JPH02141033A - ビーム形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、任意曲面上に形成されたアレーアンテナに
おけるビーム形成方法に関する。

［従来の技術］ 以下の説明はすべて受信アレーアンテナについて行うが
、送信アンテナとして用いる場合でも制御動作は受信時
と同じである。

従来、電子走査アンテナとしては、主に平面アレーアン
テナが用いられており、各アンテナ素子の給電線の途中
に挿入した移相器でもって各アンテナ素子の受信信号の
位相を変化させることにより、電子走査を行っている。

このような平面アレーアンテナでもって所望の方向に指
向特性（ビーム）を得るには、別に設けた移相器コント
ローラの指示に基づき所望の方向にビームを得ているが
、そのためには予め受信信号の到来方向を知っておく必
要がある。

これに対し、受信信号の到来方向の設定が不要なものと
して、フェーズドロックループアレーアンテナが知られ
ており、このアンテナにおけるビーム形成方法を第３図
を用いて説明する。

各アンテナ素子Ａｔ〜Ａ３の受信信号は、各ミキサ−Ｍ
１〜Ｍ３を介した後、合成器ＣＩで相互が合成されると
ともに、位相検出器ＰＤＩ〜ＰＤ３によって、それらの
各受信信号の位相のずれが、参照信号発生器Ｒ１上りの
参照信号に基づいて検出され、その検出された位相のず
れがなくなるように、電圧制御発信器Ｖｌ−Ｖ３により
、ミキサーＭｌ〜Ｍ３で各アンテナ素子Ａ１〜Ａ３の受
信信号の位相が揃えられる。

第４図は、別のビーム形成方法を用いたコンフォーマル
アレーアンテナを示している。

アンテナ素子ＡＩ−Ａ９は、適当にグループ分けされた
各アンテナ素子群から構成され、各グループは、スイッ
チ回路Ｓｌ〜Ｓ３にてｌ素子づつ選択されることにより
サブアレーが構成され、このサブアレーよりの信号は、
スイッチマトリクスＳＭＩを介して移相器Ｐ１．Ｐ２に
人力され、ここで位相調整の必要な素子に対して位相調
整され、合成器Ｃ１にてビームが形成される。

この方式では振幅調整器も用いることができるが回路を
簡単にするため第４図では省略している。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、第３図のフェーズドロックループアンテナは
、一般に平面アレーを対象としており、球面や円筒部ア
レー等のコンフォーマルアレーでは受信信号の到来方向
によって信号が入力しない素子が存在するため、このよ
うな素子をどのように扱うかが問題となった。

一方、第４図のアンテナは、コンフォーマルアレーを対
象としたアンテナであるが、このようなスイッチングア
レーでは連続的に走査を行うフェーズドアレーと違って
必ずクロスオーバ損失が伴うという欠点があり、又、ビ
ーム形成方向に寄与する多数の素子を制御してビームを
走査する場合のように一度に用いる素子数が増加してき
たり、連続的にビーム走査を行おうとすると、各ビーム
毎に用いる素子が重複されるため、予めサブアレーを形
成しておこうとしても、その分配合成回路が複雑になっ
てしまう欠点があった。

この発明は、上述した問題点をなくすためになされたも
のであり、入射信号を用いてビーム形成に寄与する素子
を選択することにより、受信信号の到来方向を知らなく
てもビーム形成を可能にするとともに振幅調整をも可能
とし、更に複雑な位相検出回路の数をでき得る限り減少
できるビーム形成方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 第１の発明になるビーム形成方法は、任意の曲面になる
送受波面上に複数のアンテナ素子を配列したアレーアン
テナにおいて、各アンテナ素子に誘起した受信信号が一
定振幅レベル以上のアンテナ素子を選択し、選択した前
記アンテナ素子よりの受信信号を基に所望のビームを形
成することを特徴とする。

