JP4521440B2 - アレイアンテナ装置及びその送受信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、レーダ装置などに用いられるアレイアンテナ装置及びその送受信モジュールに関する。

２次元的に配列された複数の素子アンテナを用い、アンテナパルス信号の送信及びこれに対する反射波の受信の指向性を位相制御によって変化させ走査を行う電子走査型のアレイアンテナ装置は、レーダ装置などに用いられる。

このようなアレイアンテナ装置において、各素子アンテナに接続される送受信信号の位相制御のための部分をまとめて送受信ユニットとする、アンテナ装置が知られている。例えば特許文献１は、２つのダイポールアンテナが１つの送受信用モジュールに接続されているが原理的には１つのアンテナに接続されるものである。したがって、１つの素子アンテナにサーキュレータを介して送信経路と受信経路を有するユニットが接続されて単位ユニットとなる。

上記単位ユニットは、複数の素子アンテナについてまとめることも可能であり、例えば２個の単位ユニットをまとめて送受信ユニットとした構成の従来例を図３に示す。

このアレイアンテナ装置３０は、複数個、例えば５個の送受信モジュール３１各々に、素子アンテナ３２ａ，３２ｂが接続されている。

送受信モジュール３１は、２つの単位ユニット３１ａ，３１ｂから成り、単位ユニット３１ａ，３１ｂは同一の構造を有する。単位ユニット３１ａは、端子Ａ，Ｂ，Ｃを有する３端子サーキュレータ４１ａ、受信増幅器４２ａ、受信移相器４３ａ、送信移相器４４ａ、送信増幅器４５ａから成る。単位ユニット３１ｂも同様である。送信信号生成部３４からの送信信号は送信信号分配部３３で分配され送信移相器４４ａにおいて、送受信位相制御部３８で制御される移相量を与えられて送信増幅器４５ａで増幅され、３端子サーキュレータ４１ａに入力され、素子アンテナ３２ａから送信される。反射波は素子アンテナ３２ａで受信され３端子サーキュレータ４１ａ、受信増幅器４２ａ、受信移相器４３ａを通って受信信号合成部３５で合成される。合成された受信信号は受信信号処理部３６で電気的に画像処理され画像表示部３７においてレーダ画像が表示される。

この従来例のアレイアンテナ装置３０では、各単位ユニット３１ａ，３１ｂ毎に、受信経路と送信経路を有しているので、送信移相器４４ａ，４４ｂ及び送信増幅器４５ａ，４５ｂが必要であるという問題点があった。

なお、送信移相器４４ａ，４４ｂ及び送信増幅器４５ａ，４５ｂを少なくするために、両端に近い送受信モジュールの一方の単位ユニット、例えば単位ユニット３１ｂを受信経路のみとすることも考えられる。しかし、このように構成すると、見かけ上のアンテナとしての大きさが小さくなってしまい、アンテナ利得が低下してアンテナ装置としての性能が悪化してしまうという問題点があった。
特開平６−５３７２６号公報（図４）

本発明は、上述のような従来のアレイアンテナ装置の問題点に鑑みてなされたもので、送信アンテナ利得を低下させることなく、送信経路の回路を減らして送受信モジュール及びアンテナ装置全体としてのコストを下げることが可能なアレイアンテナ装置及びその送受信モジュールを提供することを目的とする。

本発明の請求項１によれば、配列された複数の素子アンテナと、これらの素子アンテナに接続され、前記素子アンテナに供給する送信信号及び前記素子アンテナにより受信された受信信号に所定の移相量を与える送受信モジュールとを有するアレイアンテナ装置であって、前記送受信モジュールは、第１及び第２の素子アンテナに接続され、送信信号に同一の送信の移相量を与えた後増幅し前記第１及び第２の素子アンテナに分配する１つの送信経路と、前記第１及び第２の素子アンテナにより受信された受信信号を、各々増幅し互いに異なる受信の移相量を与える２つの受信経路と、を有することを特徴とするアレイアンテナ装置を提供する。

送信アンテナ利得を低下させることなく、送信経路の回路を減らして全体としてのコストを下げることが可能なアレイアンテナ装置及びその送受信モジュールが得られる効果がある。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、レーダ装置に適用した場合の本発明一実施形態のアレイアンテナ装置の全体構成を示す図である。

