JPH0767044B2 - アダプティブアンテナの指向性パターン制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は妨害波と所望信号波が同程度の強度で存在する
電波環境において、妨害波到来方向における空中線利得
を極小にしてこれを維持し、妨害波受信強度を抑圧する
ことにより所望信号受信レベル対妨害波受信レベルの比
（Signal to Noise Ratio:S/N）をできるだけ大にして
受信することのできるパワーインバージョンアダプティ
ブアレイアンテナに関するものである。

（従来の技術） 従来、妨害波の存在する電波環境において妨害波の受信
レベルを抑圧して受信信号のS/Nを高める空中線方式と
してパワーインバージョンアダプティブアレイアンテナ
（Power Inversion Adaptive Array Antenna:以下PIア
ダプティブアレイアンテナという）がある。このアンテ
ナは、複数の無指向性アンテナ素子で受信されたそれぞ
れの受信信号の振幅と位相を制御することによりアレイ
アンテナの合成受信パターンが種々の形に制御できるこ
とに着眼して、到来方向と強度が異なる２つの電波が到
来した時にアレイアンテナの合成受信パターンの極小点
を強度の大なる到来電波の到来方向に向け、強度の小な
る到来電波の到来方向に対しては前記極小点の空中線利
得よりも大なる利得を有する部分が向くように制御する
ことにより、強い電波のアンテナ受信レベルを低くし、
弱い電波のアンテナ受信レベルを高くするようにしたも
ので、強い妨害電波の存在する電波環境において受信信
号のS/N改善に威力を発揮するものである。

第４図はアンテナ素子が２個の場合の従来のPIアダプテ
ィブアレイアンテナの構成例を示すブロック図である。
1,1′は所定の間隔を置いて配列されている無指向性の
アンテナ素子、3,3′はアンテナ素子１および同１′で
受信された受信信号の振幅と位相の両者を制御するため
の重み付け回路であり乗算器で構成されている。

９は重み付け回路３および同３′からの出力信号を合成
する合成加算器、2,2′はアンテナ素子１および同１′
で受信された信号の複素共役の信号を取り出す複素共役
回路、8,8′は複素共役回路２および同２′からの出力
信号と合成加算器９の合成出力信号をそれぞれ乗算する
乗算回路、6,6′は低域通過ろ波器、5,5′は加算器、1
3,13′はステアリング信号である。

そして、複素共役回路２および同２′、乗算回路８およ
び同８′、低域通過ろ波器６および同６′、加算器５お
よび同５′は帰還回路を形成している。この帰還回路は
各アンテナ素子の入力信号と、合成加算器９の出力信号
を受けて各アンテナ素子の受信信号の振幅および位相を
制御するための重み付け信号を発生し重み付け回路３お
よび同３′に加える。

このような構成を有するPIアダプティブアレイアンテナ
は以下のような動作をする。今、到来電波が全く存在し
ない場合、即ち電波の到来を待ち受けている状態では、
各アンテナ素子の受信信号はなく、従ってまた合成加算
器９の出力信号もないので低域通過ろ波器６および同
６′の出力信号もない。このため重み付け回路３および
３′に加えられる信号は加算器５および同５′を経由し
て加えられているステアリング信号13および同13′のみ
となる。このステアリング信号はアレイアンテナの待ち
受け受信パターンが無指向性になるように、一方が
“1"、他方が“0"となるように定められている。

今、仮にステアリング信号13を“0"としステアリング信
号13′を“1"とすると重み付け回路３に加えられる重み
付け信号は“0"となり重み付け回路３′に加えられる重
み付け信号は“1"となる。重み付け回路３および同３′
は乗算器であるので、アンテナ素子１および同１′と合
成加算器９との等価的な接続関係は第５図（ａ）のよう
になる。即ち、待ち受け状態ではアンテナ素子１′のみ
で待ち受けているようになり、第５図（ｂ）の無指向性
パターン15即ち全方位に対する待ち受け状態となってい
る。

