特開 2022-184130 フェーズドアレイアンテナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022184130

(43)【公開日】2022-12-13

(54)【発明の名称】フェーズドアレイアンテナ

(51)【国際特許分類】

   H01Q 3/36 20060101AFI20221206BHJP

   H01Q 21/08 20060101ALI20221206BHJP

   H01Q 13/06 20060101ALI20221206BHJP

   H01P 5/04 20060101ALI20221206BHJP

   H01P 5/12 20060101ALI20221206BHJP

   H01P 5/103 20060101ALI20221206BHJP

【ＦＩ】

H01Q3/36

H01Q21/08

H01Q13/06

H01P5/04 D

H01P5/12 D

H01P5/103 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021091797

(22)【出願日】2021-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】000004330

【氏名又は名称】日本無線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126561

【弁理士】

【氏名又は名称】原嶋 成時郎

(74)【代理人】

【識別番号】100141678

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】尚 尓昊

(72)【発明者】

【氏名】板垣 賢二

(72)【発明者】

【氏名】野呂 崇徳

【テーマコード（参考）】

5J021

5J045

【Ｆターム（参考）】

5J021AA07

5J021DA05

5J021FA07

5J045AA02

5J045AA05

5J045HA03

5J045JA04

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ビーム走査の走査速度を向上させるフェーズドアレイアンテナを提供する。
【解決手段】フェーズドアレイアンテナにおいて、給電部２は、複数の放射スタブ３１２の各々のＶＶＤ移相器３２それぞれへと印加される電圧を変化させて、複数の放射スタブ３１２の各々のＶＶＤ移相器３２の比誘電率を変化させることにより、複数の放射スタブ３１２の各々を通過する電磁波の波面を傾斜させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、給電部の平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させることにより、給電部から出力されてアンテナ部の基部３１１へと入射される電磁波の波面を傾斜させ、高度角方向のビーム走査を行う。
【選択図】図１１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

給電部と、アンテナ部と、を有し、
前記給電部が、
地導体板と、
前記地導体板との間で平行平板線路を形成する平行平板と、を有し、
前記アンテナ部が、
板状の基部と、
前記基部の一方の板面から列状に連なって突出する凸部として形成されて前記給電部から出力されて前記基部へと入射される電磁波が伝搬する方向において等間隔で相互に離間しつつ前記電磁波が伝搬する前記方向と直交する方向に沿って相互に平行に配設される複数の放射スタブと、
前記複数の放射スタブの各々の先端部分に前記放射スタブの長手方向に沿って配設されるＶＶＤ移相器と、を備えるフィードアレイを有し、
前記複数の放射スタブの各々のＶＶＤ移相器それぞれへと印加される電圧を変化させて前記複数の放射スタブの各々の前記ＶＶＤ移相器の比誘電率を変化させることにより前記複数の放射スタブの各々を通過する電磁波の波面を傾斜させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、
前記給電部の前記平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させることにより前記給電部から出力されて前記アンテナ部の前記基部へと入射される前記電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行う、
ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。

【請求項2】

前記給電部が、
前記平行平板線路における電磁波の伝搬方向における一方の端寄りの位置に前記電磁波の伝搬方向と直交する方向に沿って１列に等間隔で並べられて配設されて前記平行平板線路へと電磁波を供給する複数のプローブと、
前記複数のプローブの各々に対応させて設けられる複数の移相器と、を有し、
前記複数のプローブのそれぞれへと供給される電磁波の位相を前記複数の移相器により制御することによって前記平行平板線路を伝搬する前記電磁波の波面を傾斜させる、
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。

【請求項3】

前記給電部が、
アンテナポートと電気的に接続する頂点部から前記複数のプローブのそれぞれへと向けてマイクロストリップラインのパターニングにより配線を分岐させることによって形成される電力分配器を有し、
前記電力分配器を用いて前記複数のプローブのそれぞれへと電磁波を供給する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のフェーズドアレイアンテナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、フェーズドアレイアンテナに関し、例えば、種々の移動体に搭載される衛星通信用アンテナに適用して好適な技術に関する。

【背景技術】

【0002】

複数チャンネルの電波走査を行う従来のアンテナとして、アンテナ自体を機械的に回転させたり傾斜させたりする機械走査アレイアンテナ装置が知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第６９１９８５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、ロータリージョイントやモータなどを含む機械的な仕組みによってアンテナ自体を回転させて方位角を変化させるとともに傾斜させて高度角を変化させてビーム走査を行う場合には走査速度が遅い、という問題がある。

【0005】

そこでこの発明は、ビーム走査の走査速度を向上させることが可能な、フェーズドアレイアンテナを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、この発明に係るフェーズドアレイアンテナは、給電部と、アンテナ部と、を有し、前記給電部が、地導体板と、前記地導体板との間で平行平板線路を形成する平行平板と、を有し、前記アンテナ部が、板状の基部と、前記基部の一方の板面から列状に連なって突出する凸部として形成されて前記給電部から出力されて前記基部へと入射される電磁波が伝搬する方向において等間隔で相互に離間しつつ前記電磁波が伝搬する前記方向と直交する方向に沿って相互に平行に配設される複数の放射スタブと、前記複数の放射スタブの各々の先端部分に前記放射スタブの長手方向に沿って配設されるＶＶＤ移相器と、を備えるフィードアレイを有し、前記複数の放射スタブの各々のＶＶＤ移相器それぞれへと印加される電圧を変化させて前記複数の放射スタブの各々の前記ＶＶＤ移相器の比誘電率を変化させることにより前記複数の放射スタブの各々を通過する電磁波の波面を傾斜させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、前記給電部の前記平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させることにより前記給電部から出力されて前記アンテナ部の前記基部へと入射される前記電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行う、ことを特徴とする。

