JP2000049524A

JP2000049524A - アレイアンテナ

Info

Publication number: JP2000049524A
Application number: JP10218103A
Authority: JP
Inventors: Kunio Matsumoto; 邦男松本; Tsugio Yamazaki; 次雄山崎
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-02-18
Also published as: US6144339A

Abstract

(57)【要約】【課題】送信時のビーム形成の自由度を向上させると
ともに、従来のアレイアンテナとほぼ同じ回路規模で、
受信時に同時に形成されるビーム数を増加させた、アレ
イアンテナを提供する。【解決手段】本発明のアレイアンテナは、垂直偏波用
素子アンテナ1-1 〜1-nと水平偏波用素子アンテナ2-1
〜2-n とを対とした直交偏波素子アンテナに、送受信モ
ジュール3-1 〜3-n が接続されている。本アレイアンテ
ナでは、ビーム制御処理器６により送受信ディジタルビ
ーム形成を行い、ローカル信号発生器９により送受信周
波数の制御を行う構成となっている。ビーム制御処理器
６は、送受信モジュール3-1 〜3-n に対して各送受信モ
ジュール内部のディジタルＩ／Ｏ部４及びデータバス５
を介して接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーダ装置などに
利用されるアレイアンテナに関し、特にアンテナの送受
信ディジタルビーム形成及び送受信ディジタル偏波制御
を行うアレイアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、従来のアレイアンテナを示す
ブロック図である。図１１は、図１０のアレイアンテナ
における送受信モジュールを示すブロック図である。

【０００３】従来のアレイアンテナは、図１０に示すよ
うに、アンテナ素子101-1 〜101-nを構成する垂直偏波
アンテナ102-1 〜102-n と水平偏波アンテナ103-1 〜10
3-nのそれぞれに、送受信機能を有する送受信モジュー
ル104-1 〜104-2nが接続され、各送受信モジュール104-
1 〜104-2nの送信系にマイクロ波電力分配器105 が接続
され、各送受信モジュール104-1 〜104-2nの受信系に、
同時に複数偏波のディジタルビーム形成を行うための複
素積和演算器108-1 〜108-m 及びウェイトメモリ107-1
〜107-m が接続される構成となっている。

【０００４】送受信モジュールは、図１１に示すよう
に、移相器112 と電力増幅器113 とからなる送信系と、
低雑音増幅器116 とミキサ117,120 とアナログディジタ
ル変換器121 とからなる受信系と、送受信切換用のサー
キュレータ114 とで構成されている。

【０００５】次に、図１０及び図１１に基づき、従来の
アレイアンテナの動作について説明する。

【０００６】送信時は、励振信号106 がマイクロ波電力
分配器105 により送受信モジュール104-1 〜104-2nに分
配供給される。続いて、励振信号106 は、各送受信モジ
ュール104-1 〜104-2n内の移相器112 にて位相調整され
た後、電力増幅器113 で増幅され、サーキュレータ114
を通して、垂直偏波アンテナ102-1 〜102-n 及び水平偏
波アンテナ103-1 〜103-n に給電され空間に放射され
る。

【０００７】このとき、移相器112 の移相量を調整する
ことにより、送信ビームの形状や偏波を制御することが
できる。例えば、ビーム走査を行う場合、ビーム走査角
をθとすると各移相器112 の基本移相量φＮは、垂直偏
波アンテナ102-1 〜102-n 及び水平偏波アンテナ103-1
〜103-n の各々に対し、一般に次式で与えられる。 φＮ＝（Ｎ−１）・360 ・ｄ／λ・sin θ … (1) 但し、Ｎはアンテナ素子番号（＝１〜ｎ）、ｄはアンテ
ナ素子間隔、λは自由空間波長を示す。通常、フェーズ
ドアレイアンテナでは、５ビット程度のディジタル移相
器が用いられている。この５ビット移相器の場合、移相
量を11.25 度刻みで設定することが可能である。移相器
112 の移相量は、所望の移相量に最も近い値に設定され
る。

【０００８】更に偏波制御を行う場合は、送受信モジュ
ール104-1 〜104-2nのそれぞれの基本移相量φＮに対
し、送信したい偏波に対応する移相量を加算する。一例
として、図１２に、代表的な偏波と、これらの偏波を送
信するための垂直偏波アンテナ用送受信モジュールの加
算移相量φＥＬと、水平偏波アンテナ用送受信モジュー
ルの加算移相量φＡＺとを示す。

【０００９】ここで、図１２に示す各設定偏波の発生方
法について説明する。

【００１０】垂直偏波は、水平偏波アンテナの送信をOF
F とする、すなわち、水平偏波アンテナ用送受信モジュ
ールの電力増幅器113 のON/OFF信号115 をOFF とし、垂
直偏波アンテナのみを励振することにより発生できる。
水平偏波は、逆に垂直偏波アンテナの送信をOFF にし
て、水平偏波アンテナのみを励振することにより発生で
きる。

