JP2016015712A - 直交偏波送信デバイス、直交偏波受信デバイス及び無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射する直交偏波の給電処理回路系間のバランス性を向上させるとともに、集積化しやすくする。
【解決手段】直交偏波送信デバイス１００は、基板と、基板に設けられた、直交偏波を放射可能な複数のアンテナ１、２、３、４を有するアレーアンテナと、基板の複数のアンテナ１、２、３、４に囲まれた位置に設けられた、高周波信号を複数のアンテナ１、２、３、４に供給する信号供給部、及びアレーアンテナが放射する直交偏波を切り替える切替部を有する信号処理部５と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、高周波同期信号を発生し、発生した信号を用いて直交偏波を生成するとともに、生成した直交偏波を切り替えて放射することができる直交偏波送信デバイスと、当該直交偏波送信デバイスから放射された直交偏波を受信する直交偏波受信デバイスと、直交偏波送信デバイス及び直交偏波受信デバイスの組み合せによる無線通信装置に関する。

従来、ミリ波帯以上の周波数の直交偏波を放射することができる直交偏波アンテナが知られている。非特許文献１には、放射する偏波の方向を切り替えることができる偏波切替機能付のアレーアンテナが開示されている。

松雪恵之、外２名、「空間変調通信システム用の偏波切替／識別平面機能アンテナの提案」、２０１３年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、２０１３年９月１７日

図１０は、従来の偏波切替アレーアンテナの構成を示す図である。図１０（ａ）は、移相器と直交偏波アレーアンテナとを用いて偏波を切り替える構成を示しており、図１０（ｂ）は、ＢＰＳＫ変調器を用いて直交偏波を切り替える構成を示している。図１０（ｃ）は、直交偏波アレーアンテナ９００の平面図であり、図１０（ｄ）は、図１０（ｃ）に示す直交偏波アレーアンテナ９００のＡ−Ａ断面図である。

直交偏波アレーアンテナ９００においては、基板９０１に４つのパッチアンテナ９０２が形成されている。パッチアンテナ９０２は、給電回路系を構成するマイクロストリップライン及びスロットラインを介して外部の発振器又は信号源から供給される発振信号に基づく直交偏波を放射する。直交偏波アレーアンテナ９００が放射する直交偏波を切り替えるためには、位相が異なる二つの発振信号を、２層誘電体基板の給電回路を介して直交偏波アレーアンテナ９００に供給する必要があった。

このように、従来は、給電回路を介して外部から高周波信号を供給する必要があったので、発振器と直交偏波アレーアンテナ９００とを一体的に集積化することが困難であり、小型化や高精度な組み立てが要求されるミリ波などの高周波帯におけるワイアレス送受信モジュールに適していなかった。また、誘電体基板の給電回路を介して高周波信号が伝送されるので、高周波信号の伝送損失が大きくなってしまうという問題もあった。

また、図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）に示すように、直交偏波アレーアンテナ９００の構造が複雑であり、それだけ製造コストも必要になる。さらに、給電処理系の経路間の構造が異なるので、それぞれの伝送特性にアンバランスが生じたり内部反射が生じたりする。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、給電処理系の経路間バランス性が良好であり、かつ低損失で集積化も容易な直交偏波機能デバイスを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様においては、基板と、前記基板に設けられた、直交偏波を放射可能な複数のアンテナを有するアレーアンテナと、前記基板の前記複数のアンテナに囲まれた位置に設けられた、高周波信号を前記複数のアンテナに供給する信号供給部と、前記アレーアンテナが放射する前記直交偏波を切り替える切替部と、を備える直交偏波送信デバイスを提供する。前記信号供給部は、例えば、前記高周波信号を発生する発振器を有する。

また、前記複数のアンテナは、例えば、前記信号供給部を通る直線に対して互いに線対称な位置に配置されている。前記信号供給部は、前記高周波信号を発生する複数の相互同期した発振器を有し、前記複数のアンテナは、前記複数の発振器を結ぶ直線に対して互いに線対称な位置に配置されていてもよい。

前記アレーアンテナは、前記信号供給部を通る第１方向の第１直線に対して互いに線対称な位置に配置されている複数の第１アンテナと、前記信号供給部を通る前記第１方向と直交する第２方向の第２直線に対して互いに線対称な位置に配置されている複数の第２アンテナと、を有してもよい。

