JP2011053141A

JP2011053141A - アレーアンテナの開口分布測定方法

Info

Publication number: JP2011053141A
Application number: JP2009203664A
Authority: JP
Inventors: Hisataka Kojima; 央任小島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】直線上に配列された複数の放射素子アンテナからなるアレーアンテナの開口分布測定法において、従来は離散フーリエ変換を元にしているため、実測した放射パターンにおける微小なサイドローブの上昇や主ビーム方向の傾き等の原因を分析しようとしても、サンプル点が離散的で制約を受けるため、放射パターンの詳細解析が困難であった。
【解決手段】可視領域の放射パターンを不可視領域まで伸長することで、フーリエ変換における可視領域端での不連続を除去する。
【選択図】図１

Description

この発明は、直線上に配列された放射素子アンテナからなるアレーアンテナについて、励振振幅及び位相分布を測定する開口分布測定方法に関するものである。

アレーアンテナは、直線または平面上に配列された放射素子アンテナを所望の励振振幅及び位相で励振することで、所望のビーム形状、サイドローブ形状を得るものであり、通信またはレーダー分野において広く用いられている。

しかしながら、実際に製造したアレーアンテナの励振振幅及び位相分布は、給電回路や素子アンテナの製造誤差、または素子アンテナ間の相互結合の影響により、所望の励振振幅及び位相からずれてしまい、ビーム形状の変動、利得の低下またはサイドローブの上昇等の問題が生じる。そのため、実際に製造したアレーアンテナの励振振幅及び位相を測定して、設計または試験調整に反映することが必要となる。

上記のようなアレーアンテナの励振振幅及び位相の測定方法として、最も良く知られているのはアンテナの近傍界測定によるものである。これは、アレーアンテナの近傍にプローブ用アンテナを設置し、プローブ用アンテナをアレーアンテナの周囲に平面状、円筒状または球状に走査させ、電磁界分布を測定することで、アレーアンテナの励振振幅及び位相分布を求めるものである。近傍界測定は様々な形状のアレーアンテナ及び反射鏡アンテナに対して適用可能であるが、プローブ用アンテナを高精度に走査させるための専用試験装置が必要であり、また測定に時間を必要とすることから、量産品における試験調整には不向きである。

また、直線上に配列されたアレーアンテナに限定された開口分布測定方法ではあるが、測定した遠方界の放射パターンから励振振幅及び位相を求める方法として、非特許文献１に示す従来技術が知られている。

Gary E.EVANS著「Antenna Measurement Techniques」Artech House,1990,PP109-111

非特許文献１に示すような従来の技術では、実測したアレーアンテナの放射パターンを利用した離散フーリエ変換を元にして、開口分布を測定している。このため、回転台を回転させて放射パターンを測定する際に、回転台の回転角度θに対し、sin(θ)が一定間隔になるように測定角度点を定める必要があった。

そのため、従来技術では、実測した放射パターンにおける微小なサイドローブの上昇や主ビーム方向の傾き等の原因を分析しようとしても、サンプル点が離散的であり、なおかつ制約を受けるため、問題となる放射パターンの現象を詳細に解析することが困難であった。

この発明は係る課題を解決するために為されたものであり、サンプル点が離散的であっても、実測した放射パターンにおける微小なサイドローブの上昇や主ビーム方向の傾き等の原因を分析することの可能なアレーアンテナの開口分布測定方法を得ることを目的とする。

この発明によるアレーアンテナの開口分布測定方法は、直線上に配列された複数の放射素子アンテナからなるアレーアンテナについて、実測した放射パターンのフーリエ変換により、励振振幅及び位相を求めるアレーアンテナの開口分布測定方法であって、
実測した可視領域（−ｋ≦ｕ≦ｋ、ｕ＝ｋｓｉｎ（θ）、ｋは波数）の放射パターンＦ（θ）（θは位相）と、素子パターンｇ（θ）とから、式１を用いて、１以上の自然数Ｍに対して不可視領域（−（２ｍ＋１）ｋ≦ｕ≦（２ｍ＋１）ｋ（ｍは−Ｍ以上Ｍ以下の整数））まで放射パターンを伸長した上で、フーリエ変換を行なうことにより、励振振幅位相分布Ｅ（ｘ）を求めることを特徴としたアレーアンテナの開口分布測定方法である。

この発明によれば、可視領域端での不連続を除去し、実測した放射パターンにおける微小なサイドローブの上昇や主ビーム方向の傾き等を分析することができる、という効果を奏する。

アレーアンテナの放射パターンを例示する図である。この発明に係る実施の形態１による励振振幅の例を示す図である。

実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。
図１において、（ａ）は不可視領域まで伸長したアレーアンテナの放射パターン（Ｆ´ａ（ｕ））の例を示す図、（ｂ）は実測された可視領域での放射パターン（Ｆａ（ｕ））の例を示す図、（ｃ）はアレーアンテナの放射パターン（Ｆ（θ））の例を示す図、（ｄ）は素子アンテナの素子パターン（ｇ(θ)）の例を示す図、（ｅ）はアレーアンテナの直線的な素子配置例を示す図、（ｆ）はアレーアンテナの励振振幅及び位相分布のスペクトルを示す図である。図１（ｅ）の例では、素子間隔で配列された素子アンテナ２が、アレーアンテナ１を構成している。

図１（ｃ）に示すようなアレーアンテナの放射パターンF（θ）（θは位相）は、次式２で表される。

離散フーリエ変換と通常のフーリエ変換の関係から、式２を連続波源の形に改めると、次式３のようになる。

ここで、Ｌはアレーアンテナ１の開口長さ、Ｎは波源の数（１以上の整数）、ｎは−Ｎ/２からＮ/２の自然数、ｄは素子アンテナの間隔（ピッチ）、Ａ_ｎは振幅であり、Ｅ（ｘ）はアレー素子位置ではアレーアンテナ１の励振振幅及び位相の複素表示であり、それ以外は０となる関数である。
式２から、放射パターンからＥ（ｘ）を求めると、次式４になる。

