JP2000223927A

JP2000223927A - 円偏波切換形フェーズドアレーアンテナ

Info

Publication number: JP2000223927A
Application number: JP11023153A
Authority: JP
Inventors: Tsunehisa Marumoto; 恒久丸本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2000-08-11
Also published as: WO2000045466A1; AU1184600A

Abstract

(57)【要約】【課題】ビーム走査可能範囲が広い円偏波切換型フェ
ーズドアレーアンテナを提供する。【解決手段】分岐回路の分岐側の一端に遅延線路を介
して結合された移相量が１８０゜の第１の移相器と、分
岐回路の分岐側の他端に結合された移相量が１８０゜の
第２の移相器と、第１，第２の移相器にそれぞれ結合さ
れた互いに直交する２つの直線偏波を放射する放射素子
と、第１，第２の移相器の移相量をそれぞれ０゜または
１８０゜に切り換える制御手段とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波帯ない
しミリ波帯で用いられる高利得のフェーズドアレーアン
テナに関し、特に円偏波の回転方向を切り換える機能を
有する円偏波切換形フェーズドアレーアンテナに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】円偏波の回転方向を切り換える機能を有
する従来の円偏波切換形アンテナとして、特開平１−２
７９６０４号公報記載のものがある。図５は、この円偏
波切換形アンテナの構成を示すブロック図である。この
円偏波切換形アンテナは、放射素子１１１と、２個の移
相回路１１２，１１３とにより構成されている。放射素
子１１１は、２個の給電点１１１ａ，１１１ｂを有する
２点給電形パッチアンテナである。放射素子１１１の給
電点１１１ａには移相回路１１２が接続されている。ま
た、放射素子１１１の給電点１１１ｂには移相回路１１
３が接続されている。移相回路１１２，１１３の移相量
は、いずれも９０゜である。なお、本明細書中で０゜，
９０゜，１８０゜等の位相角度を示す表現があるが、こ
れらの値はいずれも公称値であって、実際の厳密な角度
は公称値から若干ずれていることをあらかじめことわっ
ておく。

【０００３】移相回路１１２，１１３には、等位相で等
振幅の高周波信号が入力される。移相回路１１２，１１
３は、いずれか一方が９０゜状態に、他方が０゜状態に
設定される。例えば、移相回路１１２が９０゜状態に、
移相回路１１３が０゜状態に設定されている場合、移相
回路１１２からは移相回路１１３よりも９０゜位相の遅
れた高周波信号が出力される。このとき、放射素子１１
１の給電点１１１ａには、給電点１１１ｂに供給される
高周波信号よりも、９０゜位相の遅れた高周波信号が供
給される。

【０００４】一方、放射素子１１１の給電点１１１ａ，
１１１ｂは、放射素子１１１の中心から約９０゜をなす
方向に配置されている。このため、給電点１１１ａ，１
１１ｂのそれぞれに高周波信号が供給されると、放射素
子１１１上の互いに直交する方向に電流Ｉａ，Ｉｂが流
れる。電流Ｉａは電流Ｉｂよりも位相が９０゜遅れてい
るので、放射素子１１１から左旋円偏波が放射される
（ただし、放射方向を紙面裏側から表側とする）。ま
た、移相回路１１２が０゜状態に、移相回路１１３が９
０゜状態に設定されている場合には、同様に、放射素子
１１１から右旋円偏波が放射される。このように、移相
回路１１２，１１３の動作状態を制御することにより、
放射素子１１１から放射される円偏波の回転方向を切り
換えることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】複数の放射素子に給電
する位相を移相器を用いて電子的に変えることにより放
射ビームを走査するアンテナをフェーズドアレーアンテ
ナという。図５に示された従来の円偏波切換形アンテナ
を用いて、このフェーズドアレーアンテナを構成する場
合について述べる。図５に示された円偏波切換形アンテ
ナと、給電位相を変化させる移相器とを合わせて、１ユ
ニットとする。そして、多数のユニットを一次元または
二次元的に配列することにより、円偏波の回転方向を切
り換える機能を有するフェーズドアレーアンテナを実現
できる。

【０００６】ユニットに含まれる移相器には、通常３〜
５ビットのディジタル移相器が使用される。例えば、４
ビットのディジタル移相器は、移相量がそれぞれ１８０
゜，９０゜，４５゜，２２．５゜の４個の移相回路によ
り構成される。Ｎ（Ｎは自然数）ビットのディジタル移
相器を使用することにより、円偏波の回転方向を切り換
えられるうえに、放射位相を（３６０／２^N ）゜ステッ
プで制御できるようになる。しかし、この場合、図５に
おける移相回路１１２，１１３を合わせると、１ユニッ
トにＮ＋２個の移相回路が必要となる。１個の移相回路
を形成するには、所定の面積が必要である。したがっ
て、移相回路の数が多いほど、１ユニットを形成するた
めに要する面積が広くなる。

【０００７】１ユニットの面積が広くなると、各ユニッ
トに含まれる放射素子１１１の配列間隔（以下、単に素
子間隔と呼ぶ）が大きくなる。その様子を図６に示す。
図６の横軸は、高周波信号の波長λで規格化した素子間
隔（素子間隔／λ）を示している。また縦軸は、アンテ
ナビームを正面方向（ブロードサイド方向）から徐々に
走査させたとき、グレーティングローブが発生する（グ
レーティングローブのピークが可視領域に入る）角度を
示している。

