特許 7023564 アンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-14

(45)【発行日】2022-02-22

(54)【発明の名称】アンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 21/06 20060101AFI20220215BHJP

   H04B 7/0413 20170101ALI20220215BHJP

   H01Q 3/30 20060101ALI20220215BHJP

   G01S 3/46 20060101ALI20220215BHJP

   G01S 7/02 20060101ALI20220215BHJP

【ＦＩ】

H01Q21/06

H04B7/0413 300

H01Q3/30

G01S3/46

G01S7/02 218

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2017196160

(22)【出願日】2017-10-06

(65)【公開番号】P2019071528

(43)【公開日】2019-05-09

【審査請求日】2020-10-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000004330

【氏名又は名称】日本無線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126561

【弁理士】

【氏名又は名称】原嶋 成時郎

(72)【発明者】

【氏名】時枝 幸伸

(72)【発明者】

【氏名】西山 拓真

(72)【発明者】

【氏名】小田 康明

【審査官】赤穂 美香

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０５８３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１５４３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０４２０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９０２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２８８４９７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０５４６７３７２（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ ２１／０６

Ｈ０４Ｂ ７／０４１３

Ｈ０１Ｑ ３／３０

Ｇ０１Ｓ ３／４６

Ｇ０１Ｓ ７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水平方向に複数の配設位置が設けられ、前記配設位置のうち一部の配設位置に実在アンテナ素子が配設され、他の配設位置には前記実在アンテナ素子が配設されない仮想アンテナ素子が配設された水平アンテナ素子群が、垂直方向に複数、かつ、端部が水平方向にずれるように配設された２次元アレーアンテナと、処理部とを備え、
各前記水平アンテナ素子群は、
前記実在アンテナ素子間の位相差を利用して前記仮想アンテナ素子の信号を補間できるように前記実在アンテナ素子が配設され、
前記実在アンテナ素子の配設位置に対応する数値を最上行として並べるとともに前記実在アンテナ素子の配設位置に対応する前記数値を符号反転した数値を最左列として並べてこれらの数値を縦横加算した行列内の数値である共分散行列の独立成分が連番であり、
かつ、垂直方向に並ぶいずれかの列の前記実在アンテナ素子の共分散行列の独立成分が連番になるように水平方向にずれて配置されており、
前記処理部は、
すべての前記実在アンテナ素子に対する共分散行列の独立成分を前記水平アンテナ素子群に対応する水平独立成分群ごとに垂直方向に並べ、前記水平独立成分群ごとにフーリエ変換を行い、
前記フーリエ変換の結果に基づいて、垂直方向における前記水平独立成分群の重なりが多くなるように、前記水平独立成分群を水平方向にずらし、
水平方向にずらされた前記水平独立成分群を垂直方向にフーリエ変換する、
ことを特徴とするアンテナ装置。

【請求項2】

ある特定の実在アンテナ素子の位置を基準点とし、その基準点から他の実在アンテナ素子の相対位置によって決まる位相差を利用して仮想アンテナ素子の信号を生成する演算規則に基づき、任意の配設位置における仮想アンテナ素子の信号を生成するための実在アンテナ素子間の対応関係を保持し、前記保持した対応関係に基づいて仮想アンテナ素子の信号を生成する、ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。

【請求項3】

前記処理部は、水平方向のフーリエ変換の結果に対し、各配設位置に基づく位相回転を施し、垂直方向における前記水平独立成分群の重なりが多くなるように、前記水平独立成分群を水平方向にずらす、ことを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。

【請求項4】

前記処理部は、水平方向と垂直方向の処理の順序を入れ替えての実施が可能である、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数のアンテナ素子（放射素子）が水平方向と垂直方向に配設されたアンテナ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーダーのアレーアンテナ装置において、分解能を高めるにはアンテナの開口長を大きくすることが有効である。しかしながら、多くのアンテナ素子を配設すると、コストが嵩むばかりでなく、回路規模や演算規模が大きくなり実用化が困難になるおそれがある。一方、少ないアンテナ素子を長い開口に配設すると、グレーティングローブが発生して測角できる角度範囲が狭くなり、真の方位を推定できなくなる。

