JP3954263B2 - 送信用アクティブフェーズドアレイアンテナ装置及び受信用アクティブフェーズドアレイアンテナ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置及び受信用アクティブ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】
このような送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置及び受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置は、電子追尾機能を有する移動体からの素材伝送装置、マルチビーム及び空間的なビーム走査可能な衛星放送送受信用アンテナ、衛星搭載用の送受信アンテナ等に使用されている。
【０００３】
図９は、送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第１の従来例を示す図である。このような送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置では、端子Ｔ１から入力された信号（例えば、高周波信号）が、分配器１ａ〜１ｇによってそれぞれ２分配され、これら分配された信号が、移相器２ａ〜２ｈにそれぞれ出力される。移相器２ａ〜２ｈから出力された信号は、通常は対応する増幅器３ａ〜３ｈによってそれぞれ増幅された後にアンテナ素子４ａ〜４ｈに入力される。
【０００４】
このような構成では、アンテナ素子４ａ〜４ｈごとに位相を制御できるようになっているので、信号波長をλとした場合、アンテナ素子４ａ〜４ｈの配列間隔をλ／２以下にすると、グレーティングローブが出現せず、ビームを広角に走査することができる。
【０００５】
図１０は、送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第２の従来例を示す図である。この場合、端子Ｔ２から入力された信号が、分配器１１によって２分配され、これら分配された信号が、位相器１２ａ及び１２ｂにそれぞれ出力される。位相器１２ａ及び１２ｂから出力された信号は、通常は対応する増幅器１３ａ及び１３ｂによってそれぞれ増幅された後、分配器１４ａ及び１４ｂによってそれぞれ４分配され、アンテナ素子１５ａ〜１５ｈに入力される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示す送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置では、アンテナ素子４ａ〜４ｈに対して、通常、１個の移相器すなわち移相器２ａ〜２ｈのうちの対応するもの及び１個の増幅器すなわち増幅器３ａ〜３ｈのうちの対応するものを必要とするが、端子Ｔ１に入力される信号の周波数が高くなるに従って、アンテナ素子４ａ〜４ｈのスペースが小さくなり、アンテナ素子４ａ〜４ｈのスペースに対し移相器２ａ〜２ｈ及び増幅器３ａ〜３ｈが相対的に大きくなるという不都合がある。また、移相器２ａ〜２ｈ及び増幅器３ａ〜３ｈが高価なものであるので、これらを全体として平面配置した場合、素子の個数が増大し、その結果、コストパフォーマンスが非常に悪化するという不都合がある。
【０００７】
図１０に示す送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置では、複数（この場合４個）のアンテナ素子１５ａ〜１５ｄ及び１５ｅ〜１５ｈに対して、１個の移相器すなわち移相器１２ａ及び１２ｂのうちの対応するもの及び１個の増幅器すなわち増幅器１３ａ及び１３ｂのうちの対応するものしか必要としない。しかしながら、複数のアンテナ素子１５ａ〜１５ｄ及び１５ｅ〜１５ｈを移相器１２ａ及び１２ｂのうちの対応するものによって制御するので、ビームを大きく振った場合、位相中心の間隔が大きくなるので、メインローブ以外にレベルの大きなグレーティンググローブが発生するという不都合がある。
【０００８】
本発明の目的は、送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置及び受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置を大型化させることなく、グレーティングローブを抑制しながら広範囲なビーム制御を行うことができる送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置及び受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置は、入力された信号を第１及び第２の信号に分配する第１の分配手段と、
前記第１の信号の位相を制御する第１の位相制御手段と、
前記第２の信号の位相を制御する第２の位相制御手段と、
前記第１の位相制御手段によって位相を制御された前記第１の信号を第３及び第４の信号に分配する第２の分配手段と、
