(57)【要約】【目的】アダプティブアレーアンテナなどのための信号処理装置を開発、評価、試験するために用いられるアレーレスポンスシミュレータを提供することを目的とする。【構成】アダプティブアレーアンテナに入射する信号が持つ情報と、受信するアンテナを解析した結果を組み合わせてアンテナ素子で受信する信号（アレーレスポンス）を模擬する。アンテナ素子の指向性とアンテナ素子間相互結合の影響を考慮に入れ、高精度なアンテナ特性の数値解析法を導入することによって、より実際のアンテナに近い、高精度なアレーレスポンスを模擬する。【選択図】　図１
2004145384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子から構成される受信アレーアンテナを含む解析モデルのパラメータを入力するためのパラメータ入力部と、上記解析モデルのパラメータに基づいて数値解析法によって上記各アンテナ素子の電流分布を求めるための数値解析部と、上記各アンテナ素子の電流分布から上記各アンテナ素子の複素受信電圧を求めるための受信電圧演算部と、上記各アンテナ素子の複素受信電圧を合成することによってアレーレスポンスを求めるためのアレーレスポンス演算部と、を有し、上記数値解析部はアンテナ素子指向性とアンテナ素子間相互結合の影響を考慮して上記各アンテナ素子の電流分布を求めることを特徴とするアレーレスポンスシミュレータ。
【請求項２】
上記複数のアンテナ素子は互いに同一であり且つ等間隔にて直線に沿って一列にあるいは平面上に又は空間上に格子状に配置されていることを特徴とする請求項１記載のアレーレスポンスシミュレータ。
【請求項３】
上記複数のアンテナ素子は互いに異なり且つ空間的に不規則に配置されていることを特徴とする請求項１記載のアレーレスポンスシミュレータ。
【請求項４】
上記解析モデルのパラメータは、上記各アンテナ素子の受信信号の入射角、到来距離、搬送波周波数を含むことを特徴とする請求項１記載のアレーレスポンスシミュレータ。
【請求項５】
上記解析モデルのパラメータは、上記各アンテナ素子の形状、位置、導電率を含むことを特徴とする請求項１記載のアレーレスポンスシミュレータ。
【請求項６】
上記数値解析法はモーメント法であることを特徴とする請求項１記載のアレーレスポンスシミュレータ。
【請求項７】
上記解析モデルは、更に、所望信号を送信するための所望信号送信アンテナと不要信号を送信するための不要信号送信アンテナとを含むことを特徴とする請求項１記載のアレーレスポンスシミュレータ。
【請求項８】
上記アレーレスポンス演算部は、上記各アンテナ素子の複素受信電圧と受信アレーアンテナに発生する熱雑音ベクトルを合成することによってアレーレスポンスを求めることを特徴とする請求項１記載のアレーレスポンスシミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアレーアンテナを開発、評価、試験するために用いられるアレーレスポンスシミュレータに関し、特に、アダプティブアレーアンテナを開発、評価、試験するために用いられるアレーレスポンスシミュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−１７７３３０号公報には、アダプティブアレーアンテナの信号処理装置の開発、評価等に用いられるアレーレスポンスシミュレータが記載されている。アレーレスポンスシミュレータは、アダプティブアレーアンテナが受信する信号（アレーレスポンス）を模擬するものであり、各アンテナ素子の受信信号の複素振幅又は複素受信電圧を並べたベクトルチャンネルを出力する。
【０００３】
しかしながら、この公報に記載されたアレーレスポンスシミュレータは、アレーレスポンスを求める過程で、アンテナ素子の指向性とアンテナ素子間の相互結合を考慮していない。
【０００４】
アンテナ素子の指向性はアンテナ素子の形状に起因する。上述のアレーレスポンスシミュレータでは、アンテナ素子の形状を無視し、アンテナ素子を無指向性の無次元の点と見なしている。
【０００５】
アンテナ素子間相互結合とは、アレーアンテナにおいて１つのアンテナ素子が信号を放射又は受信することによって、周囲のアンテナ素子に影響を及ぼすと共に、自らも周囲のアンテナ素子の影響を受ける関係をいう。
【０００６】
