JP4622966B2 - アレーアンテナ、アレー給電反射鏡アンテナ、前記両アンテナの指向方向誤差検出方法及び指向方向誤差補償方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信／衛星通信におけるアレーアンテナ及びアレー給電反射鏡アンテナの指向方向誤差検出及び指向方向誤差補償技術に関する。

非特許文献１には、モノパルス方式、つまり、アンテナ中心に対して僅かにずれて配置した素子アンテナの差信号をモニタすることで、反射鏡アンテナ等の開口面アンテナの指向方向誤差を検出する方法が記載されている。

また、非特許文献２には、アレーアンテナへのモノパルス方式の適用について記載されている。非特許文献２は、中心軸に対して対称性を有するアレーアンテナ、つまり、ビーム形成のための各素子アンテナの振幅が中心軸に対して対称に、位相が指向方向に対して一様に分布するアレーアンテナに関するものである。

図１は、非特許文献１に記載の、アレーアンテナの指向方向誤差検出のための構成図である。図１に示すように、素子アンテナ３（図中の各白抜き円が素子アンテナ３を表す。以下、他の図について同じ。）を含むアレーアンテナは、中心軸２により素子グループ１−１と素子グループ１−２に分割され、１８０度ハイブリッド回路４は、素子グループ１−１及び素子グループ１−２からの信号Ａ及びＢを入力し、和信号として、
（１／√２）×（Ａ＋Ｂ）
を、差信号として、
（１／√２）×（Ａ−Ｂ）
を出力する。

図２は、指向方向０度のアレーアンテナにおいて、素子グループ１−１が出力する信号Ａ、素子グループ１−２が出力する信号Ｂ、１８０度ハイブリッド回路４が出力する和信号及び差信号の、角度に対する受信電圧を示す図である。指向方向誤差がない場合には、和信号は最大、差信号は零となり、指向方向誤差がある場合には、誤差方向に応じて和信号が低下し、差信号が増大するため、指向方向誤差量を算出することが可能になる。

また、図３は、従来技術によるアレーアンテナの指向方向誤差検出のための他の構成図である。図３においては、素子アンテナ３を含むアレーアンテナは、直交する中心軸２−１及び中心軸２−２により素子グループ１−１、素子グループ１−２、素子グループ１−３、素子グループ１−４に分割されている。１８０度ハイブリッド回路４−１は、素子グループ１−１及び素子グループ１−３からの信号Ａ及びＣを入力し、１８０度ハイブリッド回路４−２は、素子グループ１−２及び素子グループ１−４からの信号Ｂ及びＤを入力し、それぞれ、和信号及び差信号を出力する。１８０度ハイブリッド回路４−３は、１８０度ハイブリッド回路４−１が出力する差信号及び１８０度ハイブリッド回路４−２が出力する差信号を入力して和信号を出力し、１８０度ハイブリッド回路４−４は、１８０度ハイブリッド回路４−１が出力する和信号及び１８０度ハイブリッド回路４−２が出力する和信号を入力して和信号及び差信号を出力する。

図３の構成により、２方向、例えば仰角及び方位角方向の指向方向誤差量の検出が可能となる。

"アンテナ工学ハンドブック"、電子通信学会編、オーム社、ｐｐ．１８４−ｐｐ．１８６ 大塚昌孝、千葉勇、片木孝至、鈴木龍彦、"フェーズドアレーアンテナにおけるモノパルス差パターンのビーム方向に関する検討"、電子情報通信学会論文誌 Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｂ Ｎｏ．３、ｐｐ．４２７−４３４、１９９９年３月

アレーアンテナ及びアレー給電反射鏡アンテナにおいて、素子アンテナの配置は上下及び左右対称構造とは限らず、励振分布についても対象性や一様分布を有することは無いため、従来のモノパルス方式を指向方向誤差検出に用いることはできない。

