JP2004147130A - 同期信号発生装置及び方法、アンテナ装置、無線送信機、無線受信機、並びに無線通信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】伝送線路に沿って設けられる発振器を自由な位置や間隔で配置することができる同期信号発生装置及び方法を提供する。
【解決手段】基準発振器１に接続された一端と、伝送線路１０の特性インピーダンスと一致しないインピーダンスを有する負荷２に接続された他端とを有する伝送線路１０において、発生される注入基準信号の定在波１１を検出するために、複数Ｎ個のプローブ２１−１乃至２１−Ｎが設けられる。各発振器２０−１乃至２０−Ｎは、各プローブ２１−１乃至２１−Ｎにそれぞれ接続され、検出された定在波に基づいて注入同期して発振し、注入基準信号に注入同期した注入同期信号を発生する。
【選択図】 図１
【解決手段】基準発振器１に接続された一端と、伝送線路１０の特性インピーダンスと一致しないインピーダンスを有する負荷２に接続された他端とを有する伝送線路１０において、発生される注入基準信号の定在波１１を検出するために、複数Ｎ個のプローブ２１−１乃至２１−Ｎが設けられる。各発振器２０−１乃至２０−Ｎは、各プローブ２１−１乃至２１−Ｎにそれぞれ接続され、検出された定在波に基づいて注入同期して発振し、注入基準信号に注入同期した注入同期信号を発生する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、注入同期発振器を用いた同期信号発生装置及び方法、並びに、それぞれ上記同期信号発生装置を用いたアンテナ装置、無線送信機、無線受信機及び無線通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アクティブアンテナは、位相制御された発振器をアンテナ素子毎に分散配置したアレーアンテナである。特許文献１及び２や非特許文献１において、その従来例が開示されている。アクティブアンテナは、複雑な給電回路や高周波ビームフォーミングネットワークを必要としないので、放射効率の高いフェーズドアレーアンテナを構成できる。例えば、非特許文献１において、直列給電によるビーム走査アンテナが開示されている。
【０００３】
非特許文献１記載の従来例のアクティブアンテナにおいて、電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという。）と、ＦＥＴのドレイン端子からゲート端子への帰還回路とにより発振器を構成し、当該アクティブアンテナは、当該発振器と、帰還回路内に直列に挿入されたパッチアンテナと、基準信号を伝送する伝送線路と、帰還回路及び伝送線路に直列に挿入された方向性結合器とにより構成されている。このアクティブアンテナにおいては、上記伝送線路上を進行波として伝搬する基準信号を、方向性結合器を用いて、当該基準信号の管内波長λｇの整数ｍ倍間隔で直列に取り出し、アンテナ素子毎に設けられた発振器回路への注入基準信号として用いている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１１１６３６号
【特許文献２】
特開２００１−３２０２３１号
【非特許文献１】
Ｈｉｄｅｈｉｓａ Ｓｈｉｏｍｉ ｅｔ ａｌ．， ”Ｑｕａｓｉ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｔｃｈ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ａｎｔｅｎｎａ Ａｒｒａｙ，”１９９７ Ａｓｉａ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｐｐ． ９４５−９４８， Ｈｏｎｇ−Ｋｏｎｇ， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９７
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１及び非特許文献１においては、伝送線路を進行波として伝搬する基準信号を取り出す地点の間隔は管内波長の整数倍ｍ×λｇ毎の１点に限定されるため、発振器間の物理長と動作周波数、アンテナ素子間隔、ビーム形成方向を独立に設定できず、以下のような問題点が発生する。
（１）アンテナ素子間隔が制限される。
（２）ビームスキャン時に周波数が変化する。
（３）逆に周波数が変化するとビーム方向が変化する。
【０００６】
従って、特に、通信用途のアダプティブアレーアンテナへの適用が困難になるという問題点があった。これにより、伝送線路を伝搬する基準信号を取り出す地点、基準信号が注入される発振器、及び上記発振器に接続されたアンテナ素子を配置する位置を自由に決めることができなかった。
【０００７】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、伝送線路に沿って設けられる発振器を自由な位置や間隔で配置することができる同期信号発生装置及び方法を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の別の目的は、それぞれ当該同期信号発生装置を用いたアンテナ装置、無線送信機、無線受信機及び無線通信装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る同期信号発生装置は、基準信号を発生する基準信号発生手段が接続された一端と、伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する負荷が接続された他端とを有する伝送線路と、
上記伝送線路に発生する定在波を検出する少なくとも１つの定在波検出手段と、
上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号を発生する少なくとも１つの発振器手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
第２の発明に係る同期信号発生装置は、基準信号を発生する基準信号発生手段が接続された一端と、伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する負荷が接続された他端とを有する伝送線路と、
互いに異なる定在波の腹部又はその近傍の位置に設けられ、上記伝送線路に発生する定在波をそれぞれ検出する複数の定在波検出手段と、
上記各定在波検出手段に接続され、上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号をそれぞれ発生する複数の発振器手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
第３の発明に係る同期信号発生装置は、基準信号を発生する基準信号発生手段と、
上記基準信号発生手段に接続された一端と、伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する各負荷が接続された他端とをそれぞれ有する複数の伝送線路と、
上記各伝送線路に設けられ、互いに異なる定在波の腹部又はその近傍の位置に設けられ、上記伝送線路に発生する定在波をそれぞれ検出する複数の定在波検出手段と、
上記各伝送線路に設けられた上記各定在波検出手段に接続され、上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号をそれぞれ発生する複数の発振器手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
上記同期信号発生装置において、上記複数の定在波検出手段と、それらに対応して接続された複数の発振器手段とは２次元形状で設けられたことを特徴とする。
【００１３】
また、上記同期信号発生装置において、上記各伝送線路は、中空の直方体形状キャビティ筐体内において電気壁により仕切られた矩形導波管であることを特徴とする。
【００１４】
第４の発明に係る同期信号発生方法は、基準信号を発生する基準信号発生手段が接続された一端を有する伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する負荷を、上記伝送線路の他端に接続することと、
上記伝送線路に発生する定在波を検出することと、
上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号を発生することとを含むことを特徴とする。
【００１５】
第５の発明に係るアンテナ装置は、上記同期信号発生装置と、
上記各発振器手段に接続された少なくとも１つのアンテナ素子とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
上記アンテナ装置において、上記定在波検出手段と、上記発振器手段と、アンテナ素子とを１組のアンテナ回路とする複数組のアンテナ回路を、上記伝送線路の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、上記伝送線路の片側において定在波の腹部の１つ置きに配置したことを特徴とする。
【００１７】
もしくは、上記アンテナ装置において、上記定在波検出手段と、上記発振器手段と、アンテナ素子とを１組のアンテナ回路とする複数組のアンテナ回路を、上記伝送線路の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、上記伝送線路の両側において定在波の腹部に対して交互に配置したことを特徴とする。
【００１８】
第６の発明に係る無線送信機は、上記同期信号発生装置と、
入力される中間周波信号を複数の中間周波信号に同相分配して出力する同相分配手段と、
上記同相分配手段から出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけそれぞれ移相して出力する複数の移相手段と、
上記各移相手段からそれぞれ出力される各中間周波信号と、上記各移相手段に対応した上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力する複数の混合手段と、
上記各混合手段から出力される各混合信号を、送信周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して送信する複数の第１のろ波手段とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
第７の発明に係る無線受信機は、上記同期信号発生装置と、
受信された無線信号と、上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力する複数の混合手段と、
上記各混合手段から出力される各混合信号を、受信周波数帯に対応する中間周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して各中間周波信号として出力する複数の第２のろ波手段と、
上記各第２のろ波手段からそれぞれ出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけそれぞれ移相して出力する複数の移相手段と、
上記各移相手段から出力される各中間周波信号を同相合成して出力する同相合成手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
第８の発明に係る無線通信装置は、上記同期信号発生装置と、同相分配合成手段と、複数の移相手段と、複数の混合手段と、複数の第１のろ波手段と、複数の第２のろ波手段とを備えた無線通信装置であって、
送信時において、
上記同相分配合成手段は、入力される中間周波信号を複数の中間周波信号に同相分配して出力し、
上記複数の移相手段はそれぞれ、上記同相分配手段から出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけ移相して出力し、
上記複数の第２のろ波手段は、上記各移相手段から出力される各中間周波信号を、送受信周波数帯に対応する中間周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して出力し、
上記複数の混合手段は、上記各第２のろ波手段からそれぞれ出力される各中間周波信号と、上記各移相手段に対応した上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力し、
上記複数の第１のろ波手段は、上記各混合手段から出力される各混合信号を、送受信周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して送信し、
受信時において、
上記複数の第１のろ波手段は、受信された無線信号を、上記送受信周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して出力し、
上記複数の混合手段は、上記各第１のろ波手段から出力される各無線信号と、上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力し、
上記複数の第２のろ波手段は、上記各混合手段から出力される各混合信号を、上記中間周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して各中間周波信号として出力し、
上記複数の移相手段は、上記各第２のろ波手段からそれぞれ出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけそれぞれ移相して出力し、
上記同相分配合成手段は、上記各移相手段から出力される各中間周波信号を同相合成して出力することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下の図面において、同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る同期信号発生装置１００の構成を示すブロック図である。この実施形態に係る同期信号発生装置１００は、
（ａ）自由空間波長λ０の注入基準信号を発生する基準発振器１と、
（ｂ）インピーダンスＺを有する負荷２と、
（ｃ）基準発振器１に接続された一端と、負荷２に接続された他端とを有する伝送線路１０と、
（ｄ）伝送線路１０において発生される注入基準信号の定在波１１を検出する複数Ｎ個のプローブ２１−１乃至２１−Ｎ（以下、総称してプローブ２１と表記する。）と、
（ｅ）各プローブ２１−１乃至２１−Ｎにそれぞれ接続され、検出された定在波に基づいて注入同期して発振し、注入基準信号に注入同期した注入同期信号を発生する発振器２０−１乃至２０−Ｎ（以下、総称して発振器２０と表記する。）とを備えて構成したことを特徴としている。
【００２３】
図１において、伝送線路１０は、例えば、１対の導線１０ａ，１０ｂからなり、所定の特性インピーダンスＺ０を有する平衡型伝送線路であって、その一端の端子Ｐ１，Ｐ２には基準発振器１が接続される一方、その他端の端子Ｐ３，Ｐ４には負荷２が接続される。従って、基準発振器１は注入基準信号を発生して伝送線路１０に出力する。ここで、負荷２のインピーダンスＺは、詳細後述するように、伝送線路１０において周期λｇ／２（λｇは伝送線路１０における管内波長である。）の定在波１１が発生するように、伝送線路１０の特性インピーダンスＺ０に一致しないように設定され、例えば、伝送線路１０の他端は短絡又は開放であってもよい。ここで、伝送線路１０の他端におけるＶＳＷＲは、例えば、３以上であることが好ましく、より好ましくは４以上であることが好ましく、さらに好ましくは６以上であることが好ましい。また、複数Ｎ個のプローブ２１−１乃至２１−Ｎは、伝送線路１０の伝送方向である長手方向に沿ってかつ伝送線路１０に近接して電磁的に結合するように所定の間隔ｄで並置され、各プローブ２１−１乃至２１−Ｎはそれぞれ、伝送線路１０上の定在波を検出してその高周波信号を発振器２０−１乃至２０−Ｎに出力する。さらに、各発振器２０−１乃至２０−Ｎは、所定の自由発振周波数で自励発振する自励発振器であり、所定の同期周波数範囲を有する注入同期発振器であり、入力される定在波の高周波信号に注入同期して発振し、上記基準信号に注入同期した注入同期信号を発生してそれぞれ負荷装置２２−１乃至２２−Ｎに出力する。なお、注入基準信号の周波数は、各発振器２０−１乃至２０−Ｎの同期周波数範囲内で予め選択される。また、負荷装置２２−１乃至２２−Ｎは、例えば、高周波信号を放射するアンテナ素子である。
