JPH0334706A

JPH0334706A - アレーアンテナ装置

Info

Publication number: JPH0334706A
Application number: JP1169540A
Authority: JP
Inventors: Motoharu Ueno; 上野　元治
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1991-02-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、主として移動体無線通信などに用いられる
アレーアンテナ装置に係り、特に所望信号の追尾機能を
持つアレーアンテナ装置に関する。

（従来の技術）高度化する移動体無線通信の分野においては、従来の技
術とは異なる種々の通信技術が求められている。アンテ
ナ技術に対しては、マルチパス・フェージングの対策、
所望信号の追尾機能などが重要な課題となっている。こ
の様な技術的課題を解決するものとして、アレーアンテ
ナが注目されている。

所望信号の追尾機能を持つアレーアンテナは、移動体無
線用として従来より多くの研究がなされている。その代
表的なものとしては、シンルビーム方式と、マルチビー
ム方式がある。シングルビーム方式は、アレーアンテナ
より放射される一つのビームによる走査で、所望信号の
探索・追尾を行なうものであり、モノパルス方式などと
併用されて追尾レーダ等に広く用いられている。しかし
ながら、シングルビーム方式は移動体無線通信に用いた
場合、移動体（例えば自動車）の急激な位置・方向の変
化に伴う所望信号方向の変化に対して、一つのビームの
方向を瞬時に変えて追従することが極めて難しいという
欠点を持っている。このような場合、所望信号に対する
追尾が行われれす、通信が不可能となる。

マルチビーム方式によれば、シングルビーム方式の上記
のような欠点が解消される。マルチビーム方式は、アレ
ーアンテナより多数のビームを放射し、常に広い空間角
度にわたって所望信号の探索・追尾ビームを形成し、そ
れぞれのビームの出力の中より最適な出力を選択するも
のである（受信の場合）。この方式は常に店い空間角度
にわたって所望信号の探索・追尾を行なうため、移動体
の急激な位置・方向の変化に伴う所望信号方向の変化に
対しても速やかに追従することが可能であり、この点か
らは移動体無線通信に適しているといえる。

しかし、マルチビーム方式ではアレーアンテナより多数
のビームを放射しなければならないため、その構成、特
に給電回路系が大規模、かつ複雑なものになってしまう
。すなわち、複数のビームを形成するために基本的に、
アレー素子全ての給電端に接続された、ビームの数と同
じ個数の給電回路が必要となる。従って、自動車無線通
信のように小型・軽量の通信装置が要求される場合には
、マルチビーム方式を適用することが困難であった。

（発明が解決しようとする課題）上述したように、従来のマルチビーム方式アレーアンテ
ナは、移動体無線通信に要求される所望信号の探索・追
尾機能を持つが、アレー素子の数と同じ個数の給電回路
を必要とするため、装置が複雑化・大型化するという問
題があった。

この発明は、所望信号の探索・追尾機能に優れ、しかも
給電回路の構成が簡単で小型化が容易であり、移動体無
線通信に適したアレーアンテナ装置を提供することを目
的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）この発明では、複数のアレー素子をマトリックス状に配
列したアレーアンテナの給電端に行方向ビーム形成用バ
トラマトリクス給電回路の各段のハイブリッドカップラ
と列方向ビーム形成用バトラマトリクス給電回路の各段
のハイブリッドカップラとを交互に縦続接続して、列方
向ビーム形成用バトラマトリクス給電回路の所定の段の
ハイブリッドカップラから、複数のビームにそれぞれ対
応してグループ化された複数のグループの出力を取出す
第１の混合器が設けられる。この第１の混合器の出力は
第２の混合器により前記グループ毎にそれぞれ位相及び
振幅の重みを付与されて混合され、複数のビームにそれ
ぞれ対応する複数の出力を形成する。そして、この第２
の混合器の複数の出力のうち、所定の一つの出力が所定
の動作規範に従って選択器により選択され、所望の受信
または送信ビームを形成する。

（作用）複数個（Ｎ個）のアレー素子により構成されるアレーア
ンテナのＮ個の出力は、第１の混合器により選択的に混
合され、Ｎ個の出力ａ。。

ａ３．・・・ａＮ−１を形成する。これらの出力ａ。。

ａｌ＋　・・・ａＮ−１は、それぞれアレーアンテナの
いくつかのアレー素子出力を混合した、いわゆるサブア
レー出力である。

このサブアレー出力ａ。、　　１．・・・ａＮ−１は、
形成しようとするマルチビームの数（−Ｍとする）同じ
数のグループに分けられ、それぞれのグループの出力を
混合するための第２の混合器に人力される。第２の混合
器では各グループの出力が位相、振幅についての重みを
与えられた後、混合されることにより、Ｍ個のビームＡ
。。

