WO2004051803A1

WO2004051803A1 - アンテナ装置、無線装置およびレーダ

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Publication number: WO2004051803A1
Application number: PCT/JP2003/012050
Authority: WO
Inventors: Tomoshige Furuhi; Yohei Ishikawa
Original assignee: Murata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2004-06-17
Also published as: JP2004201274A; AU2003266553A1; JP3858873B2; US7253781B2; US20060044199A1

Abstract

１次放射器１とレンズ３との間に共振素子アレイ２００を配置する。共振素子アレイ２００は、線状導体からなる共振素子と可変リアクタンス回路を誘電体基板上に配列してなる。制御部４が所定の可変リアクタンス回路に対して制御電圧を印加することによって、１次放射器１からの電磁波で所定の共振素子を励振させ、レンズ３によってコリメートされる光路の方位を電子的に変化させる。これによりビーム走査を高速化でき、ビーム走査に要する消費電力を節減でき、ビーム走査に伴う作動音をなくし、さらに信頼性を高めることができ、必要な時点でビーム方位を任意の方位へ向けられるアンテナ装置を得る。また、必要に応じてビームの放射パターンを変更できるようにする。

Description

明細書アンテナ装置、無線装置およびレーダ技術分野

この発明は、指向性を電子的に制御できるようにしたアンテナ装置、それを備えた無線装置およびレーダに関するものである。背景技術

従来、例えばミリ波帯の電磁波を用いて物標の探知を行うミリ波レーダのアンテナ装置として特許文献 1 (特開平 1 1 — 1 2 7 0 0 1号公報）が開示されている。この特許文献 Ίに示されているアンテナ装置は、誘電体線路および誘電体線路スィッチを用いて複数の 1次放射器を時分割的に切り替えて、有効な 1次放射器の位置を誘電体レンズの焦点面内で移動させるようにして、送受波ビームの走査を行うようにしたものである。

特許文献 1に示されているアンテナ装置は、比較的単純な構造で単純な動作によってビー厶走査を行うことができる利点を備えている。しかし、この特許文献 1に示されているアンテナ装置では、 1次放射器の位置を機械的に変位させてビームの走査を行うようにしたものであるので、ビーム走査の速度をある程度以上に速くすることが困難であること、ビーム走査に要する消費電力が比較的大きいこと、ビーム走査時に作動音が生じることといった問題が挙げられる。さらに、 1次放射器の位置を機械的に変位させる構造上、摺動部の磨耗による寿命があったリ、他の電子的な構成要素に比べて信頼性が低いことが予想される。

また、複数の 1次放射器の位置の変位が常に同じパターンで行われるため、必要な時点で所望の方位へビームを向けたリビーム方位をランダ厶走査するといったことは不可能であった。

また、レンズに対する 1次放射器の相対位置関係を変位させるだけであるので、必要に応じてビームの放射バタ―ンを変更するようなことは不可能であつた。

この発明の目的は、上述した従来の課題を解消して、ビーム走査を高速化でき、ビーム走査に要する消費電力を節減でき、ビーム走査に伴う作動音をなくし、さらに信頼性を高めることができ、必要な時点でビーム方位を任意の方位へ向けられるアンテナ装置を提供することにある。

また、この発明の他の目的は、上述した従来の課題を解消して、必要に応じてビームの放射バターンを変更できるようにしたアンテナ装置を提供することにある。発明の開示

この発明のアンテナ装置は、複数の共振素子を配列するとともに、該共振素子のそれぞれに接続され該共振素子の共振周波数を制御する回路を設けた共振素子アレイと、この共振素子アレイに対して励振用の電磁波を放射する、または共振素子から放射された電磁波を受ける 1次放射器と、共振素子アレイの位置が略焦点面となるように配置したレンズまたはレフレクタによるコリメ一卜手段とを備えたことを特徴としている。

また、この発明のアンテナ装置は、所定周波数で共振する複数の共振素子を配列するとともに、該共振素子のそれぞれに接続され、印加電圧によってリアクタンスが変化する可変リァクタンス回路を設けた共振素子ァレイと、可変リァクタンス回路に対して印加する電圧を制御する制御部と、共振素子アレイに対して励振用の電磁波を放射する、または共振素子から放射された電磁波を受ける 1次放射器と、共振素子アレイを略焦点面とする位置に配置したレンズまたはレフレクタによるコリメ一卜手段とを備えたことを特徴としている。

このように、レンズやレフレクタによるコリメ一卜手段の略焦点面に存在する複数の共振素子のうち任意の共振素子を励振させることによって、高い自由度の下でアンテナの指向性を電子的に制御できるようになる。また、複数の共振素子のうち複数の任意の共振素子を同時に励振させることによって、必要に応じてビームの放射パ夕一ンを変更できるようになる。

また、この発明のアンテナ装置は、前記制御部が前記可変リアクタンス回路に対する印加電圧の制御によって、配列された複数の共振素子のうち所定位置または所定位置付近の共振素子を導波器として作用させるとともに、該導波器として作用させる共振素子の位置を切り替えるようにしたことを特徴としている。

