アレイアンテナ装置
【課題】振幅分布が一様である複合ユニットを用いた場合であってもサイドローブを低減させることができるアレイアンテナ装置を提供する。
【解決手段】一列に配置された複数のアンテナ素子を制御する給電回路３３、３４における振幅分布が一様な複合ユニット３を複数配列することによりアンテナ開口面が形成されたアレイアンテナ装置であって、アンテナ開口面は、一方向に配列された複数の複合ユニット３と該一方向と交差する交差方向に配列された複数の複合ユニット３とによって擬似円状に形成されている。
【解決手段】一列に配置された複数のアンテナ素子を制御する給電回路３３、３４における振幅分布が一様な複合ユニット３を複数配列することによりアンテナ開口面が形成されたアレイアンテナ装置であって、アンテナ開口面は、一方向に配列された複数の複合ユニット３と該一方向と交差する交差方向に配列された複数の複合ユニット３とによって擬似円状に形成されている。
【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が配列されたアレイアンテナ装置に関し、特にサイドローブのレベルを低下させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の送受信モジュールや移相器を配列してなるアレイアンテナ装置が知られている。このようなアレイアンテナ装置では、コストを低減するために、複数の送受信モジュールや移相器を纏めて複合ユニットを構成し、この複合ユニットをさらに複数配列することによりアンテナ開口面が形成されている。各複合ユニットは、共通に使用することによる低コスト化を可能にするために、振幅分布が一様になるように構成されている。
【０００３】
ところで、アンテナ開口面を大きくするためには、複数の複合ユニットを多段に配列する必要がある。この場合、例えば、図１１（ｂ）に示すように、複数の複合ユニットを矩形状に均一に配列するのが一般的である。
【０００４】
しかしながら、各複合ユニットの振幅分布が一様であると、図１１（ａ）に示すように、アンテナ開口面全体の振幅分布も一様になるので、指向性利得を高くすることができるが、サイドローブのレベルが高くなるという問題がある（非特許文献１参照）。
【０００５】
また、複数の複合ユニットを多段に配列する場合に、複合ユニットの筐体の形状に起因して、複合ユニット間に隙間ができる場合がある。この場合は、振幅分布に段差ができることになり、更にサイドローブのレベルが高くなるという問題がある。
【０００６】
さらに、従来のアレイアンテナ装置では、図１２に示すように、アンテナ開口面を開口Ａと開口Ｂとに２分割して、開口Ａと開口Ｂの出力の和によりΣビームを、また、開口Ａと開口Ｂの出力の差によりΔビームを形成している。この構成によれば、移相器は１種類でよいが、アンテナ開口面を２分割できる場合に限定される。複合ユニットが奇数段（または奇数列）の場合には、アンテナ開口面を２分割できないため、和と差のビームを形成できず、ΣビームおよびΔビームによるモノパルスビームを形成できないという問題がある。
【非特許文献１】吉田孝監修、「改訂 レーダ技術」、初版、社団法人電子情報通信学会、平成１５年２月１５日 ｐ９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来のアレイアンテナ装置では、振幅分布が一様な複合ユニットを多段に配列した場合に、サイドローブが高くなるという問題がある。また、複合ユニットを奇数段（または奇数列）に配列すると、ΣビームおよびΔビームによるモノパルスビームを形成できないという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、その課題は、振幅分布が一様である複合ユニットを用いた場合であってもサイドローブを低減させることができ、また、振幅分布が一様である複合ユニットを奇数段に配列した場合であってもΣビームおよびΔビームによるモノパルスビームを形成できるアレイアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明に係るアレイアンテナ装置は、上記課題を達成するために、一列に配置された複数のアンテナ素子を制御する給電回路における振幅分布が一様な複合ユニットを複数配列することによりアンテナ開口面が形成されたアレイアンテナ装置であって、アンテナ開口面は、一方向に配列された複数の複合ユニットと該一方向と交差する交差方向に配列された複数の複合ユニットとによって擬似円状に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明に係るアレイアンテナ装置は、第１の発明に係るアレイアンテナ装置において、一方向に配列された複数の複合ユニットは、交差方向に生じる隙間を埋めるように、該交差方向に交互に位置をずらして配列されていることを特徴とする。
【００１１】
第３の発明に係るアレイアンテナ装置は、第１または第２の発明に係るアレイアンテナ装置において、一方向および交差方向の少なくとも１つの方向の複数の複合ユニットの各々は、アンテナ開口面の振幅分布が滑らかに変化するように給電回路における振幅分布を補正することを特徴とする。
【００１２】
第４の発明に係るアレイアンテナ装置は、第１の発明に係るアレイアンテナ装置において、複数の複合ユニットの各々は、アンテナ素子からの受信信号の位相を独立に制御する２種類の移相器を備え、２種類の移相器のうちの一方の移相器の位相を制御してΣビームを形成するとともに、他方の移相器の位相を制御してΔビームを形成することによりモノパルスビームを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明に係るアレイアンテナ装置によれば、アンテナ開口面を、一方向に配列された複数の複合ユニットと該一方向と交差する交差方向に配列された複数の複合ユニットとによって擬似円状に形成したので、アンテナ開口面の振幅分布がテーパを有するようになる。従って、振幅分布が一様の複合ユニットを用いた場合であっても、サイドローブのレベルが低減される。
【００１４】
