JP2020198576A - アクティブフェーズドアレーアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクティブフェーズドアレーアンテナ装置において、送信アンテナと受信アンテナとを隣接して置いても通信品質を劣化させない。【解決手段】アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａは、入力された信号の位相を調整して出力する移相器２１、２２、２３、２４、・・・と、入力された信号を増幅して雑音と共に出力する増幅器３１、３２、３３、３４、・・・と、増幅器から入力された信号および雑音を複数の経路に分配する分配器４１、４２、４３、４４、・・・と、分配器に分配された信号および雑音を合成して出力する複数の合成器７１、７２、７３、７４、・・・と、合成器から入力された信号および雑音を空間に放射する、２次元的に配列された複数の素子アンテナ８１、８２、８３、８４、・・・と、を備える。２つの素子アンテナの間隔は、分配器が分配して両者に入力された雑音の波長の半分λ／２である。【選択図】図１

Description

本発明は、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置に関する。

アクティブフェーズドアレーアンテナ装置において、各素子アンテナから空間へ放射される信号は、それぞれ相関を持っており、振幅および位相が調整される。このため、アレーアンテナ全体の信号のアレーファクタは、−９０°から９０°までの間の設定された方向にピークをもつように設計することが可能である。

特許文献１には、各素子アンテナから空間へ放射される信号の振幅および位相を制御するアクティブフェーズドアレーアンテナが開示されている。

特開２００３−１４２９２１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のアクティブフェーズドアレーアンテナでは、１つの増幅器から出力された信号が、対応する１つの素子アンテナに入力されるため、各増幅器から各素子アンテナに入力された雑音は、それぞれ無相関の振幅および位相で各素子アンテナから空間へ放射される。よって、雑音のアレーファクタは全方位にわたり一様となり、すべての方向にビーム方向と同等の強度の雑音が放射される。送信アンテナと受信アンテナとが隣接して置かれる場合、送信アンテナから放射される雑音が受信アンテナに干渉波として入力され、通信品質を劣化させるという課題がある。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置において、送信アンテナと受信アンテナとを隣接して置いても通信品質を劣化させないことを目的とする。

上記目的を達成するため、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置は、増幅器と、分配器と、複数の素子アンテナと、を備える。増幅器は、入力された信号を増幅して雑音と共に出力する。分配器は、増幅器から出力された信号および雑音を複数の経路に分配する。複数の素子アンテナは、分配器で分配された信号および雑音を空間に放射する、第１の素子アンテナおよび第２の素子アンテナの組み合わせで構成され、２次元的に配列される。分配器から第１の素子アンテナを経由して定められた方向に向かう第１の経路と、第２の素子アンテナを経由して定められた方向に向かう第２の経路とにおいて、第１の素子アンテナおよび第２の素子アンテナから出力される雑音の位相差は、当該雑音の半波長分である。

この発明によれば、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置において、雑音のアレーファクタにヌルを成形することで、送信アンテナと受信アンテナとを隣接して置いても通信品質を劣化させないことが可能になる。

本発明の実施の形態１に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の構成例の一部を示す図 実施の形態１に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の信号経路の一部を示す図 実施の形態１に係る信号のベクトル合成の一例を示す図 実施の形態１に係る移相器の移相量と素子アンテナの励振位相の一覧を示す図 実施の形態１に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の信号のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図 実施の形態１に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の雑音経路の一部を示す図 実施の形態１に係る２素子部分アレーの雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図 実施の形態１に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図 本発明の実施の形態２に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の構成例の一部を示す図 実施の形態２に係る素子アンテナの配置を説明する図 実施の形態２に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の信号経路の一部を示す図 実施の形態２に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の雑音経路の一部を示す図 実施の形態２に係る素子アンテナから−９０°方向に放射される雑音を示す図 実施の形態２に係る２素子部分アレーの雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図 実施の形態２に係る素子アンテナの間隔と移相器の移相量と遅延線の移相量と素子アンテナの励振位相の一覧を示す図 実施の形態２に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の信号のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図 実施の形態２に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図 本発明の実施の形態３に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の構成例の一部を示す図 実施の形態３に係る素子アンテナからθ_ＮＵＬＬ方向に放射される雑音を示す図 実施の形態３に係る２素子部分アレーの雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図 実施の形態３に係る素子アンテナの間隔と可変移相器の移相量と素子アンテナの励振位相の一覧を示す図 実施の形態３に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の信号のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図 実施の形態３に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図 （ａ）本発明の実施の形態４に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の構成例の一部を示す全体図、（ｂ）実施の形態４に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の構成例の一部を示す上面視図 （ａ）実施の形態４に係る２素子部分アレーの組み合わせの第１の例を示す図、（ｂ）実施の形態４に係る２素子部分アレーの組み合わせの第２の例を示す図、（ｃ）実施の形態４に係る２素子部分アレーの組み合わせの第３の例を示す図

以下に、本発明を実施するための形態に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一または相当する部分には同じ符号を付す。以下の実施の形態に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置は、定められた方向の雑音のアレーファクタにヌルを成形する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの構成例の一部を示す図である。アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａは、入力された信号をＮ−１個の経路に分配する分配器１１、入力された信号の位相を調整するＮ−１個の移相器２１、２２、２３、２４、・・・、入力された信号を増幅するＮ−１個の増幅器３１、３２、３３、３４、・・・、入力された信号を２つの経路に分配するＮ−１個の分配器４１、４２、４３、４４、・・・、入力された信号を合成するＮ個の合成器７１、７２、７３、７４、・・・、および、入力された信号を空間に放射するＮ個の素子アンテナ８１、８２、８３、８４、・・・を備える。アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａは、Ｎ個の素子アンテナを備えるリニアアレーである。

