JPS6352802B2

JPS6352802B2 -

Info

Publication number: JPS6352802B2
Application number: JP13212180A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Mikuni
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-09-22
Filing date: 1980-09-22
Publication date: 1988-10-20
Also published as: JPS5757005A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は例えば衛星に搭載されるフエーズド
アレイアンテナに係り、特にアンテナビームの指
向方向を自動的に所望方向へ制御できるフエーズ
ドアレイアンテナに関する。

アンテナ素子（放射素子）を多数配列したフエ
ーズドアレイアンテナ等のアレイアンテナにおい
ては、各アンテナ素子が定められた位置からずれ
ると、ビームの指向方向が変化したり、サイドロ
ーブの増加が起こる。

一方、熱によるアレイアンテナの歪は一般にラ
ンダムではなく、アレイ周辺部へ向かつて徐々に
大きく変化し、特に球面配例のアレイアンテナで
この傾向は顕著である。このようなランダムでな
い変形も、アンテナビームの指向方向を所望の方
向から変化させる原因となる。アレイアンテナは
大型化する程、つまりアレイ長やアレー面積が大
きくなる程、ビームが鋭くなるため、このような
アンテナビーム方向の変化は直ちに通信回線の断
絶につながり、またレーダアンテナにおいては目
標物の位置検出誤差となつて現われる。

ところで、アレイアンテナのビーム軸や指向性
の測定は、アンテナが大型になる程、アンテナの
遠方で行なわなければならない。例えばアンテナ
の大きさが100波長であり、また使用中心波長を
15cmとすると、測定点は３Km以上離れていなけれ
ばならず、測定は極めて困難となる。

このように大型のアレイアンテナにおいては、
熱歪等の外乱を受けやすく、また実際のビーム方
向を知ることが難しいという問題がある。このた
め指向性をモニタし、修正を加える装置が必要と
なる。

一方、大型アレイアンテナの指向性をアンテナ
近傍において測定する方法として、従来二つの方
法が知られている。一つはアレイアンテナ近傍に
モニタアンテナを１個置き、アレイアンテナのア
ンテナ素子を１個だけ励振してモニタアンテナの
受信出力の振幅と位相を検出し、モニタアンテナ
とアレイアンテナの励振しているアンテナ素子と
の間の距離を考慮に入れて、励振しているアンテ
ナ素子の励振振幅・位相を求める。そして、この
測定を全アンテナ素子について順次行ない、全ア
ンテナ素子の励振振幅・位相を求め、計算により
指向性を求める方法である。もう一つの方法は、
全アンテナ素子を励振し、アレイアンテナの前面
近傍で小型のプローブをアレイアンテナの全面に
わたつて移動させ、このプローブで受信信号の振
幅と位相を測定してアレイアンテナ前面近傍の電
界分布を求め、その分布から遠方電界やビーム軸
を計算で求める方法である。

しかし、これらの方法はいずれも測定を行なつ
ている間は、アンテナ本来の送受信動作を中断さ
せなければならない。そのため時々刻々と変わる
外乱の下で使用する衛生搭載アレイアンテナの場
合には、アンテナの動作が頻繁に中断されること
になり、このような方法を採用することはできな
い。さらに後者の方法においては、プローブを平
面状または円筒面状にアレイアンテナの大きさ以
上の範囲にわたつて移動させる必要があるが、そ
のような移動機構はアンテナ以上に外乱の影響を
受けやすい。従つて、正確な測定を期待できない
上、測定に長時間を要する。

本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、ア
ンテナが実際に使用されている場所でアンテナ本
来の動作を中断させることなく、指向性つまりア
ンテナビームの指向方向を短時間で測定し適当な
修正を加えることができるフエーズドアレイアン
テナを提供することを目的とする。

本発明は、配列された複数のアンテナ素子に励
振信号源から移相量可変の移相器を介して励振信
号を供給して、これらのアンテナ素子を励振する
フエーズドアレイアンテナにおいて、光ビームを
発生する光源と、この光源から発生される光ビー
ムを前記アンテナ素子の近傍に向けて順次照射す
る光偏向器と、前記アンテナ素子の近傍にそれぞ
れ設けられ、前記光偏向器によつて照射される光
を前記アンテナ素子の励振信号によつて変調する
複数の光変調器と、これらの光変調器による変調
光を順次復調する光復調器と、この光復調器の出
力信号と前記励振信号から分配される基準位相信
号との位相差を検出する位相検出器と、前記アテ
ナ素子の位置を光学的に測定する測距装置と、こ
の測定装置の出力信号と前記位相検出器の出力信
号とから前記アンテナ素子の励振位相を求める励
振位相算出手段と、前記アンテナ素子により形成
されるアンテナビームの所望の指向方向を検出す
る方向センサと、この方向センサの出力信号と前
記測距装置の出力信号及び前記励振位相算出手段
により求められた励振位相に基づいて、前記アン
テナビームが前記所望の指向方向へ指向するよう
に前記移相器の移相量を補正する移相量補正手段
とを具備することを特徴とする。

