JP2000022439A

JP2000022439A - 給電方法およびフェーズドアレーアンテナ

Info

Publication number: JP2000022439A
Application number: JP18118398A
Authority: JP
Inventors: Fumio Kira; 文夫吉良; Kenji Ueno; 健治上野; Hirotsugu Ogawa; 博世小川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2000-01-21
Anticipated expiration: 2018-06-26
Also published as: JP3335913B2

Abstract

(57)【要約】【課題】給電ポートの位置によってビーム方向が決定さ
れるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーアンテナ
に関し、アンテナ効率を低下させることなく低サイドロ
ーブ特性を得ることが可能で、指向性制御を容易に行う
ことのできる給電方法、およびこれを用いた給電回路を
有するフェーズドアレーアンテナの実現を目的とする。【解決手段】給電されるポートの位置によりビーム方
向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレ
ーアンテナにおいて、前記マトリクス回路の出力におけ
る中心位相を給電ポートの位置に依らず一定とし、前記
マトリクス回路の給電ポート（ｉ，ｊ）に給電した時の
ビーム方向を（θｉ，φｊ）、所望のビーム方向を（θ
ｓ，φｓ）とするとき、Ｓｉｎ（θｓ）−Ｓｉｎ（θ
ｉ）およびＳｉｎ（φｓ）−Ｓｉｎ（φｊ）を変数とす
るガウス関数により求められる電力密度分布に従って、
前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートに同相で信
号を分配するか、又は、前記マトリクス回路の３つ以上
の給電ポートから同相で信号を合成するように構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、給電ポートの位置
によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用い
たフェーズドアレーアンテナに関し、特に、アンテナ効
率を低下させることなく、低サイドローブ特性を得るこ
とが可能で、指向性制御を容易に行うことのできる給電
方法、およびこれを用いた給電回路を有するフェーズド
アレーアンテナに係る。

【０００２】

【従来の技術】給電ポートの位置によってビーム方向が
決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレーア
ンテナは、給電点（給電を行うマトリクス回路のポー
ト）の位置に対応してビーム方向が変化することから給
電点切換走査型のフェーズドアレーアンテナと呼ばれて
いる。

【０００３】一般的に走査の細かさ（個々のビーム間
隔）はビーム幅程度となり、信号を入力するポートを適
当に選択することにより幾つかのマルチビームを発生さ
せることが可能という特徴を有している。〔文献：電子
通信学会、「アンテナ工学ハンドブック」、５章、オー
ム社参照〕

【０００４】図１２はＮポートの一次元マトリクス回路
を用いた直接放射型のフェーズドアレーアンテナを説明
する図である。同図において、数字符号３１は入力信
号、３２はマトリクス回路、３３は素子アンテナ、３４
−１〜３４−５はビームの方向を示している。入力信号
３１は、所望するビーム方向に応じて入力位置（この場
合はポート１〜ポートＮの中のいずれか１つ）を選択し
て入力する。

【０００５】同図のマトリクス回路３２としてはバトラ
ーマトリクス等が用いられる。また、３４−１，３４−
２，３４−３は、それぞれポート１、ポート２、ポート
３から信号が給電された場合のビーム方向であり、３４
−４，３４−５は、それぞれポートｉ、ポートＮから信
号が給電された場合のビーム方向を示している。

【０００６】マトリクス回路３２に入力された信号はマ
トリクス回路３２の中で分配され、ポート毎に異なる位
相差をもって出力される。信号を入力するポート位置に
よって、出力側で生じる位相の傾きが異なるため、給電
を行うマトリクス回路３２のポート位置に応じてビーム
方向が変化する。

【０００７】一般に給電点から入力された電力はマトリ
クス回路によって等分配されるため、開口面における振
幅分布は一様分布となり、このままの振幅強度で素子ア
ンテナ（放射素子）を励振したのではサイドローブ特性
が悪い。サイドローブ特性を改善するためには、開口面
励振分布に振幅テーパをつける必要がある。そのため、
放射素子の前に増幅器（または抵抗器）を付加し、その
増幅率（または抵抗値）を素子毎に変えることが行われ
ている。

【０００８】また、アンテナの放射素子数が十分に大き
な場合には、アンテナ周辺部の放射素子を適当に間引く
ことによってサイドローブ特性を改善する方法も報告さ
れている。〔文献：電子通信学会、「アンテナ工学ハン
ドブック」、５章、１１章、オーム社参照〕しかし、
どちらの方法とも数多く存在する放射素子を制御対象と
していることから、必要に応じてビームのサイドローブ
を下げる等の指向性制御（適応制御）を行うことは容易
でない。

