JP3081987B2

JP3081987B2 - アクティブフェーズドアレイ空中線

Info

Publication number: JP3081987B2
Application number: JP08019888A
Authority: JP
Inventors: 義彦桑原; 完荒木; 正宣神力
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 2000-08-28
Anticipated expiration: 2016-02-06
Also published as: JPH09214238A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アクティブフェーズド
アレイ空中線に関し、特に、ミリ波帯で適用すると好適
なアクティブフェーズドアレイ空中線に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数の放射素子が直線または平面配列さ
れるアクティブフェーズドアレイ空中線では、ビーム走
査範囲を広くするために、可視領域にグレーティングロ
ーブが出現しないように、放射素子の設置間隔を狭くす
る必要がある。すなわち、ビーム走査範囲を±θ°、使
用周波数の波長をλとすれば、所要の素子間隔ｄは、次
式で表される。

【０００３】

【０００４】ここで、ｋは、フェーズドアレイ規模によ
って定まる定数である。

【０００５】従来、広いビーム走査範囲を有するアクテ
ィブフェーズドアレイ空中線の放射素子として、「Ｐｈ
ａｓｅｄＡｒｒａｙＡｎｔｅｎｎａｗｉｔｈａ
ＭｕｌｔｉＬａｙｅｒＳｕｂｓｔｒａｔｅ」（Ｉ
ＥＥＥ、Ｐｒｏｃ．Ｈ、Ｖｏｌ．１４１、Ｎｏ．４、Ａ
ｕｇ．１９９４）に開示されているように、素子間の相
互結合が小さく、かつビーム走査時の利得低下の小さい
ＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＰａｔｃｈＡｎｔｅｎｎａ（以
下、ＭＳＰＡとする）が広く用いられていた。ＭＳＰＡ
を放射素子として用いたとき、アクティブフェーズドア
レイ空中線の構造として、図８に示すように、ＭＳＰＡ
２０１アレイと送受信モジュール２０２を分離して構成
する方法や、ＭＳＰＡの裏面に移相器、増幅器等のマル
チチップモジュールＩＣ（ＭＭＩＣ）を実装する方法が
考えられていた。

【０００６】上記方法は、マイクロ波帯で使用されるア
クティブフェーズドアレイ空中線では実用化されている
ものの、図８に示すＭＳＰＡ２０１と送受信モジュール
２０２を分離した構成をミリ波帯等の高い周波数帯で使
用されるアクティブフェーズドアレイ空中線に適用する
ことは、機械加工精度の限界、保守整備性を考慮すると
実現が非常に困難である。

【０００７】すなわち、送受信モジュール２０２は、そ
れが故障した場合に交換・修理するために、ＭＳＰＡ２
０１アレイから取り外す必要がある。ここで、送受信モ
ジュール２０２とＭＳＰＡ２０１アレイとを接続するた
めの同軸コネクタ２０３のコネクタ間隔は、±４５〜±
６０°のビーム走査範囲のアクティブフェーズドアレイ
空中線の場合、λ／２（λ：波長）となる。例えば、そ
のコネクタ間隔は、３５ＧＨｚのミリ波帯のアクティブ
フェーズドアレイ空中線の場合では、約４．３ｍｍ、９
ＧＨｚのマイクロ波帯では、１６ｍｍとなる。したがっ
て、ミリ波帯のアクティブフェーズドアレイ空中線で
は、超小型の同軸コネクタ２０３を用いる必要がある。
しかしながら、この超小型同軸コネクタ２０３は、中心
導体が非常に細く、人手で勘合させることは非常に困難
である。

