JP6682413B2

JP6682413B2 - フェーズドアレーアンテナ

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Publication number: JP6682413B2
Application number: JP2016182813A
Authority: JP
Inventors: 福田　敦史; 敦史福田; 浩司岡崎; 楢橋　祥一; 祥一楢橋
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2036-09-20
Also published as: JP2018050106A

Description

本発明は、フェーズドアレーアンテナ、より詳しくは、ミリ波帯や準ミリ波帯での使用においても好適なフェーズドアレーアンテナに関する。

近年、ミリ波帯（30GHz〜300GHz）や準ミリ波帯（明確な定義は無いがおよそ20GHz〜30GHz）での通信技術が活発に検討されている。ミリ波帯や準ミリ波帯での通信技術の一つとして、フェーズドアレーアンテナがある。従来のフェーズドアレーアンテナの一例として特許文献１に開示されているものが知られている。

特許文献１の図２１に開示されているフェーズドアレーアンテナをブランチ数が２の場合に再構成した例を図９に示す。なお、図９では、フィルタや増幅器（例えば緩衝増幅器や中間増幅器）など、実際には使用されるが従来技術の説明と理解において非本質的な回路構成要素を省略している。図９に示す例に基づいて、従来の技術水準のフェーズドアレーアンテナについて説明する。

図９に示すフェーズドアレーアンテナ９９は、
ａ）２個のアンテナ素子９００−１，９００−２と、
ｂ）周波数ｆ_Rの無変調連続波を生成する発振器９６０と、
ｃ）発振器９６０の出力を２等分配する分配器９５０と、
ｄ）分配器９５０の２個の出力のそれぞれが２個のアンテナ素子９００−１，９００−２のうち対応するアンテナ素子に対応する位相θ₁，θ₂を持つように（つまり、分配器９５０の一方の出力が、これに対応する一方のアンテナ素子９００−１に対応する位相θ₁を持ち、分配器９５０の他方の出力が、これに対応する他方のアンテナ素子９００−２に対応する位相θ₂を持つように）、分配器９５０の２個の出力のそれぞれの位相を制御する２個の可変移相器９４０−１，９４０−２と（この例では、可変移相器９４０−１が、分配器９５０の一方の出力の位相を位相θ₁に移相する制御を行い、可変移相器９４０−２が、分配器９５０の他方の出力の位相を位相θ₂に移相する制御を行う）、
ｅ）２個のアンテナ素子９００−１，９００−２のそれぞれに対応する位相θ₁，θ₂（一方のアンテナ素子９００−１に対応する位相はθ₁であり、他方のアンテナ素子９００−２に対応する位相はθ₂である）を持つ２個の搬送波（つまり、２個の可変移相器９４０−１，９４０−２の出力）を用いて、２個のアンテナ素子９００−１，９００−２に対応する２個の入力信号の変調または復調を行う信号変換部と（この例では、当該信号変換部は、２個の増幅器９１０−１，９１０−２と２個の信号変換器９２０−１，９２０−２とで構成されており、一方の信号変換器９２０−１が、一方のアンテナ素子９００−１に対応する入力信号の変調または復調を行い、他方の信号変換器９２０−２が、他方のアンテナ素子９００−２に対応する入力信号の変調または復調を行う）、
ｆ）分配器９３０と
を含んでいる。

フェーズドアレーアンテナ９９が送信機として機能する場合：
分配器９３０は入力されたベースバンド信号を２分配する。分配器９３０の２個の出力が、信号変換器９２０−１，９２０−２に入力される上記「２個の入力信号」に相当する。つまり、分配器９３０のｋ番目の出力は、ｋ番目の信号変換器９２０−ｋに入力される（ｋ＝１，２）。また、一方の増幅器９１０−１は、一方の信号変換器９２０−１の出力を増幅する。一方の増幅器９１０−１の出力は、一方のアンテナ素子９００−１に供給される。他方の増幅器９１０−２は、他方の信号変換器９２０−２の出力を増幅する。他方の増幅器９１０−１の出力は、他方のアンテナ素子９００−１に供給される。