【0003】

このため、少ないアンテナ素子で大開口と同等の性能を得るための手法として、共分散行列を利用したＫｈａｔｒｉ－Ｒａｏ積（以下、「ＫＲ積」という）拡張アレーが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。詳細は後述するが、このＫＲ積拡張アレーは、所定の間隔で直線状に配設されるべき実在アンテナ素子のうち、所定の条件を満たす一部の位置に仮想アンテナ素子を配設する（実在アンテナ素子を配設しない）ことで、あたかもすべての位置に実在アンテナ素子が配設されたとみなせるものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】Ｗ．Ｋ．Ｍａ，ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ．５８，ｎｏ．４，ｐｐ．２１６８－２１８０， Ａｐｒｉｌ ２０１０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、方位と高さを検出するには、複数の実在アンテナ素子を水平方向（横方向）と垂直方向（縦方向）に２次元、格子状に配設する必要があるが、多くの実在アンテナ素子を要する。しかも、実在アンテナ素子の大きさや給電ポートの大きさなどの制約によって、実在アンテナ素子を理想的に配設できない場合がある。また、上記非特許文献１に示すような技術では、実在アンテナ素子が直線状に配設されたアンテナのみを対象とし、実在アンテナ素子を２次元に配設する場合については開示されていない。

【0006】

そこで本発明は、少ない実在アンテナ素子で方位と高さを検出することが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、水平方向に複数の配設位置が設けられ、前記配設位置のうち一部の配設位置に実在アンテナ素子が配設され、他の配設位置には前記実在アンテナ素子が配設されない仮想アンテナ素子が配設された水平アンテナ素子群が、垂直方向に複数、かつ、端部が水平方向にずれるように配設された２次元アレーアンテナと、処理部とを備え、各前記水平アンテナ素子群は、前記実在アンテナ素子間の位相差を利用して前記仮想アンテナ素子の信号を補間できるように前記実在アンテナ素子が配設され、前記実在アンテナ素子の配設位置に対応する数値を最上行として並べるとともに前記実在アンテナ素子の配設位置に対応する前記数値を符号反転した数値を最左列として並べてこれらの数値を縦横加算した行列内の数値である共分散行列の独立成分が連番であり、かつ、垂直方向に並ぶいずれかの列の前記実在アンテナ素子の共分散行列の独立成分が連番になるように水平方向にずれて配置されており、前記処理部は、すべての前記実在アンテナ素子に対する共分散行列の独立成分を前記水平アンテナ素子群に対応する水平独立成分群ごとに垂直方向に並べ、前記水平独立成分群ごとにフーリエ変換を行い、前記フーリエ変換の結果に基づいて、垂直方向における前記水平独立成分群の重なりが多くなるように、前記水平独立成分群を水平方向にずらし、水平方向にずらされた前記水平独立成分群を垂直方向にフーリエ変換する、ことを特徴とするアンテナ装置である。

【0008】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、ある特定の実在アンテナ素子の位置を基準点とし、その基準点から他の実在アンテナ素子の相対位置によって決まる位相差を利用して仮想アンテナ素子の信号を生成する演算規則に基づき、任意の配設位置における仮想アンテナ素子の信号を生成するための実在アンテナ素子間の対応関係を保持し、前記保持した対応関係に基づいて仮想アンテナ素子の信号を生成する、ことを特徴とする。

【0010】

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のアンテナ装置において、前記処理部は、水平方向のフーリエ変換の結果に対し、各配設位置に基づく位相回転を施し、垂直方向における前記水平独立成分群の重なりが多くなるように、前記水平独立成分群を水平方向にずらす、ことを特徴とする。

【0011】

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、前記処理部は、水平方向と垂直方向の処理の順序を入れ替えての実施が可能である、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

