JP2017034484A

JP2017034484A - 分配合成回路及び分配合成回路の製造方法

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Publication number: JP2017034484A
Application number: JP2015152760A
Authority: JP
Inventors: 智弘関; Tomohiro Seki; 麻希新井; Maki Arai
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: JP6457350B2

Abstract

【課題】２次元走査を行うフェーズドアレーアンテナ用の給電回路の小型化を実現することできる分配合成回路及び分配合成回路の製造方法を提供する。【解決手段】曲面上に２次元配列された、電磁波を放射及び吸収する複数の入力側アンテナ素子と出力側アンテナ素子とを備え、前記入力側アンテナ素子が電磁波を放射又は吸収する方向と前記出力側アンテナ素子が電磁波を放射又は吸収する方向とが対向する。【選択図】図１

Description

本発明は、分配合成回路及び分配合成回路の製造方法に関する。

従来の技術としては、フェーズドアレー系給電回路として一般的に用いられるバトラーマトリクス給電回路がある。例えば、非特許文献１には、４ポートバトラーマトリクス給電回路の平面構成が記載されている。図６は、非特許文献１に記載の４ポートバトラーマトリクス回路１００の回路図である。図６に示す４ポートバトラーマトリクス回路１００の構成は、平面回路又は導波管により構成される。ただし、４ポートバトラーマトリクス回路１００の構成は、２のべき乗の入出力ポート１０１のポート数に比例して構成されなければならない。また、図６に示す４ポートバトラーマトリクス回路１００の構成は、複数のハイブリット回路１０２と複数の移相器１０３とを備える必要がある。このような状況において、入出力ポート１０１のポート数が４ポートを越えると、４ポートバトラーマトリクス回路１００を１層の基板のみで構成・製造することが困難になるという課題がある。また、４ポートバトラーマトリクス回路１００は、ハイブリット回路１０２を４つ用いているため、十分な小形化がされているとはいえない。

また、他のフェーズドアレー系給電回路として、非特許文献２には、ロットマンレンズ給電回路が記載されている。図７は、ロットマンレンズ給電回路の概略構成図である。図７に示すロットマンレンズ給電回路は、平面レンズ構成により多ポート入出力分配器を構成するもので、バトラーマトリクス給電回路と比べて簡易に構成できるという利点がある。

K. Uehara, T. Seki, and K. Kagoshima, "A Planar Sector Antenna for Indoor High-Speed Wireless Communication Systems", IEICE Trans. Commun., Vol. E79-B, No.12, pp.1773-1777, Dec. 1996. W. Rotman and R. F. Turner, "Wide-Angle Microwave Lens for Line Source Applications," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. AP-11, no.11, pp. 623-632, Nov. 1963.

しかしながら、ロットマンレンズ給電回路を２次元走査を実現する給電回路として用いるためには、水平面成型用と垂直面成型用との２系統の給電回路を用いる必要があり、回路が大型化してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、２次元走査を行うフェーズドアレーアンテナ用の給電回路の小型化を実現することできる分配合成回路及び分配合成回路の製造方法を提供することである。

本発明の一態様は、曲面上に２次元配列された、電磁波を放射及び吸収する複数の入力側アンテナ素子と出力側アンテナ素子とを備え、前記入力側アンテナ素子が電磁波を放射又は吸収する方向と前記出力側アンテナ素子が電磁波を放射又は吸収する方向とが対向する分配合成回路である。

また、本発明の一態様は、上述した分配合成回路であって、前記曲面は球面である。

また、本発明の一態様は、上述した分配合成回路であって、前記入力側アンテナ素子と前記出力側アンテナ素子との間に中空構成の誘電体をさらに備え、前記誘電体は、内側の表面が金属膜で形成されている。

また、本発明の一態様は、電磁波を放射又は吸収する複数の入力側アンテナ素子と複数の出力側アンテナ素子を曲面上に２次元配列するステップを備え、前記入力側アンテナ素子が電磁波を放射又は吸収する方向と前記出力側アンテナ素子が電磁波を放射又は吸収する方向が対向する分配合成回路の製造方法である。

