JP2014093767A - 直交偏波共用・偏波面可変アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】直交偏波共用とその直交偏波面可変の複合機能を具備すると共に、簡易小型な構成でかつ偏波面可変制御が容易な機能アンテナを実現する。
【解決手段】
π／２型ハイブリッド回路が持つ信号対の位相差情報を振幅比に変換する機能と、π型あるいはπ／２型のハイブリッド回路が一般に持つ位相差πの信号対形成機能を組み合わせることによって，直交偏波共用と直交偏波面可変の複合機能を持つアンテナを実現する。即ち、二つのＲＦ信号をハイブリッド回路によって位相差の差異がπラジアンの二つの信号対に変換し、さらに移相器によって等量の移相処理を行い、続いてπ／２型ハイブリッド回路によって位相差・振幅比変換を施す。この二つの信号対を直交偏波共用アンテナへ給電して、二つの信号に対応した直交偏波面を形成する。直交偏波は自律的かつ互いに独立に形成出来ると共に、その偏波面はＲＦ移相処理だけで自在に可変設定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波・ミリ波帯などの高周波帯アンテナを技術分野とし、特に直交偏波共用機能とその偏波面の連続可変機能の複合機能を具備するアンテナに関する。

ユビキタス社会の進展に伴い、マイクロ波・ミリ波帯などの高周波帯機能アンテナについても多様な機能が求められつつある。例えば、ポラリメトリックなワイヤレスセンサーや各種レーダー装置、および電磁波偏波も積極的に活用するＭＩＭＯなどの通信技術などがその代表的な事例である。

第８図（ａ）は、非特許文献１に示されているように、直交直線偏波の共用が可能な直交給電回路を用いた平面アレーアンテナである。エアブリッジとスロットラインを活用することによって、一層構造の誘電体基板で直交偏波の共用を実現している。

第８図（ｂ）は、非特許文献２に示されているように、直交給電平面アレーアンテナとπ／２型ハイブリッド回路で構成した直交円偏波共用アンテナである。これにＲＦ帯スイッチ機能を付加すれば、直交円偏波切り替え機能も実現できる。その他、偏波切り替えアンテナ技術としては、例えば非特許文献３のように、アンテナ素子単体における直交円偏波切り替え機能も報告されている。

偏波面の連続可変技術に関しては、例えば特許文献１の液晶を用いたミリ波帯の偏波面可変アンテナの発明がある。さらに、偏波面可変に関するシステム応用装置技術としては、例えば特許文献２や３がある。前者は、通信衛星利用のＳＮＧ装置のための偏波面検出技術に関する発明であり、後者は移動体衛星通信などへの適用を目指した偏波面制御方式とそのための校正技術に関する発明である（第８図（ｃ））。

特許第３８１５６１３号 特許第３５６６４１９号 特許第４８１９８４８号

牛嶋優，西山英輔，相川正義，"直交給電回路を用いた多素子直線偏波共用マイクロストリップアレーアンテナ，"電子情報通信学会論文誌 Ｂ，ｖｏｌ．Ｊ９４−Ｂ，Ｎｏ．９，ｐｐ．１１８１−１１８９，２０１１． Ｆ．Ｆｅｎｇ，Ｅ．Ｎｉｓｈｉｙａｍａ，ａｎｄ Ｍ．Ａｉｋａｗａ，"Ｂｒｏａｄ−Ｂａｎｄ Ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｒｉｎｇ−Ｓｌｏｔ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓ，"ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．Ｅ９３−Ｃ，ｎｏ．７，ｐｐ．１１０５−１１１０，Ｊｕｌｙ ２０１０． Ｊ．Ｋｏｖｉｔｚ，Ｈ．Ｒａｊａｇｏｐａｌａｎ，ａｎｄ Ｙ．Ｒａｈｍａｔ−Ｓａｍｉｉ，"Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ＲＨＣＰ／ＬＨＣＰ Ｅ−ｓｈａｐｅｄ Ｐａｔｃｈ Ａｎｔｅｎｎａ，"Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ２０１２ ＩＥＥＥ ＡＰ−Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｊｕｌｙ ２０１２．