図６を参照してアンテナ素子間相互結合の影響を説明する。図６Ａに示すように、２個のアンテナ素子１Ａ、１Ｂからなる受信アレーアンテナ１を考える。この系は、図６Ｂに示すように、周囲の空間も含めて、等価的に四端子回路網２と見なすことができる。受信機は端子間の抵抗Ｒによって置き換えられる。端子間の電圧ｅ１、ｅ２は次の式によって与えられる。
【０００７】
【数１】
ｅ１＝Ｚ１１Ｉ１＋Ｚ１２Ｉ２
ｅ２＝Ｚ２１Ｉ１＋Ｚ２２Ｉ２
ここで、アンテナの可逆定理によって次の式が成り立つ。
【０００８】
【数２】
Ｚ１２＝Ｚ２１
このＺ１２、Ｚ２１をアンテナ素子間の相互インピーダンスという。端子間の電圧ｅ１、ｅ２は次のように表される。
【０００９】
【数３】
ｅ１＝Ｖ１−Ｉ１Ｒ
ｅ２＝Ｖ２−Ｉ２Ｒ
ここでＶ１、Ｖ２は受信開放電圧であり、次の式によって表される。
【００１０】
【数４】
Ｖ１＝Ｅ１ｌ１
Ｖ２＝Ｅ２ｌ２
ここで、Ｅ１、Ｅ２は各アンテナ素子の近傍電界、ｌ１、ｌ２は各アンテナのベクトル実効長である。数１の式から数３の式によって、電流Ｉ１、Ｉ２は次の式によって表される。
【００１１】
【数５】
Ｉ１＝（１／Δ）｛（Ｚ２２＋Ｒ）Ｖ１−Ｚ１２Ｖ２｝
Ｉ２＝（１／Δ）｛−Ｚ１２Ｖ１＋（Ｚ１１＋Ｒ）Ｖ２｝
Δ＝Ｚ１１Ｚ２２−Ｚ１２２
従って、各アンテナ素子から受信機（抵抗Ｒ）への出力電圧Ｖ１０、Ｖ２０は次の式によって与えられる。
【００１２】
【数６】
Ｖ１０＝Ｉ１Ｒ＝（Ｒ／Δ）｛（Ｚ２２＋Ｒ）Ｖ１−Ｚ１２Ｖ２｝
Ｖ２０＝Ｉ２Ｒ＝（Ｒ／Δ）｛−Ｚ１２Ｖ１＋（Ｚ１１＋Ｒ）Ｖ２｝
アンテナ素子間相互結合の影響が無い場合には、Ｚ１２＝０である。従って、数６の式に数３の式を代入すると、次の関係が得られる。
【００１３】
【数７】
Ｖ１０∝Ｅ１
Ｖ２０∝Ｅ２
しかしながら、実際には、アンテナ素子間相互結合があり、Ｚ１２≠０である。従って、数６の式に数３の式を代入すると、次の関係が得られる。
【００１４】
【数８】
Ｖ１０∝ｃ１Ｅ１＋ｃ２Ｅ２
Ｖ２０∝ｃ３Ｅ１＋ｃ４Ｅ２
ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４は定数である。即ち、出力電圧Ｖ１０、Ｖ２０は自己及び他方の電界の影響を受ける。
【００１５】
【特許文献１】
特開平１１−１７７３３０号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアレーレスポンスシミュレータでは、アンテナ素子指向性とアンテナ素子間相互結合を無視していた。
従って、従来のアレーレスポンスシミュレータによって計算されるアンテナの特性は、実際に使用されるアンテナの特性とは大きく異なる。
【００１７】
また従来のアレーレスポンスシミュレータは、アンテナ素子の形状を無視しているため、異なる形状のアンテナ素子を組み合わせたアダプティブアレーアンテナの開発に用いることができない。
【００１８】
アダプティブアレーアンテナでは、アンテナ素子の形状が受信信号に与える影響を無視することができないため、アンテナの設計とアルゴリズムの検討を同時に行う必要がある。しかしながら、従来の技術では、アダプティブアレーアンテナの設計とアルゴリズムの検討を同時に行うことができなかった。
【００１９】
本発明は、アンテナ素子指向性及びアンテナ素子間相互結合の影響を考慮して、各アンテナ素子の複素受信電圧を並べたベクトルを出力するベクトルチャネルシミュレータを提供することを目的とする。
【００２０】
本発明は、アンテナ素子の設計とアルゴリズムの検討を同時に行うことができ、アダプティブアレーアンテナの信号処理装置の開発、評価の精度を高めることを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、アレーレスポンスシミュレータは、複数のアンテナ素子から構成される受信アレーアンテナを含む解析モデルのパラメータを入力するためのパラメータ入力部と、上記解析モデルのパラメータに基づいて数値解析法によって上記各アンテナ素子の電流分布を求めるための数値解析部と、上記各アンテナ素子の電流分布から上記各アンテナ素子の複素受信電圧を求めるための受信電圧演算部と、上記各アンテナ素子の複素受信電圧を合成することによってアレーレスポンスを求めるためのアレーレスポンス演算部と、を有し、上記数値解析部はアンテナ素子指向性とアンテナ素子間相互結合の影響を考慮して上記各アンテナ素子の電流分布を求める。