第２の発明になるビーム形成方法は、任意の曲面になる
送受波面上に複数のアンテナ素子を配列したアレーアン
テナにおいて、各アンテナ素子に誘起した受信信号が一
定振幅レベル以上のアンテナ素子を選択し、選択した前
記アンテナ素子よりの受信信号の振幅レベルを用いて振
幅調整を行って所望のビームを形成することを特徴とす
る。

［作用］ 入射してくる信号がパイロット信号のようなＣＷ（連続
波）信号の場合、あるいは変調方式としてＰＳＫやＭＳ
Ｋ等の定包絡線変調方式を用いた場合の通信方式を対象
として、信号の包絡線レベルを検出することにより、受
信に寄与するアンテナ素子を選び出し、この選出したア
ンテナ素子よりの信号に対し振幅及び位相を調整してビ
ーム形成を行う方式である。

［実施例］ 第１図は、この発明のビーム形成方法を適用したフンフ
ォーマルアレーアンテナの−・実施例を示している。Ａ
ｔ〜Ａ５はアンテナ素子であり、ＡＭ１〜ＡＭ５は、そ
れぞれアンテナ素子Ａｌ−Ａ３よりの受信信号における
振幅値を検出するために包絡線検波を行う包絡線検波器
である。このアンテナ素子Ａｌ−Ａ３は、１つのアンテ
ナアレーをなすように球面等の任意の曲面上に配置され
る。

Ａｃｔは、包絡線検波器ＡＭＩ−ＡＭ５よりの検波信号
により求めた包路線レベルと所定の設定しベルとを比較
する振幅比較回路である。ＡＳＩは、振幅制御・スイッ
チング回路であり、振幅比較回路Ａｃｔの比較結果に基
づき、各アンテナ素子Ａ１〜Ａ５よりの受信信号レベル
が設定レベル以下の場合、各アンテナ素子Ａｔ−Ａ３よ
りのラインに設けられたミキサーＭｌ〜Ｍ５をオフにし
、方、前記受信信号レベルが設定レベルを上回る場合に
は、ミキサーＭｌ−Ｍ５をオンにするとともに、後で述
べるように、受信信号の振幅値を制御する。ＰＤＩ−Ｐ
Ｄ３は、ミキサーＭｌ−Ｍ３を介した各アンテナ素子Ａ
１〜Ａ３よりの受信信号の位相を検出する位相検出部で
ある。Ｐｃｔは、位相検°出部ＰＤＩ−ＰＤ３で検出さ
れた位相より、各アンテナ素子間の位相を比較する位相
比較回路であり、ＰＣＣＩは、位相制御回路であり、位
相比較回路ＰＣＩの比較結果に基づき、各アンテナ素子
Ａｌ−Ａ３よりの各受信信号に位相差がなくなるよう、
各ラインに設けたミキサーＭ６〜Ｍ８にて位相制御する
。Ｃｔは、同位相となった各アンテナ素子Ａｌ−Ａ３よ
りの受信信号を合成する合成器である。

次に上記構成のコンフォーマルアレーアンテナにおける
機能を説明する。

今、アンテナ素子Ａｌ−Ａ３のアンテナ指向方向にほぼ
合致するが、アンテナ素子Ａ４及びＡ５における指向性
より外れた方向からの電波が到来したとする。これらの
アンテナ素子Ａ１〜Ａ５で得られた受信信号が各包絡線
検波器ＡＭＩ〜ＡＭ５で検波され得られた包絡線のレベ
ルが振幅比較回路Ａｃｔにて所定の設定レベルと比較さ
れる。

