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JP4564407B2 - Antenna device - Google Patents
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JP4564407B2 - Antenna device - Google Patents

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Description

本発明は、例えばレーダシステムなどに使用されるアンテナ装置に関し、特に所望信号以外の信号の混入を除去する技術に関する。   The present invention relates to an antenna device used in, for example, a radar system, and more particularly to a technique for removing mixing of signals other than desired signals.

例えば特許文献1には、レーダ装置において使用されるパルス圧縮方式を採用したレーダ信号処理装置が示されている。このレーダ信号処理装置は、チャープ信号(線形FM変調信号)を送信信号として相対的に移動する移動目標に向けて送信し、移動目標によって反射された反射信号を受信信号として受信後、その受信信号から目標の移動に起因するドップラ成分を抽出し、抽出されたドップラ成分に基づき移動する目標を検出する。   For example, Patent Document 1 discloses a radar signal processing device that employs a pulse compression method used in a radar device. This radar signal processing apparatus transmits a chirp signal (linear FM modulation signal) as a transmission signal toward a moving target that moves relatively, receives the reflected signal reflected by the moving target as a received signal, and then receives the received signal. The Doppler component resulting from the movement of the target is extracted, and the moving target is detected based on the extracted Doppler component.

パルス圧縮方式は、長パルス内を変調した信号で送信し、受信後にパルス内変調信号に適合するパルス圧縮フィルタを介してS/Nが改善された短パルス信号を得るものであり、パルス内送信エネルギーの増加による探知距離の延伸、高い距離分解能の実現、干渉・妨害波抑圧に有効などの利点から多くのレーダに適用されている。   In the pulse compression method, a long pulse is transmitted as a modulated signal, and after reception, a short pulse signal with improved S / N is obtained via a pulse compression filter that matches the modulated pulse signal. It has been applied to many radars because of its advantages such as extending the detection distance by increasing energy, realizing high range resolution, and effective in suppressing interference and jamming waves.

このような従来のレーダ装置(チャープレーダ装置)の性能は、一般に、パルス圧縮処理後の波形(出力波形)、具体的には主ローブのパルス幅(主ローブ幅)とサイドローブのレベル(サイドローブレベル)の2点と、主ローブのピーク値におけるS/Nロスとによって評価される。
特開平4−357485号公報
The performance of such a conventional radar device (chirp radar device) is generally the waveform after pulse compression processing (output waveform), specifically, the main lobe pulse width (main lobe width) and the side lobe level (side (Lobe level) and the S / N loss at the peak value of the main lobe.
JP-A-4-357485

ところで、上述した従来のレーダ装置のように、アンテナ装置から得られた信号を処理することによってレーダ装置の性能を向上させるのではなく、アンテナ装置自体で電波干渉や不要波を除去することが強く求められている。   By the way, as in the conventional radar device described above, it is strongly recommended that the antenna device itself removes radio wave interference and unwanted waves, rather than improving the performance of the radar device by processing the signal obtained from the antenna device. It has been demanded.

しかしながら、従来のアンテナ装置は、サイドローブが比較的高いため他の信号の混入が避けられなかった。このサイドローブを抑圧するためにハミング窓などの各種窓関数が一般には重み付けに利用されるが、サイドローブを抑圧すればするほど逆にアンテナ利得が低下して計測すべき信号に対する感度を損なうという問題があった。   However, since the conventional antenna device has a relatively high side lobe, it is inevitable to mix other signals. In order to suppress this side lobe, various window functions such as a hamming window are generally used for weighting. However, as the side lobe is suppressed, the antenna gain decreases and the sensitivity to the signal to be measured is impaired. There was a problem.

定性的にはこの傾向は避けられないものの、従来知られている窓関数は実現すべきサイドローブレベルを達成するための信号損失が最小であるフィルタである事を保証するものではなく、いわば実現できる事が保証された窓関数の選択肢というに過ぎず、したがって限界性能は不明な状態であった。   Qualitatively, this tendency is unavoidable, but the window function known in the past does not guarantee that the filter has the least signal loss to achieve the sidelobe level to be realized, so it is realized. It was just a window function option that was guaranteed to be possible, so the critical performance was unknown.

