JP5700418B2 - Feed matrix circuit and phased array antenna using the same - Google Patents

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Description

本発明は、給電ポートの位置によってビーム方向が決定される給電マトリックス回路およびそれを備えるフェイズドアレーアンテナに関する。   The present invention relates to a feed matrix circuit in which a beam direction is determined by a position of a feed port and a phased array antenna including the feed matrix circuit.

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イズドアレーアンテナ装置が知られている。このフェイズドアレーアンテナは、大変高価でサイズも大きいため、主として軍事用途やプロフェッショナル用途で用いられている。   Conventionally, it has an array of a plurality of antenna elements for microwaves and millimeter waves, and each antenna element itself is controlled by electrically controlling the phase of a received signal from each antenna element and a feeding signal to each antenna element. A phased array antenna device that can change the beam direction as a whole without moving is known. Since this phased array antenna is very expensive and large in size, it is mainly used in military and professional applications.

給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェイズドアレーアンテナは、給電を行うマトリックス回路のポート(給電点)の位置に対応してビーム方向が変化することから給電点切換走査型のフェイズドアレーアンテナとも呼ばれる。
小形で安価にビームを切り替えるマトリックス回路として、ハイブリッド回路を4つ用いてビーム方向を4方向に切り替えるバトラーマトリックス給電回路が良く知られている。この給電回路に入力された信号はマトリックス回路の中で分配され、ポート毎に異なる位相差をもって出力される。信号を入力するポート位置によって、出力側で生じる位相の傾きが異なるため、給電回路のポート位置に応じてビーム方向が変化する。
A phased array antenna using a matrix circuit in which the beam direction is determined by the position of the feeding port changes the beam direction in accordance with the position of the port (feeding point) of the matrix circuit that feeds power, so the feeding point switching scanning type Also called the phased array antenna.
As a small and inexpensive matrix circuit for switching beams, a Butler matrix feed circuit that uses four hybrid circuits to switch the beam direction to four directions is well known. Signals input to the power supply circuit are distributed in the matrix circuit and output with different phase differences for each port. Since the phase gradient generated on the output side differs depending on the port position where the signal is input, the beam direction changes depending on the port position of the power feeding circuit.

しかし、バトラーマトリックス回路はハイブリッド回路を4つ用いているため、民生の製品で用いるにはまだ十分な小形化がされているとはいえず、民生の製品にバトラーマトリックス回路が用いられることはまれである。また、バトラーマトリックス回路はビームをボアサイト方向に向けることができない欠点を持っているところ、アンテナを用いたシステムでは、ボアサイト方向のビームを重要とされることが多いため問題となっていた。   However, since the Butler matrix circuit uses four hybrid circuits, it cannot be said that the size is still small enough to be used in consumer products. Butler matrix circuits are rarely used in consumer products. It is. Further, the Butler matrix circuit has a drawback that the beam cannot be directed in the boresight direction. However, in a system using an antenna, the beam in the boresight direction is often important, which is a problem.

そこで、発明者は、アンテナのビームを、ボアサイトを含む3方向に切り替えを行うためのHTBM(Hybrid Three Direction Beam Matrix)と称する給電回路を提案した(非特許文献1)。HTBMは、λ/4の伝送線路と2つのハイブリッドカプラと3つのスイッチで構成される給電回路であって、1入力、4出力で、アンテナ間の位相差を±90°と0°に切り替えることができるものである。   In view of this, the inventor has proposed a power feeding circuit called HTBM (Hybrid Three Direction Beam Matrix) for switching the antenna beam in three directions including boresight (Non-patent Document 1). The HTBM is a power supply circuit consisting of a transmission line of λ / 4, two hybrid couplers, and three switches. With one input and four outputs, the phase difference between the antennas is switched between ± 90 ° and 0 °. It is something that can be done.

また、発明者は、さらに小形の給電マトリックス回路としてQTBM(Quarter Wavelength Three Direction Beam Matrix)と称する給電回路を提案した。これは、λ/4の伝送線路のみで構成され、HTBMと同等の性能を持つ給電回路である(特許文献1、非特許文献2)。ただし、QTBMはスイッチを5つ用いる必要があった。   Further, the inventor has proposed a power feeding circuit called QTBM (Quarter Wavelength Three Direction Beam Matrix) as a smaller power feeding matrix circuit. This is a power supply circuit that includes only a transmission line of λ / 4 and has performance equivalent to that of HTBM (Patent Document 1, Non-Patent Document 2). However, QTBM needed to use five switches.

