(57)【要約】      （修正有）【課題】シンプルなパターンで製造コスト化、小形化できる給電回路およびそれを備えるフェイズドアレーアンテナの提供。【解決手段】基板の表面に、アンテナANT1、ANT2に接続されるハイブリッドカプラHB1と、アンテナANT3、ANT4に接続されるハイブリッドカプラHB2と、λ/4インピーダンス変換器Ｔ４、Ｔ５と、アンテナ間位相差を決定する伝送線路Ｍ１〜Ｍ４とを配置し、基板の裏面に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３に接続されるλ/4インピーダンス変換器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及び入力ポートINに接続される伝送線路Ｍ６を配置し、ボアサイト方向を含む3方向に切り替え可能な1入力4出力のフェイズドアレーアンテナ用給電マトリックス回路およびそれを備えるフェイズドアレーアンテナ装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボアサイト方向を含む3方向に切り替え可能な1入力4出力のフェイズドアレーアンテナ用給電マトリックス回路であって、
基板の表面において、アンテナ(ANT1)及びアンテナ(ANT2)に接続されるハイブリッドカプラ(HB1)とアンテナ(ANT3)及びアンテナ(ANT4)に接続されるハイブリッドカプラ(HB2)とが上下対称に配置され、λ/4インピーダンス変換器(T4)及びλ/4インピーダンス変換器(T5)が左右対称に配置され、かつ、アンテナ間位相差を決定する伝送線路(M1〜M4)が上下左右対称となるパターンであり、
基板の裏面において、スイッチ(Sw1)に接続されるλ/4インピーダンス変換器(T1)及びスイッチ(Sw2)に接続されるλ/4インピーダンス変換器(T2)が左右対称に配置され、かつ、スイッチ(Sw3)に接続されるλ/4インピーダンス変換器(T6)及び入力ポート(IN)に接続される伝送線路M6が上下対称に配置されることを特徴とする給電マトリックス回路。
【請求項２】
全ての伝送線路がλ/4長であることを特徴とする請求項1の給電マトリックス回路。
【請求項３】
全ての伝送線路の特性インピーダンスがZ0またはZ0/√2であることを特徴とする請求項1または2の給電マトリックス回路。
【請求項４】
基板表面の回路と基板裏面の回路とが3つのビア(V1〜V3)により接続されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかの給電マトリックス回路。
【請求項５】
請求項1ないし4のいずれかの給電マトリックス回路を備えるフェイズドアレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一平面上にレイアウトされた３方向ビーム切り替え給電真マトリックス回路およびそれを備えるフェイズドアレーアンテナに関する。
【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ェイズドアレーアンテナ装置が知られている。このフェイズドアレーアンテナは、大変高価でサイズも大きいため、主として軍事用途やプロフェッショナル用途で用いられている。
【０００３】
給電ポートの位置によってビーム方向が決定されるマトリクス回路を用いたフェイズドアレーアンテナは、給電を行うマトリックス回路のポート（給電点）の位置に対応してビーム方向が変化することから給電点切換走査型のフェイズドアレーアンテナとも呼ばれる。
小形で安価にビームを切り替えるマトリックス回路として、ハイブリッド回路を4つ用いてビーム方向を4方向に切り替えるバトラーマトリックス給電回路が良く知られている。この給電回路に入力された信号はマトリックス回路の中で分配され、ポート毎に異なる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が異なるため、給電回路のポート位置に応じてビーム方向が変化する。
【０００４】
しかし、バトラーマトリックス回路はハイブリッド回路を4つ用いているため、民生の製品で用いるにはまだ十分な小形化がされているとはいえず、民生の製品にバトラーマトリックス回路が用いられることはまれである。また、バトラーマトリックス回路はビームをボアサイト方向に向けることができない欠点を持っているところ、アンテナを用いたシステムでは、ボアサイト方向のビームを重要とされることが多いため問題となっていた。
2005年、M. Koubeissiらにより、ボアサイト方向を含む3方向ビーム切り替え給電マトリックス回路が提案されたが、この給電回路はハイブリッド回路を8個使っており、サイズがバトラーマトリックスより大きくなる欠点を持っていた。
【０００５】
そこで、発明者は、アンテナのビームを、ボアサイトを含む3方向に切り替えを行うためのHTBM（Hybrid Three Direction Beam Matrix）と称する給電回路を提案した（非特許文献1）。HTBMは、λ/4の伝送線路と2つのハイブリッドカプラと3つのスイッチで構成される給電回路であって、1入力、4出力で、アンテナ間の位相差を±90°と0°に切り替えることができるものである。
