JP2003069334A - 円形アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可変デバイスを使用せず、簡単な構成で同一
パターンビームを各種方向に形成でき、かつマルチビー
ムの形成も可能とする。 【解決手段】 Ｎ個のアンテナ素子Ａ１〜ＡＮが円周２
１上に等間隔で配置され、これら素子Ａ１〜ＡＮは等長
線路Ｌ１〜ＬＮを通じて固定位相器２２−１〜２２−Ｎ
を通じてＮポートバトラーマトリクス回路２３に接続さ
れ、回路２３の他方のポートＰｍｉ（ｉ＝１，２，…，
Ｎ）はそれぞれ増幅器Ａｍｉ−固定位相器２４−ｉを通
じてＮポートバトラマトリクス回路２５に接続され、回
路２５の他方のポートは給電端子２６−ｉとされる。位
相器２２−ｉの位相量をΨ_i とすると、Ψ_i+1 −Ψ_i ＝
１８０度／Ｎ又は−１８０度／Ｎとされ、位相器２４−
ｉは素子Ａｉの円形配置に基づく行路差を補正する。

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、ＦＦＴ（高速フ
ーリエ変換）回路として動作するマトリクス回路を用い
た円形アレーアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】円形にアンテナ素子が配置された円形ア
レーアンテナは軸対称な形状を有しており、一般に、ア
ンテナ指向特性主ビーム（以下単にビームと記す）を３
６０度の角度範囲に渡って放射するのに有効である［文
献：電子通信学会「アンナテ工学ハンドブック」、５
章、オーム社 参照］。図１２は代表的な円形アレーア
ンテナを説明するものである。円周面に沿ってアンテナ
素子としてパッチアンテナＡｉが多数、等間隔で配置さ
れており、破線枠１１内の複数のアンテナ素子を励振す
ることによりビーム１を放射し、破線枠１２内の複数の
アンテナ素子を励振することによりビーム２を放射する
ように励振するアンテナ素子を適当に選ぶことにより任
意の方向にビームを放射することが可能である。

【０００３】円形アレーアンテナの給電回路にマトリク
ス回路を用いた構成としては先ず、アンテナを複数の領
域に分割し、それぞれの領域においてアンテナ素子をマ
トリクス回路に接続してアレーアンテナとして機能させ
る構成が挙げられる。図１３は１６素子からなる円形ア
レーアンテナを４つの領域に分割して、各４つのアンテ
ナ素子Ａｉごとにバトラマトリクスなどのマトリクス回
路１３をそれぞれ接続した場合である。４ポートのマト
リクス回路１４が４個用いられる。３６０度の角度範囲
を４分割することから、それぞれの領域では９０度の角
度範囲をカバーすることとなる。

【０００４】図３に４個のアンテナ素子Ａｉ から成る
１領域（４素子アレー）に着目して計算したアンテナパ
ターンを示す。アンテナ素子Ａｉは半径１．３λの円周
上に外側に向いて配置され、指向特性はコサイン２乗電
力指向性とした。この４つのアンテナ素子とマトリクス
回路１４により４つのビームＢ１〜Ｂ４を形成すること
ができる。この４素子から成るアレーの正面方向から離
れた方向のビーム、つまり外側の２ビームＢ１とＢ４で
は正面方向のビームＢ２およびＢ３よりもビーム幅が広
がり、利得が低下していることが分かる。

【０００５】このように複数の小規模なマトリクス回路
１４で円形アレーアンテナを構成した場合は、給電回路
が簡単であるという利点を有しているが、ビーム方向に
よってビームパターンが異なるという欠点がある。ここ
で示した例では４個のアンテナ素子がアレーアンテナと
して機能することで４種類の方向、つまりビームＢ１〜
Ｂ４の方向にビームを形成しているが、全てのビーム方
向に渡って均一なビームパターンを実現するためには、
ビーム方向毎に励振するアンテナ素子を変える必要があ
る。

