JP3890988B2 - 送受信システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、時分割多重通信システムに用いられているアレイアンテナ及びその信号較正回路を含む送受信システム、特に、外部の情報に依存せずに各アンテナ素子の送受信信号の振幅と位相を較正できる送受信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アレイアンテナを用いた時分割多重通信システムにおいて、送信するとき各アンテナ素子に送られた信号は、送信機の出力を増幅する増幅回路の利得特性（伝達関数）、信号を伝搬するケーブル、信号の周波数成分を整えるフィルタ、及びアンテナ素子の振幅と位相特性のバラツキによって、同じ信号を各アンテナ素子に送っても、それぞれのアンテナ素子によって放射される信号の振幅と位相に誤差が生じる。この誤差によって、送信ビームパターンの制御が困難になり、ビームフォーミングを正しく実現できなくなる。
【０００３】
また、受信時においても、同様な問題が生じる。このとき各受信機に到着した信号は、それぞれのアンテナ素子によって受信した信号に対して、フィルタの特性、増幅回路の利得特性、さらに受信信号を伝搬するケーブルなどの特性のバラツキによって、受信機の出力信号は、各アンテナ素子に到着した信号に対して、振幅及び位相に誤差が生じる。これによって、受信信号の到来方向（ＤＯＡ）を正確に推定することができなくなるなどの問題が生じる。
【０００４】
このため、アレイアンテナを用いた送受信システムにおいて、較正回路を設けて、各送受信機の誤差を補正する較正係数を求める対策が取られている。
図６は、従来の較正回路を含む送受信システム全体の構成例を示している。
図示のように、この送受信システムは、アンテナ素子１１，１２，１３，…，１Ｌからなるアンテナアレイ、各アンテナ素子に接続されているフィルタ２１，２２，２３，…，２Ｌ、各フィルタに接続されているアンテナスイッチ３１，３２，３３，…，３Ｌ、較正回路２００、送信機８１，８２，８３，…，８Ｌ、及び受信機９１，９２，９３，…，９Ｌによって構成されている。
【０００５】
較正回路２００は、方向性結合器４１，４２，４３，…，４Ｌ、ＳＰＤＴ（Single pole double through）・ＲＦスイッチ（以下、便宜上単にＲＦスイッチという）５１，５２，５３，…，５Ｌ−１、６２，６３，…，６Ｌ−１、７１，７２，７３，…，７Ｌによって構成されている。
方向性結合器４１，４２，…，４Ｌは、入力信号を所定の振幅減衰率と位相差をもって、他の出力端子に出力する。
【０００６】
アンテナスイッチは、三つの端子を有し、送信信号と受信信号の切り替えを行うことができる。例えば、アンテナスイッチ３１は、端子ａ１、ａ２とａ３を持ち、送信時に端子ａ１とａ２が接続され、方向性結合器４１からの送信信号をフィルタ２１に出力し、また、受信時に端子ａ１とａ３が接続され、フィルタ２１からの受信信号を方向性結合器４１に出力する。
また、各ＲＦスイッチもそれぞれ三つの端子を有する。例えば、ＲＦスイッチ７１は、端子ｂ１、ｂ２とｂ３を有する。受信時に、端子ｂ１とｂ２が接続され、較正時に端子ｂ１とｂ３が接続される。
【０００７】
通常送信時に、送信機８１より出力される送信信号が方向性結合器４１を介して、アンテナスイッチ３１の端子ａ２に入力される。このとき、アンテナスイッチにおいて、端子ａ２とａ１が接続されるので、送信信号がアンテナスイッチ３１を通してフィルタ２１に入力される。フィルタ２１を通過した信号成分がアンテナ素子１１に送られ、アンテナ素子１１によって空中に放射される。
また、このとき他の送信機８２，８３，…，８Ｌから出力される送信信号も同様に、それぞれアンテナ素子１２，１３，…，１Ｌに転送され、各アンテナ素子によって空中に放射される。送信時に、各アンテナ素子に送られる送信信号の位相を制御することによって、所定の送信用ビームパターンが生成される、いわゆるビームフォーミングを実現できる。
なお、送信時のビームフォーミングは、例えば、送信機８１，８２，８３，…，８Ｌの送信信号に対してそれぞれ振幅と位相を制御するための所定の重み係数を乗じた信号を各アンテナ素子に出力することによって実現できる。また、送信信号にこの重み係数を掛ける重み付け処理は、例えば、アンテナ素子とフィルタ、またはフィルタとアンテナスイッチとの間に設けられている乗算器によっても実現できる。
【０００８】
通常受信時に、アンテナ素子１１によって受信された信号がフィルタ２１に送られ、フィルタ２１を通過した信号成分がアンテナスイッチ３１の端子ａ１に入力される。このとき、アンテナスイッチ３１において、端子ａ１と端子ａ３が接続されるので、受信信号がアンテナスイッチ３１を介してＲＦスイッチ７１の端子ｂ２に送られる。このとき、ＲＦスイッチ７１において、端子ｂ２と端子ｂ１が接続されるので、受信信号がＲＦスイッチ７１を介して受信機９１に入力される。また、他のアンテナ素子１２，１３，…，１Ｌの受信信号も同様に、それぞれ受信機９２，９３，…，９Ｌに転送される。
また、送信時と同様に、受信時に各アンテナ素子からの受信信号にそれぞれ所定の重み係数を乗算することによって、ビームフォーミングを実現できる。さらに、受信時に受信ビームをスイープしながら受信信号を測定することによって、受信信号の到来方向を推定することも可能である。
【０００９】
上述した送受信システムにおいて、システムの較正はある送受信機を基準として、他の送受信機がこの基準となる送受信機に対する送信及び受信信号の振幅と位相変化を測定することによって、それぞれの送信機及び受信機の較正係数を求めることができる。
【００１０】
以下、図７を参照しつつ、図６に示す送受信システムにおける較正の方法について説明する。
図７は、送受信システムの較正を行うときの信号の流れを示す概念図である。図７において、送信機８ｉ−１（ｉ＝２，３，…，Ｌ）と受信機９ｉ−１からなる送受信セット、及び送信機８ｉと受信機９ｉからなる送受信セットが示されている。
図７に示すように、送信機８ｉと受信機９ｉに対する較正は、送信機８ｉ−１で送信するとき受信機９ｉの受信信号Ｔi-1 Ｒi を測定し、また、送信機８ｉで送信するとき受信機９ｉ−１の受信信号Ｔi Ｒi-1 を測定することによって行われる。
【００１１】
以下、較正の原理について述べ、較正係数の求め方について説明する。
図６に示す送受信システムにおいて、受信機９１から９Ｌにおいて、受信した信号ｒ1 からｒL の間に振幅と位相差が存在しない最適な重み係数をＷ01〜Ｗ0Lとする。受信機９ｉにおける出力ｙriは以下のように表される。
【００１２】
【数１】
ｙri＝ＷOiＳri＝Ｗi Ｍi Ｒi Ｓri …（１）
【００１３】
式（１）において、Ｓriはアンテナ素子１ｉによる受信信号であり、Ｗi は受信のとき受信信号に対して適宜用いられている重み係数である。なお、この重み係数Ｗi は、受信機内部またはその外部において、アナログ的またはディジタル的に受信信号に乗算される。また、Ｍi はアンテナ、フィルタ及び信号をアンテナ素子から受信機９ｉまで伝搬する経路上のケーブルにおいて生じた振幅変化及び位相差を示す複素数の係数である。
【００１４】
一方、送信機８ｉから送信する信号をＳtiとすると、指向性制御を行ったあとにアンテナ素子１ｉから空中に放射された信号ｙtiは、次の式に基づき演算することができる。
【００１５】
【数２】
ｙti＝Ｗi Ｍi Ｔi Ｓti …（２）
【００１６】
式（２）において、Ｔi は送信機９ｉの内部または外部に設けられている増幅回路、フィルタなどの総合利得を示す伝達関数である。通常、この伝達関数Ｔiは、振幅と位相成分両方が含まれる複素数である。
【００１７】
送受信におけるアンテナパターンを一致させるために、送受信システムにおいて、次式が成り立たなければならない。
【００１８】
【数３】
ｙti＝ｙri …（３）
【００１９】
式（１）と（２）を式（３）に代入すると、次式が得られる。
【００２０】
【数４】
【００２１】
ここで、次の式を仮定する。
【００２２】
【数５】
Ｄi ＝Ｔi ／Ｒi …（５）
【００２３】
Ｄi が各アンテナ素子において異なるため、これを補正するための係数として、次式に示す係数Ｃi を求める。
【００２４】
【数６】
Ｃi ＝Ｒi ／Ｔi …（６）
【００２５】
アンテナ素子１１から送信される信号を基準とすると、アンテナ素子１ｉから送信される信号を補正するための較正係数Ｈi は、次式によって求めることができる。
【００２６】
【数７】
【００２７】
次に、較正係数を測定するための操作を説明する。
図６に示すように、ＲＦスイッチ５１において、端子ｃ１は方向性結合器４２の端子３に接続され、端子ｃ２はＲＦスイッチ７１の端子ｂ３に接続されている。
ＲＦスイッチ６２において、端子ｄ１はＲＦスイッチ７２の端子ｂ３に接続され、端子ｄ２は方向性結合器４１の端子３に接続されている。
【００２８】
まず、アンテナ素子１２から送信する信号の較正を行うとき、ＲＦスイッチ３１及び３２において、それぞれの端子ａ１とａ２が接続される。また、ＲＦスイッチ６２の端子ｄ１と端子ｄ２が接続され、ＲＦスイッチ７２の端子ｂ１と端子ｂ３が接続される。さらに、ＲＦスイッチ５１の端子ｃ１と端子ｃ２が接続され、ＲＦスイッチ７１の端子ｂ１と端子ｂ３が接続される。
【００２９】
この状態において、送信機８１からの送信信号Ｔ1 は、方向性結合器４１の端子１に入力される。方向性結合器４１において、端子１から端子３へ結合された信号は、ＲＦスイッチ６２のの端子ｄ２に入力され、ＲＦスイッチ６２さらにＲＦスイッチ７２を介して、受信機９２に入力される。このとき、受信機９２によって、受信信号Ｔ1 Ｒ2 の振幅及び位相が測定される。
【００３０】
同様に、送信機８２からの送信信号Ｔ2 は、方向性結合器４２の端子１に入力され、方向性結合器４２において、端子１から端子３へ結合された信号は、ＲＦスイッチ５１の端子ｃ１に入力される。そして、ＲＦスイッチ５１及びＲＦスイッチ７１を介して受信機９１に入力される。このとき、受信機９１によって、受信信号Ｔ2 Ｒ1 の振幅及び位相が測定される。
【００３１】
同様に、アンテナ素子１ｉから送信する信号を較正するための較正係数を求めるために、図７に示すように、アンテナスイッチ３ｉ−１及び３ｉにおいて、それぞれの端子ａ１と端子ａ２が接続される。そして、送信機８ｉ−１及び８ｉによってそれぞれ送信信号Ｔi-1 とＴi を送信する。
送信機８ｉ−１によって送信信号Ｔi-1 を送信するとき、方向性結合機４ｉ−１において、端子１から端子３に結合された信号が図７に示していないＲＦスイッチを介して、受信機９ｉに送られる。受信機９ｉによって、受信信号Ｔi-1 Ｒi の振幅と位相が測定される。
同様に、送信機８ｉによって送信信号Ｔi を送信するとき、方向性結合器４ｉにおいて、端子１から端子３に結合された信号が図７に示していないＲＦスイッチを介して、受信機９ｉ−１に送られる。受信機９ｉ−１によって、受信信号Ｔi Ｒi-1 の振幅と位相が測定される。
【００３２】
このため、アンテナ素子１ｉから送信される信号を補正するための較正係数は、次式によって求めることができる。
【００３３】
【数８】
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の信号較正回路及びそれを用いた送受信システムにおいて、上述した較正方法で求められた較正係数に誤差が生じる可能性がある。例えば、式（８）に基づく較正係数Ｈi の計算では、図６に示す信号補正回路を構成するＲＦスイッチ間の振幅変化及び位相差を考慮していないため、その分誤差として較正係数に現れる。正確に補正を行うには、ＲＦスイッチ間の配線のレイアウトに制約が生じる。
また、上述した較正係数を求める方法では、各アンテナ素子１ｉの受信信号Ｒi を直接測定するのではないため、各受信機のＷOiを直接求めることができない。従って、求められた較正係数に基づき、各アンテナ素子によって受信した受信信号の到来方向を推定することができないという不利益がある。
【００３５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、方向性結合器を用いて較正回路を構成することにより、較正係数を正確に測定でき、さらに受信信号の到来方向を推定できる送受信システムを提供することにある。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明送受信システムは、第１のアンテナ素子、第１の送信機、受信時に上記第１のアンテナ素子からの受信信号を出力端子に出力し、送信時に上記第１の送信機からの送信信号を上記第１のアンテナ素子に出力し、また、上記第１の送信機からの送信信号を所定の減衰率をもって上記出力端子に帰還する第１の方向性結合器からなる第１のブランチと、第２のアンテナ素子、第２の送信機、及び受信時に上記第２のアンテナ素子からの受信信号を出力端子に出力し、送信時に上記第２の送信機からの送信信号を上記第２のアンテナ素子に出力し、また、上記第２の送信機からの送信信号を所定の減衰率をもって上記出力端子に帰還する第２の方向性結合器からなる第２のブランチと、第１と第２の入力端子がそれぞれ上記第１のブランチと第２のブランチの方向性結合器に接続され、第１と第２の出力端子がそれぞれ第１と第２の受信機に接続され、受信時に上記第１の入力端子の入力信号を上記第１の出力端子に出力し、また、所定の減衰率をもって上記第２の出力端子に結合し、上記第２の入力端子の入力信号を上記第２の出力端子に出力し、また、所定の減衰率をもって上記第１の出力端子に結合する第３の方向性結合器と、上記第１の送信機が送信するとき、上記第１及び第３の方向性結合器によって上記第２の受信機に結合された第１の較正用受信信号と、上記第２の送信機が送信するとき、上記第２と第３の方向性結合器によって上記第１の受信機に結合された第２の較正用受信信号とに応じて、上記第２のブランチを較正する較正係数を求める演算手段とを有する。
