JP2016144113A - 二層ショートスロット結合器、バトラーマトリクス給電回路およびフェイズドアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】２次元方向の切替をするための装置構成を簡略化することができる、二層ショートスロット結合器およびバトラーマトリクス給電回路を提供すること。【解決手段】本発明は、入力信号を入力する４つの入力口１１〜１４がマトリクス状に２×２層に配置された入力部１０Ａと、入力信号を出力する４つの出力口１５〜１８がマトリクス状に２×２層に配置された出力部１０Ｂと、入力部１０Ａと出力部１０Ｂとの間に配置され、多モードの電磁界を発生させる断面形状Ｐを有する結合部１０Ｃとを有し、結合部１０Ｃは、入力口１１〜１４のいずれかより入力された入力信号に対して出力部１０Ｂからの信号の出力形態を二次元的に変化させる、二層ショートスロット結合器１０である。【選択図】図１

Description

本発明は、二次元ビーム切替のための二層ショートスロット結合器、それを用いた二次元ビーム切替のためのバトラーマトリクス給電回路およびそれを用いたフェイズドアレーアンテナに関する。

フェイズドアレーアンテナは、複数の給電点となる入力ポートと、入力される信号の入力ポートの位置に対応してビーム方向を変化させるためのマトリクス回路と、マトリクス回路の出力ポートに接続されマトリクス状に配置された複数のアンテナ素子とを有している。これは、給電点切替型のフェイズドアレーアンテナと呼ばれている。ビーム方向を変化させるためのマトリクス回路として、ハイブリッド回路を４つ用いてビーム方向を１次元の４方向に切り替えるバトラーマトリクス給電回路が知られている。

入力ポートから給電回路に入力された信号は、バトラーマトリクス給電回路の中で等配分され、複数の出力ポート毎に異なる位相差が与えられて出力される。バトラーマトリクス給電回路によると、信号を入力する入力ポートの位置によって、出力ポートで出力される位相の傾きが異なるため、入力ポートの位置に対応して出力されるビーム方向が変化する。

バトラーマトリクス給電回路において、複数の入力ポートのどの入力ポートから電力を入力しても、出力ポートには電力が均等に分配されて出力される。出力ポートから出力される位相の傾きは入力ポートの位置によって異なるため、入力ポートの位置によって複数の出力ポートに出力される電波は、異なる位相差によって傾きを有している。バトラーマトリクス給電回路をアンテナに応用すると、入力ポートによってビーム方向を切り替えることが可能となる。

図１９に示されるように、１次元方向の切替をするためのバトラーマトリクスを用いた１層４分配回路９０は、１層のハイブリッド結合器９１と、１層の交差結合器９２と、１層の−４５度位相器９３とを有している。入力側に設けられた４つの入力ポート９４のいずれかに信号Ｑを入力すると、出力側に設けられた出力ポート９５のそれぞれから電力が等分配された信号Ｑ１〜Ｑ４が位相差を与えられて出力される。出力される信号Ｑ１〜Ｑ４の位相の傾きは、入力ポート９４の位置によって異なる。この位相差を利用して、出力側から出力されるビームを１次元方向に切替することができる。

J.Butler and R. Lowe, "Beam-forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas," Electronic Design, vol.9, no.8, pp.170-173, April 1961.

図２０に示されるように、１次元方向の切替のための１層４分配回路９０を用いて２次元方向の切替をするためには、垂直切替用にバトラーマトリクスを用いた１層４分配回路９０を縦置きに配置する。４×４分配で垂直切替をするためには、縦置きの１層４分配回路９０を左右に４枚並べられた垂直４×４分配回路９８を設ける。そして、図２１に示されるように、水平切替用にバトラーマトリクスを用いた１層４分配回路８９を横置きに配置する。４×４分配で水平切替をするためには、横置きの１層４分配回路８９を上下に４枚並べられた水平４×４分配回路９９を設ける。従って、図２０および図２１に示されるように、２次元方向の切替をするためには、バトラーマトリクスを用いた垂直４×４分配回路９８と、水平４×４分配回路９９とを別体で設けて縦続接続する必要があり、装置構成が複雑化する。
本発明は、２次元方向の切替をするための装置構成を簡略化することができる、二層ショートスロット結合器、バトラーマトリクス給電回路およびフェイズドアレーアンテナを提供することを目的とする。

本発明にかかる二層ショートスロット結合器は、入力信号を入力する４つの入力口がマトリクス状に２×２層に配置された入力部と、
入力信号を出力する４つの出力口がマトリクス状に２×２層に配置された出力部と、
前記入力部と前記出力部との間に配置され、多モードの電磁界を発生させる断面形状を有する結合部とを有し、
前記結合部は、前記入力口のいずれかより入力された入力信号に対して前記出力部からの信号の出力形態を二次元的に変化させる。

また、前記断面形状は、矩形の四隅を矩形に切り欠いた切欠き部と、上辺と下辺との中央部が中心に向かって矩形に凹んだ凹部を有する。

また、前記結合部は、バトラーマトリクス給電回路が有する交差部に配置された場合に、前記バトラーマトリクス給電回路が有するハイブリッド結合部に配置された前記結合部の全長の２倍の全長になるように形成される。

また、前記結合部は、前記ハイブリッド結合部に配置された場合に、前記入力口のいずれかより入力された信号が、４つの前記出力口から電力が均等に配分されて出力され、
前記入力口に対向する位置にある対向出力口から出力される第１出力信号に対して、前記対向出力口の水平方向に隣接する水平隣接出力口および前記対向出力口の垂直方向に隣接する垂直隣接出力口からそれぞれ出力される第２および第３出力信号は、位相が９０度遅れて出力され、
前記対向出力口の対角線上に位置する対角隣接出力口から出力される第４出力信号は、位相が１８０度遅れて出力されるよう形成されている。

