JP2010045464A - Phase-locked oscillator array and array antenna device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の発振器の発振信号の位相を同期させた位相同期発振器アレイ及びそれを用いたアレイアンテナ装置に関する。本発明は、指向性を可変制御できるフェーズドアレイアンテナの各アンテナへの搬送波の位相を制御するのに用いることができる。 The present invention relates to a phase-locked oscillator array in which the phases of oscillation signals of a plurality of oscillators are synchronized, and an array antenna apparatus using the same. The present invention can be used to control the phase of a carrier wave to each antenna of a phased array antenna capable of variably controlling directivity.
特許文献1は、フェーズドアレイアンテナ装置を開示している。そのフェーズドアレイアンテナ装置では、複数の送信モジュールを持ち、搬送波の増幅と位相を可変している。各アンテナに供給する搬送波は、単一の発振器で生成されて、分配器で各アンテナ系統に分配された後、各アンテナに供給されるようになっている。各アンテナに供給される搬送波の位相差を制御することにより、アンテナの指向性を変化させることができる。
非特許文献1は、リング共振器を用いたプッシュ発振器を開示している。この文献では、正方形状のマイクロストリップ線路から成るリング共振器には、2つの直交する共振モードが存在し、リング共振器を4つのポートで励振する4つの発振器があり、自動的に位相関係が決定されることが開示されている。また、4つの発振器からの周波数f0を励振することで、周辺伝送路の各辺の中点間を結び十字形状に交差した線路の交点から周波数4f0 の発振信号が得られることが開示されている。
Non-Patent
また、特許文献2は、 複数の発振器を帯域阻止フィルタで接続した回路を開示している。この技術は、帯域阻止フィルタでの反射特性を利用して、反射信号と同相、透過信号と逆位相で発振させることにより、帯域阻止フィルタで相互に連結された発振器の周波数と位相とを同期させるものである。
ところが、特許文献1のフェーズドアレイアンテナ装置では、発振器が1個であり、この発振器の出力する信号をアンテナ系統の数に分配して、増幅又は移相器により位相を変化させている。信号を分配させているために、発振器は大きな電力を発生させなければならない。これは消費エネルギーを増大させるという問題だけでなく、放熱の問題も引き起こす。また、各アンテナ系統のモジュールに同相で分配するためには、搬送波を供給する伝送路の長さを、各アンテナ系統で、等しくする必要があり、実際には、これを行うことはスペース的に容易ではない。
However, in the phased array antenna device of
また、ミリ波のような超高周波においても、SiGeICの登場によって高集積化できる可能性がでてきた。これにより、高周波回路部をワンチップに収納できる可能性がでてきた。このような状況では、各ICは発振器と増幅器や移相器を備えたICとなる可能性がある。すると、これらのICをアレー配置することで、アンテナからの出力を空間合成するなどの方法も現実的となってきた。しかし、これには、各発振器の同期を取る必要があるが、分配器を用いた分配では、上記のような問題がある。本発明はこのような用途に利用できる。 In addition, with the introduction of SiGeIC, there is a possibility of high integration even at ultra-high frequencies such as millimeter waves. As a result, there is a possibility that the high-frequency circuit unit can be stored in one chip. In such a situation, each IC may be an IC including an oscillator, an amplifier, and a phase shifter. Then, by arranging these ICs in an array, a method of spatially synthesizing the output from the antenna has become realistic. However, this requires synchronization of the respective oscillators, but there is the above-mentioned problem in the distribution using the distributor. The present invention can be used for such applications.
非特許文献1に記載の技術は、1つのリング共振器に4つの発振器を取り付けて発振させる技術である。リング共振器には、cosωt とsinωtとの2つの直交するモードがあり、4つの発振器の発振信号の位相は、自動的に90度ずれた位相関係になる。正方形の伝送路の各辺の中点に設けられた4つのポートでの発振信号の位相は、時計回りに90度づつ位相が進むモードと、これとは逆に、反時計回りに90度づつ位相が進むモードとが存在する。しかし、このモードは、何れか一方に決定することはできず、発振器の電源を投入した時の初期位相により、何れかのモードに決定される。したがって、この非特許文献に開示されているリング共振器を、アレイアンテナ装置に用いることはできない。
The technique described in
また、非特許文献1は、得られる信号は4個に限定されるために、アンテナの数が、これ以上に多くなると、この方式は用いることができない。また、非特許文献1では、正方形の伝送路の中心点から発振器の発振周波数の4倍の周波数の発振信号が得られることが開示されているが、この信号は1個だけであるから、この4倍の発振周波数の発振信号を、分配器を用いることなく、フェーズドアレイアンテナ装置に供給することはできない。したがって、この場合にも、上記のように発振器の出力を大きくする必要があり、消費電力と発熱が大きくなるという問題がある。
In
また、特許文献2の技術では、帯域阻止フィルタの透過信号と逆相で同期させている関係上、透過信号のレベルが低く、隣接する発振器間の結合が弱い。この結果、周波数と位相の同期の安定性に欠けるという問題がある。また、この技術では、単一の波形、すなわち、cosωt か、sinωt しか得られないために、送受信アレイアンテナや、指向性制御のアンテナを構成することが困難となる。
Further, in the technique of
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、分配器を用いることなく、90度づつ位相が異なる4種類の信号であって、各種の信号においては、位相同期した多数の発振信号を供給することができるようにすることである。
また、アレイアンテナやフェーズドアレイアンテナに、搬送波を供給し易い構造の発振装置を提供することである。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to use four types of signals having different phases by 90 degrees without using a distributor. It is to be able to supply a large number of phase-synchronized oscillation signals.
Another object of the present invention is to provide an oscillation device having a structure that can easily supply a carrier wave to an array antenna or a phased array antenna.
本発明は、発振信号の位相差が90度である4位相の同一周波数の発振信号を出力する位相同期発振器アレイにおいて、複数の閉線路から成る複数のリング共振器と、閉線路の全長を1/4分割した位置に設けられた4つのポートのうち隣接する2つのポートと、この閉線路に隣接する閉線路の隣接する2つのポート間を、それぞれ、負性抵抗として、接続する差動発振器と、少なくとも何れか1方の端部に配置される閉線路において、その閉線路の4つのポートのうち、差動発振器が接続されていない2つのポートの一方の第1ポートの位相が、他方の第2ポートの位相に対して、相対的に90度の進み位相となるように、第1ポートと第2ポートの位相関係の向き固定する共振モード固定手段とを有することを特徴とする位相同期発振器アレイである。 According to the present invention, in a phase-locked oscillator array that outputs an oscillation signal having four phases and the same frequency with the phase difference of the oscillation signal being 90 degrees, a plurality of ring resonators composed of a plurality of closed lines and a total length of the closed line are set to 1 / Differential oscillator that connects two adjacent ports among the four ports provided at the four-divided positions and two adjacent ports of the closed line adjacent to the closed line as negative resistances, respectively And at least one of the four ports of the closed line in the closed line arranged at one end, the phase of the first port of one of the two ports to which the differential oscillator is not connected is And a resonance mode fixing means for fixing the orientation of the phase relationship between the first port and the second port so that the phase is relatively advanced by 90 degrees with respect to the phase of the second port. Synchronous oscillator It is an example.
差動発振器を隣接する閉線路のポート間に接続する方法には、発振器を構成するトランジスタのゲート/ベースを、閉線路のポートにコンデンサを介して接続する方法や、トランジスタのドレイン/コレクタ又はソース/エミッタを、閉線路の各ポートにコンデンサやインダクタを介して接続する方法がある。その他、容量結合や誘導結合により、発振器を構成するトランジスタと、閉線路と電磁気的に結合させても良い。要するに、発振器と閉線路とが、電磁気的に結合し、発振器の回路定数と、閉線路の共振特性と回路定数とで、共振周波数、共振特性が決定されるように、結合していれば良く、その結合方法は、任意である。すなわち、隣接する閉線路のポート間に、差動発振器による負性抵抗が接続されれば良い。 The differential oscillator can be connected between adjacent closed line ports by connecting the gate / base of the transistor constituting the oscillator to the closed line port via a capacitor, or by the drain / collector or source of the transistor. / There is a method of connecting an emitter to each port of a closed line via a capacitor or an inductor. In addition, the transistors constituting the oscillator and the closed line may be electromagnetically coupled by capacitive coupling or inductive coupling. In short, it is only necessary that the oscillator and the closed line are electromagnetically coupled so that the resonance frequency and the resonance characteristic are determined by the circuit constant of the oscillator and the resonance characteristic and circuit constant of the closed line. The bonding method is arbitrary. That is, a negative resistance by a differential oscillator may be connected between the ports of adjacent closed lines.