【０００６】
また、発明者は、さらに小形の給電マトリックス回路としてQTBM（Quarter Wavelength Three Direction Beam Matrix）と称する給電回路を提案した。これは、λ/4の伝送線路のみで構成され、HTBMと同等の性能を持つ給電回路である（特許文献1、非特許文献2）。ただし、QTBMはスイッチを5つ用いる必要があった。
【０００７】
さらに、発明者は、1入力4出力のフェイズドアレーアンテナの給電マトリックス回路であって、2個のアンテナ端子に接続される第1のラットレース回路と、2個のアンテナ端子に接続される第2のラットレース回路と、給電点を切り替えるスイッチ切替機構と、を有し、スイッチ切替機構の設定により4エレメントのアレーアンテナのビーム方向を、ボアサイト方向を含む3方向に切り替え可能である給電マトリックス回路を提案している（特許文献2）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2009-44495号公報
【特許文献２】特開2012-175329号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】辻正敏、他4名、「ハイブリッドマトリックスを用いたボアサイトを含む3ビーム方向制御小形アレーアンテナ」、電気情報通信学会論文誌B, Vol. J90-B, No.3, Mar. 2007
【非特許文献２】辻正敏、「λ/4線路を用いたボアサイトを含む3ビーム方向制御小形給電マトリックス回路」、電気学会論文誌C, Vol.128, No.6, Jun. 2008
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
小形フェイズドアレーアンテナの用途としては、例えば、防犯システムが挙げられる。すなわち、マイクロ波を検知エリアに向けて送信し、検知エリア内に人体（侵入者）が存在する場合には、その人体からの反射波（ドップラー効果によって変調したマイクロ波）を受信して人体を検知する防犯センサで異常を検知して、カメラで現場を撮影し、監視センターに送る防犯システムでの利用である。
【００１１】
防犯センサにおいては、防犯カメラを侵入者に向けて撮影したり、誤検知を少なくしたりするために、低コストでビーム方向を電気的に切り替えることができるアンテナが求められている。そしてこれまでに、ビーム切り替えの多くの研究がされてきたが、それらのシステムは、高価な移相器やパワーコントローラを必要とし、しかも構造が複雑であった。そのため、アンテナシステムは、大型かつコストが高く、民生品の機器に用いることが難しかった。特にマイクロ波やミリ波などで使用するスイッチは高価であり、多数のスイッチが必要とされるフェイズドアレーアンテナ装置は高額な商品となっていた。また、多くのスイッチ回路が必要となるため、サイズも大きくなっていた。
【００１２】
バトラーマトリックスは、上記のシステムと比較すると小形で安価なビーム切り替え給電回路であるが、上述のとおり、ボアサイト方向にビームを向けることができないという欠点があった。
HTBMは、アンテナ間位相差を決定する伝送線路パターンが同一平面上に無いこと、パターン形状が複雑であることの課題がある。基板の表面と裏面にパターンが配置される構成では、パターン間を接続するビアのミスマッチの影響があり、この影響を3D電磁解析ツールで解析することには多くの時間を要することになる。
【００１３】
そこで、本発明は、同一平面上に伝送線路パターンが配置され、しかもシンプルなパターンで製造コストを抑えることができ、サイズを小形化できる給電回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第1の発明は、ボアサイト方向を含む3方向に切り替え可能な1入力4出力のフェイズドアレーアンテナ用給電マトリックス回路であって、基板の表面において、アンテナ(ANT1)及びアンテナ(ANT2)に接続されるハイブリッドカプラ(HB1)とアンテナ(ANT3)及びアンテナ(ANT4)に接続されるハイブリッドカプラ(HB2)とが上下対称に配置され、λ/4インピーダンス変換器(T4)及びλ/4インピーダンス変換器(T5)が左右対称に配置され、かつ、アンテナ間位相差を決定する伝送線路(M1〜M4)が上下左右対称となるパターンであり、基板の裏面において、スイッチ(Sw1)に接続されるλ/4インピーダンス変換器(T1)及びスイッチ(Sw2)に接続されるλ/4インピーダンス変換器(T2)が左右対称に配置され、かつ、スイッチ(Sw3)に接続されるλ/4インピーダンス変換器(T6)及び入力ポート(IN)に接続される伝送線路M6が上下対称に配置されることを特徴とする給電マトリックス回路である。
【００１５】
第2の発明は、第1の発明において、全ての伝送線路がλ/4長であることを特徴とする。
第3の発明は、第1または2の発明において、全ての伝送線路の特性インピーダンスがZ0またはZ0/√2であることを特徴とする。
