JP2021057648A - フェーズドアレイアンテナ装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ素子の配置や給電点位置に応じて半導体ＩＣチップ上の接続関係を変更する。【解決手段】実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置１０は、二次元アレイ状に配置された少なくとも４つのパッチアンテナ６と、パッチアンテナ６に接続される半導体ＩＣチップ１とを備えるフェーズドアレイアンテナ装置であって、半導体ＩＣチップ１は、フェーズドアレイアンテナ装置に接続される外部装置との間で送受信信号が入出力される少なくとも２つの第１入出力端子５と、パッチアンテナ６の給電点８にそれぞれ給電線路７を介して接続され、送受信信号が入出力される複数の第２入出力端子４と、第１入出力端子５と第２入出力端子４の接続関係を変更することが可能なマトリックススイッチ２とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、フェーズドアレイアンテナ装置及びその制御方法に関する。

第５世代移動通信システム向け無線基地局など、近年の無線通信装置では、周波数利用効率を向上するために、電波を特定の方向に絞って放射し、周波数を空間的に再利用するビームフォーミング技術が重要になっている。また、ビームフォーミング技術の応用として、同じ周波数の電波を多重化することにより大容量伝送を実現する、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）技術も重要になっている。

多重化手法の一つとして、同じ周波数で異なるデータを重畳した垂直偏波と水平偏波の電波を多重化して送信し、受信側で分離する偏波多重方式も実用化されている。これらビームフォーミングやＭＩＭＯを実現するためには、複数のアンテナ素子をアレイ状に並べ、各アンテナ素子に所定の振幅や位相を持つ信号を給電し、励振するフェーズドアレイアンテナ装置が用いられる。

特許文献１には、無線周波数の信号を送受信するための複数のアンテナ素子を備える無線基地局装置が開示されている。この無線基地局装置は、送信処理部における入力ポートと出力ポートと間の入出力の対応関係を変更することで、ビームフォーミング、シングルユーザＭＩＭＯ、マルチユーザＭＩＭＯに適したアンテナ構成に切り替えることができる。

特許文献２には、Ｎ個のアレイアンテナとＭ（Ｍ＜Ｎ）個の受信系及び送信系とを共通インターフェースネットワークを介して接続し、スイッチマトリクスによりその接続関係を変更することで装置全体のハードウエア規模を軽減する技術が開示されている。

特開２０１６−０７６９２９号公報 特開２００１−１７７３２８号公報

複数の平面アンテナ素子からなるアレイアンテナと各アンテナ素子に信号を給電する複数の送受信器が集積された半導体ＩＣチップで構成されるフェーズドアレイアンテナ装置において、半導体ＩＣチップ上の入出力端子の好適な配置は、接続されるアンテナ素子の配置やアンテナ素子への給電点位置により決まる。一方、フェーズドアレイアンテナ装置を用いるシステムや用途に応じて、アンテナ素子の配置や給電点位置は異なる。

アンテナ素子の配置や給電点位置と、それに好適な半導体ＩＣチップ上の入出力端子の配置が一致していない場合、電力損失の増大やアンテナパターンの崩れなど特性の劣化を招く。特に、周波数が高く、波長が短い高周波において、この問題は顕著になる。フェーズドアレイアンテナ装置毎に、好適な入出力端子の配置をもつ専用の半導体ＩＣチップを用意すると、開発期間とコストが増大する。特許文献１では、アンテナ素子と入出力ポートとの接続関係を切り替えているものの、フェーズドアレイアンテナ装置におけるアンテナ素子の配置や給電位置については考慮していない。

本開示の目的は、上述した問題を鑑み、アンテナ素子の配置や給電点位置に応じて半導体ＩＣチップ上の接続関係を変更することが可能なフェーズドアレイアンテナ装置及びその制御方法を提供することにある。

