(57)【要約】【課題】可変リアクタンス素子の少ないリアクタンス変移量で利得変化が少なく大きなビーム走査角を得ることができるフェーズドアレイアンテナを提供する。【解決手段】給電端子４より給電される電力は、給電線路１を介して可変リアクタンス素子301を有するパッチアンテナ３素子からなる素子群201に給電され、パッチアンテナ３素子により位相遅延を受け、さらに給電線路１を介して信号は素子群202,203に給電されて同じ量の位相遅延を受ける。可変リアクタンス素子301〜303を同時に制御すると素子群間に等間隔な位相差がつき、擬似的な３素子アレイアンテナとして機能する。【選択図】図１０
2005039751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板上に複数の線分型導体片またはＵ字型線状導体片または矩形導体片により構成される導体片群を具備する移相器であって、
該導体片群を構成する導体片のうち少なくとも２つ以上は可変リアクタンスを具備し、
該導体片群を構成する全ての導体片は、他の導体片との間の電磁的または導体による信号伝送手段または他の導体片と接触する手段または該可変リアクタンスを介する手段によって、直接的または間接的な結合手段を他の全ての導体片との間に具備し、
該導体片群を構成する少なくとも１つ以上の導体片が信号入力用または出力用の端子を具備し、該端子数の合計が少なくとも２以上である導体片群を具備することを特徴とする可変移相器。
【請求項２】
請求項１に記載の可変移相器であって、
該導体片群を構成する導体片は、仮想的な一つの直線上に導体片の一部が交差するように配列されていることを特徴とする可変移相器。
【請求項３】
複数のアンテナ素子を具備するフェーズドアレイアンテナであって、
該フェーズドアレイアンテナは、少なくとも一つ以上の可変リアクタンス素子を有するアンテナ素子を二つ以上含む素子群を二群以上具備し、
該素子群は、素子群を構成する素子間に電磁的な信号伝送手段または導体による信号伝送手段を具備することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項４】
請求項３に記載のフェーズドアレイアンテナであって、
該素子群は、動作周波数における半径１波長の仮想的な球体内に存在する複数のアンテナ素子で構成される素子群であることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項５】
請求項３または４に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
該素子群を構成する該アンテナ素子は、励振方向が平行な二つ以上の素子を含み、それらの励振方向と直交する直線とそれらのアンテナ素子の中心との距離が動作周波数の半波長以下であるか、または励振方向と平行な直線とそれらのアンテナ素子の中心との距離が動作周波数の半波長以下であるアンテナ素子群を二つ以上具備することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、
該アンテナ素子は、パッチアンテナであることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項７】
請求項６に記載のフェーズドアレイアンテナであって、
該素子群を構成するパッチアンテナ素子のうち少なくても一素子以上は２つ以上の信号伝送手段を具備し、該パッチアンテナの励振方向と平行で該パッチアンテナ素子の中心を通る直線の異なる側であって、かつ該パッチアンテナの励振方向と直交し該パッチアンテナ素子の中心を通る直線の異なる側に該信号伝送手段を具備することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項８】
請求項６または７に記載のフェーズドアレイアンテナであって、
可変リアクタンスを具備するパッチアンテナ素子のうち一素子以上がスタブを具備し、該スタブと該アンテナ素子の間の両方に接続された可変リアクタンス素子を具備することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項９】
請求項３乃至８のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、
該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群の給電手段が、並列給電回路または直列給電回路であることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１０】
請求項３乃至８のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、
該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段が直列給電回路であり、素子群の間隔が等間隔であることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１１】
請求項３乃至１０のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、
該フェーズドアレイアンテナは、バイアス電源を具備し、給電手段と該素子群を構成する素子間の信号伝送手段が、該フェーズドアレイアンテナを構成する可変リアクタンス付きアンテナ素子と該バイアス電源間の接続手段であることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１２】
請求項３乃至１１のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、
該素子群を構成するアンテナ素子のうち一つ以上のアンテナ素子が無給電素子である素子群を具備することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段が直列給電回路であって、かつ該直列給電回路は少なくとも２つ以上の入出力端子を具備し、該入出力端子のうち少なくとも１つ以上の端子は、端子に負荷インピーダンスを接続・端子を開放・端子を短絡・端子に信号源を接続する４つの状態のうち少なくとも２つ以上の状態を与えうる入出力端子であることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１４】
請求項９乃至１３の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段が直列給電回路であり全ての素子群が直列給電回路により直列に接続され、かつ直列に接続された複数の素子群間のうち両端にある素子群が１つずつ入出力端子を具備するフェーズドアレイアンテナであって、直列給電回路に１つ以上の信号増幅手段を具備することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１５】
請求項９乃至１４の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段が直列給電回路であり全ての素子群が直列給電回路により直列に接続され、かつ直列に接続された複数の素子群のうち少なくとも一方の端にある素子群が入出力端子を具備するフェーズドアレイアンテナを２つ以上具備し、複数の該フェーズドアレイアンテナへの給電手段が並列給電回路であることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１６】
請求項６乃至８の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
該フェーズドアレイアンテナは、該パッチアンテナ素子の地板導体に構成されるスロットアンテナ、またはスロットアンテナが構成された導体板を具備することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１７】
請求項８に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
該フェーズドアレイアンテナはバイアス電源を具備し、
スタブとグランド間に両方と接続される抵抗器を具備するか、またはスタブとバイアス電源間に両方と接続される抵抗器を具備することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１８】
請求項８に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
該フェーズドアレイアンテナはバイアス電源を具備し、
グランドあるいはバイアス電源と接続された導体片または線状導体をスタブと同一面上に具備し、該導体片または該線状導体は該導体片または該線状導体とスタブの両方と接続される抵抗器を具備することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１９】
請求項６乃至１８の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
該素子群は励振方向がほぼ平行な複数のパッチアンテナ素子を含み、該素子群は該素子群を構成する励振方向がほぼ平行な複数のパッチアンテナ素子の励振方向と直交し素子中心を通りかつパッチアンテナと同一面に描かれる仮想的な直線がそれぞれ互いに包含されない素子群であることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２０】
請求項１９に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
該素子群が二つの平行な仮想的な直線上に整列し二つのリニアアレイを構成し、
該素子群を構成するパッチアンテナ素子の励振方向と該素子群が整列する仮想的な直線のなす角が９０度以外であり、二つのリニアアレイの形状は二つのリニアアレイと平行でありかつ同一面にありかつ等距離にある仮想的な直線を基準として互いに対称であることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２１】
請求項２０に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
二つのリニアアレイはリニアアレイ間に位相差または振幅差を与えうる位相可変手段または振幅可変給電手段を備える給電手段を具備することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コスト・低損失なフェーズドアレイアンテナを提供することを目的とした、可変移相器およびフェーズドアレイアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フェーズドアレイアンテナを実現するためには、素子毎に位相差をつけるためにアンテナ給電回路に位相制御手段を構成していた。
図２５に従来のフェーズドアレイアンテナの第一の構成例を示す。
図中、31は給電端子、32は給電回路、33はディバイダ、34は移相器、35はアレイアンテナ、36は地板付き誘電体基板であり、本構成は平面アンテナを用いたフェーズドアレイアンテナである。給電端子31より給電される電力はディバイダ33により分配され、34の移相器により位相を制御されて35のアレイアンテナに到着し、電磁波として放射される。素子毎に放射位相が異なるため、アレイアンテナの指向性は位相分布に応じて制御される。
【０００３】
図２６に従来におけるフェーズドアレイアンテナの第二の構成例を示す。
41は給電端子、42はマイクロストリップ線路による低インピーダンスの直列給電線路、44はマイクロストリップアンテナによる放射素子、43は42の給電線路と45の誘電体基板の裏側にある地板との間に装荷された可変リアクタンス素子群である。また、46は電力の反射を抑制するための終端抵抗である。本アンテナはコムラインアンテナの給電線路上に可変リアクタンス素子を装荷することにより構成された直列給電型平面フェーズドアレイアンテナである（非特許文献１  参照）。給電端子41より給電された電力は放射素子群によって伝送と共に放射されてゆくが、同時に線路上の可変リアクタンス素子群により位相の変化を受ける。ここで、放射素子44は実効波長にて半波長間隔で配置されることにより全ての素子の位相が同じになるように構成され、また直列給電回路42は可変リアクタンス素子43による透過電力の大きな減衰を避けるため、幅の広い低インピーダンス線路が用いられる。また、43の可変リアクタンス素子（例えば、可変容量ダイオード）は１組ずつ配置され、間隔は実効波長にて１／４波長とすることによって、リアクタンス素子による反射特性の影響を低減できる。可変リアクタンス素子のリアクタンス値を制御すると（例えば、可変容量ダイオードの逆バイアス電圧を制御すると）放射素子間に段階的に位相差が生じ、ビームを走査することができる。可変リアクタンスは全てを同時に互いに同じ値で制御されるため、制御が簡単で、また給電回路も簡単で、エッチングによりアンテナと同時に構成できるため、低コストにフェーズドアレイアンテナが実現できる。
