JP2013201548A - アレイアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化が図れるアレイアンテナ装置を得ること。
【解決手段】アレイアンテナ装置において、アンテナ開口面上に配置される複数の素子アンテナそれぞれと１対１対応で用いられる送受信モジュールが備える送信用電力増幅器の動作電源の電圧を、対応する前記素子アンテナに出力する高周波電力の振幅が前記アンテナ開口面上における配置位置に応じた所定値となるように可変制御する電源電圧制御手段を備えた。
【選択図】図４

Description

本発明は、アレイアンテナ装置に関するものである。

アレイアンテナ装置では、配列された所定数の素子アンテナとこれら各素子アンテナに対応する送受信モジュールとを対にして設け、さらに給電回路や制御回路、電源等を含んで構成されたモジュールスライスの複数個を並置してなるモジュールユニットを一つの構成単位としてそのモジュールユニットを複数配列し、アンテナ装置としての開口面を形成している。

このアレイアンテナ装置では、送信時における開口面でのサイドローブレベルを、各送受信モジュールから対応する素子アンテナへの給電電力の振幅を制御することにより、所要のレベルに抑圧している。

このサイドローブ抑圧に関し、従来のアレイアンテナ装置では、送受信モジュールにおける送信用電力増幅器の入力段に可変減衰器を設け、この可変減衰器の減衰量を制御することにより送信時の出力振幅制御を行っている。

「Ｍｕｌｔｉ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｃｈｉｐｓｅｔ ｆｏｒ Ｘ−Ｂａｎｄ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｆｒｏｎｔｅｎｄｓ」（ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ １ｓｔ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｓｅｔｅｍｂｅｒ ２００６）

従来のアレイアンテナ装置では、上記のように、送信時の出力振幅制御のために、送受信モジュールにおける送信用電力増幅器の入力段に可変減衰器を設けるので、送信用電力増幅器に可変減衰器オフ時の損失分を補うことができる高利得の増幅器を用いる必要があり、また制御回路も追加する必要があるので、送受信モジュールが大型化し高価になり、アレイアンテナ装置のコストアップの一因となっている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、低コスト化が図れるアレイアンテナ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、アレイアンテナ装置において、アンテナ開口面上に配置される複数の素子アンテナそれぞれと１対１対応で用いられる送受信モジュールが備える送信用電力増幅器の動作電源の電圧を、対応する前記素子アンテナに出力する高周波電力の振幅が前記アンテナ開口面上における配置位置に応じた所定値となるように可変制御する電源電圧制御手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、送受信モジュールの送信電力制御を、可変減衰器によらず、送信用電力増幅器の動作電源の電圧を可変制御することにより実現するので、アレイアンテナ装置の低コスト化が図れるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１によるアレイアンテナ装置のモジュールフレームの構成例を示す外観図である。 図２は、図１に示すキューブ構造モジュールの外観構成例を示す斜視図である。 図３は、図２に示すモジュールスライスの外観構成例を説明する斜視図である。 図４は、図２に示すモジュールスライスの電気的構成例を示す回路図である。 図５は、本発明の実施の形態２として、送受信モジュールの他の構成例を示す回路図である。

以下に、本発明にかかるアレイアンテナ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１〜図４を参照して、本発明の実施の形態１によるアレイアンテナ装置について説明する。なお、図１は、本発明の実施の形態１によるアレイアンテナ装置のモジュールフレームの構成例を示す外観図である。図２は、図１に示すキューブ構造モジュールの外観構成例を示す斜視図である。図３は、図２に示すモジュールスライスの外観構成例を説明する斜視図である。図４は、図２に示すモジュールスライスの電気的構成例を示す回路図である。

まず、図１〜図３を参照して、アレイアンテナ装置の一般的な構成について簡単に説明する。
図１において、モジュールフレーム１は、アレイアンテナ装置の開口面の大きさを規定する枠体である。モジュールフレーム１には、直方体形状のモジュールユニット（この明細書では「「キューブ構造モジュール」と言う）２の複数個（図１では４個を示す）が組み込まれている。