本発明の一態様に係るフェーズドアレイアンテナ装置は、二次元アレイ状に配置された少なくとも４つのアンテナ素子と、前記アンテナ素子に接続される半導体チップとを備えるフェーズドアレイアンテナ装置であって、前記半導体チップは、前記フェーズドアレイアンテナ装置に接続される外部装置との間で送受信信号が入出力される少なくとも２つの第１入出力端子と、前記アンテナ素子の給電点にそれぞれ給電線路を介して接続され、前記送受信信号が入出力される複数の第２入出力端子と、前記第１入出力端子と前記第２入出力端子の接続関係を変更することが可能なマトリックススイッチとを含むものである。

本発明の一態様に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法は、二次元アレイ状に配置された少なくとも４つのアンテナ素子と、前記アンテナ素子に接続される半導体チップとを備えるフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法であって、前記半導体チップに設けられた、前記フェーズドアレイアンテナ装置に接続される外部装置との間で送受信信号が入出力される少なくとも２つの第１入出力端子と、前記アンテナ素子の給電点にそれぞれ給電線路を介して接続され、前記送受信信号が入出力される複数の第２入出力端子との接続関係を、マトリックススイッチにより、前記アンテナ素子の配置、及び／又は、前記アンテナ素子内における前記給電点の位置に応じて変更する。

本発明によれば、アンテナ素子の配置や給電点位置に応じて半導体ＩＣチップ上の接続関係を変更することが可能なフェーズドアレイアンテナ装置及びその制御方法を提供することができる。

実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。 図１の半導体ＩＣチップの構成を示す図である。 図１のマトリックススイッチの構成を示す図である。 図１の送受信器の構成の一例を示す図である。 図１の送受信器の構成の他の例を示す図である。 実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第１例を示す図である。 実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第１例を示す図である。 実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第２例を示す図である。 実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第２例を示す図である。 実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第３例を示す図である。 実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第３例を示す図である。 実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第１例を示す図である。 実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第１例を示す図である。 図８Ａ、８Ｂのときのフェーズドアレイアンテナ装置の動作を示す図である。 実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第２例を示す図である。 実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第２例を示す図である。 図９Ａ、９Ｂのときのフェーズドアレイアンテナ装置の動作を示す図である。 フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。 図１０ＡのＸＢ−ＸＢ断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。

実施の形態は、フェーズドアレイアンテナ装置に関する。図１０Ａは、フェーズドアレイアンテナ装置１０の構成を示す図である。図１０Ｂは、図１０ＡのＸＢ−ＸＢ断面図である。図１０Ａにおいて、半導体ＩＣチップ１は、多層プリント基板９の裏面側に配置されているため、破線で示されている。

フェーズドアレイアンテナ装置１０は、波長の１／２程度の間隔でアレイ状に並べられたパッチアンテナ６と、それに信号を給電する複数の送受信器を集積した半導体ＩＣチップ１を備えている。図１０Ａの例では、４つのパッチアンテナ６毎に１つの半導体ＩＣチップ１が設けられている。

図１０Ｂに示すように、多層プリント基板９の一方の面にパッチアンテナ６が設けられている。ここでは、パッチアンテナ６は円形状の平面アンテナ素子であるが、正方形状等の他の形状であってもよい。多層プリント基板９の他方の面には、半導体ＩＣチップ１が実装されている。半導体ＩＣチップ１にはパッチアンテナ６の給電部に対応する数の複数の送受信器が集積されており、各送受信器が半田を介して給電線路７に接続される。

このような構成をとることにより、半導体ＩＣチップ１から各パッチアンテナ６までの給電線路７の長さをできるだけ短く、かつ等長に配線しやすくなる。その結果、給電線路７における電力損失が小さくなり、各パッチアンテナ６の位相も高精度に制御できるため、高効率で、高精度なビームフォーミングが可能になる。特に、給電線路による損失が大きく、波長が短いミリ波帯では、図１０Ａ、１０Ｂのような平面アンテナ素子と半導体ＩＣチップとの一体構成が主流になっている。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。図１では、図１０Ａにおける４つのパッチアンテナ６と半導体ＩＣチップ１を図示している。なお、図１では、パッチアンテナ６と半導体ＩＣチップ１との位置関係を説明するために、多層プリント基板により見えない部分も見えるように記載している。以下、送信モードの場合を用いて説明するが、受信モードの場合は、信号の流れの向きを逆にすれば同様の説明が適用できる。