従って、本発明によると、実際のアレーアンテナの特性に極めて近いアンテナ特性を得ることができる。
【００２２】
更に、上記複数のアンテナ素子は互いに同一であり且つ等間隔にて直線に沿って一列にあるいは平面上に又は空間上に格子状に配置されてよい。上記複数のアンテナ素子は互いに異なり且つ空間的に不規則に配置されてよい。
【００２３】
上記解析モデルのパラメータは、上記各アンテナ素子の受信信号の入射角、到来距離、搬送波周波数を含む。上記解析モデルのパラメータは、上記各アンテナ素子の形状、位置、導電率を含む。
【００２４】
上記数値解析法はモーメント法である。上記解析モデルは、更に、所望信号を送信するための所望信号送信アンテナと不要信号を送信するための不要信号送信アンテナとを含む。
【００２５】
上記アレーレスポンス演算部は、上記各アンテナ素子の複素受信電圧ベクトルと受信アレーアンテナに発生する熱雑音ベクトルを合成することによってアレーレスポンスを求める。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本例のアレーレスポンスシミュレータを説明する。本例のアレーレスポンスシミュレータ１００は、所望信号のみが入射する場合と不要信号のみが入射する場合の一方を選択するための選択部１０１と、解析モデルのパラメータを入力するためのパラメータ入力部１０２と、解析モデルをモーメント法の計算に用いる解析モデルに変換するための解析モデル変換部１０３と、数値解析法によってアンテナ素子の電流分布を求めるための数値解析部１０４と、アンテナ素子の電流分布から、アンテナ素子の複素受信電圧を求めるための受信電圧演算部１０５と、アンテナ素子の複素受信電圧からアレーレスポンスを求めるためのアレーレスポンス演算部１０６と、を有する。
【００２７】
解析モデルは、複数のアンテナ素子から構成されたアダプティブアレーアンテナと所望信号を送信するための所望信号送信アンテナと不要信号を送信するための不要信号送信アンテナとを含む。尚、解析モデルの例は、後に図３及び図５を参照して説明する。
本例のアレーレスポンスシミュレータは、コンピュータ装置によって構成されてよい。従って、図示しないディスプレイ装置及び入力装置を備える。
【００２８】
本例によると、数値解析部１０４は、アンテナ素子の指向性とアンテナ素子間相互結合の影響を考慮に入れて、各アンテナ素子の電流分布を求めるために、実際のアダプティブアレーアンテナに近い、高精度なアレーレスポンスを模擬することができる。
【００２９】
Ｍａｘｗｅｌｌの方程式を解析するためのアンテナシステムの数値計算法には、幾つかの方法が知られているが、対象とするアンテナシステム、解析モデルの作り方、解析に用いるパラメータの選択等に基づいて、所望の方法が選択される。ここでは代表的な数値計算法の一つであるモーメント法を例に挙げる。
【００３０】
アンテナ素子の指向性やアンテナ素子間相互結合の影響は、アンテナ素子の電流分布から求められる。アンテナ素子の電流分布は給電点での入射電界とアンテナ表面の境界条件で決定される。言い換えれば、アンテナ素子の形状と給電点の位置、および給電の方法で決定される。この過程で積分方程式を解く必要があるが、ある特殊な場合を除いて、この積分方程式を解析的に解くことはできない。
【００３１】
モーメント法とは、積分方程式を行列方程式に置き換えて近似解を求める数値解析手法である。モーメント法を用いることによってアンテナ特性を解析するための計算機シミュレーションを実現したソフトウェアは既に製品化されており、容易にアンテナの解析が可能になっている。
【００３２】
図２を参照して図１のアレーレスポンスシミュレータにおける処理手順を説明する。先ず、ステップＳ２０１にて、オペレータは、所望信号のみが入射する場合と不要信号のみが入射する場合のいずれかを選択する。本例では、２つの場合に分けて処理を行う。所望信号と不要信号は共に狭帯域で非相関であるとする。選択部１０１は、オペレータの入力に基づいて、所望信号のみが入射する場合と不要信号のみが入射する場合のどちらかを選択する。
【００３３】
