JP3858873B2

JP3858873B2 - アンテナ装置、無線装置およびレーダ

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Publication number: JP3858873B2
Application number: JP2003291715A
Authority: JP
Inventors: 知重古樋; 容平石川
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2023-08-11
Also published as: US7253781B2; WO2004051803A1; US20060044199A1; JP2004201274A; AU2003266553A1

Description

この発明は、指向性を電子的に制御できるようにしたアンテナ装置、それを備えた無線装置およびレーダに関するものである。

従来、例えばミリ波帯の電磁波を用いて物標の探知を行うミリ波レーダのアンテナ装置として特許文献１が開示されている。この特許文献１に示されているアンテナ装置は、誘電体線路および誘電体線路スイッチを用いて複数の１次放射器を時分割的に切り替えて、有効な１次放射器の位置を誘電体レンズの焦点面内で移動させるようにして、送受波ビームの走査を行うようにしたものである。
特開平１１−１２７００１号公報

特許文献１に示されているアンテナ装置は、比較的単純な構造で単純な動作によってビーム走査を行うことができる利点を備えている。しかし、この特許文献１に示されているアンテナ装置では、１次放射器の位置を機械的に変位させてビームの走査を行うようにしたものであるので、ビーム走査の速度をある程度以上に速くすることが困難であること、ビーム走査に要する消費電力が比較的大きいこと、ビーム走査時に作動音が生じることといった問題が挙げられる。さらに、１次放射器の位置を機械的に変位させる構造上、摺動部の磨耗による寿命があったり、他の電子的な構成要素に比べて故障率が大きいことが予想される。

また、複数の１次放射器の位置の変位が常に同じパターンで行われるため、必要な時点で所望の方位へビームを向けたりビーム方位をランダム走査するといったことは不可能であった。

また、レンズに対する１次放射器の相対位置関係を変位させるだけであるので、必要に応じてビームの放射パターンを変更するようなことは不可能であった。

この発明の目的は、上述した従来の課題を解消して、ビーム走査を高速化でき、ビーム走査に要する消費電力を節減でき、ビーム走査に伴う作動音をなくし、さらに故障率を低下させることができ、必要な時点でビーム方位を任意の方位へ向けられるアンテナ装置を提供することにある。

また、この発明の他の目的は、上述した従来の課題を解消して、必要に応じてビームの放射パターンを変更できるようにしたアンテナ装置を提供することにある。

この発明のアンテナ装置は、所定周波数で共振する複数の共振素子を平面上に配列するとともに、該共振素子のそれぞれに接続され、印加電圧によってリアクタンスが変化する可変リアクタンス回路を設けた共振素子アレイと、可変リアクタンス回路に対して印加する電圧を制御する制御部と、前記共振素子アレイに対して励振用の電磁波を放射する、または前記共振素子から放射された電磁波を受ける、それぞれ位置が異なる複数の１次放射器と、共振素子アレイを略焦点面とする位置に配置したレンズまたはレフレクタによるコリメート手段とを備えたことを特徴としている。

このように、レンズやレフレクタによるコリメート手段の略焦点面に存在する複数の共振素子のうち任意の共振素子を励振させることによって、高い自由度の下でアンテナの指向性を電子的に制御できるようになる。また、複数の共振素子のうち複数の任意の共振素子を同時に励振させることによって、必要に応じてビームの放射パターンを変更できるようになる。
また、共振素子アレイに設ける複数の共振素子の分布が広くなっても、励振すべき共振素子に近い１次放射器を用いて、その共振素子を励振させることができる。また、所定の共振素子から放射された電磁波をそれに近い位置の１次放射器で受けることができる。

また、この発明のアンテナ装置は、所定周波数で共振する複数の共振素子を平面上に配列するとともに、該共振素子のそれぞれに接続され、印加電圧によってリアクタンスが変化する可変リアクタンス回路を設けた共振素子アレイと、前記可変リアクタンス回路に対して印加する電圧を制御する制御部と、開口空洞共振器と該開口空洞共振器を励振させる励振源とで構成した、前記共振素子アレイに対して励振用の電磁波を放射する、または前記共振素子から放射された電磁波を受ける１次放射器と、前記共振素子アレイの位置が略焦点面となるように配置したレンズまたはレフレクタによるコリメート手段とを備える。
このように、レンズやレフレクタによるコリメート手段の略焦点面に存在する複数の共振素子のうち任意の共振素子を励振させることによって、高い自由度の下でアンテナの指向性を電子的に制御できるようになる。また、複数の共振素子のうち複数の任意の共振素子を同時に励振させることによって、必要に応じてビームの放射パターンを変更できるようになる。また、空洞共振器の開口部に前記共振素子アレイを配置するだけで、共振素子アレイの各共振素子と励振源との空間的な結合が容易となる。
また、この発明のアンテナ装置は、前記制御部が前記可変リアクタンス回路に対する印加電圧の制御によって、配列された複数の共振素子のうち所定位置または所定位置付近の共振素子を導波器として作用させるとともに、該導波器として作用させる共振素子の位置を切り替えるようにしたことを特徴としている。
このように、共振素子アレイの複数の共振素子は、それらに接続された可変リアクタンス回路に対する印加電圧の制御によって所定の共振素子の共振周波数を制御する。これらの複数の共振素子のうち、１次放射器から放射された電磁波の周波数に共振する共振素子は導波器として作用し、その導波器としての共振素子から再放射された電磁波がコリメート手段によってコリメートされ、その共振素子とコリメート手段の位置関係により定まる方向にビームを形成する。アンテナの可逆定理により、このアンテナ装置が受信アンテナとして作用する時も同様である。
したがって、前記可変リアクタンス回路に対する印加電圧の制御によってビームの指向方向を電子的に制御することが可能となる。

