(57)【要約】【課題】  周波数に関わらず放射電力が一定で、低域周波数での素子アンテナ間の相互結合の増加を抑制し、グレーティングローブの発生を回避する、広帯域で電子的にビーム走査の行うアンテナ装置を得る。【解決手段】  送受信回路３の出力をｍ個分合成し（ｍは自然数）、素子間隔ｍｄ０（ｄ０は使用する最も高い周波数ｆ０でグレーティングローブの発生を回避できる素子間隔）でＮ／ｍ個（Ｎは素子アンテナ数）の素子アンテナそれぞれにｍ個分合成信号を給電することができる、スイッチマトリクスにより構成された可変合成分配回路４を、信号の増幅・移相を行う送受信回路３と素子アンテナ５の間に接続した。【選択図】  図１
2006287368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を空間に放射、及び信号を受信するN個（Ｎは自然数）の素子アンテナから成る素子アンテナ群と、
上記素子アンテナ群から特定の素子アンテナを選択し、
素子アンテナ数に応じて、所定数の送受信回路からなる送受信回路群を構成し、送受信回路群毎に、回路群を構成する送受信回路の入出力を合成し、
選択した素子アンテナに送受信回路群毎に合成された入出力を給電及び受信するアンテナ装置。
【請求項２】
入力信号をＮ分配（Ｎは素子アンテナ数）するＮ分配合成回路と、
前記Ｎ分配された信号の振幅を増幅する増幅器と、位相を変える移相器を備えた送受信回路と、
前記送受信回路で増幅及び移相変更された信号をｍ個合成して、
Ｎ／ｍ個の選択された素子アンテナからのそれぞれに合成した信号を分配する可変合成分配回路と、
前期可変合成分配回路で分配された信号を空間に放射する素子アンテナと
を備え、
広帯域な電子的にビーム走査を行うことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
上記送受信回路は、
入出力される信号の位相を制御する移相器と、
上記移相器で位相制御された信号を受け取り、接続先を切り替えるスイッチと、
上記スイッチで接続されて、入手される信号を増幅する低雑音増幅器及び高出力増幅器と、
上記低雑音増幅器または上記高出力増幅器を経由して外部と入出力されるサーキュレータと、
から構成されることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
上記可変合成分配回路は、
送受信回路の出力を任意に合成して、素子アンテナ５に選択して給電できる
スイッチで構成されたスイッチ網から形成されたことを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
【請求項５】
隣接する上記素子アンテナを接続することにより、素子アンテナの実効的な寸法を大きくし、素子アンテナの動作周波数の下限を下げることが可能することを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電子的にビーム走査を行うアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の広帯域で電子的にビーム走査を行うアンテナ装置としては、低域周波数の場合は全ての素子アンテナを動作させる開口とし、高域周波数では動作させる素子アンテナを開口の内側のみに制限して開口面積を小さくし、ビーム幅が周波数に関わらず一定になる仕組みを備えたものであり、開口の内側の素子アンテナ間隔を狭めて、高域周波数でグレーティングローブが発生しない工夫がなされたものであった。
【０００３】
【特許文献１】特開平２００４−２４７１０２２号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来のアンテナ装置にあっては、高域周波数において開口を制限する際、開口外側の素子アンテナを使用しない、すなわち、外側の送受信回路を使用しないため、放射電力が下がるという問題点があり、一般的な広帯域なアレーアンテナにおいて、高域周波数でグレーティングローブが発生しないように素子間隔を設定しているため、低域周波数では波長に対する素子間隔が極端に狭くなり、素子アンテナ間の相互結合が増加し、アレー状態おける素子パターンが乱れるといった課題があった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、周波数に関わらず放射電力が一定で、かつ、グレーティングローブの発生を回避し、さらに、低域周波数における素子アンテナ間の相互結合の増加を抑制できることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明のアンテナ装置は、電力を空間に放射、及び信号を受信するN個（Ｎは自然数）の素子アンテナから成る素子アンテナ群と、
