(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は整数）の放射素子で構成されるフェーズドアレーアンテナを給電するためのビーム形成回路であって、
入力端子より入力された信号をＭ（Ｍは整数、Ｎ＞Ｍ）分配する分配手段と、
前記分配手段により分配されたＭ個の信号をそれぞれ位相制御する第１〜第Ｍの位相制御手段と、
前記位相制御手段により位相制御されたＭ個の信号をそれぞれ同相かつ等振幅に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、
前記同相分配手段により分配された（Ｍ×Ｌ）個の信号のうち１個または位相差が１８０度以内である２個の信号が、それぞれの入力端子に重複のないように入力され、それらのベクトル合成出力を第１〜第Ｎの出力信号とする第１〜第Ｎの合成手段とを具備し、
前記第１〜第Ｎの出力信号がそれぞれ対応する前記第１〜第Ｎの放射素子に給電され、前記同相分配手段と前記合成手段とを接続するＬ個の経路は、全て等しい電気長を有することを特徴とするビーム形成回路。
【請求項２】
請求項１記載のビーム形成回路において、第１〜第Ｎの合成手段のベクトル合成出力を第１〜第Ｎの振幅制御手段により振幅制御し、第１〜第Ｎの出力信号とすることを特徴とするビーム形成回路。
【請求項３】
請求項２記載のビーム形成回路において、第１〜第Ｎの振幅制御手段は可変減衰器で構成されることを特徴とするビーム形成回路。
【請求項４】
請求項２記載のビーム形成回路において、第１〜第Ｎの振幅制御手段は可変利得増幅器で構成されることを特徴とするビーム形成回路。
【請求項５】
請求項２記載のビーム形成回路において、第１〜第Ｎの振幅制御手段はリミッタ増幅器で構成されることを特徴とするビーム形成回路。
【請求項６】
等間隔で配置された第１〜第Ｎ（Ｎは整数）の放射素子を、請求項１乃至５のいずれか１項記載のビーム形成回路により給電することを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衛星通信に用いるフェーズドアレーアンテナ給電用ビーム形成回路およびフェーズドアレーアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のフェーズドアレーアンテナを給電するためのビーム形成回路を大別すると以下の３つに分類することができる。
【０００３】
（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、分配手段ａで放射素子数分の信号ａ−１，…，ａ−Ｎに分配後、位相制御手段ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，…，ｂＮによりそれぞれの信号の位相を制御して、位相制御手段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。
【０００４】
（２）サブアレー独立制御型
サブアレー独立制御型（サブアレー：２素子）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（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、位相制御手段ｂ１，ｂ２，…，ｂＭによりそれぞれの信号の位相を制御し、同相分配手段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。
【０００５】
（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。
【０００６】
【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。
【０００７】
（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手段が必要となる。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）分の位相制御手段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。
【０００８】
（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。
【０００９】
（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確定され、自由度の高いビーム形成はできないという課題がある。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、位相制御手段の数を少なくでき、またグレーティングローブを抑制でき、さらに自由度の高いビーム形成が実現できるビーム形成回路および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。