【００２４】
以上のように構成された同期信号発生装置１００において、負荷２のインピーダンスＺは、伝送線路１０の特性インピーダンスＺ０とは次式となるように、すなわち、不整合状態となるように選択されて設定されている。
【数１】
Ｚ≠Ｚ０
【００２５】
基準発振器１が発生した注入基準信号は伝送線路１０をその伝送方向に沿って伝搬し、伝送線路１０に対して不整合になっている終端の負荷２によって反射され、これにより、伝送線路１０において、端子Ｐ１，Ｐ２の入力端から端子Ｐ３，Ｐ４の終端側に向う注入基準信号の進行波と、端子Ｐ３，Ｐ４の終端側から端子Ｐ１，Ｐ２の入力端に向うその反射波とが発生し、この２つの波の合成波である定在波１１が伝送線路１０上に発生する。ここで、互いに等間隔ｄで並置された各プローブ２１はそれぞれ、伝送線路１０上の注入基準信号の定在波１１を検出し、検出した定在波１１の注入基準信号をそれぞれ各発振器２０に入力することにより注入同期させる。各発振器２０の同期位相は各プローブ２１により検出される注入基準信号の位相から決まるので、各プローブ２１は、詳細後述するように、同相又は逆相で同期できる同期領域に配置される。
【００２６】
なお、プローブ２１の代わりに方向性結合器を用いることはできない。方向性結合器では、伝送線路１０上の進行波又は反射波のみが検出されて発振器２０への注入信号となるので、本発明に係る作用効果は得られないからである。また、本実施形態において、複数のプローブ２１を等間隔ｄで並置しているが、本発明はこれに限らず、等間隔ｄで並置する必要はなく、少なくとも上記同期領域に配置すればよい。
【００２７】
インピーダンスＺを有する負荷２によって終端された、実質的に無損失である伝送線路１０上に発生する進行波と反射波をそれぞれΓｅ−ｊβｚ，Γｅｊβｚとおき、図１において伝送線路１０の右端の反射端の位置をｚ＝０としたとき、伝送線路１０上の位置ｚにあるプローブ２１により検出される定在波１１の注入基準信号の振幅｜Ｅ（ｚ）｜と位相φはそれぞれ次式で表される。
【００２８】
【数２】
【数３】
【数４】
【００２９】
ここで、
【数５】
は反射係数であり、
【数６】
の関係にある。
【００３０】
図２と図３は、基準発振器１から伝送線路１０を見たときの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）をパラメータとして、注入基準信号の管内波長λｇで正規化された伝送線路１０上の伝送方向の位置ｚに対する注入基準信号の振幅｜Ｅ（ｚ）｜と位相φとをそれぞれ数２及び数３を用いて計算した結果を示すグラフである。
【００３１】
まず、ＶＳＷＲが無限大のとき、すなわち、伝送線路１０の右端において全反射するときを考える。図３から明らかなように、定在波１１の位相φは、ｍを任意の自然数とし、２πを法として、次の関係を満たす。
【００３２】
【数７】
【００３３】
ここで、各プローブ２１から所定の信号振幅を有する同相又は逆相の注入基準信号が得られる領域を「同期領域」と定義する。ＶＳＷＲが無限大の場合、定在波１１の節の部分では信号振幅が非常に小さくなるのでプローブ２１を配置できない。例えば、信号振幅が信号の腹（又はピーク）の位置の振幅の１０％以上である領域を同期領域（腹部とその近傍の領域）とすると、同期領域に含まれる位置ｚは、ｍを任意の自然数として、次の不等式を満たす。
【００３４】
【数８】
−０．４８４×λｇ―（ｍ−１）×λｇ／２
＜ｚ＜−０．０１６×λｇ−（ｍ−１）×λｇ／２
【００３５】
図４は、各プローブ２１−１乃至２１−Ｎにおける、互いに隣接するプローブ２１の間隔ｄと、伝送線路１０上の定在波１１との関係を説明するためのブロック図であり、図４において、図１の負荷装置２２−１乃至２２−Ｎは省略されている。定在波１１上の同期領域の幅をＬで表し、同期領域に含まれない領域（以下、不可同期領域という。）の幅をａで表す。上記数８の例では、同期領域幅Ｌ＝０．４６８×λｇであり、不可同期領域幅ａ＝０．０１６である。また、δは、プローブ２１の間隔ｄと伝送線路１０上の定在波１１の半波長分の長さλｇ／２との差である。本実施形態のように、プローブ２１、発振器２０、及びアンテナ素子（図示せず。）を等間隔ｄの直線アレー状に配列する場合、アンテナ素子間隔を直接に決定するプローブ２１の間隔ｄが取りうる範囲は、自由空間に対する伝送線路１０上の伝搬速度比ξと定在波１１上の同相領域幅Ｌとにより制限され、次の不等式を満たす必要がある。
【００３６】
【数９】
【００３７】
ここで、ｐは、互いに隣接するプローブ２１間に存在する、定在波１１の節の数であり、
【数１０】
λｇ＝ξ×λ０
は、伝送線路１０を伝搬する電波の波長、すなわち、注入基準信号の管内波長である。
【００３８】
また、アンテナの素子数（すなわち、発振器２０及びプローブ２１の個数）Ｎも同様に制限される。もし、数９の項ｄ／λ０とｐ×ξ／２の差が蓄積されて、自由空間波長で正規化された同相領域幅Ｌ／λ０以上になると、発振器２０−１乃至２０−Ｎが同期状態を保持できなくなる。従って、アンテナの素子数Ｎは、次の不等式を満たす素子数でなければならない。
【００３９】
【数１１】
【００４０】
図５は、図１の伝送線路１０上の定在波１１が、同相領域と逆相領域とを含むことを説明するためのブロック図である。ここで、プローブ２１間の定在波１１の節の数ｐが奇数の場合、図５に示す定在波１１の位相関係から、互いに隣接するプローブ２１で検出される２つの信号は逆相で同期し、互いに隣接するプローブ２１間の定在波１１の節の数ｐが偶数の場合、互いに隣接するプローブ２１で検出される２つの信号は同相で同期する。従って、発振器２０を同相で注入同期させるために、逆相状態になった発振器２０には位相反転手段を用いて入力信号を反転することが好ましい。
【００４１】
図６（ａ）は互いに隣接するプローブ２１間の定在波１１の節の数ｐが奇数のときのプローブ２１の配置の一例を示すブロック図であり、図６（ｂ）は互いに隣接するプローブ２１間の定在波１１の節の数ｐが偶数のときのプローブ２１の配置の一例を示すブロック図であり、図６において、図１の負荷装置２２−１乃至２２−Ｎは省略されている。図６（ａ）及び（ｂ）の配置は、位相反転手段を用いることなく各発振器２０を同相で注入同期するための配置である。
【００４２】
図６に示すように、導線１０ａ，１０ｂにてなる平衡型伝送線路である伝送線路１０を用いた場合で考える。図６（ａ）のように、プローブ間隔ｄの条件に従って、プローブ間の定在波１１の節の数ｐが奇数のとき、プローブ２１−２，２１−４，…，２１−２ｎ，…と、それに隣接するプローブ２１−１，２１−３，…，２１−（２ｎ＋１），…とが、定在波１１の互いに逆相の同期領域において並置されるときは、プローブ２１−１，２１−３，…，２１−（２ｎ＋１），…を伝送線路１０上に発生する反射波の反射方向に向って、伝送線路１０の右側に並置する一方、プローブ２１−２，２１−４，…，２１−２ｎ，…を上記反射波の反射方向に向って、伝送線路１０の左側に並置することにより、各発振器２０にはそれぞれ注入基準信号が同相で注入同期される。すなわち、プローブ２１及び発振器２０が、伝送線路１０の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、伝送線路１０の両側において定在波の腹部に対して交互に配置している。
【００４３】
また、図６（ｂ）のように、プローブ間隔ｄの条件に従って、プローブ間の定在波１１の節の数ｐが偶数のときは、各プローブ２１−１，２１−２，…，２１−ｎ，…を上記反射波の反射方向に向って、例えば、伝送線路１０の右側（左側であってもよい）に並置することによって、各発振器２０にはそれぞれ注入基準信号が同相で注入同期される。すなわち、プローブ２１及び発振器２０が、伝送線路１０の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、伝送線路１０の片側において定在波の腹部の１つ置きに配置している。
【００４４】
実際には、伝送線路１０の損失や発振器２０への信号注入などの影響で基準発振器１の端子から伝送線路１０を見たときの伝送線路１０のＶＳＷＲは有限の値を持ち、位相誤差δφが発生し、当該位相誤差δφはＶＳＷＲが無限大のときの注入基準信号の位相からの誤差である。ここで、位相誤差の許容量（すなわち最大値）をΔφとすると、次の不等式を満たすような伝送線路１０上の位置ｚの範囲を同期領域とする。
【００４５】
【数１２】
｜δφ｜＜Δφ
【００４６】
図３においては、ｎを自然数として、次の不等式を満たす位置ｚの範囲が同期領域である。
【００４７】
【数１３】
｜φ｜＜（ｎ−１）π±δφ
【００４８】
図７は、図１の伝送線路１０上の定在波１１の位相誤差の許容量Δφに対する、伝送線路１０上の正規化された同期領域幅Ｌ／λ０を示すグラフである。図７のグラフは、ＶＳＷＲを変化させたときの位相誤差の許容量Δφと同期領域幅Ｌとの関係を数３を用いて計算した結果である。数３及び図７から明らかなように、また、後述の表１から、一般にＶＳＷＲを大きくするか、もしくは、位相誤差の許容量Δφを大きくすれば同期領域幅Ｌは大きくなることがわかる。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態の同期信号発生装置１００によれば、基準発振器１に接続された一端と、負荷２に接続された他端とを有する伝送線路１０と、伝送線路１０において発生される注入基準信号の定在波１１を検出する複数Ｎ個のプローブ２１−１乃至２１−Ｎと、各プローブ２１−１乃至２１−Ｎにそれぞれ接続され、検出された定在波に基づいて注入同期して発振し、注入基準信号に注入同期した注入同期信号を発生する発振器２０−１乃至２０−Ｎとを備えて構成したので、定在波１１を検出するプローブ２１及びそれに接続される発振器２０をより自由な位置や間隔で並置することができる。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示すブロック図であり、図８において、発振器２０−１−１乃至２０−Ｎ−４に接続される負荷装置は省略されている。この実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置は基準発振器１と４個の同期信号発生装置１００−１乃至１００−４とを備えたことを特徴としている。
【００５１】
図８において、基準発振器１からの注入基準信号を端子Ｐ９，Ｐ１０において２分配し、２分配した注入基準信号の一方を端子Ｐ５，Ｐ６においてさらに２分配した後、伝送線路１０−１及び１０−２に出力するとともに、端子Ｐ９，Ｐ１０において２分配した注入基準信号の他方を端子Ｐ７，Ｐ８においてさらに２分配した後、伝送線路１０−３及び１０−４に出力する。
【００５２】
伝送線路１０−１においては、基準発振器１からの注入基準信号が端子Ｐ１−１，Ｐ２−１を介して伝送線路１０−１に入力され、伝送線路１０−１の特性インピーダンスは負荷２−１のインピーダンスとは一致しないように設定されているので、伝送線路１０−１において定在波１１−１が発生する。伝送線路１０−１の伝送方向に沿って電磁的に結合するようにその同期領域において並置されたプローブ２１−１−１乃至２１−Ｎ−１はそれぞれ定在波１１−１を検出して各発振器２０−１−１乃至２０−Ｎ−１に出力して、当該発振器２０−１−１乃至２０−Ｎ−１を定在波１１−１の注入基準信号により注入同期させ、当該注入同期信号を発生して出力する。
【００５３】
また、伝送線路１０−２においては、伝送線路１０−１と同様に、基準発振器１からの注入基準信号が端子Ｐ１−２，Ｐ２−２を介して伝送線路１０−２に入力され、伝送線路１０−２の特性インピーダンスは負荷２−２のインピーダンスとは一致しないように設定されているので、伝送線路１０−２において定在波１１−２が発生する。伝送線路１０−２の伝送方向に沿って電磁的に結合するようにその同期領域において並置されたプローブ２１−１−２乃至２１−Ｎ−２はそれぞれ定在波１１−２を検出して各発振器２０−１−２乃至２０−Ｎ−２に出力して、当該発振器２０−１−２乃至２０−Ｎ−２を定在波１１−２の注入基準信号により注入同期させ、当該注入同期信号を発生して出力する。
【００５４】
さらに、伝送線路１０−３及び１０−４において、伝送線路１０−１及び１０−２と同様に構成され、同様に動作する。
【００５５】
以上のように構成された２次元アレー型同期信号発生装置においては、プローブ２１−１−１乃至２１−Ｎ−４を２次元で配列することができるとともに、発振器２０−１−１乃至２０−Ｎ−４の直線状アレーと基準発振器１の間の伝送距離が最も短くなる構成で、給電回路の損失を防止し、進行波と反射波の振幅差を小さくすることでＶＳＷＲを大きく保ち、同期領域の範囲を広くできるほか、周波数帯域が広くなるという特有の作用効果を有する。
【００５６】
＜第３の実施形態＞
図９は、本発明の第３の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示すブロック図である。この実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置は基準発振器１と８個の同期信号発生装置１００−５乃至１００−１２とを備えたことを特徴としている。図８に図示された第２の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置においては、注入基準信号を放射状に（スター形状で）４分配して４つの伝送線路１０−１乃至１０−１４に出力しているが、この第３の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置は、注入基準信号を放射状に（スター形状で）８分配して８つの伝送線路１０−５乃至１０−１２に出力している。
【００５７】
以上のように構成された２次元アレー型同期信号発生装置においては、プローブ２１−１−１乃至２１−Ｎ−４を２次元で配列することができるとともに、発振器２０−１−１乃至２０−Ｎ−４の直線状アレーと基準発振器１の間の伝送距離が最も短くなる構成で、給電回路の損失を大幅に軽減することができ、進行波と反射波の振幅差を小さくすることでＶＳＷＲを大きく保ち、同期領域の範囲を広くできるほか、周波数帯域が広くなるという特有の作用効果を有する。
【００５８】
＜第４の実施形態＞
図１０は本発明の第４の実施形態に係る、キャビティ筐体６０を用いて構成された２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示す図であって、図１１のＡ−Ａ’線に沿って破断したときの一部破断斜視図であり、図１１は図１０の２次元アレー型同期信号発生装置の上面図であり、図１２は図１０の２次元アレー型同期信号発生装置の下面図である。なお、図１０はキャビティ筐体６０の半分の部分のみを破断して図示している。この第４の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置は、同期信号発生装置のために伝送線路として、中空の直方体形状キャビティ筐体６０内において、横断面が十字形状である電気壁６１（図１０及び図１１参照）により仕切られた矩形導波管を用いたことを特徴としている。
【００５９】
