(57)【要約】【課題】位相制御の広帯域化に適応でき、かつ装置の小型化も可能なハイブリッド式の移相器を有するアンテナ装置を実現するという課題がある。【解決手段】本実施形態のアンテナ装置は、ハイブリッド式の移相器構成を有し、電波を受信するアンテナ素子と、アナログ式の位相補正手段と、Ａ／Ｄ変換手段と、デジタル式の位相制御手段とを有する構成である。アナログ式の位相補正手段は、前記アンテナ素子で受信された電波信号の位相補正を行う。Ａ／Ｄ変換手段は、前記位相補正された電波信号をデジタル信号に変換する。デジタル式の位相制御手段は、前記デジタル信号に対する時間領域での位相シフトを実行して位相を制御する。【選択図】図１
2017055166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波を受信するアンテナ素子と、
前記アンテナ素子で受信された電波信号の位相補正を行うアナログ式の位相補正手段と、
前記位相補正された電波信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記デジタル信号に対する時間領域での位相シフトを実行して位相を制御するデジタル式の位相制御手段と
を具備するアンテナ装置。
【請求項２】
前記アナログ式の位相補正手段は、ケーブル長に応じて位相補正を行うための遅延ラインを有する請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記デジタル式の位相制御手段は、前記位相補正された広帯域の電波信号から、前記Ａ／Ｄ変換手段によりサンプリングされたデジタル信号に対して、時間領域でのビット位相シフトを実行するように構成されている請求項１または２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記アンテナ素子は、広帯域の電波を受信する受信専用アンテナを構成する請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
複数のアンテナ素子が配列されているアレーアンテナと、
前記アンテナ素子のそれぞれに、前記アナログ式の位相補正手段、前記Ａ／Ｄ変換手段及び前記デジタル式の位相制御手段から構成される移相手段が接続されて、前記各移相手段からの出力を合成するビーム合成手段と
を具備する請求項１から４のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
アレーアンテナ装置に適用する移相制御方法であって、
複数のアンテナ素子から受信された電波信号に対するアナログ式の位相補正を行う処理と、
前記位相補正された各電波信号をデジタル信号に変換する処理と、
前記各デジタル信号に対する時間領域での位相シフトを実行するデジタル式の位相制御を行う処理と
を有する移相制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ハイブリッド式の移相器を有するアンテナ装置及び移相制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばアレーアンテナ装置では、アンテナ素子で受信された電波（電波信号）の位相の制御を行うための移相器が設けられている。ここで、位相の制御を、位相制御又は移相制御と表記する場合がある。また、位相制御での位相のずれを補正することを、位相補正と表記する場合がある。
【０００３】
移相器は、大別してアナログ式の位相制御（移相制御）を行うアナログ式移相器と、デジタル式の位相制御を行うデジタル式移相器がある。アナログ式移相器は、例えばセミリジットケーブル等を使用し、ケーブル長をスイッチで切り替える構成である。即ち、アナログ式移相器は、アナログの電波信号が伝送する経路の長さを変化させることで位相制御を行う。
【０００４】
デジタル式移相器は、アナログの電波信号をＡ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変換し、このデジタル信号に対する演算（乗算等）を実行することで位相制御を行う構成である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３２９２５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アナログ式移相器は、ケーブル長を切り替えることにより、位相制御を行う構成である。このため、必要なケーブル長が増大すると、アナログ式移相器を実現する器材の大型化を招き、アンテナ装置の小型化を妨げる要因となる。一方で、電波の周波数依存性が低いため、広帯域の電波に対しても適応可能である。
【０００７】
これに対して、デジタル式移相器は、デジタル信号に対する演算により位相制御を行う構成であるため、アンテナ装置の小型化が可能である。一方、デジタル式移相器は、電波の周波数帯域幅を広帯域化すると、帯域の上限や下限の周波数の指向方位がずれるという事態が生ずることがある。これは、位相制御の演算は同調周波数を基準として行うため、同調周波数と入力信号（電波信号）の周波数とがずれると、位相制御に誤差が生じるためである（図３を参照）。