また、この発明のアンテナ装置は、前記複数の共振素子を、その配列方向に対して略垂直で且つ互いに平行な向きにのびる線状導体で構成する。これにより、誘電体基板上に共振素子アレイを容易に構成できるようになる。

また、この発明のアンテナ装置は、前記複数の共振素子を、その配列方向に対して略４５度に傾いて且つ互いに平行な向きにのびる線状導体で構成する。これにより、同様構成の他アンテナ装置から送信された電波を正面方向から受けた際に、その偏波面が自アンテナ装置の偏波面に対して直交する関係となるので、交差偏波の影響を軽減できる。

また、この発明のアンテナ装置は、前記可変リアクタンス回路に、共振素子に対する装荷リアクタンスを変化させる可変容量ダイオードを設け、制御部が可変容量ダイオードに対して逆バイアス電圧を印加するように構成する。

また、この発明のアンテナ装置は、前記可変リアクタンス回路に、共振素子に対する装荷リアクタンスを切り替えるスイッチ素子を設け、制御部がスイッチ素子に対して制御電圧を印加するように構成する。

また、この発明のアンテナ装置は、前記可変リアクタンス回路に、制御電圧によって電極間距離が変化するＭＥＭＳ素子を設け、制御部がＭＥＭＳ素子に対して制御電圧を印加するようにように構成する。

また、この発明のアンテナ装置は、前記スイッチ素子を、制御電圧によって電極間のスイッチ制御を行うＭＥＭＳ素子とする。

また、この発明のアンテナ装置は、前記１次放射器を、給電素子を中心に備え、リアクタンスを装荷した無給電素子を前記給電素子の周囲に配置してなる電子制御導波器アレーアンテナで構成する。これにより、共振素子アレイ方向に形成する電磁波の放射パターンを制御可能とする。

また、この発明の無線装置は、上記のいずれかの構成によるアンテナ装置を備える。

さらに、この発明のレーダは、上記のいずれかの構成によるアンテナ装置を備える。

この発明によれば、レンズやレフレクタによるコリメート手段の略焦点面に存在する複数の共振素子のうち任意の共振素子を励振させることによって、高い自由度の下でアンテナの指向性を電子的に制御できるようになる。また、複数の共振素子のうち複数の任意の共振素子を同時に励振させることによって、必要に応じてビームの放射パターンを変更できるようになる。
また、１次放射器を、共振素子アレイに対する放射位置または共振素子から放射された電磁波を受ける位置に応じて複数個備えたことにより、共振素子アレイに設ける複数の共振素子の分布が広くなっても、励振すべき共振素子に近い１次放射器を用いて、その共振素子を励振させることができる。また、所定の共振素子から放射された電磁波をそれに近い位置の１次放射器で受けることができ、広範囲に亘って均等な感度を得ることができる。
また、この発明によれば、レンズやレフレクタによるコリメート手段の略焦点面に存在する複数の共振素子のうち任意の共振素子を励振させることによって、高い自由度の下でアンテナの指向性を電子的に制御できるようになる。また、複数の共振素子のうち複数の任意の共振素子を同時に励振させることによって、必要に応じてビームの放射パターンを変更できるようになる。
また、１次放射器を開口空洞共振器と該開口空洞共振器を励振させる励振源とで構成することにより、空洞共振器の開口部に共振素子アレイを配置するだけで、共振素子アレイの各共振素子と励振源との空間的な結合が容易となる。
また、この発明によれば、可変リアクタンス回路に対する印加電圧の制御によって、配列された複数の共振素子のうち導波器として作用させる共振素子の位置を切り替えるようにしたのでビームの指向方向を電子的に制御することが可能となり、必要な時点で所望の方位へビームを向けたりビーム方位をランダムに走査することも可能となる。