図１０において、金属にてなる中空の直方体形状を有するキャビティ筐体６０の下面中央部に配置されたプローブ２１ａ（図１２参照）を介して基準発振器１から注入基準信号を出力することにより、キャビティ筐体６０内で定在波１１ａを発生して励振する一方、図１１に示すように、キャビティ筐体６０の上面において、キャビティ筐体６０の辺に平行な直交座標の仮想的な格子点において、互いに等間隔で２次元形状で、上記定在波１１ａを検出するプローブ２１が接続された複数の発振器２０が並置されている。
【００６０】
以上のように構成された２次元アレー型同期信号発生装置において、基準発振器１からの注入基準信号をキャビティ筐体６０内に注入することにより、キャビティ筐体６０内部の縦方向及び横方向に、注入基準信号の２次元の定在波１１ａが発生し、さらに、定在波１１ａの節の部分に選択的に電気壁６１を設けることで、所望の伝送モードで励振することができる。ここで、各電気壁６１は、図１０及び図１１に示すように、横断面において十字形状を有し、各電気壁６１によりキャビティ筐体６０の各辺に対して平行となる伝送方向を有する複数の矩形導波管を形成できる。そして、複数のプローブ２１により定在波１１ａを検出してそれぞれ各発振器２０に入力することにより注入同期させ、注入同期信号を発生させる。当該２次元アレー型同期信号発生装置においては、給電構造が簡単で、直接に２次元の定在波１１ａを発生させるため、基準発振器１と各発振器２０の距離が近く、これにより、給電回路の損失を大幅に軽減することができ、進行波と反射波の振幅差を小さくすることでＶＳＷＲを大きく保ち、同期領域の範囲を広くできるほか、周波数帯域が広くなるという特有の作用効果を有する。
【００６１】
＜第５の実施形態＞
図１３は本発明の第５の実施形態に係る、マイクロストリップ線路３５を伝送線路とするアレーアンテナ装置１１０の構成を示す斜視図である。この実施形態に係るアレーアンテナ装置１１０は、同期信号発生装置の伝送線路としてマイクロストリップ線路３５を用い、各発振器２０の負荷装置として矩形のパッチ導体２３−１乃至２３−（ｎ＋１），…で構成されたパッチアンテナを用い、互いに隣接するプローブ間の定在波の節の数ｐが奇数個の場合の装置であり、マイクロストリップ線路３５に接続される基準発振器１及び負荷２の図示を省略している。
【００６２】
図１３において、アレーアンテナ装置１１０は、表面と裏面の全面に金属導体層が形成された誘電体基板３０の表面に、プリント配線基板の製作に係る公知のエッチング技術等を用いて、マイクロストリップ導体３２と、アンテナの放射素子となるパッチ導体２３−１乃至２３−（ｎ＋１），…とを形成し、さらに、誘電体基板３０の表面上に、各パッチ導体２３−１乃至２３−（ｎ＋１），…に接続された発振器２０−１乃至２０−（ｎ＋１），…とプローブ２１−１乃至２１−（ｎ＋１），…を設けることによって製造される。誘電体基板３０の裏面の金属導体層は接地導体３１となる。ここで、誘電体基板３０を挟設する接地導体３１とマイクロストリップ導体３２とにより、マイクロストリップ線路３５を構成し、当該マイクロストリップ線路３５は注入基準信号を伝送するための伝送線路として用いられる。
【００６３】
以上のように構成されたアレーアンテナ装置１１０においては、プローブ２１−１と発振器２０−１とパッチ導体２３−１とにより１組のアンテナ回路７０−１を構成し、プローブ２１−２と発振器２０−２とパッチ導体２３−２とにより１組のアンテナ回路７０−２を構成し、以下同様にして、プローブ２１−ｎと発振器２０−ｎとパッチ導体２３−ｎとにより１組のアンテナ回路７０−ｎを構成している（ｎ＝３，４，…，２ｎ，２ｎ＋１，…）。そして、これら複数組のアンテナ回路７０−１，７０−２，…，７０−（２ｎ＋１），…は、伝送線路であるマイクロストリップ線路３５の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、マイクロストリップ線路３５の両側において定在波の腹部に対して交互に配置している。
【００６４】
この場合、プローブ２１−２，２１−４，…，２１−２ｎ，…と、隣接するプローブ２１−１，２１−３，…，２１−（２ｎ＋１），…とは、マイクロストリップ線路３５に発生される定在波の互いに逆相の同期領域において配置され、すなわち、発振器２０−２，…，２０−２ｎ，…と発振器２０−１，…，２０−（２ｎ＋１），…とが互いに逆相で同期している一方、パッチ導体２３−２，…，２３−２ｎ，…の各給電点は、パッチ導体２３−１，…，２３−（２ｎ＋１），…の各給電点とは逆相給電になるような位置に設けられる。従って、互いに逆相で同期した発振器２０−２，…，２０−２ｎ，…と発振器２０−１，…，２０−（２ｎ＋１），…との出力を、各パッチ導体２３−２，…，２３−２ｎ，…及び２３−１，…，２３−（２ｎ＋１），…の互いに逆相の各給電点から給電することで、当該各パッチアンテナから放射される電波又は各パッチアンテナで受信される電波は同相になる。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態によれば、より小さい面積の誘電体基板３０上において、本発明に係る同期信号発生装置を用いて、位相反転手段を用いないで、同相で直線偏波の電波を放射可能な複数組のアンテナ回路７０−１，７０−２，…，７０−（２ｎ＋１），…を２次元形状で配置することにより、小型・軽量化してなるアレーアンテナ装置１１０を構成できる。
【００６６】
＜第６の実施形態＞
図１４は、本発明の第６の実施形態に係る、マイクロストリップ線路３５を伝送線路とするアレーアンテナ装置１２０の構成を示す斜視図である。この第６の実施形態に係るアレーアンテナ装置１２０は、図１３に図示されたアレーアンテナ装置１１０に比較して、図８のパッチ導体２３−１，２３−２，…，２３−（２ｎ＋１），…に代わって、正方形の１対の対角にそれぞれ切欠部２５ａ及び２５ｂを有するパッチ導体２４−１，２４−２，…，２４−（２ｎ＋１），…を備え、円偏波の電波を放射するように構成したことを特徴としている。以下、相違点について詳細説明する。
【００６７】
図１４において、各パッチ導体２４−１，２４−２，…，２４−（２ｎ＋１），…上の切欠部２５ａ及び２５ｂは、パッチアンテナのための縮退分離素子として動作し、パッチ導体２４−１，２４−２，…，２４−（２ｎ＋１），…上の直交する２つのモードが互いに９０度異なる位相を有するように、正方形形状のパッチ導体２４−１，２４−２，…，２４−（２ｎ＋１），…から切り取られる。このとき、縮退分離素子である切欠部２５ａ及び２５ｂは、互いに逆相で給電されるパッチ導体２４−２，…，２４−２ｎ，…とパッチ導体２４−１，…，２４−（２ｎ＋１），…との両方に対して、図１３と同様の位置関係で形成されることで、当該パッチアンテナから放射される電波又はパッチアンテナで受信される電波は同相になる。
【００６８】
以上のように構成されたアレーアンテナ装置１２０においては、プローブ２１−１と発振器２０−１とパッチ導体２４−１とにより１組のアンテナ回路７１−１を構成し、プローブ２１−２と発振器２０−２とパッチ導体２４−２とにより１組のアンテナ回路７１−２を構成し、以下同様にして、プローブ２１−ｎと発振器２０−ｎとパッチ導体２４−ｎとにより１組のアンテナ回路７１−ｎを構成している（ｎ＝３，４，…，２ｎ，２ｎ＋１，…）。そして、これら複数組のアンテナ回路７１−１，７１−２，…，７１−（２ｎ＋１），…は、伝送線路であるマイクロストリップ線路３５の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、マイクロストリップ線路３５の両側において定在波の腹部に対して交互に配置している。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態によれば、より小さい面積の誘電体基板３０上において、本発明に係る同期信号発生装置を用いて、位相反転手段を用いないで、同相で円偏波の電波を放射可能な複数組のアンテナ回路７１−１，７１−２，…，７１−（２ｎ＋１），…を２次元形状で配置することにより、小型・軽量化してなるアレーアンテナ装置１２０を構成できる。
【００７０】
＜第７の実施形態＞
図１５は、本発明の第７の実施形態に係る無線通信装置２００の構成を示すブロック図である。この実施形態に係る無線通信装置２００は、図１の同期信号発生装置１００を用いて無線通信装置２００を構成し、中間周波信号発振器４０からの中間周波信号をベースバンド信号に従って変調する変調器４１を備えたことを特徴としている。
【００７１】
図１５において、無線通信装置２００では、図１と同様の各発振器２０−１乃至２０−Ｎの出力に、混合器５２−１乃至５２−Ｎと帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎとアンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎにてなる負荷装置を接続している。各混合器５２−１乃至５２−Ｎはそれぞれ、局部発振端子、無線周波数端子及び中間周波数端子を備える。各混合器５２−１乃至５２−Ｎの局部発振端子はそれぞれ、プローブ２１を介して入力された注入基準信号によって注入同期する発振器２０−１乃至２０−Ｎに接続され、各混合器５２−１乃至５２−Ｎの無線周波数端子は、送受信周波数帯に対応した帯域通過ろ波帯域を有する帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎを介して、リニアアレーアンテナを構成しているアンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎにそれぞれ接続され、さらに、各混合器５２−１乃至５２−Ｎの中間周波数端子は、中間周波数帯に対応した帯域通過ろ波帯域を有する帯域通過フィルタ５５−１乃至５５−Ｎを介して移相器５１−１乃至５１−Ｎの一方の端子に接続される。各移相器５１−１乃至５１−Ｎの他方の端子は同相分配合成回路５０に接続されている。また、送受信切替スイッチＳＷの接点ａ側は、変調器４１を介して中間周波信号発振器４０が接続され、送受信切替スイッチＳＷの接点ｂ側は、中間周波増幅器４２を介して復調器４３に接続されている。
【００７２】
以上のように構成された無線通信装置１００における受信時及び送信時の動作について以下に説明する。
【００７３】
まず、受信時においては、送受信切替スイッチＳＷはコントローラ（図示せず。）により接点ｂ側に切り替えられる。アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎにてなるアレーアンテナによって受信された無線信号は、各アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎからそれぞれ、帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎを介して混合器５２−１乃至５２−Ｎに入力され、各混合器５２−１乃至５２−Ｎはそれぞれ、上記受信した無線信号を、発振器２０−１乃至２０−Ｎで発生された局部発振信号と混合することにより、それら２つの信号の和や差の周波数成分などを含む混合信号を発生した後、例えば差の周波数成分である中間周波成分のみを帯域通過ろ波する帯域通過フィルタ５５−１乃至５５−Ｎを介して移相器５１−１乃至５１−Ｎに出力する。このとき、各発振器２０−１乃至２０−Ｎは第１の実施形態で説明されたように同期して発振し、各発振器２０−１乃至２０−Ｎからの局部発振信号は互いに同相であるので、各アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎに到達したときの無線信号の位相は、各中間周波信号に保存される。さらに、移相器５１−１乃至５１−Ｎは、所望のビームパターンとなるよう各中間周波信号を移相して、移相された中間周波信号は同相分配合成回路５０により同相合成された後、同相合成された中間周波信号は送受信切替スイッチＳＷの接点ｂ側を介して中間周波増幅器４２に出力する。中間周波増幅器４２は入力された中間周波信号を増幅して復調器４３に出力し、復調器４３は入力された中間周波信号を復調して、復調されたベースバンド信号を出力する。
【００７４】
一方、送信時においては、送受信切替スイッチＳＷはコントローラ（図示せず。）により接点ａ側に切り替えられる。変調器４１は、中間周波信号発振器４０より発生された中間周波信号をベースバンド信号に従って、例えば、ＰＳＫやＱＡＭなどのディジタル変調方式で変調して、変調された中間周波信号を送受信切替スイッチＳＷの接点ａ側を介して同相分配合成回路５０に出力する。次いで、同相分配合成回路５０は入力される中間周波信号をＮ分配した後、Ｎ分配された各中間周波信号は移相器５１−１乃至５１−Ｎに出力される。さらに、各移相器５１−１乃至５１−Ｎは、Ｎ分配された中間周波信号を所望のビームパターンとなるような移相量でそれぞれ移相した後、帯域通過フィルタ５５−１乃至５５−Ｎを介して混合器５２−１乃至５２−Ｎに出力する。各混合器５２−１乃至５２−Ｎはそれぞれ、入力される中間周波信号と、互いに注入同期した発振器２０−１乃至２０−Ｎから得られた局部発振信号とを混合することにより、それら２つの信号の和や差の周波数成分などを含む混合信号を発生した後、例えば和の周波数成分（送受信周波数帯域）である無線信号成分のみを帯域通過ろ波する帯域通過フィルタ５３−１乃至５５−Ｎを介して無線信号を得て、アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎから自由空間に放射される。このとき、第１の実施形態で説明されたように局部発振信号が互いに同期して同相であるので、移相器５１−１乃至５１−Ｎから出力されたときの中間周波信号の位相は、各アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎにて保存されている。
【００７５】
以上のように構成された無線通信装置２００においては、ベースバンド信号に従って変調された複数の中間周波信号と、上記各局部発振信号とを混合する複数の混合器５２−１乃至５２−Ｎにより、混合後の信号成分のうち和の周波数を有する搬送波の無線信号が発生されて、各アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎから放射される。放射方向は、移相器５１−１乃至５１−Ｎを制御することによって、任意の方向へ即時に変更することができる。さらに、受信時において、各アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎにより無線信号を受信すると、復調されたベースバンド信号が復調器４３の出力信号として得られる。このとき、アレーアンテナの最大感度方向は送信時と同様、任意の方向へ即時に変更することができる。
【００７６】
以上の実施形態においては、送受信切替スイッチＳＷを用いているが、本発明はこれに限らず、送信信号と受信信号とを分離するためにサーキュレータを用いてもよい。また、以上の実施形態においては、無線送信機と無線受信機を合体した無線通信装置を構成しているが、本発明はこれに限らず、無線送信機と、無線受信機とを別々に構成してもよい。なお、無線送信機のみを構成する場合、帯域通過フィルタ５５−１乃至５５−Ｎを備えなくてもよい。また、無線受信機のみを構成する場合、帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎを備えなくてもよい。
【００７７】
以上説明したように、本実施形態によれば、同期信号発生装置１００を用いて無線通信装置２００を構成したので、きわめて簡単な構成で互いに同相である複数の局部発振信号を発生することができ、しかも移相器５１−１乃至５１−Ｎを用いてアレーアンテナの放射方向を変更できるという特有の効果を有している。
【００７８】
＜第８の実施形態＞
図１６は本発明の第８の実施形態に係る無線通信装置２１０を示すブロック図である。この第８の実施形態に係る無線通信装置２１０は、図１５に図示された無線通信装置２００と比較して、中間周波信号発振器４０の後段に設けられた変調器４１に代えて、基準発振器１と伝送線路１０との間に変調器４４を設けたことを特徴としている。
