(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子アンテナが接続される端子を備えたエレメントポートと、この素子アンテナに信号給電を行う端子を備えたビームポートと、このビームポートの信号給電を行う端子の位置によって前記エレメントポートの隣接端子間の位相差を変化させる手段とを含むマトリクス回路を備え、前記ビームポートに入力される信号振幅または前記エレメントポートに出力される信号振幅または位相差に偏りを発生させて前記素子アンテナから出力されるビームパターンまたはビーム方向を制御するフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路において、
前記位相差を変化させる手段は、多段に接続されたハイブリッドを含み、
このハイブリットの段数をＫとし、前記ビームポート側のハイブリットから順番に第１段ハイブリット，第２段ハイブリット，…，第Ｋ段ハイブリットとし、
前記マトリクス回路の前記ビームポートにおける給電信号をｆ０（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−１，２Ｋ｝とし、パラメータＬ＝１，２，…，Ｋ−１に関して信号ｆＬ（ｉ）＝２−１／２×ｆＬ−１（ｉ）＋２−１／２×ｆＬ−１（ｉ＋２Ｋ−Ｌ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝を定義し、
信号ｆＬ（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝の最大値がもっとも小さくなるＬの値をＬｍｉｎとしたとき、
第Ｌｍｉｎ段ハイブリットと第（Ｌｍｉｎ＋１）段ハイブリットとの間に増幅器が配置された
ことを特徴とするビーム形成回路。
【請求項２】
請求項１記載のビーム形成回路を具備することを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
【請求項３】
素子アンテナが接続される端子を備えたポートをエレメントポートと呼び、この素子アンテナに信号給電を行う端子を備えたポートをビームポートと呼び、このビームポートの信号給電を行う端子の位置によって前記エレメントポートの隣接端子間の位相差を変化させるマトリクス回路に含まれる多段に接続されたハイブリッドの段数をＫとし、
前記ビームポート側のハイブリットから順番に第１段ハイブリット，第２段ハイブリット，…，第Ｋ段ハイブリットとし、
前記マトリクス回路の前記ビームポートにおける給電信号をｆ０（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−１，２Ｋ｝とし、パラメータＬ＝１，２，…，Ｋ−１に関して信号ｆＬ（ｉ）＝２−１／２×ｆＬ−１（ｉ）＋２−１／２×ｆＬ−１（ｉ＋２Ｋ−Ｌ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝を定義し、
信号ｆＬ（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝の最大値がもっとも小さくなるＬの値をＬｍｉｎとしたとき、第Ｌｍｉｎ段ハイブリットと第（Ｌｍｉｎ＋１）段ハイブリットとの間に増幅器を配置し、
前記ビームポートに入力される信号振幅または前記エレメントポートに出力される信号振幅または位相差に偏りを発生させて前記素子アンテナから出力されるビームパターンまたはビーム方向を制御する
ことを特徴とする増幅器配置方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号を入力するポートの位置によって出力側における隣接ポート間の位相差が変化するマトリクス回路を用いたビーム形成回路に関し、特に、マトリクス回路がハイブリットと位相器とによって構成され、入力信号と出力信号との間にＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）の関係が存在する場合の増幅器の配置方法およびこの手法を用いて増幅器を配置したビーム形成回路およびこのビーム形成回路を具備するフェーズドアレーアンテナに係る。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリットと位相器とによって構成されたマトリクス回路はバトラーマトリクス回路と呼ばれ、信号を入力するポートの位置によって出力側における隣接ポート間の位相差が変化することから信号を給電する位置によって異なる方向に指向したビームを形成可能なアンテナ用のビーム形成回路（ＢＦＮ）として用いられる〔文献：電子通信学会「アンテナ工学ハンドブック」，５章，オーム社  参照〕。
