JPWO2017145968A1 - ハイブリッド回路、給電回路、アンテナ装置、及び給電方法 - Google Patents

Abstract

小型の給電回路を提供する。アンテナ素子へ給電するための給電回路として使用されるハイブリッド回路は、互いに等しい電気長と特性インピーダンスとを持つ４つの部分線路から成る環状線路と、この環状線路の第１の部分線路を介して隣接する第１および第２の分岐点からそれぞれ分岐した第１および第２の入力線路と、環状線路の第１の部分線路と対向する第２の部分線路を介して隣接する第３および第４の分岐点からそれぞれ分岐した第１および第２の出力線路と、第１および第２の分岐点からそれぞれ分岐した第３および第４の出力線路と、を備える。第１および第２の入力線路の各々の入力インピーダンスは、部分線路の特性インピーダンスの四分の１に等しく、第１乃至第４の出力線路の各々の出力インピーダンスは、部分線路の特性インピーダンスの半分に等しい。

Description

本発明は、給電回路に関し、特に、マイクロストリップアンテナ（以下、「ＭＳＡ」とも略称する）に用いられ、アンテナ素子へ給電するための給電回路およびそれに使用されるハイブリッド回路に関する。

通信衛星用アンテナや、科学衛星用アンテナ、合成開口レーダー用アンテナ、データ伝送用アンテナとして、マイクロストリップアレイアンテナが使用されている。マイクロストリップアレイアンテナは、適当な間隔で配列された複数のアンテナ素子と、それらを励振するための給電回路とから成る。各アンテナ素子は、マイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）素子から成る。各ＭＳＡ素子は、放射素子から成る。

アンテナ素子（放射素子）へ給電するための給電回路としてハイブリッド回路を使用したＭＳＡが、種々知られている。

例えば、特許文献１は、給電回路としてリング型ハイブリッド回路を用いた「円偏波マイクロストリップ型アンテナ装置」を開示している。特許文献１は、２点給電式のＭＳＡを開示している。ＭＳＡは、アース板を間に挟んだ第１および第２の誘電体基板の各々の表面に、放射器パターン（放射素子）とハイブリッド回路とを対峙一体化している。放射器パターンの２つの給電点とハイブリッド回路の２つの出力端とを同一位置に一致させて、第１および第２の誘電体基板とアース板とを貫通する２つのピンによって両者を接続している。ハイブリッド回路は、供給された高周波電流を最終的に２等分すると共に位相を９０°ずらせてその２対の出力端に出力する。これにより、放射素子から円偏波を放射している。したがって、各ＭＳＡは、１つの偏波のみを放射している。

この特許文献１に開示された円偏波マイクロストリップ型アンテナ装置では、リング型ハイブリッド回路の入力線路と出力線路との少なくとも一方を、リング状パターンの内側に配線している。

このように今までのＭＳＡでは、１つの偏波のみを使用すればよかった。しかしながら、近年チャンネル数が増加してきたため、周波数の有効活用から一度に２偏波同時に使用する「偏波共用アンテナ」の要求が増加してきた。

そこで、複数の偏波を放射（送受信）可能なＭＳＡから成る偏波共用アンテナも、種々提案されている。

たとえば、特許文献２は、給電回路としてハイブリッド回路を使用していないが、使用する偏波を垂直偏波、水平偏波、左旋円偏波、右旋円偏波の４種類に切換えることが可能な「マイクロストリップアンテナ」を開示している。この特許文献２に開示されたマイクロストリップアンテナは、それぞれ互いに直交する偏波を発生する第１の給電点および第２の給電点を有する放射系（放射素子）と、２つの給電点間における高周波出力信号の位相差を制御することにより合成される電波の偏波を切換える偏波切換給電系とを備える。放射系と偏波切換給電系とは、複数の層からなるプリント基板上に形成されている。偏波切換給電系は、等振幅かつ等位相に２分配された高周波出力信号が２つの給電点間において生じる位相差を０°、９０°、１８０°および２７０°とする制御を行う偏波切換手段を有する。このような構成のマイクロストリップアンテナでは、位相差が０°および１８０°のときに放射系より垂直偏波または水平偏波を発生し、９０°および２７０°のときに左旋円偏波または右旋円偏波を発生する。偏波切換手段は、具体的には、入力する高周波信号を等振幅かつ等位相に２分配する等電力分配器と、等電力分配器の第１の分配出力端と第１の給電点との間にある第１の可変移相器と、等電力分配器の第２の分配出力端と第２の給電点との間にある第２の可変移相器と、第１および第２の可変移相器における移相量の切換えを制御する移相器制御回路とを有する。

また、特許文献３は、交差偏波識別度（ＸＰＤ：Cross Polarization Discrimination）を向上させた「円偏波切換形アンテナ」を開示している。この特許文献３に開示された円偏波切換形アンテナは、２個の給電点を有しかつ互いに直交する２つの直線偏波を放射する放射素子と、放射素子の各給電点に接続した移相量が１８０°の第１、第２の移相器と、入力信号を位相差９０°で２分岐して第１、第２の移相器に接続され、他の一端が終端された９０°ハイブリッド回路と、第１、第２の移相器の移相量を０°または１８０°に切り換えて放射素子から右旋若しくは左旋円偏波を放射するように制御する制御手段とを具備する。