この発明の原理を衛星に搭載されたフエーズド
アレイアンテナを例にとり説明する。

第２図は衛星に固定されれた座標系ｘ−ｙ−ｚ
を基準としたフエーズドアレイアンテナのアレー
面を模式的に示したものである。同図において、
〓_iはこの座標系を基準としたアンテナ素子＃ｉ
（ｉ＝１〜ｎ）の位置ベクトルであり、〓₀はこの
座標系を基準としたアンテナビームの所望の指向
方向を表わす単位ベクトルである。

鋭いアンテナビームを〓₀の方向に放射するた
めには、全てのアンテナ素子＃ｉについてその励
振位相φ_iが φ_i＋（2π／λ）〓_i・〓₀＝φ₀ ……(1) （ただし、λは電波の波長、φ₀は一定位相、
≪・」は内積を示す）の条件を満たすようにすることが必要である。

しかし、〓₀は衛星の姿勢変動により時々刻々
変動したり、あるいは変更される（例えば北海道
に指向している状態から九州に指向するように変
更される等）ため、一定ではない。また、〓_iは
アレー面の熱変形などにより変動する。そこで、
〓₀，〓_iを測定しながらアンテナ素子毎に設けた
移相器を調整することによつて、(1)式が成立つよ
うにφ_iを修正する。

ここで、〓₀は衛星に固定された方向センサで
知ることができ、また〓_iは衛星に固定された測
距装置を用いて測定することができる。一方、ア
ンテナ素子の励振位相は光偏向器、光変調器、光
復調器及び位相検出器を用いて知ることができ、
その実測値をφ_i′とすれば、移相器によりアンテ
ナ素子の励振位相をφ_i−φ_i′だけ補正することに
より、(1)式を成立させることができる。

なお、φ_iの測定に当り、光偏向器と光変調器と
の間の距離による光ビームの位相遅れを考慮する
必要がある。位相検出器の出力によつて示される
位相差φimは φim＝φ_i−ｋ（〓_i−〓−〓）−ｃ ……(2) （ただし、ｋは定数、〓は座標系ｘ−ｙ−ｚにお
ける光偏向器の位置ベクトル、〓はアンテナ素子
と対応する光変調器との間の距離ベクトル、ｃは
励振信号源から位相検出器までの基準位相信号の
位相シフトや光変調器・光偏向器間の往路と復路
との光路長差及び復調器から位相検出器までの復
調出力信号の位相シフト等に起因する位相検出器
の両入力の固有の位相差）で表わされる。ここ
で、〓_iは測距装置によつて測定でき、また〓、
〓、ｃは予め知ることのできる量であるから、(2)
式のφimよりφ_iを求めることができる。こうして
求められた励振位相φ_iと、方向センサによつて求
められた所望の指向方向（r₀）及び測距装置によ
つて求められたアンテナ素子の位相（〓_i）に基
づいて移相器の移相量を補正することによつて、
φ_iを(1)式を満たすように補正すれば、アンテナビ
ームは〓₀の方向に指向する。

以下、この発明の実施例を説明する。第１図は
本発明の一実施例に係るフエーズドアレイアンテ
ナの構成を示すものである。同図において、励振
信号源であるマイクロ波発振器１の出力は分配器
２により電力分配器３への入力と後述する位相検
出器への入力とに分配される。電力分配器３の出
力は移相量可変の移相器４₁〜４ｎと電力分配器
５₁〜５ｎを介して、配列された複数のアンテナ
素子６₁〜６ｎに分配され、これらのアンテナ素
子６₁〜６ｎを励振する。光変調器７₁〜７ｎは電
力分配器５₁〜５ｎより分配されたアンテナ素子
６₁〜６ｎの励振信号（マイクロ波）によつて、
レーザ光源９からのレーザ光（光ビーム）を変調
するものである。アンテナ素子６₁〜６ｎの近傍
には、コーナレフレクタ等からなる光学的反射物
８₁〜８ｎが設置されている。レーザ光源９から
のレーザ光は光サーキユレータ１０を介して光偏
向器１１に導かれ、光偏向器１１により偏向され
たレーザ光は、光変調器７₁〜７ｎに順次照射さ
れる。

また、光変調器７₁〜７ｎからの変調されたレ
ーザ光は、光偏向器１１および光サーキユレータ
１０を介して光復調器１２にも導かれる。光復調
器１２の出力は前記電力分配器２より分配された
励振信号の一部である基準位相信号とともに、位
相検出器１３に導かれる。

