(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５以上の数の要素アンテナを縦２列以上、横２列以上になるように配列し、
縦横隣接する４つの要素アンテナを要素アンテナ群とし、４未満の端数が出たときはその端数を構成する要素アンテナも要素アンテナ群とするとともに、各要素アンテナ群を構成する要素アンテナにそれぞれ移相器を挿入し、
縦横隣接する４つの要素アンテナ群をまとめて、４未満の端数が出たときはその端数を構成する要素アンテナ群もまとめて上層の要素アンテナ群とするとともに、その上層の要素アンテナ群を構成する要素アンテナ群ごとに、下層の移相器の倍の移相量を持つ移相器を挿入し、
このような層を重ねる操作を、すべての要素アンテナ群が単一の上層の要素アンテナに含まれるようになる１つ手前まで繰り返して構成し、
前記挿入される移相器を、左上、右上、左下、右下という要素アンテナ又は要素アンテナ群の相対的な位置に対応付けて４つの種類Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに区分し、同一種類の移相器には、同一の移相量を与えて制御することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気象レーダ、路側ビーコンなど、指向性を非連続的に多方向に切り換えることのできるフェーズドアレイアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フェーズドアレイアンテナは、要素アンテナの給電信号の相対位相を変えることにより、指向性を制御することができるアンテナである。
位相を変えるため、各要素アンテナに、所定の移相量を実現する移相器が挿入される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
フェーズドアレイアンテナでは、原則として、各要素アンテナの数だけ移相器が必要となる。また、指向性をきめ細かく調節するためには、移相器の移相量を小刻みに変えなければならず、このため移相量の違う移相器を直列に並べることも必要になってくる。
【０００４】
このため、移相器の数や種類が多くなり、指向性を切り換えるための制御の内容も複雑になるという問題がある。
そこで本発明では、移相器の数と種類を極力減らすことができ、簡単な制御内容で指向性を切り換えることのできるフェーズドアレイアンテナを実現することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のフェーズドアレイアンテナは、５以上の数の要素アンテナを縦２列以上、横２列以上になるように配列し、縦横隣接する４つの要素アンテナを要素アンテナ群とし、４未満の端数が出たときはその端数を構成する要素アンテナも要素アンテナ群とし、各要素アンテナ群を構成する要素アンテナにそれぞれ移相器を挿入し、縦横隣接する４つの要素アンテナ群をまとめて、４未満の端数が出たときはその端数を構成する要素アンテナ群もまとめて、上層の要素アンテナ群とするとともに、その上層の要素アンテナ群を構成する要素アンテナ群ごとに、下層の移相器の倍の移相量を持つ移相器を挿入し、このような層を重ねる操作を、すべての要素アンテナ群が単一の上層の要素アンテナに含まれるようになる１つ手前まで繰り返して構成し、前記挿入される移相器を、左上、右上、左下、右下という要素アンテナ又は要素アンテナ群の相対的な位置に対応付けて４つの種類Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに区分し、同一種類の移相器には、同一の移相量を与えて制御することを特徴とするものである。
【０００６】
前記のフェーズドアレイアンテナの動作原理を説明する。
図１は、８つの要素アンテナ１，２，‥‥，８を縦４列、横２列になるように配列し、４つの要素アンテナ１，２，３，４と、４つの要素アンテナ５，６，７，８とをそれぞれ要素アンテナ群としたものである。なお、要素アンテナの番号の振り方は、要素アンテナ群の中で左上、右上、左下、右下の順としている。
【０００７】
図２は、移相器の接続図であり、各要素アンテナ１，２，‥‥，８にそれぞれ移相量φを持つ移相器を挿入し、要素アンテナ群ごとに、倍の移相量２φを持つ上層移相器を挿入している。