さらに、特許文献４は、円偏波を含む複数の周波数帯の送受信を一体化された小型の「多周波平面アンテナ」を開示している。特許文献４に開示された多周波平面アンテナは、誘電体基板からなるアンテナ素子と、それを搭載する配線基板とから成る。アンテナ素子は、誘電体基板の表面に形成された、正方形の第１の放射電極および環状の第２の放射電極と、誘電体基板の裏面に形成されたアース電極と、第１の放射電極と第２の放射電極のそれぞれ２つの給電点の位置に形成された４つの貫通孔とを備える。配線基板には、１／４波長ごとに太さが変化した１波長の環状導体パターンによる同心状の２つの９０°ハイブリッドを備える。それぞれの９０°ハイブリッドには２つのポートが形成されている。それぞれのポートの２つの先端とそれぞれの放射電極の２つの給電点とが貫通孔を介して接続されている。

本発明に係る「給電回路」とは直接的には関連しないが、特許文献５は、モノリシックマイクロ波集積回路として実現するに適した「高周波電力分配合成器」を開示している。特許文献５では、電力分配合成器を構成する上で、線路のインピーダンスを１／２とする直列分配と線路のインピーダンスを２倍とする並列分配を交互に繰り返して接続するようにして、λ／４線路を全く用いずに電力分配合成器を構成している。たとえば、特許文献５は、一実施の形態として、特性インピーダンスＺ_０の平行平板平衡線路と、特性インピーダンスＺ_０／２の第１および第２のマイクロストリップ線路と、平行平板平衡線路と第１および第２のマイクロストリップ線路との間に配置された、平行平板平衡線路の直列分配部および平行平板平衡線路−マイクロストップ線路変換部と、を含む電力分配合成器を開示している。

特許第２７０９３８３号公報 特開平９−２８４０３１号公報 特開２０００−２２３９４２号公報 特開２００３−１５２４３１号公報 特開平９−２４６８１７号公報

そのようなＭＳＡ素子を複数並べたマイクロストリップアレイアンテナを走査する場合でも、走査範囲をさらに広くすることが要求されてきた。そこで、ますますアンテナ素子（ＭＳＡ素子）の間隔を狭くする必要がでてきた。これにより、そのＭＳＡ素子に給電するための給電回路も小型化が必要となってきた。

しかしながら、上記特許文献１〜４には、それぞれ、次に述べるような課題がある。

上記特許文献１に開示された円偏波マイクロストリップ型アンテナ装置は、１つの偏波のみしか放射（送受信）できない。

上記特許文献２に開示されたマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）では、その給電回路が２点（直交する２方向に対し各１点）で給電を行っている。そのため、構成が複雑になるとともに、交差偏波識別度が上がらないという問題がある。

また、特許文献３にされた円偏波切換形アンテナでも、その給電回路が２点（直交する２方向に対し各１点）で給電を行っている。特許文献３では、交差偏波識別度を向上させるために、給電回路が、第１の移相器と、第２の移相器と、９０°ハイブリッド回路とから構成されている。その結果、給電回路の構成が複雑になるという問題がある。

特許文献４に開示された多周波平面アンテナは、その給電回路が４点（直交する２方向に対し各２点）で、給電を行っている。そのため、スペ−スが十分取れないので、十分な特性を得ることが難しいという問題がある。また、給電回路が、２つの９０°ハイブリッドから成るので、構成が複雑になるという問題もある。更に、ストリップ線路を無理やり曲げて各９０°ハイブリッドを形成している。このため、電圧定在波比（VSWR：Voltage Standing Wave Ratio）が悪かったり、ライン間が狭いため相互の結合度が上がらないという問題もある。

尚、特許文献５は、単に、モノリシックマイクロ波集積回路として実現するに適した高周波電力分配合成器を開示しているに過ぎない。

本発明の目的は、上述した課題を解決する、ハイブリッド回路、給電回路、アンテナ装置、および給電方法を提供することにある。

本発明のハイブリッド回路は、互いに等しい電気長と特性インピーダンスとを持つ４つの部分線路から成る環状線路と、該環状線路の第１の部分線路を介して隣接する第１および第２の分岐点からそれぞれ分岐した第１および第２の入力線路と、前記環状線路の前記第１の部分線路と対向する第２の部分線路を介して隣接する第３および第４の分岐点からそれぞれ分岐した第１および第２の出力線路と、前記第１および第２の分岐点からそれぞれ分岐した第３および第４の出力線路と、を備え、前記第１および第２の入力線路の各々の入力インピーダンスは、前記部分線路の特性インピーダンスの四分の１に等しく、前記第１乃至第４の出力線路の各々の出力インピーダンスは、前記部分線路の特性インピーダンスの半分に等しい。

本発明の給電回路は、アンテナ素子へ給電するために、上記ハイブリッド回路を用いた給電回路であって、前記環状線路と前記第１および第２の入力線路とは、誘電体基板の表面上に形成されており、前記第１乃至第４の出力線路は、前記誘電体基板と異なる別の誘電体基板にそれぞれ形成された第１乃至第４のスルーホールから成り、前記第１乃至第４のスルーホールの先端から、前記アンテナ素子へ４点で給電し、前記ハイブリッド回路の特性インピーダンスは、前記アンテナ素子のインピーダンスの半分に等しい。