Ｎ−１個の移相器２１、２２、２３、２４、・・・を総称する場合は、移相器２という。Ｎ−１個の増幅器３１、３２、３３、３４、・・・を総称する場合は、増幅器３という。Ｎ−１個の分配器４１、４２、４３、４４、・・・を総称する場合は、分配器４という。Ｎ個の合成器７１、７２、７３、７４、・・・を総称する場合は、合成器７という。Ｎ個の素子アンテナ８１、８２、８３、８４、・・・を総称する場合は、素子アンテナ８という。

分配器１１は、入力された信号をＮ−１個の経路に分配して移相器２に出力する。分配器１１には、例えばトーナメント状に接続したウィルキンソン型分配回路を用いる。移相器２は、分配器１１に分配された信号の位相を調整して増幅器３に出力する。移相器２には、例えば反射型の可変移相回路を用いる。増幅器３は、移相器２から入力された信号の振幅を増幅し、ランダムな振幅と移相を持つ雑音と共に分配器４に出力する。増幅器３には、例えば電界効果トランジスタを用いる。

分配器４は、増幅器３から入力された信号および雑音を２つの経路に分配して合成器７に出力する。分配器４には、例えばウィルキンソン型分配回路を用いる。合成器７は、分配器４に分配された信号および雑音を合成して素子アンテナ８に出力する。合成器７には、例えばウィルキンソン型分配回路を用いる。素子アンテナ８は、合成器７から入力された信号および雑音を空間に放射するアンテナである。素子アンテナ８には、例えば樹脂基板に導体を蒸着させたパッチアンテナを用いる。素子アンテナ８の間隔はλ／２である。λは、雑音の波長である。

ここで、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの動作を信号と雑音とに分けて、それぞれ説明する。まず、信号に対するアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの動作について図２〜図５を用いて説明する。図２は、実施の形態１に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの信号経路の一部を示す図である。分配器１１が出力した信号Ｓ１１は移相器２１に入力される。移相器２１は、分配器１１から入力された信号Ｓ１１を設定された位相に調整し、増幅器３１に出力する。分配器１１が出力した信号Ｓ１２は移相器２２に入力される。移相器２２は、分配器１１から入力された信号Ｓ１２を設定された位相に調整し、増幅器３２に出力する。

増幅器３１は、移相器２１から入力された信号Ｓ１１の振幅を増幅し、分配器４１に出力する。分配器４１は、増幅器３１から入力された信号Ｓ１１を分配し、信号Ｓ１１の一部を信号Ｓ１３として合成器７２に出力する。増幅器３２は、移相器２２から入力された信号Ｓ１２の振幅を増幅し、分配器４２に出力する。分配器４２は、増幅器３２から入力された信号Ｓ１２を分配し、信号Ｓ１２の一部を信号Ｓ１４として合成器７２に出力する。合成器７２は、分配器４１から入力された信号Ｓ１３と分配器４２から入力された信号Ｓ１４とを合成し、信号Ｓ１５として素子アンテナ８２に出力する。素子アンテナ８２は、合成器７２から入力された信号Ｓ１５を空間に放射する。

図３は、実施の形態１に係る信号のベクトル合成の一例を示す図である。信号Ｓ１１は移相器２１によりφ_ＰＳ１移相され、信号Ｓ１３となる。信号Ｓ１２は移相器２２によりφ_ＰＳ２移相され、信号Ｓ１４となる。信号Ｓ１１と信号Ｓ１２とは合成器７２により合成され、信号Ｓ１５となる。このように、素子アンテナ８から出力される信号は、移相器２の移相量の設定により、設定された位相に調整することができる。図４に、実施の形態１に係る移相器２の移相量と素子アンテナ８の励振位相の一覧を示す。移相器２ｎの移相量φ_ＰＳｎは以下の式（１）により求める。ｄ_ｎはｎ番目の素子アンテナ８ｎとｎ＋１番目の素子アンテナ８ｎ＋１との間隔、θ_０は信号のビーム方向である。図４の例では、ｄ_ｎ＝λ／２、θ_０＝２０°とする。
φ_ＰＳｎ＝２πｎｄ_ｎ／λ×ｓｉｎ（θ_０） ・・・式（１）

図５は、実施の形態１に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの信号のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図である。図４に示す通りに移相器２ｎの移相量を設定することで、θ_０＝２０°の方向にピークをもつアレーファクタを成形することができる。θ_０は、移相器２ｎの移相量φ_ＰＳｎを変更することで−９０°から９０°までの間の設定された方向に設定できる。

つぎに、雑音に対するアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの動作について図６〜図８を用いて説明する。図６は、実施の形態１に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの雑音経路の一部を示す図である。図６では、２素子部分アレー２ａはアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの隣り合う素子アンテナ８１および素子アンテナ８２の部分を抜き出したものである。以下、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの２個の素子アンテナ８の部分を抜き出したものを２素子部分アレーという。アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａにおける雑音の振る舞いは、２素子部分アレーにおける雑音の振る舞いの重ね合わせである。

増幅器３１で発生した雑音Ｚ１１は、分配器４１に出力される。分配器４１は、増幅器３１から入力された雑音を分配し、合成器７１と合成器７２とに出力する。分配器４１から出力された雑音Ｚ１２は、合成器７１に入力されたのち、素子アンテナ８１に入力される。分配器４１から出力された雑音Ｚ１３は、合成器７２に入力されたのち、素子アンテナ８２に入力される。素子アンテナ８１に入力された雑音Ｚ１２は空間に放射される。素子アンテナ８２に入力された雑音Ｚ１３は空間に放射される。

