アンテナ装置
【課題】通信対象となるアンテナからの電波の到来方向検出のための回路をより簡単な構成にし、かつ通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を２次元的に検出することが可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】フェーズドアレーアンテナの主ビームを所定の方向に形成するために各素子アンテナに設定する位相量と、フェーズドアレーアンテナの受信信号から求めた各素子アンテナの電界の位相量との差分から求めたアンテナ素子座標の１次式で表されるような平面の位相分布の法線ベクトルと、上記主ビームを形成した所定の方向とから、通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を検出する。
【解決手段】フェーズドアレーアンテナの主ビームを所定の方向に形成するために各素子アンテナに設定する位相量と、フェーズドアレーアンテナの受信信号から求めた各素子アンテナの電界の位相量との差分から求めたアンテナ素子座標の１次式で表されるような平面の位相分布の法線ベクトルと、上記主ビームを形成した所定の方向とから、通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フェーズドアレーアンテナを備えたアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば航空機などの移動体に搭載されたフェーズドアレーアンテナと、船舶や車両に搭載されたアンテナや地上局アンテナなどとの間で通信を行う場合、効率よく通信を行うには、フェーズドアレーアンテナの指向目標となるアンテナを精度よく捕捉するとともに、アンテナビーム指向方向を制御する必要がる。従来、通信対象となるアンテナを捕捉しアンテナビーム方向制御を行う方法として、通信対象となるアンテナから送信されたビーコン電波の和パターン及び差パターンの励振分布をフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路に設定してビーム形成するとともに、それらの出力を合成後、信号処理を行ってビーコン電波到来方向を基準としたビーム指向誤差信号を得る方法がある(例えば特許文献１参照)。
【０００３】
また、通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を検出する別の従来方法として、フェーズドアレーアンテナの素子アンテナに対して素子電界ベクトル回転法を適用し、各素子アンテナの移相器の位相量を求め、素子アンテナ間の距離と、求めた位相量から算出した素子アンテナ間の位相差から下式(１)により通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を求める方法がある(例えば特許文献２参照)。
【０００４】
θ＝sin−１(λφab／２πｄab) (１)
【０００５】
但し、λは通信対象となるアンテナからの電波の波長、φabは素子アンテナ間の位相差、dabは素子アンテナ間の距離を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２９８３３３号公報
【特許文献２】特開平５−２５９７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような従来の通信対象となるアンテナを捕捉しアンテナビーム方向制御する方法においては、通信対象となるアンテナからの送信されたビーコン電波の和パターン及び差パターンの出力を得るための合成回路がそれぞれ必要となるため、通信用の回路とは別系統の回路が必要となる。また２次元的なビーム指向誤差信号を得るには、各角度成分に対応して和パターン及び差パターンの出力を得るための合成回路がそれぞれ必要となるため、回路構成が複雑になるという問題があった。また、ビーコン電波の到来方向と差パターンの中心方向との間に差異が大きい場合には、和パターン及び差パターンの出力を利用して検出されるビーム指向誤差信号は検出誤差が大きくなるという問題もあった。
【０００８】
別の従来の通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を検出する方法においては、上式(１)を用いて電波の到来方向を算出するために、位相量を測定する素子アンテナを含む面内(電波の伝搬方向に沿った面)における電波の到来方向のみしか求めることができないという問題があった。
【０００９】
この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、通信対象となるアンテナからの電波の到来方向検出のための回路をより簡単な構成にし、かつ通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を２次元的に検出することが可能なアンテナ装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、複数の素子アンテナから成るアレーアンテナと、前記各素子アンテナ毎に設けられそれぞれの位相量を変える移相器、前記各移相器の設定位相を制御する移相器制御装置および前記各移相器への入出力信号の分配合成を行う電力分配合成回路を含むビーム形成回路とにより構成されるフェーズドアレーアンテナを備えたアンテナ装置であって、前記電力分配合成回路に接続され各素子アンテナの受信信号の検波を行う検波回路と、前記フェーズドアレーアンテナの複数の素子アンテナで形成した主ビームを放射する少なくとも１つの測定対象アンテナの位置情報に基づく方向を記憶する角度記憶装置と、前記角度記憶装置で記憶された方向に主ビームを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を計算する初期位相演算装置と、前記検波回路の検波に基づき、前記少なくとも１つの測定対象アンテナからの電波によるフェーズドアレーアンテナの受信信号から各素子アンテナの受信電界の位相量の逆符号の位相量を求める素子電界位相演算装置と、前記各素子アンテナの前記初期位相演算装置の位相量と前記素子電界位相演算装置の位相量の差分をとる差分位相演算装置と、前記差分位相演算装置の差分位相量の分布からアンテナ素子座標の１次式で表されるような平面の位相分布を求める最適位相平面演算装置と、前記平面の位相分布の法線ベクトルを求める法線ベクトル演算装置と、前記法線ベクトルと前記角度記憶装置で記憶した方向を用いて実際の電波の到来方向を求める電波到来方向演算装置と、を備えたことを特徴とするアンテナ装置等にある。
【発明の効果】
【００１１】
この発明では、通信対象となるアンテナからの電波の到来方向検出のための回路をより簡単な構成にし、かつ通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を２次元的に検出することが可能なアンテナ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図２】この発明の実施の形態１における測定の状況を説明するための図である。
【図３】この発明の実施の形態１における測定の座標系を示した図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図５】この発明の実施の形態２における測定の状況を説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態３によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図７】この発明の実施の形態３における測定の状況を説明するための図である。
【図８】この発明の実施の形態４によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図９】この発明の実施の形態４における測定の状況を説明するための図である。
【図１０】この発明の実施の形態５によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１１】この発明の実施の形態６によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１２】この発明の実施の形態７における第１の測定の状況を説明するための図である。
【図１３】この発明の実施の形態７における第２の測定の状況を説明するための図である。
【図１４】この発明の実施の形態９によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１５】図１４の切換器の構成の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
この発明によるアンテナ装置では、フェーズドアレーアンテナの主ビームを所定の方向に形成するために各素子アンテナに設定する位相量と、フェーズドアレーアンテナの受信信号から求めた各素子アンテナの電界の位相量との差分から求めたアンテナ素子座標の１次式で表されるような平面の位相分布の法線ベクトルと、上記主ビームを形成した所定の方向とから、通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を検出する。
【００１４】
以下、この発明によるアンテナ装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１５】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示した図である。図１のアンテナ装置１００において、アンテナの開口面上に設置され例えばｍ×ｎ個の平面のアレーアンテナを構成する複数の素子アンテナ１−m,n(m＝1,2,3,・・・,M、n＝1,2,3,・・・,N)には、それぞれに素子アンテナの移相量を変える移相器２−m,n(m＝1,2,3,・・・,M、n＝1,2,3,・・・,N)が接続されている。これらの移相器２−m,nは各移相器への入出力信号を合成分配を行う電力分配合成回路４に接続され、さらに電力分配合成回路４には検波回路６が接続されている。各移相器２−m,nはこれらの設定位相量を制御する移相器制御装置３に接続されている。各移相器２−m,n、電力分配合成回路４、および移相器制御装置３を合わせてビーム形成回路５と呼び、さらに各素子アンテナ１−m,nを加えてフェーズドアレーアンテナと呼ぶ。
【００１６】
移相器制御装置３には初期位相演算装置８が接続され、初期位相演算装置８にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成する所定の方向を記憶した角度記憶装置７が接続されている。初期位相演算装置８は角度記憶装置７に定められた方向にフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために各素子アンテナ１−m,nに設定する位相量を計算する。検波回路６には、フェーズドアレーアンテナの受信信号から各素子アンテナの受信電界の位相量の逆符号の量を求める素子電界位相演算装置９が接続されている。素子電界位相演算装置９には初期位相演算装置８と素子電界位相演算装置９のそれぞれで求められた位相量の差分を計算する差分位相演算装置１０が接続される。
【００１７】
差分位相演算装置１０には最適位相平面演算装置１１が接続され、最適位相平面演算装置１１は、差分位相演算装置１０によって求められた差分位相量の分布から各素子アンテナ１−m,nの位置座標の１次式で表されるような平面の位相分布を求める装置である。最適位相平面演算装置１１には、最適位相平面演算装置１１において求めた位相平面の法線ベクトルを求める法線ベクトル演算装置１２が接続される。電波到来方向演算装置１３には角度記憶装置７と法線ベクトル演算装置１２とが接続され、法線ベクトル演算装置１２によって求めた法線ベクトルと角度記憶装置７に記憶された方向とを用いて電波の到来方向を求める装置である。
【００１８】
次に、動作について図を用いて説明する。今、図２に示すように上記のアンテナ装置１００を搭載した航空機１４において、別の測定対象アンテナ１５から放射される電波の到来方向を求める場合を考える。図３はフェーズドアレーアンテナの開口面を基準とした測定の座標系を示した図である。ここでは、図３に示すように、アレーアンテナとして例えば平面アレーアンテナを考える。今、航空機１４と測定対象アンテナ１５の大まかな位置情報より求めた航空機１４に搭載されたアンテナ装置１００のアレーアンテナからみた測定対象アンテナ１５の方向を(ξ０，η０)[仰角、方位角]として、角度記憶装置７に記憶する。次に、角度記憶装置７に記憶された方向(ξ０，η０)にフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために、各素子アンテナ１−m,nに設定する位相を初期位相演算装置８で計算する。つまり、初期位相演算装置８では下式(１)で表される位相量φｍｎを求める。
【００１９】
φｍｎ＝−(ｋ０ｘｍｎsinξ０＋ｋ０ｙｍｎcosξ０sinη０)−φ０ｍｎ (１)
【００２０】
ただし、ｋ０は測定対象アンテナ１５から放射される電波の波数、(xｍｎ,yｍｎ)は各素子アンテナ１−m,nの設置位置のｘ座標とｙ座標をそれぞれ示す。また、φ０ｍｎは各素子アンテナ１−m,nに接続されている移相器２−m,nと給電線路における位相誤差を補正するための位相量で、通常フェーズドアレーアンテナ運用の際には記憶されている量である。上式(１)に基づいて、移相器制御装置３により各移相器２−m,nの設定位相を変更し、フェーズドアレーアンテナの主ビームを(ξ０，η０)方向に形成する。
【００２１】
次に、素子電界位相演算装置９では、例えば、フェーズドアレーアンテナの各移相器２−m,nの設定位相を３６０度回転させた時の受信電力の変化を検波回路６で検波し、その受信電力の最大値と最小値の比ｒと、受信電力の最大値を与える位相量Δ０から下式(２)、(３)を用いて当該移相器に接続された各素子アンテナ１−m,nの受信電界の位相の合成電界位相に対する相対位相値Ｘを求め、さらに求めた位相値Ｘの逆符号の位相量φｍｎ’を求める。
【００２２】
Ｘ＝tan−１{sinΔ０／(cosΔ０＋Γ)} (２)
Γ＝{(ｒ−１)／(ｒ＋１)} (３)
【００２３】
なお、この方法は素子電界ベクトル回転法と呼ばれるものであり、「アンテナ測定法」として公知である(例えば特開昭５７−９３２６７号公報参照)。
【００２４】