【非特許文献１】J.R.James,G.D.Evans,A.Fray,'Beam scanning microstrip arrays using diodes',IEEE proc.H,Vol.140,No.1,1993
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来における第一の構成例のフェーズドアレイアンテナでは、移相器の損失が大きいうえ、移相器と給電回路とアンテナを別々に構成するため、それぞれの損失が大きく、アンテナ効率が大幅に低下するという問題があった。また、アレイ数が大きくなると給電線路損の影響が大きくなりやすく、移相器に求められる位相変移量が360度必要になるため、更なる損失の増加が問題となる。また全ての移相器を個別に制御する必要があるため、制御が複雑化していた。
【０００５】
従来における第二の構成例のフェーズドアレイアンテナでは、給電線路に直接可変リアクタンス素子を構成するため、可変リアクタンスによる損失が大きくなる他、反射によって透過特性が大きく変わり素子の電力分布が変化するため、アンテナ利得の低下が生ずるという問題があった。また、前述の理由により線路に移相器を構成するためには、線路上に可変リアクタンス（例えば、可変容量ダイオード）を１／４波長間隔で取り付ける必要がある。そのため、線路に移相器とアンテナを交互に配置する構成をとるという理由により、アンテナ素子間隔の制限がある場合は、移相器の多段化を行うスペースが線路上になく、反射が十分に低い範囲でリアクタンス値を制御した場合十分な位相変移が得られずビーム走査範囲が狭くなるという問題があった。
本発明は、損失の低減化、制御の簡易化、電流分布不均一化によるアンテナ利得減少の抑制、ビーム走査範囲の広角化の課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、従来における問題点である、移相器の損失や給電回路の損失、または複雑な制御性または電力分布変化による利得低下やビーム走査範囲の改善を目的として考案されたものであり、低損失な可変移相器および、低損失で、簡易な制御性を有した利得変化の少ない、ビーム走査範囲の広いフェーズドアレイアンテナを提供するものである。
【０００７】
請求項１の発明によれば、誘電体基板上に複数の線分型導体片またはＵ字型線状導体片または矩形導体片により構成される導体片群を具備する移相器であって、該導体片群を構成する導体片のうち少なくとも２つ以上は可変リアクタンスを具備し、該導体片群を構成する全ての導体片は、他の導体片との間の電磁的または導体による信号伝送手段または他の導体片と接触する手段または該可変リアクタンスを介する手段によって、直接的または間接的な結合手段を他の全ての導体片との間に具備し、該導体片群を構成する少なくとも１つ以上の導体片が信号入力用または出力用の端子を具備し、該端子数の合計が少なくとも２つ以上である導体片群を具備することを特徴とする。
請求項２の発明によれば、請求項１記載の可変移相器であって、該可変移相器は、該導体片群を構成する導体片は仮想的な一つの直線上にその一部が交差するように配置されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明によれば、複数のアンテナ素子を具備するフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナは、少なくとも一つ以上の可変リアクタンス素子を有するアンテナ素子を二つ以上含む素子群を二群以上具備し、該素子群は素子群は素子群を構成する素子間に電磁的な信号伝送手段または導体による信号伝送手段を具備することを特徴とする。
請求項４の発明によれば、本発明は請求項３記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群は、動作周波数における半径１波長の仮想的な球体内に存在する複数のアンテナ素子で構成される素子群であることを特徴とする。
【０００９】
請求項５の発明によれば、請求項３または４記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群を構成する該アンテナ素子は励振方向が平行な二つ以上の素子を含み、それらの励振方向と直交する直線とそれらのアンテナ素子の中心との距離が動作周波数の半波長以下であるか、または励振方向と平行な直線とそれらのアンテナ素子の中心との距離が動作周波数の半波長以下であるアンテナ素子群を二つ以上具備することを特徴とする。
請求項６の発明によれば、請求項３乃至５のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該アンテナ素子がパッチアンテナであることを特徴とする。
【００１０】
請求項７の発明によれば、請求項６記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群を構成するパッチアンテナ素子のうち少なくとも一素子以上は２つ以上の信号伝送手段を具備し、該パッチアンテナの励振方向と平行で該パッチアンテナ素子の中心を通る直線の異なる側であって、かつ該パッチアンテナの励振方向と直交し該パッチアンテナ素子の中心を通る直線の異なる側に該信号伝送手段を具備することを特徴とする。
請求項８の発明によれば、請求項６または７記載のフェーズドアレイアンテナであって、可変リアクタンスを具備するパッチアンテナ素子のうち一素子以上がスタブを具備し、該スタブと該アンテナ素子の間の両方に接続された可変リアクタンス素子を具備することを特徴とする。
【００１１】
請求項９の発明によれば、請求項３乃至８のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群の給電手段が、並列給電回路または直列給電回路であることを特徴とする。
請求項１０の発明によれば、本発明は請求項３乃至８のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段が直列給電回路であって、素子群の間隔が等間隔である事を特徴とする。
請求項１１の発明によれば、本発明は請求項３乃至１０のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナはバイアス電源を具備し、給電手段と該素子群を構成する素子間の信号伝送手段が、該フェーズドアレイアンテナを構成する可変リアクタンス付アンテナ素子と該バイアス電源間の接続手段であることを特徴とする。
【００１２】
請求項１２の発明によれば、請求項３乃至１１のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群を構成するアンテナ素子のうち一つ以上のアンテナ素子は無給電素子であることを特徴とする。
請求項１３の発明によれば、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段が直列給電回路であって、かつ該直列給電回路は少なくとも２つ以上の入出力端子を具備し、該入出力端子のうち少なくとも１つ以上の端子は、端子に負荷インピーダンスを接続・端子を開放・端子を短絡・端子に信号源を接続する４つの状態のうち少なくとも２つ以上の状態を与えうる入出力端子であることを特徴とする。
【００１３】
請求項１４の発明によれば、請求項９乃至１３の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段が直列給電回路であり、全ての素子群が直列給電回路により直列に接続され、かつ直列に接続された複数の素子群のうち両端にある素子群が１つずつ入出力端子を具備するフェーズドアレイアンテナであって、直列給電回路に１つ以上の信号増幅手段を具備することを特徴とする。
請求項１５の発明によれば、請求項９乃至１４の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段が直列給電回路であり、全ての素子群が直列給電回路により直列に接続され、かつ直列に接続された複数の素子群のうち少なくとも一方の端にある素子群が入出力端子を具備するフェーズドアレイアンテナを２つ以上具備し、複数の該フェーズドアレイアンテナへの給電手段が並列給電回路であることを特徴とする。
【００１４】
請求項１６の発明によれば、請求項６乃至８の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナは、該パッチアンテナ素子の地板導体に構成されるスロットアンテナ、またはスロットアンテナが構成された導体板を具備することを特徴とする。
請求項１７の発明によれば、請求項８に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナはバイアス電源を具備するフェーズドアレイアンテナであって、スタブとグランド間に両方と接続される抵抗器を具備するか、またはスタブとバイアス電源間に両方と接続される抵抗器を具備することを特徴とする。
【００１５】
請求項１８の発明によれば、請求項８に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナはバイアス電源を具備するフェーズドアレイアンテナであって、グランドあるいはバイアス電源と接続された導体片または線状導体をスタブと同一面上に具備し、該導体片または該線状導体は、該導体片または該線状導体とスタブの両方と接続される抵抗器を具備することを特徴とする。
請求項１９の発明によれば、請求項６乃至１８の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群は励振方向がほぼ平行な複数のパッチアンテナ素子を含み、該素子群は該素子群を構成する励振方向がほぼ平行な複数のパッチアンテナ素子の励振方向と直交し素子中心を通りかつパッチアンテナと同一面に描かれる仮想的な直線がそれぞれ互いに包含されない素子群であることを特徴とする。
【００１６】
請求項２０の発明によれば、請求項１９に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群が二つの平行な仮想的な直線上に整列し二つのリニアアレイを構成するフェーズドアレイアンテナであって、該素子群を構成するパッチアンテナ素子の励振方向と該素子群が整列する仮想的な直線がなす角が９０度以外であり、二つのリニアアレイの形状は二つのリニアアレイと平行でありかつ同一面にありかつ等距離にある仮想的な直線を基準として互いに対称であることを特徴とする。
請求項２１の発明によれば、請求項２０に記載のフェーズドアレイアンテナであって、二つのリニアアレイはリニアアレイ間に位相差または振幅差を与えうる位相可変手段または振幅可変給電手段を備える給電手段を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上述べたように本発明によれば、本発明はアレイ数増加による移相器や給電回路の損失増加が小さく、ビーム走査角度が大きく、ビーム走査に伴う利得変化が少なく、制御が簡易なフェーズドアレイアンテナを提供することができる。従来技術では、フェーズドアレイアンテナを実現するために、移相器や給電回路を個別に構成していたため、損失が大きな問題となっていた。また線路にリアクタンス素子を付けることにより線路と移相器を一体化する手法では低損失化が可能であるが、ビーム走査範囲が狭くなるという問題があった。
【００１８】
請求項１の発明によれば、誘電体基板上に複数の線分型導体片またはＵ字型線状導体片または矩形導体片により構成される導体片群を具備する移相器であって、該導体片群を構成する導体片のうち少なくとも以上は可変リアクタンスを具備し、該導体片群を構成する全ての導体片は、他の導体片との間の電磁的または導体による信号伝送手段または他の導体片との接触する手段または該可変リアクタンスを介する手段によって、直接的または間接的な結合手段を他の全ての導体片との間に具備し、該導体片群を構成する少なくとも１つ以上の導体片が信号入力用または出力用の端子を具備し、該端子数の合計が少なくとも以上である導体片群を具備することを特徴とする。