【０００８】素子間隔がλ〜λ／２では、素子間隔が大
きくなるほどグレーティングローブが発生する角度が小
さくなるので、ビーム走査可能範囲が狭くなる。そし
て、素子間隔がλ以上になると、ビーム走査の有無にか
かわらずグレーティングローブが発生するので、実用上
使用不可能になる。このように、図５に示された円偏波
切換形アンテナと移相器とを単に組み合わせてフェーズ
ドアレーアンテナを構成すると、１ユニットを形成する
ために要する面積が大きくなって素子間隔を広げざるを
得なくなるので、ビーム走査可能範囲が狭くなったり、
あるいは実用上使用不能になるという問題があった。

【０００９】本発明はこのような課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、ビーム走査可能範囲
が広い円偏波切換形フェーズドアレーアンテナを提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような課題を達成す
るために、本発明の円偏波切換形フェーズドアレイアン
テナは、入力された給電信号を２分岐して出力する分岐
回路と、分岐回路の分岐側の一端に遅延線路を介して結
合されかつ給電信号に対する移相量が１８０゜である第
１の移相器と、分岐回路の分岐側の他端に結合されかつ
給電信号に対する移相量が１８０゜である第２の移相器
と、これら第１，第２の移相器にそれぞれ結合された２
個の給電点を有しかつ互いに直交する２つの直線偏波を
放射する放射素子と、第１，第２の移相器の移相量をそ
れぞれ０゜または１８０゜に切り換えて放射素子から左
旋若しくは右旋円偏波を放射するよう制御する制御手段
とを具備することによって特徴づけられる。

【００１１】この場合、遅延線路は、第１の移相器に含
まれかつ分岐回路と放射素子との間の２つの経路のうち
第１の移相器が含まれる経路を第２の移相器が含まれる
経路よりも電気的に９０゜位相を遅延させるものであれ
ばよい。また、制御手段は、放射素子から放射される偏
波を、第１，第２の移相器の移相量をともに０゜または
１８０゜に切り換えて第１の回転方向の円偏波を生成
し、第１，第２の移相器の移相量をそれぞれ０゜、１８
０゜又は１８０゜、０゜に切り換えて第１の回転方向と
逆旋の円偏波を生成する。さらに、前述した円偏波切換
形フェーズドアレーアンテナは、分岐回路と、第１，第
２の移相器と、放射素子とから構成されたユニットを複
数アレー状に配列して構成される。

【００１２】第１，第２の移相器の両方が０゜状態また
は１８０゜状態の場合、放射素子の一方の給電点には他
方の給電点よりも９０゜位相が遅れた給電信号が入力さ
れる。ただし、第１，第２の移相器の両方が０゜状態で
ある場合と、１８０゜状態である場合とでは、放射位相
が１８０゜異なる。また、第１，第２の移相器の一方が
０゜状態であり、他方が１８０゜状態である場合、放射
素子の一方の給電点には他方の給電点よりも９０゜位相
が進んだ給電信号が入力される。ただし、第１，第２の
移相器のどちらが０゜状態であるかによって、放射位相
が１８０゜異なる。したがって、２個の移相器（移相回
路）の動作状態を制御することにより、円偏波の回転方
向を切り換えられるとともに、放射位相を１８０゜ステ
ップで制御できる。同じ機能を実現するために従来は３
個の移相器（移相回路）が必要であったから、本発明に
より円偏波切換形フェーズドアレーアンテナを構成する
ユニットを小さくできる。

【００１３】また、各ユニットはそれぞれ、制御手段で
移相量が制御され、分岐回路の入力側に縦続に結合され
かつ給電信号に対する移相量が１８０゜／２^m であるｎ
（ｎは自然数、ｍは１からｎまでの異なる自然数）個の
第３の移相器をさらに備えるようにしてもよい。上記の
円偏波切換形フェーズドアレーアンテナは１８０゜移相
器の機能を併有しているので、これにより放射位相を３
６０゜／２ⁿ⁺¹ステップで制御できるようになる。

【００１４】この場合、各ユニットは、二次元的に配列
されていてもよい。第１，第２の移相器の一構成例は、
スイッチドライン形移相器である。また、第３の移相器
の一構成例は、ローデッドライン形移相器である。

【００１５】また、前述した円偏波切換形フェーズドア
レーアンテナでは、制御手段は、少なくとも各ユニット
の第１，第２の移相器と共に、誘電体基板に一括して形
成されてもよい。あるいは、制御手段は、少なくとも各
ユニットの第１〜第３の移相器と分岐回路と共に、誘電
体基板に一括して形成されていてもよい。これらの場
合、制御手段を薄膜トランジスタ回路により構成しても
よい。

【００１６】また、前述した円偏波切換形フェーズドア
レーアンテナは、各ユニットに含まれる第１，第２の移
相器の入力側にそれぞれ接続されかつタイミング信号が
印加されたときの入力を保持して出力する複数個のデー
タラッチ回路を備え、各ユニットに接続されたデータラ
ッチ回路のすべてに対して同時にタイミング信号が印加
されるようにしてもよい。あるいは、各ユニットに含ま
れる第１〜第３の移相器の入力側にそれぞれ接続されか
つタイミング信号が印加されたときの入力を保持して出
力する複数個のデータラッチ回路を備え、各ユニットに
接続されたデータラッチ回路のすべてに対して同時にタ
イミング信号が印加されるようにしてもよい。これによ
り、すべての移相器の移相量を同時に変えられる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、
アンテナが信号を送信する場合について述べるが、アン
テナが信号を受信する場合でも、可逆の理により動作原
理は本質的に同じであることを予めことわっておく。

