JP6466275B2 - フェーズドアレーアンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、フェーズドアレーアンテナ、より詳しくは、ミリ波帯や準ミリ波帯での使用においても好適なフェーズドアレーアンテナに関する。
近年、ミリ波帯（30GHz〜300GHz）や準ミリ波帯（明確な定義はないがおよそ20GHz〜30GHz）での通信技術が活発に検討されている。ミリ波帯や準ミリ波帯での通信技術の一つに、フェーズドアレーアンテナがある。従来のフェーズドアレーアンテナの一例として特許文献１に開示されているものが知られている。
特許文献１の図２１に開示されているフェーズドアレーアンテナをブランチ数が２の場合に再構成した例を図１３に示す。なお、図１３では、フィルタや増幅器（例えば緩衝増幅器や中間増幅器）など、実際には使用されるが従来技術の説明と理解において非本質的な回路構成要素を省略している。図１３に示す例に基づいて、従来の技術水準のフェーズドアレーアンテナについて説明する。
図１３に示すフェーズドアレーアンテナ９９は、
１）２個のアンテナ素子９００−１，９００−２と、
２）周波数ｆRの無変調連続波を生成する第１発振器９６０と、
３）第１発振器９６０の出力を２等分配する第１分配器９５０と、
４）第１分配器９５０の２個の出力のそれぞれが２個のアンテナ素子９００−１，９００−２のうち対応するアンテナ素子に対応する位相θ1，θ2を持つように（つまり、第１分配器９５０の一方の出力が、これに対応する一方のアンテナ素子９００−１に対応する位相θ1を持ち、第１分配器９５０の他方の出力が、これに対応する他方のアンテナ素子９００−２に対応する位相θ2を持つように）、第１分配器９５０の２個の出力のそれぞれの位相を制御する２個の可変移相器９４０−１，９４０−２と（この例では、可変移相器９４０−１が、第１分配器９５０の一方の出力の位相を位相θ1に移相する制御を行い、可変移相器９４０−２が、第１分配器９５０の他方の出力の位相を位相θ2に移相する制御を行う）、
５）２個のアンテナ素子９００−１，９００−２のそれぞれに対応する位相θ1，θ2（一方のアンテナ素子９００−１に対応する位相はθ1であり、他方のアンテナ素子９００−２に対応する位相はθ2である）を持つ２個の搬送波（つまり、２個の可変移相器９４０−１，９４０−２の出力）を用いて、２個のアンテナ素子９００−１，９００−２に対応する２個の入力信号の変調または復調を行う信号変換部と（この例では、当該信号変換部は、２個の信号変換器９２０−１，９２０−２で構成されており、一方の信号変換器９２０−１が、一方のアンテナ素子９００−１に対応する入力信号の変調または復調を行い、他方の信号変換器９２０−２が、他方のアンテナ素子９００−２に対応する入力信号の変調または復調を行う）、
６）２個の増幅器９１０−１，９１０−２と、
７）第３分配器９３０と
を含んでいる。
なお、この構成では、記載上、１個の発振器を含む構成でありながら敢えて「第１発振器」との呼称を用い、また、この構成では、記載上、２個の分配器を含む構成でありながら敢えて「第１分配器」、「第３分配器」と連番ではない呼称を用いている理由は、後に説明する本発明との対比をし易くするためである。
フェーズドアレーアンテナ９９が送信機として機能する場合：
第３分配器９３０は入力されたベースバンド信号を２等分配する。第３分配器９３０の２個の出力が、信号変換器９２０−１，９２０−２に入力される上記「２個の入力信号」に相当する。つまり、第３分配器９３０のｋ番目の出力は、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋに入力される。これ以降、ｋは１以上Ｎ以下の各整数を表すとする。また、一方の増幅器９１０−１は、一方の信号変換器９２０−１の出力を増幅する。一方の増幅器９１０−１の出力は、一方のアンテナ素子９００−１に供給される。他方の増幅器９１０−２は、他方の信号変換器９２０−２の出力を増幅する。他方の増幅器９１０−１の出力は、他方のアンテナ素子９００−１に供給される。
フェーズドアレーアンテナ９９が受信機として機能する場合：
一方の増幅器９１０−１は、一方のアンテナ素子９００−１からの信号を増幅する。一方の増幅器９１０−１の出力は、一方の信号変換器９２０−１の上記「２個の入力信号」の一方の入力信号に相当する。他方の増幅器９１０−２は、他方のアンテナ素子９００−２からの信号を増幅する。他方の増幅器９１０−２の出力は、他方の信号変換器９２０−２の上記「２個の入力信号」の他方の入力信号に相当する。第３分配器９３０は２個の信号変換器９２０−１，９２０−２の出力を合成してベースバンド信号を出力する。なお、第３分配器９３０は、通常、合成器としての機能を持つ（第３分配器を第３合成器と呼称しても差し支えない）。
また、特許文献１によると、搬送波の周波数に限定は無いとされている。
特開平７−２０２５４８号公報
図１３に示すフェーズドアレーアンテナ９９によると、搬送波あるいは無変調連続波の周波数が例えばミリ波帯や準ミリ波帯のように高くなると、アンテナ指向性の精度の良い制御のために高い移相精度を持つ移相器が必要となるが、このような高周波帯域で高い移相精度を持つ移相器は一般的に高価である。しかし、このような高周波帯域よりも相対的に低い帯域で同程度の高い移相精度を持つ移相器は比較的廉価である。
本発明は、搬送波の周波数に関係なく、廉価でありながら高い移相精度を持つ移相器を使用できる構成を持つフェーズドアレーアンテナを提供することを目的とする。
本発明のフェーズドアレーアンテナは、Ｎ個（ただし、Ｎは２以上の予め定められた整数とする）のアンテナ素子と、Ｎ個のアンテナ素子のそれぞれに対応する位相を持つＮ個の搬送波を用いて、Ｎ個のアンテナ素子に対応するＮ個の入力信号の変調または復調、あるいは、Ｎ個のアンテナ素子に対応するＮ個の入力信号が当該搬送波の周波数よりも低い変調信号または当該搬送波の周波数よりも高い復調信号の場合に当該Ｎ個の入力信号の周波数変換を行う信号変換部とを含むフェーズドアレーアンテナにおいて、搬送波の周波数よりも低い周波数を持つ第１ローカル信号を生成する第１発振器と、第１ローカル信号の周波数よりも高い周波数を持つ第２ローカル信号を生成する信号生成部と、第１ローカル信号がＮ等分配され、それぞれがＮ個のアンテナ素子のうち対応するアンテナ素子に対応する位相を持つようにそれぞれの位相を制御する位相制御部と、位相制御部からのＮ個の出力のそれぞれと、第２ローカル信号と、の周波数混合を行い、Ｎ個の搬送波を生成する搬送波生成部とを含むことを特徴とする。
本発明によると、移相制御を搬送波の周波数よりも低い周波数を持つ第１ローカル信号に対して行うので、搬送波の周波数に関係なく、廉価でありながら高い移相精度を持つ移相器を使用できる。
第１実施形態による実施例１のフェーズドアレーアンテナ。 第１実施形態による実施例２のフェーズドアレーアンテナ。 第１実施形態による実施例３のフェーズドアレーアンテナ。 第１実施形態による実施例４のフェーズドアレーアンテナ。 第１実施形態による実施例５のフェーズドアレーアンテナ。 第１実施形態による実施例６のフェーズドアレーアンテナ。 第１実施形態による実施例７のフェーズドアレーアンテナ。 第１実施形態による実施例７の変形例のフェーズドアレーアンテナ。 第２実施形態のフェーズドアレーアンテナ。 第１参考形態のフェーズドアレーアンテナ。 第１参考形態の変形例のフェーズドアレーアンテナ。 第２参考形態のフェーズドアレーアンテナ。 従来のフェーズドアレーアンテナ。
本発明のフェーズドアレーアンテナは、或る一つの観点から述べれば、送信機または受信機として使用可能であり、
１）Ｎ個（ただし、Ｎは２以上の予め定められた整数とする）のアンテナ素子と、
２）フェーズドアレーアンテナの搬送波の周波数よりも低い周波数（設計仕様によるが、例えば、フェーズドアレーアンテナの搬送波の周波数の２０分の１〜２分の１程度や、１GHz未満の周波数を例示できる）を持つ第１ローカル信号を生成する第１発振器と、