次に、このような待ち受け状態にあるところへ電波が到
来すると第５図（ａ）のスイッチ14が閉じたと同様にな
り第４図のPIアダプティブアレイアンテナは重み付け信
号を発生する帰還回路が作動し始め受信パターン上に極
小点を形成し始める。今、電波が第５図（ｂ）の矢印で
示すような２つの方向から到来し、矢印Ｂで示される方
向からの電波（以下Ｂ波という）の強さが矢印Ａで示さ
れる方向から到来する電波（以下Ａ波という）の強さよ
りも強いと、合成加算器９の出力点できたアレイアンテ
ナの受信合成パターンは、無指向性のパターンから時間
の経過と共に第６図（ａ）に示すようにＢ波の到来方向
と、アンテナ素子の配列軸を対称軸とする対称方向に極
小点ができるような受信パターンになる。

逆にＡ波の方が強い場合には第６図（ｂ）に示すように
Ａ波の到来方向とアンテナ素子の配列軸を対称軸とする
対称方向に極小点ができるような受信パターンになる。
このように、従来のPIアダプティブアレイアンテナは複
数の電波が到来した場合には強い電波の到来方向に極小
点を有する受信パターンになるように帰還制御されてい
る。

従って受信したい電波（以下Ｄ波という）と異なる方向
からＤ波よりも強い妨害電波（以下Ｕ波という）が到来
してもＵ波の受信レベルが抑圧されＤ波の受信レベルが
強調される結果S/Nが改善されるという優れた機能を有
している。

これに対して、Ｕ波よりもＤ波の方が強い場合には、上
に述べたPIアダプティブアレイアンテナの動作原理上、
Ｄ波の受信レベルが抑圧され、Ｕ波の受信レベルが強調
されかえってS/Nを劣化させてしまう方向に動作する。
従って、このような場合にはPI動作を停止させるとか、
バイパス経路を設けてこれに切り替えるなどの対策が講
じられている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来のPIアダプティブアレイアンテナは
異なった方向から到来する電波の強さが同じである場合
にはその動作原理上、アンテナパターンにおける極小点
が両波の到来方向の中間方向に形成され且つ極小点を中
心として両側がほぼ対称なパターンであるためＤ波の受
信信号レベルもＵ波の受信信号レベルもほぼ同程度とな
りPIアンテナとしての機能を果し得ず従って受信信号の
S/Nの改善が全く得られないという問題がある。

本発明の目的は、上記の問題を解決し、Ｄ波とＵ波の強
度がほぼ同程度であっても、Ｕ波の到来方向に極小点を
有する受信パターンを形成できるアダプティブアンテナ
の指向性パターン制御方法を提供しようとするものであ
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明のアダプティブアンテナの指向性パターン制御方
法は上記の目的を達成するために次の構成および手順を
有する。即ち、（イ）所定の間隔を置いて配列したｎ
（≧２）個のアンテナ素子と、各アンテナ素子の出力に
対し、重み付け信号によって重み付けをするｎ個の重み
付け回路と、各重み付け回路の出力を合成する合成加算
器と、前記アンテナ素子出力と前記合成加算器の出力と
を乗算する乗算回路と、前記乗算回路の出力を低減通過
ろ波器を介し重み付け信号として前記重み付け回路へ与
える帰還回路と、を備えたパワーインバージョンアダプ
ティブアレイアンテナにおいて、 （ロ）電波の到来していない待ち受け状態のとき、前記
乗算回路とローパスフィルタを切り離し、前記パワーイ
ンバージョンアダプティブアレイアンテナの指向性パタ
ーンの極小点が任意に選択される特定の方向に形成され
るように、前記低域通過ろ波器に所定の信号を与え、 （ハ）電波が到来したことを検出したとき、前記所定の
信号を切り離し、前記乗算回路と低域通過ろ波器を接続
して、その状態を開始点として帰還回路を動作させ、 （ニ）前記合成加算器の出力レベルが極小となった時点
を検出して、前記重み付け回路に与える重み付け信号の
値をその時点で固定することにより、指向性パターンの
極小点を抑圧したい電波の到来方向に向けた状態で固定
する。

