(57)【要約】 【課題】  素子配置を一定に保ったまま、送信信号の周波数を変更することが可能なフェーズドアレイアンテナを提供する。【解決手段】  フェーズドアレイアンテナは、複数のアンテナ素子を具備する。アンテナ素子は、フェライト基板、金属体及び平板電磁石を備える。フェライト基板は、磁界の発生により透磁率が変化する。金属体は、前記フェライト基板の一方の面に配置される。平板電磁石は、前記フェライト基板の、前記金属体が配置される面とは逆の面に配置され、供給される直流電流に応じて磁界を発生させる。前記複数のアンテナ素子は、予め設定する複数の周波数のうち、最大周波数に応じた間隔で配列される。【選択図】図３
2016058903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界により透磁率が変化するフェライト基板と、
前記フェライト基板の一方の面に配置される金属体と、
前記フェライト基板の、前記金属体が配置される面とは逆の面に配置され、供給される直流電流に応じて磁界を発生させる平板電磁石と
を備えるアンテナ素子を複数具備し、
前記複数のアンテナ素子は、予め設定する複数の周波数のうち、最大周波数に応じた間隔で配列されるフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２】
前記複数のアンテナ素子へ送信信号を分配する分配器と、
前記複数のアンテナ素子で受信された受信信号を合成する合成器と
をさらに具備し、
前記分配器は、
磁界の発生により透磁率が変化するフェライト基板と、
前記フェライト基板の一方の面に形成されるパターン層と、
前記フェライト基板の、前記パターン層が形成される面とは逆の面に配置され、供給される直流電流に応じて磁界を発生させる平板電磁石と
を備え、
前記合成器は、
磁界の発生により透磁率が変化するフェライト基板と、
前記フェライト基板の一方の面に形成されるパターン層と、
前記フェライト基板の、前記パターン層が形成される面とは逆の面に配置され、供給される直流電流に応じて磁界を発生させる平板電磁石と
を備える請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項３】
前記複数のアンテナ素子へ送信信号を分配する分配器と、
前記複数のアンテナ素子で受信された受信信号を合成する合成器と
をさらに具備し、
前記分配器は、
予め設定する複数の周波数毎に、前記送信信号を前記複数のアンテナ素子へ分配する複数の分配経路と、
前記複数の周波数のいずれかに応じて前記分配経路を切り替える切替回路と
を備え、
前記合成器は、
予め設定する複数の周波数毎に、前記複数のアンテナ素子で受信された前記受信信号を合成する複数の合成経路と、
前記複数の周波数のいずれかに応じて前記合成経路を切り替える切替回路と
を備える請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項４】
デジタル信号による送信信号をアナログ信号へ変換して前記複数のアンテナ素子へ出力するデジタル−アナログ変換部と、
前記複数のアンテナ素子で受信されたアナログ信号による受信信号をデジタル信号へ変換するアナログ−デジタル変換部と
をさらに具備する請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項５】
前記予め設定する複数の周波数は、前記複数の周波数のうち最大周波数に対して１／ｎ倍である請求項１記載の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】
本発明の実施形態は、複数のアンテナ素子を備えるフェーズドアレイアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチバンドに対応可能なフェーズドアレイアンテナが存在すれば有用である。しかしながら、フェーズドアレイアンテナの開口長は、自由空間において送信される信号の波長に依存する。そのため、素子配置を一定に保ったまま、送信信号の周波数を変更することができないという問題がある。
【０００３】
なお、フェライトを使用する周波数アジャイルアンテナが多数提案されている。この種のアンテナ装置によれば、フェライトのテンソル透磁率を可変制御することで、共振周波数、すなわち波長を可変制御することが可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Mishra R.K., Pattnaik S.S., and Das N., ”Tuning of microstrip antenna on ferrite substrate”, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on Antennas and Prpagation, AP-4, 2Feb., 1993.
