JP2014036325A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のビームを同時に形成し、かつ、１本のビームに対するアンテナ開口の実効面積が全てのアンテナ素子でビームを形成したときとほぼ同じにできるアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】データ送受信部１により送信されたデータを電波として放射する、又は電波として受信したデータをデータ送受信部１に供給するものであって、開口面に複数のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎが縦横に配列されて構成されるアンテナ部２と、アンテナ部２により送信又は受信される電波の方向を制御するビームフォーミング制御部３とを備える。ビームフォーミング制御部３は、開口面の実効面積を維持しつつ、複数のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎを複数のアンテナ素子グループに分け、アンテナ素子グループごとに、それぞれ特定の方向にビームを形成できるように移相量を決定し、決定した移相量に基づいて可変移相器２２を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フェーズドアレーアンテナを備えたアンテナ装置に関する。

複数の方向にアンテナのビームを形成できるアンテナとしてマルチビームアンテナがあり、その実現法の１つにフェーズドアレーアンテナがある。フェーズドアレーアンテナは、多数のアンテナ素子を組み合わせて１つのアンテナとして動作させることで、アンテナのビームを任意の方向に形成できる特徴をもつ可変指向性アンテナである。

フェーズドアレーアンテナを備えるアンテナ装置１００の構成例を図１６に示す。アンテナ装置１００は、フェーズドアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子１０１と、各アンテナ素子に接続される複数の振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎと、各振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎに接続される複数の可変移相器δ_１〜δ_Ｎと、データの分配又は合成を行う分配・合成部１０２と、データ送受信部１０３と、ビームフォーミング制御部１０４を備える。なお、振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎは、必須の要素ではない。

ビームフォーミング制御部１０４は、入力されたビームの方向（角度θ）に基づいて、振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎの振幅又は可変移相器δ_１〜δ_Ｎの移相量を制御する。アンテナ素子１０１は、任意の方向（角度θ）にビームを形成する。

ここで、リニアアレーアンテナ２０１を一例として、振幅Ａ_ｎ、移相量δ_ｎの値の決め方を説明する（図１７を参照）。
ある角度θに波面を形成するためには、ｎ番目のアンテナ素子から放射する信号Ｅ_ｎ（ｔ）は、（１）式のように与えられる。ここでは、基準点での信号をＥ_０（ｔ）と表し、各アンテナ素子は、等方性アンテナであると仮定する。

ただし、ｎ＝１、２、・・・Ｎである。

また、τ_ｎは、ｎ番目のアンテナ素子における波面までの伝搬時間であり、光速ｃと、基準点とｎ番目のアンテナ素子の距離ｄ_ｎより、波面からアンテナ素子までの伝搬時間は、（２）式で表すことができる。

このとき、搬送周波数をｆとしたときのアンテナ素子の電圧は、（３）式のように表すことができる。

ここで、λ＝ｃ／ｆは、搬送波の波長を表す。各アンテナ素子の信号は、振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎ及び可変移相器δ_１〜δ_Ｎで調整されるため、リニアアレーアンテナ２０１の出力Ｅ_ｎ（ｔ）は、（４）式のように表すことができる。

また、ある角度θ_ｄにメインローブを形成したい場合には、移相量δ_ｎを（５）式のようにすればよい。

特開２００３−２０７５５９号公報 特開２０１０−１９６１１号公報

このように、フェーズドアレーアンテナは、自由な方向にビームを形成できる特徴を持つ。そのため、同時に複数のビームを形成できるマルチビームアンテナの技術を利用して、目標物体の探索と追尾を同時に行うレーダ装置等への応用が図られている。

また、複数の任意の方向へ同時にビームの形成ができることから、１つのアンテナで複数の端末へデータを同時伝送することによる周波数利用効率の向上等の効果が期待できる技術である。

ここで、同時に複数のビームを形成するマルチビームアンテナの実現方法として、複数のアンテナを同時利用する方法や開口面のアンテナ素子を複数系統に分割する方法がある。

複数アンテナを同時利用する方法では、１つのアンテナに１本のビームを割り当てて同時に異なる方向へビーム形成することでマルチビームを実現するが、同時形成するビームの数だけアンテナを並列に設置するため、設置スペース等に問題がある。

アンテナ素子を複数系統に分割する方法とは、多数のアンテナ素子で構成されるフェーズドアレーアンテナの特徴を利用してビーム単位でグループ化する方法である（特許文献１，２）。

例えば、開口面アンテナ３０１により２本のビームｂ１、ｂ２を同時形成したい場合は、図１８に示すように、アンテナの開口面Ａｐを左右に２分割すればよい。左側のアンテナ素子は、ビームｂ１を形成するように振幅と移相の制御を行い、右側のアンテナ素子は、ビームｂ２を形成するように振幅と移相を制御する。この方法では、アンテナの開口面を共有してマルチビームを形成するため、設置するアンテナは１つで済む。

