JP6054211B2

JP6054211B2 - アレーアンテナ装置

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Publication number: JP6054211B2
Application number: JP2013045469A
Authority: JP
Inventors: 芳彰佐竹
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: JP2014175773A

Description

本発明の実施形態は、複数のプリント基板が層状に重なって成るアレーアンテナ装置に関する。

広面積で薄い、アレーアンテナ装置は、アンテナ素子を有する基板と、高周波回路を有する基板等とが層状に重なって構成される。従来のアレーアンテナ装置は、コネクタにより層状の基板同士を電気的に接続する。この種のアレーアンテナ装置を湾曲させる場合、層状に重ねられた基板間では、湾曲時の曲面に沿った方向に応力が発生する。そして、曲面に発生する応力により、コネクタが破損してしまう。

特開２００６−１６５７７９号公報

以上のように、従来のアレーアンテナ装置は湾曲させようとすると、アレーアンテナ装置内で層状に重ね合わされる基板間のコネクタが破損し、高周波信号が伝送されない恐れがある。

そこで目的は、湾曲させても基板間で高周波信号を伝送することが可能なアレーアンテナ装置を提供することにある。

実施形態によれば、アレーアンテナ装置は、第１の基板及び第２の基板を具備する。第１の基板は、第１のプリント基板と、複数のアンテナ素子を備える。複数のアンテナ素子は、前記第１のプリント基板を介して受信する高周波信号を送信信号として送信し、又は、受信した受信信号を高周波信号として前記第１のプリント基板へ出力する。第２の基板は、第２のプリント基板を備える。前記第１のプリント基板と、前記第２のプリント基板とが対向する表面には、前記高周波信号の４分の１波長の長さの第１及び第２の線路がそれぞれ形成される。前記第１及び第２の線路は、所定の間隔を隔てて対向することで、前記高周波信号をやり取りする第１の電磁結合型コネクタを形成する。

本実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成例を示す図である。図１に示すアレーアンテナ装置の系統図を示す図である。図１に示すプリント基板に形成されるマイクロストリップ線路を示す図である。図２に示す電磁結合型コネクタの構成を示す図である。図１に示すアレーアンテナ装置を湾曲させた際の図である。図５に示すようにアレーアンテナ装置が湾曲した際の電磁結合型コネクタの構成を示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るアレーアンテナ装置であるアクティブフェーズドアレイアンテナの構成例を示す模式図である。また、図２は、図１に示すアレーアンテナ装置の系統図の例を示す。図１及び図２に示すアレーアンテナ装置は、第１の基板１０、第２の基板２０、第３の基板３０−１〜３０−４、及び、第４の基板４０を備える。なお、図２では、第２の基板２０−１と第２の基板２０−２とが記載されているが、これらは図１における第２の基板２０であり、図２においては、接続を明瞭にするため、第２の基板２０−１，２０−２の２つに分けて記載されている。

第１の基板１０は、アンテナ素子が配置される領域１２、及び、アンテナ素子が設けられるプリント基板１１を備える。なお、アンテナ素子は、プリント基板１１に形成されていても良い。プリント基板１１の第２の基板２０側の表面には、図３に示すマイクロストリップ線路１１１が形成される。マイクロストリップ線路１１１の導体箔の長さは信号の波長の四分の一程度である。また、図示はしていないが、プリント基板１１には、電波を反射させるための金属板又は金属膜が設けられていても構わない。

第２の基板２０は、プリント基板２１を備える。プリント基板２１の第１の基板１０側の表面には、図３と同様の構成のマイクロストリップ線路２１１が形成される。マイクロストリップ線路１１１と、マイクロストリップ線路２１１とは、所定の間隔を隔てて対向配置されることで、電磁誘導により信号を非接触で伝送する第１の電磁結合型コネクタ５１を形成する。図４は、電磁結合型コネクタの構成を示す模式図である。図４（ａ）はアレーアンテナ装置のｘ−ｚ平面での断面の模式図を示し、図４（ｂ）はアレーアンテナ装置のｙ−ｚ平面での模式図を示す。第１の電磁結合型コネクタ５１は、第２の基板２０から第１の基板１０へ、又は、第１の基板１０から第２の基板２０へ高周波信号を出力する。

