(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子をエンドファイア方向に配列したアレーアンテナの設計装置において、
前記アレーアンテナを構成する前記アンテナ素子の間隔および本数と、中心周波数を用いて、対向局に対する方位角をパラメータとするアレーファクタを算出するアレーファクタ算出部と、
前記アレーファクタにおける一のグレーティングローブの角度であり、かつ該角度を中心としたアンテナ素子単体のアンテナパターンにおけるメインローブ幅の範囲内に、前記アレーファクタにおける他のグレーティングローブが含まれない角度を算出し、該角度を前記複数のアンテナ素子の前記エンドファイア方向とメインローブ方向とのなす角度であるオフセット角として設定し、メインローブ幅を該一のグレーティングローブの幅に低減するオフセット角算出部と
を備えたことを特徴とするアレーアンテナの設計装置。
【請求項２】
複数のアンテナ素子をエンドファイア方向に配列したアレーアンテナの設計装置において、
前記アレーアンテナを構成する前記アンテナ素子の間隔および本数と、中心周波数を用いて、対向局に対する方位角をパラメータとするアレーファクタを算出するアレーファクタ算出部と、
低減するサイドローブの角度に最も近く、前記アレーファクタにおける隣接するグレーティングローブの中間点の角度を算出し、該角度を前記複数のアンテナ素子の前記エンドファイア方向とメインローブ方向とのなす角度であるオフセット角として設定し、該角度付近のサイドローブを低減するオフセット角算出部と
を備えたことを特徴とするアレーアンテナの設計装置。
【請求項３】
複数のアンテナ素子をエンドファイア方向に配列したアレーアンテナの設計方法において、
前記アレーアンテナを構成する前記アンテナ素子の間隔および本数と、中心周波数を用いて、対向局に対する方位角をパラメータとするアレーファクタを算出する第１のステップと、
前記アレーファクタにおける一のグレーティングローブの角度であり、かつ該角度を中心としたアンテナ素子単体のアンテナパターンにおけるメインローブ幅の範囲内に、前記アレーファクタにおける他のグレーティングローブが含まれない角度を算出し、該角度を前記複数のアンテナ素子の前記エンドファイア方向とメインローブ方向とのなす角度であるオフセット角として設定し、メインローブ幅を該一のグレーティングローブの幅に低減する第２のステップと
を有することを特徴とするアレーアンテナの設計方法。
【請求項４】
複数のアンテナ素子をエンドファイア方向に配列したアレーアンテナの設計方法において、
前記アレーアンテナを構成する前記アンテナ素子の間隔および本数と、中心周波数を用いて、対向局に対する方位角をパラメータとするアレーファクタを算出する第１のステップと、
低減するサイドローブの角度に最も近く、前記アレーファクタにおける隣接するグレーティングローブの中間点の角度を算出し、該角度を前記複数のアンテナ素子の前記エンドファイア方向とメインローブ方向とのなす角度であるオフセット角として設定し、該角度付近のサイドローブを低減する第２のステップと
を有することを特徴とするアレーアンテナの設計方法。
【請求項５】
請求項３に記載のアレーアンテナの設計方法により実行される各ステップの処理をコンピュータに実行させ、メインローブ幅を低減するための前記オフセット角を算出することを特徴とするアレーアンテナの設計プログラム。
【請求項６】
請求項４に記載のアレーアンテナの設計方法により実行される各ステップの処理をコンピュータに実行させ、サイドローブを低減するための前記オフセット角を算出することを特徴とするアレーアンテナの設計プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子をエンドファイア方向に配列したアレーアンテナの設計装置、設計方法および設計プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アレーアンテナは、複数のアンテナ素子を用いることでアンテナ利得が向上し、さらに位相・振幅を電気的に制御することでメインビーム方向を変化させることができる。このような利点のうち、既存のアンテナを複数個利用して利得を向上させる分散アレーがある。特にこの技術は、通信時に大型アンテナの使用が困難であると予想される状況において有効である。例えば、可搬アンテナを用いて臨時通信回線を設営するといった場合の利得向上などに適用することができる。
【０００３】
しかし、小型アンテナを使用しているため、メインローブ幅の増大およびサイドローブレベルが上昇し、他システムへの干渉を増大させてしまう。メインローブ幅に関しては、一般的に分散アレーのようにアンテナ間隔を広げることで大開口径化し、ローブを細くすることができる。ただしその反面、アンテナ間隔が大きくなることによって発生するグレーティングローブがメインビーム内に現れ、アレーファクタ送信電力を向上した場合に他システムへ干渉する恐れがある。サイドローブに関しては、アダプティブビームフォーミングを行うことで所望外方向からの干渉を低減できるが、同相合成利得に比べて得られる利得が減少してしまう。アンテナ配置を微調整して所定サイドローブ付近にヌル点が与えられるようにアンテナ間隔を制御した場合でも、低減する角度範囲は非常に狭くなってしまうことが考えられる。
【０００４】
分散アレーのメリットであるアンテナ利得向上を維持した状態で、所定方向付近の干渉を広範囲に低減する方法が望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】鈴木義規, 他， "衛星通信用可搬アンテナへ適用した分散アレー構成技術の実験的検証,"電子情報通信学会技術研究報告, SAT2012-53 (2013): 35-40.