特開2009-44495号公報JP 2009-44495 A

辻正敏、他4名、「ハイブリッドマトリックスを用いたボアサイトを含む3ビーム方向制御小形アレーアンテナ」、電気情報通信学会論文誌B, Vol. J90-B, No.3, Mar. 2007Masatoshi Tsuji, 4 others, “3-beam direction control small array antenna including bore sight using hybrid matrix”, IEICE Transactions B, Vol. J90-B, No. 3, Mar. 2007 辻正敏、「λ/4線路を用いたボアサイトを含む3ビーム方向制御小形給電マトリックス回路」、電気学会論文誌C, Vol.128, No.6, Jun. 2008Masatoshi Tsuji, “Three Beam Direction Control Small Feed Matrix Circuit with Boresight Using λ / 4 Line”, IEEJ Transactions C, Vol.128, No.6, Jun. 2008

小形フェイズドアレーアンテナの用途としては、例えば、防犯システムが挙げられる。すなわち、マイクロ波を検知エリアに向けて送信し、検知エリア内に人体(侵入者)が存在する場合には、その人体からの反射波(ドップラー効果によって変調したマイクロ波)を受信して人体を検知する防犯センサで異常を検知して、カメラで現場を撮影し、監視センターに送る防犯システムでの利用である。   As an application of the small phased array antenna, for example, a security system can be cited. That is, when a microwave is transmitted to a detection area and a human body (intruder) exists in the detection area, a reflected wave from the human body (a microwave modulated by the Doppler effect) is received to It is used in a security system that detects anomalies with a security sensor that detects it, shoots the scene with a camera, and sends it to a monitoring center.

しかし、防犯センサには誤報の問題があることが知られている。例えば、防犯センサが昆虫や雨その他の誤報要因により反応してしまうため、検知信号が侵入者によるものか否かを調べるのに多くの時間が取られるという問題である。他の問題としては、カメラで広範囲を監視すると遠方の侵入者の顔が小さくなり、せっかく侵入者を撮影しても、人物の特定が難しいことが挙げられる。そこで、マイクロ波センサによって侵入者の位置を特定し、カメラを侵入者の方向に向けて拡大映像を撮像することのニーズがある。   However, it is known that the security sensor has a problem of false alarm. For example, since the security sensor reacts due to insects, rain, or other misinformation factors, it takes a long time to check whether the detection signal is from an intruder. Another problem is that when a wide area is monitored with a camera, the face of a distant intruder becomes small, and even if the intruder is photographed, it is difficult to identify a person. Therefore, there is a need to identify the position of the intruder with the microwave sensor and take an enlarged image with the camera facing the intruder.

これらの問題を解決する手法の一つとして、マイクロ波センサのアンテナから出るビームを左右に振るビーム切り替えアンテナと測距のできるマイクロ波センサ(2周波CW方式)を組み合わせて、ターゲット位置を検出する手法がある。ビームを左右に振ることでターゲットの横方向の位置を、2周波CW方式によりセンサからの距離を検出してターゲットの2次元の位置情報を得る手法である。また、ビームを振ることで、その物体が近くの虫であるか、遠方の人であるか、雨であるかを、検出レベルにより判定することが可能である。   One method to solve these problems is to detect the target position by combining a beam switching antenna that moves the beam from the antenna of the microwave sensor to the left and right and a microwave sensor that can measure the distance (two-frequency CW method). There is a technique. This is a technique for obtaining the two-dimensional position information of the target by detecting the position of the target in the horizontal direction by swinging the beam left and right and the distance from the sensor by the two-frequency CW method. Further, by shaking the beam, it is possible to determine from the detection level whether the object is a nearby insect, a distant person, or rain.

しかし、これまでのビームを切り替える手法を用いると、センサの構造が複雑になり、サイズが大きく、コストが高くなるため、民生用の機器に用いることが難しかった。特に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、多数のスイッチが必要とされるフェイズドアレーアンテナ装置は高額な商品となっていた。また、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。   However, if the conventional beam switching method is used, the structure of the sensor is complicated, the size is large, and the cost is high, so that it has been difficult to use it for consumer devices. In particular, switches used for microwaves and millimeter waves are expensive, and phased array antenna devices that require a large number of switches have become expensive products. Moreover, since many switch circuits are required, the size has been increased.

