JP3284837B2 - 分配合成装置とアンテナ装置 - Google Patents

分配合成装置とアンテナ装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波のアレ
ーアンテナを励振するビーム成形回路(分配合成回路)
および、これを備えたアンテナ装置に関し、特に、複数
の放射素子からなるマイクロ波フェーズドアレーアンテ
ナに多数ビームの信号を同時に給電する場合に必要な大
規模ビーム成形機能をコンパクトな寸法で装置構成する
ことが可能な手段に係る。
【0002】
【従来の技術】マイクロ波のアレーアンテナを励振する
ビーム成形回路(分配合成回路)は、アレー素子数分の
信号分配器・移相器・減衰器を組み合わせて構成されて
いる。しかもそれが、多数ビームの信号を同時に給電す
る場合には、アレー素子数×ビーム数という多数の回路
素子が必要となる。
【0003】以下、これを図面に基づいて説明する。図
3は従来の衛星搭載用アレーアンテナの例を示す図であ
って、数字符号50は入出力端子、51はビーム成形回
路(分配合成回路)52は歪み制御回路、53は電力増
幅器、54はアレー素子、55は副反射鏡、56は主反
射鏡を表わしている。
【0004】同図に示すように従来の衛星搭載用アレー
アンテナは、数百W級のアンテナ送信電力を得るため
に、空間電力合成を行う。例えば、1W級のユニット増
幅器を数百個アレー動作させ、放物面イメージング反射
鏡で空間電力合成を行う。ビーム成形回路51(BF
N)は各ビームに対応する入力ポートと各アレー素子に
対応する出力ポートを備えており、各入力ポートには複
数の信号が入力される。
【0005】入力されたそれぞれの信号はそれが属する
ビーム毎に、信号入力→アレー素子数分に電力分配→移
相/振幅の重みづけ→他のビームの信号と合成→歪み制
御→電力増幅→各アレー素子に給電→全てのアレー素子
からの信号を空間電力合成→イメージング反射鏡でビー
ム集束→放射。
【0006】というフローで処理される。この信号処理
フローにおいて、信号入力から歪み制御の前段までをビ
ーム成形回路で処理する。このために、ビーム成形回路
には、数百〜数千の信号分配回路、移相器、減衰器、合
成回路等を集積することが必要となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述したような、大規
模のマイクロ波回路を衛星に搭載可能なサイズに集積す
るには、従来の分布定数MICハイブリッド回路に換わ
る新しい技術が必要となる。何故なら、多数の回路素子
を組み合わせるには現在のマイクロ波集積回路技術をも
ってしても回路寸法が巨大となることを避けられないか
らである。
【0008】本発明はこのような従来の課題を解決する
ために成されたもので、複数ビームのビーム形成機能を
コンパクトに実現することがきでるアレーアンテナ給電
用ビーム成形装置(分配合成装置)および、これを用い
たアンテナ装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、上述の
課題は前記「特許請求の範囲」に記載した手段により解
決することができる。
【0010】すなわち、請求項1の発明は、少なくとも
1個のマイクロ波入力端子と、入力されたマイクロ波信
号をミリ波信号に変換する周波数変換手段Aと、該ミリ
波信号を放射するミリ波放射器と、放射されたミリ波信
号を波動処理する波動処理手段と、波動処理されたミリ
波信号を受波する複数のミリ波受波器と、受波されたミ
リ波信号をマイクロ波信号に逆変換する周波数変換手段
Bとを備え、該周波数変換手段Bの出力を出力端子とす
るように構成した分配合成装置である。
【0011】請求項2の発明は、上記請求項1記載の分
配合成装置において、前記波動処理手段を電波レンズと
して構成したものである。請求項3の発明は、上記請求
項2記載の分配合成装置において、電波レンズとして誘
電体レンズを用いて構成したものである。
【0012】請求項4の発明は、前記請求項1記載の分
配合成装置において、前記波動処理手段を反射鏡を含ん
で構成するようにしたものである。請求項5の発明は、
上記請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の分配合
成装置において、周波数変換手段AはミクサAを含み、
周波数変換手段BはミクサBを含むようにすると共に、
すべてのミクサAとミクサBに供給される局発信号が共
有されるように構成したものである。
【0013】請求項6の発明は、上記請求項1〜5のい
ずれか1項に記載の分配合成装置と、該分配合成装置の
各出力端子に接続された増幅器とマイクロ波放射器とを
備えると共に、全ての該マイクロ波放射器から放射され
る電波を一括して反射することができる少なくとも1個
の反射鏡を備えることにより構成したアンテナ装置であ
る。
【0014】請求項7の発明は、請求項6記載のアンテ
ナ装置において、分配合成装置の出力端子と増幅器との
間にリニアライザを設けて構成したアンテナ装置であ
