(57)【要約】  より高い制御分解能でビーム指向性方向を制御可能なビームフォーミングアンテナを提供する。ビームフォーミングアンテナは、複数の最終出力端子を有するマトリックス回路と、前記複数の最終出力端子にそれぞれ接続される複数のアンテナ素子と、を備る。前記マトリックス回路は、第一のサブマトリックスと、第二のサブマトリックスと、前記第一のサブマトリックスの出力と前記第二のサブマトリックスの出力を合成する加算器と、を備える。前記第一のサブマトリックスの複数の入力端子または前記第二のサブマトリックスの複数の入力端子から、いずれかの信号を選択し信号を入力することで前記複数の最終出力端子には所定の出力端子間位相差を有する信号が出力され、かつ、選択される入力端子により、前記出力端子間位相差が異なる値を有する。
2019065158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の最終出力端子を有するマトリックス回路と、
前記複数の最終出力端子にそれぞれ接続される複数のアンテナ素子と、を備え、
前記マトリックス回路は、
複数の入力端子と複数の出力端子とを有するバトラーマトリックスである第一のサブマトリックスと、
複数の入力端子と複数の出力端子とを有するバトラーマトリックスである第二のサブマトリックスと、
前記第一のサブマトリックスの出力と前記第二のサブマトリックスの出力を合成する加算器と、を備え、
前記第一のサブマトリックスの複数の入力端子または前記第二のサブマトリックスの複数の入力端子から、いずれかの信号を選択し信号を入力することで前記複数の最終出力端子には所定の出力端子間位相差を有する信号が出力され、かつ、選択される入力端子により、前記出力端子間位相差が異なる値を有するビームフォーミングアンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載のビームフォーミングアンテナにおいて、
前記第一のサブマトリックスの複数の入力端子のいずれかに信号が入力された場合は、前記第一のサブマトリックスの複数の出力端子から信号が出力され、
前記第二のサブマトリックスの複数の入力端子のいずれかに信号が入力された場合は、前記第二のサブマトリックスの複数の出力端子から信号が出力され、
前記第一のサブマトリックスの複数の入力端子および前記第二のサブマトリックスの複数入力端子のいずれをいずれかを選んだ場合に生じる出力端子間位相差は、選択される入力端子により、全て異なる値となるビームフォーミングアンテナ。
【請求項３】
請求項１に記載のビームフォーミングアンテナにおいて、
前記第一のサブマトリックスおよび前記第二のサブマトリックスは、３ｄＢハイブリッド合成器と固定移相器を有するビームフォーミングアンテナ。
【請求項４】
請求項１に記載のビームフォーミングアンテナにおいて、さらに、送信回路と、
前記送信回路の出力を前記第一のサブマトリックスの複数の入力端子および前記第二のサブマトリックスの複数の入力端子の何れかの入力端子に接続するスイッチと、を有するビームフォーミングアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はビームフォーミングアンテナに関し、例えばバトラーマトリックスを使用して構成するビームフォーミングアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無線装置やレーダ装置など、アンテナを用いて電磁波を送受信する装置では、複数のアンテナ素子を使用してビームの指向性を所望の方向に向けるアレーアンテナがよく利用されている。特に準ミリ波帯やミリ波帯のような高周波数信号は伝播損失が大きいため、アレーアンテナを利用して高アンテナ利得とすることで、伝搬損失を補完することがよく行われる。しかし、アンテナ利得を高くすると、アンテナから放射されるビームは鋭い指向性となる。そこで、通信装置において通信相手が広い範囲に存在する場合や、レーダ装置において検出すべき物体が広い範囲に存在する場合は、アンテナ素子へ給電する信号の位相や振幅を制御し、状況に応じてビームの指向性方向を変更するビームフォーミングアンテナが使用される。【０００３】
ビームフォーミングアンテナは例えば特許文献１などに記載されている。また、ビームフォーミングアンテナには、バトラーマトリックス（Butler Matrix）を使用して構成するものがある（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１１１６０５号公報
【特許文献２】特開２０００−９１８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ビームフォーミングアンテナでは、制御可能なビームの指向性方向はアンテナ素子数で決まるため、装置に必要なビーム形状を形成するために必要なアンテナ素子数が決定すると、アンテナ素子数で決まる指向性の制御分解能以上には精度よく指向性方向を制御できない。【０００６】