そこで、本発明は、簡易な構造で製造コストを抑えることができ、サイズを小形化できる給電マトリックス回路およびそれを備えるフェイズドアレーアンテナを提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a feed matrix circuit that can reduce the manufacturing cost with a simple structure and can be reduced in size, and a phased array antenna including the same.

本発明は、1入力4出力のフェイズドアレーアンテナの給電マトリックス回路であって、信号入力端子(IN)、4個のアンテナ端子(ANT1〜ANT4)、前記アンテナ端子間の信号位相差を0°に変化させる第1の給電点、前記アンテナ端子間の信号位相差を−90°に変化させる第2の給電点、および、前記アンテナ端子間の信号位相差を+90°に変化させる第3の給電点が設けられた基板と、前記基板の表側に配置され、前記4個のアンテナ端子のうちの2個に接続される第1のラットレース回路(HB1)と、前記基板の裏側に配置され、前記4個のアンテナ端子のうちの2個に接続される第2のラットレース回路(HB2)と、入力信号の4分の1波長の電気長を有し、前記第1のラットレース回路(HB1)と前記第2のラットレース回路(HB2)とを接続する第1の線路(Ta)と、入力信号の4分の1波長の電気長を有し、前記信号入力端子(Port1)に接続される第2の線路(Tb)と、前記第2の線路(Tb)と前記第1ないし第3の給電点との接続を択一的に切り替える3方向切替スイッチ(SW)と、を有し、前記3方向切替スイッチ(SW)で、前記第1ないし第3の給電点への給電を切り替えることにより、4エレメントのアレーアンテナのビーム方向を、ボアサイト方向を含む3方向に切り替え可能である給電マトリックス回路を要旨とし、好ましくは、前記第1の線路(Ta)が、前記基板の表側に配置された入力信号の8分の1波長の電気長を有する表線路と、前記基板の裏側に配置された入力信号の8分の1波長の電気長を有する裏線路と、前記表線路および前記裏線路とを接続するビアとから構成される。
また、本発明は、当該給電マトリックス回路を備えるフェイズドアレーアンテナを要旨とする。
The present invention is a feeding matrix circuit for a phased array antenna with one input and four outputs, wherein the signal input terminal (IN), the four antenna terminals (ANT1 to ANT4), and the signal phase difference between the antenna terminals is set to 0 °. A first feeding point to be changed, a second feeding point to change the signal phase difference between the antenna terminals to −90 °, and a third feeding point to change the signal phase difference between the antenna terminals to + 90 ° And a first rat race circuit (HB1) disposed on the front side of the substrate and connected to two of the four antenna terminals, and disposed on the back side of the substrate, A second rat race circuit (HB2) connected to two of the four antenna terminals and an electrical length of a quarter wavelength of the input signal, the first rat race circuit (HB1) And a first line (Ta) that connects the second rat race circuit (HB2) and an input A second line (Tb) having an electrical length of a quarter wavelength of the signal and connected to the signal input terminal (Port1), the second line (Tb), and the first to third A three-way selector switch (SW) that selectively switches the connection with the feeding point, and by switching the feeding to the first to third feeding points with the three-way selector switch (SW) The main point is that the feed matrix circuit is capable of switching the beam direction of the four-element array antenna to three directions including the boresight direction, and preferably the first line (Ta) is arranged on the front side of the substrate. A front line having an electrical length of 1/8 wavelength of the input signal, a back line having an electrical length of 1/8 wavelength of the input signal disposed on the back side of the substrate, the front line and the back line And vias that connect to each other.
Moreover, this invention makes a summary the phased array antenna provided with the said electric power feeding matrix circuit.

本発明によれば、簡易な構造で従来と同様の特性を得ることができ、サイズを小形化できる低コストの給電マトリックス回路およびそれを備えるフェイズドアレーアンテナを提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a low-cost power feeding matrix circuit that can obtain the same characteristics as those of the prior art with a simple structure and can be reduced in size, and a phased array antenna including the same.

