JP5371852B2 - Antenna measuring apparatus and antenna measuring method - Google Patents
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Description
この発明は、アンテナ測定装置およびアンテナ測定方法に関する。 The present invention relates to an antenna measurement device and an antenna measurement method.
この発明に関連するアンテナ測定装置およびアンテナ測定方法としては、例えば下記特許文献1および特許文献2記載のアンテナ測定装置およびアンテナ測定方法がある。これら従来技術は、フェーズドアレーアンテナを構成する各素子アンテナ(以下、素子)から送信あるいは受信される電界(以下、素子電界)を測定する技術である。いずれの文献においても、同じくフェーズドアレーアンテナを構成する移相器の移相状態ごとの素子電界を測定する技術が開示されている。
As an antenna measuring apparatus and an antenna measuring method related to the present invention, for example, there are an antenna measuring apparatus and an antenna measuring method described in
特許文献1記載のアンテナ測定装置およびアンテナ測定方法では、フェーズドアレーアンテナを構成する任意の一つの素子の励振位相を0度から360度まで変化させ、そのときのアレーアンテナの合成電界の振幅および位相の変化を測定する。この測定結果から当該素子の素子電界を除いたアレーアンテナの合成電界を求め、先の全素子のアレーアンテナの合成電界との差分を取ることにより、各移相状態での素子電界を求めている。
In the antenna measurement apparatus and the antenna measurement method described in
また、特許文献2記載のアンテナ測定装置およびアンテナ測定方法では、フェーズドアレーアンテナを構成する任意の一つの素子の励振位相を0度から360度まで変化させ、そのときのアレーアンテナの合成電力の振幅の変化を測定とする。さらに、素子電界の測定対象となる素子以外の励振位相を変えて上記測定手順を繰り返す。以上にように得られたアレーアンテナの合成電力の変化複数個により、当該素子の各移相状態での素子電界を推定している。
Further, in the antenna measurement apparatus and the antenna measurement method described in
上記特許文献1のアンテナ測定装置およびアンテナ測定方法では、アレーアンテナ合成電界の振幅測定だけでなく、位相測定も必要である。従って、精度の高い位相測定が困難なフェーズドアレーアンテナ運用時のキャリブレーション、あるいは同じく精度の高い位相測定が困難なミリ波帯やサブミリ波帯でのフェーズドアレーアンテナへの適用が困難であった。
In the antenna measurement apparatus and the antenna measurement method disclosed in
また上記特許文献2のアンテナ測定装置およびアンテナ測定方法では位相測定を不要としているので、上記特許文献1の課題を解決している。しかしながら、アレーアンテナ合成電力の変化を複数回測定することが必要であり、測定回数が非常に多くなり、測定時間が膨大になる課題があった。また、素子電界の推定方法が決定論的ではなく数値的な繰り返し演算に基づいており、解の収束性が明確になっていない課題があった。
Further, since the antenna measurement apparatus and the antenna measurement method of
この発明は上記課題を解決するためになされたもので、アレーアンテナの合成電力の振幅測定のみにより移相器の各移相状態での素子電界を測定し、かつ測定時間を短縮したアンテナ測定装置およびアンテナ測定方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and an antenna measurement apparatus that measures the element electric field in each phase shift state of the phase shifter only by measuring the amplitude of the combined power of the array antenna and shortens the measurement time. And an antenna measurement method.
この発明は、複数個の素子アンテナにそれぞれ移相器が接続されたフェーズドアレーアンテナと、前記移相器の通過位相を制御し着目する1つの素子アンテナの励振位相を0度から360度まで変化させる移相器制御手段と、前記フェーズドアレーアンテナに対し所定の位置に設置された測定アンテナ部と、前記フェーズドアレーアンテナおよび前記測定アンテナ部の一方に接続され高周波信号を送信する送信機と、前記フェーズドアレーアンテナおよび前記測定アンテナ部の他方に接続され前記移相器制御手段が移相器の励振位相を変化させている間の受信電力を測定する受信機と、前記受信機が測定した電力変化の平均値とフーリエ級数展開して得られる基本波成分のフーリエ係数より励振位相を変化させた素子アンテナの素子電界を算出する第1の演算手段と、前記受信機が測定した電力変化をフーリエ級数展開し高調波成分のフーリエ係数を算出する第2の演算手段と、前記第1の演算手段の素子電界と前記第2の演算手段の高調波成分のフーリエ係数に基づき励振位相を変化させた前記素子アンテナの前記移相器の各移相状態での素子電界を推定する第3の演算手段と、を備えたことを特徴とするアンテナ測定装置およびそのアンテナ測定方法にある。 The present invention changes the excitation phase of a phased array antenna in which a phase shifter is connected to each of a plurality of element antennas and one element antenna to which attention is paid by controlling the passing phase of the phase shifter from 0 degrees to 360 degrees. A phase shifter control means, a measurement antenna unit installed at a predetermined position with respect to the phased array antenna, a transmitter connected to one of the phased array antenna and the measurement antenna unit, and transmitting a high frequency signal, A receiver connected to the other of the phased array antenna and the measurement antenna unit and measuring the received power while the phase shifter control means changes the excitation phase of the phase shifter, and the power change measured by the receiver The element electric field of the element antenna with the excitation phase changed is calculated from the average value of the signal and the Fourier coefficient of the fundamental wave component obtained by expanding the Fourier series. First arithmetic means that performs Fourier series expansion of the power change measured by the receiver to calculate a Fourier coefficient of a harmonic component, an element electric field of the first arithmetic means, and the second And third arithmetic means for estimating an element electric field in each phase shift state of the phase shifter of the element antenna, the excitation phase of which has been changed based on the Fourier coefficient of the harmonic component of the arithmetic means. An antenna measuring apparatus and an antenna measuring method are provided.