左上の要素アンテナに該当する移相器の種類をＡとし、右上の要素アンテナに該当する移相器の種類をＢとし、左下の要素アンテナに該当する移相器の種類をＣとし、右下の要素アンテナに該当する移相器の種類をＤとする。
【０００８】
上層移相器の種類も、左上の要素アンテナ群に該当する上層移相器の種類をＡとし、右上の要素アンテナ群に該当する上層移相器の種類をＢとする（左下及び右下の要素アンテナ群はこの例では存在しない）。
図３は、各要素アンテナの位相と移相器の制御との関係を解説する図である。
図３(a) は、北方向に指向性を向けるときの各要素アンテナの位相と、このときの移相器の制御方法を示している。北方向に指向性を向けるには、要素アンテナのうち、北側に並ぶ要素アンテナ１，２，５，６の位相を遅らせればよく、このために種類Ｃの移相器（以下「移相器Ａ」等という）と移相器Ｄとはスルー状態（位相遅れなし。以下符号「０」を使う）とし、移相器Ａと移相器Ｂとは位相遅れ状態（以下符号「１」を使う）とすればよい。
【０００９】
図３(b) は、南方向に指向性を向けるときの各要素アンテナの位相と、このときの移相器の制御方法を示している。南方向に指向性を向けるには、要素アンテナのうち、南側に並ぶ要素アンテナ３，４，７，８の位相を遅らせればよく、このために移相器Ｃと移相器Ｄとを状態１とし、移相器Ａと移相器Ｂとを状態０とすればよい。
【００１０】
図３(c) は、東方向に指向性を向けるときの各要素アンテナの位相と、このときの移相器の制御方法を示している。東方向に指向性を向けるには、要素アンテナのうち、東側に並ぶ要素アンテナ６，８の位相を３φ遅らせ、次の列の要素アンテナ５，７の位相を２φ遅らせ、次の列の要素アンテナ２，４の位相をφ遅らせればよく、このために移相器Ｂと移相器Ｄとを状態１とし、移相器Ａと移相器Ｃとを状態０とすればよい。
【００１１】
図３(d) は、西方向に指向性を向けるときの各要素アンテナの位相と、このときの移相器の制御方法を示している。西方向に指向性を向けるには、要素アンテナのうち、西側に並ぶ要素アンテナ１，３の位相を３φ遅らせ、次の列の要素アンテナ２，４の位相を２φ遅らせ、次の列の要素アンテナ５，７の位相をφ遅らせればよく、このために移相器Ａと移相器Ｃとを状態１とし、移相器Ｂと移相器Ｄとを状態０とすればよい。
【００１２】
図３(e) は、頂上方向に指向性を向けるときの各要素アンテナの位相と、このときの移相器の制御方法を示している。頂上方向に指向性を向けるには、すべての要素アンテナの位相を同一にする必要があり、このために全部の移相器の状態を同一（すべて０またはすべて１）にすればよい。
以上のように、制御信号の種類は、移相器Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対応して４種類で済むので、制御内容が簡単になる。また、移相器の数と種類も極力減らすことができる。
【００１３】
次に、図４から図６を用いて、要素アンテナの数が最小限の５の場合の動作原理を説明する。
図４は、５つの要素アンテナ１，２，‥‥，５を縦２列、横２列になるように配列し、４つの要素アンテナ１，２，３，４と、１つの要素アンテナ５とをそれぞれ要素アンテナ群としたものである。
【００１４】
図５は、移相器の接続図であり、要素アンテナ１，２，‥‥，５にそれぞれ移相量φを持つ移相器を挿入し、要素アンテナ群ごとに、倍の移相量２φを持つ上層移相器を挿入している。
左上の要素アンテナ１に該当する移相器の種類をＡとし、右上の要素アンテナ２に該当する移相器の種類をＢとし、左下の要素アンテナ３に該当する移相器の種類をＣとし、右下の要素アンテナ４に該当する移相器の種類をＤとしている。上層移相器の種類も、左上の要素アンテナ群に該当する上層移相器の種類をＡとし、右上の要素アンテナ群に該当する上層移相器の種類をＢとする（左下及び右下の要素アンテナ群はこの例では存在しない）。
【００１５】
図６は、各要素アンテナの位相と移相器の制御との関係を解説する図である。図６(a) は、北方向に指向性を向けるときの各要素アンテナの位相と、このときの移相器の制御方法を示している。北方向に指向性を向けるには、要素アンテナのうち、北側に並ぶ要素アンテナ１，２，５の位相を遅らせればよく、このために移相器Ｃと移相器Ｄとはスルー状態０とし、移相器Ａと移相器Ｂとを状態１とすればよい。