図７は、実施の形態１に係る２素子部分アレー２ａの雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図である。素子アンテナ８１と素子アンテナ８２との間隔はλ／２であり、雑音Ｚ１２および雑音Ｚ１３の位相は同相である。このため、−９０°方向および９０°方向では雑音Ｚ１２および雑音Ｚ１３が相殺され、ヌルが成形される。

図８は、実施の形態１に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図である。図８のシミュレーション例は、雑音を模擬するために、増幅器３から、ランダムな振幅・位相をもつ連続波が出力された場合のアレーファクタを、１０通り描画したものである。アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａのアレーファクタは、２素子部分アレーのアレーファクタの重ね合わせであるため、−９０°方向および９０°方向にヌルが成形される。実施の形態１の２素子部分アレーにおいて、−９０°方向および９０°方向が、定められた方向であり、雑音のヌル方向である。２素子部分アレーのｎ番目の素子アンテナ８ｎとｎ＋１番目の素子アンテナ８ｎ＋１とはそれぞれ、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナとの例である。分配器４ｎから素子アンテナ８ｎを経由して−９０°方向および９０°方向に向かう経路は、第１の経路の例である。分配器４ｎ＋１から素子アンテナ８ｎ＋１を経由して−９０°方向および９０°方向に向かう経路は、第２の経路の例である。

以上説明したように、実施の形態１に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａによれば、素子アンテナ８の間隔を、雑音の波長λの半分にすることで、雑音のアレーファクタの−９０°方向および９０°方向にヌルを成形することができる。したがって、受信アンテナを送信アンテナの雑音のヌル方向に隣接して置けば通信品質を劣化させないことが可能になる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、素子アンテナ８の間隔を、雑音の波長λの半分にすることで、雑音のアレーファクタの−９０°方向および９０°方向にヌルを成形していたが、実施の形態２では、遅延線を備えて、素子アンテナ８の間隔が任意の間隔でも、雑音のアレーファクタの−９０°方向または９０°方向にヌルを成形する。

図９は、本発明の実施の形態２に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの構成例の一部を示す図である。実施の形態２のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａは、分配器１１、Ｎ−１個の移相器２１、２２、２３、２４、・・・、Ｎ−１個の増幅器３１、３２、３３、３４、・・・、Ｎ−１個の分配器４１、４２、４３、４４、・・・、Ｎ個の合成器７１、７２、７３、７４、・・・、および、Ｎ個の素子アンテナ８１、８２、８３、８４、・・・に加え、入力された信号および雑音を遅延させるＮ本の遅延線５２、５３、５４、・・・、および、Ｎ本の遅延線６１、６２、６３、６４・・・を備える。Ｎ本の遅延線５２、５３、５４、・・・を総称する場合は、遅延線５という。Ｎ本の遅延線６１、６２、６３、６４、・・・を総称する場合は、遅延線６という。

分配器４は、増幅器３から入力された信号および雑音を２つの経路に分配して遅延線５および遅延線６に出力する。遅延線５および遅延線６は、分配器４から入力された信号および雑音を遅延させて合成器７に出力する。遅延線５および遅延線６には、例えばマイクロストリップライン、反射型の移相回路などを用いる。合成器７は、接続された２本の遅延線５および遅延線６から入力された信号および雑音を合成して素子アンテナ８に出力する。図１０は、実施の形態２に係る素子アンテナ８の配置を説明する図である。素子アンテナ８ｎと素子アンテナ８ｎ＋１との間隔ｄ_ｎは任意である。その他のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの構成要素の機能は、実施の形態１と同様である。

ここで、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの動作を信号と雑音とに分けて、それぞれ説明する。まず、信号に対するアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの動作について図１１を用いて説明する。図１１は、実施の形態２に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの信号経路の一部を示す図である。分配器１１が出力した信号Ｓ２１は移相器２１に入力される。移相器２１は、分配器１１から入力された信号Ｓ２１を設定された位相に調整し、増幅器３１に出力する。分配器１１が出力した信号Ｓ２２は移相器２２に入力される。移相器２２は、分配器１１から入力された信号Ｓ２２を設定された位相に調整し、増幅器３２に出力する。

増幅器３１は、移相器２１から入力された信号Ｓ２１の振幅を増幅し、分配器４１に出力する。分配器４１は、増幅器３１から入力された信号Ｓ２１を分配し、信号Ｓ２１の一部を信号Ｓ２３として遅延線５２に出力する。増幅器３２は、移相器２２から入力された信号Ｓ２２の振幅を増幅し、分配器４２に出力する。分配器４２は、増幅器３２から入力された信号Ｓ２２を分配し、信号Ｓ２２の一部を信号Ｓ２４として遅延線６２に出力する。

遅延線５２に入力された信号Ｓ２３は、φ_ａ２移相されたのち、合成器７２に入力される。遅延線６２に入力された信号Ｓ２４は、φ_ｂ２移相されたのち、合成器７２に入力される。合成器７２は、遅延線５２から入力された信号Ｓ２３と遅延線６２から入力された信号Ｓ２４とを合成し、信号Ｓ２５として素子アンテナ８２に出力する。素子アンテナ８２は、合成器７２から入力された信号Ｓ２５を空間に放射する。その他のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの信号に対する動作は、実施の形態１と同様である。