本発明はより高い制御分解能でビーム指向性方向を制御可能なビームフォーミングアンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。  すなわち、ビームフォーミングアンテナは、複数の最終出力端子を有するマトリックス回路と、前記複数の最終出力端子にそれぞれ接続される複数のアンテナ素子と、を備える。前記マトリックス回路は、複数の入力端子と複数の出力端子とを有するバトラーマトリックスである第一のサブマトリックスと、複数の入力端子と複数の出力端子とを有するバトラーマトリックスである第二のサブマトリックスと、前記第一のサブマトリックスの出力と前記第二のサブマトリックスの出力を合成する加算器と、を備える。前記第一のサブマトリックスの複数の入力端子または前記第二のサブマトリックスの複数の入力端子から、いずれかの信号を選択し信号を入力することで前記複数の最終出力端子には所定の出力端子間位相差を有する信号が出力され、かつ、選択される入力端子により、前記出力端子間位相差が異なる値を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ビームフォーミングアンテナの指向性方向をより高い分解能で制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態のバトラーマトリックスの構成を示す図
【図２】移相器を使用するビームフォーミングアンテナの構成例を示す図
【図３】異なる複数の方向にビームを放射する場合のビームフォーミングアンテナの構成例を示す図
【図４】アナログ的な移相器を使用しないビームフォーミングアンテナの構成例を示す図
【図５】バトラーマトリックスを用いたビームフォーミングアンテナの構成例を示す図
【図６】４個の入出力端子を持つバトラーマトリックスの構成例を示す図
【図７】８個の入出力端子を持つバトラーマトリックスの構成例を示す図
【図８】異なる複数の方向にビームを放射する場合のバトラーマトリックスを用いたビームフォーミングアンテナの構成例を示す図
【図９】実施例１のバトラーマトリックスの構成を示す図
【図１０Ａ】実施例２のバトラーマトリックスの構成を示す図
【図１０Ｂ】図１０Ａの第一のサブマトリックスの構成を示す図
【図１０Ｃ】図１０Ａの第二のサブマトリックスの構成を示す図
【図１０Ｄ】図１０Ａのバトラーマトリックスの選択された入力端子とその際に出力端子間に生じる位相差の関係を示す図
【図１１】実施形態のバトラーマトリックスを使用したビームフォーミングアンテナの構成例を示す図
【図１２】実施形態のバトラーマトリックスを使用して、異なる複数の方向にビームを放射するビームフォーミングアンテナの構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本願発明者が本願に先立って検討した技術（比較例）のビームフォーミングアンテナについて説明する。
【００１１】
まず、ビームフォーミングアンテナおよびその機能を実現するための回路例について図２〜４を用いて説明する。図２は移相器を使用するビームフォーミングアンテナの構成例を示す図である。図３は異なる複数の方向にビームを放射する場合のビームフォーミングアンテナの構成例を示す図である。図４はアナログ的な移相器を使用しないビームフォーミングアンテナの構成例を示す図である。
【００１２】
図２のビームフォーミングアンテナでは、複数のアンテナ素子２１-１〜２１−Ｎへの給電経路に個別の可変移相器２２−１〜２２−Ｎや可変利得素子２３−１〜２３−Ｎを有する送信回路２５を接続し、可変移相器２２−１〜２２−Ｎの位相や可変利得素子２３−１〜２３−Ｎの振幅を所望の値に適宜設定することで、各アンテナ素子から放射されるビームの合成信号が所望の方向に向くように制御される。
【００１３】
図２の例では可変移相器２２−１〜２２−Ｎは、信号処理回路２４、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）２６、利得素子２８−１〜２８−Ｎを介して入力された信号が搬送波発生回路２０からの搬送波を用いてミキサ２７−１〜２７−Ｎによって高周波信号に変換された後の経路に挿入されている。
【００１４】
ところで、通信装置では複数の相手と同時に通信することで通信容量を増大するという要望が存在する。このような装置において、それぞれの通信相手に個別のデータを送信する場合、異なる方向に存在する複数の通信相手に対し、異なるデータを同時送信する必要がある。しかし、図２のようなビームフォーミングアンテナでは、信号処理回路２４において複数のデータを生成しても、可変移相器２２−１〜２２−Ｎでは共通の位相シフトが重畳されるため、同時に複数の方向に信号を送信することは不可能である。
【００１５】