【００１６】
図６(b) は、南方向に指向性を向けるときの各要素アンテナの位相と、このときの移相器の制御方法を示している。南方向に指向性を向けるには、要素アンテナのうち、南側に並ぶ要素アンテナ３，４の位相を遅らせればよく、このために移相器Ｃと移相器Ｄとを状態１とし、移相器Ａと移相器Ｂとを状態０とすればよい。
【００１７】
図６(c) は、東方向に指向性を向けるときの各要素アンテナの位相と、このときの移相器の制御方法を示している。東方向に指向性を向けるには、要素アンテナのうち、東側に並ぶ要素アンテナ５の位相を２φ遅らせ、次の列の要素アンテナ２，４の位相をφ遅らせればよく、このために移相器Ａと移相器Ｃとを状態０とし、移相器Ｂと移相器Ｄとを状態１とすればよい。
【００１８】
図６(d) は、西方向に指向性を向けるときの各要素アンテナの位相と、このときの移相器の制御方法を示している。西方向に指向性を向けるには、要素アンテナのうち、西側に並ぶ要素アンテナ１，３の位相を３φ遅らせ、真中の要素アンテナ２，４の位相を２φ遅らせ，東側に並ぶ要素アンテナ５の位相をφ遅らせばよく、このために移相器Ｂと移相器Ｄとを状態０とし、移相器Ａと移相器Ｃとを状態１とすればよい。
【００１９】
図６(e) は、頂上方向に指向性を向けるときの各要素アンテナの位相と、このときの移相器の制御方法を示している。頂上方向に指向性を向けるには、すべての要素アンテナの位相を同一にする必要があり、このために全部の移相器の状態を同一（すべて０またはすべて１）にすればよい。
以上の本発明の移相器の状態と指向性との関係を表にまとめると、表１のようになる。表１で、上段のＮ，Ｓ，Ｅ，Ｗ，ＵＰは、それぞれ北、南、東、西、頂上向きの指向性を表す。
【００２０】
【表１】
0003713866.tif 000002
【００２１】
図７は、従来の移相器の接続状態を示す図であり、本発明の移相器の接続図である図５に対応する。要素アンテナ群ごとにまとめるという概念はなく、要素アンテナ１にそれぞれ移相器ａ，ｂを直列に挿入し、要素アンテナ２に移相器を挿入し、要素アンテナ３にそれぞれ移相器ｄ，ｅを直列に挿入し、要素アンテナ４にそれぞれ移相器ｆを挿入し、要素アンテナ５にそれぞれ移相器ｇ，ｆを直列に挿入している。すべての移相器の移相量はφである。
【００２２】
この従来の構成における移相器の状態と指向性との関係を表にしたものが表２である。
【００２３】
【表２】
0003713866.tif 000003
【００２４】
本発明を従来の方式とを比較すると、従来では、各要素アンテナごとに移相器を設けるとともに、各移相器の移相量をそれぞれ独立して制御する必要がある。したがって、移相器の数は８必要になり、制御信号の種類も原則として８種類必要になる。これに対して、本発明では、移相器の種類は２種類となるが、移相器の数は７で済み、制御信号の種類も４つで済む。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
要素アンテナ数が８×８＝６４の場合を説明する。
図８は、６４個の要素アンテナを等間隔かつ正方形状に配列した状態を示す図である。要素アンテナは、どのような形状、大きさ、偏波、指向性のアンテナでもよく、例えば正方形の反射板の上に立設されたダイポールアンテナでもよく、正方基板に形成されたプリントアンテナやスロットアンテナであってもよい。その他、円偏波のスパイラルアンテナのようなものでもよい。
【００２６】
図９から図１１は、要素アンテナ群、上層の要素アンテナ群の構成図である。
図９は、各要素アンテナ１，２，‥‥，６４のうち、縦横隣接する４つの要素アンテナを要素アンテナ群とした図である。図１０は、縦横隣接する４つの要素アンテナを上層の要素アンテナ群とした図であり、図１１は、縦横隣接する４つの上層の要素アンテナをさらに上層の要素アンテナ群とした図である。
【００２７】
