(57)【要約】【課題】ビーム幅を維持し、サイドローブを所定値以下に抑えつつ、放射素子を間引いたアレーアンテナ装置を得る。【解決手段】アレーアンテナ上において、同一平面上に設置された方向の異なる２本のベクトル３，４により規定される規則的な格子５の格子点上のうちの少なくとも、同一平面上にある複数の同心円１上に放射素子２を配置して所定の放射特性を有する参照アレーアンテナの各放射素子に対して最も近い位置にある各格子点上に放射素子６を設け、これらを実際に励振する放射素子として選択することを特徴とするアレーアンテナ装置。【選択図】　　　　図２
2004015108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレーアンテナ上において、同一平面上に設置された方向の異なる２本のベクトルにより規定される規則的な格子の格子点上のうちの少なくとも、同一平面上にある複数の同心円上に放射素子を配置して所定の放射特性を有する参照アレーアンテナの各放射素子に対して最も近い位置にある各格子点上に放射素子を設け、これらを実際に励振する放射素子として選択することを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項２】
アレーアンテナの１つの格子点が、参照アレーアンテナの複数の放射素子からそれぞれ最も近い位置にある格子点とされる場合に、上記複数の放射素子のうち最も近い位置以外の放射素子は、各々、該放射素子以外の近い位置にある格子点を最も近い位置にある格子点とすることを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項３】
アレーアンテナの規則的な格子を三角格子としたことを特徴とする請求項１または２に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項４】
アレーアンテナの規則的な格子を四角格子としたことを特徴とする請求項１または２に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項５】
アレーアンテナの各放射素子位置が、上記のようにして決定された位置を初期値とし、遺伝的アルゴリズムにより最終的に決定されたものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば通信やレーダにおいて複数の放射素子を配置してビーム形成を行うアレーアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静止衛星を用いた移動体衛星通信において、航空機や船舶などの移動体に搭載するアンテナには、高速に衛星を追尾する機能が求められる。開口面アンテナを機械駆動で衛星追尾させる方式に比べて、各放射素子の励振状態を変えることでビームを電気的に走査するアレーアンテナは、より高速なビーム制御が可能で、さらに平面上に構成できることから、移動体への設置性にも優れる。このため、移動体衛星通信にアレーアンテナを適用するケースが増えつつある。
【０００３】
各放射素子に移相器を設けて励振位相を変化させるようにしたものをフェーズドアレーアンテナ、さらにこれに加えて各放射素子に増幅器を直結したものをアクティブフェーズドアレーアンテナと呼び、後述する本発明はこれらすべての種類のアレーアンテナにかかわるものである。
【０００４】
静止衛星は、静止軌道上に狭い角度間隔で並んでいるため、他衛星への干渉を避けるために移動体端末アンテナのビーム幅を狭くする必要がある。ビーム幅はアンテナの開口径に反比例して狭くなり、所要のビーム幅を実現するには、一定以上の大きさのアンテナ開口径が必要である。
【０００５】
一方、放射素子が三角形格子や四角形格子など、規則的な格子上に配列されているアレーアンテナでは各放射素子の間隔を大きくすると、メインビームとは異なる方向に、メインビームに匹敵する電波強度の不要放射を発生し、これをグレーティングローブと呼ぶ。グレーティングローブは他の衛星や端末に干渉をもたらすため、一般にはこれを抑圧するように放射素子間隔を決定する。グレーティングローブを抑圧するためには、アンテナ正面からビーム走査を行う角度が大きくなるほど、放射素子間隔をより狭くする必要がある。
【０００６】
なお、放射素子が不規則な格子上に配置される場合は、明確なグレーティングローブは出現しないが、放射素子の間隔が大きくなるとやはり大きなサイドローブが発生する。また、素子数の多いアレーアンテナでは、不規則な格子上に放射素子を配列すると、製作性が極めて悪く、製造コストも高くなるため、不規則的格子のアレーアンテナの採用は一般に難しい。
