JP2007139521A - アレイアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速なスイッチを用いることなく、高い精度で電波の到来方向推定を行うことのできるアレイアンテナ装置を提供する。
【解決手段】第１の受信部１２１により基準アンテナ素子１０１からの基準信号を順次サンプリングすると共に、第２の受信部１２２により、スイッチ１１の切り替えによって順次入力される基準アンテナ素子以外の他の複数のアンテナ素子１０２〜１０ｎからの信号をサンプリングする。そして、ディジタル処理部１８により、第１の受信部１２１によって順次サンプリングされる際に基準信号に生じる位相差を元に、第２の受信部１２２に入力されてサンプリングされた他の複数のアンテナ素子１０２〜１０ｎからの信号の位相差を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アレイアンテナ装置に関し、特に到来方向推定をディジタル処理により行うアレイアンテナ装置に関する。

従来、電波を受信する複数のアンテナ素子からなるアダプティブアレイアンテナ等のアレイアンテナを備え、アレイアンテナの複数のアンテナ素子からの各信号の位相差により電波の到来方向を推定するアレイアンテナ装置がある。そして、このようなアレイアンテナ装置においては、電波の到来方向を推定する場合、各アンテナ素子からの受信信号をＡＤ変換し、ディジタル処理により電波到来方向を推定するようにしている。図１０は、このような従来のアレイアンテナ装置のブロック構成図である。

図１０では、ｃｈ１〜ｃｈｎのｎ本のアンテナ素子３０１〜３０ｎそれぞれに、アンプ３４、フィルタ３５、アンテナ素子３０１〜３０ｎからの受信信号と局部発信器３３からの信号をミキシングしてダウンコンバートを行うミキサ３６が接続されている。

そして、各アンテナ素子３０１〜３０ｎからの受信信号は、ミキサ３６によりダウンコンバートされ、このダウンコンバートにより得られる、受信信号よりも周波数の低いビート信号がＡＤ変換部３７によりディジタルデータに変換される。この後、このビート信号はディジタル処理部３８へと送られ、ディジタル処理部３８では、このサンプリングした信号の振幅や位相を所定のアルゴリズムで処理することにより、電波の到来方向を推定する。以下、アンプ３４、フィルタ３５、ミキサ３６、ＡＤ変換部３７を合わせて受信機という。

ところで、図１０で示したアレイアンテナ装置の構成ではアンテナ素子３０１〜３０ｎごとに受信機３２１〜３２ｎが接続されており、このような構成の場合、アンテナ素子の増加に伴い、部品点数が増加するため、大型化・コスト高になる問題がある。また、到来方向推定精度の面から見ても、部品点数が多くなることにより、各部品の特性のバラツキの影響も大きくなる。

さらに、各アンテナ素子３０１〜３０ｎの位相の関係を正確に取得するためには、受信機内の信号経路長や、局部発信器３３から各受信機３２１〜３２ｎのミキサ３６への信号経路長を、正確に合わせる必要がある。例えば、２．５ＧＨｚの入力信号に対して、高周波回路の経路長が１ｍｍずれていたとすると、受信信号の位相には約３°の誤差が生じ、到来方向推定にも大きな影響を及ぼす。このように、基本的なアレイアンテナの構成では、コスト、大きさ、精度の面で大変不利である。

そこで、このような問題を解決する手段として、複数のアンテナ素子に対して受信機を一つだけ設け、各アンテナ素子を切り替えスイッチによって順次切り換えることにより、受信機に接続するようにしたものがある。そして、このようなアレイアンテナ装置では、順次切り換えられて受信機に接続される各アンテナ素子からの受信信号をスイッチ切り替え周期で時分割してから取得するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。

図１１は、このような従来のアレイアンテナ装置のブロック構成図である。このアレイアンテナ装置は、アンテナ素子３０１〜３０ｎと、各アンテナ素子３０１〜３０ｎを順次切り替えるための切り替えスイッチ３１と、受信機３２１と、ディジタル処理部３８と、切り替え信号発信器３９とを備えている。そして、このように構成することにより、受信機３２１を一つにすることができ、アレイアンテナ装置の大幅な簡略化を図っている。

このようなアレイアンテナ装置において、切り替えスイッチ３１とＡＤ変換部３７は切り替え信号発生器３９で発生する同じクロック信号で制御されており、切り替えスイッチ３１が切り替わったタイミングでＡＤ変換が行われる。ここで、この切り替えスイッチ３１を切り替えるためのクロック信号の周波数ｆｓｗは、ＡＤ変換部３７に入力されるビート信号の周波数ｆｂよりも大きく設定される。

