JP4870638B2

JP4870638B2 - フェーズドアレイアンテナ装置

Info

Publication number: JP4870638B2
Application number: JP2007249488A
Authority: JP
Inventors: 晃一片上
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: JP2009081667A

Description

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、複数のアンテナ素子を追尾してアンテナ素子に電波を送信する一次放射器と、を有し、各アンテナ素子で受信された電波の位相を各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フェーズドアレイアンテナ装置に関する。

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。

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。

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。

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。

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）も同様にして電源１５３と制御部１５２とに結線されている。

図６のフェーズドアレイアンテナ装置１００に用いられているデジタル移相器１１２やシリアルパラレル変換器１１４等には、制御信号と、電源ラインとが各々必要である。そこで、電源ラインを空間給電とするために、特許文献２には、電気を動力源とする機器に、電波により非接触で給電を行う給電装置に関する技術が開示されている。

図８は、従来の電波給電装置２００の構成図であり、図８を用いて電波給電装置２００の構成と動作を示す。電波給電装置２００は、電力を受け取る受電局２０１と、給電局２０２と、を有している。給電局２０２の電力送信手段２２７は、所定周波数の電波を増幅し、送受信切替え手段２２２を介してアンテナ２２１より空間に放射する。この時、アンテナ２２１は、アンテナビーム制御手段２２８により受電局２０１の方向を指向しているものとする。

一方、受電局２０１のアンテナ２１１で受信された所定周波数の電波は、送受信切替え手段２１２を介して電力検出手段２１４に送られ、受信した所定周波数の電波が電力検出手段２１４の検出閾値を超える場合は、給電局２０２からの電波と判断し、自己情報送信手段２１３から受電局２０１の位置情報を含む自己情報を送信切替え手段２１２に出力し、出力された自己情報がアンテナ２１１から給電局２０２へ送られる。

給電局２０２は、所定周波数の電波を送信後、送受信切替え手段２２２により受電局２０１から送信された自己情報を含む電波を受信手段２３３により受信する。次に、目標検出手段２２４は、受信した電波の中から目標とする受電局２０１の信号を検出し、その信号を目標情報解読手段２２５に出力する。目標情報解読手段２２５は、目標とする受電局２０１の自己情報を解読し、その位置情報から目標の距離と指向角度を求め、距離に合わせた出力を電力制御手段に指示し、指向角度をアンテナビーム制御手段２２８に指示する。この後も、受電局２０１が自己情報を送信している限り、一定間隔で同様の動作を繰り返すことになる。

特開平１１−１７４３４号公報（図５）特開平８−１３０８４０号公報

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と、電源線と、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制御信号線は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。

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。

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、複数のアンテナ素子に電波を送信する一次放射器と、を有し、各アンテナ素子で受信された電波の位相を各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フェーズドアレイアンテナ装置において、一次放射器は、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、アンテナ素子と移相器とを一体化したアンテナモジュールは、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、分配された電波から電源電力を取得する電源取得器と、を有し、電源取得器からの電源で駆動されることを特徴とする。

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、各移相器は、復調器で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。

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、移相器は、消費電力の少ないＭＥＭＳスイッチを用いたＭＥＭＳ移相器であることを特徴とする。

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、移相器は、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。

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。

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。

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。また、電源電力を空間給電とするために、電力消費の小さいデジタル移相器（ＭＥＭＳ移相器１２）を用いた。

図１のフェーズドアレイアンテナ装置１は、大きく分けて一次放射機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。ここで一次放射機６０は、制御部６２と、変調器６３と、送信部６１と、合成器６４と、ビーム制御器６６と、受信機６７と、レーダ処理部６８と、を有している。

一次放射機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、送受信アンテナ素子（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。

パッシブ移相器パネル７０は、アレイ状に配列された送受信アンテナ素子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。送受信アンテナ素子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、送受信アンテナ素子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り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。

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（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）スイッチを用いたＭＥＭＳ移相器１２を制御する。

受信機１６は、一次放射機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。

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、一次放射機６０から更新することが可能であり、一次放射機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。

また、図１のフェーズドアレイアンテナ装置１は、完全反射素子２５と、送信アンテナ素子と、を適時接続するスイッチ２６とを設けることにより、一次放射機６０への自己情報送信により一次放射機６０がパッシブ移相器パネル７０のトラッキングを容易にすると共に、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として機能する。

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、一次放射機６０の出力を大電力化してもよい。

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。

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。

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。

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。図４のフェーズドアレイアンテナ装置２では、パッシブ移相器パネル７０に支持された一次放射機６０を備えているため、図１に示した、スイッチ２６、受信機６７及びビーム制御器６６等は省略されている。また、図１の送信アンテナ素子（１８，２８，３８，４８）の代わりに図１の送受信アンテナ素子（１９，２９，３９，４９）と同様な送受信アンテナ素子（１１，２１，３１，４１）を有し、ＭＥＭＳ移相器１２の出力側に完全反射素子２５が接続されている。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。

