JP6042042B1 - 送信モジュールおよびそれを備えるアレイアンテナ装置および送信装置 - Google Patents

Abstract

送信モジュール（３０）は、ｎ個の発振器モジュール（５０）と、位相指令信号生成部（４０）とを含む。各発振器モジュール（５０）は、電圧制御発振器（６０）と、増幅部（７０）とを有する。電圧制御発振器（６０）は、共通の基準信号（Ｓｒ）に基づく同期制御によって、ｎ個の発振器モジュール（５０）間で同期した同一周波数の送信高周波信号を出力する。増幅部（７０）は、電圧制御発振器（６０）からの送信高周波信号を電力増幅して出力する。ｎ個の発振器モジュール（５０）間で、電圧制御発振器（６０）が出力する、同期した送信高周波信号の位相は、位相指令信号生成部（４０）からのｎ個の位相指令信号（φ１＊〜φｎ＊）に従ってそれぞれ別個に制御される。

Description

この発明は、送信モジュールおよびそれを備えるアレイアンテナ装置および送信装置に関し、より特定的には、ベースバンド信号を有しない送信に用いられる送信モジュールの構成に関する。

近年、電力増幅素子として、ＧａＮ−ＦＥＴ（Field Effect Transistor）をはじめとする半導体高出力素子が普及しており、長寿命であるなどのメリットから、これまで真空管デバイスを用いて増幅器・発振器を構成していた送信システムにも採用が進んでいる。しかしながら、真空管デバイスと比較すると、半導体素子単体では、出力電力が小さいため、半導体を用いた高出力用途の送信装置では電力合成が必要不可欠である。

半導体を用いた高出力送信装置の実現方法として、アレイアンテナ装置がある。アレイアンテナ装置は、これまで、種々の構成が提案されている。たとえば、特許第５３７７７５０号公報（特許文献１）には、複数（ｎ個）の局部発振信号から合成された送信高周波信号を合成するように構成されたアレイアンテナ装置が開示されている。特許文献１のアレイアンテナ装置によれば、単一の局部発振信号から生成された送信高周波信号をｎ倍に増幅する構成と比較して、ｎ倍だけＳＮ比を改善することが可能であるとされている。

特許第５３７７７５０号公報

ベースバンド信号を有しない、レーダー等の通信以外のアプリケーションでは、半導体送信装置の大電力化を目的として、送信用アレイアンテナの小型化が望まれている。装置の小型化は、低コスト化にも寄与することができる。

一方で、特許文献１のアレイアンテナ装置は、通信情報としてベースバンド信号を有する送信用途に向けられているため、送信モジュールについても、ベースバンド信号と局部発振信号とを混合することによる周波数変換を実行する構成となっている。このため、ベースバンド信号を有しない送信に限った用途では、部品点数が多く、大型かつ高コストになってしまう。

また、アレイアンテナ装置では、複数の素子アンテナのそれぞれから送信される同一周波数の高周波信号間での位相によって、放射指向性の制御、すなわちビーム制御が行われる。このため、レーダー等のベースバンド信号を有しない送信用途では、複数の素子アンテナにそれぞれ対応する複数の送信モジュールに対して、送信周波数相当の単一の高周波信号を分配し、かつ、各送信モジュールにおいてビーム制御のための移相器が配置される構成が一般的である。しかしながら、このような構成であると、高周波信号の分配のための回路が大型かつ高コストになってしまう。さらに、分配時の電力損失や移相器の電力損失のために各送信モジュールでの電力増幅率が高くなるため、増幅器が大型化することも問題となる。このように、ベースバンド信号を有しない送信に適した送信モジュールの構成の検討が必要である。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、ベースバンド信号を有しない送信に適した、小型・低コスト、かつ低損失な送信モジュールの構成を提供することである。

この発明のある局面に従う送信モジュールは、複数の発振器モジュールと、位相指令信号生成部とを備える。複数の発振器モジュールは、共通の基準信号を受けて、複数の送信信号をそれぞれ出力する。位相指令信号生成部は、複数の送信信号のそれぞれに対応する複数の位相指令信号を別個に生成して、複数の位相指令信号を複数の発振器モジュールに対してそれぞれ出力する。各発振器モジュールは、電圧制御発振器と、増幅部とを含む。電圧制御発振器は、基準信号および複数の位相指令信号のうちの対応する位相指令信号に基づいて、複数の送信信号のうちの対応する送信信号を出力する。増幅部は、電圧制御発振器から出力された対応する送信信号の電力を増幅する。さらに、電圧制御発振器は、基準信号に基づく同期制御により、各送信信号が、複数の発振器モジュール間で共通の周波数を有し、かつ、対応する位相指令信号に従って複数の発振器モジュール間で別個に制御された位相を有するように、複数の送信信号を出力する。

このような構成とすることにより、送信モジュールは、高周波の送信信号を分配する回路要素を設けることなく、共通の基準信号に基づいて同期制御された複数の送信信号を出力することができる。この結果、増幅部での電力増幅率を抑制するとともに、回路素子を減少させた構成によって、同一周波数で、かつ、相対位相が制御された複数の送信信号を出力することができる。特に、発振器モジュールの前段において、高周波数の送信信号の分配が不要となるため、小型、低コスト、かつ、低損失の回路構成を実現することができる。

この発明によれば、レーダー等のベースバンド信号を有しない送信に適した、小型、低コスト、かつ高効率の送信モジュールの構成を実現することができる。また、この送信モジュールを用いて、小型かつ低コストな、アレイアンテナ装置および送信装置を構成することができる。

本発明の実施の形態に従う送信モジュールを含んで構成されるアレイアンテナ装置の構成を説明するブロック図である。 比較例として示される、一般的なアレイアンテナ装置および送信モジュールの構成を説明するブロック図である。 図１に示された発振器モジュールの構成例を詳細に説明する回路図である。 図３に示された発振器モジュールの実装構造例を説明するための斜視図である。 発振器モジュールの第１の変形例を説明する回路図である。 発振器モジュールの第２の変形例を説明する回路図である。 実施の形態１の変形例に従うアレイアンテナ装置の構成を説明するブロック図である。 実施の形態２に従う送信装置の構成を説明するブロック図である。 実施の形態３に従う送信モジュールを備えたアレイアンテナ装置の構成を説明するブロック図である。 実施の形態３に従う送信モジュールを備えた送信装置の構成を説明するブロック図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態に従う送信モジュールを含んで構成されるアレイアンテナ装置１００ａの構成を説明するブロック図である。