図１に示すように、フェーズドアレイアンテナ装置１０は、二次元アレイ状に配置された少なくとも４つのパッチアンテナ６と、パッチアンテナ６に接続される半導体ＩＣチップ１とを備える。各パッチアンテナ６は、偏波方向が互いに直交する２つの偏波を発生する偏波共用の平面アンテナ素子である。

パッチアンテナ６には、それぞれＨ偏波、Ｖ偏波を発生させるための２つの給電点８が設けられている。図１に示す例では、パッチアンテナ６の中心から見て、第１方向にはＶ偏波の給電点８が配置され、第１方向に直交する第２方向にはＨ偏波の給電点８が配置されている。各パッチアンテナ６の偏波方向は、アレイの配列方向に対して４５°ずれた方向である。

半導体ＩＣチップ１は、マトリックススイッチ２、送受信器３、第２入出力端子４、第１入出力端子５を有している。図２は、半導体ＩＣチップ１の構成を詳細に示す図である。ここでは、図２に示すように、半導体ＩＣチップ１には、２つの第１入出力端子５ａ、５ｂ（これらをまとめて第１入出力端子５とよぶ）、８つの送受信器３ａ〜３ｈ（これらをまとめて送受信器３とよぶ）、８つの第２入出力端子４ａ〜４ｈ（これらをまとめて第２入出力端子４とよぶ）が設けられている。

第１入出力端子５は、フェーズドアレイアンテナ装置１０に接続される外部装置との間で送受信信号を入出力する。図１に示すように、一方の第１入出力端子５ａにはＶ偏波用の高周波信号が、他方の第１入出力端子５ｂにはＨ偏波用の高周波信号がそれぞれ外部から入力される。

第２入出力端子４は、パッチアンテナ６の給電点８にそれぞれ給電線路７を介して接続され、第１入出力端子５からの送受信信号を入出力する。第２入出力端子４ａ〜４ｈにはそれぞれ対応する送受信器３ａ〜３ｈが接続されている。各パッチアンテナ６で２つの偏波を同時に発生させるため、半導体ＩＣチップ１に集積された２つの送受信器３が、１つのパッチアンテナ６の異なる位置に配置された２つの給電点８とそれぞれ接続される。例えば、図１の左上のパッチアンテナ６の各給電点８には、図２の送受信器３ａ、３ｂがそれぞれ第２入出力端子４ａ、４ｂを介して接続される。

マトリックススイッチ２は、パッチアンテナ６の配置、及び／又は、パッチアンテナ６内における給電点８の位置に応じて、第１入出力端子５と第２入出力端子４の接続関係を変更することができる。第１入出力端子５からのＶ偏波用、Ｈ偏波用の高周波信号は、２×８のマトリックススイッチ２の２つの第１ポートにそれぞれ入力され、８つの第２ポートに分配される。

図３は、図１のマトリックススイッチ２の構成を示す図である。マトリックススイッチ２は、８つのＳＰＤＴ（Single Pole Double Through）スイッチ２ａ〜２ｈを備える。マトリックススイッチ２は、ＳＰＤＴスイッチ２ａ〜２ｈを切り替えることにより、第１入出力端子５と第２入出力端子４の接続関係を変更することができる。

第１入出力端子５ａ、５ｂから第１ポートに入力された信号は、ＳＰＤＴスイッチ２ａ〜２ｈの切り替えにより、８つの第２ポートのいずれに接続することも可能である。なお、ここでは、ＳＰＤＴスイッチを用いた構成を示したが、マトリックススイッチ２の構成はこれに限るものではなく、ＳＰＳＴ（Single Pole Single Through）スイッチを用いた構成や、ＤＰ８Ｔ（Double pole eight through）スイッチを用いた構成などを適用することも可能である。

