JP3944606B2 - フェーズドアレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のアンテナ素子からの受信信号またはそれらのアンテナ素子への給電信号の位相を電気的に制御することでビーム方向を変更できるフェーズドアレーアンテナ装置に関する。

従来、マイクロ波やミリ波用の複数のアンテナ素子の配列を有するとともに、各アンテナ素子からの受信信号や各アンテナ素子への給電信号の位相を電気的に制御することで、各アンテナ素子自体を動かさずに全体としてのビーム方向を変更できるフェーズドアレーアンテナ装置が知られている。

例えば、特許文献１に記載されているアクティブフェイズドアレイアンテナ及びアンテナ制御装置は、誘電体基板上に、複数のアンテナパッチと、前記誘電体基板に高周波電力を印加する給電端子と、を備え、前記各アンテナパッチと前記給電端子とを、前記給電端子から分岐した給電線で接続し、前記各給電線上を通過する高周波信号の位相を電気的に変化出来る移相器を、前記給電線の一部を構成するように配置した構造を有するアクティブフェイズドアレイアンテナにおいて、前記移相器は、常誘電体を基材とするマイクロストリップハイブリッドカプラと、強誘電体を基材とし、かつ前記マイクロストリップハイブリッドカプラと電気的に接続されるマイクロストリップスタブとを組み合わせてなり、前記マイクロストリップスタブに直流の制御電圧を加えて通過移相量を変化させるように構成したことを特徴とするものである。

また、特許文献２に記載されているフェーズドアレーアンテナ装置は、アンテナ開口上の水平方向、垂直方向に等間隔に配置された複数個の素子アンテナと、上記各素子アンテナからの受信信号又は上記各素子アンテナへの給電信号の位相を変化させる複数個のディジタル移相器と、上記各素子アンテナのビームの指向方向に応じて、上記各ディジタル移相器に設定する位相値を計算するビーム制御手段と、上記ビーム制御手段により計算された上記ディジタル移相器に設定される位相値を、他の上記ディジタル移相器に設定される位相値を用いて、等間隔に変化するよう補正する設定位相補正手段とを備えたことを特徴とするものである。

図１０は、このような従来技術によるフェーズドアレーアンテナ装置１００の概略構成を示すブロック図である。

図１０に示すように、このフェーズドアレーアンテナ装置１００は、同一方向を向いて等間隔ｄで一列に配置されている３本のアンテナ素子２を有している。各アンテナ素子２は、それぞれデジタル移相器１０３を介して無線機６に接続されており、さらに、各デジタル移相器１０３を制御する移相器制御回路１０４が備えられている。

４つのビーム方向を選択可能とするには、デジタル移相器１０３のビット数は２以上である必要がある。ビット数を２とした場合、装荷型移相器で構成するにはスイッチとなるＰＩＮダイオードが各４個必要であり、フェーズドアレーアンテナ装置１００全体としてのＰＩＮダイオードの必要数は「４×（アンテナ素子２の数）」である。一方、２ビットのデジタル移相器１０３を線路切換型移相器で構成するにはスイッチとなるＰＩＮダイオードが各８個必要であり、フェーズドアレーアンテナ装置１００全体としてのＰＩＮダイオードの必要数は「８×（アンテナ素子２の数）」である。
特開２０００−２３６２０７号公報 特開２００１−３０８６２６号公報

上述の特許文献２に記載されているような従来技術の場合、信号の位相を切り換えるための移相器は移相量の異なる複数の信号伝送路を有しており、これらをスイッチなどで切り換えることによって信号の位相制御を行っていた。

ところが、マイクロ波やミリ波などで使用するスイッチは高価であり、フェーズドアレーアンテナ装置には多数のスイッチが必要とされるため、フェーズドアレーアンテナ装置は高額な商品となっていた。多くのスイッチ回路が必要となるため、サイズも大きくなっていた。また、ビーム方向を左右に振るには、移相器が大きな移相量を設定可能なものにする必要もあった。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、複数のビーム方向を設定自在にするとともにビーム方向の振り角を左右に大きく確保でき、しかも、簡単な構成でコストが安く、全体としての小型化も可能なフェーズドアレーアンテナ装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明のフェーズドアレーアンテナ装置は、等間隔で配置される複数のアンテナ素子と、隣接するこれらのアンテナ素子の間にそれぞれ接続されて伝送信号の位相を変化させる複数の移相器とを有するアンテナ配列部と、前記複数の移相器による移相量をそれぞれ制御する移相器制御部と、外部機器からの前記アンテナ配列部に対する給電経路を、前記アンテナ配列部の一端の側から行う経路または前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換えるとともに、その切り換えに前記移相器制御部の制御を対応させる給電経路切換部とを備え、前記複数の移相器のうちの少なくとも一部は、さらに特性インピーダンスを変換可能な特性インピーダンス変換器を有することによって特性インピーダンスの切り換えをも可能とする適応移相器であることを特徴とする。

