合内位相差を計算する例を示す図である。図４(A)に、合成電界ベクトルＥ０Ａが合成される様子を示す。図４(B)に、合成電界ベクトルＥ０Ａと素子電界ベクトルＥjAの位相差ΔjA、（ｊ＝１〜６）を示す。図４(B)では、基準になる合成電界ベクトルＥ０Ａが図における右を向く状態で表示する。図５(A)に、合成電界ベクトルＥ０Ｂが合成される様子を示す。図５(B)に、合成電界ベクトルＥ０Ｂと素子電界ベクトルＥjBの位相差ΔjB、（ｊ＝４〜９）を示す。
【００４１】
Ｅ０ＡとＥ０Ｂとの位相差τの計算方法を説明する。τは、ΔjA＝ΔjB＋τ、（ｊ＝４〜６）が成立すべきなので、以下の誤差関数Ｆが最小になるように決められる。
Ｆ＝(Δ4A−Δ4B−τ)２＋(Δ5A−Δ5B−τ)２＋(Δ6A−Δ6B−τ)２    (1)
式(1)で表現される誤差関数Ｆを最小にするには、以下のようにτを決めればよい。なお、例えば(Δ4A−Δ4B)は、素子アンテナ１４により生成される素子電界ベクトルから分かる合成電界ベクトルＥ０ＡおよびＥ０Ｂの位相差である。図４および図５では、動作素子アンテナ集合２０Ａおよび２０Ｂで共通な素子アンテナ１は、素子アンテナ１４、１５、１６である。式(2)は、動作素子アンテナ集合２０Ａおよび２０Ｂで共通な素子アンテナ１ごとに計測できる合成電界ベクトルＥ０ＡおよびＥ０Ｂの位相差の平均を、位相差τとすればよいことを意味する。
τ＝(Δ4A−Δ4B＋Δ5A−Δ5B＋Δ6A−Δ6B)/３            (2)
【００４２】
式(2)のように決めるτを使用して、Ｅ０Ａと各素子電界ベクトルＥj、（ｊ＝１〜９）の位相差Δjを以下のように決める。式(3B)で、(ΔjB＋τ)は、動作素子アンテナ集合２０Ｂで計算した素子電界ベクトルＥjBと合成電界ベクトルＥ０Ａとの位相差である。したがって、式(3B)は、素子アンテナ１４、１５、１６に関しては、２回計算した素子電界ベクトルＥjAおよびＥjBを同じ基準でのものに変換して、平均をとればよいことを意味する。
Δj＝ΔjA                  ｊ＝１〜３        (3A)
Δj＝(ΔjA＋ΔjB＋τ)/２   ｊ＝４〜６        (3B)
Δj＝ΔjB＋τ              ｊ＝７〜９        (3C)
【００４３】
より簡単には、１個の素子アンテナ１ｎでの合成電界ベクトルＡおよびＢの位相差により、例えば以下のようにして決めてもよい。この場合には、Δ5BおよびΔ6Bは、計算しなくてもよい。少なくとも１個の素子電界ベクトルを計算済の素子アンテナ１ｎで、再度、素子電界ベクトルを計算すればよい。
τ＝Δ4A−Δ4B                               (4)
Δj＝ΔjA                  ｊ＝１〜６        (5A)
Δj＝ΔjB＋τ              ｊ＝７〜９         (5B)
【００４４】
図６は、実施の形態１に係るアレイアンテナ装置での素子電界ベクトルの位相差を計算する方法を例により説明する図である。図６(A)に、Ｅ０ＡとＥ４の関係を示す。図６(B)に、Ｅ０ＢとＥ４の関係を示す。基準となるＥ０Ａを太線で示し、Ｅ０Ｂは一点鎖線で示す。図６(C)に、Ｅ０ＡとＥ０Ｂを重ね合わせた図を示す。本来、同じであるべきＥ４がずれていることが分かる。このずれの角度差は、Ｅ０Ａを基準とするとτ＝Δ4A−Δ4Bである。図において、反時計回りの方向の角度を正とする。τは時計回りの角度なのでτ＜０になる。図６(D)が、Ｅ４が一致するように、τ＝Δ4A−Δ4Bの回転量で、Ｅ０Ｂを回転させた状態を示す。図７が、実施の形態１に係るアレイアンテナ装置での素子電界ベクトルの位相差を計算した結果を例により説明する図である。Ｅj、（ｊ＝７〜９）をτの回転量で回転させ、Δj、（ｊ＝７〜９）がＥ０Ａを基準とした角度になることが分る。
【００４５】
式(3C)または式(5B)では、動作素子アンテナ集合２０Ｂで計算した素子電界ベトルの位相を、動作素子アンテナ集合２０Ａでの基準に対する位相にτを使用して補正している。τは、動作素子アンテナ集合２０Ｂで計算した素子電界ベトルの位相を、動作素子アンテナ集合２０Ａでの基準に対する位相に補正する補正値と考えることができる。動作素子アンテナ集合２０は、処理前には素子電界ベクトルを未計算である素子アンテナ１ｎも動作素子アンテナ集合２０は含む必要がある。今回、素子電界ベクトルを初めて計算する素子アンテナ１ｎは、式(3C)または式(5B)が適用されて、位相差が計算される。そうすることで、共通の基準に対して位相差を計算した素子アンテナ１ｎの数が増加する。
【００４６】