共振モード固定手段は、複数の閉線路のうちの端に設けられる閉線路(以下、「第1閉線路」という)の4つのポートのうち、差動発振器が接続されていない2つのポートである第1ポートと第2ポートに接続される。共振モード固定手段は、第1ポートの位相が、他方の第2ポートの位相に対して、相対的に90度の進み位相となるように、第1ポートと第2ポートの位相関係の向き固定する。位相関係の向きとは、ポート間の位相の進み又は遅れ関係を言い、その位相関係の向きを固定するとは、装置の電源のオンオフに係わらず、常に、ポート間の位相関係が、一意的に固定されるようにすることを意味する。この固定により、閉線路が共振状態となる時の各4つのポートの位相関係が一意に固定される。その結果、他の複数の閉線路の各ポートの位相関係も、一意に固定される。 The resonance mode fixing means is two ports to which a differential oscillator is not connected among four ports of a closed line (hereinafter referred to as “first closed line”) provided at an end of a plurality of closed lines. Connected to the first port and the second port. The resonance mode fixing means fixes the orientation of the phase relationship between the first port and the second port so that the phase of the first port is a leading phase of 90 degrees relative to the phase of the other second port. To do. The direction of phase relationship refers to the phase advance or delay relationship between ports.When the phase relationship is fixed, the phase relationship between ports is always unique regardless of whether the device power is on or off. It means to be fixed. By this fixing, the phase relationship of each of the four ports when the closed line is in a resonance state is uniquely fixed. As a result, the phase relationship between the ports of the other plurality of closed lines is also uniquely fixed.
共振モード固定手段には、以下の手段を採用することができる。
第1には、共振モード固定手段は、90度位相差を有する2つ信号を出力する発振器を有し、位相が進んでいる方の信号を第1ポートに入力させ、他方の信号を第2ポートに入力させる手段である。閉線路の共振周波数と同一周波数で発振する発振器の出力から、90度位相差を有する2つの信号が生成される。これには、90度遅れ移相器、90度遅延移相器、90度の進み移相器などを用いることができる。もちろん、発振器の出力信号に対して、π/4だけ位相が進んだ信号と、π/4だけ位相が遅れた信号とを生成しても良い。そして、2つの信号のうち、位相が進んでいる方の信号を第1ポートに入力させ、位相が遅れている方の信号を第2ポートに入力させれば良い。この場合においても、共振モード固定手段は、第1ポートと第2ポートとに信号を供給するが、この時、閉線路を伝搬する信号が、共振モード固定手段を介して、第1ポートと第2ポート間を、バイパスすることを防止するために、発振器と第1ポート間に、発振器器から第1ポートに向けてのみ信号を伝送する伝搬方向制限回路と、発振器と第2ポート間に、発振器器から第2ポートに向けてのみ信号を伝送する伝搬方向制限回路とを設けるのが望ましい。このようにすることで、共振モード固定手段が、閉線路の共振特性に影響を与えることを防止することができ、Q値を向上させることができる。伝搬方向制限回路はは、増幅器、方向性結合器、サーキュレータ、アイソレータなどで構成できる。
The following means can be adopted as the resonance mode fixing means.
First, the resonance mode fixing unit includes an oscillator that outputs two signals having a phase difference of 90 degrees, and inputs the signal having the advanced phase to the first port and the other signal to the second signal. It is a means to make it input into a port. Two signals having a phase difference of 90 degrees are generated from the output of the oscillator that oscillates at the same frequency as the resonance frequency of the closed line. For this, a 90-degree delayed phase shifter, a 90-degree delayed phase shifter, a 90-degree advanced phase shifter, or the like can be used. Of course, a signal whose phase is advanced by π / 4 with respect to the output signal of the oscillator and a signal whose phase is delayed by π / 4 may be generated. Of the two signals, the signal with the phase advanced may be input to the first port, and the signal with the phase delayed may be input to the second port. Even in this case, the resonance mode fixing means supplies a signal to the first port and the second port. At this time, the signal propagating through the closed line is connected to the first port and the first port via the resonance mode fixing means. In order to prevent bypassing between the two ports, a propagation direction limiting circuit that transmits a signal only from the oscillator to the first port between the oscillator and the first port, and between the oscillator and the second port, It is desirable to provide a propagation direction limiting circuit for transmitting a signal only from the oscillator toward the second port. In this way, the resonance mode fixing means can be prevented from affecting the resonance characteristics of the closed line, and the Q value can be improved. The propagation direction limiting circuit can be composed of an amplifier, a directional coupler, a circulator, an isolator, and the like.
第2には、共振モード固定手段は、負性抵抗として、第1ポートに接続される発振器と、発振器の出力信号の位相を90度を遅らせて、第2ポートに出力する遅れ移相回路とで構成することができる。
第3には、共振モード固定手段は、負性抵抗として、第2ポートに接続される発振器と、発振器の出力信号の位相を90度を進めて、第1ポートに出力する進み移相回路とで構成することができる。
この発振器は、第1閉線路と接続された状態で、発振器の回路定数と、閉線路の共振特性とその回路定数とで、共振周波数、共振特性が決定されるように、第1閉線路に結合している。すなわち、この発振器は、第1閉線路と接続された状態で、閉線路の共振周波数で発振するように構成された発振器である。
Secondly, the resonance mode fixing means includes, as a negative resistance, an oscillator connected to the first port, a delayed phase shift circuit that delays the phase of the output signal of the oscillator by 90 degrees, and outputs the delayed signal to the second port. Can be configured.
Thirdly, the resonance mode fixing means includes, as a negative resistance, an oscillator connected to the second port, an advanced phase shift circuit that advances the phase of the output signal of the oscillator by 90 degrees, and outputs it to the first port; Can be configured.
The oscillator is connected to the first closed line so that the resonance frequency and the resonance characteristic are determined by the circuit constant of the oscillator, the resonance characteristic of the closed line, and the circuit constant. Are connected. That is, this oscillator is an oscillator configured to oscillate at the resonance frequency of the closed line while being connected to the first closed line.
また、共振モード固定手段は、発振器と、第1ポート又は第2ポートとの間に、発振器からそのポートに向けてのみ信号を伝搬する伝搬方向制限回路を有することが望ましい。負性抵抗を与える発振器は、伝搬方向制限回路が接続されていない方のポートと接続された状態で、閉線路の共振周波数で発振する。伝搬方向制限回路により、その伝搬方向制限回路が接続されているポートが、発振器に与える影響が防止されている。したがって、発振器は、一つのポートとの接続状態で、発振するので、発振モードを一つに制限できる。伝搬方向制限回路としては、増幅器、方向性結合器、サーキュレータ、アイソレータなどを用いることができる。 The resonance mode fixing means preferably has a propagation direction limiting circuit for propagating a signal only from the oscillator toward the port between the oscillator and the first port or the second port. The oscillator that provides the negative resistance oscillates at the resonance frequency of the closed line while being connected to the port to which the propagation direction limiting circuit is not connected. The propagation direction limiting circuit prevents the port to which the propagation direction limiting circuit is connected from affecting the oscillator. Therefore, since the oscillator oscillates when connected to one port, the oscillation mode can be limited to one. As the propagation direction limiting circuit, an amplifier, a directional coupler, a circulator, an isolator, or the like can be used.