マトリックススイッチの８つのポートと、第２入出力端子４ａ〜４ｈとの間には、それぞれ送受信器３ａ〜３ｈが設けられている。マトリックススイッチ２により分配された信号は、それぞれ送受信器３ａ〜３ｈによって、所定の振幅と位相に調整され、第２入出力端子４ａ〜４ｈに出力される。

図４Ａは、図１の送受信器の構成の一例を示す図である。図４Ａに示すように、送受信器３は、送受切替スイッチ３０、高出力増幅器（ＰＡ：Power Amplifier）３１、利得可変増幅器（ＶＧＡ：Variable Gain Amplifier）３２、移相器（ＰＳ： Phase Shifter）３３、送受切替スイッチ３４、低雑音増幅器（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）３５、ＶＧＡ３６、ＰＳ３７を備えている。

この構成では、ＰＡ３１、ＶＧＡ３２、ＰＳ３３からなる送信経路と、ＬＮＡ３５、ＶＧＡ３６、ＰＳ３７からなる受信経路とが、送受切替スイッチ３０、３４により切り替えられる。図４Ａは、送信時の送受切替スイッチ３０、３４の状態を示している。図４Ａに示すように、送信時には、マトリックススイッチ２の第２ポートからの信号は、ＰＳ３３で所定の移相を行った後、ＶＧＡ３２で所定の振幅レベルに調整され、さらに、ＰＡ３１で所定の電力まで増幅されて、第２入出力端子４に出力される。

受信時には、送受切替スイッチ３０、３４が切り替えられ、受信経路が選択される。受信時には、第２入出力端子４からの信号が、ＬＮＡ３５で増幅された後、ＶＧＡ３６、ＰＳ３７で、振幅レベルと位相が調整され、送受切替スイッチ３４を介してマトリックススイッチ２の第２ポートに出力される。

図４Ｂは、図１の送受信器の構成の他の例を示す図である。図４Ｂに示すように、送受信器３Ａは、双方向性増幅器（ＰＡ／ＬＮＡ）３１ａ、双方向性利得可変増幅器（Ｂｉ−ＶＧＡ）３２ａ、双方向性移相器（Ｂｉ−ＰＳ）３３ａ、Ｂｉ−ＶＧＡ３４ａを備えている。このように、双方向性の増幅器や移相器を用いることにより、送信経路と受信経路を共通化できる。その結果、半導体ＩＣチップの面積を削減できるとともに、送受切替スイッチ３０、３４が不要になり、損失を減らすことができる。なお、ＶＧＡとＰＳの順序や増幅の段数などは、この構成に限るものではなく、システムに応じて適宜変更できる。

第２入出力端子４ａ〜４ｈは、それぞれ対応する給電線路７を介して、４つのパッチアンテナ６に２つずつ信号を給電する。上述の通り、各パッチアンテナ６は、偏波方向が互いに直交するＶ偏波とＨ偏波に対応した２つの給電点８を有している。それぞれの給電点８は、給電線路７を介して、Ｖ偏波とＨ偏波に対応した第２入出力端子４に接続される。パッチアンテナ６と半導体ＩＣチップ１は、例えば、図１０Ｂのように、多層プリント基板９の表面と裏面にそれぞれ形成され、給電線路７は、多層プリント基板の内層に形成される。

ここで、実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置１０の制御方法について説明する。図５Ａ、５Ｂは、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第１例を示す図である。第１例では、図１と同様に、各パッチアンテナ６の中心から見て、第１方向にはＶ偏波の給電点８が配置され、第１方向に直交する第２方向にはＨ偏波の給電点８が配置されている。各パッチアンテナ６の偏波方向は、アレイの配列方向に対して４５°ずれた方向である。

左上と左下のパッチアンテナ６の４つの給電点は、これらのパッチアンテナ６の配列方向と平行な直線Ａ上に並ぶように配置されている。また、右上と右下のパッチアンテナ６の４つの給電点は、これらのパッチアンテナ６の配列方向と平行な直線Ｂ上に並ぶように配置されている。このような給電点の配置とすることで、放射するビームの角度を振った時の対称性がよいことが期待できる。