振幅比に関しても対数値（例えば、デシベル、ｄＢ）で表現すれば、位相差と同様に計算できる。振幅位相決定部１８は、振幅比ｒnの対数を取った値であるｃn＝10*log１０(ｒn)から、Ｅ０ＡとＥ０Bとの振幅比ξ＝10*log１０(|Ｅ０Ａ|/|Ｅ０Ｂ|)および|Ｅ０Ａ|に対する振幅比ｃjを計算する。動作素子アンテナ集合２０Ａでは、合成電界ベクトルＥ０Ａに対する素子電界ベクトルＥjの振幅比ｃjA、（ｊ＝１〜６）が計算できているとする。また、動作素子アンテナ集合２０Ｂでは、合成電界ベクトルＥ０Ｂに対する素子電界ベクトルＥjの位相差振幅比ｃjB、（ｊ＝４〜９）が計算できているとする。振幅比計算部１７は、計算した振幅比７６をメモリ部３２に記憶するとともに、合成電界ベクトルＥ０Ａを振幅の基準とする素子電界ベクトルに変換する。
【００４７】
位相差の場合と同様にして、Ｅ０ＡとＥ０Ｂとの振幅比ξおよびＥ０Ａに対する各素子電界ベクトルＥj、（ｊ＝１〜９）の振幅比ｃjは、以下のように計算できる。
ξ＝(ｃ4A−ｃ4B＋ｃ5A−ｃ5B＋ｃ6A−ｃ6B)/３    (6)
ｃj＝ｃjA                    ｊ＝１〜３        (7A)
ｃj＝(ｃjA＋ｃjB＋ξ)/２     ｊ＝４〜６        (7B)
ｃj＝ｃjB＋ξ                ｊ＝７〜９        (7C)
【００４８】
より簡単には、例えば以下のようにして決めてもよい。
ξ＝ｃ4A−ｃ4B                                 (8)
ｃj＝ｃjA                    ｊ＝１〜６        (9A)
ｃj＝ｃjB＋ξ                ｊ＝７〜９        (9B)
【００４９】
式(7C)または式(9B)では、動作素子アンテナ集合２０Ｂで計算した素子電界ベクトルの振幅比を動作素子アンテナ集合２０Ａでの基準に対する振幅比にξを使用して補正している。ξは、動作素子アンテナ集合２０Ｂで計算した素子電界ベクトルの振幅比を、動作素子アンテナ集合２０Ａで計算した素子電界ベクトルでの基準に対する振幅比に補正する補正値と考えることができる。
【００５０】
動作を説明する。図８は、実施の形態１に係るアレイアンテナ装置において、すべての素子アンテナの位相基準を揃えて、すべての素子アンテナを使用して送電するまでの処理の１例を説明するフローチャートである。図８は、フェーズドアレイアンテナの位相調整方法を説明するフローチャートと考えることもできる。
【００５１】
ステップＳ０１とステップＳ０２は、予め実施しておく。Ｓ０１では、Ｎ個の素子アンテナ１を、図３に示すように素子アンテナ群１０に分割する。ここでは、例としてＭn行Ｍg列の(Ｍn*Ｍg)個の素子アンテナ１を、鉛直方向に並ぶＭn個の素子アンテナ１で１個の素子アンテナ群１０を生成するとする。図において、左側から素子アンテナ群１０１、１０２、…、１０Ｍgとする。
【００５２】
Ｓ０２では、素子アンテナ群１０を単位として、動作素子アンテナ集合２０を決める。決めた動作素子アンテナ集合２０を表す動作素子アンテナ集合定義データ７２として、メモリ部３２に記憶しておく。ここでは、動作素子アンテナ集合２０ｎを同時に動作状態にする２個の素子アンテナ群１０ｎを（１０１，１０２）などのように括弧で囲んで表現する。最初に実行する動作素子アンテナ集合２０１から順に表現すると、例えば、以下のようになる。
２０１＝（１０１，１０２）
２０２＝（１０２，１０３）
２０３＝（１０３，１０４）
・・・
２０Ｍg-1＝（１０Ｍg-1，１０Ｍg）
【００５３】
Ｓ０１およびＳ０２の処理は、すべての素子アンテナ１から複数の動作素子アンテナ集合２０を選択する動作素子アンテナ集合選択手順である。
【００５４】
上に示す場合では、１回目の動作素子アンテナ集合２０１は、図９に示すようになる。図９において、動作状態（電波を放射する）である素子アンテナ１を二重丸「◎」で表し、非動作状態（電波を放射しない）である素子アンテナ１を白丸「〇」で表す。２回目の動作素子アンテナ集合２０２は、図１０に示すようになる。左から２列ずつ１列を重複させながら選んで、動作素子アンテナ集合２０ｎとする。図９および図１０は、実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の１回目および２回目に処理する動作素子アンテナ集合２０１、２０２での素子アンテナの動作状態／非動作状態を表す図である。図９および図１０で、動作素子アンテナ集合２０ｎは、一点鎖線で囲んで表示する。
【００５５】
Ｓ０１での、Ｎ個の素子アンテナ１をＭg個の素子アンテナ群１０に分割する処理は、予めプログラミングして自動化しても、ユーザが手動で実施してもよい。手動で実施する場合には、表示端末などに表示するユーザ設定用の画面などのヒューマンインターフェースなどを、位相調整制御装置が具備する。また、手動で実施する場合には、許容放射電力値などの制約条件を充足しているかどうかをチェックする機能を、位相調整制御装置が有することが望ましい。
【００５６】
