JP2002261503A - 移相装置及びアクティブ集積アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子を用いなくとも、開放型の伝送線
路を通る高周波信号の位相を変化させることができ、ア
レイアンテナにおいては、指向性を容易に変更できる移
相装置を得る。 【解決手段】 移相装置１は、平面基板２上に形成され
たマイクロストリップ線路など開放型の伝送線路７の所
定箇所の付近に、誘電率εが１より大きい誘電体３と駆
動機構５とから構成される誘電体移相器４を設けてな
る。この移相装置１は、伝送線路７の中央付近の基板板
２上に固着され、誘電体３は伝送線路７に対して接触あ
るいは所定の間隙（１ｍｍ以下）で、移動機構５により
駆動して、伝送線路７を覆う媒体の種類を相違させるこ
とで、伝搬する高周波信号の遅延時間を変化し、伝送線
路７の入出力間の位相を可変できるようにする。

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、レーダーや通信
に用いられる移相装置及びアクティブ集積アレイアンテ
ナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、アレイアンテナの指向性を電子的
に走査するためには、アンテナの給電点に半導体素子に
よって構成される移相器を用いる方法が使われている。

【０００３】また、現在までの実用例は少ないものの、
ミリ波帯など周波数の高い領域において指向性を走査す
る方法としてアクティブ集積アレイアンテナが有望視さ
れている。

【０００４】図１８および図１９は、従来のアレイアン
テナを示す図面である。

【０００５】図１８に示すアレイアンテナは、並列給電
形電子走査アレイアンテナと称されているものであり、
構成は複雑であるが、給電線路１１３の長さを適宜選ぶ
ことにより、各アンテナ１１１の励振条件を自由に設計
できる利点がある。

【０００６】一方、図１９に示すアレイアンテナは、直
列給電形電子走査アレイアンテナと称されているもので
あり、一本の給電線路１１３から方向性結合器１１９に
より必要な電力をアンテナ１１１へ取り出すもので、比
較的簡易な回路構成となる。

【０００７】一般に、これらのアレイアンテナは、一定
の間隔で配列された各アンテナ１１１の給電線路１１３
に移相器１０１を取りつけ、制御装置１２１が送信また
は受信される高周波信号の位相に重みづけを行うこと
で、所望の指向性走査を実現している。

【０００８】ここで用いられている移相器１０１は、Ｐ
ＩＮダイオードなどの半導体素子を用いたもの、または
軟磁性材であるフェライトを用いたものがあるが、現在
では、高速動作、小形、軽量で量産性に富む半導体素子
を用いた移相器が主に使われている。

【０００９】図２０は、このような半導体素子を用いた
従来の移相器を示す図面である。従来の移相器は、図２
０（ａ）に示す線路長切換形、同図（ｂ）に示すローテ
ッドライン形、同図（ｃ）ハイブリッド結合形などや、
さらにこれらの組み合わせになったものが多い。これら
移相器は、所望の方向に指向性を向けるために必要な移
相量の情報を制御装置などから受けて、ＰＩＮダイオー
ドＤ１〜４のスイッチをＯＮ、ＯＦＦし、高周波信号の
位相を切り替える。

【００１０】このような半導体素子を用いた移相器は、
たとえば衛星搭載レーダー、軍事レーダー、気象レーダ
ー、車輌用レーダなどの電子走査アレイアンテナに数多
く実用されている。

【００１１】例えば、電子走査レーダシステムのアンテ
ナは、基板板上にｎ行列ｉ列で多数のエレメントを配列
し、これらのエレメント毎に半導体素子で構成される位
相器を設けて、制御装置からの制御信号のビット数を制
御して所望のビーム角度を得る方式が一つの主流であっ
た。

【００１２】さらに従来の例として、図２１に２素子ア
クティブ集積アレイアンテナを示す。２素子アクティブ
集積アレイアンテナは、一方のアクティブ素子１２５の
バイアス電圧を変えることで発振周波数を変えること、
またはアクティブ素子１２５に注入する同期信号の周波
数を変えることにより両素子の発振周波数の差によって
位相変化を生じさせ、パッチアンテナ１１１から空間に
放射される電波の指向性を走査するものである。その指
向性を図２２に示す。

【００１３】このようなアクティブ集積アレイアンテナ
は、発振器などのアクティブ素子１２５と、受動素子で
あるアンテナ１１１を同一回路上に一体化した構成とな
っており、簡易な構成で指向性走査を実現でき、かつ、
小形、軽量、薄形である上に、ミリ波帯において低損
失、低コストの長所がある。