第２の発明に係るアレイアンテナ装置によれば、一方向に配列された複数の複合ユニットは、交差方向に生じる隙間を埋めるように、該交差方向に交互に位置をずらして配列されているので、振幅分布の凹凸が減少されて滑らかになり、さらにサイドローブのレベルを低減させることができる。
【００１５】
第３の発明に係るアレイアンテナ装置によれば、一方向および交差方向の少なくとも１つの方向の複数の複合ユニットの各々は、アンテナ開口面の振幅分布が滑らかに変化するように給電回路における振幅分布を補正するように構成したので、アンテナ開口面の振幅分布が滑らかになり、サイドローブのレベルを低減させることができる。
【００１６】
第４の発明に係るアレイアンテナ装置によれば、一方の移相器の位相を制御してΣビームを形成するとともに、他方の移相器の位相を制御してΔビームを形成することによりモノパルスビームを形成するように構成したので、振幅分布が一様な奇数段（または奇数列）の複合ユニットを用いて、ΣビームおよびΔビームによるモノパルスビームが必要な場合に、モノパルスビームを形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例に係るアレイアンテナ装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
なお、以下では、本発明の一方向を「横方向」、一方向に交差する交差方向を「縦方向」として説明するが、一方向を「縦方向」、一方向に交差する交差方向を「横方向」とすることもできる。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例１に係るアレイアンテナ装置の構成を示す図である。このアレイアンテナ装置は、横方向分配合成器１、複数の縦方向分配合成器２、複数の複合ユニット３、複数の縦方向合成器４、横方向合成器５およびサーキュレータ６から構成されている。
【００２０】
サーキュレータ６は、図示しない送信機から送られてくる送信信号Ｔｘを横方向分配合成器１に送るか、横方向合成器５から送られてくる縦方向（エレベーション方向、以下、「ＥＬ方向」という）の差信号ΔＥＬを図示しない受信機に送るかを切り替える。
【００２１】
横方向分配合成器１は、送信機からサーキュレータ６を経由して送られてくる送信信号Ｔｘを電力分配し、縦方向分配合成器２および複合ユニット３に送る（信号経路は図１中において破線で示されている）。また、横方向分配合成器１は、複合ユニット３から直接に、および複合ユニット３から縦方向分配合成器２を経由して送られてくる受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ２を合成することにより縦方向の差信号ΔＥＬを生成し、サーキュレータ６を経由して受信機に送る。
【００２２】
縦方向分配合成器２は、アンテナ開口面を形成する複数の複合ユニット３の列数に応じた数だけ設けられている。各縦方向分配合成器２は、横方向分配合成器１から送られてくる送信信号をさらに電力分配し、送信信号Ｔｘａとして複合ユニット３に送る。また、縦方向分配合成器２は、複合ユニット３から送られてくる受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ２を合成して横方向分配合成器１に送る。
【００２３】
複合ユニット３は、アレイアンテナ装置のアンテナ開口面を形成するように複数設けられている。複数の複合ユニット３は、擬似円状に配列されている（配列の詳細は後述する）。各複合ユニット３の詳細は構成および動作は後述する。
【００２４】
縦方向合成器４は、アンテナ開口面を形成する複数の複合ユニット３の列数に応じた数だけ設けられている。各縦方向合成器４は、複合ユニット３からの受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ１を合成し、横方向合成器５に送る。
【００２５】
横方向合成器５は、複合ユニット３から直接に、および縦方向合成器４を経由して送られてくる受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ１に基づき、和信号Σおよび横方向（アジマス方向、以下、「ＡＺ方向」という）の差信号ΔＡＺを生成し、図示しない受信機に送る。
【００２６】
図２は、複合ユニット３の詳細な構成を示すブロック図である。複合ユニット３は、複数の送受信モジュール３２、分配器３３および合成器３４から構成されている。分配器３３および合成器３４を給電回路と総称する。
【００２７】
複数の送受信モジュール３２には、一列に配置された複数のアンテナ素子３１がそれぞれ接続されている（図５および図７参照）。各送受信モジュール３２は、図３に示すように、サーキュレータ３２１、送信増幅器３２２、受信増幅器３２３、スイッチ３２４、第１移相器３２５および第２移相器３２６から構成されている。
【００２８】
サーキュレータ３２１は、送信増幅器３２２から送られてくる送信信号をアンテナ端に接続されたアンテナ素子３１に送るか、アンテナ素子３１からアンテナ端を経由して送られてくる受信信号を受信増幅器３２３に送るかを切り替える。
【００２９】
送信増幅器３２２は、スイッチ３２４から送られてくる送信信号を増幅し、サーキュレータ３２１に送る。受信増幅器３２３は、サーキュレータ３２１から送られてくる受信信号を低雑音増幅し、スイッチ３２４および第２移相器３２６に送る。
【００３０】
スイッチ３２４は、第１移相器３２５から送られてくる送信信号を送信増幅器３２２に送るか、受信増幅器３２３から送られてくる受信信号を第１移相器３２５に送るかを切り替える。第１移相器３２５は、分配器３３から送られてくる送信信号Ｔｘｂの位相を制御してスイッチ３２４に送るとともに、受信増幅器３２３からスイッチ３２４を経由して送られてくる受信信号の位相を制御し、受信信号Ｒｘｂ２として合成器３４に送る。第２移相器３２６は、受信増幅器３２３から送られてくる受信信号の位相を制御し、受信信号Ｒｘｂ１として合成器３４に送る。
【００３１】
以上のように構成される送受信モジュール３２では、分配器３３から送られてくる送信信号Ｔｘｂは、第１移相器３２５で所定の位相制御がなされた後に、スイッチ３２４を経由して送信増幅器３２２に送られる。そして、送信増幅器３２２で増幅された送信信号は、サーキュレータ３２１を介してアンテナ素子３１から送信される。
