フェーズドアレイ

1/4波長間隔で配置された15個のアンテナ素子からなるフェーズドアレイの放射パターンを示すアニメーション。隣接するアンテナ間の位相差を-120度から120度まで変化させたときの放射パターンを示す。暗い領域はビームまたはメインローブであり、その周囲に広がる明るい線はサイドローブである。

アンテナ理論では、フェーズドアレイは通常、電子走査アレイ、つまりアンテナを動かさずに電子的に異なる方向に向けることができる電波ビームを生成するコンピュータ制御のアンテナアレイを意味します。 ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

フェーズドアレイでは、送信機からの電力は、コンピュータシステムによって制御される位相シフタと呼ばれる装置を介して放射素子に供給されます。位相シフタは、位相または信号遅延を電子的に変化させ、電波ビームを異なる方向に向けることができます。狭いビーム幅に必要な高い利得を得るには、アンテナアレイのサイズを多くの波長に拡張する必要があるため、フェーズドアレイは主に、動作波長が都合よく短い UHF帯やマイクロ波帯といった、無線スペクトルの高周波側で実用的です。

フェーズドアレイはもともと、高速で移動する航空機やミサイルを検知するための軍事レーダーシステム用に発明されましたが、現在では広く利用されており、携帯電話の5G MIMOなどの民生用途にも広がっています。フェーズドアレイの原理は、フェーズドアレイ超音波などの音響分野や光学分野にも応用されています。

「フェーズドアレイ」という用語は、アンテナアレイの放射パターンが固定されている非ステアリングアレイアンテナに対しても、それほど多くはありませんが使用されます。 ^{[ 5 ] [ 7 ]}たとえば、複数のマスト放射器で構成されるAM放送ラジオアンテナも「フェーズドアレイ」と呼ばれます。

説明

フェーズドアレイの仕組みを示すアニメーション。フェーズドアレイは、送信機(TX)によって電力を供給されるアンテナ素子(A)のアレイで構成されています。各素子への給電電流は、コンピュータ (C) によって制御される移相器(φ)を通過します。動く赤い線は、各素子から放射される電波の波面を示しています。個々の波面は球面ですが、アンテナの前で結合 (重ね合わせ) され、平面波を形成します。移相器は、線路を上る電波を徐々に遅らせるため、各アンテナは、その下にあるアンテナよりも遅く波面を放射します。その結果得られる平面波は、アンテナ軸に対して角度θで向けられます。位相シフトを変更することで、コンピュータはビームの角度θを瞬時に変更できます。ほとんどのフェーズドアレイは、ここに示す線形アレイではなく、アンテナの 2 次元アレイを備えており、ビームを 2 次元で操縦できます。示されている電波の速度は遅くなっています。

フェーズドアレイは電子走査アレイであり、コンピュータ制御のアンテナアレイで、アンテナを動かさずに電子的に操作してさまざまな方向を向くことができる電波ビームを作成します。 ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}電磁フェーズドアレイの一般理論は、超音波や医療用画像処理（フェーズドアレイ超音波）や光学（光フェーズドアレイ） にも応用されています。

シンプルなアレイアンテナでは、送信機からの無線周波数電流が適切な位相関係で複数の個別のアンテナ素子に供給され、個々の素子からの無線波が合成（重ね合わせ）されてビームを形成します。これにより、所望の方向への放射電力を増加させ、不要な方向への放射を抑制するように構成できます。

フェーズドアレイでは、送信機からの電力は、コンピュータシステムによって制御される位相シフタと呼ばれる装置を介して放射素子に供給されます。コンピュータは各アンテナ素子の位相または信号遅延を電子的に変化させ、その結果、任意の方向に伝播するように動的に「操縦」できる電波ビームを生成します。

フェーズドアレイはもともと軍事レーダーシステムへの応用を目的として考案されたもので、電波ビームを空中で高速に誘導し、航空機やミサイルを探知するために使用されます。現在、このシステムは広く利用されており、携帯電話の5G MIMOなどの民生用途にも広がっています。フェーズドアレイの原理は音響学にも応用されており、音響トランスデューサーのフェーズドアレイは、医療用超音波画像スキャナー（フェーズドアレイ超音波）、石油・ガス探査（反射地震学）、軍事用ソナーシステムに使用されています。

「フェーズドアレイ」という用語は、給電位相とアンテナアレイの放射パターンが固定されている非可動アレイアンテナにも、それほど多くはありませんが使われます。 ^{[ 5 ] [ 8 ]}例えば、特定の放射パターンを作り出すために給電される複数のマスト放射器から構成されるAM放送ラジオアンテナも「フェーズドアレイ」と呼ばれます。

種類

フェーズドアレイには複数の形態がある。しかし、最も一般的なものは、パッシブ電子走査アレイ（PESA）、アクティブ電子走査アレイ（AESA）、ハイブリッドビームフォーミングフェーズドアレイ、デジタルビームフォーミングアレイ（DBF）の4つである。^{[ 9 ]}

パッシブ・フェーズドアレイまたはパッシブ電子走査アレイ（PESA）は、アンテナ素子が単一の送信機または受信機に接続されたフェーズドアレイです（上の最初のアニメーションを参照）。PESAは最も一般的なタイプのフェーズドアレイです。一般的に、PESAはアレイ全体に対して1つの受信機/励振機を使用します。

