WO2006080169A1 - フェーズドアレーアンテナ装置 - Google Patents

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WO2006080169A1
WO2006080169A1 PCT/JP2005/023777 JP2005023777W WO2006080169A1 WO 2006080169 A1 WO2006080169 A1 WO 2006080169A1 JP 2005023777 W JP2005023777 W JP 2005023777W WO 2006080169 A1 WO2006080169 A1 WO 2006080169A1
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WO
WIPO (PCT)
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transmission line
phased array
array antenna
phase shifter
antenna device
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/023777
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English (en)
French (fr)
Inventor
Masatoshi Tsuji
Original Assignee
Optex Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Optex Co., Ltd. filed Critical Optex Co., Ltd.
Priority to EP05820143A priority Critical patent/EP1845585A1/en
Priority to US11/883,324 priority patent/US20080150800A1/en
Publication of WO2006080169A1 publication Critical patent/WO2006080169A1/ja

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H01P1/185—Phase-shifters using a diode or a gas filled discharge tube
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array

Definitions

  • the present invention relates to a phased-array antenna device capable of changing the beam direction by electrically controlling the phase of a reception signal from a plurality of antenna elements or a feed signal to the antenna elements.
  • an array of a plurality of antenna elements for microwaves and millimeter waves is provided, and the phases of reception signals from the respective antenna elements and feed signals to the respective antenna elements are electrically controlled.
  • a phased array antenna apparatus is known which can change the beam direction as a whole without moving each antenna element itself.
  • a plurality of antenna patches and a feeding terminal for applying high frequency power to the dielectric substrate are provided on a dielectric substrate.
  • a phase shifter capable of electrically changing the phase of a high frequency signal passing through each feed line, wherein each antenna patch and the feed terminal are connected by a feed line branched from the feed terminal;
  • the phase shifter comprises: a microstrip hybrid force bra having a paraelectric base; and a ferroelectric base.
  • a combination of the microstrip and the microstrip tab electrically connected with the microstrip cover; Ppusutabu is characterized in that it has adapted to vary the mosquito ⁇ Ete pass phase shift control voltage of the DC to.
  • the phased array antenna apparatus described in Patent Document 2 includes a plurality of element antennas arranged at equal intervals in the horizontal direction and the vertical direction on the antenna aperture, and received signals from the respective element antennas.
  • a plurality of digital phase shifters for changing the phase of the feed signal to each of the element antennas and a phase value to be set to each of the digital phase shifters are calculated according to the directivity direction of the beam of each element antenna.
  • the phase value set in the digital phase shifter calculated by the beam control means and the beam control means is And a set phase correction unit configured to make correction at equal intervals using the phase value set in the digital phase shifter.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of such a prior art phased array antenna device 100. As shown in FIG. 10
  • this phased array antenna device 100 has three antenna elements 2 arranged in a line at equal intervals d facing the same direction. Each antenna element 2 is connected to the radio 6 via the digital phase shifter 103, and further, a phase shifter control circuit 104 for controlling each digital phase shifter 103 is provided.
  • the number of bits of the digital phase shifter 103 needs to be two or more. Assuming that the number of bits is 2, four PIN diodes serving as switches are required to configure a loaded phase shifter, and the number of PIN diodes required for the entire phased array antenna device 100 is “4 ⁇ ( Number of antenna elements 2). On the other hand, in order to configure the 2-bit digital phase shifter 103 as a line switching phase shifter, eight PIN diodes serving as switches are required. Therefore, the PIN array as the whole phased array antenna device 100 can be used. The required number is “8 ⁇ (number of antenna elements 2)”.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-236207
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-308626
  • the phase shifter for switching the phase of the signal has a plurality of signal transmission paths with different phase shift amounts.
  • the phase control of the signal was performed by switching with switches.
  • phased array antenna apparatus since switches used for microwaves and millimeter waves are expensive, and a large number of switches are required for the phased array antenna apparatus, the phased array antenna apparatus has become an expensive product. The size has also increased because of the need for many switch circuits. Also, in order to swing the beam direction left and right, the phase shifter had to be able to set a large amount of phase shift.
  • an object of the present invention is to set a plurality of beam directions. It is an object of the present invention to provide a phased array antenna device capable of maintaining a large swing angle in the beam direction as well as in the beam direction and capable of downsizing as a whole with a simple configuration and low cost.
  • the phased array antenna apparatus of the present invention is connected between a plurality of antenna elements arranged at equal intervals and those antenna elements in contact with P to change the phase of the transmission signal.
  • An antenna array section having a plurality of phase shifters, a phase shifter control section for controlling the amount of phase shift by the plurality of phase shifters, and a feed path from an external device to the antenna array section; Switching to either a path performed from one end side of the antenna array portion or a path performed from the other end side of the antenna array portion, and a feed path switching portion for making control of the phase shifter control portion correspond to the switching; It is a feature number to have
  • phase shifter may be, for example, a loaded phase shifter or a line switching phase shifter.
  • a path for feeding power from the external device to the antenna array portion from one end of the antenna array portion or the other end of the antenna array portion It is possible to select whether the beam direction is to the left or right with respect to the front direction by switching to any of the paths performed from the side, and changing the phase shift amount set in the plurality of phase shifters You can choose the angle from the front direction. Thereby, the beam direction can be arbitrarily selected from a plurality of directions as needed.
  • the number of switches and the like required to switch the feed path is reduced compared to the prior art, cost reduction and downsizing can be achieved.
  • the phase shift amount is superimposed for each phase shifter along the feed path, even if the phase shift amount that can be set for each phase shifter is small, a larger swing angle of the beam direction can be secured compared to the prior art. .
  • phased array antenna apparatus of the present invention at least a part of the plurality of phase shifters may be an adaptive phase shifter capable of switching characteristic impedance.
  • a characteristic capable of converting a characteristic impedance It may have an impedance converter.
  • the characteristic impedance converter has a first transmission line and a second transmission line whose lengths are both 1 ⁇ 4 of a signal wavelength and whose characteristic impedances are different from each other, and the signal transmission only by the first transmission line,
  • the signal transmission in the state where the first transmission line and the second transmission line are connected in parallel may be configured to be switchable.
  • both ends of the first transmission line and the second transmission line included in the characteristic impedance converter are connected by a switch that can be opened and closed, and only the first transmission line is connected when the switch is opened together.
  • the signal transmission may be performed according to the signal transmission, and in a state in which the switches are closed together, the signal transmission may be performed by the first transmission line and the second transmission line connected in parallel.
  • phased array antenna apparatus having such a configuration, it is possible to appropriately set the characteristic impedance between the respective antenna elements and to perform impedance conversion as necessary, regardless of the feed path. It becomes possible. Thus, power can be uniformly supplied to each of the antenna elements.
  • the adaptive phase shifter has a first transmission line and a second transmission line which have different length and length S and one-quarter of the signal wavelength and different characteristic impedances. And both ends of the first transmission line and the second transmission line are connected by a PIN diode, and both ends of the first transmission line are grounded via a series connected coil and a variable capacitance diode.
  • the signal transmission by only the first transmission line and the signal transmission in a state in which the first transmission line and the second transmission line are connected in parallel can be switched by switching the impedance state of the PIN diode. Also, it is characterized by being composed of Re.
  • signal transmission is performed only by the first transmission line, and both of the PIN diodes are used.
  • signal transmission may be performed by the first transmission line and the second transmission line connected in parallel.
  • the adaptive phase shifter is required.
  • the number of PIN diodes and variable capacitance diodes can be reduced. As a result, cost reduction and miniaturization can be achieved.
  • the adaptive phase shifter includes a first variable capacitance diode serially inserted on a signal transmission path, an end of the signal transmission path, and the first variable.
  • a second variable capacitance diode via ground of the signal transmission path between capacitive diodes, and a third variable capacitance diode via ground of the signal transmission path between the other end of the signal transmission path and the first variable capacitance diode Changing the capacitance of the signal transmission path by changing each capacitance of the first variable capacitance diode, the second variable capacitance diode, and the third variable capacitance diode. It may be characterized by
  • the number of variable capacitance diodes required for the adaptive phase shifter can be reduced. This enables further cost reduction and downsizing.
  • the feeding path from the external device to the antenna array portion is performed from the path for performing the side force of one end of the antenna array portion or the other end of the antenna array portion.
  • the beam direction can be arbitrarily selected from a plurality of directions as needed.
  • the number of switches, etc. required to switch the feeding path is reduced compared to the prior art, cost reduction and downsizing can be achieved.