このように、共振素子アレイの複数の共振素子は、それらに接続された可変リアクタンス回路に対する印加電圧の制御によって所定の共振素子の共振周波数を制御する。これらの複数の共振素子のうち、 1次放射器から放射された電磁波の周波数に共振する共振素子は導波器として作用し、その導波器としての共振素子から再放射された電磁波がコリメ一卜手段によってコリメ一卜され、その共振素子とコリメ一卜手段の位置関係により定まる方向にビー厶を形成する。アンテナの可逆定理により、このアンテナ装置が受信アンテナとして作用する時も同様である。

したがって、前記可変リアクタンス回路に対する印加電圧の制御によってビームの指向方向を電子的に制御することが可能となる。

また、この発明のアンテナ装置は、前記 1次放射器が、前記共振素子アレイに対する最適な放射位置または前記共振素子アレイから放射された電磁波を受ける最適な位置に配置されるように複数個備えられている。これにより、共振素子アレイに設ける複数の共振素子の分布が広くなつても、励振すべき共振素子に近い 1次放射器を用いて、その共振素子を励振させることができる。また、所定の共振素子から放射された電磁波をそれに近い位置の 1次放射器で受けることができる。

また、この発明のアンテナ装置は、前記 1次放射器を、開口空洞共振器と該開口空洞共振器を励振させる励振源とで構成する。これにより、空洞共振器の開口部に前記共振素子ァレイを配置するだけで、共振素子ァレイの各共振素子と励振源との空間的な結合が容易となる。 - また、この発明のアンテナ装置は、前記複数の共振素子を、その配列方向に対して略垂直で且つ互いに平行な向きにのびる線状導体で構成する。これによリ、誘電体基板上に共振素子アレイを容易に構成できるようになる。

また、この発明のアンテナ鞞置は、前記複数の共振素子を、その配列方向に対して略 4 5度に傾いて且つ互いに平行な向きにのびる線状導体で構成する。これによリ、同様構成の他アンテナ装置から送信された電波を正面方向から受けた際に、その偏波面が自アンテナ装置の偏波面に対して直交する関係となるので、交差偏波の影響を軽減できる。

また、この発明のアンテナ装置は、前記可変リアクタンス回路に、共振素子に対する装荷リァクタンスを変化させる可変容量ダイ才ードを設け、制御部が可変容量ダイオードに対して逆バイァス電圧を印加するように構成する。

また、この発明のアンテナ装置は、前記可変リアクタンス回路に、共振素子に対する装荷リアクタンスを切り替えるスィッチ素子を設け、制御部がスィッチ素子に対して制御電圧を印加するように構成する。

また、この発明のアンテナ装置は、前記可変リアクタンス回路に、制御電圧によって電極間距離が変化する M E M S素子を設け、制御部が M E M S素子に対して制御電圧を印加するようにように構成する。

また、この発明のアンテナ装置は、前記スィッチ素子を、制御電圧によって電極間のスイッチ制御を行う M E M S素子とする。

また、この発明のアンテナ装置は、前記 1次放射器を、給電素子を中心に備え、リアク夕ンスを装荷した無給電素子を前記給電素子の周囲に配置してなる電子制御導波器ァレーアンテナで構成する。これにより、共振素子アレイ方向に形成する電磁波の放射パターンを制御可能とする。

また、この発明の無線装置は、上記のいずれかの構成によるアンテナ装置を備える。さらに、この発明のレーダは、上記のいずれかの構成によるアンテナ装置を備える。以上のようにこの発明によれば、レンズやレフレクタによるコリメ一卜手段の略焦点面に存在する複数の共振素子のうち任意の共振素子を励振させることによって、高い自由度の下でアンテナの指向性を電子的に制御できるようになる。また、複数の共振素子のうち複数の任意の共振素子を同時に励振させることによって、必要に応じてビームの放射バターンを変更できるようになる。

また、この発明によれば、可変リアクタンス回路に対する印加電圧の制御によって、配列された複数の共振素子のうち導波器として作用させる共振素子の位置を切リ替えるようにしたのでビームの指向方向を電子的に制御することが可能となり、必要な時点で所望の方位へビームを向けたリビーム方位をランダ厶に走査することも可能となる。

また、この発明によれば、 1次放射器が、共振素子アレイに対する最適な放射位置または共振素子ァレイから放射された電磁波を受ける最適な位置に配置されるように複数個備えられたことにより、共振素子アレイに設ける複数の共振素子の分布が広くなつても、励振すべき共振素子に近い 1次放射器を用いて、その共振素子を励振させることができる。また、所定の共振素子から放射された電磁波をそれに近い位置の 1次放射器で受けることができ、広範囲に亘つて均等な感度を得ることができる。

また、この発明によれば、 1次放射器を開口空洞共振器と該開口空洞共振器を励振させる励振源とで構成することによリ、空洞共振器の開口部に共振素子ァレイを配置するだけで、共振素子アレイの各共振素子と励振源との空間的な結合が容易となる。

また、この発明によれば、複数の共振素子を、その配列方向に対して略垂直で且つ互いに平行な向きにのびる線状導体で構成することにより、誘電体基板上に共振素子ァレイを容易に構成できるようになる。

