(57)【要約】      （修正有）【課題】アンテナ素子の位相制御の制御系統数を削減した簡易な構成のフェイズドアレイアンテナを提供する。【解決手段】フェイズドアレイアンテナ１０は、複数のリニアアレイ部と、そのそれぞれの長手方向に沿って延在しリニアアレイ部の複数のアンテナ素子１１０に結合する複数の第１結合部１２２を有する複数の第１伝送線路１２０と、複数の第１伝送線路それぞれにおける互いに隣り合う第１結合部の間で第１位相差だけ移相する一又は複数の第１移相器１２１と、複数のリニアアレイ部の配列方向に沿って延在し、複数の第１伝送線路の端部に結合する複数の第２結合部を有する第２伝送線路１３０と、第２伝送線路における互いに隣り合う第２結合部１３２の間で第２位相差だけ移相する一又は複数の第２移相器１３１と、を備える。複数のリニアアレイ部は、第１方向に配列した複数のアンテナ素子を有し、第１方向と交差する第２方向に配列している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェイズドアレイアンテナであって、
第１方向に配列した複数のアンテナ素子を有し、前記第１方向と交差する第２方向に配列した複数のリニアアレイ部と、
前記複数のリニアアレイ部それぞれの長手方向に沿って延在し、該リニアアレイ部の複数のアンテナ素子に結合する複数の第１結合部を有する複数の第１伝送線路と、
前記複数の第１伝送線路それぞれにおける互いに隣り合う前記第１結合部の間で第１位相差だけ移相する一又は複数の第１移相器と、
前記複数のリニアアレイ部の配列方向に沿って延在し、前記複数の第１伝送線路の端部に結合する複数の第２結合部を有する第２伝送線路と、
前記第２伝送線路における互いに隣り合う前記第２結合部の間で第２位相差だけ移相する一又は複数の第２移相器と、
を備えることを特徴とするフェイズドアレイアンテナ。
【請求項２】
請求項１のフェイズドアレイアンテナにおいて、
前記第１移相器は、印加電圧に応じて位相変化量が変化するハイブリッド結合型のアナログ移相器であり、
前記第１伝送線路の両端部それぞれに互いに異なる直流電圧が印加されることを特徴とするフェイズドアレイアンテナ。
【請求項３】
請求項１又は２のフェイズドアレイアンテナにおいて、
前記複数の第１結合部はそれぞれ、空隙を有する結合器であることを特徴とするフェイズドアレイアンテナ。
【請求項４】
請求項３のフェイズドアレイアンテナにおいて、
前記第１伝送線路における前記複数の第１結合部の空隙は、該第１伝送線路の前記第２伝送線路との第２結合部から遠ざかるほど狭いことを特徴とするフェイズドアレイアンテナ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかのフェイズドアレイアンテナにおいて、
前記複数のリニアアレイ部を有するアレイユニットを複数備え、
前記複数のアレイユニットはそれぞれ、前記アレイユニットごとに設定された第３位相差だけ送信信号又は受信信号を移相する複数の第３移相器を備えることを特徴とするフェイズドアレイアンテナ。
【請求項６】
請求項５のフェイズドアレイアンテナにおいて、
前記複数の第３移相器で移相する前記第３位相差は、当該フェイズドアレイアンテナの全体目標指向方向における前記複数のアレイユニットそれぞれの等位相面が同一面上に位置するように設定したことを特徴とするフェイズドアレイアンテナ。
【請求項７】
進行波型のアンテナ装置であって、
請求項５又は６に記載された前記複数のアレイユニットを含むフェイズドアレイアンテナを複数備え、
前記複数のフェイズドアレイアンテナはそれぞれ、前記複数のフェイズドアレイアンテナの空間的な配列位置関係に基づいて、当該アンテナ装置の全体目標指向方向における前記複数のフェイズドアレイアンテナそれぞれの等位相面が同一面上に位置するように移相された高周波信号が供給されることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項８】
送信装置であって、
請求項７の進行波型のアンテナ装置と、
前記複数のフェイズドアレイアンテナそれぞれに供給する所定の周波数及び位相の伝送信号を発生する複数の位相制御発信機と、
前記複数の位相制御発信機に前記周波数の同期信号を供給する同期信号経路と、
前記同期信号経路における互いに隣り合う複数の同期信号供給部の間で第４位相差だけ移相する複数の第４移相器と、を備えることを特徴とする送信装置。
【請求項９】
フェイズドアレイアンテナであって、
複数のアレイユニットと、
前記複数のアレイユニットそれぞれに供給する所定の周波数及び位相の伝送信号を発生する複数の位相制御発信機と、
前記複数の位相制御発信機に前記周波数の同期信号を供給する同期信号経路と、
前記同期信号経路における互いに隣り合う複数の同期信号供給部の間で所定の位相差だけ移相する複数の移相器と、を備えることを特徴とするフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１０】
無線電力伝送システムであって、
無線電力伝送の送信アンテナ及び受信アンテナの少なくとも一方は、請求項１乃至９のいずれかのフェイズドアレイアンテナである、ことを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項１１】
無線通信システムであって、