アクティブフェーズドアレイまたはアクティブ電子走査アレイ（AESA）は、各アンテナ素子にアナログ送信機/受信機（T/R）モジュール^{[ 10 ]}が搭載され、アンテナビームを電子的に制御するために必要な位相シフトを生成するフェーズドアレイです。アクティブアレイは、軍事用途で使用される、より高度な第2世代フェーズドアレイ技術です。PESAとは異なり、複数の周波数で複数の電波ビームを異なる方向に同時に放射できます。ただし、ビームフォーマーの電子実装上の実際的な理由により、同時ビームの数はAESAあたり約3つに制限されます。各ビームフォーマーには、受信機/励振機が接続されています。

デジタルビームフォーミング（DBF）フェーズドアレイは、アレイ内の各素子にデジタル受信機／励振器を備えています。各素子の信号は、この受信機／励振器によってデジタル化されます。つまり、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）またはアレイコンピュータ内でアンテナビームをデジタル的に形成できるということです。このアプローチにより、複数のアンテナビームを同時に形成することが可能になります。

ハイブリッドビームフォーミングフェーズドアレイは、 AESAとデジタルビームフォーミングフェーズドアレイを組み合わせたものと考えることができます。アクティブフェーズドアレイであるサブアレイを使用します（例えば、サブアレイは64、128、または256素子で構成され、素子数はシステム要件によって異なります）。これらのサブアレイを組み合わせることで、完全なアレイが形成されます。各サブアレイには、専用のデジタル受信機／励振器が搭載されています。このアプローチにより、複数の同時ビームをクラスター化できます。

コンフォーマルアンテナ^{[ 11 ]}は、個々のアンテナが平面ではなく曲面上に設置されたフェーズドアレイです。位相シフタは、アンテナ素子の位置によって生じる電波の経路長の差を補正し、アレイから平面波を放射します。コンフォーマルアンテナは航空機やミサイルに使用され、航空機の曲面と一体化することで空気抵抗を低減します。

時間領域と周波数領域

ビームフォーマーには主に2つの種類があります。時間領域ビームフォーマー^{[ 12 ]}と周波数領域ビームフォーマー^{[ 13 ]}です。^{[ 14 ]}理論的な観点から見ると、どちらも原理的には同じ動作であり、フーリエ変換によって一方から他方への変換が可能です。

位相シフトに加えて、サイドローブ抑制性能を向上させるために、段階的減衰ウィンドウがアレイの面全体に適用されることがあります。

時間領域ビームフォーマー^{[ 15 ]}は、時間遅延を導入することで機能します。基本的な動作は「遅延和」と呼ばれます。各アレイ素子からの入力信号を一定時間遅延させ、それらを加算します。バトラーマトリックスは、複数のビームを同時に形成したり、1つのビームを円弧状に走査したりすることを可能にします。最も一般的な時間領域ビームフォーマーは、蛇行導波管です。アクティブフェーズドアレイ設計では、オン/オフを切り替える個別の遅延線が使用されます。イットリウム鉄ガーネット位相シフタは、磁場の強度を利用して位相遅延を変化させます。

周波数領域ビームフォーマーには 2 つの種類があります。

最初のタイプは、受信信号に含まれる異なる周波数成分を複数の周波数ビンに分離します（離散フーリエ変換（DFT）またはフィルタバンクを使用）。各周波数ビンに異なる遅延ビームフォーマと加算ビームフォーマを適用すると、メインローブは各周波数において同時に複数の異なる方向を向きます。これは通信リンクにとって有利であり、SPS-48レーダーで使用されています。

もう一方の周波数領域ビームフォーマーは、空間周波数を利用します。個々のアレイ素子から離散サンプルが取得されます。サンプルはDFTを用いて処理されます。DFTは、処理中に複数の異なる離散位相シフトを導入します。DFTの出力は、同時に形成される均等間隔のビームに対応する個別のチャネルです。1次元DFTは、異なるビームの扇形を生成します。2次元DFTは、パイナップル形状のビームを生成します。

これらの技術は、2 種類のフェーズド アレイを作成するために使用されます。

• ダイナミック - 可変位相シフタのアレイを使用してビームを移動させる^{[ 16 ]}

• 固定 – ビーム位置はアレイ面に対して固定されており、アンテナ全体が移動する^{[ 17 ]}

動的配列または固定配列の種類を変更するさらに 2 つのサブカテゴリがあります。

• アクティブ - 各位相シフタ要素に増幅器またはプロセッサが内蔵されている^{[ 18 ]}

• パッシブ型 - 減衰位相器を備えた大型中央増幅器^{[ 19 ]}

ダイナミックフェーズドアレイ

各アレイ素子には調整可能な位相シフタが組み込まれており、これらを組み合わせることで、アレイ面に対してビームを移動させることができます。

ダイナミック・フェーズドアレイは、ビームを向けるのに物理的な動きを必要としません。ビームは電子的に移動されます。これにより、アンテナを高速に動かすことができ、小さなペンシルビームを用いて複数のターゲットを同時に追跡しながら、1つのレーダーセットで新たなターゲットを探索することが可能になります。これは「追跡しながら探索」と呼ばれる機能です。

例えば、2度ビーム、パルスレート1kHzのアンテナでは、8,000の指向位置を含む半球全体をカバーするのに約8秒かかります。この構成では、100km（62マイル）の範囲で1,000m/s（2,200mph、3,600km/h）の車両を検知する機会が12回あり、軍事用途に適しています。

機械操作アンテナの位置は予測可能であり、これを利用してレーダーの動作を妨害する電子的対抗手段を構築することができます。フェーズドアレイ動作による柔軟性により、ビームをランダムな場所に照射できるため、この脆弱性は解消されます。これは軍事用途にも望ましいものです。

