JP2000174538A - ビーム形成回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビーム数が多いマルチビームフェーズドアレ
ーアンテナ等に特に効果的な小形で低価格なビーム形成
回路を提供する。 【解決手段】 送信時に入力、受信時に出力となる複数
のビーム端子１と複数のアンテナ放射素子に接続される
複数のアンテナ端子６との間を接続する分配合成回路
２、４と、この分配合成回路の中に各アンテナ放射素子
の励振振幅や励振位相を各ビーム端子の高周波信号毎に
独立に制御できるように挿入された複数の可変デバイス
３を設けたビーム形成回路において、可変デバイス３と
パッケージ外部接続端子の間を接続する少なくとも１つ
の分配合成デバイス４を内蔵した複数のパッケージ１０
０に複数の可変デバイス３を分散して実装しかつ複数の
パッケージを並べて配置し、各パッケージのパッケージ
外部接続端子間相互を接続することによって分配合成回
路の一部を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、アンテナ等に所
望のビームを実現する高周波信号を供給するためのビー
ム形成回路、特に主としてマイクロ波帯およびミリ波帯
におけるマルチビームフェーズドアレーアンテナのビー
ム形成回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、例えばG. Estep, R. Gupta,
T. Hampsch, M. Zaharovits, L. Pryor, C. Chen, A. Z
aghloul, および F. Assal,による"フェーズドアレー・
アンテナ・アプリケーションのためのＣバンド・ビーム
フォーミング・マトリックス(AC-band Beam-forming Ma
trix for Phased-array Antenna Applications)" 1995I
EEE MTT-S International Microwave Symposium Digest
pp.1225-1228, １９９５年、６月、に示された従来の
マルチビームフェーズドアレーアンテナのビーム形成回
路の回路構成を示した図である。送信の場合、図におい
て１はビーム端子、２は分配回路、３は可変移相器、５
は合成回路、６は放射素子側に接続されるアンテナ端子
である。受信の場合には分配回路２と合成回路５の役割
が入れ替わる。

【０００３】ビーム毎に複数のビーム端子１から入力さ
れた高周波信号は、それぞれ分配回路２によって等位相
で放射素子の数に分配される。分配された高周波信号
は、可変移相器３にて励振位相を制御され、合成回路５
によって放射素子毎にすべてのビームの高周波信号が合
成されてアンテナ端子６から各放射素子に供給される。

【０００４】このような構成で、ビーム数と放射素子数
をかけ合わせた数の可変移相器３を配置することによ
り、所望の複数の方向に電波ビームを形成するビーム形
成回路を構成することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のビ
ーム形成回路では、ビーム毎に入力された高周波信号を
放射素子の数にそれぞれ分配する分配回路２と、放射素
子毎にビーム数の高周波信号を合成する合成回路５が必
要であるため、回路パターンが非常に複雑になってい
た。このため、ビーム形成回路の小形化が困難であり、
特にビーム数が多く、かつ放射素子間隔の小さいマルチ
ビームフェーズドアレーアンテナに適用するには限界が
あった。

【０００６】一方、複数の可変移相器３と分配回路２や
合成回路５を１つのパッケージに搭載しようとすると、
ビーム数が多い場合にはパッケージの大きさが大きくな
ってしまう。低コストで大量に製造できるセラミック多
層基板パッケージは、各層の導体パターンをスクリーン
印刷した焼成前のセラミック・グリーンシートを複数積
層した後、同時焼成するため、パッケージサイズが大き
いと歪みが大きくなり不向きである。したがって、低価
格なパッケージ化が困難であるという問題もあった。

