(57)【要約】      （修正有）【課題】サイドローブを大幅に抑圧することのできる給電回路およびフェイズドアレーアンテナを提供する。【解決手段】マルチビーム用給電回路１０の出力端子と一対一で接続される４つ以上の入力端子と、入力端子から分岐される偶数個の分岐路と、入力端子の数より分岐路の数だけ多い出力端子Ｐｏｒｔ２〜Ｐｏｒｔ７と、各出力端子Ｐｏｒｔ２〜Ｐｏｒｔ７に接続され、インピーダンス整合を行う伝送線路Ｌ０〜Ｌ３とを備え、中央の出力端子Ｐｏｒｔ４、Ｐｏｒｔ５に給電される電力レベルが最も大きく、出力端子の位置が中央から離れるほど給電される電力レベルが小さくなるように、出力ポート数変換マトリックス回路２０を構成する。【選択図】図１
2015025743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチビーム用アンテナ用給電回路と接続される出力ポート数変換マトリックス回路であって、
マルチビーム用アンテナ用給電回路の出力端子と一対一で接続される４つ以上の入力端子と、
入力端子から分岐される偶数個の分岐路と、
入力端子の数より分岐路の数だけ多い出力端子と、
各出力端子に接続され、インピーダンス整合を行う伝送線路と、を備え、
中央の出力端子に給電される電力レベルが最も大きく、出力端子の位置が中央から離れるほど給電される電力レベルが小さくなることを特徴とする出力ポート数変換マトリックス回路。
【請求項２】
前記入力端子が４つであり、
前記出力端子が６つであり、それぞれ線路長がλ/4の伝送路に接続され、
両端に位置する一対の入力端子が前記分岐路と接続され、
両端に位置する一対の出力端子が、さらに接地抵抗（R1）、線路長が2λの伝送路（L3）および前記分岐路にそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１に記載の出力ポート数変換マトリックス回路。
【請求項３】
中央に位置する一対の出力端子（Port4、Port5）に接続される線路長がλ/4の伝送路（L0）の特性インピーダンスZ0、中央に位置する一対の出力端子に隣接する一対の出力端子（Port3、Port6）に接続される線路長がλ/4の伝送路（L1）の特性インピーダンスZ1、並びに、両端に位置する一対の出力端子（Port2、Port7）に接続される線路長がλ/4の伝送路（L2）の特性インピーダンスZ2、線路長が2λの伝送路（L3）の特性インピーダンスZ3および接地抵抗（R1）が下記の式１ないし式５により算出されることを特徴とする請求項２に記載の出力ポート数変換マトリックス回路。
［式１］
2015025743.tif 000014
［式２］
2015025743.tif 000015
［式３］
2015025743.tif 000016
［式４］
2015025743.tif 000017
［式５］
2015025743.tif 000018
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の出力ポート数変換マトリックス回路と、マルチビームアンテナ用給電回路とを備えるフェイズドアレーアンテナアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波レーザの測角に用いられるマルチビームアンテナの出力ポート数変換マトリックス回路に関し、例えば、フェイズドアレーアンテナのサイドローブを抑圧できる、４素子／６素子変換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】
防犯システムにおいて、センサが感知した際に侵入者と誤検知を判別するために、侵入者の位置を特定し、カメラを検出した物体に追尾させるシステムが求められている。このシステムを構成するには、ターゲットの位置情報が必要であり、その情報を得るための１つの手法としてセンサにマイクロ波センサを用いる方法がある。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る。
【０００３】
測距については、２周波CW方式を用いた簡単な手法が報告されている（非特許文献１）。
測角については、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報告されているが、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２）。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３）。これは、複数の異なる方向にビームを向け、各ビーム方向の受信レベルよりターゲット方向を推定するものである。
【０００４】
安価でシンプルな構造の４素子のビーム切り替えアンテナ用給電回路として、近年HTBM（Hybrid Three Direction Beam Matrix）回路、QTBM（Quarter Wavelength Three Direction Beam Matrix）回路、RTBM（Rat-race Tree Beam Matrix）回路が報告されてきた。これらは、アンテナ間位相差をスイッチにより0°、 90°、 -90°に設定してビームを3方向に切換えることができる給電マトリックス回路である（非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Merrill I. Skolnik, Introduction to Radar systems, 3 rd. New York: McGraw-Hill, 2001.
【非特許文献２】Merrill Skolnik, Radar Handbook, 2nd. New York: McGraw-Hill, 1990.
【非特許文献３】吉田孝、“改定  レーダ技術、” （社）電子情報通信学会、pp.3、東京、1996.
【非特許文献４】Masatoshi Tsuji, ”Feeding Matrix Placed on a Single Layer with Hybrid Coupler Controlling Beams in Three Directions Including Boresight,“IEICE Transaction on communications, Vol.E95-B, No10, pp. 3324-3327, Oct. 2012.
【非特許文献５】辻  正敏; “λ／４線路を用いたボアサイトを服務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、 pp.926-932、 Jun. 2008.