可変リアクタンスを複数の導体片端部に付加することによって、可変リアクタンスに流れる電流量の低減が可能となることから、可変リアクタンス素子が有限な実抵抗値を持つ場合でも生じる抵抗損を低減できる。また、全ての導体片を近傍界付近の範囲に配置し、導体片を経て信号伝送手段を介して別な導体片に信号が伝送するような、位相遅延が累積して伝送する構成をとるため、リアクタンスを変化させると位相変移が累積し、大きな位相変移が得られる。これによって、１導体片だけの場合よりも大きな位相変移が得られる。ここで、導体片群あたりの可変リアクタンス付き導体片数を多数化することで、１導体片あたりの位相変移量を減らすことが可能である。従って僅かなリアクタンス変化で大きな位相変移量が得られるため、リアクタンスを大きく変えた場合に生ずる反射損やリアクタンスによる抵抗損失を抑制することが可能な、低損失な可変移相器が実現可能となる。
【００１９】
請求項２の発明によれば、請求項１記載の可変移相器であって、該可変移相器は、該導体片群を構成する導体片は仮想的な一つの直線上に導体片の一部が交差する（重なる）ように配列することを特徴とする。
導体片を直線上に配列することで、構造が規則的になるため、不連続部にて生じる反射や放射の損失を低減するという効果が得られる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、複数のアンテナ素子を具備するフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナは、少なくとも一つ以上の可変リアクタンス素子を有するアンテナ素子を二つ以上含む素子群を二群以上具備し、該素子群は素子群を構成する素子間に電磁的な信号伝送手段または導体による信号伝送手段を具備することを特徴とする。
可変リアクタンス素子をアンテナ素子に構成することによって、可変リアクタンスに流れる電流量の低減が可能となることから、可変リアクタンス素子が有限な実抵抗値を持つ場合でも生じる抵抗損を低減できる。また、一素子群において、全ての素子を近傍界付近の範囲に配置し、素子を経て信号伝送手段を介して別な素子に信号が伝送するような、位相遅延が累積して伝送する構成をとるため、リアクタンスを変化させると位相変移が累積し、大きな位相変移が得られる。これによって、素子が互いに近傍に配置されるため、遠方界では素子群を構成するアンテナ素子平均の位相が観測され、１素子だけの場合よりも大きな位相変移が得られる。ここで、素子群あたりの素子数を多数化することで、素子あたりの位相変移量を減らすことが可能である。つまり僅かな素子のインピーダンス変化で大きな位相変移量が得られるため、ビーム走査角を大きくすることが可能である。よって、低損失で、ビーム走査範囲の広いフェーズドアレイアンテナを提供する事が可能となる。
【００２１】
請求項４の発明によれば、請求項３記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群は、動作周波数における半径１波長の仮想的な球体内に存在する複数のアンテナ素子で構成される素子群であることを特徴とする。
素子群を構成する素子を半径１波長の仮想的な球体内に配置することで、リアクタンス変化による単位素子群の遠方界より観測される放射パターンの変化が低減される。そのため、ビーム走査時の利得変化や利得低下を低減するという効果が得られる。
【００２２】
請求項５の発明によれば、請求項３または４記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群を構成する該アンテナ素子は励振方向が平行な二つ以上の素子を含み、それらの励振方向と直交する直線とそれらのアンテナ素子の中心との距離が動作周波数の半波長以下であるか、または励振方向と平行な直線とそれらのアンテナ素子の中心との距離が動作周波数の半波長以下であるアンテナ素子群を二つ以上具備することを特徴とする。
素子を上記のように配列することで、リアクタンス変化による単位素子群の遠方界より観測される放射パターンの変化が低減される。そのため、ビーム走査時の利得変化や利得低下を低減するという効果が得られる。
【００２３】
請求項６の発明によれば、請求項３乃至５のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該アンテナ素子がパッチアンテナであることを特徴とする。
可変リアクタンス素子をパッチアンテナ素子に構成することによって、従来法における線路上に構成する場合よりも可変リアクタンスに流れる電流量の低減が可能となることから、可変リアクタンス素子が有限な実抵抗値を持つ場合でも生じる抵抗損を低減できる。また素子が互いに近傍に配置されるため、遠方放射界では素子群を構成するパッチアンテナ素子平均の位相が観測され、１素子だけの場合よりも大きな位相変移が得られる。ここで、素子群あたりの素子数を多数化することで、素子あたりの位相変移量を減らすことが可能である。つまり僅かな素子のインピーダンス変化で大きな位相変移量が得られるため、ビーム走査角を大きくすることが可能である。さらに本構成ではアンテナや線路を同一面に構成が可能であるため、エッチングにより一括に作成が可能であるため、製造コストが低減される。よって、低損失で、ビーム走査範囲の広い低コストな平面フェーズドアレイアンテナを提供する事が可能となる。
【００２４】
請求項７の発明によれば、請求項６記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群を構成するパッチアンテナ素子のうち少なくても一素子以上は以上の信号伝送手段を具備し、該パッチアンテナの励振方向と並行で該パッチアンテナ素子の中心を通る直線の異なる側であって、かつ該パッチアンテナの励振方向と直交し該パッチアンテナ素子の中心を通る直線の異なる側に該信号伝送手段を具備することを特徴とする。
両隣にパッチアンテナ素子が存在するパッチアンテナにおいて、両隣の素子との間にそれぞれ一つずつ上記に示す位置に信号伝送手段を持つ場合、それぞれの信号伝送手段に流れる電流方向が逆向きになるため、信号伝送手段より放射される交差偏波成分を抑制する事が可能となる。よって、交差偏波特性が改善される。従って、高い交差偏波特性を持つフェーズドアレイアンテナを提供する事が可能となる。
【００２５】
請求項８の発明によれば、請求項６または７に記載のフェーズドアレイアンテナであって、可変リアクタンスを具備するパッチアンテナ素子のうち一素子以上がスタブを具備し、該スタブと該アンテナ素子の間に両方に接続された可変リアクタンス素子を具備することを特徴とする。
スタブの持つインピーダンスによりアンテナ素子より観測される可変リアクタンスのインピーダンスを固定的にシフトすることが可能となる。よって、可変リアクタンス素子のリアクタンス変移幅が狭い場合でも、動作点をずらす事ができるため、リアクタンス変化値に対して比較的大きな位相変移を生じさせることで、アレイアンテナのビームに大きな走査角を与えることが可能となる。また、アンテナ素子毎にスタブ長を変えて調整しておくことによって、同じリアクタンス値の変化でも素子毎に異なる位相変移を与えることが可能となる。従って、可変リアクタンスの変位幅が限定される場合でも大きなビーム走査角を持つか、または同じリアクタンス制御でも素子毎に異なる位相分布を与えることができるフェーズドアレイアンテナを提供することが可能となる。
【００２６】
請求項９の発明によれば、請求項３乃至８のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群の給電手段が、並列給電回路または直列給電回路であることを特徴とする。
素子群の給電手段を並列給電回路とすることによって、素子群全てが周波数によらずに同相に給電されるため、広帯域化できるという効果が得られる。また直列給電とすることにより、素子群から素子群へ位相遅延が伝搬するためアレイ全体で大きな位相差をつけることが可能で、ビーム走査角を大きくすることができるという効果が得られる。
【００２７】
請求項１０の発明によれば、請求項３乃至８のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段が直列給電回路であって、素子群の間隔が等間隔であることを特徴とする。
素子群の給電手段を直列給電回路とし、素子群を等間隔に並べることで、素子群全てがあるリアクタンスに対し全て同じ遅延量を生ずる素子群であった場合、全ての素子群の全リアクタンス値を同時に制御すると、全ての隣接アレイ間に均等な位相差が生じるため、利得低下が少ないビーム走査が、簡易な制御で実現可能となるという効果が得られる。
【００２８】
請求項１１の発明によれば、請求項３乃至１０のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナはバイアス電源を具備し、給電手段と該素子群を構成する素子間の信号伝送手段が該フェーズドアレイアンテナを構成する可変リアクタンス付きアンテナ素子と該バイアス電源間の接続手段であることを特徴とする。
リアクタンス素子が電圧制御される場合、該信号伝送手段にバイアス電圧をかけることによって、複数の該リアクタンス素子を一斉に制御することができる。これによって、リアクタンス素子ごとの制御線が不要となる。その結果、配線が簡易になる、従って、制御が容易であり配線が簡易なフェーズドアレイアンテナを提供することが可能になるという効果が得られる。
【００２９】
請求項１２の発明によれば、請求項３乃至１１のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群を構成するアンテナ素子のうち一つ以上のアンテナ素子は無給電素子である素子群を具備することを特徴とする。
可変リアクタンスを無給電素子に取り付けることによって、リアクタンスに流れる電流量のさらなる低減が可能となることから、可変リアクタンス素子が有限な実抵抗値を持つ場合でも生じる抵抗損をさらに低減できる。よって、非常に低損失で、ビーム走査範囲の広いフェーズドアレイアンテナを提供する事が可能となるという効果が得られる。
【００３０】
請求項１３の発明によれば、フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段を直列給電回路とし、かつ直列給電回路は少なくとも２つ以上の入出力端子を具備し、該入出力端子のうち少なくとも１つ以上の端子は、端子に負荷インピーダンスを接続・端子を開放・端子を短絡・端子に信号源を接続する４つの状態のうち少なくとも２つ以上の状態を与えるように構成することによって、給電端子を切替ることが可能となるため、端子の状態を切替えにより異なる指向性を得ることが可能となる。よって、それぞれの指向性を互いに異なるビーム方向を形成するようアンテナを構成することによって、ビーム走査範囲を拡大することが可能となる。また、２つ以上の端子に給電した場合、２つの信号を合成することが可能となり、指向性のヌル制御、またはビーム幅や利得の制御が可能となる。また、２つ以上の端子に給電することにより、複数のビームを同時に形成することが可能となる。
また、端子が給電状態以外の場合に、負荷抵抗を接続することによって、給電線路における電力の反射を抑制することができ、ビーム走査時の利得低下を抑制できる。あるいは、有限のインピーダンス、短絡、開放に切替ることによって、直列給電線路に電力を反射させ、その反射位相を制御することによって、ビーム方向やビーム幅や利得を制御することが可能となる。従って、複数の入出力端子を切替え可能とすることによって、容易にビーム走査範囲の拡大やヌル制御やビーム幅や利得の制御が可能な、フェーズドアレイアンテナを提供することができる。
【００３１】
請求項１４の発明によれば、フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段を直列給電回路とし、全ての素子群を直列給電回路により直列に接続し、かつ直列に接続した複数の素子群間のうち両端にある素子群に１つずつ入出力端子を構成し、さらに直列給電回路に１つ以上の信号増幅手段を構成することによって、送信アンテナとして使用する場合は、増幅手段が無い場合と比べ、アレイアンテナ全体の信号振幅分布の偏差を小さくすることができる。従って指向性利得を向上することが可能となる。また、受信アンテナとして使用する場合は、アレイ末端の素子より受信された電力が増幅されるため増幅手段が無い場合と比べより大きな電力が観測される。これによって、雑音電力に対する信号電力のレベルを向上することが可能となる。また、増幅手段に信号伝送の方向性がある場合でも、直列給電回路に同方向で増幅手段を挿入することによって、一方の端子を入力（送信）専用端子、他方を出力（受信）専用端子とすることによって、増幅手段を送信と受信で共用することが可能となり、部品点数を削減し低コスト化が可能となる。
