JPWO2020144750A1 - アレーアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

複数の素子アンテナ（２）のそれぞれが、第１の放射構造（３ａ）、第２の放射構造（３ｂ）、および第１の放射構造（３ａ）と第２の放射構造（３ｂ）とを切り替えるスイッチ（５）を有し、スイッチ（５）が切り替えた放射構造によって受信された受信信号を出力する。

Description

本発明は、アレーアンテナ装置に関する。

デジタルビームフォーマ構成のアレーアンテナ（以下、ＤＢＦアレーアンテナと記載する）は、例えば、無線通信またはレーダに用いられるアレーアンテナ装置であり、様々なビームを形成でき、複数のビームの同時形成も可能である。従来のＤＢＦアレーアンテナは、一般に、アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナのそれぞれに対し、増幅器、ダウンコンバータおよびアナログ／デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器と記載する）を備えている。このため、従来のＤＢＦアレーアンテナは、一般に、電力消費が多く、アンテナ体積が大きく、重量も重かった。

一方、例えば、特許文献１に記載されたアレーアンテナは、アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナのそれぞれに対して増幅器および二位相変調回路を備えており、さらに、合成回路、ダウンコンバータおよびＡ／Ｄ変換器を備えている。複数の素子アンテナのそれぞれによって受信され、増幅器によって増幅され、二位相変調回路によって位相変調された複数の受信信号は、合成回路によって合成される。合成後の信号は、ダウンコンバータによって周波数変換され、周波数変換後の信号は、Ａ／Ｄ変換器によってアナログ信号からデジタル信号に変換される。このように、特許文献１に記載されたアレーアンテナでは、合成回路によって多重化された信号の数だけＡ／Ｄ変換器の数を削減できる。

米国特許第５０７７５６２号明細書

二位相変調回路は、一般に、半導体素子を用いた回路であり、半導体素子を用いた回路は、通常、大きな通過損失（例えば、３ｄＢ以上の損失）を有する。特許文献１に記載されたアレーアンテナにおいて、二位相変調回路での通過損失に伴う受信信号電力の低下に起因した信号対雑音比の劣化を補償するため、素子アンテナごとに増幅器を設けている。このように、特許文献１に記載されたアレーアンテナは、増幅器の数を削減すると信号対雑音比が劣化するので、低消費電力化が困難であるという課題があった。

本発明は上記課題を解決するものであり、低消費電力化を実現することができるアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るアレーアンテナ装置は、放射電界位相が互いに異なる複数の放射構造と、放射構造を切り替えるスイッチとを有し、スイッチによって切り替えられた放射構造で受信された受信信号を出力する複数の素子アンテナが配列されたアレーアンテナと、放射構造の切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を、素子アンテナごとに生成するシーケンス生成部と、シーケンス生成部によって生成されたシーケンス情報に基づいて、スイッチによる放射構造の切り替えを制御するスイッチ制御回路と、複数の素子アンテナから出力された信号を合成する合成回路と、合成回路によって合成された信号を増幅する増幅器と、増幅器によって増幅された信号を周波数変換する周波数変換器と、周波数変換器によって周波数変換された信号をデジタル信号に変換する変換器とを備える。

本発明によれば、複数の素子アンテナのそれぞれが、放射電界位相が互いに異なる複数の放射構造と、放射構造を切り替えるスイッチとを有し、スイッチが切り替えた放射構造で受信された受信信号を出力する。放射構造の切り替えによって、素子アンテナから出力される受信信号は、放射電界位相が互いに異なる信号となり、例えば、二位相変調された信号となる。低損失なスイッチを用いて受信信号に二位相変調を施すことができるので、素子アンテナごとに増幅器を設けなくても、受信信号電力の低下が抑えられる。これにより、信号対雑音比の劣化を抑制しながら増幅器の数を削減でき、低消費電力化を実現することができる。

実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の動作を示すフローチャートである。 実施の形態２に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 図４Ａは、実施の形態２における放射構造を示す斜視図である。図４Ｂは、実施の形態２における放射構造を図４ＡのＡ−Ａ線で切った断面を示す断面矢示図である。 図５Ａは、実施の形態２における放射構造の変形例を示す斜視図である。図５Ｂは、実施の形態２における放射構造の変形例を図５Ａの矢印方向からみた様子を示す図である。 図６Ａは、実施の形態２における放射構造の別の変形例を示す斜視図である。図６Ｂは、実施の形態２における放射構造の別の変形例を図６Ａの矢印方向からみた様子を示す図である。 実施の形態３に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態３における導波管を図７のＢ−Ｂ線で切った断面を示す断面矢示図である。 導波管の広壁面における電流分布を示す図である。 図１０Ａは、実施の形態３における導波管の変形例を示す斜視図である。図１０Ｂは、実施の形態３における導波管の変形例を図１０ＡのＣ−Ｃ線で切った断面を示す断面矢示図である。図１０Ｃは、実施の形態３における導波管の変形例を図１０ＡのＤ−Ｄ線で切った断面を示す断面矢示図である。 実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すアレーアンテナ装置は、空間を伝搬してきた電磁波をアレーアンテナ１によって受信する。アレーアンテナ１には、複数の素子アンテナ２が一定の間隔で配列されている。複数の素子アンテナ２のそれぞれは、第１の放射構造３ａ、第２の放射構造３ｂ、第１の給電構造部４ａ、第２の給電構造部４ｂおよびスイッチ５を備える。

第１の放射構造３ａは、第１の給電構造部４ａを有したアンテナであり、第２の放射構造３ｂは、第２の給電構造部４ｂを有したアンテナである。第１の給電構造部４ａは、第１の放射構造３ａで受信された信号を伝送する給電構造部であり、第２の給電構造部４ｂは、第２の放射構造３ｂで受信された信号を伝送する給電構造部である。

第１の給電構造部４ａと第２の給電構造部４ｂは、放射電界位相が互いに異なる２つの給電構造部であり、例えば、放射電界位相値が互いに１８０度異なっている。すなわち、素子アンテナ２が有する２つの放射構造は、放射電界位相が互いに異なる２つのアンテナであり、給電構造部は、これらのアンテナのそれぞれに１つずつ設けられている。

スイッチ５は、第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとを切り替えるものであり、いわゆる、シングルポールダブルスロー（以下、ＳＰＤＴと記載する）構造のスイッチである。ＳＰＤＴ構造のスイッチ５は、第１の給電構造部４ａが接続された第１の入力端子、第２の給電構造部４ｂが接続された第２の入力端子および両者に共通の出力端子を有する。

例えば、スイッチ５によって第１の放射構造３ａに切り替えられると、第１の放射構造３ａで受信された高周波信号は、第１の給電構造部４ａを介して第１の入力端子からスイッチ５に入力され、出力端子から出力される。一方、スイッチ５によって第２の放射構造３ｂに切り替えられると、第２の放射構造３ｂで受信された高周波信号は、第２の給電構造部４ｂを介して第２の入力端子からスイッチ５に入力され、出力端子から出力される。

図１に示すアレーアンテナ装置は、合成回路６、増幅器７、周波数変換器８、局部発振器９、Ａ／Ｄ変換器１０、シーケンス生成部１１、スイッチ制御回路１２、デコーダ部１３およびビーム形成部１４をさらに備える。複数の素子アンテナ２の各スイッチ５で切り替えられた高周波信号は、合成回路６に出力される。合成回路６は、アレーアンテナ１を構成する複数の素子アンテナ２のそれぞれから出力された高周波信号を合成し、合成した信号を増幅器７に出力する。増幅器７は、合成回路６によって合成された高周波信号の電力を予め設定された利得で増幅する。

周波数変換器８は、局部発振器９から入力した局部発振信号を用いて、増幅器７によって電力が増幅された高周波信号の周波数を中間周波数帯に周波数変換する。局部発振器９は、高周波信号の周波数変換に用いられる、予め設定された周波数の局部発振信号を発生する。Ａ／Ｄ変換器１０は、周波数変換器８によって周波数が中間周波数帯に変換された信号をデジタル信号に変換する変換器である。

シーケンス生成部１１は、第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとの切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を、素子アンテナ２ごとに生成する。放射構造の切り替えシーケンスには、放射構造の切り替えの時系列な順序と切り替え間隔が含まれる。素子アンテナ２ごとに生成されたシーケンス情報は、シーケンス生成部１１からスイッチ制御回路１２に出力される。

なお、シーケンス生成部１１は、記憶装置に記憶されたシーケンス情報を読み出し、読み出したシーケンス情報をスイッチ制御回路１２に出力してもよい。記憶装置は、アレーアンテナ装置が備えるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）またはハードディスクといった記憶装置であってもよいが、アレーアンテナ装置からアクセス可能な外部記憶装置であってもよい。

スイッチ制御回路１２は、シーケンス生成部１１によって生成されたシーケンス情報に基づいて、スイッチ５による第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとの切り替えを制御する。例えば、スイッチ制御回路１２は、シーケンス情報が示す切り替えシーケンスに基づいて、スイッチ５の動作を制御する制御信号を素子アンテナ２ごとに生成する。スイッチ５は、スイッチ制御回路１２から入力した制御信号に基づいて、第１の放射構造３ａおよび第２の放射構造３ｂのいずれかに切り替える。

デコーダ部１３は、シーケンス生成部１１によって生成されたシーケンス情報に基づいて、Ａ／Ｄ変換器１０から入力したデジタル信号から、複数の素子アンテナ２のそれぞれで受信された信号を分離する。ビーム形成部１４は、デコーダ部１３によって素子アンテナ２ごとに分離された信号を用いて、ビーム信号を形成する。ビーム形成部１４によって素子アンテナ２の個数分のビーム信号が形成される。

シーケンス生成部１１、デコーダ部１３およびビーム形成部１４の機能は、処理回路によって実現される。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であってもよい。例えば、処理回路とスイッチ制御回路１２とが、ネットワークを介して接続された別々の回路である場合、スイッチ制御回路１２は、ネットワークインタフェースを通じて処理回路からシーケンス情報を入力する。

また、デコーダ部１３およびビーム形成部１４は、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置とは別の外部装置が備えてもよい。すなわち、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置は、デコーダ部１３およびビーム形成部１４を備えていなくても、信号対雑音比を維持しながら低消費電力化を実現できる。なお、この場合、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置は、例えば、上記外部装置に通信接続してデコーダ部１３およびビーム形成部１４との間で信号をやり取りする。

次に動作について説明する。
図２は、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の動作を示すフローチャートである。
まず、複数の素子アンテナ２のそれぞれが有する第１の放射構造３ａおよび第２の放射構造３ｂが、空間から到来した高周波信号を受信する（ステップＳＴ１）。

一方、シーケンス生成部１１は、第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂの切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を素子アンテナ２ごとに生成する（ステップＳＴ２）。例えば、シーケンス生成部１１は、スイッチ５によって第１の放射構造３ａに切り替えられた状態に１を割り当て、スイッチ５によって第２の放射構造３ｂに切り替えられた状態に−１を割り当てて、［１ −１ １ ・・・１］のように１と−１を要素とした符号列で切り替えシーケンスが表現されたシーケンス情報を生成する。

実施の形態１では、複数の素子アンテナ２のそれぞれに対する切り替えシーケンスを、互いに直交した符号列である直交符号、すなわち、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ符号で表す。例えば、アレーアンテナ１を構成する素子アンテナ２の数が４つである場合、４つの素子アンテナ２のそれぞれに対する切り替えシーケンスは、［１ １ １ １］、［１ −１ １ −１］、［１ １ −１ −１］および［１ −１ −１ １］で表される。以下の説明では、切り替えシーケンスを表す直交符号が、素子アンテナ２の数と符号長が同じであるものとする。

スイッチ制御回路１２は、シーケンス生成部１１によって生成されたシーケンス情報に基づいて、素子アンテナ２ごとのスイッチ５を制御することで、複数の素子アンテナ２のそれぞれが有する第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂを順次切り替える（ステップＳＴ３）。例えば、スイッチ５は、切り替えシーケンスを符号列［１ −１ −１ １］で表したシーケンス情報に基づくと、第１の放射構造３ａ、第２の放射構造３ｂ、第２の放射構造３ｂ、第１の放射構造３ａの順に、時間Ｔｃごとに切り替えを行う。

第１の放射構造３ａによって受信されて第１の給電構造部４ａからスイッチ５に入力された高周波信号と第２の放射構造３ｂによって受信されて第２の給電構造部４ｂを介してスイッチ５に入力された高周波信号は、互いに１８０度位相が異なっている。このため、スイッチ５からの出力信号は、放射構造の切り替えによって二位相変調が施された高周波信号となる。

第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとの切り替え間隔である時間Ｔｃが、高周波信号（受信信号）が有する情報パルスの継続時間（信号周期に相当する）Ｔｓよりも短い場合、シーケンス情報に基づいて、スイッチ５が、時間Ｔｓ内で、時間Ｔｃごとに第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとを切り替え、この切り替えは、時間Ｔｓごとに繰り返し実行される。第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとの切り替えによって二位相変調された高周波信号の周波数スペクトルは、第１の放射構造３ａまたは第２の放射構造３ｂによって受信された高周波信号の周波数スペクトラムに比べて広範な周波数帯域幅を有した、いわゆるスペクトル拡散された信号となる。

続いて、合成回路６は、複数の素子アンテナ２のそれぞれから出力された高周波信号を合成する（ステップＳＴ４）。例えば、合成回路６は、複数の素子アンテナ２のそれぞれから出力された高周波信号を合成し、直交符号によってスペクトル拡散された高周波信号の合成信号、すなわち符号分割多重された信号を生成する。

増幅器７が、合成回路６によって合成された高周波信号の電力を増幅し、周波数変換器８が、増幅器７によって増幅された高周波信号の周波数を中間周波数帯に周波数変換し、Ａ／Ｄ変換器１０が、周波数変換器８によって周波数変換された信号を、デジタル信号に変換する（ステップＳＴ５）。Ａ／Ｄ変換器１０によってデジタル信号に変換された合成信号は、デコーダ部１３に出力される。

次に、デコーダ部１３は、Ａ／Ｄ変換器１０から入力した合成信号に逆拡散処理を施して、複数の素子アンテナ２のそれぞれに受信された信号に分離する（ステップＳＴ６）。例えば、デコーダ部１３は、Ａ／Ｄ変換器１０から入力した合成信号に対し、シーケンス情報である、１と−１を要素とした符号列を乗算し、乗算した値を積分することで、素子アンテナ２の数だけデジタル信号を算出する。切り替えシーケンスは互いに直交する直交符号で表されるため、スイッチ５に設定された切り替えシーケンスを表す直交符号を合成信号に乗算して積分することで、そのスイッチ５を含んだ素子アンテナ２で受信された信号成分のみが得られ、そのスイッチ５での切り替えシーケンスとは異なる直交符号を合成信号に乗算して積分しても信号成分は０となる。これは、符号分割多重された信号に対して逆拡散処理を施して復調することに相当する。これにより、合成信号から、複数の素子アンテナ２のそれぞれに受信された信号が分離される。

この後、ビーム形成部１４は、デコーダ部１３によって合成信号から複数の素子アンテナ２のそれぞれに分離された信号を用いて、ビーム信号を形成する（ステップＳＴ７）。

以上のように、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置において、複数の素子アンテナ２のそれぞれが、第１の放射構造３ａ、第２の放射構造３ｂ、および第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとを切り替えるスイッチ５を有し、スイッチ５が切り替えた放射構造によって受信された受信信号を出力する。放射電界位相が互いに異なる第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとの切り替えによって、素子アンテナ２から出力される受信信号は、二位相変調された信号となる。低損失なスイッチ５を用いて受信信号に二位相変調を施すことができるので、素子アンテナ２ごとに増幅器７を設けなくても、受信信号電力の低下が抑えられる。これにより、信号対雑音比の劣化を抑制しながら増幅器の数を削減できるので、低消費電力化を実現できる。すなわち、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置は、従来のＤＢＦアレーアンテナと同等のビーム形成機能を有し、さらに、従来のＤＢＦアレーアンテナに比べて、信号の多重数分だけ増幅器の数を削減できる。このため、低コスト、低消費電力、小型かつ軽量なアレーアンテナ装置を実現できる。

なお、これまでの説明では、切り替えシーケンスを素子アンテナ２の数と符号長が同じ直交符号で表したが、切り替えシーケンスは、符号長が素子アンテナ２の数よりも大きい直交符号で表してもよく、上記と同様の効果が得られる。さらに、直交符号の代わりに、切り替えシーケンスを、Ｍ系列あるいはＧｏｌｄ系列といった擬似ランダム符号で表しても、符号分割多重された信号を逆拡散処理によって復調することができる。