上記素子アンテナ群から特定の素子アンテナを選択し、
素子アンテナ数に応じて、所定数の送受信回路からなる送受信回路群を構成し、送受信回路群毎に、回路群を構成する送受信回路の入出力を合成し、
選択した素子アンテナに送受信回路群毎に合成された入出力を給電及び受信するものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、スイッチマトリクスにより構成された可変合成分配回路４を、信号の増幅・移相を行う送受信回路３と素子アンテナ５の間に接続することによって、周波数に関わらず放射電力が一定で、かつ、グレーティングローブの発生を回避し、さらに、低域周波数における素子アンテナ間の相互結合の増加を抑制できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成図を示す図であり、１は入出力信号、２はＮ分配合成回路、３は送受信回路、４は可変合成分配回路、５は素子アンテナである。
【０００９】
このアンテナ装置は、周波数に関わらず放射電力が一定で、低域周波数での素子アンテナ間の相互結合の増加を抑制し、グレーティングローブの発生を回避する、広帯域で電子的にビーム走査を行うものである。
【００１０】
このアンテナ装置はＮ分配合成回路２と、このＮ分配合成回路２に接続されたＮ個の送受信回路３と、これらＮ個の送受信回路３に接続された可変合成分配回路４と、この可変合成分配回路４に接続されたＮ個の素子アンテナ５を備えている。
【００１１】
このアンテナ装置の送信モードについて説明する。
入力信号１はＮ分配合成回路２でＮ分配され、振幅・位相制御装置である送受信回路３で所望の振幅・位相にされる。なお、Ｎは送受信回路３の総数であり整数である。
【００１２】
送受信回路３より出力された信号は、可変合成分配回路４で合成分配され、素子アンテナ５に給電され、所望の放射特性で放射される。
受信モードでは、この逆をたどって出力信号１を得る。なお、素子アンテナ５の総数もＮである。
【００１３】
続いて受信モードについて説明する。
素子アンテナ５で受信された信号は、可変合成分配回路４で合成分配され、送受信回路３に入力される。
【００１４】
図２は実施の形態１、２に係る送受信回路の構成を示す図であり、９は移相器、１０はスイッチ、１１は高出力増幅器、１２はサーキュレータ、１３は低雑音増幅器であり、３は図１と同じものである。
【００１５】
送受信回路３より出力された入出力信号７は、可変合成分配回路４で合成分配され、素子アンテナ５に給電され、素子アンテナ５より放射される。
【００１６】
送受信回路３は移相器９と、この移相器９に接続されたスイッチ１０と、このスイッチ１０と入力側で接続された高出力増幅器１１及び出力側で接続された低雑音増幅器１３と、この高出力増幅器の出力側１１及び低雑音増幅器１３の入力側に接続されたサーキュレータ１２を備えている。
【００１７】
送受信回路３に入力された信号６は、移相器９で位相を制御され、位相を制御された信号は、スイッチ１０で高出力増幅器１１側に伝達される。
スイッチ１０より伝達された信号は高出力増幅器１１で振幅を制御される。
高出力増幅器１１で振幅を制御された信号は、サーキュレータ１２を経て送受信回路３より出力される。
【００１８】
送受信回路３に入力された信号７は、サーキュレータ１２で低雑音増幅器１３側に伝達される。サーキュレータ１２より伝達された信号は低雑音増幅器１３で振幅を制御される。低雑音増幅器１３で振幅を制御された信号は、スイッチ１０で移相器９側に伝達される。
スイッチ１０より伝達された信号は移相器９で位相を制御され、送受信回路３より出力される。
【００１９】
送受信回路３より出力された信号６は、Ｎ分配合成回路２でＮ合成され出力信号１を出力する。
【００２０】
図３は実施の形態１、２に係る可変分配合成回路の構成をを表した模式図であり、１４はスイッチであり、３〜５は図１と同じものである。
【００２１】
可変合成分配回路４は、スイッチ１４で構成されたスイッチマトリクスを備えており、送受信回路３の出力を任意に合成して、素子アンテナ５に選択して給電できる構成となっている。
【００２２】