したがって、本発明は、素子アンテナの配置や励振分布に依存することなく指向方向誤差量の検出を行うアレーアンテナ、アレー給電反射鏡アンテナを提供することを目的とする。また、これらアンテナの指向方向誤差検出方法及び指向方向誤差補償方法を提供することも目的とする。

本発明における指向方向誤差検出方法によれば、
複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナ又は該アレーアンテナを有するアレー給電反射鏡アンテナにおける指向方向誤差検出方法であって、中心軸により、アレーアンテナを２つの素子グループに分割するステップと、両素子グループにおいて、含まれる１つ以上の素子アンテナが受信する信号の合成信号を生成するステップと、両素子グループの合成信号の差成分に基づき指向方向誤差量を検出するステップとを有し、前記中心軸は、形成するビームの指向方向から送出された信号に対して、両素子グループの合成信号が等しくなる様に設定されることを特徴とする。

本発明の指向方向誤差検出方法における他の実施形態によれば、
両素子グループの合成信号の和成分で規格化した差成分に基づき指向方向誤差量を検出することも好ましい。

本発明の指向方向誤差検出方法における他の実施形態によれば、
複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナ又は該アレーアンテナを有するアレー給電反射鏡アンテナにおける指向方向誤差検出方法であって、第１の中心軸により、アレーアンテナを２つの素子グループに分割するステップと、第１の中心軸と直交する第２の中心軸により、アレーアンテナを２つの素子グループに分割するステップと、各素子グループにおいて、含まれる１つ以上の素子アンテナが受信する信号の合成信号を生成するステップと、第１の中心軸により分割される両素子グループの合成信号の差成分、及び、第２の中心軸により分割される両素子グループの合成信号の差成分に基づき指向方向誤差量を検出するステップとを有し、前記第１の中心軸及び第２の中心軸は、形成するビームの指向方向から送出された信号に対して、各中心軸により分割される両素子グループの合成信号が等しくなる様に設定されることを特徴とする。

本発明における指向方向誤差補償方法によれば、
複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナ又は該アレーアンテナを有するアレー給電反射鏡アンテナの指向方向誤差補償方法であって、前記指向方向誤差検出方法により指向方向誤差量を検出し、指向方向誤差量が零となる様に、アレーアンテナ若しくはアレー給電反射鏡アンテナを傾斜若しくは回転させ、又は、アレー給電反射鏡アンテナのアレーアンテナと反射鏡の相対位置を調整することを特徴とする。

本発明の指向方向誤差補償方法における他の実施形態によれば、
複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナ又は該アレーアンテナを有するアレー給電反射鏡アンテナの指向方向誤差補償方法であって、前記指向方向誤差検出方法により指向方向誤差量を検出し、指向方向誤差量が零となる様に、各素子アンテナとの信号に与える振幅及び位相を調整することを特徴とする。

本発明におけるアレーアンテナによれば、
複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナであって、中心軸により分割されたアレーアンテナの部分である２つの素子グループに対応して設けられ、対応する素子グループに含まれる１つ以上の素子アンテナが受信する信号を合成する合成手段と、両合成手段からの信号を入力して、差成分を出力する手段と、差成分に基づき指向方向誤差量を検出する手段とを備え、前記中心軸は、形成するビームの指向方向から送出された信号に対して、両素子グループの合成信号が等しくなる様に設定されることを特徴とする。