【００７９】
図１６において、変調器４４は、基準発振器１から出力される注入基準信号を、ベースバンド信号に従って、例えばＰＳＫ又はＱＡＭなどのディジタル変調方式で変調して、変調後の注入基準信号を伝送線路１０に出力する。従って、各発振器２０−１乃至２０−Ｎは、変調された注入基準信号で注入同期して、変調された注入基準信号に同期した局部発振信号を発生して混合器５２−１乃至５２−Ｎに出力する。同期領域の範囲内であれば、ベースバンド信号の位相を保存したまま各発振器２０−１乃至２０−Ｎは、注入基準信号と同様の波形で発振し、変調された局部発振信号を発生する。変調された局部発振信号は混合器５２−１乃至５２−Ｎに入力され、各混合器５２−１乃至５２−Ｎはそれぞれ、この局部発振信号と中間周波信号とを混合して無線信号を生成する。無線信号は帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎを介してアンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎに入力され、自由空間に放射される。
【００８０】
以上説明したように、本実施形態によれば、同期信号発生装置１００を用いて無線通信装置２１０を構成したので、きわめて簡単な構成で、ベースバンド信号に従って変調されかつ互いに同相である複数の局部発振信号を発生することができ、しかも移相器５１−１乃至５１−Ｎを用いてアレーアンテナの放射方向を変更できるという特有の効果を有している。
【００８１】
＜第９の実施形態＞
図１７は本発明の第９の実施形態に係る無線通信装置２２０を示すブロック図である。この第９の実施形態に係る無線通信装置２２０は、図１５に図示された無線通信装置２００と比較して、中間周波信号発振器４０の後段に設けられた変調器４１に代えて、各発振器２０−１乃至２０−Ｎのバイアス電圧をベースバンド信号に従って変調することにより、局部発振信号をベースバンド信号に従って変調することを特徴としている。
【００８２】
図１７において、ベースバンド信号を各発振器２０−１乃至２０−Ｎのバイアス電圧に重畳することにより、各発振器２０−１乃至２０−Ｎの自励発振信号の周波数が変化するため、局部発振信号の同期位相が変調される。従って、各発振器２０−１乃至２０−Ｎはそれぞれ、ベースバンド信号に従って位相変調されかつ互いに同期した局部発振信号を発生して、混合器５２−１乃至５２−Ｎに出力する。次いで、各混合器５２−１乃至５２−Ｎはそれぞれ、入力される中間周波信号と位相変調された局部発振信号とを混合することにより、無線信号を生成する。このとき、無線信号の位相は局部発振信号の位相と中間周波信号の位相との和であり、無線信号は帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎを介してアンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎに入力され、自由空間に放射される。
【００８３】
以上説明したように、本実施形態によれば、同期信号発生装置１００を用いて無線通信装置２２０を構成したので、きわめて簡単な構成で、ベースバンド信号に従って変調されかつ互いに同相である複数の局部発振信号を発生することができ、しかも移相器５１−１乃至５１−Ｎを用いてアレーアンテナの放射方向を変更できるという特有の効果を有している。
【００８４】
【実施例】
主ビーム方向の最大角度（主ビーム方向を最大に変化できる角度をいい、正の角度を代表して用いる。）が４５度で、アンテナ素子数が４個であって、伝送線路として第５の実施形態に係るマイクロストリップ線路３５を用いるアレーアンテナ装置を構成する場合、マイクロストリップ線路３５が形成される誘電体基板の比誘電率εｒは以下の手順で選ばれる。設計に必要なパラメータは、プローブ間隔ｄ、位相誤差の許容量Δφ、及びＶＳＷＲである。
【００８５】
プローブ間隔ｄの下限はアンテナのサイズから制限され、概ね０．２５×λ０程度であり、上限は主ビーム方向の最大角度から制限される。一般に、最大ビーム方向をθｍ（ラジアン）としたとき、プローブ間隔ｄは次式を満たす必要がある。
【００８６】
【数１４】
【００８７】
ここでは、主ビーム方向の最大角度が４５度なので、取りうるプローブ間隔は
【数１５】
ｄ＜０．５８５７９λ０
であり、例えばｄ＝０．５×λ０をプローブ間隔とする。
【００８８】
プローブ間隔ｄ、アンテナ素子数Ｎ、及びアンテナ素子の指向性から放射指向性が求まり、許容する主ビーム方向の利得変動量ΔＧｍが決まると、許容される主ビーム方向の変化量Δθｍが決まり、位相誤差の許容量Δφが求まる。プローブ間隔ｄ＝０．５，プローブ２１の個数Ｎ＝４，利得変動量ΔＧｍ＝３ｄＢのとき、位相誤差の許容量Δφ＝４０．９８５度である。
【００８９】
位相誤差の許容量ΔφとＶＳＷＲが決まると、数３より伝送線路上の同期領域幅Ｌが決まる。ここで、ＶＳＷＲ＝６であり、位相誤差の許容量Δφ＝４０．９８５度であるとすると、同期領域幅Ｌ＝０．４３９６７となる。さらに、数７及び数１１を用いて、同期領域幅Ｌとアンテナ素子数Ｎから伝送線路１０の波長短縮率ξの許容範囲が計算され、誘電体基板３０の比誘電率εｒの許容範囲が得られる。位相誤差の許容量Δφ＝４０．９８５度のとき、
【数１６】
０．７０６８９＜ξ＜１．０
（ｎ＝１のとき）
又は
【数１７】
０．３５３４４＜ξ＜０．５
（ｎ＝２のとき）
であり、比誘電率εｒ＝２．２程度であるテフロン（登録商標）素材の基板、又は比誘電率εｒ＝６．０程度であるアルミナ樹脂複合材料の基板を用いるとよい。
【００９０】
また、位相誤差の許容量Δφ＝４０．９８５の場合の同相領域幅を表１に示した。本実施形態においてＶＳＷＲ＝１０としたとき、進行波を用いる従来方式（ＶＳＷＲ＝１）と比較して２倍以上の同期範囲を得られる。
【００９１】
【表１】
位相誤差の許容量Δφ＝４０．９８５（度）の場合の同期領域幅Ｌ
――――――――――――――――――――――――
ＶＳＷＲ 同期領域幅Ｌ［λ０］
――――――――――――――――――――――――
１ ０．２２７６９
２ ０．３３３７８
３ ０．３８３３９
４ ０．４１０８２
６ ０．４３９６７
１０ ０．４６３５２
――――――――――――――――――――――――
【００９２】
以上説明したように本実施形態によれば、伝送線路に沿って設けられる発振器を自由な位置や間隔で配置することができ、しかも同期領域幅を広く取れる同期信号発生装置及び方法を提供することができる。この同期信号発生装置を用いて、アンテナ装置、無線送信機、無線受信機及び無線通信装置を提供することができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る同期信号発生装置によれば、基準信号を発生する基準信号発生手段が接続された一端と、伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する負荷が接続された他端とを有する伝送線路と、上記伝送線路に発生する定在波を検出する少なくとも１つの定在波検出手段と、上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号を発生する少なくとも１つの発振器手段とを備える。従って、本発明によれば、伝送線路を伝搬する基準信号を取り出す地点を自由に決定することができ、基準信号が注入される発振器、及び上記発振器に接続されたアンテナ素子を配置する位置を自由に決めることができる。アクティブアンテナのアンテナ素子を従来技術よりも広い間隔又は狭い間隔で自由に配置することができ、各発振器を同相で注入同期するように当該発振器を配置できる範囲を大幅に広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る同期信号発生装置１００の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の同期信号発生装置１００において、管内波長λｇで正規化された伝送線路１０上に位置に対する注入基準信号の振幅｜Ｅ（ｚ）｜を示すグラフである。
【図３】図１の同期信号発生装置１００において、管内波長λｇで正規化された伝送線路１０上に位置に対する注入基準信号の位相φを示すグラフである。
【図４】図１の同期信号発生装置１００において、プローブ２１−１乃至２１−Ｎにおける互いに隣接するプローブの間隔ｄと、伝送線路１０上の定在波１１との関係及び同期領域幅Ｌを説明するためのブロック図、及び伝送線路１０上の位置ｚに対する定在波１１の波形を示すグラフである。
【図５】図１の伝送線路１０上の定在波１１が、同相領域と逆相領域とを含むことを説明するためのブロック図である。
【図６】（ａ）は図１の互いに隣接するプローブ間の定在波の節の数ｐが奇数のときのプローブ２１の配置の一例を示すブロック図であり、（ｂ）は図１の互いに隣接するプローブ間の定在波の節の数ｐが偶数のときのプローブ２１の配置の一例を示すブロック図である。
【図７】図１の伝送線路１０上の定在波１１の位相誤差の許容量Δφに対する、伝送線路１０上の正規化された同期領域幅Ｌ／λ０を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る、キャビティ筐体６０を用いて構成された２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示す図であって、図１１のＡ−Ａ’線に沿って破断したときの一部破断斜視図である。
【図１１】図１０の２次元アレー型同期信号発生装置の上面図である。
【図１２】図１０の２次元アレー型同期信号発生装置の下面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る、マイクロストリップ線路３５を伝送線路とするアレーアンテナ装置１１０の構成を示す斜視図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係る、マイクロストリップ線路３５を伝送線路とするアレーアンテナ装置１２０の構成を示す斜視図である。
【図１５】本発明の第７の実施形態に係る無線通信装置２００の構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第８の実施形態に係る無線通信装置２１０を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第９の実施形態に係る無線通信装置２２０を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…基準発振器、
２，２−１乃至２−１２…負荷、
１０，１０−１乃至１０−１２…伝送線路、
１０ａ，１０ｂ…導線、
１１，１１−１乃至１１−１２…定在波、
２０，２０−１乃至２０−Ｎ，２０−１−１乃至２０−Ｎ−１２…発振器、
２１−１乃至２１−Ｎ，２１−１−１乃至２１−Ｎ−１２…プローブ、
２２−１乃至２２−Ｎ…負荷装置、
２３−１乃至２３−（２ｎ＋１），２４−１乃至２４−（２ｎ＋１）…パッチ導体、
２５ａ，２５ｂ…切欠部、
３０…誘電体基板、
３１…接地導体、
３２…マイクロストリップ導体、
３５…マイクロストリップ線路、
４０…中間周波信号発振器、
４１，４４…変調器、
４２…中間周波増幅器、
４３…復調器、
５０…同相分配合成回路、
５１−１乃至５１−Ｎ…移相器、
５２−１乃至５２−Ｎ…混合器、
５３−１乃至５３−Ｎ，５５−１乃至５５−Ｎ…帯域通過フィルタ、
５４−１乃至５４−Ｎ…アンテナ素子、
６０…キャビティ筐体、
６１…電気壁、
７０−１乃至７０−（２ｎ＋１），７１−１乃至７１−（２ｎ＋１）…アンテナ回路、
１００，１００−１乃至１００−１２，１１０，１２０…同期信号発生装置、
２００，２１０，２２０…アレーアンテナ装置、
Ｐ１乃至Ｐ２０，Ｐ１−１乃至Ｐ４−１２…端子、
ＳＷ…送受信切替スイッチ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、注入同期発振器を用いた同期信号発生装置及び方法、並びに、それぞれ上記同期信号発生装置を用いたアンテナ装置、無線送信機、無線受信機及び無線通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アクティブアンテナは、位相制御された発振器をアンテナ素子毎に分散配置したアレーアンテナである。特許文献１及び２や非特許文献１において、その従来例が開示されている。アクティブアンテナは、複雑な給電回路や高周波ビームフォーミングネットワークを必要としないので、放射効率の高いフェーズドアレーアンテナを構成できる。例えば、非特許文献１において、直列給電によるビーム走査アンテナが開示されている。
【０００３】
非特許文献１記載の従来例のアクティブアンテナにおいて、電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという。）と、ＦＥＴのドレイン端子からゲート端子への帰還回路とにより発振器を構成し、当該アクティブアンテナは、当該発振器と、帰還回路内に直列に挿入されたパッチアンテナと、基準信号を伝送する伝送線路と、帰還回路及び伝送線路に直列に挿入された方向性結合器とにより構成されている。このアクティブアンテナにおいては、上記伝送線路上を進行波として伝搬する基準信号を、方向性結合器を用いて、当該基準信号の管内波長λｇの整数ｍ倍間隔で直列に取り出し、アンテナ素子毎に設けられた発振器回路への注入基準信号として用いている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１１１６３６号
【特許文献２】
特開２００１−３２０２３１号
【非特許文献１】
Ｈｉｄｅｈｉｓａ Ｓｈｉｏｍｉ ｅｔ ａｌ．， ”Ｑｕａｓｉ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｔｃｈ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ａｎｔｅｎｎａ Ａｒｒａｙ，”１９９７ Ａｓｉａ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｐｐ． ９４５−９４８， Ｈｏｎｇ−Ｋｏｎｇ， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９７
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１及び非特許文献１においては、伝送線路を進行波として伝搬する基準信号を取り出す地点の間隔は管内波長の整数倍ｍ×λｇ毎の１点に限定されるため、発振器間の物理長と動作周波数、アンテナ素子間隔、ビーム形成方向を独立に設定できず、以下のような問題点が発生する。
（１）アンテナ素子間隔が制限される。
（２）ビームスキャン時に周波数が変化する。
（３）逆に周波数が変化するとビーム方向が変化する。
【０００６】
従って、特に、通信用途のアダプティブアレーアンテナへの適用が困難になるという問題点があった。これにより、伝送線路を伝搬する基準信号を取り出す地点、基準信号が注入される発振器、及び上記発振器に接続されたアンテナ素子を配置する位置を自由に決めることができなかった。
【０００７】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、伝送線路に沿って設けられる発振器を自由な位置や間隔で配置することができる同期信号発生装置及び方法を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の別の目的は、それぞれ当該同期信号発生装置を用いたアンテナ装置、無線送信機、無線受信機及び無線通信装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る同期信号発生装置は、基準信号を発生する基準信号発生手段が接続された一端と、伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する負荷が接続された他端とを有する伝送線路と、