請求項１に記載の発明によれば、実在アンテナ素子間の位相差を利用して、実在アンテナ素子が配置されていない、垂直方向および水平方向に連続配置した仮想アンテナ素子が形成できるように実在アンテナ素子が配列されているため、少ない実在アンテナ素子で方位と高さを検出することが可能となる。

【0013】

請求項２に記載の発明によれば、所定の演算規則に基づき、任意の配設位置における仮想アンテナ素子の信号を生成するための実在アンテナ素子間の対応関係を保持し、保持した対応関係に基づいて仮想アンテナ素子の信号を生成するため、少ない実在アンテナ素子で方位と高さを検出することが可能となる。

【0014】

請求項１に記載の発明によれば、各行水平方向にフーリエ変換し、各列垂直方向にフーリエ変換することによって、縦横に広い実在アンテナ素子が配設されたのと同等の２次元アレーアンテナを構成することが可能となる。

【0015】

請求項３に記載の発明によれば、さらに大きな領域をフーリエ変換の対象とするため、縦横により広く実在アンテナ素子が配設されたのと同等の２次元アレーアンテナを構成することが可能となる。

【0016】

請求項４に記載の発明によれば、水平方向と垂直方向の処理の順序を入れ替えての実施が可能であるため、処理、設計の自由度が高まる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】この発明の実施の形態に係るアンテナ装置を示す概略構成図である。

【図2】図１のアンテナ装置を備えたレーダー装置を示す概略構成図である。

【図3】この発明の実施の形態におけるＫＲ積拡張アレーを説明するための共分散行列を示す図であり、すべてのアレーが存在する場合の図である。

【図4】図３の共分散行列において、一部のアレーが欠落する場合を示す図である。

【図5】この発明の実施の形態におけるＫＲ積拡張アレーを説明するためのアンテナ素子の補間状態例を示す図である。

【図6】図５の場合の共分散行列の指数のみを示す図である。

【図7】図１のアンテナ装置の２次元アレーアンテナの水平アンテナ素子群の一例を示す図（ａ）と、２次元アレーアンテナの一例を示す図（ｂ）である。

【図8】図１のアンテナ装置において、複数の水平独立成分群を縦方向に並べた状態を示す概念図（ａ）と、水平独立成分群を水平方向にずらした状態を示す概念図（ｂ）である。

【図9】図８（ａ）の状態からフーリア変換した状態を示す概念図である。

【図10】図９の状態における各素子成分の位相状態を示す説明図である。

【図11】図９の状態から各素子成分をずらす方法を示す説明図である。

【図12】図１のアンテナ装置の処理部を説明するための２次元アレーアンテナを示す説明図である。

【図13】図１２の２次元アレーアンテナに対する共分散行列の指数のみを示す図である。

【図14】図１３の共分散行列に基づいて水平独立成分群を縦方向に並べた状態を示す図である。

【図15】図１のアンテナ装置を適用するＭＩＭＯレーダー用のアンテナの一例を示す図である。

【図16】図１５のＭＩＭＯレーダー用のアンテナによる仮想アレーアンテナ構成を示す図である。

【図17】図１６の仮想アレーアンテナを図１のアンテナ装置に適用した結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

【0019】

図１～図１７は、この発明の実施の形態を示し、図２は、この実施の形態に係るアンテナ装置２を備えたレーダー装置１を示す概略構成図である。このレーダー装置１は、主として２次元アレーアンテナ４と処理部５を備えるアンテナ装置２と、受信信号をデジタルビームフォーミング等によって信号処理してレーダー映像に変換する信号処理装置３と、を備える。

【0020】

ここで、まず、ＫＲ積拡張アレーについて説明する。所定の間隔で直線状に実在アンテナ素子が配設されている場合、例えば図３に示すように、アンテナの受信信号と受信信号の複素共役との共分散行列は、その独立成分が連続（連番）となる。また、実在アンテナ素子が配設されるべき位置に実在アンテナ素子が配設されていない場合、すなわち、例えば図４に示すように、共分散行列の成分に冗長性があれば受信信号と受信信号の複素共役とに欠落がある場合であっても、共分散行列における独立成分が連続となる場合がある。このように、所定の条件を満たす一部の位置に、実在アンテナ素子を配設しないで仮想アンテナ素子（欠落）を配設しても、すべての位置に実在アンテナ素子が配設されているとみなせる場合がある。つまり、信号の欠落をＫＲ積で補間できる場合がある。

