(57)【要約】【課題】構成簡易にして低コストでマルチビームを形成することの可能な空間給電型アンテナ装置を提供する。【解決手段】主空中線２０とこの主空中線２０に空間を介して給電する一次空中線１０により空間給電型アンテナを形成する。一次空中線１０を形成する送受信モジュール１１，１２を２つの組に組み分けし、シンニングにより一次空中線１０の開口を共用させる。送信時においては送受信モジュール１１および１２における移相量をともにφｓ（１），φｓ（２）に時分割的に切り換えて、２つの送信ビームを形成する。受信時においては、送受信モジュール１１の移相量をφｓ（１）に固定し、送受信モジュール１２の移相量をφｓ（２）に固定することにより、２つの受信ビームを形成する。このようにして、送信および受信においてマルチビームを形成できるようにした。【選択図】    図１
2005020408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１乃至第ｎの組（ｎは２以上の自然数）に組み分けされる複数の送受信モジュールを備える一次アンテナと、
前記第１乃至第ｎの組にそれぞれ対応付けられる複数の組に組み分けされる複数のアンテナユニットを備え、前記一次アンテナにより空間給電されて当該一次アンテナから送出される送信波を自由空間に放射し当該自由空間から到来する到来波を前記一次アンテナに中継する主アンテナと、
前記主アンテナに到来する到来波の波面を前記アンテナユニットの組ごとに制御して前記第１乃至第ｎの組ごとに受信ビームを形成するビーム形成手段とを具備することを特徴とする空間給電型アンテナ装置。
【請求項２】
前記複数の送受信モジュールのそれぞれは、前記主アンテナにより中継される到来波の位相を制御する移相器を備え、
前記ビーム形成手段は、前記移相器の移相量を前記第１乃至第ｎの組ごとに制御して前記受信ビームを形成することを特徴とする請求項１に記載の空間給電型アンテナ装置。
【請求項３】
前記複数のアンテナユニットは、それぞれ受信移相器を備え、
前記ビーム形成手段は、前記受信移相器の移相量を前記アンテナユニットの組ごとに制御して前記受信ビームを形成することを特徴とする請求項１に記載の空間給電型アンテナ装置。
【請求項４】
前記主アンテナは、前記一次アンテナから送出される送信波および前記一次アンテナに中継する到来波の少なくともいずれか一方を増幅する増幅手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の空間給電型アンテナ装置。
【請求項５】
前記一次アンテナは、前記第１乃至第ｎの組ごとに前記送信波を時分割的に送出し、
前記ビーム形成手段は、前記主アンテナを介して送出される前記送信波の波面を前記アンテナユニットの組ごとに制御して前記第１乃至第ｎの組ごとに送信ビームを形成することを特徴とする請求項１に記載の空間給電型アンテナ装置。
【請求項６】
前記複数の送受信モジュールのそれぞれは、前記時分割的に送出される送信波の位相を制御する移相器を備え、
前記ビーム形成手段は、前記移相器の移相量を前記第１乃至第ｎの組ごとに制御して前記送信ビームを形成することを特徴とする請求項５に記載の空間給電型アンテナ装置。
【請求項７】
前記複数のアンテナユニットは、それぞれ送信移相器を備え、
前記ビーム形成手段は、前記送信移相器の移相量を前記アンテナユニットの組ごとに制御して前記送信ビームを形成することを特徴とする請求項５に記載の空間給電型アンテナ装置。
【請求項８】
前記一次アンテナは、互いに離間して配置される複数のサブアンテナを備え、
前記送受信モジュールの複数の組のそれぞれは、前記複数のサブアンテナごとに配置されることを特徴とする請求項１に記載の空間給電型アンテナ装置。
【請求項９】
前記複数の送受信モジュールはアレイ状に配列されて前記一次アンテナを形成し、