固定フェーズドアレイ

4つの要素を持つ固定位相共線アンテナアレイで構成されるアンテナタワー

固定フェーズドアレイアンテナは、従来のパラボラ反射鏡やカセグレン反射鏡よりも優れた形状のアンテナを実現するために一般的に使用されます。固定フェーズドアレイには固定位相器が組み込まれています。例えば、市販のFMラジオやテレビのアンテナ塔のほとんどは、ダイポール素子の固定フェーズドアレイであるコリニアアンテナアレイを使用しています。

レーダーアプリケーションでは、この種のフェーズドアレイは、追跡およびスキャンプロセス中に物理的に移動されます。2つの構成があります。

• 遅延線による複数周波数
• 複数の隣接する梁

SPS -48レーダーは、アレイの左側に沿って蛇行する遅延線を用いて複数の送信周波数帯を使用し、垂直方向に積層された扇状のビームを生成します。各周波数は蛇行する遅延線を伝搬する際に異なる位相シフトを受け、異なるビームを形成します。フィルタバンクを用いて個々の受信ビームを分離します。アンテナは機械的に回転します。

セミアクティブレーダーホーミングは、固定フェーズドアレイを用いたモノパルスレーダーを用いて、角度誤差を測定する複数の隣接ビームを生成します。このフォームファクタは、ミサイルシーカーの ジンバル搭載に適しています。

アクティブフェーズドアレイ

アクティブ電子走査アレイ（AESA）素子は、各アンテナ素子（または素子群）に位相シフト機能を備えた送信増幅回路を内蔵しています。また、各素子には受信用プリアンプも内蔵されています。位相シフトの設定は送信と受信で共通です。^{[ 20 ]}

アクティブフェーズドアレイは、送信パルスの終了後に位相リセットを必要とせず、ドップラーレーダーやパルスドップラーレーダーと互換性があります。

パッシブフェーズドアレイ

パッシブフェーズドアレイは通常、アンテナへのマイクロ波送信信号全体を生成する大型増幅器を使用します。位相シフタは通常、磁場、電圧勾配、または同等の技術によって制御される導波管素子で構成されています。^{[ 21 ] [ 22 ]}

パッシブフェーズドアレイで使用される位相シフト処理では、通常、受信ビームと送信ビームを対角線上の反対象限に配置します。受信ビームを送信ビームと同じ位置に配置するには、送信パルスが終了し、受信期間が始まる前に位相シフトの符号を反転させる必要があります。この処理には、ドップラーレーダーおよびパルスドップラーレーダーにおけるサブクラッター可視性性能を低下させる位相インパルスが必要です。例えば、イットリウム鉄ガーネット位相シフタは、送信パルスのクエンチ後、受信処理が開始されて送信ビームと受信ビームの位置合わせが始まる前に交換する必要があります。このインパルスはFMノイズを発生させ、クラッター性能を低下させます。

パッシブフェーズドアレイ設計は、AEGIS戦闘システム^{[ 23 ]}で到達方向の推定に使用されています。

歴史

フェルディナント・ブラウンが1905年に開発した指向性アンテナは、フェーズドアレイの原理を用いており、正三角形に配置された3つのモノポールアンテナで構成されていました。1つのアンテナの給電線に1/4波長の遅延を与えることで、アレイはビーム状に放射しました。この遅延は3つの給電線のいずれかに手動で切り替えることができ、アンテナビームを120°回転させることができました。

アラスカに設置された米国製アクティブ・フェーズドアレイ弾道ミサイル探知レーダー「PAVE PAWS」 。1979年に完成したこのレーダーは、世界初のアクティブ・フェーズドアレイレーダーの一つであった。

平面アレイを構成する2677個のクロスダイポールアンテナ素子の一部のクローズアップ。このアンテナは、わずか2.2°の幅の細い「ペンシル」ビームを生成しました。

BMEWS & PAVE PAWSレーダー

マムート・フェーズドアレイ・レーダー、第二次世界大戦

フェーズドアレイ伝送は、1905年にノーベル賞受賞者のカール・フェルディナント・ブラウンによって最初に示され、一方向への電波の伝送の強化を実証しました。 ^{[ 24 ] [ 25 ]}第二次世界大戦中、ノーベル賞受賞者のルイス・アルバレスは、航空機の着陸を支援するシステムである「地上管制進入」用の高速操縦レーダーシステムにフェーズドアレイ伝送を使用しました。同じ頃、ドイツのGEMA社（ドイツ語でGesellschaft für elektroakustische und mechanische Apparate ^{[ 26 ]}）は、マムート1を製造しました。 ^{[ 27 ]}その後、ケンブリッジ大学の惑星間シンチレーションアレイでいくつかの大型フェーズドアレイが開発された後、アントニー・ヒューイッシュとマーティン・ライルがノーベル物理学賞を受賞した電波天文学に採用されました。この設計はレーダーにも使用されており、干渉計式無線アンテナに一般化されています。

1966年当時、ほとんどのフェーズドアレイレーダーは、位相を動的に調整するためにフェライト移相器または進行波管を使用していました。1961年頃に原子力艦ロングビーチとエンタープライズに搭載されたAN/SPS-33は、1966年当時、世界で唯一運用可能な3次元フェーズドアレイであると主張されていました。AN/SPG-59は、送信アレイから複数の追跡ビームを生成し、同時に独立した受信アレイをプログラムするように設計されていました。最初の民生用3次元フェーズドアレイは1960年に国立航空施設実験センターで製造されましたが、1961年に放棄されました。^{[ 28 ]}