【００１８】図１は、本発明による円偏波切換形フェー
ズドアレーアンテナのアンテナユニットの構成を示すブ
ロック図である。後述するように、複数個のアンテナユ
ニット１０を一次元または二次元的にアレー状に配列す
ることにより、フェーズドアレーアンテナを構成でき
る。

【００１９】放射素子１１は、２個の給電点１１ａおよ
び１１ｂを有する２点給電形パッチアンテナである。放
射素子１１から互いに直交する２つの直線偏波が放射さ
れるように、各給電点１１ａおよび１１ｂは放射素子１
１の中心から約９０゜をなす方向に配置されている。ま
た、放射素子１１は円形をしており、各給電点１１ａお
よび１１ｂは放射素子１１の外周上に配置されている。
ただし、給電点１１ａ，１１ｂは放射素子１１の下面に
配置されてもよい。また、放射素子１１の形状は、円形
に限らず、正方形等の９０゜回転対称形であればよい。

【００２０】放射素子１１の給電点１１ａは、移相回路
１２ａと遅延線路１２ｂとにより構成される第１の移相
器１２を介して、分岐回路１４の一方の分岐に結合され
ている。また、放射素子１１の給電点１１ｂは、移相回
路１３により構成される第２の移相器を介して、分岐回
路１４の他方の分岐に結合されている。移相回路１２
ａ，１３はいずれも、放射素子１１に給電される高周波
信号（給電信号）に対する移相量が１８０゜である移相
回路である。

【００２１】移相回路１２ａには、後述する制御回路
（図２参照）から第１の制御信号ｓ４１が与えられる。
同じく移相回路１３には、第２の制御信号ｓ４２が与え
られる。各移相回路１２ａ，１３はそれぞれ、制御信号
ｓ４１，ｓ４２により状態が制御される。すなわち、移
相回路１２ａ，１３に与えられる制御信号ｓ４１，ｓ４
２が「オフ（例えば、論理レベル「Ｌ」）」であるか
「オン（例えば、論理レベル「Ｈ」）」であるかによ
り、高周波信号が移相回路１２ａ，１３を通過したとき
の位相が１８０゜変化する。ここでは、制御信号ｓ４
１，ｓ４２が「オフ」であるときの移相回路１２ａ，１
３の状態を０゜状態といい、制御信号ｓ４１，ｓ４２が
「オン」であるときの移相回路１２ａ，１３の状態を１
８０゜状態という。

【００２２】第１の移相器１２に含まれる遅延線路１２
ｂは、通過する高周波信号の位相を約９０゜遅らせるも
のである。遅延線路１２ｂは、一般には電気長が約９０
゜の伝送線路であり、図１に示されているように、一端
が分岐線路１４に、他端が１８０゜移相回路１２ａに接
続されている。ただし、遅延線路１２ｂは必ずしも９０
゜の伝送線路でなくてもよく、分岐回路１４と放射素子
１１との間の２つの経路のうち第１の移相器１２の含ま
れる経路が第２の移相器（１３）の含まれる経路よりも
電気的に９０゜位相が遅延すればばよい。したがって、
遅延線路１２ｂは、例えば伝送線路に対して並列に接続
された装荷線路（スタブ）などであってもよい。

【００２３】また、分岐回路１４の入力側に、３個の移
相回路（第３の移相器）１５，１６，１７が縦続に結合
されている。各移相回路１５〜１７の高周波信号に対す
る移相量はそれぞれ９０゜，４５゜，２２．５゜であ
る。これらの移相回路１５〜１７にも、各移相回路１２
ａ，１３と同様に、後述する制御回路（図２参照）から
第３の制御信号ｓ４３，ｓ４４，ｓ４５がそれぞれ与え
られる。そして、各移相回路１５〜１７はそれぞれ、制
御信号ｓ４３〜ｓ４５により状態が制御される。図１に
おいて、放射素子１１を除く、以上の移相回路１２ａ，
１３，１５〜１７と、遅延線路１２ｂと、分岐回路１４
とにより、偏波切換移相器１８が構成される。

【００２４】なお、図１では、放射素子１１と移相回路
１２ａ，１３，１５〜１７、遅延線路１２ｂ、分岐回路
１４がすべて平面的に描かれているが、実際に製作する
際にこれらを同一平面上に形成する必要はなく、これら
を別の層に形成して積層し、層間を結合スロットまたは
スルーホール、給電ピン等により接続しても本発明は有
効である。例えば、放射素子１１が形成された層と偏波
切換移相器１８が形成された層を積層し、前述の結合手
段すなわち結合スロットまたはスルーホール、給電ピン
等により層間を接続しても本発明は有効である。また、
放射素子１１としてはパッチアンテナに限らず、ダイポ
ールアンテナ、スロットアンテナを用いてもよい。

【００２５】次に、図１に示されたアンテナユニット１
０の動作原理を説明する。移相回路１５〜１７を介して
分岐回路１４に入力された高周波信号は２分岐され、１
８０゜移相回路１２ａおよび遅延線路１２ｂからなる第
１の移相器１２、または１８０゜移相回路１３からなる
第２の移相器を経て、放射素子１１に入力される。この
とき、放射素子１１から放射される偏波は、移相回路１
２ａ，１３それぞれの状態の組合わせにより、以下のよ
うに分類される。

【００２６】まず、移相回路１２ａおよび１３がと
もに０゜状態の場合である。このとき、給電点１１ａに
供給される高周波信号は、給電点１１ｂに供給される高
周波信号と比べて、位相が９０゜遅れている。放射素子
１１上には、給電点１１ａから中心に向かって電流Ｉａ
が流れる。同じく、給電点１１ｂから中心に向かって電
流Ｉｂが流れる。各電流Ｉａ，Ｉｂの流れる方向は、ほ
ぼ直交している。また、電流Ｉａの位相は電流Ｉｂより
も９０゜遅れている。このため、放射素子１１からは左
旋円偏波が放射される（ただし、放射方向を紙面の裏側
から表側とする。以下、同じ）。このときの放射位相を
左旋円偏波の基準位相として０゜と決める。

