JP6723382B2 - フェーズドアレイアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、配列された複数のアンテナ素子を有するフェーズドアレイアンテナに関する。

フェーズドアレイアンテナは、複数のアンテナ素子と、各アンテナ素子に対応した送信モジュールと、送信モジュールに接続される給電部及び電源部と、送信モジュールを冷却する冷却部とを含み構成されている。なお、本明細書中での「送信モジュール」という語句は、送信機能を少なくとも備えたモジュールを意味し、受信機能も兼ね備えた送受信モジュールも含む。フェーズドアレイアンテナは、複数のアンテナ素子を縦横に規則的に配列することによってアンテナ開口面を形成している。アンテナの構成上、アンテナ素子に付随する一連の構成要素も、同様に規則的な配列にすることが多い。特許文献１に開示されるように、フェーズドアレイアンテナでは複数個のアンテナ素子と、アンテナ素子に付随する一連の構成要素とをユニット化しているものが存在する。

特許文献１に開示される発明は、複数のアンテナ素子と、送信モジュールと、電源部と、給電制御部と、冷却部とによって平板形状アンテナユニットが構成されている。なお、以下の説明において、平板形状アンテナユニットをスライスという。特許文献１に開示される発明は、アンテナ素子と送信モジュールとが一体化されて冷却部に固定されており、同じく冷却部に固定された給電制御部及び電源部とはケーブルを介して接続されている。さらに複数個並べたスライスと、電源、制御信号及び高周波信号を分配供給するマザーボード部とを一体化してキューブ構造アンテナを構成している。以下の説明において、キューブ構造アンテナをブロックと称する。特許文献１に開示される発明は、複数のブロックを縦横に整列してアンテナフレームに取付けることによってアレイアンテナを形成している。特許文献１に開示される発明は、ブロック寸法に適合する範囲内でアンテナフレームの形状を変化させ、ブロックの縦横の配置数量を変更することで、アレイアンテナの開口径を自由に設定することができる。

特許第４８４４５５４号公報

開口面となるアンテナ素子の配列ピッチには、高い実装精度が必要であるため、特許文献１に開示される発明では、アンテナ素子と送信モジュールとを一体化した部品は、スライス内での高精度に位置合わせすることが求められる。またブロック内に複数のスライスを並べる際及びブロックをアンテナフレームに整列実装させる際においても、同様に厳しい実装精度が求められる。そのため高コスト化が避けられなかった。

また、特許文献１に開示される発明は、複数のブロックに搭載された全てのアンテナ素子を等ピッチで配列する必要があるため、アンテナフレームへブロックを実装する際に、隣り合うブロック同士のスライスのピッチを、ブロック内のスライスのピッチと等しく配置することが求められる。よって、特許文献１に開示される発明は、アンテナフレーム及びブロックの構造に厳しい制約が生まれる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ブロックを構成する部品の実装精度を低減することができ、また隣り合うブロック同士のスライスの配置間隔をブロック内のスライスの配置間隔と一致させる必要がないフェーズドアレイアンテナ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、冷媒の流路が形成されたフロントプレートと、複数個の送信モジュールと、送信モジュールに電源を分配し、動作を制御すると共に、高周波信号の通過位相を制御する回路基板とを具備する複数のスライスと、電源、制御信号及び高周波信号を複数のスライスへ分配するバス基板とを備え、フロントプレートの第１の面側に保持される複数のブロックと、フロントプレートの第１の面側に保持され、ブロックへ電力を供給する複数の電源ユニットと、複数のアンテナ素子が配列され、フロントプレートの第１の面の裏面である第２の面側に保持されたアンテナ素子配置部と、アンテナ素子への高周波信号を通す高周波信号配線を備え、フロントプレートの第２の面側に保持された高周波信号配線部とを有する。フロントプレートは、貫通孔が形成されている。送信モジュールは、貫通孔を通じて高周波信号配線に電気的に接続される接続部を備える。

