(57)【要約】【課題】サイドローブの発生を抑え、小形かつ簡易な構造の給電回路およびそれを備えたマルチビームアンテナの提供。【解決手段】１つの入力ポートと、４素子アンテナに接続される４つの出力ポート、切替スイッチを有する整合回路、クロスカプラ、およびハイブリッドカプラを備え、切替スイッチの設定により、４素子アンテナのアンテナ間位相差を+45°、−45°、0°に切り替えることで、ビームを３方向に切り替えることができるマルチビームアンテナ用給電回路であって、前記クロスカプラおよびハイブリッドカプラはそれぞれ２個であり、入力ポート、出力ポート、整合回路、クロスカプラおよびハイブリッドカプラが同一平面基板上に配置されることを特徴とする測角に適したマルチビームアンテナ用給電回路。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの入力ポートと、４素子アンテナに接続される４つの出力ポート、切替スイッチを有する整合回路、クロスカプラ、およびハイブリッドカプラを備え、切替スイッチの設定により、４素子アンテナのアンテナ間位相差を+45°、−45°、0°に切り替えることで、ビームを３方向に切り替えることができるマルチビームアンテナ用給電回路であって、
前記クロスカプラおよびハイブリッドカプラはそれぞれ２個であり、
入力ポート、出力ポート、整合回路、クロスカプラおよびハイブリッドカプラが同一平面基板上に配置されることを特徴とする測角に適したマルチビームアンテナ用給電回路。
【請求項２】
第１のハイブリッドカプラが、第１の出力ポートに各々接続され、
第２のハイブリッドカプラが、第２の出力ポートに各々接続され、
出力側クロスカプラが、第３および第４の出力ポート並びに第１および第２のハイブリッドカプラと接続され、
入力側クロスカプラが、第１および第２のハイブリッドカプラ並びに整合回路と接続されることを特徴とする測角に適した請求項１のマルチビームアンテナ用給電回路。
【請求項３】
アンテナ間位相差を決定する第１の出力ポートへの伝送線路(L1、L3〜L8)は、いずれも線路長がλ/4、特性インピーダンスが50Ωであり、
アンテナ間位相差を決定する第４の出力ポートへの伝送線路(L2、L10〜L15)は、いずれも線路長がλ/4、特性インピーダンスが50Ωであり、
整合回路と入力側クロスカプラとを接続する伝送線路（Ls1、Ls2）は、いずれも線路長がλ/8、特性インピーダンスが50Ωであり、
整合回路が有する５つのインピーダンス変換器（M1、M2、M3、M4、M5）は、いずれも線路長がλ/4、特性インピーダンスが50／√2Ωであることを特徴とする測角に適した請求項１または２のマルチビームアンテナ用給電回路。
【請求項４】
第１のハイブリッドカプラおよび第１の出力ポートへの伝送線路(L1、L3〜L8)と、第２のハイブリッドカプラおよび第４の出力ポートへの伝送線路(L2、L10〜L15)とが、入力ポートを通過する中心線に対して実質的に左右対称に配置され、
入力側クロスカプラおよび出力側クロスカプラが、前記中心線上に配置されることを特徴とする測角に適した請求項１、２または３のマルチビームアンテナ用給電回路。
【請求項５】
第１および第２のハイブリッドカプラのそれぞれが、特性インピーダンスが50／√2Ωである２本の伝送線路と、特性インピーダンスが50Ωである２本の伝送線路を備えて構成されることを特徴とする測角に適した請求項１ないし４のいずれかのマルチビームアンテナ用給電回路。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかのマルチビームアンテナ用給電回路を備えることを特徴とするマルチビームアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチビームアンテナのサイドローブを抑圧する、３方向ビーム切替給電回路およびそれを備えるマルチビームアンテナに関する。
【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。
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。
【０００３】
他方、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。
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、民生用の機器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、民生用の機器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。
【０００４】
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。
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。
【０００５】
小形フェイズドアレーアンテナの用途としては、例えば、屋外防犯システムが挙げられる。この屋外防犯システムで、侵入者を検出した際、その人物を特定できるように拡大写真を撮影することが求められている。その手法の１つに、マイクロ波防犯センサを用いて侵入者の位置を検出し、カメラを検出方向に向けて撮影する方法がある。侵入者の位置を検出するためには、測距と測角を行う必要があり、測距については、２周波CW（Continuous Wave）方式を用いた簡単な手法が存在する（非特許文献３）。測角においては、レーダ技術の分野でフェイズドアレーアンテナを用いてビームを走査することによりターゲットの方向を検出する方法が存在しているが、この手法はシステムが高価で複雑となるため民生用途で採用することは難しい（非特許文献４）。安価に測角する手法として、ビーム切り替えアンテナを用いたシーケンシャルロービング方式がある（非特許文献５）。これは、複数の異なる方向に向けたビームのレベルよりターゲット方向を推定するものである。そしてシンプルな構造のビーム切り替えアンテナの給電回路として、バトラーマトリックス回路やBlass回路がよく知られている（非特許文献６、非特許文献７）。
【０００６】
しかし、これまでのビームを切り替える手法を用いると、センサの構造が複雑になり、サイズが大きく、コストが高くなるため、民生用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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−４４４９５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【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
【非特許文献３】Merrill I.Skolnik, Introduction to Radar systems, 3rd. New York: McGraw-Hill, 2001.
