JP2005236896A - ビーム形成回路およびこれを用いたマルチビームアンテナ並びにビーム走査アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 位相歪を調整することによりアンテナ素子を直線的または平面的に配列する。
【手段】 マトリクス回路１，２において、一方の円弧の中央から他方の円弧に設置されたポートまでの行路長が等しくなるように設置される第１および第２の移相器５，６と、第１のマトリクス回路１の第１の移相器５が設置される側のポートを給電ポート３とし、第２のマトリクス回路２の第２の移相器６が設置される側のポートをアンテナ素子１０４に接続するためのアンテナ素子接続用ポートとし、マトリクス回路の第１および第２の移相器５，６が設置されていない側のポートを接続用ポートとした場合、マトリクス回路１の接続用ポートとマトリクス回路２の接続用ポートとの間に設置される第３の移相器７を具備し、マトリクス回路の各々を、２つの円の半径をＲ、２つの円の中心間の距離をｔとすると、０＜ｔ＜Ｒに調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ビーム形成回路およびこれを用いたマルチビームアンテナ並びにビーム走査アンテナに関し、特に、開口面アンテナ形式のマルチビームアンテナおよびこれを用いたマルチビームアンテナ並びにビーム走査アンテナに関する。

図１９は、反射鏡を用いたマルチビームアンテナの従来技術を説明する図である。
この従来技術は、ビーム数は、ビームＢ１〜Ｂ３の３個であり、アンテナは、反射鏡１３１や誘電体レンズなどを用いてビームを収束するマルチビームアンテナであり、その放射電磁界が有限な幾何学面（反射鏡や誘電体レンズ）における電磁界から求められ、開口面アンテナと呼ばれる（非特許文献１を参照）。

同図に示すように、アンテナとして配置された３個の一次放射器１０４は、ビームＢ１〜Ｂ３の３方向それぞれのビームに対応しており、一次放射器１０４の数を増やすことによって、より多くのビームを形成することが可能である。この例の場合、一次放射ビーム（一次放射器から放射されるビーム）を反射的に効果的に照射するためには、一次放射器１０４にはある程度の大きさ（波長の数倍程度以上）が必要であり、それぞれの一次放射器１０４は、近接して配置することはできない。すなわち、個々の一次放射器１０４がそれぞれのビームＢ１〜Ｂ３に一対一対応している場合は、アンテナから放射されるそれぞれのビームを近接させることができない。仮に、それぞれのビームを近接させるために、一次放射器１０４を小さくした場合は、一次放射ビームのパターンが広がってしまうために、放射された信号電力の多くが反射鏡１３１にあたらずに漏れてしまうことになり、低いアンテナ効率しか得られない（非特許文献２を参照）。

上記の問題を解決するために、複数の比較的小さなアンテナを用いてビームを形成する手法が提案されている（非特許文献３を参照）。この手法は、クラスタ給電またはアレー給電と呼ばれており、個々の小さなアンテナは、アンテナ素子（または素子アンテナ）と呼ばれる。
図２０は、クラスタ給電により個々のビームを形成するマルチビームアンテナを説明する図である。この例もビームＢ１〜Ｂ３の３方向のビームに対応し、個々のビームＢ１〜Ｂ３は、ビーム形成回路１００の複数のアンテナ素子１０４により形成されるとともに、個々のアンテナ素子１０４は、一般に異なるビームで重複して使用される。ここで、この回路は、信号を複数のアンテナ素子１０４に分配／合成するために、ビーム形成回路（Ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ：ＢＦＮ）と呼ばれる。このようにクラスタ給電を行うことにより、近接した方向にビームを形成するとともに高いアンテナ効率を得る（入力された信号電力Ｓ１〜Ｓ３を効果的に反射鏡に照射する）ことが可能になる。なお、複数のビームをある角度範囲において近接して隙間無く形成することが可能であれば、これらのビームを切り替えて使用することで、この角度範囲内で連続的にビーム方向が変えられることになり、ビーム走査アンテナとして機能する。

図２１は、従来技術のＢＦＮの一例である（非特許文献４，５を参照）。
なお、同図のＢＦＮは、マルチビームアンテナ用であり、ビーム走査アンテナのＢＦＮとして用いるためには、このＢＦＮにおいて複数の給電ポート１０３を切り替えて使用するための切替スイッチなどが必要となる。

図２１は、説明を簡単にするために、送信の場合を例にしている。図２１において、レンズはプリント基板（または複数の金属板）を用いて構成されるものであり、信号があるポートに入力された場合そのポート位置に応じた位相傾きを有して反対側のポートに分配されて出力され、逆にある位相傾き（位相差）を有した信号が片側の全てのポートに入力された場合はその位相傾きに応じたポートに信号が集束されて出力される。そのため、１つ目のレンズ１０１で信号が入力ポート位置に応じた位相傾きで複数のポートに分配され、これらの信号が二つ目のレンズ１０２でその位相傾きに応じたポート位置に集束されることとなる。なお、アンテナ素子１０４側に出力される信号分布は、２つのレンズ１０１，１０２の間を通る信号振幅を調整することで制御可能であり、一般に、２つのレンズ１０１，１０２の間に増幅率の異なる増幅器１２１を設置することで、励振分布に幅を持たせて複数アンテナ素子１０４を励振するようにしている。

図２２は、プリント基板を用いてレンズを構成する場合の例を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を示す。
このようにプリント基板を用いて構成した場合、図２２（ｂ）に示すように、導体板よりなる地板１２１上に誘電体板１２２が配置され、誘電体板１２２上に導体板よりなるレンズ１０１が配置されている。また、図２２（ａ）に示すように、このレンズ１０１への入力信号は、一般に、信号線としてのストリップ線路１０９を用いて給電されることとなり、線路幅が急激に変化するなどの理由で線路のインピーダンスが急激に変化する箇所（インピーダンスの不連続点）が存在する場合は、その箇所（インピーダンスの不連続点）で信号の大部分が反射してしまうので、一般にこれを回避するためストリップ線路１０９は、インピーダンス整合用のテーパ線路部１０８を介して接続される。