本発明に係るフェーズドアレイアンテナは、ブロックを構成する部品の実装精度を緩和することができ、また隣り合うブロック同士のスライスの配置間隔をブロック内のスライスの配置間隔と一致させる必要がないという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す図 実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナのブロックの構成を示す図 実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナの中継アダプタが傾いていない状態での断面図 実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナの中継アダプタが傾いた状態での断面図 実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナのアンテナ素子と高周波信号配線層側の同軸コネクタとの位置関係を示す図 本発明の実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す図 本発明の実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す図 実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナのブロックのコンデンサバンクを交換した状態を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナ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は、本発明の実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す図である。実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ２０は、冷媒が流れる流路を内部に備えたフロントプレート１と、複数のアンテナ素子が配列されたアンテナ素子配置部であるアンテナ素子層２と、高周波信号を通す高周波信号配線が形成された高周波信号配線部である高周波信号配線層３と、電源配線及び制御信号配線が形成された電源制御配線層４と、格子状の枠体であるアンテナフレーム５と、複数のスライスを有するブロック６と、アンテナ素子に電源を供給する電源ユニット７とを有する。フロントプレート１の第１の面である背面側には、アンテナフレーム５が取付けられており、アンテナフレーム５に複数のブロック６及び電源ユニット７が取付けられる。また、フロントプレート１は、アンテナ素子層２、高周波信号配線層３及び電源制御配線層４を、第２の面である前面側に保持している。前面である第２の面は背面である第１の面の裏面である。フロントプレート１は、アンテナ素子層２、高周波信号配線層３、電源制御配線層４、ブロック６及び電源ユニット７からの発熱の放熱経路となる。すなわち、アンテナ素子層２、高周波信号配線層３、電源制御配線層４、ブロック６及び電源ユニット７において発生した熱は、フロントプレート１の内部の流路を流れる冷媒によってフェーズドアレイアンテナ２０の外部へ排熱される。

図２は、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナのブロックの構成を示す図である。ブロック６は、整列した複数個のスライス８と、各スライス８へ電源、制御信号及び高周波信号を分配するバス基板９と、高周波信号の送信時にスライス８への電力供給を補完するとともに、パルスの立ち上がりの電源供給を行うコンデンサバンク１０とを備えている。すなわち、コンデンサバンク１０は、電源ユニット７からの電力供給を補完する。コンデンサバンク１０は、バス基板９にはんだ付けされて固定されている。なお、コンデンサバンク１０を覆うカバーを設けても良い。コンデンサバンク１０を覆うカバーを導電性材料で形成することにより、コンデンサバンク１０の充放電時にコンデンサバンク１０から放射される電磁波を遮蔽できる。

スライス８は、構造伝熱部材であるヒートスプレッダ１１と、マイクロ波回路を有するデバイスが実装された多層樹脂基板を備えた送信モジュール１２と、送信モジュール１２への電源分配、送信モジュール１２の動作の制御及び送信モジュール１２へ送信する高周波信号の位相制御を行う回路基板１３と、ヒートスプレッダ１１の熱をフロントプレート１に伝えるサーマルシート１８とを備えている。複数のヒートスプレッダ１１の各々には、複数の送信モジュール１２が整列して取り付けられている。送信モジュール１２のマイクロ波回路は、金属製のカバー又はめっきを施した誘電体のカバーで覆うことにより電磁シールドのパッケージ処理が施されている。このため、送信モジュール１２の外側に、電磁シールド用のカバーを別途設ける必要がない。また、回路基板１３は、ヒートスプレッダ１１へ取付けられている。回路基板１３は送信モジュール１２と電気的に接続されている。複数の送信モジュール１２の各々は、第１の同軸コネクタである同軸コネクタ１４が表面実装されている。サーマルシート１８には、同軸コネクタ１４が貫通する孔１８ａが形成されている。

フロントプレート１の前面側に保持された高周波信号配線層３には、第２の同軸コネクタである同軸コネクタ１５が実装されている。同軸コネクタ１５には、同軸コネクタ１４と同軸コネクタ１５とを接続する中継アダプタ１７が装着されている。フロントプレート１は、中継アダプタ１７が貫通可能な貫通孔１ａが、同軸コネクタ１５のピッチと同じピッチで形成されている。電源制御配線層４は、同軸コネクタ１４を貫通させる貫通孔４ａが、同軸コネクタ１４のピッチと同じピッチで形成されている。