【００１４】この方式は既に数多くの研究がされてお
り、Ｒ．Ａ．Ｙｏｒｋの論文［Ｎｏｎｌｉｎｃａｒ Ａ
ｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｐｈａｓｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎ
ｓｈｉｐｓ ｉｎ Ｑｕａｓｉ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｏｓ
ｃｉｌｌａｔｏｒ Ａｒｒａｙｓ］，ＩＥＥＥ ＭＴＴ
Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ． １９９３に詳
しい記載がされている。この方式では、アンテナ間の弱
い相互結合を用いて各アクティブ素子の同期をとってい
る。

【００１５】図２３は、図２１に示したアクティブ集積
アレイアンテナの構成に、アクティブ素子１２５へ外部
から同期信号を注入するための結合線路１１７を追加し
たものである。この方式では、アクティブ素子１２５の
バイアス電圧は固定したまま、外部から加える同期信号
の周波数を変えることでアクティブ素子１２５の発振周
波数を変えている。このような構成は、よく知られてい
る周波数走査形のアレイアンテナ、たとえばスネイク導
波管と同一の動作原理となる。これは、先程図１９に示
した直列給電形電子走査アレイアンテナとよく似た構成
である。

【００１６】このアクティブ集積アレイアンテナの指向
性走査の例を図２４に示す。この方式は、結合線路１１
７とアクティブ素子１２５との結合度を調整すること
で、アクティブ素子間の同期の強弱を調整できる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上述した半導体素子に
より構成される従来の移相器を用いた電子走査アレイア
ンテナは、より精密に指向性を走査させるためには移相
器に対する制御信号のビット数を増やす必要がある。

【００１８】しかしながら、移相器に対する制御信号の
ビット数を増やすと、位相器の構造が複雑になると共
に、必要な半導体素子が増加することになる。このた
め、小型で安価なレーダ装置においては、実用化が非常
に難しいといった課題がある。

【００１９】また、たとえば３０ＧＨｚ以上のミリ波帯
で使用することのできる半導体素子は、非常に高価であ
り、現在までのところ手軽に入手できる実用的な移相器
はまだない。

【００２０】また、半導体素子は動作時（オンの時）に
数ｍＡの電流を消費するので、半導体素子の数が増える
と全体で消費される電力が増加するから位相器の放熱に
対する機構が必要になる。

【００２１】一方、従来のアクティブ集積アレイアンテ
ナでは、簡易的にバイアス電圧を変化させて電子走査す
る方式の場合、アンテナ間の弱い相互結合を用いて各ア
クティブ素子の同期をとっており、周囲からの影響を受
けやすく同期が外れやすい問題がある。

【００２２】また、結合線路を介して同期信号をアクテ
ィブ素子に注入する方式の場合は、同期はとり易くなる
がアクティブ素子間の同期可能な範囲に制限があり、か
つアクティブ素子を増やせば同期範囲が狭くなり、指向
性の走査角に限界が存在するといった問題がある。この
ため、上記のいずれの方式も、発振周波数を変えること
になるのでＦＭ変調波などの通信に適用するには問題が
ある。

【００２３】つまり、従来の方式は、小型にするには、
同期範囲に因するステアリング角度の限界があり、通信
にはあまり適さない。

【００２４】本発明は以上の課題を解決するためになさ
れたもので、半導体素子を用いなくとも、開放型の伝送
線路を通る高周波信号の位相を変化させることができ、
アレイアンテナにおいては、指向性を容易に変更できる
移相装置を得ることを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明の移相装置は、絶
縁体で形成された平面基板と、前記平面基板上に設けら
れ、高周波信号を伝搬する開放型の伝送線路と、誘電体
を水平方向に可動可能に挟持すると共に、コイル及びロ
ータを内蔵して、前記コイルへの電流量に応じて前記誘
電体を可動する駆動器とを前記平面基板の伝送線路の近
傍位置に設ける。

【００２６】そして、該駆動器は、前記伝送線路の高周
波信号の伝搬方向に対して、前記誘電体を可動させたと
きに、該誘電体の側面が交差する前記近傍位置に設けて
なることを要旨とする。

【００２７】このため、該駆動器であるコイルに電流が
供給されると、誘電体が伝送線路を覆うことになり、伝
送線路を高周波信号が伝搬したときに、電磁界分布が変
わる。このため、高周波は信号の移相が変化する。つま
り、伝搬する高周波信号の遅延時間を変化させ、伝送線
路の入出力間の位相を連続的にわずかな電流で可変でき
る。

【００２８】また、請求項２は、前記誘電体は比誘電率
が１以上の直方体であり、前記側面は前記伝搬方向に対
して、前記可動によって直角となり、かつ前記伝送線路
に対して所定の間隙を有するように前記駆動器が平面基
板上に固着されていることを要旨とする。

【００２９】請求項３は、前記直方体の誘電体に代え
て、前記伝搬方向に対して交差する両側面は、開放端側
が最小の厚みで誘電体の中央部に向かうに従って厚みが
増加する所定の傾斜を備えた誘電体にされた前駆動器を
有することを要旨とする。