但し、Ｆａ（θ）は実測された可視領域（−ｋ≦ｕ≦ｋ、ｋは波数）の放射パターンを、アレーアンテナを構成する素子パターンｇ(θ)（例えば図１（ｄ）のパターン）で割ったものである（Ｆａ（θ）＝Ｆ（θ）/ｇ(θ)）。

式４は、例えば時間軸波形のフーリエ変換により周波数スペクトルを求める式と同様である。しかし、アレーアンテナの場合、素子波源が離散的に分布しているため、励振振幅及び位相分布のフーリエ変換は、図１（ａ）に示すような周期性を有する無限連続したスペクトルとなり、そのうち可視領域と呼ばれる一部のみが図１（ｂ）に示すような実測された放射パターンとして測定される。そのため、実測したアレーアンテナの放射パターンをフーリエ変換しても、可視領域端での不連続が生じ、正確な励振振幅及び位相分布を求めることが難しい。

そこで、この実施の形態１のアレーアンテナの開口分布測定方法では、実測された可視領域での放射パターンＦａ（ｕ）を用いて、放射パターンを可視領域から不可視領域まで伸長することで、可視領域端での励振振幅及び位相分布に関する解析結果の不連続を除去する。
不可視領域は、例えば−（２ｍ＋１）ｋ≦ｕ≦（２ｍ＋１）ｋ（但し、ｍ＝−Ｍ,・・・,Ｍ）において、次式５のように放射パターンが与えられる。

ここで、Ｍは１以上の自然数であり、励振振幅及び位相の解析精度を決めるパラメータである。また、evenは偶数、oddは奇数を示す。
式５のＦ´ａ（ｕ）を用いて、式６のようにフーリエ変換することで、各素子アンテナの励振振幅及び位相を求めることが可能である。

次に、実施の形態１によるアレーアンテナの開口分布測定方法による、放射パターンの振幅分布の解析例について説明する。図２は実施の形態１のアレーアンテナの開口分布測定方法による、リニアアレーアンテナの放射パターンの解析効果を説明するための図である。図において、図２（ａ）はＸバンド１４素子のリニアアレーアンテナの放射パターンの解析値であり、励振振幅は一様分布である。素子間隔は２４ｍｍとしている。図２（ｂ）は図２（ａ）の放射パターンを式３によりフーリエ変換した結果を示す図である。図２（ｂ）において一様分布に近い励振振幅が得られているが、積分領域が可視領域に限定されていることで、可視領域端での不連続が生じ、正確な励振振幅が求められていないことがわかる。

図２（ｃ）は、実施の形態１によるアレーアンテナの開口分布測定方法を適用し、式５、式６を用いてリニアアレイアンテナの励振振幅を求めた解析結果を示す図である。この解析にあたり、Ｍ＝１０とし、かつアンテナの故障を検出できることを例示するために、右から３番目の素子の振幅を１/２に減じた場合について解析を行った。

図２（ｃ）から解るように、所望の素子アンテナ位置に鋭いスペクトルを得ており、励振振幅も再現できていることが確認できる。また、右から３番目の素子以外の振幅が一致しており、右から３番目の素子のみ１/２に振幅が低下していることが再現できており、この実施の形態１によるアレーアンテナの開口分布測定方法の有効性を確認することができる。

以上説明した通り、実施の形態１によるアレーアンテナの開口分布測定方法は、直線上に配列された複数の放射素子アンテナからなるアレーアンテナについて、実測した放射パターンのフーリエ変換により、励振振幅及び位相を求めるアレーアンテナの開口分布測定方法であって、
実測した可視領域（−ｋ≦ｕ≦ｋ、ｕ＝ｋｓｉｎ（θ）、ｋは波数）の放射パターンＦ（θ）（θは位相）と、素子パターンｇ（θ）とから、Ｆａ（θ）＝Ｆ（θ）/ｇ(θ)として、式５及び式６を用いて、１以上の自然数Ｍに対して不可視領域（−（２ｍ＋１）ｋ≦ｕ≦（２ｍ＋１）ｋ（ｍは−Ｍ以上Ｍ以下の整数））まで放射パターンを伸長した上で、フーリエ変換を行なうことにより、励振振幅位相分布Ｅ（ｘ）を求めることを特徴としたアレーアンテナの開口分布測定方法である。

この実施の形態１のアレーアンテナの開口分布測定方法によれば、可視領域端での不連続を除去し、実測した放射パターンにおける微小なサイドローブの上昇や主ビーム方向の傾き等を分析することが可能となる。

１アレーアンテナ、２素子アンテナ。

Claims

直線上に配列された複数の放射素子アンテナからなるアレーアンテナについて、実測した放射パターンのフーリエ変換により、励振振幅及び位相を求めるアレーアンテナの開口分布測定方法であって、
実測した可視領域（−ｋ≦ｕ≦ｋ、ｕ＝ｋｓｉｎ（θ）、ｋは波数）の放射パターンＦ（θ）（θは位相）と、素子パターンｇ（θ）とから、数１を用いて、１以上の自然数Ｍに対して不可視領域（−（２ｍ＋１）ｋ≦ｕ≦（２ｍ＋１）ｋ（ｍは−Ｍ以上Ｍ以下の整数））まで放射パターンを伸長した上で、フーリエ変換を行なうことにより、励振振幅位相分布Ｅ（ｘ）を求めることを特徴としたアレーアンテナの開口分布測定方法。