【非特許文献２】Naveen Kumar Saxena, and P.K.S. Pourush, ”Microstrip Array Antenna on Biased Ferrite Substrate as Signal to Noise Enhancer” Recent Advances in Microwave Theory and Applications, 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、従来のフェーズドアレイアンテナでは、素子配置を一定に保ったまま、送信信号の周波数を変更することができないという問題がある。
【０００６】
そこで目的は、素子配置を一定に保ったまま、送信信号の周波数を変更することが可能なフェーズドアレイアンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態によれば、フェーズドアレイアンテナは、複数のアンテナ素子を具備する。アンテナ素子は、フェライト基板、金属体及び平板電磁石を備える。フェライト基板は、磁界の発生により透磁率が変化する。金属体は、前記フェライト基板の一方の面に配置される。平板電磁石は、前記フェライト基板の、前記金属体が配置される面とは逆の面に配置され、供給される直流電流に応じて磁界を発生させる。前記複数のアンテナ素子は、予め設定する複数の周波数のうち、最大周波数に応じた間隔で配列される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す図である。
【図２】図１に示されるアンテナ部のアレイ面を示す図である。
【図３】図２に示されるアンテナ素子の構造を示す図である。
【図４】図１に示される横分配／合成器の構造を示す図である。
【図５】図１に示される縦分配／合成器の構造を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す図である。
【図７】図６に示される制御部の機能構成を示すブロック図である。
【図８】その他の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す模式図である。図１に示されるフェーズドアレイアンテナは、アンテナ部１０、横分配／合成器２０及び縦分配／合成器３０を具備する。フェーズドアレイアンテナには、電流発生部４０及び制御部５０が接続される。なお、アンテナ部１０と、横分配／合成器２０との間には、移相器及びアンプが実際には設けられるが、ここでは説明を省略する。
【００１１】
アンテナ部１０は、横分配／合成器２０から供給される信号を空間へ送信する。また、アンテナ部１０は、受信した信号を横分配／合成器２０へ出力する。
【００１２】
図２は、図１に示されるアンテナ部１０のアレイ面の例を示す模式図である。図２に示されるアンテナ部１０は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子１１を備える。アンテナ素子１１は、縦及び横に、予め設定される間隔を開けて配列される。アンテナ素子１１間の間隔は、フェーズドアレイアンテナから送信される最大周波数の信号の１／４波長に設定される。アンテナ素子１１の間隔が送信信号の波長の１／４以下である場合、グレーティングローブが発生しない。
【００１３】
例えば、フェーズドアレイアンテナが周波数３ＧＨｚ、１．５ＧＨｚ、又は、７５０ＭＨｚの信号を送信／受信するマルチバンドに対応する場合、λ１＝光速／３ＧＨｚ＝０．１ｍである。そのため、アンテナ素子１１は、０．１ｍ／４＝２．５ｃｍ間隔で配列される。なお、アンテナ素子１１間を２．５ｃｍとすると、周波数１．５ＧＨｚの信号に対しては１／８波長の間隔となり、周波数７５０ＭＨｚの信号に対しては１／１６波長の間隔となる。
【００１４】
図３は、図２に示されるアンテナ素子１１の構造の例を示す模式図である。図３に示すアンテナ素子１１は、金属体１１１、フェライト基板１１２及び平板電磁石１１３を備える。金属体１１１は、フェライト基板１１２の一方の面に配置される。平板電磁石１１３は、フェライト基板１１２の金属体１１１が配置される面とは逆の面に配置される。
【００１５】
平板電磁石１１３は、電流発生部４０から供給される電流に応じて磁界を発生させる。
【００１６】
フェライト基板１１２は、例えば、垂直磁化フェライト基板である。平板電磁石１１３により磁界が発生すると、フェライト基板１１２における垂直方向の磁束密度は変化する。これにより、フェライト基板１１２のテンソル透磁率は、電流に応じて変化することとなる。
【００１７】
なお、上記のように、例えば、フェーズドアレイアンテナが周波数３ＧＨｚ、１．５ＧＨｚ、又は、７５０ＭＨｚの信号を送信／受信するマルチバンドに対応する場合には、アンテナ素子１１を２．５ｃｍ間隔で配列しなくてはならない。よって、アンテナ素子の直径は１ｃｍ程度以下となる。
【００１８】