３）第１ローカル信号をＮ等分配すると共に、Ｎ等分配された第１ローカル信号のそれぞれがＮ個のアンテナ素子のうち対応するアンテナ素子に対応する位相を持つように、Ｎ個の第１ローカル信号のそれぞれの位相を制御する位相制御部と（ただし、ここでの「共に」は、第１ローカル信号をＮ等分配した「後に」位相を制御する場合と、第１ローカル信号をＮ等分配する「過程で」位相を制御する場合とを含むことを含意する）、
４）第１ローカル信号の周波数よりも高い周波数（この「高い周波数」は、「高い周波数」と第１ローカル信号の周波数との周波数混合によってフェーズドアレーアンテナの搬送波の周波数が得られる周波数である）を持つ第２ローカル信号を生成する信号生成部と、
５）位相制御部からのＮ個の出力のそれぞれと、第２ローカル信号と、の周波数混合を行い、フェーズドアレーアンテナのＮ個の搬送波を生成する搬送波生成部と、
６）Ｎ個のアンテナ素子のそれぞれに対応する位相を持つＮ個の搬送波（つまり、搬送波生成部が生成したＮ個の搬送波である）を用いて、Ｎ個のアンテナ素子に対応するＮ個の入力信号の変調または復調、あるいは、Ｎ個のアンテナ素子に対応するＮ個の入力信号が搬送波の周波数よりも低い変調信号または搬送波の周波数よりも高い復調信号の場合に当該Ｎ個の入力信号の周波数変換を行う信号変換部と、
を含む、と理解することも可能である。
＜第１実施形態＞
このようなフェーズドアレーアンテナの第１実施形態（図１〜図７を参照。ただし、図１〜図７ではＮ＝２の場合を例示している。また、これ以降、ｉは１以上Ｎ以下の各整数を表すとする）は、
１）Ｎ個のアンテナ素子９００−ｉと、
２）フェーズドアレーアンテナの搬送波の周波数ｆcよりも低い周波数ｆL（周波数ｆLとして、周波数ｆcの２０分の１〜２分の１程度や、１GHz未満の周波数を例示できる）を持つ無変調連続波である第１ローカル信号を生成する第１発振器９６０と、
３）第１ローカル信号をＮ等分配すると共に、Ｎ等分配された第１ローカル信号のそれぞれがＮ個のアンテナ素子９００−ｉのうち対応するアンテナ素子に対応する位相θaiを持つように（つまり、Ｎ個の第１ローカル信号のうちｋ番目の第１ローカル信号が、これに対応するｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する位相θakを持つように）、Ｎ個の第１ローカル信号のそれぞれの位相を制御する位相制御部１０Ａと、
４）第１ローカル信号の周波数ｆLよりも高い周波数ｆH（周波数ｆHは、周波数ｆHと第１ローカル信号の周波数ｆLとの周波数混合によって搬送波の周波数ｆcが得られる周波数である）を持つ無変調連続波である第２ローカル信号を生成する信号生成部１０Ｂと、
５）位相制御部１０ＡからのＮ個の出力のそれぞれと、第２ローカル信号と、の周波数混合を行い、フェーズドアレーアンテナのＮ個の搬送波を生成する搬送波生成部と（図１〜図７の各例では、当該搬送波生成部は、Ｎ個のミキサ（あるいはデジタル周波数変換器）１２０−ｉとＮ個のバンドパスフィルタ（図示せず）とで構成されており、ｋ番目のミキサ１２０−ｋが、位相制御部１０Ａからのｋ番目の出力（位相θakを持つ）と第２ローカル信号との周波数混合を行い（この際、信号生成部１０Ｂからｋ番目のミキサ１２０−ｋに入力される第２ローカル信号の位相δkによって位相θkが得られる）、ｋ番目のバンドパスフィルタがｋ番目のミキサ１２０−ｋの出力を入力としてフェーズドアレーアンテナの搬送波の周波数ｆcの帯域を通過させる）、
６）Ｎ個のアンテナ素子９００−ｉのそれぞれに対応する位相θi（ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する位相はθkである）を持つＮ個の搬送波（つまり、搬送波生成部が生成したＮ個の搬送波である）を用いて、Ｎ個のアンテナ素子９００−ｉに対応するＮ個の入力信号の変調または復調、あるいは、Ｎ個のアンテナ素子に対応するＮ個の入力信号が搬送波の周波数ｆcよりも低い変調信号または搬送波の周波数ｆcよりも高い復調信号の場合に当該Ｎ個の入力信号の周波数変換を行う信号変換部と（この例では、当該信号変換部は、Ｎ個の信号変換器９２０−ｉで構成されており、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋが、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する入力信号の変調または復調、あるいは、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する入力信号が搬送波の周波数ｆcよりも低い変調信号または搬送波の周波数ｆcよりも高い復調信号の場合に当該ｋ番目の入力信号の周波数変換を行う）、
７）Ｎ個の増幅器９１０−ｉと、
８）第３分配器９３０と
を含んでいる。
なお、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナと図１３に示す従来のフェーズドアレーアンテナ９９との対比を容易にするため、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナとフェーズドアレーアンテナ９９との間で同じ構成要素には同じ参照符号を附している。
また、この構成では、記載上、１個の分配器を含む構成でありながら敢えて「第３分配器」との呼称を用いている理由は、フェーズドアレーアンテナ９９との対比をし易くするためである。
また、図１〜図７では、フィルタ（例えばリーク成分や高調波成分を除去するフィルタ）、増幅器（例えば緩衝増幅器や中間増幅器）、振幅調整のための減衰器など、実際には使用されるが本発明の実施形態の説明と理解において非本質的な回路構成要素を省略している。
第１実施形態のフェーズドアレーアンテナが送信機として機能する場合：
第３分配器９３０は入力されたベースバンド信号をＮ等分配する。第３分配器９３０のＮ個の出力が、Ｎ個の信号変換器９２０−ｉに入力される上記「Ｎ個の入力信号」に相当する。つまり、第３分配器９３０のｋ番目の出力は、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋに入力される。また、ｋ番目の増幅器９１０−ｋは、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋの出力を増幅する。ｋ番目の増幅器９１０−ｋの出力は、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに供給される。
第１実施形態のフェーズドアレーアンテナが受信機として機能する場合：
ｋ番目の増幅器９１０−ｋは、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋからの信号を増幅する。ｋ番目の増幅器９１０−ｋの出力は、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋの上記「Ｎ個の入力信号」のｋ番目の入力信号に相当する。第３分配器９３０はＮ個の信号変換器９２０−ｉの出力を合成してベースバンド信号を出力する。なお、第３分配器９３０は、通常、合成器としての機能を持つ（第３分配器を第３合成器と呼称しても差し支えない）。
第１実施形態によると、移相制御を搬送波の周波数よりも低い周波数を持つ第１ローカル信号に対して行うので、搬送波の周波数に関係なく、位相制御部１０Ａを、廉価でありながら高い移相精度を持つ移相器を用いて構成できる。また、このような移相器として、移相量を変更可能な可変移相器を用いることも、移相量が一定の固定移相器を用いることもできる。可変移相器の移相量を変更する機構については周知であるから説明を省略する。下記の実施例１〜６では可変移相器（ただし、実施例５，６では可変遅延器である）を用いる場合の構成を説明する。実施例１〜６のそれぞれにおいて一部または全部の「可変移相器」（あるいは「可変遅延器」）を「固定移相器」（あるいは「固定遅延器」）に読み替えた変形実施例も本発明の実施例に含まれる。