【００３２】
請求項１５の発明によれば、フェーズドアレイアンテナを構成する素子群間の給電手段を直列給電回路とし、全ての素子群を直列給電回路により直列に接続し、かつ直列に接続した複数の素子群のうち少なくとも一方の端にある素子群に入出力端子を構成したフェーズドアレイアンテナを２つ以上用い、それらのフェーズドアレイアンテナへの給電手段が並列給電回路とする。
２つのフェーズドアレイアンテナを、アレイ方向を同じとし、かつアレイ方向と平行な同一直線上に並べ、それぞれの一方の端の入出力端子を近接して配置しそれらの入出力端子に並列給電することにより、２つのアレイによる指向性を合成することによって、それぞれのアレイは給電端より末端に向けて振幅レベルが下がり振幅テーパがつくため低いサイドローブを持つ放射パターンが得られる。よって、全ての素子群の設計は同じで済むため、簡易な設計で低いサイドローブなフェーズドアレイアンテナを実現することが可能となる。また、全ての素子群の設計が同じであるため、２つのフェーズドアレイアンテナ上ではそれぞれ素子群間に均等な位相差が与えられるため、位相差の変動による利得低下が少なく、かつ低サイドローブなフェースドアレイアンテナを実現することが可能となる。
【００３３】
請求項１６の発明によれば、フェーズドアレイアンテナは、該パッチアンテナ素子の地板導体に構成されるスロットアンテナ、またはスロットアンテナが構成された導体板を用いることによって、素子群の放射電力をスロットアンテナ形状により調整することが可能となる。よって、素子群の形状を変えずに放射電力を調整できるため、同じ寸法の素子群を用い、一括制御で均等な位相差を与えることが可能である上、スロットアンテナの形状を適切に設計することによって、スロットの放射電力を均等にすることが可能となる。従って、放射利得を向上することができる。よって、簡易に設計可能で高利得なフェーズドアレイアンテナを実現できる。
【００３４】
請求項１７の発明によれば、請求項８に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナはバイアス電源を具備するフェーズドアレイアンテナであって、スタブとグランド間に両方と接続される抵抗器を具備するか、またはスタブとバイアス電源間に両方と接続される抵抗器を具備することを特徴とする。
従来、オープンスタブ等の平面回路にバイアスを与える場合、バイアス回路に高周波信号が入り込まないようにインダクタやＬＣ並列共振回路や扇状の導体による共振器を介してバイアス線等に平面回路を接続していた。しかし、高周波帯ではインダクタは自己共振周波数以上にてインピーダンスが低下するため、インダクタに大きな電流が流れて損失増加を招く、あるいはスタブの高周波特性が変化するという問題があった。またＬＣ並列共振回路は前述と同様の問題が生じる上、ＬＣ並列共振回路のインピーダンス特性が急峻でありアンテナ周波数特性に影響するため狭帯域化するという問題があった。また、扇状導体による共振器はインピーダンス特性が急峻でありアンテナ周波数特性に影響するため狭帯域化するという問題が生じる上、扇状導体より不要放射を生じるためアンテナ放射特性に大きく影響するという問題があった。
【００３５】
本構成ではスタブを高インピーダンス抵抗を介して接地またはバイアス電源に接続する。周波数特性の緩やかな抵抗を用いる、または挿入リアクタンス成分を持つ抵抗でもインピーダンス絶対値が数百Ω以上の場合は抵抗に高周波電流が流れないため僅かな損失を生ずるだけでありかつスタブの高周波特性に与える影響を低減することができる。また、その場合抵抗のインピーダンスの周波数特性はＬＣ共振回路より遙かに緩やかであるためアンテナの帯域には殆ど影響を与えずに実現できる。また、抵抗には殆ど電流が流れないため、抵抗や抵抗に繋がるグランドまたはバイアス電源に直接高周波電流が流れ込まないため、不要放射が生じにくいというメリットがある。
また、可変リアクタンス素子を放射素子とグランドの間に挿入した場合は、高周波化に伴い可変リアクタンス素子のインピーダンス絶対値が低下するため、可変リアクタンス素子に流入する電流量が増加し、可変リアクタンス素子のインピーダンス成分に抵抗成分がある場合は、損失増加を招いていた。可変リアクタンス素子を介してスタブを接続し、スタブ長を調整することにより、周波数上昇に伴い可変リアクタンス素子のリアクタンス絶対値が減少する場合でも、可変リアクタンス素子に流入する高周波電流を制限することが可能なため、可変リアクタンス素子に損失がある場合でも低損失化を図ることができる。
したがって、広帯域化が可能で、不要放射の少ない、高周波帯においても低損失に構成可能なフェーズドアレイアンテナが実現可能となる。
【００３６】
請求項１８の発明によれば、請求項８に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該フェーズドアレイアンテナはバイアス電源を具備するフェーズドアレイアンテナであって、グランドあるいはバイアス電源と接続された導体片または線状導体をスタブと同一面上に具備し、該導体片または線状導体は該導体片または該線状導体とスタブの両方と接続される抵抗器を具備することを特徴とする。
複数のスタブを、抵抗を介してスタブと同一面に構成した一つの導体片に接続することで、抵抗器の面実装によりスタブとグランドあるいはバイアス電源と低コストに接続することができる。また、導体片は複数のスタブで共有化することで導体片の数を減少することが可能であり、それによって導体片とグランドあるいはバイアス電源への接続手段の数を減少することが可能となる。接続手段が基板上面と背面を繋ぐスルーホールである場合はスルーホールの数を減らすことができるため、アンテナ製作コストの低減が可能となる。また、抵抗は抵抗自身がもつ挿入リアクタンス成分によって高周波帯においてインピーダンスが低下する場合でも、導体片とスタブの接続位置を調整することで抵抗に流れる電流量を低減することが可能であるため抵抗による損失を低減することが可能となる、あるいは高周波帯への適用を想定していない廉価な抵抗を用いることができるため低コスト化が可能となる。従って、スタブを高インピーダンス抵抗と複数スタブで共有の導体片を介して接地またはバイアス電源に接続することで、低損失かつ低コストにフェーズドアレイアンテナが実現可能となる。
【００３７】
請求項１９の発明によれば、請求項６乃至１８の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群は励振方向がほぼ平行な複数のパッチアンテナ素子を含み、該素子群は該素子群を構成する励振方向がほぼ平行な複数のパッチアンテナ素子の励振方向と直交し素子中心を通りかつパッチアンテナと同一面に描かれる仮想的な直線がそれぞれ互いに包含されない素子群であることを特徴とする。
素子群を構成するパッチアンテナを一つずつオフセットし、パッチアンテナの間隔を自由空間での１／３波長以下に近づけることでパッチアンテナの放射が一部打ち消し合い、素子群からの放射が抑制される。これによって、隣接素子群により多くの電力が伝送されるため、多数の素子群を直列接続し大きなアレイを構成しても末端の素子群までより多くの電力が伝達する。素子群間の放射電力振幅の差が減少し多くの素子群を励振できるので、アレイアンテナの利得を向上することができる。従って、本アンテナはパターンをずらすことのみによって高利得化が実現でき、エッチングでアンテナを作成する場合は殆どコスト増加が生じないため、高利得で低コストなフェーズドアレイアンテナが実現可能となる。
【００３８】
請求項２０の発明によれば、請求項１９に記載のフェーズドアレイアンテナであって、該素子群が二つの平行な仮想的な直線上に整列し二つのリニアアレイを構成するフェーズドアレイアンテナであって、該素子群を構成するパッチアンテナ素子の励振方向と該素子群が整列する仮想的な直線がなす角が９０度以外であり、二つのリニアアレイの形状は二つのリニアアレイと平行でありかつ同一面にありかつ等距離にある仮想的な直線を基準として互いに対称であることを特徴とする。
パッチアンテナの長辺方向（励振方向）をアレイ方向と直交しないよう斜めに設定し、二つのリニアアレイの形状を対称とし、二つのリニアアレイに並列給電する。アレイ方向と平行でパッチアンテナを構成する誘電体基板に直交する面内の放射パターンに注目すると、リニアアレイのアレイ方向と直交する偏波の放射成分が打ち消し合い、逆の偏波が強め合う。パッチアンテナ素子が隣接素子に対しオフセットされているため、素子群内においてパッチアンテナの放射が一部打ち消し合い、素子群からの放射が抑制される。これによって、隣接素子群により多くの電力が伝送されるため、多数の素子群を直列接続し大きなアレイを構成しても末端の素子群までより多くの電力が伝達する。素子群間の放射電力振幅の差が減少し多くの素子群を励振できるので、アレイアンテナの利得を向上することができる。従って、励振方向をアレイ方向に対し斜め方向に傾け、対称なアレイを並列されることのみによって直交する偏波を実現し、さらに高利得化が実現でき、エッチングでアンテナを作成する場合は殆どコスト増加が生じないため、高利得で低コストなフェーズドアレイアンテナが実現可能となる。
【００３９】
請求項２１の発明によれば、請求項２０に記載のフェーズドアレイアンテナであって、二つのリニアアレイはリニアアレイ間に位相差または振幅差を与えうる位相可変手段または振幅可変給電手段を備える給電手段を具備することを特徴とする。
二つのリニアアレイに同位相同振幅で給電した場合は、請求項２０と同様な効果が得られる。振幅可変手段により二つのリニアアレイ間に振幅差を与えるとアレイ方向に対し直交する偏波成分が打ち消し合わないため、請求項２０に記載のフェーズドアレイアンテナの主要な偏波成分に対し、直交する偏波成分が加わる。そのため振幅可変手段を調整することで偏波方向を変えることができる。また位相可変手段を適切に調整すると円偏波を放射することができる。可変リアクタンスを制御しビーム方向が変化し円偏波の軸比が変化した場合は、振幅可変手段と位相可変手段を調整することで軸比を修正することができる。また、位相可変手段の移相量を180°とした場合は円偏波とならずに直線偏波となり、請求項２０に記載のフェーズドアレイアンテナと直交する偏波を実現することができる。また、上述の位相可変手段を用いる代わりに、リニアアレイの最も給電側の素子群のみ可変リアクタンス素子を他の素子群と別に制御することでも同様の効果が得られる。また、上述の位相可変手段はリニアアレイと給電手段間に該単位素子群または、請求項１または２に記載の可変移相器を挿入し直列に接続することでも実現できる。従って、直線偏波の偏波方向の制御あるいは円偏波の軸比制御が可能なフェーズドアレイアンテナが実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
図１は本発明における第一実施例の可変移相器の構成図であり、請求項１に関する。
図の可変移相器は地板付き誘電体基板上に構成され、１はマイクロストリップ線路により構成される給電線路（信号伝送手段）、２は可変リアクタンス素子３を有する導体片群で全ての導体片の長辺は動作周波数の約半波長である。導体片群２は９つの導体片を１／４波長ずつシフトし、また途中でシフト方向を変えて配列することにより構成される。導体片は、線分型導体片（細条導体片）またはＵ字型線状導体片または矩形導体片から構成される。可変リアクタンス素子（例えば、可変容量ダイオード）３は一方の端が導体片、他方の端が誘電体基板の裏側にある地板に接続されている。４はの信号入力用または出力用の給電端子で、一方に入力した場合、他方に出力される。
【００４１】
給電端子４の一方より信号を入力した場合、信号は給電線路１を介して導体片群２に達する。導体片は互いに接近して配置されることから電磁結合により信号が伝播し、導体片群により遅延を与えられて他方の端子より出力される。３の可変リアクタンスのリアクタンス値を変えると（例えば、可変容量ダイオードの逆バイアス電圧を変えると）、導体片群により与えられる位相遅延量が変化するため、本構成は可変移相器として動作する。導体片数が多段に構成されるため、１段あたりの位相変移量が少なくても全体で大きな位相変移が得られるので、可変リアクタンスのリアクタンス変化量が少なくて済む。そのため、リアクタンス変化量が小さい低損失な可変リアクタンス素子の採用が可能で、また大きなリアクタンス変化による反射損が抑制され、低損失な可変移相器が実現できる。また本構成は、フィルタの機能も有しており、ある周波数における半波長の長さが導体片長辺の長さと大きく異なる場合は伝播がさえぎられ、端子間の結合量は大幅に低下する。また配列を「く」の字型にしたことで構成スペースを削減している。以上に述べた理由により、本構成によれば低損失な、位相変移量が大きい、フィルタ機能を有する可変移相器が実現される。