本発明のアンテナ装置は、上記給電回路を用いたアンテナ装置であって、前記給電回路は、前記第１および第２の入力線路にそれぞれ接続された第１および第２の入力ポートを持ち、前記アンテナ素子は、前記第１乃至第４のスルーホールの先端にそれぞれ接続された第１乃至第４の給電点を持つ下部パッチと、該下部パッチと電磁的に接続された上部パッチと、から成る。

本発明の給電方法は、上記アンテナ装置へ給電する方法であって、前記第１の入力ポートへ第１の入力信号を供給して、前記給電回路を介して、前記第３および第２の給電点へそれぞれ第１および第２の出力信号を給電し、前記第２の入力ポートへ第２の入力信号を供給して、前記給電回路を介して、前記第４および第１の給電点へそれぞれ第３および第３の出力信号を給電する。

本発明によれば、小型の給電回路を提供することができる。

関連の給電回路として使用されている９０°ハイブリッド回路を示す回路図で、（Ａ）は第１の入力ポートＰ１から入力信号を入力した場合を示し、（Ｂ）は第２の入力ポートＰ２から入力信号を入力した場合を示す。 本発明の一実施の形態に係る給電回路として使用されるハイブリッド回路を示す回路図で、（Ａ）は第１の入力ポートＰ１から第１の入力信号を入力した場合を示し、（Ｂ）は第２の入力ポートＰ２から第２の入力信号を入力した場合を示す。 図２に示したハイブリッド回路を給電回路として用いた、４点給電方式マイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）を示す透視斜視図である。 図３をＺ−Ｘ平面で切断した断面図である。 図３をＺ−Ｙ平面で切断した断面図である。

［関連技術］
本発明の理解を容易にするために、特許文献１等に使用されている、関連の給電回路について説明する。

図１は、関連の給電回路として使用されている９０°ハイブリッド回路１０を示す回路図である。図示の９０°ハイブリッド回路１０は、ブランチ・ライン・カプラとも呼ばれる。

９０°ハイブリッド回路１０は、特性インピーダンスＺ_０の第１および第２の部分線路１１、１２と、特性インピーダンスＺ_０／√２の第３および第４の部分線路１３、１４との組み合わせから成る。すべての部分線路１１〜１４の電気長Ｌはλ／４に等しい。この９０°ハイブリッド回路１０の四つのポートＰ１〜Ｐ４の入出力インピーダンスはＺ_０である。四つのポートＰ１〜Ｐ４は、それぞれ、第１乃至第４のポートとも呼ばれる。

ここでは、第１のポートＰ１は第１の入力ポートとも呼ばれ、第２のポートＰ２は第２の入力ポートとも呼ばれ、第３のポートＰ３は第１の出力ポートとも呼ばれ、第４のポートＰ４は第２の出力ポートとも呼ばれる。

詳述すると、第１乃至第４の部分線路１１〜１４によって環状線路が構成されている。第１の部分線路１１と第２の部分線路１２とは、互いに対向しており、短絡アームとも呼ばれる。第３の部分線路１３と第４の部分線路１４とは、互いに対向しており、直列アームとも呼ばれる。

第１の部分線路１１の一端は、第１の分岐点２１で、第３の部分線路１３の一端と接続されている。第１の部分線路１１の他端は、第２の分岐点２２で、第４の部分線路１４の一端と接続されている。したがって、第１の部分線路１１は、第１の分岐点２１と第２の分岐点２２との間に配置されている。第２の部分線路１２の一端は、第３の分岐点２３で、第３の部分線路１３の他端と接続されている。第２の部分線路１２の他端は、第４の分岐点２４で、第４の部分線路１４の他端と接続されている。したがって、第２の部分線路１２は、第３の分岐点２３と第３の分岐点２４との間に配置されている。

９０°ハイブリッド回路１０は、環状線路（１１〜１４）から第１乃至第４の分岐点２１〜２４で、それぞれ、外方へ分岐した第１乃至第４の分岐線路３１〜３４を有する。

第１のポート（第１の入力ポート）Ｐ１は、第１の分岐線路３１を介して、第１の分岐点２１に接続されている。第２のポート（第２の入力ポート）Ｐ２は、第２の分岐線路３２を介して、第２の分岐点２２に接続されている。第１の分岐線路３１は第１の入力線路とも呼ばれ、第２の分岐線路３２は第２の入力線路とも呼ばれる。第３のポート（第１の出力ポート）Ｐ３は、第３の分岐線路３３を介して第３の分岐点２３に接続されている。第４のポート（第２の出力ポート）Ｐ４は、第４の分岐線路３４を介して第４の分岐点３４に接続されている。第３の分岐線路３３は第１の出力線路とも呼ばれ、第４の分岐線路３４は第２の出力線路とも呼ばれる。

図１において、（Ａ）は第１の入力ポートＰ１から入力信号を入力した場合を示し、（Ｂ）は第２の入力ポートＰ２から入力信号を入力した場合を示す。

最初に、図１（Ａ）を参照して、第１の入力ポートＰ１から入力信号が入力された場合の動作について説明する。

第１の入力ポートＰ１から供給された入力信号は、第１の出力ポートＰ３および第２の出力ポートＰ４に分岐され、それぞれ、第１の出力信号および第２の出力信号として出力される。第１および第２の出力信号の出力電力は、入力信号の入力電力の半分である。また、第１および第２の出力信号の位相は、入力信号に対して、第１の出力ポートＰ３で９０°遅れ、第２の出力ポートＰ４で１８０°遅れる。第２の入力ポートＰ２には信号は出力されず、周辺回路とアイソレーションが保たれる。すなわち、第２の入力ポートＰ２は、周辺回路と切り離される。