【非特許文献２】Heimiller, R. C., J. E. Belyea, and P. G. Tomlinson. "Distributed array radar," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. AES-19, no. 6 (1983): 831-839.
【非特許文献３】平田和史, 他， "グレーティングローブを抑圧する分散アレーアンテナの配置方法,"電子情報通信学会技術研究報告, Ａ・ P2005-15, (2005): 35-40.
【非特許文献４】アダプティブアンテナ技術, オーム社, 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１では、可搬アンテナへの分散アレー適用を目指し、独立したＢＵＣ及びＬＮＢでも位相補償を行うことで送受信でアレー利得を得る技術である。しかし、本技術は分散アレー時の干渉抑圧に関する言及はなされていない。
【０００７】
非特許文献２，３では、分散アレーにおけるサブアレーの配置方法をランダムないし不等間隔によってグレーティングローブを平滑化して下げる技術である。しかし、本技術の特性はアンテナ数に大きく依存し、少数のアンテナでは特性向上が得られにくい。さらに本技術の特性は、所定位置に対する干渉低減の検討はなされていない。
【０００８】
非特許文献４では、所定位置の干渉を打ち消すためのヌルビームフォーミングなどの検討がされているが、そのようなアダプティブ信号処理を行った場合、所望方向の利得が同送合成時と比較して減少してしまう。
【０００９】
本発明は、分散アレーアンテナ技術において、所望方向の同相合成利得を維持した状態で、所定方向の電力を広範囲に抑圧することができるアレーアンテナの設計装置、設計方法および設計プログラム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】
【００１０】
第１の発明は、複数のアンテナ素子をエンドファイア方向に配列したアレーアンテナの設計装置において、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔および本数と、中心周波数を用いて、対向局に対する方位角をパラメータとするアレーファクタを算出するアレーファクタ算出部と、アレーファクタにおける一のグレーティングローブの角度であり、かつ該角度を中心としたアンテナ素子単体のアンテナパターンにおけるメインローブ幅の範囲内に、アレーファクタにおける他のグレーティングローブが含まれない角度を算出し、該角度を複数のアンテナ素子のエンドファイア方向とメインローブ方向とのなす角度であるオフセット角として設定し、メインローブ幅を該一のグレーティングローブの幅に低減するオフセット角算出部とを備える。
【００１１】
第２の発明は、複数のアンテナ素子をエンドファイア方向に配列したアレーアンテナの設計装置において、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔および本数と、中心周波数を用いて、対向局に対する方位角をパラメータとするアレーファクタを算出するアレーファクタ算出部と、低減するサイドローブの角度に最も近く、アレーファクタにおける隣接するグレーティングローブの中間点の角度を算出し、該角度を複数のアンテナ素子のエンドファイア方向とメインローブ方向とのなす角度であるオフセット角として設定し、該角度付近のサイドローブを低減するオフセット角算出部とを備える。
【００１２】
第３の発明は、複数のアンテナ素子をエンドファイア方向に配列したアレーアンテナの設計方法において、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔および本数と、中心周波数を用いて、対向局に対する方位角をパラメータとするアレーファクタを算出する第１のステップと、複数のアンテナ素子のエンドファイア方向とメインローブ方向とのなす角度であるオフセット角として、アレーファクタにおける一のグレーティングローブの角度であり、かつ該角度を中心としたアンテナ素子単体のアンテナパターンにおけるメインローブ幅の範囲内に、アレーファクタにおける他のグレーティングローブが含まれない角度に設定し、メインローブ幅を該一のグレーティングローブの幅に低減する第２のステップとを有する。
【００１３】