図２３は、対称レンズの原理を説明する概略図である。前述したプリント基板上に構成した金属パターンがレンズとして動作するための設計として最も代表的なものは、対称レンズ（ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｌｅｎｓ）と呼ばれるものである。
対称レンズ１１０は、同一半径Ｒの２つの円Ｑ１，Ｑ２において、中心間の距離（点Ｃ〜点Ｅまでの距離）が半径Ｒだけ離れて配置された場合の重なり合う部分として設計される。円Ｑ２の円弧Ａの中央（点Ｃ）から入力された信号は、様々な方向に向かって略一定の速度で対称レンズ１１０内を伝播するが、円Ｑ１の円弧Ｂ上の点は全て点Ｃから等距離に位置しているため、これら信号は略同時に円弧Ｂ上の各点に達する。たとえば、信号の入力位置が点Ｄのように円弧Ａの中心でない場合は、ある時間差（位相遅れ）を有して円弧Ｂ上の点に達することとなる。このように、対称レンズ１１０の出力における信号位相は、信号を入力するポート位置に応じた位相傾きを有する概ね直線的な分布を示すが、円弧の中央から外れた場所（上述した点Ｄの位置）に設置したポートから給電した場合の位相傾きは厳密には一定ではなく、その位相面は歪んだものとなる。

しかしながら、図２４に示すように、同一設計のレンズ１０１，１０２を対向させて配置することによって位相歪のうち奇数次の成分は相殺されることとなり、位相歪の影響が緩和されることが報告されている。（非特許文献４，５を参照）なお、位相歪が大きな場合は、分配された信号を同相で合成する過程において、大きな位相誤差が生じるため、所望のアンテナ素子１０４を効果的に励振できなくなり、振幅分布に大きな乱れが生じる。対称レンズ１１０を用いたＢＦＮ回路は、中央付近のポートから給電した場合において、位相歪が小さくなっていることから、アンテナ素子１０４において最も効果的に信号を合成できるのは、中央付近のポートから給電した場合である。

図２５は、２つのレンズ間に移相器１０７を設置した場合を示す図である。上述したように、中央付近のポートから給電された場合の励振位相を改善するための手段としては、図２５に示すように、２つのレンズ１０１，１０２間に移相器１０７を設置することで、特定のポートから給電された場合の出力位相歪を補償することが考えられる。すなわち、移相器１０７を付加することにより、アンテナ素子の励振位相の調整を行うことができる。なお、図２１に示した増幅器１２１は、ここでも使用し、増幅器１２１に隣接して移相器１０７が設置される。なお、２つのレンズ１０１，１０２の間を通る信号の振幅分布に大きなテーパを与えている場合は、２つのレンズ１０１，１０２の向かい合う側のポートの両端（上端と下端）には小さな信号しか通らないので、図２５に示すように、数箇所に終端部Ｅを設けて終端することも可能である。

図２６および図２７は、対称レンズを２つ用いた従来ＢＦＮのアンテナ素子１０４（１８×１８個）に現れる励振の振幅分布と位相分布を示している（横軸は、アンテナ素子１０４が接続される側のポート位置を示しており、図中の＃９、＃１０は、それぞれ９番目および１０番面の給電ポート１０３から信号入力されたことを示している）。なお、２つのレンズ１０１，１０２の間を通る信号の振幅分布は、−４０ｄΒエッジのガウス関数型とした。これらの結果からも中央付近のポートである９番目および１０番目のポートから給電した場合の励振分布が最も励振振幅が大きく、位相歪も小さいことが確認できる。

図２８および図２９は、対称レンズを２つ用いた従来ＢＦＮのアンテナ素子（１８×１８個）において、２つのレンズ１０１，１０２の間に図２５で示した移相器１０７を設置し、５番目および１４番目のポートから給電された場合の出力位相歪を補償した場合のアンテナ素子に現れる励振の振幅分布と位相分布を示している。これらの結果から、５番目および１４番目のポートから給電した場合の励振振幅と位相歪が改善されることが確認できる。しかし、この場合は５番目および１４番目のポートから給電した場合の励振分布を改善する代わりに、中央付近のポートから給電した場合の励振分布が劣化して位相歪が大きくなることが分かる。特に、開口アンテナでは、一次放射ビームは、所望とするアンテナビーム方向に対応するアンテナ焦点位置から正しく給電する必要があり、給電位置が焦点位置から外れた場合は、ビームを正しく収束させることができなくなることから利得の劣化を招くと共にサイドロープ特性の劣化やビーム指向誤差の原因となる。よって、給電に用いる複数アンテナ素子（一次放射器アレー）の振幅分布に注意するとともに位相分布にも大きな注意を払う必要がある。しかし、一次放射器アレーの励振位相分布に位相歪が存在する場合は、アレーから放射されるビーム（一次放射ビーム）の位相中心位置と一次放射器アレーの位置との間に大きな誤差が生じることとなる。

図３０は、励振分布の位相分布と位相中心位置との関係を説明する図であり、励振分布の位相歪によって位相中心の位置がどのように変化するかを示している。以下の説明では、アンテナ素子１０４を単にアレーと呼ぶ。図３０（ａ）は位相面が直線、図３０（ｂ）は位相面が凸、図３０（ｃ）は位相面が凹の形状となっている。図３０（ａ）に示すように、アレー１０４が同相で励振されている場合においては、遠方解（アレー１０４から充分に離れた観測点）におけるアレー１０４から放射されるビームの位相中心Ｐ１は、アレー１０４の配置位置と一致する。しかし、図３０（ｂ）に示すように、励振分布の位相面が凸（周辺部で位相が遅れている）となっている場合、ビームの位相中心Ｐ２は、アレー１０４の配置位置から後退し、図３０（ｃ）に示すように、位相面が凹（周辺部で位相が進んでいる）となっている場合は、ビームの位相中心Ｐ３は、アレー１０４の配置位置から前方にずれることとなる。