Ａ１．・・・ＡＭ−Ｈが形成される。ここで、形成され
るＭ個のビームが互いに隣接して形成されるように、第
１の混合器でのアレー素子出力の混合、出力のグループ
分け、及び第２の混合器での混合が行なわれることが望
ましい。

形成されたＭ個のビームに対応する第２の混合器の出力
は選択器に入力され、例えば最大の所望信号電力または
最大の所望信号電力対雑音比が得られるビームに対応し
た出力が選択されることにより、受信ビームが選択され
る。

そして、受信ビームとして選択されなかったビームが受
信ビームに隣接した探索ビームとして形成されるように
、それぞれの第２の混合器で位相、振幅の重みが変化す
ると共に、選択器において受信ビーム及び探索ビームに
対応した出力の所望信号電力または所望信号電力対雑音
比が測定される。この所望信号電力または所望信号電力
対雑音比が、受信ビームに対応した出力よりもある探索
ビームに対応した出力の方が大きくなると、当該探索ビ
ームに対応する出力が新たに選択され、受信ビームが切
換えられる。

（実施例）以下、図面を参照して、この発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示すアレーアンテナ装置
の構成図である。このアレーアンテナ装置は、アレー素
子１１，１２．・・・ＩＮをマトリクス状に配列してな
るアレーアンテナ１０と、第１の混合器２０と、第２の
混合器３１゜３２・・・３Ｎおよび選択器４０により構
成されている。また、選択器４０は切換器４１と制御器
４２により構成されている。

第１の混合器２０は、第２図に示すようにアレーアンテ
ナ１０の給電端に、行方向ビーム形成用バトラマトリク
ス給電回路の各段のハイブリッドカップラ２１と、列方
向ビーム形成用バトラマトリクス給電回路の各段のハイ
ブリッドカップラ２２を交互に縦続接続し、列方向ビー
ム形成用バトラマトリクス給電回路の所定の段のハイブ
リッドカップラ（この例では２２）から、複数のビーム
にそれぞれ対応してグループ化された複数のグループの
出力を取出すように構成されている。

第２の混合器３１，３２．・・・３Ｎは、第１の混合器
２０の出力を前記グループ毎にそれぞれ位相及び振幅の
重みを付与して混合し、複数のビームにそれぞれ対応す
る複数の出力を得るように構成されている。

選択器４０は、第２の混合器３１，３２．・・・３Ｎの
出力を切換器４１で受け、制御器４２により切換器４１
を制御することにより、第２の混合器３１，３２．・・
・３Ｎの出力のうち所定の一つの出力を選択するように
構成されている。

以下、本装置の動作を説明するが、その前に移動体無線
通信用のアレーアンテナに必要となる機能、特にこの発
明に関連の深い所望信号の追尾動作機能について簡単に
説明する。移動体無線通信用アレーアンテナの所望信号
の追尾動作機能としては、 ■所望信号の初期捕捉機能 ■所望信号の追尾・受信の機能が必要である。

さらに、移動体無線通信用のアレーアンテナでは、移動
体の変化に対処するため、実際に通信を行なっているビ
ーム（例えば受信ビーム）の外に、その受信ビームの周
辺を探索し、最適なビームを選択するために、 ■探索機能が必要となる。

これらの機能の時間的推移を示すと、第３図のようにな
る。既に述べたように、シングルビ−ム方式では、これ
らの機能を一つのビームを例えば時間的に切換えるため
、移動体の急激な位置・方位方向の変化に対処できない
。マルチビーム方式では、複数のビームによりこれらの
機能を分担しており、常に最適なビームを瞬時に選択す
ることができる。

以下、アレーアンテナ１０が第２図に示すようにＮ−４
Ｘ４−１６素子の平面アレーアンテナの場合を例にとり
具体的に説明する。アレーアンテナ１０の各アレー素子
１１〜ＩＮの出力は、第１の混合器２０により混合され
る。第１の混合器２０は、バトラマトリクス給電回路の
初段からある合成膜までのハイブリッドカップラにより
構成され、この例では行方向ビーム形成用バトラマトリ
クス給電回路の第１段のハイブリッドカップラ２１と、
列方向ビーム形成用バトラマトリクス給電回路の第１段
のハイブリッドカップラ２２により構成される。

