JP5025564B2

JP5025564B2 - アレーアンテナ、アレーアンテナの配置方法、アダプティブアンテナ、電波方向探知装置

Info

Publication number: JP5025564B2
Application number: JP2008138107A
Authority: JP
Inventors: 和史平田; 晋一森田; 敦岡村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: JP2009290293A

Description

この発明は、レーダなどに用いられるアレーアンテナ、アレーアンテナの配置方法、アレーアンテナを備えるアダプティブアンテナおよび電波方向探知装置に関するものである。

従来、スパイラルアンテナやログペリアンテナに代表される広帯域アンテナは、広い周波数範囲で有効な利得を有するが、有効範囲の最低周波数に応じたアンテナ径を有する必要があり、このアンテナを用いてアレーアンテナを構成する場合、高域周波数においてグレーティングローブ（ＧｒａｔｉｎｇＬｏｂｅ）を生じる問題がある。グレーティングローブを生じるとアダプティブアンテナでは抑圧性能が低下し、電波方向探知装置では真の方向を識別できず誤差が増大する課題があった。このようなグレーティングローブを抑圧するためにアンテナを不等間隔に配置することが有効であるが、アンテナ間隔をさらに大きくする必要があり、単位面積あたりのアンテナ数が減少し、開口効率が低下する課題があった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−５６７０６号公報

従来の広帯域アンテナのアレーアンテナでは、低域の周波数に対応したアンテナ径の大きなアンテナを用いる必要があり、高域の周波数ではグレーティングローブを生じる課題があった。また、不等間隔配置を用いる方式でもアンテナ間隔が増大し、開口効率が低下する課題があった。

この発明の目的は、グレーティングローブを抑圧し、開口効率が低下しないアレーアンテナを提供することである。

この発明は、異なるアンテナ径を有する複数の広帯域アンテナの位相中心が一次元軸上に配置されるアレーアンテナであって、上記複数の広帯域アンテナは、上記軸上において隣接する２つの上記位相中心間の間隔が上記軸のいずれか一方の端から他方の端に向かうに従い順に一定の増加量で増加するように配置され、上記位相中心間の間隔に応じたアンテナ径の上記広帯域アンテナを配置し、上記増加量と上記軸上の位相中心間の間隔の平均値との比からなるシフト率が１つの上記軸に配置された上記広帯域アンテナの数から１を減算した値の逆数となるように設定することを特徴とするアレーアンテナである。

この発明に係るアレーアンテナの効果は、アンテナ径の異なる広帯域アンテナを不等間隔に配置することでグレーティングローブを抑圧することができると共に、アンテナ径の異なる広帯域アンテナを充填するように配置することで開口効率のよい広帯域なアレーアンテナを構成することができることである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの正面図である。
この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ１は、図１に示すように、アンテナ径が異なる複数の広帯域アンテナから構成される。広帯域アンテナには、低域の周波数に対応できる最もアンテナ径の大きい低域広帯域アンテナ２、中域の周波数に対応できるアンテナ径が中間の中域広帯域アンテナ３、高域の周波数に対応できるアンテナ開口の小さい高域広帯域アンテナ４が含まれる。ここでは、広帯域アンテナの代表としてスパイラルアンテナをモデルとして広帯域アンテナの外形を円で示している。

図２は、スパイラルアンテナの利得の周波数特性を模式的に示したものである。
ここで、低域周波数をＦ_Ｌ、中域周波数をＦ_Ｍ、高域周波数をＦ_Ｈで表す。
スパイラルアンテナは、図２に示すように、低域周波数Ｆ_Ｌよりも高い周波数においてほぼ一定なゲインを有することができる広帯域アンテナである。逆に、低域周波数Ｆ_Ｌより低い周波数においては十分なゲインが得られないので、低域周波数Ｆ_Ｌが必要な帯域の下端周波数よりも低くなるようにアンテナを設計しなければならない。スパイラルアンテナの場合、低域周波数Ｆ_Ｌはアンテナの半径をｒとすると式（１）で与えられる。ここで、ｃ＝３×１０^８（ｍ／ｓ）は光速度である。

