(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
等間隔で配置された第１〜第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の放射素子を備えるフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路において、
前記第１〜第Ｎの放射素子でビーム形成する信号を入力する入力端子と、
この入力端子から入力される信号を等振幅にＭ（Ｍは２以上の整数、Ｎ＞Ｍ）系統に分配する分配手段と、
この分配手段で分配されたＭ個の信号をそれぞれ個別に位相制御する第１〜第Ｍの位相制御手段と、
前記第１〜第Ｍの位相制御手段で位相制御されたＭ個の信号をそれぞれ同相でかつ等振幅にＬ（Ｌは２以上の整数）分配する第１〜第Ｍの同相分配手段と、
前記第１〜第Ｍの同相分配手段で分配されたＬ個の出力信号のうち各々の１つを伝送する第１〜第Ｍの伝送手段と、
前記第１〜第Ｍの同相分配手段で分配された出力信号のうち、前記第１〜第Ｍの伝送手段への信号以外で、隣り合う前記同相分配手段からの２つの信号をそれぞれの入力端子に入力して合成する第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段と
を具備し、
前記伝送手段と前記２信号合成手段とを前記放射素子の配置に対応させて前記放射素子の配列方向に交互に配置し、前記第１〜第Ｍの同相分配手段と前記伝送手段及び２信号合成手段とを接続する各経路を互いに等しい電気長とし、前記第１〜第Ｍの伝送手段の出力と第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段の出力をそれぞれ配置が対応する前記第１〜第Ｎの放射素子に給電するようにし、
前記第１〜第Ｍの位相制御手段に隣り合う位相制御手段の出力の位相差が１８０度以内である２θとなるように位相分布を与えることにより、前記第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段のそれぞれに位相差が２θの２信号を入力し、前記第１〜第Ｎの放射素子に隣り合う放射素子の入力の位相差がθとなるように位相分布を与える
ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。
【請求項２】
等間隔で配置された第１〜第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の放射素子を備えるフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路において、
前記第１〜第Ｎの放射素子でビーム形成するビーム数Ｘ（Ｘは２以上の整数）に応じた信号を入力する第１〜第Ｘの入力端子と、
前記第１〜第Ｘの入力端子から入力される信号をそれぞれ等振幅にＭ（Ｍは２以上の整数、Ｎ＞Ｍ）系統に分配する第１〜第Ｘの分配手段と、
前記第１〜第Ｘの分配手段の分配出力をそれぞれ個別に位相制御する第１群〜第Ｘ群の第１〜第Ｍの位相制御手段と、
前記第１群〜第Ｘ群の第１〜第Ｍの位相制御手段の出力のうち、それぞれ各群の一つの位相制御手段の出力を入力してビーム合成する第１〜第Ｍのビーム合成手段と、
前記第１〜第Ｍのビーム合成手段の合成出力をそれぞれ同相でかつ等振幅にＬ（Ｌは２以上の整数）分配する第１〜第Ｍの同相分配手段と、
前記第１〜第Ｍの同相分配手段で分配されたＬ個の出力信号のうち各々の１つを伝送する第１〜第Ｍの伝送手段と、
前記第１〜第Ｍの同相分配手段で分配された出力信号のうち、前記第１〜第Ｍの伝送手段への信号以外で、隣り合う前記同相分配手段からの２つの信号をそれぞれの入力端子に入力して合成する第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段と
を具備し、
前記伝送手段と前記２信号合成手段とを前記放射素子の配置に対応させて前記放射素子の配列方向に交互に配置し、前記第１〜第Ｍの同相分配手段と前記伝送手段及び２信号合成手段とを接続する各経路を互いに等しい電気長とし、前記第１〜第Ｍの伝送手段の出力と第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段の出力をそれぞれ配置が対応する前記第１〜第Ｎの放射素子に給電するようにし、
前記第１群〜第Ｘ群の第１〜第Ｍの位相制御手段に各群ごとに隣り合う位相制御手段の出力の位相差が１８０度以内である２θとなるように位相分布を与えることにより、前記第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段のそれぞれに位相差が２θの２信号を入力し、前記第１〜第Ｎの放射素子に隣り合う放射素子の入力の位相差がθとなるように位相分布を与える
ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。
【請求項３】
前記第１〜第Ｍの伝送手段は、それぞれ前記第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段と同等の特性を備え、一方の入力端子が終端された２信号合成手段であり、各２信号合成手段の他方の入力端子から前記第１〜第Ｍの同相分配手段からの信号を入力し、その出力を前記放射素子に給電するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。
【請求項４】
前記第１〜第Ｍの伝送手段は、それぞれ前記第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段に等しい電気長を有する伝送線路であることを特徴とする請求項１または２記載のフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。
【請求項５】
前記第１〜第Ｍの伝送手段は、それぞれ第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段に等しい電気長を有する振幅制御手段であることを特徴とする請求項１または２記載のフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。
【請求項６】
さらに、前記分配手段に入力される信号の振幅を制御する入力振幅制御手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載のフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか記載のビーム形成回路を備えることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか記載のビーム形成回路を備えるフェーズドアレーアンテナに用いられ、
前記第１〜第Ｍの位相制御手段により、ビーム形成に伴う位相制御と共に、前記入力端子から前記同相分配手段までの電気長が互いに等しくなるように位相制御を行うことを特徴とするフェーズドアレーアンテナのビーム形成方法。
【請求項９】
請求項５記載のビーム形成回路を備えるフェーズドアレーアンテナに用いられ、
前記第１〜第Ｍの振幅制御手段の振幅を調整することで、前記２信号合成手段に入力する信号の位相差に対する最大利得の最大値を調整することを特徴とするフェーズドアレーアンテナのビーム形成方法。
【請求項１０】
請求項６記載のビーム形成回路を備えるフェーズドアレーアンテナに用いられ、
前記入力振幅制御手段で前記分配手段の入力信号の振幅を制御することで、前記位相制御手段による位相制御に伴う放射電力の変化を抑制することを特徴とするフェーズドアレーアンテナのビーム形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば通信衛星に搭載されるフェーズドアレーアンテナに係り、特にその小型軽量化、信頼性向上に寄与する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のフェーズドアレーアンテナを大別すると以下の３つに分類することができる。
（１）全放射素子独立制御型
全放射素子独立制御型のビーム形成回路により給電されるフェーズドアレーアンテナを図１１に示す。すなわち、入力端子ｉｎに供給された入力信号を、分配回路ａで放射素子数分の信号ａ−１，…，ａ−Ｎに分配後、位相制御回路ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，…，ｂＮによりそれぞれの信号の位相を制御して、位相制御回路ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，…，ｂＮの出力端子ｏｕｔ１，ｏｕｔ２，ｏｕｔ３，ｏｕｔ４，…，ｏｕｔＮより放射素子ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，…，ｆＮに給電し、ビームを形成する。
（２）サブアレー独立制御型
サブアレー独立制御型のビーム形成回路により給電されるフェーズドアレーアンテナを図１２に示す。幾つかの放射素子ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，…，ｆＮをグループ化、すなわちサブアレー化することで、ビーム形成回路の回路規模を縮小している。入力端子ｉｎに供給された入力信号を、サブアレー分の信号ａ−１，…，ａ−Ｍに分配後、位相制御回路ｂ１，ｂ２，…，ｂＭによりそれぞれの信号の位相を制御し、同相分配回路ｃ１，ｃ２，…，ｃＭによりサブアレーを構成する放射素子ｆ１とｆ２、ｆ３とｆ４、…、ｆＮを同一の位相で給電しビームを形成する。図１２では、２素子でサブアレーを構成している。
