(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子アンテナと、接続する１つの素子アンテナで受信された信号の位相を変化させる複数の移相器と、ｐを２以上の整数とする場合に、接続する１つの移相器から出力された位相変化後の信号をｐ個に分配する複数の分配回路と、前記分配回路でｐ個に分配された信号のうちの１つの信号が各分配回路から入力され、入力された複数の信号を合成するｐ個の合成回路と、を有してｐ個の合成後の信号を出力する複数のサブアレーと、
前記複数のサブアレーから出力された各合成後の信号に対して直交検波された信号が入力され、入力された信号を用いて合成ビームを形成するビーム合成器をｐ個備えたビーム合成器群と、
を備え、
前記サブアレーにおいて、前記分配回路と前記ｐ個の合成回路との間を結ぶｐ個の線路について、基準となる線路を通過する信号の通過位相と他の線路を通過する信号の通過位相との差分が規定された通過位相差になるように各線路の線路長を設定する、
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記ビーム合成器群では、各ビーム合成器は、異なる指向角の合成ビームを形成し、ビーム走査のため前記移相器に設定される位相が変更された場合、各ビーム合成器は、同じ角度だけ向きを変えて合成ビームを形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルビームフォーミング（以下、ＤＢＦ（Digital  Beam  Forming）と称す。）方式のアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＤＢＦ方式のアンテナ装置では、ビーム合成時の理想的な位相値に対してサブアレー単位の位相誤差が小さくできる範囲にマルチビームの形成範囲を限定し、マルチビームの形成範囲を送信ビームのカバーする範囲に限定することによって、グレーティングローブが発生しない良好なアンテナ性能を得ている。このような技術が下記特許文献１において開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−６８４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の技術によれば、広覆域なマルチビームを形成する場合、ビーム合成時の理想的な位相値に対してサブアレー単位の位相誤差が小さくなるようにサブアレー単位を小さくする必要がある。そのため、サブアレー数が多くなりコストが高くなる、という問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストを抑制しつつ合成ビームを形成する覆域を拡大可能なアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のアンテナ装置は、複数の素子アンテナと、接続する１つの素子アンテナで受信された信号の位相を変化させる複数の移相器と、ｐを２以上の正の整数とする場合に、接続する１つの移相器から出力された位相変化後の信号をｐ個に分配する複数の分配回路と、分配回路でｐ個に分配された信号のうちの１つの信号が各分配回路から入力され、入力された複数の信号を合成するｐ個の合成回路と、を有してｐ個の合成後の信号を出力する複数のサブアレーを備える。また、アンテナ装置は、複数のサブアレーから出力された各合成後の信号に対して直交検波された信号が入力され、入力された信号を用いて合成ビームを形成するビーム合成器をｐ個備えたビーム合成器群を備える。アンテナ装置では、サブアレーにおいて、分配回路とｐ個の合成回路との間を結ぶｐ個の線路について、基準となる線路を通過する信号の通過位相と他の線路を通過する信号の通過位相との差分が規定された通過位相差になるように各線路の線路長を設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、コストを抑制しつつ合成ビームを形成する覆域を拡大できる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】アンテナ装置の構成例を示すブロック図
【図２】サブアレーの構成例を示すブロック図
【図３】ビーム合成器群で形成される合成ビームを示す図
【図４】サブアレーの素子アンテナの素子配列の一例を示す図