図１を参照して、アレイアンテナ装置１００ａは、基準信号源１０と、信号分配器２０と、送信モジュール３０と、複数の素子アンテナ９０とを備える。

送信モジュール３０は、位相指令信号生成部４０と、複数の発振器モジュール５０とを有する。本実施の形態では、送信モジュール３０は、ｎ個（ｎ：２以上の自然数）の発振器モジュール５０を有するものとする。素子アンテナ９０は、各発振器モジュール５０に対応して、全体ではｎ個設けられる。

基準信号源１０は、基準信号Ｓｒを出力する。基準信号Ｓｒは、たとえば数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度の基準クロックに相当する。信号分配器２０は、基準信号Ｓｒを分岐して各発振器モジュール５０へ伝達する。

各発振器モジュール５０は、電圧制御発振器６０と、増幅部７０とを有する。各発振器モジュール５０は、高周波数（たとえば、ＧＨｚオーダー）の送信信号（以下では、「送信高周波信号」とも称する）を出力する。複数の素子アンテナ９０は、複数（ｎ個）の発振器モジュールにそれぞれ対応して、アレイ状に配列して設けられる。各素子アンテナ９０は、対応の発振器モジュール５０からの送信高周波信号を空間に伝播するように配置される。素子アンテナ９０は「放射素子」の一実施例に対応する。

各発振器モジュール５０には、信号分配器２０を経由して共通の基準信号Ｓｒが伝達される。各電圧制御発振器６０は、基準信号Ｓｒに基づく同期制御により、同一周波数の送信高周波信号を出力する。さらに、ｎ個の発振器モジュール５０において、ｎ個の電圧制御発振器６０からの送信高周波信号の位相は、位相指令信号生成部４０からの位相指令信号φ１＊〜φｎ＊に従ってそれぞれ制御される。なお、以下では、ｎ個の発振器モジュール５０に共通の構成等を説明する際には、位相指令信号φ１＊〜φｎ＊を包括的に位相指令信号φ＊とも表記する。

たとえば、基準信号Ｓｒを入力信号とするＰＬＬ（Phase Locked Loop）により、各電圧制御発振器６０は、基準信号Ｓｒに同期した高周波信号を出力するように同期制御を実行する。このとき、ｎ個の発振器モジュール５０において、電圧制御発振器６０は、同一周波数の送信高周波信号を出力する。さらに、各送信高周波信号は、基準信号Ｓｒによって与えられる基準位相に対する位相差が、位相指令信号φ＊に従って発振器モジュール５０毎に制御される。したがって、ｎ個の送信高周波信号間の相対位相は、位相指令信号φ１＊〜φｎ＊の設定により、自由に制御することができる。

増幅部７０は、各発振器モジュール５０において、電圧制御発振器６０が出力した送信高周波信号を増幅する。増幅部７０によって増幅された送信高周波信号は、発振器モジュール５０からの出力として、素子アンテナ９０へ伝達される。

アレイアンテナ装置１００ａでは、複数（ｎ個）の素子アンテナ９０は、複数（ｎ個）の発振器モジュール５０のそれぞれからの送信高周波信号を空間へ向けて送信する。位相指令信号生成部４０からの位相指令信号φ１＊〜φｎ＊によって、複数（ｎ個）の送信高周波信号の相対位相を制御することにより、複数の素子アンテナ９０からの送信ビームの形状や方向を自在に制御することが可能となる。これにより、アレイアンテナ装置１００ａは、ベースバンド信号を用いない送信信号を出力できる。たとえば、アレイアンテナ装置１００ａは、レーダー用途のビームを送信することができる。

図２には、比較例として示される一般的なアレイアンテナ装置１００♯の構成が示される。

図２を参照して、比較例のアレイアンテナ装置１００♯は、電圧制御発振器６０と、信号分配器６５と、複数の発振器モジュール５０♯と、複数の素子アンテナ９０と、位相指令信号生成部４０とを備える。

アレイアンテナ装置１００♯においても、発振器モジュール５０♯および素子アンテナ９０は、ｎ個ずつ設けられるものとする。また、位相指令信号生成部４０は、図１と同様に、複数の素子アンテナ９０からの送信ビームの形状や方向を制御するための位相指令信号φ１＊〜φｎ＊を生成する。

電圧制御発振器６０は、送信高周波信号を出力する。信号分配器６５は、電圧制御発振器６０からの送信高周波信号を複数の発振器モジュール５０♯の各々に分配する。これにより、各発振器モジュール５０♯には、共通でかつ同一周波数の送信高周波信号が入力される。

各発振器モジュール５０♯は、移相器１５１と、増幅器１５２，１５３を有する。ｎ個の発振器モジュール５０♯において、移相器１５１は、位相指令信号生成部４０からの位相指令信号φ１＊〜φｎ＊に従って、入力された送信高周波信号の位相を制御して出力する。この結果、ｎ個の移相器１５１が出力するｎ個の送信高周波信号は、図１でのｎ個の電圧制御発振器６０から出力されるｎ個の送信高周波信号と同様に、同一周波数を有し、かつ、位相指令信号φ１＊〜φｎ＊に従ってそれぞれの位相が別個に制御されている。

各発振器モジュール５０♯において、増幅器１５２，１５３は、移相器１５１から出力された送信高周波信号の電力を増幅して、対応する素子アンテナ９０へ出力する。この結果、比較例のアレイアンテナ装置１００♯においても、ｎ個の素子アンテナ９０からは、アレイアンテナ装置１００ａ（図１）と同様に、ｎ個の送信高周波信号による送信ビームを出力することができる。

比較例のアレイアンテナ装置１００♯では、共通でかつ同一周波数の送信高周波信号を各発振器モジュール５０♯へ入力する構成となっている。このため、各発振器モジュール５０♯に対して高周波信号を分配する信号分配器６５が大型化し、かつ、電力損失も大きくなる。