本発明のアレーアンテナにおける他の実施形態によれば、
複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナであって、互いに直交する第１の中心軸及び第２の中心軸により４つに分割されたアレーアンテナの部分である第１から第４の素子グループに対応して設けられ、対応する素子グループに含まれる１つ以上の素子アンテナが受信する信号を合成する第１から第４の合成手段と、第１の中心軸に対して第１の素子グループと第３の素子グループが同じ側であり、第２の中心軸に対して第１の素子グループと第２の素子グループが同じ側であり、第１の素子グループと第１の合成手段が、第２の素子グループと第２の合成手段が、第３の素子グループと第３の合成手段が、第４の素子グループと第４の合成手段が対応するときに、第１の合成手段からの第１の合成信号と第３の合成手段からの第３の合成信号との和成分と、第２の合成手段からの第２の合成信号と第４の合成手段からの第４の合成信号との和成分との差成分である第１の差成分、及び、第１の合成信号と第２の合成信号との和成分と、第３の合成信号と第４の合成信号との和成分との差成分である第２の差成分を出力する手段と、第１の差成分及び第２の差成分に基づき指向方向誤差量を検出する手段とを備え、前記第１の中心軸及び第２の中心軸は、形成するビームの指向方向から送出された信号に対して、第１の合成信号と、第２の合成信号と、第３の合成信号と、第４の合成信号とが等しくなる様に設定されることを特徴とする。

本発明におけるアレー給電反射鏡アンテナによれば、
前記アレーアンテナと、該アレーアンテナにより給電される反射鏡とを備えていることを特徴とする。

対称構造ではないアレーアンテナに対してもモノパルス方式の適用が可能となる。モノパルス方式は、簡易な回路構成、高精度な指向方向誤差検出を特徴とするため、現実的な構成のアレーアンテナ及びアレー給電反射鏡アンテナに適用できることの効果は大きいものである。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。

図４は、本発明による指向方向誤差検出方法を説明する図である。複数の素子アンテナ３で構成されるアレーアンテナを、ビームに応じた中心軸２により２つの素子グループ１−１、１−２に分割する。ここで、ビームに応じた中心軸２は、そのビームの指向方向から送出された信号に対して、素子グループ１−１に含まれる素子アンテナ３が受信する信号の合成信号と、素子グループ１−２に含まれる素子アンテナ３が受信する信号の合成信号とが等しくなる様に設定されたものであり、形成するビーム毎に異なるものである。そして、素子グループ１−１の総て、又は、その一部の素子アンテナ３が受信する信号の合成信号と、素子グループ１−２の総て、又は、その一部の素子アンテナ３が受信する信号の合成信号との差成分に基づき指向方向誤差量の検出を行う。

また、前記差成分を、素子グループ１−１からの合成信号と、素子グループ１−２からの合成信号との和成分により規格化した信号に基づき指向方向誤差量の検出を行っても良く、差成分を和成分で規格化することにより、信号レベルの振動が吸収できるという利点がある。

図５は、本発明による指向方向誤差検出方法の他の形態を説明する図である。図５に示す形態においては、複数の素子アンテナ３で構成されるアレーアンテナを、ビームに応じた中心軸２−１及び中心軸２−２により４つの素子グループ１−１、１−２、１−３、１−４に分割する。ここで、ビームに応じた中心軸２−１及び中心軸２−２は、そのビームの指向方向から送出された信号に対して、各素子グループに含まれる素子アンテナ３が受信する信号の合成信号が等しくなる様に設定されたものであり、形成するビーム毎に異なるものである。

そして、中心軸２−１により分割される２つの素子グループ群、つまり、素子グループ１−１と素子グループ１−３の組と、素子グループ１−２と素子グループ１−４の組、それぞれについて、含まれる１つ以上の素子アンテナ３が受信する信号の合成信号から、両合成信号の差成分を求める。同様に、中心軸２−２により分割される２つの素子グループ群、つまり、素子グループ１−１と素子グループ１−２の組と、素子グループ１−３と素子グループ１−４の組、それぞれについて、含まれる１つ以上の素子アンテナ３が受信する信号の合成信号から、両合成信号の差成分を求める。この両差成分により直交する２方向、例えば、方位角及び仰角方向の指向方向誤差量の検出を行う。上記と同様、和成分により規格化した信号を使用しても良い。なお、図５（以下、図１１及び図１２において同じ。）において、黒丸はビームのアンテナ中心であり、互いに直交する中心軸２−１及び中心軸２−２は、対応するビームのアンテナ中心で交差する。