この発明では、アレーアンテナの合成電力の振幅測定のみにより移相器の各移相状態での素子電界を測定し、かつ測定時間を短縮したアンテナ測定装置およびアンテナ測定方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an antenna measurement apparatus and an antenna measurement method in which the element electric field in each phase shift state of the phase shifter is measured only by measuring the amplitude of the combined power of the array antenna and the measurement time is shortened.
以下、この発明によるアンテナ測定装置およびアンテナ測定方法を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, an antenna measuring apparatus and an antenna measuring method according to the present invention will be described with reference to the drawings according to each embodiment. In each embodiment, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるアンテナ測定装置の構成を示す図である。図において、1−1,1−2,・・・,1−Mは、それぞれ素子アンテナを表し、ここでの素子アンテナ数はM(Mは2以上の正の整数:複数)とする。2−1,2−2,・・・,2−Mは、それぞれ素子アンテナ1−1,1−2,・・・,1−Mに接続され、かつ当該素子アンテナの励振位相を変化させる移相器であり、ここでは例えば4ビットのディジタル移相器とする。3は上記各素子アンテナ1−1,1−2,・・・,1−Mに電力を分配する電力分配回路である。4は上記各ディジタル移相器2−1,2−2,・・・,2−Mの移相状態を制御する移相器制御回路である。5は電力分配回路3に高周波信号を送信する送信機である。
1 is a diagram showing the configuration of an antenna measurement apparatus according to
従って、素子アンテナ1−1,1−2,・・・,1−Mと、移相器2−1,2−2,・・・,2−Mと、電力分配回路3により、いわゆるフェーズドアレーアンテナが形成されている。6−aは、素子アンテナ1−1,1−2,・・・,1−Mに対向する位置に設置された測定アンテナ部を構成する対向アンテナであり、7は対向アンテナ6−aが受信した高周信号を受信する受信機である。8が受信機7の受信電力の変化を算出する手段である平均値演算回路である。9は受信機7の受信電力の変化をフーリエ級数展開し、基本波成分のフーリエ正弦係数およびフーリエ余弦係数を算出する基本波フーリエ係数演算回路である。10は受信機7の受信電力の変化をフーリエ級数展開し、高調波成分のフーリエ正弦係数およびフーリエ余弦係数を算出する高調波フーリエ係数演算回路である。11は、例えば上記特許文献3に記載されているような素子電界ベクトル回転法により素子アンテナが放射する電界(以下、素子電界)の振幅および位相を算出する素子電界演算回路である。12は、高調波フーリエ係数演算回路10が算出した高調波成分のフーリエ正弦係数とフーリエ余弦係数、および素子電界演算回路11が算出した素子電界の振幅と位相を用いて、ディジタル移相器2−1,2−2,・・・,2−Mの各移相状態における素子電界誤差を推定する素子電界誤差推定回路である。
Therefore, the element antennas 1-1, 1-2,..., 1-M, the phase shifters 2-1, 2-2,. An antenna is formed. 6-a is a counter antenna constituting the measurement antenna unit installed at a position facing the element antennas 1-1, 1-2,..., 1-M, and 7 is received by the counter antenna 6-a. It is a receiver that receives the high frequency signal.