＜実施例１＞
図１を参照して実施例１のフェーズドアレーアンテナ１を説明する。
図１に示すフェーズドアレーアンテナ１は、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、位相制御部１０Ａが、第１ローカル信号をＮ等分配する第１分配器９５０と、第１分配器９５０からのＮ個の出力のそれぞれの位相を制御するＮ個の可変移相器９４０−ｉとで構成されており、信号生成部１０Ｂが、第２ローカル信号を生成する第２発振器１００と、第２ローカル信号をＮ等分配する第２分配器１１０と、で構成されている特徴を持つ（ただし、図１に示す例ではＮ＝２である）。可変移相器９４０−ｉとして、例えば電気長の異なる複数の伝送線路のうち一つの伝送線路をスイッチ等で選択する機構を採用することができる。
なお、実施例１のフェーズドアレーアンテナ１と図１３に示す従来のフェーズドアレーアンテナ９９との対比を容易にするため、実施例１のフェーズドアレーアンテナ１とフェーズドアレーアンテナ９９との間で同じ構成要素には同じ参照符号を附している。
実施例１において、第２分配器１１０が第２ローカル信号を同相分配する場合、Ｎ個の可変移相器９４０−ｉの出力間の位相差は、Ｎ個のミキサ１２０−ｉによる周波数変換によって変更されない。
また、第２分配器１１０がＮ個の出力うちｋ番目の出力に位相δkを与える分配器である場合、Ｎ個の可変移相器９４０−ｉのうちｋ番目の可変移相器９４０−ｋは、Ｎ個のミキサ１２０−ｉのうちｋ番目のミキサ１２０−ｋの出力の位相がθkとなるように、ｋ番目の可変移相器９４０−ｋに入力される第１ローカル信号に対する移相量τkを、位相δkを考慮して、設定する。この移相量τkによって、ｋ番目の可変移相器９４０−ｋの出力の位相はθakとなる。
また、単一周波数（つまり、第１ローカル信号の周波数ｆc）に対する位相制御であるため、移相器の帯域内偏差の影響を考える必要がなく、移相器の設計が容易である。この結果、移相器を広帯域化が難しい集中定数素子を用いて構成することもできるため、フェーズドアレーアンテナの小型化や低コスト化を期待できる。
＜実施例２＞
図２を参照して実施例２のフェーズドアレーアンテナ２を説明する。
図２に示すフェーズドアレーアンテナ２は、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、位相制御部１０Ａが、Ｎ入力Ｎ出力のバトラーマトリックス回路１３０と、第１ローカル信号が入力されるバトラーマトリックス回路１３０のＮ個の入力端子のいずれかを選択する１極Ｎ投スイッチ１４０とで構成されており（第１ローカル信号は、１極Ｎ投スイッチ１４０で選択されたバトラーマトリックス回路１３０の一つの入力端子に入力される）、信号生成部１０Ｂが、第２ローカル信号を生成する第２発振器１００と、第２ローカル信号をＮ等分配する第２分配器１１０と、で構成されている特徴を持つ（ただし、図２に示す例ではＮ＝２である）。バトラーマトリックス回路は周知であるからその構成等の説明を省略する。通常、バトラーマトリックス回路の入力端子の選択に応じてバトラーマトリックス回路１３０のＮ個の出力間の位相差は異なるので、入力端子の選択に応じてビーム方向を変更することができる。
実施例２において、第２分配器１１０が第２ローカル信号を同相分配する場合、バトラーマトリックス回路１３０のＮ個の出力間の位相差は、Ｎ個のミキサ１２０−ｉによる周波数変換によって変更されない。
また、第２分配器１１０がＮ個の出力うちｋ番目の出力に位相δkを与える分配器である場合、バトラーマトリックス回路１３０は、Ｎ個のミキサ１２０−ｉのうちｋ番目のミキサ１２０−ｋの出力の位相がθkとなるように、バトラーマトリックス回路１３０のｋ番目の出力端子から出力される第１ローカル信号に対する移相量τkを、位相δkを考慮して、設定する。この移相量τkによって、バトラーマトリックス回路１３０のｋ番目の出力の位相はθakとなる。
実施例２の構成によると、スイッチ１４０の挿入損失は搬送波帯域での損失とならず、また、無変調連続波の非線形歪による高調波はフィルタで容易に除去できる。また、バトラーマトリックス回路１３０のＮ個の出力の位相はそれぞれ第１ローカル信号の周波数ｆLにおいて所望の位相になっていればよい。このため、例えば集中定数素子を用いて構成され狭帯域特性を持つ小型のバトラーマトリックス回路を使用することが可能であり、フェーズドアレーアンテナの回路部分の大型化を避けることが可能である。
＜実施例３＞
図３を参照して実施例３のフェーズドアレーアンテナ３を説明する。
図３に示すフェーズドアレーアンテナ３は、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、位相制御部１０Ａが、第１ローカル信号をＮ＋１等分配する第１分配器９５１と、当該第１分配器９５１からのＮ＋１個の出力のうちＮ個の出力のそれぞれの位相を制御するＮ個の可変移相器９４０−ｉとで構成されており（ｋ番目の可変移相器９４０−ｋは、Ｎ＋１個の出力のうちｋ番目の出力の位相を制御する）、信号生成部１０Ｂが、第１分配器９５１からのＮ＋１個の出力のうち１個の出力（つまり、Ｎ＋１番目の出力）の周波数を逓倍して第２ローカル信号を得る逓倍器１５０と、第２ローカル信号をＮ等分配する第２分配器１１０とで構成されている特徴を持つ（ただし、図３に示す例ではＮ＝２である）。可変移相器９４０−ｉとして、例えば電気長の異なる複数の伝送線路のうち一つの伝送線路をスイッチ等で選択する機構を採用することができる。
なお、実施例３のフェーズドアレーアンテナ３と図１３に示す従来のフェーズドアレーアンテナ９９との対比を容易にするため、実施例３のフェーズドアレーアンテナ３とフェーズドアレーアンテナ９９との間で同じ構成要素には同じ参照符号を附している。
実施例３において、第１分配器９５１が第１ローカル信号を同相分配する場合、Ｎ個の可変移相器９４０−ｉの出力間の位相差は、Ｎ個のミキサ１２０−ｉによる周波数変換によって変更されない。
＜実施例４＞
図４を参照して実施例４のフェーズドアレーアンテナ４を説明する。
図４に示すフェーズドアレーアンテナ４は、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、さらに第１ローカル信号を２等分配する第１分配器１６０を含み、位相制御部１０Ａが、Ｎ入力Ｎ出力のバトラーマトリックス回路１３０と、第１ローカル信号が入力されるバトラーマトリックス回路１３０のＮ個の入力端子のいずれかを選択する１極Ｎ投スイッチ１４０とで構成されており（第１分配器１６０からの出力のうち一方の出力である第１ローカル信号は、１極Ｎ投スイッチ１４０で選択されたバトラーマトリックス回路１３０の一つの入力端子に入力される）、信号生成部１０Ｂが、第１分配器１６０からの出力のうち他方の出力の周波数を逓倍して第２ローカル信号を得る逓倍器１５０と、第２ローカル信号をＮ等分配する第２分配器１１０とで構成されている特徴を持つ（ただし、図４に示す例ではＮ＝２である）。既述のように、バトラーマトリックス回路の入力端子の選択に応じてバトラーマトリックス回路１３０のＮ個の出力間の位相差は異なるので、入力端子の選択に応じてビーム方向を変更することができる。
実施例４において、第２分配器１１０が第２ローカル信号を同相分配する場合、バトラーマトリックス回路１３０のＮ個の出力間の位相差は、Ｎ個のミキサ１２０−ｉによる周波数変換によって変更されない。
また、第２分配器１１０がＮ個の出力うちｋ番目の出力に位相δkを与える分配器である場合、バトラーマトリックス回路１３０は、Ｎ個のミキサ１２０−ｉのうちｋ番目のミキサ１２０−ｋの出力の位相がθkとなるように、バトラーマトリックス回路１３０のｋ番目の出力端子から出力される第１ローカル信号に対する移相量τkを、位相δkを考慮して、設定する。この移相量τkによって、バトラーマトリックス回路１３０のｋ番目の出力の位相はθakとなる。