【図５】ビーム合成器群で形成される走査時の合成ビームを示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態にかかるアンテナ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかるアンテナ装置１００の構成例を示すブロック図である。ＤＢＦ方式のアンテナ装置１００は、ｐ個の出力端を有するｎ個のサブアレーＳＢ１〜ＳＢｎと、ｎ個のサブアレーＳＢ１〜ＳＢｎのｐ個の出力端の１つと接続し、出力端から出力されたサブアレービームのＲＦ（Radio  Frequency）信号の周波数をＩＦ（Intermediate  Frequency）周波数に周波数変換するｐ×ｎ個の周波数変換器６と、１つの周波数変換器６と接続し、周波数変換された信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するｐ×ｎ個のＡ／Ｄ（Analog／Digital）変換器７と、１つのＡ／Ｄ変換器７と接続し、Ａ／Ｄ変換器７でデジタル信号に変換された信号を直交検波してＩ／Ｑ信号に変換するｐ×ｎ個のデジタル検波器８と、直交検波後のＩ／Ｑ信号がデジタル検波器８から入力され、入力された各Ｉ／Ｑ信号に、合成ビームを形成するビーム走査角に対応した複素ウエイトを乗じ、各Ｉ／Ｑ信号に複素ウエイトを乗じた値を加算することで合成ビームを形成するｐ個のビーム合成器９１，９２，…，９ｐを有するビーム合成器群９と、位相制御信号を出力して、サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎが有する複数の移相器において変化させる位相の設定を行うビーム制御器１０と、を備える。上記において、ｐおよびｎは２以上の整数である。なお、図１では、記載を簡略化するため、サブアレーＳＢ１とビーム合成器群９との間のみ６〜８の符号を付与しているが、他のサブアレーとビーム合成器群９との間にも、周波数変換器６、Ａ／Ｄ変換器７、デジタル検波器８が配置されているものとする。
【００１１】
サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎのｐ個の出力端とビーム合成器群９との間に、周波数変換器６、Ａ／Ｄ変換器７およびデジタル検波器８が配置される。ビーム合成器群９を構成する各ビーム合成器９１，９２，…，９ｐは、各々が周波数変換器６、Ａ／Ｄ変換器７およびデジタル検波器８を介して異なるサブアレーＳＢ１〜ＳＢｎと接続し、異なるサブアレーＳＢ１〜ＳＢｎから出力されたサブアレービームのＲＦ信号が変換されたｎ個のＩ／Ｑ信号が入力される。
【００１２】
図１において、周波数変換器６、Ａ／Ｄ変換器７、デジタル検波器８、ビーム制御器１０は、従来と同様の構成である。また、ビーム合成器群９を構成する各ビーム合成器９１，９２，…，９ｐは、従来と同様の構成である。本実施の形態のアンテナ装置１００では、複数のビーム合成器９１，９２，…，９ｐを備えることにより、同時に複数の合成ビームを形成することが可能である。
【００１３】
つぎに、サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎの構成について説明する。サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎは同一の構成のため、一例としてサブアレーＳＢｍを用いて説明する。図２は、本実施の形態にかかるアンテナ装置１００が備えるサブアレーＳＢｍの構成例を示すブロック図である。サブアレーＳＢｍは、素子アンテナの数量ｉに対応した複数系統の構成を備える。サブアレーＳＢｍは、ＲＦ信号を受信する素子アンテナ１１〜１ｉと、素子アンテナ１１〜１ｉのうちの１つの素子アンテナと接続し、接続する素子アンテナで受信されたＲＦ信号を増幅する増幅器２１〜２ｉと、増幅器２１〜２ｉのうちの１つの増幅器と接続し、ビーム制御器１０からの位相制御信号に基づいて、接続する増幅器で増幅されたＲＦ信号の位相を変化させる移相器３１〜３ｉと、移相器３１〜３ｉのうちの１つの位相器と接続し、接続する移相器で位相が変化されたＲＦ信号をｐ個に分配する分配回路４１〜４ｉと、分配回路４１〜４ｉと接続し、分配回路４１〜４ｉでｐ個に分配された信号のうちの１つの信号が各分配回路４１〜４ｉから入力され、各分配回路４１〜４ｉから入力されたｉ個のＲＦ信号を合成して出力する合成回路５１〜５ｐと、を備える。合成回路５１〜５ｐから出力されるｐ個の合成後のＲＦ信号が、サブアレーＳＢｍが出力するｐ個のサブアレービームのＲＦ信号となる。上記において、ｉは２以上の整数である。
【００１４】
図２において、素子アンテナ１１〜１ｉ、増幅器２１〜２ｉ、移相器３１〜３ｉは、従来と同様の構成である。
【００１５】
ビーム制御器１０は、ｎ個のサブアレーＳＢ１〜ＳＢｎが備える各移相器３１〜３ｉと接続し、各移相器３１〜３ｉにおける位相の変化を制御している。ビーム制御器１０は、同じ移相器には同じ内容の位相制御信号を出力する。例えば、ビーム制御器１０は、ｎ個のサブアレーＳＢ１〜ＳＢｎが備える各移相器３１には同じ内容の位相制御信号を出力し、ｎ個のサブアレーＳＢ１〜ＳＢｎが備える各移相器３２には同じ内容の位相制御信号を出力し、ｎ個のサブアレーＳＢ１〜ＳＢｎが備える各移相器３ｉには同じ内容の位相制御信号を出力する。