このような課題に対応するためには、例えば図３のように、送信方向の想定最大数（Ｋ）だけ、送信回路２５（２５−１〜２５−Ｋ）を用意し、それぞれの信号に対して加算器３０−１〜３０−Ｎを用いて個別に位相シフトを重畳する方法が考えられる。しかし、このような構成では送信方向の想定最大数（Ｋ）が多くなると回路規模が非常に大きくなるという課題がある。
【００１６】
これとは別方法として、図４のようにアナログ的な移相器は使用しないで、それぞれのアンテナに接続される送信回路２９−１〜２９−ＮをＤＡコンバータ２６−１〜２６−Ｎを介して個別に信号処理回路２４に接続する方法が考えられる。なお、送信回路２９−１〜２９−Ｎはそれぞれ利得素子２８およびミキサ２７で構成される。この方法では、異なる通信相手へ送信するデータと、それらの通信相手が存在する方向に指向性を向けるために必要な位相シフト量を信号処理回路２４の中で生成・重畳する。この方法では、必要な処理を信号処理回路２４で行うため自由度が高く、高度な処理が可能である。しかしながら、信号処理回路２４は、それぞれのアンテナ素子２１−１〜２１−Ｎから放射される全ての信号について処理する必要があるため、アンテナ素子数が多い装置では信号処理回路２４の規模が非常に大きくなるという課題がある。特に近年、携帯電話基地局のような通信装置では、非常に多くのアンテナ素子を使用することでアンテナから放射されるビーム形状の自由度を増やし、通信速度の向上や収容する端末数を増加させる技術が検討されているため、信号処理回路規模の増大は大きな課題となる。
【００１７】
図２や図４とは別のビームフォーミングアンテナとして、複数の入力端子の中から信号を入力する端子を選択することで、複数の出力端子間に生じる位相差を制御するバトラーマトッリクスを使用したビームフォーミングアンテナについて図５を用いて説明する。図５はバトラーマトリックスを用いたビームフォーミングアンテナの構成例を示す図である。
【００１８】
図５に示すように、バトラーマトリックス３１は複数の入力端子３２−１〜３２−Ｎと複数の出力端子３３−１〜３３−Ｎを有した回路であり、出力端子３３−１〜３３−Ｎはアレーアンテナの各アンテナ素子２１−１〜２１−Ｎに接続されている。このビームフォーミングアンテナではスイッチ３６などを使用して、複数の入力端子３２−１〜３２−Ｎから送信回路３５の出力信号を入力する端子を一つ選択する。複数の入力端子３２−１〜３２−Ｎのいずれかに入力された信号はバトラーマトリックス３１の中で分配され、出力端子３３−１〜３３−Ｎから信号が出力される。なお、送信回路３５は搬送波発生回路２０、利得素子２８およびミキサ２７で構成される。この時、各出力端子間の信号の位相差が所望の位相差になるように調整されて出力される。また、バトラーマトリックス３１は、選択された入力端子に応じて上記の出力端子間位相差が異なる値になるように構成されている。
【００１９】
入力端子が４個、出力端子が４個を持つバトラーマトリックスについて図６を用いて説明する。図６（Ａ）は４個の入出力端子を持つバトラーマトリックスの構成例を示す図であり、図６（Ｂ）は選択された入力端子とその際の出力端子間位相差の関係を示す図である。
【００２０】
バトラーマトリックス３１Ａは３ｄＢハイブリッド合成器４１−１、４１−２、４２−１、４２−２と固定移相器４３−１、４３−２で構成される。３ｄＢハイブリッド合成器４１−１、４１−２、４２−１、４２−２はそれぞれ出力端子間で９０度位相がずれる。固定移相器４３−１，４３−２は４５度の移相器である。図６（Ａ）に示すような構成により、複数の入力端子ＩＮ１〜ＩＮ４の中から選択された入力端子に応じて、出力端子ＯＵＴ１〜ＯＵＴ４に出力される信号の出力端子間位相差は異なる値となる。図６（Ｂ）に示す通り、入力端子および出力端子がそれぞれ４個のバトラーマトリックス３１Ａでは、出力端子間の位相差として−１３５度から＋１３５度の範囲で９０度毎の位相差で制御することが可能となる。
【００２１】
次に入力端子および出力端子がそれぞれ８個のバトラーマトリックスについて図７を用いて説明する。図７（Ａ）は８個の入出力端子を持つバトラーマトリックスの構成例を示す図であり、図７（Ｂ）は選択された入力端子とその際の出力端子間位相差の関係を示す図である。
【００２２】
入出端子が８個のバトラーマトリックス３１Ｂも３ｄＢハイブリッド合成器４４−１〜４４−４、４５−１〜４５−４、４６−１〜４６−４と固定移相器４７−１〜４７−４、４８−１〜４８−４で構成されている。３ｄＢハイブリッド合成器４−１〜４４−４、４５−１〜４５−４、４６−１〜４６−４はそれぞれ出力端子間で９０度位相がずれる。固定移相器４７−１、４７−４は６７．５度の移相器であり、固定移相器４７−２、４７−３は２２．５度の移相器であり、固定移相器４８−１〜４８−４は４５度の移相器である。図７（Ｂ）に示す通り、それぞれ８個の入出力端子を持つバトラーマトリックス３１Ｂでは、出力端子間の位相差は−１５７．５度から＋１５７．５度の範囲で４５度毎の位相差で制御することが可能である。
【００２３】