また、本発明の一態様は、上述した分配合成回路の製造方法であって、前記入力側アンテナ素子と前記出力側アンテナ素子との間に中空構成の誘電体を３次元彫像装置により形成するステップをさらに備える。

以上説明したように、本発明によれば、２次元走査を行うフェーズドアレーアンテナ用の給電回路の小型化を実現することできる分配合成回路及び分配合成回路の製造方法を提供することができる。

第１の実施形態における分配合成回路１の概略構成の一例を示す図である。第１の実施形態における第１アンテナ素子群１０の概略構成の一例を示す図である。第１の実施形態における入力側アンテナ素子１１の概略構成の一例を示す図である。第２の実施形態における分配合成回路１Ａの概略構成の一例を示す図である。第２の実施形態における第１アンテナ素子群１０Ａの概略構成の一例を示す図である。従来の４ポートバトラーマトリクス回路１００の回路図である。従来のロットマンレンズ給電回路の概略構成図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く場合がある。

実施形態における分配合成回路は、バトラーマトリクス給電回路やロットマンレンズ給電回路を拡張し、２次元走査に対して容易に対応可能とする給電回路構成に係るものである。実施形態における分配合成回路は、電磁波を放射又は吸収する複数の入力側アンテナ素子を曲面上に２次元配列した第１アンテナ素子群と、電磁波を放射又は吸収する複数の出力側アンテナ素子を曲面上に２次元配列した第２アンテナ素子群と、を備え、入力側アンテナ素子と出力側アンテナ素子とは、電磁波が放射される方向にそれぞれ互いに所定間隔離れて対向するように配置されている。以下に示す実施形態では、便宜上、入力側アンテナ素子が電磁波を放射し、出力側アンテナ素子が入力アンテナ素子によって放射された電磁波を吸収する場合を説明するが、出力側アンテナ素子が電磁波を放射し、入力側アンテナ素子が出力アンテナ素子によって放射された電磁波を吸収してもよい。なお、上記曲面が、球面を含むことはいうまでもない。
以下、実施形態の分配合成回路を、図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における分配合成回路１の概略構成の一例を示す図である。図１に示すように、分配合成回路１は、第１アンテナ素子群１０、第２アンテナ素子群２０及び曲面３０を備える。なお、第１の実施形態では、４×４ポート対応時の構成を示す。

第１アンテナ素子群１０は、複数の入力側アンテナ素子１１を備える。第１の実施形態では、分配合成回路１が４×４ポート対応時の構成であるため、第１アンテナ素子群１０は、４×４個（１６個）の入力側アンテナ素子１１を備える。
第２アンテナ素子群２０は、複数の出力側アンテナ素子２１を備える。第１の実施形態では、分配合成回路１が４×４ポート対応時の構成であるため、第２アンテナ素子群２０は、４×４個（１６個）の出力側アンテナ素子２１を備える。

図２は、第１の実施形態における第１アンテナ素子群１０の概略構成の一例を示す図である。
図２（ａ）は、第１アンテナ素子群１０を正面から見た様子を示す。図２（ｂ）は、第１アンテナ素子群１０を側面から見た様子を示す。なお、第１の実施形態における第２アンテナ素子群２０は、図２に示す第１アンテナ素子群１０の概略構成と同様の構成を備えるため、詳細を省略する。

複数の入力側アンテナ素子１１は、主にマイクロ波以上の周波数帯の電磁波を送信する。入力側アンテナ素子１１は、曲面３０に配列されている。入力側アンテナ素子１１は、出力側アンテナ素子２１に対向するように配置されている。すなわち、複数の入力側アンテナ素子１１を曲面３０上に配列した第１アンテナ素子群１０と、複数の出力側アンテナ素子２１を曲面３０上に配列した第２アンテナ素子群２０とは、互いに電磁波放射方向に所定間隔Ｄ離れて配置されている。なお、上述したように、曲面３０は球面を含む。