  • the phase shift amount is superimposed for each phase shifter along the feed path, even if the phase shift amount that can be set for each phase shifter is small, it is possible to secure a larger swing angle of the beam direction than the prior art. .
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a phased array antenna apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 shows a loaded phase shifter as an example of the phase shifter. 3) Fig. 3 shows a line switching phase shifter as another example of the phase shifter.
  • FIG. 4 is a schematic view showing beam directions that can be set by the phased array antenna apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) show a phased array antenna apparatus according to a second embodiment of the present invention, in which the antenna elements are arranged between the antenna elements corresponding to the feed direction to each antenna element.
  • Fig. 5 (a) shows the case where power is supplied from the left side
  • Fig. 5 (b) shows the case where power is supplied from the right side.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of the configuration of an adaptive phase shifter that enables switching of the characteristic impedance.
  • FIG. 7 is a schematic view of a configuration of an adaptive phase shifter used in a phased array antenna apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an explanatory view of the principle of the low-pass type adaptive phase shifter used in the phased array antenna device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic view of the configuration of a low-pass type adaptive phase shifter used in a phased array antenna apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration of a phased array antenna device according to the prior art.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a phased array antenna device 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • this phased array antenna device 1 has three antenna elements 2 arranged in a line at equal intervals d facing the same direction, and a total of two connected between them.
  • Phase shifter 3 and the phase shifter control circuit 4 for controlling the change of the phase shift amount of each of these phase shifters 3, one single pole double throw type switch SW1 and two A single pole single throw type switch SW2 and a feed path switching circuit 5 for controlling the switching and switching of these switches are provided.
  • (L), (C), and (R) are added to the reference symbols of the respective antenna elements 2 arranged on the left side and the “center” right side, as necessary. Distinguish element 2. same In the same way, add (L) or (R) to the reference symbols of each phase shifter 3 and switch SW2 as necessary to distinguish them.
  • phase shifter 3 L
  • C central antenna element 2
  • R right antenna element 2
  • the phase shift amount (phase shift amount) of the signal is either ⁇ 1 or ⁇ 2 (where ⁇ 1 ⁇ 2). It can be changed to a stage.
  • Such a change of the phase shift amount is controlled by the phase shifter control circuit 4 according to the operation of the feed path switching circuit 5, but the phase shift amount set for each phase shifter 3 is both ⁇ Restraint ⁇ or both should be limited to any combination of ⁇ 2.
  • a specific configuration example of the phase shifter 3 will be described later with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the antenna element 2 (L) on the left side is connected to one A contact of the switching side contact of the switch SW1 through the switch SW2 (L).
  • the right antenna element 2 (R) is connected to the other B contact of the switching side contact of the switch SW1 through the switch SW 2 (R).
  • the contact on the always connected side of the switch SW1 is connected to the external radio 6 and is not connected.
  • the switching of the switches and the switching of these switches are performed by the feed path switching circuit 5 so as to interlock with each other. That is, when the switch SW1 is switched to the A contact, the switch SW2 (L) is closed and the switch SW2 (R) is opened. Conversely, when the switch SW1 is switched to the 3 ⁇ 4 contact point, the switch SW2 (L) is opened and the switch SW2 (R) is closed.
  • each of these switches is an electrically switchable switch using a PIN diode (p-intrinsic-n Diode).
  • PIN diode p-intrinsic-n Diode
  • the low impedance state at the time of forward bias corresponds to ⁇ N of the switch
  • the high impedance state at the time of reverse bias corresponds to the OFF of the switch.
  • the low impedance state at the time of forward bias of the PIN diode is simply described as “ON”, and the high impedance state at the time of reverse bias of the PIN diode is described as simplified as “OFF”.
  • the required number is 1 for single pole single throw type switch SW2 and 2 for single pole double throw type switch SW1.
  • the wireless device 6 for example, a receiver that receives microwaves or millimeter waves, a microwave And transmitters that transmit millimeter waves, and transmitters and receivers that perform both transmission and reception, but not limited thereto.
  • FIG. 2 shows a loaded phase shifter 3 A as a specific example of the phase shifter 3.
  • the loaded phase shifter 3A one end of a transmission line 7b is connected to each end of the transmission line 7a, and the other end of the transmission line 7b is grounded by a PIN diode D1.
  • the change of the phase shift amount as a whole of the loaded type phase shifter 3A is performed by each PIN diode D1.
  • the transmission line 7a is configured such that the phase shift amount as a whole is ⁇ 1 when each PIN diode D1 is ON and ⁇ 2 as a whole when each PIN diode D1 is OFF. And the amount of phase shift of the transmission line 7b is set.
  • the required number of loaded type phase shifters 3A is "the number of antenna elements 2 _ 1 Therefore, a total of 2 ⁇ (number of antenna elements 2 _ 1) ⁇ PIN diodes are required.
  • the number of PIN diodes required as a whole for the phased array antenna device 1 is
  • FIG. 3 shows a line switching phase shifter 3 B as another specific example of the phase shifter 3.
  • This line switching type phase shifter 3B has a transmission line 8a having a phase shift amount of ⁇ 1 and a transmission line 8b having a phase shift amount of ⁇ 2, and a single pole double throw type switch SW1 is provided at both ends of these. Are connected and configured.
  • the change in the amount of phase shift as a whole of the line switching type phase shifter 3 B is performed by switching these switches SW 1 in conjunction with each other so as to use either the transmission line 8 a or the transmission line 8 b. .
  • the switch SW1 of the line switching type phase shifter 3B is formed of PIN diodes, two PIN diodes are required for one switch SW1, so a total of four of the line switching type phase shifter 3B are provided. A PIN diode is required. Since the required number of line switching type phase shifters 3B is “the number of antenna elements 2 _ 1” as phased array antenna device 1, the total number of PIN diodes is “4 X (the number of antenna elements 2 _ 1)”. It will be necessary. Besides, switch Since two for SWl and one each for switch SW2, the number of PIN diodes required for the phased array antenna device 1 as a whole is
  • FIG. 4 is a schematic view showing beam directions that can be set by this phased array antenna device 1. The respective cases of the two switching states of the switch SW1 in the phased array antenna device 1 will be described.
  • switch SW2 (L) is closed and switch SW2 (R) is open.
  • the antenna element 2 (L) on the left side is connected to the radio 6 via the switch SW2 (L) and the switch SW1. Therefore, based on the phase of the signal in the left antenna element 2 (L), the phase difference from the above reference of the signal in the central antenna element 2 (C) is the phase shift amount set in the phase shifter 3
  • the phase difference from the above reference of the signal in the right antenna element 2 (R) is twice the phase shift amount set in the phase shifter 3.
  • the beam direction set for phase door array device 1 is the B2 direction that is directed leftward by an angle ⁇ 1 from the front direction. Become.
  • the beam direction set in the phased array antenna device 1 is B1 directed leftward by an angle ⁇ 2 from the front direction. It becomes a direction.
  • the switch SW2 (L) is opened and the switch SW2 (R) is closed.
  • the antenna element 2 (R) on the right side is switched S It will be in the state where it is connected to radio 6 via W2 (R) and switch SW1. Therefore, with reference to the phase of the signal in the right antenna element 2 (R), the phase difference from the above reference of the signal in the central antenna element 2 (C) is the phase shift set in the phase shifter 3
  • the phase difference from the above reference of the signal in the left antenna element 2 (U is twice the phase shift amount set in the phase shifter 3).
  • the beam direction set for phase door array device 1 is the B3 direction facing rightward from the front direction by an angle ⁇ 1.
  • the beam direction set in the phased array antenna device 1 is the B4 direction directed rightward by an angle ⁇ 2 from the front direction. It becomes.
  • the beam direction of the phased array antenna device 1 can be arbitrarily selected from a plurality of directions as needed.
  • each switch is configured of a PIN diode
  • the number of PIN diodes required as a whole of the phased array antenna device 1 is If the line switching type phase shifter 3B shown in FIG. 3 is used as “4 + 2 X (the number 1 of antenna elements 2)”, the phased array antenna device 1 as a whole is necessary.
  • the number of PIN diodes is “4 + 4 X (number of antenna elements 2 1)”. That is, the number of PIN diodes required is smaller than that of the prior art, and particularly when the loaded phase shifter 3A is used, the number of PIN diodes required is significantly reduced, so that cost reduction and miniaturization can be achieved.