また、前記結合部は、前記交差部に配置された場合に、前記入力口のいずれかより入力された信号が、前記入力口に対向する位置にある対向出力口の対角線上に位置する対角隣接出力口から出力信号として全て出力されるよう形成されている。

本発明にかかる二次元ビーム切替のためのバトラーマトリクス給電回路は、入力信号に位相差を与えて等振幅で分配して出力するハイブリッド結合部と、入力信号を交差する回路に出力する交差部と、入力信号に位相差を与えて出力する位相器部とからなるバトラーマトリクス給電回路であって、
入力信号を入力する４つの入力口がマトリクス状に２×２層に配置された入力部と、
入力信号を出力する４つの出力口がマトリクス状に２×２層に配置された出力部と、
前記入力部と前記出力部との間に配置され、多モードの電磁界を発生させる断面形状を有する結合部とを有し、
前記結合部は、前記入力口のいずれかより入力された入力信号に対して前記出力部からの信号の出力形態を二次元的に変化させる二層ショートスロット結合器を有し、
前記二層ショートスロット結合器は、前記ハイブリッド結合部と前記交差部とにそれぞれ配置され、
前記ショートスロット結合器より出力された出力信号により前記出力部から出力されるビーム方向を二次元的に変化させる。

また、前記断面形状は、矩形状の四隅が矩形に凹んだ切欠き部と、上辺と下辺との中央部が中心に向かって矩形に凹んだ凹部を有する。

また、前記交差部に配置された前記二層ショートスロット結合器は、前記ハイブリッド結合部に配置された前記二層ショートスロット結合器の前記結合部の全長の２倍の全長を有する前記結合部を有する。

また、前記二層ショートスロット結合器は、前記ハイブリッド結合部に配置された場合に、前記入力口のいずれかより入力された信号が、４つの前記出力口から電力が均等に配分されて出力され、
前記入力口に対向する位置にある対向出力口から出力される第１出力信号に対して、前記対向出力口の水平方向に隣接する水平隣接出力口および前記対向出力口の垂直方向に隣接する垂直隣接出力口からそれぞれ出力される第２および第３出力信号は、位相が９０度遅れて出力され、
前記対向出力口の対角線上に位置する対角隣接出力口から出力される第４出力信号は、位相が１８０度遅れて出力されるよう形成されている。

また、前記二層ショートスロット結合器は、前記交差部に配置された場合に、前記入力口のいずれかより入力された信号が、前記入力口に対向する位置にある対向出力口の対角線上に位置する対角隣接出力口から出力信号として全て出力されるよう形成されている。

また、前記ハイブリッド結合部には、断面に１層給電回路がマトリクス状に４×４層分配置される配置位置に対して、前記二層ショートスロット結合器が前記配置位置の下段から第１層および第２層の位置に２つ並置され、下段から第３層と第４層の位置に２つ並置され、
前記交差部には、前記二層ショートスロット結合器が前記第２層と前記第３層との中央位置に１つ配置されている。

また、前記交差部には、さらに、前記二層ショートスロット結合器の上下の前記第１層および前記第４層に一層交差器が横置きにそれぞれ配置され、前記二層ショートスロット結合器の左右の前記第２層および前記第３層に前記一層交差器が縦置きにそれぞれ配置されている。

また、前記位相器部は、前記第１層および前記第４層の両側に一層−９０度位相器が配置され、前記一層−９０度位相器の間に一層−４５度位相器が２つ並置され、前記第２層と前記第３層の両側に一層−４５度位相器がそれぞれ縦方向に２つ積層されている。

本発明にかかる二次元ビーム切替のためのフェイズドアレーアンテナは、入力信号に位相差を与えて等振幅で分配して出力するハイブリッド結合部と、入力信号を交差する回路に出力する交差部と、入力信号に位相差を与えて出力する位相器部とからなるバトラーマトリクス給電回路を有するフェイズドアレーアンテナであって、
入力信号を入力する４つの入力口がマトリクス状に２×２層に配置された入力部と、
入力信号を出力する４つの出力口がマトリクス状に２×２層に配置された出力部と、
前記入力部と前記出力部との間に配置され、多モードの電磁界を発生させる断面形状を有する結合部とを有し、
前記結合部は、前記入力口のいずれかより入力された入力信号に対して前記出力部からの信号の出力形態を二次元的に変化させる二層ショートスロット結合器と、
前記二層ショートスロット結合器が、前記ハイブリッド結合部と前記交差部とにそれぞれ配置されたバトラーマトリクス給電回路と、
前記出力部に接続された複数のアンテナ素子とを有し、
前記入力口のいずれかより入力された信号に対して複数の前記アンテナ素子より出力される出力信号のビームの方向を二次元的に変化させる。

本発明にかかる二層ショートスロット結合器、バトラーマトリクス給電回路およびフェイズドアレーアンテナによると、２次元方向の切替をするバトラーマトリクス給電回路の装置構成を簡略化することができる。

