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    公开号:WO1990005391A1
    申请号:PCT/JP1989/001120
    申请日:1989-10-31
    公开日:1990-05-17
    发明作者:Toshikiyo Hirata；Yujiro Taguchi；Tomoyuki Watanabe
    申请人:Toyo Communication Equipment Co., Ltd.；
    IPC主号:H01Q3-00
    专利说明:
    [0001] -ι· 細 書 フ ェーズド · アレイ アンテナ
    [0002] 技術分野
    [0003] 本発明は、 フ X—ズド ' アレイ アンテナに関し、 殊に アンテナエレメ ントへの多数の給電系統のいずれかに降 害が発生した場合に、 その影饗が他の系統に及ぶこ と を p方止し、 また残された系統によ って所望の性能を得られ るよ う にしたフヱ一ズド - アレイ アンテナの楛成及び制 御に関する。 従来技術
    [0004] アレイ アンテナは複数のアンテナエレメ ン ト を配列し その全部または一部のエレメン 卜 を励振するこ とによ つ て 、 単一のエレメ ントにては得られない種々の機能を持 つたものとするこ とができ 、 従来から様々な形態のァレ イ アンテナが実用に供されている。
    [0005] この中でも 、 各アンテナエレメ ントに給電する信号の 位相あるいは電力を電気的に変化させて放射ビーム方向 及びパターンを任意自在に制御する ものを一般にフエ一 ズド · アレイ アンテナと称し、 特に人工衛星を介した無 線通信用アンテナにはマイ クロス ト リ ップ型のフヱーズ ド - アレイ アンテナが多用されている。
    [0006] フエーズド ， アレイ アンテナの基本的揹成は例えば第 9図に示す通りである。
    [0007] 同図において 1はフェーズド - アレイアンテナ全体を 示し、 その内部は所定間隔にて配列した複数のアンテナ エレメント A 1 、 A2 、 - · · An とその各々に接続し た移相器 （Phase shifter ) 1 、 2 、 及 び分配器 DIV ( Divider ) とを有する。
    [0008] 更に、 前記移相器 1 、 2 、 ■ ■ · η は図示を省 略した制御器 C0NTからの信号によって夫々の移相量が制 御され、 前記分配器 DIV から供給される信号に所要の位 相推移を与えて各アンテナエレメント A l 、 Α2 、 - - • An に印加し、 またはこれらアンテナエレメントに誘 起した信号に同様の位相推移を付与して前記分配器 D I V に集め、 これらを合成した一つの信号を作出するもので、 この信号は例えば同図に示す如く分波器 ( Duplexer) を 介して送信機 TX 及び受信機 RX に接続する。
    [0009] 斯かるフェーズド - アレイアンテナの分配器 DIV の電 力分配率の制御あるいは移相器 1 、 2 、 · ■ - Φ η に於ける位相の制御は、 一般に P I Νダイ オード等のス ィ ツチング素子あるいは可変リアクタンス素子を備え、 各々への制御電圧を変化することによ り、 またはスィ ッ チングすべき素子の組合せを変えることによって行うの が一般的である。
    [0010] 一方、 P I Νダイオード等の半導体素子は比較的最大 許容熱損失が小さく 、 規定以上の電力を印加すると壊れ る虞が高く.、 設計上注意を要する。 しかし、 各制御素子における通過電力あるいは熱損失 発生を定格内に抑えたと しても、 多数の移相器、 分配器 及びアンテナエレメント或は各々を接続するケーブル類 のいずれかに障害を生じると、 分配器から当該降害系統 部に供給された電力の殆どまたは一部が降害部分から反 射し、 他の非降害系統に再分配され、 その結果、 障害系 統の数によっては他の系統へ供給される電力が大幅に増 加して、 前記許容定格値を越え非降害系統の素子をも破 壊して しま う虞がある。
