の分野でアレイアンテナ、空間フィルタリングとしても知られるビームフォーミングは、無線電波または音波を指向性を持って送受信するために使用される信号処理技術です。ビームフォーミングは、レーダーおよびソナー システム、無線通信、音響、生物医学機器で一般的に使用されます。通常、ビームフォーミングとビームスキャンは、すべての要素が特定の方向に同位相で信号を送信または受信するように、フィードとアンテナ アレイの各要素の間の位相関係を設定することによって実現されます。送信中、ビームフォーマーは各送信機の信号の位相と相対振幅を制御して、波面上に強め合う干渉パターンと弱め合う干渉パターンを作成します。受信中、センサー アレイ構成により、必要な放射パターンの受信が優先されます。
ビームフォーミング技術
ビームフォーミングは、固定応答でビーム放射パターンを目的の方向に導くために使用される技術です。ビームフォーミングとビームスキャンアンテナアレイは、位相シフト方式または時間遅延方式によって実現できます。
位相シフト
狭帯域システムでは、時間遅延は位相シフトとも呼ばれます。無線周波数 (RF) または中間周波数 (IF) では、フェライト位相シフタを使用して位相をシフトすることでビームフォーミングを実現できます。ベースバンドでは、位相シフトはデジタル信号処理によって実現できます。広帯域動作では、メインビームの方向を周波数に対して不変にする必要があるため、時間遅延ビームフォーミングが推奨されます。
RM-PA17731
RM-PA10145-30(10～14.5GHz)
タイムラグ
時間遅延は、伝送線路の長さを変更することによって導入できます。位相シフトと同様に、時間遅延は無線周波数 (RF) または中間周波数 (IF) で導入でき、この方法で導入された時間遅延は広い周波数範囲にわたって適切に機能します。ただし、時間走査アレイの帯域幅は、双極子の帯域幅と双極子間の電気的間隔によって制限されます。動作周波数が増加すると、双極子間の電気的間隔が増加し、その結果、高周波数でのビーム幅がある程度狭くなります。周波数がさらに増加すると、最終的にはグレーティング ローブが発生します。フェーズド アレイでは、ビーム形成方向がメイン ビームの最大値を超えると、グレーティング ローブが発生します。この現象によりメインビームの配光に誤差が生じます。したがって、グレーティング ローブを回避するには、アンテナ ダイポールに適切な間隔が必要です。
重み
重みベクトルは複素ベクトルであり、その振幅成分がサイドローブ レベルとメイン ビーム幅を決定し、位相成分がメイン ビーム角度とヌル位置を決定します。狭帯域アレイの位相重みは位相シフタによって適用されます。
RM-PA7087-43(71～86GHz)
RM-PA1075145-32(10.75-14.5GHz)
ビームフォーミング設計
放射パターンを変更することで RF 環境に適応できるアンテナは、アクティブ フェーズド アレイ アンテナと呼ばれます。ビームフォーミング設計には、Butler マトリックス、Blass マトリックス、Wullenweber アンテナ アレイを含めることができます。
バトラーマトリックス
Butler Matrix は 90° ブリッジと位相シフターを組み合わせて、発振器の設計と指向性パターンが適切であれば、360° もの広いカバレッジ セクターを実現します。各ビームは、専用の送信機または受信機によって使用することも、RF スイッチによって制御される単一の送信機または受信機によって使用することもできます。このように、バトラー マトリックスを使用して円形アレイのビームを操作できます。
ブラース行列
Burras マトリックスは、伝送線路と方向性結合器を使用して、ブロードバンド動作のための時間遅延ビームフォーミングを実装します。Burras マトリクスはブロードサイド ビームフォーマとして設計できますが、抵抗終端を使用しているため、損失が高くなります。
ウールウェバー アンテナ アレイ
Woollenweber アンテナ アレイは、高周波 (HF) 帯域での方向探知アプリケーションに使用される円形アレイです。このタイプのアンテナ アレイは無指向性または指向性素子のいずれかを使用でき、素子の数は通常 30 ～ 100 で、そのうちの 3 分の 1 が高指向性ビームの連続形成専用です。各要素は、アンテナ パターン特性をほとんど変えることなく 360° スキャンできるゴニオメーターを介してアンテナ アレイ パターンの振幅重み付けを制御できる無線デバイスに接続されています。さらに、アンテナアレイは、時間遅延を介してアンテナアレイから外側に放射するビームを形成し、それによって広帯域動作を達成する。
アンテナの詳細については、次のサイトをご覧ください。
投稿日時: 2024 年 6 月 7 日
