JP3844950B2

JP3844950B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP3844950B2
Application number: JP2000271737A
Authority: JP
Inventors: 秀樹山本; 智弘関; 文夫吉良; 俊和堀
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: JP2002084120A

Description

【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明はマイクロ波帯もしくはミリ波帯の無線通信に用いる携帯用無線装置用アンテナに利用する。特に、ビーム走査を行うアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信に用いるアンテナ装置として、アンテナ効率が優れ、低サイドロープ特性が容易に実現できる点で有効であるとして開口面アンテナが用いられている。しかし、ビーム走査を実現する場合には、一次放射器にホーンアンテナ等を用いると機械駆動制御が必要となる。機械駆動の場合には、重量の問題の他にビーム追尾速度に問題がある。
【０００３】
これに対し、マイクロストリップアンテナなどで構成される平面アンテナを用いた方式は、電子的なビーム走査が可能となる。電子的にビーム方向を変化させる方法としては、図５に示すようなフェーズドアレー構成（後藤尚久，”図説アンテナ，”電子情報通信学会，ｐｐ．３１３−３１４，１９９５．）が一般的に用いられている。ここで符号２０ａ〜２０ｄはアンテナ素子、符号２１ａ〜２１ｄは低雑音増幅器、符号２２ａ〜２２ｄは可変移相器であり、符号２３は合成器を示している。
【０００４】
この例では、アンテナ素子により受信された電磁波を電気信号に変換し、変換された電気信号を各アンテナ素子毎に設けられた低雑音増幅器および可変移相器によって信号処理し、合成器にて合成して出力するものである。フェーズドアレー構成による電子追尾アンテナはアンテナ全体を薄型に構成できるので、軽量化が可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ここで用いられている可変移相器は、高価であり、アンテナ素子数が多い場合にはアンテナ装置全体が非常に高価になってしまうという問題点がある。また、素子数が少ない場合でも構成が複雑となり、製造において調整が困難となる問題点がある。また、本アンテナの構成上、アレーの合成、分配を行う給電回路が必要であり、通常マイクロストリップ線路を用いて給電回路を構成している。
【０００６】
しかし、利得を向上させるために、アレー規模を大きくすると給電線路長が長くなり、誘電体損失、放射損失、導体損失などによる損失が大きくなり、アンテナの効率を劣化させることになる。また、このことは周波数が高くなるにつれ大きな問題となる。
【０００７】
すなわち、従来のアンテナ装置では、開口面アンテナを用いるとビーム走査を簡易に行うのは難しく、ビーム追尾速度が低速であるという問題点があり、ビーム走査時に利得変動が大きいという問題がある。また、平面アンテナの場合には、可変移相器によるコスト高という問題があり、特にアレー規模が大きくかつ、周波数が高くなると給電回路における電力損失が大きくなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような背景に行われたものであって、安価かつ簡易な構成で高速ビーム走査を実現し、かつ電力損失が少ない電気特性の優れたアンテナ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のアンテナ装置は、アンテナ素子の給電線路にそれぞれ設けられた切替手段により、簡易に放射素子を選択し、装荷した移相手段によってビーム方向を変えることができる。本発明の移相手段は、遅延線を用いた遅延回路であり、従来の可変移相器と比較すると安価である。また、収容する給電線路の数に応じたインピーダンス整合を行う整合手段により、給電回路における電力損失を低減することができる。したがって、安価かつ簡易な構成の高速ビーム走査を実現し、かつ電力損失が少ない電気特性の優れたアンテナ装置を実現することができる。
【００１０】