【０００７】この発明は、上述のような課題を解決する
ためになされたもので、特にビーム数が多いマルチビー
ムフェーズドアレーアンテナ等に効果的な小形で低価格
なビーム形成回路を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的に鑑み、この
発明は、送信時に高周波信号が入力され受信時にアンテ
ナ放射素子からの信号を出力する複数のビーム端子と、
複数のアンテナ放射素子にそれぞれ接続される複数のア
ンテナ端子と、上記各ビーム端子と各アンテナ端子の間
をそれぞれ接続する分配合成回路と、上記分配合成回路
の中に、各アンテナ放射素子の励振振幅と励振位相の少
なくとも一方を各ビーム端子の高周波信号ごとに独立に
制御できるように挿入された複数の可変デバイスと、を
備えたビーム形成回路において、上記可変デバイスとパ
ッケージ外部接続端子の間を接続する少なくとも１つの
分配合成デバイスを内蔵した複数のパッケージに上記複
数の可変デバイスを分散して実装するとともに、上記複
数のパッケージを同一面上に並べて配置し、各パッケー
ジの上記パッケージ外部接続端子間相互を接続すること
によって上記分配合成回路の一部を構成したことを特徴
とするビーム形成回路にある。

【０００９】またこの発明は、共通端子および１つの分
配合成端子がそれぞれパッケージ外部接続端子に接続さ
れ、残る分配合成端子が可変デバイスに接続された分配
合成デバイスを内蔵した複数のパッケージを、隣り合う
パッケージの上記分配合成デバイスの共通端子が接続さ
れたパッケージ外部接続端子と上記分配合成デバイスの
一つの分配合成端子が接続されたパッケージ外部接続端
子が向かい合うように配置し、上記向かい合うパッケー
ジ外部接続端子間を接続したことを特徴とするビーム形
成回路にある。

【００１０】またこの発明は、分配合成デバイスとして
アンテナ端子に近いパッケージには結合線路形カップラ
を用い、アンテナ端子から遠いパッケージにはウィルキ
ンソン形電力分配器を用いたことを特徴とするビーム形
成回路にある。

【００１１】またこの発明は、パッケージ外部接続端子
間を直接接続する伝送線路を内蔵したパッケージを用い
て、該パッケージの両側に配置された２つのパッケージ
のパッケージ外部接続端子間を接続して、分配合成回路
を構成したことを特徴とするビーム形成回路にある。

【００１２】またこの発明は、可変デバイスと、分配合
成デバイスをそれぞれ実装する空洞部とがもうけられた
共通形状のパッケージ内に、分配合成デバイスがパッケ
ージとは別部品として各パッケージごとに異なる分配特
性のものが実装されていることを特徴とするビーム形成
回路にある。

【００１３】またこの発明は、上記各パッケージをセラ
ミック多層基板で構成し、上層の面に可変デバイスとパ
ッケージ外部接続端子を形成し、下層の面に分配合成デ
バイスの少なくとも一部を形成したことを特徴とするビ
ーム形成回路にある。

【００１４】またこの発明は、パッケージ外部接続端子
を下層の面に設け、上層のこれの上に当たる部分に切り
欠きを設けたことを特徴とするビーム形成回路にある。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、この発明
の一実施の形態によるマルチビームフェーズドアレーア
ンテナのためのビーム形成回路の回路構成を示す図、図
２は図１に示したビーム形成回路で用いられているパッ
ケージ１００の回路構成図である。送信の場合、図にお
いて１はビーム端子、２は分配回路、１００はパッケー
ジ、６は放射素子側に接続されるアンテナ端子である。

【００１６】パッケージ１００には図２に示すように、
可変デバイスである可変移相器３、分配合成回路を構成
する分配合成デバイスである合成回路４が含まれてお
り、分配回路２からの入力端子１１と、別のパッケージ
１００からの入力端子１２と、出力端子１３が設けられ
ている。これらの入力端子１１、１２および出力端子１
３はパッケージ外部接続端子である。また、合成回路４
において、４ａは共通端子、４ｂ、４ｃ、４ｄは分配合
成端子である。