また、共振モード固定手段は、第1ポートと第2ポートとを接続する90度位相さを発生させる移相器としても良い。この場合には、第1閉線路での共振は、それに接続されている差動発振器によって、生起される。第1ポートの電圧は、そのポートと180度の位置関係にあるポートの電圧の位相に対して、180度遅延している。また、第2ポートも、同様に、そのポートと180度の位置関係にあるポートの電圧の位相に対して、180度遅延している。この時、共振モード固定手段は、第1ポートの電圧の位相を第2ポートの電圧の位相に対して90度進める作用をして、第1ポートの位相を、第2ポートの位相に対して、常に、90度進み位相となるように固定する。 Further, the resonance mode fixing means may be a phase shifter that generates a 90-degree phase that connects the first port and the second port. In this case, resonance in the first closed line is caused by a differential oscillator connected thereto. The voltage of the first port is delayed by 180 degrees with respect to the phase of the voltage of the port having a positional relationship of 180 degrees with the port. Similarly, the second port is also delayed by 180 degrees with respect to the phase of the voltage of the port having a positional relationship of 180 degrees with the port. At this time, the resonance mode fixing means operates to advance the phase of the voltage of the first port by 90 degrees with respect to the phase of the voltage of the second port, and to change the phase of the first port to the phase of the second port. The phase is always fixed so that the phase advances by 90 degrees.
共振モード固定手段は、例えば、90度遅延線路、90度遅れ移相器、90度進み移相器で、構成される。共振モード固定手段を、90度遅延線路又は90度遅れ移相器とした場合には、第1ポートと180度の位置関係にあるポートに接続されている差動発振器を、第2ポートと180度の位置関係にあるポートに接続されている差動発振器に対して、先に、電源を投入して、発振させる。これにより、第1ポートは、最大振幅、第2ポートは、零振幅となる励振モードが第1閉線路に励起される。そして、第1ポートの電圧信号は、共振モード固定手段により、その位相が90度遅延されて、第2ポートに入力される。このようにして、第2ポートを第1ポートに対して、常に、90度位相が遅れた状態で、共振させることができる。 The resonance mode fixing means includes, for example, a 90-degree delay line, a 90-degree delay phase shifter, and a 90-degree advance phase shifter. When the resonance mode fixing means is a 90-degree delay line or a 90-degree delay phase shifter, a differential oscillator connected to a port having a positional relationship of 180 degrees with the first port is connected to the second port and 180 degrees. The differential oscillator connected to the ports having the positional relationship is first turned on to oscillate. As a result, an excitation mode in which the first port has the maximum amplitude and the second port has the zero amplitude is excited in the first closed line. Then, the phase of the voltage signal of the first port is delayed by 90 degrees by the resonance mode fixing means and input to the second port. In this way, the second port can be resonated with the phase always delayed by 90 degrees with respect to the first port.
逆に、共振モード固定手段を、90度進み移相器とした場合には、第2ポートと180度の位置関係にあるポートに接続されている差動発振器を、第1ポートと180度の位置関係にあるポートに接続されている差動発振器に対して、先に、電源を投入して、発振させる。これにより、第2ポートは、最大振幅、第1ポートは、零振幅となる励振モードが第1閉線路に励起される。そして、第2ポートの電圧信号は、共振モード固定手段により、その位相が90度進まされ、第1ポートに入力される。このようにして、第1ポートを第2ポートに対して、常に、90度位相が進んだ状態で、閉線路を共振させることができる。 Conversely, when the resonance mode fixing means is a 90-degree lead phase shifter, the differential oscillator connected to the port having a positional relationship of 180 degrees with the second port is connected to the first port with 180 degrees. The differential oscillator connected to the ports in the positional relationship is first turned on to oscillate. As a result, an excitation mode in which the second port has the maximum amplitude and the first port has the zero amplitude is excited in the first closed line. The phase of the voltage signal of the second port is advanced by 90 degrees by the resonance mode fixing means and is input to the first port. In this way, the closed line can be resonated with the first port always being 90 degrees ahead of the second port.
第1閉線路の4つのポートの位相関係は、装置の電源をオンオフさせても、常に、固定される。隣接する閉線路のポート間を接続する差動発振器の2出力端子の位相関係は、固定されているので、他の全ての閉線路の4つのポートの位相関係は、常に、固定されることになる。 The phase relationship between the four ports of the first closed line is always fixed even when the power of the device is turned on / off. Since the phase relationship of the two output terminals of the differential oscillator connecting between the ports of the adjacent closed lines is fixed, the phase relationship of the four ports of all other closed lines is always fixed. Become.
また、共振モード固定手段は、第1ポートと第2ポート間の信号の伝搬方向を一方の方向に制限する伝搬方向制限回路を有することが望ましい。この場合に、伝搬方向制限回路は、共振モード固定手段が接続されていない場合に、第1 閉線路において、信号が励起されているポートから、信号が励起されていないポートへ向かう方向にのみ信号が伝搬するように方向を制限するものである。これにより、直交する2モードの励振を、効果的に、実現することができる。 The resonance mode fixing means preferably has a propagation direction limiting circuit that limits the propagation direction of the signal between the first port and the second port to one direction. In this case, when the resonance mode fixing means is not connected, the propagation direction limiting circuit outputs the signal only in the direction from the port where the signal is excited to the port where the signal is not excited in the first closed line. The direction is restricted so as to propagate. Thereby, orthogonal two-mode excitation can be effectively realized.
また、上記の全発明において、一つの閉線路におけるポートの数は、4つであり、各ポート間の位相差は、基本発振周波数に対してπ/2である。閉線路は、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路を用いることができるが、閉線路は、全周長が発振周波数の管内1波長のマイクロストリップ線路から成ることが望ましい。 In all the above inventions, the number of ports in one closed line is four, and the phase difference between the ports is π / 2 with respect to the fundamental oscillation frequency. As the closed line, a microstrip line or a coplanar line can be used, but it is desirable that the closed line is composed of a microstrip line having an entire circumference of one wavelength in the tube having an oscillation frequency.
閉線路の数は、複数であれば、任意である。必要な発振信号の数が得られるだけ、設けることになる。例えば、アレイアンテナの数がn本であれば、閉線路の数もn本となる。差動発振器は、2つのポートを、逆相で接続するものである。隣接する閉線路の2組のポートが、2組の差動増幅器で接続されることになる。これらの2組の差動増幅器は、同一素子特性で構成されるのが望ましい。 The number of closed lines is arbitrary as long as it is plural. As many oscillation signals as necessary can be obtained. For example, if the number of array antennas is n, the number of closed lines is n. The differential oscillator connects two ports with opposite phases. Two sets of ports of adjacent closed lines are connected by two sets of differential amplifiers. These two sets of differential amplifiers are preferably configured with the same element characteristics.
また、他の端部の第2閉線路において、他の閉線路と接続されていないポートには、インピーダンス整合した終端抵抗が接続されていても、開放端であっても、また、負性抵抗として、発振器が接続されていても良い。
本発明は、複数の閉線路の対応したポートにおいて、得られる複数の発振信号において、位相は固定的に同期したものでも、位相差を変化させて、同期したものであっても良い。したがって、位相を変化させる発振信号を得る場合には、隣接する閉線路の2つのポートを接続する線路に位相を推移させる移相器を設けることが望ましい。
In addition, in the second closed line at the other end, a port not connected to the other closed line is connected to an impedance-matched termination resistor, an open end, or a negative resistance. As an example, an oscillator may be connected.
In the present invention, in a plurality of oscillation signals obtained at corresponding ports of a plurality of closed lines, the phases may be fixedly synchronized or may be synchronized by changing a phase difference. Therefore, when obtaining an oscillation signal that changes the phase, it is desirable to provide a phase shifter that shifts the phase in a line that connects two ports of adjacent closed lines.
複数の閉線路は、2次元配列されていても良い。このアレイ配設から、アレイアンテナへの信号の供給が容易となる。 The plurality of closed lines may be two-dimensionally arranged. This array arrangement makes it easy to supply signals to the array antenna.