（従来技術の問題点）
偏波面連続可変機能は、一般に直交偏波共用アンテナとそのために給電する信号対を形成する偏波面制御系により構成されている。特に衛星系の場合は精密かつ高度な制御を伴った装置構成となっている。即ち、アンテナを含めた装置規模や電力増幅器の非線形性などの補正あるいは変動要因が多く、そのために信号検出系と中間周波数帯まで含めた位相と振幅の制御系及びそのための高精度の校正技術が必要となる。特に直線偏波を用いる衛星系移動体通信分野では、偏波面検出機能と偏波面可変制御機能を併せ持つために、一層の簡易小型な装置構成技術が求められる。衛星系以外の分野でも、近年の偏波を活用する広範なワイヤレス応用技術の進展に伴って、偏波面制御技術はその機能高度化と簡易化が求められている。

（発明の目的）
本発明は、直交偏波の共用機能とその直交偏波面の連続可変機能の二つの機能を併せ持ち、かつそれを小型・簡易な構成で実現する技術を提供することを目的とする。

先ず、課題解決の第一の鍵はπ／２型ハイブリッド回路が持つ「位相差・振幅比変換」機能である。即ち、ある位相差θを持つ同振幅の信号対（以下、第一の信号対と呼ぶ。）をπ／２型ハイブリッド回路のアイソレーション関係にある２つの端子に入力すると、残る２つの端子にはその位相差θに対応した振幅比の同位相（又は逆位相）信号が得られる。これを直交偏波共用アンテナの２つの直交給電端子に入力すると、この振幅比に対応した偏波面が形成できる。従って、信号対の位相差θを増減にすることによって偏波面を自在に形成することができる。この機能は、偏波面形成および可変技術として一般に利用されている。

本発明では、さらに第一の信号対の位相差θにπラジアン異なる位相差を持つ第二の信号対（位相差：θ＋π）を形成し、それを同じくπ／２型ハイブリッド回路へ入力すると、第一の信号対と直交した偏波面が自律的かつ互いに独立に形成できることにも着目した。

本発明の基本構成としては、直交偏波共用アンテナ、第一のハイブリッド回路であるπ／２型ハイブリッド回路、移相器および第二のハイブリッド回路からなる極めて簡易な構成となる。即ち、図１に示すように、直交偏波を励振する直交偏波共用アンテナ１の２つの入出力端子２、３にπ／２型ハイブリッド回路４のアイソレーション関係にある２つの入出力端子５、６を接続し、さらにπ／２型ハイブリッド回路の残る２つの入出力端子７、８に移相器９を接続し、その他端子を第二のハイブリッド回路１０の端子１１、１２に接続し、その残る２つの端子１３、１４を本発明の直交偏波共用・偏波面可変アンテナの入出力端子（ポート１、ポート２）とした構成である（請求項１）。

本発明では、π／２型ハイブリッド回路が持つ「位相差・振幅比変換」機能とハイブリッド回路が持つ「位相差πの信号対形成」機能を組み合わせることによって、ＲＦ帯信号の簡単な位相情報処理だけで直交偏波共用とその偏波面可変の複合機能を実現することが本発明の核心である。前者は、信号対が同振幅であれば、その位相差θを振幅比情報とした同相（又は逆相）信号に変換する機能である。その位相差θの絶対値がπ／２未満であれば同相となり、π／２より大きい場合は逆相となる。その同相（又は逆相）信号を直交偏波共用アンテナへ給電することによって、３６０度全方位の偏波面を自在に形成することができる。

先ず、偏波面φと信号対位相差θの関係を示す。図２において、等振幅の信号対（Ｓ１，Ｓ２）の位相差をθとすると、π／２ハイブリッド回路４の出力信号Ｓ１’，Ｓ２’は、図２（ｂ）のベクトルで示すように同位相（又は逆位相）となる。このＳ１’，Ｓ２’を直交偏波共用アンテナの垂直（Ｖ）端子、水平（Ｈ）端子にそれぞれ給電すると、互いに同相（又は逆相）であるから偏波面φ（θ）の直線偏波が形成される。なお、その振幅比に意味があるので、図２（ｂ）のベクトルの大きさは相対表示である。同図（ｂ）より、位相差θと偏波面φ（θ）の関係は次式となる。