【００３７】
また、本発明では、好適には、上記演算手段は、上記第１のブランチを基準として、上記第１の受信信号と上記第２の受信信号との比に応じて、上記第２のブランチに適用される較正係数を求める。
【００３８】
また、本発明では、好適には、上記第３の方向性結合器において、上記第１の入力端子の入力信号を上記第２の出力端子に出力する減衰率と、上記第２の入力端子の入力信号を上記第１の出力端子に出力する減衰率とが等しく形成されている。
【００３９】
また、本発明の送受信システムは、アンテナ素子、方向性結合器及び送信機を有し、上記方向性結合器は、受信時に上記アンテナ素子からの受信信号を出力端子に出力し、送信時に上記送信機からの送信信号を上記アンテナ素子に出力し、また、上記送信機からの送信信号を所定の減衰率をもって上記出力端子に帰還するように構成されているＬ（Ｌ≧２、Ｌは整数）本のブランチと、上記Ｌ本のブランチに対して２本毎に設けられ、第１の入力端子がｉ（１≦ｉ≦Ｌ、ｉは奇数）本目の上記ブランチの上記方向性結合器に接続され、第２の入力端子がｉ＋１本目の上記ブランチの上記方向性結合器に接続され、上記第１の入力端子からの入力信号を第１の出力端子出力し、上記第２の入力端子からの入力信号を所定の減衰率で第１の出力端子に結合し、また、上記第２の入力端子からの入力信号を第２の出力端子に出力し、上記第１の入力端子からの入力信号を所定の減衰率で上記第２の出力端子に結合する複数の２層目方向性結合器と、上記２層目の方向性結合器に対して一つ毎に設けられ、第１と第２の入力端子が隣接する上記２層目の方向性結合器の第１または第２の出力端子に接続され、第１と第２の出力端子に受信機が接続されている複数の３層目の方向性結合器と、上記ｉ本目のブランチの送信機が送信するとき、第ｉ−１番目とｉ＋１番目の受信機の受信信号に応じて、上記各ブランチの較正係数を求める演算手段とを有する。
【００４０】
また、本発明では、好適には、上記３層目の方向性結合器は、上記第１の入力端子の入力信号を上記第１の出力端子に出力し、かつ所定の減衰率で上記第２の出力端子に結合し、上記第２の入力端子の入力信号を上記第２の出力端子に出力し、かつ上記所定の減衰率で上記第１の出力端子に結合する。
【００４１】
さらに、本発明では、好適には、上記ｉ本目のブランチの送信機が送信するとき、上記ｉ−１番目の受信機の受信信号をＴi Ｒi-1 とし、上記ｉ−１本目のブランチの送信機が送信するとき、上記ｉ番目の受信機の受信信号をＴi-1 Ｒi とし、上記演算手段は、第１のブランチを基準として、上記ｉ本目のブランチの較正係数Ｈi を
で算出する。
【００４２】
【発明の実施の形態】
第１実施形態
図１は本発明に係る送受信システムの第１の実施形態を示す回路図である。
図１は、二つのアンテナ素子１１，２１、二つの送信機８１，８２及び二つの受信機９１，９２を有する送受信システムの構成例を示している。即ち、本実施形態の送受信システムは、補正回路を用いた送受信システムのもっとも基本的な構成例を示している。なお、本実施形態において、較正回路は方向性結合器１０１によって構成されている。
【００４３】
図１に示すように、アンテナ素子１１とアンテナスイッチ３１との間にフィルタ２１が接続され、フィルタ２１の一方の端子がアンテナ素子１１に接続され、他方の端子がアンテナスイッチ３１の端子ａ１に接続されている。
アンテナスイッチ３１において、端子ａ２が方向性結合器４１の端子１に接続され、端子ａ３が方向性結合器４１の端子３に接続されている。
方向性結合器４１の端子２が送信機８１に接続され、端子４がさらに方向性結合器１０１の端子１に接続されている。
【００４４】
同様に、アンテナ素子１２とアンテナスイッチ３２との間にフィルタ２２が接続されている。フィルタ２２の一方の端子がアンテナ素子１２に接続され、他方の端子がアンテナスイッチ３２の端子ａ１に接続されている。
アンテナスイッチ３２において、端子ａ２が方向性結合器４２の端子１に接続され、端子ａ３が方向性結合器４２の端子３に接続されている。
方向性結合器４２の端子２が送信機８２に接続され、端子４がさらに方向性結合器１０１の端子３に接続されている。
方向性結合器１０１において、端子２が受信機９１に接続され、端子４が受信機９２に接続されている。
【００４５】
また、図１に示すように、送信機８１と８２は、それぞれ伝達関数Ｔ1 とＴ2を持ち、受信機９１と９２は、それぞれ伝達関数Ｒ1 とＲ2 を持つ。
演算部１２０は、受信機９１と９２の受信信号に応じて較正係数を求める。
【００４６】
図２は、方向性結合器の一構成例を示す回路図である。
図示のように、この方向性結合器は、４つの端子１，２，３と４を持ち、端子１と端子２との間に、インダクタンス素子、例えば、コイルＬ１とＬ２が直列接続されている。また、コイルＬ１とＬ２との接続点と接地電位ＧＮＤとの間にキャパシタＣ２が接続されている。
同じように、端子３と端子４との間に、インダクタンス素子、例えば、コイルＬ３とＬ４が直列接続されている。また、コイルＬ３とＬ４との接続点と接地電位ＧＮＤとの間にキャパシタＣ３が接続されている。
端子１と端子３との間に、キャパシタＣ１が接続され、端子２と端子４との間に、キャパシタＣ４が接続されている。
【００４７】
図２のような構成を持つ方向性結合器において、端子間に所定の振幅減衰率及び位相差で信号が伝搬される。例えば、端子１に入力される信号が端子２に出力されるとともに、端子３と端子４にも出力される。ただし、端子１の入力信号に対して、端子２に出力される信号の振幅、位相差と端子３及び端子４に出力される信号の振幅、位相差が方向性結合器の固有のパラメータとなる。例えば、端子１からの入力信号が振幅減衰率Ａt12 及び位相変化θ12をもって端子２に出力され、また、端子１からの入力信号が振幅減衰率Ａt13 をもって端子３に出力され、さらに振幅減衰率Ａt14 をもって端子４に出力される。ただし、端子１の入力信号に対して端子３と端子４への出力信号には、位相差が生じない。
同様に、端子２からの入力信号が振幅減衰率Ａt21 及び位相変化θ21をもって端子１に出力され、また、振幅減衰率Ａt23 をもって端子３に出力され、さらに振幅減衰率Ａt24 をもって端子４に出力される。ただし、端子２の入力信号に対して端子３と端子４への出力信号には、位相差が生じない。
【００４８】
また、端子３の入力信号が振幅減衰率Ａt34 及び位相変化θ34をもって端子４に出力され、また、振幅減衰率Ａt31 をもって端子１に出力され、さらに振幅減衰率Ａt34 をもって端子４に出力される。ただし、端子３の入力信号に対して端子１と端子４への出力信号には、位相差が生じない。
さらに、端子４の入力信号が振幅減衰率Ａt43 及び位相変化θ43をもって端子３に出力され、また、振幅減衰率Ａt41 をもって端子１に出力され、さらに振幅減衰率Ａt42 をもって端子２に出力される。ただし、端子４の入力信号に対して端子１と端子２への出力信号には、位相差が生じない。
【００４９】
方向性結合器を構成するコイルＬ１〜Ｌ４及びキャパシタＣ１〜Ｃ４の値を適宜設定することによって、上述した各振幅減衰率及び位相差のパラメータを所望の値に制御することができる。これによって、方向性結合器において、一つの端子に入力される信号に基づき、他の各端子に出力される信号の振幅並びに位相を制御することができる。
ここで、方向性結合器において、θ12＝θ21＝θ34＝θ43、Ａt12 ＝Ａt21 ＝Ａt34 ＝Ａt43 ＞＞Ａt13 ＝Ａt31 ＝Ａt24 ＝Ａt42 ＞＞Ａt14 ＝Ａt41 ＝Ａt23 ＝Ａt32 の関係が成り立つように、それぞれのコイル及びキャパシタの値が適宜設計される。
【００５０】
即ち、図１に示す送受信システムにおいて、方向性結合器４１を用いることによって、例えば、送信機８１の送信信号Ｔ1 が端子２に入力されるとき、送信信号Ｔ1 に応じて端子１に出力される信号と端子４に出力される信号の振幅及び位相を、方向性結合器４１の各コイル及びキャパシタのパラメータによって制御される。同様に、送信機８２によって送信信号Ｔ2 が方向性結合器４２の端子２に入力されるとき、送信信号Ｔ2 に応じて、端子１及び端子４に出力される信号の振幅及び位相を、当該方向性結合器４２を構成する各コイル及びキャパシタのパラメータによって制御される。
【００５１】
また、方向性結合器１０１において、例えば、方向性結合器４１の端子４からの受信信号が端子１に入力されるとき、端子２及び端子４から出力される信号の振幅及び位相が当該方向性結合器１０１の各コイル及びキャパシタのパラメータによって制御される。さらに、方向性結合器４２の端子４からの受信信号が端子３に入力されるとき、端子２及び端子４から出力される信号の振幅及び位相が当該方向性結合器１０１の各コイル及びキャパシタのパラメータによって制御される。
【００５２】
以下、上述したように構成されている送受信システムの動作について説明する。
まず、通常の送信動作について説明する。通常の送信時に、アンテナスイッチ３１及び３２において、それぞれの端子ａ１とａ２が接続される。このため、送信機８１の出力信号が方向性結合器４１の端子２に入力され、これに応じて端子１からの出力信号がアンテナスイッチ３１を通して、フィルタ２１に入力される。フィルタ２１によって、所定の信号成分が取り出されて、これを送信信号としてアンテナ素子１１に送られる。
同様に、送信機８２の出力信号が方向性結合器４２の端子２に入力され、これに応じて端子１からの出力信号がアンテナスイッチ３２を通して、フィルタ２２に入力される。フィルタ２２によって、所定の信号成分が取り出されて、これを送信信号としてアンテナ素子１２に送られる。
【００５３】
通常送信時に、送信機８１と８２から送信される信号Ｔ1 とＴ2 の振幅と位相を制御することによって、アンテナ素子１１と１２からの送信信号によって所定のビームパターンを形成することができる。即ち、各アンテナ素子による送信信号を制御することによって、送信時のビームフォーミングを実現できる。
【００５４】
次に、通常の受信動作について説明する。通常受信時に、アンテナスイッチ３１及び３２において、それぞれの端子ａ１とａ３が接続される。このため、アンテナ素子１１の受信信号がフィルタ２１によって所定の信号成分が取り出され、これを受信信号として、スイッチ３１を通して方向性結合器４１の端子３に入力される。方向性結合器４１において、端子３の入力信号に応じた信号が端子４に出力され、方向性結合器１０１の端子１に入力される。
同様に、アンテナ素子１２の受信信号がフィルタ２２によって所定の信号成分が取り出され、これを受信信号としてスイッチ３２を通して方向性結合器４２の端子３に入力される。方向性結合器４２において、端子３の入力信号に応じた信号が端子４に出力され、方向性結合器１０１の端子３に入力される。
方向性結合器１０１において、端子１からの入力信号が端子２に出力され、端子３からの入力信号が端子４に出力される。このため、アンテナ素子１１の受信信号に応じた信号が受信機９１に入力され、アンテナ１２の受信信号に応じた信号が受信機９２に入力される。
【００５５】
なお、受信のとき、１番目のブランチの受信機９１に、２番目のブランチのアンテナ素子１２の受信信号の一部分が混入される。同様に、２番目のブランチの受信機９２には、１番目のブランチのアンテナ素子１１の受信信号の一部分が混入される。例えば、アンテナ素子１１の受信信号がフィルタ２１、アンテナ素子３１及び方向性結合器４１を通して、方向性結合器１０１の端子１に入力される。方向性結合器１０１において、端子１の入力信号が振幅減衰率Ａt12 をもって端子２に出力されるとともに、振幅減衰率Ａt14 をもって端子４にも出力される。
一方、２番目のブランチのアンテナ素子１２の受信信号がフィルタ２２、アンテナスイッチ３２及び方向性結合器４２を介して、方向性結合器１０１の端子３に入力され、方向性結合器１０１において、端子３の入力信号が振幅減衰率Ａt34 をもって端子４に出力される。
【００５６】
このため、２番目のブランチの受信機９２には、アンテナ素子１２の受信信号にアンテナ素子１１の受信信号（方向性結合器１０１の振幅減衰率Ａt14 で減衰された）が混入される。
同様に、１番目のブランチの受信機９１には、アンテナ素子１１の受信信号にアンテナ素子１２の受信信号（方向性結合器１０１の振幅減衰率Ａt32 で減衰された）が混入される。
【００５７】
実用上、方向性結合器１０１の振幅減衰率Ａt14 とＡt32 を低く制御することによって、隣接するブランチのアンテナ素子の受信信号による影響を無視できる程度に抑制することができる。
【００５８】
次いで、本実施形態の送受信システムにおける較正時の動作について説明する。
図１に示す本実施形態の送受信システムにおいて、一つのアンテナ素子に接続されているフィルタ、アンテナスイッチ、方向性結合器、及びそのアンテナ素子に対応する送信機と受信機を合わせて、一つのブランチと称する。例えば、図１において、アンテナ素子１１、フィルタ２１、アンテナスイッチ３１、方向性結合器４１、及びこれらに対応する送信機８１、受信機９１によって一つのブランチ（以下、これを１番目のブランチと表記する）が構成されている。同様に、アンテナ素子１２、フィルタ２２、アンテナスイッチ３２、方向性結合器４２及びこれらに対応する送信機８２、受信機９２によってもう一つのブランチ（以下、これを２番目のブランチと表記する）が構成されている。
【００５９】