（作用） 以下、本発明方法の作用を説明する。

本発明方法の基本原理は、電波の到来していない待ち受
け状態の時に受信アンテナパターン上の選択された特定
の方向に予め極小点を強制的に形成しておき、２方向か
ら強さの等しい電波が到来した時に、その状態を開始点
として帰還回路を動作させ、極小点の向きが帰還回路の
時定数によって定まる速さで徐々に２つの到来電波の方
向の中間方向へ移動して行くことを利用して、極小点が
丁度抑圧したい到来電波の方向を向いた時に重み付け値
をその時点で固定することにより極小点を抑圧したい電
波の到来方向に向けようとするものである。そして、２
つの到来電波の方向のどちら側の方向に、待ち受け状態
時の極小点を設定するかを選択することにより、いずれ
の到来電波を抑圧するかを任意に選択できる。

待ち受け状態の受信アンテナパターンの任意の方向に極
小点を形成することは容易に実現し得る。例えば、２つ
のアンテナ素子が存在する場合に電波の到来方向によっ
て定まる到達距離の差に起因して生ずる受信信号の位相
差と受信後に付与される位相差の合計が180゜の奇数倍
になるようにして合成すると合成出力は零となるのでそ
の方向に極小点が形成されていることになる。

従って、２つのアンテナ素子の受信信号の位相差を制御
することにより任意の方向に極小点を形成することがで
きる。

簡単な例として、２つの無指向性アンテナ素子を２分の
１波長の間隔で配列し、受信信号間の位相差制御を付与
位相差が０゜、即ち1:1になるようにして合成すると、
配列軸と直角の方向から電波の受信信号は同相で受信さ
れ合成されるので極大となり、配列軸と同じ方向からの
電波の受信信号は180゜の位相差を持って受信されてい
るのでこれを合成すると零となり、その方向に極小点を
有することになる。これを図示すると第２図（ａ）のよ
うになる。図中×印はアンテナ素子を示す。これに対し
て、受信信号間の位相差制御を付与位相差が180゜、即
ち1:−１になるようにして合成すると、合成信号は配列
軸と同じ方向からの電波に対して極大となり、配列軸と
直角の方向からの電波に対して極小となる。

これを図示すると第２図（ｂ）のようになる。一般にア
ンテナ素子がｎ個であっても、電波到来角度によって生
ずる電波到遠距離差による位相差に対して各アンテナで
受信された後の信号に対する位相遅延と振幅を制御する
ことにより当該方向から到来する電波の各アンテナ素子
の出力を合成した合成出力が零になるようにすることが
できる。即ちこのことは任意の方向に極小点を設定する
ことができること意味している。

本発明方法においては、電波未到来時には、極小点形成
回路の出力信号が帰還回路へ加えられ帰還回路の出力信
号とステアリング信号が加算されて重み付け信号となり
重み付け回路に加えられる。そして、極小点形成回路の
出力を制御することにより指向性パターン上の任意の方
向に極小点を形成することができる。

今、説明の便宜上、第５図（ｂ）のＸ方向に極小点を形
成して、待ち受けていた場合を考える。この状態でＡ波
とＢ波が同じ強さで到来すると、到来検出器が電波の到
来を検出し、その検出信号に基づいて切替回路を動作さ
せ帰還回路への入力信号を各アンテナ素子からの複素共
役信号と受信合成信号との積である帰還信号に切り替え
る。