さらに、電圧制御発振器６０が出力する送信高周波信号の電力をＰとすると、各発振器モジュール５０♯に入力される送信高周波信号の電力はＰ／ｎに低下する。このため、各発振器モジュール５０♯では、増幅器１５２，１５３による電力増幅率を高くする必要が生じる。さらに、各発振器モジュール５０♯において、位相制御のための移相器１５１を配置することが必要となる。

これに対して、実施の形態１に従うアレイアンテナ装置１００ａ（図１）では、各発振器モジュール５０に対して、送信高周波信号よりも周波数が低い基準信号が共通に入力される。したがって、信号分配器２０は、比較例での信号分配器６５と比較して、構成が簡易となるので、小型化することができる。なお、基準信号Ｓｒの条件によっては、単なる配線分岐によって、共通の基準信号を各発振器モジュール５０に伝達できるケースもあり得る。この場合には、信号分配器２０の配置を省略することが可能である。

さらに、各発振器モジュール５０において、電圧制御発振器６０が送信高周波信号を出力するので、基準信号Ｓｒの電力が分配によって低下しても、送信高周波信号の電力増幅率には影響がない。この結果、発振器モジュール５０の増幅部７０による電圧増幅率は、発振器モジュール５０♯の増幅器１５２，１５３による電力増幅率よりも小さくすることができる。

また、ｎ個の発振器モジュール５０の間で、共通の基準信号Ｓｒを入力として電圧制御発振器６０を同期制御するので、発振器モジュール５０♯のように移相器１５１を配置する必要がない。

このように、実施の形態１に従うアレイアンテナ装置１００ａでは、比較例のアレイアンテナ装置１００♯と比較して、ベースバンド信号を有しない送信のための高周波信号を出力する各発振器モジュール５０において、電力増幅率を抑制するとともに、回路素子を減少させて構成することができる。また、各発振器モジュール５０の前段において高周波信号の分配が不要となるため、小型、低コスト、かつ、低損失の回路構成を実現することができる。この結果、レーダー等のベースバンド信号を有しない送信に適した、小型・低コスト、かつ低損失な送信モジュールの構成を実現することができる。

続いて、本実施の形態に従う送信モジュール３０の発振器モジュール５０の構成について、さらに詳細に説明する。

図３は、図１に示された発振器モジュール５０の構成例を説明するための回路図である。

図３を参照して、発振器モジュール５０は、電源／制御回路５１と、電圧制御発振器６０と、増幅部７０とを有する。電源／制御回路５１は、各発振器モジュール５０において、構成素子に電源を供給するための電源回路と、構成素子に対する制御指令信号を生成するための制御回路とを包括的に１ブロックで表記したものである。

電圧制御発振器６０は、電源／制御回路５１から電源供給を受けて動作する。電圧制御発振器６０には、基準信号源１０から出力され、さらに、信号分配器２０によって分配された基準信号Ｓｒが入力される。この基準信号Ｓｒは、図１に示されたｎ個の発振器モジュール５０間で共通である。

電圧制御発振器６０は、ＰＬＬ等によって基準信号Ｓｒに同期制御された、送信高周波信号を出力する。上述のように、送信高周波信号の位相は、発振器モジュール５０毎に位相指令信号φ＊に従って制御される。

増幅部７０は、直列配置された増幅器７２ａ，７２ｂと、分配回路７４と、並列配置された複数の増幅器７２ｃと、合成回路７５と、アイソレータ７７とを有する。増幅器７２ａ，７２ｂ、および、複数の増幅器７２ｃは、電源／制御回路５１からの電力によって作動する。

増幅器７２ａ，７２ｂは、電圧制御発振器６０が出力した送信高周波信号を電力増幅する。分配回路７４は、増幅器７２ｂの出力信号を、複数個の増幅器７２ｃに分配する。各増幅器７２ｃは、分配回路７４から入力された送信高周波信号を、電力増幅して出力する。合成回路７５は、複数の増幅器７２ｃが出力した送信高周波信号を合成する。分配回路７４および合成回路７５は、たとえば、９０度ハイブリッド回路を用いて構成することができる。

図３の構成例のように、分配回路７４および合成回路７５を用いて、複数個の増幅器７２ｃで電力増幅を行なうことにより、出力電力の確保が容易になる。したがって、送信高周波信号の出力電力がそれ程必要ない場合には、分配回路７４および合成回路７５の配置を省略して、単一の増幅器７２ｃを配置する構成としてもよい。また、増幅器７２ａ，７２ｂについても、一段の増幅器で構成することも可能である。

アイソレータ７７は、素子アンテナ９０からの過大出力反射より、増幅器７２ｃを保護するために設けられる。なお、アイソレータ７７は、合成回路７５の合成途中部分に、耐電力の小さいアイソレータを複数個配置するように構成することも可能である。

発振器モジュール５０は、実装時に、２つの回路ブロックＣＫａおよびＣＫｂに分離される。回路ブロックＣＫａは、電圧制御発振器６０と、電源／制御回路５１とを含む。さらに増幅器７２ａ，７２ｂのうちの一部（たとえば、増幅器７２ａ）を回路ブロックＣＫａに含むように配置することも可能である。図３の構成例では、複数段設けられた増幅器７２ａ，７２ｂのうち、増幅器７２ａが回路ブロックＣＫａに含まれる。回路ブロックＣＫａには、ＰＬＬのための制御配線の多い回路部分や、比較的小電力部分の構成要素が搭載される。

一方で、回路ブロックＣＫｂは、増幅器７２ａ，７２ｂのうちの少なくとも一部（たとえば、増幅器７２ｂ）と、分配回路７４と、増幅器７２ｃと、合成回路７５と、アイソレータ７７とを含む。回路ブロックＣＫｂには、比較的高電力部分であり、発熱が大きいために放熱構造を必要とする構成要素が含まれる。

図４には、回路ブロックＣＫａおよびＣＫｂに分類される発振器モジュール５０の実装例を説明するための斜視図が示される。

図４を参照して、発振器モジュール５０は、回路ブロックＣＫａが実装される基板２０７と、回路ブロックＣＫｂが実装される基板２１０とが、一体化基板として積層された２階建て構造によって実装される。

