JPH04183002A - フェーズドアレイアンテナの給電位相設定方法 - 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ｊ 本発明はフェーズドアレイアンテナにおける位相重み付
は方法に関し、詳細にはビーム位相偏移を伴うことなく
ビーム走査を行うことのできるフェーズドアレイアンテ
ナの給電位相設定方法に関する。

（従来技術） 近年、地上の固定局と自動車あるいは航空機等の移動体
との通信回線を確保するために、人工衛星を中継局とし
たシステムが実用化されつつあるが、この際に使用する
アンテナとしては人工衛星を自動追尾するためにフェー
ズドアレイアンテナを用いることが多い。

フェーズドアレイアンテナとは複数のアンテナ素子を配
列し、各素子に給電する信号の位相を電気的に変化させ
て放射ビーム方向を任意自在に制御するものである。

第３図はフェーズド・アレイ・アンテナの基本的概念を
説明するためのブロック図である。

同図においてＡ１．Ａ２・・・・・・・・Ａｎは各々複
数のアンテナ素子であり、φ１．φ２．・・・−・φｎ
及びＤＴＶは前記アンテナ素子の各々に付加した移相器
及び分配器である。また、Ｃ０ＮＴは制御器であり、前
記移相器ψｌ、φ２・・・・・・・・φｎに接続し、こ
れらを制御するものである。

即ち　上述のように構成した各アンテナ素子に給電する
信号の位相関係を決定することにより。

アンテナビーム方向を所望のものとする。

この際、位相設定を単純にするため一番端に位置するア
ンテナ、例久ばＡ１又はＡｎを位相設定の基準とする。

次に、第４図を参照しながらアンテナビーム方向と上記
位相項み付けの関係について詳細に説明する。

第４図は５つのアンテナ素子ＡＯ−Ａ４を間隔ｄで配列
したアレイ・アンテナを示す図であって、今　アンテナ
配列面の垂線からθずれた方向（Ｂｓ）の方向より信号
が到来する場合を考久る。

このとき各アンテナ素子には　ＡＯを基準とすればアン
テナＡＯを起、占として前記電波の到来方向に垂線を描
き　該垂線と前記各アンテナとの距離を夫々ＸｌＸ２Ｘ
１及びＸ４とすると、各アンテナに到来する前記信号の
位相は、基準としたアンテナＡＯに対し上記ｘｌ乃至ｘ
４の距離を信号が伝播するに要する時間に対応した分遅
延する。

そこで、フェーズドアンテナでは、上記各アンテナにつ
いての位相遅延分を夫々の位相器φ、乃至φゎで補正し
、全ての信号の移相を同一にした上で合成することによ
って　より大きな着信信号を得る様にしている。

ここで距離ｘｎをアンテナ素子の間隔ｄを用いて表現す
れば ｘｎ＝ｎｄｘｓ　ｉ　ｎθ申・申・・・・（１）到来す
る信号の波長がえであるとき、これを位相ψｎで表すと ψｎ＝ｋｘｎ　＝ｋｎｄＸｓ　ｉ　ｎθ、　、　　（２
１但し、ｋは波数と呼ばれるものでに＝＝π／んとなる
。

部ち、アンテナ素子Ａ１〜Ａ４にはＡ０より位相がψｎ
だけ遅れた信号が入力する。従って、各アンテナ素子に
接続した移相器φＯ〜φ４を制御し、前記位相差ψｌ〜
ψ４に相当する位相補償を行って、全ての信号の移相が
同一となるようにした後入力信号を合成する。送信アン
テナとして使用する場合も同様で、指向性を形成したい
方向に於いて全てのアンテナから放射する信号の移相が
同一位相となるように制御するものである。

即ち、θだけビーム走査する場合のビーム方向における
合成波Ｃ以下、放射ビーム波と称す）はＡＯ〜Ａ４を、
屯波源として考えれば、各点波源から放射される波を合
成すればよく、以下のようになる。

五−〇） ＝ΣｅＪ″′４１°ＩＩＯ×ｅ−１ｎ′ｄ’ｌ＋ａｂ、
、（３）この式の前項はビーム捜査しないときの放射パ
ターンを表す項で、後項はビーム捜査に関する給電位相
項である。

この式に於いて、給電位相項のみに着目して、Ｎ＝５の
場合を考えると、ビームの方向をＲ（θ）とすれば、 Ｒ（θ）＝ｅｘｐ（−ｊＯ） ”　ｅ　Ｘ　ｐ（−ｊ　ｋｄｓｉｎθ）＋　ｅ　ｘ　ｐ
　（−ｊ２ｋｄｓｉｎθ）＋　ｅ　ｘ　ｐ　（−ｊ３ｋ
ｄｓｉｎθ）移相器、θ（・０）を代入すれば Ｒ（θ）＝ｅｘｐ　（−１）ｘ５＝５　・　（５）一方
、θだけビームを捜査する場合は（４）式より以下のよ
うに複素数となる。