【００３２】
一方、アンテナ素子３１で受信された受信信号は、サーキュレータ３２１を経由して、受信増幅器３２３に送られる。そして、受信増幅器３２３で低雑音増幅された受信信号は、スイッチ３２４を経由して第１移相器３２５に送られるとともに、第２移相器３２６に送られる。第１移相器３２５で位相制御がなされた受信信号は、受信信号Ｒｘｂ２として合成器３４に送られる。また、第２移相器３２６で位相制御がなされた受信信号は、受信信号Ｒｘｂ１として合成器３４に送られる。
【００３３】
複合ユニット３の分配器３３は、横方向分配合成器１または縦方向分配合成器２から送られてくる送信信号Ｔｘａを電力分配し、送信信号Ｔｘｂとして複数の送受信モジュール３２に送る。複数の送受信モジュール３２の各々は、分配器３３からの送信信号Ｔｘｂの位相を制御した後に増幅し、アンテナ素子３１に送る。
【００３４】
また、複合ユニット３の合成器３４は、送受信モジュール３２から送られてくる受信信号Ｒｘｂ１を合成し、受信信号Ｒｘａに含めて縦方向合成器４または横方向合成器５に送る。縦方向合成器４は、複合ユニット３から送られてくる受信信号Ｒｘａを合成し、横方向合成器５に送る。
【００３５】
横方向合成器５は、縦方向合成器４および複合ユニット３から送られてくる受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ１に基づき、開口分割した信号の和と差をとるモノパルス合成により合成し、和信号Σと横方向の差信号ΔＡＺを生成する。
【００３６】
また、複合ユニット３の合成器３４は、送受信モジュール３２から送られてくる受信信号Ｒｘｂ２を合成し、受信信号Ｒｘａに含めて縦方向分配合成器２または横方向分配合成器１に送る。縦方向分配合成器２は、複合ユニット３から送られてくる受信信号Ｒｘａを合成し、横方向分配合成器１に送る。横方向分配合成器１は、縦方向合成器４および複合ユニット３から送られてくる受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ２に基づき縦方向の差信号ΔＥＬを生成し、サーキュレータ６を経由して出力する。
【００３７】
次に、このように構成された実施例１に係るアレイアンテナ装置のアンテナ開口面を形成する複合ユニット３の配列について説明する。
【００３８】
図４は、アンテナ開口面を構成する複合ユニット３の配列を示す図である。アンテナ開口面は、複数の複合ユニットブロック７から成り、各複合ユニットブロック７は、図５に示すように、複数の複合ユニット３をＡＺ方向に三角配列することにより構成されている。
【００３９】
アンテナ開口面は、図４（ｂ）に示すように、その中央部分でＥＬ方向に３段の複合ユニットブロック７が配置され、その両側でＥＬ方向に２段の複合ユニットブロック７が配置され、最も外側でＥＬ方向に１段の複合ユニットブロック７が配置されることにより構成されており、全体として複合ユニット３が擬似円状に配列されている。
【００４０】
上述したような複合ユニット３の擬似円状の配列により、アンテナ開口面におけるＡＺ方向は、図４（ａ）に示すような振幅分布になり、また、ＥＬ方向は、図８に示すような振幅分布になる。その結果、アンテナ開口面全体の振幅分布がコサイン分布やコサイン２乗分布に近くなるので、サイドローブのレベルを低減させることができる。
【００４１】
以上説明したように、本発明の実施例１に係るアレイアンテナ装置によれば、複合ユニットを擬似円状に配列してアンテナ開口面を形成したので、アンテナ開口面全体の振幅分布がテーパを有するコサイン分布やコサイン２乗分布に近くなり、サイドローブのレベルを低減させることができる。
【００４２】
なお、複数の複合ユニットブロック７を擬似円状に配置する場合、図４（ｂ）に示すように、複数の複合ユニットブロック７の間に隙間８が生じることがある。このような隙間８が生じると、例えば図４（ａ）に示すように、ＥＬ方向の振幅分布に凹凸が生じ、サイドローブのレベルの低減が阻害される。
【００４３】
この問題を解消するために、実施例１に係るアレイアンテナ装置は、次のように変形することができる。すなわち、変形例に係るアレイアンテナ装置では、図７に示すように、各複合ユニットブロック７ａを構成する複合ユニット３ａは、ＥＬ方向の位置を交互にずらして配列される。
【００４４】
この構成によれば、図６（ｂ）に示すように、複数の複合ユニットブロック７ａの間の隙間８ａが埋められるので、アンテナ開口面におけるＡＺ方向の振幅分布は、図６（ａ）に示すように、図４（ａ）に示した場合に較べて滑らかになる。従って、サイドローブのレベルをさらに低減させることができる。
【００４５】
また、上述した実施例１およびその変形例では、送信機能と受信機能の双方を有するアレイアンテナ装置について説明したが、本発明は、例えば、受信機能のみまたは送信機能のみを有するアレイアンテナ装置に適用することができる。
【００４６】
さらに、上述した実施例１およびその変形例では、送受信モジュール３２の内部に２個の移相器を備えるように構成したしたが、送信および受信を兼用する１個の移相器で構成することもできる。
【実施例２】
【００４７】
次に、本発明の実施例２に係るアレイアンテナ装置を説明する。上述した実施例１に係るアレイアンテナ装置において、アンテナ開口面のＡＺ方向の振幅分布として、例えば図９（ａ）に示すようなテイラー分布を与えたい場合には、図９（ｂ）に示すような複合ユニット３を多段に配列することによって得られる振幅分布を補正するように構成することができる。
【００４８】
この補正は、図９（ｃ）に示すような振幅分布Ｗｃ（ｎ）（ｎ＝１〜Ｎ）を複合ユニット３の横方向合成器５に与えることにより実現できる。振幅分布Ｗｃは、下記式（１）により求めることができる。
【００４９】
Ｗｃ（ｎ）＝Ｗｔ（ｎ）／Ｗｄ（ｎ）・・・（１）
ここで、Ｗｃ（ｎ）は横方向合成器５における振幅分布（ｎ＝１〜Ｎ）であり、Ｎは合成数、Ｗｔ（ｎ）は設定したい振幅分布（例えばテイラー分布）、Ｗｄ（ｎ）は多段に配列することによって得られる振幅分布を表している。
【００５０】