今、航空機１４から見た測定対象アンテナ１５の実際の方向を(ξ０＋Δξ，η０＋Δη)とすると、上式(２)及び(３)を用いて求められる位相量は理論的には、
【００２５】
ｋ０ｘｍｎsin(ξ０＋Δξ)＋ｋ０ｙｍｎcos(ξ０＋Δξ)sin(η０＋Δη)＋φ０ｍｎ (４)
【００２６】
と表わすことができ、素子電界位相演算装置９で求められる位相量φｍｎ’は下式(５)で表すことができる。
【００２７】
φｍｎ’＝−{ｋ０ｘｍｎsin(ξ０＋Δξ)＋
ｋ０ｙｍｎcos(ξ０＋Δξ)sin(η０＋Δη)}−φ０ｍｎ (５)
【００２８】
上式(５)には各素子アンテナ１−m,nに接続されている移相器２−m,nと給電線路における位相誤差φ０ｍｎを含んでいるので、その影響を取り除くため、差分位相演算装置１０では初期位相演算装置８で求められた位相量φｍｎと素子電界位相演算装置９で求めた位相量φｍｎ'との差分、つまり上式(１)と(５)の差分Δφｍｎとして下式(６)を計算することとなる。
【００２９】
Δφｍｎ＝φｍｎ’−φｍｎ
＝−ｋ０ｘｍｎsin(ξ０＋Δξ)−ｋ０ｙｍｎcos(ξ０＋Δξ)sin(η０＋Δη)
＋ｋ０ｘｍｎsinξ０＋ｋ０ｙｍｎcosξ０sinη０ (６)
【００３０】
最適位相平面演算装置１１では、実際には測定誤差を含んだ差分位相量Δφｍｎに対して、最適な素子アンテナ座標(ｋ０ｘｍｎ,ｋ０ｙｍｎ)の１次式
【００３１】
ａｋ０ｘｍｎ＋ｂｋ０ｙｍｎ＋ｃ＋Δφｍｎ＝０ (７)
【００３２】
の形で表わされる平面の位相分布の係数ａとｂを求める。これは、下式(８)を最小とするようなａ，ｂ，ｃを求めることで可能である。
【００３３】
【数１】
【００３４】
上式(８)は、例えば最小二乗法により下式(９)のように求めることができる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
今、上式(６)、(７)の係数を比較すると、下式(１０)が得られる。
【００３７】
ａ＝sin(ξ０＋Δξ)−sinξ０
ｂ＝cos(ξ０＋Δξ)sin(η０＋Δη)−cosξ０sinη０ (１０)
ｃ＝０
【００３８】
法線ベクトル演算装置１２では、最適位相平面演算装置１１で求めた位相平面の法線ベクトルを求める。上式(７)の形で表わされる平面の法線ベクトルは(ａ，ｂ，１)となるので、上式(９)によりその成分は、各素子アンテナ１−m,nの位置座標と差分位相量Δφｍｎとから容易に求めることができる。電波到来方向演算装置１３では、法線ベクトル演算装置１２で求めた法線ベクトルの各成分(ａ，ｂ，１)と角度記憶装置７で記憶されている(ξ０,η０)をもとに(Δξ,Δη)を求める。つまり、電波到来方向演算装置１３では上式(１０)を(Δξ,Δη)に関して解き、求めた(Δξ,Δη)と角度記憶装置７で記憶されている(ξ０,η０)から、実際の電波の到来方向(ξ０＋Δξ，η０＋Δη)を求めることとなる。
【００３９】
このように、実施の形態１では、従来のように電波到来方向を検出するために、通信用の回路とは別系統の回路を必要とせず、簡単なアンテナ構成で電波の到来方向を求めることが可能となる。さらに、位相平面の法線ベクトルを利用するため、２次元的な電波の到来方向を容易に求めることが可能となる。
【００４０】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構成を示した図である。図４のアンテナ装置１００では、アンテナ装置本体１０１側では電力分配合成回路４には第１の送信機１６が接続される。このアンテナ装置本体１０１のフェーズドアレーアンテナから放射された電波は、アンテナ装置本体１０１とは別に設けられる(図５参照)、第１の受信アンテナ１７、第１の検波回路６、素子電界位相演算装置９、第２の送信機１６ａ、送信アンテナ１８で構成されるサブアンテナ装置１９において受信、検波される。なお、第１の受信アンテナ１７、第１の検波回路６、第２の送信機１６ａ、送信アンテナ１８が送受信手段を構成する。
【００４１】
フェーズドアレーアンテナから放射された電波は、サブアンテナ装置１９でまず第１の受信アンテナ１７において受信され、第１の受信アンテナ１７には第１の検波回路６が接続され、第１の検波回路６にはフェーズドアレーアンテナからの送信信号から各素子アンテナからの放射電界の位相量の逆符号の量を求める素子電界位相演算装置９が接続される。素子電界位相演算装置９には第２の送信機１６ａが接続され、第２の送信機１６ａには送信アンテナ１８が接続され、素子電界位相演算装置９で求められた位相量を含んだ信号が第２の送信機１６ａおよび送信アンテナ１８により送信される。
【００４２】
送信アンテナ１８より送信された信号は、アンテナ装置本体１０１側でフェーズドアレーアンテナとともに設けられた第２の受信アンテナ１７ａで受信され、第２の受信アンテナ１７ａには第２の検波回路６ａが接続され、受信した信号を検波する。第２の検波回路６ａには、各素子アンテナからの放射電界の位相量の逆符号の量を記憶する素子電界位相記憶装置２０が接続されている。素子電界位相記憶装置２０には差分位相演算装置１０が接続される。測定アンテナ方向演算装置２１には、角度記憶装置７と法線ベクトル演算装置１２とが接続されており、法線ベクトル演算装置１２によって求めた法線ベクトルと角度記憶装置７に記憶された方向とを用いてアンテナ装置本体１０１側のアレーアンテナからみた第１の受信アンテナ１７の方向を求める装置である。
【００４３】
次に動作について図を用いて説明する。実施の形態１では、フェーズドアレーアンテナが受信の場合に、電波の到来方向を求める方法について述べた。実施の形態２は、フェーズドアレーアンテナが送信の場合に対応しており、実施の形態１の場合と同様に、図５に示すようにフェーズドアレーアンテナを含むアンテナ装置本体１０１が搭載された航空機１４と、それとは別に設けたサブアンテナ装置１９との間で測定を行い、航空機１４に搭載されたアンテナ装置本体１０１のアレーアンテナからみたサブアンテナ装置１９の第１の受信アンテナ１７の方向(以下、航空機１４からみたサブアンテナ装置１９の方向と呼ぶ)を求める場合を考える。
【００４４】
今、実施の形態１の場合と同様に大まかな位置情報より求めた航空機１４からみたサブアンテナ装置１９の方向を(ξ０，η０)として、角度記憶装置７に記憶する。つぎに、角度記憶装置７に記憶された方向(ξ０，η０)にフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために、上式(１)で表わされる各素子アンテナ１−m,nに設定する位相を初期位相演算装置８で計算する。初期位相演算装置８で求めた位相量に基づいて、移相器制御装置３により各移相器２−m,nの設定位相を変更し、フェーズドアレーアンテナの主ビームを(ξ０，η０)方向に形成する。
【００４５】
フェーズドアレーアンテナから放射される電波は、サブアンテナ装置１９に設けられた第１の受信アンテナ１７で受信され、第１の検波回路６で検波される。次に、素子電界位相演算装置９では、実施の形態１と同様に、例えば、素子電界ベクトル回転法を用いて各素子アンテナ１−m,nから放射された電界の位相の合成電界に対する相対位相値Ｘを求め、さらに求めた位相値Ｘの逆符号の位相量φｍｎ'を計算する。このとき、理論的には実施の形態１の場合と同様に、φｍｎ'は上式(５)で表わされると考えられる。素子電界位相演算装置９で求められる位相量φｍｎ'は、第２の送信機１６ａおよび送信アンテナ１８により送信され、第１の送信アンテナ１８により送信された信号は、アンテナ装置本体１０１側の第２の受信アンテナ１７ａで受信され、第２の検波回路６ａで検波される。
【００４６】
素子電界位相記憶装置２０では検波した位相量φｍｎ'を記憶し、差分位相演算装置１０では、上記初期位相演算装置８で求められた位相量φｍｎと上記素子電界位相記憶装置２０に記憶された位相量φｍｎ'との差分Δφｍｎを計算する。Δφｍｎは実施の形態１の場合と同様に、上式(６)で表わされる。最適位相平面演算装置１１および法線ベクトル演算装置１２では、実施の形態１の場合と同様に、差分位相演算装置１０で求めた差分位相量Δφｍｎから、素子アンテナ座標の１次式の形で表わされる位相平面を求め、さらにその法線ベクトルを求める。法線ベクトル演算装置１２で求められる法線ベクトルは実施の形態１の場合と同様に、上式(９)で表わされるａ，ｂを用いて(ａ，ｂ，１)となるので、測定アンテナ方向演算装置２１では、上式(１０)を(Δξ,Δη)に関して解き、求めた(Δξ,Δη)と角度記憶装置７で記憶されている(ξ０,η０)から、実際のアレーアンテナから見た第１の受信アンテナ１７の方向(ξ０＋Δξ，η０＋Δη)を求める。
【００４７】
このように実施の形態２では、従来のように測定対象となる受信アンテナの方向を検出するために、通信用の回路とは別系統の回路を必要とせず、簡単なアンテナ構成で測定対象アンテナの方向を求めることが可能となる。さらに、位相平面の法線ベクトルを利用するため、２次元的な測定対象アンテナの方向を容易に求めることが可能となる。
【００４８】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３によるアンテナ装置の構成を示した図である。図６のアンテナ装置１００では、図６のアンテナ装置において、電波到来方向演算装置１３に、電波到来方向記憶装置２２が接続される。電波到来方向記憶装置２２は、電波到来方向演算装置１３において求めた複数の電波の到来方向を記憶する装置である。電波到来方向記憶装置２２には、ヌル形成位相演算装置２３が接続され、ヌル形成位相演算装置２３は移相器制御装置３に接続される。ヌル形成位相演算装置２３は、フェーズドアレーアンテナの主ビームを所定の方向に形成し、かつ電波到来方向記憶装置２２により記憶された複数の電波到来方向のうち少なくとも一方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求める装置である。
【００４９】
次に動作について図を用いて説明する。今、図７に示すように上記のアンテナ装置１００を搭載した航空機１４において、別に設けられた複数の測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)から放射される複数の電波の到来方向を求める場合を考える。実施の形態３では、実施の形態１と同様に、各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)からそれぞれ放射される電波の到来方向をそれぞれ電波到来方向演算装置１３で求める。今、電波到来方向演算装置１３で求めた各電波の到来方向を(ξｎ,ηｎ)(n＝1,2,3,・・・,Ns)とすると。電波到来方向記憶装置２２は、電波到来方向演算装置１３で求めた各電波の到来方向(ξｎ,ηｎ)を順次記憶していく。
【００５０】
今、航空機１４と測定対象アンテナ１５−１間で衛星間通信を行う場合を想定する。このとき、その他の測定対象アンテナ１５−n(n＝2,3,4,・・・,Ns)から放射される電波は、所望の測定対象アンテナ１５−１から送信される信号の干渉成分となるため、航空機１４と測定対象アンテナ１５−１間の通信を効率よく行うためには、その干渉を抑圧する必要がある。これは、測定対象アンテナ１５−１以外の測定対象アンテナ１５−n(n＝2,3,4,・・・,Ns)の方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成することで実現可能である。
【００５１】
そこで、電波到来方向記憶装置２２に記憶された各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)から放射される電波の到来方向を用いて、通信対象以外の測定対象アンテナ１５−n(n＝2,3,4,・・・,Ns)の方向(ξｎ,ηｎ)(n＝2,3,4,・・・,Ns)にはフェーズドアレーアンテナのヌルを形成し、かつ所望の通信対象の測定対象アンテナ１５−１の方向(ξ１,η１)にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するための素子アンテナに設定する位相量をヌル形成位相演算装置２３で求める。なお、ヌル形成位相演算装置２３では、例えば、主ビーム方向とヌルを向ける方向に対応した各素子アンテナに設定する位相量を記憶したデータベース(図示省略)を利用したり、平面波合成法を用いたり、最適化演算を行ったりして各素子アンテナに設定する位相量を計算する。
【００５２】
このように実施の形態３では、通信対象および通信対象外のアンテナからの電波の到来方向を測定し、所定の通信対象のアンテナの方向にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成し、かつ通信対象外のアンテナの方向にはフェーズドアレーアンテナのヌルを形成することで、通信対象外のアンテナからの干渉を抑圧し、通信対象のアンテナとの通信を効率よく行うことが可能となる。
【００５３】
実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４によるアンテナ装置の構成を示した図である。図８では、１つのアンテナ装置本体１０１に対して複数のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)が設けられている。各サブアンテナ装置１９−nはそれぞれ、第１の検波回路６、素子電界位相演算装置９、第２の送信機１６ａと共にそれぞれの第１の受信アンテナ１７−1〜１７−Ns、送信アンテナ１８−1〜１８−Nsを備える。測定アンテナ方向演算装置２１には測定アンテナ方向記憶装置２４が接続され、測定アンテナ方向記憶装置２４は測定アンテナ方向演算装置２１で求められた、アレーアンテナから見た各サブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)における第１の受信アンテナ１７の方向を記憶する。
【００５４】
測定アンテナ方向記憶装置２４には、ヌル形成位相演算装置２３が接続される。ヌル形成位相演算装置２３は、フェーズドアレーアンテナの主ビームを所定の方向に形成し、かつ測定アンテナ方向記憶装置２４により記憶されたアレーアンテナから見た複数のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)における第１の受信アンテナ１７の方向のうち少なくとも一方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成するために、各素子アンテナ１−m,nに設定する位相量を求める装置である。