【００１１】次に、+45 度直線偏波及び-45 度直線偏波
並びに右旋円偏波及び左旋円偏波の発生方法について、
図１３（Ａ）〜（Ｄ) を用いて説明する。

【００１２】図１３（Ａ）に示すように、垂直偏波アン
テナが放射する垂直偏波成分201 と水平偏波アンテナが
放射する水平偏波成分202 とを同位相で合成すると、合
成電界203 の時間変化による軌跡は+45 度偏波面204 と
なるので、+45 度直線偏波が得られる。図１３（Ｂ）に
示すように、垂直偏波成分205 と水平偏波成分206 とを
逆位相で合成することにより、-45 度直線偏波が得られ
る。図１３（Ｃ）に示すように、垂直偏波成分207 に対
し水平偏波成分208 の位相を90度遅らせて合成させる
と、その合成電界ベクトル209 の時間変化軌跡210 は右
回りの円となることにより、右旋円偏波が得られる。逆
に、図１３（Ｄ）に示すように、垂直偏波成分211 に対
し水平偏波成分212 の位相を90度進ませて合成させる
と、左旋円偏波が得られる。

【００１３】以上に述べたように図１０のアレイアンテ
ナでは、各送受信モジュール内の移相器の移相量を適切
に設定することにより、送信ビームのビーム走査や偏波
制御を行うができる。更に、ある特定の送受信モジュー
ルの電力増幅器をOFF 状態として、アレイを構成する特
定の素子アンテナの送信振幅を０にする（間引きを行
う）ことによって、移相量の変化だけでは形成が困難と
なるような低サイドローブビームやナルビーム等の成形
を行うことができる。

【００１４】一方、受信時については、図１０の垂直偏
波アンテナ102-1 〜102-n と水平偏波アンテナ103-1 〜
103-n とで受信された信号は、図１１に示した送受信モ
ジュール内のサーキュレータ114 、低雑音増幅器116 、
ミキサ117,120 を経て受信ビデオ信号に変換された後、
アナログディジタル変換器121 によりディジタル信号に
変換され、受信ディジタルI/Q データとして図１０の複
素積和演算器108-1 〜108-m に伝送される。各複素積和
演算器108-1 〜108-m は、図１０に示すようにウェイト
メモリ107-1 〜107-m に記録されているウェイトデータ
Ｗ1 〜Ｗ2nと送受信モジュール104-1 〜104-2nからの受
信ディジタルI/Q データとの複素積和演算を行い、ディ
ジタルビーム形成を行う。

【００１５】このとき、ウェイトデータＷ1 〜Ｗ2nは次
式により設定される。ＷＮ＝Ｗ０・ＷＮ′ … (2) ここで、Ｎ＝１〜2nであり、Ｗ０は受信ビームの形状や
方向を決定する基本ウェイトを示す。またＷＮ′は、偏
波制御を行うためのウェイトであり次式で表示される。垂直偏波アンテナ用ウェイトＷ′2n-1＝ｅｘｐ（ｊφＥＬ）（ｎ＝1,2,… , ｎ）…(3) 水平偏波アンテナ用ウェイトＷ′2n＝ｅｘｐ（ｊφＡＺ) （ｎ＝1,2,…, ｎ）…(4)

【００１６】ここで、φＥＬ及びφＡＺは、図１２のφ
ＥＬとφＡＺとの値と対応している。例えば、受信ビー
ムの偏波を+45 度直線偏波に設定したい場合φＥＬ＝
０、φＡＺ＝０とすればよい。なお、図１２の送信OFF
に対応する受信ウェイトは０である。例えば、受信偏波
を垂直偏波に設定する場合の受信ウェイトは、垂直偏波
アンテナに対しＷ′Ｎ＝ｅｊ０＝１、水平偏波アンテナ
に対しＷ′Ｎ＝０となる。

【００１７】図１０のアレイアンテナでは、複素積和演
算器とウェイトメモリとの組み合わせをｍ組有している
ので、最大ｍ通りの異なる偏波ウェイトと基本ウェイト
との組み合わせの受信ビーム、すなわち、様々な偏波の
マルチビームの形成が可能となる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】従来技術における第１
の問題点は、送信時におけるビーム形成の制御に制約が
あるため、受信ＤＢＦ（ディジタルビーム形成）による
受信マルチビーム、成形ビーム、偏波制御等の多機能性
を有効に活かしきれないことである。その理由は、送信
時には、各素子アンテナ位相の設定については、使用す
るディジタル移相器で設定が可能となる最小移相量の制
約を受けるとともに、振幅の設定については、送受信モ
ジュール毎の送信のON/OFFのどちらか一方しか選択でき
ないため、所望の送信ビームの形成を充分に行うことが
困難になるからである。

【００１９】第２の問題点は、受信時に同時に形成でき
るビーム数は、あらかじめ用意された複素積和演算器の
数に限定されることである。その理由は、各複素積和演
算器の受信出力ポートが１つしかないからである。

【００２０】

【発明の目的】そこで、本発明の目的は、送信時のビー
ム形成の自由度を向上させるとともに、従来のアレイア
ンテナとほぼ同じ回路規模で、受信時に同時に形成され
るビーム数を増加させた、アレイアンテナを提供するこ
とにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明のアレイアンテナ
では、送信時のビーム形成の自由度を向上させるため、
送信ディジタルビーム形成（ＤＢＦ）を行うと共に、ス
イッチ切換により、各素子アンテナの送信系統に含まれ
るＣ級アンプの数を段階的に制御することにより、送信
時の開口分布を決定している。

【００２２】また、受信ＤＢＦ時の同時受信ビーム数を
増やすために、従来のアレイアンテナ（図１０）では１
つであった受信系の各複素積和演算器の出力ポート数を
３つに増加している。