動作素子アンテナ集合を決めておく処理であるＳ０２を実行しないで、次に処理する動作素子アンテナ集合２０を決める際ごとに、ユーザが手動で素子アンテナ群１０を選択して動作素子アンテナ集合２０を決めるようにしてもよい。その場合には、ユーザが動作素子アンテナ集合２０を決める上で必要あるいは有益な情報を提示することでユーザを支援する機能を持たせるとよい。例えば、動作素子アンテナ集合２０は、素子電界ベクトルを計算済の素子アンテナ群１０と未計算の素子アンテナ群１０を共に含むように決める必要がある。そこで、すでに素子電界ベクトルを計算した素子アンテナ群１０と、素子電界ベクトルを未計算の素子アンテナ群１０とを区別して、ユーザに提示する。
【００５７】
ステップＳ０３で、処理済の動作素子アンテナ集合２０の数Ｎｄを、Ｎｄ＝０と初期化する。ステップＳ０４では、動作素子アンテナ集合定義データ７２を参照して、次に処理する動作素子アンテナ集合２０を決める。具体的には、未処理の中で最も前にある動作素子アンテナ集合２０を取り出す。ステップＳ０５では、放射制御部１３が処理中の動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１を動作させ、動作素子アンテナ集合２０に属さない素子アンテナ１を動作させない。また、送信機５が送信信号を送信することを開始する。
【００５８】
Ｓ０５は、切替回路４で同時に動作状態または非動作状態を切り替えられる素子アンテナ１を単位に決められた、一部の素子アンテナ１の集合である複数の動作素子アンテナ集合２０のそれぞれに応じて、動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１を動作状態にし、動作素子アンテナ集合２０に属さない素子アンテ１ナを非動作状態にするように複数の切替回路４を制御する放射制御手順である。
【００５９】
ステップＳ０６では、動作素子アンテナ集合に属する素子アンテナを１個ずつその位相を変化させて、ＲＥＶ法で素子電界ベクトルを求める。具体的には、動作状態にある素子アンテナ１を１個ずつ選択する。選択した素子アンテナ１に対応する可変移相器３の移相設定値（位相変更量）を刻み幅ごとに設定する。そうすることで、素子アンテナ１が放射する電波の位相を回転させる。移相設定値のそれぞれで、受信アンテナ６が受信する信号の受信電力値を計測する。可変移相器３の移相設定値ごとに、位相受信電力値組７７を生成してメモリ部３２に記憶する。位相受信電力値組７７は、受信アンテナ６が受信する信号の受信電力値、移相設定値および位相を変更する可変移相器３の組である。ＲＥＶ法により、記憶された複数の位相受信電力値組７７を用いて、位相を変化させた可変移相器３に対応する素子アンテナ１の素子電界ベクトルを計算する。動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナの中で素子電界ベクトルを計算する素子アンテナの集合を、位相計測素子アンテナ集合と呼ぶ。位相計測素子アンテナ集合は、動作素子アンテナ集合２０に属する少なくとも一部の素子アンテナ１の集合である。
【００６０】
Ｓ０６は、複数の動作素子アンテナ集合２０のそれぞれに応じて放射制御部１３が複数の切替回路４を制御している状態で、動作素子アンテナ集合２０に属する少なくとも一部の素子アンテナ１の集合である位相計測素子アンテナ集合に属する素子アンテナ１に入力される送信信号の位相を変更させ、異なる複数の位相変更量でのフェーズドアレイアンテナ５０が放射する電波を受信できる位置に配置された受信アンテナ６が受信する電波の電力の測定値である受信電力値を使用して、位相計測素子アンテナ集合に属するそれぞれの素子アンテナ１が放射し受信アンテナ６で受信される電波により生成される素子電界ベクトルの間での位相差である集合内位相差を計算する集合内位相差計算手順である。また、Ｓ０６は、それぞれの動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１に対応して設けられた可変移相器３の集合であり、属する可変移相器３が異なるように決められた複数の可変移相器集合のそれぞれに応じて、対応する動作素子アンテナ集合２０に応じて放射制御部１３が複数の切替回路４を制御する状態で、可変移相器集合に属する可変移相器３が同じ位相変更量だけ送信信号の位相を変更するように、異なる複数の位相変更量で可変移相器３を制御する位相制御手順である。
【００６１】
ステップＳ０７で、放射制御部１３がすべての素子アンテナ１を非動作状態にする。また、送信機５が送信信号を送信することを停止する。
【００６２】
Ｓ０６で位相を回転させる１個の素子アンテナ１を決める処理は、動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１に対応して設けられた素子アンテナ１の位相を変更する可変移相器３の集合である可変移相器集合を、可変移相器集合のそれぞれに属する可変移相器３が異なるように複数生成する可変移相器集合生成手順である。
【００６３】