フェーズドアレーアンテナ９９が受信機として機能する場合：
一方の増幅器９１０−１は、一方のアンテナ素子９００−１からの信号を増幅する。一方の増幅器９１０−１の出力は、一方の信号変換器９２０−１の上記「２個の入力信号」の一方の入力信号に相当する。他方の増幅器９１０−２は、他方のアンテナ素子９００−２からの信号を増幅する。他方の増幅器９１０−２の出力は、他方の信号変換器９２０−２の上記「２個の入力信号」の他方の入力信号に相当する。分配器９３０は２個の信号変換器９２０−１，９２０−２の出力を合成してベースバンド信号を出力する。なお、分配器９３０は、通常、合成器としての機能を持つ（分配器を合成器と呼称しても差し支えない）。

また、特許文献１によると、搬送波の周波数に限定は無いとされている。

特開平７−２０２５４８号公報

図９に示すフェーズドアレーアンテナ９９によると、搬送波あるいは無変調連続波の周波数が例えばミリ波帯や準ミリ波帯のように高くなると、アンテナ指向性の精度の良い制御のために高い移相精度を持つ移相器が必要となるが、このような高周波帯域で高い移相精度を持つ移相器は一般的に高価である。

本発明は、高価な移相器を用いることなく位相制御可能な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。

本発明のフェーズドアレーアンテナは、２^N個（ただし、Ｎは１以上の予め定められた整数とする）のアンテナ素子と、２^N個のアンテナ素子のそれぞれに対応する位相を持つ２^N個の搬送波を用いて、２^N個のアンテナ素子に対応する２^N個の入力信号の変調または復調、あるいは、２^N個のアンテナ素子に対応する２^N個の入力信号が当該搬送波の周波数よりも低い変調信号または当該搬送波の周波数よりも高い復調信号の場合に当該２^N個の入力信号の周波数変換を行う信号変換部と、ローカル信号を生成する信号生成部と、ローカル信号を２^N等分配し、それぞれが２^N個のアンテナ素子のうち対応するアンテナ素子に対応する位相を持つようにそれぞれの位相を制御し、２^N個の搬送波を生成する搬送波生成部とを含む。搬送波生成部は、それぞれ第１端子と、第２端子と、第３端子を有する２^N-１個の位相制御部を含み、ｋを１以上２^N-１以下の各整数を表わすとし、記号[Ｘ]はＸを超えない最大の整数を表わすとし、記号(ｍ mod ｎ)はｍのｎを法とする剰余を表すとして、１）ｋ＝１の場合：ｋ番目の位相制御部の第１端子は信号生成部と接続しており、２）２≦ｋ≦２^N-１の場合：ｋ番目の位相制御部の第１端子は[ｋ/２]番目の位相制御部の第(ｋ mod ２)＋２端子と接続しており、３）２^N-1≦ｋ≦２^N-１の場合：ｋ番目の位相制御部の第２端子および第３端子は信号変換部と接続している。各位相制御部は、一つの２分配器と、二つの減衰器と、一つの二端子対回路とを含む。第１端子に接続している２分配器の二つの端子は二つの減衰器に接続しており、二端子対回路の一方の一対の端子は二つの減衰器に接続しており、二端子対回路の他方の一対の端子は第２端子と第３端子に接続している。

本発明によると、詳しくは後述するが、減衰器と二端子対回路を含む構成を持つ位相制御部によって位相制御が行われるので、高価な移相器を用いることなく位相制御できるフェーズドアレーアンテナを実現できている。

実施形態による実施例１のフェーズドアレーアンテナ。実施形態による実施例２のフェーズドアレーアンテナ。実施例１における振幅比Ａ₁と位相差との関係を示す図。実施例２における振幅比Ａ₂，Ａ₃と位相差との関係を示す図。実施例２における振幅比Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃と位相差との関係を示す図。実施例２において振幅比Ａ₁＝Ａ₂＝Ａ₃＝0dBとした場合の指向性パターンを示す図。実施例２において振幅比Ａ₁＝Ａ₂＝-3.5dB，Ａ₃＝-0.85dBとした場合の指向性パターンを示す図。９０度ハイブリッドカプラの移相特性を説明する図。（ａ）端子Ｐ１に信号を入力した場合。（ｂ）端子Ｐ２に信号を入力した場合。（ｃ）端子Ｐ１，Ｐ２に同一信号を入力した場合。従来のフェーズドアレーアンテナ。