この動作によりPIアダプティブアレイアンテナとしての
帰還動作が開始し、Ｘ方向に形成されていた極小点はＡ
波とＢ波の中間の方向に向けて、帰還回路の時定数によ
って定まる速さで移動を開始する。従って極小点はＢ波
の方向を通過することになる。この時の受信合成信号の
出力レベルは、Ｂ波の方向の近傍においては極小点がＢ
波の方向に接近しつつある時は減少して行き、Ｂ波の方
向に一致した時に極小となり、更に移動して遠ざかるに
つれて増加し始める。

この、受信合成信号の出力レベルが極小となった時点を
極小検出回路によって検出し、その検出信号によって重
み付け値固定回路を動作させて、重み付け値をその時点
の重み付け値に固定させる。従って、アンテナの指向性
パターンの極小点はＢ波の方向で停止することになり、
Ｂ波の受信レベルを抑圧することになる。もしＡ波がＤ
波で、Ｂ波がＵ波である場合にはＵ波が抑圧される結
果、受信信号のS/Nは改善されることになる。

これに対し、Ａ波がＵ波で、Ｂ波がＤ波である場合に
は、待ち受け状態の極小点を第５図（ｂ）のＹ方向に形
成して置くことにより、極小点の移動はＡ波の方向を通
過するので先に述べたと同様の動作によりＡ波を抑圧す
ることができる。

このように本発明方法によればＤ波とＵ波が同じ強さで
到来しても、従来のPIアダプティブアレイアンテナとは
異なり、Ｕ波の受信レベルを抑圧することができる。な
お、以上はｎ＝２、即ちアンテナ素子が２個の場合につ
いて説明して来たが、一般に極小点の数は（ｎ−１）個
であるので、アンテナ素子が３個以上多くなるほど極小
点の数を多くできるし、パターンの形状も希望の形状に
設定し易くなり、パターン設定の自由度が大きくなると
ともに、アンテナ素子毎に前記構成（イ）の重み付け回
路、乗算回路、低域通過ろ波器、帰還回路等を設けるこ
とにより、２個の場合と同様に本発明の制御を行うこと
ができる。

（実施例） 以下、本発明方法の実施例を図面に基づいて説明する。
第１図は、アンテナ素子が２個（ｎ＝２）の場合に、本
発明方法を実施するための手段の構成例を示すブロック
図である。

本構成は、第４図の従来のPIアダプティブアレイアンテ
ナの構成に対して、新たに、重み付け値固定回路４およ
び４′、切替回路７および同７′、到来検出器10、極小
検出回路11および極小点形成回路12が設けられている点
に特徴がある。ステアリング信号は第４図におけると同
様に13が０、13′が１になっているものとする。

極小点形成回路12の出力信号は、切替回路７および同
７′に加えられる。また、切替回路７には乗算回路８か
らの帰還信号が加えられており、切替回路７′には乗算
回路８′からの帰還信号が加えられている。一方切替回
路７および同７′には到来検出器10の出力信号線が接続
されており、電波が到来した時に到来を示す検出信号が
切替回路７および同７′に加えられる。

切替回路７は到来検出器10からの検出信号がない場合に
は極小点形成回路12からの信号と帰還回路としての低域
通過ろ波器６へ、同じく切替回路７′は極小点形成回路
12からの信号を帰還回路としての低域ろ波器６′へ導
く。

本実施例においては、帰還回路はアナログ回路の低域通
過ろ波器を用いているが、これに限られるものではな
く、等価的に所定の伝達関数を有するディジタル回路で
構成したものであってもよい。極小点形成回路12の出力
信号は、低域通過ろ波器６を経て、加算器５でステアリ
ング信号13と加算され、重み付け値固定回路４を経由し
て重み付け回路３へ加えられる。同じく低域通過ろ波器
６′を経由した信号は加算器５′でステアリング信号1
3′と加算され重み付け値固定回路４′を経由して重み
付け回路３′へ加えられる。

そして、極小点形成回路12の出力信号は、重み付け回路
３および同３′での重み付け値が、電波未到来の待ち受
けアンテナ指向性パターン上の選択した方向に極小点が
形成されるような値になっている。