無線通信の送信アンテナ及び受信アンテナの少なくとも一方は、請求項１乃至９のいずれかのフェイズドアレイアンテナである、ことを特徴とする無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子が配列されたフェイズドアレイアンテナ、並びに、そのフェイズドアレイアンテナを有するアンテナ装置、送信装置、無線電力伝送システム及び無線通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２次元的に配置された複数のアンテナ素子を有し、各アンテナ素子の信号の位相及び振幅を制御することによりアンテナ全体の指向性パターン（ビームフォーミング）を制御可能なアンテナが知られている。
【０００３】
特許文献１には、複数のアンテナ素子それぞれに対応するように複数の移相器を設け、各移相器を制御装置で制御するフェイズドアレイアンテナが開示されている。このフェイズドアレイアンテナでは、制御装置が各移相器の移相値を算出して各移相器に伝達する。また、一つの信号源が発生した信号が分配回路で複数の信号に分配され、前記分配回路から出力された複数の信号はそれぞれ移相器で移相され、増幅器で増幅されてアンテナ素子に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６４５６５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来のフェイズドアレイアンテナでは、複数のアンテナ素子それぞれに対応するように複数の移相器を設け、各移相器を制御装置で制御しているため、移相器ごとに制御系統が必要になり制御系が複雑になるという課題がある。特に、２次元的なビームフォーミングを行う長距離無線通信や無線電力伝送では大開口のフェイズドアレイアンテナが必要になるが、大開口のフェイズドアレイアンテナを構成するためアンテナ素子の数を増やして各アンテナ素子の移相器を制御しようとすると、制御系統数の増大を招いてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係るフェイズドアレイアンテナは、複数のリニアアレイ部と、複数の第１伝送線路と、一又は複数の第１移相器と、第２伝送線路と、一又は複数の第２移相器とを備える。前記複数のリニアアレイ部は、第１方向に配列した複数のアンテナ素子を有し、前記第１方向と交差する第２方向に配列している。前記複数の第１伝送線路は、前記複数のリニアアレイ部それぞれの長手方向に沿って延在し、該リニアアレイ部の複数のアンテナ素子に結合する複数の第１結合部を有する。前記一又は複数の第１移相器は、前記複数の第１伝送線路それぞれにおける互いに隣り合う前記第１結合部の間で第１位相差（Δφｅ）だけ移相する。前記第２伝送線路は、前記複数のリニアアレイ部の配列方向に沿って延在し、前記複数の第１伝送線路の端部に結合する複数の第２結合部を有する。前記一又は複数の第２移相器は、前記第２伝送線路における互いに隣り合う前記第２結合部の間で第２位相差（Δφａ）だけ移相する。
【０００７】
前記フェイズドアレイアンテナにおいて、前記第１移相器は、印加電圧に応じて位相変化量が変化するハイブリッド結合型のアナログ移相器であり、前記第１伝送線路の両端部それぞれに互いに異なる直流電圧（Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２）が印加されてもよい。
【０００８】
前記フェイズドアレイアンテナにおいて、前記複数の第１結合部はそれぞれ、空隙を有する結合器を備えてもよい。ここで、前記第１伝送線路における前記複数の第１結合部の空隙は、該第１伝送線路の前記第２伝送線路との第２結合部から遠ざかるほど狭くてもよい。
【０００９】
前記フェイズドアレイアンテナにおいて、前記複数のリニアアレイ部を有するアレイユニットを複数備え、
前記複数のアレイユニットはそれぞれ、前記アレイユニットごとに設定された第３位相差だけ送信信号又は受信信号を移相する複数の第３移相器を備えてもよい。
ここで、前記複数の第３移相器で移相する前記第３位相差（Δφｎ）は、当該フェイズドアレイアンテナの全体目標指向方向における前記複数のアレイユニットそれぞれの等位相面が同一面上に位置するように設定してもよい。
【００１０】
本発明の他の態様に係る進行波型のアンテナ装置は、前記複数のアレイユニットを含むフェイズドアレイアンテナを複数備え、前記複数のフェイズドアレイアンテナはそれぞれ、前記複数のフェイズドアレイアンテナの空間的な配列位置関係に基づいて、当該アンテナ装置の全体目標指向方向における前記複数のフェイズドアレイアンテナそれぞれの等位相面が同一面上に位置するように移相された高周波信号が供給される。
【００１１】
本発明の他の態様に係る送信装置は、前記進行波型のアンテナ装置と、前記複数のフェイズドアレイアンテナそれぞれに供給する所定の周波数及び位相の伝送信号を発生する複数の位相制御発信機と、前記複数の位相制御発信機に前記周波数の同期信号を供給する同期信号経路と、前記同期信号経路における互いに隣り合う複数の同期信号供給部の間で第４位相差だけ移相する複数の第４移相器と、を備える。
【００１２】
本発明の更に他の態様に係る送信装置は、複数のフェイズドアレイアンテナと、前記複数のフェイズドアレイアンテナそれぞれに供給する所定の周波数及び位相の伝送信号を発生する複数の位相制御発信機と、前記複数の位相制御発信機に前記周波数の同期信号を供給する同期信号経路と、前記同期信号経路における互いに隣り合う複数の同期信号供給部の間で第４位相差だけ移相する複数の第４移相器と、を備える。
【００１３】
本発明の更に他の態様に係る無線電力伝送システムは、無線電力伝送の送信アンテナ及び受信アンテナの少なくとも一方が、前記いずれかのフェイズドアレイアンテナである。
本発明の更に他の態様に係る無線通信システムは、無線通信の送信アンテナ及び受信アンテナの少なくとも一方が、前記いずれかのフェイズドアレイアンテナである。