【００４２】
図２は本発明における第二実施例の可変移相器の構成図であり、請求項１と２に関する。
図の可変移相器は地板付き誘電体基板上に構成され、１はマイクロストリップ線路により構成される給電線路（信号伝送手段）、２は可変リアクタンス素子３を有する導体片群で全ての導体片の長辺は動作周波数の約半波長である。２は５つの導体片を１／４波長ずつシフトして配列することにより構成される。可変リアクタンス素子３は一方の端が導体片、他方の端が誘電体基板の裏側にある地板に接続されている。４はの信号入力用または出力用の給電端子で、一方に入力した場合、他方に出力される。給電端子４の一方より信号を入力した場合、信号は給電線路１を介して導体片群２に達する。導体片は互いに接近して配置されることから電磁結合により信号が伝播し、導体片群により遅延を与えられて他方の端子より出力される。３の可変リアクタンスのリアクタンス値を変えると、導体片群より与えられる位相遅延量が変化するため、本構成は可変移相器として動作する。導体片群が多段に構成されるため、一段あたりの位相変移量が少なくても全体で大きな位相変移が得られるため、可変リアクタンスのリアクタンス変化量が少なくて済む。そのため、リアクタンス変化量が小さい低損失な可変リアクタンス素子の採用が可能で、また大きなリアクタンス変化による反射損が抑制され、低損失な可変移相器が実現できる。また、本構成は、フィルタの機能も有しており、ある周波数における半波長の長さが導体片長辺の長さと大きく異なる場合は伝播がさえぎられ、端子間の結合量は大幅に低下する。
また、導体片群を構成する導体片は一つの直線上（図１においては「く」字型、図２においては「／」型）に導体片の一部が交差する（重なる）ように配列される。
以上述べた理由により、本構成によれば低損失な、位相変移量が大きい、フィルタ機能を有する可変移相器が実現される。
【００４３】
図３は本発明における第一実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図であり、請求項３と５と９に関する。
図のフェーズドアレイアンテナは自由空間中に構成され、１は平行二本線により構成される直列型の給電線路（信号伝送手段）、211〜216はそれぞれ可変リアクタンス素子311〜316を持つダイポールアンテナであり、201はダイポールアンテナ211,212により構成される素子群、202はダイポールアンテナ213,214により構成される素子群、203はダイポールアンテナ215,216により構成される素子群、４は給電端子、５は１の給電線路の末端を終端する終端抵抗である。（終端抵抗は、整合をとることで省くことができる。）
【００４４】
給電端子４より給電される電力は給電線路１を介して211のダイポールアンテナに給電され、ダイポールアンテナ211により位相遅延を与えられた給電線路１を介してダイポールアンテナ212に給電される。可変リアクタンス素子311,312のリアクタンス値が変化すると与えられる位相遅延量が変化し、可変リアクタンス素子311,312の両方により与えられた位相遅延が202の素子群に伝送される。同様に素子群202においても位相遅延が与えられ、素子群203には素子群201,202により与えられた合計の位相遅延が伝送する。終端抵抗５に達した残りの電力は終端により熱として消費され、反射を抑制する。素子群においては、各素子は２素子ずつ近接して配置されるため、遠方界からは近接する２素子の平均位相が観測される。従って、201〜203の素子群はそれぞれ等価的に１素子としてみなした、３素子アレイアンテナとして本アンテナとみなすことができる。素子群を構成する素子あたりの位相変化量は、従来における３素子と比べて半分になるため、可変リアクタンスの変移量が少ない量で済み、素子のインピーダンス変化量が減るため、素子を通過する電力量変化が少なくなる、従って、素子群あたり大きな位相変化を実現しても、アレイ全体の電力分布変化が僅かで済む。また、本構成では直列にアンテナが接続されるので給電線路長を大幅に短くすることが可能なため給電線路損を改善する事が可能となる。
以上に述べた理由により本構成によれば、利得変化が少ないながらも大きなビーム走査角が得られ、リアクタンスを一斉に制御可能なため、簡易な制御性が得られ、給電損の改善が可能となる。
【００４５】
図４は本発明における第二実施例のフェーズアレイドアンテナの構成図であり、請求項４に関する。
図のフェーズアレイドアンテナは自由空間中に構成され、１は給電線路及び素子間の信号伝送手段、201〜203はそれぞれ可変リアクタンス素子301〜303を持つアンテナ素子が３つずつ集合した素子群であり、素子群はそれぞれ１波長の仮想的な球体内に全ての素子を持つ。また４は給電端子である。
給電端子４より給電される電力は給電線路１を介してそれぞれアンテナ素子群201〜203の一つのアンテナ素子に給電されアンテナ素子により位相遅延を与えられた電力は給電線路１を介して同素子群内の隣の素子に給電される、更に給電線路１を介して残りの１素子に給電される。最後の素子には前の２素子の位相遅延が伝播する。可変リアクタンス素子301~303のリアクタンス値が変化すると与えられる位相遅延量が変化し、最後の素子には前２素子の合計の位相遅延変化が伝送する。素子群においては、各素子は３素子ずつ近接して１波長以内の距離に配置されるため、遠方界からは近接する３素子の平均位相が観測される、従って、201〜203の素子群をそれぞれ等価的に１素子としてみなした、３素子アレイアンテナとして本アンテナは動作可能である。素子群における３素子の位相変位量の平均は、単素子に同じ量のリアクタンスをつけた場合の倍とすることが可能である。従って、素子群あたり大きな位相変化を実現可能であることからビーム走査角の拡大が可能となる。
以上に述べた理由により本構成によれば、大きなビーム走査角が得られる。
【００４６】
図５は本発明における第三実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図であって、請求項４と６と９に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図のフェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成され、221〜226はぞれぞれ可変リアクタンス素子301〜302を持ち長辺方向励振方向であるパッチアンテナ素子であり、201はパッチアンテナ素子221〜223により構成される素子群、202はパッチアンテナ素子224〜226により構成される素子群、301は201の素子群に付加される可変リアクタンス群、302は202の素子群に付加される可変リアクタンス群である。
給電端子４より給電される電力は給電線路１を介して221のパッチアンテナ素子に給電され可変リアクタンス素子301により位相遅延を与えられた電力は給電線路１を介して222に給電され、さらに給電線路１を介してパッチアンテナ素子223に給電される。可変リアクタンス素子301のリアクタンス値が変化すると与えられる位相遅延量が変化し、パッチアンテナ素子221〜223の両方により与えられた位相遅延が202の素子群に伝送される。終端抵抗５に達した残りの電力は終端により熱として消費され、反射を抑制する。素子群においては、各素子は３素子ずつ近接して配置されるため、遠方界からは近接する３素子の平均位相が観測される。従って、201〜202の素子群はそれぞれの素子群を等価的に１素子としてみなした、擬似的な２素子パッチアレイアンテナとしてみなすことができる。また同じ量の走査角を得る場合、素子群を構成する素子あたりの位相変移量は、従来における２素子と比べて１／３とする事が可能なため、可変リアクタンスの変位量が少ない量で済み、素子のインピーダンス変化量が減るため素子を通過する電力量変化が少なくなる。従って、素子群あたり大きな位相変化を実現しても、アレイ全体の電力分布変化が僅かで済む。そのため、利得変化が少ないながらも大きなビーム走査角が得られる。
【００４７】
図６は本発明における第四実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図であり、請求項４と５と６と９に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図のフェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成され、201〜202はそれぞれパッチアンテナ２素子からなる素子群であり、それぞれの素子群の長辺方向が励振方向であるパッチアンテナ素子は、301〜302の可変リアクタンス素子を備える。素子群201〜202は給電線路１により並列的に給電される。
給電端子４より給電される電力は給電線路１で分岐し素子群201と202のパッチアンテナ素子群に給電される。さらに給電線路１を介して信号は素子群を構成する末端の素子に達する。可変リアクタンス素子301〜302のリアクタンス値を制御すると、素子群の位相が変化する。２素子が近接して配置されるため、201〜202ではそれぞれが素子群を構成する２素子の平均の位相が遠方界より観測される。そのため擬似的な２素子アレイアンテナとしてみなすことができる。素子群の平均の位相変移量は、従来における単素子に同じ量のリアクタンスをつけた場合と比べて1.5倍になる。従って、素子群201〜202に位相差がつくようにそれぞれのリアクタンスを制御すると、素子群間に大きな位相差が生じ、ビーム走査角が拡大可能となる。そのため、大きなビーム走査角が得られるフェーズドアレイアンテナが実現可能となる。
【００４８】
図７は本発明における第五実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図であり、請求項４と５と６と10に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図のフェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成され、201〜203はそれぞれパッチアンテナ２素子からなる素子群であり、それぞれの素子群の長辺方向が励振方向であるパッチアンテナは、301〜303の可変リアクタンス素子を備える。素子群201〜203は給電線路１上に配置され、等間隔に配置される。また、可変リアクタンス素子301〜303は同じ量のリアクタンスであるとする。
給電端子４より給電される電力は給電線路１を介して201のパッチアンテナ素子群に給電され素子群を構成するパッチアンテナ２素子により位相遅延を受ける。さらに給電線路（信号伝送手段）１を介して信号は素子群202に給電され同様に素子群202,203にて同じ量の位相遅延を受ける。可変リアクタンス素子301〜303のリアクタンス値を同時に制御すると、素子群間に等間隔な位相差がつき、擬似的な３素子アレイアンテナとしてみなすことができる。素子群を構成する素子あたりの位相変移量は、従来における３素子アレイと比べて１／２になるため、可変リアクタンスの変移量が少ない量で済み、素子のインピーダンス変化量が減るため、素子を通過する電力量変化が少なくなる。従って、素子群あたり大きな位相変化を実現しても、アレイ全体の電力分布変化が僅かで済む。このため、利得変化が少ないながらも大きなビーム走査角が得られ、リアクタンスを一斉に制御可能なため、簡易な制御性が得られる。
【００４９】
図８は本発明における第六実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図であり、請求項４と５と６と10に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図のフェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成され、201〜203はそれぞれパッチアンテナ３素子からなる素子群であり、それぞれの素子群のパッチアンテナは301〜303の可変リアクタンス素子を備える。また素子群内の素子同士は近接して配置され電磁的に結合している。素子群201〜203は給電線路（信号伝送手段）１を介して接続され、等間隔に配置される。また、可変リアクタンス素子301〜303は同じ量のリアクタンスであるとする。
