JP2009081697A

JP2009081697A - アレイアンテナ装置とその薄型化方法

Info

Publication number: JP2009081697A
Application number: JP2007249826A
Authority: JP
Inventors: Taihei Nakada; 大平中田; Yoshiaki Satake; 芳彰佐竹
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: JP4956346B2

Abstract

【課題】部品高さに制限されず、且つ電力増幅器の高出力化や切替回路の損失など設計条件の厳しい場合においてもアンテナの薄型化を可能とする。
【解決手段】ドライバモジュール５１と４分配／４合成回路３１，３２との間にハイブリッド回路４１を配置し、このハイブリッド回路４１の位相を送信時と受信時とで切り替えることで、ドライバモジュール５１の送受信端を切り替える。ハイブリッド回路４１はサーキュレータのような高さがないため薄型化に有利であり、ダイオードを用いたスイッチのような大きな損失がないため、送信電力増幅器の高出力化や損失の低減化にも優れている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばレーダ装置や無線通信機器等で用いられ、送信と受信の機能を有するアクティブフェーズドアレイアンテナに係り、特に機体への搭載制約を極小化するための薄型化の要求が厳しい搭載用のアクティブフェーズドアレイアンテナに関する。

近年、航空機等の機体搭載用アンテナにおいては、レーダシステムの高性能化の要求の高まりから、高機能で高性能なアクティブフェーズドアレイ化への要求が高まって来ている。

しかしながら、アクティブフェーズドアレイ化は、従来のパッシブ方式の空中線に比べ、回路構成の複雑化に伴った寸法や質量など装置規模の増大が必然的に生じる。このため、電子装置に対する制約が厳しい機体搭載用レーダにおいては、レーダシステムに望まれる高性能化を実現する上で必要となるアンテナの開口長を確保することは、必ずしもできない状況であった。

このような状況から、機体搭載用のアクティブフェーズドアレイ化においては、特許文献１に示すような薄型層状構造化を図り、機体搭載制約を最小にする手法などが提案されている。しかしながら、従来のアンテナでは、電力分配回路とドライバモジュール間には、送受信の回路系統を分離するためのサーキュレータが必要である。このサーキュレータは空中線の薄型化においては部品高さを決定する大きな要因となり、空中線の薄型化には大きな障害となっていた。

一方、サーキュレータの代わりに、ダイオードを用いたスイッチ等が用いられる場合などがあったが、送信電力増幅器の高出力化や損失の低減化には限界があり、採用するに当たってはアンテナとして大きな制限を受ける状況であった。このため従来技術では、薄型のアンテナを実現するには限界があった。
特開２０００−２０９０１６公報

上述の如く、機体搭載用のアレイアンテナ装置においては、薄型層状構造化や小型・軽量化を実施するのみでは、アンテナ薄型化には限界があった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、サーキュレータ等の部品高さに制限されず、且つ電力増幅器の高出力化や切替回路の損失など設計条件の厳しい場合においても、アンテナの薄型化を可能とするアレイアンテナ装置とその薄型化方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明に係るアレイアンテナ装置は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子それぞれに接続され、各素子に対する送信及び受信高周波信号を電力増幅する増幅器及び前記送信及び受信高周波信号の位相を調整する移相器を備える複数の送受信モジュールと、前記複数の送受信モジュールに接続され前記送信高周波信号を分配供給し、前記受信高周波信号を合成する電力分配／合成器と、前記電力分配／合成器に接続され、前記送信高周波信号の初段電力増幅機能と前記受信高周波信号の電力増幅機能を有するドライバモジュールと、前記電力分配／合成器と前記ドライバモジュールとの間に介在され、送信時と受信時とで位相を切り替えて前記ドライバモジュールの前記電力分配／合成器に対する送受信端を切り替えるハイブリッド回路とを具備することを特徴とする。

また、本発明に係るアレイアンテナ装置の薄型化方法は、アレイアンテナ装置の電力分配／合成器とドライバモジュールとが接続される送受信信号入出力部にハイブリッド回路を接続し、送信時と受信時とで前記ハイブリッド回路の位相を切り替えて前記ドライバモジュールの前記電力分配／合成器に対する送受信端を切り替えることを特徴とする。

すなわち、本発明は、前述した問題に対して、ドライバモジュールと電力分配器との間にハイブリッド回路を配置し、このハイブリッド回路により送信時と受信時とで位相を切り替えることで、ドライバモジュールの送受信端を切り替えることで解決を図るものである。

以上のように、本発明によれば、サーキュレータ等の部品高さに制限されず、且つ電力増幅器の高出力化や切替回路の損失など設計条件の厳しい場合においてもアンテナの薄型化を可能とするアレイアンテナ装置とその薄型化方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明に係るアレイアンテナ装置の一実施形態として、機体搭載用のアクティブフェーズドアレイアンテナ装置の構成を示すブロック図である。尚、ここでは説明を簡単にするため、アンテナ素子数ｎをｎ＝８として説明する。