ここで、前記移相器としては、例えば、装荷型移相器や線路切換型移相器が挙げられるが、これらに限るものではない。

この発明のフェーズドアレーアンテナ装置によれば、外部機器からの前記アンテナ配列部に対する給電経路を前記アンテナ配列部の一端の側から行う経路または前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換えることによりビーム方向が正面方向に対して左右どちらに向くかを選択でき、前記複数の移相器に設定される各移相量の変更によってビーム方向の正面方向からの角度を選択できる。これにより、ビーム方向を複数の方向から必要に応じて任意に選択することができる。また、給電経路の切り換えに必要なスイッチなどの数量が従来技術に比較して少なくなるので、コストダウンや小型化を図ることができる。また、給電経路に沿った移相器毎に移相量が重畳されていくので、個々の移相器に設定できる移相量は小さくても従来技術よりも大きなビーム方向の振り角を確保できる。

ここで、前記適応移相器としては、例えば、特性インピーダンスを変換可能な特性インピーダンス変換器を有するようにしてもよい。また、前記特性インピーダンス変換器は、長さがともに信号波長の１／４で特性インピーダンスは互いに異なる第１伝送線路および第２伝送線路を有し、前記第１伝送線路のみによる信号伝送と、前記第１伝送線路と前記第２伝送線路とが並列接続された状態での信号伝送とが切り換え可能に構成されていてもよい。さらに、前記特性インピーダンス変換器が有する前記第１伝送線路および前記第２伝送線路の両端がそれぞれ開閉可能なスイッチによって接続されており、前記スイッチをともに開かれた状態では、前記第１伝送線路のみによって信号伝送が行われ、前記スイッチをともに閉じられた状態では、並列接続された前記第１伝送線路および前記第２伝送線路によって信号伝送が行われるものであってもよい。

この発明のフェーズドアレーアンテナ装置によれば、給電経路がどちらであっても、前記各アンテナ素子間の特性インピーダンスが適切に設定するとともに、必要に応じてインピーダンス変換を行うことが可能となる。これにより、前記各アンテナ素子に均一に給電を行うことができる。

また、本発明のフェーズドアレーアンテナ装置は、等間隔で配置される複数のアンテナ素子と、隣接するこれらのアンテナ素子の間にそれぞれ接続されて伝送信号の位相を変化させる複数の移相器とを有するアンテナ配列部と、前記複数の移相器による移相量をそれぞれ制御する移相器制御部と、外部機器からの前記アンテナ配列部に対する給電経路を、前記アンテナ配列部の一端の側から行う経路または前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換えるとともに、その切り換えに前記移相器制御部の制御を対応させる給電経路切換部とを備えるフェーズドアレーアンテナ装置であって、前記複数の移相器のうちの少なくとも一部は、特性インピーダンスの切り換えをも可能とする適応移相器であり、前記適応移相器は、長さがともに信号波長の１／４で特性インピーダンスは互いに異なる第１伝送線路および第２伝送線路を有し、前記第１伝送線路および前記第２伝送線路の両端がそれぞれＰＩＮダイオードによって接続されるとともに、前記第１伝送線路の両端がそれぞれ直列接続されたコイルおよび可変容量ダイオードを介して接地されており、前記ＰＩＮダイオードのインピーダンス状態の切り換えによって、前記第１伝送線路のみによる信号伝送と、前記第１伝送線路と前記第２伝送線路とが並列接続された状態での信号伝送とを切り換え可能に構成されていることを特徴としてもよい。

ここで、そのような構成としては、例えば、前記ＰＩＮダイオードがともに逆バイアス時の高インピーダンス状態である場合に、前記第１伝送線路のみによって信号伝送が行われ、前記ＰＩＮダイオードがともに順バイアス時の低インピーダンス状態である場合に、並列接続された前記第１伝送線路および前記第２伝送線路によって信号伝送が行われるようにしてもよい。

この発明のフェーズドアレーアンテナ装置によれば、前記適応移相器に必要なＰＩＮダイオードおよび可変容量ダイオードの個数を減らすことができる。これにより、コストダウンや小型化を図ることができる。

また、本発明のフェーズドアレーアンテナ装置は、等間隔で配置される複数のアンテナ素子と、隣接するこれらのアンテナ素子の間にそれぞれ接続されて伝送信号の位相を変化させる複数の移相器とを有するアンテナ配列部と、前記複数の移相器による移相量をそれぞれ制御する移相器制御部と、外部機器からの前記アンテナ配列部に対する給電経路を、前記アンテナ配列部の一端の側から行う経路または前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換えるとともに、その切り換えに前記移相器制御部の制御を対応させる給電経路切換部とを備えるフェーズドアレーアンテナ装置であって、前記複数の移相器のうちの少なくとも一部は、特性インピーダンスの切り換えをも可能とする適応移相器であり、前記適応移相器は、信号伝送経路上に直列に挿入される第１可変容量ダイオードと、前記信号伝送経路の一端と前記第１可変容量ダイオードの間において前記信号伝送経路の接地に介する第２可変容量ダイオードと、前記信号伝送経路の他端と前記第１可変容量ダイオードの間において前記信号伝送経路の接地に介する第３可変容量ダイオードとを有し、前記第１可変容量ダイオード、前記第２可変容量ダイオード、および前記第３可変容量ダイオードの各容量を変化させることにより、前記信号伝送経路のインピーダンスおよび移相量を変化させることを特徴としてもよい。