    [0011] また、 全ての系統に陴害が無い状態に'おいて初めて各 々の回路の入出力ィ ンピーダンス整合が保たれるが、 そ のうち一つの系統にでも陴害を生ずるとその影響を受け て他の系統のイ ンピーダンス整合状態が保てなくなるこ と もある。
    [0012] したがって、 非障害系統の各ブロック入出力または内 部回路における電力反射または熱損失が増え、 よ り一層 回路素子の破壊の危険が増加すると云う問題点があつた , この不具合を除去するために、 従来送信高電力増幅器 に |ί章害の有無を検出する手段を設け、 障害箇所は判別で きないが、 いづれかに降害を検出すれば送信機の機能を 停止する等の手段を講じている。 '
    [0013] しかしながら、 上述の如く多数のアンテナ系統のうち 一つでも I！章害を生じた場合、 その全体の機能を停止する 従来の方法ではこれに係る通信設傰全体 'が機能を失う こ とになり極めて不都合である。 例えば、 近年研究が進められている航空機搭載用公衆 通信システム或はその他航法管理通信システムに使用す るアンテナである場合、 これらの通信システム全体の機 能停止は安全上極めて問題がある。
    [0014] 従って、 本発明は上記従来のフェーズド · アレイアン テナに於ける問題点を除去するためになされたものであ つて、 アレイアンテナシステムの系統に障害を生じた場 合であっても、 アンテナシステム全体の機能を損ねるこ となく 、 しかもこの降害が非障害系統に及ぶことを防止 することができるフヱーズド · アレイアンテナを提供す ることを目的としている， 発明の開示
    [0015] この目的を達成するために本発明に係るフヱーズド - アレイアンテナは各プロックの所要部に障害の有無を検 出する手段を設けると共に該手段にて得た結果に基づい て、 I！章害を有す系統に供給する電力を遮断するか又は陴 害系統に供給すべき電力を規定の終端抵抗にて消費させ ることによ り、 他の系統への隙害の波及を防止する。 また、 上記結果に基づいて各系統の移相器又は Z及び 分配器を制御して夫々の制御量を決定する。
    [0016] 即ち、 複数のアレイアンテナ夫々の耠電系統のうち、 どの系統に障害が生じたかを検知し、 その障害状況に応 じて残りの系統にて得られる最適の性能を確保するよ う に移相器、 分配器を制御する。 このときの制御手段と して、 例えば複数の系統のうち
    [0017] P章害が生じたものの組合せと、 それら各々に対する最適 な ifilj御ァルゴリズムとを予め記憶した記憶手段を備えて おき、 前記検出手段の結果と該記憶手段内容とから所要 制御信号を選定する。
    [0018] あるいは、 これらの制御信号設定アルゴリズムをァロ グラムと して記憶したコンピュータシステムを備え、 p章 害発生時にこのプログラム実行によつて、 最適な制御信 号を作出してもよい。
    [0019] したがって、 アレイ アンテナシステムに於て、 そのい くつかの系統に障害が生じた場合には降害の発生した系 統を切り離し、 且つ非降害系統に隙害が及ぶこ と を防止 し、 更には ι(章害の生じていない系統を用いて最適の制御 を行う ものである。 図面の簡単な説明