【０００６】マトリクス回路を用いることで任意のアン
テナ素子を励振可能な給電回路を実現するものとして、
マトリクス回路の全てのポートを用いて信号を給電する
構成が報告されている［文献：B.Sheleg,“A Matrix-Fe
d Circular Array for Continuous Scanning,”Proc.IE
EE,vol.56,pp.2016-2027,Nov.1968.］。このアンテナ構
成例を図１５に示す。Ｎポートのマトリクス回路（バト
ラーマトリクス）の一方のＮポート（素子ポート）にＮ
個のアンテナ素子Ａｉが、それぞれ等しい長さの線路Ｌ
ｉにより接続され、給電端子１５よりの信号は電力分配
回路１６により適当な電力比で分配された後に、固定位
相器Ｐ_Fｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）と可変位相器Ｐ_Vｉの
直列回路を介してマトリクス回路１４の他方のＮポート
（ビームポート）に入力される構成となっている。

【０００７】電力分配回路１６とマトリクス回路１４と
の間にある固定位相器Ｐ_F１〜Ｐ_FＮは本来、直線アレー
用のマルチビームマトリクス回路１４として機能するバ
トラーマトリクスからの出力を円形アレーにおいて用い
るために補正するものであり、ここで固定位相器Ｐ_F１
〜Ｐ_FＮに２次関数で近似される位相分布を与えること
により、アンテナ素子が円周上に配置されていることに
起因する位相回転ないし収差（行路差）を補正してい
る。このアンテナ構成においてビーム方向の制御は、主
に可変位相器Ｐ_V１〜Ｐ_VＮを制御することにより実現さ
れる。つまり、可変位相器Ｐ_V１〜Ｐ_VＮによって、マト
リクス回路１４に給電される信号に直線的な位相傾きを
付与することによって、励振されるアンテナ素子Ａｉの
位置が変化し、ビーム方向が変化する。図１６と図１７
は１６ポートのバトラーマトリクス回路１４の入出力信
号分布を示したものであり、横軸はポート番号、縦軸は
電力合計が１となるように規格化した振幅又は度であ
り、図１６は８番目の素子ポートＰ_E８を中心として励
振を行う場合を表し、図１７は１２番目の素子ポートＰ
_E１２を中心として励振を行う場合を表している。図１
６および図１７において、（ａ）と（ｂ）の図はアンテ
ナ素子が接続される素子ポートＰ_Eの信号振幅と位相を
表し、（ｃ）と（ｄ）の図は信号が入力されるビームポ
ートＰ_Bの信号振幅と位相を表している。なお説明を簡
単にするため、これらの図においては（アンテナ素子が
円形に配置されることに起因する）収差（行路差）の位
相補正は入っていない。

【０００８】図１６と図１７の結果から明らかなように
バトラーマトリクス回路１４に入力する信号の位相傾き
を変えることにより、励振されるアンテナ素子の位置を
変化されることが可能となる。また、図１６と図１７に
示した入力信号の振幅分布形状（図（ｃ））は殆ど変化
が無いことから、これらの図に示した条件ではビームパ
ターンの変化も殆ど無いことが分かる。しかし、図１５
に示した構成は必ずしも可変位相器Ｐ_V１〜Ｐ_VＮを制御
するだけで均一なビームパターンが得られるわけでは無
い。図１８は１６番目（Ｎ番目）の素子ポートＰ_E１６
（Ｎ）を中心として励振を行う場合について、図１６、
図１７（ａ）〜（ｄ）と同様に素子ポートＰ_Eとビーム
ポートＰ_Bの信号の振幅、位相分布をそれぞれ示したも
のである。このようにＮ番目のポートと１番目のポート
とにまたがってアンテナ素子を励振する場合には、可変
位相器Ｐ_V１〜Ｐ_VＮを制御するだけでは均一なビームパ
ターンを得ることが不可能であり、電力分配回路１６に
おいて信号電力の分配比率をも制御して、ビームポート
ＢＰ１〜ＢＰＮの信号振幅分布を制御する必要がある。