このとき、設定レベルに満たないアンテナ素子Ａ４及び
Ａ５よりの受信信号は、振幅制御・スイッチング回路Ａ
ＳＩのスイッチングにより、ミキサーＭ４及びＭ５にて
遮断されるが、アンテナ素子Ａ１〜Ａ３よりの受信信号
は前記設定レベルを上回るので、振幅制御・スイッチン
グ回路ＡＳＩのスイッチングにより、ミキサーＭｌ−Ｍ
３はオンとなり、後段の位相調整部へ導かれる。この包
絡線検波器ＡＭｌ−ＡＭ５は、基本的にはビーム形成に
寄与する素子と寄与しない素子とに切り分けろためのも
のであるが１．それと同時にビーム形成に寄与する素子
群の中でも相互の包絡線レベルを比較することにより、
信号到来方向に対する各アンテナ素子における寄与の度
合を知ることができるので、この情報を基に最大指向性
利得を有するように、あるいは低サイドローブ特性を有
するように、振幅制御・スイッチング回路ＡＳＩの振幅
制御により各受信信号の振幅が最適値に制御される。

ここで包絡線検波器ＡＭＩ〜ＡＭ５は原則的にはアンテ
ナ素子数分だけ必要であるが、この包絡線検波器は、受
信信号を単に整流器で整流して検波するもので局部信号
を必要としない利点をもっており、比較的簡単に構成で
きるし、伝送速度を問題にしないならばこの包絡線検波
器の数を減らすこともでき、その場合には、スイッチン
グにより、各素子アンテナ毎の包絡線レベルを知ること
ができる。

さて、位相調整部において、ミキサーＭｌ−Ｍ３を経た
受信信号の各位相が位相検出部ＰＤＩ〜ＰＤ３により検
出され、そして位相比較回路ＰＣＩにおいて、各受信信
号間の位相が比較され、位相制御回路ＰＣＣＩによって
同位相となるよう、それぞれミキサーＭ６〜Ｍ８にて位
相調整される。

この位相調整部の原理は、第３図で示したフェーズドロ
ックアレーを用いたビーム形成方法の原理と同じである
。

このように振幅調整及び位相調整を行った信号は、最後
に合成器Ｃｔで合成することにより所望の利得を得てい
る。

ところでコンフォーマルアレーにおける位相調整の意味
は、受信信号到来方向に依存する各アンテナ素子間の位
相差の補正及び、各アンテナ素子の偏波面の調整のため
の位相補正等を意味し、通常、すべてのアンテナ素子の
位相を同相にするよう調整するが、低サイドローブ特性
を狙って任意に位相を変えることも可能である。

以上説明したように、この実施例では、位相検出を行う
前に振幅情報により必要な素子アンテナを選択すること
により、搬送波やクロック再生を必要とする位相検出回
路の数を減少でき、回路が簡略化する。

尚、この発明は、アナログ回路、デジタル回路を問わず
実現できるか、各アンテナ素子系統間のばらつきをでき
るだけ抑えるという点や、制御信号のスイッチングの取
り扱い易さという点でデジタル信号処理技術を用いる方
が望ましいと思われる。デジタル情報の利用によるアン
テナ素子の選択には、デジタル的な同期情報を利用する
方式が考えられ、例えば、フレーム同期情報を利用した
アンテナ素子選択方式の一実施例を第２図に示している
。

Ａｌ−Ａ３は素子アンテナであり、ＤＭ１〜ＤＭ５は、
アンテナ素子Ａ１〜Ａ５で受信されたデジタル信号を所
定の信号形態に復調する復調器である。Ｆ’ＳＩ〜Ｆ’
Ｓ５は、フレーム同期信号を検出し、フレーム同期を維
持するフレーム同期回路であり、このフレーム同期信号
をデジタル無線通信における送信信号に周期的に挿入す
ることにより、受信側で各種のデジタル的な同期（ＰＣ
Ｍ信号のワード同期等）をとるようにしている。Ｉ”　
ＳＣ１は、判定回路であり、フレーム同期回路ＦＳ１−
ＦＳ５にてフレーム同期信号と、内部同期信号とが比較
され、一定ビツト以上パターンが一致していると同期が
とれていると判定される。Ｓ０１は、スイッチング回路
であり、判定回路ＦＳＣ１の判定により、同期のとれて
いるアンテナ素子よりの受信信号を選択して合成１５ｃ
ｌに送出する。