    [0020] 第 1 HIは本発明の第 1の基本的概念を説明するための ブロック図、 第 2図及び第 4図は移相器の降害検知手段 の一例を示す図、 第 3図はスィ ツチの一例を示す III路図、 第 5図は本発明の第 2の基本的概念を説明するためのブ ロック図、 第 6図は本発明に係るフェーズド · アレイァ ンテナの制御装置の一例を示すプロック図、 第 7図 （ a 〉 ( b ) は移相切換装置の一例を示すブロック図、 第 8図 は本発明の位相制御例を説明するためのプロック図、 第 9図は従来のフヱーズド · アレイアンテナを示すブロッ ク図である。 発明を実施するための最良の形態
    [0021] 以下、 この発明に係るフェーズド · アレイアンテナの
    [0022] 1¾造及びその制御方法の一実施例を図面を参照して詳細 に説明する。
    [0023] 第 1図は本発明の第 1の基本的概念を説明するための ブロック図である。
    [0024] 同図において A l 、 A 2 、 · · - A n 及び^ 1 、 2 . - - - Φ n 、 D I V は第 9図と同様に各々複数のアンテナ エレメ ントとその各々に付加した移相器及び分配器であ つて、 この実施例では更に前記移相器^ 1 、 4> 2 、 · · - Φ Ά の入出力端に障害検知回路 DET 1 、 DET 2 、 - - • DET η を、 また移相器と分配器との間にスィ ツチ SW 1 、 SW2 、 · · ' SWnと終端抵抗！ 、 R、 · · · R とを設け 前記障害検知回路 DET の出力に基づいて各スィ ツチ SWを 開閉するように構成する。
    [0025] この構成において障害検知回路 DET 及びスィ ツチ SWの 詳細については後述するが、 いずれかの移相器に障害が 発生すると、 当該系統の障害検知回路 DET から信号が出 力され、 対応する前記スィ ツチ SWを起動して、 分配器か ら移相器に供給される電力を終端抵抗 R に通電する。 この結果、 障害を生じた移相器系の供給電力が遮断さ れ、 当該系統の分配器出力端は規定のイ ンピーダンス抵 抗にて終端—されることになるから前記移相器に生じた障 害が他の系統に影響を及ぼすことがなく 、 また、 イ ンピ 一ダンスの乱れは生じない。
    [0026] 次に上記障害検知回路 DET の具体例について説明する。 第 2図は前記障害検知回路 DET の一実施例を示す橘成 図であって、 移相器 の入力、 出力各々のス 卜 リ ップ線 路ライ ン I Nと OUT に僅かな間隙をもつて所要長のス 卜 リ ップライ ン S L in、 S L out を平行に設け、 該ス ト リ ッ プライ ン Sし in、 Sし out に誘起する信号電流をダイ才 ード Dl、 D2、 コンデンサお、 C2及び抵抗 Rl、 R2によ り整 流した後、 比較器 COM によって両者の大小関係を検出す るよ う檑成したものである。
    [0027] この構成によれば、 移相器^に障害が生じれば入力す る電力と出力する電力に所定以上の差が生じるから、 前 記比較器 COM 出力はそれに応じた出力電圧となる。
    [0028] 従って、 この電圧を監視することによって、 少なく と も移相器 ^の障害を検知することができる。
    [0029] 次に上記スィ ツチ SW の具体例について説明する。
    [0030] 上記スィ ツチ SWと しては同軸リ レーを用いれば簡単に 実施することができるが、 本実施例では第 3図に示すよ うな回路を用いる。
    [0031] 同図において 1 1はスィ ツチ SWの入力端であり、 A は 通常時に高周波電流が流れる回路、 B はアンテナ系統に 障害が生じた場合に高周波電流が流れる回路である。
    [0032] 回路 Aにおいて 1 2は λ / 4伝送路であり、 コンデン サ 1 3及びコンデンサ 1 4を介して出力端 1 5に接続し ている。 コンデンサ 1 3と 1 4との間にはダイ オード 1 6、 コィノレ 1 7及びダイオード 1 8が並列に接続され、 前記コィル 1 7には図示を省略した前記障害検知回路 DE T の出力に基づくバイァス電流を流すよう構成する。