図４は実施の形態１に係るアンテナ装置の動作の一例を説明する図である。
ここではアンテナ装置の動作及び可変合成分配回路４の動作の一例として説明する。
図４（ａ）はケース１の場合で、最も高い周波数ｆ０（波長：λ０）における状態を示し、図４（ｂ）はケース２の場合で、送受信回路３と素子アンテナ５を２：１で接続し、Ｎ／２個の素子アンテナのそれぞれに２個分の送受信回路３の出力を給電している状態を示し、図４（ｃ）はケース３の場合で、可変合成分配回路４のスイッチマトリクス１５を切り替える状態を示している。
【００２３】
なお、以下説明においては、簡単にするために一次元アレーで説明をする。
図４（ａ）に示すケース１は使用する最も高い周波数ｆ０（波長：λ０）における状態である。スイッチ１４ｃ、１４ｄ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｋ、１４ｌ、１４ｏ、１４ｐ、１４ｓ、１４ｔ、１４ｗ、１４ｘをオンし、その他のスイッチをオフすることにより、送受信回路３ａと素子アンテナ５ａとを、送受信回路３ｂと素子アンテナ５ｂとを、送受信回路３ｃと素子アンテナ５ｃとを、送受信回路３ｄと素子アンテナ５ｄとを、送受信回路３ｅと素子アンテナ５ｅとを、送受信回路３ｆと素子アンテナ５ｆとを接続する。
【００２４】
すなわち、可変合成分配回路４は送受信回路３と素子アンテナ５を１：１で接続し、全ての素子アンテナ５に給電する。
この場合の放射電力Ｐｔ１は式（１）で与えられる。
【００２５】
【数１】
2006287368.tif 000003
【００２６】
ここで、Ｐｍ：送受信回路の出力電力
【００２７】
式（２）はグレーティングローブの発生を回避させるための条件式である。
周波数ｆ０において素子間隔ｄ０が式（２）を満たすならば、周波数ｆ０でグレーティングローブの発生を回避することができる。
【００２８】
【数２】
2006287368.tif 000004
【００２９】
ここで、
ｆ ：周波数
ｄ ：素子間隔
λ ：自由空間波長（＝ｃ０／ｆ）
ｃ０：自由空間中の光速
θ０：ビーム指向角
ｋ ：グレーティングローブ全体を不可視領域に入れるための係数
（開口径によって決まる値；通常は０．１０〜０．１０５）
【００３０】
ここで、係数ｓ≧１を定義すると、ｆ０以下の周波数ｆ及び波長λは、式（３）のように表される。
【００３１】
【数３】
2006287368.tif 000005
【００３２】
ここで、ｄ＝ｄ０及びλ＝ｓλ０を式（２）に代入すると、式（４）が成り立つ。
【００３３】
【数４】
2006287368.tif 000006
【００３４】
ゆえに、式（４）より周波数がｆ０以下でも、グレーティングローブの発生を回避できることがわかる。
【００３５】
しかし、周波数が下がるにつれて波長に対する素子間隔は狭くなるので、素子アンテナ５間の相互結合は増加していく。
ここで、周波数がｆ０／２（波長：２λ０）以下の場合を考える。
係数ｔ≧２を定義すると、ｆ０／２以下の周波数ｆ及び波長λは、式（５）のように表される。
【００３６】
【数５】
2006287368.tif 000007
【００３７】
素子間隔がｄ０における、波長に対する素子間隔は式（６）で表される。
【００３８】
【数６】
2006287368.tif 000008
【００３９】
式（６）からわかるように、素子間隔がｄ０で周波数がｆ０／２以下ならば、波長に対する素子間隔は、周波数がｆ０の場合の１／２以下になる。
【００４０】
図４（ｂ）はケース２の状態を示し、そこで、周波数がｆ０／２以下の場合は、可変合成分配回路４のスイッチマトリクスを切り替える。
ケース２の状態ではスイッチ１４ｃ、１４ｆ、１４ｅ、１４ｋ、１４ｎ、１４ｍ、１４ｓ、１４ｖ、１４ｕをオンし、その他のスイッチをオフすることにより、送受信回路３ａと３ｂの出力を合成して素子アンテナ５ｂに接続し、送受信回路３ｃと３ｄの出力を合成して素子アンテナ５ｄに接続し、送受信回路３ｅと３ｆの出力を合成して素子アンテナ５ｆに接続している。
【００４１】
すると、素子アンテナの間隔はｄ＝２ｄ０となり、波長に対する素子間隔は式（７）のようになり、波長に対する素子間隔をケース１の２倍に広げられ、相互結合の増加を抑制することができる。
【００４２】
【数７】
2006287368.tif 000009
【００４３】
なお、素子アンテナ５の間隔をｄ＝２ｄ０としても、周波数がｆ０／２以下ならば式（８）が成り立つので、グレーティングローブの発生を回避することができる。