図３１は、２つの対称レンズを用いた従来ＢＦＮのアンテナ素子アレーの位置と励振分布の位相中心との関係を説明するものである。図中、点線Ｘは移相器がない場合、点線Ｙは移相器がある場合を示す。点線Ｘで示すように、２つのレンズ１０１，１０２の間に移相器を設置しない場合は、図２６および図２７に対応し、アレー中央付近の励振においてはアレー１０４の配置位置と位相中心とが一致するが、周辺のアレー１０４を励振した場合においては位相中心がアレー配置位置から後方に大きくずれる結果となる。また、点線Ｙで示すように、２つのレンズ１０１，１０２間に移相器を設置した場合は、図２８および図２９に対応し、この場合も、周辺のアレーを励振した場合の位相中心が前方に移動すると同時に中央付近のアレー励振における位相中心もまた前方に移動することになり根本的な解決には至らないことが分かる。

従って、前述したように、開口面アンテナにおいて効率的にビームを形成するためには、一次放射器を所望とするビーム方向に対応するアンテナ焦点位置から正しく給電する必要があり、焦点位置からずれた位置から給電された場合には、正しくビーム形成を行うことはできず、パターン特性の劣化やアンテナ利得（アンテナ効率）の劣化を招くこととなる。対称レンズを用いた従来ＢＦＮでアンテナ素子アレーを励振した場合、アレー周辺部の励振における位相中心がアレー中央部の励振における位相中心位置よりも大きく後方に下がることとなり、この位相中心位置の描く軌跡は鏡面に向かって凸の形状になる。一方、ビーム走査アンテナやマルチビームアンテナに一般に用いられるパラボラ反射鏡や多焦点反射鏡の焦線は鏡面に向かって凹の形状になる場合が多く、前述した位相中心の軌跡とは逆の傾向を示すことから一次放射ビームの位相中心とアンテナ焦点位置との間に大きな食い違いが生じる。

図３２は、対称レンズを用いる従来技術のビーム形成回路を用いたアンテナの一例である。この場合、周辺部のアンテナ素子１０４を用いて給電した場合は、励振分布における位相中心の位置とアンテナの焦線位置との間にずれが生じるため、アンテナの特性が大きく劣化する。励振分布における位相面の歪を無くすためには、収差の少ないレンズを用いることが有効であり、Ｒｏｔｍａｎレンズを用いてＢＦＮを構成することが考えられる。（非特許文献６を参照）

しかし、一部の特殊な反射鏡を除いて一般に開口面アンテナの焦線（または焦点面）は直線（または平面）にならず、曲線（または曲面）となるため、たとえアンテナの配置位置と一次放射ビームの位相中心とが一致したとしても、励振分布の位相中心の位置をアンテナの焦線（または焦点面）と一致させるためには、アンテナ素子１０４を曲線状（または曲面状）に配置しなければならない。（非特許文献７を参照）

上述のように、従来技術のＢＦＮ回路を用いた開口面アンテナでは、アンテナ素子を曲線状あるいは曲面状に配置する必要がある。このため、一次放射器の設計＆配置が難しく、直線的に一次放射器を配置した場合と比べて構造が複雑になる。さらに、対称レンズを用いてＢＦＮを構成した場合は、一般にアンテナの焦点位置と給電位置（一次放射ビームの位相中心）とのずれが大きくなるために、パターン劣化や利得劣化に代表されるアンテナ特性の劣化を招くという欠点がある。
電子通信学会編「アンテナ光学ハンドブック」，４章，オーム社 手代木，゛マルチビーム移動体衛星通信システム゛，信学技報ＳＡＴ８３−１７，１９８３年９月） 牧野，゛アレー給電反射鏡形式マルチスポットビームアンテナにおける給電クラスタ簡易設計法゛，信学技報Ａ・Ｐ２００−１５７，ＳＡＮＥ２０００−１３８，２００１年１月） 吉良他，゛マイクロストリップレンズを用いたクラスタ給電用ＢＦＮ゛，信学会２００３総合大会，Ｂ−１−２２４ Ｆ．Ｋｉｒａ ｅｔ ａｌ，゛Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｄｅｓｉｇｎ Ｕｓｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｌｅｎｓ Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｆｅｅｄｉｎｇ゛，２００３ ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．ｏｎ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｐ，５２３−５２８，Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００３ Ｗ．Ｒｏｔｍａｎ ａｎｄ Ｒ．Ｆ．Ｔｕｒｎｅｒ，゛Ｗｉｄｅ−Ａｎｇｌｅ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｌｅｎｓ ｆｏｒ Ｌｉｎｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，゛ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．，Ａｐ−１１，ｐｐ．６２３−６３０，１９６３ 吉良他，゛修整多焦点パラボラ鏡面による広角マルチビームアンテナの設計゛，２００２ 信学総大，Ｂ−１−１５９

上述のように、従来技術のＢＦＮを用いた開口面アンテナでは、アンテナ素子を曲線状あるいは曲面状に配置する必要がある。このため一次放射器の設計＆配置が難しく、直線的に一次放射器を配置した場合と比較して構造が複雑になる。さらに、対称レンズを用いてＢＦＮを構成した場合は、一般にアンテナの焦点位置と給電位置（一次放射ビームの位相中心）とのずれが大きくなるためには、パターン劣化や利得劣化に代表されるアンテナ特性の劣化を招くという欠点があった。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、位相歪を制御することによりアンテナ素子を直線的または平面的に配列でき、アンテナ特性の劣化しないビーム形成回路、これを用いたマルチビームアンテナおよびビーム走査アンテナを提供することを目的としている。

本発明によれば、上述の課題は、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のビーム形成回路は、
プリント基板または複数の金属板からなる２つの円の半径をＲ、中心間の距離をｔとすると、０＜ｔ＜Ｒとなるように前記２つの円を重ね合わせて構成される同一設計の２つのマトリクス回路を具備し、当該２つのマトリクス回路は、信号入出力用の複数のポートに接続され、信号を分配する分配用レンズとして作用する第１のマトリクス回路と、分配された信号を集束する集束用レンズとして作用する第２のマトリクス回路とからなり、
前記第１のマトリクス回路の信号入力側の複数のポートに対応して設置され、前記第１のマトリクス回路の一方の円弧の中央から他方の円弧上の任意の点までの行路長を略等しくするための移層量を有する複数の第１の移相器と、
前記第２のマトリクス回路の信号出力側の複数のポートに対応して設置され、前記第２のマトリクス回路の一方の円弧の中央から他方の円弧上の任意の点までの行路長を略等しくするための移相量を有する複数の第２の移相器と、
前記第１のマトリクス回路の信号出力側の複数のポートと、前記第２のマトリクス回路の信号入力側の複数のポートとの間に設置され、前記第１のマトリクス回路と第２のマトリクス回路との間の行路長を調整する移相量を有する複数の第３の移相器と、
を具備することを特徴とする。