【００１１】
【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は整数）の放射素子で構成されるフェーズドアレーアンテナを給電するためのビーム形成回路であって、下記（１）〜（４）の順で信号処理を行い、適切な位相制御、位相制御された信号の適切な分配および合成で実現することを特徴とする。
【００１２】
（１）入力端子より入力された信号を分配手段によりＭ（Ｍは整数、Ｎ＞Ｍ）分配する
（２）分配されたＭ個の信号を、第１〜第Ｍの位相制御手段によりそれぞれ位相制御する
（３）位相制御されたＭ個の信号を、第１〜第Ｍの同相分配手段によりそれぞれ同相かつ等振幅にＬ（Ｌは２以上の整数）分配する
（４）（Ｍ×Ｌ）個の信号のうち１個または位相差が１８０度以内である２個の信号を、第１〜第Ｎの合成手段のそれぞれの入力端子に重複のないように入力し、それらのベクトル合成出力を該ビーム形成回路の第１〜第Ｎの出力信号とする。前記第１〜第Ｎの出力信号がそれぞれ対応する前記第１〜第Ｎの放射素子に給電される。
本ビーム形成回路は、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。これにより従来の課題（１）について、ビーム形成回路の回路規模縮小を実現できる。課題（２）については、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は個々の放射素子間隔の条件だけに依存する。つまり本ビーム形成回路を介したことが原因で、グレーティングローブが発生することはなくなる。課題（３）について、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ができる。よって本発明は従来の技術とは異なる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態例を詳細に説明する。
【００１４】
請求項１記載のビーム形成回路の実施形態例を図１に示す。すなわち、入力端子ｉｎからの入力信号は分配手段ａにより等振幅にＭ分配され、それぞれの分配された信号ａ−１，ａ−２，…，ａ−Ｍは、位相制御手段ｂ１，ｂ２，…，ｂＭによって位相を制御された後に、同相分配手段ｃ１，ｃ２，…，ｃＭによって、同相かつ等振幅にＬ分配される。同相分配手段ｃ１，ｃ２，…，ｃＭからの出力信号ｃ１−１，ｃ１−２，ｃ１−３，…，ｃ１−Ｌ、ｃ２−１，ｃ２−２，ｃ２−３，…，ｃ２−Ｌ、〜、ｃＭ−１，…，ｃＭ−Ｌのうち、１または位相差が１８０度以内である２個の信号を合成手段ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４，…，ｅＮのぞれぞれに重複のないように入力する。例えば、同相分配手段ｃ１の出力信号ｃ１−１とｃ１−２を合成手段ｅ１に入力し、同相分配手段ｃ１の出力信号ｃ１−３と同相分配手段ｃ２の出力信号ｃ２−１を合成手段ｅ２に入力し、同相分配手段ｃ２の出力信号ｃ２−２とｃ２−３を合成手段ｅ３に入力し、同相分配手段ｃ２の出力信号ｃ２−Ｌと同相分配手段ｃＭの出力信号ｃＭ−１を合成手段ｅ４に入力し、同相分配手段ｃＭの出力信号ｃＭ−３とｃＭ−Ｌを合成手段ｅＮに入力する。同相分配手段ｃ１，ｃ２，…，ｃＭと合成手段ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４，…，ｅＮとを接続するＬ個の経路は、全て等しい電気長を有する。合成手段ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４，…，ｅＮのベクトル合成出力を該ビーム形成回路の第１〜第Ｎの出力信号として、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。
【００１５】
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）、かつ、分配手段ａが同相で信号分配であるときの、本発明のビーム形成回路の動作原理を説明する。分配手段ａに入力される信号の位相をθ０とし、位相制御手段ｂ１、ｂ２によって分配手段ａの信号出力ａ−１、ａ−２にθ１、θ２の位相制御を受けたとすると、同相分配手段ｃ１、ｃ２の出力信号の振幅は等振幅、位相は入力信号の位相に対して相対的にθ１、θ２となる。ここで合成手段ｅ１に、同相分配手段ｃ１の出力信号ｃ１−１とｃ１−２を、合成手段ｅ２に、同相分配手段ｃ１の出力信号ｃ１−３と同相分配手段ｃ２の出力信号ｃ２−１を、合成手段ｅ３に、同相分配手段ｃ２の出力信号ｃ２−２とｃ２−３をそれぞれ入力する。合成手段ｅ１、ｅ２、ｅ３によってベクトル合成されたそれぞれの信号の位相は、２つの信号の位相差が１８０度以内であれば、入力信号に対して相対的にθ１、（θ１＋θ２）／２、θ２となり、該ビーム形成回路の出力信号の位相には、｛（θ１＋θ２）／２｝間隔の位相分布が実現できる。このとき、合成手段ｅ２には、同相分配手段ｃ１の出力信号ｃ１−３と同相分配手段ｃ２の出力信号ｃ２−１を、合成手段ｅ１および合成手段ｅ３に、入力すべきそれぞれ２信号のうちの一つ（ｅ１にはｃ１−１、ｃ１−２のどちらか一方、ｅ３にはｃ２−２、ｃ２−３のどちらか一方）を、合成手段ｅと同等の通過位相を有する位相手段に置き換えたとしても、該ビーム形成回路の出力信号の位相には、｛（θ１＋θ２）／２｝間隔の位相分布が実現できることは自明である。