【非特許文献４】Merrill Skolnik, Radar Handbook, 2nd. New York: McGraw-Hill, 1990.
【非特許文献５】吉田孝、“改訂  レーダ技術”(社)電子情報通信学会、pp.3、東京、1996.
【非特許文献６】A.M.El-Tager, M.A.Eleiwa, “Design and Implementation of a Smart Antenna Using Butler Matrix for ISM-band”, Progress In Electromagnetics Reseach Symposium, Beijing, China, March, 2009.
【非特許文献７】J.Blass, “Multidimensional Antenna: A New Approach to Stacked Beams”, IRE International Convention Record, pt.1, pp.48-50, 1960.
【非特許文献８】後藤尚之、“図説・アンテナ”、(社)電子情報通信学会、東京、pp248-252、1995.
【非特許文献９】新井宏之、“新アンテナ工学”、総合電子出版社、pp.92-93,東京、1996.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
フェイズドアレーアンテナは、グレーティングローブの発生や素子間相互結合の影響を考慮して、アンテナの素子間隔をλ/2程度にしたリニアアレーが一般的に用いられる（非特許文献８、非特許文献９）。このようなアレーアンテナに給電回路としてバトラーマトリックスが用いると、ビームにサイドローブが発生し、その影響により、測角ができない箇所が発生するといった問題が起こる（非特許文献６）。
一方Blass回路は、入出力ポート数を任意に設定することができる利点を持つが、多くの方向性結合器を必要とするため、回路サイズが大きくなる問題点を持つ。
【００１０】
そこで、本発明は、サイドローブの発生を抑え、小形かつ簡易な構造の給電回路およびそれを備えたマルチビームアンテナ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】
【００１１】
本発明者は、１入力４出力で、３つのスイッチの設定により４素子アレーアンテナのアンテナ間位相差を0°、±45°、に切り替えて、ビームを３方向に切り替えること検討した。そして、アンテナ間位相差が０°時、４素子アレーアンテナの電力分布は中央の２つのアンテナに偏ることの知見を得、ボアサイト方向に指向性が緩く、サイドローブの発生しないビーム形状の得られるビーム切り替え給電回路を発明した。
【００１２】
すなわち、第１の発明は、１つの入力ポートと、４素子アンテナに接続される４つの出力ポート、切替スイッチを有する整合回路、クロスカプラ、およびハイブリッドカプラを備え、切替スイッチの設定により、４素子アンテナのアンテナ間位相差を+45°、−45°、0°に切り替えることで、ビームを３方向に切り替えることができるマルチビームアンテナ用給電回路であって、前記クロスカプラおよびハイブリッドカプラはそれぞれ２個であり、入力ポート、出力ポート、整合回路、クロスカプラおよびハイブリッドカプラが同一平面基板上に配置されることを特徴とする測角に適したマルチビームアンテナ用給電回路である。
第２の発明は、第１の発明において、第１のハイブリッドカプラが、第１の出力ポートに各々接続され、第２のハイブリッドカプラが、第２の出力ポートに各々接続され、
出力側クロスカプラが、第３および第４の出力ポート並びに第１および第２のハイブリッドカプラと接続され、入力側クロスカプラが、第１および第２のハイブリッドカプラ並びに整合回路と接続されることを特徴とする。
【００１３】
第３の発明は、第１または２の発明において、アンテナ間位相差を決定する第１の出力ポートへの伝送線路(L1、L3〜L8)は、いずれも線路長がλ/4、特性インピーダンスが50Ωであり、アンテナ間位相差を決定する第４の出力ポートへの伝送線路(L2、L10〜L15)は、いずれも線路長がλ/4、特性インピーダンスが50Ωであり、整合回路と入力側クロスカプラとを接続する伝送線路（Ls1、Ls2）は、いずれも線路長がλ/8、特性インピーダンスが50Ωであり、整合回路が有する５つのインピーダンス変換器（M1、M2、M3、M4、M5）は、いずれも線路長がλ/4、特性インピーダンスが50／√2Ωであることを特徴とする。