回路ブロックＣＫａが実装される基板２０７は、電源／制御回路５１、ＰＬＬ制御されるために制御配線が多い電圧制御発振器６０および、１段目の増幅器７２ａ等の、小信号の高周波信号回路部を一体化した基板として作製することにより、小型化および配線接続を容易にしている。

回路ブロックＣＫｂが実装される基板２１０は、高出力となるため発熱が大きい回路要素が実装されるため、放熱構造を必要とする。このため、基板２１０は、構造の１階部分に配置される。さらに、基板２１０は、放熱フィン２０１が取り付けられた金属製ベース２０２上に配置される。これにより、回路ブロックＣＫｂに含まれる回路素子からの発熱を、放熱フィン２０１から放出することができる。ここで、放熱フィン２０１を分離可能な構造とすることにより、必要に応じて冷却方法を水冷等に変更することが可能である。

金属製ベース２０２上に取り付けられた基板２１０は、金属製の入力側コネクタ板２０３、出力側コネクタ板２０４および金属製プレート２０６によって覆われる。さらに、基板２１０のＧＮＤパターン上には、導電性を有するスポンジ２１１によって形成されるたて壁が設けられる。

これにより、出力電力が大きい回路ブロックＣＫｂの回路素子に対して、回路ブロックＣＫａ（基板２０７）との間で必要となる、素子間アイソレーションのためのシールド構造は、スポンジ２１１によって形成されるたて壁と、１階部分の構造を覆うための、入力側コネクタ板２０３、出力側コネクタ板２０４および金属製プレート２０６とによって実現される。すなわち、スポンジ２１１によるたて壁は、基板２１０および２０７の積層方向に沿って、アイソレーションに必要な高さを有するように形成される。

このようなシールド構造とすることにより、金属製ベース２０２の掘り込み構造が簡略化できる。さらに、基板２１０上にＧＮＤパターンを設けている箇所であれば、シールドしたい空間の形状やサイズを柔軟に変更することができる。

なお、入力側コネクタ板２０３および出力側コネクタ板２０４は、シールド構造を有するだけでなく、外部からの入出力インタフェースとなるコネクタを実装するように構成される。具体的には、入力側コネクタ板２０３には、基準信号Ｓｒの入力を受けるためのコネクタ２０３ａが設けられる。出力側コネクタ板２０４には、素子アンテナ９０に対して送信高周波信号を出力するためのコネクタ２０４ａが設けられる。

基板２０７に実装された回路素子（回路ブロックＣＫａ）と、基板２１０に実装された回路素子（回路ブロックＣＫｂ）とは、アイソレーションに影響のないサイズで金属製プレート２０６に空けられた穴を通過した配線によって接続される。この際に、電源および制御信号を伝達する配線には、被覆線が用いられる。一方で、高周波信号を伝達する配線には、同軸線を用いることが好ましい。

金属製ベース２０２上に形成された、発振器モジュール５０の回路構造（２階建て構造）は、金属製カバー２０８によって覆われる。金属製カバー２０８は、回路構造を外部からの衝撃等から保護する目的に加えて、回路ブロックＣＫａのアイソレーション構造として取り付けられる。

図４の実装構造例によれば、実施の形態１に従う送信モジュールを構成する各発振器モジュール５０を、効率的に実装することができる。図４の例において、基板２１０は「第１の基板」に対応し、基板２０７は「第２の基板」に対応する。

（発振器モジュールの構成の変形例）
図５は、第１の変形例の発振器モジュール５０ａの構成を説明する回路図である。

図５を図３と比較して、第１の変形例１に従う発振器モジュール５０ａは、実施の形態１に従う発振器モジュール５０（図３）の構成と比較して、可変利得増幅器７１と、出力電力モニタ回路７８および反射電力モニタ回路７９とをさらに含む点で異なる。発振器モジュール５０ａのその他の構成は発振器モジュール５０と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。

可変利得増幅器７１は、電圧制御発振器６０および増幅器７２ａの間に配置される。可変利得増幅器７１は、電源／制御回路５１から電力供給を受けて動作して、電圧制御発振器６０からの送信高周波信号を電力増幅して出力する。可変利得増幅器７１の入力信号および出力信号間の電力比に相当する電力増幅率は、電源／制御回路５１からの制御信号に従って変化する。

各発振器モジュール５０ａにおいて、出力電力モニタ回路７８は、増幅部７０からの送信高周波信号の出力電力を測定する。反射電力モニタ回路７９は、素子アンテナ９０からの反射電力を測定する。出力電力モニタ回路７８によって検出された出力電力および、反射電力モニタ回路７９によって検出された反射電力は、電源／制御回路５１に入力される。

たとえば、出力電力モニタ回路７８および反射電力モニタ回路７９は、方向性結合器によって出力電力および反射電力の一部を取り出すとともに、取り出した電力を検波器によって検出することによって構成することができる。

電源／制御回路５１は、出力電力モニタ回路７８および反射電力モニタ回路７９によって測定された、出力電力および反射電力の少なくとも一方に基づいて、可変利得増幅器７１の電力増幅率を制御する。

たとえば、出力電力モニタ回路７８によって測定された出力電力が、予め定められた基準電力と一致するように、可変利得増幅器７１による電圧増幅率を制御することができる。このようにすると、アレイアンテナ装置１００から出力される各種ビームを形成するのに最適な基準電力に従って、各発振器モジュール５０ａからの送信高周波信号の出力電力を精密に制御することができる。あるいは、温度変化のある環境下においても、温度依存性によって電圧制御発振器６０の出力電力や増幅器７２ａ〜７２ｃの利得が変化することを補償して、発振器モジュール５０ａからの送信高周波信号の出力電力を一定に維持することが可能となる。

また、異常時の機器保護制御として、出力電力モニタ回路７８および反射電力モニタ回路７９によって測定された出力電力および反射電力の少なくとも一方が、予め定められた閾値よりも高くなった場合には、可変利得増幅器７１の電力増幅率を０として、送信高周波信号の出力を停止することによって、発振器モジュール５０ａを故障から保護することが可能となる。