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、サイドローブフリー(ゼロサイドローブ)を実現できるとともに、高いアンテナ利得を得ることができるアンテナ装置を提供することにある。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an antenna device capable of realizing a side lobe free (zero side lobe) and obtaining a high antenna gain. is there.

上記課題を解決するために、本発明は、複数のアンテナ素子を備えたアンテナ装置であって、アンテナパターンの主ローブの中心方向およびその近傍の複数の方向を除いて、その外側の方向に対する前記アンテナパターンのサイドローブをゼロとし同時にアンテナ利得を最大とする重み付け関数を算出しこの重み付け関数を用いて重みベクトルを算出するウェイト演算部と、ウェイト演算部で算出された重みベクトルを用いて、複数のアンテナ素子から得られる複数の信号にそれぞれ重み付けする複数の乗算器と、複数の乗算器の出力を合成する合成器とを備え、前記ウェイト演算部は、前記重み付け関数

Figure 0004564407
In order to solve the above-described problems, the present invention provides an antenna device including a plurality of antenna elements, wherein the antenna pattern includes the antenna pattern with respect to the outer direction except for the central direction of the main lobe of the antenna pattern and a plurality of directions in the vicinity thereof. A weight calculation unit that calculates a weighting function that maximizes the antenna gain while setting the side lobe of the antenna pattern to zero, a weight calculation unit that calculates a weight vector using the weighting function, and a plurality of weight vectors calculated by the weight calculation unit, a plurality of multipliers for weighting each of the plurality of signals obtained from the antenna elements, e Bei a combiner for combining the outputs of the plurality of multipliers, the weight calculation unit, the weighting function
Figure 0004564407

本発明によれば、アンテナなどの空間フィルタに適用する窓関数であって、サイドローブフリー(ゼロサイドローブ)を実現すると同時に、アンテナ利得を理論的に最大とする窓関数を算出し、この算出された窓関数をアンテナ素子の重み付け関数として使用することによって、従来実現できなかった他の信号の混入を高度に除去するとともに、高いアンテナ利得を得ることができる高性能なアンテナ装置を実現できる。   According to the present invention, a window function to be applied to a spatial filter such as an antenna, which realizes sidelobe free (zero sidelobe) and at the same time, calculates a window function that theoretically maximizes the antenna gain, is calculated. By using the window function thus made as a weighting function of the antenna element, it is possible to realize a high-performance antenna device that can highly eliminate mixing of other signals that could not be realized in the past and obtain a high antenna gain.

以下、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, an antenna device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

まず、本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置が適用されるレーダ装置の概要を図1に示すブロック図を参照しながら説明する。   First, an outline of a radar apparatus to which the antenna apparatus according to the first embodiment of the present invention is applied will be described with reference to the block diagram shown in FIG.

このレーダ装置は、送信信号発生器10、D/A変換部11、ローカル発振器12、送信側ミキサ13、送信信号増幅器14、サーキュレータ15、空中線16、受信信号増幅器17、受信側ミキサ18、A/D変換部19、パルス圧縮処理部20、周波数分析処理部21および目標検出処理部22から構成されている。   The radar apparatus includes a transmission signal generator 10, a D / A conversion unit 11, a local oscillator 12, a transmission side mixer 13, a transmission signal amplifier 14, a circulator 15, an antenna 16, a reception signal amplifier 17, a reception side mixer 18, and an A / A. It comprises a D conversion unit 19, a pulse compression processing unit 20, a frequency analysis processing unit 21, and a target detection processing unit 22.

送信信号発生器10は、送信信号を生成し、D/A変換部11に送る。D/A変換部11は、送信信号発生器10からの送信信号をアナログ信号に変換して送信側ミキサ13に送る。ローカル発振器12は、ローカル周波数を有するローカル信号を生成し、送信側ミキサ13および受信側ミキサ18に送る。送信側ミキサ13は、D/A変換部11からの送信信号とローカル発振器12からのローカル信号とを混合することにより送信信号を高周波信号に変換し、送信信号増幅器14に送る。   The transmission signal generator 10 generates a transmission signal and sends it to the D / A converter 11. The D / A converter 11 converts the transmission signal from the transmission signal generator 10 into an analog signal and sends it to the transmission side mixer 13. The local oscillator 12 generates a local signal having a local frequency and sends it to the transmission side mixer 13 and the reception side mixer 18. The transmission-side mixer 13 converts the transmission signal into a high-frequency signal by mixing the transmission signal from the D / A converter 11 and the local signal from the local oscillator 12, and sends it to the transmission signal amplifier 14.

