発振装置及びアレイアンテナ装置
【課題】分配器を用いることなく、位相同期した多数の発振信号を供給すること。
【解決手段】複数の発振周波数を同期させた発振器において、複数の発振器と、これらの複数の発振器のゲート／ベースを、全周長が発振周波数の１波長のマイクロストリップ線路から成る閉線路の各ポートに接続した線路で結合したリング共振器と、リング共振器の線路に挿入された励振位相を一方向に固定する励振方向固定装置とから成る発振装置である。閉線路間に配設される共通の発振器は、差動発振器で構成されている。
【解決手段】複数の発振周波数を同期させた発振器において、複数の発振器と、これらの複数の発振器のゲート／ベースを、全周長が発振周波数の１波長のマイクロストリップ線路から成る閉線路の各ポートに接続した線路で結合したリング共振器と、リング共振器の線路に挿入された励振位相を一方向に固定する励振方向固定装置とから成る発振装置である。閉線路間に配設される共通の発振器は、差動発振器で構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発振器の発振信号の位相を同期させた発振装置及びアレイアンテナ装置に関する。本発明は、指向性を可変制御できるフェーズドアレイアンテナの各アンテナへの搬送波の位相を制御するのに用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、フェーズドアレイアンテナ装置を開示している。そのフェーズドアレイアンテナ装置では、複数の送信モジュールを持ち、搬送波の増幅と位相を可変している。各アンテナに供給する搬送波は、単一の発振器で生成されて、分配器で各アンテナ系統に分配された後、各アンテナに供給されるようになっている。各アンテナに供給される搬送波の位相差を制御することにより、アンテナの指向性を変化させることができる。
【０００３】
非特許文献１は、リング共振器を用いたプッシュ発振器を開示している。この文献では、正方形状のマイクロストリップ線路から成るリング共振器には、２つの直交する共振モードが存在し、リング共振器を４つのポートで励振する４つの発振器であり、自動的に位相関係が決定されることが開示されている。また、４つの発振器からの周波数f0を励振することで、周辺伝送路の各辺の中点間を結び十字形状に交差した線路の交点から周波数4f0 の発振信号が得られることが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６９５６９
【非特許文献１】Hai Xiao, Takayuki Tanaka, Masayoshi Aikawa, "Basic Behavoir of Quadruple-Push Oscillator Using Ring Resonator." IEEE Trans. Electron.,Vol.E88-C,No.7,July 2005 。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１のフェーズドアレイアンテナ装置では、発振器が１個あり、この発振器の出力する信号をアンテナ系統の数に分配して、増幅又は移相器により位相を変化させている。信号を分配させているために、発振器は大きな電力を発生させなければならない。これは消費エネルギーを増大させるという問題だけでなく、放熱の問題も引き起こす。また、各アンテナ系統のモジュールに同相で分配するためには、搬送波を供給する伝送路の長さを、各アンテナ系統で、等しくする必要があり、実際には、これを行うことはスペース的に容易ではない。
【０００６】
また、ミリ波のような超高周波においても、SiGeICの登場によって高集積化できる可能性がでてきた。これにより、高周波回路部をワンチップに収納できる可能性がでてきた。このような状況では、各ICは発振器と増幅器や移相器を備えたICとなる可能性がある。すると、これらのICをアレー配置することで、アンテナからの出力を空間合成するなどの方法も現実的となってきた。しかし、これには、各発振器の同期を取る必要があるが、分配器を用いた分配では、上記のような問題がある。本発明はこのような用途に利用できる。
【０００７】
非特許文献１に記載の技術は、１つのリング共振器に４つの発振器を取り付けて発振させる技術である。リング共振器には、cosωt とsinωｔとの２つの直交するモードがあり、４つの発振器の発振信号の位相は、自動的に９０度ずれた位相関係になる。正方形の伝送路の各辺の中点に設けられた４つのポートでの発振信号の位相は、時計回りに９０度づつ位相が進むモードと、これとは逆に、反時計回りに９０度づつ位相が進むモードとが存在する。しかし、このモードは、何れか一方に決定することはできず、発振器の電源を投入した時の初期位相により、何れかのモードに決定される。したがって、この非特許文献に開示されているリング共振器を、アレイアンテナ装置に用いることはできない。
【０００８】
また、非特許文献１は、得られる信号は４個に限定されるために、アンテナの数が、これ以上に多くなると、この方式は用いることができない。また、非特許文献１では、正方形の伝送路の中心点から発振器の発振周波数の４倍の周波数の発振信号が得られることが開示されているが、この信号は１個だけであるから、この４倍の発振周波数の発振信号を、分配器を用いることなく、フェーズドアレイアンテナ装置に供給することはできない。したがって、この場合にも、上記のように発振器の出力を大きくする必要があり、消費電力と発熱が大きくなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、分配器を用いることなく、位相同期した多数の発振信号を供給することができるようにすることである。
また、アレイアンテナやフェーズドアレイアンテナに、搬送波を供給し易い構造の発振装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、複数の発振周波数を同期させた発振装置において、複数の発振器と、これらの複数の発振器を、閉線路の各ポートに結合して、線路で結合したリング共振器と、リング共振器の線路に挿入された励振位相を一方向に固定する励振方向固定装置と、から成る発振装置である。
この励振方向固定装置としては、単一方向の増幅器、方向性結合器など、信号の伝搬方向を単方向とするものであれば、任意のものが使用できる。増幅器の場合には、正相増幅器を、方向性結合器であれば、位相反転のない結合器を用いる。位相反転のない励振方向固定装置であれば、数は、１つ又は２以上であっても良い。また、偶数個ｐの逆相増幅器や位相反転のある方向性結合器を、閉線路においてその中心点に対して回転対称の位置に設けても良い。この場合には、閉線路の１周がｐ波長となり、１周の位相は２ｐπである。また、発振器を閉線路の各ポートに接続する方法には、発振器を構成するトランジスタのゲート／ベースを、閉線路のポートにコンデンサを介して接続する方法や、トランジスタのドレイン／コレクタ又はソース／エミッタを、閉線路の各ポートにコンデンサやインダクタを介して接続する方法がある。その他、容量結合や誘導結合により、発振器を構成するトランジスタと、閉線路と電磁気的に結合させても良い。 要するに、発振器と閉線路とが、電磁気的に結合し、発振器の発振信号が閉線路を伝搬するように結合していれば良く、その結合方法は、任意である。
【００１１】
一つの閉線路に発振器が接続されるポートの形成位置は、閉線路の中心点に対して回転対称（等間隔）の位置に設けるのが望ましいが、必ずしも回転対称（等間隔）である必要はない。一つの閉線路におけるポートの数は、任意であるが、各ポート間の位相差はπ／２であり、ポートの数は、一つの閉線路当たり４点であることが望ましい。また、閉線路は、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路を用いることができるが、閉線路は、全周長が発振周波数の１波長のマイクロストリップ線路から成ることが望ましい。
【００１２】
閉線路の数は、単数、複数、任意であるが、複数設けた場合には、隣接する２つの閉線路において同相又は逆相の関係にある２つのポートに対して、共通の１つの発振器のトランジスタを結合するのが望ましい。これにより、２つの閉線路を連結することができる。すなわち、励振方向固定装置を位相反転のないものを用いた場合には、その２つのポート間が逆相となるので、共通の発振器は、差動発振器で構成され、隣接する閉線路の２つのポートのそれぞれに対して、差動発振器のそれぞれのトランジスタを結合するようにしても良い。この場合には、隣接する２つの閉線路の対応するポートにおいて、発振信号を同相で同期させることができる。また、２つの閉線路を連結する発振器は、励振方向固定装置として、閉線路を２分するそれぞれの区間に、一つの逆相増幅器を、それぞれ、設ける場合には、上記の２つのポートは同相となるので、差動型でない発振器を用いる。これにより、隣接する２つの閉線路の対応するポートにおいて、発振信号を同相で同期させることができる。
【００１３】
本発明は、複数の発振信号において、位相は固定的に同期したものでも、位相差を変化させて、同期したものであっても良い。したがって、位相を変化させる発振信号を得る場合には、隣接する閉線路の２つのポートを接続する線路に位相を推移させる移相器を設けることが望ましい。
【００１４】
複数の閉線路は、２次元配列されていても良い。このアレイ配設から、アレイアンテナへの信号の供給が容易となる。
【００１５】
閉線路の形状は、円、楕円、正方形、菱形、長方形、平行四辺形、正三角形、正五角形、正六角形、正八角形、正多角形など任意である。多角形の場合、ポートを設ける位置は頂角でも辺でも良い。設けるポート間の線路長は、必ずしもそうである必要はないが、等しいことが望ましい。一般的には、閉線路をｎ（ｎは３以上の自然数）等分し、その等分点に発振器を結合させるが望ましい。この場合には、ポート数がｍである場合に、信号の位相差は、２π／ｍとなるので、２π／ｍ単位の位相設定器が必要となる。閉線路を一つの方向に一次元配列させる場合には、隣接する２つの閉線路における隣接する２つのポートが逆相又は同相となる関係を満たすようにポートの位置を決定する。また、閉線路を２次元配列させる場合には、直交する２つの方向に、それぞれ、隣接する２つの閉線路における隣接する２つのポートが逆相又は同相となる関係を満たす位置にポートを設定する。たとえば、閉線路を偶数多角形や円や楕円を用いるを用いると都合が良い。最も簡単には、一辺の長さが発振周波数の１波長の１／４の正方形や、円周が１波長の円を用いる。
【００１６】
また、閉線路は、一辺の長さが発振周波数の１波長の１／ｎ（ｎは３以上の自然数）の正ｎ多角形から成る周辺線路と、その正ｎ多角形の中心点と、各辺（頂点を含む）とを、等中心角で結ぶ内部線路とで構成しても良い。この場合には、中心点から発振周波数のｎ倍の周波数を出力することができる。発振器の数からして、ｎは３以上１２以下、望ましくは、３以上１０以下又は、３以上８以下が良い。
【００１７】
また、閉線路は、円から成る周辺線路と、その円の中心点と、円周のｎ等分点（ｎは３以上の自然数）とを結ぶ内部線路とで構成しても良い。この場合には、中心点から発振周波数のｎ倍の周波数を出力することができる。