半導体ＩＣチップ１は矩形状であり、その左右の辺が、直線Ａ及び直線Ｂと平行になるように配置される。第２入出力端子４ａ〜４ｄは半導体ＩＣチップ１の左辺に沿って並ぶように配置され、第２入出力端子４ｅ〜４ｈはその右辺に沿って並ぶように配置されている。第２入出力端子４ａ〜４ｄ及び第２入出力端子４ｅ〜４ｈは、直線Ａ、Ｂに平行な、異なる直線上にそれぞれ並ぶように配置される。

この場合、第２入出力端子４の配置として、半導体ＩＣチップ１の左右の辺に４端子ずつ「Ｖ、Ｈ、Ｖ、Ｈ」の順になっていると、各給電線路７を交差や迂回させることなく、その長さをできるだけ短く、かつ等長に接続しやすく、好適な配置といえる。そのため、図５Ｂに示すように、Ｖ偏波とＨ偏波の信号がそれぞれ入力される第１入出力端子５ａ、５ｂと第２入出力端子４ａ〜４ｈの接続関係が、第２入出力端子４ａ〜４ｄが、「Ｖ、Ｈ、Ｖ、Ｈ」、第２入出力端子４ｅ〜４ｈが、「Ｖ、Ｈ、Ｖ、Ｈ」となるように、マトリックススイッチ２が設定される。この例では、すべての給電線路７を実効的に等長とすることで、２つの偏波の特性を等しくすることができる。

図６Ａ、６Ｂは、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第２例を示す図である。第２例では、各パッチアンテナ６の偏波方向は、アレイの配列方向と同じ方向である。すなわち、Ｈ偏波方向は、左上と右上のパッチアンテナ６が並ぶ方向と等しく、Ｖ偏波方向は左上と左下のパッチアンテナ６が並ぶ方向と等しい。

ここで、上側と下側のパッチアンテナ６の中央を通る軸を軸Ａ１とし、左側と右側のパッチアンテナ６の中央を通る軸を軸Ａ２とする。図６Ａでは、平面視で、軸Ａ１に対して、Ｖ偏波、Ｈ偏波用の給電点８がそれぞれ対称に配置されている。また、平面視で、軸Ａ２に対して、Ｖ偏波、Ｈ偏波用の給電点８がそれぞれ対称に配置されている。このような給電点の配置にすると、Ｖ偏波とＨ偏波のアイソレーション特性が改善することが期待できる。

この場合、第２入出力端子４の配置として、半導体ＩＣチップ１の左右の辺に４端子ずつ「Ｖ、Ｈ、Ｈ、Ｖ」の順になっていると、各給電線路７を交差や迂回させることなく、その長さをできるだけ短く、かつ等長に接続しやすく、好適な配置といえる。そのため、図６Ｂに示すように、Ｖ偏波とＨ偏波の信号がそれぞれ入力される第１入出力端子５ａ、５ｂと第２入出力端子４ａ〜４ｈの接続関係が、第２入出力端子４ａ〜４ｄが、「Ｖ、Ｈ、Ｈ、Ｖ」、第２入出力端子４ｅ〜４ｈが、「Ｖ、Ｈ、Ｈ、Ｖ」となるように、マトリックススイッチ２が設定される。この例では、すべての給電線路７を実効的に等長とし、同一偏波の給電線路７を同一形状とすることで、アレイを構成するパッチアンテナ６間の同一偏波の特性を均一にすることができる。

図７Ａ、７Ｂは、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第３例を示す図である。第３例では、各パッチアンテナ６の偏波方向は、アレイの配列方向に対して４５°ずれた方向である。

左上と右上のパッチアンテナ６の４つの給電点は、これらのパッチアンテナ６の配列方向と平行な直線Ｃ上に並ぶように配置されている。また、左下と右下のパッチアンテナ６の４つの給電点は、これらのパッチアンテナ６の配列方向と平行な直線Ｄ上に並ぶように配置されている。このような給電点の配置とすることで、放射するビームの角度を振った時の対称性がよいことが期待できる。半導体ＩＣチップ１の第２入出力端子４ａ〜４ｄ及び第２入出力端子４ｅ〜４ｈは、直線Ｃ、Ｄに直交する、異なる直線上にそれぞれ並ぶ。