この場合において、例えば、前記信号供給部は、前記第１方向に設けられた第１発振器及び第２発振器と、前記第２方向に設けられた第３発振器及び第４発振器と、を有し、前記切替部は、前記第１発振器と前記第２発振器との間であり、かつ前記第３発振器と前記第４発振器との間の位置に設けられている。

前記信号供給部は、前記第１方向に配置された第１発振器及び第２発振器を有し、前記切替部は、前記第１発振器と前記第２発振器との間に設けられており、前記直交偏波送信デバイスは、前記切替部と前記複数の第２アンテナとの間に遅延回路をさらに備えてもよい。

また、上記の直交偏波送信デバイスが前記切替部を複数有し、前記信号供給部は、前記高周波信号を前記複数の切替部を介して前記複数の第１アンテナに出力する発振器を有してもよい。

本発明の第２の態様においては、上記の直交偏波送信デバイスから放射された直交偏波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナが受信した前記直交偏波を検波する検波部と、を備える直交偏波受信デバイスを提供する。

本発明によれば、放射する直交偏波の給電経路間のバランス性が良好であり、かつ低損失で集積化しやすい直交偏波機能デバイスを提供することができるという効果を奏する。

直交偏波送信デバイスの構成を示す図である。 直交偏波送信デバイスの３つのタイプの基本構成を示す図である。 タイプＡの直交偏波送信デバイスの構成を示す図である。 タイプＢの直交偏波送信デバイスの構成を示す図である。 タイプＢの直交偏波送信デバイスの変形例を示す図である。 タイプＣの直交偏波送信デバイスの構成を示す図である。 タイプＣの直交偏波送信デバイスの変形例を示す図である。 空間変調送受信モジュールの構成を示す図である。 空間変調送受信モジュールの構成を示す図である。 従来の偏波切替アレーアンテナの構成を示す図である。

図１は、本実施形態に係る直交偏波送信デバイス１００の構成を示す図である。直交偏波送信デバイス１００は、ミリ波などの高周波信号を発生する発振機能と、高周波信号に基づく直交偏波の方向を切り替える機能と、直交偏波を放射する機能とを有する。

直交偏波送信デバイス１００は、同一基板上に設けられた複数のアンテナ１、２、３、４から構成されるアレーアンテナと、信号処理部５とを有する。アンテナ１、２、３、４は、アンテナ１、２、３、４が設けられた面をＸＹ平面としたときに、信号処理部５から供給される発振信号に基づく直交偏波を、ＸＹ平面に直交するＺ方向に放射する。本実施形態におけるアンテナ１、２、３、４は、例えばパッチアレーアンテナであり、同一の基板上において、信号処理部５の周囲の上下左右方向に設けられている。

図２は、直交偏波送信デバイス１００の３つのタイプの基本構成を示す図である。図２（ａ）に示すタイプＡの直交偏波送信デバイス１００における信号処理部５は、高周波信号をアンテナ１、２、３、４に供給する信号供給部としての４つの発振器５１、５２、５３、５４と、アンテナ１、２、３、４が放射する直交偏波を切り替える切替部としての変調器５５とを有する。タイプＡの直交偏波送信デバイス１００は、変調器５５に印加される制御電圧に基づいて、アンテナ１、２、３、４が放射する直交直線偏波及び直交円偏波を自在に切り替える。

発振器５１と発振器５２とは変調器５５を介して相互に同期しており、発振器５３と発振器５４も同じく相互に同期している。タイプＡの直交偏波送信デバイス１００において、アンテナ１及びアンテナ２は、発振器５３及び発振器５４を結ぶ直線に対して互いに線対称な位置に配置されている。また、アンテナ３及びアンテナ４は、発振器５１及び発振器５２を結ぶ直線に対して互いに線対称な位置に配置されている。

図２（ｂ）に示すタイプＢの直交偏波送信デバイス１００における信号処理部５は、２つの発振器５１、５２と、直交偏波を切り替えるためのＤＰＤＴスイッチ機能を有する変調器５７とを有する。発振器５１と発振器５２とは相互に同期している。直交円偏波の場合は、信号処理部５とアンテナ３との間、及び信号処理部５とアンテナ４との間には、それぞれπ／２遅延部６及びπ／２遅延部７が設けられている。π／２遅延部６及びπ／２遅延部７は、（π／２×奇数）分の遅延量を発生する。なお、この遅延量には、変調器通過遅延も含む。タイプＢの直交偏波送信デバイス１００において、アンテナ３及びアンテナ４は、信号供給部としての発振器５１及び発振器５２を結ぶ直線に対して互いに線対称な位置に配置されている。タイプＢの直交偏波送信デバイス１００は、変調器５７に印加される制御電圧に基づいて、アンテナ１、２、３、４が放射する直交偏波を高速に切り替える。