この発明のフェーズドアレーアンテナ装置によれば、前記適応移相器に必要な可変容量ダイオードの個数を減らすことができる。これにより、さらなるコストダウンや小型化を図ることができる。

本発明のフェーズドアレーアンテナ装置によれば、外部機器からの前記アンテナ配列部に対する給電経路を前記アンテナ配列部の一端の側から行う経路または前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換えることによりビーム方向が正面方向に対して左右どちらに向くかを選択でき、前記複数の移相器に設定される各移相量の変更によってビーム方向の正面方向からの角度を選択できる。これにより、ビーム方向を複数の方向から必要に応じて任意に選択することができる。また、給電経路の切り換えに必要なスイッチなどの数量が従来技術に比較して少なくなるので、コストダウンや小型化を図ることができる。また、給電経路に沿った移相器毎に移相量が重畳されていくので、個々の移相器に設定できる移相量は小さくても従来技術よりも大きなビーム方向の振り角を確保できる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置１の概略構成を示すブロック図である。

図１に示すように、このフェーズドアレーアンテナ装置１は同一方向を向いて等間隔ｄで一列に配置されている３本のアンテナ素子２とこれらの間にそれぞれ接続される計２個の移相器３と、これらの各移相器３のそれぞれの移相量の変更を制御するための移相器制御回路４と、１個の単極双投タイプのスイッチＳＷ１と２個の単極単投タイプのスイッチＳＷ２とこれらのスイッチの開閉および切り換えを制御する給電経路切換回路５とを備えている。

なお、以下の説明では必要に応じて、左側・中央・右側に配置されている各アンテナ素子２の参照符号に（Ｌ）、（Ｃ）、（Ｒ）を付加して各アンテナ素子２を区別する。同様に、各移相器３およびスイッチＳＷ２の参照符号に必要に応じて（Ｌ）または（Ｒ）を付加して区別する。

左側のアンテナ素子２（Ｌ）と中央のアンテナ素子２（Ｃ）とを接続している移相器３（Ｌ）と、中央のアンテナ素子２（Ｃ）と右側のアンテナ素子２（Ｒ）とを接続している移相器３（Ｒ）とは、それぞれ信号の移相量（位相変化量）をφ１またはφ２（ただし、φ１＜φ２）の２段階に変更可能である。このような移相量の変更は、給電経路切換回路５の動作に応じて移相器制御回路４によって制御されるが、各移相器３にそれぞれ設定される移相量は、ともにφ１か、あるいはともにφ２のいずれかの組み合わせに限るものとする。なお、移相器３の具体的な構成例については、図２および図３を参照して後述する。

左側のアンテナ素子２（Ｌ）は、スイッチＳＷ２（Ｌ）を介してスイッチＳＷ１の切り換え側接点の一方のＡ接点に接続されている。右側のアンテナ素子２（Ｒ）はスイッチＳＷ２（Ｒ）を介してスイッチＳＷ１の切り換え側接点の他方のＢ接点に接続されている。スイッチＳＷ１の常時接続側の接点は、外部の無線機６へ接続されている。

これらの各スイッチの開閉や切り換えは、給電経路切換回路５によって互いに連動するように行われる。すなわち、スイッチＳＷ１がＡ接点に切り換えられるときは、スイッチＳＷ２（Ｌ）は閉じられるとともにスイッチＳＷ２（Ｒ）は開かれる。逆に、スイッチＳＷ１がＢ接点に切り換えられるときは、スイッチＳＷ２（Ｌ）は開かれるとともにスイッチＳＷ２（Ｒ）は閉じられる。

なお、これらの各スイッチの具体例としては、ＰＩＮダイオード（p-intrinsic-n Diode）を使用した電気的に切り換え制御可能なスイッチが挙げられる。ＰＩＮダイオードでは、順バイアス時の低インピーダンス状態がスイッチのＯＮに相当し、逆バイアス時の高インピーダンス状態がスイッチのＯＦＦに相当する。以下では、ＰＩＮダイオードの順バイアス時の低インピーダンス状態を「ＯＮ」と簡略化して記すとともに、ＰＩＮダイオードの逆バイアス時の高インピーダンス状態を「ＯＦＦ」と簡略化して記すこととする。

スイッチにＰＩＮダイオードを使用する場合、その必要数は単極単投タイプのスイッチＳＷ２では１個、単極双投タイプのスイッチＳＷ１では２個である。

また、無線機６としては、例えば、マイクロ波やミリ波を受信する受信機、マイクロ波やミリ波を送信する送信機、あるいは送信および受信の両方を行う送受信装置などが挙げられるが、これらに限るものではない。

図２は、移相器３の具体例としての装荷型移相器３Ａである。この装荷型移相器３Ａは、伝送線路７ａの両端にそれぞれ伝送線路７ｂの一端が接続され、これらの伝送線路７ｂの他端がＰＩＮダイオードＤ１によってそれぞれ接地されて構成されている。