2004年、カリフォルニア工科大学の研究者らは、8素子の24GHz帯で動作するシリコンベースの統合型フェーズドアレイ受信機を初めて実証しました。^{[ 29 ]}これに続き、2005年にはCMOS 24GHzフェーズドアレイ送信機を実証し^{[ 30 ]}、2006年にはアンテナを内蔵した完全統合型77GHzフェーズドアレイトランシーバーをカリフォルニア工科大学チームによって実証しました^{[ 31 ] [ 32 ]}。2007年には、国防高等研究計画局（DARPA）の研究者らが、必要な回路をすべて単一のシリコンチップに統合し、30～50GHzで動作する16素子のフェーズドアレイレーダーアンテナを発表しました^{[ 33 ] 。}

個々のアンテナから放射される信号の相対的な振幅、そしてそれらの干渉による建設的・破壊的影響によって、アレイの実効放射パターンが決定されます。フェーズドアレイは、固定の放射パターンを指向させることも、方位角または仰角を高速に走査することもできます。方位角と仰角の両方向における同時電気走査は、 1957年にカリフォルニア州のヒューズ・エアクラフト社でフェーズドアレイアンテナによって初めて実証されました。 ^{[ 34 ]}

処方

アレイ係数、指向性、ゲインの計算に使用されるフェーズドアレイの座標フレーム。

配列係数

フェーズドアレイの全体的な指向性は、個々のアレイ素子の利得と、アレイ内の素子の配置による指向性によって決まります。この後者の要素はアレイ係数と密接に関連していますが（ ^{[ 15 ]}と等しくはありません） 、アレイ係数と等しくはありません。^{[ 35 ] [ 15 ]} 、次元が、素子間隔が 、 である（長方形）平面フェーズドアレイでは、アレイ係数は次のように計算できます^{[ 2 ] [ 35 ]}。 ${\displaystyle M\times N}$ ${\displaystyle d_{x}}$ ${\displaystyle d_{y}}$

7つのエミッターを1/4波長間隔で配置したフェーズドアレイの放射パターン。ビームの切り替え方向を示している。隣接するエミッター間の位相シフトは45度から-45度に切り替えられる。

$${\displaystyle AF=\sum _{n=1}^{N}I_{n1}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}}$$

ここで、およびは、右に示す座標系においてアレイ係数をとらえる方向です。係数およびは、ビームを電子的に操縦するために使用される漸進的な位相シフトです。係数およびは、個々の素子の励起係数です。 ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle \beta _{x}}$ ${\displaystyle \beta _{y}}$ ${\displaystyle I_{n1}}$ ${\displaystyle I_{m1}}$

ビームステアリングは同じ座標系で示されますが、ステアリングの方向は と で示され、これはプログレッシブ位相の計算に使用されます。 ${\displaystyle \theta _{0}}$ ${\displaystyle \phi _{0}}$

${\displaystyle \beta _{x}=-kd_{x}\sin \theta _{0}\cos \phi _{0}}$

${\displaystyle \beta _{y}=-kd_{y}\sin \theta _{0}\sin \phi _{0}}$

上記のすべての式において、値は伝送に使用される周波数の 波数を表します。 ${\displaystyle k}$

これらの式を解くことで、アレイのヌル、メインローブ、グレーティングローブを予測できます。アレイ係数式の指数を参照すると、メジャーローブとグレーティングローブは、 以下の式の整数解で発生することがわかります。^{[ 2 ] [ 35 ]} ${\displaystyle m,n=0,1,2,\dots }$

${\displaystyle kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}=\pm 2m\pi }$

${\displaystyle kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}=\pm 2n\pi }$

実例

工学分野では、フェーズドアレイの値をデシベル単位で から まで示すのが一般的です。上記のアレイ係数の式における複素指数を思い出すと、アレイ係数が実際に意味するのは、アレイ係数の計算の最後に生成される位相器の合計の大きさであることが多いです。これを用いて、次の式を作成できます。視覚化を容易にするために、入力方位角 と仰角 が与えられた場合のアレイ係数を解析します。これらの入力方位角 と仰角は、次の変換によってアレイフレーム と にマッピングされます。 ${\displaystyle AF}$ ${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}AF}$ $${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}\left\|\sum _{n=1}^{N}I_{1n}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}\right\|}$$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle \theta =\arccos \left(\cos \left(\theta _{az}\right)\sin \left(\theta _{el}\right)\right)}$

${\displaystyle \phi =\arctan 2\left(\sin \left(\theta _{el}\right),\sin \left(\theta _{az}\cos \left(\theta _{el}\right)\right)\right)}$

これは、軸が配列軸と一致し、軸が配列軸と一致している座標フレームを表します。 ${\displaystyle \mathbf {x} }$ ${\displaystyle \mathbf {z} }$ ${\displaystyle \mathbf {y} }$ ${\displaystyle \mathbf {x} }$

フェーズドアレイを考慮すると、このプロセスにより、照準にステアリングする場合（、）、 には次の値が与えられます。 ${\displaystyle 16\times 16}$ ${\displaystyle AF_{dB}}$ ${\displaystyle \theta _{0}=0^{\circ }}$ ${\displaystyle \phi _{0}=0^{\circ }}$

これらの値は最小-50 dB になるようにクリップされていますが、実際には、アレイ係数パターン内のヌル ポイントの値はこれよりも大幅に小さくなります。 ${\displaystyle AF}$