この場合、第２入出力端子４の配置として、半導体ＩＣチップ１の左辺に「Ｖ、Ｈ、Ｖ、Ｈ」、右辺に「Ｈ、Ｖ、Ｖ、Ｈ」の順になっていると、各給電線路７を交差や迂回させることなく、その長さをできるだけ短く、かつ等長に接続しやすく、好適な配置といえる。そのため、図７Ｂに示すように、Ｖ偏波とＨ偏波の信号がそれぞれ入力される第１入出力端子５ａ、５ｂと第２入出力端子４ａ〜４ｈの接続関係が、第２入出力端子４ａ〜４ｄが、「Ｖ、Ｈ、Ｈ、Ｖ」、第２入出力端子４ｅ〜４ｈが、「Ｈ、Ｖ、Ｖ、Ｈ」となるように、マトリックススイッチ２が設定される。この例では、すべての給電線路７を実効的に等長とすることで、２つの偏波の特性を等しくすることができる。

第１例〜第３例に示したように、パッチアンテナ６の給電点８の位置をどのように設定するかは、フェーズドアレイアンテナ装置が使われるシステムの構成や用途、設計者によって異なり、それに応じて半導体ＩＣチップの好適な端子配置も異なる。実施の形態１によれば、専用の半導体ＩＣチップを用意することなく、同じ半導体ＩＣチップ１を用いて、マトリックススイッチ２によって、第１入出力端子５と第２入出力端子４の接続関係を変更することができる。これにより、どのような給電点の配置に対しても、好適なレイアウトを提供でき、フェーズドアレイアンテナ装置のコストや開発期間を削減可能となる。

また、実施の形態１によれば、フェーズドアレイアンテナ装置の給電線路をできるだけ短く、等長に配線することが可能になり、電力損失や、位相のずれを小さくできる。このため、フェーズドアレイアンテナ装置１０の消費電力やビームフォーミングの制御性などの特性を向上できる。なお、すべての給電線路７を実効的に等長、同一形状として、各給電線路７の特性が等しくなるようにすることで、アレイを構成するパッチアンテナ６間の特性を均一にすることができるが、これに限定されない。少なくとも同一偏波の各給電線路７を実効的に等長、同一形状とすれば、同一偏波の特性を均一にすることが可能である。

なお、実施の形態１では、パッチアンテナ６の数が４、第１ポート数が２、第２ポート数が８の例を示したが、本発明の構成はこれに限るものではない。パッチアンテナ６の数は、二次元アレイ状に形成されていれば、４アンテナ素子以上あってもよい。また、第１ポート数は、２以上で、最大で第２ポート数と同じまでの構成が可能である。また、給電点８の配置は、上述の例に限られるものではなく、他の配置に対しても本発明は適用できる。

実施の形態２．
図８Ａ、９Ａは、実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ装置１０Ａの構成を示す図である。図８Ａ、９Ａに示すように、フェーズドアレイアンテナ装置１０Ａは、２×８で二次元アレイ状に配置された８つのパッチアンテナ６と、パッチアンテナ６に接続される半導体ＩＣチップ１とを備える。各パッチアンテナ６は、それぞれ１つの給電点８を有している。第２入出力端子４ａ〜４ｈは、それぞれ異なるパッチアンテナ６の給電点８に接続される。

図８Ａ、８Ｂは、実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第１例を示す図である。図８Ｂに示すように、この例では、一方の第１入出力端子５ａのみに信号Ｓ１が入力される。マトリックススイッチ２は、８つすべての第２入出力端子４ａ〜４ｈが、第１入出力端子５ａに接続されるように設定される。

