(57)【要約】  素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じている状態での各素子アンテナ２−ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の放射パターンｇｎ（θｍ）と、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じていない状態でのフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンＥ（θｍ）とを用いて、素子アンテナ２−ｎが受けている相互結合の影響を補償する補償ベクトルｗｎを算出する補償ベクトル算出部２６を設け、移相器制御装置２７が、補償ベクトル算出部２６により算出された補償ベクトルｗｎを用いて、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相φ１〜φＮを設定し、その励振位相φ１〜φＮを移相器３−１〜３−Ｎに指示する。
2017009972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェーズドアレーアンテナを構成している複数の素子アンテナと、
前記素子アンテナの励振位相を制御する複数の移相器と、
前記複数の素子アンテナの間で相互結合が生じている状態での各素子アンテナの放射パターンを記憶している第１の放射パターン記憶部と、
前記複数の素子アンテナの間で相互結合が生じていない状態での前記フェーズドアレーアンテナの放射パターンを記憶している第２の放射パターン記憶部と、
前記第１及び第２の放射パターン記憶部に記憶されている放射パターンを用いて、前記素子アンテナ毎に、当該素子アンテナが受けている相互結合の影響を補償する補償ベクトルを算出する補償ベクトル算出部と、
前記補償ベクトル算出部により算出された補償ベクトルを用いて、前記複数の素子アンテナの励振位相を設定し、前記励振位相を前記複数の移相器に指示する制御部と
を備えたアンテナ装置。
【請求項２】
前記複数の素子アンテナにより受信された信号を合成する信号合成部と、
前記信号合成部により合成された信号を検波する受信機と、
前記受信機により検波された信号を蓄積し、その蓄積した信号の時間平均を算出する時間平均算出部と、
前記制御部から出力される励振位相の切換周期と、前記時間平均算出部による信号の蓄積周期との同期を図る同期確立部と
を備えたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記時間平均算出部は、前記受信機により検波された信号を離散フーリエ変換することで、前記受信機により検波された信号の時間平均を求めることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記複数の素子アンテナから送信された信号を受信する受信アンテナと、
前記受信アンテナにより受信された信号を検波する受信機と、
前記制御部から出力される励振位相の切換周期を記憶している切換周期記憶部と、
前記切換周期記憶部に記憶されている切換周期毎に、前記受信機により検波された信号を蓄積し、その蓄積した信号の時間平均を算出する時間平均算出部と
を備えたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記時間平均算出部は、前記受信機により検波された信号を離散フーリエ変換することで、前記受信機により検波された信号の時間平均を求めることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記制御部は、
励振位相の切換回数を設定する切換回数設定部と、
前記切換回数設定部により設定された切換回数と前記補償ベクトル算出部により算出された補償ベクトルとを用いて、前記複数の素子アンテナの励振位相を設定する励振位相設定部と、
前記励振位相設定部により設定された複数の素子アンテナの励振位相を前記複数の移相器に指示する励振位相出力部とから構成されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記励振位相設定部は、前記素子アンテナ毎に、当該素子アンテナにおける前記切換回数分の励振位相を更新しながら、前記切換回数分の励振位相と当該素子アンテナの励振振幅から算出される振幅位相ベクトルと、前記補償ベクトル算出部により算出された当該素子アンテナの補償ベクトルとの差分を繰り返し算出して、その算出した複数の差分を比較し、前記更新している切換回数分の励振位相の中から、前記複数の差分の比較結果にしたがって当該素子アンテナの励振位相に設定する切換回数分の励振位相を選択することを特徴とする請求項６記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記励振位相設定部は、前記切換回数分の励振位相として、共役関係がある励振位相を用いることを特徴とする請求項７記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記第１の放射パターン記憶部は、前記素子アンテナ毎に、当該素子アンテナの励振位相を変化させて、前記フェーズドアレーアンテナの合成電界の振幅レベルの変化分を算出して、前記変化分から当該素子アンテナの相対振幅値及び相対位相値を算出し、当該素子アンテナの相対振幅値及び相対位相値を当該素子アンテナの放射パターンとして記憶していることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記第１の放射パターン記憶部は、計算機によるシミュレーションによって、前記複数の素子アンテナの間で相互結合が生じている状態での各素子アンテナの放射パターンを事前に求め、前記各素子アンテナの放射パターンを記憶していることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
複数の移相器が、フェーズドアレーアンテナを構成している複数の素子アンテナの励振位相を制御し、
補償ベクトル算出部が、前記複数の素子アンテナの間で相互結合が生じている状態での各素子アンテナの放射パターンと、前記複数の素子アンテナの間で相互結合が生じていない状態での前記フェーズドアレーアンテナの放射パターンとを用いて、前記素子アンテナ毎に、当該素子アンテナが受けている相互結合の影響を補償する補償ベクトルを算出し、