【００１６】
つづいて、アンテナ装置１００において複数の合成ビームを形成する動作について説明する。サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎは同じ動作をするため、一例として、サブアレーＳＢｍを用いて説明する。なお、他のサブアレーもサブアレーＳＢｍと同様の動作をしているものとする。アンテナ装置１００では、まず、サブアレーＳＢｍにおいて、素子アンテナ１１〜１ｉでＲＦ信号を受信すると、増幅器２１〜２ｉが受信されたＲＦ信号を増幅する。移相器３１〜３ｉは、ビーム制御器１０からの位相制御信号に基づいて、増幅されたＲＦ信号の位相を変化させる。分配回路４１〜４ｉは、位相が変化されたＲＦ信号を、各々がｐ個に分配する。合成回路５１〜５ｐには、異なる分配回路４１〜４ｉからのｉ個のＲＦ信号が入力される。合成回路５１〜５ｐは、入力されたｉ個のＲＦ信号を電力合成して形成したサブアレービームのＲＦ信号をサブアレーＳＢｍの出力端から出力する。サブアレーＳＢｍは、同時にｐ個のサブアレービームのＲＦ信号を出力端から出力する。
【００１７】
つぎに、アンテナ装置１００では、ｐ個の周波数変換器６が、サブアレーＳＢｍのｐ個の出力端から入力されるサブアレービームのＲＦ信号の周波数をＩＦ周波数に周波数変換する。ｐ個のＡ／Ｄ変換器７が、ＩＦ周波数に周波数変換された信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。そして、ｐ個のデジタル検波器８が、デジタル信号に変換された信号を直交検波してＩ／Ｑ信号に変換する。他のサブアレーからのサブアレービームのＲＦ信号についても、他の周波数変換器６、Ａ／Ｄ変換器７およびデジタル検波器８によって同様の処理がなされている。
【００１８】
ビーム合成器群９では、ｐ個のビーム合成器９１，９２，…，９ｐの各々に、異なるサブアレーＳＢ１〜ＳＢｎから出力されたＲＦ信号が変換されたｎ個のＩ／Ｑ信号が入力される。ビーム合成器９１，９２，…，９ｐは、入力されたｎ個のＩ／Ｑ信号に複素ウエイトを乗じ、加算することで合成ビームを形成する。サブアレーＳＢｍの出力端と同数のビーム合成器９１，９２，…，９ｐが、入力されたＩ／Ｑ信号を用いて合成ビームを形成する。これにより、ビーム合成器群９では、複数の合成ビームを同時に得ることができる。
【００１９】
ここで、サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎの分配回路４１〜４ｉにおける分配数ｐについて説明する。図３は、本実施の形態にかかるビーム合成器群９で形成される合成ビーム１４を示す図である。サブアレービーム１３１を正面に形成するように移相器３１〜３ｉの位相が設定された場合の合成ビームによるアンテナパターンを示す図である。なお、ビーム合成器群９で実際に形成されるものは合成ビーム１４である。図３においてサブアレービーム１３１〜１３ｐは、合成ビームの形成の際に用いられる、ビーム合成器９１，９２，…，９ｐに入力されるサブアレービームである。サブアレービーム１３１〜１３ｐは、各サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎから出力されるｐ個のサブアレービームのＲＦ信号に相当する。なお、図３では、記載を簡略化するため、一部の合成ビームにのみ１４の符号を付与しているが、１４の符号が付与されている合成ビームと同じ大きさのビームは合成ビーム１４である。図５においても同様である。
【００２０】
サブアレービーム１３１がアンテナ装置１００の正面に指向するようにビーム制御器１０から移相器３１〜３ｉの位相が設定された場合、本実施の形態では、サブアレービーム１３１を中心に指向角がθsb2［度］方向にサブアレービーム１３２、指向角がθsbj［度］方向にサブアレービーム１３ｊ、指向角がθsbp［度］方向にサブアレービーム１３ｐが配置される。図３において、サブアレービーム１３１〜１３ｐのｐ個のサブアレービームが配置された範囲が、ビーム合成器群９において、合成ビーム１４の形成可能なビーム形成範囲１５となる。ビーム合成器群９の各ビーム合成器９１，９２，…，９ｐでは、１つのサブアレービームの範囲内で複数の合成ビーム１４を形成可能である。
【００２１】