【０００８】また、ＭＳＰＡの裏面にＭＭＩＣを実装す
る構造について、例えば、３５ＧＨｚ帯で使用可能なア
クティブフェーズドアレイ空中線を考えると、図９
（ａ）に示すように、ＭＭＩＣの実装可能な領域２０４
の面積は約２０ｍｍ²で、ＭＭＩＣの実装面積が４〜８
ｍｍ²／ｃｈｉｐ必要であることから、実装個数に限界
がある。しかしながら、送受信モジュールで使用される
チップは、一般的に、図９（ｂ）に示すように、アンプ
６台、スイッチ３台、移相器および減衰器各１台を必要
とし、アンプおよびスイッチの実装面積は４ｍｍ²程度
であり、移相器および減衰器の実装面積は６ｍｍ²程度
であることから、ＭＭＩＣの占有面積は、４８ｍｍ²と
なる。さらに、ＭＭＩＣ間の接続、外部リードとの接続
を考えると、実際の面積はそれ以上となってしまい、結
果として、ＭＳＰＡの裏面にＭＭＩＣを実装すること
は、極めて実現困難であった。さらに、このＭＳＰＡの
裏面にＭＭＩＣを実装する構造では、放熱の問題も解決
する必要がある。このように、上記構造の、ミリ波帯の
アクティブフェーズドアレイ空中線への適用は極めて困
難であった。

【０００９】したがって、ミリ波帯のアクティブフェー
ズドアレイ空中線では、図１０に示すように、放射素子
２０５として、スロットラインアンテナやダイポールア
ンテナを選定し、これらの放射素子２０５の給電線２０
７の延長上に送受信モジュール２０６を実装する構成が
適用されていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アクテ
ィブフェーズドアレイ空中線の放射素子としてスロット
ラインアンテナを用い、図１０に示すような構成を採用
した場合、ビーム幅を広くすると、アレイエレメントパ
ターン（放射素子をアレイ配列とした時の素子単体パタ
ーン）のリップルや歪みが増大することになる。したが
って、スロットラインアンテナは、広角走査アクティブ
フェーズドアレイ空中線の放射素子として適当ではなか
った。

【００１１】また、アクティブフェーズドアレイ空中線
の放射素子としてダイポールアンテナを用い、図１０に
示すような構成を採用した場合、素子間の相互結合が大
きくなる。さらに、素子間隔を密に配列した場合、アレ
イエレメントパターンの歪みが大きく、ビーム走査時の
利得変化が大きくなってしまっていた。図１１は、ビー
ム走査範囲±４５°および±６０°を達成するために必
要な素子間隔でダイポールアンテナを配列したときのア
レイエレメントパターンを示す図であり、実線は、±４
５°、点線は、±６０°のビーム走査範囲に対応してい
る。図１１を参照すると、ビームを±６０°に走査した
場合、垂直面（−６０°）で４．６ｄＢ、水平面（＋６
０°）で１１．７ｄＢの利得低下が生じている。このよ
うなアクティブフェーズドアレイ空中線をレーダ装置に
適用した場合、システム利得の変化で、各々の利得低下
は、９．２ｄＢおよび２３．４ｄＢとなり、システム設
計に重大な悪影響を与えていた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明のアクティブフェーズドアレイ空中線は、
複数の放射素子とその各放射素子に対応して設けられる
複数の送受信モジュールとを同一平面上に実装するとと
もに、その複数の放射素子を実装平面内で円周上に配列
するものである。

【００１３】特に、サイドローブを抑圧するためには、
最大Ｓ／Ｎ法によって得られる位相ウェイトおよび振幅
ウェイトにより送受信モジュールを動作させるものであ
る。

【００１４】また、二次元ビーム走査を行うために、本
発明のアクティブフェーズドアレイ空中線は、複数の放
射素子とその各放射素子に対応して設けられる複数の送
受信モジュールとが同一平面上に実装されるとともに、
前記複数の放射素子が前記平面内で円周上に配列される
一次元ビーム走査アクティブフェーズドアレイ空中線を
複数備えるアクティブフェーズドアレイ空中線であっ
て、前記一次元ビーム走査アクティブフェーズドアレイ
空中線を等間隔に並列に配置するとともに、前記各一次
元ビーム走査アクティブフェーズドアレイ空中線の開口
中心を、その一次元ビーム走査アクティブフェーズドア
レイ空中線の各放射素子の実装面に対して垂直な平面内
で円周上に配列するものである。

【００１５】

【実施例】次に、本発明のアクティブフェーズドアレイ
空中線の一実施例について図面を参照して詳細に説明す
る。

【００１６】本発明の第１の実施例は、送受信モジュー
ルと放射素子を同一平面上に実装し、かつ放射素子群を
その実装平面内で円周上に配列するように配置するもの
である。このように構成することにより、放射素子の結
合度が小さくなり、結果として、ビーム走査時の利得低
下を抑えることができる。