【００３０】すなわち、伝送線路を高周波信号が伝搬し
ても、誘電体の傾斜によって誘電体両側面にて発生する
反射が抑制される。

【００３１】請求項４は、前記伝送線路は、コの字状に
曲げられた冗長部を備え、該冗長部を覆うように前記駆
動器を前記平面基板に固着してなることを要旨とする。

【００３２】請求項５は、前記伝送線路は前記冗長部を
所定箇所毎に備え、該冗長部毎に前記駆動器を前記平面
基板に固着したことを要旨とする。

【００３３】請求項６は、前記誘電体としてアルミナ
（Ａｌ2Ｏ3）などの高誘電率のセラミック材料を用いて
小型化したことを要旨とする。

【００３４】請求項７のアクティブ集積アレイアンテナ
は、所定の間隔で等間隔に直線状に配列された多数のア
ンテナ素子を有するアクティブ集積アレイアンテナにお
いて、直線状の第１伝送線路とコの字型の第２伝送路と
からなる伝送線路を平面基板に設け、第１伝送線路は前
記多数のアンテナ素子への伝送路に対して電磁結合にさ
れるように前記平面基板に設け、誘電体を水平方向に可
動可能に挟持すると共に、コイル及びロータを内蔵し
て、前記コイルへの電流量に応じて前記誘電体を可動す
る駆動器とを前記平面基板の第１伝送線路の近傍位置に
設ける。

【００３５】そして、該駆動器は、前記第１伝送線路の
高周波信号の伝搬方向に対して、前記誘電体を可動させ
たときに、該誘電体の側面が交差する前記近傍位置に設
けたことを要旨とする。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００３７】＜実施の形態１＞図１は、本発明による誘
電体を用いた移相装置の構成を示す図面である。この移
相装置１は、平面基板２上に形成されたマイクロストリ
ップ線路など開放型の伝送線路７の所定箇所の付近に、
誘電率（比誘電率）が１より大きい誘電体３と駆動機構
５とから構成される誘電体移相器４（アクチェータ）を
設けてなる。この誘電体移相器４と高周波信号を伝送す
る伝送路７とを総称して移相装置という。

【００３８】この移相装置１は、伝送線路７の中央付近
の近傍の基板板２上に固着され、誘電体３は伝送線路７
に対して接触あるいは所定の間隙（１ｍｍ以下）で、移
動機構５により図１の矢印のように駆動する。

【００３９】すなわち、誘電体３を伝送線路７上に位置
させない場合と、位置させる場合とでは、伝送線路７を
覆う媒体の種類を相違（空気から誘電体３）させること
で、伝搬する信号の電磁界分布が変化させて伝搬する高
周波信号の遅延時間を変化させる（伝搬する信号の電磁
界分布が変化して）。つまり、伝送線路７の入出力間の
位相を可変できるようにしている。

【００４０】このような移相装置１は、マイクロストリ
ップを用いた高周波回路に適用させてもよい。すなわ
ち、図１の構成を有する移相装置１を高周波回路に組み
込むことで、高周波回路から出力される高周波信号の位
相を調整できる。このため、高周波回路を何ら変更する
必要がない。

【００４１】これは、伝送線路７に誘電体３を位置させ
ることで誘電体３近傍を流れる高周波信号が遅延するこ
と利用して、各アンテナに給電される信号の位相を遅ら
せて指向性を走査させることになる。

【００４２】すなわち、移動機構５で誘電体３を可動さ
せ、誘電体３と給電線路（伝送線路７）の位置関係を制
御することにより、連続的に１８０°以上の位相変化を
持たせるようにすることが可能である。

【００４３】この誘電体３の移動により、図２に示すよ
うにそのアンテナの指向性はブロードサイドからエンド
ファイアまで連続的に可変する。

【００４４】前述の誘電体３の材質としては、たとえば
ポリエチレン、フッ素樹脂、ポリアミド系合成樹脂、ア
ルミナ、高周波用複合樹脂材料などがある。とくに、比
較的周波数が低いマイクロ波帯、準ミリ波帯において
は、小形化するために誘電率が大きい誘電体、たとえば
アルミナなどが望ましい。また、ミリ波帯以上では誘電
体損失が大きくなるので誘電正接のできるだけ小さい誘
電体、たとえばフッ素樹脂などが好ましい。

【００４５】移動機構５としては、たとえば、比較的廉
価な電磁型アクチュエータを使用することで、従来困難
であった一般民生向けの電子走査アレイアンテナが実現
できる。また、移動機構５として、停止時には電流が流
れないものを用いることで、発熱の問題も解決される。
例えば、誘電体３が停止したときはマイクロスイッチ等
でコイルに供給される信号を遮断する。