特許文献１では、アンテナ素子を左右に分割してマルチビームを形成する方法が例示されており、アンテナ素子のグループ化の方法は左右に分割する方法に限定しないとしているが、具体的な配置方法については記載されていない。なお、開口面の実効面積が狭くなると、開口面全体を使って形成したビームに比べて、ビーム幅が広くなってしまう。

特許文献２では、１本のビームを形成するアンテナ素子を間引いて配置し、さらに開口面の空いているスペースに他方のビームを形成するアンテナ素子を配置して、それぞれのグループで独立に振幅及び移相を制御することでマルチビームを実現することが記載されている。

ところで、アンテナ素子を間引くにはいくつかの方法がある。アンテナ素子を間引く本来の目的は、アンテナの性能低下を抑えつつ可変移相器の数を減らすことで低コスト化を図ることである。すなわち、引用文献２に係るアンテナ素子を間引く方法は、フェーズドアレーアンテナをマルチビームで使うための間引き方法として検討されているわけではない。そのため、１本のビームに関するアンテナ素子を間引いてできた残りの開口面の空いたスペースが、他のビームに関するアンテナ素子の割り当て位置として適したものになるとは限らない。

本発明は、アンテナ素子を複数系統に分割する方法によるフェーズドアレーアンテナにおいて、２以上のビームを同時に形成し、かつ、１本のビームに対するアンテナ開口の実効面積が全てのアンテナ素子でビームを形成したときとほぼ同じにできるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るアンテナ装置は、データを送信又は受信するデータ送受信部と、前記データ送受信部により送信されたデータを電波として放射する、又は電波として受信したデータを前記データ送受信部に供給するものであって、開口面に複数のアンテナ素子が縦横に配列されて構成されるアンテナ部と、前記アンテナ部により送信又は受信される電波の方向を制御するビームフォーミング制御部とを備え、前記アンテナ部は、前記アンテナ素子ごとに可変移相器が接続されており、前記ビームフォーミング制御部は、開口面の実効面積を維持しつつ、前記複数のアンテナ素子を２以上のアンテナ素子グループに分け、当該アンテナ素子グループごとに、それぞれ特定の方向に電波が放射されるように、又は特定の方向から到来する電波を受信するように移相量を決定し、決定した移相量に基づいて前記可変移相器を制御する構成である。

かかる構成によれば、アンテナ装置は、開口面の実効面積を維持しつつ、複数のアンテナ素子を２以上のアンテナ素子グループに分け、当該アンテナ素子グループごとに、それぞれ特定の方向に電波が放射されるように、又は特定の方向から到来する電波を受信するように移相量を決定し、決定した移相量に基づいて移相器を制御するので、２以上のビームを同時に形成し、かつ、１本のビームに対するアンテナ開口の実効面積が全てのアンテナ素子でビームを形成したときとほぼ同じにできる。

また、アンテナ装置では、前記ビームフォーミング制御部は、開口面の実効面積を維持しつつ、前記複数のアンテナ素子を規則的な手順により２以上のアンテナ素子グループに分ける構成でもよい。

かかる構成によれば、アンテナ装置は、開口面の実効面積を維持しつつ、規則的な手順により２以上のアンテナ素子グループを作れるので、製造上の実現性に優れるというメリットがある。

また、アンテナ装置では、前記ビームフォーミング制御部は、開口面の実効面積を維持しつつ、前記複数のアンテナ素子を、確率分布を利用して２以上のアンテナ素子グループに分ける構成でもよい。

かかる構成によれば、アンテナ装置は、開口面の実効面積を維持しつつ、確率分布を利用して２以上のアンテナ素子グループを作れるので、ビーム幅を維持しつつ、グレーティングローブの発生を回避した複数のピークを有するビームパターンを作り出すことができる。

また、アンテナ装置では、前記データ送受信部から送信されてきたデータを各アンテナ素子に分配し、又は各アンテナ素子で受信したデータを合成して前記データ送受信部に供給する分配・合成部を備える構成でもよい。

かかる構成によれば、アンテナ装置は、同時に同じデータを２以上のアンテナ素子グループに分配し、又はアンテナ素子グループで受信した同じデータを合成することができる。

また、アンテナ装置では、前記データ送受信部は、複数の異なるデータを送信又は受信し、前記分配・合成部は、前記データ送受信部から送信されてきた複数の異なるデータを前記アンテナ素子グループごとに分配し、又は前記アンテナ素子グループごとに受信した複数の異なるデータを合成して前記データ送受信部に供給する構成でもよい。

かかる構成によれば、アンテナ装置は、同時に複数の異なるデータを２以上のアンテナ素子グループに分配し、又はアンテナ素子グループで受信した複数の異なるデータをアンテナ素子グループごとに合成することができる。

