JP2851349B2

JP2851349B2 - アレーアンテナ同相合成装置

Info

Publication number: JP2851349B2
Application number: JP2965690A
Authority: JP
Inventors: 謙治王丸; 好一高野
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1990-02-13
Filing date: 1990-02-13
Publication date: 1999-01-27
Anticipated expiration: 2014-01-27
Also published as: JPH03235504A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、アダプティブアレーアンテナ、特に電波到
来方向に自動的にビームを向けて追尾するためのアレー
アンテナ同相合成装置に関する。

（発明の概要）本発明は、移動無線等で自動追尾を行うアダプティブ
アレーアンテナにおいて、各アンテナ素子の出力を、常
に同相で合成することによって、追尾動作を行わせる操
置である。各アンテナ素子の出力を、一旦独立した局部
発振器を有する受信フロントエンドである周波数変換器
で中間周波数に変換した後、位相ロックループにおいて
各出力を同相に合成し、位相ロックループの利得、帯域
特性または時定数を切替えまたは可変にして、引込み範
囲とロック範囲とを共に広範囲に保持することにより、
独立した局部発振器の使用が可能となり、この合成装置
の定価格化と動作の安定化とを達成するものである。

（従来の技術）一般に、電波の到来方向が不確定に変化する移動体通
信および放送の移動受信では、アンテナビームを常に電
波到来方向に向けることが必要である。無指向性アンテ
ナを用いれば、このようなビーム操作は不必要である。
しかし、無指向性アンテナではアンテナ利得が低く、送
信電力が大きくなり、他方向からの妨害の受け易い。こ
のために、アンテナビームを電子的に制御し追尾して、
電波到来方向にビームを常時向ける方法の一つにアダプ
ティブアレーアンテナがある。このアンテナは、機械制
御に比較して追尾速度が早く、車両用等の高速追尾を行
なう場合に有効である。

（発明が解決しようとする課題）ところが、この方法は、追尾範囲を広くとるにはアン
テナ素子単体の指向性が広くする必要があり、このため
に素子利得が低くなるために、高利得とするには多数の
素子を合成しなければならない。受信信号の位相を検出
して同相合成となるように位相追尾を行う場合に、素子
単体による受信信号のC/Nは低い値になるから、位相検
出精度が低下し、特に広帯域FM変調を行うシステムまた
は衛星電波受信の場合に低C/Nとなり、高性能な構成が
困難であった。

かつ、各アンテナ素子出力の位相を制御して同相とす
るための移相器および移相器制御回路を必要とし、この
移相器制御回路が電波到来方向の情報から各アンテナ素
子出力の位相を計算し、同相合成操作を行う場合に、周
波数変換器の局部発振器を共通とし、周波数変換によっ
て位相情報が失われないようにする必要があり、各周波
数変換器への局部発振出力分配用導波管または同軸線路
を布設するための配管の構成または配置等の制約が複雑
で、かつコスト高を招くという解決すべき問題もあっ
た。

また、マイクロ波帯やミリ波帯のように高い周波数領
域では、可変位相器の挿入損失が大きく、かつきめ細か
い位相制御を行う場合には、複雑かつ高価格になるとい
う問題もあった。

この発明は、従来技術の問題点を有効に解決し、その
構成が簡易化し、発生する位相および周波数のずれが補
正され、同相合成されて、アンテナビームの追尾動作が
安定化し、追尾範囲が拡大するアレーアンテナ同相合成
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）このような目的を達成するために、この発明は、複数
個のアダブティブアレーアンテナの各素子出力をそれぞ
れ独立した中間周波数に変換する複数個の局部発振器を
有する受信フロントエンドと、この受信フロントエンド
に接続され前記中間周波数の出力のいずれかを基準とし
て他の中間周波数の出力を位相を検出し、利得、帯域特
性または時定数をロック時と非ロック時とで切替えまた
は可変し同相にして合成する位相ロックループとを備え
たことを特徴とする。

また、位相ロックループは、位相弁別出力により周波
数が制御される可変周波数発振器と、この可変周波数発
振器により駆動され互いに90度位相差を有するサンプリ
ングパルスを発生するパルス発生装置と、前記可変周波
数発振器とほぼ同一周波数の正弦波固定周波数を発振す
る固定周波数発振器と、この固定周波数発振器の出力を
前記サンプリングパルスでサンプリングしホールドして
90度位相差に対応した２つの電圧として前記固定周波数
発振器出力に対する可変周波数発振器出力の位相をθと
するsinθおよびcosθに対応する電圧を発生するサンプ
ルホールド回路とを設け、前記sinθおよびcosθ電圧で
駆動し、入力中間周波数の移相をθだけシフトするリゾ
ルバ回路で構成する無限位相器を備えることを特徴とす
る。