上記伝送線路に発生する定在波を検出する少なくとも１つの定在波検出手段と、
上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号を発生する少なくとも１つの発振器手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
第２の発明に係る同期信号発生装置は、基準信号を発生する基準信号発生手段が接続された一端と、伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する負荷が接続された他端とを有する伝送線路と、
互いに異なる定在波の腹部又はその近傍の位置に設けられ、上記伝送線路に発生する定在波をそれぞれ検出する複数の定在波検出手段と、
上記各定在波検出手段に接続され、上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号をそれぞれ発生する複数の発振器手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
第３の発明に係る同期信号発生装置は、基準信号を発生する基準信号発生手段と、
上記基準信号発生手段に接続された一端と、伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する各負荷が接続された他端とをそれぞれ有する複数の伝送線路と、
上記各伝送線路に設けられ、互いに異なる定在波の腹部又はその近傍の位置に設けられ、上記伝送線路に発生する定在波をそれぞれ検出する複数の定在波検出手段と、
上記各伝送線路に設けられた上記各定在波検出手段に接続され、上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号をそれぞれ発生する複数の発振器手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
上記同期信号発生装置において、上記複数の定在波検出手段と、それらに対応して接続された複数の発振器手段とは２次元形状で設けられたことを特徴とする。
【００１３】
また、上記同期信号発生装置において、上記各伝送線路は、中空の直方体形状キャビティ筐体内において電気壁により仕切られた矩形導波管であることを特徴とする。
【００１４】
第４の発明に係る同期信号発生方法は、基準信号を発生する基準信号発生手段が接続された一端を有する伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する負荷を、上記伝送線路の他端に接続することと、
上記伝送線路に発生する定在波を検出することと、
上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号を発生することとを含むことを特徴とする。
【００１５】
第５の発明に係るアンテナ装置は、上記同期信号発生装置と、
上記各発振器手段に接続された少なくとも１つのアンテナ素子とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
上記アンテナ装置において、上記定在波検出手段と、上記発振器手段と、アンテナ素子とを１組のアンテナ回路とする複数組のアンテナ回路を、上記伝送線路の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、上記伝送線路の片側において定在波の腹部の１つ置きに配置したことを特徴とする。
【００１７】
もしくは、上記アンテナ装置において、上記定在波検出手段と、上記発振器手段と、アンテナ素子とを１組のアンテナ回路とする複数組のアンテナ回路を、上記伝送線路の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、上記伝送線路の両側において定在波の腹部に対して交互に配置したことを特徴とする。
【００１８】
第６の発明に係る無線送信機は、上記同期信号発生装置と、
入力される中間周波信号を複数の中間周波信号に同相分配して出力する同相分配手段と、
上記同相分配手段から出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけそれぞれ移相して出力する複数の移相手段と、
上記各移相手段からそれぞれ出力される各中間周波信号と、上記各移相手段に対応した上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力する複数の混合手段と、
上記各混合手段から出力される各混合信号を、送信周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して送信する複数の第１のろ波手段とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
第７の発明に係る無線受信機は、上記同期信号発生装置と、
受信された無線信号と、上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力する複数の混合手段と、
上記各混合手段から出力される各混合信号を、受信周波数帯に対応する中間周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して各中間周波信号として出力する複数の第２のろ波手段と、
上記各第２のろ波手段からそれぞれ出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけそれぞれ移相して出力する複数の移相手段と、
上記各移相手段から出力される各中間周波信号を同相合成して出力する同相合成手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
第８の発明に係る無線通信装置は、上記同期信号発生装置と、同相分配合成手段と、複数の移相手段と、複数の混合手段と、複数の第１のろ波手段と、複数の第２のろ波手段とを備えた無線通信装置であって、
送信時において、
上記同相分配合成手段は、入力される中間周波信号を複数の中間周波信号に同相分配して出力し、
上記複数の移相手段はそれぞれ、上記同相分配手段から出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけ移相して出力し、
上記複数の第２のろ波手段は、上記各移相手段から出力される各中間周波信号を、送受信周波数帯に対応する中間周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して出力し、
上記複数の混合手段は、上記各第２のろ波手段からそれぞれ出力される各中間周波信号と、上記各移相手段に対応した上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力し、
上記複数の第１のろ波手段は、上記各混合手段から出力される各混合信号を、送受信周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して送信し、
受信時において、
上記複数の第１のろ波手段は、受信された無線信号を、上記送受信周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して出力し、
上記複数の混合手段は、上記各第１のろ波手段から出力される各無線信号と、上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力し、
上記複数の第２のろ波手段は、上記各混合手段から出力される各混合信号を、上記中間周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して各中間周波信号として出力し、
上記複数の移相手段は、上記各第２のろ波手段からそれぞれ出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけそれぞれ移相して出力し、
上記同相分配合成手段は、上記各移相手段から出力される各中間周波信号を同相合成して出力することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下の図面において、同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る同期信号発生装置１００の構成を示すブロック図である。この実施形態に係る同期信号発生装置１００は、
（ａ）自由空間波長λ０の注入基準信号を発生する基準発振器１と、
（ｂ）インピーダンスＺを有する負荷２と、
（ｃ）基準発振器１に接続された一端と、負荷２に接続された他端とを有する伝送線路１０と、
（ｄ）伝送線路１０において発生される注入基準信号の定在波１１を検出する複数Ｎ個のプローブ２１−１乃至２１−Ｎ（以下、総称してプローブ２１と表記する。）と、
（ｅ）各プローブ２１−１乃至２１−Ｎにそれぞれ接続され、検出された定在波に基づいて注入同期して発振し、注入基準信号に注入同期した注入同期信号を発生する発振器２０−１乃至２０−Ｎ（以下、総称して発振器２０と表記する。）とを備えて構成したことを特徴としている。
【００２３】
図１において、伝送線路１０は、例えば、１対の導線１０ａ，１０ｂからなり、所定の特性インピーダンスＺ０を有する平衡型伝送線路であって、その一端の端子Ｐ１，Ｐ２には基準発振器１が接続される一方、その他端の端子Ｐ３，Ｐ４には負荷２が接続される。従って、基準発振器１は注入基準信号を発生して伝送線路１０に出力する。ここで、負荷２のインピーダンスＺは、詳細後述するように、伝送線路１０において周期λｇ／２（λｇは伝送線路１０における管内波長である。）の定在波１１が発生するように、伝送線路１０の特性インピーダンスＺ０に一致しないように設定され、例えば、伝送線路１０の他端は短絡又は開放であってもよい。ここで、伝送線路１０の他端におけるＶＳＷＲは、例えば、３以上であることが好ましく、より好ましくは４以上であることが好ましく、さらに好ましくは６以上であることが好ましい。また、複数Ｎ個のプローブ２１−１乃至２１−Ｎは、伝送線路１０の伝送方向である長手方向に沿ってかつ伝送線路１０に近接して電磁的に結合するように所定の間隔ｄで並置され、各プローブ２１−１乃至２１−Ｎはそれぞれ、伝送線路１０上の定在波を検出してその高周波信号を発振器２０−１乃至２０−Ｎに出力する。さらに、各発振器２０−１乃至２０−Ｎは、所定の自由発振周波数で自励発振する自励発振器であり、所定の同期周波数範囲を有する注入同期発振器であり、入力される定在波の高周波信号に注入同期して発振し、上記基準信号に注入同期した注入同期信号を発生してそれぞれ負荷装置２２−１乃至２２−Ｎに出力する。なお、注入基準信号の周波数は、各発振器２０−１乃至２０−Ｎの同期周波数範囲内で予め選択される。また、負荷装置２２−１乃至２２−Ｎは、例えば、高周波信号を放射するアンテナ素子である。
【００２４】
以上のように構成された同期信号発生装置１００において、負荷２のインピーダンスＺは、伝送線路１０の特性インピーダンスＺ０とは次式となるように、すなわち、不整合状態となるように選択されて設定されている。
【数１】
Ｚ≠Ｚ０
【００２５】
基準発振器１が発生した注入基準信号は伝送線路１０をその伝送方向に沿って伝搬し、伝送線路１０に対して不整合になっている終端の負荷２によって反射され、これにより、伝送線路１０において、端子Ｐ１，Ｐ２の入力端から端子Ｐ３，Ｐ４の終端側に向う注入基準信号の進行波と、端子Ｐ３，Ｐ４の終端側から端子Ｐ１，Ｐ２の入力端に向うその反射波とが発生し、この２つの波の合成波である定在波１１が伝送線路１０上に発生する。ここで、互いに等間隔ｄで並置された各プローブ２１はそれぞれ、伝送線路１０上の注入基準信号の定在波１１を検出し、検出した定在波１１の注入基準信号をそれぞれ各発振器２０に入力することにより注入同期させる。各発振器２０の同期位相は各プローブ２１により検出される注入基準信号の位相から決まるので、各プローブ２１は、詳細後述するように、同相又は逆相で同期できる同期領域に配置される。
【００２６】
なお、プローブ２１の代わりに方向性結合器を用いることはできない。方向性結合器では、伝送線路１０上の進行波又は反射波のみが検出されて発振器２０への注入信号となるので、本発明に係る作用効果は得られないからである。また、本実施形態において、複数のプローブ２１を等間隔ｄで並置しているが、本発明はこれに限らず、等間隔ｄで並置する必要はなく、少なくとも上記同期領域に配置すればよい。
【００２７】
インピーダンスＺを有する負荷２によって終端された、実質的に無損失である伝送線路１０上に発生する進行波と反射波をそれぞれΓｅ−ｊβｚ，Γｅｊβｚとおき、図１において伝送線路１０の右端の反射端の位置をｚ＝０としたとき、伝送線路１０上の位置ｚにあるプローブ２１により検出される定在波１１の注入基準信号の振幅｜Ｅ（ｚ）｜と位相φはそれぞれ次式で表される。
【００２８】
【数２】
ここで、
【数５】
【数６】
【００３０】
図２と図３は、基準発振器１から伝送線路１０を見たときの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）をパラメータとして、注入基準信号の管内波長λｇで正規化された伝送線路１０上の伝送方向の位置ｚに対する注入基準信号の振幅｜Ｅ（ｚ）｜と位相φとをそれぞれ数２及び数３を用いて計算した結果を示すグラフである。
【００３１】
まず、ＶＳＷＲが無限大のとき、すなわち、伝送線路１０の右端において全反射するときを考える。図３から明らかなように、定在波１１の位相φは、ｍを任意の自然数とし、２πを法として、次の関係を満たす。
【００３２】
【数７】
ここで、各プローブ２１から所定の信号振幅を有する同相又は逆相の注入基準信号が得られる領域を「同期領域」と定義する。ＶＳＷＲが無限大の場合、定在波１１の節の部分では信号振幅が非常に小さくなるのでプローブ２１を配置できない。例えば、信号振幅が信号の腹（又はピーク）の位置の振幅の１０％以上である領域を同期領域（腹部とその近傍の領域）とすると、同期領域に含まれる位置ｚは、ｍを任意の自然数として、次の不等式を満たす。
【００３４】
【数８】
−０．４８４×λｇ―（ｍ−１）×λｇ／２
＜ｚ＜−０．０１６×λｇ−（ｍ−１）×λｇ／２
【００３５】
図４は、各プローブ２１−１乃至２１−Ｎにおける、互いに隣接するプローブ２１の間隔ｄと、伝送線路１０上の定在波１１との関係を説明するためのブロック図であり、図４において、図１の負荷装置２２−１乃至２２−Ｎは省略されている。定在波１１上の同期領域の幅をＬで表し、同期領域に含まれない領域（以下、不可同期領域という。）の幅をａで表す。上記数８の例では、同期領域幅Ｌ＝０．４６８×λｇであり、不可同期領域幅ａ＝０．０１６である。また、δは、プローブ２１の間隔ｄと伝送線路１０上の定在波１１の半波長分の長さλｇ／２との差である。本実施形態のように、プローブ２１、発振器２０、及びアンテナ素子（図示せず。）を等間隔ｄの直線アレー状に配列する場合、アンテナ素子間隔を直接に決定するプローブ２１の間隔ｄが取りうる範囲は、自由空間に対する伝送線路１０上の伝搬速度比ξと定在波１１上の同相領域幅Ｌとにより制限され、次の不等式を満たす必要がある。
【００３６】
【数９】
ここで、ｐは、互いに隣接するプローブ２１間に存在する、定在波１１の節の数であり、
【数１０】
λｇ＝ξ×λ０
は、伝送線路１０を伝搬する電波の波長、すなわち、注入基準信号の管内波長である。
【００３８】
また、アンテナの素子数（すなわち、発振器２０及びプローブ２１の個数）Ｎも同様に制限される。もし、数９の項ｄ／λ０とｐ×ξ／２の差が蓄積されて、自由空間波長で正規化された同相領域幅Ｌ／λ０以上になると、発振器２０−１乃至２０−Ｎが同期状態を保持できなくなる。従って、アンテナの素子数Ｎは、次の不等式を満たす素子数でなければならない。