【０００３】
図１９はハイブリット３段（Ｋ＝３）から構成される８ポートのマトリクス回路を示している。Ｋ段のハイブリッドから構成されるマトリクス回路のポート数Ｎは２Ｋと表され、図１９の場合においてはＮ＝８（＝２３）となる。
【０００４】
図１９において、位相器を表す四角形の中に記された数値は位相遅延量（単位：度）を示している。一般にマトリクス回路をアンテナのＢＦＮとして用いる場合に、素子アンテナを接続する側の端子をエレメントポートと呼び、エレメントポートと反対側の信号給電を行う端子のことをビームポートと呼ぶ。エレメントポートに記したアルファベットおよびビームポートに記した数字はマトリクス回路をアンテナのＢＦＮとして用いる場合のエレメントポートの位置およびビームポートの位置を示したものであり、ビームポート（またはエレメントポート）における入力信号とエレメントポート（またはビームポート）における出力信号との間にはＦＦＴの関係が存在することからバトラーマトリクス回路はネットワークＦＦＴ回路と呼ばれる場合もある。
【０００５】
マトリクス回路に入力された信号はマトリクス回路の中で分配され、入力ビームポートの位置に応じたポート間位相差をもって出力される。信号を入力するポート位置によって、出力側で生じる位相の傾き（ポート間位相差）が異なるため、その出力ポートに素子アンテナを接続してアレーアンテナとした場合に、給電を行うマトリクス回路のポート位置に応じてビーム方向が変化する。
【０００６】
図２０はマトリクス回路を用いた直接放射型アンテナのＢＦＮを説明する図である。この場合は低サイドローブパターンを得るために個々のビームについて複数のビームポートを用いて給電を行っている。図中、数字符号２はビームポートにおける給電信号の振幅分布を表しており、数字符号４および６はそれぞれエレメントポートにおける信号の振幅分布と位相面を表している。なお、ビームポートにおける給電信号の位相はすべて同相である。マトリクス回路の入力信号と出力信号との間にＦＦＴの関係が存在することからも明らかなように、ビームポートの給電信号の振幅分布はそのままに、給電を行うビームポートの位置を横にずらした場合は、エレメントポートにおける信号の振幅分布はそのままで、位相傾きだけが変化して異なる方向にビームが形成される。数字符号１および３は給電を行うビームポートの位置をずらした場合の給電信号の振幅分布を表しており、数字符号５および７はこれに対応するエレメントポートにおける信号の位相面を表している〔文献：“良好なパターン特性を有するマルチビームマトリクス型アンテナの一構成法”，信学ソ大，Ｂ−１−７０，１９９８年９月〕。
【０００７】
図２１はマトリクス回路を用いたクラスタ給電型アンテナのＢＦＮを説明する図であり、図２２は反射鏡を用いたクラスタ給電型アンテナを説明する図である。この場合に、素子アンテナは反射鏡の焦点近傍に位置しており、励振される素子アンテナの位置を変えることによってビーム方向が変化する。数字符号１２、１３、１４は素子アンテナ（またはエレメントポート）における励振分布であり、数字符号１５、１６、１７は励振分布１２、１３、１４に対応するアンテナビーム方向を示している。クラスタ給電型アンテナのＢＦＮはエレメントポートにおける信号分布の位置を変える必要があることから、図２０で説明した直接放射形アンテナのＢＦＮとはエレメントポートの信号分布とビームポートの信号分布との関係を逆にした格好となっている。図２１に示した数字符号８はビームポートにおける給電信号の振幅分布を表しており、数字符号９、１０、１１は励振分布１２、１３、１４に対応するビームポートにおける給電信号の位相面を表している〔文献：“ビーム走査アンテナ用クラスタ給電ＢＦＮの一設計法”，信学総大，Ｂ−１−２０１，２０００年３月〕。
【０００８】
図２３および図２４はマトリクス回路を用いたビーム形成回路における従来技術の増幅器位置を示したものである。図２３はエレメントポートと素子アンテナの間に増幅器を配置する場合であり、図２４はビームポートとビーム制御回路の間に増幅器を配置する場合を示している。一般に、直接放射型アンテナのＢＦＮでは図２３の構成が採用されることが多く、クラスタ給電型アンテナのＢＦＮでは図２４の構成が多く採用されている。