【0021】

具体的には、例えば図５に示すように、所定の間隔ｄごとに複数の配設位置Ｐ_０～Ｐ_７が設けられ、この配設位置Ｐ_０～Ｐ_７のうち一部の配設位置Ｐ_０、Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_４、Ｐ_７に実在アンテナ素子Ｆ_０、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_４、Ｆ_７が配設され、他の配設位置Ｐ_３、Ｐ_５、Ｐ_６には実在アンテナ素子が配設されない仮想アンテナ素子Ｆ_３、Ｆ_５、Ｆ_６が配設されているとする。この場合、仮想アンテナ素子Ｆ_３、Ｆ_５、Ｆ_６の信号を、間隔ｄを利用して実在アンテナ素子Ｆ_０、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_４、Ｆ_７の信号で補間することができる。

【0022】

すなわち、仮想アンテナ素子Ｆ_３は、実在アンテナ素子Ｆ_７から間隔４ｄだけ離れているため、実在アンテナ素子Ｆ_０、Ｆ_４間の信号差（位相回転）Ｓ４を利用して補間する。同様に、仮想アンテナ素子Ｆ_５は、実在アンテナ素子Ｆ_７から間隔２ｄだけ離れているため、実在アンテナ素子Ｆ_０、Ｆ_２間の信号差Ｓ２を利用して補間する。また、仮想アンテナ素子Ｆ_６は、実在アンテナ素子Ｆ_７から間隔ｄだけ離れているため、実在アンテナ素子Ｆ_０、Ｆ_１間の信号差Ｓ１を利用して補間する。

【0023】

さらに、同様にして、実在アンテナ素子Ｆ_０を原点とする反対方向の配設位置Ｐ_－１～Ｐ_－７に、複素共役の仮想アンテナ素子Ｆ_－１～Ｆ_－７を配設することができる。このように、５つの実在アンテナ素子Ｆ_０、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_４、Ｆ_７で、１５のアンテナ素子Ｆ_－７～Ｆ_７を配設したのと等価のアンテナを構成することが可能となる。

【0024】

そして、このようなＫＲ積拡張アレーが成立するには、共分散行列における独立成分が連続となる必要がある。すなわち、共分散行列ｅ^ｉｎα（ｎ：０、±１、±２・・・）における独立成分の指数のみを見た場合、図５に示すアレーでは、図６に示すような行列となり、－７～＋７まで連番が得られ、ＫＲ積拡張アレーが成立することになる。換言すると、このように独立成分が連続となるように、実在アンテナ素子つまり仮想アンテナ素子を配設する必要がある。ここで、図６は、図中最上行に実在アンテナ素子Ｆ_０、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_４、Ｆ_７の配設位置に対応する数値（０、１、２、４、７）が記載され、図中最左列に実在アンテナ素子Ｆ_０、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_４、Ｆ_７の配設位置に対応する複素共役の数値（－０、－１、－２、－４、－７）が記載され、これらの数値を縦横加算した数値がマトッリクス状に記載されているものに相当する。

【0025】

このようなＫＲ積拡張アレーを前提として、アンテナ装置２の２次元アレーアンテナ４が構成されている。具体的には、次のような構成のアンテナ装置２となっている。
横方向に複数の配設位置が設けられ、前記配設位置のうち一部の配設位置に実在アンテナ素子が配設され、他の配設位置には前記実在アンテナ素子が配設されない仮想アンテナ素子が配設された水平アンテナ素子群が、複数縦方向に、かつ、端部が横方向にずれるように配設され、
各前記水平アンテナ素子群の実在アンテナ素子は、共分散行列における独立成分が連続するように配設され、かつ、縦方向に並ぶいずれかの列の前記実在アンテナ素子に対して、共分散行列における独立成分が連続するように各前記水平アンテナ素子群がずれて配設され、
すべての前記実在アンテナ素子に対する共分散行列の独立成分を前記水平アンテナ素子群に対応する水平独立成分群ごとに縦方向に並べ、前記水平独立成分群ごとにフーリエ変換してその結果に基づいて、縦方向における前記水平独立成分群の重なりが多くなるように前記水平独立成分群を水平方向にずらす処理部を備える、ことを特徴とするアンテナ装置。

