(57)【要約】【課題】ビーム形成回路を簡易な構成で実現する。【解決手段】複数のビームポートＡ１〜Ａ８と、このビームポートの反対側に設けられた複数の接続用ポートＢ１〜Ｂ８とを備えた第１の電波レンズ１１と、第１の電波レンズの接続用ポートにそれぞれ接続された複数の接続用ポートＣ１〜Ｃ８と、この接続用ポートの反対側に設けられ複数のアンテナ素子にそれぞれ接続される複数のエレメントポートＤ１〜Ｄ８とを備えた第２の電波レンズ１２と、を有するビーム形成回路とする。【選択図】            図１
2004200749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信時に信号が入力され受信時に信号を出力する複数のビームポートと、当該ビームポートの反対側に設けられた複数の接続用ポートとを備えた第１の電波レンズと、
当該第１の電波レンズの接続用ポートにそれぞれ接続された複数の接続用ポートと、当該接続用ポートの反対側に設けられ複数のアンテナ素子にそれぞれ接続される複数のエレメントポートとを備えた第２の電波レンズと、
を有することを特徴とするビーム形成回路。
【請求項２】
前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズは、任意のポートから入力された信号を、当該ポートの位置に応じた位相傾きをもたせて、反対側の複数のポートに分配して出力することを特徴とする請求項１に記載のビーム形成回路。
【請求項３】
前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズは、略平行な２枚の導体板を用いて構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のビーム形成回路。
【請求項４】
前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズは、誘電体板を挟んで２つの導体板が積層された積層構造を有し、
当該２つの導体板のうち少なくとも一方は、所定の形状にパターニングされていることを特徴とする請求項１または２に記載のビーム形成回路。
【請求項５】
前記誘電体板はプリント基板であり、前記２つの導体板は当該プリント基板の両面に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のビーム形成回路。
【請求項６】
前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズは、所定の形状にパターニングされた導体板が、当該導体板に略平行な２枚の接地導体板によって誘電体を介して挟まれてなることを特徴とする請求項１または２に記載のビーム形成回路。
【請求項７】
前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズは同一設計のレンズであり、当該２つの電波レンズを同一の向きに複数のポートが対向するように並べた後に一方の電波レンズをレンズ平面内で半回転させたときに対向する複数のポートがそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のビーム形成回路。
【請求項８】
前記第１の電波レンズの複数の接続用ポートと前記第２の電波レンズの複数の接続用ポートとは、それぞれ増幅器を介して接続されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のビーム形成回路。
【請求項９】
前記増幅器のそれぞれの利得は略同一であることを特徴とする請求項８に記載のビーム形成回路。
【請求項１０】
前記第２の電波レンズの複数の接続用ポートの信号電力分布がガウス関数型の分布であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のビーム形成回路。
【請求項１１】
前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズの接続用ポートが、位相器を介して接続されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のビーム形成回路。
【請求項１２】
前記第２の電波レンズのエレメントポートが、位相器を介してアンテナ素子と接続されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のビーム形成回路。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載のビーム形成回路を備えることを特徴とするアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、開口面アンテナ形式の、マルチビームアンテナやビーム走査アンテナ等に用いられるビーム形成回路、およびこれを備えたアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２３は、反射鏡を用いた従来のマルチビームアンテナの構成を示す図である。図２３のマルチビームアンテナのように、反射鏡３３０や誘電体レンズ等を用いてビームを収束させるアンテナは、その放射電磁界が有限な幾何学面（反射鏡や誘電体レンズ）における電磁界から求められ、開口面アンテナとよばれる［参考文献：電子通信学会編「アンテナ工学ハンドブック」、オーム社、４章、参照］。図２３のアンテナに配置された３個の一次放射器３１１〜３１３は３方向それぞれのビーム３２１〜３２３に対応しており、一次放射器の数を増やすことによって、より多くのビームを形成することが可能である。この場合、一次放射器から放射されるビームを反射鏡３３０に効果的に照射するためには、一次放射器３１１〜３１３にはある程度の大きさ（波長の数倍程度以上）が必要であり、それぞれの一次放射器３１１〜３１３を近接して配置することが出来ない。したがって、このように個々の一次放射器３１１〜３１３がそれぞれのビーム３２１〜３２３に一対一に対応している場合は、アンテナから放射されるそれぞれのビーム３２１〜３２３を近接させることが出来ない。仮に、それぞれのビームを近接させるために一次放射器を小さくした場合は、一次放射ビームのパターンが広がってしまうため、放射された信号電力の多くが反射鏡に当たらずに漏れてしまうことになり、低いアンテナ効率しか得られない。［参考文献：手代木、”マルチビーム移動体衛星通信システム”、信学技報SAT83-17,1983年9月、参照］。
【０００３】
この問題を解決するために、複数の比較的小さなアンテナを用いてビームを形成する手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。この手法はクラスタ給電またはアレー給電と呼ばれており、個々の小さなアンテナはアンテナ素子または素子アンテナと呼ばれている。図２４は、クラスタ給電により個々のビームを形成するマルチビームアンテナの構成を示す図である。個々のビーム３４１〜３４３は複数のアンテナ素子３５０により形成されるとともに、個々のアンテナ素子３５０は一般に異なるビーム３４１〜３４３で重複して使用される。複数のアンテナ素子３５０には、ビーム形成回路３６０（Beam forming Network：BFN）が接続されている。このビーム形成回路３６０は、給電された信号Ｓ２０を分配、合成して複数のアンテナ素子３５０を励振する。このようにクラスタ給電を行うことにより、近接した方向にビームを形成することが可能となる。また、入力された信号電力を効果的に反射鏡３８０に照射することができ、高いアンテナ効率を得ることが可能となる。
【０００４】
なお、図２４では反射鏡３８０を用いてアンテナのビーム３４１〜３４３を絞っているが、反射鏡３８０の代わりに誘電体レンズを用いても同様にアンテナを構成することができる。また、複数のビームを切り替えて使用することにより、連続的にビーム方向を変化させることとすれば、ビーム走査アンテナを構成することができる。図２５は、誘電体レンズ３９０を用いたビーム走査アンテナの構成を示す図である。ここでビーム形成回路の給電ポート４００は１個であり、ビーム形成回路は入力信号Ｓ３０により励振されるアンテナ素子４２０を変化させている。
【０００５】
上記のクラスタ給電またはアレー給電を行うマルチビームアンテナあるいはビーム走査アンテナにおいては、信号を分配および合成するためのビーム形成回路３６０の特性がアンテナ性能を大きく左右することとなる。
【０００６】
図２６は従来のビーム形成回路の構成を示す図である。図２６のビーム形成回路はマルチビームアンテナ用のビーム形成回路である。このビーム形成回路をビーム走査アンテナのビーム形成回路とするためには、複数の給電ポート４３０を切り替えて使用するための切替スイッチ等が必要となる。なお、説明を簡単にするため、図２６は送信の場合の例を示している。複数の給電ポート４３０に入力された信号Ｓ４０は、それぞれ、複数のアンテナ素子４５０を励振するために、電力分配器４６０によって分配される。個々のアンテナ素子４５０の多くは異なるビームで重複して用いられるため、分配されたそれぞれの信号は電力合成器４８０で合成され、合成された信号がアンテナ素子４５０を励振する。受信の場合は、図２６における電力合成器４８０が電力分配器となり、図２６における電力分配器４６０が電力合成器となる。この場合、アンテナ素子４５０が受信した信号電力はビーム形成回路によって分配されて合成された後、対応する給電ポート４３０に現れる。