つぎに、雑音に対するアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの動作について図１２および図１３を用いて説明する。図１２は、実施の形態２に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの雑音経路の一部を示す図である。２素子部分アレー２ａはアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの隣り合う素子アンテナ８１および素子アンテナ８２の部分を抜き出したものである。アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａにおける雑音の振る舞いは、２素子部分アレーにおける雑音の振る舞いの重ね合わせである。

増幅器３１で発生した雑音Ｚ２１は、分配器４１に出力される。分配器４１は、増幅器３１から入力された雑音Ｚ２１を分配し、合成器７１と合成器７２とに出力する。分配器４１から出力された雑音Ｚ２２は、遅延線６１に入力されてφ_ｂ１移相されたのち、合成器７１に入力される。分配器４１から出力された雑音Ｚ２３は、遅延線５２に入力されてφ_ａ２移相されたのち、合成器７２に入力される。合成器７１に入力された雑音Ｚ２２は、素子アンテナ８１に入力される。合成器７２に入力された雑音Ｚ２３は、素子アンテナ８２に入力される。素子アンテナ８１に入力された雑音Ｚ２２は空間に放射される。素子アンテナ８２に入力された雑音Ｚ２３は空間に放射される。

図１３は、実施の形態２に係る素子アンテナ８１および素子アンテナ８２から−９０°方向に放射される雑音を示す図である。素子アンテナ８１から−９０°方向に出力された雑音Ｚ２２と、素子アンテナ８２から−９０°方向に出力された雑音Ｚ２３について、以下の式（２）の関係を満たすとき、両者は逆相となり打ち消される。φ_{ｎｏｉｓｅ１}は雑音Ｚ２２の素子アンテナ８１の出力端での位相、φ_{ｎｏｉｓｅ２}は雑音Ｚ２３の素子アンテナ８２の出力端での位相、ｄ_１は素子アンテナ８１と素子アンテナ８２との間隔、ｋは任意の整数である。
φ_{ｎｏｉｓｅ１}＝φ_{ｎｏｉｓｅ２}＋２πｄ_１／λ＋π（２ｋ−１） ・・・式（２）

図１４は、実施の形態２に係る２素子部分アレー２ａの雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図である。素子アンテナ８１から放射される雑音Ｚ２２の出力端での位相φ_{ｎｏｉｓｅ１}と素子アンテナ８２から放射される雑音Ｚ２３の出力端での位相φ_{ｎｏｉｓｅ２}と素子アンテナ８１と素子アンテナ８２との間隔ｄ_１が式（２）の関係にある場合、図１４に示すように雑音のアレーファクタは−９０°方向にヌルが成形される。

つまり、素子アンテナ８ｎおよび素子アンテナ８ｎ＋１について、以下の式（３）の関係を満たす場合、雑音のアレーファクタは−９０°方向にヌルが成形される。φ_{ｎｏｉｓｅｎ}は雑音の素子アンテナ８ｎの出力端での位相、φ_{ｎｏｉｓｅｎ＋１}は雑音の素子アンテナ８ｎ＋１の出力端での位相、ｄ_ｎは素子アンテナ８ｎと素子アンテナ８ｎ＋１との間隔、ｋは任意の整数である。
φ_{ｎｏｉｓｅｎ}＝φ_{ｎｏｉｓｅｎ＋１}＋２πｄ_ｎ／λ＋π（２ｋ−１） ・・・式（３）

このため、式（３）を満たすφ_{ｎｏｉｓｅｎ}、φ_{ｎｏｉｓｅｎ＋１}になる遅延線６ｎの移相量φ_ｂｎと遅延線５ｎ＋１の移相量φ_ａｎ＋１とを設定する。式（３）において、φ_{ｎｏｉｓｅｎ}、φ_{ｎｏｉｓｅｎ＋１}はそれぞれ、以下の式（４）、式（５）により求める。φ_{ｎｏｉｓｅ０ｎ}は増幅器３ｎで発生する雑音の位相である。
φ_{ｎｏｉｓｅｎ}＝φ_{ｎｏｉｓｅ０ｎ}＋φ_ｂｎ ・・・式（４）
φ_{ｎｏｉｓｅｎ＋１}＝φ_{ｎｏｉｓｅ０ｎ}＋φ_ａ２ ・・・式（５）

式（３）〜式（５）から得られる以下の式（６）は、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの素子アンテナ８ｎおよび素子アンテナ８ｎ＋１の２素子部分アレーのアレーファクタの−９０°方向にヌルを成形する条件である。Δφ_ｎは、素子アンテナ８ｎに接続する遅延線６ｎの移相量φ_ｂｎと素子アンテナ８ｎ＋１に接続する遅延線５ｎ＋１の移相量φ_ａｎ＋１との移相差φ_ｂｎ−φ_ａｎ＋１である。
Δφ_ｎ＝２πｄ_ｎ／λ＋π（２ｋ−１） ・・・式（６）

ここで、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの信号のビーム方向および雑音のヌル方向について説明する。図１５は、実施の形態２に係る素子アンテナ８の間隔と移相器２の移相量と遅延線５の移相量と遅延線６の移相量と素子アンテナ８の励振位相との一覧を示す図である。移相器２ｎの移相量φ_ＰＳｎは、以下の式（７）により求める。ｄ_ｎは素子アンテナ８ｎと素子アンテナ８ｎ＋１との間隔、θ_０は信号のビーム方向である。図１５の例では、θ_０＝２０°とする。
φ_ＰＳｎ＝−φ_{ＰＳｎ＋２}＋４πｄ_ｎ＋１／λ×ｓｉｎ（θ_０） ・・・式（７）