【０００９】このことは通常、バトラーマトリクス回路
１４から出力される信号が１番目の素子ポートＥＰ１と
Ｎ番目の素子ポートＥＰＮとで１８０度の位相差を有し
ていることに起因しており、３６０度の全方向で均一な
ビームパターンを得るためにはバトラーマトリクス回路
１４自体に変更を加えるか、もしくは電力分配回路１６
と可変位相器Ｐ_V１〜Ｐ_VＮの両方を制御する必要があ
る。このアンテナ構成は３６０度の方向に渡って均一な
ビームパターンを得ることが可能ではあるが、給電回
路、特に可変位相器Ｐ_V１〜Ｐ_VＮ、電力分配回路１６に
対する制御回路とその配線が非常に複雑になるほかに、
複数方向に同時にビーム形成することに適さないという
問題がある。また、多数の可変位相器が必要となること
からアンテナが高価格になると同時にアンテナのビーム
制御も複雑になるという欠点がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したようにマトリ
クス回路を用いた従来の円形アレーアンテナは、アンテ
ナを複数の部分に分割して複数のマトリクス回路を用い
て各々のアンテナ素子を励振する構成では、ビーム方向
によってビームパターンが異なり、３６０度の全方向で
均一な指向特性を得ることが出来ないという問題があっ
た。また、マトリクス回路に電力分配回路と可変位相器
等を組合せた構成では、給電回路が非常に複雑になるほ
か、複数方向に同時にビームを形成することに適さない
という問題があった。さらには多数の可変位相器が必要
となることからアンテナが高価格になると同時にアンテ
ナのビーム制御も複雑になるという欠点があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、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の発明によれば、Ｎポー
ト（Ｎは４以上の整数）のＦＦＴ回路として動作するマ
トリクス回路が２個設けられ、一方のマトリクス回路の
一方のＮ個のポートは位相付与手段を介して、３６０度
／Ｎの等角度で円形上に配置されたＮ個のアンテナ素子
とそれぞれ接続され、前記位相付与手段はｉ番目（ｉ＝
１，２，…，Ｎ，Ｎ＋１＝１）のポートとアンテナ素子
との間の位相差をΨ _i とするとΨ_i+1 −Ψ_i ＝１８０度
／Ｎあるいは−１８０度／Ｎとするものである。前記一
方のマトリクス回路の他方のＮポートはもう一方のマト
リクス回路の一方のＮポートの対応するものと固定位相
器をそれぞれ介して接続され、これら固定位相器はアン
テナ素子が円形上に配置されたことに基づく行路差を補
正するように各位相量が選定されている。

【００１２】請求項２の発明では前記請求項１の発明に
おいて前記固定位相器は１個除去され、Ｎ−１個しか設
けられてなく、つまり前記一方のマトリクス回路と前記
もう一方のマトリクス回路とは対応する１つのポートは
接続されていない。請求項３の発明では、請求項１又は
２の発明において、前記各固定位相器とそれぞれ直列に
増幅器が挿入され、前記一方のマトリクス回路の前記ア
ンテナ素子側ポートにおいて実現しようとする信号分布
と、前記固定位相器側における信号分布との間に高速フ
ーリエ変換の関係が成立される振幅値となるように前記
増幅器の利得が選定されている。

【００１３】請求項４の発明では、請求項１又は２の発
明において、前記固定位相器とそれぞれ直列に、同一利
得の増幅器が挿入されている。このようにこの発明によ
ればマトリクス回路と固定位相器によって構成され、電
力分配回路や可変位相器等の可変デバイスを必要としな
いことから複雑なビーム制御を必要としないと同時に回
路構成が比較的簡易であり、可変デバイスを制御するた
めの回路等も必要としないため、アンテナの低価格化が
可能である。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１にこの発明の実施の形態を示
す。Ｎ個（Ｎは４以上の整数）のアンテナ素子Ａｉ（ｉ
＝１，２，…，Ｎ）が同一円周２１上に等間隔、つまり
３６０度／Ｎの角度間隔で配置され、これらアンテナ素
子Ａｉは同一長さの線路Ｌｉをそれぞれ通じて固定位相
器２２−ｉの一端に接続され、これら固定位相器２２−
ｉの他端は例えばバトラマトリクス回路で構成されたＮ
ポート上段マトリクス回路２３のＮ個の素子ポートＰ_E
ｉにそれぞれ接続される。