【００３９】
【数１１】
図５は、図１の伝送線路１０上の定在波１１が、同相領域と逆相領域とを含むことを説明するためのブロック図である。ここで、プローブ２１間の定在波１１の節の数ｐが奇数の場合、図５に示す定在波１１の位相関係から、互いに隣接するプローブ２１で検出される２つの信号は逆相で同期し、互いに隣接するプローブ２１間の定在波１１の節の数ｐが偶数の場合、互いに隣接するプローブ２１で検出される２つの信号は同相で同期する。従って、発振器２０を同相で注入同期させるために、逆相状態になった発振器２０には位相反転手段を用いて入力信号を反転することが好ましい。
【００４１】
図６（ａ）は互いに隣接するプローブ２１間の定在波１１の節の数ｐが奇数のときのプローブ２１の配置の一例を示すブロック図であり、図６（ｂ）は互いに隣接するプローブ２１間の定在波１１の節の数ｐが偶数のときのプローブ２１の配置の一例を示すブロック図であり、図６において、図１の負荷装置２２−１乃至２２−Ｎは省略されている。図６（ａ）及び（ｂ）の配置は、位相反転手段を用いることなく各発振器２０を同相で注入同期するための配置である。
【００４２】
図６に示すように、導線１０ａ，１０ｂにてなる平衡型伝送線路である伝送線路１０を用いた場合で考える。図６（ａ）のように、プローブ間隔ｄの条件に従って、プローブ間の定在波１１の節の数ｐが奇数のとき、プローブ２１−２，２１−４，…，２１−２ｎ，…と、それに隣接するプローブ２１−１，２１−３，…，２１−（２ｎ＋１），…とが、定在波１１の互いに逆相の同期領域において並置されるときは、プローブ２１−１，２１−３，…，２１−（２ｎ＋１），…を伝送線路１０上に発生する反射波の反射方向に向って、伝送線路１０の右側に並置する一方、プローブ２１−２，２１−４，…，２１−２ｎ，…を上記反射波の反射方向に向って、伝送線路１０の左側に並置することにより、各発振器２０にはそれぞれ注入基準信号が同相で注入同期される。すなわち、プローブ２１及び発振器２０が、伝送線路１０の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、伝送線路１０の両側において定在波の腹部に対して交互に配置している。
【００４３】
また、図６（ｂ）のように、プローブ間隔ｄの条件に従って、プローブ間の定在波１１の節の数ｐが偶数のときは、各プローブ２１−１，２１−２，…，２１−ｎ，…を上記反射波の反射方向に向って、例えば、伝送線路１０の右側（左側であってもよい）に並置することによって、各発振器２０にはそれぞれ注入基準信号が同相で注入同期される。すなわち、プローブ２１及び発振器２０が、伝送線路１０の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、伝送線路１０の片側において定在波の腹部の１つ置きに配置している。
【００４４】
実際には、伝送線路１０の損失や発振器２０への信号注入などの影響で基準発振器１の端子から伝送線路１０を見たときの伝送線路１０のＶＳＷＲは有限の値を持ち、位相誤差δφが発生し、当該位相誤差δφはＶＳＷＲが無限大のときの注入基準信号の位相からの誤差である。ここで、位相誤差の許容量（すなわち最大値）をΔφとすると、次の不等式を満たすような伝送線路１０上の位置ｚの範囲を同期領域とする。
【００４５】
【数１２】
｜δφ｜＜Δφ
【００４６】
図３においては、ｎを自然数として、次の不等式を満たす位置ｚの範囲が同期領域である。
【００４７】
【数１３】
｜φ｜＜（ｎ−１）π±δφ
【００４８】
図７は、図１の伝送線路１０上の定在波１１の位相誤差の許容量Δφに対する、伝送線路１０上の正規化された同期領域幅Ｌ／λ０を示すグラフである。図７のグラフは、ＶＳＷＲを変化させたときの位相誤差の許容量Δφと同期領域幅Ｌとの関係を数３を用いて計算した結果である。数３及び図７から明らかなように、また、後述の表１から、一般にＶＳＷＲを大きくするか、もしくは、位相誤差の許容量Δφを大きくすれば同期領域幅Ｌは大きくなることがわかる。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態の同期信号発生装置１００によれば、基準発振器１に接続された一端と、負荷２に接続された他端とを有する伝送線路１０と、伝送線路１０において発生される注入基準信号の定在波１１を検出する複数Ｎ個のプローブ２１−１乃至２１−Ｎと、各プローブ２１−１乃至２１−Ｎにそれぞれ接続され、検出された定在波に基づいて注入同期して発振し、注入基準信号に注入同期した注入同期信号を発生する発振器２０−１乃至２０−Ｎとを備えて構成したので、定在波１１を検出するプローブ２１及びそれに接続される発振器２０をより自由な位置や間隔で並置することができる。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示すブロック図であり、図８において、発振器２０−１−１乃至２０−Ｎ−４に接続される負荷装置は省略されている。この実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置は基準発振器１と４個の同期信号発生装置１００−１乃至１００−４とを備えたことを特徴としている。
【００５１】
図８において、基準発振器１からの注入基準信号を端子Ｐ９，Ｐ１０において２分配し、２分配した注入基準信号の一方を端子Ｐ５，Ｐ６においてさらに２分配した後、伝送線路１０−１及び１０−２に出力するとともに、端子Ｐ９，Ｐ１０において２分配した注入基準信号の他方を端子Ｐ７，Ｐ８においてさらに２分配した後、伝送線路１０−３及び１０−４に出力する。
【００５２】
伝送線路１０−１においては、基準発振器１からの注入基準信号が端子Ｐ１−１，Ｐ２−１を介して伝送線路１０−１に入力され、伝送線路１０−１の特性インピーダンスは負荷２−１のインピーダンスとは一致しないように設定されているので、伝送線路１０−１において定在波１１−１が発生する。伝送線路１０−１の伝送方向に沿って電磁的に結合するようにその同期領域において並置されたプローブ２１−１−１乃至２１−Ｎ−１はそれぞれ定在波１１−１を検出して各発振器２０−１−１乃至２０−Ｎ−１に出力して、当該発振器２０−１−１乃至２０−Ｎ−１を定在波１１−１の注入基準信号により注入同期させ、当該注入同期信号を発生して出力する。
【００５３】
また、伝送線路１０−２においては、伝送線路１０−１と同様に、基準発振器１からの注入基準信号が端子Ｐ１−２，Ｐ２−２を介して伝送線路１０−２に入力され、伝送線路１０−２の特性インピーダンスは負荷２−２のインピーダンスとは一致しないように設定されているので、伝送線路１０−２において定在波１１−２が発生する。伝送線路１０−２の伝送方向に沿って電磁的に結合するようにその同期領域において並置されたプローブ２１−１−２乃至２１−Ｎ−２はそれぞれ定在波１１−２を検出して各発振器２０−１−２乃至２０−Ｎ−２に出力して、当該発振器２０−１−２乃至２０−Ｎ−２を定在波１１−２の注入基準信号により注入同期させ、当該注入同期信号を発生して出力する。
【００５４】
さらに、伝送線路１０−３及び１０−４において、伝送線路１０−１及び１０−２と同様に構成され、同様に動作する。
【００５５】
以上のように構成された２次元アレー型同期信号発生装置においては、プローブ２１−１−１乃至２１−Ｎ−４を２次元で配列することができるとともに、発振器２０−１−１乃至２０−Ｎ−４の直線状アレーと基準発振器１の間の伝送距離が最も短くなる構成で、給電回路の損失を防止し、進行波と反射波の振幅差を小さくすることでＶＳＷＲを大きく保ち、同期領域の範囲を広くできるほか、周波数帯域が広くなるという特有の作用効果を有する。
【００５６】
＜第３の実施形態＞
図９は、本発明の第３の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示すブロック図である。この実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置は基準発振器１と８個の同期信号発生装置１００−５乃至１００−１２とを備えたことを特徴としている。図８に図示された第２の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置においては、注入基準信号を放射状に（スター形状で）４分配して４つの伝送線路１０−１乃至１０−１４に出力しているが、この第３の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置は、注入基準信号を放射状に（スター形状で）８分配して８つの伝送線路１０−５乃至１０−１２に出力している。
【００５７】
以上のように構成された２次元アレー型同期信号発生装置においては、プローブ２１−１−１乃至２１−Ｎ−４を２次元で配列することができるとともに、発振器２０−１−１乃至２０−Ｎ−４の直線状アレーと基準発振器１の間の伝送距離が最も短くなる構成で、給電回路の損失を大幅に軽減することができ、進行波と反射波の振幅差を小さくすることでＶＳＷＲを大きく保ち、同期領域の範囲を広くできるほか、周波数帯域が広くなるという特有の作用効果を有する。
【００５８】
＜第４の実施形態＞
図１０は本発明の第４の実施形態に係る、キャビティ筐体６０を用いて構成された２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示す図であって、図１１のＡ−Ａ’線に沿って破断したときの一部破断斜視図であり、図１１は図１０の２次元アレー型同期信号発生装置の上面図であり、図１２は図１０の２次元アレー型同期信号発生装置の下面図である。なお、図１０はキャビティ筐体６０の半分の部分のみを破断して図示している。この第４の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置は、同期信号発生装置のために伝送線路として、中空の直方体形状キャビティ筐体６０内において、横断面が十字形状である電気壁６１（図１０及び図１１参照）により仕切られた矩形導波管を用いたことを特徴としている。
【００５９】
図１０において、金属にてなる中空の直方体形状を有するキャビティ筐体６０の下面中央部に配置されたプローブ２１ａ（図１２参照）を介して基準発振器１から注入基準信号を出力することにより、キャビティ筐体６０内で定在波１１ａを発生して励振する一方、図１１に示すように、キャビティ筐体６０の上面において、キャビティ筐体６０の辺に平行な直交座標の仮想的な格子点において、互いに等間隔で２次元形状で、上記定在波１１ａを検出するプローブ２１が接続された複数の発振器２０が並置されている。
【００６０】
以上のように構成された２次元アレー型同期信号発生装置において、基準発振器１からの注入基準信号をキャビティ筐体６０内に注入することにより、キャビティ筐体６０内部の縦方向及び横方向に、注入基準信号の２次元の定在波１１ａが発生し、さらに、定在波１１ａの節の部分に選択的に電気壁６１を設けることで、所望の伝送モードで励振することができる。ここで、各電気壁６１は、図１０及び図１１に示すように、横断面において十字形状を有し、各電気壁６１によりキャビティ筐体６０の各辺に対して平行となる伝送方向を有する複数の矩形導波管を形成できる。そして、複数のプローブ２１により定在波１１ａを検出してそれぞれ各発振器２０に入力することにより注入同期させ、注入同期信号を発生させる。当該２次元アレー型同期信号発生装置においては、給電構造が簡単で、直接に２次元の定在波１１ａを発生させるため、基準発振器１と各発振器２０の距離が近く、これにより、給電回路の損失を大幅に軽減することができ、進行波と反射波の振幅差を小さくすることでＶＳＷＲを大きく保ち、同期領域の範囲を広くできるほか、周波数帯域が広くなるという特有の作用効果を有する。
【００６１】
＜第５の実施形態＞
図１３は本発明の第５の実施形態に係る、マイクロストリップ線路３５を伝送線路とするアレーアンテナ装置１１０の構成を示す斜視図である。この実施形態に係るアレーアンテナ装置１１０は、同期信号発生装置の伝送線路としてマイクロストリップ線路３５を用い、各発振器２０の負荷装置として矩形のパッチ導体２３−１乃至２３−（ｎ＋１），…で構成されたパッチアンテナを用い、互いに隣接するプローブ間の定在波の節の数ｐが奇数個の場合の装置であり、マイクロストリップ線路３５に接続される基準発振器１及び負荷２の図示を省略している。
【００６２】
図１３において、アレーアンテナ装置１１０は、表面と裏面の全面に金属導体層が形成された誘電体基板３０の表面に、プリント配線基板の製作に係る公知のエッチング技術等を用いて、マイクロストリップ導体３２と、アンテナの放射素子となるパッチ導体２３−１乃至２３−（ｎ＋１），…とを形成し、さらに、誘電体基板３０の表面上に、各パッチ導体２３−１乃至２３−（ｎ＋１），…に接続された発振器２０−１乃至２０−（ｎ＋１），…とプローブ２１−１乃至２１−（ｎ＋１），…を設けることによって製造される。誘電体基板３０の裏面の金属導体層は接地導体３１となる。ここで、誘電体基板３０を挟設する接地導体３１とマイクロストリップ導体３２とにより、マイクロストリップ線路３５を構成し、当該マイクロストリップ線路３５は注入基準信号を伝送するための伝送線路として用いられる。
【００６３】
以上のように構成されたアレーアンテナ装置１１０においては、プローブ２１−１と発振器２０−１とパッチ導体２３−１とにより１組のアンテナ回路７０−１を構成し、プローブ２１−２と発振器２０−２とパッチ導体２３−２とにより１組のアンテナ回路７０−２を構成し、以下同様にして、プローブ２１−ｎと発振器２０−ｎとパッチ導体２３−ｎとにより１組のアンテナ回路７０−ｎを構成している（ｎ＝３，４，…，２ｎ，２ｎ＋１，…）。そして、これら複数組のアンテナ回路７０−１，７０−２，…，７０−（２ｎ＋１），…は、伝送線路であるマイクロストリップ線路３５の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、マイクロストリップ線路３５の両側において定在波の腹部に対して交互に配置している。
【００６４】
この場合、プローブ２１−２，２１−４，…，２１−２ｎ，…と、隣接するプローブ２１−１，２１−３，…，２１−（２ｎ＋１），…とは、マイクロストリップ線路３５に発生される定在波の互いに逆相の同期領域において配置され、すなわち、発振器２０−２，…，２０−２ｎ，…と発振器２０−１，…，２０−（２ｎ＋１），…とが互いに逆相で同期している一方、パッチ導体２３−２，…，２３−２ｎ，…の各給電点は、パッチ導体２３−１，…，２３−（２ｎ＋１），…の各給電点とは逆相給電になるような位置に設けられる。従って、互いに逆相で同期した発振器２０−２，…，２０−２ｎ，…と発振器２０−１，…，２０−（２ｎ＋１），…との出力を、各パッチ導体２３−２，…，２３−２ｎ，…及び２３−１，…，２３−（２ｎ＋１），…の互いに逆相の各給電点から給電することで、当該各パッチアンテナから放射される電波又は各パッチアンテナで受信される電波は同相になる。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態によれば、より小さい面積の誘電体基板３０上において、本発明に係る同期信号発生装置を用いて、位相反転手段を用いないで、同相で直線偏波の電波を放射可能な複数組のアンテナ回路７０−１，７０−２，…，７０−（２ｎ＋１），…を２次元形状で配置することにより、小型・軽量化してなるアレーアンテナ装置１１０を構成できる。
【００６６】
＜第６の実施形態＞
図１４は、本発明の第６の実施形態に係る、マイクロストリップ線路３５を伝送線路とするアレーアンテナ装置１２０の構成を示す斜視図である。この第６の実施形態に係るアレーアンテナ装置１２０は、図１３に図示されたアレーアンテナ装置１１０に比較して、図８のパッチ導体２３−１，２３−２，…，２３−（２ｎ＋１），…に代わって、正方形の１対の対角にそれぞれ切欠部２５ａ及び２５ｂを有するパッチ導体２４−１，２４−２，…，２４−（２ｎ＋１），…を備え、円偏波の電波を放射するように構成したことを特徴としている。以下、相違点について詳細説明する。