閉線路の形状は、円、楕円、正方形、菱形、長方形、平行四辺形、正三角形、正五角形、正六角形、正八角形、正多角形など任意である。多角形の場合、ポートを設ける位置は頂角でも辺でも良い。設けるポート間の線路長は、基本周波数の管内波長の1/4である。閉線路を一つの方向に一次元配列させる場合には、隣接する2つの閉線路における2つのポート間は、逆相で接続される。この逆相の接続が、隣接する閉線路において、2組存在する。また、閉線路を2次元配列させる場合には、直交する2つの方向に、それぞれ、2組づつの差動発振器で、閉線路間が、逆相で接続される。 The shape of the closed line is arbitrary, such as a circle, an ellipse, a square, a rhombus, a rectangle, a parallelogram, a regular triangle, a regular pentagon, a regular hexagon, a regular octagon, and a regular polygon. In the case of a polygon, the position where the port is provided may be an apex angle or a side. The line length between the provided ports is 1/4 of the guide wavelength of the fundamental frequency. When the closed lines are arranged one-dimensionally in one direction, two ports in two adjacent closed lines are connected in opposite phases. There are two sets of this antiphase connection in the adjacent closed line. When the closed lines are two-dimensionally arranged, the closed lines are connected in opposite phases by two sets of differential oscillators in two orthogonal directions.
また、閉線路は、ポートが設けられる周辺線路と、閉線路の中心点と周辺線路とを、等中心角で結ぶ内部線路とから成り、中心点から発振周波数の4倍の周波数を出力する構成としても良い。この場合には、発振基本周波数の4倍の周波数を中心点から出力することができる。 The closed line is composed of a peripheral line provided with a port, and an internal line that connects the central point of the closed line and the peripheral line at an equicentral angle, and outputs a frequency four times the oscillation frequency from the central point. It is also good. In this case, a frequency four times the oscillation fundamental frequency can be output from the center point.
これらの場合において、1次元配列や2次元配列する場合にも、2つの閉経路の結合は、上記した構成と同一である。発振器を結合させる位置は、多角形の場合、閉線路の頂角でも辺でも良い。また、閉線路を正多角形又は円で構成する場合において、周辺線路と内部線路との交点に、差動発振器を結合させても良いし、差動発振器は、その交点以外の周辺線路上の任意の4等分点に設けても良い。一つの閉線路に4つの差動発振器が接続されている場合には、対称性から、4個の差動発振器とその交点との距離を、全て等しくする任意の点で、差動発振器を閉線路とを結合させる。これは、閉線路が正方形の場合にも、当てはまる。すなわち、正方形の角でも、各辺の中点でも、各角から距離の等しい各辺上の点で、差動発振器と閉線路とを結合させても良い。 In these cases, even when a one-dimensional array or a two-dimensional array is used, the coupling of the two closed paths is the same as that described above. In the case of a polygon, the position where the oscillator is coupled may be the apex angle or the side of the closed line. Further, in the case where the closed line is constituted by a regular polygon or a circle, a differential oscillator may be coupled to the intersection of the peripheral line and the internal line, or the differential oscillator may be on a peripheral line other than the intersection. It may be provided at an arbitrary quadrant. When four differential oscillators are connected to one closed line, the differential oscillators are closed at any point where the distances between the four differential oscillators and their intersections are all equal because of symmetry. Connect the track. This is true even when the closed track is square. That is, the differential oscillator and the closed line may be coupled at a square corner, a midpoint of each side, or a point on each side that is equal in distance from each corner.
また、閉線路は、一辺の長さが発振周波数の1波長の1/4の正方形から成る周辺線路と、各辺の中点と正方形の中心点とを結ぶ内部線路とで構成しても良い。この場合には、中心点から発振周波数の4倍の周波数を出力することができる。この時、差動発振器を接続するポートは、正方形の各辺の中点に設けても良いし、正方形の角に設けても良い。この構成を、一次元配列、二次元配列したものであっても良い。 Further, the closed line may be composed of a peripheral line composed of a square whose length of one side is ¼ of one wavelength of the oscillation frequency, and an internal line that connects the midpoint of each side and the center point of the square. . In this case, a frequency four times the oscillation frequency can be output from the center point. At this time, the port for connecting the differential oscillator may be provided at the midpoint of each side of the square, or may be provided at the corner of the square. This configuration may be a one-dimensional array or a two-dimensional array.
また、上記構成の位相同期発振器アレイを用いてアレイアンテナ装置を構成することも可能である。この場合に、一つの基板に、アンテナ素子と、発振器、閉線路、その他の送信回路を形成することができる。同様に、位相同期発振器アレイを用いたアレイアンテナ装置であって、閉線路の中心点に、送信回路及びアンテナ素子が形成されたアレイアンテナ装置としても良い。 It is also possible to configure an array antenna apparatus using the phase-locked oscillator array having the above configuration. In this case, an antenna element, an oscillator, a closed line, and other transmission circuits can be formed on one substrate. Similarly, an array antenna apparatus using a phase-locked oscillator array, in which a transmission circuit and an antenna element are formed at the center point of a closed line, may be used.
また、各ポートの出力信号の位相を、nθ、ただし、nは自然数、だけシフトさせる移相器を設けても良い。この場合に、アレイアンテナにおいて指向性を制御することができる。 Further, a phase shifter that shifts the phase of the output signal of each port by nθ, where n is a natural number, may be provided. In this case, directivity can be controlled in the array antenna.
本発明によると、閉線路の全長を1/4分割した位置に設けられた4つのポートのうち隣接する2つのポートと、この閉線路に隣接する閉線路の隣接する2つのポート間を、それぞれ、差動発振器を負性抵抗として接続したものである。したがって、各閉線路は、周波数と位相が同期したものとなり、各閉線路の4つのポートからは、90度づつ位相が異なる4つの安定した発振信号を得ることができる。また、少なくとも何れか1方の端部に配置される閉線路において、その閉線路の4つのポートのうち、差動発振器が接続されていない2つのポートの一方の第1ポートの位相を、他方の第2ポートの位相に対して、90度の進み位相に固定する共振モード固定手段か設けられているので、閉線路における発振モードは、この共振モード固定手段により決定される方向に、位相が、順次、回転するモードとなる。この結果、各閉線路の各ポートからは、装置の電源をオンオフしても、隣接するポート間の位相さが90度で、進みと遅れの位相関係が固定された信号が得られる。 According to the present invention, between the two adjacent ports among the four ports provided at the position obtained by dividing the total length of the closed line by 1/4, and between the two adjacent ports of the closed line adjacent to the closed line, A differential oscillator is connected as a negative resistance. Therefore, each closed line is synchronized in frequency and phase, and four stable oscillation signals having different phases by 90 degrees can be obtained from the four ports of each closed line. Further, in the closed line disposed at least at one of the ends, the phase of the first port of one of the two ports not connected to the differential oscillator among the four ports of the closed line is changed to the other Since the resonance mode fixing means for fixing to the lead phase of 90 degrees with respect to the phase of the second port is provided, the oscillation mode in the closed line has a phase in a direction determined by the resonance mode fixing means. Then, the mode is sequentially rotated. As a result, a signal in which the phase relationship between adjacent ports is 90 degrees and the phase relationship between advance and delay is fixed is obtained from each port of each closed line even if the power of the apparatus is turned on / off.
また、閉線路を、一次元配列、二次元配列など、複数配列させることにより、アレイアンテナへの応用が可能となる。また、閉線路を、一次元配列、二次元配列など、複数設けて、隣接する閉線路を接続する線路に、移相器を設けることで、得られる発振信号の位相を可変制御することができる。したがって、フェーズドアレイアンテナ装置の指向性制御を容易に行うことが可能となる。また、各段の閉線路の各ポートから出力される発振信号に対して、各段毎に、nθの位相差を設ける移相器を設けることで、フェーズドアレイアンテナ装置の指向性制御を容易に行うことが可能となる。 Further, by arranging a plurality of closed lines such as a one-dimensional array and a two-dimensional array, application to an array antenna becomes possible. Also, by providing a plurality of closed lines, such as a one-dimensional array and a two-dimensional array, and providing a phase shifter on a line connecting adjacent closed lines, the phase of the obtained oscillation signal can be variably controlled. . Therefore, directivity control of the phased array antenna device can be easily performed. Also, directivity control of the phased array antenna device is facilitated by providing a phase shifter that provides a phase difference of nθ for each stage of the oscillation signal output from each port of the closed line of each stage. Can be done.
