(57)【要約】【課題】アレーアンテナとアレー送受信機を搭載したアレー送受信システムにおいて、アンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機におけるポート間特性差の影響を取り除く校正方法を提供する。【解決手段】アレー送受信システムの散乱行列を測定し、前記散乱行列に基づいてアレーアンテナの散乱行列Ｓ、アレー送信機の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機の伝達行列Ｈｒを求め、所定式に従って送信時補償行列Ｃｓ及び受信時補償行列Ｃｒを演算して校正する。【選択図】　図８
2004096676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレー送受信システムの散乱行列を測定し、前記散乱行列に基づいてアレーアンテナの散乱行列Ｓ、アレー送信機の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機の伝達行列Ｈｒを求め、所定式に従って送信時補償行列Ｃｓ及び受信時補償行列Ｃｒを演算して校正するようにしたことを特徴とするアレー送受信機のための自己校正方法。
【請求項２】
前記所定式の１つがＣｓ＝Ｈｓ−１（Ｉ＋Ｓ）−１である請求項１に記載のアレー送信機のための自己校正方法。
【請求項３】
前記所定式の１つがＣｒ＝（Ｉ−Ｓ）−１Ｈｒ−１である請求項１に記載のアレー受信機のための自己校正方法。
【請求項４】
アレーアンテナであり、アンテナインピーダンスを短絡又は開放にするためのスイッチ手段を具備したことを特徴とするアクティブスイッチアンテナ。
【請求項５】
前記スイッチ手段が端部より波長／４位置に設けられている請求項４に記載のアクティブスイッチアレーアンテナ。
【請求項６】
前記スイッチ手段が端部に直列又は並列に設けられている請求項４に記載のアクティブスイッチアレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレーアンテナを用いたアレー送受信機のための自己校正方法及びその自己校正に適したアクティブスイッチアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術を説明する前に、先ず本発明の前提となるアレー送受信システムの概略を説明する。図８に示すようなｍポートで成るアレー送受信システムを考える。例として、図８ではアレーアンテナ１０は３個のアンテナ１１〜１３で構成されている。信号受信時の場合はアレーアンテナ１０において、自己及び相互に係数Ｓ１１，Ｓ２２，Ｓ３３，Ｓ２１，Ｓ３２，Ｓ３１で表現される相互干渉を受け、アレーアンテナ１０からの信号はｍポートのアレー受信機２０で受信され、その出力ｖｒ（ｔ）がＡ／Ｄ変換器３０でディジタル信号に変換されて信号処理部（図示せず）に入力され、コンピュータ等の機器で利用処理される。また、コンピュータ等の機器からの信号はＤ／Ａ変換器４０でＤ／Ａ変換され、そのＤ／Ａ変換されたアナログ信号ｖｓ（ｔ）はｍポートのアレー送信機５０に入力され、アレー送信機５０からの信号がアレーアンテナ１０で送信される。このとき、ｍ×ｍ次のアレーアンテナ１０の散乱行列をＳ、ｍ×ｍ次のアレー送信機５０の伝達行列をＨｓ、ｍ×ｍ次のアレー受信機２０の伝達行列をＨｒとする。
【０００３】
（１）アレー送受信システムを送信機として使用する場合
アレー送受信システムへのｍ次の入力ベクトル、つまりＤ／Ａ変換器４０の出力をｖｓ（ｔ）とすると、アレーアンテナ１０の出力ベクトルｖａｎｔ（ｔ）は下記数１で与えられる。
【０００４】
【数１】
2004096676.tif 000003
ここで、上記数１中の（Ｉ＋Ｓ）は送信時におけるアンテナ素子間相互結合の影響を表わしており、“Ｉ”はｍ×ｍ次の単位行列（対角が１で、他は全て０）を表わしている。これと送信機ポート間特性差との同時補償を行うには、下記数２の送信時補償行列Ｃｓが必要となる。なお、“−１”は逆行列を表わしている。
【０００５】
【数２】
2004096676.tif 000004
この送信時補償行列Ｃｓを用いることにより、下記数３に従って送信時アレー送受信システムの校正を行うことができる。
【０００６】
【数３】
2004096676.tif 000005