各パッチアンテナ６の給電点８は、すべてが同じ偏波方向に励振されるように配置されている。同じ信号Ｓ１が、所定の位相と振幅に調整された後、同じ偏波方向に励振するように各パッチアンテナ６に給電される。図８Ｃは、図８Ａ、８Ｂのときのフェーズドアレイアンテナ装置の動作を示す図である。図８Ｃに示すように、複数のパッチアンテナ６の信号を合成することによって、所定の方向に絞って、ビーム放射することができる。なお、図８ＣにおけるビームＳ１は紙面に垂直方向に放射される。

信号Ｓ１のみが入力される場合、仮に、第１入出力端子と第２入出力端子の接続関係が固定されていると、半導体ＩＣチップの半分しか利用できず、無駄を生じる。２つの第１入出力端子５に同じ信号Ｓ１を入力することも可能だが、元々、１つの信号Ｓ１しかないシステムに対して、２つの同一の信号を用意する必要が生じ、装置の変更が必要になる。

これに対し、実施の形態２によれば、図８Ａに示すように、第１入出力端子５の一方のみを用い、マトリックススイッチ２によりすべてのパッチアンテナ６に同じ信号Ｓ１を分配できるため、装置の変更は不要になる。これにより、フェーズドアレイアンテナ装置のコストや開発期間を削減できる。

図９Ａ、９Ｂは、実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法の第２例を示す図である。図９Ｂに示すように、この例では、一方の第１入出力端子５ａに信号Ｓ１が、他方の第１入出力端子５ｂに信号Ｓ２が入力される。マトリックススイッチ２は、第２入出力端子４ａ〜４ｄが「Ｓ１、Ｓ２、Ｓ２、Ｓ１」、第２入出力端子４ｅ〜４ｈが「Ｓ２、Ｓ１、Ｓ１、Ｓ２」となるように、信号Ｓ１、Ｓ２を分配する。

図９Ａに示すように、信号Ｓ１が供給されるパッチアンテナ６の列と、信号Ｓ２が供給されるパッチアンテナ６の列とが交互に並ぶように給電される。図９Ｃは、図９Ａ、９Ｂのときのフェーズドアレイアンテナ装置の動作を示す図である。図９Ｃに示すように、信号Ｓ１と信号Ｓ２の位相と振幅を調整することにより、２つのビームを、放射の向きを独立に制御して放射することができる。このとき、Ｓ１とＳ２のビームの向きを、互いが干渉しない角度にすれば、同じ周波数を使って、２ユーザに異なる信号を同時に伝送することができ、周波数利用効率は理想的には２倍になる。なお、図９ＣにおけるビームＳ１、Ｓ２はいずれも紙面に垂直方向に放射される。

このように、マトリックススイッチ２は、パッチアンテナ６に供給される送受信信号に応じて接続関係を変更することができる。これにより、図８Ｃ、９Ｃに示すように、１ビームと２ビームの動作を動的に切り替えることができる。例えば、１ユーザのみの場合や、遠くと通信したい場合は、すべてのパッチアンテナ６に同じ信号Ｓ１を供給し、１ビームで動作する。また、複数のユーザがいる場合は、２ビームを空間的に多重して、伝送容量を増やすことができる。このように、用途や環境に応じて、最適な通信を行うことが可能となる。

なお、実施の形態２では、半導体ＩＣチップ１当たりのパッチアンテナ６の数が８、データ数が２の場合で説明したが、アンテナ数やデータ数を、適宜、変更できることは言うまでもない。

以上説明したように、実施の形態によれば、同じ半導体ＩＣチップを用いて、アンテナ素子の配置や給電点位置に応じて、好適なレイアウトを実現することができる。

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。上述の図では、配線をすべて直角に曲げているが、任意の角度で曲げてもよい。実施の形態は、携帯電話、無線ＬＡＮ、衛星通信などに用いられるフェーズドアレイアンテナ装置を用いた通信機器（基地局、端末）に適用可能である。また、フェーズドアレイアンテナ装置を用いたレーダー装置への適用も考えられる。