この（数１）において、第二の信号対の位相差をθ±πとすれば、

ここで、（数１）、（数２）それぞれの右辺に関して、

の関係がある。この（数３）は、第一の信号対の偏波面φ（θ）と第二の信号対の偏波面φ（θ±π）は、θの値に依存することなく、常に直交することを示している。

以上より、第一の鍵となる「位相差・振幅比変換」機能の動作原理とその特徴は、以下のようにまとめることが出来る。
（１）第一の信号対の位相差θをπラジアン移相した第二の信号対（位相差：θ＋π）は 、π／２型ハイブリッド回路を通して直交偏波共有アンテナに給電すると、第一の 信号対の偏波と直交する。
（２）ここで位相差θの大きさを増減して偏波面を変えても、第一の信号対と第二の信号 対の偏波面は常に直交関係にある。
（３）上述の動作原理より、二つの信号対の位相差にπラジアンの差異が存在することだ けが偏波面直交の条件であり、互いに独立した信号として取り扱うことが出来る。 また、入出力回路系の可逆性があれば、この動作原理は、送信系・受信系のいずれ でも成立する。

次に、第二の鍵となるハイブリッド回路１０の「位相差πの信号対形成」機能について説明する。この機能は、ポート１、２の信号に対応する第一の信号対と第二の信号対について、各信号対の信号間位相差にπだけ位相差を形成することである。この信号対間の位相差πは、ハイブリッド回路１０を配置するだけで容易に実現できる。図３はその動作説明図である。図３（ａ）は、ラットレース回路などのπ型ハイブリッド回路の場合であり、ポート１、２は、それぞれ同相分岐合成端子、逆相分岐合成端子と設定している。同図で明らかなように、ポート１信号とポート２信号のそれぞれの入力信号対は、ハイブリッド回路１０によって容易かつ正確に位相差πを形成することができる。また図３（ｂ）に示すように、π／２型ハイブリッド回路の場合では、ポート１ならびに２の信号は、それぞれ±π／２の位相差で分配されるので、二つの信号対の位相差には実効的にπの差異を持つことなる。これは数理的にも以下のように検証することが出来る。即ち、π／２型ハイブリッド回路の伝送特性に対応する信号対の位相差θ±π／２を（数１）に代入すると、それぞれの偏波面φは以下のようになる。

この（数４）と（数５）の右辺の関係は、二つの信号対の偏波面φ（θ＋π／２）とφ（θ−π／２）はθとは無関係に常に直交することを明示している。

上述のハイブリッド回路による位相差πの信号対形成に引き続いて、移相器９による共通かつ等量θの移相処理によって、位相差θとθ＋πの信号対が形成できる。さらにπ／２型ハイブリッド回路４による前述の「位相差・振幅比変換」および直交偏波共用アンテナによって、（式１）、（式２）あるいは（式４）、（式５）に示す直交偏波面を形成することが出来る。そのＲＦ帯信号ベクトル全体の変換フローを、図１中に模式的ベクトルで表示している。以上の基本動作は、請求項２の内容である。

以上、送信アンテナとしての基本動作の説明であるが、構成要素は移相器も含めて一般に可逆性が成り立つので受信系アンテナとしても基本動作は同じである。なお、移相器は、その移相範囲が２πラジアン程度に広く、また移相損失が無視できれば原理的には１個でもよい。

図４は、第二のハイブリッド回路１０をπ型とし、２個の移相器（＃１，＃２）を用いた場合であり、その主な移相差θに対する偏波面φ（θ）を表１にまとめている。ここでの位相差θは、２個の移相器の移相差（＃２−＃１）として、０から２πラジアンまで変化したときの直交偏波面を逆正接の主値で示している。

