(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】2024-03-01
(45)【発行日】2024-03-11
(54)【発明の名称】アンテナ装置およびアンテナ校正方法
(51)【国際特許分類】
H04B 7/08 20060101AFI20240304BHJP
G01R 29/10 20060101ALI20240304BHJP
G01R 29/26 20060101ALI20240304BHJP
H01Q 3/26 20060101ALI20240304BHJP
H04B 7/06 20060101ALI20240304BHJP
【ＦＩ】
H04B7/08 982
G01R29/10 A
G01R29/26 F
H01Q3/26 Z
H04B7/06 982
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020054960
(22)【出願日】2020-03-25
(65)【公開番号】P2021158451
(43)【公開日】2021-10-07
【審査請求日】2023-03-17
(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
(74)【代理人】
【識別番号】100141678
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】工藤 俊紀
(72)【発明者】
【氏名】小▲濱▼ 巨将
【審査官】川口 貴裕
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０２１／１１７１３１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／００２８５９８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／００９９７２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１１－２０３０４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０２４２６３００（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２００２ー１２４８１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】Zhang Lu, 他，Amplitude and phase correction of the phased array antenna by REV algorithm，2017 2nd International Conference on Image, Vision and Computing [online]，2017年06月02日，pp.913-917，Internet<URL:https://ieeexplore.ieee.org/document/7984687>，Electric ISBN: 978-1-5090-6238-6
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｂ ７／０２－７／１２
Ｈ０１Ｑ ３／２６
Ｇ０１Ｒ ２９／１０
Ｇ０１Ｒ ２９／２６
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
フェーズドアレイアンテナを構成する複数の素子アンテナと、前記複数の素子アンテナそれぞれの励振位相を制御する複数の可変移相器と、
前記複数の素子アンテナごとの前記励振位相を設定して前記複数の素子アンテナのそれぞれへと出力する制御部と、
前記素子アンテナからの放射波または複数素子の放射波の空間合成波を利用して相対値を測定する手法に従って前記複数の素子アンテナごとの相対振幅および相対位相を計算する相対値計算部と、
前記複数の素子アンテナごとの前記相対振幅および前記相対位相を補正する補正係数を前記複数の素子アンテナごとに算出する補正係数算出部と、を有し、
前記補正係数算出部が、
前記手法に従う計算に必要な情報を取得するための測定を行う観測点の座標と前記複数の素子アンテナごとの座標とを用いて、
前記観測点と前記複数の素子アンテナそれぞれとの間の距離の差に起因する複素電界の誤差を前記複数の素子アンテナごとに算出して、
前記複数の素子アンテナごとの前記複素電界の誤差を相殺する値を前記複数の素子アンテナごとの前記補正係数として出力し、
前記制御部が、
前記相対振幅の値と前記補正係数とを掛け合わせて補正後の相対振幅の値を算出するとともに、
前記相対位相の値と前記補正係数とを掛け合わせて補正後の相対位相の値を算出して、
前記複数の素子アンテナごとの前記励振位相を設定する、
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項2】
前記フェーズドアレイアンテナについての遠方界距離未満の位置に設定された前記観測点における測定によって取得された前記情報が用いられて、前記手法に従って前記複数の素子アンテナごとの前記相対振幅および前記相対位相を計算する、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】
複数の可変移相器が、フェーズドアレイアンテナを構成する複数の素子アンテナそれぞれの励振位相を制御し、相対値計算部が、前記素子アンテナからの放射波または複数素子の放射波の空間合成波を利用して相対値を測定する手法に従って前記複数の素子アンテナごとの相対振幅および相対位相を計算し、