【０００７】
上記のビーム形成回路では、電力合成器４８０および電力分配器４６０が使われているが、電力合成においては、一般に、入力される信号経路の数が多い程、個々の入力信号の損失が大きくなる。Ｎ個の信号が入力される電力合成器においては、合成後の信号電力は合成前のおよそ１／Ｎとなる。これは、一般に、電力合成器の各ポートは接続される線路と整合するように設計されるためである。また、各ポートから入力された信号位相の違い等による電力合成器内での不整合によって反射が生じないように、吸収抵抗において反射波を吸収するように設計されるためである。この電力合成における信号損失は、アンテナ利得の低下や信号品質の劣化の大きな要因となっている。このため、上記のビーム形成回路において、この電力合成における信号損失は大きな問題となっている。
【０００８】
また、上記のビーム形成回路は、多数の電力分配器４６０および電力合成器４８０が相互に接続された複雑な回路であり、このビーム形成回路を実現するためには線路を立体的に配線する必要がある。このため、このビーム形成回路をプリント基板等の簡易な平面回路により実現することは困難である。仮に多層基板を用いた場合でも、多くの線路を立体的に配線するために、基板内に多数のスルーホールを実装する必要が生じる。しかし、この構成では、僅かな製造誤差により、２つの線路を流れる信号が互いに干渉して混じったり、信号が反射したりするため、回路特性が大きく劣化してしまう。
【０００９】
さらに、数多くのアンテナ素子が必要とされるような場合等、回路規模が大きくなった場合には、構成が非常に複雑になり、電力分配器４６０および電力合成器４８０の製造誤差やこれらデバイス間における反射等の影響によりビーム形成回路の誤差が大きくなる。また、誤差要因の特定が難しくなり、ビーム形成回路の設計、製造がより一層困難になる。また、場合によってはビーム形成回路の誤差を補正するための調整に大きな時間と人手が費やされることとなり、製造コストが増大してしまう。
【００１０】
信号損失が非常に小さな回路として、ハイブリットと固定位相器からなるバトラーマトリクス回路が提案されている（例えば、非特許文献２、３参照。）。図２７は、バトラーマトリクス回路を用いたビーム走査アンテナのビーム形成回路の構成を示す図である。
【００１１】
ハイブリットと固定位相器からなるこのマトリクス回路４９０は等価的に信号のＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）を行っていると考えられることからＦＦＴ回路とも呼ばれており、ハイブリットや固定位相器の損失や誤差が無視できる場合、原理的に信号損失が非常に小さな回路として知られている［参考文献：J. Butler and R. Lowe, “Beamforming matrix simplifies design of erectronically scanned Antennas,”Electron. Design, Vol. 9, No. 7, pp. 170-173, April 1961.、参照］。マトリクス回路４９０に入力された信号Ｓ５０はマトリクス回路４９０の中で等分配され、出力ポート５１０毎に異なる位相差をもって出力される。出力における隣接ポートの位相差は、入力ポート５２０の位置によって(-(N-1)/N)×180°〜 (+(N-1)/N)×180°まで、(2/N)×180°刻みでN通りの値を取ることが知られている。これらは原理上、フーリエ変換を行っていると考えることができ、異なるポートに入力された信号の間には直交性が存在する［参考文献：J. P. Shelton, “Fast Fourier transforms and Butler matrices”, Proc. of IEEE, pp. 350, March 1968.、参照］。
【００１２】
図２７のビーム形成回路では、マトリクス回路４９０に入力する信号Ｓ５０の位相を変化させることにより、アンテナ素子５３０の励振位置を変化させることが可能である。このため、当該ビーム形成回路は、アナログ可変位相器５４０を用いることによりアンテナ素子５３０の励振位置を連続的に変化させている。一方、このようにアンテナ素子５３０の励振位置を変化させても、励振分布の形は変化しない。図２８は、図２７のビーム形成回路において、マトリクス回路４９０に入力される信号Ｓ５０の位相を変化させた場合におけるアンテナ素子５３０に励振される信号の振幅分布の変化を示す図である。図２８に示されるとおり、アンテナ素子５３０の励振位置を変化させても励振分布の形が変わらないことから、回転対称形状を有するトーラス反射鏡と組み合わせて使用した場合には、一様なビームパターンを得ることが可能である。
【００１３】
しかし、このようなバトラーマトリクス回路を用いたビーム形成回路には、以下の問題がある。
バトラーマトリクス回路４９０はハイブリットと固定位相器の多段接続されたものであるので、回路構成が複雑になってしまう。特に、ポート数が多く回路規模が大きい場合は、非常に多くのハイブリットと位相器の間を複雑に結線する必要が生じる。このような回路では、ハイブリットの特性誤差（電力分配の不均衡や通過位相量の誤差）や固定位相器の誤差の影響が次々と伝播するとともに、信号の多重反射を引き起こすため、回路の設計および製造が非常に困難である。また、マトリクス回路内における信号の振幅および位相の誤差は大きな回路損失を引き起こす。このため、マトリクス回路の製造においては、良好な回路特性を得るために、製造条件等を変えながらプリント基板などの回路を複数種類製造して特性の良いものを選択したり、一旦、基板上に回路を製造した後で基板上に装着可能な誘電体位相器を用いて位相調整を行ったりしている。実際に、１６ポート以上の大規模なマトリクス回路では回路誤差（信号の振幅および位相の誤差）に起因する回路損失が大きく、通常、回路誤差を補正するための調整に大きな時間が費やされることとなる。このように、マトリクス回路においては、原理的には回路損失を小さくすることが可能であるが、そのためには非常に高い回路製作精度が要求される。このため、実際に広く用いられるマトリクス回路は４ポート回路あるいは８ポート回路という小さな回路規模のものであり、大規模なマトリクス回路の実用例はまだ殆ど報告されていない［参考文献：吉良 他, "マトリクス型クラスタ給電ビーム形成回路の回路設計法," 信学会2000ソサイエティ大会,B-1-139、参照］。
【００１４】
また、一般にマトリクス回路を構成するには非常に多くの線路を立体的に配線する必要があるため、マトリクス回路をプリント基板等の簡易な平面回路により実現することは困難である。平面的に実現することもできるが、そのためにはハイブリットを２個用いた０ｄＢカプラーをジャンクションとして用いたり、非常に多くのスルーホールが実装された多層基板を用いたり等の手法が必要となる。しかし、これらの手法により構成されたマトリクス回路では、僅かな製造誤差により２つの線路を流れる信号が互いに干渉して混じったり、信号が反射したりしてしまう。通常、１６ポートのマトリクス回路においてはジャンクション（線路が交差する部分）が６０個所と大量に存在する。大規模なマトリクス回路では、ハイブリットや位相器単体の電力分配誤差や位相誤差だけでなく、ジャンクションにおける異なる線路を流れる信号間の干渉や信号の反射等の影響の積み重ねによる誤差も生じる。
【００１５】
さらに、マトリクス回路のポート数は２のべき乗の数に限定されてしまうので、設計の自由度が低く、アンテナの要求条件に合った適切なポート数を設定することが困難である。なお、２のべき乗以外のポート数をとることも可能であるが、特別な設計が必要となる上、ポート数に比較して回路規模が大きくなってしまう。
【００１６】
また、ＦＦＴの周期性のため、マトリクス回路に接続されたアンテナ素子に励振される信号分布が端に近づいた場合に、反対側に折り返されて励振されてしまい、これがサイドローブとして現れてしまう。つまり、アンテナのビーム形成回路としてバトラーマトリクス回路を用いた場合、バトラーマトリクス回路の端に接続されたアンテナ素子を励振すると、大きなサイドローブが生じてしまう。
【００１７】
また、励振分布が変化しないため、パラボラ鏡面等の高効率な反射鏡との組み合わせに適さない。これは、パラボラ鏡面等の高効率な反射鏡との組み合わせにおいては、利得やサイドローブ特性等が揃ったビームパターンを得るためにビーム方向に応じて励振分布を変えることが望まれるからである。
【００１８】
【非特許文献１】
牧野、”アレー給電反射鏡形式マルチスポットビームアンテナにおける給電クラスター簡易設計法” ,信学技報A・P200-157,SANE2000-138,2001年1月
【非特許文献２】
国際会議、F.Kira and T.Hori,'Beam forming Network Design for Cluster Feeding of Scanning Antenna,' IEEE ISPAST00, pp.133-136, May 21-25, Dana Point, California, 2000.