（３）マトリクス回路を用いた一括制御型
マトリクス回路を用いた一括制御型のビーム形成回路により給電されるフェーズドアレーアンテナを図１３に示す。すなわち、入力端子ｉｎ１，ｉｎ２，ｉｎ３，ｉｎ４，…，ｉｎＮに応じて異なる出力位相分布を有するマトリクス回路ＭＣをビーム形成回路に適用している。代表例はバトラマトリクスをビーム形成回路に適用したものである。バトラマトリクスの入力端子を切り替えることで、形成ビームの照射領域を切り替えることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術を大きく３分類したが、それぞれについての課題を以下に示す。
（１）全放射素子独立制御型
全ての放射素子を任意の位相で給電できるため、自由度の高いビーム形成が実現できるが、図１１に示すように放射素子数分の位相制御回路が必要となる。特に複数のビームを同時に形成する場合は、（放射素子数×ビーム数）分の位相制御回路が必要となるため回路規模が大きくなる。回路規模が大きくなると、ビーム形成回路の重量、形状、消費電力が増大し、部品点数が多くなるため信頼性は低下する。衛星という限られた環境を考慮すると、回路規模が大きくなること自体が課題となる。
（２）サブアレー独立制御型
サブアレー独立制御型は、（１）の全放射素子独立制御型の課題を解決する方法の一つであるが、サブアレーを構成する放射素子数を多くすると、グレーティングローブが発生するという課題がある。グレーティングローブは放射素子間隔が広がることにより発生する現象である。サブアレー独立制御型の場合、個々の放射素子間隔をグレーティングローブが発生しない条件で配置しても、サブアレーを形成するグループ化された放射素子は、同一の位相で給電されるため、各サブアレーを開口径の大きい１つの放射素子として、広い素子間隔で配置されていることと等価になる。よって、グループ化したことによりグレーティングローブが発生する可能性がある。
（３）マトリクス回路を用いた一括制御型
バトラマトリクスをビーム形成回路に適用する場合は、位相分布が入力端子数分に限定されるため、自由度の高いビーム形成ができず、放射方向を任意に設定できないという課題がある。
【０００４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、位相制御回路の数を少なくでき、またグレーティングローブの発生要因となることなく、さらに自由度の高いビーム形成が実現でき、これによって放射方向を任意に設定できるフェーズドアレーアンテナとそのビーム形成回路及びビーム形成方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、等間隔で配置された第１〜第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の放射素子を備えるフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路において、１つのビームを形成する場合、入力端子から入力されるビーム形成信号を分配手段によりＭ（Ｍは２以上の整数、Ｎ＞Ｍ）系統に分配し、この分配手段で分配されたＭ個の信号をそれぞれ第１〜第Ｍの位相制御手段で個別に位相制御した後、それぞれ第１〜第Ｍの同相分配手段によって同相でＬ（Ｌは２以上の整数）分配し、各同相分配手段で分配されたＬ個の出力信号のうち各々の１つを第１〜第Ｍの伝送手段で伝送し、前記第１〜第Ｍの同相分配手段で分配された出力信号のうち、前記第１〜第Ｍの伝送手段への信号以外で、位相差が１８０度以内であり、異なる同相分配手段からの２つの信号を第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段のそれぞれの入力端子に入力して合成するようにし、前記第１〜第Ｍの同相分配手段と前記伝送手段及び２信号合成手段とを接続する各経路を互いに等しい電気長とし、前記第１〜第Ｍの伝送手段の出力と第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段の出力をそれぞれ前記第１〜第Ｎの放射素子に給電するようにしている。
【０００６】