本発明のフェーズドアレーアンテナは、或る一つの観点から述べれば、送信機または受信機として使用可能であり、
ａ）２^N個（ただし、Ｎは１以上の予め定められた整数とする）のアンテナ素子と、
ｂ）無変調連続波などのローカル信号を生成する信号生成部と、
ｃ）ローカル信号を２^N等分配し、この２^N等分配で得られた分割ローカル信号のそれぞれが２^N個のアンテナ素子のうち対応するアンテナ素子に対応する位相を持つように、２^N個の分割ローカル信号のそれぞれの位相を制御し、２^N個の搬送波を生成する搬送波生成部と、
ｄ）２^N個のアンテナ素子のそれぞれに対応する位相を持つ２^N個の搬送波（つまり、搬送波生成部が生成した２^N個の搬送波である）を用いて、２^N個のアンテナ素子に対応する２^N個の入力信号の変調または復調、あるいは、２^N個のアンテナ素子に対応する２^N個の入力信号が当該搬送波の周波数よりも低い変調信号または当該搬送波の周波数よりも高い復調信号の場合に当該２^N個の入力信号の周波数変換を行う信号変換部と、
を含み、
ｃ１）搬送波生成部は、
それぞれ第１端子と、第２端子と、第３端子を有する２^N-１個の位相制御部を含み、
ｋを１以上２^N-１以下の各整数を表わすとし、
記号[Ｘ]はＸを超えない最大の整数を表わすとし、
記号(ｍ mod ｎ)はｍのｎを法とする剰余を表すとして、
１）ｋ＝１の場合：
ｋ番目の位相制御部の第１端子は、信号生成部と接続しており、
２）２≦ｋ≦２^N-１の場合：
ｋ番目の位相制御部の第１端子は、[ｋ/２]番目の位相制御部の第(ｋ mod ２)＋２端子と接続しており、
３）２^N-1≦ｋ≦２^N-１の場合：
ｋ番目の位相制御部の第２端子および第３端子は、信号変換部と接続しており、
ｃ２）各位相制御部は、一つの２分配器と、二つの減衰器と、一つの二端子対回路とを含み、第１端子に接続している２分配器の二つの端子は二つの減衰器に接続しており、二端子対回路の一方の一対の端子は二つの減衰器に接続しており、二端子対回路の他方の一対の端子は第２端子と第３端子に接続している、
と理解することも可能である。