図１に示す４個のキューブ構造モジュール２は、それぞれ図２に示すように、モジュールスライス３の所定数（図２では８個を示す）を、互いに並行に配置されるマザーボード４と反射板５との間に並置した構成である。

８個のモジュールスライス３は、図２，図３に示すように、それぞれ、直方体形状の冷却部６の片面上に、長四角状の給電制御部７が載置される電源部８と、給電制御部７の長辺側片端に一端が或る間隔を置いて接続される６個の送受信モジュール９と、６個の送受信モジュール９の各他端に接続される６個の素子アンテナ１０とで構成されている。電源部８及び給電制御部７は、マザーボード４に電気的に接続され、６個の素子アンテナ１０の放射端は、それぞれ反射板５から外へ飛び出して配置されている。

このように構成したアレイアンテナ装置は、６個の素子アンテナ１０を装備したモジュールスライス３を並び替えることにより、アレーアンテナの開口径を自由に変えることができる。また、送受信モジュール９が故障した場合でもモジュールスライス３単位で容易に交換することができるので、経済性が高い。

さて、本実施の形態１によるモジュールスライスの電気的構成は、例えば図４に示すようになっている。図４において、給電制御部７は、基本的な構成として電力分配合成器１１、移相器１２および送受切替スイッチ１３の他に、電源電圧制御回路１４が設けられている。

電力分配合成器１１の一方のＲＦ（高周波）信号入出力端は図示しない信号処理回路に接続されている。電力分配合成器１１の他方のＲＦ信号入出力端には、並列に複数個（図２、図３に示す例では６個）の移相器１２の一方の入出力端が接続されている。６個の移相器１２それぞれの他方の入出力端には、送受切替スイッチ１３の切替基端が接続されている。送受切替スイッチ１３の切替端１３ａ，１３ｂには送受信モジュール９が接続されている。

電源電圧制御回路１４は、６個の送受信モジュール９それぞれの送信用電力増幅器１５の出力電力の振幅が対応する素子アンテナ１０の配置位置に応じた適切な値となるようにするため、６個の送受信モジュール９それぞれの送信用電力増幅器１５に印加する動作電源の電圧を個別に変更制御する機能を備えている。

送受信モジュール９は、送信用電力増幅器１５と、サーキュレータ１６と、高耐電力送受切替スイッチ１７と、低反射回路１８と、受信用低雑音増幅器１９と、可変減衰器２０とを備えている。素子アンテナ１０は、サーキュレータ１６に接続されている。

送信用電力増幅器１５の入力端には、送受切替スイッチ１３の一方の切替端１３ａが接続されている。送信用電力増幅器１５は、電源電圧制御回路１４から必要な電圧の動作電源が電源ケーブル２１を通して印加されることで、対応する素子アンテナ１０への出力電力の振幅がアンテナ開口面上における配置位置に応じた所定値となるように制御される。

サーキュレータ１６は、送信用電力増幅器１５の出力（送信ＲＦ信号）を素子アンテナ１０側へ通過させ、また、素子アンテナ１０からの受信ＲＦ信号を高耐電力送受切替スイッチ１７の切替基端側に通過させる。

高耐電力送受切替スイッチ１７の一方の切替端１７ａは、低反射回路１８を通して低雑音増幅器１９の入力端に接続され、低雑音増幅器１９の出力端は、可変減衰器２０を通して送受切替スイッチ１３の他方の切替端１３ｂに接続される。そして、高耐電力送受切替スイッチ１７の他方の切替端１７ｂは、終端抵抗器２２を介して接地されている。

低反射回路１８は、一端が高耐電力送受切替スイッチ１７の一方の切替端１７ａに接続され、他端が受信用低雑音増幅器１９の入力端に接続される１／４波長線路２３と、１／４波長線路２３の他端に一端が接続されるスイッチ２４と、スイッチ２４の他端とアースとの間に配置される５０Ω抵抗器２５とを備えている。

次に、モジュールスライス３の動作について説明する。送信時では、給電制御部７における６個の送受切替スイッチ１３のそれぞれが一方の切替端１３ａを切替基端に接続する制御が行われ、６個の送受信モジュール９における各高耐電力送受切替スイッチ１７が他方の切替端１７ｂを切替基端に接続する制御が行われる。また、給電制御部７における電源電圧制御回路１４は、６個の送受信モジュール９における各送信用電力増幅器１５に所定電圧の動作電源を印加している。