実施例に係る給電回路の表面側の回路図Circuit diagram of the surface side of the feeder circuit according to the embodiment 実施例に係る給電回路の裏面側の回路図Circuit diagram of the back side of the feeder circuit according to the embodiment ポーラチャートにプロットされた実施例に係る給電回路のSパラメータS-parameters of the power supply circuit according to the example plotted on the polar chart

本発明は、RTBM(Rat-race Tree Beam Matrix)と称する1入力4出力のフェイズドアレーアンテナの小形給電マトリックス回路に関する。この給電回路は、アンテナ間の位相差を、スイッチの設定により+90°,−90°,0°に切り替えることができるため、4エレメントのアレーアンテナのビーム方向を、ボアサイト方向を含む3方向に切り替え可能である。各アンテナのパワーレベルは均一に入力信号の1/4である。この回路で使われる主要部品は、ラットレース回路2つと、3方向切り替えスイッチ1つであり、その構造はシンプルである。この回路のサイズは、誘電率3.3の3層基板を用いた場合、例えば実施例に示す如く46×55mmであり、従来の給電回路より小形にすることができる。   The present invention relates to a small feed matrix circuit of a 1-input 4-output phased array antenna called RTBM (Rat-race Tree Beam Matrix). This feeding circuit can switch the phase difference between the antennas to + 90 °, -90 °, and 0 ° by setting the switch. Therefore, the beam direction of the 4-element array antenna is changed to three directions including the boresight direction. Switching is possible. The power level of each antenna is uniformly 1/4 of the input signal. The main components used in this circuit are two rat race circuits and one three-way selector switch, and the structure is simple. When a three-layer substrate having a dielectric constant of 3.3 is used, the size of this circuit is, for example, 46 × 55 mm as shown in the embodiment, and can be made smaller than the conventional power supply circuit.

この給電マトリックス回路の特性は、スイッチの設定によりアンテナ間位相差を0°,−90°,+90°レベルを全て均一にすることができることにある。本発明の給電回路はRF回路シミュレータで計算され、その結果は理論値とほぼ一致し、正しく動作することを確認することができている。本発明の給電回路は、等間隔に配置された素子アンテナを複数備えるフェイズドアレーアンテナの小形化に寄与するものである。   The characteristic of this power feeding matrix circuit is that the phase differences between the antennas can be made uniform at 0 °, −90 °, and + 90 ° by setting the switches. The power supply circuit of the present invention is calculated by an RF circuit simulator, and the result almost matches the theoretical value, and it can be confirmed that it operates correctly. The power feeding circuit of the present invention contributes to miniaturization of a phased array antenna having a plurality of element antennas arranged at equal intervals.

以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明は実施例により何ら限定されるものではない。   Hereinafter, details of the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples.

《構成》
図1は実施例に係る給電回路の表面側の回路図であり、図2は裏面側の回路図である。基板は、3層で構成されており、表面と裏面には、マイクロストリップラインによる回路が配置されている。中央の層は、グランドプレーンである。各図中で反対面のパターンは、薄いグレーで書かれている。黒点はビアで、表面と裏面をつなげる。表面と裏面に配置されているHB1,HB2は、1.5λ型3dBラットレース回路で、特性インピーダンス70.7Ωの線路で設計される。ラットレース回路からアンテナ端子ANT1〜4端子につながる4本の線路は、特性インピーダンス50Ωで線路長は全て同じである。線路Ta、Tb,Tcの線路長は、それぞれλ/8, λ/4、”指定なし”であり、特性インピーダンスは、50Ω,35.3Ω,25Ωである。Taは表と裏の線路を合わせてλ/4の電気長を得るために用いる。Tbは25Ωから50Ωのインピーダンス変換のために用いる。SWは3方向切り替えスイッチで、ラットレース回路のポートA1とA2のすぐそばに配置され、スイッチとラットレース回路をつなぐ線路の長さは無視できるものとする。
"Constitution"
FIG. 1 is a circuit diagram on the front surface side of the power feeding circuit according to the embodiment, and FIG. 2 is a circuit diagram on the back surface side. The substrate is composed of three layers, and circuits using microstrip lines are arranged on the front and back surfaces. The middle layer is the ground plane. In each figure, the pattern on the opposite side is written in light gray. Black spots are vias that connect the front and back surfaces. HB1 and HB2 arranged on the front and back are 1.5λ type 3dB rat race circuits, which are designed with a characteristic impedance of 70.7Ω. The four lines connected from the rat race circuit to the antenna terminals ANT1 to 4 have the characteristic impedance of 50Ω and the line lengths are all the same. The line lengths of the lines Ta, Tb, and Tc are λ / 8, λ / 4, and “not specified”, respectively, and the characteristic impedances are 50Ω, 35.3Ω, and 25Ω. Ta is used to obtain the electrical length of λ / 4 by combining the front and back lines. Tb is used for impedance conversion from 25Ω to 50Ω. SW is a three-way selector switch, placed right next to the ports A1 and A2 of the rat race circuit, and the length of the line connecting the switch and the rat race circuit is negligible.