【００６７】
図１４において、各パッチ導体２４−１，２４−２，…，２４−（２ｎ＋１），…上の切欠部２５ａ及び２５ｂは、パッチアンテナのための縮退分離素子として動作し、パッチ導体２４−１，２４−２，…，２４−（２ｎ＋１），…上の直交する２つのモードが互いに９０度異なる位相を有するように、正方形形状のパッチ導体２４−１，２４−２，…，２４−（２ｎ＋１），…から切り取られる。このとき、縮退分離素子である切欠部２５ａ及び２５ｂは、互いに逆相で給電されるパッチ導体２４−２，…，２４−２ｎ，…とパッチ導体２４−１，…，２４−（２ｎ＋１），…との両方に対して、図１３と同様の位置関係で形成されることで、当該パッチアンテナから放射される電波又はパッチアンテナで受信される電波は同相になる。
【００６８】
以上のように構成されたアレーアンテナ装置１２０においては、プローブ２１−１と発振器２０−１とパッチ導体２４−１とにより１組のアンテナ回路７１−１を構成し、プローブ２１−２と発振器２０−２とパッチ導体２４−２とにより１組のアンテナ回路７１−２を構成し、以下同様にして、プローブ２１−ｎと発振器２０−ｎとパッチ導体２４−ｎとにより１組のアンテナ回路７１−ｎを構成している（ｎ＝３，４，…，２ｎ，２ｎ＋１，…）。そして、これら複数組のアンテナ回路７１−１，７１−２，…，７１−（２ｎ＋１），…は、伝送線路であるマイクロストリップ線路３５の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、マイクロストリップ線路３５の両側において定在波の腹部に対して交互に配置している。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態によれば、より小さい面積の誘電体基板３０上において、本発明に係る同期信号発生装置を用いて、位相反転手段を用いないで、同相で円偏波の電波を放射可能な複数組のアンテナ回路７１−１，７１−２，…，７１−（２ｎ＋１），…を２次元形状で配置することにより、小型・軽量化してなるアレーアンテナ装置１２０を構成できる。
【００７０】
＜第７の実施形態＞
図１５は、本発明の第７の実施形態に係る無線通信装置２００の構成を示すブロック図である。この実施形態に係る無線通信装置２００は、図１の同期信号発生装置１００を用いて無線通信装置２００を構成し、中間周波信号発振器４０からの中間周波信号をベースバンド信号に従って変調する変調器４１を備えたことを特徴としている。
【００７１】
図１５において、無線通信装置２００では、図１と同様の各発振器２０−１乃至２０−Ｎの出力に、混合器５２−１乃至５２−Ｎと帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎとアンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎにてなる負荷装置を接続している。各混合器５２−１乃至５２−Ｎはそれぞれ、局部発振端子、無線周波数端子及び中間周波数端子を備える。各混合器５２−１乃至５２−Ｎの局部発振端子はそれぞれ、プローブ２１を介して入力された注入基準信号によって注入同期する発振器２０−１乃至２０−Ｎに接続され、各混合器５２−１乃至５２−Ｎの無線周波数端子は、送受信周波数帯に対応した帯域通過ろ波帯域を有する帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎを介して、リニアアレーアンテナを構成しているアンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎにそれぞれ接続され、さらに、各混合器５２−１乃至５２−Ｎの中間周波数端子は、中間周波数帯に対応した帯域通過ろ波帯域を有する帯域通過フィルタ５５−１乃至５５−Ｎを介して移相器５１−１乃至５１−Ｎの一方の端子に接続される。各移相器５１−１乃至５１−Ｎの他方の端子は同相分配合成回路５０に接続されている。また、送受信切替スイッチＳＷの接点ａ側は、変調器４１を介して中間周波信号発振器４０が接続され、送受信切替スイッチＳＷの接点ｂ側は、中間周波増幅器４２を介して復調器４３に接続されている。
【００７２】
以上のように構成された無線通信装置１００における受信時及び送信時の動作について以下に説明する。
【００７３】
まず、受信時においては、送受信切替スイッチＳＷはコントローラ（図示せず。）により接点ｂ側に切り替えられる。アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎにてなるアレーアンテナによって受信された無線信号は、各アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎからそれぞれ、帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎを介して混合器５２−１乃至５２−Ｎに入力され、各混合器５２−１乃至５２−Ｎはそれぞれ、上記受信した無線信号を、発振器２０−１乃至２０−Ｎで発生された局部発振信号と混合することにより、それら２つの信号の和や差の周波数成分などを含む混合信号を発生した後、例えば差の周波数成分である中間周波成分のみを帯域通過ろ波する帯域通過フィルタ５５−１乃至５５−Ｎを介して移相器５１−１乃至５１−Ｎに出力する。このとき、各発振器２０−１乃至２０−Ｎは第１の実施形態で説明されたように同期して発振し、各発振器２０−１乃至２０−Ｎからの局部発振信号は互いに同相であるので、各アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎに到達したときの無線信号の位相は、各中間周波信号に保存される。さらに、移相器５１−１乃至５１−Ｎは、所望のビームパターンとなるよう各中間周波信号を移相して、移相された中間周波信号は同相分配合成回路５０により同相合成された後、同相合成された中間周波信号は送受信切替スイッチＳＷの接点ｂ側を介して中間周波増幅器４２に出力する。中間周波増幅器４２は入力された中間周波信号を増幅して復調器４３に出力し、復調器４３は入力された中間周波信号を復調して、復調されたベースバンド信号を出力する。
【００７４】
一方、送信時においては、送受信切替スイッチＳＷはコントローラ（図示せず。）により接点ａ側に切り替えられる。変調器４１は、中間周波信号発振器４０より発生された中間周波信号をベースバンド信号に従って、例えば、ＰＳＫやＱＡＭなどのディジタル変調方式で変調して、変調された中間周波信号を送受信切替スイッチＳＷの接点ａ側を介して同相分配合成回路５０に出力する。次いで、同相分配合成回路５０は入力される中間周波信号をＮ分配した後、Ｎ分配された各中間周波信号は移相器５１−１乃至５１−Ｎに出力される。さらに、各移相器５１−１乃至５１−Ｎは、Ｎ分配された中間周波信号を所望のビームパターンとなるような移相量でそれぞれ移相した後、帯域通過フィルタ５５−１乃至５５−Ｎを介して混合器５２−１乃至５２−Ｎに出力する。各混合器５２−１乃至５２−Ｎはそれぞれ、入力される中間周波信号と、互いに注入同期した発振器２０−１乃至２０−Ｎから得られた局部発振信号とを混合することにより、それら２つの信号の和や差の周波数成分などを含む混合信号を発生した後、例えば和の周波数成分（送受信周波数帯域）である無線信号成分のみを帯域通過ろ波する帯域通過フィルタ５３−１乃至５５−Ｎを介して無線信号を得て、アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎから自由空間に放射される。このとき、第１の実施形態で説明されたように局部発振信号が互いに同期して同相であるので、移相器５１−１乃至５１−Ｎから出力されたときの中間周波信号の位相は、各アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎにて保存されている。
【００７５】
以上のように構成された無線通信装置２００においては、ベースバンド信号に従って変調された複数の中間周波信号と、上記各局部発振信号とを混合する複数の混合器５２−１乃至５２−Ｎにより、混合後の信号成分のうち和の周波数を有する搬送波の無線信号が発生されて、各アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎから放射される。放射方向は、移相器５１−１乃至５１−Ｎを制御することによって、任意の方向へ即時に変更することができる。さらに、受信時において、各アンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎにより無線信号を受信すると、復調されたベースバンド信号が復調器４３の出力信号として得られる。このとき、アレーアンテナの最大感度方向は送信時と同様、任意の方向へ即時に変更することができる。
【００７６】
以上の実施形態においては、送受信切替スイッチＳＷを用いているが、本発明はこれに限らず、送信信号と受信信号とを分離するためにサーキュレータを用いてもよい。また、以上の実施形態においては、無線送信機と無線受信機を合体した無線通信装置を構成しているが、本発明はこれに限らず、無線送信機と、無線受信機とを別々に構成してもよい。なお、無線送信機のみを構成する場合、帯域通過フィルタ５５−１乃至５５−Ｎを備えなくてもよい。また、無線受信機のみを構成する場合、帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎを備えなくてもよい。
【００７７】
以上説明したように、本実施形態によれば、同期信号発生装置１００を用いて無線通信装置２００を構成したので、きわめて簡単な構成で互いに同相である複数の局部発振信号を発生することができ、しかも移相器５１−１乃至５１−Ｎを用いてアレーアンテナの放射方向を変更できるという特有の効果を有している。
【００７８】
＜第８の実施形態＞
図１６は本発明の第８の実施形態に係る無線通信装置２１０を示すブロック図である。この第８の実施形態に係る無線通信装置２１０は、図１５に図示された無線通信装置２００と比較して、中間周波信号発振器４０の後段に設けられた変調器４１に代えて、基準発振器１と伝送線路１０との間に変調器４４を設けたことを特徴としている。
【００７９】
図１６において、変調器４４は、基準発振器１から出力される注入基準信号を、ベースバンド信号に従って、例えばＰＳＫ又はＱＡＭなどのディジタル変調方式で変調して、変調後の注入基準信号を伝送線路１０に出力する。従って、各発振器２０−１乃至２０−Ｎは、変調された注入基準信号で注入同期して、変調された注入基準信号に同期した局部発振信号を発生して混合器５２−１乃至５２−Ｎに出力する。同期領域の範囲内であれば、ベースバンド信号の位相を保存したまま各発振器２０−１乃至２０−Ｎは、注入基準信号と同様の波形で発振し、変調された局部発振信号を発生する。変調された局部発振信号は混合器５２−１乃至５２−Ｎに入力され、各混合器５２−１乃至５２−Ｎはそれぞれ、この局部発振信号と中間周波信号とを混合して無線信号を生成する。無線信号は帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎを介してアンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎに入力され、自由空間に放射される。
【００８０】
以上説明したように、本実施形態によれば、同期信号発生装置１００を用いて無線通信装置２１０を構成したので、きわめて簡単な構成で、ベースバンド信号に従って変調されかつ互いに同相である複数の局部発振信号を発生することができ、しかも移相器５１−１乃至５１−Ｎを用いてアレーアンテナの放射方向を変更できるという特有の効果を有している。
【００８１】
＜第９の実施形態＞
図１７は本発明の第９の実施形態に係る無線通信装置２２０を示すブロック図である。この第９の実施形態に係る無線通信装置２２０は、図１５に図示された無線通信装置２００と比較して、中間周波信号発振器４０の後段に設けられた変調器４１に代えて、各発振器２０−１乃至２０−Ｎのバイアス電圧をベースバンド信号に従って変調することにより、局部発振信号をベースバンド信号に従って変調することを特徴としている。
【００８２】
図１７において、ベースバンド信号を各発振器２０−１乃至２０−Ｎのバイアス電圧に重畳することにより、各発振器２０−１乃至２０−Ｎの自励発振信号の周波数が変化するため、局部発振信号の同期位相が変調される。従って、各発振器２０−１乃至２０−Ｎはそれぞれ、ベースバンド信号に従って位相変調されかつ互いに同期した局部発振信号を発生して、混合器５２−１乃至５２−Ｎに出力する。次いで、各混合器５２−１乃至５２−Ｎはそれぞれ、入力される中間周波信号と位相変調された局部発振信号とを混合することにより、無線信号を生成する。このとき、無線信号の位相は局部発振信号の位相と中間周波信号の位相との和であり、無線信号は帯域通過フィルタ５３−１乃至５３−Ｎを介してアンテナ素子５４−１乃至５４−Ｎに入力され、自由空間に放射される。
【００８３】
以上説明したように、本実施形態によれば、同期信号発生装置１００を用いて無線通信装置２２０を構成したので、きわめて簡単な構成で、ベースバンド信号に従って変調されかつ互いに同相である複数の局部発振信号を発生することができ、しかも移相器５１−１乃至５１−Ｎを用いてアレーアンテナの放射方向を変更できるという特有の効果を有している。
【００８４】
【実施例】
主ビーム方向の最大角度（主ビーム方向を最大に変化できる角度をいい、正の角度を代表して用いる。）が４５度で、アンテナ素子数が４個であって、伝送線路として第５の実施形態に係るマイクロストリップ線路３５を用いるアレーアンテナ装置を構成する場合、マイクロストリップ線路３５が形成される誘電体基板の比誘電率εｒは以下の手順で選ばれる。設計に必要なパラメータは、プローブ間隔ｄ、位相誤差の許容量Δφ、及びＶＳＷＲである。
【００８５】
プローブ間隔ｄの下限はアンテナのサイズから制限され、概ね０．２５×λ０程度であり、上限は主ビーム方向の最大角度から制限される。一般に、最大ビーム方向をθｍ（ラジアン）としたとき、プローブ間隔ｄは次式を満たす必要がある。
【００８６】
【数１４】
ここでは、主ビーム方向の最大角度が４５度なので、取りうるプローブ間隔は
【数１５】
ｄ＜０．５８５７９λ０
であり、例えばｄ＝０．５×λ０をプローブ間隔とする。
【００８８】
プローブ間隔ｄ、アンテナ素子数Ｎ、及びアンテナ素子の指向性から放射指向性が求まり、許容する主ビーム方向の利得変動量ΔＧｍが決まると、許容される主ビーム方向の変化量Δθｍが決まり、位相誤差の許容量Δφが求まる。プローブ間隔ｄ＝０．５，プローブ２１の個数Ｎ＝４，利得変動量ΔＧｍ＝３ｄＢのとき、位相誤差の許容量Δφ＝４０．９８５度である。
【００８９】
位相誤差の許容量ΔφとＶＳＷＲが決まると、数３より伝送線路上の同期領域幅Ｌが決まる。ここで、ＶＳＷＲ＝６であり、位相誤差の許容量Δφ＝４０．９８５度であるとすると、同期領域幅Ｌ＝０．４３９６７となる。さらに、数７及び数１１を用いて、同期領域幅Ｌとアンテナ素子数Ｎから伝送線路１０の波長短縮率ξの許容範囲が計算され、誘電体基板３０の比誘電率εｒの許容範囲が得られる。位相誤差の許容量Δφ＝４０．９８５度のとき、
【数１６】
０．７０６８９＜ξ＜１．０
（ｎ＝１のとき）
又は
【数１７】
０．３５３４４＜ξ＜０．５
（ｎ＝２のとき）
であり、比誘電率εｒ＝２．２程度であるテフロン（登録商標）素材の基板、又は比誘電率εｒ＝６．０程度であるアルミナ樹脂複合材料の基板を用いるとよい。
【００９０】
また、位相誤差の許容量Δφ＝４０．９８５の場合の同相領域幅を表１に示した。本実施形態においてＶＳＷＲ＝１０としたとき、進行波を用いる従来方式（ＶＳＷＲ＝１）と比較して２倍以上の同期範囲を得られる。