【０００９】
図２３の構成はエレメントポートにおける信号の振幅分布が略一様分布となる場合は、各増幅器には概ね均等な負荷がかかることとなり、全体として増幅器を高効率で動作させることが可能である。しかし、エレメントポートにおける信号の振幅分布が一様分布では無く偏りが在る場合（例えば、直接放射型アンテナにおいて低サイドローブが要求される場合、またはクラスタ給電型アンテナの場合）には、各増幅器の負荷には大きなバラツキが生じ、全体として増幅器を高効率で動作させることが困難になる。
【００１０】
図２４の構成はビームポートにおける信号の振幅分布が略一様分布となる場合に、各増幅器には槻ね均等な負荷がかかることとなり、全体として増幅器を高効率で動作させることが可能である。しかし、ビームポートにおける信号の振幅分布が一様分布では無く、偏りが在る場合（例えば、クラスタ給電型アンテナにおいて低サイドローブな一次放射ビームが要求される場合、または直接放射型アンテナの場合）には、各増幅器の負荷には大きなバラツキが生じ、全体として増幅器を高効率で動作させることが困難になる。
【００１１】
通常、直接放射型またはクラスタ給電型のアンテナ構成に関わらず、ＢＦＮの形成するビームとしては低サイドローブ特性が要求されることが多く、エレメントポートまたはビームポートにおける信号の振幅分布は一様では無く、偏ったものとなる。
【００１２】
出力の異なる複数種類の増幅器を配置した場合には、増幅器の種類によって通過位相の遅延量や温度特性が異なるためにＢＦＮの振幅位相精度が劣化して調整が難しくなるだけでなく、増幅器の設計および開発コストの増大や、冗長構成を実現するためには予備の増幅器を複数種類準備する必要があり、信頼性向上のための冗長構成回路が大規模になるという問題が生じる。また、同じ種類の増幅器を用いて増幅する場合には、各増幅器の負荷が最も大きくなるポートに対応できるだけの高出力の増幅器を配置する必要があるため、負荷の小さなポートに取り付けられた増幅器は低効率で動作することとなり、ＢＦＮ全体として増幅器の効率が低くなる。さらに、通信用の高出力固体増幅器（ＳＳＰＡ）に代表される高出力の増幅器は高コストであり、一般に２倍高い出力を有する増幅器は２倍以上の高コストなものとなる。このことからＢＦＮが高コストとなる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来技術の増幅器配置方法では、エレメントポートまたはビームポートを通過する信号強度の偏りのために、部分的に電力が集中するポートが生じ、高出力の増幅器が必要になり高コストになると同時にＢＦＮ全体の増幅器の効率が劣化するという課題があった。また、出力の異なる複数種類の増幅器を用いた場合には増幅器の種類により通過位相の遅延量や温度特性が異なるため、ＢＦＮの振幅位相精度が劣化して調整が難しくなると同時に増幅器の設計および開発コストが増大するという問題があった。さらに、複数種類の増幅器を用いた場合は信頼性向上のための冗長構成回路が大規模になるという欠点があった。
【００１４】
本発明は、このような背景に行われたものであって、マトリクス回路のエレメントポートまたはビームポートを通過する信号強度に偏りがある場合でも各々の増幅器を通過する信号強度を平坦化することが可能であり、特定の増幅器に電力集中した場合の最大電力値を低減して増幅器に要求される出力を小さくするとともに、増幅器にかかる負荷が均一化することから増幅器全体を比較的高効率で動作させることが可能となり、また、本方法によって、増幅器を配置することを特徴とするビーム形成回路を具備するフェーズドアレーアンテナは増幅器に要求される出力を小さくすることで軽量化および低コスト化が可能であり、また、増幅器にかかる負荷を均一化することでフェーズドアレーアンテナのビーム方向やビーム数に関わり無く、常に高い出力を得ることが可能であり、また、複数種類の増幅器を用意しなくとも単一種類の増幅器を用いて増幅器全体を比較的高効率で動作させることが可能となることから、ＢＦＮの設計および調整が比較的容易であると同時に低消費電力化が実現されるフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路およびフェーズドアレーアンテナおよび増幅器配置方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