例えば、ｆｓｗ／ｆｂ＞＞１００〜１０００と設定されている。このため、ビート信号は１周期が１００から１０００回に時分割されてサンプリングされる。

図１２は、ビート信号のサンプリングの様子を示す図である。なお、図１２において、アンテナ素子は４本（ｃｈ１〜ｃｈ４）として、ｆｓｗは図示上の都合により小さな値としている。また、図１２の４つの連続的な波形は、４本の各アンテナ素子の受信信号をそれぞれ常時ダウンコンバートした場合のビート信号を示しており、ｃｈ１〜ｃｈ４の信号は、それぞれ位相と振幅が異なるものとして表示している。

この信号上で太く表示している部分がＡＤ変換されている部分であり、４つのビート信号はスイッチ３１によるチャネルの切り替えによって順番にＡＤ変換が行われる。なお、既述したように、表示上の都合上、ｆｓｗは小さな値を用いて表示しているが、実用上ではｆｓｗ＞＞ｆｂとして設定することにより、ビート信号はさらに時間軸上で細分化されてサンプリングされる。

特開平１１−１６０４２３号公報

しかし、このような従来のアレイアンテナ装置において、ビート信号の周波数ｆｂに対してクロック信号の周波数ｆｓｗは、ｆｓｗ＞＞ｆｂとなるように高速に設定されているため、切り替えスイッチ３１としては高速切り替えが可能なスイッチが必要である。

このようにスイッチの高速切り替えを行なう場合、高調波などのノイズが発生するため、受信信号に影響を与え、最終的には電波の到来方向推定の精度が低下する。また、切り替えスイッチ３１の切り替えタイミングが安定しない場合、あるいは切り替えに時間を要する場合に、計測した各信号の位相が予定したタイミングで取り込まれず、誤差を含む可能性がある。

さらに、切り替えクロックが一定であるとすると、アンテナ素子数を増やした場合には、各チャネル（アンテナ素子）をサンプリングする間隔が長くなり、大きく間隔の空いたデータしか得られなくなるため、サンプリング結果の信頼性が劣ってくる。なお、サンプリング結果の信頼性を高めるため、切り替えクロック周波数を大きくした場合には、さらに高速なスイッチを使用する必要があり、高調波ノイズの問題などがさらに深刻になってくる。またさらに、高速切り替え可能なスイッチは高価であり、コスト面でも不利である。

そこで、本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、高速なスイッチを用いることなく、高い精度で電波の到来方向推定を行うことのできるアレイアンテナ装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、複数のアンテナ素子からなるアレイアンテナを備え、前記複数のアンテナ素子からの各信号の位相差により電波の到来方向を推定するアレイアンテナ装置において、前記複数のアンテナ素子の内の所定の基準アンテナ素子と、前記基準アンテナ素子からの基準信号を順次サンプリングするための第１の受信部と、前記複数のアンテナ素子の内、前記基準アンテナ素子以外の他の複数のアンテナ素子からの信号をサンプリングするための第２の受信部と、前記他の複数のアンテナ素子と前記第２の受信部との間に設けられ、前記他の複数のアンテナ素子からの信号を順次前記第２の受信部に入力させるスイッチと、前記スイッチの切り替えを制御する切り替え制御部と、前記複数のアンテナ素子の信号を保存するディジタル処理部と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明のように、第１の受信部によって順次サンプリングされる際に基準信号に生じる位相差を元に、第２の受信部に入力されてサンプリングされた他の複数のアンテナ素子からの信号の位相差を補正する。これにより、スイッチ切り替え時間間隔を大幅に遅くすることができ、この結果、高速なスイッチを用いることなく、高い精度で電波の到来方向推定を行うことができる。

以下、図面を使用して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック構成図である。ここで、このアレイアンテナ装置は、各アンテナ素子からの受信信号をＡＤ変換し、ディジタル処理により電波の到来方向を推定するディジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）アレイアンテナ装置である。そして、このアレイアンテナ装置では、所定のアルゴリズムにて受信信号の位相・振幅を使用して到来方向を推定する。なお、本アレイアンテナ装置では、到来方向推定アルゴリズムとしてＢｅａｍｆｏｍｅｒ法やＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法等を使用する。

図１に示すアレイアンテナ装置は、ｎ本のアンテナ素子１０１〜１０ｎ、スイッチ１１、アンプ１４、フィルタ１５、局部発信器１３、ミキサ１６、ＡＤ変換部１７、ディジタル処理部１８、スイッチ１１の切り換えを行なう切り替え制御部１９を備えている。

