JP5152302B2

JP5152302B2 - アレイアンテナ装置およびそのインピーダンス整合方法

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Publication number: JP5152302B2
Application number: JP2010256374A
Authority: JP
Inventors: 時男兼田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2030-11-17
Also published as: JP2012109752A

Description

本発明は、アレイアンテナ装置およびそのインピーダンス整合方法に関し、特に移相器等が実装されたアンテナ素子を複数個並べたフェーズドアレイアンテナのインピーダンス整合方法に関する。

本発明に関連するレーダ用アンテナでは、移相器等が実装されたアンテナ素子を複数個並べたフェーズドアレイアンテナがよく用いられている。図８は本発明に関連するフェーズドアレイアンテナの一例の構成図である。

同図を参照すると、本発明に関連するフェーズドアレイアンテナの一例は、＃１〜＃ｎ（ｎは２以上の整数）のそれぞれの系統に設けられるアンテナ素子１０および移相器３０と、それぞれの移相器３０の出力を合成および分配する合成分配器４０Ａおよび４０Ｂとを含んで構成される。

このフェーズドアレイアンテナでは複数個並べられたアンテナ素子１０と給電回路（同図の構成では合成分配器４０Ａおよび４０Ｂ）との間で効率よく電力を伝えるためにインピーダンス整合を行なう必要がある。また、フェーズドアレイアンテナでは隣接する素子との相互結合が発生する。この相互結合はビーム走査角ごとに異なる結合状態となるため、走査角によってインピーダンス不整合が発生し、利得が低下するという問題がある。

走査角ごとにインピーダンス整合する方法としては、次のような方法が一般的に知られている。１つは、アンテナ素子と給電回路間に整合回路を設置する方法である( 特許文献１および２参照) 。

特許文献１には、それぞれのアンテナと切り替えスイッチ間に、可変容量素子を有する整合回路が設けられた無線装置が開示されている。この無線装置では、それぞれのアンテナで受信および検波された電圧が最大となるようにそれぞれの整合回路の可変容量素子が調整される。

また、特許文献２には、それぞれのアンテナに整合回路を設け、それぞれのアンテナでインピーダンス整合を行なうアレーアンテナが開示されている。

他の１つは、アンテナ素子周辺に配置したリアクタンス素子を走査角ごとに所望の素子値に設定してアンテナ素子と給電回路間のインピーダンス整合を取る方法である( 特許文献３参照) 。また、上記特許文献１〜３に記載の技術を組み合わせてインピーダンスを制御する方法等も知られている。

特開２００６−３２４９８４号公報特開平０９−３２１５２６号公報特開２００７−１３５１８６号公報

しかし、上記特許文献１〜３に記載のアンテナ素子を多数配置するアレイアンテナでは、全走査範囲でアンテナ素子と給電回路のインピーダンスを最適に整合させるためには、ビーム走査範囲内における全ての走査角に応じたアンテナ素子全ての素子インピーダンスを測定またはシミュレーションにより求める必要があり、よって装置規模が増大するという課題がある。

また、上記特許文献１〜３に記載のアレイアンテナでは、インピーダンスを調整するため整合回路に使用する可変容量素子にバイアス電圧を掛ける必要があるが、アンテナ素子ごとに整合回路の最適条件を求めるため、整合回路ごとに異なるバイアス電圧を掛ける必要があり、よってハードウエア規模の増大につながるという課題がある。

そこで、本発明の目的は、アンテナごとに素子インピーダンスを測定する必要がなく、かつ整合回路ごとに異なるバイアス電圧に調整する必要がないアレイアンテナ装置およびそのインピーダンス整合方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明によるアレイアンテナ装置は、複数個配列されるアンテナ素子と、前記複数個配列されるアンテナ素子に給電する給電回路と、前記複数個配列されるアンテナ素子と前記給電回路との間にそれぞれ設けられインピーダンス整合を行なう複数の整合回路と、前記複数の整合回路を制御する制御部とを含み、前記制御部は、ビーム走査範囲での中心のアンテナ素子の素子インピーダンスを算出し、算出した素子インピーダンスに基づきそのアンテナ素子と給電回路との整合条件を決定し、その決定した整合条件を全てのアンテナ素子の整合回路に付与することを特徴とする。