【００１６】
なお、分配手段ａが同相分配でない場合は、位相制御手段ｂにおいて所望の位相制御の他に、分配手段ａの位相差を打ち消すように制御することで、同相分配とみなすことができる。また、隣り合う放射素子ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，…，ｆＮにθの位相差で位相分布を与えたい場合は、隣り合う位相制御手段ｂ１〜ｂＭに２θの位相差となるように位相分布を与え、奇数番目の合成手段ｅには同相の２つの信号を、偶数番目の合成手段ｅには位相差が２θの２つの信号を入力することで実現できる。
【００１７】
図１は線上に放射素子を配置した場合であるが、図２、図３に平面上に放射素子を配置した場合について説明する。図２は放射素子を正方配列した場合、図３は放射素子を三角配列した場合である。図２および図３は合成手段ｅの側から見た図であり、放射素子ｆは合成手段ｅの後ろに接続される。図中☆は同相分配手段ｃ、☆から出ている線は同相分配手段ｃの出力信号ｃ−１〜ｃ−Ｌ、○は合成手段ｅを示している。図２に示す正方配列の場合、同相分配手段ｃの分配数は４（Ｌ−４）、図３に示す三角配列の場合、同相分配手段ｃの分配数は８（Ｌ−８）である。図３において、☆○が重なっているところは同相分配手段ｃの２つの出力が合成手段ｅに入力されている。図２および図３における同相分配手段ｃに適切な位相制御をすることで、任意位相差の位相分布で放射素子ｆを給電することが可能となる。
【００１８】
請求項２記載のビーム形成回路の実施形態例を図４に示す。請求項１記載のビーム形成回路における合成出力を振幅制御手段ｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４，…，ｇＮにより振幅制御した信号し、第１〜第Ｎの出力信号とする。このとき、振幅制御手段ｇは合成手段ｅでの合成損失を補償する機能を有している。合成手段ｅの合成損失（ｄＢ）は入力される２つの信号の位相差Δθ（０≦Δθ＜１８０）に対し、式（１）のように表すことができる。また、これをプロットしたものを図５に示す。
【数１】
0003762284.tif 000002
【００１９】
合成手段ｅに入力される２信号の位相差は、位相制御手段ｂの制御状態で決定されるため、振幅制御手段ｇの制御状態を連動させることが可能である。
【００２０】
請求項３記載のビーム形成回路の実施形態例を図６に示す。請求項２記載のビーム形成回路における振幅制御手段ｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４，…，ｇＮを可変減衰器ｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４，…，ｈＮで構成したものであり、合成手段ｅに入力される２つの信号の位相差に応じて、式（１）で表される損失を補償するように可変減衰器ｈの減衰量を制御すればよい。
【００２１】
請求項４記載のビーム形成回路の実施形態例を図７に示す。請求項２記載のビーム形成回路における振幅制御手段ｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４，…，ｇＮを可変利得増幅器ｉ１，ｉ２，ｉ３，ｉ４，…，ｉＮで構成したものであり、合成手段ｅに入力される２つの信号の位相差に応じて、式（１）で表される損失を補償するように可変利得増幅器ｉの利得を制御すればよい。
【００２２】
請求項５記載のビーム形成回路の実施形態例を図８に示す。請求項２記載のビーム形成回路における振幅制御手段ｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４，…，ｇＮをリミッタ増幅器ｊ１，ｊ２，ｊ３，ｊ４，…，ｊＮで構成したものであり、合成手段ｅの合成損失の値に関わらず、リミッタ増幅器ｊ１，ｊ２，ｊ３，ｊ４，…，ｊＮの出力は等振幅となる。
【００２３】
請求項６記載のフェーズドアレーアンテナの実施形態例を図９に示す。等間隔で配置された第１〜第Ｎ（Ｎは整数）の放射素子ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，…，ｆＮを、請求項１乃至５のいずれか１項記載のビーム形成回路ＢＣにより給電したフェーズドアレーアンテナである。ビーム形成回路ＢＣの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。