補正係数算出部が、
前記手法に従う計算に必要な情報を取得するための測定を行う観測点の座標と前記複数の素子アンテナごとの座標とを用いて、
前記観測点と前記複数の素子アンテナそれぞれとの間の距離の差に起因する複素電界の誤差を前記複数の素子アンテナごとに算出して、
前記複数の素子アンテナごとの前記複素電界の誤差を相殺する値を前記複数の素子アンテナごとの補正係数として出力し、
制御部が、
前記相対振幅の値と前記補正係数とを掛け合わせて補正後の相対振幅の値を算出するとともに、
前記相対位相の値と前記補正係数とを掛け合わせて補正後の相対位相の値を算出して、
前記複数の素子アンテナごとの前記励振位相を設定して前記複数の素子アンテナのそれぞれへと出力する、
ことを特徴とするアンテナの校正方法。
【請求項4】
前記フェーズドアレイアンテナについての遠方界距離未満の位置に設定された前記観測点における測定によって取得された前記情報が用いられて、前記手法に従って前記複数の素子アンテナごとの前記相対振幅および前記相対位相を計算する、ことを特徴とする請求項３に記載のアンテナの校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、アンテナ装置およびアンテナ校正方法に関し、特にアンテナの放射波を測定する手法、例えば素子電界ベクトル回転法のように複数の素子アンテナからの放射波の空間合成波を利用して相対値を測定／算定する手法を利用してフェーズドアレイアンテナを校正する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
アナログ方式のフェーズドアレイアンテナにおける、各素子から放射される電界の相対値を測定／算定する手法として素子電界ベクトル回転法（「ＲＥＶ法（Ｒotating element Ｅlectric field Ｖector method）」とも呼ばれる）が知られている（特許文献１参照）。素子電界ベクトル回転法によって各素子の相対的な位相値および振幅値が測定／算定できるため、主にフェーズドアレイのキャリブレーションを行う際に利用される。素子電界ベクトル回転法は、測定／算定はアレイアンテナから放射される合成電力値のみで実施することができ、測定系が簡素化できることが利点である。
【0003】
アレイアンテナの校正法として、アンテナ近傍にピックアップアンテナを設置し、素子アンテナとピックアップアンテナとの間での素子間相互結合を利用して素子電界ベクトル回転法を適用する方式がある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特公平３－３８５４８号公報
【文献】特許４８６４２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、従来の素子電界ベクトル回転法では、アレイ全体での空間合成電力を測定する際にはアンテナの遠方界距離を満足させることがアルゴリズム上の前提である。このことは、アンテナが大型化するにつれて巨大な（別言すると、広大な）測定設備が必要となることを意味しており、アンテナの例えば初期検査施設や実機設置場所の状況などによっては遠方界距離に関する条件を満たしていない距離での測定にならざるを得ない場合も考えられる。素子電界ベクトル回転法の測定は観測点における相対値を測定する手法であるため、観測点が近距離になるにつれて測定距離が近づくほど真値との誤差が発生することが理論検討によって判明している。この誤差は各素子アンテナと観測点との間の距離の差が影響している。遠方界距離とは、一般に、前記の距離の差（正確には、前記の距離の差に起因する位相差）が一定値未満となるような距離条件を示しており、遠方界未満の距離では必然的に距離の差が大きくなる。素子電界ベクトル回転法も距離の差／位相差が大きくなるに伴って相対値の真値に対して振幅や位相の誤差が発生する、という問題がある。
【0006】
また、特許文献２の技術のようにピックアップアンテナを利用する方式では、アンテナ近傍に追加の素子を設置したりアレイアンテナ内のアンテナをピックアップ用として設計したりするなどの手間が必要とされる、という問題がある。さらに、どの素子とも結合量を保たなければならず、加えてピックアップアンテナによる放射波への影響を極力なくさなければならないなどの制約が発生し、補正を実施するために別途追加の設計が必要とされる、という問題がある。
【0007】
アレイ全体での空間合成電力を測定する別の手法として、暗室内にて巨大な反射鏡を用いて遠方界距離満たした際と同等の条件を比較的短距離で満たすことのできるコンパクトレンジでの測定が挙げられる。しかしながら、アンテナの大型化に伴い反射鏡の構成の再設計を図る必要があり、測定環境の構築に多大な金銭的・時間的なコストがかかる、という問題がある。
【0008】
そこでこの発明は、遠方界距離のような観測点の距離や被測定アンテナの正面に対する観測点の位置に関する制約を受けることなく、複数の素子アンテナからの放射波の合成波を利用して相対値を測定／算定する手法を利用してフェーズドアレイアンテナの校正を行うことが可能な、アンテナ装置およびアンテナ校正方法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】