【００２７】次に、移相回路１２ａおよび１３がと
もに１８０゜状態の場合である。このとき、給電点１１
ａに供給される高周波信号は、給電点１１ｂに供給され
る高周波信号と比べて、やはり位相が９０゜遅れてい
る。したがって、この場合も放射素子１１からは左旋円
偏波が放射される。ただし、放射位相は前記の基準位
相に対して１８０゜シフトしている。

【００２８】次いで、移相回路１２ａが１８０゜状
態で、移相回路１３が０゜状態である場合である。この
とき、給電点１１ａに供給される高周波信号は、給電点
１１ｂに供給される高周波信号と比べて、位相が９０゜
進むことになる。このため、放射素子１１からは右旋円
偏波が放射される。このときの放射位相を右旋円偏波の
基準位相として０゜と決める。

【００２９】最後に、移相回路１２ａが０゜状態
で、移相回路１３が１８０゜状態である場合である。こ
のとき、給電点１１ａに供給される高周波信号は、給電
点１１ｂに供給される高周波信号と比べて、やはり位相
が９０゜進むことになる。したがって、放射素子１１か
らは右旋円偏波が放射される。ただし、放射位相は前記
の基準位相に対して１８０゜シフトしている。ここで
示した移相回路１２ａ，１３の状態と、放射素子１１か
ら放射される円偏波の状態との関係を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】このように、２つの１８０゜移相回路１２
ａ，１３の動作を制御すれば、その移相量の組合わせに
より、放射素子１１の放射を０゜左旋円偏波、１８０゜
左旋円偏波、０゜右旋円偏波、１８０゜右旋円偏波のそ
れぞれに切り換えることができる。したがって、移相回
路１２ａ，１３と遅延線路１２ｂとにより、円偏波切換
機能と１８０゜移相回路の機能とを併せて実現できる。
さらに、図１に示されたアンテナユニット１０は、移相
量がそれぞれ９０゜，４５゜，２２．５゜の３個の移相
回路１５〜１７を備えている。したがって、このアンテ
ナユニット１０は、４ビットのディジタル移相器を内包
しているといえる。このため、２２．５゜ステップの任
意の位相をもった右旋／左旋円偏波を放射することがで
きる。

【００３２】なお、図１に示した形態では、１８０゜移
相回路１２ａ，１３がともに０゜状態または１８０゜状
態のとき左旋円偏波（第１の回転方向の円偏波）とな
り、どちらか一方のみが０゜状態で他方が１８０゜状態
のときは右旋円偏波（第１の回転方向と逆旋の円偏波）
であったが、遅延線路１２ｂの挿入位置を変えれば１８
０゜移相回路１２ａ，１３の状態と偏波との関係は変え
られる。すなわち、分岐線路１４と１８０゜移相回路１
２ａを直接接続し、遅延線路１２ｂを分岐線路１４と１
８０゜移相回路１３との間に挿入すれば、１８０゜移相
回路１２ａ，１３がともに０゜状態または１８０゜状態
のとき右旋円偏波（第１の回転方向の円偏波）となり、
どちらか一方のみが０゜状態で他方が１８０゜状態のと
きは左旋円偏波（第１の回転方向と逆旋の円偏波）とな
る。

【００３３】また、図１に示されたアンテナユニット１
０では、分岐回路１４の入力側に３個の移相回路１５〜
１７が配置されているが、分岐回路１４の入力側には移
相回路が配置されていなくてもよいし、ｎ（ｎは自然
数）個の移相回路が配置されていてもよい。ｎ個の移相
回路が配置される場合、各移相回路の移相量は１８０゜
／２^m に設定される。ここで、ｍは１からｎまでの異な
る自然数である。例えば、ｎ＝１のとき、ｍ＝１であ
り、移相回路の移相量は９０゜に設定される。また、ｎ
＝４のとき、ｍ＝１，２，３，４であり、各移相回路の
移相量はそれぞれ９０゜，４５゜，２２．５゜，１１．
２５゜に設定される。このように各移相回路の移相量を
設定すると、アンテナユニット１０はｎ＋１ビットのデ
ィジタル移相器を内包することになる。したがって、放
射位相を３６０゜／２ⁿ⁺¹ ステップで制御できるように
なる。

【００３４】図５に示された従来の円偏波切換形アンテ
ナを用いてフェーズドアレーアンテナのアンテナユニッ
トを構成すると、放射位相を３６０゜／２ⁿ⁺¹ ステップ
で制御するためには、放射位相制御用の移相回路ｎ＋１
個に加えて、偏波切換用の２個の移相回路１１２，１１
３が必要であり、合計ｎ＋３個の移相回路が必要とな
る。これに対して、図１に示されたアンテナユニット１
０は、放射位相制御用としてｎ個の移相回路と、偏波切
換用として２個の移相回路１２ａ，１３、合計ｎ＋２個
の移相回路で実現できる。したがって、図１に示される
ように構成することにより、移相回路の数を減らすこと
ができるので、アンテナユニット１０を形成するために
要する面積を小さくすることができる。このため、素子
間隔を小さくすることができるので、円偏波切換形フェ
ーズドアレーアンテナのビーム走査可能範囲を広くする
ことができる。

