JP2006148930A

JP2006148930A - 広帯域二相フェーズド・アンテナ

Info

Publication number: JP2006148930A
Application number: JP2005336512A
Authority: JP
Inventors: Gregory Steven Lee; グレゴリー・スティーブン・リー
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2006-06-08
Also published as: CN1780051A; US7724189B2; EP1662611A1; US20060119513A1

Abstract

【課題】広帯域アンテナ・アレイのためのコスト効果の高い二相移相機構を提供する。
【解決手段】本発明の実施態様によれば、対称スイッチにそれぞれ接続された対称アンテナ素子アレイを含む広帯域二相フェーズドアンテナが得られる。このアンテナは、互いに二相移相を起こす逆対称電界分布を対称アンテナ素子内に生じさせることが可能な給電点をミラー軸の両側に含み、前記ミラー軸に関して対称をなす対称アンテナ素子と、給電点に接続され、逆対称電界分布間において選択的スイッチングを行うように構成された対称スイッチと、を備える。
【選択図】図１

Description

フェーズド・アンテナ・アレイ（phased antenna arrays）は、アレイのアンテナ素子に加えられる電気信号の相対位相を制御することによって、ビーム形成及びビーム操向の能力を発揮する。２つの最も一般的なタイプのフェーズド・アンテナ・アレイは、連続フェーズド・アレイ（continuous phased array）及び二相フェーズド・アレイ（binary phased array）である。

連続フェーズド・アレイでは、ビーム走査パターンで任意の方向に向けてビームを導くため、任意の所望の移相（phase shift）を生じさせるように調整可能なアナログ移相器（analog phase shifter）が用いられる。しかし、連続フェーズド・アレイは、一般に、損失が多いか、または、高価である。例えば、大部分の連続移相器は、可変容量及び／または可変インダクタンス素子を利用したバラクタ・タップ付き（varactor-tapped）遅延線をベースにしている。バラクタ・ダイオード（varactor diode）及び強電性（ferroelectric）コンデンサのような可変容量素子は、本質的に、抵抗成分のために損失が多いか、または、マイクロ波領域における質が良くない。強磁性素子のような可変インダクタンス素子は、かさばり、コストが高く、多量の駆動電流を必要とする。

二相フェーズド・アレイでは、逆極性の２つの異なる移相（例えば、０°及び１８０°）を生じさせることが可能な移相器を使用する。二相移相器は、一般に、アンテナ素子を開放または短絡させて接地する、若しくは、アンテナ素子の共振周波数をアップシフトまたはダウンシフトさせるダイオード・スイッチまたはトランジスタ・スイッチを利用して実施される。ダイオード・スイッチは、小規模アンテナ・アレイによる狭帯域（narrowband）用途において最も一般的に用いられる。しかし、大規模アンテナ・アレイの場合には、多数のダイオードをスイッチするのに必要とされる過大な直流スイッチング電流のため、一般にはトランジスタが望ましい。広帯域（broadband）用途の場合、高周波数、高性能の電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）が必要になり、このため、二相移相器のコストが大幅に増大することになる。例えば、５ＧＨｚＦＥＴの現在のコストは、通常、約＄０．２０〜＄０．３０であるが、２０〜３０ＧＨｚＦＥＴの現在のコストは、＄５．００以上になる。

従って、本発明の目的は、広帯域アンテナ・アレイのためのコスト効果の高い二相移相機構を提供することにある。

本発明の実施態様によれば、対称スイッチ（symmetric switch）にそれぞれ接続された対称アンテナ素子アレイを含む広帯域二相フェーズドアンテナ（broadband binary phased antenna）が得られる。対称アンテナ素子は、それぞれ、アンテナ素子のミラー軸まわりで対称をなし、対称アンテナ素子に逆対称電界分布（opposite symmetric field distribution）を生じさせることが可能な給電点（feed point）をミラー軸（mirror axis）の両側に含んでいる。逆対称電界分布は、互いに二相移相している。対称スイッチが、逆対称電界分布間における選択的スイッチングのため、給電点に接続されている。

実施態様の１つでは、給電点は、ミラー軸まわりで対称をなすように配置されている。例えば、給電点は、ミラー軸の両側において、対称アンテナ素子の中点に配置することが可能である。

もう１つの実施態様では、スイッチは、第１及び第２の端子を含んでおり、第１と第２の端子間において動作状態が対称をなす。

もう１つの実施態様では、アンテナは、対称スイッチに接続された第２のアンテナ素子を含む再送信（retransmit）アンテナである。対称スイッチは、対称アンテナ素子の給電点の１つと第２のアンテナ素子とを選択的に接続する。実施態様の１つでは、第２のアンテナ素子は、直交偏波で給電される対称アンテナ素子である。