１ 半導体ＩＣチップ
２ マトリックススイッチ
２ａ〜２ｈ ＳＰＤＴスイッチ
３ 送受信器
３ａ〜３ｈ 送受信器
４ 第２入出力端子
４ａ〜４ｈ 第２入出力端子
５ 第１入出力端子
５ａ、５ｂ 第１入出力端子
６ パッチアンテナ
７ 給電線路
８ 給電点
９ 多層プリント基板
１０ フェーズドアレイアンテナ装置
３０ 送受切替スイッチ
３１ ＰＡ
３２ ＶＧＡ
３３ ＰＳ
３４ 送受切替スイッチ
３５ ＬＮＡ
３６ ＶＧＡ
３７ ＰＳ
３１ａ ＰＡ／ＬＮＡ
３２ａ Ｂｉ−ＶＧＡ
３３ａ Ｂｉ−ＰＳ
３４ａ Ｂｉ−ＶＧＡ

Claims (10)

1. 二次元アレイ状に配置された少なくとも４つのアンテナ素子と、前記アンテナ素子に接続される半導体チップとを備えるフェーズドアレイアンテナ装置であって、
   前記半導体チップは、
   前記フェーズドアレイアンテナ装置に接続される外部装置との間で送受信信号が入出力される少なくとも２つの第１入出力端子と、
   前記アンテナ素子の給電点にそれぞれ給電線路を介して接続され、前記送受信信号が入出力される複数の第２入出力端子と、
   前記第１入出力端子と前記第２入出力端子の接続関係を変更することが可能なマトリックススイッチと、
   を含む、
   フェーズドアレイアンテナ装置。
2. 前記マトリックススイッチは、前記アンテナ素子の配置、及び／又は、前記アンテナ素子内における前記給電点の位置に応じて前記接続関係を変更する、
   請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
3. 前記アンテナ素子は、互いに直交する２つの偏波を発生させるための２つの前記給電点をそれぞれ有しており、
   前記マトリックススイッチは、少なくとも同一偏波の前記給電点から対応する前記第２入出力端子までの各給電線路の特性が略等しくなるように、前記接続関係を変更する、
   請求項１又は２に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
4. 前記マトリックススイッチは、すべての前記給電点から対応する前記第２入出力端子までの各給電線路の特性が略等しくなるように、前記接続関係を変更する、
   請求項３に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
5. 前記アンテナ素子は、１つの前記給電点をそれぞれ有しており、
   前記マトリックススイッチは、前記アンテナ素子の前記送受信信号に応じて前記接続関係を変更する、
   請求項１又は２に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
6. 前記マトリックススイッチと複数の前記第２入出力端子との間にそれぞれ設けられた複数の送受信器をさらに含む、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
7. 二次元アレイ状に配置された少なくとも４つのアンテナ素子と、前記アンテナ素子に接続される半導体チップとを備えるフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法であって、
   前記半導体チップに設けられた、前記フェーズドアレイアンテナ装置に接続される外部装置との間で送受信信号が入出力される少なくとも２つの第１入出力端子と、前記アンテナ素子の給電点にそれぞれ給電線路を介して接続され、前記送受信信号が入出力される複数の第２入出力端子との接続関係を、マトリックススイッチにより、前記アンテナ素子の配置、及び／又は、前記アンテナ素子内における前記給電点の位置に応じて変更する、
   フェーズドアレイアンテナ装置の制御方法。
8. 前記アンテナ素子は、互いに直交する２つの偏波を発生させるための２つの前記給電点をそれぞれ有しており、
   前記マトリックススイッチは、少なくとも同一偏波の前記給電点から対応する前記第２入出力端子までの各給電線路の特性が略等しくなるように、前記接続関係を変更する、
   請求項７に記載のフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法。
9. 前記マトリックススイッチは、すべての前記給電点から対応する前記第２入出力端子までの各給電線路の特性が略等しくなるように、前記接続関係を変更する、
   請求項８に記載のフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法。
10. 前記アンテナ素子は、同一の偏波を発生させるための１つの前記給電点をそれぞれ有しており、
    前記マトリックススイッチは、前記アンテナ素子の前記送受信信号に応じて前記接続関係を変更する、
    請求項７に記載のフェーズドアレイアンテナ装置の制御方法。

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