次に、この発明によるアンテナ測定装置の動作について説明する。送信機5から送信された高周波信号は、電力分配回路3に入力された後、分配される。分配された高周波信号は、ディジタル移相器2−1,2−2,・・・,2−Mにより、当該ディジタル移相器の移相状態に応じた所定の位相変化量を与えられ、素子アンテナ1−1,1−2,・・・,1−Mから空間に放射される。空間に放射された高周波信号は、空間にて再び電力合成され対向アンテナ6−aにて受信される。対向アンテナ6−aにて受信された合成電力(以下、アレー合成電力)は受信機7にて検出される。
Next, the operation of the antenna measuring apparatus according to the present invention will be described. The high frequency signal transmitted from the
ここで、移相器制御回路4は、素子アンテナ1−1,1−2,・・・,1−Mの任意の着目する素子アンテナに接続されたディジタル移相器の移相状態を0度から360度まで順次変化させるものとする。その他の素子アンテナのディジタル移相器の移相状態は一定、又は同一一定とする。この任意の着目した素子アンテナを素子アンテナ1−mとし、当該素子アンテナに接続され移相状態を0度から360度まで順次変化させるディジタル移相器をディジタル移相器2−mとすれば、移相器制御回路4により素子アンテナ1−mの励振位相が0度から360度まで順次変化することになるので、このとき受信機7が検出するアレー合成電力の変化は、例えば図2のようになる。
Here, the phase
図2において、横軸は素子アンテナ1−mの励振位相の変化量すなわちディジタル移相器2−mの移相状態を表し、縦軸は受信機7が検出するアレー合成電力を表す。また、図2において、13は素子アンテナ1−mの励振位相の変化量に対応したアレー合成電力の変化を表し、この変化は上記特許文献3にも記載のように概ね余弦状の変化(以下、コサインカーブ)となる。
In FIG. 2, the horizontal axis represents the amount of change in the excitation phase of the element antenna 1-m, that is, the phase shift state of the digital phase shifter 2-m, and the vertical axis represents the array combined power detected by the
次に、平均値演算回路8はこのコサインカーブの平均値を算出し、基本波フーリエ係数演算回路9は、このコサインカーブをフーリエ級数展開し基本波成分のフーリエ正弦係数およびフーリエ余弦係数を算出する。さらに、素子電界演算回路11は、平均値演算回路8が算出したアレー合成電力の平均値、および基本波フーリエ係数演算回路9が算出した基本波成分のフーリエ正弦係数とフーリエ余弦係数を用いて、上記特許文献3および上記非特許文献1に記載されているような素子電界ベクトル回転法の演算式により素子アンテナ1−mの素子電界の振幅および位相の測定値を算出する。
Next, the average
素子電界演算回路11により求められた素子電界測定値は、ディジタル移相器2−mの各移相状態において、当該ディジタル移相器の通過振幅および通過位相に誤差がないものと見なした素子電界である。しかし、一般にディジタル移相器には移相状態ごとに異なる通過振幅誤差、通過位相誤差を有する。このため、ディジタル移相器2−mの各移相状態における素子電界は、素子電界演算回路11により求められた素子電界測定値に当該移相状態の位相変化量を与えた値とは異なる値となる。素子電界誤差推定回路12は、各移相状態における素子電界と素子電界演算回路11により求められた素子電界測定値との誤差を推定し、各移相状態における素子電界の真値を推定する演算回路である。以下に、素子電界誤差推定回路12の演算手順を示す。
The element electric field measured value obtained by the element electric
素子電界演算回路11により求められた素子アンテナ1−mの素子電界測定値の振幅をkm、位相をXmとすれば、各移相状態における素子電界振幅は下記式(1)で与えられ、素子電界位相は下記式(2)で与えられる。 If the amplitude of the element field measurements of antenna elements 1-m determined by the element field operation circuit 11 k m, the phase and X m, the element field amplitude in each phase state is given by the following formula (1) The element electric field phase is given by the following formula (2).
ここで、iはディジタル移相器2−mの移相状態を表す番号であり、この移相状態に対応する素子電界振幅をkm,i、素子電界位相をXm,iとしている。また、Nは1つの素子に対し励振位相を変化させる最大数である。Nbビットのディジタル移相器を用いるときには、Nは下記式(3)となる。 Here, i is a number representing the phase shift state of the digital phase shifter 2-m, and the element electric field amplitude corresponding to this phase shift state is km , i , and the element electric field phase is Xm, i . N is the maximum number for changing the excitation phase for one element. When an Nb bit digital phase shifter is used, N is expressed by the following equation (3).
この実施の形態では、各移相器は例えば4ビットのディジタル移相器としているので、N=16である。上記式(1)の右辺第2項は各移相状態における素子電界振幅誤差を表す。また、上記式(2)の右辺第2項はi番目の移相状態においてディジタル移相器で与えられるべき位相変化量、上記式(2)の右辺第3項は各移相状態における素子電界位相誤差を表している。上記式(1)および(2)からわかるように、各移相状態における素子電界振幅誤差および素子電界位相誤差は、離散フーリエ級数展開の形で表わされる。係数であるACl,ASl,PCl,PSl(l=0,・・・,N/2)は未知の係数である。但し、離散フーリエ級数展開の性質からAS0=0,PS0=0,ASN/2=0,PSN/2=0である。 In this embodiment, since each phase shifter is, for example, a 4-bit digital phase shifter, N = 16. The second term on the right side of the above equation (1) represents the element electric field amplitude error in each phase shift state. The second term on the right side of the above equation (2) is the amount of phase change to be given by the digital phase shifter in the i-th phase shift state, and the third term on the right side of the above equation (2) is the element electric field in each phase shift state. It represents the phase error. As can be seen from the above equations (1) and (2), the element electric field amplitude error and the element electric field phase error in each phase shift state are expressed in the form of discrete Fourier series expansion. The coefficients AC l , AS l , PC l , PS l (l = 0,..., N / 2) are unknown coefficients. However, AS 0 = 0, PS 0 = 0, AS N / 2 = 0, and PS N / 2 = 0 because of the nature of the discrete Fourier series expansion.
