(57)【要約】【課題】  装置製造時のコストを増大させることなく、また、装置運用に支障を与えることなく、構成品の特性変動やばらつきに起因するサイドローブレベルの上昇を低減させることのできるアレイアンテナ装置を得る。【解決手段】  アレイを構成する複数個の各アンテナ素子に対する位相量を設定する際に、所定の位相量に対してオフセット量を加算あるいは減算して算出した位相量を設定することにより、構成品の特性変動や特性のばらつき等に起因するアレイアンテナ装置のサイドローブレベルの上昇を、該当構成品の交換や再設計等をすることなく、当初の構成品のまま電気的に低減する。【選択図】  図１
2005150958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定方向に配列された複数のアンテナ素子と、
これら複数のアンテナ素子に対応して設けられた複数の移相器と、
これら複数の移相器に所定の振幅分布で送信信号を分配するとともに前記複数の移相器からの受信信号を所定の振幅分布で合成する分配合成器とを備え、
前記複数の移相器に対して所定の移相量を設定して所定の方向に指向した送信ビーム及び受信ビームを形成するときに、前記所定の移相量に対して所定のオフセット量を前記配列の順序に従って交互に増減させて設定することを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項２】
特定方向に配列された複数のアンテナ素子と、
これら複数のアンテナ素子に対応して設けられ、送信信号及び受信信号を増幅するとともにこれら送信信号及び受信信号の位相を制御する複数の送受信モジュールと、
これら複数の送受信モジュールに所定の振幅分布で送信信号を分配するとともに前記複数の送受信モジュールからの受信信号を所定の振幅分布で合成する分配合成器とを備え、
前記複数の送受信モジュールに対して所定の移相量を設定して所定の方向に指向した送信ビーム及び受信ビームを形成するときに、前記所定の移相量に対して所定のオフセット量を前記配列の順序に従って交互に増減させて設定することを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項３】
前記複数の送受信モジュールの各々は、送信及び受信で信号経路を切り換えるサーキュレータと、
このサーキュレータからの受信信号を増幅して出力する受信増幅器と、
この受信増幅器からの出力信号の位相を制御して出力する第１の移相器と、
送信信号を電力増幅して出力する電力増幅器と、
この電力増幅器からの出力信号の位相を制御して前記サーキュレータに出力する第２の移相器と
を備えたことを特徴とする請求項２に記載のアレイアンテナ装置。
【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配列したアレイアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のアンテナ素子を配列し、各アンテナ素子毎に励振振幅及び位相を制御することによって電気的に所望するビームパターンを形成するアレイアンテナ装置は、従来よりレーダシステム等において活用されている。この種のアンテナ装置の構成の一例が、非特許文献１に示されている。
【０００３】
図６は、この非特許文献１に示された、従来のアレイアンテナ装置の構成の一例を示す図である。なお、アンテナは送受信可逆であるので、ここでは送信の場合について説明する。この図６に示されたアレイアンテナ装置５０は、特定方向に一定の間隔で配列された複数（ｎ）個のアンテナ素子５１１〜５１ｎと、送信信号源５４からの送信信号を複数（ｎ）個のアンテナ素子５１１〜５１ｎに給電する給電回路５３と、この給電回路５３と各アンテナ素子５１１〜５１ｎとの間に各アンテナ素子５１１〜５１ｎに対応して設けられ、各アンテナ素子５１１〜５１ｎに供給される送信信号の位相を変化させる移相器５２１〜５２ｎとを備えている。
【０００４】
次に、このアレイアンテナ装置５０の動作を説明する。送信信号源５４から供給された送信信号は、給電回路５３によって複数（ｎ）個に分配され、各移相器５２１〜５２ｎで位相制御を受けた後、対応して接続された各アンテナ素子５１１〜５１ｎに供給される。さらに、送信信号は、各アンテナ素子５１１〜５１ｎから空間に放射され、空間的に合成されることによりビームが形成される。そして、このときに形成されるビーム形状は、それぞれのアンテナ素子５１１〜５１ｎに供給される送信信号の励振振幅及び位相により制御される。
【０００５】
