説明

周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステム

【課題】本発明は、送受信スイッチ内の移相器に入力される信号の周波数を変化させて生成することにより、移相器の位相を変化させることがなくても単純な制御によってビームステアリング角を作ることができる位相配列アンテナを用いたビームステアリングシステムを提供する。
【解決手段】本発明に係るビームステアリングシステムは、入力される信号の位相を調整するための移相器を含む複数の送受信スイッチ;前記送受信スイッチから出力される信号を自由空間に輻射する複数のアレイアンテナ;および前記送受信スイッチに入力される信号を生成し、外部から入力される制御信号に応じて前記信号の周波数を変化させて生成する広帯域送信機を含むことを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーダーなどに用いられるビームステアリングシステムに関し、より詳しくは、周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
一般的にレーダーシステムは、大きい指向性を有するアンテナを介して任意の物体に電磁波を送信し、物体から反射波を受信して物体までの距離と方向を測定することができる装置であって、船舶または航空機の探索と誘導を通じて安全確保などの色々な分野に利用されている。
【0003】
特に、アンテナ分野において高い指向性と低いサイドローブレベル、迅速なビーム走査、低電力特性を有するアンテナを必要とする場合に位相配列アンテナを利用する。位相配列アンテナは、機械的な回転によってアンテナのビームを走査する代わりに、配列要素に供給される電力の位相を電子的に制御してビームを走査する。そこで、ビームの形状と方向を瞬間的に変化させられる長所を有するため、位相配列アンテナに対する関心が高まっている。
【0004】
図1は、従来の位相配列アンテナの概略的な構成図である。図1に示すように、従来の位相配列アンテナは、M個のアンテナ1と、アンテナ1の各々に入力される信号の位相を調整する移相器2とを含んでなる。位相配列アンテナの動作を説明すれば次の通りである。
【0005】
移相器2は、制御器(図示せず)の制御によって各アンテナ1に伝達される信号の位相を適切に調整してアンテナ1に出力する。この時、各アンテナ1によって輻射される電磁波はアンテナによって位相が異なるため、空間において移相器2に設定された位相に応じてビームの指向方向が定められる。言い換えれば、各移相器2が制御器(図示せず)の制御によって配列アンテナ1の各々に入力される信号の位相を適切に調整すれば、配列アンテナ1の各々によって輻射される電磁波信号は位相において時間差が発生し、ホイヘンスの原理(Huygen’s Principle)によってアンテナビームは特定の角度(θ)に指向する。
【0006】
前記したように、従来の位相配列アンテナは、ビームをステアリングするためにアンテナごとに所望のビームステアリング角を作るための位相を各々制御しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
従来の位相配列アンテナは、1つのビームステアリング角を作るためにアンテナごとに各々位相を制御しなければならないので制御が複雑あり、同時に複数のビームステアリング角を生成できない問題点がある。
【0008】
本発明が達成しようとする技術的課題は、単純な制御によってビームステアリング角を作ることができ、同時に複数のビームステアリング角を生成することができる、位相配列アンテナを用いたビームステアリングシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態による周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムは、入力される信号の位相を調整するための移相器を含む複数の送受信スイッチ;前記送受信スイッチから出力される信号を自由空間に輻射する複数のアレイアンテナ;および前記送受信スイッチに入力される信号を生成し、外部から入力される制御信号に応じて前記信号の周波数を変化させて生成する広帯域送信機を含むことを特徴とする。