【００４６】このような移動機構５としては、直線駆動
できるものが好ましく、たとえば図３に示すように、電
磁型アクチュエータの一種であるボイスコイルモーター
５０を用いる。ボイスコイルモーター５０は、コイル５
１、ヨーク５３、および磁石５５より、コイル５１に流
す電流の方向と大きさを制御することにより、磁石５５
によってヨーク５３に形成されている磁界に対する電流
の向きが変わることで、コイル５１が動作し、コイル５
１に接続されている誘電体３を直線駆動することができ
る。前述のコイル５１に流す電流制御は図示しない制御
部が行う。

【００４７】従って、アンテナにおいて従来の半導体素
子による移相器に比較して、小電力で誘電体３を動かす
ことが可能となる。

【００４８】誘電体３の大きさは、取り扱う高周波信号
の周波数が高くなるほど小さくすることができる。この
ため、たとえばミリ波帯では小形の移動機構で高速に駆
動することができる。

【００４９】＜実施の形態２＞ここで、誘電体３と給電
線路１３の配置については、図４の断面図に示すよう
に、誘電体３が絶縁材料であるため両者が接触しても構
わないが、必要な位相変化量が得られるように、誘電体
３と伝送線路７の間隔を調整する必要がある。

【００５０】このような構造とした場合、誘電体３と伝
送線路７の近傍ではインピーダンスの不連続が存在す
る。その結果、高周波信号の反射波が生じ、結合線路上
に定在波が発生し反射損失を増大させてしまう。この問
題を防ぐために、本実施の形態では、図５に示すよう
に、テーパー２３を持たせた誘電体３ａとしている。

【００５１】これにより、誘電体３ａと伝送線路７との
境界面のインピーダンス変化を緩やかすることが可能と
なり、境界面での反射を抑制して、特性の劣化を防止す
ることができる。

【００５２】つまり、図４に示すように、伝送線路７を
通過する高周波信号の流入方向に対して、誘電体３ａの
両方の側面（受波面）が直角にならないように、テーパ
２３を設けている。

【００５３】誘電体３ａの形状については、上述したよ
うにテーパの伝送線路に対して境界となる側が厚みが最
も小さく誘電体の中央部に向かうに従って厚みが増加す
るテーパをつける。

【００５４】基板２は、たとえばフッ素樹脂基板、ガラ
ス入りフッ素樹脂基板、アルミナ基板、その他市販の高
周波用基板などを用いることができる。

【００５５】＜実施の形態３＞図６は実施の形態３の移
相装置１０の構成図である。この移相装置１０は、伝送
線路は直線ではなく、中央部でコの字状に曲げられた箇
所（冗長部）を有する伝送線路７ａとなっている。

【００５６】このような伝送線路７ａは、アレーアンテ
ナの給電線路として用いられ、各アンテナに同位相で給
電するために用いられることが多い。

【００５７】この移相装置１０は、平面基板２上に形成
された開放型の伝送線路７ａのコの字の箇所の近傍に固
着され、誘電体３及び３ａの受波面が伝送線路７ａに対
して直角に交差するようにされている。そして、誘電率
が１より大きい誘電体３又は誘電体３ａ（テーパ付き）
と駆動機構５とから構成される誘電体移相器４を設けて
なる。

【００５８】そして、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に
示すように、誘電体３，３ａを動かして、伝送線路７ａ
上を覆っていく。これによって、伝送線路７ａに対して
の誘電体３、３ａの量が連続的に変化していく。つま
り、伝搬する信号の電磁界分布が変化して、伝搬する高
周波信号の遅延時間を変化させ（伝搬する信号の電磁界
分布が変化して）、伝送線路７の入出力間の位相を可変
できるようにしている。

【００５９】＜実施の形態４＞次に、上述した移相装置
を用いたアレイアンテナの例を説明する。

【００６０】図７は、本発明を適用した並列給電形２素
子アレイアンテナを示す図面である。この並列給電形２
素子アレイアンテナは、上記の誘電体移相器４（アンテ
ナに用いる場合は誘電体移相器という）をコの字状の給
電線路１３に近接配置したものである。また、図８は、
直列給電形のアレイアンテナに用いた例を示す図面であ
り、同様に、誘電体移相器４を開放型の給電線路１３に
近接配置したものである。

【００６１】また、このような給電線路１３（パッチア
ンテナは含まない）を基板２に設けて誘電体移相器４を
設けたものを、移相装置としてもよい。

【００６２】図７および８に示したアレイアンテナはと
もに、誘電体３、３ａを近接配置した給電線路１３を流
れる高周波信号に伝搬遅延が生じ、各パッチアンテナ１
１に給電される高周波信号の位相が変化する。

【００６３】したがって、移動機構５で給電線路近傍の
誘電体３、３ａを可動させ、誘電体３、３ａと給電線路
１３の被覆長（伝送線路７を覆う媒体の種類を相違させ
る）を可変することにより、連続的に給電線路１３を伝
搬する高周波信号の位相を可変でき、指向性走査を実現
できる。