本実施形態の送受信システムにおける較正は、一つのブランチを基準として、他のブランチが、当該基準ブランチに対して、送受信における信号の振幅及び位相の誤差を求め、この誤差をキャンセルできるように基準ブランチを除く各ブランチの較正係数を求める。そして、送受信のとき、基準ブランチ以外の各ブランチの送受信信号に対して、上記求めた較正係数を用いて信号を補正することによって、ブランチ間の誤差を補正することが可能である。
【００６０】
較正処理において、一つのブランチで送信を行い、送信信号をそのブランチのアンテナ素子によって送受信するとともに、その一部分を方向性結合器によって他のブランチの受信機に帰還させる。他のブランチの受信機において、帰還された信号を測定する。そして、各ブランチの受信機の測定信号に基づき、較正係数の推定が行われる。
【００６１】
例えば、ここで、１番目のブランチを基準として、送信機８１によって送信を行うとき、送信機８１から出力される送信信号Ｔ1 が方向性結合器４１の端子２に入力される。方向性結合器４１によって、端子２からの入力信号の一部分が端子１に転送され、さらにアンテナスイッチ３１、フィルタ２１を通してアンテナ素子１１に送信される。また、方向性結合器４１において、端子２からの入力信号の一部分が端子４に帰還される。この帰還信号が方向性結合器１０１の端子１に入力され、方向性結合器１０１において、端子１の入力信号の一部分が端子４帰還され、受信機９２に入力される。
【００６２】
受信機９２によって、方向性結合器１０１の端子４からの出力信号Ｒ2 が受信される。そして、この受信信号Ｒ2 及び送信機８１の出力信号Ｔ1 に応じて、較正係数が求められる。以下、較正係数の計算方法について説明する。
【００６３】
以下の説明において、信号の振幅と位相の表現を簡易化するために、送受信信号を表す符号を複素数とする。また、較正係数などのパラメータをすべて複素数であるとする。
【００６４】
ここで、１番目のブランチを基準として、２番目のブランチにおける較正係数の求め方について説明する。
送受信システムにおいて、受信時にアンテナ素子に到着した信号がアンテナ素子によって受信され、さらにフィルタ、アンテナスイッチ及び方向性結合器を介して、受信機に送信される。このため、それぞれのブランチにおいて、アンテナ素子、フィルタ及び信号伝搬経路、例えば、ケーブルを含む伝送路の伝達関数をＭi （本実施形態において、ｉ＝１，２）とし、受信機の伝達関数をＲi とし、さらに、較正を行うための較正係数をＷoiとすると、較正係数Ｗoiは、次式によって与えられる。
【００６５】
【数９】
Ｗoi＝Ｗi Ｍi Ｒi …（９）
【００６６】
式（９）において、Ｗi は較正を行わない場合、ビームフォーミングなどのため受信信号に適宜掛けられる重み係数である。
一方、同じビームパターンを用いて送信を行うとき、ベースバンドにおける送信信号をＳi とすれば、アンテナ素子によって放射された信号Ｙtiを次式によって表すことができる。
【００６７】
【数１０】
Ｙti＝Ｗi Ｍi Ｔi Ｓi …（１０）
【００６８】
式（１０）において、Ｔi は送信機の伝達関数である。また、送信時のアンテナ素子、フィルタ及び信号伝搬経路の伝達関数Ｍi は、受信時における伝達関数と同じである。
式（９）によって、Ｗi ＝Ｗoi／（Ｍi Ｒi ）であり、これを式（１０）に代入すれば、次式が得られる。
【００６９】
【数１１】
Ｙti＝Ｗoi（Ｔi ／Ｒi ）Ｓi …（１１）
【００７０】
式（１１）によって、ｉ番目のブランチにおける較正係数Ｋi は、次式によって与えられる。
【００７１】
【数１２】
Ｋi ＝Ｒi ／Ｔi …（１２）
【００７２】
また、アンテナアレイの指向性は、各ブランチ間の相対的な振幅と位相差によって決定されるため、アレイアンテナに対する較正は、ある一つのブランチを基準として、他のブランチが基準ブランチに対する相対的な振幅と位相差を求めればよい。ここで、１番目のブランチを基準とすると、この基準ブランチに対して、２番目のブランチの較正係数Ｋ21は、次式によって求められる。
【００７３】
【数１３】
【００７４】
即ち、基準ブランチに対する２番目のブランチの較正係数Ｋ21は、それぞれ１番目のブランチと２番目のブランチの送信機及び受信機の伝達関数に基づいて求めることができる。
【００７５】
次に、図１を参照しながら、本実施形態の送受信システムにおける較正係数Ｋ21の測定動作について説明する。
式（１３）によれば、較正係数Ｋ21は、送信機８１の伝達関数Ｔ1 と受信機９２の伝達関数Ｒ2 との積と、送信機８２の伝達関数Ｔ2 と受信機９１の伝達関数Ｒ1 との積との割り算によって計算できる。
【００７６】
このため、送信機８１によって送信を行うとき、送信信号の一部分を受信機９２に帰還させて受信機９２で帰還信号ＳC2を受信し、また、送信機８２によって同じ信号を送信するとき、送信信号の一部分を受信機９１に帰還させて受信機９１で帰還信号Ｓc1を受信すれば、受信信号ＳC2には、送信機８１と受信機９２両方の伝達特性が含まれ、受信信号Ｓc1には、送信機８２と受信機９１両方の伝達特性が含まれる。このため、較正係数Ｋ21は、受信信号Ｓc1とＳC2に基づき、次式によって求められる。
【００７７】
【数１４】
Ｋ21＝ＳC2／Ｓc1 …（１４）
【００７８】
次に、信号Ｓc1とＳC2の測定についてさらに詳しく説明する。
送信機８１で送信信号Ｓt1を送信するとき、送信機８１の出力信号が方向性結合器４１の端子２に入力される。方向性結合器４１において、端子２からの入力信号が端子１に出力されるとともに、入力信号の一部分が端子４に帰還される。この帰還信号がさらに方向性結合器１０１の端子１に入力され、方向性結合器１０１によって端子４に出力され、受信機９２に入力される。このため、受信機９２の出力信号ＳC2には、送信機８１の伝達特性、受信機９２の伝達特性及び方向性結合器４１、１０１の伝達特性が含まれる。方向性結合器４１と１０１の伝達特性は既知であるので、受信信号ＳC2に基づき、送信機８１及び受信機９２の伝達特性を推定することができる。
【００７９】
そして、送信機８２で送信信号Ｓt2（Ｓt2＝Ｓt1）を送信するとき、送信機８２の出力信号が方向性結合器４２の端子２に入力される。方向性結合器４２において、端子２からの入力信号が端子１に出力されるとともに、入力信号の一部分が端子４に帰還される。この帰還信号がさらに方向性結合器１０１の端子３に入力され、方向性結合器１０１によって端子２に出力され、受信機９１に入力される。このため、受信機９１の出力信号ＳC1には、送信機８２の伝達特性、受信機９１の伝達特性及び方向性結合器４２、１０１の伝達特性が含まれる。方向性結合器４１と１０１の伝達特性は既知であるので、受信信号ＳC1に基づき、送信機８２及び受信機９１の伝達特性を推定することができる。
【００８０】
上述したように得られた受信信号ＳC2とＳc1に基づき、式（１４）によって、較正係数Ｋ21を求めることができる。また、式（１４）によれば、方向性結合器４１、４２及び１０１の伝達特性が既知でなくても、較正係数Ｋ21を求めることができる。例えば、方向性結合器４１と４２を同じ特性を持つように形成され、また、方向性結合器１０１は、対称的に形成されていれば、式（１４）によって較正係数Ｋ21を求めるとき、方向性結合器の伝達関数が相殺され、送受信機の伝達特性のみが残る。
【００８１】
こうして求められた較正係数は、送信時の信号の較正に用いられる。即ち、送信機８２で信号Ｓ2 を送信するとき、送信信号Ｓ2 に較正係数Ｋ21を乗算した信号Ｋ21Ｓ2 を送信すればよい。これによって、基準となる１番目のブランチに対して、２番目のブランチによって、振幅と位相の誤差が較正された信号が送信される。
【００８２】
以上説明したように、本実施形態によれば、各ブランチに送信機の出力信号を帰還する方向性結合器４１と４２を設けて、さらに、各ブランチの方向性結合器からの帰還信号を他のブランチの受信機に出力する方向性結合器１０１を設けることによって、一つのブランチを基準とした場合、他のブランチにおける較正係数を求めることができる。これによって、較正回路を簡略化でき、各ブランチ間の振幅と位相誤差を容易に較正できる。また、各ブランチ及びブランチ間の方向性結合器の伝達特性を対称的に制御することによって、較正係数を求めるとき、方向性結合器の伝達特性による影響を無視できる。
【００８３】
第２実施形態
図３は本発明に係る送受信システムの第２の実施形態を示す回路図である。
図示のように、本実施形態の送受信システムは、Ｌ本のブランチによって較正されている。各ブランチには、アンテナ素子、フィルタ、アンテナスイッチ、方向性結合器及び送信機と受信機がそれぞれ設けられている。
例えば、１番目のブランチにおいて、アンテナ素子１１は、フィルタ２１を通してアンテナスイッチ３１の端子ａ１に接続されている。方向性結合器４１において、端子１がアンテナスイッチ３１の端子ａ２に接続され、端子３がアンテナスイッチの端子ａ１に接続され、端子２が送信機８１に接続され、端子４が方向性結合器１０１の端子１に接続されている。
各ブランチに対して、較正係数を測定するための較正回路２２０及び各ブランチの受信機の受信信号に基づき較正係数を演算する演算部２４０が設けられている。
【００８４】
また、方向性結合器１０１において、端子２が方向性結合器１００の端子３に接続され、端子３が２番目のブランチの方向性結合器４２の端子４に接続されている。
方向性結合器１００において、端子１と端子２には終端用抵抗素子Ｒ１とＲ２が接続され、端子４に受信機９１が接続されている。
【００８５】
図３に示すように、方向性結合器４１，４２，４３，…，４Ｌは、それぞれ各ブランチに設けられている。
較正回路２２０において、方向性結合器１０１，１０３，…は、２ブランチごとに設けられている。さらに、方向性結合器１００を除く他の方向性結合器１０２，…，１０Ｌは、方向性結合器１０１，１０３，…に対して一つごとに設けられている。
即ち、本実施形態の送受信システムにおいて、各ブランチの方向性結合器４１，４２，４３，…，４Ｌ、及び較正回路２２０の方向性結合器１０１，１０３，…，１０Ｌ−１、並びに１００，１０２，…，１０Ｌは、階層構造を成している。第１層目の方向性結合器は４１，４２，４３，…，４Ｌは、各ブランチ毎に設けられ、第２層目の方向性結合器１０１，１０３，…，１０Ｌ−１は、第１層目の方向性結合器に対して、２つ毎に設けられている。即ち、第２層目の方向性結合器は、Ｌ／２個ある。第３層目の方向性結合器１００，１０２，…，１０Ｌのうち、方向性結合器１００を除けば、他の方向性結合器は、第２層目の方向性結合器に対して、１つ毎に設けられている。即ち、３層目の方向性結合器は、Ｌ／２＋１個ある。
【００８６】
方向性結合器１００と１０Ｌには、それぞれ終端用抵抗素子が接続されている。それ以外の方向性結合器は、一方の端子１と端子３が上層の方向性結合器１０１，１０３，…に接続され、他方の端子２と端子４が受信機９２，９３，…に接続されている。また、方向性結合器１００の端子３が方向性結合器１０１に接続され、端子４が受信機９１に接続され、同様に、方向性結合器１０Ｌの端子１が図３に示していない方向性結合器１０Ｌ−１に接続され、端子２が受信機９Ｌに接続されている。
【００８７】
上述したように構成されている送受信システムにおいて、送信時に各アンテナスイッチにおいて、端子ａ２とａ３が接続され、送信機８１，８２，…，８Ｌから出力される送信信号がそれぞれ方向性結合器４１，４２，…，４Ｌの端子２に入力され、これらの方向性結合器によって、端子２から入力される送信信号が端子１に送信される。このため、各ブランチにおいて、方向性結合器からの出力信号がそれぞれアンテナスイッチを通して、フィルタ２１，２２，…，２Ｌに入力され、フィルタによって所定の周波数成分のみが取り出されそれぞれアンテナ素子１１，１２，…，１Ｌに送信されるので、アンテナ素子によって送信信号が空中に放射される。このため、各送信機によって、振幅と位相が適宜制御される信号をアンテナ素子に送り、各アンテナ素子によって送信することによって、所定のビームパターンを形成し、即ち、所定の指向性で送信信号を送信することができる。
【００８８】
受信のとき、各アンテナスイッチにおいて、端子ａ１と端子ａ３が接続される。このとき、各アンテナ素子１１，１２，…，１Ｌの受信信号がそれぞれフィルタ２１，２２，…，２Ｌに入力され、フィルタによって所定の周波数成分のみが取り出され、アンテナスイッチ３１，３２，…，３Ｌを介して方向性結合器４１，４２，…，４Ｌの端子３に入力され、これらの方向性結合器によって、端子３から入力される送信信号が端子４に出力される。
【００８９】
方向性結合器４１の端子４の出力信号が方向性結合器１０１の端子１に入力され、方向性結合器１０１によって、その端子２に出力される。さらにこの出力信号が方向性結合器１００の端子３に入力され、方向性結合器１００によって、その端子４に出力され、受信機９１に入力される。
方向性結合器４２の端子４の出力信号が方向性結合器１０１の端子３に入力され、方向性結合器１０１によって、その端子４に出力される。さらにこの出力信号が方向性結合器１０２の端子１に入力され、方向性結合器１０２によって、その端子２に出力され、受信機９２に入力される。
【００９０】
このように、各ブランチの方向性結合器４１，４２，…，４Ｌの端子４から出力される受信信号が、階層構造を成している方向性結合器１０１，１０３，…，１００Ｌ−１及び方向性結合器１００，１０２，…，１０Ｌによって、各ブランチの受信機９１，９２，…，９Ｌに入力される。
【００９１】