これらの場合において、１次元配列や２次元配列する場合には、２つの閉経路を結合させる２つのポートは、同相、又は、逆相となる位置に設定する必要があるが、そのことを除けば、ポートを設ける位置や数は、任意である。ポートの数や発振器の数は、必ずしも上記のｎである必要はないが、対称性からｎであることが望ましい。発振器を結合させる位置は、閉線路の頂角でも辺でも良い。また、ポートは、周辺線路上で、等間隔に設ける必要はないが、等間隔とすることが望ましい。閉線路を正多角形又は円で構成する場合において、周辺線路と内部線路との交点に、発振器を結合させても良いし、発振器は、その交点以外の周辺線路上の任意のｎ等分点に設けても良い。対称性から、ｎ個の発振器とその交点との距離を、全て等しくする任意の点で、発振器を閉線路と結合させることが望ましい。これは、ｎが４、すなわち、閉線路が正方形の場合にも、当てはまる。すなわち、正方形の角でも、各辺の中点でも、各角から距離の等しい各辺上の点で、発振器と閉経路とを結合させても良い。
【００１８】
また、閉線路は、一辺の長さが発振周波数の１波長の１／４の正方形から成る周辺線路と、各辺の中点と正方形の中心点とを結ぶ内部線路とで構成しても良い。この場合には、中心点から発振周波数の４倍の周波数を出力することができる。
この時、発振器を接続するポートは、正方形の各辺の中点に設けても良いし、正方形の角に設けても良い。この構成を、一次元配列、二次元配列したものであっても良い。また、正六角形を周辺線路とし、角をポートとして、６ポートとして、角と中心とを結ぶ線路を内部線路とする閉線路であっても良い。この場合には、発振器の発振周波数の６倍の周波数の信号を中心から得ることができる。これらの高調波を用いる場合も、閉線路は、一次元、二次元配列しても良いし、各閉線路の結合に差動発振器を用いても良い。同様に、正ｎ多角形、円を閉線路として用いることができる。閉線路を一次元又は二次元配列する場合には、結合する２つの閉線路の２つのポートにおいて、同相又は逆相となる関係を満たすように、ポートの位置を決定すれば良い。
【００１９】
また、上記構成の発振装置を用いてアレイアンテナ装置を構成することも可能である。この場合に、一つの基板に、アンテナ素子と、発振器、閉線路、その他の送信回路を形成することができる。同様に、請求項８、９、１０に記載の発振装置を用いたアレイアンテナ装置であって、閉線路の中心点に、送信回路及びアンテナ素子が形成されたアレイアンテナ装置としても良い。
【００２０】
また、出力信号の位相を同相とする位相設定器を設けても良い。この場合には、複数の出力信号の位相を全て同相に同期させたり、複数の出力信号の群ごとに、同相に同期させたりすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、閉線路に、増幅器や方向性結合器などの励振方向固定装置を挿入したので、閉線路から成るリング共振器の発振モードを固定することができる。すなわち、閉線路において、励振方向固定装置の伝搬の向きに沿って、各ポートの位相を遅延させる方向に、励振モードを固定することができる。よって、この閉線路によって、複数の同一周波数の発振信号を所定の位相関係で同期して得ることができる。
【００２２】
また、閉線路を、一次元配列、二次元配列など、複数配列させることにより、アレイアンテナへの応用が可能となる。また、隣接する閉線路を、差動発振器で結合することで、閉線路間の結合が容易となる。
また、閉線路を、一次元配列、二次元配列など、複数設けて、隣接する閉線路を接続する線路に、移相器を設けることで、得られる発振信号の位相を可変制御することができる。したがって、フェーズドアレイアンテナ装置の指向性制御を容易に行うことが可能となる。
【００２３】
また、閉線路を正ｎ多角形又は円形として、ｎ本の回転対称の内部線路を設けて、その中心点から基本周波数のｎ倍の周波数の信号を得るようにした場合には、リング共振器の共振周波数が使用する周波数よりも低いので、使用周波数で共振させた場合に比べると、高いＱ値を得ることができるので効果的である。
【００２４】
これらの発振装置をフェーズドアレイアンテナを含むアレイアンテナ装置に用いた場合には、分配器を用いていないので、消費電力を節減できる。また、発熱も少ない。さらに、一つの基板上にアンテナ素子と回路とを集積化することができる。さらに、リング共振器の利得を、発振器の数で決定することができ、一定の出力を得るに当たり、発振器の容量を低減することが可能となる。また、各アンテナ系統へ信号を供給する各線路の長さが、単一の発振器を用いて分配器で分配する場合には、等しくならないので、各アンテナでの送信位相を調整することが必要となるが、本発明では、そのような線路長の不均一性による各種の弊害を排除することができる。
【００２５】
また、閉線路を複数設けているので、アレイアンテナに要求される性能により、用いる閉線路を選択することで、要求の程度に応じたアレイアンテナ装置を、同一構成で、提供することが可能となる。例えば、探索範囲を長距離にしたり、指向性の幅を狭くして、方向の分解能を高くする場合には、動作させる閉線路の数を多くし、探索範囲を短距離にしたり、指向性の幅を広くして方向の分解能を低下させる場合には、動作させる閉線路の数を減少させれば良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の具体的な実施例を図を参照しながら説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２７】
実施例１は、閉線路から成るリング共振器が１つの場合の例である。図１は、その平面図、図２は、その断面図である。基板１０の上に、マイクロストリップ線路から成る正方形をした閉線路２０と、発振器３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄから成るＩＣが配設されている。基板の裏面１１には、アース導体１２が配設されている。正方形の閉線路の１辺の長さａは、発振周波数の波長の１／４である。閉線路２０の中には、増幅率１の正相のバッファ増幅器９０が挿入されている。各辺の４つの中点は、各発振器３０ａ〜３０ｄのゲート／ベースが接続される４つのポート２０ａ〜２０ｄを構成している。
【００２８】
各発振器３０ａ〜３０ｄは、図１に示すように、同一構成のトランジスタから成る発振器である。そして、各ポート２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄには、各発振器を構成するトランジスタのゲート／ベースが接続されている。また、ポート２０ｂには、２７０度の位相設定器４０ｂ、ポート２０ｃには、１８０度の位相設定器４０ｃ、ポート２０ｄには、９０度の位相設定器４０ｄが接続されている。ポート２０ａには、位相設定器は接続されていない。ポート２０ａと、３つの位相設定器４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの出力は、同相となる。
【００２９】
この閉線路２０の一周長は４ａであり、４ａを１波長とする周波数ｆ＝ｃ／（４ａ）の周波数を基本波として、共振する。したがって、４つの出力Ａ〜Ｄは、周波数ｆで同相の発振信号となる。なお、バッファ増幅器９０は、信号波の伝搬方向を右回りに制限するものであり、ポート２０ａの位相に対して、ポート２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、９０度、１８０度、２７０度、位相が遅れるモードで、リング共振器を共振させる作用をする。なお、バッファ増幅器９０は正相増幅器とした。バッファ増幅器９０を逆相増幅器とした場合には、閉経路２０のポート２０ｃと２０ｄとの間の区間にも、もう一つの逆相のバッファ増幅器９０を挿入する。この場合には、閉経路２０の１周が基本波の２波長となる。このように構成すると、ポート２０ａの位相に対して、ポート２０ｂ、２０ｄは、１８０度位相が遅れ（したがって、ポート２０ｂと２０ｄは同相）、ポート２０ｃは、同相となる。
【００３０】
このようにして、本実施例によれば、分配器を用いることなく、４つの位相同期した、周波数ｆの発振信号を得ることができる。
なお、本実施例においては、発振器のトランジスタのゲート／ベースを閉線路に接続しているが、ドレイン／コレクタ又はソース／エミッタをコンデンサやインダクタを介して閉線路に接続しても、トランジスタの発振信号が流れる線路と、閉線路とを、容量結合、誘導結合などの電磁的な結合により、結合させても良い。
【実施例２】
【００３１】
本実施例は、閉線路を複数、一次元配列したものである。基板上に閉線路を形成することは、実施例１と同一である。図３において、３つの閉線路２１、２２、２３が設けられている。本実施例では、発振器を、"Millimeter-Wave VCOs With Wide Tuning Range and Low Phase Noise, Fully Integrated in a SiGe Bipolar Production Technology," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.38,No.2,pp.184-191,Feb.2003に記載された図４に示すような差動発振器としている。差動発振器は、図１に示す発振器をカレントミラー回路で、図４に示すように、並列に接続した回路である。トランジスタＴｒ１のドレイン／コレクタ出力Ｏｕｔ１と、トランジスタＴｒ２のドレイン／コレクタ出力Ｏｕｔ２は、それぞれ、位相が逆相になっている。
【００３２】
一つの閉線路２１は、正相増幅のバッファ増幅器９１が配設されており、各ポート２１ａ〜２１ｄには、それぞれ、差動発振器３１ａ〜３１ｄの一方のトランジスタのドレイン／コレクタがインダクタを介して接続されている。他の閉線路も同様な構成を有している。そして、隣接する閉線路２１と閉線路２２間においては、差動発振器３１ｃのカレントミラー回路で構成された一方のトランジスタのドレイン／コレクタがインダクタを介して閉線路２１のポート２１ｃに接続され、他方のトランジスタのドレイン／コレクタがインダクタを介して閉線路２２のポート２２ａに接続されている。閉線路２２と閉線路２３間も同様な構成であり、差動発振器３２ｃにより、両者は結合している。
【００３３】
閉線路間は、差動発振器で接続されているので、一方のポートの信号と他方のポートの信号の位相は、１８０度異なる。したがって、閉線路２１のポート２１ａと、閉線路２２のポート２２ａと、閉線路２３のポート２３ａは、全て、同一位相となる。
【００３４】