例えば、ビーム合成器群９のビーム合成器９１には、各サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎからサブアレービーム１３１のＲＦ信号が変換されたＩ／Ｑ信号が入力され、図３のサブアレービーム１３１の示す範囲に複数の合成ビーム１４を形成する。同様に、ビーム合成器群９のビーム合成器９２には、各サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎからサブアレービーム１３２のＲＦ信号が変換されたＩ／Ｑ信号が入力され、図３のサブアレービーム１３２の示す範囲に複数の合成ビーム１４を形成する。また、ビーム合成器群９のビーム合成器９ｐには、各サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎからサブアレービーム１３ｐのＲＦ信号が変換されたＩ／Ｑ信号が入力され、図３のサブアレービーム１３ｐの示す範囲に複数の合成ビーム１４を形成する。図３の例では、サブアレービーム１３１の指向角と、ビーム合成器９１がサブアレービーム１３１のＲＦ信号が変換されたＩ／Ｑ信号を用いて形成する合成ビーム１４のうち、合成ビーム１４を形成可能な範囲の中心の合成ビーム１４の指向角とは同じになる。同様に、サブアレービーム１３２の指向角はビーム合成器９２が形成する中心の合成ビーム１４の指向角と同じであり、サブアレービーム１３ｐの指向角はビーム合成器９ｐが形成する中心の合成ビーム１４の指向角と同じである。サブアレービームの指向角については、合成ビーム１４の指向角として表すこともできる。
【００２２】
アンテナ装置１００において、ビーム合成器群９が合成ビームを形成可能なビーム形成範囲１５は、各サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎから出力されるサブアレービームの個数ｐおよびサブアレービームの指向角によって任意に拡大することが可能である。ここで、サブアレービームの個数ｐは、サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎ内の分配回路４１〜４ｉの分配数ｐにより変更可能である。
【００２３】
つぎに、サブアレービーム１３２〜１３ｐの指向角θsb2〜θsbpについて説明する。図４は、本実施の形態にかかるサブアレーＳＢｍの素子アンテナ１１〜１ｉの素子配列の一例を示す図である。素子アンテナ１１〜１ｉをＸ−Ｙ平面上に素子間隔Ｌで配置した状態を示す斜視図である。サブアレービーム１３２〜１３ｐの指向角θsb2〜θsbpの方向を原点Ｏから見たときの方向単位ベクトルをｄ2〜ｄp（以下の説明では代表して符号をｄjとする。）で表す。なお、サブアレービーム１３１はアンテナ装置１００のビーム正面のため、方向単位ベクトルｄ1はＺ軸と重なる。また、サブアレーＳＢｍの素子アンテナ１１〜１ｉの方向を原点Ｏから見たときの位置ベクトルをｒ1〜ｒi（以下の説明では代表して符号をｒhとする。）で表す。図４において、原点Ｏは、Ｘ−Ｙ平面において素子アンテナ１１〜１ｉが配置されている範囲の中央の位置である。
【００２４】
ここで、サブアレーＳＢｍにおいて、分配回路４ｈから合成回路５１を経由したサブアレーＳＢｍの出力端までの通過位相をφh1とし、分配回路４ｈから合成回路５ｊを経由したサブアレーＳＢｍの出力端までの通過位相をφhjとする。サブアレーＳＢｍでは、通過位相φh1を基準として式（１）に示す通過位相差が発生するように、分配回路４ｈから合成回路５１の線路長および分配回路４ｈから合成回路５ｊの線路長を設定する。式（１）において、（ｒh・ｄj）は方向単位ベクトルｄjと位置ベクトルｒhとの内積である。
【００２５】
φhj−φh1＝ｅｘｐ［−ｊｋ（ｒh・ｄj）］  …（１）
【００２６】
ｋは式（２）で示される波数である。式（２）において、λはアンテナ装置１００で受信される、すなわち、各サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎの素子アンテナ１１〜１ｉで受信されるＲＦ信号の自由空間における波長である。
【００２７】
ｋ＝２π／λ  …（２）
【００２８】
通過位相φhjの場合について説明したが、通過位相φ11〜φipについても同様である。同じ分配回路と合成回路５１〜５ｐとの間のｐ個の線路について、基準となる線路を通過する信号の通過位相と他の線路を通過する信号の通過位相との差分が規定された通過位相差になるように、すなわち、式（１）に示す通過位相差が発生するように、サブアレーＳＢｍにおいて線路長を設定する。なお、他のサブアレーについてもサブアレーＳＢｍと同様とする。
【００２９】
このように、分配回路４１〜４ｉおよび合成回路５１〜５ｐで構成される給電回路の線路の線路長によって通過位相差を設定したサブアレーＳＢ１〜ＳＢｎを備えるアンテナ装置１００では、制御によらず、各サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎにおいてサブアレービーム１３１〜１３ｐを同時に形成する。ビーム合成器群９が備えるｐ個のビーム合成器９１〜９ｐには、各サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎから出力された同じ指向角のサブアレービームが変換されたＩ／Ｑ信号が入力され、各ビーム合成器９１〜９ｐが合成ビーム１４を形成する。これにより、アンテナ装置１００では、ビーム形成範囲１５を広覆域に形成でき、広覆域にわたり合成ビーム１４を形成することが可能となる。