制御部が、前記補償ベクトル算出部により算出された補償ベクトルを用いて、前記複数の素子アンテナの励振位相を設定し、前記励振位相を前記複数の移相器に指示する
アンテナ励振方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フェーズドアレーアンテナを構成している複数の素子アンテナの励振位相を時分割で変化させて、複数の素子アンテナの間の相互結合の影響を補償するアンテナ装置及びアンテナ励振方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フェーズドアレーアンテナを実装しているアンテナ装置では、複数の素子アンテナに接続されている移相器の移相量を制御することで、電子的にアンテナ放射パターンを制御することができるため、各種のレーダシステムや衛星搭載用アンテナとして広く利用されている。
ただし、フェーズドアレーアンテナを構成している複数の素子アンテナが狭い間隔で配置されている場合、複数の素子アンテナの間で相互結合が生じることがある。
相互結合が生じているとき、或る１つの素子アンテナを注目し、その注目している素子アンテナ以外の全ての素子アンテナを無反射終端の状態で、その注目している素子アンテナの放射パターンを測定すると、その放射パターンは、その注目している素子アンテナだけが単独で存在している場合の当該素子アンテナの放射パターンと異なるものとなる。このため、所望のアンテナ放射パターンが得られず、アンテナ特性の劣化を生じることがある。【０００３】
以下の特許文献１には、複数の素子アンテナの間の相互結合の影響を補償しているアンテナ装置が開示されている。
このアンテナ装置では、相互結合が生じている状態での素子アンテナの放射パターンと、相互結合が生じていない状態での素子アンテナの放射パターンとから、相互結合の影響を表す相互結合行列を算出したのち、相互結合の影響を補償するための校正行列として、その相互結合行列の逆行列を算出するようにしている。
また、このアンテナ装置では、相互結合の影響を補償するための校正行列と、相互結合が生じていない状態での理想的な励振ベクトルとを乗算することで、相互結合を補償する励振ベクトルを算出するようにしている。【０００４】
このアンテナ装置では、その励振ベクトルで各素子アンテナを励振することにより、相互結合が補償されているアンテナ放射パターンを得るようにしている。
ただし、このアンテナ装置では、励振ベクトルを自在に制御するために、ディジタルビーム形成回路を用いているアンテナ構成、または、各素子アンテナに対して可変減衰器等の振幅制御用デバイスが設けられているフェーズドアレーアンテナを前提としている。【０００５】
以下の非特許文献１には、相互結合の影響を補償する技術ではないが、フェーズドアレーアンテナの性能を高めるために、励振ベクトルを制御する技術として、時間ウェイトの概念を利用する時間変調アレーアンテナが提案されている。
この時間変調アレーアンテナは、励振位相を時分割で切り換え、それぞれの励振位相で受信された信号、あるいは、送信された信号を時間平均（時間積分）することで、等価的に所定の振幅分布を与えた状態と同じ効果（アンテナ放射パターン）を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１４８８３６号公報（段落［００１０］）
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】中西他、“共役関係を利用した位相制御型時間変調アレーアンテナ”，電子情報通信学会論文誌B, Vol.J97-B, No.7, pp.546-555，2014
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のアンテナ装置は以上のように構成されているので、相互結合の影響を表す相互結合行列を算出したのち、相互結合の影響を補償するための校正行列として、その相互結合行列の逆行列を算出し、さらに、その校正行列と理想的な励振ベクトルとを乗算するという段階的な演算処理を実施すれば、相互結合を補償することが可能な励振ベクトルを算出することができる。しかし、段階的な演算処理を実施するには、多くのメモリ量が必要になるほか、演算処理が完了するまでに多くの時間を要する。演算処理時間が長くなると、励振位相の切換周期を長くしなければならず、アンテナ放射パターンの制御上の制約を受けてしまうという課題があった。
また、励振ベクトルを自在に制御するには、各素子アンテナに対して可変減衰器などの振幅制御用デバイスを接続する必要があり、コスト高を招いてしまうという課題もあった。【０００９】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、段階的な演算処理を実施することなく、速やかに複数の素子アンテナの間の相互結合の影響を補償することができる振幅制御用デバイスが不要なアンテナ装置及びアンテナ励振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】
この発明に係るアンテナ装置は、フェーズドアレーアンテナを構成している複数の素子アンテナと、素子アンテナの励振位相を制御する複数の移相器と、複数の素子アンテナの間で相互結合が生じている状態での各素子アンテナの放射パターンを記憶している第１の放射パターン記憶部と、複数の素子アンテナの間で相互結合が生じていない状態でのフェーズドアレーアンテナの放射パターンを記憶している第２の放射パターン記憶部と、第１及び第２の放射パターン記憶部に記憶されている放射パターンを用いて、素子アンテナ毎に、当該素子アンテナが受けている相互結合の影響を補償する補償ベクトルを算出する補償ベクトル算出部とを設け、制御部が、補償ベクトル算出部により算出された補償ベクトルを用いて、複数の素子アンテナの励振位相を設定し、その励振位相を複数の移相器に指示するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、複数の素子アンテナの間で相互結合が生じている状態での各素子アンテナの放射パターンと、複数の素子アンテナの間で相互結合が生じていない状態でのフェーズドアレーアンテナの放射パターンとを用いて、素子アンテナ毎に、当該素子アンテナが受けている相互結合の影響を補償する補償ベクトルを算出する補償ベクトル算出部を設け、制御部が、補償ベクトル算出部により算出された補償ベクトルを用いて、複数の素子アンテナの励振位相を設定し、その励振位相を複数の移相器に指示するように構成したので、段階的な演算処理を実施することなく、速やかに複数の素子アンテナの間の相互結合の影響を補償することができる振幅制御用デバイスが不要なアンテナ装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置のディジタル信号処理部２０を示すハードウェア構成図である。