給電端子４より給電される電力は給電線路１を介して201のパッチアンテナ素子群に給電され素子群を構成する１素子に給電され、電磁的に結合する他の２素子を介し、給電線路１によって素子群202に給電される。201では電磁的に結合する３素子の位相遅延を受ける。同様に素子群202,203に信号が伝送し、その信号は同じように位相遅延を受ける。可変リアクタンス素子301〜303のリアクタンス値を同時に制御すると、素子群間に等間隔な位相差がつき、擬似的な３素子アレイアンテナとしてみなすことができる。素子群を構成する素子あたりの位相変移量は、従来における３素子アレイと比べて１／３になるため、可変リアクタンスの変移量が少ない量で済み、素子のインピーダンス変化量が減るため、素子を通過する電力量変化が少なくなる。従って、素子群あたり大きな位相変化を実現しても、アレイ全体の電力分布変化が僅かで済む。そのため、利得変化が少ないながらも大きなビーム走査角が得られ、リアクタンスを一斉に制御可能なため、簡易な制御性が得られる。
【００５０】
図９は本発明における第七実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図であり、請求項４と５と６と10と12に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図のフェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成され、201〜203はそれぞれパッチアンテナ１素子と無給電パッチアンテナ２素子からなる素子群であり、それぞれの素子群の無給電パッチアンテナは301〜303の可変リアクタンスを備える。また素子群内の素子同士は近接して構成され電磁的に結合している。素子群201〜203は給電線路１を介して接続され、等間隔に配置される。また、可変リアクタンス素子301〜303は同じ量のリアクタンスであるとする。
給電端子４より給電される電力は給電線路１を介して201のパッチアンテナ素子群に給電され素子群を構成する１素子に給電されその素子を介し、給電線路１によって202に給電される。同様に202から203にも給電される。201の素子群は、201を構成する２素子の無給電素子のリアクタンス値により位相遅延が変化する。同様に素子群202,203に伝送した信号は、同じようにそれぞれの無給電素子により位相遅延の変化を受ける。可変リアクタンス素子301〜303のリアクタンス値を同時に制御すると、素子群間に等間隔な位相差がつき、擬似的な３素子アレイアンテナとしてみなすことができる。素子群を構成するの無給電素子により、少ない可変リアクタンスの変移量で大きな位相遅延変化を実現でき、またリアクタンス素子を給電素子に構成しないためリアクタンス素子の抵抗損失による影響が低減する。従って、損失が低減し、さらに損失により生じる素子の通過電力量変化が少なくなる。従って、素子群あたり大きな位相変化を実現しても、損失が大きく影響せず、アレイ全体の電力分布変化が僅かで済む。そのため、低損失で利得変化が少ないながらも大きなビーム走査角が得られ、リアクタンスを一斉に制御可能なため、簡易な制御性が得られる。
【００５１】
図１０は本発明における第八実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図であり、請求項４と５と６と７と10に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図のフェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成され、201〜203はそれぞれパッチアンテナ３素子からなる素子群であり、それぞれの素子群の長辺方向が励振方向であるパッチアンテナ素子は、301〜303の可変リアクタンス素子を備える。素子群201〜203は給電線路１上に配置され、等間隔に配置される。給電線路１はパッチアンテナ素子の入力と出力側で、位相が互いに逆転する場所に接続される。また、301〜303は同じ量のリアクタンスであるとする。
給電端子４より給電される電力は給電線路１を介して201のパッチアンテナ素子群に給電され素子群を構成する３素子により位相遅延を受ける。さらに給電線路（信号伝送手段）１を介して信号は素子群202に給電され同様に素子群202，203にて同じ量の位相遅延を受ける。可変リアクタンス素子301〜303のリアクタンス値を同時に制御すると、素子群間に等間隔な位相差がつき、擬似的な３素子アレイアンテナとしてみなす事ができる。給電線路１はパッチアンテナの入力と出力側で、位相が互いに逆転する場所に構成されるため、ある任意の一素子に注目すると、入力側に流れる電流と出力側に流れる電流は逆相になる。従って、それらの信号入力用または出力用の線路が近傍にある場合、それらの線路は互いに線路からの不要放射を打ち消し合う事が可能となる。図の場合、線路からの放射は交差偏波として現れるため、本アンテナは線路からの不要放射による交差偏波成分を大幅に抑制することが可能となる。また素子群を構成する素子あたりの位相変移量は、従来における３素子アレイと比べて１／３となるため、可変リアクタンスの変移量が少ない量で済み、素子のインピーダンス変化量が減るため、素子を通過する電力量変化が少なくなる。従って、素子群あたり大きな位相変化を実現しても、アレイ全体の電力分布変化が僅かで済む。そのため、交差偏波特性が良好で、利得変化が少ないながらも大きなビーム走査角が得られ、リアクタンスを一斉に制御可能なため、簡易な制御性が得られる。
【００５２】
図１１は本発明における第九実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図であり、請求項４と５と６と７と８と10に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図のフェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成され、201〜203はそれぞれパッチアンテナ３素子からなる素子群であり、それぞれの素子群を構成する長辺方向が励振方向であるパッチアンテナ素子は、全て７のオープンスタブを励振方向の両端に備え、スタブと素子の間に３の可変リアクタンス素子を備える。素子群201〜203は給電線路１で接続され、等間隔に配置される。給電線路１はパッチアンテナ素子の入力と出力側で、位相が互いに逆転する場所に接続される。また、素子群間においては位相調整のため給電線路（信号伝送手段）１はＳ字型に曲げられる。また、３のリアクタンス素子群は同じ量のリアクタンスであるとする。
【００５３】
給電端子４より給電される電力は給電線路１を介して201のパッチアンテナ素子群に給電され素子群を構成する３素子により位相遅延を受ける。さらに給電線路１を介して信号は素子群202に給電され同様に素子群202，203にて同じ量の位相遅延を受ける。可変リアクタンス素子３のリアクタンス値を同時に制御すると、素子群間に等間隔な位相差がつき、擬似的な３素子アレイアンテナとしてみなすことができる。ここでスタブ長を変えることにより、スタブのインピーダンスによりリアクタンスの動作点を等価的にずらすことが可能で、それによりリアクタンス値の可変範囲に制限がある場合でも大きな位相変化を得るよう調整が可能である。給電線路１はパッチアンテナの入力と出力側で、位相が互いに逆転する場所に構成されるため、ある任意の一素子に注目すると、入力側に流れる電流と出力側に流れる電流は逆相になる。従って、それらの入出力線路が近傍にある場合、それらの線路は互いに線路からの不要放射を打ち消しあう事が可能となる。図の場合、線路からの放射は交差偏波として現れるため、本アンテナは線路からの不要放射による交差偏波成分を大幅に抑制することが可能となる。また素子群を構成する素子あたりの位相変移量は、従来における３素子アレイと比べて１／３になるため、可変リアクタンスの変移量が少ない量で済み、素子のインピーダンス変化量が減るため、素子を通過する電力量変化が少なくなる。従って、素子群あたり大きな位相変化を実現しても、アレイ全体の電力分布変化が僅かで済む。そのため、可変リアクタンスの可変範囲が制限される場合でもスタブにより大きな位相変移量が得られるように調整可能で、さらに交差偏波特性が良好で、利得変化が少ないながらも大きなビーム走査角が得られ、リアクタンスを一斉に制御可能なため、簡易な制御性を有するフェーズドアレイアンテナが実現される。
【００５４】
図１２は第九実施例のフェーズドアレイアンテナにおいて、一つの素子群において透過信号の位相変化量に対する透過電力特性が２GHzにて解析した結果である。ここで、導体損失や誘電体損は十分小さいと仮定して検討した。線路上に可変リアクタンスを直接構成した従来の第二の例（図17  参照）と比較し、本発明の第九実施例のフェーズドアレイアンテナは位相変移量あたり透過電力の変化が小さく、0.5dBの振幅変移幅で193°と４倍以上の位相変移量を得ることができた。これは多段化により１素子あたりの位相変移量が軽減されるため、透過電力の変化を小さくできることと、線路に直接デバイスを構成する従来の第二の例よりもリアクタンスによる反射が軽減されるためである。また、可変リアクタンスとしてバラクタダイオード（容量可変範囲：−81Ω＜１／ｊωＣj＜−12Ω,挿入抵抗：0.17Ω＜Ｒe＜1.06Ω）を用いた場合、損失のない理想リアクタンスを用いた場合と比べ生ずる損失は0.3dB未満であることが分かる。
図１３に６素子群アレイにおける放射パターンの解析結果を示す。ここで、線路損失は１波長あたり0.15dBとして解析した。図から、リアクタンスの値をＸ[Ω]とすると、Ｘの変化によってビームが走査する事が分かる。
図１４にビーム走査角に対する利得変化を示す。1.7dBの低い利得変化で58°の走査幅が得られる事が分かる。
【００５５】
図１５は本発明における第十実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図であり、請求項４と５と６と１０と１１に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図のフェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成され、201〜203はそれぞれパッチアンテナ２素子からなる素子群であり、それぞれの素子群の長辺方向が励振方向であるパッチアンテナ素子は、301〜303の電圧制御式可変リアクタンス素子を備える。301〜303の可変リアクタンス素子は一方がアンテナ素子に接合されもう一方が誘電体基板裏側の地板に接続される素子群201〜203は給電線路１上に配置され、等間隔に配置される。８はバイアス用の可変電圧源であり、９はＤＣカット用のコンデンサで、バイアス電圧の入力側や終端側への印加を抑制するための給電線路１に挿入される。アンテナの動作周波数においては短絡するように十分に容量の大きなものを用いる。また、10は信号阻止用のインダクタである。
給電端子４より給電される電力は給電線路１を介して201のパッチアンテナ素子群をに給電され素子群を構成する２素子により位相遅延を受ける。さらに給電線路（信号伝送手段）１を介して信号は素子群202に給電され同様に素子群202，203にて同じ量の位相遅延を受ける。８のバイアス電圧を調整すると、301〜303の電圧制御式可変リアクタンスに同時に同じ電圧が印加され、全てのリアクタンスが同じ値に変化する。その結果素子群間の位相差は均一に変化し、ビームが走査する。素子群を構成する素子あたりの位相変移量は、従来における３素子アレイと比べて１／２になるため、可変リアクタンスの変移量が少ない量で済み、素子のインピーダンス変化量が減るため、素子を通過する電力量変化が僅かで済む。そのため、利得変化が少ないながらも大きなビーム走査角が得られ、リアクタンスをバイアス電源で一斉に制御可能なため、電圧制御の簡易な制御性が得られる。
【００５６】
