(57)【要約】【課題】アクティブアレー型の送信アレーアンテナを用いて所望の指向性パターンを形成する技術を提供する。【解決手段】送信アレーアンテナ（１）は、直線上に配置された複数のアンテナ素子（Ｅ１〜Ｅｍ）からなるアンテナ部（２）と、アンテナ素子のそれぞれに供給される送信信号の振幅および位相を個別に調整する複数のウェイト調整器（ＡＰ１〜ＡＰｍ）からなるウェイト調整部（３）とを備える。ウェイト調整部に任意の初期ウェイトを設定した状態で、いずれか一つの送信チャネルに送信信号を供給し、複数の方位での複素受信信号を測定し、これを全ての送信チャネルについて繰り返した結果から、送信アレーアンテナの特性を表す特性行列を求める。更に、初期ウェイトに特性行列の逆行列、理想ウェイトを乗じた結果を、所望指向性を実現する際にウェイト調整部に設定する調整ウェイトとして使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線上に配置された複数のアンテナ素子（Ｅ１〜Ｅｍ）からなるアンテナ部（２）と、前記アンテナ素子のそれぞれに供給される送信信号の振幅および位相を個別に調整する複数のウェイト調整器（ＡＰ１〜ＡＰｍ）からなるウェイト調整部（３）とを備えた送信アレーアンテナ（１）における指向性パターン形成方法であって、
互いに対応づけられた前記アンテナ素子と前記ウェイト調整器との組合せを送信チャネルとして、前記ウェイト調整部に任意の初期ウェイトを設定した状態で、いずれか一つの送信チャネルに順次選択して送信信号を供給し、前記送信チャネル毎に予め設定された複数の方位で複素受信信号を測定した結果から、前記初期ウェイトを含んだ送信アレーアンテナの特性を表す特性行列を求め、
前記特性行列の逆行列と、前記送信アレーアンテナが前記アンテナ素子間の誤差や結合のない理想的な特性を有するものと仮定した場合に、予め設定された所望指向性を実現するために前記ウェイト調整部に設定される理想ウェイトとを、前記初期ウェイトに乗じた結果を、前記所望指向性を実現する際に前記ウェイト調整部に設定する調整ウェイトとして使用することを特徴とする指向性パターン形成方法。
【請求項２】
前記送信チャネルをＣＨ１，ＣＨ２，…ＣＨｍ、前記方位をθ１，θ２，…θｎ、送信チャネルＣＨｉ（ｉ＝１〜ｍ）に送信信号を供給した時に、方位θｊ（ｊ＝１〜ｎ）で検出される複素受信信号をＲθj（ＣＨｉ）、該複素受信信号Ｒθj（ＣＨｉ）を全ての方位について並べた受信ベクトルをＲ（ＣＨｉ）＝｛Ｒθ1（ＣＨｉ）、Ｒθ2（ＣＨｉ）、…Ｒθn（ＣＨｉ）｝T、該受信ベクトルＲ（ＣＨｉ）を全てのチャネルについて並べた受信行列をＲ＝｛Ｒ（ＣＨ１），Ｒ（ＣＨ２），…Ｒ（ＣＨｍ）｝、前記アンテナ素子のそれぞれから同位相の送信信号を送信した場合に方向θｊで生じる送信信号間の位相差を表すモードベクトルをａ（θｊ）＝｛ａCH1（θｊ），ａCH2（θｊ），…ａCHm（θｊ）｝、モードベクトルａ（θｊ）を全ての方位について並べた方位行列をＡ＝｛ａ（θ１），ａ（θ２），…ａ（θｎ）｝T、方位行列Ａの逆行列または疑似逆行列をＡ+として、前記特性行列をＣ＝Ａ+×Ｒによって求め、
前記初期ウェイトＷｏ１，Ｗｏ２，…Ｗｏｍを対角線上に並べ他の要素を０とした行列をＷｏ、前記理想ウェイトＷｐ１，Ｗｐ２，…Ｗｐｍを要素とする列ベクトルをＷｏｐｔ、前記特性行列Ｃの逆行列Ｃ-1として、前記調整ウェイトＷ１，Ｗ２，…Ｗｍを要素とする列ベクトルをＷとし、Ｗ＝Ｗｏ×Ｃ-1×Ｗｏｐｔを計算することで求めた前記調整ウェイトＷ１，Ｗ２，…Ｗｍを使用することを特徴とする請求項１に記載の指向性パターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信アレーアンテナの指向性パターンを形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アレーアンテナを使用してビーム形成を行う技術が知られている。また、アレーアンテナでは、アレーアンテナを構成するアンテナ素子間の誤差や結合によってビーム形状（指向性パターン）が影響を受けてしまう。特に、装置の小型化に伴って結合の影響が増大している。
【０００３】