前記第２の位相制御手段によって位相を制御された前記第２の信号を第５及び第６の信号に分配する第３の分配手段と、
前記第４の信号と前記第６の信号とを合成して第７の信号を生成する合成手段と、
前記第３の信号が入力される第１のアンテナ素子と、
前記第５の信号が入力される第２のアンテナ素子と、
前記第７の信号が入力される第３のアンテナ素子とを具えることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明によれば、入力された信号を第１及び第２の信号に分配し、位相を制御された第１の信号を第３及び第４の信号に分配するとともに、位相を制御された第２の信号を第５及び第６の信号に分配し、第４の信号と第６の信号とを合成して第７の信号を生成する。その後、第３の信号は第１のアンテナ素子に入力され、第５の信号は第２のアンテナ素子に入力され、第７の信号は第３のアンテナ素子に入力される。このようにして第３のアンテナ素子に第７の信号が入力されることによって、第３のアンテナ素子に対して移相器を設ける必要がなくなる。その結果、各アンテナ素子に対して移相器をそれぞれ設けた従来の送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置に比べて、移相器の個数を減少させることができ、送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置の大型化を回避することができる。また、前記移相器の減少分だけアンテナ素子間隔を小さくすることができ、その結果、グレーディングローブを抑制し、広範囲なビーム制御が可能となる。
【００１１】
好適には、前記第３のアンテナ素子に入力される信号のレベルを自動的に制御する自動レベル制御手段を更に具える。これによって、信号のレベルを自動的に制御することができる。
【００１２】
本発明による受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置は、第１の信号が入力される第１のアンテナ素子と、
第２の信号が入力される第２のアンテナ素子と、
第３の信号が入力される第３のアンテナ素子と、
前記第３の信号を第４及び第５の信号に分配する分配手段と、
前記第１の信号と前記第４の信号とを合成して第６の信号を生成する第１の合成手段と、
前記第２の信号と前記第５の信号とを合成して第７の信号を生成する第２の合成手段と、
前記第６の信号の位相を制御する第１の位相制御手段と、
前記第７の信号の位相を制御する第２の位相制御手段と、
前記第１の位相制御手段によって位相を制御された前記第６の信号と前記第２の位相制御手段によって位相を制御された前記第７の信号とを合成して第８の信号を生成する第３の合成手段とを具えることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明によれば、第１の信号が第１のアンテナ素子に入力され、第２の信号が第２のアンテナ素子に入力され、第３の信号が第３のアンテナ素子に入力される。その後、第３の信号を第４及び第５の信号に分配し、第１の信号と第４の信号とを合成して第６の信号を生成し、第２の信号と第５の信号とを合成して第７の信号を生成し、位相を制御された第６の信号と位相を制御された第７の信号とを合成して第８の信号を生成する。このようにして第３のアンテナ素子に入力された第３の信号を第４及び第５の信号に分配することによって、第３のアンテナ素子に対して移相器を設ける必要がなくなる。その結果、各アンテナ素子に対して移相器をそれぞれ設けた従来の受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置に比べて、移相器の個数を減少させることができ、受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置の大型化を回避することができる。また、前記移相器の減少分だけアンテナ素子間隔を小さくすることができ、その結果、グレーディングローブを抑制し、広範囲なビーム制御が可能となる。
【００１４】
好適には、前記第３のアンテナ素子から出力される信号のレベルを自動的に制御する自動レベル制御手段を更に具える。これによって、信号のレベルを自動的に制御することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第１の実施の形態を示す図である。送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置としてのこのような装置は、端子Ｔ３に接続した分配器２１と、分配器２１に接続した移相器２２ａ及び２２ｂと、これら移相器２２ａ及び２２ｂを入力側にそれぞれ接続した増幅器２３ａ及び２３ｂと、これら増幅器２３ａ及び２３ｂの出力側にそれぞれ接続した分配器２４ａ及び２４ｂと、これら分配器２４ａ及び２４ｂに接続した遅延線２５ａ及び２５ｂと、分配器２４ａ及び２４ｂに接続した合成器２６と、分配器２４ａ、合成器２６及び分配器２４ｂにそれぞれ接続したアンテナ素子２７ａ，２７ｂ及び２７ｃとを具える。