また、これまでの説明では、放射電界位相が互いに異なる第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂを、スイッチ５を用いて切り替えることで、受信信号に二位相変調を施す場合を示したが、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置は、受信信号に４相以上の多相変調を施すように構成されてもよい。例えば、複数の素子アンテナ２のそれぞれに、放射電界位相が互いに異なる４つの放射構造を設け、スイッチ５によって放射構造を切り替えることで、受信信号に四位相変調を施すことが可能である。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図３に示すアレーアンテナ装置は、空間を伝搬してきた電磁波をアレーアンテナ１Ａによって受信する。アレーアンテナ１Ａには、複数の素子アンテナ２Ａが一定の間隔で配列されている。複数の素子アンテナ２Ａのそれぞれは、放射構造１５、第１の給電構造部１６ａ、第２の給電構造部１６ｂおよびスイッチ１７を備えている。なお、図３において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

放射構造１５は、その中心に点対称な構造を有したアンテナであり、第１の給電構造部１６ａと第２の給電構造部１６ｂとを有する。第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、放射構造１５で受信された高周波信号を伝送する給電構造である。放射構造１５は、単一のアンテナであり、このアンテナは、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂを異なる位置にそれぞれ有する。例えば、第１の給電構造部１６ａと放射構造１５との接続点と、第２の給電構造部１６ｂと放射構造１５との接続点とは、放射構造１５の中心に対して点対称な位置に設けられる。

放射構造１５は、単一のアンテナとして実現されるが、第１の給電構造部１６ａを有した放射構造と、第２の給電構造部１６ｂを有した放射構造との両方の機能を有する。
スイッチ１７は、第１の給電構造部１６ａに切り替えることにより、放射構造１５を、第１の給電構造部１６ａを有した放射構造として機能させ、第２の給電構造部１６ｂに切り替えることにより、放射構造１５を、第２の給電構造部１６ｂを有した放射構造として機能させる。すなわち、スイッチ１７は、第１の給電構造部１６ａを有した放射構造と、第２の給電構造部１６ｂを有した放射構造とを切り替えるスイッチである。

また、スイッチ１７はＳＰＤＴ構造のスイッチであり、第１の給電構造部１６ａが接続された第１の入力端子と、第２の給電構造部１６ｂが接続された第２の入力端子と、両者に共通の出力端子とを有する。例えば、スイッチ１７によって第１の給電構造部１６ａに切り替えられると、放射構造１５で受信された高周波信号は、第１の給電構造部１６ａを介して、第１の入力端子からスイッチ１７に入力され、出力端子から出力される。一方、スイッチ１７によって第２の給電構造部１６ｂに切り替えられると、放射構造１５で受信された高周波信号は、第２の給電構造部１６ｂを介して第２の入力端子からスイッチ１７に入力され、出力端子から出力される。

図３に示すアレーアンテナ装置は、合成回路６、増幅器７、周波数変換器８、局部発振器９、Ａ／Ｄ変換器１０、シーケンス生成部１８、スイッチ制御回路１９、デコーダ部２０およびビーム形成部２１をさらに備える。シーケンス生成部１８は、放射構造の切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を素子アンテナ２Ａごとに生成する。放射構造の切り替えシーケンスには、放射構造の切り替えの時系列な順序と切り替え間隔が含まれる。素子アンテナ２Ａごとに生成されたシーケンス情報は、シーケンス生成部１８からスイッチ制御回路１９に出力される。

なお、シーケンス生成部１８は、記憶装置に記憶されたシーケンス情報を読み出し、読み出したシーケンス情報をスイッチ制御回路１９に出力してもよい。記憶装置は、アレーアンテナ装置が備えるＲＡＭまたはハードディスクといった記憶装置であってもよいが、アレーアンテナ装置からアクセス可能な外部記憶装置であってもよい。

例えば、シーケンス生成部１８は、実施の形態１と同様に、スイッチ１７によって第１の給電構造部１６ａを有する放射構造に切り替えられた状態に１を割り当て、スイッチ１７によって第２の給電構造部１６ｂを有する放射構造に切り替えられた状態に−１を割り当てて、１と−１を要素とした符号列で切り替えシーケンスが表現されたシーケンス情報を生成する。

スイッチ制御回路１９は、シーケンス生成部１８によって生成されたシーケンス情報に基づいて、スイッチ１７による切り替えを制御する。例えば、スイッチ制御回路１９は、シーケンス生成部１８から入力したシーケンス情報が示す切り替えシーケンスに基づいて、スイッチ１７の動作を制御する制御信号を素子アンテナ２Ａごとに生成する。

スイッチ１７は、スイッチ制御回路１９から設定された制御信号に基づいて、第１の給電構造部１６ａを有する放射構造と第２の給電構造部１６ｂを有する放射構造とのいずれかに切り替える。例えば、切り替えシーケンスを符号列［１ −１ −１ １］で表したシーケンス情報に基づいて、スイッチ１７は、第１の給電構造部１６ａ、第２の給電構造部１６ｂ、第２の給電構造部１６ｂ、第１の給電構造部１６ａの順に、時間Ｔｃごとに切り替えを行う。

放射構造１５によって受信されて第１の給電構造部１６ａからスイッチ１７に入力された高周波信号と、放射構造１５によって受信されて第２の給電構造部１６ｂを介してスイッチ１７に入力された高周波信号は、互いに１８０度位相が異なる。スイッチ１７からの出力信号は、放射構造の切り替えによって二位相変調が施された高周波信号となる。切り替え間隔である時間Ｔｃが、高周波信号（受信信号）が有する情報パルスの継続時間（信号周期）Ｔｓよりも短い場合、二位相変調された高周波信号の周波数スペクトラムは、スペクトル拡散された信号となる。

デコーダ部２０は、シーケンス生成部１８によって生成されたシーケンス情報に基づいて、Ａ／Ｄ変換器１０から入力されたデジタル信号のうちから、複数の素子アンテナ２Ａのそれぞれで受信された信号を分離する。例えば、デコーダ部２０は、Ａ／Ｄ変換器１０から入力した合成信号に対して、シーケンス情報である、１と−１を要素とした符号列を乗算して積分することで、素子アンテナ２Ａの数だけデジタル信号を算出する。切り替えシーケンスは互いに直交する直交符号で表されるため、スイッチ１７に設定された切り替えシーケンスを表す直交符号を合成信号に乗算して積分することで、そのスイッチ１７を含む素子アンテナ２Ａで受信された信号成分のみが得られ、そのスイッチ１７での切り替えシーケンスとは異なる直交符号を合成信号に乗算して積分しても信号成分は０となる。これは、符号分割多重された信号に対して逆拡散処理を施して復調することに相当する。これにより、合成信号から、複数の素子アンテナ２Ａのそれぞれに受信された信号が分離される。

ビーム形成部２１は、デコーダ部２０によって素子アンテナ２Ａごとに分離された信号を用いて、ビーム信号を形成する。ビーム形成部２１によって素子アンテナ２Ａの個数分のビーム信号が形成される。

また、デコーダ部２０およびビーム形成部２１は、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置とは別の外部装置が備えてもよい。すなわち、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置は、デコーダ部２０およびビーム形成部２１を備えていなくても、信号対雑音比を維持しながら低消費電力化を実現できる。なお、この場合、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置は、例えば、上記外部装置に通信接続してデコーダ部２０およびビーム形成部２１との間で信号をやり取りする。

シーケンス生成部１８、デコーダ部２０およびビーム形成部２１の機能は、処理回路によって実現される。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵであってもよい。例えば、処理回路とスイッチ制御回路１９とが、ネットワークを介して接続された別々の回路である場合、スイッチ制御回路１９は、ネットワークインタフェースを通じて処理回路からシーケンス情報を入力する。

図４Ａは、放射構造１５を示す斜視図である。図４Ｂは、放射構造１５を図４ＡのＡ−Ａ線で切った断面を示す断面矢示図である。放射構造１５は、図４Ａおよび図４Ｂに示すような、方形のパッチアンテナで実現することができる。このパッチアンテナは、図４Ｂに示すように、ピン給電のパッチアンテナであり、２つのピンが第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂである。図４Ａに示すように、第１の給電構造部１６ａと第２の給電構造部１６ｂとは、パッチアンテナの中心に対して互いに点対称な位置に配置されている。

図４Ａおよび図４Ｂにおいて、方形のパッチアンテナを示したが、放射構造１５は、円形のパッチアンテナであってもよい。また、放射構造１５は、電磁結合給電のパッチアンテナであってもよい。この場合、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、電磁結合で給電する構造部で実現される。

図５Ａは、放射構造１５の変形例を示す斜視図である。図５Ｂは、放射構造１５の変形例を図５Ａの矢印方向からみた様子を示す図である。放射構造１５は、図５Ａおよび図５Ｂに示すような、導波管開口アンテナで実現することができる。この導波管開口アンテナは、図５Ｂに示すように、プローブ給電の導波管開口アンテナであり、２つのプローブが第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂである。図５Ｂに示すように、第１の給電構造部１６ａと第２の給電構造部１６ｂは導波管開口アンテナの中心軸に対して点対称な位置に配置されている。

開口形状が方形の導波管開口アンテナを示したが、放射構造１５は、開口形状が円形の導波管開口アンテナであってもよい。また、放射構造１５は、スロットまたは導波管で給電する導波管開口アンテナであってもよい。この場合、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、スロットまたは導波管で実現される。

図６Ａは、放射構造１５の別の変形例を示す斜視図である。図６Ｂは、放射構造１５の別の変形例を図６Ａの矢印方向からみた様子を示す図である。放射構造１５は、図６Ａおよび図６Ｂに示すような、ホーンアンテナで実現することができる。このホーンアンテナは、図６Ｂに示すように、プローブ給電のホーンアンテナであり、２つのプローブが第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂである。図６Ｂに示すように、第１の給電構造部１６ａと第２の給電構造部１６ｂはホーンアンテナの中心軸に対して点対称な位置に配置されている。

開口形状が方形のホーンアンテナを示したが、放射構造１５は、開口形状が円形のホーンアンテナであってもよい。また、放射構造１５は、スロットまたは導波管で給電するホーンアンテナであってもよい。この場合、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、スロットまたは導波管で実現される。

実施の形態１に係るアレーアンテナ装置において、複数の素子アンテナ２のそれぞれが有する放射構造は、電界放射パターンの位相値が互いに１８０度異なる一対のアンテナであった。すなわち、素子アンテナ２には、２つのアンテナが互いに独立して配置されているので、素子アンテナ２が占有する面積は、素子アンテナが単一のアンテナで構成される場合よりも大きくなる。このため、複数の素子アンテナ２を配列した１次元アレーまたは２次元アレーでは、隣接する素子アンテナ２同士の間隔が広くなってしまう。

一般に、ＤＢＦアレーアンテナでは、一定のビーム走査範囲内でグレーティングローブが発生しない間隔で素子アンテナを配列する必要があり、通常、動作周波数における波長の０．５〜０．８倍程度の間隔で素子アンテナが配列されている。例えば、放射構造が、動作周波数における波長の０．３〜０．５倍程度の大きさである場合、２つの放射構造が互いに独立して配置された素子アンテナ２は、上記間隔で配列させることが困難である。

これに対して、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置は、複数の素子アンテナ２Ａのそれぞれが有する放射構造１５が単一のアンテナであり、その中心に対して点対称な位置に第１の給電構造部１６ａと第２の給電構造部１６ｂとの接続点を有している。放射構造１５が単一のアンテナであるので、素子アンテナ２Ａが占有する面積は、素子アンテナ２よりも小さい。

また、放射構造１５上の電流分布または内部の電界分布は、放射構造１５が基本モードで動作する場合、一般に、構造の対称性から振幅分布は対称となり、位相分布は左右反転したような分布となる。このため、放射構造１５の中心に対して点対称な位置に接続点を有する第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂのそれぞれには、放射構造１５で受信された信号が、等振幅で逆位相、すなわち、互いに１８０度位相が異なる信号として伝送される。

以上のように、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置において、放射構造１５は、単一のアンテナであり、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、単一のアンテナの異なる位置にそれぞれ配置されている。例えば、単一のアンテナが、円形または方形のパッチアンテナである場合に、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、パッチアンテナの中心に対して互いに点対称な位置に配置されている。また、単一のアンテナが、導波管開口アンテナまたはホーンアンテナである場合、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、導波管開口アンテナまたはホーンアンテナの中心軸に対して点対称な位置に配置されている。

放射構造１５の中心に対して点対称な位置に接続点を有する第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂのそれぞれには、放射構造１５で受信された信号が、等振幅で逆位相、すなわち互いに１８０度位相が異なる信号として伝送される。
このように、スイッチ１７によって第１の給電構造部１６ａを有する放射構造と第２の給電構造部１６ｂを有する放射構造が切り替えられると、素子アンテナ２Ａから出力される受信信号は、二位相変調された信号となる。すなわち、低損失なスイッチ１７を用いて受信信号に対して二位相変調を施すことができるので、素子アンテナ２Ａごとに増幅器７を設けなくても、受信信号電力の低下が抑えられる。これにより、信号対雑音比の劣化を抑制しながら増幅器の数を削減でき、低消費電力化を実現することができる。

実施の形態２に係るアレーアンテナ装置は、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置と同様の効果が得られるとともに、実施の形態１に示した装置構成に比べて素子アンテナの占有面積を小さくできるため、より小さなアレーアンテナ装置を実現できる。また、素子アンテナをより密に配置することが可能であるため、より広角方向にビーム走査が可能なアレーアンテナ装置を実現することができる。

なお、これまでの説明では、切り替えシーケンスを素子アンテナ２の数と符号長が同じ直交符号で表したが、切り替えシーケンスは、符号長が素子アンテナ２の数よりも大きい直交符号で表してもよく、上記と同様の効果が得られる。さらに、直交符号の代わりに、切り替えシーケンスを、Ｍ系列あるいはＧｏｌｄ系列といった擬似ランダム符号で表しても、符号分割多重された信号を逆拡散処理によって復調することができる。

また、これまでの説明では、受信信号に二位相変調を施す場合を示したが、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置は、受信信号に４相以上の多相変調を施すように構成されてもよい。例えば、複数の素子アンテナ２Ａのそれぞれに、放射電界位相が互いに異なる４つの給電構造部を放射構造１５に設けて、スイッチ１７で切り替えることで、受信信号に四位相変調を施すことが可能である。このとき、４つの給電構造部と放射構造１５との接続点は、放射構造１５の中心に対して互いに点対称な位置に配置される。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図７において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。図８は、図７の導波管３０を図７のＢ−Ｂ線で切った断面を示す断面矢示図である。図７に示したアレーアンテナ装置は、アレーアンテナ１Ｂ、増幅器７、周波数変換器８、局部発振器９、Ａ／Ｄ変換器１０、シーケンス生成部２２、スイッチ制御回路２３、デコーダ部２４およびビーム形成部２５を備える。また、図７に示したアレーアンテナ装置は、図１および図３に示した合成回路として機能する導波管３０を備える。

アレーアンテナ１Ｂは、導波管３０の第１の広壁面３１ａに複数の素子アンテナ３８が一定の間隔で配列されて構成されている。複数の素子アンテナ３８のそれぞれは、第１のスロット３４、第２のスロット３５、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７を備える。なお、図７では、導波管３０に４つの素子アンテナ３８を設けた場合を示したが、導波管３０に５以上の素子アンテナ３８を設けてもよい。

導波管３０は、互いに対向した一対の第１の広壁面３１ａおよび第２の広壁面３１ｂ、これら広壁面の長手方向の両側に隣接した一対の第１の狭壁面３２ａおよび第２の狭壁面３２ｂ、および、広壁面と狭壁面の両方に隣接した一対の第１の端面３３ａおよび第２の端面３３ｂを有し、金属で形成された矩形導波管である。導波管３０における第１の端面３３ａおよび第２の端面３３ｂのそれぞれは、導体壁によって短絡された短絡面となっている。

第１のスロット３４および第２のスロット３５は、空間を伝搬してきた電磁波を受信する放射構造である。また、第１のスロット３４および第２のスロット３５は、導波管３０が有する第１の広壁面３１ａおよび第２の広壁面３１ｂのうちの一方である第１の広壁面３１ａに設けられ、互いに同一の寸法で、導波管３０の管軸方向に長くかつ互いに平行な２つの細長い穴である。第１のスロット３４および第２のスロット３５の長手方向の寸法のそれぞれは、自由空間波長の半波長程度の長さである。

隣り合った素子アンテナ３８と素子アンテナ３８において、一方の素子アンテナ３８が有する第１のスロット３４と、他方の素子アンテナ３８が有する第１のスロット３４との間隔は、導波管３０の動作周波数における管内波長λの２分の１である。同様に、隣り合った一方の素子アンテナ３８が有する第２のスロット３５と、他方の素子アンテナ３８が有する第２のスロット３５との間隔は、導波管３０の動作周波数における管内波長λの２分の１である。