【００１７】そして図１に示すように隣り合うパッケー
ジの入力端子１２と出力端子１３を接続することによ
り、複数のパッケージ１００が直列に接続されている。
なお、直列接続されたパッケージ１００のうち、放射素
子から最も遠いパッケージには入力端子１２は設けられ
ていない。また、放射素子に最も近いパッケージ１００
の出力端子１３はアンテナ端子６として放射素子側に接
続される。

【００１８】次に動作について説明する。ビーム端子１
から入力された高周波信号は、分配回路２によってパッ
ケージ１００に供給される。パッケージ１００内に実装
された可変移相器３によって所定の位相を与えられた高
周波信号は、合成回路４によって同じパッケージ１００
内の他の可変移相器３の出力信号と合成され、さらに入
力端子１２から供給される他のパッケージ１００からの
高周波信号と合成される。合成回路４によって合成され
た高周波信号は出力端子１３へ出力され、直列に接続さ
れた隣のパッケージ１００に供給される。

【００１９】このようにして、放射素子に最も近いパッ
ケージ１００において各ビームに対応した信号をすべて
合成した信号は、アンテナ端子６から放射素子側に供給
される。このとき、同一ビームの高周波信号については
すべての放射素子に対してビーム端子１からアンテナ端
子６までの電気長が等しいので、可変移相器３の移相量
を所定の値に設定することにより、所定の複数の方向に
ビームを形成することができる。

【００２０】このような構成においては、パッケージ１
００を直列に接続することにより、すべてのビームの信
号を合成する合成回路を構成しているので、合成回路を
別の基板上に形成する必要がなく、回路構成が単純とな
り、ビーム形成回路の小形化を図れるという効果があ
る。更に、ビーム数が非常に多い場合でも、直列接続す
るパッケージ１００の数を増やすだけで対応できるとい
う効果もある。

【００２１】また、パッケージ１００については、ビー
ム数に関係なくパッケージ１つあたりの大きさを小さく
することができるため、セラミック多層基板を用いてパ
ッケージの低価格化が図れるという効果もある。

【００２２】なお、以上では送信用のビーム形成回路の
場合について説明したが、分配回路２を合成回路に、合
成回路４を分配回路に置き換えて考えれば、受信用ビー
ム形成回路として同様の効果が得られることは言うまで
もない。また、以上では励振位相のみを変化させる場合
について説明したが、パッケージ１００内に可変移相器
３だけでなく可変減衰器(共に可変デバイス)も設けた場
合でも同様の効果がある。

【００２３】実施の形態２．図３はこの発明のビーム形
成回路における放射素子１素子分のパッケージ基板パタ
ーンの一例を示す図である。図において、４１は結合線
路形カップラ、４２はウィルキンソン形電力分配器であ
る。各ビームの信号を等振幅で分配合成するためには、
放射素子に近いパッケージ１００では分配比の大きな分
配回路が必要であり、放射素子から遠いパッケージ１０
０では分配比の小さな分配回路が必要である。そこで、
放射素子に近いパッケージ１００では大きな分配比の得
やすい結合線路形カップラ４１を、放射素子から遠いパ
ッケージ１００では小さな分配比の得やすいウィルキン
ソン形電力分配器４２を用いることにより、可変移相器
３からアンテナ端子６までの合成回路を実現している。
このため、ビーム数が多い場合でもビーム形成回路を構
成することができるという効果がある。また回路を平面
で構成できるという効果もある。

【００２４】実施の形態３．図４はこの発明のビーム形
成回路における放射素子１素子分の別の回路構成を示す
図である。図において、１４はパッケージ１００内にお
いて入力端子１２と出力端子１３を直接接続する伝送線
路である。複数の入力端子１２と複数の出力端子１３を
もち、さらに伝送線路１４を設けたパッケージ１００を
用いることにより、可変移相器３からアンテナ端子６ま
での合成回路をトーナメント方式にすることができるた
め、必要な分配回路はすべて等分配の分配回路でよいと
いう効果がある。