【００６４】＜実施の形態５＞図９は、本発明による直
列給電形多素子アレイアンテナを示す図面である。

【００６５】この直列給電形多素子アレイアンテナは、
複数のアンテナ１１（＃１〜＃ｎ）を有し、各アンテナ
１１は、いずれも給電線路１３に接続されており、給電
線路１３には、各アンテナ１１に対応して誘電体移相器
４が設けられている。なお、給電線路１３と誘電体移相
器４との関係は、図１及び図５に示した誘電体移相器４
の構成と同じである。そして、各誘電体移相器４の誘電
体３、３ａの位置を制御するための制御装置２１が設け
られており、制御装置２１は、各誘電体移相器４の移動
機構５を制御している。つまり、各誘電体移相器４に対
して、所望の指向性を得るために必要なビット数の制御
信号を送出する。

【００６６】従って、制御装置２１から所望の指向性を
得るためのビット数の制御信号をこれらの誘電体移相器
４の移動機構に送出することで、より複雑な指向性走査
を実現できる。なお、並列給電形多素子アレイアンテナ
についても同様の構成により本発明を適用することがで
きる。

【００６７】＜実施の形態６＞次に、本発明の誘電体移
相器をアクティブ集積アレイアンテナに適用した例を説
明する。

【００６８】図１０にパッチアンテナによるアクティブ
集積アレイアンテナを示す。このアクティブ集積アレイ
アンテナは、２素子アクティブ集積アレイアンテナの結
合線路１７上に誘電体移相器４を近接配置したもので、
誘電体移相器４の誘電体３，３ａ近傍を伝搬する同期信
号に遅延を生じさせ位相変化を起こさせるものである。
そして、この位相変化を伴った同期信号が方向性結合器
１９を介して発振状態のアクティブ素子２５のゲート電
極２７に注入され、ドレイン電極２９からパッチアンテ
ナ１１に給電され空間に放射される。

【００６９】誘電体移相器４は、誘電体３、３ａを移動
機構５で可動させ、誘電体３、３ａと結合線路１７の位
置関係を可変することにより、連続的にアクティブ素子
２３間の位相を可変でき、指向性走査を実現している。

【００７０】図１０ではアクティブ素子２５のゲート電
極２７と結合線路１７は方向性結合器１９で結合されて
いるが、この他に、たとえば図１１に示すように単に電
磁結合させる方式でも構わない。

【００７１】また、図１２に示すようにドレイン電極２
９と結合されたもの、図１３に示すようにゲート電極２
７およびドレイン電極２９と結合されたものでも構わな
い。

【００７２】このような方向性結合または単なる電磁結
合に関わらず、結合線路１７に誘電体３を近接配置する
ことにより、位相変化した同期信号がアクティブ素子２
５に注入することができる。

【００７３】アクティブ素子としては、たとえばＨＥＭ
Ｔ（ｈｉｇｈ-ｅｌｅｃｔｒｏｎ-ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔ
ｒａｎｓｉｓｔｏｒ：高電子移動度トランジスタ）、ガ
ンダイオード、ＭＥＳＦＥＴ、ＭＭＩＣなどを使用する
ことができる。

【００７４】これらパッチアンテナを用いたものと同様
にしてスロットアンテナを用いたアクティブ集積アレイ
アンテナを構成することも可能である。

【００７５】図１４は、スロットアンテナを用いた２素
子アクティブ集積アレイアンテナを示す図面である。

【００７６】このアクティブ集積アレイアンテナは、ア
ンテナとしてスロットアンテナ１２を用いたほかは、前
述の図１１に示したアクティブ集積アレイアンテナと同
様である。すなわち、アクティブ素子２５と結合線路１
７は電磁結合により結合されており、結合線路１７上に
誘電体移相器４を近接配置したものである。

【００７７】さらに、本発明は、２素子以上のアクティ
ブ集積アレイアンテナに対しても有効である。図１５
は、多素子アクティブ集積アレイアンテナへの適用例を
示す図面である。

【００７８】ここでは、各アクティブ素子２５間の結合
線路１７上に誘電体移相器４が近接配置され、それぞれ
が制御装置２１から必要な移相量の情報を与えられ移動
機構５で誘電体３、３ａが駆動されることで、より複雑
な指向性、たとえば所望方向に感度を最大にして、妨害
波方向に感度を最小にするような制御を可能にしてい
る。

【００７９】図１５に示した多素子アクティブ集積アレ
イアンテナは、間隔ｄで等間隔に配列されたｎ素子（＃
１〜ｎ）アクティブ集積アレイアンテナで、アクティブ
素子２５のゲート電極２７が同期信号注入用の結合線路
１７と方向性結合または単に電磁結合されている。