実施例４の構成によると、スイッチ１４０の挿入損失は搬送波帯域での損失とならず、また、無変調連続波の非線形歪による高調波はフィルタで容易に除去できる。また、バトラーマトリックス回路１３０のＮ個の出力の位相はそれぞれ第１ローカル信号の周波数ｆLにおいて所望の位相になっていればよい。このため、例えば集中定数素子を用いて構成され狭帯域特性を持つ小型のバトラーマトリックス回路を使用することが可能であり、フェーズドアレーアンテナの回路部分の大型化を避けることが可能である。
＜実施例５＞
図５を参照して実施例５のフェーズドアレーアンテナ５を説明する。
実施例１〜４はそれぞれアナログ回路で移相制御を行っていたが、実施例５ではデジタル回路で移相制御を行う。
図５に示すフェーズドアレーアンテナ５において、第１発振器９６０は、実施例１〜４と異なり、フェーズドアレーアンテナの搬送波の周波数ｆcよりも低い周波数ｆLを持つクロック信号である第１ローカル信号を生成するクロック発振器である。
また、位相制御部１０Ａは、第１ローカル信号をＮ等分配する第１分配器９５０と、第１分配器９５０からのＮ個の出力のそれぞれのクロック位相を制御するＮ個の可変遅延器１７１−ｉと、Ｎ個の可変遅延器１７１−ｉの出力を無変調連続波に変換するＮ個のバンドパスフィルタ１７０−ｉとで構成されている。
信号生成部１０Ｂは、アナログ信号である第２ローカル信号を生成する第２発振器１００と、第２ローカル信号をＮ等分配する第２分配器１１０と、で構成されている。
ただし、図５に示す例ではＮ＝２である。
実施例５において、第２分配器１１０が第２ローカル信号を同相分配する場合、Ｎ個の可変移相器９４０−ｉの出力間の位相差は、Ｎ個のミキサ１２０−ｉによる周波数変換によって変更されない。
また、第２分配器１１０がＮ個の出力うちｋ番目の出力に位相δkを与える分配器である場合、Ｎ個の可変遅延器１７１−ｉのうちｋ番目の可変遅延器１７１−ｋは、Ｎ個のミキサ１２０−ｉのうちｋ番目のミキサ１２０−ｋの出力の位相がθkとなるように、ｋ番目の可変遅延器１７１−ｋに入力される第１ローカル信号に対する移相量τkを、位相δkを考慮して、設定する。この移相量τkによって、ｋ番目の可変遅延器１７１−ｋの出力の位相はθakとなる。
＜実施例６＞
図６を参照して実施例６のフェーズドアレーアンテナ６を説明する。
実施例１〜４はそれぞれアナログ回路で移相制御を行っていたが、実施例６ではデジタル回路で移相制御を行う。
図６に示すフェーズドアレーアンテナ６において、第１発振器９６０は、実施例１〜４と異なり、フェーズドアレーアンテナの搬送波の周波数ｆcよりも低い周波数ｆLを持つクロック信号である第１ローカル信号を生成するクロック発振器である。
また、第２発振器１００は、実施例１〜４と異なり、クロック信号である第２ローカル信号を生成するクロック発振器である。
位相制御部１０Ａは、第１ローカル信号をＮ等分配する第１分配器９５０と、第１分配器９５０からのＮ個の出力のそれぞれのクロック位相を制御するＮ個の可変遅延器１７１−ｉとで構成されている。
信号生成部１０Ｂは、第２ローカル信号を生成する第２発振器１００と、第２ローカル信号をＮ等分配する第２分配器１１０とで構成されている。
さらに、フェーズドアレーアンテナ６は、Ｎ個のデジタル周波数変換器１２０−ｉと、Ｎ個のデジタル周波数変換器１２０−ｉの出力を無変調連続波に変換するＮ個のバンドパスフィルタ１７０−ｉとを含んでいる。
ただし、図６に示す例ではＮ＝２である。
実施例５と実施例６では、移相器に相当する回路部分をデジタル回路で構成された可変遅延器で代替しているため、小型化ができ、各ブランチの位相調整精度を向上することもできる。また、デジタル回路は無変調連続波を生成および処理をするものであり、帯域信号を処理しない。このため、量子化信号を処理する必要がなくデジタル回路における演算量を激減でき、また、デジタル信号からアナログ信号への変換にＤＡ変換器は必要としないため、消費電力やコストの観点から有利である。
＜固定移相器を用いた場合のビーム方向の変更＞
第１実施形態のフェーズドアレーアンテナによると、移相器として可変移相器を用いた場合は勿論のこと、固定移相器を用いた場合であっても、第２ローカル信号の周波数ｆHに応じてフェーズドアレーアンテナのビーム方向を変えることができる。以下、このことを、理解のし易さの観点からＮ＝２の場合を例に図１を参照して説明するが、ここでの説明の理はＮ＝２以外の場合にも、また、図１の構成以外の場合にも、妥当する。また、ここでの説明では、図１のフェーズドアレーアンテナ１は可変移相器９４０−１，９４０−２に替えて固定移相器９４０−１，９４０−２を用いるとする（便宜上、同じ参照符号を用いている）。
第１ローカル信号をsin(２πｆLｔ)とし、第２ローカル信号をsin(２πｆHｔ)とすると、１番目の固定移相器９４０−１の出力はsin(２πｆLｔ＋θa1)と表され、２番目の固定移相器９４０−２の出力はsin(２πｆLｔ＋θa2)と表される。したがって、１番目のミキサ１２０−１の出力はsin(２πｆHｔ)sin(２πｆLｔ+θa1)={sin(２π(ｆH−ｆL)ｔ−θa1)＋sin(２π(ｆH＋ｆL)ｔ＋θa1)}であり、２番目のミキサ１２０−２の出力はsin(２πｆHｔ)sin(２πｆLｔ+θa2)={sin(２π(ｆH−ｆL)ｔ−θa2)＋sin(２π(ｆH＋ｆL)ｔ＋θa2)}である。
第１ローカル信号の周波数ｆLが予め定められている場合、第２ローカル信号の周波数ｆHは、第１ローカル信号の周波数ｆLと第２ローカル信号の周波数ｆHとの周波数混合によって生成される上側側波帯の信号の周波数ｆH＋ｆLが搬送波の周波数ｆcと一致するように、または、下側側波帯の信号の周波数ｆH−ｆLが搬送波の周波数ｆcと一致するように設定される。つまり、第１制御部５０は、信号生成部１０Ｂを制御し、第２ローカル信号の周波数ｆHをｆc−ｆLまたはｆc＋ｆLに設定する。
第２ローカル信号の周波数ｆHがｆc＋ｆLに設定されるとフェーズドアレーアンテナのビーム方向は位相＋θa1と位相＋θa2で定まる方向になり、第２ローカル信号の周波数ｆHがｆc−ｆLに設定されるとフェーズドアレーアンテナのビーム方向は位相−θa1と位相−θa2で定まる方向になる。このように、第２ローカル信号の周波数ｆHに応じてフェーズドアレーアンテナのビーム方向を変えることができる。
また、伝送線路などその移相量が周波数依存性を持つ素子で固定移相器を構成した場合、固定移相器による移相量を第１ローカル信号の周波数ｆLに応じて変えることができる。つまり、第１ローカル信号の周波数がｆLrの場合の固定移相器９４０−１，９４０−２の出力の位相をそれぞれθa1rとθa2rとすると、第２制御部５１の制御によって第１ローカル信号の周波数をｆLs（≠ｆLr）に変更したときの固定移相器９４０−１，９４０−２の出力の位相はθa1sとθa2sになる。例えば、固定移相器９４０−１，９４０−２をそれぞれ伝送線路として、第１ローカル信号の周波数ｆLrの場合に位相θa1rと位相θa2rがそれぞれ+30度と+60度であり、δ1=δ2=0とすると、第１ローカル信号の周波数をｆLs（=ｆLr/2）に変更したときの位相θa1sと位相θa2sはそれぞれ+15度と+30度となり、第１ローカル信号の周波数の変更前と変更後の位相差は+30度から+15度に変更される。このように、位相差の変更に伴い、フェーズドアレーアンテナのビーム方向は変更される。なお、この場合であっても、第１ローカル信号の周波数がｆLsの場合の第２ローカル信号の周波数ｆHsは上側側波帯の信号の周波数ｆHs＋ｆLsが搬送波の周波数ｆcと一致するように、または、下側側波帯の信号の周波数ｆHs−ｆLsが搬送波の周波数ｆcと一致するように設定される。
＜実施例７＞