【０００９】給電点切換走査型アンテナのビーム数、お
よびビーム方向は給電点の数（マトリクス回路のポート
の数）で制約を受ける。これを解決するものとしてマト
リクス回路と２ポートの可変電力分配器を組み合わせた
アンテナが提案されている。〔文献：小林他、「マルチ
ビーム方向制御を実現するバトラーマトリクス型給電回
路」、信学技報、ＳＡＮＥ９６−３、ＳＡＴ９６−３、
ｐｐ．１３−１８、１９９６年４月参照〕

【００１０】図１３は、これを説明するものである。同
図において、数字符号３１〜３３は先に説明した図１２
と同様であり、３５は可変電力分配器（図では略号にて
ＶＰＤと表記）、４５は電力合成器（図では略号にてＰ
Ｃと表記）を表している。可変電力分配器３５は、隣接
する２ビームを形成するバトラーマトリクス３２の２つ
の給電端子に信号を任意の電力比に分割して同相で供給
するものである。これをバトラーマトリクスと組み合わ
せることにより、隣接する２ビームの間の任意方向にビ
ームを指向させることを可能としている。

【００１１】図１４、および図１５はバトラーマトリク
スのポート数を１６とし、無指向性の素子アンテナを
０．７９λの等間隔で配置した場合のアンテナパターン
計算結果である（λは信号の波長である）。図１４は信
号を１つのポートから給電した場合のビームパターンを
各々示したものであり、これは、可変電力分配器の分配
比を１：０（または０：１）として給電する場合に対応
している。

【００１２】数字符号３６〜４１は順番にポート６〜ポ
ート１１から給電した場合のアンテナパターンに対応し
ており、各々のビームは約４．５゜間隔で隣接してい
る。なお、ポート６，７，８から給電した場合のビーム
パターンはポート１１，１０，９から給電した場合のビ
ームパターンと、０゜の角度をはさんで対称である。

【００１３】図１５は可変電力分配器により信号を分配
してポート８とポート９に同相で供給した場合のアンテ
ナパターンの計算結果であり、図１６はその実験結果を
示すものである。なお、実験に用いたバトラーマトリク
スの中心周波数は２．５１７５ＧＨｚである。電力分配
比αを用いてポート８，ポート９に供給する信号電力を
それぞれ１−α，αと表わすとき、数字符号４２，５２
は、α＝１に対応し、４３，５３および４４，５４は、
α＝０．７５およびα＝０．５に対応する。

【００１４】図１５、（または図１６）には記していな
いが、α＝０．２５およびα＝０の場合のアンテナパタ
ーンは、それぞれ、α＝０．７５およびα＝１のアンテ
ナパターンと０゜の角度を挟んで対称な（または概ね対
称）パターンとなる。電力分配比αに応じてビーム方向
が変化しており、α＝０，０．２５，０．５，０．７
５，１のそれぞれに対応するビーム方向は＋２．３゜，
＋１．ｌ゜，０゜，−１．１゜，−２．３゜である。

【００１５】電力分配比αを０〜１まで連続的に変えた
場合は、ビーム方向が＋２．３゜〜−２．３゜まで連続
的に変化する。α＝０．７５およびα＝０．５に対応す
るアンテナパターンにおいて、一つのポートから給電し
た場合（α＝１またはα＝０の場合）と比べてサイドロ
ーブが低くなっている。

【００１６】その埋由は、２つの異なるポートから同相
で供給された信号は、バトラーマトリクス出力側ポート
の中央部分で位相がほぼ一致していても端の部分では比
較的大きな位相差が生じるために信号電力の一部分が打
ち消し合い、結果的に開口面励振分布において振幅テー
パが生じるためである。

【００１７】なお、α＝０（またはα＝ｌ）に対応する
開口面の振幅分布は一様分布であり、α＝０．５に対応
する開口面の振幅分布はコサイン分布である。また、α
＝０．７５におけるサイドローブレベルがメインローブ
を挟んで左右で異なる値になっているのは開口面励振分
布の位相の傾きが一定では無く、位相面に誤差が生じて
いるためである。

【００１８】開口面励振分布の位相面に誤差が存在する
場合、誤差が無い場合と比較して指向特性（近軸サイド
ローブ特性等）が劣化することが知られている。このア
ンテナ構成で、開口面励振分布の位相の傾きが一定とな
り位相誤差が０となるのはα＝０，０．５，１の３つの
場合である。これ以外の場合は開口面分布の位相面が波
打ったものとなる。（開口面の中央部分で位相の傾きが
小さく、両端部分で位相の傾きが大きい）