【００５５】
次に動作について図を用いて説明する。実施の形態４では、上記実施の形態３のフェーズドアレーアンテナが送信の場合に相当し、図９に示すように、フェーズドアレーアンテナを含むアンテナ装置本体１０１の搭載された航空機１４と、別に設けられた複数のサブアンテナ装置１９−n(n＝2,3,・・・,Ns)との間で測定を行い、航空機１４に搭載されたアレーアンテナからみた各サブアンテナ装置１９−n(n＝2,3,・・・,Ns)の各第１の受信アンテナ１７の方向(以下、航空機１４からみた各サブアンテナ装置１９−nの方向と呼ぶ)を求める場合を考える。
【００５６】
実施の形態２と同様に、航空機１４からみた各サブアンテナ装置１９−nの方向をそれぞれ測定アンテナ方向演算装置２１で求める。測定アンテナ方向記憶装置２４は、測定アンテナ方向演算装置２１で求められた航空機１４からみた各サブアンテナ装置１９−nの方向をそれぞれ記憶する。ヌル形成位相演算装置２３は、実施の形態３と同様の方法により、測定アンテナ方向記憶装置２４に記憶された航空機１４からみた各サブアンテナ装置１９−nの方向を用いて、通信対象以外のサブアンテナ装置の方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成し、かつ所望の通信対象のサブアンテナ装置の方向にフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために各素子アンテナに設定する位相量をヌル形成位相演算装置２３で求める。
【００５７】
このように実施の形態４では、アレーアンテナから見た通信対象および通信対象外のアンテナの方向を測定し、所定の通信対象のアンテナの方向にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成し、かつ通信対象外のアンテナの方向にはフェーズドアレーアンテナのヌルを形成することで、通信対象外のアンテナからの干渉を抑圧し、通信対象のアンテナとの通信を効率よく行うことが可能となる。
【００５８】
実施の形態５．
図１０はこの発明の実施の形態５によるアンテナ装置の構成を示した図である。図１０のアンテナ装置１００は、各素子アンテナ１−m,nが複数のビーム形成回路５−n(n＝1,2,3,・・・,Nb)のそれぞれに接続され、各ビーム形成回路５−nで形成されるビームを合成、分配したビームの送受信を行うマルチビームアンテナ装置を想定したものである。各ビーム形成回路５−nには、検波回路６、初期位相演算装置８、ヌル形成位相演算装置２３がそれぞれ接続されている。複数のビーム形成回路５−nの各素子アンテナ端子は各素子アンテナごとに分配合成する複数の第２の電力分配合成回路４ａ−m,n(m＝1,2,3,・・・,M、n＝1,2,3,・・・,N)に接続され、第２の電力分配合成回路４ａ−m,nはそれぞれ対応した各素子アンテナ１−m,nにそれぞれ接続される。すなわち、全ての素子アンテナ１−m,nにそれぞれの第２の電力分配合成回路４ａ−m,nが接続されて全てのビーム形成回路５−nに接続されている。
【００５９】
次に動作について図を用いて説明する。今、図７と同様に上記のマルチビームアンテナ構造を有するフェーズドアレーアンテナを含むアンテナ装置１００を搭載した航空機１４において、別に設けられた複数の測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)から放射される複数の電波の到来方向を求める場合を考える。実施の形態５では、実施の形態３と同様に、各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)からそれぞれ放射される電波の到来方向を、上記マルチビームアンテナのうち少なくとも一つのビームを用いて電波到来方向演算装置１３において求め、それぞれ電波到来方向記憶装置２２に記憶する。
【００６０】
今、航空機１４と各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)間でマルチビームアンテナを用いて通信を行う場合を想定し、航空機１４と測定対象アンテナ１５−n間で通信を行うためのビームをビームn(n＝1,2,3,・・・,Ns)と呼ぶ。実施の形態３で述べたように、例えば、ビームmにおいてはその他の測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)から放射される電波は、所望の測定対象アンテナ１５−mから送信される信号の干渉成分となり、航空機１４と通信対象となる測定対象アンテナ１５−m間の通信を効率よくおこなうためには、その干渉を抑圧する必要がある。これは、ビームmに対して、通信対象外の測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)の方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成することで実現可能である。
【００６１】
そこで、電波到来方向記憶装置２２に記憶された各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)から放射される電波の到来方向を用いて、ビームmに対して通信対象以外の測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)の方向にはフェーズドアレーアンテナのヌルを形成し、かつ所望の通信対象の測定対象アンテナ１５−mの方向にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために素子アンテナに設定する位相量をヌル形成位相演算装置２３で求める。
【００６２】
このように実施の形態５では、マルチビームアンテナを用いて複数の通信対象のアンテナと通信を行う場合に、通信対象および通信対象外のアンテナからの電波の到来方向を測定し、各ビームの主ビームを当該通信対象のアンテナ方向に形成し、かつそれぞれのビームの通信対象外のアンテナの方向にはヌルを形成することで、マルチビームアンテナを用いて複数のアンテナと通信を行う場合に、通信対象外のアンテナからの干渉を抑圧し、通信対象のアンテナとの通信を効率よく行うことが可能となる。
【００６３】
実施の形態６．
図１１はこの発明の実施の形態６によるアンテナ装置の構成を示した図である。図１１のアンテナ装置１００は、実施の形態５の図１０に示すマルチビームアンテナ装置を想定したアンテナ装置を実施の形態４の図８に示す送信の場合に対応させたものである。図８のアンテナ装置において、素子アンテナ１−m,nと、移相器２−m,n、移相器制御装置３、電力分配合成回路４を含むビーム形成回路５とからなるフェーズドアレーアンテナの部分が、図１０の素子アンテナ１−m,nと、第２の電力分配合成回路４ａ−m,nと、ビーム形成回路５−nとからなるフェーズドアレーアンテナで構成され、各ビーム形成回路５−nには、第１の送信機１６、初期位相演算装置８、ヌル形成位相演算装置２３がそれぞれ接続されている。
【００６４】
動作について説明すると、上記各実施の形態に示した手法と同様の手法により、マルチビームアンテナを用いて複数の通信対象のアンテナと通信を行う場合に、マルチビームアンテナからみた通信対象および通信対象外のアンテナの方向を測定し、各ビームの主ビームを該当する通信対象のアンテナ方向に形成し、かつそれぞれのビームの通信対象外のアンテナの方向にはヌルを形成することで、マルチビームアンテナを用いて複数のアンテナと通信を行う場合に、通信対象外のアンテナからの干渉を抑圧し、通信対象のアンテナとの通信を効率よく行うことが可能となる。
【００６５】
すなわち、図８と同様に上記のマルチビームアンテナ構造を有するフェーズドアレーアンテナを含むアンテナ装置１００を搭載した航空機１４において、航空機１４からみた別に設けられた複数のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)の方向を求める場合を考える。実施の形態６では、実施の形態４と同様に、各サブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)の方向をそれぞれ測定アンテナ方向演算装置２１で求め、それぞれ測定アンテナ方向記憶装置２４に記憶する。
【００６６】
今、航空機１４と各サブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)間でマルチビームアンテナを用いて通信を行う場合を想定し、航空機１４とサブアンテナ装置１９−n間で通信を行うためのビームをビームn(n＝1,2,3,・・・,Ns)と呼ぶ。実施の形態４で述べたように、例えば、ビームmにおいてはその他のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)から放射される電波は、所望のサブアンテナ装置１９−mから送信される信号の干渉成分となり、航空機１４と通信対象となるサブアンテナ装置１９−m間の通信を効率よくおこなうためには、その干渉を抑圧する必要がある。これは、ビームmに対して、通信対象外のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)の方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成することで実現可能である。
【００６７】
そこで、測定アンテナ方向記憶装置２４に記憶された各サブアンテナ装置１９−nの方向を用いて、ビームmに対して通信対象以外のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)の方向にはフェーズドアレーアンテナのヌルを形成し、かつ所望の通信対象のサブアンテナ装置１９−nの方向にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために素子アンテナに設定する位相量をヌル形成位相演算装置２３で求めるようにする。
【００６８】
実施の形態７．
図１２はこの発明の実施の形態７によるアンテナ装置の第１の測定状況を示した図である。実施の形態７では、上記アンテナ装置１００が航空機１４に搭載され、測定対象アンテナ１５が例えば地上局などの位置が既知の位置に設置された固定局の場合を想定している。このとき、角度記憶装置７に記憶させる角度を、航空機１４の大まかな位置情報と位置が既知の測定対象アンテナ１５の位置情報から求められるアレーアンテナから見た測定対象アンテナ１５の方向とする。実施の形態１の場合と同様の手法により、測定対象アンテナからの電波の到来方向を求めた場合、測定対象アンテナ１５の位置は既知でかつ固定であるため、求めた電波の到来方向と角度記憶装置７で記憶した角度の差、つまり(Δξ,Δη)は、航空機１４の姿勢誤差、もしくはフェーズドアレーアンテナの開口面の傾斜による誤差に起因する方向誤差を表わすこととなる。すなわち、(Δξ,Δη)を求めることにより、フェーズドアレーアンテナの開口面(放射面)もしくはそれを搭載した航空機１４の姿勢誤差を求めることが可能となる。
【００６９】
さらに、図１３に示すように、上記のように位置が既知の固定局に設置された複数の測定対象アンテナがある場合には、各測定対象アンテナについて求めた(Δξ,Δη)は、上記のように航空機１４の姿勢誤差、もしくはフェーズドアレーアンテナの放射面(開口面)の傾斜による誤差に起因するため、理想的には同一の値となる。しかし、実際には測定誤差などにより異なった値となる。そこで、ここでは各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ne)について求めた電波の到来方向と角度記憶装置７に記憶させた角度の差を(Δξn,Δηn)(n＝1,2,3,・・・,Ne)として、下式(１１)で表わされる平均値を用いることにより、より高精度にフェーズドアレーアンテナの開口面もしくはそれを搭載した航空機１４の姿勢誤差を求めることが可能となる。
以上の処理は、例えば電波到来方向演算装置１３で行われる。
【００７０】
【数３】
【００７１】
このように、実施の形態７では、測定対象アンテナを位置が既知の固定されたアンテナとすることで、フェーズドアレーアンテナの開口面の傾斜もしくはそれを搭載した航空機の姿勢誤差などを求めることが可能となる。
【００７２】
ここでは、フェーズドアレーアンテナが受信の場合について説明を行ったが、フェーズドアレーアンテナが送信の場合においても同様の効果を得ることができる。つまり、サブアンテナ装置を位置が既知の位置に固定した場合に、実施の形態２と同様の手法により求めたサブアンテナ装置の第１の受信アンテナの方向と角度記憶装置７で記憶した角度の差は、サブアンテナ装置の位置が既知で固定されているため、航空機１４の姿勢誤差もしくはフェーズドアレーアンテナの開口面の傾斜による誤差に起因する方向誤差を表わすこととなる。さらに、複数の測定アンテナ方向演算装置２１で求めたサブアンテナ装置の第１の受信アンテナの方向と角度記憶装置７に記憶させた角度の差の平均値を用いることにより、より高精度にフェーズドアレーアンテナの開口面もしくはそれを搭載した航空機１４の姿勢誤差を求めることが可能となる。
【００７３】
実施の形態８．
上記各実施の形態においては、実施の形態１において述べたように、上式(１０)を(Δξ,Δη)について解くことにより、電波の到来方向または受信アンテナの方向を求めた。今、角度記憶装置７で記憶されている(ξ０,η０)と、実際の電波の到来方向またはサブアンテナ装置の受信アンテナの方向(ξ０＋Δξ，η０＋Δη)との差異が十分小さい、つまりΔξ＜＜１、Δη＜＜１とすると、上式(１０)は
【００７４】
【数４】
【００７５】
となる。上式(１２)は(Δξ,Δη)の一次式であるので下式(１３)のように、(Δξ,Δη)について容易に解くことが可能となる。
【００７６】
【数５】
【００７７】
さらに例えば、フェーズドアレーアンテナの視野角が、せいぜい±１０度程度となる場合には、
【００７８】
【数６】
【００７９】
なる近似を用いると、(Δξ,Δη)は下式(１５)のようになる。
【００８０】
【数７】
【００８１】
以上のように、電波到来方向演算装置１３又は測定アンテナ方向演算装置２１において、上式(１０)の代わりに、上式(１３)又は上式(１５)のいずれかを解くことで、容易に実際の電波の到来方向または受信アンテナの方向を求めることが可能となる。
【００８２】
実施の形態９．