送信信号増幅器14は、送信側ミキサ13からの高周波信号を所定のレベルまで増幅し、サーキュレータ15に送る。サーキュレータ15は、送信信号増幅器14からの高周波信号を空中線16に出力するか、空中線16からの受信信号を受信信号増幅器17に出力するかを切り替える。   The transmission signal amplifier 14 amplifies the high frequency signal from the transmission side mixer 13 to a predetermined level and sends it to the circulator 15. The circulator 15 switches between outputting a high-frequency signal from the transmission signal amplifier 14 to the antenna 16 or outputting a reception signal from the antenna 16 to the reception signal amplifier 17.

空中線16は、本発明のアンテナ装置に対応し、複数のアンテナ素子が一列に配置されたアレイアンテナから構成されている。この空中線16は、送信信号増幅器14からサーキュレータ15を介して送られてくる高周波信号を目標に向けて送信するとともに、目標からの反射波を受信し、受信信号としてサーキュレータ15へ送る。   The antenna 16 corresponds to the antenna device of the present invention, and is composed of an array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged in a line. The antenna 16 transmits a high-frequency signal sent from the transmission signal amplifier 14 via the circulator 15 toward the target, receives a reflected wave from the target, and sends it to the circulator 15 as a received signal.

受信信号増幅器17は、空中線16からサーキュレータ15を介して送られてくる受信信号を低雑音増幅し、受信側ミキサ18に送る。受信側ミキサ18は、受信信号増幅器17からの受信信号とローカル発振器12からのローカル信号とを混合することにより受信信号を中間周波信号(IF信号)に変換し、A/D変換部19に送る。A/D変換部19は、受信側ミキサ18からのIF信号をデジタル信号に変換し、パルス圧縮処理部20に送る。   The reception signal amplifier 17 amplifies the reception signal sent from the antenna 16 via the circulator 15 with low noise and sends it to the reception side mixer 18. The reception-side mixer 18 converts the reception signal from the reception signal amplifier 17 and the local signal from the local oscillator 12 to convert the reception signal into an intermediate frequency signal (IF signal) and sends it to the A / D conversion unit 19. . The A / D conversion unit 19 converts the IF signal from the reception-side mixer 18 into a digital signal and sends the digital signal to the pulse compression processing unit 20.

パルス圧縮処理部20は、A/D変換部19からのデジタル信号に対してパルス圧縮処理を行なう。パルス圧縮処理部20におけるパルス圧縮処理の結果は、周波数分析処理部21に送られる。   The pulse compression processing unit 20 performs pulse compression processing on the digital signal from the A / D conversion unit 19. The result of the pulse compression processing in the pulse compression processing unit 20 is sent to the frequency analysis processing unit 21.

周波数分析処理部21は、パルス圧縮処理部20からの信号に対して、周波数分析処理を行う。具体的には、パルス圧縮処理部20からの信号をフーリエ変換することにより、時間領域のデータを周波数領域のデータに変換する。即ち、目標の相対速度を検出するために受信信号を目標の速度成分であるドップラ成分に分解する。周波数分析処理部21において得られたドップラ成分は目標検出処理部22に送られる。目標検出処理部22は、周波数分析処理部21からのドップラ成分を抽出することにより、移動目標を抽出する。   The frequency analysis processing unit 21 performs frequency analysis processing on the signal from the pulse compression processing unit 20. Specifically, time domain data is converted to frequency domain data by Fourier transforming the signal from the pulse compression processing unit 20. That is, in order to detect the target relative speed, the received signal is decomposed into a Doppler component which is a target speed component. The Doppler component obtained in the frequency analysis processing unit 21 is sent to the target detection processing unit 22. The target detection processing unit 22 extracts the movement target by extracting the Doppler component from the frequency analysis processing unit 21.

次に、本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置(図1の空中線16に対応する。)の詳細を説明する。   Next, details of the antenna device (corresponding to the antenna 16 in FIG. 1) according to the first embodiment of the present invention will be described.