第４の発明は、複数のアンテナ素子をエンドファイア方向に配列したアレーアンテナの設計方法において、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔および本数と、中心周波数を用いて、対向局に対する方位角をパラメータとするアレーファクタを算出する第１のステップと、複数のアンテナ素子のエンドファイア方向とメインローブ方向とのなす角度であるオフセット角として、低減するサイドローブの角度に最も近く、アレーファクタにおける隣接するグレーティングローブの中間点の角度に設定し、サイドローブを低減する第２のステップとを有する。
【００１４】
第５の発明は、第３の発明のアレーアンテナの設計方法により実行される各ステップの処理をコンピュータに実行させ、メインローブ幅を低減するためのオフセット角を算出することを特徴とするアレーアンテナの設計プログラムである。
【００１５】
第６の発明は、第４の発明のアレーアンテナの設計方法により実行される各ステップの処理をコンピュータに実行させ、サイドローブを低減するためのオフセット角を算出することを特徴とするアレーアンテナの設計プログラムである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、分散アレーアンテナ技術において、同相合成利得を維持した状態で、少数のアンテナでもオフセット角の設定により十分にメインローブ幅を低減し、または所定方向の電力を広範囲に抑圧することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のアレーアンテナの設計装置の構成例を示す図である。
【図２】メインローブ幅低減を行う処理手順例を示すフローチャートである。
【図３】サイドローブ低減を行う処理手順例を示すフローチャートである。
【図４】アレーアンテナの配置例（オフセット角０）を示す図である。
【図５】評価関数Ｆ（θ) とグレーティングローブ発生位置を示す図である。
【図６】アレーファクタを示す図である。
【図７】アレーアンテナの配置例（オフセット角φ）を示す図である。
【図８】オフセット角φ＝−11.89 °における評価関数Ｆ（θ) とグレーティングローブ発生位置を示す図である。
【図９】オフセット角φ＝−11.89 °におけるアレーファクタを示す図である。
【図１０】アンテナ素子単体のアンテナパターンを示す図である。
【図１１】オフセット角φ＝−11.89 °におけるアンテナパターン（方位角θ＝±30°）を示す図である。
【図１２】オフセット角φ＝−11.89 °におけるアンテナパターン（方位角θ＝±５°）を示すである。
【図１３】オフセット角φ＝−14.36 °における評価関数Ｆ（θ) とグレーティングローブ発生位置を示す図である。
【図１４】オフセット角φ＝−14.36 °におけるアレーファクタを示す図である。
【図１５】低減するサイドローブを示す図である。
【図１６】低減するサイドローブに対応するオフセット角φを示す図である。
【図１７】オフセット角φ＝−18.74 °におけるアレーファクタを示す図である。
【図１８】オフセット角φ＝−18.74 °におけるアンテナパターン（方位角θ＝±30°）を示す図である。
【図１９】オフセット角φ＝−18.74 °におけるアンテナパターン（方位角θ＝−15〜−22°）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明のアレーアンテナの設計装置の構成例を示す。
図１において、本発明のアレーアンテナの設計装置は、アレーファクタ算出部１１とオフセット角算出部１２により構成され、アレーファクタを用いてメインローブ幅の低減またはサイドローブの低減を行うアレーアンテナのオフセット角を算出し、設定する構成である。
【００１９】
図２は、メインローブ幅低減を行う処理手順例を示す。
図２において、アレーファクタ算出部１１は、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔および本数と、中心周波数を用いて、対向局に対する方位角をパラメータとするアレーファクタを算出する（Ｓ１）。オフセット角算出部１２は、アレーファクタにおける一のグレーティングローブの角度であり、かつ該角度を中心としたアンテナ素子単体のアンテナパターンにおけるメインローブ幅の範囲内に、アレーファクタにおける他のグレーティングローブが含まれない角度を算出し（Ｓ２）、算出角度を複数のアンテナ素子のエンドファイア方向とメインローブ方向とのなす角度であるオフセット角として設定し（Ｓ３）、メインローブ幅を該一のグレーティングローブの幅に低減する。