【００３５】

【実施例】次に、図１に示されたアンテナユニット１０
を用いた円偏波切換形フェーズドアレーアンテナの実施
例について説明する。図２は、本発明による円偏波切換
形フェーズドアレーアンテナの実施例の全体構成を示す
ブロック図である。図２に示されたフェーズドアレーア
ンテナは、Ｍ（Ｍは２以上の整数）個のアンテナユニッ
ト１０を有している。各アンテナユニット１０は分配合
成器３０に結合されている。この分配合成器３０には、
各アンテナユニット１０の放射素子１１を励振させるた
めの高周波信号が与えられている。分配合成器３０は、
入力された高周波信号を各アンテナユニット１０に分配
して、各アンテナユニット１０の偏波切換移相器１８に
出力するものである。

【００３６】また、各アンテナユニット１０の偏波切換
移相器１８は、制御回路（制御手段）２０の出力側に接
続されている。制御回路２０は各アンテナユニット１０
の各移相回路１２ａ，１３，１５〜１７に対して、前述
した制御信号ｓ４１〜ｓ４５を与えるものである。制御
信号ｓ４１〜ｓ４５を合わせて、制御信号ｓ４という。
この制御回路２０は、薄膜トランジスタ回路（ＴＦＴ回
路）またはフリップチップ回路等により形成される。こ
れらＭ個のアンテナユニット１０と制御回路２０と分配
合成器３０とにより、アンテナ部１が構成される。さら
に、制御回路２０はアンテナ部１を制御する制御装置２
に接続されている。

【００３７】この制御装置２には円偏波の回転方向が設
定されている。この設定は切り換え可能である。また、
制御装置２には、各アンテナユニット１０の放射素子１
１の位置と、使用周波数とが予め設定されている。この
位置と周波数とに基づいて、放射ビームを所望の方向に
向けるのに最適な移相量を、Ｍ個のアンテナユニット１
０毎にそれぞれ計算する。そして、その計算結果に偏波
方向を加味した制御データｓ１を制御回路２０に出力す
る。さらに制御装置２は、偏波方向およびビーム方向を
切り換えるためのタイミング信号ｓ２を、制御回路２０
に出力する。

【００３８】制御回路２０は、データ分配回路２１と、
各アンテナユニット１０毎に設けられたＭ個のデータラ
ッチ回路２２とにより構成されている。データ分配回路
２１および各データラッチ回路２２は、制御装置２に接
続されている。さらに、各データラッチ回路２２はデー
タ分配回路２１の出力側に接続されるとともに、各アン
テナユニット１０に含まれる各移相回路１２ａ，１３，
１５〜１７の入力側に接続されている。

【００３９】データ分配回路２１は、制御装置２から入
力された制御データｓ１に基づいて、各データラッチ回
路２２に制御信号ｓ３を分配・供給する。各データラッ
チ回路２２は、タイミング信号ｓ２が印加されたときに
入力されている制御信号ｓ３を保持する。そして、この
保持している制御信号ｓ３を制御信号ｓ４として、各ア
ンテナユニット１０の移相回路１２ａ，１３，１５〜１
７に出力する。これにより、タイミング信号ｓ２に同期
して、すべての移相回路１２ａ，１３，１５〜１７に対
して制御信号ｓ４が一斉に印加される。

【００４０】前述したように、制御信号ｓ４が「オン」
であるか「オフ」であるかにより、各移相回路１２ａ，
１３，１５〜１７の状態が変化する。そして、各移相回
路１２ａ，１３，１５〜１７がいずれの状態であるかに
より、アンテナユニット１０の偏波方向と移相量が決定
される。一方、分配合成器３０は、入力された高周波信
号を分配して、各アンテナユニット１０に出力する。各
アンテナユニット１０は、前述した設定に基づいた放射
を行ない、所望の方向に放射ビームが形成される。

【００４１】このような特性をもつ円偏波切換形フェー
ズドアレーアンテナは、例えば直交両円偏波を切り換え
ながら使用するマイクロ波通信、衛星通信および円偏波
を用いたレーダ装置等に使用できる。なお、以上述べた
制御回路２０の形態や制御の手順はあくまでも一例であ
り、それ以外の構成、例えば制御回路２０の内部でデー
タラッチ回路２２の代わりにシフトレジスタ等を使用し
ていても、本発明は有効である。

【００４２】次に、図２に示された円偏波切換形フェー
ズドアレーアンテナのアンテナ部１の構造について説明
する。図３は、アンテナ部１の構造を示す分解図であ
る。アンテナ部１は、図３に示されるように多層構造を
有している。すなわち、無給電素子層４１、第１の誘電
体層４２、アンテナユニット層４３、第２の誘電体層４
４、給電用スロット・接地層（以下、給電用スロット層
と略記する）４５、第３の誘電体層４６、分配合成層４
７の各層が、この順に密着形成されている。以上の各層
４１〜４７はプロセス中のフォトリソグラフィ技術、エ
ッチング技術、印刷技術等により形成され、積層または
接着により多層化される。

【００４３】無給電素子層４１には無給電素子１９が形
成されている。図１には無給電素子１９は図示されてい
ない。しかし、無給電素子１９を用いることにより、ア
ンテナの帯域を広げることができる。無給電素子１９は
誘電体層４２を介して、アンテナユニット層４３のアン
テナユニット１０（特に、放射素子１１）と電磁結合さ
れている。誘電体層４２には比誘電率が１〜１０程度の
誘電体、例えばプリント基板やガラス基板、セラミック
基板、発泡材等が用いられる。また、誘電体層４２はス
ペーサ等により支持された空間（空気層）であってもよ
い。

