(57)【要約】【課題】ペンシルビームとファンビームとの切り替えを行う場合に、移送器を常時ＯＮさせた状態で、物理的にアンテナ素子の動作をＯＦＦさせた半開口と同等のビーム幅をもつファンビームを成型する。【解決手段】１００ポートのアンテナ素子１１にそれぞれ接続される移相器１２は、走査制御器１４から指示される移相量に応じて高周波給電回路１３からの高周波に所定の移相量を与えて所定の方向にビームを成形する。走査制御器１４には、レーダ装置本体からビーム指向方向と全開口／半開口を指示するモード情報が与えられる。上記走査制御器１４では、走査角が与えられると、その走査角に基づく位相分布を求め、それぞれの移相器１２に対する移相量θmを設定し、全開口か半開口かを判断し、全開口ならばそのまま１００ポートに指定する移相量［ｄｅｇ］として決定し、半開口ならばさらに不要なポートに対してランダムな移相量φnを与える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
線または面状に所定の間隔で配列される複数ポートのアンテナ素子と、
前記複数ポートのアンテナ素子それぞれに高周波信号を給電する給電手段と、
前記複数ポートのアンテナ素子それぞれの給電線路に介在され、前記高周波信号に指定された移相量を与える複数の移相器と、
前記複数の移相器それぞれの移相量を成型ビームの走査に応じて制御する走査制御器とを具備し、
前記位相制御器は、前記成型ビームの指向方向に応じた位相分布で個々の移相器の移相量を制御する第１の制御手段と、前記成型ビームの広がり量に応じて特定のポートのアンテナ素子に対する移相量を独立して制御する第２の制御手段とを備えることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項２】
前記走査制御器の第２の制御手段は、前記特定のポートに与える移相量として前記第１の制御手段の指向方向に応じた位相分布による移相量とは相関のない移相量を与えることを特徴とする請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項３】
前記走査制御器は、前記第２の制御手段の前記独立して制御する移相量を前記第１の制御手段の前記指向方向に応じた移相量に加算することを特徴とする請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項４】
前記走査制御器の第２の制御手段は、前記特定のポートの確定後はそのポートに与える移相量を固定することを特徴とする請求項２記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項５】
前記走査制御器の第２の制御手段は、前記成型ビームの幅を広げることを目的として、アンテナ実効開口面積を小さくするためにその対象となるポートのアンテナ素子に接続される移送器に対して、前記電子走査とは別に用意した位相分布による移相量を与えることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項６】
前記別に用意された位相分布は、移相量が０°〜３６０°の範囲内でランダムに得られた値であることを特徴とする請求項５記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項７】
線または面状に所定の間隔で配列される複数ポートのアンテナ素子と、前記複数ポートのアンテナ素子それぞれに高周波信号を給電する給電手段と、前記複数ポートのアンテナ素子それぞれの給電線路に介在され、前記高周波信号に指定された移相量を与える複数の移相器と、前記複数の移相器それぞれの移相量を成型ビームの走査に応じて制御する走査制御器とを具備するフェーズドアレイアンテナ装置に用いられ、
前記走査制御器にて、成型ビームの指向方向に応じた位相分布で個々の移相器の移相量を制御すると共に、前記成型ビームの広がり量に応じて特定のポートのアンテナ素子に対する移相量を独立して制御することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ装置のビーム成型方法。
【請求項８】
前記特定のポートに与える移相量として前記指向方向に応じた位相分布による移相量とは相関のない移相量を与えることを特徴とする請求項７記載のフェーズドアレイアンテナ装置のビーム成型方法。
【請求項９】
前記独立して制御する移相量を前記指向方向に応じた移相量に加算することを特徴とする請求項７記載のフェーズドアレイアンテナ装置のビーム成型方法。
【請求項１０】
前記特定のポートの確定後はそのポートに与える移相量を固定することを特徴とする請求項９記載のフェーズドアレイアンテナ装置のビーム成型方法。
【請求項１１】
前記成型ビームの幅を広げることを目的として、アンテナ実効開口面積を小さくするためにその対象となるポートのアンテナ素子に接続される移送器に対して、前記電子走査とは別に用意した位相分布による移相量を与えることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ装置のビーム成型方法。