上述のように構成したアレイアンテナ装置５０において、送信信号源５４からの送信信号を給電回路５３で複数（ｎ）個に分配する際に、仮に、等分にｎ分配することにより各アンテナ素子５１１〜５１ｎへ供給される送信信号の励振振幅を等しくした場合、すなわち励振振幅を一様分布とした場合には、形成されるビームの第１サイドローブのレベルは、ｎ＝１６とすると、主ビームに対して約−１３．５ｄＢとなる。
【０００６】
一般に、レーダシステム等では、様々な運用上の必要性に応じて、低サイドローブ特性を有するアンテナ装置が要求される。このため、さらに低いサイドローブレベルを必要とする場合には、各アンテナ素子の励振振幅を一様分布とせず、アンテナ素子配列の中央部で高く、周辺部で低い、例えばテイラー分布となるように重み付けする（例えば、非特許文献２参照。）。すなわち、アレイアンテナ装置５０においては、給電回路５３から各アンテナ素子５１１〜５１ｎへの送信信号の分配比にテイラー分布を適用したり、あるいは給電回路５３と各アンテナ素子５１１〜５１ｎとの間にそれぞれ異なる減衰率の減衰器または異なる増幅率の増幅器を付加してアンテナ素子の励振振幅に分布を与えるといった方法により、サイドローブレベルの低いビーム特性を得ている。
【非特許文献１】吉田孝監修、「改訂レーダ技術」、社団法人電子情報通信学会、平成８年１０月１日、第１２３頁
【非特許文献２】吉田孝監修、「改訂レーダ技術」、社団法人電子情報通信学会、平成８年１０月１日、第１３４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、このようなアレイアンテナ装置を構成する各種マイクロ波回路部品等は、振幅通過特性や位相通過特性といった、アレイアンテナ装置にとって重要な特性に関して個体間で特性にばらつきがあり、また、その経年変化も否めない。従って、設計段階においては、アレイアンテナ装置の特性に影響を及ぼすこれら諸要因を十分考慮した設計がなされる。
【０００８】
しかしながら、アレイアンテナ装置製造後あるいは運用開始後において、ビーム形状、特にサイドローブレベルが装置運用上許容できないレベルとなることがある。特に、各アンテナ素子毎に送信信号を増幅する増幅器等のアクティブ素子を設けたアクティブ型のアレイアンテナ装置では、構成品の振幅・位相特性の変動やばらつきによる影響が顕著である。
【０００９】
このような場合には、対象構成品の特性改善や交換、あるいは設計の見直しといった対処が必要となり、装置製造におけるコスト増大の大きな要因になっていた。また、装置運用中においては、その運用の中断を余儀なくされるなど、装置運用に重大な支障を与えていた。
【００１０】
本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、装置製造時のコストを増大させることなく、また、装置運用に支障を与えることなく、構成品の特性変動やばらつきに起因するサイドローブレベルの上昇を低減させることのできるアレイアンテナ装置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】
【００１１】
上記目的を達成するために、第１の発明のアレイアンテナ装置は、特定方向に配列された複数のアンテナ素子と、これら複数のアンテナ素子に対応して設けられた複数の移相器と、これら複数の移相器に所定の振幅分布で送信信号を分配するとともに前記複数の移相器からの受信信号を所定の振幅分布で合成する分配合成器とを備え、前記複数の移相器に対して所定の移相量を設定して所定の方向に指向した送信ビーム及び受信ビームを形成するときに、前記所定の移相量に対して所定のオフセット量を前記配列の順序に従って交互に増減させて設定することを特徴とする。
【００１２】
また、第２の発明のアレイアンテナ装置は、特定方向に配列された複数のアンテナ素子と、これら複数のアンテナ素子に対応して設けられ、送信信号及び受信信号を増幅するとともにこれら送信信号及び受信信号の位相を制御する複数の送受信モジュールと、これら複数の送受信モジュールに所定の振幅分布で送信信号を分配するとともに前記複数の送受信モジュールからの受信信号を所定の振幅分布で合成する分配合成器とを備え、前記複数の送受信モジュールに対して所定の移相量を設定して所定の方向に指向した送信ビーム及び受信ビームを形成するときに、前記所定の移相量に対して所定のオフセット量を前記配列の順序に従って交互に増減させて設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、構成品の特性変動やばらつきに