ディジタル移相器のi番目の移相状態における素子電界振幅および素子電界位相が、それぞれ上記式(1)および式(2)で表されるとき、当該移相状態におけるアレー合成電力は下記式(4)となる。 When the element electric field amplitude and the element electric field phase in the i-th phase shift state of the digital phase shifter are expressed by the above equations (1) and (2), respectively, the array combined power in the phase shift state is expressed by the following equation (1) 4)
ここで,f0,iは素子電界振幅および位相に誤差がないとき、すなわち上記式(1)の右辺第2項および上記式(2)の右辺第3項を0としたときのアレー合成電力を表す。上記式(4)より、アレー合成電力は高次項を含んだフーリエ級数展開の形で表されることがわかる。 Here, f 0, i is the array combined power when there is no error in the element electric field amplitude and phase, that is, when the second term on the right side of the equation (1) and the third term on the right side of the equation (2) are zero. Represents. From the above equation (4), it can be seen that the array combined power is expressed in the form of Fourier series expansion including higher order terms.
ところで、平均値演算回路8は、例えば図2で示されたようなコサインカーブの平均値を算出する。また、基本波フーリエ係数演算回路9は、例えば図2で示されたようなコサインカーブをフーリエ級数展開し、基本波成分のフーリエ正弦係数およびフーリエ余弦係数を算出する。さらに、高調波フーリエ係数演算回路10は、例えば図2で示されたようなコサインカーブをフーリエ級数展開し、高調波成分のフーリエ正弦係数およびフーリエ余弦係数を算出する。このため、これらの回路により算出された、平均値、フーリエ正弦係数およびフーリエ余弦係数を用いると、ディジタル移相器のi番目の移相状態におけるアレー合成電力は下記式(5)で表される。
Incidentally, the average
ここで、al(l=0,・・・,N/2)はフーリエ余弦係数、bl(l=0,...,N/2)はフーリエ正弦係数である。l=0の項は平均値演算回路8による算出される平均値に対応し、l=1の項は基本波フーリエ係数演算回路9により算出される基本波成分のフーリエ正弦係数およびフーリエ余弦係数に対応する。l=2,・・・,N/2の項は高調波フーリエ係数演算回路10により算出される高調波成分のフーリエ正弦係数およびフーリエ余弦係数に対応する。
Here, a l (l = 0,..., N / 2) is a Fourier cosine coefficient, and b l (l = 0,..., N / 2) is a Fourier sine coefficient. The term of l = 0 corresponds to the average value calculated by the average
上記式(4)と式(5)を対応させると、未知係数ACl,ASl,PCl,PSl(l=0,・・・,N/2,但しAS0=0,PS0=0,ASN/2=0,PSN/2=0)に関する連立方程式を得ることができる。但し、l=0およびl=1の項は、上記式(4)のf0,iに対応していることを考慮する必要がある。結果として、未知係数ACl,ASl,PCl,PSl(l=0,・・・,N/2、但し、AS0=0,PS0=0,ASN/2=0,PSN/2=0)に関する下記式(6)から式(13)の連立方程式を得る。 When the above equations (4) and (5) are made to correspond, the unknown coefficients AC l , AS l , PC l , PS l (l = 0,..., N / 2, where AS 0 = 0, PS 0 = Simultaneous equations for 0, AS N / 2 = 0, PS N / 2 = 0) can be obtained. However, it is necessary to consider that the terms of l = 0 and l = 1 correspond to f 0, i in the above formula (4). As a result, unknown coefficients AC l , AS l , PC l , PS l (l = 0,..., N / 2, where AS 0 = 0, PS 0 = 0, AS N / 2 = 0, PS N The simultaneous equations of the equation (13) are obtained from the following equation (6) with respect to / 2 = 0).
素子電界誤差推定回路12は、素子電界演算回路11により求められた素子電界振幅kmおよび素子電界位相Xmと、高調波フーリエ係数演算回路10により算出されるフーリエ余弦係数al(l=2,・・・,N/2)およびフーリエ正弦係数bl(l=2,・・・,N/2)により、上記式(6)から式(13)の連立方程式を解くことにより未知係数ACl,ASl,PCl,PSl(l=0,・・・,N/2、但し、AS0=0,PS0=0,ASN/2=0,PSN/2=0)を算出する。但し、上記連立方程式の数はNであるのに対して,未知数の数が2Nとなっているので、未知係数の算出は最急降下法、共役勾配法、線形計画法などの最適化手法を用いて算出する。未知係数ACl,ASl,PCl,PSl(l=0,・・・,N/2、但し、AS0=0,PS0=0,ASN/2=0,PSN/2=0)を算出できれば、上記式(1)および式(2)により、各移相状態の素子電界振幅および素子電界位相を求めることができる。
Element field
上記測定手順および演算手順は素子アンテナ1−mに対して説明したが、同様の手順を全ての素子に対して順次繰り返すことにより、全ての素子アンテナ1−1,1−2,・・・,1−Mの各移相状態の素子電界振幅および素子電界位相を求めることができる。 The measurement procedure and the calculation procedure have been described for the element antenna 1-m. However, the same procedure is sequentially repeated for all the elements, whereby all the element antennas 1-1, 1-2,. The element electric field amplitude and element electric field phase in each phase shift state of 1-M can be obtained.