すなわち、本発明はアンテナ素子を縦横に配置することにより、二次元方向にビーム方向を変えることができるアレーアンテナ装置であって、Ｍ（Ｍは２以上の整数）個のアンテナ素子が格子状（Ｌ×Ｎ（Ｎ＝Ｍ／ＬＬ，Ｎは２以上の整数でＬ，Ｎ＜Ｍ）に配列されたアレーアンテナであり、それぞれのアンテナ素子に、第一の給電線路と、この第一の給電線路にそれぞれ設けられた第一の遅延線を用いた遅延回路と、前記第一の給電線路にそれぞれ設けられ当該第一の給電線路を接断する第一の切替手段とが接続され、１列のＬ個の給電線路の同時接続に対してインピーダンス整合する第一の整合手段が接続され、前記Ｌ個の第一の給電線路のうち連続するＫ個（Ｋ＜Ｌ）の第一の給電線路がそれぞれ同時に接続されるように前記第一の切替手段を制御し、Ｌ個のアンテナ素子のうちＫ個のアンテナ素子を順次選択する第一の制御手段を備え、前記第一の整合手段にそれぞれ設けられたＮ個の第二の給電線路と、この第二の給電線路にそれぞれ設けられた第二の遅延線を用いたＮ個の遅延回路と、前記第二の給電線路にそれぞれ設けられ当該第二の給電線路を接断するＮ個の第二の切替手段と、Ｎ個の前記第二の給電線路の同時接続に対してインピーダンス整合する第二の整合手段と、前記第二の整合手段にＮ個の給電線路のうち連続するＪ個（Ｊ＜Ｎ）の第二の給電線路が同時に接続されるように前記第二の切替手段を制御し、Ｎ個の第二の給電線路のうちＪ個の第二の給電線路を順次選択する第二の制御手段とを備え、選択されたＫ×Ｊ個のアンテナ素子のビーム方向が整合するようにあらかじめ各アンテナ素子の遅延量が調整されていることを特徴とするアンテナ装置である。
【００１１】
あるいは、本発明のアンテナ装置を多段に接続した構成で、同一ビーム方向の入力を複数の入力端子に同時に入力する際に、隣接した入力端子には入力しないようにすることにより各アンテナ素子間のアイソレーションを高められるため、良好な特性を得ることができる。
【００１２】
すなわち、本発明の別の観点は、Ｍ（Ｍは２以上の整数）個のアンテナ素子が格子状（Ｌ×Ｎ（Ｎ＝Ｍ／ＬＬ，Ｎは２以上の整数でＬ，Ｎ＜Ｍ）に配列されたアレーアンテナであり、それぞれのアンテナ素子に、第三の給電線路と、この第三の給電線路にそれぞれ設けられた第三遅延線を用いた遅延回路とが接続され、Ｌ個の前記第三の給電線路が接続され、このＬ個の前記第三の給電線路の同時接続に対してインピーダンス整合するＮ個の第三の整合手段と、隣接する前記第三の整合手段にそれぞれ共通に設けられた第四の整合手段と、当該隣接する前記第三の整合手段と前記第四の整合手段とを接続する第四の給電線路と、前記第四の給電線路にそれぞれ設けられ当該第四の給電線路を接断する第三の切替手段と、前記第四の給電線路にそれぞれ設けられた第四の遅延線を用いた遅延回路とを備え、前記第四の整合手段は、二個の前記第四の給電線路の同時接続に対してインピーダンス整合する手段を含み、同一ビームの入力を前記第四の整合手段のいずれか二つに同時に入力する手段を備え、この同時に入力する手段は、隣接する前記第四の整合手段を除いた二つ以上離れた前記第四の整合手段に同一ビームを入力する手段を備え、前記第三の切替手段を制御して前記入力する手段が入力を行う前記第四の整合手段とこの第四の整合手段にかかる隣接する前記第三の整合手段とを同時に接続し、Ｎ列のアンテナ素子のうち４×Ｌ個のアンテナ素子が同時に接続されるように順次選択する制御手段を備え、選択されたアンテナ素子のビーム方向が整合するようにあらかじめ各アンテナ素子の遅延量が調整されていることを特徴とするアンテナ装置である。
【００１３】
また、本発明の別の観点は、開口面アンテナと一次放射器から構成されるアンテナ装置であり、本発明の特徴とするところは、前記一次放射器は、本発明のアンテナ装置を備えたところにある。前記開口面アンテナに修正多焦点パラボラ鏡面を備えることもできる。
【００１４】
これにより、広い角度においてビームスキャン時に良好な特性が得られるので、広角にビームスキャンが可能となる。したがって衛星通信もしくは衛星放送受信のための放射パターンを含めた電気特性を良好に取得することができ、従来の可変移相器を用いずに簡略化した構成が可能となり、ビーム走査を簡易構成で実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明実施例および参考例のアンテナ装置を図１ないし図４を参照して説明する。図１は本発明の参考例のアンテナ装置を示す図である。図２は本発明第一実施例のアンテナ装置を示す図である。図３は本発明第二実施例のアンテナ装置を示す図である。図４は本発明第三実施例のアンテナ装置を示す図である。