図４の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から移相調整後の送信波として送信される。これにより、反射型のフェーズドアレイアンテナ装置として機能する。

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、一次放射機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。

また、パッシブ移相器パネル７０は反射型としても機能することから、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。

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。

図７には、図１の一次放射機６０で制御されるフェーズドアレイアンテナ装置１へのビーム指向性制御の流れが示されている。この処理は、任意の空間を飛行する飛行船９４に搭載されたフェーズドアレイアンテナ装置１への電源給電と、フェーズドアレイアンテナ装置１にビームステアリングをさせるため、フェーズドアレイアンテナ装置１に対する一次放射機６０のビーム指向性制御及びフェーズドアレイアンテナ装置１の移相制御と、に関するものである。

最初に、一次放射機６０は、飛行船９４の位置を特定するために、レーダ処理部６８により任意空間のスキャンを開始する。複雑な形状をした飛行船９４やフェーズドアレイアンテナ装置１は、レーダ波に対する一定の反射波を出す。レーダ処理部６８は、ビーム制御器６６により、任意空間のスキャンを行い、フェーズドアレイアンテナ装置１の存在する方向を探る（ステップＳ１０）。フェーズドアレイアンテナ装置１に一次放射機６０からのビームが当たらず、電源給電が開始されない場合であっても、レーダ処理部６８は、飛行船９４などからの反射波を測定（ステップＳ２０）し、初期補足を実行する（ステップＳ３０）。

フェーズドアレイアンテナ装置１にビームが当たり、電源給電が開始（ステップＳ６０）されると、フェーズドアレイアンテナ装置１の移相制御が開始（ステップＳ７０）される。また、一次放射機６０は、フェーズドアレイアンテナ装置１のパネル姿勢を調べる為にフェーズドアレイアンテナ装置１からの反射波を大きくする目的で、完全反射素子２５を用いて一次放射器６０からの送信波を反射させる反射モード信号を送信する（ステップＳ４０）。フェーズドアレイアンテナ装置１は、反射モード信号を受信する（ステップＳ８０）と、スイッチ２６を切替えて反射モードかつ広角ビームとする。フェーズドアレイアンテナ装置１からの反射波が安定することにより、より精度の高いビーム制御をフェーズドアレイアンテナ装置１に対して行うことが可能となる。また、所定周期で反射モード（ステップＳ９０）に変更させることで、トラッキング処理（ステップＳ５０）を繰り返すことになる。

また、電源供給を効率よく行うために、パネルの姿勢を一次放射機６０からのビームに対してできるだけ鉛直を保つように飛行船９４の姿勢を制御を行うことも可能である。本実施形態では、透過型の移相器ユニット１０を用い、各送受信アンテナ間の相対位相関係によってビーム制御が行われるため、パネルの微妙な姿勢変化による送受信ビームの屈折の変動を打ち消すことができ、飛行船９４の大まかな姿勢制御で済むという効果もある。

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の一次放射機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。

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。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。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。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。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。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。本発明の実施形態に係るビーム指向性制御処理の流れを示すフローチャート図である。従来の電波給電装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

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移相器ユニット、１１，１９，２９，３９，４９，１１１，１２１，１３１，１４１送受信アンテナ素子、１２ＭＥＭＳ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、２５完全反射素子、２６スイッチ、５１検波器、５２コンデンサ、５３電圧安定器、６０一次放射機、６１送信部、６２制御部、６３変調器、６４合成器、６５送信アンテナ、６６ビーム制御器、６７受信機、６８レーダ処理部、７０パッシブ移相器パネル、７２パネルフレーム、７５取り付けアーム、９２移動無線局、９４飛行船、１１０，１２０，１３０，１４０移相器ユニット、１１１，１２１，１３１，１４１送受信アンテナ素子、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、１１５電圧安定器、１５２制御部、１５３電源、１５４送信機、１５５送信アンテナ、２００電波給電装置、２０１受電局、２０２給電局、２１１，２２１アンテナ、２１２，２２２送受信切替え手段、２１３自己情報送信手段、２１４電力検出手段、２２４目標検出手段、２２５目標情報解読手段、２２７電力送信手段、２２８アンテナビーム制御手段、２３３受信手段。

Claims

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、複数のアンテナ素子に電波を送信する一次放射器と、を有し、各アンテナ素子で受信された電波の位相を各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フェーズドアレイアンテナ装置において、
一次放射器は、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、
アンテナ素子と移相器とを一体化したアンテナモジュールは、
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、
分配された電波から電源電力を取得する電源取得器と、
を有し、電源取得器からの電源で駆動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１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置において、
各移相器は、復調器で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１又は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、
移相器は、消費電力の少ないＭＥＭＳスイッチを用いたＭＥＭＳ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。
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、さらに、
移相器は、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。