図１４はこの発明の実施の形態９によるアンテナ装置の構成を示した図である。図１４のアンテナ装置１００は、各素子アンテナ１−m,nにはそれぞれ切換器２５−m,nに接続され、切換器２５−m,nには切換器制御装置２６が接続され、切換器制御装置２６には素子電界位相演算装置９が接続されている。
【００８３】
次に、動作について図を用いて説明する。上記各実施の形態では、素子電界位相演算装置９として素子電界ベクトル回転法により電界位相を求めた。実施の形態９では、アレーアンテナの各素子アンテナ１−m,nのうち一つを動作状態にし、その他の素子アンテナには整合負荷を接続させることで、動作状態の素子アンテナの受信電界の位相を一素子ずつ求める方法を用いる。
【００８４】
図１５は切換器２５−m,nの構成を示しており、図１５に示すように、切換器２５−m,nは２つのスイッチ２７−１及び２７−２が設けられており、スイッチ２７−１は素子アンテナ１−m,nとダミー抵抗Ｒ１を切り換えるスイッチで、スイッチ２７−２は移相器２−m,nとダミー抵抗Ｒ２を切り換えるスイッチである。スイッチ２７−１を素子アンテナ１−m,n側に、スイッチ２７−２を移相器２−m,n側に接続することで素子アンテナ１−m,nが動作状態になり、一方、スイッチ２７−１及び２７−２両方をダミー抵抗Ｒ１，Ｒ２側に接続することで、素子アンテナ１−m,nを非動作状態にすることができる。
【００８５】
切換器制御装置２６では、素子電界位相演算装置９により指定された動作状態にする素子アンテナ１−m,nと非動作状態にする素子アンテナ１−m,nに応じて、各切換器２５−m,nの各スイッチ２７−１，２７−２を切り換える。上記のような切換器２５−m,n及び切換器制御装置２６を用いて、アレーアンテナを構成する素子アンテナ１−m,nのうち一素子を動作状態にし、その他の素子アンテナ１−m,nを非動作状態にした状態で、素子電界位相演算装置９では、アンテナの受信信号から当該素子アンテナ１−m,nの位相を求める。この操作を全素子アンテナ１−m,nに対して行うことで、アレーアンテナの各素子アンテナ１−m,nの電界位相を求めることが可能となる。
【００８６】
このように、実施の形態９では、素子電界位相演算装置９において各素子アンテナを一素子ずつ動作状態にしての当該素子アンテナの電界位相を求めた場合においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態２ないし８に対しても、同様の切換器や切換器制御装置を設けることにより、同様の効果を得ることができる。
【００８７】
実施の形態１０．
上記各実施の形態では、最適位相平面演算装置１１は最小二乗法を用いて差分位相演算装置１０によって求めた位相量の分布からアンテナ素子座標の１次式で表されるような最適な平面の位相分布を求めたが、素子電界位相演算装置９で求められる位相量が有する３６０度の位相不確定性を考慮した方法として、最適位相平面演算装置１１で下式(１６)を最小とするようなａ，ｂ，ｃを例えば共役勾配法などにより求めた場合にも同様の効果を得ることができる。
【００８８】
【数８】
【００８９】
また、位相量の分布からアンテナ素子座標の１次式で表されるような最適な平面の位相分布の求め方として、最急降下法を用いてもよい。
【００９０】
またこの発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。
【符号の説明】
【００９１】
１−m,n 素子アンテナ、２−m,n 移相器、３ 移相器制御装置、４ 電力分配合成回路、４ａ−m,n 第２の電力分配合成回路、５，５−1〜５-Nb ビーム形成回路、６ (第１の)検波回路、６ａ 第２の検波回路、７ 角度記憶装置、８ 初期位相演算装置、９ 素子電界位相演算装置、１０ 差分位相演算装置、１１ 最適位相平面演算装置、１２ 法線ベクトル演算装置、１３ 電波到来方向演算装置、１４ 航空機、１５，１５−1〜１５−Ns 測定対象アンテナ、１６ 第１の送信機、１６ａ 第２の送信機、１７−1〜１７−Ns 受信アンテナ、１７ａ 第２の受信アンテナ、１８−1〜１８−Ns 送信アンテナ、１９，１９，１９−n サブアンテナ装置、２０ 素子電界位相記憶装置、２１ 測定アンテナ方向演算装置、２２ 電波到来方向記憶装置、２３ ヌル形成位相演算装置、２４ 測定アンテナ方向記憶装置、２５−m,n 切換器、２６ 切換器制御装置、２７−1，２７−2 スイッチ、１００ アンテナ装置、１０１ アンテナ装置本体、Ｒ１，Ｒ２ ダミー抵抗。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フェーズドアレーアンテナを備えたアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば航空機などの移動体に搭載されたフェーズドアレーアンテナと、船舶や車両に搭載されたアンテナや地上局アンテナなどとの間で通信を行う場合、効率よく通信を行うには、フェーズドアレーアンテナの指向目標となるアンテナを精度よく捕捉するとともに、アンテナビーム指向方向を制御する必要がる。従来、通信対象となるアンテナを捕捉しアンテナビーム方向制御を行う方法として、通信対象となるアンテナから送信されたビーコン電波の和パターン及び差パターンの励振分布をフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路に設定してビーム形成するとともに、それらの出力を合成後、信号処理を行ってビーコン電波到来方向を基準としたビーム指向誤差信号を得る方法がある(例えば特許文献１参照)。
【０００３】
また、通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を検出する別の従来方法として、フェーズドアレーアンテナの素子アンテナに対して素子電界ベクトル回転法を適用し、各素子アンテナの移相器の位相量を求め、素子アンテナ間の距離と、求めた位相量から算出した素子アンテナ間の位相差から下式(１)により通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を求める方法がある(例えば特許文献２参照)。
【０００４】
θ＝sin−１(λφab／２πｄab) (１)
【０００５】
但し、λは通信対象となるアンテナからの電波の波長、φabは素子アンテナ間の位相差、dabは素子アンテナ間の距離を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２９８３３３号公報
【特許文献２】特開平５−２５９７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような従来の通信対象となるアンテナを捕捉しアンテナビーム方向制御する方法においては、通信対象となるアンテナからの送信されたビーコン電波の和パターン及び差パターンの出力を得るための合成回路がそれぞれ必要となるため、通信用の回路とは別系統の回路が必要となる。また２次元的なビーム指向誤差信号を得るには、各角度成分に対応して和パターン及び差パターンの出力を得るための合成回路がそれぞれ必要となるため、回路構成が複雑になるという問題があった。また、ビーコン電波の到来方向と差パターンの中心方向との間に差異が大きい場合には、和パターン及び差パターンの出力を利用して検出されるビーム指向誤差信号は検出誤差が大きくなるという問題もあった。
【０００８】
別の従来の通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を検出する方法においては、上式(１)を用いて電波の到来方向を算出するために、位相量を測定する素子アンテナを含む面内(電波の伝搬方向に沿った面)における電波の到来方向のみしか求めることができないという問題があった。
【０００９】
この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、通信対象となるアンテナからの電波の到来方向検出のための回路をより簡単な構成にし、かつ通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を２次元的に検出することが可能なアンテナ装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、複数の素子アンテナから成るアレーアンテナと、前記各素子アンテナ毎に設けられそれぞれの位相量を変える移相器、前記各移相器の設定位相を制御する移相器制御装置および前記各移相器への入出力信号の分配合成を行う電力分配合成回路を含むビーム形成回路とにより構成されるフェーズドアレーアンテナを備えたアンテナ装置であって、前記電力分配合成回路に接続され各素子アンテナの受信信号の検波を行う検波回路と、前記フェーズドアレーアンテナの複数の素子アンテナで形成した主ビームを放射する少なくとも１つの測定対象アンテナの位置情報に基づく方向を記憶する角度記憶装置と、前記角度記憶装置で記憶された方向に主ビームを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を計算する初期位相演算装置と、前記検波回路の検波に基づき、前記少なくとも１つの測定対象アンテナからの電波によるフェーズドアレーアンテナの受信信号から各素子アンテナの受信電界の位相量の逆符号の位相量を求める素子電界位相演算装置と、前記各素子アンテナの前記初期位相演算装置の位相量と前記素子電界位相演算装置の位相量の差分をとる差分位相演算装置と、前記差分位相演算装置の差分位相量の分布からアンテナ素子座標の１次式で表されるような平面の位相分布を求める最適位相平面演算装置と、前記平面の位相分布の法線ベクトルを求める法線ベクトル演算装置と、前記法線ベクトルと前記角度記憶装置で記憶した方向を用いて実際の電波の到来方向を求める電波到来方向演算装置と、を備えたことを特徴とするアンテナ装置等にある。
【発明の効果】
【００１１】
この発明では、通信対象となるアンテナからの電波の到来方向検出のための回路をより簡単な構成にし、かつ通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を２次元的に検出することが可能なアンテナ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図２】この発明の実施の形態１における測定の状況を説明するための図である。
【図３】この発明の実施の形態１における測定の座標系を示した図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図５】この発明の実施の形態２における測定の状況を説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態３によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図７】この発明の実施の形態３における測定の状況を説明するための図である。
【図８】この発明の実施の形態４によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図９】この発明の実施の形態４における測定の状況を説明するための図である。
【図１０】この発明の実施の形態５によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１１】この発明の実施の形態６によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１２】この発明の実施の形態７における第１の測定の状況を説明するための図である。
【図１３】この発明の実施の形態７における第２の測定の状況を説明するための図である。
【図１４】この発明の実施の形態９によるアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１５】図１４の切換器の構成の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
この発明によるアンテナ装置では、フェーズドアレーアンテナの主ビームを所定の方向に形成するために各素子アンテナに設定する位相量と、フェーズドアレーアンテナの受信信号から求めた各素子アンテナの電界の位相量との差分から求めたアンテナ素子座標の１次式で表されるような平面の位相分布の法線ベクトルと、上記主ビームを形成した所定の方向とから、通信対象となるアンテナからの電波の到来方向を検出する。
【００１４】
以下、この発明によるアンテナ装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１５】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示した図である。図１のアンテナ装置１００において、アンテナの開口面上に設置され例えばｍ×ｎ個の平面のアレーアンテナを構成する複数の素子アンテナ１−m,n(m＝1,2,3,・・・,M、n＝1,2,3,・・・,N)には、それぞれに素子アンテナの移相量を変える移相器２−m,n(m＝1,2,3,・・・,M、n＝1,2,3,・・・,N)が接続されている。これらの移相器２−m,nは各移相器への入出力信号を合成分配を行う電力分配合成回路４に接続され、さらに電力分配合成回路４には検波回路６が接続されている。各移相器２−m,nはこれらの設定位相量を制御する移相器制御装置３に接続されている。各移相器２−m,n、電力分配合成回路４、および移相器制御装置３を合わせてビーム形成回路５と呼び、さらに各素子アンテナ１−m,nを加えてフェーズドアレーアンテナと呼ぶ。
【００１６】
移相器制御装置３には初期位相演算装置８が接続され、初期位相演算装置８にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成する所定の方向を記憶した角度記憶装置７が接続されている。初期位相演算装置８は角度記憶装置７に定められた方向にフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために各素子アンテナ１−m,nに設定する位相量を計算する。検波回路６には、フェーズドアレーアンテナの受信信号から各素子アンテナの受信電界の位相量の逆符号の量を求める素子電界位相演算装置９が接続されている。素子電界位相演算装置９には初期位相演算装置８と素子電界位相演算装置９のそれぞれで求められた位相量の差分を計算する差分位相演算装置１０が接続される。
【００１７】
