JP3345767B2

JP3345767B2 - マルチビームアンテナ給電回路

Info

Publication number: JP3345767B2
Application number: JP05701196A
Authority: JP
Inventors: 理小林; 孝大平; 博世小川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-02-21
Filing date: 1996-02-21
Publication date: 2002-11-18
Anticipated expiration: 2016-02-21
Also published as: JPH09232865A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマルチビームアンテ
ナ給電回路に関し、特にマルチビームの送信または受信
を行うフェーズドアレーアンテナの給電回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】アレーアンテナは複数の素子のアンテナ
より構成され、素子アンテナに高周波信号を同時に加え
ることにより、あたかもひとつのアンテナとして使うも
のである。フェーズドアレーアンテナでは、素子アンテ
ナに加える高周波信号の振幅や位相（励振振幅位相分
布）を制御し、アンテナビームの方向や形状を様々に変
えることができる。特に、アンテナビームの方向を変え
るためには素子アンテナに与える高周波信号の位相を制
御する。

【０００３】図１は、素子アンテナを一次元状に等間隔
で配置しているＮ素子のリニアアレーアンテナを例とし
て、振幅位相分布の制御によりアンテナビームの走査を
行うことができることを示したものである。送信アンテ
ナを想定して説明を行う。高周波信号源１０１の出力
は、１：Ｎ電力分配器１０２に入力され、Ｎ個の信号に
分配される。１：Ｎ電力分配器１０２のそれぞれの出力
は、可変移相器１０３₁〜１０３_N に接続され、ついで
素子アンテナ１０４₁ 〜１０４_N に接続されている。素
子アンテナ１０４₁ 〜１０４_N に加えられる高周波信号
の位相（遅れ）は、可変移相器１０３₁ 〜１０３_N によ
り、φ、φ＋Δφ、φ＋２Δφ、・・・、φ＋（Ｎ−
１）Δφに設定される。つまり公差Δφ等差数列で表さ
れる位相の遅れが各素子アンテナに与えられる。したが
って、アレーアンテナより放射された電波について等位
相面を描くと電波の等位相面１０５のようになり、電波
の進行方向１０６はアンテナ正面の方向１０７から角度
θ傾いた方向となる。電波は角度θの方向に最大レベル
で放射される。角度θは、Ｎ個の素子アンテナから放射
される電波が同位相で足し合わされるという条件を満た
し、

【０００４】ｋｄｓｉｎθ＝Δφ ・・・（１）

【０００５】で与えられる。ここで、ｋは波数、ｄは素
子アンテナの間隔、Δφは隣接素子間の位相差である。
式（１）から、Δφ＝０の時にアンテナビームの方向θ
はゼロとなり、電波の進行方向１０６はアンテナの正面
方向１０７と一致する。Δφの絶対値が大きくなるにし
たがってφはアンテナの正面方向１０７から離れること
がわかる。また、Δφ＞０の時にアンテナビームは紙面
内で下方を向き、Δφ＜０の時は上方を向く。このよう
に、フェーズドアレーアンテナでは素子アンテナを励振
する高周波信号の位相分布の傾きにより、メインビーム
の方向が定まる。なお、以上では送信アンテナを例に用
いて説明を行ったが、本回路では信号の進行方向は可逆
であるので、ここで述べたアンテナビーム走査の原理は
受信アンテナの場合にも成立する。

【０００６】同時に複数ビームでの送信または受信可能
なアンテナはマルチビームアンテナと呼ばれる。図２
は、Ｎ素子のアレーアンテナを使ってＭ個のアンテナビ
ームを同時に生成するフェーズドアレーアンテナの一構
成例を示している。以下の説明ではマルチビームでの送
信または受信を行うためのアンテナをマルチビームフェ
ーズドアレーアンテナという。

【０００７】回路はＭ個の独立の高周波信号源１０１ａ
₁ 〜１０１ａ_M 、Ｍ個の１：Ｎ電力分配器１０２ａ₁ 〜
１０２ａ_M 、Ｍ個の可変位相器のアレー（アレー数Ｎ）
１０３ａ₁ 〜１０３ａ_M 、Ｍ個の可変減衰器のアレー
（アレー数Ｎ）１０８ａ₁ 〜１０８ａ_M 、（Ｍ×Ｎ）入
力（Ｍ×Ｎ）出力のインタコネクション回路１０９、Ｎ
個のＭ：１電力合成器１１０ａ₁ 〜１１０ａ_N 、Ｎ個の
電力増幅器１１１₁ 〜１１１_N 、Ｎ個の素子アンテナ１
０４ａ₁ 〜１０４ａ_N より構成される。

【０００８】例えば、高周波信号源１０１ａ₁ の出力は
１：Ｎ電力分配回路１０２ａ₁ に入力され、Ｎ個に分配
される。Ｎ個に分配された出力は、それぞれ、可変移相
器のアレー１０３ａ₁ と可変減衰器のアレー１０８₁ に
ついでに接続され、所望の方向ならびにパタン形状のア
ンテナビームを形成するように位相と振幅の値が設定さ
れる。位相値の設定の原理は、前述のシングルビームの
フェーズドアレーアンテナについての説明と同じであ
る。可変減衰器はビームパタンを整形するために使う。
残りの高周波信号源１０１ａ₂ 〜１０１ａ_M について
も、それぞれ同様に、１：Ｎ電力分配器１０２ａ₂ 〜１
０２ａ_M 、可変減衰器のアレー１０８ａ₂ 〜１０８ａ
_M 、可変移相器のアレー１０３ａ₂ 〜１０３ａ_M に接続
され、目的のアンテナビームを形成するよう、高周波信
号の位相と振幅の値が設定される。