なお、バトラマトリクス給電回路については、例えば文
献：　Ｍ、Ｕｅｎｏ、　　“＾Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　
ＤｅｋｌｇｎＦｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ　　ｆ’ｏｒ　　
Ｂｕｔｌｅｒ　　Ｍａｔｒｉｘ　　ａｐｐｌｉｅｄ　　
ＰＦＴＡｌｇｏｒｉｔｈｅｍ、　　　ＩＥＥＥ　　Ｔｒ
ａｎｓ、ｖｏｌ、ＡＰ−２２９，Ｎｏ、３゜Ｍａｒ、１
９８１に詳しく記載されている。

そして、ハイブリッドカップラ２２の出力が通常のアレ
ーアンテナ装置と同様に混合されることにより、それぞ
れの出力のグループが第４図及び下の表に示す各４個の
ビームのグループ（第０〜第２グループ）に対応するよ
うに、第１の混合器２０の出力がグループ分けされる。

第０グループ：　Ａ　００　　Ａ　（＋１　　Ａ　０２
　　Ａ　ｏ３第１グル−ブニＡ、。ＡｌｌＡｌ□　Ａ１
３第２グループ：Ａ２０　　Ａ２１　　Ａ２２　　Ａ２
３第３グループ：Ａ３０　　Ａ３１　　Ａ３２　　Ａ３
３例えば第０グループのビームＡ。０＋ＡＯ１＋Ａ　６
２．　Ａ　ｏ３に対応する第１の混合器２０の出力をａ
　ＯＯ＋　　Ｏ１＋　　ａ　０２＋　　８０３とすれば
１ビームＡ　ｏｒ　（ｊ−０，１，２，３）はＡｏＩ■Σ　Ｓ　ｊｈａ　ｏｈとなる。ここで、ＳＩ、は第２の混合器３１〜３Ｎによ
り付与される位相および振幅の重みの値であり、これを
適当に変えることで、各ビームのグループの中の一つの
ビームを選択的に形成することができる。

第２図における初期捕捉の段階では、第５図に示すよう
に各ビームの第０〜第３グループのそれぞれの中の４つ
のビームをそれぞれ４方向に走査することによって、各
グループで所望の信号出力が最も強い方向に向かう一つ
のビームが選択される。

Ａ　ｏｏ　（Ａ　ｏｒ）　Ａ　０２　　Ａ　ｏｊ”　　
Ａ　ｏｌＡ　ｓｏ　　Ａ　ｚ　（Ａ　Ｉ２）　Ａ　ｒ３
→　Ａ１２（Ａ２０）　Ａ２１　　Ａ２２　　Ａ２３→
　Ａ２゜（Ａｉｏ）　Ａ３１　　Ａ３２　　Ａ３３°（
Ａ　３０）　−Ａ　Ｊ。

上の表はその一例を示したもので、まず各ビームのグル
ープで、（）を付して示すビームＡ　０１．　Ａ　１２
．　Ａ　２６．　Ａ　３（１が選択される（実際には、
第１の混合器２０の第０〜第３グループの各出力のうち
、ビームＡｏ、、Ａ、、、Ａ２．．Ａ、。

に対応する出力が第２の混合器３１〜３Ｎにより選択さ
れる）。

次に、さらに−単位時間かけて、これらの４ビームＡＯ
Ｉ、　Ａ、２．　Ａ２．、　Ａ３ｏの中から、所望信号
電力が最も強いビーム、この例では（）を付して示すビ
ームＡ３ｏが制御器４２により受信ビームとして選択さ
れる（実際には、ビームＡ３．に対応する第２の混合器
３４の出力が選択される）。

受信ビームＡ）６が属する第３グループを除く第０〜第
２グループの３つのビームＡ。ｌ＋ＡＩ２＋Ａ２ｏは、
第５図に示すように受信ビームＡ３０の周囲に隣接して
形成され、探索ビームとなる。

そして、第２の混合器３１〜３Ｎの出力のうち、これら
の探索ビームＡ。、、Ａ、□、Ａ２゜に対応する混合器
３１〜３３の出力の所望信号電力と、受信ビームＡ３゜
に対応する混合器３４の出力の所望信号電力が制御器４
２により比較される。

比較の結果、探索ビームＡ、、、Ａ、□、Ａ２ｏに対応
する混合器３１〜３３の出力のうち、受信ビームＡ、。

に対応する混合器３４の出力より所望信号電力が大きな
出力があれば、切換器４１がその出力を新たに選択する
ように切換えられることにより、この出力に対応するビ
ームが新たな受信ビームとなるように、受信ビームの切
換えがなされる。このとき、例えば所望信号電力が最大
となるビームがＡ３゜からＡ２１に変化する場合でも、
高速に受信ビームの切換えが可能である。