式（１）では、スパイラルアンテナの円周長が低域周波数Ｆ_Ｌにおける波長と一致していることを意味している。必要な帯域の下端周波数をＦ_ＬＮで表せば、式（２）に示すように低域周波数Ｆ_Ｌを下端周波数Ｆ_ＬＮより低く設定する必要がある。

式（２）より、下端周波数Ｆ_ＬＮを低くするためには下端周波数Ｆ_ＬＮに応じてアンテナ径を大きくする必要がある。このような広帯域アンテナを用いてアレーアンテナを構成する場合、図８に示すような三角配置を用いるのが一般的である。この三角配置を用いると横方向のアンテナ間隔を狭めることができると共にアンテナを密に配置でき、開口効率を良くすることができるため採用されている。例えば、低域周波数Ｆ_Ｌの電波を受信する場合、波長λは、λ＝ｃ／Ｆ_Ｌ＝２πｒであるから、横方向のアンテナの位相中心（この場合は円の中心である。なお、アンテナの位置は断りのない限り位相中心の位置を意味する）間の間隔はアンテナの半径ｒ程度にすることができ、波長の２π分の１にできるので、半波長よりも十分小さくすることができる。従って、グレーティングローブを生じる心配がない。しかし、同じアンテナを用いて、例えば低域周波数Ｆ_Ｌの１０倍の周波数の電波を受信する場合を考えると、波長は１０分の１となり、アンテナ間隔は１．７λ程度に増大してしまう。アンテナ間隔が増大すると所望とする方向以外でも同じ位相状態となるため、メインローブと同じゲインを持ついわゆるグレーティングローブを生じてしまう。

例えば、このようなグレーティングローブを生じるアレーアンテナを用いて受信する場合を考えると、メインローブ以外の方向からも不要な電波を受信してしまうという課題があり、送信時にも他の通信から見て干渉源となってしまう課題がある。
また、アダプティブアンテナに適用した場合には、グレーティングローブ方向から干渉波が到来する場合メインローブも抑圧してしまう結果となり、Ｓ／Ｎ比を大きく低下してしまうという問題がある。
また、電波到来方向探知装置に適用すると、受信位相状態が同じであるグレーティングローブが存在すると、真の方向と対応するグレーティングローブ方向を識別できないという課題を生じてしまう。

そこで、従来このようなグレーティングローブを抑圧するためアンテナを不等間隔に配置することが有効であることが知られている。しかし、有効にグレーティングローブを抑圧するためにはアンテナを大きくばらつかせる必要があり、例えば図９に示すようにアンテナ間隔が増大し、単位面積あたりのアンテナ数が減少してしまうことになる。このため、アンテナを配置できる面積に限定がある場合にはアンテナ数減少によるアンテナ利得の低下が課題となる。

そこで、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナでは、図１に示すように、アンテナ径の異なるスパイラルアンテナを不等間隔配置となるように配置する。単位面積内に効率的にアンテナを配置するため、まずアンテナ径の大きい低域広帯域アンテナ２を不等間隔に配置可能な領域内に配置する。それから、アンテナ径が中間の中域広帯域アンテナ３を低域広帯域アンテナ２を配置した隙間に不等間隔に充填されるように配置する。最後に最もアンテナ径の小さい高域広帯域アンテナ４を低域広帯域アンテナ２および中域広帯域アンテナ３の隙間に充填されるように不等間隔に配置する。なお、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナでは、３種類のアンテナ径が異なる広帯域アンテナを用いているが、アンテナ径が２種類でも良いし、アンテナ径が４種類以上でももちろん良い。

このようにアンテナ径の異なる広帯域アンテナを不等間隔に配置することでグレーティングローブを抑圧することができると共に、アンテナ径の異なる広帯域アンテナを充填するように配置することで開口効率のよい広帯域なアレーアンテナを構成することができる。

