(57)【要約】【課題】  フェイズドアレイアンテナシステムの小型化と低コスト化を実現する。【解決手段】  送信信号出力部１１が出力する送信信号は、分波器１２〜１５及び移相器１６〜１８を介して送信アンテナ２１〜２４に与えられる。各移相器１６〜１８の電気長は固定であり、各移相器１６〜１８での移相量は変化しない。送信アンテナ２１〜２４から放出される送信信号の合成波面で形成される電波ビームの方向を偏向させる場合には、制御装置２８からの制御信号により、送信信号出力部１１が出力する送信信号の周波数を変化させる。これにより、送信アンテナ２１〜２４の放射する送信信号の位相が順次ずれ、電波ビームの進行方向が偏向できる。【選択図】  図１
2005318430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信信号を発生する送信信号出力部と、
前記送信信号を電波としてそれぞれ放射する複数の放射素子と、
前記送信信号出力部と前記各放射素子との間に該各放射素子ごとに固有の電気長を設定する複数の移相器と、
前記送信信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射素子から放射される電波ビームの進行方向を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするフェイズドアレイアンテナシステム。
【請求項２】
前記放射素子には、前記送信信号出力部で発生した前記送信信号が分波器及び前記移相器を介して与えられることを特徴とする請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナシステム。
【請求項３】
前記複数の放射素子は、直線上に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフェイズドアレイアンテナシステム。
【請求項４】
前記複数の放射素子は、等間隔に配列されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフェイズドアレイアンテナシステム。
【請求項５】
前記電気長は、前記送信信号の波長の整数倍であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフェイズドアレイアンテナシステム。
【請求項６】
送信信号を発生する送信信号出力部と、
前記送信信号を電波としてそれぞれ放射する複数の放射素子と、
前記送信信号出力部と前記各放射素子との間に該各放射素子ごとに固有の電気長を設定する複数の移相器とを備えるフェイズドアレイアンテナシステムにおいて、
前記送信信号の周波数を変化させる手段を設けておき、
前記送信信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射素子から放射される電波ビームの進行方向を、変化させることを特徴とするフェイズドアレイアンテナのビーム制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェイズドアレイアンテナシステム及びフェイズドアレイアンテナのビーム制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、従来のフェイズドアレイアンテナが示されている。
このフェイズドアレイアンテナは、複数の放射素子と、各放射素子ごとに設けられた移相器とを備えている。各移相器の移相量は可変であり、各移相器の移相量を変化させて、複数の放射素子で放射する電波で形成されるビームの進行方向を制御している。
【特許文献１】特開平５−２６７９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のフェイズドアレイアンテナでは、放射素子ごとに設けられた移相器の移相量を変化させるので、各移相器を移相量可変な構成にする必要があり、各移相器が複雑な構成になっていた。その上、従来のフェイズドアレイアンテナでは、各移相器の移相量を変化させるための回路或いは機構が必要であった。よって、フェイズドアレイアンテナの小型化と低コスト化が、困難であった。
【０００４】
本発明は、小型化と低コスト化が可能なフェイズドアレイアンテナシステム及びフェイズドアレイアンテナのビーム制御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】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係るフェイズドアレイアンテナシステムは、
送信信号を発生する送信信号出力部と、
前記送信信号を電波としてそれぞれ放射する複数の放射素子と、