【００１７】図１は、本実施例の構成を示す斜視図であ
り、円周上に配列した複数の放射素子１０１と、各放射
素子１０１のそれぞれと給電線１０２を介して接続され
る送受信モジュール１０３とが同一平面上に実装されて
いる。また、電力分配器１０４は、各送受信モジュール
１０３に高周波電力を分配・供給するものである。な
お、各送受信モジュール１０３を制御するための制御信
号は信号入力端子１０５から入力される。

【００１８】図２は、本実施例の構成を示すブロック図
であり、この図２を参照して、本実施例の動作を説明す
る。

【００１９】まず、レーダ信号の送信時について説明す
ると、励振器１０６によって発生するレーダ信号は、電
力分配器１０４によって、一様に分配される。分配され
たレーダ信号は、各送受信モジュール１０３に入力さ
れ、所定の振幅・位相ウェイトが与えられる。各送受信
モジュール１０３で、レーダ信号に与えられる振幅・位
相ウェイトは、ビーム指向方向ごとに予めビーム走査制
御器１０７に格納されている。そして、ビーム走査制御
器１０７からのビーム走査制御信号に基づいて、各送受
信モジュール１０３は、レーダ信号に所望の振幅・位相
ウェイトを与える。所定の振幅・位相ウェイトが与えら
れたレーダ信号は、増幅された後、円周上に配された放
射素子１０１から空間に放射される。

【００２０】次に、受信時について説明すると、各放射
素子１０１で受信された信号は、対応する送受信モジュ
ール１０３に導かれ、増幅された後、ビーム形成のた
め、所定の位相・振幅ウェイトが与えられる。この受信
信号に与えられる位相・振幅のウェイトも、送信時と同
様にビーム走査制御器１０７からのビーム走査制御信号
に基づくものである。各送受信モジュール１０３の出力
信号は、送信用の電力分配器とは別に用意された電力分
配器１０４Ｂによって合成され、受信機１０９に送出さ
れる。

【００２１】次に、本実施例における送受信モジュール
について図２および図３を参照して説明する。

【００２２】図３は、送受信モジュール１０３の構成を
示すブロック図であり、図中、スイッチの位置は、送信
時の状態を示す。電力分配器１０４Ａからのレーダ信号
は、入力端子１１５から入力され、移相器１１０によっ
て位相ウェイトが与えられる。位相ウェイトが与えられ
たレーダ信号は、電力増幅器１１１によって増幅された
後、可変減衰器１１２に供給され、振幅ウェイトが与え
られる。振幅・位相ウェイトが与えられたレーダ信号
は、入出力端子１１３を介して放射素子１０１に送出さ
れる。

【００２３】一方、受信時には、図中の各スイッチが反
対側に接触することになり、放射素子１０１からの受信
信号は、入出力端子１１３に与えられる。受信信号は、
低雑音増幅器１１４によって増幅され、可変減衰器１１
５によって、振幅ウェイトが与えられる。受信信号は、
さらに、移相器１１０によって、位相ウェイトが与えら
れる。振幅・位相ウェイトが与えられた受信信号は、出
力端子１１６から電力分配器１０４Ｂに送出される。

【００２４】ここで、制御回路１１７は、ビーム走査制
御器１０７からのビーム走査制御信号を、可変減衰器１
１２および１１５、移相器１１０のインタフェースに合
わせてデコードし、その制御信号に基づいて、その可変
減衰器１１２および１１５、移相器１１０を駆動制御す
るものである。

【００２５】本実施例のごとく、複数の放射素子を円周
配列で等間隔に配置した場合のアレイエレメントパター
ンは、実験によれば、ｃｏｓθで近似することができ、
そのビーム走査時における利得低下を抑えることができ
る。これは、素子単体の放射パターンをｃｏｓθで近似
することができるために、複数の放射素子を円周配列し
た時には、素子間の相互結合が小さくなっているためで
ある。

【００２６】ここで、図４は、本実施例のアクティブフ
ェーズドアレイ空中線の放射パターンを以下の条件のも
とで計算した結果である。

【００２７】素子数：１６素子間隔：０．５λ 周波数：３５ＧＨｚ（ミリ波帯）配列円周半径：５０ｍｍビーム走査方向：６０° 設定ウェイト：テーラ分布（サイドローブレベル
−３０ｄＢ、ｎ＝４）素子パターン：ｃｏｓθ 次に、本発明の第２の実施例のアクティブフェーズドア
レイ空中線について図２、図４および図５を参照して説
明する。