この装荷型移相器３Ａの全体としての移相量の変更は各ＰＩＮダイオードＤ１によって行われる。なお、各ＰＩＮダイオードＤ１がともにＯＮの場合に全体としての移相量がφ１となり、各ＰＩＮダイオードＤ１がともにＯＦＦの場合に全体としての移相量がφ２となるように、伝送線路７ａおよび伝送線路７ｂのそれぞれの移相量が設定されている。

この装荷型移相器３Ａには２個のＰＩＮダイオードが使用されているが、フェーズドアレーアンテナ装置１としては、装荷型移相器３Ａの必要個数は「アンテナ素子２の数−１」個なので、ＰＩＮダイオードは計「２×（アンテナ素子２の数−１）」個必要となる。その他にも、スイッチＳＷ１用に２個、２つのスイッチＳＷ２用に各１個必要であるから、フェーズドアレーアンテナ装置１全体として必要となるＰＩＮダイオードの数量は、
４ ＋ ２×（アンテナ素子２の数−１）
となる。

図３は、移相器３の他の具体例としての線路切換型移相器３Ｂである。この線路切換型移相器３Ｂは、移相量がφ１である伝送線路８ａおよび移相量がφ２である伝送線路８ｂを有し、これらの両端に単極双投タイプのスイッチＳＷ１がそれぞれ接続されて構成されている。

この線路切換型移相器３Ｂの全体としての移相量の変更はこれらのスイッチＳＷ１を連動して切り換え、伝送線路８ａあるいは伝送線路８ｂのいずれか一方を使用するようにして行われる。

この線路切換型移相器３ＢのスイッチＳＷ１をＰＩＮダイオードで構成する場合、１個のスイッチＳＷ１について２個のＰＩＮダイオードが必要なので、この線路切換型移相器３Ｂには計４個のＰＩＮダイオードが必要となる。フェーズドアレーアンテナ装置１としては、線路切換型移相器３Ｂの必要個数は「アンテナ素子２の数−１」個なので、ＰＩＮダイオードは計「４×（アンテナ素子２の数−１）」個必要となる。その他にも、スイッチＳＷ１用に２個、スイッチＳＷ２用に各１個必要であるから、フェーズドアレーアンテナ装置１全体として必要となるＰＩＮダイオードの数量は、
４ ＋ ４×（アンテナ素子２の数−１）
となる。

図４は、このフェーズドアレーアンテナ装置１で設定可能なビーム方向を示す概略図である。フェーズドアレーアンテナ装置１内のスイッチＳＷ１の２個の切り換え状態のそれぞれの場合について説明する。

（１）スイッチＳＷ１がＡ接点に切り換えられているとき
上述したように、スイッチＳＷ２（Ｌ）は閉じられるとともにスイッチＳＷ２（Ｒ）は開かれている。これにより、各アンテナ素子２は、左側のアンテナ素子２（Ｌ）の方がスイッチＳＷ２（Ｌ）およびスイッチＳＷ１を介して無線機６に接続されている状態となる。そのため、左側のアンテナ素子２（Ｌ）における信号の位相を基準とすると、中央のアンテナ素子２（Ｃ）における信号の上記基準からの位相差は移相器３に設定されている移相量となり、右側のアンテナ素子２（Ｒ）における信号の上記基準からの位相差は移相器３に設定されている移相量の２倍となる。

各移相器３に設定されている移相量がともにφ１のときは、フェーズドアレーアンテナ装置１に設定されるビーム方向は、正面方向から角度θ１だけ左向きのＢ２方向となる。ただし、
ｓｉｎ（θ１）＝φ１／ｄ
である。

一方、各移相器３に設定されている移相量がともにφ２のときは、フェーズドアレーアンテナ装置１に設定されるビーム方向は、正面方向から角度θ２だけ左向きのＢ１方向となる。ただし、
ｓｉｎ（θ２）＝φ２／ｄ
である。

（２）スイッチＳＷ１がＢ接点に切り換えられているとき
上述したように、スイッチＳＷ２（Ｌ）は開かれるとともにスイッチＳＷ２（Ｒ）は閉じられている。これにより、各アンテナ素子２は、右側のアンテナ素子２（Ｒ）の方がスイッチＳＷ２（Ｒ）およびスイッチＳＷ１を介して無線機６に接続されている状態となる。そのため、右側のアンテナ素子２（Ｒ）における信号の位相を基準とすると、中央のアンテナ素子２（Ｃ）における信号の上記基準からの位相差は移相器３に設定されている移相量となり、左側のアンテナ素子２（Ｌ）における信号の上記基準からの位相差は移相器３に設定されている移相量の２倍となる。

各移相器３に設定されている移相量がともにφ１のときは、フェーズドアレーアンテナ装置１に設定されるビーム方向は、正面方向から角度θ１だけ右向きのＢ３方向となる。

一方、各移相器３に設定されている移相量がともにφ２のときは、フェーズドアレーアンテナ装置１に設定されるビーム方向は、正面方向から角度θ２だけ右向きのＢ４方向となる。