【0010】
ここで、前記ビームステアリングシステムは、前記アレイアンテナに流入される信号を受信し、前記制御信号に応じて特定周波数帯域から受信する広帯域受信機をさらに含むことができる。
また、前記広帯域送信機から生成される信号の周波数帯域と前記広帯域受信機の周波数帯域を同期化することができる。
また、前記ビームステアリングシステムは、前記制御信号を生成する制御部をさらに含むことができる。
【0011】
前記技術的課題を解決するために、本発明の他の実施形態による周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムは、入力される信号の位相を調整するための移相器を含む複数の送受信スイッチ;前記送受信スイッチから出力される信号を自由空間に輻射する複数のアレイアンテナ;および前記送受信スイッチに入力される信号を生成し、複数の周波数帯域の信号を生成する広帯域送信機を含むことを特徴とする。
【0012】
ここで、前記ビームステアリングシステムは、前記アレイアンテナに流入される信号を受信し、複数の周波数帯域から受信する広帯域受信機をさらに含むことができる。
【0013】
また、前記広帯域送信機は、外部から入力される制御信号に応じて前記複数の周波数帯域を変化させて前記信号を生成することができる。
また、前記広帯域受信機は、外部から入力される制御信号に応じて特定周波数帯域から受信することができる。
また、前記広帯域送信機から生成される信号の周波数帯域と前記広帯域受信機の周波数帯域を同期化することができる。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、移相器に入力される信号の周波数を変化させて生成することにより、作ろうとする複数のビームステアリング角に合うように移相器の位相情報をステアリング角ごとに変化させることがなくても、単純な制御によって複数のビームステアリング角を作ることができる。
【0015】
また、本発明によれば、移相器に入力される信号によって複数の周波数帯域の信号を同時に生成することにより、同時に複数のビームステアリング角を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】従来の位相配列アンテナの概略的な構成図である。
【図2】本発明によるビームステアリング角の制御原理を示す概念図である。
【図3】本発明の一実施形態による、位相配列アンテナを用いたビームステアリングシステムの構成図である。
【図4】本発明の一実施形態により、広帯域送信機50が生成する信号の周波数帯域の例とそれに伴うアンテナの放射パターンを示す。
【図5】本発明の他の実施形態により、広帯域送信機50が生成する信号の周波数帯域の例とそれに伴うアンテナの放射パターンを示す。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下では図面を参照して本発明の好ましい実施形態についてより詳細に説明する。以下の説明および添付図面において、実質的に同一の構成要素は各々同一の符号を付することによって重複する説明は省略する。また、本発明を説明する際、関連した公知機能あるいは構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に濁す恐れがあると判断される場合にはそれに対する詳細な説明は省略する。
【0018】
本発明によれば、移相器に入力される信号の周波数を利用してビームステアリング角を制御する。図2は、本発明によるビームステアリング角の制御原理を示す概念図である。
図2を参照すれば、N個のアンテナと、アンテナの各々に入力される信号の位相を調整して出力するN個の移相器が示されている。N個の移相器は、従来のようにN個のアンテナがビームステアリング角θを形成するように各々の位相が設定される。ビームステアリング角をθとして形成するための各アンテナの間の位相差Φは次のように求めることができる。
【0019】
配列因子(array factor、AF)は次の数学式の通りである。
【数学式1】
【0020】