二層ショートスロット結合器を示した斜視図である。 二層ショートスロット結合器を図１と異なる方向から示した斜視図である。 二層ショートスロット結合器の結合部の断面図である。 多モード方形導波管のモードの断面電界分布を示した図である。 多モード方形導波管のモードの断面電界分布の対称性を示した図である。 ハイブリッド結合器として設計された二層ショートスロット結合器に給電した場合の計算結果を示したグラフである。 ハイブリッド結合器として設計された二層ショートスロット結合器に給電した場合の計算結果を示したグラフである。 交差器として設計された二層ショートスロット結合器に給電した場合の計算結果を示したグラフである。 ４×４バトラーマトリクス給電回路の構成の配置関係を断面で示した図である。 ４×４バトラーマトリクス給電回路の構成を示したブロック図である。 ハイブリッド結合部の図１０におけるＢ断面の配置関係を示した図である。 交差部の図１０におけるＣ断面の配置関係を示した図である。 位相器部の図１０におけるＤ断面の配置関係を示した図である。 ８×８バトラーマトリクス給電回路の構成の配置関係を断面で示した図である。 ８×８バトラーマトリクス給電回路の構成を示したブロック図である。 ８×８バトラーマトリクス給電回路の構成を示したブロック図である。 ８×８バトラーマトリクス給電回路の構成を示したブロック図である。 ８×８バトラーマトリクス給電回路の構成を示したブロック図である。 １次元方向の切替をするためのバトラーマトリクスを示したブロック図である。 垂直切替用４×４分配回路の配置関係を断面で示した図である。 水平切替用４×４分配回路の配置関係を断面で示した図である。 Ｈ面結合器を示した斜視図である。 Ｅ面結合器を示した斜視図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

［実施の形態１］
図２２および図２３に示されるように、既知のショートスロット結合器には、Ｈ面結合器７０とＥ面結合器８０とがある。Ｈ面結合器７０とＥ面結合器８０とは、原理が基本的に同じなので、Ｈ面結合器７０について基本的な構造と動作を説明する。Ｈ面結合器７０は、金属製の矩形管７９からなる。Ｈ面結合器７０は、電力を給電するための入出力部７０Ａ，７０Ｂと、入出力部７０Ａ，７０Ｂの間に配置された結合部７０Ｃとを有する。入出力部７０Ａには、矩形管７９の一端７９ａの開口部の中心に起立した仕切り板７５によって形成された、開口が矩形の第１ポート７１，第２ポート７２が並置されている。入出力部７０Ｂには、矩形管７９の他端７９ｂの開口部の中心に起立した仕切り板７６によって形成された、開口が矩形の第３ポート７３，第４ポート７４が並置されている。

結合部７０Ｃは、仕切り板７５と仕切り板７６との間の距離ｌの全長を有する。この全長の長さｌを変えることにより、Ｈ面分配結合器７０は、バトラーマトリクスにおけるハイブリッド結合器９１、あるいは交差結合器９２となる（図１９参照）。ハイブリッド結合器９１は、入力された電力に対して、入力口に対抗する位置にある対向出力口の出力に対して，対向出力口に隣接する隣接出力口の出力位相を９０度遅らせて、接続された２つの導波路９６に均等に配分して出力する（これをハイブリッド結合と呼ぶ）。例えば、第１ポート７１に入力された電力は、第３ポート７３および第４ポート７４から均等に配分されるとともに、位相は第３ポート７３に対して第４ポート７４は９０度遅れて出力される。

交差結合器９２は、入力された電力が，その入力口に対向する対向出力口に隣接する隣接出力口へすべて出力する（これを交差結合と呼ぶ）。例えば、第１ポート７１に入力された電力は、すべて第４ポート７４から出力される。

入出力部７０Ａ，７０Ｂは、ＴＥ１０モードだけが伝搬する矩形導波管である。結合部７０Ｃでは、電磁界モード（以下、モードと呼ぶ）のうち、ＴＥ１０モードとＴＥ２０モードだけが伝搬している。結合部のＴＥ１０モードとＴＥ２０モードの位相定数をそれぞれβ_１０，β_２０，結合部の長さをｌとすると、

で与えられる。

のとき（一層）ハイブリッド結合器９１となり、

のとき（一層）交差結合器９２となる。

以下、本発明にかかる二層ショートスロット結合器１０について説明する。

図１および図２には、二次元方向の走査をするためのバトラーマトリクスを用いた後述するバトラーマトリクス給電回路５０に適用される二層ショートスロット結合器１０が示されている。二層ショートスロット結合器１０は、入力信号を入力する入力部１０Ａおよび信号を出力する出力部１０Ｂと、入力部１０Ａおよび出力部１０Ｂの間に配置された結合部１０Ｃとを有する金属製の結合器である。

入力部１０Ａには、入力信号を入力する開口が矩形の第１ポート１１と、第２ポート１２と、第３ポート１３と、第４ポート１４との４つの入力口がマトリクス状に２×２層に配置されている。第１ポート１１と、第２ポート１２と、第３ポート１３と、第４ポート１４とは、矩形管２０の開口を十字状の仕切り板２０ａで仕切ることにより形成されている。

出力部１０Ｂは、入力信号を出力する開口が矩形の第５ポート１５と、第６ポート１６と、第７ポート１７と、第８ポート１８との４つの出力口がマトリクス状に２×２層に配置されている。第５ポート１５と、第６ポート１６と、第７ポート１７と、第８ポート１８とは、第１ポート１１と、第２ポート１２と、第３ポート１３と、第４ポート１４とにそれぞれ対向している。第５ポート１５と、第６ポート１６と、第７ポート１７と、第８ポート１８とは、矩形管２１の開口を十字状の仕切り板２１ａで仕切ることにより形成されている。入力部１０Ａおよび出力部１０Ｂは、ＴＥ１０モード（基本モード）だけが伝搬する矩形導波管である。

第１ポート１１に対向する位置にある第５ポート１５は、対向出力口と呼ぶ。第５ポート１５の水平方向に隣接する第６ポート１６は、水平隣接出力口と呼ぶ。第５ポート１５垂直方向に隣接する第７ポート１７は、垂直隣接出力口と呼ぶ。第５ポート１５の対角線上に位置する第８ポート１８は、対角隣接出力口と呼ぶ。この出力口の呼び方は、他の入力口と出力口との関係においても適用される。