また、この発明によれば、複数の共振素子を、その配列方向に対して略垂直で且つ互いに平行な向きにのびる線状導体で構成することにより、誘電体基板上に共振素子アレイを容易に構成できるようになる。

また、この発明によれば、複数の共振素子を、その配列方向に対して略４５度に傾いて且つ互いに平行な向きにのびる線状導体で構成することにより、同様構成の他アンテナ装置から送信された電波を正面方向から受けた際に、その偏波面が自アンテナ装置の偏波面に対して直交する関係となって、交差偏波の影響を軽減できる。

また、この発明によれば、可変リアクタンス回路に、共振素子に対する装荷リアクタンスを変化させる可変容量ダイオードを設け、制御部が可変容量ダイオードに対して逆バイアス電圧を印加するように構成することにより、比較的広い周波数範囲に亘って共振素子の共振周波数を変化させることができ、例えば使用周波数帯の切り替えなども容易となる。

また、この発明によれば、可変リアクタンス回路に、共振素子に対する装荷リアクタンスを切り替えるスイッチ素子を設け、制御部がスイッチ素子に対して制御電圧を印加するように構成することにより、共振素子の共振／非共振状態、または導波器／反射器状態という２状態の切り替えを容易に行えるようになる。

また、この発明によれば、可変リアクタンス回路に、制御電圧によって電極間距離が変化するＭＥＭＳ素子を設け、制御部がＭＥＭＳ素子に対して制御電圧を印加する構成とすることにより、小型化でき、また可変リアクタンス回路を共振素子アレイとともにモノリシック化でき、さらにミリ波領域やサブミリ波領域への応用も容易となる。

また、この発明によれば、スイッチ素子を、制御電圧によって電極間のスイッチ制御を行うＭＥＭＳ素子とすることにより、小型化でき、また可変リアクタンス回路を共振素子アレイとともにモノリシック化でき、さらにミリ波領域やサブミリ波領域への応用も容易となる。

また、この発明によれば、１次放射器を、給電素子を中心に備え、リアクタンスを装荷した無給電素子を給電素子周囲に配置してなる電子制御導波器アレーアンテナで構成することにより、共振素子アレイ方向に形成する電磁波の放射パターンが制御可能となり、例えば共振素子アレイに設けた複数の共振素子の形成範囲が比較的広くても、走査範囲の両側付近で感度が低下するという問題が解消できる。

また、この発明の無線装置によれば、上記のいずれかの構成によるアンテナ装置を備えるので、低消費電力で所望の方位へ速やかにアンテナを指向させて、無線通信が可能となる。

さらに、この発明のレーダによれば、上記のいずれかの構成によるアンテナ装置を備えるので、高速なビーム走査で広範囲に亘って物標の探知を行うことができる。

まず、本発明の理解のためにこの種のアンテナ装置の基本的な構成を説明する。なお、次に説明する第１の実施形態と第２の実施形態は本発明の理解のためのものであり、本発明は第３の実施形態以降を請求の対象とする。
第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を図１〜図４を参照して説明する。
図１は、アンテナ装置の全体の構成を示す図である。ここで、１はホーンアンテナによる１次放射器、２００は共振素子アレイである。この共振素子アレイ２００には後述するように複数の共振素子をアレイ状に設けている。このアンテナ装置を送信アンテナとして用いる際、１次放射器１は共振素子アレイ２００に対して励振用の電磁波を放射する。
１次放射器１は例えばＴＥ１０モードの直線偏波の電磁波を放射する。図１の（Ｂ）は、１次放射器１の放射パターンを示している。このように、１次放射器１は共振素子アレイ２００方向に指向性を持っているが、共振素子アレイ２００に設けた複数の共振素子に対して略均等な電力を与える。

共振素子アレイ２００に設けている複数の共振素子のうち、所定の共振素子は、１次放射器１から放射された電磁波の周波数に共振して導波器として作用する。
図１の（Ａ）において、３は共振素子アレイ２００を焦点面とする誘電体からなるレンズである。共振素子アレイ２００に構成している複数の共振素子はレンズ３の焦点面に存在するため、複数の共振素子のうち共振状態にある（すなわち導波器として作用する）共振素子の位置に応じてビームの方位が定まる。

図２は、上記共振素子アレイの構成および作用を示す図である。図２の（Ａ）は、図１の（Ａ）に示したレンズ３側から見た平面図である。この共振素子アレイ２００は、誘電体基板２０３の一方の面に形成した、それぞれ線状導体からなる複数の共振素子２０１を互いに平行に配列してなる。これらの線状導体は１次放射器から放射されるＴＥ１０モードの偏波方向に平行となるように配置している。