【００２８】図４を参照すると、本発明の第１の実施例
では、放射素子を円周上に配列したコンフォーマルアレ
イであるため、サイドローブレベル−３０ｄＢのテーラ
ウェイトをかけているにもかかわらず、−１８ｄＢのサ
イドローブが発生している。そこで、本発明の第２の実
施例では、円周配列アレイで発生する不要ローブ（図４
における７０°〜８０°に発生している比較的レベルの
大きいサイドローブ）を抑圧するために、前述の第１の
実施例に最大Ｓ／Ｎ法を適用するものである。

【００２９】最大Ｓ／Ｎ法は、「曲線アレイにおけるア
ダプティブナル形成」（１９９４年電子情報通信学会春
季大会ｐｐ２〜１５７）に示されているが、その具体
的な手法について図５に示すフローチャートを参照して
説明する。

【００３０】まず、アンテナの形状および放射素子の配
列を定める（Ｓ１０１）。さらに、ビーム捜索方向での
メインビームの照射方向を定める（Ｓ１０２）。定めら
れたメインビームの照射方向において、指向性利得を最
大とする基準ウェイトを算定する（Ｓ１０３）。算定さ
れた基準ウェイトによって形成されるサイドロープ特性
に対し、さらに低いサイドロープ化を図りたい方向に不
要信号を想定し、電力分布を設定する（Ｓ１０４）。想
定した不要信号に対する各放射素子相互間での自己相関
値及び相互相関値を算定する（Ｓ１０５）。算定された
各相関値を要素とする共分散マトリクスを算定する（Ｓ
１０６）。算定された共分散マトリクスの逆マトリクス
を算定し、算定された逆マトリクスを用いて前述のＳ１
０３で算定された基準ウェイトに対し補正を行い、アダ
プティブウェイトを算定する（Ｓ１０７）。ここで、Ｓ
１０６で算定された共分散マトリクスは、各放射素子で
受信した不要信号の捜索空間における電力分布を表すも
のであり、したがって、Ｓ１０７で、その共分散マトリ
クスの逆マトリクスを算定し、基準ウェイトに乗算して
これを補正することは、この不要信号を打ち消すように
基準ウェイトで定めたビーム指向性を適合させることを
意味する。

【００３１】図２に示すビーム走査制御装置１０７にお
いて、この最大Ｓ／Ｎ法を適用して得られる位相・振幅
ウェイトを、各送信モジュール１０３に入力されるレー
ダ信号に与えることにより、ビーム指向性利得を最大に
しつつ、サイドローブレベルを抑圧することができる。
ここで、図６は、図４に示すような放射パターンを示す
前述の第１の実施例に対して最大Ｓ／Ｎ法を適用した本
実施例において、前述と同様の条件のもとに計算された
放射パターンを示すものである。図６を参照すれば、図
４に示す放射パターンと比べて、サイドローブレベルは
７ｄＢ改善され、−２３ｄＢとなっていることがわか
る。また、本実施例では、ビーム走査時の利得変動は、
２．６ｄＢであり、照射素子を直線配列した場合と比べ
て、１．７ｄＢ改善されている。

【００３２】次に、本発明の第３の実施例について図７
を参照して説明する。

【００３３】本発明の第３の実施例は、前述の第１の実
施例のアクティブフェーズドアレイ空中線が一次元ビー
ム走査を行うものであるのに対して、二次元ビーム走査
を行うものである。