差分位相演算装置１０には最適位相平面演算装置１１が接続され、最適位相平面演算装置１１は、差分位相演算装置１０によって求められた差分位相量の分布から各素子アンテナ１−m,nの位置座標の１次式で表されるような平面の位相分布を求める装置である。最適位相平面演算装置１１には、最適位相平面演算装置１１において求めた位相平面の法線ベクトルを求める法線ベクトル演算装置１２が接続される。電波到来方向演算装置１３には角度記憶装置７と法線ベクトル演算装置１２とが接続され、法線ベクトル演算装置１２によって求めた法線ベクトルと角度記憶装置７に記憶された方向とを用いて電波の到来方向を求める装置である。
【００１８】
次に、動作について図を用いて説明する。今、図２に示すように上記のアンテナ装置１００を搭載した航空機１４において、別の測定対象アンテナ１５から放射される電波の到来方向を求める場合を考える。図３はフェーズドアレーアンテナの開口面を基準とした測定の座標系を示した図である。ここでは、図３に示すように、アレーアンテナとして例えば平面アレーアンテナを考える。今、航空機１４と測定対象アンテナ１５の大まかな位置情報より求めた航空機１４に搭載されたアンテナ装置１００のアレーアンテナからみた測定対象アンテナ１５の方向を(ξ０，η０)[仰角、方位角]として、角度記憶装置７に記憶する。次に、角度記憶装置７に記憶された方向(ξ０，η０)にフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために、各素子アンテナ１−m,nに設定する位相を初期位相演算装置８で計算する。つまり、初期位相演算装置８では下式(１)で表される位相量φｍｎを求める。
【００１９】
φｍｎ＝−(ｋ０ｘｍｎsinξ０＋ｋ０ｙｍｎcosξ０sinη０)−φ０ｍｎ (１)
【００２０】
ただし、ｋ０は測定対象アンテナ１５から放射される電波の波数、(xｍｎ,yｍｎ)は各素子アンテナ１−m,nの設置位置のｘ座標とｙ座標をそれぞれ示す。また、φ０ｍｎは各素子アンテナ１−m,nに接続されている移相器２−m,nと給電線路における位相誤差を補正するための位相量で、通常フェーズドアレーアンテナ運用の際には記憶されている量である。上式(１)に基づいて、移相器制御装置３により各移相器２−m,nの設定位相を変更し、フェーズドアレーアンテナの主ビームを(ξ０，η０)方向に形成する。
【００２１】
次に、素子電界位相演算装置９では、例えば、フェーズドアレーアンテナの各移相器２−m,nの設定位相を３６０度回転させた時の受信電力の変化を検波回路６で検波し、その受信電力の最大値と最小値の比ｒと、受信電力の最大値を与える位相量Δ０から下式(２)、(３)を用いて当該移相器に接続された各素子アンテナ１−m,nの受信電界の位相の合成電界位相に対する相対位相値Ｘを求め、さらに求めた位相値Ｘの逆符号の位相量φｍｎ’を求める。
【００２２】
Ｘ＝tan−１{sinΔ０／(cosΔ０＋Γ)} (２)
Γ＝{(ｒ−１)／(ｒ＋１)} (３)
【００２３】
なお、この方法は素子電界ベクトル回転法と呼ばれるものであり、「アンテナ測定法」として公知である(例えば特開昭５７−９３２６７号公報参照)。
【００２４】
今、航空機１４から見た測定対象アンテナ１５の実際の方向を(ξ０＋Δξ，η０＋Δη)とすると、上式(２)及び(３)を用いて求められる位相量は理論的には、
【００２５】
ｋ０ｘｍｎsin(ξ０＋Δξ)＋ｋ０ｙｍｎcos(ξ０＋Δξ)sin(η０＋Δη)＋φ０ｍｎ (４)
【００２６】
と表わすことができ、素子電界位相演算装置９で求められる位相量φｍｎ’は下式(５)で表すことができる。
【００２７】
φｍｎ’＝−{ｋ０ｘｍｎsin(ξ０＋Δξ)＋
ｋ０ｙｍｎcos(ξ０＋Δξ)sin(η０＋Δη)}−φ０ｍｎ (５)
【００２８】
上式(５)には各素子アンテナ１−m,nに接続されている移相器２−m,nと給電線路における位相誤差φ０ｍｎを含んでいるので、その影響を取り除くため、差分位相演算装置１０では初期位相演算装置８で求められた位相量φｍｎと素子電界位相演算装置９で求めた位相量φｍｎ'との差分、つまり上式(１)と(５)の差分Δφｍｎとして下式(６)を計算することとなる。
【００２９】
Δφｍｎ＝φｍｎ’−φｍｎ
＝−ｋ０ｘｍｎsin(ξ０＋Δξ)−ｋ０ｙｍｎcos(ξ０＋Δξ)sin(η０＋Δη)
＋ｋ０ｘｍｎsinξ０＋ｋ０ｙｍｎcosξ０sinη０ (６)
【００３０】
最適位相平面演算装置１１では、実際には測定誤差を含んだ差分位相量Δφｍｎに対して、最適な素子アンテナ座標(ｋ０ｘｍｎ,ｋ０ｙｍｎ)の１次式
【００３１】
ａｋ０ｘｍｎ＋ｂｋ０ｙｍｎ＋ｃ＋Δφｍｎ＝０ (７)
【００３２】
の形で表わされる平面の位相分布の係数ａとｂを求める。これは、下式(８)を最小とするようなａ，ｂ，ｃを求めることで可能である。
【００３３】
【数１】
【００３４】
上式(８)は、例えば最小二乗法により下式(９)のように求めることができる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
今、上式(６)、(７)の係数を比較すると、下式(１０)が得られる。
【００３７】
ａ＝sin(ξ０＋Δξ)−sinξ０
ｂ＝cos(ξ０＋Δξ)sin(η０＋Δη)−cosξ０sinη０ (１０)
ｃ＝０
【００３８】
法線ベクトル演算装置１２では、最適位相平面演算装置１１で求めた位相平面の法線ベクトルを求める。上式(７)の形で表わされる平面の法線ベクトルは(ａ，ｂ，１)となるので、上式(９)によりその成分は、各素子アンテナ１−m,nの位置座標と差分位相量Δφｍｎとから容易に求めることができる。電波到来方向演算装置１３では、法線ベクトル演算装置１２で求めた法線ベクトルの各成分(ａ，ｂ，１)と角度記憶装置７で記憶されている(ξ０,η０)をもとに(Δξ,Δη)を求める。つまり、電波到来方向演算装置１３では上式(１０)を(Δξ,Δη)に関して解き、求めた(Δξ,Δη)と角度記憶装置７で記憶されている(ξ０,η０)から、実際の電波の到来方向(ξ０＋Δξ，η０＋Δη)を求めることとなる。
【００３９】
このように、実施の形態１では、従来のように電波到来方向を検出するために、通信用の回路とは別系統の回路を必要とせず、簡単なアンテナ構成で電波の到来方向を求めることが可能となる。さらに、位相平面の法線ベクトルを利用するため、２次元的な電波の到来方向を容易に求めることが可能となる。
【００４０】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構成を示した図である。図４のアンテナ装置１００では、アンテナ装置本体１０１側では電力分配合成回路４には第１の送信機１６が接続される。このアンテナ装置本体１０１のフェーズドアレーアンテナから放射された電波は、アンテナ装置本体１０１とは別に設けられる(図５参照)、第１の受信アンテナ１７、第１の検波回路６、素子電界位相演算装置９、第２の送信機１６ａ、送信アンテナ１８で構成されるサブアンテナ装置１９において受信、検波される。なお、第１の受信アンテナ１７、第１の検波回路６、第２の送信機１６ａ、送信アンテナ１８が送受信手段を構成する。
【００４１】
フェーズドアレーアンテナから放射された電波は、サブアンテナ装置１９でまず第１の受信アンテナ１７において受信され、第１の受信アンテナ１７には第１の検波回路６が接続され、第１の検波回路６にはフェーズドアレーアンテナからの送信信号から各素子アンテナからの放射電界の位相量の逆符号の量を求める素子電界位相演算装置９が接続される。素子電界位相演算装置９には第２の送信機１６ａが接続され、第２の送信機１６ａには送信アンテナ１８が接続され、素子電界位相演算装置９で求められた位相量を含んだ信号が第２の送信機１６ａおよび送信アンテナ１８により送信される。
【００４２】
送信アンテナ１８より送信された信号は、アンテナ装置本体１０１側でフェーズドアレーアンテナとともに設けられた第２の受信アンテナ１７ａで受信され、第２の受信アンテナ１７ａには第２の検波回路６ａが接続され、受信した信号を検波する。第２の検波回路６ａには、各素子アンテナからの放射電界の位相量の逆符号の量を記憶する素子電界位相記憶装置２０が接続されている。素子電界位相記憶装置２０には差分位相演算装置１０が接続される。測定アンテナ方向演算装置２１には、角度記憶装置７と法線ベクトル演算装置１２とが接続されており、法線ベクトル演算装置１２によって求めた法線ベクトルと角度記憶装置７に記憶された方向とを用いてアンテナ装置本体１０１側のアレーアンテナからみた第１の受信アンテナ１７の方向を求める装置である。
【００４３】
次に動作について図を用いて説明する。実施の形態１では、フェーズドアレーアンテナが受信の場合に、電波の到来方向を求める方法について述べた。実施の形態２は、フェーズドアレーアンテナが送信の場合に対応しており、実施の形態１の場合と同様に、図５に示すようにフェーズドアレーアンテナを含むアンテナ装置本体１０１が搭載された航空機１４と、それとは別に設けたサブアンテナ装置１９との間で測定を行い、航空機１４に搭載されたアンテナ装置本体１０１のアレーアンテナからみたサブアンテナ装置１９の第１の受信アンテナ１７の方向(以下、航空機１４からみたサブアンテナ装置１９の方向と呼ぶ)を求める場合を考える。
【００４４】
今、実施の形態１の場合と同様に大まかな位置情報より求めた航空機１４からみたサブアンテナ装置１９の方向を(ξ０，η０)として、角度記憶装置７に記憶する。つぎに、角度記憶装置７に記憶された方向(ξ０，η０)にフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために、上式(１)で表わされる各素子アンテナ１−m,nに設定する位相を初期位相演算装置８で計算する。初期位相演算装置８で求めた位相量に基づいて、移相器制御装置３により各移相器２−m,nの設定位相を変更し、フェーズドアレーアンテナの主ビームを(ξ０，η０)方向に形成する。
【００４５】
フェーズドアレーアンテナから放射される電波は、サブアンテナ装置１９に設けられた第１の受信アンテナ１７で受信され、第１の検波回路６で検波される。次に、素子電界位相演算装置９では、実施の形態１と同様に、例えば、素子電界ベクトル回転法を用いて各素子アンテナ１−m,nから放射された電界の位相の合成電界に対する相対位相値Ｘを求め、さらに求めた位相値Ｘの逆符号の位相量φｍｎ'を計算する。このとき、理論的には実施の形態１の場合と同様に、φｍｎ'は上式(５)で表わされると考えられる。素子電界位相演算装置９で求められる位相量φｍｎ'は、第２の送信機１６ａおよび送信アンテナ１８により送信され、第１の送信アンテナ１８により送信された信号は、アンテナ装置本体１０１側の第２の受信アンテナ１７ａで受信され、第２の検波回路６ａで検波される。
【００４６】
素子電界位相記憶装置２０では検波した位相量φｍｎ'を記憶し、差分位相演算装置１０では、上記初期位相演算装置８で求められた位相量φｍｎと上記素子電界位相記憶装置２０に記憶された位相量φｍｎ'との差分Δφｍｎを計算する。Δφｍｎは実施の形態１の場合と同様に、上式(６)で表わされる。最適位相平面演算装置１１および法線ベクトル演算装置１２では、実施の形態１の場合と同様に、差分位相演算装置１０で求めた差分位相量Δφｍｎから、素子アンテナ座標の１次式の形で表わされる位相平面を求め、さらにその法線ベクトルを求める。法線ベクトル演算装置１２で求められる法線ベクトルは実施の形態１の場合と同様に、上式(９)で表わされるａ，ｂを用いて(ａ，ｂ，１)となるので、測定アンテナ方向演算装置２１では、上式(１０)を(Δξ,Δη)に関して解き、求めた(Δξ,Δη)と角度記憶装置７で記憶されている(ξ０,η０)から、実際のアレーアンテナから見た第１の受信アンテナ１７の方向(ξ０＋Δξ，η０＋Δη)を求める。
【００４７】
このように実施の形態２では、従来のように測定対象となる受信アンテナの方向を検出するために、通信用の回路とは別系統の回路を必要とせず、簡単なアンテナ構成で測定対象アンテナの方向を求めることが可能となる。さらに、位相平面の法線ベクトルを利用するため、２次元的な測定対象アンテナの方向を容易に求めることが可能となる。
【００４８】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３によるアンテナ装置の構成を示した図である。図６のアンテナ装置１００では、図６のアンテナ装置において、電波到来方向演算装置１３に、電波到来方向記憶装置２２が接続される。電波到来方向記憶装置２２は、電波到来方向演算装置１３において求めた複数の電波の到来方向を記憶する装置である。電波到来方向記憶装置２２には、ヌル形成位相演算装置２３が接続され、ヌル形成位相演算装置２３は移相器制御装置３に接続される。ヌル形成位相演算装置２３は、フェーズドアレーアンテナの主ビームを所定の方向に形成し、かつ電波到来方向記憶装置２２により記憶された複数の電波到来方向のうち少なくとも一方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求める装置である。
【００４９】
次に動作について図を用いて説明する。今、図７に示すように上記のアンテナ装置１００を搭載した航空機１４において、別に設けられた複数の測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)から放射される複数の電波の到来方向を求める場合を考える。実施の形態３では、実施の形態１と同様に、各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)からそれぞれ放射される電波の到来方向をそれぞれ電波到来方向演算装置１３で求める。今、電波到来方向演算装置１３で求めた各電波の到来方向を(ξｎ,ηｎ)(n＝1,2,3,・・・,Ns)とすると。電波到来方向記憶装置２２は、電波到来方向演算装置１３で求めた各電波の到来方向(ξｎ,ηｎ)を順次記憶していく。
【００５０】
今、航空機１４と測定対象アンテナ１５−１間で衛星間通信を行う場合を想定する。このとき、その他の測定対象アンテナ１５−n(n＝2,3,4,・・・,Ns)から放射される電波は、所望の測定対象アンテナ１５−１から送信される信号の干渉成分となるため、航空機１４と測定対象アンテナ１５−１間の通信を効率よく行うためには、その干渉を抑圧する必要がある。これは、測定対象アンテナ１５−１以外の測定対象アンテナ１５−n(n＝2,3,4,・・・,Ns)の方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成することで実現可能である。