また、第１の端面３３ａに最も近い第１のスロット３４および第２のスロット３５は、当該スロットの中心から第１の端面３３ａまでの距離が管内波長λの４分の１である位置に配置されている。同様に、第２の端面３３ｂに最も近い第１のスロット３４および第２のスロット３５は、当該スロットの中心から第２の端面３３ｂまでの距離が管内波長λの４分の１である位置に配置されている。

また、第１のスロット３４および第２のスロット３５は、第１の広壁面３１ａにおける、導波管３０の管軸方向に平行な中心線（例えば、図７のＢ−Ｂ線）を境とした一方の側の位置と他方の側の位置とに設けられる。例えば、第１のスロット３４および第２のスロット３５は、第１の広壁面３１ａにおける、導波管３０の管軸方向に平行な中心線に関して、互いに対称な位置に配置される。これにより、素子アンテナ３８は、いわゆる、定在波励振型の導波管スロットアレーを構成する。

なお、隣り合った素子アンテナ３８同士のスロットの間隔、および、短絡面に最も近いスロットと短絡面との距離を、任意に設定することで、素子アンテナ３８は、いわゆる、進行波励振型の導波管スロットとして機能する。

第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７は、オン状態とオフ状態が切り替えられるスイッチであり、例えば、ＰＩＮダイオード、電界効果トランジスタおよびＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いて構成された高周波スイッチである。当該高周波スイッチは、一般に１ｄＢ以下程度の通過損失であり、二位相変調回路の通過損失よりも２ｄＢ程度低い。図７に示すように、第１のスイッチ３６は、第１のスロット３４の中央部に設けられ、第２のスイッチ３７は、第２のスロット３５の中央部に設けられている。

複数の素子アンテナ３８のそれぞれにおいて、第１のスイッチ３６がオン状態であるとき、第２のスイッチ３７はオフ状態となるように同期している。例えば、第１のスイッチ３６がオン状態であるとき、第１のスロット３４はスロットアンテナとして動作状態となり、このとき、第２のスイッチ３７はオフ状態となり、第２のスロット３５は非動作状態になる。反対に、第２のスイッチ３７がオン状態であるとき、第２のスロット３５はスロットアンテナとして動作状態となり、このとき、第１のスイッチ３６はオフ状態となり、第１のスロット３４は非動作状態になる。

図８に示すように、給電構造部３９は、導波管３０の第２の広壁面３１ｂに設けられた導波管給電構造である。給電構造部３９は、第２の広壁面３１ｂの中心に設けられた出力端子と、導波管３０の内部に挿入された給電プローブ３９ａとを有し、出力端子は、増幅器７に接続されている。これにより、導波管３０は、図１および図３に示した合成回路として機能する。

なお、給電構造部３９は、導波管３０の第２の広壁面３１ｂにおける任意の位置に設けてもよい。さらに、給電構造部３９は、第２の広壁面３１ｂに設けた導波管Ｔ分岐を含む構成であってもよいし、導波管３０の短絡面（第１の端面３３ａと第２の端面３３ｂ）側に出力端子を有する構造であってもよい。

シーケンス生成部２２は、放射構造の切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を素子アンテナ３８ごとに生成する。放射構造の切り替えシーケンスには、例えば、第１のスイッチ３６と第２のスイッチ３７との切り替えの時系列な順序と切り替え間隔が含まれる。素子アンテナ３８ごとに生成されたシーケンス情報は、シーケンス生成部２２からスイッチ制御回路２３に出力される。

なお、シーケンス生成部２２は、記憶装置に記憶されたシーケンス情報を読み出し、読み出したシーケンス情報をスイッチ制御回路２３に出力してもよい。記憶装置は、アレーアンテナ装置が備えるＲＡＭまたはハードディスクといった記憶装置であってもよいが、アレーアンテナ装置からアクセス可能な外部記憶装置であってもよい。

例えば、シーケンス生成部２２は、第１のスイッチ３６がオンになって第１のスロット３４が高周波信号を受信しかつ第２のスイッチ３７がオフになって第２のスロット３５が高周波信号を受信できない状態に１を割り当て、第２のスイッチ３７がオンになって第２のスロット３５が高周波信号を受信しかつ第１のスイッチ３６がオフになって第１のスロット３４が高周波信号を受信できない状態に−１を割り当てて、［１ −１ １ ・・・１］のような１と−１を要素とした符号列で切り替えシーケンスが表現されたシーケンス情報を生成する。

スイッチ制御回路２３は、シーケンス生成部２２によって生成されたシーケンス情報に基づいて、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７のオンとオフの切り替えを制御する。例えば、スイッチ制御回路２３は、シーケンス生成部２２から入力したシーケンス情報が示す切り替えシーケンスに基づいて、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７の動作を制御する制御信号を素子アンテナ３８ごとに生成する。

第１のスイッチ３６は、スイッチ制御回路２３から設定された制御信号に基づいて、オンとオフのいずれかの状態に切り替わる。同様に、第２のスイッチ３７は、スイッチ制御回路２３から設定された制御信号に基づいて、オンとオフのいずれかの状態に切り替わる。例えば、切り替えシーケンスを符号列［１ −１ −１ １］で表したシーケンス情報に基づいて、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７がオンオフすることにより、第１のスロット３４、第２のスロット３５、第２のスロット３５、第１のスロット３４の順に、時間Ｔｃごとにスロットアンテナの動作状態が切り替わる。

第１のスロット３４によって受信された高周波信号と第２のスロット３５によって受信された高周波信号とは、互いに１８０度位相が異なる。このため、素子アンテナ３８からの出力信号は、第１のスロット３４と第２のスロット３５の動作状態の切り替えによって二位相変調が施された高周波信号となる。第１のスロット３４と第２のスロット３５との動作状態の切り替え間隔である時間Ｔｃが、高周波信号（受信信号）が有する情報パルスの継続時間（信号周期に相当する）Ｔｓよりも短い場合、シーケンス情報に基づいて、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７が、時間Ｔｓ内で、時間Ｔｃごとに第１のスロット３４と第２のスロット３５との動作状態を切り替え、この切り替えは、時間Ｔｓごとに繰り返し実行される。第１のスロット３４と第２のスロット３５との動作状態の切り替えによって二位相変調された高周波信号の周波数スペクトルは、第１のスロット３４あるいは第２のスロット３５によって受信された高周波信号の周波数スペクトラムに比べて広範な周波数帯域幅を有した、いわゆるスペクトル拡散された信号となる。

デコーダ部２４は、シーケンス生成部２２によって生成されたシーケンス情報に基づいて、Ａ／Ｄ変換器１０から入力されたデジタル信号のうちから、複数の素子アンテナ３８のそれぞれで受信された信号を分離する。例えば、デコーダ部２４は、Ａ／Ｄ変換器１０から入力した合成信号に対して、シーケンス情報である、１と−１を要素とした符号列を乗算して積分することで、素子アンテナ３８の数だけデジタル信号を算出する。切り替えシーケンスは互いに直交する直交符号で表されるため、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７に設定された切り替えシーケンスを表す直交符号を合成信号に乗算して積分することで、その第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７を含む素子アンテナ３８で受信された信号成分のみが得られ、その第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７での切り替えシーケンスとは異なる直交符号を合成信号に乗算して積分しても信号成分は０となる。これは、符号分割多重された信号に対して逆拡散処理を施して復調することに相当する。これにより、合成信号から、複数の素子アンテナ３８のそれぞれに受信された信号が分離される。

ビーム形成部２５は、デコーダ部２４によって素子アンテナ３８ごとに分離された信号を用いて、ビーム信号を形成する。ビーム形成部２５によって素子アンテナ３８の個数分のビーム信号が形成される。

また、デコーダ部２４およびビーム形成部２５は、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置とは別の外部装置が備えてもよい。すなわち、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、デコーダ部２４およびビーム形成部２５を備えていなくても、信号対雑音比を維持しながら低消費電力化を実現できる。なお、この場合、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、例えば、上記外部装置に通信接続してデコーダ部２４およびビーム形成部２５との間で信号をやり取りする。

シーケンス生成部２２、デコーダ部２４およびビーム形成部２５の機能は、処理回路によって実現される。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵであってもよい。例えば、処理回路とスイッチ制御回路２３とが、ネットワークを介して接続された別々の回路である場合、スイッチ制御回路２３は、ネットワークインタフェースを通じて処理回路からシーケンス情報を入力する。

一般に、誘電体基板を用いて形成されたアンテナおよび信号線路は、通過損失が大きいため、アンテナおよび信号線路において信号強度が低下し、信号対雑音比が劣化する傾向がある。これに対し、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、アレーアンテナおよび合成回路の信号線路として低損失な導波管３０を備えるので、複数の素子アンテナ３８の受信信号強度の低下が抑制され、信号対雑音比の劣化を抑制することができる。信号線路における通過損失が低減されるため、高効率なアレーアンテナ装置を実現できる。

図９は、導波管３０の第１の広壁面３１ａにおける電流分布を示す図である。例えば、導波管３０が基本モードで動作している場合、図９に示すように、第１の広壁面３１ａでは、第１の広壁面３１ａにおける、導波管３０の管軸方向に平行な中心線１００から外側に向かって電流が流れる、あるいは、電流が外側から中心線１００に向かって流れる電流分布となっている。第１のスロット３４および第２のスロット３５は、第１の広壁面３１ａにおける電流の流れを遮る位置に設けられる。これにより、第１のスロット３４および第２のスロット３５は、空間から到来する高周波信号を導波管３０の内部に伝送することができる。

第１の広壁面３１ａにおける電流分布は、第１の広壁面３１ａにおける中心線１００に関して対称な分布となっている。このため、第１のスロット３４で受信された高周波信号と第２のスロット３５で受信された高周波信号は、互いに逆位相、すなわち互いに１８０度位相の異なる信号として導波管３０へ伝送される。

また、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、金属のみで構成された導波管の代わりに、下記に示す導波管を備えてもよい。
図１０Ａは、実施の形態３における導波管３０の変形例を示す斜視図である。図１０Ｂは、実施の形態３における導波管３０の変形例を図１０ＡのＣ−Ｃ線で切った断面を示す断面矢示図である。図１０Ｃは、実施の形態３における導波管３０の変形例を図１０ＡのＤ−Ｄ線で切った断面を示す断面矢示図である。図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すように、導波管３０は、第１の広壁面３１ａの代わりに誘電体基板４０を有している。

誘電体基板４０は、図１０Ｂに示すように、表面に導体面４１ａを有し、裏面に導体面４１ｂを有する。誘電体基板４０には、４つの素子アンテナを有するアレーアンテナ１Ｃが形成されている。第１のスロット４２および第２のスロット４３は、１つの素子アンテナを構成するスロット対である。第１のスロット４２および第２のスロット４３は、誘電体基板面４０を貫通して、導体面４１ａと導体面４１ｂとを電気的に接続するビアである。スロットを設ける面を誘電体基板４０で構成したので、金属の第１の広壁面３１ａよりもスイッチの実装が容易である。

これまでの説明では、導波管３０が矩形導波管である場合を示したが、導波管３０は、一対の広壁面の両方またはいずれか一方における管軸方向に平行な中心線を通る金属壁を有したリッジ導波管であってもよい。例えば、当該リッジ導波管は、導波管３０の第１の広壁面３１ａにおいて管軸方向に平行な中心線を通る金属壁を有している。また、当該リッジ導波管は、以下の（１）〜（４）に示す特徴のいずれかまたは全てを有していてもよい。特徴（１）として、複数のスロットが、第１の広壁面３１ａにおける管軸方向に平行な中心線に関して互いに対称な位置に配置されている。特徴（２）として、当該リッジ導波管の端面が短絡されており、上記スロットは、動作周波数における管内波長の２分の１の間隔で第１の広壁面３１ａに配列されている。特徴（３）として、当該リッジ導波管において、第１の広壁面３１ａにおいて端面に最も近いスロットは、当該スロットの中心から当該端面までの距離が管内波長の４分の１である位置に配置されている。特徴（４）として、当該リッジ導波管の第１の広壁面３１ａは、表と裏に導体面４１ａ，４１ｂを有した誘電体基板４０で構成されており、スロットは、誘電体基板４０を貫通して、導体面４１ａと導体面４１ｂとを電気的に接続するビアである。導波管３０が、前述のように構成されたリッジ導波管であっても、上記と同様の効果が得られる。

以上のように、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、合成回路として機能する導波管３０を備え、導波管３０の第１の広壁面３１ａには、導波管３０の管軸方向に長くかつ平行な第１のスロット３４および第２のスロット３５が形成されている。第１のスロット３４および第２のスロット３５は、第１の広壁面３１ａにおける、管軸方向に平行な中心線１００を境とした一方の側の位置と他方の側の位置とに設けられる。第１のスイッチ３６は、第１のスロット３４の長手方向の中央部に配置され、第２のスイッチ３７は、第２のスロット３５の長手方向の中央部に配置されている。
このように、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７によって第１のスロット３４の動作状態と第２のスロット３５の動作状態とを切り替えることで、素子アンテナ３８から出力される受信信号は、二位相変調された信号となる。信号位相が互いに１８０度異なる２つのスイッチとスロットを用いて受信信号に対して二位相変調を施すことができるので、素子アンテナ３８ごとに増幅器７を設けなくても、受信信号電力の低下が抑えられる。これにより、信号対雑音比の劣化を抑制しながら増幅器の数を削減でき、低消費電力化を実現することができる。また、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、低損失な導波管３０を用いることにより、高効率なアレーアンテナ装置を実現することができる。

実施の形態４．
実施の形態１から３では、空間から到来した高周波信号を受信するアレーアンテナ装置を示したが、実施の形態４は、空間へ高周波信号を送信するアレーアンテナ装置について説明する。

図１１は、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１１に示すアレーアンテナ装置は、アレーアンテナ１Ｄによって電磁波を空間へ送信する。アレーアンテナ１Ｄには、複数の素子アンテナ２Ｂが一定の間隔で配列されている。複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれは、第１の放射構造３ａ、第２の放射構造３ｂ、第１の給電構造部４ａ、第２の給電構造部４ｂおよびスイッチ５Ａを備える。

第１の放射構造３ａは、第１の給電構造部４ａを有したアンテナであり、第２の放射構造３ｂは、第２の給電構造部４ｂを有したアンテナである。第１の給電構造部４ａは、第１の放射構造３ａから送信する送信信号を伝送する給電構造部であり、第２の給電構造部４ｂは、第２の放射構造３ｂから送信する送信信号を伝送する給電構造部である。

第１の給電構造部４ａと第２の給電構造部４ｂは、放射電界位相が互いに異なる２つの給電構造部であり、例えば、電界放射パターンの位相値が互いに１８０度異なっている。すなわち、素子アンテナ２Ｂが有する複数の放射構造は、放射電界位相が互いに異なる複数のアンテナであり、給電構造部は、これらのアンテナのそれぞれに１つずつ設けられている。

スイッチ５Ａは、第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂを切り替えるものであり、ＳＰＤＴ構造のスイッチである。ＳＰＤＴ構造のスイッチ５Ａは、第１の給電構造部４ａが接続された第１の出力端子、第２の給電構造部４ｂが接続された第２の出力端子および両者に共通の入力端子を有する。

例えば、スイッチ５Ａによって第１の放射構造３ａに切り替えられると、入力端子からスイッチ５Ａに入力された送信信号は、第１の出力端子から第１の給電構造部４ａに出力され、第１の給電構造部４ａから第１の放射構造３ａへ伝送されて、第１の放射構造３ａから空間へ送信される。一方、スイッチ５Ａによって第２の放射構造３ｂに切り替えられると、入力端子からスイッチ５Ａに入力された送信信号は、第２の出力端子から第２の給電構造部４ｂに出力され、第２の給電構造部４ｂから第２の放射構造３ｂへ伝送されて、第２の放射構造３ｂから空間へ送信される。

図１１に示すアレーアンテナ装置は、分配回路５０、増幅器５１、周波数変換器５２、局部発振器５３、Ｄ／Ａ変換器５４、シーケンス生成部５５、スイッチ制御回路５６、エンコーダ部５７および送信ビーム形成部５８を、さらに備える。分配回路５０は、増幅器５１から入力した送信信号を複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに分配する。増幅器５１は、周波数変換器５２によって周波数を高周波数帯に変換された送信信号の電力を、予め設定された利得で増幅する。

周波数変換器５２は、局部発振器５３から入力した局部発振信号を用いて、Ｄ／Ａ変換器５４によってアナログ信号に増幅された送信信号の周波数を高周波数帯に周波数変換する。局部発振器５３は、周波数変換器５２による周波数変換に用いられる、予め設定された周波数の局部発振信号を発生する。Ｄ／Ａ変換器５４は、エンコーダ部５７から入力した信号をアナログ信号に変換する変換器である。

シーケンス生成部５５は、第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとの切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を、素子アンテナ２Ｂごとに生成する。放射構造の切り替えシーケンスには、放射構造の切り替えの時系列な順序と切り替え間隔が含まれる。素子アンテナ２Ｂごとに生成されたシーケンス情報は、シーケンス生成部５５からスイッチ制御回路５６に出力される。