上述の説明から理解できるように、伝送線路のような固定移相器の出力の間の位相差をゼロとするためには第１ローカル信号の周波数ｆLを0[Hz]とする必要があり、この場合、適切な位相を持った搬送波の生成が困難となる。また、固定移相器の出力の間の位相差をゼロの近傍に設定したい場合には、上側側波帯の信号の周波数ｆH＋ｆLと下側側波帯の信号の周波数ｆH−ｆLが周波数軸上でともに搬送波の周波数ｆcに隣接することになり、搬送波の周波数ｆcに設定されなかった側波帯の無変調連続波を、周波数ｆcを中心周波数とするフィルタで除去することが困難となる。
実施例７は、このような場合であっても、適切な位相を持った搬送波の生成を可能とし、ビーム方向を変更できるフェーズドアレーアンテナである。図７を参照して実施例７のフェーズドアレーアンテナ７を説明する。
図７に示すフェーズドアレーアンテナ７は、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、位相制御部１０Ａが位相制御を行う固定移相器を含んで構成されており（図７に示す例では、第１ローカル信号をＮ等分配する第１分配器９５０と、第１分配器９５０からのＮ個の出力のそれぞれの位相を制御するＮ個の固定移相器９４０−ｉとで構成されている）、信号生成部１０Ｂが、第２ローカル信号を生成する第２発振器１００と、第２ローカル信号を２Ｎ等分配する第２分配器１１０と、第２分配器１１０からの２Ｎ個の出力のうちＮ個の出力のそれぞれの位相を制御するＮ個の固定移相器１１５−ｉと、Ｎ個の単極双投スイッチ１１６−ｉとで構成されており、Ｎ個の単極双投スイッチ１１６−ｉのそれぞれは、Ｎ個の固定移相器１１５−ｉのうち対応する固定移相器からの出力と、第２分配器１１０からの残りのＮ個の出力のうち１個の出力と、のいずれかを選択する（図７に示す例では、ｋ番目の単極双投スイッチ１１６−ｋは、ｋ番目の固定移相器１１５−ｋからの出力と第２分配器１１０からの残りのＮ個の出力のうち１個の出力とのいずれかを選択する）という特徴を持つ（ただし、図７に示す例ではＮ＝２である）。
ｋ番目の固定移相器１１５−ｋの移相量γkは、第１ローカル信号の周波数がｆLs、第２ローカル信号の周波数がｆHsの場合において、Ｎ個のミキサ１２０−ｉの出力が等しく持つ位相θとなるように（図７にて、θ1=θ2=θ）、ｋ番目の固定移相器９４０−ｋの出力の位相θaksを考慮して、設定される。この移相量γkによって、ｋ番目の固定移相器１１５−ｋの出力の位相はδbkとなる。具体例として、位相θa1sが+15度、位相θa2sが+30度の場合に位相δb1を+15度、δb2を0度とすると、第２ローカル信号がｋ番目の固定移相器１１５−ｋを通るようにｋ番目の単極双投スイッチ１１６−ｋが動作した場合、Ｎ個のミキサ１２０−ｉによって周波数変換された搬送波間の位相差はゼロとなる。
さらに、この状態（ｋ番目の単極双投スイッチ１１６−ｋがｋ番目の固定移相器１１５−ｋの側を選択している状態）で第１ローカル信号の周波数をｆLsからｆLrに変更することによって、ｋ番目のミキサ１２０−ｋの出力の位相θkは、ｋ番目の固定移相器９４０−ｋの出力の位相θakrとｋ番目の固定移相器１１５−ｋの出力の位相δbkとによって定まる。上記の例では、位相θa1rと位相θa2rがそれぞれ+30度と+60度であるから、ミキサ１２０−１，１２０−２によって周波数変換された搬送波間の位相差は+15度となる。ｋ番目の単極双投スイッチ１１６−ｋがｋ番目の固定移相器１１５−ｋの側を選択している状態では搬送波間の位相差は+15度から0度までの範囲で変更可能であり、ｋ番目の単極双投スイッチ１１６−ｋが第２分配器１１０の側を選択している状態では上述のとおり+30度から+15度までの範囲で変更可能であるから、この例では、一連の操作によって、搬送波間の位相差は+30度から0度までの範囲で変更可能である。
また、上述の例では上側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合であったが、下側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合には、搬送波間の位相差は-45度から-30度まで変更可能となる。このように、実施例７のフェーズドアレーアンテナ７によると、移相器として固定移相器を用いた場合であっても、幅広い範囲での位相差の制御が可能であり、ビーム方向をフレキシブルに変更できる。
＜実施例７の変形例＞
上述の実施例７では、Ｎ個の固定移相器１１５−ｉの移相量を、上側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合を前提に設定したため、搬送波間の位相差が、
上側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合：+30度〜0度の範囲
下側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合：-45度〜-30度までの範囲
で変更可能であるものの、変更範囲が対称にならない。そこで、図８を参照して、実施例７の変形例として、上側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合と下側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合の両者にまたがって、搬送波間の位相差の変更範囲が対称となるフェーズドアレーアンテナ８を説明する。なお、ここでは、実施例７とその変形例とで異なる技術事項について説明する。
図８に示すフェーズドアレーアンテナ８では、信号生成部１０Ｂが、第２ローカル信号を生成する第２発振器１００と、第２ローカル信号を３Ｎ等分配する第２分配器１１０と、第２分配器１１０からの３Ｎ個の出力のうちＮ個の出力のそれぞれの位相を制御するＮ個の第１固定移相器１１５−ｉと、第２分配器１１０からの残りの２Ｎ個の出力のうちＮ個の出力のそれぞれの位相を制御するＮ個の第２固定移相器１１７−ｉと、Ｎ個の単極３投スイッチ１１８−ｉとで構成されており、Ｎ個の単極３投スイッチ１１８−ｉのそれぞれは、Ｎ個の第１固定移相器１１５−ｉのうち対応する第１固定移相器からの出力と、Ｎ個の第２固定移相器１１７−ｉのうち対応する第２固定移相器からの出力と、第２分配器１１０からの残りのＮ個の出力のうち１個の出力と、のうちいずれかを選択する（図８に示す例では、ｋ番目の単極３投スイッチ１１８−ｋは、ｋ番目の第１固定移相器１１５−ｋからの出力と、ｋ番目の第２固定移相器１１７−ｋからの出力と、第２分配器１１０からの残りのＮ個の出力のうち１個の出力とのいずれかを選択する）という特徴を持つ（ただし、図８に示す例ではＮ＝２である）。
ｋ番目の第１固定移相器１１５−ｋの移相量γ1kは、第１ローカル信号の周波数がｆLs、第２ローカル信号の周波数がｆHsの場合において、上側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合に、Ｎ個のミキサ１２０−ｉの出力が等しく持つ位相θとなるように（図８にて、θ1=θ2=θ）、ｋ番目の固定移相器９４０−ｋの出力の位相θaksを考慮して、設定される。この移相量γ1kによって、ｋ番目の第１固定移相器１１５−ｋの出力の位相はδbkとなる。具体例として、位相θa1sが+15度、位相θa2sが+30度の場合に位相δb1を+15度、δb2を0度とすると、第２ローカル信号がｋ番目の第１固定移相器１１５−ｋを通るようにｋ番目の単極３投スイッチ１１８−ｋが動作した場合、Ｎ個のミキサ１２０−ｉによって周波数変換された搬送波間の位相差はゼロとなる。
また、ｋ番目の第２固定移相器１１７−ｋの移相量γ2kは、第１ローカル信号の周波数がｆLs、第２ローカル信号の周波数がｆHsの場合において、下側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合に、Ｎ個のミキサ１２０−ｉの出力が等しく持つ位相θとなるように（図８にて、θ1=θ2=θ）、ｋ番目の固定移相器９４０−ｋの出力の位相θaksを考慮して、設定される。この移相量γ2kによって、ｋ番目の第２固定移相器１１７−ｋの出力の位相はδckとなる。具体例として、位相θa1sが+15度、位相θa2sが+30度の場合に位相δc1を0度、δc2を+15度とすると、第２ローカル信号がｋ番目の第２固定移相器１１７−ｋを通るようにｋ番目の単極３投スイッチ１１８−ｋが動作した場合、Ｎ個のミキサ１２０−ｉによって周波数変換された搬送波間の位相差はゼロとなる。