図３に示されるように、結合部１０Ｃは、入力部１０Ａおよび出力部１０Ｂの間に配置され、開口が入力口および出力口の２×２層分の断面形状Ｐを有する。結合部１０Ｃの断面形状Ｐは，水平方向、垂直方向に２軸対称性を有する。結合部１０Ｃは多モードの電磁界が伝搬する多モード方形導波管の断面を変形している。断面形状Ｐは、矩形の四隅を矩形に切り欠いたように形成された４つの切欠き部２５を有する。切欠き部２５により第１の凸部２６が両側に形成されている。第１の凸部２６は、入力部１０Ａおよび出力部１０Ｂの断面の両辺から突出するように形成されている（図１および図２参照）。

さらに、断面形状Ｐは、上辺と下辺との中央部が中心に向かって矩形に凹んだ２つの凹部２７を有する。凹部２７により、第２の凸部２８が上下に２つずつ形成されている。第２の凸部２８は、入力部１０Ａおよび出力部１０Ｂの断面の上辺および下辺から突出するように形成されている図１および図２参照）。結合部１０Ｃで考慮すべき電磁界のモードは、多モード方形導波管で発生する電磁界のモードにそれぞれ対応する。このモードは、ＴＥ１０，ＴＥ０１，ＴＥ２０，ＴＭ１１，ＴＥ１１，ＴＭ２１，ＴＥ２１，ＴＥ３０の８つのモードである。

図４および図５には、多モード方形導波管のモードの断面電界分布とその対称性がそれぞれ示されている。結合部１０Ｃの断面形状Ｐは、以下の５つの条件を満足するように形状が決定される。

（１）結合部１０ＣのＴＥ０１対応モードと入出力部の基本モードは結合しない。
（２）結合部１０ＣのＴＥ２１対応モードとＴＥ３０対応モードは減衰させる。
（３）結合部１０ＣのＴＥ２０対応モード，ＴＭ１１対応モード，ＴＥ１１対応モードの位相定数は同じにする。このとき，ＴＭ１１対応モードとＴＥ１１対応モードは一体として扱えるので，今後ＴＭ（ＴＥ）１１対応モードと呼ぶ。
（４）結合部１０ＣのＴＥ０１対応モード，ＴＥ２０対応モード，ＴＭ２１対応モードの位相定数をそれぞれβ_１０，β_２０，β_２１とした時、

を満足する。
（５）結合部１０Ｃの４つのモード（ＴＥ１０対応モード，ＴＥ２０対応モード，ＴＭ（ＴＥ）１１対応モード，ＴＭ２１モード）はそれぞれ，入出力部の基本モードと同じ結合量とする。

断面形状Ｐの四隅に形成された切欠き部２５（図３参照）は、主にＴＥ２１対応モードを減衰させる（抑圧する）ためのものである。断面形状Ｐの上下に形成された凹部２７（図３参照）は、主にＴＭ１１対応モードとＴＥ１１対応モードの位相定数を合わせるためのものである。

結合部１０Ｃの管軸線Ｌ方向の全長ｌ（図３参照）は、後述するバトラーマトリクス給電回路５０におけるハイブリッド結合部５１に配置された場合は（図１０参照）、

を満足するように形成される。

結合部１０Ｃを有する二層ショートスロット結合器１０がバトラーマトリクスのハイブリッド結合器として機能する場合、例えば、入力部１０Ａの第１ポート１１から信号が入力された場合には、第１ポート１１〜第４ポート１４へ出力信号は出力されない（図１および図２参照）。そして、出力信号の散乱行列の振幅は出力部１０Ｂの各出力口（第５ポート１５〜第８ポート１８）へは等振幅で出力される（電力が均等に分配されて出力される）。

第１ポート１１（入力口）に対向する位置にある第５ポート１５（対向出力口）から出力される第１出力信号に対して、第５ポート１５（対向出力口）の水平方向に隣接する第６ポート１６（水平隣接出力口）および第５ポート１５（対向出力口）の垂直方向に隣接する第７ポート１７（垂直隣接出力口）からそれぞれ出力される第２出力信号および第３出力信号は、位相が９０度遅れて出力される。

第５ポート１５（対向出力口）の対角線上に位置する第８ポート１８（対角隣接出力口）から出力される第４出力信号は、第１出力信号に対して位相が１８０度遅れて出力される。このように、二層ショートスロット結合器１０は、ハイブリッド結合器として機能する場合、入力された信号に位相差を与え、二次元的に分配して出力する。即ち、入力部１０Ａの各入力口（第１ポート１１〜第４ポート１４）のいずれかより信号が入力された場合は、上記と同様の動作が実現される。

一方、結合部１０Ｃの全長ｌ（図３参照）は、後述するバトラーマトリクス給電回路５０における交差部５３に配置された場合は（図１０参照）、

を満足するように形成される。即ち、結合部１０Ｃは、バトラーマトリクス給電回路５０が有する交差部５３に配置された場合に、ハイブリッド結合部５１（図１０参照）に配置された結合部１０Ｃの全長の２倍の全長になるように形成される。

結合部１０Ｃを有する二層ショートスロット結合器１０がバトラーマトリクスの交差器として用いられる場合、例えば、入力部１０Ａの第１ポート１１（入力口）から信号が入力された場合は、第１ポート１１〜第７ポート１７へ出力信号は出力されない（図１および図２参照）。そして、第１ポート１１（入力口）に対向する位置にある第５ポート（対向出力口）の対角線上に位置する第８ポート（対角隣接出力口）から出力信号として全て出力信号が出力されるよう形成されている。

このように、二層ショートスロット結合器１０は、交差器として機能する場合、入力された信号を二次元的に交差して出力する。即ち、入力部１０Ａの各入力口（第１ポート１１〜第４ポート１４）のいずれかより信号が入力された場合、上記と同様の動作が実現される。