なお、シーケンス生成部５５は、記憶装置に記憶されたシーケンス情報を読み出し、読み出したシーケンス情報をスイッチ制御回路５６に出力してもよい。記憶装置は、アレーアンテナ装置が備えるＲＡＭまたはハードディスクといった記憶装置であってもよいが、アレーアンテナ装置からアクセス可能な外部記憶装置であってもよい。

スイッチ制御回路５６は、シーケンス生成部５５によって生成されたシーケンス情報に基づいて、スイッチ５Ａによる第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとの切り替えを制御する。例えば、スイッチ制御回路５６は、シーケンス生成部５５から入力したシーケンス情報が示す切り替えシーケンスに基づいて、スイッチ５Ａの動作を制御する制御信号を、素子アンテナ２Ｂごとに生成する。スイッチ５Ａは、スイッチ制御回路５６から入力した制御信号に基づいて、第１の放射構造３ａおよび第２の放射構造３ｂのいずれかに切り替える。

エンコーダ部５７は、シーケンス生成部５５によって生成されたシーケンス情報および送信ビーム形成部５８によって形成された複数の素子信号を用いて送信信号を生成して、生成した送信信号をＤ／Ａ変換器５４に出力する。送信ビーム形成部５８は、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに対応した複数の素子信号を形成する。例えば、送信ビーム形成部５８は、送信すべき信号を素子アンテナ２Ｂごとに振幅および位相を調整することで、素子アンテナ２Ｂの個数分の素子信号を形成する。

シーケンス生成部５５、エンコーダ部５７および送信ビーム形成部５８の機能は、処理回路によって実現される。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵであってもよい。例えば、処理回路とスイッチ制御回路５６とが、ネットワークを介して接続された別々の回路である場合、スイッチ制御回路５６は、ネットワークインタフェースを通じて処理回路からシーケンス情報を入力する。

また、エンコーダ部５７および送信ビーム形成部５８は、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置とは別の外部装置が備えてもよい。すなわち、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、エンコーダ部５７および送信ビーム形成部５８を備えていなくても、信号対雑音比を維持しながら低消費電力化を実現できる。この場合、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、例えば、外部装置に通信接続して、エンコーダ部５７および送信ビーム形成部５８との間で信号をやり取りする。

次に動作について説明する。
図１２は、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の動作を示すフローチャートである。まず、送信ビーム形成部５８が、各素子アンテナ２Ｂに対応した素子信号を形成する（ステップＳＴ１ａ）。送信ビーム形成部５８によって素子アンテナ２Ｂごとに形成された素子信号は、エンコーダ部５７に出力される。

一方、シーケンス生成部５５は、第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂの切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を素子アンテナ２Ｂごとに生成する（ステップＳＴ２ａ）。例えば、シーケンス生成部５５は、スイッチ５Ａによって第１の放射構造３ａに切り替えられた状態に１を割り当て、スイッチ５Ａによって第２の放射構造３ｂに切り替えられた状態に−１を割り当てて、［１ −１ １ ・・・１］のように１と−１を要素とした符号列で切り替えシーケンスが表現されたシーケンス情報を生成する。実施の形態４では、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに対する切り替えシーケンスを、互いに直交した符号列である直交符号で表す。

続いて、エンコーダ部５７が、シーケンス情報と素子信号を用いて送信信号を生成する（ステップＳＴ３ａ）。例えば、エンコーダ部５７は、送信ビーム形成部５８から入力した素子アンテナ２Ｂごとの素子信号に対して、シーケンス情報である、１と−１を要素とした符号列を乗算し、これらの乗算値をさらに合成演算する。切り替えシーケンスを示す符号列は±１の値をとるため、素子信号は二位相変調された信号になる。放射構造の切り替え間隔である時間Ｔｃが、高周波信号（送信信号）が有する情報パルスの継続時間（信号周期）Ｔｓよりも短い場合、素子信号に符号列を乗算した信号は、元の素子信号をスペクトル拡散した信号となる。これらの乗算結果をさらに合成演算することで、合成演算結果の信号は、いわゆる符号分割多重された送信信号となる。

次に、Ｄ／Ａ変換器５４は、エンコーダ部５７によって生成された送信信号をアナログ信号に変換し、周波数変換器５２が、Ｄ／Ａ変換器５４によってアナログ信号に変換された送信信号を高周波数帯に周波数変換し、増幅器５１が、周波数変換器５２によって周波数変換された信号の電力を増幅する（ステップＳＴ４ａ）。増幅器５１によって増幅された送信信号は、分配回路５０に出力される。

分配回路５０は、増幅器５１から入力した送信信号を、アレーアンテナ１Ｄを構成する複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに分配する（ステップＳＴ５ａ）。
次に、スイッチ制御回路５６は、シーケンス生成部５５によって生成されたシーケンス情報に基づいて、素子アンテナ２Ｂごとのスイッチ５Ａを制御して、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれが有する第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとを順次切り替える（ステップＳＴ６ａ）。

この後、各素子アンテナ２Ｂから空間に送信信号が送信される（ステップＳＴ７ａ）。スイッチ５Ａによって第１の放射構造３ａに切り替えられた場合、分配回路５０によってスイッチ５Ａに分配された送信信号は、第１の給電構造部４ａを介して第１の放射構造３ａに伝送され、第１の放射構造３ａから空間へ放射される。スイッチ５Ａによって第２の放射構造３ｂに切り替えられた場合は、分配回路５０によってスイッチ５Ａに分配された送信信号は、第２の給電構造部４ｂを介して第２の放射構造３ｂに伝送され、第２の放射構造３ｂから空間へ放射される。

例えば、切り替えシーケンスを符号列［１ −１ −１ １］で表したシーケンス情報に基づいて、スイッチ５Ａは、第１の放射構造３ａ、第２の放射構造３ｂ、第２の放射構造３ｂ、第１の放射構造３ａの順に、時間Ｔｃごとに切り替えを行う。スイッチ５Ａから第１の給電構造部４ａに伝送されて第１の放射構造３ａから放射された高周波信号と、スイッチ５Ａから第２の給電構造部４ｂに伝送されて第２の放射構造３ｂから放射された高周波信号とは、互いに１８０度位相が異なる。このため、エンコーダ部５７によって二位相変調されてスイッチ５Ａに入力された信号は、第１の放射構造３ａまたは第２の放射構造３ｂから空間に放射されて復調される。

シーケンス情報は直交符号であるので、エンコーダ部５７が、素子アンテナ２Ｂに対応した送信信号の生成に用いた切り替えシーケンスと同じ順序で放射構造の切り替えが行われた信号成分のみが送信され、エンコーダ部５７が、その素子アンテナ２Ｂに対応した送信信号の生成に用いた切り替えシーケンスとは異なる順序で放射構造の切り替えが行われた信号成分は０となる。これは、符号分割多重された信号に逆拡散処理を施して復調することに相当する。これにより、複数の素子アンテナ２Ｂからの各信号を分離して送信することができる。

これまでの説明では、第１の給電構造部４ａを有した第１の放射構造３ａと第２の給電構造部４ｂを有した第２の放射構造３ｂとを備えた素子アンテナ２Ｂを示したが、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、これに限定されるものではない。
例えば、素子アンテナ２Ｂが、第１の給電構造部４ａを有した第１の放射構造３ａと、第２の給電構造部４ｂを有した第２の放射構造３ｂとの代わりに、実施の形態２で示した放射構造１５、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂを備えてもよい。放射構造１５は、図４Ａおよび図４Ｂに示したパッチアンテナおよびその変形例であってもよいし、図５Ａおよび図５Ｂに示した導波管開口アンテナおよびその変形例であってもよいし、図６Ａおよび図６Ｂに示したホーンアンテナおよびその変形例であってもよい。

また、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、実施の形態３で示した導波管３０を分配回路５０として備えてもよい。例えば、図７に示した導波管３０の第１のスロット３４および第２のスロット３５を素子アンテナ２Ｂとし、図８に示した給電構造部３９を増幅器５１に接続することにより、導波管３０は、分配回路５０として機能する。さらに、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、図７に示した導波管３０の代わりに、図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示した導波管の変形例を分配回路として備えてもよいし、リッジ導波管を備えてもよい。例えば、当該リッジ導波管は、導波管３０の第１の広壁面３１ａにおいて管軸方向に平行な中心線を通る金属壁を有している。また、当該リッジ導波管は、以下の（１）〜（４）に示す特徴のいずれかまたは全てを有していてもよい。特徴（１）として、複数のスロットが、第１の広壁面３１ａにおける管軸方向に平行な中心線に関して互いに対称な位置に配置されている。特徴（２）として、当該リッジ導波管の端面が短絡されており、上記スロットは、動作周波数における管内波長の２分の１の間隔で第１の広壁面３１ａに配列されている。特徴（３）として、当該リッジ導波管において、第１の広壁面３１ａにおいて端面に最も近いスロットは、当該スロットの中心から当該端面までの距離が管内波長の４分の１である位置に配置されている。特徴（４）として、当該リッジ導波管の第１の広壁面３１ａは、表と裏に導体面４１ａ，４１ｂを有した誘電体基板４０で構成されており、スロットは、誘電体基板４０を貫通して、導体面４１ａと導体面４１ｂとを電気的に接続するビアである。

以上のように、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置において、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれが、第１の放射構造３ａ、第２の放射構造３ｂ、および第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとを切り替えるスイッチ５Ａを有し、スイッチ５Ａが切り替えた放射構造から送信信号を放射する。放射電界位相が互いに異なる第１の放射構造３ａと第２の放射構造３ｂとの切り替えによって、素子アンテナ２Ｂから送信される送信信号は、二位相変調された信号となる。低損失なスイッチ５Ａを用いて送信信号に二位相変調を施すことができるので、素子アンテナ２Ｂごとに増幅器７を設けなくても、送信信号電力の低下が抑えられる。これにより、信号対雑音比を維持しながら増幅器の数を削減することができ、低消費電力化を実現できる。すなわち、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、従来のＤＢＦアレーアンテナと同等のビーム形成機能を有し、さらに従来のＤＢＦアレーアンテナに比べて信号の多重数分だけＤ／Ａ変換器および増幅器の数を削減できる。このため、低コスト、低消費電力、小型かつ軽量なアレーアンテナ装置を実現することが可能である。

なお、切り替えシーケンスは、素子アンテナ２Ｂの数と符号長が同じ直交符号で表してもよいし、符号長が素子アンテナ２Ｂの数よりも大きい直交符号で表してもよい。いずれであっても、上記と同様の効果が得られる。さらに、直交符号の代わりに、切り替えシーケンスを、Ｍ系列あるいはＧｏｌｄ系列といった擬似ランダム符号で表しても、符号分割多重された信号を逆拡散処理によって復調することができる。

また、これまでの説明では、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに対応する送信信号に対して二位相変調を施す場合を示したが、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、送信信号に４相以上の多相変調を施してもよい。例えば、エンコーダ部５７が、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに対応する送信信号に対して四位相変調を施し、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに、放射電界位相が互いに異なる４つの放射構造を設けて、スイッチ５Ａによって放射構造を切り替えて送信信号を送信してもよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態のそれぞれの自由な組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本発明に係るアレーアンテナ装置は、低消費電力化を実現できるので、無線通信またはレーダに利用可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ アレーアンテナ、２，２Ａ，２Ｂ，３８ 素子アンテナ、３ａ 第１の放射構造、３ｂ 第２の放射構造、４ａ，１６ａ 第１の給電構造部、４ｂ，１６ｂ 第２の給電構造部、５，５Ａ，１７ スイッチ、６ 合成回路、７，５１ 増幅器、８，５２ 周波数変換器、９，５３ 局部発振器、１０ Ａ／Ｄ変換器、１１，１８，２２，５５ シーケンス生成部、１２，１９，２３，５６ スイッチ制御回路、１３，２０，２４ デコーダ部、１４，２１，２５ ビーム形成部、１５ 放射構造、３０ 導波管、３１ａ 第１の広壁面、３１ｂ 第２の広壁面、３２ａ 第１の狭壁面、３２ｂ 第２の狭壁面、３３ａ 第１の端面、３３ｂ 第２の端面、３４ 第１のスロット、３５ 第２のスロット、３６ 第１のスイッチ、３７ 第２のスイッチ、３９ 給電構造部、３９ａ 給電プローブ、４０ 誘電体基板、４１ａ，４１ｂ 導体面、４２ 第１のスロット、４３ 第２のスロット、５０ 分配回路、５４ Ｄ／Ａ変換器、５７ エンコーダ部、５８ 送信ビーム形成部、１００ 中心線。

本発明は、アレーアンテナ装置に関する。

デジタルビームフォーマ構成のアレーアンテナ（以下、ＤＢＦアレーアンテナと記載する）は、例えば、無線通信またはレーダに用いられるアレーアンテナ装置であり、様々なビームを形成でき、複数のビームの同時形成も可能である。従来のＤＢＦアレーアンテナは、一般に、アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナのそれぞれに対し、増幅器、ダウンコンバータおよびアナログ／デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器と記載する）を備えている。このため、従来のＤＢＦアレーアンテナは、一般に、電力消費が多く、アンテナ体積が大きく、重量も重かった。

一方、例えば、特許文献１に記載されたアレーアンテナは、アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナのそれぞれに対して増幅器および二位相変調回路を備えており、さらに、合成回路、ダウンコンバータおよびＡ／Ｄ変換器を備えている。複数の素子アンテナのそれぞれによって受信され、増幅器によって増幅され、二位相変調回路によって位相変調された複数の受信信号は、合成回路によって合成される。合成後の信号は、ダウンコンバータによって周波数変換され、周波数変換後の信号は、Ａ／Ｄ変換器によってアナログ信号からデジタル信号に変換される。このように、特許文献１に記載されたアレーアンテナでは、合成回路によって多重化された信号の数だけＡ／Ｄ変換器の数を削減できる。

米国特許第５０７７５６２号明細書

二位相変調回路は、一般に、半導体素子を用いた回路であり、半導体素子を用いた回路は、通常、大きな通過損失（例えば、３ｄＢ以上の損失）を有する。特許文献１に記載されたアレーアンテナにおいて、二位相変調回路での通過損失に伴う受信信号電力の低下に起因した信号対雑音比の劣化を補償するため、素子アンテナごとに増幅器を設けている。このように、特許文献１に記載されたアレーアンテナは、増幅器の数を削減すると信号対雑音比が劣化するので、低消費電力化が困難であるという課題があった。

本発明は上記課題を解決するものであり、低消費電力化を実現することができるアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るアレーアンテナ装置は、放射電界位相が互いに異なる複数の放射構造体、放射構造体を切り替えるスイッチを有する素子アンテナが配列されたアレーアンテナと、放射構造体の切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を、素子アンテナごとに生成するシーケンス生成部と、シーケンス生成部によって生成されたシーケンス情報に基づいて、スイッチによる放射構造体の切り替えを制御するスイッチ制御回路と、複数の素子アンテナからのそれぞれの信号を合成する合成回路と、合成回路によって合成された信号を増幅する増幅器と、増幅器によって増幅された信号を周波数変換する周波数変換器と、周波数変換器によって周波数変換された信号をデジタル信号に変換する変換器とを備える。

本発明によれば、複数の素子アンテナのそれぞれが、放射電界位相が互いに異なる複数の放射構造体と、放射構造体を切り替えるスイッチとを有し、スイッチが切り替えた放射構造体で受信された受信信号を出力する。放射構造体の切り替えによって、素子アンテナから出力される受信信号は、放射電界位相が互いに異なる信号となり、例えば、二位相変調された信号となる。低損失なスイッチを用いて受信信号に二位相変調を施すことができるので、素子アンテナごとに増幅器を設けなくても、受信信号電力の低下が抑えられる。これにより、信号対雑音比の劣化を抑制しながら増幅器の数を削減でき、低消費電力化を実現することができる。

実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の動作を示すフローチャートである。 実施の形態２に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 図４Ａは、実施の形態２における放射構造体を示す斜視図である。図４Ｂは、実施の形態２における放射構造体を図４ＡのＡ−Ａ線で切った断面を示す断面矢示図である。 図５Ａは、実施の形態２における放射構造体の変形例を示す斜視図である。図５Ｂは、実施の形態２における放射構造体の変形例を図５Ａの矢印方向からみた様子を示す図である。 図６Ａは、実施の形態２における放射構造体の別の変形例を示す斜視図である。図６Ｂは、実施の形態２における放射構造体の別の変形例を図６Ａの矢印方向からみた様子を示す図である。 実施の形態３に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態３における導波管を図７のＢ−Ｂ線で切った断面を示す断面矢示図である。 導波管の広壁面における電流分布を示す図である。 図１０Ａは、実施の形態３における導波管の変形例を示す斜視図である。図１０Ｂは、実施の形態３における導波管の変形例を図１０ＡのＣ−Ｃ線で切った断面を示す断面矢示図である。図１０Ｃは、実施の形態３における導波管の変形例を図１０ＡのＤ−Ｄ線で切った断面を示す断面矢示図である。 実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すアレーアンテナ装置は、空間を伝搬してきた電磁波をアレーアンテナ１によって受信する。アレーアンテナ１には、複数の素子アンテナ２が一定の間隔で配列されている。複数の素子アンテナ２のそれぞれは、第１の放射構造体３ａ、第２の放射構造体３ｂ、第１の給電構造部４ａ、第２の給電構造部４ｂおよびスイッチ５を備える。