【００２３】より具体的には、本発明のアレイアンテナ
は、直交偏波（垂直偏波及び水平偏波）を発生する素子
アンテナ対（図１の1-1 〜1-n 、2-1 〜2-n ）毎に、直
交する偏波毎の送受信回路（図１の10-1,11-1 ）を内蔵
した送受信モジュール（図１の3-1 〜3-n ）を有し、ま
た、これらの送受信モジュールとデータバス（図１の
５）を経て接続され送受信ＤＢＦを行うためのビーム制
御処理器（図１の６）を備え、更に、各直交偏波毎に送
受信周波数を独立して制御するためのローカル信号発生
器（図１の９）と複数のローカル信号分配器（図１の
７，８）を有している。

【００２４】ここで、各送受信回路（図１の10-1,11-1
）の送信系には、送信時に用いるＣ級アンプ（図１の1
5-2）の数を変化させて、各素子アンテナの送信振幅制
御を行うためのスイッチ（図１の16-1〜16-6）が備えら
れている。

【００２５】ビーム制御処理器（図１の６）の送信系に
は、送信時に全ての素子アンテナに均一に分配する基本
ディジタルI/Q データの発生手段（図２の24）と、送信
ＤＢＦを行うための各素子アンテナの送信ウェイトデー
タが記録された送信ウェイト記録手段（図２の25-1〜25
-m）及び上記の基本ディジタルI/Q データと送信ウェイ
トとを複素積算する複素積算器（図２の26-1〜26-2n ）
が備えられており、更に、送信振幅制御用のスイッチ
（図１の16-1〜16-6）の切換動作を制御するデータが記
録されたスイッチデータメモリ（図１の27-1〜27-m）が
備えられている。

【００２６】これにより、本発明のアレイアンテナで
は、送信時の所望の送信ビームを形成するための移相ウ
ェイトが、ビーム制御処理器（図１の６）の内部でディ
ジタル信号領域においてディジタルI/Q データと重畳さ
れるため、従来の５ビット移相器等のディジタル移相器
を用いる位相ウェイト制御方法に比べ、より精密な位相
設定が可能となる。更に、各素子アンテナ用の送受信モ
ジュール内部に移相器が不要になるので、特に実装上の
制約が大きい送受信モジュールの回路構成が容易にな
る。また、各送受信回路内に設けられたスイッチの切換
動作により、送信系統の変更が行われ、この結果各素子
アンテナの送信振幅制御を段階的に実施することが可能
となる。

【００２７】また、本発明のアレイアンテナのビーム制
御処理器（図１の６）の受信系には、同時に複数の受信
ビームを形成するための複数の複素積和演算器（図３の
28-1〜28-k）と、受信ＤＢＦを行うための各素子アンテ
ナの受信ウェイトデータが記録された受信ウェイト記録
手段（図３の29-1〜29-k）とが備えられている。ここ
で、前記の各複素積和演算器は、直交する偏波毎の出力
ポート（図３の31-1〜31-k，32-1〜32-k）と、直交する
偏波の合成出力ポート（図３の33-1〜33-k）との合計３
つの出力ポートを有しており、受信ＤＢＦ時の前記ビー
ム制御処理器内部での複素積和演算の順序を、先ず垂直
偏波アンテナからの受信ディジタルI/Q データ毎及び水
平偏波アンテナからの受信ディジタルI/Q データ毎に演
算して垂直偏波受信出力及び水平偏波受信出力を得た
後、垂直偏波及び水平偏波の受信出力合成演算を行うよ
うにしている。

【００２８】これにより本発明のアレイアンテナにおい
ては、従来のアレイアンテナと演算回数を変更せずに、
垂直偏波及び水平偏波の合成出力だけでなく、垂直偏波
出力及び水平偏波出力を加えた合計３通りの受信出力が
得られる。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るアレイアンテ
ナの第一実施形態を示すブロック図である。

【００３０】本実施形態のアレイアンテナは、垂直偏波
用素子アンテナ1-1 〜1-n と水平偏波用素子アンテナ2-
1 〜2-n とを対とした直交偏波素子アンテナに、送受信
モジュール3-1 〜3-n が接続されている。本アレイアン
テナでは、ビーム制御処理器６により送受信ディジタル
ビーム形成を行い、ローカル信号発生器９により送受信
周波数の制御を行う構成となっている。ビーム制御処理
器６は、送受信モジュール3-1 〜3-n に対して各送受信
モジュール内部のディジタルＩ／Ｏ部４及びデータバス
５を介して接続されている。ローカル信号発生器９は、
送受信モジュール3-1 〜3-n に対してローカル信号分配
器(1) ７又はローカル信号分配器(2) ８を介して接続さ
れている。

【００３１】送受信モジュール3-1 〜3-n 内には、同一
構成の垂直偏波系送受信回路10-1〜10-n及び水平偏波系
送受信回路11-1〜11-nと、ビーム制御処理器６に対して
データバス５を介してディジタルI/Q 信号S1-1,S2-1,S3
-1,S4-1 の入出力を行うディジタルＩ／Ｏ部４とが含ま
れている。各送受信回路10-1〜10-n，11-1〜11-nは、送
信系回路と受信系回路とから構成されている。

【００３２】各送受信回路10-1〜10-n，11-1〜11-nの送
信系は、送信ディジタルI/Q データS1-1,S2-1 をアナロ
グ信号に変換後、COHO信号発生器12からのCOHO信号で変
調を行い送信IF信号として出力するＤ／Ａ変換部13と、
前記送信IF信号を送信RF信号に周波数変換するためのア
ップコンバータ14と、送信RF信号の電力増幅を行うＣ級
パワーアンプ15-1,15-2 と、各素子アンテナ1-1 〜1-n
，2-1 〜2-n の送信振幅制御を行うため、Ｃ級パワー
アンプ15-1,15-2 の出力を選択的に切替えるスイッチ16
-1〜16-6と、送受信切換器17とを備えている。