図２（ｃ）に示すタイプＣの直交偏波送信デバイス１００における信号処理部５は、発振器５６、発振器５６とアンテナ３との間に設けられた変調器５７、及び発振器５６とアンテナ４との間に設けられた変調器５８を有する。発振器５６は、アンテナ１およびアンテナ２へ給電すると共に、変調器５７及び変調器５８を介して、アンテナ３及びアンテナ４に発振信号を出力することができる多ポート出力発振器である。

直交円偏波の場合は、変調器５７とアンテナ３との間、及び変調器５８とアンテナ４との間には、それぞれπ／２遅延部６及びπ／２遅延部７が設けられている。なお、この遅延には変調器５７、５８の通過遅延を含む。タイプＣの直交偏波送信デバイス１００において、アンテナ１及びアンテナ２は、信号供給部としての発振器５１を通る直線に対して互いに線対称な位置に配置されている。アンテナ３及びアンテナ４も同様に、発振器５１を通る直線に対して互いに線対称な位置に配置されている。タイプＣの直交偏波送信デバイス１００は、変調器５７及び変調器５８に印加される制御電圧に基づいて、アンテナ１、２、３、４が放射する円あるいは直線の直交偏波を高速に切り替える。

なお、図２（ｂ）及び図２（ｃ）におけるπ／２遅延部６及びπ／２遅延部７は、直交円偏波を放射する場合に設けられるものであり、直交偏波送信デバイス１００が直交直線偏波を放射する場合は、πまたはその整数倍の遅延量となる。

上記の変調器５５、５７、５８は、例えばＲＦ乗算機能やスイッチ機能を有する二重平衡変調器あるいは一重平衡変調器である。後述する実施形態のように、直交偏波送信デバイス１００は、変調器５５、５７、５８の代わりに、ＳＰＤＴスイッチ又はＤＰＤＴスイッチを用いて直交偏波を切り替えてもよい。

＜タイプＡ＞
図３は、図２（ａ）に示したタイプＡの直交偏波送信デバイス１００の一例としての直交偏波送信デバイス２００の構成を示す図である。図３（ａ）は、直交偏波送信デバイス２００の平面図を示しており、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示している。直交偏波送信デバイス２００は、基板２０１の裏面に形成された円形のスロットライン及び２個のガンダイオードから構成される４個のリング型の発振器５１、５２、５３、５４、並びに円形のスロットライン及び４個の非線形ダイオードから構成される変調器５５を有する。発振器５１、５２、５３、５４及び二重平衡変調器５５が有する円形のスロットラインの周長は、発振信号の周波数ｆ_０における波長λに等しい。その直交共振姿態を介した電磁結合によって、２組の相対する発振器間の相互同期を実現することができる。

直交偏波送信デバイス２００は、基板２０１の表面における発振器５１、５２、５３、５４の周囲に設けられた複数のアンテナ１１（１１ａ〜１１ｍ）を有する。それぞれのアンテナ１１は、１辺の長さが約λ／２の正方形のパッチアンテナである。

基板２０１の表面には、アンテナ１１ｄとアンテナ１１ａ、アンテナ１１ｄとアンテナ１１ｃ、アンテナ１１ｅとアンテナ１１ｂ、アンテナ１１ｅとアンテナ１１ｆ、アンテナ１１ｈとアンテナ１１ｇ、アンテナ１１ｈとアンテナ１１ｋ、アンテナ１１ｉとアンテナ１１ｊ、アンテナ１１ｉとアンテナ１１ｍのそれぞれの間に、マイクロストリップライン２３（以下、マイクロストリップラインをＭＳＬという）が形成されている。また、基板２０１の表面には、ＭＳＬ２３と平行に、発振器５１、５２、５３、５４を構成しているスロットラインと交差するＭＳＬ２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）も形成されている。さらに、基板２０１の裏面には、ＭＳＬ２２及びＭＳＬ２３と直交するようにスロットライン２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）が形成されている。

以下、直交偏波送信デバイス２００の動作原理について説明する。図３における実線の矢印は、変調器５５のスロットラインの内側導体に正の値の所定電圧を印加したタイミングにおいて、発振器５３及び発振器５４により生じる電界の向きを示しており、点線の矢印は、同じタイミングにおいて発振器５１及び発振器５２により生じる電界の向きを示している。