起因するアレイアンテナ装置のサイドローブレベルの上昇を、当初の構成品のまま、簡易な位相制御により電気的に低減しているので、装置製造時のコスト増大を抑えることができるとともに、サイドローブレベル改善の際にも装置運用への影響を軽減したアレイアンテナ装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明に係るアレイアンテナ装置を実施するための最良の形態について、図１乃至図５を参照して説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明に係るアレイアンテナ装置の第１の実施例を示すブロック図である。このアレイアンテナ装置１は、アレイアンテナ１１、複数（ｎ）個の移相器１２１〜１２ｎ、分配合成器１３、及びビーム制御器１４から構成されている。
【００１６】
アレイアンテナ１１は、特定の方向に配列された複数（ｎ）個のアンテナ素子１１１〜１１ｎからなり、各アンテナ素子１１１〜１１ｎは、対応して設けられた複数（ｎ）個の移相器１２１〜１２ｎに接続されている。そして、各移相器１２１〜１２ｎからの送信信号を空間に放射するとともに、到来信号を受信して各移相器１２１〜１２ｎに送出する。本実施例では、各アンテナ素子１１１〜１１ｎは、一次元で等間隔に配列されているものとしている。
【００１７】
複数（ｎ）個の移相器１２１〜１２ｎは、ビーム制御器１４からの位相制御信号に基づいて分配合成器１３からの送信信号の位相を制御し、対応して接続されたアレイアンテナ１１の各アンテナ素子１１１〜１１ｎに送出する。また、ビーム制御器１４からの位相制御信号に基づいて、対応して接続されたアレイアンテナ１１の各アンテナ素子１１１〜１１ｎで受信した受信信号の位相を制御し、分配合成器１３に送出する。
【００１８】
分配合成器１３は、前段に接続された送受信器等（図示せず）からの送信源信号を、ビーム制御器１４からの振幅制御信号に基づいた振幅分布で分配し、複数（ｎ）個の移相器１２１〜１２ｎに送出する。また、複数（ｎ）個の移相器１２１〜１２ｎからの受信信号を、ビーム制御器１４からの振幅制御信号に基づいた振幅分布で合成し、合成受信信号として後段に接続された送受信器等（図示せず）に送出する。
【００１９】
ビーム制御器１４は、所定の送信ビーム及び受信ビームを形成し走査するために必要な振幅分布及び位相量を算出し、振幅制御信号、及び位相制御信号として、それぞれ分配合成器１３、及び各移相器１２１〜１２ｎに送出する。
【００２０】
次に、上述のように構成した本発明に係るアレイアンテナ装置の動作について、図１乃至図３を参照して説明する。なお、アンテナは送受可逆であるので、送信の場合を詳細に説明する。
【００２１】
まず、送信の場合、ビーム制御器１４における振幅制御信号及び位相制御信号の生成について説明する。ビーム制御器１４においては、送信ビームを形成するために必要な、各アンテナ素子１１１〜１１ｎに対する振幅分布及び位相量が、複素ウェイトＷｉ（１≦ｉ≦ｎ）として式（１）のように表現され、算出される。
【数１】
2005150958.tif 000003
【００２２】
ここに、Ａｉ（１≦ｉ≦ｎ）は、ｉ番目のアンテナ素子１１ｉに対する励振振幅、λは送信信号の波長、ｄはアンテナ素子１１１〜１１ｎの配列の間隔、θは送信ビームの指向角である。
【００２３】
本発明においては、所望する低サイドローブ特性を得るために、式（１）のθに対して所定のオフセット量αをアンテナ素子１１１〜１１ｎの配列の順序に従って交互に増減させている。すなわち、配列の第１番目（ｎ＝１）をオフセット量αだけ増加させて（θ＋α）とすると、第２番目は（θ−α）となり、以下、各アンテナ素子１１１〜１１ｎに対する複素ウェイトＷｉは、式（２）及び式（３）のように表わされる。
【数２】
2005150958.tif 000004
【数３】
2005150958.tif 000005
【００２４】
ビーム制御器１４からは、上記の式（２）及び式（３）に従って、複素ウェイトＷｉのＡｉ（１≦ｉ≦ｎ）が振幅制御信号として分配合成器１３に、また、（θ＋α）または（θ−α）が位相制御信号として対応する配列位置の各移相器１２１〜１２ｎに、それぞれ送出される。
【００２５】
このようにして、送信ビームを形成するための振幅分布及び位相量が設定された後に、送信源信号が分配合成器１３に入力されると、分配合成器１３においては、振幅制御信号に基づいた振幅分布で、この送信源信号がｎ分配され、対応して接続された各移相器１２１〜１２ｎに送出される。各移相器１２１〜１２ｎでは、これら分配された信号は位相制御信号に基づいて位相制御され、送信信号となって対応して接続された各アンテナ素子１１１〜１１ｎに供給される。そして、これら送信信号は各アンテナ素子１１１〜１１ｎから空間に放射され、低サイドローブ特性を有する所望の送信ビームが空間的に合成される。