【００４４】アンテナユニット層４３には、図１に示さ
れたアンテナユニット１０と図２に示された制御回路２
０とが形成されている（なお、図３に示された記号は、
アンテナユニット１０とデータラッチ回路２２とを合わ
せたものを意味する）。制御回路２０がＴＦＴ回路によ
り形成される場合、アンテナユニット１０と制御回路２
０とは、例えばフォトリソグラフィ技術等の半導体素子
製造プロセスを使用して、誘電体層４４の上面に同時に
一括して形成される。従来、移相器の制御回路にはＩＣ
モジュールが使用されており、このＩＣモジュールはア
ンテナ部１の周縁部に外付けされていた。しかし、本発
明のように制御回路２０をアンテナユニット１０と一括
して形成することにより、ＩＣモジュールを配置するた
めのスペースを除去できるので、円偏波切換形フェーズ
ドアレーアンテナを小型化できる。

【００４５】誘電体層４４には比誘電率が３〜１２程度
の誘電体、例えばプリント基板やガラス基板、セラミッ
ク基板等が用いられる。また、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導
体基板を用いてもよい。給電用スロット層４５には、接
地導体板３１と給電用スロット３２とが形成されてい
る。誘電体層４６には、誘電体層４４と同様の材料が使
用される。分配合成層４７には図２に示された分配合成
器３０が形成されている。分配合成器３０は給電用スロ
ット層４５の給電用スロット３２を介して、アンテナユ
ニット層４３のアンテナユニット１０と電磁結合されて
いる。

【００４６】なお、図３では簡単のため各層を個々に分
解して説明したが、誘電体層４２、４４、４６に隣接す
る層、例えば、無給電素子層４１、結合層４５などは前
記の誘電体層の片面もしくは両面にパターン形成するこ
とによって実現できる。また、上記誘電体層は必ずしも
単一材料で形成されている必要はなく、複数の材料が積
層された構成であってもよい。

【００４７】各層に形成された無給電素子１９と、アン
テナユニット１０、制御回路２０に含まれるデータラッ
チ回路２２、給電用スロット３２は、二次元的に三角配
列されている。このようにアンテナユニット１０等を二
次元に配列することにより、二次元のビーム方向電子走
査が可能となる。しかし、一次元配列のフェーズドアレ
ーアンテナでも本発明は有効であり、また三角配列以外
の配列、例えば正方格子配列であっても、本発明は有効
である。

【００４８】また、図３で示された積層構成および層間
結合手段は一例であり、他の構成であっても本発明は有
効である。例えば、図３では分配合成器３０とアンテナ
ユニット１０とが給電用スロット３２を介して結合され
ているが、分配合成器３０とアンテナユニット１０とが
給電ピン等の他の給電用結合手段で接続されていてもよ
いし、分配合成器３０とアンテナユニット１０とが同一
層に形成されてもよい。

【００４９】また、分配合成器３０は図３に示されるよ
うなストリップ線路の分岐回路である必要はなく、例え
ばラジアル導波路等の他の形態であってもよい。また逆
に、図３ではアンテナユニット層４３において放射素子
１１と偏波切換移相器１８とが同一層に形成されている
が、放射素子１１と偏波切換移相器１８とをそれぞれ別
の層に形成して積層し、両者を給電用スロットまたは給
電ピン等の給電用結合手段で接続してもよい。

【００５０】次に、図３に示されたアンテナユニット層
４３について更に説明する。図４は、アンテナユニット
層４３に形成された１個のアンテナユニット１０および
１個のデータラッチ回路２２の配置を示す平面図であ
る。ただし、図２に示されたデータラッチ回路２２は複
数個のデータラッチ回路２２′により構成されており、
図４にはこれらのデータラッチ回路２２′が図示されて
いる。また、図４は図３に示された誘電体層４２にガラ
ス基板が使用された場合を示している。

【００５１】図３に示された給電用スロット３１に対応
するガラス基板５０上の位置から、放射素子１１の各給
電点１１ａ，１１ｂまで、給電用のストリップライン５
５が形成されている。このストリップライン５５にはマ
イクロストリップ線路、トリプレート線路、コプレーナ
線路、スロット線路等の分布定数線路が使用される。分
岐回路１４および遅延線路１２ｂはストリップライン５
５の一部である。分岐回路１４の放射素子１１側（分岐
側）は２分岐されている。２分岐されたストリップライ
ン５５の一方は遅延線路１２ｂを介して放射素子１１の
給電点１１ａに伸び、他方は給電点１１ｂに伸びてい
る。

【００５２】分岐回路１４と放射素子１１との間の２つ
の経路に形成された移相回路１２ａ，１３はスイッチド
ライン形移相器である。すなわち、２分岐したストリッ
プライン５５にはそれぞれ寸断箇所があり、その寸断箇
所の両端に長さの異なるストリップ線路５１ａ，５１ｂ
が配置されている。さらに、ストリップライン５５とス
トリップ線路５１ａとの間には２個のマイクロ波スイッ
チ５２ａが、ストリップライン５５とストリップ線路５
１ｂと間には２個のマイクロ波スイッチ５２ｂが配置さ
れている。これらのマイクロ波スイッチ５２ａ，５２ｂ
を「オン」または「オフ」に切り換え、ストリップ線路
５１ａ，５１ｂのいずれかを信号経路として選択するこ
とにより、移相回路１２ａ，１３の通過位相を制御でき
る。