次に、図１（Ｂ）を参照して、第２の入力ポートＰ２から入力信号が入力された場合の動作について説明する。

第２の入力ポートＰ２から供給された入力信号は、第１の出力ポートＰ３および第２の出力ポートＰ４に分岐され、それぞれ、第１の出力信号および第２の出力信号として出力される。第１および第２の出力信号の出力電力は、入力信号の入力電力の半分である。第１の出力ポートＰ３には、入力信号に対して位相が１８０°遅れて第１の出力信号が出力される。第２の出力ポートＰ４には、入力信号に対して位相が９０°遅れて第２の出力信号が出力される。第１の入力ポートＰ１には信号は出力されず、周辺回路とアイソレーションが保たれる。すなわち、第１の入力ポートＰ１は、周辺回路と切り離される。

このように、９０°ハイブリッド回路１０は、入力信号を二つの出力ポートＰ３、Ｐ４に分岐する。そして、二つの出力信号は位相が９０°ずれている。

したがって、９０°ハイブリッド回路１０の二つの出力ポートＰ３、Ｐ４を図示しないアンテナ素子（放射素子）の２つの給電点に（例えば、スルーホールを介して）接続することにより、アンテナ素子（放射素子）から円偏波を放射させることが可能となる。

したがって、このような９０°ハイブリッド回路１０を給電回路として使用したマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）は、２点給電方式ＭＳＡとなることが分かる。しかしながら、そのようなＭＳＡは、１つの偏波（本例では、円偏波）のみしか放射（送受信）できない。

［実施の形態］
次に、発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施の形態に係る給電回路として使用されるハイブリッド回路１０Ａを示す回路図である。

図示のハイブリッド回路１０Ａは、後述するように、環状線路の構成が相違し、且つ、２つの出力線路と２つの出力ポートとを更に備えている点を除いて、図１に図示した関連の９０°ハイブリッド回路１０と同様の構成を有し、動作をする。したがって、以下では、図１に示したものと同様の機能を有するものには同一の参照符号を付して、相違点について詳細に説明する。

図示のハイブリッド回路１０Ａは、環状回路として、第１の部分線路１１、第２の部分線路１２、第３の部分線路１３Ａ、および第４の部分線路１４Ａを備える。

第３の部分線路１３Ａは、第３の部分線路１３と異なり、特性インピーダンスＺ_０を持つ。第４の部分線路１４Ａも、第４の部分線路１４と異なり、特性インピーダンスＺ_０を持つ。

したがって、環状線路を構成する第１乃至第４の部分線路１１、１２、１３Ａ、および１４Ａは、全て、同じ電気長Ｌ＝λ／４を持ち、同じ特性インピーダンスＺ_０を持つ。

第１および第２のポート（第１および第２の入力ポート）Ｐ１およびＰ２の入力インピーダンスは、Ｚ_０／４に等しい。第１のポート（第１の入力ポート）Ｐ１は、第１の分岐線路（第１の入力線路）３１Ａを介して第１の分岐点２１に接続されている。第２のポート（第２の入力ポート）Ｐ２は、第２の分岐線路（第２の入力線路）３２Ａを介して第２の分岐点２２に接続されている。

第３および第４のポート（第１および第２の出力ポート）Ｐ３およびＰ４の出力インピーダンスは、Ｚ_０／２に等しい。第３のポート（第１の出力ポート）Ｐ３は、第３の分岐線路（第１の出力線路）３３Ａを介して第３の分岐点２３に接続されている。第４のポート（第２の出力ポート）Ｐ４は、第４の分岐線路（第２の出力線路）３４Ａを介して第４の分岐点２４に接続されている。

図示のハイブリッド回路１０Ａは、第５および第６のポートＰ５、Ｐ６を更に有する。第５のポートＰ５は第３の出力ポートとも呼ばれ、第６のポートＰ６は第４の出力ポートとも呼ばれる。第５および第６のポート（第３および第４の出力ポート）Ｐ５およびＰ６の出力インピーダンスは、Ｚ_０／２に等しい。第５のポート（第３の出力ポート）Ｐ５は、第５の分岐線路３５を介して第１の分岐点２１に接続されている。第６のポート（第４の出力ポート）Ｐ６は、第６の分岐線路３６を介して第２の分岐点２２に接続されている。第５の分岐線路３５は第３の出力線路とも呼ばれ、第６の分岐線路３６は第４の出力線路とも呼ばれる。