以上説明したように、本発明の実施例２に係るアレイアンテナ装置によれば、アンテナ開口面における振幅分布を滑らかにすることができるので、サイドローブを低減させることができる。なお、上記の構成は、ＡＺ方向の振幅分布のみ成らず、ＥＬ方向の振幅分布についても適用できる。
【実施例３】
【００５１】
次に本発明の実施例３に係るアレイアンテナ装置を説明する。上述した実施例１に係るアレイアンテナ装置のように、複合ユニット３の段数が３段（奇数段）である場合には、アンテナ開口面は、図１０（ａ）に示すように、開口Ａ、開口Ｂおよび開口Ｃに３分割される。
【００５２】
開口Ａに対応する複合ユニット３の送受信モジュール３２に含まれる第１移相器３２５は、受信信号の位相を制御して位相０゜の和信号ΣＡを出力し、第２移相器３２６は、受信信号の位相を制御して位相０゜の差信号ΔＡを出力する。
【００５３】
開口Ｂに対応する複合ユニット３の送受信モジュール３２に含まれる第１移相器３２５は、受信信号の位相を制御して位相０゜の和信号ΣＢを出力し、第２移相器３２６の半分は、受信信号の位相を制御して位相０゜の差信号ΔＢを出力し、第２移相器３２６の他の半分は、受信信号の位相を制御して位相１８０゜の差信号ΔＢを出力する。
【００５４】
開口Ｃに対応する複合ユニット３の送受信モジュール３２に含まれる第１移相器３２５は、受信信号の位相を制御して位相０゜の和信号ΣＣを出力し、第２移相器３２６は、受信信号の位相を制御して位相１８０゜の差信号ΔＣを出力する。
【００５５】
横方向合成器５は、図１０（ｂ）に示すように、開口Ａからの和信号ΣＡ、開口Ｂからの和信号ΣＢおよび開口Ｃからの和信号ΣＣを加算して和信号Σ（Σビーム）を生成する。また、横方向合成器５は、開口Ａからの差信号ΔＡ、開口Ｂからの差信号ΔＢおよび開口Ｃからの差信号ΔＣを加算して差信号ΔＡＺ（Δビーム）を生成する。同様に、横方向分配合成器１は、開口Ａからの差信号ΔＡ、開口Ｂからの差信号ΔＢおよび開口Ｃからの差信号ΔＣを加算して差信号ΔＥＬ（Δビーム）を生成する。
【００５６】
以上説明したように、実施例３に係るアレイアンテナ装置によれば、第１移相器３２５および第２移相器３２６といった２種類の移相器を設け、一方をΣビーム用に、他方をΔビーム用にしてアンテナ開口面を２分割した場合の和と差に相当するように位相制御するように構成したので、振幅分布が一様な奇数段（または奇数列）の複合ユニットを用いて、ΣビームおよびΔビームによるモノパルスビームが必要な場合に、モノパルスビームを形成できる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、送受信モジュールや位相器を複数配列したアレイアンテナ装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例１に係るアレイアンテナ装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示した複合ユニットの詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示した送受信モジュールの詳細な構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係るアレイアンテナ装置のアンテナ開口面を構成する複合ユニットの配列を示す図である。
【図５】図４に示す複合ユニットブロックを構成する複合ユニットの配列を示す図である。
【図６】本発明の実施例１の変形例に係るアレイアンテナ装置のアンテナ開口面を構成する複合ユニットブロックの配列を示す図である。
【図７】図６に示す複合ユニットブロックを構成する複合ユニットの配列を示す図である。
【図８】本発明の実施例１に係るアレイアンテナ装置のアンテナ開口面におけるＡＺ方向の振幅分布を示す図である。
【図９】本発明の実施例２に係るアレイアンテナ装置のアンテナ開口面における振幅分布の補正を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施例３に係るアレイアンテナ装置におけるモノパルスビームの形成を説明するための図である。
【図１１】従来のアレイアンテナ装置のアンテナ開口面の構成を説明するための図である。
【図１２】従来のアレイアンテナ装置におけるモノパルスビームの形成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 横方向分配合成器
２ 縦方向分配合成器
３ 複合ユニット
４ 縦方向合成器
５ 横方向合成器
６ サーキュレータ
３１ アンテナ素子
３２ 送受信モジュール
３３ 分配器
３４ 合成器
３２１ サーキュレータ
３２２ 送信増幅器
３２３ 受信増幅器
３２４ スイッチ
３２５ 第１移相器
３２６ 第２移相器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子が配列されたアレイアンテナ装置に関し、特にサイドローブのレベルを低下させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の送受信モジュールや移相器を配列してなるアレイアンテナ装置が知られている。このようなアレイアンテナ装置では、コストを低減するために、複数の送受信モジュールや移相器を纏めて複合ユニットを構成し、この複合ユニットをさらに複数配列することによりアンテナ開口面が形成されている。各複合ユニットは、共通に使用することによる低コスト化を可能にするために、振幅分布が一様になるように構成されている。
【０００３】
ところで、アンテナ開口面を大きくするためには、複数の複合ユニットを多段に配列する必要がある。この場合、例えば、図１１（ｂ）に示すように、複数の複合ユニットを矩形状に均一に配列するのが一般的である。
【０００４】
しかしながら、各複合ユニットの振幅分布が一様であると、図１１（ａ）に示すように、アンテナ開口面全体の振幅分布も一様になるので、指向性利得を高くすることができるが、サイドローブのレベルが高くなるという問題がある（非特許文献１参照）。
【０００５】