＜実施形態＞
このようなフェーズドアレーアンテナの実施形態（図１と図２を参照。ただし、図１ではＮ＝１の場合の実施例を例示し、図２ではＮ＝２の場合の実施例を例示している。また、これ以降、ｉは１以上２^N以下の各整数を表すとする）は、
ａ）２^N個のアンテナ素子９００−ｉと、
ｂ）無変調連続波などの周波数ｆのローカル信号を生成する信号生成部９６０と、
ｃ）ローカル信号を２^N等分配し、この２^N等分配で得られた分割ローカル信号のそれぞれが２^N個のアンテナ素子９００−ｉのうち対応するアンテナ素子に対応する位相θ_iを持つように（つまり、２^N個の分割ローカル信号のうちｊ番目の分割ローカル信号が、これに対応するｊ番目のアンテナ素子９００−ｊに対応する位相θ_jを持つように）、２^N個の分割ローカル信号のそれぞれの位相を制御し、２^N個の搬送波を生成する搬送波生成部１０と、
ｄ）２^N個のアンテナ素子９００−ｉのそれぞれに対応する位相θ_i（ｊ番目のアンテナ素子９００−ｊに対応する位相はθ_jである）を持つ２^N個の搬送波（つまり、搬送波生成部１０が生成した２^N個の搬送波である）を用いて、２^N個のアンテナ素子９００−ｉに対応する２^N個の入力信号の変調または復調、あるいは、２^N個のアンテナ素子９００−ｉに対応する２^N個の入力信号が当該搬送波の周波数よりも低い変調信号または当該搬送波の周波数よりも高い復調信号の場合に当該２^N個の入力信号の周波数変換を行う信号変換部９０と（この例では、信号変換部９０は、２^N個の増幅器９１０−ｉと２^N個の信号変換器９２０−ｉで構成されており、ｊ番目の信号変換器９２０−ｊが、ｊ番目のアンテナ素子９００−ｊに対応する入力信号の変調または復調、あるいは、ｊ番目のアンテナ素子９００−ｊに対応する入力信号が搬送波の周波数ｆよりも低い変調信号または搬送波の周波数ｆよりも高い復調信号の場合に当該ｊ番目の入力信号の周波数変換を行う）、
ｅ）分配器９３０と
を含む。ただし、
ｃ１）搬送波生成部１０は、
それぞれ第１端子１２−ｋ−１と、第２端子１２−ｋ−２と、第３端子１２−ｋ−３を有する２^N-１個の位相制御部１２−ｋを含み（ただし、ｋは１以上２^N-１以下の各整数を表わす）、
記号[Ｘ]はＸを超えない最大の整数を表わすとし、
記号(ｍ mod ｎ)はｍのｎを法とする剰余を表すとして、
１）ｋ＝１の場合：
ｋ番目の位相制御部１２−ｋの第１端子１２−ｋ−１は、信号生成部９６０と接続しており、
２）２≦ｋ≦２^N-１の場合：
ｋ番目の位相制御部１２−ｋの第１端子１２−ｋ−１は、[ｋ/２]番目の位相制御部１２−[ｋ/２]の第(ｋ mod ２)＋２端子１２−[ｋ/２]−((ｋ mod ２)＋２)と接続しており、
３）２^N-1≦ｋ≦２^N-１の場合：
ｋ番目の位相制御部１２−ｋの第２端子１２−ｋ−２および第３端子１２−ｋ−３は、信号変換部９０と接続しており（この例では、ｋ番目の位相制御部１２−ｋの第２端子１２−ｋ−２は、２ｋ−２^N＋１番目の信号変換器９２０−(２ｋ−２^N＋１)と接続されており、ｋ番目の位相制御部１２−ｋの第３端子１２−ｋ−３は、２ｋ−２^N＋２番目の信号変換器９２０−(２ｋ−２^N＋２)と接続されている）、
ｃ２）位相制御部１２−ｋは、一つの２分配器１４と、二つの減衰器１６−Ａ，１６−Ｂと、一つの二端子対回路１８とを含み、位相制御部１２−ｋの第１端子１２−ｋ−１に接続している２分配器１４の二つの端子の一方は減衰器１６−Ａに接続しており、２分配器１４の二つの端子の他方は減衰器１６−Ｂに接続しており、二端子対回路１８の一方の一対の端子は二つの減衰器１６−Ａ，１６−Ｂに接続しており、二端子対回路１８の他方の一対の端子は位相制御部１２−ｋの第２端子１２−ｋ−２と位相制御部１２−ｋの第３端子１２−ｋ−３に接続している（二端子対回路１８の一例として９０度ハイブリッドカプラを例示できるが、分配後の２出力間に位相差を与えることのできる二端子対回路であれば任意の回路を用いることができる）。

実施形態のフェーズドアレーアンテナが送信機として機能する場合：
分配器９３０は入力されたベースバンド信号を２^N分配する。分配器９３０の２^N個の出力が、２^N個の信号変換器９２０−ｉに入力される上記「２^N個の入力信号」に相当する。つまり、分配器９３０のｊ番目の出力は、ｊ番目の信号変換器９２０−ｊに入力される。また、ｊ番目の増幅器９１０−ｊは、ｊ番目の信号変換器９２０−ｊの出力を増幅する。ｊ番目の増幅器９１０−ｊの出力は、ｊ番目のアンテナ素子９００−ｊに供給される。

実施形態のフェーズドアレーアンテナが受信機として機能する場合：
ｊ番目の増幅器９１０−ｊは、ｊ番目のアンテナ素子９００−ｊからの信号を増幅する。ｊ番目の増幅器９１０−ｊの出力は、ｊ番目の信号変換器９２０−ｊの上記「２^N個の入力信号」のｊ番目の入力信号に相当する。分配器９３０は２^N個の信号変換器９２０−ｉの出力を合成してベースバンド信号を出力する。なお、分配器９３０は、通常、合成器としての機能を持つ（分配器を合成器と呼称しても差し支えない）。