また、4本の回転対称の内部線路を設けて、その中心点から基本周波数の4倍の周波数の信号を得るようにした場合には、リング共振器の共振周波数が使用する周波数よりも低いので、使用周波数で共振させた場合に比べると、高いQ値を得ることができるので効果的である。 In addition, when four rotationally symmetric internal lines are provided and a signal having a frequency four times the fundamental frequency is obtained from the center point, the resonance frequency of the ring resonator is lower than the frequency used. Compared with the case where resonance is made at the operating frequency, a high Q value can be obtained, which is effective.
これらの位相同期発振器アレイをフェーズドアレイアンテナを含むアレイアンテナ装置に用いた場合には、分配器を用いていないので、消費電力を節減できる。また、発熱も少ない。さらに、一つの基板上にアンテナ素子と回路とを集積化することができる。さらに、リング共振器の利得を、差動発振器の数で決定することができ、一定の出力を得るに当たり、差動発振器の容量を低減することが可能となる。また、各アンテナ系統へ信号を供給する各線路の長さが、単一の発振器を用いて分配器で分配する場合には、等しくならないので、各アンテナでの送信位相を調整することが必要となるが、本発明では、そのような線路長の不均一性による各種の弊害を排除することができる。 When these phase-locked oscillator arrays are used in an array antenna apparatus including a phased array antenna, the power consumption can be reduced because a distributor is not used. Also, there is little heat generation. Further, the antenna element and the circuit can be integrated on one substrate. Furthermore, the gain of the ring resonator can be determined by the number of differential oscillators, and the capacity of the differential oscillator can be reduced in obtaining a constant output. In addition, when the length of each line for supplying a signal to each antenna system is distributed by a distributor using a single oscillator, it is necessary to adjust the transmission phase at each antenna because it is not equal. However, in the present invention, it is possible to eliminate various adverse effects due to such non-uniformity of the line length.
また、閉線路を複数設けているので、アレイアンテナに要求される性能により、用いる閉線路を選択することで、要求の程度に応じたアレイアンテナ装置を、同一構成で、提供することが可能となる。例えば、探索範囲を長距離にしたり、指向性の幅を狭くして、方向の分解能を高くする場合には、動作させる閉線路の数を多くし、探索範囲を短距離にしたり、指向性の幅を広くして方向の分解能を低下させる場合には、動作させる閉線路の数を減少させれば良い。 In addition, since a plurality of closed lines are provided, it is possible to provide an array antenna apparatus according to the required level with the same configuration by selecting the closed line to be used according to the performance required for the array antenna. Become. For example, when the search range is long, or the directivity is narrowed to increase the direction resolution, the number of closed lines to be operated is increased, the search range is shortened, the directivity If the width is widened to reduce the direction resolution, the number of closed lines to be operated may be reduced.
以下、本発明の具体的な実施例を図を参照しながら説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.
図1は、位相同期発振器アレイの平面図、図2は、その1つのリング共振器を示した断面図である。基板10の上に、マイクロストリップ線路から成る円形をした閉線路22と、差動発振器31a、31b、32a、32bから成るICが配設されている。基板の裏面11には、アース導体12が配設されている。円形の閉線路の全長aは、発振基本周波数の管内波長λである。閉線路22の周囲の4等分点は、それぞれ、各差動発振器31a、32a、32b、31bのゲート/ベースが、接続される4つのポート22a、22b、22c、22dを構成している。
FIG. 1 is a plan view of a phase-locked oscillator array, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing one of the ring resonators. On the
図3には、閉線路21(第1閉線路)と閉線路22とを接続する差動発振器31a、31bの具体的な回路が示されている。差動発振器を構成するトランジスタは、同一構成で、同一素子特性を有するトランジスタから構成されている。そして、閉線路21のポート21bと、閉線路22のポート22a間とのには、差動発振器31aが接続されている。すなわち、ポート21bとポート22aには、それぞれ、差動発振器31aを構成する2つのトランジスタTr1、Tr2の、それぞれのゲート/ベースが接続されている。また、閉線路21のポート21cと、閉線路22のポート22dとの間には、差動発振器31bが接続されている。すなわち、ポート21cとポート22dには、それぞれ、差動発振器31bを構成する2つのトランジスタTr3、Tr4の、それぞれのゲート/ベースが接続されている。他の閉線路22、23の間にも、それぞれのポート22bとポート23aとを接続する差動発振器32a、それぞれのポート22cとポート23dとを接続する差動発振器32bが配設されている。また、他の端部の閉線路(以下、「第2閉線路」という)23のポート23b、ポート23cには、差動発振器33a、33bが接続されている。なお、図1では、閉線路は3つだけ記載されているが、実際には、必要な信号の数に応じて、必要な数の閉線路が差動発振器で接続されている。
FIG. 3 shows a specific circuit of the
端部の第1閉線路21における差動発振器が接続されていないポート21a、21dには、共振モード固定装置30が接続されている。共振モード固定装置30は、発振器27と、90度遅延線路29と、伝搬方向制限回路を構成する増幅器28とを有している。ポート21dは、発振器27のトランジスタTr5のゲート/ベースに、抵抗rを介して接続されている。ポート21aは、発振信号をB1点からA1点(ポート21dからポート21a)の方向にのみ伝搬させる増幅器28、90度遅延線路29、及び抵抗rを介して、発振器27のトランジスタTr5のゲート/ベースに接続されている。伝搬方向制限回路は、増幅器28の他、片方向に電磁波を伝搬させるものであれば、方向性結合器、アイソレータ、サーキュレータなどを用いることができる。B1点における励振信号がcosωt の場合、A1点ででの励振信号は、その信号の位相が90度遅れた信号sinωt となる。このようにポート21dからcosωt で、ポート21aからsinωt で励振した場合、電界は時計回りの回転電界となり、ポート21dの信号cosωt に対して、ポート21a、21b、21cの電圧は、それぞれ、順次、位相が90度づつ遅れた信号となる。
The resonance
増幅器28は、第2ポートから、信号が発振器側に伝搬しないようにするものである。すなわち、増幅器28は、第2ポートの特性が発振器27に影響を与えず、発振器27が第1ポートの特性のみによって、共振周波数で発振するようにするためのものである。
The
図1において、ポート21dから励振された信号は、ポート21a、21cには現れず、ポート21bにのみ、180度の位相差で、現れる。一方、ポート21aから励振された信号は、ポート21b、21dには現れず、ポート21cにのみ、180度の位相差で現れる。また、ポート21aと、ポート21dからの90度の位相差で、励振した場合には、閉線路21において、励振位相が進んでいるポートから励振位相が遅れているポートに向けた向きに回転する回転電界が発生し、これは、基本周波数の角速度ωで回転する。
In FIG. 1, the signal excited from the
隣接する閉線路のポート間は、差動発振器で接続されているので、ポート21bの信号と、ポート22aの信号とは、位相が180度異なる。同様に、ポート21cの信号と、ポート22dの信号とは、位相が180度異なる。閉線路22のポート22b、22cと、閉線路23のポート23a、23dのぞれぞれのポート対における信号は、180度位相が異なったものとなる。端部の第1閉線路21での励振状態が決定されると、その電界の回転方向によって決定される方向に、差動発振器で結合した他の閉線路にも、回転電界が励起される。
Since the adjacent closed line ports are connected by a differential oscillator, the signal of the
このようにして、本実施例によれば、分配器を用いることなく、閉線路の数だけの位相同期した周波数fの発振信号を得ることができる。また、各閉線路における4つのポートからは、90度づつ位相が異なる4つの発振信号を得ることができる。
なお、本実施例においては、差動発振器のトランジスタのゲート/ベースを閉線路に接続しているが、ドレイン/コレクタ又はソース/エミッタをコンデンサやインダクタを介して閉線路に接続しても、トランジスタの発振信号が流れる線路と、閉線路とを、容量結合、誘導結合などの電磁的な結合により、結合させても良い。また、第2閉線路において、他の閉線路と接続されていないポートには、差動発振器33a、33bを接続したが、このポートは、開放されていても、整合抵抗で終端されていても良い。
In this way, according to the present embodiment, it is possible to obtain the oscillation signals having the frequency f that is phase-synchronized with the number of closed lines, without using a distributor. Further, four oscillation signals having different phases by 90 degrees can be obtained from the four ports in each closed line.