例えば、入力側アンテナ素子１１は、導波管、スロット、テーパースロットアンテナ、ヘリカルアンテナ又はホーンアンテナである。なお、以下の説明において、入力側アンテナ素子１１がホーンアンテナである場合について説明する。なお、第１の実施形態では、励振素子としてホーンアンテナを用いている。

図３は、第１の実施形態における入力側アンテナ素子１１の概略構成の一例を示す図である。

入力側アンテナ素子１１は、ホーン部１２及び給電部１３を備える。
ホーン部１２は、給電部１３の先端側に設けられている。ホーン部１２は、ホーン１２ａ及びアンテナ開口部１２ｂを備える。ホーン１２ａは、横断面形状が長方形であり、Ｘ方向に向かうに従って、Ｘ軸に垂直な面の面積が漸次拡大した四角錐台状に形成されている。

ホーン１２ａの先端側は、アンテナ開口部１２ｂが設けられている。ホーン１２ａの先端側と反対側の基端側は、給電導波管１３ａ（後述）の先端側に接続されている。これにより、ホーン部１２の内部空間と給電部１３の内部空間とが連通されるように接続される。

給電部１３は、ホーン部１２の基端側に設けられている。給電部１３は、基端側が閉塞されていると共に先端側が開口し、横断面形状が長方形の角筒体である。給電部１３は、先端側がホーン１２ａの基端側に接続されている。
入力側アンテナ素子１１は、不図示の送信機から高周波信号が給電されると、アンテナ開口部１２ｂから電磁波（例えばマイクロ波）を外部に放射する。

複数の出力側アンテナ素子２１は、入力側アンテナ素子１１から放射された電磁波を吸収（又は受信）する。出力側アンテナ素子２１は、曲面３０に配列されている。出力側アンテナ素子２１は、入力側アンテナ素子１１に対向するように配置されている。すなわち、入力側アンテナ素子１１が電磁波を放射する方向と、出力側アンテナ素子２１が電磁波を吸収する方向とが対向するように、入力側アンテナ素子１１及び出力側アンテナ素子２１が配列されている。これにより、複数の出力側アンテナ素子２１は、第１アンテナ素子群１０から空間に放射されることで分配された電磁波の各々を吸収する。

例えば、出力側アンテナ素子２１は、導波管、スロット、テーパースロットアンテナ、ヘリカルアンテナ又はホーンアンテナである。なお、第１の実施形態では、出力側アンテナ素子２１がホーンアンテナである場合について説明する。例えば、出力側アンテナ素子２１は、入力側アンテナ素子１１と同様な構成を備える。なお、入力側アンテナ素子１１の各々は、無指向性であれば、曲面３０上に配置することになるが、実際には指向性を有するため、配置角度に応じて、曲面３０上からずらして配置することにより、分配時の位相分布を調整する。これにより、平面におけるロットマンレンズ給電回路と同等の特性を３次元において実現することが可能となる。