さらにもう１つの実施態様では、対称アンテナ素子は、スロット（slot）・アンテナ素子である。実施態様の１つでは、第１の給電線が、スロット・アンテナ素子を横切って、対称スイッチの第１の端子とスロット・アンテナ素子の第１の給電点の間に接続され、第２の給電線が、スロット・アンテナ素子を横切って、対称スイッチの第２の端子とスロット・アンテナ素子の第２の給電点の間に接続されている。もう１つの実施態様では、給電線が、スロット・アンテナ素子の給電点間に接続され、対称スイッチの端子にも接続されている。この実施態様では、給電線は、スロット・アンテナ素子と約９０度の対称スイッチの間にある給電長（electric feed length）を有している。

好都合なことに、本発明の実施態様によれば高性能スイッチを必要とすることなく広帯域または多帯域（multiband）アンテナ・アレイの二相スイッチングが可能になる。さらに本発明によれば、上述の特徴及び利点に加えて、またはそれらの代わりに、他の特徴及び利点を備えた実施態様が得られる。これらの特徴及び利点の多くは、付属の図面に関連した以下の説明から明らかになる。

開示の発明については、本発明の重要な実施態様のサンプルを示し、参考までに本明細書において援用されている添付の図面に関連して解説される。

図１は、本発明の実施態様による単純化された典型的な広帯域二相フェーズド・アンテナ１０の概略図である。アンテナ１０には、アンテナ素子（antenna element）１４のアレイ１２が含まれている。例証しやすくするため、図１には６つのアンテナ素子１４だけしか示されていない。しかし云うまでもなく、アレイ１２には、任意の数のアンテナ素子１４を含むことが可能である。さらに、アンテナ素子１４は、送信及び受信の一方または両方を実施できる可能性がある。

各アンテナ素子１４は、給電線（feed line）１６及び１７を介してそれぞれのスイッチ１５に接続されている。スイッチ１５は、例えば、単極双投（single-pole double-throw：ＳＰＤＴ）スイッチまたは二極双投（double-pole double-throw：ＤＰＤＴ）スイッチとすることが可能である。従って、給電線１６によって、アンテナ素子１４の第１の給電点１１とスイッチ１５の第１の端子１８との間が接続され、給電線１７によって、アンテナ素子１４の第２の給電点１３とスイッチ１５の第２の端子１９との間が接続される。

特定のスイッチ１５の動作状態によって、それぞれのアンテナ素子１４の位相が制御される。例えばスイッチ１５の第１の動作状態において、それぞれのアンテナ素子１４は、第１の二相状態（例えば、０度）をなし、一方、スイッチ１５の第２の動作状態において、それぞれのアンテナ素子１４は第２の二相状態（例えば、１８０度）をなすことが可能である。スイッチ１５の動作状態によって、スイッチ１５の端子接続が決まる。例えば、第１の動作状態において、端子１８を閉（短絡）位置にして、アンテナ素子１４とスイッチ１５の間で給電線１６を接続し、一方、端子１９を開位置にすることが可能である。各スイッチ１５の動作状態は、制御回路２０によって個別に制御し、各アンテナ素子１４の位相を個別に設定することが可能である。

送信モードにおいて、送信／受信（Transmit/Receive：Ｔ／Ｒ）スイッチ３０は、送信機３５からの送信信号を給電（feed）ネットワーク２５にスイッチする。給電ネットワーク２５は、送信信号をスイッチ１５のそれぞれに供給する。制御回路２０によって決まる各スイッチ１５の状態に応じて、各アンテナ素子１４によって送信される信号の位相は、二相状態の一方になる。アンテナ素子１４によって送信される二相切替信号の特定の組み合わせによって、アレイ１２から放射されるエネルギ・ビームが形成される。

受信モードでは、入射エネルギはアレイ１２の各アンテナ素子１４によって捕捉され、それぞれのスイッチ１５の状態に従って各アンテナ１４によって二相移相されて、それぞれの受信信号を生じることになる。二相移相受信信号は、全て、給電ネットワーク２５で組み合わせられて、受信ビームを形成し、受信ビームはＴ／Ｒスイッチ３０を介して受信機４０に送られる。