上記構成によるフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路では、合成する２つの信号の位相差が１８０度以内であれば、放射素子数より少ない数の位相制御手段で、隣り合う放射素子との位相差が９０度以内の任意位相差を有する位相分布で放射素子を給電することができる。この場合、分配制御手段や２信号合成手段を付加する必要が有るが、これらは受動回路であるため、消費電力はほとんどなく、信頼性の劣化は軽微である。反面、位相制御手段は、ＦＥＴやスイッチなどの可変素子を有し、またそれらを制御するための回路も必要となる。つまり、電力を消費し、故障の可能性により信頼性を低下させる要因となるので、位相制御手段の数を低減できる効果は非常に大きい。
【０００７】
具体的には、課題（１）で述べた全放射素子独立制御型と比較した場合、位相制御手段の数が削減されるため、回路規模の縮小、低消費電力化、信頼性の向上が図れる。課題（２）で述べたサブアレー独立制御型と比較した場合、全ての放射素子を均一な位相差を有する位相分布で給電することが可能となるため、グレーティングローブが個々の放射素子間隔の条件だけに依存するようになる。この結果、放射素子間隔を適宜調整することで、グレーティングローブの発生を抑圧することが可能となる。課題（３）で述べたマトリクス回路を用いた一括制御型と比較した場合、任意の位相差を実現できるため、自由度の高いビーム形成を実現することができ、これによって放射方向を任意に設定できるようになる。
【０００８】
上記構成によるフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路において、Ｘ個のビームを形成する場合には、第１〜第Ｘの入力端子からビーム数Ｘ（Ｘは２以上の整数）に応じたビーム形成の信号を入力し、それぞれ第１〜第Ｘの分配手段によりＭ（Ｍは２以上の整数、Ｎ＞Ｍ）系統に分配した後、第１群〜第Ｘ群の第１〜第Ｍの位相制御手段によってそれぞれ個別に位相制御するようにし、第１群〜第Ｘ群の第１〜第Ｍの位相制御手段の出力のうち、それぞれ各群の一つの位相制御手段の出力を第１〜第Ｍのビーム合成手段に入力してビーム合成し、各ビーム合成出力を前記第１〜第Ｍの同相分配手段に入力する。
【０００９】
このように構成することで、第１群〜第Ｘ群の第１〜第Ｍの位相制御手段によってビーム毎に独立して位相制御することが可能となり、マルチビーム形成が可能となる。
【００１０】
前記第１〜第Ｍの伝送手段としては、それぞれ前記第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段と同等の特性を備え、一方の入力端子が終端された２信号合成手段を用い、各２信号合成手段の他方の入力端子から前記第１〜第Ｍの同相分配手段からの信号を入力し、その出力を前記放射素子に給電する構成、それぞれ前記第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段に等しい電気長を有する伝送線路を用いる構成、それぞれ第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段に等しい電気長を有する振幅制御手段を用いる構成が考えられる。
【００１１】
一方の入力が終端された２信号合成手段を用いることで、第１〜第（Ｎ−Ｍ）の２信号合成手段の信号レベルとの差が低減できるため、２信号の位相差に対する最大利得の最大値が得られる放射角度を正面方向（０度）からずらすことができる。ビーム走査を行う場合の利得変動はレベル差によって決まるため、最大値を正面方向からずらすことで、一定の利得を得る放射角度を広くすることができる。尚、伝送線路を用いた場合にも同様の効果が得られる。
【００１２】
また、振幅制御手段を用いた場合には、放射素子への信号振幅を調整することができ、これによって任意の位相差において全放射素子の振幅を揃えることが可能となる。
【００１３】
さらに、前記分配手段の入力段に入力振幅制御手段を備えるようにすれば、入力信号の振幅を制御することで形成ビームの放射電力を調整することが可能となり、特に位相制御に伴う放射電力の変化を抑制することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図１０を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明に係るフェーズドアレーアンテナの第１実施形態の構成を示すブロック図である。ビーム形成回路の入力端子ｉｎから入力される信号は、分配回路ａにより等振幅にＭ分配され、それぞれの出力端子ａ１，ａ２，…，ａＭから出力される信号（以下、出力端子と同一符号で説明する）は、位相制御回路ｂ：ｂ１，ｂ２，…，ｂＭによって位相制御された後に、同相分配回路ｃ：ｃ１，ｃ２，…，ｃＭにて、同相かつ等振幅にＬ分配される。
【００１６】