（２）アレー送受信システムを受信機として使用する場合
アレーアンテナ１０へのｍ次の入力ベクトルを
【数４】
2004096676.tif 000006
とすると、アレー送受信システムの出力ベクトル、つまりアレー受信機２０の出力ｖｒ（ｔ）は下記数５で与えられる。
【０００７】
【数５】
2004096676.tif 000007
ここで、数５中の（Ｉ−Ｓ）は、受信時におけるアンテナ素子間相互結合の影響を表わしており、これと受信機ポート間特性差との同時補償を行うには、下記数６の受信時補償行列Ｃｒが必要となる。
【０００８】
【数６】
2004096676.tif 000008
この受信時補償行列Ｃｒを用いることにより、下記数７に従って受信時アレー送受信システムの校正を行うことができる。
【０００９】
【数７】
2004096676.tif 000009
（３）補償行列を求める方法
ここにおいて、送信時補償行列Ｃｓ及び受信時補償行列Ｃｒを求める方法としては、従来最小二乗法に基づく方法が提案されている（（１）稲葉，　坂本，　大堂，　三浦，　“成層圏無線プラットフォーム搭載用ＤＢＦアンテナ送信アレーアンテナの素子間結合補償法”、　電子情報通信学会ソサイエティ大会，　Ｂ−１−１５２，　２００１年９月（非特許文献１）、（２）稲葉，　坂本，　荒木，　“受信アレーアンテナにおける素子間結合補償法の検討”、電子情報通信学会　技術報告，　Ａ・Ｐ２００１−５３，　２００１年７月（非特許文献２））。これら非特許文献１及び２ではいずれも別置きの参照アンテナ（外部基準アンテン）を使用しており、送信時の場合は、参照信号ｖｓ（ｔ）に対するアレーアンテナ出力ｖａｎｔ（ｔ）を既知の観測点で測定することによって送信時補償行列Ｃｓを求め、受信時の場合は、既知の到来方向からの参照信号
【数４】
2004096676.tif 000010
に対するアレー送受信システムの出力ｖｒ（ｔ）を測定することにより、受信時補償行列Ｃｒを求めている。これらの測定を実現するためには、アレーアンテナ１０との相対位置及びその間の電波伝搬環境が既知である複数の観測点（例えば電波暗室内における測定）が必要である。よって、校正のための大規模なハードウェアが必要であり、かつ物理的に精度の高い測定を要求されるという問題がある。また、電波暗室における測定を想定すると、オンサイト（アレー送受信システムを運用する一般的な環境）での校正には不向きである。
【００１０】
【非特許文献１】
稲葉，　坂本，　大堂，　三浦，　“成層圏無線プラットフォーム搭載用ＤＢＦアンテナ送信アレーアンテナの素子間結合補償法”、　電子情報通信学会ソサイエティ大会，Ｂ−１−１５２，　２００１年９月
【００１１】
【非特許文献２】
稲葉，　坂本，　荒木，　“受信アレーアンテナにおける素子間結合補償法の検討”、電子情報通信学会　技術報告，　Ａ・Ｐ２００１−５３，　２００１年７月
【００１２】
【非特許文献３】
西森，　長，　堀，“アンテナ間の信号帰還を利用したアダプティブアレーの自動校正法”、電子情報通信学会技術報告，　ＳＳＴ２０００−９２，　Ａ・Ｐ２０００−２２６，　ＲＣＳ２０００−２２６，ＭＷ２０００−２１７，　２００１年３月
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題を解決する方法として、アレーアンテナ間のフィードバック信号（アレー送受信システムの散乱行列）を測定し、補償行列を推定する方法が提案されている（西森，　長，　堀，“アンテナ間の信号帰還を利用したアダプティブアレーの自動校正法”、電子情報通信学会技術報告，　ＳＳＴ２０００−９２，　Ａ・Ｐ２０００−２２６，　ＲＣＳ２０００−２２６，　ＭＷ２０００−２１７，　２００１年３月（非特許文献３））。しかし、この非特許文献３に記述された方法は、アレーアンテナの散乱行列Ｓの対角要素が同一であるという仮定の基に成り立っているため、送信機及び受信機におけるポート間特性差は補償できるが、アンテナ素子間相互結合の影響は取り除くことができない問題がある。つまり、アレーアンテナの間隔が大きい場合にはアンテナ素子間相互結合の影響が小さく、補償行列をほぼ正確に推定することができるが、アレーアンテナの間隔が小さい場合にはアンテナ素子間相互結合の影響が大きくなり、補償行列の推定を正確に行うことができない。
【００１４】