遅延線５ｎ＋１の移相量φ_ａｎ＋１と遅延線６ｎの移相量φ_ｂｎとは、両者の移相差Δφ_ｎが式（６）を満たす値に設定する。

図１６は、実施の形態２に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの信号のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図である。図１５に示す通りに移相器２ｎの移相量φ_ＰＳｎを設定することで、θ_０＝２０°の方向にピークをもつアレーファクタを成形することができる。θ_０は、移相器２ｎの移相量φ_ＰＳｎを変更することで−９０°から９０°までの間の設定された方向に設定できる。

図１７は、実施の形態２に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図である。図１７のシミュレーション例は、雑音を模擬するために、増幅器３から、ランダムな振幅・位相をもつ連続波が出力された場合のアレーファクタを、１０通り描画したものである。アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａのアレーファクタは、２素子部分アレーのアレーファクタの重ね合わせであるため、−９０°方向にヌルが成形される。

なお、上述の式（６）のΔφ_ｎを、素子アンテナ８ｎ＋１に接続する遅延線５ｎ＋１の移相量φ_ａｎ＋１と素子アンテナ８ｎに接続する遅延線６ｎの移相量φ_ｂｎとの移相差φ_ａｎ＋１−φ_ｂｎにすれば、２素子部分アレーのアレーファクタは、９０°方向にヌルが成形される。実施の形態２の２素子部分アレーにおいては、−９０°方向または９０°方向が定められた方向であり、雑音のヌル方向である。２素子部分アレーのｎ番目の素子アンテナ８ｎとｎ＋１番目の素子アンテナ８ｎ＋１とはそれぞれ、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナとの例である。分配器４ｎから素子アンテナ８ｎを経由して−９０°方向または９０°方向に向かう経路は、第１の経路の例である。分配器４ｎ＋１から素子アンテナ８ｎ＋１を経由して−９０°方向または９０°方向に向かう経路は、第２の経路の例である。

以上説明したように、実施の形態２に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａによれば、遅延線５ｎ＋１の移相量φ_ａｎ＋１と遅延線６ｎの移相量φ_ｂｎとを調整することで、雑音のアレーファクタの−９０°方向または９０°方向にヌルを成形することができる。したがって、受信アンテナを送信アンテナの雑音のヌル方向に隣接して置けば通信品質を劣化させないことが可能になる。また、素子アンテナ８の間隔を任意の間隔にすることができる。

（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態２のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの遅延線５および遅延線６の代わりに可変移相器を接続し、移相器２を備えないものである。実施の形態３では、移相器２の移相機能は可変移相器が有する。

図１８は、本発明の実施の形態３に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの構成例の一部を示す図である。実施の形態３のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａは、分配器１１、Ｎ−１個の増幅器３１、３２、３３、３４、・・・、Ｎ−１個の分配器４１、４２、４３、４４、・・・、Ｎ個の合成器７１、７２、７３、７４、・・・、および、Ｎ個の素子アンテナ８１、８２、８３、８４、・・・に加え、入力された信号および雑音の位相を調整するＮ−１個の可変移相器９２、９３、９４、・・・、および、Ｎ−１個の可変移相器１０１、１０２、１０３、１０４、・・・を備える。Ｎ−１個の可変移相器９２、９３、９４、・・・を総称する場合は、可変移相器９という。Ｎ−１個の可変移相器１０１、１０２、１０３、１０４、・・・を総称する場合は、可変移相器１０という。

可変移相器９および可変移相器１０は、分配器４から出力された信号と雑音の位相を調整して出力する。可変移相器９および可変移相器１０には、例えば反射型の可変移相回路を用いる。素子アンテナ８ｎと素子アンテナ８ｎ＋１との間隔ｄ_ｎは任意である。その他のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの構成要素の機能は、実施の形態２と同様である。

ここで、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの動作を信号と雑音とに分けて、それぞれ説明する。まず、雑音に対するアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの動作について図１９および図２０を用いて説明する。図１９は、実施の形態３に係る素子アンテナからθ_ＮＵＬＬ方向に放射される雑音を示す図である。素子アンテナ８１からθ_ＮＵＬＬ方向に出力された雑音Ｚ３１と、素子アンテナ８２からθ_ＮＵＬＬ方向に出力された雑音Ｚ３２について、以下の式（８）の関係を満たすとき、両者は逆相となり打ち消される。φ_{ｎｏｉｓｅ１}は雑音Ｚ３１の素子アンテナ出力端での位相、φ_{ｎｏｉｓｅｎ＋１}は雑音Ｚ３２の素子アンテナ出力端での位相、ｄ_１は素子アンテナ８１と素子アンテナ８２との間隔、ｋは任意の整数である。
φ_{ｎｏｉｓｅ１}＝φ_{ｎｏｉｓｅ２}＋２πｄ_１ｓｉｎ（θ_ＮＵＬＬ）／λ＋π（２ｋ−１） ・・・式（８）

図２０は、実施の形態３に係る２素子部分アレーの雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図である。素子アンテナ８１から放射される雑音Ｚ３１の出力端での位相と素子アンテナ８２から放射される雑音Ｚ３２の出力端での位相と素子アンテナ８１と素子アンテナ８２との間隔ｄ_１が式（８）の関係にある場合、図２０に示すようにアレーファクタはθ_ＮＵＬＬ方向にヌルが成形される。