図１２は、フェーズドアレイアンテナの移相器の接続図を示す。各要素アンテナ、要素アンテナ群及び上層の要素アンテナ群にそれぞれ移相量φ、２φ、４φを持つ移相器を挿入している。挿入される移相器は、左上、右上、左下、右下という要素アンテナ又は要素アンテナ群の相対的な位置に対応付けて４つの種類Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに区分されている（図９−図１１参照）。さらに、種類Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに応じて４種類の制御信号を出す制御装置１が設けられている。
【００２８】
ここで移相器は、どんな種類のものであってもよく、例えばフェライトを用いたラッチングフェライト移相器やＰＩＮダイオードやＦＥＴのような半導体を用いた移相器でもよい。
制御装置１は、移相器が位相をシフトさせるのに必要な４種類の制御信号を出力するものである。制御信号はすでに述べたとおり、表１に示した内容のものを使用する。
【００２９】
このような構成によれば、指向性を非連続的に多方向に切り換えることができる。
なお、信号の切換え手段としては、任意のものが使用でき、例えば、マイクロコンピュータで所定のコード信号を発生してもよく、スイッチ群を設けて信号をオンオフ制御してもよい。また、切換えの方法は、手動でも自動でもよく、自動的に行えば指向性が自動的に切り替わるフェーズドアレイアンテナが得られる。また、目標物から得られる信号の方向に合わせることにより、自動追尾とすることもできる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明のフェーズドアレイアンテナによれば、移相器の数を減らすことができる。また、各移相器の移相量をそれぞれ独立して制御する必要がないので、位相制御信号の種類を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】８つの要素アンテナ１，２，‥‥，８を縦４列、横２列になるように配列し、４つの要素アンテナ１，２，３，４と、４つの要素アンテナ５，６，７，８とをそれぞれ要素アンテナ群とした構成を示す図である。
【図２】要素アンテナ１，２，‥‥，８にそれぞれ移相量φを持つ移相器を挿入し、要素アンテナ群ごとに、倍の移相量２φを持つ上層移相器を挿入した移相器の接続状態を示す図である。
【図３】指向性と各要素アンテナの位相と移相器の制御との関係を解説する図である。
【図４】５つの要素アンテナ１，２，‥‥，５を縦２列、横２列になるように配列し、４つの要素アンテナ１，２，３，４と、１つの要素アンテナ５とをそれぞれ要素アンテナ群とした構成を示す図である。
【図５】要素アンテナ１，２，‥‥，５にそれぞれ移相量φを持つ移相器を挿入し、要素アンテナ群ごとに、倍の移相量２φを持つ上層移相器を挿入した移相器の接続状態を示す図である。
【図６】指向性と各要素アンテナの位相と移相器の制御との関係を解説する図である。
【図７】フェーズドアレイアンテナにおける従来の移相器の接続状態を示す図である。
【図８】６４個の要素アンテナを正方形状に配列した状態を示す図である。
【図９】各要素アンテナ１，２，‥‥，６４のうち、縦横隣接する４つの要素アンテナを要素アンテナ群とした図である。
【図１０】縦横隣接する４つの要素アンテナを上層の要素アンテナ群とした図である。
【図１１】縦横隣接する４つの上層の要素アンテナをさらに上層の要素アンテナ群とした図である。
【図１２】６４個の要素アンテナを持つフェーズドアレイアンテナの移相器の接続状態を示す図である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ  移相器の種類
φ  位相量
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003713866.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003713866.tif 000009
【図７】
0003713866.tif 000010
【図８】
0003713866.tif 000011
【図９】
0003713866.tif 000012
【図１０】
0003713866.tif 000013
【図１１】
0003713866.tif 000014
【図１２】
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