【００１４】
前記フェイズドアレイアンテナで送信又は受信される電磁波はマイクロ波又はミリ波であってもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、アンテナ素子の位相制御の制御系統数を削減した簡易な構成のフェイズドアレイアンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るフェイズドアレイアンテナのアンテナ素子の配置例を示す説明図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本実施形態に係るフェイズドアレイアンテナにおいて制御可能な指向性ビームの主方向の一例を示す説明図。
【図３】本実施形態に係るフェイズドアレイアンテナの概略構成の一例を示す説明図。
【図４】図３のフェイズドアレイアンテナの４番目のリニアアレイ部におけるエレベーション方向のビームステアリング用回路の構成の一例を示す説明図。
【図５】図３のフェイズドアレイアンテナにおけるアジマス方向のビームステアリング用回路の構成の一例を示す説明図。
【図６】本実施形態に係るフェイズドアレイアンテナにおける移相器の位相差とステアリング角との関係の一例を示す説明図。
【図７】本実施形態に係るフェイズドアレイアンテナを備える送信装置の概略構成の一例を示すブロック図。
【図８】本発明の他の実施形態に係るフェイズドアレイアンテナの概略構成の一例を示す説明図。
【図９】図８のフェイズドアレイアンテナにおける移相器の位相差とステアリング角と等位相面との関係の一例を示す説明図。
【図１０】図８のフェイズドアレイアンテナにおけるチューニング移相器の位相差（Δφ２−Δφ１）と指向性ビームの利得のプロファイルとの関係を計算したコンピュータ・シミュレーション結果の一例を示す説明図。
【図１１】図８のフェイズドアレイアンテナを備える送信装置の概略構成の一例を示すブロック図。
【図１２】本発明の更に他の実施形態に係る進行波型のアンテナ装置の概略構成の一例を示す説明図。
【図１３】図１２の進行波型のアンテナ装置を備える送信装置の一例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係るフェイズドアレイアンテナは、２次元的に又は３次元的に配列した複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置である。フェイズドアレイアンテナは、複数のアンテナ素子の間で送信又は受信の信号の移相及び信号が制御され、任意の方向に指向性の主ビームの方向を向けるビームフォーミングが可能である。
【００１８】
また、本実施形態のフェイズドアレイアンテナは、ビームフォーミングを必要とする長距離の無線通信又は無線電力伝送における大開口の送信フェイズドアレイアンテナに適する。マイクロ波を用いた無線電力伝送では、ビームフォーミングを必要とするだけでなく、伝送距離に応じたアンテナ開口面積が必要となる。例えば、送電対象が地上の車両等（送電距離が１ｍ以下）の場合はアンテナ開口面積は１ｍ２以下であるが、送電対象が比較的低い高度（例えば１００ｍ以下）の上空を飛行するドローン等の飛行体（送電距離が１００ｍ以下）の場合、アンテナ開口面積は数ｍ２であることが想定される。更に、送電対象が比較的高い高度（例えば数百ｍ以上２０ｋｍ以下）の成層圏を飛行する成層圏滞在型無人機、成層圏プラットフォーム、ＨＡＰＳ（高高度プラットフォーム局、高高度疑似衛星）等の飛行体（送電距離が２０ｋｍ以下）の場合、アンテナ開口面積は数１０ｍ２である。また、送電対象がより高い高度（例えば数１０ｋｍ以上３６００ｋｍ以下）に位置する宇宙太陽光発電所等（送電距離が３６００ｋｍ以下）の場合、アンテナ開口面積は数ｋｍ２であることが想定される。このように無線伝送における送電距離に応じてアンテナ開口面積が拡大（アンテナ素子数が増加）するため、簡易且つ安価なフェイズドアレイアンテナが求められる。本実施形態のフェイズドアレイアンテナは、このような長距離の無線電力伝送システムにおけるビームフォーミング可能で簡易且つ安価な大開口のフェイズドアレイアンテナに適する。
【００１９】
なお、本実施形態では、フェイズドアレイアンテナを主に送信アンテナとして構成した場合について説明するが、本実施形態のフェイズドアレイアンテナは受信アンテナとして構成することもできる。また、本実施形態では、２次元的に配列するアンテナ素子数が１６個（＝４個×４個）のフェイズドアレイアンテナの場合について主に説明するが、フェイズドアレイアンテナのアンテナ素子数は、図示の例に限られるものではない。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係るフェイズドアレイアンテナのアンテナ素子の配置例を示す説明図である。図１において、フェイズドアレイアンテナ１０は、所定の周波数（例えばマイクロ波又はミリ波）の電磁波を送信して電力を伝送する無線伝送装置であり、４組のリニアアレイ部１００（１）〜１００（４）を備える。４組のリニアアレイ部１００（１）〜１００（４）はそれぞれ、図中のＹ方向（第１方向）に所定の間隔ｄｙで配列した４個のアンテナ素子１１０（１，１）〜１１０（１，４）、１１０（２，１）〜１１０（２，４）、１１０（３，１）〜１１０（３，４）、１１０（４，１）〜１１０（４，４）を有する。４組のリニアアレイ部１００（１）〜１００（４）は図中のＹ方向と交差するＸ方向（第２方向）に所定の間隔ｄｘで配列している。なお、アンテナ素子１１０のＹ方向の間隔ｄｙ及びＸ方向（第２方向）の間隔ｄｘは同じ間隔ｄであってもよい。