アンテナと信号源の入出インピーダンスは50Ωである。スイッチ設定が1(SW1)の時、IN端子より入力された信号は、λ/4インピーダンス変換にて25Ωに変換された後、半分の電力が表面のラットレース回路HB1のポートC1に、残りの半分が裏面のラットレース回路HB2のポートC2に導かれる。信号は、表面ではポートB1, D1より、裏面ではポートB2, D2より出力される。各ポートB1, B2, D1, D2は、4本のアンテナANT1, ANT2, ANT3, ANT4にそれぞれ給電される。ラットレース回路の特性上、ポートA1,A2からは、信号が出ないことが知られている(岡田文明著、「マイクロ波工学 基礎と応用」、山海堂発行)。そのためここに接続される線路Taは無視することができる。ここで、線路Tcの長さとラットレース回路とアンテナ間の線路の長さを無視して考えると、4つのアンテナポートの位相とパワーレベルは全て一致し、入力信号INを基準として、位相は−180°、パワーレベルは -6dBで出力される。   The input / output impedance of the antenna and signal source is 50Ω. When the switch setting is 1 (SW1), the signal input from the IN terminal is converted to 25Ω by λ / 4 impedance conversion, and then half of the power is left to port C1 of the rat race circuit HB1 on the surface. Half is led to port C2 of the rat race circuit HB2 on the back side. The signal is output from ports B1 and D1 on the front side and from ports B2 and D2 on the back side. Each port B1, B2, D1, and D2 is supplied with power to four antennas ANT1, ANT2, ANT3, and ANT4, respectively. Due to the characteristics of the rat race circuit, it is known that signals are not output from ports A1 and A2 (Fumiaki Okada, “Basics and Applications of Microwave Engineering”, published by Sankaido). Therefore, the line Ta connected here can be ignored. Here, when ignoring the length of the line Tc and the length of the line between the rat race circuit and the antenna, the phases and power levels of the four antenna ports all match, and the phase is − based on the input signal IN. The output is 180 ° and the power level is -6dB.

スイッチ設定が2(SW2)の時、入力信号の半分は、表面のラットレース回路のポートA1に入り、半分の信号は、表面と裏面の線路Taを通り、位相が90°遅れて裏面のラットレース回路のポートA2に入る。ラットレース回路の特性により、ANT1,ANT2,ANT3,ANT4に出力される位相は、入力信号に対してそれぞれ180°, 90°, 0°, -90°であり、アンテナ間の位相差は、ANT1を基準として-90°となる。そして各アンテナ出力のレベルは、全て-6dBになる。この時、ポートC1, C2からは信号は出ないため、線路Tcは無視できる。   When the switch setting is 2 (SW2), half of the input signal enters port A1 of the front-side rat race circuit, and half of the signal passes through the front-side and back-side lines Ta, and the phase is 90 ° behind the phase. Enter port A2 of the race circuit. Due to the characteristics of the rat race circuit, the phases output to ANT1, ANT2, ANT3, and ANT4 are 180 °, 90 °, 0 °, and -90 °, respectively, with respect to the input signal. -90 ° with respect to. And each antenna output level is -6dB. At this time, since no signal is output from the ports C1 and C2, the line Tc can be ignored.