【0007】

この発明に係るフェーズドアレイアンテナは、前記給電部が、前記平行平板線路における電磁波の伝搬方向における一方の端寄りの位置に前記電磁波の伝搬方向と直交する方向に沿って１列に等間隔で並べられて配設されて前記平行平板線路へと電磁波を供給する複数のプローブと、前記複数のプローブの各々に対応させて設けられる複数の移相器と、を有し、前記複数のプローブのそれぞれへと供給される電磁波の位相を前記複数の移相器により制御することによって前記平行平板線路を伝搬する前記電磁波の波面を傾斜させる、ようにしてもよい。

【0008】

この発明に係るフェーズドアレイアンテナは、前記給電部が、アンテナポートと電気的に接続する頂点部から前記複数のプローブのそれぞれへと向けてマイクロストリップラインのパターニングにより配線を分岐させることによって形成される電力分配器を有し、前記電力分配器を用いて前記複数のプローブのそれぞれへと電磁波を供給する、ようにしてもよい。

【発明の効果】

【0009】

この発明に係るフェーズドアレイアンテナによれば、複数の放射スタブの各々のＶＶＤ移相器それぞれへと印加される電圧を変化させて複数の放射スタブの各々のＶＶＤ移相器の比誘電率を変化させることにより複数の放射スタブの各々を通過する電磁波の波面を傾斜させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、給電部の平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させることにより給電部から出力されてアンテナ部の基部へと入射される電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行うようにしているので、ビーム走査の走査速度を向上させることが可能となる。

【0010】

この発明に係るフェーズドアレイアンテナによれば、また、複数の放射スタブの各々のＶＶＤ移相器それぞれへと印加される電圧を変化させて複数の放射スタブの各々のＶＶＤ移相器の比誘電率を変化させることにより複数の放射スタブの各々を通過する電磁波の波面を傾斜させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、給電部の平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させることにより給電部から出力されてアンテナ部の基部へと入射される電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行うようにしているので、高い開口効率を実現することが可能となるとともに、低姿勢なアンテナを実現することが可能となる。

【0011】

この発明に係るフェーズドアレイアンテナは、給電部が複数のプローブを介して給電するようにした場合には、幅広い周波数帯域にわたって、なお且つ、短い伝送線路（具体的には、１λ程度（但し、λ：自由空間波長））で、平面波を発生させることが可能となり、延いては伝送損失の増大を回避することが可能となるとともにアンテナの給電部をコンパクトに構成することが可能となる。

【0012】

この発明に係るフェーズドアレイアンテナは、給電部が、電力分配器の頂点部から各プローブへと向けてマイクロストリップラインのパターニングにより配線を分岐させることによって形成される電力分配器としての分配回路を用いて、各プローブへと電磁波を供給するようにした場合には、移相器の組み込みを、回路構成を複雑にすることなく、簡易に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】この発明の実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナの概略構成を示す回路構成図である。

【図2】図１のフェーズドアレイアンテナの給電部の概略構成を示す図である。（Ａ）は斜視図である。（Ｂ）は分解斜視図である。

【図3】図２の給電部の概略構成を示す図である。（Ａ）は平行平板を透過した状態の平面図である。（Ｂ）は底面図である。

【図4】図２の給電部によって生成される平面波（電界分布）の例を示す図である。

【図5】図２の給電部におけるＳパラメータＳ１１（リターンロス）を示すグラフである。

【図6】図１のフェーズドアレイアンテナのフィードアレイの概略構成を示す斜視図である。

【図7】図２の給電部における電界分布の例を示す図である。（Ａ）は同位相励振の場合の電界分布である。（Ｂ）は位相差励振の場合の電界分布である。

【図8】図１のフェーズドアレイアンテナのｘｙ面内の指向性を説明する図である。（Ａ）は放射スタブが同位相で励振される場合の図である。（Ｂ）は放射スタブが位相差を付けて励振される場合の図である。

【図9】図６のフィードアレイの指向性の例を示す図である。

【図10】この発明の実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナの概略構成を示す回路構成図である。

【図11】図１０のフェーズドアレイアンテナにおけるフィードアレイの放射スタブの概略構成を示す部分拡大斜視図である。

【図12】図１１のフィードアレイにおけるＳパラメータＳ１１（リターンロス）を示すグラフである。

【図13】図１０のフェーズドアレイアンテナのｘｚ面内の指向性を説明する図である。（Ａ）は複数の放射スタブが同位相で励振される場合の図である。（Ｂ）は複数の放射スタブが位相差を付けて励振される場合の図である。

【図14】伝送線路の等価回路モデルを示す図である。

【図15】電圧可変型の誘電体の特性の例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

【0015】

＜実施の形態１＞
図１は、この発明の実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ１１の概略構成を示す回路構成図である。実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ１１は、給電部２と、アンテナ部３と、回動部４と、制御部５と、を有する。