図６および図７には、設計周波数が２２．０ＧＨｚであるハイブリッド結合器として設計された二層ショートスロット結合器１０に給電した場合の計算結果が示されている。図６に示されるように、二層ショートスロット結合器１０の第１ポート１１からの入力に対して、散乱行列の振幅は、設計周波数において第５ポート１５〜第８ポート１８にほぼ等分配されている。そして、第１ポート１１から第４ポート１４への反射は−２５ｄＢ以下となっている。

図７に示されるように、二層ショートスロット結合器１０の第１ポート１１から入力され、第５ポート１５から出力された電力に対して、第６ポート１６および第７ポート１７への出力は位相がほぼ９０度遅れている。そして、第５ポート１５から出力された信号に対して、第８ポート１８への出力は位相がほぼ１８０度遅れている。

図８には、設計周波数が２２．０ＧＨｚである交差器として設計された二層ショートスロット結合器１０に給電した場合の計算結果が示されている。二層ショートスロット結合器１０の第１ポート１１からの入力に対して、散乱行列の振幅は、設計周波数（２２．０ＧＨｚ）において第１ポート１１〜第７ポート１７への出力は、−１５ｄＢ以下となっている。そして、第８ポート１８への出力は、−０．３ｄＢとなり、第１ポート１１に入力された電力のほぼ全電力が第８ポート１８へ出力されている。

上述したように、二層ショートスロット結合器１０によると、二層に配置された複数の入力口のいずれかより電力を給電すると、二層に配置された複数の出力口から二次元的に電力を出力することができる。即ち、二層ショートスロット結合器１０は、入力部１０Ａから入力された入力信号に対して出力部１０Ｂからの信号の出力形態を二次元的に変化させることができる。また、二層ショートスロット結合器１０は、結合部１０Ｃの長さを変えることによって、信号の出力形態を変えることができ、ハイブリッド結合器または交差器として用いることができる。

以下、二層ショートスロット結合器１０を用いた二次元ビーム切替をするためのバトラーマトリクスについて４ｘ４の入力部および出力部を有する場合を例に説明する。

図９に示されるように、バトラーマトリクス給電回路５０は、下段から第１層から第４層および左段から第１〜第４層である、断面方向に４×４層の配置位置に配置された給電回路からなる。バトラーマトリクス給電回路５０は、二次元ビーム切替を実現するためのバトラーマトリクスである。この配置位置において、垂直方向の第１層および第２層と、第３層および第４層とを外側２層と呼ぶ。そして、垂直方向の第２層および第３層を内側２層と呼ぶ。また、水平方向の第１層および第２層と、第３層および第４層とを外側２層と呼ぶ。そして、水平方向の第２層および第３層を内側２層と呼ぶ。

図１０に示されるように、バトラーマトリクス給電回路５０は、入力信号に位相差を与えると共に等振幅で分配して出力するハイブリッド結合部５１と、入力信号を交差する回路に出力する交差部５３と、入力信号に位相差を与えて出力する位相器部５６とを有している。図に示された実線のブロックは、二層ショートスロット結合器１０を示している。図に示された破線のブロックは、既知の装置（一層）を示している。ブロックを接続する実線は導波管Ｗを示している。左側には、バトラーマトリクス給電回路５０の内側２層の構成が示されており、右側には外側２層の構成が示されている。

まず、バトラーマトリクス給電回路５０の内側２層の構成について説明する。バトラーマトリクス給電回路５０の内側２層には、入力側から、ハイブリッド結合部５１が配置されている。ハイブリッド結合部５１には、二層ショートスロット結合器１０からなる二層ハイブリッド結合器５２が並置されている。ここで、二層ハイブリッド結合器５２は、第１層と第２層で、あるいは第３層と第４層で組み合わされて構成されている。ハイブリッド結合部５１の下流側には、交差部５３が接続されている。

交差部５３には、中央位置に二層ショートスロット結合器１０からなる二層交差結合器５４が配置されている。二層交差結合器５４は、第２層および第３層で組み合わされて構成されている。上述したように、交差部５３に配置された二層ショートスロット結合器１０の結合部１０Ｃ（図１参照）は、ハイブリッド結合部５１に配置された二層ショートスロット結合器１０の結合部１０Ｃの全長に比して２倍の全長になるように形成されている。二層交差結合器５４の左右の第２層および第３層には、２本の導波管Ｗに導波された信号を交差させる既知の一層交差器５５が縦置きに（紙面に垂直に）配置されている。

交差部５３の下流側には、位相器部５６が接続されている。位相器部５６には、第２層および第３層の左右両側にそれぞれ既知の位相を４５度遅らせるための一層−４５度位相器５７が配置されている。位相器部５６の下流側には、ハイブリッド結合部５９が接続されている。ハイブリッド結合部５９の構成は、ハイブリッド結合部５１の構成と同様である。ハイブリッド結合部５９の下流側には、交差部６０が接続されている。交差部６０の構成は、交差部５３の構成と同様である。交差部６０の下流側は、出力側となっている。

次に、バトラーマトリクス給電回路５０の外側２層の構成について説明する。バトラーマトリクス給電回路５０の外側２層には、入力側から、ハイブリッド結合部５１が配置されている。ハイブリッド結合部５１には、二層ショートスロット結合器１０からなる二層ハイブリッド結合器５２が並置されている。ハイブリッド結合部５１の下流側には、交差部５３が接続されている。交差部５３には、中央位置（左側から第２層および第３層）に既知の一層交差器５５が横置きに（紙面と平行に）配置されている。

交差部５３の下流側には、位相器部５６が接続されている。位相器部５６の外側２層には、左右両側に既知の位相を９０度遅らせるための一層−９０度位相器５８が第２層および第３層にそれぞれ配置されている。一層−９０度位相器５８の間には、２つの一層−４５度位相器５７が並置されている。位相器部５６の下流側には、ハイブリッド結合部５９が接続されている。ハイブリッド結合部５９の構成は、ハイブリッド結合部５１の構成と同様である。ハイブリッド結合部５９の下流側には、交差部６０が接続されている。