上述のようにアレーアンテナとアレー送受信機を搭載したアレー送受信システムでは、アンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機におけるポート間特性差が問題となる。実例としてアレー送受信システムを搭載したディジタルビームフォーマでは、これらの問題により所望したビームの形成が困難となる。また、アレー送受信システムを用いた到来方向の推定では、これらの問題により角度推定値に誤差が生じてしまう。
【００１５】
本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、アレーアンテナとアレー送受信機を搭載したアレー送受信システムにおいて、アンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機におけるポート間特性差の影響を取り除く校正方法を提供することにある。特にオンサイト（アレー送受信システムを運用する一般的な環境）における自己校正機能を実現するためのアンテナ構成（アクティブスイッチアンテナ）及び補償アルゴリズムを提供する。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明はアレー送受信機のための自己校正方法に関し、本発明の上記目的は、アレー送受信システムの散乱行列を測定し、前記散乱行列に基づいてアレーアンテナの散乱行列Ｓ、アレー送信機の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機の伝達行列Ｈｒを求め、所定式に従って送信時補償行列Ｃｓ及び受信時補償行列Ｃｒを演算して校正することによって達成される。
【００１７】
また、本発明はアレーアンテナに関し、本発明の上記目的は、アンテナインピーダンスを短絡又は開放にするためのスイッチ手段を具備ことによって達成される。
【００１８】
本発明では、アレー送受信システムにおいてアンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機のポート間特性差を同時に、かつオンサイトで補償するに最適なアクティブスイッチアンテナ及び補償アルゴリズムを提案する。アレー送受信システムを多ポート回路と考えたときの散乱行列と、アレー給電部（面位置）から見たアンテナインピーダンスを短絡又は開放としたときの散乱行列を測定することによって、補償行列を同時にかつオンサイトで計算する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明では、アレーアンテナとアレー送受信機を搭載したアレー送受信システムにおいて、アンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機におけるポート間特性差の影響を取り除く新しい校正方法を提案する。特に校正方法に適したアレーアンテナであるアクティブスイッチアンテナと、自己校正機能を実現するための補償アルゴリズムを提案する。本発明の自己校正機能をアレー送受信システムに搭載することにより、例えばディジタルビームフォーマのビーム形成精度や、到来方向推定の角度推定精度を飛躍的に向上させることができる。
【００２０】
オンサイトでの校正を考慮に入れると、アンテナ間のフィードバック信号を用いた前記非特許文献３の校正方法が最も適した方法であると考えられる。送受信機間のアイソレーションが充分に確保できているとすると、アンテナ間のフィードバック信号（アレー送受信システムの散乱行列）は一般に下記数８のように記述することができる。
【００２１】
【数８】
2004096676.tif 000011
前記数２及び数６より送信時補償行列Ｃｓ及び受信時補償行列Ｃｒを求めるためには、上記数８においてアレーアンテナ１０の散乱行列Ｓ、アレー送信機５０の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機２０の伝達行列Ｈｒを分離する必要があるが、測定可能な観測量より未知数が多すぎるため求めることができない。そこで、非特許文献３では散乱行列Ｓの対角要素が同一であるという仮定をおき、その条件の基に送信機の伝達行列Ｈｓ及び受信機の伝達行列Ｈｒを相対的に求める方法を採用している。よって、非特許文献３の方法は、アンテナ素子間相互結合の影響が小さいアレーアンテナ（例えば素子間隔が充分に広いアレーアンテナ）では有効であるが、ディジタルビームフォーマや到来方向推定に用いられるようなアンテナ素子間隔が狭い素子間相互結合の影響の大きいアレーアンテナにおいては、充分な補償を得ることができない。