前記送受信モジュールの複数の組のそれぞれは、シンニングにより前記一次アンテナの開口を互いに共用させて形成されることを特徴とする請求項１に記載の空間給電型アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルチビームを形成する空間給電型アンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アンテナ装置においては、例えば捜索データレート向上、特殊ビーム形成、広帯域通信などのためマルチビームを形成することが従来から行われている。例えば１台のレーダ空中線でマルチビームを形成することを考える。この場合、送信処理においてはレーダパルスを各ビームごとに時分割で送信する。一方、受信処理においては全てのビームに関するレーダエコーを同時に受信することが必要であるので、ビーム数に応じた数の受信系が必要となる。
【０００３】
特に、アクティブ・フェーズドアレイ空中線でｎビームを形成する場合を考える。上記したようにｎ系統の受信系を形成するには、アレイを形成するアンテナ素子（または送受信モジュール）ごとにｎ個の移相器が必要となる。当然ながら給電回路もｎ系統必要となる。
【０００４】
このように既存のマルチビーム形成アンテナにおいては、ビーム数が増えるにつれ、それに伴って特に移相器および給電回路の数が倍増する。よって規模が大きくなりがちであり、またコストも大幅に増加するという不具合がある。
【０００５】
なお、関連する技術が下記特許文献１に開示される。この文献には空間給電方式のフェーズドアレイアンテナ装置が開示される。しかしながらこのフェーズドアレイアンテナ装置はマルチビーム形成に対応するものではない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２７４５３１号公報（段落番号［００１８］〜［００２５］、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように従来のマルチビーム形成アンテナは、形成するビーム数の増加に伴って、特に移相器および給電回路の数が倍増する。このため規模が大きくなりやすく、コストもかかるという不具合を有する。
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、構成簡易にして低コストでマルチビームを形成することの可能な空間給電型アンテナ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、第１乃至第ｎの組（ｎは２以上の自然数）に組み分けされる複数の送受信モジュール（例えば送受信モジュール１１，１２）を備える一次アンテナ（例えば一次空中線１０）と、前記第１乃至第ｎの組にそれぞれ対応付けられる複数の組に組み分けされる複数のアンテナユニット（例えば送受信モジュール２１）を備え、前記一次アンテナにより空間給電されて当該一次アンテナから送出される送信波（例えばレーダ送信波）を自由空間に放射し当該自由空間から到来する到来波（例えばレーダエコー）を前記一次アンテナに中継する主アンテナ（例えば主空中線２０）と、ビーム形成手段（例えば送受信モジュール２１，１１，１２）とを具備する。そしてビーム形成手段により、前記主アンテナに到来する到来波の波面を前記アンテナユニットの組ごとに制御して前記第１乃至第ｎの組ごとに受信ビームを形成するようにしたものである。
【０００９】
このような手段を講じることにより、一次アンテナの開口は、いわゆるシンニングにより複数の送受信モジュールの組に互いに共用されるかたちとなる。このような構成において各組の送受信モジュールごとに受信ビームを形成することにより、容易にマルチビームを形成することができる。ビームの数は送受信モジュールの組の数に対応するので、特に一次アンテナにおける移相器や給電回路などの数と、形成すべきビームの数とをそれぞれ別個に捉えることが可能になる。すなわち、移相器や給電回路の数を増やすことによってではなく、送受信モジュールの組み分けを工夫することにより、形成すべきビームの数を自在に増やすことができる。このようなことから、構成簡易にして低コストでマルチビームを形成することの可能な空間給電型アンテナ装置を提供することが可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係わる空間給電型アンテナ装置の実施の形態を示すブロック図である。この空間給電型アンテナ装置は、一次空中線１０と、この一次空中線により空間給電される主空中線２０とを備える。