第４の発明は、第１、２または３の発明において、第１のハイブリッドカプラおよび第１の出力ポートへの伝送線路(L1、L3〜L8)と、第２のハイブリッドカプラおよび第４の出力ポートへの伝送線路(L2、L10〜L15)とが、入力ポートを通過する中心線に対して実質的に左右対称に配置され、入力側クロスカプラおよび出力側クロスカプラが、前記中心線上に配置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おいて、第１および第２のハイブリッドカプラのそれぞれが、特性インピーダンスが50／√2Ωである２本の伝送線路と、特性インピーダンスが50Ωである２本の伝送線路を備えて構成されることを特徴とする。
【００１４】
第６の発明は、第１ないし５のいずれかの発明に係るマルチビームアンテナ用給電回路を備えることを特徴とするマルチビームアンテナである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、サイドローブの発生を抑えながら、伝送経路を構成する部品を最小限とし、これらを同一平面上基板に配する簡易な構造を備えた給電回路およびそれを備えたマルチビーム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】
【００１６】
【図１】実施例１に係るサイドローブ抑圧された３方向ビーム切替給電マトリックス回路の構成図
【図２】４素子バッチアレーアンテナのパターン
【図３】各設定における４素子アレーアンテナの放射特性
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、１入力４出力のフェイズドアレーアンテナの小形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、スイッチの設定により＋45°，−45°，0°に切り替えることができるため、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。本発明の回路で使われる主要部品は、ハイブリッドカプラ２個と、クロスカプラ２個および整合回路とスイッチ３個であり、またこれらの部品は同一平面上で組み合わせて配置構成されていることから、その構造はシンプルである。
また、このビーム切り替え給電回路はλ/4とλ/8の伝送線路を同一平面上で組み合わせて配置して構成されており、設計しやすい構造であると共に、そのサイズは2λ×1.5λ程度であり小形である。
しかも、本発明の給電回路によれば、測角を広い範囲で行うことができる。
【００１８】
本発明の給電回路は高周波回路シミュレータSNAP（修正接点解析法、MEL）で計算され、その結果は理論値とほぼ一致し、正しく動作することを確認することができている。本発明の給電回路は、等間隔に配置された素子アンテナを複数備えるフェイズドアレーアンテナの小形化に寄与するものである。
【００１９】
以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明は実施例により何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００２０】
《構成》
図１は実施例１に係るサイドローブ抑圧された３方向ビーム切り替え給電回路の構成図である。
Port１は入力ポート、Port２〜Port５は出力ポートである。SW1〜SW3はOn−Off切り替えスイッチであり、この３つのスイッチの設定によりアンテナ間の位相差を切り替える。長方形のパーツは伝送線路を表している。各線路の線路長は、Ls1、Ls2がλ/8、その他は全てλ/4である。特性インピーダンスは、白色の線路は50Ω、灰色の線路は50/√2Ωであり、少ない種類のパーツで構成されている。また、全ての線路は同一平面上にレイアウトされており、設計・製造しやすい構造である。
【００２１】
符号１が付されたHB1と符号２が付されたHB2は、3dBハイブリッドカプラである。符号３が付されたCC1と符号４が付されたCC2はクロスカプラである。クロスカプラの動作は、信号を交差して伝える働きがあるり、CC1のa3に入力された信号は、A3に位相が270°遅れて出力され、a2に入力された信号は、A2に位走査が270°遅れて出力される。符号５が付されたMS部は整合回路であり、インピーダンスの整合とスイッチの設定により信号の切り替えの役割を兼ねている。Ls1、Ls2は、クロスカプラCC1と整合回路MSを分離するために挿入されている。各ポートのインピーダンスは50Ωである。