【０００７】
上記のようにグレーティングローブ抑圧のためには放射素子間隔を小さくしなければならないが、ビーム幅を細くするにはより大きなアンテナ開口径が必要になるため、格子の全てに、放射素子を配置すると、その数はビーム幅の狭さに応じて増加する。これは製造コストの増加につながり、高価な移相器や増幅器を各放射素子に設置するフェーズドアレーアンテナ、アクティブフェーズドアレーアンテナでは、特にその傾向が顕著である。
【０００８】
そこで一部の放射素子を削除またはその励振をＯＦＦにすることで、放射素子や移相器、増幅器の数を減少させて製造コストを低減させる必要が生じる。これを間引きと言う。間引きを行うと、等価的に素子間隔が広くなるのでサイドローブが上昇する。しかし、上記規則的格子の間隔がグレーティングローブ抑制の条件を満たしていれば、格子１つおきに間引く等、規則的な間引きを行わない限りグレーティングローブは出現しない。いかにサイドローブを所定値内に抑えるよう間引くかが、課題となる。
【０００９】
以下、従来例について説明する。上記間引きを実施するには種々の方法がある。特にアンテナ開口に設ける振幅分布の形状が予めわかっている場合は、乱数を発生させて統計的に間引き素子を決める手法や、間引きする放射素子を振幅分布関数から確定的に決定する手法がある。例えば特公平４−７９１６１号公報に示されたものは後者に相当し、アンテナ開口上に定義した配列密度関数より得られる各格子点の重みを順に加算して、この値が１以上増えたときに放射素子を配置するという手法を用いている。この手法は前者の統計的な手法に比べて、所望の振幅分布からのずれが少なくなるという特長を有している。
【００１０】
しかしながら、上記の手法は所望の放射パターンを実現するのに必要な開口振幅分布が判明している場合には有効であるが、不明の場合には使用できない。また、ビーム幅を維持するためには、なるべく開口上の振幅分布を均一にする必要があるが、上記手法で配列密度関数を均一（開口上のどこでも同じ値を取る関数）にしてしまうと、おおむね規則的な間引きになり、グレーティングローブが出現してしまうという問題がある。
このような場合の対策としては、例えば特開２００１−２４４２１号公報に示されるような、遺伝的アルゴリズムを用いて放射素子のＯＮ、ＯＦＦ（または取り除くか否か）を決定する方法がある。図６に特開２００１−２４４２１号公報によるアルゴリズムのフローチャートを示す。遺伝的アルゴリズムの概要は以下のようになっている。
【００１１】
まず放射素子のＯＮ、ＯＦＦを数字１、０で表現し、Ｎ個の格子点を持つアレーアンテナの放射素子の状態を、この１、０をＮ個羅列した組で表す。この組を遺伝子に見立て、ランダムに生成した複数の遺伝子で初期世代を形成する。この複数の遺伝子を交叉（２つの遺伝子の一部を互いに入れ替えさせる）、突然変異（遺伝子の一部を異なる値に変更する）させて、次世代の遺伝子群を形成し、このうち放射パターンが、所望値により近いものを残してさらに、交叉、突然変異で次々世代を形成する。放射パターンが所望値を満たす遺伝子が出現するまでこの手順を繰り返す。ちなみに特開２００１−２４４２１では、１遺伝子のＮ個の数字（１と０）をさらにＮ／Ｋ個の組に分けて、各組における放射特性寄与を前もって全て計算しておくことで、遺伝子の評価時間を短縮する工夫をしている。
【００１２】
上記のように遺伝的アルゴリズムは必要な開口振幅分布が不明な場合における解決手段となりうるが、放射素子の分布と放射特性の関係を定性的に考察するわけではないので、必ずしも所望値にたどり着く保証はなく、また、たどり着くまでに計算に極めて時間がかかる場合もある。また、収束させるにも発生させる遺伝子数や突然変異の確率等、調整するパラメータが多く、多くのノウハウを必要とするケースが少なくない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
アレーアンテナにおける、従来の間引き手法は以上のように用いられてきたが、上述のように以下の課題があった。
・所望の放射特性を実現する、アンテナ開口上の振幅分布が予め判明していないと適用ができない手法がある。
・ビーム幅を維持するためにアンテナ開口振幅分布の配列密度関数を均一にすると、規則的な間引きとなり、グレーティングローブが発生する。
・アンテナ開口分布が不明な場合に適用できる手法では、解にたどり着く保証がない。
【００１４】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、ビーム幅を維持し、サイドローブを所定値以下に抑えつつ、放射素子を間引いたアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【００１５】