また、この発明によれば、複数の共振素子を、その配列方向に対して略 4 5度に傾いて且つ互いに平行な向きにのびる線状導体で構成することにより、同様構成の他アンテナ装置から送信された電波を正面方向から受けた際に、その偏波面が自アンテナ装置の偏波面に対して直交する関係となって、交差偏波の影響を軽減できる。

また、この発明によれば、可変リアクタンス回路に、共振素子に対する装荷リアクタンスを変化させる可変容量ダイォードを設け、制御部が可変容量ダイオードに対して逆バイァス電圧を印加するように構成することによリ、比較的広い周波数範囲に亘つて共振素子の共振周波数を変^させることができ、例えば使用周波数帯の切り替えなども容易となる。また、この発明によれば、可変リアクタンス回路に、共振素子に対する装荷リアクタンスを切リ替えるスィツチ素子を設け、制御部がスィツチ素子に対して制御電圧を印加するように構成することによリ、共振素子の共振ノ非共振状態、または導波器反射器状態という 2状態の切り替えを容易に行えるようになる。

また、この発明によれば、可変リアクタンス回路に、制御電圧によって電極間距離が変化する M E M S素子を設け、制御部が M E M S素子に対して制御電圧を印加する構成とすることにより、小型ィ匕でき、また可変リアクタンス回路を共振素子アレイとともにモノリシック化でき、さらにミリ波領域やサブミリ波領域への応用も容易となる。また、この発明によれば、スィッチ素子を、制御電圧によって電極間のスィッチ制御を行う M E M S素子とすることによリ、小型化でき、また可変リアクタンス回路を共振素子アレイとともにモノリシック化でき、さらにミリ波領域やサブミリ波領域への応用も容易となる。

また、この発明によれば、 1次放射器を、給電素子を中心に備え、リアクタンスを装荷した無給電素子を給電素子周囲に配置してなる電子制御導波器ァレーアンテナで構成することにより、共振素子アレイ方向に形成する電磁波の放射パターンが制御可となり、例えば共振素子ァレイに設けた複数の共振素子の形成範囲が比較的広くても、走査範囲の両側付近で感度が低下するという問題が解消できる。

また、この発明の無線装置によれば、上記のいずれかの構成によるアンテナ装置を備えるので、低消費電力で所望の方位へ速やかにアンテナを指向させて、無線通信が可能となる。

さらに、この発明のレーダによれば、上記のいずれかの構成によるアンテナ装置を備えるので、高速なビーム走査で広範囲に亘つて物標の探知を行うことができる。図面の簡単な説明

第 1図は、第 1の実施形態に係るアンテナ装置の全体の構成を示す図である。

第 2図は、共振素子アレイ、共振素子および可変リアクタンス回路の構成を示す図である。

第 3図は、共振素子アレイ上の導波器として作用する共振素子の位置とレンズによリコリメ一卜された光路との関係を示す図である。

第 4図は、可変リアクタンス回路の例を示す図である。

第 5図は、第 2の実施形態に係るアンテナ装置の可変リァクタンス回路の構成を示す図である。

第 6図は、第 3の実施形態に係るアンテナ装置の全体の構成を示す図である。

第 7図は、第 4の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

第 8図は、第 5の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

第 9図は、第 6の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

第 1 0図は、第 7の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

第 1 1図は、第 8の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

第 1 2図は、同アンテナ装置の可変リアクタンス回路部分の構成を示す図である。第 1 3図は、第 9の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

第 1 4図は、第 1 0の実施形態に係る無線装置の構成を示す図である。

第 1 5図は、第 1 1の実施形態に係るレーダの構成を示す図である。発明を実施するための最良の形態

第 1の実施形態に係るアンテナ装置の構成を第 1図〜第 4図を参照して説明する。第 1図は、アンテナ装置の全体の構成を示す図である。ここで、 1はホーンアンテナによる 1次放射器、 2 0 0は共振素子アレイである。この共振素子アレイ 2 0 0には後述するように複数の共振素子をアレイ状に設けている。このアンテナ装置を送信アンテナとして用いる際、 1次放射器 1は共振素子ァレイ 2 0 0に対して励振用の電磁波を放射する。

1次放射器 1は例えば T E 1 0モードの直線偏波の電磁波を放射する。第 1図の（B ) は、 1次放射器 1の放射パターンを示している。このように、 1次放^器 1は共振素子ァレイ 2 0 0方向に指向性を持っているが、共振素子アレイ 2 0 0に設けた複数の共振素子に対して略均等な電力を与える。

共振素子アレイ 2 0 0に設けている複数の共振素子のうち、所定の共振素子は、 1次放射器 1から放射された電磁波の周波数に共振して導波器として作用する。

第 1図の（A ) において、 3は共振素子アレイ 2 0 0を焦点面とする誘電体からなるレンズである。共振素子アレイ 2 0 0に構成している複数の共振素子はレンズ 3の焦点面に存在するため、複数の共 ϋ素子のうち共振状態にある（すなわち導波器として作用する）共振素子の位置に応じてビームの方位が定まる。