また、１本の共振素子２０１の略中央部には可変リアクタンス回路２０２を設けている。制御部４はこれら共振素子２０１ａ〜２０１ｋの各可変リアクタンス回路２０２に対して制御信号線９を介して選択的に制御電圧を与える。例えば、共振素子２０１ｆを使用周波数で完全な共振状態または略共振状態とし、その他の共振素子２０１ａ〜２０１ｅ，２０１ｇ〜２０１ｋを非共振状態とすれば、共振素子２０１ｆが導波器として作用する。同様に、例えば共振素子２０１ｄを完全な共振状態または略共振状態とし、残る共振素子２０１ａ〜２０１ｃ，２０１ｅ〜２０１ｋを非共振状態とすれば、共振素子２０１ｄが導波器として作用する。

このことによって、上記完全な共振状態または略共振状態の共振素子は、１次放射器から放射された電磁波で励振されて電磁波を再放射する。すなわち、その共振素子がレンズ３にとってちょうど１次放射器のように作用する。

なお、非共振状態とする共振素子の共振周波数を使用周波数より所定比率だけ低く定めて、その共振素子を使用周波数で反射器として作用させてもよい。

図２の（Ｂ）は、共振素子２０１ｄが導波器として作用している状態を示している。このように、１次放射器１によって励振された共振素子２０１ｄから電磁波が再放射され、これが図１に示したレンズ３によってコリメートされることになる。

図３は、共振素子アレイ２００に設けた複数の共振素子のうち、導波器として作用する共振素子の位置に応じて変化するビームの方位の例を示している。この例では、共振素子２０１ｆが１次放射器からの電磁波によって励振され導波器として作用する時、光路５ｆで示す方向、すなわち正面方向にビームを形成する。また、共振素子２０１ｄが１次放射器からの電磁波によって励振され導波器として作用する時、光路５ｄで示す方向、すなわち正面に対してθ分チルトした方向にビームを形成する。

上記導波器として作用する共振素子の位置は電子的に定めることができるため、必要な時点で所望の方位へビームを向けたりビーム方位をランダムに走査することが可能となる。
また、導波器として作用させる共振素子の数は単一に限らず、配列された複数の共振素子のうち連続する２つまたは３つ以上の共振素子を導波器として作用させ、残りの共振素子を反射器として作用させるようにしてもよい。このことによって、ビームの放射パターンの幅を広げることができる。

また、複数の共振素子を導波器として作用させる場合に、連続する位置の共振素子ではなく、必要に応じて、例えば飛び飛びの位置関係にある共振素子を導波器として作用させてもよい。これにより、コリメートされた後のビームの放射パターンを種々に変更することができる。

図４は、図２の（Ａ）に示した可変リアクタンス回路部分のより具体的な例を示す図である。この例では、可変リアクタンス回路２０２として、バラクタダイオードＤｖ，抵抗Ｒ，コンデンサＣからなる回路を対称形に２組設けるとともに、２つのバラクタダイオードＤｖのカソード側を共振素子２０１のそれぞれの端部に接続し、アノード側を接地している。ここで、抵抗ＲおよびコンデンサＣは制御部４への高周波信号の漏れを阻止するフィルタ回路として作用する。

このような構成により、線状導体からなる共振素子２０１の端部と接地との間にバラクタダイオードＤｖを装荷した容量装荷型アンテナとしての形態をもつ。このバラクタダイオードＤｖのアノード−カソード間に生じる容量は、制御部４から印加される制御電圧によって変化する。したがって、制御部４から印加される制御電圧に応じて共振素子２０１の装荷容量の容量値が変化する。すなわち共振素子２０１の等価的な電気長が変化する。例えば、バラクタダイオードＤｖに対する逆バイアス電圧が大きくなる程（バイアスが深くなる程）、バラクタダイオードＤｖの容量値が小さくなり、共振素子２０１の共振周波数が上昇する。逆に、バラクタダイオードＤｖに対する逆バイアス電圧が小さくなる程（バイアスが浅くなる程）、バラクタダイオードＤｖの容量値が大きくなり、共振素子２０１の共振周波数が低下する。
このように、制御部４から与える制御電圧によって共振素子の共振周波数を制御することができる。

なお、図４に示した例では、可変リアクタンス回路にバラクタダイオードを用いたが、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子を用いて、その駆動電圧を印加することによって電極間距離を制御し、結果的にリアクタンスを変化させるようにしてもよい。