発振器５１と発振器５２とは変調器５５を介して相互に同期して共振状態にあり、図３に示したタイミングにおいては、ＭＳＬ２２ａにおける電界の向き、及びＭＳＬ２２ｂにおける電界の向きが、共に右向きになっている。したがって、ＭＳＬ２２ａを介してスロットライン２１ａに給電される位相と、ＭＳＬ２２ｂを介してスロットライン２１ｂに給電される位相とは、互いに逆の位相となる。さらにスロットライン２１ａ、２１ｂ、マイクロストリップライン２３を経由してアンテナ１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉ、１１ｊを同位相で励振する。

同様に、発振器５３と発振器５４とは相互に同期して共振状態であり、アンテナ１１ａ、１１ｄ、１１ｂ、１１ｅ、１１ｈ、１１ｋ、１１ｉ、１１ｍを同位相で励振する。

直交偏波送信デバイス２００においては、変調器５５に印加される制御電圧に基づいて、発振器５１、５２、５３、５４が、４つの同期状態を形成する。直交偏波送信デバイス２００は、発振器５１、５２、５３、５４の同期状態が切り替わることにより、放射する偏波を切り替えることができる。具体的には、直交偏波送信デバイス２００は、変調器５５をスイッチとして動作させることによる線形スイッチングモードと、変調器５５をＲＦ乗算器として動作させることによる非線形乗算モードとを切り替えることができる。

直交偏波送信デバイス２００は、変調器５５に閾値電圧以上の制御電圧が印加される線形スイッチングモードにおいて、変調器５５に印加される制御電圧が正の値であるか負の値であるかに基づいて、直交直線偏波角θ＝±４５度を切り替えることができる。例えば、制御電圧が正の値である場合、変調器５５においては、アンテナ１１ｄの近傍のダイオードとアンテナ１１ｉの近傍のダイオードとが短絡状態になる。この場合、発振器５２と発振器５３、発振器５１と発振器５４とがそれぞれ結合発振するので、図３の実線矢印及び点線矢印に示す向きに発振電界が生じる。その結果、θ＝＋４５度の直線偏波となる。

制御電圧が負の値である場合、変調器５５においては、アンテナ１１ｅの近傍のダイオードとアンテナ１１ｈの近傍のダイオードとが短絡状態になる。この場合、発振器５２と発振器５４、発振器５１と発振器５３とがそれぞれ結合発振する。その結果、図３の実線矢印と点線矢印の向きの関係が逆となり、θ＝−４５度の直線偏波となる。

直交偏波送信デバイス２００は、変調器５５に閾値電圧未満の制御電圧（例えば±０．１Ｖの範囲で変化する電圧）が印加される非線形乗算モードにおいて、制御電圧に基づいて直交円偏波を切り替えることができる。具体的には、制御電圧を＋０．１Ｖにすると、発振器５１及び発振器５２と発振器５３及び発振器５４との間の位相差が＋π／２になり、制御電圧を−０．１Ｖにすると、発振器５１及び発振器５２と発振器５３及び発振器５４との間の位相差が−π／２になる。その結果、直交偏波送信デバイス２００は、制御電圧が＋０．１Ｖであるか−０．１Ｖであるかに基づいて、直交円偏波の右旋・左旋を切り替えることができる。

＜タイプＢ＞
図４は、図２（ｂ）に示したタイプＢの直交偏波送信デバイス１００の一例としての直交偏波送信デバイス３００の構成を示す図である。図４（ａ）は、直交偏波送信デバイス３００の構成を示す図である。図４（ｂ）は、第１の方向の直交円偏波が放射される状態の模式図である。図４（ｃ）は、第２の方向の直交円偏波が放射される状態の模式図である。

直交偏波送信デバイス３００は、図２（ｂ）に示した発振器５１として、スロットライン３１と、スロットライン３１の中央においてスロットライン３１と交差するように設けられたガンダイオード３５とを有する。また、図２（ｂ）に示した発振器５２として、スロットライン３２と、スロットライン３２の中央においてスロットライン３２と交差するように設けられたガンダイオード３６とを有する。ガンダイオード３５及びガンダイオード３６にバイアス電圧を印加することにより発生する発振信号の基本周波数ｆ_０における波長をλとした場合に、スロットライン３１及びスロットライン３２の長さはλである。すなわち、ガンダイオード３５及びガンダイオード３６は、それぞれスロットライン３１及びスロットライン３２の両端からλ／２の位置に設けられている。