なお、ここでは広帯域アンテナとしてスパイラルアンテナを用いて構成しているが、広帯域アンテナとしてログペリアンテナを用いて構成しても良い。

図５は、アンテナ径の異なる複数の広帯域アンテナで構成されるアレーアンテナを用いたビームフォーマを示す図である。なお、図５では、低域広帯域アンテナ２、中域広帯域アンテナ３および高域広帯域アンテナ４をまとめて広帯域アンテナ１０と付記する。
ビームフォーマ１１は、３種類のアンテナ径の複数の広帯域アンテナ１０から構成されるアレーアンテナ１、各広帯域アンテナ１０からの信号に位相および振幅を制御する複素荷重を乗じる乗算器５、各乗算器５の出力を合成する合成器６を備える。
そして、ビームフォーマ１１が３種類のアンテナ径の複数の広帯域アンテナ１０を不等間隔に配置したアレーアンテナ１を用いることにより、受信時にはグレーティングローブを抑圧することができるので不要信号の受信量を減少させることができる。また、このビームフォーマ１１を送信に用いるときにはグレーティングローブによる不要放射量を減少させることができる。

図６は、３種類のアンテナ径の複数の広帯域アンテナで構成されるアレーアンテナを用いたアダプティブアンテナを示す図である。なお、図６では図５と同様に、低域広帯域アンテナ２、中域広帯域アンテナ３および高域広帯域アンテナ４をまとめて広帯域アンテナ１０と付記する。
アダプティブアンテナ１２は、３種類のアンテナ径の複数の広帯域アンテナ１０から構成されるアレーアンテナ１、広帯域アンテナ１０からの受信信号の振幅および位相を制御し、その合成信号において干渉波を抑圧するように自動的に制御する適応信号処理手段７を備える。
干渉波を抑圧する場合にはそのアンテナパターンにおいて干渉波の入射方向にナルが形成されることになる。そして、アレーアンテナがグレーティングローブを持つ場合には、メインローブと受信位相特性の等しい方位が存在していることとなり、たとえばグレーティングローブの方向から干渉波が入射する場合にはメインローブ方向にもナルを形成することと等価であるので、所望波も抑圧して結果的にＳ／Ｎ比を低下させる課題がある。
しかし、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ１のように３種類のアンテナ径の複数の広帯域アンテナ１０を不等間隔に配置したものをアダプティブアンテナ１２に適用すると、グレーティングローブを抑圧することができるので、性能劣化を生じる干渉波の入射方向をなくすことができる。
また、開口効率を高めてゲインを向上することが出来るので、より高いＳ／Ｎ比で受信することができる。

図７は、３種類のアンテナ径の複数の広帯域アンテナで構成されるアレーアンテナを用いた電波方向探知装置の構成を示す図である。なお、図７では図５と同様に、低域広帯域アンテナ２、中域広帯域アンテナ３および高域広帯域アンテナ４をまとめて広帯域アンテナ１０と付記する。
電波方向探知装置１３は、３種類のアンテナ径の複数の広帯域アンテナ１０から構成されるアレーアンテナ１、広帯域アンテナ１０からの受信信号を用いて電波到来方向を探知する電波方向探知手段８を備える。
電波方向探知手段８として様々な方式が提案されているが、ＭｕｌｔｉｐｌｅＳｉｇｎａｌＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＭＵＳＩＣ）アルゴリズムに代表されるように原理的には到来方向のアレーアンテナの受信位相特性を検出することで到来方向を求めている。このため、グレーティングローブを生じると真の方向以外に偽像を生じるため誤検出を引き起こし性能低下の要因となる。
しかし、これに対し、本発明の複数のアンテナ径の異なる広帯域アンテナ不等間隔に配置したアレーアンテナ１を電波方向探知装置１３に適用した場合には、グレーティングローブを抑圧することができるので、真の到来方向以外に生じる偽像のため引き起こされる誤検出を回避することができ、有効に真の方位を探知することができる。
また、開口効率を高めてゲインを向上することが出来るので、より高い精度で電波方向を探知できる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナの正面図である。
この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ１Ｂは、２種類のアンテナ径の広帯域アンテナから構成されるものであり、広帯域アンテナは、低域の周波数に対応できるアンテナ径の大きい方の低域広帯域アンテナ２、中域の周波数に対応できるアンテナ径の小さい方の中域広帯域アンテナ３を含んでいる。そして、グレーティングローブを有効に抑圧できる不等間隔配置方法として、参考文献１（平田和史、他４名、「グレーティングローブを抑圧する分散アレーアンテナの配置方法」、信学技報Ａ・Ｐ２００５−１５、電子情報通信学会、２００５年５月、ｐ．３５−４０）に示された定量シフト配置法を縦方向および横方向に適用している。
定量シフト配置は、有効にグレーティングローブを抑圧できるとともに、最適なシフト量をアンテナ数や視野角（グレーティングローブを生じない角度）の条件から容易に設計することができる。