以上のようにして、比較的低い利得しか持たない１次放射器を用いているにもかかわらず、共振素子アレイにおいて導波器として作用する共振素子の位置を電子的に定め、且つ焦点面を共振素子アレイ位置にもつレンズにより、共振素子から放射される電磁波をコリメートすることにより、高利得なビームを形成し、且つ放射方位を変化させることができるようにしたので、従来の電子制御アンテナとして構成されているフェーズドアレイアンテナと異なり、高周波回路部が１系統ですむ。すなわち、基本的に単一の１次放射器を用いるだけであるので、フェーズドアレーアンテナに比べても、安価・小型・低消費電力化が図れる。
なお、図１に示した例では、誘電体レンズとして通常の凸レンズを用いたが、フレネルレンズを用いることにより、軽量化および小型化を図ってもよい。

次に、第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成を図５に示す。第１の実施形態で図４に示したアンテナ装置と異なり、この例では、可変リアクタンス回路２０２に、制御電圧の印加によって共振素子２０１に対する装荷容量を２通りに切り替えるスイッチ回路２０４を設けている。図５の（Ａ）はその概略図、（Ｂ）は具体的な回路図である。

可変リアクタンス回路２０２は、コンデンサＣ１とスイッチ回路２０４とからなり、スイッチ回路２０４にはダイオードＤ１をスイッチ素子として設けている。制御電圧を印加しなければ、またはダイオードＤ１が逆バイアスとなる電圧を印加すれば、ダイオードＤ１はオフ状態となり、共振素子２０１にコンデンサＣ１のみが装荷された状態となる。制御電圧として正の所定電圧を印加すると、ダイオードＤ１がオンして共振素子２０１に対してコンデンサＣ１，Ｃ２が並列に装荷されることになる。したがって、制御電圧の切り替えによって装荷容量が変化し、共振素子２０１の共振周波数が２通りに切り替わることになる。なお、インダクタＬ１とコンデンサＣ３は、制御部への高周波信号の漏れを阻止するフィルタ回路として作用する。

上記制御電圧の切り替えにより、共振素子２０１が導波器としてまたは反射器として作用するように、共振素子２０１の物理的な長さと、コンデンサＣ１，Ｃ２の容量値を設定しておく。

このようなリアクタンス回路２０２の構成により、制御電圧の単純な切り替えによって、所定の１つまたはいくつかの共振素子２０１を導波器として作用させ、残りの共振素子を反射器として作用させることが容易に行える。

図５に示した例では、スイッチ素子としてダイオードＤ１を用いたが、ＭＥＭＳ(MicroElectro Mechanical Systems)素子を用いて、その駆動電圧を印加することによって電極間をオン／オフ制御するようにしてもよい。

次に、第３の実施形態に係るアンテナ装置の構成を図６に示す。第１の実施形態で図１に示したアンテナ装置と異なり、この例では、１次放射器として３つの１次放射器１ａ，１ｂ，１ｃを設けている。これは、共振素子アレイ２００に設けた複数の共振素子の形成範囲が比較的広くて、単一の１次放射器を用いた場合に１次放射器の中心軸から離れた共振素子に対する供給電力が低下する問題を解消するものである。すなわち、共振素子アレイ２００に設けた複数の共振素子のうち、中央略１／３の区間は中央の１次放射器１ｂが担当し、図における上方略１／３の区画に設けた共振素子については１次放射器１ａが担当し、同様に図における下方略１／３の区画に設けた共振素子については１次放射器１ｃが担当する。これにより、すべての共振素子に対して、より均等な電力を放射できるようになる。

次に、第４の実施形態に係るアンテナ装置の構成を図７に示す。ここで、６はレンズ３方向に開口した開口空洞共振器である。その内部には励振素子７を配置している。開口空洞共振器６の開口部には、図２に示したものと同様の共振素子アレイ２００を配置している。この開口空洞共振器６はＴＥ１０モードで共振し、その偏波面が共振素子アレイ２００に設けた共振素子の長手方向（線状導体の延びる方向）と平行となるように配置している。したがって、励振素子７の励振によって開口空洞共振器６の開口面で共振素子アレイ２００の各共振素子に電磁界が与えられる。この時、第１・第２の実施形態の場合と同様に、共振状態にある共振素子が導波器として電磁波を再放射する。したがって、第１・第２の実施形態の場合と同様に、導波器として作用する共振装置の位置を切り替えることによって、レンズ３によってコリメートされるビームの方位が制御できる。

次に、第５の実施形態に係るアンテナ装置の構成を図８に示す。第１〜第４の実施形態では、コリメート手段としてレンズ３を用いたが、この図８に示す例ではコリメート手段としてレフレクタ８を用いている。すなわち、共振素子アレイ２００の所定の共振素子から放射された電磁波を反射する位置にオフセットパラボラ反射鏡であるレフレクタ８を配置している。共振素子アレイ２００に設けた共振素子２０１ｆが１次放射器からの電磁波によって励振され導波器として作用する時、光路５ｆで示す方向にビームを形成する。また、共振素子２０１ｄが１次放射器からの電磁波によって励振され導波器として作用する時、光路５ｄで示す方向にビームを形成する。このようにして、制御部の印加電圧制御によってビームの方位を電子的にチルトさせることができる。