先に説明したように、従来技術の増幅器配置方法では、エレメントポートまたはビームポートを通過する信号強度の偏りのために、部分的に電力が集中するポートが生じ、高出力の増幅器が必要になり高コストになると同時にＢＦＮ全体の増幅器の効率が劣化するという課題があった。また、出力の異なる複数種類の増幅器を用いた場合には増幅器の種類により通過位相の遅延量や温度特性が異なるためＢＦＮの振幅位相精度が劣化して調整が難しくなると同時に増幅器の設計および開発コストが増大するという問題があった。さらに、複数種類の増幅器を用いた場合は信頼性向上のための冗長構成回路が大規模になるという欠点があった。
【００１６】
本発明の増幅器配置方法は、ＢＦＮに用いられているマトリクス回路を構成するハイブリットの段数をＫとし、ビームポート側のハイブリットから順番に第１段ハイブリット，第２段ハイブリット，…，第Ｋ段ハイブリットとし、前記マトリクス回路のビームポートにおける給電信号をｆ０（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−１，２Ｋ｝とし、パラメータＬ＝１，２，…，Ｋ−１に関して信号ｆＬ（ｉ）＝２−１／２×ｆＬ−１（ｉ）＋２−１／２×ｆＬ−１（ｉ＋２Ｋ−Ｌ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝を定義し、信号ｆＬ（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝の最大値がもっとも小さくなるＬの値をＬｍｉｎとしたとき、第Ｌｍｉｎ段ハイブリットと第（Ｌｍｉｎ＋１）段ハイブリットの間に増幅器を配置することを最も主要な特徴とする。
【００１７】
このことによりエレメントポートまたはビームポートを通過する信号強度に偏りがある場合でも各々の増幅器を通過する信号頻度を平坦化することを可能とするものである。このことにより、特定の増幅器に電力集中した場合の最大電力値を低減して増幅器に要求される出力を小さくするとともに、増幅器にかかる負荷が均一化することから増幅器全体を比較的高効率で動作させることが可能となる。
【００１８】
図２は本発明技術を説明するために、８ポートマトリクス回路（Ｋ＝３，Ｎ＝８）を流れる信号の経路を示した結線図である。なお、図面の簡略化のため位相器は省いて示している。マトリクス回路では任意の１ポートに入力された信号は、ハイブリッドにより分配された後、信号を入力したポート位置によって決まる一定の位相の傾き（ポート間位相差）をもって反対側の全てのポートに出力される。これとは逆に、一定の位相の傾き（ポート間位相差）をもって複数ポートに入力された信号は、ハイブリットにより分配・合成された後、入力信号の位相傾きに応じたポート位置に出力される。なお、信号電力が出力側において１ポートのみに集中する場合は、ポート間位相差（２ｑ−（Ｎ＋１））π／Ｎ，｛ｑ＝１，２，３，…，Ｎ｝で全てのポートに等振幅で信号を入力したときである。
【００１９】
表１は、２：３：３：２の振幅比率でビームポートの中央４ポート（端子＃３，＃４，＃５，＃６）に信号を給電した場合における、信号ｆＬ（ｉ）の計算結果を示したものである。
【００２０】
【表１】
0003720690.tif 000002
【００２１】
図３はビームポートにおける信号を棒グラフとして示したものであり、横軸に端子Ａ〜Ｈをとり、縦軸に振幅をとる。なお、給電電力の合計は１となるように規格化している。信号ｆ１（１），ｆ１（２），ｆ１（３），ｆ１（４）は各々の第１段ハイブリッドに入力した給電信号がハイブリットの出口において強め合うように分配・合成された場合の振幅値を表している。信号ｆ２（１），ｆ２（２）は第１段ハイブリッドを通過した信号が第２段ハイブリッドの出口において強め合うように分配・合成された場合の振幅値を表している。図２に示した楕円は信号ｆ１（１），ｆ１（２），ｆ１（３），ｆ１（４）および、信号ｆ２（１），ｆ２（２）が対象としている信号経路の場所を示している。なお、信号ｆ１（１），ｆ１（２），ｆ１（３），ｆ１（４）の最大値は０．４１６０２５であり、信号ｆ２（１），ｆ２（２）の最大値は０．４９０２９である。
【００２２】