バトラーマトリックスを使用したビームフォーミングアンテナは３ｄＢハイブリッド合成器と固定移相器で構成されており、可変移相器などは不要である。また、複数のアンテナ素子を持つアレーアンテナにおいて、増幅器や混合器などで構成される送信回路は一個で良いため、比較的な簡易な構成になるというメリットがある。
【００２４】
図８は異なる複数の方向にビームを放射する場合のバトラーマトリックスを用いたビームフォーミングアンテナの構成例を示す図である。
【００２５】
なお、バトラーマトリックス３１を使用したビームフォーミングアンテナにおいても、図８のように信号処理回路２４で生成した複数の送信信号を、ＤＡコンバータ２６−１〜２６−Ｋ、送信回路２９−１〜２９−Ｋを介して、スイッチ３６−１〜３６−Ｋによってそれぞれ個別にバトラーマトリックス３１に入力することで、複数の方向に同時に信号を送信することができる。この場合でも、送信回路２９−１〜２９−Ｋは送信方向の想定最大数（Ｋ）だけ必要であるが、アナログ的な移相器等を使用する図３の比較例と比較すると、送信回路は簡易な回路構成で実現が可能である。
【００２６】
上記の通り、バトラーマトリックスを使用したビームフォーミングアンテナでは、可変移相器などを使用しない比較的な簡便な構成で、アンテナから放射されるビームの指向性を制御できるという利点がある。
【００２７】
一方、図６や図７の構成から明らかのように、バトラーマトリックスはその構成によって実現可能な出力端子間位相差が決まるという特徴がある。即ち、図６の４個の入出力端子を持つ構成では、選択された入力端子によって９０度毎の位相差で制御することが可能であり、図７の８個の入出力端子を持つ構成では４５度毎の位相差で制御可能である。各出力端子はアンテナ素子に接続されるため、ビームフォーミングアンテナにおけるアンテナ数が決まると、自動的に制御可能なアンテナ素子間位相差の分解能が決まることになる。ビームフォーミングアンテナから放射されるビームの指向性方向はアンテナ素子間位相差によって決まるため、アンテナ素子数が決まると制御可能なビームの指向性方向が決まる。特に、アンテナ素子数や配置方法により、ビームフォーミングアンテナから放射されるビーム形状は決まるため、装置に必要なビーム形状を実現するために必要なアンテナ素子数を決めた場合に、そのアンテナ素子数で実現可能な指向性方向の制御分解能が不十分な場合に問題となる。
【００２８】
上記比較例の課題を解決するために、図１に示すように、本実施形態のバトラーマトリックス１１は、２個の第一のサブマトリックス（Sub Matrix）１、第二のサブマトリックス（Sub Matrix）２を有し、それらの出力を加算器３−１〜３−Ｎで合成する構成を取る。第一のサブマトリックス１の入力端子ＩＮ１−１〜ＩＮ１−Ｎと第二のサブマトリックス２の入力端子ＩＮ２−１〜ＩＮ２−Ｎは同数である。また、第一のサブマトリックス１の出力端子ＯＵＴ１−１〜ＯＵＴ１−Ｎと第二のサブマトリックス２の出力端子ＯＵＴ２−１〜ＯＵＴ２−Ｎも同数であり、加算器３−１〜３−Ｎによりそれぞれ対応する出力信号が合成され、最終出力端子ＯＵＴ１〜ＯＵＴＮに信号を出力する。
【００２９】
第一のサブマトリックス１の入力端子ＩＮ１−１〜ＩＮ１−Ｎの何れかの入力端子が選択された場合は、第一のサブマトリックス１の出力端子ＯＵＴ１−１〜ＯＵＴ１−Ｎに所望の位相差を持った信号を発生する。同様に第二のサブマトリックス２の入力端子ＩＮ２−１〜ＩＮ２−Ｎの何れかの入力端子が選択された場合は、第二のサブマトリックスの出力端子ＯＵＴ２−１〜ＯＵＴ２−Ｎに所望の位相差を持った信号が出力される。この時、第一のサブマトリックス１の入力端子ＩＮ１−１〜ＩＮ１−Ｎを選択した際に出力端子ＯＵＴ１−１〜ＯＵＴ１−Ｎに生じる位相差と、第二のサブマトリックス２の入力端子ＩＮ２−１〜ＩＮ２−Ｎを選択した際に出力端子ＯＵＴ２−１〜ＯＵＴ２−Ｎに生じる位相差は全て異なる位相差となるように、第一のサブマトリックス１および第二のサブマトリックス２のそれぞれを構成する。こうすることで、２Ｎ個の入力端子ＩＮ１−１〜ＩＮ１−Ｎ、ＩＮ２−１〜ＩＮ２−Ｎの何れか一つの端子を選択した際に、最終出力端子ＯＵＴ１〜ＯＵＴＮに出力される信号の端子間位相差は、選択された入力端子に応じてそれぞれ異なる位相差となる。
【００３０】
第一のサブマトリックス１と第二のサブマトリックス２を合わせた入力端子数は、最終出力端子数の２倍となるので、図５の比較例の同数の出力端子を持つバトラーマトリックスよりも位相分解能が２倍にすることが可能である。
【００３１】
本実施形態によれば、それぞれ異なる出力端子間位相差を持つ信号を出力可能な２個のサブマトリックスを持ち、これらのサブマトリックスの出力を加算器により合成する構成とすることで、同数の出力端子を持つ図５の比較例のバトラーマトリックスよりも、最終出力端子間に生じる位相差の分解能を２倍にすることが可能である。
【００３２】
ビームフォーミングアンテナにおいて、バトラーマトリックスの出力端子は各アンテナ素子に接続されため、各アンテナ素子から放射される信号のアンテナ素子間位相差をより高分解能で制御することが可能になる。即ち、ビームフォーミングアンテナの指向性方向をより高い分解能で制御することが可能となる。