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来のア
ンテナにおいては、サイドローブ特性を改善するために
放射素子の前段に増幅器を設置して、その増幅率を素子
毎に変えることにより調整していた。このために、増幅
率の異なる複数種類の増幅器を用意するか、増幅器のバ
イアス電流を変えることによって、その増幅率を変えて
使用する必要があった。

【００２０】この場合、複数種類の増幅器を用意する方
法では経済性が損なわれ、増幅器の増幅率を変える方法
では、アンテナの効率が低下する。また、増幅器のかわ
りに減衰率の異なる減衰器を用いたり、アンテナ周辺部
の放射素子を間引くことによってサイドローブ特性を改
善する方法の場合もアンテナ効率が劣化する（電力を無
駄にしている）。さらに、これらの方法は、マトリクス
回路と放射素子との間の位相誤差を増大させる要因とな
るため、アンテナ特性（広角サイドローブ特性や利得な
ど）の劣化を招いたり、アンテナ設計を複雑化させると
いう課題もあった。

【００２１】一方、連続的にビーム方向を変化させるた
めに、マトリクス回路に２ポートの可変電力分配器を組
み合わせた構成のアンテナでは、ビーム方向によって利
得やサイドローブ特性等が変化してしまう。また、ビー
ム方向によっては、開口面励振分布の位相面に大きな誤
差を生じ、良好な指向特性が得られないという課題もあ
った。

【００２２】さらに、従来のアンテナに共通する課題と
して、必要に応じてビームのサイドローブを下げる等の
指向性制御を行うことや、複数ビームを同時に形成する
マルチビームアンテナの場合、各々のビームについて個
別に指向性制御を行うことが非常に難しいという課題が
あった。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上述の
課題は、前記特許請求の範囲に記載した手段により解決
される。すなわち、請求項１の発明は、給電されるポー
トの位置によりビーム方向が決定されるマトリクス回路
を用いたフェーズドアレーアンテナにおいて、前記マト
リクス回路の出力における中心位相を給電ポートの位置
に依らず一定とし、

【００２４】前記マトリクス回路の給電ポート（ｉ，
ｊ）に給電した時のビーム方向を（θｉ，φｊ）、所望
のビーム方向を（θｓ，φｓ）とするとき、Ｓｉｎ（θ
ｓ）−Ｓｉｎ（θｉ）およびＳｉｎ（φｓ）−Ｓｉｎ
（φｊ）を変数とするガウス関数により求められる電力
密度分布に従って、前記マトリクス回路の３つ以上の給
電ポートに同相で信号を分配するか、又は、前記マトリ
クス回路の３つ以上の給電ポートから同相で信号を合成
する給電方法である。

【００２５】請求項２の発明は、請求項１に記載の給電
方法において、給電ポート（ｉ，ｊ）の、ｉ又はｊのい
ずれか一方が一つの値のみを採るように構成したもので
ある。例えば、マトリクス回路が横方向Ｎポート、縦方
向Ｍポートから成る２次元的なマトリクス回路の場合、
給電ポート（ｉ，ｊ）（ｉ＝１，２，３，．．．，Ｎ）
（ｊ＝１，２，３，．．．，Ｍ）のｉ（またはｊ）につ
いてのみ３つ以上の給電ポートを用いて本発明を適用し
た場合は横方向（または縦方向）のみのアンテナ特性の
改善を図るものである。また、Ｎ＝１またはＭ＝１の場
合は１次元の直線アレーアンテナとなる。

【００２６】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載の給電方法によって、信号を分配、又は合成する
給電回路を具備するフェーズドアレーアンテナである。
請求項４の発明は、請求項３に記載のフェーズドアレー
アンテナにおいて、給電回路が、光により空間的に分配
合成される手段を具備するように構成したものである。

【００２７】先に説明したように、従来のアンテナで
は、マトリクス回路に信号を給電する際、１ポート、ま
たは隣接する２ビームを形成する２ポートから給電を行
っており、マトリクス回路と放射素子との間で、各々の
振幅を調整することによりサイドローブ等のアンテナ特
性の改善を図るようにしていた。

【００２８】本発明は、マトリクス回路のポート（ｉ，
ｊ）からのみ給電した場合のビーム方向を（θｉ，φ
ｊ）、所望ビーム方向を（θｓ，φｓ）とするとき、送
信信号（または受信信号）を、Ｓｉｎ（θｓ）−Ｓｉｎ
（θｉ）、およびＳｉｎ（φｓ）−Ｓｉｎ（φｉ）を変
数とするガウス関数またはこれに類する電力密度分布を
もってマトリクス回路の３つ以上の複数ポートに同相で
分配（または複数ポートから同相で合成）する給電回路
を有することを最も主要な特徴とする。