Ｓ０６で、可変移相器３に設定する複数の移相設定値のそれぞれで測定された受信電力値、可変移相器集合および移相設定値の組である、複数の位相受信電力値組を作成してメモリ部３２に記憶させる処理は、位相受信電力値組生成手順である。ＲＥＶ法で素子アンテナ１ごとに素子電界ベクトルを計算する処理は、位相計測素子アンテナ集合に属するそれぞれの素子アンテナ１が生成する素子電界ベクトルの間での位相差である集合内位相差を計算する集合内位相差計算手順である。また、位相計測素子アンテナ集合に属するそれぞれの素子アンテナ１が生成する素子電界ベクトルの間での振幅比である集合内振幅比を計算する集合内振幅比計算手順である。
【００６４】
ステップＳ０８で、素子電界ベクトルをメモリ部３２に格納する。ステップＳ０９では、１個目の動作素子アンテナ集合２０を処理中かどうか（Ｎｄ＝０？）をチェックする。１個目の場合（Ｓ０９でＹＥＳ）は、ステップＳ１０で、Ｎｄ＝Ｎｄ＋１とする。ステップＳ１１で、すべての動作素子アンテナ集合２０を処理したかどうか（Ｎｄ＝Ｍd？）をチェックする。すべての動作素子アンテナ集合２０を処理していない場合（Ｓ１１でＮＯ）は、Ｓ０４へ戻る。
【００６５】
２個目以降の動作素子アンテナ集合２０でも、Ｓ０４〜Ｓ０８を実行する。１個目でない（Ｓ０９でＮＯ）ので、ステップＳ１２に進む。Ｓ１２では、計算済の素子電界ベクトルと今回、計算した素子電界ベクトルから補正値τとξを計算し、素子電界ベクトルを修正する。具体的には、Ｓ０６で素子電界ベクトルを２回目に計算した素子アンテナ群では、各素子アンテナ１で２個の素子電界ベクトルが得られている。２個の素子電界ベクトルが計算されている素子アンテナでは、２個の素子電界ベクトルの間の位相差τを式(2)または式(4)で計算し、振幅比ξを式(6)または式(8)で計算する。さらに、τを式(2)で計算する場合には、素子アンテナ１ごとの素子電界ベクトルの位相を式(3B)で修正する。ξを式(6)で計算する場合には、振幅比は式(7B)で修正する。図１０では、素子アンテナ群１０２に属する素子アンテナ１が、２回目に素子電界ベクトルを計算した素子アンテナ１である。
【００６６】
ステップＳ１３で、初めて計算した素子電界ベクトルを、補正値τとξで補正する。具体的には、初めて素子電界ベクトルを計算した素子アンテナ群では、今回、計算した素子電界ベクトルの位相を式(3C)または式(5B)で修正する。振幅比は式(7C)または式(9B)で修正する。そして、Ｓ１０に進む。式(3C)または式(5B)は、今回の動作素子アンテナ集合２０で計算した素子電界ベクトルの位相を、初回の動作素子アンテナ集合２０１での合成電界ベクトルを基準にした値に補正する補正値τで補正する式である。また、式(7C)または式(9B)は、今回に計算した素子電界ベクトルの振幅比を、初回の動作素子アンテナ集合２０１での合成電界ベクトルを基準にした値に補正する補正値ξで補正する式である。
【００６７】
こうして、例えば図１０では、素子アンテナ群１０３に属する素子アンテナ１が、初めて素子電界ベクトルを計算した素子アンテナ１である。図１０に示す動作素子アンテナ集合２０２で素子電界ベクトルを計算した後では、素子アンテナ群１０１、１０２、１０３に属する素子アンテナ１で、位相基準を揃えて素子電界ベクトルを計算することができる。
【００６８】
Ｓ１２の処理は、共通な素子アンテナを含む複数の位相計測素子アンテナ集合で計算した集合内位相差に基づき、異なる位相計測素子アンテナ集合に属する素子アンテナ１が生成する素子電界ベクトルの位相差を計算する位相差計算手順である。また、複数の位相計測素子アンテナ集合で計算した集合内振幅比に基づき、異なる位相計測素子アンテナ集合に属する素子アンテナ１が生成する素子電界ベクトルの振幅比を計算する振幅比計算手順である。
【００６９】
すべての動作素子アンテナ集合２０を処理した場合（Ｓ１１でＹＥＳ）は、ステップＳ１４で、振幅位相決定部１８が、素子電界ベクトルの位相差と振幅比を考慮して、所望の放射ビームパターンが得られるように、各可変移相器３に対する移相調整値および各電力増幅器２に対する振幅調整値を決める。
【００７０】
Ｓ１４の処理は、各素子アンテナが生成する素子電界ベクトルの位相差から、素子アンテナ１に対応する可変移相器３で変更する位相変更量を決める位相変更量決定手順である。また、各素子アンテナが生成する素子電界ベクトルの振幅比から、素子アンテナ１に対応する電力増幅器２で増幅する増幅率を決める増幅率決定手順である。
【００７１】
ステップＳ１５で、放射制御部１３がすべての素子アンテナ１を動作状態にし、送信機５に送信信号の送信を開始させる。
【００７２】
一部の素子アンテナを動作状態にして、ＲＥＶ法により各素子アンテナの素子電界ベクトルを求めることを繰り返す。動作状態にする素子アンテナの一部に素子電界ベクトルを計算済の素子アンテナを含ませて、素子電界ベクトルを計算する。そうすることで、すべての素子アンテナを同時に動作状態にすることなしに、すべての素子アンテナの素子電界ベクトルを共通の基準に対する値にすることができる。共通の基準に対する各素子アンテナの素子電界ベクトルが得られているので、所望のビームパターンを生成する際に、各素子アンテナ１に対する位相調整値および振幅調整値を適切に決めて、所望のビームパターンを生成できる。