上側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合に、ｋ番目の単極３投スイッチ１１８−ｋがｋ番目の第１固定移相器１１５−ｋの側を選択している状態で第１ローカル信号の周波数をｆLsからｆLrに変更することによって、ｋ番目のミキサ１２０−ｋの出力の位相θkは、ｋ番目の固定移相器９４０−ｋの出力の位相θakrとｋ番目の第１固定移相器１１５−ｋの出力の位相δbkとによって定まる。上記の例では、位相θa1rと位相θa2rがそれぞれ+30度と+60度であるから、ミキサ１２０−１，１２０−２によって周波数変換された搬送波間の位相差は+15度となる。上側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合に、ｋ番目の単極３投スイッチ１１８−ｋがｋ番目の第１固定移相器１１５−ｋの側を選択している状態では搬送波間の位相差は+15度から0度までの範囲で変更可能であり、ｋ番目の単極３投スイッチ１１８−ｋが第２分配器１１０の側を選択している状態では上述のとおり+30度から+15度までの範囲で変更可能であるから、この例では、一連の操作によって、搬送波間の位相差は+30度から0度までの範囲で変更可能である。
また、下側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合に、ｋ番目の単極３投スイッチ１１８−ｋがｋ番目の第２固定移相器１１７−ｋの側を選択している状態で第１ローカル信号の周波数をｆLsからｆLrに変更することによって、ｋ番目のミキサ１２０−ｋの出力の位相θkは、ｋ番目の固定移相器９４０−ｋの出力の位相θakrとｋ番目の第２固定移相器１１７−ｋの出力の位相δckとによって定まる。上記の例では、位相θa1rと位相θa2rがそれぞれ+30度と+60度であるから、ミキサ１２０−１，１２０−２によって周波数変換された搬送波間の位相差は-15度となる。下側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合に、ｋ番目の単極３投スイッチ１１８−ｋがｋ番目の第２固定移相器１１７−ｋの側を選択している状態では搬送波間の位相差は-15度から0度までの範囲で変更可能であり、ｋ番目の単極３投スイッチ１１８−ｋが第２分配器１１０の側を選択している状態では-30度から-15度までの範囲で変更可能であるから、この例では、一連の操作によって、搬送波間の位相差は-30度から0度までの範囲で変更可能である。
このように、実施例７の変形例のフェーズドアレーアンテナ８によると、上側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合と下側側波帯の信号の周波数が搬送波の周波数と一致する場合の両者にまたがって、搬送波間の位相差の変更範囲が対称となる。
なお、実施例７のフェーズドアレーアンテナ７あるいは実施例７の変形例のフェーズドアレーアンテナ８において一部または全部の「固定移相器」を「可変移相器」に読み替えた変形実施例も本発明の実施例に含まれる。
＜第２実施形態＞
第２実施形態は、第１実施形態においてアンテナ素子間の位相差の精度を向上させる実施形態である。図９を参照して第２実施形態のフェーズドアレーアンテナ９を説明する。ただし、図９はＮ＝２の場合を例示している。フェーズドアレーアンテナ９は実施例１のフェーズドアレーアンテナ１に位相差測定器などを付加した構成を持っているが、フェーズドアレーアンテナ９が実施例２〜７のいずれかのフェーズドアレーアンテナに位相差測定器などを付加した構成を持つことも妨げられない。
フェーズドアレーアンテナ９は実施例１のフェーズドアレーアンテナ１に、第４分配器２０１と、Ｎ個の第１方向性結合器２０２−ｉと、Ｎ個の第２方向性結合器２０３−ｉと、Ｎ個の第２信号変換器２０４−ｉと、Ｎ個の位相差測定器２０５−ｉと、Ｎ個の位相制御器２０６−ｉとを付加した構成を持っている。
第４分配器２０１は、ベースバンド信号をＮ＋１分配する。第４分配器２０１のＮ＋１個の出力のうち一つの出力は第３分配器９３０の入力となる。
ｋ番目の第２信号変換器２０４−ｋは、第４分配器２０１の残りのＮ個の出力のうちｋ番目の出力で、ｋ番目の第１方向性結合器２０２−ｋによって分配されたｋ番目のミキサ１２０−ｋの出力を変調して参照信号を出力する。
ｋ番目の位相差測定器２０５−ｋは、ｋ番目の第２信号変換器２０４−ｋが出力した参照信号と、ｋ番目の第２方向性結合器２０３−ｋによって分配されたｋ番目のアンテナ素子１２０−ｋから/への信号との位相差を測定し（ただし、フェーズドアレーアンテナ９が送信機として機能する場合は「への」を読み、フェーズドアレーアンテナ９が受信機として機能する場合は「から」を読むとする）、この位相差を表す情報を出力する。
ｋ番目の位相制御器２０６−ｋは、ｋ番目の位相差測定器２０５−ｋが出力した情報に基づいて、アンテナ素子間の位相差が所望の位相差となるようにｋ番目の可変移相器９４０−ｋの移相量を調整する制御を行う。
第２実施形態によると、Ｎ個の位相制御器２０６−ｉによって、Ｎ個の可変移相器９４０−ｉのそれぞれの移相量が、アンテナ素子間の位相差が所望の位相差となるように制御されるから、所望の方向にフェーズドアレーアンテナのビーム方向を向けることができる。
この他、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、逓倍器は、周波数を逓倍する機能を持つ回路構成を持てばよく、高調波を利用した逓倍器などに限らず、周波数を２倍にする場合にはバッファアンプを用いた構成であってもよい。
＜参考例＞
上述の第１実施形態のフェーズドアレーアンテナはＮ個のミキサ（あるいはデジタル周波数変換器）１２０−ｉを用いて構成されていたが、以下、ミキサ（あるいはデジタル周波数変換器）を用いないで構成されたフェーズドアレーアンテナを参考形態として説明する。
＜第１参考形態＞
第１参考形態のフェーズドアレーアンテナ１０（図１０を参照。ただし、図１０ではＮ＝２の場合を例示している）は、
１）Ｎ個のアンテナ素子９００−ｉと、
２）フェーズドアレーアンテナ１０の搬送波の周波数ｆcよりも低い周波数ｆL（周波数ｆLとして、周波数ｆcの２０分の１〜２分の１程度や、１GHz未満の周波数を例示できる）を持つ無変調連続波である第１ローカル信号を生成する第１発振器９６０と、
３）第１ローカル信号をＮ等分配すると共に、Ｎ等分配された第１ローカル信号のそれぞれがＮ個のアンテナ素子９００−ｉのうち対応するアンテナ素子に対応する位相θaiを持つように（つまり、Ｎ個の第１ローカル信号のうちｋ番目の第１ローカル信号が、これに対応するｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する位相θakを持つように）、Ｎ個の第１ローカル信号のそれぞれの位相を制御する位相制御部１０Ａと（図１０に示す例では、位相制御部１０Ａは、第１ローカル信号をＮ等分配する第１分配器９５０と、第１分配器９５０からのＮ個の出力のそれぞれの位相を制御するＮ個の可変移相器９４０−ｉとで構成されている）、
４）位相制御部１０ＡからのＮ個の出力のそれぞれの周波数を逓倍してＮ個の搬送波を得る逓倍部と（図１０に示す例では、当該逓倍部は、Ｎ個の逓倍器１５０−ｉで構成されており、ｋ番目の逓倍器１５０−ｋは、ｋ番目の可変移相器９４０−ｋの周波数を逓倍して、フェーズドアレーアンテナ１０の搬送波の周波数ｆcと位相θkを持つ搬送波を出力する）、