【非特許文献３】
論文、F.Kira and T.Hori,"Beam Forming Network Design for Cluster Feeding of Highly Functional Scanning Antenna," IEICE TRANS., COMM., VOL.E84-B,NO.9 SEPTEMBER
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のとおり、従来のビーム形成回路は、電力分配器と電力合成器とを組み合わせた構成、または、ハイブリットと固定位相器が多段接続された構成を有するので、回路構成が複雑になってしまう。
【００２０】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、簡易な構成で実現されるビーム形成回路、およびこれを備えたアンテナ装置を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決し、目的を達成するための第１の発明は、送信時に信号が入力され受信時に信号を出力する複数のビームポートと、当該ビームポートの反対側に設けられた複数の接続用ポートとを備えた第１の電波レンズと、当該第１の電波レンズの接続用ポートにそれぞれ接続された複数の接続用ポートと、当該接続用ポートの反対側に設けられ複数のアンテナ素子にそれぞれ接続される複数のエレメントポートとを備えた第２の電波レンズと、を有するビーム形成回路である。
【００２２】
また、第２の発明は、第１の発明のビーム形成回路において、前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズは、任意のポートから入力された信号を、当該ポートの位置に応じた位相傾きをもたせて、反対側の複数のポートに分配して出力することを特徴とする。
【００２３】
また、第３の発明は、第１または第２の発明のビーム形成回路において、前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズは、略平行な２枚の導体板を用いて構成されることを特徴とする。
【００２４】
また、第４の発明は、第１または第２の発明のビーム形成回路において、前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズは、誘電体板を挟んで２つの導体板が積層された積層構造を有し、当該２つの導体板のうち少なくとも一方は、所定の形状にパターニングされていることを特徴とする。
【００２５】
また、第５の発明は、第４の発明のビーム形成回路において、前記誘電体板はプリント基板であり、前記２つの導体板は当該プリント基板の両面に形成されていることを特徴とする。
【００２６】
また、第６の発明は、第１または第２の発明のビーム形成回路において、前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズは、所定の形状にパターニングされた導体板が、当該導体板に略平行な２枚の接地導体板によって誘電体を介して挟まれてなることを特徴とする。
【００２７】
また、第７の発明は、第１〜６のいずれかの発明のビーム形成回路において、前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズは同一設計のレンズであり、２つの電波レンズを同一の向きに複数のポートが対向するように並べた後に一方の電波レンズをレンズ平面内で半回転させたときに対向する複数のポートがそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【００２８】
また、第８の発明は、第１〜７のいずれかの発明のビーム形成回路において、前記第１の電波レンズの複数の接続用ポートと前記第２の電波レンズの複数の接続用ポートとは、それぞれ増幅器を介して接続されることを特徴とする。
【００２９】
また、第９の発明は、第８の発明のビーム形成回路において、前記増幅器のそれぞれの利得は略同一であることを特徴とする。
また、第１０の発明は、第１〜９のいずれかの発明のビーム形成回路において、前記第２の電波レンズの複数の接続用ポートの信号電力分布がガウス関数型の分布であることを特徴とする。
【００３０】
また、第１１の発明は、第１〜１０のいずれかの発明のビーム形成回路において、前記第１の電波レンズおよび第２の電波レンズの接続用ポートが、位相器を介して接続されることを特徴とする。
【００３１】
また、第１２の発明は、第１〜１１のいずれかの発明のビーム形成回路において、前記第２の電波レンズのエレメントポートが、位相器を介してアンテナ素子と接続されることを特徴とする。
【００３２】
また、第１３の発明は、第１〜１２のいずれかの発明のビーム形成回路を備えるアンテナ装置である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明に係るビーム形成回路およびこれを備えたアンテナ装置についての好適な実施形態を第１の実施形態から第６の実施形態に分けて詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、電波レンズの各ポートを示す符号（Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１等）については、重複して用いることとする。
【００３４】
（第１の実施形態）
本実施形態に係るビーム形成回路は、送信時に信号が入力され受信時に信号を出力する複数のビームポートと、このビームポートの反対側に設けられた複数の接続用ポートとを備えた第１の電波レンズと、第１の電波レンズの接続用ポートにそれぞれ接続された複数の接続用ポートと、この接続用ポートの反対側に設けられ複数のアンテナ素子にそれぞれ接続される複数のエレメントポートとを備えた第２の電波レンズとを有している。以下、本実施形態について図面を参照して説明する。
【００３５】
図１は、本実施形態に係るビーム形成回路の構成を示す図である。図１において、ビーム形成回路は、第１の電波レンズ１１と第２の電波レンズ１２とを備えている。本実施形態では、第１の電波レンズ１１および第２の電波レンズ１２として、両側に８つのポートを有する８×８（８入力８出力）のレンズを採用する。また、本実施形態においては、第１および第２の電波レンズ１１、１２は、レンズ中央付近から入力された信号が同位相で出力される１焦点レンズである。
【００３６】
第１の電波レンズ１１の一方側（図１では左側）の８つのポートは送信時に信号が入力され受信時に信号を出力するビームポートＡ１〜Ａ８であり、他方側（図１では右側）の８つのポートは第２の電波レンズ１２と信号をやりとりするための接続用ポートＢ１〜Ｂ８である。第２の電波レンズ１２の一方側（図１では左側）の８つのポートは、第１の電波レンズ１１と信号をやりとりするための接続用ポートＣ１〜Ｃ８であり、他方側（図１では右側）の８つのポートはそれぞれ８つのアンテナ素子２１〜２８に接続されるエレメントポートＤ１〜Ｄ８である。第１の電波レンズ１１の８つの接続用ポートＢ１〜Ｂ８と第２の電波レンズ１２の８つの接続用ポートＣ１〜Ｃ８とは、それぞれ互いに接続されている。
【００３７】
