(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力増幅器を一体化したアクティブフェーズドアレーアンテナにおいて、
電力増幅器の出力線路で励振される励振用スロットアンテナ素子を形成した下層金属板と、
前記下層金属板の上部に、複数の放射用スロットアンテナ素子をアレー状に構成した上層金属板と、
前記下層金属板と前記上層金属板との中間層に形成され前記励振用スロットアンテナ素子の上部からずらして配置されたモニタ用スロットアンテナ素子とを有し、
前記励振用スロットアンテナ素子から放射した電磁波を空間的に分配して前記複数の放射用スロットアンテナ素子及び前記モニタ用スロットアンテナ素子に電磁結合させてなることを特徴とするアクティブフェーズドアレーアンテナ。
【請求項２】
請求項１記載のアクティブフェーズドアレーアンテナにおいて、
前記モニタ用スロットアンテナ素子を形成した中間層に、前記モニタ用スロットアンテナ素子でモニタした信号の振幅、位相を検出する回路を構成してなることを特徴とするアクティブフェーズドアレーアンテナ。
【請求項３】
請求項１または２記載のアクティブフェーズドアレーアンテナをサブアレーとして２次元平面にアレー状に配列してなることを特徴とするアクティブフェーズドアレーアンテナ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のアクティブフェーズドアレーアンテナを使用したことを特徴とする送信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクティブフェーズドアレーアンテナ及びそれを用いた送信装置に関し、特に、アンテナ素子と半導体デバイスを一体化したアクティブフェーズドアレーアンテナ及びそれを用いた送信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子追尾機能を持ち移動体から情報を伝送する移動体ＳＮＧ（ニュース素材伝送）装置のアンテナ、マルチビームや空間的にビーム走査可能な衛星放送受信用アンテナ、または衛星搭載用の送受信アンテナとしてアクティブフェーズドアレーアンテナが開発されている。
【０００３】
図６は、レーダ装置に使用する従来のアクティブフェーズドアレーアンテナの一例の回路構成図を示す。同図中、送信機７から送信された送信パルス信号は、サーキュレータ１０を介して電力分配器９に供給され、電力分配器９を介して移相器６１〜６ｎに分配供給される。移相器６１〜６ｎは、入力し送信パルス信号を所定の位相に設定して、第２のサーキュレータ４１〜４ｎを介して電力増幅器３１〜３ｎに出力する。電力増幅器３１〜３ｎは、入力した送信パルス信号を増幅してアンテナ素子１１〜１ｎに出力する。アンテナ素子１１〜１ｎは、入力した送信パルス信号を観測対象に向かって放射する。
【０００４】
観測対象で反射された送信パルス信号の反射波がアンテナ素子１１〜１ｎで受信される。このアンテナ素子１１〜１ｎで受信した受信信号は、第１のサーキュレータ２１〜２ｎを介して低雑音増幅器５１〜５ｎに導かれて入力した受信信号が増幅され第２のサーキュレータ４１〜４ｎを介して移相器６１〜６ｎに出力される。移相器６１〜６ｎは、入力した受信信号を所定の位相に制御して、電力分配器９に供給する。電力分配器９は、入植した受信信号を合成して、サーキュレータ１０を介して受信機８に出力し、ここに観測データが取得される。この際、移相器６１〜６ｎは、その移相量が図示しないビーム制御器を介して制御されて、送受される電磁波をビーム走査に必要な位相に制御する。
【０００５】
複数の電力増幅器３１〜３ｎの出力端に方向性結合器１１１〜１１ｎをそれぞれ設け、この方向性結合器１１１〜１１ｎで電力増幅器３１〜３ｎの出力の一部をモニタ信号として抽出し、このモニタ信号を検波器１２１〜１２ｎで検波して図示しないモニタ装置で出力し複数の電力増幅器３１〜３ｎの動作状態を検出する。これにより、各アンテナ素子１１〜１ｎから放射される電波の振幅、位相を得て、精度よくアンテナビームを所望の方向に走査できる。
【０００６】