本発明に係るアンテナ装置は、データを供給する給電ホーンアンテナ部と、前記給電ホーンアンテナ部により供給されたデータを受信して、受信したデータを再放射するものであって、開口面に複数のアンテナ素子が縦横に配列されて構成されるアンテナ部と、前記アンテナ部により送信又は受信される電波の方向を制御するビームフォーミング制御部とを備え、前記アンテナ部は、前記アンテナ素子ごとに可変移相器が接続されており、前記ビームフォーミング制御部は、開口面の実効面積を維持しつつ、前記複数のアンテナ素子を２以上のアンテナ素子グループに分け、当該アンテナ素子グループごとに、それぞれ特定の方向に電波が再放射されるように移相量を決定し、決定した移相量に基づいて前記可変移相器を制御する構成である。

かかる構成によれば、アンテナ装置は、例えば、電力を伝送する際に、電源部より供給される電力をマイクロ波帯等のＲＦ周波数に変換し、給電ホーンアンテナ部よりアンテナ部に給電して再放射させることで、目的の方向へ向けて電力の伝送ができる。

本発明によれば、アンテナ素子を複数系統に分割する方法によるフェーズドアレーアンテナにおいて、２以上のビームを同時に形成し、かつ、１本のビームに対するアンテナ開口の実効面積が全てのアンテナ素子でビームを形成したときとほぼ同じにできる。

アンテナ装置の第１の構成を示す図である。 アンテナ装置の第２の構成を示す図である。 アンテナ素子とビーム方向の関係についての説明に供する図である。 ２次元ビームの放射パターンを示す図である。 仰角方向０°における水平方向のビーム放射パターンを示す図である。 アンテナ素子を規則的に割り当てる方法についての説明に供する図である。 アンテナ素子の割り当てに確率分布を利用する方法についての説明に供する図である。 ３つの位相データＰ_−１０、Ｐ_１０、Ｐ_３０を一様分布で置換したときのビーム放射パターンを示す図である。 ３本のビームを同時に形成するためのアンテナ装置の構成についての説明に供する図である。 第１実施例に係るアンテナ装置の構成を示す図である。 アンテナ部と、ビームフォーミング制御部の具体的な構成を示す図である。 第２実施例に係るアンテナ装置の構成を示す図である。 アンテナ部と、ビームフォーミング制御部の具体的な構成を示す図である。 第３実施例に係るアンテナ装置の構成を示す図である。 アンテナ部と、ビームフォーミング制御部と、給電ホーンアンテナ部の具体的な構成を示す。 フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。 リニアアレーアンテナによるビームフォーミングの形成についての説明に供する図である。 開口面アンテナにおける開口面分割の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態の一例について図１を参照しながら説明する。
アンテナ装置１０は、図１に示すように、データ送受信部１と、アンテナ部２と、ビームフォーミング制御部３とを備える。
データ送受信部１は、データを送信又は受信する。
アンテナ部２は、データ送受信部１により送信されたデータを電波として放射する、又は電波として受信したデータをデータ送受信部１に供給するものであって、開口面に複数のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎが縦横に配列されて構成される。

ビームフォーミング制御部３は、アンテナ部２により送信又は受信される電波の方向を制御する。
アンテナ部２は、アンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎごとに移相器δ_１〜δ_Ｎが接続されている。

ビームフォーミング制御部３は、開口面の実効面積を維持しつつ、複数のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎを２以上のアンテナ素子グループに分け、当該アンテナ素子グループごとに、それぞれ特定の方向に電波が放射されるように、又は特定の方向から到来する電波を受信するように移相量を決定し、決定した移相量に基づいて移相器δ_１〜δ_Ｎを制御する。

このような構成によれば、アンテナ装置１０は、開口面の実効面積を維持しつつ、複数のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎを２以上のアンテナ素子グループに分け、当該アンテナ素子グループごとに、それぞれ特定の方向に電波が放射されるように、又は特定の方向から到来する電波を受信するように移相量を決定し、決定した移相量に基づいて移相器δ_１〜δ_Ｎを制御するので、２以上のビームを同時に形成し、かつ、１本のビームに対するアンテナ開口の実効面積が全てのアンテナ素子でビームを形成したときとほぼ同じにできる。

また、ビームフォーミング制御部３は、開口面の実効面積を維持しつつ、複数のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎを規則的な手順により２以上のアンテナ素子グループに分ける構成でもよい。

このような構成によれば、アンテナ装置１０は、開口面の実効面積を維持しつつ、規則的な手順により２以上のアンテナ素子グループを作れるので、製造上の実現性に優れるというメリットがある。

また、ビームフォーミング制御部３は、開口面の実効面積を維持しつつ、複数のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎを、確率分布を利用して２以上のアンテナ素子グループに分ける構成でもよい。

このような構成によれば、アンテナ装置１０は、開口面の実効面積を維持しつつ、確率分布を利用して２以上のアンテナ素子グループを作れるので、ビーム幅を維持しつつ、グレーティングローブの発生を回避した複数のピークを有するビームパターンを作り出すことができる。