スイッチ設定が3(SW3)の時、入力信号は、裏面のポートA2よりラットレース回路HB2に入り、半分の信号は、線路Taを通り位相が90°遅れて表面のラットレース回路HB1に入る。アンテナANT1,ANT2,ANT3,ANT4に出力される位相は90°, 180°, -90°, 0°であり、各アンテナ間の位相差は、ANT1を基準として+90°となる。そして各アンテナのレベルは、全て-6dBになる。   When the switch setting is 3 (SW3), the input signal enters the rat race circuit HB2 from the port A2 on the back surface, and half of the signal passes through the line Ta and enters the rat race circuit HB1 on the front surface with a phase delay of 90 °. The phases output to the antennas ANT1, ANT2, ANT3, and ANT4 are 90 °, 180 °, -90 °, and 0 °, and the phase difference between the antennas is + 90 ° with respect to ANT1. And each antenna level is -6dB.

《設計とシミュレーション》
シミュレーションは、図1および2の回路をRF回路シミュレータSNAP(修正節点解析法、MEL)で解析する。解析は、入力ポートINをポート1(P1)、アンテナポートANT1〜ANT4をポート1〜5(P2〜P5)として伝達特性S21〜S51を求める。
また、「ラットレース回路からアンテナまでの線路の電気長、線路Tcの線路の長さ、ビア、スイッチ、線路のロス」の部分は無視して解析を行う。
《Design and simulation》
In the simulation, the circuits shown in FIGS. 1 and 2 are analyzed by an RF circuit simulator SNAP (modified nodal analysis method, MEL). In the analysis, transfer characteristics S21 to S51 are obtained with input port IN as port 1 (P1) and antenna ports ANT1 to ANT4 as ports 1 to 5 (P2 to P5).
In addition, the analysis is performed by ignoring the “electric length of the line from the rat race circuit to the antenna, the length of the line Tc, the via, the switch, and the loss of the line”.

基板の特性は、HTBMで報告された値に合わせて誘電率3.3、板厚0.8mmとする。各線路の幅(W)と線路長(L)は、SNAPにより計算され、線路幅W=1.0mm (Z0=70Ω) W=1.8mm (Z0=50Ω) W=3.1mm (Z0/2=35.3Ω) W=4.9mm (Z0=25Ω), λ/4の線路長 L= 19.1mm を得た。解析周波数は2.4〜2.5GHzで行う。   The characteristics of the substrate shall be a dielectric constant of 3.3 and a plate thickness of 0.8 mm to match the values reported by HTBM. The width (W) and length (L) of each line are calculated by SNAP. Line width W = 1.0mm (Z0 = 70Ω) W = 1.8mm (Z0 = 50Ω) W = 3.1mm (Z0 / 2 = 35.3 Ω) W = 4.9mm (Z0 = 25Ω), λ / 4 line length L = 19.1mm. The analysis frequency is 2.4 to 2.5 GHz.

《測定結果》
図3では、シミュレータで計算されたRTBMのS21, S31, S41, S51がポーラチャート上にプロットされている。データの中にある○印のマーカーは、2.45GHzのポイントであり、表1は、その角度と振幅値をまとめたものである。
"Measurement result"
In FIG. 3, RTBM S21, S31, S41, and S51 calculated by the simulator are plotted on the polar chart. The circled markers in the data are points at 2.45 GHz, and Table 1 summarizes the angles and amplitude values.

[表1]
[Table 1]

SW1では4つのデータはほぼ同じになり、位相は180°、レベルは-6dBである。SW2では、S21, S31, S41, S51の位相は-179°, 89°, 0°, -90°であり、ANT1を基準とするとアンテナ間の位相は約90°遅れる。レベルは4つともほぼ同じ-6dBである。SW3では、S21, S31, S41, S51の位相は89°, -179°, -90°, 0°であり、ANT1を基準とすると、アンテナ間の位相は約90°進む。レベルは4つともほぼ同じ-6dBである。   In SW1, the four data are almost the same, the phase is 180 °, and the level is -6dB. In SW2, the phases of S21, S31, S41, and S51 are -179 °, 89 °, 0 °, and -90 °, and the phase between the antennas is delayed by about 90 ° with ANT1 as a reference. All four levels are about the same -6dB. In SW3, the phases of S21, S31, S41, and S51 are 89 °, -179 °, -90 °, and 0 °, and the phase between the antennas advances by about 90 ° with ANT1 as a reference. All four levels are about the same -6dB.