第１の放射構造体３ａは、第１の給電構造部４ａを有したアンテナであり、第２の放射構造体３ｂは、第２の給電構造部４ｂを有したアンテナである。第１の給電構造部４ａは、第１の放射構造体３ａで受信された信号を伝送する給電構造部であり、第２の給電構造部４ｂは、第２の放射構造体３ｂで受信された信号を伝送する給電構造部である。

第１の給電構造部４ａと第２の給電構造部４ｂは、放射電界位相が互いに異なる２つの給電構造部であり、例えば、放射電界位相値が互いに１８０度異なっている。すなわち、素子アンテナ２が有する２つの放射構造体は、放射電界位相が互いに異なる２つのアンテナであり、給電構造部は、これらのアンテナのそれぞれに１つずつ設けられている。

スイッチ５は、第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとを切り替えるものであり、いわゆる、シングルポールダブルスロー（以下、ＳＰＤＴと記載する）構造のスイッチである。ＳＰＤＴ構造のスイッチ５は、第１の給電構造部４ａが接続された第１の入力端子、第２の給電構造部４ｂが接続された第２の入力端子および両者に共通の出力端子を有する。

例えば、スイッチ５によって第１の放射構造体３ａに切り替えられると、第１の放射構造体３ａで受信された高周波信号は、第１の給電構造部４ａを介して第１の入力端子からスイッチ５に入力され、出力端子から出力される。一方、スイッチ５によって第２の放射構造体３ｂに切り替えられると、第２の放射構造体３ｂで受信された高周波信号は、第２の給電構造部４ｂを介して第２の入力端子からスイッチ５に入力され、出力端子から出力される。

図１に示すアレーアンテナ装置は、合成回路６、増幅器７、周波数変換器８、局部発振器９、Ａ／Ｄ変換器１０、シーケンス生成部１１、スイッチ制御回路１２、デコーダ部１３およびビーム形成部１４をさらに備える。複数の素子アンテナ２の各スイッチ５で切り替えられた高周波信号は、合成回路６に出力される。合成回路６は、アレーアンテナ１を構成する複数の素子アンテナ２のそれぞれから出力された高周波信号を合成し、合成した信号を増幅器７に出力する。増幅器７は、合成回路６によって合成された高周波信号の電力を予め設定された利得で増幅する。

周波数変換器８は、局部発振器９から入力した局部発振信号を用いて、増幅器７によって電力が増幅された高周波信号の周波数を中間周波数帯に周波数変換する。局部発振器９は、高周波信号の周波数変換に用いられる、予め設定された周波数の局部発振信号を発生する。Ａ／Ｄ変換器１０は、周波数変換器８によって周波数が中間周波数帯に変換された信号をデジタル信号に変換する変換器である。

シーケンス生成部１１は、第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとの切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を、素子アンテナ２ごとに生成する。放射構造体の切り替えシーケンスには、放射構造体の切り替えの時系列な順序と切り替え間隔が含まれる。素子アンテナ２ごとに生成されたシーケンス情報は、シーケンス生成部１１からスイッチ制御回路１２に出力される。

なお、シーケンス生成部１１は、記憶装置に記憶されたシーケンス情報を読み出し、読み出したシーケンス情報をスイッチ制御回路１２に出力してもよい。記憶装置は、アレーアンテナ装置が備えるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）またはハードディスクといった記憶装置であってもよいが、アレーアンテナ装置からアクセス可能な外部記憶装置であってもよい。

スイッチ制御回路１２は、シーケンス生成部１１によって生成されたシーケンス情報に基づいて、スイッチ５による第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとの切り替えを制御する。例えば、スイッチ制御回路１２は、シーケンス情報が示す切り替えシーケンスに基づいて、スイッチ５の動作を制御する制御信号を素子アンテナ２ごとに生成する。スイッチ５は、スイッチ制御回路１２から入力した制御信号に基づいて、第１の放射構造体３ａおよび第２の放射構造体３ｂのいずれかに切り替える。

デコーダ部１３は、シーケンス生成部１１によって生成されたシーケンス情報に基づいて、Ａ／Ｄ変換器１０から入力したデジタル信号から、複数の素子アンテナ２のそれぞれで受信された信号を分離する。ビーム形成部１４は、デコーダ部１３によって素子アンテナ２ごとに分離された信号を用いて、ビーム信号を形成する。ビーム形成部１４によって素子アンテナ２の個数分のビーム信号が形成される。

シーケンス生成部１１、デコーダ部１３およびビーム形成部１４の機能は、処理回路によって実現される。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であってもよい。例えば、処理回路とスイッチ制御回路１２とが、ネットワークを介して接続された別々の回路である場合、スイッチ制御回路１２は、ネットワークインタフェースを通じて処理回路からシーケンス情報を入力する。

また、デコーダ部１３およびビーム形成部１４は、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置とは別の外部装置が備えてもよい。すなわち、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置は、デコーダ部１３およびビーム形成部１４を備えていなくても、信号対雑音比を維持しながら低消費電力化を実現できる。なお、この場合、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置は、例えば、上記外部装置に通信接続してデコーダ部１３およびビーム形成部１４との間で信号をやり取りする。

次に動作について説明する。
図２は、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の動作を示すフローチャートである。
まず、複数の素子アンテナ２のそれぞれが有する第１の放射構造体３ａおよび第２の放射構造体３ｂが、空間から到来した高周波信号を受信する（ステップＳＴ１）。

一方、シーケンス生成部１１は、第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂの切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を素子アンテナ２ごとに生成する（ステップＳＴ２）。例えば、シーケンス生成部１１は、スイッチ５によって第１の放射構造体３ａに切り替えられた状態に１を割り当て、スイッチ５によって第２の放射構造体３ｂに切り替えられた状態に−１を割り当てて、［１ −１ １ ・・・１］のように１と−１を要素とした符号列で切り替えシーケンスが表現されたシーケンス情報を生成する。

実施の形態１では、複数の素子アンテナ２のそれぞれに対する切り替えシーケンスを、互いに直交した符号列である直交符号、すなわち、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ符号で表す。例えば、アレーアンテナ１を構成する素子アンテナ２の数が４つである場合、４つの素子アンテナ２のそれぞれに対する切り替えシーケンスは、［１ １ １ １］、［１ −１ １ −１］、［１ １ −１ −１］および［１ −１ −１ １］で表される。以下の説明では、切り替えシーケンスを表す直交符号が、素子アンテナ２の数と符号長が同じであるものとする。

スイッチ制御回路１２は、シーケンス生成部１１によって生成されたシーケンス情報に基づいて、素子アンテナ２ごとのスイッチ５を制御することで、複数の素子アンテナ２のそれぞれが有する第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂを順次切り替える（ステップＳＴ３）。例えば、スイッチ５は、切り替えシーケンスを符号列［１ −１ −１ １］で表したシーケンス情報に基づくと、第１の放射構造体３ａ、第２の放射構造体３ｂ、第２の放射構造体３ｂ、第１の放射構造体３ａの順に、時間Ｔｃごとに切り替えを行う。

第１の放射構造体３ａによって受信されて第１の給電構造部４ａからスイッチ５に入力された高周波信号と第２の放射構造体３ｂによって受信されて第２の給電構造部４ｂを介してスイッチ５に入力された高周波信号は、互いに１８０度位相が異なっている。このため、スイッチ５からの出力信号は、放射構造体の切り替えによって二位相変調が施された高周波信号となる。

第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとの切り替え間隔である時間Ｔｃが、高周波信号（受信信号）が有する情報パルスの継続時間（信号周期に相当する）Ｔｓよりも短い場合、シーケンス情報に基づいて、スイッチ５が、時間Ｔｓ内で、時間Ｔｃごとに第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとを切り替え、この切り替えは、時間Ｔｓごとに繰り返し実行される。第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとの切り替えによって二位相変調された高周波信号の周波数スペクトルは、第１の放射構造体３ａまたは第２の放射構造体３ｂによって受信された高周波信号の周波数スペクトラムに比べて広範な周波数帯域幅を有した、いわゆるスペクトル拡散された信号となる。

続いて、合成回路６は、複数の素子アンテナ２のそれぞれから出力された高周波信号を合成する（ステップＳＴ４）。例えば、合成回路６は、複数の素子アンテナ２のそれぞれから出力された高周波信号を合成し、直交符号によってスペクトル拡散された高周波信号の合成信号、すなわち符号分割多重された信号を生成する。

増幅器７が、合成回路６によって合成された高周波信号の電力を増幅し、周波数変換器８が、増幅器７によって増幅された高周波信号の周波数を中間周波数帯に周波数変換し、Ａ／Ｄ変換器１０が、周波数変換器８によって周波数変換された信号を、デジタル信号に変換する（ステップＳＴ５）。Ａ／Ｄ変換器１０によってデジタル信号に変換された合成信号は、デコーダ部１３に出力される。

次に、デコーダ部１３は、Ａ／Ｄ変換器１０から入力した合成信号に逆拡散処理を施して、複数の素子アンテナ２のそれぞれに受信された信号に分離する（ステップＳＴ６）。例えば、デコーダ部１３は、Ａ／Ｄ変換器１０から入力した合成信号に対し、シーケンス情報である、１と−１を要素とした符号列を乗算し、乗算した値を積分することで、素子アンテナ２の数だけデジタル信号を算出する。切り替えシーケンスは互いに直交する直交符号で表されるため、スイッチ５に設定された切り替えシーケンスを表す直交符号を合成信号に乗算して積分することで、そのスイッチ５を含んだ素子アンテナ２で受信された信号成分のみが得られ、そのスイッチ５での切り替えシーケンスとは異なる直交符号を合成信号に乗算して積分しても信号成分は０となる。これは、符号分割多重された信号に対して逆拡散処理を施して復調することに相当する。これにより、合成信号から、複数の素子アンテナ２のそれぞれに受信された信号が分離される。

この後、ビーム形成部１４は、デコーダ部１３によって合成信号から複数の素子アンテナ２のそれぞれに分離された信号を用いて、ビーム信号を形成する（ステップＳＴ７）。

以上のように、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置において、複数の素子アンテナ２のそれぞれが、第１の放射構造体３ａ、第２の放射構造体３ｂ、および第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとを切り替えるスイッチ５を有し、スイッチ５が切り替えた放射構造体によって受信された受信信号を出力する。放射電界位相が互いに異なる第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとの切り替えによって、素子アンテナ２から出力される受信信号は、二位相変調された信号となる。低損失なスイッチ５を用いて受信信号に二位相変調を施すことができるので、素子アンテナ２ごとに増幅器７を設けなくても、受信信号電力の低下が抑えられる。これにより、信号対雑音比の劣化を抑制しながら増幅器の数を削減できるので、低消費電力化を実現できる。すなわち、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置は、従来のＤＢＦアレーアンテナと同等のビーム形成機能を有し、さらに、従来のＤＢＦアレーアンテナに比べて、信号の多重数分だけ増幅器の数を削減できる。このため、低コスト、低消費電力、小型かつ軽量なアレーアンテナ装置を実現できる。

なお、これまでの説明では、切り替えシーケンスを素子アンテナ２の数と符号長が同じ直交符号で表したが、切り替えシーケンスは、符号長が素子アンテナ２の数よりも大きい直交符号で表してもよく、上記と同様の効果が得られる。さらに、直交符号の代わりに、切り替えシーケンスを、Ｍ系列あるいはＧｏｌｄ系列といった擬似ランダム符号で表しても、符号分割多重された信号を逆拡散処理によって復調することができる。

また、これまでの説明では、放射電界位相が互いに異なる第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂを、スイッチ５を用いて切り替えることで、受信信号に二位相変調を施す場合を示したが、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置は、受信信号に４相以上の多相変調を施すように構成されてもよい。例えば、複数の素子アンテナ２のそれぞれに、放射電界位相が互いに異なる４つの放射構造体を設け、スイッチ５によって放射構造体を切り替えることで、受信信号に四位相変調を施すことが可能である。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図３に示すアレーアンテナ装置は、空間を伝搬してきた電磁波をアレーアンテナ１Ａによって受信する。アレーアンテナ１Ａには、複数の素子アンテナ２Ａが一定の間隔で配列されている。複数の素子アンテナ２Ａのそれぞれは、放射構造体１５、第１の給電構造部１６ａ、第２の給電構造部１６ｂおよびスイッチ１７を備えている。なお、図３において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

放射構造体１５は、その中心に点対称な構造を有したアンテナであり、第１の給電構造部１６ａと第２の給電構造部１６ｂとを有する。第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、放射構造体１５で受信された高周波信号を伝送する給電構造である。放射構造体１５は、単一のアンテナであり、このアンテナは、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂを異なる位置にそれぞれ有する。例えば、第１の給電構造部１６ａと放射構造体１５との接続点と、第２の給電構造部１６ｂと放射構造体１５との接続点とは、放射構造体１５の中心に対して点対称な位置に設けられる。

放射構造体１５は、単一のアンテナとして実現されるが、第１の給電構造部１６ａを有した放射構造体と、第２の給電構造部１６ｂを有した放射構造体との両方の機能を有する。
スイッチ１７は、第１の給電構造部１６ａに切り替えることにより、放射構造体１５を、第１の給電構造部１６ａを有した放射構造体として機能させ、第２の給電構造部１６ｂに切り替えることにより、放射構造体１５を、第２の給電構造部１６ｂを有した放射構造体として機能させる。すなわち、スイッチ１７は、第１の給電構造部１６ａを有した放射構造体と、第２の給電構造部１６ｂを有した放射構造体とを切り替えるスイッチである。

また、スイッチ１７はＳＰＤＴ構造のスイッチであり、第１の給電構造部１６ａが接続された第１の入力端子と、第２の給電構造部１６ｂが接続された第２の入力端子と、両者に共通の出力端子とを有する。例えば、スイッチ１７によって第１の給電構造部１６ａに切り替えられると、放射構造体１５で受信された高周波信号は、第１の給電構造部１６ａを介して、第１の入力端子からスイッチ１７に入力され、出力端子から出力される。一方、スイッチ１７によって第２の給電構造部１６ｂに切り替えられると、放射構造体１５で受信された高周波信号は、第２の給電構造部１６ｂを介して第２の入力端子からスイッチ１７に入力され、出力端子から出力される。

図３に示すアレーアンテナ装置は、合成回路６、増幅器７、周波数変換器８、局部発振器９、Ａ／Ｄ変換器１０、シーケンス生成部１８、スイッチ制御回路１９、デコーダ部２０およびビーム形成部２１をさらに備える。シーケンス生成部１８は、放射構造体の切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を素子アンテナ２Ａごとに生成する。放射構造体の切り替えシーケンスには、放射構造体の切り替えの時系列な順序と切り替え間隔が含まれる。素子アンテナ２Ａごとに生成されたシーケンス情報は、シーケンス生成部１８からスイッチ制御回路１９に出力される。

なお、シーケンス生成部１８は、記憶装置に記憶されたシーケンス情報を読み出し、読み出したシーケンス情報をスイッチ制御回路１９に出力してもよい。記憶装置は、アレーアンテナ装置が備えるＲＡＭまたはハードディスクといった記憶装置であってもよいが、アレーアンテナ装置からアクセス可能な外部記憶装置であってもよい。

例えば、シーケンス生成部１８は、実施の形態１と同様に、スイッチ１７によって第１の給電構造部１６ａを有する放射構造体に切り替えられた状態に１を割り当て、スイッチ１７によって第２の給電構造部１６ｂを有する放射構造体に切り替えられた状態に−１を割り当てて、１と−１を要素とした符号列で切り替えシーケンスが表現されたシーケンス情報を生成する。

スイッチ制御回路１９は、シーケンス生成部１８によって生成されたシーケンス情報に基づいて、スイッチ１７による切り替えを制御する。例えば、スイッチ制御回路１９は、シーケンス生成部１８から入力したシーケンス情報が示す切り替えシーケンスに基づいて、スイッチ１７の動作を制御する制御信号を素子アンテナ２Ａごとに生成する。