【０００８】
そこで、位相制御の広帯域化に適応可能であり、かつ装置の小型化も可能なハイブリッド式の移相器を有するアンテナ装置を実現するという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態のアンテナ装置は、電波を受信するアンテナ素子と、アナログ式の位相補正手段と、Ａ／Ｄ変換手段と、デジタル式の位相制御手段とを有する構成である。アナログ式の位相補正手段は、前記アンテナ素子で受信された電波信号の位相補正を行う。Ａ／Ｄ変換手段は、前記位相補正された電波信号をデジタル信号に変換する。デジタル式の位相制御手段は、前記デジタル信号に対する時間領域での位相シフトを実行して位相を制御する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に関するアンテナ装置の構成を説明するためのブロック図。
【図２】実施形態に関するディレイラインの具体例を説明するための図。
【図３】実施形態の効果を説明するための図。
【図４】実施形態のアンテナ装置の動作を説明するためのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下図面を参照して、実施形態を説明する。
［アンテナ装置の構成］
図１は、本実施形態に関するアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態のアンテナ装置は、複数（例えば６４素子）のアンテナ素子（空中線）１０からなるアレーアンテナ（array antenna）１と、各アンテナ素子１０に接続されるディレイライン（遅延ライン）２と、Ａ／Ｄ（analog to digital）コンバータ３と、デジタル式位相制御回路４とを有する。さらに、アンテナ装置は、各デジタル式位相制御回路４の出力を合成するビーム合成器５を有する。
【００１２】
本実施形態のアンテナ装置は、ディレイライン２及びデジタル式位相制御回路４から構成される、いわばハイブリッド式の移相器を含む構成である。ディレイライン２は、図２に示すように、アナログ式の移相器に相当し、位相制御での位相のずれを補正する位相補正器として機能する。具体的には、ディレイライン２は、例えば４ビットの移相器を構成し、スイッチ２０によりアナログの電波信号が伝送する経路を切り替える。経路は、例えばセミリジットケーブル等を使用し、ケーブル長が異なるケーブル２１Ａ−２１Ｅにより構成される。
【００１３】
デジタル式位相制御回路４はデジタル式の移相器に相当し、図１に示すように、バッファメモリ１４及び位相シフタ１５を有する。バッファメモリ１４は、Ａ／Ｄコンバータ３から出力されるデジタル信号（データ）を一時的に格納する。位相シフタ１５は、バッファメモリ１４に格納されたデジタル信号の時間領域でのビット位相シフトを実行する位相シフト回路である。即ち、本実施形態のデジタル式位相制御回路４は、Ａ／Ｄコンバータ３によりサンプリングされたデジタル信号のビット位相シフトにより、電波信号の位相制御を実行する。
【００１４】
［本実施形態の作用効果］
図４は、本実施形態のアンテナ装置の動作を説明するためのフローチャートである。図４に示すように、アンテナ装置は、アレーアンテナ１の各アンテナ素子１０により電波（アナログの電波信号）を受信する（ブロック４０）。各ディレイライン２は、後述するように、デジタル式位相制御回路４による位相制御での位相のずれを補正する位相補正（アナログ位相補正）を行う（ブロック４１）。
【００１５】
各Ａ／Ｄコンバータ３は、各ディレイライン２により位相補正されたアナログの電波信号をデジタル信号（データ）に変換する（ブロック４２）。各デジタル式位相制御回路４は、Ａ／Ｄコンバータ３によりサンプリングされたデジタル信号に対して、時間領域でのビット位相シフト（デジタル位相シフト）を実行することで位相制御を行う（ブロック４３）。
【００１６】
ビーム合成器５は、各デジタル式位相制御回路４からの出力を合成する（ブロック４４）。ビーム合成器５は、各デジタル式位相制御回路４の位相制御により、各アンテナ素子１０により受信された電波信号間の位相差が解消されるため、最大振幅となる電波信号を取り出すことになる。
【００１７】
以上のような本実施形態のアンテナ装置において、以下のような顕著な作用効果を得ることができる。
【００１８】
本実施形態のデジタル式位相制御回路４は、サンプリングされたデジタル信号に対する位相制御として、時間領域でのビット位相シフト（デジタル位相シフト）を実行する。従って、各アンテナ素子１０により受信された電波信号の周波数に依存しないため、広帯域の電波信号に対しても有効である。換言すれば、位相制御の広帯域化に適応できる。
【００１９】