【００１６】
本発明の参考例は、図１に示すように、Ｍ（Ｍは２以上の整数）個のアンテナ素子２５と、このアンテナ素子２５にそれぞれ設けられた給電線路１１と、この給電線路１１にそれぞれ設けられた移相手段である遅延回路１４と、給電線路１１にそれぞれ設けられ当該給電線路１１を接断する切替手段であるスイッチ回路１２と、Ｎ（Ｎは２以上の整数、Ｎ＜Ｍ）本の給電線路１１の同時接続に対してインピーダンス整合する整合手段である合成器１３とを備え、Ｎ本の給電線路１１が合成器１３に同時に接続されるようにスイッチ回路１２を制御することを特徴とするアンテナ装置である。
【００１７】
本発明第一実施例は、図２に示すように、格子状（Ｌ×Ｎ）に配列されたＭ（Ｍは２以上の整数）個のアンテナ素子２５と、このアンテナ素子２５にそれぞれ設けられた給電線路１１−１と、この給電線路１１−１にそれぞれ設けられた遅延回路１４−１と、給電線路１１−１にそれぞれ設けられ当該給電線路１１−１を接断するスイッチ回路１２−１と、Ｌ（Ｌは２以上の整数、Ｌ＜Ｍ）本の給電線路１１−１の同時接続に対してインピーダンス整合するＭ／Ｌ個の合成器１３−１とを備え、Ｍ／Ｌ個の合成器１３−１にＬ本ずつの給電線路１１−１がそれぞれ同時に接続されるようにスイッチ回路１２−１を制御し、合成器１３−１にそれぞれ設けられた給電線路１１−２と、この給電線路１１−２にそれぞれ設けられた遅延回路１４−２と、給電線路１１−２にそれぞれ設けられ当該給電線路１１−２を接断するスイッチ回路１２−２と、Ｍ／Ｌ本の給電線路１１−２の同時接続に対してインピーダンス整合する合成器１３−２とを備え、合成器１３−２にＭ／Ｌ本の給電線路１１−２が同時に接続されるようにスイッチ回路１２−２を制御することを特徴とするアンテナ装置である。
【００１８】
本発明第二実施例は、図３に示すように、格子状（Ｌ×Ｎ）に配列されたＭ（Ｍは２以上の整数）個のアンテナ素子２５と、このアンテナ素子２５にそれぞれ設けられた給電線路１１−１と、この給電線路１１−１にそれぞれ設けられた遅延回路１１−１と、Ｌ（Ｌは２以上の整数、Ｌ＜Ｍ）本の給電線路１１−１が接続されこのＬ本の給電線路１１−１の同時接続に対してインピーダンス整合するＭ／Ｌ個の合成器１３−１と、隣接する合成器１３−１にそれぞれ共通に設けられた合成器１３−２と、当該隣接する合成器１３−１と合成器１３−２とを接続する給電線路１１−２と、給電線路１１−２にそれぞれ設けられ当該給電線路１１−２を接断するスイッチ回路１２と、給電線路１１−２にそれぞれ設けられた遅延回路１４−２とを備え、合成器１３−２は、二本の給電線路１１−２の同時接続に対してインピーダンス整合し、同一ビームの入力を合成器１３−２のいずれか二つに同時に入力する手段であるビーム選択回路３０を備え、ビーム選択回路３０は、少なくとも隣接する合成器１３−２には、同一ビームの入力を禁止し、ビーム選択回路３０が入力を行う合成器１３−２とこの合成器１３−２に係る隣接する合成器１３−１とが同時に接続されるようにスイッチ回路１２を制御することを特徴とするアンテナ装置である。
【００１９】
本発明第三実施例は、図４に示すように、開口面アンテナ１６と一次放射器としての平面アレーアンテナ１８から構成されるアンテナ装置において、平面アレーアンテナ１８は、本発明第一ないし第二実施例のアンテナ装置を備えたことを特徴とするアンテナ装置である。開口面アンテナ１６に修正多焦点パラボラ鏡面を備える。
【００２０】
以下では、本発明実施例をさらに詳細に説明する。
【００２１】
（参考例）
本発明参考例を図１を参照して説明する。図１（ａ）は参考例の平面アレー構成である。ここで、符号１はサブアレーアンテナ、符号１ａ〜１０ａはサブアレーアンテナの縦の列であり、符号１ｂ〜４ｂはサブアレーアンテナの横の列を示す。図１（ｂ）は参考例の平面アレー構成の給電回路ブロック図である。ここで、符号１１は給電線路、符号１２はダイオードスイッチを用いたスイッチ回路、符号１３は合成器、符号１４は遅延回路、符号２５はアンテナ素子であり、符号２６は入出力ポートを示している。
【００２２】