【００２２】
そこで、本発明では、アレーアンテナ１０自体にアレー給電部（面位置）から見たアンテナインピーダンスが短絡又は開放となるスイッチ手段（例えばピン・ダイオード・スイッチ、ＲＦスイッチ等）を実装し、そのときアレー送受信システムの散乱行列を測定することで観測量を増やし、アレーアンテナの散乱行列Ｓ、アレー送信機５０の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機２０の伝達行列Ｈｒを同時に求めるようにしている。
【００２３】
アレー給電部（面位置）から見たアンテナインピーダンスが短絡又は開放となるスイッチ機能を、アンテナ１００に装着した例（第１実施例〜第４実施例）を図１〜図４に示す。
【００２４】
図１の第１実施例は、アンテナ端部より波長λ／４位置にスイッチ手段１０１を並列に設けた例であり、スイッチオンはアレー給電部から見たインピーダンス無限大状態（開放状態）、スイッチオフはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。図２の第２実施例は、アンテナ一端部より波長λ／４位置にスイッチ手段１０２を直列に設けた例であり、スイッチオフは短絡状態、スイッチオンはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。これら第１実施例及び第２実施例では、スイッチ手段１０１及び１０２の配設位置が端部より波長λ／４に限定されるため、波長λが変化した場合にはその波長に基づいてスイッチ配設位置も変える必要がある。
【００２５】
また、図３の第３実施例はアンテナ一端部にスイッチ手段１０３を直列に設けた例であり、スイッチオフは開放状態、スイッチオンはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。図４の第４実施例はアンテナ端部にスイッチ手段１０４を並列に設けた例であり、スイッチオンは短絡状態、スイッチオフはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。上述のような機能を有したアンテナを、本発明ではアクティブスイッチアンテナと呼ぶ。
上述のようなアクティブスイッチアンテナの機能を用いると、スイッチ手段のオン／オフ状態に応じて、例えば第１実施例の場合は次の２つの情報（数９及び数１０）を観測することができる。
【００２６】
【数９】
2004096676.tif 000012
【数１０】
2004096676.tif 000013
これら２つの情報より、アレーアンテナ１０の散乱行列Ｓを絶対的に、アレー送信機５０の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機２０の伝達行列Ｈｒを相対的に求めることができる。始めに、説明の便宜上次の２つの行列を定義する。
【００２７】
【数１１】
2004096676.tif 000014
【数１２】
2004096676.tif 000015
ここで、“ｄｉａｇ”　は行列の対角要素を抽出し、ベクトルに納める関数である。これらチルドＨｓ及びＨｒは、アレー送信機５０の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機２０の伝達行列Ｈｒの全てのポート間の相対値を表わす行列であり、これらを求めることによって伝達行列Ｈｓ及びＨｒの相対値ハットＨｓ及びＨｒを求めることができる。また、チルドＨｓ及びＨｒは次式を満たしている。
【００２８】
【数１３】
2004096676.tif 000016
【数１４】
2004096676.tif 000017
ここで　、“．√”、“．×”、“．／”　はそれぞれ要素毎の演算を表わしている。またＭ１及びＭ２は次式で定義される。
【００２９】
【数１５】
2004096676.tif 000018
【数１６】
2004096676.tif 000019
求められた伝達行列Ｈｓ及びＨｒの相対値ハットＨｓ及び相対値ハットＨｒを用いて、アレーアンテナ１０の散乱行列Ｓを次式により求める。
【００３０】
【数１７】
2004096676.tif 000020