また、直交偏波送信デバイス３００は、スロットライン３１及びスロットライン３２の方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）に形成されたスロットライン３３及びスロットライン３４を有する。直交偏波送信デバイス３００が直交円偏波の発振信号を放射する場合、スロットライン３１及びスロットライン３２と、スロットライン３３及びスロットライン３４との間の伝送遅延は、後述する変調器５５における遅延量も含めて（２ｍ＋１）π／２（ただし、ｍは自然数）となるように設計されている。なお、伝送遅延差をｍπとすることで、直交偏波送信デバイス３００は直交直線偏波（±４５度）を放射することが可能である。

スロットライン３１、３２、３３、３４の両側には、スロットライン３１、３２、３３、３４と平行で、長さがλ／２の複数のスロットラインが形成されている。これらの複数のスロットラインは、発振器５１及び発振器５２が発生した高周波発振信号を放射するアンテナ３０１、３０２、３０３、３０４として機能する。

なお、直交偏波送信デバイス３００は、スロットライン３１の両端からλ／４の２箇所でスロットライン３１と交差するスロットライン３７、及びスロットライン３２の両端からλ／４の２箇所でスロットライン３２と交差するスロットライン３８を有する。これは発振素子へのバイアス電圧給電端子を形成するためである。

発振器５１と発振器５２との間には変調器５５が設けられている。変調器５５は、発振器５１と発振器５２とを電磁結合により相互同期させるとともに、直交円偏波の旋回方向を切り替えるＤＰＤＴスイッチとして機能する。具体的には、変調器５５は、図３に示した直交偏波送信デバイス２００における変調器５５と同様に、スロットラインの内部導体に正の値の制御電圧を印加するか、負の値の制御電圧を印加するかに応じて、直交偏波送信デバイス３００から放射する直交円偏波の右旋・左旋を切り替える。

図４（ｂ）は、正の値の制御電圧を変調器５５に印加した状態の模式図である。図４（ｃ）は、負の値の制御電圧を変調器５５に印加した状態の模式図である。図４（ｂ）においては、アンテナ３０２とアンテナ３０３との間のダイオード、及びアンテナ３０１とアンテナ３０４との間のダイオードが短絡状態になるので、同図（ｂ）の矢印で示す位相関係で結合する。一方、図４（ｃ）においては、アンテナ３０１とアンテナ３０３との間のダイオード、及びアンテナ３０２とアンテナ３０４との間のダイオードが短絡状態になるので、同図（ｃ）の矢印で示す位相関係で結合する。その結果、直交偏波送信デバイス３００は、変調器５５に印加する制御電圧に応じてアンテナ間の電磁結合状態を切り替えることで、直交円偏波あるいは直交直線偏波を切り替えることができる。

図５は、タイプＢの直交偏波送信デバイスの変形例としての直交偏波送信デバイス４００の構成を示す図である。直交偏波送信デバイス４００は、発振器を構成するガンダイオードを有していない点で、図４に示した直交偏波送信デバイス３００と異なる。

直交偏波送信デバイス４００は、スロットライン３１及びスロットライン３２における、変調器５５に近い側の端部からλ／４の位置でスロットライン３１及びスロットライン３２と交差するＭＳＬ４１及びＭＳＬ４２を有する。ＭＳＬ４１及びＭＳＬ４２は、高周波信号を注入するためのＭＳＬ４３と結合されている。ＭＳＬ４１及びＭＳＬ４２は、スロットライン３１及びスロットライン３２と電磁結合することにより、高周波信号をスロットライン３１及びスロットライン３２に注入することができる。このように、外部から高周波信号を注入することによっても、図２（ｂ）に示したタイプＢの直交偏波切り替え機能を実現することができる。

＜タイプＣ＞
図６（ａ）は、図２（ｃ）に示したタイプＣに対応する直交偏波送信デバイス５００の構成を示す図である。直交偏波送信デバイス５００は、図３に示した直交偏波送信デバイス２００における発振器５１、５２、５３、５４及び変調器５５の代わりに図６（ｂ）及び図６（ｃ）に詳細を示す信号処理部５を有する点で異なり、信号処理部５の周囲のアンテナ１１、スロットライン２１、ＭＳＬ２２及びＭＳＬ２３の構成については、直交偏波送信デバイス２００と同等である。

