アクティブアレーアンテナ

ATR光電波通信研究所　無線通信第一研究室　岩崎　久雄

1．はじめに
　自動車、船舶、飛行機などの移動体には、通信のほか、自分の位置を知ることのできる測位、衝突防止といったさまざまな機能・サービスが導入されようとしています。このような機能やサービスに対応するには、所望の方向にビームをむける（ビーム走査）、利用する形態に応じ放射するアンテナの指向性を変える（ビーム形成）など、従来にない高い能力をもつアンテナの実現が望まれます。更に、このようなアンテナは、移動体に適合した形状をしていることも重要な要件です。また、サービスごとに、異なる周波数や帯域幅に応じて、別々のアンテナを用いるのでなく、一つのアンテナで対応できることが理想です。
　ATR光電波通信研究所では、このような高い能力をもったアンテナとして、増幅器などのアクティブ素子^(＊1)を接続したアンテナ素子を複数配列し、これらの素子を個々に制御することで、より高度な機能を実現するアクティブアレーアンテナ^(＊2)が最も有望であると考え、移動体用アクティブアレーアンテナの研究を行っています。ここでは、このようなアンテナの実現に必要なアレーアンテナのビーム形成技術を中心に、この研究を効率的に進めるための高精度な近傍電磁界測定、および知識データベースを用いたアンテナ設計支援システムに関する研究の概要について紹介します。

2．高機能移動体用アレーアンテナ
　所望の方向にビームを向けるには、図1（a）に示す固定ビームを放射するアンテナ自体を機械的に動かす方法がありますが、アレーアンテナでは、図1（b）に示すように、原理的に基準のアンテナ素子から放射される電波に対し、各アンテナ素子から放射される電波を、進めるかまたは遅らせる（各素子に流れる電流の位相を変える）ことで、電子的に所望の方向の感度を高めるビーム走査が行えます。更に、位相だけでなく振幅も同時に制御することで図1（c）に示すように、干渉波などの不要波の方向に対し感度をなくしたり、また、所望の角度以外の放射レベルを低く抑えるようなビーム形成ができます。しかしながら、アンテナからの放射ビームはアンテナ素子の配列のしかたとアンテナの形状に大きく依存します。
　移動体の形状に適合したアレーアンテナを実現するには、図2のような複雑な曲面上に配列されたアレーアンテナであっても、目的とするビーム形状を得られるように、アンテナ素子間やアンテナ素子と移動体との相互干渉を考慮し、振幅と位相を制御しなければなりません。
　このような困難な課題を克服するため、第一段階として、半球面上にアンテナ素子が配列されたアクティブアレーアンテナのビーム形成方法の研究を進めています^[1]。半球面配列アレーアンテナでは、平面アレーと異なりビーム方向に応じて放射や受信に寄与しない素子が生じてくる問題があり、移相器などを用いた従来の振幅・位相の制御方法ではビーム形成ができなくなります。このような球面アレーアンテナを実現するには、新しいビーム形成技術が重要となります。そこで、放射に寄与する素子の信号のみを用いて、高速・高精度なビーム走査と最適なビーム形成を実現するため、ディジタルビーム形成に関する検討を行っています。また、このような機能を移動体上で実現するには、アンテナ素子のみならず給電部と信号処理・制御部の小型化・一体化を図り、移動体での使用を可能とするように構成しなければなりません。
　高周波部については、（1）技術の進歩が著しいモノリシックマイクロ波集積回路技術^[2]を用いGaAs等の誘電率の高い基板に給電回路素子を集積化すること、また（2）マイクロストリップアンテナ^(＊3)を電磁結合方式で給電することにより多層化を図ること、等で薄型・小型化が実現できると考えています。現在、この電磁結合方式を用いて、アンテナを立体的に構成し、送信アンテナと受信アンテナの一体化を図った2周波共用アンテナの研究を進めています^[3]。
　上に述べたアンテナのビーム走査・形成機能は、アンテナ素子の振幅と位相を別々に、また、それをアンテナ素子ごとに制御するものですが、同時にすべてのアンテナ素子の振幅と位相を制御する方法も考えられます。光信号伝送・信号処理を用いてこれらを制御する方法は、有力な候補です。光伝送、光信号処理では、高速で広帯域な信号を取り扱うことができ、回路そのものの小型・軽量化も可能です。また、給電回路素子間の干渉や相互結合、また外来からの電磁的な干渉に対する非干渉性に優れているという利点もあります。そこで、アンテナの給電系に光制御技術を用いることについて検討を進めています。