  • the line switching type phase shifter 3 B shown in FIG. 3 is used as the phase shifter 3
  • the line switching type phase shifter 3 B is provided with three or more transmission paths different in phase shift amount from each other. If this is done, the beam direction of the phased array antenna device 1 can be selected from more directions.
  • the impedance matching is not particularly considered in the description of the first embodiment described above, a case in which this point is taken into consideration is described below as the second embodiment.
  • the second embodiment is the same as the first embodiment except for the point to be described next, so the same reference numerals are given to the same components, and the differences will be mainly described.
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) show the phased array antenna device 1 according to the second embodiment of the present invention, in which the antenna elements 12 are arranged corresponding to the feed direction to each antenna element 12.
  • Fig. 5 (a) shows the case where power is supplied from the left side
  • Fig. 5 (b) shows the case where power is supplied from the right side.
  • the number of antenna elements 12 is four, and the input impedance of each antenna element 12 is Z.
  • each antenna is selected from the relationship between the input impedance of each antenna element 12 and the characteristic impedance between each antenna element 12.
  • the power supply to the element 12 becomes uneven. Therefore, in order to feed each antenna element 12 uniformly, the characteristic impedance including the phase shifter 13 between the antenna elements 12 must be converted.
  • the value on the right side of the characteristic impedance including the phase shifter 13 between each antenna element 12 is Z, and the central characteristic impedance is It is necessary to set the dance to Z / 2 and the left characteristic impedance to Z / 3.
  • the characteristic impedances including the left and right phase shifters 13 need to be configured to be switchable to 3 / Z and Z, respectively.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of the configuration of a phase shifter (hereinafter referred to as “adaptive phase shifter”) 10 that enables switching of the characteristic impedance.
  • the wavelength of the signal is represented by ⁇ .
  • This adaptive phase shifter 10 has a phase shifter 13A (a phase shift amount is a predetermined value, and a characteristic impedance ⁇ is 50).
  • ⁇ 4 impedance converter 11 is connected to both ends of the circuit.
  • Each of these ⁇ / 4 impedance converters 11 has a transmission line 11a (length One end of transmission line 1 lb (length is ⁇ / 4, characteristic impedance is ⁇ ) is connected at one end of single pole single throw type switch SW2 to one end of // 4, characteristic impedance Z is 50 ⁇ ). Alternatively, it can be switched to the open state, and the other end of the transmission line lib can be switched to the connected state or the open state by another switch SW2 at the other end of the transmission line 11a.
  • ⁇ ⁇ 4 impedance converter 11 has a state in which transmission line 11a and transmission line 1 lb are connected in parallel. And the characteristic impedance that is synthesized in parallel is
  • the value of the characteristic impedance combined in parallel at this time is approximately 29 ⁇ .
  • FIGS. 7 (a) and 7 (b) are explanatory diagrams of the relationship between the feed direction and the corresponding characteristic impedance in the phased array antenna device 1 incorporating the adaptive phase shifter 10, and FIG. (a) shows the case where power is supplied from the left side, and Fig. 7 (b) shows the case where power is supplied from the right side.
  • the number of antenna elements 12 is four, and the input impedance of each antenna element 12 is 50 ⁇ .
  • (L), (CL), (CR), and (R) are added to the reference symbols of the antenna elements 12 in order of force on the left to distinguish the antenna elements 12.
  • the antenna element 12 (L) on the left side and the antenna element 12 (CL) next to the antenna element 12 (CL) are the adaptive phase shifters 10 (described below). If necessary, use 10 (L) as a reference, and connect the right antenna element 12 (R) and its next adjacent antenna element 12 (CR) with one more adaptive phase shifter 10
  • the antenna element 12 (CU and antenna element 12 (CR) are connected via a phase shifter 13 B (the amount of phase shift is a predetermined value) (connected below via 10 (R) as required).
  • the characteristic impedance Z is 25 ⁇ ).
  • antenna element 12 (L) is a transmission line 14 (L) for feeding from the left side via single-pole single-throw type switch SW 2 (L) (length is ⁇ / 4, characteristic impedance ⁇ Is connected to 25 ⁇ ), and antenna element 12 (R) is transmission line 14 (R) for feeding from the right via another switch SW 2 (R) (length ⁇ / 4, characteristics The impedance ⁇ is connected to 25 ⁇ .
  • the transmission line 14 (L) and the transmission line 14 (R) also have a conversion function of characteristic impedance, respectively.
  • the characteristic impedance is converted by the transmission line 14 (L), and the antenna element 12 (L) is connected via the switch SW2 (L). Power is supplied to From there, power is supplied to the antenna element 12 (CL) through the adaptive phase shifter 10 (L). In this adaptive phase shifter 10 (L), each switch SW 2 is closed, and impedance conversion is performed by the combined characteristic impedance of the parallel transmission paths. From there, power is supplied to the antenna element 12 (CR) through the phase shifter 13B. Furthermore, the antenna element 12 (R) is fed through the adaptive phase shifter 10 (R). In this adaptive phase shifter 10 (R), each switch SW2 is open.
  • the characteristic impedance is converted by the transmission line 14 (R), and the antenna element 12 (R) is transmitted via the switch SW2 (R). Feeding Is done. From there, power is supplied to the antenna element 12 (CL) through the adaptive phase shifter 10 (R). In the adaptive phase shifter 10 (R), each switch SW2 is closed, and impedance conversion is performed by the combined characteristic impedance of the parallel transmission paths. From there, power is supplied to the antenna element 12 (CL) through the phase shifter 13B. Further, the antenna element 12 (R) is fed through the adaptive phase shifter 10 (L). In this adaptive phase shifter 10 (L), each switch SW2 is open.
  • the characteristic impedance between each antenna element 12 is appropriately set, and power may be supplied as needed, regardless of whether power is supplied from the left or right side. A conversion is performed. As a result, power can be supplied uniformly to each antenna element 12.
  • a phased array antenna device 1 according to a third embodiment of the present invention which uses an adaptive phase shifter 20 instead of the adaptive phase shifter 20 that enables switching of characteristic impedance by a configuration different from the adaptive phase shifter 10 used in the second embodiment described above.
  • the second embodiment is the same as the first embodiment or the second embodiment except for the points to be described next, so the same reference numerals are given to the same components, and the differences will be mainly described.
  • FIG. 8 is a schematic view of the configuration of the adaptive phase shifter 20 used in the phased array antenna device 1 according to the third embodiment of the present invention.
  • This adaptive phase shifter 20 includes a loaded transmission line 21a (length ⁇ / 4) and a transmission line 21b.
  • One end of the transmission line 21b is connected to one end of the transmission line 21a via the PIN diode D22, and the other end of the transmission line 21a is connected to the other end of the transmission line 21b via the other PIN diode D22. Furthermore, both ends of the transmission line 21a are grounded via the coil L23 and the variable capacitance diode D24.
  • the load can be changed by the variable capacitance diode D24. Further, by switching ONZOFF of each PIN diode D22, the characteristic impedance can be changed to either the value of the transmission line 21a or the parallel combination value of the transmission line 21a and the transmission line 21b.
  • the required number is more than that of the second embodiment. It can be reduced. As a result, cost reduction and miniaturization can be achieved.
  • Low-pass adaptive phase shifter capable of switching characteristic impedance by a configuration different from the adaptive phase shifter 10 used in the second embodiment described above and the adaptive phase shifter 20 used in the third embodiment
  • a phased array antenna device 1 using 30 instead will be described below as a fourth embodiment.
  • the second embodiment is the same as the first to third embodiments except for the points described below, so the same reference numerals will be given to the same components, and the differences will be mainly described.
  • FIG. 9 is an explanatory view of the principle of the low-pass type adaptive phase shifter 30 used in the phased array antenna device 1 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic view of the configuration of the low-pass type adaptive phase shifter 30. As shown in FIG.
  • the principle of the low-pass type adaptive phase shifter 30 is as shown in FIG. 9 in the low-pass filter in which both ends of the coil L30 are grounded via the capacitor C30, the inductance value of the coil L30 and the capacitor C30.
  • the impedance and phase shift amount are changed by changing the capacitance value of.
  • variable capacitance diode D31 is inserted in series on the signal transmission path, and on this signal transmission path, the signal transmission path is further provided.
  • the low-pass filter type circuit is such that the space between one end of the signal transmission path and the other end of the signal transmission path and the space between the variable capacitance diode D31 are grounded by the variable capacity diode D33. It can be mentioned.