【００２２】
アンテナ間位相差＋45°（β＝45°）を得るためには、スイッチSW1、SW2、SW3をOFF、ON、ONに設定する。線路L2、M3、M5は、λ/4線路のショートスタブとなるため、これらの線路の入力インピーダンスは∞となり、他の線路と切り離して考えることができる。そのため入力信号は、全て線路L1、M1を通り、線路L3とLs1の分岐点で、等電力に分かれて伝達する。線路L3方向に進んだ信号は、HB1の入力A1にPort1の信号を基準として270°の位相で到達する。ハイブリッドカプラHB1の出力B1、B2には、180°、90°の位相の信号が出力される。Ls1方向に進んだ信号全ては、クロスカプラCC1を通過し、HB2の入力A3に225°の位相で伝達する。ハイブリッドカプラHB2の出力B3、B4には、135°、45°の位相の信号が出力される。Port2にはB1の信号が、Port3にはB3の信号が、Port4にはB2の信号が、Port5にはB4の信号がそれぞれ270°遅れて伝わる。その結果Port2〜Port5のSパラメータの位相は、270°、225°、180°、135°となり、Port2を基準としてアンテナ間位相差は+45°になる。また、各Sパラメータの振幅値は全て−0.6dBとなる。
【００２３】
次にこの回路の整合について説明する。ノードc1よりL3側を見た入力インピーダンスとLs1側を見た入力インピーダンスは、共に50Ωである。よってこれらを合わせたｃ１の入力インピーダンスは25Ωであり、これを50Ωに変換するためにλ/4インピーダンス変換器M1を用いる。
【００２４】
アンテナ間位相差0°(β＝0°)を得るためには、スイッチSW1、SW2、SW3をON、OFF、ONに設定する。線路L1、L2、M1、M2はλ/4線路のショートスタブとなるため、これらの線路は、切り離して考えることができる。入力信号は、全て線路M5を通り、線路M3とM4の分岐点で、等電力で分かれて伝達する。M3方向に進んだ信号は、線路L3とLs1の分岐点で、等電力で分かれ、A1とA3にそれぞれ伝達する。M4方向に進んだ信号は、線路L10とLs2の分岐点で、等電力で分かれ、A4とA2にそれぞれ伝達する。こうしてA1〜A4の位相は、270°、225°、225°、270°となる。B1、B2には、A1とA2の合成波が、B3、B4には、A3とA4の合成波が出力される。
【００２５】
Port2〜Port5の各Sパラメータ（S21、S31、S41、S51）の振幅は、−11.4dB、−3.74dB、−3.74dB、−11.4dBであり、位相差は全て同一の202.5°である。４本のアンテナに供給される信号レベルは、中央の２本で大きく、両端の２本は小さい。その結果ボアサイト側のビームは、サイドローブをなくすことができる。この回路の入力インピーダンスは、ノードc1とc3で、アンテナ側を見た時に、25Ωであるため、λ/4インピーダンス変換器M3、M4を用いて50Ωに変換する。C2の入力インピーダンスはM3、M4の線路が合わさるため25Ωとなり、M5によって50Ωに変換される。
【００２６】
アンテナ間位相差−45°（β＝−45°）を得るためには、スイッチSW1、SW2、SW3をON、ON、OFFに設定する。動作はアンテナ間位相差+45°の時の動作を左右反対にして同様に考えることができる。
【００２７】
図２は、本実施例に用いる４素子のパッチアレーアンテナのパターンである。
パッチアレーアンテナは、アンテナサイズを小さくするため、高誘電率材料（PPO、Panasonic）からなる基板上に作られる。パッチアンテナ素子の寸法は、19（H)×19（W)mmである。図中、各アンテナパターンに付された数字は、図１の給電マトリックスのPort番号を表し、これらに接続されている給電部を示している。アンテナの入力インピーダンスを50Ωに調整するため、これら給電部は、アンテナの中央より横方向に3.5mmずらした位置に配置されている。また、パッチアンテナは、アンテナ素子間の相互結合が小さいH面上に配置されている。小型化のためとビーム角を大きくするため、パッチアンテナの素子間隔は、0.4λ（49mm)としている。
【００２８】
《シミュレーションと結果》
給電回路のシミュレーションは高周波回路シミュレータSNAP（修正接点解析法、MEL）で解析した。
シミュレータに用いた線路は、論理素子の伝送線路であり、この素子のパラメータは線路長と特性インピーダンスである。評価する周波数は2.45GHｚであり、線路の通過損失と線路のジャンクション部による反射損失は小さいものとして無視する。