また、アンテナ装置１０は、データ送受信部１から送信されてきたデータを各アンテナ素子２１に分配し、又は各アンテナ素子２１で受信したデータを合成してデータ送受信部１に供給する分配・合成部４を備える構成でもよい。

このような構成によれば、アンテナ装置１０は、同時に同じデータを２以上のアンテナ素子グループに分配し、又はアンテナ素子グループで受信した同じデータを合成することができる。

また、データ送受信部１は、複数の異なるデータを送信又は受信する構成でもよい。分配・合成部４は、データ送受信部１から送信されてきた複数の異なるデータをアンテナ素子グループごとに分配し、又はアンテナ素子グループごとに受信した複数の異なるデータを合成してデータ送受信部１に供給する。

このような構成によれば、アンテナ装置１０は、同時に複数の異なるデータを２以上のアンテナ素子グループに分配し、又はアンテナ素子グループで受信した複数の異なるデータをアンテナ素子グループごとに合成することができる。

アンテナ装置１０は、図２に示すように、給電ホーンアンテナ部５と、アンテナ部２と、ビームフォーミング制御部３とを備える。
給電ホーンアンテナ部５は、データを供給する。

アンテナ部２は、給電ホーンアンテナ部５により供給されたデータを受信して、受信したデータを再放射するものであって、開口面に複数のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎが縦横に配列されて構成される。
ビームフォーミング制御部３は、アンテナ部２により送信又は受信される電波の方向を制御する。
アンテナ部２は、アンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎごとに移相器δ_１〜δ_Ｎが接続されている。

ビームフォーミング制御部３は、開口面の実効面積を維持しつつ、複数のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎを２以上のアンテナ素子グループに分け、当該アンテナ素子グループごとに、それぞれ特定の方向に電波が再放射されるように移相量を決定し、決定した移相量に基づいて移相器δ_１〜δ_Ｎを制御する。

このような構成によれば、アンテナ装置１０は、例えば、電力を伝送する際に、電源部より供給される電力をマイクロ波帯等のＲＦ周波数に変換し、給電ホーンアンテナ部５よりアンテナ部に給電して再放射させることで、目的の方向へ向けて電力の伝送ができる。

つぎに、複数のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎを２以上のアンテナ素子グループに分ける際に生じる課題とその解決について論じる。
本実施例のアンテナ部２は、いわゆるフェーズドアレーアンテナを構成している。フェーズドアレーアンテナは、開口面アンテナの一種である。よって、以下では、一般的な開口面アンテナのビーム放射パターンについて検討する。なお、各アンテナ素子と移相器の間には、振幅調整器が備えられているものとし、振幅調整器の調整量は、個々に変更できるが、本実施例では、全て同一であるものとする。

開口面アンテナの放射パターンは、開口面の振幅・位相分布とフーリエ変換の関係にあることが知られている（飯塚啓吾、光工学、共立出版）。フーリエ変換は、線形変換であることから、複数の異なる方向にビームを形成できるアンテナ開口面の振幅・位相分布を組み合わせることで、複数のビームを同時に形成できる。この原理がアンテナ素子をグループ化して開口面を共有することができる根拠となる。

ただし、アンテナ開口面を左右で半分ずつ分割してマルチビームを形成することを考えた場合、１本のビームに対する開口の実効面積が半減するために、ビーム幅が広がる等の弊害が生じる。

そのため、開口面を分割する、すなわち、マルチビームを形成するために利用するアンテナ素子の割り当てを決定するときに、全てのビームについて弊害を抑えられるように割り当て方法を工夫することが必要になる。

本実施例では、１本のビームあたりの開口面の実効面積をほとんど減らさずにマルチビーム化するために、以下の２つのアンテナ素子の割り当て方法（アンテナ素子グループの作成方法）を提案する。
１．アンテナ素子を規則的に割り当てる方法
２．アンテナ素子の割り当てに確率分布を利用する方法

なお、本実施例によるアンテナ素子の割り当て方法の有効性を検証するために、２０×２０のアンテナ素子を半波長間隔で配置したようなフェーズドアレーアンテナを考える（図３を参照）。

また、方向ｂ_１（−１０°、０°）と、方向ｂ_２（３０°、０°）にビームを形成することができるアンテナ素子の位相データＰ_−１０、Ｐ_３０について、本実施例に係る手順で同一開口面に割り当てたときの放射パターンについてシミュレーションを行った。図４（ａ）及び図５（ａ）は、方向ｂ_１（−１０°、０°）に対応し、図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、方向ｂ_２（３０°、０°）に対応する。

図４は、フェーズドアレーアンテナの２次元放射パターンを示している。なお、横軸は、ｘ方向の角度、縦軸は、ｙ方向の角度を表している。図５は、ｙ軸方向０°（仰角方向０°）に関するｘ軸でのカットパターンであり、ｘ方向の角度に対するビームの放射電力を最大値０ｄＢとして表示している。