【0026】

まず、例えば図７（ａ）に示すように、横方向（水平方向）に複数の配設位置Ｐ０～Ｐ１４が設けられ、この配設位置Ｐ０～Ｐ１４のうち一部の配設位置Ｐ０、Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ６、Ｐ７、Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１３、Ｐ１４に実在アンテナ素子ＲＦが配設され、他の配設位置Ｐ２、Ｐ５、Ｐ８、Ｐ９、Ｐ１２には実在アンテナ素子ＲＦが配設されない仮想アンテナ素子ＶＦが配設されたアンテナ素子群を、水平アンテナ素子群ＨＡとする。

【0027】

このような水平アンテナ素子群ＨＡが、図７（ｂ）に示すように、複数縦方向に、かつ、端部が横方向に（垂直方向から見て）ずれるように配設されて、２次元アレーアンテナ４が構成されている。すなわち、水平アンテナ素子群ＨＡが縦方向に複数配設された状態で、全体が長方形状ではなく、両側辺が真っ直ぐ縦に延びないように（凹凸または傾斜するように）、複数の水平アンテナ素子群ＨＡが配設されている。

【0028】

ここで、各水平アンテナ素子群ＨＡの実在アンテナ素子ＲＦは、共分散行列における独立成分が連続するように配設されている。すなわち、各水平アンテナ素子群ＨＡが上記のようなＫＲ積拡張アレーを形成するように、実在アンテナ素子ＲＦと仮想アンテナ素子ＶＦが設けられている。この要件を満たせば、各水平アンテナ素子群ＨＡの実在アンテナ素子ＲＦと仮想アンテナ素子ＶＦの配設は、同一でも異なっていてもよい。

【0029】

また、縦方向に並ぶいずれかの列Ｌの実在アンテナ素子ＲＦに対して、共分散行列における独立成分が連続するように各水平アンテナ素子群ＨＡがずれて配設されている。すなわち、複数の水平アンテナ素子群ＨＡのアンテナ素子ＲＦ、ＶＦが縦方向に並び連なる集合を列Ｌとする。そして、いずれかの列Ｌにおいて上記のようなＫＲ積拡張アレーを形成するように、つまり、該列Ｌでの共分散行列における独立成分が連続になるように、各水平アンテナ素子群ＨＡがずれて配設されている。

【0030】

例えば、図７（ｂ）の列Ｌ７において、縦方向に上から順に、実在アンテナ素子ＲＦ、実在アンテナ素子ＲＦ、仮想アンテナ素子ＶＦ、仮想アンテナ素子ＶＦ、実在アンテナ素子ＲＦと配設されて、共分散行列における独立成分が連続になるように配設されている。換言すると、これらの要件を満たしさえすれば、２次元アレーアンテナ４を配設するスペースの大きさ、形状や実在アンテナ素子ＲＦの大きさなどに応じて、実在アンテナ素子ＲＦを配設すればよく、配設自由度が高い。

【0031】

次に、処理部５は、すべての実在アンテナ素子ＲＦに対する共分散行列の独立成分ＩＦを水平アンテナ素子群ＨＡに対応する水平独立成分群ＨＦごとに縦方向に並べ、水平独立成分群ＨＦごとにフーリエ変換してその結果に基づいて、縦方向における水平独立成分群ＨＦの重なりが多くなるように水平独立成分群ＨＦを水平方向にずらし、さらに、縦方向に連なる独立成分ＩＦを縦方向（列）ごとにフーリエ変換するものである。