図１において、１２１，１２２は、それぞれアンプ１４、フィルタ１５、ミキサ１６、ＡＤ変換部１７を備えた基準受信機及び切替受信機である。そして、基準受信機１２１及び切替受信機１２２のミキサ１６には共通に使用する局部発信器１３からの信号が入力されるようになっている。

そして、複数のアンテナ素子１０１〜１０ｎにより受信された信号は、まず第１の受信部である基準受信機１２１及び第２の受信部である切替受信機１２２のアンプ１４、フィルタ１５を通過する。この際、振幅、周波数が調整され、この後、ミキサ１６により局部発信器１３の信号とミキシングされ、受信信号よりも低周波であるビート信号となる。次に、このビート信号をＡＤ変換部１７によりサンプリングし、この後、サンプリング信号をディジタル処理部１８に送る。

ところで、本実施の形態において、スイッチ１１はｎ−１個の入力端子１〜ｎー１と、１つの出力端子Ｅｘを備えている。また、ｎ本のアンテナ素子１０１〜１０ｎの内、例えば１番目のアンテナ素子（ｃｈ１）１０１は、基準アンテナ素子として基準受信機１２１に接続されている。そして、この１番目のアンテナ素子（ｃｈ１）からの信号は基準信号として基準受信機１２１により順次サンプリングされた後、ディジタル処理部１８に取り込まれるようになっている。

また、他のｎ−１本のアンテナ素子１０２〜１０ｎは、切り替え制御部１９からの信号により電気的に切り替わるスイッチ１１を介して順次切換受信機１２２に接続される。これにより、ｃｈ２〜ｃｈｎのうちスイッチ１１に接続している信号が切換受信機１２２によりサンプリングされ、この後、切換受信機１２２からディジタル処理部１８に取り込まれる。

次に、スイッチ１１の切り替えタイミングについて説明する。

スイッチ１１は、切り替え制御部１９からの切り替え信号によって、所定の順序でアンテナ素子１０２〜１０ｎと接続する。以下、スイッチ１１があるアンテナ素子に接続して、そのアンテナ素子からの信号をサンプリングしている時間をサンプリング時間という。ここで、スイッチ１１の切り替えに要する時間を考慮しない場合には、スイッチ１１を切り替える時間間隔と、サンプリング時間は等しい。

本実施の形態では、サンプリング時間を、サンプリングするビート信号の振幅・位相などの特徴が判別できる程度の時間以上に設定し、常に決まったサンプリング時間でスイッチ１１を切り替えるようにしている。ここで、このように特徴が判別できる時間は、後述するようにサンプリング時間内でビート信号の１周期以上の信号であることが望ましい。

しかし、ビート信号の１／２周期の信号を取得することでも、場合によっては、それより短い周期であっても最大振幅と位相変化が判明するので、このような時間でも取得した信号から１周期の信号を仮想的に復元することができる。

よって、最短のサンプリング時間としては、１／２周期程度の時間で良く、切り替え制御部１９からは、その時間間隔でスイッチ１１の切り替え信号を断続的に送信するようにすれば良い。なお、本実施の形態では、後述する図２に示すように、ビート信号の２周期のサンプリング時間でスイッチ１１を切り替えるようにしている。

そして、サンプリング時間（スイッチ切り替え時間間隔）を、このような時間にすることにより、ビート信号を細かく時分割して各ｃｈの信号を取得する場合よりも大幅にスイッチ速度を遅くすることができる。即ち、スイッチ切り替え時間間隔を大幅に遅くすることができる。この結果、スイッチングに起因する高調波などのノイズ・誤差を低減することができる。

ところで、上記のように最低でもビート信号の１／２周期以上の時間間隔でスイッチ１１を切り替えて各チャネルの信号をサンプリングした場合、各信号を取得した時間が異なるため、そのままではチャネル毎の位相差が判断できない。したがって、このままでは取得した信号を電波の到来方向推定に使用することはできない。

そこで、本実施の形態では、スイッチ切り替えを行わず継続的に信号を取得する基準チャネル（アンテナ素子）からの信号を基準信号とし、この基準信号に基づいて各チャネルの位相関係を判別できるようにしている。なお、この基準チャネルは、本実施の形態においてはｃｈ１であり、このｃｈ１からの信号は、既述したようにスイッチ切り替えを行わずに常に基準受信機１２１に接続されており、常時基準信号としてサンプリングされている。

即ち、本実施の形態では、基準とするアンテナ素子１０１（基準チャネルｃｈ１）を接続するための基準受信機１２１と、スイッチ１１により順次切り替えられる複数のアンテナ素子ｃｈ２〜ｃｈｎを接続するための切換受信機１２２が必要である。