また、本発明によるインピーダンス整合方法は、複数個配列されるアンテナ素子と、前記複数個配列されるアンテナ素子に給電する給電回路と、前記複数個配列されるアンテナ素子と前記給電回路との間にそれぞれ設けられインピーダンス整合を行なう複数の整合回路と、前記複数の整合回路を制御する制御部とを含むアレイアンテナ装置のインピーダンス整合方法であり、前記制御部によって実行され、ビーム走査範囲での中心のアンテナ素子の素子インピーダンスを算出し、算出した素子インピーダンスに基づきそのアンテナ素子と給電回路との整合条件を決定し、その決定した整合条件を全てのアンテナ素子の整合回路に付与するインピーダンス整合ステップを含むことを特徴とする。

また、本発明によるプログラムは、複数個配列されるアンテナ素子と、前記複数個配列されるアンテナ素子に給電する給電回路と、前記複数個配列されるアンテナ素子と前記給電回路との間にそれぞれ設けられインピーダンス整合を行なう複数の整合回路と、前記複数の整合回路を制御する制御部とを含むアレイアンテナ装置のインピーダンス整合方法のプログラムであり、前記制御部に、ビーム走査範囲での中心のアンテナ素子の素子インピーダンスを算出し、算出した素子インピーダンスに基づきそのアンテナ素子と給電回路との整合条件を決定し、その決定した整合条件を全てのアンテナ素子の整合回路に付与するインピーダンス整合ステップを実行させるためのものであることを特徴とする。

本発明によれば、アンテナごとに素子インピーダンスを測定する必要がなく、かつ整合回路ごとに異なるバイアス電圧に調整する必要がないアレイアンテナ装置およびそのインピーダンス整合方法が得られる。

本発明に係るアレイアンテナ装置の一例の構成図である。本発明に係るアレイアンテナ装置の一例のアンテナ等価回路図である。本発明を適用する前のＶＳＷＲ対ビーム走査角特性図である。本発明を適用する前の振幅対ビーム走査角特性図である。本発明を適用した後のＶＳＷＲ対ビーム走査角特性図である。本発明を適用した後の振幅対ビーム走査角特性図である。本発明に係るインピーダンス整合方法の一例を示すフローチャートである。本発明に関連するフェーズドアレイアンテナの一例の構成図である。

まず、実施の形態の説明に入る前に、本発明の動作原理について説明しておく。本発明では、アレイアンテナのアンテナ素子が周期的に配列されていることを利用して、ビーム走査範囲での中心のアンテナ素子の素子インピーダンスから求めた整合条件を全整合回路に適用することで、制御部で制御するバイアス電圧を全ての整合回路で同じ値としながら、ビーム走査ごとに最適な整合状態を実現する。

本発明では、複数配置されているアンテナ素子と給電回路間にインピーダンスを調整する整合回路を設ける。整合回路には可変容量素子（たとえば、バラクタダイオード、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、液晶等）が設けられており、ビーム走査範囲での中心のアンテナ素子から取得したインピーダンス条件を全てのアンテナ素子の最適条件と仮定して、制御部から整合回路の可変容量素子に与えるバイアス電圧を制御し、ビーム走査範囲での中心で求めた最適整合条件を全ての整合回路に付与することにより、アンテナ素子と給電回路間でのインピーダンスマッチングを行い、ビーム走査範囲内での反射損を抑圧する。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係るアレイアンテナ装置の一例の構成図である。なお、同図において前述の図８と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

図１を参照すると、本発明に係るアレイアンテナ装置の一例は、＃１〜＃ｎ（ｎは２以上の整数）のそれぞれの系統に設けられるアンテナ素子１０と、整合回路２０と、移相器３０と、それぞれの移相器３０の出力を合成および分配する合成分配器４０Ａおよび４０Ｂと、制御部５０と、プログラム格納部６０とを含んで構成される。