【0016】

この実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナ１１は、給電部２が、地導体板２３１と、地導体板２３１との間で平行平板線路を形成する平行平板２３３と、を有し、アンテナ部３が、板状の基部３１１と、基部３１１の一方の板面から列状に連なって突出する凸部として形成されて給電部２から出力されて基部３１１へと入射される電磁波が伝搬する方向において等間隔で相互に離間しつつ前記電磁波が伝搬する前記方向と直交する方向に沿って相互に平行に配設される複数の放射スタブ３１２と、を備えるフィードアレイ３１を有し、回動部４によりフィードアレイ３１を回転させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、給電部２の平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させることにより給電部２から出力されてアンテナ部３の基部３１１へと入射される電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行う、ようにしている。

【0017】

この実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナ１１は、また、給電部２が、平行平板線路における電磁波の伝搬方向における一方の端寄りの位置に前記電磁波の伝搬方向と直交する方向に沿って１列に等間隔で並べられて配設されて平行平板線路へと電磁波を供給する複数のプローブ２３５と、複数のプローブ２３５の各々に対応させて設けられる複数の移相器２２と、を有し、複数のプローブ２３５のそれぞれへと供給される電磁波の位相を複数の移相器２２により制御することによって平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させる、ようにしている。

【0018】

（給電部）
給電部２は、平面波発生機構として機能する機序であり、主に、電力分配器２１，複数の移相器２２，および平面波発生部２３を有する。ここでの説明では、給電部２の構造に対して、相互に直交するｘ軸，ｙ軸，およびｚ軸によって規定される３次元直交座標系のｘ軸方向，ｙ軸方向，およびｚ軸方向を図２などに示すように対応させる。

【0019】

平面波発生部２３は、地導体板２３１，誘電体基板２３２，平行平板２３３，給電用誘電体基板２３４，および複数（具体的には、移相器２２と同数）のプローブ２３５を有する（図２参照）。

【0020】

地導体板２３１と平行平板２３３とは、相互に平行に配置されて、これらの間で電磁波を伝搬させるための平行平板線路を形成する。

【0021】

地導体板２３１と平行平板２３３との間に介在するように誘電体基板２３２が配設され、誘電体基板２３２内で当該誘電体基板２３２の厚さ方向（図において、ｘ軸方向）と直交する方向（図において、ｚ軸方向）に電磁波を伝搬させる誘電体イメージ線路（ここでは、平行平板線路）が形成される。

【0022】

地導体板２３１と平行平板２３３との間に形成される平行平板線路への電磁波の給電は複数のプローブ２３５を介して行われ、複数のプローブ２３５のそれぞれから電磁波が給電されることによって地導体板２３１と平行平板２３３との間でｚ軸方向に沿って電磁波が伝搬する。

【0023】

地導体板２３１の、誘電体基板２３２の側と反対側に給電用誘電体基板２３４が配設され、この給電用誘電体基板２３４の、ｚ軸方向における一方の端（図において、ｚ軸の矢印の向きの側と反対側の端）寄りの位置に、複数のプローブ２３５がｙ軸方向に沿って１列に等間隔で並べられて配設される。

【0024】

プローブ２３５同士のｙ軸方向における相互の間隔ｄは（図３（Ａ）参照）、電磁波（別言すると、ＲＦ(Ｒadio Ｆrequency の略)信号）の自由空間波長をλとすると、λ／２≦ｄ＜λを満たすように調節される。

【0025】

給電用誘電体基板２３４の、地導体板２３１の側と反対側の面に、電力分配器２１が配設される（図２，図３参照）。

【0026】

電力分配器２１は、給電用誘電体基板２３４の平面視における中央位置（若しくは、中央付近の位置）の頂点部２１１から各プローブ２３５へと向けてマイクロストリップラインのパターニングにより配線を分岐させることによって形成される分配回路によって実現される。頂点部２１１からの電力分配器２１への入力の大きさと分岐の段数および各段での分割数とによって電磁波（ＲＦ信号）の振幅が制御される。

【0027】

電力分配器２１の頂点部２１１は、アンテナポート（別言すると、入出力ポート）として機能する例えば同軸コネクタ（図示省略）と電気的に接続される。

【0028】

同軸コネクタに纏わる構造／構成はこの発明では特定の構造／構成には限定されないので詳細の説明は省略するが、同軸コネクタは、例えば、電力分配器２１を介して各プローブ２３５に電気的に接続されるとともに同軸ケーブル（図示省略）の内導体から信号（ＳＩＧ）が入力される内導体と、地導体板２３１に電気的に接続されるとともに同軸ケーブルの外導体から信号（例えば、ＧＮＤ）が入力される外導体とを有し、電力分配器２１に対して、延いては各プローブ２３５に対してＲＦ信号（別言すると、無線通信波）を供給する構造／構成とされ得る。

【0029】

移相器２２は、具体的にはデジタル移相器によって構成され、電力分配器２１によって分配されるＲＦ信号の位相を制御し、位相制御後のＲＦ信号をプローブ２３５へと供給する。

【0030】

移相器２２は、電力分配器２１としての分配回路における分岐した線路のそれぞれに対して配設され、つまり複数のプローブ２３５の各々に対応させて設けられる。

【0031】

各移相器２２（具体的には、デジタル移相器）は、制御部５によって制御される。

【0032】

電力分配器２１の頂点部２１１へと供給される電磁波（ＲＦ信号）は、電力分配器２１によって所定量ずつ分配される（言い換えると、振幅が制御される）とともに移相器２２によって位相が制御されたうえで、各プローブ２３５を介して地導体板２３１と平行平板２３３との間へと給電される。