【００９１】
【表１】
位相誤差の許容量Δφ＝４０．９８５（度）の場合の同期領域幅Ｌ
――――――――――――――――――――――――
ＶＳＷＲ 同期領域幅Ｌ［λ０］
――――――――――――――――――――――――
１ ０．２２７６９
２ ０．３３３７８
３ ０．３８３３９
４ ０．４１０８２
６ ０．４３９６７
１０ ０．４６３５２
――――――――――――――――――――――――
【００９２】
以上説明したように本実施形態によれば、伝送線路に沿って設けられる発振器を自由な位置や間隔で配置することができ、しかも同期領域幅を広く取れる同期信号発生装置及び方法を提供することができる。この同期信号発生装置を用いて、アンテナ装置、無線送信機、無線受信機及び無線通信装置を提供することができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る同期信号発生装置によれば、基準信号を発生する基準信号発生手段が接続された一端と、伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する負荷が接続された他端とを有する伝送線路と、上記伝送線路に発生する定在波を検出する少なくとも１つの定在波検出手段と、上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号を発生する少なくとも１つの発振器手段とを備える。従って、本発明によれば、伝送線路を伝搬する基準信号を取り出す地点を自由に決定することができ、基準信号が注入される発振器、及び上記発振器に接続されたアンテナ素子を配置する位置を自由に決めることができる。アクティブアンテナのアンテナ素子を従来技術よりも広い間隔又は狭い間隔で自由に配置することができ、各発振器を同相で注入同期するように当該発振器を配置できる範囲を大幅に広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る同期信号発生装置１００の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の同期信号発生装置１００において、管内波長λｇで正規化された伝送線路１０上に位置に対する注入基準信号の振幅｜Ｅ（ｚ）｜を示すグラフである。
【図３】図１の同期信号発生装置１００において、管内波長λｇで正規化された伝送線路１０上に位置に対する注入基準信号の位相φを示すグラフである。
【図４】図１の同期信号発生装置１００において、プローブ２１−１乃至２１−Ｎにおける互いに隣接するプローブの間隔ｄと、伝送線路１０上の定在波１１との関係及び同期領域幅Ｌを説明するためのブロック図、及び伝送線路１０上の位置ｚに対する定在波１１の波形を示すグラフである。
【図５】図１の伝送線路１０上の定在波１１が、同相領域と逆相領域とを含むことを説明するためのブロック図である。
【図６】（ａ）は図１の互いに隣接するプローブ間の定在波の節の数ｐが奇数のときのプローブ２１の配置の一例を示すブロック図であり、（ｂ）は図１の互いに隣接するプローブ間の定在波の節の数ｐが偶数のときのプローブ２１の配置の一例を示すブロック図である。
【図７】図１の伝送線路１０上の定在波１１の位相誤差の許容量Δφに対する、伝送線路１０上の正規化された同期領域幅Ｌ／λ０を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る、キャビティ筐体６０を用いて構成された２次元アレー型同期信号発生装置の構成を示す図であって、図１１のＡ−Ａ’線に沿って破断したときの一部破断斜視図である。
【図１１】図１０の２次元アレー型同期信号発生装置の上面図である。
【図１２】図１０の２次元アレー型同期信号発生装置の下面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る、マイクロストリップ線路３５を伝送線路とするアレーアンテナ装置１１０の構成を示す斜視図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係る、マイクロストリップ線路３５を伝送線路とするアレーアンテナ装置１２０の構成を示す斜視図である。
【図１５】本発明の第７の実施形態に係る無線通信装置２００の構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第８の実施形態に係る無線通信装置２１０を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第９の実施形態に係る無線通信装置２２０を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…基準発振器、
２，２−１乃至２−１２…負荷、
１０，１０−１乃至１０−１２…伝送線路、
１０ａ，１０ｂ…導線、
１１，１１−１乃至１１−１２…定在波、
２０，２０−１乃至２０−Ｎ，２０−１−１乃至２０−Ｎ−１２…発振器、
２１−１乃至２１−Ｎ，２１−１−１乃至２１−Ｎ−１２…プローブ、
２２−１乃至２２−Ｎ…負荷装置、
２３−１乃至２３−（２ｎ＋１），２４−１乃至２４−（２ｎ＋１）…パッチ導体、
２５ａ，２５ｂ…切欠部、
３０…誘電体基板、
３１…接地導体、
３２…マイクロストリップ導体、
３５…マイクロストリップ線路、
４０…中間周波信号発振器、
４１，４４…変調器、
４２…中間周波増幅器、
４３…復調器、
５０…同相分配合成回路、
５１−１乃至５１−Ｎ…移相器、
５２−１乃至５２−Ｎ…混合器、
５３−１乃至５３−Ｎ，５５−１乃至５５−Ｎ…帯域通過フィルタ、
５４−１乃至５４−Ｎ…アンテナ素子、
６０…キャビティ筐体、
６１…電気壁、
７０−１乃至７０−（２ｎ＋１），７１−１乃至７１−（２ｎ＋１）…アンテナ回路、
１００，１００−１乃至１００−１２，１１０，１２０…同期信号発生装置、
２００，２１０，２２０…アレーアンテナ装置、
Ｐ１乃至Ｐ２０，Ｐ１−１乃至Ｐ４−１２…端子、
ＳＷ…送受信切替スイッチ。
Claims (12)
- 基準信号を発生する基準信号発生手段が接続された一端と、伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する負荷が接続された他端とを有する伝送線路と、
上記伝送線路に発生する定在波を検出する少なくとも１つの定在波検出手段と、
上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号を発生する少なくとも１つの発振器手段とを備えたことを特徴とする同期信号発生装置。 - 基準信号を発生する基準信号発生手段が接続された一端と、伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する負荷が接続された他端とを有する伝送線路と、
互いに異なる定在波の腹部又はその近傍の位置に設けられ、上記伝送線路に発生する定在波をそれぞれ検出する複数の定在波検出手段と、
上記各定在波検出手段に接続され、上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号をそれぞれ発生する複数の発振器手段とを備えたことを特徴とする同期信号発生装置。 - 基準信号を発生する基準信号発生手段と、
上記基準信号発生手段に接続された一端と、伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する各負荷が接続された他端とをそれぞれ有する複数の伝送線路と、
上記各伝送線路に設けられ、互いに異なる定在波の腹部又はその近傍の位置に設けられ、上記伝送線路に発生する定在波をそれぞれ検出する複数の定在波検出手段と、
上記各伝送線路に設けられた上記各定在波検出手段に接続され、上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号をそれぞれ発生する複数の発振器手段とを備えたことを特徴とする同期信号発生装置。 - 上記複数の定在波検出手段と、それらに対応して接続された複数の発振器手段とは２次元形状で設けられたことを特徴とする請求項３記載の同期信号発生装置。
- 上記各伝送線路は、中空の直方体形状キャビティ筐体内において電気壁により仕切られた矩形導波管であることを特徴とする請求項２乃至４のうちのいずれか１つに記載の同期信号発生装置。
- 基準信号を発生する基準信号発生手段が接続された一端を有する伝送線路に定在波が発生するように伝送線路の特性インピーダンスに一致しないインピーダンスを有する負荷を、上記伝送線路の他端に接続することと、
上記伝送線路に発生する定在波を検出することと、
上記検出された定在波により注入同期して発振し、上記基準信号に同期した同期信号を発生することとを含むことを特徴とする同期信号発生方法。 - 請求項１乃至５のうちのいずれか１つに記載の同期信号発生装置と、
上記各発振器手段に接続された少なくとも１つのアンテナ素子とを備えたことを特徴とするアンテナ装置。 - 上記定在波検出手段と、上記発振器手段と、アンテナ素子とを１組のアンテナ回路とする複数組のアンテナ回路を、上記伝送線路の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、上記伝送線路の片側において定在波の腹部の１つ置きに配置したことを特徴とする請求項７記載のアンテナ装置。
- 上記定在波検出手段と、上記発振器手段と、アンテナ素子とを１組のアンテナ回路とする複数組のアンテナ回路を、上記伝送線路の長手方向に沿って、それぞれ互いに同相の定在波で注入同期するように、上記伝送線路の両側において定在波の腹部に対して交互に配置したことを特徴とする請求項７記載のアンテナ装置。
- 請求項２乃至５のうちのいずれか１つに記載の同期信号発生装置と、
入力される中間周波信号を複数の中間周波信号に同相分配して出力する同相分配手段と、
上記同相分配手段から出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけそれぞれ移相して出力する複数の移相手段と、
上記各移相手段からそれぞれ出力される各中間周波信号と、上記各移相手段に対応した上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力する複数の混合手段と、
上記各混合手段から出力される各混合信号を、送信周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して送信する複数の第１のろ波手段とを備えたことを特徴とする無線送信機。 - 請求項２乃至５のうちのいずれか１つに記載の同期信号発生装置と、
受信された無線信号と、上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力する複数の混合手段と、
上記各混合手段から出力される各混合信号を、受信周波数帯に対応する中間周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して各中間周波信号として出力する複数の第２のろ波手段と、
上記各第２のろ波手段からそれぞれ出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけそれぞれ移相して出力する複数の移相手段と、
上記各移相手段から出力される各中間周波信号を同相合成して出力する同相合成手段とを備えたことを特徴とする無線受信機。 - 請求項２乃至５のうちのいずれか１つに記載の同期信号発生装置と、同相分配合成手段と、複数の移相手段と、複数の混合手段と、複数の第１のろ波手段と、複数の第２のろ波手段とを備えた無線通信装置であって、
送信時において、
上記同相分配合成手段は、入力される中間周波信号を複数の中間周波信号に同相分配して出力し、
上記複数の移相手段はそれぞれ、上記同相分配手段から出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけ移相して出力し、
上記複数の第２のろ波手段は、上記各移相手段から出力される各中間周波信号を、送受信周波数帯に対応する中間周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して出力し、
上記複数の混合手段は、上記各第２のろ波手段からそれぞれ出力される各中間周波信号と、上記各移相手段に対応した上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力し、
上記複数の第１のろ波手段は、上記各混合手段から出力される各混合信号を、送受信周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して送信し、
受信時において、
上記複数の第１のろ波手段は、受信された無線信号を、上記送受信周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して出力し、
上記複数の混合手段は、上記各第１のろ波手段から出力される各無線信号と、上記各発振器手段からそれぞれ出力される各基準信号とを混合して、当該各混合信号をそれぞれ出力し、
上記複数の第２のろ波手段は、上記各混合手段から出力される各混合信号を、上記中間周波数帯に対応した帯域でそれぞれ帯域通過ろ波して各中間周波信号として出力し、
上記複数の移相手段は、上記各第２のろ波手段からそれぞれ出力される各中間周波信号を、所定の各移相量だけそれぞれ移相して出力し、
上記同相分配合成手段は、上記各移相手段から出力される各中間周波信号を同相合成して出力することを特徴とする無線通信装置。
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|---|---|---|---|
| JP2002310418A JP2004147130A (ja) | 2002-10-25 | 2002-10-25 | 同期信号発生装置及び方法、アンテナ装置、無線送信機、無線受信機、並びに無線通信装置 |
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|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010506484A (ja) * | 2006-10-03 | 2010-02-25 | ビーム ネットワークス リミテッド | 移相発振器およびアンテナ |
| WO2010059792A1 (en) * | 2008-11-19 | 2010-05-27 | Harris Corporation | Systems for distributing a reference signal along a transmission media |
| WO2010059713A1 (en) * | 2008-11-19 | 2010-05-27 | Harris Corporation | Methods for determining a reference signal at any location along a transmission media |
-
2002
- 2002-10-25 JP JP2002310418A patent/JP2004147130A/ja active Pending
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| US8170088B2 (en) | 2008-11-19 | 2012-05-01 | Harris Corporation | Methods for determining a reference signal at any location along a transmission media |
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