以上で説明した第１実施形態の構成によれば、スイッチＳＷ１および各スイッチＳＷ２の切り換えによってビーム方向が正面方向に対して左右どちらに向くかを選択でき、各移相器３に設定される各移相量の変更によってビーム方向の正面方向からの角度を選択できる。これにより、フェーズドアレーアンテナ装置１のビーム方向を複数の方向から必要に応じて任意に選択することができる。

各スイッチをＰＩＮダイオードで構成する場合、移相器３として図２に示した装荷型移相器３Ａを使用すれば、フェーズドアレーアンテナ装置１全体として必要となるＰＩＮダイオードの数量は「４＋２×（アンテナ素子２の数−１）」であり、移相器３として図３に示した線路切換型移相器３Ｂを使用すれば、フェーズドアレーアンテナ装置１全体として必要となるＰＩＮダイオードの数量は「４＋４×（アンテナ素子２の数−１）」である。すなわち、従来技術よりＰＩＮダイオードの必要数が少なくなり、特に装荷型移相器３Ａを使用すればＰＩＮダイオードの必要数が大幅に少なくなるので、コストダウンや小型化を図ることができる。

なお、移相器３として図３に示した線路切換型移相器３Ｂを使用する場合に、この線路切換型移相器３Ｂに移相量の互いに異なる伝送経路を３以上備えさせるようにすれば、フェーズドアレーアンテナ装置１のビーム方向をさらに多くの方向から選択できるようになる。

＜第２実施形態＞
上述の第１実施形態の説明ではインピーダンスの整合については特に考慮していなかったが、その点を考慮に加えたものを第２実施形態として以下に説明する。なお、次に述べる点以外は第１実施形態と同様であるので、同じ構成部材には同じ参照符号を付すこととし、主として相違点について説明する。

図５は、本発明の第２実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置１において、各アンテナ素子１２への給電方向に対応して各アンテナ素子１２間の特性インピーダンスに必要とされる条件の説明図であり、（ａ）は左側から給電する場合を示し、（ｂ）は右側から給電する場合を示す。なお、アンテナ素子１２の数は４個、各アンテナ素子１２の入力インピーダンスはＺとする。

各アンテナ素子１２間に同一の移相器１３を単純に接続したものに片側から給電をすると、各アンテナ素子１２の入力インピーダンスや各アンテナ素子１２間の特性インピーダンスの関係から各アンテナ素子１２への給電が不均一になるという問題がある。そのため、各アンテナ素子１２に均一に給電するには、各アンテナ素子１２間の移相器１３も含めた特性インピーダンスを変換しなければならない。

すなわち、左側から給電する場合には、図５（ａ）に示すように、各アンテナ素子１２間の移相器１３も含めた特性インピーダンスの右側の値をＺとし、中央の特性インピーダンスをＺ／２とし、左側の特性インピーダンスをＺ／３とする必要がある。

一方、右側から給電する場合には、図５（ｂ）に示すように、各アンテナ素子１２間の移相器１３も含めた特性インピーダンスの左側の値をＺとし、中央の特性インピーダンスをＺ／２とし、右側の特性インピーダンスをＺ／３とする必要がある。

したがって、左側および右側の各移相器１３を含めた特性インピーダンスは、いずれも３／ＺおよびＺに切り換え可能に構成しておく必要がある。

図６は、特性インピーダンスの切り換えを可能とする移相器（以下では「適応移相器」と記す）１０の構成の概略図である。なお、信号の波長はλで表すこととする。

この適応移相器１０は、移相器１３Ａ（移相量は所定値、特性インピーダンスＺは５０Ωとする）を備えており、その両端にλ／４インピーダンス変換器１１がそれぞれ接続されている。これらのλ／４インピーダンス変換器１１はそれぞれ、伝送線路１１ａ（長さがλ／４、特性インピーダンスＺは５０Ωとする）の一端に伝送線路１１ｂ（長さがλ／４、特性インピーダンスはＺｘとする）の一端が単極単投タイプのスイッチＳＷ２によって接続状態または開放状態に切り換え可能とするとともに、伝送線路１１ａの他端に伝送線路１１ｂの他端がもう１つのスイッチＳＷ２によって接続状態または開放状態に切り換え可能に構成されている。

伝送線路１１ａおよび伝送線路１１ｂの両端の各スイッチＳＷ２がいずれも開放状態のときは、λ／４インピーダンス変換器１１としては伝送線路１１ａのみが有効となるので、移相器１３Ａの左右の各伝送線路の特性インピーダンスは伝送線路１１ａの特性インピーダンスＺ（５０Ω）に一致する。

一方、伝送線路１１ａおよび伝送線路１１ｂの両端のスイッチＳＷ２がいずれも接続状態のときは、λ／４インピーダンス変換器１１としては伝送線路１１ａおよび伝送線路１１ｂが並列に接続された状態となり、並列合成された特性インピーダンスは、
１／（１／Ｚ＋１／Ｚｘ）
となる。