このため、各受信機において、受信信号に対して、振幅と位相を適宜重み付けることによって、所定の受信ビームパターンを形成することができる。即ち、重み係数に応じた所定のビームパターンを用いてアンテナアレイに到達する信号を受信することができる。
【００９２】
なお、受信のとき、ｉ番目のブランチの受信機９ｉには、隣接するブランチのアンテナ素子１ｉ−１と１ｉ＋１の受信信号の一部分が混入される。例えば、受信のとき、アンテナ素子１１からの受信信号がフィルタ２１、アンテナ素子３１及び方向性結合器４１を通して、方向性結合器１０１の端子１に入力される。方向性結合器１０１において、端子１の入力信号が減衰率Ａt12 をもって端子２に出力されるとともに、振幅減衰率Ａt14 をもって端子４にも出力される。
一方、２番目のブランチのアンテナ素子１２の受信信号がフィルタ２２、アンテナスイッチ３２を介して、方向性結合器４２の端子３に入力され、方向性結合器４２によって端子４に出力される。方向性結合器４２の端子４からの出力信号が方向性結合器１０１の端子３に入力され、方向性結合器１０１によって、振幅減衰率Ａt34 をもって端子３の入力信号が端子４に出力される。
【００９３】
方向性結合器１０１の端子４からの出力信号には、方向性結合器４２の出力端子４からの出力信号のほかに、方向性結合器４１の端子４からの出力信号の一部分が混入される。このため、２番目のブランチの受信機９２には、アンテナ素子１２の受信信号にアンテナ素子１１の受信信号（振幅が方向性結合器１０１の振幅減衰率Ａt14 で減衰された）が混入される。
同様に、３番目のブランチのアンテナ素子１３の受信信号がフィルタ２３、アンテナスイッチ３３及び方向性結合器４３を介して、方向性結合器１０３の端子１に入力され、さらにその端子２からの出力信号が方向性結合器１０２の端子３に入力される。方向性結合器１０２において、端子３に入力される信号の大部分が端子４に出力され、受信機９３に送られるが、その一部分が方向性結合器１０２の振幅減衰率Ａt32 で減衰されて端子２に出力され、アンテナ素子１２からの受信信号に混入される。
【００９４】
実用上、方向性結合器１０１，１０２，…１０Ｌ−１の振幅減衰率Ａt14 とＡt32 を低く制御することによって、隣接するブランチのアンテナ素子の受信信号による影響を無視できる程度に抑制することができる。
【００９５】
次に、本実施形態の送受信システムにおける較正時の動作について説明する。本実施形態では、較正はある一つのブランチを基準として、他のブランチがこの基準ブランチに対し、振幅及び位相が一致するための較正係数をそれぞれ求める。そして、送信または受信時に各ブランチの送受信信号にそのブランチの較正係数を掛けて補正することによって、各ブランチにおける伝達関数のバラツキを補正することができる。
【００９６】
ここで、例えば、１番目のブランチを基準として、他の各ブランチをこの基準ブランチに対する較正係数を求める。
受信時に、１番目のブランチのアンテナ素子１１に到達する信号をＸ1 とし、２番目のブランチのアンテナ素子に到達する信号をＸ2 とし、そして、ｉ（本実施形態において、ｉ＝１，２，…，Ｌ）番目のブランチのアンテナ素子１ｉに到達する信号をＸi とする。
ここで、各ブランチにおける較正係数をＷo1，Ｗo2，…，ＷoLとすると、これらの較正係数を用いて、ｉ番目のブランチの受信機９ｉによる受信信号Ｙriは、次式によって表せる。
【００９７】
【数１５】
Ｙri＝ＷoiＸi …（１５）
【００９８】
この較正係数Ｗoiには、ブランチ内部でビームフォーミングなどのために受信信号に掛けられる重み係数Ｗi 、アンテナ素子、フィルタ及び信号伝搬ケーブルの伝達特性Ｍi 、さらに受信機の伝達関数Ｒi が含まれ、次式によって表すことができる。
【００９９】
【数１６】
Ｗoi＝Ｗi Ｍi Ｒi …（１６）
【０１００】
送信するとき、ｉ番目のブランチの送信信号をＳi とし、送信機９ｉの伝達関数をＴi とする。また、送受信におけるアンテナ素子、フィルタ及び信号伝搬ケーブルの伝達特性を同じＭi とし、さらに、送受信が同じ指向性特性を持つビームパターンで行うとすると、送信信号に掛ける重み係数が受信時と同じくＷi を用いる。これによって、送信時にｉ番目のブランチのアンテナ素子１ｉに入力される励起信号Ｙtiは、次式によって与えられる。
【０１０１】
【数１７】
Ｙti＝Ｗi Ｍi Ｔi Ｓi …（１７）
【０１０２】
式（１６）によって、Ｗi ＝Ｗoi／（Ｍi Ｒi ）となり、これを式（１７）に代入すると、次の式が得られる。
【０１０３】
【数１８】
Ｙti＝ＷoiＳi （Ｔi ／Ｒi ） …（１８）
【０１０４】
式（１８）において、Ｔi ／Ｒi は、各ブランチによって異なるため、これを較正するための係数Ｃi は次式のように求められる。
【０１０５】
【数１９】
Ｃi ＝Ｒi ／Ｔi …（１９）
【０１０６】
そして、１番のブランチのアンテナ素子１１の送信信号を基準とすると、この基準ブランチに対して、ｉ番目のブランチのアンテナ素子１ｉからの送信信号を較正するための較正係数Ｈi1を以下のように求められる。
【０１０７】
【数２０】
【０１０８】
式（２０）から分かるように、１番目のブランチを基準とする場合、ｉ番目のブランチの較正係数Ｈi1は、１番目のブランチの送信機と受信機の伝達関数及びｉ番目の送信機と受信機の伝達関数によって求めることができる。
【０１０９】
図４は、本実施形態の送受信システムにおける各ブランチの較正係数を求めるフローチャートを示している。以下、図３を参照しつつ、各ブランチにおける較正係数Ｈi1の求め方について説明する。
【０１１０】
ステップＳ１，Ｓ２：まず、ｉ＝１として、送信機８ｉ、即ち、１番目のブランチの送信機８１によって送信信号を出力する。送信機８１の送信信号が方向性結合器４１の端子２に入力され、方向性結合器４１によって、振幅減衰率Ａ24をもって端子４に出力される。
そして、方向性結合器４１の端子４からの出力信号が方向性結合器１０１の端子１に入力されるので、方向性結合器１０１において、端子１の入力信号が端子２に出力され、さらに方向性結合器１００を介して受信機９１に入力される。一方、方向性結合器１０１において、端子１の入力信号が減衰率Ａt14 で減衰されて端子４に出力される。この減衰された信号が方向性結合器１０２の端子１に入力され、方向性結合器１０２を介して受信機９２に入力される。
【０１１１】
ステップＳ３：受信機９ｉ−１と９ｉ＋１によってそれぞれ帰還された信号を受信する。なお、送信機８１で送信するとき、受信機９２だけで帰還信号の受信が行われる。ここで、受信機９２からの出力には、送信機８１の伝達関数Ｔ1 、方向性結合器４１の減衰率Ａt24 、方向性結合器１０１の減衰率Ａt14 、さらに方向性結合器１０２の減衰率Ａt12 及び受信機９２の伝達関数Ｒ2 が含まれる。また、信号伝搬経路上の方向性結合器の減衰率を合わせてＲ12とすれば、送信機８１の送信信号がＳt1に対して、受信機９２より得られる受信信号Ｙt2を次式によって表すことができる。
【０１１２】
【数２１】
Ｙt12 ＝Ｓt1Ｒ12Ｔ1 Ｒ2 …（２１）
【０１１３】
ステップＳ４：次に、ｉ＝ｉ＋１として、ｉがＬに達するまで上記Ｓ２とＳ３の処理を繰り返す。即ち、１番目のブランチからＬ番目のブランチまで送信と受信が順次行われる。また、各ブランチの送信機による送信信号を１番目のブランチの送信機の送信信号Ｓt1に等しくすれば、ｉ−１番目の送信機で送信するとき、ｉ番目の受信機によって得られる受信信号Ｙtiは、次式によって表すことができる。
【０１１４】
【数２２】
Ｙti-1,i＝Ｓt1Ｒi-1,i Ｔi-1 Ｒi …（２２）
【０１１５】
また、ｉ番目の送信機で送信するとき、ｉ−１番目の受信機によって得られる受信信号Ｙti,i-1は、次式によって表すことができる。
【０１１６】
【数２３】
Ｙti,i-1＝Ｓt1Ｒi,i-1 Ｔi Ｒi-1 …（２３）
【０１１７】
上述した送受信処理がすべてのブランチに対して行われる。さらに、ここで、各ブランチの方向性結合器が対称的に構成されているとすれば、即ち、信号伝搬経路上の方向性結合器の減衰率などを合わせた伝達関数Ｒ12＝Ｒ21＝Ｒ23＝Ｒ32＝Ｒi-1,i ＝Ｒi,i-1 とすれば、１番目のブランチを基準とする場合、各ブランチの較正係数Ｈi1を次式によって演算することができる。
【０１１８】
【数２４】
【０１１９】
図５は、４つのブランチからなる送受信システムの一構成例を示している。図示のように、本例の送受信システムにおいて、アンテナ素子、フィルタ、方向性結合器及び送信機により、各ブランチが構成され、また、方向性結合器１００，１０１，１０２，１０３及び１０４によって、較正回路が較正されている。なお、図５において、各受信機９１，９２，９３及び９４の受信信号に従って各ブランチの較正係数を演算する演算部が省略されている。
【０１２０】
図５において、それぞれ方向性結合器について、コイル及びキャパシタによって形成されている詳細な構成が示されている。これらの方向性結合器は、左右対称となる構造を有する。これによって、例えば、送信機８１が送信するとき、受信機９１に帰還される信号の伝搬経路と、送信機８２が送信するとき、受信機９１に帰還される信号の伝搬経路とが同じ伝達特性を有する。これによって、較正回路の配線の設計を容易に行われ、かつ回路構成を簡略化でき、各ブランチの較正係数の測定精度を向上できる。
【０１２１】
このように、本実施形態の送受信システムによれば、各ブランチにおける方向性結合器を左右対称に構成することによって、較正係数を求めるとき、ｉ番目のブランチの送信機からｉ＋１番目の受信機への信号伝搬経路の伝搬特性とｉ＋１番目のブランチの送信機からｉ番目の受信機への信号伝搬経路の伝搬特性を等しくすることができる。これによって、１番目のブランチを基準とする場合、各ブランチの較正係数Ｈi1を式（２４）に従って、容易に計算することができる。また、このように方向性結合器を左右対称の構成にすることによって、従来の較正回路に較べて、配線の設計を容易にできる。また、各ブランチにおいて、それぞれの最適な係数Ｗoiを計算できるので、受信信号の到来方向を推定することができる。
【０１２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の送受信システムによれば、構造上対称的に形成されている方向性結合器を各ブランチに設けることによって、送受信機の伝達関数及び各ブランチの信号伝搬特性のバラツキを較正する較正係数を容易に求めることができる。
さらに、本発明によれば、各ブランチにおいて、それぞれの最適な係数を計算することができ、これによって受信信号の到来方向を推定することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る送受信システムの第１の実施形態を示す回路図である。
【図２】方向性結合器の一構成例を示す回路図である。
【図３】本発明に係る送受信システムの第２の実施形態を示す回路図である。
【図４】第２の実施形態の送受信システムにおいて、較正係数を求める処理を示すフローチャートである。
【図５】４つのブランチを含む送受信システムの一具体例を示す回路図である。
【図６】従来の送受信システムの一構成例を示す回路図である。
【図７】従来の送受信システムにおける較正係数を測定するときの信号の流れを示す概念図である。
【符号の説明】
１１，１２，１３，…，１Ｌ…アンテナ素子、２１，２２，２３，…，２Ｌ…フィルタ、３１，３２，３３，…，３Ｌ…アンテナスイッチ、４１，４２，４３，…，４Ｌ…方向性結合器、８１，８２，８３，…，８Ｌ…送信機、９１，９２，９３，…，９Ｌ…受信機、１００，１０１，１０２，…，１０Ｌ…方向性結合器、２００，２２０…較正回路、１２０，２４０…演算部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、時分割多重通信システムに用いられているアレイアンテナ及びその信号較正回路を含む送受信システム、特に、外部の情報に依存せずに各アンテナ素子の送受信信号の振幅と位相を較正できる送受信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アレイアンテナを用いた時分割多重通信システムにおいて、送信するとき各アンテナ素子に送られた信号は、送信機の出力を増幅する増幅回路の利得特性（伝達関数）、信号を伝搬するケーブル、信号の周波数成分を整えるフィルタ、及びアンテナ素子の振幅と位相特性のバラツキによって、同じ信号を各アンテナ素子に送っても、それぞれのアンテナ素子によって放射される信号の振幅と位相に誤差が生じる。この誤差によって、送信ビームパターンの制御が困難になり、ビームフォーミングを正しく実現できなくなる。
【０００３】
また、受信時においても、同様な問題が生じる。このとき各受信機に到着した信号は、それぞれのアンテナ素子によって受信した信号に対して、フィルタの特性、増幅回路の利得特性、さらに受信信号を伝搬するケーブルなどの特性のバラツキによって、受信機の出力信号は、各アンテナ素子に到着した信号に対して、振幅及び位相に誤差が生じる。これによって、受信信号の到来方向（ＤＯＡ）を正確に推定することができなくなるなどの問題が生じる。
【０００４】
このため、アレイアンテナを用いた送受信システムにおいて、較正回路を設けて、各送受信機の誤差を補正する較正係数を求める対策が取られている。
図６は、従来の較正回路を含む送受信システム全体の構成例を示している。
図示のように、この送受信システムは、アンテナ素子１１，１２，１３，…，１Ｌからなるアンテナアレイ、各アンテナ素子に接続されているフィルタ２１，２２，２３，…，２Ｌ、各フィルタに接続されているアンテナスイッチ３１，３２，３３，…，３Ｌ、較正回路２００、送信機８１，８２，８３，…，８Ｌ、及び受信機９１，９２，９３，…，９Ｌによって構成されている。