図４及び図５から分かるように、全てのアンテナ素子にＰ_−１０の位相データを与えると、ｘ方向の−１０°にビームが形成され、Ｐ_３０の位相データを与えると、ｘ方向の３０°にビームが形成される。

本実施例の１つ目の割り当て方法である「アンテナ素子を規則的に割り当てる方法」では、図６（ａ）に示すように、Ｐ_−１０とＰ_３０の位相データを交互に規則的にアンテナ素子に割り当てる。

また、位相データを交互に規則的にアンテナ素子に割り当てた場合における、ビーム放射パターンを計算した結果を図６（ｂ）、（ｃ）に示す。図６（ｂ）は、２次元放射パターンを示し、図６（ｃ）は、仰角方向０°の放射パターンを示している。

この結果から、アンテナ素子の位相データを交互に配置することで１本のビームに対する開口面の実効面積が減らないために、ビーム幅が維持された２本のビームを同時に形成できることが分かる。

ところで、１本のビームを形成するためのアンテナ素子間隔が広がったことにより、方向ｂ（−３０°，９０°）等にグレーティングローブが発生してしまう。これは交互にアンテナ素子を割り当てたことにより、１本のビームを形成するためのアンテナ素子間隔が広がったことが原因であろうと思われる。

ところで、規則的に割り当てる方法は、グレーティングローブが発生するために、ビーム方向の範囲に制限を受けることになるが、アンテナ素子の割り当てが規則的であるために製造上の実現性に優れるというメリットがある。

つぎに、アンテナ素子の割り当てに確率分布を利用する方法について詳細を説明する。この方法では、アンテナ素子の割り当てを確率分布（例えば、一様分布）に従って決定する。

Ｎ個のビームを同時に形成したい場合は、個々のアンテナ素子に対してビーム番号［１、・・・、Ｎ］の集合から１つの値を確率的に選択して割り当てを行う。例えば、割り当ての確率分布を一様分布とした場合は、［１、・・・、Ｎ］の選択確率を等しくして、各アンテナ素子にビーム番号を割り当て、同じビーム番号のグループで１本のビームを形成する。

ここで、２本のビームを形成するために確率分布を一様分布としたときのアンテナ素子のビーム番号の割り当て例を、図７（ａ）に示す。
ビーム番号１のアンテナ素子には、前述の位相データＰ_−１０により移相器の移相量を制御し、ビーム番号２のアンテナ素子には、位相データＰ_３０により移相器の移相量を制御することで２本のビームを同時に形成することができる。

当該方法によりアンテナ素子を割り当てたときのビーム放射パターンをシミュレーションしたときの計算結果の一例を図７（ｂ）、（ｃ）に示す。図７（ｂ）は、２次元放射パターンを示し、図７（ｃ）は、仰角方向０°の放射パターンを示している。

図７のビーム放射パターンから方向ｂ（−１０°，０°）及び方向ｂ（３０°，０°）にビームが形成されていることが分かる。さらに、図６に示すようなグレーティングローブの発生が見られないことも分かる。

これは、アンテナ素子を規則的に割り当てる方法から、アンテナ素子を確率的に割り当てる方法に変更したことにより、グレーティングローブが発生した方向に集中していたエネルギーをいろいろな方向に拡散させたためである。

このようにして、アンテナ素子を確率的に割り当てる方法では、アンテナ素子の位相分布を確率的に割り当てるので、ビーム幅を維持しつつグレーティングローブの発生を回避した複数のピークを持つビームパターンを作り出すことができる。

つぎに、３つの位相データＰ_−１０、Ｐ_１０、Ｐ_３０を一様分布で配置したときのビーム放射パターンを図８に示す。図８（ａ）は、２次元ビーム放射パターンを示し、図８（ｂ）は、仰角方向０°の放射パターンを示している。

このように本発明に係るアンテナ素子の割り当て方法によれば、フェーズドアレーアンテナのビーム放射パターンにおいて同時に２本以上のビームを形成できる。さらに、１本のビームについて実効面積をほとんど減らないために、ビーム幅が広がる等の弊害を抑えることができる。

また、３本のビームを同時に形成することができるアンテナ装置１０の構成を図９に示す。
ビームフォーミング制御部３は、位相データ１〜３をアンテナ部２に入力する。位相データ１〜３は、前述したＰ_−１０、Ｐ_１０、Ｐ_３０に相当するものであり、移相器δ_１〜δ_Ｎの移相量に関するデータである。
アンテナ部２に入力された各位相データは、グループ化されたアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎに接続されている移相器δ_１〜δ_Ｎをそれぞれ制御する。

分配・合成部４は、グループ単位で配線を行う配線部４ａと、信号を分配し、又は合成する分配合成器４ｂを備えている。配線部４ａは、データ送受信部１で送受信される信号が共通のグループ番号を持つアンテナ素子に接続されるように配線を行う。

