(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信アンテナからの電波を受信するアレイ状に配列された複数のアンテナ素子と、各アンテナ素子にそれぞれ接続される移相器と、を有し、アンテナ素子で受信された電波の位相を移相器によって制御し、位相が制御された電波を各アンテナ素子から送信することでビームステアリングするフェーズドアレイアンテナ装置において、
送信アンテナは、各アンテナ素子の相対位相を制御する移相制御信号が変調された電波を送信し、
アンテナ素子で受信した電波を分配する分配器と、
分配された電波から移相制御信号を復調する復調器と、
を有し、
各移相器は、復調された移相制御信号により、それぞれ制御されることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置において、
送信アンテナから送信される移相制御信号には、予め決められた複数の位相特性の中から所定の位相特性を選択する選択信号を含み、
アンテナ素子と移相器とを一体化したアンテナモジュールは、
予め決められたアンテナ素子の相対位相を記憶する位相記憶手段と、
各アンテナ素子で受信された選択信号に基づいて、各移相器に相対位相を設定する選択手段と、
を有することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のフェーズドアレイアンテナ装置において、さらに、
送信アンテナから送信される移相制御信号には、予め決められた位相特性を変更する変更信号を含み、
アンテナモジュールは、アンテナ素子で受信された変更信号に基づいて、位相記憶手段に記憶されたアンテナ素子の相対位相を変更する位相変更手段を有することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ装置において、
移相器は、ＭＥＭＳ移相器であり、反射型移相器又は透過型移相器であることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェーズドアレイアンテナ装置に関し、特に送信アンテナからの電波を受信するアレイ状に配列された複数のアンテナ素子と、各アンテナ素子にそれぞれ接続される移相器と、を有し、アンテナ素子で受信された電波の位相を移相器によって制御し、位相が制御された電波を各アンテナ素子から送信することでビームステアリングするフェーズドアレイアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーダ装置や携帯電話の基地局等には、多くのアンテナ素子を平面上又は直線上に配列し、これらのアンテナ素子で送受信するフェーズドアレイアンテナ装置が用いられている。このフェーズドアレイアンテナ装置は、各アンテナ素子で送受信する高周波信号の位相をそれぞれ調整することによりフェーズドアレイアンテナ装置の指向性を可変（ビームステアリング）させるだけでなく、関心のある電波の到来方向の利得を増大させ、それ以外の方向から到来する電波の利得を低下させる処理（トラッキング）を電気的に実行することができることから、アダプティブアレイアンテナとも呼ばれる。
【０００３】
フェーズドアレイアンテナ装置では、多くのアンテナ素子と、アンテナ素子それぞれに接続される移相器と、を平面上に配置し、それぞれに、電源と、制御信号線と、送受信のための高周波信号を給電する給電線と、を配線している。しかし、送受信する高周波信号が高い周波数になればなるほど、波長が短くなり、アンテナ素子が小さくなることから、回路の集積化と配線の複雑化が問題となる。
【０００４】
このようなフェーズドアレイアンテナ装置において、回路の複雑化の解消を図るために、高周波信号を空間給電により供給することでアンテナ素子の給電線を省いたフェーズドアレイアンテナ装置の技術が特許文献１に開示されている。
【０００５】
図６は、従来の空間給電によるフェーズドアレイアンテナ装置１００の構成を示している。図６のフェーズドアレイアンテナ装置１００は、移相器ユニット（１１０，１２０，１３０，１４０）と、その移相器ユニットに接続された送受信アンテナ素子（１１１，１２１，１３１，１４１）と、高周波信号を送信する送信機１５４と、送信機１５４に接続された送信アンテナ１５５と、を有している。
【０００６】
また、図６の移相器ユニット（＃１）１１０には、デジタル移相器１１２と、電波を反射する完全反射素子１１３と、電源１５３から供給される電源電圧を安定させる電圧安定器１１５と、制御部１５２からシリアル通信によって送信される制御信号をデジタル移相器１１２用のパラレル信号に変換するシリアルパラレル変換器１１４と、が設けられている。このため、各移相器ユニット（１２０，１３０，１４０）も同様にして結線されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１７４３４号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した技術を用いることにより、アンテナ素子の回路から高周波信号の給電線を省略することが可能となるが、回路への電源供給や位相を制御するための電源線や制御信号線等がアンテナ素子の数だけ必要であり、配線及び装置の更なる小型化は難しい。
【０００９】
そこで、本発明は、フェーズドアレイアンテナ装置の回路における複雑化の解消を図ることができるフェーズドアレイアンテナ装置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】
【００１０】