【０００５】
較正回路２００は、方向性結合器４１，４２，４３，…，４Ｌ、ＳＰＤＴ（Single pole double through）・ＲＦスイッチ（以下、便宜上単にＲＦスイッチという）５１，５２，５３，…，５Ｌ−１、６２，６３，…，６Ｌ−１、７１，７２，７３，…，７Ｌによって構成されている。
方向性結合器４１，４２，…，４Ｌは、入力信号を所定の振幅減衰率と位相差をもって、他の出力端子に出力する。
【０００６】
アンテナスイッチは、三つの端子を有し、送信信号と受信信号の切り替えを行うことができる。例えば、アンテナスイッチ３１は、端子ａ１、ａ２とａ３を持ち、送信時に端子ａ１とａ２が接続され、方向性結合器４１からの送信信号をフィルタ２１に出力し、また、受信時に端子ａ１とａ３が接続され、フィルタ２１からの受信信号を方向性結合器４１に出力する。
また、各ＲＦスイッチもそれぞれ三つの端子を有する。例えば、ＲＦスイッチ７１は、端子ｂ１、ｂ２とｂ３を有する。受信時に、端子ｂ１とｂ２が接続され、較正時に端子ｂ１とｂ３が接続される。
【０００７】
通常送信時に、送信機８１より出力される送信信号が方向性結合器４１を介して、アンテナスイッチ３１の端子ａ２に入力される。このとき、アンテナスイッチにおいて、端子ａ２とａ１が接続されるので、送信信号がアンテナスイッチ３１を通してフィルタ２１に入力される。フィルタ２１を通過した信号成分がアンテナ素子１１に送られ、アンテナ素子１１によって空中に放射される。
また、このとき他の送信機８２，８３，…，８Ｌから出力される送信信号も同様に、それぞれアンテナ素子１２，１３，…，１Ｌに転送され、各アンテナ素子によって空中に放射される。送信時に、各アンテナ素子に送られる送信信号の位相を制御することによって、所定の送信用ビームパターンが生成される、いわゆるビームフォーミングを実現できる。
なお、送信時のビームフォーミングは、例えば、送信機８１，８２，８３，…，８Ｌの送信信号に対してそれぞれ振幅と位相を制御するための所定の重み係数を乗じた信号を各アンテナ素子に出力することによって実現できる。また、送信信号にこの重み係数を掛ける重み付け処理は、例えば、アンテナ素子とフィルタ、またはフィルタとアンテナスイッチとの間に設けられている乗算器によっても実現できる。
【０００８】
通常受信時に、アンテナ素子１１によって受信された信号がフィルタ２１に送られ、フィルタ２１を通過した信号成分がアンテナスイッチ３１の端子ａ１に入力される。このとき、アンテナスイッチ３１において、端子ａ１と端子ａ３が接続されるので、受信信号がアンテナスイッチ３１を介してＲＦスイッチ７１の端子ｂ２に送られる。このとき、ＲＦスイッチ７１において、端子ｂ２と端子ｂ１が接続されるので、受信信号がＲＦスイッチ７１を介して受信機９１に入力される。また、他のアンテナ素子１２，１３，…，１Ｌの受信信号も同様に、それぞれ受信機９２，９３，…，９Ｌに転送される。
また、送信時と同様に、受信時に各アンテナ素子からの受信信号にそれぞれ所定の重み係数を乗算することによって、ビームフォーミングを実現できる。さらに、受信時に受信ビームをスイープしながら受信信号を測定することによって、受信信号の到来方向を推定することも可能である。
【０００９】
上述した送受信システムにおいて、システムの較正はある送受信機を基準として、他の送受信機がこの基準となる送受信機に対する送信及び受信信号の振幅と位相変化を測定することによって、それぞれの送信機及び受信機の較正係数を求めることができる。
【００１０】
以下、図７を参照しつつ、図６に示す送受信システムにおける較正の方法について説明する。
図７は、送受信システムの較正を行うときの信号の流れを示す概念図である。図７において、送信機８ｉ−１（ｉ＝２，３，…，Ｌ）と受信機９ｉ−１からなる送受信セット、及び送信機８ｉと受信機９ｉからなる送受信セットが示されている。
図７に示すように、送信機８ｉと受信機９ｉに対する較正は、送信機８ｉ−１で送信するとき受信機９ｉの受信信号Ｔi-1 Ｒi を測定し、また、送信機８ｉで送信するとき受信機９ｉ−１の受信信号Ｔi Ｒi-1 を測定することによって行われる。
【００１１】
以下、較正の原理について述べ、較正係数の求め方について説明する。
図６に示す送受信システムにおいて、受信機９１から９Ｌにおいて、受信した信号ｒ1 からｒL の間に振幅と位相差が存在しない最適な重み係数をＷ01〜Ｗ0Lとする。受信機９ｉにおける出力ｙriは以下のように表される。
【００１２】
【数１】
ｙri＝ＷOiＳri＝Ｗi Ｍi Ｒi Ｓri …（１）
【００１３】
式（１）において、Ｓriはアンテナ素子１ｉによる受信信号であり、Ｗi は受信のとき受信信号に対して適宜用いられている重み係数である。なお、この重み係数Ｗi は、受信機内部またはその外部において、アナログ的またはディジタル的に受信信号に乗算される。また、Ｍi はアンテナ、フィルタ及び信号をアンテナ素子から受信機９ｉまで伝搬する経路上のケーブルにおいて生じた振幅変化及び位相差を示す複素数の係数である。
【００１４】
一方、送信機８ｉから送信する信号をＳtiとすると、指向性制御を行ったあとにアンテナ素子１ｉから空中に放射された信号ｙtiは、次の式に基づき演算することができる。
【００１５】
【数２】
ｙti＝Ｗi Ｍi Ｔi Ｓti …（２）
【００１６】
式（２）において、Ｔi は送信機９ｉの内部または外部に設けられている増幅回路、フィルタなどの総合利得を示す伝達関数である。通常、この伝達関数Ｔiは、振幅と位相成分両方が含まれる複素数である。
【００１７】
送受信におけるアンテナパターンを一致させるために、送受信システムにおいて、次式が成り立たなければならない。
【００１８】
【数３】
ｙti＝ｙri …（３）
【００１９】
式（１）と（２）を式（３）に代入すると、次式が得られる。
【００２０】
【数４】
ここで、次の式を仮定する。
【００２２】
【数５】
Ｄi ＝Ｔi ／Ｒi …（５）
【００２３】
Ｄi が各アンテナ素子において異なるため、これを補正するための係数として、次式に示す係数Ｃi を求める。
【００２４】
【数６】
Ｃi ＝Ｒi ／Ｔi …（６）
【００２５】
アンテナ素子１１から送信される信号を基準とすると、アンテナ素子１ｉから送信される信号を補正するための較正係数Ｈi は、次式によって求めることができる。
【００２６】
【数７】
次に、較正係数を測定するための操作を説明する。
図６に示すように、ＲＦスイッチ５１において、端子ｃ１は方向性結合器４２の端子３に接続され、端子ｃ２はＲＦスイッチ７１の端子ｂ３に接続されている。
ＲＦスイッチ６２において、端子ｄ１はＲＦスイッチ７２の端子ｂ３に接続され、端子ｄ２は方向性結合器４１の端子３に接続されている。
【００２８】
まず、アンテナ素子１２から送信する信号の較正を行うとき、ＲＦスイッチ３１及び３２において、それぞれの端子ａ１とａ２が接続される。また、ＲＦスイッチ６２の端子ｄ１と端子ｄ２が接続され、ＲＦスイッチ７２の端子ｂ１と端子ｂ３が接続される。さらに、ＲＦスイッチ５１の端子ｃ１と端子ｃ２が接続され、ＲＦスイッチ７１の端子ｂ１と端子ｂ３が接続される。
【００２９】
この状態において、送信機８１からの送信信号Ｔ1 は、方向性結合器４１の端子１に入力される。方向性結合器４１において、端子１から端子３へ結合された信号は、ＲＦスイッチ６２のの端子ｄ２に入力され、ＲＦスイッチ６２さらにＲＦスイッチ７２を介して、受信機９２に入力される。このとき、受信機９２によって、受信信号Ｔ1 Ｒ2 の振幅及び位相が測定される。
【００３０】
同様に、送信機８２からの送信信号Ｔ2 は、方向性結合器４２の端子１に入力され、方向性結合器４２において、端子１から端子３へ結合された信号は、ＲＦスイッチ５１の端子ｃ１に入力される。そして、ＲＦスイッチ５１及びＲＦスイッチ７１を介して受信機９１に入力される。このとき、受信機９１によって、受信信号Ｔ2 Ｒ1 の振幅及び位相が測定される。
【００３１】
同様に、アンテナ素子１ｉから送信する信号を較正するための較正係数を求めるために、図７に示すように、アンテナスイッチ３ｉ−１及び３ｉにおいて、それぞれの端子ａ１と端子ａ２が接続される。そして、送信機８ｉ−１及び８ｉによってそれぞれ送信信号Ｔi-1 とＴi を送信する。
送信機８ｉ−１によって送信信号Ｔi-1 を送信するとき、方向性結合機４ｉ−１において、端子１から端子３に結合された信号が図７に示していないＲＦスイッチを介して、受信機９ｉに送られる。受信機９ｉによって、受信信号Ｔi-1 Ｒi の振幅と位相が測定される。
同様に、送信機８ｉによって送信信号Ｔi を送信するとき、方向性結合器４ｉにおいて、端子１から端子３に結合された信号が図７に示していないＲＦスイッチを介して、受信機９ｉ−１に送られる。受信機９ｉ−１によって、受信信号Ｔi Ｒi-1 の振幅と位相が測定される。
【００３２】
このため、アンテナ素子１ｉから送信される信号を補正するための較正係数は、次式によって求めることができる。
【００３３】
【数８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の信号較正回路及びそれを用いた送受信システムにおいて、上述した較正方法で求められた較正係数に誤差が生じる可能性がある。例えば、式（８）に基づく較正係数Ｈi の計算では、図６に示す信号補正回路を構成するＲＦスイッチ間の振幅変化及び位相差を考慮していないため、その分誤差として較正係数に現れる。正確に補正を行うには、ＲＦスイッチ間の配線のレイアウトに制約が生じる。
また、上述した較正係数を求める方法では、各アンテナ素子１ｉの受信信号Ｒi を直接測定するのではないため、各受信機のＷOiを直接求めることができない。従って、求められた較正係数に基づき、各アンテナ素子によって受信した受信信号の到来方向を推定することができないという不利益がある。
【００３５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、方向性結合器を用いて較正回路を構成することにより、較正係数を正確に測定でき、さらに受信信号の到来方向を推定できる送受信システムを提供することにある。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明送受信システムは、第１のアンテナ素子、第１の送信機、受信時に上記第１のアンテナ素子からの受信信号を出力端子に出力し、送信時に上記第１の送信機からの送信信号を上記第１のアンテナ素子に出力し、また、上記第１の送信機からの送信信号を所定の減衰率をもって上記出力端子に帰還する第１の方向性結合器からなる第１のブランチと、第２のアンテナ素子、第２の送信機、及び受信時に上記第２のアンテナ素子からの受信信号を出力端子に出力し、送信時に上記第２の送信機からの送信信号を上記第２のアンテナ素子に出力し、また、上記第２の送信機からの送信信号を所定の減衰率をもって上記出力端子に帰還する第２の方向性結合器からなる第２のブランチと、第１と第２の入力端子がそれぞれ上記第１のブランチと第２のブランチの方向性結合器に接続され、第１と第２の出力端子がそれぞれ第１と第２の受信機に接続され、受信時に上記第１の入力端子の入力信号を上記第１の出力端子に出力し、また、所定の減衰率をもって上記第２の出力端子に結合し、上記第２の入力端子の入力信号を上記第２の出力端子に出力し、また、所定の減衰率をもって上記第１の出力端子に結合する第３の方向性結合器と、上記第１の送信機が送信するとき、上記第１及び第３の方向性結合器によって上記第２の受信機に結合された第１の較正用受信信号と、上記第２の送信機が送信するとき、上記第２と第３の方向性結合器によって上記第１の受信機に結合された第２の較正用受信信号とに応じて、上記第２のブランチを較正する較正係数を求める演算手段とを有する。
【００３７】
また、本発明では、好適には、上記演算手段は、上記第１のブランチを基準として、上記第１の受信信号と上記第２の受信信号との比に応じて、上記第２のブランチに適用される較正係数を求める。
【００３８】
また、本発明では、好適には、上記第３の方向性結合器において、上記第１の入力端子の入力信号を上記第２の出力端子に出力する減衰率と、上記第２の入力端子の入力信号を上記第１の出力端子に出力する減衰率とが等しく形成されている。
【００３９】
また、本発明の送受信システムは、アンテナ素子、方向性結合器及び送信機を有し、上記方向性結合器は、受信時に上記アンテナ素子からの受信信号を出力端子に出力し、送信時に上記送信機からの送信信号を上記アンテナ素子に出力し、また、上記送信機からの送信信号を所定の減衰率をもって上記出力端子に帰還するように構成されているＬ（Ｌ≧２、Ｌは整数）本のブランチと、上記Ｌ本のブランチに対して２本毎に設けられ、第１の入力端子がｉ（１≦ｉ≦Ｌ、ｉは奇数）本目の上記ブランチの上記方向性結合器に接続され、第２の入力端子がｉ＋１本目の上記ブランチの上記方向性結合器に接続され、上記第１の入力端子からの入力信号を第１の出力端子出力し、上記第２の入力端子からの入力信号を所定の減衰率で第１の出力端子に結合し、また、上記第２の入力端子からの入力信号を第２の出力端子に出力し、上記第１の入力端子からの入力信号を所定の減衰率で上記第２の出力端子に結合する複数の２層目方向性結合器と、上記２層目の方向性結合器に対して一つ毎に設けられ、第１と第２の入力端子が隣接する上記２層目の方向性結合器の第１または第２の出力端子に接続され、第１と第２の出力端子に受信機が接続されている複数の３層目の方向性結合器と、上記ｉ本目のブランチの送信機が送信するとき、第ｉ−１番目とｉ＋１番目の受信機の受信信号に応じて、上記各ブランチの較正係数を求める演算手段とを有する。