また、この適応移相器１０の両端における特性インピーダンスをＺ／３とするには、移相器１３Ａの特性インピーダンスがＺであるので、インピーダンス変換のために伝送線路１１ａおよび伝送線路１１ｂが並列合成された特性インピーダンスは、
√（Ｚ×Ｚ／３）
でなければならない。したがって、
１／（１／Ｚ＋１／Ｚｘ） ＝ √（Ｚ×Ｚ／３）
を満足するようにＺｘを定める必要がある。

この式をＺｘについて解くと、
Ｚｘ ＝ Ｚ／（√３ −１）
となり、これにＺ＝５０［Ω］を代入すると、
Ｚｘ ≒＝ ６９［Ω］
となる。また、このときの並列合成された特性インピーダンスの値は約２９Ωとなる。

以上のような構成により、特性インピーダンスを３／ＺおよびＺに切り換え可能な適応移相器１０が実現される。なお、上記の数値などは例示に過ぎない。

図７は、この適応移相器１０を組み込んだフェーズドアレーアンテナ装置１における給電方向と対応する特性インピーダンスなどの関係の説明図であり、（ａ）は左側から給電する場合を示し、（ｂ）は右側から給電する場合を示す。なお、アンテナ素子１２の数は４個、各アンテナ素子１２の入力インピーダンスは５０Ωとする。以下の説明では必要に応じて、各アンテナ素子１２の参照符号に左側のものから順に（Ｌ）、（ＣＬ）、（ＣＲ）、（Ｒ）を付加して、各アンテナ素子１２を区別する。

図７（ａ）および（ｂ）に示すように、左側のアンテナ素子１２（Ｌ）とその右隣のアンテナ素子１２（ＣＬ）とは上述の適応移相器１０（以下、必要に応じて参照符号に１０（Ｌ）を使用）を介して接続され、右側のアンテナ素子１２（Ｒ）とその左隣のアンテナ素子１２（ＣＲ）とはもう１つの適応移相器１０（以下、必要に応じて参照符号に１０（Ｒ）を使用）を介して接続され、アンテナ素子１２（ＣＬ）とアンテナ素子１２（ＣＲ）とは移相器１３Ｂ（移相量は所定値、特性インピーダンスＺは２５Ωとする）を介して接続されている。

さらに、アンテナ素子１２（Ｌ）は単極単投タイプのスイッチＳＷ２（Ｌ）を介して左側からの給電用の伝送線路１４（Ｌ）（長さがλ／４、特性インピーダンスＺは２５Ωとする）に接続され、アンテナ素子１２（Ｒ）はもう１つのスイッチＳＷ２（Ｒ）を介して右側からの給電用の伝送線路１４（Ｒ）（長さがλ／４、特性インピーダンスＺは２５Ωとする）に接続されている。なお、伝送線路１４（Ｌ）および伝送線路１４（Ｒ）もそれぞれ特性インピーダンスの変換機能を有している。

左側から給電する場合は、図７（ａ）に示すように、まず、伝送線路１４（Ｌ）によって特性インピーダンスが変換され、スイッチＳＷ２（Ｌ）を介してアンテナ素子１２（Ｌ）に給電が行われる。そこから、適応移相器１０（Ｌ）を介してアンテナ素子１２（ＣＬ）に給電が行われる。なお、この適応移相器１０（Ｌ）では、各スイッチＳＷ２はいずれも閉じられており、並列する伝送経路の合成された特性インピーダンスによってインピーダンス変換が行われる。そこから、移相器１３Ｂを介してアンテナ素子１２（ＣＲ）に給電が行われる。さらに、適応移相器１０（Ｒ）を介してアンテナ素子１２（Ｒ）に給電が行われる。なお、この適応移相器１０（Ｒ）では、各スイッチＳＷ２はいずれも開かれている。

右側から給電する場合は、図７（ｂ）に示すように、まず、伝送線路１４（Ｒ）によって特性インピーダンスが変換され、スイッチＳＷ２（Ｒ）を介してアンテナ素子１２（Ｒ）に給電が行われる。そこから、適応移相器１０（Ｒ）を介してアンテナ素子１２（ＣＬ）に給電が行われる。なお、この適応移相器１０（Ｒ）では、各スイッチＳＷ２はいずれも閉じられており、並列する伝送経路の合成された特性インピーダンスによってインピーダンス変換が行われる。そこから、移相器１３Ｂを介してアンテナ素子１２（ＣＬ）に給電が行われる。さらに、適応移相器１０（Ｌ）を介してアンテナ素子１２（Ｒ）に給電が行われる。なお、この適応移相器１０（Ｌ）では、各スイッチＳＷ２はいずれも開かれている。

以上で説明した第２実施形態の構成によれば、左右どちら側から給電する場合であっても、各アンテナ素子１２間の特性インピーダンスが適切に設定されるとともに、必要に応じてインピーダンス変換が行われる。これにより、各アンテナ素子１２に均一に給電を行うことができる。

＜第３実施形態＞
上述の第２実施形態で使用される適応移相器１０とは異なる構成によって特性インピーダンスの切り換えを可能とする適応移相器２０を代わりに使用するフェーズドアレーアンテナ装置１を第３実施形態として以下に説明する。なお、次に述べる点以外は第１実施形態または第２実施形態と同様であるので、同じ構成部材には同じ参照符号を付すこととし、主として相違点について説明する。