以上のような目的を達成するために、本発明に係るフェーズドアレイアンテナ装置は、送信アンテナからの電波を受信するアレイ状に配列された複数のアンテナ素子と、各アンテナ素子にそれぞれ接続される移相器と、を有し、アンテナ素子で受信された電波の位相を移相器によって制御し、位相が制御された電波を各アンテナ素子から送信することでビームステアリングするフェーズドアレイアンテナ装置において、送信アンテナは、各アンテナ素子の相対位相を制御する移相制御信号が変調された電波を送信し、アンテナ素子で受信した電波を分配する分配器と、分配された電波から移相制御信号を復調する復調器と、を有し、各移相器は、復調された移相制御信号により、それぞれ制御されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るフェーズドアレイアンテナ装置において、送信アンテナから送信される移相制御信号には、予め決められた複数の位相特性の中から所定の位相特性を選択する選択信号を含み、アンテナ素子と移相器とを一体化したアンテナモジュールは、予め決められたアンテナ素子の相対位相を記憶する位相記憶手段と、各アンテナ素子で受信された選択信号に基づいて、各移相器に相対位相を設定する選択手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るフェーズドアレイアンテナ装置において、さらに、送信アンテナから送信される移相制御信号には、予め決められた位相特性を変更する変更信号を含み、アンテナモジュールは、アンテナ素子で受信された変更信号に基づいて、位相記憶手段に記憶されたアンテナ素子の相対位相を変更する位相変更手段を有することを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明に係るフェーズドアレイアンテナ装置において、移相器は、ＭＥＭＳ移相器であり、反射型移相器又は透過型移相器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明を用いることにより、フェーズドアレイアンテナ装置の回路及び配線における複雑化の解消を図り、小型化及び低コスト化を実現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態におけるフェーズドアレイアンテナ装置１の構成を示している。本実施形態で特徴的な第１の事項は、ビームステアリングして送信される高周波信号を空間給電するだけでなく、ビームステアリングに必要な各移相器ユニット毎の位相情報と、各移相器を駆動する電源電力までも空間給電によりパッシブ移相器パネル７０に供給することである。
【００１７】
図１のフェーズドアレイアンテナ装置１は、大きく分けて送信機６０と、複数のパッシブ移相器パネル７０と、の２つで構成されている。ここで送信機６０は、制御部６２と、変調器６３と、送信部６１と、合成器６４とを有している。
【００１８】
送信機６０は、送信部６１で発生させた送信信号を合成器６４に出力すると共に、制御部６２が出力したビームステアリングするための位相情報（相対位相）を変調器６３で変調した後に合成器６４に出力する。合成器６４で合成された送信信号は、送信アンテナ６５から送信され、受信アンテナ素子（１９，２９，３９，４９）で受信される。なお、説明の都合上、複数の移相器ユニットのうち移相器ユニット（＃１）１０を例にして示す。
【００１９】
パッシブ移相器パネル７０は、アレイ状に配列された受信アンテナ素子１９及び送信アンテナ素子１８と、移相器ユニット１０と、を有している。受信アンテナ素子１９と送信アンテナ素子１８とに接続されている移相器ユニット１０は、受信アンテナ素子１９で受信した高周波信号を分配する分配器１７と、電源電力を取り出す回路と、高周波信号に含められている位相情報を取し出して移相器の位相を制御する回路と、で構成されている。ここで、電源電力を取り出す回路は、分配器１７に接続されている順に、検波器５１と、コンデンサ５２と、電圧安定器５３と、を有している。
【００２０】
移相器の相対位相を制御する回路は、分配器１７に接続されている順に、受信機１６と、復調器１５と、デコーダ１４と、レジスタ１３と、を有し、成膜技術によって形成されるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）スイッチを用いたＭＥＭＳ移相器１２を制御する。
【００２１】
受信機１６は、送信機６０で変調された変調周波数帯域の信号を取り出し、復調器１５により移相制御信号へ復調する。復調された移相制御信号は、移相器ユニットを特定するＩＤ情報と、相対位相と、を含んでおり、このデータがビームステアリングにおける移相器ユニット１０の移相特性データを予め記憶するデコーダ１４に入力される。デコーダ１４は、ＩＤ情報と予め設定された自己のＩＤ情報と一致する場合、相対位相をレジスタ１３に出力してその値を保持させる。レジスタ１３は保持した相対位相に基づいてＭＥＭＳ移相器１２の移相特性を設定する。
【００２２】
また、デコーダ１４に予め記憶されている移相特性データは、送信機６０から更新することが可能であり、送信機６０から送信される移相変更トリガ信号に続く移相特性データにより更新が行われる。
【００２３】
なお、本実施形態で特徴的な第２の事項は、パッシブ移相器パネル７０用電源電力の空中給電を実現するために、空中給電効率を考慮して消費電力の少ないＭＥＭＳ移相器１２を用いたことである。一般的に、図６のデジタル移相器１１２は、消費電力が大きいため電圧安定器１１５により電圧を安定させる必要があるが、本実施形態ではこのような問題は発生せず、ＭＥＭＳ移相器による省電力化により空中給電が可能となった。なお、ＭＥＭＳ移相器の消費電力の更なるマージンを確保するために、送信機６０の出力を大電力化してもよい。
【００２４】