図２において、（Ａ）は第１の入力ポートＰ１から第１の入力信号を入力した場合を示し、（Ｂ）は第２の入力ポートＰ２から第２の入力信号を入力した場合を示す。

最初に、図２（Ａ）を参照して、第１の入力ポートＰ１から第１の入力信号が入力された場合の動作について説明する。

第１の入力ポートＰ１から供給された第１の入力信号は、第１の分岐線路（第１の入力線路）３１Ａを介して第１の分岐点２１に供給される。第１の分岐点２１での第１の入力信号の一部分は、第５の分岐線路（第３の出力線路）３５を介して第３の出力ポートＰ５から第１の出力信号として出力される。第１の分岐点２１での第１の入力信号の残りの部分は、第２の分岐点２２並びに第３の分岐点２３では、右回りの信号と左回りの信号とが互いに逆相となるためそのまま通過し、第４の分岐点２４で第４の分岐線路（第２の出力線路）３４Ａを介して第２の出力ポートＰ４から第２の出力信号として出力される。第１の出力信号と第２の出力信号とは、位相が１８０°ずれている。第２の入力ポートＰ２、第４の出力ポートＰ６、および第１の出力ポートＰ３には信号は出力されず、周辺回路とアイソレーションが保たれる。すなわち、第２の入力ポートＰ２、第４の出力ポートＰ６、および第１の出力ポートＰ３は、周辺回路と切り離される。

次に、図２（Ｂ）を参照して、第２の入力ポートＰ２から第２の入力信号が入力された場合の動作について説明する。

第２の入力ポートＰ２から供給された第２の入力信号は、第２の分岐線路（第２の入力線路）３２Ａを介して第２の分岐点２２に供給される。第２の分岐点２２での第２の入力信号の一部分は、第６の分岐線路（第４の出力線路）３６を介して第４の出力ポートＰ６から第３の出力信号として出力される。第２の分岐点２２での第２の入力信号の残りの部分は、第１の分岐点２１並びに第４の分岐点２４では、右回りの信号と左回りの信号とが互いに逆相となるためそのまま通過し、第３の分岐点２３で第３の分岐線路（第１の出力線路）３３Ａを介して第１の出力ポートＰ３から第４の出力信号として出力される。第３の出力信号と第４の出力信号とは、位相が１８０°ずれている。第１の入力ポートＰ１、第３の出力ポートＰ５、および第２の出力ポートＰ４には信号は出力されず、周辺回路とアイソレーションが保たれる。すなわち、第１の入力ポートＰ１、第３の出力ポートＰ５、および第２の出力ポートＰ４は、周辺回路と切り離される。

このように、ハイブリッド回路１０Ａは、入力信号を四つの出力ポートＰ３〜Ｐ６に分岐する。したがって、ハイブリッド回路１０Ａの四つの出力ポートＰ３〜Ｐ６を図示しないアンテナ素子（放射素子）の４つの給電点に（例えば、スルーホールを介して）接続することにより、アンテナ素子（放射素子）から、一度に互いに直交する２つの直線偏波を放射させることが可能となる。

したがって、このようなハイブリッド回路１０Ａを給電回路として使用したマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）は、４点給電方式ＭＳＡとなることが分かる。そのようなＭＳＡは、２つの偏波（本例では、直線偏波）を放射（送受信）することができる。

次に、図１に示した関連の給電回路１０と、図２に示した本実施形態に係る給電回路１０Ａとの間の主な相違点について説明する。

図１に示した関連の給電回路１０では、出力信号は、入力信号が供給される分岐点（２１、２２）から離れた分岐点（２３、２４）に接続された出力ポート（Ｐ３、Ｐ４）のみから出力される。

これに対して、図２に示した本実施形態に係る給電回路１０Ａでは、出力信号は、入力信号が供給される分岐点（２１、２２）に接続された出力ポート（Ｐ５、Ｐ６）と、それから離れた分岐点（２３、２４）に接続された出力ポート（Ｐ３、Ｐ４）と、の両方から出力される。

次に、図３乃至図５を参照して、図２に示したハイブリッド回路１０Ａを給電回路として用いた４点給電方式マイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）１００について説明する。

図３は４点給電方式ＭＳＡ１００を示す透視斜視図である。図４は図３をＺ−Ｘ平面で切断した断面図である。図５は図３をＺ−Ｙ平面で切断した断面図である。

ここでは、図３乃至図５に示されるように、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を使用している。図３乃至図５に示された状態では、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、Ｘ軸方向は前後方向（奥行方向）であり、Ｙ軸方向は左右方向であり、Ｚ軸方向は上下方向（高さ方向）である。そして、本例では、後述する上部接地導体７１の中心を直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点Ｏとしている。

図示の４点給電方式ＭＳＡ１００は、実質的に直方体の形状をしている。４点給電方式ＭＳＡ１００は、第１乃至第４の誘電体基板５１、５２、５３、および５４を備える。これら第１乃至第４の誘電体基板５１〜５４は、図３に示されるように、この順番で、上側から下側へ積層されている。

第１の誘電体基板５１の上面には、矩形形状の上部パッチ６１が形成されている。第１の誘電体基板５１の下面には、実質的に矩形形状の下部パッチ６２が形成されている。すなわち、第１の誘電体基板５１は、上部パッチ６１と下部パッチ６２との間に挟まれている。上部パッチ６１と下部パッチ６２とは電磁的に結合されている。したがって、上部パッチ６１と下部パッチ６２との組み合わせによって、ＭＳＡ素子（アンテナ素子）６０が構成されている。

下部パッチ６２は、第１の誘電体基板５１の下面と第２の誘電体基板５２の上面との間に挟まれている。

４点給電方式ＭＳＡ１００は、矩形形状の上部接地導体７１と、矩形形状の下部接地導体７２とを有する。上部接地導体７１は、第２の誘電体基板５２の下面と第３の誘電体基板５３の上面との間に挟まれている。下部接地導体７２は、第４の誘電体基板５４の下面に形成されている。