この構成によれば、前記２つのマトリクス回路の各々が、前記２つの円の半径をＲ、前記２つの円の中心間の距離をｔとすると、０＜ｔ＜Ｒであり、半径Ｒの２つの円が重なり合った部分の出力信号（特に偶数次）の位相歪成分を調整することが可能であり、これらマトリクス回路を用いたビーム形成回路のアンテナ素子の励振分布に現れる位相歪を制御することが可能となる。このことから一次放射器を直線的に配置した場合でも、アンテナの焦点位置と給電位置（一次放射ビームの位相中心）を一致させるか、または、これらの位置のずれを小さく抑えることが可能になり、良好なアンテナ特性を得ることが可能になるという効果が得られる。

請求項２のビーム形成回路は、請求項１において、
前記第１のマトリクス回路と前記第２のマトリクス回路との間に設置される前記第３の移送器は、前記第１のマトリクス回路の信号入力側の円弧の中央から前記第２のマトリクス回路の信号出力側の円弧の中央までの行路長を略等しくするための移相量を有することを特徴とする。
この構成によれば、前記第１のマトリクス回路と前記第２のマトリクス回路との間に設置される前記第３の移相器が、第１のマトリクス回路の給電ポートが設置された円弧の中央に対応する給電ポートから第２のマトリクス回路のアンテナ素子接続用ポートが設置された円弧の中央に対応するアンテナ素子接続用ポートまでの行路長が等しくなるように調整されるので、アンテナ素子の励振分布に現れる位相歪の調整が可能であり、様々な焦線形状を有する反射鏡と組み合わせて、マルチビームアンテナを形成することが可能になるという効果が得られる。

請求項３のビーム形成回路は、請求項１において、
前記第１のマトリクス回路と前記第２のマトリクス回路との間に設置される前記第３の移送器は、前記第１のマトリクス回路の信号入力用のポートのうちｋ（ｋは自然数）番目のポートから前記第２のマトリクス回路の信号出力用のポートのうちｋ番目のポートまでの行路長を略等しくするための移相量を有することを特徴とする。
この構成によれば、第１のマトリクス回路と第２のマトリクス回路との間に設置される第３の移送器が、第１のマトリクス回路の給電ポートのうちｋ（ｋは自然数）番目の給電ポートから第２のマトリクス回路のアンテナ素子接続用ポートのうちｋ番目のアンテナ素子接続用ポートまでの行路長が等しくなるように調整されているので、アンテナ素子の励振分布に現れる位相歪の調整が可能であり、様々な焦線形状を有する反射鏡と組み合わせて、マルチビームアンテナを形成することが可能になるという効果が得られる。

請求項４のビーム形成回路は、請求項１〜３のいずれか１項において、
前記第１のマトリクス回路と、前記第２のマトリクス回路との間に設置される増幅率の異なる複数の増幅器を具備し、前記複数の増幅器を用いて、前記第１および第２のマトリクス回路との間を通る信号の振幅を調整することを特徴とする。
この構成によれば、前記第１のマトリクス回路の接続用ポートと、前記第２のマトリクス回路の接続用ポートとの間に設置される増幅器を具備しているので、２つのマトリクス回路より構成されるレンズの間に増幅率の異なる増幅器を設置すると、２つのレンズの間を通る信号振幅を調整することができ、アンテナ素子側に出力される信号分布の制御が可能となり、励振分布に幅を持たせて複数のアンテナ素子を励振することができるという効果が得られる。

請求項５のマルチビームアンテナまたはビーム走査アンテナは、
請求項１〜４のいずれか１項のビーム形成回路を具備することを特徴とする。
この構成によれば、励振分布に現れる位相歪の調整が可能なことから、アンテナ設計の自由度が大きくなり、様々なビーム特性を有するアンテナを作ることが可能となり、様々な焦線形状を有する反射鏡と組み合わせることが可能となる。例えば、パラボラ鏡面を反射鏡として用いた場合、ビーム形成回路を構成するマトリクス回路の設計パラメータｔの値として小さな値（例えば、ｔ＝０．２５Ｒ）を採用して設計することで励振分布の位相中心の描く軌跡が鏡面に向かって凹になるように構成することができる。また、複数のビームをある角度範囲において近接して隙間無く形成することが可能であれば、ビーム走査アンテナとして機能し、これにより、これらのビームを切り替えて使用することで、この角度範囲内で連続的にビーム方向が変えられるという効果が得られる。

請求項６のマルチビームアンテナまたはビーム走査アンテナは、請求項５において、
前記第２のマトリクス回路の信号出力側に配列されるアンテナ素子が、略直線的または略平面的に配列されることを特徴とする。
この構成によれば、位相歪を調整することにより、アンテナ素子の先端部分が略直線的または略平面的に配列することができるので、一次放射器の設計＆配置が容易になり、平面基板などを用いて構成することも可能となり、アンテナ装置の低コスト化が可能になるという効果が得られる。

以上説明したように、本発明のビーム形成回路およびアンテナ装置は、マトリクス回路が、前記２つの円の半径をＲ、前記２つの円の中心間の距離をｔとすると、０＜ｔ＜Ｒに調整することによりアンテナ素子に現れる位相歪を制御可能なことから、アンテナ素子を直線的に配置した場合でもアンテナの焦点位置と給電位置（一次放射ビームの位相中心を一致させるか、またはこれらの位置のずれを小さく抑える）ことが可能になり、良好なアンテナ特性を得ることが可能となる。

