JP3356653B2 - フェーズドアレーアンテナ装置 - Google Patents

フェーズドアレーアンテナ装置

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    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、放射素子に給電す
る位相をディジタル移相器によって変化させるフェーズ
ドアレーアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】フェーズドアレーアンテナは、複数の放
射素子に給電する位相を電子的に変えることによって、
放射ビームを走査するアンテナである。放射ビームと
は、アンテナから所望の方向に放射される電磁波のこと
をいう。フェーズドアレーアンテナは、地上に固定ある
いは移動体に搭載して、衛星通信および衛星放送受信に
利用される。各放射素子を励振させるための電力は電源
部から供給され、電力分配器によって各放射素子に分配
されてから、各放射素子に給電される。フェーズドアレ
ーアンテナでは、電力分配器と各放射素子との間にそれ
ぞれ移相器が接続されており、この移相器を制御するこ
とによって各放射素子の給電位相を変化させる。各放射
素子は給電位相に応じた位相の放射をするため、各放射
素子による放射が等位相面を生成するように各移相器を
制御することによって、この等位相面と垂直な方向に放
射ビームを形成することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の電力
分配器は、各放射素子毎に設けられた移相器と電源部と
を接続するマイクロストリップ線路によって構成されて
いた。しかし、マイクロストリップ線路は高周波帯域で
は損失が大きくなるという欠点がある。これは、マイク
ロストリップ線路は開放型の線路であるため周波数が高
くなると放射損が増えるとともに、表皮効果により高周
波電流はマイクロストリップ線路の表面層のみを流れる
ため伝送損が増えるためである。このため、従来のフェ
ーズドアレーアンテナ装置には、高周波帯域で使用する
場合に、電力分配器における給電損失が大きくなるとい
う問題があった。本発明はこのような課題を解決するた
めになされたもにであり、その目的は、フェーズドアレ
ーアンテナ装置の給電損失を低減することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明のフェーズドアレ
−アンテナは、複数の放射素子と、前記放射素子にそれ
ぞれ所定の位相の信号を供給する複数の移相器と、前記
複数の移相器に対応した複数の結合ホールとが多層化さ
れた多層構成のフェーズドアレーアンテナであって、前
記多層構成の最下層を前記結合ホールが形成された導電
性を有する平板で構成し、前記平板の下部にラジアル導
波路を設け、前記ラジアル導波路の底板中央部に設けら
れた給電プローブから励振された信号が前記ラジアル導
波路内を伝搬して前記結合ホールと電磁結合して前記移
相器に供給されることを特徴とする。
【０００５】
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で
は、アンテナが信号を送信している場合について述べる
が、アンテナが信号を受信している場合でも可逆の理に
より、動作原理は本質的に同じであることを予めことわ
っておく。図１は本発明によるフェーズドアレーアンテ
ナ装置の構成を示すブロック図である。図１に示された
フェーズドアレーアンテナ装置は複数の放射素子１１を
有しており、各放射素子１１にはそれぞれ移相器（位相
制御手段）１２が接続され、各移相器１２には電力分配
器１３が接続され、電力分配器１３には同軸ケーブル２
ａを介して電源部（電力供給手段）２が接続されてい
る。また、制御部３が制御線３ａによって各移相器１２
に接続されている。放射素子１１、移相器１２および電
力分配器１３によってアンテナ部１が構成される。
【０００７】電源部２は各放射素子１１を励振させるた
めの電力を出力する。電力分配器１３は電源部２から出
力された電力を各放射素子１２に分配する。一方、制御
部３は、各放射素子１１が配置されている位置と使用電
波の周波数とに基づいて、全ての放射素子１１に対し
て、放射ビームを所望の方向に向けるのに最適な給電位
相の移相量を計算し、その移相量を各移相器１２に設定
する。各移相器１２は電力分配器１３から出力された電