【００５３】また、分岐回路１４の入力側に形成された
移相回路１５〜１７はローデッドライン形移相器であ
る。すなわち、２本のストリップ線路５１ｃが約λ／４
離れて、ストリップライン５５の途中に接続されてい
る。また、２個のマイクロ波スイッチ５２ｃが各ストリ
ップ線路５１ｃと先端開放された別のストリップ線路５
１ｄとを接続するように配置されている。両方のマイク
ロ波スイッチ５２ｃが共に「オン」または「オフ」とな
るように切り換えて、移相回路１６ａ〜１６ｃのサセプ
タンスを変化させることにより、通過位相を変化させる
ことができる。

【００５４】なお、ストリップ線路５１ａ〜５１ｄに
は、例えばマイクロストリップ線路、トリプレート線
路、コプレーナ線路、スロット線路等の分布定数回路が
使用される。また、マイクロ波スイッチ５２ａ〜５２ｃ
には、例えばマイクロマシンスイッチ、ＰＩＮダイオー
ドスイッチ、ＨＥＭＴスイッチ等が使用される。

【００５５】一般に、移相量が大きい場合にはスイッチ
ドライン形の方が良い電気特性が得られる。また、移相
量が小さい場合にはローデッドライン形の方が良い電気
特性が得られる。このため、ここでは１８０゜の移相回
路１２ａ，１３にはスイッチドライン形を用いた。ま
た、９０゜，４５゜，２２．５゜の各移相回路１５〜１
７にはローデッドライン形を用いた。しかし、すべての
移相回路１２ａ，１３，１５〜１７にスイッチドライン
形を用いることも可能である。また、移相回路１２ａ，
１３，１５〜１７に反射形等、ローデッドライン形、ス
イッチドライン形以外の移相回路を使用してもよい。

【００５６】各移相回路１２ａ，１３，１５〜１７に含
まれるマイクロ波スイッチ５２ａ〜５２ｃは、その近傍
に配置されたデータラッチ回路２２′に接続されてい
る。移相回路１２ａに含まれる４個のマイクロ波スイッ
チ５２ａ，５２ｂは、データラッチ回路２２′が出力す
る制御信号ｓ４１によって動作し、前述の通り通過位相
を制御することができる。移相回路１２ｂについても同
様である。また、移相回路１５に含まれる２個のマイク
ロ波スイッチ５２ｃは、制御信号ｓ４３によって同時に
動作し、前述の通り通過位相を変化させることができ
る。移相回路１６，１７についても同様である。こうし
て各移相回路１２ａ，１３，１５〜１７の通過位相を変
えることにより、放射素子１１への給電位相を変化させ
ることができる。

【００５７】なお、データラッチ回路２２′はマイクロ
波スイッチ５２の近傍に配置されているとしたが、複数
個のデータラッチ回路２２′を一カ所にまとめて配置し
て、そこから配線をのばして各マイクロ波スイッチ５２
ａ〜５２ｃを駆動するようにしてもよい。さらに、一カ
所にまとめられたデータラッチ回路２２′は、ガラス基
板５０とは別の基板上に形成され、フリップチップ等の
手段によりガラス基板５０上に実装されていてもよい。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、分岐
回路と放射素子との間の２つの経路に移相量が１８０゜
の第１，第２の移相器を配置し、第１の移相器が含まれ
る経路を第２の移相器が含まれる経路よりも電気的に９
０゜位相を遅延させる。これにより、２個の移相器（移
相回路）を用いて、円偏波の回転方向を切り換えられる
とともに、放射位相を１８０゜ステップで制御できる。
同じ機能を実現するために従来は３個の移相器（移相回
路）が必要であったから、本発明により円偏波切換形フ
ェーズドアレーアンテナを構成するユニットを小型化で
きる。一方、１ユニットの面積が大きくなり素子間隔が
広がると、グレーティングローブが発生しやすくなる。
したがって、本発明を用いてユニットを小さくすること
により、ビーム走査可能範囲を広げることができる。ま
た、分岐回路の入力側に移相量が１８０゜／２^m である
第３の移相器をｎ個配置する。これにより、放射ビーム
の走査ステップを小さくできる。

【００５９】また、各ユニットを二次元的に配列するこ
とにより、放射ビームを二次元的に走査できる。また、
第１，第２の移相器としてスイッチドライン形移相器を
用いることにより、第１，第２の移相器の電気特性を良
好にすることができる。また、第３の移相器としてロー
デッドライン形移相器を用いることにより、第３の移相
器の電気特性を良好にすることができる。

【００６０】また、各移相器を制御する制御手段を、各
移相器とともに、誘電体基板に一括してに形成する。こ
れにより、従来外付けされていた移相器の制御用ＩＣを
配置するためのスペースを除去できるので、円偏波切換
形フェーズドアレーアンテナを小型化できる。また、各
移相器の入力側にそれぞれデータラッチ回路を接続し、
すべてのデータラッチ回路に対して同時にタイミング信
号を印加する。これにより、すべての移相器の移相量を
同時に変えられる。したがって、すべての放射素子の偏
波方向および放射位相を一斉に変えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による円偏波切換形フェーズドアレー
アンテナの１ユニットの構成を示すブロック図である。