【００２９】マトリクス回路を用いたフェーズドアレー
アンテナが給電を行うポートの位置に応じてビーム方向
が変化するのは、入力信号がマトリクス回路で分配され
ると同時に給電を行うポートの位置によって、それぞれ
の出力ポートにおける信号の位相が回転し、位相面に傾
きを生じるためである。これは原理上、フーリエ変換を
行っていると考えることができる。

【００３０】ｘを変数としたガウス関数ａＥｘｐ（−ｂ
ｘ²）のフーリエ変換は、同じくガウス関数の形ｃＥｘ
ｐ（−ｄｘ²）になる。ａ，ｂ，ｃ，ｄは係数である。
つまり、入力信号をガウス関数の振幅分布でマトリクス
回路に給電した場合、出力信号における振幅分布はガウ
ス関数となる。

【００３１】また、フーリエ変換の性質から、入力信号
の分布形状をそのままに、給電位置（給電ポート）を変
えた場合、出力信号は位相面の傾きが一定置だけ変化す
るのみであり、振幅分布は変化しない。すなわち、開口
面励振分布の位相面に歪を生じさせること無くビーム方
向のみを変化させることが可能である。なお、上記の性
質はフーリエ変換における時間軸の推移と呼ばれるもの
である。

【００３２】信号の振幅成分は電力成分の平方根に比例
するので、電力分布がガウス関数で表わされる場合、振
幅成分もまたガウス関数である。また、関数が、ｘ，ｙ
の２変数（マトリクス回路が２次元）となっても、フー
リエ変換は各変数について独立に行われるので、１変数
の問題に帰着する。

【００３３】つまり、関数ａＥｘｐ（−ｂｘ²），ｅＥ
ｘｐ（−ｆｙ²）のフーリエ変換がそれぞれｃＥｘｐ
（−ｄｘ²），ｇＥｘｐ（−ｈｙ²）である場合，２次
元のマトリクス回路において，人力信号の横方向分布を
ａＥｘｐ（−ｂｘ²）、縦方向分布をｅＥｘｐ（−ｆｘ
²）とすれば、出力の横方向分布、縦方向分布はそれぞ
れｃＥｘｐ（−ｄｘ²），ｇＥｘｐ（−ｈｘ²）であ
り、アンテナが形成するビームパターンについても横方
向、縦方向について１次元の場合に帰着される。

【００３４】以上のことから、本発明の給電回路によっ
てマトリクス回路に給電された信号は、ガウス関数の振
幅テーパを有することになる。ガウス関数で表わされる
振幅テーパの開口面分布（ガウス分布）は低サイドロー
ブの指向性パターンを与えるものとして知られており、
低サイドローブで高利得の指向性パターンを与える分布
として代表的なテイラー分布と非常に良く似ていること
が知られている。

【００３５】このように、マトリクス回路の出力側にお
いて良好な指向特性を与える開口面励振分布が得られる
ため、放射素子を間引いたり、放射素子前段の増幅器の
利得を各々調整する必要が無い。従って、アンテナ効率
を劣化させることなく、低サイドローブ特性を得ること
が可能である。

【００３６】また、信号給電における電力密度分布を変
化させる（Ｅｘｐ（−ｂｘ²）のｂを変化させる）こと
により必要に応じてビームのサイドローブを下げる等の
指向性制御を行うことが可能となる。また、所望のビー
ム方向を変化させた場合でも、同じ電力密度分布を用い
てマトリクス回路の複数ポートに給電することにより、
開口面分布の振幅分布をほぼ同じ形に保つことが可能で
ある。

【００３７】従って、ビーム方向を変化させた場合にお
いても、利得や、サイドローブ特性等を、概ね一定に保
つことが可能である。フーリエ変換の性質上、開口面励
振分布で得ようとするエッジテーパ（両端の素子の中央
の素子に対する励振振幅比）が深くなる程、給電信号の
電力密度分布は広くする必要がある。しかし、開口面励
振分布に．比較的深いエッジテーパを設けた場合におい
ても、要求される電力密度分布の広がりは小さなもので
ある。

【００３８】例えば、バトラーマトリクスを用いた場
合、開口面励振分布のエッジテーパを−２０ｄＢとした
場合においても、３ポート分の幅があれば最大で約９
９．８％までカバーすることが可能であり、開口而励振
分布のエッジテーパを−５０ｄＢとした場合でも３ポー
ト分の幅があれば約９５％まで（４ポートなら約９９％
まで）カバーすることが可能である。