各同相分配回路ｃ１〜ｃＭの出力端子ｃ１−１，…，ｃ１−Ｌ、ｃ２−１，…，ｃ２−Ｌ、…、ｃＭ−１，…，ｃＭ−Ｌから出力される信号（以下、出力端子と同一符号で説明する）のうち、各々の１つの信号は第一群の２信号合成回路ｅ：ｅ１，ｅ２，…，ｅＭの一方の入力端子に供給される。これらの２信号合成回路ｅ１〜ｅＭは、他方の入力端子が終端抵抗ｒ１，ｒ２，…，ｒＭにより終端されており、入力端子に供給される信号をそのままの状態で出力する。
【００１７】
また、同相分配回路ｃ１〜ｃＭの出力信号ｃ１−１〜ｃ１−Ｌ、ｃ２−１〜ｃ２−Ｌ、…、ｃＭ−１〜ｃＭ−Ｌのうち、位相差が１８０度以内である２信号は第二群の２信号合成回路ｆ：ｆ１，ｆ２，…，ｆ（Ｎ−Ｍ）のそれぞれの入力端子に供給される。これらの２信号合成回路ｆ１〜ｆ（Ｎ−Ｍ）は、それぞれ位相差が１８０度以内である２信号を入力して合成出力する。
【００１８】
ここで、上記同相分配回路ｃ１〜ｃＭと合成回路ｅ１〜ｅＭ，ｆ１〜ｆ（Ｎ−Ｍ）との間を接続する経路は、互いに等しい電気長に設定される。
【００１９】
第一群の２信号合成回路ｅ１〜ｅＭの出力信号は、ビーム形成回路の出力端子ｏｕｔ１，ｏｕｔ３，…，ｏｕｔＮを介して放射素子ｇ１，ｇ３，…，ｇＮに給電され、（Ｎ−Ｍ）個の第二群の２信号合成回路ｆ１〜ｆ（Ｎ−Ｍ）の出力信号はビーム形成回路の出力端子ｏｕｔ２，ｏｕｔ４，…，ｏｕｔ（Ｎ−１）を介して放射素子ｇ２，ｇ４，…，ｇ（Ｎ−１）に給電される。上記放射素子ｇ：ｇ１〜ｇＮは同一線上に間隔ｄで均等に配列される。
【００２０】
上記構成において、以下にその処理動作を説明する。但し、ここでは説明を簡略化するため、図１において放射素子数が３（Ｎ＝３）個で、かつ、分配回路ａが同相で信号分配するものであるとする。
【００２１】
いま、分配回路ａに入力される信号の位相をθ０とし、分配回路ａの出力信号ａ１，ａ２が位相制御回路ｂ１，ｂ２によってθ１，θ２の位相制御を受けたとすると、同相分配回路ｃ１の出力信号ｃ１−１，ｃ１−２は互いに等振幅で、位相が入力信号の位相に対して相対的にθ１，θ２となる。同様に、同相分配回路ｃ２の出力信号ｃ２−１，ｃ２−２は互いに等振幅で、位相が入力信号の位相に対して相対的にθ１，θ２となる。
【００２２】
ここで第一群の２信号合成回路ｅ１に同相分配回路ｃ１の出力信号ｃ１−１を入力し、第二群の２信号合成回路ｆ１に同相分配回路ｃ１の出力信号ｃ１−２と同相分配回路ｃ２の出力信号ｃ２−１を入力し、第一群の２信号合成回路ｅ２に同相分配回路ｃ２の出力信号ｃ２−２を入力する。第二群の２信号合成回路ｆ１では、２つの入力信号をベクトル合成するため、２信号の振幅が等しく、且つ、位相差が１８０度以内であれば、合成信号の位相は、２信号の位相の中間値となる。同相分配回路ｃ１，ｃ２と２信号合成回路ｅ１，ｅ２，ｆ１とを接続する各経路は等しい電気長であるため、第一群の２信号合成回路ｅ１，ｅ２によって合成された信号の位相はそれぞれ入力信号に対して相対的にθ１，θ２となり，第二群の２信号合成回路ｆ１によって合成された信号の位相は、入力信号の位相に対して相対的に（θ１＋θ２）／２となる。つまり、該フェーズドアレーアンテナは、｛（θ１＋θ２）／２｝間隔の位相分布で励振される。
【００２３】
尚、分配回路ａが同相分配でない場合や、位相制御回路ｂ１〜ｂＭと同相分配回路ｃ１〜ｃＭとを接続する経路に差異があった場合は、位相制御回路ｂ１〜ｂＭにおいて、所望の位相制御の他に、分配回路ａの位相差及び位相制御回路ｂ１〜ｂＭと同相分配回路ｃ１〜ｃＭと間の電気長差を打ち消すように位相制御することで、同相分配とみなすことができる。また、隣り合う放射素子ｇ１〜ｇＮにθの位相差で位相分布を与えたい場合は、隣り合う位相制御回路ｂ１〜ｂＭに２θの位相差となるように位相分布を与え、第二群の２信号合成回路ｆ１〜ｆ（Ｍ−１）には位相差が２θの２信号を入力することで実現できる。
【００２４】
図１は同一線上に放射素子を配置した場合の構成を示しているが、同一平面上に放射素子を配置した場合の構成について説明する。
【００２５】
まず、放射素子を正方配列とする場合は、線上に配置したものを複数列等間隔に配列して対応すればよい。三角配列とする場合は、構成が複雑になる。このため、図２に同相分配回路ｃと２信号合成回路ｅ，ｆの接続例を示して具体的に説明する。
【００２６】
図２において、二重の丸印が第一群の２信号合成回路ｅ、一重の丸印が第二群の２信号合成回路ｆ、星印が同相分配回路ｃを表しており、ここでは便宜的に２信号合成回路ｅ，ｆの位置を放射素子（図示せず）の配置位置に対応させて示している。放射素子は三角形を連続させた場合の各頂点に配置されるのに対し、隣接する三角形で互いに重ならない一つの頂点に合成回路ｅを対応させ、残りの頂点に合成回路ｆを対応させる。
【００２７】