今、説明のための例として、重み付け回路３および同
３′における重み付け値がそれぞれ１になるように設定
されているものとする。

従って、電波が到来していない待ち受け状態の時のアン
テナ指向性パターンは第３図（ａ）のようになってい
る。次に、このような待ち受け状態のところへ第３図
（ａ）に示すように、強度のほぼ等しいＡ波とＢ波が到
来すると、まず到来検出器10が電波の到来を検出し、検
出信号を切替回路７および同７′へ送る。検出信号を受
けた切替回路７は乗算器８からの信号を低域通過ろ波器
６へ送るように切り替わり、同じく切替回路７′は乗算
器８′からの信号を低域通過ろ波器６′へ送るように切
り替わる。この切り替わりによって帰還回路が形成され
るので、PIアダプティブアレイアンテナとしての動作が
開始され、待ち受け状態のとき強制的に形成されていた
アンテナ指向性パターンの極小点のうち到来電波の方向
に近い方の極小点が該到来電波の方向に移行し始める。

この移行は、重み付け回路３および同３′に加えられて
いる重み付け値が変化することによるものであるが、こ
の重み付け値は時間ｔの指数関数で表わされ時間の経過
につれて変化しつつ定常値に落ち着く形となっている。
即ち連続的な変化をしながら定常値に近づき落ち着くこ
ととなる。

従来のPIアダプティブアレイアンテナにおいては、異な
った方向から同程度の強度の電波が到来した時にはアン
テナパターンの極小点が時間の経過につれてこれら二つ
の方向の中間方向に形成され落ち着く。この時の重み着
け値が定常値ということになる。従って、今、電波の待
ち受け状態において上記二つの方向の間以外の方向に強
制的に極小点を形成しておき上記の電波が到来した時に
強制的な極小点形成信号の印加を解除して本来のPIアダ
プティブアレイアンテナの動作を開始させると重み付け
値は定常値に向って時間に対し指数関数的な連続的変化
を開始する。

このことは、極小点が強制的に設定された方向から、二
つの到来電波の方向の中間の方向に向けて連続的に移行
することを意味する。第３図の例でいうならば、同図
（ａ）のＢ波に近い極小点Ｍが同図（ｂ）、同図（ｃ）
のように、低域通過ろ波器の時定数によって定まる速度
によって移行する。そして極小点がＢ波の到来方向に向
いた時に移行を停止させると極小点がＢ波の到来方向を
向いたままとなりＢ波のアンテナ受信レベルを抑圧する
ことができることになる。このような動作を行わせてい
るのが極小検出回路11と重み付け値固定回路４および同
４′である。今、極小点がＢ波の到来方向に近づき通過
する場合の狭い範囲での合成加算器９の出力レベルを観
ると、極小点がＢ波の方向に近づきつつある時は出力レ
ベルが低下していき、一致した時が極小となり、更に進
むとまた出力レベルが上昇し始める。

従って出力レベルが減少から増加へ転じる点を捉えて停
止させるとよいことになる。極小検出回路11はこの極小
点を検出し停止信号を出力する回路である。この検出
は、合成加算器９の出力レベルの２次微係数の極性の反
転を捉えるなどして容易に実現できる。極小検出回路11
からの停止信号は重み付け値固定回路４及び同４′へ送
られる。重み付け値固定回路４および同４′は停止信号
が加えられない間は加算器５および同５′からの重み付
け値を重み付け回路３および同３′に加えているが、停
止信号が送られて来ると以後その時点の重み付け値に固
定した重み付け値を重み付け回路３および同３′へ送
る。このような動作はラッチ回路への入力を停止信号に
よって断にすることにより容易に実現できる。

以上のような動作によりアンテナパターンの極小点をＢ
波の到来方向に固定することができＢ波のアンテナ受信
レベルを抑圧することができる。従ってＢ波が妨害波
（Ｕ波）であるような場合はその受信レベルが抑圧され
受信信号のS/Nが改善される。