【００２６】
一方、受信の場合、式（２）及び式（３）に従って、所望する低サイドローブ特性の受信ビームを形成するためのオフセット量αを含む複素ウェイトＷｉ（１≦ｉ≦ｎ）がビーム制御器１４において算出され、振幅制御信号及び位相制御信号として、それぞれ分配合成器１３及び移相器１２１〜１２ｎに送出される。そして、各アンテナ素子１１１〜１１ｎで受信された受信信号は、対応して接続された移相器１２１〜１２ｎにおいて位相制御信号に基づいて位相制御された後に、分配合成器１３において振幅制御信号に基づいた振幅分布で合成され、合成受信信号となって後段に送出される。
【００２７】
上述のように構成したアレイアンテナ装置１０のビームパターンの一例を図２に示す。図２は、アンテナ素子数（ｎ）は１６個、アンテナ素子間隔は半波長、ビーム半値幅は７．５度、分配合成器１３における振幅分布は一様分布、オフセット量αを約２．２５度としたときのビームパターンをシミュレーションにより描いたものである。オフセットなし（図２の細線）のビームパターンは式（１）によるものであり、オフセットあり（図２の太線）のビームパターンは式（２）及び式（３）によるものである。
【００２８】
オフセット量αを含めた位相制御を行なうことにより、図２においては、第１サイドローブレベルを約２．４ｄＢ低下させることができる。
【００２９】
また、オフセット量αと第１サイドローブレベル低下量との関係を図３に示す。図３は、振幅分布が一様分布の場合における、オフセット量αをビーム半値幅で正規化した値と、第１サイドローブレベル低下量との関係をシミュレーションによりグラフ化したものである。図２の事例のように、ビーム半値幅が７．５度でオフセット量を約２．２５度とすると、正規化した値は０．３となり、図３によれば約２．４ｄＢの第１サイドローブレベル低下量を得ることができる。また、この図３から所望する第１サイドローブレベル低下量を得るためのオフセット量αを導出することができる。
【００３０】
以上説明したように、本実施例においては、アレイを構成する複数個の各アンテナ素子に対する位相量を設定する際に、所定の位相量に対してオフセット量を加算あるいは減算するという、簡易な手順を付加して算出した位相量を設定することにより、サイドローブレベルを低下させている。このため、構成品の特性変動や特性のばらつき等に起因するアレイアンテナ装置のサイドローブレベルの上昇を、該当構成品の交換や再設計等をすることなく、当初の構成品のまま電気的に低減できるので、装置製造時のコスト増大を抑えることができるとともに、運用中断等による装置運用への影響を軽減したアレイアンテナ装置を得ることができる。
【実施例２】
【００３１】
図４は、本発明に係るアレイアンテナ装置の第２の実施例を示すブロック図である。この第２の実施例のアレイアンテナ装置２の各部について、図１の第１の実施例の各部と同一の部分は同一の符号で示し、その説明は省略する。第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、複数（ｎ）個の移相器１２１〜１２ｎに換えて、複数（ｎ）個の送受信モジュール１５１〜１５ｎとした点である。以下、図４を参照して、その相違点のみを説明する。
【００３２】
図４において、複数（ｎ）個の送受信モジュール１５１〜１５ｎは、分配合成器１３で分配された送信源信号を電力増幅し、ビーム制御器１４からの位相制御信号に基づいて位相制御を行なった後、対応して接続されたアレイアンテナ１１の各アンテナ素子１１１〜１１ｎに送信信号として送出する。また、対応して接続されたアレイアンテナ１１の各アンテナ素子１１１〜１１ｎで受信した受信信号を低雑音増幅し、ビーム制御器１４からの位相制御信号に基づいて位相制御を行なった後、分配合成器１３に送出する。
【００３３】
ここで、複数（ｎ）個の送受信モジュール１５１〜１５ｎのそれぞれは、本実施例においては、例えば図５のブロック図に示すように、送受信の切換を行なうサーキュレータ１５１１、受信信号を低雑音増幅する低雑音増幅器１５１２、増幅された受信信号の位相を制御する受信用移相器１５１３、送信信号を電力増幅する電力増幅器１５１４、及び増幅された送信信号の位相を制御する送信用移相器１５１５から構成されている。
【００３４】