また、様々な焦線形状を有する反射鏡と組み合わせることが可能となり、アンテナ設計の自由度が大きくなることから様々なビーム特性を有するアンテナを作ることが可能となる。
また、一次放射器を構成するアンテナ素子は直線的に配置することが可能であり、平面基板などを用いて構成することも可能となる。よって、一次放射器の設計＆配置が容易になり、アンテナ装置の低コスト化が可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るビーム形成回路の構成を説明する概略図である。
このビーム形成回路（ＢＦＮ：Ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ）１０は、半径Ｒの２つの円が重なり合った部分を用いて構成される同一設計の２つのマトリクス回路１，２を用いて構成される。２つのマトリクス回路の各々は、二つの円の半径をＲ、２つの円の中心間の距離をｔとすると、０＜ｔ＜Ｒとなるように作製される。

すなわち、このビーム形成回路１０は、２つの円が重なり合った部分をマトリクス回路１，２とし、この回路に信号入出力用のポートを設置した後に、片側の円弧の中央から反対側の円弧に設置されたポートまでの行路長が等しくなるように、行路差（Ｌ_０−Ｌ_ｉ）に対応する第１および第２の移相器５，６が設置されている。第１のマトリクス回路１の第１の移相器５が設置された側のポートを給電ポート３とし、第２のマトリクス回路２の第２の移相器６が設置された側のポートをアンテナ素子４側の接続用のポートとし、これらマトリクス回路１，２の移相器５，６が設置されていない側のポートを接続用ポートとした場合、第１のマトリクス回路１の接続用ポートは、第２のマトリクス回路２の接続用ポートと第３の移相器７を介して接続されている。この第３の移相器７は、行路差２×（Ｌ_０−Ｌ_ｊ）に対応する移相器である。ここで、Ｌ_０は、２つの円が重なり合った部分で構成されるマトリクス回路１，２において、２つの円の中心点を結ぶ線と両円弧の交点との間の線分の長さ、すなわち両円弧の中央部を結ぶ線分の長さであり、Ｌ_ｉおよびＬ_ｊは、その交点から円弧までの任意の線分の長さである。アンテナ素子４における励振分布の位相中心位置の形状は、パラメータｔの値で制御することができる。従って、位相中心位置をパラメータｔを変えて、中間部、後方部、前方部に配置することにより、励振分布の位相面を直線、凸状、凹状に形成することができる。
なお、図中では、第１および第２の移送器５，６は、それぞれ上下に５個ずつ、第３の移相器７は、上下に６個ずつ設置されているが、第１，第２，第３の移相器５，６，７の移相量は、上下で対称的である。

図２および図３は、図１のマトリクス回路について説明する図である。
図２は、マトリクス回路を形成するパターンの形状を示す概略図である。同図に示すように、マトリクス回路を構成するパターンの形状は、半径Ｒの２つの円Ｑ１，Ｑ２の重なり合う部分であり、２つの円Ｑ１，Ｑ２の中心点Ｃ１，Ｃ２の間の距離ｔをパラメータとして設計される。但し、０＜ｔ＜Ｒである。ここで、Ｌ_０は、２つの円Ｑ１，Ｑ２が重なり合った部分で構成されるマトリクス回路１において、２つの円の中心点Ｃ１，Ｃ２を結ぶ中心線と両円弧との交点Ｅ１，Ｅ２の間の線分の長さ、すなわち、両円弧の中央部を結ぶ線分の長さであり、Ｌ_ｉは、その交点Ｅ１，Ｅ２から円弧までの任意の線分の長さである。したがって、行路差は、（Ｌ_０−Ｌ_ｉ）である。
ちなみに、ｔ＝Ｒとした場合は、対称レンズ（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｌｅｎｓ）と同一形状となり、両側の円弧上にポートを設置すれば、レンズとして動作する。

図３は、マトリクス回路をプリント基板を用いて構成した例を示す概略図である。同図に示すように、プリント基板を用いて構成した場合、一般に信号はストリップ線路９を用いて給電されることとなり、線路幅が急激に変化するなどの理由で線路のインピーダンスが急激に変化する箇所（インピーダンスの不連続点）が存在する場合は、その箇所（インピーダンスの不連続点）で信号の大部分が反射してしまうので、一般にこれを回避するためストリップ線路９は、テーパ線路部８を介して接続される。この例では、マトリクス回路をプリント基板を用いて、０＜ｔ＜Ｒとした場合のパターンの両側にポートを設置した例であり、片方の円弧の中心線との交点Ｅ１から反対側の円弧までの行路長を考慮すると、２つの円の中心線との交点Ｅ１とＥ２との間の距離である行路Ｌ_０が最も長くなり、それ以外の行路Ｌ_ｉは、これよりも短くなる。図中の点線は、同心円を示すものである。そのため、片側のポートにおいては、遅延線などにより実現される移相器５を設置し、移相器５により行路差（Ｌ_０−Ｌ_ｉ）を補償したものをマトリクス回路１として用いる。

図４および図５は、本発明に係るビーム形成回路における２つの円の重なりとして設計されるパターンの出力位相を示すグラフである。この例は、ｔ＝０．２５Ｒとして設計された回路における出力位相を示す。図４は、行路差の補正を行わない場合であり、図５は、移相器によって行路差の補正を行った場合（信号は、移相器を設置した側から入力）
結果を示す。なお、ポート数は、片側１８個ずつとし、ポート1個あたりの幅が０．５波長となるように円の半径Ｒは、３１．１波長として計算を行った。

図４に示すように、行路差の補正を行わない場合は出力側のポートの中央における出力信号の位相差がばらばらで一致せず、出力信号の位相分布は、直線的な位相傾きから大きく歪んでいることが確認できる。これに対して、図５に示した出力信号の位相分布では行路差の補正を行うことで、出力側のポートの中央における出力信号の位相値を一致させている。概ね直線的な位相傾きを実現するレンズ回路（対称レンズやＲｏｔｍａｎレンズ）と比較して大きな収差を有しているこのマトリクス回路を用いてビーム形成回路を構成するためには、２つのマトリクス回路１，２の間の線路に、前述した第３の移相器７を設置して全ての給電ポートに共通した全体的な位相歪の補償を行う必要がある。この第３の位移相器７により、給電ポート３が設置されたマトリクス回路１の円弧の中央からもう一方のマトリクス回路２のアンテナ素子接続用ポート４が設置された円弧の中央までの行路長が等しくなるように構成している。