つまり、分配・合成部４を構成する分配器／合成器Ｄの数は、ビームを同時形成する数と同数となる。本実施例では、同時に形成するビームの数は３本なので、分配器／合成器Ｄ_１〜Ｄ_３の数は、３つである。

また、一般的にアンテナの可逆定理が成り立つことから、本発明に係るマルチビームアンテナは、送信アンテナと受信アンテナのいずれにも利用することが可能である。
本発明に係るアンテナ装置１０は、アンテナ開口面に配置されたアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎを同時形成するビーム数で分け合うため、全てのアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎを利用してビームを形成する場合と比べて、アンテナのサイドローブ特性が劣化する場合がある。

これは、アンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎと移相器δ_１〜δ_Ｎのペアを増やさずにビームを同時形成したことによって、１ビームあたりに利用できるアンテナ素子が少なくなったことが原因である。しかし、図８からも分かるように、指定した方向にビームを形成することは可能であり、所要のサイドローブ特性を満足する本数のビームを同時利用できる点においては有用である。

＜第１実施例＞
つぎに、各ビームに同じデータを割り当てて、複数の方向に放射、又は複数の方向から到来する同じデータが割り当てられている電波を受信する場合の実施例について説明する。

アンテナ装置１０は、図１０及び図１１に示すように、データ送受信部１と、アンテナ部２と、ビームフォーミング制御部３と、分配・合成部４により構成されており、同時に複数の異なる方向に配置されている端末局に向けて電波を送信、又は各端末局から送信されてきた電波を受信する。また、アンテナ部２は、アンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎと、移相器δ_１〜δ_Ｎと、振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎとを備える。

アンテナ部２は、ビームフォーミング制御部３によって複数の方向に電波が送信されるように制御され、又は複数の方向から到来する電波を受信するように制御されることにより、マルチビームアンテナとして機能する。

アンテナ装置１０は、データ送受信部１と送受信するビームの対応を決定するために、送受信するビーム形成のために使用するアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎのグループ化を行う。アンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎのグループの振り分けは、上述した方法（アンテナ素子を規則的に割り当てる方法、又はアンテナ素子の割り当てに確率分布を利用する方法）により行われ、送受信するビームを形成するアンテナ素子グループを三つに分ける。

つまり、アンテナ装置１０は、アンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎをグループ化し、各グループに対応する振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎ及び移相器δ_１〜δ_Ｎをグループ単位で制御することにより、複数の異なる方向に送受信されるビーム（マルチビーム）を形成する。

アンテナ部２と、ビームフォーミング制御部３の具体的な構成について、図１１を用いて説明する。
ビームフォーミング制御部３は、ビーム方向指示部３ａと、アンテナ制御部３ｂと、アンテナ制御データ格納部３ｃとを備える。

ビーム方向指示部３ａは、アンテナ制御部３ｂに対して、ビームの方向φ（例えば、φ１、φ２、φ３）を指示する。
アンテナ制御部３ｂは、ビーム方向指示部３ａから入力されたビームの方向φに対応するアンテナ制御データをアンテナ制御データ格納部３ｃから抽出して、アンテナ部２の振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎと移相器δ_１〜δ_Ｎを制御する。

ここで、アンテナ制御データＰとは、アンテナ部２の振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎと移相器δ_１〜δ_Ｎの制御量に関するデータを指す。
アンテナ制御データ格納部３ｃには、形成されるビームの方向を制御するための全方向に関するアンテナ制御データが格納されている。

例えば、ビーム２を方向φ_Ｎに形成する場合、つまり、アンテナ制御部３ｂにビーム方向指示部３ａから方向φ_Ｎが入力された場合、アンテナ制御部３ｂは、アンテナ制御データ格納部３ｃからアンテナ制御データＰ_２Ｎを抽出して、グループ番号が２番に該当するアンテナ素子の振幅調整器と移相器を制御する。同様の動作を他のアンテナ制御部でも行うことで、ビーム１〜３を形成する。

また、本実施例では、各ビームに同じデータを割り当てるので、配線部は必要なくシンプルな構成になる。
このような構成によって、アンテナ装置１０は、データ送受信部１の各要素を独立に動作させることにより、各ビームに同じデータを割り当てて、複数の方向にビームを形成することができる。

＜第２実施例＞
つぎに、各ビームに異なるデータを割り当てて、複数の方向に放射、又は複数の方向から到来する異なるデータが割り当てられている電波を受信する場合の実施例について説明する。

アンテナ装置１０は、図１２及び図１３に示すように、データ送受信部１と、アンテナ部２と、ビームフォーミング制御部３と、分配・合成部４により構成されており、同時に複数の異なる方向に配置されている端末局に向けて電波を送信、又は各端末局から送信されてきた電波を受信する。また、アンテナ部２は、アンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎと、移相器δ_１〜δ_Ｎと、振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎとを備える。