図１６は本発明の第十一実施例を示す図であって、請求項４と５と６と１０と１１と１３に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図の直列給電型フェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成され、201〜203はそれぞれパッチアンテナ２素子からなる素子群であり、それぞれの素子群の長辺方向が励振方向であるパッチアンテナは、301〜303の可変リアクタンスを備える。素子群201〜203は１の線路上に配置され、等間隔に並び直列に接続される。また、301〜303は電圧により制御可能な可変リアクタンス素子であって、可変バイアス電源８により10のインダクタと１の給電線路により放射素子を介して制御電圧が印加される。９はＤＣカット用のコンデンサであり、アンテナ動作周波数帯において短絡されるような十分に容量の大きなものを用いる。また、11は直列給電線路の両端に取り付けられ、５のアレイ終端と４からの給電を切替える役割を持つ。また、１と201〜203により構成される直列給電回路及びアンテナは左右対称とする。
【００５７】
図の状態では、左端の４から給電される電力が11と９と１を介してフェーズドアレイアンテナに供給され、９を介して右端に達した電力が11により終端抵抗５に到達し、減衰されるようになっている。この場合、第十実施例と同様な原理でビーム走査が実現される。
次に左端のスイッチ１１を終端側に切替え、右端のスイッチ１１を終端から右端の給電端子４へ接続すると、電力が右端から供給され、左端に到達した電力が終端抵抗５により減衰される。
直列給電回路１及びアンテナ201〜203は左右対称に構成されるため、給電を左右で切替えることによって、放射パターンが左右対称に切替わる。そのため、左右のポートから給電した場合のそれぞれの走査範囲が隣接するようにアンテナを構成すれば、給電を左右のポートで切替えることによってトータルの走査範囲を２倍にすることができる。以上の構成により簡易な制御・構成でさらに大きなビーム走査角が得られるフェーズドアレイアンテナが実現される。
【００５８】
図１７は本発明の第十二実施例のフェーズドアレイアンテナの構成を示す図であって、請求項７と１４に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図の直列給電型フェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成され、201〜209はそれぞれパッチアンテナ３素子からなる素子群であり、それぞれ素子群を構成する長辺方向が励振方向であるパッチアンテナは、301〜309の可変リアクタンス素子を備える。素子群201〜203、204〜206、207〜209は等間隔に並び１の給電線路と12の増幅手段により直列に接続される。12の増幅手段は図中増幅手段左端から入力された信号を増幅し右端側へ出力する。素子群201と209にはそれぞれ信号入出力手段を構成する。
【００５９】
本フェーズドアレイアンテナを使って送信を行う場合、左端の給電端子４より信号を入力すると、201〜203の素子群を通過し、放射や損失で減衰した信号が12の増幅手段に達する。12の増幅手段にて信号を増幅することにより減衰分を補償した信号が204〜206の素子群に入力される。同様に207〜209にも減衰分を補償した信号が入力されるため、増幅手段が無い場合と比べ、アレーアンテナ全体の信号振幅分布の偏差を小さくすることができる。従って、指向性利得を向上することが可能となる。
本フェーズドアレイアンテナを使って受信を行う場合、左端側の素子群201〜203にて受信された信号は、素子群204〜209を通過し右端の給電端子４に達する際に２つの増幅手段を通過する。これによって、素子群204〜209を信号が通過する際の損失や放射による減衰を補償することが可能となる。素子群204〜206にて受信された信号も１つの増幅手段により同様に補償できる。従って、右端の給電端子４には増幅手段が無い場合と比べより大きな電力が観測される。これによって、雑音電力に対する信号電力のレベルを向上することが可能となる。
また、送信と受信で信号伝送方向が異なることから一般に送信と受信で増幅手段を切替えていたが、本フェーズドアレイ構成において、入力端子を左端（送信時）、出力端子を右端（受信時）とすることによって、増幅手段を送信と受信で共用することが可能となり、部品点数を削減し低コスト化が可能となる。よって、高利得で低コストなフェーズドアレイアンテナが実現される。
【００６０】
図１８は本発明の第十三実施例のフェーズドアレイアンテナの構成を示す図であって、請求項７と１５に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図のフェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成され、201〜206はそれぞれパッチアンテナ３素子からなる素子群であり、全て同じ形状とする。またパッチアンテナの励振方向は長辺方向であり、301〜306の電圧制御式可変リアクタンス素子を備える。301〜306の可変リアクタンス素子は一方がアンテナ素子に接合されもう一方が誘電体基板裏側の地板に接続される。素子群201〜203は１の給電線路により直列に接続され等間隔に並ぶ。素子群204〜206も同様に構成される。801と802はバイアス用の可変電圧源で、801は可変リアクタンス素子301〜303、802は可変リアクタンス素子304〜306のリアクタンス値を制御する。９はＤＣカット用のコンデンサでバイアス電圧が入力側や終端側に印加されないよう給電線路１に挿入され、また素子群301〜303と素子群304〜306の制御電圧は互いに影響することを防ぐ。また９の容量値はアンテナの動作周波数においては短絡するように十分に容量の大きなものを用いる。
【００６１】
給電端子４より給電される電力は給電線路１を介して201〜203の素子群と、204〜206の素子群に同時に入力される。前者と後者でビーム方向が同じになるようにバイアス電圧801と802の制御電圧を調整することによって、主ビームを形成する。ビームを走査する場合は、同様に前者と後者でビーム方向が同じになるようバイアス電圧801と802を制御する。
素子群が全て同じ形状で構成されるため、素子群の振幅分布は給電端子４から離れるにつれレベルが下がる。従って、素子群201〜206のアレイ全体では中心から端部へ向けてレベルが下がったテーパ状の振幅分布が与えられる。従って、サイドローブを低く抑えることが可能となる。よって、全ての素子群の設計は同じで済むため、簡易に低サイドローブなフェーズドアレイアンテナを実現できる。
【００６２】
図１９は本発明の第十四実施例のフェーズドアレイアンテナの構成を示す図であって、請求項１６に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図の直列給電型フェーズドアレイアンテナは下面に地板がある誘電体基板601と、上面に地板がある誘電体基板602を用いて構成される。601と602の誘電体基板を重ね密着することにより積層化するが、本斜視図では便宜上それらを分けて示す。602の誘電体基板上面の地板にはそれぞれ形状の異なるスロットアンテナが構成され、素子群により電磁結合給電される。また、素子群201〜203は全て同じ寸法である。
給電端子４より信号を入力すると給電線路１を介して201〜203の素子群に入力され、素子群201〜203により励振される13のスロットアンテナを介して放射される。201〜203は同じ寸法であるため、一括制御で均等な位相差を与えることが可能である上、13のスロットアンテナの形状を適切に設計することによって、スロットの放射電力を均等にすることが可能となる。従って、放射利得を向上することができる。よって、全ての素子群の設計は同じで済むため、簡易に高利得なフェーズドアレイアンテナを実現できる。
【００６３】
図２０は本発明の第十五実施例のフェーズドアレイアンテナの構成を示す図であって、請求項１７に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図２０（ａ）はフェーズドアレイアンテナの全体図、図２０（ｂ）はフェーズドアレイアンテナにおける１単位素子群を拡大した図である。
図の直列給電型フェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成される。基板より大きいグランド導体に基板形状と等しい凹面を形成しそこに基板が組み込まれており、地板とグランド導体は導電性の接着手段により密着している。201〜203はそれぞれパッチアンテナ３素子からなる素子群であり、それぞれの素子群を構成する長辺方向が励振方向であるパッチアンテナは両端に、全て７のオープンスタブを励振方向の両端に備え、スタブと素子の間に３の電圧制御式可変リアクタンスを備える。７のスタブは一方がグランドに近接しており14の高インピーダンス抵抗を介してグランドに接続される。
可変電圧源（バイアス電圧）801によりバイアス電圧を１の給電線路に印加すると３の電圧制御式可変リアクタンスと14の高インピーダンス抵抗に電圧がかかる。可変リアクタンスに流れる直流電流が小さく電圧効果が殆ど14で生じない場合はバイアス電圧をほぼ可変リアクタンス素子３にのみ与えることができる。一方、可変リアクタンスとして一般的に用いられるバラクタダイオードのように周波数上昇につれインピーダンス絶対値が減少するような可変リアクタンスを用いれば、高周波帯では３のインピーダンスが下がるため３を介して７のスタブに電流が流れる。スタブに接続される14の抵抗値が数百Ω以上の場合、高周波電流は14には殆ど流れないため、スタブはオープンスタブとして動作する。
なお、図２０（ａ）において、可変電圧源801を７のスタブに接続した高インピーダンス抵抗14とグランド間の接続し、インダクタ１０の他端を接地する構成としても同様に動作する。
【００６４】
可変電圧源801によりバイアス電圧を変化させることによって、全ての可変リアクタンス素子のリアクタンス値が同時に変化し、素子群間の位相が変化し、３素子群のアレイアンテナのビーム方向を制御することができる。ここでスタブ長を調整することにより、それにより周波数上昇に伴い可変リアクタンス素子のリアクタンス素子のリアクタンス絶対値が減少する場合でも、可変リアクタンス素子に流入する高周波電流を制限することが可能なため、低損失化を図ることができる。
【００６５】
従来、オープンスタブ等の平面回路にバイアスを与える場合、インダクタやＬＣ並列共振回路や扇状の導体による共振器を介してバイアス線等に平面回路を接続していた。しかし、高周波帯ではインダクタは自己共振周波数以上にてインピーダンスが低下するため、インダクタに大きな電流が流れスタブの高周波特性が変化するという問題があった。またＬＣ並列共振回路は前述と同様の問題が生じる上、ＬＣ並列共振回路のインピーダンス特性が急峻であるため帯域が狭くなるという問題があった。また、扇状導体による共振器はインピーダンスの周波数特性が急峻であるため、アンテナの帯域に影響するという問題が生じる上、扇状導体より不要放射を生ずるためアンテナ放射特性に大きく影響するという問題があった。
本構成ではスタブを高インピーダンス抵抗を介して接地することで、以上の問題が回避されるため、高周波帯においても実現可能で、広帯域化が可能で、不要放射の少ない、低損失に構成可能なフェーズドアレイアンテナが実現される。
【００６６】
図２１は本発明の第十六実施例のフェーズドアレイアンテナを示す図であって、請求項１８に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図の直列給電型フェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に構成される。201〜203はそれぞれパッチアンテナ素子２からなる素子群であり、それぞれの素子群を構成する長辺方向が励振方向であるパッチアンテナは全て７のオープンスタブを励振方向の一方の端に備え、スタブと素子の間に３の電圧制御式可変リアクタンス素子を備える。７のスタブは近接する導体片15に14の高インピーダンス抵抗を介して接続される。また導体片15は複数のスタブに接続されていて、グランドに接地されている。前述の第十五実施例と同様な原理で動作するが、15の導体片に複数のスタブ７を高インピーダンス抵抗14で接続することによって、グランドとスタブ間に距離がある、または基板の異なる面にあるなど、グランドとスタブの両方に直接抵抗14を接続することが困難な場合でも、15の導体片を何れかの手段によって少なくとも１箇所グランドに接続することで、給電線路１に与えられたバイアス電圧を３の可変リアクタンス素子に印加できる。また、14の高インピーダンス抵抗を７のスタブのパッチ側に取り付ける。