ここでは、簡単のため図８の最下段の横１段に並べられた低域広帯域アンテナ２を例として定量シフト配置について説明する。この横１段では４つの低域広帯域アンテナ２は、３種類のアンテナ間隔で配置されている。アンテナ間隔は、図８の低域広帯域アンテナ２に関し、左端から順に一定のシフト量δ_ｈずつ増加している。これら３つのアンテナ間隔の平均をｄ_０とすると、アンテナ間隔は左端からｄ_０−δ_ｈ、ｄ_０、ｄ_０＋δ_ｈとなる。このように一定のシフト量δ_ｈずつアンテナ間隔を増加させる配置方法を定量シフト配置とよぶ。また、式（３）に示すようにシフト量δ_ｈとアンテナ間隔の平均ｄ_０の比をシフト率（Ｓ_ｒ）とよぶ。

定量シフト配置では、シフト量δ_ｈによって視野角が決定され、グレーティングローブを抑圧する最適なシフト率Ｓ_ｒはアンテナ数によって決定される。従って、必要な視野角に従ってシフト量δ_ｈの条件が求まり、この条件の元で最適なシフト率Ｓ_ｒとなるように設計する。最適なシフト率Ｓ_ｒの導出に関しては説明を省略するが、参考文献１に記載されている通りアンテナ数Ｍとするとき式（４）で与えられる。

例えば図８のケースでは、アンテナ数Ｍが４であるのでシフト率Ｓ_ｒは１／３となる。図８の横方向にアンテナ径が十分にあるため、低域広帯域アンテナ２を配置すれば、有効にグレーティングローブを抑圧できる。また、開口効率を上げるためにアンテナを増加させることも可能である。

次に、定量シフト配置を適用して複数の広帯域アンテナを縦方向および横方向の２次元に配置することについて説明する。図８は、縦方向および横方向にそれぞれ定量シフト配置となるように２次元グリッドを形成し、２次元グリッドの交点上に広帯域アンテナを配置した例を示している。横方向のアンテナ間隔については既に説明したが、同様に縦方向にも定量シフト配置を適用でき、縦方向の一定のシフト量をδ_ｙ、アンテナ間隔の平均をｄ_ｌとする。このとき、横方向と同様に、縦方向の最適なシフト率Ｓ_ｒは式（５）で与えられる。

最適な設計を行うと、例えば図８の縦方向に示すようにアンテナ間隔を狭くする必要があり、低域広帯域アンテナ２を全てのグリッドの交点上に配置できない場合がある。その場合には、図８の最下段の直上の段に中域広帯域アンテナ３を配置するように構成しても良い。この場合、開口効率を減少させることなくグレーティングローブを抑圧できる。

また、低域広帯域アンテナ２のアンテナ径がさらに大きく、２つ以上のグリッドの交点上に１つの低域広帯域アンテナ２が占有する場合があり得る。このような場合、図９に示すように、その交点には低域広帯域アンテナ２を配置しないようにしてもよい。図９に示すように広帯域アンテナを２次元に配置する場合には、横方向および縦方向への射影として全てのグリッド上にアンテナが配置されるようにすればよい。例えば、図９に示したアレーアンテナを用いて電波方向探知装置を構成する場合には、アジマス方向およびエレベーション方向の何れについてもグレーティングローブを抑圧できるように設計できるので偽像による方向探知誤差を生じることなく電波の到来方向を探知できる効果がある。
また、開口効率を上げるために、図９の隙間にアンテナ径の小さい広帯域アンテナを不等間隔に充填するように配置してもよい。

以上説明したように、実施の形態２のアレーアンテナでは、広帯域アンテナを定量シフト配置に基づいて配置することで有効にグレーティングローブを抑圧できる効果を有する。また、アンテナ径の異なる広帯域アンテナを定量シフト配置を用いた２次元グリッド上に形成し、その交点上に配置するので、最適なシフト率で配置できると共に、開口効率が低下しない効果がある。