アンテナ部２は、ビームフォーミング制御部３によって複数の方向にビームが形成されるように制御され、又は複数の方向から到来する電波を受信するように制御されることにより、マルチビームアンテナとして機能する。

データ送受信部１は、ビームを形成する数と同数の要素から構成されている。データ送受信部１は、送受信するビームと一対一の関係にあるものとする。具体的には、データ送受信部１ａは、ビーム１でデータの送受信を行い、データ送受信部１ｂは、ビーム２でデータの送受信を行い、データ送受信部１ｃは、ビーム３でデータの送受信を行う。

アンテナ装置１０は、データ送受信部１と送受信するビームの対応を決定するために、送受信するビーム形成のために使用するアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎのグループ化を行う。アンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎのグループの振り分けは、上述した方法（アンテナ素子を規則的に割り当てる方法、又はアンテナ素子の割り当てに確率分布を利用する方法）により行われ、送受信するビームを形成するアンテナ素子グループを三つに分ける。

つまり、アンテナ装置１０は、アンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎをグループ化し、各グループに対応する振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎ及び移相器δ_１〜δ_Ｎをグループ単位で制御することにより、複数の異なる方向に送受信されるビーム（マルチビーム）を形成する。

アンテナ部２と、ビームフォーミング制御部３の具体的な構成について、図１３を用いて説明する。
ビームフォーミング制御部３は、ビーム方向指示部３ａと、アンテナ制御部３ｂと、アンテナ制御データ格納部３ｃとを備える。

ビーム方向指示部３ａは、アンテナ制御部３ｂに対して、ビームの方向φ（例えば、φ１、φ２、φ３）を指示する。
アンテナ制御部３ｂは、ビーム方向指示部３ａから入力されたビームの方向φに対応するアンテナ制御データをアンテナ制御データ格納部３ｃから抽出して、アンテナ部２の振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎと移相器δ_１〜δ_Ｎを制御する。

ここで、アンテナ制御データＰとは、アンテナ部２の振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎと移相器δ_１〜δ_Ｎの制御量に関するデータを指す。
アンテナ制御データ格納部３ｃには、形成されるビームの方向を制御するための全方向に関するアンテナ制御データが格納されている。

例えば、ビーム２を方向φ_Ｎに形成する場合、つまり、アンテナ制御部３ｂにビーム方向指示部３ａから方向φ_Ｎが入力された場合、アンテナ制御部３ｂは、アンテナ制御データ格納部３ｃからアンテナ制御データＰ_２Ｎを抽出して、グループ番号が２番に該当するアンテナ素子の振幅調整器と移相器を制御する。同様の動作を他のアンテナ制御部でも行うことで、ビーム１〜３を形成する。

また、配線部４ａは、図１３に示すように、データ送受信部１とアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎの間の配線を行う。
具体的には、配線部４ａは、アンテナ素子グループの番号に対応したアンテナ素子にデータ送受信部１のデータをアンテナ部２に分配する分配・合成部４の各要素（例えば、分配器／合成器Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）が接続されるように配線を行う。

例えば、分配器／合成器Ｄ２で分配された信号線は、グループ番号が２番のアンテナ素子と接続される。このような構成によって、アンテナ装置１０は、データ送受信部１の各要素を独立に動作させることにより、各ビームに異なるデータを割り当てて、複数の方向にビームを形成することができる。

＜第３実施例＞
つぎに、ホーンアンテナ（給電ホーンアンテナ部５）を利用した空間給電を行う実施例について説明する。なお、本実施例は、第１実施例をベースに変形したものである。
このように空間給電にすることにより、比較的大きな電力の信号伝送が可能となるため、応用事例として、マイクロ波電力伝送システム等への応用が考えられる。

第３実施例に係るアンテナ装置１０の構成を図１４及び図１５に示す。
給電ホーンアンテナ部５は、給電ホーン５ａと、ＲＦ周波数変換部５ｂと、電源部５ｃを有している。

データ送受信部１とアンテナ部２のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎの間のデータの伝送は、第１実施例及び第２実施例では、配線を介して行われていた。
第３実施例では、アンテナ部２は、給電ホーンアンテナ部５から放射されてきた電波を反射する反射鏡アンテナとして動作するので、分配・合成部４が不要となる。

アンテナ部２と、ビームフォーミング制御部３と、給電ホーンアンテナ部５の具体的な構成について、図１５を用いて説明する。
アンテナ装置１０は、ビームフォーミング制御部３により、第１実施例及び第２実施例と同様の方法で、振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎ及び移相器δ_１〜δ_Ｎの制御を行い、アンテナ部２によりマルチビームを形成する。

アンテナ部２には、データ送信部が物理的に接続されていない。そこで、アンテナ部２は、給電ホーンアンテナ部５によって信号が供給され、その信号を端末局が存在する空間へ再放射することにより端末局へ信号の伝送を行う。