以上のことから、この実施の形態では、アレー合成電力の位相測定なしに振幅測定により移相器の各移相状態での素子電界振幅および素子電界位相を測定できる効果がある。また、測定の手順は、上記特許文献3と同一であり、測定後の演算処理により各移相状態での素子電界振幅および素子電界位相を測定できるため、同様の目的を達成する従来のアンテナ測定装置と比べて測定時間を短縮できる効果がある。
From the above, this embodiment has an effect that the element electric field amplitude and the element electric field phase in each phase shift state of the phase shifter can be measured by the amplitude measurement without measuring the phase of the array combined power. In addition, the measurement procedure is the same as that of
実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2によるアンテナ測定装置の構成を示す図である。図において、14は、ディジタル移相器2−1〜2−Mのビット毎の素子電界振幅誤差および素子電界位相誤差を算出する移相器ビット誤差演算回路である。15は、移相器ビット誤差演算回路14が算出したディジタル移相器のビット毎の素子電界振幅誤差および素子電界位相誤差により、各移相状態での素子電界振幅および素子電界位相を算出する素子電界誤差演算回路である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an antenna measurement apparatus according to
この実施の形態において、移相器ビット誤差演算回路14は、高調波フーリエ係数演算回路10が算出した高調波成分のフーリエ正弦係数とフーリエ余弦係数、および素子電界演算回路11が算出した素子電界の振幅と位相を用いて、ディジタル移相器2−1〜2−Mのビット毎の素子電界誤差を算出する。以下のその演算手順を説明する。
In this embodiment, the phase shifter bit
ディジタル移相器2−1〜2−Mは、各ビットに対応した位相変化量を組み合わせることにより0度から360度の移相状態を実現する。例えば、4ビットのディジタル移相器の場合、ビット1,2,3,4の位相変化量はそれぞれ180度、90度、45度、22.5度の位相変化に対応し、これらの位相変化を組み合わせにより、0度から360度の移相状態を実現する。従って、各移相状態の素子電界振幅誤差および素子電界位相誤差も、ビット毎の振幅誤差と位相誤差の組み合わせで表すことができる。
The digital phase shifters 2-1 to 2-M realize a phase shift state of 0 degrees to 360 degrees by combining phase change amounts corresponding to the respective bits. For example, in the case of a 4-bit digital phase shifter, the phase change amounts of
例えば、上記4ビットディジタル移相器の場合には、移相状態に対応した各ビットの素子電界振幅誤差あるいは素子電界位相誤差は図4のようになる。図4において、横軸はディジタル移相器の移相状態であり0度から360度である。縦軸は、各移相状態に対応したビット毎の素子電界振幅誤差又は素子電界位相誤差であり、16−a,16−b,16−c,16−dは、それぞれビット1、2、3、4の素子電界振幅誤差あるいは素子電界位相誤差を表している。これより、各移相状態に対応したディジタル移相器としての素子電界振幅誤差又は素子電界位相誤差は、16−a,16−b,16−c,16−dを足し合わせた値になる。
For example, in the case of the 4-bit digital phase shifter, the element electric field amplitude error or element electric field phase error of each bit corresponding to the phase shift state is as shown in FIG. In FIG. 4, the horizontal axis represents the phase shift state of the digital phase shifter, which is 0 degree to 360 degrees. The vertical axis represents the element electric field amplitude error or element electric field phase error for each bit corresponding to each phase shift state, and 16-a, 16-b, 16-c, 16-d are
このため、図4のように表される素子電界振幅誤差をフーリエ級数展開することにより、ビット毎の素子電界振幅誤差と、上記式(1)の右辺第2項の素子電界振幅誤差に対応させることができる。同様に、図4のように表される素子電界位相誤差をフーリエ級数展開することにより、ビット毎の素子電界位相誤差と、上記式(2)の右辺第3項の素子電界位相誤差に対応させることができる。 Therefore, the element electric field amplitude error expressed as shown in FIG. 4 is expanded by Fourier series to correspond to the element electric field amplitude error for each bit and the element electric field amplitude error of the second term on the right side of the above equation (1). be able to. Similarly, the element electric field phase error represented as shown in FIG. 4 is expanded by Fourier series to correspond to the element electric field phase error for each bit and the element electric field phase error of the third term on the right side of the above equation (2). be able to.