以上のようにシミュレーション結果は、理論値とほぼ一致し、実施例に係る給電回路が正しく動作することを確認することができた。実施例に係る給電回路のサイズは、スイッチ回路を20×20mmとすると、46×55mmと見積もられる。これは非特許文献1のHTBMに対して80%のサイズであり、HTBMより小形化が期待できる。   As described above, the simulation results almost coincided with the theoretical values, and it was confirmed that the power supply circuit according to the example operates correctly. The size of the power supply circuit according to the embodiment is estimated to be 46 × 55 mm when the switch circuit is 20 × 20 mm. This is 80% of the size of HTBM in Non-Patent Document 1, and can be expected to be smaller than HTBM.

本発明は、小形かつ簡易な構造で、製造コストも抑えることができるため、防犯システム用マイクロ波センサなどの民生製品としての利用に好適である。   The present invention is suitable for use as a consumer product such as a microwave sensor for a crime prevention system because it has a small and simple structure and can reduce the manufacturing cost.

Claims (3)

1入力4出力のフェイズドアレーアンテナの給電マトリックス回路であって、
信号入力端子(IN)、4個のアンテナ端子(ANT1〜ANT4)、前記アンテナ端子間の信号位相差を0°に変化させる第1の給電点、前記アンテナ端子間の信号位相差を−90°に変化させる第2の給電点、および、前記アンテナ端子間の信号位相差を+90°に変化させる第3の給電点が設けられた基板と、
前記基板の表側に配置され、前記4個のアンテナ端子のうちの2個に接続される第1のラットレース回路(HB1)と、
前記基板の裏側に配置され、前記4個のアンテナ端子のうちの2個に接続される第2のラットレース回路(HB2)と、
入力信号の4分の1波長の電気長を有し、前記第1のラットレース回路(HB1)と前記第2のラットレース回路(HB2)とを接続する第1の線路(Ta)と、
入力信号の4分の1波長の電気長を有し、前記信号入力端子(Port1)に接続される第2の線路(Tb)と、
前記第2の線路(Tb)と前記第1ないし第3の給電点との接続を択一的に切り替える3方向切替スイッチ(SW)と、
を有し、
前記3方向切替スイッチ(SW)で、前記第1ないし第3の給電点への給電を切り替えることにより4エレメントのアレーアンテナのビーム方向を、ボアサイト方向を含む3方向に切り替え可能である給電マトリックス回路。
A feed matrix circuit for a phased array antenna with 1 input and 4 outputs,
A signal input terminal (IN), four antenna terminals (ANT1 to ANT4), a first feeding point that changes the signal phase difference between the antenna terminals to 0 °, and a signal phase difference between the antenna terminals of −90 ° A substrate provided with a second feeding point to be changed to, and a third feeding point to change the signal phase difference between the antenna terminals to + 90 °,
A first rat race circuit (HB1) disposed on the front side of the substrate and connected to two of the four antenna terminals;
A second rat race circuit (HB2) disposed on the back side of the substrate and connected to two of the four antenna terminals;
A first line (Ta) having an electrical length of a quarter wavelength of an input signal, and connecting the first rat race circuit (HB1) and the second rat race circuit (HB2);
A second line (Tb) having an electrical length of a quarter wavelength of the input signal and connected to the signal input terminal (Port1);
A three-way selector switch (SW) that selectively switches the connection between the second line (Tb) and the first to third feeding points;
Have
Feeding that can switch the beam direction of the four-element array antenna to three directions including the boresight direction by switching feeding to the first to third feeding points with the three-way selector switch (SW). Matrix circuit.
前記第1の線路(Ta)が、前記基板の表側に配置された入力信号の8分の1波長の電気長を有する表線路と、前記基板の裏側に配置された入力信号の8分の1波長の電気長を有する裏線路と、前記表線路および前記裏線路とを接続するビアとから構成される請求項1の給電マトリックス回路。 The first line (Ta) has an electrical length of one-eighth wavelength of the input signal arranged on the front side of the substrate, and one-eighth of the input signal arranged on the back side of the substrate 2. The feed matrix circuit according to claim 1 , comprising a back line having an electrical length of a wavelength, and vias connecting the front line and the back line . 請求項1または2の給電マトリックス回路を備えるフェイズドアレーアンテナ。   A phased array antenna comprising the feeding matrix circuit according to claim 1 or 2.
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