本発明の実施形態に係る給電回路（ハイブリッド回路）１０Ａは、実質的に、第３の誘電体基板５３の下面と第４の誘電体基板５４の上面との間に挟まれて形成されている。

図示の例では、第１のポート（第１の入力ポート）Ｐ１は、第３の誘電体基板５３と第４の誘電体基板５４との間の前端に形成されている。第２のポート（第２の入力ポート）Ｐ２は、第３の誘電体基板５３と第４の誘電体基板５４との間の右端に形成されている。第１の分岐線路（第１の入力線路）３１Ａは、第１のポート（第１の入力ポート）Ｐ１から前後方向Ｘに延在している。第２の分岐線路（第２の入力線路）３２Ａは、第２のポート（第２の入力ポート）Ｐ２から左右方向Ｙに延在している。

給電回路（ハイブリッド回路）１０Ａにおける環状線路（１１、１２、１３Ａ、１４Ａ）は、原点Ｏを通る上下方向Ｚの回りで、第４の誘電体基板５４の上面に環状に形成されている。図示の環状線路（１１、１２、１３Ａ、１４Ａ）は、菱形の形状をしている。

第１の分岐点２１は、原点Ｏを通る上下方向Ｚよりも前後方向Ｘの前方に形成されている。第２の分岐点２２は、原点Ｏを通る上下方向Ｚよりも左右方向Ｙの右方に形成されている。第３の分岐点２３は、原点Ｏを通る上下方向Ｚよりも左右方向Ｙの左方に形成されている。第４の分岐点２４は、原点Ｏを通る上下方向Ｚよりも前後方向Ｘの後方に形成されている。

図５に示されるように、第３の分岐線路（第１の出力線路）３３Ａは、第３の分岐点２３から上下方向Ｚの上方へ延在して、第３の誘電体基板５３と第２の誘電体基板５２とを貫通して形成された、第１のスルーホールから成る。この第１のスルーホール３３Ａの上端が第３のポート（第１の出力ポート）Ｐ３を形成している。この第３のポート（第１の出力ポート）Ｐ３は、下部パッチ６２の第１の給電点６２１と接続されている。

図４に示されるように、第４の分岐線路（第２の出力線路）３４Ａは、第４の分岐点２４から上下方向Ｚの上方へ延在して、第３の誘電体基板５３と第２の誘電体基板５２とを貫通して形成された、第２のスルーホールから成る。この第２のスルーホール３４Ａの上端が第４のポート（第２の出力ポート）Ｐ４を形成している。この第４のポート（第２の出力ポート）Ｐ４は、下部パッチ６２の第２の給電点６２２と接続されている。

図４に示されるように、第５の分岐線路（第３の出力線路）３５は、第１の分岐点２１から上下方向Ｚの上方へ延在して、第３の誘電体基板５３と第２の誘電体基板５２とを貫通して形成された、第３のスルーホールから成る。この第３のスルーホール３５の上端が第５のポート（第３の出力ポート）Ｐ５を形成している。この第５のポート（第３の出力ポート）Ｐ５は、下部パッチ６２の第３の給電点６２３に接続されている。

図５に示されるように、第６の分岐線路（第４の出力線路）３６は、第２の分岐点２２から上下方向Ｚの上方へ延在して、第３の誘電体基板５３と第２の誘電体基板５２とを貫通して形成された、第４のスルーホールから成る。この第４のスルーホール３６の上端が第６のポート（第４の出力ポート）Ｐ６を形成している。この第６のポート（第４の出力ポート）Ｐ６は、下部パッチ６２の第４の給電点６２４と接続されている。

上述したように、本例では、第１乃至第４の出力線路３３Ａ、３４Ａ、３５、および３６は、それぞれ、第３の誘電体基板５３と第２の誘電体基板５２とを貫通して形成された、第１乃至第４のスルーホールから成る。

上部接地導体７１は、それぞれ第１乃至第４のスルーホール３３Ａ、３４Ａ、３５、および３６とほぼ同心で、かつ第１乃至第４のスルーホール３３Ａ、３４Ａ、３５、および３６の直径よりも大きい直径の第１乃至第４の開口部７１１、７１２、７１３、および７１４を持つ。

下部パッチ６２は、第１乃至第４の給電点６２１〜６２４の周囲にそれぞれ設けられた、第１乃至第４のスリット６２６、６２７、６２８、および６２９を持つ。図示の例では、第１乃至第４のスリット６２６〜６２９は、それぞれ、第１乃至第４の給電点６２１〜６２４よりも原点Ｏを通過する上下方向Ｚに向かって内側に形成された、半環の形状をしている。

給電回路（ハイブリット回路）１０Ａの特性インピーダンスは、ＭＳＡ素子６０のインピーダンスの半分となっている。

次に、図３乃至図５に示した４点給電方式ＭＳＡ１００の動作（給電方法）について説明する。

最初に、第１の入力ポートＰ１から第１の入力信号を供給した場合の動作について説明する。

この場合、第１の入力ポートＰ１に供給された第１の入力信号は、第１の入力線路３１Ａを通って、第１の分岐点２１に達する。この第１の分岐点２１で、第１の入力信号の一部は、第３のスルーホール３５を通って第３の出力ポートＰ５から下部パッチ６２の第３の給電点６２３に、第１の出力信号として給電される。