る。このように本発明においては、入力されたマイクロ
波信号を波長の短いミリ波帯に一旦周波数変換し、ミリ
波レンズまたは反射鏡で波動信号処理したのち、ミリ波
受波器アレーで受波し、再び、マイクロ波信号に逆変換
して、マイクロ波放射器アレーに給電する。このよう
に、本発明では、
【0015】(1)空間で波動処理を行っているため複
雑な機能が一括に処理できる。 (2)空間領域を有効に利用するため、一旦波長の短い
ミリ波帯に変換処理している。 という2点が特徴である。その結果コンパクトなサイズ
でマルチビームのビーム形成回路(分配合成回路)を構
成できる点が従来の技術と異なる。
【0016】
【発明の実施の形態】図1は本発明を実施する形態の第
1の例を示す図であって、本発明の分配合成回路を用い
たフェーズドアレーアンテナの例を示しており、数字符
号1は分配合成装置、2−1〜2−nは入力端子、3−
1〜3−nはミクサ、4−1〜4−nはホーンアンテ
ナ、5は誘電体レンズ、6はミリ波発振器、7−1〜7
−nはホーンアンテナ、8−1〜8−nはミクサ、9−
1〜9−nは出力端子、10−1〜10−nは電力増幅
器、11−1〜11−nは放射器をそれぞれ表わしてい
る。
【0017】同図に示すように、この例では、分配合成
回路1は、複数のビームに対応する複数のマイクロ波入
力端子2−1〜2−nを備え、各端子から入力されたマ
イクロ波信号はミクサ3−1〜3−nと共通ミリ波局部
発振器であるミリ波発振器6によりミリ波帯に周波数変
換される。ミリ波信号はホーンアンテナ4−1〜4−n
で空間領域へ放射される。
【0018】この空間は、真空または空気に限らず誘電
体(絶縁体)で埋まった領域であっても良い。ホーンか
らの波動は一枚の誘電体レンズ5で屈折し平面波とな
り、ホーンアンテナ7−1〜7−nで構成されるミリ波
受波器アレーで受波された後、ミクサ8−1〜8−nと
共通ミリ波局部発振器であるミリ波発振器6とにより複
数のマイクロ波信号に逆変換される。
【0019】そして、電力増幅器10−1〜10−nで
増幅されて放射素子11−1〜11−nで構成されるア
レーアンテナに給電される。電波の放射・空間伝搬・反
射・屈折・受波の過程で各信号の位相と振幅が変わるこ
とから、これを波動処理と呼ぶ。
【0020】ミリ波帯に変換する理由は、レンズ等の寸
法が電波の波長に比例することから、短い波長の周波数
帯に変換して処理した方が装置全体の寸法が小さくなる
からである。電波レンズを使うと波動のフーリエ変換が
可能である。例えば、凸レンズの焦点の位置に点波源を
置くとレンズにより一様な平面波が得られる。すなわ
ち、点が面に変換される。これを2次元フーリエ変換と
呼ぶ。
【0021】レンズのまわりの空間が空気でなくて誘電
体で空間がうまっている場合もレンズの等価的な屈折率
が小さくなるため焦点距離は短くなる。装置を衛星に搭
載する際などのように耐振性が要求されるような場合に
は誘電体で空間を埋めることになる。
【0022】ミリ波放射器とレンズとの位置関係は、中
央ビームの信号が入力されるミリ波放射器をレンズの焦
点に設置する。これにより、中央ビームの信号の位相
は、ミリ波受波器アレーで一様分布となる。その他のビ
ームのミリ波放射器は、焦点からオフセットすることに
より、受波器アレーに位相傾斜をもって受波される。
【0023】ミリ波受波器の数は、最終段のアンテナア
レーの素子数と同数である。受波器の大きさは、例え
ば、電磁ホーンであれば、できるだけ大きい方が損失が
少なくなる。物理的に配置できる範囲で大きな寸法がよ
い。
【0024】図2は本発明を実施する形態の第2の例を
示す図であって、本発明の分配合成装置を用いたアンテ
ナ装置の他の例を示している。同図において、数字符号
1aは分配合成装置12−1〜12−4はマイクロ波の
入力端子、13−1〜13−4はミクサ、14−1〜1
4−4はホーンアンテナ、15−1〜15−4はミリ波
レンズ、16はミリ波反射鏡、17はミリ波放射器アレ
ー、18−1〜18−4はミクサ、19は局部発振器と
して用いるミリ波発振器、20−1〜20−4は出力端
子、21−1〜21−4は電力増幅器、22はマイクロ
波放射器アレー、23はマイクロ波反射鏡を表わしてい
る。
【0025】この例では、4つのビームに対応する4個
のマイクロ波入力端子12−1〜12−4を備え、各端
子から入力されたマイクロ波信号は、ミクサ13−1〜
13−4と共通ミリ波局部発振器として用いるミリ波発
振器19でミリ波帯に周波数変換される。
【0026】そして、この4つのミリ波信号は、ホーン
アンテナ14−1〜14−4で空間領域へ放射される。
ホーンアンテナ14−1〜14−4からの波動は、対応
するミリ波レンズ15−1〜15−4で屈折し平面波と
なり、4つの平面波ビームは、一つの凹面反射鏡(ミリ
波反射鏡16)に集束され反射される。
【0027】反射波はミリ波受波器アレー17で受波さ
れた後、ミクサ18−1〜18−4とミリ波局部発振器
19とで複数のマイクロ波信号に逆変換され、電力増幅