第 2図は、上記共振素子アレイの構成および作用を示す図である。第 2図の（Α) は、第 1図の（Α) に示したレンズ 3側から見た平面図である。この共振素子アレイ 2 0 0は、誘電体基板 2 0 3の一方の面に形成した、それぞれ線状導体からなる複数の共振素子 2 0 1を互いに平行に配列してなる。これらの線状導体は 1次放射器から放射される Τ Ε 1 0 モードの偏波方向に平行となるように配置している。

また； 1本の共振素子 2 0 1の略中央部には可変リアクタンス回路 2 0 2を設けている。制御部 4はこれら共振素子 2 0 1 a〜2 0 1 kの各可変リアクタンス回路 2 0 2に対して制御信号線 9を介して選択的に制御電圧を与える。例えば、共振素子 2 0 1 fを使用周波数で完全な共振状態または略共振状態とし、その他の共振素子 2 0 1 a〜2 0 1 e， 2 0 1 g：〜 2 0 1 kを非共振状態とすれば、共振素子 2 0 1 fが導波器として作用する。同様に、例えば共振素子 2 0 1 dを完全な共振状態または略共振状態とし、残る共振素子 2 0 1 a〜2 0 1 c， 2 0 1 e〜2 0 1 kを非共振状態とすれば、共振素子 2 0 1 dが導波器として作用する。

このことによって、上記完全な共振状態または略共振状態の共振素子は、 1次放射器から放射された電磁波で励振されて電磁波を再放射する。すなわち、その共振素子がレンズ 3にとつてちようど 1次放射器のように作用する。

なお、非共振状態とする共振素子の共振周波数を使用周波数より所定比率だけ低く定めて、その共振素子を使用周波数で反射器として作用させてもよい。

第 2図の（B ) は、共振素子 2 0 1 dが導波器として作用している状態を示している。このように、 1次放射器 1によって励振された共振素子 2 0 1 dから電磁波が再放射され、これが第 1図に示したレンズ 3によってコリメ一卜されることになる。

第 3図は、共振素子アレイ 2 0 0に設けた複数の共振素子のうち、導波器として作用する共振素子の位置に応じて変化するビームの方位の例を示している。この例では、共振素子 2 0 1 fが 1次放射器からの電磁波によって励振され導波器として作用する時、光路 5 fで示す方向、すなわち正面方向にビームを形成する。また、共振素子 2 0 1 dが 1次放射器からの電磁波によって励振され導波器として作用する時、光路 5 dで示す方向、すなわち正面に対して Θ分チル卜した方向にビームを形成する。

上記導波器として作用する共振素子の位置は電子的に定めることができるため、必要な時点で所望の方位へビームを向けたリビーム方位をランダムに走査することが可能となる。また、導波器として作用させる共振素子の数は単一に限らず、配列された複数の共振素子のうち連続する 2つまたは 3つ以上の共振素子を導波器として作用させ、残りの共振素子を反射器として作用させるようにしてもよい。このことによって、ビームの放射パターンの幅を広げることができる。

また、複数の共振素子を導波器として作用させる場合に、連続する位置の共振素子ではなく、必要に応じて、例えば飛び飛びの位置関係にある共振素子を導波器として作用させてもよい。これにより、コリメ一卜された後のビームの放射パターンを種々に変更することができる。

第 4図は、第 2図の（A) に示した可変リアクタンス回路部分のより具体的な例を示す図である。この例では、可変リアクタンス回路 2 0 2として、バラクタダイオード D v，抵抗 R，コンデンサ Cからなる回路を対称形に 2組設けるとともに、 2つのバラクタダイォード D Vのカソード側を共振素子 2 0 1のそれぞれの端部に接続し、アノード側を接地している。ここで、抵抗 Rおよびコンデンサ Cは制御部 4への高周波信号の漏れを阻止するフィルタ回路として作用する。

このような構成により、線状導体からなる共振素子 2 0 1の端部と接地との間にバラク夕ダイオード D vを装荷した容量装荷型アンテナとしての形態をもつ。このバラクタダイ才一ド D vのアノード—力ソード間に生じる容量は、制御部 4から印加される制御電圧によって変化する。したがって、制御部 4から印加される制御電圧に応じて共振素子 2 0 1 の装荷容量の容量値が変化する。すなわち共振素子 2 0 1の等価的な電気長が変化する。例えば、バラクタダイォード D Vに対する逆バイアス電圧が大きくなる程（バイアスが深くなる程）、バラクタダイオード D vの容量値が小さくなリ、共振素子 2 0 1の共振周波数が上昇する。逆に、バラクタダイ才ード D Vに対する逆バイアス電圧が小さくなる程（バィァスが浅くなる程）、バラクタダイオード D vの容量値が大きくなリ、共振素子 2 0 1の共振周波数が低下する。