また、複数の複合ユニットを多段に配列する場合に、複合ユニットの筐体の形状に起因して、複合ユニット間に隙間ができる場合がある。この場合は、振幅分布に段差ができることになり、更にサイドローブのレベルが高くなるという問題がある。
【０００６】
さらに、従来のアレイアンテナ装置では、図１２に示すように、アンテナ開口面を開口Ａと開口Ｂとに２分割して、開口Ａと開口Ｂの出力の和によりΣビームを、また、開口Ａと開口Ｂの出力の差によりΔビームを形成している。この構成によれば、移相器は１種類でよいが、アンテナ開口面を２分割できる場合に限定される。複合ユニットが奇数段（または奇数列）の場合には、アンテナ開口面を２分割できないため、和と差のビームを形成できず、ΣビームおよびΔビームによるモノパルスビームを形成できないという問題がある。
【非特許文献１】吉田孝監修、「改訂 レーダ技術」、初版、社団法人電子情報通信学会、平成１５年２月１５日 ｐ９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来のアレイアンテナ装置では、振幅分布が一様な複合ユニットを多段に配列した場合に、サイドローブが高くなるという問題がある。また、複合ユニットを奇数段（または奇数列）に配列すると、ΣビームおよびΔビームによるモノパルスビームを形成できないという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、その課題は、振幅分布が一様である複合ユニットを用いた場合であってもサイドローブを低減させることができ、また、振幅分布が一様である複合ユニットを奇数段に配列した場合であってもΣビームおよびΔビームによるモノパルスビームを形成できるアレイアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明に係るアレイアンテナ装置は、上記課題を達成するために、一列に配置された複数のアンテナ素子を制御する給電回路における振幅分布が一様な複合ユニットを複数配列することによりアンテナ開口面が形成されたアレイアンテナ装置であって、アンテナ開口面は、一方向に配列された複数の複合ユニットと該一方向と交差する交差方向に配列された複数の複合ユニットとによって擬似円状に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明に係るアレイアンテナ装置は、第１の発明に係るアレイアンテナ装置において、一方向に配列された複数の複合ユニットは、交差方向に生じる隙間を埋めるように、該交差方向に交互に位置をずらして配列されていることを特徴とする。
【００１１】
第３の発明に係るアレイアンテナ装置は、第１または第２の発明に係るアレイアンテナ装置において、一方向および交差方向の少なくとも１つの方向の複数の複合ユニットの各々は、アンテナ開口面の振幅分布が滑らかに変化するように給電回路における振幅分布を補正することを特徴とする。
【００１２】
第４の発明に係るアレイアンテナ装置は、第１の発明に係るアレイアンテナ装置において、複数の複合ユニットの各々は、アンテナ素子からの受信信号の位相を独立に制御する２種類の移相器を備え、２種類の移相器のうちの一方の移相器の位相を制御してΣビームを形成するとともに、他方の移相器の位相を制御してΔビームを形成することによりモノパルスビームを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明に係るアレイアンテナ装置によれば、アンテナ開口面を、一方向に配列された複数の複合ユニットと該一方向と交差する交差方向に配列された複数の複合ユニットとによって擬似円状に形成したので、アンテナ開口面の振幅分布がテーパを有するようになる。従って、振幅分布が一様の複合ユニットを用いた場合であっても、サイドローブのレベルが低減される。
【００１４】
第２の発明に係るアレイアンテナ装置によれば、一方向に配列された複数の複合ユニットは、交差方向に生じる隙間を埋めるように、該交差方向に交互に位置をずらして配列されているので、振幅分布の凹凸が減少されて滑らかになり、さらにサイドローブのレベルを低減させることができる。
【００１５】
第３の発明に係るアレイアンテナ装置によれば、一方向および交差方向の少なくとも１つの方向の複数の複合ユニットの各々は、アンテナ開口面の振幅分布が滑らかに変化するように給電回路における振幅分布を補正するように構成したので、アンテナ開口面の振幅分布が滑らかになり、サイドローブのレベルを低減させることができる。
【００１６】
第４の発明に係るアレイアンテナ装置によれば、一方の移相器の位相を制御してΣビームを形成するとともに、他方の移相器の位相を制御してΔビームを形成することによりモノパルスビームを形成するように構成したので、振幅分布が一様な奇数段（または奇数列）の複合ユニットを用いて、ΣビームおよびΔビームによるモノパルスビームが必要な場合に、モノパルスビームを形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例に係るアレイアンテナ装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
なお、以下では、本発明の一方向を「横方向」、一方向に交差する交差方向を「縦方向」として説明するが、一方向を「縦方向」、一方向に交差する交差方向を「横方向」とすることもできる。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例１に係るアレイアンテナ装置の構成を示す図である。このアレイアンテナ装置は、横方向分配合成器１、複数の縦方向分配合成器２、複数の複合ユニット３、複数の縦方向合成器４、横方向合成器５およびサーキュレータ６から構成されている。
【００２０】
サーキュレータ６は、図示しない送信機から送られてくる送信信号Ｔｘを横方向分配合成器１に送るか、横方向合成器５から送られてくる縦方向（エレベーション方向、以下、「ＥＬ方向」という）の差信号ΔＥＬを図示しない受信機に送るかを切り替える。
【００２１】