【実施例１】
【００３３】
本実施形態の第一の実施例について図９を用いて説明する。図９（Ａ）は実施例１のバトラーマトリックスの構成を示す図である。図９（Ｂ）は図９（Ａ）のバトラーマトリックスの選択された入力端子とその際に出力端子間に生じる位相差の関係を示す図である。【００３４】
本実施例は出力端子の数が４個に対し、入力端子が２倍の８個を持つバトラーマトリックスの例である。第一のサブマトリックス１Ａは、３ｄＢハイブリッド合成器５１−１、５１−２、５２−１、５２−２、固定移相器５３−１、５１−２、５４−１、５４−２で構成されている。３ｄＢハイブリッド合成器５１−１、５１−２、５２−１、５２−２はそれぞれ出力端子間で９０度位相がずれる。固定移相器５３−１は６７．５度の移相器であり、固定移相器５３−２は２２．５の移相器であり、固定移相器５４−１，５４−２は４５度の移相器である。同様に第二のサブマトリックス２Ａは３ｄＢハイブリッド合成器５１−３、５１−４、５２−３、５２−４、固定移相器５３−３、５３−４、５４−３、５４−４で構成されている。３ｄＢハイブリッド合成器５１−３、５１−４、５２−３、５２−４はそれぞれ出力端子間で９０度位相がずれる。固定移相器５３−３は２２．５度の移相器であり、固定移相器５３−４は６７．５の移相器であり、固定移相器５４−３，５４−４は４５度の移相器である。第一のサブマトリックス１Ａの出力と第二のサブマトリックス２Ａの出力は加算器３−１〜３−４で合成される。加算器としては１８０度ハイブリッド合成器やラットレース回路等を使用する。【００３５】
図６の比較例のバトラーマトリックスでは入力端子と出力端子の数は等しいが、本実施例の場合は４個の出力端子に対し、８個の入力端子ＩＮ１−１〜ＩＮ１−４、ＩＮ２−１〜ＩＮ２−４を有している。最終出力端子ＯＵＴ１〜ＯＵＴ４が４個に対して、入力端子が２倍となるため、出力端子数の２倍の８種類の出力端子間位相差を生成することが可能となる。図９（Ｂ）に示すように、出力端子が４個の場合でも、出力端子間の位相差は−１５７．５度から＋１５７．５度の範囲で４５度毎に制御可能である。図６の比較例の出力端子が４個のバトラーマトリックスは９０度毎の位相差が得られたのに対し、２倍の分解能が得られている。この出力端子はアンテナ素子に接続されるので、図６の比較例のアンテナ素子が４個のバトラーマトリックスを使用したビームフォーミングアンテナと比較して、ビームの指向性方向をより細かく制御することが可能となる。
【実施例２】
【００３６】
本実施形態の第二の実施例について図１０Ａ〜１０Ｄを用いて説明する。図１０Ａは実施例２のバトラーマトリックスの構成を示す図である。図１０Ｂは図１０Ａの第一のサブマトリックスの構成を示す図である。図１０Ｃは図１０Ａの第二のサブマトリックスの構成を示す図である。図１０Ｄは図１０Ａのバトラーマトリックスの選択された入力端子とその際に出力端子間に生じる位相差の関係を示す図である。【００３７】
本実施例は出力端子の数が８個に対し、入力端子が２倍の１６個を持つバトラーマトリックスの例である。第一のサブマトリックス１Ｂは、３ｄＢハイブリッド合成器６１−１〜６１−４、６２−１〜６２−４、６３−１〜６３−４、固定移相器６４−１〜６４−４、６５−１〜６５−４、６６−１〜６６−４で構成されている。３ｄＢハイブリッド合成器６１−１〜６１−４、６２−１〜６２−４、６３−１〜６３−４はそれぞれ出力端子間で９０度位相がずれる。固定移相器６４−１は７８．７５度の移相器であり、固定移相器６４−２は１１．２５の移相器であり、固定移相器６４−３は３３．７５度の移相器であり、固定移相器６４−４は５６．２５の移相器であり、固定移相器６５−１、６５−２は６７．５度の移相器であり、固定移相器６５−３、６５−４は２２．５の移相器であり、固定移相器６６−１〜６６−４は４５度の移相器である。【００３８】
第二のサブマトリックス２Ｂは、３ｄＢハイブリッド合成器６１−５〜６１−８、６２−５〜６２−８、６３−５〜６３−８と固定移相器６４−５〜６４−８、６５−５〜６５−８、６６−５〜６６−８で構成される。３ｄＢハイブリッド合成器６１−５〜６１−８、６２−５〜６２−８、６３−５〜６３−８はそれぞれ出力端子間で９０度位相がずれる。固定移相器６４−５は６４．５度の移相器であり、固定移相器６４−６は３３．７５の移相器であり、固定移相器６４−７は１１．２５度の移相器であり、固定移相器６４−８は７８．７５の移相器であり、固定移相器６５−５、６５−６は２２．５度の移相器であり、固定移相器６５−７、６５−８は６７．５の移相器であり、固定移相器６６−５〜６６−８は４５度の移相器である。【００３９】