プリント基板２１には、分配器２１５及び結合器２１６が形成される。分配器２１５は、送信信号として供給される高周波信号を第３の基板３０−１〜３０−４へ分配する。結合器２１６は、第３の基板３０−１〜３０−４から供給される高周波信号を結合する。結合器２１６は、結合した信号を受信信号として後段へ出力する。

プリント基板２１の第３の基板３０側の表面には、図３と同様の構成のマイクロストリップ線路２１２，２１３，２１４が形成される。

マイクロストリップ線路２１２は、第３の基板３０−１〜３０−４毎に複数形成される。マイクロストリップ線路２１２は、マイクロストリップ線路２１１と、プリント基板２１に形成される線路により接続される。マイクロストリップ線路２１３は、第３の基板３０−１〜３０−４毎に形成される。マイクロストリップ線路２１３は、分配器２１５と、プリント基板２１に形成される線路により接続される。マイクロストリップ線路２１４は、第３の基板３０−１〜３０−４毎に形成される。マイクロストリップ線路２１４は、結合器２１６と、プリント基板２１に形成される線路により接続される。

第３の基板３０−１は、プリント基板３１及び部品実装部３２を備える。プリント基板３１の第２の基板２０側の表面には、図３と同様の構成のマイクロストリップ線路３１１，３１２，３１３と形成される。

マイクロストリップ線路３１１は、複数形成され、第２の基板２０のマイクロストリップ線路２１２と共に、第２の電磁結合型コネクタ５２を形成する。第２の電磁結合型コネクタ５２は、第３の基板３０−１から第２の基板２０へ、又は、第２の基板２０から第３の基板３０−１へ高周波信号を出力する。マイクロストリップ線路３１２は、第２の基板２０のマイクロストリップ線路２１３と共に、第３の電磁結合型コネクタ５３を形成する。第３の電磁結合型コネクタ５３は、第２の基板２０の分配器２１５から供給される高周波信号を第３の基板３０−１へ出力する。マイクロストリップ線路３１３は、第２の基板２０のマイクロストリップ線路２１４と共に、第４の電磁結合型コネクタ５４を形成する。第４の電磁結合型コネクタ５４は、第３の基板３０−１から供給される高周波信号を第２の基板２０の結合器２１６へ出力する。

プリント基板３１には、分配器３１４及び結合器３１５が形成される。分配器３１４は、マイクロストリップ線路３１２と、プリント基板３１に形成される線路により接続される。分配器３１４は、第３の電磁結合型コネクタ５３を介して供給される高周波信号を分配し、高周波回路３２１へ出力する。結合器３１５は、マイクロストリップ線路３１３と、プリント基板３１に形成される線路により接続される。結合器３１５は、高周波回路３２１から供給される高周波信号を結合する。結合器３１５は、結合した高周波信号を第４の電磁結合型コネクタ５４を介して第２の基板２０へ出力する。

部品実装部３２には、高周波回路３２１、制御回路３２２及び電源回路３２３が実装される。高周波回路３２１は、移相器３２１１−１，３２１１−２、増幅器３２１２−１，３２１２−２及びサーキュレータ３２１３を備える。高周波回路３２１は、分配器３１４で分配された高周波信号を、移相器３２１１−１、増幅器３２１２−１及びサーキュレータ３２１３を介し、第２の電磁結合型コネクタ５２により第２の基板２０へ出力する。また、高周波回路３２１は、第２の電磁結合型コネクタにより第２の基板２０から供給される高周波信号を、サーキュレータ３２１３、増幅器３２１２−２、移相器３２１１−２を介し結合器３１５へ出力する。

制御回路３２２は、フレキシブル基板及びフラットケーブル等の柔軟な中継物５５−１と接続する。なお、フレキシブル基板とは、薄いプリント板から成る。中継物５５−１の他方の端は、第４の基板４０と接続する。制御回路３２２は、中継物５５−１を介して第４の基板４０から供給される制御信号を受信する。制御回路３２２は、受信した制御信号に従い、高周波回路３２１の移相器３２１１−１，３２１１−２を制御する。