アプリケーション

レーダー

フェーズドアレイは弾道ミサイルのレーダー追跡用に発明され、その高速追跡能力のため軍事用途で広く使用されています。たとえば、ビームを高速で操作できるため、フェーズドアレイレーダーを使用すると、軍艦は1つのレーダーシステムを、水上探知および追跡（船舶の発見）、空中探知および追跡（航空機とミサイルの発見）、およびミサイルアップリンク機能に使用できます。これらのシステムを使用する前は、飛行中の各地対空ミサイルに専用の射撃管制レーダーが必要であり、レーダー誘導兵器は同時に少数の標的としか交戦できませんでした。フェーズドアレイシステムは、ミサイル飛行の中間段階でミサイルを制御するために使用できます。飛行の最終段階では、連続波射撃管制装置が標的への最終誘導を行います。アンテナパターンは電子的に操作されるため、フェーズドアレイシステムは、複数の飛行中のミサイルを制御しながら、同時に多くの標的を射撃管制品質で追跡するのに十分な速さでレーダービームを誘導できます。

ドイツ海軍のザクセン級フリゲート艦F220ハンブルクの上部構造物上に搭載されたアクティブフェーズドアレイレーダー

AN /SPY-1フェーズドアレイレーダーは、現代のアメリカの巡洋艦と駆逐艦に配備されているイージス戦闘システムの一部であり、「100以上の目標を追尾し、同時に捜索、追尾、ミサイル誘導の機能を実行できる」^{[ 36 ]} 。同様に、フランスとシンガポールで使用されているタレス社製のヘラクレス・フェーズドアレイ多機能レーダーは、200の目標を追尾でき、1回のスキャンで自動的に目標を検知、確認、追尾開始できると同時に、艦艇から発射されたMBDAアスターミサイルの航路途中の誘導更新情報も提供できる。 ^{[ 37 ]}ドイツ海軍とオランダ海軍はアクティブ・フェーズドアレイ・レーダーシステム（APAR）を開発した。MIM -104パトリオットなどの地上配備型対空システムも同様の利点を持つフェーズドアレイレーダーを使用している。

ソナー

フェーズドアレイは、アクティブ（送受信）およびパッシブ（受信のみ）のソナー、船体搭載型および曳航型のアレイソナーとして海軍のソナーに使用されます。

最初の音響フェーズドアレイの 1 つは、ドイツのGruppenhorchgerätデバイスでした。

音響学では、マイクロフォンアレイやスピーカーのラインアレイも使用されます。

宇宙探査機の通信

メッセンジャー宇宙船は、水星への探査ミッション（2011～2015年 [38] ）でした。これは、通信に^{フェーズドアレイアンテナ}を使用した最初の深宇宙ミッションでした。放射素子は円偏波のスロット導波管です。Xバンドを使用するこのアンテナは、26個の放射素子を使用し、電力を段階的に減衰させることができます。^{[ 39 ]}

気象研究の利用

オクラホマ州ノーマンにある国立暴風雨研究所に設置されたAN/SPY-1Aレーダー。レーダーを囲むレドームが耐候性を確保している。

国立暴風雨研究所は、 2003年4月23日よりオクラホマ州ノーマンの施設で、米国海軍から提供されたSPY-1Aフェーズドアレイアンテナを気象研究に使用しています。この研究によって雷雨や竜巻に対する理解が深まり、ひいては警報時間の短縮や竜巻の予報精度の向上につながることが期待されています。現在のプロジェクト参加者には、国立暴風雨研究所と国立気象局レーダー運用センター、ロッキード・マーチン、米国海軍、オクラホマ大学気象学部、電気・コンピュータ工学部、大気レーダー研究センター、オクラホマ州高等教育理事会、連邦航空局、基礎商工会議所などが名を連ねています。プロジェクトには研究開発、将来の技術移転、米国全土へのシステムの展開などが含まれます。完成までには10～15年かかると見込まれており、初期建設費は約2,500万ドルでした。^{[ 40 ]}日本の理化学研究所計算科学研究機構（AICS）のチームは、新しいアルゴリズムを備えたフェーズドアレイレーダーを使用して即時天気予報を行う実験作業を開始しました。^{[ 41 ]}

光学

電磁波の可視光線および赤外線スペクトル内では、機械的な可動部品なしで動的なビーム形成およびビームステアリングを可能にする光フェーズドアレイ（OPA）を構成することが可能である。 ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}これらは、通信用の波長多重装置およびフィルタ、^{[ 42 ]} のほか、ライダー、^{[ 43 ]}自由空間光通信、^{[ 45 ] [ 46 ]およびホログラフィーにも使用されている。OPAは、レンズレスプロジェクター[ 47 ]} レンズレスカメラ^{[ 48 ] [ 49 ]}およびチップスケール光ピンセット^{[ 50 ]}も可能にすることが示された。

OPAは波長が短いため、通常、シリコンオンインシュレータ^{[ 42 ]}、ゲルマニウムオンシリコン^{[ 51 ]}、シリコン窒化物[52]、またはポリマー^{[ 53 ]}などの材料を利用したナノ加工光集積回路プラットフォームで実現^されます。

合成アレイヘテロダイン検出は、フェーズドアレイ全体を単一要素の光検出器に多重化する効率的な方法です。

衛星ブロードバンドインターネットトランシーバー

スターリンクは、100か国以上で利用可能な低軌道衛星群です。消費者にブロードバンドインターネット接続を提供し、システムのユーザー端末にはフェーズドアレイアンテナが使用されています。 ^{[ 54 ]}

無線周波数識別（RFID）

2014年までに、フェーズドアレイアンテナがRFIDシステムに統合され、従来のパッシブUHFタグを使用しながら、単一システムのカバー範囲が100％増加して76,200平方メートル（820,000平方フィート）になりました^{。[ 55 ]}

ヒューマンマシンインターフェース（HMI）

音響トランスデューサーのフェーズドアレイ、いわゆる空中超音波触覚ディスプレイ（AUTD）は、触覚フィードバックを誘発するために2008年に東京大学の篠田研究室で開発されました。^{[ 56 ]}このシステムは、ユーザーが仮想ホログラフィックオブジェクトをインタラクティブに操作できることが実証されました。^{[ 57 ]}