逆にＢ波がＤ波がＡ波がＵ波である場合にはＤ波の受信
レベルが抑圧されてS/Nが劣化し支障を来たすので、こ
のような場合には、極小点形成回路12の出力信号を調整
することにより待ち受け状態における極小点の設定方向
をＡ波の到来方向とＢ波の到来方向の成す角の外側でＡ
波の到来方向に近い方向に変えることによりＡ波の受信
レベルを抑圧してS/Nの改善を図ることができる。アレ
イアンテナ素子が多数の場合は極小点数およびその方向
設定の自由度が増加しその自由度に応じて多数の妨害波
抑圧をはかることができる。尚このときの動作原理は以
上詳述した２素子アレイの場合と同様である。

（発明の効果） 本発明のアダプティブアンテナの指向性パターン制御方
法は以上の構成と作用を有するので、受信すべき電波の
他に他の方向から受信すべき電波と同じ強さの妨害電波
が到来してもアンテナパターンの極小点を妨害電波到来
方向に向けて固定することができるので、従来のPIアダ
プティブアレイアンテナとは異なり、妨害電波の受信信
号レベルを抑圧することができ受信信号のS/N改善に威
力を発揮するという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、アンテナ素子が２個の場合の本発明方法を実
施するための手段の構成例を示すブロック図、第２図は
無指向性アンテナ素子が２個の場合の合成アンテナパタ
ーンを示す図、第３図は本発明方法を適用した２素子PI
アダプティブアレイアンテナにおける電波到来時のアン
テナパターンの変化を示す図、第４図は従来のPIアダプ
ティブアレイアンテナの構成を示すブロック図、第５図
は従来のPIアダプティブアレイアンテナの待ち受け状態
を示す図、第６図は従来のPIアダプティブアレイアンテ
ナの極小点の形成を示す図である。 1,1′……無指向性アンテナ素子、2,2′……複素共役回
路、3,3′……重み付け回路、4,4′……重み付け値固定
回路、5,5′……加算器、6,6′……低域通過ろ波器、7,
7′……切替回路、8,8′……乗算回路、９……合成加算
器、10……到来検出器、11……極小検出回路、12……極
小点形成回路、13,13′……ステアリング信号、14……
スイッチ、15……無指向性パターン。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−38003（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−141102（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−116868（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−137302（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−72653（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−20001（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】次の構成および手順からなることを特徴と
   するアダプティブアンテナの指向性パターン制御方法。 （イ）所定の間隔を置いて配列したｎ（≧２）個のアン
   テナ素子と、各アンテナ素子の出力に対し、重み付け信
   号によって重み付けをするｎ個の重み付け回路と、各重
   み付け回路の出力を合成する合成加算器と、前記各アン
   テナ素子出力と前記合成加算器の出力とを乗算する乗算
   回路と、前記乗算回路の出力を低減通過ろ波器を介し重
   み付け信号として前記重み付け回路へ与える帰還回路
   と、を備えたパワーインバージョンアダプティブアレイ
   アンテナにおいて、 （ロ）電波の到来していない待ち受け状態のとき、前記
   乗算回路とローパスフィルタを切り離し、前記パワーイ
   ンバージョンアダプティブアレイアンテナの指向性パタ
   ーンの極小点が任意に選択される特定の方向に形成され
   るように、前記低域通過ろ波器に所定の信号を与え、 （ハ）電波が到来したことを検出したとき、前記所定の
   信号を切り離し、前記乗算回路と低域通過ろ波器を接続
   して、その状態を開始点として帰還回路を動作させ、 （ニ）前記合成加算器の出力レベルが極小となった時点
   を検出して、前記重み付け回路に与える重み付け信号の
   値をその時点で固定することにより、指向性パターンの
   極小点を抑圧したい電波の到来方向に向けた状態で固定
   する。