【００２５】実施の形態４．図５はこの発明のビーム形
成回路における放射素子１素子分の別の回路構成を示す
図である。図において、４０はパッケージ１００の基板
表面に設けられた空洞部、１５は空洞部４０に配設され
たマイクロ波回路チップである。複数の共通形状のパッ
ケージ１００を直列に接続し、それぞれのパッケージ１
００内の空洞部４０に適切な回路パターンを持つマイク
ロ波回路チップ１５を入れることにより、合成回路を構
成している。このとき、高周波パッケージ１００本体を
全て同一にすることができるため、ビーム形成回路の低
価格化が図れるという効果がある。

【００２６】実施の形態５．図６は、例えば実施の形態
１において、パッケージ１００をセラミック多層基板で
構成したときの、放射素子１素子分のパッケージ基板パ
ターンの一例を示す。図７は図６に示したパッケージ１
００のａ−ａ’線に沿った断面図である。図において、
５１はセラミック多層基板の上層、５２は下層あるいは
内層である。１６は上層５１の導体パターンと下層５２
の導体パターンを接続するスルーホールである。４３は
パッケージ１００内に実装された例えば送信時には可変
移相器３から出力される信号と隣り合うパッケージから
の信号を合成する合成回路である。そして図６の左側の
下層５２上に右側の上層５１が図７に示すように積層さ
れて形成される。

【００２７】このパッケージ１００では、合成回路４３
のパターンを下層５２表面に形成し、入力端子１２と出
力端子１３を上層５１表面に設けている。入力端子１２
から供給された信号は、スルーホール１６によって下層
５２に伝わり、合成回路４３によって可変移相器３から
スルーホール１６を通して供給される信号と合成され
る。合成された信号は再びスルーホール１６によって上
層５１表面に出て、出力端子１３から出力される。この
ような構成によればパッケージの占有面積が小さくなる
ので、さらにビーム形成回路の小形化が図れるという効
果がある。

【００２８】図８は、実施の形態５において、入力端子
１２と出力端子１３を下層５２上に形成し、上層５１の
その上にくる部分に切り欠き４４を設けて下層５２の導
体パターンを露出させる構造としたパッケージ１００の
パターン図である。図９は図８に示したパッケージ１０
０のｂ−ｂ’断面図である。このような構成によって
も、実施の形態５と同様の効果が得られる。

【００２９】なお、上記説明ではマルチビームフェーズ
ドアレーアンテナのためのビーム形成回路について説明
したが、この発明はマルチビームフェーズドアレーアン
テナ用に限定されるものではない。

【００３０】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、送信時
に高周波信号が入力され受信時にアンテナ放射素子から
の信号を出力する複数のビーム端子と、複数のアンテナ
放射素子にそれぞれ接続される複数のアンテナ端子と、
各ビーム端子と各アンテナ端子の間をそれぞれ接続する
分配合成回路と、分配合成回路の中に、各アンテナ放射
素子の励振振幅と励振位相の少なくとも一方を各ビーム
端子の高周波信号ごとに独立に制御できるように挿入さ
れた複数の可変デバイスと、を備えたビーム形成回路に
おいて、可変デバイスとパッケージ外部接続端子の間を
接続する少なくとも１つの分配合成デバイスを内蔵した
複数のパッケージに複数の可変デバイスを分散して実装
するとともに、該複数のパッケージを同一面上に並べて
配置し、各パッケージのパッケージ外部接続端子間相互
を接続することによって上記分配合成回路の一部を構成
するようにした。これによりパッケージを直列に接続す
ることにより、すべてのビームの信号を合成する合成回
路を構成しているので、合成回路を別の基板上に形成す
る必要がなく、回路構成が単純となり、ビーム形成回路
の小形化を図れるという効果がある。更に、ビーム数が
非常に多い場合でも、直列接続するパッケージの数を増
やすだけで対応できるという効果もある。また、パッケ
ージについては、ビーム数に関係なくパッケージ１つあ
たりの大きさを小さくすることができるため、セラミッ
ク多層基板を用いてパッケージの低価格化が図れるとい
う効果もある。