ここでは、所望信号のみが入射する場合を説明する。ステップＳ２０２にて、解析モデルのパラメータを入力する。これは、パラメータ入力部１０２が、オペレータの入力に基づいて、行う。解析モデルのパラメータには、受信アレーアンテナの各アンテナ素子及び送信アンテナの形状、位置（座標）、モーメント法におけるセグメント分割数、誘電率、送信アンテナの給電電圧、終端抵抗等がある。
【００３４】
次に、ステップＳ２０３にて、解析モデルをモーメント法の計算に用いる解析モデルに変換する。これは、解析モデル変換部１０３が行う。受信アレーアンテナの各アンテナ素子の座標は、等間隔リニアアレーなどの配置方法とアンテナ素子間隔などのパラメータから算出する。また、送信アンテナはブロードサイドからの角度を頻繁に変えてシミュレーションできるように、到来角度と距離から算出する機能を持つ。アンテナの寸法やアンテナ間の距離は搬送波の波長を単位として入力できるように、搬送波周波数の値から算出する機能も備える。
【００３５】
ステップＳ２０４にて、数値解析部１０４は、モーメント法による数値演算を行う。入力された解析モデルから各アンテナ素子の電流分布を算出する。ここで得られた各アンテナ素子の電流分布は、アンテナ素子の指向性及びアンテナ素子間の相互結合を考慮した値となっている。
【００３６】
ステップＳ２０５にて、受信電圧演算部１０５は、各アンテナ素子の電流分布から、各アンテナ素子の中心セグメントの複素電圧を取り出すことによって、所望信号による各アンテナ素子の受信電圧を求める。ここで得られた各アンテナ素子の受信電圧は、アンテナ素子の指向性及びアンテナ素子間の相互結合を考慮した値となっている。具体的には、複素電圧の振幅の乱れ、アンテナ素子間での位相差の乱れとなって現れる。以上は、所望信号のみが入射する場合のシミュレーションを説明したが、不要信号のみが入射する場合も同様の処理によって、不要信号による各アンテナ素子の受信電圧が求まる。
【００３７】
最後にステップＳ２０６にて、アレーレスポンス演算部１０６は、アンテナの複素受信電圧ベクトルからアレーレスポンスを求める。即ち、受信信号の複素振幅ベクトルと受信アレーアンテナに発生する熱雑音ベクトルを合成する。所望波と不要波は、非相関であるため、アレーレスポンスは次の式によって表される。
【００３８】
【数９】
Ｓ＝Ｄ＋ΣＵ＋Ｎ
ここで、Ｓはアレーレスポンス、Ｄは所望信号の受信電圧ベクトル、Ｕは不要信号の受信電圧ベクトル、Ｎは熱雑音のベクトルである。ΣＵは全ての不要信号（不要信号の許容数は最大でアンテナ素子数より１少ない数）の受信電圧ベクトルの和を表す。
【００３９】
ステップＳ２０４にて、モーメント法以外の数値解析法を用いる場合には、ステップＳ２０２及び２０３におけるパラメータ入力と解析モデル化は別の方法となる。逆に、将来優れた数値計算法を導入することを考慮し、ステップＳ２０２〜２０４の処理をソフトウェアモジュール化してもよい。
【００４０】
上述の一連の処理の中で、最も計算負荷が高いのはステップＳ２０４における数値演算である。従って、この処理を、信号ごとに並列化したり、演算に特化したプロセッサを用いることによって、スループットの短縮を図ることができる。
【００４１】
図３を参照して、アダプティブアレーアンテナの解析モデルの第１の例を示す。本例の解析モデルは、５個のアンテナ素子１１〜１５からなる受信アレーアンテナ１０と所望信号を送信するための所望信号送信アンテナ２１と不要信号を送信するための不要信号送信アンテナ３１とを含む。
本例では、受信アンテナ素子１１〜１５、所望信号送信アンテナ２１及び不要信号送信アンテナ３１はダイポールアンテナである。
【００４２】
図示のように、受信アレーアンテナ１０は等間隔線形アレーである。即ち、５個のアンテナ素子１１〜１５は直線に沿って且つ等間隔にて配置されている。尚、アンテナ素子は、平面上に又は空間上に格子状に配置されてよい。隣接する２つのアンテナ素子の間隔をｄとする。
【００４３】
受信アンテナ素子１１〜１５の中心はＸ軸上に配置され、その軸線はＹ軸に平行である。第３のアンテナ素子１３の中心は原点０にある。所望信号送信アンテナ２１及び不要信号送信アンテナ３１の中心は、ｚｘ平面上に配置され、その軸線はｙ軸に平行である。本例は、ｚｘ平面内における指向性制御を目的としたアダプティブアレーアンテナのシミュレーションとなる。
【００４４】
所望信号送信アンテナ２１から原点Ｏまでの距離をＬｄ、所望信号送信アンテナ２１と原点Ｏを結ぶ線分がブロードサイドとなす角度をθｄとする。ブロードサイドとは、特に制御しないとき最も利得が高い方向であり、図３ではＺ軸方向である。