５）Ｎ個のアンテナ素子９００−ｉのそれぞれに対応する位相θi（ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する位相はθkである）を持つＮ個の搬送波（つまり、逓倍部が生成したＮ個の搬送波である）を用いて、Ｎ個のアンテナ素子９００−ｉに対応するＮ個の入力信号の変調または復調、あるいは、Ｎ個のアンテナ素子に対応するＮ個の入力信号が搬送波の周波数ｆcよりも低い変調信号または搬送波の周波数ｆcよりも高い復調信号の場合に当該Ｎ個の入力信号の周波数変換を行う信号変換部と（この例では、当該信号変換部は、Ｎ個の信号変換器９２０−ｉで構成されており、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋが、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する入力信号の変調または復調、あるいは、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する入力信号が搬送波の周波数ｆcよりも低い変調信号または搬送波の周波数ｆcよりも高い復調信号の場合に当該ｋ番目の入力信号の周波数変換を行う）、
６）Ｎ個の増幅器９１０−ｉと、
７）第３分配器９３０と
を含んでいる。
なお、第１参考形態のフェーズドアレーアンテナ１０と図１３に示す従来のフェーズドアレーアンテナ９９との対比を容易にするため、第１参考形態のフェーズドアレーアンテナ１０とフェーズドアレーアンテナ９９との間で同じ構成要素には同じ参照符号を附している。
また、この構成では、記載上、２個の分配器を含む構成でありながら敢えて「第３分配器」との呼称を用いている理由は、フェーズドアレーアンテナ９９との対比をし易くするためである。
また、図１０では、フィルタ（例えばリーク成分や高調波成分を除去するフィルタ）、増幅器（例えば緩衝増幅器や中間増幅器）、振幅調整のための減衰器など、実際には使用されるが第１参考形態の説明と理解において非本質的な回路構成要素を省略している。
第１参考形態のフェーズドアレーアンテナ１０が送信機として機能する場合：
第３分配器９３０は入力されたベースバンド信号をＮ等分配する。第３分配器９３０のＮ個の出力が、Ｎ個の信号変換器９２０−ｉに入力される上記「Ｎ個の入力信号」に相当する。つまり、第３分配器９３０のｋ番目の出力は、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋに入力される。また、ｋ番目の増幅器９１０−ｋは、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋの出力を増幅する。ｋ番目の増幅器９１０−ｋの出力は、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに供給される。
第１参考形態のフェーズドアレーアンテナ１０が受信機として機能する場合：
ｋ番目の増幅器９１０−ｋは、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋからの信号を増幅する。ｋ番目の増幅器９１０−ｋの出力は、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋの上記「Ｎ個の入力信号」のｋ番目の入力信号に相当する。第３分配器９３０はＮ個の信号変換器９２０−ｉの出力を合成してベースバンド信号を出力する。なお、第３分配器９３０は、通常、合成器としての機能を持つ（第３分配器を第３合成器と呼称しても差し支えない）。
第１分配器９５０によって第２ローカル信号が同相で分配されている場合、逓倍器による周波数変換によって位相も逓倍数倍となる。したがって、移相制御では、逓倍器による位相変化を考慮する必要がある。また、第１参考形態の構成によると、高周波数を直接発振して第２ローカル信号を生成するよりも、低コスト、低消費電力、低位相雑音などの効果を期待できる。
＜第１参考形態の変形例＞
第１参考形態の変形例のフェーズドアレーアンテナ１１（図１１を参照。ただし、図１１ではＮ＝２の場合を例示している）では、デジタル回路で移相制御が行われる。第１参考形態と異なる点について説明する。
図９に示すフェーズドアレーアンテナ１１において、第１発振器９６０は、第１参考形態と異なり、フェーズドアレーアンテナ１１の搬送波の周波数ｆcよりも低い周波数ｆLを持つクロック信号である第１ローカル信号を生成するクロック発振器である。また、Ｎ個の逓倍器１５０−ｉはそれぞれデジタル回路で構成されている。Ｎ個の逓倍器１５０−ｉからのＮ個の出力はそれぞれ図示しないバンドパスフィルタによってアナログ信号の無変調連続波である搬送波に変換される。
また、位相制御部１０Ａは、第１ローカル信号をＮ等分配する第１分配器９５０と、第１分配器９５０からのＮ個の出力のそれぞれのクロック位相を制御するＮ個の可変遅延器１７１−ｉとで構成されている。
ただし、図１１に示す例ではＮ＝２である。
第１参考形態とその変形例においても、移相制御を搬送波の周波数よりも低い周波数を持つ第１ローカル信号に対して行うので、搬送波の周波数に関係なく、廉価でありながら高い移相精度を持つ移相器を使用できる。
また、デジタル回路は無変調連続波を生成および処理をするものであり、帯域信号を処理しない。このため、量子化信号を処理する必要がなくデジタル回路における演算量を激減でき、また、デジタル信号からアナログ信号への変換にＤＡ変換器は必要としないため、消費電力やコストの観点から有利である。さらに、デジタル回路の逓倍器を用いるので、同じ遅延時間でより多くの移相量が得られ、デジタル回路の規模縮小に有効である。
＜第２参考形態＞
第２参考形態のフェーズドアレーアンテナ１２（図１２を参照。ただし、図１２ではＮ＝２の場合を例示している）は、
１）Ｎ個のアンテナ素子９００−ｉと、
２）フェーズドアレーアンテナ１２の搬送波の周波数ｆcを持つ無変調連続波である第１ローカル信号を生成する第１発振器９６０と、
３）第１ローカル信号をＮ等分配すると共に、Ｎ等分配された第１ローカル信号のそれぞれがＮ個のアンテナ素子９００−ｉのうち対応するアンテナ素子に対応する位相θiを持つように（つまり、Ｎ個の第１ローカル信号のうちｋ番目の第１ローカル信号が、これに対応するｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する位相θkを持つように）、Ｎ個の第１ローカル信号のそれぞれの位相を制御して、Ｎ個の搬送波を得る位相制御部１０Ａと（図１０に示す例では、Ｎ入力Ｎ出力のバトラーマトリックス回路１３０と、第１ローカル信号が入力されるバトラーマトリックス回路１３０のＮ個の入力端子のいずれかを選択する１極Ｎ投スイッチ１４０とで構成されている。バトラーマトリックス回路１３０のｋ番目の出力端子からは、フェーズドアレーアンテナ１２の搬送波の周波数ｆcと位相θkを持つ搬送波が出力される）、
４）Ｎ個のアンテナ素子９００−ｉのそれぞれに対応する位相θi（ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する位相はθkである）を持つＮ個の搬送波（つまり、位相制御部１０Ａが生成したＮ個の搬送波である）を用いて、Ｎ個のアンテナ素子９００−ｉに対応するＮ個の入力信号の変調または復調、あるいは、Ｎ個のアンテナ素子に対応するＮ個の入力信号が搬送波の周波数ｆcよりも低い変調信号または搬送波の周波数ｆcよりも高い復調信号の場合に当該Ｎ個の入力信号の周波数変換を行う信号変換部と（この例では、当該信号変換部は、Ｎ個の信号変換器９２０−ｉで構成されており、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋが、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する入力信号の変調または復調、あるいは、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに対応する入力信号が搬送波の周波数ｆcよりも低い変調信号または搬送波の周波数ｆcよりも高い復調信号の場合に当該ｋ番目の入力信号の周波数変換を行う）、