【0032】

すなわち、概念的には、例えば、図７（ｂ）に示すように実在アンテナ素子ＲＦ（０、１、２…１４…）のすべてに対して共分散行列を演算し、図８（ａ）に示すように、その独立成分ＩＦを水平アンテナ素子群ＨＡに対応する水平独立成分群ＨＦごとに縦方向に並べる。このとき、各水平独立成分群ＨＦの端部が横方向に（垂直方向から見て）ずれており、縦方向における水平独立成分群ＨＦの重なり、つまり、すべての水平独立成分群ＨＦが重なる領域ＳＦは小さい。

【0033】

次に、水平独立成分群ＨＦごとにフーリエ変換し、その結果に基づいて、図８（ｂ）に示すように、縦方向における水平独立成分群ＨＦの重なりが多くなるように、つまり、各水平独立成分群ＨＦの端部の横方向のずれが小さくなるように、水平独立成分群ＨＦを水平方向にずらす。これにより、すべての水平独立成分群ＨＦが重なる領域ＳＦが大きくなる。さらに、縦方向に連なる独立成分ＩＦを縦方向（列）ごとにフーリエ変換する。

【0034】

このような処理について、図９に示す例に基づいて具体的に説明する。図９では、図１に示す水平フーリエ変換器（ＦＦＴ）５１で水平独立成分群ＨＦごとにフーリエ変換した後において、第０（基準）の水平独立成分群ＨＦ_０に対して、第１の水平独立成分群ＨＦ_１が１アンテナ素子分右にずれ、第２の水平独立成分群ＨＦ_２が２アンテナ素子分右にずれ、第ｋの水平独立成分群ＨＦ_ｋがｋアンテナ素子分右にずれているものとする。また、各水平独立成分群ＨＦにおける素子成分数は、「０」、「１」、「２」…「ｍ」…「Ｎ－１」のＮ個とする。そして、各水平独立成分群ＨＦ_０～ｋにおいては、図１０に示すように、第０（基準）の素子成分（図中「０」）が０位相回転し（回転してない）、第１の素子成分（図中「１」）がλ／ｄＮ（λ：波長、ｄ：素子間隔、Ｎ：素子数）だけ位相が回転し、第２の素子成分（図中「２」）が２λ／ｄＮだけ位相が回転し、第ｍの素子成分（図中「ｍ」）がｍλ／ｄＮだけ位相が回転している。

【0035】

そして、縦方向における水平独立成分群ＨＦ_０～ｋの重なりが多くなるように、水平独立成分群ＨＦ_０～ｋを水平方向にずらすには、例えば、第０の水平独立成分群ＨＦ_０の左端に他の水平独立成分群ＨＦ_１～ｋの左端を合わせればよい。すなわち、第１の水平独立成分群ＨＦ_１を１アンテナ素子分左にずらし、第２の水平独立成分群ＨＦ_２を２アンテナ素子分左にずらし、第ｋの水平独立成分群ＨＦ_ｋをｋアンテナ素子分左にずらす。

【0036】

このような移動を行うには、上記のように、各素子成分の位相が回転していることから、図１に示す乗算器（位相回転部）５２によって各素子成分にｅｘｐ（－ｉｋλｍ／ｄＮ）を乗ずればよい。具体的には、図１１に示すように、第０の水平独立成分群ＨＦ_０の各素子成分には、ｅｘｐ（－ｉ０λｍ／ｄＮ）＝１を乗ずるため、そのままの値となる。次に、第１の水平独立成分群ＨＦ_１の各素子成分には、
ｅｘｐ（－ｉλｍ／ｄＮ）
ｍ：０～（Ｎー１）
を乗ずればよい。例えば、第１の素子成分にｅｘｐ（－ｉλ／ｄＮ）を乗じ、第２の素子成分にｅｘｐ（－ｉ２λ／ｄＮ）を乗じ、第ｍの素子成分にｅｘｐ（－ｉｍλ／ｄＮ）を乗じる。