力の位相を、制御部３によって設定された移相量だけ変
化させて、各放射素子１１に給電する。各放射素子１１
は給電位相に応じた放射をする。そして、各放射素子１
１からの放射が等位相面を生成することにより、この等
位相面と垂直な方向に放射ビームが形成される。
【０００８】なお、各移相器１２は、各放射素子１１に
供給される電力を増幅する増幅器を含んでいてもよい。
また、図１に示されたフェーズドアレーアンテナ装置の
使用電波は、マイクロ波である。
【０００９】次に、図１に示されたフェーズドアレーア
ンテナ装置のアンテナ部１の構造について、図２および
図３を用いて説明する。図２はアンテナ部１の構造を示
す断面図であり、また、図３はアンテナ部１の構造を示
す展開図である。アンテナ部１は、図２および図３に示
されるように、多層化されている。すなわち、放射素子
層２１、誘電体層２２、位相制御層２３、誘電体層２
４、電磁結合層２５の各層がこの順に密着形成されてい
る。これらの各層２１〜２５はプロセス中の積層または
接着によって多層化される。また、電磁結合層２５の下
には給電用ラジアル導波路２６が配置されている。以上
の各層２１〜２５とラジアル導波路２６は、全て同じ大
きさの方形をしている。
【００１０】放射素子層２１は、図１に示された複数の
放射素子１１によって構成されている。各放射素子１１
は格子配列している。ただし、放射素子１１の配列は格
子配列に限られるものではなく、所定の規則性をもった
配列であればよい。したがって、例えば、三角配列や同
心円状に配列してもよい。放射素子１１として、使用電
波の波長の０．２〜０．５倍程度の直径を有する円形マ
イクロストリップパッチアンテナを使用する場合には、
各放射素子１１すなわち各円形マイクロストリップパッ
チアンテナは、それぞれ使用電波の波長の０．２〜１．
２倍程度の距離だけ離間して配置される。
【００１１】誘電体層２２には比誘電率が１〜１５程度
の誘電体４２が用いられる。誘電体層２２の厚さｄA は
均一であり、その厚さは使用電波の波長の０．０１〜
０．５倍程度に設定される。
【００１２】位相制御層２３は、図１に示された複数の
移相器１２によって構成されている。位相制御層２３に
は、放射素子層２１における放射素子１１と同数の移相
器１２が形成されており、この移相器１２は放射素子１
１と同じ規則性にしたがって配列している。このため、
図３に示された移相器１２は格子配列している。放射素
子層２１の各放射素子１１と位相制御層２３の各移相器
１２とは、それぞれ電磁接続、または電磁結合されてい
る。
【００１３】図４は位相制御層２３に形成された移相器
１２の構成図である。図４に示された移相器１２はＰＩ
Ｎダイオード移相器であり、それぞれ通過位相を４５
゜，９０゜，１８０゜遅らせることができる３個の移相
回路（以下、それぞれ４５゜移相回路、９０゜移相回
路、１８０゜移相回路と略記する）が縦続接続された３
ビットの移相器である。
【００１４】４５゜移相回路および９０゜移相回路はと
もにローデッドライン形移相器である。ローデッドライ
ン形移相器は、主線路５１に２本の分岐線路５２ａ，５
２ｂが接続され、各分岐線路５２ａ，５２ｂの先端と接
地との間にそれぞれＰＩＮダイオード５３ａ，５３ｂが
接続されている。１８０゜移相回路はスイッチドライン
形移相器である。スイッチドライン形移相器は、切断さ
れた主線路５１の両端の間にＰＩＮダイオード５３ｃお
よびＵ字形の分岐線路５２ｃの両端が接続され、分岐線
路５２ｃの中央部と接地との間にＰＩＮダイオード５３
ｄが接続されている。主線路５１および分岐線路５２ａ
〜５２ｃには、マイクロストリップ線路、トリプレート
線路およびコプレーナ線路などが使用される。
【００１５】ＰＩＮダイオード５３ａ〜５３ｄは、バイ
アス電圧が逆方向に印加されると開放に近いインピーダ
ンスを示し、順方向に印加されると短絡に近いインピー
ダンスを示す。各ＰＩＮダイオード５３ａ〜５３ｄに順
方向のバイアス電圧が印加されると、主線路５１および
分岐線路５２ｃを流れる電流が分岐して、各ＰＩＮダイ
オード５３ａ〜５３ｄを流れる。これにより、給電位相
を変えることができる。位相制御層２３には図１に示さ
れた制御線３ａが形成されており、各制御線３ａは図１
に示された制御部３と移相器１２の各ビットのＰＩＮダ
イオード５３ａ〜５３ｄとを接続している。したがっ
て、制御部３が移相器１２の各ビットに対して、ＰＩＮ
ダイオード５３ａ〜５３ｄの順方向バイアスを選択的に
印加することによって、給電位相を制御することができ