【００３９】実際に３ポートまたは４ポートを用いて給
電を行った場合、マトリクス回路のポート位置と給電信
号が従う電力密度分布のビーク位置との関係によって、
得られる開口面分布の振幅分布に多少の変化がみられる
が、基本的に上記のことはマトリクス回路規模に依存し
ない。

【００４０】従って、本発明の技術を用いた場合は、マ
トリクス回路規模が大きな場合（アレーアンテナの規模
が大きな場合）でも、マトリクス回路における１次元方
向あたりの信号給電に、３ないし４ポートを用いれば、
サイドローブレベルを下げることが可能になるととも
に、ビーム方向を変化（位相面を変化）させた場合でも
パターン形状をある程度一定に保つことが可能になる。

【００４１】なお、以上の説明では、マトリクス回路が
２次元の構成を採る場合について、述べているが、本発
明は、マトリクス回路が１次元の構成、すなわち、給電
ポート（ｉ，ｊ）のｉまたはｊのいずれか一方が、１の
みをとり得るような、例えば直線アレーアンテナの場合
にも適用できるものであることは、これまでの記述から
も明らかである。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、Ｎポートのマトリクス回路
であるＮポートのバトラーマトリクスを用いた直接放射
型の（一次元）直線アレーアンテナを例にとり、本発明
を説明する。図１〜図３は本発明の、実施の形態の第１
〜第３の例を説明する図である。これらの図において、
数字符号１は入力信号、２はマトリクス回路、３は素子
アンテナ、４はＮポート可変電力分配器、５はＭ×Ｎポ
ート電力分配器、６は電力合成器を表している。

【００４３】図１は、マトリクス回路２と、信号を任意
の電力比に分割して同相でマトリクス回路に供給するＮ
ポート可変電力分配器４とを、組み合わせたものであ
る。図３はｋ個のマルチビームを想定したものであり、
ｋ個のＮポート可変電力分配器１−１〜１−ｋを電力合
成器を介してマトリクス回路に接続した構成となってい
る。図２は連続的なビーム走査を必要としない場合にお
いて、可変電力分配器の代わりに、予め幾つかの電力分
配比が設定されたＭ×Ｎポート電力分配器５を用いるも
のである。

【００４４】なお、広範囲のビーム走査を必要としない
場合などは、必ずしもマトリクス回路のＮポート全てに
信号給電する必要は無いので、使用しないポートは終端
しておけば良い。また、上記のマトリクス給電回路（Ｎ
ポート可変電力分配器４、Ｍ×Ｎポート電力分配器５）
は、ＤＳＰ等のデジタル回路を用いれば比較的容易に実
現することができる。

【００４５】次に、素子アンテナ配置を距離ｄλの等間
隔配置とし、マトリクス回路の各ポートヘ給電する電力
密度分布を求める。マトリクス回路の出力における隣接
ポートの位相差は、入カポートの位置によって（−（Ｎ
−１）／Ｎ）＊１８０゜〜（＋（Ｎ−１）／Ｎ）＊１８
０゜まで、（２／Ｎ）＊１８０゜刻みでＮ通りの値を取
り得る。

【００４６】これらに対応する入カポートを出力位相差
が小さい順にポート１，ポート２，・・・・，ポートＮ
とする。一般に素子アンテナの指向特性はアレーアンテ
ナ全体の指向特性と比較して非常にブロードなものとな
るので、ビーム方向を求めるにあたって．素子アンテナ
の指向特性の影響は殆ど考えなくて良い。以上のことか
ら、給電を行うポー卜位置ｉに対応するビーム方向θｉ
はマトリクス回路の出力位相差よりθｉ＝Ｓｉｎ^-1（−
（２ｉ−Ｎ−１）／２Ｎｄ）と表わされる。

【００４７】よって、Ｓｉｎ（θｉ）＝−（２ｉ−Ｎ−
１）／２Ｎｄである。ここで、所望のビーム方向をθｓ
とするとき、マトリクス回路の各ポートへの信号電力は
以下の電力密度分布に従うａＥｘｐ（−ｂｘ²）、ｘ＝Ｓｉｎ（θｓ）−Ｓｉｎ（θｉ）＝Ｓｉｎ（θｓ）−（Ｎ＋１）／２Ｎｄ＋ｉ／Ｎｄ

【００４８】または、Ｘ＝ｘＮｄとして、ＡＥｘｐ（−ＢＸ²）、Ｘ＝Ｓｉｎ（θｓ）Ｎｄ−（Ｎ＋１）／２＋ｉここで、ｂ（またはＢ）は開口面励振分布のエッジテー
パを規定する比例定数であり、ａ（またはＡ）は規格化
定数である。図４は上記電力密度分布とマトリクス回路
の各ポートヘ給電する信号電力との関係を示したもので
ある。