第4の発明は、第1ないし3のいずれかの発明において、基板表面の回路と基板裏面の回路とが3つのビア(V1〜V3)により接続されることを特徴とする。
第5の発明は、第1ないし4のいずれかの発明に係る給電マトリックス回路を備えるフェイズドアレーアンテナである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、同一平面上に伝送線路パターンが対称に配置され、サイズを小形化できる低コストの給電マトリックス回路およびそれを備えるフェイズドアレーアンテナを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の給電回路の回路図であり、(a)は表面側の回路図、(b)は裏面側の回路図
【図２】本発明の給電回路の試作品の写真
【図３】本発明の給電回路の|S11|周波数特性の設定別シミュレーションと測定の結果
【図４】本発明の給電回路に係るSパラメータ周波数特性の設定別位相
【図５】本発明の給電回路に係るSパラメータ周波数特性のR設定及びL設定における振幅
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、2つのハイブリッドカプラとアンテナ間位相差を決定する伝送線路が同一平面上に配置され、かつ、上下左右対称となるパターンであることを特徴とする1入力4出力のビーム切り替え給電マトリックス回路に関する。本発明の給電回路は、アンテナ間の位相差を3つのスイッチの切り替えにより+90°, -90°, 0°にスイッチすることができるので、ボアサイトを含む3方向にビームを向けることが可能である。
【００１９】
《構成》
図1は、本発明の給電回路の回路図であり、(a)は表面(A-Plane)の回路図、(b)は裏面(B-Plane)の回路図である。図1に開示される各コンポーネントは、基板の表面(A-Plane)及び裏面(B-Plane)にそれぞれ配置される。この給電回路は、2つのハブリッドカプラーと、複数のλ/4長伝送線路と、3つのスイッチ(SW1〜SW3)と、1つの入力ポート(IN)と、アンテナと接続される4つの出力ポート(ANT1〜ANT4)を備えて構成される。T1〜T5は、λ/4インピーダンス変換器であり、入力ポートの入力インピーダンスを信号源のインピーダンスに整合させるために用いられる。図1では、全ての伝送線路がλ/4長となっている。そして、この給電回路は、伝送線路の特性インピーダンスが2種類(Z0, Z0/√2)しかなく、パターンも対称に形成されている。伝送線路M1〜M4は、アンテナ間の位相差を決定するディレーラインである。アンテナ間の位相差は、伝送線路M1〜M4及び表面(A-Plane)のハイブリッドカプラ(HB1, HB2)に依存している。
【００２０】
スイッチSW1〜SW3がONの時、スイッチに接続されるλ/4線路がショートスタブとなり、他の回路から切り離されて入力信号の切り替えが行われる。
スイッチ設定(SW1, SW2, SW3)が(OFF, ON, ON)の時(これをR設定という)、入力信号は3方向の分岐点で回路R側を通り、次いでビア(V1)を通る。ノードn1, n2, n3, n4の各位相は、(180°, *, 0°, *)となる(ここで*はノーシグナルを意味する)。ハイブリッドHB1のλ/4線路Ha及びHbがショートスタブとなりノードn1のショートにより、他の回路から切り離される。線路Hcが90°遅延線路となり、線路Hbが25Ωから50Ωに変換するためのλ/4インピーダンス変換器となる。その結果、ANT1, ANT, ANT3, ANT4の位相はそれぞれ90°, 0°, -90°, -180°となる。すなわち、アンテナ素子間の位相差は、ANT1を基準にして90°となり、それぞれに供給されるパワーも同じになる。ビームは、ANT1, ANT, ANT3, ANT4の順に整列されて右側を向く。
【００２１】
スイッチ設定(SW1, SW2, SW3)が(ON, OFF, ON)の時(これをL設定という)、入力信号は3方向の分岐点で回路L側を通り、次いでビア(V2)を通る。ノードn1, n2, n3, n4の各位相は、(*, 180°, *, 0°)となる。ANT1, ANT, ANT3, ANT4の位相はそれぞれ0, 90°, 180°, 270°となる。アンテナ素子間の位相は90°間隔となり、ビームは左側を向く。
【００２２】
スイッチ設定(SW1, SW2, SW3)が(ON, ON, OFF)の時(これをBs設定という)、入力信号は3方向の分岐点で回路Bs側を通り、次いでビア(V3)を通る。ノードn1, n2, n3, n4の各位相信号は、同相となる。ANT1の位相は、n1及びn2の出力信号の合成であり、45°となる。他の出力ポートの位相は、ANT1から求めることができる。各アンテナの位相間隔は0°であり、ビームはボアサイトを向いている。表1に、スイッチ設定(R, L, Bs)及び出力ポートの位相の概要を示す。
【００２３】
[表1]
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【００２４】