整合回路２０は可変容量素子で構成される。制御部５０は可変容量素子を制御する。合成分配器４０Ａおよび４０Ｂはそれぞれのアンテナ素子１０に電力を分配する。プログラム格納部６０には後述するインピーダンス整合方法のプログラムが格納されている。

図２は本発明に係るアレイアンテナ装置の一例のアンテナ等価回路図である。同図を参照すると、アンテナ等価回路は給電回路１と、アンテナ素子２と、整合回路３とを含んで構成される。

給電回路１は、電源インピーダンス１ａ（インピーダンス値をＺｇとする）と、電源電圧１ｂ（電圧値をＶｇとする）とで表現できる。アンテナ素子２は、素子インピーダンス２ａ（インピーダンス値をＺａとする）で表現できる。整合回路３は、整合回路インピーダンス３ａ（インピーダンス値をＺｍとする）で表現でき、アンテナ素子２から見た電源側のインピーダンス調整を行う機能を有する。

図１のアンテナ素子１０および整合回路２０は、図２の等価回路で表すと、アンテナ素子２および整合回路３に等しい。フェーズドアレイアンテナは各素子に給電する給電位相を変化させてビーム走査すると、隣接する素子との相互結合等の影響により、素子インピーダンス２ａが変化する。しかし、このとき給電回路１の電源インピーダンス１ａは変化しないため、給電回路１とアンテナ素子２間でインピーダンスのミスマッチが生じ走査角により反射損失が変化する。

このミスマッチにより生じる反射損を抑圧するため、整合回路２０（図１参照）を構成する可変容量素子にはバラクタダイオード、ＭＥＭＳ，液晶等が用いられ、制御部５０により整合回路２０に印加するバイアス電圧を制御することで整合回路２０を構成する可変容量素子の素子値( 容量) を変化させ、アンテナ素子１０から見たインピーダンスを調整し、アンテナ素子１０と給電回路（本実施形態では合成分配器４０Ａ，４０Ｂ）とのインピーダンス整合を行なっている。

制御部５０では、予めビーム走査範囲での中心のアンテナ素子の素子インピーダンスを実測またはシミュレーションにより求めておき、ビーム走査ごとにその求めた素子インピーダンスから、アンテナ素子から見た電源側のインピーダンスと最適なインピーダンス整合とするための制御データを保存する。これにより、ビーム走査角に応じた整合回路２０の可変容量素子の制御を行うことができる。

本発明では、ビーム走査範囲での中心のアンテナ素子のみの素子インピーダンスから求めた最適条件を利用して、フェーズドアレイアンテナ全体の整合回路３（図２参照）を調整してアンテナ素子２から見たインピーダンスを可変させることで、素子インピーダンス２ａとのインピーダンス整合状態を走査角に応じて調整する。

次に、本実施形態の動作について図面を参照しながら説明する。図２を参照すると、アンテナでは一般的に素子インピーダンスＺａと電源インピーダンスＺｇがＺｇ＝Ｚａ＊（＊は共役を意味する）となるようにインピーダンス整合させる。

しかし、フェーズドアレイアンテナでは素子をアレイ状に並べ、あるいはビーム走査のため移相器によりアンテナ素子への給電位相を変化させると、隣接する素子との素子間相互結合の影響等により素子インピーダンスＺａが変化する。このため、素子インピーダンスＺａが素子インピーダンスＺｇとミスマッチとなり反射損が増大する。このため、フェーズドアレイアンテナでは走査角により反射損が変化し、アンテナ利得が低下する。

図３および図４は、アンテナ素子を一例として四角配列で縦方向９素子×横方向９素子並べ、縦方向および横方向の素子間隔を０．５λとしてアレイ状に並べる前の素子単体でインピーダンス整合した場合のシミュレーションにより求めたＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio ）とアンテナパターン結果である。

図３はシミュレーションにより求めたＶＳＷＲであり、素子単体で整合させたアンテナ素子をアレイ状に並べると、相互結合によりＶＳＷＲが悪化し、また走査角によりＶＳＷＲが変化していくことが分かる。