【００３３】一方、各送受信回路10-1〜10-n，11-1〜11
-nの受信系は、各素子アンテナ1-1〜1-n ，2-1 〜2-n
から送受信切換器17を経て入力されるRF受信信号のON
（導通）／OFF （非導通）を行う受信ゲート18と、不要
周波数成分除去用のバンドパスフィルタ19と、受信RF信
号の電力増幅を行うローノイズアンプ（ＬＮＡ）20と、
受信RF信号をIF信号に周波数変換するためのダウンコン
バータ21と、受信IF信号増幅用のIFアンプ22と、COHO信
号を利用して受信IF信号を位相検波し、ディジタルI/Q
データとしてディジタルＩ／Ｏ部４へ出力するＡ／Ｄ変
換部23とから構成されている。

【００３４】次に、ビーム制御処理器６の内部の構成に
ついて図面を用いて説明する。図２は、ビーム制御処理
器６内部の送信用ディジタルI/Q データを生成する部分
（送信系）を示すブロック図である

【００３５】図２において、基本I/Q データ発生部24
は、全ての素子アンテナ1-1 〜1-n ，2-1 〜2-n に対し
て均一に与える等振幅・等位相の基本ディジタルI/Q デ
ータの生成及び分配を行う部位である。また、各送信ウ
ェイトメモリ25-1〜25-mには、送信ビーム形状や送信偏
波により決定される各素子アンテナに与える位相に関す
る送信用ウェイト（TWmVn,TWmHn ）が記録されている。
前記基本ディジタルI/Qデータと各素子アンテナのウェ
イトとが複素積算器26-1〜26-2n により積算されること
により、送信用ディジタルI/Q データ（図１のS1-1及び
S2-1）が生成される。なお、図２のウェイトTWmVn,TWmH
n の添字V,H は、それぞれ垂直偏波用及び水平偏波用の
ウェイトに対応しており、ｎは素子アンテナ1-1 〜1-n
，2-1 〜2-n の番号ｎを示し、ｍは送信ウェイトメモ
リ25-1〜25-mの番号ｍを示している。

【００３６】また、スイッチデータメモリ27-1〜27-mに
は、各素子アンテナ1-1 〜1-n ，2-1 〜2-n の送信振幅
を制御するためのスイッチ（図１の16-1〜16-6）の切換
用制御データSmVn，SmHnが記録されている。本発明のア
レイアンテナの送信時の開口分布は、切換用制御データ
SmVn，SmHnと送信用ウェイトTWmVn,TWmHn とにより決定
される。

【００３７】図３は、ビーム制御処理器６内部の受信デ
ィジタルビーム形成（ＤＢＦ）を行う部分（受信系）を
示すブロック図である。

【００３８】各送受信モジュール3-1 〜3-n から出力さ
れる受信ディジタルI/Q データS3-1〜S3-n，S4-1〜S4-n
は、データバス５を介してビーム制御処理器６内の複数
の複素積和演算器28-1〜28-kに並列に入力される。ま
た、各複素演算器に受信ＤＢＦを行うための受信ウェイ
トメモリ29-1〜29-kが接続されている点では、図１０に
示した従来のアレイアンテナと同じである。

【００３９】しかし、本発明のアレイアンテナでは、垂
直偏波系送受信回路10-1〜10-nからの受信ディジタルI/
Q データS3-1〜S3-n及び水平偏波系送受信回路11-1〜11
-nからの受信ディジタルI/Q データS4-1〜S4-nに対し
て、各複素積和演算器28-1〜28-kにおいて別々に複素積
和演算を行って垂直、水平両偏波個別の受信ＤＢＦデー
タを得た後、これら両偏波のデータの合成を行う構成と
なっている。この結果、１つの複素積和演算器から同時
に垂直偏波、水平偏波及び垂直偏波と水平偏波との合成
の３通りの受信出力が得られる点で、従来のアレイアン
テナと異なる。

【００４０】次に、本実施形態の動作について図面を参
照して詳細に説明する。

【００４１】先ず、送信時の動作について図１及び図２
を用いて説明する。

【００４２】送信時には、所望の送信ビームを形成する
べく図１のビーム制御処理器６で生成された各素子アン
テナ1-1 〜1-n ，2-1 〜2-n 励振用の送信ディジタルI/
Q データが、データバス５を介して各送受信モジュール
3-1 〜3-n に伝達され、各送受信モジュール内の垂直偏
波系送受信回路10-1〜10-n，水平偏波系送受信回路11-1
〜11-nにおいてディジタルアナログ変換、周波数変換、
及び必要な電力増幅がなされた後、各素子アンテナ1-1
〜1-n ，2-1 〜2-n から空間に放射される。これによ
り、送信ビームの形成を行ういわゆる送信ＤＢＦが行わ
れる。