【００５１】
そこで、電波到来方向記憶装置２２に記憶された各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)から放射される電波の到来方向を用いて、通信対象以外の測定対象アンテナ１５−n(n＝2,3,4,・・・,Ns)の方向(ξｎ,ηｎ)(n＝2,3,4,・・・,Ns)にはフェーズドアレーアンテナのヌルを形成し、かつ所望の通信対象の測定対象アンテナ１５−１の方向(ξ１,η１)にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するための素子アンテナに設定する位相量をヌル形成位相演算装置２３で求める。なお、ヌル形成位相演算装置２３では、例えば、主ビーム方向とヌルを向ける方向に対応した各素子アンテナに設定する位相量を記憶したデータベース(図示省略)を利用したり、平面波合成法を用いたり、最適化演算を行ったりして各素子アンテナに設定する位相量を計算する。
【００５２】
このように実施の形態３では、通信対象および通信対象外のアンテナからの電波の到来方向を測定し、所定の通信対象のアンテナの方向にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成し、かつ通信対象外のアンテナの方向にはフェーズドアレーアンテナのヌルを形成することで、通信対象外のアンテナからの干渉を抑圧し、通信対象のアンテナとの通信を効率よく行うことが可能となる。
【００５３】
実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４によるアンテナ装置の構成を示した図である。図８では、１つのアンテナ装置本体１０１に対して複数のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)が設けられている。各サブアンテナ装置１９−nはそれぞれ、第１の検波回路６、素子電界位相演算装置９、第２の送信機１６ａと共にそれぞれの第１の受信アンテナ１７−1〜１７−Ns、送信アンテナ１８−1〜１８−Nsを備える。測定アンテナ方向演算装置２１には測定アンテナ方向記憶装置２４が接続され、測定アンテナ方向記憶装置２４は測定アンテナ方向演算装置２１で求められた、アレーアンテナから見た各サブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)における第１の受信アンテナ１７の方向を記憶する。
【００５４】
測定アンテナ方向記憶装置２４には、ヌル形成位相演算装置２３が接続される。ヌル形成位相演算装置２３は、フェーズドアレーアンテナの主ビームを所定の方向に形成し、かつ測定アンテナ方向記憶装置２４により記憶されたアレーアンテナから見た複数のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)における第１の受信アンテナ１７の方向のうち少なくとも一方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成するために、各素子アンテナ１−m,nに設定する位相量を求める装置である。
【００５５】
次に動作について図を用いて説明する。実施の形態４では、上記実施の形態３のフェーズドアレーアンテナが送信の場合に相当し、図９に示すように、フェーズドアレーアンテナを含むアンテナ装置本体１０１の搭載された航空機１４と、別に設けられた複数のサブアンテナ装置１９−n(n＝2,3,・・・,Ns)との間で測定を行い、航空機１４に搭載されたアレーアンテナからみた各サブアンテナ装置１９−n(n＝2,3,・・・,Ns)の各第１の受信アンテナ１７の方向(以下、航空機１４からみた各サブアンテナ装置１９−nの方向と呼ぶ)を求める場合を考える。
【００５６】
実施の形態２と同様に、航空機１４からみた各サブアンテナ装置１９−nの方向をそれぞれ測定アンテナ方向演算装置２１で求める。測定アンテナ方向記憶装置２４は、測定アンテナ方向演算装置２１で求められた航空機１４からみた各サブアンテナ装置１９−nの方向をそれぞれ記憶する。ヌル形成位相演算装置２３は、実施の形態３と同様の方法により、測定アンテナ方向記憶装置２４に記憶された航空機１４からみた各サブアンテナ装置１９−nの方向を用いて、通信対象以外のサブアンテナ装置の方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成し、かつ所望の通信対象のサブアンテナ装置の方向にフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために各素子アンテナに設定する位相量をヌル形成位相演算装置２３で求める。
【００５７】
このように実施の形態４では、アレーアンテナから見た通信対象および通信対象外のアンテナの方向を測定し、所定の通信対象のアンテナの方向にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成し、かつ通信対象外のアンテナの方向にはフェーズドアレーアンテナのヌルを形成することで、通信対象外のアンテナからの干渉を抑圧し、通信対象のアンテナとの通信を効率よく行うことが可能となる。
【００５８】
実施の形態５．
図１０はこの発明の実施の形態５によるアンテナ装置の構成を示した図である。図１０のアンテナ装置１００は、各素子アンテナ１−m,nが複数のビーム形成回路５−n(n＝1,2,3,・・・,Nb)のそれぞれに接続され、各ビーム形成回路５−nで形成されるビームを合成、分配したビームの送受信を行うマルチビームアンテナ装置を想定したものである。各ビーム形成回路５−nには、検波回路６、初期位相演算装置８、ヌル形成位相演算装置２３がそれぞれ接続されている。複数のビーム形成回路５−nの各素子アンテナ端子は各素子アンテナごとに分配合成する複数の第２の電力分配合成回路４ａ−m,n(m＝1,2,3,・・・,M、n＝1,2,3,・・・,N)に接続され、第２の電力分配合成回路４ａ−m,nはそれぞれ対応した各素子アンテナ１−m,nにそれぞれ接続される。すなわち、全ての素子アンテナ１−m,nにそれぞれの第２の電力分配合成回路４ａ−m,nが接続されて全てのビーム形成回路５−nに接続されている。
【００５９】
次に動作について図を用いて説明する。今、図７と同様に上記のマルチビームアンテナ構造を有するフェーズドアレーアンテナを含むアンテナ装置１００を搭載した航空機１４において、別に設けられた複数の測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)から放射される複数の電波の到来方向を求める場合を考える。実施の形態５では、実施の形態３と同様に、各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)からそれぞれ放射される電波の到来方向を、上記マルチビームアンテナのうち少なくとも一つのビームを用いて電波到来方向演算装置１３において求め、それぞれ電波到来方向記憶装置２２に記憶する。
【００６０】
今、航空機１４と各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)間でマルチビームアンテナを用いて通信を行う場合を想定し、航空機１４と測定対象アンテナ１５−n間で通信を行うためのビームをビームn(n＝1,2,3,・・・,Ns)と呼ぶ。実施の形態３で述べたように、例えば、ビームmにおいてはその他の測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)から放射される電波は、所望の測定対象アンテナ１５−mから送信される信号の干渉成分となり、航空機１４と通信対象となる測定対象アンテナ１５−m間の通信を効率よくおこなうためには、その干渉を抑圧する必要がある。これは、ビームmに対して、通信対象外の測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)の方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成することで実現可能である。
【００６１】
そこで、電波到来方向記憶装置２２に記憶された各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)から放射される電波の到来方向を用いて、ビームmに対して通信対象以外の測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)の方向にはフェーズドアレーアンテナのヌルを形成し、かつ所望の通信対象の測定対象アンテナ１５−mの方向にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために素子アンテナに設定する位相量をヌル形成位相演算装置２３で求める。
【００６２】
このように実施の形態５では、マルチビームアンテナを用いて複数の通信対象のアンテナと通信を行う場合に、通信対象および通信対象外のアンテナからの電波の到来方向を測定し、各ビームの主ビームを当該通信対象のアンテナ方向に形成し、かつそれぞれのビームの通信対象外のアンテナの方向にはヌルを形成することで、マルチビームアンテナを用いて複数のアンテナと通信を行う場合に、通信対象外のアンテナからの干渉を抑圧し、通信対象のアンテナとの通信を効率よく行うことが可能となる。
【００６３】
実施の形態６．
図１１はこの発明の実施の形態６によるアンテナ装置の構成を示した図である。図１１のアンテナ装置１００は、実施の形態５の図１０に示すマルチビームアンテナ装置を想定したアンテナ装置を実施の形態４の図８に示す送信の場合に対応させたものである。図８のアンテナ装置において、素子アンテナ１−m,nと、移相器２−m,n、移相器制御装置３、電力分配合成回路４を含むビーム形成回路５とからなるフェーズドアレーアンテナの部分が、図１０の素子アンテナ１−m,nと、第２の電力分配合成回路４ａ−m,nと、ビーム形成回路５−nとからなるフェーズドアレーアンテナで構成され、各ビーム形成回路５−nには、第１の送信機１６、初期位相演算装置８、ヌル形成位相演算装置２３がそれぞれ接続されている。
【００６４】
動作について説明すると、上記各実施の形態に示した手法と同様の手法により、マルチビームアンテナを用いて複数の通信対象のアンテナと通信を行う場合に、マルチビームアンテナからみた通信対象および通信対象外のアンテナの方向を測定し、各ビームの主ビームを該当する通信対象のアンテナ方向に形成し、かつそれぞれのビームの通信対象外のアンテナの方向にはヌルを形成することで、マルチビームアンテナを用いて複数のアンテナと通信を行う場合に、通信対象外のアンテナからの干渉を抑圧し、通信対象のアンテナとの通信を効率よく行うことが可能となる。
【００６５】
すなわち、図８と同様に上記のマルチビームアンテナ構造を有するフェーズドアレーアンテナを含むアンテナ装置１００を搭載した航空機１４において、航空機１４からみた別に設けられた複数のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)の方向を求める場合を考える。実施の形態６では、実施の形態４と同様に、各サブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)の方向をそれぞれ測定アンテナ方向演算装置２１で求め、それぞれ測定アンテナ方向記憶装置２４に記憶する。
【００６６】
今、航空機１４と各サブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,Ns)間でマルチビームアンテナを用いて通信を行う場合を想定し、航空機１４とサブアンテナ装置１９−n間で通信を行うためのビームをビームn(n＝1,2,3,・・・,Ns)と呼ぶ。実施の形態４で述べたように、例えば、ビームmにおいてはその他のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)から放射される電波は、所望のサブアンテナ装置１９−mから送信される信号の干渉成分となり、航空機１４と通信対象となるサブアンテナ装置１９−m間の通信を効率よくおこなうためには、その干渉を抑圧する必要がある。これは、ビームmに対して、通信対象外のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)の方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成することで実現可能である。
【００６７】
そこで、測定アンテナ方向記憶装置２４に記憶された各サブアンテナ装置１９−nの方向を用いて、ビームmに対して通信対象以外のサブアンテナ装置１９−n(n＝1,2,3,・・・,m-1,m+1,・・・,Ns)の方向にはフェーズドアレーアンテナのヌルを形成し、かつ所望の通信対象のサブアンテナ装置１９−nの方向にはフェーズドアレーアンテナの主ビームを形成するために素子アンテナに設定する位相量をヌル形成位相演算装置２３で求めるようにする。
【００６８】
実施の形態７．
図１２はこの発明の実施の形態７によるアンテナ装置の第１の測定状況を示した図である。実施の形態７では、上記アンテナ装置１００が航空機１４に搭載され、測定対象アンテナ１５が例えば地上局などの位置が既知の位置に設置された固定局の場合を想定している。このとき、角度記憶装置７に記憶させる角度を、航空機１４の大まかな位置情報と位置が既知の測定対象アンテナ１５の位置情報から求められるアレーアンテナから見た測定対象アンテナ１５の方向とする。実施の形態１の場合と同様の手法により、測定対象アンテナからの電波の到来方向を求めた場合、測定対象アンテナ１５の位置は既知でかつ固定であるため、求めた電波の到来方向と角度記憶装置７で記憶した角度の差、つまり(Δξ,Δη)は、航空機１４の姿勢誤差、もしくはフェーズドアレーアンテナの開口面の傾斜による誤差に起因する方向誤差を表わすこととなる。すなわち、(Δξ,Δη)を求めることにより、フェーズドアレーアンテナの開口面(放射面)もしくはそれを搭載した航空機１４の姿勢誤差を求めることが可能となる。
【００６９】