また、図４はシミュレーションにより求めたアンテナパターンであり、図３の通り相互結合によりＶＳＷＲが悪化しているため、破線で示したＶＳＷＲが十分抑圧されている場合の利得カーブと比較してアンテナ利得の低下が大きいことが分かる。

しかし、アレイアンテナでは多数のアンテナ素子全ての素子インピーダンスを走査範囲内で全て求める必要があり、制御データの作成には多くの時間とコストがかかり、またアンテナ素子分の整合回路にそれぞれ別々のバイアス電圧を掛ける必要があるため、装置規模の増大を招いてしまうという欠点があった。

本発明では、このような状況を鑑みて、アレイアンテナの周期性に着目し、中心素子の素子インピーダンスがアレイアンテナ全体の素子インピーダンスと等価として考えることにより、関連技術よりも劇的に簡単な制御によりインピーダンス整合を可能としている。

図５および図６は、図３および図４のシミュレーションと同条件で本発明を適用した場合のＶＳＷＲ（図５）およびアンテナパターン結果( 図６) である。図５はビーム走査角に応じて最適な整合状態となるように整合回路２０（図１参照）の可変容量素子の素子値( 容量) を決定した場合のＶＳＷＲの計算結果である。図５からどの走査角においてもＶＳＷＲが抑圧されることが分かる。

次に、図５の整合条件で計算した場合のアンテナパターンを図６に示す。図６の実線で示した波形が本発明を適用した場合のアンテナパターンであり、破線で示した波形が図４の整合回路を設置していない場合のアンテナパターンである。図５および図６の結果より、中心素子の素子インピーダンスから求めた整合条件のみを利用した場合でもアレイアンテナの相互結合等による反射損の増大を抑圧することができる。

本発明の補足説明として、上記の説明では整合条件に使用するアンテナ素子はアンテナ開口の中心のアンテナ素子であると説明してきたが、開口の十分大きいアレイアンテナにおいては必ずしも中心のアンテナ素子である必要はなく、中心付近の周期性がよく保たれている位置のアンテナ素子であれば本発明の効果は十分に得られる。

次に、本発明に係るインピーダンス整合方法について説明する。図７は本発明に係るインピーダンス整合方法の一例を示すフローチャートである。図１の説明で述べたように、本発明に係るアレイアンテナ装置の一例は制御部５０を備えており、制御部５０が可変容量素子で構成される整合回路２０を制御する。すなわち、制御部５０が整合回路２０を制御することによりアンテナ素子１０と給電回路（本発明では、一例として合成分配器４０Ａおよび４０Ｂ）間のインピーダンス整合を行なう。したがって、図７に示すステップ（処理）の主体は制御部５０である。

図７を参照すると、制御部５０はビーム走査範囲での中心のアンテナ素子１０の素子インピーダンスを算出する（ステップＳ１）。なお、算出した素子インピーダンス値は図示しないメモリに格納しておく。

次に、制御部５０は算出した素子インピーダンスに基づきそのアンテナ素子１０と給電回路（本発明では、一例として合成分配器４０Ａおよび４０Ｂ）との整合条件を決定する（ステップＳ２）。

次に、制御部５０はその決定した整合条件を全てのアンテナ素子１０の整合回路２０に付与する（ステップＳ３）。

次に、本発明に係るインピーダンス整合方法のプログラムについて説明する。図１の説明で述べたように、本発明に係るアレイアンテナ装置の一例はプログラム格納部６０を備えている。プログラム格納部６０には図７にフローチャートで示すインピーダンス整合方法のプログラムが格納されている。制御部５０はプログラム格納部６０からそのプログラムを読み出し、そのプログラムに基づいて整合回路２０を制御する。その制御内容については既に述べたのでここでの説明は割愛する。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば以下に示す効果を奏する。第１の効果は、相互結合によって生じるアンテナ素子と給電回路間でのインピーダンス不整合による反射損を関連技術に比べ低減させることができることである。