  • this low-pass type adaptive phase shifter 30 it is possible to change the impedance and the phase shift amount by changing the voltage supplied to the voltage input terminals Vcon :! to Vcon3 and changing the capacitance of the variable capacitance diodes D31 to D33. it can.
  • the amount of phase shift ⁇ 4 (the amount of phase change) and the impedance have the following relationship.
  • the number of variable capacitance diodes D 24 required for the adaptive phase shifter 30 is four in total, so the required number can be reduced as compared with the third embodiment. As a result, further cost reduction and miniaturization can be achieved.
  • the present invention is suitable, for example, for a phased array antenna apparatus capable of changing the beam direction by electrically controlling the phases of signals received from a plurality of antenna elements or feed signals to the antenna elements.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

　一実施形態では、等間隔で配置される複数のアンテナ素子（２）と、隣接するこれらのアンテナ素子（２）の間にそれぞれ接続されて伝送信号の位相を変化させる複数の移相器（３）とを有するアンテナ配列部と、複数の移相器（３）による移相量をそれぞれ制御する移相器制御部（４）と、外部機器（６）からの前記アンテナ配列部に対する給電経路を、前記アンテナ配列部の一端の側から行う経路または前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換えるとともに、その切り換えに移相器制御部（４）の制御を対応させる給電経路切換部（５）とを備える。

Description

明 細 書
フェーズドアレーアンテナ装置
技術分野
[0001] 本発明は、複数のアンテナ素子からの受信信号またはそれらのアンテナ素子への 給電信号の位相を電気的に制御することでビーム方向を変更できるフェーズドアレ 一アンテナ装置に関する。
背景技術
[0002] 従来、マイクロ波やミリ波用の複数のアンテナ素子の配列を有するとともに、各アン テナ素子からの受信信号や各アンテナ素子への給電信号の位相を電気的に制御す ることで、各アンテナ素子自体を動かさずに全体としてのビーム方向を変更できるフ エーズドアレーアンテナ装置が知られてレ、る。
[0003] 例えば、特許文献 1に記載されているアクティブフェイズドアレイアンテナ及びアン テナ制御装置は、誘電体基板上に、複数のアンテナパッチと、前記誘電体基板に高 周波電力を印加する給電端子と、を備え、前記各アンテナパッチと前記給電端子と を、前記給電端子から分岐した給電線で接続し、前記各給電線上を通過する高周波 信号の位相を電気的に変化出来る移相器を、前記給電線の一部を構成するように 配置した構造を有するアクティブフェイズドアレイアンテナにおいて、前記移相器は、 常誘電体を基材とするマイクロストリップハイブリッド力ブラと、強誘電体を基材とし、か つ前記マイクロストリップノヽイブリツドカブラと電気的に接続されるマイクロストリップス タブとを組み合わせてなり、前記マイクロストリップスタブに直流の制御電圧をカ卩えて 通過移相量を変化させるように構成したことを特徴とするものである。
[0004] また、特許文献 2に記載されているフェーズドアレーアンテナ装置は、アンテナ開口 上の水平方向、垂直方向に等間隔に配置された複数個の素子アンテナと、上記各 素子アンテナからの受信信号又は上記各素子アンテナへの給電信号の位相を変化 させる複数個のデジタル移相器と、上記各素子アンテナのビームの指向方向に応じ て、上記各デジタル移相器に設定する位相値を計算するビーム制御手段と、上記ビ ーム制御手段により計算された上記デジタル移相器に設定される位相値を、他の上 記デジタル移相器に設定される位相値を用いて、等間隔に変化するよう補正する設 定位相補正手段とを備えたことを特徴とするものである。
[0005] 図 10は、このような従来技術によるフェーズドアレーアンテナ装置 100の概略構成 を示すブロック図である。
[0006] 図 10に示すように、このフェーズドアレーアンテナ装置 100は、同一方向を向いて 等間隔 dで一列に配置されている 3本のアンテナ素子 2を有している。各アンテナ素 子 2は、それぞれデジタル移相器 103を介して無線機 6に接続されており、さらに、各 デジタル移相器 103を制御する移相器制御回路 104が備えられている。
[0007] 4つのビーム方向を選択可能とするには、デジタル移相器 103のビット数は 2以上 である必要がある。ビット数を 2とした場合、装荷型移相器で構成するにはスィッチと なる PINダイオードが各 4個必要であり、フェーズドアレーアンテナ装置 100全体とし ての PINダイオードの必要数は「4 X (アンテナ素子 2の数）」である。一方、 2ビットの デジタル移相器 103を線路切換型移相器で構成するにはスィッチとなる PINダイォ 一ドが各 8個必要であり、フェーズドアレーアンテナ装置 100全体としての PINダイォ ードの必要数は「8 X (アンテナ素子 2の数）」である。
特許文献 1 :特開 2000— 236207号公報
特許文献 2：特開 2001— 308626号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 上述の特許文献 2に記載されているような従来技術の場合、信号の位相を切り換え るための移相器は移相量の異なる複数の信号伝送路を有しており、これらをスィッチ などで切り換えることによって信号の位相制御を行っていた。
[0009] ところが、マイクロ波やミリ波などで使用するスィッチは高価であり、フェーズドアレー アンテナ装置には多数のスィッチが必要とされるため、フェーズドアレーアンテナ装 置は高額な商品となっていた。多くのスィッチ回路が必要となるため、サイズも大きく なっていた。また、ビーム方向を左右に振るには、移相器が大きな移相量を設定可 能なものにする必要もあった。
[0010] 従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、複数のビーム方向を設定自 在にするとともにビーム方向の振り角を左右に大きく確保でき、し力も、簡単な構成で コストが安ぐ全体としての小型化も可能なフェーズドアレーアンテナ装置を提供する ことである。
課題を解決するための手段
[0011] 上記目的を達成するため、本発明のフェーズドアレーアンテナ装置は、等間隔で 配置される複数のアンテナ素子と、 P 接するこれらのアンテナ素子の間にそれぞれ 接続されて伝送信号の位相を変化させる複数の移相器とを有するアンテナ配列部と 、前記複数の移相器による移相量をそれぞれ制御する移相器制御部と、外部機器か らの前記アンテナ配列部に対する給電経路を、前記アンテナ配列部の一端の側から 行う経路または前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換え るとともに、その切り換えに前記移相器制御部の制御を対応させる給電経路切換部 とを備えることを特 ί数とする。
[0012] ここで、前記移相器としては、例えば、装荷型移相器や線路切換型移相器が挙げ られる力 これらに限るものではない。
[0013] このような構成のフェーズドアレーアンテナ装置によれば、外部機器からの前記ァ ンテナ配列部に対する給電経路を前記アンテナ配列部の一端の側から行う経路また は前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換えることによりビ ーム方向が正面方向に対して左右どちらに向くかを選択でき、前記複数の移相器に 設定される各移相量の変更によってビーム方向の正面方向からの角度を選択できる 。これにより、ビーム方向を複数の方向から必要に応じて任意に選択することができ る。また、給電経路の切り換えに必要なスィッチなどの数量が従来技術に比較して少 なくなるので、コストダウンや小型化を図ることができる。また、給電経路に沿った移相 器毎に移相量が重畳されていくので、個々の移相器に設定できる移相量は小さくて も従来技術よりも大きなビーム方向の振り角を確保できる。