【０００９】可変位相器と減衰器の出力である合計（Ｎ
×Ｍ）個の高周波信号は、（Ｎ×Ｍ）個の入出力端子を
有するインタコネクション回路１０９に入力される。イ
ンタコネクション回路１０９の後段には、Ｎ個のＭ：１
電力合成回路１１０₁ 〜１１０_M が接続されている。イ
ンタコネクション回路１０９は、第ｉ番目の可変減衰器
のアレー１０８ｉ（１≦ｉ≦Ｍ）について、その第１番
目の出力をＭ：１電力合成器１１０₁ に、第２番目の出
力をＭ：１電力合成器１１０₂ に、というように以下同
様にして、第Ｎ番目の出力を第Ｎ番目のＭ：１電力合成
器１１０_N に接続する役割を有する。Ｍ：１電力合成器
１１０₁ 〜１１０_M によって、それぞれのビームに対応
するＭ個の系統の信号はひとつにまとめられる。Ｍ：１
電力合成器１１０₁ 〜１１０_M のそれぞれの出力は、電
力増幅器１１１₁ 〜１１１_N により増幅され、素子アン
テナ１０４ａ₁ 〜１０４ａ_N に給電される。素子アンテ
ナから空間に放射された電波は、Ｍ個の独立なビームを
形成する。

【００１０】図２の回路では、Ｍ個のビーム方向や形状
を、可変減衰器のアレー１０８₁ 〜１０８_M と可変移相
器ののアレー１０３ａ₁ 〜１０３ａ_M により任意に設定
できる自由度がある。しかしながら、ＭビームＮ素子の
給電回路ではＮ×Ｍ個の可変移相器と可変減衰器が必要
であり、ビーム数やアンテナ素子数が多い場合にはその
数は極めて多くなる。また、それに伴って、インタコネ
クション回路１０９の構成も複雑となる。さらに、Ｍ：
１電力合成器１１０₁ 〜１１０_N における高周波信号の
合成損も問題である。理想的な特性のＭ：１電力合成器
を用いても、個々の入力信号レベルに対する出力レベル
は１／Ｍであり、ビーム数が多い場合には信号の減衰が
信号伝送上の大きな障害となる。

【００１１】マルチビームフェーズドアレーアンテナに
おいて、ビーム配置が固定でよい場合には、給電回路に
バトラーマトリスクスを利用することが考えられる。バ
トラーマトリクスは、参考文献Ｊ．Ｂｕｔｌｅｒａｎ
ｄＲ．Ｌｏｗｅ，“Ｂｅａｍ−ＦｏｒｍｉｎｇＭａ
ｔｒｉｘＳｉｍｐｌｉｆｉｅｓＤｅｓｉｇｎｏｆ
ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙＳｃａｎｎｅｄＡ
ｎｔｅｎｎａｓ”，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇ
ｎ，Ｖｏｌ．９，ｐｐ．１７０−１７３，Ａｐｒ．１
９６１．において提案された高周波マトリクス回路であ
る。バトラーマトリクスは、複数（２のベキ乗）の入力
ポートと出力ポートを有し、ハイブリッド回路および固
定位相器を多段に接続して構成される。特定の入力ポー
トに加えられた高周波信号は、全ての出力ポートに等し
い信号強度で分配され、かつ、それらは等差数列で表さ
れる位相関係を有する。出力ポートのそれぞれは素子ア
ンテナに接続されており、信号は空間に放射され、与え
られた位相分布に対応する特定方向のビームが形成され
る。出力ポートには入力ポート毎に異なる公差の位相関
係を有する高周波信号が現れるので、バトラーマトリク
スの異なる入力ポートに信号を入力することにより異な
る方向に放射されるビームが形成される。

【００１２】図３は、８入力８出力のバトラーマトリク
スの回路構成を示したものである。信号は８素子のアレ
ーアンテナに給電され、入力ポートを選択することによ
り、８つの異なる方向にビームを形成できる。回路は、
高周波信号入力ポート１１２₁ 〜１１２₈ （４Ｌ、３
Ｌ、２Ｌ、１Ｌ、１Ｒ、２Ｒ、３Ｒ、４Ｒ）と高周波信
号出力ポート１１５₁ 〜１１５₈ （Ａ〜Ｈ）を有し、１
２個の９０°ハイブリッド１１３₁ 〜１１３₁₂および固
定移相器１１４₁ 〜１１４₁₆から構成されている。高周
波信号を入力ポート１１２₁ 〜１１２₈ のひとつに与え
ると、信号は９０°ハイブリッド１１３₁ 〜１１３₄ の
ひとつにより２分配され、次段の固定移相器１１４₁ 〜
１１４₈ の二つにより位相遅れが与えられる。二つの信
号は、次段の９０°ハイブリッド１１３₅ 〜１１３₈ の
入力となりさらに２分配され４つになる。４つの信号
は、次段の固定位相器１１４₉ 〜１１４₁₆のうち４つに
より位相遅れが与えられる。これらの信号は、さらに次
段の９０°ハイブリッド１１３₉ 〜１１３₁₂に入力され
２分配され、最終的には８分配される。９０°ハイブリ
ッドによる信号の分配と、固定位相器による位相遅れの
設定の繰返しにより、出力ポートには、入力ポート毎
に、別の等差数列で表される位相関係を有する信号が出
現する。

【００１３】図４には、図３の８素子のバトラーマトリ
クスにより形成されるマルチビームのアンテナビームパ
タンを示す。図示のパタンは計算によって求めたもの
で、計算では、素子アンテナの指向特性は無指向性、素
子間隔は半波長としている。高周波信号入力ポート１１
２₁ 〜１１２₈ （４Ｌ、３Ｌ、２Ｌ、１Ｌ、１Ｒ、２
Ｒ、３Ｒ、４Ｒ）への入力に対し、それぞれ、−６１
°、−３８．７°、−２２°、−７．２°、７．２°、
２２°、３８．７°、６１°の方向に８つの独立なビー
ムが形成されることがわかる。図中では、それぞれを、
４Ｌ、３Ｌ、２Ｌ、１Ｌ、１Ｒ、２Ｒ、３Ｒ、４Ｒビー
ムと名付けている。