図８は、本発明の第３実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置１において使用される適応移相器２０の構成の概略図である。

この適応移相器２０は、装荷型の伝送線路２１ａ（長さがλ／４）および伝送線路２１ｂ（長さがλ／４）を備えている。伝送線路２１ａの一端に伝送線路２１ｂの一端がＰＩＮダイオードＤ２２を介して接続され、伝送線路２１ａの他端に伝送線路２１ｂの他端がもう１つのＰＩＮダイオードＤ２２を介して接続されている。さらに、伝送線路２１ａの両端はそれぞれ、コイルＬ２３および可変容量ダイオードＤ２４を介して接地されている。

このような構成の適応移相器２０では、可変容量ダイオードＤ２４によって負荷を変化させることができる。また、各ＰＩＮダイオードＤ２２のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることによって、特性インピーダンスを伝送線路２１ａの値または伝送線路２１ａおよび伝送線路２１ｂの並列合成値のいずれかに変化させることができる。

装荷型の負荷と移相量θ３（位相変化量）の関係は、次式で求められる。

以上で説明した第３実施形態の構成によれば、適応移相器２０に必要なＰＩＮダイオードＤ２２および可変容量ダイオードＤ２４は合計４個なので、第２実施形態よりも必要数を減らすことができる。これにより、コストダウンや小型化を図ることができる。

＜第４実施形態＞
上述の第２実施形態で使用される適応移相器１０や第３実施形態で使用される適応移相器２０とは異なる構成によって特性インピーダンスの切り換えを可能とするローパス型適応移相器３０を代わりに使用するフェーズドアレーアンテナ装置１を第４実施形態として以下に説明する。なお、次に述べる点以外は第１実施形態〜第３実施形態と同様であるので、同じ構成部材には同じ参照符号を付すこととし、主として相違点について説明する。

図９は、本発明の第４実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置１において使用されるローパス型適応移相器３０の原理の説明図である。図１０は、このローパス型適応移相器３０の構成の概略図である。

このローパス型適応移相器３０の原理は、図９に示すように、コイルＬ３０の両端がコンデンサＣ３０を介して接地されたローバスフィルタにおいて、コイルＬ３０のインダクタンス値およびコンデンサＣ３０の容量値を変化させることによって、インピーダンスおよび移相量を変化させるというものである。

具体的な構成例としては、図１０に示すように、信号伝送経路上に可変容量ダイオードＤ３１を直列に挿入し、さらにこの信号伝送経路上において、この信号伝送経路の一端と可変容量ダイオードＤ３１の間を可変容量ダイオードＤ３２で接地するとともに、この信号伝送経路の他端と可変容量ダイオードＤ３１の間を可変容量ダイオードＤ３３で接地するようなローパスフィルタ型の回路が挙げられる。このローパス型適応移相器３０では、電圧入力端子Ｖｃｏｎ１〜Ｖｃｏｎ３に供給する電圧を変化させ、可変容量ダイオードＤ３１〜Ｄ３３の容量を変化させることによって、インピーダンスおよび移相量を変化させることができる。

なお、移相量θ４（位相変化量）とインピーダンスとは以下のような関係がある。

以上で説明した第４実施形態の構成によれば、適応移相器３０に必要な可変容量ダイオードＤ２４は合計４個なので、第３実施形態よりも必要数を減らすことができる。これにより、さらなるコストダウンや小型化を図ることができる。

なお、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明の第１実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置の概略構成を示すブロック図である。 移相器の具体例としての装荷型移相器である。 移相器の他の具体例としての線路切換型移相器である。 本発明の第１実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置で設定可能なビーム方向を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置において、各アンテナ素子への給電方向に対応して各アンテナ素子間の特性インピーダンスに必要とされる条件の説明図であり、（ａ）は左側から給電する場合を示し、（ｂ）は右側から給電する場合を示す。 特性インピーダンスの切り換えを可能とする適応移相器の構成の概略図である。 適応移相器を組み込んだフェーズドアレーアンテナ装置における給電方向と対応する特性インピーダンスなどの関係の説明図であり、（ａ）は左側から給電する場合を示し、（ｂ）は右側から給電する場合を示す。 本発明の第３実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置において使用される適応移相器の構成の概略図である。 本発明の第４実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置において使用されるローパス型適応移相器の原理の説明図である。 本発明の第４実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置において使用されるローパス型適応移相器の構成の概略図である。 従来技術によるフェーズドアレーアンテナ装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ フェーズドアレーアンテナ装置
２ アンテナ素子
３ 移相器
３Ａ 装荷型移相器
３Ｂ 線路切換型移相器
４ 移相器制御回路
５ 給電経路切換回路
６ 無線機
７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ
伝送線路
１０ 適応移相器
１１ λ／４インピーダンス変換器
１１ａ、１１ｂ
伝送線路
１２ アンテナ素子
１３、１３Ａ、１３Ｂ
移相器
１４ 伝送線路
２０ 適応移相器
２１ａ、２１ｂ
伝送線路
３０ ローパス型適応移相器