アンテナの間の位相差Φは次の数学式によって求めることができる。
【数学式2】
【0021】

ここで、θ=90°−θ、dはアンテナの間の距離、kは周波数fにおける波数(wave number)である。
この時、

から次の数学式が導き出される。
【数学式3】
【0022】

ここで、

であるため、周波数fに応じて変化する。したがって、ビームステアリング角θも周波数fに応じて変化する値であることが分かる。したがって、アンテナの間の位相差をΦに固定し、周波数fを調整してkを変化させることにより、ビームステアリング角を調整することができる。例えば、1つの位相差Φに対し、2つの周波数fとfによって次のような相異なるビームステアリング角θ01およびθ02を生成することができる。
【数学式4】
【0023】

ここで、本発明に係るビームステアリングシステムは、移相器に入力される信号の周波数を調整することによって所望のビームステアリング角を作る。
【0024】
図3は、本発明の一実施形態による、周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムの構成図である。本実施形態によるビームステアリングシステムは2次元位相配列アンテナを利用したものであって、上述した本発明の原理と以下の説明を通じ、本発明が、1次元位相配列アンテナおよび3次元位相配列アンテナにも適用可能であることを当業者であれば容易に理解することができる。
【0025】
本実施形態に係るビームステアリングシステムは、図示したように、縦方向に配列されたアレイアンテナ10、アレイアンテナ10の各々に連結された送受信スイッチ20、電力分配/結合器30、循環器40、広帯域送信機50、広帯域受信機60、および制御部70を含んでなる。
【0026】
アレイアンテナ10は、送受信スイッチ20から出力される信号を自由空間に輻射したり、自由空間から流入される信号を送受信スイッチ20に伝達する。
【0027】
送受信スイッチ20は、各々図示したように、循環器、電力増幅器、低雑音増幅器、移相器を含み、送信時には、電力分配/結合器30から入力される信号を移相器によって位相を調整し、電力増幅器によって電力増幅させた後、アレイアンテナ10に伝達し、受信時には、アレイアンテナ10から入力される信号を低雑音増幅器によって低雑音増幅した後、移相器によって位相を調整し、電力分配/結合器30に出力する。送受信スイッチ20内にある各々の移相器の位相は、アレイアンテナ10が特定ビームステアリング角を形成できるように、後述する制御部70の制御によって位相が設定される。
【0028】
電力分配/結合器30は、送受信スイッチ20から出力される信号の電力を結合して後述する循環器40に伝達するか、循環器40から入力される信号を同一の電力に分配して送受信スイッチ20の各々に伝達する。
【0029】
循環器40は、後述する広帯域送信機50からの送信信号を電力分配/結合器30に伝達し、電力分配/結合器30からの受信信号を後述する広帯域受信機60に伝達する。循環器40の役割は、アレイアンテナ10、送受信スイッチ20、および電力分配/結合器30を通じて送信および受信が共に行われるようにしたものであり、スイッチなどが循環器40の役割を代わりにすることもできる。
【0030】
送信過程を見てみれば、広帯域送信機50から生成された送信電力が電力分配/結合器30に伝達されれば、電力分配/結合器30はいくつかの信号で電力を配分して送受信スイッチ20の各々に伝達し、送受信スイッチ20はこれを電力増幅および位相調整してアレイアンテナ10に伝達する。
【0031】
受信過程を見てみれば、アレイアンテナ10に流入された信号が送受信スイッチ20において低雑音増幅および位相調整され、電力分配/結合器30、循環器40を経て広帯域受信機60に伝達される。
【0032】
制御部70はユーザ命令または予め設定されたプログラムに従って制御信号を生成し、送受信スイッチ20各々の移相器の位相を設定したり、広帯域送信機50から生成される信号の周波数を設定したり、広帯域受信機60によって受信する信号の周波数帯域を設定したりする。
【0033】
広帯域送信機50は送受信スイッチ20に入力される送信信号を生成する。本発明の一実施形態において、この時、広帯域送信機50は、制御部70から入力される制御信号に応じて送信信号の周波数を変化させて出力する。
【0034】
送受信スイッチ20各々の移相器の位相が任意のビームステアリング角を形成できるように位相が設定されている場合、広帯域送信機50が送信信号の周波数を変化させて出力することによってビームステアリング角が変化する。例えば、広帯域送信機50が出力する信号が図4aに示すようにfを中心周波数とする一定帯域の信号である時、アンテナの放射パターンが図4bの実線で示すもののようであれば、広帯域送信機50が出力する信号が図4aに示すようにfを中心周波数とする一定帯域の信号である時、アンテナの放射パターンは図4bの点線で示すように変化することができる。周波数とビームステアリング角間の対応関係は、前記した数学式3を利用するか、実験的に予め計算して制御部70に格納するか、ビームステアリングシステムの運用者に提供されることができる。
【0035】
広帯域受信機60は、アレイアンテナ10に流入されて送受信スイッチ20を経て入ってくる信号を受信する。本発明の一実施形態において、この時、広帯域受信機60は、制御部70から入力される制御信号に応じて特定周波数帯域から信号を受信する。
【0036】
送受信スイッチ20各々の移相器の位相が任意のビームステアリング角を形成できるように位相が設定されている場合、広帯域受信機60の受信周波数帯域に応じてビームステアリング角が変化する。広帯域送信機50に関して上記で例を挙げたのと同じように、受信周波数帯域を図4aに示すように中心周波数をfからfに変化させることにより、受信時、アンテナの放射パターンを図4bに示すように変化させることができる。
【0037】