図２には透過型のフェーズドアレイアンテナ装置の概要を示し、図３には図２のパッシブ移相器パネルの断面図を示している。なお、本実施形態で特徴的な第３の事項は、従来必要であったパッシブ移相器パネル７０への配線が無くなったことである。
【００２５】
図２のパッシブ移相器パネル７０は、金属製のパネルフレーム７２に三角配列され、配線を必要としない複数のパッシブ移相器パネル７０が固定されている。このような構成により、送信アンテナ６５から送信された送信波と、移相制御信号と、を含む電波をビームステアリング可能な透過型のフェーズドアレイアンテナ装置となる。
【００２６】
図３には、パッシブ移相器パネル７０を送信アンテナ素子１８側から見たものと、パッシブ移相器パネル７０の断面Ａ−Ａ’が示されている。パッシブ移相器パネル７０は６角形状であり、パッシブ移相器パネル７０の３辺に取り付けアーム７５が設けられ、取り付けアーム７５には各１個のネジ穴が設けられている。また、断面Ａ−Ａ’に示すように、パッシブ移相器パネル７０の表面には受信アンテナ素子１９と送信アンテナ素子１８とを有し、その内部には移相器ユニット１０が内蔵されている。
【００２７】
図４は、他の実施形態である反射型のフェーズドアレイアンテナ装置２の構成を示している。フェーズドアレイアンテナ装置２では、送信アンテナ素子（１８，２８，３８，４８）の変わりに図１の受信アンテナ素子（１９，２９，３９，４９）を送受信アンテナ素子（１１，２１，３１，４１）として用い、ＭＥＭＳ移相器１２の出力側に完全反射素子２５を設けている。その他の構成は図１と同様であることから、重複する説明は割愛する。
【００２８】
フェーズドアレイアンテナ装置２の動作は、図１に示したフェーズドアレイアンテナ装置１と異なり、ＭＥＭＳ移相器１２によって相対位相が調整された送信信号を完全反射素子２５により反射させることで、図４の送受信アンテナ素子１１から位相調整後の送信波として送信される。これにより、図１のフェーズドアレイアンテナ装置１と異なる方向に位相調整後の送信波が可能となる。
【００２９】
図５は、本実施形態における図１のフェーズドアレイアンテナ装置１を搭載した通信システム３を示している。図に示す通信システム３は、送信機６０と送信アンテナ６５とをトラック等に搭載した移動無線局９２と、パッシブ移相器パネル７０を搭載した飛行船９４と、を有し、山などの障害物を避けて見通し外のレーダ観測及び無線通信が可能となる。
【００３０】
また、図１のフェーズドアレイアンテナ装置１に図４の完全反射素子２５を適時接続又は切断するスイッチ２６とを設けることにより、透過型と反射型との両方の機能を有するフェーズドアレイアンテナ装置１とすることも可能となる。この場合、図５に示すような飛行船９４の背後から電波を送信して飛行船９４前方に送信する形態にとどまらず、飛行船９４の背後から電波を送信して飛行船の背後に電波を送信することも可能となるという効果もある。
【００３１】
以上、上述したように、本実施形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置を用いることにより、フェーズドアレイアンテナ装置の回路及び配線における複雑化の解消を図り、小型化及び低コスト化を実現できる。また、透過型及び反射型のフェーズドアレイアンテナとすることにより、全周にわたるビームステアリングが可能となる。
【００３２】
なお、本実施形態では、移相制御信号を変調してパッシブ移相器パネルに送信したが、これに限るものではなく、図１の送信機６０とパッシブ移相器パネル７０が近接している場合には、微小電力無線ＬＡＮ等を用いて各移相器ユニットの移相制御信号及び移相変更トリガ信号なども送信してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る透過型のフェーズドアレイアンテナ装置の概要を説明する説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係るパッシブ移相器パネルの断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る反射型のフェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す構成図である。
【図５】本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置を搭載した通信システムを説明する説明図である。
【図６】従来の空間給電によるフェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１，２，１００  フェーズドアレイアンテナ装置、３  通信システム、１０，１１０  移相器ユニット、１１，１１１  送受信アンテナ素子、１２  ＭＥＭＳ移相器、１３  レジスタ、１４  デコーダ、１５  復調器、１６  受信機、１７  分配器、１８  送信アンテナ素子、１９  受信アンテナ素子、２５  完全反射素子、２６  スイッチ、５１  検波器、５２  コンデンサ、５３，１１５  電圧安定器、６０，１５４  送信機、６１  送信部、６２，１５２  制御部、６３  変調器、６４  合成器、６５，１５５  送信アンテナ、７０，１７０  パッシブ移相器パネル、７２  パネルフレーム、７４  ネジ、７５  取り付けアーム、９２  移動無線局、９４  飛行船、１１２  デジタル移相器、１１３  完全反射素子、１１４  シリアルパラレル変換器、１５３  電源。
【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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