実施形態によると、位相制御部１２−ｋが二つの減衰器１６−Ａ，１６−Ｂと一つの二端子対回路１８とを含む構成を有するため、高価な移相器を用いることなく、高精度の位相制御を実現できる。また、減衰器として減衰量を変更可能な可変減衰器を用いることも、減衰量が一定の固定減衰器を用いることもできる。可変減衰器の減衰量を変更する機構については周知であるから説明を省略する。実施形態において一部または全部の「減衰器」を「固定減衰器」に読み替えた変形例も、あるいは、実施形態において一部または全部の「減衰器」を「可変減衰器」に読み替えた変形例も、本発明の実施形態に含まれる。

なお、実施形態のフェーズドアレーアンテナと図９に示す従来のフェーズドアレーアンテナ９９との対比を容易にするため、実施形態のフェーズドアレーアンテナとフェーズドアレーアンテナ９９との間で同じ構成要素には同じ参照符号を附している。

また、実施形態の説明では、フィルタ（例えばリーク成分や高調波成分を除去するフィルタ）、増幅器（例えば緩衝増幅器や中間増幅器）など、実際には使用されるが本発明の実施形態の説明と理解において非本質的な回路構成要素を省略している。したがって、実施形態の説明で使用している「接続」との用語は、当該「接続」との用語に係る構成要素が直接的に（換言すれば、他の構成要素を介さずに）接続されていることに限定する意味ではなく、実際の必要に応じて、当該「接続」との用語に係る構成要素が間接的に（換言すれば、他の構成要素を介して）接続されている場合も許容することを含意する。

上述の説明における「○番目」との用語は、実施形態の構成を体系的に説明するために使用した用語である。当該用語それ自体によって、つまり、構成要素の順序それ自体によって、本発明は限定されるものではない。また、当該用語の使用は、そのような限定を意図するものでもない。

さらに、上述の説明における「第○」との用語は、実施形態の構成を明確に説明するために使用した用語である。当該用語それ自体によって、つまり、構成要素の序列それ自体によって、本発明は限定されるものではない。また、当該用語の使用は、そのような限定を意図するものでもない。

さらに、上述の説明における構成要素の個数は、機能の観点から計数されている。したがって、実際の実施物では、複数の機能が一つの物理的実体によって実現されてもよいし、一つの機能が複数の物理的実体によって実現されてもよい。

以下、実施形態による位相制御の実体を、実施形態のフェーズドアレーアンテナが送信機として機能する場合を例にして、実施例１と実施例２を参照して説明する。

＜実施例１＞
図１に示す実施例１のフェーズドアレーアンテナ１では、搬送波生成部１０は一つの位相制御部１２−１を含み、この位相制御部１２−１は、一つの２分配器１４と、二つの減衰器１６−Ａ，１６−Ｂと、一つの二端子対回路１８とを含む。二端子対回路１８は９０度ハイブリッドカプラである。

９０度ハイブリッドカプラによる位相変化はよく知られている。入力信号が９０度ハイブリッドカプラの入力側の一対の端子Ｐ１，Ｐ２のうち端子Ｐ１に入力された場合、９０度ハイブリッドカプラの出力側の一対の端子Ｐ３，Ｐ４において端子Ｐ４に対する端子Ｐ３での出力信号の位相差は９０度である（図８（ａ）参照）。また、入力信号が９０度ハイブリッドカプラの入力側の一対の端子Ｐ１，Ｐ２のうち端子Ｐ２に入力された場合、９０度ハイブリッドカプラの出力側の一対の端子Ｐ３，Ｐ４において端子Ｐ４に対する端子Ｐ３での出力信号の位相差は−９０度である（図８（ｂ）参照）。そして、端子Ｐ１と端子Ｐ２に同時に同一の入力信号を入力した場合、端子Ｐ３での出力信号と端子Ｐ４での出力信号は互いに同じ振幅と同じ位相を持つ（つまり、端子Ｐ４に対する端子Ｐ３での出力信号の位相差は０度である。図８（ｃ）参照）。

したがって、二つの減衰器１６−Ａ，１６−Ｂを用いずに、位相制御部１２−１の第１端子１２−１−１に接続している２分配器１４の二つの端子を９０度ハイブリッドカプラの入力側の一対の端子Ｐ１，Ｐ２に接続すると、互いに同じ振幅と同じ位相を持つ端子Ｐ３での出力信号および端子Ｐ４での出力信号が搬送波となる。この２個の搬送波を用いて変調等された信号をアンテナ素子９００−ｉで送信したときのフェーズドアレーアンテナ１の指向性パターンは２個の搬送波の振幅と位相で定まる一種類に限定される。