【００１４】バトラーマトリクスを用いたマルチビーム
形成回路では、形成できるビーム方向ならびに間隔が固
定である、入力ポートと出力ポートの数は等しくまたそ
の数も２のベキ乗である、等の制限がある。しかしなが
ら、入力または出力のポート数をＭとするとき、回路を
構成するコンポーネントの数は０（Ｍ×ｌｏｇＭ）のオ
ーダであり、多ビーム多素子のアレーアンテナでも回路
の規模は爆発的には増大しない。また、図２の回路では
電力合成器１１０における電力損失が問題であったが、
バトラーマトリクスは原理的に無損失であることも利点
とする。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】前項に説明したバトラ
ーマトリクスは、図２に記載の一般的な構成のマルチビ
ームフェーズドアレーアンテナの給電回路と比較して、
回路を構成する素子の数は非常に少数ですむ。回路は無
損失である、ことを利点とする。

【００１６】しかしながら、形成されるビームは方向と
ともに間隔が固定である、との制限がある。図２に記載
の一般的な構成のマルチビーム給電回路は、原理的に任
意の方向と形状を有するビームを形成できるものの、ビ
ーム数と素子数の積に比例する数の可変位相器と可変減
衰器を備える必要があり回路は大規模で、またビームを
走査するためにはそれら膨大な数の素子の制御を行う必
要がある。

【００１７】本発明は、以下の条件を備えたマルチビー
ムフェーズドアレーアンテナのビーム形成回路を提供す
ることを目的とする。（１）回路規模や回路内における電力損失をそれほど増
大させず、回路にある程度のビーム走査性を与える。（２）ビーム走査のための制御を単純化し、ひとつのビ
ーム走査をひとつの制御素子で行う。（３）ビーム走査により、サイドローブレベル特性を劣
化させない。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明では、マルチビー
ムフェーズドアレーアンテナの給電回路を、「前置回
路」とバトラーマトリクスを組合わせて実現することを
最も主要な特徴とする。前置回路は結合比を可変とする
電気分配器（可変電力分配器）のアレーであり、バトラ
ーマトリクスの複数の入力ポートに同時に信号を与え
る。前置回路において電力分配器の結合比を調整しバト
ラーマトリクスに与える信号に重付けを与えることによ
り、アンテナビームを走査する機能を持たせる。従来の
バトラーマトリクスでは形成できるアンテナビームの方
向や間隔は固定であるが、本発明によればそれらを可変
できることが従来技術とは異なる。全体の回路は、バト
ラーマトリクスに前置回路を付加するだけの構成である
ので、ビーム数とアレー素子数の積に比例して回路は複
雑化することなく、回路構成の簡略さは保たれる。

【００１９】従来技術の項で、図１において、アレーア
ンテナの各素子アンテナに等差数列で表されるよう励振
位相分布の傾きを変えることにより、アンテナのメイン
ビームの方向を可変とできることを説明した。

【００２０】バトラーマトリクスでは、入力ポート毎に
異なる位相分布の傾きが得られる。図５は８入力８出力
のバトラーマトリクスのそれぞれの入力ポートに信号を
加えるときに、各素子アンテナに出現する高周波信号の
位相の値、すなわち励振位相分布を表している。ただ
し、アレーアンテナの開口面の中央（第４、第５素子ア
ンテナの中央）ですべての位相の絶対値が一致するよう
位相調整を行うために、図３に示したバトラーマトリク
スを図６に示すように改良した。図６に、図５の結果を
得るために固定位相のアレーを入力部に追加した８素子
のバトラーマトリクスを示す。図３のバトラーマトリク
スとの違いは、高周波信号入力ポートと１１２₁ 〜１１
２₈ と９０°ハイブリッド１１３₁ 〜１１３₄ の間に新
たに固定位相器１１４₁₇〜１１４₂₄のアレーを設けたこ
とである。図５から、図６のそれぞれの入力ポートに高
周波信号を入力するとき、アンテナ開口面において、順
に、素子間で、−１５７．５°、−１１２．５°、−６
７．５°、−２２．５°、２２．５°、６７．５°、１
１２．５°、１５７．５°の位相差を持つ信号が得られ
ることがわかる。なお、各出力ポートに表れる信号強度
は素子に係わらず一定である。上述の励振分布の差異に
より異なる方向のアンテナビームが形成される。すなわ
ち、ある入力ポートに信号を加えると特定の方向のビー
ムが形成され、入力ポートと形成されるビームとは１対
１の関係を有する。

【００２１】もし仮に、ひとつの高周波信号源の信号を
二分し、それら間で信号の同相関係を保ったまま、上述
のバトラーマトリクスにおいて隣接するビームを形成す
る入力ポートに与えることを考える。二つの入力ポート
のうち、第１の入力ポートに信号を加えれば第一の励振
分布が得られ、第二の入力ポートに信号を加えれば別の
第二の励振分布が得られることは前述した。これらふた
つの入力ポートに同時に信号を加えれば、中間的な傾き
を有する信号が出力ポートに得られることが予想でき
る。さらに、ふたつの入力ポートに与える信号の分岐比
を変えることにより、出力ポートの位相の傾きは第一の
励振分布の持つ傾きと第二の励振分布の持つ傾きとの間
で調整可能である。励振分布とアンテナビームは１対１
に対応するので、ふたつの入力ポート同時に信号を加え
ることにより、第一の入力ポートに対応するビームと第
二の入力ポートに対応するビームの中間的な方向を持つ
ビームが形成できる。同時に入力する信号に重み付けを
与えることにより、ビームの方向を第一のビームと第二
のビームの方向の間の範囲で走査可能となる。これが本
発明の根本原理である。

【００２２】以上の考えは、ある高周波信号源の出力を
Ｎ個に分配し、バトラーマトリクスにおいて隣接するビ
ームを形成するＮ個の入力ポートに信号を同時に入力
し、Ｎ個のポートの信号の重み付けを可変とすることに
よりビームの走査を行う回路に拡張できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下には、バトラーマトリクスの
ふたつの隣接するビームを形成する入力ポートに信号を
同時に与えることにより、そのふたつのビームの方向の
間でビーム走査を可能とする給電回路を説明する。