【００１５】上段マトリクス回路２３のＮ個のビームポ
ートＢＰはそれぞれ増幅器Ａｍｉを通じて固定位相器２
４−ｉの一端に接続され、各固定位相器２４−ｉの他端
は例えばバトラーマトリクス回路よりなる下段マトリク
ス回路２５の一方のＮポートに接続され、下段マトリク
ス回路２５の他方のＮポートは給電端子２６−ｉとされ
ている。上段マトリクス回路２３および下段マトリクス
回路２５は、それぞれＮポートＦＦＴ回路として動作す
るものであり、つまりそのビームポートＰ_B１〜Ｐ_BＮの
信号分布ｆ（ｘ）は時間領域の信号であり、素子ポート
Ｐ_E１〜Ｐ_EＮの信号分布Ｆ（ω）は周波数領域の信号で
あり、ｆ（ｘ）を高速フーリエ変換した信号となり、例
えばハイブリットと固定位相器の組を複数結合して構成
されるバトラーマトリクス回路などが使用される。固定
位相器２２−ｉはこれが接続された素子ポートＰ_Eｉと
アンテナ素子Ａｉとの間の位相差をΨ_i とすると、Ψ
_i+1 −Ψ_i ＝１８０度／Ｎあるいは−１８０度／Ｎとな
るようにする。ただし製造誤差などを無視した理想的な
場合である。また固定位相器２４−ｉはアンテナ素子Ａ
ｉを円周上に配置したことに基ずく、直線上に配置した
場合との行路差を補正するためのものである。ただしマ
トリクス回路２３，２５における振幅、位相が製造誤差
などにより理想的でない場合の誤差補正も、この固定位
相器２４−ｉで行ってもよい。固定位相器２２−ｉ，２
４−ｉは例えば一定の長さの線路（遅延線）等により容
易に実現することができる。

【００１６】複数マトリクス回路を用いた図１３に示し
た従来技術の場合とは異なり、アンテナ素子Ａｉは全て
１つの上段マトリクス回路２３に接続されていることか
ら任意の位置のアンテナ素子を励振することが可能であ
る。また固定位相器２２−ｉの位相量は前述したように
選定されているから、この固定位相器２２−１〜２２−
Ｎはバトラーマトリクス回路１４から出力される信号が
１番目のポートＰ_E１とＮ番目のポートＰ_EＮとで１８０
度の位相差を有している問題を解決する。つまり、この
構成によりアンテナ素子が接続されたマトリクス回路
（上段マトリクス回路）２３のビームポートＰ_B１〜Ｐ_B
Ｎの給電信号ｆ（ｘ）の振幅分布を制御することなく３
６０度の角度範囲で均一なビームパターンを実現するも
のである。

【００１７】図２と図３は１６個のアンテナ素子Ａ１〜
Ａ１６が円周上に配された場合の１６ポートの上段バト
ラーマトリクス回路２３の入出力信号分布を示し、従来
技術の説明と同様に（ａ）と（ｂ）の図はアンテナ素子
が接続される素子ポートの信号振幅と位相を表し、
（ｃ）と（ｄ）の図は信号が入力されるビームポートの
信号振幅と位相を表している（以下においてもバトラー
マトリクス回路２３の入出力信号分布を同様に図（ａ）
〜（ｄ）で示す）。図２は８番目の素子ポートＰ_E８を
中心として励振を行う場合を表し、図３は１６番目の素
子ポートＰ_E１６を中心として励振を行う場合を表して
いる。

【００１８】これらの図においてはアンテナ素子Ａ１〜
Ａ１６が円形に配置されることに起因する収差（行路
差）の位相補正は入っていない。図３（ａ）に示すよう
にＮ＝１６番目のポートと１番目のポートとにまたがっ
てアンテナ素子を励振する場合においてもこの実施形態
の構成では、図２（ｃ）と図３（ｃ）を比較すれば理解
されるように給電信号ｆ（ｘ）の振幅分布は大きく変化
していないことが分かる。これはＦＦＴの周期関数とし
ての性質から導かれる結論である。バトラーマトリクス
に代表されるＦＦＴ回路として動作するマトリクス回路
では、１つのポートから入力された信号の出力側におい
て両端のポートにおける信号位相差が常に１８０度（正
確には１８０度×（Ｎ−１）／Ｎ）となることから分か
るように、ポートの両端で１８０度（正確には１８０度
×（Ｎ−１）／Ｎ）の位相差を有する周期関数のフーリ
エ変換として動作する。この発明では図２（ｂ）、図３
（ｂ）に示すようにポートＰ_E１とＰ_E１６との信号位相
差が１８０度（正確には１８０度×（Ｎ−１）／Ｎ）と
なっていることからＦＦＴの周期性が満足され、Ｎ番目
のポートと１番目のポートにまたがってアンテナ素子を
励振しても、図２（ｃ）、図３（ｃ）に示したように給
電信号は同一振幅分布でよいことになる。