上記の配置構成において、同相分配回路ｃは分配数を７（Ｌ＝７）とし、第一群の２信号合成回路ｅに対応させて、いずれかの分配出力端子ｃ−１を当該合成回路ｅに接続し、残りの分配出力端子ｃ−２〜ｃ−７を合成回路ｅの周囲にある６個の第二群の２信号合成回路ｆに接続する。このように同相分配回路ｃと２信号合成回路ｅ，ｆを接続し、位相制御回路ｂで適切な位相制御を行うことで、任意の位相差の位相分布で放射素子ｇを給電することが可能となる。
【００２８】
図３は、本実施形態のフェーズドアレーアンテナについて、第二群の２信号合成回路ｆに入力される２信号の位相差Δθ（０°≦Δθ＜１８０°）に対する最大利得と、この最大利得を得るための放射角度をそれぞれ計測してプロットした特性図を示している。この場合の計算は１１個の放射素子を線上に１波長間隔で配列した等方性アンテナを想定して行った。
【００２９】
この特性図から、２信号の位相差に対して最大利得の値が変化することが確認できるが、これは、２信号合成回路ｆでは入力される２信号の位相差Δθ（０°≦Δθ＜１８０°）に対し、次式（１）で表される合成損失（ｄＢ）が存在し、励振振幅に差が生ずるからである。
２０log10｛cos(Δθ／２)｝［ｄＢ］      …（１）
図４は、２信号合成回路ｆに入力される２信号の位相差に対する合成損失を計測してプロットした特性図を示している。図３及び図４に示す特性から、本実施形態のフェーズドアレーアンテナの場合、２信号の位相差Δθが１２０°のとき、全ての出力端子が等振幅となり、２信号の位相差に対して最大値が得られることがわかる。
【００３０】
ここで、本実施形態のフェーズドアレーアンテナでは、三角配列において従来の全放射素子独立制御型のものと比較した場合、放射素子数に対する位相制御回路の個数は次のようになる。すなわち、放射素子数１９，３７，６１，９１，１２７，１６９，２１７，２７１，…に対し、全放射素子独立制御型では素子数と同数の１９，３７，６１，９１，１２７，１６９，２１７，２７１，…の位相制御回路が必要であるが、本実施形態では７，１９，１９，３７，３７，６１，６１，９１，…で済む。
【００３１】
したがって、本実施形態の構成によるフェーズドアレーアンテナは、従来の全放射素子独立制御型と比較した場合、放射素子数分必要であった位相制御回路の個数を大幅に削減することができ、これによって回路規模の縮小による大きさ、重量、消費電力の削減、信頼性の向上を実現することができる。
【００３２】
また、従来のサブアレー独立制御型と比較した場合、全ての放射素子を均一な位相差を有する位相分布で給電することができるため、グレーティングローブが個々の放射素子間隔の条件だけに依存するようになり、放射素子間隔ｄを調整することによってグレーティングローブの発生を抑制することができる。
【００３３】
さらに、従来の一括制御型と比較すると、連続的な位相差を有する位相分布で励振されるように位相差を制御できるため、自由度の高いビーム形成を実現することができ、これによって放射方向を任意に設定することができる。
【００３４】
（第２実施形態）
図５は本発明に係るフェーズドアレーアンテナの第２実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の構成は、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、Ｍ個の第一群の２信号合成回路ｅ：ｅ１，ｅ２，…，ｅＭを、当該２信号合成回路と等しい電気長を有する伝送線路ｈ：ｈ１，ｈ２，…，ｈＭに置き換えたものである。このことは、伝送線路ｈの電気長が第二群の２信号合成回路ｆの電気長と等しいことを意味する。
【００３５】
図６は、第２実施形態のフェーズドアレーアンテナについて、第二群の２信号合成回路ｆに入力される２信号の位相差Δθに対する最大利得と、この最大利得を得るための放射角度をそれぞれ計測してプロットした特性図を示している。この場合の計算は、図３の場合と同様に、１１個の放射素子を線上に１波長間隔で配列した等方性アンテナを想定して行った。
【００３６】
図６から明らかなように、本実施形態では、２信号の位相差が９０°のとき全ての出力端子は等振幅となり、２信号の位相差に対し最大値を得る。これは第一群の２信号合成回路ｅの損失−３ｄＢ分が伝送線路ｈへの置き換えにより解消され、信号レベルが上がるためである。このことから、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナに比較して、ビーム走査を行った場合、利得変動が小さいことが確認できる。
【００３７】
（第３実施形態）