【００２４】図７は、本発明の第１の実施の形態例にお
ける８素子のバトラーマトリクスを用いる場合の回路全
体の構成を示しており、回路は「前置回路」部１２０と
「バトラーマトリクス」部１１６より構成されている。

【００２５】前置回路１２０は、後段に接続するバトラ
ーマトリクスの入力または出力のポート数をＮとすると
（ここではＮ＝８）、一般には（Ｎ−１）個の入力ポー
ト１１２ａ₁ 〜１１２ａ_N とＮ個の出力ポート１１５ａ
₁ 〜１１５ａ_N を備えた回路である。前置回路の第ｋ番
目（１≦ｋ≦（Ｎ−１））の入力ポートに加えた高周波
信号は、前置回路の第ｋ番目ならびに第（ｋ＋１）番目
の出力ポートに現れる。第ｋ番目の入力ポートに加えた
高周波信号に対して、第ｋ番目および第（ｋ＋１）番目
の出力ポートに現れる高周波信号は、電力の総和は一定
で、分岐比は任意に設定可能である、との特性を有す
る。また、ふたつの高周波信号の位相は常に同相であ
る。

【００２６】前置回路は、（Ｎ−１）個の可変電力分配
器１１８₁ 〜１１８_N と電力合成器１１９₁ 〜１１９_N
より構成される。前置回路の第ｋ番目の入力ポートに加
えた高周波信号は、第ｋ番目の可変電力分配器１１８_k
に入力される。

【００２７】可変電力分配器は１入力２出力の回路で、
出力に任意の分岐比をとることができ、出力の２信号は
分岐比に係わらず同相とする。図８ａと図８ｂに単独の
可変電力分配器の構成を二つの例として示し、図８ｃに
は計算により求めた特性を示す。

【００２８】図８ａの可変電力分配器は、９０°ハイブ
リッド１１３ａ₁ 及び１１３ａ₂ 、可変位相器１１３ｂ
および終端抵抗器１２１より構成されている。高周波信
号が９０°ハイブリッド１１３ａ₁ に入力される。９０
°ハイブリッドは四端子回路網で、図の第１ポートに入
力された信号は、第３および第４ポートに等信号強度で
出力される。ただし、第３ポートと第４ポートの信号の
位相を比較するとき、第４ポートの出力信号は第３ポー
トの出力信号に対して９０度の位相遅れがある。第２ポ
ートは使用しないので終端抵抗を接続してある。９０°
ハイブリッド１１３ａ₁ の第３ポートは９０°ハイブリ
ッド１１３ａ₂ の第１ポートに可変位相器１０３ｂを介
して接続され、９０°ハイブリッド１１３ａ₁ の第４ポ
ートは９０°ハイブリッド１１３ａ₂ の第２ポートに接
続されており、分配された信号は９０°ハイブリッド１
１３ａ₂ において再び合成される。

【００２９】可変位相器１０３ｂにより与えられる位相
遅れがゼロのとき、９０°ハイブリッド１１３ａ₁ の第
３ポート−可変位相器１０３ｂ−９０°ハイブリッド１
１３ａ₂ の第１ポートを経て第３ポートに至る信号と、
９０°ハイブリッド１１３ａ₁ の第４ポート−９０°ハ
イブリッド１１３ａ₂ の第２ポートを経て第３ポートに
至る信号は、ちょうど１８０度の位相差を有し、互いに
打ち消し合うことになりハイブリッドの第３ポートに信
号出力はない。一方、９０°ハイブリッド１１３ａ₁ の
第３ポート−可変位相器１０３ｂ−９０°ハイブリッド
１１３ａ₂ の第１ポートを経て第４ポートに至る信号
と、９０°ハイブリッド１１３ａ₁ の第４ポート−９０
°ハイブリッド１１３ａ₂ の第２ポートを経て第４ポー
トに至る信号は、ちょうど同相となり強め合うこととな
り、入力信号のすべては９０°ハイブリッド１１３ａ₂
の第４ポートに出力する。

【００３０】また、可変位相器１０３ｂにより与えられ
る位相遅れを１８０度とするとき、９０°ハイブリッド
１１３ａ₁ の第３ポート−可変位相器１０３ｂ−９０°
ハイブリッド１１３ａ₂ の第１ポートを経て第３ポート
に至る信号と、９０°ハイブリッド１１３ａ₁ の第４ポ
ート−９０°ハイブリッド１１３ａ₂ の第４ポートを経
て第３ポートに至る信号は同相で、入力信号のすべては
９０°ハイブリッド１１３ａ₂ の第３ポートに出力す
る。一方、９０°ハイブリッド１１３ａ₁ の第３ポート
−可変位相器１０３ｂ−９０°ハイブリッドの第１ポー
トを経て９０°ハイブリッド１１３ａ₂ の第４ポートに
表れる信号と、９０°ハイブリッド１１３ａ₁ の第４ポ
ート−９０°ハイブリッド１１３ａ₂ の第２ポートを経
て第４ポートに表れる信号の位相差は１８０度となり、
第２のハイブリッド１１３ａ₂ の第４ポートの出力はゼ
ロとなる。

【００３１】図８ｃは、可変位相器１０３ｂにより与え
られる位相遅れの値を０から３６０度の間で変化させた
ときに、９０°ハイブリッド１１３ａ₂ の第３ポート
（第１の高周波信号の出力ポート１１５ｂ₁ ）と第４ポ
ート（第２の高周波信号の出力ポート１１５ｂ₂ ）に現
れる二信号の強度とその相対位相をプロットしたもので
ある。可変位相器１０３ｂの値を変化させることによ
り、二つのポートの出力の分岐比を任意の値に設定でき
ることがわかる。しかも、二つの出力ポート間の信号の
相対位相は、可変位相器による位相遅れ０から１８０度
の間でその値に係わらずゼロで一定であることが読みと
れる。