測距装置１４は例えば光干渉法を利用した公知
のレーザ測距計を用いて構成され、アンテナ素子
６₁〜６ｎの位置（位置ベクトル）を光学的反射
物８₁〜８ｎを用いて光学的に検出する装置であ
り、例えば第３図にL₁，L₂，L₃で示すように衛
星上の３個所に固定されている。すなわち、測距
装置１４L₁，L₂，L₃からのレーザ光を光学的反
射物８_i（ｉ＝１〜ｎ）に向けて照射し、その反
射光を測距装置１４で受光することによつて、
L₁，L₂，L₃から８_iまでの距離r1i，r2i，r3iを測
定する。ここで、衛星に固定された座標系ｘ−ｙ
−ｚで表わした光学的反射物８_iの位置ベクトル
を〓_i′とし、L₁，L₂，L₃の位置ベクトルを〓₁，
〓₂，〓₃とすれば、｜〓_i′−〓₁｜＝r1i ｜〓_i′−〓₂｜＝r2i ｜〓_i′−〓₃｜＝r3i であるから、この連立方程式より光学的反射物８
_ｉの位置ベクトル〓_i′を求めることができる。光学
的反射物８_iはアンテナ素子６_iの近傍に固定され
ており、また光学的反射物８_iとアンテナ素子６_i
の相対位置は既知であるから、〓_i′からアンテナ
素子６_iの位置ベクトルP_iを求めることができる。

方向センサ１５はアンテナ素子６₁〜６ｎが搭
載されている衛星に固定された座標系を基準とし
たアンテナビームの所望の指向方向、すなわちア
ンテナビームを指向させるべき方向を検出するた
めのもので、アンテナビームを指向させるべき他
球上の地域（地点）と、衛星が地球に対してどの
ような姿勢・位置にあるかが分かれば、この方向
を知ることができる。衛星の地球に対する姿勢・
位置は、ほとんどの衛星が搭載している位置検出
装置（方向センサ）によつて知ることができ、例
えば地上から衛星に向けて送られるビーコン波を
モノパルスセンサで受信して位置測定を行なえば
よい。こうして地球に対する衛星の姿勢・位置が
求まれば、アンテナビームを地球上の所望の地
域・地点に向けるには、アンテナビームを衛星に
固定された座標系でどの方向に指向させればよい
かが分る。このようにしてアンテナビームの所望
の指向方向を検出するのが方向センサ１５であ
る。

演算制御装置１６は位相検出器１３の出力信号
と測距装置１４の出力信号とからアンテナ素子６
_１〜６ｎの励振位相を求める励振位相算出手段と、
算出された励振位相と測距装置１４の出力信号及
び方向センサ１５の出力信号にづいて移相器４₁
〜４ｎの移相量を補正する移相量補正手段を構成
している。

次に、この実施例の動作を説明する。

(1)式に示したように、フエーズドアレイアンテ
ナのアンテナビームを所望の方向に指向させるに
は、アンテナ素子６ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の励振位相
φ_iと、フエーズドアレイアンテナが設置された場
所に固定されたｘ−ｙ−ｚ座標系を基準としたア
ンテナ素子６ｉの位置ベクトル〓_i及びアンテナ
ビームの所望の指向方向を表わす単位ベクトル〓
_０を求め、それに基づいて(1)式が成立するように
励振位相φ_iに補正を加えればよい。

ここで、アンテナ素子６ｉの励振位相φ_iは、次
のようにして検出される。レーザ光源９からのレ
ーザ光は、光サーキユレータ１０を経て光偏向器
１１により光変調器７_i（ｉ＝１〜ｎ）に順次照
射される。光変調器７_iでは電力分配器５_i（ｉ＝
１〜ｎ）から供給されるアンテナ素子６_iの励振
信号を変調用入力信号として、光偏向器１１から
の入射光を振幅変調するものであつて、例えば
LiNbO₃結晶に電極を設けたものなどを用いるこ
とができる。光変調器７_iによつて変調された光
は、光偏向器１１からの入射光と反対側から出射
する。この出射光は鏡等により光路が反転される
ことにより、光偏向器１１に戻り、サーキユレー
タ１０を経て光復調器１２へ導かれ、復調され
る。光復調器１２の復調出力信号は位相検出器１
３に入力され、電力分配器２によつて分配された
励振信号の一部である基準位相信号との位相差
φimが検出される。この位相差φimは(2)式に示し
たようにアンテナ素子６_iの励振位相φ_i（電力分配
器５_iの出力位相）から、測距装置１４で得られ
るアンテナ素子６_iの位置ベクトル〓_iに基づいて
求められる光変調器７_iと光偏向器１１との間の
距離〓_i−〓−〓で定まる位相遅れｋ（〓_i−〓−
〓）および位相検出器１３の両入力の固有の位相
差ｃを差引いたものである。