図６および図７は、本発明に係るビーム形成回路のアンテナ素子に現れる励振分布を示すグラフである。図６は振動分布、図７は位相分布を示す。
この例は、ｔ＝０．２５Ｒとして設計（ポート数は、片側１８個ずつとし、ポート幅が０．５波長となるように円の半径Ｒは３１．１波長）したマトリクス回路１，２を用いて、マトリクス回路１，２間に第３の移相器７を設定した場合を示している。すなわち、給電ポート３が設置された第１のマトリクス回路１の円弧の中央からもう第２のマトリクス回路２のアンテナ素子４側の接続用ポートが設置された円弧の中央までの行路長が等しくなるように構成したビーム形成回路１０のアンテナ素子４に現れる励振分布の振幅分布と位相分布を示している。これらの図において、横軸はアンテナ素子４が接続される側のポート位置を示しており、図中の＃９、＃１０は、それぞれ９番目および１０番目の給電ポート３から信号入力されたことを示している。なお、２つのレンズの間を通る信号の振幅分布は、入力信号の振幅を１とした場合の−４０ｄΒエッジのガウス関数型として計算した。

図８および図９は、本発明に係るビーム形成回路のアンテナ素子に現れる励振分布を示すグラフである。図８は振動分布、図９は位相分布を示す。
この例は、ｔ＝０．７５Ｒとして設計（ポート数は、片側１８個ずつとし、ポート幅が０．５波長となるように円の半径Ｒは、３７．９波長）したマトリクス回路１，２を用いて、マトリクス回路１，２間に第３の移相器７を設定した場合を示している。すなわち、給電ポート３が設置された第１のマトリクス回路１の円弧の中央から第２のマトリクス回路２のアンテナ素子４側の接続用ポートが設置された円弧の中央までの行路長が等しくなるように構成したビーム形成回路１０のアンテナ素子４に現れる励振の振幅分布と位相分布を示している。これらの図において、横軸はアンテナ素子が接続される側のポート位置を示しており、図中の＃９、＃１０は、それぞれ９番目および１０番目の給電ポートから信号入力されたことを示している。なお、２つのレンズの間を通る信号の振幅分布は、−４０ｄΒエッジのガウス関数型として計算した。

これらの結果から、図６，図７においてｔ＝０．２５Ｒとして設計した場合と、図８，図９においてｔ＝０，７５Ｒとして設計した場合とでは、励振における振幅分布は似通っているのものの位相分布は全く異なったものが得られることが確認できる。すなわち、パラメータｔの値がｔ＝０，７５ＲとＲに近づいた場合、図８，図９に示すように、マトリクス回路の形状が対称レンズに近づくことからも理解できるように、その位相歪の表れ方は、対称レンズを用いた従来ＢＦＮの場合と似通っており、周辺部のアンテナ素子を励振した場合の位相歪は凸の形状となっている。このように、ｔ＝０．７５Ｒとした場合では、対称レンズを用いた従来ＢＦＮの場合よりも位相歪が低く抑えられているものの、アレー周辺部の励振における位相中心がアレー中央部の励振における位相中心よりも後方に下げることとなる。一方、図６，図７に示すように、パラメータｔの値がｔ＝０．２５ＲとＲから離れている場合は、その位相歪の表れ方は対称レンズを用いた従来ＢＦＮの場合とは逆の傾向を示しており、周辺部のアンテナ素子を励振した場合の位相歪は凹の形状となっている。よって、アレー周辺部の励振における位相中心がアレー中央部の励振における位相中心よりも前方に上げることとなる。

図１０および図１１は、同様に、本発明に係るビーム形成回路のアンテナ素子に現れる励振分布を示すグラフである。図１０は振動分布、図１１は位相分布を示す。
この例は、ｔ＝０．５Ｒとして設計（ポート数は片側１８個ずつとし、ポート幅が０，５波長となるように円の半径Ｒは３４．１波長）したマトリクス回路を用いて構成したビーム形成回路１０のアンテナ素子４に現れる励振分布の振幅分布と位相分布を示したものであり、この場合は、アレー全体の励振にわたって位相歪が小さく抑えられ。ほぼ直線状に分布していることが確認できる。

これらの結果からマトリクス回路の設計パラメータｔの値を変えることで、ビーム形成回路１０のアンテナ素子４に現れる位相歪を制御することが可能であることが分かる。パラメータｔの値として小さな値（概ね０．５Ｒ以下）を採用した場合は、アレー周辺部の励振における位相中心がアレー中央部の励振における位相中心位置よりも前方に位置することになり、パラメータｔの値として大きな値（概ね０．５Ｒ以上）を採用した場合は、アレー周辺部の励振における位相中心がアレー中央部の励振における位相中心位置よりも後方に位置するようになる。

〔第２の実施の形態〕
図１２は、本発明の第２の実施の形態に係るビーム形成回路の構成を説明する概略図である。
この例は、半径Ｒの２つの円が重なり合った部分（２つの円の中心間の距離ｔは、０＜ｔ＜Ｒ）を用いて構成される同一設計のマトリクス回路１１，１２を２つ用いて構成されるビーム形成回路２０を示している。この実施の形態では、第１のマトリクス回路１１の接続用ポートは、第２のマトリクス回路１２の接続用ポートと増幅器２１を介して接続されることを特徴とする。

前述した第１の実施の形態と同様に、ビーム形成回路２０は、２つの円が重なり合った部分をマトリクス回路１１，１２とし、この回路に信号入出力用のポートを設置した後に、片側の円弧の中央から反対側の円弧に設置されたポートまでの行路長が等しくなるように、第１および第２の移相器１５，１６が設置されている。第１のマトリクス回路１１の第１の移相器１５が設置された側のポートを給電ポート１３とし、第２のマトリクス回路１２の第２の移相器１６が設置された側のポートをアンテナ素子１４接続用のポートとし、これらマトリクス回路１１，１２の移相器１５，１６が設置されていない側のポートを接続用ポートとした場合、第１のマトリクス回路１１の接続用ポートは、第２のマトリクス回路１２の接続用ポートと第３の移相器１７を介して接続されている。