ブロック６とフロントプレート１とを連結する際には、スライス８内の各送信モジュール１２に実装されている同軸コネクタ１４と、高周波信号配線層３に接続されている同軸コネクタ１５とを、中継アダプタ１７を介して複数同時に嵌合させる。同軸コネクタ１５と中継アダプタ１７との嵌合の強度は、同軸コネクタ１４と中継アダプタ１７との嵌合の強度よりも強くなっている。したがって、ブロック６をフロントプレート１から分離する際には、同軸コネクタ１４と中継アダプタ１７との嵌合が解除され、中継アダプタ１７は、同軸コネクタ１５側に残る。

図３は、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナの中継アダプタが傾いていない状態での断面図である。図４は、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナの中継アダプタが傾いた状態での断面図である。図３に示すように、フロントプレート１の貫通孔１ａの内径は、中継アダプタ１７の外径よりも大きくなっている。したがって、図４に示すように、中継アダプタ１７は、フロントプレート１の貫通孔１ａの縁に当たる位置を限度に傾くことが可能である。ここで、先に中継アダプタ１７を同軸コネクタ１５に接続しておいてから、フロントプレート１に設けられた貫通孔１ａを貫通させた中継アダプタ１７に同軸コネクタ１４を嵌合させるため、同軸コネクタ１４の先端部には、中継アダプタ１７を中心側に案内するガイド部１４ａが設けられている。同軸コネクタ１５の軸と同軸コネクタ１４の軸とがずれた状態で、中継アダプタ１７に同軸コネクタ１４を嵌合させようとした場合には、中継アダプタ１７が傾くことにより、同軸コネクタ１４と同軸コネクタ１５との電気的な接続が保証される。したがって、中継アダプタ１７を用いることにより、中継アダプタ１７を用いない構造と比較して、ブロック６の実装要求精度を緩和できる。

ただし、同軸コネクタ１５と中継アダプタ１７との接点部での導通及び同軸コネクタ１４と中継アダプタ１７との接点部での導通を確保するためには、中継アダプタ１７の傾きには限度がある。すなわち、限度を超えて中継アダプタ１７を傾けると、同軸コネクタ１４，１５と中継アダプタ１７とが導通しなくなり、同軸コネクタ１４と同軸コネクタ１５との電気的な接続は保証されなくなる。したがって、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ２０では、中継アダプタ１７の傾きが、同軸コネクタ１５と中継アダプタ１７との接点部での導通及び同軸コネクタ１４と中継アダプタ１７との接点部での導通を確保できる範囲となるように、フロントプレート１の貫通孔１ａの内径が設定されている。

上記の説明においては、中継アダプタ１７は、高周波信号配線層３側の同軸コネクタ１５に接続されている中継アダプタ１７に対して同軸コネクタ１４を嵌合させているが、中継アダプタ１７を先に同軸コネクタ１４に接続しておいて、後から同軸コネクタ１５に嵌合させても良い。この場合には、同軸コネクタ１５側に、中継アダプタ１７を案内するガイド部を設けると良い。

また、上記の説明においては、同軸コネクタ１５と中継アダプタ１７との嵌合の強度が、同軸コネクタ１４と中継アダプタ１７との嵌合の強度よりも強くなっているとしたが、逆であってもよい。この場合には、ブロック６をフロントプレート１から分離する際には、同軸コネクタ１５と中継アダプタ１７との嵌合が解除され、中継アダプタ１７は、同軸コネクタ１４側に残る。この場合も、同軸コネクタ１５側に、中継アダプタ１７を案内するガイド部を設けると良い。