【００３２】図８ａに記載の可変電力分配器において９
０°ハイブリッド１１３ａ₁ をウイルキンソン電力分配
器に置き換えて構成することも可能である。図８ｂに回
路構成を示す。ウイルキンソン電力分配器１２２は１入
力２出力の回路であり、回路は入力高周波信号を等分か
つ同位相の二信号を出力する。図８ａと図８ｂの回路は
完全に置換可能で、図８ｂに示した回路構成により図８
ｃに示した特性が得られる。

【００３３】（Ｎ−１）個の可変電力分配器１１８₁ 〜
１１８_N-1 のアレーの次段には、Ｎ個の電力合成器１１
９₁ 〜１１９_N が置かれている。第ｋ番目の可変電力分
配器１１８_k の第１の出力（第２ポートからの出力）
は、そのまま第ｋ番目の電力合成器１１９_k の第２の入
力ポート（第３ポート）に加えられる。また、第ｋ番目
の可変電力分配器１１８_k の第２の出力は（第３ポート
からの出力）、第（ｋ＋１）番目の電力合成器１１９
_k+1 の第１の入力ポート（第２ポート）に加えられる。
なお、第１番目の電力合成器１１９₁ の入力端子（第２
ポート）と第Ｎ番目の電力合成器１１９_N の第２の入力
端子（第２ポート）には、信号入力がないため終端して
ある。

【００３４】以上に説明した回路構成により、前置回路
１２０の第ｋ番目の入力ポート１１２ａ_k に与えた信号
は、前置回路１２０の第ｋおよび第（ｋ＋１）番目の出
力ポート１１５_k 、１１５_k+1 に同相関係を保ち任意の
分配比で出現する。分岐比は、可変電力分配器１１８_k
内の可変位相器の値により可変である。

【００３５】第ｋ番目の電力合成器１１９_k の出力（第
１ポートの出力）は、それぞれ、固定位相器のアレー１
１４ａ₁ 〜１１４ａ_N を経て、バトラーマトリクス１１
６に接続されている。

【００３６】固定位相器のアレー１１４ａ₁ 〜１１４ａ
_N とバトラーマトリクス１１６の組み合わせは、図６に
図示したバトラーマトリクス１１７に相当するもので、
固定位相器のアレーの役割はすべての入力ポートに対し
アレーアンテナの開口の中心の絶対位相を一致させるた
めのものである。

【００３７】図７における固定位相器１１４ａ₁ 〜１１
４ａ_N に設定する値について検討した。４、８、１６素
子のバトラーマトリクスについての値を図１１に示す。
ただし、バトラーマトリクスの入力ポートは、４素子の
ものは２Ｌ、１Ｌ、１Ｒ、２Ｒビーム、８素子のものは
４Ｌ、３Ｌ、２Ｌ、１Ｌ、１Ｒ、２Ｒ、３Ｒ、４Ｒビー
ム、１６素子のものは８Ｌ、７Ｌ、６Ｌ、５Ｌ、４Ｌ、
３Ｌ、２Ｌ、１Ｌ、１Ｒ、２Ｒ、３Ｒ、４Ｒ、５Ｒ、６
Ｒ、７Ｒ、８Ｒビームを順に形成するように整列してい
るものとする。ただし、ビームの番号は、図１において
定義したアンテナ正面方向１０６に最も近いものから
１、２、３、・・・とし、また電波の進行方向（アンテ
ナメインビームの方向に相当する）１０６が図面の紙面
上向きのものをＬ、下向きのものをＲとする規則に従っ
て示している。

【００３８】バトラーマトリクスのあるポートに入力さ
れた信号は、回路内でアレー素子の数の分に分配され、
それらはある特定の方向のビームを形成するための位相
関係を満たしている。第ｋ番目の入力ポートのみに信号
を加えるとき、第ｋ番目のビームを形成する。第（ｋ＋
１）番目の入力ポートのみに信号を加えるとき、第ｋ番
目のビームと隣接する第（ｋ＋１）番目のビームが形成
される。今の場合、第ｋ番目と第（ｋ＋１）番目の入力
ポートに同じ信号を入力しているので、その中間の方向
にビームが形成される。ビームの方向は信号の分岐比に
より異なる。例えば、分岐比が１対１の場合には、第ｋ
番目と（ｋ＋１）番目の中央にビームが形成される。も
し第ｋ番目のポートの方の信号が強ければビームは第ｋ
番目のビームの方向に近づき、第（ｋ＋１）番目のポー
トの方が強ければビームは第ｋ番目のビームの方向に近
づいたものとなる。特別の場合として第ｋ番目または第
（ｋ＋１）番目のポートに信号電力が集中する場合があ
り（可変電力分配器１１９_k 内の可変位相器の値が０ま
たは１８０°の時）、そのときはそのそれぞれの方向に
ビームが形成される。

【００３９】図９ａ〜図９ｄは上述の７入力８出力のビ
ーム形成回路により形成されるアンテナビームパタンを
示している。アンテナビームパタンは計算によって求め
たもので、素子アンテナの指向性は無指向性とし、設置
の間隔は半波長としている。可変位相器の設定地の値に
より図９ａ、図９ｂ、図９ｃ、図９ｄは、前置回路１２
０の可変電力分配器１１８₁ 、１１８₂ 、１１８₃ 、１
１８₄ 内の可変移相器の設定値βをパラメータにとり、
ビームパタンをプロットしている。可変移相器の設定値
βが０から１８０°変化するとき、図９ａではメインビ
ームの方向は−３８．７°から−６１°、図９ｂではメ
インビームの方向は−２２°から−３８．７°、図９ｃ
では−７．２°から−２２°、図９ｄでは＋７．２°か
ら−７．２°の間で変化することが読みとれる。ビーム
の走査は各ポートで独立に行える。なお、前置回路１２
０の残りの入力ポートについての特性は、図９ａ、図９
ｂ、図９ｃの場合と対称であると考えられるので図示を
省略した。