前記送信信号出力部と前記各放射素子との間に該各放射素子ごとに固有の電気長を設定する複数の移相器と、
前記送信信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射素子から放射される電波ビームの進行方向を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００６】
このような構成を採用したことにより、送信信号の周波数を変化させることにより、電波ビームの進行方向が決まる。このため、複数の移相器は、送信信号出力部と各放射素子との間に各放射素子ごとに固有の電気長を設定するだけでよく、複数の移相器における移相量を可変にする必要がない。したがって、フェイズドアレイアンテナシステムの小型化と低コスト化が可能になる。
【０００７】
なお、前記放射素子には、前記送信信号出力部で発生した前記送信信号が分波器及び前記移相器を介して与えられてもよい。
【０００８】
また、前記複数の放射素子は、直線上に配列されてもよい。
【０００９】
また、前記複数の放射素子は、等間隔に配列されてもよい。
【００１０】
また、前記電気長は、前記送信信号の波長の整数倍であってもよい。
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の第２の観点に係るフェイズドアレイアンテナのビーム制御方法は、
送信信号を発生する送信信号出力部と、
前記送信信号を電波としてそれぞれ放射する複数の放射素子と、
前記送信信号出力部と前記各放射素子との間に該各放射素子ごとに異なる電気長を設定する複数の移相器とを備えるフェイズドアレイアンテナシステムにおいて、
前記送信信号の周波数を変化させる手段を設けておき、
前記送信信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射素子から放射される電波ビームの進行方向を、変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数の移相器の移相量が固定でよく、フェイズドアレイアンテナシステムの小型化と低コスト化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係るフェイズドアレイアンテナシステムを模式的に示す構成図である。
このフェイズドアレイアンテナシステムは、ドップラーアンテナシステムであり、送信信号出力部１１と、例えば４個の分波器１２，１３，１４，１５と、３個の移相器１６，１７，１８と、放射素子である４個の送信アンテナ２１，２２，２３，２４と、ミキサ２５と、ローパスフィルタ２６と、受信アンテナ２７とを備えている。
【００１４】
送信信号出力部１１は、図示しない送信信号の信号源、搬送波を生成する発振器、搬送波や送信信号の増幅を行う任意数の増幅器、送信信号で搬送波を変調する変調回路等を含んでいる。
【００１５】
送信信号出力部１１の出力側には、分波器１２が接続されている。分波器１２の出力側には、分波器１３とミキサ２５とが接続されている。分波器１３の出力側には、分波器１４と移相器１７とが接続されている。分波器１４の出力側には、移相器１６と送信アンテナ２１とが接続されている。移相器１６に送信アンテナ２２が接続されている。
【００１６】
分波器１３に接続された移相器１７の出力側には、送信アンテナ２３と分波移器１５とが接続されている。分波器１５の出力側には、移相器１８が接続され、移相器１８の出力側には、送信アンテナ２４が接続されている。送信アンテナ２１〜２４は、例えば直線上に順に等間隔で配列されている。
【００１７】
各移相器１６，１８は、周波数がｆ０で波長がλ０（＝１／ｆ０）の信号に対して１波長分（＝λ０）の電気長Ｌをそれぞれ有する。移相器１７は、波長がλ０（＝１／ｆ０）の信号に対して２波長分（＝２λ０）の電気長Ｌを有する。
【００１８】
分波器１２の一方の出力側に接続されたミキサ２５には、受信アンテナ２７が接続されている。ミキサ２５の出力側にローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６が接続されている。ローパスフィルタ２６の出力側が、制御装置２８に接続されている。また、制御装置２８からの制御信号が、送信信号出力部１１に与えられる構成になっている。送信信号出力部１１は、制御信号により、送信信号の発生及び停止が制御されると共に、送信信号の周波数を変化させる。
【００１９】
次に、図１のフェイズドアレイアンテナシステムの動作を、図２及び図３を参照しつつ説明する。
【００２０】
図２は、フェイズドアレイアンテナシステムの動作の説明図であり、図１のフェイズドアレイアンテナシステムの送信系を示している。