つまり、給電ホーンアンテナ部５からアンテナ部２のアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎに供給される信号は、振幅調整器Ａ_１〜Ａ_Ｎで振幅調整が行われ、移相器δ_１〜δ_Ｎで移相制御が行われた後、反射回路６で信号を反射させてアンテナ素子２１_ａ〜２１_Ｎから再放射される。

アンテナ装置１０は、電源部５ｃより供給される電力を、ＲＦ周波数変換部５ｂでマイクロ波帯等のＲＦ周波数に変換し、給電ホーン５ａよりアンテナ部２に給電し、アンテナ部２から空間に再放射させることで、目的とする端末局の方向へ向けて電力の伝送ができる。

また、本実施例の主な効果について以下に列挙する。
１．フェーズドアレーアンテナにおいて、アンテナ素子と同数の（可変）移相器を用いた構成で同時に２本以上のビームを形成できる。
２．各アンテナ素子の移相量を自由に与えられるため、ビーム制御の自由度が高い。
３．実質的な開口面の実効面積が変わらないので、ビームを複数本、同時に形成した場合でも、全てのアンテナ素子を使って１本のビームを形成した場合とほぼ同じビーム幅にできる。
４．様々なアレー形状のアンテナに対しても適用できる。
５．移相器にはアナログ移相器とディジタル移相器のどちらでも使用できる。
６．アンテナの開口面を共有して同時に複数のビームを形成するため、アンテナの設置スペースを節約できる。

なお、本実施例では、主にアンテナ装置の構成と動作について説明したが、これに限られず、各構成要素を備え、アンテナ素子を複数系統に分割する方法によるフェーズドアレーアンテナにおいて、２以上のビームを同時に形成し、かつ、１本のビームに対するアンテナ開口の実効面積が全てのアンテナ素子でビームを形成したときとほぼ同じにするための方法、及びプログラムとして構成されてもよい。

さらに、アンテナ装置の機能を実現するためのプログラムをコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。

ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータで読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータで読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時刻の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時刻プログラムを保持しているものも含んでもよい。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

１ データ送受信部
２ アンテナ部
３ ビームフォーミング制御部
４ 分配・合成部
５ 給電ホーンアンテナ部
１０ アンテナ装置

Claims (6)

1. データを送信又は受信するデータ送受信部と、
   前記データ送受信部により送信されたデータを電波として放射する、又は電波として受信したデータを前記データ送受信部に供給するものであって、開口面に複数のアンテナ素子が縦横に配列されて構成されるアンテナ部と、
   前記アンテナ部により送信又は受信される電波の方向を制御するビームフォーミング制御部とを備え、
   前記アンテナ部は、前記アンテナ素子ごとに移相器が接続されており、
   前記ビームフォーミング制御部は、開口面の実効面積を維持しつつ、前記複数のアンテナ素子を２以上のアンテナ素子グループに分け、当該アンテナ素子グループごとに、それぞれ特定の方向に電波が放射されるように、又は特定の方向から到来する電波を受信するように移相量を決定し、決定した移相量に基づいて前記移相器を制御するアンテナ装置。
2. 前記ビームフォーミング制御部は、開口面の実効面積を維持しつつ、前記複数のアンテナ素子を規則的な手順により２以上のアンテナ素子グループに分ける請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記ビームフォーミング制御部は、開口面の実効面積を維持しつつ、前記複数のアンテナ素子を、確率分布を利用して２以上のアンテナ素子グループに分ける請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記データ送受信部から送信されてきたデータを各アンテナ素子に分配し、又は各アンテナ素子で受信したデータを合成して前記データ送受信部に供給する分配・合成部を備える請求項１記載のアンテナ装置。
5. 前記データ送受信部は、複数の異なるデータを送信又は受信し、
   前記分配・合成部は、前記データ送受信部から送信されてきた複数の異なるデータを前記アンテナ素子グループごとに分配し、又は前記アンテナ素子グループごとに受信した複数の異なるデータを合成して前記データ送受信部に供給する請求項４記載のアンテナ装置。
6. データを供給する給電ホーンアンテナ部と、
   前記給電ホーンアンテナ部により供給されたデータを受信して、受信したデータを再放射するものであって、開口面に複数のアンテナ素子が縦横に配列されて構成されるアンテナ部と、
   前記アンテナ部により送信又は受信される電波の方向を制御するビームフォーミング制御部とを備え、
   前記アンテナ部は、前記アンテナ素子ごとに移相器が接続されており、
   前記ビームフォーミング制御部は、開口面の実効面積を維持しつつ、前記複数のアンテナ素子を２以上のアンテナ素子グループに分け、当該アンテナ素子グループごとに、それぞれ特定の方向に電波が再放射されるように移相量を決定し、決定した移相量に基づいて前記移相器を制御するアンテナ装置。

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