図６（ｂ）は、信号処理部５の一例としての信号処理部５ａの構成を示す図である。信号処理部５ａは、楕円形のスロットライン６１と、スロットライン６１に装荷したガンダイオード６２及びガンダイオード６３とにより構成される発振器を有する。発振信号の基本周波数ｆ_０の波長をλとした場合に、スロットライン６１の周長は２λである。信号処理部５ａは、互いに同期した複数の発振信号を出力することができる多ポート出力発振器である。

信号処理部５ａは、スロットライン６１と磁界結合している変調器６４及び変調器６５を有する。変調器６４及び変調器６５は、スロットライン６１におけるガンダイオード６２とガンダイオード６３との中間位置の近傍に設けられている。また、信号処理部５ａは、スロットライン６１におけるガンダイオード６２及びガンダイオード６３からλ／４の位置でスロットライン６１と交差するＭＳＬ７０及びＭＳＬ７１を有する。変調器６４及び変調器６５を介してＸ方向に発振信号が伝送され、ＭＳＬ７０及びＭＳＬ７１を介してＹ方向に発振信号が伝送される。

変調器６４及び変調器６５は、周長がλ／２の円形スロットラインと、当該スロットラインにおけるスロットライン６１の近傍の位置に設けられた２個のダイオードを有する。２個のダイオードは、互いに逆向きに設けられており、変調器６４及び変調器６５のスロットラインの内側に印加される制御電圧に応じて、ＭＳＬ２２におけるＲＦ信号位相を０／πに位相変調することで、放射される直交偏波の向きを変えることができる。

図６（ｂ）に示す矢印は、変調器６４及び変調器６５に正の値の制御電圧が印加され、変調器６４及び変調器６５が有する２つのダイオードのうちの片方が短絡された状態の位相関係を示している。逆に、変調器６４及び変調器６５に負の値の制御電圧が印加されると、ＭＳＬ２２におけるＲＦ信号の位相が反転する。

図６（ｃ）は、信号処理部５の他の例としての信号処理部５ｂの構成を示す図である。信号処理部５ｂは、信号処理部５ａにおける変調器６４の代わりに、ＳＰＤＴスイッチ７２及びＭＳＬ７３が設けられ、変調器６５の代わりにＳＰＤＴスイッチ７４及びＭＳＬ７５が設けられている。信号処理部５ｂは、ＳＰＤＴスイッチ７２及びＳＰＤＴスイッチ７４の極性に基づいて、信号処理部５ａにおける制御電圧の正負を切り替えたときと同等に、ＭＳＬ２２におけるＲＦ信号の位相を反転することができる。

図７は、図２（ｃ）に示したタイプＣの変形例としての直交偏波送信デバイス６００の構成を示す図である。直交偏波送信デバイス６００は、図６に示した直交偏波送信デバイス５００における信号処理部５の代わりに、外部からＲＦ信号（例えば、ＲＦ帯の変調信号やチャープ信号など）を注入するためのスロットライン８１を有する。ＲＦ信号は、例えば図７における注入点Ｆにおいて注入される。スロットラインの両端には、ＳＰＤＴスイッチ８２及びＭＳＬ８３、並びにＳＰＤＴスイッチ８４及びＭＳＬ８５が設けられている。直交偏波送信デバイス６００は、直交偏波送信デバイス５００と同様に、ＳＰＤＴスイッチ８２及びＳＰＤＴスイッチ８４の極性に基づいて、それぞれのＭＳＬ２２における位相を反転することで、放射される直交偏波を切り替えることができる。

＜空間変調送信モジュールの構成＞
図８は、直交円偏波を用いた空間変調送受信モジュール７００の構成を示す図である。空間変調送受信モジュール７００は、送信モジュールとしての直交偏波送信デバイス７１０と、受信モジュールとしての直交偏波受信デバイス７２０とを有する。直交偏波送信デバイス７１０は、直交偏波送信デバイス３００のアンテナと異なる形状のアンテナ７０１、７０２、７０３、７０４を有する点を除き、直交偏波送信デバイス３００と同等の構成を有する。直交偏波受信デバイス７２０は、発振機能を有しない点で直交偏波送信デバイス７１０と異なる。