In the present embodiment, the gate / base of the transistor of the differential oscillator is connected to the closed line. However, the drain / collector or the source / emitter may be connected to the closed line via a capacitor or inductor. The line through which the oscillation signal flows and the closed line may be coupled by electromagnetic coupling such as capacitive coupling or inductive coupling. Further, in the second closed line, the
また、上記実施例において、増幅器28と90度遅延移相器29との配置関係は逆であっても良い。すなわち、増幅器28が発振器27に近い側に、90度遅延移相器29が第2ポート21aに近い側に配設されていても良い。また、上記実施例では、増幅器28を90度遅延移相器29に直列に接続しているが、図4に示すように、増幅器28を、90度遅延移相器29が設けられない側の線路、すなわち、第1ポート21dに接続される線路に、第1ポート側に信号を伝送する向きに設けても良い。この場合には、発振器27は、その負性抵抗と、90度遅延移相器29と、第2ポート21aから見た閉線路の特性とによって決定される周波数で、発振する。そして、その発振器27の発振周波数が、第1ポート21dに入力される。このよにうしても、第1ポート21dの電圧位相を、第2ポート21aの電圧位相に対して、常に、90度だけ進んだ状態とすることができる。
In the above embodiment, the arrangement relationship between the
また、図1において、第1ポート21dに接続される側に、90度進み移相器と、第1ポート21dに向かう方向にのみ信号を伝搬させる増幅器とを接続し、第2ポート21aには、発振器27の出力を、そのまま、入力させるようにしても良い。この場合には、発振器27は、その負性抵抗と、第2ポート21aから見た閉線路の特性とで決定される周波数で発振し、その発振信号が90度進み移相器を介して第1ポート21dに入力される。これによっても、第1ポート21dの電圧位相を第2ポート21aの電圧位相に対して、常に、90度進んだ状態に固定することができる。図4の構成の思想と同様に、第1ポート21dに接続される線路に、90度進み移相器のみを接続して、第1ポート21aに接続される線路には、その向きにのみ信号伝搬させる増幅器だけを設けても良い。この場合には、発振器27は、その負性抵抗と、90度進み移相器と、第1ポート21dから見た閉線路の特性とによって決定される周波数で、発振する。そして、その発振器27の発振周波数が、第2ポート21aに入力される。このよにうしても、第1ポート21dの電圧位相を、第2ポート21aの電圧位相に対して、常に、90度だけ進んだ状態とすることができる。
In FIG. 1, a phase shifter advanced by 90 degrees and an amplifier that propagates a signal only in the direction toward the
実施例1では、共振モード固定装置30において、発振器27の負性抵抗と、一つのポートから見た閉線路の特性により、発振器27が、単ピーク特性による周波数で発振するように構成している。実施例2は、図5に示すように、独立した発振器26を用いたものである。すなわち、第1閉線路21の回路定数には影響されないが、閉線路の共振周波数で、発振する発振器26を用いた。90度遅延移相器29を用いて、発振器26の発振信号の位相が90度遅延される。この場合には、閉線路21の回路特性が、発振器26の発振特性に影響を与えないので、伝搬方向制限回路である増幅器は用いていない。もちろん、第1ポート21dに接続される線路に90度進み移相器を設けて、第2ポート21aには、発振器26の出力をそのまま入力させるようにしても良い。いずれの場合も、第1ポート21dの電圧の位相を、第2ポート21aの電圧の位相に対して90度進めた状態に固定することができる。
In the first embodiment, the resonance
本実施例の場合には、発振器26は、閉線路21とは無関係に発振する発振器であるので、発振器26と閉線路21とを直接接続しても、閉線路21の特性が発振器26に影響を与えることがない。しかし、第1ポート21dと、第2ポート21a間で、90度遅延移相器や90度進み移相器が挿入される線路により、閉線路21をバイパスする経路が形成される。このため、閉線路21の共振特性に影響を与える。したがって、図6に示すように、第2ポート21aに接続される線路に、第2ポート21aの方向にのみ信号を伝搬させる増幅器28aを設け、第1ポート21dに接続される線路に、第1ポート21dの方向にのみ信号を伝搬させる増幅器28bを設けても良い。これにより、共振特性を改善することができる。90度進み移相器を用いる場合も同様に、それぞれの経路に、それぞれの増幅器を用いることかできる。
In the case of the present embodiment, the
図7に示すように、実施例3では、共振モード固定装置130を、第1ポート21dと第2ポート21a間に、コンデンサを介して接続される90度遅延移相器29(λ/4遅延線路)で、構成しても良い。この構成の場合においては、第1ポート21dと180度の位置関係にあるポート21bに接続されている差動発振器31aを、第2ポート21aと180度の位置関係にあるポート21cに接続されている差動発振器31bよりも先に起動して、ポート21bから、閉線路21を励振させる。ポート21bからcosωt で励振した場合、第1ポート21dの電圧は、励振信号に対して180度位相が異なる−cosωt となる。第2ポート21a及びポート21cには、この励振信号は現れず、それらのポートの電圧は零である。第1ポート21dに現れる信号を、90度遅延移相器29を介して、第2ポート21aに入力させる。すると、第2ポート21aは、−sinωt で励振される。2つのポートから90度位相差を有した励振信号で励振することにより、上述した説明により、閉線路21の電界分布は、第1ポート21dから、90度位相遅れで励起される第2ポート21aに向けた方向に回転する回転電界となる。これにより、装置の電源のオンオフに係わらず、第1ポート21dの電圧位相を第2ポート21aの電圧位相に対して、相対的に90度進めた状態に、固定することができる。この結果、他の閉線路における各ポートでの電圧位相も、90度づつ位相が異なる位相に固定することができる。
As shown in FIG. 7, in the third embodiment, the resonance
なお、第2ポート21aと180度の位置関係にあるポート21cに接続されている差動発振器31bを、差動発振器31aよりも先に起動すると、第2ポート21aの電圧位相が、第1ポート21dの電圧位相よりも90度進むことになり、電界の回転方向も反時計方向となる。このように、第1閉線路21に接続されている差動発振器31a、31bの起動順序により、閉線路の各ポートの位相関係を一意的に固定することができる。
また、90度遅延移相器29に代えて、90度進み移相器を用いても良い。この場合には、差動発振器31bを差動発振器31aよりも先に起動させる。そのようにすることで、第1ポート21dの電圧位相を第2ポート21aの電圧位相に対して、90度進めた状態に固定することができる。
When the
Further, instead of the 90-degree
実施例3では、第1ポート21dが励振される時、その信号は、閉線路21上における第2ポート21aの位置には現れない。したがって、第1ポート21aの位置での電圧信号を抽出して、90度遅延させて、第2ポート21aから閉線路21に入力させても、互いに、他の発振モードに影響を与えない。しかしながら、第1ポート21dと、第2ポート21a間において、閉線路21をバイパスする経路が形成されるので、閉線路21の発振特性に影響を与える。そこで、図8に示すように、第1ポート21dから第2ポート21aの向きに、90度位相さを有する信号を伝搬させる向きにのみ伝搬方向を制限する増幅器28を設けても良い。この場合に、第1ポート21dで、90度遅延移相器29側に分岐される信号のレベルを低くして、増幅器28で増幅して、第2ポート21aに入力させることにより、閉線路21の発振特性を、より損なうことがない。以上の構成は、90度遅延移相器29に代えて、90度進み移相器を用いても同様である。
In the third embodiment, when the
本実施例は、図1の実施例1の位相同期発振器アレイにおいて、各段の閉線路の発振信号の初期位相を、0 、θ、2 θとするもので、各閉線路の対応するポート信号間の位相差をθとしたものである。そして、この位相差θを可変設定できるようにしている。 In this embodiment, the initial phase of the oscillation signal of the closed line at each stage is set to 0, θ, 2θ in the phase-locked oscillator array of the first embodiment shown in FIG. The phase difference between them is θ. The phase difference θ can be variably set.