図７は本発明に係るフェーズドアレーアンテナの第３実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の構成は、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、Ｍ個の第一群の２信号合成回路ｅ：ｅ１，ｅ２，…，ｅＭを、当該２信号合成回路と等しい電気長を有する振幅制御回路ｉ：ｉ１，ｉ２，…，ｉＭに置き換えたものである。このことは、振幅制御回路ｉの電気長が第二群の２信号合成回路ｆの電気長と等しいことを意味する。
【００３８】
図８は、第３実施形態のフェーズドアレーアンテナについて、第二群の２信号合成回路ｆに入力される２信号の位相差Δθに対する最大利得と、この最大利得を得るための放射角度をそれぞれ計測してプロットした特性図を示しており、図中Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ振幅制御回路ｉで＋３，０，−３,−６ｄＢの利得を与えたときの特性を示している。この場合の計算は、図３、図６の場合と同様に、１１個の放射素子を線上に１波長間隔で配列した等方性アンテナを想定して行った。
【００３９】
図８から明らかなように、振幅制御回路ｉで出力信号の振幅を調整することにより、２信号の位相差Δθに対する最大値を調整することが可能となる。これは、０°≦Δθ＜１８０°の任意位相差に対し、全ての出力端子の振幅を揃えることが可能だからである。尚、図８の−３ｄＢおよび０ｄＢの特性Ｃ，Ｂは、それぞれ第１及び第２実施形態の特性と同一である。
【００４０】
（第４実施形態）
図９は本発明に係るフェーズドアレーアンテナの第４実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の構成は、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、電力制御機能を有する振幅制御回路ｊを介して入力信号を同相分配回路ｃに入力するようにしたことを特徴とする。第１実施形態のフェーズドアレーアンテナでは、位相制御回路ｂの設定値により、出力端子ｏｕｔの振幅やトータル電力和に差が生じ、アンテナ全体の放射電力に差が生じることになる。本実施形態の構成によれば、振幅制御回路ｊによって入力信号の電力を制御することで、位相制御回路ｂの設定値によらず、アンテナ全体の放射電力を均等にすることが可能となる。
【００４１】
尚、本実施形態において、第２実施形態と同様に第一群の２信号合成回路ｅを当該回路と同一電気長の伝送線路ｈに置き換える、第３実施形態と同様に第一群の２信号合成回路ｅを当該回路と同一電気長の振幅制御回路ｉに置き換えるといったことも可能であり、これによって第２実施形態、第３実施形態と同様の効果が得られる。
【００４２】
（第５実施形態）
図１０は本発明に係るフェーズドアレーアンテナの第５実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の構成は、第１実施形態のフェーズドアレーアンテナにおいて、入力端子ｉｎと分配回路ａとＭ個の位相制御回路ｂ１〜ｂＭをビーム数Ｘに応じて備える。
【００４３】
具体的には、入力端子ｉｎ１，ｉｎ２，…，ｉｎＸに供給される入力信号をそれぞれ分配回路ａ１，ａ２，…，ａＸでＭ分配し、それぞれのＭ分配出力ａ１−１〜ａ１−Ｍ，ａ２−１〜ａ２−Ｍ，…，ａＸ−１〜ａＸ−Ｍを位相制御回路ｂ１−１〜ｂ１−Ｍ，ｂ２−１〜ｂ２−Ｍ，…，ｂＸ−１〜ｂＸ−Ｍで任意の位相制御を施した後、Ｍ個のビーム合成回路ｋ１，ｋ２，…，ｋＭに供給する。すなわち、各ビーム合成回路ｋ１〜ｋＭは、入力端子ｉｎ１〜ｉｎＸからの入力信号に対して個別に位相制御を施した信号を入力し、合成して出力する。
【００４４】
各ビーム合成回路ｋ１〜ｋＭの出力信号は、それぞれ対応する同相分配回路ｃ１〜ｃＭに供給されて等振幅でＬ分配され、以後、第１実施形態と同様に、第一群の２信号合成回路ｅ１〜ｅＭ、第二群の２信号合成回路ｆ１〜ｆ（Ｎ−Ｍ）で適宜合成されて、出力端子ｏｕｔ１〜ｏｕｔＮより放射素子ｇ１〜ｇＮに給電される。このように構成することで、入力端子ｉｎ１〜ｉｎＸに供給される入力信号毎に位相分布を設定することが可能となり、マルチビームに対応することができる。
【００４５】
尚、本実施形態においても、第２実施形態と同様に第一群の２信号合成回路ｅを当該回路と同一電気長の伝送線路ｈに置き換える、第３実施形態と同様に第一群の２信号合成回路ｅを当該回路と同一電気長の振幅制御回路ｉに置き換える、第４の実施形態と同様に入力信号を振幅制御回路ｊで電力制御するといったことも可能であり、これによって第２実施形態、第３実施形態、第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４６】
（その他の実施形態）