【００７３】
ＲＥＶ法により素子電界ベクトルを求めるために動作状態にする一部の素子アンテナの数を同じにしているので、許容放射電力値の範囲内で効率よく、各素子アンテナの位相の基準を較正することができる。動作状態にする素子アンテナの数を同じにしなくてもよい。最も多くの素子アンテナを動作状態にする場合に、放射する電波の電力が許容放射電力値以下であれば、動作状態にする素子アンテナの数は同じでなくてもよい。
【００７４】
図８におけるＳ０４〜Ｓ１４の処理をすべての素子アンテナ群１０に対して適用することで、すべての素子アンテナ１の位相基準を合わせた状態で、フェーズドアレイアンテナ５０が有する電力増幅器２の振幅調整値および可変移相器３の位相調整値を演算して、設定することができる。つまり、各素子アンテナ１の素子電界ベクトルの位相および振幅を較正できる。このように較正したフェーズドアレイアンテナ５０では、所望のビームパターンで電波を空間に放射できる。
【００７５】
この実施の形態によれば、許容放射電力値などの安全基準が守れるように決めた複数の素子アンテナ群１０を使用して、少なくとも１個の素子アンテナ群１０を重複させながら、少なくとも２個の素子アンテナ群１０に属する素子アンテナ１ごとにＲＥＶ法により、位相基準が揃うように較正する。そうすることで、位相調整制御装置３０で共通の電界ベクトルに対して各素子アンテナが生成する素子電界ベクトルの位相を較正することができる。素子アンテナ群１０を予め定義しておくことで、素子電界ベクトルを計算する処理を効率よくできる。すべての素子アンテナ１を動作状態にしなくても、すべての素子アンテナ１を動作状態として実施する場合と同程度の精度で、位相基準および振幅基準が揃うように較正できる。位相基準だけを較正して、振幅基準は較正しなくてもよい。
【００７６】
アレイアンテナ装置１００では、屋外に設置した状態で、実際に電波を放射して各素子アンテナが生成する素子電界ベクトルの位相および振幅を測定できる。アレイアンテナ装置１００は、周囲環境の影響も含んで精度よく較正できる。
【００７７】
位相調整制御装置３０により、電磁波使用の安全基準として国が制定している電波法や電波防護指針などの安全基準に準拠した許容放射電力値の範囲内で電波を放射することができる。したがって、この発明に係るアレイアンテナ装置、アンテナ測定装置、フェーズドアレイアンテナの位相調整方法では、人身への有害な電磁波被爆、周囲の無線通信機器へ障害を発生させることなどを回避できる。
【００７８】
動作状態の素子アンテナ１の放射面（開口面）の和を合成放射面（合成開口面）と呼ぶ。アレイアンテナ装置１００では、合成放射面が鉛直方向に長い長方形になるように、素子アンテナ群１０を決めている。図１１を参照して、合成放射面が鉛直方向に長い長方形になる素子アンテナ群１０の決め方を説明する。図１１は、実施の形態１に係るアレイアンテナ装置で使用する動作素子アンテナ集合２０によりビーム形状を水平方向に長細くできることを例により説明する図である。図１１(A)は、動作素子アンテナ集合２０２に属する素子アンテナ１を動作状態にする図を示している。図１１(B)は、すべての素子アンテナ１を動作状態にする図を示している。図１１(C)は、比較例として、縦横４個ずつの正方形の配置の素子アンテナ１を動作状態にする動作素子アンテナ集合２０Ｚを示している。動作素子アンテナ集合２０２および２０Ｚでは、動作状態にする素子アンテナの数は１６個で同じである。
【００７９】
図１１(D)に、生成されるビーム形状を示す。動作素子アンテナ集合２０２に属する素子アンテナ１で生成されるビーム形状８１は、水平方向に長い楕円形状になる。なお、図１１(D)では、ビーム形状を拡大して示している。実際のビーム形状８１の水平方向の長さは、フェーズドアレイアンテナ５０の水平方向の長さよりも短い。鉛直方向の長さをフェーズドアレイアンテナ５０の高さと同じにする場合には、一部の素子アンテナを動作状態にするビーム形状８１の鉛直方向でのビームの広がりは、すべての素子アンテナを動作状態にするビーム形状８２と同等である。水平方向に長い楕円形状とすることで、例えば、地上設置型のアンテナでは、地面や海面などからの散乱の影響を少なくできる。地面や海面などからの散乱の影響が少ないので、一部の素子アンテナを動作状態にする場合で、すべての素子アンテナを動作状態にする場合と同等の精度で較正することができる。略正方形の合成放射面になる動作素子アンテナ集合２０Ｚのビーム形状８３は、ほぼ円形である。ビーム形状８３は、ビーム形状８１よりも水平方向の長さは小さいが、鉛直方向の長さは大きくなる。ビーム形状８３の場合は、地面などの散乱の影響が大きくなり、較正の精度が低下する。
【００８０】