【0009】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、フェーズドアレイアンテナを構成する複数の素子アンテナと、前記複数の素子アンテナそれぞれの励振位相を制御する複数の可変移相器と、前記複数の素子アンテナごとの前記励振位相を設定して前記複数の素子アンテナのそれぞれへと出力する制御部と、前記複数の素子アンテナからの放射波の合成波を利用して相対値を測定する手法に従って前記複数の素子アンテナごとの相対振幅および相対位相を計算する相対値計算部と、前記複数の素子アンテナごとの前記相対振幅および前記相対位相を補正する補正係数を前記複数の素子アンテナごとに算出する補正係数算出部と、を有し、前記補正係数算出部が、前記手法に従う計算に必要な情報を取得するための測定を行う観測点の座標と前記複数の素子アンテナごとの座標とを用いて、前記観測点と前記複数の素子アンテナそれぞれとの間の距離の差に起因する複素電界の誤差を前記複数の素子アンテナごとに算出して、前記複数の素子アンテナごとの前記複素電界の誤差を相殺する値を前記複数の素子アンテナごとの前記補正係数として出力し、前記制御部が、前記相対振幅の値と前記補正係数とを掛け合わせて補正後の相対振幅の値を算出するとともに、前記相対位相の値と前記補正係数とを掛け合わせて補正後の相対位相の値を算出して、前記複数の素子アンテナごとの前記励振位相を設定する、ことを特徴とするアンテナ装置である。
【0010】
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、前記フェーズドアレイアンテナについての遠方界距離未満の位置に設定された前記観測点における測定によって取得された前記情報が用いられて、前記手法に従って前記複数の素子アンテナごとの前記相対振幅および前記相対位相を計算する、ことを特徴とする。
【0011】
また、請求項３に記載の発明は、複数の可変移相器が、フェーズドアレイアンテナを構成する複数の素子アンテナそれぞれの励振位相を制御し、相対値計算部が、前記複数の素子アンテナからの放射波の合成波を利用して相対値を測定する手法に従って前記複数の素子アンテナごとの相対振幅および相対位相を計算し、補正係数算出部が、前記手法に従う計算に必要な情報を取得するための測定を行う観測点の座標と前記複数の素子アンテナごとの座標とを用いて、前記観測点と前記複数の素子アンテナそれぞれとの間の距離の差に起因する複素電界の誤差を前記複数の素子アンテナごとに算出して、前記複数の素子アンテナごとの前記複素電界の誤差を相殺する値を前記複数の素子アンテナごとの補正係数として出力し、制御部が、前記相対振幅の値と前記補正係数とを掛け合わせて補正後の相対振幅の値を算出するとともに、前記相対位相の値と前記補正係数とを掛け合わせて補正後の相対位相の値を算出して、前記複数の素子アンテナごとの前記励振位相を設定して前記複数の素子アンテナのそれぞれへと出力する、ことを特徴とするアンテナ校正方法である。
【0012】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のアンテナ校正方法において、前記フェーズドアレイアンテナについての遠方界距離未満の位置に設定された前記観測点における測定によって取得された前記情報が用いられて、前記手法に従って前記複数の素子アンテナごとの前記相対振幅および前記相対位相を計算する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
請求項１に記載の発明や請求項３に記載の発明によれば、被測定アンテナであるアレイアンテナを構成する各素子アンテナの座標値と測定アンテナの座標値とから求められる経路差の影響を補償するための補正係数を計算して、複数の素子アンテナからの放射波の合成波を利用して相対値を測定する手法（「相対値測定手法」と呼ぶ）の結果である相対振幅の値や相対位相の値に前記補正係数を反映させるようにしているので、任意の地点で測定した情報を用いて得られる相対値測定手法の結果をアンテナ正面の無限遠における理想的な値へと変換することが可能となる。すなわち、請求項１に記載の発明や請求項３に記載の発明によれば、被測定アンテナと測定アンテナとの相対座標のみから観測点の位置による影響を補正することができるので、任意の位置の測定サイトでの相対値測定手法の利用を可能とし、測定サイトに纏わる制約条件を緩和して汎用性を向上させることが可能となる。請求項１に記載の発明や請求項３に記載の発明によれば、また、ピックアップアンテナを利用する方式のようにアンテナに対する追加の設計が必要とされないため、手間を軽減するとともに費用を節減することが可能となる。
【0014】
請求項２に記載の発明や請求項４に記載の発明によれば、特に遠方界距離未満における各素子アンテナと観測点との距離の差に起因する位相差／複素電界の誤差を解消することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】この発明の実施の形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図2】素子電界ベクトル回転法の概要を説明する図である。（Ａ）は初期合成電界ベクトルのイメージを示す図である。（Ｂ）は移相器に対する合成電界相対電力の推移を示す図である。
【図3】近距離測定の場合の素子電界ベクトル回転法への影響を説明する図である。（Ａ）は検討のための座標系を説明する図である。（Ｂ）はアレイアンテナの中心位置と比べたときの距離差を説明する図である。
【図4】アンテナ放射パターンの測定例を示すグラフである。（Ａ）は従来の素子電界ベクトル回転法の処理のみを適用した場合のグラフである。（Ｂ）はこの発明に係るアンテナ校正方法による補正を適用した場合のグラフである。