図１において、１１〜１８はアレイアンテナを構成するアンテナ素子であり、各アンテナ素子１１〜１８には、それぞれ送受信モジュール２１〜２８が接続される。これらの送受信モジュール２１〜２８は、アンテナ素子１１〜１８に対する送信及び受信ＲＦ信号を電力増幅する増幅器Ａ１，Ａ２及び送信及び受信ＲＦ信号の位相を調整する移相器Ｂ１，Ｂ２、送受切替用スイッチＣ１，Ｃ２を備える。このうち、第１群の送受信モジュール２１〜２４は４分配／４合成回路３１に接続され、第２群の送受信モジュール２５〜２８は４分配／４合成回路３２に接続される。

上記４分配／４合成回路３１，３２は、送受信モジュール２１〜２４，２５〜２８に対して送信ＲＦ信号を分配供給し、受信ＲＦ信号を合成するもので、その入出力端はそれぞれハイブリッド回路（ＨＹ）４１を介してドライバモジュール５１に接続される。このドライバモジュール５１は、４分配／４合成回路３１，３２に対する送信ＲＦ信号の初段電力増幅機能と受信ＲＦ信号の電力増幅機能を有するもので、その入力端は送信ＲＦ信号を発生する励振機（図示せず）に接続され、出力端は受信ＲＦ信号を受信する受信機（図示せず）に接続される。

上記ハイブリッド回路４１は、送信時と受信時とで位相を切り替えることで、ドライバモジュール５１の４分配／４合成回路３１，３２に対する送受信端を切り替える機能を有する。

また、図１において、制御回路６１は、アンテナ指向方向の指示入力に基づいて上記送受信モジュール２１〜２８に対する位相及び電力制御を行うことでアンテナ指向方向を制御するものである。但し、ここではその位相制御量として、指向方向に応じた移相量に上記ハイブリッド回路４１の挿入による位相補正量を加算することで求める。

すなわち、上記構成によるアクティブフェーズドアレイアンテナ装置では、送信時において、ハイブリッド回路４１及び４分配／４合成回路３１，３２の各素子に対する通過位相を図２（ａ）に示すように設定したとき、送受信モジュール２１〜２８の各素子に対する位相制御量は図２（ｂ）に示すようになる。また、受信時において、ハイブリッド回路４１及び４分配／４合成回路３１，３２の各素子に対する通過位相を図３（ａ）に示すように設定したとき、送受信モジュール２１〜２８の各素子に対する位相制御量は図３（ｂ）に示すようになる。

したがって、上記構成によるアクティブフェーズドアレイアンテナ装置によれば、ドライバモジュール５１と４分配／４合成回路３１，３２との間にハイブリッド回路４１を配置したことにより、このハイブリッド回路４１の位相を送信時と受信時とで切り替えるだけでドライバモジュール５１の送受信端を切り替えることが可能となる。ハイブリッド回路はサーキュレータのような高さはなく、薄型化に最適である。また、ダイオードを用いたスイッチのような大きな損失はなく、送信電力増幅器の高出力化や損失の低減化に十分寄与することができる。

尚、上記実施形態では、アクティブフェーズドアレイアンテナ装置の場合について説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、パッシブ型等、他のアレイアンテナ装置の場合にも同様に実施可能であり、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係るアレイアンテナ装置として、アクティブフェーズドアレイアンテナ装置の一実施形態の構成を示すブロック図。図１に示すアレイアンテナ装置の送信時の素子通過位相と位相制御量との関係を示す図。図１に示すアレイアンテナ装置の受信時の素子通過位相と位相制御量との関係を示す図。

符号の説明

１１〜１８…アンテナ素子、２１〜２８…送受信モジュール、３１，３２…４分配／４合成回路、４１…ハイブリッド回路、５１…ドライバモジュール、６１…制御回路。

Claims

アレイ状に配列される複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子それぞれに接続され、各素子に対する送信及び受信高周波信号を電力増幅する増幅器及び前記送信及び受信高周波信号の位相を調整する移相器を備える複数の送受信モジュールと、
前記複数の送受信モジュールに接続され前記送信高周波信号を分配供給し、前記受信高周波信号を合成する電力分配／合成器と、
前記電力分配／合成器に接続され、前記送信高周波信号の初段電力増幅機能と前記受信高周波信号の電力増幅機能を有するドライバモジュールと、
前記電力分配／合成器と前記ドライバモジュールとの間に介在され、送信時と受信時とで位相を切り替えて前記ドライバモジュールの前記電力分配／合成器に対する送受信端を切り替えるハイブリッド回路と
を具備することを特徴とするアレイアンテナ装置。
さらに、前記複数の送受信モジュールそれぞれの前記電力増幅及び位相調整を前記複数のアンテナ素子によるビーム指向方向を指示に応じて制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記ビーム指向方向の指示方向に対する移相量に前記ハイブリッド回路の位相補正量を加算して複数の送受信モジュールの位相を制御することを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ装置。
アレイアンテナ装置の電力分配／合成器とドライバモジュールとが接続される送受信信号入出力部にハイブリッド回路を接続し、送信時と受信時とで前記ハイブリッド回路の位相を切り替えて前記ドライバモジュールの前記電力分配／合成器に対する送受信端を切り替えることを特徴とするアレイアンテナ装置の薄型化方法。