また、アンテナ利得の低下を抑制した間引きアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【００１６】
また、格子間隔をなるべく大きくして製造を容易にし、製造コストを低減しうる間引きアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【００１７】
また、縦横の格子をそろえて、製造を容易にし、製造コストを低減しうる間引きアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【００１８】
また、遺伝的アルゴリズム等、所望のアンテナ開口分布が不明な場合に適用される手法によって設計される間引きアレーアンテナ装置において、有効な解に収束しうる初期値を与えることを目的とする。
【００１９】
また、間引きによって放射素子や移相器、増幅器の数を減少し、より低コストで製作できるアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、アレーアンテナ上において、同一平面上に設置された方向の異なる２本のベクトルにより規定される規則的な格子の格子点上のうちの少なくとも、同一平面上にある複数の同心円上に放射素子を配置して所定の放射特性を有する参照アレーアンテナの各放射素子に対して最も近い位置にある各格子点上に放射素子を設け、これらを実際に励振する放射素子として選択することを特徴とするアレーアンテナ装置にある。
【００２１】
また、アレーアンテナの１つの格子点が、参照アレーアンテナの複数の放射素子からそれぞれ最も近い位置にある格子点とされる場合に、上記複数の放射素子のうち最も近い位置以外の放射素子は、各々、該放射素子以外の近い位置にある格子点を最も近い位置にある格子点とすることを特徴とする。
【００２２】
また、アレーアンテナの規則的な格子を三角格子としたことを特徴とする。
【００２３】
また、アレーアンテナの規則的な格子を四角格子としたことを特徴とする。
【００２４】
また、アレーアンテナの各放射素子位置が、上記のようにして決定された位置を初期値とし、遺伝的アルゴリズムにより最終的に決定されたものであることを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明はアレーアンテナにおいて放射素子を同心円状に配列した場合の放射素子位置から、規則的格子上に配置された放射素子の間引きを決定するものである。そこでまず、同心円配列の特性について述べた後、実施の形態を示すことにする。
【００２６】
図１はアレーアンテナにおいて、同一平面に設置した複数の同心円上に放射素子を配置した状態を示すものである。図中１は同心円、２は同心円上に配置された放射素子を示す。この同心円配列アレーアンテナの放射特性は、例えば「２００１年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会Ｂ−１−１３５」に示されるように、波数空間で定式化される。
【００２７】
波数空間における放射特性とは、実際の物理空間に出現する放射（可視域の放射）の他に、物理空間に現れていない放射（不可視域の放射）も含めた放射特性である。この不可視域の放射は、ビームをアンテナ正面から走査したり、素子間隔や同心円の間隔を広げたりすることで、可視域に出現する。すなわち、波数空間放射特性が明らかな同心円配列アレーアンテナは、ビームを走査した場合や、同心円の間隔、同心円に沿った放射素子の間隔を変化させた場合に、各々のケースをいちいち計算しなくても、ビーム幅やサイドローブレベルがどのように変化するかを前もって知ることができるという利点がある。
【００２８】
さらに同心円配列アレーアンテナでは、同心円の間隔や同心円周方向の素子間隔を一定にすると、全アンテナ開口において概ね一様な振幅分布となるため、上記同心円間隔や放射素子間隔を広げても、アンテナ開口径から定まるビーム幅を維持できるという利点を有する。上記同心円間隔や放射素子間隔を広げた場合、サイドローブは上昇するが、その値は、上述のように前もって把握することができるので、所要サイドローブレベルを維持できる同心円間隔、放射素子間隔は容易に設計される。
【００２９】
同心円配列アレーアンテナは上記のような利点を有するが、ただし、放射素子が縦横に規則的な格子上に配置されていないので、放射素子数が多い場合には製造が困難である。
【００３０】