る。
【００１６】図２および図３の説明に戻る。誘電体層２
４には、誘電体層２２と同様に、比誘電率が１〜１５程
度の誘電体４４が用いられ、誘電体層２４は使用電波の
波長の０．０１〜０．５倍程度の均一な厚さｄB に形成
される。
【００１７】電磁結合層２５は、導電性を有する平板３
１に形成された複数の結合ホール（結合手段）３２によ
って構成されている。各結合ホール３２は長方形をして
いる。電磁結合層２５には、放射素子層２１における放
射素子１１と同数の結合ホール３２が形成されており、
この結合ホール３２は放射素子１１と同じ規則性にした
がって配列している。このため、図３に示された結合ホ
ール３２は格子配列している。図５は、図３に示された
電磁結合層２５の平面図である。図５に示されるよう
に、各結合ホール３２は、その中心が格子点に重なるよ
うに配置されている。また、各結合ホール３２は、平板
３１の中心を共通の中心とする同心円状に形成されてい
る。
【００１８】再び図２および図３の説明に戻る。各結合
ホール３２は、位相制御層２３の各移相器１２とそれぞ
れ電磁接続、または電磁結合されている。また、平板３
１は接地されており、誘電体層２４に適宜設けられたス
ルーホールを介して位相制御層２３を接地している。な
お、放射素子１１として前記した円形マイクロストリッ
プパッチアンテナを使用する場合には、各移相器１２お
よび各結合ホール３２は、それぞれ使用電波の波長の
０．２〜１．２倍程度の距離だけ離間して配置される。
以上の各層２１〜２５に形成された放射素子１１、移相
器１２および結合ホール３２は各１個づつで１つのユニ
ットを構成している。
【００１９】給電用ラジアル導波路２６は、断面が方形
の筒状のリング３３と底板３４と電磁結合層２５の平板
３１とによって構成される。電磁結合層２５の平板３１
は、ラジアル導波路２６の上面となる。リング３３およ
び底板３４はともに導電部材によって形成され、例え
ば、金属またはエンジニアリングプラスチックスに金属
メッキ等を施した材料によって形成される。底板３４は
電磁結合層２５の平板３１に対して平行に配置されてお
り、平板３１および底板３４はリング３３の両端面とな
っている。
【００２０】ラジアル導波路２６の一辺の長さＤは使用
電波の波長の３〜３０倍程度に設定されるとともに、ラ
ジアル導波路２６の厚さ（リング３３の高さ）ｄは使用
電波の波長の０．０１〜０．５倍程度に設定される。ラ
ジアル導波路２６の内部は誘電体で満たされる場合もあ
る。図１に示された電力分配器１３は、電磁結合層２５
とラジアル導波路２６とを合わせた給電部に相当する。
【００２１】ラジアル導波路２６の底板３４の中央部に
は、給電プローブ３５が配置されている。この給電プロ
ーブ３５は底板３４を貫通しており、給電プローブ３５
の一端は底板３４の表面（電磁結合層２５側の面）から
使用電波の４分の１波長の長さだけ突き出ており、他端
は底板の裏面（電磁結合層２５側でない面）で同軸コネ
クタ３６に接続されている。同軸コネクタ３６は図１に
示された同軸ケーブル２ａによって、図１に示された電
源部２に接続されている。なお、図２に示されたラジア
ル導波路２６内部の矢印は、給電プローブ３５から励振
された電磁波の進行方向ｋと電界方向Ｅをそれぞれ示し
ている。
【００２２】次に、図２に示されたラジアル導波路２６
の動作を説明する。まず、図１に示された電源部２から
出力された電力は、同軸ケーブル２ａおよび同軸コネク
タ３６を介して、給電プローブ３５に供給される。この
電力によって給電プローブ３５は励振され、給電プロー
ブ３５からラジアル導波路２６の内部（平板３１と底板
３４との間）に電磁波が励振される。
【００２３】図６はラジアル導波路２６の内部を伝搬す
る電磁波を電磁エネルギーとしてみたときの、電磁エネ
ルギーの伝搬を示す模式図である。図６に示されるよう
に、給電プローブ３５から励振された電磁エネルギーｅ
は、ラジアル導波路２６の中央部から外向きに円筒波と
して伝搬する。そして、電磁エネルギーｅは電磁結合層
２５の平板３１に形成された各結合ホール３２に結合す
る。ただし、全ての結合ホール３２に結合しなかった電
磁エネルギーｅは、ラジアル導波路２６のリング３３に
吸収される。リング３３に吸収された電磁エネルギーｅ
は損失となる。
【００２４】前述したように、各結合ホール３２は長方
形をしている。結合ホール３２は、その長辺の長さを変
えることによって、各結合ホール３２に結合する電磁エ