【００４３】続いて、送信ディジタルI/Q データの生成
動作について図２を参照して説明する。図２のビーム制
御処理器６内の基本I/Q データ発生部24では、全素子ア
ンテナに対して均一に与えるチャープ信号等の基本ディ
ジタルI/Q データが発生される。この基本ディジタルI/
Q データが、送信ウェイトメモリ25-1〜25-mにそれぞれ
記録された所望の送信ビーム形成を行うための各素子ア
ンテナに与えるウェイトデータと、複素積算器26-1〜26
-2n によって複素積算が行われることにより、所望の送
信ウェイトを持った送信用ディジタルI/Q データへと変
換されデータバス５に出力される。図２の例では、送信
ウェイトメモリをｍ個用意しているため、最大ｍ種の垂
直・水平偏波の組み合わせの送信ビームを時分割で形成
し送信することができる。

【００４４】送信ウェイトデータTWmVn,TWmHn （ｍは送
信ウェイトメモリ番号、ｎは素子アンテナ番号を示す）
は次式で表される。垂直偏波素子アンテナ用送信ウェイト TWmVn ＝TWmV0n・TWmVPn …(5) 水平偏波素子アンテナ用送信ウェイト TWmHn ＝TWmH0n・TWmVPn …(6)

【００４５】ここで、TWmV0n及びTWmH0nは、それぞれ垂
直偏波素子アンテナのアレイ及び水平偏波素子アンテナ
のアレイのビーム形状やビーム方向を決定する、位相に
関する基本ウェイトである。垂直偏波素子アレイと水平
偏波素子アレイとで同時送信時に異なるビームを形成す
る場合、TWmV0nとTWmH0nとは異なるウェイトになる。各
偏波のアレイで同一のビームを形成する場合、TWmV0nと
TWmH0nとは等しくなる。また、TWmVPnとTWmHPnとは、垂
直偏波と水平偏波とを合成して送信偏波制御を行うため
のウェイトであり、代表的な偏波に対しては図４に示す
値をとる。

【００４６】但し、垂直偏波又は水平偏波以外の送信制
御を行うためには、垂直偏波アレイと水平偏波アレイと
が同一ビームを形成する必要があり、同一素子番号の各
偏波素子アンテナ用送信ウェイトTWmV0nとTWmH0nとを等
しくするとともに、送信振幅制御用のスイッチ制御デー
タSmV0n とSmH0n とを等しくする必要がある。更に、ア
レイに用いる直交偏波素子アンテナの素子特性が、垂直
偏波用素子アンテナ1-1 〜1-n と、水平偏波用素子アン
テナ2-1 〜2-n とでほぼ同一である必要がある。

【００４７】以上の要領でビーム制御処理器６で生成さ
れたディジタルI/Q データS1-1〜S1-n，S2-1〜S2-nは、
データバス５を介してディジタルＩ／Ｏ部４から各送受
信モジュール3-1 〜3-n に取り込まれる。

【００４８】次に、送受信モジュール3-1 〜3-n 内の送
信信号の流れについて説明する。垂直偏波素子アンテナ
用の送信ディジタルI/Q データS1-1〜S1-nは、垂直偏波
系送受信回路10-1〜10-nに入力される。一方、水平偏波
素子アンテナ用の送信ディジタルI/Q データS2-1〜S2-n
は、水平偏波系送受信回路11-1〜11-nに入力される。各
送信ディジタルI/Q データは、図１のＤ／Ａ変換部13に
よりディジタルアナログ変換され、COHO信号発生器12か
ら入力されるCOHO信号で変調されて、送信IF信号とな
る。

【００４９】次に、垂直偏波素子アンテナ用及び水平偏
波素子アンテナ用の送信IF信号は、ローカル信号分配器
(1) ７及びローカル信号分配器(2) ８を介してローカル
信号発生器９から入力されるローカル信号に基づき、ア
ップコンバータ14で送信RF信号に周波数変換される。こ
こで、ローカル信号発生器９は、送信偏波制御等のため
垂直偏波と水平偏波とを合成して送信する場合、垂直偏
波用素子アンテナ1-1〜1-n と水平偏波用素子アンテナ2
-1 〜2-n との送信周波数を等しくするために、ローカ
ル信号分配器(1) ７及びローカル信号分配器(2) ８の双
方に対し同一信号源の同一周波数のローカル信号を出力
する。また、ローカル信号発生器９は、垂直偏波用素子
アンテナ1-1 〜1-n と水平偏波用素子アンテナ2-1 〜2-
n とで送信周波数を変えたい場合、ローカル信号分配器
(1) ７及びローカル信号分配器(2) ８のそれぞれに異な
る周波数のローカル信号を出力する。

【００５０】次に、送信RF信号は、Ｃ級アンプ15-1で電
力増幅された後、所定の切換制御がなされた後の送信系
を、通過することにより電力が調整され、送受信切換器
17を経由して各素子アンテナから空間に放射される。こ
の所定の切換制御がなされた後の送信系とは、ビーム制
御処理器６が送信ディジタルI/Q データS1-1〜S1-n，S2
-1〜S2-nを生成し送出する前に、予めスイッチ16-1〜16
-6に送出しておいたスイッチ制御データSmVn,SmHn （ｍ
はスイッチデータメモリ番号、ｎは素子アンテナ番号を
示す）によって、各素子アンテナの送信振幅制御の目的
で切換制御がなされた後の送信系のことである。ここ
で、図１に示した例によると、スイッチ16-1〜16-6の切
換により、各素子アンテナの送信振幅を図５に示すよう
に４段階に制御することが可能となる。