つまり、素子アンテナ８ｎおよび素子アンテナ８ｎ＋１について、以下の式（９）の関係を満たす場合、雑音のアレーファクタはθ_ＮＵＬＬ方向にヌルが成形される。φ_{ｎｏｉｓｅｎ}は雑音の素子アンテナ８ｎの出力端での位相、φ_{ｎｏｉｓｅｎ＋１}は雑音の素子アンテナ８ｎ＋１の出力端での位相、ｄ_ｎは素子アンテナ８ｎと素子アンテナ８ｎ＋１との間隔、ｋは任意の整数である。
φ_{ｎｏｉｓｅｎ}＝φ_{ｎｏｉｓｅｎ＋１}＋２πｄ_ｎｓｉｎ（θ_ＮＵＬＬ）／λ＋π（２ｋ−１） ・・・式（９）

このため式（９）を満たすφ_{ｎｏｉｓｅｎ}、φ_{ｎｏｉｓｅｎ＋１}になる可変移相器１０ｎの移相量φ_ｂｎと可変移相器９ｎ＋１の移相量φ_ａｎ＋１とを設定する。図２０の例では、θ_ＮＵＬＬ＝−７０°とする。式（９）において、φ_{ｎｏｉｓｅｎ}、φ_{ｎｏｉｓｅｎ＋１}はそれぞれ、上述の式（４）、式（５）により求める。

式（４）、式（５）、式（９）から得られる以下の式（１０）は、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの素子アンテナ８ｎおよび素子アンテナ８ｎ＋１の２素子部分アレーのアレーファクタのθ_ＮＵＬＬ方向にヌルを成形する条件である。Δφ_ｎは、素子アンテナ８ｎに接続する可変移相器１０ｎの移相量φ_ｂｎと素子アンテナ８ｎ＋１に接続する可変移相器９ｎ＋１の移相量φ_ａｎ＋１との移相差φ_ｂｎ−φ_ａｎ＋１である。
Δφ_ｎ＝２πｄ_ｎｓｉｎ（θ_ＮＵＬＬ）／λ＋（２ｋ−１）π ・・・式（１０）

ここで、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの信号のビーム方向および雑音のヌル方向について説明する。図２１は、実施の形態３に係る素子アンテナ８の間隔と可変移相器９の移相量と可変移相器１０の移相量と素子アンテナ８の励振位相の一覧を示す図である。図２１の例では、可変移相器１０ｎの移相量φ_ｂｎ、可変移相器９ｎ＋１の移相量φ_ａｎ＋１は、以下の式（１１）、式（１２）に示すとおりに設定している。ｄ_ｎは素子アンテナ８ｎと素子アンテナ８ｎ＋１との間隔、θ_０は信号のビーム方向である。θ_ＮＵＬＬは雑音のヌル方向である。図２１の例では、θ_０＝２０°、θ_ＮＵＬＬ＝−７０°とする。
φ_ｂｎ＝２πｎｄ_ｎ／λ×ｓｉｎ（θ_０）・・・式（１１）
φ_ａｎ＋１＝２φ_ｂｎ−２πｄ_ｎｓｉｎ（θ_ＮＵＬＬ）／λ＋（２ｋ−１）π・・・式（１２）

可変移相器１０ｎの移相量φ_ｂｎと、可変移相器９ｎ＋１の移相量φ_ａｎ＋１とは、両者の移相差Δφ_ｎが式（１０）を満たす値に設定している。

図２２は、実施の形態３に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの信号のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図である。図２１に示す通りに可変移相器９ｎ＋１の移相量φ_ａｎ＋１および可変移相器１０ｎの移相量φ_ｂｎを設定することで、θ_０＝２０°の方向にピークをもつアレーファクタを成形することができる。

図２３は、実施の形態３に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａの雑音のアレーファクタについてのシミュレーション例を示す図である。図２３のシミュレーション例は、雑音を模擬するために、増幅器３から、ランダムな振幅・位相をもつ連続波が出力された場合のアレーファクタを、１０通り描画したものである。アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａのアレーファクタは、２素子部分アレーのアレーファクタの重ね合わせであるため、θ_ＮＵＬＬ＝−７０°の方向にヌルが成形される。実施の形態３の２素子部分アレーにおいて、θ_ＮＵＬＬ方向が、定められた方向であり、雑音のヌル方向である。２素子部分アレーのｎ番目の素子アンテナ８ｎとｎ＋１番目の素子アンテナ８ｎ＋１とはそれぞれ、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナとの例である。分配器４ｎから素子アンテナ８ｎを経由して設定されたθ_ＮＵＬＬ方向に向かう経路は、第１の経路の例である。分配器４ｎ＋１から素子アンテナ８ｎ＋１を経由して設定されたθ_ＮＵＬＬ方向に向かう経路は、第２の経路の例である。

以上説明したように、実施の形態３に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａによれば、可変移相器９ｎ＋１の移相量φ_ａｎ＋１と可変移相器１０ｎの移相量φ_ｂｎとを調整することで、雑音のアレーファクタの設定されたθ_ＮＵＬＬ方向にヌルを成形することができる。したがって、受信アンテナを送信アンテナの雑音のヌル方向に隣接して置けば通信品質を劣化させないことが可能になる。雑音のヌル方向を−９０°から９０°までの間の設定された方向にできるので、受信アンテナを送信アンテナの−９０°から９０°までの間の所望の方向に置くことができる。また、素子アンテナ８の間隔を任意の間隔にすることができる。

（実施の形態４）
実施の形態４のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ｂは、Ｎ個の素子アンテナを備えるリニアアレーである実施の形態２のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａを、Ｎ×Ｍ個の素子アンテナを備える平面アレーに拡張したものである。