Ｒ（θ）＝ １　＋ｃｏｓ　　（ｋｄｓｉｎθ）　−ｊｓｉｎ　（ｋ
ｄｓｉｎθ）＋　ｃｏｓ　　（２ｋｄｓｉｎθ）　−ｊ
ｓｉｎ　（２ｋｄｓｉｎθ）＋　ｃｏｓ　　（３ｋｄｓ
ｉｎθ）　−ｊｓｉｎ　（３ｋｄｓｉｎθ）＋　ｃｏｓ
　　（４ｋｄｓｉｎθ）　−ｊｓｉｎ　（４ｋｄｓｉｎ
θ）・・・・・　（６） （３）ｆ５）式よりビームを正面より順次捜査していく
と、放射ビームの位相は変化することが分かる。

尚、上述の例は素子が５つの場合について説明したが、
以上の説明は任意の素子数のアンテナについて成立し、
その場合の放射ビーム波は３式で表される。

参考までに以上説明した従来の給電方法によって２行８
列のフェーズドアレイアンテナを制御した場合の放射ビ
ームの位相変化の実測値を第５図に示す。

この実測図から明らかなように、アレイアンテすの放射
ビームを捜査すると、従来の方法では放射ビーム方向の
位相が大幅に変化する。

この現象は以下のように搬送波信号を位相変調して所要
データを伝送する場合に、極めて大きな障害となること
があった。

即ち、人工衛星を中継局として航空機や自動車のように
移動しながら通信をおこなう場合は移動側の方向が変化
する度にビーム方向の捜査を行って常にビームが人工衛
星の方向を向くように自動追尾するのが一般的であって
、伝送すべき情報をＰＳＫ　（位相シフトキーインク）
にて変調する場合は搬送波の位相変化そのものにデータ
が含まれることになるが、上述した如くアンテナのビー
ム方向を変化すると、データに関係なく搬送波信号の位
相が変化することになって、これを受信し復調する側で
はデータエラーとなって表れる。

このようにデータ送信中←、頻繁にビーム方向変化制御
がなされると、正常なデータ伝送が不可能となる問題が
あった。

（発明の目的） 本発明は上述したような従来のフェーズド・アレイ・ア
ンテナの給電位相設定方法の欠点を除去するためになさ
れたものであって、ビーム走査を行っても位相変化の起
こらないフェーズド・アレイ・アンテナの給電位相設定
方法を提供することを目的とする。

（発明の概要） 上記目的を達成するため、本発明に係るフェーズド・ア
レイ・アンテナの給電位相設定方法はアンテナ全体の中
心を給電の基準とする。

即ち、アレイアンテナを平面とじて考久た場合、この面
の物理的中心点を位相重み付けの基準とし、この点と各
アンテナ素子との距離と方向に応じて夫々の位相制御量
を決定する。

（実施例） 以下、図示した実施例に基づいて本発明の詳細な説明す
る。

第１図は本発明のフェーズドアレイアンテナ制御方法の
基本的概念を説明するためのブロック図である。

同図においてＡ２°、Ａｌｏ、ＡＯｌＡｌ、Ａ２は各々
所定間隔をもって配置したアンテナ素子であり、ψ２°
、φ１″、φ０、φ１．φ２は前記アンテナ素子の各々
に付加した移相器であり、ＤＩＶは前記アンテナ素子に
付加した分配器である。また、Ｃ０ＮＴは制御器であり
、前記移相器φ２°、ψ１°、φ０．φｌ、φ２に接続
し、それらを制御するものである。

ここでは説明を簡単にするために五つのアンテナ素子を
一列に配置したアレイアンテナを例にとるが、この場合
は以下のように位相制御を行う。

即ち、従来は各位相器に於いてアンテナ素子に供給し又
はアンテナ素子から供給された信号に対るが、本実施例
では、これに代えて、中心のアンテナ素子ＡＯを基準と
し、左右のアンテナ素子の位相量の絶対値が左右対称に
なり、且行号が逆になるように給電する。

このことを第２図を参照しながら詳細に説明する。

第２図は前記第１図に示したアンテナ装置の５つのアン
テナ素子Ａ２’　、Ａｌ’　、ＡＯ，Ａｌ。

Ａ２の部分を示した図で、これらアンテナ素子は間隔ｄ
をもって配列されており、θはこのアレイ・アンテナの
放射ビームＢＳの正面方向となす角度である。

いま、Ｂｓの方向より信号が到来し、アンテナ素子ＡＯ
に入力したとすると、Ａｔに人力した信号は既にα１の
位置まで進んでおり、同様にＡ２に入力した信号は既に
α２の位置まで進んだものとなる。一方、Ａｌ’　に入
力すべき信号はまだα１　の位置にあり、同様にＡ２’
に入力すべき信号もまだａ２　の位置にある。

このようにアンテナ素子ＡＯを憂慮として考えると、該
アンテナ素子ＡＯを通り前記ビーム方向と直行する仮想
線Ｔと夫々のアンテナ素子との距離ｘ２’　、ｘｉ’　
、ｘｌ、ｘ２に対応した分、各アンテナ素子に着信する
到来信号の位相進み或は位相遅れが生じる。