次に、第６の実施形態に係るアンテナ装置の主要部の構成を図９に示す。図９は、共振素子アレイの正面図である。この例では、それぞれ線状導体である複数の共振素子２０１を互いに平行に、且つ配列方向に対して略４５度に傾けて誘電体基板２０３上に配列している。各共振素子２０１にリアクタンス回路２０２を接続している構成は図２に示したものと同様である。

このように、複数の共振素子２０１を、その配列方向に対して略４５度に傾けて配列したことにより、水平面に対して偏波面が略４５度に傾いた直線偏波の電磁波が送信されることになる。そのため、同様構成のアンテナ装置を用いたミリ波レーダからの送信電波を正面方向から受ける際に、その偏波面がこのアンテナ装置の偏波面に対して直交する関係（交差偏波の関係）となる。したがって、この構成により、ミリ波レーダへ応用した場合の他装置間の干渉の問題が軽減できる。

次に、第７の実施形態に係るアンテナ装置の主要部の構成を図１０に示す。図１０において、２００は共振素子アレイであり、その構成は図２に示したものと同様である。１は電子制御導波器アレーアンテナによる１次放射器である。すなわち、給電素子１１を中心に備え、リアクタンスを装荷した複数の無給電素子１２ａ〜１２ｆを前記給電素子の周囲に配置している。無給電素子１２ａ〜１２ｆは中央部に可変リアクタンス回路を備えた共振素子であり、その可変リアクタンス回路のリアクタンスが装荷されたアンテナを構成している。これらの可変リアクタンス回路の構成は図４・図５に示したものと同様である。したがって、リアクタンスの値に応じて等価的な電気長が変化し、導波器としてまたは反射器として選択的に作用する。

給電素子１１は放射器として作用し、この給電素子１１と無給電素子１２ａ〜１２ｆとによって、放射パターンが様々に変化する。ここでは、共振素子アレイ２００方向への放射パターンを変化させる。例えば、共振素子アレイ２００上の導波器として作用させるべき共振素子の方向に放射パターンの中心が向くように、無給電素子１２ａ〜１２ｆの可変リアクタンス回路への制御電圧を制御する。

このことによって、共振素子アレイに設ける複数の共振素子の分布が広くなっても、共振素子アレイ上の各共振素子に対して等しく電力供給を行うことができ、また、所定の共振素子から放射された電磁波を均等な感度で１次放射器が受けることができ、広範囲に亘って均等な感度を得ることができる。

なお、以上に示した各実施形態では、所定の共振素子の共振周波数を制御するために印加電圧によってリアクタンスが変化する可変リアクタンス回路を設けたが、印加電圧の変化以外の制御によって共振素子の等価的な電気長を変化させるように制御回路を設けてもよい。

次に第８の実施形態に係るアンテナ装置の構成を図１１，図１２を参照して説明する。

図２に示した例では、誘電体基板２０３に対して複数の共振素子２０１を形成するとともに、各共振素子２０１の略中央部に可変リアクタンス回路２０２を設けたが、この図１１に示す例では、共振素子２０１の両端に可変リアクタンス回路２０２を設け、さらにその外側に補助素子２０５をそれぞれ形成している。その他の構成は図２に示したものと同様である。制御部４は、複数の可変リアクタンス回路２０２に対して、制御信号線９を介して選択的に制御電圧を与える。例えば、ある１つの共振素子２０１を使用周波数で完全な共振状態または略共振状態とし、その他の共振素子を非共振状態とすれば、共振状態または略共振状態の共振素子が導波器として作用する。

図１２は、図１１に示した可変リアクタンス回路２０２部分の具体的な例を示す図である。この例では、可変リアクタンス回路２０２として、コンデンサＣとそれに並列接続したスイッチ回路２０４とから構成している。スイッチ回路２０４は制御信号線９からの制御電圧の印加によってオン／オフするＭＥＭＳ素子である。

スイッチ回路２０４がオフ状態のとき、共振素子２０１の端部にコンデンサＣを介して補助素子２０５が接続された状態となる。また、スイッチ回路２０４がオン状態のとき、共振素子２０１の端部に所定電気長の補助素子２０５が接続された状態となる。このようにスイッチ回路２０４のオン／オフによって、共振素子の等価的な素子長が切り替わる。その際、共振素子２０１の両端に補助素子２０５を接続することになるので、共振素子の対称性を保つことができる。