これに対して、異なる複数の方向からの到来波をアレーアンテナにて順次受信し、その受信信号からアレーアンテナのアンテナ素子間の誤差や結合を表す行列を推定し、推定した行列を受信信号に乗じることでアレーアンテナの校正を行う技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３２０４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術は、アンテナ素子からの信号をそのまま送受信するいわゆるパッシブアレー型のアレーアンテナを前提とするものであり、アンテナ素子を送受信回路の間に信号の振幅や位相を調整するウェイト調整器が設けられた、いわゆるアクティブアレー型のアレーアンテナにそのまま適用することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、アクティブアレー型の送信アレーアンテナを用いて所望の指向性パターンを形成する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の送信アレーアンテナの指向性パターン形成方法は、直線上に配置された複数のアンテナ素子と、アンテナ素子のそれぞれに供給される送信信号の振幅および位相を個別に調整する複数のウェイト調整器からなるウェイト調整部とを備えた送信アレーアンテナを前提とする。
【０００８】
まず、互いに対応づけられたアンテナ素子とウェイト調整器との組合せを送信チャネルとして、ウェイト調整部に任意の初期ウェイトを設定した状態で、いずれか一つの送信チャネルに順次選択して送信信号を供給し、送信チャネル毎に予め設定された複数の方位で複素受信信号を測定した結果から、初期ウェイトを含んだ送信アレーアンテナの特性を表す特性行列を求める。
【０００９】
次に、特性行列の逆行列と、送信アレーアンテナが送信チャネル間の誤差や結合のない理想的な特性を有するものと仮定した場合に、予め設定された所望指向性を実現するためにウェイト調整部に設定される理想ウェイトとを、初期ウェイトに乗じた結果を求める。そして、この算出結果を、所望指向性を実現する際にウェイト調整部に設定する調整ウェイトとして使用する。
【００１０】
このようにして設定された調整ウェイトは、送信チャネル間の誤差や結合が考慮されたものとなるため、所望指向性パターンを形成することが可能となる。
なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】送信アレーアンテナの全体構成図である。
【図２】調整ウェイトを求める際の第１のステップで使用するパラメータに関する説明図である。
【図３】調整ウェイトを求める際の第２のステップで使用するパラメータに関する説明図である。
【図４】実験に使用した送信アレーアンテナにおいて、単一送信指向性を実測した結果を示すグラフである。
【図５】実験に使用した目標指向性パターンを示すグラフである。
【図６】（ａ）が本実施形態の手法を使用して目標指向性パターンを実現する調整ウェイトを求めた結果を示す表、（ｂ）がその調整ウェイトを用いて指向性パターンを測定した結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）が比較例として目標指向性パターンを実現する理想ウェイトを求めた結果を示す表、（ｂ）がその理想ウェイトを用いて指向性パターンを測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［全体構成］
本発明が適用される送信アレーアンテナ１は、図１に示すように、直線上に等間隔に配置された複数のアンテナ素子Ｅ１，Ｅ２，…Ｅｍ（ｍは２以上の整数）で構成されたアンテナ部２と、アンテナ素子のそれぞれに対して設けられた複数のウェイト調整器ＡＰ１，ＡＰ２，…ＡＰｍで構成されたウェイト調整部３とを備え、いわゆるアクティブアレー型の構造を有する。
【００１３】
ウェイト調整器ＡＰｉ（ｉ＝１〜ｍ）は、可変移相器と振幅調整器とで構成され、アンテナ素子Ｅｉに供給する送信信号の位相および振幅を、外部より供給されるウェイトに従って調整する。以下では、アンテナ素子Ｅｉおよびウェイト調整器ＡＰｉの組合せを、送信チャネルＣＨｉという。
【００１４】