電源回路３２３は、フレキシブル基板及びフラットケーブル等の柔軟な中継物５５−２と接続する。中継物５５−２の他方の端は、第４の基板４０と接続する。電源回路３２３は、中継物５５−２を介して第４の基板４０から供給される電源電力を受信する。電源回路３２３は、受信した電源電力を、高周波回路３２１の移相器３２１１−１，３２１１−２と、増幅器３２１２−１，３２１２−２へ与える。

なお、第３の基板３０−２〜３０−４の構成は、第３の基板３０−１と同様であるため、ここでは、説明を割愛する。

第４の基板４０は、プリント基板４１及び部品実装部４２を備える。プリント基板４１は、第３の基板３０のプリント基板３１と、中継物５５−１，５５−２により接続する。

部品実装部４２には、制御回路４２１及び電源回路４２２が実装される。制御回路４２１は、増幅器３２１２−１，３２１２−２の動作・非動作を制御し、移相器３２１１−１，３２１１−２の位相量を制御する制御信号を生成する。制御回路４２１は、生成した制御信号を、中継物５５−１を介して第３の基板３０の制御回路３２２へ出力する。電源回路４２２は、移相器３２１１−１，３２１１−２及び増幅器３２１２−１，３２１２−２を動作させるための電源電力を生成する。電源回路４２２は、生成した電源電力を、中継物５５−２を介して第３の基板３０の電源回路３２３へ出力する。

図５は、上記のように構成されたアレーアンテナ装置を湾曲させた場合の模式図である。また、図６は、アレーアンテナ装置が湾曲することにより、マイクロストリップ線路間にずれが生じる場合の第１の電磁結合型コネクタ５１の構成を示す模式図である。図６（ａ）はアレーアンテナ装置のｘ−ｚ平面での断面の模式図を示し、図６（ｂ）はアレーアンテナ装置のｙ−ｚ平面での模式図を示す。図６に示す方向に応力が発生し、ずれが生じる場合であっても、電磁結合型コネクタは、破損せず、また、伝搬特性の劣化の影響も少ない。

以上のように、本実施形態では、アレーアンテナ装置内で層状に重ね合わされる基板間における高周波信号のやり取りを、電磁結合型コネクタにより行うようにしている。電磁結合型コネクタは、高周波信号の伝搬に対して、応力により発生するずれの影響が少ない。そのため、アレーアンテナ装置が湾曲した場合であっても、アレーアンテナ装置は、高周波信号を基板間で伝送することが可能となる。

したがって、本実施形態に係るアレーアンテナ装置によれば、曲率半径を変化させても、すなわち、湾曲させても基板間で高周波信号を伝送することができる。また、電磁結合型コネクタは、省スペース、かつ、軽量であることから、アレーアンテナ装置の薄型化及び軽量化に寄与することが可能となる。

また、本実施形態に係るアレーアンテナ装置では、制御回路３２２及び電源回路３２３を備える第３の基板３０と、制御回路４２１及び電源回路４２２を備える第４の基板４０とを、柔軟な中継物５５−１，５５−２により接続するようにしている。従来のアレーアンテナ装置では、固定部品を用いて層状の基板同士を物理的に固定するようにしていたが、このような固定部品は、アレーアンテナ装置が湾曲すると破損してしまう。一方、本実施形態における柔軟な中継物５５−１，５５−２は、アレーアンテナ装置の湾曲により、破損することはない。これにより、本実施形態に係るアレーアンテナ装置は、アレーアンテナ装置が湾曲する場合であっても、制御信号及び電源電力を伝送することが可能である。また、中継物は、省スペース、かつ、軽量であることから、アレーアンテナ装置の薄型化及び軽量化に寄与することが可能となる。

なお、本実施形態では、アレーアンテナ装置における任意の部位が湾曲可能なようにされているが、これに限定されない。例えば、第３の基板３０において部品実装部３２が設けられる部位、及び、第４の基板４０において部品実装部４２が設けられる部位を湾曲しないようにし、それ以外の部位を湾曲可能なようにしても良い。アレーアンテナ装置が湾曲する際には、基板同士に隙間が空く場合が考えられるが、電磁結合型コネクタにおける伝搬特性の劣化の影響は、基板同士の距離がある程度変化しても小さい。そのため、アレーアンテナ装置が湾曲した場合であっても、アレーアンテナ装置は、高周波信号を伝送することが可能となる。