図２は、本発明の実施態様による図１の広帯域二相切替アンテナ１０の単純化された典型的な対称アンテナ素子１４及び対称スイッチ１５の概略図である。本明細書において用いられる限りにおいて、対称アンテナ素子１４という用語は、２つの給電点１１及び１３のいずれかにおいて、タップで接続される（be tapped）かまたは給電されて、２つの逆対称電界分布または電流の一方を生じることが可能なアンテナ素子を表わしている。

図２に示すように、２つの逆対称電界分布は、そのミラー軸２００まわりで形状が対称をなす対称アンテナ１４を利用することによって形成される。ミラー軸２００は、アンテナ素子１４を通って、２つの対称側２０２及び２０４を形成する。給電点１１及び１３は、アンテナ素子１４のミラー軸２００の両側２０２及び２０４に配置されている。実施態様の１つでは、給電点１１及び１３がミラー軸２００に対してほぼ対称をなすようにアンテナ素子１４上に配置されている。例えば、ミラー軸２００は、アンテナ素子１４の一次元２１０（例えば、長さ、幅、高さ等）に対して平行に延びることが可能であり、給電点１１及び１３は、次元２１０の中点２２０近くに配置することが可能である。図２の場合、給電点１１及び１３は、図示のように、ミラー軸２００の各側２０２及び２０４において、アンテナ素子１４の中点２２０近くに配置されている。

対称アンテナ素子１４は、Ａ及びＢで表示される２つの逆対称電界分布を生じさせることが可能である。電界分布Ａの大きさ（例えば、パワー）は、電界分布Ｂの大きさとほぼ同じであるが、電界分布Ａの位相は、電界分布Ｂの位相と１８０度異なっている。従って、電界分布Ａは、電気周期の±１８０°で電界分布Ｂに似ている。

対称アンテナ素子１４は、給電線１６及び１７を介して対称スイッチ１５に接続されている。給電点１１は、給電線１６を介して対称スイッチ１５の端子１８に接続され、給電点１３は、給電線１７を介して対称スイッチ１５の端子１９に接続されている。本明細書で用いられる限りにおいて、対称スイッチという用語は、スイッチの２つの動作状態が端子１８及び１９に関して対称をなすＳＰＤＴまたはＤＰＤＴスイッチを表わしている。

例えば、ＳＰＤＴの第１の動作状態において、チャネルαのインピーダンスが１０Ωで、チャネルβのインピーダンスが１ｋΩであれば、ＳＰＤＴの第２の動作状態において、チャネルαのインピーダンスは１ｋΩで、チャネルβのインピーダンスは１０Ωになる。もちろん、チャネル・インピーダンスは、完全な開路または短絡である必要はなく、あるいは実在する必要さえない。さらに、クロストークが状態対称性である限りにおいて、チャネル間にはクロストークが生じる可能性がある。一般に、スイッチのＳパラメータ・マトリックスがスイッチの２つの動作状態に関して同じであれば（例えば、端子１８と１９の間において）、スイッチは対称性である。

図３は、本発明の実施態様による単純化された典型的な広帯域二相フェーズド再送信アンテナ３００の概略図である。再送信アンテナ３００には、対称アンテナ素子１４、対称ＳＰＤＴスイッチ３１０、及び、第２のアンテナ素子３２０が含まれている。対称アンテナ素子１４は、例えば、図１に示すように、対称アンテナ素子１４のアレイ１２の一部とすることが可能である。第２のアンテナ素子３２０は、例えば、アンテナ素子の別のアレイ（不図示）の一部、または、対称アンテナ素子１４の第2のモードとすることが可能である。

第２のアンテナ素子３２０は、対称アンテナ素子である必要はなく、代わりに、対称アンテナ素子１４に適合する任意のタイプのアンテナ素子とすることが可能である。例えば，対称アンテナ素子１４は、マイクロストリップ・パッチ（microstrip patch）・アンテナ素子とすることが可能であり、第２のアンテナ素子３２０は、スロット（slot）・アンテナ素子またはモノポール（monopole）（「ホイップ（whip）」）・アンテナとすることが可能である。実施態様の１つでは、第２のアンテナ素子３２０は、幾何学的に、対称アンテナ素子１４に相互結合するように構成されている。

図３に示すように、対称スイッチ３１０の第１の動作状態において、スイッチ３１０の端子１８は、対称アンテナ素子１４の給電点１１を第２のアンテナ素子３２０に接続する。第２の動作状態において、対称スイッチ３１０の端子１９は、対称アンテナ素子１４の給電点１３を第２のアンテナ素子３２０に接続する。従って、第１の動作状態において、スイッチ３１０は、電界分布Ｂよりも電界分布Ａを優先的にサンプリングして、再送信のため第２のアンテナ素子３２０にパワーを伝達する。第２の動作状態において、スイッチ３１０は、電界分布Ａよりも電界分布Ｂを優先的にサンプリングして、再送信のため第２のアンテナ素子３２０にパワーを伝達する。対称アンテナ素子１４とスイッチ３１０は対称性であるため、再送信パワーはスイッチ３１０の２つの動作状態において同じであるが、位相は１８０°異なっている。