横方向分配合成器１は、送信機からサーキュレータ６を経由して送られてくる送信信号Ｔｘを電力分配し、縦方向分配合成器２および複合ユニット３に送る（信号経路は図１中において破線で示されている）。また、横方向分配合成器１は、複合ユニット３から直接に、および複合ユニット３から縦方向分配合成器２を経由して送られてくる受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ２を合成することにより縦方向の差信号ΔＥＬを生成し、サーキュレータ６を経由して受信機に送る。
【００２２】
縦方向分配合成器２は、アンテナ開口面を形成する複数の複合ユニット３の列数に応じた数だけ設けられている。各縦方向分配合成器２は、横方向分配合成器１から送られてくる送信信号をさらに電力分配し、送信信号Ｔｘａとして複合ユニット３に送る。また、縦方向分配合成器２は、複合ユニット３から送られてくる受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ２を合成して横方向分配合成器１に送る。
【００２３】
複合ユニット３は、アレイアンテナ装置のアンテナ開口面を形成するように複数設けられている。複数の複合ユニット３は、擬似円状に配列されている（配列の詳細は後述する）。各複合ユニット３の詳細は構成および動作は後述する。
【００２４】
縦方向合成器４は、アンテナ開口面を形成する複数の複合ユニット３の列数に応じた数だけ設けられている。各縦方向合成器４は、複合ユニット３からの受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ１を合成し、横方向合成器５に送る。
【００２５】
横方向合成器５は、複合ユニット３から直接に、および縦方向合成器４を経由して送られてくる受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ１に基づき、和信号Σおよび横方向（アジマス方向、以下、「ＡＺ方向」という）の差信号ΔＡＺを生成し、図示しない受信機に送る。
【００２６】
図２は、複合ユニット３の詳細な構成を示すブロック図である。複合ユニット３は、複数の送受信モジュール３２、分配器３３および合成器３４から構成されている。分配器３３および合成器３４を給電回路と総称する。
【００２７】
複数の送受信モジュール３２には、一列に配置された複数のアンテナ素子３１がそれぞれ接続されている（図５および図７参照）。各送受信モジュール３２は、図３に示すように、サーキュレータ３２１、送信増幅器３２２、受信増幅器３２３、スイッチ３２４、第１移相器３２５および第２移相器３２６から構成されている。
【００２８】
サーキュレータ３２１は、送信増幅器３２２から送られてくる送信信号をアンテナ端に接続されたアンテナ素子３１に送るか、アンテナ素子３１からアンテナ端を経由して送られてくる受信信号を受信増幅器３２３に送るかを切り替える。
【００２９】
送信増幅器３２２は、スイッチ３２４から送られてくる送信信号を増幅し、サーキュレータ３２１に送る。受信増幅器３２３は、サーキュレータ３２１から送られてくる受信信号を低雑音増幅し、スイッチ３２４および第２移相器３２６に送る。
【００３０】
スイッチ３２４は、第１移相器３２５から送られてくる送信信号を送信増幅器３２２に送るか、受信増幅器３２３から送られてくる受信信号を第１移相器３２５に送るかを切り替える。第１移相器３２５は、分配器３３から送られてくる送信信号Ｔｘｂの位相を制御してスイッチ３２４に送るとともに、受信増幅器３２３からスイッチ３２４を経由して送られてくる受信信号の位相を制御し、受信信号Ｒｘｂ２として合成器３４に送る。第２移相器３２６は、受信増幅器３２３から送られてくる受信信号の位相を制御し、受信信号Ｒｘｂ１として合成器３４に送る。
【００３１】
以上のように構成される送受信モジュール３２では、分配器３３から送られてくる送信信号Ｔｘｂは、第１移相器３２５で所定の位相制御がなされた後に、スイッチ３２４を経由して送信増幅器３２２に送られる。そして、送信増幅器３２２で増幅された送信信号は、サーキュレータ３２１を介してアンテナ素子３１から送信される。
【００３２】
一方、アンテナ素子３１で受信された受信信号は、サーキュレータ３２１を経由して、受信増幅器３２３に送られる。そして、受信増幅器３２３で低雑音増幅された受信信号は、スイッチ３２４を経由して第１移相器３２５に送られるとともに、第２移相器３２６に送られる。第１移相器３２５で位相制御がなされた受信信号は、受信信号Ｒｘｂ２として合成器３４に送られる。また、第２移相器３２６で位相制御がなされた受信信号は、受信信号Ｒｘｂ１として合成器３４に送られる。
【００３３】
複合ユニット３の分配器３３は、横方向分配合成器１または縦方向分配合成器２から送られてくる送信信号Ｔｘａを電力分配し、送信信号Ｔｘｂとして複数の送受信モジュール３２に送る。複数の送受信モジュール３２の各々は、分配器３３からの送信信号Ｔｘｂの位相を制御した後に増幅し、アンテナ素子３１に送る。
【００３４】
また、複合ユニット３の合成器３４は、送受信モジュール３２から送られてくる受信信号Ｒｘｂ１を合成し、受信信号Ｒｘａに含めて縦方向合成器４または横方向合成器５に送る。縦方向合成器４は、複合ユニット３から送られてくる受信信号Ｒｘａを合成し、横方向合成器５に送る。
【００３５】
横方向合成器５は、縦方向合成器４および複合ユニット３から送られてくる受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ１に基づき、開口分割した信号の和と差をとるモノパルス合成により合成し、和信号Σと横方向の差信号ΔＡＺを生成する。
【００３６】
また、複合ユニット３の合成器３４は、送受信モジュール３２から送られてくる受信信号Ｒｘｂ２を合成し、受信信号Ｒｘａに含めて縦方向分配合成器２または横方向分配合成器１に送る。縦方向分配合成器２は、複合ユニット３から送られてくる受信信号Ｒｘａを合成し、横方向分配合成器１に送る。横方向分配合成器１は、縦方向合成器４および複合ユニット３から送られてくる受信信号Ｒｘａに含まれる受信信号Ｒｘｂ２に基づき縦方向の差信号ΔＥＬを生成し、サーキュレータ６を経由して出力する。
【００３７】
次に、このように構成された実施例１に係るアレイアンテナ装置のアンテナ開口面を形成する複合ユニット３の配列について説明する。
【００３８】