【0033】

上記の構成を備える給電部２によると、地導体板２３１と平行平板２３３との間に形成される平行平板線路に平面波が生成される。給電部２によって生成される平面波の例として、地導体板２３１と平行平板２３３との間における電界分布の例を図４に示す（尚、図４は、５個のプローブ２３５に対応する範囲を示している）。

【0034】

また、給電部２におけるＳパラメータＳ１１（即ち、リターンロス）を図５に示す。図５から、幅広い周波数帯域にわたってリターンロスが良好なレベルに維持されて良好な反射特性を備え得ることが確認される。

【0035】

（アンテナ部）
アンテナ部３は、主な構成としてフィードアレイ３１を有する。ここでの説明では、フィードアレイ３１の構造に対して、相互に直交するｘ軸，ｙ軸，およびｚ軸によって規定される３次元直交座標系のｘ軸方向，ｙ軸方向，およびｚ軸方向を図６などに示すように対応させる。

【0036】

フィードアレイ３１は、板状の基部３１１と、複数の放射スタブ３１２と、内部を埋める（言い換えると、内部に充填される）誘電体３１３とを含む（図６参照）。

【0037】

複数の放射スタブ３１２は、各々、基部３１１の一方の板面（図において、ｘ軸の矢印の向きの側の面）から列状に連なって突出する凸部として形成される。複数の放射スタブ３１２は、給電部２から出力されてフィードアレイ３１（具体的には、基部３１１）へと入射される平面波／電磁波（ＲＦ信号）が伝搬する方向（図において、ｚ軸方向）において等しい間隔Ｄで相互に離間して、ｚ軸方向と直交する方向（図において、ｙ軸方向）に自身の長手方向が沿って相互に平行に配設される。

【0038】

ｚ軸方向において連続して設けられる放射スタブ３１２同士のｚ軸方向における相互の間隔Ｄは（図６参照）、電磁波（ＲＦ信号）の自由空間波長をλとすると、λ／２≦Ｄ＜λを満たすように調節される。なお、プローブ２３５同士のｙ軸方向における相互の間隔ｄと放射スタブ３１２同士のｚ軸方向における相互の間隔Ｄとは、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

【0039】

フィードアレイ３１は、基部３１１の他方の板面（図において、ｘ軸の矢印の向きの側と反対側の面）を構成する、導電性を備える裏面プレート３１４と、裏面プレート３１４と離間して配置されて放射スタブ３１２を構成するようにｙ軸方向に沿って屈曲している、導電性を備える表面プレート３１５（尚、複数の部材から成る）とを備え、これら裏面プレート３１４と表面プレート３１５との間（尚、放射スタブ３１２それぞれの内部を含む）を誘電体３１３が埋めるようにして形成される。

【0040】

なお、各放射スタブ３１２の側面（図において、ｘｙ面に沿う面）は、屈曲して形成される、導電性を備える表面プレート３１５によって覆われる。一方、突出構造を備える各放射スタブ３１２の凸構造の先端面（図において、ｘ軸の矢印の向きの側の面）は、導電性の遮蔽をもたず、放射スタブ３１２の先端面を通る電磁エネルギの伝搬を可能とし、アンテナ放射パターンが規定される。

【0041】

フィードアレイ３１（具体的には、基部３１１）には給電部２によって生成される平面波／電磁波（ＲＦ信号）が入射され、前記平面波／電磁波（ＲＦ信号）が、当該平面波／電磁波（ＲＦ信号）が伝搬する方向であるｚ軸方向変位電流を励起する。そして、前記ｚ軸方向変位電流が、基部３１１において放射スタブ３１２に向かってｘ軸方向に進行して自由空間へと放射される等価な電磁波を励起する。そして、フィードアレイ３１の放射スタブ３１２を通って、ＲＦ信号が平面波の形態で放射される。

【0042】

上記の構成を備えるフィードアレイ３１は連続トランスバーススタブ（ＣＴＳ：Ｃontinuous Ｔransvers Ｓtub の略）アンテナとも呼ばれる構造の一部に相当し、フィードアレイ３１の機能については例えば「Ｔｈｅ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ （ＣＴＳ） Ａｒｒａｙ： Ｂａｓｉｃ Ｔｈｅｏｒｙ， Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ， ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」（Ｍｉｌｒｏｙ，Ｗ．Ｗ． 「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｈｅｌｄ ｏｎ ２５－２７ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９１． Ｖｏｌｕｍｅ １」 ＡＤ－Ａ２５３ ６８２，ｐ２５３－２８３）並びに特表２００６－５２２５６１号公報，米国特許第６,２８１,８３８号明細書，米国特許第５,７５７,３７９号明細書，米国特許５,４８３,２４８号明細書，米国特許第５,３７９,００７号明細書，および米国特許第５,２６６,９６１号明細書に説明されている。

【0043】

（回動部）
回動部４は、給電部２およびアンテナ部３を回転駆動させる。回動部４は、具体的には例えばロータリージョイントやモータを含む仕組みとして構成され、フィードアレイ３１を（図６に示す座標系における）ｙｚ平面に沿って回転駆動させる。