図１３は、第９の実施形態に係るアンテナ装置の主要部である共振素子アレイ２００の正面図である。この共振素子アレイ２００は、図１１に示した共振素子２０１、リアクタンス回路２０２および補助素子２０５からなる素子アンテナを互いに平行に、且つ配列方向に対して略４５度に傾けて誘電体基板２０３上に配列したものである。

このようにして、図９に示したアンテナ装置の場合と同様に、水平面に対して偏波面が略４５°に傾いた直線偏波の電磁波を送受信することができる。

次に、第１０の実施形態に係る無線装置について図１４を参照して説明する。図１４において、ＣＰＵ１１は送信信号をディジタルコード列として出力する。ＤＡコンバータ１２はそれをアナログ信号に変換する。ローパスフィルタ１３は不要な高域の信号を減衰させる。ミキサ１４はＲＦ発振器１５の発振信号とローパスフィルタ１３からの出力信号とをミキシングする。バンドパスフィルタ１６はミキサ１４の出力信号のうち所定の周波数帯域のみを通過させ、ハイパワーアンプ１７はそれを電力増幅し、サーキュレータ１８を介してアンテナ１９から無線送信する。アンテナ１９で受けた受信信号はサーキュレータ１８を介してローノイズアンプ２０へ入力される。ローノイズアンプ２０はその受信信号を増幅し、バンドパスフィルタ２１はローノイズアンプ２０の出力信号のうち不要な周波数信号を減衰させる。ミキサ２２は、ＲＦ発振器１５の発振信号とバンドパスフィルタ２１の出力信号とをミキシングする。ローパスフィルタ２３はミキサ２２の出力信号のうち不要な高域の周波数成分を減衰させる。ＡＤコンバータ２４はその信号をディジタルデータ列に変換する。ＣＰＵ１１はそのデータ列を順に処理する。また、ＣＰＵ１１はビーム方位制御装置２５を制御してアンテナ１９の指向方向（指向性パターンの中心）が所定方位を向くように制御する。このビーム方位制御装置２５は既に説明した各実施形態における制御部４に相当し、共振素子アレイ２００の所定の共振素子を励振させることによって、または所定のリアクタンス回路のリアクタンスを制御することによって、アンテナの指向性を制御する。

次に、第１１の実施形態に係るレーダについて図１５を参照して説明する。
図１５はレーダの全体の構成を示すブロック図である。ここでＶＣＯ３１は、ＤＡコンバータ４８から出力される制御電圧に応じて発振周波数を変化させる。送信波変調部４７は、ＤＡコンバータ４８に対して変調信号のデジタルデータを順次出力する。これにより、ＶＣＯ３１の発振周波数を三角波状に連続してＦＭ変調させる。

アイソレータ３２は、ＶＣＯ３１からの発振信号をカプラ３３側へ伝送し、ＶＣＯ３１へ反射信号が入射するのを阻止する。カプラ３３は、アイソレータ３２を経由した信号をサーキュレータ３４側へ伝送するとともに、所定の分配比で送信信号の一部をローカル信号Ｌｏとしてミキサ３６へ与える。サーキュレータ３４は、送信信号をアンテナ３５側へ伝送し、また、アンテナ３５からの受信信号をミキサ３６へ与える。アンテナ３５は、ＶＣＯ３１の連続波を三角波状にＦＭ変調した送信信号を送信し、物標からの反射信号を受信する。また、そのビームの方向を探知角度範囲に亘って周期的に変化させる。

ミキサー３６は、カプラ３３からのローカル信号Ｌｏとサーキュレータ３４からの受信信号とをミキシングして中間周波信号ＩＦを出力する。ＩＦ増幅回路３７は、その中間周波信号を、距離に応じた所定の増幅度で増幅する。ＡＤコンバータ３８は、その電圧信号をサンプリングデータ列に変換する。ＤＣ除去部３９はＡＤコンバータ３８により求められたサンプリングデータ列のうち、後段のＦＦＴの処理対象となる所定のサンプリング区間の平均値を直流成分として求め、すべてのサンプリング区間のそれぞれのデータから直流成分を減じる。

ＦＦＴ演算部４０は、直流成分の除去された上記サンプリング区間のデータについて周波数成分を分析する。ピーク検出部４１は、予め定めた閾値を超えるレベルの周波数成分につき、その極大位置を検出する。

距離・速度算出部４２は、送信信号の周波数が次第に上昇する上り変調区間におけるビート信号（アップビート信号）の周波数と、送信信号の周波数が次第に下降する下り変調区間におけるビート信号（ダウンビート信号）の周波数とに基づいて、アンテナから物標までの距離および相対速度を算出し、これらを表示器４４へ出力する。