一方、第１の分岐点２１に達した第１の入力信号の残りは、前述した理由により、給電回路１０Ａの第３の分岐点２３と第２の分岐点２２とをそのまま通過し、第４の分岐点２４で、第２のスルーホール３４Ａを通って第２の出力ポートＰ４から下部パッチ６２の第２の給電点６２２に、第２の出力信号として給電される。

第１の出力信号と第２の出力信号とは、位相が１８０°ずれている。

この状態では、前述したように、第２の入力ポートＰ２、第４の出力ポートＰ６、および第１の出力ポートＰ３は、アイソレーションポートとなっている。

次に、第２の入力ポートＰ２から第２の入力信号を供給した場合の動作について説明する。

この場合、第２の入力ポートＰ２に供給された第２の入力信号は、第２の入力線路３２Ａを通って、第２の分岐点２２に達する。この第２の分岐点２２で、第２の入力信号の一部は、第４のスルーホール３６を通って第４の出力ポートＰ６から下部パッチ６２の第４の給電点６２４に、第３の出力信号として給電される。

一方、第２の分岐点２２に達した第２の入力信号の残りは、前述した理由により、給電回路１０Ａの第１の分岐点２１と第４の分岐点２４とをそのまま通過し、第３の分岐点２３で、第１のスルーホール３３Ａを通って第１の出力ポートＰ３から下部パッチ６２の第１の給電点６２１に、第４の出力信号として供給される。

第３の出力信号と第４の出力信号とは、位相が１８０°ずれている。

この状態では、前述したように、第１の入力ポートＰ１、第３の出力ポートＰ５、および第２の出力ポートＰ４は、アイソレーションポートとなっている。

このように、本実施例によれば、下部パッチ６２の第３の給電点６２３と第２の給電点６２２との間と、下部パッチ６２の第４の給電点６２４と第１の給電点６２１との間に、独立した直交する電界を得ることが出来る。

図３乃至図５に示した給電回路１０Ａを用いた４点給電方式マイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）１００の効果について説明する。

ＭＳＡ１００の給電回路としてハイブリッド回路１０Ａを採用しているので、アイソレ−ションが向上するとともに４点（直交する２方向に対し各２点）に対し給電しても、十分なスペ−スが取れるようになる。このため、ＭＳＡ１００として十分な特性を得ることが出来るようになる。

また、上部パッチ６１と下部パッチ６２とを電磁的に接続しているので、広帯域化に寄与することが可能となる。

さらに、給電回路１０Ａは、ＭＳＡ素子（アンテナ素子）６０の裏面に直結して配置されるので、小型の４点給電方式ＭＳＡ１００を提供することができる。

以上、実施の形態（実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施の形態（実施例）に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

例えば、上記実施の形態（実施例）では、環状線路は菱形をしているが、それに限定されず、円形（円環形状）であっても良く、４つの部分線路が互いに等しい電気長と特性インピーダンスとを持ちさえすれば、どのような形状であっても構わない。

本発明による給電回路（ハイブリッド回路）は、通信衛星用アンテナや、科学衛星用アンテナ、合成開口レーダー用アンテナ、データ伝送用アンテナ等のマイクロストリップアレイアンテナ用の給電回路として利用可能である。

この出願は、２０１６年２月２４日に出願された日本出願特願２０１６−０３２７４３号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０Ａ ハイブリッド回路（給電回路）
１１ 第１の部分線路
１２ 第２の部分線路
１３Ａ 第３の部分線路
１４Ａ 第４の部分線路
２１ 第１の分岐点
２２ 第２の分岐点
２３ 第３の分岐点
２４ 第４の分岐点
３１Ａ 第１の分岐線路（第１の入力線路）
３２Ａ 第２の分岐線路（第２の入力線路）
３３Ａ 第３の分岐線路（第１の出力線路；第１のスルーホール）
３４Ａ 第４の分岐線路（第２の出力線路；第２のスルーホール）
３５ 第５の分岐線路（第３の出力線路；第３のスルーホール）
３６ 第６の分岐線路（第４の出力線路；第４のスルーホール）
５１ 第１の誘電体基板
５２ 第２の誘電体基板
５３ 第３の誘電体基板
５４ 第４の誘電体基板
６０ ＭＳＡ素子（アンテナ素子）
６１ 上部パッチ
６２ 下部パッチ
６２１ 第１の給電点
６２２ 第２の給電点
６２３ 第３の給電点
６２４ 第４の給電点
６２６ 第１のスリット
６２７ 第２のスリット
６２８ 第３のスリット
６２９ 第４のスリット
７１ 上部接地導体
７１１ 第１の開口部
７１２ 第２の開口部
７１３ 第３の開口部
７１４ 第４の開口部
７２ 下部接地導体
１００ ４点給電方式マイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）
Ｐ１ 第１のポート（第１の入力ポート）
Ｐ２ 第２のポート（第２の入力ポート）
Ｐ３ 第３のポート（第１の出力ポート）
Ｐ４ 第４のポート（第２の出力ポート）
Ｐ５ 第５のポート（第３の出力ポート）
Ｐ６ 第６のポート（第４の出力ポート）
Ｏ 原点