【００８０】したがって各アンテナ１１間の結合線路１
７には合計ｎ-１個の誘電体３、３ａとその移動機構５
が配置され、移動機構５を制御するための制御装置２１
が存在する。

【００８１】各アクティブ素子２５は同期可能な周波数
範囲内で発振しており、結合線路１７を伝搬する同期信
号のエネルギーの一部が、先ず＃１のアクティブ素子２
５に注入され、次に＃２のアクティブ素子２５、同様に
して最後に＃ｎのアクティブ素子２５に注入され、各ア
クティブ素子２５の同期がとられる。残った同期信号の
エネルギーは整合終端で無反射終端される。

【００８２】ここで、結合線路１７の長さは各アクティ
ブ素子２５に同位相で同期信号が注入されるように決め
られているものとし、各アンテナ１１から放射される電
波は正面方向（０°方向）で最大の指向性が得られるも
のとする。

【００８３】指向性を正面から角度θ方向へ向ける場合
には、＃１のアクティブ素子２５に注入される同期信号
を位相基準として、＃２のアクティブ素子２５に注入さ
れる同期信号の位相がφ＝ｋｄｓｉｎθ［ｒａｄ］（こ
こで、ｋ＝２π／λである（λ：自由空間の波長））遅
れるように、制御装置２１から移動機構＃Ｍ１に対して
指示が出る。次に＃３のアクティブ素子２５には２φの
位相遅れ、同様に＃ｎのアクティブ素子には（ｎ-１）
φの位相遅れを伴った同期信号が注入されるように、移
動機構＃Ｍ２〜＃Ｍｎ-１に対して指示が出る。

【００８４】全ての移動機構５（＃Ｍ１〜＃Ｍｎ-１）
は指示通りの位相変化が得られるように誘電体３，３ａ
を駆動する。これら誘電体３の近傍を通過した同期信号
は上記の位相遅れを伴い各アクティブ素子２５に注入さ
れアンテナ１１に給電される。各アンテナ１１から放射
される電波はベクトル合成され角度θ方向にピークを持
たせることが可能となる。その相対値は（１）式とな
り、同式は一般に知られているアレイアンテナの指向性
合成の考え方と同一である。 E=1+exp(jφ)+exp(j2φ)+exp(j3φ)+…+exp{j(n-1)φ} …（１） ただし、式中、φ＝ｋｄｓｉｎθ［ｒａｄ］ である。

【００８５】このように、制御装置２１からの指示によ
りφの値を連続的に変えることができるので、図２に示
したように、ブロードサイドからエンドファイアまで指
向性を連続的に走査することが実現できるのである。

【００８６】なお、このような制御による指向性は
（１）式に示すように従来のアレイアンテナと変わりな
いことから、先に説明した、多素子アレイアンテナ（図
９参照）に適用した場合にも同様に指向性を走査できる
効果がある。

【００８７】次に、本発明の原理確認を行うために行っ
た実験について説明する。

【００８８】実験には、図１６に示す２素子アクティブ
集積アレイアンテナを試作した。このアクティブ集積ア
レイアンテナは、基本構成を前述の図１１に示したアク
ティブ集積アレイアンテナと同様にし、アンテナとして
パッチアンテナ１１を用い、アクティブ素子２５と結合
線路１７は電磁結合により結合される方式である。

【００８９】アクティブ素子２５にはＨＥＭＴを用い
て、９．６８２ＧＨｚで自励発振させた。各アクティブ
素子２５（ＨＥＭＴ）に同位相で同期がかかるように結
合線路長を設計した。レベル１０ｄＢｍで自励発振周波
数と同一周波数の同期信号を結合線路１７に加え、各ア
クティブ素子２５（ＨＥＭＴ）に注入同期をかけた。ゲ
ート電極２７と結合線路１７の結合度は−１０ｄＢであ
る。

【００９０】誘電体移相器４は、ここでは、原理確認の
ためであるので移動機構は使用せずに、両面テープで誘
電体３、３ａを結合線路１７上に固定した。誘電体３、
３ａは、誘電率１２．５、誘電損失０．００５の高周波
用樹脂複合材料を用いた。

【００９１】誘電体３、３ａを取りつける前に、同期信
号の入出力間の位相を測定しこれを位相基準０°とす
る。次に、誘電体３、３ａを結合線路上に固定し、同期
信号の位相を同様に測定し、先程測定した位相基準との
差を求める。

【００９２】今回の実験では誘電体３、３ａを結合線路
上２箇所に固定し、それぞれ−４９．３°と−７４．５
°の位相変化量が得られた。但し、誘電体３、３ａには
εｒ＝１２．５、ｔａｎδ＝０．００５の樹脂複合材
料、ＨＥＭＴが無バイアスの状態で、誘電体３、３ａ装
荷による結合線路の移相量Δθ＝θｏ−θｉを測定して
おく。