交差部６０の構成は、交差部５３の構成と同様である。上記説明では、位相器には「−」の位相量（遅れ）を与えるものを使用している。位相器には「−」の位相量を与えるものの他、「＋」の位相量（進み）を与えるものを使用してもよい。即ち、上記の「−」の位相量を与える位相器の代わりに、それらを取り外して、バトラーマトリクス給電回路５０の他の部分に「＋」の位相量を与える位相器を配置してバトラーマトリクスを構成しても上記と同様の動作が実現される。

図１１には、ハイブリッド結合部５１の図１０におけるＢ断面の配置関係が示されている。二層ショートスロット結合器１０が配置位置の下段から第１層および第２層の位置に２つ並置され、下段から第３層と第４層の位置に２つ並置されている。内側２層（下段から第２層および第３層）では、二層ハイブリッド結合器５２の上層５２ａと下層５２ｂとが並置されている。ハイブリッド結合部５１の入力側には入力口が４×４のマトリクス状に配置されている。ハイブリッド結合部５９もハイブリッド結合部５１と同様の構成である。

図１２には、交差部５３の図１０におけるＣ断面の配置関係が示されている。交差部５３には、二層ショートスロット結合器１０が前記第２層と前記第３層との中央位置に１つ配置されている。二層ショートスロット結合器１０の上下方向の位置にある第１層および第４層に一層交差器５５が横置きにそれぞれ配置されている。二層ショートスロット結合器１０の左右にある下段から第２層および第３層に一層交差器５５が縦置きに配置されている。その他の四隅の部分は、導波管Ｗである。交差部６０も交差部５３と同様の構成である。交差部６０の下流側には出力口が４×４のマトリクス状に配置されている。

図１３には、位相器部５６の図１０におけるＤ断面の配置関係が示されている。下段から第１層および第４層の左右には、一層−９０度位相器５８がそれぞれ配置されている。左右の一層−９０度位相器５８の間には、一層−４５度位相器５７が２つ並置されている。下段から第２層と第３層の両側には、一層−４５度位相器５７がそれぞれ縦方向に２つ積層されている。下段から第２層と第３層の中央位置（左側から第２層および第３層）には４つの導波管Ｗが２×２のマトリクス状に配置されている。

バトラーマトリクス給電回路５０によると、ハイブリッド結合部５１の上流側にある４×４の入力口のいずれかより入力された信号は、ハイブリッド結合部５１で４つに均等に分配されると共にそれぞれの位相差を与えられて４つの出力信号が出力される。そして、出力信号は、交差部５３で交差する導波管に導波され、位相器部５６でそれぞれの位相差を与えられて出力される。

そして、出力信号は、ハイブリッド結合部５９で１６個の信号に均等に分配されると共にそれぞれの位相差を与えられて出力され、交差部６０で交差する導波管に導波される。これにより、バトラーマトリクス給電回路５０の出力側で出力されるそれぞれの出力信号は２次元的な位相の傾きを有している。そのため、バトラーマトリクス給電回路５０の出力側で出力される出力されるビームは、２次元方向の傾きを持っている。

バトラーマトリクス給電回路５０において、４×４の入力口の位置を変えることによって出力されるビームは、２次元的にその方向が変化する。これにより、バトラーマトリクス給電回路５０は、水平切替用と垂直切替用とにそれぞれの給電回路を用いること無く、一つの給電回路により二次元ビーム切替をすることができる。上述したように、バトラーマトリクス給電回路５０によると、装置構成を簡略化して二次元ビーム切替をすることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、バトラーマトリクス給電回路５０の原理を拡張して、二次元切替用８×８分配のバトラーマトリクス給電回路１００を構成してもよい。以下の説明では、同一の構成部分には同一の符号を用い、重複する説明は適宜省略する。

図１４に示されるように、バトラーマトリクス給電回路１００は、下段から第１層〜第８層および左段から第１〜第８層である、断面方向に８×８層の配置位置に配置された給電回路からなる。第４層および第５層を２層Ａと呼ぶ。第３層および第４層あるいは第５層および第６層を２層Ｂと呼ぶ。第２層および第３層あるいは第６層および第７層を２層Ｃと呼ぶ。第１層および第２層あるいは第７層および第８層を２層Ｄと呼ぶ。

図１５には、２層Ａの給電回路１００Ａのブロック図が示されている。給電回路１００Ａの構成要素でバトラーマトリクス給電回路５０と同一の部分は同一の符号を付し、重複する説明は省略する。給電回路１００Ａでは、位相を２２．５度遅らせるための−２２．５度位相器６４がさらに設けられている。

図１６には２層Ｂの給電回路１００Ｂのブロック図が示されている。給電回路１００Ａでは、位相を６７．５度遅らせるための−６７．５度位相器６５がさらに設けられている。図１７には２層Ｃの給電回路１００Ｃのブロック図が示されている。図１８には２層Ｄの給電回路１００Ｄのブロック図が示されている。給電回路１００Ｄでは、位相を１３５度遅らせるための−１３５度位相器６６がさらに設けられている。

バトラーマトリクス給電回路１００において、８×８に配置された入力口の位置を変えることによって出力されるビームは、２次元的にその方向が変化する。バトラーマトリクス給電回路１００によると、バトラーマトリクス給電回路５０の切替範囲より細かく２次元切替することができる。また、上述したバトラーマトリクス給電回路５０，１００の出力側に配置された複数の出力口のそれぞれに、マトリクス状に配置されたアンテナ素子を接続し、二次元切替が可能なフェイズドアレーアンテナを構築することができる。