【図３】ディジタル信号処理部２０がコンピュータで構成される場合のハードウェア構成図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置のディジタル信号処理部２０の処理内容（アンテナ励振方法）を示すフローチャートである。
【図５】アンテナ放射パターンの具体例を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態２によるアンテナ装置のディジタル信号処理部２０及び時間平均算出部６５等の処理内容（アンテナ励振方法）を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。
【００１４】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図である。また、図２はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置のディジタル信号処理部２０を示すハードウェア構成図である。
図１及び図２において、フェーズドアレーアンテナ１はＮ（Ｎは２以上の整数）本の素子アンテナ２−１〜２−Ｎから構成されている。
移相器３−１〜３−Ｎは移相器制御装置２７の励振位相出力部３０から出力された励振位相にしたがって素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相を制御する。
即ち、移相器３−１〜３−Ｎは励振位相出力部３０から出力された励振位相にしたがって素子アンテナ２−１〜２−Ｎから出力された高周波信号（到来電波）の位相を変化させる。
電力合成器４は移相器３−１〜３−Ｎにより位相が変化された高周波信号を合成する信号合成部である。
【００１５】
受信機１１は電力合成器４により合成された高周波信号を検波する通信装置である。
Ａ／Ｄ変換器１２は受信機１１により検波されたアナログの高周波信号をディジタル信号に変換し、ディジタルの高周波信号をディジタル信号処理部２０に出力する。
時間平均算出部２１は例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）を実装している半導体集積回路や、ワンチップマイコンなどから形成されている時間平均算出処理回路３１で実現されるものであり、Ａ／Ｄ変換器１２から出力されたディジタルの高周波信号を蓄積し、その蓄積した高周波信号の時間平均を算出する処理を実施する。
【００１６】
同期確立部２２は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路や、ワンチップマイコンなどから形成されている同期確立処理回路３２で実現されるものであり、励振位相出力部３０から出力される励振位相の切換周期と、時間平均算出部２１による高周波信号の蓄積周期との同期を図る処理を実施する。
補償ベクトル算出処理部２３は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路又はワンチップマイコンや、ＲＡＭやハードディスクなどの記憶装置などから形成されている補償ベクトル算出処理回路３３で実現されるものであり、素子アンテナ２−１〜２−Ｎが受けている相互結合の影響を補償する補償ベクトルを算出する処理を実施する。
【００１７】
素子放射パターン記憶部２４は素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じている状態での各素子アンテナ２−ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の放射パターンを記憶している第１の放射パターン記憶部である。
参照パターン記憶部２５は素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じていない状態でのフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンを記憶している第２の放射パターン記憶部である。
補償ベクトル算出部２６は素子放射パターン記憶部２４に記憶されている素子アンテナ２−ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の放射パターンと、参照パターン記憶部２５に記憶されているフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンとを用いて、素子アンテナ２−ｎが受けている相互結合の影響を補償する補償ベクトルを算出する処理を実施する。
【００１８】
移相器制御装置２７は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路や、ワンチップマイコンなどから形成されている移相器制御処理回路３４で実現されるものであり、補償ベクトル算出部２６により算出された補償ベクトルを用いて、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相を設定し、その励振位相を移相器３−１〜３−Ｎに指示する制御部である。
切換回数設定部２８は励振位相の切換回数を設定する処理を実施する。
【００１９】
励振位相設定部２９は切換回数設定部２８により設定された切換回数と補償ベクトル算出部２６により算出された補償ベクトルとを用いて、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相を設定する処理を実施する。