合成放射面が鉛直方向に長いとは、合成放射面の鉛直方向の長さが鉛直長下限値以上である場合をいう。鉛直長下限値は、ビーム形状の鉛直方向の幅が所望の値以下になるように決める。フェーズドアレイアンテナ５０の放射面を水平方向に分割すれば、そのように分割した合成放射面により生成されるビーム形状の鉛直方向の長さは、すべての素子アンテナ１を動作状態にする場合のビーム形状の鉛直方向の長さと同程度にできる。ビーム形状の鉛直方向での長さがある程度の広がりを許容できる場合は、鉛直方向にも放射面を分割してもよい。
【００８１】
側面方向に障害物あるいは電波が照射されないことが望ましい物体などがある場合には、水平方向に長い合成放射面を有するような動作素子アンテナ集合２０を使用するようにしてもよい。
【００８２】
２回目以降で使用する動作素子アンテナ集合２０を、素子電界ベクトルを計算済の素子アンテナ群と素子電界ベクトルを未計算の素子アンテナ群とを共に含むように決めている。そのため、共通の合成電界ベクトルを基準とする位相差や振幅比を求める処理が簡単になる。２回目以降でも素子電界ベクトルを未計算の素子アンテナ群だけ、素子電界ベクトルを計算済の素子アンテナ群だけを含むような動作素子アンテナ集合２０が発生するような順番で、動作素子アンテナ集合２０を処理するようにしてもよい。その場合には、動作素子アンテナ集合２０を処理する順番に関する自由度が増大する。ただし、異なる合成電界ベクトルを基準とする素子電界ベクトルを計算済の素子アンテナ群が存在する場合に、共通の合成電界ベクトルを基準とする位相差や振幅比に設定する処理が複雑になる。
【００８３】
動作素子アンテナ集合２０は、素子アンテナ群１０を２個ずつ含むとしたが、３個以上の素子アンテナ群１０を含むようにしてもよい。例えば３個の場合は、素子電界ベクトルを計算済の素子アンテナ群１０を１個にして、未計算の素子アンテナ群２０を２個にしてもよい。素子アンテナ群を予め決めていなくてもよい。同時に動作状態にする素子アンテナの数が上限以下であり、すべての素子アンテナが１回は動作状態になり、共通な素子アンテナを有する複数の動作素子アンテナ集合２０の和をとることを繰り返すと、和集合はすべての素子アンテナ１の集合になるような複数の動作素子アンテナ集合２０であればよい。共通な素子アンテナが存在する動作素子アンテナ集合２０の和集合をすべての動作素子アンテナ集合２０について求めると、和集合はすべての素子アンテナの集合になるように、複数の動作素子アンテナ集合２０を決めればよい。
【００８４】
ここで、２つの集合が共通な要素を持つ場合に２つの集合の和をとることが可能であり、共通な要素を持たない場合に２つの集合の和をとれないとする。共通な要素を持つ２つの集合の和をとることを、集合を連結すると呼ぶ。連結した集合を、別の集合と連結することもできる。動作素子アンテナ集合２０は、すべての動作素子アンテナ集合２０の連結をとるとすべての素子アンテナの集合になるように決める必要がある。なお、動作素子アンテナ集合２０は、１個の切替回路で電波を放射するかどうかを切替えられる１個または複数個の素子アンテナ１を単位に決める。
【００８５】
素子電界ベクトルを未計算である素子アンテナが無くなった時点で処理を終了したが、異なる動作素子アンテナ集合２０で素子電界ベクトルを計算することを継続してもよい。合成電界ベクトル間の位相差τおよび振幅比ξは、複数個の素子電界ベクトルを計算した素子アンテナごとに、複数個の素子電界ベクトルが一致するような位相差(ΔjA - ΔjB)と振幅比(ｃjA -ｃjB)を求めて、それらの平均に決めればよい。素子アンテナごとの素子電界ベクトルは、合成電界ベクトル間の位相差τと振幅比ξを考慮して、共通の合成電界ベクトルＥ０Ａに対する素子電界ベクトルの位相差ΔjB+τと振幅比ｃjA+ξに変換して、それらの平均とすればよい。そうすることで、素子アンテナごとに求める素子電界ベクトル間の位相差や振幅比への測定誤差の影響を小さくすることができる。
【００８６】
必要最小限の数よりも多く素子電界ベクトルを求める場合には、複数の動作素子アンテナ集合２０の中に、一方が他方を包含する関係にある動作素子アンテナ集合２０があってもよい。また、位相計測素子アンテナ集合が別の位相計測素子アンテナ集合を包含してもよい。包含される位相計測素子アンテナ集合は、各素子アンテナの調整を速く実施することには寄与しないが、素子電界ベクトルへの計測誤差の影響を小さくする上では有効である。
【００８７】
動作素子アンテナ集合２０を処理する際に、素子電界ベクトルを計算済の素子アンテナに対して計算可能な場合はすべて素子電界ベクトルを計算した。必ずしもそうする必要はなく、素子電界ベクトルを計算済の素子アンテナの中で、少なくとも１個について再度、素子電界ベクトルを計算すればよい。そして、処理中の動作素子アンテナ集合２０に含まれる素子電界ベクトルを未計算の素子アンテナの中で、少なくとも１個について素子電界ベクトルを計算すればよい。なお、処理中の動作素子アンテナ集合２０に含まれ、未処理の動作素子アンテナ集合２０には含まれない素子アンテナは、すべて素子電界ベクトルを計算する必要がある。動作素子アンテナ集合２０のそれぞれに対応する複数の位相計測素子アンテナ集合は、共通な素子アンテナが存在する位相計測素子アンテナ集合の和集合をすべての位相計測素子アンテナ集合について求めると、和集合はすべての素子アンテナの集合になるように決めればよい。