図1において、HTBMの入力インピーダンス及びアンテナはZ0に設定される。λ/4変換器T1〜T5の特性インピーダンス(ZT1〜ZT5)は、次のように求められる。スイッチ設定Rにおけるn1、設定Lにおけるn2及び設定Bsにおけるn5の入力インピーダンスは、Z0/√2である(ZT4 = ZT5 = Z0/√2の時)。加えて、n1, n2, n5の入力インピーダンスは、特性インピーダンス(Z0/√2)のλ/4変換器(T1, T2, T3)によりZ0に変換される。
【００２５】
設計条件は、次の通りである。
・インピーダンスZ0 = 50Ω
・基板特性εr = 3.3, tanδ = 0.006, 板厚0.8 mm
・周波数 2.45 GHz
・各伝送線路は、RF回路シミュレータSNAP(modified nodal analysis)により計算
・Z0及びZ0/√2の伝送経路の幅は、それぞれ2.0 mm及び3.25 mm
・λ/4線路長は18.5 mm
・λ/16変換線路は、SMAコネクタと接続するためにハイブリッドカプラの出力ポートに挿入される
【００２６】
図2は、これらの条件に基づいたレイアウトにより、設計及び作製された給電回路の写真である。この給電回路のサイズは、75 (H) × 55 (W) × 3.0 (T) mmである。
【００２７】
《シミュレーションと測定》
図2の給電回路のSパラメータは、次の条件でSNAPによりシミュレートされた。
R設定では、信号はビア(V1)から入力され、ビア(V2, V3)はオープンに設定される。Bs設定では、信号はビア(V3)から入力され、ビア(V1, V2)はオープンに設定される。図1(b)に示す伝送線路T1及びM6は、R設定を測定するためのマッチング回路として信号源及びV1の間に挿入され、伝送線路T3及びM6はBs設定を測定するために信号源とV3の間に挿入される。信号源はポート1に設定され、出力ポート(ANT1〜ANT4)はポート2〜5に設定される(図2参照)。評価した周波数の範囲は、2.2〜2.7 GHzである。L設定のSパラメータは、R設定の値を、Port 2をPort 3に、Port 4をPort 5に入れ替えた値である。
【００２８】
図3は、本発明の給電回路の|S11|周波数特性の設定別シミュレーションと測定の結果を示している。測定された反射減衰量は、2.45Ghzで21 dB以上、入力インピーダンスはぴったり50Ωであった。
図4は、Sパラメータの設定別位相を示している。本発明の給電回路の理論上の位相値は、λ/16線路をハイブリッド出力ポートに加えたことから、表1の位相から22.5°の遅れを含むものとなる。R設定では、シミュレートされたSパラメータの位相差は、S21からS51に向かって約-90°である。 L設定では、シミュレートされたSパラメータの位相差は、約+90°である。Bs設定では、Sパラメータの位相は、全て同相となる。
【００２９】
測定された位相は、ビア及び基板の比誘電率の影響のため、理論値よりも僅かに遅れている。しかしながら、各アンテナ間の位相差は、理論値と合致する。
図5は、R設定及びL設定におけるSパラメータのシミュレーションと測定された振幅である。測定された振幅の値は、シミュレートされた値と合致する。この値は、マイクロストリップラインの損失により、-6dBの理論値よりも僅かに低い。
【００３０】
表2に、各ポートの測定値及びそれぞれを2.45GHzに設定した場合のアンテナ間のエラーを示す。R設定の位相エラーは、アンテナ間の位相差から90°減ずることにより算出することができる。その他のエラーは、アンテナ間の差分値により算出することができる。
【００３１】
[表2]
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【００３２】
アンテナ間の位相差及び振幅エラーは、R設定では-2.5 〜 +0.9°, -0.36 〜 +0.11dBとなり、Bs設定では-1.1 〜 +2.1°, -0.69 〜 +0.28dBとなる。従来型のHTBMの位相差及び振幅エラーは、-16 〜 +11°, -0.88 〜 +0.52dBである。このように、本発明の給電回路(改良HTBM)は、従来型のHTBMと比べ、アンテナ間の位相差及び振幅エラーがいずれも非常に小さい。加えて、本発明の給電回路は、回路調整を行うことなく容易にデータを増幅することができる。従来型のHTBMでは、データを増幅するためには、ビアのミスマッチの影響を除去するための時間を要するとされていた。
【００３３】
以上に説明した本発明の給電回路は、同一平面上の垂直方向に相互に対称のパターンを有するので、基板設計の実質的な時間を削減することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、小形かつ簡易な構造で、製造コストも抑えることができるため、防犯システム用マイクロ波センサなどの民生製品としての利用に好適である。
【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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