図４は、本発明の実施態様による典型的な対称マイクロストリップ・パッチ・アンテナ素子４００の概略図である。対称マイクロストリップ・パッチ・アンテナ素子４００は、例えば、図１に示すように、対称マイクロストリップ・パッチ・アンテナ素子１４のアレイ１２の一部とすることが可能である。対称マイクロストリップ・パッチ・アンテナ素子４００は、長さがほぼm+1/2波長で（ここで、ｍは整数）、両端がタップ付である。再送信アンテナを実施するため、第２のアンテナ素子は、プリント回路基板の同じ側（反射アレイの場合）、または、プリント回路基板の反対側（送信アレイの場合）にあるもう１つパッチ・アンテナ素子とすることが可能である。例えば図４の場合、第２のアンテナ素子は、直交偏波で、同じ対称マイクロストリップ・パッチ・アンテナ素子４００に給電することによって実現可能である。この反射構成の場合、反射波は、入射波に対して横偏波させられる。

図５は、本発明の実施態様による、２つの給電線５３０及び５４０を備えた典型的な対称スロット・アンテナ素子５００の概略図である。対称スロット・アンテナ素子５００は、例えば、図１に示すように、対称スロット・アンテナ素子１４のアレイ１２の一部とすることが可能である。対称スロット・アンテナ素子５００は、長さがほぼm+1/2波長（ここで、ｍは整数）である。対称スロット・アンテナ素子５００は、スロット横断ストリップ５０１及び５０２によってスロット５００の両側の接地面にそれぞれ短絡させられた、２つのわずかに偏心した給電線５３０及び５４０によって同時に給電される。従って第１の給電線５３０は、対称スイッチ３１０の第１の端子１８と第１の給電点１１の間に接続され、第１の給電点１１はさらに、スロット横断ストリップ５０１によってスロット素子５００を横切ってアースに接続されており、第２の給電線５４０は第２の端子１９と第２の給電点１３の間に接続され、第２の給電点１３はさらに、スロット横断ストリップ５０２によってスロット素子５００を横切ってアースに接続されている。第２のスロット・アンテナ素子５２０は、図示のように、ＳＰＤＴスイッチ３１０に接続されて、対称スロット５００または第２のスロット５２０によって受信される信号の再送信を可能にする。

図６は、本発明の実施態様による単一給電線６００を備えた典型的な対称スロット・アンテナ素子５００の概略図である。図５と同様、対称スロット・アンテナ素子５００は、例えば、図１に示すように、対称スロット・アンテナ素子１４のアレイ１２の一部とすることが可能である。図６の場合、接地短絡が除去され、スロット・アンテナ素子５００には、その両端がＳＰＤＴスイッチ３１０の両端子１８及び１９に接続された単一給電線６００による給電が施される。従って、給電線６００は、スロット・アンテナ素子５００の給電点１１と１３の間に接続され、対称スイッチ３１０の端子１８及び１９に接続されている。給電線６００には、スロット素子５００の中心を横切って給電点１１と１３を接続する単一スロット横断ストリップ６０１も含まれている。実施態様の１つでは、第１の給電点１１とスイッチ端子１８の間、及び給電点１３とスイッチ端子１９の間の給電線６００の給電長は、約９０度であり、従って、開いた端子によって、閉じた端子の反対側のスロット５００のエッジが事実上のａｃ短絡に戻ることになる。図６には、第２のスロット・アンテナ素子５２０も示されており、ＳＰＤＴスイッチ３１０に接続されて、対称スロット・アンテナ素子５００または第２のスロット・アンテナ素子５２０によって受信される信号の再送信を可能にするようになっている。

図７は、本発明の実施態様による典型的な対称差動アンテナ素子７００の概略図である。対称差動アンテナ素子７００は、例えば、図１に示すように、対称スロット・アンテナ素子１４のアレイ１２の一部とすることが可能である。図７の場合、対称アンテナ素子７００及び第２のアンテナ素子７２０は、両方とも差動アンテナ素子である。しかし、第２のアンテナ素子７２０は、対称性である必要はない。この例の場合、ＤＰＤＴスイッチ７１０は、対称スイッチとして用いられている。差動アンテナ素子の例には、ダイポール（図７に示すような）、ループ、Ｖ型アンテナ、蝶ネクタイ型、及びアルキメデス・スパイラルが含まれる。