【００８８】
較正していない素子アンテナがあっても、全体に対する割合が小さければ、アレイアンテナ装置全体としての性能の劣化は許容できる場合がある。
【００８９】
切替回路４は、素子アンテナ１に送信信号が入力されるか切り替える。図１では、切替回路４に機械的なスイッチを使用する図を示している。切替回路４は、電気的なスイッチを使用してもよい。切替回路４を送信機５の内部に設けるようにしてもよい。
【００９０】
受信アンテナ６は、単一アンテナでもアレイアンテナでもよい。受信アンテナ６を設置する位置は、フェーズドアレイアンテナ５０を構成する各素子アンテナ１が放射する電波を受信できる位置であればよい。
【００９１】
ここでは、フェーズドアレイアンテナ５０は、送電アンテナとして説明した。フェーズドアレイアンテナ５０の素子アンテナ１ｎと電力増幅器２ｎの間にサーキュレータを設け、サーキュレータの素子アンテナ１ｎからの信号が出力される端子に受信機を接続することで、送受電アンテナとすることもできる。
【００９２】
アレイアンテナ装置１００では、１個の素子アンテナ１ｎに、１個の電力増幅器２ｎと１個の可変移相器３ｎとを備える。複数個の素子アンテナに対応して、電力増幅器または可変移相器のどちらかまたは両方を設けてもよい。電力増幅器により、対応する素子アンテナの個数が異なるものがあってもよい。可変移相器により、対応する素子アンテナの個数が異なるものがあってもよい。
【００９３】
複数の素子アンテナが放射する電波の位相を同時に変化させて、受信電力値を測定してもよい。例えば、素子アンテナ１１と素子アンテナ１２を同時に同じ量だけ位相を変化させて測定した複数の受信電力値から、素子アンテナ１１と素子アンテナ１２が生成する電界ベクトルを計算し、素子アンテナ１１の素子電界ベクトルをベクトルとして減算することで、素子アンテナ１２だけで位相を変化させることなく、素子アンテナ１２の素子電界ベクトルを計算することができる。
【００９４】
ＲＥＶ法を改良した方法で素子電界ベクトルを計算してもよい。例えば、特開２０１２−１１２８１２に記載のように、少なくとも２つの素子アンテナをその通過位相を同時に回転させ受信電力値を測定して、通過位相(位相変更量)の変化に対する測定した受信電力値の変化をフーリエ級数展開して、複数の素子アンテナの素子電界ベクトルを測定する方法を使用してもよい。
【００９５】
複数の動作素子アンテナ集合のそれぞれにおいて、その動作素子アンテナ集合に属する素子アンテナに対応して設けられた可変移相器の集合であり、属する可変移相器が異なるように決められた複数の可変移相器集合は、すべての素子アンテナの間の位相差を求められるように決められていればよい。
【００９６】
位相制御部は、それぞれの動作素子アンテナ集合に属する素子アンテナに対応して設けられた可変移相器の集合であり、属する可変移相器が異なるように決められた複数の可変移相器集合のそれぞれに応じて、対応する動作素子アンテナ集合に応じて放射制御部が複数の動作切替部を制御する状態で、可変移相器集合に属する可変移相器が同じ位相変更量だけ送信信号の位相を変更するように、異なる複数の位相変更量で可変移相器を制御するものであれば、どのようなものでもよい。
【００９７】
集合内位相差計算部は、複数の動作素子アンテナ集合のそれぞれに応じて放射制御部が複数の動作切替部を制御している状態で、動作素子アンテナ集合に属する少なくとも一部の素子アンテナの集合である位相計測素子アンテナ集合に属する素子アンテナに入力される送信信号の位相を変更させ、異なる複数の位相変更量での受信電力値を使用して、位相計測素子アンテナ集合に属するそれぞれの素子アンテナが放射し受信アンテナで受信される電波により生成される素子電界ベクトルの間での位相差である集合内位相差を計算するものであれば、どのようなものでもよい。
【００９８】
集合内振幅比計算部は、位相計測素子アンテナ集合ごとに、位相計測素子アンテナ集合に属する素子アンテナが生成する素子電界ベクトルの振幅比である集合内振幅比を計算するものであれば、どのようなものでもよい。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。
【００９９】
実施の形態２．
実施の形態２は、鉛直方向に長い合成放射面が水平方向に間隔をおいてできるように動作素子アンテナ集合２１を決める場合である。図１１に示すように素子アンテナ１が配列されたフェーズドアレイアンテナ５０の場合には、動作素子アンテナ集合２１ｎは、以下のように決める。
２１１＝（１０１，１０５）
２１２＝（１０２，１０５）
２１３＝（１０２，１０６）
２１４＝（１０３，１０６）
２１５＝（１０３，１０７）
２１６＝（１０４，１０７）
２１７＝（１０４，１０８）
【０１００】