また、第一のサブマトリックス１Ｂの出力と第二のサブマトリックス２Ｂの出力は加算器３−１〜３−８により合成され、８個の最終出力端子ＯＵＴ１〜ＯＵＴ８を持つ構成となる。最終出力端子ＯＵＴ１〜ＯＵＴ８が８個に対して、入力端子が２倍の１６個となるため、出力端子の位相差は１６種類生成することが可能である。図１０Ｄに示すように出力端子が８個の場合でも、出力端子間の位相差は−１６８．７５度から＋１６８．７５度の範囲で２２．５度毎の位相差が得られている。したがって、図７の比較例の出力端子が８個のバトラーマトリックスは４５度毎の位相差が得られたのに対し、２倍の分解能を得ることが可能となる。バトラーマトリックスを使用したビームフォーミングアンテナでは、これらの出力端子はアンテナ素子に接続されるので、図７の比較例の８個のアンテナ素子を持つバトラーマトリックスを使用したビームフォーミングアンテナに比べて、ビームの指向性方向をより細かく制御することが可能となる。
【実施例３】
【００４０】
図１の実施形態のバトラーマトリックスを適用したビームフォーミングアンテナの一例（実施例３）について図１１を用いて説明する。図１１は実施形態のバトラーマトリックスを、ビームフォーミングアンテナに適用した構成例を示す図である。【００４１】
信号処理回路２４で生成された送信信号はＤＡコンバータ２６で信号変換され、送信回路３５に入力される。送信回路３５からの出力信号はスイッチ３６により複数の入力端子ＩＮ１−１〜ＩＮ１−Ｎ、ＩＮ２−１〜ＩＮ２−Ｎの中から一つの入力端子が選択されて、バトラーマトリックス１１に信号が入力される。この時、第一のサブマトリックス１の入力端子ＩＮ１−１〜ＩＮ１−Ｎの何れかの入力端子が選択された場合は、出力信号は第一のサブマトリックス１の出力端子ＯＵＴ１−１〜ＯＵＴ１−Ｎから出力され、第二のサブマトリックス２の入力端子ＩＮ２−１〜ＩＮ２−Ｎの何れかの入力端子が選択された場合は、出力信号は第二のサブマトリックス２の出力端子ＯＵＴ２−１〜ＯＵＴ２−Ｎから出力される。第一のサブマトリックス１の各出力と第二のサブマトリックス２の各出力は加算器３−１〜３−Ｎにより合成される。これにより、各アンテナ素子２１−１〜２１−Ｎからは所定の位相差を持った信号が出力されるので、選択される入力端子ＩＮ１−１〜ＩＮ１−Ｎ、ＩＮ２−１〜ＩＮ２−２によって指向性方向が制御されたビームを形成することが可能である。本実施形態のバトラーマトリックスは、同数の出力端子を持つ図５の比較例のバトラーマトリックスと比較して、出力端子間位相差の分解能は２倍になるため、本実施例によれば、より細かく指向性方向を制御することが可能である。【００４２】
なお、第一のサブマトリックス１や第二のサブマトリックス２の構成は、例えば図９の実施例１や図１０Ａの実施例２に示すような構成となる。
【実施例４】
【００４３】
本実施形態のバトラーマトリックスを適用したビームフォーミングアンテナの他例（実施例４）について図１２を用いて説明する。図１２は実施形態のバトラーマトリックスを使用して、異なる複数の方向にビームを放射するビームフォーミングアンテナの構成例を示す図である。【００４４】
図１２に示すように信号処理回路２４により生成した複数の入力信号を送信回路２９−１〜２９−Ｋをスイッチ３６−１〜３６−Ｋによって個別に、複数の入力端子ＩＮ１−１〜ＩＮ１−Ｎ、ＩＮ２−１〜ＩＮ２−Ｎから選択して信号を入力することで、同時に複数の方向に信号を送信することができる。この場合でも、信号が入力される送信回路２９−１〜２９−Ｋは送信方向の想定最大数（Ｋ）だけで良く、アナログ的な移相器等を使用する場合と比較すると簡易な回路で構成することが可能である。また本実施例では、同数の出力端子を持つ図５の比較例のバトラーマトリックスを使用した場合と比較して、出力端子間位相差の分解能は２倍にすることができるため、同時に複数の方向に信号を送信する場合においても、細かく指向性方向を制御することが可能である。【００４５】
なお、第一のサブマトリックス１や第二のサブマトリックス２の構成は、例えば図９の実施例１や図１０Ａの実施例２に示すような構成となる。【００４６】
なお、以上の説明では送信機の場合について説明したが、本実施形態、実施例１、実施例２のバトラーマトリックスを受信機に適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。【００４７】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態および実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００４８】
１、１Ａ、１Ｂ…第一のサブマトリックス、２、２Ａ、２Ｂ…第二のサブマトリックス、３−１〜３−Ｎ…加算器、１１…バトラーマトリックス、２０…搬送波発生回路、２１−１〜２１−Ｎ…アンテナ素子、２４…信号処理回路、２５−１〜２５−Ｎ…送信回路、２６…ＤＡコンバータ、２７…混合器、２８…利得素子、２９−１〜２９−Ｋ…送信回路、ＩＮ１−１〜ＩＮ１−Ｎ、ＩＮ２−１〜ＩＮ２−Ｎ…入力端子、ＯＵＴ−１〜ＯＵＴ−Ｎ、ＯＵＴ１−１〜ＯＵＴ１−Ｎ、ＯＵＴ２−１〜ＯＵＴ２−Ｎ…出力端子、ＯＵＴ１〜ＯＵＴＮ…最終出力端子、３５…送信回路、３６…スイッチ、３６−１〜３６−Ｋ…スイッチ、５１−１〜５１−４、５２−１〜５２−４…３ｄＢハイブリッド合成器、５３−１〜５３−４、５４−１〜５４−４…固定移相器、６１−１〜６１−４、６２−１〜６２−４、６３−１〜６３−４…３ｄＢハイブリッド合成器、６４−１〜６４−４、６５−１〜６５−４、６６−１〜６６−４…固定移相器。