【００２１】
アンテナ素子１１０は、例えばダイポールアンテナであるが、スロットアンテナ、ホーンアンテナ、マイクロストリップアンテナなどの、他の種類のアンテナ素子であってもよい。また、アンテナ素子１１０は、単一偏波面の電磁波を送受信可能なアンテナでもよいし、複数偏波面の電磁波又は円偏波面の電磁波を送受信可能なアンテナであってもよい。
【００２２】
なお、図示の例では、リニアアレイ部１００（１）〜１００（４）の配列方向（Ｘ方向）と、各リニアアレイ部中のアンテナ素子の配列方向（Ｙ方向）とは実質的に直交しているが、その配列方向の交差角度は９０度からずれていてもよい。また、図示の例では、アンテナ素子の配置面が実質的に平面である場合について示しているが、アンテナ素子の配置面は曲面であってもよい。
【００２３】
図２（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本実施形態に係るフェイズドアレイアンテナ１０において制御可能な指向性ビームＢｍの主方向の一例を示す説明図である。図２中のＸ軸及びＹ軸はそれぞれ、フェイズドアレイアンテナ１０のアンテナ素子１１０が配置された素子配置面１０ｓ上に定義された互いに直交する座標軸（基準軸）であり、図１中のＸ方向及びＹ方向に対応する。図２中のＺ軸は、フェイズドアレイアンテナ１０の素子配置面１０ｓに垂直な軸である。このＺ軸を中心にして、フェイズドアレイアンテナ１０の指向性ビームＢｍの主方向を変化させるビームステアリングが可能である。
【００２４】
図２（ａ）において、アジマス角ψａ及びエレベーション角ψｅは、フェイズドアレイアンテナ１０で送受信される電磁波の指向性ビームＢｍの主方向を規定する角度である。アジマス角ψａは、指向性ビームＢｍの主方向の方位角であり、素子配置面１０ｓ上の基準軸であるＸ軸を基準にし、指向性ビームＢｍの主方向を素子配置面１０ｓに投影した投影方向Ｂｍ’の角度である。エレベーション角ψｅは、指向性ビームＢｍの主方向の仰角であり、素子配置面１０ｓを基準にした指向性ビームＢｍの主方向の角度である。
【００２５】
図２（ｂ）は、フェイズドアレイアンテナ１０によって制御可能な指向性ビームＢｍの主方向のＹ−Ｚ面におけるＺ軸を基準にしたエレベーション方向のビームステアリング角θｅを示している。このＹ−Ｚ面上のビームステアリング角θｅは、リニアアレイ部１００のＹ方向に配置されたアンテナ素子間の位相差Δφｅを制御して変化させることができる。
【００２６】
図２（ｃ）は、フェイズドアレイアンテナ１０によって制御可能な指向性ビームＢｍの主方向のＺ−Ｘ面におけるＺ軸を基準にしたアジマス方向のビームステアリング角θａを示している。このＺ−Ｘ面上のビームステアリング角θａは、リニアアレイ部１００のＸ方向に配置されたアンテナ素子間の第２位相差Δφａを制御して変化させることができる。
【００２７】
図３は、本実施形態に係るフェイズドアレイアンテナ１０の概略構成の一例を示す説明図である。フェイズドアレイアンテナ１０は、複数の第１伝送線路１２０と、複数の第１移相器１２１とを備える。
【００２８】
第１伝送線路１２０は、複数のリニアアレイ部１００それぞれの長手方向（図１のＹ方向参照）に沿って延在し、リニアアレイ部１００の複数のアンテナ素子１１０に結合する複数の第１結合部１２２を有する。
【００２９】
第１移相器（「エレベーション方向のステアリング移相器」ともいう。）１２１は、複数の第１伝送線路１２０それぞれにおける互いに隣り合う第１結合部１２２の間で高周波信号ＲＦを第１位相差（Δφｅ）だけ移相する。第１位相差（Δφｅ）は、指向性ビームＢｍの主方向の仰角であるエレベーション角ψｅに対応するエレベーション方向のビームステアリング角θｅ（図２（ｂ）参照）を設定するための位相差である。
【００３０】
更に、フェイズドアレイアンテナ１０は、第２伝送線路１３０と複数の第２移相器１３１とを備える。
【００３１】
第２伝送線路１３０は、複数のリニアアレイ部１００の配列方向（図１のＸ方向参照）に沿って延在し、複数の第１伝送線路１２０それぞれの一方の端部（図中下側の端部）に結合する複数の第２結合部１３２を有する。第２結合部１３２と第１伝送線路１２０との間には直流成分を遮断するためのキャパシタＣ１を有する。
【００３２】
第２移相器（「アジマス方向のステアリング移相器」ともいう。）１３１は、第２伝送線路１３０における互いに隣り合う第２結合部１３２の間で高周波信号ＲＦを第２位相差（Δφａ）だけ移相する。第２位相差（Δφａ）は、指向性ビームＢｍの主方向の方位角であるアジマス角ψａに対応するアジマス方向のビームステアリング角θａ（図２（ｃ）参照）を設定するための位相差である。
【００３３】
第２伝送線路１３０の一方の端部（送信信号発生部である高周波信号源２０とは反対側の端部）には、交流成分を遮断するインダクタＬ１を介して、第２位相差（Δφａ）を制御するための直流電圧Ｖｄｃ１［Ｖ］が印加される。
【００３４】
第２伝送線路１３０のもう一方の端部（高周波信号源２０側の端部）と高周波信号源２０との間には、直流成分を遮断するためのキャパシタＣ２を有する。
【００３５】
第２伝送線路１３０の高周波信号源２０側の端部における直流成分の電位はゼロ電位であるため、第２伝送線路１３０の端部間には直流成分の電圧Ｖｄｃ１［Ｖ］が印加された状態になっている。この電圧Ｖｄｃ１［Ｖ］により、後述のハイブリッド結合型のアナログ移相器で構成された第２移相器１３１の第２位相差（Δφａ）が制御される。
【００３６】