図１（ａ）に示すサブアレーアンテナ１の内、数個のサブアレーアンテナ１を１つのブロックとして選択する。図１（ａ）は、１つのブロックとして４×４素子のサブアレーアンテナ１を選択した例である。図１（ｂ）は縦４素子の場合を示しているが本構成ではどのような素子数にでも対応可能である。
【００２３】
ビームを走査するときは、１ブロックとして４×４素子のサブアレーアンテナ１を選択する場合に、最初、ブロック２４ａの部分のサブアレーアンテナ１ａ〜４ａ、１ｂ〜４ｂの４×４素子を選択する。
【００２４】
横方向にビームを走査する場合には、ブロック２４ｂ部分のサブアレーアンテナ２ａ〜５ａ、１ｂ〜４ｂを次ぎに選択していく。また各々の列のアンテナ素子２５が図１（ｂ）のように遅延回路１４を具備しているため、各サブアレーアンテナ１の放射パターンは、平面アンテナの中央部方向にビーム方向を傾けて放射される。各給電線路１１が合成器１３において整合をとる場合には、各給電線路１１はアンテナ素子２５と整合をとるため５０Ω線路であるので合成器は１２．５Ωとして設計し、インピーダンス整合を図る。Ｎ個の中から４つのアンテナ素子２５を選択する際にダイオードを用いたスイッチ回路１２を用い、ＯＮ時には導通し、ＯＦＦ時には装備している５０Ω線路にて終端される。
【００２５】
なお、本参考例ではスイッチ回路１２にダイオードスイッチを用いたものを説明しているが、リレースイッチまたは半導体スイッチ等を用いて構成することもできる。
【００２６】
（第一実施例）
本発明第一実施例を図２を参照して説明する。図２（ａ）は第一実施例の平面アレー構成である。（ｂ）は図２の第一実施例の平面アレー構成の給電回路ブロック図である。図１に示した参考例の構成は、一次元方向のみの素子選択であったが、その構成を図２（ｂ）のように２段重ねることにより二次元方向にも素子選択が可能となる。つまり図２（ａ）中においてビームを走査するときは、１ブロックとして４×４素子のサブアレーアンテナ１を選択する場合に、最初、ブロック２４ｃ部分のサブアレーアンテナ１ａ〜４ａ、１ｂ〜４ｂの４×４素子を選択する。
【００２７】
横方向にビ−ムを走査する場合には、ブロック２４ｂ部分のサブアレーアンテナ２ａ〜５ａ、１ｂ〜４ｂを次ぎに選択していく。さらに縦方向にビームを走査する場合には、サブアレーアンテナ２ａ〜５ａ、２ｂ〜５ｂを選択する。
【００２８】
動作としては図１と同様に各々の列のアンテナ素子２５が遅延回路１４−１を具備しているため、各素子の放射パターンは、平面アンテナの中央部方向にビーム方向を傾けて放射される。各給電線路１１−１が合成器１３−１において整合をとる場合には、各給電線路１１−１はアンテナ素子２５と整合をとるため５０Ω線路であるので合成器は１２．５Ωとして設計し、インピーダンス整合を図る。
【００２９】
Ｎ個の中から４素子を選択する際にダイオードスイッチを用いたスイッチ回路１２−１を用い、ＯＮ時には導通し、ＯＦＦ時には装備している５０Ω線路にて終端される。２段目も同様に構成される。
【００３０】
（第二実施例）
本発明第二実施例を図３を参照して説明する。第二実施例では、ビーム選択回路３０にて、ビーム＃１を選択すると入出力ポート（１）および（３）が選択され、ビーム＃２を選択すると入出力ポート（２）および（４）が選択され、ビーム＃３を選択すると入出力ポート（３）および（５）が選択される。このようにして、隣接する入出力ポートを避けて入出力が行われるため、各アンテナ素子２５間のアイソレーションを高めることができる。
【００３１】
（第三実施例）
本発明第三実施例を図４を参照して説明する。符号１６は開口面アンテナ、符号１７は放射ビーム、符号１８は一次放射器としての平面アレーアンテナであり、符号１９は支持台を示す。第三実施例のアンテナ装置は、このように平面アレーアンテナ１８と開口面アンテナ１６とで構成され、使用時には図４（ｂ）のように展開し、携帯時には収納ケースに折りたたみこめる形状になっている。
【００３２】
ビーム走査角度が狭い範囲で使用する場合には、開口面アンテナとして、パラボラアンテナを使用するが、ビーム走査角度をさらに広角にする場合には、多焦点パラボラアンテナを選択し、広角ビーム走査可能なアンテナ装置となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安価かつ簡易な構成で高速ビーム走査を実現し、かつ電力損失が少ない電気特性の優れたアンテナ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明参考例のアンテナ装置を示す図。