このフーリエ級数展開の対応により、p番目のビットの素子電界振幅誤差をDAp(p=1,・・・,Nb)、素子電界位相誤差をDPp(p=1,・・・,Nb)とすれば、上記実施の形態1の未知係数ACl,ASl,PCl,PSl(l=0,・・・,N/2、但し、AS0=0,PS0=0,ASN/2=0,PSN/2=0)との関係式として、下記式(14)から式(17)を導くことができる。 Due to this Fourier series expansion, the p-th bit element electric field amplitude error is DA p (p = 1,..., Nb), and the element electric field phase error is DP p (p = 1,..., Nb). Then, the unknown coefficients AC l , AS l , PC l , PS l (l = 0,..., N / 2 in the first embodiment, where AS 0 = 0, PS 0 = 0, AS N Equation (17) can be derived from the following Equation (14) as a relational expression with / 2 = 0, PS N / 2 = 0).
但し、lは、pと下記式(18)の関係がある整数である。 However, l is an integer which has the relationship of p and following formula (18).
上記式(14)から式(17)を、式(6)から式(13)の連立方程式に代入することにより、未知変数DAp(p=1,・・・,Nb)、DPp(p=1,・・・,Nb)に関する連立方程式を得ることができる。未知係数をACl,ASl,PCl,PSl(l=0,・・・,N/2、但し、AS0=0,PS0=0,ASN/2=0,PSN/2=0)とした場合に変数の数は2Nであるのに対し、未知変数をDAp(p=1,・・・,Nb)およびDPp(p=1,・・・,Nb)とした場合の変数の数は2Nbである。一方、連立方程式の数はNである。従って、3ビット以上のディジタル移相器を用いた場合には、方程式の数が未知数以上となり、未知数を一意に決定することができる。 By substituting the above equations (14) to (17) into the simultaneous equations of equations (6) to (13), unknown variables DA p (p = 1,..., Nb), DP p (p = 1,..., Nb) can be obtained. The unknown coefficients are AC l , AS l , PC l , PS l (l = 0,..., N / 2, where AS 0 = 0, PS 0 = 0, AS N / 2 = 0, PS N / 2. = 0), the number of variables is 2N, while the unknown variables are DA p (p = 1,..., Nb) and DP p (p = 1,..., Nb). The number of variables in the case is 2Nb. On the other hand, the number of simultaneous equations is N. Therefore, when a digital phase shifter of 3 bits or more is used, the number of equations becomes greater than or equal to the unknown, and the unknown can be uniquely determined.
以上の演算手順に述べたように、移相器ビット誤差演算回路14は、素子電界演算回路11により求められた素子電界振幅kmおよび素子電界位相Xmと、高調波フーリエ係数演算回路10により算出されるフーリエ余弦係数al(l=2,・・・,N/2)およびフーリエ正弦係数bl(l=2,・・・,N/2)により、式(6)から式(13)および式(14)から式(17)の連立方程式を解くことにより未知変数DAp(p=1,・・・,Nb)およびDPp(p=1,・・・,Nb)を一意に算出する。
As mentioned above algorithm, the phase shifter bit
次に、素子電界誤差演算回路15は、移相器ビット誤差演算回路14が算出したディジタル移相器のビット毎の素子電界振幅誤差DAp(p=1,・・・,Nb)および素子電界位相誤差DPp(p=1,・・・,Nb)により、各移相状態での素子電界振幅および素子電界位相を、式(1)、式(2)および式(14)から式(17)を用いて算出する。
Next, the element field
以上のことから、この実施の形態では、アレー合成電力の位相測定なしに振幅測定により移相器の各移相状態での素子電界振幅および素子電界位相を測定できる効果がある。また、測定の手順は、上記特許文献3と同一であり、測定後の演算処理により各移相状態での素子電界振幅および素子電界位相を測定できるため、同様の目的を達成する従来のアンテナ測定装置と比べて測定時間を短縮できる効果がある。さらに、各移相状態での素子電界振幅および素子電界位相を一意に決定することができるという効果がある。
From the above, this embodiment has an effect that the element electric field amplitude and the element electric field phase in each phase shift state of the phase shifter can be measured by the amplitude measurement without measuring the phase of the array combined power. In addition, the measurement procedure is the same as that of
実施の形態3.
図5はこの発明の実施の形態3によるアンテナ測定装置の構成を示す図である。図において、6−b,6−cは、それぞれ第2、第3の対向アンテナである。17は、対向アンテナ6−a,6−b,6−cが受信した信号を合成する電力合成回路である。これより、この実施の形態では、対向アンテナ6−a,6−b,6−cおよび電力合成回路17によりアレーアンテナ(測定アンテナ部)が形成されている。従って、受信信号の信号対雑音(S/N)比を向上させることができる。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an antenna measurement apparatus according to
以上のことから、この実施の形態では、上記実施の形態2記載の効果に加えて、受信信号の信号対雑音比を向上させることができるので、測定精度が向上する効果がある。 From the above, in this embodiment, in addition to the effect described in the second embodiment, since the signal-to-noise ratio of the received signal can be improved, the measurement accuracy is improved.
実施の形態4.