【0044】

回動部４のモータの駆動は制御部５によって制御され、すなわち、フィードアレイ３１の回転の程度は制御部５によって制御される。

【0045】

（ビーム走査）
フェーズドアレイアンテナ１１は、方位角（ＡＺ：Ａzimuth）方向のビーム走査を行うとともに、高度角（ＥＬ：Ｅlevation）方向のビーム走査を行う。なお、方位角（ＡＺ）は、北方向または南方向を０°とし、時計回りを正として定めた角度である。また、高度角（ＥＬ）は、地平線を０°とし、天頂方向へと向かって定めた角度である。

【0046】

フェーズドアレイアンテナ１１は、回動部４によってフィードアレイ３１を回転させることにより、機械的に、方位角（ＡＺ）方向のビーム走査を行う。

【0047】

フェーズドアレイアンテナ１１は、また、給電部２の各移相器２２によって電磁波（ＲＦ信号）の位相を制御することにより、電子的に、高度角（ＥＬ）方向のビーム走査を行う。

【0048】

具体的には、給電部２の各移相器２２が制御されることにより、給電部２の地導体板２３１と平行平板２３３との間に形成される平行平板線路を伝搬する電磁波の波面に傾斜が与えられ、給電部２から出力されてアンテナ部３のフィードアレイ３１（具体的には、基部３１１）へと入射される電磁波の波面に傾斜が与えられて、高度角（ＥＬ）方向のビーム走査が行われる。

【0049】

すなわち、フィードアレイ３１へと伝搬する導波モードの傾斜入射を用いて、放射スタブ３１２へと入ってくる電磁波の位相面を放射スタブ３１２の長手方向（図６に示す座標系において、ｙ軸方向）において変化させることにより、横断方向（同、ｙ軸方向）のＨ平面においてビーム走査が行われる。

【0050】

給電部２における電界分布の例を図７に示す。同図（Ａ）は、複数のプローブ２３５による同位相励振の場合の電界分布である。電力分配器２１によって各移相器２２へと（延いては、各プローブ２３５へと）分配されるＲＦ信号の位相が、隣り合う移相器２２についての位相のシフト量の差Δφが０（ゼロ）であるように各移相器２２によって制御されて、位相制御後のＲＦ信号が各プローブ２３５へと供給されることにより、同図（Ａ）に示すような電界分布が実現される。

【0051】

同図（Ｂ）は、複数のプローブ２３５による位相差励振の場合の電界分布である。電力分配器２１によって各移相器２２へと（延いては、各プローブ２３５へと）分配されるＲＦ信号の位相が、隣り合う移相器２２についての位相のシフト量の差Δφが或る値（但し、０ではない）で一定であるように各移相器２２によって制御されて、位相制御後のＲＦ信号が各プローブ２３５へと供給されることにより、同図（Ｂ）に示すような電界分布が実現される。

【0052】

ここで、この発明では、フィードアレイ３１へと伝搬する導波モードの傾斜入射を用いて、放射スタブ３１２へと入ってくる電磁波の位相面を放射スタブ３１２の長手方向において変化させることにより、放射スタブ３１２を、当該放射スタブ３１２の長手方向に沿って複数の素子アンテナが相互の間隔ｄで１列に連なって並んでいる機序として機能させる（但し、ｄ：プローブ２３５同士の相互の間隔）。放射スタブ３１２を構成していると看做される（想定上の）素子アンテナのことを「仮想素子アンテナ３１２ａ」と呼ぶ。

【0053】

図８（Ａ）に、放射スタブ３１２が同位相で励振される場合の、すなわち、放射スタブ３１２を構成していると看做される複数の仮想素子アンテナ３１２ａのそれぞれが同位相で励振される場合の、複数の仮想素子アンテナ３１２ａの配列と指向性との関係を示す。この場合は、隣り合う仮想素子アンテナ３１２ａが同位相で励振される場合、言い換えると、隣り合う移相器２２についての位相のシフト量の差Δφが０（ゼロ）であるように各移相器２２が制御されて励振される場合と捉え得る。

【0054】

放射スタブ３１２が同位相で励振される場合は、複数の仮想素子アンテナ３１２ａの配列（図において、ｙ軸方向）と平行に電磁波の波面が形成され、複数の仮想素子アンテナ３１２ａの配列と直交する方向（図において、ｘ軸方向）にメインローブが形成される。

【0055】

図８（Ｂ）に、放射スタブ３１２が位相差を付けて励振される場合の、すなわち、放射スタブ３１２を構成していると看做される複数の仮想素子アンテナ３１２ａのそれぞれが位相差を付けて励振される場合の、複数の仮想素子アンテナ３１２ａの配列と指向性との関係を示す。この場合は、隣り合う仮想素子アンテナ３１２ａごとにΔφ（≠０）の位相差を付けて励振される場合、言い換えると、隣り合う移相器２２についての位相のシフト量の差Δφが或る値（但し、０ではない）で一定であるように各移相器２２が制御されて励振される場合と捉え得る。

【0056】

放射スタブ３１２が位相差を付けて励振される場合は、複数の仮想素子アンテナ３１２ａの配列（図において、ｙ軸方向）に対して電磁波の波面が傾斜し、その結果としてメインローブの方向が複数の仮想素子アンテナ３１２ａの配列と直交する方向（図において、ｘ軸方向）に対してΔθだけ回転する。なお、Δθ＝ｄ・ｓｉｎ(Δφ) である（但し、ｄ：プローブ２３５同士の相互の間隔）。