これに対して、位相制御部１２−１の第１端子１２−１−１に接続している２分配器１４の二つの端子の一方を減衰器１６−Ａに接続し、２分配器１４の二つの端子の他方を減衰器１６−Ｂに接続し、９０度ハイブリッドカプラ（二端子対回路１８）の一対の端子Ｐ１，Ｐ２を二つの減衰器１６−Ａ，１６−Ｂに接続し、９０度ハイブリッドカプラ（二端子対回路１８）の一対の端子Ｐ３，Ｐ４を位相制御部１２−１の第２端子１２−１−２と位相制御部１２−１の第３端子１２−１−３に接続した構成（図１参照）において、２分配器１４で等分配された信号を同時に一対の端子Ｐ１，Ｐ２に入力した場合の、端子Ｐ３での出力信号の位相θ₁は式（１）で与えられ、端子Ｐ４での出力信号の位相θ₂は式（２）で与えられる。但し、式（１）（２）においてＡは、減衰器１６−Ａの出力信号の振幅と減衰器１６−Ｂの出力信号の振幅との比（以下、振幅比と呼称する）である。なお、説明の都合、ここでは振幅比を採用しているが、減衰器１６−Ａによる減衰量に対する減衰器１６−Ｂによる減衰量の比である減衰比を採用してもよい。

このように、端子Ｐ４に対する端子Ｐ３の位相差θ₁-θ₂は振幅比Ａに依存する。つまり、二つの減衰器１６−Ａ，１６−Ｂによって９０度ハイブリッドカプラ（二端子対回路１８）の出力端子間の信号位相差θ₁-θ₂を変更できる。したがって、端子Ｐ３での出力信号および端子Ｐ４での出力信号（つまり、２個の搬送波）を用いて変調等された信号をアンテナ素子９００−ｉで送信したときのフェーズドアレーアンテナ１は、振幅比Ａに応じた指向性パターンを持つ。

振幅比Ａを-10dBから+10dBまでの間で変更した場合の位相差θ₁-θ₂の計算結果を図３に示す。ここで、振幅比Ａの負値は減衰器１６−Ｂによる減衰が減衰器１６−Ａによる減衰よりも相対的に大きいことを意味し、振幅比Ａの正値は減衰器１６−Ｂによる減衰が減衰器１６−Ａによる減衰よりも相対的に小さいことを意味する。図３に示されるように、位相差θ₁-θ₂をおよそ-50度から+50度までの間で変更できることがわかる。この位相差θ₁-θ₂の制御によってフェーズドアレーアンテナ１の指向性パターンを制御できる。

＜実施例２＞
図２に示す実施例２のフェーズドアレーアンテナ２では、搬送波生成部１０は三つの位相制御部１２−１，１２−２，１２−３を含み、位相制御部１２−１，１２−２，１２−３はそれぞれ、一つの２分配器１４と、二つの減衰器１６−Ａ，１６−Ｂと、一つの二端子対回路１８とを含む。二端子対回路１８はいずれも９０度ハイブリッドカプラである。位相制御部１２−１，１２−２，１２−３それぞれの位相制御機能は実施例１で説明したとおりである。したがって、フェーズドアレーアンテナ２における搬送波生成部１０の位相制御機能は、三つの位相制御部１２−１，１２−２，１２−３の位相制御機能の組み合わせによって実現される。

この場合、好ましくは、ｋ番目の位相制御部１２−ｋにおける振幅比Ａ_kは、ｓを１以上Ｎ以下の各整数を表わすとして、２^s-1≦ｔ≦２^s-１を満たす各整数ｔについてＡ_tが等しくなるように設定される。換言すれば、ｋ番目の位相制御部１２−ｋにおける減衰比Ｒ_kは、２^s-1≦ｔ≦２^s-１を満たす各整数ｔについてＲ_tが等しくなるように設定される。