本発明に係る「給電回路」とは直接的には関連しないが、特許文献５は、モノリシックマイクロ波集積回路として実現するに適した「高周波電力分配合成器」を開示している。特許文献５では、電力分配合成器を構成する上で、線路のインピーダンスを１／２とする直列分配と線路のインピーダンスを２倍とする並列分配を交互に繰り返して接続するようにして、λ／４線路を全く用いずに電力分配合成器を構成している。たとえば、特許文献５は、一実施の形態として、特性インピーダンスＺ０の平行平板平衡線路と、特性インピーダンスＺ０／２の第１および第２のマイクロストリップ線路と、平行平板平衡線路と第１および第２のマイクロストリップ線路との間に配置された、平行平板平衡線路の直列分配部および平行平板平衡線路−マイクロストリップ線路変換部と、を含む電力分配合成器を開示している。

本発明の給電方法は、上記アンテナ装置へ給電する方法であって、前記第１の入力ポートへ第１の入力信号を供給して、前記給電回路を介して、前記第３および第２の給電点へそれぞれ第１および第２の出力信号を給電し、前記第２の入力ポートへ第２の入力信号を供給して、前記給電回路を介して、前記第４および第１の給電点へそれぞれ第３および第４の出力信号を給電する。

第１の部分線路１１の一端は、第１の分岐点２１で、第３の部分線路１３の一端と接続されている。第１の部分線路１１の他端は、第２の分岐点２２で、第４の部分線路１４の一端と接続されている。したがって、第１の部分線路１１は、第１の分岐点２１と第２の分岐点２２との間に配置されている。第２の部分線路１２の一端は、第３の分岐点２３で、第３の部分線路１３の他端と接続されている。第２の部分線路１２の他端は、第４の分岐点２４で、第４の部分線路１４の他端と接続されている。したがって、第２の部分線路１２は、第３の分岐点２３と第４の分岐点２４との間に配置されている。

第１のポート（第１の入力ポート）Ｐ１は、第１の分岐線路３１を介して、第１の分岐点２１に接続されている。第２のポート（第２の入力ポート）Ｐ２は、第２の分岐線路３２を介して、第２の分岐点２２に接続されている。第１の分岐線路３１は第１の入力線路とも呼ばれ、第２の分岐線路３２は第２の入力線路とも呼ばれる。第３のポート（第１の出力ポート）Ｐ３は、第３の分岐線路３３を介して第３の分岐点２３に接続されている。第４のポート（第２の出力ポート）Ｐ４は、第４の分岐線路２４を介して第４の分岐点３４に接続されている。第３の分岐線路３３は第１の出力線路とも呼ばれ、第４の分岐線路３４は第２の出力線路とも呼ばれる。

Claims (6)

1. 互いに等しい電気長と特性インピーダンスとを持つ４つの部分線路から成る環状線路と、
   該環状線路の第１の部分線路を介して隣接する第１および第２の分岐点からそれぞれ分岐した第１および第２の入力線路と、
   前記環状線路の前記第１の部分線路と対向する第２の部分線路を介して隣接する第３および第４の分岐点からそれぞれ分岐した第１および第２の出力線路と、
   前記第１および第２の分岐点からそれぞれ分岐した第３および第４の出力線路と、
   を備え、
   前記第１および第２の入力線路の各々の入力インピーダンスは、前記部分線路の特性インピーダンスの四分の１に等しく、
   前記第１乃至第４の出力線路の各々の出力インピーダンスは、前記部分線路の特性インピーダンスの半分に等しい、
   ハイブリッド回路。
2. アンテナ素子へ給電するために、請求項１に記載のハイブリッド回路を用いた給電回路であって、
   前記環状線路と前記第１および第２の入力線路とは、誘電体基板の表面上に形成されており、
   前記第１乃至第４の出力線路は、前記誘電体基板と異なる別の誘電体基板にそれぞれ形成された第１乃至第４のスルーホールから成り、
   前記第１乃至第４のスルーホールの先端から、前記アンテナ素子へ４点で給電し、
   前記ハイブリッド回路の特性インピーダンスは、前記アンテナ素子のインピーダンスの半分に等しい、給電回路。
3. 前記第１の入力線路と前記第２の入力線路とは、互いに直交する方向へ延在している、請求項２に記載の給電回路。
4. 請求項２又は３に記載の給電回路を用いたアンテナ装置であって、
   前記給電回路は、前記第１および第２の入力線路にそれぞれ接続された第１および第２の入力ポートを持ち、
   前記アンテナ素子は、
   前記第１乃至第４のスルーホールの先端にそれぞれ接続された第１乃至第４の給電点を持つ下部パッチと、
   該下部パッチと電磁的に接続された上部パッチと、
   から成る、アンテナ装置。
5. 前記下部パッチと前記上部パッチとは、更に別の誘電体基板を介して対向している、請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 請求項４又は５に記載のアンテナ装置へ給電する方法であって、
   前記第１の入力ポートへ第１の入力信号を供給して、前記給電回路を介して、前記第３および第２の給電点へそれぞれ第１および第２の出力信号を給電し、
   前記第２の入力ポートへ第２の入力信号を供給して、前記給電回路を介して、前記第４および第１の給電点へそれぞれ第３および第３の出力信号を給電する、
   給電方法。

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