【0057】

上記したような、放射スタブ３１２を構成していると看做される複数の仮想素子アンテナ３１２ａの配列と指向性との関係を実現する位相シフト制御を給電部２の各移相器２２へと適用することにより、（図６に示す座標系における）ｘｙ面内の指向性をスキャンすることができる。

【0058】

フィードアレイ３１の指向性の例を図９に示す。給電部２の各移相器２２によって電磁波（ＲＦ信号）の位相を制御することによって放射スタブ３１２を励振する位相を制御することにより、図９に示すように、フィードアレイ３１の指向を制御することができ、延いては電子的に高度角（ＥＬ）方向のビーム走査を行うことが可能である。

【0059】

実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ１１によれば、給電部２の平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させることにより給電部２から出力されてアンテナ部３の基部３１１へと入射される電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行うようにしているので、ビーム走査の走査速度を向上させることが可能となる。

【0060】

実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ１１によれば、また、給電部２の平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させることにより給電部２から出力されてアンテナ部３の基部３１１へと入射される電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行うようにしているので、高い開口効率を実現することが可能となるとともに、低姿勢なアンテナを実現することが可能となる。

【0061】

また、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ１１によれば、給電部２が複数のプローブ２３５を介して給電するようにしているので、幅広い周波数帯域にわたって、なお且つ、短い伝送線路（具体的には、１λ程度（但し、λ：自由空間波長））で、平面波を発生させることが可能となり、延いては伝送損失の増大を回避することが可能となるとともにアンテナの給電部をコンパクトに構成することが可能となる。

【0062】

また、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ１１によれば、給電部２が、電力分配器２１の頂点部２１１から各プローブ２３５へと向けてマイクロストリップラインのパターニングにより配線を分岐させることによって形成される電力分配器２１としての分配回路を用いて、各プローブ２３５へと電磁波（ＲＦ信号，無線通信波）を供給するようにしているので、移相器２２（具体的には、デジタル移相器）の組み込みを、回路構成を複雑にすることなく、簡易に行うことが可能となる。

【0063】

＜実施の形態２＞
図１０は、この発明の実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ１２の概略構成を示す回路構成図である。実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ１２は、給電部２と、アンテナ部３と、制御部５と、を有する。

【0064】

この実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナ１２は、給電部２が、地導体板２３１と、地導体板２３１との間で平行平板線路を形成する平行平板２３３と、を有し、アンテナ部３が、板状の基部３１１と、基部３１１の一方の板面から列状に連なって突出する凸部として形成されて給電部２から出力されて基部３１１へと入射される電磁波が伝搬する方向において等間隔で相互に離間しつつ前記電磁波が伝搬する前記方向と直交する方向に沿って相互に平行に配設される複数の放射スタブ３１２、複数の放射スタブ３１２の各々の先端部分に放射スタブ３１２の長手方向に沿って配設されるＶＶＤ移相器３２と、を備えるフィードアレイ３１を有し、複数の放射スタブ３１２の各々のＶＶＤ移相器３２それぞれへと印加される電圧を変化させて複数の放射スタブ３１２の各々のＶＶＤ移相器３２の比誘電率を変化させることにより複数の放射スタブ３１２の各々を通過する電磁波の波面を傾斜させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、給電部２の平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させることにより給電部２から出力されてアンテナ部３の基部３１１へと入射される電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行う、ようにしている。

【0065】

この実施の形態は回動部４を有しない一方でＶＶＤ移相器３２および移相器用電源３６を有する点において上記の実施の形態１と構成が異なるものの、その他の構成は上記の実施の形態１と同等であるので、実施の形態１と同等の構成については同一符号を付することでその説明を省略する。

【0066】

ＶＶＤ（Ｖoltage Ｖariable Ｄielectric の略）移相器３２は、具体的には印加する電圧で比誘電率を可変的に制御することができる誘電体によって構成され、フィードアレイ３１の放射スタブ３１２に向かってｘ軸方向に進行して自由空間へと放射される電磁波の位相を制御する。

【0067】

ＶＶＤ移相器３２は、図１１に示すように、フィードアレイ３１の、突出構造を備える各放射スタブ３１２の凸構造の先端部分（図において、ｘ軸の矢印の向きの側の端部）に放射スタブ３１２の長手方向（図において、ｙ軸方向）に沿って配設される。

【0068】

図１１に示す例では、図におけるｘ軸方向において離間するとともに絶縁部３３を介在させて（別言すると、挟んで）対向する一対のＶＶＤ移相器３２，３２が配設される。

【0069】

ＶＶＤ移相器３２が単層構造の場合と多層構造（具体的には、図１１に示すように一対）の場合とでの、フィードアレイ３１におけるＳパラメータＳ１１（即ち、リターンロス）の比較を図１２に示す。図１２から、ＶＶＤ移相器３２を多層構造とすることにより、幅広い周波数帯域にわたってリターンロスが良好なレベルに維持されて良好な反射特性を備えるアンテナが実現され得ることが確認される。

【0070】

ただし、ＶＶＤ移相器３２が多層構造に配設されることはこの発明において必須の構成ではなく、ＶＶＤ移相器３２が単層構造で配設されるようにしてもよい。なお、ＶＶＤ移相器３２が単層構造の場合には、具体的には、図１１においてｘ軸の矢印の向きの側のＶＶＤ移相器３２のみが配設される。