【００１９】図２（ｂ）、図３（ｂ）に示したように素
子ポートＰ_E１〜Ｐ_EＮの信号の位相分布は、順次位相差
が３６０度／Ｎだけあるが、これは固定位相器２２−１
〜２２−Ｎで補償され、アンテナ素子Ａ１〜ＡＮでの信
号の位相は図１６（ｂ）、図１７（ｂ）、図１８（ｂ）
に示したように、０度となり、所望の方向に同一パター
ンのビームを得ることができる。図１において、もう一
方のマトリクス回路（下段マトリクス回路）２５に入力
された信号はＮ個に分配されると同時に、ＦＦＴの関係
に基づき、信号を入力する給電端子２６−ｉの位置に応
じた位相傾きが付与されて、固定位相器２４−１〜２４
−Ｎ側のポートに出力される。

【００２０】固定位相器２４−１〜２４−Ｎは本来、直
線アレー用のマルチビームマトリクス回路として機能す
る上段バトラーマトリクス回路２３の素子ポートＰ_E１
〜Ｐ_EＮの信号を円形アレー用に補正するものであり、
つまりアンテナ素子Ａ１〜ＡＮが円周上に配置されてい
ることに基づく位相回転差（行路差）を補正するもので
ある。上段バトラーマトリクス回路２３のビームポート
Ｐ_B１〜Ｐ_BＮの信号、つまり給電信号ｆ（ｘ）の振幅分
布は図２（ｃ）（図３（ｃ））に示すような分布となっ
ており、このような分布になるように、つまり素子ポー
トＰ_E１〜Ｐ_EＮにおいて実現しようとする信号分布と、
ビームポートＰ_B１〜Ｐ_BＮにおける信号分布との間に高
速フーリエ変換の関係が成立するように各増幅器Ａｍｉ
の出力が例えば利得調整手段によって設定される。給電
端子２６−１〜２６−Ｎ中の複数を選択して、複数のビ
ームを同時に形成することもできる。

【００２１】実施例１ 図４にこの発明の実施例１を示し、図１と対応する部分
に同一参照符号を付けてある。この実施例では１６個の
アンテナ素子Ａ１〜Ａ１６を用い、１６ポートのマトリ
クス回路２３，２５を用いアンテナ素子の配置間隔が半
波長（０．５λ）となるようにアレー半径（円２１の半
径）を１．２７λとしている。アンテナ素子の指向性パ
ターンとしてはコサイン２乗電力指向性として計算を行
った。なお、説明を簡単にするためビームを送信する場
合を例にして説明を行う。８番目の素子ポートＰ_E８を
中心として励振されている場合上段マトリクス回路２３
の信号分布を図５に示す。図中の素子ポートＰ_E１〜Ｐ_E
１６の信号分布Ｆ（ω）としては、隣接ビーム間隔が−
３ｄＢで交差するようなガウス分布を仮定しており、信
号分布Ｆ（ω）に対応する信号分布ｆ（ｘ）との間には
ＦＦＴの関係が成立している。

【００２２】この実施例１においては、上段マトリクス
回路２３に給電する信号分布ｆ（ｘ）の振幅値は増幅器
Ａｍ１〜Ａｍ１６の出力を変化させることで行う構成と
なっている。個々のビームポートＰ_Bｉにおける振幅値
の差異は、図５（ｃ）から明らかなように２倍程度であ
る。このように各ポートに給電信号を分散させているた
めに１ポート当りの振幅値が小さくなっている。従って
必ずしも種類の異なる増幅器を用意しなくとも、同種の
増幅器のバイアス値を変える等の手段により、信号分布
ｆ（ｘ）に所望の振幅分布を与えることが可能である。