横分配／合成器２０は、分配器２１及び合成器２２を備える。分配器２１は、例えば、分布定数型ウィルキンソン分配器である。分配器２１は、縦分配／合成器３０から供給される信号を分配し、アンテナ部１０に設けられるアンテナ素子１１へ出力する。
【００１９】
合成器２２は、例えば、カプラによる結合回路である。合成器２２は、アンテナ部１０に設けられるアンテナ素子１１で受信された信号を合成し、縦分配／合成器３０へ出力する。
【００２０】
図４は、図１に示される横分配／合成器２０の構造の例を示す模式図である。図４に示される横分配／合成器２０は、パターン２３、フェライト基板２４及び平板電磁石２５を備える。パターン２３は、分配器２１又は合成器２２のパターンであり、フェライト基板２４の一方の面に形成される。平板電磁石２５は、フェライト基板２４の、パターン２３が形成される面とは逆の面に配置される。
【００２１】
平板電磁石２５は、電流発生部４０から供給される電流に応じて磁界を発生させる。
【００２２】
フェライト基板２４は、例えば、垂直磁化フェライト基板である。平板電磁石２５により磁界が発生すると、フェライト基板２４における垂直方向の磁束密度は変化する。これにより、フェライト基板２４のテンソル透磁率は、電流に応じて変化することとなる。
【００２３】
縦分配／合成器３０は、分配器３１及び合成器３２を備える。分配器３１は、例えば、分布定数型ウィルキンソン分配器である。分配器３１は、信号発生器（図示せず）から供給される信号を分配し、横分配／合成器２０へ出力する。
【００２４】
合成器３２は、例えば、カプラによる結合回路である。合成器３２は、横分配／合成器２０から供給される信号を合成し、後段へ出力する。
【００２５】
図５は、図１に示される縦分配／合成器３０の構造の例を示す模式図である。図５に示される縦分配／合成器３０は、パターン３３、フェライト基板３４及び平板電磁石３５を備える。パターン３３は、分配器３１又は合成器３２のパターンであり、フェライト基板３４の一方の面に形成される。平板電磁石３５は、フェライト基板３４の、パターン３３が形成される面とは逆の面に配置される。
【００２６】
平板電磁石３５は、電流発生部４０から供給される電流に応じて磁界を発生させる。
【００２７】
フェライト基板３４は、例えば、垂直磁化フェライト基板である。平板電磁石３５により磁界が発生すると、フェライト基板３４における垂直方向の磁束密度は変化する。これにより、フェライト基板３４のテンソル透磁率は、電流に応じて変化することとなる。
【００２８】
電流発生部４０は、制御部５０からの制御に従い、アンテナ部１０、横分配／合成器２０及び縦分配／合成器３０へ直流電流を供給する。
【００２９】
制御部５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により実現される。制御部５０は、送信信号の周波数が指定されると、指定される周波数と対応する電流値を、メモリ５１に記録されるテーブルから読み出す。テーブルには、送信周波数と、アンテナ部１０、横分配／合成器２０及び縦分配／合成器３０それぞれに対する電流値とが対応づけられる。電流値は、指定される周波数の信号を実現することが可能な電流値であり、予め計測されて記録されている。制御部５０は、アンテナ部１０、横分配／合成器２０及び縦分配／合成器３０についての電流値の情報を、電流発生部４０へ出力する。
【００３０】
なお、上記のように、例えば、フェーズドアレイアンテナが周波数３ＧＨｚ、１．５ＧＨｚ、又は、７５０ＭＨｚの信号を送信／受信するマルチバンドに対応する場合には、直径が１ｃｍ程度のアンテナ素子から３ＧＨｚ、１．５ＧＨｚ、又は、７５０ＭＨｚの信号が送信されるように、または、直径が１ｃｍ程度のアンテナ素子により３ＧＨｚ、１．５ＧＨｚ、又は、７５０ＭＨｚの信号が受信されるように電流値が設定される。
【００３１】
上記のように構成されるフェーズドアレイアンテナは、例えば、以下のように運用される。なお、以下の例では、フェーズドアレイアンテナが周波数３ＧＨｚ、１．５ＧＨｚ、又は、７５０ＭＨｚの信号を送信するマルチバンドに対応する場合を説明する。
【００３２】
フェーズドアレイアンテナから３ＧＨｚの信号を送信するように指示がある場合、図示しない信号発生器で、３ＧＨｚの送信信号が生成される。制御部５０は、電流発生部４０へ振幅零の直流電流を供給するように指示を出す。アンテナ部１０は、信号発生器で生成された周波数３ＧＨｚの信号を空間へ送信する。
【００３３】
フェーズドアレイアンテナから１．５ＧＨｚの信号を送信するように指示がある場合、図示しない信号発生器で、１．５ＧＨｚの送信信号が生成される。制御部５０は、メモリ５１に記録されるテーブルからアンテナ素子１１についての電流値Ａ１、横分配／合成器２０についての電流値Ａ２、縦分配／合成器３０についての電流値Ａ３を読み出す。制御部５０は、アンテナ素子１１へ電流値Ａ１の直流電流を供給し、横分配／合成器２０へ電流値Ａ２の直流電流を供給し、縦分配／合成器３０へ電流値Ａ３の直流電流を供給するように、電流発生部４０へ指示を出す。電流発生部４０から直流電流が供給されることで、フェライト基板１１２，２４，３４のテンソル透磁率が変化する。送信信号の波長は、このテンソル透磁率の変化により短縮される。送信信号は、縦分配／合成器３０及び横分配／合成器２０を介してアンテナ部１０から外部へ送信される。