【請求項１２】
前記別に用意された位相分布は、移相量が０°〜３６０°の範囲内でランダムに得られた値であることを特徴とする請求項１１記載のフェーズドアレイアンテナ装置のビーム成型方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば航空機等の飛翔体を捕捉、追尾するレーダ装置に用いられるフェーズドアレイアンテナ装置とそのビーム成型方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種レーダ装置の中で、捜索レーダ装置では、目標物が遠距離且つ小目標の場合を考慮し、この目標物が探知可能な速度でビーム走査するため、近距離の目標物に対しては走査速度が遅くなり、探知性能が劣化するという課題がある。この改善方法としては、遠距離時に使用する成型ビームよりも幅の広いビームを成型することにより、同じ走査速度でも受信感度をあげることができる。このような幅の広いビームを一般にファンビームと称す。
【０００３】
ファンビームを成型する方法としては、ビーム幅の広い指向性パターンを得ることを目的として、物理的にアンテナの開口面積を小さくすればよい。フェーズドアレイアンテナ装置を用いる場合には、送受信として動作させるアンテナ素子数を必要数だけに減らすことが一般的である（例えば特許文献１参照）。具体的には、ファンビームを成型したい方向に並んだ素子配列に対して、遠距離捜索時に給電していたアンテナ素子から必要数だけのアンテナ素子への給電だけを残して、他のアンテナ素子への給電を電気的に動作をＯＦＦする。
【０００４】
しかしながら、フェーズドアレイアンテナ装置において、通常ビームとファンビームとの切り替えを行うためには、各アンテナ素子の位相を設定する移送器に対して、移相量を指定するビット信号とは別に各移相器のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御するビット信号も伝送する必要がある。したがって、例えばレーダ装置の動作モードとして、全開口と半開口の探索動作を１回の繰り返し時間で時分割にて行う要求がある場合は、半開口時に使用しない移相器だけをＯＦＦさせることは難しい。このことから、移送器を常時ＯＮさせた状態で、物理的にアンテナ素子の動作をＯＦＦさせた半開口と同等のビーム幅をもつファンビームの成型方法が求められている。
【特許文献１】特開平１０−１９７６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、従来のフェーズドアレイアンテナ装置にあっては、ペンシルビームとファンビームとの切り替えを短時間に行う要求に対し、移送器を常時ＯＮさせた状態で、物理的にアンテナ素子の動作をＯＦＦさせた半開口と同等のビーム幅をもつファンビームの成型方法が求められている。
【０００６】
本発明は上記の要望を実現するためになされたもので、全開口によるペンシルビームと半開口によるファンビームとの切り替えを行う場合に、移送器を常時ＯＮさせた状態で、物理的にアンテナ素子の動作をＯＦＦさせた半開口と同等のビーム幅をもつファンビームを成型することのできるフェーズドアレイアンテナ装置とそのビーム成型方法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】
上記目的を達成するために、本発明に係るフェーズドアレイアンテナ装置は、線または面状に所定の間隔で配列される複数ポートのアンテナ素子と、前記複数ポートのアンテナ素子それぞれに高周波信号を給電する給電手段と、前記複数ポートのアンテナ素子それぞれの給電線路に介在され、前記高周波信号に指定された移相量を与える複数の移相器と、前記複数の移相器それぞれの移相量を成型ビームの走査に応じて制御する走査制御器とを具備し、前記位相制御器は、成型ビームの指向方向に応じた位相分布で個々の移相器の移相量を制御する第１の制御手段と、前記成型ビームの広がり量に応じて特定のポートのアンテナ素子に対する移相量を独立して制御する第２の制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るフェーズドアレイアンテナ装置のビーム成型方法は、線または面状に所定の間隔で配列される複数ポートのアンテナ素子と、前記複数ポートのアンテナ素子それぞれに高周波信号を給電する給電手段と、前記複数ポートのアンテナ素子それぞれの給電線路に介在され、前記高周波信号に指定された移相量を与える複数の移相器と、前記複数の移相器それぞれの移相量を成型ビームの走査に応じて制御する走査制御器とを具備するフェーズドアレイアンテナ装置に用いられ、前記位相制御器にて、成型ビームの指向方向に応じた位相分布で個々の移相器の移相量を制御すると共に、前記成型ビームの広がり量に応じて特定のポートのアンテナ素子に対する移相量を独立して制御することを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明では、移送器の動作を電気的にＯＦＦすることなく、開口面としては全移送器の動作をＯＮした状態で、等価的に開口面を一部のみ開口とする半開口へと変化させることができる。