図9に示すように、閉線路間を接続する差動発振器31aと閉線路22のポート22aとの間に移相器51aを設け、差動発振器31bと閉線路22のポート22dとの間に移相器51bを設け、差動発振器32aと閉線路23のポート23aとの間に移相器52aを設け、差動発振器32bと閉線路23のポート23dの間に移相器52bを設けたことが特徴である。これにより、閉線路21からは、cosωt 、-cosωt 、sinωt 、-sinωt の4つの信号得られ、第2段の閉線路22からは、それらの4つの信号で、位相がθだけ遅れた4つの信号が得られ、第3段の閉線路23からは、それらの4つの信号で、位相が2θだけ遅れた4つの信号が得られる。同様に、閉線路を多数段設けることで、第n段の閉線路からは、cos[ωt-(n-1)θ] 、-cos[ωt-(n-1)θ] 、sin[ωt-(n-1)θ] 、-sin[ωt-(n-1)θ] の4つの発振信号が得られる。このような構成により、本実施例の装置を、一次元方向に指向性を制御できるフェーズドアレイアンテナ装置の搬送波発生装置に用いることができる。
As shown in FIG. 9, a
なお、図9の実施例4は、共振モード固定装置30に、実施例1の図1の構成を用いたが、共振モード固定装置30は、図4に示した実施例1の変形例による構成、図5に示した実施例2の独立発振器を用いた構成、図6に示した実施例2の変形例による構成、図7に示した実施例3の90度遅延移相器又は90度進み移相器を第1ポートと第2ポート間に接続する構成、図8に示す実施例3の変形例による構成を、採用することができる。
9 uses the configuration of FIG. 1 of the first embodiment as the resonance
本実施例は、図10に示すように、閉線路を2次元配列したものである。すなわち、実施例1のx方向の一次元配列を、それに垂直なy方向に、繰り返し、y軸方向にも、各x系統の閉線路を、結合させたものである。閉線路21と22と23から成るx方向に配列された第1系統は、実施例1と同一である。また、閉線路61、差動発振器61a、61b、閉線路62、差動発振器62a、62b、閉線路63から成るx方向に配列された第2系統も、実施例1と同一構成である。第2系統の端部の第2閉線路63の差動発振器62a、62b か接続されていないポートには、差動発振器63a、63bが接続されている点も、第1系統と同一である。
In this embodiment, as shown in FIG. 10, closed lines are two-dimensionally arranged. That is, the one-dimensional array in the x direction according to the first embodiment is repeated in the y direction perpendicular to the x direction, and the closed lines of each x system are coupled also in the y axis direction. The first system arranged in the x-direction composed of the
本実施例では、第1系統の閉線路21と第2系統の閉線路61とが、差動発振器31c、31dで接続され、第1系統の閉線路22と第2系統の閉線路62とが、差動発振器32c、32dで接続され、第1系統の閉線路23と第2系統の閉線路63とが、差動発振器33c、33dで接続されている。各発振信号の出力は、それぞれ、同様な関係にある。このように2次元的に閉線路と差動発振器を配置させることで、信号の数を増大させることができる。
In the present embodiment, the first system closed
本実施例5においても、x軸方向の各行には、実施例4の図9に示す、移相量θの移相器51a,51b、52a、522bを設けても良い。これにより、多数のnθの位相さを有する正弦波、余弦波を発生させることができる。さらに、y軸方向の各列には、差動発振器31d、31c、32d、323c、33d、33cと、各閉線路61、62、63のポート間に、位相量φの移相器を設けても良い。このようにすることで、cos[ωt-(n-1)θ] 、-cos[ωt-(n-1)θ] 、sin[ωt-(n-1)θ] 、-sin[ωt-(n-1)θ] 、cos[ωt-(n-1)φ] 、-cos[ωt-(n-1)φ] 、sin[ωt-(n-1)φ] 、-sin[ωt-(n-1)φ] 、cos[ωt-(n-1)θ-(n-1)φ] 、-cos[ωt-(n-1)θ-(n-1)φ] 、sin[ωt-(n-1)θ-(n-1)φ] 、-sin[ωt-(n-1)θ-(n-1)φ] の信号を生成することができる。
Also in the fifth embodiment,
本実施例においても、実施例4と同様に、共振モード固定装置30には、第1実施例、第2実施例、第3実施例、及び、それらの変形例に用いた共振モード固定装置30を用いることができる。
Also in the present embodiment, similarly to the fourth embodiment, the resonance
実施例6は、発振器の周波数f0 の4倍の周波数4f0 を発生するようにした実施例である。図11に示すように、図1に示す実施例1の構成において、閉線路21、22、23に、十字に交差する内部線路200を設けたことが特徴である。各閉線路の周辺線路210のポート間の各中点と円形の中心とを結ぶ十字形状の内部線路200を有している。
In the sixth embodiment, a frequency 4f 0 that is four times the frequency f 0 of the oscillator is generated. As shown in FIG. 11, the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1 is characterized in that the
閉線路21で説明する。4つのポート21a〜21dの各ポート間にある周辺線路210の長さが等しい。したがって、周辺線路210と内部線路200との4つの交点での、周波数4f0 の高調波の位相は同相となる。また、4つのポート21a〜21dでは、周波数4f0 の高調波の位相は同相となり、発振信号はcos(4ωt)となる。ただし、ω=2πf0 である。また、中心点R11と各ポート間の距離は同一であるので、中心点R11の信号の位相は、各ポートの信号位相に対して、同一の一定位相量だけ遅れる。よって、中心点R11の信号は、cos(4ωt-α) となる。
The
他方、周波数f0 の基本波に対しては、各ポートでの信号の位相が0、π/2、π、3π/2であり、中心点R11では、これらの位相に、同一の位相遅れ量βを減じた値を位相とする余弦波の和となる。これは、零となる。同様に、第2高調波2f0 の場合には、0、π、0、πの各ポートの位相に、内部線路による位相遅れ量γを減じた値を位相とする余弦波の和となる。この和も対称性から零となる。第3高調波3f0 の場合には、0、3π/2、π、π/2の各ポートの位相に、共通に、内部線路による位相遅れηを減じた値を位相とする余弦波の和となる。この場合も、位相の対称性から、中心点R11におけるこの第3高調波成分は0となる。結局、第4高調波成分のみが、中心点R11に現れることになる。 On the other hand, for the fundamental wave of frequency f 0 , the phase of the signal at each port is 0, π / 2, π, 3π / 2, and at the center point R11, these phases have the same phase lag amount. This is the sum of cosine waves whose phase is the value obtained by subtracting β. This is zero. Similarly, in the case of the second harmonic 2f 0 , it is the sum of cosine waves whose phase is a value obtained by subtracting the phase delay amount γ due to the internal line to the phase of each port of 0, π, 0, π. This sum is also zero due to symmetry. In the case of the third harmonic 3f 0 , the sum of cosine waves whose phase is a value obtained by subtracting the phase delay η due to the internal line in common with the phase of each port of 0 , 3π / 2, π, and π / 2. It becomes. Also in this case, the third harmonic component at the center point R11 is zero because of the symmetry of the phase. Eventually, only the fourth harmonic component appears at the center point R11.
このようにして、各閉線路21、22、23の各中心点R11からは、cos(4ωt)の発振信号が得られる。この構成を、図9に示す実施例4の構成に採用しても良い。この場合には、cos[4ωt-4(n-1)θ] の信号を得ることができる。また、y方向にも、これらの構成の閉線路をm段設けることで、n個の位相差4θを有する発振信号をm個づつ得ることができる。これにより、一次元方向に指向性を変更できるフェーズドアレイアンテナ装置を構成できる。
In this way, an oscillation signal of cos (4ωt) is obtained from each central point R11 of each
また、図10の実施例5の閉線路を2次元配列した場合の構成に採用することもできる。また、図10の構成で、x方向にはθ、y方向にはφだけ信号の位相を変化させる移相器を用いた構成に、本実施例の構成を採用することもできる。その場合には、cos[4ωt-4(n-1)θ] cos[4ωt-4(n-1)φ] 、cos[4ωt-4(n-1)θ-4(n-1) φ] の信号を生成することができる。 Moreover, it can also be employ | adopted as a structure at the time of arranging the closed line of Example 5 of FIG. 10 two-dimensionally. Further, in the configuration of FIG. 10, the configuration of the present embodiment can be adopted as a configuration using a phase shifter that changes the phase of a signal by θ in the x direction and φ in the y direction. In that case, cos [4ωt-4 (n-1) θ] cos [4ωt-4 (n-1) φ], cos [4ωt-4 (n-1) θ-4 (n-1) φ] The signal can be generated.