５）Ｎ個の増幅器９１０−ｉと、
６）第３分配器９３０と
を含んでいる。
なお、第２参考形態のフェーズドアレーアンテナ１２と図１３に示す従来のフェーズドアレーアンテナ９９との対比を容易にするため、第２参考形態のフェーズドアレーアンテナ１２とフェーズドアレーアンテナ９９との間で同じ構成要素には同じ参照符号を附している。
また、この構成では、記載上、１個の分配器を含む構成でありながら敢えて「第３分配器」との呼称を用いている理由は、フェーズドアレーアンテナ９９との対比をし易くするためである。
また、図１２では、フィルタ（例えばリーク成分や高調波成分を除去するフィルタ）、増幅器（例えば緩衝増幅器や中間増幅器）、振幅調整のための減衰器など、実際には使用されるが第１参考形態の説明と理解において非本質的な回路構成要素を省略している。
第２参考形態のフェーズドアレーアンテナ１２が送信機として機能する場合：
第３分配器９３０は入力されたベースバンド信号をＮ等分配する。第３分配器９３０のＮ個の出力が、Ｎ個の信号変換器９２０−ｉに入力される上記「Ｎ個の入力信号」に相当する。つまり、第３分配器９３０のｋ番目の出力は、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋに入力される。また、ｋ番目の増幅器９１０−ｋは、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋの出力を増幅する。ｋ番目の増幅器９１０−ｋの出力は、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋに供給される。
第２参考形態のフェーズドアレーアンテナ１２が受信機として機能する場合：
ｋ番目の増幅器９１０−ｋは、ｋ番目のアンテナ素子９００−ｋからの信号を増幅する。ｋ番目の増幅器９１０−ｋの出力は、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋの上記「Ｎ個の入力信号」のｋ番目の入力信号に相当する。第３分配器９３０はＮ個の信号変換器９２０−ｉの出力を合成してベースバンド信号を出力する。なお、第３分配器９３０は、通常、合成器としての機能を持つ（第３分配器を第３合成器と呼称しても差し支えない）。

Claims (7)

  1. Ｎ個（ただし、Ｎは２以上の予め定められた整数とする）のアンテナ素子と、
    上記Ｎ個のアンテナ素子のそれぞれに対応する位相を持つＮ個の搬送波を用いて、上記Ｎ個のアンテナ素子に対応するＮ個の入力信号の変調または復調、あるいは、上記Ｎ個のアンテナ素子に対応するＮ個の入力信号が当該搬送波の周波数よりも低い変調信号または当該搬送波の周波数よりも高い復調信号の場合に当該Ｎ個の入力信号の周波数変換を行う信号変換部と
    を含むフェーズドアレーアンテナにおいて、
    上記搬送波の周波数よりも低い周波数を持つ第１ローカル信号を生成する第１発振器と、
    上記第１ローカル信号の周波数よりも高い周波数を持つ第２ローカル信号を生成する信号生成部と、
    上記第１ローカル信号がＮ等分配され、それぞれが上記Ｎ個のアンテナ素子のうち対応するアンテナ素子に対応する位相を持つようにそれぞれの位相を制御する位相制御部と、
    上記位相制御部からのＮ個の出力のそれぞれと、上記第２ローカル信号と、の周波数混合を行い、上記Ｎ個の搬送波を生成する搬送波生成部と
    を含むことを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
  2. 請求項１に記載のフェーズドアレーアンテナにおいて、
    上記位相制御部は、上記第１ローカル信号をＮ等分配する第１分配器と、当該第１分配器からのＮ個の出力のそれぞれの位相を制御するＮ個の移相器と、で構成されており、
    上記信号生成部は、上記第２ローカル信号を生成する第２発振器と、上記第２ローカル信号をＮ等分配する第２分配器と、で構成されている
    ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
  3. 請求項１に記載のフェーズドアレーアンテナにおいて、
    上記位相制御部は、バトラーマトリックスと、上記第１ローカル信号が入力される当該バトラーマトリックスのＮ個の入力端子のいずれかを選択する１極Ｎ投スイッチと、で構成されており、
    上記信号生成部は、上記第２ローカル信号を生成する第２発振器と、上記第２ローカル信号をＮ等分配する分配器と、で構成されている
    ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
  4. 請求項１に記載のフェーズドアレーアンテナにおいて、
    上記位相制御部は、上記第１ローカル信号をＮ＋１等分配する第１分配器と、当該第１分配器からのＮ＋１個の出力のうちＮ個の出力のそれぞれの位相を制御するＮ個の移相器と、で構成されており、
    上記信号生成部は、上記第１分配器からのＮ＋１個の出力のうち１個の出力の周波数を逓倍して上記第２ローカル信号を得る逓倍器と、上記第２ローカル信号をＮ等分配する第２分配器と、で構成されている
    ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
  5. 請求項１に記載のフェーズドアレーアンテナにおいて、
    上記第１ローカル信号を２等分配する第１分配器を含み、
    上記位相制御部は、バトラーマトリックスと、上記第１ローカル信号が入力される当該バトラーマトリックスのＮ個の入力端子のいずれかを選択する１極Ｎ投スイッチと、で構成されており、
    上記信号生成部は、上記第１分配器からの出力のうち１個の出力の周波数を逓倍して上記第２ローカル信号を得る逓倍器と、上記第２ローカル信号をＮ等分配する第２分配器と、で構成されている
    ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
  6. 請求項１に記載のフェーズドアレーアンテナにおいて、
    上記位相制御部は、上記制御を行う固定移相器を含んで構成されており、
    上記信号生成部は、
    Ｍを２Ｎまたは３Ｎとし、Ｄ＝Ｍ/Ｎとして、上記第２ローカル信号を生成する第２発振器と、上記第２ローカル信号をＭ等分配する第２分配器と、当該第２分配器からのＭ個の出力のうちＭ−Ｎ個の出力のそれぞれの位相を制御するＭ−Ｎ個の固定移相器と、Ｎ個の単極Ｄ投スイッチと、で構成されており、
    上記Ｎ個の単極Ｄ投スイッチのそれぞれは、上記Ｍ−Ｎ個の固定移相器のうち対応する固定移相器からの出力と、上記第２分配器からの残りのＮ個の出力のうち１個の出力と、のうちいずれかを選択する
    ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
  7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のフェーズドアレーアンテナにおいて、
    上記周波数混合で得られる上側側波帯の周波数が上記Ｎ個の搬送波の周波数と一致するように、または、上記周波数混合で得られる下側側波帯の周波数が上記Ｎ個の搬送波の周波数と一致するように、上記第２ローカル信号の周波数を設定する制御部を含み、
    上記制御部が設定する上記第２ローカル信号の周波数に応じて、上記フェーズドアレーアンテナのビーム方向が異なる
    ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
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