この状態において、給電制御部７では、信号処理回路から入力される送信ＲＦ信号が電力分配合成器１１にて６個の移相器１２へ等分配され、６個の移相器１２にてその通過位相がそれぞれ制御され、対応する送受切替スイッチ１３の一方の切替端１３ａから対応する送受信モジュール９に入力される。

送受信モジュール９では、入力される送信ＲＦ信号が、動作電源が所定電圧に設定された送信用電力増幅器１５にて所望振幅の出力電力に増幅され、サーキュレータ１６を通して対応する素子アンテナ１０へ給電される。

このとき、送信ＲＦ信号の素子アンテナ１０での反射波がサーキュレータ１６を通して高耐電力送受切替スイッチ１７の切替基端に入力されるが、高耐電力送受切替スイッチ１７の切替基端は、他方の切替端１７ｂに接続されているので、送信ＲＦ信号の素子アンテナ１０での反射波は、終端抵抗器２２に吸収される。これによって、受信用低雑音増幅器１９は送信ＲＦ信号のアンテナ反射波から保護される。

また、受信時では、給電制御部７における６個の送受切替スイッチ１３のそれぞれが他方の切替端１３ｂを切替基端に接続する制御が行われ、６個の送受信モジュール９における各高耐電力送受切替スイッチ１７が一方の切替端１７ａを切替基端に接続する制御が行われる。

この状態において、素子アンテナ１０に受信された受信ＲＦ信号は、サーキュレータ１６及び高耐電力送受切替スイッチ１７を通して低反射回路１８に入力される。低反射回路１８は、高耐電力送受切替スイッチ１７と共に、受信電力が増加した場合に受信用低雑音増幅器１９を保護するための減衰回路として動作する。

すなわち、高耐電力送受切替スイッチ１７及び低反射回路１８により適切なレベルに調整された受信ＲＦ信号が、受信用低雑音増幅器１９にて増幅され、可変減衰器２０を介して給電制御部７に入力される。

給電制御部７では、送受信モジュール９から入力される受信ＲＦ信号が、送受切替スイッチ１３及び移相器１２を通して電力分配合成器１１に入力され、ここで電力合成されて後段の信号処理回路へ送出される。

このように、モジュールスライス３では、６個の送受信モジュール９それぞれの送信電力の振幅・位相を制御することができるので、アレーアンテナのビーム形状を自由に定めることができる。また、アンテナ開口面上の給電分布をテーラー分布やチェビシェフ分布にすることができるので、低サイドローブ化を実現できる。

以上のように、本実施の形態１によれば、送受信モジュールの送信電力制御を、可変減衰器によらず、送信用電力増幅器の動作電源の電圧を可変制御することにより実現するので、アレイアンテナ装置の低コスト化が図れる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２として、送受信モジュールの他の構成例を示す回路図である。なお、図５では、図４（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないし同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図５において、本実施の形態２による送受信モジュール３０では、図４（実施の形態１）に示した構成において、送信用電力増幅器１５の出力端は、符号を変えたサーキュレータ３２の第１のポート３２ａに接続される。サーキュレータ３２の第２のポート３２ｂは、符号を変えた高耐電力送受切替スイッチ３４の一方の切替端３４ａに接続され、サーキュレータ３２の第３のポート３２ｃは、終端抵抗器３３を通して接地されている。

そして、素子アンテナ１０は、高耐電力送受切替スイッチ３４の切替基端に接続され、受信時に切替基端と接続される他方の切替端３４ｂと給電制御部７内の送受切替スイッチ１３の他方の切替端１３ｂとの間に、受信用低雑音増幅器３５、可変減衰器３６及び受信用低雑音増幅器３７がこの順に配置されている。

以上の構成において、送信時には高耐電力送受切替スイッチ３４の切替基端は、一方の切替端３４ａに接続されている。この状態において、給電制御部７内においてアンテナ開口面上における配置位置に応じた位相制御がなされた送信ＲＦ信号は、送受切替スイッチ１３の一方の切替端１３ａから送信用電力増幅器１５に入力される。