図６は、本発明によるアレーアンテナの第１実施形態を示す図である。図６によると、アレーアンテナは、上述したように直交する中心軸２−１及び２−２により分割された素子グループ１−１〜１−４と、重み付け部６と、合成器５と、１８０度ハイブリッド回路４と、振幅・位相分布算出部７と、振幅・位相分布調整部８とを備えている。

重み付け部６は、素子アンテナ３に対応して設けられ、素子アンテナ３からの受信信号及び／又は素子アンテナ３への送信信号に対して位相及び振幅の調整を行う機能を有し、合成器５は、各素子グループ１−１〜１−４に対応して設けられ、対応する素子グループの素子アンテナ３が受信する信号の合成を行い、各素子グループ１−１〜１−４の合成信号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを出力する。１８０度ハイブリッド回路４は、２つの入力信号の和成分及び差成分の（１／√２）倍の信号を出力する機能を有する。

振幅・位相分布算出部７は、１８０度ハイブリッド回路４からの２つの差成分の信号、つまり、素子グループ１−１と１−３からの合成信号の和成分と、素子グループ１−２と１−４からの合成信号の和成分との差成分の信号、及び、素子グループ１−１と１−２からの合成信号の和成分と、素子グループ１−３と１−４からの合成信号の和成分との差成分の信号それぞれから指向方向誤差量を検出し、この指向方向誤差量を零とする振幅及び位相の調整量を算出して振幅・位相分布調整部８を制御する。振幅・位相分布調整部８は、ビーム形成のための各信号の振幅及び位相を、振幅・位相分布算出部７からの制御に従い調整する。なお、全素子グループ１−１〜１−４の和成分は、差成分を規格化する場合に使用する。

図７は、本発明によるアレーアンテナの第２実施形態を示す図であり、図６の第１実施系形態と比較し、振幅・位相分布算出部７が、振幅・位相分布調整部８ではなく、各重み付け部６を制御して振幅及び位相の調整を行う。本実施形態は、重み付け部６での振幅及び位相の調整量が可変である場合の形態であり（第１実施形態においては固定でも可）、別途、振幅・位相分布調整部８を設ける必要がないという利点がある。

図８は、本発明によるアレーアンテナの第３実施形態を示す図である。第３実施形態において、機械パラメータ算出部９は、１８０度ハイブリッド回路４からの２つの差成分の信号に基づき指向方向誤差量を検出し、指向方向誤差量を零とするアンテナの仰角方向及び方位角方向の調整量を算出し、機械パラメータ調整部１０は、機械パラメータ算出部９が算出した調整量だけアンテナを傾斜及び／又は回転させて、その指向方向の調整を行う。

図９は、本発明によるアレー給電反射鏡アンテナの構成図である。図９によると、アレー給電反射鏡アンテナは、給電部１１と、反射鏡１２とを備えており、給電部１１は、本発明によるアレーアンテナを含んでいる。また、給電部１１のアレーアンテナが、図８に示すものである場合、機械パラメータ調整部１０は、反射鏡１２と給電部１１の相対位置調整することにより指向方向を補償することもできる。

なお、図６から図８の構成図は、アレーアンテナを２つの直交する中心軸２により４つに分割した場合の構成図であるが、１つの中心軸により２つの素子グループに分割した場合も同様である。つまり、各素子アンテナ３に対して重み付け部６が設けられ、両素子グループに対して合成器５が設けられ、１つの１８０度ハイブリッド回路４が、両合成器５からの合成信号を入力として、両合成信号の差成分及び和成分を出力し、振幅・位相分布算出部７又は機械パラメータ算出部９が、差成分に基づき指向方向誤差量を検出して、各パラメータの調整量を決定する。

以下、開口径１５８．３波長の回転放物面で、焦点距離１１０．８波長の反射鏡１２と、６４個の素子アンテナ３を１波長間隔で三角配置した給電部１１とを含むアレー給電反射鏡アンテナでの解析結果を図１０〜図１３に示す。形成ビームは、ビームαとビームβの２種類で、ビームαの指向方向は、仰角０．１３３°、方位角０．１６６°、ビームβの指向方向は、仰角−０．１７３°、方位角−０．１３３°とした。