図７は、移動体ＳＮＧ装置に使用する従来の平面アクティブフェーズドアレーアンテナの一例の平面図を示す。同図中、多層基板平面アクティブフェーズドアレーアンテナ２０には８×８素子のパッチ２２が設けられており、各パッチ２２は放射アンテナ素子とモニタ用アンテナ素子が対で形成されている。図中、ハッチングで示すアレーの中心部に位置する１つのパッチのモニタ用アンテナ素子を送信モニタ用アンテナ素子として用いる。
【０００７】
図８（Ａ），（Ｂ）は、各パッチの断面図，平面図を示す。多層基板は、基板３１から基板３４までの４枚からなり、基板３２上に送信用の放射アンテナ素子３５が形成されており、放射アンテナ素子３５の送信ポートはスルーホール３６によって基板３３，３４間に形成された送信用給電線３７に接続され、送信用給電線３７を介して送信用コネクタに接続される。
【０００８】
基板３１には同じくエッチングで形成された無給電の共振パッチで構成されるモニタ用アンテナ素子３８が設けてある。送信モニタ用アンテナ素子として用いるモニタ用アンテナ素子３８については、同じ平面上に作成された給電線を介してモニタ用出力コネクタに接続されている。
【０００９】
この構造では、モニタ用アンテナ素子を放射用素子に積層することにより小型、薄型な構成にすることができる。また、送信電波の振幅、位相を直接モニタでき、アンテナまでをループに含むフィードバック系が構成されるため、アンテナ部の特性の変化までを補償した高精度の振幅、位相の制御が可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図６の従来技術では、モニタ装置はアンテナ素子１１〜１ｎと電力増幅器３１〜３ｎの間に取り付けられた方向性結合器１１１〜１１ｎにより送信信号の抽出を行っているので、アンテナ系を含まないフィードバックループとなっており、アンテナの放射素子の影響やインピーダンス不整合による多重反射等の影響により、空間に放射された送信電波の振幅、位相を正確にモニタすることはできない。また、アンテナ素子１１〜１ｎと電力増幅器３１〜３ｎが一体化したアクティブフェーズドアレーアンテナに適用する場合、方向性結合器１１１〜１１ｎは比較的大きいため、小型のアクティブフェーズドアレーアンテナを構成することが困難となる。さらに、この方向性結合器１１１〜１１ｎをアンテナ素子１１〜１ｎと電力増幅器３１〜３ｎの間に挿入した場合、アクティブフェーズドアレーアンテナの特性が影響を受け、送信電波を正確にモニタすることができないという問題がある。
【００１１】
図７，図８の従来技術では、モニタ用アンテナ素子３８を放射アンテナ素子３５の上部に積層する構造になっているため、アンテナ系を含めたモニタが行えるが、放射アンテナ素子３５の上部にモニタ用アンテナ素子３８が積層して形成されているため放射特性に直接影響を与えたり、隣接するアンテナ素子あるいはサブアレーからの結合により正確なモニタができないという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、アンテナ系を含めたフィードバックループを構成でき、また、隣接するアンテナ素子あるいはサブアレーからの相互結合による影響がなく高精度なモニタが可能なアクティブフェーズドアレーアンテナを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電力増幅器の出力線路で励振される励振用スロットアンテナ素子を形成した下層金属板と、
前記下層金属板の上部に、複数の放射用スロットアンテナ素子をアレー状に構成した上層金属板と、
前記下層金属板と前記上層金属板との中間層に形成され前記励振用スロットアンテナ素子の上部からずらして配置されたモニタ用スロットアンテナ素子とを有し、
前記励振用スロットアンテナ素子から放射した電磁波を空間的に分配して前記複数の放射用スロットアンテナ素子及び前記モニタ用スロットアンテナ素子に電磁結合させてなるため、