【図5】アンテナ放射パターンの測定例を示すグラフである。（Ａ）は従来の素子電界ベクトル回転法の処理のみを適用した場合のグラフである。（Ｂ）はこの発明に係るアンテナ校正方法による補正を適用した場合のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。なお、以下では、この発明の特徴的な構成について説明し、フェーズドアレイアンテナについて従来と同様の仕組みについては説明を簡略にしたり省略したりする。
【0017】
図１は、この発明の実施の形態に係るアンテナ装置１の概略構成を示す機能ブロック図である。このアンテナ装置１は、フェーズドアレイアンテナ１１を実装して複数の素子アンテナ１１１のそれぞれに可変減衰器１２を介して接続されている可変移相器１３の移相量を制御することにより、アンテナ放射パターンを電子的に制御する装置であり、主として、フェーズドアレイアンテナ１１と、可変減衰器１２と、可変移相器１３と、制御部１４と、電力合成器１５と、受信機１６と、Ａ／Ｄ変換器１７と、デジタル信号処理部１８と、を備える。
【0018】
アンテナ装置１は、複数の素子アンテナ１１１を備えるフェーズドアレイアンテナ１１を有し、複数の素子アンテナ１１１のそれぞれと対応させて複数の可変減衰器１２が設けられ、また、複数の可変減衰器１２のそれぞれと対応させて複数の可変移相器１３が設けられる。
【0019】
フェーズドアレイアンテナ１１を構成する複数の素子アンテナ１１１は、各々、高周波信号を受信し、受信したアナログの高周波信号を、当該の素子アンテナ１１１に接続されている可変減衰器１２を介して可変移相器１３に対して出力する。
【0020】
複数の可変移相器１３は、各々、制御部１４から出力される励振位相に従って、素子アンテナ１１１の励振位相を制御する。可変移相器１３は、具体的には、制御部１４から出力される励振位相に従って、素子アンテナ１１１から出力されるアナログの高周波信号（即ち、受信電波）の位相を変化させる機能を備える。
【0021】
電力合成器１５は、複数の可変移相器１３のそれぞれによって位相が変化させられて出力されるアナログの高周波信号を合成する信号合成部としての機能を備える。電力合成器１５は、合成したアナログの高周波信号を受信機１６に対して出力する。
【0022】
受信機１６は、電力合成器１５から出力される合成後のアナログの高周波信号の入力を受け、前記高周波信号を検波する通信装置としての機能を備える。受信機１６は、検波したアナログの高周波信号をＡ／Ｄ変換器１７に対して出力する。
【0023】
Ａ／Ｄ変換器１７は、受信機１６から出力される検波後のアナログの高周波信号の入力を受け、前記高周波信号をデジタル信号に変換する機能を備える。Ａ／Ｄ変換器１７は、変換したデジタルの高周波信号をデジタル信号処理部１８に対して出力する。
【0024】
デジタル信号処理部１８は、Ａ／Ｄ変換器１７から出力されるデジタルの高周波信号の入力を受け、指向性制御に従って前記高周波信号の復調等の信号処理を行う。
【0025】
なお、図１に示すアンテナ装置１について、図１としては受信系を示しているが、回路の機能を適宜置き換える（具体的には例えば、送信対象の信号をデジタル－アナログ変換する機能を備えるＤ／Ａ変換器、送信対象の高周波信号を変調する通信装置としての機能を備える送信機、および、送信機から出力される信号を複数の可変移相器へと分配する分配回路としての機能を備える電力分配器などが用いられる）ことで送信系も同様に考えることができる。
【0026】
この発明では、複数の素子アンテナからの放射波の合成波を利用して相対値を測定／算定する手法の考え方を利用してフェーズドアレイアンテナ１１の校正を行う。この実施の形態では、具体的には、素子電界ベクトル回転法の考え方を利用してフェーズドアレイアンテナ１１の校正を行う。素子電界ベクトル回転法自体は周知の手法であるのでここでは詳細な説明は省略するが、基本原理の概略は下記のとおりである（参考として、例えば、真野ほか「フェイズドアレーアンテナの素子振幅位相測定法―素子電界ベクトル回転法」，信学論（Ｂ），vol.Ｊ６５－Ｂ，no.５，pp.５５５－５６０，１９８２年）。
【0027】
素子電界ベクトル回転法は、フェーズドアレイアンテナの合成電力を測定し、前記合成電力の電力レベル変化の最大対最小比ｒ2（言い換えると、合成電力の振幅比ｒ2）と前記合成電力が最大値となる位相変化量－Δ0とを求め、これらｒ2とΔ0とから素子アンテナの振幅および位相を算出することを特徴とするアンテナ測定法である（図２参照）。
【0028】
素子電界ベクトル回転法では、下記の５つのステップにより、初期合成電界ベクトルに対する各素子アンテナからの相対振幅ｋn（＝Ｅn／Ｅ0）と相対位相Ｘn（＝φn－φ0）を算出する。なお、Ｅは電界ベクトル（特に、Ｅ0は初期合成電界）であり、φは位相である。ｎは、複数の素子アンテナの各々を一意に識別するための符号／識別子であり、例えば連続する自然数である。また、添字０は、合成電力のレベル変化の最大値を与えるときの値であることを表す。
【0029】
〈ステップ１〉
全素子アンテナ励振状態のまま、第ｎ素子アンテナと接続している可変移相器の位相設定値Δを１つずつずらしながら、前記位相設定値Δのそれぞれにおける相対電力Ｑ（下記の数式１参照）を測定する（図２（Ｂ）参照）。その後、下記の数式２に示す近似曲線のパラメータ（具体的には、Ａ，Ｂ，およびＣ）を最小二乗法により推定し、相対電力Ｑの近似曲線を得る。
全素子アンテナ励振状態のまま、第ｎ素子アンテナと接続している可変移相器の位相設定値Δを１つずつずらしながら、前記位相設定値Δのそれぞれにおける相対電力Ｑ（下記の数式１参照）を測定する（図２（Ｂ）参照）。その後、下記の数式２に示す近似曲線のパラメータ（具体的には、Ａ，Ｂ，およびＣ）を最小二乗法により推定し、相対電力Ｑの近似曲線を得る。
【0030】
【数1】
【0031】