（作用）このような同相合成装置は、周波数ずれが大きい場合
および入力信号のC/Nが悪い場合に動作が不安定になる
恐れがあるが、各アンテナ素子の出力を、常に同相で合
成することによって、追尾動作を合わせ、各アンテナ素
子の出力を、一旦独立した局部発振器を有する周波数変
換器で中間周波数に変換した後、位相ロックループ自体
を適応制御することにより、各出力を同相にして合成
し、位相ロックループの利得、帯域特性または時定数を
切替えまたは可変にして、引込み範囲とロック範囲とを
共に広範囲に保持して、独立局部発振器の使用が可能
で、その動作が安定化し、位相ロックを行う無限移相器
をリゾルバ回路の採用による簡単な回路構成によって、
高速・高精度動作の達成を可能としている。

（実施例）次に、本発明の実施例を図面に基づき、詳細に説明す
る。

第１図は本発明のアレーアンテナ同相合成装置の一実
施例のブロック図を示す。アレーアンテナ同相合成装置
100は、主として複数基、本実施例では２基のアンテナ
素子1,2と、受信フロントエンドである周波数変換器3,4
および位相ロックループ12とから構成される。この位相
ロックループ12は、無限移相器５と、帯域フィルタ6,'
と、位相検波器８と、可変低減フィルタ９と、ロック外
れ検出器10および合成器11とからなる。このうち、周波
数変換器3,4は、アンテナ素子1,2の出力を周波数変換す
るそれぞれ独立した局部発振器を含んでいる。無限移相
器５は、周波数変換器３の出力位相を変化させて、周波
数変換器４の出力位相に合せる。帯域フィルタ6,7は、
無限移相器５および周波数変換器４の出力から必要な信
号成分を抽出する。位相検波器８は、帯域フィルタ6,7
の出力信号の位相を比較して、その位相差に応じた信号
を出力する。

また、可変低域フィルタ９は、位相検波器８の出力の
低域成分を抽出し、かつ利得そよび帯域特性を可変とす
る。ロック外れ検出器10は、位相ロックループ12におけ
るロック外れ時に生じるリップル電圧を検出して、可変
低域フィルタ９の利得と帯域特性を制御する。合成器11
は、周波数変換器４の出力と、この出力と同一位相にさ
れた無限位相器５の出力と合成し出力する。

このような構成により、アンテナ素子1,2の出力がそ
れぞれ独立した周波数変換器3,4で第１中間周波数に変
換されると、各周波数変換器3,4の局部発振周波数が同
一でないことによって、その位相および周波数が相違し
ている。この周波数を再び同一周波数、同一位相に合せ
るように、無限移相器５によって自動調整するのであ
る。この自動調整は、２つ出力の位相差を検出して位相
が同一になるように、無限移相器５を駆動させるフィル
ドバック回路によって行う。定常的な位相差補正は周波
数を換えることと同じであるから、無限移相器５によっ
て周波数も補正することが可能である。

このフィルドバック回路が正常に動作している間は、
位相検波器８の出力は、ほとんど零で僅かの直流誤差電
圧で無限移相器５を駆動している。従って、可変低域フ
ィルタ９のカットオフ周波数が低くなり、ループ利得を
高く設定すれば、C/N低下による雑音の影響を除去する
ことができ、安定な動作を行うことによってそのロック
レンジ広範囲となる。しかし、何らかの原因でロックが
外れた場合、ループを高利得で狭帯域に設定しているた
めに、再捕捉が困難となる恐れがある。それ故に、周波
数変換器3,4による周波数ずれを補正できるように、可
変低域フィルタ９の帯域特性を拡げる。

ところが、広帯域にすれば雑音によってその動作が不
安定になるから、ループ利得を最適になるように可変低
域フィルタ９を制御する。その結果、捕捉レンジが広く
なり、しかも再捕捉が容易となる。一旦、捕捉してロッ
クがかかれば、再び可変低域フィルタ９を制御して、狭
帯域高利得ループとし、位相ロックループ12の安定化を
計ることができる。この位相ロックループ12のロックが
外れた場合には、可変低域フィルタ９の出力に周波数差
に相当するリップル電圧が生じるから、このリップル電
圧を検出してループ制御電圧とするものである。