次に、スイッチ１１の切り替えにより、異なる時間にサンプリングした信号の位相差を、基準信号を使用して判別する方法について図２及び図３を用いて説明する。

ここで、図２は、スイッチ１１の切り替えとサンプリングした信号の関係を示すものであり、横方向は時間経過を示し、縦方向は各チャネルを示している。また、ｔ１、ｔ２、ｔ３・・・ｔｎ−１はそれぞれ、アンテナ素子ｃｈ２〜ｃｈｎにスイッチが設定されているときのサンプリング時間を示している。

なお、本実施の形態ではサンプリング時間はビート信号（周波数ｆｂ）の２周期の時間に固定でｔ１＝ｔ２＝ｔ３・・・＝ｔｎ−１＝２／ｆｂである。また、ｃｈ１〜ｃｈｎのチャネル表記は、図１のアンテナ素子と対応しており、ｃｈ１は既述したようにスイッチ１１で切り替えられることなく、常にサンプリングされている基準チャネルである。

図２に示した信号波形で太い線で表されている部分が、サンプリングされてディジタル処理部１８のメモリに保存（格納）される部分であり、その他の点線の信号は、スイッチ１１が接続されておらずサンプリングされない部分を示している。

なお、サンプリングされない部分は、説明のために仮想的に示した部分であり、実際にはスイッチ１１が接続されていないため、図に示したような信号は存在しない。また、本実施の形態では、ｃｈ１の受信信号を基準信号として常にサンプリングする構成にしているため、ｃｈ１の信号は常に太い線で表されており、信号の全ての部分がサンプリングされている。

一方、他のチャネルｃｈ２〜ｃｈｎについては、スイッチ１１の切り替えに伴い、順番にサンプリングされている。なお、本実施の形態では、ｃｈ２〜ｃｈｎが順番にサンプリングされる構成としており、サンプリング時間ｔ１、ｔ２、ｔ３・・・ｔｎ−１の順に、ｃｈ２〜ｃｈｎが切換受信機１２２のＡＤ変換部１７でサンプリングされる。

また、同一時間では、ｃｈ１のビート信号と、スイッチで接続されているｃｈ２〜ｃｈｎの内のどれかのチャネルのビート信号の２つの信号がサンプリングされている。つまり、スイッチ１１で切り替えながらｃｈ２〜ｃｈｎをサンプリングするため、ｃｈ２〜ｃｈｎの受信信号は同時刻では測定することができない。したがって、サンプリングしただけのデータからは、各々のチャネルの位相差情報は不明である。

そこで、本実施の形態においては、既述したようにｃｈ１を基準信号として常時サンプリングしている。ここで、受信信号に変化が生じない時間範囲で各チャネルのサンプリングを行えば、各チャネルの信号は周期的に同じ波形を示しているので、異なる時間でサンプリングした信号の位相を調整し、位相を合わせると同一の信号となる。

基準信号は常時サンプリングされているので、異なる時間にサンプリングされた基準信号の位相を調整することで、仮想的に同一時間でサンプリングした信号とすることができる。ｃｈ２〜ｃｈｎのそれぞれのサンプリングは基準信号と同時にサンプリングされているため、異なる時間にサンプリングした基準信号と各チャネルの信号の組について、基準信号の位相が同じになるように位相を整理すると、各々の位相差が判別できるようになる。

次に、信号位相の整理の方法について説明する。

この信号の整理は、ディジタル処理部１８でのディジタル処理により行うことができる。各サンプリング時間でサンプリングした信号は、ｃｈ１の基準信号とスイッチで接続されたチャネルの信号の組が、時系列に沿ってディジタル処理部１８のメモリに配列で格納される。

図２を例に説明すると、サンプリング時間ｔ１では、基準信号であるｃｈ１の信号と、スイッチ１１に接続しているｃｈ２の信号が組み合わせたデータとして保存される。なお、ディジタル処理部１８にデータが保存されると、信号が切り換え制御部１９に入力されてスイッチ１１が切り替わり、次のサンプリング時間ｔ３では基準信号（ｃｈ１）とｃｈ３の信号が組み合わせて保存される。そして、この操作が全てのチャネルｃｈ２〜ｃｈｎの切り替えが終わるまで続けられる。

次に、異なるサンプリング時間にサンプリングした基準信号の位相差を求める。図３は、図２におけるサンプリング時間ｔ１とｔ２にサンプリングしたデータを拡大して示した図である。

図３に示しているように、サンプリング時間ｔ１とｔ２における基準信号の位相のずれはφｔ１−ｔ２である。全チャネルｃｈ２〜ｃｈｎのサンプリング中に基準信号は変化しないという前提でサンプリングを行うため、ｔ１とｔ２の時間における基準信号は同一の信号である。