図6はこの発明の実施の形態4によるアンテナ測定装置の構成を示す図である。この実施の形態では、対向アンテナ6−a〜6−dが、素子アンテナ1−1〜1−Mと同一開口面上に設置される。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an antenna measurement apparatus according to
以上のことから、この実施の形態では、上記実施の形態3記載の効果に加えて、当該アンテナ測定装置の小型化を実現する効果がある。 From the above, in this embodiment, in addition to the effects described in the third embodiment, there is an effect of realizing downsizing of the antenna measuring apparatus.
実施の形態5.
図7はこの発明の実施の形態5によるアンテナ測定装置の構成を示す図である。図において、18は、素子電界誤差演算回路15が算出した各移相状態での素子電界振幅および素子電界位相の情報を用いて所望の移相状態を選択する移相状態選択回路である。
FIG. 7 is a diagram showing the configuration of an antenna measurement apparatus according to
この実施の形態では、移相状態選択回路18は、上記式(2)で表される各素子アンテナ1−mの素子電界位相が、全ての素子アンテナで概ね同相又は同相となる移相状態を求める。次に、移相状態選択回路18により選択された移相状態を移相器制御回路4に入力し、これを各移相器2−1〜2−Mに設定する。これにより、素子アンテナ1−1〜1−Mから送信された信号を概ね同相又は同相とすることができる。
In this embodiment, the phase shift
以上のことから、この実施の形態では、上記実施の形態2記載の効果に加えて、当該フェーズドアレーアンテナの利得を最大にできる効果がある。 From the above, in this embodiment, in addition to the effect described in the second embodiment, there is an effect that the gain of the phased array antenna can be maximized.
なお上記では、この実施の形態を図3,5,6に示した実施の形態2〜4のアンテナ測定装置(方法)の構成に適用した例について説明したが、図1に示した実施の形態1のアンテナ測定装置(方法)の構成にも適用可能であり、この場合、移相状態選択回路18は図1の素子電界誤差推定回路12が算出した各移相状態での素子電界振幅および素子電界位相の情報を用いて同様な処理を行い、相当する効果を得る。
In the above description, the example in which this embodiment is applied to the configuration of the antenna measurement apparatus (method) of
実施の形態6.
図8はこの発明の実施の形態6によるアンテナ測定装置の素子アンテナ構成の一例を示す図である。図において、19はアンテナ開口外形、1−mは素子アンテナを示す。21−aは、アンテナ開口中心軸に対して左側の素子アンテナグループ、21−bは右側の素子アンテナグループである。
FIG. 8 is a diagram showing an example of an element antenna configuration of an antenna measurement apparatus according to
この実施の形態では、上述の移相状態選択回路18は、素子電界誤差演算回路15が算出した各移相状態での素子電界振幅および素子電界位相の情報を用いて、素子アンテナグループ21−a内の素子アンテナと素子アンテナグループ21−bの素子アンテナとの位相差を概ね180度又は180度とし、かつ全ての素子電界の和が概ね零又は零となる移相状態を各素子アンテナ1−Mに対して独立に選択する。ここで、素子電界の和を求める際の素子電界とは複素数の値であり、例えば上記式(1),式(2)で表される素子アンテナ1−mの素子電界振幅km,i、素子電界位相Xm,iを用いると下記式(19)で表される。
In this embodiment, the above-described phase shift
次に、上記のように選択された移相状態を移相器制御回路4に入力し、これを各移相器2−1,2−2,・・・,2−Mに設定する。これにより、深度の深いヌル点を有する差パターンを形成することができる。
Next, the phase shift state selected as described above is input to the phase
以上のことから、この実施の形態では、上記実施の形態2記載の効果に加えて、当該フェーズドアレーアンテナにおいて深度の深いヌル点を有する差パターン形成が可能になる効果がある。 From the above, in this embodiment, in addition to the effect described in the second embodiment, there is an effect that a differential pattern having a deep null point can be formed in the phased array antenna.
なおこの実施の形態においても、実施の形態2〜4のアンテナ測定装置(方法)の構成のみならず、実施の形態1のアンテナ測定装置(方法)の構成にも適用可能であり、相当する効果が得られる。
Note that this embodiment is applicable not only to the configuration of the antenna measurement apparatus (method) of
実施の形態7.
図9はこの発明の実施の形態7によるアンテナ測定装置の構成を示す図である。図に示すアンテナ装置構成は、測定アンテナ部を構成する対向アンテナ6−aに送信機5が接続され、フェーズドアレーアンテナ側の電力分配回路3に受信機7が接続され、上記実施の形態2のアンテナ測定装置の送信と受信を入れ替えた構成となっている。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an antenna measurement apparatus according to
以上のことから、この実施の形態では、上記実施の形態2と同様の効果がある。 From the above, this embodiment has the same effects as those of the second embodiment.
なお、この発明は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that all possible combinations thereof are included.