図４は、アンテナ開口面を構成する複合ユニット３の配列を示す図である。アンテナ開口面は、複数の複合ユニットブロック７から成り、各複合ユニットブロック７は、図５に示すように、複数の複合ユニット３をＡＺ方向に三角配列することにより構成されている。
【００３９】
アンテナ開口面は、図４（ｂ）に示すように、その中央部分でＥＬ方向に３段の複合ユニットブロック７が配置され、その両側でＥＬ方向に２段の複合ユニットブロック７が配置され、最も外側でＥＬ方向に１段の複合ユニットブロック７が配置されることにより構成されており、全体として複合ユニット３が擬似円状に配列されている。
【００４０】
上述したような複合ユニット３の擬似円状の配列により、アンテナ開口面におけるＡＺ方向は、図４（ａ）に示すような振幅分布になり、また、ＥＬ方向は、図８に示すような振幅分布になる。その結果、アンテナ開口面全体の振幅分布がコサイン分布やコサイン２乗分布に近くなるので、サイドローブのレベルを低減させることができる。
【００４１】
以上説明したように、本発明の実施例１に係るアレイアンテナ装置によれば、複合ユニットを擬似円状に配列してアンテナ開口面を形成したので、アンテナ開口面全体の振幅分布がテーパを有するコサイン分布やコサイン２乗分布に近くなり、サイドローブのレベルを低減させることができる。
【００４２】
なお、複数の複合ユニットブロック７を擬似円状に配置する場合、図４（ｂ）に示すように、複数の複合ユニットブロック７の間に隙間８が生じることがある。このような隙間８が生じると、例えば図４（ａ）に示すように、ＥＬ方向の振幅分布に凹凸が生じ、サイドローブのレベルの低減が阻害される。
【００４３】
この問題を解消するために、実施例１に係るアレイアンテナ装置は、次のように変形することができる。すなわち、変形例に係るアレイアンテナ装置では、図７に示すように、各複合ユニットブロック７ａを構成する複合ユニット３ａは、ＥＬ方向の位置を交互にずらして配列される。
【００４４】
この構成によれば、図６（ｂ）に示すように、複数の複合ユニットブロック７ａの間の隙間８ａが埋められるので、アンテナ開口面におけるＡＺ方向の振幅分布は、図６（ａ）に示すように、図４（ａ）に示した場合に較べて滑らかになる。従って、サイドローブのレベルをさらに低減させることができる。
【００４５】
また、上述した実施例１およびその変形例では、送信機能と受信機能の双方を有するアレイアンテナ装置について説明したが、本発明は、例えば、受信機能のみまたは送信機能のみを有するアレイアンテナ装置に適用することができる。
【００４６】
さらに、上述した実施例１およびその変形例では、送受信モジュール３２の内部に２個の移相器を備えるように構成したしたが、送信および受信を兼用する１個の移相器で構成することもできる。
【実施例２】
【００４７】
次に、本発明の実施例２に係るアレイアンテナ装置を説明する。上述した実施例１に係るアレイアンテナ装置において、アンテナ開口面のＡＺ方向の振幅分布として、例えば図９（ａ）に示すようなテイラー分布を与えたい場合には、図９（ｂ）に示すような複合ユニット３を多段に配列することによって得られる振幅分布を補正するように構成することができる。
【００４８】
この補正は、図９（ｃ）に示すような振幅分布Ｗｃ（ｎ）（ｎ＝１〜Ｎ）を複合ユニット３の横方向合成器５に与えることにより実現できる。振幅分布Ｗｃは、下記式（１）により求めることができる。
【００４９】
Ｗｃ（ｎ）＝Ｗｔ（ｎ）／Ｗｄ（ｎ）・・・（１）
ここで、Ｗｃ（ｎ）は横方向合成器５における振幅分布（ｎ＝１〜Ｎ）であり、Ｎは合成数、Ｗｔ（ｎ）は設定したい振幅分布（例えばテイラー分布）、Ｗｄ（ｎ）は多段に配列することによって得られる振幅分布を表している。
【００５０】
以上説明したように、本発明の実施例２に係るアレイアンテナ装置によれば、アンテナ開口面における振幅分布を滑らかにすることができるので、サイドローブを低減させることができる。なお、上記の構成は、ＡＺ方向の振幅分布のみ成らず、ＥＬ方向の振幅分布についても適用できる。
【実施例３】
【００５１】
次に本発明の実施例３に係るアレイアンテナ装置を説明する。上述した実施例１に係るアレイアンテナ装置のように、複合ユニット３の段数が３段（奇数段）である場合には、アンテナ開口面は、図１０（ａ）に示すように、開口Ａ、開口Ｂおよび開口Ｃに３分割される。
【００５２】
開口Ａに対応する複合ユニット３の送受信モジュール３２に含まれる第１移相器３２５は、受信信号の位相を制御して位相０゜の和信号ΣＡを出力し、第２移相器３２６は、受信信号の位相を制御して位相０゜の差信号ΔＡを出力する。
【００５３】
開口Ｂに対応する複合ユニット３の送受信モジュール３２に含まれる第１移相器３２５は、受信信号の位相を制御して位相０゜の和信号ΣＢを出力し、第２移相器３２６の半分は、受信信号の位相を制御して位相０゜の差信号ΔＢを出力し、第２移相器３２６の他の半分は、受信信号の位相を制御して位相１８０゜の差信号ΔＢを出力する。
【００５４】
開口Ｃに対応する複合ユニット３の送受信モジュール３２に含まれる第１移相器３２５は、受信信号の位相を制御して位相０゜の和信号ΣＣを出力し、第２移相器３２６は、受信信号の位相を制御して位相１８０゜の差信号ΔＣを出力する。
【００５５】
横方向合成器５は、図１０（ｂ）に示すように、開口Ａからの和信号ΣＡ、開口Ｂからの和信号ΣＢおよび開口Ｃからの和信号ΣＣを加算して和信号Σ（Σビーム）を生成する。また、横方向合成器５は、開口Ａからの差信号ΔＡ、開口Ｂからの差信号ΔＢおよび開口Ｃからの差信号ΔＣを加算して差信号ΔＡＺ（Δビーム）を生成する。同様に、横方向分配合成器１は、開口Ａからの差信号ΔＡ、開口Ｂからの差信号ΔＢおよび開口Ｃからの差信号ΔＣを加算して差信号ΔＥＬ（Δビーム）を生成する。
【００５６】