アクティブフェーズドアレーアンテナに電力増幅器を一体化した構成であってもアンテナ系を含めたフィードバックループが構成でき高精度な送信電波のモニタが可能となる。また、モニタ用スロットアンテナ素子が励振用スロットアンテナ素子を形成した下層金属板と放射用スロットアンテナ素子を構成した上層金属板の間に形成されているので、隣接するアクティブフェーズドアレーアンテナまたはサブアレーからの相互結合による直接の影響がないので、高精度なモニタが可能となり、かつアクティブフェーズドアレーアンテナの放射パターンに影響を与えることもない。また、モニタ用スロットアンテナ素子は、下層金属板と上層金属板の間であれば自由に配置できるので、電磁的な結合度自由に調節してモニタすることができる。さらに、電磁結合によりモニタするため、高い周波数においても効率よく高精度な送信電波のモニタが可能となる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のアクティブフェーズドアレーアンテナにおいて、
前記モニタ用スロットアンテナ素子を形成した中間層に、前記モニタ用スロットアンテナ素子でモニタした信号の振幅、位相を検出する回路を構成してなるため、
送信電波の振幅、位相を検出する回路をアクティブアンテナ内部に構成してなるため、送信電波の振幅、位相を検出する回路を含めたアクティブフェーズドアレーアンテナを低コストで製造することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載のアクティブフェーズドアレーアンテナをサブアレーとして２次元平面にアレー状に配列してなるため、
各サブアレーから放射される電波の振幅、位相を検出することができ、高精度にアンテナのビーム制御を行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１，図２，図３は、本発明のアクティブフェーズドアレーアンテナの第１実施例の分解斜視図、透視斜視図、断面図を示す。同図中、金属製の放射用スロットアレー板４１には、複数の放射用スロット４２がｘ方向に一定間隔で偏波方向が一致するように一線上に配列されて形成されている。即ち、各放射用スロット４２はｙ方向に長く、ｘ方向に短い矩形状穴である。
【００１７】
また、金属ベース４３には、ストリップ導体４４と電力増幅器４５とストリップ導体４６を収納する金属溝４７が設けられている。ストリップ導体４４には入力信号が供給され、電力増幅器４５はストリップ導体４４から供給される入力信号を増幅してストリップ導体４６に供給し、ストリップ導体４６から励振用スロット４９に給電する。金属ベース４３の上面は金属製の励振用スロット板４８で覆われ、この励振用スロット板４８に放射用スロット４２を励振するための励振用スロット４９が形成されている。励振用スロット４９はｙ方向に長く、ｘ方向に短い矩形状穴である。
【００１８】
放射用スロットアレー板４１と金属ベース４３の間には、誘電体基板５１が配置され、誘電体基板５１の上面には矩形状の金属膜によってモニタ用アンテナ素子５２が形成されており、誘電体基板５１とこれに支持されるモニタ用アンテナ素子５２とで送信電波モニタ用素子５３を構成している。ここで、モニタ用アンテナ素子５２は励振用スロット４９の上部に積層するのではなく、例えばｙ方向にずらして配置されている。
【００１９】
ストリップ導体４４と金属ベース４３と励振用スロット板４８により入力用トリプレート線路５４が構成され、ストリップ導体４６と金属ベース４３と励振用スロット板４８により出力用トリプレート線路５５が構成されている。そして、入力用トリプレート線路５４と、出力用トリプレート線路５５と、電力増幅器４５と、金属ベース４３と、励振用スロット４９が形成されている励振用スロット板４８とにより、１素子の励振用アクティブフェーズドアレーアンテナが構成されている。
【００２０】
ここで、信号の流れを説明する。入力端子Ｔ１からストリップ導体４４に入力された高周波信号は入力用トリプレート線路５４を伝送されて電力増幅器４５に入力される。電力増幅器４５で電力増幅されて出力される信号は出力用トリプレート線路５５を伝送されて励振用スロット板４８上に形成されている励振用スロット４９に電磁結合する。電磁結合した高周波信号は励振用スロット４９から放射され、放射用スロットアレー板４１上に形成されている複数の放射用スロット４２に電磁結合して空間的に分配され、複数の放射用スロット４２から空間に放射される。