【００４４】
【数８】
2006287368.tif 000010
【００４５】
図４（ｂ）に示すようにケース２では、送受信回路３と素子アンテナ５を２：１で接続し、Ｎ／２個の素子アンテナのそれぞれに２個分の送受信回路３の出力を給電している。
このように接続することで、式（９）からわかるように、ケース２の放射電力Ｐｔ２をケース１の放射電力Ｐｔ１と等しくすることができる。
【００４６】
【数９】
2006287368.tif 000011
【００４７】
図４（ｃ）のケース３の状態に、同様に、周波数がｆ０／３（波長：３λ０）以下の場合は、可変合成分配回路４のスイッチマトリクス１５を切り替える。
ケース３の状態ではスイッチ１４ｃ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｊ、１４ｅ、１４ｈ、１４ｏ、１４ｒ、１４ｓ、１４ｖ、１４ｑ、１４ｔをオンし、その他のスイッチをオフすることにより、送受信回路３ａと３ｂと３ｃの出力を合成して素子アンテナ５ｂに接続し、送受信回路３ｄと３ｅと３ｆの出力を合成して素子アンテナ５ｅに接続している。
【００４８】
すると、素子間隔はｄ＝３ｄ０となる。
係数ｕ≧３を定義すると、ｆ０／３以下の周波数ｆ及び波長λは、式（１０）のように表される。
【００４９】
【数１０】
2006287368.tif 000012
【００５０】
ケース２の状態（ｄ＝２ｄ０）の波長に対する素子間隔を式（１１）、ケース３の状態（ｄ＝３ｄ０）の波長に対する素子間隔を式（１２）に表す。
【００５１】
【数１１】
2006287368.tif 000013
【００５２】
【数１２】
2006287368.tif 000014
【００５３】
これより、周波数がｆ０／３以下でケース２からケース３に変えることにより、波長に対する素子間隔を広げられるので、相互結合の増加を抑制することが可能となる。
【００５４】
また、式（１３）が成立することより、ケース３の状態でもグレーティングローブの発生を回避できる。
【００５５】
【数１３】
2006287368.tif 000015
【００５６】
ケース３では送受信回路３と素子アンテナ５を３：１で接続し、Ｎ／３個の素子アンテナのそれぞれに３個の送受信回路３の出力を給電している。
よって、ケース３の放射電力Ｐｔ３もケース１の放射電力Ｐｔ１と等しくなる（式（１４））。
【００５７】
【数１４】
2006287368.tif 000016
【００５８】
すなわち、周波数ｆ及びその波長λが式（１５）の範囲ならば、可変合成分配回路４のスイッチマトリクスを切り替えて、送受信回路３と素子アンテナ５をｍ：１で接続し（ｍは自然数）、Ｎ／ｍ個の素子アンテナのそれぞれにｍ個分の送受信回路３の出力を給電し、素子間隔をｄ＝ｍｄ０にすればよい。
【００５９】
【数１５】
2006287368.tif 000017
【００６０】
すると、波長に対する素子間隔は式（１６）のようになる。
つまり、波長に対する素子間隔はｄ０／２λ０よりも狭くなることはない。
よって、周波数ｆ０／２以下における、周波数低下による素子アンテナ間の相互結合の増加を抑制することが可能となる。
【００６１】
【数１６】
2006287368.tif 000018
【００６２】
また、式（１７）が成り立つので、周波数にかかわらずグレーティングローブの発生を回避することが可能となる。
【００６３】
【数１７】
2006287368.tif 000019
【００６４】
さらに、式（１８）より放射電力も周波数にかかわらず一定にすることが可能となる。
【００６５】
【数１８】
2006287368.tif 000020
【００６６】
なお、可変合成分配回路４は給電する素子アンテナ５は自由に選択でき、送受信回路３の出力を自由に合成できるので、送受信回路３の出力を制御せずとも、可変合成分配回路４のスイッチを切り替えることにより、様々な振幅分布の開口を得ることも可能である。
【００６７】
可変合成分配回路４のスイッチマトリクスのスイッチ素子１１は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）スイッチやＰＩＮダイオード等の半導体スイッチなどで構成される。
特に、ＭＥＭＳスイッチを用いた場合は、小形かつ通過損失が小さいので、小形で低損失なスイッチマトリクスを構成することが可能となる。
【００６８】
実施の形態２．