【0037】

同様に、第２の水平独立成分群ＨＦ_２の各素子成分に、ｅｘｐ（－ｉ２λｍ／ｄＮ）を乗じ、第ｋの水平独立成分群ＨＦ_ｋの各素子成分に、ｅｘｐ（－ｉｋλｍ／ｄＮ）を乗じる。具体的に、第ｋの水平独立成分群ＨＦ_ｋの場合、第１の素子成分にｅｘｐ（－ｉｋλ／ｄＮ）を乗じ、第２の素子成分にｅｘｐ（－ｉ２ｋλ／ｄＮ）を乗じ、第ｍの素子成分にｅｘｐ（－ｉｍｋλ／ｄＮ）を乗じる。

【0038】

このようにして水平独立成分群ＨＦ_１～ｋをずらすことで、図１に示すように、縦方向においてすべての水平独立成分群ＨＦ_０～ｋが重なった状態、つまり、縦方向における水平独立成分群ＨＦ_０～ｋの重なりが多くなった状態となる。その後、縦方向に連なる素子成分（独立成分）を列ごと（「０」ごと、「１」ごと、「ｍ」ごと、）に垂直フーリエ変換器（ＦＦＴ）５３でフーリエ変換するものである。

【0039】

このような処理を実際に行う場合の処理について、図１２に示す簡単な例に従って説明する。ここで、各水平アンテナ素子群ＨＡ_０、ＨＡ_１の実在アンテナ素子ＲＦは、共分散行列における独立成分が連続するように配設され、いずかの列Ｌ（例えば、「１」の列）の実在アンテナ素子ＲＦに対して、共分散行列における独立成分が連続するように各水平アンテナ素子群ＨＡ_０、ＨＡ_１がずれている。また、横方向のアンテナ素子間でα（上記の例でｍλ／ｄＮに相当）だけ位相がずれ、縦方向のアンテナ素子間でβ（上記の例でｋλ／ｄＮに相当）だけ位相がずれているとする。

【0040】

このようなアンテナ構成の場合、すべての実在アンテナ素子ＲＦに対する共分散行列の独立成分の指数は、図１３に示すような行列となる。ここで、図中最上行に実在アンテナ素子ＲＦの配設位置に対応する値（α、βの数）が記載されている。すなわち、実在アンテナ素子ＲＦ_００に対する「０」、実在アンテナ素子ＲＦ_１０に対する「α」、実在アンテナ素子ＲＦ_３０に対する「３α」、実在アンテナ素子ＲＦ_１１に対する「α＋β」、実在アンテナ素子ＲＦ_２１に対する「２α＋β」、実在アンテナ素子ＲＦ_４１に対する「４α＋β」が記載されている。また、図中最左列に実在アンテナ素子ＲＦの配設位置に対応する値に対応する複素共役の値（マイナス値）が記載されている。そして、図１３の行列は、これらの値を縦横加算した数値（独立成分の指数）がマトッリクス状に記載されているものに相当する。

【0041】

そして、これらの独立成分を水平アンテナ素子群ＨＡ_０、ＨＡ_１に対応する水平独立成分群ＨＦ_－１～１ごとに縦方向に並べると、図１４に示すような配置となる。ここで、水平独立成分群ＨＦ_０が水平アンテナ素子群ＨＡ_０に対応し、水平独立成分群ＨＦ_１が水平アンテナ素子群ＨＡ_１に対応し、水平独立成分群ＨＦ_－１が水平アンテナ素子群ＨＡ_１の複素共役に対応する。

【0042】

このように、６つの実在アンテナ素子ＲＦで、２１のアンテナ素子が縦横に格子状に配設された２次元アレーアンテナが構成される。また、それぞれのアンテナ素子に対しては、該当する位置の値（α、βの数）だけ位相をずらすことで、各アンテナ素子の素子成分を演算することができる。すなわち、予め図１４に示すようなずれ量を示すテーブルを作成、記憶し、信号受信時に、水平フーリエ変換器５１で横方向に各素子成分をフーリエ変換して、このテーブルに従って各素子成分の位相をずらし、その後、垂直フーリエ変換器５３で縦方向に各素子成分をフーリエ変換すればよい。