図2は、空中線16の詳細な構成を示すブロック図である。この空中線16は、複数のアンテナ素子1、ウェイト演算部2、複数のアンテナ素子1に対応して設けられた複数の乗算器3および合成器4から構成されている。ウェイト演算部2は、詳細は後述するが、重みベクトルWmを算出し、複数の乗算器3に送る。複数の乗算器3は、複数のアンテナ素子1から送られてくる信号にウェイト演算部2から送られてくる重みベクトルWmをそれぞれ乗算し、乗算結果を合成器4に送る。合成器4は、複数の乗算器3から送られてくる信号を合成し、サーキュレータ15(図1参照)に送る。   FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of the antenna 16. The antenna 16 includes a plurality of antenna elements 1, a weight calculation unit 2, a plurality of multipliers 3 and a combiner 4 provided corresponding to the plurality of antenna elements 1. As will be described in detail later, the weight calculation unit 2 calculates a weight vector Wm and sends it to a plurality of multipliers 3. The plurality of multipliers 3 multiply the signals sent from the plurality of antenna elements 1 by the weight vectors Wm sent from the weight calculation unit 2, and send the multiplication results to the synthesizer 4. The synthesizer 4 synthesizes the signals sent from the plurality of multipliers 3 and sends them to the circulator 15 (see FIG. 1).

以下、ウェイト演算部2における重みベクトルWmの算出方法を、サイドローブフリーを実現すると同時に、アンテナ利得を理論的に最大とする窓関数の導出を中心に説明する。   Hereinafter, the calculation method of the weight vector Wm in the weight calculation unit 2 will be described focusing on derivation of a window function that realizes sidelobe free and theoretically maximizes the antenna gain.

アンテナ装置として、ここでは、1次元のアレイアンテナを想定し、アンテナ開口面の振幅・位相分布を表す重みベクトルWとして要素数がNの次のベクトルを定義する。

Figure 0004564407
Here, a one-dimensional array antenna is assumed as the antenna device, and the next vector having N elements is defined as a weight vector W representing the amplitude / phase distribution of the antenna aperture plane.
Figure 0004564407

ここで、重みベクトルの全要素数Nは、アンテナ開口上の全素子数を示す。これに対するアンテナパターン出力は、角度軸上の各角度方向を要素とするベクトルyとして、以下のように表すことが可能である。

Figure 0004564407
Here, the total number N of weight vectors indicates the total number of elements on the antenna aperture. The antenna pattern output in response to this can be expressed as follows as a vector y having each angle direction on the angle axis as an element.
Figure 0004564407

但し、d:素子間隔 λ:波長
となる角度θに対するアンテナパターンの出力(アンテナ利得)を示すものとする。
Here, d: element spacing λ: antenna pattern output (antenna gain) with respect to an angle θ that is a wavelength.

このとき、重みベクトルWとアンテナパターンベクトルyの間には以下の関係が成立する。

Figure 0004564407
At this time, the following relationship is established between the weight vector W and the antenna pattern vector y.
Figure 0004564407

以上に示す定義を用いて、サイドローブフリーとなるアンテナ開口面分布の算出法を以下に示す。   Using the definitions shown above, a method for calculating the antenna aperture plane distribution that is free of side lobes will be described below.

一般にサイドローブを低減するために窓関数による重み付けが用いられるが、その形状は開口中央付近の重みに対して開口端部の重みを軽くするものとなる。そのため、開口面の振幅分布3dB幅などで比較すると、サイドローブを低減するためにはその3dB幅を狭くすることになり、結果として主ビーム幅が広くなることが知られている。この3dB幅に相当する素子数を当該重み付けにおける有効素子数と考えれば、有効素子数と主ビーム幅には強い相関関係が存在する。逆に有効素子数に拘束をかければ、主ビーム幅が広くなるものの、次に示すようにサイドローブを制御するための自由度を得ることができる。   In general, weighting by a window function is used to reduce the side lobe, but its shape makes the weight at the end of the opening lighter than the weight near the center of the opening. Therefore, it is known that, in order to reduce the side lobe, the 3 dB width is narrowed and the main beam width is widened as compared with the amplitude distribution 3 dB width of the opening surface. Considering the number of elements corresponding to this 3 dB width as the number of effective elements in the weighting, there is a strong correlation between the number of effective elements and the main beam width. Conversely, if the number of effective elements is constrained, the main beam width is widened, but the degree of freedom for controlling the side lobe can be obtained as shown below.