この発明による利点としては、半開口による捜索モードと全開口による捜索モードを同時に実施する際に、ビーム走査を制御する走査制御器は、各移送器に対して、電源のＯＮを切り替えることなく、単純に移送器への位相変位量を指示する制御信号だけで、開口面積の切り替え、及びビーム幅の異なる成型ビーム同士の切り替えが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明によれば、全開口によるペンシルビームと半開口によるファンビームとの切り替えを行う場合に、移送器を常時ＯＮさせた状態で、物理的にアンテナ素子の動作をＯＦＦさせた半開口と同等のビーム幅をもつファンビームを成型することのできるフェーズドアレイアンテナ装置とそのビーム成型方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明に係るフェーズドアレイアンテナ装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。図１において、１１はアンテナ素子、１２はアンテナ素子１１の給電位相を設定する移相器であり、ここでは１００ポート＃１〜＃１００が高周波給電回路１３に接続されている。各ポートの移相器１２には、走査制御器１４から個別に移相量を指示する制御信号が与えられる。走査制御器１４には、レーダ装置本体からビーム指向方向と全開口／半開口を指示するモード情報が与えられる。
【００１３】
上記走査制御器１４に設定される処理の流れを図２に示す。まず、走査角［ｄｅｇ］が与えられると、その走査角に基づく位相分布を求め、それぞれの移相器１２に対する移相量θm（ｍ＝１〜１００）を設定する（ステップＳ１）。次に、全開口か半開口かを判断し（ステップＳ２）、全開口ならばステップＳ１で求めた走査角に応じた移相量を１００ポートに指定する移相量［ｄｅｇ］として決定する。半開口ならば、個々のポートに移相量としてθm ＋φn （ｍ，ｎ＝１〜１００）を与えるものとする（ステップＳ３）。φnはθm とは独立に制御可能とし、半開口として不要となるポートに対してランダムな移相量を与える。
【００１４】
上記構成によるフェーズドアレイアンテナ装置において、以下、従来のビーム成型方法と比較して本発明のビーム成型方法を説明する。
【００１５】
まず、従来方法について図３乃至図７を参照して説明する。
【００１６】
図３は、図１に示した構成において、従来の全開口によるペンシルビームの成型方法を示している。図３において、１００ポートのアンテナ素子１１が線状に配列され、任意のポートの素子１１には、移送器１２を介して振幅Ａl 、及び移相量θm の高周波が給電される。尚、この例では、振幅は一様分布とする。このとき移相量θm はビームの走査角から決定され、走査制御器１４からビット信号により各移送器１２に指定される。このときの振幅・位相分布はそれぞれ図４（ａ），（ｂ）に示すようになる。
【００１７】
次に、ファンビームを成型するための半開口について説明する。図５は図１に示した構成において、従来の半開口によるファンビームの成型方法を示している。このときの振幅・位相分布はそれぞれ図６（ａ），（ｂ）に示すようになる。すなわち、半開口の場合は、図６（ａ），（ｂ）に示すように、配列の両端２５素子ずつをＯＦＦし、中央の５０素子をＯＮさせておくことで開口面積を半分にする。これにより、ファンビーム（半開口）のビーム幅は、図７（ａ）に示すペンシルビーム（全開口）に対して、図７（ｂ）に示すようにほぼ２倍になる。
【００１８】
但し、この場合、各移相器を制御する走査制御器１４からは、移相量を指定するビット信号とは別に、各移相器のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御するビット信号も伝送する必要がある。したがって、例えばレーダ装置の動作モードとして、全開口と半開口の探索動作を１回の繰り返し時間で時分割にて行う要求がある場合は、半開口時に使用しない移相器だけをＯＦＦさせることは難しい。このことから、移送器を常時ＯＮさせた状態で、物理的にアンテナ素子の動作をＯＦＦさせた半開口と同等のビーム幅をもつファンビームの成型方法が求められている。本発明はこの要求を実現する。
【００１９】
図８は図１に示した構成において、本発明の全開口によるペンシルビームの成型方法を示している。このときの振幅・位相分布はそれぞれ図９（ａ），（ｂ）に示すようになる。従来の方法と異なる点は、走査制御器１４が各移相器１２に対して設定する移相量について、ビーム走査角によって決まる各位相器指定の移相量θm とは別個の移相量φn を有し、θm とφn の合算値が移送器１２に移相量として伝送される。φn は、各移送器毎に割り当てられた固定値であり、図８、及び図９（ｂ）に示すように、全開口の場合は全ての値が０°である。