上述したように、第１の実施形態における分配合成回路１は、複数の入力側アンテナ素子１１を曲面３０上に配列した第１アンテナ素子群１０と、複数の出力側アンテナ素子２１を曲面３０上に配列した第２アンテナ素子群２０とを互いの電磁波放射方向に所定間隔Ｄ離して対向させて配置する。言い換えれば、分配合成回路１は、電磁波を放射するアンテナ開口部を複数個具備し、且つその複数の開口部をそれぞれ電磁波放射方向に対向して配置した構成を備える。したがって、分配合成回路１は、第１アンテナ素子群１０と第２アンテナ素子群２０との間に電磁波を分配する回路を配置することなく、電磁波を分配することができる。このように、分配合成回路１は、対向するアンテナ開口部間により電磁波の電力及び移相を含め分配合成回路内のエアー部分を伝搬することにより信号が分配されることになる。エアー部分とは、第１アンテナ素子群１０と第２アンテナ素子群２０との間の空間のことである。これにより、簡易な構造でフェーズドアレーアンテナ用給電回路が実現できることができる。したがって、水平用と垂直用との２重の給電系を用意する必要がなく、水平成型用及び垂直成型用の給電回路を一体で実現することができるため小型化が可能となり、回路による損失も低減することが可能となる。すなわち、２次元におけるロットマンレンズ給電回路と同等の特性を３次元において実現することができ、２次元走査を行うフェーズドアレーアンテナ用の簡易かつ低損失な給電回路を実現することが可能となる。すなわち、ロットマンレンズ給電回路において、周波数が高い電磁波を用いることで回路の損失が大きくなるという課題を解決することができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態における分配合成回路１Ａの概略構成の一例を示す図である。図４に示すように、分配合成回路１Ａは、第１アンテナ素子群１０Ａ、第２アンテナ素子群２０Ａ、曲面３０を備える誘電体層４０及び空気層５０を備える。なお、第２の実施形態では、８×８ポート対応時の構成を示す。

第１アンテナ素子群１０Ａは、複数の入力側アンテナ素子１１を備える。第２の実施形態では、分配合成回路１Ａが８×８ポート対応時の構成であるため、第１アンテナ素子群１０Ａは、８×８個（６４個）の入力側アンテナ素子１１を備える。

第２アンテナ素子群２０Ａは、複数の出力側アンテナ素子２１を備える。第２の実施形態では、分配合成回路１Ａが８×８ポート対応時の構成であるため、第２アンテナ素子群２０Ａは、８×８個（６４個）の出力側アンテナ素子２１を備える。

図５は、第２の実施形態における第１アンテナ素子群１０Ａの概略構成の一例を示す図である。
図５（ａ）は、第１アンテナ素子群１０Ａを正面から見た様子を示す。図５（ｂ）は、第１アンテナ素子群１０Ａを側面から見た様子を示す。なお、第２の実施形態における第２アンテナ素子群２０Ａは、図５に示す第１アンテナ素子群１０Ａの概略構成と同様の構成を備えるため、詳細を省略する。

複数の入力側アンテナ素子１１は、主にマイクロ波以上の周波数帯の電磁波を送信する。入力側アンテナ素子１１は、曲面３０に配列されている。入力側アンテナ素子１１は、出力側アンテナ素子２１に対向するように配置されている。すなわち、複数の入力側アンテナ素子１１を曲面３０上に配列した第１アンテナ素子群１０Ａと、複数の出力側アンテナ素子２１を曲面３０上に配列した第２アンテナ素子群２０Ａとは、互いに電磁波放射方向に所定間隔Ｄ離れて配置されている。

入力側アンテナ素子１１の内側には、誘電体層４０及び空気層５０が形成されている。例えば、誘電体は樹脂である。出力側アンテナ素子２１の内側には、誘電体層４０及び空気層５０が形成されている。すなわち、分配合成回路１Ａは、放射方向において、入力側アンテナ素子１１、誘電体層４０、空気層５０、誘電体層４０及び出力側アンテナ素子２１がこの順に形成されている。第１アンテナ素子群１０Ａと第２アンテナ素子群２０Ａとの間に誘電体層４０を配置し、その誘電体層４０の中心部分を中空にすることで空気層５０を構成してもよい。そして、中心部分が中空となるように成形された誘電体層４０の内側の表面をメタライズ（金属膜化）することにより構成されてもよい。

また、入力側アンテナ素子１１が配置される誘電体層４０の曲面３０と、出力側アンテナ素子２１が配置される誘電体層４０の曲面３０とを、それぞれ樹脂により個別に成形し、それぞれの誘電体層４０の内部をメタライズした後、空気層５０を確保して対向させることにより容易に実現することが可能となる。これにより、第２の実施形態における分配合成回路１Ａは、射出成型を用いたプロセスや３次元彫像装置を用いて容易に製造されることが可能となり、量産技術を適用しやすい構成となる。これにより、より低コストで給電回路を実現することが可能となる。