（数２） Ｑ ＝ Ａcos(Δ＋Ｂ)＋Ｃ
【0032】
〈ステップ２〉
推定した相対電力Ｑの曲線から最大対最小比ｒ2および最大値を与える位相－Δ0を抽出する（図２（Ｂ）参照）。
推定した相対電力Ｑの曲線から最大対最小比ｒ2および最大値を与える位相－Δ0を抽出する（図２（Ｂ）参照）。
【0033】
〈ステップ３〉
２つのパラメータ（具体的には、ｒ，Δ0）より、第ｎ素子アンテナの相対振幅ｋnと相対位相Ｘnを下記の数式３および数式４によって求める。なお、Ｑmaxは相対電力Ｑの最大値であり、Ｑminは相対電力Ｑの最小値である。
２つのパラメータ（具体的には、ｒ，Δ0）より、第ｎ素子アンテナの相対振幅ｋnと相対位相Ｘnを下記の数式３および数式４によって求める。なお、Ｑmaxは相対電力Ｑの最大値であり、Ｑminは相対電力Ｑの最小値である。
【0034】
【数3】
【数4】
【0035】
〈ステップ４〉
解の判別法を用いて、正しい解の組（ｋ，Ｘ）を選択する。
解の判別法を用いて、正しい解の組（ｋ，Ｘ）を選択する。
【0036】
〈ステップ５〉
上記の〈ステップ１〉～〈ステップ４〉の処理を全ての素子アンテナに対して繰り返し、第ｎ素子アンテナごとの相対振幅ｋnと相対位相Ｘnとの組み合わせを計算する。
上記の〈ステップ１〉～〈ステップ４〉の処理を全ての素子アンテナに対して繰り返し、第ｎ素子アンテナごとの相対振幅ｋnと相対位相Ｘnとの組み合わせを計算する。
【0037】
ここで、素子電界ベクトル回転法は観測点におけるアレイ合成電界をもとに各素子アンテナの相対振幅ｋnや相対位相Ｘnを求める手法であるところ、素子電界ベクトル回転法自体は「無限遠にて合成電界ベクトルが観測／測定される」ことが理想的な条件である。しかしながら、無限遠を近似して扱うための遠方界距離（言い換えると、無限遠と比較した際に位相誤差が一定値以内になるアンテナ間距離）はアレイアンテナ長の２乗に比例するため、アレイアンテナの大きさによっては遠方界距離が例えば数１００ｍを超える場合もあり、そのような条件を満たす測定サイト・コンパクトレンジの確保が困難を極める場合がある。したがって、遠方界距離の条件を満たす測定サイトの確保が困難である場合には特に、また、遠方界距離の条件を満たすか否かに関わらず例えば手間の軽減の観点などから、近距離（この発明の説明では、「遠方界距離未満」の意味で用いる）での測定が望まれる。なお、この発明の説明では、素子電界ベクトル回転法に従う計算に必要な情報を取得するための測定を行う地点のことを「観測点」と呼ぶ。
【0038】
ここで、観測点が近距離になった際の大きな問題点は、観測点と各素子アンテナとの間の距離差εnが顕著になるという点である（図３参照；尚、図３中の点Ｏは、アレイアンテナのアンテナ面の中心として扱う位置に相当する素子アンテナの位置である。また、第ｎ素子アンテナのことを「＃ｎ」と表示している。また、図３に示す素子アンテナの配置は座標が分かれば任意の配列でよい）。素子電界ベクトル回転法では無限遠での測定を前提としていることから、観測点Ｐと各素子アンテナとの間の距離差εnは存在しない。一方、距離差εnが存在する場合には前記距離差εnに起因する誤差を含んだ状態で相対振幅ｋnや相対位相Ｘnの算出を行うため、アレイアンテナの中心位置Ｏと比べて距離差εnの分だけ相対振幅ｋnが小さく、相対位相Ｘnが回転して見えることになる。それらを無限遠（実際には、遠方界）において観測したと想定した場合には、素子電界ベクトル回転法による補正後の状態が距離差εnの分だけ誤差としてみえることとなり、アンテナ放射パターンは想定とは異なると考えられる。距離差εnは、アレイアンテナのサイズが大きいほど、また、素子アンテナ（符号＃ｎ）－観測点Ｐ間の距離が短くなるほど、大きくなると考えられる、という問題がある。
【0039】
そこで、この発明に係るアンテナ装置やアンテナの校正方法は、特に近距離における距離の差の影響を補償するため、観測点Ｐの座標と各素子アンテナの座標との位置関係から距離差εnを算出し、素子電界ベクトル回転法によって計算される相対振幅ｋnの値や相対位相Ｘnの値を補正するようにしている。
【0040】
具体的には、この実施の形態に係るアンテナ装置１は、フェーズドアレイアンテナ１１を構成する複数の素子アンテナ１１１と、複数の素子アンテナ１１１それぞれの励振位相を制御する複数の可変移相器１３と、複数の素子アンテナ１１１ごとの励振位相を設定して複数の素子アンテナ１１１のそれぞれへと出力する制御部１４と、複数の素子アンテナ１１１からの放射波の合成波を利用して相対値を測定／算定する手法としての素子電界ベクトル回転法に従って複数の素子アンテナ１１１ごとの相対振幅および相対位相を計算する相対値計算部１８１と、複数の素子アンテナ１１１ごとの相対振幅および相対位相を補正する補正係数を複数の素子アンテナ１１１ごとに算出する補正係数算出部１８２と、を有し、補正係数算出部１８２が、素子電界ベクトル回転法に従う計算に必要な情報を取得するための測定を行う観測点の座標と複数の素子アンテナ１１１ごとの座標とを用いて、観測点と複数の素子アンテナ１１１それぞれとの間の距離の差に起因する複素電界の誤差を複数の素子アンテナ１１１ごとに算出して、複数の素子アンテナ１１１ごとの複素電界の誤差を相殺する値を複数の素子アンテナ１１１ごとの補正係数として出力し、制御部１４が、相対振幅の値と補正係数とを掛け合わせて補正後の相対振幅の値を算出するとともに、相対位相の値と補正係数とを掛け合わせて補正後の相対位相の値を算出して、複数の素子アンテナ１１１ごとの励振位相を設定する、ようにしている。
【0041】