電波天文学

フェーズドアレイ給電装置（PAF）^{[ 58 ]}は、近年、電波望遠鏡の焦点に多数のビームを供給するために使用され、電波望遠鏡の視野を非常に広くしています。その例としては、オーストラリアのASKAP望遠鏡、オランダのヴェスターボルク合成電波望遠鏡のアペルティフアップグレード、そしてアメリカのフロリダ宇宙研究所が挙げられます。

放送

放送工学において、「フェーズドアレイ」という用語は、通常の意味とは異なる意味を持ちます。これは、単一のアンテナマストから全方向性の放射パターンを放射するのとは対照的に、複数のアンテナマストから構成されるアレイアンテナ、つまり、指向性放射パターンを放射するように設計されたアレイアンテナを指します。放送用フェーズドアレイは固定の放射パターンを持ち、他のフェーズドアレイのように動作中に「操縦」されることはありません。

フェーズドアレイは多くのAM 放送ラジオ局で使用され、信号強度を高めて免許市内の受信範囲を広げるとともに、他の地域への干渉を最小限に抑えています。中波周波数では昼と夜間の電離層伝播に違いがあるため、AM 放送局では日の出と日の入りのたびに個別のアンテナ素子 (マスト放射器) に供給される位相と電力レベルを切り替えることで昼 (地上波) と夜間 (空中波) の放射パターンを切り替えるのが一般的です。短波放送の場合、多くの局では水平ダイポールのアレイを使用しています。一般的な配置では 4×4 アレイで 16 個のダイポールを使用します。通常、これはワイヤ グリッド リフレクタの前に配置されます。位相は切り替え可能であることが多く、方位角、場合によっては仰角でのビーム ステアリングが可能です。

参照

• 絞り合成
• デジタルアンテナアレイ
• スマートアンテナの歴史
• ホイヘンス・フレネルの原理
• 干渉合成開口レーダー
• 逆合成開口レーダー
• マルチユーザーMIMO
• 光ヘテロダイン検波
• レーダーMASINT
• 再構成可能なアンテナ
• センサーアレイ
• サイドスキャンソナー
• 単一周波数ネットワーク
• スマートアンテナ
• 標準線形アレイ
• 合成開口レーダー
• 合成開口ソナー
• 合成間引き開口レーダー
• 間引き配列の呪い
• 波面合成