【００３０】
例えば、サブアレービーム１３１のＲＦ信号を出力する合成回路５１につながる線路を基準とした場合、ビーム制御器１０では、各サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎの各移相器３１〜３ｉに対して、サブアレービーム１３１を形成するための位相を設定すればよい。各サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎの他の合成回路５２〜５ｐにつながる線路には、サブアレービーム１３１のＲＦ信号を出力する合成回路につながる線路との間に通過位相差が発生する。そのため、アンテナ装置１００では、合成回路５２からはサブアレービーム１３２のＲＦ信号が出力され、合成回路５ｊからはサブアレービーム１３ｊのＲＦ信号が出力され、合成回路５ｐからはサブアレービーム１３ｐのＲＦ信号が出力されることになる。
【００３１】
また、アンテナ装置１００では、ビーム制御器１０からサブアレーＳＢ１〜ＳＢｎの各移相器３１〜３ｉを制御することにより、ビーム形成範囲１５を変化させることが可能である。図５は、本実施の形態にかかるビーム合成器群９で形成される走査時の合成ビーム１４を示す図である。サブアレービーム１３１を走査した場合の合成ビームによるアンテナパターンを示す図である。ビーム制御器１０の制御により移相器３１〜３ｉの位相を変化させてサブアレー１３１をθc方向に指向するようにしてビーム走査する場合、アンテナ装置１００では、図３に示す相対的な位置関係を維持した状態で、サブアレービーム１３１を中心にサブアレービーム１３２〜１３ｐが同時に形成されることになる。このように、アンテナ装置１００では、任意の方向に広覆域にわたり合成ビーム１４を形成することができ、広覆域なビーム形成範囲１５の方向を変化させることができる。
【００３２】
ビーム合成器群９では、ビーム合成器９１〜９ｐの各々が従来と同様のビーム合成の処理をすることにより、図３または図５に示す指向角の合成ビームを形成することができる。すなわち、ビーム合成器群９において、ビーム合成器９１〜９ｐは、異なる指向角の合成ビームを形成し、ビーム走査のためビーム制御器１０の制御により移相器３１〜３ｉに設定される位相が変更された場合、ビーム合成器９１〜９ｐは、同じ角度だけ向きを変えて、異なる指向角の合成ビームを形成する。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＤＢＦ方式のアンテナ装置１００では、サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎにおいて、複数の素子アンテナを備え、素子アンテナに接続される移相器の出力をｐ個に分配し、給電回路を構成する複数の分配回路およびｐ個の合成回路の間の線路の線路長によって、基準となる線路に対して他の線路の通過位相差を設定することとした。これにより、アンテナ装置１００では、サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎにおいて、ビーム走査可能な複数のサブアレービームを同時に形成し、ビーム合成器群９が各サブアレービームを用いて複数の合成ビームを形成することで、合成ビームを形成する覆域を拡大することができる。この結果、一般的には素子アンテナに接続される移相器がサブアレービーム数分必要なのに対して、移相器の数を大幅に削減できるため、コストを抑制することができる。また、アンテナ装置１００では、サブアレーＳＢ１〜ＳＢｎが複数のサブアレービームを同時に形成できるため、サブアレー単位を小さくする必要もない。また、従来、サブアレー１本分であった合成ビームのビーム形成範囲を広覆域化することができる。
【００３４】
また、アンテナ装置１００では、ビーム走査をする場合に、合成ビームを形成する覆域を維持したまま、走査するビームの角度を変更することが可能である。
【００３５】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００３６】
ＳＢ１〜ＳＢｎ  サブアレー、１１〜１ｉ  素子アンテナ、２１〜２ｉ  増幅器、３１〜３ｉ  移相器、４１〜４ｉ  分配回路、５１〜５ｐ  合成回路、６  周波数変換器、７  Ａ／Ｄ変換器、８  デジタル検波器、９  ビーム合成器群、９１〜９ｐ  ビーム合成器、１０  ビーム制御器、１４  合成ビーム、１５  ビーム形成範囲、１３１〜１３ｐ  サブアレービーム。
【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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