図３は、各送信アンテナ２１〜２４から放出される送信信号の説明図である。      
【００２１】
今、送信信号出力部１１は、周波数がｆ０の送信信号で搬送波を変調して被変調波を生成し、この被変調波を分波器１２に与える。則ち、送信信号出力部１１は、送信信号を被変調波の形態で出力する。
【００２２】
分波器１２は送信信号を分波し、送信信号の一部を分波器１３に与え、残りをミキサ２５に与える。分波器１３は、与えられた送信信号を分波し、分波器１４と移相器１７とに与える。分波器１４は、分波器１３から与えられた送信信号を分波して送信アンテナ２１と移相器１６とに与える。送信アンテナ２１は、送信信号を空間に放射する。
【００２３】
移相器１６は、当該移相器１６の電気長Ｌだけ送信信号の位相をずらし（移相）、移相された送信信号を送信アンテナ２２に与える。送信アンテナ２２は、送信信号を空間に放射する。
【００２４】
一方、分波器１３から送信信号が与えられた移相器１７は、当該移相器１７の電気長Ｌだけ送信信号の位相をずらし、分波器１５に与える。分波器１５は、送信信号を分波し、送信アンテナ２３と移相器１８とに与える。送信アンテナ２３は、送信信号を空間に放射し、移相器１８は、分波器１５から与えられた送信信号の位相を当該移相器１８の電気長Ｌだけずらし、送信アンテナ２４に与える。送信アンテナ２４は、送信信号を空間に放射する。
【００２５】
ここで、移相器１７の電気長Ｌは、周波数がｆ０の送信信号の２波長（＝２λ０）分に相当し、移相器１６，１８の電気長Ｌは、送信信号の１波長（＝λ０）分に相当する。よって、各送信アンテナ２１〜２４から放射される送信信号は、図３に実線で示すように、同一位相となる。これにより、送信アンテナ２１〜２４から放射される各送信信号の合成波面である電波ビームは、図２のように、送信アンテナ２１〜２４の列に垂直方向に進行することになる。
【００２６】
電波ビームは、物体に反射して反射波として帰ってくる。受信アンテナ２７は、反射波を受信し、ミキサ２５に与える。ミキサ２５は、分波器１２から与えられる送信信号と反射波とのミキシングを行い、ローパスフィルタ２６がミキサ２５の出力信号の高周波成分を濾波する。
【００２７】
電波ビームを反射した物体が移動していれば、放射した電波ビームの周波数と反射波の周波数とは異なり、物体の移動速度に応じてその周波数差が変化する。
ローパスフィルタ２６の出力信号には、送信信号の周波数と反射波における送信信号の周波数との差の周波数が現れる。制御装置２８は、ローパスフィルタ２６の出力信号から、物体が存在することを確認すると共に、その物体の移動速度を計算する。
【００２８】
制御装置からの制御信号に応じて、送信信号出力部１１が出力する送信信号の周波数を変化させることが可能である。
図４は、送信信号の周波数を高くした場合の電波ビームの説明図である。
図５は、送信信号間の位相の説明図であり、各送信アンテナ２１〜２４からそれぞれ放射される送信信号Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４を示している。
【００２９】
送信信号出力部１１が出力する送信信号の周波数を高くし、周波数をｆ０からｆ０＋Δｆに変化させると、送信信号出力部１１の出力する送信信号の波長がλ０−Δλと短くなり、移相器１６，１８の電気長Ｌ（＝λ０）が、送信信号の波長（λ０−Δλ）よりも長くなり、移相器１７の電気長Ｌ（＝２λ０）が、送信信号の波長（λ０−Δλ）の２倍よりも長くなる。
【００３０】
これにより、図５のように、送信アンテナ２１から放射される送信信号Ｓ２１に対して、各送信アンテナ２２，２３，２４の放射する送信信号Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４の位相が、順次遅れることになる。
【００３１】
これにより、送信信号Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４の合成波面である電波ビームの進行方向が、図４のように、送信アンテナ２１〜２４の列に対して垂直ではなく、白抜き矢印（紙面右）方向に偏向する。
【００３２】
図６は、送信信号の周波数を低くした場合の電波ビームの説明図である。
図７は、送信信号間の位相の説明図であり、各送信アンテナ２１〜２４からそれぞれ放射される送信信号Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４を示している。
【００３３】
送信信号出力部１１が出力する送信信号の周波数を低くし、周波数をｆ０からｆ０−Δｆに変化させると、送信信号出力部１１の出力する送信信号の波長がλ０＋Δλと長くなり、移相器１６，１８の電気長Ｌ（＝λ０）が、送信信号の波長（λ０＋Δλ）よりも短くなり、移相器１７の電気長Ｌ（＝２λ０）が送信信号の波長（λ０＋Δλ）の２倍よりも短くなる。