なお、本実施形態では、第１および第２の電波レンズ１１、１２として、８×８のレンズを用いているが、これに限られず、第１の電波レンズ１１も第２の電波レンズ１２もともに任意のポート数をとることができる。また、ビームポートの数とエレメントポートの数を同じにする必要も、ビームポートやエレメントポートの数と接続用ポートの数を同じにする必要もない。図２、３は、他のビーム形成回路の例を示す図である。図２において、第１、第２の電波レンズ３１、３２は、それぞれ、５×８のレンズ、８×９のレンズである。図３において、第１、第２の電波レンズ４１、４２は、それぞれ、９×８のレンズ、８×５のレンズである。このようにポート数に制限がないのは、一般にレンズ回路においてはマトリクス回路のように信号間の直交性を満足させる必要がないためである。
【００３８】
上記の電波レンズ１１、１２の構成について説明する。２つの電波レンズ１１、１２は、ほとんど同じものなので、第１の電波レンズ１１を例にとって説明する。図４は、本実施形態に用いられる電波レンズ１１の断面構成図である。図４に示されるとおり、電波レンズ１１は、誘電体板１１ｂを挟んで２つの導体板１１ａ、１１ｃが積層された積層構造を有する。本実施形態では、この積層構造はプリント基板を用いて形成されている。具体的には、電波レンズ１１は、裏面全体に導体層（導体板１１ａに相当）が形成されたプリント基板（誘電体板１１ｂに相当）の表面に、所定の形状にパターニングされた導体パターン層（導体板１１ｃに相当）が形成されたものである。ここで、導体板１１ａは接地されている。図５は、本実施形態に用いられる電波レンズ１１の平面構成図である。図５に示されるとおり、最表層の導体板１１ｃは、所定の形状にパターニングされており、瞳形のレンズ部１１ｄとこの両側に８つづつ形成されたテーパー部１１ｅとを有している。それぞれのテーパー部１１ｅの先端が電波レンズ１１のポート（Ａ１〜Ａ８、Ｂ１〜Ｂ８）となっており、これらのポートにはストリップ線路Ｓが接続されている。ポート間の信号の送受、ポートとアンテナ素子との信号の送受等は、このストリップ線路Ｓを介して行われる。なお、テーパー部１１ｅは、主として、レンズ部１１ｄとストリップ線路Ｓとの間の信号の伝播を円滑化する機能を果たしている。また、テーパー部１１ｅのテーパー形状（主にテーパー部の幅）を変えることにより、当該テーパー部１１ｅに対応するポートを通過する信号の電力を調整することができる。例えば、図６に示されるとおり、エレメントポートＤ１〜Ｄ８に対応するテーパー部Ｔ１〜Ｔ８のテーパー形状をそれぞれ変えることにより、アンテナ素子５１〜５８に給電される電力を調整することができる。
【００３９】
つぎに、本実施形態に係るビーム形成回路の動作について説明する。ここでは、送信時の動作について説明する。
図１において、いずれかのビームポートＡ１〜Ａ８に信号が入力されると、第１の電波レンズ１１は、入力されたビームポートの位置に応じた位相傾きをもたせて、当該信号を反対側の８つの接続用ポートＢ１〜Ｂ８に分配して出力する。図７（ａ）は、第１の電波レンズ１１のビームポートＡ４（図１において上から４番目のビームポート）に信号が入力された場合における導体パターン層（導体板１１ｃ）の電流分布の計算結果を示す図である。この図７（ａ）より、１つのポートに信号が入力された場合、そのポート位置に応じた位相傾きを有して信号が反対側のポートに分配されて出力されることが分かる。なお、「位相傾き」の意味については後で説明する。
【００４０】
第１の電波レンズ１１の８つの接続用ポートＢ１〜Ｂ８に分配されて出力された信号は、それぞれ第２の電波レンズ１２の８つの接続用ポートＣ１〜Ｃ８に入力される。すなわち、第２の電波レンズ１２の８つの接続用ポートＣ１〜Ｃ８には、入力されたビームポートの位置に応じた位相傾きを有する信号が入力される。第２の電波レンズ１２は、この位相傾きに応じたエレメントポートに信号を集中させて出力する。
【００４１】
ここで、電波レンズ１１、１２を用いたビーム形成回路では、マトリクス回路と異なり、回路を流れる電流の直交性が満足されないため、各ポートから入ってきた信号が互いに干渉し合う。また、焦点位置から離れたビームポートから信号が入力された場合は、第１の電波レンズ１１の接続用ポートＢ１〜Ｂ８に出力される出力信号の位相面に歪みが生じる。これらの理由から、あるビームポートから信号が入力された場合、上記の位相傾きに応じたエレメントポートのみならず、その周辺のエレメントポートにも信号が出力される。なお、出力信号の位相面に生じる歪みについては後で説明する。
【００４２】
図７（ｂ）は、図７（ａ）の接続用ポートＢ１〜Ｂ８に出力された信号の振幅および位相を有する信号が第２の電波レンズ１２の接続用ポートＣ１〜Ｃ８に入力された場合における導体パターン層（導体板１１ｃ）の電流分布の計算結果を示す図である。この図７（ｂ）より、図７（ａ）の場合と逆に、ある位相傾きをもった信号が複数のポートに入力された場合は、その位相傾きに応じた反対側のポート、および、この周辺のポートに信号が集中して出力されることが分かる。
【００４３】
第２の電波レンズ１２のエレメントポートＤ１〜Ｄ８に出力された信号は、それぞれのエレメントポートＤ１〜Ｄ８に接続されているアンテナ素子２１〜２８を励振する。
【００４４】
このように、本実施形態に係るビーム形成回路では、あるビームポートに信号が入力された場合、ある程度の信号分布の広がりをもって、当該ビームポートの位置に応じたエレメントポートおよびこの周辺のエレメントポートに信号が出力される。すなわち、信号が入力されるビームポートＡ１〜Ａ８の位置に応じて、エレメントポートＤ１〜Ｄ８に出力される信号の分布が変化し、アンテナ素子２１〜２８の励振分布が変化する。
【００４５】
以上のとおり、本実施形態に係るビーム形成回路は、ビームポートに入力された信号を分配、合成して、アンテナ素子を励振する。
本実施形態に係るビーム形成回路は、以下の効果を有する。
【００４６】
２つの電波レンズ１１、１２の作用により、信号が入力されるビームポートＡ１〜Ａ８の位置に応じて、エレメントポートＤ１〜Ｄ８に出力される信号の分布が変化し、アンテナ素子２１〜２８の励振分布が変化する。すなわち、信号を給電するビームポートＡ１〜Ａ８を変化させることにより、アンテナ素子２１〜２８の励振分布を操作することができる。このため、本実施形態に係るビーム形成回路は、マルチビームアンテナまたはビーム走査アンテナのビーム形成回路に用いられることができる。
【００４７】
また、２つの電波レンズ１１、１２を用いて信号を分配、合成するので、電力分配器と電力合成器を用いた回路やバトラーマトリクス回路のような複雑な回路を必要とせず、簡易な構成でビーム形成回路を実現することができる。このため、ビーム形成回路の設計、製造の容易化を図ることができる。特に、２つの電波レンズ１１、１２は、略平行な２枚の導体板１１ａ、１１ｃを用いて構成されているので、非常に簡易な構成でビーム形成回路を実現することができる。このような効果は、ポート数が多くなり回路規模が大きくなった場合に顕著である。
【００４８】