【００４０】図１０ａと図１０ｂは図９ａ〜図９ｄに図
示した形成されたアンテナビームについてまとめたもの
で、ビームの方向、利得、第１サイドローブのレベル、
ビーム半値幅の４つを、可変位相器の設定値βをパラメ
ータとしてプロットしたものである。図１０ａから、可
変位相器の値によりビームの方向が可変であることは明
らかである。また、ビーム方向の変化に伴いアンテナ利
得にわずかな変動がある。アンテナ利得の変動の様子は
入力ポートに係わらず同一で、分岐比が１対１となるβ
＝９０°の場合にアンテナ利得は最低となり、レベルは
相対的に−０．８５ｄＢ小さくなる。前置回路付加によ
るアンテナ利得の低下、すなわち、回路の電力損失は３
〜３．８６ｄＢである。また、図１０ｂからは、第１サ
イドローブのメインビームに対するレベルはβ＝０°ま
たは１８０°において−１２．８ｄＢであるが、β＝９
０°すなわち分配比１対１となる時に最小値−２４ｄＢ
をとることが読みとれる。変化の様子は、入力ポート
（ビーム）に係わらず同一である。バトラーマトリクス
に前置回路を接続する本発明において、サイドローブの
レベルに劣化はないことがわかる。また、ビーム半値幅
も可変位相器の値の変化に伴い変わる。

【００４１】以上、ビーム走査可能な、バトラーマトリ
クスを利用した（Ｎ−１）ビームＮ素子用のマルチビ
ーム形成回路について構成と回路の特性を説明した。説
明では送信系を想定して行ったが、本回路は受信アンテ
ナ用のマルチビーム形成回路としても適用できる。

【００４２】図１２は本発明の第２の実施の形態例にお
ける回路全体の構成を示す図である。回路は（Ｎ−２）
入力Ｎ出力のマトリクス回路で、前置回路１２０、第２
の前置回路１２３、バトラーマトリクス１１６の３つの
部分より構成されている。前置回路１２０は（Ｎ−２）
入力（Ｎ−１）出力、第２の前置回路１２３は（Ｎ−
１）入力Ｎ出力のマトリクス回路である。ただし、Ｎは
バトラーマトリクスの入力ポート又は出力パートの数で
ある。図１２はＮ＝８の場合について図示している。

【００４３】図１２において、高周波信号入力ポート１
１２ａ₁ 〜１１２ａ_N-2 から前置回路１２０の高周波信
号を入力する。図１２の前置回路は第１の実施の形態例
に記した場合と比較して入出力ポートの数がひとつ少な
い分、可変電力分配器と電力合成器がそれぞれひとつ少
ないが、回路の構成ならびに動作は同じである。第ｋ’
番目（１≦ｋ’（Ｎ−２））の１１２ａ_k'に加えられた
信号は、第ｋ’番目の可変電力分配器１１８_k'に入力さ
れ、ふたつの出力ポートには任意の比に二分された信号
が出力される。第ｋ’番目の可変電力分配器１１８_k'の
ひとつの出力は第ｋ’番目の電力合成器１１９_k'の入力
ポートのひとつに、他方の出力は第（ｋ’＋１）番目の
電力合成器１１９_k'+1の入力ポートのひとつに加えられ
ている。前置回路１２０の（Ｎ−１）個の出力は、第２
の前置回路１２３に入力される。

【００４４】第２の前置回路１２３は、（Ｎ−１）個の
電力分配器１２２₁ 〜１２２_N-1 のアレーとＮ個の電力
合成器１１９_N 〜１１９_2N-1のアレーから構成されてい
る。第２の前置回路１２３の第ｋ’番目のポートに加え
られた高周波信号は、第ｋ’番目の電力分配器１２２_k'
に入力され、信号は同相関係を保ち二分される。電力分
配器１２２_k'により二分された信号の一方は前置回路１
２３内の第ｋ’番目の電力合成器１１９_N+k'-1の入力の
ひとつに、もう一方は第（ｋ’＋１）番目の電力合成器
１１９_N+k'の入力のひとつに加えられる。電力合成器に
おいても、ふたつの信号は同相で合成される。なお、前
置回路１２３内の第１番目と第Ｎ番目の電力合成器１１
９_N および１１９_2N-1にはひとつの信号しか与えられて
いないので、信号が与えられていない入力ポートには終
端抵抗を接続してある。

【００４５】前置回路１２０と第２の前置回路１２３
は、合わせて、（Ｎ−１）入力Ｎ出力の回路を形成す
る。第ｋ番目の高周波信号入力ポート１１２ａ_k'に加え
た信号は、第２の前置回路の第ｋ’，ｋ’＋１，ｋ’＋
２番目の出力ポートに、信号強度がα／８：１／８：
（１−α）／８の比で、同相関係を保ち出現する。ただ
し、ここでαは可変電力分配器における電力分岐比を表
し、α：（１−α）の強度比で信号を出力する。また、
ウインキンソン電力分配器１２２₁ 〜１２２_N-1 は等信
号強度で信号を分配し、電力合成器１１９₁ 〜１１９_2N
は二信号を等信号強度で合成する。

【００４６】第２の前置回路１２３の出力以降の回路構
成は、第１の実施の形態例に記したものと同じである。
第２の前置回路１２３のＮ個の出力は、固定位相器のア
レー１１４ａ₁ 〜１１４ａ_N を経てバトラーマトリクス
１１６に接続されている。