また、本実施形態では、電磁結合型コネクタは、図４に示す構成をとる場合を例に説明したが、これに限定されない。電磁結合型コネクタは、基板間で電磁結合型給電を行え、ずれに対して高周波信号の接続が維持できる構造であれば、いかなる構成をとっても良い。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…第１の基板、１１…プリント基板、１２…アンテナ素子が配置される領域、２０，２０−１，２０−２…第２の基板、２１…プリント基板、３０，３０−１〜３０−４…第３の基板、３１…プリント基板、３２…部品実装部、４０…第４の基板、４１…プリント基板、４２…部品実装部、５１…第１の電磁結合型コネクタ、５２…第２の電磁結合型コネクタ、５３…第３の電磁結合型コネクタ、５４…第４の電磁結合型コネクタ、５５−１，５５−２…中継物、１１１，２１１，２１２，２１３，２１４…マイクロストリップ線路、２１５…分配器、２１６…結合器、３１１，３１２，３１３…マイクロストリップ線路、３１４…分配器、３１５…結合器、３２１…高周波回路、３２２…制御回路、３２３…電源回路、４２１…制御回路、４２２…電源回路、３２１１−１，３２１１−２…移相器、３２１２−１，３２１２−２…増幅器、３２１３…サーキュレータ

Claims

湾曲可能な複数の基板が層状に重ね合わされて形成されるアレーアンテナ装置において、
第１のプリント基板と、前記第１のプリント基板を介して受信する高周波信号を送信信号として送信し、又は、受信した受信信号を高周波信号として前記第１のプリント基板へ出力する複数のアンテナ素子とを備える第１の基板と、
第２のプリント基板を備える第２の基板と
を具備し、
前記第１のプリント基板の表面、及び前記第２のプリント基板の表面は、前記第１のプリント基板の表面と、前記第２のプリント基板の表面とが対向する部位に、前記高周波信号の４分の１波長の長さの第１及び第２の線路が、前記第１及び第２の基板の湾曲時の応力が発生する方向に沿ってそれぞれ形成され、
前記第１及び第２の線路は、所定の間隔を隔てて対向することで、前記高周波信号をやり取りする第１の電磁結合型コネクタを形成するアレーアンテナ装置。
分配回路又は合成回路が形成される第３のプリント基板と、増幅器又は移相器を含む高周波回路とを備える第３の基板をさらに具備し、
前記第２のプリント基板の表面のうち前記第１のプリント基板側の表面とは反対側の反対側表面、及び前記第３のプリント基板の表面は、前記第２のプリント基板の反対側表面と、前記第３のプリント基板の表面とが対向する部位に、前記高周波信号の４分の１波長の長さの第３及び第４の線路が、前記第２及び第３の基板の湾曲時の応力が発生する方向に沿ってそれぞれ形成され、
前記第３及び第４の線路は、所定の間隔を隔てて対向することで、前記高周波信号をやり取りする第２の電磁結合型コネクタを形成する請求項１記載のアレーアンテナ装置。
前記第３の基板へ電源電力を供給する第１の電源回路を備える第４の基板をさらに具備し、
前記第３の基板は、前記供給される電源電力を前記高周波回路へ供給する第２の電源回路をさらに備え、
前記第１の電源回路と、前記第２の電源回路とは、柔軟な中継物により接続される請求項２記載のアレーアンテナ装置。
前記高周波回路を制御する制御信号を生成する第１の制御回路を備える第４の基板をさらに具備し、
前記第３の基板は、前記制御信号に従い、前記高周波回路を制御する第２の制御回路をさらに備え、
前記第１の制御回路と、前記第２の制御回路とは、柔軟な中継物により接続される請求項２記載のアレーアンテナ装置。
前記高周波回路を制御する制御信号を生成する第１の制御回路と、前記第３の基板へ電源電力を供給する第１の電源回路とを備える第４の基板をさらに具備し、
前記第３の基板は、前記制御信号に従って前記高周波回路を制御する第２の制御回路と、前記供給される電源電力を前記高周波回路及び前記第２の制御回路へ供給する第２の電源回路とをさらに備え、
前記第１の制御回路と前記第２の制御回路とは柔軟な第１の中継物により接続され、前記第１の電源回路と前記第２の電源回路とは柔軟な第２の中継物により接続される請求項２記載のアレーアンテナ装置。