図４に、位相制御部１２−２での振幅比Ａ₂を-10dBから+10dBまでの間で変更した場合の位相差θ₁-θ₂の計算結果と（ただし、θ₁はＡをＡ₂に書き改めた場合の式（１）で表され、θ₂はＡをＡ₂に書き改めた場合の式（２）で表される）、位相制御部１２−３での振幅比Ａ₃を-10dBから+10dBまでの間で変更した場合の位相差θ₃-θ₄の計算結果を示す（ただし、θ₃はＡをＡ₃に書き改めた場合の式（１）で表され、θ₄はＡをＡ₃に書き改めた場合の式（２）で表される）。この計算では、位相制御部１２−１での振幅比Ａ₁を固定した。図４では、位相差θ₁-θ₂を実線で示し、位相差θ₃-θ₄を破線で示しているが、両者は同じ変化を示すため、実線のみが表示されている。式（１）と式（２）から明らかなように、位相差θ₁-θ₂と位相差θ₃-θ₄はそれぞれ位相制御部１２−１での振幅比Ａ₁に依存しない。

図４を参照すると、例えば、Ａ₂＝Ａ₃＝-3.5dBのとき位相差θ₁-θ₂と位相差θ₃-θ₄はそれぞれ22.3度であり、Ａ₂＝Ａ₃＝0dBのとき位相差θ₁-θ₂と位相差θ₃-θ₄はそれぞれ0度であり、Ａ₂＝Ａ₃＝3.5dBのとき位相差θ₁-θ₂と位相差θ₃-θ₄はそれぞれ-22.3度である。

次に、位相制御部１２−２の振幅比Ａ₂と位相制御部１２−３の振幅比Ａ₃が共に等しくＡ₂＝Ａ₃＝-3.5dB，0dB，+3.5dBとし、位相制御部１２−１の振幅比Ａ₁を-10dBから+10dBまでの間で変化させた場合の位相差θ₂-θ₃の計算結果を図５に示す。図５を参照すると、例えば、振幅比Ａ₂＝Ａ₃＝-3.5dB、振幅比Ａ₁＝-7.6dBのとき、位相差θ₂-θ₃は22.3度である。つまり、図４と図５から、Ａ₂＝Ａ₃＝-3.5dB、Ａ₁＝-7.6dBとすれば、隣接するアンテナ素子間の信号位相差θ_m-θ_m+1(m=1,2,3)を等しく22.3度とすることができる。同様に、Ａ₂＝Ａ₃＝0dB、Ａ₁＝0dBとすれば、隣接するアンテナ素子間の信号位相差θ_m-θ_m+1(m=1,2,3)を等しく0度とすることができ、Ａ₂＝Ａ₃＝3.5dB、Ａ₁＝7.6dBとすれば、隣接するアンテナ素子間の信号位相差θ_m-θ_m+1(m=1,2,3)を等しく-22.3度とすることができる。このように振幅比Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃を減衰器によって制御することで、隣接するアンテナ素子間の信号位相差を制御することができる。

上記説明のとおり、振幅比Ａ₂と振幅比Ａ₃が等しい場合には位相差θ₁-θ₂と位相差θ₃-θ₄は振幅比Ａ₁によらず等しく、振幅比Ａ₁に応じて位相差θ₂-θ₃を変更できる。例えば、位相差θ₁-θ₂と位相差θ₃-θ₄を0度とするためにＡ₂＝Ａ₃＝0dBとした場合、振幅比Ａ₁を-10dBから+10dBまでの間で変更すれば、位相差θ₂-θ₃は-50度から+50度までの間で変更できる。

振幅比Ａ₂と振幅比Ａ₃を同じ値に設定した場合、図２に示すフェーズドアレーアンテナ２は、位相差θ₁-θ₂によって形成される指向性を持つ２ブランチアレーアンテナ（アンテナ素子９００−１，９００−２を含む）を単一アンテナとし、位相差θ₃-θ₄によって形成される指向性を持つ２ブランチアレーアンテナ（アンテナ素子９００−３，９００−４を含む）を単一アンテナとして、これら２個の単一アンテナを用いて、位相差θ₂-θ₃によって形成される指向性を持つ２ブランチアレーアンテナとして設計することが可能となる。例えば、図２に示すフェーズドアレーアンテナ２を隣接アンテナ素子間の信号位相差が0度となるように設計した場合のフェーズドアレーアンテナ２の指向性パターンを図６に示す。図６に示すグラフの横軸は、アンテナ素子の配列方向と垂直な方向を基準とする角度（ただし、垂直方向を90度とする）である。図６から、90度方向でメインローブの利得が最大となっており、130度方向では-10dB程度のサイドローブがあることがわかる。例えば、メインローブに対応するセルに隣接するセルが130度方向にある場合、130度方向の利得（-11.5dB）を減衰することが望まれる。このとき、図４に基づいて振幅比Ａ₂および振幅比Ａ₃を-3.5dBとし（つまり、位相差θ₁-θ₂と位相差θ₃-θ₄をそれぞれ22.3度とする）、図５に基づいて振幅比Ａ₁を-0.85dBとした（つまり、位相差θ₂-θ₃を-10度とする）ときのフェーズドアレーアンテナ２の指向性パターンを図７に示す。図７から、130度方向の利得が-18.5dB（-7dBの利得低下）であることがわかる。このように、各位相制御部での振幅比あるいは減衰比を適切に設定することによって、フェーズドアレーアンテナの位相制御だけでなく、フェーズドアレーアンテナの指向性パターンを制御することも可能である。