また、この実施の形態に係るアンテナの校正方法は、複数の可変移相器１３が、フェーズドアレイアンテナを構成する複数の素子アンテナそれぞれの励振位相を制御し、相対値計算部１８１が、素子電界ベクトル回転法に従って複数の素子アンテナごとの相対振幅および相対位相を計算し、補正係数算出部１８２が、素子電界ベクトル回転法に従う計算に必要な情報を取得するための測定を行う観測点の座標と複数の素子アンテナごとの座標とを用いて、観測点と複数の素子アンテナそれぞれとの間の距離の差に起因する複素電界の誤差を複数の素子アンテナ１１１ごとに算出して、複数の素子アンテナ１１１ごとの複素電界の誤差を相殺する値を複数の素子アンテナ１１１ごとの補正係数として出力し、制御部１４が、相対振幅の値と補正係数とを掛け合わせて補正後の相対振幅の値を算出するとともに、相対位相の値と補正係数とを掛け合わせて補正後の相対位相の値を算出して、複数の素子アンテナ１１１ごとの励振位相を設定して複数の素子アンテナ１１１のそれぞれへと出力する、ようにしている。
【0042】
図３（Ｂ）に示すように、各素子アンテナ（符号＃ｎ）では、観測点Ｐとの距離について、アレイアンテナのアンテナ面の中心として扱う位置に相当する素子アンテナ（符号Ｏ）を基準として、下記の数式５によって計算される距離差εnが発生している。
（数５） εn ＝ ｜Ｒ－ｒn'｜－｜Ｒ｜
（数５） εn ＝ ｜Ｒ－ｒn'｜－｜Ｒ｜
【0043】
距離差εnに起因する複素電界の誤差を含む素子電界ベクトル回転法により算出される相対値に対する補正係数は、下記の数式６によって計算される。数式６に関し、ｋ＝２π／λである（λは信号（電波）の波長）。
【0044】
【数6】
【0045】
そして、素子電界ベクトル回転法によって計算される相対振幅ｋnの値や相対位相Ｘnの値に対して数式６によって計算される値を乗算することにより、距離差εnによる誤差が補正されることとなる。数式６によって計算される値のことを「補正係数」と呼ぶ。
【0046】
図１に示す例では、デジタル信号処理部１８が、相対値計算部１８１および補正係数算出部１８２を含む機序として構成される。
【0047】
相対値計算部１８１は、素子電界ベクトル回転法に従って、第ｎ素子アンテナ１１１ごとの相対振幅ｋnと相対位相Ｘnとの組み合わせを計算する。
【0048】
相対値計算部１８１には、素子電界ベクトル回転法の適用回数、言い換えると、素子電界ベクトル回転法に従って相対振幅および相対位相を計算する際に用いられる励振位相の切換え回数（別言すると、励振位相の更新回数）が規定される。そして、相対値計算部１８１は、設定された素子電界ベクトル回転法の適用回数に則して素子電界ベクトル回転法による計算を行い、計算の結果得られる第ｎ素子アンテナ１１１ごとの相対振幅ｋnと相対位相Ｘnとの組み合わせを制御部１４に対して出力する。
【0049】
補正係数算出部１８２は、観測点Ｐの座標と第ｎ素子アンテナごとの座標とを用いて、上記の数式５および数式６により、第ｎ素子アンテナ１１１ごとの補正係数を算出し、制御部１４に対して出力する。制御部１４は、補正係数算出部１８２から出力される第ｎ素子アンテナ１１１ごとの補正係数を保持する。なお、観測点Ｐの座標および第ｎ素子アンテナごとの座標は、補正係数算出部１８２や例えばデジタル信号処理部１８に備えられる記憶部（図示していない）に予め格納されるようにしてもよく、或いは、データファイルとして補正係数算出部１８２に対して与えられるようにしてもよい。
【0050】
制御部１４は、相対値計算部１８１から出力される前記相対振幅ｋnと相対位相Ｘnとの組み合わせの入力を受け、これら相対振幅ｋnおよび相対位相Ｘnと第ｎ素子アンテナ１１１ごとの補正係数とを用いて、第ｎ素子アンテナ１１１それぞれに対する励振位相の設定（別言すると、励振位相の更新）を行う。制御部１４は、具体的には、相対振幅ｋnの値と補正係数とを掛け合わせることによって補正後の相対振幅ｋnの値を算出するとともに、相対位相Ｘnの値と補正係数とを掛け合わせることによって補正後の相対位相Ｘnの値を算出して、励振位相を設定する。そして、制御部１４は、設定した第ｎ素子アンテナ１１１ごとの励振位相を、対応する第ｎ素子アンテナ１１１と接続している可変移相器１３に対して出力する。
【0051】
制御部１４は、また、相対振幅ｋnの値と補正係数とを掛け合わせることによって算出される補正後の相対振幅ｋnの値を、対応する第ｎ素子アンテナ１１１と接続している可変減衰器１２に対して出力する。
【0052】
次に、上述のような構成のアンテナ装置１やアンテナの校正方法の作用効果を検証するための実証実験の結果について説明する。
【0053】
実証実験では、複数の素子アンテナを備えるアレイアンテナが用いられる。観測点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）を（０，０，ｄ）とする。座標系は、ｘ軸，ｙ軸，およびｚ軸が相互に直交する３軸直交座標系とする（図３（Ａ）参照）。
【0054】
観測点の座標のｄ［ｍ］（以下の説明では、「観測点距離ｄ」と表記する）は、アレイアンテナの中心位置と観測点との間の距離であり、０．２２ｄpと１．０８ｄpとの２種類を設定する。なお、ｄpは本実証実験で用いたアンテナの遠方界距離（単位：ｍ）を表す。したがって、観測点距離ｄ＝１．０８ｄpの実証実験結果は遠方界距離の条件を満たす結果ということとなる。
【0055】
また、上述のような構成の（即ち、本発明に係る）アンテナ装置１やアンテナの校正方法についての実証実験に加えて、比較例として、従来の素子電界ベクトル回転法の処理のみを行った場合（即ち、図１に示す構成のうちの補正係数算出部１８２を有さず、相対振幅および相対位相の補正係数の算出を行わない場合）の実証実験を行う。