次に、第２図は本発明の他の実施例の概略構成図を示
す。アレーアンテナ同相合成装置200は、主として複数
基、本実施例では２基のアンテナ素子1,2と、受信フロ
ントエンドである周波数変換器3,4および位相ロックル
ープ25とから構成されている。この位相ロックループ25
は、ミクサ13,14、電圧可変局部発振器15、固定局部発
振器16、帯域フィルタ17,18、位相検波器19、狭帯域低
域フィルタ20、広帯域低域フィルタ21、切替スイッチ2
2、リップル検出器23および合成器24とからなる。この
うち、周波数変換器3,4は、アンテナ素子1,2の出力をそ
れぞれ独立した第１中間周波数に変換する。また、ミク
サ13,14、電圧可変局部波発振器15ならびに局部発振器1
6は、周波数変換器3,4の第１中間周波数を第２中間周波
数に変換する。

なお、帯域フィルタ17,18は、第２中間周波数の中か
ら必要な信号を抽出する。位相検波器19は、帯域フィル
タ17,18の出力信号の位相を比較して、位相差に応じた
信号を出力する。狭帯域低域フィルタ20,広帯域低域フ
ィルタ21は、位相検波器19の出力の低域成分を抽出す
る。切替スイッチ22、２つのフィルタ20,21の出力を切
替える。リップル検出器23は、広帯域低域フィルタ21の
出力から位相ロックループ25のロック外れ時に生じるリ
ップル電圧を、検出して切替スイッチ22を制御する。合
成器24は、この２つの第２中間周波数信号を合成し出力
する。

このような構成により、周波数変換器3,4は、それぞ
れ独立した局部発振器を有するから、その出力周波数は
異なり同一でないが、第２中間周波数で周波数と位相と
がそれぞれ同一になるように、電圧可変局部発振器15で
制御するものである。

このために、位相検波器19、低域フィルタ20,21、電
圧可変局部発振器15およびミクサ13等よりなる位相ロッ
クループ25が形成されているが、入力信号のC/Nが低い
場合にも、位相ロックループ25の動作を安定させるため
に、ロックされている場合には狭帯域フィルタ20に、ロ
ックが外れた場合には広帯域フィルタ21に切替え、ロッ
クレンジおよび捕捉レンジは共に最大になるように、そ
れぞれ狭帯域および広帯域フィルタ20,21の定数を設定
するものである。

第３図は第１図に示す無限移相器のブロック図であ
る。無限移相器５は、中間周波数入力Ｉの位相をシフト
するリゾルバ型で構成され、主として分配器26と、ダブ
ルバランスミクサ27,28と、ハイブリッド回路29と、可
変周波数矩形波発振器（可変周波数発振器）30と、シュ
ミットトリガー回路31と、90度移相回路32と、正弦波固
定周波数発振器（正弦波発振器）33およびサンプルホー
ルド回路34,35とから構成される。このうち、分配器26
は中間周波数入力Ｉを２つの中間周波数に分配し、ダブ
ルバランスミクサ27,28は分配器26によって分けられた
２つの出力を、それぞれ平衡変調する。ハイブリッド回
路29は、ダブルバランスミクサ27,28の出力e₁,e₂を90度
の位相差で合成させ中間周波数出力e₀とする。

また、可変周波数発振器30は、位相弁別回路から出力
される制御入力電圧Ｅによって周波数を可変とし矩形波
を出力する。シュミットトリガー回路31は、可変周波数
発振器30の矩形波出力によってサンプリングパルスを出
力する。90度移相回路32は、このサンプリングパルスを
90度移相させるパルス発生装置である。サンプルホール
ド回路34,35は、可変周波数発振器30とほぼ同一周波数
を発振する正弦波発振器33の出力を、サンプリングホー
ルド回路34,35でサンプルして保持し、この保持電圧に
よってダブルバランスミクサ27,28の平衡変調を行うも
のである。

このように構成された無限移相器５の動作を説明す
る。角周波数Ωの正弦波発振器33の出力電圧をsinΩ
ｔ、制御入力電圧をＥとし、可変周波数発振器30の発振
角周波数をΩ−kEとする。ここに、ｋは定数で、Ω−kE
は通常Ωに近い値である。この発振角周波数Ω−kEに時
間ｔを掛ければ位相となり、Ωｔ−kEtとすることがで
きるから、可変周波数発振器30は正弦波発振器33と同一
各周波数Ωで発信し、位相がkEtだけ遅れていると見做
すことができる。

従って、シュミットトリガー回路31で発生したサンプ
リングパルスで正弦波出力をサンプルすると、位相遅れ
kEtに対応したsin（kEt）なる値にサンプルホールド回
路35の出力を保持することができる。また、90度移相回
路32で角周波数Ωに対して、π/4だけ遅らせてサンプル
すると、サンプルホールド回路34の出力がcos（kEt）に
保持される。