【００３１】またこの発明では、共通端子および１つの
分配合成端子がそれぞれパッケージ外部接続端子に接続
され、残る分配合成端子が可変デバイスに接続された分
配合成デバイスを内蔵した複数のパッケージを、隣り合
うパッケージの分配合成デバイスの共通端子が接続され
たパッケージ外部接続端子と上記分配合成デバイスの一
つの分配合成端子が接続されたパッケージ外部接続端子
が向かい合うように配置し、上記向かい合うパッケージ
外部接続端子間を接続するようにすることで上記効果を
より一層、高めることができる。

【００３２】またこの発明では、分配合成デバイスとし
てアンテナ端子に近いパッケージには結合線路形カップ
ラを用い、アンテナ端子から遠いパッケージにはウィル
キンソン形電力分配器を用いたので、ビーム数が多い場
合でもビーム形成回路を構成することができるという効
果がある。また回路を平面で構成できるという効果もあ
る。

【００３３】またこの発明では、パッケージ外部接続端
子間を直接接続する伝送線路を内蔵したパッケージを用
いて、該パッケージの両側に配置された２つのパッケー
ジのパッケージ外部接続端子間を接続して、分配合成回
路を構成したので、可変移相器からアンテナ端子までの
合成回路をトーナメント方式にすることができるため、
必要な分配回路はすべて等分配の分配回路でよいという
効果がある。

【００３４】またこの発明では、可変デバイスと、分配
合成デバイスをそれぞれ実装する空洞部とがもうけられ
た共通形状のパッケージ内に、分配合成デバイスがパッ
ケージとは別部品として各パッケージごとに異なる分配
特性のものが実装されるようにしたので、パッケージ本
体を全て同一にすることができるため、ビーム形成回路
の低価格化が図れるという効果がある。

【００３５】またこの発明では、各パッケージをセラミ
ック多層基板で構成し、上層の面に可変デバイスとパッ
ケージ外部接続端子を形成し、下層の面に分配合成デバ
イスの少なくとも一部を形成したので、パッケージの占
有面積が小さくなるので、さらにビーム形成回路の小形
化が図れるという効果がある。

【００３６】また、上記セラミック多層基板において、
パッケージ外部接続端子を下層の面に設け、上層のこれ
の上に当たる部分に切り欠きを設けるようにしてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施の形態によるマルチビーム
フェーズドアレーアンテナのためのビーム形成回路の回
路構成を示す図である。