また、複数の第１伝送線路１２０の一方の端部（第２伝送線路１３０とは反対側の端部）には、交流成分を遮断するインダクタＬ０を介して、第１位相差（Δφｅ）を制御するための直流電圧Ｖｄｃ２［Ｖ］が印加される。電圧０［Ｖ］〜Ｖｄｃ２［Ｖ］により、後述のハイブリッド結合型のアナログ移相器で構成された第１移相器１２１の第１位相差（Δφｅ）が制御される。
【００３７】
図４は、図３のフェイズドアレイアンテナ１０の破線で囲まれた４番目のリニアアレイ部１００（４）におけるエレベーション方向のビームステアリング用回路１０１の構成の一例を示す説明図である。第１伝送線路１２０における複数のアンテナ素子１１０に結合する複数の第１結合部１２２はそれぞれ、アンテナ素子１１０の下端面に対して、所定の空隙ｓを介して対向することにより、高周波信号ＲＦを非接触でアンテナ素子１１０に伝達する結合器を構成している。
【００３８】
複数の第１結合部１２２における結合器の空隙ｓは、第１伝送線路１２０に高周波信号が供給される第２伝送線路１３０との第２結合部から遠ざかるほど狭くして結合度を高めるようにしてもよい。これにより、第１伝送線路１２０を伝送されている高周波信号ＲＦが減衰する場合でも、複数のアンテナ素子１１０に伝達される高周波信号ＲＦの強度がアンテナ素子間でばらつかないで互いに均一になるようにすることができる。
【００３９】
また、図４において、複数の第１移相器１２１はそれぞれ、印加電圧に応じて位相変化量が変化するハイブリッド結合型のアナログ移相器である。第１移相器１２１は、例えば０°〜９０°の範囲で移相することができる一種の可変リアクタンス回路であり、印加電圧により静電容量が変化する可変容量素子であるバラクタダイオード１２１ｄを、対象信号の１／４波長より短い伝送線路（インピーダンス線路）１２１ｃで接続した構成を有する。図４の例では、第１伝送線路１２０に印加される電圧（Ｖｄｃ２）［Ｖ］により、複数の第１移相器１２１はそれぞれ、第１位相差（Δφｅ）だけ高周波信号ＲＦを移相する。第１伝送線路１２０に入力される時点で高周波信号ＲＦは第２伝送線路１３０の３つの第２移相器１３１により第２位相差Δφａの３倍分だけ移相済みであるので、図中の４つのアンテナ素子１１０から放射される電磁波の位相はそれぞれ、３Δφａ、３Δφａ＋Δφｅ、３Δφａ＋２Δφｅ、及び、３Δφａ＋３Δφｅとなる。
【００４０】
図５は、図３のフェイズドアレイアンテナ１０における破線で囲まれたアジマス方向のビームステアリング用回路１０２の構成の一例を示す説明図である。図５では、図示の都合上、前述の複数のリニアアレイ部１００のアンテナ素子１１０のうち、第２伝送線路１３０に最も近いアンテナ素子１１０について図示している。
【００４１】
なお、複数のリニアアレイ部１００の並び方向（図中の左右方向）に関して、各リニアアレイ部１００における結合器の空隙ｓは、高周波信号源２０から遠ざかるほど（図中の右側ほど）狭くして結合度を高めるようにしてもよい。これにより、第２伝送線路１３０を伝送されている高周波信号ＲＦが減衰する場合でも、各リニアアレイ部１００の複数のアンテナ素子１１０に伝達される高周波信号ＲＦの強度がアンテナ素子間でばらつかないで互いに均一になるようにすることができる。
【００４２】
また、図５において、複数の第２移相器１３１はそれぞれ、前述の第１移相器１２１と同様に、印加電圧に応じて位相変化量が変化するハイブリッド結合型のアナログ移相器である。第２移相器１３１は、例えば０°〜９０°の範囲で移相することができる一種の可変リアクタンス回路であり、印加電圧により静電容量が変化する可変容量素子であるバラクタダイオード１３１ｄを、対象信号の１／４波長より短い伝送線路（インピーダンス線路）１３１ｃで接続した構成を有する。図５の例では、第２伝送線路１３０に印加される電圧（Ｖｄｃ１）［Ｖ］により、第２位相差（Δφａ）だけ高周波信号ＲＦを移相する。図中の４つのリニアアレイ部の手前側のアンテナ素子１１０から放射される電磁波の位相はそれぞれ、０°、Δφａ、２Δφａ、及び、３Δφａとなる。
【００４３】
図６は、本実施形態に係るフェイズドアレイアンテナ１０における移相器１２１、１３１の位相差φ（φｅ，φａ）とステアリング角θ（θｅ，θａ）との関係の一例を示す説明図である。なお、図６では、説明を簡単にするため、移相器１２１、１３１で移相する位相差φｅ，φａを位相差φと表記し、エレベーション方向及びアジマス方向のステアリング角θｅ，θａをステアリング角θと表記している。また、複数の移相器１２１、１３１を含む伝送線路１２０，１３０の両端には直流のＶｄｃが印加される。
【００４４】
図６において、高周波信号ＲＦの波長をλ［ｍ］とし、アンテナ素子１１０の間隔をｄ［ｍ］とし、アンテナ素子１１０の個数をｎ個とすると、指向性ビームＢｍの主方向のステアリング角θは、次式（１）で計算することができる。
【数１】
2020141228.tif 000003
【００４５】
図７は、本実施形態に係るフェイズドアレイアンテナ１０を備える送信装置１の概略構成の一例を示すブロック図である。図７において、送信装置１は、前述の構成を有するフェイズドアレイアンテナ１０と、フェイズドアレイアンテナ１０に供給する高周波信号ＲＦを発生する高周波信号源２０と、フェイズドアレイアンテナ１０に供給する制御信号としての直流電圧Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２を生成する直流電源３０と、制御部４０とを備える。
【００４６】