    [0033] —方、 回路 Bも回路 Aと同様の構成にするが、 回路 B の出力端には終端 «t R を接続する。
    [0034] このよ うに構成したスィ ツチに於てコイル 1 7にバイ ァス電流を流すとダイオード 1 6 、 1 8に電流が流れて 該ダイォード 1 6 、 1 8が導通し、 その結果入力端 1 1 から見た回路 Aのィ ンピーダンスが∞となり、 入力端 1
    [0035] 1からみて回路 Aには高周波電流が流入せす' 、 結果的に 該スィ ツチ SWが O F Fとなることになる。
    [0036] このとき回路 Bのコィル 1 7にはバイァス電流を流さ ないことにすれば、 回路 Aとは逆に入力端 1 1からみた インビーダンスが ΤΓとなり、 回路 Bに高周波電流が流れ 該スィ ツチ SWは 0 Nとなる。 この両バイァス電流を前記 障害検知回路 DET の出力に基づいて変化させることによ つてスィ ツチ SWを起動し、 高周波電流の通路を切り替え ることができる。
    [0037] 尚、 前記障害検知回路 DET は上述した方法に限らず種 々のものが考えられる。
    [0038] えば第 4図に示すように移相器 の入力端に入力信 号電力と反射電力との比を検出する手段を備え、 その比 が所定値以上になったとき、 障害と判断する方法でもよ い . また、 このよ うな反射電力測定手段を各アンテナエレ メン卜の入力端に設ければ、 アンテナエレメントの降害 を検出可能であり、 同様にその他のブロ ックの入力端に 設けてもよいことは云う までもない。
    [0039] 更に本発明の変形実施例と して障害検知回路 DET の出 力によ り制御器 C O N Tを動作させ、 送信機 TX、 スイ ツ チ SW 等を制御し、 又は障害箇所を表示してもよい。
    [0040] このよ う にアレイ アンテナを制御するこ とによ つて、 他系統への降害の波及を防止することがよ り確実になる。 上述したアレイアンテナの構成及び制御は系統に障害 が発生した際に該障害が他の非降害系統に影響を及ぼす ことがないよ うなされたものであって、 この考えを更に 発展させ、 ある系統に障害が生じた場合であっても、 残 りの非降害系統を用いて所望の性能、 即ち、 指向性パタ ーンあるいはビーム掃引角度等が所定の規格を満たすよ う制御するフヱーズド · アレイ アンテナの構成及び制御 方法について以下詳細に説明する。
    [0041] 第 5図は本発明の第 2の基本的概念を説明するための ブロック図である。
    [0042] 同図において A l 、 A 2 、 · · · Α η 及び^ 1 、 φ 2 、 ■ ■ · φ η は第 1図及び第 9図と同様に各々複数のアン テナエレメントとその各々に付加した移相器であつて、 この実施例では分配器と して可変分配器 VD I Vを用い、 更 に、 前記移相器の入出力端に障害検知回路 DET1 、 DET2 、 - - · DETnと制御装置 C0NTを有したこと を特徴と してい る。 · 前記可変分配器 VD IVは重み付け回路を内蔵しており、
    [0043] ίΜ御装置 C0NT出力によ り各系統に供給する電力を任意に 制御する機能を有す。
    [0044] 該制御装置 C0NTは前記障害検知回路 DET1 、 DET2 、 - - · DETnからの信号を監視し、 且ついづれかから降害検 知信号が出力されると、 その結果に基づいて前記移相器
    [0045] 、 小 2 、 · . · n 又は Z及び可変分配器 VD I Vへの 制御信号を変化し、 当該障害系統への電力供袷を停止す ると共に非障害系統への電力分配と夫々の位相関係再び 設定する。 .