【図２】本発明による円偏波切換形フェーズドアレー
アンテナの実施例の全体構成を示すブロック図である。

【図３】図２に示されたアンテナ部の構造を示す分解
図である。

【図４】図３に示されたアンテナユニット層に形成さ
れた１個のアンテナユニットおよび１個のデータラッチ
回路の配置を示す平面図である。

【図５】従来の円偏波切換形アンテナの構成を示すブ
ロック図である。

【図６】素子間隔とグレーティングローブが発生する
角度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…アンテナ部、２…制御装置、１０…アンテナユニッ
ト、１１…放射素子、１１ａ，１１ｂ…給電点、１２
ａ，１３，１５〜１７…移相回路、１２ｂ…遅延線路、
１４…分岐回路、１８…偏波切換移相器、１９…無給電
素子、２０…制御回路、２１…データ分配回路、２２，
２２′…データラッチ回路、３０…分配合成器、３１…
接地導体板、３２…給電用スロット、４１…無給電素子
層、４２，４４，４６…誘電体層、４３…アンテナユニ
ット層、４５…給電用スロット層、４７…分配合成層、
５０…ガラス基板、５１ａ〜５１ｄ…ストリップ線路、
５２ａ〜５２ｃ…マイクロ波スイッチ、５５…ストリッ
プライン、ｓ１…制御データ、ｓ２…タイミング信号、
ｓ３，ｓ４，ｓ４１〜ｓ４５…制御信号。

フロントページの続きＦターム(参考） 5J021 AA05 AA09 AA11 AB06 CA03 DB03 EA04 FA01 FA07 FA09 FA20 FA32 GA02 HA01 HA03 HA05 HA07 JA06 JA07 5J045 AA11 AB05 CA04 DA06 DA10 EA07 FA02 HA03 JA15 JA17 LA01 MA01 MA07 NA02 NA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力された給電信号を２分岐して出力す
る分岐回路と、前記分岐回路の分岐側の一端に遅延線路を介して結合さ
れかつ前記給電信号に対する移相量が１８０゜である第
１の移相器と、前記分岐回路の分岐側の他端に結合されかつ前記給電信
号に対する移相量が１８０゜である第２の移相器と、これら第１，第２の移相器にそれぞれ結合された２個の
給電点を有しかつ互いに直交する２つの直線偏波を放射
する放射素子と、前記第１，第２の移相器の移相量をそれぞれ０゜または
１８０゜に切り換えて前記放射素子から左旋若しくは右
旋円偏波を放射するよう制御する制御手段とを具備する
ことを特徴とする円偏波切換形フェーズドアレイアンテ
ナ。
【請求項２】請求項１において、前記遅延線路は、前記第１の移相器に含まれかつ前記分岐回路と前記放射
素子との間の２つの経路のうち前記第１の移相器が含ま
れる経路を前記第２の移相器が含まれる経路よりも電気
的に９０゜位相を遅延させることを特徴とする円偏波切
換形フェーズドアレーアンテナ。
【請求項３】請求項１において、前記分岐回路と、第１，第２の移相器と、放射素子とか
ら構成されたユニットを複数アレー状に配列したことを
特徴とする円偏波切換形フェーズドアレーアンテナ。
【請求項４】請求項３において、前記各ユニットはそれぞれ、前記制御手段で移相量が制御され、前記分岐回路の入力
側に縦続に結合されかつ前記給電信号に対する移相量が
１８０゜／２^m であるｎ（ｎは自然数、ｍは１からｎま
での異なる自然数）個の第３の移相器をさらに備えたこ
とを特徴とする円偏波切換形フェーズドアレーアンテ
ナ。
【請求項５】請求項１において、前記制御手段は、前記放射素子から放射される偏波を、前記第１，第２の
移相器の移相量をともに０゜または１８０゜に切り換え
て第１の回転方向の円偏波を生成し、前記第１，第２の
移相器の移相量をそれぞれ０゜、１８０゜又は１８０
゜、０゜に切り換えて前記第１の回転方向と逆旋の円偏
波を生成することを特徴とする円偏波切換形フェーズド
アレーアンテナ。
【請求項６】請求項３または４において、前記各ユニットは、二次元的に配列されていることを特徴とする円偏波切換
形フェーズドアレーアンテナ。
【請求項７】請求項１〜３いずれか１項において、前記第１，第２の移相器は、スイッチドライン形移相器であることを特徴とする円偏
波切換形フェーズドアレーアンテナ。
【請求項８】請求項４において、前記第３の移相器は、ローデッドライン形移相器であることを特徴とする円偏
波切換形フェーズドアレーアンテナ。
【請求項９】請求項３において、前記制御手段は、少なくとも前記各ユニットの前記第１，第２の移相器と
共に、誘電体基板に一括して形成されていることを特徴
とする円偏波切換形フェーズドアレーアンテナ。
【請求項１０】請求項４において、前記制御手段は、少なくとも前記各ユニットの第１〜第３の移相器と分岐
回路と共に、誘電体基板に一括して形成されていること
を特徴とする円偏波切換形フェーズドアレーアンテナ。
【請求項１１】請求項９または１０において、前記制御手段は、薄膜トランジスタ回路により構成されていることを特徴
とする円偏波切換形フェーズドアレーアンテナ。
【請求項１２】請求項３において、前記各ユニットに含まれる前記第１，第２の移相器の入
力側にそれぞれ接続されかつタイミング信号が印加され
たときの入力を保持して出力する複数個のデータラッチ
回路を備え、前記各ユニットに接続された前記データラッチ回路のす
べてに対して同時に前記タイミング信号が印加されるこ
とを特徴とする円偏波切換形フェーズドアレーアンテ
ナ。
【請求項１３】請求項４において、前記各ユニットに含まれる前記第１〜第３の移相器の入
力側にそれぞれ接続されかつタイミング信号が印加され
たときの入力を保持して出力する複数個のデータラッチ
回路を備え、前記各ユニットに接続された前記データラッチ回路のす
べてに対して同時に前記タイミング信号が印加されるこ
とを特徴とする円偏波切換形フェーズドアレーアンテ
ナ。