制御部４０は、例えば、送信対象の位置情報と、フェイズドアレイアンテナ１０又は送信装置１自体の位置情報とに基づいて、指向性ビームＢｍのエレベーション方向のビームステアリング角θｅ及びアジマス方向のビームステアリング角θａの目標角度を決定する。更に、制御部４０は、ビームステアリング角θｅ及びθａの目標角度に基づいて、フェイズドアレイアンテナ１０に供給する制御信号としての直流電圧Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２の目標値を決定し、直流電圧Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２を出力するように直流電源３０を制御する。また、制御部４０は、高周波信号源２０から出力される高周波信号ＲＦのＯＮ／ＯＦＦ及び周波数を制御してもよい。
【００４７】
以上、図１〜図７に例示した実施形態では、１６個（４個×４個）のアンテナ素子１１０を有するフェイズドアレイアンテナ１０の指向性ビームＢｍの主方向を２つの位相制御系統（直流電圧Ｖｄｃ１及びＶｄｃ２）で制御することができるので、装置構成が簡易になり低コスト化を図ることができる。しかも、その指向性ビームＢｍの主方向の可変角度範囲が制限されることもない。これに対して、従来のフェイズドアレイアンテナでは、１６個のアンテナ素子の位相を個別に制御するため１６個の位相制御系統が必要になり、装置構成が複雑になり高コストになる。また、従来の複数のアンテナ素子を有するアレイユニットに対して一つの移相器を設けたサブアレイ構成では、ステアリング可能な角度を大きく制限してしまう。
【００４８】
なお、本実施形態において、フェイズドアレイアンテナは、前述の複数のリニアアレイ部をそれぞれ有する複数のアレイユニットで構成してもよい。
【００４９】
図８は、本発明の他の実施形態に係るフェイズドアレイアンテナ１１の概略構成の一例を示す説明図である。なお、図８において、前述の図３と共通する部分については同じ符号を付し、説明を省略する。また、図８の例は、図中のＸ方向（横方向）に２組のアレイユニット１０（１），１０（２）を備えた例であるが、Ｘ方向（横方向）に３組以上のアレイユニットを展開して備えてもよいし、図中のＹ方向（縦方向）に２組以上のアレイユニットを展開して備えてもよい。
【００５０】
図８において、フェイズドアレイアンテナ１１は、１６個（４個×４個）のアンテナ素子１１０を有するアレイユニット１０（１），１０（２）を２組備える。更に、複数のアレイユニット１０（１），１０（２）はそれぞれ、アレイユニット１０（１），１０（２）と送信信号発生部としての高周波信号源２０との間で第３位相差（Δφ１，Δφ２）だけ高周波信号ＲＦを移相する複数の第３移相器（「チューニング移相器」ともいう。）１３３（１），１３３（２）を備える。第３移相器１３３は、例えば、直流成分を遮断するためのキャパシタＣ２とともに、第２伝送線路１３０と高周波信号源２０との間に設けられる。第３移相器１３３（１），１３３（２）は、アンテナ全体による指向性ビームＢｍの主方向の等位相面を調整するための第３位相差Δφｎ（ｎ＝１，２）だけ高周波信号ＲＦを移相するための移相器である。なお、移相器１３３（１）は省略することも可能である。
【００５１】
第３移相器１３３（１），１３３（２）で移相する第３位相差Δφ１，Δφ２は、フェイズドアレイアンテナ１１の全体目標指向方向（指向性ビームＢｍの主方向）に対する複数のアレイユニット１０（１），１０（２）それぞれの等位相面が同一面上に位置するように設定される。
【００５２】
図９は、図８のフェイズドアレイアンテナにおける移相器の位相差とステアリング角と等位相面との関係の一例を示す説明図である。なお、図９において、前述の図３と共通する部分については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
第３移相器１３３（１），１３３（２）はそれぞれ、前述の第１移相器１２１及び第２移相器１３１と同様に、印加電圧に応じて位相変化量が変化するハイブリッド結合型のアナログ移相器であってもよい。第３移相器１３３（１），１３３（２）はそれぞれ、キャパシタＣ３を介して高周波信号ＲＦが入力され、第３位相差Δφ１，Δφ２だけ移相された後、キャパシタＣ４を介してアンテナ素子側に出力される。
【００５４】
第３移相器１３３（１），１３３（２）の第３位相差Δφ１，Δφ２はそれぞれ、交流成分を遮断するインダクタＬ３を介して印加されるＶｄｃ３（１）、Ｖｄｃ３（２）により制御される。
【００５５】
図９において、第３移相器１３３（１），１３３（２）の第３位相差Δφ１，Δφ２はそれぞれ、フェイズドアレイアンテナ１１の全体目標指向方向（指向性ビームＢｍの主方向）に対する複数のアレイユニット１０（１），１０（２）それぞれの等位相面が同一面上に位置するように、例えば次のように設定される。すなわち、高周波信号ＲＦの波長をλ［ｍ］とし、アレイユニット１０（１），１０（２）のアンテナ素子１１０の間隔をｄ［ｍ］とし、各アレイユニット１０（１），１０（２）のアンテナ素子１１０の個数をｎ個とし、指向性ビームＢｍの主方向のステアリング角をθとすると、第３移相器１３３（１），１３３（２）の第３位相差Δφ１，Δφ２は、次式（２）を満たすように設定される。ただし、図８，図９および式（２）は第３移相器１３３（１），１３３（２）に対して同相信号が入力される条件を想定する。同相信号が入力されない場合、第３移相器１３３（１），１３３（２）の出力位相をφ１，φ２と定義し、図８，図９および式（２）におけるΔφ１，Δφ２をφ１，φ２とそれぞれ置換してもよい。
【数２】
2020141228.tif 000004
【００５６】