第２の効果は、ビーム走査ごとに最適なインピーダンス整合が可能であり、ビーム走査時のアンテナ利得の低下を関連技術に比べ低減させることができることである。

第３の効果は、ビーム走査範囲での中心のアンテナ素子の素子インピーダンスのみでアンテナ開口全体の整合回路の整合条件を求めているため、整合回路の制御を関連技術に比べ簡単化できることである。

第４の効果は、アンテナ開口全体の整合回路に与えるバイアス電圧を全て同じ値とすることができるため、バイアス電源の数を関連技術に比べ減らすことができ、これにより装置規模の増大を防止できることである。

なお、他の実施形態として、整合回路の代わりにリアクタンス素子を用いる場合、または整合回路とリアクタンス素子とを併用する場合にも本発明の適用が可能である。

１給電回路
２アンテナ素子
３整合回路
１０アンテナ素子
２０整合回路
３０移相器
４０Ａ合成分配器
４０Ｂ合成分配器
５０制御部
６０プログラム格納部

Claims

複数個配列されるアンテナ素子と、
前記複数個配列されるアンテナ素子に給電する給電回路と、
前記複数個配列されるアンテナ素子と前記給電回路との間にそれぞれ設けられインピーダンス整合を行なう複数の整合回路と、
前記複数の整合回路を制御する制御部とを含み、
前記制御部は、ビーム走査範囲での中心のアンテナ素子の素子インピーダンスを算出し、算出した素子インピーダンスに基づきそのアンテナ素子と給電回路との整合条件を決定し、その決定した整合条件を全てのアンテナ素子の整合回路に付与することを特徴とするアレイアンテナ装置。
前記整合回路は可変容量素子で構成され、前記制御部における整合条件は前記アンテナ素子と給電回路とを整合させるための前記可変容量素子の容量であることを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ装置。
前記給電回路は合成分配器であり、さらに前記整合回路と前記給電回路との間に移相器が設けられることを特徴とする請求項１または２記載のアレイアンテナ装置。
複数個配列されるアンテナ素子と、前記複数個配列されるアンテナ素子に給電する給電回路と、前記複数個配列されるアンテナ素子と前記給電回路との間にそれぞれ設けられインピーダンス整合を行なう複数の整合回路と、前記複数の整合回路を制御する制御部とを含むアレイアンテナ装置のインピーダンス整合方法であり、
前記制御部によって実行され、ビーム走査範囲での中心のアンテナ素子の素子インピーダンスを算出し、算出した素子インピーダンスに基づきそのアンテナ素子と給電回路との整合条件を決定し、その決定した整合条件を全てのアンテナ素子の整合回路に付与するインピーダンス整合ステップを含むことを特徴とするインピーダンス整合方法。
前記整合回路は可変容量素子で構成され、前記制御部における整合条件は前記アンテナ素子と給電回路とを整合させるための前記可変容量素子の容量であることを特徴とする請求項４記載のインピーダンス整合方法。
前記給電回路は合成分配器であり、さらに前記整合回路と前記給電回路との間に移相器が設けられることを特徴とする請求項４または５記載のインピーダンス整合方法。
複数個配列されるアンテナ素子と、前記複数個配列されるアンテナ素子に給電する給電回路と、前記複数個配列されるアンテナ素子と前記給電回路との間にそれぞれ設けられインピーダンス整合を行なう複数の整合回路と、前記複数の整合回路を制御する制御部とを含むアレイアンテナ装置のインピーダンス整合方法のプログラムであり、
前記制御部に、ビーム走査範囲での中心のアンテナ素子の素子インピーダンスを算出し、算出した素子インピーダンスに基づきそのアンテナ素子と給電回路との整合条件を決定し、その決定した整合条件を全てのアンテナ素子の整合回路に付与するインピーダンス整合ステップを実行させるためのプログラム。
前記整合回路は可変容量素子で構成され、前記制御部における整合条件は前記アンテナ素子と給電回路とを整合させるための前記可変容量素子の容量であることを特徴とする請求項７記載のプログラム。
前記給電回路は合成分配器であり、さらに前記整合回路と前記給電回路との間に移相器が設けられることを特徴とする請求項７または８記載のプログラム。