図２４（ａ）は、本発明の実施の形態４に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ｂの構成例の一部を示す全体図である。図２４（ｂ）は、実施の形態４に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ｂの構成例の一部を示す上面視図である。アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ｂは、入力された信号を（Ｎ−１）×（Ｍ−１）個の経路に分配する図示しない分配器１１と、入力された信号の位相を調整する（Ｎ−１）×（Ｍ−１）個の移相器２１１、２１２、・・・、２２１、２２２、・・・と、入力された信号を増幅する（Ｎ−１）×（Ｍ−１）個の増幅器３１１、３１２、・・・、３２１、３２２、・・・と、入力された信号を４つの経路に分配する（Ｎ−１）×（Ｍ−１）個の分配器４１１、４１２、・・・、４２１、４２２、・・・と、入力された信号を合成するＮ×Ｍ個の合成器７１１、７１２、７１３、・・・、７２１、７２２、７２３、・・・と、入力された信号を空間に放射するＮ×Ｍ個の素子アンテナ８１１、８１２、８１３、・・・、８２１、８２２、８２３、・・・と、入力された信号および雑音を遅延させる（Ｎ−１）×（Ｍ−１）×２本の遅延線５１１ａ、５１１ｂ、５１２ａ、５１２ｂ、５１３ａ、５１３ｂ、・・・、５２２ａ、５２３ａ、・・・と、入力された信号および雑音を遅延させる（Ｎ−１）×（Ｍ−１）×２本の遅延線６１１ａ、６１１ｂ、６１２ａ、６１２ｂ、・・・、６２１ａ、６２２ａ、・・・と、を備える。

（Ｎ−１）×（Ｍ−１）個の移相器２１１、２１２、・・・、２２１、２２２・・・を総称する場合は、移相器２００という。（Ｎ−１）×（Ｍ−１）個の増幅器３１１、３１２、・・・、３２１、３２２・・・を総称する場合は、増幅器３００という。（Ｎ−１）×（Ｍ−１）個の分配器４１１、４１２、・・・、４２１、４２２・・・を総称する場合は、分配器４００という。Ｎ×Ｍ個の合成器７１１、７１２、７１３、・・・、７２１、７２２、７２３、・・・を総称する場合は、合成器７００という。Ｎ×Ｍ個の素子アンテナ８１１、８１２、８１３、・・・、８２１、８２２、８２３、・・・を総称する場合は、素子アンテナ８００という。（Ｎ−１）×（Ｍ−１）×２本の遅延線５１１ａ、５１１ｂ、５１２ａ、５１２ｂ、５１３ａ、５１３ｂ、・・・、５２２ａ、５２３ａ、・・・を総称する場合は、遅延線５００という。（Ｎ−１）×（Ｍ−１）×２本の遅延線６１１ａ、６１１ｂ、６１１ｃ、６１２ａ、６１２ｂ、・・・、６２１ａ、６２２ａ・・・を総称する場合は、遅延線６００という。

分配器１１は、入力された信号を（Ｎ−１）×（Ｍ−１）個の経路に分配して移相器２００に出力する。分配器１１には、例えばウィルキンソン型分配回路を用いる。移相器２００は、分配器１１から入力された信号の位相を調整して増幅器３００に出力する。移相器２００には、例えば反射型の可変移相回路を用いる。増幅器３００は、移相器２００から入力された信号の振幅を増幅し、ランダムな振幅と移相を持つ雑音と共に分配器４００に出力する。増幅器３００には、例えば電界効果トランジスタを用いる。

分配器４００は、増幅器３００から入力された信号および雑音を４つの経路に分配して遅延線５００および遅延線６００に出力する。例えば、分配器４１１は、増幅器３１１から入力された信号および雑音を４つの経路に分配して遅延線５１１ａ、５１１ｂ、６１１ａ、６１１ｂに出力する。

遅延線５００および遅延線６００は、分配器４００から入力された信号および雑音を遅延させて合成器７００に出力する。遅延線５００には、例えばマイクロストリップライン、反射型の移相回路などを用いる。合成器７００は、接続された４本の遅延線５００および遅延線６００から入力された信号および雑音を合成して素子アンテナ８００に出力する。素子アンテナ８００は、合成器７００から入力された信号および雑音を空間に放射するアンテナである。素子アンテナ８００には、例えば樹脂基板に導体を蒸着させたパッチアンテナを用いる。

実施の形態２と同様に、信号についてのアレーファクタは移相器２００の移相量を調整し、ビーム方向θ_０にピークをもつアレーファクタを成形する。雑音についてのアレーファクタは、遅延線５００の移相量と遅延線６００の移相量とを調整し、２素子部分アレーの−９０°方向にヌルを成形する。アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ｂのアレーファクタは、２素子部分アレー２ｂのアレーファクタの重ね合わせであるため、−９０°方向にヌルが成形される。図２４の例では、２素子部分アレーは、平面アレーの辺方向の２つの素子アンテナ８００を組み合わせている。

２素子部分アレーの素子アンテナ８００の他の組み合わせ例を図２５に示す。図２５（ａ）の２素子部分アレー２ｃは、四角配列の平面アレーの２素子部分アレー２ｂとは異なる辺方向に隣り合う２つの素子アンテナ８００を組み合わせている。図２５（ｂ）の２素子部分アレー２ｄは、四角配列の平面アレーの対角線方向に隣り合う２つの素子アンテナ８００を組み合わせている。図２５（ｃ）の２素子部分アレー２ｅは、三角配列の平面アレーの辺方向に隣り合う２つの素子アンテナ８００を組み合わせている。なお、三角配列の平面アレーでは、分配器４００に３分配器を用いる。三角配列は、正三角形配列でもよいし、二等辺三角形配列でもよい。