図１０は、図８のフェイズドアレイアンテナにおける第３移相器であるチューニング移相器１３３（１），１３３（２）の位相差（Δφ２−Δφ１）と指向性ビームの利得のプロファイルとの関係を計算したコンピュータ・シミュレーション結果の一例を示す説明図である。図１０は、図８のアンテナ・回路モデルに対して３次元電磁界解析および高周波回路解析の連成解析を行った結果である。このコンピュータ・シミュレーションにおいて、アンテナ素子形状は円形パッチアンテナとし、リニア偏波を想定した。また、解析周波数は５．８ＧＨｚに設定し、アレイアンテナ間隔は０．６波長に設定した。フェイズドアレイアンテナ１１の全体目標指向方向（指向性ビームＢｍの主方向）は、フェイズドアレイアンテナ１１の素子配置面からＺ軸の方向に１０°傾いた方向（アジマス方向のビームステアリング角θａ＝１０°）である。
【００５７】
図１０の実線は、アレイユニット１０（１），１０（２）の等位相面が同一面上に位置するようにチューニング移相器１３３（１），１３３（２）の位相差（Δφ２−Δφ１）を１６０°に設定したときのシミュレーション結果である。この結果により、指向性ビームＢｍの主方向は単一であり、目標のアジマス方向のビームステアリング角θａ＝１０°の方向に位置することがわかる。一方、図１０の破線は、チューニング移相器１３３（１），１３３（２）の位相差（Δφ２−Δφ１）を０°に設定したときのシミュレーション結果である。この結果により、指向性ビームＢｍの主方向は２つ存在し、目標のアジマス方向のビームステアリング角θａ＝１０°の方向からずれていることがわかる。
【００５８】
図１１は、図８のフェイズドアレイアンテナのアレイユニット１０（１），１０（２）を備える送信装置１の概略構成の一例を示すブロック図である。図１１において、送信装置１は、前述の構成を有する複数のアレイユニット１０（１），１０（２）と、フェイズドアレイアンテナのアレイユニット１０（１），１０（２）それぞれに供給する高周波信号ＲＦを発生する高周波信号源２０と、アレイユニット１０（１），１０（２）に供給する制御信号としての直流電圧Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２，Ｖｄｃ３（１），Ｖｄｃ３（２）を生成する直流電源３０と、制御部４０とを備える。
【００５９】
制御部４０は、例えば、送信対象の位置情報と、フェイズドアレイアンテナのアレイユニット１０（１），１０（２）又は送信装置１自体の位置情報とに基づいて、指向性ビームＢｍのエレベーション方向のビームステアリング角θｅ及びアジマス方向のビームステアリング角θａの目標角度を決定し、そのビームステアリング角θｅ及びθａの目標角度に基づいて、フェイズドアレイアンテナ１０に供給する制御信号としての直流電圧Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２の目標値を決定し、その直流電圧Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２を出力するように直流電源３０を制御する。また、制御部４０は、ビームステアリング角θｅ及びθａの目標角度に基づいて、フェイズドアレイアンテナのアレイユニット１０（１），１０（２）による指向性ビームＢｍの主方向の等位相面を調整するための直流電圧Ｖｄｃ３（１）、Ｖｄｃ３（２）の目標値を決定し、その直流電圧Ｖｄｃ３（１）、Ｖｄｃ３（２）を出力するように直流電源３０を制御する。また、制御部４０は、高周波信号源２０から出力される高周波信号ＲＦのＯＮ／ＯＦＦ及び周波数を制御してもよい。
【００６０】
以上、図８〜図１１に例示した実施形態では、３２個（４個×８個）のアンテナ素子１１０を有する複数アレイユニット統合型のフェイズドアレイアンテナ１１の指向性ビームＢｍの主方向を４つの位相制御系統（直流電圧Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２，Ｖｄｃ３（１），Ｖｄｃ３（２））で制御することができるので、装置構成が簡易になり低コスト化を図ることができる。しかも、その指向性ビームＢｍの主方向の可変角度範囲が制限されることもない。
【００６１】
図１２は、更に他の実施形態に係る進行波型のアンテナ装置２の概略構成の一例を示す説明図である。特に、図１２に例示する進行波型のアンテナ装置２は、簡易且つ安価な大開口のビームフォーミング可能なアンテナ装置を構成することができるため、長距離の無線電力伝送システム及び無線通信システムに適する。
【００６２】
図１２において、アンテナ装置２は、所定方向（図示の例ではＸ方向）に配列した複数（Ｍ個）の複数アレイユニット統合型のフェイズドアレイアンテナ１１（１）〜１１（Ｍ）を備える。複数のフェイズドアレイアンテナ１１（１）〜１１（Ｍ）はそれぞれ、２次元的に配列された複数（Ｎ個）のアレイユニット１０（１，１），１０（１，２），・・・，１０（２，１），１０（２，２），・・・を備える。図１２のフェイズドアレイアンテナ１１（１）〜１１（Ｍ）は、２行２列の合計４個のアレイユニット１０を備えているが、アレイユニット１０は図中のＸ方向及びＹ方向それぞれの方向に３個以上備えてもよい。
【００６３】
図１３は、図１２の進行波型のアンテナ装置２を備える送信装置１の一例を示す説明図である。図１３の送信装置１では、目標の方向に高電力の電磁波を放射することができる。図１３において、送信装置１は、前述の進行波型のアンテナ装置２と、アンテナ装置２の複数のフェイズドアレイアンテナ１１（１）〜１１（Ｍ）それぞれに高電力の高周波信号ＲＦ（１）〜ＲＦ（Ｍ）を供給する位相制御発信機２４（１）〜２４（Ｍ）及び分配器２５（１）〜２５（Ｍ）を備える。
【００６４】