【図２】 図１に示したビーム形成回路で用いられてい
るパッケージの回路構成図である。

【図３】 この発明のビーム形成回路における放射素子
１素子分のパッケージ基板パターンの一例を示す図であ
る。

【図４】 この発明のビーム形成回路における放射素子
１素子分の別の回路構成を示す図である。

【図５】 この発明のビーム形成回路における放射素子
１素子分の別の回路構成を示す図である。

【図６】 実施の形態１においてパッケージをセラミッ
ク多層基板で構成したときの放射素子１素子分のパッケ
ージ基板パターンの一例を示す図である。

【図７】 図６に示したパッケージのａ−ａ’線に沿っ
た断面図である。

【図８】 実施の形態１においてパッケージをセラミッ
ク多層基板で構成したときの放射素子１素子分のパッケ
ージ基板パターンの別の例を示す図である。

【図９】 図８に示したパッケージのｂ−ｂ’線に沿っ
た断面図である。

【図１０】 従来のマルチビームフェーズドアレーアン
テナのビーム形成回路の回路構成を示した図である。

【符号の説明】

１ ビーム端子、２ 分配回路(分配合成デバイス)、３
可変移相器(可変デバイス)、４，４３ 合成回路(分
配合成デバイス)、４ａ 共通端子、４ｂ，４ｃ，４ｄ
分配合成端子、６ アンテナ端子、１１，１２ 入力
端子(パッケージ外部接続端子)、１３ 出力端子(パッ
ケージ外部接続端子)、１４ 伝送線路、１５ マイク
ロ波回路チップ、１６ スルーホール、４０ 空洞部、
４１ 結合線路形カップラ、４２ ウィルキンソン形電
力分配器、４４ 切り欠き、５１上層、５２ 下層、１
００ パッケージ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湯川 秀憲 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 有賀 博 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 中畔 弘晶 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 佐倉 武志 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA09 AB06 CA03 DB02 DB03 FA06 FA32 FA33 FA34 GA02 HA05 HA07

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送信時に高周波信号が入力され受信時に
   アンテナ放射素子からの信号を出力する複数のビーム端
   子と、複数のアンテナ放射素子にそれぞれ接続される複
   数のアンテナ端子と、上記各ビーム端子と各アンテナ端
   子の間をそれぞれ接続する分配合成回路と、上記分配合
   成回路の中に、各アンテナ放射素子の励振振幅と励振位
   相の少なくとも一方を各ビーム端子の高周波信号ごとに
   独立に制御できるように挿入された複数の可変デバイス
   と、を備えたビーム形成回路において、上記可変デバイ
   スとパッケージ外部接続端子の間を接続する少なくとも
   １つの分配合成デバイスを内蔵した複数のパッケージに
   上記複数の可変デバイスを分散して実装するとともに、
   上記複数のパッケージを同一面上に並べて配置し、各パ
   ッケージの上記パッケージ外部接続端子間相互を接続す
   ることによって上記分配合成回路の一部を構成したこと
   を特徴とするビーム形成回路。
2. 【請求項２】 共通端子および１つの分配合成端子がそ
   れぞれパッケージ外部接続端子に接続され、残る分配合
   成端子が可変デバイスに接続された分配合成デバイスを
   内蔵した複数のパッケージを、隣り合うパッケージの上
   記分配合成デバイスの共通端子が接続されたパッケージ
   外部接続端子と上記分配合成デバイスの一つの分配合成
   端子が接続されたパッケージ外部接続端子が向かい合う
   ように配置し、上記向かい合うパッケージ外部接続端子
   間を接続したことを特徴とする請求項１に記載のビーム
   形成回路。
3. 【請求項３】 分配合成デバイスとしてアンテナ端子に
   近いパッケージには結合線路形カップラを用い、アンテ
   ナ端子から遠いパッケージにはウィルキンソン形電力分
   配器を用いたことを特徴とする請求項２に記載のビーム
   形成回路。
4. 【請求項４】 パッケージ外部接続端子間を直接接続す
   る伝送線路を内蔵したパッケージを用いて、該パッケー
   ジの両側に配置された２つのパッケージのパッケージ外
   部接続端子間を接続して、分配合成回路を構成したこと
   を特徴とする請求項１に記載のビーム形成回路。
5. 【請求項５】 可変デバイスと、分配合成デバイスをそ
   れぞれ実装する空洞部とがもうけられた共通形状のパッ
   ケージ内に、分配合成デバイスがパッケージとは別部品
   として各パッケージごとに異なる分配特性のものが実装
   されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれ
   かに記載のビーム形成回路。
6. 【請求項６】 上記各パッケージをセラミック多層基板
   で構成し、上層の面に可変デバイスとパッケージ外部接
   続端子を形成し、下層の面に分配合成デバイスの少なく
   とも一部を形成したことを特徴とする請求項２ないし５
   のいずれかに記載のビーム形成回路。
7. 【請求項７】 パッケージ外部接続端子を下層の面に設
   け、上層のこれの上に当たる部分に切り欠きを設けたこ
   とを特徴とする請求項６に記載のビーム形成回路。