【００１６】
本実施の形態の動作を説明する。端子Ｔ３から入力された信号（例えば高周波信号）は、分配器２１によって２分配される。分配されたこれらの信号は、移相器２２ａ及び２２ｂによって位相をそれぞれψ１及びψ２に制御した後、増幅器２３ａ及び２３ｂによって増幅される。これら増幅された信号はそれぞれ、遅延線２５ａ又は２５ｂに出力される電力と合成器２６に出力される電力との比が２：１になるように分配器２４ａ及び２４ｂによって２分配される。
【００１７】
合成器２６は、分配器２４ａ及び２４ｂからの信号をベクトル合成し、その合成信号をアンテナ素子２７ｂに出力する。なお、その合成信号の位相は（ψ１＋ψ２）／２となる。なお、アンテナ素子２７ａ及び２７ｃに出力される信号はそれぞれ、遅延線２５ａ及び２５ｂによって各アンテナ素子間の給電線の路長差を調整される。
【００１８】
本実施の形態によれば、各アンテナ素子に対して１個の増幅器及び移相器をそれぞれ設ける必要がなくなるので、各アンテナ素子に対して１個の増幅器及び移相器をそれぞれ設けた従来の送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置に比べて、増幅器及び移相器の個数を減少させることができ、送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置の大型化を回避することができる。また、前記増幅器及び移相器の減少分だけアンテナ素子間隔を小さくすることができ、その結果、グレーディングローブを抑制し、広範囲なビーム制御が可能となる。
【００１９】
なお、アンテナ素子２７ｂの放射量は、増幅器２３ａ及び２３ｂの出力の一部を合成したものであるので、素子間の位相差が大きくなる場合、アンテナ素子２７ｂの振幅は、ベクトル合成のためにアンテナ素子２７ａ及び２７ｃに比べて減少する。ビームチルト角が比較的小さい（例えば±５°以内）場合には、アンテナ素子２７ｂの振幅の低下量は０．３ｄＢ以下であるので不都合が生じることはない。
【００２０】
図２は、本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第２の実施の形態を示す図である。送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置としてのこのような装置は、端子Ｔ４に接続した分配器３１と、分配器３１に接続した移相器３２ａ及び３２ｂと、これら移相器３２ａ及び３２ｂにそれぞれ接続した分配器３３ａ及び３３ｂと、分配器３３ａ及び３３ｂに接続した合成器３４と、分配器３３ａ及び３３ｂにそれぞれ接続した遅延線３５ａ及び３５ｂと、遅延線３５ａ、合成器３４及び遅延線３５ｂを入力側に接続した増幅器３６ａ〜３６ｃと、これら増幅器３６ａ〜３６ｃに接続したアンテナ素子３７ａ〜３７ｃとを具える。
【００２１】
本実施の形態の動作を説明する。端子Ｔ４から入力された信号（例えば高周波信号）は、分配器３１によって２分配される。分配されたこれらの信号は、移相器３２ａ及び３２ｂによって位相をそれぞれψ１及びψ２に制御される。これら制御された信号はそれぞれ、遅延線３５ａ又は３５ｂに出力される電力と合成器３４に出力される電力との比が２：１になるように分配器３３ａ及び３３ｂによって２分配される。
【００２２】
合成器３４は、分配器３３ａ及び３３ｂからの信号を合成し、その合成信号を、増幅器３６ｂを通じてアンテナ素子３７ｂに出力する。なお、その合成信号の位相は（ψ１＋ψ２）／２となる。なお、アンテナ素子３７ａ及び３７ｃに出力される信号はそれぞれ、遅延線３５ａ及び３５ｂによって給電線路長差を調整されるとともに、増幅器３６ａ及び３６ｃによって増幅される。
【００２３】
本実施の形態によれば、アンテナ素子と能動素子を一体化することによって、装置の薄型化及び軽量化が可能となる。
【００２４】
図３は、本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第３の実施の形態を示す図である。このような装置は、図２の装置において増幅器３６ｂの代わりにＡＬＣ（オートレベルコントローラ）４１を設けたものである。ビームチルト角が増大すると振幅の低下量を無視できなくなるが、このようにＡＬＣ４１を用いてフィードバックをかけることによって出力レベルを自動的に制御すると、アンテナ素子４２の振幅の変動を抑制することができる。
【００２５】
図４は、本発明による送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第４の実施の形態を示す図である。この場合のアンテナ素子の配列構造は、２次元配列構造を有し、アンテナ素子５１ａ〜５１ｉを具え、３×３の送信用平面アクティブフェーズドアレーアンテナとしている。
【００２６】
