の分野ではアレイアンテナビームフォーミング（空間フィルタリングとも呼ばれる）は、無線電波または音波を指向的に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、および生物医学機器で広く使用されています。通常、ビームフォーミングとビームスキャンは、アンテナアレイの各素子とフィード間の位相関係を設定することで実現され、すべての素子が特定の方向に同位相で信号を送受信します。送信時には、ビームフォーマーが各送信機の信号の位相と相対振幅を制御し、波面に建設的干渉パターンと破壊的干渉パターンを作り出します。受信時には、センサーアレイ構成によって、目的の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、ビーム放射パターンを一定の応答で所望の方向に誘導する技術である。ビームフォーミングとビームスキャンは、アンテナアレイは位相シフトシステムまたは時間遅延システム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中間周波数（IF）では、フェライト移相器を用いた位相シフトによってビームフォーミングを実現できます。ベースバンドでは、デジタル信号処理によって位相シフトを実現できます。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好まれます。
RM-PA17731
RM-PA10145-30(10～14.5GHz)
時間差
時間遅延は、伝送線路の長さを変え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でうまく機能します。ただし、時間走査アレイの帯域幅は、ダイポールの帯域幅とダイポール間の電気的間隔によって制限されます。動作周波数が高くなると、ダイポール間の電気的間隔が広がり、高周波でのビーム幅がある程度狭くなります。周波数がさらに高くなると、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 ビームの分布に誤差が生じます。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。
重量
重みベクトルは複素ベクトルであり、その振幅成分はサイドローブレベルとメインビーム幅を決定し、位相成分は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
放射パターンを変化させることで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、バトラー・マトリックス、ブラス・マトリックス、ウーレンウェーバー・アンテナ・アレイなどがあります。
バトラーマトリックス
バトラーマトリックスは、90°ブリッジと位相シフタを組み合わせることで、発振器の設計と指向性パターンが適切であれば、最大360°の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、あるいはRFスイッチで制御される単一の送信機または受信機で使用できます。このように、バトラーマトリックスは円形アレイのビームを操縦するために使用できます。
ブラーズ・マトリックス
Burrasマトリックスは、伝送線路と方向性結合器を用いて、広帯域動作のための時間遅延ビームフォーミングを実現します。Burrasマトリックスはブロードサイドビームフォーマーとして設計することも可能ですが、抵抗終端を使用するため、損失が大きくなります。
ウーレンウェーバーアンテナアレイ
ウーレンウェーバーアンテナアレイは、高周波（HF）帯の方向探知用途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、無指向性素子または指向性素子のいずれかを使用でき、素子数は通常30～100個で、そのうち3分の1は指向性の高いビームを順次形成するために使われます。各素子は、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装置に接続されており、ゴニオメータは360°スキャンしてもアンテナパターン特性をほとんど変化させません。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することで、広帯域動作を実現します。
アンテナの詳細については、以下をご覧ください。
投稿日時: 2024年6月7日