【００４０】
また、本発明では、好適には、上記３層目の方向性結合器は、上記第１の入力端子の入力信号を上記第１の出力端子に出力し、かつ所定の減衰率で上記第２の出力端子に結合し、上記第２の入力端子の入力信号を上記第２の出力端子に出力し、かつ上記所定の減衰率で上記第１の出力端子に結合する。
【００４１】
さらに、本発明では、好適には、上記ｉ本目のブランチの送信機が送信するとき、上記ｉ−１番目の受信機の受信信号をＴi Ｒi-1 とし、上記ｉ−１本目のブランチの送信機が送信するとき、上記ｉ番目の受信機の受信信号をＴi-1 Ｒi とし、上記演算手段は、第１のブランチを基準として、上記ｉ本目のブランチの較正係数Ｈi を
【００４２】
【発明の実施の形態】
第１実施形態
図１は本発明に係る送受信システムの第１の実施形態を示す回路図である。
図１は、二つのアンテナ素子１１，２１、二つの送信機８１，８２及び二つの受信機９１，９２を有する送受信システムの構成例を示している。即ち、本実施形態の送受信システムは、補正回路を用いた送受信システムのもっとも基本的な構成例を示している。なお、本実施形態において、較正回路は方向性結合器１０１によって構成されている。
【００４３】
図１に示すように、アンテナ素子１１とアンテナスイッチ３１との間にフィルタ２１が接続され、フィルタ２１の一方の端子がアンテナ素子１１に接続され、他方の端子がアンテナスイッチ３１の端子ａ１に接続されている。
アンテナスイッチ３１において、端子ａ２が方向性結合器４１の端子１に接続され、端子ａ３が方向性結合器４１の端子３に接続されている。
方向性結合器４１の端子２が送信機８１に接続され、端子４がさらに方向性結合器１０１の端子１に接続されている。
【００４４】
同様に、アンテナ素子１２とアンテナスイッチ３２との間にフィルタ２２が接続されている。フィルタ２２の一方の端子がアンテナ素子１２に接続され、他方の端子がアンテナスイッチ３２の端子ａ１に接続されている。
アンテナスイッチ３２において、端子ａ２が方向性結合器４２の端子１に接続され、端子ａ３が方向性結合器４２の端子３に接続されている。
方向性結合器４２の端子２が送信機８２に接続され、端子４がさらに方向性結合器１０１の端子３に接続されている。
方向性結合器１０１において、端子２が受信機９１に接続され、端子４が受信機９２に接続されている。
【００４５】
また、図１に示すように、送信機８１と８２は、それぞれ伝達関数Ｔ1 とＴ2を持ち、受信機９１と９２は、それぞれ伝達関数Ｒ1 とＲ2 を持つ。
演算部１２０は、受信機９１と９２の受信信号に応じて較正係数を求める。
【００４６】
図２は、方向性結合器の一構成例を示す回路図である。
図示のように、この方向性結合器は、４つの端子１，２，３と４を持ち、端子１と端子２との間に、インダクタンス素子、例えば、コイルＬ１とＬ２が直列接続されている。また、コイルＬ１とＬ２との接続点と接地電位ＧＮＤとの間にキャパシタＣ２が接続されている。
同じように、端子３と端子４との間に、インダクタンス素子、例えば、コイルＬ３とＬ４が直列接続されている。また、コイルＬ３とＬ４との接続点と接地電位ＧＮＤとの間にキャパシタＣ３が接続されている。
端子１と端子３との間に、キャパシタＣ１が接続され、端子２と端子４との間に、キャパシタＣ４が接続されている。
【００４７】
図２のような構成を持つ方向性結合器において、端子間に所定の振幅減衰率及び位相差で信号が伝搬される。例えば、端子１に入力される信号が端子２に出力されるとともに、端子３と端子４にも出力される。ただし、端子１の入力信号に対して、端子２に出力される信号の振幅、位相差と端子３及び端子４に出力される信号の振幅、位相差が方向性結合器の固有のパラメータとなる。例えば、端子１からの入力信号が振幅減衰率Ａt12 及び位相変化θ12をもって端子２に出力され、また、端子１からの入力信号が振幅減衰率Ａt13 をもって端子３に出力され、さらに振幅減衰率Ａt14 をもって端子４に出力される。ただし、端子１の入力信号に対して端子３と端子４への出力信号には、位相差が生じない。
同様に、端子２からの入力信号が振幅減衰率Ａt21 及び位相変化θ21をもって端子１に出力され、また、振幅減衰率Ａt23 をもって端子３に出力され、さらに振幅減衰率Ａt24 をもって端子４に出力される。ただし、端子２の入力信号に対して端子３と端子４への出力信号には、位相差が生じない。
【００４８】
また、端子３の入力信号が振幅減衰率Ａt34 及び位相変化θ34をもって端子４に出力され、また、振幅減衰率Ａt31 をもって端子１に出力され、さらに振幅減衰率Ａt34 をもって端子４に出力される。ただし、端子３の入力信号に対して端子１と端子４への出力信号には、位相差が生じない。
さらに、端子４の入力信号が振幅減衰率Ａt43 及び位相変化θ43をもって端子３に出力され、また、振幅減衰率Ａt41 をもって端子１に出力され、さらに振幅減衰率Ａt42 をもって端子２に出力される。ただし、端子４の入力信号に対して端子１と端子２への出力信号には、位相差が生じない。
【００４９】
方向性結合器を構成するコイルＬ１〜Ｌ４及びキャパシタＣ１〜Ｃ４の値を適宜設定することによって、上述した各振幅減衰率及び位相差のパラメータを所望の値に制御することができる。これによって、方向性結合器において、一つの端子に入力される信号に基づき、他の各端子に出力される信号の振幅並びに位相を制御することができる。
ここで、方向性結合器において、θ12＝θ21＝θ34＝θ43、Ａt12 ＝Ａt21 ＝Ａt34 ＝Ａt43 ＞＞Ａt13 ＝Ａt31 ＝Ａt24 ＝Ａt42 ＞＞Ａt14 ＝Ａt41 ＝Ａt23 ＝Ａt32 の関係が成り立つように、それぞれのコイル及びキャパシタの値が適宜設計される。
【００５０】
即ち、図１に示す送受信システムにおいて、方向性結合器４１を用いることによって、例えば、送信機８１の送信信号Ｔ1 が端子２に入力されるとき、送信信号Ｔ1 に応じて端子１に出力される信号と端子４に出力される信号の振幅及び位相を、方向性結合器４１の各コイル及びキャパシタのパラメータによって制御される。同様に、送信機８２によって送信信号Ｔ2 が方向性結合器４２の端子２に入力されるとき、送信信号Ｔ2 に応じて、端子１及び端子４に出力される信号の振幅及び位相を、当該方向性結合器４２を構成する各コイル及びキャパシタのパラメータによって制御される。
【００５１】
また、方向性結合器１０１において、例えば、方向性結合器４１の端子４からの受信信号が端子１に入力されるとき、端子２及び端子４から出力される信号の振幅及び位相が当該方向性結合器１０１の各コイル及びキャパシタのパラメータによって制御される。さらに、方向性結合器４２の端子４からの受信信号が端子３に入力されるとき、端子２及び端子４から出力される信号の振幅及び位相が当該方向性結合器１０１の各コイル及びキャパシタのパラメータによって制御される。
【００５２】
以下、上述したように構成されている送受信システムの動作について説明する。
まず、通常の送信動作について説明する。通常の送信時に、アンテナスイッチ３１及び３２において、それぞれの端子ａ１とａ２が接続される。このため、送信機８１の出力信号が方向性結合器４１の端子２に入力され、これに応じて端子１からの出力信号がアンテナスイッチ３１を通して、フィルタ２１に入力される。フィルタ２１によって、所定の信号成分が取り出されて、これを送信信号としてアンテナ素子１１に送られる。
同様に、送信機８２の出力信号が方向性結合器４２の端子２に入力され、これに応じて端子１からの出力信号がアンテナスイッチ３２を通して、フィルタ２２に入力される。フィルタ２２によって、所定の信号成分が取り出されて、これを送信信号としてアンテナ素子１２に送られる。
【００５３】
通常送信時に、送信機８１と８２から送信される信号Ｔ1 とＴ2 の振幅と位相を制御することによって、アンテナ素子１１と１２からの送信信号によって所定のビームパターンを形成することができる。即ち、各アンテナ素子による送信信号を制御することによって、送信時のビームフォーミングを実現できる。
【００５４】
次に、通常の受信動作について説明する。通常受信時に、アンテナスイッチ３１及び３２において、それぞれの端子ａ１とａ３が接続される。このため、アンテナ素子１１の受信信号がフィルタ２１によって所定の信号成分が取り出され、これを受信信号として、スイッチ３１を通して方向性結合器４１の端子３に入力される。方向性結合器４１において、端子３の入力信号に応じた信号が端子４に出力され、方向性結合器１０１の端子１に入力される。
同様に、アンテナ素子１２の受信信号がフィルタ２２によって所定の信号成分が取り出され、これを受信信号としてスイッチ３２を通して方向性結合器４２の端子３に入力される。方向性結合器４２において、端子３の入力信号に応じた信号が端子４に出力され、方向性結合器１０１の端子３に入力される。
方向性結合器１０１において、端子１からの入力信号が端子２に出力され、端子３からの入力信号が端子４に出力される。このため、アンテナ素子１１の受信信号に応じた信号が受信機９１に入力され、アンテナ１２の受信信号に応じた信号が受信機９２に入力される。
【００５５】
なお、受信のとき、１番目のブランチの受信機９１に、２番目のブランチのアンテナ素子１２の受信信号の一部分が混入される。同様に、２番目のブランチの受信機９２には、１番目のブランチのアンテナ素子１１の受信信号の一部分が混入される。例えば、アンテナ素子１１の受信信号がフィルタ２１、アンテナ素子３１及び方向性結合器４１を通して、方向性結合器１０１の端子１に入力される。方向性結合器１０１において、端子１の入力信号が振幅減衰率Ａt12 をもって端子２に出力されるとともに、振幅減衰率Ａt14 をもって端子４にも出力される。
一方、２番目のブランチのアンテナ素子１２の受信信号がフィルタ２２、アンテナスイッチ３２及び方向性結合器４２を介して、方向性結合器１０１の端子３に入力され、方向性結合器１０１において、端子３の入力信号が振幅減衰率Ａt34 をもって端子４に出力される。
【００５６】
このため、２番目のブランチの受信機９２には、アンテナ素子１２の受信信号にアンテナ素子１１の受信信号（方向性結合器１０１の振幅減衰率Ａt14 で減衰された）が混入される。
同様に、１番目のブランチの受信機９１には、アンテナ素子１１の受信信号にアンテナ素子１２の受信信号（方向性結合器１０１の振幅減衰率Ａt32 で減衰された）が混入される。
【００５７】
実用上、方向性結合器１０１の振幅減衰率Ａt14 とＡt32 を低く制御することによって、隣接するブランチのアンテナ素子の受信信号による影響を無視できる程度に抑制することができる。
【００５８】
次いで、本実施形態の送受信システムにおける較正時の動作について説明する。
図１に示す本実施形態の送受信システムにおいて、一つのアンテナ素子に接続されているフィルタ、アンテナスイッチ、方向性結合器、及びそのアンテナ素子に対応する送信機と受信機を合わせて、一つのブランチと称する。例えば、図１において、アンテナ素子１１、フィルタ２１、アンテナスイッチ３１、方向性結合器４１、及びこれらに対応する送信機８１、受信機９１によって一つのブランチ（以下、これを１番目のブランチと表記する）が構成されている。同様に、アンテナ素子１２、フィルタ２２、アンテナスイッチ３２、方向性結合器４２及びこれらに対応する送信機８２、受信機９２によってもう一つのブランチ（以下、これを２番目のブランチと表記する）が構成されている。
【００５９】
本実施形態の送受信システムにおける較正は、一つのブランチを基準として、他のブランチが、当該基準ブランチに対して、送受信における信号の振幅及び位相の誤差を求め、この誤差をキャンセルできるように基準ブランチを除く各ブランチの較正係数を求める。そして、送受信のとき、基準ブランチ以外の各ブランチの送受信信号に対して、上記求めた較正係数を用いて信号を補正することによって、ブランチ間の誤差を補正することが可能である。
【００６０】
較正処理において、一つのブランチで送信を行い、送信信号をそのブランチのアンテナ素子によって送受信するとともに、その一部分を方向性結合器によって他のブランチの受信機に帰還させる。他のブランチの受信機において、帰還された信号を測定する。そして、各ブランチの受信機の測定信号に基づき、較正係数の推定が行われる。
【００６１】
例えば、ここで、１番目のブランチを基準として、送信機８１によって送信を行うとき、送信機８１から出力される送信信号Ｔ1 が方向性結合器４１の端子２に入力される。方向性結合器４１によって、端子２からの入力信号の一部分が端子１に転送され、さらにアンテナスイッチ３１、フィルタ２１を通してアンテナ素子１１に送信される。また、方向性結合器４１において、端子２からの入力信号の一部分が端子４に帰還される。この帰還信号が方向性結合器１０１の端子１に入力され、方向性結合器１０１において、端子１の入力信号の一部分が端子４帰還され、受信機９２に入力される。
【００６２】
受信機９２によって、方向性結合器１０１の端子４からの出力信号Ｒ2 が受信される。そして、この受信信号Ｒ2 及び送信機８１の出力信号Ｔ1 に応じて、較正係数が求められる。以下、較正係数の計算方法について説明する。
【００６３】
以下の説明において、信号の振幅と位相の表現を簡易化するために、送受信信号を表す符号を複素数とする。また、較正係数などのパラメータをすべて複素数であるとする。
【００６４】
ここで、１番目のブランチを基準として、２番目のブランチにおける較正係数の求め方について説明する。