【００３４】
フェーズドアレイアンテナから７５０ＭＨｚの信号を送信するように指示がある場合、図示しない信号発生器で、７５０ＭＨｚの送信信号が生成される。制御部５０は、テーブルからアンテナ素子１１についての電流値Ｂ１、横分配／合成器２０についての電流値Ｂ２、縦分配／合成器３０についての電流値Ｂ３を読み出す。ここで、例えば、電流値Ａ１＜Ｂ１，Ａ２＜Ｂ２，Ａ３＜Ｂ３であるとする。制御部５０は、アンテナ素子１１へ電流値Ｂ１の直流電流を供給し、横分配／合成器２０へ電流値Ｂ２の直流電流を供給し、縦分配／合成器３０へ電流値Ｂ３の直流電流を供給するように、電流発生部４０へ指示を出す。電流発生部４０から直流電流が供給されることで、フェライト基板１１２，２４，３４のテンソル透磁率が変化する。送信信号の波長は、このテンソル透磁率の変化により短縮される。送信信号は、縦分配／合成器３０及び横分配／合成器２０を介してアンテナ部１０から外部へ送信される。
【００３５】
以上のように、第１の実施形態では、アンテナ部１０において、アンテナ素子１１を最大周波数に応じた間隔で配置する。そして、フェーズドアレイアンテナは、アンテナ素子１１、横分配／合成器２０及び縦分配／合成器３０に、フェライト基板１１２，２４，３４を用い、フェライト基板１１２，２４，３４の裏面に平板電磁石１１３，２５，３５を設けるようにしている。平板電磁石１１３，２５，３５に電流発生部４０から直流電流が供給されると、電流量に応じて垂直方向への磁束密度が変化する。これにより、フェライト基板１１２，２４，３４のテンソル透磁率が変化し、縦分配／合成器３０及び横分配／合成器２０を伝わる信号の共振周波数が変化することになる。また、アンテナ部１０から送信される信号及びアンテナ部１０で受信される信号の共振周波数が変化することになる。
【００３６】
したがって、第１の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナによれば、アンテナ部１０におけるアンテナ素子１１の配置を一定に保ったまま、送信信号及び受信信号の周波数を変更することができる。つまり、フェーズドアレイアンテナに対する素子配列の物理的な制約を許容しながら、マルチバンドフェーズドアレイアンテナを実現することができる。
【００３７】
なお、第１の実施形態では、横分配／合成器２０及び縦分配／合成器３０にフェライト基板２４，３４が用いられ、フェライト基板２４，３４のテンソル透磁率を制御する場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されない。例えば、横分配／合成器２０及び縦分配／合成器３０は、送信信号の周波数に対応する複数の分配経路及び複数の合成経路をそれぞれ有していても構わない。このとき、横分配／合成器２０及び縦分配／合成器３０は、切替回路を備える。制御部５０は、指定される周波数に応じて切替回路を切り替え、指定される周波数に対応した分配経路及び合成経路を選択する。
【００３８】
（第２の実施形態）  
図６は、第２の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す模式図である。図６に示されるフェーズドアレイアンテナは、アンテナ部１０、デジタル−アナログ変換器６０及びアナログ−デジタル変換器７０を具備する。フェーズドアレイアンテナには、電流発生部８０、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）回路９０及び制御部１００が接続される。なお、アンテナ部１０と、デジタル−アナログ変換器（Ｄ／Ａ）６０及びアナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）７０との間には、ミキサ及びアンプが実際には設けられるが、ここでは説明を省略する。
【００３９】
Ｄ／Ａ６０は、アンテナ部１０に配列されるアンテナ素子１１毎に設けられる。Ｄ／Ａ６０は、制御部１００からの制御に従い、制御部１００から供給されるデジタル信号をアナログ信号へ変換する。Ｄ／Ａ６０は、逓倍方式等の周波数変換回路を備え、制御部１００からの制御に従い、アナログ信号の周波数を変化させる。Ｄ／Ａ６０は、アナログ信号をアンテナ素子１１へ出力する。
【００４０】
電流発生部８０は、制御部１００からの制御に従い、アンテナ部１０へ直流電流を供給する。
【００４１】