四角配列の平面アレーの場合、辺方向の素子アンテナ８００を組み合わせた場合と、対角線方向の２つの素子アンテナ８００を組み合わせた場合とでは、２素子部分アレーの素子アンテナ８００の間隔ｄが異なる。正三角配列の平面アレーの場合は、どの方向の２つの素子アンテナ８００を組み合わせても２素子部分アレーの素子アンテナ８００の間隔ｄは同じである。

以上説明したように、実施の形態４に係るアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ｂによれば、遅延線５００の移相量と遅延線６００の移相量とを調整することで、送信アンテナが平面アレーであっても、雑音のアレーファクタの−９０°方向または９０°方向にヌルを成形することができる。したがって、受信アンテナを送信アンテナの雑音のヌル方向に隣接して置けば通信品質を劣化させないことが可能になる。

上記の実施の形態１〜３では、Ｎ＞４であったが、リニアアレーの場合はＮ≧２であればよい。実施の形態４では、Ｎ×Ｍ＞６であったが、四角配列の場合はＮ×Ｍ≧４であればよく、三角配列の場合はＮ×Ｍ≧３であればよい。リニアアレーでＮ＝２の場合、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ｂは、分配器１１を備えなくてよい。四角配列の場合でＮ×Ｍ＝４の場合、および、三角配列でＮ×Ｍ＝３の場合、アクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ｂは、分配器１１を備えなくてよい。

上記の実施の形態４では、Ｎ個の素子アンテナを備えるリニアアレーである実施の形態２のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａを、Ｎ×Ｍ個の素子アンテナを備える平面アレーに拡張した。これに限らず、実施の形態１または３のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａを、Ｎ×Ｍ個の素子アンテナを備える平面アレーに拡張してもよい。実施の形態１のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａを、Ｎ×Ｍ個の素子アンテナを備える平面アレーに拡張する場合、２素子部分アレーの素子アンテナ８００の間隔をλ／２にする。実施の形態３のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置１ａを、Ｎ×Ｍ個の素子アンテナを備える平面アレーに拡張する場合、遅延線５００および遅延線６００の代わりに可変移相器を接続し、移相器２００を備えない。

１ａ，１ｂ アクティブフェーズドアレーアンテナ装置、２ａ〜２ｅ ２素子部分アレー、２，２１〜２４ 移相器、３，３１〜３４ 増幅器、４，４１〜４４ 分配器、５，５２〜５４，６，６１〜６４ 遅延線、７，７１〜７４ 合成器、８，８１〜８４ 素子アンテナ、９，１０，９２〜９４，１０１〜１０４ 可変移相器、１１ 分配器、２００，２１１、２１２、２２１、２２２ 移相器、３００，３１１，３１２，３２１，３２２ 増幅器、４００，４１１，４１２，４２１，４２２ 分配器、５００，５１１ａ，５１１ｂ，５１２ａ，５１２ｂ，５１３ａ，５２２ａ，５２３ａ，６００，６１１ａ，６１１ｂ，６１２ａ，６１２ｂ，６２１ａ，６２２ａ 遅延線、７００，７１１〜７１３，７２１〜７２３ 合成器、８００，８１１〜８１３，８２１〜８２３ 素子アンテナ、Ｓ１１〜Ｓ１５，Ｓ２１〜Ｓ２５ 信号、Ｚ１１〜Ｚ１３，Ｚ２１〜Ｚ２３，Ｚ３１，Ｚ３２ 雑音。

Claims (6)

1. 入力された信号を増幅して雑音と共に出力する増幅器と、
   前記増幅器から出力された信号および雑音を複数の経路に分配する分配器と、
   前記分配器で分配された信号および雑音を空間に放射する、第１の素子アンテナおよび第２の素子アンテナの組み合わせで構成される２次元的に配列された複数の素子アンテナと、
   を備え、
   前記分配器から前記第１の素子アンテナを経由して定められた方向に向かう第１の経路と、前記第２の素子アンテナを経由して前記定められた方向に向かう第２の経路とにおいて、前記第１の素子アンテナおよび前記第２の素子アンテナから出力される雑音の位相差は、当該雑音の半波長分であるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置。
2. 前記第１の素子アンテナと前記第２の素子アンテナとの間隔は、前記第１の素子アンテナおよび前記第２の素子アンテナから出力される雑音の波長の半分である請求項１に記載のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置。
3. 前記分配器で分配された信号および雑音を遅延させる複数の遅延線をさらに備え、
   前記第１の素子アンテナと前記第２の素子アンテナとにそれぞれ接続される前記遅延線の移相量は、前記第１の素子アンテナおよび前記第２の素子アンテナから出力される雑音のアレーファクタの−９０°方向または９０°方向にヌルを成形する値である請求項１に記載のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置。
4. 前記分配器で分配された信号および雑音の位相を調整して出力する複数の可変移相器をさらに備え、
   前記第１の素子アンテナと前記第２の素子アンテナとにそれぞれ接続される前記可変移相器の移相量は、前記第１の素子アンテナおよび前記第２の素子アンテナから出力される雑音のアレーファクタの−９０°から９０°までの間の設定された方向にヌルを成形する値である請求項１に記載のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置。
5. 前記分配器は、入力された信号および雑音を３つの経路に分配し、
   前記素子アンテナは、三角配列で構成される請求項１から４のいずれか１項に記載のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置。
6. 前記分配器は、入力された信号および雑音を４つの経路に分配し、
   前記素子アンテナは、四角配列で構成される請求項１から４のいずれか１項に記載のアクティブフェーズドアレーアンテナ装置。

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