【００９３】指向性測定結果を図１７に示す。同図に示
すように、誘電体３，３ａを近接配置し同期信号に位相
変化を与えることにより指向性を最大２０度走査させる
ことが可能となり、本発明の有効性が確認できた。

【００９４】また、誘電体３，３ａを結合線路に近傍配
置することによる同期信号の位相変化を実験確認してい
ることから、本発明を従来のアレイアンテナに用いた場
合でも同様に指向性走査が可能である。したがって、従
来のような高価な半導体素子を用いずに済むことができ
る。

【００９５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の移相装置
によれば、移動機構であるコイルに電流が供給される
と、誘電体が伝送線路を覆うことになり、伝送線路を高
周波信号が伝搬したときに、電磁界分布が変わる。この
ため、高周波信号の移相が変化する。つまり、伝搬する
高周波信号の遅延時間を変化させ、伝送線路の入出力間
の位相を連続的にわずかの電流で可変できるという効果
が得られている。

【００９６】また、伝搬方向に対して交差する誘電体の
両側面は、開放端側が最小の厚みで誘電体の中央部に向
かうに従って厚みが増加する所定の傾斜としたので、伝
送線路を高周波信号が伝搬しても、誘電体の傾斜によっ
て誘電体両側面にて発生する反射が抑制されるという効
果が得られている。

【００９７】また、伝送線路は、コの字状に曲げられた
冗長部を備え、該冗長部を覆うように前記駆動器を前記
平面基板に固着したので、アクティブ集積アンテナに用
いると、指向性を変化させることが可能となる。

【００９８】さらに、本発明のアクティブ集積アレイア
ンテナは、アレイアンテナの給電線路近傍に誘電体を配
置し、移動機構でこの誘電体を駆動することで、各アン
テナに給電される高周波信号の位相を遅らせるので、こ
れまで半導体素子が高価であり実現が難しかった一般民
生向けの指向性走査アレイアンテナ用の移相器が実現で
きるという効果が得られている。

【００９９】また、移動機構として電磁型アクチュエー
タを用いた場合、停止時には電流が流れないので発熱の
問題も解決される。必要な誘電体の大きさは、取り扱う
高周波信号の周波数が高くなるほど小さくて済むので、
ミリ波帯では小形の移動機構で高速駆動することができ
る。

【０１００】同様に本発明をアクティブ集積アレイアン
テナに適用することで、アクティブ集積アレイアンテナ
が持つ小形、軽量、薄形の特徴に加え、従来のような指
向性走査角の制限がなくなり、周波数を固定したまま指
向性を走査させることが可能となる。また、周波数を変
化させる必要がないので、従来困難であった通信用途に
適するようになる。

【０１０１】本発明の誘電体移相器を、ＩＴＳ、ＩＭＴ
−２０００、加入者系無線などのアレイアンテナに適用
すれば、ＩＴＳにおいては、低価格で定消費電力の衝突
防止用指向性走査レーダー、または路車間、車車間通信
用指向性走査アンテナを実現することができる。ＩＭＴ
−２０００、加入者系無線においては、基地局および移
動局に設置されるアダプティブアンテナ、つまり所望方
向に感度を最大にして、妨害波方向に感度を最小にする
方式のアレイアンテナとして用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１の移相装置の概略構成図である。