次に、本発明の実施の形態を説明する。図２、図３はこの発明の実施の形態１によるアレーアンテナ装置における、アレーアンテナでの放射素子の配置図である。図において３はベクトルＸ、４はベクトルＸ３と同一平面にあり方向の異なるベクトルＹ、５はベクトルＸ３、ベクトルＹ４によって定義される規則的格子、６は規則的格子５の格子点上に配置される放射素子である。なお、図２は同心円配列と規則的格子配列を比較している図であり、図３は放射素子位置が決定した規則的格子配列のみを示している図である。
【００３１】
図２において、同心円１上の放射素子２は、所定の放射特性を満足する配置（参照アレーアンテナの配置）となっている。ここで、放射素子２の位置と規則的格子５の格子点の位置を比較し、各放射素子２に最も近い規則的格子５の格子点を選択し、この格子点に実際に励振する放射素子を設置する。他の格子点には、放射素子を設置しない、もしくは移相器や増幅器、給電回路（それぞれ図示省略）と接続しないダミーの放射素子を設置するものとする。
【００３２】
上記のようにアレーアンテナにおける放射素子の間引きを行うと、同心円配列による所定の放射特性を、ほぼ維持したまま、規則的格子５上に放射素子を配置したアレーアンテナ装置を得ることができる。すなわち、上述の発明が解決しようとする課題で述べた、開口分布が不明なので間引きが決定できない、間引きの解が得られる保証がないという課題を解消して、所望の放射特性を持つ間引きアレーアンテナを得るという効果を有する。
【００３３】
さらに上記規則的格子５の格子間隔を、グレーティングローブを抑圧できる寸法に選べば、本実施の形態のアレーアンテナにおいてもグレーティングローブが抑圧されることは言うまでもない。
【００３４】
さらに上記複数の同心円１の間隔や、同心円１の周方向に沿った放射素子間隔を一定とすれば、アンテナ開口面上の振幅分布は、概ね一様となるため、本実施の形態のアレーアンテナにおいても、アンテナ開口径から規定されるビーム幅が維持されることは言うまでもない。
【００３５】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２によるアレーアンテナ装置における、アレーアンテナでの放射素子の選択方法を示した図である。図中の上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示すが、個々の放射素子を区別するためにＡ、Ｂ記号を付している。
【００３６】
前述の実施の形態１における放射素子の選択方法では、同心円上の放射素子２Ａ、２Ｂそれぞれに、最も近い規則的格子上の格子点を選ばせるため、図４のように複数の同心円上の放射素子２Ａ、２Ｂが、同一の格子点（放射素子６Ａ）を選択することがありえる。この場合規則的格子上に配置される放射素子数は、もとの同心円配列の放射素子数より減少することになる。
【００３７】
放射素子の間隔が波長に比して大きいアレーアンテナでは、そのビーム利得は概ね放射素子数に比例する。従って、上記の放射素子減少数が多い場合、ビーム利得の低下を招く。これを防ぐために、以下のような手法を採用する。
【００３８】
上記のように複数の同心円上放射素子２Ａ、２Ｂが同一格子点を選択した場合、より格子点に近い放射素子２Ａがこれ（６Ａ）を選択するものとし、２Ｂは次に近い格子点を選んで放射素子６Ｂを配置するものとする。
【００３９】
以上のように放射素子を配置する格子点を選択すれば、規則的格子上に配置される放射素子数は、もとの同心円配列の放射素子数と同じになり、同等の利得を維持できるという効果を有する。
【００４０】
実施の形態３．
本実施の形態を図２を用いて説明する。アレーアンテナの放射素子を配列する規則的格子において、図２ように格子の形状を三角形にすると、グレーティングローブを抑圧する格子間隔を最大にできることが知られている。すなわち規則的格子を三角形にすることで放射素子間隔を大きくし、接続する移相器、増幅器（それぞれ図示省略）のモジュール寸法を最大に取ることが可能になる。これはモジュールの製造や放射素子配置を容易にし、またモジュールの設計自由度を向上するので、製造コストを低減できるという効果を有する。
【００４１】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４によるアレーアンテナ装置における、アレーアンテナでの放射素子の配置を示した図である。図中の上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。本実施の形態では、規則的格子５を定義するベクトルＸ３、ベクトルＹ４が直交しており、規則的格子５は四角格子となっている。四角格子では放射素子６が縦横に揃って整列するため、放射素子に接続する移相器、増幅器のモジュールの配置が容易になる。また、これらのモジュールを接続する分配合成回路の構成も容易になり、製造コストを低減できるという効果を有する。