送信用電力増幅器１５は、実施の形態１にて説明したように、動作電源の電圧が、電源電圧制御回路１４の出力端に接続される電源ケーブル２１により、出力電力の振幅がアンテナ開口面上における配置位置に応じた所定値となるように制御された状態で、送受切替スイッチ１３の一方の切替端１３ａから入力される送信ＲＦ信号を増幅する。

送信用電力増幅器１５にて増幅された送信ＲＦ信号は、サーキュレータ３２及び高耐電力送受切替スイッチ３４を通して素子アンテナ１０へ給電される。素子アンテナ１０にて反射された送信ＲＦ信号は、高耐電力送受切替スイッチ３４の一方の切替端３４ａからサーキュレータ３２の第２のポート３２ｂに入力され、第３のポート３２ｃから外部の終端抵抗器３３に出力され、吸収される。

また、受信時には高耐電力送受切替スイッチ３４の切替基端は、他方の切替端３４ｂに接続されている。この状態において、素子アンテナ１０にて受信された受信ＲＦ信号は、高耐電力送受切替スイッチ３４から前段の受信用低雑音増幅器３５に入力されて増幅され、可変減衰器３６を介して後段の受信用低雑音増幅器３７にて増幅された後、給電制御部７内の送受切替スイッチ１３を介して移相器１２へ送られる。

このとき、受信系は、受信用低雑音増幅器を受信用低雑音増幅器３５と受信用低雑音増幅器３７とに２分割し、その間に可変減衰器３６を介在させてあるので、素子アンテナ１０の受信レベルが大きく変動しても、給電制御部７へ送出する受信ＲＦ信号を適切なレベルに設定することができる。

本実施の形態２による送受信モジュール３０の送信系は、実施の形態１による送受信モジュール９での送信系において、送信用電力増幅器１５と素子アンテナ１０との間に高耐電力送受切替スイッチ３４が介在するので、送信系での損失は、送受信モジュール９での送信系よりも、高耐電力送受切替スイッチ３４の分だけ増加している。

これに対して本実施の形態２による送受信モジュール３０の受信系の損失は、実施の形態１による送受信モジュール９の受信系におけるサーキュレータ１６及び低反射回路１８での損失分が低減されている。

したがって、本実施の形態２では、送受信モジュール３０の送信系について実施の形態１と同様の作用効果が得られるのに加えて、送受信モジュール３０の受信系でのＳＮ比が、実施の形態１による送受信モジュール９よりも高くとなるので、送受信モジュール３０の受信系を高性能化することができる。

ＳＮ比は、送信時の出力と受信時の雑音指数とに関係しており、従来の送受信モジュールに対し、送信時の出力が１ｄＢ増加すれば、受信時の雑音指数が１ｄＢ悪化しても、従来の送受信モジュールと同じ性能（探知距離）となる。逆に送信時の出力が１ｄＢ減少しても、受信時の雑音指数が１ｄＢよくなれば従来の送受信モジュールと同じ性能となる。

例えば、実施の形態１，２の送受信モジュールのサーキュレータ１６，３２の通過損失を０．５ｄＢ、高耐電力送受切替スイッチ１７，３４のアンテナ１０と送信用電力増幅器１５との間の通過損失を０．５ｄＢ、アンテナ１０と受信用低雑音増幅器との間の損失を１ｄＢ、低反射回路１８の通過損失を０．５ｄＢとし、送信用電力増幅器１５の送信出力をＰｏ（ｄＢｍ）、受信用低雑音増幅器１９の雑音指数をＮＦ（ｄＢ）とすると、実施の形態１の送受信モジュールの送信時の出力は、「送信用電力増幅器１５の出力（Ｐｏ）」−「サーキュレータ１６の通過損失（０．５ｄＢ）」であるから、Ｐｏ−０．５（ｄＢｍ）となる。

また、受信時の雑音指数は、「受信用低雑音増幅器１９の雑音指数（ＮＦ）」＋「サーキュレータ１６の通過損失（０．５ｄＢ）」＋「高耐電力送受切替スイッチ１７のアンテナ１０と受信用低雑音増幅器との間の損失（１ｄＢ）」＋「低反射回路１８の通過損失（０．５ｄＢ）」であるから、ＮＦ＋０．５＋１＋０．５＝ＮＦ＋２（ｄＢ）となる。