よって、ｔ２の基準信号の位相をφｔ１−ｔ２ずらすとｔ１の基準信号と重なり、仮想的に同じ時間にサンプリングした信号とすることができる。同様に、サンプリング時間ｔ２にサンプリングしたｃｈ３の信号の位相もφｔ１−ｔ２ずらすことにより、仮想的にサンプリング時間ｔ１と同じ時間にサンプリングした信号とすることができる。なお、位相をずらす操作では、データの配列をシフトすることが好適である。

以上のように、以下の各ステップからなる操作により、異なる時間にサンプリングしたｃｈ１、ｃｈ２及びｃｈ３の信号の位相差を測定することができるようになる。

（１）各チャネルｃｈ２〜ｃｈｎをスイッチ１１で切り替えてサンプリングし、基準信号と各チャネルｃｈ２〜ｃｈｎの信号を合わせて保存するステップ
（２）異なるサンプリング時間の基準信号の位相差を求めるステップ
（３）基準信号の位相差に基づいて、サンプリングした信号を補正するステップ
以下、他のサンプリング時間に測定した信号も同様に、基準信号の位相差を求め、同時に測定したサンプリング信号の位相を基準信号の位相差だけずらすことにより、全てのチャネルを仮想的に同一時間にサンプリングした信号を得ることができる。なお、図４は全てのサンプリング信号の位相をサンプリング時間ｔ１に位相をそろえてまとめた例である。

サンプリング時間がビート信号の１周期以上である場合には、信号の周期性に基づいて、サンプリング時間内の信号の先端と終端をループさせて、位相をずらしても良い。図４では、このような処理をすることにより、位相をそろえた後の信号もサンプリング時間内で連続的なデータとなっている。また、サンプリング時間が１周期以下の場合でも、サンプリングした信号を仮想的に１周期の信号にすることで同様の処理が可能になる。ただし、精度上の観点からや、スイッチの切り替え速度を遅くする目的からも、１周期以上のサンプリング時間を設定する方が望ましい。

なお、本実施の形態においては、基準信号であるｃｈ１の信号はｃｈ２〜ｃｈｎの各チャネルの切り替えが１周する間にｎ−１回測定されるが、ディジタル処理によってｎ−１回の測定結果を平均化して最終的なｃｈ１の信号としても良い。また、代表的な信号を選択して最終的なｃｈ１の信号としても良い。

また、本発明によれば、図２に示すようなスイッチ切り替え時間が生じる場合にも、各チャネルの位相差を正確に得ることができる。理想的には、スイッチ切り替え時間は０であり、例えばｃｈ１の２周期ごとにスイッチを切り替える場合では、スイッチ切り替え前のサンプリング時間の最後はｃｈ１の位相角が０で終わり、スイッチ切り替え後のサンプリング時間の最初も位相角が０である。

ところが、実際にはスイッチの切り替えには時間が必要であるため、図２に示すように、スイッチ切り替え時に信号を取得できない時間が存在する。信号を細かく時分割するようにスイッチを切り替えて信号を順次サンプリングする場合には、このスイッチ切り替え時間が影響し、各チャネル間の位相が比較できなくなる。

しかし、本発明のようにｃｈ１を基準信号として用いて、後段のディジタル処理部１８で位相を整理すれば、スイッチ切り替え時間の影響を受けずに位相差の情報を得ることができる。なお、基準信号は常にサンプリングしているので、スイッチ切り替え時間にもサンプリングが行われるが、この時のデータは破棄して良い。

また、図２ではスイッチ切り替え間隔は、ビート信号の２周期の時間としたが、振幅と位相が明確な信号が取得できるならば既述したように１／２周期程度まで短くしても良いし、逆に２周期以上の時間をかけてサンプリングしても良い。望ましくは、信号の形状が十分に判別できるように１周期以上のサンプリング時間でサンプリングするのが良い。しかし、１つのチャネルをサンプリングする時間をあまり長くすると、全チャネルの信号を取得するまでに大幅に時間がかかり、信号の変動の影響を受けやすくなるため、あまり長くなりすぎないように設定する。

また、本実施の形態では、全チャネルｃｈ２〜ｃｈｎを切り替えてサンプリングしている間に受信信号に変化がないという前提条件が必要である。これは、全チャネルｃｈ２〜ｃｈｎの切り替えが終了する前に受信信号に変化が生じると、受信信号が変化した前後での信号については、各チャネルｃｈ２〜ｃｈｎの位相差を求めることができなくなるからである。