図中において、第１の移相器は、給電ポート側のレンズに関して、右側の円弧中央部から個々の給電ポートまでの行路長を調整するものであり、第２の移相器は、アンテナ素子側のレンズに関して、左側の円弧中央部から個々のアンテナ素子（側のポート）までの行路長を調整するものであり、これら移相器は、図３で説明した移相器５に相当する（ちなみに、アンテナ素子側のレンズに関しては１８０度反転している）。したがって、第１および第２の移相器の移相量は、第３の移相器の移相量設定とは無関係であり、（Ｌ_０−Ｌ_ｉ）に対応する値が設定される。

第３の移送器は、ＢＦＮ特性の調整のために基準とした給電ポートｋおよび給電ポートｋに対応する励振分布位置に対応するポートｋ（１８０度反転している）に関して、２つのレンズの行路長を調整するものである。すなわち、給電ポート側のレンズに関して、基準とした給電ポートｋから右側の個々のポートまでの行路長と、アンテナ素子側のレンズに関して、給電ポートｋに対応する励振分布位置に対応するポートｋから左側の個々のポートまでの行路長を併せて補正するものである。したがって、第３の移相器に関しては、ｋ番目の給電ポートを基準とした場合（図では下から３番目）の個々の移相量は、行路差（Ｌ_ｋ０−Ｌ_ｋ）＋（Ｌ_ｋ０−Ｌ_ｋ’）（Ｌ_ｋ、Ｌ_ｋ’は移相器の位置に対応）となる。
ここで、Ｌ_ｋは、ｋ番目の給電ポートに対応する円弧上の点から対向する円弧上の任意の給電ポートに対応する点までの線分の長さであり、Ｌ_ｋ’は、Ｌ_ｋ０に対してＬ_ｋと対称的な角度で延びる線の対向する円弧までの線分の長さである。

本実施の形態では、この第３の移相器１７に隣接して、増幅器２１を設置している。このように、２つのマトリクス回路１１，１２より構成されるレンズの間に増幅率の異なる増幅器２１を設置することで、２つのレンズの間を通る信号振幅を調整することができ、アンテナ素子１４側に出力される信号分布の制御が可能となり、励振分布に幅を持たせて複数のアンテナ素子１４を励振することができる。
なお、図中では、第１および第２の移送器１５，１６は、それぞれ上下に５個ずつ、第３の移相器７および増幅器２１は、上下に６個ずつ設置されているが、第１，第２，第３の移相器５，６，７の移相量は、上下で対称的である。

図１３および図１４は、ｔ＝０．２５Ｒとして設計（ポート数は片側１８個ずつとし、ポート幅が０．５波長となるように円の半径Ｒは３１．１波長）したマトリクス回路を用いて、本実施の形態に従って構成したビーム形成回路２０のアンテナ素子１４に現れる励振分布を示す。図１３は振幅分布、図１４は位相分布を示す。マトリクス回路１１，１２間の第３の移相器１７の移相量は、５番目および１４番目のポート位置を基準としている。

図１５および図１６は、ｔ＝０．６Ｒとして設計（ポート数は片側１８個ずつとし、ポート幅が０．５波長となるように円の半径Ｒは３５．５波長）したマトリクス回路を用いて、同図にしたがって構成したビーム形成回路２０のアンテナ素子１４に現れる励振分布分布を示す。図１５は振幅分布、図１６は位相分布を示す。マトリクス回路１１，１２間の第３の移相器２１の移相量は５番目および１４番目のポート位置を基準としている。これらの図において、横軸はアンテナ素子が接続される側のポート位置を示しており、図中の＃５、＃１４は、それぞれ５番目、１４番目の給電ポート１３から信号入力されたことを示している。なお、２つのレンズの間を通る信号の振幅分布は、−４０ｄΒエッジのガウス関数型として計算した。

これらの結果から、図１３，図１４のｔ＝０．２５Ｒとして設計した場合も、図１５，図１６のｔ＝０．６Ｒとして計算した場合も、振幅分布については概ね均一な特性が得られるが、マトリクス間の移相量の基準とした５番目（および１４番目）のポートから給電した場合の位相歪が小さくなっていることが確認できる。

〔第３の実施の形態〕
図１７および図１８は、本発明の第３の実施の形態に係るビーム形成回路を用いたマルチビームアンテナの構成を説明する概略図である。
図１７は、パラボラ鏡面３１を反射鏡として用いた場合であり、ビーム形成回路１０を構成するマトリクス回路の設計パラメータｔの値として小さな値（例えば、ｔ＝０．２５Ｒ）を採用して設計することで励振分布の位相中心の描く軌跡が鏡面に向かって凹になるようにした場合を示している。パラボラ鏡面３１は、放射素子と放射出力をビームに集中するために放物状の反射器を用いて構成された鏡面である。

図１８は、トーラス鏡面４１を反射鏡として用いた場合であり、ビーム形成回路１０を構成するマトリクス回路の設計パラメータｔの値として大きな値（例えばｔ＝０．６Ｒ）を採用して設計することで、励振分布の位相中心の描く軌跡が鏡面に向かって凸になるようにした場合を示している。トーラス鏡面４１は、ドーナツの円環曲面である。このように、励振分布の位相中心の位置が反射鏡の焦線（あるいは焦点面）に一致するように設計することで、様々な反射鏡を用いたアンテナにおいて良好な特性を得ることが可能になる
また、複数のビームをある角度範囲において近接して隙間無く形成することが可能であれば、これらのビームを切り替えて使用することで、この角度範囲内で連続的にビーム方向が変えられることになり、ビーム走査アンテナとして機能する。