このように、制御部 4から与える制御電圧によって共振素子の共振周波数を制御することができる。

なお、第 4図に示した例では、可変リアクタンス回路にバラク夕ダイォ一ドを用いたが、 M E M S (Micro Electro Mechanical Systems)素子を用いて、その駆動電圧を印加することによって電極間距離を制御し、結果的にリアクタンスを変化させるようにしてもよい。以上のようにして、比較的低い利得しか持たない 1次放射器を用いているにもかかわらず、共振素子アレイにおいて導波器として作用する共振素子の位置を電子的に定め、且つ焦点面を共振素子アレイ位置にもつレンズにより、共振素子から放射される電磁波をコリメー卜することにより、高利得なビー厶を形成し、且つ放射方位を変化させることができるようにしたので、従来の電子制御アンテナとして構成されているフェーズドアレイアンテナと異なり、高周波回路部が 1系統ですむ。すなわち、基本的に単一の 1次放射器を用いるだけであるので、フェーズドアレーアンテナに比べても、安価■小型 ·低消費電力化が図れる。

なお、第 1図に示した例では、誘電体レンズとして通常の凸レンズを用いたが、フレネルレンズを用いることにより、軽量ィ匕および小型^を図ってもよい。

次に、第 2の実施形態に係るアンテナ装置の構成を第 5図に示す。第 1の実施形態で第 4図に示したアンテナ装置と異なり、この例では、可変リアクタンス回路 2 0 2に、制御電圧の印加によって共振素子 2 0 Ίに対する装荷容量を 2通りに切り替えるスィッチ回路 2 0 4を設けている。第 5図の（A) はその概略図、（B ) は具体的な回路図である。可変リアクタンス回路 2 0 2は、コンデンサ C 1とスィッチ回路 2 0 4とからなり、スィツチ回路 2 0 4にはダイォード D 1をスィツチ素子として設けている。制御電圧を印加しなければ、またはダイオード D 1が逆バイアスとなる電圧を印加すれば、ダイオード D 1はオフ状態となり、共振素子 2 0 1にコンデンサ C 1のみが装荷された状態となる。制御電圧として正の所定電圧を印加すると、ダイオード D 1がオンして共振素子 2 0 1に対してコンデンサ C 1， C 2が並列に装荷されることになる。したがって、制御電圧の切り替えによって装荷容量が変化し、共振素子 2 0 1の共振周波数が 2通りに切り替わることになる。なお、インダクタ L 1とコンデンサ C 3は、制御部への高周波信号の漏れを阻止するフィルタ回路として作用する。

上記制御電圧の切り替えにより、共振素子 2 0 1が導波器としてまたは反射器として作用するように、共振素子 2 0 1の物理的な長さと、コンデンサ Cし C 2の容量値を設定しておく。 '

このようなリアクタンス回路 2 0 2の構成にょリ、制御電圧の単純な切り替えによって、所定の 1つまたはいくつかの共振素子 2 0 1を導波器として作用させ、残りの共振素子を反射器として作用させることが容易に行える。

第 5図に示した例では、スィッチ素子としてダイオード D 1を用いたが、 M E M S (MicroElectro Mechanical Systems)素子を用いて、その駆動電圧を印加することによつて電極間をオン/オフ制御するようにしてもよい。

次に、第 3の実施形態に係るアンテナ装置の構成を第 6図に示す。第 1の実施形態で第 1図に示したアンテナ装置と異なり、この例では、 1次放射器として 3つの 1次放射器 1 a , 1 b , 1 cを設けている。これは、共振素子アレイ 2 0 0に設けた複数の共振素子の形成範囲が比較的広くて、単一の 1次放射器を用いた場合に 1次放射器の中心軸から離れた共振素子に対する供給電力が低下する問題を解消するものである。すなわち、共振素子アレイ 2 0 0に設けた複数の共振素子のうち、中央略 1ノ 3の区間は中央の 1次放射器 1 bが担当し、図における上方略 1 3の区画に設けた共振素子については 1次放射器 1 a が担当し、同様に図における下方略 1 3の区画に設けた共振素子については 1次放射器 1 cが担当する。これにより、すべての共振素子に対して、より均等な電力を放射できるようになる。

次に、第 4の実施形態に係るアンテナ装置の構成を第 7図に示す。ここで、 6はレンズ 3方向に開口した開口空洞共振器である。その内部には励振素子 7を配置している。開口空洞共振器 6の開口部には、第 2図に示したものと同様の共振素子アレイ 2 0 0を配置している。この開口空洞共振器 6は T E 1 0 Έ—ドで共振し、その偏波面が共振素子アレイ 2 0 0に設けた共振素子の長手方向（線状導体の延びる方向）と平行となるように配置している。したがって、励振素子 7の励振によって開口空洞共振器 6の開口面で共振素子ァレイ 2 0 0の各共振素子に電磁界が与えられる。この時、第 1 ·第 2の実施形態の場合と同様に、共振状態にある共振素子が導波器として電磁波を再放射する。したがって、第 1 · 第 2の実施形態の場合と同様に、導波器として作用する共振装置の位置を切り替えることによって、レンズ 3によってコリメ一卜されるビームの方位が制御できる。