図４および図５はそれぞれ図２において楕円で示した領域の第１段ハイブリッド−第２段ハイブリッド間の信号分布、第２段ハイブリッド−第３段ハイブリッド間の信号分布を具体的に個々の線路について計算して棒グラフとして示したものである。図６はエレメントポートにおける信号を棒グラフとして示したものである。図４〜図６では、横軸に端子Ａ〜Ｈをとり、縦軸に振幅をとる。なお、給電信号のポート間位相差は信号の電力集中が最も大きくなるように（２ｑ−（Ｎ＋１））π／Ｎより決定した。この場合は５番目（ｑ＝５）のエレメントポートＥに電力が集中しているが、他のエレメントポートに信号が集中する場合も信号振幅の最大値は同じ値となる。なお、ビームポートにおける信号の最大振幅値は０．５８８３４８、第１段ハイブリット−第２段ハイブリット間の信号の最大振幅値は０．４１６０２５、第２段ハイブリット−第３段ハイブリット間の信号の最大振幅値は０．４９０２９であり、エレメントポートにおける最大振幅値は０．６９３３７５である。これらの結果から明らかなように、信号ｆＬ（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，．‥，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝の最大値がもっとも小さくなるＬの値は１であり、電力集中の度合いが最も小さくなる、第１段ハイブリッドと第２段ハイブリッドの間に増幅器を配置することによって増幅器にかかる負荷が均一化され、増幅器に要求される出力を小さくすることができる。
【００２３】
以上のことから、本発明の増幅器配置方法はエレメントポートまたはビームポートを通過する信号強度に偏りがある場合でも各々の増幅器を通過する信号強度を平坦化することを可能とするものである。このことにより、特定の増幅器に電力集中した場合の最大電力値を低減して増幅器に要求される出力を小さくするとともに、増幅器にかかる負荷が均一化することから増幅器全体を比較的高効率で動作させることが可能となる。また、本方法によって、増幅器を配置することを特徴とするビーム形成回路を具備するフェーズドアレーアンテナは増幅器に要求される出力を小さくすることで軽量化および低コスト化が可能となる。また、増幅器にかかる負荷を均一化することでフェーズドアレーアンテナのビーム方向やビーム数に関わり無く、常に高い出力を得ることが可能になる。なお、複数種類の増幅器を用意しなくとも単一種類の増幅器を用いて増幅器全体を比較的高効率で動作させることが可能となることから、ＢＦＮの設計および調整が比較的容易であると同時に低消費電力化が実現される。
【００２４】
すなわち、本発明の第一の観点は、素子アンテナが接続される端子を備えたエレメントポートと、この素子アンテナに信号給電を行う端子を備えたビームポートと、このビームポートの信号給電を行う端子の位置によって前記エレメントポートの隣接端子間の位相差を変化させる手段とを含むマトリクス回路を備えたフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路である。
【００２５】
ここで、本発明の特徴とするところは、前記位相差を変化させる手段は、多段に接続されたハイブリッドを含み、このハイブリットの段数をＫとし、前記ビームポート側のハイブリットから順番に第１段ハイブリット，第２段ハイブリット，…，第Ｋ段ハイブリツトとし、前記マトリクス回路の前記ビームポートにおける給電信号をｆ０（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−１，２Ｋ｝とし、パラメータＬ＝１，２，…，Ｋ−１に関して信号ｆＬ（ｉ）＝２−１／２×ｆＬ−１（ｉ）＋２−１／２×ｆＬ−１（ｉ＋２Ｋ−Ｌ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝を定義し、信号ｆＬ（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝の最大値がもっとも小さくなるＬの値をＬｍｉｎとしたとき、第Ｌｍｉｎ段ハイブリットと第（Ｌｍｉｎ＋１）段ハイブリットとの間に増幅器が配置されたところにある。
【００２６】
本発明の第二の観点は、本発明のビーム形成回路を具備することを特徴とするフェーズドアレーアンテナである。
【００２７】