即ち、励振位相設定部２９は素子アンテナ毎に、素子アンテナ２−ｎにおける切換回数分の励振位相を更新しながら、その切換回数分の励振位相と素子アンテナ２−ｎの励振振幅から算出される振幅位相ベクトルと、補償ベクトル算出部２６により算出された素子アンテナ２−ｎの補償ベクトルとの差分を繰り返し算出して、その算出した複数の差分を比較し、更新している切換回数分の励振位相の中から、複数の差分の比較結果にしたがって素子アンテナ２−ｎの励振位相に設定する切換回数分の励振位相を選択する処理を実施する。
励振位相出力部３０は励振位相設定部２９により設定された素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相を移相器３−１〜３−Ｎに指示する処理を実施する。
【００２０】
図１の例では、アンテナ装置のディジタル信号処理部２０の構成要素である時間平均算出部２１、同期確立部２２、補償ベクトル算出処理部２３及び移相器制御装置２７のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、ディジタル信号処理部２０がコンピュータで構成されていてもよい。
図３はディジタル信号処理部２０がコンピュータで構成される場合のハードウェア構成図である。
ディジタル信号処理部２０がコンピュータで構成される場合、素子放射パターン記憶部２４及び参照パターン記憶部２５をコンピュータのメモリ４１上に構成するとともに、時間平均算出部２１、同期確立部２２、補償ベクトル算出部２６及び移相器制御装置２７の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリ４１に格納し、当該コンピュータのプロセッサ４２がメモリ４１に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図４はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置のディジタル信号処理部２０の処理内容（アンテナ励振方法）を示すフローチャートである。
【００２１】
次に動作について説明する。
フェーズドアレーアンテナ１を構成している素子アンテナ２−１〜２−Ｎが狭い間隔で配置されている場合、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じることがある。
この実施の形態１では、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で生じている相互結合の影響を簡易な構成で速やかに補償することを目的としている。
【００２２】
補償ベクトル算出処理部２３の素子放射パターン記憶部２４には、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じている状態での各素子アンテナ２−ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の放射パターンｇｎ（θｍ）（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ：ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）が記憶されている（図４のステップＳＴ１）。
ｇｎ（θｍ）において、ｎはｎ番目の素子アンテナ２−ｎの放射パターンであることを意味し、ｍは素子アンテナ２−ｎから放射される電波におけるＭ個の角度方向（放射方向）の中のｍ番目の角度方向を意味している。
【００２３】
この実施の形態１では、相互結合が生じている状態での素子アンテナ２−ｎの放射パターンｇｎ（θｍ）が、計算機のシミュレーション、あるいは、測定によって事前に得られているものとする。
ただし、計算機のシミュレーションや測定によって放射パターンｇｎ（θｍ）が得られているものに限るものではなく、以下のようにして、放射パターンｇｎ（θｍ）が計算されているものであってもよい。
【００２４】
Ｎ本の素子アンテナ２−１〜２−Ｎの中で、或る１つの素子アンテナ２−ｎを注目し、その注目している素子アンテナ２−ｎ以外の全ての素子アンテナを無反射終端の状態とする。
角度方向ｍ毎に、素子アンテナ２−ｎの励振位相φｎを変化させる前のフェーズドアレーアンテナ１の合成電界の振幅レベルＡを測定したのち、素子アンテナ２−ｎの励振位相φｎを変化させて、フェーズドアレーアンテナの合成電界の振幅レベルＢを測定し、その振幅レベルＡと振幅レベルＢの変化分Ｃ（＝Ａ−Ｂ）を算出する。
そして、振幅レベルＡと振幅レベルＢの変化分Ｃから、素子アンテナ２−ｎの相対振幅値及び相対位相値を算出し、素子アンテナ２−ｎの相対振幅値及び相対位相値を素子アンテナ２−ｎの放射パターンｇｎ（θｍ）として素子放射パターン記憶部２４に格納する。
なお、振幅レベルＡと振幅レベルＢの変化分Ｃから、素子アンテナ２−ｎの相対振幅値及び相対位相値を算出する処理は、例えば、以下の非特許文献２に開示されている。
【００２５】
［非特許文献２］
真野清司 , 片木孝至, “フェイズドアレーアンテナの素子振幅位相測定法−素子電界ベクトル回転法 −,” 信学論(B), vol.J65-B, no.5, pp. 555-560, May 1982.
【００２６】
補償ベクトル算出処理部２３の参照パターン記憶部２５には、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じていない状態でのフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンＥ（θｍ）（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）が記憶されている（ステップＳＴ２）。
Ｅ（θｍ）において、ｍはＭ個の角度方向（主ビームの放射方向）のうち、ｍ番目の角度方向であることを意味している。
この実施の形態１では、相互結合が生じていない状態での理想的なフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンＥ（θｍ）が、計算機のシミュレーションによる事前の計算、あるいは、測定によって得られているものとする。
【００２７】