[0014] また、本発明のフェーズドアレーアンテナ装置において、前記複数の移相器のうち の少なくとも一部は、特性インピーダンスの切り換えを可能とする適応移相器であるこ とを特徴としてもよい。
[0015] ここで、前記適応移相器としては、例えば、特性インピーダンスを変換可能な特性 インピーダンス変換器を有するようにしてもよい。また、前記特性インピーダンス変換 器は、長さがともに信号波長の 1/4で特性インピーダンスは互いに異なる第 1伝送 線路および第 2伝送線路を有し、前記第 1伝送線路のみによる信号伝送と、前記第 1 伝送線路と前記第 2伝送線路とが並列接続された状態での信号伝送とが切り換え可 能に構成されていてもよい。さらに、前記特性インピーダンス変換器が有する前記第 1伝送線路および前記第 2伝送線路の両端がそれぞれ開閉可能なスィッチによって 接続されており、前記スィッチをともに開かれた状態では、前記第 1伝送線路のみに よって信号伝送が行われ、前記スィッチをともに閉じられた状態では、並列接続され た前記第 1伝送線路および前記第 2伝送線路によって信号伝送が行われるものであ つてもよい。
[0016] このような構成のフェーズドアレーアンテナ装置によれば、給電経路がどちらであつ ても、前記各アンテナ素子間の特性インピーダンスが適切に設定するとともに、必要 に応じてインピーダンス変換を行うことが可能となる。これにより、前記各アンテナ素 子に均一に給電を行うことができる。
[0017] また、本発明のフェーズドアレーアンテナ装置において、前記適応移相器は、長さ 力 Sともに信号波長の 1/4で特性インピーダンスは互いに異なる第 1伝送線路および 第 2伝送線路を有し、前記第 1伝送線路および前記第 2伝送線路の両端がそれぞれ PINダイオードによって接続されるとともに、前記第 1伝送線路の両端がそれぞれ直 列接続されたコイルおよび可変容量ダイオードを介して接地されており、前記 PINダ ィオードのインピーダンス状態の切り換えによって、前記第 1伝送線路のみによる信 号伝送と、前記第 1伝送線路と前記第 2伝送線路とが並列接続された状態での信号 伝送とを切り換え可能に構成されてレ、ることを特徴としてもよレ、。
[0018] ここで、そのような構成としては、例えば、前記 PINダイオードがともに逆バイアス時 の高インピーダンス状態である場合に、前記第 1伝送線路のみによって信号伝送が 行われ、前記 PINダイオードがともに順バイアス時の低インピーダンス状態である場 合に、並列接続された前記第 1伝送線路および前記第 2伝送線路によって信号伝送 が行われるようにしてもよい。
[0019] このような構成のフェーズドアレーアンテナ装置によれば、前記適応移相器に必要 な PINダイオードおよび可変容量ダイオードの個数を減らすことができる。これにより 、コストダウンや小型化を図ることができる。
[0020] また、本発明のフェーズドアレーアンテナ装置において、前記適応移相器は、信号 伝送経路上に直列に挿入される第 1可変容量ダイオードと、前記信号伝送経路の一 端と前記第 1可変容量ダイオードの間において前記信号伝送経路の接地に介する 第 2可変容量ダイオードと、前記信号伝送経路の他端と前記第 1可変容量ダイオード の間において前記信号伝送経路の接地に介する第 3可変容量ダイオードとを有し、 前記第 1可変容量ダイオード、前記第 2可変容量ダイオード、および前記第 3可変容 量ダイオードの各容量を変化させることにより、前記信号伝送経路のインピーダンス および移相量を変化させることを特徴としてもよい。
[0021] このような構成のフェーズドアレーアンテナ装置によれば、前記適応移相器に必要 な可変容量ダイオードの個数を減らすことができる。これにより、さらなるコストダウン や小型化を図ることができる。
発明の効果
[0022] 本発明のフェーズドアレーアンテナ装置によれば、外部機器からの前記アンテナ配 列部に対する給電経路を前記アンテナ配列部の一端の側力 行う経路または前記 アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれかに切り換えることによりビーム方 向が正面方向に対して左右どちらに向くかを選択でき、前記複数の移相器に設定さ れる各移相量の変更によってビーム方向の正面方向からの角度を選択できる。これ により、ビーム方向を複数の方向から必要に応じて任意に選択することができる。また 、給電経路の切り換えに必要なスィッチなどの数量が従来技術に比較して少なくなる ので、コストダウンや小型化を図ることができる。また、給電経路に沿った移相器毎に 移相量が重畳されていくので、個々の移相器に設定できる移相量は小さくても従来 技術よりも大きなビーム方向の振り角を確保できる。
図面の簡単な説明
[0023] [図 1]図 1は、本発明の第 1実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置の概略構 成を示すブロック図である。
[図 2]図 2は、移相器の具体例としての装荷型移相器である。 園 3]図 3は、移相器の他の具体例としての線路切換型移相器である。
[図 4]図 4は、本発明の第 1実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置で設定可 能なビーム方向を示す概略図である。
[図 5]図 5 (a)および図 5 (b)は、本発明の第 2実施形態に係るフェーズドアレーアンテ ナ装置において、各アンテナ素子への給電方向に対応して各アンテナ素子間の特 性インピーダンスに必要とされる条件の説明図であり、図 5 (a)は左側から給電する場 合を示し、図 5 (b)は右側から給電する場合を示す。
園 6]図 6は、特性インピーダンスの切り換えを可能とする適応移相器の構成の概略 図である。
[図 7]図 7 (a)および図 7 (b)は、適応移相器を組み込んだフェーズドアレーアンテナ 装置における給電方向と対応する特性インピーダンスなどの関係の説明図であり、 図 7 (a)は左側から給電する場合を示し、図 7 (b)は右側から給電する場合を示す。 園 8]図 8は、本発明の第 3実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置において 使用される適応移相器の構成の概略図である。
園 9]図 9は、本発明の第 4実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置において 使用されるローパス型適応移相器の原理の説明図である。
[図 10]図 10は、本発明の第 4実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置におい て使用されるローパス型適応移相器の構成の概略図である。
園 11]図 11は、従来技術によるフェーズドアレーアンテナ装置の概略構成を示すブ ロック図である。
符号の説明
1 フェーズドアレーアンテナ装置
2 アンテナ素子
3 移相器
3A 装荷型移相器
3B 線路切換型移相器
4 移相器制御回路
5 給電経路切換回路 6 無線機
7a、 7b、 8a、 8b
伝送線路
10 適応移相器
11 λ Ζ4インピーダンス変換器
l la、 l ib
伝送線路
12 アンテナ素子
13、 13A、 13B
移相器
14 伝送線路
20 適応移相器
21a, 21b
伝送線路
30 ローパス型適応移相器
発明を実施するための最良の形態
[0025] 以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
[0026] ぐ第 1実施形態 >
図 1は、本発明の第 1実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置 1の概略構成 を示すブロック図である。
[0027] 図 1に示すように、このフェーズドアレーアンテナ装置 1は同一方向を向いて等間隔 dで一列に配置されている 3本のアンテナ素子 2とこれらの間にそれぞれ接続される 計 2個の移相器 3と、これらの各移相器 3のそれぞれの移相量の変更を制御するため の移相器制御回路 4と、 1個の単極双投タイプのスィッチ SW1と 2個の単極単投タイ プのスィッチ SW2とこれらのスィッチの開閉および切り換えを制御する給電経路切換 回路 5とを備えている。
[0028] なお、以下の説明では必要に応じて、左側 '中央'右側に配置されている各アンテ ナ素子 2の参照符号に (L)、（C)、（R)を付加して各アンテナ素子 2を区別する。同 様に、各移相器 3およびスィッチ SW2の参照符号に必要に応じて (L)または (R)を 付加して区別する。
[0029] 左側のアンテナ素子 2 (L)と中央のアンテナ素子 2 (C)とを接続してレ、る移相器 3 ( L)と、中央のアンテナ素子 2 (C)と右側のアンテナ素子 2 (R)とを接続してレ、る移相 器 3 (R)とは、それぞれ信号の移相量 (位相変化量）を φ 1または φ 2 (ただし、 φ 1 < Φ 2)の 2段階に変更可能である。このような移相量の変更は、給電経路切換回路 5 の動作に応じて移相器制御回路 4によって制御されるが、各移相器 3にそれぞれ設 定される移相量は、ともに φ ΐ力 \あるいはともに φ 2のいずれかの組み合わせに限る ものとする。なお、移相器 3の具体的な構成例については、図 2および図 3を参照して 後述する。