【非特許文献６】辻  正敏; “ラットレースを用いた３方向ビーム切り替え小形給電マトリックス回路、” 電子情報通信学会論文誌B、 vol. J94-B、 no. 3、 pp. 484-486、 Mar. 2011.
【非特許文献７】新井宏之、“新アンテナ工学、” 総合電子出版社、pp. 84-85、 東京、1996．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のビーム切り替えアンテナにおいては、サイドローブが大きく、測角するために用いた場合そのサイドローブがターゲット方向の検出を困難にして、問題となっていた。
HTBM回路、QTBM回路、RTBM回路を用いたビーム切り替えアンテナにおいても、サイドローブが大きく、測角するために用いた場合そのサイドローブがターゲット方向の検出が困難であるという問題が生じていた。
【０００７】
そこで、本発明は、従来のシステムに比較してサイドローブを大幅に抑圧することのできる給電回路およびフェイズドアレー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】
【０００８】
第１の発明は、マルチビーム用アンテナ用給電回路と接続される出力ポート数変換マトリックス回路であって、マルチビーム用アンテナ用給電回路の出力端子と一対一で接続される４つ以上の入力端子と、入力端子から分岐される偶数個の分岐路と、入力端子の数より分岐路の数だけ多い出力端子と、各出力端子に接続され、インピーダンス整合を行う伝送線路と、を備え、中央の出力端子に給電される電力レベルが最も大きく、出力端子の位置が中央から離れるほど給電される電力レベルが小さくなることを特徴とする出力ポート数変換マトリックス回路である。
第２の発明は、第１の発明において、前記入力端子が４つであり、前記出力端子が６つであり、それぞれ線路長がλ/4の伝送路に接続され、両端に位置する一対の入力端子が前記分岐路と接続され、両端に位置する一対の出力端子が、さらに接地抵抗（R1）、線路長が2λの伝送路（L3）および前記分岐路にそれぞれ接続されることを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明において、中央に位置する一対の出力端子（Port4、Port5）に接続される線路長がλ/4の伝送路（L0）の特性インピーダンスZ0、中央に位置する一対の出力端子に隣接する一対の出力端子（Port3、Port6）に接続される線路長がλ/4の伝送路（L1）の特性インピーダンスZ1、並びに、両端に位置する一対の出力端子（Port2、Port7）に接続される線路長がλ/4の伝送路（L2）の特性インピーダンスZ2、線路長が2λの伝送路（L3）の特性インピーダンスZ3および接地抵抗（R1）が下記の式１ないし式５により算出されることを特徴とする。
［式１］
2015025743.tif 000003
［式２］
2015025743.tif 000004
［式３］
2015025743.tif 000005
［式４］
2015025743.tif 000006
［式５］
2015025743.tif 000007
第４の発明は、第１ないし３のいずれかに記載の発明に係る出力ポート数変換マトリックス回路と、マルチビームアンテナ用給電回路とを備えるフェイズドアレーアンテナアンテナである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、従来の給電回路に簡易な改良を施すことで、フェイズドアレーアンテナのボアサイト方向のサイドローブを大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例に係るマトリックス給電回路の構成図。
【図２】実施例に係る６素子バッチアレーアンテナのパターンの説明図。
【図３】実施例に係る６素子アレーアンテナの放射特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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】
【００１２】
実施例のシステムは、給電マトリックス回路と、同回路に接続されるアンテナとを備えて構成される。
＜給電マトリックス回路の構成＞
図１は、本実施例の給電マトリックス回路の構成図である。本実施例の給電マトリックス回路は、マルチビーム用給電回路１０と、出力ポート数変換マトリックス回路２０とを備えて構成される。
マルチビーム用給電回路１０は、公知の４素子の３方向ビーム切り替え給電回路であり、例えば、前述のHTBM、QTBM、RTBM回路により構成することができる。Port1に入力された信号は、巻き数比2:1のトランスTRによりインピーダンス変換された後、移相器Ph1〜Ph4で位相を変えられて４素子ビーム切り替えアンテナの出力端子ANT1〜ANT4に伝達する。
【００１３】
出力ポート数変換マトリックス回路２０は、伝送線路L0〜L3および抵抗R1をそれぞれ一組ずつ備えている。このマトリックス回路２０における各伝送線路の線路長は、L0〜L2 =λ/4、L3 =2λである。長尺の長方形で示した伝送線路L3は、基板裏面に配置されている。
マトリックス回路２０の入力端子は、給電回路１０のANT1〜ANT4に接続されている。すなわち、給電回路１０のANT1〜ANT4に伝達した各信号は、出力ポート数変換マトリックス回路２０に入り、伝送線路L0〜L3と抵抗R1を介してPort2〜Port7の６出力に分岐される。
続いて、４出力の信号が、サイドローブ抑圧された６出力に変換される動作について述べる。
【００１４】
＜動作＞
ANT2とANT3から出力された信号は、伝送線路L0を介してPort4、Port5にそのまま伝達する。ANT1とANT4から出力された信号は、L3とL1の接続点で信号が分岐する。すなわち、ANT1から出力された信号はPort3とPort7に伝達し、ANT4から出力された信号はPort2とPort6に伝達する。ここで、各L3を伝達した信号の一部は、各R1で電力を消費した後、ANT4からPort2に、ANT1からPort7に伝達する。L1、L2はλ/4インピーダンス変換器として動作し、各ポートは整合される。