補償ベクトル算出部２６は、素子放射パターン記憶部２４に記憶されている素子アンテナ２−ｎの放射パターンｇｎ（θｍ）と、参照パターン記憶部２５に記憶されているフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンＥ（θｍ）とを用いて、下記の式（１）に示すように、素子アンテナ２−ｎが受けている相互結合の影響を補償する補償ベクトルｗｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）を算出する（ステップＳＴ３）。
【００２８】
2017009972.tif 000003
ただし、添字のＨはエルミート転置、添字の−１は逆行列を表している。
【００２９】
移相器制御装置２７の切換回数設定部２８は、励振位相φｎの切換回数ｋを設定する（ステップＳＴ４）。
励振位相設定部２９は、切換回数設定部２８が励振位相φｎの切換回数ｋを設定し、補償ベクトル算出部２６が補償ベクトルｗｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）を算出すると、その励振位相φｎの切換回数ｋと補償ベクトルｗｎを用いて、素子アンテナ２−ｎの励振位相φｎを設定する（ステップＳＴ５）。
以下、励振位相設定部２９による素子アンテナ２−ｎの励振位相φｎの設定処理を具体的に説明する。
【００３０】
励振位相設定部２９は、励振位相φｎの切換回数ｋが例えば２であれば、切換回数分（２回分）の励振位相φｎｋとして、共役関係がある励振位相φｎ１と励振位相φｎ２を用意する。この例では、共役関係があるため、φｎ２＝−φｎ１である。
また、切換回数分の励振位相φｎｋの更新回数が例えばＧ回であれば、励振位相φｎ１又は励振位相φｎ２のうち、少なくとも一方を少し変化させて、互いに異なる励振位相φｎ１，φｎ２のペアをＧ個用意する。
励振位相設定部２９は、Ｇ組の励振位相φｎ１，φｎ２の中から、１組の励振位相φｎ１，φｎ２を順番に選択し、その選択した励振位相φｎ１，φｎ２と既知である素子アンテナ２−ｎの振幅ａｎとを用いて、下記の式（２）に示すように、振幅位相ベクトルｈｎを算出する。
2017009972.tif 000004
【００３１】
励振位相設定部２９は、Ｇ組の励振位相φｎ１，φｎ２の中から、１組の励振位相φｎ１，φｎ２を順番に選択して、Ｇ個の振幅位相ベクトルｈｎを算出すると、Ｇ個の振幅位相ベクトルｈｎの中から、１個の振幅位相ベクトルｈｎを順番に選択し、下記の式（３）に示すように、その選択した振幅位相ベクトルｈｎと補償ベクトル算出部２６により算出された補償ベクトルｗｎとの差分を示す評価関数ｆ（ｎ，ｋ）を算出する。
2017009972.tif 000005
【００３２】
励振位相設定部２９は、Ｇ個の評価関数ｆ（ｎ，ｋ）を算出すると、Ｇ個の評価関数ｆ（ｎ，ｋ）の関数値を比較することで、Ｇ個の評価関数ｆ（ｎ，ｋ）の中で、関数値が最小（ｗｎとｈｎの差分が最小）となっている評価関数ｆ（ｎ，ｋ）を特定し、その評価関数ｆ（ｎ，ｋ）の算出に用いている１組の励振位相φｎ１，φｎ２を特定する。
励振位相設定部２９は、１組の励振位相φｎ１，φｎ２を特定すると、その励振位相φｎ１を１回目の素子アンテナ２−ｎの励振位相φｎ（切換前の励振位相）に設定し、その励振位相φｎ２を２回目の素子アンテナ２−ｎの励振位相φｎ（切換後の励振位相）に設定する。
【００３３】
ここでは、Ｇ個の評価関数ｆ（ｎ，ｋ）の関数値を比較することで、Ｇ個の評価関数ｆ（ｎ，ｋ）の中で、関数値が最小となっている評価関数ｆ（ｎ，ｋ）を特定して、その評価関数ｆ（ｎ，ｋ）の算出に用いている１組の励振位相φｎ１，φｎ２を特定する例を示しているが、評価関数ｆ（ｎ，ｋ）の関数値が最小となる１組の励振位相φｎ１，φｎ２を遺伝的アルゴリズムなどによって算出するようにしてもよい。
【００３４】
また、ここでは、励振位相φｎの切換回数ｋが２である例を示しているが、励振位相φｎの切換回数ｋは２に限るものではなく、例えば、４や６などでもよい。励振位相φｎの切換回数ｋが４であれば、関数値が最小となる評価関数ｆ（ｎ，ｋ）の算出に用いている１組の励振位相φｎ１，φｎ２，φｎ３，φｎ４を特定する。そして、その励振位相φｎ１を１回目の素子アンテナ２−ｎの励振位相φｎに設定し、その励振位相φｎ２を２回目の素子アンテナ２−ｎの励振位相φｎに設定し、その励振位相φｎ３を３回目の素子アンテナ２−ｎの励振位相φｎに設定し、その励振位相φｎ４を４回目の素子アンテナ２−ｎの励振位相φｎに設定する。
【００３５】
また、ここでは、切換回数分（２回分）の励振位相φｎｋとして、共役関係がある励振位相φｎ１と励振位相φｎ２を用意している例を示しているが、励振位相φｎ１と励振位相φｎ２が共役関係にあることは必須ではない。ただし、励振位相φｎ１と励振位相φｎ２が共役関係にある場合、式（２）に示している振幅位相ベクトルｈｎのうち、素子アンテナ２−ｎの振幅ａｎを除く部分をｃｏｓ（φｎ１）で表すことができるため、計算の簡単化を図ることができる。
【００３６】
励振位相出力部３０は、同期確立部２２から励振位相の出力指令又は励振位相の切換指令を受けると、励振位相設定部２９により設定された素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相φ１〜φＮを移相器３−１〜３−Ｎに出力する（ステップＳＴ６）。
即ち、励振位相出力部３０は、例えば、切換回数設定部２８により設定された励振位相φｎの切換回数ｋが２であれば、同期確立部２２から励振位相の出力指令を受けると、１回目の素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相φ１〜φＮとして、励振位相φ１１〜φＮ１を移相器３−１〜３−Ｎに出力する。その後、同期確立部２２から励振位相の切換指令を受けると、２回目の素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相φ１〜φＮとして、励振位相φ１２〜φＮ２を移相器３−１〜３−Ｎに出力する。
【００３７】
フェーズドアレーアンテナ１を構成している素子アンテナ２−１〜２−Ｎは、到来電波である高周波信号を受信し、その高周波信号を移相器３−１〜３−Ｎに出力する。