本実施の形態では、アンテナ素子５１ａ及び５１ｃと、アンテナ素子５１ａ及び５１ｇと、アンテナ素子５１ｃ及び５１ｇと、アンテナ素子５１ｃ及び５１ｉと、アンテナ素子５１ｇ及び５１ｉとに対応する給電部の出力をそれぞれ合成して、アンテナ素子５１ｂ，５１ｄ，５１ｅ，５１ｆ及び５１ｈに接続することによって、該アンテナ素子５１ｂ，５１ｄ，５１ｅ，５１ｆ及び５１ｈ用移相器を省略することができる。また、アンテナ素子５１ａ，５１ｃ，５１ｇ及び５１ｉの間に挿入されるアンテナ素子が増加した場合、すなわち、ｎ×ｎ送信用平面アクティブフェーズドアレーアンテナとした場合でも、アンテナ素子５１ａ，５１ｃ，５１ｇ及び５１ｉに挿入されるアンテナ素子に対応する移相器を省略することができる。
【００２７】
図５は、本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第５の実施の形態を示す図である。受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置としてのこのような装置は、図１の分配器２１，２４ａ，２４ｂ及び合成器２６の代わりに合成器６１，６２ａ，６２ｂ及び分配器６３を配置するとともに、増幅器６４ａ及び６４ｂの出力側を移相器６５ａ及び６５ｂにそれぞれ接続した点を除いて、図１の装置と同一構成を有する。
【００２８】
図６は、本発明による受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第６の実施の形態を示す図である。受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置としてのこのような装置は、図２の分配器３１，３３ａ，３３ｂ及び合成器３４の代わりに合成器７１，７２ａ，７２ｂ及び分配器７３を配置するとともに、増幅器７４ａ〜７４ｃの出力側を遅延線７５ａ、分配器７３及び遅延線７５ｂに接続した点を除いて図２の装置と同一構成を有する。
【００２９】
図７は、本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第７の実施の形態を示す図である。このような装置は、図６の装置において増幅器７４ｂの代わりにＡＬＣ（オートレベルコントローラ）８１を設けたものである。
【００３０】
図８は、本発明による受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第８の実施の形態を示す図である。この場合のアンテナ素子の配列構造は、２次元配列構造を有し、アンテナ素子９１ａ〜９１ｉを具え、３×３の受信用平面アクティブフーェズドアレーアンテナとしている。
【００３１】
本実施の形態では、アンテナ素子９１ａ及び９１ｃと、アンテナ素子９１ａ及び９１ｇと、アンテナ素子９１ｃ及び９１ｇと、アンテナ素子９１ｃ及び９１ｉと、アンテナ素子９１ｇ及び９１ｉとに対応する受信出力をそれぞれ、アンテナ素子９１ｂ，９１ｄ，９１ｅ，９１ｆ及び９１ｈの受信分配出力と合成することによって、当該アンテナ素子９１ｂ，９１ｄ，９１ｅ，９１ｆ及び９１ｈ用移相器を省略することができる。また、アンテナ素子９１ａ，９１ｃ，９１ｇ及び９１ｉの間に挿入されるアンテナ素子が増加した場合、すなわち、ｎ×ｎ受信用平面アクティブフェーズドアレーアンテナとした場合でも、アンテナ素子９１ａ，９１ｃ，９１ｇ及び９１ｉの間に挿入されるアンテナ素子に対応する移相器を省略することができる。
【００３２】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、上記実施の形態では２個の移相器を使用することによって３個のアンテナ素子の放射位相を制御した場合について説明したが、アンテナ素子の個数を３個より多くした場合でも、各アンテナ素子の位相を、合成器及び分配器を適切に組み合わせることによって制御することができる。
【００３３】
また、図４に示す送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置における給電系の構造を、図１、図２又は図３に示した装置の給電系と同様の構造を用いて構成することができ、また、図８に示す受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置における給電系の構造を、図５、図６又は図７に示した装置の給電系と同様の構造を用いて構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】 本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第２の実施の形態を示す図である。
【図３】 本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第３の実施の形態を示す図である。
【図４】 本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第４の実施の形態を示す図である。
【図５】 本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第５の実施の形態を示す図である。