一方、実施の形態２の送受信モジュールの送信時の出力は、「送信用電力増幅器１５の出力（Ｐｏ）」−「高耐電力送受切替スイッチ１７の通過損失（０．５ｄＢ）」であるから、Ｐｏ−０．５−０．５＝Ｐｏ−１（ｄＢｍ）となる。

また、受信時の雑音指数は、「受信用低雑音増幅器１９の雑音指数（ＮＦ）」＋「高耐電力送受切替スイッチ１７のアンテナ１０と受信用低雑音増幅器との間の損失（１ｄＢ）」であるから、ＮＦ+１（ｄＢ）となる。

実施の形態１の送受信モジュールの送信時の出力「Ｐｏ−０.５（ｄＢｍ）」に対し、実施の形態２の送受信モジュールの送信時の出力はＰｏ−１（ｄＢｍ）と、０．５ｄＢ低下する。

実施の形態１の送受信モジュールの受信時の雑音指数「ＮＦ＋２（ｄＢ）」に対し、実施の形態２の送受信モジュールの受信時の雑音指数は「ＮＦ＋１（ｄＢ）」であり、１ｄＢよくなる。したがって、実施の形態２の送受信モジュールの受信時の雑音指数が０．５ｄＢよくなる状態で実施の形態１の送受信モジュールと同等の性能であるため、受信時の雑音指数が１ｄＢよくなる状態では、実施の形態１の送受信モジュールよりも性能が向上する。

以上のように、本発明にかかるアレイアンテナ装置は、低コスト化が図れるアレイアンテナ装置として有用である。

１ モジュールフレーム
２ モジュールユニット（キューブ構造モジュール）
３ モジュールスライス
４ マザーボード
５ 反射板
６ 冷却部
７ 給電制御部
８ 電源部
９，３０ 送受信モジュール
１０ 素子アンテナ
１１ 電力分配合成器
１２ 移相器
１３ 送受切替スイッチ
１４ 電源電圧制御回路
１５ 送信用電力増幅器
１６，３２ サーキュレータ
１７，３４ 高耐電力送受切替スイッチ
１８ 低反射回路
１９ 受信用低雑音増幅器
２０，３６ 可変減衰器
２１ 電源ケーブル
２２，３３ 終端抵抗器
２３ １／４波長線路
２４ スイッチ
２５ ５０Ω抵抗器
３５，３７ 受信用低雑音増幅器

Claims (2)

1. アレイアンテナ装置において、
   アンテナ開口面上に配置される複数の素子アンテナそれぞれと１対１対応で用いられる送受信モジュールが備える送信用電力増幅器の動作電源の電圧を、対応する前記素子アンテナに出力する高周波電力の振幅が前記アンテナ開口面上における配置位置に応じた所定値となるように可変制御する電源電圧制御手段
   を備えたことを特徴とするアレイアンテナ装置。
2. 前記送受信モジュールは、
   前記アンテナ開口面上における配置位置に応じた位相制御がなされた送信高周波信号を増幅する前記送信用電力増幅器と、
   第１のポートに入力される前記送信用電力増幅器の出力を第２のポートから出力するサーキュレータであって前記第２のポートに入力する高周波信号を出力する第３のポートが終端抵抗器を介して接地されるサーキュレータと、
   対応する前記素子アンテナが接続される切替基端と、送信時に前記切替基端と接続される一方の切替端であって前記サーキュレータの前記第２のポートから高周波信号が入力される一方の切替端と、受信時に前記切替基端と接続される他方の切替端であって前記素子アンテナにて受信された高周波信号が入力される他方の切替端とを備える高耐電力送受切替スイッチと、
   前記高耐電力送受切替スイッチの前記他方の切替端の出力を入力とする第１の受信用低雑音増幅器と、
   前記第１の受信用低雑音増幅器の出力に減衰処理を施す可変減衰器と、
   前記可変減衰器の出力を増幅し後段へ送出する第２の受信用低雑音増幅器と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ装置。

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