    [0046] この再設定は、 例えば非障害系統の数及びアンテナァ レイの位置夫々の状況によ り判断し、 該状況に応じて最 良の状態となるよう制御を行い、 所望の性能、 即ち指向 性パターンあるいはビーム掃引角度及び各方向に対する 利得等が所定の規格を満たすよう設定するものである。
    [0047] この方法によれば、 複数の系統のいづれかに障害が発 生しても、 障害系統を除いた残りの系統を動作せしめ、 ある程度アンテナと して機能を確保できるので通信不能 に陥ることがない。
    [0048] 次に上記制御装置 C0NTの具体例について説明する。
    [0049] 第 6図は制御装置 C0NTの内部構成の一部を示すプロッ ク図であつて、 各障害検知回路 DET からの信号によつて、 障害発生の有無とその箇所を判別すると共に、 その情報 を所定のデジタル信号に変換して出力するマトリ ックス 回路 MAT と、 このデジタル信号を受けて、 内部に記憶し · 前記デジタル信号夫々に対応した制御信号を選出する記 憶回路 ROM と、 該記憶回路 ROM からの信号に対応して位 相器 又は Z及び分配器 D I V への制御信号を作出する制 御信号発生部 CONT. S I Gとを備えたものである。
    [0050] このうち、 前記記憶回路 ROM には全ての系統の障害状 況に対応して出力すべき制御信号を、 例えば障害状況を 示す符号 （ビッ ト列） をアドレスと して記億せしめる。
    [0051] このときの制御信号は予め障害系統の数とその組合せ をシユミレ一シヨ ンして、 そのときの非 II章害系統を如何 に制御すればよ り機能的に機能せしめ得るかを検討した う えで決定する。
    [0052] また、 この制御信号は非障害系統の位相器の移相量を 増減す！)信号及び/または分配器の電力分配率を変更す るものである。
    [0053] 各移相器あるいは分配器におけるこれらの設定は移相 回路方式及び分配回路方式によ り異なるが、 移相器の方 式が第 7図 （ a ) の如くダイ才一ドの反射係数を変える
    [0054] 3 cl Bカプラ形であれば、 該ダイ才ードに印加する電圧 を変えることによ り、 又第 7図 （ b ) のよ うに伝送路-艮 を切り換える線路切換形では同様に導通するダイォー ド を選択すればよい
    [0055] また、 前記記憶回路 ROM に記億する内容を簡単にする 方法と して、 各種降害の有無及びその箇所を入力して再 制御決定手順を決めたプログラムをメモリ してもよい。 即ち、 障害の生じた系統からの情報を読み取り、 その 結果非障害系統をどのように制御すべきかを決定するた めのシーケンスコントロールプログラムを記憶回路 ROM ないにメモリ しておき、 このプログラムを図示を省略し た C P U にて実行しその都度出力すべき制御信号を作出す るものである。
    [0056] このようにすれば系統が多数に及ぶ場合であっても記 憶すべき容量が比較的少なくて済むメリ ッ トがある。 前記障害検知回路 DET は前記第 3図及び第 4図に示し た如き構成のものを用いればよい。
    [0057] 第 8図はアンテナエレメントが 8ケのフヱーズド - ァ レイアンテナのは一例を示した図で、 例えば指向性を基 準方向から 35' 方向に形成する場合は全てのアンテナと 移相器が正常な場合は下表の最上段の如く移相器^ 1 を 基準 （移相置 0' 〉 と し、 移相器 2 から順に約 103. 2 度の差をもって信号を制御する。
    [0058] この状態で移相器 4 1 またはアンテナ # 1 の系統に障 害が発生した場合、 従来のアンテナシステムではシステ ム全休をダウンして他の系統に障害が及ぶのを防止して いたか、 或は該障害系統への耠電を停止し、 他の系統を そのまま運用するに止まつていたため所望の指向特性を 得ることができなかったこと上述の通りである。 表一
    [0059] そこで、 この実施例では以上説明した手段を用いて P 害箇所を検知し、 この場合であれば第 1表 2段目に示す 如く移相器 ^ 2 を 0' (基準） と し以下顺次ーつづつず らして制御する。
    [0060] この方法によれば、 何等移相制御に変更を加えない場 合に比べて指向特性が向上し、 しかも现論的な指向性形 成が可能となる。
    [0061] 尚、 移相器 0 1、 と 2が共に故降した場合は、 同第 1 表第 3段のよ うにこれらを除いた他の系統について同様 の位相制御を行う 。
    [0062] また、 両则以外中間の移相器の降害、 例えば秽相器 ^ 3 或は ^ 6 等の降害に際しては他の移相器の位相 は特 に変更する必要はない。