【００２４】
図１０（ａ）は本発明のビーム形成回路の放射素子数に対する位相制御手段の数（放射素子を正方配列した場合）を従来の全放射素子独立制御型ビーム形成回路と比較して示す説明図であり、図１０（ｂ）は本発明のビーム形成回路の放射素子数に対する位相制御手段の数（放射素子を三角配列した場合）を従来の全放射素子独立制御型ビーム形成回路と比較して示す説明図である。すなわち、本発明のビーム形成回路は、従来の全放射素子独立制御型ビーム形成回路と比較した場合、図１０（ａ），（ｂ）に示すように位相制御手段の数を少なくでき、回路規模縮小により大きさ、重量、消費電力の削減および信頼性の向上が期待できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のビーム形成回路およびフェーズドアレーアンテナによれば、次のような効果がある。
【００２６】
すなわち、従来の全放射素子独立制御型ビーム形成回路と比較した場合、位相制御手段の数を少なくでき、回路規模縮小により大きさ、重量、消費電力の削減および信頼性の向上が期待できる。また、サブアレー独立制御型ビーム形成回路と比較した場合、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できる。また、一括制御型ビーム形成回路と比較すると、連続的な位相差を有する位相分布で給電を可能とするため自由度の高いビーム形成が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の請求項１記載のビーム形成回路の実施形態例を示す構成説明図である。
【図２】本発明に係る放射素子を正方配列した場合の合成手段と同相分配手段の接続を示す構成説明図である。
【図３】本発明に係る放射素子を三角配列した場合の合成手段と同相分配手段の接続を示す構成説明図である。
【図４】本発明の請求項２記載のビーム形成回路の実施形態例を示す構成説明図である。
【図５】本発明に係る合成手段に入力される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６】本発明の請求項３記載のビーム形成回路の実施形態例を示す構成説明図である。
【図７】本発明の請求項４記載のビーム形成回路の実施形態例を示す構成説明図である。
【図８】本発明の請求項５記載のビーム形成回路の実施形態例を示す構成説明図である。
【図９】本発明の請求項６記載のフェーズドアレーアンテナの実施形態例を示す構成説明図である。
【図１０】（ａ）は本発明のビーム形成回路の放射素子数に対する位相制御手段の数（放射素子を正方配列した場合）を従来の全放射素子独立制御型ビーム形成回路と比較して示す説明図であり、（ｂ）は本発明のビーム形成回路の放射素子数に対する位相制御手段の数（放射素子を三角配列した場合）を従来の全放射素子独立制御型ビーム形成回路と比較して示す説明図である。
【図１１】従来の全放射素子独立制御型ビーム形成回路により給電されたフェーズドアレーアンテナを示す構成説明図である。
【図１２】従来のサブアレー独立制御型ビーム形成回路（２素子でサブアレーを構成）により給電されたフェーズドアレーアンテナを示す構成説明図である。
【図１３】従来のマトリクス回路を用いた一括制御型ビーム形成回路により給電されたフェーズドアレーアンテナを示す構成説明図である。
【符号の説明】
ｉｎ  ビーム形成回路の入力端子
ｏｕｔ１〜ｏｕｔＮ  ビーム形成回路の第１〜第Ｎの出力端子
ａ  分配手段
ａ−１〜ａ−Ｍ  分配手段の分配信号
ｂ１〜ｂＭ  位相制御手段
ｃ１〜ｃＭ  同相分配手段
ｃ１−１〜ｃ１−Ｌ  同相分配手段ｃ１からの分配信号
ｃ２−１〜ｃ２−Ｌ  同相分配手段ｃ２からの分配信号
ｃＭ−１〜ｃＭ−Ｌ  同相分配手段ｃＭからの分配信号
ｄ  素子間隔
ｅ１〜ｅＮ  合成手段
ｆ１〜ｆＮ  放射素子
ｇ１〜ｇＮ  振幅制御手段
ｈ１〜ｈＮ  可変減衰器
ｉ１〜ｉＮ  利得可変増幅器
ｊ１〜ｊＭ  リミッタ増幅器
【図１】
0003762284.tif 000003
【図２】
0003762284.tif 000004
【図３】
0003762284.tif 000005
【図４】
0003762284.tif 000006
【図５】
0003762284.tif 000007
【図６】
0003762284.tif 000008
【図７】
0003762284.tif 000009
【図８】
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【図９】
0003762284.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
0003762284.tif 000013
【図１２】
0003762284.tif 000014
【図１３】
0003762284.tif 000015