の分野で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、無線電波や音波を指向性をも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、レーダーやソナーシステム、無線通信、音響、生体医療機器などで一般的に使用されています。通常、ビームフォーミングとビームスキャンは、給電部とアンテナアレイの各素子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、波面上に建設的干渉と破壊的干渉のパターンを生成します。受信時には、センサアレイ構成により、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固定応答で目的の方向に誘導する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る。
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ベースバンド（低周波）または中間周波数（IF）では、フェライト位相シフターによる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、主ビームの方向を周波数によらず一定に保つ必要があるため、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
伝送線の長さを変えることで時間遅延を導入できます。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、このように導入された時間遅延は広い周波数範囲で良好に機能します。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。動作周波数が増加すると、ダイポール間の電気的間隔が増加するため、高周波ではビーム幅が一定程度狭くなります。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、ビームフォーミング方向が主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。この現象は主ビームの分布に誤差を生じさせます。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の間隔を適切にする必要があります。
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主ビーム幅を決定し、位相成分は主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、位相シフター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、およびウレンウェーバーアンテナアレイが含まれます。
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ー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、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。このようにして、バトラーマトリックスは円形アレイのビームを操舵するために使用できます。
ブラスマトリックス
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する。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だが、抵抗終端を使用するため損失が大きくなる。
ウールンウェ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）帯における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でも使用でき、素子数は一般的に30～100個です。そのうち3分の1は、高指向性ビームを順次形成するために用いられます。各素子は無線機器に接続されており、ゴニオメータを介してアンテナアレイのパターン振幅重みを制御できます。ゴニオメータは、アンテナパターンの特性をほとんど変化させることなく360°走査できます。さらに、アンテナアレイは時間遅延によって外側に向かって放射されるビームを形成し、広帯域動作を実現します。
アンテナについてさらに詳しく知りたい場合は、以下をご覧ください。
投稿日時：2024年6月7日