さらに、線路を交差させて配線する必要がないので、簡易な平面回路でビーム形成回路を実現することができ、また、ポート数が多くなり回路規模が大きくなった場合でも回路損失が大幅に増大することがない。特に、本実施形態では、裏面に接地導体層（導体板１１ａ）が形成されたプリント基板（誘電体板１１ｂ）上に、所定の形状で導体パターン層（導体板１１ｃ）をプリントすることにより電波レンズ１１、１２を形成することとしているので、設計、製造が非常に容易である。また、図８に示されるとおり、同一のプリント基板上に電波レンズ１１、１２のほか、ストリップ線路Ｓや他の回路等（図８では、増幅器９１〜９８およびアンテナ素子としてのパッチ八木アンテナ２１〜２８）を設けることができ、ビーム形成回路を含めたアンテナ装置全体の構成を簡易化することができる。
【００４９】
また、電力分配器と電力合成器とを用いた回路やバトラーマトリクス回路のような高い精度が要求される高度な製造技術を必要とせず、回路誤差の調整に大きな時間が費やされることもないため、ビーム形成回路の低コスト化が可能である。
【００５０】
また、マトリクス回路の場合と異なり、任意のポート数をとることが可能であり、ビームポートとエレメントポートとを同数にする必要もない。このため、設計の自由度が高く、アンテナの要求条件に合った適切なビームポート数およびエレメントポート数を設定することができる。
【００５１】
また、ＦＦＴ回路として動作するバトラーマトリクス回路を用いたビーム形成回路において問題となっていたＦＦＴの周期性は、２つの電波レンズ１１、１２が互いに接続された構成を有する本実施形態に係るビーム形成回路では問題とならず、第２の電波レンズ１２の端のエレメントポート（特にＤ１とＤ８）に接続されたアンテナ素子（特に２１と２８）が励振される場合でも、反対側に折り返されて励振されることがない。このため、本実施形態に係るビーム形成回路をアンテナに用いた場合において、ビーム方向を大きく変化させたときも、大きなサイドローブを生じさせることがない。
【００５２】
なお、本実施形態ではプリント基板を用いて構成される電波レンズ１１、１２を採用しているが、これに限られず、他の構成の電波レンズを用いることができる。ただし、電波レンズは、あるポートから入力された信号を、そのポート位置に応じた位相傾きを持たせて反対側のポートに分配して出力するという特性を有することが好ましい。また、この位相傾きは直線的であることがより好ましい。図９、１０は、他の構成の電波レンズの一例を示す図である。図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ電波レンズの平面図、断面図である。図９において、電波レンズ７１は、２枚の互いに平行な金属板７１ａ、７１ｂにより構成されている。また、電波レンズ７１の一方側のポートではホーン給電が行われ、他方側のポートではプローブ給電が行われている。図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ電波レンズの斜視図、断面図である。図１０に示される電波レンズ８１は、トリプレート構造を有する電波レンズである。具体的には、電波レンズ８１は、所定の形状にパターニングされた導体板８１ｃが、当該導体板に略平行な２枚の接地導体板８１ａ、８１ｄによって誘電体８１ｂを介して挟まれた構造を有する。
【００５３】
また、本実施形態では、第１および第２の電波レンズ１１、１２として１焦点レンズを用いているが、これに限られず、２焦点レンズや３焦点レンズ等を用いることもできる。ここで、２焦点レンズは２つのポートから入力された信号のそれぞれが直線的な位相傾きで出力されるレンズであり、３焦点レンズは３つのポートから入力された信号のそれぞれが直線的な位相傾きで出力されるレンズである。２焦点レンズおよび３焦点レンズは、レンズの形状（本実施形態では、最表層の導体板１１ｃのパターン）と導体板に接続される線路の長さ（本実施形態では、最表層の導体板１１ｃに接続されるストリップ線路の長さ）を調節することによって実現できる［参考文献：W.Rotman,”Wide-Angle Microwave Lens for Line Source Applications”, IEEE Trans. Antennas propagate. AP-11, pp623-632, Nov 1963、参照］。
【００５４】
また、本実施形態の各種ポートの他に、信号が給電されない終端のポートを第１の電波レンズまたは第２の電波レンズの任意のポート側に設けることができる。図１１は、本実施形態において、第２の電波レンズ１２の両端にある２つの接続用ポートＣ１、Ｃ８を終端ポートＣ１´、Ｃ８´とした場合のビーム形成回路の構成を示す図である。このように、終端ポートＣ１´、Ｃ８´を設けると、エレメントポートＤ１〜Ｄ８に出力される信号の電力分布が広がる。すなわち、上記の終端ポートＣ１´、Ｃ８´を設けることにより、アンテナ素子２１〜２８における励振分布を操作する（広げる）ことができ、励振されるアンテナ素子の数を多くすることが可能となる。言い換えると、第２の電波レンズ１２の一部の接続用ポートＣ１、Ｃ８に給電しないことにより、アンテナ素子２１〜２８における励振分布を操作することができる。図７（ｃ）は、図７（ａ）の接続用ポートＢ１〜Ｂ８に出力された信号の振幅および位相を有する信号が第２の電波レンズ１２の中央の６つの接続用ポートＣ２〜Ｃ７に入力された場合における導体板１１ｃの電流分布の計算結果を示す図である。図７（ｃ）において、両端の各１ポートが終端ポートＣ１´、Ｃ８´となっている。図７（ｄ）は、図７（ａ）の接続用ポートＢ１〜Ｂ８に出力された信号の振幅および位相を有する信号が第２の電波レンズ１２の中央の４つの接続用ポートＣ３〜Ｃ６に入力された場合における導体板１１ｃの電流分布の計算結果を示す図である。図７（ｄ）において、両端の各２ポートが終端ポートＣ１´、Ｃ２´、Ｃ７´、Ｃ８´となっている。図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）より、第２の電波レンズ１２の接続用ポート側に信号給電が行われない終端ポートが設けられることにより、エレメントポートに出力される信号の電力分布が広がることが分かる。
【００５５】
また、本実施形態では、第１および第２の電波レンズ１１、１２をプリント基板の同一面上に並べて配置しているが、１枚の導体板の両面にそれぞれ電波レンズを形成することとしてもよい。すなわち、導体板と、当該導体板の両面に積層された誘電体板と、それぞれ所定の形状にパターニングされて各誘電体板上に積層された導体板とにより第１および第２の電波レンズが構成され、第１および第２の電波レンズの複数の接続用ポートが、それぞれスルーホールによって接続されることとすることができる。図１２は、第１および第２の電波レンズが導体板の両面に形成されているビーム形成回路の構成を示す斜視図である。図１２において、導体板１００ａの両面には誘電体板１０１ｂ、１０２ｂが積層されており、それぞれの誘電体板１０１ｂ、１０２ｂ上にはそれぞれ所定の形状にパターニングされた導体板１０１ｃ、１０２ｃが積層されている。このように、導体板１００ａの一方面（図１２では上面）には第１の電波レンズ１０１が形成されており、他方面（図１２では下面）には第２の電波レンズ１０２が形成されている。図１２に示されるとおり、第１および第２の電波レンズ１０１、１０２の複数の接続用ポートＢ１〜Ｂ９、Ｃ１〜Ｃ９は、それぞれ、誘電体板１０１ｂ、導体板１００ａ、誘電体板１０２ｂを貫くスルーホール１００ｆによって接続されている。このように、導体板１００ａの両面に第１の電波レンズ１０１および第２の電波レンズ１０２を形成することにより、すなわち、第１および第２の電波レンズ１０１、１０２を積層させることにより、第１および第２の電波レンズ１０１、１０２の面積を約半分にすることができる。