また、測距装置１４によつて前述のように測距
装置１４から光学的反射物８_iまでの距離ｒ１ｉ，
ｒ２ｉ，ｒ３ｉが測定され、それに基づいて上記
ｘ−ｙ−ｚ座標系を基準とした光学的反射物８_i
の位置ベクトル〓_i′が求まり、〓_i′からアンテナ
素子６_iの位置ベクトル〓_iが求まる。

さらに、方向センサ１５で前述したように衛星
に固定された座標系ｘ−ｙ−ｚを基準としたアン
テナビームの所望の指向方向が検出され、(1)式に
示た単位ベクトル〓₀が得られる。

これら位相検出器１３で得られた位相差φim
と、測定装置１４で得られたアンテナ素子６_iの
位置ベクトル〓_i及び方向センサ１５で得られた
単位ベクトル〓₀が演算制御装置１６に入力され
る。演算制御装置１６では(2)式に基づいてφim及
び〓_iの情報からアンテナ素子６_iの励振位相φ_iを
求める（ｋ、〓、〓、ｃは既知である）。こうし
て求められた励振位相φの実測値をφ_i′とする。
一方、〓_i及び〓₀から(1)式における目標の励振位
置φ_iが分るので、これと実測値φ_i′との差φ_i−φ_i′
を移相器４_i（ｉ＝１〜ｎ）の移動量の補正量と
して算出し、この補正量に応じて電気信号を移相
器４_iに導いて、移相量の補正を行なう。この補
正の結果、アンテナ素子６_iの励振位置が補正さ
れ、アンテナビームの指向方向が変化する。この
補正後のアンテナ素子６_iの励振位相が同様にし
て検出され、以下同様な動作が行なわれる。すな
わち、アンテナ素子６_iの励振位相は閉ループ制
御され、最終的にはアンテナビームが所望の指向
方向を向くように収束する。

以上説明したように、この発明によれば熱等の
外乱に起因するアンテナ素子の位置変動によるア
ンテナビームの方向変化が自動的に補正され、ア
ンテナビームを常に所望の方向に指向させること
ができ、しかもこの補正をアンテナ本来の動作を
中継させることなく行なうことができる。また、
近傍電界の測定のようにアンテナ前方の前面にわ
たり特殊な構造のプローブ移動架台を設ける等の
必要がなく、通信やレーダ用のアレーアンテナと
して極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係るフエーズド
アレイアンテナの構成図、第２図はこの発明の原
理を説明するための図、第３図は同実施例におけ
る測距装置の測定原理の一例を説明するための図
である。１……マイクロ波発振器（励振信号源）、２，
３，５₁〜５ｎ……電力分配器、４₁〜４ｎ……移
相器、６₁〜６ｎ……アンテナ素子、７₁〜７ｎ…
…光変調器、８₁〜８ｎ……光学的反射物、９…
…レーザ光源、１０……光サーキユレータ、１１
……光偏向器、１２……光復調器、１３……位相
検出器、１４……測距装置、１５……方向セン
サ、１６……演算制御装置（励振位相算出手段及
び移相量補正手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

１配列された複数のアンテナ素子に励振信号源
から移相量可変の移相器を介して励振信号を供給
して、これらのアンテナ素子を励振するフエーズ
ドアレイアンテナにおいて、光ビームを発生する
光源と、この光源から発生される光ビームを前記
アンテナ素子の近傍に向けて順次照射する光偏向
器と、前記アンテナ素子の近傍にそれぞれ設けら
れ、前記光偏向器によつて照射される光を前記ア
ンテナ素子の励振信号によつて変調する複数の光
変調器と、これらの光変調器による変調光を順次
復調する光復調器と、この光復調器の出力信号と
前記励振信号源から分配される基準位相信号との
位相差を検出する位相検出器と、前記アンテナ素
子の位置を光学的に測定する測距装置と、この測
距装置の出力信号と前記位相検出器の出力信号と
から前記アンテナ素子の励振位相を求める励振位
相算出手段と、前記アンテナ素子により形成され
るアンテナビームの所望の指向方向を検出する方
向センサと、この方向センサの出力信号と前記測
距装置の出力信号及び前記励振位相算出手段によ
り求められた励振位相に基づいて、前記アンテナ
ビームが前記所望の指向方向へ指向するように前
記移相器の移相量を補正する移相量補正手段とを
具備することを特徴とするフエーズドアレイアン
テナ。