この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの正面図である。スパイラルアンテナの利得の周波数特性を模式的に示したものである。広帯域アンテナを三角配置したアレーアンテナの正面図である。アンテナ間隔をばらつかせて広帯域アンテナを配置したアレーアンテナの正面図である。３種類のアンテナ径の複数の広帯域アンテナで構成されるアレーアンテナを用いたビームフォーマを示す図である。３種類のアンテナ径の複数の広帯域アンテナで構成されるアレーアンテナを用いたアダプティブアンテナを示す図である。３種類のアンテナ径の複数の広帯域アンテナで構成されるアレーアンテナを用いた電波方向探知装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナの正面図である。図８の低域広帯域アンテナのアンテナ径を大きくしたときのアレーアンテナの正面図である。

符号の説明

１、１Ｂアレーアンテナ、２低域広帯域アンテナ、３中域広帯域アンテナ、４高域広帯域アンテナ、５乗算器、６合成器、７適応信号処理手段、８電波方向探知手段、１０広帯域アンテナ、１１ビームフォーマ、１２アダプティブアンテナ、１３電波方向探知装置。

Claims

異なるアンテナ径を有する複数の広帯域アンテナの位相中心が一次元軸上に配置されるアレーアンテナであって、
上記複数の広帯域アンテナは、上記軸上において隣接する２つの上記位相中心間の間隔が上記軸のいずれか一方の端から他方の端に向かうに従い順に一定の増加量で増加するように配置され、
上記位相中心間の間隔に応じたアンテナ径の上記広帯域アンテナを配置し、
上記増加量と上記軸上の位相中心間の間隔の平均値との比からなるシフト率が１つの上記軸に配置された上記広帯域アンテナの数から１を減算した値の逆数となるように設定する
ことを特徴とするアレーアンテナ。
並行する複数の第１の軸と上記第１の軸に直交するとともに並行する複数の第２の軸との交点に、異なるアンテナ径を有する複数の広帯域アンテナの位相中心が配置されるアレーアンテナであって、
上記複数の広帯域アンテナは、上記第１の軸上において隣接する２つの上記位相中心間の間隔が上記第１の軸のいずれか一方の端から他方の端に向かうに従い順に一定の第１の増加量で増加するとともに上記第２の軸上において隣接する２つの上記位相中心間の間隔が上記第２の軸のいずれか一方の端から他方の端に向かうに従い順に一定の第２の増加量で増加するように配置され、
上記位相中心間の間隔に応じたアンテナ径の上記広帯域アンテナを配置し、
上記第１の増加量と上記第１の軸上の位相中心間の間隔の平均値との比からなる第１のシフト率が１つの上記第１の軸に配置された上記広帯域アンテナの数から１を減算した値の逆数となるように設定するとともに、上記第２の増加量と上記第２の軸上の位相中心間の間隔の平均値との比からなる第２のシフト率が１つの上記第２の軸に配置された上記広帯域アンテナの数から１を減算した値の逆数となるように設定する
ことを特徴とするアレーアンテナ。
並行するとともに小さい間隔から大きい間隔に順に一定の第１の増加量で大きくなる間隔により離間する複数の第１の軸と、上記第１の軸に直交し且つ並行するとともに小さい間隔から大きい間隔に順に一定の第２の増加量で大きくなる間隔により離間する複数の第２の軸との交点に、異なるアンテナ径を有する複数の広帯域アンテナの位相中心を配置するアレーアンテナの配置方法であって、
上記第１の増加量と上記第１の軸が離間する間隔の平均値との比が１つの上記第２の軸上に配置された上記広帯域アンテナの数から１を減算した値の逆数となるように上記第１の増加量または上記第１の軸が離間する間隔を設定し、
上記第２の増加量と上記第２の軸が離間する間隔の平均値との比が１つの上記第１の軸上に配置された上記広帯域アンテナの数から１を減算した値の逆数となるように上記第２の増加量または上記第２の軸が離間する間隔を設定し、
最初に上記交点上に最も大きなアンテナ径を有する上記広帯域アンテナを配置し、次に上記支点の間隔に応じて小さいアンテナ径の広帯域アンテナを配置することを特徴とするアレーアンテナの配置方法。
上記請求項１または２に記載されたアレーアンテナを備えたことを特徴とするアダプティブアンテナ。
上記請求項１または２に記載されたアレーアンテナを備えたことを特徴とする電波方向探知装置。