位相制御発信機２４（１）〜２４（Ｍ）は、例えば、高電力の高周波信号を出力可能な真空管を用いた位相制御真空管発信機であり、基準信号源２１から出力され同期信号経路２２を介して伝送される注入同期信号Ｓに基づいて、所定の周波数及び位相の高周波信号ＲＦ（１）〜ＲＦ（Ｍ）を出力する。図中左から第１番目の位相制御発信機２４（１）は、注入同期信号Ｓに同期した位相θｓ１の高周波信号ＲＦ（１）を出力する。
【００６５】
また、同期信号経路２２における互いに隣り合う複数の同期信号供給部２２ａの間で所定の第４位相差（Δθｓ）だけ注入同期信号Ｓを移相する複数の移相器２３（１）〜２３（Ｍ−１）を備える。複数の移相器２３（１）〜２３（Ｍ−１）はそれぞれ、例えば、印加電圧に応じて位相変化量が変化するハイブリッド結合型のアナログ移相器である。この移相器２３（１）〜２３（Ｍ−１）により、第２番目以降の位相制御発信機２４（２），２４（３），・・・，２４（M）にはそれぞれ、注入同期信号Ｓに同期した位相θｓ１＋Δθｓ，θｓ１＋Δθｓ×２，・・・，θｓ１＋Δθｓ×（Ｍ−１）の高周波信号ＲＦ（２），ＲＦ（３），・・・，ＲＦ（M）を出力する。
【００６６】
分配器２５（１）〜２５（Ｍ）はそれぞれ、位相制御発信機２４（１）〜２４（Ｍ）から出力された高周波信号ＲＦ（１）〜ＲＦ（Ｍ）をＮ個に分配して、フェイズドアレイアンテナ１１（１）〜１１（Ｍ）に供給する。分配器２５（１）〜２５（Ｍ）は、例えば、高電力の高周波信号を分解可能な導波路型の分配器である。
【００６７】
制御部４０は、例えば、送信対象の位置情報とアンテナ装置２の位置情報とに基づいて、指向性ビームＢｍのエレベーション方向のビームステアリング角θｅ及びアジマス方向のビームステアリング角θａの目標角度を決定する。更に、制御部４０は、ビームステアリング角θｅ及びθａの目標角度に基づいて、移相器２３（１）〜２３（Ｍ−１）が移相する第４位相差（Δθｓ）に対応する直流電圧Ｖｄｃ４を同期信号経路２２の端部２２ｂに印加するように直流電源３０を制御する。また、制御部４０は、基準信号源２１から出力される注入同期信号ＳのＯＮ／ＯＦＦ及び周波数を制御したり、位相制御発信機２４（１）〜２４（Ｍ）から出力される高周波信号ＲＦ（１）〜ＲＦ（Ｍ）のＯＮ／ＯＦＦ及び周波数を制御したりしてもよい。
【００６８】
以上、本実施形態のフェイズドアレイアンテナ１０によれば、従来のサブアレイ構成のフェイズドアレイアンテナに比して、指向性ビームＢｍの主方向の可変角度範囲を制限することなく、アンテナ素子１１０の位相制御の制御系統数を抑制することができ、簡易で安価な構成とすることができる。
【００６９】
また、本実施形態のフェイズドアレイアンテナ１０は、無線電力電送システムにおける無線電力伝送の送信アンテナ及び受信アンテナの少なくとも一方に用いたり、無線通信システムにおける無線通信の送信アンテナ及び受信アンテナの少なくとも一方に用いたりすることができる。
【００７０】
なお、本明細書で説明された処理工程並びにフェイズドアレイアンテナ、送信装置、無線電力伝送システム及び無線通信システムの構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。
【００７１】
ハードウェア実装については、実体（例えば、各種無線通信装置、Ｎｏｄｅ Ｂ、端末、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。
【００７２】
また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、上記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。
【００７３】
また、前記媒体は非一時的な記録媒体であってもよい。また、前記プログラムのコードは、コンピュータ、プロセッサ、又は他のデバイス若しくは装置機械で読み込んで実行可能であれよく、その形式は特定の形式に限定されない。例えば、前記プログラムのコードは、ソースコード、オブジェクトコード及びバイナリコードのいずれでもよく、また、それらのコードの２以上が混在したものであってもよい。
【００７４】
また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。
【符号の説明】
【００７５】
１        ：送信装置
２        ：アンテナ装置
１０，１１：    フェイズドアレイアンテナ
１０（１），１０（２）：    アレイユニット
１０ｓ    ：素子配置面
１１      ：フェイズドアレイアンテナ
２０      ：高周波信号源
２１      ：基準信号源
２２      ：同期信号経路
２２ａ    ：同期信号供給部
２２ｂ    ：端部
２３      ：移相器
２４      ：位相制御発信機
２５      ：分配器
３０      ：直流電源
４０      ：制御部
１００、１００（１）〜１００（４）    ：リニアアレイ部
１０１、１０２    ：ビームステアリング用回路
１１０    ：アンテナ素子
１２０    ：第１伝送線路
１２１    ：第１移相器
１２１ｄ  ：バラクタダイオード
１２２    ：第１結合部
１３０    ：第２伝送線路
１３１    ：第２移相器
１３１ｄ  ：バラクタダイオード
１３２    ：第２結合部
１３３    ：第３移相器（チューニング移相器）
【図１】
2020141228.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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