このアレイアンテナ装置１０は、複数個の送受信モジュール１１と、これら各々の送受信モジュール１１に接続された２個の素子アンテナ１２ａ，１２ｂと、上記送受信モジュール１１の送信経路に接続される送信信号分配部１３、この送信信号分配部１３に送信信号を供給する送信信号生成部１４と、送受信モジュール１１の受信経路で得られた受信信号を合成する受信信号合成部１５と、この受信信号合成部１５において合成された受信信号を画像処理等する受信信号処理部１６と、この受信信号処理部１６で処理された信号を表示する画像表示部１７と、各送受信モジュール１１内の後述する送信移相器、受信移相器の位相量を制御する送受信位相制御部１８と、を有する。

送受信モジュール１１は１つの送信経路と２つの受信経路とを有する。具体的には送受信モジュール１１は、素子アンテナ１２ａに端子Ａを接続された３端子サーキュレータ２１ａと、この３端子サーキュレータ２１ａの端子Ｂに入力端子を接続された受信増幅器２２ａと、この受信増幅器２２ａの出力端子に入力端子を接続され、その出力端子を上述の受信信号合成部１５に接続された受信移相器２３ａと、素子アンテナ１２ｂに端子Ａを接続された３端子サーキュレータ２１ｂと、この３端子サーキュレータ２１ｂの端子Ｃに入力端子を接続された受信増幅器２２ｂと、この受信増幅器２２ｂの出力端子に入力端子を接続され、その出力端子を上述の受信信号合成部１５に接続された受信移相器２３ｂと、送信信号分配部１３の入力端子を接続された送信移相器２４と、この送信移相器２４の出力端子に入力端子を接続された送信増幅器２５と、この送信増幅器２５の出力端子に入力端子を接続され、一方の出力端子を上記３端子サーキュレータ２１ａの端子Ｃに接続され他方の出力端子を上記３端子サーキュレータ２１ｂの端子Ｂに接続された２分配器２６と、を有する。２分配器２６は例えばウィルキンソン型の分配器である。

３端子サーキュレータ２１ａは、端子Ａから入力された信号を端子Ｂに送出し、端子Ｂから入力された信号を端子Ｃに送出し、端子Ｃから入力された信号を端子Ａに送出する電気特性を有する。また３端子サーキュレータ２１ｂは、端子Ａから入力された信号を端子Ｃに送出し、端子Ｃから入力された信号を端子Ｂに送出し、端子Ｂから入力された信号を端子Ａに送出する電気特性を有する。したがって、２分配器２６において分配され３端子サーキュレータ２１ａの端子Ｃに入力された送信信号は端子Ａに接続された素子アンテナ１２ａに供給され送信される。一方、２分配器２６から３端子サーキュレータ２１ｂの端子Ｂに供給された送信信号は端子Ａに接続されている素子アンテナ１２ｂに供給され送信される。

また、素子アンテナ１２ａにおいて受信された信号は、３端子サーキュレータ２１ａの端子Ａに供給され、端子Ｂから出力されて受信増幅器２２ａに供給される。素子アンテナ１２ｂにおいて受信された信号は、３端子サーキュレータ２１ｂの端子Ａに供給され、端子Ｃから出力されて受信増幅器２２ｂに供給される。

なお、図１に示したシステムでは、理解を容易にするために送受信モジュール１１は、一列にしかも５個しか示していない。しかし実際のシステムでは、通常、もっと多くの送受信モジュールが設けられ、しかも２位次元的に配列される。

次に、この実施形態によるアレイアンテナ装置１０の動作を説明する。送信信号生成部１４において生成された送信信号、例えばパルス信号は送信信号分配部１３に供給され、この送信信号分配部１３から各送受信モジュール１１の送信移相器２４に送られる。これらの送信移相器２４では、送受信位相制御部１８から送られる位相制御信号に基づいて所定の移相量（遅延量）を送信信号に与えて、送信増幅器２５に送られ信号増幅される。所定の移相量を与えられ増幅された送信信号は、２分配器２６に供給され、ほぼ等分に分配されて３端子サーキュレータ２１ａ，２１ｂの、各端子Ｃと端子Ｂに供給される。

２分配器２６から３端子サーキュレータ２１ａの端子Ｃに供給された送信信号は、端子Ａから出力され、素子アンテナ１２ａから送信される。一方、２分配器２６から３端子サーキュレータ２１ｂの端子Ｂに供給された送信信号は、端子Ａから出力され、素子アンテナ１２ｂから送信される。

素子アンテナ１２ａから送信される送信信号と素子アンテナ１２ｂから送信される送信信号は同位相である。一般に、送信信号の電子走査がなされるとき、隣接送受信モジュール間では、送信信号に異なる位相が与えられるが、１つの送受信モジュールに接続されるアンテナ１２ａ，１２ｂからは同相の送信信号が送信される。