即ち、アンテナ素子ＡＯに対し、アンテナ素子Ａ１．Ａ
２は位相が進んで、又アンテナ素子Ａｌ’　　　　　は
位相が遅れたものとなる。

ここでｘｎをアンテナ素子の間１１ｉ［ｄを用いて表現
すれば前記第（１）式となり、到来する信号の波長がλ
のとき、夫々の位相遅延又は位相進み量は前記第（３）
式となる。

従って、θだけビーム捜査する場合の放射ビーム波は従
来例と同様各アンテナ素子Ａ２°〜Ａ２を占、波源とし
て考えれば前記第（４）式を参昭して次のように表され
る。

Ｒ（θ）　＝　ｅ　ｘ　ｐ　（ｊ２ｋｄｓｉｎθ）＋ｅ
ｘｐ　（ｊ　ｋｄｓｉｎθ） ＋　ｅ　ｘ　ｐ　（−ｊｏ） ＋　ｅ　ｘ　ｐ　（−ｊ　ｋｄｓｉｎθ）十ｅ　Ｘ　ｐ
（−ｊ２ｋｄｓｉｎθ） ＝　ｃｏｓＨｋｄｓｉｎθ）　＋　ｊｓｉｎ　（２ｋｄ
ｓｉｎθ）＋　ｃｏｓ（ｋｄｓｉｎ　θ）　＋　ｊｓｉ
ｎ　（ｋｄｓｉｎθ）＋　ｃｏｓｆｋｄｓｉｎ　θ）　
−ｊｓｉｎ　（ｋｄｓｉｎθ）＋　ｃｏｓｆ２ｋｄｓｉ
ｎθ）　−ｊｓｉｎ　（２ｋｄｓｉｎθ）＋１＝　　１
　　＋　　２　　ｃｏｓｌｋｄｓｉｎ　　θ　）　　＋
　　２　　ｃｏｓ１２ｋｄｓｉｎθ　）・　・　・　・
　・　（７） 上式は従来の給電方法による前記第（６）式と異なり虚
数成分を持たないので、ビーム正面よりビームを順次走
査しても放射ビームは振幅成分は変化するが、位相成分
は変化しない。

従って、上述したよりなＰＳＫ変調方式を採用してフェ
ーズドアレイアンテナを使用しても何ら間顕を生じない
ことが理解出来よう。

尚、着信信号の位相を絶対的に進めることは不可能であ
るから、位相を進めろべきものに太しでは相対的に処理
する。即ち、全体的に３６０度遅らせておき、この遅ら
せた信号に対して３６０度より小さい位相遅延量を与え
れば、相対的に位相を進めることができる。

以上素子が５つの場合について本発明の詳細な説明した
が、以上の説明は任意の素子数のアンテナについて成立
する。また、アンテナの配列も任意でよく、リニア配列
、平面配列等であっても本発明を通用することができる
。

又、例えばアンテナ素子が８個のように偶数のときの中
ノし・は、第４番目と第５番目のアンテナの真ん中に仮
想中心を想定し、該中心がら夫々のアンテナ素子への距
離に対応して位相制御量を決定する。

このように本発明ではフェーズド・アレイ・アンテナの
中心を給電位相設定の基準として各移相器を制御するだ
けで合成された信号の位相偏移がビーム制御に伴って変
化しないようにすることが出来、従ってＰＳＫ変調を採
用するシステムへのフェーズドアレイアンテナの使用が
可能となる。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように構成し、動作するものであ
るからビーム走査に伴う放射ビームの位相偏移を容易に
なくすことができ、位相変調を用いる際の通信系の性能
の劣化を防ぐ上で著しい効果がある。

工−ズド・アレイ・アンテナのブロック構成図第２図は
本発明の給電位相設定方法を示す図、第第３図は従来の
制御方法を説明するためのフェーズドアレイアンテナの
ブロック構成図２第４図は従来の制御方法を説明する図
、第５図は従来の制御方法に基づく放射ビーム波の走査
角度θと移相変化の関係を示す図である。

ＡＯ１Ａ２’　、ＡＩ’　、　Ａ１．Ａ２・・・・・・
・・・アンテナ素子 φ２°、φ１　、φ０、φ１、ψ２・・・・・・移相器
ＤＩＶ・・・・・・・・・電力分配器、　ｄ・・・・・
・・・アレイ配列距離、　　θ・・・・・・・・・ビー
ム走査角度特許出願人　東洋通信機株式会社 ダλ゛ 第２図　　　　　猷λ 第４図 Ｃ−入目転角度　ｒ彦〕 第５図 手続補正書 平成　３年　５月２３日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数のアンテナ素子とこれらに対応して設けた移相器に
   分配器を介して信号を入力し又は出力するフェーズドア
   レイアンテナにおいて、各アンテナ素子に対する給電位
   相設定基準をアレイアンテナ全体の中心に設定たことを
   特徴とするフェーズドアレイアンテナの給電位相設定方
   法。