移相器３−１〜３−Ｎは、移相器制御装置２７の励振位相出力部３０から励振位相φ１〜φＮを受けると、その励振位相φ１〜φＮにしたがって素子アンテナ２−１〜２−Ｎから出力された高周波信号の位相を変化させる。
電力合成器４は、移相器３−１〜３−Ｎにより位相が変化されたＮ個の高周波信号を合成する。
【００３８】
受信機１１は、電力合成器４がＮ個の高周波信号を合成すると、合成後の高周波信号を検波する。
Ａ／Ｄ変換器１２は、受信機１１により検波されたアナログの高周波信号をディジタル信号に変換し、ディジタルの高周波信号をディジタル信号処理部２０の時間平均算出部２１に出力する。
【００３９】
ディジタル信号処理部２０の同期確立部２２は、励振位相出力部３０から出力される励振位相の切換周期と、時間平均算出部２１による高周波信号の蓄積周期との同期を図る処理を実施する。
即ち、同期確立部２２は、例えば、切換回数設定部２８により設定された励振位相φｎの切換回数ｋが２であれば、１回目の素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相φ１〜φＮとして、励振位相φ１１〜φＮ１が設定されているときの高周波信号が時間平均算出部２１で蓄積され、また、２回目の素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相φ１〜φＮとして、励振位相φ１２〜φＮ２が設定されているときの高周波信号が時間平均算出部２１で蓄積されるようにするため、１回目の励振位相φ１〜φＮの設定時には、励振位相の出力指令を励振位相出力部３０に出力すると同時に、１回目の高周波信号の蓄積指令を時間平均算出部２１に出力する。
また、２回目の励振位相φ１〜φＮの設定時には、励振位相の切換指令を励振位相出力部３０に出力すると同時に、２回目の高周波信号の蓄積指令を時間平均算出部２１に出力する。
さらに、２回目の励振位相φ１〜φＮの設定期間が完了すると、時間平均の算出指令を時間平均算出部２１に出力する。
【００４０】
時間平均算出部２１は、Ａ／Ｄ変換器１２からディジタルの高周波信号を受けると、その高周波信号を蓄積し、同期確立部２２の指示の下、その蓄積した高周波信号の時間平均を算出する。
即ち、時間平均算出部２１は、例えば、切換回数設定部２８により設定された励振位相φｎの切換回数ｋが２であれば、同期確立部２２から１回目の高周波信号の蓄積指令を受けると、Ａ／Ｄ変換器１２から出力されたディジタルの高周波信号を蓄積する（ステップＳＴ７）。
時間平均算出部２１は、未だ切換回数設定部２８により設定された励振位相φｎの切換回数ｋ分の高周波信号の蓄積が完了しておらず（ステップＳＴ８：ＮＯの場合）、同期確立部２２から２回目の高周波信号の蓄積指令を受けると、Ａ／Ｄ変換器１２から出力されたディジタルの高周波信号を蓄積する（ステップＳＴ７）。
【００４１】
時間平均算出部２１は、切換回数設定部２８により設定された励振位相φｎの切換回数ｋ分の高周波信号の蓄積が完了し（ステップＳＴ８：ＹＥＳの場合）、同期確立部２２から時間平均の算出指令を受けると、蓄積していた高周波信号の時間平均を算出する（ステップＳＴ９）。
【００４２】
ここでは、時間平均算出部２１がＡ／Ｄ変換器１２から出力されたディジタルの高周波信号を蓄積し、その蓄積した高周波信号の時間平均を算出するものを示したが、時間平均算出部２１がＡ／Ｄ変換器１２から出力されたディジタルの高周波信号を離散フーリエ変換して周波数帯域の信号を得ることで、その高周波信号の時間平均を求めるようにしてもよい。
【００４３】
図５はアンテナ放射パターンの具体例を示す説明図である。
図５では、フェーズドアレーアンテナ１が１６本の素子アンテナ２−１〜２−１６で構成されており、角度方向のデータ数が１８１（Ｍ＝１８１）、切換回数設定部２８により設定された励振位相φｎの切換回数ｋが２である例を示している。ただし、素子アンテナの本数、角度方向のデータ数、励振位相φｎの切換回数ｋは、単なる一例であり、任意に変更してもよい。
【００４４】
図５において、横軸が角度方向、縦軸が振幅を示しており、Ｘ（実線）は参照パターン記憶部２５に記憶されている相互結合が生じていない状態でのフェーズドアレーアンテナ１の理想的な放射パターンである。
また、Ｙ（点線）は相互結合の影響が補償されていない状態での放射パターン、Ｚ（破線）は実施の形態１によって相互結合の影響が補償された状態での放射パターンを示している。
図５より、相互結合の影響が補償されていない状態では、サイドローブレベルが高い放射パターンＹとなるが、実施の形態１によって相互結合の影響が補償されることで、理想的な放射パターンＸに近い放射パターンＺが得られることが分かる。
【００４５】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じている状態での各素子アンテナ２−ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の放射パターンｇｎ（θｍ）と、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じていない状態でのフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンＥ（θｍ）とを用いて、素子アンテナ２−ｎが受けている相互結合の影響を補償する補償ベクトルｗｎを算出する補償ベクトル算出部２６を設け、移相器制御装置２７が、補償ベクトル算出部２６により算出された補償ベクトルｗｎを用いて、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相φ１〜φＮを設定し、その励振位相φ１〜φＮを移相器３−１〜３−Ｎに指示するように構成したので、段階的な演算処理を実施することなく、速やかに素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間の相互結合の影響を補償することができる振幅制御用デバイスが不要なアンテナ装置が得られる効果を奏する。
【００４６】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、フェーズドアレーアンテナ１が受信アンテナとして使用されるものを示したが、フェーズドアレーアンテナ１が送信アンテナとして使用されるものであってもよい。