したがって、全体としては図２（ａ）に示すように、階段状の位相面を有する送信信号となる。図２（ａ）では、横軸に時間を取り、縦軸に素子アンテナの各位置を示しており、したがって、各素子アンテナから送信される送信信号の同一位相面を意味する。図２（ａ）では位相面を極端に示してあるので階段状部分が、実際に送信モジュールの数は数十以上あり、全体として特性に与える悪影響はほとんどない。

上記のように送信されたレーダ送信信号に対して、各物体からの反射波が戻ってきて各素子アンテナ１２ａ，１２ｂにより受信される。各素子アンテナ１２ａで受信されたレーダ受信信号は、３端子サーキュレータ２１ａの端子Ａに入力される。そしてそのレーダ受信信号は、３端子サーキュレータ２１ａの端子Ｂから出力され受信増幅器２２ａの入力端子に入力され増幅される。

受信増幅器２２ａで増幅された受信信号は受信移相器２３ａにおいて、送受信位相制御部１８により制御される位相量を与えられて、受信信号合成部１５に供給される。

一方、各素子アンテナ１２ｂで受信されたレーダ受信信号は３端子サーキュレータ２１ｂの端子Ａに入力される。そしてそのレーダ受信信号は３端子サーキュレータ２１ｂの端子Ｃから出力され、受信増幅器２２ｂの入力端子に入力され増幅される。

受信増幅器２２ｂで増幅された受信信号は受信移相器２３ｂにおいて、送受信位相制御部１８により制御される移相量を与えられて、受信信号合成部１５に供給される。

受信の場合、素子アンテナ１２ａに対応する受信移相器２３ａと素子アンテナ１２ｂに対応する受信移相器２３ｂは異なっており、したがって、送受信位相制御部１８は同一送受信モジュール１１内の両受信移相器２３ａ，２３ｂに異なる移相量を与えることができるので、受信時の同位相面は図２（ｂ）に示すようにほぼ直線状の特性となる。図２（ｂ）では、横軸に時間を、縦軸に素子アンテナの各位置を示している。

受信信号合成部１５において合成された受信信号は受信信号処理部１６で画像表示のために信号処理され、画像表示部１７の表示画面にレーダ表示がなされる。

上述の実施形態では、ウィルキンソン型の２分配器を用いたが、このタイプ以外の分配器を用いてもよい。また分配器は２分配のものに限られない。

上記実施形態では、素子アンテナが一次元に配置されこれらの素子アンテナと送受信モジュールが５つあるアレイアンテナ装置について説明したが、２次元的に素子アンテナが配置され、素子アンテナ数及び送受信モジュール数がもっと多いアレイアンテナ装置にも適用できる。

上記実施形態では、送受信経路の切り替えのために３端子サーキュレータを用いたが３端子に限られず、また送受信経路を自動的に切り換えられる信号切替器であればよく、サーキュレータに限られない。

上記実施形態によれば、従来のアンテナ装置に比して分配器が必要となりまた１個の送信増幅器を高出力とする必要があるものの、各送受信モジュールの送信経路が１系統ですむ、即ち、送信増幅器及び送信移相器を１つずつ省略することができる。

ここで、背景技術の欄で述べた、中央部分は同じ単位ユニットから成る送受信モジュール（例えば１０個）を配置し両端部分（例えば１５個づつ）では一方の単位ユニットは受信経路のみを配置するアンテナ装置と比較して、本発明の上記実施形態の効果を具体的に述べる。上記従来例では、中央部分では送受信２チャネルモジュール２０個、両端部分では送受信１チャネルモジュール３０個となる。上記実形態では送信も受信と同じく例えば送受信４０チャネルとすれば送信も受信と同じ４０チャネルとなり、送信アンテナ利得としては３ｄＢ程度向上する。送信の素子アンテナの数は５０から４０へと減るので、送信電力は１ｄＢ程度低下する。結果的には、２ｄＢ程度送信アンテナ利得が向上することになる。また、送信のエレベーション（Ｅｌ）方向の間隔（位相制御可能な間隔）が上記従来の場合の２倍となり、送信のＥｌ走査範囲を±４°と見直すことができる。

上記実施形態によれば、送信アンテナ利得を低下させることなく特性を維持できる効果がある。また送信経路の送信増幅器及び送信移相器を減らすことができるので、部品点数を削減でき、送受信モジュールの小型化、低価格化が可能となり、ひいてはアレイアンテナ装置としても小型化、低価格化できる利点がある。