アンテナ構成は、通常、可逆性を有することが知られており、本発明においても同様である。すなわち、以上の実施形態は、送信アンテナとして活用する場合の構成であるが、合成回路を分配回路に、分配回路を合成回路に、入力端子を出力端子と見ることで、受信アンテナとして活用することができる。また、第１実施形態において、放射素子の配列の仕方として、正方配列、三角配列の場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、素子配列が等間隔ならば同様に実施可能である。また、上記実施形態では特に言及していないが、アナログビーム形成、デジタルビーム形成のどちらでも実施可能であることはいうまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明のフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路は、従来の全放射素子独立制御型と比較した場合、位相制御回路の数を少なくでき、回路規模縮小による大きさ、重量、消費電力の削減および信頼性の向上が期待できる。サブアレー独立制御型と比較した場合、全ての放射素子を均一な位相差を有する位相分布で給電することができるため、放射素子間隔を調整することによりグレーティングローブを抑制することができる。また、一括制御型と比較すると、連続的な位相差を有する位相分布で励振されるため、任意の方向にビームを放射させることが実現できる。
【００４８】
よって、本発明によれば、位相制御回路の数を少なくでき、またグレーティングローブの発生要因となることなく、さらに自由度の高いビーム形成が実現でき、これによって放射方向を任意に設定できるフェーズドアレーアンテナとそのビーム形成回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る第１実施形態のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図２】  第１実施形態において、放射素子を三角配列した場合の合成回路と同相分配回路の接続を示す配線図である。
【図３】  第１実施形態において、入力信号の位相差に対する最大利得と放射角度を示す特性図である。
【図４】  第１実施形態において、合成回路に入力される２つの信号の位相差に対する合成損失を示す特性図である。
【図５】  本発明に係る第２実施形態のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図６】  第２実施形態において、入力信号の位相差に対する最大利得と放射角度を示す特性図である。
【図７】  本発明に係る第３実施形態のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図８】  第３実施形態において、入力信号の位相差に対する最大利得と放射角度を示す特性図である。
【図９】  本発明に係る第４実施形態のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図１０】  本発明に係る第５実施形態のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図１１】  従来の全放射素子独立制御型のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図１２】  従来のサブアレー独立制御型のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【図１３】  従来のマトリクス回路を用いた一括制御型のフェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
ｉｎ，ｉｎ１〜ｉｎＸ…ビーム形成回路の入力端子、
ｏｕｔ１〜ｏｕｔＮ…ビーム形成回路の出力端子、
ａ，ａ１〜ａＸ…分配回路、
ａ１〜ａＭ，ａ１−１〜ａ１−Ｍ，ａＸ−１〜ａＸ−Ｍ…分配回路の分配出力端子（信号）、
ｒ１〜ｒＭ…終端抵抗、
ｂ，ｂ１〜ｂＭ，ｂ１−１〜ｂ１−Ｍ，ｂＸ−１〜ｂＸ−Ｍ…位相制御回路、
ｃ，ｃ１〜ｃＭ…同相分配回路、
ｃ１−１〜ｃ１−Ｌ，ｃＭ−１〜ｃＭ−Ｌ…同相分配回路の分配出力端子（信号）、
ｄ…素子間隔、
ｅ，ｅ１〜ｅＭ…第一群の２信号合成回路、
ｆ，ｆ１〜ｆ（Ｎ−Ｍ）…第二群の２信号合成回路、
ｇ，ｇ１〜ｇＮ…放射素子、
ｈ，ｈ１〜ｈＭ…伝送線路、
ｉ，ｉ１〜ｉＭ，ｊ…振幅制御回路、
ｋ，ｋ１〜ｋＭ…ビーム合成回路。
【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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