参考文献

1. ミリガン、トーマス・A. (2005).現代のアンテナ設計、第2版. ジョン・ワイリー・アンド・サンズ. p. 102. ISBN 0471720607。
2. Balanis, Constantine A. (2015).アンテナ理論：分析と設計、第4版、John Wiley & Sons. pp.  302– 303. ISBN 978-1119178989。
3. Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. (2012).アンテナ理論と設計. John Wiley & Sons. pp. 271, 315. ISBN 978-0470576649。
4. 利田隆 (2000).衛星通信：システムと設計技術. IOS Press. p. 126. ISBN 4274903796。
5. Visser, Hubregt J. (2006).アレイおよびフェーズドアレイアンテナの基礎. John Wiley & Sons. pp. xi. ISBN 0470871180。
6. マツダ, クセルクセス; マツダ, FF (1999). 『フォーカル図解電気通信辞典』 . テイラー＆フランシス. p. 476. ISBN 0240515447。
7.  この記事には、連邦規格1037Cのパブリックドメイン資料が含まれています。一般調達局。 2022年1月22日時点のオリジナルからのアーカイブ。（ MIL-STD-188 に準拠）。フェーズドアレイの定義は2004年10月21日にWayback Machineにアーカイブされています。2006年4月27日にアクセス。
8.  この記事には、連邦規格1037Cのパブリックドメイン資料が含まれています。一般調達局。 2022年1月22日時点のオリジナルからのアーカイブ。（ MIL-STD-188 に準拠）。フェーズドアレイの定義は2004年10月21日にWayback Machineにアーカイブされています。2006年4月27日にアクセス。
9. スターディヴァント、リック、クアン、エンソン（2018年）。『フェーズドアレイのシステムエンジニアリング』アーテックハウス。ISBN 978-1630814885。
10. スターディヴァント、リック、ハリス、マイク (2015).レーダーおよび通信システム用送受信モジュール. ノーウッド、マサチューセッツ州: Artech House. ISBN 978-1608079797。
11. Pandey, Anil (2019).実用的なマイクロストリップとプリントアンテナの設計. ボストン: Artech House. p. 443. ISBN 9781630816681。
12. 「時間領域解析と周波数領域解析：ガイドと比較」 . resources.pcb.cadence.com . 2024年7月17日. 2025年2月16日閲覧。
13. C. Britton Rorabaugh (1998). DSP入門. McGraw-Hill Professional. p. 153. ISBN 978-0-07-054004-0。
14. Shanbao TongとNitish Vyomesh Thakor (2009).定量的脳波分析法と臨床応用. Artech House. p. 53. ISBN 978-1-59693-204-3。
15. 「アンテナアレイ：計算的アプローチ」IEEE。2023年5月20日閲覧。
16. Visser, HJ (2005).アレイおよびフェーズドアレイアンテナの基礎. Wiley. 調整可能な位相シフタによってビームを移動させる電子制御（「ダイナミック」）アレイについて説明します。
17. Sturdivant, R., & Quan, C. (2018). Systems Engineering of Phased Arrays . Artech House. 機械式（「固定位相」）アレイは、アレイ面に対するビーム位置を一定に保ち、指向制御にはアンテナアセンブリ全体の移動を必要とすることを説明しています。
18. Mailloux, RJ (2005).フェーズドアレイアンテナハンドブック第2版. Artech House. 各素子に独自の増幅器または信号処理装置を内蔵し、ビームステアリングと性能を向上させるアクティブフェーズドアレイについて解説しています。
19. Parker, P., & Zimmermann, D. (2002). 「フェーズドアレイの給電システム」『衛星通信のためのフェーズドアレイ技術』(表1、パッシブアレイとアクティブアレイ)。パッシブ（PESA）アレイは、アレイ全体に単一の高出力増幅器を使用し、個々の位相シフタが各素子のビームを制御します。Academic Repository PDFより取得。
20. アクティブ電子ステアリングアレイ – 成熟技術 (ausairpower.net)
21. 「Xバンド・フェーズドアレイ用途向けYIG球面位相シフター」 Scholarworks。2014年5月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。
22. 「強誘電体位相シフタ」。マイクロ波101。2012年9月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。
23. 「総所有コスト削減のケーススタディ：AEGISレーダー位相シフター」（PDF）海軍大学院。2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
24. ブラウン、カール・フェルディナンド (1967) [1909年12月11日演説]. 「電気振動と無線電信」.ノーベル物理学賞講演集 1901-1921 . アムステルダム: エルゼビア. 2023年7月29日閲覧– nobelprize.orgより。ブラウン氏のノーベル賞受賞講演。フェーズドアレイに関する部分は239～240ページにあります。
25. “Die Strassburger Versuche über gerichtete drahtlose Telegraphie” (指向性無線電信に関するシュトラスブルクの実験)、 Elektrotechnische und Polytechnische Rundschau (電気技術とポリテクニックのレビュー [週刊])、(1905 年 11 月 1 日)。この記事は、(ドイツ語で) Adolf Prasch 編、 Die Fortschritte auf dem Gebiete der Drahtlosen Telegraphie [無線電信分野の進歩] (シュトゥットガルト、ドイツ: Ferdinand Enke、1906 年)、vol. 2 に要約されています。 4、184～185ページ。
26. "Geschichte der Elektrotechnik (エレクトロニクスの歴史)" . www.vde.com 。2025 年 8 月 13 日に取得。
27. http://www.100jahreradar.de/index.html?/gdr_5_deutschefunkmesstechnikim2wk.html Archived 2007-09-29 at the Wayback Machine Mamut1 初の早期警戒PESAレーダー
28. WJ Evanzia. 「戦術戦争における高速・軽量3Dレーダーの実現可能性」 . Electronics. 1966年. p. 81, 83, 87.
29. 「シリコンに完全統合された24GHz 8パス・フェーズドアレイ受信機」（PDF）。2018年5月11日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
30. 「0.18μm CMOSによる24GHzフェーズドアレイ送信機」（PDF）。2018年5月11日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
31. 「シリコンにオンチップダイポールアンテナを搭載した77GHz 4素子フェーズドアレイ受信機」（PDF）。2018年5月11日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
32. 「シリコンにおけるローカルLOパス位相シフト機能を備えた77GHzフェーズドアレイ送信機」（PDF）。2015年9月9日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
33. カリフォルニア大学サンディエゴ校が開発した世界で最も複雑なシリコンフェーズドアレイチップ 2007年12月25日アーカイブ、Wayback Machine、UCSDニュース（2007年11月2日レビュー）
34. Joseph Spradley、「体積電気走査型2次元マイクロ波アンテナアレイ」、IRE National Convention Record、パート I – アンテナと伝搬、マイクロ波、ニューヨーク: The Institute of Radio Engineers、1958 年、204 ～ 212 ページを参照。
35. バラニス, コンスタンティン A. (2015).アンテナ理論：分析と設計, 第4版. ジョン・ワイリー・アンド・サンズ. ISBN 978-1119178989。
36. 「AEGIS Weapon System MK-7」 . Jane's Information Group . 2001年4月25日. 2006年7月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2006年8月10日閲覧。。
37. スコット、リチャード（2006年4月）「シンガポール、その恐るべき野望の実現に向けて動き出す」ジェーンズ・ネイビー・インターナショナル111 （ 4）：42-49。