【００５１】なお、本発明のアレイアンテナでは、送信
ＤＢＦを行う際のアレイの開口分布が、前記の送信ウェ
イトメモリ25-1〜25-mの中のウェイトデータと、スイッ
チ16-1〜16-6の制御データとの組み合わせで最終的に決
定される。そのため、基本的には、スイッチデータメモ
リ27-1〜27-mの必要数は、送信ウェイトメモリ25-1〜25
-mと同数になる。

【００５２】次に、本発明のアレイアンテナの受信時の
動作について、図１及び図３を用いて説明する。

【００５３】図１に示した各送受信モジュール内の受信
ゲート18は、アレイアンテナが送信状態の時はOFF 、受
信状態の時はONになるようビーム制御処理器６から制御
される。図１０の従来技術のアレイアンテナと同様、各
素子アンテナで受信されたRF信号は、各送受信モジュー
ル内で電力増幅、周波数変換され、位相検波後アナログ
ディジタル変換され、ビーム制御処理器６内に複数設け
られた複素積和演算器28-1〜28-kに、データバス５を介
して受信ディジタルI/Q データS3-1〜S3-n、S4-1〜S4-n
として並列に分配される。これにより、受信ＤＢＦ処理
がなされる。

【００５４】しかし、本発明のアレイアンテナの場合、
各複素積和演算器の内部での演算順序が、垂直偏波アン
テナからの受信ディジタルI/Q データと水平偏波アンテ
ナからの受信ディジタルI/Q データとを別々に積和演算
し、その後で垂直及び水平偏波の受信データの合成演算
を行うようになっている。これにより、各複素積和演算
器の出力ポートであるＶポート31-1〜31-k、Ｈポート32
-1〜32-k、Ｖ＋Ｈポート33-1〜33-kからは、それぞれ垂
直偏波、水平偏波、垂直偏波と水平偏波との合成の３通
りの出力が得られることになる。したがって、同時に形
成される受信ビーム数が従来の３倍になる。

【００５５】ここで、各複素積和演算器28-1〜28-kに供
給される、メモリ等に納められたNo.1〜No.kポート受信
ビームウェイトデータ29-1〜29-kの各々には、時分割で
様々な受信ビームを形成するための複数の受信ビームウ
ェイトデータ30-1〜30-mが記録されている。

【００５６】No.kポート第ｍ受信ビームウェイトデータ
に着目すると、垂直偏波及び水平偏波素子アンテナ用の
受信ビームウェイトデータRWk,mVn 、RWk,mHn （ｎは素
子アンテナ番号を示す）は次式で表される。垂直偏波素子アンテナ用受信ウェイト RWk,mVn ＝RWk,mV0n・RWk,mVPn …(7) 水平偏波素子アンテナ用受信ウェイト RWk,mHn ＝RWk,mH0n・RWk,mHPn …(8) ここで、RWk,mV0n及びRWk,mH0nは、受信ビームの形状や
方向を決定する位相項、振幅項を持つ基本ウェイトであ
る。また、RWk,mVPn及びRWk,mHPnは、Ｖ＋Ｈポート33-1
〜33-kから得られる受信ビームの偏波制御を行うための
ウェイトであり、受信時についても垂直偏波と水平偏波
との合成の関係は送信時の場合と全く同一である。した
がって、受信偏波制御用ウェイトは図４に示した送信偏
波制御ウェイトと同じになる。

【００５７】図６は、本発明のアレイアンテナをレーダ
装置に適用した場合の動作の一例を示すタイミングチャ
ートである。

【００５８】ビーム制御処理器６は、レーダ装置のシス
テムタイミングに基づいた図６のスイッチ設定トリガS5
が入力されると、第１送信ビームデータに対応した各素
子アンテナの送信振幅制御を行うためのスイッチ制御信
号をスイッチデータメモリ27-1から送出して、システム
タイミングに基づく送信トリガS6が入力される前に、各
送受信モジュール3-1 〜3-n 内のスイッチ16-1〜16-6の
切替動作を完了させる。

【００５９】送信トリガS6が入力されると、ビーム制御
処理器６内部の基本I/Q データ発生部24は、時間PW（送
信パルス幅）の間、基本ディジタルI/Q データであるデ
ィジタルチャープデータを発生する。このチャープデー
タが、瞬時に複素積算器26-1〜26-nにおいて、送信ウェ
イトメモリ25-1の中の第１送信ビームデータTW1V1 〜TW
1Vn ，TW1H1 〜TW1Hn と複素積算されて、送信ディジタ
ルI/Q データが生成される。送信ディジタルI/Q データ
は、データバス５を介して各送受信モジュール3-1 〜3-
n に送出されて第１送信ビームが放射される。

【００６０】また、ビーム制御処理器６は、送信トリガ
S6が入力されると前記のように第１送信ビームデータの
生成・出力を行うと同時に、No.1〜No.kポート受信ビー
ムウェイトデータ29-1〜29-kの中から各々の第１受信ビ
ームウェイトデータ30-1を選択し、第１送信ビームに対
する目標からのエコーを受信可能な状態に受信系の設定
を行う。

【００６１】第１送信ビームデータの出力（すなわち送
信）が終了すると、ビーム制御処理器６から受信ゲート
ON信号が図１の各送受信モジュール3-1 〜3-n 内の受信
ゲート18に送出され、各素子アンテナからの受信信号に
対してはNo.1〜No.kポート受信ビームウェイトデータの
第１受信ビームウェイトデータにて受信ＤＢＦ処理がな
される。以上により第１送信ビームに対してｋ×３（V,
H,V+H ポート）通りの受信出力がエコーとして同時に得
られる。