【００４７】
図６はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す構成図であり、図６において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
送信機５１は送信対象の高周波信号を電力分配器５２に出力する通信装置である。
電力分配器５２は送信機５１から出力された高周波信号を移相器３−１〜３−Ｎに等分配する分配回路である。
励振時間制御部５３は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、励振位相出力部３０から出力される励振位相の切換タイミングを制御する処理を実施する。
【００４８】
図６の例では、アンテナ装置のディジタル信号処理部２０の構成要素である補償ベクトル算出処理部２３、移相器制御装置２７及び励振時間制御部５３のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、ディジタル信号処理部２０がコンピュータで構成されていてもよい。
ディジタル信号処理部２０がコンピュータで構成される場合、素子放射パターン記憶部２４及び参照パターン記憶部２５を図３に示すコンピュータのメモリ４１上に構成するとともに、補償ベクトル算出部２６、移相器制御装置２７及び励振時間制御部５３の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリ４１に格納し、当該コンピュータのプロセッサ４２がメモリ４１に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図７はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置のディジタル信号処理部２０及び時間平均算出部６５等の処理内容（アンテナ励振方法）を示すフローチャートである。
【００４９】
受信アンテナ６１はフェーズドアレーアンテナ１を構成している素子アンテナ２−１〜２−Ｎから送信された高周波信号を受信するアンテナである。
受信機６２は受信アンテナ６１により受信された高周波信号を検波する通信装置である。
Ａ／Ｄ変換器６３は受信機６２により検波されたアナログの高周波信号をディジタル信号に変換し、ディジタルの高周波信号を時間平均算出部６５に出力する。
【００５０】
切換周期記憶部６４は例えばＲＡＭやハードディスクなどの記憶装置で構成されており、励振時間制御部５３から最初にタイミング信号が出力される時刻と、励振位相の切換タイミングとして、その励振位相の切換周期を記憶している。
時間平均算出部６５は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、切換周期記憶部６４に記憶されている切換周期毎に、Ａ／Ｄ変換器６３から出力されたディジタルの高周波信号を蓄積し、その蓄積した高周波信号の時間平均を算出する処理を実施する。
【００５１】
次に動作について説明する。
補償ベクトル算出処理部２３の素子放射パターン記憶部２４には、上記実施の形態１と同様に、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じている状態での各素子アンテナ２−ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の放射パターンｇｎ（θｍ）（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ：ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）が記憶されている（図７のステップＳＴ１１）。
補償ベクトル算出処理部２３の参照パターン記憶部２５には、上記実施の形態１と同様に、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じていない状態でのフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンＥ（θｍ）（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）が記憶されている（ステップＳＴ１２）。
【００５２】
補償ベクトル算出部２６は、上記実施の形態１と同様に、素子放射パターン記憶部２４に記憶されている素子アンテナ２−ｎの放射パターンｇｎ（θｍ）と、参照パターン記憶部２５に記憶されているフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンＥ（θｍ）とを用いて、上記の式（１）に示すように、素子アンテナ２−ｎが受けている相互結合の影響を補償する補償ベクトルｗｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）を算出する（ステップＳＴ１３）。
【００５３】
移相器制御装置２７の切換回数設定部２８は、上記実施の形態１と同様に、励振位相φｎの切換回数ｋを設定する（ステップＳＴ１４）。
励振位相設定部２９は、切換回数設定部２８が励振位相φｎの切換回数ｋを設定し、補償ベクトル算出部２６が補償ベクトルｗｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）を算出すると、上記実施の形態１と同様に、その励振位相φｎの切換回数ｋと補償ベクトルｗｎを用いて、素子アンテナ２−ｎの励振位相φｎを設定する（ステップＳＴ１５）。
【００５４】
励振時間制御部５３は、切換回数設定部２８により設定された励振位相φｎの切換回数ｋに応じて励振位相φｎの切換タイミングを制御する。
例えば、時間平均算出部６５による高周波信号の蓄積周期をＴとする場合には、励振位相φｎの切換時刻ｔを現在時刻からＴ×（ｊ−１）＋ｂだけ時間が経過した時刻に決定して、その切換時刻ｔに励振位相φｎの切換タイミングを示すタイミング信号を励振位相出力部３０に出力する。ただし、ｊ＝１，２，・・・，ｋ−１、ｂは定数である。この例では、現在時刻から時間ｂだけ経過した時刻に、最初のタイミング信号が励振位相出力部３０に出力されることになる。
【００５５】