図６は、第２の変形例の発振器モジュール５０ｂの構成を説明する回路図である。
図６を図５と比較して、第２の変形例に従う発振器モジュール５０ｂは、発振器モジュール５０ａ（図５）と参照して、可変利得増幅器７１に代えて、可変減衰器８１を含む点で異なる。

可変減衰器８１は、電源／制御回路５１から電力供給を受けて動作して、電圧制御発振器６０からの送信高周波信号の電力を減衰させる。可変減衰器８１の入力信号および出力信号間の電力比に相当する電力減衰率は、電源／制御回路５１からの制御信号に従って変化する。発振器モジュール５０ｂのその他の部分の構成は、発振器モジュール５０ａと共通であるので、詳細な説明は繰り返さない。

発振器モジュール５０ｂにおいて、可変減衰器８１における電力減衰率は、発振器モジュール５０ａでの可変利得増幅器７１の電力増幅率と同様に、出力電力モニタ回路７８および反射電力モニタ回路７９によるモニタ結果に応じて制御することができる。したがって、発振器モジュール５０ｂにおいても、送信高周波信号の出力電力を、予め定められた基準電力に維持できる。あるいは、出力電力および／または反射電力が閾値を超えた場合には、可変減衰器８１における電力減衰率を無限大として、発振器モジュール５０ｂからの送信高周波信号の出力を停止する、機器保護制御を実行することができる。

このように、図６および図７に示した変形例に従う発振器モジュール５０ａ，５０ｂによれば、可変利得増幅器７１または可変減衰器８１をさらに配置することによって、送信高周波信号の出力電力の精密な制御、ならびに、出力電力および反射電力の過大時における機器保護制御を可能とすることができる。図６および図７の構成において、可変利得増幅器７１および可変減衰器８１の各々は「電力調整器」の一実施例に対応し、出力電力モニタ回路７８および反射電力モニタ回路７９の各々は「検出器」の一実施例に対応する。

なお、図６および図７に示した変形例に従う発振器モジュール５０ａ，５０ｂについても、図４で説明した実装構造例に従って構成することが可能である。この際に、可変利得増幅器７１および可変減衰器８１については、電源／制御回路５１からの制御信号に従って、電圧制御発振器６０からの比較的小電力の送信高周波信号を増幅または減衰するため、回路ブロックＣＫａの回路要素として、基板２０７に実装することが好ましい。一方で、出力電力モニタ回路７８および反射電力モニタ回路７９は、増幅部７０の出力側において比較的大電力を測定するため、回路ブロックＣＫｂの回路要素として、基板２１０に実装することが好ましい。

［実施の形態１の変形例］
図７は、本発明の実施の形態１の変形例に従うアレイアンテナ装置１００ｂの構成を示すブロック図である。

図７を図１と比較して、実施の形態１の変形例２に従うアレイアンテナ装置１００ｂは、実施の形態１に従うアレイアンテナ装置１００ａ（図１）と比較して、素子アンテナ９０として、導波管９１およびホーンアンテナ９２を備える点で異なる。アレイアンテナ装置１００ｂのその他の部分の構成は、アレイアンテナ装置１００ａと同様であるため詳細な説明は繰返さない。

なお、アレイアンテナ装置１００ｂにおいても、送信モジュール３０に含まれる複数の発振器モジュールとしては、図３に示した発振器モジュール５０の構成の他、図５に示した発振器モジュール５０ａまたは図６に示した発振器モジュール５０ｂの構成を適用することも可能である。

このように、素子アンテナをホーンアンテナで構成しても、ベースバンド信号を有しない送信に適した送信モジュール３０を用いて、同一周波数でかつ位相が互いに独立制御された複数の送信高周波信号をアレイアンテナ装置１００ｂから出力することによって、送信ビームを形成することができる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、本発明の実施の形態に従う送信モジュールからの送信高周波信号を空間で電力合成することで送信ビーム制御を行うアレイアンテナ装置の構成を説明した。しかしながら、本発明の実施の形態に従う送信モジュールは、空間合成方式によらず、電力合成器を用いて電力合成を行う高出力用の送信装置にも適用することが可能である。

図８は、本発明の実施の形態に従う送信モジュールを具備することによって構成された、実施の形態２に従う送信装置１１０の構成を説明するブロック図である。

図８を参照して、実施の形態２に従う送信装置１１０は、図１に示されたアレイアンテナ装置１００ａと同様の、基準信号源１０、信号分配器２０および、送信モジュール３０を備える。さらに、送信装置１１０は、電力合成器８０を備える。

送信モジュール３０は、実施の形態１と同様に構成されて、複数（ｎ個）の発振器モジュール５０を有する。あるいは、発振器モジュール５０に代えて、発振器モジュール５０ａ（図５）または発振器モジュール５０ｂ（図６）を用いて、送信モジュール３０を構成してもよい。

送信装置１１０では、アレイアンテナ装置１００とは異なり、ｎ個の素子アンテナ９０に代えて、電力合成器８０が設けられている。

電力合成器８０は、ｎ個の発振器モジュール５０（５０ａ，５０ｂ）からの出力を電力合成して、送信装置１１０からの送信信号を生成する。電力合成器８０の出力電力は、入力信号間の位相条件が最適になった場合に最大となることが知られている。したがって、送信モジュール３０が送信装置１１０に適用される場合には、位相指令信号生成部４０は、電力合成器８０の入力端において、ｎ個の発振器モジュール５０（５０ａ，５０ｂ）からの送信高周波信号間の位相関係が最適なものとなるように、位相指令信号φ１＊〜φｎ＊を生成する。

たとえば、同相信号の入力時に電力合成器８０からの出力電力が最大となる場合には、電力合成器８０の入力端においてｎ個の送信高周波信号の位相が実際に揃うように、位相制御指令信号φ１＊〜φｎ＊を調整することができる。

このように、実施の形態２に従う送信装置によれば、発振器モジュール５０（５０ａ，５０ｂ）を具備した本実施の形態に従う送信モジュール３０を用いて電力合成器８０の入力端での位相調整を行うことによって、小型、低コスト、かつ、低損失の回路構成によって、ベースバンド信号を有しない送信信号を高出力化することができる。