【００６２】第１ビーム受信中に、再びスイッチ設定ト
リガS5がビーム制御処理器６に入力されると、次は第２
送信ビームデータに対応するスイッチ制御信号S2V1〜S2
Vn，S2H1〜S2Hnが各スイッチ16-1〜16-6に送出される。
以下、複数組用意された送信ビームウェイトデータとス
イッチ制御データとに基づく送信ビームの放射と、この
送信ビームに対応する受信ビーム形成が繰り返される。

【００６３】図７は、レーダ装置に本アレイアンテナを
適用した場合の送受信ビームの形成例を示す説明図であ
る。

【００６４】図７（Ａ）に示すように、垂直偏波と水平
偏波とで送受信ビームのウェイトデータを変えることに
より、垂直偏波ビーム201 及び水平偏波ビーム202 を異
なる方向に送受信させて各偏波毎に独立捜索を行うこと
が可能となる。

【００６５】図７（Ｂ）は、垂直及び水平偏波送受信ビ
ームの基本ウェイトTWmVn 及びTWmHn を同じにして、各
送受信ビーム204 の方向及び形状を同一にし、送信時に
は垂直・水平偏波の合成を行い、受信時には複数の受信
偏波制御ウェイトを用いて１度の送信に対しマルチ偏波
同時受信を行うものてある。

【００６６】図７（Ｃ）は、送信時は垂直・水平偏波の
成形合成ビーム205 の形成を行い、受信時には前記成形
合成送信ビーム205 の照射範囲を細かく分割した受信マ
ルチビーム206 の形成を行うものである。図７（Ｃ）の
ビーム形成方法では、１度の送信に対し、用意した受信
ビームの数分の多方向からのエコーを受信できるので、
近距離の捜索を短時間で行うことが可能となる。

【００６７】なお、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示したビーム
形成は、図１０に示した従来のアレイアンテナでも可能
であるが、本発明のアレイアンテナでは、送信ＤＢＦの
採用や送信振幅制御により、特に送信時に必要とするビ
ームの形成をより正確に行うことができる。また、各偏
波毎の送受信周波数を独立して制御することができるの
で、特に図７（Ａ）の場合の偏波間の干渉を従来より低
減することが可能となる。

【００６８】図８は、本発明に係るアレイアンテナの第
二実施形態を示すブロック図である。

【００６９】本実施形態は、図１の第一実施形態におけ
る各送受信モジュール3-1 〜3-n 内の各偏波用送受信回
路10-1,11-1 の送信系に、送信振幅制御を行う目的で設
けられているスイッチ16-1〜16-6とＣ級パワーアンプ15
-2とが削除されており、更に送信系のアンプ34がＣ級ア
ンプではなくＡ級アンプで構成されている点で、第一実
施形態と異なっている。また、本実施形態では、ビーム
制御処理器６の送信系の構成は、図９のようになり、図
２におけるスイッチデータメモリ27-1〜27-mとこれに関
する配線は不要になる。但し、図９において送信ウェイ
トメモリ25-1〜25-mに記録されている送信用ウェイトデ
ータTWmVn,TWmHn には、図２の第一実施形態の場合と異
なり、そのビーム形状や方向を決める基本ウェイトに位
相項のみではなく振幅項も含まれている。

【００７０】また、図８の各送受信回路内のＤ／Ａ変換
部13には、前記の振幅項も含んだ送信ウェイトデータに
よって各素子アンテナ毎に振幅の重みづけが成された送
信ディジタルI/Q データを忠実にディジタルアナログ変
換するために、充分なダイナミックレンジを持つＤ／Ａ
変換器を用いる必要がある。各素子アンテナ毎のＤ／Ａ
変換部113 から出力される送信信号の振幅関係は、Ａ級
アンプ34で電力増幅された後でも維持される。したがっ
て、本実施形態によれば、第一実施形態よりも送信振幅
制御をより精密化することができる。但し、本実施形態
の送信振幅制御機能は、Ａ級アンプ34の振幅リニアリテ
ィが確保される状況下でのみ有効であるので、本実施形
態はハイパワー送信を必要としない場合や低周波数運用
時に適用される。

【００７１】

【発明の効果】第１の効果は、送信ビーム形成の自由度
が向上することである。その理由は、送信ＤＢＦを採用
することにより、位相ウェイトの制御がより精密になる
と共に、送受信回路の送信系に設けたスイッチの切換動
作、又は送信ＤＢＦ時の送信ウェイトの振幅項の制御に
より送信振幅制御機能が付加され、更に各直交偏波毎に
ローカル信号の周波数を設定することにより、各偏波毎
の送受信周波数を制御することが可能となるからであ
る。

【００７２】第２の効果は、受信ＤＢＦ実施時の同時受
信ビーム数が増加することである。その理由は、受信Ｄ
ＢＦ処理において、垂直偏波アンテナからの受信データ
と水平偏波アンテナからの受信データとを個別に演算
後、両偏波の合成出力を演算し、垂直偏波、水平偏波、
垂直偏波と水平偏波との合成の三種の受信結果を同時に
出力できるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアレイアンテナの第一実施形態を示す
ブロック図である。