励振位相出力部３０は、励振時間制御部５３からタイミング信号を受けると、励振位相設定部２９により設定された素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相φ１〜φＮを移相器３−１〜３−Ｎに出力する（ステップＳＴ１６）。
即ち、励振位相出力部３０は、例えば、切換回数設定部２８により設定された励振位相φｎの切換回数ｋが２であれば、励振時間制御部５３から１回目のタイミング信号を受けると、１回目の素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相φ１〜φＮとして、励振位相φ１１〜φＮ１を移相器３−１〜３−Ｎに出力する。その後、励振時間制御部５３から２回目のタイミング信号を受けると、２回目の素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相φ１〜φＮとして、励振位相φ１２〜φＮ２を移相器３−１〜３−Ｎに出力する。
【００５６】
送信機５１は、送信対象の高周波信号を電力分配器５２に出力する。
電力分配器５２は、送信機５１から高周波信号を受けると、その高周波信号を移相器３−１〜３−Ｎに等分配する。
移相器３−１〜３−Ｎは、移相器制御装置２７の励振位相出力部３０から励振位相φ１〜φＮを受けると、その励振位相φ１〜φＮにしたがって電力分配器５２により等分配された高周波信号の位相を変化させる。
フェーズドアレーアンテナ１を構成している素子アンテナ２−１〜２−Ｎは、移相器３−１〜３−Ｎにより位相が変化された高周波信号を空間に放射する（ステップＳＴ１７）。
【００５７】
受信アンテナ６１は、フェーズドアレーアンテナ１を構成している素子アンテナ２−１〜２−Ｎから放射された高周波信号を受信する（ステップＳＴ１８）。
受信機６２は、受信アンテナ６１により受信された高周波信号を検波する。
Ａ／Ｄ変換器６３は、受信機６２により検波されたアナログの高周波信号をディジタル信号に変換し、ディジタルの高周波信号を時間平均算出部６５に出力する。
【００５８】
時間平均算出部６５は、切換周期記憶部６４に記憶されている励振時間制御部５３から最初にタイミング信号が出力される時刻と、励振位相の切換周期とを参照して、素子アンテナ２−１〜２−Ｎにおける励振位相φｎの切換タイミングを把握することで、高周波信号の蓄積時刻と時間平均の算出時刻とを認識する。
時間平均算出部６５は、高周波信号の蓄積時刻になると、Ａ／Ｄ変換器１２から出力された高周波信号を蓄積する（ステップＳＴ１９）。
切換回数設定部２８により設定された励振位相φｎの切換回数ｋ分の高周波信号の蓄積が完了するまで、ステップＳＴ１６〜ＳＴ１９の処理が繰り返し実施される（ステップＳＴ２０）。
【００５９】
時間平均算出部６５は、切換回数設定部２８により設定された励振位相φｎの切換回数ｋ分の高周波信号の蓄積が完了し（ステップＳＴ２０：ＹＥＳの場合）、時間平均の算出時刻になると、蓄積していた高周波信号の時間平均を算出する（ステップＳＴ２１）。
ここでは、時間平均算出部６５がＡ／Ｄ変換器６３から出力されたディジタルの高周波信号を蓄積し、その蓄積した高周波信号の時間平均を算出するものを示したが、時間平均算出部６５がＡ／Ｄ変換器６３から出力された高周波信号を離散フーリエ変換して周波数帯域の信号を得ることで、その高周波信号の時間平均を求めるようにしてもよい。
【００６０】
以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じている状態での各素子アンテナ２−ｎの放射パターンｇｎ（θｍ）と、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間で相互結合が生じていない状態でのフェーズドアレーアンテナ１の放射パターンＥ（θｍ）とを用いて、素子アンテナ２−ｎが受けている相互結合の影響を補償する補償ベクトルｗｎを算出する補償ベクトル算出部２６を設け、移相器制御装置２７が、補償ベクトル算出部２６により算出された補償ベクトルｗｎを用いて、素子アンテナ２−１〜２−Ｎの励振位相φ１〜φＮを設定し、その励振位相φ１〜φＮを移相器３−１〜３−Ｎに指示するように構成したので、段階的な演算処理を実施することなく、速やかに素子アンテナ２−１〜２−Ｎの間の相互結合の影響を補償することができる振幅制御用デバイスが不要なアンテナ装置が得られる効果を奏する。
【００６１】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、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任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
この発明に係るアンテナ装置は、フェーズドアレーアンテナを構成している複数の素子アンテナの励振位相を時分割で変化させて、複数の素子アンテナの間の相互結合の影響を補償する必要があるものに適している。
【符号の説明】
【００６３】
１  フェーズドアレーアンテナ、２−１〜２−Ｎ  素子アンテナ、３−１〜３−Ｎ  移相器、４  電力合成器（信号合成部）、１１  受信機、１２  Ａ／Ｄ変換器、２１  時間平均算出部、２２  同期確立部、２３  補償ベクトル算出処理部、２４  素子放射パターン記憶部（第１の放射パターン記憶部）、２５  参照パターン記憶部（第２の放射パターン記憶部）、２６  補償ベクトル算出部、２７  移相器制御装置（制御部）、２８  切換回数設定部、２９  励振位相設定部、３０  励振位相出力部、３１  時間平均算出処理回路、３２  同期確立処理回路、３３  補償ベクトル算出処理回路、３４  移相器制御処理回路、４１  メモリ、４２  プロセッサ、５１  送信機、５２  電力分配器、５３  励振時間制御部、６１  受信アンテナ、６２  受信機、６３  Ａ／Ｄ変換器、６４  切換周期記憶部、６５  時間平均算出部。
【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】
2017009972.tif 000012
【国際調査報告】
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2017009972.tif 000014