図３は、前述した演算により位相制御を行うデジタル式移相器において、広帯域化を行ったときの中心方位のずれをシミュレーションした様子を示す図である。図３は、基準の同調周波数（500MHz）３０に対して、入力信号の周波数（550MHz）３１で中心方位のずれが6.1degとなり、入力信号の周波数（450MHz）３２で中心方位のずれが5.5degとなることを示している。即ち、従来の演算により位相制御を行うデジタル式移相器では、位相制御の演算は同調周波数を基準として行うため、同調周波数と入力信号（電波信号）の周波数とがずれると、位相制御に誤差が生じる。
【００２０】
これに対して、本実施形態のデジタル式位相制御回路４は、広帯域化における位相制御に誤差が生ずることはなく、位相制御の広帯域化に適応できる。ここで、本実施形態のデジタル式位相制御回路４は、Ａ／Ｄコンバータ３によりサンプリングされるデジタル信号に対する位相制御を行う。このため、１サンプル時間に満たない時間の位相のずれについては、サンプリングされたデジタル信号の位相シフトでは制御することができない。
【００２１】
そこで、本実施形態では、アナログ式の移相器に相当するディレイライン２を含むハイブリッド式の構成により、デジタル式位相制御回路４の位相制御での位相のずれを補正する。即ち、ディレイライン２を位相補正器として機能させて、１サンプル時間に満たない時間の位相のずれを補正する。具体的には、図２に示すように、スイッチ２０によりケーブル２１Ａ−２１Ｅを切り替えて、ケーブル長を調整することで位相のずれを補正する。
【００２２】
以上のように、本実施形態によれば、いわばハイブリッド式の移相器構成により、デジタル式位相制御回路４による位相制御を行うため、アナログ式の移相器構成を採用する場合と比較して、アンテナ装置の小型化が可能となる。また、本実施形態のデジタル式位相制御回路４による位相制御は、受信された電波信号の周波数に依存しないため、広帯域化に適応できる。
【００２３】
ここで、具体例を参照して、本実施形態のハイブリッド式の移相器構成と、従来のアナログ式の移相器構成とを比較した場合において、本実施形態のアナログ式の移相器に相当するディレイライン２の器材規模について説明する。
【００２４】
アレーアンテナ装置の諸元として、周波数が500ＭＨｚ、波長が0.6ｍ、アンテナ素子数が６４個（ｃｈ）、各アンテナ素子の配置間隔が0.3ｍ、配列長が18.9ｍ、最大経路差が13.4ｍの場合を想定する。従来のアナログ式の移相器構成を採用した場合、移送器に必要なケーブル長は最大経路差によって決まるため、13.4ｍのケーブルが必要となる。即ち、アレーアンテナを４５度に指向させようとすると、約13.4ｍのケーブルを使用して位相制御を行うことになる。
【００２５】
一方、本実施形態のハイブリッド式の移相器構成を採用した場合、Ａ／Ｄコンバータ３の諸元として、サンプリング周波数が1000Msa/s（メガサンプル/秒）、周期が0.001μsec、１サンプルの長さが0.3ｍの場合を想定する。この場合、Ａ／Ｄコンバータ３のＡ／Ｄ変換処理では１サンプルの経路長は0.3ｍであるため、アナログの電波信号をデジタル信号に変換した後は、0.3ｍを単位長として必要なサンプル数分だけ、デジタル信号の位相をシフトすることによって位相制御を行うことができる。即ち、本実施形態では、４４サンプル分の位相シフトにより、13.2ｍ分の位相制御を行うことができる。従って、位相補正器として機能するディレイライン２に必要なケーブル長は、最大位相差を1サンプルあたりの長さで割った余りとなり、例えば0.16mとなる。
【００２６】
以上のように、サンプリング周波数が１GHzのＡ／Ｄコンバータ３を使用して、位相制御を行う際に、ディレイライン２による位相補正に必要なケーブル長は、最大位相差を１サンプルあたりの長さで割った余りとなるので、最大でも例えば0.3mである。従って、従来のアナログ式の移相器構成を採用した場合に必要となる13.4ｍのケーブル長に対して、
本実施形態のディレイライン２に必要なケーブル長は大幅に短縮化されたものとなる。
【００２７】
要するに、本実施形態によれば、ディレイライン２によるケーブルを使用したアナログ式の位相補正と、Ａ／Ｄコンバータ３及びデジタル式位相制御回路４を使用したデジタル式の位相制御を行うハイブリッド式の移相器構成により、アナログ式の移相器に相当する器材の小型化及び位相制御の広帯域化を実現することができる。従って、位相制御の広帯域化に適応でき、かつ装置の小型化も可能なアンテナ装置を実現できる。
【００２８】
なお、本実施形態は、アレーアンテナ装置に適用する場合について説明したが、特に入力周波数が不定で広帯域である電波を受信するための受信専用のアレーアンテナ装置に有効である。また、電波を検知するためのセンサに適用するアレーアンテナ装置に有効である。
【００２９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３０】
１…アレーアンテナ、２…ディレイライン（遅延ライン）、３…Ａ/Ｄコンバータ、
４…デジタル式位相制御回路、５…ビーム合成器、１０…アンテナ素子（空中線）、
２０…スイッチ、２１Ａ−２１Ｅ…ケーブル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2017055166.tif 000006