【図２】図１のアレイアンテナにおけるビーム制御処理
器の送信系を示すブロック図である。

【図３】図１のアレイアンテナにおけるビーム制御処理
器の受信系を示すブロック図である。

【図４】図１のレイアンテナにおける偏波制御を示す図
表である。

【図５】図１のアレイアンテナにおけるスイッチ切換に
よる送信振幅制御を示す図表である。

【図６】図１のアレイアンテナの動作の一例を示すタイ
ミングチャートである。

【図７】図１のアレイアンテナにおける送受信ビームの
形成例を示す説明図であり、図７（Ａ）は垂直偏波ビー
ム、水平偏波ビーム独立捜索、図７（Ｂ）は垂直‐水平
偏波合成送信／マルチ偏波同時受信、図７（Ｃ）は垂直
‐水平偏波成形合成送信／同時受信マルチビームであ
る。

【図８】本発明のアレイアンテナの第二実施形態を示す
ブロック図である。

【図９】図８のアレイアンテナにおけるビーム制御処理
器の送信系を示すブロック図である。

【図１０】従来のアレイアンテナを示すブロック図であ
る。

【図１１】図１０のアレイアンテナにおける送受信モジ
ュールを示すブロック図である。

【図１２】図１０のアレイアンテナにおける偏波制御時
の送受信モジュールの移相量の設定を示す図表である。

【図１３】図１０のアレイアンテナにおける偏波制御を
示す説明図であり、図１３（Ａ）は+45 度直線偏波、図
１３（Ｂ）は-45 度直線偏波、図１３（Ｃ）は右旋円偏
波、図１３（Ｄ）は左旋円偏波である。

【符号の説明】

1-1 〜1-n 垂直偏波用素子アンテナ 2-1 〜2-n 水平偏波用素子アンテナ 3-1 〜3-n 送受信モジュール４ディジタルＩ／Ｏ部５データバス６ビーム制御処理器７ローカル信号分配器(1) ８ローカル信号分配器(2) ９ローカル信号発生器 10-1〜10-n 垂直偏波系送受信回路 11-1〜11-n 水平偏波系送受信回路 12 COHO信号発生器 13 Ｄ／Ａ変換部 14 アップコンバータ 15-1,15-2 Ｃ級パワーアンプ 16-1〜16-6 スイッチ 17 送受信切換器 18 受信ゲート18 19 バンドパスフィルタ 20 ローノイズアンプ 21 ダウンコンバータ 22 IFアンプ 23 Ａ／Ｄ変換部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｑ 25/02 Ｈ０１Ｑ 25/02 Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA06 CA06 DB02 FA00 FA05 FA13 FA14 FA16 FA17 FA23 FA24 FA26 FA30 FA31 FA32 GA01 HA02 HA04 JA05 5J070 AB01 AD01 AD09 AD11 AD16 AD17 AH31 AK40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直交偏波を発生する複数の素子アンテナ
と、これらの素子アンテナの各々に設けられ送受信ディ
ジタルビーム形成を行う送受信モジュールと、前記素子
アンテナの送信振幅を制御する送信振幅制御手段と、を
備えたアレイアンテナ。
【請求項２】直交偏波を発生する複数の素子アンテナ
と、これらの素子アンテナの各々に設けられ送受信ディ
ジタルビーム形成を行う送受信モジュールと、これらの
送受信モジュールで得られた受信ディジタルビームに基
づき前記直交偏波の各々及びそれらの合成偏波の三通り
の偏波に対する受信信号を出力する受信信号出力手段
と、を備えたアレイアンテナ。
【請求項３】直交偏波を発生する複数の素子アンテナ
と、これらの素子アンテナに接続され、Ｄ／Ａ変換器を送信
系に有するとともに、Ａ／Ｄ変換器を受信系に有する送
受信回路と、送受信ディジタルビーム形成を行うための送受信ディジ
タル信号の入出力を前記送受信回路に対して行うディジ
タルＩ／Ｏ部と、このディジタルＩ／Ｏ部と前記送受信回路とを含む送受
信モジュールと、データバスを介して前記送受信モジュールと接続され、
所望の送信ビームを形成するためのディジタルデータを
発生するとともに、受信ディジタルビーム形成用の複素
積和演算器により同時に複数の受信ビームの形成を行う
ビーム制御処理器と、前記素子アンテナの送信振幅を制御する送信振幅制御手
段と、を備えたアレイアンテナ。
【請求項４】各偏波毎にそれぞれ異なる周波数のロー
カル信号を前記送受信回路へ出力するとともに、各偏波
毎に送受信周波数を独立して制御する、ローカル信号分
配器及びローカル信号発生器を備えた、請求項３記載の
アレイアンテナ。
【請求項５】前記送信振幅制御手段が、前記送受信回
路の送信系に設けた複数のＣ級アンプと、送信時に使用
する前記Ｃ級アンプの数を選択的に切り換えられるスイ
ッチとからなる、請求項３記載のアレイアンテナ。
【請求項６】前記ビーム制御処理器は、送信振幅制御
を行うための振幅の重みづけをした送信用ディジタルデ
ータを前記各素子アンテナ毎に発生する前記送信振幅制
御手段としての機能を有し、前記送受信モジュールは、前記送信用ディジタルデータ
をアナログ信号に変換後、Ａ級アンプにて電力増幅する
機能を有する、請求項３記載のアレイアンテナ。
【請求項７】前記複素積和演算器は、前記各素子アン
テナから受信される信号を直交する各偏波毎に受信ディ
ジタルビーム形成処理を行い、更に前記各偏波毎の受信
ディジタルビーム処理結果を合成することにより、直交
する各偏波とこれらの合成偏波の三通りの偏波に対する
受信信号を出力する、請求項３記載のアレイアンテナ。