本発明一実施形態のアレイアンテナ装置の構成を示すブロック図。 本発明一実施形態のアレイアンテナ装置の素子アンテナにおける送信時、受信時の移相関係を示す図。 従来のアレイアンテナ装置の一例の構成を示すブロック図。

符号の説明

１０，３０・・・アレイアンテナ装置、
１１，３１・・・送受信モジュール、
１２ａ，１２ｂ，３２ａ，３２ｂ・・・素子アンテナ、
１３，３３・・・送信信号分配部、
１４，３４・・・送信信号生成部、
１５，３５・・・受信信号合成部、
１６，３６・・・受信信号処理部、
１７，３７・・・画像表示部、
１８，３８・・・送受信位相制御部、
２１ａ，２１ｂ，４１ａ，４１ｂ・・・３端子サーキュレータ、
２２ａ，２２ｂ，４２ａ，４２ｂ・・・受信増幅器、
２３ａ，２３ｂ，４３ａ，４３ｂ・・・受信移相器、
２４，４４ａ，４４ｂ・・・送信移相器、
２５，４５ａ，４５ｂ・・・送信増幅器、
２６・・・２分配器。

Claims (7)

1. 配列された複数の素子アンテナと、これらの素子アンテナに接続され、前記素子アンテナに供給する送信信号及び前記素子アンテナにより受信された受信信号に所定の移相量を与える送受信モジュールとを有するアレイアンテナ装置であって、
   前記送受信モジュールは、
   第１及び第２の素子アンテナに接続され、送信信号に同一の送信の移相量を与えた後増幅し前記第１及び第２の素子アンテナに分配する１つの送信経路と、
   前記第１及び第２の素子アンテナにより受信された受信信号を、各々増幅し互いに異なる受信の移相量を与える２つの受信経路と、を有することを特徴とするアレイアンテナ装置。
2. 配列された複数の素子アンテナと、これらの素子アンテナに接続され、前記素子アンテナに供給する送信信号及び前記素子アンテナにより受信された受信信号に所定の移相量を与える送受信モジュールとを有するアレイアンテナ装置であって、
   前記送受信モジュールは、
   第１及び第２の素子アンテナに各々接続された第１及び第２の信号切替器と、
   送信信号に同一の移相量を与える送信移相器と、
   この送信移相器により所定の移相量を与えられた送信信号を増幅する送信増幅器と、
   この送信増幅器により増幅された送信信号を、前記第１及び第２の信号切替器に分配する分配器と、
   前記第１及び第２の信号切替器に接続され前記第１及び第２の素子アンテナにより受信される受信信号を各々増幅する第１及び第２の受信増幅器と、
   これら第１及び第２の受信増幅器により増幅された受信信号に互いに異なる移相量を与える第１及び第２の受信移相器と、
   を有して成ることを特徴とするアレイアンテナ装置。
3. 前記第１及び第２の信号切替器はサーキュレータであることを特徴とする請求項２記載のアレイアンテナ装置。
4. 前記分配器は、ウィルキンソン型の分配器であることを特徴とする請求項２又は３記載のアレイアンテナ装置。
5. 配列された複数の素子アンテナに接続され、前記素子アンテナに供給する送信信号及び前記素子アンテナにより受信された受信信号に所定の移相量を与える送受信モジュールであって、
   前記送受信モジュールは、
   第１及び第２の素子アンテナに各々接続された第１及び第２の信号切替器と、
   送信信号に同一の移相量を与える送信移相器と、
   この送信移相器により所定の移相量を与えられた送信信号を増幅する送信増幅器と、
   この送信増幅器により増幅された送信信号を、前記第１及び第２の信号切替器に分配する分配器と、
   前記第１及び第２の信号切替器に接続され前記第１及び第２の素子アンテナにより受信される受信信号を各々増幅する第１及び第２の受信増幅器と、
   これら第１及び第２の受信増幅器により増幅された受信信号に互いに異なる移相量を与える第１及び第２の受信移相器と、
   を有して成ることを特徴とするアレイアンテナ装置の送受信モジュール。
6. 前記第１及び第２の信号切替器はサーキュレータであることを特徴とする請求項５記載のアレイアンテナ装置の送受信モジュール。
7. 前記分配器は、ウィルキンソン型の分配器であることを特徴とする請求項５又は６記載のアレイアンテナ装置の送受信モジュール。

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