上述したバトラーマトリクス給電回路５０，１００の原理は、さらに拡張することができる。２^ｎ×２^ｎ分配（ｎは正の整数）の２次元ビーム切替バトラーマトリクスは、２^ｎ分配の１次元ビーム切替バトラーマトリックスから構築することができる。水平方向に置いた２^ｎ分配の１次元ビーム切替バトラーマトリックスを垂直方向へ投影させ、垂直方向においた２^ｎ分配の１次元ビーム切替バトラーマトリックスを水平方向へ投影させる。ハイブリッド部は、垂直方向への投影と水平方向への投影により、１次元ビーム切替バトラーマトリックスのハイブリット結合部が重なる位置に二層ハイブリッド結合器５２（二層ショートスロット結合器１０）を配置することで構成される。すなわち、水平方向に２^ｎ−１個、垂直方向に２^ｎ−１個２次元的に二層ショートスロット結合器１０が設けられる。

交差部は、１次元ビーム切替バトラーマトリックスの垂直方向への投影と水平方向への投影により、１次元ビーム切替バトラーマトリックスの交差部が重なる位置に二層交差結合器５４（二層ショートスロット結合器１０）を配置し、垂直方向への投影だけあるいは水平方向への投影だけの位置には既知の一層交差器５５を配置することで構成される。位相器部は、垂直方向への投影と水平方向への投影が重なる位置にはそれぞれの位相量の和の位相器を設け、垂直方向への投影だけ、あるいは水平方向への投影だけの位置にはその位相量の位相器を配置することで構成される。

また、水平方向２^ｎ×垂直方向２^ｍ分配（ｎ，ｍは正の整数。ただしｎ＞ｍとする）の２次元ビーム切替バトラーマトリクスは２^ｎ分配と２^ｍ分配の１次元ビーム切替バトラーマトリックスから構築することができる。水平方向に置いた２^ｎ分配の１次元ビーム切替バトラーマトリックスを垂直方向へ投影させ，垂直方向に置いた２^ｍ分配の１次元ビーム切替バトラーマトリックスを水平方向へ投影させる。このとき、２^ｎ分配と２^ｍ分配の１次元ビーム切替バトラーマトリックスはブロック数が異なるので上流側にそろえる。上流側の２^ｍ分配の１次元ビーム切替バトラーマトリックスがある部分までのハイブリット結合部、交差部、位相器部は、上記の２^ｎ×２^ｎ分配と同じ扱いをする。それより下流の部分は、２^ｎ分配の１次元ビーム切替バトラーマトリックスの該当部分を垂直方向に２^ｍ個設ける。

上述した方法により、２^ｎ×２^ｎ分配の２次元ビーム切替バトラーマトリクスおよび、水平方向２^ｎ×垂直方向２^ｍ分配の２次元ビーム切替バトラーマトリクスを構築することができる。

Ｌ 管軸線
Ｐ 断面形状
Ｑ 信号
Ｑ１−Ｑ４ 信号
Ｗ 導波管
１０ 二層ショートスロット結合器
１０Ａ 入力部
１０Ｂ 出力部
１０Ｃ 結合部
１１ 第１ポート
１２ 第２ポート
１３ 第３ポート
１４ 第４ポート
１５ 第５ポート
１６ 第６ポート
１７ 第７ポート
１８ 第８ポート
２０ 矩形管
２０ａ 仕切り板
２１ 矩形管
２１ａ 仕切り板
２５ 切欠き部
２６ 第１の凸部
２７ 凹部
２８ 第２の凸部
５０ バトラーマトリクス給電回路
５１ ハイブリッド結合部
５２ 二層ハイブリッド結合器
５２ａ 上層
５２ｂ 下層
５３ 交差部
５４ 二層交差結合器
５５ 一層交差器
５６ 位相器部
５７ −４５度位相器
５８ −９０度位相器
５９ ハイブリッド結合部
６０ 交差部
６４ −２２．５度位相器
６５ −６７．５度位相器
６６ −１３５度位相器
７０ Ｈ面結合器
７０Ａ 入出力部
７０Ｂ 入出力部
７０Ｃ 結合部
７１ 第１ポート
７２ 第２ポート
７３ 第３ポート
７４ 第４ポート
７５ 仕切り板
７６ 仕切り板
７９ 矩形管
７９ａ 一端
７９ｂ 他端
８０ Ｅ面結合器
８９ 一層４分配回路
９０ 一層４分配回路
９１ ハイブリッド結合器
９２ 交差結合器
９３ 度位相器
９４ 入力ポート
９５ 出力ポート
９６ 導波路
９８ 垂直４×４分配回路
９９ 水平４×４分配回路
１００ バトラーマトリクス給電回路
１００Ａ 給電回路
１００Ｂ 給電回路
１００Ｃ 給電回路
１００Ｄ 給電回路

Claims (14)