【００３４】
これにより、図７のように、送信アンテナ２１から放射される送信信号Ｓ２１に対して、各送信アンテナ２２，２３，２４の放射する送信信号Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４の位相が、順次早くなる。
【００３５】
これにより、送信信号Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４の合成波面である電波ビームの進行方向が、図６のように、送信アンテナ２１〜２４の列に対して垂直ではなく、白抜き矢印（紙面左）方向に偏向する。
【００３６】
このように、送信信号出力部１１が出力する送信信号の周波数を変化させることで、電波ビームの方向制御を行うことができる。したがって、移動物体の有無や、移動物体の移動速度を測定する場合には、送信信号の周波数を制御して電波ビームをその移動物体の方向に向けることにより、これらを測定することができる。
【００３７】
例えば、電波ビームの偏向方向を±３０°とする場合、送信信号の周波数ｆは、ｆ＝（２／３）ｆ０〜２ｆ０となる。つまり、周波数ｆの最小から最大までが約３倍である。よって、電波ビームの偏向方向を±３０°にするために、ＵＷＢ（Ultra Wide-Band）を用いることが考えられる。米国のＵＷＢでは、周波数ｆを３．１〜１０．６ＧＨｚと３．４倍とれるので、送信信号の周波数をスイープ或いはホッピングさせて、電波ビームの偏向方向を±３０°とすることができる。
【００３８】
以上のように、本実施形態のフェイズドアレイアンテナシステムは、送信信号出力部１１が出力する送信信号の周波数を変化させて、電波ビームの進行方向を偏向させる。そのため、移相量が可変の移相器や、その移相量を変化させるための手段が不要となり、システムの構成の簡素化と小型化が可能になる。また、これらにより、システムのコストを低減することが可能になる。
【００３９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、各移相器１６，１７，１８の電気長は、送信信号の波長のλ０を基本に設定し、送信信号の周波数の範囲内に対応する波長であったが、これを送信信号の周波数の範囲外の周波数に対応する波長にしてもよい。この場合、電波ビームの方向は、オフセットされる。
【００４０】
また、送信アンテナ２１〜２４の数は、４に限定されるではなく、３でもよいし、５以上にしてもよい。
また、制御装置２８は、移動物体の存在やその移動速度を検出したが、移動していない物体の存在を検出してもよい。例えば反射波と送信信号との時間差を測定することにより、移動しない物体までの距離を測定することが可能である。
【００４１】
また、フェイズドアレイアンテナシステムが、移動物体の速度を求めたが、移動物体の位置（移動物体までの距離）を検出し、これを追尾するようにしてもよい。
【００４２】
さらに、上記実施形態では、放射素子として送信アンテナ２１〜２４を使用し、送信信号を被変調波の形態で空間に放射したが、音波を放出する送波素子を送信アンテナ２１〜２４の代わりに用いることにより、水中を相対移動する物体の存在や移動方向を探査する水中ソーナシステムとしても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係るフェイズドアレイアンテナシステムを模式的に示す構成図である。
【図２】フェイズドアレイアンテナシステムの動作の説明図である。
【図３】各送信アンテナから放出される送信信号の説明図である。
【図４】送信信号の周波数を高くした場合の電波ビームの説明図である。
【図５】送信信号間の位相の説明図である。
【図６】送信信号の周波数を低くした場合の電波ビームの説明図である。
【図７】送信信号間の位相の説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１１            送信信号出力部
１２〜１５      分波器
１６〜１８      移相器
２１〜２４      送信アンテナ
２５            ミキサ
２６            ローパスフィルタ
２７            受信アンテナ
【図１】
2005318430.tif 000003
【図２】
2005318430.tif 000004
【図３】
2005318430.tif 000005
【図４】
2005318430.tif 000006
【図５】
2005318430.tif 000007
【図６】
2005318430.tif 000008
【図７】
2005318430.tif 000009