また、他の差動発振器３１ｄ、３２ｄ、３３ｄのポート２１ｄ、２２ｄ、２３ｄに接続されていない側のトランジスタのドレイン／コレクタは、インダクタを介して１８０度の位相設定器４１ｄ、４２ｄ、４３ｄに、それぞれ、接続されている。また、差動発振器３１ｂ、３２ｂ、３３ｂのポート２１ｂ、２２ｂ、２３ｂに接続されていない側のトランジスタのドレイン／コレクタは、インダクタを介して、それぞれ、位相設定器を介することなく、そのまま、出力端子となる。さらに、差動発振器３１ａのポート２１ａに接続されていない側のトランジスタのドレイン／コレクタは、インダクタを介して、９０度の位相設定器４１ａに接続されており、その位相設定器の出力が、出力発振信号の出力端子となっている。差動発振器３３ｃのポート２３ｃに接続されていない側のトランジスタのドレイン／コレクタは、インダクタを介して、２７０度の位相設定器４３ｃに接続されており、その位相設定器の出力が、出力発振信号の出力端子となっている。この構成により、８個の同相で位相同期した周波数ｆの発振信号を得ることができる。なお、閉経路を結合する発振器だけを差動発振器として、他の発振器を、差動型でない発振器としても良い。
【００３５】
また、バッファ増幅器９１、９２、９３を逆相増幅器として、ポート２１ｃと２１ｄの間の経路、ポート２２ｃと２２ｄの間の経路、ポート２３ｃと２３ｄの間の経路にも、もう一つの逆相のバッファ増幅器９１、９２、９３を、それぞれ、挿入しても良い。この場合には、全ての差動増幅器発振器３１ａ〜３１ｄ、３２ｂ〜３２ｄ、３３ｂ〜３３ｄを、差動ではない発振器で構成することになる。上記したように、ポート２１ａ、２１ｃは、同相、ポート２２ａ、２２ｃも、同相となるため、共通の１つの発振器で接続することができる。この場合には、位相設定器４１ａ、４３ｃを、２７０度の位相設定器として、位相設定器４１ｄ、４２ｄ、４３ｄは除去する。この場合には、ポート２１ａでの信号をcos(ωt)とする時、８個の出力は、-sin( ωt)となる。
【００３６】
なお、本実施例においては、差動発振器の並列したトランジスタのそれぞれのドレイン／コレクタを閉線路や、位相設定器に接続しているが、それぞれのトランジスタのゲート／ベース又はソース／エミッタをコンデンサを介して閉線路に接続しても、トランジスタの発振信号が流れる線路と、閉線路とを、容量結合、誘導結合などの電磁的な結合により、結合させても良い。以下の全実施例においても、差動発振器、又は、差動型ではない発振器と、閉線路との結合においても同様である。
【実施例３】
【００３７】
本実施例は、図５に示す構成をとり、発振信号の初期位相を、0 、θ、2 θとするもので、信号間の位相差をθとしたものである。そして、この位相差θを可変設定できるようにしている。
【００３８】
実施例２において、閉線路間を接続する差動発振器３１ｃと閉線路２２のポート２２ａとの間に移相器５１を設け、差動発振器３２ｃと閉線路２３のポート２３ａとの間に移相器５２を設けたことが特徴である。また、差動発振器３１ａ、３３ｃの閉線路２１、２３のポート２１ａ、２３ｃに、接続される側のトランジスタとは異なるトランジスタのドレイン／コレクタは、インダクタを介して、それぞれ、５０Ωに線路抵抗に終端されている。これにより、２つの-sin( ωt)の信号と、２つの-sin( ωt-θ) の信号と、２つの-sin( ωt-２θ) の位相同期した信号が得られる。この配列や、さらに、閉線路と周辺の差動発振器など組を４つ以上、一次元配列することで、本実施例の装置を、一次元方向に指向性を制御できるフェーズドアレイアンテナ装置の搬送波発生装置に用いることができる。
【００３９】
この実施例においても、閉経路を結合する発振器だけを差動発振器として、他の発振器を、差動型でない発振器としても良い。また、バッファ増幅器９１、９２、９３を逆相の増幅器として、全ての差動増幅器発振器を差動ではない発振器としても良い。この場合にも、同様な信号が得られる。
【実施例４】
【００４０】
本実施例は、図６に示すように、閉線路を２次元配列したものである。すなわち、実施例２のｘ方向の一次元配列を、それに垂直なｙ方向に、繰り返し、ｙ軸方向にも、各ｘ系統の閉線路を、結合させたものである。閉線路２１と２２とから成るｘ方向に配列された第１系統は、実施例２と同一である。また、位相設定器７１ａ、閉線路６１、差動発振器８１ａ、８１ｃ、８１ｄ、位相設定器７１ｄ、閉線路６２、差動発振器８２ｃ、８２ｄ、位相設定器７２ｄから成るｘ方向に配列された第２系統も、実施例２と同一構成である。
【００４１】
本実施例では、閉線路２１と閉線路６１とが、差動発振器３１ｄで接続され、閉線路２２と閉線路６２とが、差動発振器３２ｄで接続されている。各発振信号の出力は、それぞれ、同様な関係にある。差動発振器３１ｂ、３２ｂに接続される位相設定器４１ｂ、４２ｂの設定位相は、９０度であり、差動発振器３１ａ、８１ａに接続される位相設定器４１ａ、７１ａの設定位相は、それぞれ、１８０度であり、差動発振器８１ｄ、８２ｄに接続される位相設定器７１ｄ、７２ｄの設定位相は、それぞれ、２７０度である。この場合、８個の出力信号は、全て、cos(ωt)となる。
【００４２】
また、上記したように、各閉経路において、その中心に対して点対称の位置に、逆相のバッファ増幅器９１、９２、１０１、１０２を２つ挿入して、全差動発振器を全て差動型でない発振器を用いることも可能である。その場合には、位相設定器４１ａ、７１ａは不要であり、位相設定器４１ｂ、４２ｂ、７１ｄ、８２ｄは、１８０度の位相設定器となる。この場合には、８個の出力は、全て、cos(ωt)となる。
【実施例５】
【００４３】
発振器の周波数ｆ0 の４倍の周波数４ｆ0 を発生するようにした実施例である。図７に示すように、閉線路は、第１行に配列された閉線路Ｗ１１、Ｗ１２と、第２行に配列された閉線路Ｗ２１、Ｗ２２の２行２列のマトリックスに配列されている。閉線路Ｗ１１は、実施例１〜４と異なり、正方形の閉線路の周辺線路２１０の各辺の中点と正方形の中心とを結ぶ十字形状の内部線路２００を有している。各閉線路には、正相のバッファ増幅器Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ２１、Ｂ２２が挿入されている。行方向（ｘ方向）には、閉線路Ｗ１１と閉線路Ｗ１２とは、差動発振器Ｄ１２で結合され、閉線路Ｗ２１と閉線路Ｗ２２とは、差動発振器Ｄ２２で結合されている。一方、列方向（ｙ方向）には、閉線路Ｗ１１と閉線路Ｗ２１とは、差動発振器Ｅ２１と移相器Ｑ２１により結合されており、閉線路Ｗ１２と閉線路Ｗ２２とは、差動発振器Ｅ２２と移相器Ｑ２２により結合されている。そして、閉線路間の結合に用いられている差動発振器を除く全ての差動発振器Ｄ１１、Ｄ１３、Ｄ２１，Ｄ２３、Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ３１、Ｅ３２の閉線路に接続されている側のトランジスタとは異なる他方のトランジスタのドレイン／コレクタは、全て、５０Ωの線路抵抗で終端されている
【００４４】
内部線路２００の１辺の長さは（辺の中点と中心点とを結ぶ辺）の長さは、ａ／２である。ただし、ａは、閉線路の周辺線路の１辺の長さである。各ポート間の周辺線路における経路長は、ａであるから、周波数４ｆ0 の高調波においては、一波長である。したがって、各ポートＬ１１１、Ｌ１１２、Ｌ１１３、Ｌ１１４では、周波数４ｆ0 の高調波の位相は同相となり、発振信号はcos(4 ωt)となる。ただし、ω＝２πｆ0 である。また、中心点Ｒ１１と各ポート間の距離は、λ／２となるので、中心点Ｒ１１の信号の位相は、各ポートの信号位相に対して、１８０度遅れる。よって、中心点Ｒ１１の信号は、−cos(4 ωt)となる。
【００４５】
他方、周波数ｆ0 の基本波に対しては、各ポートでの信号の位相が０、π／２、π、３π／２であり、中心点Ｒ１１では、これらの位相に、共通にλ／８の内部線路による位相遅れπ／４を減じた値を位相とする余弦波の和となる。これは、零となる。同様に、第２高調波２ｆ0 の場合には、０、π、０、πの各ポートの位相に、共通にλ／４の内部線路による位相遅れπ／２を減じた値を位相とする余弦波の和となる。この和も対称性から零となる。第３高調波３ｆ0 の場合には、０、３π／２、π、π／２の各ポートの位相に、共通に、３λ／８の内部線路による位相遅れ３π／４を減じた値を位相とする余弦波の和となる。この場合も、位相の対称性から、中心点Ｒ１１におけるこの第３高調波成分は０となる。結局、第４高調波成分のみが、中心点Ｒ１１に現れることになる。
【００４６】
このようにして、閉線路Ｗ１１の中心点Ｒ１１と、閉線路Ｗ１２の中心点Ｒ１２からは、−cos(4 ωt)の発振信号が得られる。
【００４７】
一方、列方向（ｙ方向）には、移相器Ｑ２１、Ｑ２２を介して結合されているので、それによる遅れ位相量( θ) により、その出力が入力するポートＬ２１２、Ｌ２２２の信号はsin(ωt-θ) となる。すなわち、第２行の閉線路Ｗ２１、Ｗ２２における発振信号は、第１行の閉線路Ｗ１１、Ｗ１２における発振信号に対して位相がθだけ遅れたものとなる。したがって、閉線路Ｗ２１、Ｗ２２の中心点Ｒ２１、Ｒ２２での発振信号は、−cos(4 ωt-４θ) となる。このようにして、位相差が４θの信号を得ることができる。ｙ方向に、これらの構成の閉線路を多数設けることで、３以上の位相差４θを有する発振信号２つづつ得ることができる。これにより、一次元方向に指向性を変更できるフェーズドアレイアンテナ装置を構成できる。閉線路は２列に構成されいるので、アンテナ素子も２列に構成でき、放射電力を増大させることができる。もちろん、行方向（ｘ方向）にも、同様な閉線路を多数設けて、アンテナ素子を多数列形成することで、放射電波の電力を大きくすることができる。
【００４８】
この実施例においても、閉線路間の結合だけに、差動発振器を用いて、他の差動増幅器発振器は、差動型ではない通常の発振器を用いても良い。さらに、上述したように、バッファ増幅器Ｂ１１〜Ｂ２２を、逆相増幅器として、閉経路の点対称の位置に２つ設けた場合には、全ての発振器を差動型ではない発振器で構成することも可能である。
本実施例では、リング共振器内の発振周波数はｆ0 として、用いる発振信号の周波数を４ｆ0 としている。したがって、共振周波数は、用いる信号よりも低周波であるので、共振のＱ値を大きくすることができる。
【実施例６】
【００４９】
本実施例は、図７の実施例５をさらに発展させたものである。ｘ方向に配列された系統を、ｙ方向に沿って、繰り返して配列させたものであり、各系統をｙ方向に沿っても結合させたものである。実施例６の発振装置は、３行３列の閉線路を有している。閉線路Ｗ１１と接続される差動発振器Ｄ１２と、閉線路Ｗ１２との間に、移相器Ｐ１２が設けられており、閉線路Ｗ１２と接続される差動発振器Ｄ１３と、閉線路Ｗ１３との間に、移相器Ｐ１３が設けられている。同様に、閉線路Ｗ２１と接続される差動発振器Ｄ２２と、閉線路Ｗ２２との間に、移相器Ｐ２２が設けられており、閉線路Ｗ２２と接続される差動発振器Ｄ２３と、閉線路Ｗ２３との間に、移相器Ｐ２３が設けられている。同様に、閉線路Ｗ３１と接続される差動発振器Ｄ３２と、閉線路Ｗ３２との間に、移相器Ｐ３２が設けられており、閉線路Ｗ３２と接続される差動発振器Ｄ３３と、閉線路Ｗ３３との間に、移相器Ｐ３３が設けられている。
【００５０】
また、閉線路Ｗ１１と接続される差動発振器Ｅ２１と、閉線路Ｗ２１との間に、移相器Ｑ２１が設けられており、閉線路Ｗ２１と接続される差動発振器Ｅ３１と、閉線路Ｗ３１との間に、移相器Ｑ３１が設けられている。同様に、閉線路Ｗ１２と接続される差動発振器Ｅ２２と、閉線路Ｗ２２との間に、移相器Ｑ２２が設けられており、閉線路Ｗ２２と接続される差動発振器Ｅ３２と、閉線路Ｗ３２との間に、移相器Ｑ３２が設けられている。同様に、閉線路Ｗ１３と接続される差動発振器Ｅ２３と、閉線路Ｗ２３との間に、移相器Ｑ２３が設けられており、閉線路Ｗ２３と接続される差動発振器Ｅ３３と、閉線路Ｗ３３との間に、移相器Ｑ３３が設けられている。