ネルギーｅの量を調節することができる。給電プローブ
３５の近くにある結合ホール３２ほど電磁エネルギーｅ
が結合しやすいので、給電プローブ３５の近くにある結
合ホール３２ほど長辺の長さを短くすることによって、
全ての結合ホール３２に結合する電磁エネルギーｅを均
一にすることができる。また、これによりリング３３に
吸収される電磁エネルギーｅも、極めて少なくすること
ができる。
【００２５】各結合ホール３２に結合した電磁エネルギ
ーｅは、誘電体層２４を介して位相制御層２３の各移相
器１２に結合して、位相を制御される。その後、電磁エ
ネルギーｅは誘電体層２２を介して放射素子層２１の各
放射素子１１から放射される。
【００２６】なお、結合ホール３２の代わりに結合プロ
ーブを用いて、ラジアル導波路２６の内部を伝搬する電
磁エネルギーｅを結合させることもできる。図７は、図
１に示されたアンテナ部１の他の構造を示す断面図であ
る。電磁結合層２５の平板３１には、結合プローブ３７
が配置されている。各結合プローブ３７は平板３１を貫
通しており、各結合プローブ３７の一端は平板３１から
ラジアル導波路２６の内部に突き出ており、他端は位相
制御層２３の各移相器１２に接続されている。各結合プ
ローブ３７は、ラジアル導波路２６の内部に突き出てい
る長さを変えることによって、各結合プローブ３７に結
合する電磁エネルギーｅの量を調節することができる。
なお、図７に示されたアンテナ部１の他の部分は、図２
に示されたアンテナ部１の相当部分と同じであるため、
その説明は省略する。
【００２７】また、図１に示された放射素子１１には、
パッチアンテナだけでなく、例えば導波管スロットアン
テナ、ヘリカルアンテナおよびダイポールアンテナなど
が使用できる。また、図２に示されたアンテナ部１は、
図３に示されるように方形をしているが、方形以外の多
角形および円形のアンテナ部１であってもよい。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電力供給手段から出力された電力によりプローブから電
磁波が励振され、この電磁波は各放射素子に連なる各結
合手段に結合される。これにより、電力供給手段から出
力された電力は各放射素子に分配される。電磁波がラジ
アル導波路の内部の空間を伝搬するときの損失は小さい
ので、電力供給手段から出力された電力を各放射素子に
分配するときの損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるフェーズドアレーアンテナ装置
の構成を示すブロック図である。
【図２】 図１に示されたアンテナ部の構造を示す断面
図である。
【図３】 図１に示されたアンテナ部の構造を示す展開
図である。
【図４】 図３に示された位相制御層に形成された移相
器の構成図である。
【図５】 図３に示された電磁結合層の平面図である。
【図６】 給電用ラジアル導波路の内部を伝搬する電磁
エネルギーの様子を示す模式図である。
【図７】 図１に示されたアンテナ部の他の構造を示す
断面図である。
【符号の説明】
１…アンテナ部、２…電源部、３…制御部、１１…放射
素子、１２…移相器、１３…電源分配器、２１…放射素
子層、２２，２４…誘電体層、２３…位相制御層、２５
…電磁結合層、２６…給電用ラジアル導波路、３１…平
板、３２…結合ホール、３３…リング、３４…底板、３
５…給電プローブ、３７…結合プローブ、ｅ…電磁エネ
ルギー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01Q 3/26 H01Q 2/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の放射素子と、前記放射素子にそれ
    ぞれ所定の位相の信号を供給する複数の移相器と、前記
    複数の移相器に対応した複数の結合ホールとが多層化さ
    れた多層構成のフェーズドアレーアンテナであって、前
    記多層構成の最下層を前記結合ホールが形成された導電
    性を有する平板で構成し、前記平板の下部にラジアル導
    波路を設け、前記ラジアル導波路の底板中央部に設けら
    れた給電プローブから励振された信号が前記ラジアル導
    波路内を伝搬して前記結合ホールと電磁結合して前記移
    相器に供給されることを特徴とするフェーズドアレーア
    ンテナ。
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