【００２３】また、この実施例１のように２個のマトリ
クス回路２３と２５の間に増幅器Ａｍ１〜Ａｍ１６を配
置した場合には、図５（ｃ）から推定されるようにどの
方向にビームを形成する場合でも全ての増幅器Ａｍ１〜
Ａｍ１６が使用されることから、これら増幅器は例えば
１ビームに特定の１増幅器のような単独増幅機能ではな
く、共通増幅機能を持つことになる。一般に、増幅器は
信号が入力されていなくとも電力を消費し、飽和出力の
大きな増幅器ほど大きな電力を消費する傾向がある。こ
のため、増幅器に入力される信号の変動が少ないほど消
費電力を低く抑えることが可能となる。共通増幅を行う
アンテナ構成においてはビーム方向によらず常に複数の
増幅器によって信号増幅を行うため、消費電力を低く抑
えることが可能である。図６に、この実施例１のアンテ
ナのビームパターンを計算したものを示す。この図から
この実施例１の円形アレーアンテナはビーム方向によら
ず均一な指向特性（ビームパターン）が実現されている
ことが分かる。なお図６ではビームパターンを見易いよ
うに一部のみしか示してないが、実際にはビーム＃１〜
＃３、＃５〜＃７、＃１３〜＃１５も、同様のパターン
で各対応角度位置に生じる。

【００２４】実施例２ 図７にこの発明の実施例２を示し、図１と対応する部分
に同一参照符号を付けてある。この実施例２は実施例１
の場合と同じくアンテナ素子数は１６素子であり、マト
リクス回路２３，２５は１６ポートマトリクス回路であ
り、アンテナ素子の配置間隔が半波長（０．５λ）とな
るようにアレー半径を１．２７λとしている。アンテナ
素子の指向性パターンとしてはコサイン２乗電力指向性
として計算を行った。また、説明を簡単にするためビー
ムを送信する場合を例にして説明を行う。図８に、素子
ポートＰ_E１〜Ｐ_E１６において励振される信号分布の中
心が８番目と９番目の素子ポートＰ_E８とＰ_E９の中央に
位置する場合の上段マトリクス回路２３の信号分布を示
す。図中の素子ポートＰ_E１〜Ｐ_E１６における信号分布
Ｆ（ω）としては、隣接ビーム間隔が−３ｄＢで交差す
るようなガウス分布を仮定しており、信号分布ｆ（ｘ）
との間にはＦＦＴの関係が成立している。この図８
（ｃ）から理解されるように１６番目のビームポートＰ
_B１６には信号を給電する必要が無い。これはこの実施
例２のアンテナ構成が有する特徴であり、マトリクス回
路が有するＦＦＴの性質から導き出される性質である。
信号分布Ｆ（ω）が左右対称な関数形として表されると
同時に励振される信号分布の中心が隣接する２ポートの
中央に位置する（あるいはＮ＝１６番目と１番目の素子
ポートＰ_E１６とＰ_E１の間にちょうどまたがっている）
場合において、マトリクス回路の両端で１８０度の位相
変移が付与されるようにＦ（ω）に直線的な位相傾きが
与えられているという条件下において、対応する信号分
布ｆ（ｘ）のＮ＝１６番目のポートＰ_B１６（または１
番目のポートＰ_B１）の値が０になるものである。

【００２５】従ってこの実施例２の構成ではＮ＝１６番
目のポートＰ_B１６に対しては固定位相器２４−１６お
よび増幅器Ａｍ１６が除去され、それだけアンテナの低
価格化に有効である。なおポートＰ_B１６と、下段マト
リクス回路２５の対応ポートにそれぞれ終端素子３１と
３２により終端される。図９にこの実施例２について計
算したビームパターンを示す。この図９から、この実施
例２では、上段マトリクス回路２１に給電するポート数
が１個減っているが、ビームパターンが大きく劣化する
ことは無く、ビーム方向によらず均一な指向特性（ビー
ムパターン）が実現されていることが分かる。