【００５６】
つぎに、上記の「位相傾き」の意味について説明する。図１３は、位相傾きを説明するための電波レンズを示す図である。図１３において、説明の便宜上、電波レンズ６１の左側の８つのポートを入力ポートＡ１〜Ａ８と呼び、右側の８つのポートを出力ポートＢ１〜Ｂ８と呼ぶ。いずれかの入力ポートＡ１〜Ａ８に信号が入力されると、８つの出力ポートＢ１〜Ｂ８に信号が出力される。この出力信号の位相をそれぞれ出力位相φ１〜φ８とする。この場合、理想的には、出力ポートＢ１〜Ｂ８の位置（出力ポート位置と呼ぶ。）と出力位相φ１〜φ８との関係は、図１４の直線Ｌ１で表されるような直線的な関係になる。この直線Ｌ１の傾き、すなわち出力ポート位置と出力位相との関係直線の傾きを理想的な位相傾きという。図１３の直線Ｌ２は、出力ポート位置と出力位相との関係が直線的であるときの出力信号の位相面を表している。
【００５７】
このように、出力ポート位置と出力位相との関係は、直線的な関係になることが理想的である。しかし、実際には、直線的な関係が得られるのは、電波レンズの焦点位置に対応する一部のポートから信号が入力された場合だけであり、それ以外のポートから入力された場合には、図１４の曲線Ｃ１のように、出力位相は理想的な位相に対して遅れたり進んだりし、出力位相の値に誤差が生じる。すなわち、実際には、出力信号の位相面に歪みが生じる。そこで、本件明細書においては、出力ポート位置と出力位相との関係の傾いている程度を位相傾きという。この位相傾きは、信号が入力される入力ポートＡ１〜Ａ８の位置に応じて変化する。なお、図１３の曲線Ｃ２は、出力位相の値に誤差が生じ、出力信号の位相面に歪みが生じているときの出力信号の位相面を表している。
【００５８】
（第２の実施形態）
本実施形態に係るビーム形成回路は、上記第１の実施形態に係るビーム形成回路とほとんど同じであるが、第１および第２の電波レンズが同一設計のレンズであり、２つの電波レンズを同一の向きに複数のポートが対向するように並べた後に一方の電波レンズをレンズ平面内で半回転させたときに対向する複数のポートがそれぞれ接続されていることを特徴とするものである。以下、図面を用いて本実施形態について説明するが、第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【００５９】
図１５は、本実施形態に係るビーム形成回路の構成を示す図である。図１５において、第１の電波レンズ１１１および第２の電波レンズ１１２は同一設計のレンズである。したがって、２つの電波レンズ１１１、１１２の形状や特性は略同一である。図１５において、２つの電波レンズ１１１、１１２に記された記号（ａ〜ｈ，１〜９）は、個々のポート位置を表しており、２つのレンズにおいて対応するポートは同じ記号で表されている。図１５より、２つの電波レンズを同一の向きに複数のポートが対向するように並べた後に一方の電波レンズをレンズ平面内で半回転させたときに対向する複数のポートがそれぞれ接続されていることが分かる。
【００６０】
第１および第２の電波レンズ１１１、１１２は、任意のポートから入力された信号を、当該ポートの位置に応じた位相傾きをもたせて、反対側の複数のポートに分配して出力するという特性を有する。上述したとおり、第１の電波レンズ１１１の出力ポート位置（接続用ポートＢ１〜Ｂ８）と出力位相との関係は直線的であることが理想的である。しかし、実際には、直線的な関係が得られるのは、レンズの焦点位置に対応する一部のポートから信号が入力された場合だけであり、それ以外のポートから入力された信号の出力位相には誤差が生じ、直線的な関係が得られない。この出力位相に生じる誤差が大きい場合は、信号が給電されるポートによってビーム形成回路により得られるアンテナ素子の励振分布の形状が大きく異なることとなる。
【００６１】
図１４において、理想的な出力位相（直線Ｌ１）と実際の出力位相（曲線Ｃ１）との差分を位相誤差Δφとする。そして、出力ポートＢ１〜Ｂ８位置の中心を出力ポート位置の原点にとり、位相誤差Δφを出力ポート位置の多項式で表したとき、奇数次の関数（１次、３次関数等）で表される位相誤差Δφの成分を位相誤差の奇数次成分という。一方、偶数次の関数（２次、４次関数等）で表される位相誤差Δφの成分を位相誤差の偶数次成分という。
【００６２】
本実施形態に係るビーム形成回路は、この位相誤差の奇数次成分を軽減することを目的とするものである。
図１５において、破線で示される曲線Ｃ３は、第１の電波レンズ１１１のポート３から信号を入力した場合の出力信号の位相面を示したものであり、一点鎖線で示される直線Ｌ３は、この場合の理想的な位相面を示したものである。第１の電波レンズ１１１における出力位相は、理想的な位相と比較して、ポートｂやポートｃにおいて進んでおり、ポートｆやポートｇにおいては遅れている。しかし、第２の電波レンズ１１２は第１の電波レンズ１１１と同一設計のレンズであり、第２の電波レンズでは、ポートｂやポートｃにおいては位相が遅れて入力され、ポートｆやポートｇにおいては進んで入力されることとなるため、位相誤差の奇数次成分が打ち消し合うこととなる。
【００６３】
このように、本実施形態に係るビーム形成回路によれば、位相誤差の奇数次成分を相殺することができるので、信号が入力されるビームポート位置の違いによる励振分布形状の変化を小さくすることができる。よって、焦点が１個しか存在しない簡単な設計の電波レンズを用いてビーム形成回路を構成した場合でも、信号が入力されるビームポート位置の違いによる励振分布の形状変化を小さく抑えることが可能である。そこで、本実施形態のビーム形成回路は、トーラス鏡面を用いたマルチビームアンテナ用のビーム形成回路のように、信号を入力するビームポート位置によって励振分布形状を変化させたくないような場合に適している。さらに、位相誤差の偶数次成分が小さくなるように設計された複数個の焦点を有するレンズ［参考文献：W.Rotman,”Wide-Angle Microwave Lens for Line Source Applications”, IEEE Trans. Antennas propagate. AP-11, pp623-632, Nov 1963、参照］を用いることとすれば、出力誤差を非常に小さくすることができる。
【００６４】
（第３の実施形態）
本実施形態に係るビーム形成回路は、上記第１の実施形態に係るビーム形成回路とほとんど同じであるが、第１の電波レンズの複数の接続用ポートと第２の電波レンズの複数の接続用ポートとが、それぞれ増幅器を介して接続されることを特徴とするものである。以下、図面を用いて本実施形態について説明するが、第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【００６５】
図１６は、本実施形態に係るビーム形成回路の構成を示す図である。図１６において、第１の電波レンズ１３１の６つの接続用ポートＢ２〜Ｂ７と第２の電波レンズ１３２の６つの接続用ポートＣ２〜Ｃ７とが、それぞれ増幅器１４１〜１４６を介して接続されている。
【００６６】