【００２０】
図３は、サイドローブ低減を行う処理手順例を示す。
図３において、アレーファクタ算出部１１は、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔および本数と、中心周波数を用いて、対向局に対する方位角をパラメータとするアレーファクタを算出する（Ｓ１）。オフセット角算出部１２は、低減するサイドローブの角度に最も近く、アレーファクタにおける隣接するグレーティングローブの中間点の角度を算出し（Ｓ４）、算出角度をオフセット角として設定し（Ｓ５）、サイドローブを低減する。
【００２１】
図４は、アレーアンテナの配置例（オフセット角０）を示す。
図４において、送信局は複数のアンテナで構成される分散アレーを備え、ｘ軸上に存在する受信局を想定する。なお、送受信間距離は送信局の各アンテナからの電波の進行方向が同一とみなせるように十分が距離があるものとする。アンテナ配置はリニアアレーを想定する。アレーアンテナ間隔をｄ、方位角をθ、アンテナ数をＫ、波長をλとしたとき、図４のように受信局に対して送信局アンテナをエンドファイヤ方向に並べて同位相合成を行う場合、方位角θをパラメータとしたアレーファクタＤ（θ）は以下のようになる。
【００２２】
【数１】
0006305948.tif 000002
【００２３】
式(1) をまとめると、
【数２】
0006305948.tif 000003
となる。
【００２４】
アレーファクタにおいてグレーティングローブが発生する条件は、式中の
(ｋ−１）ｄ／λ (１− cosθ) 
が整数となる場合である。（ｋ−１）は整数であるため、ｄ／λ (１− cosθ) が整数となることが条件である。これを評価関数Ｆ（θ) とする。
【００２５】
以下では、Ｋｕ帯衛星通信を想定し、周波数を14ＧHz、波長λを0.0214ｍ、アレーアンテナ間隔ｄを１ｍとした場合におけるアレーファクタに基づいて説明する。
【００２６】
本条件におけるアンテナ数２と３のアレーファクタを図６(a),(b) に示す。図の通り、リニアアレーを構成することによって、アンテナ数が変わった場合でもグレーティングローブの位置は固定化される。
【００２７】
図７は、アレーアンテナの配置例（オフセット角φ）を示す。
図７において、本発明では、リニアアレーの相対位置を固定した状態で受信局に対して方位角方向にオフセット角φを与える。すなわち、オフセット角φは、複数のアンテナ素子のエンドファイア方向とメインローブ方向とのなす角度である。同位相合成は受信局に対して行われるため、アレーファクタＤ（θ）は以下のようになる。
【００２８】
【数３】
0006305948.tif 000004
式(3) をまとめると、
【００２９】
【数４】
0006305948.tif 000005
となる。
【００３０】
本発明では、以下に説明するように、オフセット角φを適した値に設定することで、メインローブ幅の低減およびサイドローブ低減を行うことができる。
【００３１】
（メインローブ幅の低減について）                                                  ここでは、オフセット角φは図５で算出したグレーティングローブ位置に設定する。ここで第一のグレーティングローブ角に対応するオフセット角φ＝−11.89 °における評価関数Ｆ（θ）は図８のようになり、アンテナ数２，３のアレーファクタは図９(a),(b) のようになる。このように、エンドファイヤ方向にリニアアレーを構成していた図５と同じアンテナパターンを維持した状態で、オフセット角φ＝−11.89 °分遷移したパターンとなっていることが分かり、図５においてグレーティングローブとなっていたローブがメインローブとなっている。これを利用し、単体アンテナパターンのメインローブ幅に他のグレーティングローブが入らないようなオフセット角φを設定することで、メインローブ幅の低減を図ることができる。
【００３２】
例として、図９に示すアレーアンテナにおいて、太線枠を単体アンテナのメインローブ幅であるとすると、太線枠の中心には第一グレーティングローブが位置していることが分かる。これが単体アンテナパターンに重畳されることでメインローブ幅を低減することができる。ただし、太線枠内に他のローブが入ってしまうと、メインローブ内でグレーティングローブが発生してしまい、干渉増加につながってしまう。しかし、図９では太線枠内にその他のグレーティングローブは入っていないことが分かる。なお、この条件を満たすことができれば、第一グレーティンクローブ以外のグレーティンクローブあってもよい。これにより、メインローブ幅の低減のみを行うことができる。