図５は、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナのアンテナ素子と高周波信号配線層側の同軸コネクタとの位置関係を示す図である。上記のように、フロントプレート１は、貫通孔１ａの列の間に冷却用の流路１６が設けられている。アンテナ素子２ａ同士のピッチＰ_１は、隣り合うブロック６のスライス８のピッチＰ_２及びブロック６内でのスライス８のピッチＰ_３のどちらよりも短くなっている。高周波信号配線層３において高周波信号配線３ａを面内方向にずらすことでアンテナ素子２ａと同軸コネクタ１５とが電気的に接続されている。また、この構造にすることで、隣り合うブロック６のスライス８のピッチＰ_２をアンテナ素子２ａのピッチＰ_１と無関係にすることが可能であり、特許文献１に開示される発明において課題となっていた隣り合うブロック同士のスライスのピッチをブロック内でのスライスのピッチと一致させるというアンテナ構造の制約を廃することができる。また、アンテナ素子２ａは、アンテナ素子層２に配列されており、ブロック６におけるスライス８の実装精度、及びスライス８における送信モジュール１２の実装精度は、アンテナ素子２ａのピッチとは無関係となる。したがって、ブロック６の実装精度を高くしなくても、アンテナ素子２ａの配置の精度を高めることができる。

上記の説明においては、１６個のブロック６と８個の電源ユニット７を搭載した構造を示したが、例とは異なる個数のブロック６及び電源ユニット７を搭載するフェーズドアレイアンテナ２０を構成することもできる。一例を挙げると、１２個のブロック６と６個の電源ユニット７とによってフェーズドアレイアンテナ２０を構成することも可能である。ブロック６を並べる個数を変更することによって、フェーズドアレイアンテナ２０の開口径を自由に設定することができる。なお、電源ユニット７の個数は任意であり、上記の個数に限定されない。

上記のように、スライス８は、個別に電源回路基板、冷媒が流れる冷却板及び配管継手を搭載する構成となってはいないため、スライス８を小型かつ高密度に構成することが可能である。したがって、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ２０は、大型化及び高コスト化を抑制できる。また、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ２０は、部品点数の低減も可能であるため、ブロックの組立作業性を低下させることがない。

実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ２０は、アンテナ素子２ａがアンテナ素子層２に配置されているため、スライス８における送信モジュール１２の実装精度、及びブロック６におけるスライス８の実装精度がアンテナ素子２ａのピッチに与える影響を緩和することができ、ブロックを構成する部品の実装精度を低減することができる。また、送信モジュール１２の配置間隔であるピッチをアンテナ素子２ａの配置間隔であるピッチと一致させる必要がない。したがって、フェーズドアレイアンテナ２０の製造コストの低減及び歩留まりの向上を図ることができる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す図である。実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ２１は、フロントプレート１の貫通孔に面取り部１ｂが設けられている点で、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ２０と相違する。

実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ２１は、貫通孔１ａに面取り部１ｂが設けられているため、貫通孔１ａに通す際に中継アダプタ１７が面取り部１ｂに突き当たっても、中継アダプタ１７は、面取り部１ｂによって貫通孔１ａの中心方向に案内される。したがって、貫通孔１ａに中継アダプタ１７を通す作業を容易に行うことができる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す図である。実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナ２２は、バス基板９にコネクタ９１が実装されており、コンデンサバンク１０Ａは、コネクタ９１を用いて着脱可能にバス基板９に実装される点で、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ２０と相違している。

図８は、実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナのブロックのコンデンサバンクを交換した状態を示す図である。ブロック６には元と同じコンデンサバンク１０Ａを取り付けることも可能であるが、図８に示すように、元とは異なるコンデンサバンク１０Ｂを取り付けることもできる。

コンデンサバンク１０がバス基板９に着脱可能ではない実施の形態１，２に係るフェーズドアレイアンテナ２０，２１では、運用条件が異なる製品間でブロック６を共通化できずコストが増大してしまうことになる。特許文献１に開示される発明は、コンデンサバンクを設置すること自体について言及がないため、コンデンサバンクを着脱可能とすることについても何の開示もしていない。したがって、特許文献１に開示される発明にコンデンサバンクを追加すると、運用条件が異なる製品間でブロックを共通化できない構造になってしまう。これに対し、実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナ２２は、運用条件が異なる製品間で、コンデンサバンク１０Ａ，１０Ｂ以外の部分はブロック６を共通化できる。すなわち、異なる運用条件の製品間で、コンデンサバンク１０Ａ，１０Ｂ以外の部品を流用することができるため、部品の共通化によるコスト低減を図ることができる。また、フェーズドアレイアンテナ２２は、稼働後に運用条件を変更する場合でも、ブロック６全体を交換する必要はなく、コンデンサバンク１０Ａ，１０Ｂの交換のみで対応可能である。