以上の特徴より、本発明は以下のような効果と展開可能性がある。
（１）直交偏波共用アンテナ、π／２型ハイブリッド回路、移相器及びハイブリッド回路 からなる極めて簡単な構造でありながら、直交偏波共用とその偏波面可変の二つの 機能複合化を容易かつ安定に実現することができる。
（２）限定された回路内の極めて簡易な移相処理である。そのために、正確かつ容易に直 交偏波面の可変制御が出来る。
（３）上記（２）の特徴に加えて、直交偏波の利用によって多様な応用展開が期待出来る 。即ち、空間軸をより積極的に活用する次世代通信システムや直交可変偏波面を積 極的に利用する新たな計測やセンシングなど、様々なワイヤレス応用技術への展開 が期待される。

本発明の請求項１、２の基本構成と基本機能、およびＲＦ帯信号ベクトルの変換フローを示した図である。 本発明の第一の鍵となるπ／２型ハイブリッド回路の「位相差・振幅比変換」機能の説明図である。（ａ）は接続構成、（ｂ）はベクトル関係図である。 本発明の第二の鍵であるハイブリッド回路の「位相差πの信号対形成」機能の説明図である。（ａ）はπ型、（ｂ）はπ／２型ハイブリッド回路の場合である。 ハイブリッド回路にπ型を用いた場合の構成、及びその信号対ベクトルを示している。 発明をＭＩＣ構造で実施する場合に有効なハイブリッド回路の実施例を示している。（ａ）は広面結合のπ／２型ハイブリッド回路、（ｂ）はπ型ハイブリッド回路（ＭＩＣマジックＴ）の構成例である。 本発明の第一の実施例である。直交偏波共有の１６素子パッチアレー、ブランチラインハイブリッド回路およびＭＩＣマジックＴハイブリッド回路で構成した実施例である。 本発明の第二の実施例である。直交偏波共有の１６素子スロットアレーアンテナ、広面結合のπ／２型ハイブリッド回路で構成した実施例である。 先行技術説明用の図である。（ａ）は直交直線偏波共用アレーアンテナ、（ｂ）は直交円偏波共用アレーアンテナ、（ｃ）は偏波面可変制御機能および偏波面検出機能を有するアンテナ装置である。

以下、本発明の実施の形態を図５〜図７に基づいて説明する。

本発明に用いる高周波帯ハイブリッド回路について、図５はＭＩＣの２次元構造に適した回路構成例を示している。（ａ）は広面結合線路１５を用いたπ／２型ハイブリッド回路、（ｂ）はπ型ハイブリッド回路である。いずれも入出力ポートが２次元配置構造に適しており、その分配合成特性も広帯域である。（ａ）は２層誘電体基板を用いる回路であるが、周知のブランチライン型などよりも広帯域にわたって良好な伝送特性であり、またコンパクトな構造でもある。（ｂ）は、π型ハイブリッド回路の一種で「ＭＩＣマジックＴ」とも呼ばれるタイプであり、これも広帯域かつ小型な回路である。同図（ｂ）中の２１、２２は、それぞれマイクロストリップ・スロット結合線路２０の直交伝送モードである偶モードと奇モードの電界模式図である。それぞれの伝送姿態を本発明のポート１、ポート２として用いることができる。以上の特徴により、両回路はＭＩＣ誘電体基板に一体集積化して本発明を実施する場合に適したハイブリッド回路である。

図６は、直交偏波共用アンテナとしてエアブリッジ２４とスロットライン１９を給電系回路に活用した１６素子パッチアレーアンテナ１、ブランチラインのπ／２型ハイブリッド回路４、ＭＩＣマジックＴ１０および移相器９で構成した第一の実施例である。すべての構成要素を誘電体一層基板に一体集積化した事例である。この直交偏波共用アンテナの給電回路系は、一層基板構造で偏波共用アンテナを実現するためにエアブリッジとスロットマイクロストリップ結合線路の直交伝送姿態を積極的に活用している（非特許文献１）。この場合、移相器をモノリシック化（ＭＭＩＣ化）すれば、一層の小型化と回路特性の均衡化が期待できる。