器21−1〜21−4で増幅されてマイクロ波放射器ア
レー22に給電される。このとき、先に説明した図3に
示すように、電力増幅器の前段にリニアライザを用いれ
ばさらに直線性が良い動作が可能となる。
【0028】この例におけるミリ波凹面反射鏡16は最
終段アンテナのマイクロ波反射鏡23のスケールモデル
となっている。すなわち、マイクロ波とミリ波の波長の
比を、nとすると寸法1/nの相似形構造スケールモデ
ルとなっている。相反定理により、ミリ波放射器からの
放射角がそのまま最終段アンテナからのマイクロ波の放
射角に一致する。これは4本のビーム全てについて成り
立つ。このようにしてマルチビームのビーム成形が実現
できる。
【0029】なお、この例では、ビーム数が4の場合に
ついて示しているが、これに限るものではなく、ビーム
の数は任意で良いことは言う迄もない。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
マイクロ波を一旦ミリ波に周波数変換して、分配合成す
るようにしているので、分配合成回路を非常に小形のも
とと成し得るから、多素子フェーズドアレーに多数マル
チビーム信号を給電する場合にハードウエアをコンパク
トに構成することができる利点がある。
【0031】特に、素子数やビーム数がともに10を超
えるような大規模の場合に極めて効果的であり、衛星搭
載アンテナ/中継器などのように重量寸法が大きなシス
テムファクタになっている場合には非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施する形態の第1の例を示す図であ
る。
【図2】本発明を実施する形態の第2の例を示す図であ
る。
【図3】従来の衛星搭載用アレーアンテナの例を示す図
である。
【符号の説明】
2−1〜2−n,12−1〜12−4 入力端子 3−1〜3−n,8−1〜8−n,13−1〜13−
4,18−1〜18−4 ミクサ 4−1〜4−n,14−1〜14−4, ホーンアン
テナ 5 誘電体レンズ 6,19 ミリ波発振器 7−1〜7−n ホーンアンテナ 9−1〜9−n 出力端子 10−1〜10−n,21−1〜21−4 電力増幅
器 11−1〜11−n 放射器 15−1〜15−4 ミリ波レンズ 16 ミリ波反射鏡 17 ミリ波放射器アレー 22 マイクロ波放射器アレー 23 マイクロ波反射鏡
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小川 博世 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭54−127663(JP,A) 特開 昭54−106153(JP,A) 特開 昭54−48467(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01Q 3/00 - 3/46 H01Q 21/00 - 21/30 H01Q 25/00 H01Q 19/06

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも1個のマイクロ波入力端子
    と、 入力されたマイクロ波信号をミリ波信号に変換する周波
    数変換手段Aと、 該ミリ波信号を放射するミリ波放射器と、 放射されたミリ波信号を波動処理する波動処理手段と、 波動処理されたミリ波信号を受波する複数のミリ波受波
    器と、 受波されたミリ波信号をマイクロ波信号に逆変換する周
    波数変換手段Bとを備え、 該周波数変換手段Bの出力を出力端子とすることを特徴
    とする分配合成装置。
  2. 【請求項2】 波動処理手段は電波レンズであることを
    特徴とする請求項1記載の分配合成装置。
  3. 【請求項3】 電波レンズは誘電体レンズであることを
    特徴とする請求項2記載の分配合成装置。
  4. 【請求項4】 波動処理手段に反射鏡を含むことを特徴
    とする請求項1記載の分配合成装置。
  5. 【請求項5】 周波数変換手段AはミクサAを含み、周
    波数変換手段BはミクサBを含むと共に、 すべてのミクサAとミクサBに供給される局部発振信号
    は共有されていることを特徴とする請求項1〜4のいず
    れか1項に記載の分配合成装置。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項に記載の分
    配合成装置と、 該分配合成装置の各出力端子に接続された増幅器とマイ
    クロ波放射器とを備えると共に、 全ての該マイクロ波放射器から放射される電波を一括し
    て反射することができる少なくとも1個の反射鏡を備え
    たことを特徴とするアンテナ装置。
  7. 【請求項7】 分配合成装置の出力端子と増幅器との間
    にリニアライザを設けたことを特徴とする請求項6記載
    のアンテナ装置。
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