次に、第 5の実施形態に係るアンテナ装置の構成を第 8図に示す。第 1〜第 4の実施形態では、コリメート手段としてレンズ 3を用いたが、この第 8図に示す例ではコリメ一卜手段としてレフレクタ 8を用いている。すなわち、共振素子アレイ 2 0 0の所定の共振素子から放射された電磁波を反射する位置にオフセッ卜パラボラ反射鏡であるレフレクタ 8 を配置している。共振素子アレイ 2 0 0に設けた共振素子 2 0 1 fが 1次放射器からの電磁波によって励振され導波器として作用する時、光路 5 fで示す方向にビームを形成する。また、共振素子 2 0 1 dが 1次放射器からの電磁波によって励振され導波器として作用する時、光路 5 dで示す方向にビームを形成する。このようにして、制御部の印加電圧制御によってビームの方位を電子的にチル卜させることができる。次に、第 6の実施形態に係るアンテナ装置の主要部の構成を第 9図に示す。第 9図は、共振素子アレイの正面図である。この例では、それぞれ線状導体である複数の共振素子 2 0 1を互いに平行に、且つ配列方向に対して略 4 5度に傾けて誘電体基板 2 0 3上に配列している。各共振素子 2 0 1にリアクタンス回路 2 0 2を接続している構成は第 2図に示したものと同様である。

このように、複数の共振素子 2 0 1を、その配列方向に対して略 4 5度に傾けて配列したことにより、水平面に対して偏波面が略 4 5度に傾いた直線偏波の電磁波が送信されることになる。そのため、同様構成のアンテナ装置を用いたミリ波レーダからの送信電波を正面方向から受ける際に、その偏波面がこのアンテナ装置の偏波面に対して直交する関係 (交差偏波の関係）となる。したがって、この構成により、ミリ波レーダへ店用した場合の他装置間の干渉の問題が軽減できる。

次に、第 7の実施形態に係るアンテナ装置の主要部の構成を第 1 0図に示す。第 1 0図において、 2 0 0は共振素子アレイであり、その構成は第 2図に示したものと同様である。

1は電子制御導波器アレーアンテナによる 1次放射器である。すなわち、給電素子 1 1を中心に備え、リアクタンスを装荷した複数の無給電素子〗 2 a ~ 1 2 fを前記給電素子の周囲に配置している。無給電素子 1 2 a ~ 1 2 f は中央部に可変リアクタンス回路を備えた共振素子であリ、その可変リアクタンス回路のリアクタンスが装荷されたァンテナを構成している。これらの可変リアクタンス回路の構成は第 4図 ·第 5図に示したものと同様である。したがって、リアクタンスの値に応じて等価的な電気長が変化し、導波器としてまたは反射器として選択的に作用する。

給電素子 1 1は放射器として作用し、この給電素子 1 1と無給電素子 1 2 a〜1 2 f とによって、放射パターンが様々に変化する。ここでは、共振素子アレイ 2 0 0方向への放' 射パターンを変化させる。例えば、共振素子アレイ 2 0 0上の導波器として作用させるベき共振素子の方向に放射パターンの中心が向くように、無給電素子 1 2 a ~ 1 2 fの可変リァクタンス回路への制御電圧を制御する。'

このことによって、共振素子アレイに設ける複数の共振素子の分布が広くなつても、共振素子アレイ上の各共振素子に対して等しく電力供給を行うことができ、また、所定の共振素子から放射された電磁波を均等な感度で 1次放射器が受けることができ、広範囲に亘つて均等な感度を得ることができる。

なお、以上に示した各実施形態では、所定の共振素子の共振周波数を制御するために印加電圧によってリアクタンスが変化する可変リアクタンス回路を設けたが、印加電圧の変化以外の制御によって共振素子の等価的な電気長を変化させるように制御回路を設けてもよい。

次に第 8の実施形態に係るアンテナ装置の構成を第 1 1図，第 1 2図を参照して説明する。

第 2図に示した例では、誘電体基板 2 0 3に対して複数の共振素子 2 0 1を形成するとともに、各共振素子 2 0 1の略中央部に可変リアクタンス回路 2 0 2を設けたが、この第 1 1図に示す例では、共振素子 2 0 1の両端に可変リアクタンス回路 2 0 2を設け、さらにその外側に補助素子 2 0 5をそれぞれ形成している。その他の構成は第 2図に示したものと同様である。制御部 4は、複数の可変リアクタンス回路 2 0 2に対して、制御信号線 9を介して選択的に制御電圧を与える。例えば、ある 1つの共振素子 2 0 1を使用周波数で完全な共振状態または略共振状態とし、その他の共振素子を非共振状態とすれば、共振状態または略共振状態の共振素子が導波器として作用する。

第 1 2図は、第 1 1図に示した可変リアクタンス回路 2 0 2部分の具体的な例を示す図である。この例では、可変リアクタンス回路 2 0 2として、コンデンサ Cとそれに並列接続したスィッチ回路 2 0 4とから構成している。スィッチ回路 2 0 4は制御信号線 9から •の制御電圧の印加によってオン/オフする M E M S素子である。