特に、発振器モジュール５０ａ，５０ｂを適用して、出力電力を緻密に制御できる場合には、電力合成器８０の入力端における各送信高周波信号が等振幅となるように、各発振器モジュール５０ａ，５０ｂにおける出力の基準電力を初期調整することができる。これにより、電力合成器８０からの出力電力を最大化することができるので、さらに、送信信号を高出力化することができる。

［実施の形態３］
実施の形態３では、各送信モジュール３０において各電圧制御発振器６０の出力電力を制御可能な構成とした構成を説明する。

図９は、実施の形態３に従う送信モジュールを備えたアレイアンテナ装置１０１の構成を説明するブロック図である。

図９を図１と比較して、実施の形態３に従うアレイアンテナ装置１０１は、実施の形態１に従うアレイアンテナ装置１００と比較して、送信モジュール３０に代えて、送信モジュール３１を備える点で異なる。送信モジュール３１は、送信モジュール３０と比較して、振幅指令信号生成部４１をさらに備える点が異なる。

振幅指令信号生成部４１は、ｎ個の発振器モジュール５０に対して、電圧制御発振器６０の振幅指令信号Ａ１＊〜Ａｎ＊を生成する。振幅指令信号Ａ１＊〜Ａｎ＊は、ｎ個の発振器モジュール５０の電圧制御発振器６０にそれぞれ入力される。

ｎ個の発振器モジュール５０の各々において、電圧制御発振器６０は、振幅指令信号Ａ＊（Ａ１＊〜Ａｎ＊を包括的に表記するもの）に従った振幅を有する送信高周波信号を出力する。これにより、電圧制御発振器６０からの送信高周波信号の出力電力を、ｎ個の発振器モジュール５０で別個に制御することができる。

アレイアンテナ装置１０１のその他の部分の構成および動作は、アレイアンテナ装置１００（図１）と同様であるので詳細な説明は繰返さない。

アレイアンテナ装置では、各素子アンテナ９０からの出力電力が均一であると、サイドローブが大きくなることがある。このような場合には、ｎ個の発振器モジュール５０からの出力電力に意図的に強弱を付けることによって、サイドローブの改善を図ることができる。たとえば、中央部の素子アンテナ９０からの送信高周波信号の振幅が、周辺部の素子アンテナ９０からの送信高周波信号の振幅よりも強くなるような振幅分布パターンによってサイドローブが改善される場合には、当該振幅パターンに従って振幅指令信号Ａ１＊〜Ａｎ＊を設定することができる。

これにより、実施の形態３に従うアレイアンテナ装置によれば、各発振器モジュール５０での電圧制御発振器６０の出力電力を別個に制御することによって、サイドローブの小さい送信ビームを出力することが可能となる。

なお、図５および図６に示した発振器モジュール５０ａ，５０ｂにおいても、出力電力モニタ回路７８による測定値を用いたフィードバック制御における基準電力を、上記振幅パターンに従って、ｎ個の発振器モジュール５０ａ，５０ｂで別個に設定することによって、同様にサイドローブの小さい送信ビームを出力することができる。逆に言うと、実施の形態３の構成では、可変利得増幅器７１または可変減衰器８１を配置することなく、サイドローブの小さい送信ビームを出力することができる。

図１０は、実施の形態３に従う送信モジュールを備えた送信装置１１１の構成を説明するブロック図である。

図１０を図８と比較して、実施の形態３に従う送信装置１１１では、実施の形態２に従う送信装置１１０と比較して、送信モジュール３０に代えて、送信モジュール３１を備える点で異なる。送信モジュール３１は、図９と同様に、送信モジュール３０と比較して、振幅指令信号生成部４１をさらに備える点が異なる。電圧制御発振器６０からの送信高周波信号の出力電力を、ｎ個の発振器モジュール５０で別個に制御することができる。

送信装置１１１のその他の部分の構成および動作は、送信装置１１０（図８）と同様であるので詳細な説明は繰返さない。

上述のように、電力合成によって送信信号が生成される送信装置では、電力合成器８０の入力端において、各発振器モジュール５０からの送信高周波信号が実際に等振幅化されるように、振幅指令信号Ａ１＊〜Ａｎ＊を調整することができる。

これにより、実施の形態３に従う送信装置によれば、電力合成器８０から出力される送信信号の電力を最大化することができる。特に、可変利得増幅器７１または可変減衰器８１が配置される発振器モジュール５０ａ，５０ｂを用いることなく、簡易な構成の発振器モジュール５０を用いて、送信信号の高出力化を図ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 基準信号源、２０，６５ 信号分配器、３０，３１ 送信モジュール、４０ 位相指令信号生成部、４１ 振幅指令信号生成部、５０，５０ａ，５０ｂ，５０♯ 発振器モジュール、５１ 制御回路、６０ 電圧制御発振器、７０ 増幅部、７１ 可変利得増幅器、７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，１５２，１５３ 増幅器、７４ 分配回路、７５ 合成回路、７７ アイソレータ、７８ 出力電力モニタ回路、７９ 反射電力モニタ回路、８０ 電力合成器、８１ 可変減衰器、９０ 素子アンテナ、９１ 導波管、９２ ホーンアンテナ、１００，１００ａ，１００ｂ，１００♯，１０１ アレイアンテナ装置、１１０，１１１ 送信装置、１５１ 移相器、２０１ 放熱フィン、２０２ 金属製ベース、２０３ 入力側コネクタ板、２０３ａ，２０４ａ コネクタ、２０４ 出力側コネクタ板、２０６ 金属製プレート、２０７，２１０ 基板、２０８ 金属製カバー、２１１ スポンジ、Ａ＊，Ａ１＊〜Ａｎ＊ 振幅指令信号、ＣＫａ，ＣＫｂ 回路ブロック、Ｓｒ 基準信号。

Claims (16)