表１はシミュレーション結果であり、各スイッチ設定とシミュレーションによる2.45GHzのSパラメータを示すものである。β＝0°、45°、−45°におけるA1〜A4、B1〜B4の位相と、S21〜S51の値が示されている。各βの設定において、出力信号の位相と振幅は、理論値と一致しており、正しく設計されていることが分かる。また、S11は、どの設定においても−50dB以下であり、整合が取れていることが確認された。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
《アンテナと放射特性》
次に電磁界シミュレータによって給電回路より出力された電力をアンテナに給電した際の放射特性を解析した。
図２は、解析に用いた４素子のパッチアレーアンテナのパターンである。パッチアンテナの構造は、19mm角の方形パッチアンテナで、パッチアンテナ内の2〜5の番号は給電点であり、給電回路より接続されるポート番号が示されている。給電方法は左端より6mm離れた入力インピーダンス50Ωの箇所で裏面給電によって行う。パッチアンテナは、0.4λ間隔であり、指向性を緩やかにするためにＥ面上に並べられる。基板の材質は、高誘電率材料（PPO、Panasonic）を想定して、ε1＝10.2、tanδ＝0.004、基板厚0.8mmを用いる。電磁界シミュレータは、SONNET（モーメント法）を用いる。解析する周波数は、ISMバンドの2.45GHzである。
【００３１】
図３は、βが0°、45°、−45°の時の放射特性の結果である。放射特性は、5°間隔でプロットされ、マーカーで記されている。β＝0°では、ビーム方向はボアサイトとなり半値角は50°であり緩やかな指向性である。サイドローブは発生しない。β＝45°、−45°のビーム方向はそれぞれ−20°、20°である。
【００３２】
次にこれらのビームを用いて測角を行う手法について述べる。はじめに３方向のターゲットの受信レベルを測定して、ビーム方向±20°の受信レベルよりターゲットが左右のどちらかに存在するかを判定する。
次に左右の受信レベルの高い方の値ν1とボアサイト方向の受信レベルν2を用いてシーケンシャルロービング方式で測角を行う。シーケンシャルロービング方式は、次の式１で角度誤差信号εを求め、その値よりターゲット方向を推定するものである（非特許文献５参照）。
【００３３】
［式１］
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【００３４】
図３のビーム形状は、どのビームにおいても測角に用いる箇所にサイドローブが無いため、広い角度範囲でターゲットを測角することができる。本手法で、測角のできる限界の角度は、次の２つの条件を満たす範囲である。
（A）左右にビームを傾けた時、ターゲット方向にビームを向けた受信レベルが反対方向に向けた受信レベルより大きい。
（B）式１で計算された角度誤差信号εの値が単一である。
条件（A）は、ターゲットの位置が左右どちらにあるかを判断するために必要である。条件（B）は、角度誤差よりターゲット方向を特定するのに必要である。図３の放射特性を見ると、−90°〜+90°の全方向でこれらの条件を満たしており、広い範囲で測角が可能である。
一方、バトラーマトリックスを用いたシステム（非特許文献６）では、ビーム方向が±15°の箇所でNULL点が発生するため、（B）の条件を満たさなくなるため、測角できる範囲もこの範囲内となる。実施例のビーム切り替え給電回路は、従来のバトラーマトリック回路を用いたシステムより広範囲で測角が可能である。また、この給電回路は、同一平面上に対称のパターンを有するものであるから、基板設計の実質的な時間を削減することが可能である。さらには、平面上の接続のみであり、ビア接続を必要としないので、回路信頼性の大幅向上が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、小形かつ簡易な構造で、サイドローブの発生を抑えながら製造コストも抑えることができるため、防犯センサや自動車レーダーとしての利用に好適である。
【符号の説明】
【００３６】
１，２  ハイブリッドカプラ
３，４  クロスカプラ
５  整合回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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