[0030] 左側のアンテナ素子 2 (L)は、スィッチ SW2 (L)を介してスィッチ SW1の切り換え 側接点の一方の A接点に接続されている。右側のアンテナ素子 2 (R)はスィッチ SW 2 (R)を介してスィッチ SW1の切り換え側接点の他方の B接点に接続されている。ス イッチ SW1の常時接続側の接点は、外部の無線機 6へ接続されてレ、る。
[0031] これらの各スィッチの開閉や切り換えは、給電経路切換回路 5によって互いに連動 するように行われる。すなわち、スィッチ SW1が A接点に切り換えられるときは、スイツ チ SW2 (L)は閉じられるとともにスィッチ SW2 (R)は開かれる。逆に、スィッチ SW1 力 ¾接点に切り換えられるときは、スィッチ SW2 (L)は開かれるとともにスィッチ SW2 ( R)は閉じられる。
[0032] なお、これらの各スィッチの具体例としては、 PINダイオード（p-intrinsic-n Diode) を使用した電気的に切り換え制御可能なスィッチが挙げられる。 PINダイオードで は、順バイアス時の低インピーダンス状態がスィッチの〇Nに相当し、逆バイアス時の 高インピーダンス状態がスィッチの OFFに相当する。以下では、 PINダイオードの順 バイアス時の低インピーダンス状態を「ON」と簡略化して記すとともに、 PINダイォー ドの逆バイアス時の高インピーダンス状態を「OFF」と簡略化して記すこととする。
[0033] スィッチに PINダイオードを使用する場合、その必要数は単極単投タイプのスイツ チ SW2では 1個、単極双投タイプのスィッチ SW1では 2個である。
[0034] また、無線機 6としては、例えば、マイクロ波やミリ波を受信する受信機、マイクロ波 やミリ波を送信する送信機、あるいは送信および受信の両方を行う送受信装置など が挙げられるが、これらに限るものではない。
[0035] 図 2は、移相器 3の具体例としての装荷型移相器 3Aである。この装荷型移相器 3A は、伝送線路 7aの両端にそれぞれ伝送線路 7bの一端が接続され、これらの伝送線 路 7bの他端が PINダイオード D1によってそれぞれ接地されて構成されている。
[0036] この装荷型移相器 3Aの全体としての移相量の変更は各 PINダイオード D1によつ て行われる。なお、各 PINダイオード D1がともに ONの場合に全体としての移相量が φ 1となり、各 PINダイオード D1がともに OFFの場合に全体としての移相量が φ 2と なるように、伝送線路 7aおよび伝送線路 7bのそれぞれの移相量が設定されている。
[0037] この装荷型移相器 3Aには 2個の PINダイオードが使用されている力 フェーズドア レーアンテナ装置 1としては、装荷型移相器 3Aの必要個数は「アンテナ素子 2の数 _ 1」個なので、 PINダイオードは計「2 X (アンテナ素子 2の数 _ 1)」個必要となる。 その他にも、スィッチ SW1用に 2個、 2つのスィッチ SW2用に各 1個必要であるから、 フェーズドアレーアンテナ装置 1全体として必要となる PINダイオードの数量は、
4 + 2 X (アンテナ素子 2の数 1)
となる。
[0038] 図 3は、移相器 3の他の具体例としての線路切換型移相器 3Bである。この線路切 換型移相器 3Bは、移相量が φ 1である伝送線路 8aおよび移相量が φ 2である伝送 線路 8bを有し、これらの両端に単極双投タイプのスィッチ SW1がそれぞれ接続され て構成されている。
[0039] この線路切換型移相器 3Bの全体としての移相量の変更はこれらのスィッチ SW1を 連動して切り換え、伝送線路 8aあるいは伝送線路 8bのいずれか一方を使用するよう にして行われる。
[0040] この線路切換型移相器 3Bのスィッチ SW1を PINダイオードで構成する場合、 1個 のスィッチ SW1について 2個の PINダイオードが必要なので、この線路切換型移相 器 3Bには計 4個の PINダイオードが必要となる。フェーズドアレーアンテナ装置 1とし ては、線路切換型移相器 3Bの必要個数は「アンテナ素子 2の数 _ 1」個なので、 PIN ダイオードは計「4 X (アンテナ素子 2の数 _ 1)」個必要となる。その他にも、スィッチ SWl用に 2個、スィッチ SW2用に各 1個必要であるから、フェーズドアレーアンテナ 装置 1全体として必要となる PINダイオードの数量は、
4 + 4 X (アンテナ素子 2の数 1)
となる。
[0041] 図 4は、このフェーズドアレーアンテナ装置 1で設定可能なビーム方向を示す概略 図である。フェーズドアレーアンテナ装置 1内のスィッチ SW1の 2個の切り換え状態 のそれぞれの場合にっレ、て説明する。
[0042] (1)スィッチ SW1が A接点に切り換えられているとき
上述したように、スィッチ SW2 (L)は閉じられるとともにスィッチ SW2 (R)は開かれ ている。これにより、各アンテナ素子 2は、左側のアンテナ素子 2 (L)の方がスィッチ S W2 (L)およびスィッチ SW1を介して無線機 6に接続されている状態となる。そのため 、左側のアンテナ素子 2 (L)における信号の位相を基準とすると、中央のアンテナ素 子 2 (C)における信号の上記基準からの位相差は移相器 3に設定されている移相量 となり、右側のアンテナ素子 2 (R)における信号の上記基準からの位相差は移相器 3 に設定されている移相量の 2倍となる。
[0043] 各移相器 3に設定されている移相量がともに φ 1のときは、フェーズドアレーアンテ ナ装置 1に設定されるビーム方向は、正面方向から角度 θ 1だけ左向きの B2方向と なる。ただし、
sin ( θ 1) = φ 1/d
である。
[0044] —方、各移相器 3に設定されている移相量がともに φ 2のときは、フェーズドアレー アンテナ装置 1に設定されるビーム方向は、正面方向から角度 Θ 2だけ左向きの B1 方向となる。ただし、
sin ( Θ 2) = φ 2 d
である。
[0045] (2)スィッチ SWlが B接点に切り換えられてレ、るとき
上述したように、スィッチ SW2 (L)は開かれるとともにスィッチ SW2 (R)は閉じられ ている。これにより、各アンテナ素子 2は、右側のアンテナ素子 2 (R)の方がスィッチ S W2 (R)およびスィッチ SW1を介して無線機 6に接続されている状態となる。そのた め、右側のアンテナ素子 2 (R)における信号の位相を基準とすると、中央のアンテナ 素子 2 (C)における信号の上記基準からの位相差は移相器 3に設定されている移相 量となり、左側のアンテナ素子 2 (Uにおける信号の上記基準からの位相差は移相 器 3に設定されている移相量の 2倍となる。
[0046] 各移相器 3に設定されている移相量がともに φ 1のときは、フェーズドアレーアンテ ナ装置 1に設定されるビーム方向は、正面方向から角度 θ 1だけ右向きの B3方向と なる。
[0047] 一方、各移相器 3に設定されている移相量がともに φ 2のときは、フェーズドアレー アンテナ装置 1に設定されるビーム方向は、正面方向から角度 Θ 2だけ右向きの B4 方向となる。
[0048] 以上で説明した第 1実施形態の構成によれば、スィッチ SW1および各スィッチ SW 2の切り換えによってビーム方向が正面方向に対して左右どちらに向くかを選択でき 、各移相器 3に設定される各移相量の変更によってビーム方向の正面方向からの角 度を選択できる。これにより、フェーズドアレーアンテナ装置 1のビーム方向を複数の 方向から必要に応じて任意に選択することができる。
[0049] 各スィッチを PINダイオードで構成する場合、移相器 3として図 2に示した装荷型移 相器 3Aを使用すれば、フェーズドアレーアンテナ装置 1全体として必要となる PINダ ィオードの数量は「4 + 2 X (アンテナ素子 2の数 1)」であり、移相器 3として図 3に 示した線路切換型移相器 3Bを使用すれば、フェーズドアレーアンテナ装置 1全体と して必要となる PINダイオードの数量は「4 + 4 X (アンテナ素子 2の数一 1)」である。 すなわち、従来技術より PINダイオードの必要数が少なくなり、特に装荷型移相器 3 Aを使用すれば PINダイオードの必要数が大幅に少なくなるので、コストダウンや小 型化を図ることができる。
[0050] なお、移相器 3として図 3に示した線路切換型移相器 3Bを使用する場合に、この線 路切換型移相器 3Bに移相量の互いに異なる伝送経路を 3以上備えさせるようにす れば、フェーズドアレーアンテナ装置 1のビーム方向をさらに多くの方向から選択でき るようになる。 [0051] <第 2実施形態 >
上述の第 1実施形態の説明ではインピーダンスの整合については特に考慮してい なかったが、その点を考慮に加えたものを第 2実施形態として以下に説明する。なお 、次に述べる点以外は第 1実施形態と同様であるので、同じ構成部材には同じ参照 符号を付すこととし、主として相違点について説明する。