すなわち、直交偏波受信デバイス７２０は、複数のアンテナ７０１、７０２、７０３、７０４から構成されるアレーアンテナと、アレーアンテナの中央位置に設けられたＲＦ乗算器５９とを有する。アレーアンテナは、π／２位相シフトを伴う直交アンテナであり、直交偏波送信デバイス７１０から放射された直交偏波を受信する。ＲＦ乗算器５９は、二重平衡型位相検波器として機能し、ＲＦ乗算器５９のスロットラインの内側導体上の電圧として、直交円偏波の右旋・左旋に対応した位相検波ベースバンド信号を出力する。

このように、タイプＢの直交偏波送信デバイス７１０を送信モジュールとして用いて、タイプＢの直交偏波送信デバイス７１０から発振機能を除去した直交偏波受信デバイス７２０を受信モジュールとして用いることにより、ミリ波帯などの高周波バンドにおいても、極めて簡易かつ容易に無線通信モジュールを実現することができる。また、空間変調送受信モジュール７００は、一般のモジュール組み立てに伴うＲＦインターフェイスを排除したベースバンドインターフェイス化が可能であり、また、信号処理部はモノリシック集積化（ＭＭＩＣ化）にも適した構造である。

図９は、同じく直交円偏波を用いた空間変調送受信モジュール８００の構成を示す図である。空間変調送受信モジュール８００は、送信モジュールとしての直交偏波送信デバイス８１０と、受信モジュールとしての直交偏波受信デバイス８２０とを有する。直交偏波送信デバイス８１０は、図６（ａ）に示した直交偏波送信デバイス５００において、図６（ｃ）に示した信号処理部５ｂが用いられた場合の構成と同一の構成を有する。

直交偏波受信デバイス８２０は、直交偏波送信デバイス８１０における発振器及びスイッチの代わりにＲＦ乗算器５９を有する点で直交偏波送信デバイス８１０と異なる。また、直交偏波送信デバイス８１０におけるＹ方向のＭＳＬ２２の代わりに、クランク状に曲げられた部分を有するＭＳＬ２５が形成されている点でも直交偏波送信デバイス８１０と異なる。ＭＳＬ２５がクランクを有することで、Ｘ方向とＹ方向との間の伝送移相量π/2を調整することができる。ＲＦ乗算器５９により生成される位相検波ベースバンド信号は、その中央導体から出力される。

このように、タイプＣの直交偏波送信デバイス８１０を送信モジュールとして用いて、タイプＣの直交偏波送信デバイス８１０から発振機能を除去してＲＦ乗算器５９を設けた直交偏波受信デバイス８２０を受信モジュールとして用いることによっても、ミリ波帯などの高周波バンドにおいて使用可能な無線通信モジュールを、極めて簡易かつ容易に実現することができる。空間変調送受信モジュール８００は、その構成要素間のＲＦインターフェイスを排除することによって、ベースバンド信号インターフェイス化が実現可能であり、また、信号処理部はモノリシック集積化にも適した集約構造である。

以上、タイプＡ、Ｂ、Ｃの直交偏波送信デバイスについて説明した。本実施形態に係る直交偏波送信デバイスにおいては、基板に形成された複数のアンテナに囲まれた位置に信号供給部及び切替部を有する信号処理部５が設けられているので、バランス性が良好でありかつ低損失であり、そのモノリシック集積化にも適している。各タイプの直交偏波送信デバイスの特徴をまとめると以下のとおりである。

タイプＡの直交偏波送信デバイスは、制御電圧を調整することにより、直交円偏波及び直交直線偏波の４つの態様のいずれの直交偏波も放射することができる。したがって、タイプＡの直交偏波送信デバイスは、空間変調送受信モジュールに適用する場合、２ビット伝送を実現することができる。また、タイプＡの直交偏波送信デバイスは、発振器の相互位相同期によって、発振器及びアンテナ素子をＸＹ平面で多素子化することも容易であるので、送信パワー及びアンテナ利得の向上、並びに低雑音化にも適している。

タイプＢの直交偏波送信デバイスは、π／２遅延部を有することにより、円偏波の右旋・左旋を切り替えて放射することができる。タイプＢの直交偏波送信デバイスにおいては、二重平衡変調器のＤＰＤＴスイッチング動作による直交偏波切り替えをすることができるので、発振器の位相制御を行うタイプＡの直交偏波送信デバイスよりも高速な空間変調機能が可能である。