この実施例では、フレーム同期回路ＦＳＩ−ＦＳ５より
の各フレーム同期信号を用いて同期が保持されているか
否かを判定回路ＦＳＣＩにて判定して、同期がとれてい
るアンテナ素子を選択する方式である。

このような同期情報を利用する方式には、この他に、誤
り訂正符号が用いられている通信システムでは、誤り訂
正システムにおける同期情報（例えばブロック符号にお
けるワード同期情報等）を利用する方式も考えられる。

［発明の効果］ 球面アレーや円筒面アレーのようなコンフォーマルアレ
ーにおいて、ビーム走査を行うためには複雑な振幅・位
相制御が必要であり、ビーム形成に寄与する全素子アン
テナを制御するフェーズドアレーを実現するのは難しい
。そのため通常はスイッチングアレーが用いられる。し
かるに、この発明によれば受信信号の振幅情報を用いる
ことにより、ビーム形成に寄与するアンテナ素子を自動
的に選択すると同時に各アンテナ素子の寄与の度合も知
ることができ、その後の振幅調整並びに位相調整を簡略
化することができ、コンフォーマルアレーにおける複雑
な振幅位相制御を簡略化できる。

特に車や航空機あるいは衛星等の移動体においてはアン
テナ設置空間が限定されるので、移動体の形状に適合し
たアンテナが必要であり、取り付は場所を問わずにフェ
ーズドアレーアンテナとしての機能を発揮できるアンテ
ナの開発が望まれる。

本ビーム形成方法をこのような移動体の任意形状のアレ
ーアンテナに用いることにより、アレー形状によらずビ
ーム方向に応じて使用する素子アンテナを自動的に選択
し、振幅位相制御を行うことができ、良好な特性の移動
体通信用アンテナを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のビーム形成方法を適用したコンフォ
ーマルアレーアンテナの一実施例を示す制御回路図、第
２図は、この発明のビーム形成方法におけるデジタル信
号処理技術を用いた同期情報を利用したコンフォーマル
アレーアンテナの一例を示す制御回路図、第３図は従来
のフェーズロックループアレーアンテナにおけるビーム
形成のための制御回路図、第４図は、コンフォーマルア
レーアンテナにおけるビーム形成のための制御回路図で
ある。 Ａｌ−Ａ３・・・アンテナ素子、ＡＭＩ〜ＡＭ５・・包
絡線検波器、Ａｃｔ・・・振幅比較回路、ＡＳＩ振幅制
御・スイッチング回路、Ｍ！〜Ｍ８・・・ミキサー、Ｐ
ＤＩ−ＰＤ３・・・位相検出部、Ｐｃｔ・・・位相比較
回路、ＰＣＣＩ・・・位相制御回路、ＣＩ・・・合成器
、ＤＭＩ−ＤＭ５・・・復調器、ＦＳＩ〜ＦＳ５・・・
フレーム同期回路、 ＦＳＣ１・・・判定回路、 Ｃ １・・・スイッチング回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）任意の曲面になる送受波面上に複数のアンテナ素
   子を配列したアレーアンテナにおいて、各アンテナ素子
   に誘起した受信信号が一定振幅レベル以上のアンテナ素
   子を選択し、選択した前記アンテナ素子よりの受信信号
   を基に所望のビームを形成することを特徴とするビーム
   形成方法。
2. （２）任意の曲面になる送受波面上に複数のアンテナ素
   子を配列したアレーアンテナにおいて、各アンテナ素子
   に誘起した受信信号が一定振幅レベル以上のアンテナ素
   子を選択し、選択した前記アンテナ素子よりの受信信号
   の振幅レベルを用いて振幅調整を行って所望のビームを
   形成することを特徴とするビーム形成方法。