Claims (8)

1. 等間隔で配置される複数のアンテナ素子と、隣接するこれらのアンテナ素子の間にそれぞれ接続されて伝送信号の位相を変化させる複数の移相器とを有するアンテナ配列部と、
   前記複数の移相器による移相量をそれぞれ制御する移相器制御部と、
   外部機器からの前記アンテナ配列部に対する給電経路を、前記アンテナ配列部の一端の側から行う経路または前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換えるとともに、その切り換えに前記移相器制御部の制御を対応させる給電経路切換部とを備え、
   前記複数の移相器のうちの少なくとも一部は、さらに特性インピーダンスを変換可能な特性インピーダンス変換器を有することによって特性インピーダンスの切り換えをも可能とする適応移相器であることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のフェーズドアレーアンテナ装置において、
   前記複数の移相器は装荷型移相器であることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
3. 請求項１に記載のフェーズドアレーアンテナ装置において、
   前記複数の移相器は線路切換型移相器であることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
4. 請求項１に記載のフェーズドアレーアンテナ装置において、
   前記特性インピーダンス変換器は、長さがともに信号波長の１／４で特性インピーダンスは互いに異なる第１伝送線路および第２伝送線路を有し、
   前記第１伝送線路のみによる信号伝送と、前記第１伝送線路と前記第２伝送線路とが並列接続された状態での信号伝送とが切り換え可能に構成されていることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
5. 請求項４に記載のフェーズドアレーアンテナ装置において、
   前記特性インピーダンス変換器が有する前記第１伝送線路および前記第２伝送線路の両端がそれぞれ開閉可能なスイッチによって接続されており、
   前記スイッチをともに開かれた状態では、前記第１伝送線路のみによって信号伝送が行われ、前記スイッチをともに閉じられた状態では、並列接続された前記第１伝送線路および前記第２伝送線路によって信号伝送が行われることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
6. 等間隔で配置される複数のアンテナ素子と、隣接するこれらのアンテナ素子の間にそれぞれ接続されて伝送信号の位相を変化させる複数の移相器とを有するアンテナ配列部と、
   前記複数の移相器による移相量をそれぞれ制御する移相器制御部と、
   外部機器からの前記アンテナ配列部に対する給電経路を、前記アンテナ配列部の一端の側から行う経路または前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換えるとともに、その切り換えに前記移相器制御部の制御を対応させる給電経路切換部とを備えるフェーズドアレーアンテナ装置であって、
   前記複数の移相器のうちの少なくとも一部は、特性インピーダンスの切り換えをも可能とする適応移相器であり、
   前記適応移相器は、長さがともに信号波長の１／４で特性インピーダンスは互いに異なる第１伝送線路および第２伝送線路を有し、
   前記第１伝送線路および前記第２伝送線路の両端がそれぞれＰＩＮダイオードによって接続されるとともに、前記第１伝送線路の両端がそれぞれ直列接続されたコイルおよび可変容量ダイオードを介して接地されており、
   前記ＰＩＮダイオードのインピーダンス状態の切り換えによって、前記第１伝送線路のみによる信号伝送と、前記第１伝送線路と前記第２伝送線路とが並列接続された状態での信号伝送とを切り換え可能に構成されていることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
7. 請求項６に記載のフェーズドアレーアンテナ装置において、
   前記ＰＩＮダイオードがともに逆バイアス時の高インピーダンス状態である場合に、前記第１伝送線路のみによって信号伝送が行われ、前記ＰＩＮダイオードがともに順バイアス時の低インピーダンス状態である場合に、並列接続された前記第１伝送線路および前記第２伝送線路によって信号伝送が行われることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
8. 等間隔で配置される複数のアンテナ素子と、隣接するこれらのアンテナ素子の間にそれぞれ接続されて伝送信号の位相を変化させる複数の移相器とを有するアンテナ配列部と、
   前記複数の移相器による移相量をそれぞれ制御する移相器制御部と、
   外部機器からの前記アンテナ配列部に対する給電経路を、前記アンテナ配列部の一端の側から行う経路または前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換えるとともに、その切り換えに前記移相器制御部の制御を対応させる給電経路切換部とを備えるフェーズドアレーアンテナ装置であって、
   前記複数の移相器のうちの少なくとも一部は、特性インピーダンスの切り換えをも可能とする適応移相器であり、
   前記適応移相器は、信号伝送経路上に直列に挿入される第１可変容量ダイオードと、前記信号伝送経路の一端と前記第１可変容量ダイオードの間において前記信号伝送経路の接地に介する第２可変容量ダイオードと、前記信号伝送経路の他端と前記第１可変容量ダイオードの間において前記信号伝送経路の接地に介する第３可変容量ダイオードとを有し、
   前記第１可変容量ダイオード、前記第２可変容量ダイオード、および前記第３可変容量ダイオードの各容量を変化させることにより、前記信号伝送経路のインピーダンスおよび移相量を変化させることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。

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