【図１】
2019065158.tif 000003
【図２】
2019065158.tif 000004
【図３】
2019065158.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2019065158.tif 000008
【図７】
2019065158.tif 000009
【図８】
2019065158.tif 000010
【図９】
2019065158.tif 000011
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2019065158.tif 000013
【図１０Ｃ】
2019065158.tif 000014
【図１０Ｄ】
2019065158.tif 000015
【図１１】
2019065158.tif 000016
【図１２】
2019065158.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】令和2年2月17日(2020.2.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、ビームフォーミングアンテナは、複数の最終出力端子を有するマトリックス回路と、前記複数の最終出力端子にそれぞれ接続される複数のアンテナ素子と、を備える。前記マトリックス回路は、複数の入力端子と複数の出力端子とを有するバトラーマトリックスである第一のサブマトリックスと、複数の入力端子と複数の出力端子とを有するバトラーマトリックスである第二のサブマトリックスと、前記第一のサブマトリックスの出力と前記第二のサブマトリックスの出力を合成する加算器と、を備える。前記第一のサブマトリックスの複数の入力端子または前記第二のサブマトリックスの複数の入力端子から、いずれかの入力端子を選択し信号を入力することで前記複数の最終出力端子には所定の出力端子間位相差を有する信号が出力され、かつ、選択される入力端子により、前記出力端子間位相差が異なる値を有する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
入出端子が８個のバトラーマトリックス３１Ｂも３ｄＢハイブリッド合成器４４−１〜４４−４、４５−１〜４５−４、４６−１〜４６−４と固定移相器４７−１〜４７−４、４８−１〜４８−４で構成されている。３ｄＢハイブリッド合成器４４−１〜４４−４、４５−１〜４５−４、４６−１〜４６−４はそれぞれ出力端子間で９０度位相がずれる。固定移相器４７−１、４７−４は６７．５度の移相器であり、固定移相器４７−２、４７−３は２２．５度の移相器であり、固定移相器４８−１〜４８−４は４５度の移相器である。図７（Ｂ）に示す通り、それぞれ８個の入出力端子を持つバトラーマトリックス３１Ｂでは、出力端子間の位相差は−１５７．５度から＋１５７．５度の範囲で４５度毎の位相差で制御することが可能である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
上記比較例の課題を解決するために、図１に示すように、実施形態のバトラーマトリックス１１は、２個の第一のサブマトリックス（Sub Matrix）１、第二のサブマトリックス（Sub Matrix）２を有し、それらの出力を加算器３−１〜３−Ｎで合成する構成を取る。第一のサブマトリックス１の入力端子ＩＮ１−１〜ＩＮ１−Ｎと第二のサブマトリックス２の入力端子ＩＮ２−１〜ＩＮ２−Ｎは同数である。また、第一のサブマトリックス１の出力端子ＯＵＴ１−１〜ＯＵＴ１−Ｎと第二のサブマトリックス２の出力端子ＯＵＴ２−１〜ＯＵＴ２−Ｎも同数であり、加算器３−１〜３−Ｎによりそれぞれ対応する出力信号が合成され、最終出力端子ＯＵＴ１〜ＯＵＴＮに信号を出力する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