ここでは、アンテナ開口上の全素子Nに対して、図3に示すように中央部分Ne素子分が有効素子数として初期状態を設定することにより、サイドローブフリーのアンテナ開口面分布が導出できることを示す。 Here, for all the elements N on the antenna aperture, by setting the initial state as the number of effective elements for the central portion Ne element as shown in FIG. 3, a sidelobe-free antenna aperture distribution can be derived. Indicates.

まず、有効素子に対応する開口が重みベクトルの中央部分に矩形状に存在する、即ち、有効開口の外側は重みがゼロであることを考慮したアンテナパターン出力は、次の重みベクトルを使って算出できる。

Figure 0004564407
First, the antenna pattern output considering that the aperture corresponding to the effective element is rectangular in the center of the weight vector, that is, the weight is zero outside the effective aperture, is calculated using the following weight vector: it can.
Figure 0004564407

上式で算出されるアンテナパターンベクトルyに対して、アンテナパターンのピーク方向をKとしたときのメインローブ付近±Nxまでの角度サンプル出力のみを許容し、他の全ての方向のサンプル値(サイドローブに相当)を0とする拘束条件付のアンテナパターンベクトルを次のように定義する。

Figure 0004564407
For the antenna pattern vector y calculated by the above equation, only angle sample output up to ± N x near the main lobe when the peak direction of the antenna pattern is K is allowed, and sample values in all other directions ( An antenna pattern vector with a constraint condition of 0 corresponding to a side lobe is defined as follows.
Figure 0004564407

このアンテナパターンベクトルは、メインローブ以外のすべてのサイドローブが0となるアンテナパターンを示すものであり、次の式を満足するWmが実現可能であれば、そのWmが求める重みベクトルである。

Figure 0004564407
This antenna pattern vector indicates an antenna pattern in which all side lobes other than the main lobe are 0. If W m satisfying the following equation is feasible, the W m is a weight vector to be obtained. .
Figure 0004564407

求めるべき重みベクトル(開口面分布に相当)を定式化したが、一般的にこのような拘束条件付きの窓関数は開口効率を極端に悪化させてアンテナ利得の低下を招くと考えられる。以下に、サイドローブフリーの拘束条件付きのもとでアンテナ利得を最大化する窓関数を理論的に導出するアンテナパターン形成原理を示す。   Although the weight vector to be obtained (corresponding to the aperture distribution) is formulated, it is generally considered that such a window function with a constraint condition causes the aperture efficiency to be extremely deteriorated and the antenna gain to decrease. The antenna pattern formation principle for theoretically deriving a window function that maximizes the antenna gain under the sidelobe-free constraint condition is shown below.

まず、アンテナ利得を最大とするアンテナ開口面分布とは、メインローブのピーク方向からの入射信号に対する出力S/Nを最大とする条件と同一であり、この出力S/Nは以下のように定義できる。

Figure 0004564407
First, the antenna aperture plane distribution that maximizes the antenna gain is the same as the condition that maximizes the output S / N for the incident signal from the peak direction of the main lobe, and this output S / N is defined as follows. it can.
Figure 0004564407

を示す。なお、Kがアンテナパターンのピーク方向を決定する設計パラメータである。従って、ピーク方向からの入射信号に対する出力S/Nは、次式で表すことができる。

Figure 0004564407
Indicates. K is a design parameter that determines the peak direction of the antenna pattern. Therefore, the output S / N with respect to the incident signal from the peak direction can be expressed by the following equation.
Figure 0004564407

この形式のままでは拘束条件を加味した利得最大の条件を直接算出できないため、新たに以下の恒等式を定義する。   Since the maximum gain condition including the constraint condition cannot be directly calculated in this form, the following identity is newly defined.