このように、２つの電波レンズ１３１、１３２の６つの接続用ポートの間のそれぞれに増幅器１４１〜１４６を配置した場合には、どのビームポートＡ１〜Ａ９に信号を給電した場合でも、すなわちどの方向にビームを形成する場合でも、すべての増幅器１４１〜１４６が使用されることから、共通増幅機能を持たせることが可能となる。一般に、増幅器は信号が入力されていなくとも電力を消費し、飽和出力の大きな増幅器ほど大きな電力を消費する傾向がある。このため、増幅器に入力される信号の変動が少ないほど消費電力を低く抑えることが可能となる。共通増幅を行う本実施形態の構成においては、ビーム方向によらず常に複数の増幅器１４１〜１４６によって信号増幅を行うため、１個あたりの増幅器の出力は小さくて良いとともに増幅器に入力される信号の変動が少ない。このため、消費電力を低く抑えることが可能となる。また、一般的に、飽和出力が大きい増幅器は割高であり、要求される出力が大きな場合は小出力な増幅器を複数個用いた方が低コストとなる。本実施形態に係るビーム形成回路は、複数個の増幅器１４１〜１４６を用いているので、１個あたりの増幅器に要求される出力が小さい。このため、本実施形態によれば、ビーム形成回路の低コスト化が可能である。
【００６７】
本実施形態において、第１の電波レンズ１３１の接続用ポートＢ２〜Ｂ７と第２の電波レンズ１３２の接続用ポートＣ２〜Ｃ７との間に設けられた増幅器１４１〜１４６のそれぞれの利得を略同一とすれば、増幅器のバイアス値を変える等の手段によって個々の増幅器出力を調整する必要が無く、低コスト化に有効である。また、増幅器として同じ物を用いればよいことから、増幅器の特性のバラツキ（例えば温度特性や経年劣化に伴う特性変化や製造誤差に起因するバラツキ）が少なくなり、ビーム形成回路の動作が安定する。特に、同一製造ロットの増幅器を用いることとすれば、個々の増幅器の特性のバラツキを非常に小さく抑えることが可能となる。さらに、使用する増幅器が１種類であるので、増幅器が故障した場合のための冗長回路を設ける場合、複数種類の増幅器を準備する必要が無く、低コスト化に有効である。図１７は、図１６のビーム形成回路に冗長回路１５０を設けた場合の構成を示す図である。この冗長回路１５０には、増幅器１４１〜１４６と利得が略同一である増幅器１４７が設けられている。このように、増幅器１４１〜１４６のそれぞれの利得が略同一であれば、１個の増幅器１４７を予備として準備することで、どの増幅器の故障にも対処可能な冗長回路を効率的に組むことが可能である。
【００６８】
（第４の実施形態）
本実施形態に係るビーム形成回路は、上記第１の実施形態に係るビーム形成回路とほとんど同じであるが、第２の電波レンズの複数の接続用ポートの信号電力分布がガウス関数型の分布であることを特徴とするものである。以下、図面を用いて本実施形態について説明するが、第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【００６９】
図１８は、本実施形態に係るビーム形成回路の構成を示す図である。図１８において、第１の電波レンズ１６１の８つの接続用ポートＢ１〜Ｂ８と第２の電波レンズ１６２の８つの接続用ポートＣ１〜Ｃ８とが、それぞれ増幅器１７１〜１７８を介して接続されている。そして、２つの電波レンズ１６１、１６２の間にある増幅器１７１〜１７８の利得をそれぞれ変えることによって、第２の電波レンズ１６２の複数の接続用ポートＣ１〜Ｃ８の信号電力分布をガウス関数型の分布にしている。
【００７０】
図１９は、図１８のビーム形成回路において、アンテナ素子１８１〜１８８に励振される信号の振幅分布を示す図である。図１９において、分布１〜４は、それぞれ、信号をビームポートＡ８、Ａ７、Ａ６、Ａ５に給電した場合の振幅分布である。
【００７１】
一般に、電波レンズに入力された信号の電力分布がガウス関数型の分布である場合は、出力される電力分布もまたガウス関数型またはガウス関数型に非常に近い分布となる。ここで、ガウス関数は、Ａ×Ｅｘｐ[−Ｂ×Ｘ×Ｘ]、（ＡとＢはパラメータ、Ｘは変数）で表される関数である。ガウス関数型の励振分布でアンテナ素子が励振された場合は、一次放射ビームもガウス関数型の分布またはガウス関数型に非常に近い分布となる。そして、アンテナ開口面（反射鏡面あるいは誘電体レンズ）もガウス関数型の分布またはガウス関数型に非常に近い分布の振幅テーパで照射されることになる。ガウス関数で表わされる振幅テーパの開口面励振分布（ガウス分布）は、低サイドローブの指向性パターンを与えるものとして知られており、低サイドローブかつ高利得の指向性パターンを与える分布として代表的なテイラー分布と非常に良く似ていることが知られている。本実施形態のビーム形成回路をアンテナに用いることにより、開口面の振幅分布にガウス関数型のテーパーを付けることができる。これによって、サイドローブ特性を改善し、良好なビームパターン特性を得ることができる［参考文献：電子通信学会編「アンテナ工学ハンドブック」，５章＆１５章，オーム社、参照］。
【００７２】
なお、本実施形態では、増幅器を用いることによりガウス関数型の電力分布を得ることとしているが、これに限られず、第２の電波レンズの複数の接続用ポートの信号電力分布をガウス関数型の分布にすることができれば、他の任意の手段を採用することができる。図２０は、第２の電波レンズの複数の接続用ポートの信号電力分布をガウス関数型の分布にするための別の構成例を示す図である。図２０においては、第１の電波レンズ１９１の接続用ポートＢ２〜Ｂ７に対応するテーパー部Ｔ１２〜Ｔ１７のテーパー形状（主としてテーパーの幅）を変えることによって、第２の電波レンズ１９２の複数の接続用ポートＣ２〜Ｃ７の信号電力分布をガウス関数型の分布にしている。図２０において、第２の電波レンズ１９２の接続用ポートＣ２〜Ｃ７に対応するテーパー部Ｔ２２〜Ｔ２７のテーパー形状を変えることによって、接続用ポートＣ２〜Ｃ７の信号電力分布をガウス関数型の分布にしてもよい。
【００７３】
（第５の実施形態）
本実施形態に係るビーム形成回路は、上記第１の実施形態に係るビーム形成回路とほとんど同じであるが、第１の電波レンズの接続用ポートと第２の電波レンズの接続用ポートとが、位相器を介して接続されること、および、エレメントポートが位相器を介してアンテナ素子と接続されることを特徴とするものである。以下、図面を用いて本実施形態について説明するが、第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【００７４】
図２１は、本実施形態に係るビーム形成回路の構成を示す図である。図２１において、第１の電波レンズ２０１の６つの接続用ポートＢ２〜Ｂ７と第２の電波レンズ２０２の６つの接続用ポートＣ２〜Ｃ７とが、それぞれ位相器２１１〜２１６および増幅器２２１〜２２６を介して接続されている。また、第２の電波レンズ２０２の９つのエレメントポートＤ１〜Ｄ９は、それぞれ位相器２３１〜２３９を介してアンテナ素子２４１〜２４９に接続されている。
【００７５】
このように、本実施形態のビーム形成回路は、２つの電波レンズ２０１、２０２の間に位相器が設けられているので、アンテナ素子２４１〜２４９の励振（振幅分布および位相分布）の調整を行うことができる。また、信号が増幅器２２１〜２２６を通過する際に生じる位相遅延量を補正することができる。
【００７６】
また、本実施形態のビーム形成回路は、第２の電波レンズ２０２のエレメントポートＤ１〜Ｄ９が位相器２３１〜２３９を介してアンテナ素子２４１〜２４９に接続されているので、アンテナ素子２４１〜２４９の励振位相を調整することができる。