【００５１】
列方向に配列された６個の移相器Ｐ１２〜Ｐ３３は、遅れ位相角θが設定される。また、行方向に配列された６個の移相器Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ２３、Ｑ３１、Ｑ３２、Ｑ３３には、位相角（０度）が設定される。すなわち、閉線路Ｗ１２の信号の位相は、移相器Ｐ１２によりθだけ位相が遅延しているので、閉線路Ｗ２２には、そのままの第２列の閉線路Ｗ１２の信号を、閉線路Ｗ２２に加えれば良いためである。同様に、閉線路Ｗ３２の信号は、移相器Ｐ３２により位相がθだけ遅延しているので、閉線路Ｗ２２の信号をそのまま、閉線路Ｗ３２に印加すれば良い。閉線路Ｗ１３の信号を閉線路Ｗ２３に印加する場合も、閉線路Ｗ２３の信号を閉線路Ｗ３３に印加する場合も同様である。
【００５２】
この構成により、第２列の閉線路Ｗ１２、Ｗ２２、Ｗ３２の中心点の位相は、移相器Ｐ１２、Ｐ２２、Ｐ３２により、第１列の閉線路Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１の中心点の信号の位相に対して、４θだけ位相が遅れることになる。同様に、第３列の閉線路Ｗ１３、Ｗ２３、Ｗ３３の中心点の信号は、移相器Ｐ１３、Ｐ２３、Ｐ３３により、第２列の閉線路Ｗ１２、Ｗ２２、Ｗ３２の中心点の信号に対して、４θだけ位相が遅れることになる。このように構成することでｘ軸方向に指向性を変化させることができる。
【００５３】
また、ｙ方向に指向性を変化させる場合には、行方向（ｘ方向）に配列されている第２行の移相器Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ２３と、第３行の移相器Ｑ３１、Ｑ３２、Ｑ３３に、遅れ位相θを設定する。その一方、列方向（ｙ方向）に配列されている第２列の移相器Ｐ１２、Ｐ２２、Ｐ３２と、第３列の移相器Ｐ１３、Ｐ２３、Ｐ３３に設定する位相は０とする。これにより、ｙ方向に指向性を変化させることができる。
【００５４】
上記の実施例では、リング共振器に接続される各発振器の発振周波数ｆ0 の４倍の周波数４ｆ0 の発振信号を得るために、閉線路を正方形としているが、閉線路を、図９に示すように、正六角形の周辺線路Ｔと、各角Ｓ１〜Ｓ６と中心点Ｒとを接続する線路を内部線路Ｕ１〜Ｕ６としても良い。そして、各角Ｓ１〜Ｓ６、閉経路の周辺線路Ｔの各辺の中点又は同一比率の内分点を発振器を接続するポートとする。各角での位相の対称性から、基本波及び第２〜第５高調波の中心点Ｒでの合成信号は、零となる。第６高調波では、一辺が一波長に等しく、角の中心点の距離も一波長に等しいので、中心点では、全ての信号が同相で合成されることになる。したがって、中心点においては、周波数６ｆ0 の発振信号を得ることができる。このような形状を複数、一次元配列、二次元配列させて、フェーズドアレイアンテナ装置を構成しても良い。
【００５５】
また、一般的には、図９の構成を、正ｎ多角形（ｎは３以上の自然数）の閉線路に拡張しても良い。正ｎ多角形の周辺線路をｎ等分する点での位相を考える。このｎ等分点は、必ずしも正多角形の頂角である必要はない。正多角形であるので、ｎ等分点は、一定の回転角毎の回転対称となる。このｎ等分点に任意点を第ｉ点とすると、第ｉ点におけるの基本波の電圧波形は、次式で表される。
sin(ωt-2 πi/n) …(1)
ただし、i=0,1,…,n-1、ωは基本波の各周波数、ｔは時刻である。第ｋ高調波は、周辺線路の１周の位相回転角は、２πｋであるので、第ｉ点における電圧波形は、次式で表現される。
sin(ωkt-2πki/n) …(2)
ただし、k=1,2,…,nである。
【００５６】
閉線路の中心点Ｒでの位相は、(2) 式のｉに関する和で表される。周辺線路の第ｉ点と中心点Ｒの線路上の距離は、対称性から、ｉに関係なく、等しいので、その間にけおける第ｋ高調波ｋの位相差をθk をとする。θk は、i には関係なく一定である。第ｋ高調波の中心点Ｒでの電圧Ｖは、次式で表される。
V=Σi ｛sin(ωkt-2πki/n- θk ) ｝ …(3)
ただし、Σi は、 ｉに関する和を意味する。Ｖは、2 π/(n/k)単位で位相回転をさせた単位ベクトルの和の射影である。n/k ≧1 であるので、2 πi/(n/k) は、2 πの等分点の位相を表す。
【００５７】
閉線路の対称性からk ≠n の時には、S=0 …(4)
k=n の時には、S=n ・sin(ωnt- θk)…(5)
したがって、中心点Ｒでは、第ｎ高調波のみが現れることになる。
【００５８】
閉経路が円の場合でも、同様である。円をｎ等分する点と、円の中心との周辺線路及び内部線路上の経路距離は等しい。ｎ等分点を周辺線路と内部線路との交点に選択すると、距離は半径になるので、全てのｎ等分点と中心との距離は等しい。この条件が成立するので、上記の(1) 〜(5) 式は、閉経路が円であっても成立することは明らかである。
このようにして、正ｎ多角形や円を閉経路とする場合には、その中心から閉経路の共振周波数のｎ倍の周波数を取り出すことができる。
【００５９】
フェーズドアレイアンテナ装置の構成を次に説明する。図８の閉線路Ｗ２２に接続される差動発振器Ｄ２３、移相器Ｐ２２の組からなる集積回路を製造する。また、これに、バッファ増幅器を組み込んだ集積回路も作成する。この集積回路ＩＣ１〜ＩＣ７等を、図１０、図１１に示すように、基板１０上に形成されたマイクロストリップ線路から成る閉線路Ｗ１、Ｗ２に、９０度の角度に配置して、閉線路の各ポートに接続する。なお、ＩＣ１、ＩＣ３は、正相のバッファ増幅器が組み込まれた集積回路である。そして、閉線路Ｗ１、Ｗ２の、それぞれの中心点Ｒ１、Ｒ２を、基板１０の裏面側に、ビアホールにより導通させる。また、基板１０は多層基板で中間部には、アース導体１２が設けられており、閉線路Ｗ１、Ｗ２の中心部に相当する部分にだけ、アース導体が存在しない窓１３ａ、１３ｂが設けられている。そして、この窓領域に中心点Ｒ１、Ｒ２にアンテナ素子ＡＴ１、ＡＴ２を設ける。また、アンテナ素子ＡＴ１、ＡＴ２の前段に、電気的に接続する変調器や送信器などを組み込んだ集積回路を中心点Ｒ１、Ｒ２に設けても良い。
【００６０】
このような構成を、図５に示すような一次元配列させたり、図８に示すような二次元配列させることで、各アンテナ素子に対する給電線路を等しく、且つ、分配器を用いずに、アレイアンテナや、フェーズドアレイアンテナ装置を構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、指向性を制御できるフェーズドアレイアンテナ装置に用いることかできる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る発振装置を示した回路図。
【図２】実施例１の発振装置の構造を示した断面図。
【図３】本発明の具体的な実施例２に係る発振装置を示した回路図。
【図４】実施例装置で用いられる差動発振器を示した回路図。
【図５】本発明の具体的な実施例３に係る発振装置を示した回路図。
【図６】本発明の具体的な実施例４に係る発振装置を示した回路図。
【図７】本発明の具体的な実施例５に係る発振装置を示した回路図。
【図８】本発明の具体的な実施例６に係る発振装置を示した回路図。
【図９】本発明の他の閉線路の構成を示した平面図。
【図１０】フェーズドアレイアンテナ装置の基板の表面の閉線路と集積回路との配置関係を示した 斜視図。
【図１１】同フェーズドアレイアンテナ装置の基板の断面図。
【符号の説明】
【００６３】
２０，２１、２２、２３、６１、６２…閉線路
Ｗ１１〜Ｗ３３…閉線路
３０ａ〜３０ｃ…差動発振器
４０ａ〜４０ｄ、４１ａ〜４３ｄ、…位相設定器
２０ａ〜２０ｄ、２１ａ〜２１ｄ、２２ａ〜２２ｄ、２３ａ〜２３ｄ…ポート
９０〜９３、１０１、１０２…バッファ増幅器
Ｄ１１〜Ｄ３３、Ｅ１１〜Ｅ４３…差動発振器
Ｐ１２〜Ｐ３３、Ｑ２１〜Ｑ３３…位相器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発振器の発振信号の位相を同期させた発振装置及びアレイアンテナ装置に関する。本発明は、指向性を可変制御できるフェーズドアレイアンテナの各アンテナへの搬送波の位相を制御するのに用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、フェーズドアレイアンテナ装置を開示している。そのフェーズドアレイアンテナ装置では、複数の送信モジュールを持ち、搬送波の増幅と位相を可変している。各アンテナに供給する搬送波は、単一の発振器で生成されて、分配器で各アンテナ系統に分配された後、各アンテナに供給されるようになっている。各アンテナに供給される搬送波の位相差を制御することにより、アンテナの指向性を変化させることができる。
【０００３】
非特許文献１は、リング共振器を用いたプッシュ発振器を開示している。この文献では、正方形状のマイクロストリップ線路から成るリング共振器には、２つの直交する共振モードが存在し、リング共振器を４つのポートで励振する４つの発振器であり、自動的に位相関係が決定されることが開示されている。また、４つの発振器からの周波数f0を励振することで、周辺伝送路の各辺の中点間を結び十字形状に交差した線路の交点から周波数4f0 の発振信号が得られることが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６９５６９
【非特許文献１】Hai Xiao, Takayuki Tanaka, Masayoshi Aikawa, "Basic Behavoir of Quadruple-Push Oscillator Using Ring Resonator." IEEE Trans. Electron.,Vol.E88-C,No.7,July 2005 。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１のフェーズドアレイアンテナ装置では、発振器が１個あり、この発振器の出力する信号をアンテナ系統の数に分配して、増幅又は移相器により位相を変化させている。信号を分配させているために、発振器は大きな電力を発生させなければならない。これは消費エネルギーを増大させるという問題だけでなく、放熱の問題も引き起こす。また、各アンテナ系統のモジュールに同相で分配するためには、搬送波を供給する伝送路の長さを、各アンテナ系統で、等しくする必要があり、実際には、これを行うことはスペース的に容易ではない。
【０００６】
また、ミリ波のような超高周波においても、SiGeICの登場によって高集積化できる可能性がでてきた。これにより、高周波回路部をワンチップに収納できる可能性がでてきた。このような状況では、各ICは発振器と増幅器や移相器を備えたICとなる可能性がある。すると、これらのICをアレー配置することで、アンテナからの出力を空間合成するなどの方法も現実的となってきた。しかし、これには、各発振器の同期を取る必要があるが、分配器を用いた分配では、上記のような問題がある。本発明はこのような用途に利用できる。