本明細書で説明した各態様／実施形態は、LTE(Long Term Evolution)、LTE-A(LTE-Advanced)、SUPER 3G、IMT-Advanced、4G、5G、FRA(Future Radio Access)、W-CDMA（登録商標）、GSM（登録商標）、CDMA2000、UMB(Ultra Mobile Broadband)、IEEE 802.11(Wi-Fi)、IEEE 802.16(WiMAX)、IEEE 802.20、UWB(Ultra-WideBand)、Bluetooth（登録商標）、その他の適切なシステムを利用するシステム及び／又はこれらに基づいて拡張された次世代システムに適用されてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、当業者にとって、本発明が本明細書中で説明された実施形態に限定されないことは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載によって定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施され得る。本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、特段の断りが無い限り、本発明に対して何ら制限的な意味を有しない。

Claims

２^N個（ただし、Ｎは１以上の予め定められた整数とする）のアンテナ素子と、
上記２^N個のアンテナ素子のそれぞれに対応する位相を持つ２^N個の搬送波を用いて、上記２^N個のアンテナ素子に対応する２^N個の入力信号の変調または復調、あるいは、上記２^N個のアンテナ素子に対応する２^N個の入力信号が当該搬送波の周波数よりも低い変調信号または当該搬送波の周波数よりも高い復調信号の場合に当該２^N個の入力信号の周波数変換を行う信号変換部と、
ローカル信号を生成する信号生成部と、
上記ローカル信号を２^N等分配し、それぞれが上記２^N個のアンテナ素子のうち対応するアンテナ素子に対応する位相を持つようにそれぞれの位相を制御し、上記２^N個の搬送波を生成する搬送波生成部と
を含み、
上記搬送波生成部は、
それぞれ第１端子と、第２端子と、第３端子を有する２^N-１個の位相制御部を含み、
ｋを１以上２^N-１以下の各整数を表わすとし、
記号[Ｘ]はＸを超えない最大の整数を表わすとし、
記号(ｍ mod ｎ)はｍのｎを法とする剰余を表すとして、
１）ｋ＝１の場合：
ｋ番目の位相制御部の第１端子は、上記信号生成部と接続しており、
２）２≦ｋ≦２^N-１の場合：
ｋ番目の位相制御部の第１端子は、[ｋ/２]番目の位相制御部の第(ｋ mod ２)＋２端子と接続しており、
３）２^N-1≦ｋ≦２^N-１の場合：
ｋ番目の位相制御部の第２端子および第３端子は、上記信号変換部と接続しており、
各上記位相制御部は、
一つの２分配器と、
二つの減衰器と、
一つの二端子対回路と
を含み、
上記第１端子に接続している２分配器の二つの端子は上記二つの減衰器に接続しており、
上記二端子対回路の一方の一対の端子は上記二つの減衰器に接続しており、
上記二端子対回路の他方の一対の端子は上記第２端子と上記第３端子に接続している
フェーズドアレーアンテナ。
請求項１に記載のフェーズドアレーアンテナにおいて、
上記二端子対回路は、ハイブリッドカプラである
ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
請求項１または請求項２に記載のフェーズドアレーアンテナにおいて、
ｋ番目の位相制御部に含まれる二つの上記減衰器のうち一方による減衰量に対する他方による減衰量の比をＲ_kとし、ｓを１以上Ｎ以下の各整数を表わすとして、２^s-1≦ｔ≦２^s-１を満たす各整数ｔについてＲ_tは等しい
ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。