送受信システムにおいて、受信時にアンテナ素子に到着した信号がアンテナ素子によって受信され、さらにフィルタ、アンテナスイッチ及び方向性結合器を介して、受信機に送信される。このため、それぞれのブランチにおいて、アンテナ素子、フィルタ及び信号伝搬経路、例えば、ケーブルを含む伝送路の伝達関数をＭi （本実施形態において、ｉ＝１，２）とし、受信機の伝達関数をＲi とし、さらに、較正を行うための較正係数をＷoiとすると、較正係数Ｗoiは、次式によって与えられる。
【００６５】
【数９】
Ｗoi＝Ｗi Ｍi Ｒi …（９）
【００６６】
式（９）において、Ｗi は較正を行わない場合、ビームフォーミングなどのため受信信号に適宜掛けられる重み係数である。
一方、同じビームパターンを用いて送信を行うとき、ベースバンドにおける送信信号をＳi とすれば、アンテナ素子によって放射された信号Ｙtiを次式によって表すことができる。
【００６７】
【数１０】
Ｙti＝Ｗi Ｍi Ｔi Ｓi …（１０）
【００６８】
式（１０）において、Ｔi は送信機の伝達関数である。また、送信時のアンテナ素子、フィルタ及び信号伝搬経路の伝達関数Ｍi は、受信時における伝達関数と同じである。
式（９）によって、Ｗi ＝Ｗoi／（Ｍi Ｒi ）であり、これを式（１０）に代入すれば、次式が得られる。
【００６９】
【数１１】
Ｙti＝Ｗoi（Ｔi ／Ｒi ）Ｓi …（１１）
【００７０】
式（１１）によって、ｉ番目のブランチにおける較正係数Ｋi は、次式によって与えられる。
【００７１】
【数１２】
Ｋi ＝Ｒi ／Ｔi …（１２）
【００７２】
また、アンテナアレイの指向性は、各ブランチ間の相対的な振幅と位相差によって決定されるため、アレイアンテナに対する較正は、ある一つのブランチを基準として、他のブランチが基準ブランチに対する相対的な振幅と位相差を求めればよい。ここで、１番目のブランチを基準とすると、この基準ブランチに対して、２番目のブランチの較正係数Ｋ21は、次式によって求められる。
【００７３】
【数１３】
即ち、基準ブランチに対する２番目のブランチの較正係数Ｋ21は、それぞれ１番目のブランチと２番目のブランチの送信機及び受信機の伝達関数に基づいて求めることができる。
【００７５】
次に、図１を参照しながら、本実施形態の送受信システムにおける較正係数Ｋ21の測定動作について説明する。
式（１３）によれば、較正係数Ｋ21は、送信機８１の伝達関数Ｔ1 と受信機９２の伝達関数Ｒ2 との積と、送信機８２の伝達関数Ｔ2 と受信機９１の伝達関数Ｒ1 との積との割り算によって計算できる。
【００７６】
このため、送信機８１によって送信を行うとき、送信信号の一部分を受信機９２に帰還させて受信機９２で帰還信号ＳC2を受信し、また、送信機８２によって同じ信号を送信するとき、送信信号の一部分を受信機９１に帰還させて受信機９１で帰還信号Ｓc1を受信すれば、受信信号ＳC2には、送信機８１と受信機９２両方の伝達特性が含まれ、受信信号Ｓc1には、送信機８２と受信機９１両方の伝達特性が含まれる。このため、較正係数Ｋ21は、受信信号Ｓc1とＳC2に基づき、次式によって求められる。
【００７７】
【数１４】
Ｋ21＝ＳC2／Ｓc1 …（１４）
【００７８】
次に、信号Ｓc1とＳC2の測定についてさらに詳しく説明する。
送信機８１で送信信号Ｓt1を送信するとき、送信機８１の出力信号が方向性結合器４１の端子２に入力される。方向性結合器４１において、端子２からの入力信号が端子１に出力されるとともに、入力信号の一部分が端子４に帰還される。この帰還信号がさらに方向性結合器１０１の端子１に入力され、方向性結合器１０１によって端子４に出力され、受信機９２に入力される。このため、受信機９２の出力信号ＳC2には、送信機８１の伝達特性、受信機９２の伝達特性及び方向性結合器４１、１０１の伝達特性が含まれる。方向性結合器４１と１０１の伝達特性は既知であるので、受信信号ＳC2に基づき、送信機８１及び受信機９２の伝達特性を推定することができる。
【００７９】
そして、送信機８２で送信信号Ｓt2（Ｓt2＝Ｓt1）を送信するとき、送信機８２の出力信号が方向性結合器４２の端子２に入力される。方向性結合器４２において、端子２からの入力信号が端子１に出力されるとともに、入力信号の一部分が端子４に帰還される。この帰還信号がさらに方向性結合器１０１の端子３に入力され、方向性結合器１０１によって端子２に出力され、受信機９１に入力される。このため、受信機９１の出力信号ＳC1には、送信機８２の伝達特性、受信機９１の伝達特性及び方向性結合器４２、１０１の伝達特性が含まれる。方向性結合器４１と１０１の伝達特性は既知であるので、受信信号ＳC1に基づき、送信機８２及び受信機９１の伝達特性を推定することができる。
【００８０】
上述したように得られた受信信号ＳC2とＳc1に基づき、式（１４）によって、較正係数Ｋ21を求めることができる。また、式（１４）によれば、方向性結合器４１、４２及び１０１の伝達特性が既知でなくても、較正係数Ｋ21を求めることができる。例えば、方向性結合器４１と４２を同じ特性を持つように形成され、また、方向性結合器１０１は、対称的に形成されていれば、式（１４）によって較正係数Ｋ21を求めるとき、方向性結合器の伝達関数が相殺され、送受信機の伝達特性のみが残る。
【００８１】
こうして求められた較正係数は、送信時の信号の較正に用いられる。即ち、送信機８２で信号Ｓ2 を送信するとき、送信信号Ｓ2 に較正係数Ｋ21を乗算した信号Ｋ21Ｓ2 を送信すればよい。これによって、基準となる１番目のブランチに対して、２番目のブランチによって、振幅と位相の誤差が較正された信号が送信される。
【００８２】
以上説明したように、本実施形態によれば、各ブランチに送信機の出力信号を帰還する方向性結合器４１と４２を設けて、さらに、各ブランチの方向性結合器からの帰還信号を他のブランチの受信機に出力する方向性結合器１０１を設けることによって、一つのブランチを基準とした場合、他のブランチにおける較正係数を求めることができる。これによって、較正回路を簡略化でき、各ブランチ間の振幅と位相誤差を容易に較正できる。また、各ブランチ及びブランチ間の方向性結合器の伝達特性を対称的に制御することによって、較正係数を求めるとき、方向性結合器の伝達特性による影響を無視できる。
【００８３】
第２実施形態
図３は本発明に係る送受信システムの第２の実施形態を示す回路図である。
図示のように、本実施形態の送受信システムは、Ｌ本のブランチによって較正されている。各ブランチには、アンテナ素子、フィルタ、アンテナスイッチ、方向性結合器及び送信機と受信機がそれぞれ設けられている。
例えば、１番目のブランチにおいて、アンテナ素子１１は、フィルタ２１を通してアンテナスイッチ３１の端子ａ１に接続されている。方向性結合器４１において、端子１がアンテナスイッチ３１の端子ａ２に接続され、端子３がアンテナスイッチの端子ａ１に接続され、端子２が送信機８１に接続され、端子４が方向性結合器１０１の端子１に接続されている。
各ブランチに対して、較正係数を測定するための較正回路２２０及び各ブランチの受信機の受信信号に基づき較正係数を演算する演算部２４０が設けられている。
【００８４】
また、方向性結合器１０１において、端子２が方向性結合器１００の端子３に接続され、端子３が２番目のブランチの方向性結合器４２の端子４に接続されている。
方向性結合器１００において、端子１と端子２には終端用抵抗素子Ｒ１とＲ２が接続され、端子４に受信機９１が接続されている。
【００８５】
図３に示すように、方向性結合器４１，４２，４３，…，４Ｌは、それぞれ各ブランチに設けられている。
較正回路２２０において、方向性結合器１０１，１０３，…は、２ブランチごとに設けられている。さらに、方向性結合器１００を除く他の方向性結合器１０２，…，１０Ｌは、方向性結合器１０１，１０３，…に対して一つごとに設けられている。
即ち、本実施形態の送受信システムにおいて、各ブランチの方向性結合器４１，４２，４３，…，４Ｌ、及び較正回路２２０の方向性結合器１０１，１０３，…，１０Ｌ−１、並びに１００，１０２，…，１０Ｌは、階層構造を成している。第１層目の方向性結合器は４１，４２，４３，…，４Ｌは、各ブランチ毎に設けられ、第２層目の方向性結合器１０１，１０３，…，１０Ｌ−１は、第１層目の方向性結合器に対して、２つ毎に設けられている。即ち、第２層目の方向性結合器は、Ｌ／２個ある。第３層目の方向性結合器１００，１０２，…，１０Ｌのうち、方向性結合器１００を除けば、他の方向性結合器は、第２層目の方向性結合器に対して、１つ毎に設けられている。即ち、３層目の方向性結合器は、Ｌ／２＋１個ある。
【００８６】
方向性結合器１００と１０Ｌには、それぞれ終端用抵抗素子が接続されている。それ以外の方向性結合器は、一方の端子１と端子３が上層の方向性結合器１０１，１０３，…に接続され、他方の端子２と端子４が受信機９２，９３，…に接続されている。また、方向性結合器１００の端子３が方向性結合器１０１に接続され、端子４が受信機９１に接続され、同様に、方向性結合器１０Ｌの端子１が図３に示していない方向性結合器１０Ｌ−１に接続され、端子２が受信機９Ｌに接続されている。
【００８７】
上述したように構成されている送受信システムにおいて、送信時に各アンテナスイッチにおいて、端子ａ２とａ３が接続され、送信機８１，８２，…，８Ｌから出力される送信信号がそれぞれ方向性結合器４１，４２，…，４Ｌの端子２に入力され、これらの方向性結合器によって、端子２から入力される送信信号が端子１に送信される。このため、各ブランチにおいて、方向性結合器からの出力信号がそれぞれアンテナスイッチを通して、フィルタ２１，２２，…，２Ｌに入力され、フィルタによって所定の周波数成分のみが取り出されそれぞれアンテナ素子１１，１２，…，１Ｌに送信されるので、アンテナ素子によって送信信号が空中に放射される。このため、各送信機によって、振幅と位相が適宜制御される信号をアンテナ素子に送り、各アンテナ素子によって送信することによって、所定のビームパターンを形成し、即ち、所定の指向性で送信信号を送信することができる。
【００８８】
受信のとき、各アンテナスイッチにおいて、端子ａ１と端子ａ３が接続される。このとき、各アンテナ素子１１，１２，…，１Ｌの受信信号がそれぞれフィルタ２１，２２，…，２Ｌに入力され、フィルタによって所定の周波数成分のみが取り出され、アンテナスイッチ３１，３２，…，３Ｌを介して方向性結合器４１，４２，…，４Ｌの端子３に入力され、これらの方向性結合器によって、端子３から入力される送信信号が端子４に出力される。
【００８９】
方向性結合器４１の端子４の出力信号が方向性結合器１０１の端子１に入力され、方向性結合器１０１によって、その端子２に出力される。さらにこの出力信号が方向性結合器１００の端子３に入力され、方向性結合器１００によって、その端子４に出力され、受信機９１に入力される。
方向性結合器４２の端子４の出力信号が方向性結合器１０１の端子３に入力され、方向性結合器１０１によって、その端子４に出力される。さらにこの出力信号が方向性結合器１０２の端子１に入力され、方向性結合器１０２によって、その端子２に出力され、受信機９２に入力される。
【００９０】
このように、各ブランチの方向性結合器４１，４２，…，４Ｌの端子４から出力される受信信号が、階層構造を成している方向性結合器１０１，１０３，…，１００Ｌ−１及び方向性結合器１００，１０２，…，１０Ｌによって、各ブランチの受信機９１，９２，…，９Ｌに入力される。
【００９１】
このため、各受信機において、受信信号に対して、振幅と位相を適宜重み付けることによって、所定の受信ビームパターンを形成することができる。即ち、重み係数に応じた所定のビームパターンを用いてアンテナアレイに到達する信号を受信することができる。
【００９２】
なお、受信のとき、ｉ番目のブランチの受信機９ｉには、隣接するブランチのアンテナ素子１ｉ−１と１ｉ＋１の受信信号の一部分が混入される。例えば、受信のとき、アンテナ素子１１からの受信信号がフィルタ２１、アンテナ素子３１及び方向性結合器４１を通して、方向性結合器１０１の端子１に入力される。方向性結合器１０１において、端子１の入力信号が減衰率Ａt12 をもって端子２に出力されるとともに、振幅減衰率Ａt14 をもって端子４にも出力される。
一方、２番目のブランチのアンテナ素子１２の受信信号がフィルタ２２、アンテナスイッチ３２を介して、方向性結合器４２の端子３に入力され、方向性結合器４２によって端子４に出力される。方向性結合器４２の端子４からの出力信号が方向性結合器１０１の端子３に入力され、方向性結合器１０１によって、振幅減衰率Ａt34 をもって端子３の入力信号が端子４に出力される。
【００９３】
方向性結合器１０１の端子４からの出力信号には、方向性結合器４２の出力端子４からの出力信号のほかに、方向性結合器４１の端子４からの出力信号の一部分が混入される。このため、２番目のブランチの受信機９２には、アンテナ素子１２の受信信号にアンテナ素子１１の受信信号（振幅が方向性結合器１０１の振幅減衰率Ａt14 で減衰された）が混入される。
同様に、３番目のブランチのアンテナ素子１３の受信信号がフィルタ２３、アンテナスイッチ３３及び方向性結合器４３を介して、方向性結合器１０３の端子１に入力され、さらにその端子２からの出力信号が方向性結合器１０２の端子３に入力される。方向性結合器１０２において、端子３に入力される信号の大部分が端子４に出力され、受信機９３に送られるが、その一部分が方向性結合器１０２の振幅減衰率Ａt32 で減衰されて端子２に出力され、アンテナ素子１２からの受信信号に混入される。
【００９４】
実用上、方向性結合器１０１，１０２，…１０Ｌ−１の振幅減衰率Ａt14 とＡt32 を低く制御することによって、隣接するブランチのアンテナ素子の受信信号による影響を無視できる程度に抑制することができる。