まず式(7)の条件のもとで式(9)が同時に成立するためには次の条件式を満足する必要がある。

Figure 0004564407
First, it is necessary to satisfy the following conditional expression in order for Expression (9) to hold simultaneously under the condition of Expression (7).
Figure 0004564407

さらに(7)式において仮定した有効素子数の制約に対する次の恒等式を導入する。

Figure 0004564407
Further, the following identity is introduced for the constraint on the number of effective elements assumed in the equation (7).
Figure 0004564407

以上に示す恒等式を使用することにより、(14)式を以下の形式に変形することができる。

Figure 0004564407
By using the identity shown above, equation (14) can be transformed into the following form.
Figure 0004564407

このとき式(10)のノイズ出力は、次のように変形できる。

Figure 0004564407
At this time, the noise output of equation (10) can be modified as follows.
Figure 0004564407

同様にして、式(11)の信号出力は、次のように表すことができる。

Figure 0004564407
Similarly, the signal output of equation (11) can be expressed as follows.
Figure 0004564407

ここで、次のSchwartzの不等式を適用する。   Here we apply the following Schwartz inequality:

ベクトルF,Gについて

Figure 0004564407
About vectors F and G
Figure 0004564407

したがって、以下の再定義により

Figure 0004564407
Therefore, the following redefinition
Figure 0004564407

出力S/N最大化の条件を以下のように導出できる。

Figure 0004564407
The conditions for maximizing the output S / N can be derived as follows.
Figure 0004564407

なお、出力S/N最大、即ちアンテナ利得が最大となる等号成立条件は、次式で与えられる。

Figure 0004564407
Note that the condition for establishing the equal sign that maximizes the output S / N, that is, the antenna gain is given by the following equation.
Figure 0004564407

算出されたアンテナ利得が最大となる条件は前節で示す拘束条件における最大条件であり、ここで算出されたWはあくまで利得最大を満足するための条件式に相当している。したがって実際の開口面分布にあたる重みベクトルWmは、ここで算出されたWを使って式(18)によりWmへ変換することにより、サイドローブゼロでS/N最大の重みベクトルを算出できる。その結果は以下のとおりとなる。

Figure 0004564407
The condition under which the calculated antenna gain becomes maximum is the maximum condition in the constraint conditions shown in the previous section, and W calculated here corresponds to a conditional expression for satisfying the maximum gain. Therefore, the weight vector W m corresponding to the actual aperture distribution can be converted to W m according to Equation (18) using W calculated here, whereby the S / N maximum weight vector with zero side lobe can be calculated. The result is as follows.
Figure 0004564407

さらに、式(32)にはピーク方向を示すステアリングベクトルを含んでいるため、ステアリングベクトルを除いた開口面ウェイトである窓関数の形状H(定数項も除く)は次式で表されることが分かる。

Figure 0004564407
Furthermore, since the equation (32) includes a steering vector indicating the peak direction, the shape H (excluding a constant term) of the window function, which is an aperture weight excluding the steering vector, can be expressed by the following equation. I understand.
Figure 0004564407

以上の導出によって得られる重みベクトルは、初期設定した有効素子数にほぼ相当する主ビーム幅を持ち、サイドローブフリーという拘束条件とこの条件下で利得最大となる開口面分布であり、かつ収束演算によらず直接算出可能であることが分かる。   The weight vector obtained by the above derivation has a main beam width approximately equivalent to the number of initially set effective elements, is a sidelobe-free constraint condition, and an aperture distribution with maximum gain under this condition, and a convergence calculation It can be seen that it can be directly calculated regardless of the above.

なお、上述した説明においては、アンテナパターンのメインローブ付近±Nxまでの角度サンプル出力のみを許容し、他の全ての方向のサンプル値を0とする拘束を行なった場合について説明したが、アンテナパターンのメインローブ付近±Nxまでの角度サンプル出力のみを許容し、他の一部の方向のサンプル値を0とする拘束を行なうことも容易に可能である。 In the above description, a case has been described in which only the angular sample output up to ± N x in the vicinity of the main lobe of the antenna pattern is allowed and the sample values in all other directions are restricted to zero. It is also possible to easily constrain the sample values in some other directions to 0 while allowing only angle sample output up to ± N x near the main lobe of the pattern.