【図２】実施の形態１を用いたときの指向性走査例を説
明する説明図である。

【図３】アクチェータ（移相器）の具体的な構成図であ
る。

【図４】実施の形態１の移相装置の問題を説明する説明
図である。

【図５】実施の形態２の移相装置の概略構成図である。

【図６】実施の形態３の移相装置の概略構成図である。

【図７】実施の形態４の並列給電形２素子アレイアンテ
ナを示す図面である。

【図８】実施の形態４の直列給電形２素子アレイアンテ
ナを示す図面である。

【図９】実施の形態５の直列給電形多素子アレイアンテ
ナを示す図面である。

【図１０】実施の形態６のパッチアンテナによるアクテ
ィブ集積アンテナの概略構成図である。

【図１１】実施の形態６の電磁結合したアクティブ集積
アンテナの概略構成図である。

【図１２】実施の形態６のドレイン電極の電磁結合によ
るアクティブ集積アンテナの概略構成図である。

【図１３】実施の形態６のゲート・ドレイン電極の電磁
結合によるアクティブ集積アンテナの概略構成図であ
る。

【図１４】実施の形態６のスロットアンテナを用いたア
クティブ集積アンテナの概略構成図である。

【図１５】 実施の形態６の多素子アクティブ集積アレ
イアンテナの概略構成図である。

【図１６】２素子アクティブ集積アンテナの概略構成図
である。

【図１７】本実施の形態による２素子アクティブ集積ア
ンテナを用いたときの指向性の変化を説明する説明図で
ある。

【図１８】従来の並列給電形電子走査アレイアンテナを
示す図面である。

【図１９】従来の直列給電形電子走査アレイアンテナを
示す図面である。

【図２０】従来の移相器を示す図面である。

【図２１】従来のアクティブ集積アレイアンテナを示す
図面である。

【図２２】従来のアクティブ集積アレイアンテナの指向
性走査特性を示す図面である。

【図２３】従来の他のアクティブ集積アレイアンテナを
示す図面である。

【図２４】従来の他のアクティブ集積アレイアンテナの
指向性走査特性を示す図面である。

【符号の説明】

１ 移相装置 ３、３ａ 誘電体 ５ 移動機構 ７ 伝送線路 １１、１２ アンテナ １３ 給電線路 １５ 基板 １７ 結合線路 １９ 方向性結合器 ２１ 制御装置 ２３ テーパー ２５ アクティブ素子 ２７ ゲート電極 ２９ ドレイン電極 ３１ ソース電極 ５０ ボイスコイルモーター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大竹 朗 神奈川県横浜市金沢区福浦３丁目10番地 日本発条株式会社内 Ｆターム(参考） 5J012 GA12 GA14 5J021 AA05 AA07 AB06 CA06 DB03 EA04 FA06 FA26 FA32 GA02 HA05 5J045 AA21 AB05 AB06 DA10 EA07 FA02 HA03 NA01

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁体で形成された平面基板と、 前記平面基板上に設けられ、高周波信号を伝搬する開放
   型の伝送線路と、 誘電体を水平方向に可動可能に挟持すると共に、コイル
   及びロータを内蔵して、前記コイルへの電流量に応じて
   前記誘電体を可動する駆動器とを前記平面基板の伝送線
   路の近傍位置に設け、 該駆動器は、 前記伝送線路の高周波信号の伝搬方向に対して、前記誘
   電体を可動させたときに、該誘電体の側面が交差する前
   記近傍位置に設けてなることを特徴とする移相装置。
2. 【請求項２】 前記誘電体は比誘電率が１以上の直方体
   であり、前記側面は前記伝搬方向に対して、前記可動に
   よって直角となり、かつ前記伝送線路に対して所定の間
   隙を有するように前記駆動器が平面基板上に固着されて
   いることを特徴とする請求項１記載の移相装置。
3. 【請求項３】 前記直方体の誘電体に代えて、 前記伝搬方向に対して交差する両側面は、開放端側が最
   小の厚みで誘電体の中央部に向かうに従って厚みが増加
   する所定の傾斜を備えた誘電体にされた前駆動器を有す
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の移相装置。
4. 【請求項４】 前記伝送線路は、コの字状に曲げられた
   冗長部を備え、該冗長部を覆うように前記駆動器を前記
   平面基板に固着してなる請求項１、２又は３記載の移相
   装置。
5. 【請求項５】 前記伝送線路は前記冗長部を所定箇所毎
   に備え、該冗長部毎に前記駆動器を前記平面基板に固着
   したことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の移
   相装置。
6. 【請求項６】 前記誘電体としてアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）
   などの高誘電率のセラミック材料を用いて小型化した請
   求項１、２、３、４又は５記載の移相装置。
7. 【請求項７】 所定の間隔で等間隔に直線状に配列され
   た多数のアンテナ素子を有するアクティブ集積アレイア
   ンテナにおいて、 直線状の第１伝送線路とコの字型の第２伝送路とからな
   る伝送線路を平面基板に設け、第１伝送線路は前記多数
   のアンテナ素子への伝送路に対して電磁結合にされるよ
   うに前記平面基板に設け、 誘電体を水平方向に可動可能に挟持すると共に、コイル
   及びロータを内蔵して、前記コイルへの電流量に応じて
   前記誘電体を可動する駆動器とを前記平面基板の第１伝
   送線路の近傍位置に設け、 該駆動器は、 前記第１伝送線路の高周波信号の伝搬方向に対して、前
   記誘電体を可動させたときに、該誘電体の側面が交差す
   る前記近傍位置に設けたことを特徴とするアクティブ集
   積アレイアンテナ。
8. 【請求項８】 前記誘電体は比誘電率が１以上の直方体
   であり、前記側面は前記第１伝送線路の高周波信号の伝
   搬方向に対して、前記可動によって直角となり、かつ前
   記伝送線路に対して所定の間隙を有するように前記駆動
   器が平面基板上に固着されていることを特徴とする請求
   項７記載のアクティブ集積アレイアンテナ。
9. 【請求項９】 前記直方体の誘電体に代えて、 前記伝搬方向に対して交差する両側面は、開放端側が最
   小の厚みで誘電体の中央部に向かうに従って厚みが増加
   する所定の傾斜を備えた誘電体にされた前駆動器を有す
   ることを特徴とする請求項７又は８記載のアクティブ集
   積アレイアンテナ。