ＤＣ除去部３９、ＦＦＴ演算部４０、ピーク検出部４１、距離・速度算出部４２は、ＤＳＰ（ディジタル信号処理回路）等の演算素子４３に組み込まれている。

ビーム方位制御装置４６は、アンテナ３５の指向方向を制御する。このビーム方位制御装置４６は各実施形態に示した制御部４に相当し、共振素子アレイ２００の所定の共振素子を励振させることによって、または所定のリアクタンス回路のリアクタンスを制御することによって、アンテナの指向性を制御する。

同期信号発生装置４５は、ビーム方位制御装置４６と表示器４４に対して同期信号を与える。

表示器４４は同期信号発生装置４５からの同期信号と距離，速度算出部４２からの出力信号とを基にして２次元のレーダ探知画像を表示する。

第１の実施形態に係るアンテナ装置の全体の構成を示す図共振素子アレイ、共振素子および可変リアクタンス回路の構成を示す図共振素子アレイ上の導波器として作用する共振素子の位置とレンズによりコリメートされた光路との関係を示す図可変リアクタンス回路の例を示す図第２の実施形態に係るアンテナ装置の可変リアクタンス回路の構成を示す図第３の実施形態に係るアンテナ装置の全体の構成を示す図第４の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図第５の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図第６の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図第７の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図第８の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図同アンテナ装置の可変リアクタンス回路部分の構成を示す図第９の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図第１０の実施形態に係る無線装置の構成を示す図第１１の実施形態に係るレーダの構成を示す図

符号の説明

１−１次放射器
３−レンズ
４−制御部
５−光路
６−開口空洞共振器
７−励振素子
８−レフレクタ
９−制御信号線
１１−給電素子
１２−無給電素子
２００−共振素子アレイ
２０１−共振素子（線状導体）
２０２−可変リアクタンス回路
２０３−誘電体基板
２０４−スイッチ回路
２０５−補助素子

Claims

所定周波数で共振する複数の共振素子を平面上に配列するとともに、該共振素子のそれぞれに接続され、印加電圧によってリアクタンスが変化する可変リアクタンス回路を設けた共振素子アレイと、
前記可変リアクタンス回路に対して印加する電圧を制御する制御部と、
前記共振素子アレイに対して励振用の電磁波を放射する、または前記共振素子から放射された電磁波を受ける、それぞれ位置が異なる複数の１次放射器と、
前記共振素子アレイの位置が略焦点面となるように配置したレンズまたはレフレクタによるコリメート手段とを備えたアンテナ装置。
所定周波数で共振する複数の共振素子を平面上に配列するとともに、該共振素子のそれぞれに接続され、印加電圧によってリアクタンスが変化する可変リアクタンス回路を設けた共振素子アレイと、
前記可変リアクタンス回路に対して印加する電圧を制御する制御部と、
開口空洞共振器と該開口空洞共振器を励振させる励振源とで構成した、前記共振素子アレイに対して励振用の電磁波を放射する、または前記共振素子から放射された電磁波を受ける１次放射器と、
前記共振素子アレイの位置が略焦点面となるように配置したレンズまたはレフレクタによるコリメート手段とを備えたアンテナ装置。
前記制御部は、前記可変リアクタンス回路に対する印加電圧の制御によって、前記配列された複数の共振素子のうち所定位置の共振素子を導波器として作用させるとともに、該導波器として作用させる共振素子の位置を切り替えるようにした請求項１または２に記載のアンテナ装置。
前記複数の共振素子は、配列方向に対して略垂直で且つ互いに平行な向きにのびる線状導体である請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記複数の共振素子は、配列方向に対して略４５度に傾いて且つ互いに平行な向きにのびる線状導体である請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記可変リアクタンス回路に、前記共振素子に対する装荷リアクタンスを変化させる可変容量ダイオードを設け、前記制御部が前記可変容量ダイオードに対して逆バイアス電圧を印加するようにした請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記可変リアクタンス回路に、前記共振素子に対する装荷リアクタンスを切り替えるスイッチ素子を設け、前記制御部が前記スイッチ素子に対して制御電圧を印加するようにした請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記可変リアクタンス回路に、制御電圧によって電極間距離が変化するＭＥＭＳ素子を設け、前記制御部が前記ＭＥＭＳ素子に対して制御電圧を印加するようにした請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記スイッチ素子を、制御電圧によって電極間のスイッチ制御を行うＭＥＭＳ素子とした請求項７に記載のアンテナ装置。
前記１次放射器は、給電素子を中心に備え、リアクタンスを装荷した無給電素子を前記給電素子の周囲に配置してなる電子制御導波器アレーアンテナである請求項１〜９のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のアンテナ装置を備えた無線装置。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のアンテナ装置を備えたレーダ。