1. 入力信号を入力する４つの入力口がマトリクス状に２×２層に配置された入力部と、
   入力信号を出力する４つの出力口がマトリクス状に２×２層に配置された出力部と、
   前記入力部と前記出力部との間に配置され、多モードの電磁界を発生させる断面形状を有する結合部とを有し、
   前記結合部は、前記入力口のいずれかより入力された入力信号に対して前記出力部からの信号の出力形態を二次元的に変化させる、
   二層ショートスロット結合器。
2. 前記断面形状は、矩形の四隅を矩形に切り欠いた切欠き部と、上辺と下辺との中央部が中心に向かって矩形に凹んだ凹部を有する、
   請求項１に記載の二層ショートスロット結合器。
3. 前記結合部は、バトラーマトリクス給電回路が有する交差部に配置された場合に、前記バトラーマトリクス給電回路が有するハイブリッド結合部に配置された前記結合部の全長の２倍の全長になるように形成される、
   請求項２に記載の二層ショートスロット結合器。
4. 前記結合部は、前記ハイブリッド結合部に配置された場合に、前記入力口のいずれかより入力された信号が、４つの前記出力口から電力が均等に配分されて出力され、
   前記入力口に対向する位置にある対向出力口から出力される第１出力信号に対して、前記対向出力口の水平方向に隣接する水平隣接出力口および前記対向出力口の垂直方向に隣接する垂直隣接出力口からそれぞれ出力される第２および第３出力信号は、位相が９０度遅れて出力され、
   前記対向出力口の対角線上に位置する対角隣接出力口から出力される第４出力信号は、位相が１８０度遅れて出力されるよう形成されている、
   請求項３に記載の二層ショートスロット結合器。
5. 前記結合部は、前記交差部に配置された場合に、前記入力口のいずれかより入力された信号が、前記入力口に対向する位置にある対向出力口の対角線上に位置する対角隣接出力口から出力信号として全て出力されるよう形成されている、
   請求項３に記載の二層ショートスロット結合器。
6. 入力信号に位相差を与えて等振幅で分配して出力するハイブリッド結合部と、入力信号を交差する回路に出力する交差部と、入力信号に位相差を与えて出力する位相器部とからなるバトラーマトリクス給電回路であって、
   入力信号を入力する４つの入力口がマトリクス状に２×２層に配置された入力部と、
   入力信号を出力する４つの出力口がマトリクス状に２×２層に配置された出力部と、
   前記入力部と前記出力部との間に配置され、多モードの電磁界を発生させる断面形状を有する結合部とを有し、
   前記結合部は、前記入力口のいずれかより入力された入力信号に対して前記出力部からの信号の出力形態を二次元的に変化させる、二層ショートスロット結合器を有し、
   前記二層ショートスロット結合器は、前記ハイブリッド結合部と前記交差部とにそれぞれ配置され、
   前記ショートスロット結合器より出力された出力信号により前記出力部から出力されるビーム方向を二次元的に変化させる、
   二次元ビーム切替のためのバトラーマトリクス給電回路。
7. 前記断面形状は、矩形状の四隅が矩形に凹んだ切欠き部と、上辺と下辺との中央部が中心に向かって矩形に凹んだ凹部を有する、
   請求項６に記載のバトラーマトリクス給電回路。
8. 前記交差部に配置された前記二層ショートスロット結合器は、前記ハイブリッド結合部に配置された前記二層ショートスロット結合器の前記結合部の全長の２倍の全長を有する前記結合部を有する、
   請求項７に記載のバトラーマトリクス給電回路。
9. 前記二層ショートスロット結合器は、前記ハイブリッド結合部に配置された場合に、前記入力口のいずれかより入力された信号が、４つの前記出力口から電力が均等に配分されて出力され、
   前記入力口に対向する位置にある対向出力口から出力される第１出力信号に対して、前記対向出力口の水平方向に隣接する水平隣接出力口および前記対向出力口の垂直方向に隣接する垂直隣接出力口からそれぞれ出力される第２および第３出力信号は、位相が９０度遅れて出力され、
   前記対向出力口の対角線上に位置する対角隣接出力口から出力される第４出力信号は、位相が１８０度遅れて出力されるよう形成されている、
   請求項８に記載のバトラーマトリクス給電回路。
10. 前記二層ショートスロット結合器は、前記交差部に配置された場合に、前記入力口のいずれかより入力された信号が、前記入力口に対向する位置にある対向出力口の対角線上に位置する対角隣接出力口から出力信号として全て出力されるよう形成されている、
    請求項８に記載のバトラーマトリクス給電回路。
11. 前記ハイブリッド結合部には、断面に１層給電回路がマトリクス状に４×４層分配置される配置位置に対して、前記二層ショートスロット結合器が前記配置位置の下段から第１層および第２層の位置に２つ並置され、下段から第３層と第４層の位置に２つ並置され、
    前記交差部には、前記二層ショートスロット結合器が前記第２層と前記第３層との中央位置に１つ配置されている、
    請求項９または１０に記載のバトラーマトリクス給電回路。
12. 前記交差部には、さらに、前記二層ショートスロット結合器の上下の前記第１層および前記第４層に一層交差器が横置きにそれぞれ配置され、前記二層ショートスロット結合器の左右の前記第２層および前記第３層に前記一層交差器が縦置きにそれぞれ配置されている、
    請求項１１に記載のバトラーマトリクス給電回路。
13. 前記位相器部は、前記第１層および前記第４層の両側に一層−９０度位相器が配置され、前記一層−９０度位相器の間に一層−４５度位相器が２つ並置され、前記第２層と前記第３層の両側に一層−４５度位相器がそれぞれ縦方向に２つ積層されている、
    請求項１２に記載のバトラーマトリクス給電回路。
14. 入力信号に位相差を与えて等振幅で分配して出力するハイブリッド結合部と、入力信号を交差する回路に出力する交差部と、入力信号に位相差を与えて出力する位相器部とからなるバトラーマトリクス給電回路を有するフェイズドアレーアンテナであって、
    入力信号を入力する４つの入力口がマトリクス状に２×２層に配置された入力部と、
    入力信号を出力する４つの出力口がマトリクス状に２×２層に配置された出力部と、
    前記入力部と前記出力部との間に配置され、多モードの電磁界を発生させる断面形状を有する結合部とを有し、
    前記結合部は、前記入力口のいずれかより入力された入力信号に対して前記出力部から出力される出力信号の方向を二次元的に変化させる二層ショートスロット結合器と、
    前記二層ショートスロット結合器が、前記ハイブリッド結合部と前記交差部とにそれぞれ配置されたバトラーマトリクス給電回路と、
    前記出力部に接続された複数のアンテナ素子とを有し、
    前記入力口のいずれかより入力された信号に対して複数の前記アンテナ素子より出力される出力信号のビームの方向を二次元的に変化させる、
    二次元ビーム切替のためのフェイズドアレーアンテナ。

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