タイプＣの直交偏波送信デバイスは、多ポート出力発振器からの同期発振信号を用いて、平衡変調器のＢＰＳＫ機能とπ／２遅延によって、直交円偏波の右旋・左旋を切り替えて放射することができる。タイプＣの直交偏波送信デバイスは、変調器のＢＰＳＫ変調動作による直交偏波切り替えができるので、タイプＡの直交偏波送信デバイスよりも高速な空間変調が可能である。また、タイプＣの直交偏波送信デバイスは、タイプＢの直交偏波送信デバイスよりも簡易な構造であり、設計も比較的容易である。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。例えば、ここでは負性抵抗発振素子としてガンダイオードの発振回路を示しているが、ＨＥＭＴなどの三端子素子負性抵抗回路あるいはそのモノリシック集積回路で構成してもよい。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１、２、３、４・・・アンテナ
５・・・信号処理部
６、７・・・遅延部
１１・・・アンテナ
２１・・・スロットライン
２２、２３・・・マイクロストリップライン
３１、３２、３３、３４・・・スロットライン
３５、３６・・・ガンダイオード
３７、３８・・・スロットライン
３８・・・スロットライン
４１、４２、４３・・・マイクロストリップライン
５１、５２、５３、５４、５６・・・発振器
５５、５７、５８・・・変調器
５９・・・ＲＦ乗算器
６１・・・スロットライン
６２、６３・・・ガンダイオード
６４、６５・・・変調器
７２、７４・・・スイッチ
８１・・・スロットライン
８２、８４・・・スイッチ
１００、２００、３００、４００、５００、６００・・・直交偏波送信デバイス
３０１、３０２、３０３、３０４・・・アンテナ
７００・・・空間変調送受信モジュール
７０１、７０２、７０３、７０４・・・アンテナ
７１０、７２０・・・直交偏波送信デバイス
８００・・・空間変調送受信モジュール
８１０、８２０・・・直交偏波送信デバイス

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板に設けられた、直交偏波を放射可能な複数のアンテナを有するアレーアンテナと、
   前記基板の前記複数のアンテナに囲まれた位置に設けられた、高周波信号を前記複数のアンテナに供給する信号供給部と、
   前記アレーアンテナが放射する前記直交偏波を切り替える切替部と、
   を備える直交偏波送信デバイス。
2. 前記信号供給部が、前記高周波信号を発生する発振器を有する、
   請求項１に記載の直交偏波送信デバイス。
3. 前記複数のアンテナは、前記信号供給部を通る直線に対して互いに線対称な位置に配置されている、
   請求項１又は２に記載の直交偏波送信デバイス。
4. 前記信号供給部は、前記高周波信号を発生する複数の相互同期した発振器を有し、
   前記複数のアンテナは、前記複数の発振器を結ぶ直線に対して互いに線対称な位置に配置されている、
   請求項３に記載の直交偏波送信デバイス。
5. 前記アレーアンテナは、
   前記信号供給部を通る第１方向の第１直線に対して互いに線対称な位置に配置されている複数の第１アンテナと、
   前記信号供給部を通る前記第１方向と直交する第２方向の第２直線に対して互いに線対称な位置に配置されている複数の第２アンテナと、
   を有する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の直交偏波送信デバイス。
6. 前記信号供給部は、
   前記第１方向に設けられた第１発振器及び第２発振器と、
   前記第２方向に設けられた第３発振器及び第４発振器と、
   を有し、
   前記切替部は、前記第１発振器と前記第２発振器との間であり、かつ前記第３発振器と前記第４発振器との間の位置に設けられている、
   請求項５に記載の直交偏波送信デバイス。
7. 前記信号供給部は、前記第１方向に配置された第１発振器及び第２発振器を有し、
   前記切替部は、前記第１発振器と前記第２発振器との間に設けられており、
   前記直交偏波送信デバイスは、前記切替部と前記複数の第２アンテナとの間に遅延回路をさらに備える、
   請求項５に記載の直交偏波送信デバイス。
8. 前記切替部を複数有し、
   前記信号供給部は、前記高周波信号を前記複数の切替部を介して前記複数の第１アンテナに出力する発振器を有する、
   請求項５に記載の直交偏波送信デバイス。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載された直交偏波送信デバイスから放射された直交偏波を受信するアレーアンテナと、
   前記アレーアンテナが受信した前記直交偏波を検波する検波部と、
   を備える直交偏波受信デバイス。
10. 請求項１から８のいずれか１項に記載された直交偏波送信デバイスと、
    請求項９に記載された直交偏波受信デバイスと、
    を備える無線通信装置。
    
    
    

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