【０００７】
非特許文献１に記載の技術は、１つのリング共振器に４つの発振器を取り付けて発振させる技術である。リング共振器には、cosωt とsinωｔとの２つの直交するモードがあり、４つの発振器の発振信号の位相は、自動的に９０度ずれた位相関係になる。正方形の伝送路の各辺の中点に設けられた４つのポートでの発振信号の位相は、時計回りに９０度づつ位相が進むモードと、これとは逆に、反時計回りに９０度づつ位相が進むモードとが存在する。しかし、このモードは、何れか一方に決定することはできず、発振器の電源を投入した時の初期位相により、何れかのモードに決定される。したがって、この非特許文献に開示されているリング共振器を、アレイアンテナ装置に用いることはできない。
【０００８】
また、非特許文献１は、得られる信号は４個に限定されるために、アンテナの数が、これ以上に多くなると、この方式は用いることができない。また、非特許文献１では、正方形の伝送路の中心点から発振器の発振周波数の４倍の周波数の発振信号が得られることが開示されているが、この信号は１個だけであるから、この４倍の発振周波数の発振信号を、分配器を用いることなく、フェーズドアレイアンテナ装置に供給することはできない。したがって、この場合にも、上記のように発振器の出力を大きくする必要があり、消費電力と発熱が大きくなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、分配器を用いることなく、位相同期した多数の発振信号を供給することができるようにすることである。
また、アレイアンテナやフェーズドアレイアンテナに、搬送波を供給し易い構造の発振装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、複数の発振周波数を同期させた発振装置において、複数の発振器と、これらの複数の発振器を、閉線路の各ポートに結合して、線路で結合したリング共振器と、リング共振器の線路に挿入された励振位相を一方向に固定する励振方向固定装置と、から成る発振装置である。
この励振方向固定装置としては、単一方向の増幅器、方向性結合器など、信号の伝搬方向を単方向とするものであれば、任意のものが使用できる。増幅器の場合には、正相増幅器を、方向性結合器であれば、位相反転のない結合器を用いる。位相反転のない励振方向固定装置であれば、数は、１つ又は２以上であっても良い。また、偶数個ｐの逆相増幅器や位相反転のある方向性結合器を、閉線路においてその中心点に対して回転対称の位置に設けても良い。この場合には、閉線路の１周がｐ波長となり、１周の位相は２ｐπである。また、発振器を閉線路の各ポートに接続する方法には、発振器を構成するトランジスタのゲート／ベースを、閉線路のポートにコンデンサを介して接続する方法や、トランジスタのドレイン／コレクタ又はソース／エミッタを、閉線路の各ポートにコンデンサやインダクタを介して接続する方法がある。その他、容量結合や誘導結合により、発振器を構成するトランジスタと、閉線路と電磁気的に結合させても良い。 要するに、発振器と閉線路とが、電磁気的に結合し、発振器の発振信号が閉線路を伝搬するように結合していれば良く、その結合方法は、任意である。
【００１１】
一つの閉線路に発振器が接続されるポートの形成位置は、閉線路の中心点に対して回転対称（等間隔）の位置に設けるのが望ましいが、必ずしも回転対称（等間隔）である必要はない。一つの閉線路におけるポートの数は、任意であるが、各ポート間の位相差はπ／２であり、ポートの数は、一つの閉線路当たり４点であることが望ましい。また、閉線路は、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路を用いることができるが、閉線路は、全周長が発振周波数の１波長のマイクロストリップ線路から成ることが望ましい。
【００１２】
閉線路の数は、単数、複数、任意であるが、複数設けた場合には、隣接する２つの閉線路において同相又は逆相の関係にある２つのポートに対して、共通の１つの発振器のトランジスタを結合するのが望ましい。これにより、２つの閉線路を連結することができる。すなわち、励振方向固定装置を位相反転のないものを用いた場合には、その２つのポート間が逆相となるので、共通の発振器は、差動発振器で構成され、隣接する閉線路の２つのポートのそれぞれに対して、差動発振器のそれぞれのトランジスタを結合するようにしても良い。この場合には、隣接する２つの閉線路の対応するポートにおいて、発振信号を同相で同期させることができる。また、２つの閉線路を連結する発振器は、励振方向固定装置として、閉線路を２分するそれぞれの区間に、一つの逆相増幅器を、それぞれ、設ける場合には、上記の２つのポートは同相となるので、差動型でない発振器を用いる。これにより、隣接する２つの閉線路の対応するポートにおいて、発振信号を同相で同期させることができる。
【００１３】
本発明は、複数の発振信号において、位相は固定的に同期したものでも、位相差を変化させて、同期したものであっても良い。したがって、位相を変化させる発振信号を得る場合には、隣接する閉線路の２つのポートを接続する線路に位相を推移させる移相器を設けることが望ましい。
【００１４】
複数の閉線路は、２次元配列されていても良い。このアレイ配設から、アレイアンテナへの信号の供給が容易となる。
【００１５】
閉線路の形状は、円、楕円、正方形、菱形、長方形、平行四辺形、正三角形、正五角形、正六角形、正八角形、正多角形など任意である。多角形の場合、ポートを設ける位置は頂角でも辺でも良い。設けるポート間の線路長は、必ずしもそうである必要はないが、等しいことが望ましい。一般的には、閉線路をｎ（ｎは３以上の自然数）等分し、その等分点に発振器を結合させるが望ましい。この場合には、ポート数がｍである場合に、信号の位相差は、２π／ｍとなるので、２π／ｍ単位の位相設定器が必要となる。閉線路を一つの方向に一次元配列させる場合には、隣接する２つの閉線路における隣接する２つのポートが逆相又は同相となる関係を満たすようにポートの位置を決定する。また、閉線路を２次元配列させる場合には、直交する２つの方向に、それぞれ、隣接する２つの閉線路における隣接する２つのポートが逆相又は同相となる関係を満たす位置にポートを設定する。たとえば、閉線路を偶数多角形や円や楕円を用いるを用いると都合が良い。最も簡単には、一辺の長さが発振周波数の１波長の１／４の正方形や、円周が１波長の円を用いる。
【００１６】
また、閉線路は、一辺の長さが発振周波数の１波長の１／ｎ（ｎは３以上の自然数）の正ｎ多角形から成る周辺線路と、その正ｎ多角形の中心点と、各辺（頂点を含む）とを、等中心角で結ぶ内部線路とで構成しても良い。この場合には、中心点から発振周波数のｎ倍の周波数を出力することができる。発振器の数からして、ｎは３以上１２以下、望ましくは、３以上１０以下又は、３以上８以下が良い。
【００１７】
また、閉線路は、円から成る周辺線路と、その円の中心点と、円周のｎ等分点（ｎは３以上の自然数）とを結ぶ内部線路とで構成しても良い。この場合には、中心点から発振周波数のｎ倍の周波数を出力することができる。
これらの場合において、１次元配列や２次元配列する場合には、２つの閉経路を結合させる２つのポートは、同相、又は、逆相となる位置に設定する必要があるが、そのことを除けば、ポートを設ける位置や数は、任意である。ポートの数や発振器の数は、必ずしも上記のｎである必要はないが、対称性からｎであることが望ましい。発振器を結合させる位置は、閉線路の頂角でも辺でも良い。また、ポートは、周辺線路上で、等間隔に設ける必要はないが、等間隔とすることが望ましい。閉線路を正多角形又は円で構成する場合において、周辺線路と内部線路との交点に、発振器を結合させても良いし、発振器は、その交点以外の周辺線路上の任意のｎ等分点に設けても良い。対称性から、ｎ個の発振器とその交点との距離を、全て等しくする任意の点で、発振器を閉線路と結合させることが望ましい。これは、ｎが４、すなわち、閉線路が正方形の場合にも、当てはまる。すなわち、正方形の角でも、各辺の中点でも、各角から距離の等しい各辺上の点で、発振器と閉経路とを結合させても良い。
【００１８】
また、閉線路は、一辺の長さが発振周波数の１波長の１／４の正方形から成る周辺線路と、各辺の中点と正方形の中心点とを結ぶ内部線路とで構成しても良い。この場合には、中心点から発振周波数の４倍の周波数を出力することができる。
この時、発振器を接続するポートは、正方形の各辺の中点に設けても良いし、正方形の角に設けても良い。この構成を、一次元配列、二次元配列したものであっても良い。また、正六角形を周辺線路とし、角をポートとして、６ポートとして、角と中心とを結ぶ線路を内部線路とする閉線路であっても良い。この場合には、発振器の発振周波数の６倍の周波数の信号を中心から得ることができる。これらの高調波を用いる場合も、閉線路は、一次元、二次元配列しても良いし、各閉線路の結合に差動発振器を用いても良い。同様に、正ｎ多角形、円を閉線路として用いることができる。閉線路を一次元又は二次元配列する場合には、結合する２つの閉線路の２つのポートにおいて、同相又は逆相となる関係を満たすように、ポートの位置を決定すれば良い。
【００１９】
また、上記構成の発振装置を用いてアレイアンテナ装置を構成することも可能である。この場合に、一つの基板に、アンテナ素子と、発振器、閉線路、その他の送信回路を形成することができる。同様に、請求項８、９、１０に記載の発振装置を用いたアレイアンテナ装置であって、閉線路の中心点に、送信回路及びアンテナ素子が形成されたアレイアンテナ装置としても良い。
【００２０】
また、出力信号の位相を同相とする位相設定器を設けても良い。この場合には、複数の出力信号の位相を全て同相に同期させたり、複数の出力信号の群ごとに、同相に同期させたりすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、閉線路に、増幅器や方向性結合器などの励振方向固定装置を挿入したので、閉線路から成るリング共振器の発振モードを固定することができる。すなわち、閉線路において、励振方向固定装置の伝搬の向きに沿って、各ポートの位相を遅延させる方向に、励振モードを固定することができる。よって、この閉線路によって、複数の同一周波数の発振信号を所定の位相関係で同期して得ることができる。
【００２２】
また、閉線路を、一次元配列、二次元配列など、複数配列させることにより、アレイアンテナへの応用が可能となる。また、隣接する閉線路を、差動発振器で結合することで、閉線路間の結合が容易となる。
また、閉線路を、一次元配列、二次元配列など、複数設けて、隣接する閉線路を接続する線路に、移相器を設けることで、得られる発振信号の位相を可変制御することができる。したがって、フェーズドアレイアンテナ装置の指向性制御を容易に行うことが可能となる。
【００２３】
また、閉線路を正ｎ多角形又は円形として、ｎ本の回転対称の内部線路を設けて、その中心点から基本周波数のｎ倍の周波数の信号を得るようにした場合には、リング共振器の共振周波数が使用する周波数よりも低いので、使用周波数で共振させた場合に比べると、高いＱ値を得ることができるので効果的である。