図１０は、ビームα形成時の中心軸２−１及び２−２を示す図であり、図１１は、ビームαについて、角度に対する差成分及び和成分の値を、仰角と方位角それぞれについて示す図である。同様に、図１２は、ビームβ形成時の中心軸２−１及び２−２を示す図であり、図１３は、ビームβについて、角度に対する差成分及び和成分の値を、仰角と方位角それぞれについて示す図である。

図１１及び図１３より、差成分の値は、指向方向において零であることが確認できる。この差成分の値が角度に対して単調推移している範囲内においては、差成分の値をそのまま指向方向誤差として用いることができ、この範囲において指向方向誤差量の検出が可能であることが分かる。また、和成分は、各素子アンテナ３の受信信号の、重み付け部６による重み調整後の信号和であるため、形成ビームと等価である。

図１４は、本発明による指向方向誤差補償方法のフロー図である。図１４によると、指向方向誤差量の検出を行い（Ｓ１）、予め設定した許容値以内であるか否かを判断し（Ｓ２）、許容値を超えている場合には機械的及び／又は電気的パラメータの（Ｓ３）調整を行う。

衛星搭載アンテナ等においては、信号の到来方向が常に揺らいでいる。そのため、信号の到来方向とアンテナの指向方向の誤差である指向方向誤差量を常にモニタしておき、指向方向誤差量が許容レベルを超えた場合に、誤差を補償するための追尾ループに移るという動作を行う。

以上、本発明により対称構造ではないアレーアンテナに対してもモノパルス方式の適用が可能となる。モノパルス方式は、簡易な回路構成、高精度な指向方向誤差検出を特徴とするため、現実的な構成のアレーアンテナ及びアレー給電反射鏡アンテナに適用できることの効果は大きいものである。

従来技術による指向方向誤差検出のための構成図である。 図１の各信号の、角度に対する受信電圧を示す図である。 従来技術による指向方向誤差検出のための他の構成図である。 本発明による指向方向誤差検出方法を説明する図である。 本発明による指向方向誤差検出方法の他の形態を説明する図である。 本発明によるアレーアンテナの第１実施形態を示す図である。 本発明によるアレーアンテナの第２実施形態を示す図である。 本発明によるアレーアンテナの第３実施形態を示す図である。 本発明によるアレー給電反射鏡アンテナの構成図である。 ビームα形成時の中心軸を示す図である。 ビームαについて角度に対する差成分及び和成分の値を示す図である。 ビームβ形成時の中心軸を示す図である。 ビームβについて角度に対する差成分及び和成分の値を示す図である。 本発明による指向方向誤差補償方法のフロー図である。

符号の説明

１−１、１−２、１−３、１−４ 素子グループ
２ 中心軸
３ 素子アンテナ
４、４−１、４−２、４−３、４−４ １８０度ハイブリッド回路
５ 合成器
６ 重み付け部
７ 振幅・位相分布算出部
８ 振幅・位相分布調整部
９ 機械パラメータ算出部
１０ 機械パラメータ調整部
１１ 給電部
１２ 反射鏡

Claims (8)