スィッチ回路 2 0 4がオフ状態のとき、共振素子 2 0 1の端部にコンデンサ Cを介して補助素子 2 0 5が接続された状態となる。また、スィッチ回路 2 0 4がオン状態のとき、共振素子 2 0 1の端部に所定電気長の補助素子 2 0 5が接続された状態となる。このようにスィッチ回路 2 0 4のオンノオフによって、共振素子の等価的な素子長が切り替わる。その際、共振素子 2 0 1の両端に補助素子 2 0 5を接続することになるので、共振素子の対称性を保つことか'できる。

第 1 3図は、第 9の実施形態に係るアンテナ装置の主要部である共振素子ァレイ 2 0 0 の正面図である。この共振素子アレイ 2 0 0は、第 1 1図に示した共振素子 2 0 1、リアクタンス回路 2 0 2および補助素子 2 0 5からなる素子アンテナを互いに平行に、且つ配列方向に対して略 4 5度に傾けて誘電体基板 2 0 3上に配列したものである。

このようにして、第 9図に示したアンテナ装置の場合と同様に、水平面に対して偏波面が略 4 5 ° に傾いた直線偏波の電磁波を送受信することができる。

次に、第 1 0の実施形態に係る無線装置について第 1 4図を参照して説明する。第 1 4 図において、 C P LM 1は送信信号をディジタルコード列として出力する。 D Aコンバー夕 1 2はそれをアナログ信号に変換する。ローパスフィルタ 1 3は不要な高域の信号を減衰させる。ミキサ 1 4は R F発振器 1 5の発振信号と口一パスフィルタ 1 3からの出力信号とをミキシングする。バンドパスフィル夕 1 6はミキサ 1 4の出力信号のうち所定の周波数帯域のみを通過させ、ハイパワーアンプ 1 7はそれを電力増幅し、サーキユレ一夕 1 8を介してアンテナ 1 9から無線送信する。アンテナ〗 9で受けた受信信号はサーキユレ一夕 1 8を介してローノイズアンプ 2 0へ入力される。口一ノイズアンプ 2 0はその受信信号を増幅し、バンドパスフィルタ 2 1はローノイズアンプ 2 0の出力信号のうち不要な周波数信号を減衰させる。ミキサ 2 2は、 R F発振器 1 5の発振信号とバンドパスフィル夕 2 1の出力信号とをミキシングする。ローパスフィルタ 2 3はミキサ 2 2の出力信号のうち不要な高域の周波数成分を減衰させる。 A Dコンバ一夕 2 4はその信号をディジタルデータ列に変換する。 C P U 1 1はそのデータ列を順に処理する。また、 C P U 1 1はビー厶方位制御装置 2 5を制御してアンテナ 1 9の指向方向（指向性パターンの中心）が所定方位を向くように制御する。このピー厶方位制御装置 2 5は既に説明した各実施形態における制御部 4に相当し、共振素子ァレイ 2 0 0の所定の共振素子を励振させることによつて、または所定のリアクタンス回路のリアクタンスを制御することによって、アンテナの指向性を制御する。

次に、第 1 1の実施形態に係るレーダについて第 1 5図を参照して説明する。

第 1 5図はレーダの全体の構成を示すブロック図である。ここで V C 0 3 1は、 D Aコンバ一夕 4 8から出力される制御電圧に応じて発振周波数を変化させる。送信波変調部 4 7は、 D Aコンバータ 4 8に対して変調信号のデジタルデータを順次出力する。これによリ、 V C 0 3 1の発振周波数を三角波状に連続して F M変調させる。

アイソレータ 3 2は、 V C O 3 1からの発振信号を力ブラ 3 3側へ伝送し、 V C 0 3 1 へ反射信号が入射するのを阻止する。力ブラ 3 3は、ァイソレー夕 3 2を経由した信号をサーキユレ一夕 3 4側へ伝送するとともに、所定の分配比で送信信号の一部をローカル信号 L 0としてミキサ 3 6へ与える。サーキユレ一夕 3 4は、送信信号をアンテナ 3 5側へ伝送し、また、アンテナ 3 5からの ¾信信号をミキサ 3 6へ与える。アンテナ 3 5は、 V C 0 3 1の連続波を三角波状に F M変調した送信信号を送信し、物標からの反射信号を受信する。また、そのビームの方向を探知角度範囲に亘つて周期的に変化させる。

ミキサー 3 6は、カプラ 3 3からのローカル信号 L oとサーキユレ一夕 3 4からの受信信号とをミキシングして中間周波信号 I Fを出力する。 I F増幅回路 3 7は、その中間周波信号を、距離に応じた所定の増幅度で増幅する。 A Dコンバータ 3 8は、その電圧信号をサンプリングデータ列に変換する。 D C除去部 3 9は A Dコンバータ 3 8により求められたサンプリングデータ列のうち、後段の F F Tの処理対象となる所定のサンプリング区間の平均値を直流成分とレて求め、すべてのサンプリング区間のそれぞれのデータから直流成分を減じる。

F F T演算部 4 0は、直流成分の除去された上記サンプリング区間のデータについて周波数成分を分析する。ピーク検出部 4 1は、予め定めた閾値を超えるレベルの周波数成分にっき、その極大位置を検出する。