最後にアレーアンテナ１０の散乱行列をＳ、アレー送信機５０の伝達行列ハットＨｓ及びアレー受信機２０の伝達行列ハットＨｒより、前記数２に従って送信時補償行列Ｃｓを、前記数６に従って受信時補償行列Ｃｒをそれぞれ求めることが可能である。
【００３１】
次に、アレー送受信システムを用いた到来方向推定に本発明を適用した例を示す。　図８に示すアレー送受信システムにおいて、アレーアンテナ１０としては８素子半波長間隔線形アレーアンテナ１４を用いている。各素子は同一の半波長ダイポールアンテナから成り、この８素子半波長間隔線形アレーアンテナ１４の散乱行列Ｓをイメージ表現したものを図５に示す。図５において、右図の棒グラフはアンテナ間の散乱行列Ｓの大きさをｄＢで表わしており、左図のパワー図より、対角要素は類似しているが同一ではないので、これからも非特許文献３の校正方法は正確には成り立たないことが分かる。アレー送信機５０及びアレー受信機２０のポート間特性差は振幅で±３［ｄＢ］以内、位相で±５［ｄｅｇ］以内の一様乱数としている。到来方向推定の環境は、図６に示すように１つの平面波のみが到来する環境を考えている。到来方向推定アルゴリズムとしてはＥＳＰＲＩＴ法を採用している。この環境において、到来角度を変化させたとき（図６では９０度から−９０度）の到来方向推定の誤差を評価する。
【００３２】
比較対象としては補償を何も行わなかった場合（破線）と、非特許文献３と同様にアンテナ素子間相互結合の影響を考慮せず、受信機ポート間特性差のみを補償した場合（一点鎖線）と、本発明のような補償を行った場合（実線）とを比較して、図７に示す。これより本発明の有効性を確認することができる。なお、図７の“ＤＯＡ”は”Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　Ｏｆ　Ａｒｒｉｖｅ”を示している。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、アレー送受信システムにおけるアンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機のポート間特性差を同時に、かつオンサイトで補償することが可能となる。本発明の効果は、図７に示す到来方向推定誤差の評価からも明かである。
【００３４】
本発明はオンサイトでの校正が可能なため、例えば電波暗室における大規模な測定系及び物理的に精度の良い測定などが必要ない。また、送受信機などの温度特性及び経時変化などにも追従可能である。更に、本発明のようなスイッチ手段を具備したアクティブスイッチアンテナによれば、アレー送受信システムにおける自己校正に最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例（第１実施例）を示す模式図である。
【図２】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例（第２実施例）を示す模式図である。
【図３】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例（第３実施例）を示す模式図である。
【図４】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例（第４実施例）を示す模式図である。
【図５】本発明に用いるアレーアンテナの散乱行列のイメージ図である。
【図６】到来方向推定の環境を示す図である。
【図７】到来方向推定誤差の評価結果を示す図である。
【図８】アレー送受信システムの校正を説明するためのブロック構成図である。
【符号の説明】
１０　　　　アレーアンテナ
２０　　　　アレー受信機
３０　　　　Ａ／Ｄ変換器
４０　　　　Ｄ／Ａ変換器
５０　　　　アレー送信機
１００　　　アンテナ
１０１〜１０４　　スイッチ手段
【図１】
2004096676.tif 000021
【図２】
2004096676.tif 000022
【図３】
2004096676.tif 000023
【図４】
2004096676.tif 000024
【図５】
2004096676.tif 000025
【図６】
2004096676.tif 000026
【図７】
2004096676.tif 000027
【図８】
2004096676.tif 000028