このように、第１の混合器２０におけるバトラマトリク
スの所定の段（合成段）のハイブリッドカップラの出力
を第２の混合器３１〜３Ｎに導くことにより、特定のビ
ーム（受信ビーム）と、移動体無線通信用のアレーアン
テナの追尾機能に必要な、受信ビームに隣接する探索ビ
ームのみを極めて効率よく形成することができる。

なお、この発明は上記の実施例に限定されるものではな
い。例えば実施例では、１６個のアレー素子がマトリッ
クス状に配列された平面アレーアンテナを用いて４つの
ビームを常に形成するものとしたが、これは第１の混合
器２０の列方向ビーム形成用バトラマトリクス給電回路
の第１段のハイブリッドカップラから、４つのビームに
それぞれ対応してグループ化された４つのグループの出
力を取出すようにしたためであり、アレー素子の数や常
に形成するビームの数は種々変更できる。例えばアレー
素子数６４の平面アレーアンテナを用いたときは、１６
または４個のビームを常に形成することが可能である。

また、同数のアレー素子を用いた一次元アレーアンテナ
では、３２，１６，８，４．２個のビームを常に形成す
るアレーアンテナ装置を実現することが可能である。

また、コンフォーマル・アレーアンテナに代表されるよ
うに、任意の形状とアレー素子数を持つアレーアンテナ
においても、この発明を適用することが可能である。

さらに、上記実施例における第２の混合器においである
方向のビームを形成するための重み付けを、特開昭５９
−４４１０５号公報に記載されているように外部の電波
環境により適応的に変化させる、いわゆるアダプティブ
機能を持たせることにより、移動体無線通信用のアレー
アンテナに要求されるマルチパス・フェージング信号お
よび不要干渉信号の抑圧などの効果を持たせることもで
きる。

［発明の効果］この発明によれば、受信ビームと追尾に必要な受信ビー
ムに隣接する少数の探索ビームのみを効率よく形成する
ため、広い探索空間をカバーする多数のビームを常時形
成する従来のマルチビーム方式における装置の回路規模
の増大という問題を解決することができる。

しかも、初期捕捉の段階ではマルチビーム方式と同等な
高速性が実現でき、探索／受信（追尾）状態では常に隣
接するビームを形成しているために、移動体の急激な位
置・方位の変化に対しても十分な追尾機能を実現するこ
とができる。従って、移動体無線通信の品質の良好な確
保が可能である。

さらに、アダプティブアレーとしての機能をそれぞれの
ビームに持たせれば、優れたマルチパス・フェージング
抑圧効果を得ることができる。

すなわち、この発明によれば移動体無線通信用アレーア
ンテナ装置に要求される ■所望信号の初期捕捉機能 ■所望信号の追尾機能 ■マルチパス・フェージング抑圧機能を極めて簡便な装置構成により実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るアレーアンテナ装置の
構成を示す図、第２図は第１図における第１の混合器の
構成を示す図、第３図は同実施例における追尾機能の時
間的変化を説明するための説明図、第４図は同実施例に
より形成可能なビームのグループを示す図、第５図は上
記追尾機能のビーム空間における時間的変化の説明図で
ある。１０・・・アレーアンテナ１１〜ＩＮ・・・アレー素子２０・・・第１の混合器３１〜３Ｎ・・・第２の混合器４０・・・選択器４１・・・切換器４２・・・制御器

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数のアレー素子をマトリックス状に配列したア
レーアンテナと、このアレーアンテナの給電端に行方向ビーム形成用バト
ラマトリクス給電回路の各段のハイブリッドカップラと
列方向ビーム形成用バトラマトリクス給電回路の各段の
ハイブリッドカップラとを交互に縦続接続し、列方向ビ
ーム形成用バトラマトリクス給電回路の所定の段のハイ
ブリッドカップラから、複数のビームにそれぞれ対応し
てグループ化された複数のグループの出力を取出す第１
の混合器と、この第１の混合器の出力を前記グループ毎にそれぞれ位
相及び振幅の重みを付与して混合し、前記複数のビーム
にそれぞれ対応する複数の出力を得る第２の混合器と、この第２の混合器の複数の出力のうち、所定の一つの出
力を選択する選択器とを具備することを特徴とするアレ
ーアンテナ装置。
（２）前記第１の混合器及び前記第２の混合器は、前記
複数のビームが隣接して形成されるように構成されるこ
とを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
（３）前記選択器は、前記第２の混合器の複数の出力の
うち、最大の所望信号電力または最大の所望信号電力対
雑音比を持つ一つの出力を選択することを特徴とする請
求項１記載のアレーアンテナ装置。