また、中間周波数入力信号Ｉをsinωｔで表わすと、
この信号Ｉを２分配してミクサ27でcos（kEt）と掛け合
せると、その出力はsinωｔ・cos（kEt）となり、他方
のミクサ28でsin（kEt）と掛け合せるとsinωｔ・sin
（kEt）となる。このミクサ28の出力は、ハイブリッド
回路29で90度の位相遅れを受けるから、cosωｔ・sin
（kEt）となる。その結果、ハイブリッド回路29で合成
された出力e₀は次式（１）で表わされる。

e₀＝sinωｔ・cos（kEt）＋cosωｔ・ sin（kEt）＝sin（ωｔ＋kEt） ………（１）上式（１）に示すように、入力sinωｔに対して、出
力ｅはsin（ωｔ＋kEt）と位相がkEtだけ進んでおり、
制御電圧Ｅを変化させることにより、任意の移相を行う
ことが可能である。

このように、本発明の同相合成装置100,200は、各ア
ンテナ素子出力の位相合せをアダプティブな位相ロック
ループ12,25で行うことにより、安定化し、移動受信で
しばしば生じる電波の途切れにより、この位相ロックル
ープのロックが外れが生じても、回路定数の変更により
直ちに捕捉することが可能である。このために、アンテ
ナビームの追尾動作が安定化し、追尾範囲を拡大するこ
とが可能である。

さらに、位相ロック範囲の拡大により、アンテナ出力
を第１中間周波数に変換する周波数変換器3,4にそれぞ
れ独立の局部発振器を用いることが可能となる。それは
第１中間周波数に多少のずれがあっても、次の位相ロッ
クループ12,25で周波数と位相とを同一にすることがで
きるからである。

（発明の効果）以上説明したようにこの発明のアレーアンテナ同相合
成装置は、各アンテナ素子の出力を、一旦独立した局部
発振器を有する周波数変換器で中間周波数に変換した
後、位相ロックループ自体を適応制御することにより、
各出力を常に同相して合成し、位相ロックループの利
得、帯域特性または時定数切替えまたは可変にして、引
込み範囲とロック範囲とを共に広範囲に保持して、独立
局部発振器の使用が可能で、その動作が安定化し、位相
ロックを行う無限移相器をリゾルバ回路の採用による簡
単な回路構成によって、アンテナビームの高速度・高精
度な追尾動作を可能とする等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアレーアンテナ同相合成装置の一実施
例のブロック図、第２図は本発明のアレーアンテナ同相
合成装置の他の実施例のブロック図、第３図は第１図に
示す無限移相器のブロック図である。 1,2……アンテナ素子 3,4……周波数変換器、５……無限移相器 6,7……帯域フィルタ、８……位相検波器９……可変低域フィルタ 10……ロック外れ検出器、11……合成器 12……位相ロックループ、13,14……ミクサ 15……電圧可変局部発振器 16……固定局部発振器 17,18……帯域フィルタ 19……位相検波器 20……狭帯域低域フィルタ 21……広帯域低域フィルタ 22……切替スイッチ 23……リップル検出器、24……合成器 25……位相ロックループ 26……分配器、27,28……ミクサ 29……ハイブリッド回路 30……可変周波数発振器 31……シュミットトリガー回路 32……90度移相回路 33……固定周波数発振器 34,35……サンプルホールド回路 100,200……アレーアンテナ同相合成装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01Q 3/42 H01Q 3/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個のアダブティブアレーアンテナの各
素子出力をそれぞれ独立した中間周波数に変換する複数
個の局部発振器を有する受信フロントエンドと、この受
信フロントエンドに接続され前記中間周波数の出力のい
ずれかを基準として他の中間周波数の出力の位相を検出
し、利得、帯域特性または時定数をロック時と非ロック
時とで切替えまたは可変し同相にして合成する位相ロッ
クグループとを備えたことを特徴とするアレーアンテナ
同相合成装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項の記載において、位
相ロックループは、位相弁別出力により周波数が制御さ
れる可変周波数発振器と、この可変周波数発振器により
駆動され互いに90度位相差を有するサンプリングパルス
を発生するパルス発生装置と、前記可変周波数発振器と
ほぼ同一周波数の正弦波固定周波数を発振する固定周波
数発振器と、この固定周波数発振器の出力を前記サンプ
リングパルスでサンプリングしホールドして90度位相差
に対応した２つの電圧として前記固定周波数発振器出力
に対する可変周波数発振器出力の位相をθとするsinθ
およびcosθに対応する電圧を発生するサンプルホール
ド回路とを設け、前記sinθおよびcosθ電圧で駆動し、
入力中間周波数の位相をθだけだけシフトするリゾルバ
回路で構成される無限移相器を備えたことを特徴とする
アレーアンテナ同相合成装置。