【００４２】
実施の形態５．
本実施の形態５では、上述の実施の形態１〜４で得られた規則的格子５上の放射素子間引きを初期値として、遺伝的アルゴリズム等、所望のアンテナ開口分布が不明な場合に用いられる手法を適用して、放射素子の間引きを決定する。これにより所望値により近い放射特性を有するアレーアンテナ装置を得るという効果がある。
【００４３】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、アレーアンテナ上において、同一平面上に設置された方向の異なる２本のベクトルにより規定される規則的な格子の格子点上のうちの少なくとも、同一平面上にある複数の同心円上に放射素子を配置して所定の放射特性を有する参照アレーアンテナの各放射素子に対して最も近い位置にある各格子点上に放射素子を設け、これらを実際に励振する放射素子として選択することを特徴とするアレーアンテナ装置とした。このようにアレーアンテナにおける放射素子の間引きを行うと、同心円配列による所定の放射特性を、ほぼ維持したまま、規則的格子上に放射素子を配置したアレーアンテナ装置を得ることができる。すなわち、開口分布が不明なので間引きが決定できない、間引きの解が得られる保証がないという課題を解消して、所望の放射特性を持つ間引きアレーアンテナを得ることができる。
【００４４】
また、アレーアンテナの１つの格子点が、参照アレーアンテナの複数の放射素子からそれぞれ最も近い位置にある格子点とされる場合に、上記複数の放射素子のうち最も近い位置以外の放射素子は、各々、該放射素子以外の近い位置にある格子点を最も近い位置にある格子点とすることを特徴とした。これにより、規則的格子上に配置される放射素子数は、もとの同心円配列の放射素子数と同じになり、同等の利得を維持できる。
【００４５】
また、アレーアンテナの規則的な格子を三角格子としたので、規則的格子を三角形にすることで放射素子間隔を大きくし、接続する移相器、増幅器のモジュール寸法を最大に取ることが可能になる。これはモジュールの製造や放射素子配置を容易にし、またモジュールの設計自由度を向上するので、製造コストを低減できる。
【００４６】
また、アレーアンテナの規則的な格子を四角格子としたので、四角格子では放射素子が縦横に揃って整列するため、放射素子に接続する移相器、増幅器のモジュールの配置が容易になる。また、これらのモジュールを接続する分配合成回路の構成も容易になり、製造コストを低減できる。
【００４７】
また、アレーアンテナの各放射素子位置が、上記のようにして決定された位置を初期値とし、遺伝的アルゴリズムにより最終的に決定されたものであることを特徴とした。これにより、所望値により近い放射特性を有するアレーアンテナ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アレーアンテナにおいて同一平面に設置した複数の同心円上に放射素子を配置した状態を示す図である。
【図２】この発明によるアレーアンテナ装置を説明するための同心円配列と規則的格子配列の比較を示す図である。
【図３】この発明によるアレーアンテナ装置を説明するための放射素子位置が決定した規則的格子配列のみを示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるアレーアンテナ装置におけるアレーアンテナでの放射素子の選択方法を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態４によるアレーアンテナ装置におけるアレーアンテナでの放射素子の配置を示した図である。
【図６】従来の放射素子のＯＮ、ＯＦＦまたは取り除くか否かを決定するのに使用される遺伝的アルゴリズムのフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
１　同心円、２，６　放射素子、３，４　ベクトル、５　規則的格子。
【図１】
2004015108.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004015108.tif 000006
【図５】
2004015108.tif 000007
【図６】
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