【００２６】実施例３ この実施例３ではマトリクス回路２３，２５のポート数
やアンテナ素子配置、アンテナ素子指向性等は実施例２
の場合と同じであり、アンテナ構成は図７で示したもの
と同一であるが、この実施例３では上段マトリクス回路
２３のビームポートＰ_B１〜Ｐ_B１６における信号分布ｆ
（ｘ）を、実施例２で求められた信号分布ｆ（ｘ）を用
いて、図１０（ｃ）に示すように１番目からＮ−１番目
までのポートＰ_B１〜Ｐ_B１６の各振幅値を一定の値（図
８（ｃ）中のＮ−１＝１５個のポートＰ_B１〜Ｐ_B１５の
各電力を平均した値）とする。信号分布ｆ（ｘ）の位相
値については図１０（ｄ）に示すように図８（ｄ）で示
したものと同じものを使った。上段マトリクス回路２３
の素子ポートＰ_E１〜Ｐ_E１６における信号分布Ｆ（ω）
は図１０（ｃ）および（ｄ）に示したｆ（ｘ）から求
め、これらの信号分布ｆ（ｘ）とＦ（ω）との間にはＦ
ＦＴの関係を成立させた。この信号分布Ｆ（ω）を図１
０（ａ），（ｂ）に示す。図１１にこの実施例３につい
て計算したビームパターンを示す。これらの結果から分
かるように、上段マトリクス回路２３のＮ−１＝１５個
のポートに給電する信号電力を一定値とした場合におい
てもビームパターンが大きく劣化しておらず、ビーム方
向によらず均一な指向特性（ビームパターン）が実現さ
れていることが分かる。このように上段マトリクス回路
２３へ給電する信号電力を一定値とすることで、下段マ
トリクス回路２５で分配された信号の振幅をポートに応
じた調整をする必要がなくなり低価格化に有効である。
このように上段マトリクス回路２３へ給電する信号電力
を一定値とした場合には、バイアス値を変える等の手段
によって増幅器Ａｍ１〜Ａｍ１５の出力を変える必要が
無く、効率が最も高くなるバイアス値で増幅器Ａｍ１〜
Ａｍ１５を動作させることが可能となる。また、同じ増
幅器を複数個用いれば良いことから、低価格化に有効で
あり、増幅器が故障した場合の冗長回路を必要とする場
合も複数の増幅器を準備する必要が無い。さらに各々の
ポートに接続された増幅器の特性が均一になることか
ら、上段マトリクス回路２３への給電信号が、増幅器特
性のバラツキによって乱されることがなくなり、安定し
たビーム形成が可能となる。

【００２７】なおこのように上段マトリクス回路２３へ
の給電信号がビームポートにかかわらず一定であるか
ら、十分な信号レベルが得られれば、増幅器Ａｍ１〜Ａ
ｍ１５を省略してもよい。また図４に示した実施例１に
おいても、実施例３に示したと同様の手法により、上段
マトリクス回路２３の各ビームポートＰ_B１〜Ｐ_B１６に
対する給電信号のレベルを同一とした場合に、図６に示
したビームパターンと同様なビームパターンが得られる
ことを確認した。つまり図４に示した構成において、増
幅器Ａｍ１〜Ａｍ１６として同一の増幅器を同一利得で
使用してもよく、場合によっては増幅器Ａｍ１〜Ａｍ１
６を省略してもよい。更に上述では送信ビームを形成し
たが、同様に受信ビームを形成できることは容易に理解
されよう。図１、図４、図７において、上段マトリクス
回路２３の素子ポートにおける信号分布Ｆ（ω）とビー
ムポートにおける信号分布ｆ（ｘ）とがＦＦＴの関係に
なるように振幅値を設定するためには増幅器に限らず例
えば減衰器などレベル調整器であればよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の円形ア
レーアンテナはマトリクス回路と固定位相器によって構
成され、電力分配回路や可変位相器等の可変デバイスや
複雑なビーム制御を必要としない。したがって回路構成
も比較的簡易であり、可変デバイスを制御するための回
路等も必要としないため、アンテナの低価格化が可能で
ある。マルチビームも簡単に構成することができる。ま
た、この発明はビームの共通増幅を行うことに適した構
造となっており、アレーアンテナ素子が接続された上段
マトリクス回路と、もう一方の給電端子が接続された下
段マトリクス回路の間に増幅器を配置することで容易に
共通増幅機能を持たせることが可能となる。

【００２９】また、請求項２の発明によればアンテナを
構成する回路の要素の削減が可能であり、請求項４の発
明によれば増幅器を用いて信号増幅する場合において
も、増幅器を高い効率で使うことが可能であると同時
に、１種類の増幅器を用いれば良いため低価格化に有効
である。また各々のポートに接続された増幅器の特性が
均一になることから、安定したビーム形成が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態を示す図。