1. 共通の基準クロック信号を受けて、複数の送信信号をそれぞれ出力する複数の発振器モジュールと、
   前記複数の送信信号のそれぞれに対応する複数の位相指令信号を別個に生成して、前記複数の位相指令信号を前記複数の発振器モジュールに対してそれぞれ出力する位相指令信号生成部とを備え、
   各前記発振器モジュールは、
   前記基準クロック信号および前記複数の位相指令信号のうちの対応する位相指令信号に基づいて、前記複数の送信信号のうちの対応する送信信号を出力する、前記基準クロック信号で同期制御された発振器を具備する電圧制御発振器と、
   前記電圧制御発振器から出力された前記対応する送信信号の電力を増幅するための増幅部とを含み、
   前記電圧制御発振器は、前記基準クロック信号に基づく同期制御により、各前記送信信号が、前記複数の発振器モジュール間で同一の周波数を有し、かつ、前記対応する位相指令信号に従って前記複数の発振器モジュール間で別個に制御された位相を有するように、前記複数の送信信号を出力する、送信モジュール。
2. 前記電圧制御発振器は、前記基準クロック信号で同期制御された位相同期ループ（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）を備える、請求項１記載の送信モジュール。
3. 各前記発振器モジュールは、
   入力信号および出力信号の間の電力比を調整可能に構成された電力調整器と、
   当該発振器モジュールからの出力電力を検出するための検出器とをさらに含み、
   前記電力調整器は、前記電圧制御発振器から出力された前記対応する送信信号が通過する信号経路上に配置され、
   前記電力調整器の前記電力比は、前記検出器による検出値に基づいて調整される、請求項１または２に記載の送信モジュール。
4. 各前記発振器モジュールは、
   入力信号および出力信号の間の電力比を調整可能に構成された電力調整器と、
   当該発振器モジュールにおける反射電力を検出するための検出器とをさらに含み、
   前記電力調整器は、前記電圧制御発振器から出力された前記対応する送信信号が通過する信号経路上に配置され、
   前記電力調整器の前記電力比は、前記検出器による検出値に基づいて調整される、請求項１または２に記載の送信モジュール。
5. 前記電力調整器は、可変利得増幅部および可変減衰器のいずれかによって構成される、請求項３または４に記載の送信モジュール。
6. 前記複数の発振器モジュールのそれぞれの複数の振幅指令信号を生成して、前記複数の振幅指令信号の各々を前記複数の発振器モジュールのうちの対応する１つに含まれる前記電圧制御発振器へ出力する振幅指令信号生成部をさらに備え、
   各前記電圧制御発振器は、前記複数の振幅指令信号のうちの対応する振幅指令信号に従って、前記対応する送信信号の振幅を可変制御する、請求項１または２に記載の送信モジュール。
7. 各前記発振器モジュールは、
   前記発振器モジュールの構成素子に電源および制御信号を供給するための電源制御回路部をさらに含み、
   前記発振器モジュールは、前記増幅部のうちの少なくとも一部の回路素子を搭載する第１の基板と、前記電圧制御発振器および前記電源制御回路部の回路素子を搭載する第２の基板とが積層されて一体化された構造によって実装され、
   前記第１および第２の基板は、前記第１の基板のグランドパターン上に形成された導電性部材によって構成されるたて壁と、前記第１の基板を覆うための、プレート、入力側コネクタ板および出力側コネクタ板とによって空間的に離間される、請求項１、２および６のいずれか１項に記載の送信モジュール。
8. 各前記発振器モジュールは、
   前記発振器モジュールの構成素子に電源および制御信号を供給するための電源制御回路部をさらに含み、
   前記発振器モジュールは、前記増幅部のうちの前記電力調整器を除く回路素子のうちの少なくとも一部を搭載する第１の基板と、前記電圧制御発振器、前記電力調整器、および前記電源制御回路部の回路素子を搭載する第２の基板とが積層されて一体化された構造によって実装され、
   前記第１および第２の基板は、前記第１の基板のグランドパターン上に形成された導電性部材によって構成されるたて壁と、前記第１の基板を覆うための、プレート、入力側コネクタ板および出力側コネクタ板とによって空間的に離間される、請求項３または４に記載の送信モジュール。
9. 送信モジュールであって、
   共通の基準信号を受けて、複数の送信信号をそれぞれ出力する複数の発振器モジュールと、
   前記複数の送信信号のそれぞれに対応する複数の位相指令信号を別個に生成して、前記複数の位相指令信号を前記複数の発振器モジュールに対してそれぞれ出力する位相指令信号生成部とを備え、
   各前記発振器モジュールは、
   前記基準信号および前記複数の位相指令信号のうちの対応する位相指令信号に基づいて、前記複数の送信信号のうちの対応する送信信号を出力する電圧制御発振器と、
   前記電圧制御発振器から出力された前記対応する送信信号の電力を増幅するための増幅部とを含み、
   前記電圧制御発振器は、前記基準信号に基づく同期制御により、各前記送信信号が、前記複数の発振器モジュール間で同一の周波数を有し、かつ、前記対応する位相指令信号に従って前記複数の発振器モジュール間で別個に制御された位相を有するように、前記複数の送信信号を出力し、
   各前記発振器モジュールは、
   入力信号および出力信号の間の電力比を調整可能に構成された電力調整器と、
   当該発振器モジュールにおける反射電力を検出するための検出器とをさらに含み、
   前記電力調整器は、前記電圧制御発振器から出力された前記対応する送信信号が通過する信号経路上に配置され、
   前記電力調整器の前記電力比は、前記検出器による検出値に基づいて調整される、送信モジュール。
10. 前記電力調整器は、可変利得増幅部および可変減衰器のいずれかによって構成される、請求項９に記載の送信モジュール。
11. 各前記発振器モジュールは、
    前記発振器モジュールの構成素子に電源および制御信号を供給するための電源制御回路部をさらに含み、
    前記発振器モジュールは、前記増幅部のうちの少なくとも一部の回路素子を搭載する第１の基板と、前記電圧制御発振器および前記電源制御回路部の回路素子を搭載する第２の基板とが積層されて一体化された構造によって実装され、
    前記第１および第２の基板は、前記第１の基板のグランドパターン上に形成された導電性部材によって構成されるたて壁と、前記第１の基板を覆うための、プレート、入力側コネクタ板および出力側コネクタ板とによって空間的に離間される、請求項９に記載の送信モジュール。
12. 送信モジュールであって、
    共通の基準信号を受けて、複数の送信信号をそれぞれ出力する複数の発振器モジュールと、