このように構成された送信アレーアンテナ１は、全ての送信チャネルＣＨ１〜ＣＨｍに同じ振幅で同じ位相の送信信号を供給し、ウェイト調整部３に供給するウェイトＷを適宜設定することによって、所望の指向性パターンを実現する。但し、送信チャネルＣＨ１〜ＣＨｍ間には誤差や結合が存在するため、所望の指向性パターンを実現するためには、これら送信チャネルＣＨ１〜ＣＨｍ間の誤差や結合の影響を考慮したウェイトＷを設定する必要がある。以下では、そのウェイト設定方法について説明する。
【００１５】
［ウェイト設定］
ウェイト設定は、送信アレーアンテナ１の特性を求めるステップ（第１のステップ）と、その求めた特性を利用して所望の指向性パターンを実現するための調整ウェイトを求めるステップ（第２のステップ）からなる。
【００１６】
＜第１のステップ＞
第１のステップでは、図２に示すように、まず、各送信チャネルＣＨ１〜ＣＨｍのウェイト調整器ＡＰ１〜ＡＰｍに任意の初期ウェイトＷｏ１，Ｗｏ２，…Ｗｏｍを設定した状態で、いずれか一つの送信チャネルＣＨｉに送信信号を供給し、予め設定された複数の方位θ１，θ２，…θｎ（ｎは２以上の整数）で、アンテナ部２からの放射波の複素受信信号を測定し、これを全ての送信チャネルについて繰り返す。
【００１７】
次に、この測定された複素受信信号に基づいて、受信行列Ｒを生成する。受信行列Ｒは、送信チャネルＣＨｉ（ｉ＝１〜ｍ）に送信信号を供給した時に方位θｊ（ｊ＝１〜ｎ）で検出される複素受信信号をＲθj（ＣＨｉ）で表すものとして、（１）式で定義される。
【００１８】
但し、Ｒ（ＣＨｉ）は、ある送信チャネルＣＨｉについて測定された複素受信信号を、全ての方位θ１〜θｎについて並べた受信ベクトルであり、（２）式で表される。
【００１９】
【数１】
2015177449.tif 000003
【００２０】
ここで、各アンテナ素子Ｅ１〜Ｅｍから同位相の信号を送信した場合に、方位θｊのある地点において各信号間に生じる位相差を表すモードベクトルａ（θｊ）を（３）式で表し、このモードベクトルを全ての方位θ１，θ２，…θｎについて並べた方位行列Ａを（４）式で表すものとする。
【００２１】
【数２】
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【００２２】
但し、モードベクトルのａ（θｊ）の各要素ａCHi（θｊ）は、（５）式で定義され、（５）式中の位相を表す関数Ψｉ（θｊ）は、アンテナ素子Ｅ１〜Ｅｍの配列軸上に設定された基準点からアンテナ素子Ｅｉまでの距離をｄｉ、送信信号の波長をλとして（６）式で定義される。
【００２３】
【数３】
2015177449.tif 000005
【００２４】
そして、（１）式で表される受信行列Ｒおよび（４）式で定義された方位行列Ａに基づき、（７）式に従って、ウェイト調整部３に初期ウェイトＷｏ１，Ｗｏ２，…Ｗｏｍが設定された状態の送信アレーアンテナ１の特性を表す特性行列Ｃを求める。但し、Ａ+は、方位行列Ａの逆行列（ｍ＝ｎの場合）または疑似逆行列（ｍ≠ｎの場合）である。
【００２５】
【数４】
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【００２６】
ところで、送信チャネルＣＨｋ（ｋ＝１〜ｍ）に送信信号を供給した場合に、送信チャネルＣＨｉに伝達される伝達量、即ち、両チャネル間の結合量をＣｉｋで表すものとすると、送信チャネルＣＨｋから各送信チャネルＣＨ１〜ＣＨｍへの伝達量（結合量）を表す結合ベクトルＣ（ＣＨｋ）は（８）式で表される。この結合ベクトルＣ（ＣＨｋ）と受信ベクトルＲ（ＣＨｋ）とは（９）式の関係があり、この（９）式を変形すると（１０）式が得られる。
【００２７】
【数５】
2015177449.tif 000007
【００２８】
結合ベクトルＣ（ＣＨｋ）を全ての送信チャネルについて並べた結合行列Ｃ*を（１１）式で表し、初期ウェイトＷｏ１，Ｗｏ２，…Ｗｏｍを対角線上に並べた初期ウェイト行列Ｗｏを（１２）式で表すものとして、（１０）式を全ての送信チャネルについてまとめると（１３）式が得られる。
【００２９】
【数６】
2015177449.tif 000008
【００３０】