【００２０】
図１０は図１に示した構成において、本発明の半開口によるファンビームの成型方法を示している。このときの振幅・位相分布はそれぞれ図１１（ａ），（ｂ）に示すようになる。この成型方法では、図１０及び図１１（ａ）の振幅分布に示すように、従来の方法で動作をＯＦＦさせていた左右両端の計５０素子を全開口時と同様にその動作をＯＮ状態のままとし、図１１（ｂ）の位相分布に示すように左右両端の５０素子に該当するφn （ｎ＝１〜２５，７６〜１００）に対して走査角によって決まるθm とは独立して０〜３６０°の範囲でランダムな移相量を割り当てている。尚、φn （ｎ＝２６〜７５）については全開口と同様に０°とする。
【００２１】
以上より図１０及び図１１に示すビーム成型方法では、アンテナ素子１１のポート＃１〜＃２５及び＃７６〜１００については、各々に与えられた移相量がランダムであるため、これら５０素子から放射された高周波は空間中で重畳されたときに打ち消し合うように作用する。したがって、ビームを実質的に成型するのは中央の５０素子（アンテナ素子配列番号：＃２６〜＃７５）、即ち従来の方法で述べたように中央の５０素子のみＯＮさせた場合において、各５０素子のアンテナ素子から放射される高周波がなす波面によって成型されるビームと等価的に同一となる。
【００２２】
次に、本発明によるファンビームと、先に述べた中央の５０素子のみ動作させた従来方法によるファンビームとのビームパターンを図１２、図１３にて比較する。図１２は、従来の方法による全開口(図３、図４)と半開口(図５、図６)におけるビームパターンである。本発明によって得られるファンビームは、図６に示した半開口ビームと同一になることが必要となる。図１３は、従来の方法により得られる半開口によるファンビームと本発明によって得られるファンビームとのパターン比較結果を示している。図１３に示す通り、サイドローブに関しては、ランダム性が不完全であるため、メインローブを中央として左右のレベルがアンバランスとなるが、メインビームに関しては、同一のビーム幅で成型できていることがわかる。
【００２３】
以上のように、ファンビームを成型する場合に、従来の方法では開口面積を小さくするために波面形成に不要なアンテナ素子に具備された移相器の動作を電気的にＯＦＦさせていたが、本発明の方法ではこれら波面形成に不要な移相器の動作もＯＮさせておきながら、その不要な移送器についてはランダムな移相量を指定するようにしている。このようにすることで、不要な移送器を介して送受信される高周波は空間上で電力が相殺され、結果的には従来の方法である中央の５０素子のみによって得られるビームパターンと等価的に同一となる。すなわち、本発明により、移送器への動作制御のみで開口面積、及びビーム幅を操作できるようになる。
【００２４】
尚、上記の実施形態では、線状配列のフェーズドアレイアンテナ装置の場合を例にして説明したが、同様にして面状配列のフェーズドアレイアンテナ装置についても同様に本発明は適用可能である。この場合もファンビームを成型したいビーム幅方向に配列したアンテナ素子及び移送器に対して線状配列と同様に本発明を実施すればよい。
【００２５】
また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るフェーズドアレイアンテナ装置の一実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す走査制御器の処理の流れを示すフローチャート。
【図３】図１に示した構成において、従来の全開口によるペンシルビームの成型方法を示す図。
【図４】図３に示す成型方法の場合の振幅・位相分布を示す波形図。
【図５】図１に示した構成において、従来の半開口によるファンビームの成型方法を示す図。
【図６】図５に示す成型方法の場合の振幅・位相分布を示す波形図。
【図７】図３に示す成型方法によるペンシルビームのビーム幅と図５に示す成型方法によるファンビームのビーム幅の関係を示す図。
【図８】図１に示した構成において、本発明の全開口によるファンビームの成型方法を示す図。
【図９】図８に示す成型方法の場合の振幅・位相分布を示す波形図。
【図１０】図１に示した構成において、本発明の半開口によるファンビームの成型方法を示す図。
【図１１】図１０に示す成型方法の場合の振幅・位相分布を示す波形図。
【図１２】従来の方法による全開口(図３、図４)と半開口(図５、図６)におけるビームパターンを比較して示す図。
【図１３】従来の方法により得られる半開口によるファンビームと本発明によって得られるファンビームとのパターン比較結果を示す図。
【符号の説明】
【００２７】
１１…アンテナ素子、１２…移相器、１３…高周波給電回路、１４…走査制御器。
【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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