また、広帯域送信機50と広帯域受信機60の周波数帯域は同期化することができる。すなわち、制御部70が同一の制御信号を広帯域送信機50と広帯域受信機60に入力し、広帯域受信機60は広帯域送信機50が出力する信号の周波数帯域と同一の周波数帯域から信号を受信することができる。
【0038】
広帯域送信機50が送受信スイッチ20に入力される送信信号を生成する時、本発明の他の実施形態において、広帯域送信機50は複数の周波数帯域の信号を出力する。
【0039】
送受信スイッチ20各々の移相器の位相が任意のビームステアリング角を形成できるように位相が設定されている場合、広帯域送信機50が複数の周波数帯域の信号を出力することにより、複数のビームステアリング角を形成することができる。例えば、広帯域送信機50が出力する信号が図5aに示すようにf、f、f、f、fを各々中心周波数とする5個の周波数帯域の信号である時、アンテナの放射パターンは図5bに示すようにいくつかの放射パターンが形成される。広帯域送信機50が出力する信号の周波数帯域は制御部70の制御によって変化することができ、そうすると、放射パターンも変化する。
【0040】
広帯域受信機60がアレイアンテナ10に流入されて送受信スイッチ20を経て入ってくる信号を受信する時、本発明の他の実施形態において、広帯域受信機60は複数の周波数帯域から信号を受信する。
【0041】
広帯域送信機50に関して上記で例を挙げたのと同じように、受信周波数帯域を図5aに示すようにf、f、f、f、fを各々中心周波数とする周波数帯域にすることにより、受信時、アンテナの放射パターンを図5bに示すように、いくつかの放射パターンで形成することができる。広帯域受信機60の受信周波数帯域は制御部70の制御によって変化することができ、そうすると、受信時にアンテナの放射パターンも変化する。
【0042】
本実施形態においても、広帯域送信機50と広帯域受信機60の周波数帯域は同期化することができる。すなわち、広帯域受信機60は、広帯域送信機50が出力する信号の周波数帯域と同一の周波数帯域から信号を受信することができる。
【0043】
以上、本発明についてその好ましい実施形態を中心に説明した。本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者であれば、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形した形態に実現できることを理解するはずである。したがって、開示された実施形態は限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮しなければならない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、これと同等な範囲内にある全ての差異点は本発明に含まれると解釈しなければならない。
【符号の説明】
【0044】
10 ・・・アレイアンテナ
20 ・・・送受信スイッチ
30 ・・・電力分配/結合器
40 ・・・循環器
50 ・・・広帯域送信機
60 ・・・広帯域受信機
70 ・・・制御部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムであって、
入力される信号の位相を調整するための移相器を含む複数の送受信スイッチ;
前記送受信スイッチから出力される信号を自由空間に輻射する複数のアレイアンテナ;および
前記送受信スイッチに入力される信号を生成し、外部から入力される制御信号に応じて前記信号の周波数を変化させて生成する広帯域送信機を含むことを特徴とするビームステアリングシステム。
【請求項2】
前記アレイアンテナに流入される信号を受信し、前記制御信号に応じて特定周波数帯域から受信する広帯域受信機をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のビームステアリングシステム。
【請求項3】
前記広帯域送信機から生成される信号の周波数帯域と前記広帯域受信機の周波数帯域が同期化されることを特徴とする、請求項2に記載のビームステアリングシステム。
【請求項4】
前記制御信号を生成する制御部をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のビームステアリングシステム。
【請求項5】
周波数を用いた位相配列アンテナのビームステアリングシステムであって、
入力される信号の位相を調整するための移相器を含む複数の送受信スイッチ;
前記送受信スイッチから出力される信号を自由空間に輻射する複数のアレイアンテナ;および
前記送受信スイッチに入力される信号を生成し、複数の周波数帯域の信号を生成する広帯域送信機を含むことを特徴とするビームステアリングシステム。
【請求項6】
前記アレイアンテナに流入される信号を受信し、複数の周波数帯域から受信する広帯域受信機をさらに含むことを特徴とする、請求項5に記載のビームステアリングシステム。
【請求項7】
前記広帯域送信機は、外部から入力される制御信号に応じて前記複数の周波数帯域を変化させて前記信号を生成することを特徴とする、請求項5に記載のビームステアリングシステム。
【請求項8】
前記広帯域受信機は、外部から入力される制御信号に応じて特定周波数帯域から受信することを特徴とする、請求項6に記載のビームステアリングシステム。
【請求項9】
前記広帯域送信機から生成される信号の周波数帯域と前記広帯域受信機の周波数帯域が同期化されることを特徴とする、請求項6に記載のビームステアリングシステム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4a】
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【図4b】
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【図5a】
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【図5b】
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