【００４９】図５〜図８はＮ＝１６、ｄλ＝０．７９λ
とし、ビーム方向０゜，−１．１゜，−２．３゜の３つ
の場合について、信号を前記の電力密度分布に従って給
電した場合のアンテナパターンの計算結果である。図５
は電力密度分布において比例定数Ｂを４．０とした場合
のものであり、このときの規格化定数Ａは１．１３であ
る。

【００５０】同図において、数字符号１０、１１、１２
はそれぞれビーム方向−２．３゜，−１．１゜，０゜に
対応している。図６は比例定数Ｂを２．０とした場合の
結果であり、このときの規格化定数Ａは０．７９８であ
る。数字符号１３、１４、１５はそれぞれビーム方向−
２．３゜，−１．１゜，０゜に対応している。

【００５１】ちなみにビーム方向−１．１°，−２．３
゜はそれぞれＳｉｎ−１（−１／６４／０．７９），Ｓ
ｉｎ^-1（−１／３２／０．７９）に対応しており、図
５、図６は信号給電にポート６〜ポート１２までの７つ
のポートを用いている。図５および図６の結果より、比
例定数Ｂの値を変えることにより、アンテナパターンの
サイドローブレベルを制御することが可能であることが
分かる。

【００５２】また、従来のアンテナとは異なり、ビーム
方向を変えてもアンテナパターンの形状が概ね一定に保
たれており、良好な指向特性が得られていることが分か
る。図７は電力密度分布において、比例定数Ｂを４．
０、規格化定数Ａは１．１３とし、マトリクス回路の４
つのポート（ポート７，８，９，１０）から信号給電を
行った場合の計算結果である。

【００５３】図８は比例定数Ｂを４．０、規格化定数Ａ
は１．１３とし、３つのポート（ポート８，９，１０）
から信号給電を行った場合の計算結果である。図７にお
ける数字符号１６、１７、１８はそれぞれビーム方向−
２．３゜，−１．１゜，０゜に対応しており、図８にお
ける数字符号１９、２０、２１はそれぞれビーム方向−
２．３゜，−１．１゜，０゜に対応している。

【００５４】数字符号２１のパターンでは、サイドロー
ブレベルが高めの値（ビーム方向−０°の場合は、信号
給電の分布のピークがポート８，９の中間にあることか
ら３つのポートを用いた場合は信号給電の非対称性が顕
著となっている）になっているが、４つのポートを用い
て給電を行った場合も３つのポートを用いた場合も、ビ
ーム方向を変えてもアンテナパターンの形状が概ね一定
に保たれている。

【００５５】これらのことから本発明の技術は、多数の
放射素子を制御対象とする従来の技術と異なり、マトリ
クス回路の１次元方向あたり３つないし４つのポートか
らの信号給電によってサイドローブレベルを下げる等の
指向性制御が可能であることがわかる。図９は比例定数
Ｂを４．０、規格化定数Ａは１．１３とし、３つのポー
ト（ポート８，９，１０）から信号給電を行った場合
（図８で示した計算結果と同条件）の実験結果である。

【００５６】なお、実験で用いたマトリクス回路は、中
心周波数２．５１７５ＧＨｚのバトラーマトリクスであ
り、数字符号２２、２３、２４はそれぞれビーム方向−
２．３゜，−１．ｌ゜，０゜に対応している。実験に用
いたマトリクス回路の製造誤差のためにサイドローブレ
ベルが多少高めの直となっているが、図８で示した計算
結果と概ね一致していることが分かる。

【００５７】この場合、用いられるポートは、単独で給
電した場合のビーム方向θｉ（またはφｊ）が所望ビー
ム方向θｓ（またはφｓ）に最も近い３ないし４ポート
である。これまでの説明では、説明を容易にするため、
各ポートに信号を与えて、素子アンテナから放射する送
信の場合について述べているが、本発明は、送信の場合
に限るものではなく、素子アンテナで捕らえた信号を合
成して受信する場合にも適用できるものであることはい
うまでもない。

【００５８】ちなみに横方向Ｎポート、縦方向Ｍポート
の（２次元の）バトラーマトリクスを用いた平面アレー
アンテナの場合、各ポートヘ給電する電力密度分布は以
下のようになる。なお、素子アンテナ配置は横、縦方向
とも距離ｄλの等間隔配置とし、給電を行うポー卜位置
（ｉ，ｊ）に対応するビーム方向をを（θｉ，φｊ）と
する。