【0043】

以上のように、このアンテナ装置２によれば、各水平アンテナ素子群ＨＡにおいて一部の配設位置Ｐのみに実在アンテナ素子ＲＦが配設されて他の配設位置Ｐには仮想アンテナ素子ＶＦが配設され、かつ、端部が横方向にずれるように複数の水平アンテナ素子群ＨＡが縦方向に配設されているため、少ない実在アンテナ素子ＲＦで方位と高さを検出することが可能となり、かつ、少ない実在アンテナ素子ＲＦでより大開口化に対応することが可能となる。

【0044】

すなわち、各水平アンテナ素子群ＨＡにおいて実在アンテナ素子ＲＦが配設されない仮想アンテナ素子ＶＦがあっても、共分散行列において独立成分が連続するように実在アンテナ素子ＲＦ（換言すると仮想アンテナ素子ＶＦ）が配設されていれば、ＫＲ積拡張アレーが形成され、すべての配設位置Ｐに実在アンテナ素子ＲＦが配設されているものと等価となり、実在アンテナ素子ＲＦの配設数を減らすことができる。同様に、いずれかの列の実在アンテナ素子ＲＦに対しても、共分散行列における独立成分が連続するように実在アンテナ素子ＲＦが配設されていれば、ＫＲ積拡張アレーが形成され、実在アンテナ素子ＲＦの配設数を減らすことができる。

【0045】

さらに、すべての実在アンテナ素子ＲＦに対する共分散行列の独立成分を水平独立成分群ＨＦごとに縦方向に並べ、縦方向における水平独立成分群ＨＦの重なりが多くなるように水平独立成分群ＨＦを水平方向にずらすことで、縦横に広い実在アンテナ素子ＲＦが配設されたのと同等の２次元アレーアンテナを構成することが可能となる。そして、実在アンテナ素子ＲＦの大きさなどの制約によって実在アンテナ素子ＲＦを理想的に配設できない場合であっても、上記のような要件を満たすように実在アンテナ素子ＲＦを配設することで、所望の２次元アレーアンテナを構成することが可能となる。

【0046】

ここで、アンテナ装置２をＭＩＭＯレーダーに適用した場合における、その効果について説明する。配設スペースの大きさ、形状や実在アンテナ素子ＲＦの大きさ、給電ポートの大きさなどの制約によって、例えば、図１５に示すように、６つの送信用実在アンテナ素子ＲＦ１と８つの受信用実在アンテナ素子ＲＦ２を配設したとする。この場合、各送信用実在アンテナ素子ＲＦ１からの送信信号を各受信用実在アンテナ素子ＲＦ２で受信して信号処理することで、図１６に示すように、４８（＝６×８）のアンテナ素子を有する仮想アレーアンテナが形成される。なお、図１６では、アンテナ素子の大きさは無視して代表位置のみを図示している。

【0047】

さらに、この仮想アレーアンテナに対して、本実施の形態における上記のような処理を適用すると、図１７に示すように、３８５（＝１１×３５）のアンテナ素子を有する仮想アレーアンテナを形成することができる。ここで、図１７中符号ＳＺ１は、ＭＩＭＯレーダー単独の限界サイズ（＝４８素子）を示し、ＳＺ２は、ハードウエア実装サイズ（＝６×１８素子）を示す。これから明らかなように、アンテナ素子を配設するハードウエア実装サイズＳＺ２が小さくても、より大きい２次元アレーアンテナ４を構成することができる。

【0048】

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。

【0049】

１ レーダー装置
２ アンテナ装置
３ 信号処理装置
４ ２次元アレーアンテナ
５ 処理部
５１ 水平フーリエ変換器
５２ 乗算器（位相回転部）
５３ 垂直フーリエ変換器
Ｐ０～Ｐ１４ 配設位置
ＲＦ 実在アンテナ素子
ＶＦ 仮想アンテナ素子
ＨＡ 水平アンテナ素子群
ＨＦ 水平独立成分群

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】