【００７７】
このように、２つの電波レンズ２０１、２０２の間または第２の電波レンズ２０２とアンテナ素子２４１〜２４９との間に位相器を設けることにより、励振分布の調整自由度が高くなり、より多様な励振分布を実現することが可能となる。
【００７８】
また、マイクロストリップ線路や導波管等に用いられる位相器は、固定位相器の場合でも、実装後に容易に位相量を微調整できる物も多く、このような位相器においてはビーム形成回路の製造誤差の補償を行うことも可能となる。一方、これらの位相器として可変位相器を用いた場合は、ビーム形成回路の製造誤差を補償するだけでなく、ビーム形成回路の温度特性等の補償や励振分布の動的な制御を行うことも可能となる。
【００７９】
なお、本実施形態では、２つの電波レンズ２０１、２０２の間の位相器２１１〜２１６および増幅器２２１〜２２６、ならびに、第２の電波レンズ２０２とアンテナ素子２４１〜２４９との間の位相器２３１〜２３９をすべて設けることとしているが、位相器２１１〜２１６のみを設けることもできるし、位相器２３１〜２３９のみを設けることもできる。また、増幅器２２１〜２２６を省略することもできる。
【００８０】
また、本実施形態では、２つの電波レンズ２０１、２０２のすべての接続用ポートについて位相器２１１〜２１６を介して接続することとしているが、必ずしもすべての接続用ポートについて位相器を設ける必要はない。同様に、すべてのエレメントポートＤ１〜Ｄ９について位相器を設ける必要もない。
【００８１】
（第６の実施形態）
本実施形態に係るアンテナ装置は、本発明に係るビーム形成回路を用いて構成されている。以下、本実施形態について図面を参照して説明する。
【００８２】
図２２は、本実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。図２２において、アンテナ装置は、本発明に係るビーム形成回路１１００と反射鏡１２００とを有し、信号Ｓ１０に応じて複数のビームが形成される。
【００８３】
本実施形態に係るアンテナ装置によれば、本発明に係るビーム形成回路を用いているので、ビーム形成回路を簡易な平面回路で構成することができ、アンテナ装置の低コスト化を図ることができる。
【００８４】
また、本発明に係るビーム形成回路を用いているので、ビーム形成回路のポート数が制限されないため設計の自由度が大きく、アンテナの要求条件に合った適切なアンテナ素子数とビームポート数を設定することが可能である。また、励振分布が反対側に折り返されることがないため、ビーム方向を大きく変化させた場合においても大きなサイドローブを生じさせないという利点がある。
【００８５】
なお、図２２に示される本実施形態に係るアンテナ装置は、いわゆるマルチビームアンテナであるが、本発明に係るビーム形成回路を備えたビーム走査アンテナを構成することもできる。この場合、マルチビームアンテナ用のビーム形成回路１１００をビーム走査アンテナ用のビーム形成回路とするためには、複数の給電ポート１１１０を切り替えて使用するための切替スイッチ等が必要となる。このようなビーム走査アンテナにおいても、本実施形態のマルチビームアンテナと同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００８６】
上記第１〜６の実施形態においては、本発明に係るビーム形成回路を送信に用いる場合について説明したが、受信に用いることもできる。この場合、送信の場合と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば、互いに接続された２つの電波レンズを用いてビーム形成回路を構成することとしているので、簡易な構成により実現されるビーム形成回路およびこれを備えたアンテナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るビーム形成回路の構成を示す図である。
【図２】他のビーム形成回路の例を示す図である。
【図３】他のビーム形成回路の例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に用いられる電波レンズの断面構成図である。
【図５】第１の実施形態に用いられる電波レンズの平面構成図である。
【図６】アンテナ素子に給電される電力を調整するために、テーパー形状をそれぞれ変えているビーム形成回路を示す図である。
【図７】導体板１１ｃの電流分布の計算結果を示す図である。
【図８】電波レンズ、増幅器、およびアンテナ素子が同一のプリント基板上に設けられたアンテナ装置の構成を示す図である。
【図９】他の構成による電波レンズの一例を示す図である。
【図１０】他の構成による電波レンズの一例を示す図である。
【図１１】第１の実施形態において、第２の電波レンズの両端の接続用ポートを終端ポートとした場合のビーム形成回路を示す図である。
【図１２】電波レンズが導体板の両面に形成されているビーム形成回路を示す斜視図である。
【図１３】位相傾きを説明するための電波レンズを示す図である。
【図１４】出力ポート位置と出力位相との関係を示す図である。
【図１５】第２の実施形態に係るビーム形成回路の構成を示す図である。
【図１６】第３の実施形態に係るビーム形成回路の構成を示す図である。
【図１７】図１６のビーム形成回路に冗長回路を設けた構成を示す図である。
【図１８】第４の実施形態に係るビーム形成回路の構成を示す図である。
【図１９】第４の実施形態においてアンテナ素子に励振される信号の振幅分布を示す図である。
【図２０】第２の電波レンズの複数の接続用ポートの信号電力分布をガウス関数型の分布にするための別の構成例を示す図である。
【図２１】第５の実施形態に係るビーム形成回路の構成を示す図である。
【図２２】第６の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図２３】従来のマルチビームアンテナの構成を示す図である。
【図２４】クラスタ給電により個々のビームを形成するマルチビームアンテナの構成を示す図である。
【図２５】誘電体レンズを用いたビーム走査アンテナの構成を示す図である。
【図２６】従来のビーム形成回路の構成を示す図である。
【図２７】バトラーマトリクス回路を用いたビーム走査アンテナのビーム形成回路の構成を示す図である。
【図２８】図２７のビーム形成回路において、アンテナ素子に励振される信号の振幅分布の変化を示す図である。
【符号の説明】
１１、３１、４１、１０１、１１１、１３１、１６１、１９１、２０１  第１の電波レンズ
１２、３２、４２、１０２、１１２、１３２、１６２、１９２、２０２  第２の電波レンズ
Ａ１〜Ａ９  ビームポート
Ｂ１〜Ｂ９  接続用ポート
Ｃ１〜Ｃ９  接続用ポート
Ｄ１〜Ｄ９  エレメントポート
Ｃ１´、Ｃ２´、Ｃ７´、Ｃ８´  終端ポート
２１〜２８、５１〜５８、１２１〜１２９、１８１〜１８８、２４１〜２４９アンテナ素子
１４１〜１４７、１７１〜１７８、２２１〜２２６  増幅器
１５０  冗長回路
２１１〜２１６、２３１〜２３９  位相器
１１００  ビーム形成回路
１２００  反射鏡
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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