【００３３】
ここで具体例を示す。図１０に示す 0.6ｍ径の円形開口アンテナの単体指向パターンを使用することとする。このメインローブ幅は約５°であり、このメインローブ幅に対してオフセット角φ＝−11.89 °が他のグレーティングローブが交わらない値である。このオフセット角φ＝−11.89 °を設定した場合のアンテナパターンとして、方位角θ＝±30°の場合を図１１に示し、θ＝±５°の場合を図１２に示す。図１１，１２の通り、単体パターンと比較してメインローブの幅が低減できていることが分かり、Ｋｕ帯衛星通信で他衛星方向となりうるθ＝２°では、２アンテナでは４dB、３アンテナでは20dBのローブ低減効果が見られ、有効性を確認することができる。なお、図１１ではアンテナ数２のパターンは省略している。
【００３４】
（サイドローブ低減について）
アレーファクタを用いて任意のサイドローブを低減する場合の処理手順について説明する。グレーティングローブが出現する条件は、アレーアンテナの全素子の位相がメインローブ同様に一致する場合である。よって、図６示すアレーファクタにおいて、グレーティングローブが出現する角度以外の方向に、エンドファイヤ方向を向けて受信局に同相合成を行えば、エンドファイヤ方向のローブがグレーティングローブになることはなく、代わりに幅の大きい低レベルのローブが形成されることが想定される。
【００３５】
図４，図５において、隣接するグレーティングローブの中間点となる角度にオフセット角φ＝−14.36 °を設定した場合の評価関数Ｆ（θ) を図１３に示す。このように、評価関数の最大値を表すエンドファイヤ方向において、グレーティングローブが発生していないことが分かる。本条件におけるアンテナ数２，３のアレーファクタを図１４(a),(b) に示す。図のように、幅の大きいローブの谷ができていることが分かる。
【００３６】
これを利用し、一例として図１５に示す0.6 ｍ径円形開口アンテナの−18°付近のサイドローブを低減する場合のオフセット角φを求める。図１６に示すように、隣接するグレーティングローブの中間点となる角度で−18°付近のポイントは−18.74 °であることが分かる。よって、オフセット角φ＝−18.74 °を適用した場合のアンテナ数２，３のアレーファクタを図１７(a),(b) に示す。このように、−18°付近のローブが大きく低減されていることが分かる。オフセット角φ＝−18.74 °を設定した場合のアンテナパターンとして、方位角θ＝±30°の場合を図１８に示し、θ＝−15〜−22°の場合を図１９に示す。図の通り、−18°のローブがアンテナ数２では21dBの低減、アンテナ数３では10dBの低減効果が得られており、効果を確認することができる。なお、図１８ではアンテナ数２のパターンは省略している。
【００３７】
本発明のアレーアンテナの設計装置および設計方法は、図２または図３に示す処理を実行するコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１１  アレーファクタ算出部
１２  オフセット角算出部
【図１】
0006305948.tif 000006
【図２】
0006305948.tif 000007
【図３】
0006305948.tif 000008
【図４】
0006305948.tif 000009
【図５】
0006305948.tif 000010
【図６】
0006305948.tif 000011
【図７】
0006305948.tif 000012
【図８】
0006305948.tif 000013
【図９】
0006305948.tif 000014
【図１０】
0006305948.tif 000015
【図１１】
0006305948.tif 000016
【図１２】
0006305948.tif 000017
【図１３】
0006305948.tif 000018
【図１４】
0006305948.tif 000019
【図１５】
0006305948.tif 000020
【図１６】
0006305948.tif 000021
【図１７】
0006305948.tif 000022
【図１８】
0006305948.tif 000023
【図１９】
0006305948.tif 000024