以上説明したように、実施例３に係るアレイアンテナ装置によれば、第１移相器３２５および第２移相器３２６といった２種類の移相器を設け、一方をΣビーム用に、他方をΔビーム用にしてアンテナ開口面を２分割した場合の和と差に相当するように位相制御するように構成したので、振幅分布が一様な奇数段（または奇数列）の複合ユニットを用いて、ΣビームおよびΔビームによるモノパルスビームが必要な場合に、モノパルスビームを形成できる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、送受信モジュールや位相器を複数配列したアレイアンテナ装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例１に係るアレイアンテナ装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示した複合ユニットの詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示した送受信モジュールの詳細な構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係るアレイアンテナ装置のアンテナ開口面を構成する複合ユニットの配列を示す図である。
【図５】図４に示す複合ユニットブロックを構成する複合ユニットの配列を示す図である。
【図６】本発明の実施例１の変形例に係るアレイアンテナ装置のアンテナ開口面を構成する複合ユニットブロックの配列を示す図である。
【図７】図６に示す複合ユニットブロックを構成する複合ユニットの配列を示す図である。
【図８】本発明の実施例１に係るアレイアンテナ装置のアンテナ開口面におけるＡＺ方向の振幅分布を示す図である。
【図９】本発明の実施例２に係るアレイアンテナ装置のアンテナ開口面における振幅分布の補正を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施例３に係るアレイアンテナ装置におけるモノパルスビームの形成を説明するための図である。
【図１１】従来のアレイアンテナ装置のアンテナ開口面の構成を説明するための図である。
【図１２】従来のアレイアンテナ装置におけるモノパルスビームの形成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 横方向分配合成器
２ 縦方向分配合成器
３ 複合ユニット
４ 縦方向合成器
５ 横方向合成器
６ サーキュレータ
３１ アンテナ素子
３２ 送受信モジュール
３３ 分配器
３４ 合成器
３２１ サーキュレータ
３２２ 送信増幅器
３２３ 受信増幅器
３２４ スイッチ
３２５ 第１移相器
３２６ 第２移相器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一列に配置された複数のアンテナ素子を制御する給電回路における振幅分布が一様な複合ユニットを複数配列することによりアンテナ開口面が形成されたアレイアンテナ装置であって、
前記アンテナ開口面は、一方向に配列された複数の複合ユニットと該一方向と交差する交差方向に配列された複数の複合ユニットとによって擬似円状に形成されていることを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項２】
前記一方向に配列された複数の複合ユニットは、前記交差方向に生じる隙間を埋めるように、該交差方向に交互に位置をずらして配列されていることを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ装置。
【請求項３】
前記一方向および前記交差方向の少なくとも１つの方向の複数の複合ユニットの各々は、前記アンテナ開口面の振幅分布が滑らかに変化するように前記給電回路における振幅分布を補正することを特徴とする請求項１または請求項２記載のアレイアンテナ装置。
【請求項４】
前記複数の複合ユニットの各々は、前記アンテナ素子からの受信信号の位相を独立に制御する２種類の移相器を備え、
前記２種類の移相器のうちの一方の移相器の位相を制御してΣビームを形成するとともに、他方の移相器の位相を制御してΔビームを形成することによりモノパルスビームを形成することを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ装置。
【請求項１】
一列に配置された複数のアンテナ素子を制御する給電回路における振幅分布が一様な複合ユニットを複数配列することによりアンテナ開口面が形成されたアレイアンテナ装置であって、
前記アンテナ開口面は、一方向に配列された複数の複合ユニットと該一方向と交差する交差方向に配列された複数の複合ユニットとによって擬似円状に形成されていることを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項２】
前記一方向に配列された複数の複合ユニットは、前記交差方向に生じる隙間を埋めるように、該交差方向に交互に位置をずらして配列されていることを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ装置。
【請求項３】
前記一方向および前記交差方向の少なくとも１つの方向の複数の複合ユニットの各々は、前記アンテナ開口面の振幅分布が滑らかに変化するように前記給電回路における振幅分布を補正することを特徴とする請求項１または請求項２記載のアレイアンテナ装置。
【請求項４】
前記複数の複合ユニットの各々は、前記アンテナ素子からの受信信号の位相を独立に制御する２種類の移相器を備え、
前記２種類の移相器のうちの一方の移相器の位相を制御してΣビームを形成するとともに、他方の移相器の位相を制御してΔビームを形成することによりモノパルスビームを形成することを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−１８０２１８（Ｐ２００６−１８０２１８Ａ）
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７１４２７（Ｐ２００４−３７１４２７）
【出願日】平成１６年１２月２２日（２００４．１２．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２２日（２００４．１２．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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