（１３）式の右辺は、図２からも明らかなように、ウェイト調整部３を初期ウェイトＷｏ１，Ｗｏ２，…Ｗｏｍに設定した時の送信アレーアンテナ１（正確にはウェイト調整部３およびウェイト調整部３からアンテナ部２に至る部位）の特性である特性行列Ｃを表すものであり、特性行列Ｃを生成する際に使用する（７）式が成立することがわかる。
【００３１】
＜第２のステップ＞
第２のステップでは、送信アレーアンテナ１が送信チャネルＣＨ１〜ＣＨｍ間の誤差や結合のない理想的な特性を有するものと仮定した場合に、所望の指向性パターンを実現するウェイトＷｐ１，Ｗｐ２，…Ｗｐｍを要素とする列ベクトルを理想ウェイトベクトルＷｏｐｔ、現実の送信アレーアンテナ１において上述の指向性パターンを実現するウェイトＷ１，Ｗ２，…Ｗｍを要素とする列ベクトルを調整ウェイトベクトルＷ、特性行列Ｃの逆行列Ｃ-1として、調整ウェイトベクトルＷを（１４）式に従って算出する。
【００３２】
【数７】
2015177449.tif 000009
【００３３】
なお、理想ウェイトベクトルＷは、所望の指向性パターン，アンテナ素子Ｅ１〜Ｅｍの配置，および送信信号の波長λに基づき、周知の手法で予め算出されたものを用いる。そして、実現したい指向性パターン毎に（１４）式を用いて調整ウェイトベクトルＷを求めておき、送信アレーアンテナ１を実際に使用する際には、実現する指向性パターンに対応する調整ウェイトベクトルＷに従ってウェイト調整部３を設定すればよい。
【００３４】
ところで、図３に示すように、特性行列Ｃに乗じた結果が理想ウェイトベクトルＷｏｐｔとなる調整ウェイトベクトルをδＷで表すものとし、更に、Ｃ＝Ｃ*・Ｗｏであること（（１３）式参照）を利用すると（１５）式に示す関係が得られる。
【００３５】
【数８】
2015177449.tif 000010
【００３６】
（１５）式の関係から（１６）式が成立することは明らかであり、（１５）式を変形した（１７）式を（１６）式に代入することによって、上述した調整ウェイトベクトルＷの算出に使用する（１４）が得られる。
【００３７】
［実験］
５個の送信チャネルを有する送信アレーアンテナ１を使用し、送信チャネル毎に指向性（単一送信指向性という）を測定した結果を図４に示す。送信チャネル間の結合により、各送信チャネルの単一送信指向性は、それぞれ異なった歪みを有したものとなっている。
【００３８】
ここで、このような特性を有する送信アレーアンテナ１を用い、本実施形態で説明した手法を用いて、図５に示す目標指向性パターンを実現する調整ウェイトＷ１〜Ｗ５を求めた結果、およびその調整ウェイトＷ１〜Ｗ５をウェイト調整部３に設定して指向性パターンを測定した結果を図６に示す。比較のため、図５に示す目標指向性パターンを実現する理想ウェイトＷｐ１〜Ｗｐ５を求めた結果、およびその理想ウェイトＷｐ１〜Ｗｐ５をウェイト調整部３に設定して指向性パターンを測定した結果を図７に示す。
【００３９】
図７に示す比較例の指向性パターンでは、方位θ＝１０［ｄｅｇ］の周辺で、目標指向性パターンとはかけ離れた大きなヌルが発生している。これに対して図６に示す本実施形態に基づく指向性パターンでは、方位１０［ｄｅｇ］付近での落ち込みが改善されているだけでなく、方位θ＝−６５〜１０［ｄｅｇ］の範囲の平坦度も改善され、より目標指向性パターンに近い結果が得られていることがわかる。
【００４０】
［効果］
以上説明したように、初期ウェイトＷｏ１〜Ｗｏｍを設定して測定した複素受信信号に基づいて特性行列Ｃを生成し、この特性行列Ｃと、初期ウェイトに基づく初期ウェイト行列Ｗｏ*と、理想ウェイトベクトルＷｏｐｔとに基づいて調整ウェイトベクトルＷ（調整ウェイトＷ１〜Ｗｍ）を求めている。このようにして求めた調整ウェイトＷ１〜Ｗｍを用いることにより、送信チャネルＣＨ１〜ＣＨｍ間の誤差や結合の影響を抑制することができ、目標指向性パターンを精度よく再現することができる。
【００４１】
［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１…送信アレーアンテナ  ２…アンテナ部  ３…ウェイト調整部  ＡＰ１〜ＡＰｍ…ウェイト調整器  Ｅ１〜Ｅｍ…アンテナ素子
【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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