【００１５】
サイドローブを抑圧したビームを形成するため、各ポートに給電される電力レベルは、中央のPort4、Port5が最も大きく、そして端のポートほどレベルが小さくなるように設定される。Port4とPort5に給電される電力をP1、Port3とPort6に給電される電力をP2、Port2とPort7に給電される電力をP3とすると、伝送線路L0〜L3の特性インピーダンスZ0〜Z3と抵抗R1は、以下の式１〜式５で求めることができる。ここでR0はPort2〜Port7の入出力インピーダンスである。
【００１６】
［式１］
2015025743.tif 000008
［式２］
2015025743.tif 000009
［式３］
2015025743.tif 000010
［式４］
2015025743.tif 000011
［式５］
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【００１７】
＜シミュレーションと結果＞
実施例に係る給電マトリックス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。
各ポートの入出力インピーダンスは、50Ωである。各伝送線路は、マイクロストリップラインを用いる。パワー比は、バイノミアル指向性のパワー分布に従い、P1 : P2 : P3 = 1 : 0.653 : 0.228に設定される（非特許文献７）。上記式１〜式５より、各伝送線路の特性インピーダンスと抵抗値は、次のように計算される。
【００１８】
［各伝送線路の特性インピーダンスと抵抗値］
Z0=50Ω、Z1=76.25Ω、Z2=20.36Ω、Z3=87.7Ω、R1=5.23Ω。
【００１９】
設計で用いる周波数はISMバンドの2.45GHzである。
各マイクロストリップラインの幅と長さは、シミュレータによりL0：（1.86mm、18.9mm）、L1：（0.85mm、19.45mm）、L2：（6.36mm、18mm）、L3：（0.63mm、157mm）と計算される。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している。
シミュレーションを行う際の移相器Ph1〜Ph4の位相値は、ビームがボアサイト方向（ β=0° ）の時は全て0°、ビームが左方向（ β=90° ）の時は、(Ph1、 Ph2、 Ph3、 Ph4 ) = (0°、 90°、 180°、 270°、 0°) に、ビームが右方向（ β=−90° ）の時は、(Ph1、 Ph2、 Ph3、 Ph4 ) = (0°、 −90°、 −180°、 −270°、 0°) に設定する。
【００２０】
表1は、2.45GHzのシミュレーションされたSパラメータの結果である。
【表１】
2015025743.tif 000013
【００２１】
β=0°では、各ポート間の位相差が0°、β=90°ではPort2を基準として+90°、β=−90°ではPort2を基準として−90°である。
これらの結果より、実施例の回路は6素子のビーム切り替えアンテナとして動作することが分かる。またそれらのレベルは、設定したパワー比に一致する。S11は、どの設定においても−40dB以下であり、整合が取れていることが確認された。
これらのシミュレーション値は理論値と一致しており、正しく設計されていることが確認できた。
【００２２】
＜アンテナと放射特性＞
図２は、実施例に係る６素子のパッチアレーアンテナである。
本実施例に用いるアレーアンテナは、19mm角の方形パッチアンテナである。このパッチアンテナ内に付された2〜7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。給電方法は下辺より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、サイズを小形とするため0.33λ間隔で配置する。基板の材質は、高誘電率材料（PPO、Panasonic）を想定して、εr=10.2、tanδ=0.004、基板厚0.8mmを用いている。
【００２３】
次に電磁界シミュレータによって、実施例の給電マトリックス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SONNET（モーメント法）により解析した。
図３は、βが0°、90°の時の放射特性の結果を示すグラフである。
比較値として、従来の4素子ビーム切り替えアンテナの指向性がグレーで示されている。これは、図２のアンテナを4素子にして均等給電した場合の特性である。
放射特性は、水平角θが5°間隔で計算され、マーカーで記される。縦軸は、放射レベルの最大値を0dBとして示される。
【００２４】
β=0°では、ビーム方向は0°である。サイドローブはθが65°の箇所で−40.5dBであり、従来の4素子のシステムと比較して20.2dBの改善が見られた。6素子のアンテナ利得は、従来の4素子と比較して、0.5dB低い。これはR1による電力損失が原因である。
β=90°では、ビーム方向は−40°である。サイドローブはθが角30°の箇所で−27.5dBであり、従来の4素子のシステムと比較して17.8dBの改善が見られた。
β=−90°の結果はβ=90°の結果を左右反転させた特性と同じになる。
【００２５】
以上のシミュレーション結果より、実施例のマトリックス回路では、従来の回路と比べサイドローブを約２０ｄＢ改善することが確認された。
【符号の説明】
【００２６】
１０  マルチビームアンテナ用給電回路
２０  出力ポート数変換マトリックス回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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