同様に、不要信号送信アンテナ３１から原点Ｏまでの距離をＬｕ、不要信号送信アンテナ３１と原点Ｏを結ぶ線分がブロードサイドとなす角度をθｕとする。
【００４５】
一般に、アダプティブアレーアンテナの自由度、すなわち抑圧できる不要波の数はアンテナ素子数より１減じたものである。従って、５個のアンテナ素子からなる受信アレーアンテナでは不要信号送信アンテナの数は最大４個まで増やすことができる。
【００４６】
アンテナ素子間隔ｄ等のアンテナ解析におけるパラメータは信号の搬送波の波長を単位として表すことが多い。等間隔線形アレーの場合には、各アンテナ素子の座標はアンテナ素子間隔ｄのみによって求められる。しかしながら、２次元又は３次元アレー、あるいは異なるアンテナを組み合わせたアレーの場合では、設定すべきパラメータが増加する。
【００４７】
図４を参照して、ダイポールアンテナ素子の例を説明する。ダイポールアンテナは円筒状の導体棒で構成され、その形状及び寸法は、特性に影響を与える。図示のように、アンテナの全長をｌ、直径を２ｒとする。半波長ダイポールアンテナの場合、アンテナの全長ｌは信号搬送波の波長の１／２である。
【００４８】
図５を参照して、アダプティブアレーアンテナの解析モデルの第２の例を説明する。本例の解析モデルは、５個のアンテナ素子１１１〜１１５からなる受信アレーアンテナ１１０と所望信号を送信するための所望信号送信アンテナ１２１と不要信号を送信するための不要信号送信アンテナ１３１〜１３４とを含む。
【００４９】
本例では、５個の受信アンテナ素子１１１〜１１５、所望信号送信アンテナ１２１及び不要信号送信アンテナ１３１〜１３４は任意の形状を有し、且つ、空間上にて、任意の位置に且つ任意の方向に配置されている。
本発明によればこのようなアダプティブアンテナに対するアレーレスポンスのシミュレーションも可能となる。
【００５０】
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変形が可能であることは当業者に理解されよう。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によると、アンテナ素子の設計とアルゴリズムの検討を同時に行うことができる効果がある。
【００５２】
本発明によると、アダプティブアレーアンテナの信号処理装置の開発、評価の精度を高めることができる効果がある。
本発明によると、異なる形状のアンテナ素子を組み合わせたアダプティブアレーアンテナの設計も行うことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアレーレスポンスシミュレータの構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明によるアレーレスポンスシミュレータの処理フローを示す流れ図である。
【図３】アダプティブアレーアンテナの解析モデルの第１の例を示す概略図である。
【図４】ダイポールアンテナ素子の形状を示す概略図である。
【図５】アダプティブアレーアンテナの解析モデルの第２の例を示す概略図である。
【図６】アンテナ素子間相互結合を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１０…受信アレーアンテナ
１１，１２，１３，１４，１５…アンテナ素子
２１…所望信号送信アンテナ
３１…不要信号送信アンテナ
１１０…受信アレーアンテナ
１１１，１１２，１１３，１１４，１１５…アンテナ素子
１２１…所望信号送信アンテナ
１３１，１３２，１３３，１３４…不要信号送信アンテナ
１００…アレーレスポンスシミュレータ
１０１…選択部
１０２…パラメータ入力部
１０３…解析モデル変換部
１０４…数値解析部
１０５…受信電圧演算部
１０６…アレーレスポンス演算部
【図１】
2004145384.tif 000003
【図２】
2004145384.tif 000004
【図３】
2004145384.tif 000005
【図４】
2004145384.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004145384.tif 000008