    [0063] 以上の説明では移相器の移相制御置についてのみ言及 したが、 フヱーズド ' アレイアンテナが各系統への給電 電力に ¾み ί寸けを行う ものである場合に降害の状況に応 じて非降害系統への重み付けを再設定することも性能を 向上する うえで有効であろう β
    [0064] この蜇み付けの方法と しては例えばチヱビシ フの蜇 み付けが知られており、 該方法によ り行ってもよいし、 またこの方法に限定する必要はない。
    [0065] また隙害の影響が他の系統に及ぶのを防ぐために隙害 が発生した移相器の入力端或は出力端を第 1図において 示したよ うに規定の抵抗またはィ ンビーダンス素子によ つて強制的に終端し、 当該部分のィ ンビーダンス不整合 を防止するよ う構!^しても差し支えない， 産業上の利用分野
    [0066] 以上説明したようにこの発明によればフェーズド · ァ レイアンテナにおいて筏数の耠電系統のいづれかに降害 が生じた場合、 その状況に応じて他の移相器の位相制御 置或は分配電力を再設定するようにしたので、 非降害系 統によ り最適の制御が可能となり、 フェーズド · アレイ アンテナの性能を^上するうえで著しい効巢を有する。
    权利要求:
    Claims

    請求の範 Uil
    1 · 筏数のアンテナエレメントとこれらに対応して設け た移相器に分配 ¾を介して信号を入力しまた出力するフ ェ一ズド ' アレイアンテナにおいて、 前記筏数のアンチ ナエレメ ン トまたはこれらへの給電系統のいずれかに降 を生じた場合、 降害を生じた 系統の入出力端を規 定の坻抗またはィ ンビ ダンス素子にて終端し、 供袷す べき ¾力を該抵抗またはイ ンビー'ダンス素子にて消費し たこと を特徴とするフヱーズド · アレイアンテナ，
    2 . 前記隙窖がいずれの系統であるかを検知する手段と、 該^知お !ί某に基づいて作動するスィ ツチング手段と、 洪 i ¾力を消費せしめる終端抵抗成はイ ンビーダンス素子 と を有し、 隙害が生'じた場合に給電系統に される電 力を前記抵抗成はィ ンビ，ダンス素子にて消費するよう 成したことを特徴とする請求の範 BIJ第 1项記鉞のフエ —ズド · アレイアンテナ， .
    3 . 複数のアンテナエレメントとこれらに対応して設け た移相 に分配器を介して信号を入力しまたは出力する フェーズド · アレイアンテナにおいて、 前記複数のアン テナエレメントまたはこれらへの給 ¾系統のいずれかに |1庠喾を生じた場合、 その陴窖状況に応じ非陴害系統への 給 i 位相及び Zまたは分配率を制御したことを特徴とす る フヱ一ズド ' アレイ アンテナ ·
    4 . 前記陴窖がいずれの系統であるかを検知する手段と、 u 状況及びその各々に対応して出力すべき刺柳信号を 予め記憶した記憶手段とを偏え、 降窖の発生に際し前記 検知 mに対応した制柳信号を前記記憶手段から出力し たことを特徴とする請^の範 101第 4 ϊ頁記載のフエーズド
    - アレイアンテナ，
    5 . '前記制御信号が、 前記分配器における各系統への ¾ 力分配-率と、 前記移相器の移相 Λ度とを制鯽する信号を 含んだものであることを特徴とする請求の 第 4項及 び笫 5 ¾記載のフエーズド · アレイアンテナ，
    6 . 前記隙害がいずれの系統であるかを検知する手段は 移相器の入出力端に於いて誘起する信号の差を検出する か、 或は移相^の入力端に入力信号 ¾力と反射信号電力 との比を検出する手段により行ったことを特徴とする請 一の範 11£1第 1 ¾、 第 2 J貝、 第 3頊、 第 4 ¾及び第 5項記 のフ ヱーズド · アレイ アンテナ
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    KR100613740B1|2006-08-23|페이즈드 어레이 안테나 교정 시스템 및 방법
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    AU4482789A|1990-05-28|
    CA2001922A1|1990-04-30|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1990-05-17| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AU US |
    1990-05-17| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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