【0071】

一対のＶＶＤ移相器３２，３２およびこれらの間に配設される絶縁部３３と、突出構造を備える各放射スタブ３１２の凸構造を形成する表面プレート３１５と、の間に介在するように、ｘｙ面に沿って、一対のＶＶＤ移相器３２，３２および絶縁部３３の側に電極３４が配設されるとともに、表面プレート３１５の側に絶縁シート３５が配設される。

【0072】

移相器用電源３６は、フィードアレイ３１の電極３４に対して電力を供給する。これにより、ＶＶＤ移相器３２は、電力の供給を受け、当該ＶＶＤ移相器３２に印加される電圧が制御されて動作する。なお、移相器２２（具体的には、デジタル移相器）の電源（例えば、１２～２４Ｖ程度の低圧電源；図示していない）とＶＶＤ移相器３２の移相器用電源３６（例えば、数百～数千Ｖ程度の高圧電源）とは別系統の電源として構成される。また、裏面プレート３１４は、移相器２２の電源（低圧電源）および移相器用電源３６（高圧電源）の共通グランドとして機能する。

【0073】

移相器用電源３６は、複数の放射スタブ３１２のそれぞれに対応させて設けられる。

【0074】

（ビーム走査）
フェーズドアレイアンテナ１２は、方位角（ＡＺ）方向のビーム走査を行うとともに、高度角（ＥＬ）方向のビーム走査を行う。

【0075】

フェーズドアレイアンテナ１２は、給電部２の各移相器２２によって電磁波（ＲＦ信号）の位相を制御することにより、電子的に、高度角（ＥＬ）方向のビーム走査を行う。高度角（ＥＬ）方向の電子的なビーム走査は、上記の実施の形態１と同様である。

【0076】

フェーズドアレイアンテナ１２は、また、給電部２の各移相器２２とアンテナ部３の各ＶＶＤ移相器３２との組み合わせによって電磁波（ＲＦ信号）の位相を制御することにより、電子的に、方位角（ＡＺ）方向のビーム走査を行う。

【0077】

フェーズドアレイアンテナ１２は、上記の実施の形態１に関連して図７および図８も用いて説明した複数の仮想素子アンテナ３１２ａの配列と指向性との関係を、複数の放射スタブ３１２の配列へと適用することにより、（図６に示す座標系における）ｘｚ面内の指向性をスキャンする。

【0078】

具体的には、アンテナ部３のフィードアレイ３１の各放射スタブ３１２に配設されるＶＶＤ移相器３２が制御されることにより、放射スタブ３１２を通過する電磁波の波面に傾斜が与えられて、方位角（ＡＺ）方向のビーム走査が行われる。

【0079】

すなわち、各放射スタブ３１２のＶＶＤ移相器３２に印加される電圧の制御による各ＶＶＤ移相器３２の比誘電率εr（延いては、各放射スタブ３１２における比誘電率εr）の制御により、放射スタブ３１２から放射される電磁波の位相面を複数の放射スタブ３１２の並びの方向（図６に示す座標系において、ｚ軸方向）において変化させることにより、縦断方向（同、ｚ軸方向）においてビーム走査が行われる。

【0080】

図１３（Ａ）に、複数の放射スタブ３１２が同位相で励振される場合の、言い換えると、複数のＶＶＤ移相器３２のそれぞれへと同じ電圧が印加される場合の、すなわち、各放射スタブ３１２のＶＶＤ移相器３２の比誘電率がεr₀で同じ場合の、複数の放射スタブ３１２の配列と指向性との関係を示す。この場合は、隣り合う放射スタブ３１２が同位相で励振される場合、言い換えると、隣り合う放射スタブ３１２についての位相のシフト量の差Δφが０（ゼロ）であるように各ＶＶＤ移相器３２が制御されて励振される場合と捉え得る。

【0081】

複数のＶＶＤ移相器３２のそれぞれへと同じ電圧が印加される場合は、複数の放射スタブ３１２の配列（図において、ｚ軸方向）と平行に電磁波の波面が形成され、複数の放射スタブ３１２の配列と直交する方向（図において、ｘ軸方向）にメインローブが形成される。

【0082】

図１３（Ｂ）に、複数の放射スタブ３１２が位相差を付けて励振される場合の、言い換えると、複数のＶＶＤ移相器３２のそれぞれへと差を付けた電圧が印加される場合の、すなわち、各放射スタブ３１２のＶＶＤ移相器３２の比誘電率がεr₀，εr₁，εr₂，・・・で異なる場合の、複数の放射スタブ３１２の配列と指向性との関係を示す。この場合は、隣り合う放射スタブ３１２ごとにΔφ（≠０）の位相差を付けて励振される場合、言い換えると、隣り合うＶＶＤ移相器３２についての位相のシフト量の差Δφが或る値（但し、０ではない）で一定であるように各ＶＶＤ移相器３２が制御されて励振される場合と捉え得る。

【0083】

ここで、比誘電率εrの誘電体を使用した一般的な伝送線路の等価回路モデルを図１４に示す。この伝送線路の通過位相φは、下記の数式１のようになる。したがって、伝送線路の媒質として電圧可変型の誘電体が用いられることで、移相器として動作する。
（数１） φ ＝ ２πＬ√(εr)／λ₀
ここに、φ ：伝送線路の通過位相
Ｌ ：誘電体の厚み
εr：比誘電率
λ₀：自由空間中の波長

【0084】

なお、電圧可変型の誘電体の材料としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）などの強誘電体が用いられ、バルクセラミックや半導体基板上に生成した薄膜として製作される。電圧可変型の誘電体の特性としての、印加される電圧と実効誘電率との間の関係の例を図１５に示す。