【図６】 本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第６の実施の形態を示す図である。
【図７】 本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第７の実施の形態を示す図である。
【図８】 本発明によるアクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第８の実施の形態を示す図である。
【図９】 アクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第１の従来例を示す図である。
【図１０】 アクティブフェーズドアレーアンテナ装置の第２の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１１，１４ａ，１４ｂ，２１，２４ａ，２４ｂ，３１，３３ａ，３３ｂ，６３，７３ 分配器
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ，１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ，６５ａ，６５ｂ 移相器
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ，１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，６４ａ，６４ｂ，７４ａ，７４ｂ，７４ｃ 増幅器
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５ｇ，１５ｈ，２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，４２，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅ，５１ｆ，５１ｇ，５１ｈ，５１ｉ，９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ，９１ｆ，９１ｇ，９１ｈ，９１ｉ アンテナ素子
２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂ，７５ａ，７５ｂ 遅延線
２６，３４，６１，６２ａ，６２ｂ，７１，７２ａ，７２ｂ 合成器
４１，８１ ＡＬＣ
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４ 端子

Claims (4)

1. 入力された信号を第１及び第２の信号に分配する第１の分配手段と、
   前記第１の信号の位相を制御する第１の位相制御手段と、
   前記第２の信号の位相を制御する第２の位相制御手段と、
   前記第１の位相制御手段によって位相を制御された前記第１の信号を第３及び第４の信号に分配する第２の分配手段と、
   前記第２の位相制御手段によって位相を制御された前記第２の信号を第５及び第６の信号に分配する第３の分配手段と、
   前記第４の信号と前記第６の信号とを合成して第７の信号を生成する合成手段と、
   前記第３の信号が入力される第１のアンテナ素子と、
   前記第５の信号が入力される第２のアンテナ素子と、
   前記第７の信号が入力される第３のアンテナ素子とを具えることを特徴とする送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置。
2. 前記第３のアンテナ素子に入力される信号のレベルを自動的に制御する自動レベル制御手段を更に具えることを特徴とする請求項１記載の送信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置。
3. 第１の信号が入力される第１のアンテナ素子と、
   第２の信号が入力される第２のアンテナ素子と、
   第３の信号が入力される第３のアンテナ素子と、
   前記第３の信号を第４及び第５の信号に分配する分配手段と、
   前記第１の信号と前記第４の信号とを合成して第６の信号を生成する第１の合成手段と、
   前記第２の信号と前記第５の信号とを合成して第７の信号を生成する第２の合成手段と、
   前記第６の信号の位相を制御する第１の位相制御手段と、
   前記第７の信号の位相を制御する第２の位相制御手段と、
   前記第１の位相制御手段によって位相を制御された前記第６の信号と前記第２の位相制御手段によって位相を制御された前記第７の信号とを合成して第８の信号を生成する第３の合成手段とを具えることを特徴とする受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置。
4. 前記第３のアンテナ素子から出力される信号のレベルを自動的に制御する自動レベル制御手段を更に具えることを特徴とする請求項３記載の受信用アクティブフェーズドアレーアンテナ装置。

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