さらに、図１３に示すように、上記のように位置が既知の固定局に設置された複数の測定対象アンテナがある場合には、各測定対象アンテナについて求めた(Δξ,Δη)は、上記のように航空機１４の姿勢誤差、もしくはフェーズドアレーアンテナの放射面(開口面)の傾斜による誤差に起因するため、理想的には同一の値となる。しかし、実際には測定誤差などにより異なった値となる。そこで、ここでは各測定対象アンテナ１５−n(n＝1,2,3,・・・,Ne)について求めた電波の到来方向と角度記憶装置７に記憶させた角度の差を(Δξn,Δηn)(n＝1,2,3,・・・,Ne)として、下式(１１)で表わされる平均値を用いることにより、より高精度にフェーズドアレーアンテナの開口面もしくはそれを搭載した航空機１４の姿勢誤差を求めることが可能となる。
以上の処理は、例えば電波到来方向演算装置１３で行われる。
【００７０】
【数３】
【００７１】
このように、実施の形態７では、測定対象アンテナを位置が既知の固定されたアンテナとすることで、フェーズドアレーアンテナの開口面の傾斜もしくはそれを搭載した航空機の姿勢誤差などを求めることが可能となる。
【００７２】
ここでは、フェーズドアレーアンテナが受信の場合について説明を行ったが、フェーズドアレーアンテナが送信の場合においても同様の効果を得ることができる。つまり、サブアンテナ装置を位置が既知の位置に固定した場合に、実施の形態２と同様の手法により求めたサブアンテナ装置の第１の受信アンテナの方向と角度記憶装置７で記憶した角度の差は、サブアンテナ装置の位置が既知で固定されているため、航空機１４の姿勢誤差もしくはフェーズドアレーアンテナの開口面の傾斜による誤差に起因する方向誤差を表わすこととなる。さらに、複数の測定アンテナ方向演算装置２１で求めたサブアンテナ装置の第１の受信アンテナの方向と角度記憶装置７に記憶させた角度の差の平均値を用いることにより、より高精度にフェーズドアレーアンテナの開口面もしくはそれを搭載した航空機１４の姿勢誤差を求めることが可能となる。
【００７３】
実施の形態８．
上記各実施の形態においては、実施の形態１において述べたように、上式(１０)を(Δξ,Δη)について解くことにより、電波の到来方向または受信アンテナの方向を求めた。今、角度記憶装置７で記憶されている(ξ０,η０)と、実際の電波の到来方向またはサブアンテナ装置の受信アンテナの方向(ξ０＋Δξ，η０＋Δη)との差異が十分小さい、つまりΔξ＜＜１、Δη＜＜１とすると、上式(１０)は
【００７４】
【数４】
【００７５】
となる。上式(１２)は(Δξ,Δη)の一次式であるので下式(１３)のように、(Δξ,Δη)について容易に解くことが可能となる。
【００７６】
【数５】
【００７７】
さらに例えば、フェーズドアレーアンテナの視野角が、せいぜい±１０度程度となる場合には、
【００７８】
【数６】
【００７９】
なる近似を用いると、(Δξ,Δη)は下式(１５)のようになる。
【００８０】
【数７】
【００８１】
以上のように、電波到来方向演算装置１３又は測定アンテナ方向演算装置２１において、上式(１０)の代わりに、上式(１３)又は上式(１５)のいずれかを解くことで、容易に実際の電波の到来方向または受信アンテナの方向を求めることが可能となる。
【００８２】
実施の形態９．
図１４はこの発明の実施の形態９によるアンテナ装置の構成を示した図である。図１４のアンテナ装置１００は、各素子アンテナ１−m,nにはそれぞれ切換器２５−m,nに接続され、切換器２５−m,nには切換器制御装置２６が接続され、切換器制御装置２６には素子電界位相演算装置９が接続されている。
【００８３】
次に、動作について図を用いて説明する。上記各実施の形態では、素子電界位相演算装置９として素子電界ベクトル回転法により電界位相を求めた。実施の形態９では、アレーアンテナの各素子アンテナ１−m,nのうち一つを動作状態にし、その他の素子アンテナには整合負荷を接続させることで、動作状態の素子アンテナの受信電界の位相を一素子ずつ求める方法を用いる。
【００８４】
図１５は切換器２５−m,nの構成を示しており、図１５に示すように、切換器２５−m,nは２つのスイッチ２７−１及び２７−２が設けられており、スイッチ２７−１は素子アンテナ１−m,nとダミー抵抗Ｒ１を切り換えるスイッチで、スイッチ２７−２は移相器２−m,nとダミー抵抗Ｒ２を切り換えるスイッチである。スイッチ２７−１を素子アンテナ１−m,n側に、スイッチ２７−２を移相器２−m,n側に接続することで素子アンテナ１−m,nが動作状態になり、一方、スイッチ２７−１及び２７−２両方をダミー抵抗Ｒ１，Ｒ２側に接続することで、素子アンテナ１−m,nを非動作状態にすることができる。
【００８５】
切換器制御装置２６では、素子電界位相演算装置９により指定された動作状態にする素子アンテナ１−m,nと非動作状態にする素子アンテナ１−m,nに応じて、各切換器２５−m,nの各スイッチ２７−１，２７−２を切り換える。上記のような切換器２５−m,n及び切換器制御装置２６を用いて、アレーアンテナを構成する素子アンテナ１−m,nのうち一素子を動作状態にし、その他の素子アンテナ１−m,nを非動作状態にした状態で、素子電界位相演算装置９では、アンテナの受信信号から当該素子アンテナ１−m,nの位相を求める。この操作を全素子アンテナ１−m,nに対して行うことで、アレーアンテナの各素子アンテナ１−m,nの電界位相を求めることが可能となる。
【００８６】
このように、実施の形態９では、素子電界位相演算装置９において各素子アンテナを一素子ずつ動作状態にしての当該素子アンテナの電界位相を求めた場合においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態２ないし８に対しても、同様の切換器や切換器制御装置を設けることにより、同様の効果を得ることができる。
【００８７】
実施の形態１０．
上記各実施の形態では、最適位相平面演算装置１１は最小二乗法を用いて差分位相演算装置１０によって求めた位相量の分布からアンテナ素子座標の１次式で表されるような最適な平面の位相分布を求めたが、素子電界位相演算装置９で求められる位相量が有する３６０度の位相不確定性を考慮した方法として、最適位相平面演算装置１１で下式(１６)を最小とするようなａ，ｂ，ｃを例えば共役勾配法などにより求めた場合にも同様の効果を得ることができる。
【００８８】
【数８】
【００８９】
また、位相量の分布からアンテナ素子座標の１次式で表されるような最適な平面の位相分布の求め方として、最急降下法を用いてもよい。
【００９０】
またこの発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。
【符号の説明】
【００９１】
１−m,n 素子アンテナ、２−m,n 移相器、３ 移相器制御装置、４ 電力分配合成回路、４ａ−m,n 第２の電力分配合成回路、５，５−1〜５-Nb ビーム形成回路、６ (第１の)検波回路、６ａ 第２の検波回路、７ 角度記憶装置、８ 初期位相演算装置、９ 素子電界位相演算装置、１０ 差分位相演算装置、１１ 最適位相平面演算装置、１２ 法線ベクトル演算装置、１３ 電波到来方向演算装置、１４ 航空機、１５，１５−1〜１５−Ns 測定対象アンテナ、１６ 第１の送信機、１６ａ 第２の送信機、１７−1〜１７−Ns 受信アンテナ、１７ａ 第２の受信アンテナ、１８−1〜１８−Ns 送信アンテナ、１９，１９，１９−n サブアンテナ装置、２０ 素子電界位相記憶装置、２１ 測定アンテナ方向演算装置、２２ 電波到来方向記憶装置、２３ ヌル形成位相演算装置、２４ 測定アンテナ方向記憶装置、２５−m,n 切換器、２６ 切換器制御装置、２７−1，２７−2 スイッチ、１００ アンテナ装置、１０１ アンテナ装置本体、Ｒ１，Ｒ２ ダミー抵抗。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子アンテナから成るアレーアンテナと、前記各素子アンテナ毎に設けられそれぞれの位相量を変える移相器、前記各移相器の設定位相を制御する移相器制御装置および前記各移相器への入出力信号の分配合成を行う電力分配合成回路を含むビーム形成回路とにより構成されるフェーズドアレーアンテナを備えたアンテナ装置であって、
前記電力分配合成回路に接続され各素子アンテナの受信信号の検波を行う検波回路と、
前記フェーズドアレーアンテナの複数の素子アンテナで形成した主ビームを放射する少なくとも１つの測定対象アンテナの位置情報に基づく方向を記憶する角度記憶装置と、
前記角度記憶装置で記憶された方向に主ビームを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を計算する初期位相演算装置と、
前記検波回路の検波に基づき、前記少なくとも１つの測定対象アンテナからの電波によるフェーズドアレーアンテナの受信信号から各素子アンテナの受信電界の位相量の逆符号の位相量を求める素子電界位相演算装置と、
前記各素子アンテナの前記初期位相演算装置の位相量と前記素子電界位相演算装置の位相量の差分をとる差分位相演算装置と、
前記差分位相演算装置の差分位相量の分布からアンテナ素子座標の１次式で表されるような平面の位相分布を求める最適位相平面演算装置と、
前記平面の位相分布の法線ベクトルを求める法線ベクトル演算装置と、
前記法線ベクトルと前記角度記憶装置で記憶した方向を用いて実際の電波の到来方向を求める電波到来方向演算装置と、
を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
複数の素子アンテナから成るアレーアンテナと、前記各素子アンテナ毎に設けられそれぞれの位相量を変える移相器、前記各移相器の設定位相を制御する移相器制御装置および前記各移相器への入出力信号の分配合成を行う電力分配合成回路を含むビーム形成回路とにより構成されるフェーズドアレーアンテナを含むアンテナ装置本体と前記アンテナ装置本体と別体に設けられた少なくとも１つのサブアンテナ装置からなるアンテナ装置であって、
前記アンテナ装置本体が、送信機、角度記憶装置、初期位相演算装置、受信アンテナ、検波回路、素子電界位相記憶装置、差分位相演算装置、最適位相平面演算装置、法線ベクトル演算装置、測定アンテナ方向演算装置を備え、
前記各サブアンテナ装置が、送受信手段、素子電界位相演算装置を備え、
前記アンテナ装置本体の
前記角度記憶装置がフェーズドアレーアンテナの複数の素子アンテナで形成した主ビームを放射する少なくとも１つの前記サブアンテナ装置の位置情報に基づく方向を記憶し、
前記初期位相演算装置が前記角度記憶装置で記憶された方向に主ビームを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を計算し、
前記移相器制御装置が計算された位相量に従って前記各移相器の設定位相を制御し、
前記第１の送信機が前記電力分配合成回路に接続されて前記複数の素子アンテナで形成される主ビームを前記少なくとも１つの測定対象アンテナに放射し、
前記サブアンテナ装置の
前記送受信手段が第１の受信アンテナと送信アンテナを有し、前記主ビームを受信すると共に演算結果としての逆符号の位相量を示す信号を送信し、
前記素子電界位相演算装置が受信結果から前記フェーズドアレーアンテナの各素子アンテナからの放射電界の位相量の前記逆符号の位相量を演算して求め、
前記アンテナ装置本体の
前記受信アンテナが前記サブアンテナ装置より送信された前記逆符号の位相量を示す信号を受信し、
前記検波回路が前記受信アンテナでの受信信号を検波し、
前記素子電界位相記憶装置が検波結果に基づき前記各素子アンテナの逆符号の位相量を記憶し、
前記差分位相演算装置が前記各素子アンテナの前記初期位相演算装置の位相量と前記素子電界位相記憶装置の位相量の差分を求め、
前記最適位相平面演算装置が前記差分位相演算装置の差分位相量の分布からアンテナ素子座標の１次式で表されるような平面の位相分布を求め
前記法線ベクトル演算装置が前記平面の位相分布の法線ベクトルを求め、
前記測定アンテナ方向演算装置が前記法線ベクトルと前記角度記憶装置で記憶した方向を用いて、前記アレーアンテナからみた前記サブアンテナ装置の第１の受信アンテナの方向を求める、
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
複数の前記測定対象アンテナの方向から複数の電波が到来する場合に、前記電波到来方向演算装置が前記複数の電波に対して各電波の到来方向をそれぞれ求め、
求めた複数の電波の到来方向を記憶する電波到来方向記憶装置と、
前記電波到来方向記憶装置に記憶された方向のうち所望の１つの方向に前記フェーズドアレーアンテナの主ビームを形成し、かつ前記所望の１つの方向以外のうち少なくとも１方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
複数のサブアンテナ装置を備え、前記測定アンテナ方向演算装置が複数の前記サブアンテナ装置に搭載された各第１の受信アンテナに対して、アレーアンテナからみた各第１の受信アンテナの方向をそれぞれ求め、
求めたアレーアンテナからみた複数の第１の受信アンテナの方向を記憶する測定アンテナ方向記憶装置と、
前記測定アンテナ方向記憶装置に記憶された方向のうち所望の１つの方向に前記フェーズドアレーアンテナの主ビームを形成し、かつ前記所望の１つの方向以外のうち少なくとも１方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記フェーズドアレーアンテナが、マルチビームを形成するための複数のビーム形成回路、及び前記複数のビーム形成回路の各素子アンテナ端子を各素子アンテナごとに分配合成する複数の電力分配合成回路とを備えたマルチビームアンテナからなり、
複数の前記測定対象アンテナの方向から複数の電波が到来する場合に、前記電波到来方向演算装置が前記複数の電波に対して少なくとも一つの前記ビーム形成回路を用いて到来方向を求め、
求めた複数の電波の到来方向を記憶する電波到来方向記憶装置と、
前記電波到来方向記憶装置に記憶された電波の到来方向のうち所望の１つの方向に前記マルチビームアンテナの各ビームの主ビームを形成し、かつ前記所望の１つの方向以外の方向に各ビームのヌルを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記フェーズドアレーアンテナが、マルチビームを形成するための複数のビーム形成回路、及び前記複数のビーム形成回路の各素子アンテナ端子を各素子アンテナごとに分配合成する複数の電力分配合成回路とを備えたマルチビームアンテナからなり、
複数のサブアンテナ装置を有する場合に、前記測定アンテナ方向演算装置が前記複数のサブアンテナ装置に搭載された各第１の受信アンテナに対してアレーアンテナからみた各第１の受信アンテナの方向をそれぞれ求め、