【００２４】
これらの発振装置をフェーズドアレイアンテナを含むアレイアンテナ装置に用いた場合には、分配器を用いていないので、消費電力を節減できる。また、発熱も少ない。さらに、一つの基板上にアンテナ素子と回路とを集積化することができる。さらに、リング共振器の利得を、発振器の数で決定することができ、一定の出力を得るに当たり、発振器の容量を低減することが可能となる。また、各アンテナ系統へ信号を供給する各線路の長さが、単一の発振器を用いて分配器で分配する場合には、等しくならないので、各アンテナでの送信位相を調整することが必要となるが、本発明では、そのような線路長の不均一性による各種の弊害を排除することができる。
【００２５】
また、閉線路を複数設けているので、アレイアンテナに要求される性能により、用いる閉線路を選択することで、要求の程度に応じたアレイアンテナ装置を、同一構成で、提供することが可能となる。例えば、探索範囲を長距離にしたり、指向性の幅を狭くして、方向の分解能を高くする場合には、動作させる閉線路の数を多くし、探索範囲を短距離にしたり、指向性の幅を広くして方向の分解能を低下させる場合には、動作させる閉線路の数を減少させれば良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の具体的な実施例を図を参照しながら説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２７】
実施例１は、閉線路から成るリング共振器が１つの場合の例である。図１は、その平面図、図２は、その断面図である。基板１０の上に、マイクロストリップ線路から成る正方形をした閉線路２０と、発振器３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄから成るＩＣが配設されている。基板の裏面１１には、アース導体１２が配設されている。正方形の閉線路の１辺の長さａは、発振周波数の波長の１／４である。閉線路２０の中には、増幅率１の正相のバッファ増幅器９０が挿入されている。各辺の４つの中点は、各発振器３０ａ〜３０ｄのゲート／ベースが接続される４つのポート２０ａ〜２０ｄを構成している。
【００２８】
各発振器３０ａ〜３０ｄは、図１に示すように、同一構成のトランジスタから成る発振器である。そして、各ポート２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄには、各発振器を構成するトランジスタのゲート／ベースが接続されている。また、ポート２０ｂには、２７０度の位相設定器４０ｂ、ポート２０ｃには、１８０度の位相設定器４０ｃ、ポート２０ｄには、９０度の位相設定器４０ｄが接続されている。ポート２０ａには、位相設定器は接続されていない。ポート２０ａと、３つの位相設定器４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの出力は、同相となる。
【００２９】
この閉線路２０の一周長は４ａであり、４ａを１波長とする周波数ｆ＝ｃ／（４ａ）の周波数を基本波として、共振する。したがって、４つの出力Ａ〜Ｄは、周波数ｆで同相の発振信号となる。なお、バッファ増幅器９０は、信号波の伝搬方向を右回りに制限するものであり、ポート２０ａの位相に対して、ポート２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、９０度、１８０度、２７０度、位相が遅れるモードで、リング共振器を共振させる作用をする。なお、バッファ増幅器９０は正相増幅器とした。バッファ増幅器９０を逆相増幅器とした場合には、閉経路２０のポート２０ｃと２０ｄとの間の区間にも、もう一つの逆相のバッファ増幅器９０を挿入する。この場合には、閉経路２０の１周が基本波の２波長となる。このように構成すると、ポート２０ａの位相に対して、ポート２０ｂ、２０ｄは、１８０度位相が遅れ（したがって、ポート２０ｂと２０ｄは同相）、ポート２０ｃは、同相となる。
【００３０】
このようにして、本実施例によれば、分配器を用いることなく、４つの位相同期した、周波数ｆの発振信号を得ることができる。
なお、本実施例においては、発振器のトランジスタのゲート／ベースを閉線路に接続しているが、ドレイン／コレクタ又はソース／エミッタをコンデンサやインダクタを介して閉線路に接続しても、トランジスタの発振信号が流れる線路と、閉線路とを、容量結合、誘導結合などの電磁的な結合により、結合させても良い。
【実施例２】
【００３１】
本実施例は、閉線路を複数、一次元配列したものである。基板上に閉線路を形成することは、実施例１と同一である。図３において、３つの閉線路２１、２２、２３が設けられている。本実施例では、発振器を、"Millimeter-Wave VCOs With Wide Tuning Range and Low Phase Noise, Fully Integrated in a SiGe Bipolar Production Technology," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.38,No.2,pp.184-191,Feb.2003に記載された図４に示すような差動発振器としている。差動発振器は、図１に示す発振器をカレントミラー回路で、図４に示すように、並列に接続した回路である。トランジスタＴｒ１のドレイン／コレクタ出力Ｏｕｔ１と、トランジスタＴｒ２のドレイン／コレクタ出力Ｏｕｔ２は、それぞれ、位相が逆相になっている。
【００３２】
一つの閉線路２１は、正相増幅のバッファ増幅器９１が配設されており、各ポート２１ａ〜２１ｄには、それぞれ、差動発振器３１ａ〜３１ｄの一方のトランジスタのドレイン／コレクタがインダクタを介して接続されている。他の閉線路も同様な構成を有している。そして、隣接する閉線路２１と閉線路２２間においては、差動発振器３１ｃのカレントミラー回路で構成された一方のトランジスタのドレイン／コレクタがインダクタを介して閉線路２１のポート２１ｃに接続され、他方のトランジスタのドレイン／コレクタがインダクタを介して閉線路２２のポート２２ａに接続されている。閉線路２２と閉線路２３間も同様な構成であり、差動発振器３２ｃにより、両者は結合している。
【００３３】
閉線路間は、差動発振器で接続されているので、一方のポートの信号と他方のポートの信号の位相は、１８０度異なる。したがって、閉線路２１のポート２１ａと、閉線路２２のポート２２ａと、閉線路２３のポート２３ａは、全て、同一位相となる。
【００３４】
また、他の差動発振器３１ｄ、３２ｄ、３３ｄのポート２１ｄ、２２ｄ、２３ｄに接続されていない側のトランジスタのドレイン／コレクタは、インダクタを介して１８０度の位相設定器４１ｄ、４２ｄ、４３ｄに、それぞれ、接続されている。また、差動発振器３１ｂ、３２ｂ、３３ｂのポート２１ｂ、２２ｂ、２３ｂに接続されていない側のトランジスタのドレイン／コレクタは、インダクタを介して、それぞれ、位相設定器を介することなく、そのまま、出力端子となる。さらに、差動発振器３１ａのポート２１ａに接続されていない側のトランジスタのドレイン／コレクタは、インダクタを介して、９０度の位相設定器４１ａに接続されており、その位相設定器の出力が、出力発振信号の出力端子となっている。差動発振器３３ｃのポート２３ｃに接続されていない側のトランジスタのドレイン／コレクタは、インダクタを介して、２７０度の位相設定器４３ｃに接続されており、その位相設定器の出力が、出力発振信号の出力端子となっている。この構成により、８個の同相で位相同期した周波数ｆの発振信号を得ることができる。なお、閉経路を結合する発振器だけを差動発振器として、他の発振器を、差動型でない発振器としても良い。
【００３５】
また、バッファ増幅器９１、９２、９３を逆相増幅器として、ポート２１ｃと２１ｄの間の経路、ポート２２ｃと２２ｄの間の経路、ポート２３ｃと２３ｄの間の経路にも、もう一つの逆相のバッファ増幅器９１、９２、９３を、それぞれ、挿入しても良い。この場合には、全ての差動増幅器発振器３１ａ〜３１ｄ、３２ｂ〜３２ｄ、３３ｂ〜３３ｄを、差動ではない発振器で構成することになる。上記したように、ポート２１ａ、２１ｃは、同相、ポート２２ａ、２２ｃも、同相となるため、共通の１つの発振器で接続することができる。この場合には、位相設定器４１ａ、４３ｃを、２７０度の位相設定器として、位相設定器４１ｄ、４２ｄ、４３ｄは除去する。この場合には、ポート２１ａでの信号をcos(ωt)とする時、８個の出力は、-sin( ωt)となる。
【００３６】
なお、本実施例においては、差動発振器の並列したトランジスタのそれぞれのドレイン／コレクタを閉線路や、位相設定器に接続しているが、それぞれのトランジスタのゲート／ベース又はソース／エミッタをコンデンサを介して閉線路に接続しても、トランジスタの発振信号が流れる線路と、閉線路とを、容量結合、誘導結合などの電磁的な結合により、結合させても良い。以下の全実施例においても、差動発振器、又は、差動型ではない発振器と、閉線路との結合においても同様である。
【実施例３】
【００３７】
本実施例は、図５に示す構成をとり、発振信号の初期位相を、0 、θ、2 θとするもので、信号間の位相差をθとしたものである。そして、この位相差θを可変設定できるようにしている。
【００３８】
実施例２において、閉線路間を接続する差動発振器３１ｃと閉線路２２のポート２２ａとの間に移相器５１を設け、差動発振器３２ｃと閉線路２３のポート２３ａとの間に移相器５２を設けたことが特徴である。また、差動発振器３１ａ、３３ｃの閉線路２１、２３のポート２１ａ、２３ｃに、接続される側のトランジスタとは異なるトランジスタのドレイン／コレクタは、インダクタを介して、それぞれ、５０Ωに線路抵抗に終端されている。これにより、２つの-sin( ωt)の信号と、２つの-sin( ωt-θ) の信号と、２つの-sin( ωt-２θ) の位相同期した信号が得られる。この配列や、さらに、閉線路と周辺の差動発振器など組を４つ以上、一次元配列することで、本実施例の装置を、一次元方向に指向性を制御できるフェーズドアレイアンテナ装置の搬送波発生装置に用いることができる。
【００３９】
この実施例においても、閉経路を結合する発振器だけを差動発振器として、他の発振器を、差動型でない発振器としても良い。また、バッファ増幅器９１、９２、９３を逆相の増幅器として、全ての差動増幅器発振器を差動ではない発振器としても良い。この場合にも、同様な信号が得られる。
【実施例４】
【００４０】
本実施例は、図６に示すように、閉線路を２次元配列したものである。すなわち、実施例２のｘ方向の一次元配列を、それに垂直なｙ方向に、繰り返し、ｙ軸方向にも、各ｘ系統の閉線路を、結合させたものである。閉線路２１と２２とから成るｘ方向に配列された第１系統は、実施例２と同一である。また、位相設定器７１ａ、閉線路６１、差動発振器８１ａ、８１ｃ、８１ｄ、位相設定器７１ｄ、閉線路６２、差動発振器８２ｃ、８２ｄ、位相設定器７２ｄから成るｘ方向に配列された第２系統も、実施例２と同一構成である。
【００４１】