【００２１】
また、励振用スロット４９から放射された高周波信号の一部は放射用スロットアレー板４１と金属ベース４３の間に配置された送信電波モニタ用素子５３のモニタ用アンテナ素子５２を電磁結合により励振し、モニタ用アンテナ素子５２に接続されたモニタ出力端子Ｒ１から出力される。
【００２２】
本実施例では、電力増幅器４５の出力線路であるストリップ導体４６で励振される励振用スロット４９を形成した励振用スロット板４８の上部に、複数の放射用スロット４２をアレー状に構成した放射用スロットアレー板４１を配置した構造において、下層側の励振用スロット４９から放射した電磁波を空間的に分配して上層側の放射用スロット４２に適当な結合度で電磁結合させ、上層側と下層側の中間層に励振用スロット４９の上部からずらした位置にモニタ用アンテナ素子５２を形成することにより、アクティブフェーズドアレーアンテナと電力増幅器４５を一体化した構成であってもアンテナ系を含めたフィードバックループが構成できるので高精度な送信電波のモニタが可能となる。
【００２３】
また、モニタ用アンテナ素子５２は、放射用スロット４２が形成されている放射用スロットアレー板４１と励振用スロット４９が形成されている励振用スロット板４８の間に励振用スロット４９の上部からずらして配置されているので、隣接するアクティブアンテナまたはサブアレーからの相互結合による直接の影響がないので、高精度なモニタが可能となり、かつアレーアンテナの放射パターンに影響を与えることもない。
【００２４】
また、モニタ用アンテナ素子５２及び送信電波の振幅、位相を検出する送信電波モニタ回路をアクティブアンテナ内部に簡単に構成できるため、送信電波モニタ回路を含めたアクティブフェーズドアレーアンテナを低コストで製造することができる。
【００２５】
また、モニタ用アンテナ素子５２は、放射用スロット４２が形成されている放射用スロットアレー板４１と励振用スロット４９が形成されている励振用スロット板４８の間であれば自由に配置できるので、電磁的な結合度自由に調節してモニタすることができる。さらに、電磁結合によりモニタするため、高い周波数においても効率よく高精度な送信電波のモニタが可能となる。
【００２６】
図４，図５は、本発明のアクティブフェーズドアレーアンテナの第２実施例の透視斜視図、断面図を示す。このアクティブフェーズドアレーアンテナの構造は、図１〜図３に示すアクティブフェーズドアレーアンテナをサブアレーとし、４個のサブアレー６０，６１，６２，６３を２次元平面にアレー状に配列しアクティブフェーズドアレーアンテナを構成したものである。なお、上記サブアレーは４個配列したものに限らず、例えば縦横それぞれ数１０から数１００個をアレー状に配列する構成であっても良い。
【００２７】
図４，図５において、４個のサブアレー６０，６１，６２，６３それぞれは、入力端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４から各サブアレーのストリップ導体４４に高周波信号を入力され、この高周波信号は入力用トリプレート線路５４を伝送されて電力増幅器４５に入力される。電力増幅器４５で電力増幅されて出力される信号は出力用トリプレート線路５５を伝送されて励振用スロット板４８上に形成されている励振用スロット４９に電磁結合する。電磁結合した高周波信号は励振用スロット４９から放射され、放射用スロットアレー板４１上に形成されている複数の放射用スロット４２に電磁結合して空間的に分配され、各サブアレーの複数の放射用スロット４２から空間に放射される。
【００２８】
また、各サブアレーの励振用スロット４９から放射された高周波信号の一部は放射用スロットアレー板４１と金属ベース４３の間に配置された送信電波モニタ用素子５３のモニタ用アンテナ素子５２を電磁結合により励振し、モニタ用アンテナ素子５２に接続された各サブアレーのモニタ出力端子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４から出力される。従って、モニタ出力端子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４にて各サブアレーから放射される電波の振幅、位相を検出することができ、高精度にアンテナのビーム制御を行うことができる。