本発明の第三の観点は、増幅器配置方法であって、素子アンテナが接続される端子を備えたポートをエレメントポートと呼び、この素子アンテナに信号給電を行う端子を備えたポートをビームポートと呼び、このビームポートの信号給電を行う端子の位置によって前記エレメントポートの隣接端子間の位相差を変化させるマトリクス回路に含まれる多段に接続されたハイブリッドの段数をＫとし、前記ビームポート側のハイブリットから順番に第１段ハイブリット，第２段ハイブリット，…，第Ｋ段ハイブリツトとし、前記マトリクス回路の前記ビームポートにおける給電信号をｆ０（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−１，２Ｋ｝とし、パラメータＬ＝１，２，…，Ｋ−１に関して信号ｆＬ（ｉ）＝２−１／２×ｆＬ−１（ｉ）＋２−１／２×ｆＬ−１（ｉ＋２Ｋ−Ｌ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝を定義し、信号ｆＬ（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝の最大値がもっとも小さくなるＬの値をＬｍｉｎとしたとき、第Ｌｍｉｎ段ハイブリットと第（Ｌｍｉｎ＋１）段ハイブリットとの間に増幅器を配置することを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明実施例のビーム形成回路の構成を図１を参照して説明する。図１は本発明のビーム形成回路を用いたフェーズドアレーアンテナの構成図である。
【００２９】
本発明は、図１に示すように、素子アンテナａｎｔが接続される端子Ａ〜Ｐを備えたエレメントポートと、この素子アンテナａｎｔに信号給電を行う端子＃１〜＃１６を備えたビームポートと、このビームポートの信号給電を行う端子＃１〜＃１６の位置によって前記エレメントポートの隣接端子間の位相差を変化させる手段とを含むマトリクス回路ｍａｔおよびビーム制御回路ｃｏｎを備えたフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路である。
【００３０】
ここで、本発明の特徴とするところは、前記位相差を変化させる手段は、多段に接続されたハイブリッドｈｙｂを含み、このハイブリットｈｙｂの段数をＫとし、前記ビームポート側のハイブリットｈｙｂから順番に第１段ハイブリット，第２段ハイブリット，…，第Ｋ段ハイブリツトとし、マトリクス回路ｍａｔの前記ビームポートにおける給電信号をｆ０（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−１，２Ｋ｝とし、パラメータＬ＝１，２，…，Ｋ−１に関して信号ｆＬ（ｉ）＝２−１／２×ｆＬ−１（ｉ）＋２−１／２×ｆＬ−１（ｉ＋２Ｋ−Ｌ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝を定義し、信号ｆＬ（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝の最大値がもっとも小さくなるＬの値をＬｍｉｎとしたとき、第Ｌｍｉｎ段ハイブリットと第（Ｌｍｉｎ＋１）段ハイブリットとの間に増幅器ａｍｐが配置されたところにある。図１に示すように、本発明のビーム形成回路を具備して本発明のフェーズドアレーアンテナが構成される。
【００３１】
以下では、本発明実施例をさらに詳細に説明する。
【００３２】
（第一実施例）
本発明第一実施例を図１および図７〜図１２を参照して説明する。第一実施例では、ハイブリットの段数Ｋ＝４（１６ポートマトリクス回路）のマトリクス回路において、エッジテーパ−１０ｄＢのガウス分布でビームポートの中央１０ポート（ポート４，５，６，…，１２，１３）を用いて信号給電する場合について示す。
【００３３】
図７は本実施例を説明するために、１６ポートマトリクス回路（Ｋ＝４，Ｎ＝１６）を流れる信号の経路を示した結線図である。なお、図面の簡略化のため位相器は省いて示している。図７に示した楕円は信号ｆ１（１），ｆ１（２），ｆ１（３），…，ｆ１（７），ｆ１（８）、信号ｆ２（１），ｆ２（２），ｆ２（３），ｆ２（４）および、信号ｆ３（１），ｆ３（２）が対象としている信号経路の場所を示している。表２は、エッジテーパ−１０ｄＢのガウス分布でビームポートの中央１０ポートに信号を給電した場合における、信号ｆＬ（ｉ）の計算結果を示したものである。
【００３４】
【表２】
0003720690.tif 000003
【００３５】
図８はビームポートにおける給電信号を棒グラフとして示したものであり、横軸に端子Ａ〜Ｐをとり、縦軸に振幅をとる。なお、給電電力の合計は１となるように規格化している。この場合は、信号ｆＬ（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ｝の最大値がもっとも小さくなるＬの値は１（Ｌｍｉｎ＝１）であり、電力集中の度合いが最も小さくなる、第１段ハイブリットと第２段ハイブリットの間に増幅器を配置する。