距離■速度算出部 4 2は、送信信号の周波数が次第に上昇する上り変調区間におけるビ一卜信号（アップビー卜信号）の周波数と、送信信号の周波数が次第に下降する下り変調区間におけるビー卜信号（ダウンビー卜信号）の周波数とに基づいて、アンテナから物標までの距離および相対速度を算出し、これらを表示器 4 4へ出力する。

D C除去部 3 9、 F F T演算部 4 0、ピーク検出部 4 1、距離 ·速度算出部 4 2は、 D

S P (ディジタル信号処理回路）等の演算素子 4 3に組み込まれている。

ビーム方位制御装置 4 6は、アンテナ 3 5の指向方向を制御する。このビーム方位制御装置 4 6は各実施形態に示した制御部 4に相当し、共振素子ァレイ 2 0 0の所定の共振素子を励振させることによつて、または所定のリアクタンス回路のリアクタンスを制御することによって、アンテナの指向性を制御する。

同期信号発生装置 4 5は、ビーム方位制御装置 4 6と表示器 4 4に対して同期信号を与える。

表示器 4 4は同期信号発生装置 4 5からの同期信号と距離，速度箅出部 4 2からの出力信号とを基にして 2次元のレーダ探知画像を表示する。産業上の利用可能性

以上のように、本発明にかかるアンテナ装置は、ビーム走査を高速化でき、ビーム走査に要する消費電力を節減でき、ビーム走査に伴う作動音をなくし、さらに信頼性を高めることができる。また、必要な時点でビーム方位を任意の方位へ向けられ、ビームの放射パターンを変更できる。したがって、本発明のアンテナ装置はたとえば無線装置および車載用レーダとして有用である。

Claims

請求の範囲

1 . 複数の共振素子を配列するとともに、該共振素子のそれぞれに接続され該共振素子の共振周波数を制御する回路を設けた共振素子アレイと、前記共振素子アレイに対して励振用の電磁波を放射する、または前記共振素子から放射された電磁波を受ける 1次放射器と、前記共振素子ァレイの位置が略焦点面となるように配置したレンズまたはレフレクタによるコリメ一卜手段とを備えたアンテナ装置。

2 . 所定周波数で共振する複数の共振素子を配列するとともに、該共振素子のそれぞれに接続され、印加電圧によつてリアクタンスが変化する可変リアクタンス回路を設けた共振素子ァレイと、前記可変リアクタンス回路に対して印加する電圧を制御する制御部と、前記共振素子アレイに対して励振用の電磁波を放射する、または前記共振素子から放射された電磁波を受ける 1次放射器と、前記共振素子ァレイの位置が略焦点面となるように配置したレンズまたはレフレクタによるコリメー卜手段とを備えたアンテナ装置。

3 . 前記制御部は、前記可変リアクタンス回路に対する印加電圧の制御によって、前記配列された複数の共振素子のうち所定位置の共振素子を導波器として作用させるとともに、該導波器として作用させる共振素子の位置を切リ替えるようにした請求項 2に記載のアンテナ装置。

4 . 前記 1次放射器が、前記共振素子ァレイに対する最適な放射位置または前記共振素子アレイから放射された電磁波を受ける最適な位置に配置されるように複数個備えられた請求項 1 ~ 3に記載のアンテナ装置。

5 . 前記 1次放射器を、開口空洞共振器と該開口空洞共振器を励振させる励振源とで構成した請求項 1〜 3に記載のアンテナ装置。

6 . 前記複数の共振素子は、配列方向に対して略垂直で且つ互いに平行な向きにのびる線状導体である請求項 1〜 3に記載のァンテナ装置。

7 . 前記複数の共振素子は、配列方向に対して略 4 5度に傾いて且つ互いに平行な向きにのびる線状導体である請求項 1〜 3に記載のアンテナ装置。

8 . 前記可変リアクタンス回路に、前記共振素子に対する装荷リアクタンスを変化させる可変容量ダイ才ードを設け、前記制御部が前記可変容量ダイオードに対して逆バイアス電圧を印加するようにした請求項 2または 3に記載のァンテナ装置。

9 . 前記可変リアクタンス回路に、前記共振素子に対する装荷リアクタンスを切り替えるスィツチ素子を設け、前記制御部が前記スィツチ素子に対して制御電圧を印加するようにした請求項 2または 3に記載のァンテナ装置。

Ί 0 . 前記可変リアクタンス回路に、制御電圧によって電極間距離が変化する M E M S 素子を設け、前記制御部が前記 M E M S素子に対して制御電圧を印加するようにした請求項 2または 3に記載のアンテナ装置。

前記スィツチ素子を、制御電圧によって電極間のスィツチ制御を行う M E M S素子とした請求項 9に記載のアンテナ装置。

前記 1次放射器は、給電素子を中心に備え、リアクタンスを装荷した無給電素子を前記給電素子の周囲に配置してなる電子制御導波器アレーアンテナである請求項 1または 2に記載のアンテナ装置。

請求項 1 ~ 3に記載のァンテナ装置を備えた無線装置。

請求項 1〜 3に記載のアンテナ装置を備えたレーダ。