なお、図２１において、可変電圧源801を７のスタブに接続した高インピーダンス抵抗14と導体片15間に接続するか、15を801を介して接地し、インダクタ１０の他端を接地する構成としても同様に動作する。
【００６７】
本構成では、可変電圧源801によりバイアス電圧を変化させることによって、全ての可変リアクタンス素子のリアクタンス値が同時に変化し、素子群間の位相差が変化し、３素子群のアレイアンテナのビーム方向を制御することができる。ここでスタブ長を調整することにより、それにより周波数上昇に伴い可変リアクタンス素子のリアクタンス絶対値が減少する場合でも、可変リアクタンス素子に流入する高周波電流を制限することが可能なため、可変リアクタンス素子に損失がある場合でも低損失化を図ることができる。また、抵抗は抵抗自身がもつ挿入リアクタンス成分によって高周波帯においてインピーダンスが低下するという問題がある。14の高インピーダンス抵抗を７のスタブの開放端から離れたパッチ側に取り付けることによって、高周波帯における14にかかる電圧を低減することによって、抵抗のインピーダンス値が低下しても抵抗に流れる高周波電流を抑制することが可能なため、抵抗による損失を低減することが可能となる、あるいは高周波帯への適用を想定していない廉価な抵抗を用いることができるため低コスト化が可能となる。また、15の導体片は複数の７のスタブに抵抗を介して接続されており、グランドには少なくとも１箇所接地されていれば良い。このため、スルーホール等を用いて15を基板裏側の地板（グランド）に接地する場合は15をスタブ間で共用することによって、15の数を減らすことが可能となるため、スルーホールの数を減らすことによりスルーホール製作時のドリルによる掘削の回数を減らすことができるため、アンテナ製作工程を簡易化し低コスト化が可能となる。
【００６８】
本構成ではスタブを高インピーダンス抵抗と複数スタブで共有の導体片を介して接地することで、低損失に構成が可能なフェーズドアレイアンテナの低コスト化が実現される。
【００６９】
図２２は本発明の第十七実施例のフェーズドアレイアンテナを示す図であって、請求項１９に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図の直列給電型フェーズドアレイアンテナは図中背面に地板がある誘電体基板上に構成される。201〜204はそれぞれパッチアンテナ３素子からなる素子群であり、それぞれの素子群を構成する長辺方向が励振方向であるパッチアンテナは、301〜304の可変リアクタンスを備える。任意の１素子群に注目すると、パッチアンテナは励振方向が並行であり、かつ励振方向に等間隔に素子長よりも短い距離でオフセットされている。隣接する素子群は各パッチアンテナが逆向きのオフセットが与えられている。これらの素子群を等間隔に並べアレイアンテナを構成する。
本構成では、素子群を構成するパッチアンテナを一つずつオフセットし、パッチアンテナの間隔を自由空間での１／３波長以下に近づけることでパッチアンテナの放射が一部打ち消し合い、素子群からの放射が抑制される。これによって、隣接素子群により多くの電力が伝送されるため、多数の素子群を直列接続し大きなアレイを構成しても末端の素子群までより多くの電力が伝達する。素子群間の放射電力振幅の差が減少し多くの素子群を励振できるので、アレイアンテナの利得を向上することができる。本アンテナはパターンをずらすことのみによって高利得化が実現でき、エッチングでアンテナを作成する場合は殆どコスト増加が生じないため、高利得で低コストなフェーズドアレイアンテナが実現される。
【００７０】
図２３は本発明の第十八実施例のフェーズドアレイアンテナを示す図であって、請求項２０に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図の直列給電型フェーズドアレイアンテナは図中背面に地板がある誘電体基板上に構成される。201〜204はそれぞれパッチアンテナ３素子からなる素子群であり直列接続されており、205〜208も同様に構成される。201〜204のフェーズドアレイアンテナと205〜208のフェーズドアレイアンテナは並列給電され、同じ振幅と位相で励振される。全ての素子には３の可変リアクタンス素子が取り付けられる。201〜204の素子群を構成するパッチアンテナは励振方向が平行であり、かつ隣接する素子に対して素子長よりも短い距離で励振方向にオフセットされている。また、パッチの長辺方向（励振方向）は201〜204のアレイ方向と直交しないように斜めに設定する。205〜208も同様に励振方向とアレイ方向のなす角は201〜204と同じになるように構成するが、素子は201〜204と反対側に傾けて構成する。
【００７１】
次に、本構成の動作についてアレイ方向と平行で紙面に直交する面内の放射パターンに注目して述べる。201〜204のフェーズドアレイアンテナと205〜208のフェーズドアレイアンテナを並列給電することによって、互いに紙面上下方向の偏波成分が打ち消し合い、紙面左右方向の偏波が強め合う。また、第十七実施例と同様に素子ごとが隣接素子に対しオフセットされているため、素子群内においてパッチアンテナの放射が一部打ち消し合い、素子群からの放射が抑制される。これによって、隣接素子群により多くの電力が伝送されるため、多数の素子群を直列接続し大きなアレイを構成しても末端の素子群までより多くの電力が伝達する。素子群間の放射電力振幅の差が減少し多くの素子群を励振できるので、アレイアンテナの利得を向上することができる。本アンテナはパターンをずらし、励振方向をアレイ方向に対し斜め方向に傾ける、対称なアレイを並列されることのみによって第十七実施例と直交する偏波を実現し、さらに高利得化が実現でき、エッチングでアンテナを作成する場合は殆どコスト増加が生じないため、高利得で低コストなフェーズドアレイアンテナが実現される。
【００７２】
図２４は本発明の第十九実施例のフェーズドアレイアンテナを示す図であって、請求項２１に関する。図中前図と同一部分は同一符号を付してその説明を略す。
図の直列給電型フェーズドアレイアンテナは図中背面に地板がある誘電体基板上に構成される。201〜204はそれぞれパッチアンテナ３素子からなる素子群で直列接続されており、205〜208も同様に構成される。201〜204のフェーズドアレイアンテナと205〜208のフェーズドアレイアンテナは並列給電される。全ての素子には３つの可変リアクタンス素子が取り付けられる。201〜204の素子群を構成するパッチアンテナは励振方向が並行であり、かつ隣接する素子に対して素子長よりも短い距離で励振方向にオフセットされている。また、パッチの長辺方向（励振方向）は201〜204のアレイ方向と直交しないよう斜めに設定する。205〜208も同様に励振方向とアレイ方向のなす角は201〜204と同じになるように構成するが、素子は201〜204と反対側に傾けて構成する。201〜204のフェーズドアレイアンテナと205〜208のフェーズドアレイアンテナを16の分配器により並列給電する。17の可変移相器と18の可変減衰器によって二つのフェーズドアレイアンテナに位相差と振幅差を与える。
次に、本構成の動作についてアレイ方向と平行で紙面に直交する面内の放射パターンに注目して述べる。二つのフェーズドアレイアンテナに同位相同振幅で給電した場合は、第十八実施例と同様の動作をする。可変減衰器を調整し二つのフェーズドアレイアンテナ間に振幅差を与えると紙面に対し上下方向の偏波成分が打ち消し合わないため、第十八実施例の主要な偏波成分に対し、直交する偏波成分が加わる。そのため本アンテナは可変減衰器を調整することで偏波方向を変えることができる。また、17の可変移相器を適切に調整すると円偏波を放射することができる。可変リアクタンスを制御しビーム方向が変化し円偏波の軸比が変化した場合は、18の可変減衰器と17の可変移相器を調整することで軸比を修正することができる。また、17の可変移相器を用いる代わりに、フェーズドアレイの最も給電側の素子群（例えば201の素子群）のみ可変リアクタンス素子を他の素子群と別に制御することで軸比の修正ができる。また、可変移相器の移相量を１８０°とした場合は円偏波とならずに直線偏波となり、第十八実施例と直交する偏波を実現することができる。
以上から、第十八実施例の構成の並列給電回路部分に可変減衰器あるいは可変移相器を構成することにより直線偏波の偏波方向の制御あるいは円偏波の軸比制御が可能なフェーズドアレイアンテナが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第一実施例の可変移相器の構成図。
【図２】本発明の第二実施例の可変移相器の構成図。
【図３】本発明の第一実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図４】本発明の第二実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図５】本発明の第三実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図６】本発明の第四実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図７】本発明の第五実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図８】本発明の第六実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図９】本発明の第七実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図１０】本発明の第八実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図１１】本発明の第九実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図１２】第九実施例のフェーズドアレイアンテナにおける信号変移量に対する透過電力変移特性を示す図。
【図１３】素子群アレイにおける放射パターン（Ｈ面）を示す図。
【図１４】ビーム走査角に対する利得変化を示す図。
【図１５】本発明の第十実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図１６】本発明の第十一実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図１７】本発明の第十二実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図１８】本発明の第十三実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図１９】本発明の第十四実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図２０】本発明の第十五実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図２１】本発明の第十六実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図２２】本発明の第十七実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図２３】本発明の第十八実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図２４】本発明の第十九実施例のフェーズドアレイアンテナの構成図。
【図２５】従来のフェーズドアレイアンテナの第一の構成例を示す構成図。
【図２６】従来のフェーズドアレイアンテナの第二の構成例を示す構成図。
【符号の説明】
【００７４】
１・・・給電線路（信号伝送手段）、２・・・導体片群、201〜209・・・素子群、211〜216・・・ダイポールアンテナ素子、221〜226，241〜243・・・パッチアンテナ素子、３，301〜306，311〜316・・・可変リアクタンス素子、４・・・給電端子、５・・・終端抵抗、６・・・地板付き誘電体基板、７・・・スタブ、８，801，802・・・可変電圧源、９・・・DCカット用コンデンサ、10・・・インダクタ、11・・・切替えスイッチ、12・・・増幅手段、13・・・スロットアンテナ、14・・・抵抗器、15・・・導体片、16・・・分配器、17・・・可変移相器、18・・・可変減衰器
【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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