スイッチ１７は、スイッチ制御回路１９から設定された制御信号に基づいて、第１の給電構造部１６ａを有する放射構造体と第２の給電構造部１６ｂを有する放射構造体とのいずれかに切り替える。例えば、切り替えシーケンスを符号列［１ −１ −１ １］で表したシーケンス情報に基づいて、スイッチ１７は、第１の給電構造部１６ａ、第２の給電構造部１６ｂ、第２の給電構造部１６ｂ、第１の給電構造部１６ａの順に、時間Ｔｃごとに切り替えを行う。

放射構造体１５によって受信されて第１の給電構造部１６ａからスイッチ１７に入力された高周波信号と、放射構造体１５によって受信されて第２の給電構造部１６ｂを介してスイッチ１７に入力された高周波信号は、互いに１８０度位相が異なる。スイッチ１７からの出力信号は、放射構造体の切り替えによって二位相変調が施された高周波信号となる。切り替え間隔である時間Ｔｃが、高周波信号（受信信号）が有する情報パルスの継続時間（信号周期）Ｔｓよりも短い場合、二位相変調された高周波信号の周波数スペクトラムは、スペクトル拡散された信号となる。

デコーダ部２０は、シーケンス生成部１８によって生成されたシーケンス情報に基づいて、Ａ／Ｄ変換器１０から入力されたデジタル信号のうちから、複数の素子アンテナ２Ａのそれぞれで受信された信号を分離する。例えば、デコーダ部２０は、Ａ／Ｄ変換器１０から入力した合成信号に対して、シーケンス情報である、１と−１を要素とした符号列を乗算して積分することで、素子アンテナ２Ａの数だけデジタル信号を算出する。切り替えシーケンスは互いに直交する直交符号で表されるため、スイッチ１７に設定された切り替えシーケンスを表す直交符号を合成信号に乗算して積分することで、そのスイッチ１７を含む素子アンテナ２Ａで受信された信号成分のみが得られ、そのスイッチ１７での切り替えシーケンスとは異なる直交符号を合成信号に乗算して積分しても信号成分は０となる。これは、符号分割多重された信号に対して逆拡散処理を施して復調することに相当する。これにより、合成信号から、複数の素子アンテナ２Ａのそれぞれに受信された信号が分離される。

ビーム形成部２１は、デコーダ部２０によって素子アンテナ２Ａごとに分離された信号を用いて、ビーム信号を形成する。ビーム形成部２１によって素子アンテナ２Ａの個数分のビーム信号が形成される。

また、デコーダ部２０およびビーム形成部２１は、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置とは別の外部装置が備えてもよい。すなわち、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置は、デコーダ部２０およびビーム形成部２１を備えていなくても、信号対雑音比を維持しながら低消費電力化を実現できる。なお、この場合、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置は、例えば、上記外部装置に通信接続してデコーダ部２０およびビーム形成部２１との間で信号をやり取りする。

シーケンス生成部１８、デコーダ部２０およびビーム形成部２１の機能は、処理回路によって実現される。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵであってもよい。例えば、処理回路とスイッチ制御回路１９とが、ネットワークを介して接続された別々の回路である場合、スイッチ制御回路１９は、ネットワークインタフェースを通じて処理回路からシーケンス情報を入力する。

図４Ａは、放射構造体１５を示す斜視図である。図４Ｂは、放射構造体１５を図４ＡのＡ−Ａ線で切った断面を示す断面矢示図である。放射構造体１５は、図４Ａおよび図４Ｂに示すような、方形のパッチアンテナで実現することができる。このパッチアンテナは、図４Ｂに示すように、ピン給電のパッチアンテナであり、２つのピンが第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂである。図４Ａに示すように、第１の給電構造部１６ａと第２の給電構造部１６ｂとは、パッチアンテナの中心に対して互いに点対称な位置に配置されている。

図４Ａおよび図４Ｂにおいて、方形のパッチアンテナを示したが、放射構造体１５は、円形のパッチアンテナであってもよい。また、放射構造体１５は、電磁結合給電のパッチアンテナであってもよい。この場合、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、電磁結合で給電する構造部で実現される。

図５Ａは、放射構造体１５の変形例を示す斜視図である。図５Ｂは、放射構造体１５の変形例を図５Ａの矢印方向からみた様子を示す図である。放射構造体１５は、図５Ａおよび図５Ｂに示すような、導波管開口アンテナで実現することができる。この導波管開口アンテナは、図５Ｂに示すように、プローブ給電の導波管開口アンテナであり、２つのプローブが第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂである。図５Ｂに示すように、第１の給電構造部１６ａと第２の給電構造部１６ｂは導波管開口アンテナの中心軸に対して点対称な位置に配置されている。

開口形状が方形の導波管開口アンテナを示したが、放射構造体１５は、開口形状が円形の導波管開口アンテナであってもよい。また、放射構造体１５は、スロットまたは導波管で給電する導波管開口アンテナであってもよい。この場合、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、スロットまたは導波管で実現される。

図６Ａは、放射構造体１５の別の変形例を示す斜視図である。図６Ｂは、放射構造体１５の別の変形例を図６Ａの矢印方向からみた様子を示す図である。放射構造体１５は、図６Ａおよび図６Ｂに示すような、ホーンアンテナで実現することができる。このホーンアンテナは、図６Ｂに示すように、プローブ給電のホーンアンテナであり、２つのプローブが第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂである。図６Ｂに示すように、第１の給電構造部１６ａと第２の給電構造部１６ｂはホーンアンテナの中心軸に対して点対称な位置に配置されている。

開口形状が方形のホーンアンテナを示したが、放射構造体１５は、開口形状が円形のホーンアンテナであってもよい。また、放射構造体１５は、スロットまたは導波管で給電するホーンアンテナであってもよい。この場合、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、スロットまたは導波管で実現される。

実施の形態１に係るアレーアンテナ装置において、複数の素子アンテナ２のそれぞれが有する放射構造体は、電界放射パターンの位相値が互いに１８０度異なる一対のアンテナであった。すなわち、素子アンテナ２には、２つのアンテナが互いに独立して配置されているので、素子アンテナ２が占有する面積は、素子アンテナが単一のアンテナで構成される場合よりも大きくなる。このため、複数の素子アンテナ２を配列した１次元アレーまたは２次元アレーでは、隣接する素子アンテナ２同士の間隔が広くなってしまう。

一般に、ＤＢＦアレーアンテナでは、一定のビーム走査範囲内でグレーティングローブが発生しない間隔で素子アンテナを配列する必要があり、通常、動作周波数における波長の０．５〜０．８倍程度の間隔で素子アンテナが配列されている。例えば、放射構造体が、動作周波数における波長の０．３〜０．５倍程度の大きさである場合、２つの放射構造体が互いに独立して配置された素子アンテナ２は、上記間隔で配列させることが困難である。

これに対して、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置は、複数の素子アンテナ２Ａのそれぞれが有する放射構造体１５が単一のアンテナであり、その中心に対して点対称な位置に第１の給電構造部１６ａと第２の給電構造部１６ｂとの接続点を有している。放射構造体１５が単一のアンテナであるので、素子アンテナ２Ａが占有する面積は、素子アンテナ２よりも小さい。

また、放射構造体１５上の電流分布または内部の電界分布は、放射構造体１５が基本モードで動作する場合、一般に、構造の対称性から振幅分布は対称となり、位相分布は左右反転したような分布となる。このため、放射構造体１５の中心に対して点対称な位置に接続点を有する第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂのそれぞれには、放射構造体１５で受信された信号が、等振幅で逆位相、すなわち、互いに１８０度位相が異なる信号として伝送される。

以上のように、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置において、放射構造体１５は、単一のアンテナであり、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、単一のアンテナの異なる位置にそれぞれ配置されている。例えば、単一のアンテナが、円形または方形のパッチアンテナである場合に、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、パッチアンテナの中心に対して互いに点対称な位置に配置されている。また、単一のアンテナが、導波管開口アンテナまたはホーンアンテナである場合、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂは、導波管開口アンテナまたはホーンアンテナの中心軸に対して点対称な位置に配置されている。

放射構造体１５の中心に対して点対称な位置に接続点を有する第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂのそれぞれには、放射構造体１５で受信された信号が、等振幅で逆位相、すなわち互いに１８０度位相が異なる信号として伝送される。
このように、スイッチ１７によって第１の給電構造部１６ａを有する放射構造体と第２の給電構造部１６ｂを有する放射構造体が切り替えられると、素子アンテナ２Ａから出力される受信信号は、二位相変調された信号となる。すなわち、低損失なスイッチ１７を用いて受信信号に対して二位相変調を施すことができるので、素子アンテナ２Ａごとに増幅器７を設けなくても、受信信号電力の低下が抑えられる。これにより、信号対雑音比の劣化を抑制しながら増幅器の数を削減でき、低消費電力化を実現することができる。

実施の形態２に係るアレーアンテナ装置は、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置と同様の効果が得られるとともに、実施の形態１に示した装置構成に比べて素子アンテナの占有面積を小さくできるため、より小さなアレーアンテナ装置を実現できる。また、素子アンテナをより密に配置することが可能であるため、より広角方向にビーム走査が可能なアレーアンテナ装置を実現することができる。

なお、これまでの説明では、切り替えシーケンスを素子アンテナ２の数と符号長が同じ直交符号で表したが、切り替えシーケンスは、符号長が素子アンテナ２の数よりも大きい直交符号で表してもよく、上記と同様の効果が得られる。さらに、直交符号の代わりに、切り替えシーケンスを、Ｍ系列あるいはＧｏｌｄ系列といった擬似ランダム符号で表しても、符号分割多重された信号を逆拡散処理によって復調することができる。

また、これまでの説明では、受信信号に二位相変調を施す場合を示したが、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置は、受信信号に４相以上の多相変調を施すように構成されてもよい。例えば、複数の素子アンテナ２Ａのそれぞれに、放射電界位相が互いに異なる４つの給電構造部を放射構造体１５に設けて、スイッチ１７で切り替えることで、受信信号に四位相変調を施すことが可能である。このとき、４つの給電構造部と放射構造体１５との接続点は、放射構造体１５の中心に対して互いに点対称な位置に配置される。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図７において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。図８は、図７の導波管３０を図７のＢ−Ｂ線で切った断面を示す断面矢示図である。図７に示したアレーアンテナ装置は、アレーアンテナ１Ｂ、増幅器７、周波数変換器８、局部発振器９、Ａ／Ｄ変換器１０、シーケンス生成部２２、スイッチ制御回路２３、デコーダ部２４およびビーム形成部２５を備える。また、図７に示したアレーアンテナ装置は、図１および図３に示した合成回路として機能する導波管３０を備える。

アレーアンテナ１Ｂは、導波管３０の第１の広壁面３１ａに複数の素子アンテナ３８が一定の間隔で配列されて構成されている。複数の素子アンテナ３８のそれぞれは、第１のスロット３４、第２のスロット３５、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７を備える。なお、図７では、導波管３０に４つの素子アンテナ３８を設けた場合を示したが、導波管３０に５以上の素子アンテナ３８を設けてもよい。

導波管３０は、互いに対向した一対の第１の広壁面３１ａおよび第２の広壁面３１ｂ、これら広壁面の長手方向の両側に隣接した一対の第１の狭壁面３２ａおよび第２の狭壁面３２ｂ、および、広壁面と狭壁面の両方に隣接した一対の第１の端面３３ａおよび第２の端面３３ｂを有し、金属で形成された矩形導波管である。導波管３０における第１の端面３３ａおよび第２の端面３３ｂのそれぞれは、導体壁によって短絡された短絡面となっている。

第１のスロット３４および第２のスロット３５は、空間を伝搬してきた電磁波を受信する放射構造体である。また、第１のスロット３４および第２のスロット３５は、導波管３０が有する第１の広壁面３１ａおよび第２の広壁面３１ｂのうちの一方である第１の広壁面３１ａに設けられ、互いに同一の寸法で、導波管３０の管軸方向に長くかつ互いに平行な２つの細長い穴である。第１のスロット３４および第２のスロット３５の長手方向の寸法のそれぞれは、自由空間波長の半波長程度の長さである。

隣り合った素子アンテナ３８と素子アンテナ３８において、一方の素子アンテナ３８が有する第１のスロット３４と、他方の素子アンテナ３８が有する第１のスロット３４との間隔は、導波管３０の動作周波数における管内波長λの２分の１である。同様に、隣り合った一方の素子アンテナ３８が有する第２のスロット３５と、他方の素子アンテナ３８が有する第２のスロット３５との間隔は、導波管３０の動作周波数における管内波長λの２分の１である。

また、第１の端面３３ａに最も近い第１のスロット３４および第２のスロット３５は、当該スロットの中心から第１の端面３３ａまでの距離が管内波長λの４分の１である位置に配置されている。同様に、第２の端面３３ｂに最も近い第１のスロット３４および第２のスロット３５は、当該スロットの中心から第２の端面３３ｂまでの距離が管内波長λの４分の１である位置に配置されている。

また、第１のスロット３４および第２のスロット３５は、第１の広壁面３１ａにおける、導波管３０の管軸方向に平行な中心線（例えば、図７のＢ−Ｂ線）を境とした一方の側の位置と他方の側の位置とに設けられる。例えば、第１のスロット３４および第２のスロット３５は、第１の広壁面３１ａにおける、導波管３０の管軸方向に平行な中心線に関して、互いに対称な位置に配置される。これにより、素子アンテナ３８は、いわゆる、定在波励振型の導波管スロットアレーを構成する。

なお、隣り合った素子アンテナ３８同士のスロットの間隔、および、短絡面に最も近いスロットと短絡面との距離を、任意に設定することで、素子アンテナ３８は、いわゆる、進行波励振型の導波管スロットとして機能する。

第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７は、オン状態とオフ状態が切り替えられるスイッチであり、例えば、ＰＩＮダイオード、電界効果トランジスタおよびＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いて構成された高周波スイッチである。当該高周波スイッチは、一般に１ｄＢ以下程度の通過損失であり、二位相変調回路の通過損失よりも２ｄＢ程度低い。図７に示すように、第１のスイッチ３６は、第１のスロット３４の中央部に設けられ、第２のスイッチ３７は、第２のスロット３５の中央部に設けられている。

複数の素子アンテナ３８のそれぞれにおいて、第１のスイッチ３６がオン状態であるとき、第２のスイッチ３７はオフ状態となるように同期している。例えば、第１のスイッチ３６がオン状態であるとき、第１のスロット３４はスロットアンテナとして動作状態となり、このとき、第２のスイッチ３７はオフ状態となり、第２のスロット３５は非動作状態になる。反対に、第２のスイッチ３７がオン状態であるとき、第２のスロット３５はスロットアンテナとして動作状態となり、このとき、第１のスイッチ３６はオフ状態となり、第１のスロット３４は非動作状態になる。

図８に示すように、給電構造部３９は、導波管３０の第２の広壁面３１ｂに設けられた導波管給電構造である。給電構造部３９は、第２の広壁面３１ｂの中心に設けられた出力端子と、導波管３０の内部に挿入された給電プローブ３９ａとを有し、出力端子は、増幅器７に接続されている。これにより、導波管３０は、図１および図３に示した合成回路として機能する。

なお、給電構造部３９は、導波管３０の第２の広壁面３１ｂにおける任意の位置に設けてもよい。さらに、給電構造部３９は、第２の広壁面３１ｂに設けた導波管Ｔ分岐を含む構成であってもよいし、導波管３０の短絡面（第１の端面３３ａと第２の端面３３ｂ）側に出力端子を有する構造であってもよい。

シーケンス生成部２２は、放射構造体の切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を素子アンテナ３８ごとに生成する。放射構造体の切り替えシーケンスには、例えば、第１のスイッチ３６と第２のスイッチ３７との切り替えの時系列な順序と切り替え間隔が含まれる。素子アンテナ３８ごとに生成されたシーケンス情報は、シーケンス生成部２２からスイッチ制御回路２３に出力される。

なお、シーケンス生成部２２は、記憶装置に記憶されたシーケンス情報を読み出し、読み出したシーケンス情報をスイッチ制御回路２３に出力してもよい。記憶装置は、アレーアンテナ装置が備えるＲＡＭまたはハードディスクといった記憶装置であってもよいが、アレーアンテナ装置からアクセス可能な外部記憶装置であってもよい。

例えば、シーケンス生成部２２は、第１のスイッチ３６がオンになって第１のスロット３４が高周波信号を受信しかつ第２のスイッチ３７がオフになって第２のスロット３５が高周波信号を受信できない状態に１を割り当て、第２のスイッチ３７がオンになって第２のスロット３５が高周波信号を受信しかつ第１のスイッチ３６がオフになって第１のスロット３４が高周波信号を受信できない状態に−１を割り当てて、［１ −１ １ ・・・１］のような１と−１を要素とした符号列で切り替えシーケンスが表現されたシーケンス情報を生成する。