【００１１】
一次空中線１０はアレイ状に配列される複数の送受信モジュールを備える。これらの送受信モジュールは２種に組み分けされ、区別のためそれぞれ１１，１２なる符号を付す。図１においては送受信モジュール１１がハッチングされ、送受信モジュール１２と区別される。各送受信モジュール１１，１２は送信分配器Ｔに接続される。また、送受信モジュール１１は受信合成器Ｒ１に接続され、送受信モジュール１２は受信合成器Ｒ２に接続される。主空中線２０は、それぞれ一対のアンテナ素子２ａ，２ｆを備えてアレイ状に配列される複数の送受信モジュール２１を備える。各送受信モジュール２１と、これに接続される一対のアンテナ素子２ａ，２ｆとは、送受信モジュール１１および１２のいずれかに対応して区別される。
【００１２】
図１において、一次空中線１０に入力される送信信号は送信分配器Ｔにより分配されて各送受信モジュール１１，１２に入力され、所定の移相量が与えられたのち増幅されて主空中線２０に空間給電される。主空中線２０は、空間給電された送信信号を各送受信モジュール２１において移相および増幅したのちアンテナ素子２ｆを介して自由空間に向け放射する。
【００１３】
一方、主空中線２０に自由空間から到来する到来信号は各アンテナ素子２ｆにより捕捉され、各送受信モジュール２１において低雑音増幅および移相されたのち一次空中線１０に達する。一次空中線１０においては各送受信モジュール１１，１２により到来信号が増幅および移相され、受信合成器Ｒ１，Ｒ２により合成される。受信合成器Ｒ１は受信信号１を出力し、受信合成器Ｒ２は受信信号２を出力する。各受信信号１，２は送受信モジュール１１，１２にそれぞれ対応する。
【００１４】
上記構成において、送受信モジュール１１，１２は互いに組を形成する。すなわち受信合成器Ｒ１に接続される組（送受信モジュール１１）と、受信合成器Ｒ２に接続される組（送受信モジュール１２）とである。これにより、一次空中線１０の開口がいわゆるシンニングされ、各組の送受信モジュールにより共用されるようになる。なお各送受信モジュール１１，１２の位置的な配列は特に問われず、ランダムでも良い。
【００１５】
図２は、図１の主空中線２０における送受信モジュール２１の構成を示すブロック図である。図２において、一次空中線１０から到来する送信信号は移相器２ｂにおいて移相されたのち、切替スイッチ２ｃにより送信増幅器２ｄに与えられて増幅され、サーキュレータ２ｅを介してアンテナ素子２ｆから放射される。またアンテナ素子２ｆに到来する到来信号は、サーキュレータ２ｅを介して受信増幅器２ｇにより低雑音増幅され、切替スイッチ２ｃにより移相器２ｂに与えられて移相され、アンテナ素子２ａを介して一次空中線１０に中継される。
【００１６】
図３は、図１の一次空中線１０における送受信モジュール１１，１２の構成を示すブロック図である。図３において、信号の送信および受信は時分割的に実施される。送信時においては、切替スイッチ１ａ，１ｃが送信側に切り替えられる。よって送信分配器Ｔからの送信信号は移相器１ｂにより移相されたのち送信増幅器１ｄに与えられて増幅され、サーキュレータ１ｅを介してアンテナ素子１ｆから主空中線２０に向け放射される。受信時においては、切替スイッチ１ａ，１ｃが受信側に切り替えられる。よって主空中線２０からアンテナ素子１ｆに到来する到来信号は、サーキュレータ１ｅを介して受信増幅器１ｇにより低雑音増幅されたのち移相器１ｂに与えられて移相され、受信合成器Ｒ１，Ｒ２に送出される。送受信モジュール１１は受信合成器Ｒ１に到来信号を送出し、送受信モジュール１２は受信合成器Ｒ２に到来信号を送出する。次に、上記構成における作用を詳しく説明する。
【００１７】