求めたアレーアンテナからみた複数の第１の受信アンテナの方向を記憶する測定アンテナ方向記憶装置と、
前記測定アンテナ方向記憶装置に記憶されたアレーアンテナからみた複数の第１の受信アンテナの方向のうち所望の１つの方向に前記マルチビームアンテナの各ビームの主ビームを形成し、かつ前記所望の１つの方向以外の方向に各ビームのヌルを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記ヌル形成位相演算装置が、フェーズドアレーアンテナの主ビームおよびヌルを所望の方向に形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求める際に、主ビーム方向とヌルを向ける方向に対応した各素子アンテナ設定する位相量を記憶したデータベースを利用する方法、平面波合成法を用いる方法、最適化演算を行う方法のいずれか１つを用いて各素子アンテナに設定する位相量を計算することを特徴とする請求項３から６までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記最適位相平面演算装置が、最小二乗法、最急降下法、共役勾配法のいずれか１つを用いて平面の位相分布を求めることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記素子電界位相演算装置が、素子電界ベクトル回転法を用いてフェーズドアレーアンテナの各素子アンテナの電界位相を求めることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記複数の素子アンテナと前記移相器の間にそれぞれに設けられ前記素子アンテナを前記移相器と整合負荷との間で切り換えて接続する切換器と、
前記複数の切換器を、１つの素子アンテナを移相器側に接続して動作状態にし、その他の素子アンテナを整合負荷側に接続して非動作状態に制御する切換器制御装置と、
をさらに備え、
前記素子電界位相演算装置が前記切換器制御装置を制御して前記複数の素子アンテナを１つずつ動作状態にして各素子アンテナの電界位相の逆符号の位相量を求めることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
前記測定対象アンテナまたはサブアンテナ装置が既知の位置に固定された固定局である場合に、前記電波到来方向演算装置または測定アンテナ方向演算装置が、前記法線ベクトル演算装置で求めた法線ベクトルを用いて求めた電波到来方向またはサブアンテナ装置の第１の受信アンテナの方向と前記角度記憶装置で記憶した方向の差、または複数の求めた電波到来方向またはサブアンテナ装置の第１の受信アンテナの方向と前記角度記憶装置で記憶した方向の差の平均値から、アンテナ装置の姿勢誤差またはフェーズドアレーアンテナの開口面の傾斜誤差を求めることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１２】
前記電波到来方向演算装置または前記測定アンテナ方向演算装置において電波の到来方向または第１の受信アンテナの方向を求める際に、前記法線ベクトル演算装置で求めた法線ベクトルと前記角度記憶装置で記憶した方向の差が充分小さくかつフェーズドアレーアンテナの視野角が充分小さいことを条件とする近似式により求めることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１】
複数の素子アンテナから成るアレーアンテナと、前記各素子アンテナ毎に設けられそれぞれの位相量を変える移相器、前記各移相器の設定位相を制御する移相器制御装置および前記各移相器への入出力信号の分配合成を行う電力分配合成回路を含むビーム形成回路とにより構成されるフェーズドアレーアンテナを備えたアンテナ装置であって、
前記電力分配合成回路に接続され各素子アンテナの受信信号の検波を行う検波回路と、
前記フェーズドアレーアンテナの複数の素子アンテナで形成した主ビームを放射する少なくとも１つの測定対象アンテナの位置情報に基づく方向を記憶する角度記憶装置と、
前記角度記憶装置で記憶された方向に主ビームを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を計算する初期位相演算装置と、
前記検波回路の検波に基づき、前記少なくとも１つの測定対象アンテナからの電波によるフェーズドアレーアンテナの受信信号から各素子アンテナの受信電界の位相量の逆符号の位相量を求める素子電界位相演算装置と、
前記各素子アンテナの前記初期位相演算装置の位相量と前記素子電界位相演算装置の位相量の差分をとる差分位相演算装置と、
前記差分位相演算装置の差分位相量の分布からアンテナ素子座標の１次式で表されるような平面の位相分布を求める最適位相平面演算装置と、
前記平面の位相分布の法線ベクトルを求める法線ベクトル演算装置と、
前記法線ベクトルと前記角度記憶装置で記憶した方向を用いて実際の電波の到来方向を求める電波到来方向演算装置と、
を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
複数の素子アンテナから成るアレーアンテナと、前記各素子アンテナ毎に設けられそれぞれの位相量を変える移相器、前記各移相器の設定位相を制御する移相器制御装置および前記各移相器への入出力信号の分配合成を行う電力分配合成回路を含むビーム形成回路とにより構成されるフェーズドアレーアンテナを含むアンテナ装置本体と前記アンテナ装置本体と別体に設けられた少なくとも１つのサブアンテナ装置からなるアンテナ装置であって、
前記アンテナ装置本体が、送信機、角度記憶装置、初期位相演算装置、受信アンテナ、検波回路、素子電界位相記憶装置、差分位相演算装置、最適位相平面演算装置、法線ベクトル演算装置、測定アンテナ方向演算装置を備え、
前記各サブアンテナ装置が、送受信手段、素子電界位相演算装置を備え、
前記アンテナ装置本体の
前記角度記憶装置がフェーズドアレーアンテナの複数の素子アンテナで形成した主ビームを放射する少なくとも１つの前記サブアンテナ装置の位置情報に基づく方向を記憶し、
前記初期位相演算装置が前記角度記憶装置で記憶された方向に主ビームを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を計算し、
前記移相器制御装置が計算された位相量に従って前記各移相器の設定位相を制御し、
前記第１の送信機が前記電力分配合成回路に接続されて前記複数の素子アンテナで形成される主ビームを前記少なくとも１つの測定対象アンテナに放射し、
前記サブアンテナ装置の
前記送受信手段が第１の受信アンテナと送信アンテナを有し、前記主ビームを受信すると共に演算結果としての逆符号の位相量を示す信号を送信し、
前記素子電界位相演算装置が受信結果から前記フェーズドアレーアンテナの各素子アンテナからの放射電界の位相量の前記逆符号の位相量を演算して求め、
前記アンテナ装置本体の
前記受信アンテナが前記サブアンテナ装置より送信された前記逆符号の位相量を示す信号を受信し、
前記検波回路が前記受信アンテナでの受信信号を検波し、
前記素子電界位相記憶装置が検波結果に基づき前記各素子アンテナの逆符号の位相量を記憶し、
前記差分位相演算装置が前記各素子アンテナの前記初期位相演算装置の位相量と前記素子電界位相記憶装置の位相量の差分を求め、
前記最適位相平面演算装置が前記差分位相演算装置の差分位相量の分布からアンテナ素子座標の１次式で表されるような平面の位相分布を求め
前記法線ベクトル演算装置が前記平面の位相分布の法線ベクトルを求め、
前記測定アンテナ方向演算装置が前記法線ベクトルと前記角度記憶装置で記憶した方向を用いて、前記アレーアンテナからみた前記サブアンテナ装置の第１の受信アンテナの方向を求める、
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
複数の前記測定対象アンテナの方向から複数の電波が到来する場合に、前記電波到来方向演算装置が前記複数の電波に対して各電波の到来方向をそれぞれ求め、
求めた複数の電波の到来方向を記憶する電波到来方向記憶装置と、
前記電波到来方向記憶装置に記憶された方向のうち所望の１つの方向に前記フェーズドアレーアンテナの主ビームを形成し、かつ前記所望の１つの方向以外のうち少なくとも１方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
複数のサブアンテナ装置を備え、前記測定アンテナ方向演算装置が複数の前記サブアンテナ装置に搭載された各第１の受信アンテナに対して、アレーアンテナからみた各第１の受信アンテナの方向をそれぞれ求め、
求めたアレーアンテナからみた複数の第１の受信アンテナの方向を記憶する測定アンテナ方向記憶装置と、
前記測定アンテナ方向記憶装置に記憶された方向のうち所望の１つの方向に前記フェーズドアレーアンテナの主ビームを形成し、かつ前記所望の１つの方向以外のうち少なくとも１方向にフェーズドアレーアンテナのヌルを形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記フェーズドアレーアンテナが、マルチビームを形成するための複数のビーム形成回路、及び前記複数のビーム形成回路の各素子アンテナ端子を各素子アンテナごとに分配合成する複数の電力分配合成回路とを備えたマルチビームアンテナからなり、
複数の前記測定対象アンテナの方向から複数の電波が到来する場合に、前記電波到来方向演算装置が前記複数の電波に対して少なくとも一つの前記ビーム形成回路を用いて到来方向を求め、
求めた複数の電波の到来方向を記憶する電波到来方向記憶装置と、
前記電波到来方向記憶装置に記憶された電波の到来方向のうち所望の１つの方向に前記マルチビームアンテナの各ビームの主ビームを形成し、かつ前記所望の１つの方向以外の方向に各ビームのヌルを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記フェーズドアレーアンテナが、マルチビームを形成するための複数のビーム形成回路、及び前記複数のビーム形成回路の各素子アンテナ端子を各素子アンテナごとに分配合成する複数の電力分配合成回路とを備えたマルチビームアンテナからなり、
複数のサブアンテナ装置を有する場合に、前記測定アンテナ方向演算装置が前記複数のサブアンテナ装置に搭載された各第１の受信アンテナに対してアレーアンテナからみた各第１の受信アンテナの方向をそれぞれ求め、
求めたアレーアンテナからみた複数の第１の受信アンテナの方向を記憶する測定アンテナ方向記憶装置と、
前記測定アンテナ方向記憶装置に記憶されたアレーアンテナからみた複数の第１の受信アンテナの方向のうち所望の１つの方向に前記マルチビームアンテナの各ビームの主ビームを形成し、かつ前記所望の１つの方向以外の方向に各ビームのヌルを形成するために各素子アンテナに設定する位相量を求めるヌル形成位相演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記ヌル形成位相演算装置が、フェーズドアレーアンテナの主ビームおよびヌルを所望の方向に形成するために、各素子アンテナに設定する位相量を求める際に、主ビーム方向とヌルを向ける方向に対応した各素子アンテナ設定する位相量を記憶したデータベースを利用する方法、平面波合成法を用いる方法、最適化演算を行う方法のいずれか１つを用いて各素子アンテナに設定する位相量を計算することを特徴とする請求項３から６までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記最適位相平面演算装置が、最小二乗法、最急降下法、共役勾配法のいずれか１つを用いて平面の位相分布を求めることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記素子電界位相演算装置が、素子電界ベクトル回転法を用いてフェーズドアレーアンテナの各素子アンテナの電界位相を求めることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記複数の素子アンテナと前記移相器の間にそれぞれに設けられ前記素子アンテナを前記移相器と整合負荷との間で切り換えて接続する切換器と、
前記複数の切換器を、１つの素子アンテナを移相器側に接続して動作状態にし、その他の素子アンテナを整合負荷側に接続して非動作状態に制御する切換器制御装置と、
をさらに備え、
前記素子電界位相演算装置が前記切換器制御装置を制御して前記複数の素子アンテナを１つずつ動作状態にして各素子アンテナの電界位相の逆符号の位相量を求めることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
前記測定対象アンテナまたはサブアンテナ装置が既知の位置に固定された固定局である場合に、前記電波到来方向演算装置または測定アンテナ方向演算装置が、前記法線ベクトル演算装置で求めた法線ベクトルを用いて求めた電波到来方向またはサブアンテナ装置の第１の受信アンテナの方向と前記角度記憶装置で記憶した方向の差、または複数の求めた電波到来方向またはサブアンテナ装置の第１の受信アンテナの方向と前記角度記憶装置で記憶した方向の差の平均値から、アンテナ装置の姿勢誤差またはフェーズドアレーアンテナの開口面の傾斜誤差を求めることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１２】
前記電波到来方向演算装置または前記測定アンテナ方向演算装置において電波の到来方向または第１の受信アンテナの方向を求める際に、前記法線ベクトル演算装置で求めた法線ベクトルと前記角度記憶装置で記憶した方向の差が充分小さくかつフェーズドアレーアンテナの視野角が充分小さいことを条件とする近似式により求めることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１９０６７（Ｐ２０１１−１９０６７Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６２０５４（Ｐ２００９−１６２０５４）
【出願日】平成２１年７月８日（２００９．７．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月８日（２００９．７．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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