スイッチ制御回路２３は、シーケンス生成部２２によって生成されたシーケンス情報に基づいて、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７のオンとオフの切り替えを制御する。例えば、スイッチ制御回路２３は、シーケンス生成部２２から入力したシーケンス情報が示す切り替えシーケンスに基づいて、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７の動作を制御する制御信号を素子アンテナ３８ごとに生成する。

第１のスイッチ３６は、スイッチ制御回路２３から設定された制御信号に基づいて、オンとオフのいずれかの状態に切り替わる。同様に、第２のスイッチ３７は、スイッチ制御回路２３から設定された制御信号に基づいて、オンとオフのいずれかの状態に切り替わる。例えば、切り替えシーケンスを符号列［１ −１ −１ １］で表したシーケンス情報に基づいて、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７がオンオフすることにより、第１のスロット３４、第２のスロット３５、第２のスロット３５、第１のスロット３４の順に、時間Ｔｃごとにスロットアンテナの動作状態が切り替わる。

第１のスロット３４によって受信された高周波信号と第２のスロット３５によって受信された高周波信号とは、互いに１８０度位相が異なる。このため、素子アンテナ３８からの出力信号は、第１のスロット３４と第２のスロット３５の動作状態の切り替えによって二位相変調が施された高周波信号となる。第１のスロット３４と第２のスロット３５との動作状態の切り替え間隔である時間Ｔｃが、高周波信号（受信信号）が有する情報パルスの継続時間（信号周期に相当する）Ｔｓよりも短い場合、シーケンス情報に基づいて、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７が、時間Ｔｓ内で、時間Ｔｃごとに第１のスロット３４と第２のスロット３５との動作状態を切り替え、この切り替えは、時間Ｔｓごとに繰り返し実行される。第１のスロット３４と第２のスロット３５との動作状態の切り替えによって二位相変調された高周波信号の周波数スペクトルは、第１のスロット３４あるいは第２のスロット３５によって受信された高周波信号の周波数スペクトラムに比べて広範な周波数帯域幅を有した、いわゆるスペクトル拡散された信号となる。

デコーダ部２４は、シーケンス生成部２２によって生成されたシーケンス情報に基づいて、Ａ／Ｄ変換器１０から入力されたデジタル信号のうちから、複数の素子アンテナ３８のそれぞれで受信された信号を分離する。例えば、デコーダ部２４は、Ａ／Ｄ変換器１０から入力した合成信号に対して、シーケンス情報である、１と−１を要素とした符号列を乗算して積分することで、素子アンテナ３８の数だけデジタル信号を算出する。切り替えシーケンスは互いに直交する直交符号で表されるため、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７に設定された切り替えシーケンスを表す直交符号を合成信号に乗算して積分することで、その第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７を含む素子アンテナ３８で受信された信号成分のみが得られ、その第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７での切り替えシーケンスとは異なる直交符号を合成信号に乗算して積分しても信号成分は０となる。これは、符号分割多重された信号に対して逆拡散処理を施して復調することに相当する。これにより、合成信号から、複数の素子アンテナ３８のそれぞれに受信された信号が分離される。

ビーム形成部２５は、デコーダ部２４によって素子アンテナ３８ごとに分離された信号を用いて、ビーム信号を形成する。ビーム形成部２５によって素子アンテナ３８の個数分のビーム信号が形成される。

また、デコーダ部２４およびビーム形成部２５は、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置とは別の外部装置が備えてもよい。すなわち、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、デコーダ部２４およびビーム形成部２５を備えていなくても、信号対雑音比を維持しながら低消費電力化を実現できる。なお、この場合、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、例えば、上記外部装置に通信接続してデコーダ部２４およびビーム形成部２５との間で信号をやり取りする。

シーケンス生成部２２、デコーダ部２４およびビーム形成部２５の機能は、処理回路によって実現される。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵであってもよい。例えば、処理回路とスイッチ制御回路２３とが、ネットワークを介して接続された別々の回路である場合、スイッチ制御回路２３は、ネットワークインタフェースを通じて処理回路からシーケンス情報を入力する。

一般に、誘電体基板を用いて形成されたアンテナおよび信号線路は、通過損失が大きいため、アンテナおよび信号線路において信号強度が低下し、信号対雑音比が劣化する傾向がある。これに対し、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、アレーアンテナおよび合成回路の信号線路として低損失な導波管３０を備えるので、複数の素子アンテナ３８の受信信号強度の低下が抑制され、信号対雑音比の劣化を抑制することができる。信号線路における通過損失が低減されるため、高効率なアレーアンテナ装置を実現できる。

図９は、導波管３０の第１の広壁面３１ａにおける電流分布を示す図である。例えば、導波管３０が基本モードで動作している場合、図９に示すように、第１の広壁面３１ａでは、第１の広壁面３１ａにおける、導波管３０の管軸方向に平行な中心線１００から外側に向かって電流が流れる、あるいは、電流が外側から中心線１００に向かって流れる電流分布となっている。第１のスロット３４および第２のスロット３５は、第１の広壁面３１ａにおける電流の流れを遮る位置に設けられる。これにより、第１のスロット３４および第２のスロット３５は、空間から到来する高周波信号を導波管３０の内部に伝送することができる。

第１の広壁面３１ａにおける電流分布は、第１の広壁面３１ａにおける中心線１００に関して対称な分布となっている。このため、第１のスロット３４で受信された高周波信号と第２のスロット３５で受信された高周波信号は、互いに逆位相、すなわち互いに１８０度位相の異なる信号として導波管３０へ伝送される。

また、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、金属のみで構成された導波管の代わりに、下記に示す導波管を備えてもよい。
図１０Ａは、実施の形態３における導波管３０の変形例を示す斜視図である。図１０Ｂは、実施の形態３における導波管３０の変形例を図１０ＡのＣ−Ｃ線で切った断面を示す断面矢示図である。図１０Ｃは、実施の形態３における導波管３０の変形例を図１０ＡのＤ−Ｄ線で切った断面を示す断面矢示図である。図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すように、導波管３０は、第１の広壁面３１ａの代わりに誘電体基板４０を有している。

誘電体基板４０は、図１０Ｂに示すように、表面に導体面４１ａを有し、裏面に導体面４１ｂを有する。誘電体基板４０には、４つの素子アンテナを有するアレーアンテナ１Ｃが形成されている。第１のスロット４２および第２のスロット４３は、１つの素子アンテナを構成するスロット対である。第１のスロット４２および第２のスロット４３は、誘電体基板面４０を貫通して、導体面４１ａと導体面４１ｂとを電気的に接続するビアである。スロットを設ける面を誘電体基板４０で構成したので、金属の第１の広壁面３１ａよりもスイッチの実装が容易である。

これまでの説明では、導波管３０が矩形導波管である場合を示したが、導波管３０は、一対の広壁面の両方またはいずれか一方における管軸方向に平行な中心線を通る金属壁を有したリッジ導波管であってもよい。例えば、当該リッジ導波管は、導波管３０の第１の広壁面３１ａにおいて管軸方向に平行な中心線を通る金属壁を有している。また、当該リッジ導波管は、以下の（１）〜（４）に示す特徴のいずれかまたは全てを有していてもよい。特徴（１）として、複数のスロットが、第１の広壁面３１ａにおける管軸方向に平行な中心線に関して互いに対称な位置に配置されている。特徴（２）として、当該リッジ導波管の端面が短絡されており、上記スロットは、動作周波数における管内波長の２分の１の間隔で第１の広壁面３１ａに配列されている。特徴（３）として、当該リッジ導波管において、第１の広壁面３１ａにおいて端面に最も近いスロットは、当該スロットの中心から当該端面までの距離が管内波長の４分の１である位置に配置されている。特徴（４）として、当該リッジ導波管の第１の広壁面３１ａは、表と裏に導体面４１ａ，４１ｂを有した誘電体基板４０で構成されており、スロットは、誘電体基板４０を貫通して、導体面４１ａと導体面４１ｂとを電気的に接続するビアである。導波管３０が、前述のように構成されたリッジ導波管であっても、上記と同様の効果が得られる。

以上のように、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、合成回路として機能する導波管３０を備え、導波管３０の第１の広壁面３１ａには、導波管３０の管軸方向に長くかつ平行な第１のスロット３４および第２のスロット３５が形成されている。第１のスロット３４および第２のスロット３５は、第１の広壁面３１ａにおける、管軸方向に平行な中心線１００を境とした一方の側の位置と他方の側の位置とに設けられる。第１のスイッチ３６は、第１のスロット３４の長手方向の中央部に配置され、第２のスイッチ３７は、第２のスロット３５の長手方向の中央部に配置されている。
このように、第１のスイッチ３６および第２のスイッチ３７によって第１のスロット３４の動作状態と第２のスロット３５の動作状態とを切り替えることで、素子アンテナ３８から出力される受信信号は、二位相変調された信号となる。信号位相が互いに１８０度異なる２つのスイッチとスロットを用いて受信信号に対して二位相変調を施すことができるので、素子アンテナ３８ごとに増幅器７を設けなくても、受信信号電力の低下が抑えられる。これにより、信号対雑音比の劣化を抑制しながら増幅器の数を削減でき、低消費電力化を実現することができる。また、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、低損失な導波管３０を用いることにより、高効率なアレーアンテナ装置を実現することができる。

実施の形態４．
実施の形態１から３では、空間から到来した高周波信号を受信するアレーアンテナ装置を示したが、実施の形態４は、空間へ高周波信号を送信するアレーアンテナ装置について説明する。

図１１は、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１１に示すアレーアンテナ装置は、アレーアンテナ１Ｄによって電磁波を空間へ送信する。アレーアンテナ１Ｄには、複数の素子アンテナ２Ｂが一定の間隔で配列されている。複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれは、第１の放射構造体３ａ、第２の放射構造体３ｂ、第１の給電構造部４ａ、第２の給電構造部４ｂおよびスイッチ５Ａを備える。

第１の放射構造体３ａは、第１の給電構造部４ａを有したアンテナであり、第２の放射構造体３ｂは、第２の給電構造部４ｂを有したアンテナである。第１の給電構造部４ａは、第１の放射構造体３ａから送信する送信信号を伝送する給電構造部であり、第２の給電構造部４ｂは、第２の放射構造体３ｂから送信する送信信号を伝送する給電構造部である。

第１の給電構造部４ａと第２の給電構造部４ｂは、放射電界位相が互いに異なる２つの給電構造部であり、例えば、電界放射パターンの位相値が互いに１８０度異なっている。すなわち、素子アンテナ２Ｂが有する複数の放射構造体は、放射電界位相が互いに異なる複数のアンテナであり、給電構造部は、これらのアンテナのそれぞれに１つずつ設けられている。

スイッチ５Ａは、第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂを切り替えるものであり、ＳＰＤＴ構造のスイッチである。ＳＰＤＴ構造のスイッチ５Ａは、第１の給電構造部４ａが接続された第１の出力端子、第２の給電構造部４ｂが接続された第２の出力端子および両者に共通の入力端子を有する。

例えば、スイッチ５Ａによって第１の放射構造体３ａに切り替えられると、入力端子からスイッチ５Ａに入力された送信信号は、第１の出力端子から第１の給電構造部４ａに出力され、第１の給電構造部４ａから第１の放射構造体３ａへ伝送されて、第１の放射構造体３ａから空間へ送信される。一方、スイッチ５Ａによって第２の放射構造体３ｂに切り替えられると、入力端子からスイッチ５Ａに入力された送信信号は、第２の出力端子から第２の給電構造部４ｂに出力され、第２の給電構造部４ｂから第２の放射構造体３ｂへ伝送されて、第２の放射構造体３ｂから空間へ送信される。

図１１に示すアレーアンテナ装置は、分配回路５０、増幅器５１、周波数変換器５２、局部発振器５３、Ｄ／Ａ変換器５４、シーケンス生成部５５、スイッチ制御回路５６、エンコーダ部５７および送信ビーム形成部５８を、さらに備える。分配回路５０は、増幅器５１から入力した送信信号を複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに分配する。増幅器５１は、周波数変換器５２によって周波数を高周波数帯に変換された送信信号の電力を、予め設定された利得で増幅する。

周波数変換器５２は、局部発振器５３から入力した局部発振信号を用いて、Ｄ／Ａ変換器５４によってアナログ信号に増幅された送信信号の周波数を高周波数帯に周波数変換する。局部発振器５３は、周波数変換器５２による周波数変換に用いられる、予め設定された周波数の局部発振信号を発生する。Ｄ／Ａ変換器５４は、エンコーダ部５７から入力した信号をアナログ信号に変換する変換器である。

シーケンス生成部５５は、第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとの切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を、素子アンテナ２Ｂごとに生成する。放射構造体の切り替えシーケンスには、放射構造体の切り替えの時系列な順序と切り替え間隔が含まれる。素子アンテナ２Ｂごとに生成されたシーケンス情報は、シーケンス生成部５５からスイッチ制御回路５６に出力される。

なお、シーケンス生成部５５は、記憶装置に記憶されたシーケンス情報を読み出し、読み出したシーケンス情報をスイッチ制御回路５６に出力してもよい。記憶装置は、アレーアンテナ装置が備えるＲＡＭまたはハードディスクといった記憶装置であってもよいが、アレーアンテナ装置からアクセス可能な外部記憶装置であってもよい。

スイッチ制御回路５６は、シーケンス生成部５５によって生成されたシーケンス情報に基づいて、スイッチ５Ａによる第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとの切り替えを制御する。例えば、スイッチ制御回路５６は、シーケンス生成部５５から入力したシーケンス情報が示す切り替えシーケンスに基づいて、スイッチ５Ａの動作を制御する制御信号を、素子アンテナ２Ｂごとに生成する。スイッチ５Ａは、スイッチ制御回路５６から入力した制御信号に基づいて、第１の放射構造体３ａおよび第２の放射構造体３ｂのいずれかに切り替える。

エンコーダ部５７は、シーケンス生成部５５によって生成されたシーケンス情報および送信ビーム形成部５８によって形成された複数の素子信号を用いて送信信号を生成して、生成した送信信号をＤ／Ａ変換器５４に出力する。送信ビーム形成部５８は、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに対応した複数の素子信号を形成する。例えば、送信ビーム形成部５８は、送信すべき信号を素子アンテナ２Ｂごとに振幅および位相を調整することで、素子アンテナ２Ｂの個数分の素子信号を形成する。

シーケンス生成部５５、エンコーダ部５７および送信ビーム形成部５８の機能は、処理回路によって実現される。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵであってもよい。例えば、処理回路とスイッチ制御回路５６とが、ネットワークを介して接続された別々の回路である場合、スイッチ制御回路５６は、ネットワークインタフェースを通じて処理回路からシーケンス情報を入力する。

また、エンコーダ部５７および送信ビーム形成部５８は、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置とは別の外部装置が備えてもよい。すなわち、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、エンコーダ部５７および送信ビーム形成部５８を備えていなくても、信号対雑音比を維持しながら低消費電力化を実現できる。この場合、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、例えば、外部装置に通信接続して、エンコーダ部５７および送信ビーム形成部５８との間で信号をやり取りする。

次に動作について説明する。
図１２は、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の動作を示すフローチャートである。まず、送信ビーム形成部５８が、各素子アンテナ２Ｂに対応した素子信号を形成する（ステップＳＴ１ａ）。送信ビーム形成部５８によって素子アンテナ２Ｂごとに形成された素子信号は、エンコーダ部５７に出力される。

一方、シーケンス生成部５５は、第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂの切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を素子アンテナ２Ｂごとに生成する（ステップＳＴ２ａ）。例えば、シーケンス生成部５５は、スイッチ５Ａによって第１の放射構造体３ａに切り替えられた状態に１を割り当て、スイッチ５Ａによって第２の放射構造体３ｂに切り替えられた状態に−１を割り当てて、［１ −１ １ ・・・１］のように１と−１を要素とした符号列で切り替えシーケンスが表現されたシーケンス情報を生成する。実施の形態４では、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに対する切り替えシーケンスを、互いに直交した符号列である直交符号で表す。

続いて、エンコーダ部５７が、シーケンス情報と素子信号を用いて送信信号を生成する（ステップＳＴ３ａ）。例えば、エンコーダ部５７は、送信ビーム形成部５８から入力した素子アンテナ２Ｂごとの素子信号に対して、シーケンス情報である、１と−１を要素とした符号列を乗算し、これらの乗算値をさらに合成演算する。切り替えシーケンスを示す符号列は±１の値をとるため、素子信号は二位相変調された信号になる。放射構造体の切り替え間隔である時間Ｔｃが、高周波信号（送信信号）が有する情報パルスの継続時間（信号周期）Ｔｓよりも短い場合、素子信号に符号列を乗算した信号は、元の素子信号をスペクトル拡散した信号となる。これらの乗算結果をさらに合成演算することで、合成演算結果の信号は、いわゆる符号分割多重された送信信号となる。