図７は、直交偏波共用アンテナとしてスロットアンテナ２５とスロットライン１９を活用した１６素子スロットアレーアンテナ１、π／２型の広面結合ハイブリッド回路４、１０および移相器９で構成した第二の実施例である。この直交偏波共用アンテナでは、複雑な直交給電回路系を２層誘電体基板の共通接地導体で表裏分離して配線系を両面に配置すると共に、その共通接地導体にスロットアンテナとスロットラインを配置して両面の配線系と電磁結合している（非特許文献２）。この実施例も、すべての構成要素をＭＩＣ一体集積化した構成例であり、２層誘電体基板の特徴を活かして直交偏共用平面アンテナを構築している。

なお、構成要素であるπ／２ハイブリッド回路、移相器や第二のハイブリッド回路をモノリシック集積化することは、伝送特性の均衡化と製作歩留まりの向上、大幅な小型化・低コスト化に有効である。また、増幅器など送受信機能の一部も含めたさらなる高集積化は、機能アンテナ一体の送受信モジュールの機能・性能の一段の向上にもつながる。

ユビキタス社会の急速な進展に伴って、ワイヤレス技術のますますの高度化高性能化と装置の小型簡易化が求められている。本発明により、偏波面のダイナミックな可変制御とその直交偏波共用の機能複合を極めて簡易かつ小型な構成で実現することができる。これらの特徴は、ＭＩＭＯ技術などの通信分野や放送分野の送受信装置、ポラリメトリックセンサーやレーダー技術分野、さらには多元電磁計測応用やさまざまな産業展開が期待される。さらに、この直交偏波共用と偏波面可変の複合機能は、移動体通信や放送用移動体無線装置などにおける偏波面検出・可変制御の要素技術としても、その特徴を発揮することが期待される。

１ 直交偏波共用アンテナ
２ 直交偏波共用アンテナの垂直偏波入出力端子
３ 直交偏波共用アンテナの水平偏波入出力端子
４ π／２型ハイブリッド回路（第一のハイブリッド回路）
５〜８ π／２型ハイブリッド回路の入出力端子
９ 移相器
１０ ハイブリッド回路（第二のハイブリッド回路）
１１〜１４ 第二のハイブリッド回路の入出力端子（１３、１４は、ポート１、ポート２）
１５ ２層誘電体基板における広面結合線路
１６ 広面結合線路の結合スリット
１７ 誘電体基板（１層又は２層）
１８ マイクロストリップライン
１９ スロットライン
２０ マイクロストリップ・スロット結合線路
２１ マイクロストリップ・スロット結合線路の偶モード
２２ マイクロストリップ・スロット結合線路の奇モード
２３ パッチアンテナ
２４ エアブリッジ
２５ スロットアンテナ
２６ 偏波面検出装置、偏波面可変制御装置

Claims (2)

1. 直交する偏波で送受信する直交偏波共用アンテナの二つの直交給電端子と第一のハイブリッド回路であるπ／２型ハイブリッド回路の二つの端子を接続し、前記π／２型ハイブリッド回路の残る二つの端子にそれぞれ移相器を接続し、前記移相器の他端子にπ型あるいはπ／２型の第二のハイブリッド回路の二つの端子を接続し、前記ハイブリッド回路の残る二つの端子を信号入出力端子であるポート１ならびにポート２としたことを特徴とする直交偏波共用・偏波面可変アンテナ。
2. 請求項１において、前記ポート１およびポート２からの信号を前記第二のハイブリッド回路でそれぞれ等電力分割して、前記ポート１の信号に基づく第一の信号対および前記ポート２の信号に基づく第二の信号対を形成し、前記移相器によって前記第一の信号対の信号間位相差および第二の信号対の信号間位相差を等量増減し、さらに前記π／２型ハイブリッド回路を介して前記直交偏波共用アンテナへ給電することを特徴とした直交偏波共用・偏波面可変アンテナ。

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