【0056】
実証実験の結果得られるアンテナ放射パターンを図４に示す。図４（Ａ）は従来の素子電界ベクトル回転法の処理のみを適用した場合のグラフである。図４（Ｂ）はこの発明に係るアンテナ校正方法による補正を適用した場合のグラフである。図４および図５では、横軸は素子アンテナから放射される電波における角度方向（放射方向）であり、縦軸は最大振幅で正規化された振幅である。
【0057】
図４において、破線は観測点距離ｄが０．２２ｄpの場合の結果であり、実線は観測点距離ｄが１．０８ｄpの場合の結果である。観測点距離ｄが１．０８ｄp の場合は実証実験にかかるアレイアンテナの遠方界距離の条件を満たすので、観測点距離ｄが１．０８ｄpの場合の結果（即ち、遠方界距離の理想的なアンテナ放射パターン）と観測点距離ｄが０．２２ｄpの場合の結果（即ち、近距離のアンテナ放射パターン）との間の相違の程度を検証することにより、近距離であることによる距離の差の影響を確認することができる。
【0058】
従来の素子電界ベクトル回転法の処理のみを適用した場合の図４（Ａ）の結果と、この発明に係るアンテナ校正方法による補正を適用した場合の図４（Ｂ）の結果とを比較すると、この発明に係るアンテナ校正方法による補正が適用されることにより、従来の素子電界ベクトル回転法の処理のみを適用した場合と比べて、観測点距離ｄ＝０．２２ｄpの場合の結果（即ち、破線）が、観測点距離ｄ＝１．０８ｄpの場合の結果（即ち、実線）へと近づく方向に補正されていることが確認できる。
【0059】
なお、本実証実験ではアンテナ装置の移相器および減衰器はそれぞれ量子化幅を持つものを利用している。このため、図４（Ｂ）に示すように、この発明に係るアンテナ校正方法による補正を適用しても、可変素子の量子化幅未満の補正は不可能であるため、観測点距離ｄ＝０．２２ｄp ｍ の場合の結果が観測点距離ｄ＝１．０８ｄp ｍ の場合の結果と完全には一致しない。ただし、可変移相器や可変減衰器の量子化幅を十分に小さくし，他の誤差要因を取り除けたと仮定すれば、理論上では観測点距離ｄ＝０．２２ｄp ｍ の場合の結果は観測点距離ｄ＝１．０８ｄp ｍ の場合の結果と一致すると考えられる。
【0060】
続いて、アレイアンテナの中心位置の正面から０．１ｄpずれた位置に観測点を設け、アレイアンテナの中心位置の正面から観測点をシフトさせた場合のアンテナ装置１やアンテナの校正方法の作用効果を検証するための実証実験を行う。観測点をシフトさせた場合については、観測点距離ｄを０．７３ｄpに設定する。つまり、観測点をシフトさせた場合については、観測点の座標が（０，０，０．７３ｄp）と（０．１ｄp，０，０．７３ｄp）とについて実証実験を行う。
【0061】
観測点をシフトさせた場合についても、上述のような構成の（即ち、本発明に係る）アンテナ装置１やアンテナの校正方法についての実証実験に加えて、比較例として、従来の素子電界ベクトル回転法の処理のみを行った場合（即ち、図１に示す構成のうちの補正係数算出部１８２を有さず、相対振幅および相対位相の補正係数の算出を行わない場合）の実証実験を行う。
【0062】
実証実験の結果得られるアンテナ放射パターンを図５に示す。図５（Ａ）は従来の素子電界ベクトル回転法の処理のみを適用した場合のグラフである。図５（Ｂ）はこの発明に係るアンテナ校正方法による補正を適用した場合のグラフである。
【0063】
図５において、実線は観測点の座標が（０，０，０．７３ｄp）の場合の結果であり、破線は観測点の座標が（０．１ｄp，０．７３ｄp）の場合の結果である。この実証実験では、観測点の座標が（０，０，０．７３ｄp）の場合の結果（即ち、アレイアンテナの中心位置の正面におけるアンテナ放射パターン）と観測点の座標が（０．１ｄp，０，０．７３ｄp）の場合の結果（即ち、アレイアンテナの中心位置から０．１ｄpずれた位置の対面におけるアンテナ放射パターン）との間の相違の程度を検証することにより、アレイアンテナの中心位置からのずれによる影響を確認することができる。
【0064】
従来の素子電界ベクトル回転法の処理のみを適用した場合の図５（Ａ）の結果と、この発明に係るアンテナ校正方法による補正を適用した場合の図５（Ｂ）の結果とを比較すると、この発明に係るアンテナ校正方法による補正が適用されることにより、従来の素子電界ベクトル回転法の処理のみを適用した場合と比べて、アレイアンテナの中心位置からずれた場合の結果（即ち、破線）が、アレイアンテナの中心正面の場合の結果（即ち、実線）へと近づく方向に補正されていることが確認できる。
【0065】
上記のような構成のアンテナ装置１やアンテナの校正方法によれば、被測定アンテナであるフェーズドアレイアンテナ１１を構成する各素子アンテナ１１１の座標値と測定アンテナの座標値とから求められる経路差の影響を補償するための補正係数を計算して、素子電界ベクトル回転法の結果である相対振幅の値や相対位相の値に補正係数を反映させるようにしているので、任意の地点で測定した情報を用いて得られる素子電界ベクトル回転法の結果をアンテナ正面の無限遠における理想的な値へと変換することが可能となる。すなわち、上記のような構成のアンテナ装置１やアンテナの校正方法によれば、被測定アンテナと測定アンテナとの相対座標のみから観測点の位置による影響を補正することができるので、任意の位置の測定サイトでの素子電界ベクトル回転法の利用を可能とし、測定サイトに纏わる制約条件を緩和して汎用性を向上させることが可能となる。アンテナ装置１やアンテナの校正方法によれば、また、ピックアップアンテナを利用する方式のようにアンテナに対する追加の設計が必要とされないため、手間を軽減するとともに費用を節減することが可能となる。