また、上述した第1の実施の形態に係るアンテナ装置は1次元のアレイアンテナを想定したものであるが、例えば、図4に示すような、アンテナ素子1が方位方向および仰角方向に配置された2次元のアレイアンテナに適用することもできる。この場合、方位方向の複数のアンテナ素子または仰角方向の複数のアンテナ素子に対して重みベクトルを算出するように構成できる。   The antenna device according to the first embodiment described above is assumed to be a one-dimensional array antenna. For example, as shown in FIG. 4, the antenna elements 1 are arranged in the azimuth direction and the elevation direction. It can also be applied to a two-dimensional array antenna. In this case, the weight vector can be calculated for a plurality of antenna elements in the azimuth direction or a plurality of antenna elements in the elevation angle direction.

また、ここで述べた手法は、有効素子が中央に連続している場合に限られるものではなく、図5に示すように、有効素子が複数の小開口を有するサブアンテナに分散して配置された分散アレイを構成している場合や、メインローブピーク方向に対し、Nxの数を左右で等しくしない場合についても、重み付け関数を算出可能である。 Further, the method described here is not limited to the case where the effective elements are continuous in the center. As shown in FIG. 5, the effective elements are distributed and arranged in the sub-antennas having a plurality of small apertures. The weighting function can also be calculated when a distributed array is configured or when the number of N x is not equal on the left and right with respect to the main lobe peak direction.

また、上述した手法によって求められた重み関数を用いて生成された重みベクトルを算出した後に、図6に示すように、その重みベクトルを用いて算出された合成器4の出力をウェイト演算部2にフィードバックし、ウェイト演算部2では、合成器4からフィードバックされたデータに基づいてサイドローブをさらに低減するようにアンテナパターンを変更し、上述した重み付け関数を用いて再度重みベクトルを算出するという処理を繰り返すように構成できる。この構成によれば、サイドローブを所望のレベルに低減できるとともに、高いアンテナ利得を得ることができる。   Further, after calculating the weight vector generated using the weight function obtained by the above-described method, the output of the combiner 4 calculated using the weight vector is used as the weight calculation unit 2 as shown in FIG. In the weight calculation unit 2, the antenna pattern is changed so as to further reduce the side lobe based on the data fed back from the combiner 4, and the weight vector is calculated again using the above-described weighting function. Can be configured to repeat. According to this configuration, the side lobe can be reduced to a desired level, and a high antenna gain can be obtained.

本発明は、パルス圧縮方式を採用したレーダ装置等に適用可能である。   The present invention is applicable to a radar apparatus or the like that employs a pulse compression method.

本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置が適用されたレーダ装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the radar apparatus with which the antenna apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention was applied. 本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置としての空中線の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the antenna as an antenna apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置において、アンテナ開口上の全素子数に対する有効素子数を説明するための図である。In the antenna apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention, it is a figure for demonstrating the number of effective elements with respect to the total number of elements on an antenna opening. 本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置として2次元のアレイアンテナが使用される場合の例を示す図である。It is a figure which shows the example in case a two-dimensional array antenna is used as an antenna apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置を複数のサブアンテナによって分散アレイ構成にした場合を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the case where the antenna apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention is made into the distributed array structure by the some subantenna. 本発明の第1の実施の形態の変形例に係るアンテナ装置として空中線の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the antenna as an antenna apparatus which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 複数のアンテナ素子
2 ウェイト演算部
3 複数の乗算器
4 合成器
1 Multiple antenna elements 2 Weight calculation unit 3 Multiple multipliers 4 Synthesizer

Claims (5)