[0052] 図 5 (a)および図 5 (b)は、本発明の第 2実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ 装置 1において、各アンテナ素子 12への給電方向に対応して各アンテナ素子 12間 の特性インピーダンスに必要とされる条件の説明図であり、図 5 (a)は左側から給電 する場合を示し、図 5 (b)は右側から給電する場合を示す。なお、アンテナ素子 12の 数は 4個、各アンテナ素子 12の入力インピーダンスは Zとする。
[0053] 各アンテナ素子 12間に同一の移相器 13を単純に接続したものに片側から給電を すると、各アンテナ素子 12の入力インピーダンスや各アンテナ素子 12間の特性イン ピーダンスの関係から各アンテナ素子 12への給電が不均一になるという問題がある 。そのため、各アンテナ素子 12に均一に給電するには、各アンテナ素子 12間の移 相器 13も含めた特性インピーダンスを変換しなければならない。
[0054] すなわち、左側から給電する場合には、図 5 (a)に示すように、各アンテナ素子 12 間の移相器 13も含めた特性インピーダンスの右側の値を Zとし、中央の特性インピー ダンスを Z/2とし、左側の特性インピーダンスを Z/3とする必要がある。
[0055] 一方、右側から給電する場合には、図 5 (b)に示すように、各アンテナ素子 12間の 移相器 13も含めた特性インピーダンスの左側の値を Zとし、中央の特性インピーダン スを Z/2とし、右側の特性インピーダンスを Z/3とする必要がある。
[0056] したがって、左側および右側の各移相器 13を含めた特性インピーダンスは、いず れも 3/Zおよび Zに切り換え可能に構成しておく必要がある。
[0057] 図 6は、特性インピーダンスの切り換えを可能とする移相器（以下では「適応移相器 」と記す） 10の構成の概略図である。なお、信号の波長は λで表すこととする。
[0058] この適応移相器 10は、移相器 13A (移相量は所定値、特性インピーダンス Ζは 50
Ωとする）を備えており、その両端に λ Ζ4インピーダンス変換器 11がそれぞれ接続 されている。これらの λ /4インピーダンス変換器 11はそれぞれ、伝送線路 11a (長さ がえ /4、特性インピーダンス Zは 50 Ωとする）の一端に伝送線路 1 lb (長さが λ /4 、特性インピーダンスは Ζχとする）の一端が単極単投タイプのスィッチ SW2によって 接続状態または開放状態に切り換え可能とするとともに、伝送線路 11aの他端に伝 送線路 libの他端がもう 1つのスィッチ SW2によって接続状態または開放状態に切 り換え可能に構成されている。
[0059] 伝送線路 11aおよび伝送線路 libの両端の各スィッチ SW2がいずれも開放状態 のときは、 λΖ4インピーダンス変換器 11としては伝送線路 11aのみが有効となるの で、移相器 13Aの左右の各伝送線路の特性インピーダンスは伝送線路 11aの特性 インピーダンス Z (50 Ω )に一致する。
[0060] 一方、伝送線路 11aおよび伝送線路 libの両端のスィッチ SW2がいずれも接続状 態のときは、 λ Ζ4インピーダンス変換器 11としては伝送線路 11aおよび伝送線路 1 lbが並列に接続された状態となり、並列合成された特性インピーダンスは、
1/(1/Z+1/Zx)
となる。
[0061] また、この適応移相器 10の両端における特性インピーダンスを Z/3とするには、移 相器 13Aの特性インピーダンスが Zであるので、インピーダンス変換のために伝送線 路 1 laおよび伝送線路 1 lbが並列合成された特性インピーダンスは、
^(ZXZ/3)
でなければならない。したがって、
1/(1/Z+1/Zx) = {ZXZ/?,)
を満足するように Zxを定める必要がある。
[0062] この式を Zxについて解くと、
Zx = Z/{ ?, -1)
となり、これに Ζ = 50[Ω]を代入すると、
Figure imgf000015_0001
となる。また、このときの並列合成された特性インピーダンスの値は約 29 Ωとなる。
[0063] 以上のような構成により、特性インピーダンスを 3/Ζおよび Ζに切り換え可能な適 応移相器 10が実現される。なお、上記の数値などは例示に過ぎない。 [0064] 図 7 (a)および図 7 (b)は、この適応移相器 10を組み込んだフェーズドアレーアンテ ナ装置 1における給電方向と対応する特性インピーダンスなどの関係の説明図であり 、図 7 (a)は左側から給電する場合を示し、図 7 (b)は右側から給電する場合を示す。 なお、アンテナ素子 12の数は 4個、各アンテナ素子 12の入力インピーダンスは 50 Ω とする。以下の説明では必要に応じて、各アンテナ素子 12の参照符号に左側のもの 力 順に (L)、 （CL)、 （CR)、（R)を付加して、各アンテナ素子 12を区別する。
[0065] 図 7 (a)および図 7 (b)に示すように、左側のアンテナ素子 12 (L)とその右隣のアン テナ素子 12 (CL)とは上述の適応移相器 10 (以下、必要に応じて参照符号に 10 (L )を使用）を介して接続され、右側のアンテナ素子 12 (R)とその左隣のアンテナ素子 12 (CR)とはもう 1つの適応移相器 10 (以下、必要に応じて参照符号に 10 (R)を使 用）を介して接続され、アンテナ素子 12 (CUとアンテナ素子 12 (CR)とは移相器 13 B (移相量は所定値、特性インピーダンス Zは 25 Ωとする）を介して接続されてレ、る。
[0066] さらに、アンテナ素子 12 (L)は単極単投タイプのスィッチ SW2 (L)を介して左側か らの給電用の伝送線路 14 (L) (長さが λ /4、特性インピーダンス Ζは 25 Ωとする）に 接続され、アンテナ素子 12 (R)はもう 1つのスィッチ SW2 (R)を介して右側からの給 電用の伝送線路 14 (R) (長さが λ /4、特性インピーダンス Ζは 25 Ωとする）に接続 されている。なお、伝送線路 14 (L)および伝送線路 14 (R)もそれぞれ特性インピー ダンスの変換機能を有してレ、る。
[0067] 左側から給電する場合は、図 7 (a)に示すように、まず、伝送線路 14 (L)によって特 性インピーダンスが変換され、スィッチ SW2 (L)を介してアンテナ素子 12 (L)に給電 が行われる。そこから、適応移相器 10 (L)を介してアンテナ素子 12 (CL)に給電が 行われる。なお、この適応移相器 10 (L)では、各スィッチ SW2はいずれも閉じられて おり、並列する伝送経路の合成された特性インピーダンスによってインピーダンス変 換が行われる。そこから、移相器 13Bを介してアンテナ素子 12 (CR)に給電が行わ れる。さらに、適応移相器 10 (R)を介してアンテナ素子 12 (R)に給電が行われる。な お、この適応移相器 10 (R)では、各スィッチ SW2はいずれも開かれている。
[0068] 右側から給電する場合は、図 7 (b)に示すように、まず、伝送線路 14 (R)によって特 性インピーダンスが変換され、スィッチ SW2 (R)を介してアンテナ素子 12 (R)に給電 が行われる。そこから、適応移相器 10 (R)を介してアンテナ素子 12 (CL)に給電が 行われる。なお、この適応移相器 10 (R)では、各スィッチ SW2はいずれも閉じられて おり、並列する伝送経路の合成された特性インピーダンスによってインピーダンス変 換が行われる。そこから、移相器 13Bを介してアンテナ素子 12 (CL)に給電が行わ れる。さらに、適応移相器 10 (L)を介してアンテナ素子 12 (R)に給電が行われる。な お、この適応移相器 10 (L)では、各スィッチ SW2はいずれも開かれている。
[0069] 以上で説明した第 2実施形態の構成によれば、左右どちら側から給電する場合で あっても、各アンテナ素子 12間の特性インピーダンスが適切に設定されるとともに、 必要に応じてインピーダンス変換が行われる。これにより、各アンテナ素子 12に均一 に給電を行うことができる。
[0070] ぐ第 3実施形態 >
上述の第 2実施形態で使用される適応移相器 10とは異なる構成によって特性イン ピーダンスの切り換えを可能とする適応移相器 20を代わりに使用するフェーズドアレ 一アンテナ装置 1を第 3実施形態として以下に説明する。なお、次に述べる点以外は 第 1実施形態または第 2実施形態と同様であるので、同じ構成部材には同じ参照符 号を付すこととし、主として相違点について説明する。
[0071] 図 8は、本発明の第 3実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置 1において使 用される適応移相器 20の構成の概略図である。
[0072] この適応移相器 20は、装荷型の伝送線路 21a (長さが λ /4)および伝送線路 21b
(長さが λ /4)を備えている。伝送線路 21aの一端に伝送線路 21bの一端が PINダ ィオード D22を介して接続され、伝送線路 21aの他端に伝送線路 21bの他端がもう 1 つの PINダイオード D22を介して接続されている。さらに、伝送線路 21aの両端はそ れぞれ、コイル L23および可変容量ダイオード D24を介して接地されている。
[0073] このような構成の適応移相器 20では、可変容量ダイオード D24によって負荷を変 化させることができる。また、各 PINダイオード D22の ONZOFFを切り換えることに よって、特性インピーダンスを伝送線路 21 aの値または伝送線路 21 aおよび伝送線 路 21bの並列合成値のいずれかに変化させることができる。