このように、閉線路をm行、n列の2次元配置に構成することで、アンテナ素子もm行n列に構成でき、放射電力を増大させることができる。本実施例では、リング共振器内の発振周波数はf0 として、用いる発振信号の周波数を4f0 としている。したがって、共振周波数は、用いる信号よりも低周波であるので、共振のQ値を大きくすることができる。本実施例においても、共振モード固定装置30に関しては、実施例1、2、3やその変形例において用いた共振モード固定装置30を採用することができる。
Thus, by configuring the closed line in a two-dimensional arrangement of m rows and n columns, the antenna elements can also be configured in m rows and n columns, and the radiated power can be increased. In this embodiment, the oscillation frequency in the ring resonator is f 0 and the frequency of the oscillation signal to be used is 4f 0 . Therefore, since the resonance frequency is lower than the signal used, the resonance Q value can be increased. Also in the present embodiment, with respect to the resonance
本実施例は、実施例1の位相同期発振器アレイをフェーズトアレイアンテナの指向性制御に用いたアレイアンテナ装置である。
図12に示すように、各閉線路22、23、24からは、それぞれ、4つの信号、cosωt 、cos(ωt-π/2) 、cos(ωt-π) 、cos(ωt-3π/2) が出力される。図12では、これらの信号は、それらが出力されるポートに、進み位相を正として、位相角0、90、180、−90で表記されている。第1閉線路21には、上記した実施例の共振モード固定装置30が接続されている。閉線路22には、それらの信号の位相を推移させるために、ミキサー52a、52b、52c、52dが接続されている。他の閉線路23、24についても、同様にミキサー53a〜53d、54a〜54dが、接続されている。符号中のa、b、c、dの記号は、それぞれ、位相角0、−90、180、90度の信号を処理するミキサーを表している。また、閉線路22の系統に対して、ミキサー52bの出力とミキサー52cの出力を加算する加算器62a、ミキサー52cの出力から、ミキサー52bの出力を減算する減算器62b、ミキサー52aの出力とミキサー52dの出力を加算する加算器62c、ミキサー52aの出力から、ミキサー52dの出力を減算する減算器62dが設けされている。閉線路23の系統に対して、ミキサー53aの出力とミキサー53dの出力を加算する加算器63a、ミキサー52aの出力から、ミキサー52bの出力を減算する減算器63b、ミキサー53bの出力とミキサー53cの出力を加算する加算器63c、ミキサー53cの出力から、ミキサー53bの出力を減算する減算器63dが設けされている。閉線路24の系統については、ミキサー54bの出力とミキサー54cの出力を加算する加算器64a、ミキサー54cの出力から、ミキサー54bの出力を減算する減算器64b、ミキサー54aの出力とミキサー54dの出力を加算する加算器64c、ミキサー54aの出力から、ミキサー54dの出力を減算する減算器64dが設けされている。
The present embodiment is an array antenna apparatus that uses the phase-locked oscillator array of the first embodiment for directivity control of a phased array antenna.
As shown in FIG. 12, four signals, cosωt, cos (ωt−π / 2), cos (ωt−π), and cos (ωt−3π / 2) are respectively transmitted from the
ミキサー52a、52b、52c、52dには、それぞれ、発振信号の位相をθ、φだけ推移させるために、cosφ、-sinθ、-cosθ、sinφが、それぞれ、入力している。ミキサー53a、53b、53c、53dには、それぞれ、発振信号の位相をθ、φだけ推移させるために、cos2θ、-sin2φ、-cos2φ、sin2θが、それぞれ、入力している。また、ミキサー54a、54b、54c、54dには、それぞれ、発振信号の位相をθ、φだけ推移させるために、cos3φ、-sin3θ、-cos3θ、sin3φが、それぞれ、入力している。その結果、閉線路22の系統においては、加算器62aからは、cos(ωt+θ) 、減算器62bからは、cos(ωt-θ) 、加算器62cからは、cos(ωt+φ) 、減算器62dからは、cos(ωt-φ) が、それぞれ、出力される。また、閉線路23の系統においては、加算器63aからは、cos(ωt+2θ) 、減算器63bからは、cos(ωt-2θ) 、加算器63cからは、cos(ωt+2φ) 、減算器63dからは、cos(ωt-2φ) が、それぞれ、出力される。また、閉線路24の系統においては、加算器64aからは、cos(ωt+3θ) 、減算器64bからは、cos(ωt-3θ) 、加算器64cからは、cos(ωt+3φ) 、減算器64dからは、cos(ωt-3φ) が、それぞれ、出力される。、
To the
このように、位相がnθ、nφで、減少及び増加する信号が得られるので、図12に示すように、送受信アンテナT1〜T3、K1〜K3に、位相が変化する信号を供給することで、送信と受信の指向性を、θ方向とφ方向とに制御することができる。 As described above, since the signals that decrease and increase with the phases nθ and nφ are obtained, as shown in FIG. 12, by supplying signals that change in phase to the transmitting and receiving antennas T1 to T3 and K1 to K3, The directivity of transmission and reception can be controlled in the θ direction and the φ direction.
なお、共振モード固定装置30には、上記全ての実施例、及びその変形例のものを、本実施例においても用いることができる。上記の実施例1の図1において、共振モード固定装置30の発振装置27や26のコンデンサの値を変化させることで、発振周波数を変化させることができ、これにより、FMCWによる、レーダアンテナを実現することかできる。また、図13に示すように、第1閉線路21と、アース間に接続された逆バイアスダイオードD1〜D4のバイアス電圧を変化させることで、この容量を変化させて、発振周波数を変化させることができる。よって、この方式によってもFMCW方式のレーダアンテナ装置を実現することができる。また、図13では、図12と異なり、φの移相系統も、θの移相系統とすることで、一つの閉線路23から、±θ、±2θ、の4つの位相差を有した信号を出力することができる。また、一つの閉線路24からは、±3θ、±4θ、の4つの位相差を有した信号を出力することができる。
As the resonance
本発明は、指向性を制御できるフェーズドアレイアンテナ装置に用いることかできる。 The present invention can be used for a phased array antenna apparatus capable of controlling directivity.
21…第1閉線路
23…第2閉線路
22、61、62、63…閉線路
30…共振モード固定装置
26、27…発振器
29…90度遅延移相器
28…増幅器
31a、31b、32a、32b、61a、61b、62a、62b…差動発振器
21d…第1ポート
21a…第2ポート
21b、21c、22a〜22d、23a〜23…ポート
51a、51b、52a、52b…移相器
DESCRIPTION OF
Claims (16)
複数の閉線路から成る複数のリング共振器と、
前記閉線路の全長を1/4分割した位置に設けられた4つのポートのうち隣接する2つのポートと、この閉線路に隣接する閉線路の隣接する2つのポート間を、それぞれ、負性抵抗として、接続する差動発振器と、
少なくとも何れか1方の端部に配置される閉線路において、その閉線路の4つのポートのうち、前記差動発振器が接続されていない2つのポートの一方の第1ポートの位相が、他方の第2ポートの位相に対して、相対的に90度の進み位相となるように、第1ポートと第2ポートの位相関係の向き固定する共振モード固定手段と
を有することを特徴とする位相同期発振器アレイ。 In a phase-locked oscillator array that outputs an oscillation signal having the same frequency of four phases with an oscillation signal phase difference of 90 degrees,
A plurality of ring resonators comprising a plurality of closed lines;
Negative resistance between two adjacent ports among the four ports provided at a position obtained by dividing the total length of the closed line by ¼, and two adjacent ports of the closed line adjacent to the closed line, respectively. As a differential oscillator to be connected,
At least one of the four ports of the closed line in the closed line arranged at one end of the closed line has a phase of the first port of the two ports to which the differential oscillator is not connected. And a resonance mode fixing means for fixing a direction of a phase relationship between the first port and the second port so that the phase is a relative advance of 90 degrees with respect to the phase of the second port. Oscillator array.
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