【００４７】次に、上述の６入力８出力のビーム形成回
路により形成されたアンテナビームパターンを計算によ
って求めた。それらを図１３ａ〜図１３ｃに示す。計算
では素子アンテナは無指向性で、素子間隔は半波長とし
た。前置回路１２０の可変電力分配器は図８ａ又は図８
ｂのように構成されており、その分岐比は回路内の可変
位相器の値により変わる。可変電力分配器の分岐比が変
われば、第２の前置回路の３つの隣接するポートに出現
する信号の分岐比も変わり、アンテナビームの走査が可
能となる。図１３ａ〜図１３ｃは、前置回路１２０の可
変電力分配器１１８₁ ，１１８₂ ，１１８₃ 内の可変位
相器の設定値βをパラメータにとり、βを０から１８０
°まで３０°おきに変化させた時のビームパターンをプ
ロットしたものである。図１３ａではメインビームの方
向は−３０°から−４８．６°、図１３ｂではメインビ
ームの方向は−１４．５°から−３０°、図１３ｃでは
１４．５°から−１４．５°の範囲で変化することがわ
かる。ビームの走査は各ポートで独立に行う。なお、前
置回路１２０の残りの入力ポートについての特性は、図
１３ａ，図１３ｂ，図１３ｃの場合と対称であると考え
れるので省略する。

【００４８】図１４ａと図１４ｂには、図１３に示した
アンテナビームの形状の性質についてまとめた。ビーム
の方向、利得、第１サイドローブのレベル、ビーム半値
幅の４つを、可変位相器の設定値βをパラメートとして
プロットしている。図１４ａから、それぞれのビームに
ついて、可変位相器の値とビームの方向の関係がわか
る。ビーム方向の変化に伴いアンテナ利得にわずかな変
動がある。図１２の本実施の形態例の回路においても第
１の実施の形態例の回路の場合と同様に、アンテナ利得
の変動の様子は入力ポートに係わらず同一で、特に、可
変電力分配器の分岐比が０：１あるいは１：０となるβ
＝０°又は１８０°の場合にアンテナ利得は最低とな
り、レベルは相対的に−０．８５ｄＢ小さくなる。ま
た、前置回路付加によるアンテナ利得の全体的なレベル
の低下、即ち、回路の電力損失は６．０２〜６．８７ｄ
Ｂである。図１４ｂからは、サイドレベルの変化の様子
がよみとれる。第１サイドローブのメインビームに対す
るレベルはβ＝０°または１８０°において−２４ｄＢ
であるが、β＝９０°すなわち分配比１：１となるの時
に最小値−３１ｄＢをとる。変化の様子は、入力ポート
（アンテナビーム）に係わらず同一である。バトラーマ
トリクスに前置回路を接続する本発明において、前置回
路を増設することによりサイドローブのレベルに劣化は
ないことがわかる。ビーム半値幅も可変位相器の値の変
化に伴い変わる。

【００４９】以上、バトラーマトリクスを利用した、ビ
ーム走査可能な（Ｎ−２）ビームＮ素子用のマルチビー
ム形成回路の構成と特性を説明した。本説明は送信系を
想定して行ったが、本回路は受信アンテナのマルチビー
ム形成回路としても適用できる。

【００５０】以上、ビーム走査可能な、バトラーマトリ
クスを利用した（Ｎ−１）ビームＮ素子用のマルチビ
ーム形成回路について構成と回路の特性を説明した。説
明では送信系を想定して行ったが、本回路は受信アンテ
ナにも適用できる。

【００５１】

【発明の効果】バトラーマトリクスはマルチビームフェ
ーズドアレーアンテナ用のビーム形成回路である。小さ
な回路規模でマルチビームの形成が可能であるが、固定
ビームの形成しか行えなかった。本発明は、バトラーマ
トリクスの前段にビーム走査を行うための前置回路を設
けたことを特徴とする。前置回路により信号をバトラー
マトリクスの隣接するアンテナビームを形成する入力ポ
ートに同時かつ重み付けして入力することにより、隣接
するアンテナビームの方向の間でのビームの走査を可能
とした。前置回路を付加することによる回路の電力損失
も、例えば実施例１の場合には、約３〜４ｄＢと小さな
ものであった。また、信号の重付けを行う回路（可変電
力分配器）は２つのハイブリッドとひとつの可変位相器
により構成され、可変位相器の値により分配比が定ま
る。これにより、ひとつの可変位相器の制御でビームが
走査可能で、制御機構の大幅な簡略化を可能とした。さ
らに、前置回路を接続することによって、アンテナサイ
ドローブレベルの劣化が生じないことを明らかにした。