そのため、サンプリング時間が長すぎるのは好ましくなく、測定環境や測定条件に適したサンプリング時間を選択する必要がある。具体的には、受信信号に大きな変化が起こらない時間内に、ｃｈ２〜ｃｈｎがそれぞれ少なくとも１度は信号を取得できるようなスイッチ切り替え時間を設定する必要がある。

サンプリング時間の設定可能な最大値は、測定対象（電波発信源）の移動速度や、測定環境（周囲の電波環境の時間変化や、測定対象との距離）によって異なる。例えば、スイッチ１１で切り替える全てのチャネルｃｈ２〜ｃｈｎにスイッチ１１が切り替わってサンプリングが一通り終了するまでの時間に、電波発信源が大きく移動すると電波到来方向が変化し、各アンテナ素子の受信信号も変化する。

このため、（サンプリング時間）×（アンテナ素子数−１）の時間は、電波発信源が移動する時間に比べ十分に小さい必要がある。なお、（アンテナ素子数−１）はアレイアンテナのアンテナ素子数から、基準信号取得用の基準アンテナ素子数を引いた数である。

ただし、既述したように、サンプリング時間は少なくとも１周期程度の時間を有することが望ましいことから、本発明でのサンプリング時間は、ビート信号の１周期程度以上、（サンプリング時間）×（アンテナ素子数−１）が測定環境の影響を受けない時間以下、となるように設定する。

このように、基準受信機１２１によって順次サンプリングされる際に基準信号に生じる位相差を元に、切替受信機１２２に入力されてサンプリングされた他の複数のアンテナ素子からの信号の位相差を補正する。これにより、スイッチ切り替え時間間隔を大幅に遅くすることができ、この結果、高速なスイッチを用いることなく、高い精度で到来方向推定を行うことができる。また、構成は簡素でありながら、高速なスイッチを必要とせず、複数のアンテナ素子の信号を取得できるアレイアンテナ装置を提供することができる。

ところで、本実施の形態では、１つの基準受信機１２１と、１つの切換受信機１２２、１つのスイッチ１１によりアレイアンテナ装置を構成した。しかし、例えば、アンテナ素子数が多く、スイッチを切り替えて全てのチャネルに接続するのに時間を要する場合には、既述したように環境の影響を受けることから、アンテナ素子数に合わせて２つ以上の切換受信機とスイッチを使用しても良い。

図５は、このようなスイッチと受信機の数を増やした本発明の第２の実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック構成図である。なお、図５において、図１と同一符号は、同一又は相当部分を示している。

図５において、１２２、１２３は第２の受信部を構成する第１及び第２切替受信機１２１０、１１１は第１及び第２スイッチである。そして、本実施の形態においては、ｃｈ２〜ｃｈｍを第１スイッチ１１０と第１切換受信機１２２に接続し、ｃｈｍ＋１〜ｃｈｎを第２スイッチ１１１と第２切替受信機１２３に接続している。

このように、アンテナ素子数に合わせて２つ（或は２つ以上）の切替受信機１２２，１２３とスイッチ１１０，１１１を使用することにより、全てのチャネルのデータを取得する時間を短縮することができるので、環境の影響を低減することができる。

なお、本実施の形態では、あるサンプリング時間ｔに、基準信号（ｃｈ１）と、ｃｈ２〜ｃｈｍと、ｃｈｍ＋１〜ｃｈｎの３つのサンプリング信号がセットとなって保存される。また、ディジタル処理部１８では第１の実施の形態と同様に、異なるサンプリング時間の信号について、基準信号の位相差を求めて位相調整を行うことにより、アレイアンテナの信号を取得する。

ところで、これまでは基準信号をｃｈ１に固定してサンプリングする構成について説明したが、受信状態に合わせて基準信号を取得するアンテナ素子を選択して使用しても良い。

次に、このような本発明の第３の実施の形態について説明する。

図６は、本実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック図である。なお、図６において、図１と同一符号は、同一又は相当部分を示している。

本実施の形態においては、図６に示すように基準受信機１２１にもスイッチ１１が接続されている。そして、このように構成することにより、本実施の形態においては、まず全てのアンテナ素子１０１〜１０ｎにスイッチ１１を切り替えて接続して信号を取得し、各アンテナ素子１０１〜１０ｎの受信状態を調査することができる。

なお、各アンテナ素子１０１〜１０ｎの受信状態の調査方法としては、例えばＡＤ変換後の信号をそれぞれ比較して、受信強度やＳＮ比、信号の安定性を考慮して、最も受信状態が良好なアンテナ素子を判別する。