3．高精度電磁界測定技術
　曲面に配列されたアンテナを用いビームの走査と形成を行うためには、前述のような各アンテナ素子ごとの給電電流の振幅と位相の高精度な制御が必要です。しかし、アクティブアレーアンテナでは、アンテナ素子間の干渉のみならずアンテナ素子とアクティブ素子間の干渉やアンテナが取りつけられた移動体が、アンテナの特性に影響を与えます。このため、アクティブアレーアンテナの設計と評価に際して、放射指向性などのアンテナ特性に加えて、個々のアンテナ素子の状態を知ることが要求されます。
　近傍電磁界測定法は、測定環境をコントロールした電波暗室内において、アンテナ近傍の電界をプローブで測定し、その測定値に厳密な電磁界理論に基づいた計算機処理を行うことで、アンテナの遠方における放射指向性だけでなく、アレーを構成するアンテナ素子ごとの電流を高精度に求める測定法です。図3に示すように、アンテナを取りつけた移動体を囲む球面上の電界を測定することで、全方向における放射指向性と同時にアンテナ素子の電流と移動体などがアンテナの特性に与える影響が明らかになります。また、この測定法で得られた値と設計値とを比較検討することによって、問題点の把握とその対処法が容易になります。このように、この測定法は広角及び高速ビーム走査機能などをもつ移動体用アレーアンテナの測定と評価に適した方法であります。
　この測定法では、球面上の電界（振幅と位相）を使用周波数における波長の1/2ごとの間隔で測定します。このとき波長の数十分の1の精度で、測定点のプローブの位置を制御することが要求されます。例えば、周波数10GHzで直径が1mの球面の測定を考えると、要求される位置精度は数十μmとなり、全データ数は約4万となります。このようなμmオーダでのプローブの位置制御と膨大な数のデータを収集するために、測定装置の導入・整備を図り、プローブの位置を高精度に制御するソフトウェアと自動データ収集ソフトウェアを開発してきました。また、球面上の測定値から、アンテナの遠方における放射指向性とアンテナ素子上の電流を、プローブの指向性の影響も考慮して、厳密に求めるための解析式の導出とプログラムの開発を行っています。更に、この測定法で求められるアンテナ特性の精度と球面上でのプローブの位置精度等との関係を、解析的に明らかにするための研究に取り組んでいます。
　新しい研究所の電波暗室に、移動体の影響をも含めたアンテナ特性測定と評価を行うために、球面走査型の近傍電磁界測定装置を導入します。この電波暗室のクワイアットゾーン（QZ）と呼ばれる最も理想的な測定領域の大きさは、直径4mの球状の内部であり、電波の送信部と受信部の2ヵ所に設けられています。この電波暗室において、使用周波数が低いかアンテナ素子数が少ない場合には、遠方電磁界測定も行えます。

4．アンテナ設計支援システム
　高度な機能が付加されたアンテナを設計するには、単に、解析プログラムを用いるのみでなく、多くの文献に記載されている様々なアンテナの特性、設計法、用途等の知識と専門家のもつ経験則などアンテナに関する知識からなる知識データベースと適用領域や計算精度などが明確な体系化された解析プログラムを、対話的に使用できる環境が望まれます。
　このような環境を実現するものとして、（1）各種アンテナに関するデータベースの検索、（2）対話的な、アンテナ形状の生成、形状に応じた解析手法の選択、解析プログラムに適した入力データの生成、（3）設計者が要求する計算結果の図表示、等が行なえる設計支援システムの構築を進めています（図4参照）。
　これを実現するため、手始に理論が明確で解析手法と実験結果が数多く報告されている線状アンテナを対象として、研究に着手しました。検索が容易である知識の表現法、アンテナ形状と給電方法に応じた解析法の体系化、効率的な解析を行うための入力データの生成法、得られた解析結果の図表示方法に関する研究を進めています^[4]。
　今後、この研究をアクティブアレーアンテナなどのより高機能なアンテナに適用発展させていき、前項の研究成果などが容易に使えるようなシステムを作り上げていきたいと考えています。

5．おわりに
　アンテナ技術は近年のマイクロ波回路技術や信号処理技術の発展と共に変貌しつつあります。本文で述べたアンテナ、給電部、信号処理・制御部を一体化したアクティブアレーアンテナは、外見は従来の平面的なアレーアンテナと同じでも、これまでにない高い能力をもったアンテナになります。本研究所では、有限な資源である電波が最も有効に利用される移動体通信の分野に重点をおき、球面走査近傍電磁界測定や知識データベースを用いた設計支援システムを活用して、如何なる移動体にも適用できる高機能アクティブアレーアンテナの研究を進めていく計画です。

参考文献