複数のアンテナ素子を備えたアンテナ装置であって、
アンテナパターンの主ローブの中心方向およびその近傍の複数の方向を除いて、その外側の方向に対する前記アンテナパターンのサイドローブをゼロとし同時にアンテナ利得を最大とする重み付け関数を算出しこの重み付け関数を用いて重みベクトルを算出するウェイト演算部と、
前記ウェイト演算部で算出された重みベクトルを用いて、前記複数のアンテナ素子から得られる複数の信号にそれぞれ重み付けする複数の乗算器と、
前記複数の乗算器の出力を合成する合成器と、
を備え、
前記ウェイト演算部は、前記重み付け関数
Figure 0004564407
An antenna device including a plurality of antenna elements,
Except for the central direction of the main lobe of the antenna pattern and a plurality of directions in the vicinity thereof, a weighting function that maximizes the antenna gain at the same time as the side lobe of the antenna pattern with respect to the outer direction is calculated and used. A weight calculation unit for calculating a weight vector using
A plurality of multipliers each weighting a plurality of signals obtained from the plurality of antenna elements using the weight vector calculated by the weight calculation unit;
A combiner for combining the outputs of the plurality of multipliers;
Bei to give a,
The weight calculation unit includes the weighting function.
Figure 0004564407
前記複数のアンテナ素子は、方位方向に配列された複数のアンテナ素子と仰角方向に配列された複数のアンテナ素子とから成り、
前記複数の乗算器は、前記ウェイト演算部で算出された重みベクトルを用いて、前記方位方向に配列された複数のアンテナ素子から得られる複数の信号、または前記仰角方向に配列された複数のアンテナ素子から得られる複数の信号のそれぞれに重み付けすることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
The plurality of antenna elements are composed of a plurality of antenna elements arranged in the azimuth direction and a plurality of antenna elements arranged in the elevation angle direction,
The plurality of multipliers are a plurality of signals obtained from a plurality of antenna elements arranged in the azimuth direction or a plurality of antennas arranged in the elevation angle direction using the weight vector calculated by the weight calculation unit. 2. The antenna device according to claim 1, wherein each of a plurality of signals obtained from the elements is weighted.
各々が複数のアンテナ素子を備えた複数のサブアンテナが分散して配置された分散アレイを構成するアンテナ装置であって、An antenna device that constitutes a distributed array in which a plurality of sub-antennas each having a plurality of antenna elements are distributed and arranged,
前記複数のサブアンテナの各々は、  Each of the plurality of sub-antennas is
アンテナパターンの主ローブの中心方向およびその近傍の複数の方向を除いて、その外側の方向に対する前記アンテナパターンのサイドローブをゼロとし同時にアンテナ利得を最大とする重み付け関数を算出しこの重み付け関数を用いて重みベクトルを算出するウェイト演算部と、  Except for the central direction of the main lobe of the antenna pattern and a plurality of directions in the vicinity thereof, the weighting function is calculated by calculating the weighting function which makes the side lobe of the antenna pattern with respect to the outside direction zero and at the same time maximizes the antenna gain. A weight calculation unit for calculating a weight vector using
前記ウェイト演算部で算出された重みベクトルを用いて、前記複数のアンテナ素子から得られる複数の信号にそれぞれ重み付けする複数の乗算器と、  A plurality of multipliers each weighting a plurality of signals obtained from the plurality of antenna elements using the weight vector calculated by the weight calculation unit;
前記複数の乗算器の出力を合成する合成器と、  A combiner for combining the outputs of the plurality of multipliers;
を備え、With
前記ウェイト演算部は、前記重み付け関数  The weight calculation unit includes the weighting function.
Figure 0004564407
Figure 0004564407
前記ウェイト演算部は、前記合成器の出力に基づいて、前記サイドローブをさらに低減するようにアンテナパターンを変更し、前記重み付け関数を用いて重みベクトルを再度算出することを特徴とする請求項3記載のアンテナ装置。The weight calculation unit changes an antenna pattern so as to further reduce the side lobe based on an output of the combiner, and recalculates a weight vector using the weighting function. The antenna device described. 前記サブアンテナを構成する複数のアンテナ素子は、方位方向に配列された複数のアンテナ素子と仰角方向に配列され複数のアンテナ素子とから成り、The plurality of antenna elements constituting the sub-antenna is composed of a plurality of antenna elements arranged in the azimuth direction and a plurality of antenna elements arranged in the elevation direction,
前記複数の乗算器は、前記ウェイト演算部で算出された重みベクトルを用いて、前記方位方向に配列された複数のアンテナ素子から得られる複数の信号、または前記仰角方向に配列された複数のアンテナ素子から得られる複数の信号のそれぞれに重み付けすることを特徴とする請求項3または請求項4記載のアンテナ装置。  The plurality of multipliers are a plurality of signals obtained from a plurality of antenna elements arranged in the azimuth direction, or a plurality of antennas arranged in the elevation angle direction, using the weight vector calculated by the weight calculation unit. 5. The antenna device according to claim 3, wherein each of a plurality of signals obtained from the elements is weighted.
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