38. Corum, Jonathan (2015年4月30日). 「Messenger's Collision Course With Mercury」 . New York Times . 2015年5月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年5月10日閲覧。
39. Wallis, Robert E.; Cheng, Sheng. 「MESSENGER深宇宙ミッション向けフェーズドアレイアンテナシステム」(PDF)。ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所。 2015年5月18日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2015年5月11日閲覧。
40. アメリカ海洋大気庁（NOAA）. PAR背景資料. 2006年5月9日アーカイブ. 2006年4月6日アクセス.
41. 大塚 茂徳; Tuerhong Gulanbaier; 菊池 良太; 北野 吉一; 谷口 雄介; Ruiz Juan Jose; 佐藤 真介; 牛尾 智雄; 三好 武正 (2016年2月). 「高密度かつ高頻度なフェーズドアレイ気象レーダー観測の3次元時空間外挿による降水量ナウキャスティング」. Weather and Forecasting . 31 (1): 329– 340. Bibcode : 2016WtFor..31..329O . doi : 10.1175/WAF-D-15-0063.1 .
42. P. D. Trinh、S. Yegnanarayanan、F. Coppinger、B. Jalali Silicon-on-Insulator (SOI) Phased-Array Wavelength Multi/Demultiplexer with Extremely Low-Polarization Sensitivity Archived 2005-12-08 at the Wayback Machine、IEEE Photonics Technology Letters、Vol. 9、No. 7、1997年7月
43. Poulton, Christopher V.; Yaacobi, Ami; Cole, David B.; Byrd, Matthew J.; Raval, Manan; Vermeulen, Diedrik; Watts, Michael R. (2017-10-15). 「シリコンフォトニック光フェーズドアレイを用いたコヒーレント固体LIDAR」 . Optics Letters . 42 (20): 4091– 4094. Bibcode : 2017OptL...42.4091P . doi : 10.1364/OL.42.004091 . ISSN 1539-4794 . PMID 29028020 .  
44. サン、ジエ;ティムルドーガン、エルマン。ヤアコビ、アミ。ホセイニ、イーサン・シャー。ワッツ、マイケル R. (2013-01-09)。「大規模ナノフォトニックフェーズドアレイ」。自然。493 (7431): 195–199。Bibcode : 2013Natur.493..195S。土井：10.1038/nature11727。ISSN 1476-4687。PMID 23302859。  
45. セラティ、S.ストックリー、J. (2003)。 「自由空間光通信のためのフェーズドアレイのフェーズドアレイ」。2003 IEEE 航空宇宙会議議事録 (カタログ番号 03TH8652)。 Vol. 4.IEEE。ページ 4_1809–4_1816。土井：10.1109/AERO.2003.1235111。ISBN 978-0-7803-7651-9。
46. Han, Ronglei; Sun, Jianfeng; Hou, Peipei; Ren, Weijie; Cong, Haisheng; Zhang, Longkun; Li, Chaoyang; Jiang, Yuxin (2022). 「宇宙レーザー通信のための多次元・大型光フェーズドアレイ」 . Optics Express . 30 (4): 5026– 5037. Bibcode : 2022OExpr..30.5026H . doi : 10.1364/oe.447351 . PMID 35209474. 2025年7月5日閲覧。 
47. 「集積光フェーズドアレイのための電子2次元ビームステアリング」（PDF）。2017年8月9日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
48. 「8x8ヘテロダインレンズレスOPAカメラ」（PDF）。2017年7月13日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
49. 「1次元ヘテロダインレンズフリーOPAカメラ」（PDF）。2017年7月22日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
50. Sneh, Tal; Corsetti, Sabrina; Notaros, Milica; Kikkeri, Kruthika; Voldman, Joel; Notaros, Jelena (2024-10-03). 「シリコンフォトニクスベースの光フェーズドアレイを用いた微粒子および細胞の光ピンセット」 . Nature Communications . 15 (1): 8493. Bibcode : 2024NatCo..15.8493S . doi : 10.1038/s41467-024-52273-x . ISSN 2041-1723 . PMC 11450221. PMID 39362852 .   
51. Prost, Mathias; Ling, Yi-Chun; Cakmakyapan, Semih; Zhang, Yu; Zhang, Kaiqi; Hu, Junjie; Zhang, Yichi; Yoo, SJ Ben (2019-12-12). 「ゲルマニウム-シリコンフォトニックプラットフォームにおける光フェーズドアレイを用いた固体MWIRビームステアリング」 . IEEE Photonics Journal . 11 (6): 1– 9. Bibcode : 2019IPhoJ..1153222P . doi : 10.1109/JPHOT.2019.2953222 . ISSN 1943-0655 . 
52. Poulton, Christopher V.; Byrd, Matthew J.; Raval, Manan; Su, Zhan; Li, Nanxi; Timurdogan, Erman; Coolbaugh, Douglas; Vermeulen, Diedrik; Watts, Michael R. (2017-01-01). 「赤外線および可視波長における大規模シリコン窒化物ナノフォトニックフェーズドアレイ」 . Optics Letters . 42 (1): 21– 24. Bibcode : 2017OptL...42...21P . doi : 10.1364/OL.42.000021 . ISSN 1539-4794 . PMID 28059212 .  
53. Kim, Sung-Moon; Lee, Eun-Su; Chun, Kwon-Wook; Jin, Jinung; Oh, Min-Cheol (2021-05-19). 「ポリマー光子集積回路に基づくコンパクトな固体光フェーズドアレイビームスキャナー」 . Scientific Reports . 11 (1): 10576. Bibcode : 2021NatSR..1110576K . doi : 10.1038/s41598-021-90120- x . ISSN 2045-2322 . PMC 8134440. PMID 34012058 .   
54. イーロン・マスク、マイク・サフラディーニ（2015年7月7日）。ISSRDC 2015 – イーロン・マスクとの対話（2015年7月7日）（動画）。イベントは46:45～50:40に発生。 2015年12月30日閲覧。
55. “Mojix Star System” (PDF) . 2011年5月16日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2014年10月24日閲覧。
56. 「空中超音波触覚ディスプレイ」 。2009年3月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。SIGGRAPH 2008、空中超音波触覚ディスプレイ
57. 「タッチ可能なホログラフィー」 。 2009年8月31日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年8月22日閲覧。SIGGRAPH 2009、タッチ可能なホログラフィー
58. Hay, SG; O'Sullivan, JD (2008). 「二重偏波平面接続アレイアンテナにおけるコモンモード効果の解析」 . Radio Science . 43 (6): RS6S04. Bibcode : 2008RaSc...43.6S04H . doi : 10.1029/2007RS003798 .

外部リンク

• レーダー研究開発 - フェーズドアレイレーダー-国立暴風雨研究所
• 艦載フェーズドアレイレーダーアーカイブ2017-11-18 at the Wayback Machine
• NASAレポート：宇宙用途向けマルチスキャンビームアンテナ用MMIC
• フェーズドアレイの原理
• トニー・フォークナーの「フェーズドアレイ」マイクシステム
• フェーズドアレイシステムの原理- チュートリアル1

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