1. 複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナ又は該アレーアンテナを有するアレー給電反射鏡アンテナにおける指向方向誤差検出方法であって、
   中心軸により、アレーアンテナを２つの素子グループに分割するステップと、
   両素子グループにおいて、含まれる１つ以上の素子アンテナが受信する信号の合成信号を生成するステップと、
   両素子グループの合成信号の差成分に基づき指向方向誤差量を検出するステップと、
   を有し、
   前記中心軸は、形成するビームの指向方向から送出された信号に対して、両素子グループの合成信号が等しくなる様に設定されることを特徴とする指向方向誤差検出方法。
2. 両素子グループの合成信号の和成分で規格化した差成分に基づき指向方向誤差量を検出することを特徴とする請求項１に記載の指向方向誤差検出方法。
3. 複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナ又は該アレーアンテナを有するアレー給電反射鏡アンテナにおける指向方向誤差検出方法であって、
   第１の中心軸により、アレーアンテナを２つの素子グループに分割するステップと、
   第１の中心軸と直交する第２の中心軸により、アレーアンテナを２つの素子グループに分割するステップと、
   各素子グループにおいて、含まれる１つ以上の素子アンテナが受信する信号の合成信号を生成するステップと、
   第１の中心軸により分割される両素子グループの合成信号の差成分、及び、第２の中心軸により分割される両素子グループの合成信号の差成分に基づき指向方向誤差量を検出するステップと、
   を有し、
   前記第１の中心軸及び第２の中心軸は、形成するビームの指向方向から送出された信号に対して、各中心軸により分割される両素子グループの合成信号が等しくなる様に設定されることを特徴とする指向方向誤差検出方法。
4. 複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナ又は該アレーアンテナを有するアレー給電反射鏡アンテナの指向方向誤差補償方法であって、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の方法により指向方向誤差量を検出し、
   指向方向誤差量が零となる様に、アレーアンテナ若しくはアレー給電反射鏡アンテナを傾斜若しくは回転させ、又は、アレー給電反射鏡アンテナのアレーアンテナと反射鏡の相対位置を調整することを特徴とする指向方向誤差補償方法。
5. 複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナ又は該アレーアンテナを有するアレー給電反射鏡アンテナの指向方向誤差補償方法であって、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の方法により指向方向誤差量を検出し、
   指向方向誤差量が零となる様に、各素子アンテナとの信号に与える振幅及び位相を調整することを特徴とする指向方向誤差補償方法。
6. 複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナであって、
   中心軸により分割されたアレーアンテナの部分である２つの素子グループに対応して設けられ、対応する素子グループに含まれる１つ以上の素子アンテナが受信する信号を合成する合成手段と、
   両合成手段からの信号を入力して、差成分を出力する手段と、
   差成分に基づき指向方向誤差量を検出する手段と、
   を備え、
   前記中心軸は、形成するビームの指向方向から送出された信号に対して、両素子グループの合成信号が等しくなる様に設定されることを特徴とするアレーアンテナ。
7. 複数の素子アンテナを含み、該複数の素子アンテナの配置及び励振分布が非対称であるアレーアンテナであって、
   互いに直交する第１の中心軸及び第２の中心軸により４つに分割されたアレーアンテナの部分である第１から第４の素子グループに対応して設けられ、対応する素子グループに含まれる１つ以上の素子アンテナが受信する信号を合成する第１から第４の合成手段と、
   第１の中心軸に対して第１の素子グループと第３の素子グループが同じ側であり、第２の中心軸に対して第１の素子グループと第２の素子グループが同じ側であり、第１の素子グループと第１の合成手段が、第２の素子グループと第２の合成手段が、第３の素子グループと第３の合成手段が、第４の素子グループと第４の合成手段が対応するときに、
   第１の合成手段からの第１の合成信号と第３の合成手段からの第３の合成信号との和成分と、第２の合成手段からの第２の合成信号と第４の合成手段からの第４の合成信号との和成分との差成分である第１の差成分、及び、第１の合成信号と第２の合成信号との和成分と、第３の合成信号と第４の合成信号との和成分との差成分である第２の差成分を出力する手段と、
   第１の差成分及び第２の差成分に基づき指向方向誤差量を検出する手段と、
   を備え
   前記第１の中心軸及び第２の中心軸は、形成するビームの指向方向から送出された信号に対して、第１の合成信号と、第２の合成信号と、第３の合成信号と、第４の合成信号とが等しくなる様に設定されることを特徴とするアレーアンテナ。
8. 請求項６又は７に記載のアレーアンテナと、該アレーアンテナにより給電される反射鏡とを備えていることを特徴とするアレー給電反射鏡アンテナ。

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