本実施例は出力端子の数が４個に対し、入力端子が２倍の８個を持つバトラーマトリックスの例である。第一のサブマトリックス１Ａは、３ｄＢハイブリッド合成器５１−１、５１−２、５２−１、５２−２、固定移相器５３−１、５３−２、５４−１、５４−２で構成されている。３ｄＢハイブリッド合成器５１−１、５１−２、５２−１、５２−２はそれぞれ出力端子間で９０度位相がずれる。固定移相器５３−１は６７．５度の移相器であり、固定移相器５３−２は２２．５の移相器であり、固定移相器５４−１，５４−２は４５度の移相器である。同様に第二のサブマトリックス２Ａは３ｄＢハイブリッド合成器５１−３、５１−４、５２−３、５２−４、固定移相器５３−３、５３−４、５４−３、５４−４で構成されている。３ｄＢハイブリッド合成器５１−３、５１−４、５２−３、５２−４はそれぞれ出力端子間で９０度位相がずれる。固定移相器５３−３は２２．５度の移相器であり、固定移相器５３−４は６７．５度の移相器であり、固定移相器５４−３，５４−４は４５度の移相器である。第一のサブマトリックス１Ａの出力と第二のサブマトリックス２Ａの出力は加算器３−１〜３−４で合成される。加算器としては１８０度ハイブリッド合成器やラットレース回路等を使用する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
本実施例は出力端子の数が８個に対し、入力端子が２倍の１６個を持つバトラーマトリックスの例である。第一のサブマトリックス１Ｂは、３ｄＢハイブリッド合成器６１−１〜６１−４、６２−１〜６２−４、６３−１〜６３−４、固定移相器６４−１〜６４−４、６５−１〜６５−４、６６−１〜６６−４で構成されている。３ｄＢハイブリッド合成器６１−１〜６１−４、６２−１〜６２−４、６３−１〜６３−４はそれぞれ出力端子間で９０度位相がずれる。固定移相器６４−１は７８．７５度の移相器であり、固定移相器６４−２は１１．２５度の移相器であり、固定移相器６４−３は３３．７５度の移相器であり、固定移相器６４−４は５６．２５度の移相器であり、固定移相器６５−１、６５−２は６７．５度の移相器であり、固定移相器６５−３、６５−４は２２．５度の移相器であり、固定移相器６６−１〜６６−４は４５度の移相器である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
第二のサブマトリックス２Ｂは、３ｄＢハイブリッド合成器６１−５〜６１−８、６２−５〜６２−８、６３−５〜６３−８と固定移相器６４−５〜６４−８、６５−５〜６５−８、６６−５〜６６−８で構成される。３ｄＢハイブリッド合成器６１−５〜６１−８、６２−５〜６２−８、６３−５〜６３−８はそれぞれ出力端子間で９０度位相がずれる。固定移相器６４−５は６４．５度の移相器であり、固定移相器６４−６は３３．７５度の移相器であり、固定移相器６４−７は１１．２５度の移相器であり、固定移相器６４−８は７８．７５度の移相器であり、固定移相器６５−５、６５−６は２２．５度の移相器であり、固定移相器６５−７、６５−８は６７．５度の移相器であり、固定移相器６６−５〜６６−８は４５度の移相器である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の最終出力端子を有するマトリックス回路と、
前記複数の最終出力端子にそれぞれ接続される複数のアンテナ素子と、を備え、
前記マトリックス回路は、
複数の入力端子と複数の出力端子とを有するバトラーマトリックスである第一のサブマトリックスと、
複数の入力端子と複数の出力端子とを有するバトラーマトリックスである第二のサブマトリックスと、
前記第一のサブマトリックスの出力と前記第二のサブマトリックスの出力を合成する加算器と、を備え、
前記第一のサブマトリックスの複数の入力端子または前記第二のサブマトリックスの複数の入力端子から、いずれかの入力端子を選択し信号を入力することで前記複数の最終出力端子には所定の出力端子間位相差を有する信号が出力され、かつ、選択される入力端子により、前記出力端子間位相差が異なる値を有するビームフォーミングアンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載のビームフォーミングアンテナにおいて、
前記第一のサブマトリックスの複数の入力端子のいずれかに信号が入力された場合は、前記第一のサブマトリックスの複数の出力端子から信号が出力され、
前記第二のサブマトリックスの複数の入力端子のいずれかに信号が入力された場合は、前記第二のサブマトリックスの複数の出力端子から信号が出力され、
前記第一のサブマトリックスの複数の入力端子および前記第二のサブマトリックスの複数入力端子のいずれかを選んだ場合に生じる出力端子間位相差は、選択される入力端子により、全て異なる値となるビームフォーミングアンテナ。
【請求項３】
請求項１に記載のビームフォーミングアンテナにおいて、
前記第一のサブマトリックスおよび前記第二のサブマトリックスは、３ｄＢハイブリッド合成器と固定移相器を有するビームフォーミングアンテナ。
【請求項４】
請求項１に記載のビームフォーミングアンテナにおいて、さらに、
送信回路と、
前記送信回路の出力を前記第一のサブマトリックスの複数の入力端子および前記第二のサブマトリックスの複数の入力端子の何れかの入力端子に接続するスイッチと、を有するビームフォーミングアンテナ。
【国際調査報告】
2019065158.tif 000018
2019065158.tif 000019
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