本実施例では、閉線路２１と閉線路６１とが、差動発振器３１ｄで接続され、閉線路２２と閉線路６２とが、差動発振器３２ｄで接続されている。各発振信号の出力は、それぞれ、同様な関係にある。差動発振器３１ｂ、３２ｂに接続される位相設定器４１ｂ、４２ｂの設定位相は、９０度であり、差動発振器３１ａ、８１ａに接続される位相設定器４１ａ、７１ａの設定位相は、それぞれ、１８０度であり、差動発振器８１ｄ、８２ｄに接続される位相設定器７１ｄ、７２ｄの設定位相は、それぞれ、２７０度である。この場合、８個の出力信号は、全て、cos(ωt)となる。
【００４２】
また、上記したように、各閉経路において、その中心に対して点対称の位置に、逆相のバッファ増幅器９１、９２、１０１、１０２を２つ挿入して、全差動発振器を全て差動型でない発振器を用いることも可能である。その場合には、位相設定器４１ａ、７１ａは不要であり、位相設定器４１ｂ、４２ｂ、７１ｄ、８２ｄは、１８０度の位相設定器となる。この場合には、８個の出力は、全て、cos(ωt)となる。
【実施例５】
【００４３】
発振器の周波数ｆ0 の４倍の周波数４ｆ0 を発生するようにした実施例である。図７に示すように、閉線路は、第１行に配列された閉線路Ｗ１１、Ｗ１２と、第２行に配列された閉線路Ｗ２１、Ｗ２２の２行２列のマトリックスに配列されている。閉線路Ｗ１１は、実施例１〜４と異なり、正方形の閉線路の周辺線路２１０の各辺の中点と正方形の中心とを結ぶ十字形状の内部線路２００を有している。各閉線路には、正相のバッファ増幅器Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ２１、Ｂ２２が挿入されている。行方向（ｘ方向）には、閉線路Ｗ１１と閉線路Ｗ１２とは、差動発振器Ｄ１２で結合され、閉線路Ｗ２１と閉線路Ｗ２２とは、差動発振器Ｄ２２で結合されている。一方、列方向（ｙ方向）には、閉線路Ｗ１１と閉線路Ｗ２１とは、差動発振器Ｅ２１と移相器Ｑ２１により結合されており、閉線路Ｗ１２と閉線路Ｗ２２とは、差動発振器Ｅ２２と移相器Ｑ２２により結合されている。そして、閉線路間の結合に用いられている差動発振器を除く全ての差動発振器Ｄ１１、Ｄ１３、Ｄ２１，Ｄ２３、Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ３１、Ｅ３２の閉線路に接続されている側のトランジスタとは異なる他方のトランジスタのドレイン／コレクタは、全て、５０Ωの線路抵抗で終端されている
【００４４】
内部線路２００の１辺の長さは（辺の中点と中心点とを結ぶ辺）の長さは、ａ／２である。ただし、ａは、閉線路の周辺線路の１辺の長さである。各ポート間の周辺線路における経路長は、ａであるから、周波数４ｆ0 の高調波においては、一波長である。したがって、各ポートＬ１１１、Ｌ１１２、Ｌ１１３、Ｌ１１４では、周波数４ｆ0 の高調波の位相は同相となり、発振信号はcos(4 ωt)となる。ただし、ω＝２πｆ0 である。また、中心点Ｒ１１と各ポート間の距離は、λ／２となるので、中心点Ｒ１１の信号の位相は、各ポートの信号位相に対して、１８０度遅れる。よって、中心点Ｒ１１の信号は、−cos(4 ωt)となる。
【００４５】
他方、周波数ｆ0 の基本波に対しては、各ポートでの信号の位相が０、π／２、π、３π／２であり、中心点Ｒ１１では、これらの位相に、共通にλ／８の内部線路による位相遅れπ／４を減じた値を位相とする余弦波の和となる。これは、零となる。同様に、第２高調波２ｆ0 の場合には、０、π、０、πの各ポートの位相に、共通にλ／４の内部線路による位相遅れπ／２を減じた値を位相とする余弦波の和となる。この和も対称性から零となる。第３高調波３ｆ0 の場合には、０、３π／２、π、π／２の各ポートの位相に、共通に、３λ／８の内部線路による位相遅れ３π／４を減じた値を位相とする余弦波の和となる。この場合も、位相の対称性から、中心点Ｒ１１におけるこの第３高調波成分は０となる。結局、第４高調波成分のみが、中心点Ｒ１１に現れることになる。
【００４６】
このようにして、閉線路Ｗ１１の中心点Ｒ１１と、閉線路Ｗ１２の中心点Ｒ１２からは、−cos(4 ωt)の発振信号が得られる。
【００４７】
一方、列方向（ｙ方向）には、移相器Ｑ２１、Ｑ２２を介して結合されているので、それによる遅れ位相量( θ) により、その出力が入力するポートＬ２１２、Ｌ２２２の信号はsin(ωt-θ) となる。すなわち、第２行の閉線路Ｗ２１、Ｗ２２における発振信号は、第１行の閉線路Ｗ１１、Ｗ１２における発振信号に対して位相がθだけ遅れたものとなる。したがって、閉線路Ｗ２１、Ｗ２２の中心点Ｒ２１、Ｒ２２での発振信号は、−cos(4 ωt-４θ) となる。このようにして、位相差が４θの信号を得ることができる。ｙ方向に、これらの構成の閉線路を多数設けることで、３以上の位相差４θを有する発振信号２つづつ得ることができる。これにより、一次元方向に指向性を変更できるフェーズドアレイアンテナ装置を構成できる。閉線路は２列に構成されいるので、アンテナ素子も２列に構成でき、放射電力を増大させることができる。もちろん、行方向（ｘ方向）にも、同様な閉線路を多数設けて、アンテナ素子を多数列形成することで、放射電波の電力を大きくすることができる。
【００４８】
この実施例においても、閉線路間の結合だけに、差動発振器を用いて、他の差動増幅器発振器は、差動型ではない通常の発振器を用いても良い。さらに、上述したように、バッファ増幅器Ｂ１１〜Ｂ２２を、逆相増幅器として、閉経路の点対称の位置に２つ設けた場合には、全ての発振器を差動型ではない発振器で構成することも可能である。
本実施例では、リング共振器内の発振周波数はｆ0 として、用いる発振信号の周波数を４ｆ0 としている。したがって、共振周波数は、用いる信号よりも低周波であるので、共振のＱ値を大きくすることができる。
【実施例６】
【００４９】
本実施例は、図７の実施例５をさらに発展させたものである。ｘ方向に配列された系統を、ｙ方向に沿って、繰り返して配列させたものであり、各系統をｙ方向に沿っても結合させたものである。実施例６の発振装置は、３行３列の閉線路を有している。閉線路Ｗ１１と接続される差動発振器Ｄ１２と、閉線路Ｗ１２との間に、移相器Ｐ１２が設けられており、閉線路Ｗ１２と接続される差動発振器Ｄ１３と、閉線路Ｗ１３との間に、移相器Ｐ１３が設けられている。同様に、閉線路Ｗ２１と接続される差動発振器Ｄ２２と、閉線路Ｗ２２との間に、移相器Ｐ２２が設けられており、閉線路Ｗ２２と接続される差動発振器Ｄ２３と、閉線路Ｗ２３との間に、移相器Ｐ２３が設けられている。同様に、閉線路Ｗ３１と接続される差動発振器Ｄ３２と、閉線路Ｗ３２との間に、移相器Ｐ３２が設けられており、閉線路Ｗ３２と接続される差動発振器Ｄ３３と、閉線路Ｗ３３との間に、移相器Ｐ３３が設けられている。
【００５０】
また、閉線路Ｗ１１と接続される差動発振器Ｅ２１と、閉線路Ｗ２１との間に、移相器Ｑ２１が設けられており、閉線路Ｗ２１と接続される差動発振器Ｅ３１と、閉線路Ｗ３１との間に、移相器Ｑ３１が設けられている。同様に、閉線路Ｗ１２と接続される差動発振器Ｅ２２と、閉線路Ｗ２２との間に、移相器Ｑ２２が設けられており、閉線路Ｗ２２と接続される差動発振器Ｅ３２と、閉線路Ｗ３２との間に、移相器Ｑ３２が設けられている。同様に、閉線路Ｗ１３と接続される差動発振器Ｅ２３と、閉線路Ｗ２３との間に、移相器Ｑ２３が設けられており、閉線路Ｗ２３と接続される差動発振器Ｅ３３と、閉線路Ｗ３３との間に、移相器Ｑ３３が設けられている。
【００５１】
列方向に配列された６個の移相器Ｐ１２〜Ｐ３３は、遅れ位相角θが設定される。また、行方向に配列された６個の移相器Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ２３、Ｑ３１、Ｑ３２、Ｑ３３には、位相角（０度）が設定される。すなわち、閉線路Ｗ１２の信号の位相は、移相器Ｐ１２によりθだけ位相が遅延しているので、閉線路Ｗ２２には、そのままの第２列の閉線路Ｗ１２の信号を、閉線路Ｗ２２に加えれば良いためである。同様に、閉線路Ｗ３２の信号は、移相器Ｐ３２により位相がθだけ遅延しているので、閉線路Ｗ２２の信号をそのまま、閉線路Ｗ３２に印加すれば良い。閉線路Ｗ１３の信号を閉線路Ｗ２３に印加する場合も、閉線路Ｗ２３の信号を閉線路Ｗ３３に印加する場合も同様である。
【００５２】
この構成により、第２列の閉線路Ｗ１２、Ｗ２２、Ｗ３２の中心点の位相は、移相器Ｐ１２、Ｐ２２、Ｐ３２により、第１列の閉線路Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１の中心点の信号の位相に対して、４θだけ位相が遅れることになる。同様に、第３列の閉線路Ｗ１３、Ｗ２３、Ｗ３３の中心点の信号は、移相器Ｐ１３、Ｐ２３、Ｐ３３により、第２列の閉線路Ｗ１２、Ｗ２２、Ｗ３２の中心点の信号に対して、４θだけ位相が遅れることになる。このように構成することでｘ軸方向に指向性を変化させることができる。
【００５３】
また、ｙ方向に指向性を変化させる場合には、行方向（ｘ方向）に配列されている第２行の移相器Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ２３と、第３行の移相器Ｑ３１、Ｑ３２、Ｑ３３に、遅れ位相θを設定する。その一方、列方向（ｙ方向）に配列されている第２列の移相器Ｐ１２、Ｐ２２、Ｐ３２と、第３列の移相器Ｐ１３、Ｐ２３、Ｐ３３に設定する位相は０とする。これにより、ｙ方向に指向性を変化させることができる。
【００５４】
上記の実施例では、リング共振器に接続される各発振器の発振周波数ｆ0 の４倍の周波数４ｆ0 の発振信号を得るために、閉線路を正方形としているが、閉線路を、図９に示すように、正六角形の周辺線路Ｔと、各角Ｓ１〜Ｓ６と中心点Ｒとを接続する線路を内部線路Ｕ１〜Ｕ６としても良い。そして、各角Ｓ１〜Ｓ６、閉経路の周辺線路Ｔの各辺の中点又は同一比率の内分点を発振器を接続するポートとする。各角での位相の対称性から、基本波及び第２〜第５高調波の中心点Ｒでの合成信号は、零となる。第６高調波では、一辺が一波長に等しく、角の中心点の距離も一波長に等しいので、中心点では、全ての信号が同相で合成されることになる。したがって、中心点においては、周波数６ｆ0 の発振信号を得ることができる。このような形状を複数、一次元配列、二次元配列させて、フェーズドアレイアンテナ装置を構成しても良い。
【００５５】
また、一般的には、図９の構成を、正ｎ多角形（ｎは３以上の自然数）の閉線路に拡張しても良い。正ｎ多角形の周辺線路をｎ等分する点での位相を考える。このｎ等分点は、必ずしも正多角形の頂角である必要はない。正多角形であるので、ｎ等分点は、一定の回転角毎の回転対称となる。このｎ等分点に任意点を第ｉ点とすると、第ｉ点におけるの基本波の電圧波形は、次式で表される。
sin(ωt-2 πi/n) …(1)
ただし、i=0,1,…,n-1、ωは基本波の各周波数、ｔは時刻である。第ｋ高調波は、周辺線路の１周の位相回転角は、２πｋであるので、第ｉ点における電圧波形は、次式で表現される。
sin(ωkt-2πki/n) …(2)
ただし、k=1,2,…,nである。
【００５６】