【００９５】
次に、本実施形態の送受信システムにおける較正時の動作について説明する。本実施形態では、較正はある一つのブランチを基準として、他のブランチがこの基準ブランチに対し、振幅及び位相が一致するための較正係数をそれぞれ求める。そして、送信または受信時に各ブランチの送受信信号にそのブランチの較正係数を掛けて補正することによって、各ブランチにおける伝達関数のバラツキを補正することができる。
【００９６】
ここで、例えば、１番目のブランチを基準として、他の各ブランチをこの基準ブランチに対する較正係数を求める。
受信時に、１番目のブランチのアンテナ素子１１に到達する信号をＸ1 とし、２番目のブランチのアンテナ素子に到達する信号をＸ2 とし、そして、ｉ（本実施形態において、ｉ＝１，２，…，Ｌ）番目のブランチのアンテナ素子１ｉに到達する信号をＸi とする。
ここで、各ブランチにおける較正係数をＷo1，Ｗo2，…，ＷoLとすると、これらの較正係数を用いて、ｉ番目のブランチの受信機９ｉによる受信信号Ｙriは、次式によって表せる。
【００９７】
【数１５】
Ｙri＝ＷoiＸi …（１５）
【００９８】
この較正係数Ｗoiには、ブランチ内部でビームフォーミングなどのために受信信号に掛けられる重み係数Ｗi 、アンテナ素子、フィルタ及び信号伝搬ケーブルの伝達特性Ｍi 、さらに受信機の伝達関数Ｒi が含まれ、次式によって表すことができる。
【００９９】
【数１６】
Ｗoi＝Ｗi Ｍi Ｒi …（１６）
【０１００】
送信するとき、ｉ番目のブランチの送信信号をＳi とし、送信機９ｉの伝達関数をＴi とする。また、送受信におけるアンテナ素子、フィルタ及び信号伝搬ケーブルの伝達特性を同じＭi とし、さらに、送受信が同じ指向性特性を持つビームパターンで行うとすると、送信信号に掛ける重み係数が受信時と同じくＷi を用いる。これによって、送信時にｉ番目のブランチのアンテナ素子１ｉに入力される励起信号Ｙtiは、次式によって与えられる。
【０１０１】
【数１７】
Ｙti＝Ｗi Ｍi Ｔi Ｓi …（１７）
【０１０２】
式（１６）によって、Ｗi ＝Ｗoi／（Ｍi Ｒi ）となり、これを式（１７）に代入すると、次の式が得られる。
【０１０３】
【数１８】
Ｙti＝ＷoiＳi （Ｔi ／Ｒi ） …（１８）
【０１０４】
式（１８）において、Ｔi ／Ｒi は、各ブランチによって異なるため、これを較正するための係数Ｃi は次式のように求められる。
【０１０５】
【数１９】
Ｃi ＝Ｒi ／Ｔi …（１９）
【０１０６】
そして、１番のブランチのアンテナ素子１１の送信信号を基準とすると、この基準ブランチに対して、ｉ番目のブランチのアンテナ素子１ｉからの送信信号を較正するための較正係数Ｈi1を以下のように求められる。
【０１０７】
【数２０】
式（２０）から分かるように、１番目のブランチを基準とする場合、ｉ番目のブランチの較正係数Ｈi1は、１番目のブランチの送信機と受信機の伝達関数及びｉ番目の送信機と受信機の伝達関数によって求めることができる。
【０１０９】
図４は、本実施形態の送受信システムにおける各ブランチの較正係数を求めるフローチャートを示している。以下、図３を参照しつつ、各ブランチにおける較正係数Ｈi1の求め方について説明する。
【０１１０】
ステップＳ１，Ｓ２：まず、ｉ＝１として、送信機８ｉ、即ち、１番目のブランチの送信機８１によって送信信号を出力する。送信機８１の送信信号が方向性結合器４１の端子２に入力され、方向性結合器４１によって、振幅減衰率Ａ24をもって端子４に出力される。
そして、方向性結合器４１の端子４からの出力信号が方向性結合器１０１の端子１に入力されるので、方向性結合器１０１において、端子１の入力信号が端子２に出力され、さらに方向性結合器１００を介して受信機９１に入力される。一方、方向性結合器１０１において、端子１の入力信号が減衰率Ａt14 で減衰されて端子４に出力される。この減衰された信号が方向性結合器１０２の端子１に入力され、方向性結合器１０２を介して受信機９２に入力される。
【０１１１】
ステップＳ３：受信機９ｉ−１と９ｉ＋１によってそれぞれ帰還された信号を受信する。なお、送信機８１で送信するとき、受信機９２だけで帰還信号の受信が行われる。ここで、受信機９２からの出力には、送信機８１の伝達関数Ｔ1 、方向性結合器４１の減衰率Ａt24 、方向性結合器１０１の減衰率Ａt14 、さらに方向性結合器１０２の減衰率Ａt12 及び受信機９２の伝達関数Ｒ2 が含まれる。また、信号伝搬経路上の方向性結合器の減衰率を合わせてＲ12とすれば、送信機８１の送信信号がＳt1に対して、受信機９２より得られる受信信号Ｙt2を次式によって表すことができる。
【０１１２】
【数２１】
Ｙt12 ＝Ｓt1Ｒ12Ｔ1 Ｒ2 …（２１）
【０１１３】
ステップＳ４：次に、ｉ＝ｉ＋１として、ｉがＬに達するまで上記Ｓ２とＳ３の処理を繰り返す。即ち、１番目のブランチからＬ番目のブランチまで送信と受信が順次行われる。また、各ブランチの送信機による送信信号を１番目のブランチの送信機の送信信号Ｓt1に等しくすれば、ｉ−１番目の送信機で送信するとき、ｉ番目の受信機によって得られる受信信号Ｙtiは、次式によって表すことができる。
【０１１４】
【数２２】
Ｙti-1,i＝Ｓt1Ｒi-1,i Ｔi-1 Ｒi …（２２）
【０１１５】
また、ｉ番目の送信機で送信するとき、ｉ−１番目の受信機によって得られる受信信号Ｙti,i-1は、次式によって表すことができる。
【０１１６】
【数２３】
Ｙti,i-1＝Ｓt1Ｒi,i-1 Ｔi Ｒi-1 …（２３）
【０１１７】
上述した送受信処理がすべてのブランチに対して行われる。さらに、ここで、各ブランチの方向性結合器が対称的に構成されているとすれば、即ち、信号伝搬経路上の方向性結合器の減衰率などを合わせた伝達関数Ｒ12＝Ｒ21＝Ｒ23＝Ｒ32＝Ｒi-1,i ＝Ｒi,i-1 とすれば、１番目のブランチを基準とする場合、各ブランチの較正係数Ｈi1を次式によって演算することができる。
【０１１８】
【数２４】
図５は、４つのブランチからなる送受信システムの一構成例を示している。図示のように、本例の送受信システムにおいて、アンテナ素子、フィルタ、方向性結合器及び送信機により、各ブランチが構成され、また、方向性結合器１００，１０１，１０２，１０３及び１０４によって、較正回路が較正されている。なお、図５において、各受信機９１，９２，９３及び９４の受信信号に従って各ブランチの較正係数を演算する演算部が省略されている。
【０１２０】
図５において、それぞれ方向性結合器について、コイル及びキャパシタによって形成されている詳細な構成が示されている。これらの方向性結合器は、左右対称となる構造を有する。これによって、例えば、送信機８１が送信するとき、受信機９１に帰還される信号の伝搬経路と、送信機８２が送信するとき、受信機９１に帰還される信号の伝搬経路とが同じ伝達特性を有する。これによって、較正回路の配線の設計を容易に行われ、かつ回路構成を簡略化でき、各ブランチの較正係数の測定精度を向上できる。
【０１２１】
このように、本実施形態の送受信システムによれば、各ブランチにおける方向性結合器を左右対称に構成することによって、較正係数を求めるとき、ｉ番目のブランチの送信機からｉ＋１番目の受信機への信号伝搬経路の伝搬特性とｉ＋１番目のブランチの送信機からｉ番目の受信機への信号伝搬経路の伝搬特性を等しくすることができる。これによって、１番目のブランチを基準とする場合、各ブランチの較正係数Ｈi1を式（２４）に従って、容易に計算することができる。また、このように方向性結合器を左右対称の構成にすることによって、従来の較正回路に較べて、配線の設計を容易にできる。また、各ブランチにおいて、それぞれの最適な係数Ｗoiを計算できるので、受信信号の到来方向を推定することができる。
【０１２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の送受信システムによれば、構造上対称的に形成されている方向性結合器を各ブランチに設けることによって、送受信機の伝達関数及び各ブランチの信号伝搬特性のバラツキを較正する較正係数を容易に求めることができる。
さらに、本発明によれば、各ブランチにおいて、それぞれの最適な係数を計算することができ、これによって受信信号の到来方向を推定することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る送受信システムの第１の実施形態を示す回路図である。
【図２】方向性結合器の一構成例を示す回路図である。
【図３】本発明に係る送受信システムの第２の実施形態を示す回路図である。
【図４】第２の実施形態の送受信システムにおいて、較正係数を求める処理を示すフローチャートである。
【図５】４つのブランチを含む送受信システムの一具体例を示す回路図である。
【図６】従来の送受信システムの一構成例を示す回路図である。
【図７】従来の送受信システムにおける較正係数を測定するときの信号の流れを示す概念図である。
【符号の説明】
１１，１２，１３，…，１Ｌ…アンテナ素子、２１，２２，２３，…，２Ｌ…フィルタ、３１，３２，３３，…，３Ｌ…アンテナスイッチ、４１，４２，４３，…，４Ｌ…方向性結合器、８１，８２，８３，…，８Ｌ…送信機、９１，９２，９３，…，９Ｌ…受信機、１００，１０１，１０２，…，１０Ｌ…方向性結合器、２００，２２０…較正回路、１２０，２４０…演算部。
Claims (6)
- 第１のアンテナ素子、第１の送信機、受信時に上記第１のアンテナ素子からの受信信号を出力端子に出力し、送信時に上記第１の送信機からの送信信号を上記第１のアンテナ素子に出力し、また、上記第１の送信機からの送信信号を所定の減衰率をもって上記出力端子に帰還する第１の方向性結合器からなる第１のブランチと、
第２のアンテナ素子、第２の送信機、及び受信時に上記第２のアンテナ素子からの受信信号を出力端子に出力し、送信時に上記第２の送信機からの送信信号を上記第２のアンテナ素子に出力し、また、上記第２の送信機からの送信信号を所定の減衰率をもって上記出力端子に帰還する第２の方向性結合器からなる第２のブランチと、
第１と第２の入力端子がそれぞれ上記第１のブランチと第２のブランチの方向性結合器に接続され、第１と第２の出力端子がそれぞれ第１と第２の受信機に接続され、受信時に上記第１の入力端子の入力信号を上記第１の出力端子に出力し、また、所定の減衰率をもって上記第２の出力端子に結合し、上記第２の入力端子の入力信号を上記第２の出力端子に出力し、また、所定の減衰率をもって上記第１の出力端子に結合する第３の方向性結合器と、
上記第１の送信機が送信するとき、上記第１及び第３の方向性結合器によって上記第２の受信機に結合された第１の較正用受信信号と、上記第２の送信機が送信するとき、上記第２と第３の方向性結合器によって上記第１の受信機に結合された第２の較正用受信信号とに応じて、上記第２のブランチを較正する較正係数を求める演算手段と
を有する送受信システム。 - 上記演算手段は、上記第１のブランチを基準として、上記第１の受信信号と上記第２の受信信号との比に応じて、上記第２のブランチに適用される較正係数を求める
請求項１記載の送受信システム。 - 上記第３の方向性結合器において、上記第１の入力端子の入力信号を上記第２の出力端子に出力する減衰率と、上記第２の入力端子の入力信号を上記第１の出力端子に出力する減衰率とが等しく形成されている
請求項１記載の送受信システム。 - アンテナ素子、方向性結合器及び送信機を有し、上記方向性結合器は、受信時に上記アンテナ素子からの受信信号を出力端子に出力し、送信時に上記送信機からの送信信号を上記アンテナ素子に出力し、また、上記送信機からの送信信号を所定の減衰率をもって上記出力端子に帰還するように構成されているＬ（Ｌ≧２、Ｌは整数）本のブランチと、
上記Ｌ本のブランチに対して２本毎に設けられ、第１の入力端子がｉ（１≦ｉ≦Ｌ、ｉは奇数）本目の上記ブランチの上記方向性結合器に接続され、第２の入力端子がｉ＋１本目の上記ブランチの上記方向性結合器に接続され、上記第１の入力端子からの入力信号を第１の出力端子出力し、上記第２の入力端子からの入力信号を所定の減衰率で第１の出力端子に結合し、また、上記第２の入力端子からの入力信号を第２の出力端子に出力し、上記第１の入力端子からの入力信号を所定の減衰率で上記第２の出力端子に結合する複数の２層目方向性結合器と、
上記２層目の方向性結合器に対して一つ毎に設けられ、第１と第２の入力端子が隣接する上記２層目の方向性結合器の第１または第２の出力端子に接続され、第１と第２の出力端子に受信機が接続されている複数の３層目の方向性結合器と、
上記ｉ本目のブランチの送信機が送信するとき、第ｉ−１番目とｉ＋１番目の受信機の受信信号に応じて、上記各ブランチの較正係数を求める演算手段と
を有する送受信システム。 - 上記３層目の方向性結合器は、上記第１の入力端子の入力信号を上記第１の出力端子に出力し、かつ所定の減衰率で上記第２の出力端子に結合し、上記第２の入力端子の入力信号を上記第２の出力端子に出力し、かつ上記所定の減衰率で上記第１の出力端子に結合する
請求項４記載の送受信システム。 - 上記ｉ本目のブランチの送信機が送信するとき、上記ｉ−１番目の受信機の受信信号をＴi Ｒi-1 とし、上記ｉ−１本目のブランチの送信機が送信するとき、上記ｉ番目の受信機の受信信号をＴi-1 Ｒi とし、上記演算手段は、第１のブランチを基準として、上記ｉ本目のブランチの較正係数Ｈi を
で算出する
請求項４記載の送受信システム。
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