[0074] 装荷型の負荷と移相量 Θ 3 (位相変化量）の関係は、次式で求められる。 [0075] [数 1]
口 3 2
Figure imgf000018_0001
B：可変負荷のァドミッタンス
Z：伝送路特性インピーダンス
[0076] 以上で説明した第 3実施形態の構成によれば、適応移相器 20に必要な PINダイォ ード D22および可変容量ダイオード D24は合計 4個なので、第 2実施形態よりも必要 数を減らすことができる。これにより、コストダウンや小型化を図ることができる。
[0077] <第 4実施形態 >
上述の第 2実施形態で使用される適応移相器 10や第 3実施形態で使用される適 応移相器 20とは異なる構成によって特性インピーダンスの切り換えを可能とするロー パス型適応移相器 30を代わりに使用するフェーズドアレーアンテナ装置 1を第 4実施 形態として以下に説明する。なお、次に述べる点以外は第 1実施形態〜第 3実施形 態と同様であるので、同じ構成部材には同じ参照符号を付すこととし、主として相違 点について説明する。
[0078] 図 9は、本発明の第 4実施形態に係るフェーズドアレーアンテナ装置 1において使 用されるローパス型適応移相器 30の原理の説明図である。図 10は、このローパス型 適応移相器 30の構成の概略図である。
[0079] このローパス型適応移相器 30の原理は、図 9に示すように、コイル L30の両端がコ ンデンサ C30を介して接地されたローバスフィルタにおいて、コイル L30のインダクタ ンス値およびコンデンサ C30の容量値を変化させることによって、インピーダンスおよ び移相量を変化させるというものである。
[0080] 具体的な構成例としては、図 10に示すように、信号伝送経路上に可変容量ダイォ ード D31を直列に揷入し、さらにこの信号伝送経路上において、この信号伝送経路 の一端と可変容量ダイオード D31の間を可変容量ダイオード D32で接地するととも に、この信号伝送経路の他端と可変容量ダイオード D31の間を可変容量ダイオード D33で接地するようなローパスフィルタ型の回路が挙げられる。このローパス型適応 移相器 30では、電圧入力端子 Vcon：!〜 Vcon3に供給する電圧を変化させ、可変 容量ダイオード D31〜D33の容量を変化させることによって、インピーダンスおよび 移相量を変化させることができる。
[0081] なお、移相量 Θ 4 (位相変化量）とインピーダンスとは以下のような関係がある。
[0082] [数 2]
£
B = tan( ) 正規化アドミ 'クタンス
X = sin( ΘΛ ) 正規化インピーダンス - Zc：コンデンサーインピーダンス
Figure imgf000019_0001
zL = Z0X , ：インダクタインピーダンス
[0083] 以上で説明した第 4実施形態の構成によれば、適応移相器 30に必要な可変容量 ダイオード D24は合計 4個なので、第 3実施形態よりも必要数を減らすことができる。 これにより、さらなるコストダウンや小型化を図ることができる。
[0084] 本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなぐ他のいろいろな形で 実施すること力できる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず 、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって示すものであ つて、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属す る変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
[0085] なお、この出願は、 日本で 2005年 1月 31日に出願された特願 2005— 23016号 に基づく優先権を請求する。その内容はこれに言及することにより、本出願に組み込 まれるものである。また、本明細書に引用された文献は、これに言及することにより、 その全部が具体的に組み込まれるものである。
産業上の利用可能性
本発明は、例えば、複数のアンテナ素子からの受信信号またはそれらのアンテナ 素子への給電信号の位相を電気的に制御することでビーム方向を変更できるフエ一 ズドアレーアンテナ装置などに好適である。

Claims

請求の範囲
[1] 等間隔で配置される複数のアンテナ素子と、 P 接するこれらのアンテナ素子の間に それぞれ接続されて伝送信号の位相を変化させる複数の移相器とを有するアンテナ 配列部と、
前記複数の移相器による移相量をそれぞれ制御する移相器制御部と、 外部機器からの前記アンテナ配列部に対する給電経路を、前記アンテナ配列部の 一端の側から行う経路または前記アンテナ配列部の他端の側から行う経路のいずれ 力に切り換えるとともに、その切り換えに前記移相器制御部の制御を対応させる給電 経路切換部とを備えることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
[2] 請求項 1に記載のフェーズドアレーアンテナ装置にぉレ、て、
前記複数の移相器は装荷型移相器であることを特徴とするフェーズドアレーアンテ ナ装置。
[3] 請求項 1に記載のフェーズドアレーアンテナ装置にぉレ、て、
前記複数の移相器は線路切換型移相器であることを特徴とするフェーズドアレーア ンテナ装置。
[4] 請求項 1に記載のフェーズドアレーアンテナ装置にぉレ、て、
前記複数の移相器のうちの少なくとも一部は、特性インピーダンスの切り換えを可 能とする適応移相器であることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
[5] 請求項 4に記載のフェーズドアレーアンテナ装置にぉレ、て、
前記適応移相器は、特性インピーダンスを変換可能な特性インピーダンス変換器 を有することを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
[6] 請求項 5に記載のフェーズドアレーアンテナ装置において、
前記特性インピーダンス変換器は、長さがともに信号波長の 1Z4で特性インピー ダンスは互いに異なる第 1伝送線路および第 2伝送線路を有し、
前記第 1伝送線路のみによる信号伝送と、前記第 1伝送線路と前記第 2伝送線路と が並列接続された状態での信号伝送とが切り換え可能に構成されていることを特徴 とするフェーズドアレーアンテナ装置。
[7] 請求項 6に記載のフェーズドアレーアンテナ装置において、 前記特性インピーダンス変換器が有する前記第 1伝送線路および前記第 2伝送線 路の両端がそれぞれ開閉可能なスィッチによって接続されており、
前記スィッチをともに開かれた状態では、前記第 1伝送線路のみによって信号伝送 が行われ、前記スィッチをともに閉じられた状態では、並列接続された前記第 1伝送 線路および前記第 2伝送線路によって信号伝送が行われることを特徴とするフェーズ ドアレーアンテナ装置。
[8] 請求項 4に記載のフェーズドアレーアンテナ装置にぉレ、て、
前記適応移相器は、長さがともに信号波長の 1Z4で特性インピーダンスは互いに 異なる第 1伝送線路および第 2伝送線路を有し、
前記第 1伝送線路および前記第 2伝送線路の両端がそれぞれ PINダイオードによ つて接続されるとともに、前記第 1伝送線路の両端がそれぞれ直列接続されたコィノレ および可変容量ダイオードを介して接地されており、
前記 PINダイオードのインピーダンス状態の切り換えによって、前記第 1伝送線路 のみによる信号伝送と、前記第 1伝送線路と前記第 2伝送線路とが並列接続された 状態での信号伝送とを切り換え可能に構成されていることを特徴とするフェーズドア レーアンテナ装置。
[9] 請求項 8に記載のフェーズドアレーアンテナ装置において、
前記 PINダイオードがともに逆バイアス時の高インピーダンス状態である場合に、前 記第 1伝送線路のみによって信号伝送が行われ、前記 PINダイオードがともに順バイ ァス時の低インピーダンス状態である場合に、並列接続された前記第 1伝送線路お よび前記第 2伝送線路によって信号伝送が行われることを特徴とするフェーズドアレ 一アンテナ装置。
[10] 請求項 4に記載のフェーズドアレーアンテナ装置にぉレ、て、
前記適応移相器は、信号伝送経路上に直列に挿入される第 1可変容量ダイオード と、前記信号伝送経路の一端と前記第 1可変容量ダイオードの間において前記信号 伝送経路の接地に介する第 2可変容量ダイオードと、前記信号伝送経路の他端と前 記第 1可変容量ダイオードの間において前記信号伝送経路の接地に介する第 3可 変容量ダイオードとを有し、 前記第 1可変容量ダイオード、前記第 2可変容量ダイオード、および前記第 3可変 容量ダイオードの各容量を変化させることにより、前記信号伝送経路のインピーダン スおよび移相量を変化させることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
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