次に、Ｄ／Ａ変換器５４は、エンコーダ部５７によって生成された送信信号をアナログ信号に変換し、周波数変換器５２が、Ｄ／Ａ変換器５４によってアナログ信号に変換された送信信号を高周波数帯に周波数変換し、増幅器５１が、周波数変換器５２によって周波数変換された信号の電力を増幅する（ステップＳＴ４ａ）。増幅器５１によって増幅された送信信号は、分配回路５０に出力される。

分配回路５０は、増幅器５１から入力した送信信号を、アレーアンテナ１Ｄを構成する複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに分配する（ステップＳＴ５ａ）。
次に、スイッチ制御回路５６は、シーケンス生成部５５によって生成されたシーケンス情報に基づいて、素子アンテナ２Ｂごとのスイッチ５Ａを制御して、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれが有する第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとを順次切り替える（ステップＳＴ６ａ）。

この後、各素子アンテナ２Ｂから空間に送信信号が送信される（ステップＳＴ７ａ）。スイッチ５Ａによって第１の放射構造体３ａに切り替えられた場合、分配回路５０によってスイッチ５Ａに分配された送信信号は、第１の給電構造部４ａを介して第１の放射構造体３ａに伝送され、第１の放射構造体３ａから空間へ放射される。スイッチ５Ａによって第２の放射構造体３ｂに切り替えられた場合は、分配回路５０によってスイッチ５Ａに分配された送信信号は、第２の給電構造部４ｂを介して第２の放射構造体３ｂに伝送され、第２の放射構造体３ｂから空間へ放射される。

例えば、切り替えシーケンスを符号列［１ −１ −１ １］で表したシーケンス情報に基づいて、スイッチ５Ａは、第１の放射構造体３ａ、第２の放射構造体３ｂ、第２の放射構造体３ｂ、第１の放射構造体３ａの順に、時間Ｔｃごとに切り替えを行う。スイッチ５Ａから第１の給電構造部４ａに伝送されて第１の放射構造体３ａから放射された高周波信号と、スイッチ５Ａから第２の給電構造部４ｂに伝送されて第２の放射構造体３ｂから放射された高周波信号とは、互いに１８０度位相が異なる。このため、エンコーダ部５７によって二位相変調されてスイッチ５Ａに入力された信号は、第１の放射構造体３ａまたは第２の放射構造体３ｂから空間に放射されて復調される。

シーケンス情報は直交符号であるので、エンコーダ部５７が、素子アンテナ２Ｂに対応した送信信号の生成に用いた切り替えシーケンスと同じ順序で放射構造体の切り替えが行われた信号成分のみが送信され、エンコーダ部５７が、その素子アンテナ２Ｂに対応した送信信号の生成に用いた切り替えシーケンスとは異なる順序で放射構造体の切り替えが行われた信号成分は０となる。これは、符号分割多重された信号に逆拡散処理を施して復調することに相当する。これにより、複数の素子アンテナ２Ｂからの各信号を分離して送信することができる。

これまでの説明では、第１の給電構造部４ａを有した第１の放射構造体３ａと第２の給電構造部４ｂを有した第２の放射構造体３ｂとを備えた素子アンテナ２Ｂを示したが、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、これに限定されるものではない。
例えば、素子アンテナ２Ｂが、第１の給電構造部４ａを有した第１の放射構造体３ａと、第２の給電構造部４ｂを有した第２の放射構造体３ｂとの代わりに、実施の形態２で示した放射構造体１５、第１の給電構造部１６ａおよび第２の給電構造部１６ｂを備えてもよい。放射構造体１５は、図４Ａおよび図４Ｂに示したパッチアンテナおよびその変形例であってもよいし、図５Ａおよび図５Ｂに示した導波管開口アンテナおよびその変形例であってもよいし、図６Ａおよび図６Ｂに示したホーンアンテナおよびその変形例であってもよい。

また、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、実施の形態３で示した導波管３０を分配回路５０として備えてもよい。例えば、図７に示した導波管３０の第１のスロット３４および第２のスロット３５を素子アンテナ２Ｂとし、図８に示した給電構造部３９を増幅器５１に接続することにより、導波管３０は、分配回路５０として機能する。さらに、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、図７に示した導波管３０の代わりに、図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示した導波管の変形例を分配回路として備えてもよいし、リッジ導波管を備えてもよい。例えば、当該リッジ導波管は、導波管３０の第１の広壁面３１ａにおいて管軸方向に平行な中心線を通る金属壁を有している。また、当該リッジ導波管は、以下の（１）〜（４）に示す特徴のいずれかまたは全てを有していてもよい。特徴（１）として、複数のスロットが、第１の広壁面３１ａにおける管軸方向に平行な中心線に関して互いに対称な位置に配置されている。特徴（２）として、当該リッジ導波管の端面が短絡されており、上記スロットは、動作周波数における管内波長の２分の１の間隔で第１の広壁面３１ａに配列されている。特徴（３）として、当該リッジ導波管において、第１の広壁面３１ａにおいて端面に最も近いスロットは、当該スロットの中心から当該端面までの距離が管内波長の４分の１である位置に配置されている。特徴（４）として、当該リッジ導波管の第１の広壁面３１ａは、表と裏に導体面４１ａ，４１ｂを有した誘電体基板４０で構成されており、スロットは、誘電体基板４０を貫通して、導体面４１ａと導体面４１ｂとを電気的に接続するビアである。

以上のように、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置において、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれが、第１の放射構造体３ａ、第２の放射構造体３ｂ、および第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとを切り替えるスイッチ５Ａを有し、スイッチ５Ａが切り替えた放射構造体から送信信号を放射する。放射電界位相が互いに異なる第１の放射構造体３ａと第２の放射構造体３ｂとの切り替えによって、素子アンテナ２Ｂから送信される送信信号は、二位相変調された信号となる。低損失なスイッチ５Ａを用いて送信信号に二位相変調を施すことができるので、素子アンテナ２Ｂごとに増幅器７を設けなくても、送信信号電力の低下が抑えられる。これにより、信号対雑音比を維持しながら増幅器の数を削減することができ、低消費電力化を実現できる。すなわち、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、従来のＤＢＦアレーアンテナと同等のビーム形成機能を有し、さらに従来のＤＢＦアレーアンテナに比べて信号の多重数分だけＤ／Ａ変換器および増幅器の数を削減できる。このため、低コスト、低消費電力、小型かつ軽量なアレーアンテナ装置を実現することが可能である。

なお、切り替えシーケンスは、素子アンテナ２Ｂの数と符号長が同じ直交符号で表してもよいし、符号長が素子アンテナ２Ｂの数よりも大きい直交符号で表してもよい。いずれであっても、上記と同様の効果が得られる。さらに、直交符号の代わりに、切り替えシーケンスを、Ｍ系列あるいはＧｏｌｄ系列といった擬似ランダム符号で表しても、符号分割多重された信号を逆拡散処理によって復調することができる。

また、これまでの説明では、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに対応する送信信号に対して二位相変調を施す場合を示したが、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、送信信号に４相以上の多相変調を施してもよい。例えば、エンコーダ部５７が、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに対応する送信信号に対して四位相変調を施し、複数の素子アンテナ２Ｂのそれぞれに、放射電界位相が互いに異なる４つの放射構造体を設けて、スイッチ５Ａによって放射構造体を切り替えて送信信号を送信してもよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態のそれぞれの自由な組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本発明に係るアレーアンテナ装置は、低消費電力化を実現できるので、無線通信またはレーダに利用可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ アレーアンテナ、２，２Ａ，２Ｂ，３８ 素子アンテナ、３ａ 第１の放射構造体、３ｂ 第２の放射構造体、４ａ，１６ａ 第１の給電構造部、４ｂ，１６ｂ 第２の給電構造部、５，５Ａ，１７ スイッチ、６ 合成回路、７，５１ 増幅器、８，５２ 周波数変換器、９，５３ 局部発振器、１０ Ａ／Ｄ変換器、１１，１８，２２，５５ シーケンス生成部、１２，１９，２３，５６ スイッチ制御回路、１３，２０，２４ デコーダ部、１４，２１，２５ ビーム形成部、１５ 放射構造体、３０ 導波管、３１ａ 第１の広壁面、３１ｂ 第２の広壁面、３２ａ 第１の狭壁面、３２ｂ 第２の狭壁面、３３ａ 第１の端面、３３ｂ 第２の端面、３４ 第１のスロット、３５ 第２のスロット、３６ 第１のスイッチ、３７ 第２のスイッチ、３９ 給電構造部、３９ａ 給電プローブ、４０ 誘電体基板、４１ａ，４１ｂ 導体面、４２ 第１のスロット、４３ 第２のスロット、５０ 分配回路、５４ Ｄ／Ａ変換器、５７ エンコーダ部、５８ 送信ビーム形成部、１００ 中心線。

Claims (20)

1. 放射電界位相が互いに異なる複数の放射構造と、前記放射構造を切り替えるスイッチとを有し、前記スイッチによって切り替えられた前記放射構造で受信された受信信号を出力する複数の素子アンテナが配列されたアレーアンテナと、
   前記放射構造の切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を、前記素子アンテナごとに生成するシーケンス生成部と、
   前記シーケンス生成部によって生成されたシーケンス情報に基づいて、前記スイッチによる前記放射構造の切り替えを制御するスイッチ制御回路と、
   複数の前記素子アンテナから出力された信号を合成する合成回路と、
   前記合成回路によって合成された信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器によって増幅された信号を周波数変換する周波数変換器と、
   前記周波数変換器によって周波数変換された信号をデジタル信号に変換する変換器と、
   を備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
2. 前記シーケンス生成部によって生成されたシーケンス情報に基づいて、前記変換器から入力したデジタル信号から、複数の前記素子アンテナのそれぞれで受信された信号を分離するデコーダ部と、
   前記デコーダ部によって分離された前記素子アンテナごとの信号を用いて、ビーム信号を形成するビーム形成部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
3. 放射電界位相が互いに異なる複数の放射構造と、前記放射構造を切り替えるスイッチとを有し、前記スイッチによって切り替えられた前記放射構造から送信信号を送信する複数の素子アンテナが配列されたアレーアンテナと、
   前記放射構造の切り替えシーケンスを示すシーケンス情報を、前記素子アンテナごとに生成するシーケンス生成部と、
   前記シーケンス生成部によって生成されたシーケンス情報に基づいて、前記スイッチによる前記放射構造の切り替えを制御するスイッチ制御回路と、
   送信信号をアナログ信号に変換する変換器と、
   前記変換器によってアナログ信号に変換された送信信号を周波数変換する周波数変換器と、
   前記周波数変換器によって周波数変換された送信信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器によって増幅された送信信号を、複数の前記素子アンテナのそれぞれに分配する分配回路と、
   を備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
4. 複数の前記素子アンテナのそれぞれに対応した複数の素子信号を形成する送信ビーム形成部と、
   前記シーケンス生成部によって生成されたシーケンス情報および前記送信ビーム形成部によって形成された複数の素子信号を用いて送信信号を生成し、生成した送信信号を前記変換器に出力するエンコーダ部と、
   を備えたことを特徴とする請求項３記載のアレーアンテナ装置。
5. 前記シーケンス生成部によって生成されるシーケンス情報は、直交符号、Ｍ系列およびＧｏｌｄ系列のうちのいずれかの符号列で表され、
   前記放射構造の切り替え間隔は、受信信号の情報パルスの継続時間よりも短いこと
   を特徴とする請求項１または請求項２記載のアレーアンテナ装置。
6. 前記シーケンス生成部によって生成されるシーケンス情報は、直交符号、Ｍ系列およびＧｏｌｄ系列のうちのいずれかの符号列で表され、
   前記放射構造の切り替え間隔は、送信信号の情報パルスの継続時間よりも短いこと
   を特徴とする請求項３または請求項４記載のアレーアンテナ装置。
7. 複数の前記放射構造は、２つの前記放射構造であり、
   ２つの前記放射構造の放射電界位相の差は、１８０度であること
   を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
8. 複数の前記放射構造は、複数のアンテナであり、
   複数の前記アンテナのそれぞれは、放射電界位相が互いに異なる給電構造部を１つずつ有すること
   を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
9. 複数の前記放射構造は、単一のアンテナで構成され、
   単一の前記アンテナは、放射電界位相が互いに異なる複数の給電構造部をそれぞれ異なる位置に有すること
   を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
10. 複数の前記放射構造は、放射電界位相が互いに異なる複数のアンテナであり、
    複数の前記アンテナのうち、前記スイッチによって切り替えられた前記アンテナが動作状態となり、前記スイッチによって切り替えられなかった前記アンテナは非動作状態となること
    を特徴とする請求項１、請求項２または請求項５のいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
11. 複数の前記放射構造は、放射電界位相が互いに異なる複数のアンテナであり、
    複数の前記アンテナのうち、前記スイッチによって切り替えられた前記アンテナが動作状態となり、前記スイッチによって切り替えられなかった前記アンテナは非動作状態となること
    を特徴とする請求項３、請求項４または請求項６のいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
12. 前記合成回路として機能する、互いに対向した一対の広壁面と、前記広壁面の長手方向の両側に隣接した一対の狭壁面と、一対の前記広壁面および一対の前記狭壁面の両方に隣接した一対の端面とを有した導波管を備え、
    複数の前記アンテナは、一対の前記広壁面のうちの一方に設けられ、前記導波管の管軸方向に長くかつ平行な複数のスロットであり、
    複数の前記スロットは、前記広壁面における、前記管軸方向に平行な中心線を境とした一方の側の位置と他方の側の位置とに設けられ、
    前記スイッチは、前記スロットの長手方向の中央部に配置されていること
    を特徴とする請求項１０記載のアレーアンテナ装置。
13. 前記分配回路として機能する、互いに対向した一対の広壁面と、前記広壁面の長手方向の両側に隣接した一対の狭壁面と、一対の前記広壁面および一対の前記狭壁面の両方に隣接した一対の端面とを有した導波管を備え、
    複数の前記アンテナは、一対の前記広壁面のうちの一方に設けられ、前記導波管の管軸方向に長くかつ平行な複数のスロットであり、
    複数の前記スロットは、前記広壁面における、前記管軸方向に平行な中心線を境とした一方の側の位置と他方の側の位置とに設けられ、
    前記スイッチは、前記スロットの長手方向の中央部に配置されていること
    を特徴とする請求項１１記載のアレーアンテナ装置。
14. 複数の前記スロットは、前記広壁面における、前記管軸方向に平行な中心線に関して、互いに対称な位置に配置されていること
    を特徴とする請求項１２または請求項１３記載のアレーアンテナ装置。
15. 前記導波管は、前記端面が短絡されており、
    前記スロットは、前記導波管の動作周波数における管内波長の２分の１の間隔で、前記広壁面に配列され、
    前記広壁面において前記端面に最も近い前記スロットは、当該スロットの中心から当該端面までの距離が前記管内波長の４分の１である位置に配置されていること
    を特徴とする請求項１２または請求項１３記載のアレーアンテナ装置。
16. 前記スロットを設ける前記広壁面は、表と裏に導体面を有した誘電体基板で構成され、
    前記スロットは、前記誘電体基板を貫通して、表と裏の導体面を電気的に接続するビアであること
    を特徴とする請求項１２または請求項１３記載のアレーアンテナ装置。
17. 前記導波管は、一対の前記広壁面の両方またはいずれか一方における前記管軸方向に平行な中心線を通る金属壁を有したリッジ導波管であること
    を特徴とする請求項１２または請求項１３記載のアレーアンテナ装置。
18. 前記導波管は、一対の前記広壁面の両方またはいずれか一方における、前記管軸方向に平行な中心線を通る金属壁を有したリッジ導波管であり、
    複数の前記スロットは、前記広壁面における、前記管軸方向に平行な中心線に関して、互いに対称な位置に配置され、
    前記リッジ導波管は、前記端面が短絡されており、
    前記スロットは、前記導波管の動作周波数における管内波長の２分の１の間隔で、前記広壁面に配列され、
    前記広壁面において前記端面に最も近い前記スロットは、当該スロットの中心から当該端面までの距離が前記管内波長の４分の１である位置に配置されており、
    前記スロットを設ける前記広壁面は、表と裏に導体面を有した誘電体基板で構成され、
    前記スロットは、前記誘電体基板を貫通して、表と裏の導体面を電気的に接続するビアであること
    を特徴とする請求項１２または請求項１３記載のアレーアンテナ装置。
19. 単一の前記アンテナは、円形または方形のパッチアンテナであり、
    複数の前記給電構造部のそれぞれは、前記パッチアンテナの中心に対して互いに点対称な位置に配置されていること
    を特徴とする請求項９記載のアレーアンテナ装置。
20. 単一の前記アンテナは、導波管開口アンテナまたはホーンアンテナであり、
    複数の前記給電構造部のそれぞれは、前記導波管開口アンテナまたは前記ホーンアンテナの中心軸に対して点対称な位置に配置されていること
    を特徴とする請求項９記載のアレーアンテナ装置。

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