【００３６】
図９、図１０、図１１は本手法の確認のためにそれぞれ第１段ハイブリット−第２段ハイブリット間の信号分布、第２段ハイブリット−第３段ハイブリット間の信号分布、および第３段ハイブリット−第４段ハイブリット間の信号分布を具体的に個々の線路について計算して棒グラフとして示したものである。図１２はエレメントポートにおける信号を棒グラフとして示したものである。図９〜図１２では、横軸に端子Ａ〜Ｐをとり、縦軸に振幅をとる。なお、給電信号のポート間位相差は９番目のポートＩに電力集中するようにπ／１６（１１．２５度）とした。図９〜図１１から明らかなように、増幅器にかかる負荷が均一化され、増幅器に要求される出力を小さくすることができる。
【００３７】
図１は本方法により増幅器を配置したビーム形成回路を具備するフェーズドアレーアンテナを示したものである。この場合には、電力集中の度合いが最も小さくなる第１段ハイブリットと第２段ハイブリットの間に増幅器を配置することによって増幅器にかかる負荷が均一化され、フェーズドアレーアンテナのビーム方向やビーム数に関わり無く、常に高い出力を得ることが可能になる。また、増幅器に要求される出力を小さくすることで軽量化および低コスト化が可能となる。
【００３８】
（第二実施例）
本発明第二実施例を図１３〜図１８を参照して説明する。第二実施例では、ハイブリットの段数Ｋ＝４（１６ポートマトリクス回路）のマトリクス回路において、エッジテーパ−２５ｄＢのガウス分布でビームポートの中央１０ポート（ポート４，５，６，…，１２，１３）を用いて信号給電する場合について示す。
【００３９】
図７は本実施例を説明するために、１６ポートマトリクス回路（Ｋ＝４，Ｎ＝１６）を流れる信号の経路を示した結線図である。なお、図面の簡略化のため位相器は省いて示している。図７に示した楕円は第一実施例で説明したように信号ｆ１（１），ｆ１（２），ｆ１（３），…，ｆ１（７），ｆ１（８）、信号ｆ２（１），ｆ２（２），ｆ２（３），ｆ２（４）および、信号ｆ３（１），ｆ３（２）が対象としている信号経路の場所を示している。表３は、エッジテーパ−２５ｄＢのガウス分布でビームポートの中央１０ポートに信号を給電した場合における、信号ｆＬ（ｉ）の計算結果を示したものである。
【００４０】
【表３】
0003720690.tif 000004
【００４１】
図１３はビームポートにおける給電信号を棒グラフとして示したものであり、横軸に端子Ａ〜Ｐをとり、縦軸に振幅をとる。なお、給電電力の合計は１となるように規格化している。この場合には、信号ｆＬ（ｉ），｛ｉ＝１，２，３，…，２Ｋ−Ｌ−１，２Ｋ−Ｌ）の最大値がもっとも小さくなるＬの値は２（Ｌｍｉｎ＝２）であり、電力集中の度合いが最も小さくなる第２段ハイブリットと第３段ハイブリットの間に増幅器を配置する。
【００４２】
図１４、図１５、図１６は本手法の確認のためにそれぞれ第１段ハイブリット−第２段ハイブリット間の信号分布、第２段ハイブリット−第３段ハイブリット間の信号分布、および第３段ハイブリット−第４段ハイブリット間の信号分布を具体的に個々の線路について計算して棒グラフとして示したものである。図１７はエレメントポートにおける信号を棒グラフとして示したものである。図１４〜図１７では、横軸に端子Ａ〜Ｐをとり、縦軸に振幅をとる。なお、給電信号のポート間位相差は９番目のポートＩに電力集中するようにπ／１６（１１．２５度）とした。図１３〜図１７から明らかなように、増幅器にかかる負荷が均一化され、増幅器に要求される出力を小さくすることができる。
【００４３】
図１８は本方法により増幅器を配置したビーム形成回路を具備するフェーズドアレーアンテナを示したものである。この場合には、電力集中の度合いが最も小さくなる第２段ハイブリットと第３段ハイブリットの間に増幅器を配置することによって増幅器にかかる負荷が均一化され、フェーズドアレーアンテナのビーム方向やビーム数に関わり無く、常に高い出力を得ることが可能になる。