図４は、図１の空間給電型アンテナ装置の原理を説明するための図である。本実施形態においては送信信号を時分割的に送出し、分割したタイムスロット毎に移相器１ｂ，２ｂの移相量を切り替え設定することにより、複数の送信ビームを形成する。また、受信時においては各送信ビームに対応する受信処理を同時並行的に実施するが、シンニングにより一次空中線１０の開口を共用する送受信モジュール１１，１２により、各波面に対応付けて受信ビームを形成する。図４には波面▲１▼および波面▲２▼に対応する２つのビームを形成する場合を示し、実線が波面▲１▼およびそのビーム、点線が波面▲２▼およびそのビームである。
【００１８】
図４において、一次空中線１０の移相器１ｂに送信時において設定される移相量をφｓ（ｍ）（ｍは▲１▼または▲２▼に対応するビーム番号）とし、主空中線２０の移相器２ｂに送信時において設定される移相量をφｐとする。すなわち送信ビーム▲１▼および▲２▼の形成時において、送受信モジュール２１の移相器２ｂの移相量はφｐである。また、送受信モジュール１１，１２の移相量は、送信ビーム▲１▼の形成時においてはともにφｓ（１）であり、送信ビーム▲２▼の形成時においてはともにφｓ（２）である。
【００１９】
図４において、各移相量φｓ（１），φｓ（２）に対応する波面▲１▼Ａ，▲２▼Ａが一次空中線１０により形成される。また、移相量φｐに対応する波面▲１▼Ｂ，▲２▼Ｂが主空中線２０により形成される。各送信ビームは、これらの波面を合成したものとなる。すなわち波面▲１▼は、波面▲１▼Ａ＋波面▲１▼Ｂで表され、波面▲２▼は、波面▲２▼Ａ＋波面▲２▼Ｂで表される。このようにφｐおよびφｓ（ｍ）を時分割で切り替えることにより、主空中線２０において複数の送信ビームを形成することができる。φｐおよびφｓ（ｍ）の値により、各々のビームの形状や指向方向を自由に設定することができる。
【００２０】
さらに、図４は送信および受信に関して可逆的に捉えることが可能である。すなわち、受信期間において移相器２ｂの移相量をφｐとし、移相器１ｂの移相量をφｓ（１），φｓ（２）とすることで、波面▲１▼および▲２▼に対応する受信ビームを形成することができる。
【００２１】
ただし受信処理においては、マルチビーム形成のための処理を時分割的に行うことは好ましくない。そこで本実施形態では、一次空中線１０をシンニングして複数の送受信モジュールの組により受信ビームを形成することで、受信処理においてもマルチビームを形成できるようにしている。すなわち受信期間においては、送受信モジュール１１の移相器１ｂの移相量をφｓ（１）とし、送受信モジュール１２の移相器１ｂの移相量をφｓ（２）とする。これにより送受信モジュール１１に対しては波面▲１▼の受信ビームが形成され、送受信モジュール１２に対しては波面▲２▼の受信ビームが形成されるようになる。
【００２２】
図５は、図１の空間給電型アンテナ装置における送信および受信のタイミングを示すタイミングチャートである。図５において、φｔ１はφｐとφｓ（１）との合成移相量に相当し、φｒ１はφｔ１に対応する受信移相量である。φｔ２はφｐとφｓ（２）との合成移相量に相当し、φｒ２はφｔ２に対応する受信移相量である。
【００２３】
図５において、ＰＲＩ（パルス繰り返し周期）は送信期間および受信期間に分けられる。送信期間はさらに２つのビームに対応する期間に時分割され、各期間において各移相器１ｂ，２ｂの移相量はφｔ１，φｔ２に対応する値に切り替えられる。よって送信期間においては異なる方向への波面が時分割的に形成され、これにより２つのビームが形成される。
【００２４】
一方、受信期間においては、各移相器１ｂ，２ｂの移相量は、φｒ１，φｒ２に対応する値に固定される。すなわち送受信モジュール１１の移相器１ｂの移相量はφｒ１に対応する値に、送受信モジュール１２の移相器１ｂの移相量はφｒ２に対応する値に、それぞれ受信期間において固定される。これにより受信期間においては、到来波の波面が送受信モジュール１１，１２ごとに制御され、２つのビームがいわば空間的に分離されて形成される。これは、２つの空中線を空間給電により結合し、さらに、一次空中線１０を形成する送受信モジュールをシンニングにより２つの組に分けたことにより可能となる事柄である。