上述したように、第２の実施形態における分配合成回路１Ａは、複数の入力側アンテナ素子１１を曲面３０上に配列した第１アンテナ素子群１０Ａと、複数の出力側アンテナ素子２１を曲面３０上に配列した第２アンテナ素子群２０Ａとを互いの電磁波放射方向に所定間隔Ｄ離して対向させて配置する。言い換えれば、分配合成回路１Ａは、電磁波を放射するアンテナ開口部を複数個具備し、且つその複数の開口部をそれぞれ電磁波放射方向に対向して配置した構成を備える。したがって、分配合成回路１Ａは、第１アンテナ素子群１０Ａと第２アンテナ素子群２０Ａとの間に電磁波を分配する回路を配置することなく、電磁波を分配することができる。このように、分配合成回路１Ａは、対向するアンテナ開口部間により電磁波の電力及び移相を含め分配合成回路１Ａ内のエアー部分を伝搬することにより信号が分配されることになる。これにより、簡易な構造でフェーズドアレーアンテナ用給電回路が実現できることができる。したがって、水平用と垂直用との２重の給電系を用意する必要がなく、水平成型用及び垂直成型用の給電回路を一体で実現することができるため小型化が可能となり、回路による損失も低減することが可能となる。すなわち、２次元におけるロットマンレンズ給電回路と同等の特性を３次元において実現することができ、２次元走査を行うフェーズドアレーアンテナ用の簡易かつ低損失な給電回路を実現することが可能となる。

また、上述したように、第２の実施形態における分配合成回路１Ａは、第１アンテナ素子群１０Ａと第２アンテナ素子群２０Ａとの間が、樹脂で形成された中空構成の誘電体層４０で構成され、且つその誘電体層４０の樹脂の周囲をメタライズされた構成を備える。これにより、電磁波は誘電体層４０の樹脂部分を通過しない。これにより、誘電体層４０による損失を低減することが可能となる。したがって、２次元走査を行うフェーズドアレーアンテナ用の給電回路の低損失化が可能となる。

また、上述にしたように、第２の実施形態における分配合成回路１Ａの樹脂部分を３次元彫像装置を用いて形成することができる。したがって、従来構成が困難であった立体構成でも製造可能であり、且つ材料として用いる樹脂部材による誘電体損失を考慮せずに製造することが可能である。これにより、短期間に給電回路を容易に実現することが可能となる。よって、量産効果も期待することが可能である。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１、１Ａ分配合成回路
１０、１０Ａ第１アンテナ素子群
１１入力側アンテナ素子
２０、２０Ａ第２アンテナ素子群
２１出力側アンテナ素子
４０誘電体層
５０空気層

Claims

曲面上に２次元配列された、電磁波を放射及び吸収する複数の入力側アンテナ素子と出力側アンテナ素子とを備え、
前記入力側アンテナ素子が電磁波を放射又は吸収する方向と前記出力側アンテナ素子が電磁波を放射又は吸収する方向とが対向する分配合成回路。
前記曲面は、球面である請求項１に記載の分配合成回路。
前記入力側アンテナ素子と前記出力側アンテナ素子との間に中空構成の誘電体をさらに備え、
前記誘電体は、内側の表面が金属膜で形成されている請求項１又は請求項２に記載の分配合成回路。
電磁波を放射及び吸収する複数の入力側アンテナ素子と複数の出力側アンテナ素子とを曲面上に２次元配列するステップを備え、
前記入力側アンテナ素子が電磁波を放射又は吸収する方向と前記出力側アンテナ素子が電磁波を放射又は吸収する方向が対向する分配合成回路の製造方法。
前記入力側アンテナ素子と前記出力側アンテナ素子との間に中空構成の誘電体を３次元彫像装置により形成するステップをさらに備える請求項４に記載の分配合成回路の製造方法。