そして、このような調査の結果、最も受信状態が良好なアンテナ素子を基準信号用のアンテナ素子として選択し、スイッチ１１を切り替えて基準受信機１２１に接続させる。例えば、全てのアンテナ素子１０１〜１０ｎの受信状態を調査し、２番目のアンテナ素子（ｃｈ２）１０２の受信状態が最も良好だったとすると、図６のように２番目のアンテナ素子１０２を基準アンテナ素子とし、基準受信機１２１に接続させる。

なお、２番目のアンテナ素子１０２に接続したスイッチ１１は、そのまま固定する。これにより、基準受信機１２１は２番目のアンテナ素子１０２からの基準信号を順次取得してサンプリングを行う。また、残りのアンテナ素子はスイッチ１１で切り替えて第１実施の形態と同様に、切替受信機１２２によりサンプリングを行う。

また、これまではサンプリング時間は一定の時間で固定されたものとして説明したが、サンプリング時間中の信号を評価してからスイッチを切り替える構成にしても良い。なお、信号の評価は、サンプリング後にディジタル処理部１８にて行っても良いし、ＡＤ変換前にアナログ処理によって行っても良い。

例えば、受信信号にノイズが発生していて、信号が安定していない場合がある。この場合には、ディジタル処理部１８、又は第２受信部１２２とディジタル処理部１８との間に設けられた不図示の信号評価用のアナログ回路に安定した信号が得られるまでスイッチ１１を切り替えずサンプリングを行う。そして、精度の良い信号が得られたと判断した時点でディジタル処理部１８又は信号評価用のアナログ回路から切り替え制御部１９にサンプリングが終了した事を通知し、切り替え制御部１９によりスイッチ１１の切り替えを行う。

このような構成にすることにより、突発的なノイズなどの影響により波形が乱れた場合には、すぐにはスイッチ１１が切り替えられることはなく、サンプリングを継続することができるため、ノイズの影響を低減することができる。

なお、このように構成した場合は、各チャネルのサンプリング時間の長さが異なることになるが、本発明では、各チャネルのサンプリング時間の長さが異なっても特に問題はない。しかし、ノイズの影響が強い場合に、一つのチャネルの信号を長時間かけて測定すると、全チャネルの信号取得にも長い時間が必要となり、環境変動の影響を受けやすくなる。

このため、スイッチ切り替えまでの時間に最大値を設定して、その最大値まで信号取得を行ったときには、十分な信号が取得できていなくてもスイッチを切り替えて次のチャネルの信号取得を開始することが望ましい。

また、信号の評価は、そのときに取得した信号がノイズを多く含むかどうかを単独で評価しても良いし、基準信号がそれまでに別のチャネルと同時に測定した時の信号から大きく異なった場合に信号が安定していないと判断しても良い。これらの評価は、信号の取得に対してリアルタイムで行われる必要がある。

ところで、これまで異なる時間に得た各チャネルの信号をディジタル処理部にて整理して位相差を算出できるようにしたが、サンプリングの開始タイミングを合わせておく構成にしても良い。

次に、このような本発明の第４の実施の形態について説明する。

図７は、本実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック構成図である。本実施の形態においては、図７に示すように、切り替え制御部１９から基準受信機１２１のＡＤ変換部１７へもスイッチ１１の切り替えを通達するようにしている。そして、基準受信機１２１のＡＤ変換部１７では、これと同時にエッジトリガなど一定のトリガタイミングでＡＤ変換を開始する。

このような構成にすることにより、スイッチ１１を切り替える度に、基準信号は同じタイミングでサンプリングが開始される。また、基準受信機１２１のＡＤ変換部１７がサンプリングを開始したタイミングをトリガ信号として、切換受信機１２２のＡＤ変換部１７に通知することにより、切替受信機１２２でも基準受信機１２１と同じタイミングでサンプリングが開始される。

図８は、本実施の形態によるサンプリングの様子を示す図である。図８において、ｔ１、ｔ２、ｔ３・・・ｔｎ−１はそれぞれｃｈ２〜ｃｈｎのアンテナ素子の受信信号をサンプリングするサンプリング時間で、ｃｈ１は基準信号としてサンプリングされている。

図８の例では、スイッチを切り替えるたびに、ｃｈ１の立ち上がりエッジをトリガタイミングにして、ビート信号の２周期の時間のサンプリング時間でサンプリングを行っている。ｃｈ１の立ち上がりエッジをトリガにすることにより、全てのサンプリング結果においてｃｈ１の位相はそろっているので、ディジタル処理部にて位相を整理しなくてもサンプリングされメモリに格納された値をそのまま位相の比較に使用することができる。