【００５９】所望のビーム方向を（θｓ，φｓ）とした
場合、信号電力が従う横方向の電力密度は，ａＥｘｐ（−ｂｘ²）、ｘ＝Ｓｉｎ（θｓ）−Ｓｉｎ（θｉ）＝Ｓｉｎ（θｓ）−（Ｎ＋１）／２Ｎｄ＋ｉ／Ｎｄまたは、Ｘ＝ｘＮｄとして、ＡＥｘｐ（−ＢＸ²）、Ｘ＝Ｓｉｎ（θｓ）Ｎｄ−（Ｎ＋１）／２＋ｉであり、

【００６０】縦方向の電力密度は、ｅＥｘｐ（−ｆｙ²）、ｙ＝Ｓｉｎ（φｓ）−Ｓｉｎ（φｓ）＝Ｓｉｎ（φｓ）−（Ｍ＋１）／２Ｍｄ＋ｊ／Ｍｄまたは、Ｙ＝ｙＭｄとして、ＥＥｘｐ（−ＦＹ²）、Ｙ＝Ｓｉｎ（φｓ）Ｍｄ−（Ｍ＋１）／２＋ｊである。

【００６１】よって、信号電力が従う電力密度は、それ
ぞれの方向における電力密度から、ａｅＥｘｐ（−ｂｘ
²−ｆｙ²）、又は、ＡＥＥｘｐ（−ＢＸ²−ＦＹ²）
とあらわされる。ここでｂ，ｆ（またはＢ，Ｆ）は開口
面励振分布のエッジテーパを規定する比例定数であり、
ａ，ｅまたはＡ，Ｅは規格化定数である。

【００６２】図１０、および図１１は、請求項４の発明
に対応する実施の形態を説明するものである。これらは
給電回路の信号分配（または信号合成）を光を用いて空
間的に行う構成としたものであり、便宜上、送信を想定
している。図１０は一次元マトリクス回路の信号給電に
光を用いる構成としたものであり、図１１は２次元に構
成したマトリクス回路の信号給電に光を用いる構成とし
たものである。

【００６３】これらの図において、数字符号２５は電気
光変換器（図ではＥ／Ｏと表示）、２６，２９は光ファ
イバ、２７は発光部、２８は受光部、３０は光電気変換
器（図ではＯ／Ｅと表示）を表わしている。また、数字
符号２はマトリクス回路、３は素子アンテナを表わして
おり、これらは、先に説明した図１〜図３の場合と同様
である。

【００６４】量子エレクトロニクスの世界で最もよく出
てくる光ビームは、伝搬方向と垂直な向きの強度分布が
ガウス関数であるガウシアンビームであり、レーザーの
出力も一般にガウシアンビームであることが知られてい
る。〔文献：ＡｍｎｏｎＹａｒｉｖ著、多田一神谷
共訳「光エレクトロニクスの基礎」，１章、２章，丸善
参照〕従って、光を用いればガウス関数の電力密度分
布で複数ポートに信号を給電することが可能である。

【００６５】また、光の照射範囲は発光部と受光部との
距離を変えることによって制御可能なことから、アンテ
ナの指向性制御を容易に行うことが可能である。また、
光を用いていることから発光部と受光部との距離が短く
てすみ、受光部における信号の位相誤差の影響を殆ど考
える必要がなくなると同時に、高密度な回路実装が可能
になる。

【００６６】光信号の伝送は光ファイバを用いれば良
く、これは、電磁ノイズに強く、低損失な信号伝送が可
能である。機械的な可動部分については、ＣＤプレイヤ
ー等の光学ピックアップ系を流用することによって低コ
スト化を図ることができる。

【００６７】従来、信号処理に光を用いたアンテナとし
て、レンズ等の光学系を用いてアレーアンテナの各素子
に信号給電を行うものが報告されているが、これは、レ
ンズ焦点位置等の光学系の制約によってコンフィグレー
シヨンが決まっており、サイドローブ特性などの指向性
制御（適応制御）は非常に困難なものであった。〔文
献：山田他、「ファイバ出射型光制御アレーアンテナの
リニアアレー励振実験」、電子情報通信学会１９９３秋
季大会論文集２、Ｂ−５２参照〕）

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、マトリクス回路の出力において良好な指向特性
を与える開口面励振分布が得られるため、放射素子を間
引いたり、放射素子前段の増幅器（または減衰器）の利
得を各々調整する必要が無い。従って、マトリクス回路
と放射素子との間の位相誤差を増大させたり、アンテナ
効率を劣化させること無く低サイドローブ特性を得るこ
とが可能である。