【0085】

上記の数式１に従って、隣り合う放射スタブ３１２ごとにΔφ（≠０）の位相差が生じる各放射スタブ３１２のＶＶＤ移相器３２の比誘電率εr₀，εr₁，εr₂，・・・が実現されるように（図１３（Ｂ）参照）、隣り合う放射スタブ３１２ごとにΔＥ（≠０）の差を付けた電圧が各ＶＶＤ移相器３２に印加される。

【0086】

Δφ（≠０）の位相差が生じる比誘電率εr₀，εr₁，εr₂，・・・になるように調節された電圧の差ΔＥが用いられて、複数のＶＶＤ移相器３２のそれぞれへと前記差ΔＥを付けた電圧が印加される場合は、複数の放射スタブ３１２の配列（図において、ｚ軸方向）に対して電磁波の波面が傾斜し、その結果としてメインローブの方向が複数の放射スタブ３１２の配列と直交する方向（図において、ｘ軸方向）に対してΔθだけ回転する。なお、Δθ＝Ｄ・ｓｉｎ(Δφ) である（但し、Ｄ：放射スタブ３１２同士の相互の間隔）。

【0087】

なお、放射スタブ３１２を構成していると看做される複数の仮想素子アンテナ３１２ａのそれぞれが位相差を付けて励振される場合の、隣り合う移相器２２についての位相のシフト量の差Δφと、複数のＶＶＤ移相器３２のそれぞれへと差を付けた電圧が印加される場合の、隣り合う放射スタブ３１２のＶＶＤ移相器３２についての位相のシフト量の差Δφとは、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

【0088】

実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ１２によれば、複数の放射スタブ３１２の各々のＶＶＤ移相器３２それぞれへと印加される電圧を変化させて複数の放射スタブ３１２の各々のＶＶＤ移相器３２の比誘電率を変化させることにより複数の放射スタブ３１２の各々を通過する電磁波の波面を傾斜させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、給電部２の平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させることにより給電部２から出力されてアンテナ部３の基部３１１へと入射される電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行うようにしているので、ビーム走査の走査速度を向上させることが可能となる。

【0089】

実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ１２によれば、また、複数の放射スタブ３１２の各々のＶＶＤ移相器３２それぞれへと印加される電圧を変化させて複数の放射スタブ３１２の各々のＶＶＤ移相器３２の比誘電率を変化させることにより複数の放射スタブ３１２の各々を通過する電磁波の波面を傾斜させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、給電部２の平行平板線路を伝搬する電磁波の波面を傾斜させることにより給電部２から出力されてアンテナ部３の基部３１１へと入射される電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行うようにしているので、高い開口効率を実現することが可能となるとともに、低姿勢なアンテナを実現することが可能となる。

【0090】

実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ１２によれば、また、突出構造を備える各放射スタブ３１２の凸構造の先端部分にＶＶＤ移相器３２が配設されるようにしているので、給電線路の損失を低減させることが可能となる。

【0091】

実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ１２によれば、また、各放射スタブ３１２に対して多層構造のＶＶＤ移相器３２が配設されるようにしているので、幅広い周波数帯域にわたってリターンロスが良好なレベルに維持されて良好な反射特性を備えるアンテナを実現することが可能となる。

【0092】

また、実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ１２によれば、給電部２が複数のプローブ２３５を介して給電するようにしているので、幅広い周波数帯域にわたって、なお且つ、短い伝送線路（具体的には、１λ程度（但し、λ：自由空間波長））で、平面波を発生させることが可能となり、延いては伝送損失の増大を回避することが可能となるとともにアンテナの給電部をコンパクトに構成することが可能となる。

【0093】

また、実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナ１２によれば、給電部２が、電力分配器２１の頂点部２１１から各プローブ２３５へと向けてマイクロストリップラインのパターニングにより配線を分岐させることによって形成される電力分配器２１としての分配回路を用いて、各プローブ２３５へと電磁波（ＲＦ信号，無線通信波）を供給するようにしているので、移相器２２（具体的には、デジタル移相器）の組み込みを、回路構成を複雑にすることなく、簡易に行うことが可能となる。

【0094】

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。

【0095】

具体的には、上記の実施の形態では給電部２によって生成される平面波がアンテナ部３のフィードアレイ３１（具体的には、基部３１１）へと入射されるようにしているが、フィードアレイ３１へと入射される平面波を生成する機構は上記の実施の形態における給電部２に限定されるものではなく、他の平面波発生機構によって生成される平面波がフィードアレイ３１へと入射されるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0096】

１１ フェーズドアレイアンテナ（実施の形態１）
１２ フェーズドアレイアンテナ（実施の形態２）
２ 給電部
２１ 電力分配器
２１１ 頂点部
２２ 移相器
２３ 平面波発生部
２３１ 地導体板
２３２ 誘電体基板
２３３ 平行平板
２３４ 給電用誘電体基板
２３５ プローブ
３ アンテナ部
３１ フィードアレイ
３１１ 基部
３１２ 放射スタブ
３１２ａ 仮想素子アンテナ
３１３ 誘電体
３１４ 裏面プレート
３１５ 表面プレート
３２ ＶＶＤ移相器
３３ 絶縁部
３４ 電極
３５ 絶縁シート
３６ 移相器用電源
４ 回動部
５ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】