【0066】
上記のような構成のアンテナ装置１やアンテナの校正方法によれば、特に遠方界距離未満における各素子アンテナ１１１と観測点との距離の差に起因する位相差／複素電界の誤差を解消することが可能となる。
【0067】
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。具体的には、上記の実施の形態ではこの発明が適用されるベースの構成として図１に示すアンテナ装置１を挙げたが、この発明が適用され得るアンテナ装置の構成は、図１に示すアンテナ装置１に限定されるものではなく、上記で説明したようなアンテナの校正方法が適用することができるアンテナ装置であればどのような構成でもよい。
【0068】
また、上記の実施の形態では素子電界ベクトル回転法によってフェーズドアレイアンテナにおける相対振幅ｋnの値や相対位相Ｘnの値が計算されるようにしているが、相対振幅ｋnの値や相対位相Ｘnの値を測定／算定する手法は、素子電界ベクトル回転法に限定されるものではなく、素子アンテナ１１１からの放射波または複数素子の放射波の空間合成波を利用してフェーズドアレイアンテナにおける相対振幅ｋnの値や相対位相Ｘnの値を測定／算定することができる手法（言い換えると、フェーズドアレイアンテナの各素子アンテナに放射された電界の相対値を測定／算定することができる手法）であればどのような手法であってもよい。さらに言えば、素子アンテナからの放射波を利用して相対値を測定する手法でもよく、或いは複数素子の放射波の空間合成波を利用して相対値を測定する手法でもよく、すなわち、単数の素子アンテナからの放射波を利用する手法でも複数の素子アンテナからの放射波を利用する手法でもどちらでもよい。
【0069】
相対振幅ｋnの値や相対位相Ｘnの値を測定／算定する手法として、具体的には例えば下記の手法が挙げられる。
ア）Ｍulti－Ｅlement Ｐhase－toggle method（ＭＥＰ法）
素子ごとの放射波に対し位相変調を行い、そのアレイ合成電界の振幅および位相を測定することで、各素子から放射された電界の相対振幅・位相を算出する方法である。なお、上記の実施の形態で用いている素子電界ベクトル回転法と比べると、素子電界ベクトル回転法では合成電界の振幅のみを測定して放射電界の相対値を算出している点で異なる。
イ）特定素子（例えば１素子）のみ放射させ、その放射電界の振幅・位相を測定して相対値を算出する方法
各素子系統に増幅器やＲＦスイッチなどが含まれる場合を想定し、これらをオン／オフすることにより対象とする素子電界のみを測定する方法である（高橋「フェイズドアレーの誤差解析とキャリブレーション技術」，電子情報通信学会論文誌Ｂ，Vol.Ｊ１００－Ｂ No.９，pp.７４８－７６３，一般社団法人電子情報通信学会，２０１７年）。
ア）Ｍulti－Ｅlement Ｐhase－toggle method（ＭＥＰ法）
素子ごとの放射波に対し位相変調を行い、そのアレイ合成電界の振幅および位相を測定することで、各素子から放射された電界の相対振幅・位相を算出する方法である。なお、上記の実施の形態で用いている素子電界ベクトル回転法と比べると、素子電界ベクトル回転法では合成電界の振幅のみを測定して放射電界の相対値を算出している点で異なる。
イ）特定素子（例えば１素子）のみ放射させ、その放射電界の振幅・位相を測定して相対値を算出する方法
各素子系統に増幅器やＲＦスイッチなどが含まれる場合を想定し、これらをオン／オフすることにより対象とする素子電界のみを測定する方法である（高橋「フェイズドアレーの誤差解析とキャリブレーション技術」，電子情報通信学会論文誌Ｂ，Vol.Ｊ１００－Ｂ No.９，pp.７４８－７６３，一般社団法人電子情報通信学会，２０１７年）。
【0070】
なお、この発明に係るアンテナ装置１やアンテナの校正方法は近距離（即ち、遠方界距離未満）における各素子アンテナと観測点との距離の差に起因する位相差／複素電界の誤差の解消に特に効果があるものの、この発明に係るアンテナ装置１やアンテナの校正方法の適用範囲／適用条件が近距離に限定されるものではない。すなわち、この発明に係るアンテナ装置１やアンテナの校正方法は、近距離に設定された観測点における測定によって取得された情報が用いられて例えば素子電界ベクトル回転法のような複数の素子アンテナからの放射波の合成波を利用して相対値を測定／算定する手法に従って計算される相対振幅ｋnや相対位相Ｘnの補正に有効であることに加え、遠方界距離に設定された観測点における測定によって取得された情報が用いられて例えば素子電界ベクトル回転法などに従って計算される相対振幅ｋnや相対位相Ｘnの補正にも有効である。なお、遠方界距離は、無限遠として扱うためのあくまでも便宜上の距離であり、遠方界距離であっても、各素子アンテナと観測点との間の距離の差は存在するので、各素子アンテナと観測点との距離の差に起因する位相差／複素電界の誤差が存在する。
【符号の説明】
【0071】
１ アンテナ装置
１１ フェーズドアレイアンテナ
１１１ 素子アンテナ，第ｎ素子アンテナ
１２ 可変減衰器
１３ 可変移相器
１４ 制御部
１５ 電力合成器
１６ 受信機
１７ Ａ／Ｄ変換器
１８ デジタル信号処理部
１８１ 相対値計算部
１８２ 補正係数算出部
１１ フェーズドアレイアンテナ
１１１ 素子アンテナ，第ｎ素子アンテナ
１２ 可変減衰器
１３ 可変移相器
１４ 制御部
１５ 電力合成器
１６ 受信機
１７ Ａ／Ｄ変換器
１８ デジタル信号処理部
１８１ 相対値計算部
１８２ 補正係数算出部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】