閉線路の中心点Ｒでの位相は、(2) 式のｉに関する和で表される。周辺線路の第ｉ点と中心点Ｒの線路上の距離は、対称性から、ｉに関係なく、等しいので、その間にけおける第ｋ高調波ｋの位相差をθk をとする。θk は、i には関係なく一定である。第ｋ高調波の中心点Ｒでの電圧Ｖは、次式で表される。
V=Σi ｛sin(ωkt-2πki/n- θk ) ｝ …(3)
ただし、Σi は、 ｉに関する和を意味する。Ｖは、2 π/(n/k)単位で位相回転をさせた単位ベクトルの和の射影である。n/k ≧1 であるので、2 πi/(n/k) は、2 πの等分点の位相を表す。
【００５７】
閉線路の対称性からk ≠n の時には、S=0 …(4)
k=n の時には、S=n ・sin(ωnt- θk)…(5)
したがって、中心点Ｒでは、第ｎ高調波のみが現れることになる。
【００５８】
閉経路が円の場合でも、同様である。円をｎ等分する点と、円の中心との周辺線路及び内部線路上の経路距離は等しい。ｎ等分点を周辺線路と内部線路との交点に選択すると、距離は半径になるので、全てのｎ等分点と中心との距離は等しい。この条件が成立するので、上記の(1) 〜(5) 式は、閉経路が円であっても成立することは明らかである。
このようにして、正ｎ多角形や円を閉経路とする場合には、その中心から閉経路の共振周波数のｎ倍の周波数を取り出すことができる。
【００５９】
フェーズドアレイアンテナ装置の構成を次に説明する。図８の閉線路Ｗ２２に接続される差動発振器Ｄ２３、移相器Ｐ２２の組からなる集積回路を製造する。また、これに、バッファ増幅器を組み込んだ集積回路も作成する。この集積回路ＩＣ１〜ＩＣ７等を、図１０、図１１に示すように、基板１０上に形成されたマイクロストリップ線路から成る閉線路Ｗ１、Ｗ２に、９０度の角度に配置して、閉線路の各ポートに接続する。なお、ＩＣ１、ＩＣ３は、正相のバッファ増幅器が組み込まれた集積回路である。そして、閉線路Ｗ１、Ｗ２の、それぞれの中心点Ｒ１、Ｒ２を、基板１０の裏面側に、ビアホールにより導通させる。また、基板１０は多層基板で中間部には、アース導体１２が設けられており、閉線路Ｗ１、Ｗ２の中心部に相当する部分にだけ、アース導体が存在しない窓１３ａ、１３ｂが設けられている。そして、この窓領域に中心点Ｒ１、Ｒ２にアンテナ素子ＡＴ１、ＡＴ２を設ける。また、アンテナ素子ＡＴ１、ＡＴ２の前段に、電気的に接続する変調器や送信器などを組み込んだ集積回路を中心点Ｒ１、Ｒ２に設けても良い。
【００６０】
このような構成を、図５に示すような一次元配列させたり、図８に示すような二次元配列させることで、各アンテナ素子に対する給電線路を等しく、且つ、分配器を用いずに、アレイアンテナや、フェーズドアレイアンテナ装置を構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、指向性を制御できるフェーズドアレイアンテナ装置に用いることかできる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る発振装置を示した回路図。
【図２】実施例１の発振装置の構造を示した断面図。
【図３】本発明の具体的な実施例２に係る発振装置を示した回路図。
【図４】実施例装置で用いられる差動発振器を示した回路図。
【図５】本発明の具体的な実施例３に係る発振装置を示した回路図。
【図６】本発明の具体的な実施例４に係る発振装置を示した回路図。
【図７】本発明の具体的な実施例５に係る発振装置を示した回路図。
【図８】本発明の具体的な実施例６に係る発振装置を示した回路図。
【図９】本発明の他の閉線路の構成を示した平面図。
【図１０】フェーズドアレイアンテナ装置の基板の表面の閉線路と集積回路との配置関係を示した 斜視図。
【図１１】同フェーズドアレイアンテナ装置の基板の断面図。
【符号の説明】
【００６３】
２０，２１、２２、２３、６１、６２…閉線路
Ｗ１１〜Ｗ３３…閉線路
３０ａ〜３０ｃ…差動発振器
４０ａ〜４０ｄ、４１ａ〜４３ｄ、…位相設定器
２０ａ〜２０ｄ、２１ａ〜２１ｄ、２２ａ〜２２ｄ、２３ａ〜２３ｄ…ポート
９０〜９３、１０１、１０２…バッファ増幅器
Ｄ１１〜Ｄ３３、Ｅ１１〜Ｅ４３…差動発振器
Ｐ１２〜Ｐ３３、Ｑ２１〜Ｑ３３…位相器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発振周波数を同期させた発振装置において、
複数の発振器と、
これらの複数の発振器を、閉線路の各ポートに結合して、線路で結合したリング共振器と、
前記リング共振器の線路に挿入された励振位相を一方向に固定する励振方向固定装置と、
から成る発振装置。
【請求項２】
前記閉線路は、全周長が発振周波数の１波長のマイクロストリップ線路から成ることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。
【請求項３】
前記閉線路は、複数、存在し、隣接する閉線路の２つのポートに対して、共通の１つの発振器を結合したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発振装置。
【請求項４】
前記共通の発振器は、差動発振器で構成され、前記隣接する閉線路の２つのポートのそれぞれに対して、前記差動発振器のそれぞれのトランジスタを結合したことを特徴とする請求項３に記載の発振装置。
【請求項５】
前記隣接する閉線路の２つのポートを接続する線路に位相を推移させる移相器を設けたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の発振装置。
【請求項６】
複数の前記閉線路は、２次元配列されていることを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項７】
隣接した前記各ポート間の位相差はπ／２であり、前記ポートの数は、一つの前記閉線路当たり４点であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項８】
前記閉線路は、一辺の長さが発振周波数の１波長の１／ｎ（ｎは３以上の自然数）の正ｎ多角形から成る周辺線路と、その正ｎ多角形の中心点と、各辺（頂点を含む）とを、等中心角で結ぶ内部線路とから成り、前記中心点から前記発振周波数のｎ倍の周波数を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項９】
前記閉線路は、円から成る周辺線路と、その円の中心点と、円周のｎ等分点（ｎは３以上の自然数）とを結ぶ内部線路とから成り、前記中心点から前記発振周波数のｎ倍の周波数を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項１０】
前記閉線路は、一辺の長さが発振周波数の１波長の１／４の正方形から成る周辺線路と、各辺の中点と正方形の中心点とを結ぶ内部線路とから成り、前記中心点から前記発振周波数の４倍の周波数を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項１１】
出力信号の位相を同相とする位相設定器を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の発振装置を用いたアレイアンテナ装置。
【請求項１３】
請求項８乃至請求項１０の何れか１項に記載の発振装置を用いたアレイアンテナ装置であって、
前記閉線路の中心点に、送信回路及びアンテナ素子が形成されたアレイアンテナ装置。
【請求項１】
複数の発振周波数を同期させた発振装置において、
複数の発振器と、
これらの複数の発振器を、閉線路の各ポートに結合して、線路で結合したリング共振器と、
前記リング共振器の線路に挿入された励振位相を一方向に固定する励振方向固定装置と、
から成る発振装置。
【請求項２】
前記閉線路は、全周長が発振周波数の１波長のマイクロストリップ線路から成ることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。
【請求項３】
前記閉線路は、複数、存在し、隣接する閉線路の２つのポートに対して、共通の１つの発振器を結合したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発振装置。
【請求項４】
前記共通の発振器は、差動発振器で構成され、前記隣接する閉線路の２つのポートのそれぞれに対して、前記差動発振器のそれぞれのトランジスタを結合したことを特徴とする請求項３に記載の発振装置。
【請求項５】
前記隣接する閉線路の２つのポートを接続する線路に位相を推移させる移相器を設けたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の発振装置。
【請求項６】
複数の前記閉線路は、２次元配列されていることを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項７】
隣接した前記各ポート間の位相差はπ／２であり、前記ポートの数は、一つの前記閉線路当たり４点であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項８】
前記閉線路は、一辺の長さが発振周波数の１波長の１／ｎ（ｎは３以上の自然数）の正ｎ多角形から成る周辺線路と、その正ｎ多角形の中心点と、各辺（頂点を含む）とを、等中心角で結ぶ内部線路とから成り、前記中心点から前記発振周波数のｎ倍の周波数を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項９】
前記閉線路は、円から成る周辺線路と、その円の中心点と、円周のｎ等分点（ｎは３以上の自然数）とを結ぶ内部線路とから成り、前記中心点から前記発振周波数のｎ倍の周波数を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項１０】
前記閉線路は、一辺の長さが発振周波数の１波長の１／４の正方形から成る周辺線路と、各辺の中点と正方形の中心点とを結ぶ内部線路とから成り、前記中心点から前記発振周波数の４倍の周波数を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項１１】
出力信号の位相を同相とする位相設定器を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の発振装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の発振装置を用いたアレイアンテナ装置。
【請求項１３】
請求項８乃至請求項１０の何れか１項に記載の発振装置を用いたアレイアンテナ装置であって、
前記閉線路の中心点に、送信回路及びアンテナ素子が形成されたアレイアンテナ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−８８６７３（Ｐ２００９−８８６７３Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５２２６２（Ｐ２００７−２５２２６２）
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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