当該技術者には明らかなように、本出願書に記載の新規の概念は、多種多様な用途にわたって修正及び変更を加えることが可能である。従って、特許内容の範囲は、論述された特定の典型的な教示のいずれにも制限されるものではなく、その代わり、付属の請求項によって定義されている。

本発明の実施態様による単純化された典型的な広帯域二相切替アンテナの概略図である。本発明の実施態様による図１の広帯域二相切替アンテナの単純化された典型的な対称アンテナ素子及び対称スイッチの概略図である。本発明の実施態様による、対称アンテナ素子及び対称スイッチを含む、単純化された典型的な広帯域二相フェーズド再送信アンテナの概略図である。本発明の実施態様による典型的な対称マイクロストリップ・パッチ・アンテナの概略図である。本発明の実施態様による２つの給電線を備えた典型的な対称スロット・アンテナの概略図である。本発明の実施態様による単一給電線を備えた典型的な対称スロット・アンテナの概略図である。本発明の実施態様による典型的な対称差動アンテナの概略図である。

符号の説明

１０広帯域二相フェーズド・アンテナ
１１、１３給電点
１４対称アンテナ素子
１５対称スイッチ
１８第１の端子
１９第２の端子
２００ミラー軸
２０２ミラー軸の第１の側
２０４ミラー軸の第２の側
３２０第２のアンテナ素子

Claims

広帯域二相フェーズド・アンテナであって、
互いに二相移相を起こす逆対称電界分布を対称アンテナ素子内に生じさせることが可能な給電点をミラー軸の両側に含み、前記ミラー軸に関して対称をなす対称アンテナ素子と、
前記給電点に接続され、前記逆対称電界分布間において選択的スイッチングを行うように構成された対称スイッチと、
を備えるアンテナ。
前記給電点が、前記対称アンテナ素子に第１の電界分布を生じさせることが可能で、前記ミラー軸の第１の側にある第１の給電点と、前記対称アンテナ素子に第２の電界分布を生じさせることが可能で、前記ミラー軸の第２の側にある第２の給電点と、を含み、前記第１及び第２の電界分布の大きさがほぼ同等であり、前記第１の電界分布の位相が前記第２の電界分布の位相と１８０度異なる、請求項１に記載のアンテナ。
前記スイッチが、前記第１の給電点と前記第２の給電点の一方に選択的に接続する、請求項２に記載のアンテナ。
前記第１の給電点及び前記第２の給電点が、前記ミラー軸に関してほぼ対称をなす前記対称アンテナ素子上に配置されている、請求項２に記載のアンテナ。
前記スイッチが第１および第２の端子を含み、前記スイッチの動作状態が、前記第１および第２の端子間で対称である、請求項１に記載のアンテナ。
前記対称スイッチに接続された第２のアンテナ素子をさらに含み、
前記対称スイッチが、前記給電点の一方を前記第２のアンテナ素子に選択的に接続する、請求項１に記載のアンテナ。
アンテナの広帯域二相スイッチングのための方法であって、
それぞれがミラー軸に関して対称をなす対称アンテナ素子のアレイを設けるステップと、
前記ミラー軸の両側に配置された２つの給電点の一方において前記対称アンテナ素子のそれぞれに給電して、互いに二相移相を起こす２つの逆対称電界分布の一方を前記それぞれの対称アンテナ素子に生じさせるステップと、
を有する方法。
前記給電するステップが、さらに、
前記ミラー軸の第１の側の第１の給電点において前記対称アンテナ素子の選択された１つに給電して、前記選択対称アンテナ素子に第１の電界分布を生じさせる、または、前記ミラー軸の第２の側の第２の給電点において前記対称アンテナ素子の選択された１つに給電して、前記選択対称アンテナ素子に第２の電界分布を生じさせるステップを含み、
前記第１及び第２の電界分布の大きさがほぼ同等であり、前記第１の電界分布の位相が前記第２の電界分布の位相と１８０度異なる、請求項７に記載の方法。
前記対称アンテナ素子のそれぞれの前記給電点の一方を第２のアンテナ素子のアレイにおける第２のアンテナ素子のそれぞれに接続するステップをさらに有する、請求項７に記載の方法。
前記接続するステップが、さらに、前記対称アンテナ素子のそれぞれの前記給電点の一方を前記第２のアンテナ素子のそれぞれにおける直交偏波給電点に接続するステップを含む、請求項９に記載の方法。