また、増幅器に要求される出力を小さくすることで軽量化および低コスト化が可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マトリクス回路のエレメントポートまたはビームポートを通過する信号強度に偏りがある場合でも各々の増幅器を通過する信号強度を平坦化することが可能であり、特定の増幅器に電力集中した場合の最大電力値を低減して増幅器に要求される出力を小さくするとともに、増幅器にかかる負荷が均一化することから増幅器全体を比較的高効率で動作させることが可能となる。また、本方法によって、増幅器を配置することを特徴とするビーム形成回路を具備するフェーズドアレーアンテナは増幅器に要求される出力を小さくすることで軽量化および低コスト化が可能である。また、増幅器にかかる負荷を均一化することでフェーズドアレーアンテナのビーム方向やビーム数に関わり無く、常に高い出力を得ることが可能である。なお、複数種類の増幅器を用意しなくとも単一種類の増幅器を用いて増幅器全体を比較的高効率で動作させることが可能となることから、ＢＦＮの設計および調整が比較的容易であると同時に低消費電力化が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第一実施例のビーム形成回路を用いたフェーズドアレーアンテナの構成図。
【図２】本発明技術を説明するための８ポートマトリクス回路の結線図。
【図３】ビームポートにおける信号を棒グラフとして示した図。
【図４】第１段ハイブリットと第２段ハイブリットの間の信号分布を示す図。
【図５】第２段ハイブリットと第３段ハイブリットの間の信号分布を示す図。
【図６】エレメントポートにおける信号分布を示す棒グラフ。
【図７】本発明実施例を説明するための１６ポートマトリクス回路の結線図。
【図８】第一実施例のビームポートにおける信号を棒グラフとして示した図。
【図９】第一実施例の第１段ハイブリットと第２段ハイブリットの間の信号分布を示す図。
【図１０】第一実施例の第２段ハイブリットと第３段ハイブリットの間の信号分布を示す図。
【図１１】第一実施例の第３段ハイブリットと第４段ハイブリットの間の信号分布を示す図。
【図１２】第一実施例のエレメントポートにおける信号分布を示す棒グラフ。
【図１３】第二実施例のビームポートにおける信号を棒グラフとして示した図。
【図１４】第二実施例の第１段ハイブリットと第２段ハイブリットの間の信号分布を示す図。
【図１５】第二実施例の第２段ハイブリットと第３段ハイブリツトの間の信号分布を示す図。
【図１６】第二実施例の第３段ハイブリットと第４段ハイブリットの間の信号分布を示す図。
【図１７】第二実施例のエレメントポートにおける信号分布を示す棒グラフ。
【図１８】本発明第二実施例のビーム形成回路を用いたフェーズドアレーアンテナの構成図。
【図１９】従来構成の８ポートマトリクス回路を説明する図。
【図２０】マトリクス回路を用いた直接放射型アンテナのＢＦＮを説明する図。
【図２１】マトリクス回路を用いたクラスタ給電型アンテナのＢＦＮを説明する図。
【図２２】反射鏡を用いたクラスタ給電型アンテナを説明する図。
【図２３】従来技術の増幅器位置を説明する図（エレメントポートと素子アンテナの間に増幅器を配置する場合）。
【図２４】従来技術の増幅器位置を説明する図（ビームポートとビーム制御回路の間に増幅器を配置する場合）。
【符号の説明】
１、２、３  ビームポートにおける給電信号の振幅分布（それそれ位相面５、６、７に対応）
４  エレメントポートにおける信号の振幅分布
５  振幅分布１に対応するエレメントポートにおける信号の位相面
６  振幅分布２に対応するエレメントポートにおける信号の位相面
７  振幅分布３に対応するエレメントポートにおける信号の位相面
８  ビームポートにおける給電信号の振幅分布
９、１０、１１  ビームポートにおける給電信号の位相面（それそれ励振分布１２、１３、１４に対応）
１２  位相面９に対応する素子アンテナにおける励振分布
１３  位相面１０に対応する素子アンテナにおける励振分布
１４  位相面１１に対応する素子アンテナにおける励振分布
１５  励振分布１２に対応するアンテナビーム方向
１６  励振分布１３に対応するアンテナビーム方向
１７  励振分布１４に対応するアンテナビーム方向
＃１〜＃１６、Ａ〜Ｐ  端子
【図１】
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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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