【００６９】また、数多く存在する放射素子の振幅を直
接制御する必要が無いのでアンテナ全体の調整が簡単に
なり低コスト化につながると同時に、必要に応じてビー
ムのサイドローブを下げる等の指向性制御を行うことも
容易になる。そして、同じ電力密度分布を用いてマトリ
クス回路の複数ポートに給電することにより、ビーム方
向を変化させた場合でも、パターン形状を一定に保つこ
とが可能である。

【００７０】さらに、マトリクス回路の信号給電側で指
向性パターンの制御を行っているため、複数ビームを同
時に形成するマルチビームアンテナの用途では、個々の
ビームについて個別に指向性制御を行うことが可能であ
る。

【００７１】また、マトリクス回路における１次元方向
あたりの信号分配（または信号合成）を３ないし４と小
さくした場合は、マトリクス回路に接続する信号分配回
路（または信号合成回路）の規模を小さくすることが可
能になり、低コスト化につながる。更に、信号分配（ま
たは信号合成）が少ないことから、信号分配回路（また
は信号合成回路）内の干渉や損失が小さくなり、アンテ
ナ性能（Ｓ／Ｎ特性）が改善される。

【００７２】請求項４の発明によれば、ＤＳＰや可変移
相器等で構成された可変電力分配器を用いることなくガ
ウス関数の電力密度分布で複数ポートに信号を給電する
ことが可能となる。また、アンテナパターン制御を非常
に簡単な機構で行うことが可能となる。

【００７３】また、光を用いていることから給電回路に
おける信号の位相誤差を小さくすることができると共
に、高密度な回路実装が可能になる。光信号の伝送は光
ファイバを用いれば良く、このようにすれば、電磁ノイ
ズに強く、低損失な信号伝送が可能である。機械的な可
動部分については、ＣＤプレイヤー等の光学ピックアッ
プ系を流用することによって低コスト化を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の第１の例を示す図であ
る。

【図２】本発明の実施の形態の第２の例を示す図であ
る。

【図３】本発明の実施の形態の第３の例を示す図であ
る。

【図４】本発明の場合の各ポートへの電力分配について
説明する図である。

【図５】本発明のアンテナパターンの第１の例を示す図
である。

【図６】本発明のアンテナパターンの第２の例を示す図
である。

【図７】本発明のアンテナパターンの第３の例を示す図
である。

【図８】本発明のアンテナパターンの第４の例を示す図
である。

【図９】本発明のアンテナパターンの第４の例の実験結
果を示す図である。

【図１０】本発明の実施の形態の第４の例を示す図であ
る。

【図１１】本発明の実施の形態の第５の例を示す図であ
る。

【図１２】従来のフェーズドアレーアンテナの第１の例
を示す図である。

【図１３】従来のフェーズドアレーアンテナの第２の例
を示す図である。

【図１４】従来のアンテナパターンの第１の例を示す図
である。

【図１５】従来のアンテナパターンの第２の例を示す図
である。

【図１６】従来のアンテナパターンの第２の例の実験結
果を示す図である。

【符号の説明】

１入力信号２マトリクス回路３素子アンテナ４Ｎポート可変電力分配器５Ｍ×Ｎポート電力分配器６電力合成器１０〜２４アンテナパターンの計算結果２５電気／光変換器１２６，２９光ファイバ２７発光部２８受光部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小川博世東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA07 AA11 DB02 DB03 EA04 FA06 FA32 FA34 GA02 GA05 HA04 HA05 JA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】給電されるポートの位置によりビーム方
向が決定されるマトリクス回路を用いたフェーズドアレ
ーアンテナにおいて、前記マトリクス回路の出力における中心位相を給電ポー
トの位置に依らず一定とし、前記マトリクス回路の給電ポート（ｉ，ｊ）に給電した
時のビーム方向を（θｉ，φｊ）、所望のビーム方向を
（θｓ，φｓ）とするとき、Ｓｉｎ（θｓ）−Ｓｉｎ（θｉ）およびＳｉｎ（φｓ）
−Ｓｉｎ（φｊ）を変数とするガウス関数により求めら
れる電力密度分布に従って、前記マトリクス回路の３つ
以上の給電ポートに同相で信号を分配するか、又は、前記マトリクス回路の３つ以上の給電ポートから
同相で信号を合成することを特徴とする給電方法。
【請求項２】給電ポート（ｉ，ｊ）の、ｉ又はｊのい
ずれか一方についてのみ３つ以上の給電ポートを用いて
マトリクス回路に給電する請求項１に記載の給電方法。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の給電方法
によって、信号を分配、又は合成する給電回路を具備す
ることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
【請求項４】給電回路が、光により空間的に分配合成さ
れる手段を具備する請求項３に記載のフェーズドアレー
アンテナ。