【００２５】
以上をまとめると本実施形態では、主空中線２０とこの主空中線２０に空間を介して給電する一次空中線１０により空間給電型アンテナを形成する。一次空中線１０を形成する送受信モジュール１１，１２を２つの組に組み分けし、シンニングにより一次空中線１０の開口を共用させる。送信時においては送受信モジュール１１および１２における移相量をともにφｓ（１），φｓ（２）に時分割的に切り換えて、２つの送信ビームを形成する。受信時においては、送受信モジュール１１の移相量をφｓ（１）に固定し、送受信モジュール１２の移相量をφｓ（２）に固定することにより、２つの受信ビームを形成する。このようにして、送信および受信においてマルチビームを形成できるようにしている。
【００２６】
このように、送信時においてはマルチビームを時分割的に形成し、受信時においてはシンニングによりマルチビームを空間的に形成するようにしているので、移相器、増幅器、給電装置の数によらずに複数のビームを形成することが可能となる。すなわち本実施形態によれば、構成簡易にして低コストでマルチビームを形成することの可能な空間給電型アンテナ装置を提供することができる。
【００２７】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではない。例えば本実施形態においてはアンテナ部分に関わる構成のみを示したが、レーダ送信信号を生成する手段と、レーダエコーから目標情報を抽出する手段を付加することにより、マルチビームに対応するレーダ装置を構成することもできる。この場合、上記構成の送信信号は例えば送信パルスであり、受信信号はパルスエコーとなる。
【００２８】
また上記実施形態には、送受信モジュールを使用するアクティブ型のアンテナ装置を示した。これに代えて、特に主空中線２０に増幅器を備えないパッシブ型のアンテナ装置にも本発明は適用できる。さらに、送信ビームをマルチビーム化せず、受信ビームのみをマルチビーム化する形式のアンテナ装置にも本発明を適用できる。
【００２９】
また上記実施形態では一次空中線１０に送受信モジュール１１，１２を配列するようにしたが、これに代えて、ビームごとにサブアンテナを用意し、各サブアンテナに送受信モジュール１１，１２をそれぞれ配列するようにしても良い。この場合、各サブアンテナを互いに離間して配置しても良い。また、形成すべきビームの数も２に限らず、任意の数のビームを形成することができる。
【００３０】
さらに本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳しく述べたように本発明によれば、構成簡易にして低コストでマルチビームを形成することの可能な空間給電型アンテナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる空間給電型アンテナ装置の実施の形態を示すブロック図。
【図２】図１の主空中線２０における送受信モジュール２１の構成を示すブロック図。
【図３】図３は、図１の一次空中線１０における送受信モジュール１１，１２の構成を示すブロック図。
【図４】図１の空間給電型アンテナ装置の原理を説明するための図。
【図５】図１の空間給電型アンテナ装置における送信および受信のタイミングを示すタイミングチャート。
【符号の説明】
Ｔ…送信分配器、Ｒ１，Ｒ２…受信合成器、１ａ，１ｃ…切替スイッチ、１ｂ…移相器、１ｄ…送信増幅器、１ｅ…サーキュレータ、１ｆ…アンテナ素子、１ｇ…受信増幅器、１ｂ，２ｂ…移相器、２ｆ…アンテナ素子、２ｂ…移相器、２ｃ…切替スイッチ、２ｄ…送信増幅器、２ｅ…サーキュレータ、２ｇ…受信増幅器、２ａ…アンテナ素子、１０…一次空中線、１１，１２…送受信モジュール、２０…主空中線、２１…送受信モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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