【図２】本発明第一実施例のアンテナ装置を示す図。
【図３】本発明第二実施例のアンテナ装置を示す図。
【図４】本発明第三実施例のアンテナ装置を示す図。
【図５】従来技術の一例を示す図。
【符号の説明】
１、１ａ〜１０ａ、１ｂ〜６ｂサブアレーアンテナ
１１、１１−１、１１−２給電線路
１２、１２−１、１２−２スイッチ回路
１３、１３−１、１３−２、２３合成器
１４、１４−１、１４−２遅延回路
１６開口面アンテナ
１７放射ビーム
１８平面アレーアンテナ
１９支持台
２０ａ〜２０ｄ、２５アンテナ素子
２１ａ〜２１ｄ低雑音増幅器
２２ａ〜２２ｄ可変移相器
２４ａ〜２４ｄブロック
２６入出力ポート
２７多焦点アンテナ
３０ビーム選択回路

Claims

Ｍ（Ｍは２以上の整数）個のアンテナ素子が格子状（Ｌ×Ｎ（Ｎ＝Ｍ／ＬＬ，Ｎは２以上の整数でＬ，Ｎ＜Ｍ）に配列されたアレーアンテナであり、
それぞれのアンテナ素子に、
第一の給電線路と、
この第一の給電線路にそれぞれ設けられた第一の遅延線を用いた遅延回路と、
前記第一の給電線路にそれぞれ設けられ当該第一の給電線路を接断する第一の切替手段と
が接続され、
１列のＬ個の給電線路の同時接続に対してインピーダンス整合する第一の整合手段が接続され、
前記Ｌ個の第一の給電線路のうち連続するＫ個（Ｋ＜Ｌ）の第一の給電線路がそれぞれ同時に接続されるように前記第一の切替手段を制御し、Ｌ個のアンテナ素子のうちＫ個のアンテナ素子を順次選択する第一の制御手段を備え、
前記第一の整合手段にそれぞれ設けられたＮ個の第二の給電線路と、
この第二の給電線路にそれぞれ設けられた第二の遅延線を用いたＮ個の遅延回路と、
前記第二の給電線路にそれぞれ設けられ当該第二の給電線路を接断するＮ個の第二の切替手段と、
Ｎ個の前記第二の給電線路の同時接続に対してインピーダンス整合する第二の整合手段と、
前記第二の整合手段にＮ個の給電線路のうち連続するＪ個（Ｊ＜Ｎ）の第二の給電線路が同時に接続されるように前記第二の切替手段を制御し、Ｎ個の第二の給電線路のうちＪ個の第二の給電線路を順次選択する第二の制御手段と
を備え、
選択されたＫ×Ｊ個のアンテナ素子のビーム方向が整合するようにあらかじめ各アンテナ素子の遅延量が調整されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
Ｍ（Ｍは２以上の整数）個のアンテナ素子が格子状（Ｌ×Ｎ（Ｎ＝Ｍ／ＬＬ，Ｎは２以上の整数でＬ，Ｎ＜Ｍ）に配列されたアレーアンテナであり、
それぞれのアンテナ素子に、
第三の給電線路と、
この第三の給電線路にそれぞれ設けられた第三遅延線を用いた遅延回路と
が接続され、
Ｌ個の前記第三の給電線路が接続され、このＬ個の前記第三の給電線路の同時接続に対してインピーダンス整合するＮ個の第三の整合手段と、
隣接する前記第三の整合手段にそれぞれ共通に設けられた第四の整合手段と、
当該隣接する前記第三の整合手段と前記第四の整合手段とを接続する第四の給電線路と、
前記第四の給電線路にそれぞれ設けられ当該第四の給電線路を接断する第三の切替手段と、
前記第四の給電線路にそれぞれ設けられた第四の遅延線を用いた遅延回路と
を備え、
前記第四の整合手段は、二個の前記第四の給電線路の同時接続に対してインピーダンス整合する手段を含み、
同一ビームの入力を前記第四の整合手段のいずれか二つに同時に入力する手段を備え、
この同時に入力する手段は、隣接する前記第四の整合手段を除いた二つ以上離れた前記第四の整合手段に同一ビームを入力する手段を備え、
前記第三の切替手段を制御して前記入力する手段が入力を行う前記第四の整合手段とこの第四の整合手段にかかる隣接する前記第三の整合手段とを同時に接続し、Ｎ列のアンテナ素子のうち４×Ｌ個のアンテナ素子が同時に接続されるように順次選択する制御手段を備え、
選択されたアンテナ素子のビーム方向が整合するようにあらかじめ各アンテナ素子の遅延量が調整されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
開口面アンテナと一次放射器から構成されるアンテナ装置において、
前記一次放射器は、請求項１または２記載のアンテナ装置を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
前記開口面アンテナに修正多焦点パラボラ鏡面を備えた請求項３記載のアンテナ装置。