【００３４】図７は、本実施例の構成を示す斜視図であ
り、本実施例の二次元アクティブフェーズドアレイ空中
線は、二次元ビーム走査を行うために、図１に示す一次
元ビーム走査アクティブフェーズドアレイ空中線１１８
を複数用意し、それらを平行かつ等間隔に配列してい
る。ここで、図７におけるＸＹ平面内においても放射素
子１０１の配列をコンフォーマルアレイとするために、
一次元アクティブフェーズドアレイ空中線１１８の開口
中心１２０が、その一次元アクティブフェーズドアレイ
空中線１１８の各放射素子１０１の実装面（図７におけ
るＸＺ平面）に対して垂直な平面（ＸＹ平面）内に描か
れる円周１１９上に配置されるように、その一次元アク
ティブフェーズドアレイ空中線を前後にずらして配列す
る。ここで、円周１１９を含む平面内の放射パターン
も、前述の図４に示す特性と同様のものとなる。なお、
本実施例においても、前述の最大Ｓ／Ｎ法を適用してサ
イドローブを抑圧することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明のアクティ
ブフェーズドアレイ空中線は、放射素子群とそれに対応
して設けられる送受信モジュールとを同一平面上に実装
するとともに、各放射素子を円周上に配列しているため
に、ビーム走査時の利得変動を抑えることができ、広い
ビーム走査範囲を実現することができる。

【００３６】さらに、精密な接続構造を必要としないた
め、ミリ波帯に適用した場合に、保守整備等を容易に行
うことができる。

【００３７】さらに、最大Ｓ／Ｎ法を適用することによ
り、放射素子を円周配列した場合に発生する不要ローブ
（比較的レベルの大きいサイドローブ）を抑圧すること
ができる。

【００３８】さらに、本発明では、一次元アクティブフ
ェーズドアレイ空中線を複数並行に配置し、各一次元ア
クティブフェーズドアレイ空中線の開口中心が、その一
次元アクティブフェーズドアレイ空中線の各放射素子の
実装面に対して垂直な平面内に描かれる円周上に配置さ
れるように、その一次元アクティブフェーズドアレ
イ空中線を前後にずらして配列することにより、二次元
ビーム走査への拡張を容易に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す斜視図であ
る。

【図２】本発明の第１の実施例の構成を示すブロック図
である。

【図３】図２における送受信モジュールの構成を示すブ
ロック図である。

【図４】本発明の第１の実施例に対して所定の条件で計
算された放射パターンの一例を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施例に適用される最大Ｓ／Ｎ
法の処理手順を示すフローチャートである。

【図６】本発明の第２の実施例に対して所定の条件で計
算された放射パターンの一例を示す図である。

【図７】本発明の第３の実施例の構成を示す斜視図であ
る。

【図８】従来のアクティブフェーズドアレイ空中線の主
要部の構成を示す斜視図である。

【図９】従来のアクティブフェーズドアレイ空中線の構
成を説明する図であり、（ａ）は、ＭＭＩＣを実装可能
なＭＳＰＡの裏面の面積を示す図であり、（ｂ）は、一
般的なＭＭＩＣの構成を示す図である。

【図１０】従来のミリ波帯のアクティブフェーズドアレ
イ空中線の主要部の構成を示す斜視図である。

【図１１】図１０に示す従来のアクティブフェーズドア
レイ空中線におけるアレイエレメントパターンの一例を
示す図である。

【符号の説明】

１０１放射素子１０２給電線１０３送受信モジュール１０４電力分配器１０５信号入力端子１０６励振器１０７ビーム走査制御器１０８受信機１０９入力端子１１０移相器１１１電力増幅器１１２、１１５可変減衰器１１３入出力端子１１４低雑音増幅器１１６出力端子１１７制御回路１１８一次元アクティブフェーズドアレイ空中線１１９円周１２０開口中心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−107335（ＪＰ，Ａ) 特開平１−254007（ＪＰ，Ａ) 特開平１−311704（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 3/26 - 3/42 H01Q 21/22 G01S 7/02 G01S 7/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の放射素子とその各放射素子に対応
して設けられる複数の送受信モジュールとが同一平面上
に実装されるとともに、前記複数の放射素子が前記平面
内で円周上に配列される一次元ビーム走査アクティブフ
ェーズドアレイ空中線を複数備えるアクティブフェーズ
ドアレイ空中線であって、前記一次元ビーム走査アクティブフェーズドアレイ空中
線を等間隔に並列に配置するとともに、前記各一次元ビ
ーム走査アクティブフェーズドアレイ空中線の開口中心
を、その一次元ビーム走査アクティブフェーズドアレイ
空中線の各放射素子の実装面に対して垂直な平面内で円
周上に配列することを特徴とするアクティブフェーズド
アレイ空中線。