上記の説明では、二種類のコンデンサバンク１０Ａ，１０Ｂのいずれかをブロック６に取り付ける例を説明したが、実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナ２２は、コンデンサバンク１０Ａ，１０Ｂを取り外したまま使用することもできる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ フロントプレート、１ａ，４ａ 貫通孔、１ｂ 面取り部、２ アンテナ素子層、２ａ アンテナ素子、３ 高周波信号配線層、３ａ 高周波信号配線、４ 電源制御配線層、５ アンテナフレーム、６ ブロック、７ 電源ユニット、８ スライス、９ バス基板、１０，１０Ａ，１０Ｂ コンデンサバンク、１１ ヒートスプレッダ、１２ 送信モジュール、１３ 回路基板、１４，１５ 同軸コネクタ、１４ａ ガイド部、１６ 流路、１７ 中継アダプタ、１８ サーマルシート、１８ａ 孔、２０，２１，２２ フェーズドアレイアンテナ、９１ コネクタ。

Claims (11)

1. 冷媒の流路及び貫通孔が形成されたフロントプレートと、
   複数個の送信モジュールと、該送信モジュールに電源を分配し、動作を制御すると共に、高周波信号の通過位相を制御する回路基板とを具備する複数のスライスと、電源、制御信号及び高周波信号を複数のスライスへ分配するバス基板とを備え、前記フロントプレートの第１の面側に保持される複数のブロックと、
   前記フロントプレートの前記第１の面側に保持され、前記ブロックへ電力を供給する複数の電源ユニットと、
   複数のアンテナ素子が配列され、前記フロントプレートの前記第１の面の裏面である第２の面側に保持されたアンテナ素子配置部と、
   前記アンテナ素子への高周波信号を通す高周波信号配線を備え、前記フロントプレートの前記第２の面側に保持された高周波信号配線部と、
   前記貫通孔に配置されて、前記高周波信号配線と前記送信モジュールとを電気的に接続する接続部材とを有し、
   前記接続部材の外径は、前記貫通孔の内径よりも小さいことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
2. 前記送信モジュールに表面実装された第１の同軸コネクタと、
   前記高周波信号配線部に表面実装された第２の同軸コネクタとを有し、
   前記接続部材は、前記第１の同軸コネクタと前記第２の同軸コネクタとを中継する中継アダプタであることを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ。
3. 前記貫通孔の内部における前記中継アダプタの最大傾斜角は、前記第１の同軸コネクタと前記中継アダプタとの嵌合及び前記第２の同軸コネクタと前記中継アダプタとの嵌合が可能な角度であることを特徴とする請求項２に記載のフェーズドアレイアンテナ。
4. 前記貫通孔は、端部に面取り部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のフェーズドアレイアンテナ。
5. 前記貫通孔は、前記流路と交わらないことを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ。
6. 前記アンテナ素子同士のピッチは、前記スライス同士のピッチよりも短いことを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ。
7. 前記ブロックは、前記電源ユニットからの電力供給を補完するコンデンサバンクを備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
8. 前記コンデンサバンクは、前記バス基板に着脱可能であることを特徴とする請求項７に記載のフェーズドアレイアンテナ。
9. 前記高周波信号配線部は、前記フロントプレートと前記アンテナ素子配置部の間に配置され、前記高周波信号配線を介して前記アンテナ素子配置部と接続されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
10. 前記ブロックは、サーマルシートを介して前記フロントプレートに接続されたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
11. 前記中継アダプタは両端に突出部を有し、
    前記第１の同軸コネクタは、前記中継アダプタの一端の前記突出部が嵌合する穴部を有し、
    前記第２の同軸コネクタは、前記中継アダプタの他端の前記突出部が嵌合する穴部を有することを特徴とする請求項２から４のいずれか１項記載のフェーズドアレイアンテナ。