【図面の簡単な説明】

【図１】フェーズドアレーにおけるビーム走査の原理を
説明する図である。

【図２】マルチビームフェーズドアレーアンテナの一構
成例を示す図である。

【図３】８入力８出力のバトラーマトリクスの回路構成
を示した図である。

【図４】８入力８出力のバトラーマトリクスにより形成
される８つのアンテナビームパタンを示した図である。

【図５】８素子のバトラーマトリクスにより得られる励
振位相分布を表した図である。

【図６】図５の励振位相分布を実現する８入力８出力の
バトラーマトリクスの回路構成を示したものである。

【図７】本発明の第１の実施の形態例の一例を示した図
である。

【図８ａ】可変電力分配器の一構成例を示した図であ
る。

【図８ｂ】ウイルキンソン電力分配器を用いた可変電力
分配器の別の構成例を示した図である。

【図８ｃ】図８ａまたは図８ｂの回路の伝送特性を示し
ている。

【図９ａ】図７の回路により構成されるアンテナビーム
パタンを示したもので、ビーム走査特性を示した図であ
る。

【図９ｂ】図７の回路により構成されるアンテナビーム
パタンを示したもので、ビーム走査特性を示した図であ
る。

【図９ｃ】図７の回路により構成されるアンテナビーム
パタンを示したもので、ビーム走査特性を示した図であ
る。

【図９ｄ】図７の回路により構成されるアンテナビーム
パタンを示したもので、ビーム走査特性を示した図であ
る。

【図１０ａ】前置回路内可変位相器設定値の変化に伴う
アンテナ利得と方向の変化を示した図である。

【図１０ｂ】第１サイドローブのレベル、ビーム半値幅
の変化を示した図である。

【図１１】図７における固定位相器１１４ａ₁ 〜１１４
ａ_N に設定する値について４、８、１６素子のバトラー
マトリクスについての値を示す図である。

【図１２】本発明の第２の実施の形態例の一例を示した
図である。

【図１３ａ】図１２の回路により構成されるアンテナビ
ームパタンを示したもので、ビーム走査特性を示した図
である。

【図１３ｂ】図１２の回路により構成されるアンテナビ
ームパタンを示したもので、ビーム走査特性を示した図
である。

【図１３ｃ】図１２の回路により構成されるアンテナビ
ームパタンを示したもので、ビーム走査特性を示した図
である。

【図１４ａ】前置回路内可変位相器設定値の変化に伴う
アンテナ利得と方向の変化を示した図である。

【図１４ｂ】サイドローブのレベル、ビーム半値幅の変
化を示した図である。

【符号の説明】

１０１、１０１ａ₁ 〜１０１ａ_M 高周波信号源１０２、１０２ａ₁ 〜１０２ａ_M １：Ｎ電力分配器１０３₁ 〜１０３_N 可変位相器１０３ａ₁ 〜１０３ａ_M 、１０３ｂ可変位相器のアレ
ー（Ｎ素子）１０４₁ 〜１０４_N 、１０４ｂ₁ 〜１０４ｂ_N 素子ア
ンテナ１０５電波の等位相面１０６電波の進行方向（アンテナメインビームの方
向）１０７アンテナの正面方向１０８₁ 〜１０８_M 可変減衰器のアレー（Ｎ素子）１０９インタコネクション回路１１０₁ 〜１１０_N Ｍ：１電力合成器１１１₁ 〜１１１_N 電力増幅器１１２₁ 〜１１２₈ 、１１２ａ₁ 〜１１２ａ_N 、１１２
ｂ高周波信号入力ポート１１３₁ 〜１１３₁₂ ９０°ハイブリッド１１４₁ 〜１１４₁₆ 固定位相器１１４ａ₁ 〜１１４ａ_N 固定位相器１１５₁ 〜１１５₈ 、１１５ａ₁ 〜１１５ａ_N 、１１５
ｂ₁ ，１１５ｂ₂ 高周波信号出力ポート１１６８素子のバトラーマトリクス１１７位相アレー付８素子のバトラーマトリクス１１８₁ 〜１１８_N-1 可変電力分配器１１９₁ 〜１１９_N ，１１９₁ 〜１１９_2N-1 電力合成
器１２０前置回路１２１終端抵抗１２２，１２２₁ 〜１２２_N-1 ウイルキンソン電力分
配器１２３第２の前置回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−251901（ＪＰ，Ａ) 特表平１−502068（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 3/40 H01Q 3/26 H01Q 25/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】１入力２出力の可変電力分配器の（Ｎ−
１）個（Ｎは正の整数）のアレーと、２入力１出力のＮ
個の電力合成器のアレーとからなり、第ｋ番目（１≦ｋ
≦Ｎ−１，ｋは正の整数）の入力ポートを、第ｋ番目の
可変電力分配器に接続し、出力信号間で同相関係を保っ
たまま信号を任意の分岐比で二分配し、第ｋ番目の可変
電力分配器の一方の出力を第ｋ番目の電力合成器の一方
の入力に接続し、かつ第ｋ番目の可変電力分配器の他方
の出力を第（ｋ＋１）番目の電力合成器の他方の入力に
各々接続するように構成した、（Ｎ−１）入力Ｎ出力の
前置回路と、Ｎ個の位相器のアレーと、Ｎ入力Ｎ出力のバトラーマトリクスと、を縦続接続して構成することを特徴とするマルチビーム
アンテナ給電回路。
【請求項２】１入力２出力の可変電力分配器の（Ｎ−
２）個（Ｎは正の整数）のアレーと、２入力１出力の
（Ｎ−１）個の電力合成器のアレーとからなり、第ｋ番
目（１≦ｋ≦Ｎ−２，ｋは正の整数）の入力ポートを、
第ｋ番目の可変電力分配器に接続し、出力信号間で同相
関係を保ったまま信号を任意の分岐比で二分配し、第ｋ
番目の可変電力分配器の一方の出力を第ｋ番目の電力合
成器の一方の入力に接続し、かつ第ｋ番目の可変電力分
配器の他方の出力を第（ｋ＋１）番目の電力合成器の他
方の入力に各々接続するように構成した、（Ｎ−２）入
力（Ｎ−１）出力の第１の前置回路と、１入力２出力の電力分配器の（Ｎ−１）個のアレーと、
２入力１出力のＮ個の電力合成器のアレーとからなり、
第ｋ’番目（１≦ｋ’≦Ｎ−１，ｋ’は正の整数）の入
力ポートを、第ｋ’番目の電力分配器に接続し、第ｋ’
番目の電力分配器の一方の出力を第ｋ’番目の電力合成
器の一方の入力に接続し、かつ第ｋ’番目の電力分配器
の他方の出力を第（ｋ’＋１）番目の電力合成器の他方
の入力に各々接続するように構成した、（Ｎ−１）入力
Ｎ出力の第２の前置回路と、Ｎ個の位相器のアレーと、Ｎ入力Ｎ出力のバトラーマトリクスと、を縦続接続して構成することを特徴とするマルチビーム
アンテナ給電回路。
【請求項３】前記可変電力分配器が、高周波信号を等
信号強度で分配出力する第１の９０°ハイブリッドと、
該第１の９０°ハイブリッドから分配出力された信号を
可変位相器を介した信号と介さない信号とを合成する第
２の９０°ハイブリッドとから構成される請求項１又は
請求項２記載のマルチビームアンテナ給電回路。
【請求項４】前記可変電力分配器が、入力された高周
波信号を等分かつ同位相に分配出力するウイルキンソン
電力分配器と、該ウイルキンソン電力分配器から分配出
力された信号の、可変位相器を介した信号と９０°位相
器を介した信号とを合成する９０°ハイブリッドとから
構成される請求項１又は請求項２記載のマルチビームア
ンテナ給電回路。