図５は実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図であり、実施の形態１のアンテナ装置における隣接する素子アンテナ５どうしを接続するスイッチ１５を備えている。
【００６９】
素子アンテナの大きさは、グレーティングローブの発生を回避するため、使用する最も高い周波数ｆ０で式（２）を満たす素子間隔ｄ０よりも小さくなければならない。
一方、素子アンテナの大きさは、動作させる周波数に対して反比例、すなわち、波長に対して比例する。
【００７０】
よって、低域の周波数まで動作する素子アンテナによっては、その大きさが素子間隔ｄ０より大きくなる可能性がある。
【００７１】
例えば、素子寸法が素子間隔ｄ０より小さいという条件により、動作周波数の下限がｆ０／２までの素子アンテナ５を用いたとする。
【００７２】
図６は実施の形態２に係るアンテナ装置の動作の一例を説明する図であり、１６は送受信回路と接続されている素子アンテナ、１７は送受信回路と接続されていない素子アンテナであり、３は図１と同じ、１４は図３と同じ、１５は図５と同じものである。
【００７３】
周波数がｆ０／２以下で動作させる場合、実施の形態１における図４（ｂ）と同様に可変合成分配回路４のスイッチマトリクスを図６に示すように切り替える。
【００７４】
スイッチ１５ａ、１５ｂ、１５ｃをオンし、スイッチ１５ｄ、１５ｅをオフすることにより、送受信回路と接続され給電されている素子アンテナ１６ａと隣接する送受信回路と接続されていない素子アンテナ１７ａとをスイッチ１５ａで接続し、素子アンテナ１６ｂと素子アンテナ１７ｂとをスイッチ１５ｂで接続し、素子アンテナ１６ｃと素子アンテナ１７ｃとをスイッチ１５ｃで接続する。
【００７５】
スイッチ１５で素子アンテナ１６と素子アンテナ１７を接続することにより、あたかも１つのアンテナとして動作させる。
その大きさは、概ね元の素子アンテナの２倍になるため、素子アンテナの動作周波数の下限はｆ０／４程度となる。
なお、合成された素子アンテナ間の間隔は、実施の形態１と同様に２ｄ０となる。
【００７６】
すなわち、実施の形態１の可変合成分配回路４のスイッチマトリクスを切り替えると同時に、隣接する素子アンテナどうしを接続するスイッチ１５をオンすることにより、接続された素子アンテナを１つの素子アンテナとして動作させ、素子アンテナの実効的な寸法を大きくし、素子アンテナの動作周波数の下限を下げることが可能となる。
【００７７】
なお、スイッチ１５としては、半導体等のＲＦスイッチがあるが、ＭＥＭＳスイッチを用いることにより、スイッチの小形化、低損失化を図ることができる。
【００７８】
このような実施の形態によれば、素子アンテナの大きさが動作させる最も高い周波数でグレーティングローブが発生しない素子間隔内に収まる大きさでも、隣接する素子アンテナどうしを接続するスイッチをオンすることにより素子アンテナの実効的な寸法を大きくし、動作周波数の下限を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１、２に係る送受信回路の構成を示す図である。
【図３】実施の形態１、２に係る可変分配合成回路の構成を表した模式図である。
【図４】実施の形態１に係るアンテナ装置の動作の一例を説明する図である。
【図５】実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図６】実施の形態２に係るアンテナ装置の動作の一例を説明する図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  入出力信号、  ２  Ｎ分配合成回路、  ３  送受信回路、  ４  可変合成分配回路、  ５  素子アンテナ、  ６  入出力信号、  ７  入出力信号、  ８  送受信信号、  ９  移相器、  １０  スイッチ、  １１  高出力増幅器、  １２  サーキュレータ、  １３  低雑音増幅器、  １４  スイッチ、  １５  スイッチ、  １６  送受信回路と接続されている素子アンテナ、  １７  送受信回路と接続されていない素子アンテナ。
【図１】
2006287368.tif 000021
【図２】
2006287368.tif 000022
【図３】
2006287368.tif 000023
【図４】
2006287368.tif 000024
【図５】
2006287368.tif 000025
【図６】
2006287368.tif 000026