図１２は、実施の形態２で使用する動作素子アンテナ集合２１の例を説明する図である。図１２(A)に、１回目の動作素子アンテナ集合２１１を示す。図１２(B)に、２回目の動作素子アンテナ集合２１２を示す。図１２(C)に、３回目の動作素子アンテナ集合２１３を示す。図１２(D)に、７回目の動作素子アンテナ集合２１7を示す。図１２では、図を見やすくするために素子アンテナ群１０ｎは図示しない。動作素子アンテナ集合２１ｎでは、合成開口面が分離している。
【０１０１】
図１２に示す場合には、奇数回目の動作素子アンテナ集合２１では、２個の動作状態の素子アンテナ群１０が水平方向に間に３個の非動作状態の素子アンテナ群１０が存在する。偶数回目には、２個の非動作状態の素子アンテナ群１０を挟んで、２個の動作状態の素子アンテナ群１０を配置する。１個の動作状態の素子アンテナ群１０の合成放射面が、他の動作状態の素子アンテナ群１０の合成放射面と分離している場合に、分離している１個の動作状態の素子アンテナ群１０の合成放射面を、部分合成放射面（部分合成開口面）と呼ぶ。図１２に示す場合は、鉛直方向に長い２個の部分合成放射面が存在する。複数の部分合成放射面を囲む最小の凸な範囲である被覆範囲９１を、破線で示す。
【０１０２】
部分合成放射面とは、動作素子アンテナ集合２０に属する素子アンテナ１の放射面の中で、互いに隣接する放射面を合成した放射面である。動作素子アンテナ集合２０に属する他の素子アンテナ１の放射面に隣接しない放射面を有する素子アンテナ１が動作素子アンテナ集合２０に含まれる場合は、複数の部分合成放射面が存在することになる。
【０１０３】
図１２に示す様に水平方向に離れた素子アンテナ群１０を同時に動作させると、図１３に示すように、実施の形態１の場合よりも水平方向に細いビーム形状にすることができる。図１３は、実施の形態２に係るアレイアンテナ装置での動作素子アンテナ集合２１の選び方によるビーム形状を水平方向に細くできることを例により説明する図である。図１３(C)に、動作素子アンテナ集合２１１に属する素子アンテナ１を動作状態にする図を示す。動作素子アンテナ集合２１１のビーム形状８４を、実線で表す。ビーム形状８４実施の形態１の場合のビーム形状１と鉛直方向の長さが同程度であり、水平方向の長さが短くなる。
【０１０４】
鉛直方向に長い２個の部分合成放射面を水平方向に離して配置することで、ビーム形状を鉛直方向および水平方向の両方で細くできる。そのため、同時に動作させる素子アンテナ数を制限して、放射電力に関する制約を守った上で、地面方向および側面方向にある電波を散乱させる物体の影響を回避できる。水平方向に離して素子アンテナを動作させる場合には、水平面内にグレーティングローブと呼ばれる不要波が発生する可能性があるが、許容放射電力以下であるため、問題にはならない。
【０１０５】
被覆範囲９１の水平方向の長さがフェーズドアレイアンテナの放射面の水平方向の長さに対する比率である被覆率が被覆率下限値以上であれば、ビーム形状を水平方向にも細くすることができる。被覆率下限は、ビーム形状の水平方向の長さが適切になるように決める。なお、部分合成放射面の鉛直長が鉛直長下限値以上である必要がある。
【０１０６】
本発明はその発明の精神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変形や省略が可能である。
【符号の説明】
【０１０７】
１１、１２、１３、・・・、１Ｎ、１  素子アンテナ
２１、２２、２３、・・・、２Ｎ、２  電力増幅器（増幅器）
３１、３２、３３、・・・、３Ｎ、３  可変移相器
４１、４２、４３、・・・、４Ｎ、４  切替回路（動作切替部）、
５  送信機、
６  受信アンテナ、
７  受信回路（受信電力値測定部）、
１０１、１０２、１０３、・・・、１０Ｍｇ、１０  素子アンテナ群
２０１、２０２、２０３、・・・、２０Ｍｄ、２０Ｚ、２０  動作素子アンテナ集合
２１１、２１２、２１３、・・・、２１７、２１  動作素子アンテナ集合
１１  素子電界演算回路（集合内位相差計算部、集合内振幅比計算部）
１２  受信電力値取得部、
１３  放射制御部、
１４  位相制御部、
１５  位相受信電力値組生成部、
１６  位相差計算部、
１７  振幅比計算部、
１８  振幅位相決定部（位相変更量決定部、増幅率決定部）
３０  位相調整制御装置、
３１  ＣＰＵ、
３２  メモリ部（位相受信電力値組記憶部）、
５０  フェーズドアレイアンテナ
７１  素子アンテナ群定義データ、
７２  動作素子アンテナ集合定義データ、
７３  移相器集合定義データ、
７４  素子電界ベクトル、
７５  位相差、
７６  振幅比、
７７  位相受信電力値組
８１、８２、８３、８４  ビーム形状
９１  被覆範囲
【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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