【００２９】
なお、上記実施例ではモニタ用アンテナ素子５２の形状を平面構造としているが、同軸線路などの立体回路で構成しても良い。また、モニタ用アンテナ素子５２が形成された誘電体基板５１上に送信電波の振幅、位相を検出する送信電波モニタ回路を集積化することもできるので、送信電波モニタ回路を内蔵したアクティブフェーズドアレーアンテナの構造をさらに小型、薄型化することができ、移動体ＳＮＧ装置や衛星搭載用などに使用されるアクティブフェーズドアレーアンテナで高精度なビーム形成を行うことが可能となる。
【００３０】
なお、励振用スロット４９が請求項記載の励振用スロットアンテナ素子に対応し、励振用スロット板４８が下層金属板に対応し、放射用スロット４２が放射用スロットアンテナ素子に対応し、放射用スロットアレー板４１が上層金属板に対応し、モニタ用アンテナ素子５２がモニタ用スロットアンテナ素子に対応する。
【００３１】
【発明の効果】
上述の如く、求項１に記載の発明は、アクティブフェーズドアレーアンテナに電力増幅器を一体化した構成であってもアンテナ系を含めたフィードバックループが構成でき高精度な送信電波のモニタが可能となる。また、モニタ用スロットアンテナ素子が励振用スロットアンテナ素子を形成した下層金属板と放射用スロットアンテナ素子を構成した上層金属板の間に形成されているので、隣接するアクティブフェーズドアレーアンテナまたはサブアレーからの相互結合による直接の影響がないので、高精度なモニタが可能となり、かつアクティブフェーズドアレーアンテナの放射パターンに影響を与えることもない。また、モニタ用スロットアンテナ素子は、下層金属板と上層金属板の間であれば自由に配置できるので、電磁的な結合度自由に調節してモニタすることができる。さらに、電磁結合によりモニタするため、高い周波数においても効率よく高精度な送信電波のモニタが可能となる。
【００３２】
請求項２に記載の発明は、送信電波の振幅、位相を検出する回路をアクティブアンテナ内部に構成してなるため、送信電波の振幅、位相を検出する回路を含めたアクティブフェーズドアレーアンテナを低コストで製造することができる。
【００３３】
請求項３に記載の発明は、各サブアレーから放射される電波の振幅、位相を検出することができ、高精度にアンテナのビーム制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクティブフェーズドアレーアンテナの第１実施例の分解斜視図である。
【図２】本発明のアクティブフェーズドアレーアンテナの第１実施例の透視斜視図である。
【図３】本発明のアクティブフェーズドアレーアンテナの第１実施例の断面図である。
【図４】本発明のアクティブフェーズドアレーアンテナの第２実施例の透視斜視図である。
【図５】本発明のアクティブフェーズドアレーアンテナの第２実施例の断面図である。
【図６】従来のアクティブフェーズドアレーアンテナの一例の回路構成図である。
【図７】従来の平面アクティブフェーズドアレーアンテナの一例の平面図である。
【図８】パッチの断面図，平面図である。
【符号の説明】
４１  放射用スロットアレー板
４２  放射用スロット
４３  金属ベース
４４  ストリップ導体
４５  電力増幅器
４６  ストリップ導体
４７  金属溝
４８  励振用スロット板
４９  励振用スロット
５１  誘電体基板
５２  モニタ用アンテナ素子
５３  送信電波モニタ用素子
５４  入力用トリプレート線路
５５  出力用トリプレート線路
６０，６１，６２，６３  サブアレー
【図１】
0004022052.tif 000002
【図２】
0004022052.tif 000003
【図３】
0004022052.tif 000004
【図４】
0004022052.tif 000005
【図５】
0004022052.tif 000006
【図６】
0004022052.tif 000007
【図７】
0004022052.tif 000008
【図８】
0004022052.tif 000009