次に、この図４のように構成したアレイアンテナ装置の動作について、図４及び図５を参照して説明する。まず、送信の場合、ビーム制御器１４において、式（２）及び式（３）に基づいて、送信ビームを形成するための複素ウェイトＷｉが、低サイドローブ特性を得るためのオフセット量αを含めて算出される。そして、この算出結果に基づいて振幅制御信号及び位相制御信号が生成されて、それぞれ分配合成器１３、及び対応する配列位置の各送受信モジュール１５１〜１５ｎに送られ、送信ビームの形成に必要な振幅分布及び位相量が設定される。
【００３５】
その後、送信源信号が分配合成器１３に入力されると、分配合成器１３においては、この送信源信号が振幅制御信号に基づいた振幅分布でｎ分配され、対応して接続された各送受信モジュール１５１〜１５ｎに送出される。各送受信モジュール１５１〜１５ｎでは、これら分配された各信号は電力増幅器１５１４で電力増幅された後、送信用移相器１５１５により位相制御信号に基づいて位相制御され、送信信号となって対応して接続された各アンテナ素子１１１〜１１ｎに供給される。そして、これら送信信号は、各アンテナ素子１１１〜１１ｎから空間に放射され、低サイドローブ特性を有する所望の送信ビームが空間的に合成される。
【００３６】
一方、受信の場合も同様に、ビーム制御器１４において、式（２）及び式（３）に従って算出された、受信ビームを形成するための複素ウェイトＷｉに基づいて、振幅制御信号及び位相制御信号が生成される。これらの制御信号は、それぞれ分配合成器１３及び送受信モジュール１５１〜１５ｎに送出され、受信ビームの形成に必要な振幅分布及び位相量が設定される。
【００３７】
この後に、各アンテナ素子１１１〜１１ｎで受信された受信信号は、対応して接続された各送受信モジュール１５１〜１５ｎにおいて低雑音増幅器１５１２により低雑音増幅され、さらに、位相制御信号に基づいて受信用移相器１５１３により位相制御されて、分配合成器１３に送出される。そして、分配合成器１３において振幅制御信号に基づいた振幅分布で合成され、合成受信信号となって後段に送出される。
【００３８】
以上説明したように、本実施例においても、第１の実施例と同様に、アレイを構成する複数個の各アンテナ素子に対する位相量を設定する際に、所定の移相量に対してオフセット量を加算あるいは減算した位相量を設定することにより、サイドローブレベルを低下させている。このため、構成品の特性変動や特性のばらつき等に起因するアレイアンテナ装置のサイドローブレベルの上昇を、該当構成品の交換や再設計等をすることなく、当初の構成品のまま電気的に低減できるので、装置製造時のコスト増大を抑えることができるとともに、運用中断等による装置運用への影響を軽減したアレイアンテナ装置を得ることができる。
【００３９】
なお、上述した２つの実施例のいずれにおいても、振幅分布は一様分布のほかに、例えば、アンテナ素子配列の中心部に重み付けがされたテイラー分布などにしても良い。また、アンテナ素子の数やその配列の間隔、あるいはビーム半値幅等は、アレイアンテナ装置に対する要求により、種々の選択が可能である。さらに、これら実施例の構成を、例えば方位方向と仰角方向との両方向に適用して２次元に構成するなど、種々の拡張も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係るアレイアンテナ装置の第１の実施例を示すブロック図。
【図２】図１のアレイアンテナ装置のビームパターンの一例を示す図。
【図３】振幅分布が一様分布の場合における、オフセット量αと第１サイドローブレベル低下量との関係の一例を示す図。
【図４】本発明に係るアレイアンテナ装置の第２の実施例を示すブロック図。
【図５】図４のアレイアンテナ装置における送受信モジュールの一例を示すブロック図。
【図６】従来のアレイアンテナ装置の一例を示すブロック図。
【符号の説明】
【００４１】
１、２  アレイアンテナ装置
１１  アレイアンテナ
１３  分配合成器
１４  ビーム制御器
１２１〜１２ｎ  移相器
１５１〜１５ｎ  送受信モジュール
１５１１  サーキュレータ
１５１２  低雑音増幅器
１５１３  受信用移相器
１５１４  電力増幅器
１５１５  送信用移相器
【図１】
2005150958.tif 000006
【図２】
2005150958.tif 000007
【図３】
2005150958.tif 000008
【図４】
2005150958.tif 000009
【図５】
2005150958.tif 000010
【図６】
2005150958.tif 000011