つまり、切り替え信号と同時に、トリガ信号を基準受信機１２１に送信してサンプリングする基準信号の特定のタイミングをトリガとしてサンプリングを開始させる。さらに、基準受信機１２１のサンプリング開始をトリガとして切換受信機１２２のサンプリングを開始させることにより、ディジタル処理部にて位相を整理しなくてもサンプリングされメモリに格納された値をそのまま位相の比較に使用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック構成図。 上記アレイアンテナ装置のスイッチの切り替えとサンプリングした信号の関係を示す図。 図２のサンプリング時間ｔ１とｔ２で取得する信号を拡大して表示し、基準信号の位相差について説明する図。 図２におけるサンプリング結果を基準信号の位相を元に整理した図。 本発明の第２の実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック構成図。 本発明の第３の実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック構成図。 本発明の第４の実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック構成図。 上記第４の実施の形態に係るアレイアンテナ装置のスイッチの切り替えとサンプリングした信号の関係を示す図。 図８に於けるサンプリング結果を同軸上にまとめた図である。 従来のアレイアンテナ装置のブロック構成図。 従来の他のアレイアンテナ装置のブロック構成図。 従来の他のアレイアンテナ装置のサンプリングの様子を示す図。

符号の説明

１１ スイッチ
１３ 局部発信器
１４ アンプ
１５ フィルタ
１６ ミキサ
１７ ＡＤ変換部
１８ ディジタル処理部
１９ 切り替え制御部
１０１〜１０ｎ アンテナ素子
１１０，１１１ スイッチ
１２１ 基準受信機
１２２，１２３ 切換受信機

Claims (7)

1. 複数のアンテナ素子からなるアレイアンテナを備え、前記複数のアンテナ素子からの各信号の位相差により電波の到来方向を推定するアレイアンテナ装置において、
   前記複数のアンテナ素子の内の所定の基準アンテナ素子と、
   前記基準アンテナ素子からの基準信号を順次サンプリングするための第１の受信部と、
   前記複数のアンテナ素子の内、前記基準アンテナ素子以外の他の複数のアンテナ素子からの信号をサンプリングするための第２の受信部と、
   前記他の複数のアンテナ素子と前記第２の受信部との間に設けられ、前記他の複数のアンテナ素子からの信号を順次前記第２の受信部に入力させるスイッチと、
   前記スイッチの切り替えを制御する切り替え制御部と、
   前記複数のアンテナ素子の信号を保存するディジタル処理部と、を備えた、
   ことを特徴とするアレイアンテナ装置。
2. 前記ディジタル処理部は、前記第１の受信部によって順次サンプリングされる際に前記基準信号に生じる位相差を元に、前記切り替え制御部による前記スイッチの切り替えによって順次前記第２の受信部に入力されてサンプリングされた前記他の複数のアンテナ素子からの信号の位相差を補正することを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ装置。
3. 前記スイッチの切り替え毎に、前記基準信号と前記他の複数のアンテナ素子の信号を保存するステップと、前記スイッチの切り替えにより異なるサンプリング時間に生じた基準信号間の位相差を求めるステップと、前記保存されている第２の受信部の信号の位相を前記基準信号間の位相差に基づいて補正するステップとにより、前記他の複数のアンテナ素子からの信号の位相差を補正する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のアレイアンテナ装置。
4. 予め前記複数のアンテナ素子の全ての受信状態を調査し、最も受信状態が良いアンテナ素子を、前記基準アンテナ素子に設定する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のアレイアンテナ装置。
5. 前記サンプリングする前記他の複数のアンテナ素子からの信号の特徴を判別する判別手段を備え、
   前記切り替え制御部は、前記判別手段によるサンプリング信号の特徴判別に要する時間より長い間隔で前記スイッチに切替信号を送信する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアレイアンテナ装置。
6. 前記サンプリングする前記他の複数のアンテナ素子からの信号の特徴を判別する判別手段と、
   前記他の複数のアンテナ素子のアンテナ素子当たりのサンプリング時間を可変とし、前記切り替え制御部は、前記判別手段によるサンプリング信号の特徴判別が終了した時点で前記スイッチに切替信号を送信する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアレイアンテナ装置。
7. 前記切り替え制御部は前記切替信号と同時に、前記第１の受信部に対し、サンプリングする前記基準信号の特定のタイミングをトリガとしてサンプリングを開始させると共に、前記第１の受信部のサンプリング開始をトリガとして前記第２の受信部のサンプリングを開始させるトリガ信号を送信する、
   ことを特徴とする請求項１、４乃至６のいずれか１項に記載のアレイアンテナ装置。
   

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