また、本発明においては、アンテナ素子の励振分布の位相中心の位置を設計パラメータｔの値によって調整することが可能なことから、曲線状（または曲面状）の焦線（または焦点面）形状を有する反射鏡と組み合わせる場合においても、アンテナ素子を直線的（または平面的）に配置することが可能になり、一次放射器の設計＆配置が容易となるため、アンテナ装置の低コスト化が可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係るビーム形成回路の構成を説明する概略図である。 マトリクス回路を形成するパターンの形状を示す概略図である。 マトリクス回路をプリント基板を用いて構成する例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るビーム形成回路（移相器がない場合）を説明する図であり、２つの円の重なりとして設計されるパターンの出力位相を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るビーム形成回路（移相器がある場合）を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態に係るビーム形成回路による励振の振幅分布（ｔ＝０．２５Ｒ）を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るビーム形成回路による励振の位相分布（ｔ＝０．２５Ｒ）を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るビーム形成回路による励振の振幅分布（ｔ＝０．７５Ｒ）を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るビーム形成回路による励振の位相分布（ｔ＝０．７５Ｒ）を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るビーム形成回路による励振の振動分布（ｔ＝０．５Ｒ）を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態に係るビーム形成回路による励振の位相分布（ｔ＝０．５Ｒ）を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係るビーム形成回路を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係るビーム形成回路による励振の振動分布（ｔ＝０．２５Ｒ）を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るビーム形成回路による励振の位相分布（ｔ＝０．２５Ｒ）を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るビーム形成回路による励振の振動分布（ｔ＝０．６Ｒ）を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るビーム形成回路による励振の位相分布（ｔ＝０．６Ｒ）を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係るビーム形成回路を用いたマルチビームアンテナを示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係るビーム形成回路を用いたマルチビームアンテナを示す図である。 従来技術のマルチビームアンテナを説明する図である。 クラスタ給電によりビームを形成するマルチビームアンテナを説明する図である。 従来技術のビーム形成回路を説明する図である。 プリント基板を用いて構成された従来技術のビーム形成回路を説明する図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 対称レンズの原理を説明する図である。 従来技術のビーム形成回路を説明する図である。 従来技術のビーム形成回路（レンズ間に移相器および増幅器を設置した例）を説明する図である。 従来技術のビーム形成回路による励振の振幅分布（補正なし）を説明する図である。 従来技術のビーム形成回路による励振の位相分布（補正なし）を説明する図である。 従来技術のビーム形成回路による励振の振幅分布（補正あり）を説明する図である。 従来技術のビーム形成回路による励振の位相分布（補正あり）を説明する図である。 励振の位相分布と位相中心位置との関係を説明する図である。（ａ）は位相面が直線、（ｂ）は位相面が凸、（ｃ）は位相面が凹の形状であることを示す。 アレー位置と位相中心との関係を説明する図である。 従来技術のビーム形成回路を用いたアンテナを説明する図である。

符号の説明

１，１１…第１のマトリクス回路、 ２，１２…第２のマトリクス回路、 ３，１３…給電ポート、 ４，１４…アンテナ素子、 ５，１５…第１の移相器、 ６，１６…第２の移相器、 ７，１７…第３の移相器、 ８，１８…インピーダンス整合用のテーパ線路部、９，１９…信号線（ストリップ線路）、 １０，２０…ビーム形成回路、 ２１…増幅器、３１…反射鏡（パラボラ鏡面）、 ４１…トーラス鏡面

Claims (6)

1. プリント基板または複数の金属板からなる２つの円の半径をＲ、中心間の距離をｔとすると、０＜ｔ＜Ｒとなるように前記２つの円を重ね合わせて構成される同一設計の２つのマトリクス回路を具備し、当該２つのマトリクス回路は、信号入出力用の複数のポートに接続され、信号を分配する分配用レンズとして作用する第１のマトリクス回路と、分配された信号を集束する集束用レンズとして作用する第２のマトリクス回路とからなり、
   前記第１のマトリクス回路の信号入力側の複数のポートに対応して設置され、前記第１のマトリクス回路の一方の円弧の中央から他方の円弧上の任意の点までの行路長を略等しくするための移層量を有する複数の第１の移相器と、
   前記第２のマトリクス回路の信号出力側の複数のポートに対応して設置され、前記第２のマトリクス回路の一方の円弧の中央から他方の円弧上の任意の点までの行路長を略等しくするための移相量を有する複数の第２の移相器と、
   前記第１のマトリクス回路の信号出力側の複数のポートと、前記第２のマトリクス回路の信号入力側の複数のポートとの間に設置され、前記第１のマトリクス回路と第２のマトリクス回路との間の行路長を調整する移相量を有する複数の第３の移相器と、
   を具備することを特徴とするビーム形成回路。
2. 請求項１のビーム形成回路において、
   前記第１のマトリクス回路と前記第２のマトリクス回路との間に設置される前記第３の移送器は、前記第１のマトリクス回路の信号入力側の円弧の中央から前記第２のマトリクス回路の信号出力側の円弧の中央までの行路長を略等しくするための移相量を有することを特徴とするビーム形成回路。
3. 請求項１のビーム形成回路において、
   前記第１のマトリクス回路と前記第２のマトリクス回路との間に設置される前記第３の移送器は、前記第１のマトリクス回路の信号入力用のポートのうちｋ（ｋは自然数）番目のポートから前記第２のマトリクス回路の信号出力用のポートのうちｋ番目のポートまでの行路長を略等しくするための移相量を有することを特徴とするビーム形成回路。
4. 請求項１〜３のいずれか１項のビーム形成回路において、
   前記第１のマトリクス回路と前記第２のマトリクス回路との間に設置される増幅率の異なる複数の増幅器を具備し、前記複数の増幅器を用いて、前記第１および第２のマトリクス回路との間を通る信号の振幅を調整することを特徴とするビーム形成回路。
5. 請求項１〜４のいずれか１項のビーム形成回路を具備することを特徴とするマルチビームアンテナまたはビーム走査アンテナ。
6. 請求項５のマルチビームアンテナまたはビーム走査アンテナにおいて、
   前記第２のマトリクス回路の信号出力側に配列されるアンテナ素子が、略直線的または略平面的に配列されることを特徴とするマルチビームアンテナまたはビーム走査アンテナ。

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