    前記複数の送信信号のそれぞれに対応する複数の位相指令信号を別個に生成して、前記複数の位相指令信号を前記複数の発振器モジュールに対してそれぞれ出力する位相指令信号生成部とを備え、
    各前記発振器モジュールは、
    前記基準信号および前記複数の位相指令信号のうちの対応する位相指令信号に基づいて、前記複数の送信信号のうちの対応する送信信号を出力する電圧制御発振器と、
    前記電圧制御発振器から出力された前記対応する送信信号の電力を増幅するための増幅部とを含み、
    前記電圧制御発振器は、前記基準信号に基づく同期制御により、各前記送信信号が、前記複数の発振器モジュール間で同一の周波数を有し、かつ、前記対応する位相指令信号に従って前記複数の発振器モジュール間で別個に制御された位相を有するように、前記複数の送信信号を出力し、
    各前記発振器モジュールは、
    前記発振器モジュールの構成素子に電源および制御信号を供給するための電源制御回路部をさらに含み、
    前記発振器モジュールは、前記増幅部のうちの少なくとも一部の回路素子を搭載する第１の基板と、前記電圧制御発振器および前記電源制御回路部の回路素子を搭載する第２の基板とが積層されて一体化された構造によって実装され、
    前記第１および第２の基板は、前記第１の基板のグランドパターン上に形成された導電性部材によって構成されるたて壁と、前記第１の基板を覆うための、プレート、入力側コネクタ板および出力側コネクタ板とによって空間的に離間される、送信モジュール。
13. 送信モジュールであって、
    共通の基準信号を受けて、複数の送信信号をそれぞれ出力する複数の発振器モジュールと、
    前記複数の送信信号のそれぞれに対応する複数の位相指令信号を別個に生成して、前記複数の位相指令信号を前記複数の発振器モジュールに対してそれぞれ出力する位相指令信号生成部とを備え、
    各前記発振器モジュールは、
    前記基準信号および前記複数の位相指令信号のうちの対応する位相指令信号に基づいて、前記複数の送信信号のうちの対応する送信信号を出力する電圧制御発振器と、
    前記電圧制御発振器から出力された前記対応する送信信号の電力を増幅するための増幅部とを含み、
    前記電圧制御発振器は、前記基準信号に基づく同期制御により、各前記送信信号が、前記複数の発振器モジュール間で同一の周波数を有し、かつ、前記対応する位相指令信号に従って前記複数の発振器モジュール間で別個に制御された位相を有するように、前記複数の送信信号を出力し、
    前記送信モジュールは、
    前記複数の発振器モジュールのそれぞれの複数の振幅指令信号を生成して、前記複数の振幅指令信号の各々を前記複数の発振器モジュールのうちの対応する１つに含まれる前記電圧制御発振器へ出力する振幅指令信号生成部をさらに備え、
    各前記電圧制御発振器は、前記複数の振幅指令信号のうちの対応する振幅指令信号に従って、前記対応する送信信号の振幅を可変制御し、
    各前記発振器モジュールは、
    前記発振器モジュールの構成素子に電源および制御信号を供給するための電源制御回路部をさらに含み、
    前記発振器モジュールは、前記増幅部のうちの少なくとも一部の回路素子を搭載する第１の基板と、前記電圧制御発振器および前記電源制御回路部の回路素子を搭載する第２の基板とが積層されて一体化された構造によって実装され、
    前記第１および第２の基板は、前記第１の基板のグランドパターン上に形成された導電性部材によって構成されるたて壁と、前記第１の基板を覆うための、プレート、入力側コネクタ板および出力側コネクタ板とによって空間的に離間される、送信モジュール。
14. 送信モジュールであって、
    共通の基準信号を受けて、複数の送信信号をそれぞれ出力する複数の発振器モジュールと、
    前記複数の送信信号のそれぞれに対応する複数の位相指令信号を別個に生成して、前記複数の位相指令信号を前記複数の発振器モジュールに対してそれぞれ出力する位相指令信号生成部とを備え、
    各前記発振器モジュールは、
    前記基準信号および前記複数の位相指令信号のうちの対応する位相指令信号に基づいて、前記複数の送信信号のうちの対応する送信信号を出力する電圧制御発振器と、
    前記電圧制御発振器から出力された前記対応する送信信号の電力を増幅するための増幅部とを含み、
    前記電圧制御発振器は、前記基準信号に基づく同期制御により、各前記送信信号が、前記複数の発振器モジュール間で同一の周波数を有し、かつ、前記対応する位相指令信号に従って前記複数の発振器モジュール間で別個に制御された位相を有するように、前記複数の送信信号を出力し、
    各前記発振器モジュールは、
    入力信号および出力信号の間の電力比を調整可能に構成された電力調整器と、
    当該発振器モジュールからの出力電力を検出するための検出器とをさらに含み、
    前記電力調整器は、前記電圧制御発振器から出力された前記対応する送信信号が通過する信号経路上に配置され、
    前記電力調整器の前記電力比は、前記検出器による検出値に基づいて調整され、
    各前記発振器モジュールは、
    前記発振器モジュールの構成素子に電源および制御信号を供給するための電源制御回路部をさらに含み、
    前記発振器モジュールは、前記増幅部のうちの前記電力調整器を除く回路素子のうちの少なくとも一部を搭載する第１の基板と、前記電圧制御発振器、前記電力調整器、および前記電源制御回路部の回路素子を搭載する第２の基板とが積層されて一体化された構造によって実装され、
    前記第１および第２の基板は、前記第１の基板のグランドパターン上に形成された導電性部材によって構成されるたて壁と、前記第１の基板を覆うための、プレート、入力側コネクタ板および出力側コネクタ板とによって空間的に離間される、送信モジュール。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の送信モジュールを複数個備え、
    配列された複数の放射素子をさらに備え、
    前記複数の放射素子は、前記複数個の送信モジュールにそれぞれ対応して設けられて、前記複数の発振器モジュールからの前記複数の送信信号を空間に伝播するように配置される、アレイアンテナ装置。
16. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の送信モジュールを複数個備え、
    前記複数個の送信モジュールからの前記複数の送信信号を合成する電力合成器をさらに備え、
    前記電力合成器は、合成した信号を空間に伝播するように配置される、送信装置。

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