【図２】この発明の実施形態におけるマトリクス回路２
３の信号分布の例を示す図。

【図３】この発明の実施形態におけるマトリクス回路２
３の信号分布の他の例を示す図。

【図４】この発明の実施例１を示す図。

【図５】実施例１におけるマトリクス回路２３の信号分
布の例を示す図。

【図６】実施例１のアンテナのビームパターンを示す
図。

【図７】この発明の実施例２および実施例３を示す図。

【図８】実施例２におけるマトリクス回路２３の信号分
布の例を示す図。

【図９】実施例２のアンテナのビームパターンの例を示
す図。

【図１０】実施例３におけるマトリクス回路２３の信号
分布の例を示す図。

【図１１】実施例３のアンテナのビームパターンの例を
示す図。

【図１２】円形アレーアンテナの例を示す図。

【図１３】従来の円形アレーアンテナを示す図。

【図１４】図１３に示した従来の円形アレーアンテナの
ビームパターンを示す図。

【図１５】従来の円形アレーアンテナの他の例を示す
図。

【図１６】図１５に示した従来の円形アレーアンテナに
おけるマトリクス回路１４の信号分布を示す図。

【図１７】図１５に示した従来の円形アレーアンナテに
おけるマトリクス回路１４の信号分布の他の例を示す
図。

【図１８】図１５に示した従来の円形アレーアンテナに
おけるマトリクス回路１４の信号分布の更に他の例を示
す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀 俊和 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA08 CA06 DB03 EA04 FA05 FA26 GA02 HA02 HA05 HA10

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３６０度／Ｎ（Ｎは４以上の整数）の等
   角度で円形上に配置されたＮ個のアンテナ素子とＮポー
   トのＦＦＴ（高速フーリエ変換）回路として動作する第
   １および第２マトリクス回路と、 前記Ｎ個のアンテナ素子と前記第１マトリクス回路の一
   方のＮポートとの間に接続され、ｉ番目（ｉ＝１，２，
   …，Ｎ，Ｎ＋１＝１）のポートとアンテナ素子の間の位
   相差をΨ_i とすると、Ψ_i+1 −Ψ_i ＝１８０度／Ｎある
   いは−１８０度／Ｎとなる位相付与手段と、 前記第１マトリクス回路の他方のＮポートと、前記第２
   マトリクス回路の一方のＮポートとの対応するものとの
   間にそれぞれ接続され、前記アンテナ素子が円形上に配
   置されたことに基づく行路差を補正するＮ個の固定位相
   器と、を具備することを特徴とする円形アレーアンテ
   ナ。
2. 【請求項２】 ３６０度／Ｎ（Ｎは４以上の整数）の等
   角度で円形上に配置されたＮ個のアンテナ素子と、 ＮポートのＦＦＴ（高速フーリエ変換）回路として動作
   する第１および第２マトリクス回路と、 前記Ｎ個のアンテナ素子と前記第１マトリクス回路の一
   方のＮポートとの間に接続され、ｉ番目（ｉ＝１，２，
   …，Ｎ，Ｎ＋１＝１）のポートとアンテナ素子の間の位
   相差をΨ_i とすると、Ψ_i+1 −Ψ_i ＝１８０度／Ｎある
   いは−１８０度／Ｎとなる位相付与手段と、 前記第１マトリクス回路の他方のＮポート中の１ポート
   を除いたＮ−１と、前記第２マトリクス回路の一方のＮ
   ポートとの対応するものとの間にそれぞれ接続され、前
   記アンテナ素子が円形上に配置されたことに基づく行路
   差を補正するＮ−１個の固定位相器とを具備する円形ア
   レーアンテナ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のアンテナにおい
   て、 前記固定位相器とそれぞれ直列に挿入され、前記第１マ
   トリクスの前記アンテナ素子側のポートにおいて実現し
   ようとする信号分布と、前記固定位相器側のポートにお
   ける信号分布との間に高速フーリエ変換の関係を成立さ
   せる振幅値をそれぞれ与える複数の増幅器を備えること
   を特徴とする円形アレーアンテナ。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載のアンテナにおい
   て、 前記固定位相器とそれぞれ直列に挿入され、同一利得の
   複数の増幅器を備えることを特徴とする円形アレーアン
   テナ。