1−1〜1−M 素子アンテナ、2−1〜2−M 移相器(ディジタル移相器)、3 電力分配回路、4 移相器制御回路、5 送信機、6−a〜6−c 対向アンテナ、7 受信機、8 平均値演算回路、9 基本波フーリエ係数演算回路、10 高調波フーリエ係数演算回路、11 素子電界演算回路、12 素子電界誤差推定回路、14 移相器ビット誤差演算回路、15 素子電界誤差演算回路、17 電力合成回路、18 移相状態選択回路、21−a,21−b 素子アンテナグループ。 1-1 to 1-M element antenna, 2-1 to 2-M phase shifter (digital phase shifter), 3 power distribution circuit, 4 phase shifter control circuit, 5 transmitter, 6-a to 6-c Counter antenna, 7 Receiver, 8 Average value arithmetic circuit, 9 Fundamental Fourier coefficient arithmetic circuit, 10 Harmonic Fourier coefficient arithmetic circuit, 11 Element electric field arithmetic circuit, 12 Element electric field error estimation circuit, 14 Phase shifter bit error arithmetic circuit , 15 element electric field error calculation circuit, 17 power combining circuit, 18 phase shift state selection circuit, 21-a, 21-b element antenna group.
Claims (14)
前記移相器の通過位相を制御し着目する1つの素子アンテナの励振位相を0度から360度まで変化させる移相器制御手段と、
前記フェーズドアレーアンテナに対し所定の位置に設置された測定アンテナ部と、
前記フェーズドアレーアンテナおよび前記測定アンテナ部の一方に接続され高周波信号を送信する送信機と、
前記フェーズドアレーアンテナおよび前記測定アンテナ部の他方に接続され前記移相器制御手段が移相器の励振位相を変化させている間の受信電力を測定する受信機と、
前記受信機が測定した電力変化の平均値とフーリエ級数展開して得られる基本波成分のフーリエ係数より励振位相を変化させた素子アンテナの素子電界を算出する第1の演算手段と、
前記受信機が測定した電力変化をフーリエ級数展開し高調波成分のフーリエ係数を算出する第2の演算手段と、
前記第1の演算手段の素子電界と前記第2の演算手段の高調波成分のフーリエ係数に基づき励振位相を変化させた前記素子アンテナの前記移相器の各移相状態での素子電界を推定する第3の演算手段と、
を備えたことを特徴とするアンテナ測定装置。 A phased array antenna in which a phase shifter is connected to each of a plurality of element antennas;
Phase shifter control means for controlling the passing phase of the phase shifter and changing the excitation phase of one element antenna of interest from 0 degrees to 360 degrees;
A measurement antenna unit installed at a predetermined position with respect to the phased array antenna;
A transmitter connected to one of the phased array antenna and the measurement antenna unit to transmit a high-frequency signal;
A receiver connected to the other of the phased array antenna and the measurement antenna unit for measuring received power while the phase shifter control means is changing the excitation phase of the phase shifter;
A first calculation means for calculating an element electric field of an element antenna having an excitation phase changed from an average value of power change measured by the receiver and a Fourier coefficient of a fundamental wave component obtained by Fourier series expansion;
A second computing means for calculating a Fourier coefficient of a harmonic component by expanding a Fourier series of a power change measured by the receiver;
The element electric field in each phase shift state of the phase shifter of the element antenna with the excitation phase changed based on the element electric field of the first calculation means and the Fourier coefficient of the harmonic component of the second calculation means is estimated. Third computing means for
An antenna measuring device comprising:
前記受信機が測定した電力変化の平均値とフーリエ級数展開して得られる基本波成分のフーリエ係数より励振位相を変化させた素子アンテナの素子電界を算出する第1の工程と、
前記受信機が測定した電力変化をフーリエ級数展開し高調波成分のフーリエ係数を算出する第2の工程と、
前記第1の工程の素子電界と前記第2の工程の高調波成分のフーリエ係数に基づき励振位相を変化させた前記素子アンテナの前記移相器の各移相状態の素子電界を推定する第3の工程と、
を備えたことを特徴とするアンテナ測定方法。 A phased array antenna in which a phase shifter is connected to each of a plurality of element antennas, and a phase shifter that controls the passing phase of the phase shifter and changes the excitation phase of one element antenna of interest from 0 degrees to 360 degrees A control means; a measurement antenna unit installed at a predetermined position with respect to the phased array antenna; a transmitter connected to one of the phased array antenna and the measurement antenna unit; and a phased array antenna; A receiver connected to the other of the measurement antenna unit and measuring the received power while the phase shifter control means is changing the excitation phase of the phase shifter; and
A first step of calculating an element electric field of an element antenna having an excitation phase changed from an average value of power changes measured by the receiver and a Fourier coefficient of a fundamental wave component obtained by Fourier series expansion;
A second step of calculating a Fourier coefficient of a harmonic component by expanding a Fourier series of the power change measured by the receiver;
Estimating the element electric field in each phase shift state of the phase shifter of the element antenna with the excitation phase changed based on the element electric field of the first step and the Fourier coefficient of the harmonic component of the second step; And the process of
An antenna measurement method comprising:
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