制御部１００は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により実現される。制御部１００は、ＣＰＵ又はＦＰＧＡにより処理が実施されることで、図７に示す周波数制御部１０１、移相制御部１０２、ウェイト制御部１０３及び電流制御部１０４の機能を実現する。
【００４２】
周波数制御部１０１は、Ｄ／Ａ６０に対し、送信信号の周波数を指示する。
【００４３】
移相制御部１０２は、Ｄ／Ａ６０に対し、送信信号の位相を指示する。これにより、フェーズドアレイアンテナは、移相器がなくても送信ビーム走査することが可能となる。
【００４４】
ウェイト制御部１０３は、一部のＤ／Ａ６０に対し、出力する信号にウェイトを付けるように指示する。これにより、フェーズドアレイアンテナにおける送信アンテナサイドローブが低減されることになる。
【００４５】
電流制御部１０４は、送信信号の周波数が指定されると、指定される周波数と対応する電流値を、メモリ１０５に記録されるテーブルから読み出す。テーブルには、送信周波数と、アンテナ部１０に対する電流値とが対応づけられる。電流値は、指定される周波数の信号を実現することが可能な電流値であり、予め計測されて記録されている。電流制御部１０４は、アンテナ部１０についての電流値の情報を、電流発生部８０へ出力する。
【００４６】
Ａ／Ｄ７０は、アンテナ部１０に配列されるアンテナ素子１１毎に設けられる。Ａ／Ｄ７０は、アンテナ素子１１で受信された信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ７０は、デジタル信号をＤＢＦ回路９０へ出力する。
【００４７】
ＤＢＦ回路９０は、例えば、ＣＰＵ又はＦＰＧＡから成る。Ａ／Ｄ７０から供給されるデジタル信号にウェイトをかけることで、受信ビームを形成する。
【００４８】
以上のように、第２の実施形態では、アンテナ部１０において、アンテナ素子１１を最大周波数に応じた間隔で配置する。そして、フェーズドアレイアンテナは、アンテナ素子１１にフェライト基板１１２を用い、フェライト基板１１２のアンテナ素子１１に対する裏面に平板電磁石１１３を設けるようにしている。平板電磁石１１３に電流発生部８０から直流電流が供給されると、電流量に応じて垂直方向への磁束密度が変化する。これにより、フェライト基板１１２のテンソル透磁率が変化し、アンテナ部１０から送信される信号及びアンテナ部１０で受信される信号の共振周波数が変化することになる。
【００４９】
したがって、第２の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナによれば、アンテナ部１０におけるアンテナ素子１１の配置を一定に保ったまま、送信信号及び受信信号の周波数を変更することができる。つまり、フルＤＢＦを採用するアンテナ装置のように、フェーズドアレイアンテナにデジタル信号が入力され、かつ、フェーズドアレイアンテナからデジタル信号が出力される場合であっても、フェーズドアレイアンテナに対するアンテナ素子についての配列の制約を許容しながら、マルチバンドフェーズドアレイアンテナを実現することができる。
【００５０】
なお、第２の実施形態では、フルＤＢＦを採用するアンテナ装置で用いられるフェーズドアレイアンテナについて説明したが、これに限定されない。例えば、フェーズドアレイアンテナは、図８で示される１次元ＤＢＦを採用するアンテナ装置で用いられても構わない。このとき、フェーズドアレイアンテナは、アンテナ部１０、横分配／合成器２０、Ａ／Ｄ７０を具備する。
【００５１】
また、第１及び第２の実施形態では、フェライト基板が、垂直磁化フェライト基板である場合を例に説明したが、磁化の方向は垂直であることに限定されない。
【００５２】
また、第１及び第２の実施形態では、フェーズドアレイアンテナが周波数３ＧＨｚ、１．５ＧＨｚ、又は、７５０ＭＨｚの信号を送信／受信するマルチバンドに対応する場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されない。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５４】
１０…アンテナ部、１１…アンテナ素子、１１１…金属体、１１２…フェライト基板、１１３…平板電磁石、２０…横分配／合成器、２１…分配器、２２…合成器、２３…パターン、２４…フェライト基板、２５…平板電磁石、３０…縦分配／合成器、３１…分配器、３２…合成器、３３…パターン、３４…フェライト基板、３５…平板電磁石、４０，８０…電流発生部、５０，１００…制御部、５１，１０５…メモリ、６０…デジタル−アナログ変換器、７０…アナログ−デジタル変換器、９０…ＤＢＦ回路、１０１…周波数制御部、１０２…移相制御部、１０３…ウェイト制御部、１０４…電流制御部。
【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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