JP2002509372A

JP2002509372A - アンテナ間連方法と装置

Info

Publication number: JP2002509372A
Application number: JP2000539545A
Authority: JP
Inventors: ジラート，ヘルベルト; アンイェーロフ，イルトフォ
Original assignee: ジラート，ヘルベルト; アンイェーロフ，イルトフォ
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2002-03-26
Also published as: SE9704483L; WO1999031755A2; EP1036423A2; AU1792499A; WO1999031755A3; SE511979C2; IL136452A0; SE9704483D0

Abstract

(57)【要約】【解決手段】電磁波の受信・混合用の装置である。該装置はアンテナ要素（２４）と増幅トランジスター（１０，２０）とを有している。さらに増幅トランジスターのゲート電極（２２）にアンテナ要素からの内部生成発振信号（ＬＯ）と外部生成無線周波数（ＲＦ）とを印加する手段が設けられており増幅トランジスターからの出力信号（ＩＦ）は無線周波数（ＲＦ）と内部生成発振信号（ＬＯ）との関数である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

この発明は、電磁波を受信し混合するための方法および装置に関し、この装置
にはアンテナ要素と増幅トランジスターとを含む。

【０００２】

【この発明の背景】

レーダーシステムとりわけ画像生成レーダーシステムにおいて、アンテナ内に
ミキサーを集積することは、以前から公知である。例えば、公知のＳｃｈｏｔｔ
ｋｙあるいはＨＥＭＴミキサーは、いわゆる抵抗混合モードで作動し問題点があ
る。何故なら、それらは内部発信（ＬＯ）のために、比較的多量の電力を必要と
し、そのため実用化がほとんど困難であった。内部発信（ＬＯ）のための電力は
、集積された回路に電気的に供給することも、アンテナへ空中伝送して受信ミキ
サーに供給することも可能である。

【０００３】アンテナにおいては、送られてくる情報は無線周波数（ＲＦ）信号として受信
され、その情報は既知の部分（搬送波）と情報搬送部分とに分離することができ
る。内部で生成された信号ＬＯは、非線型構成要素へＲＦ信号と共に送られ、結
果としてＲＦとＬＯの加算されたものになる。電圧駆動型トランジスターが、積
ＲＦ×ＬＯを電流Ｉ_RF×Ｉ_LOに変換し、その位相と増幅度は、ＲＦ信号の情報搬
送部分に対応したものになる。このことは、周波数平面における周波数変換と共
通点がある。通常人々は積｜ｆ_RF−ｆ_LO｜［ＡＢＳ（ｆ_RF−ｆ_LO）］に関心を持
ち、これは、中間周波数と呼ばれ、信号増幅の主要部は、この周波数で行なわれ
る。

【０００４】高周波応用においては、ＬＯ電源が高価なため、ＬＯ電力が少ないということ
はきわめて重要である。多くのＬＯ電源を用いるシステムにおいては、価格だけ
の問題にとどまらず、熱的損失が問題で、そのシステムの性能を制約する重要な
事実である。

【０００５】ＥＰ−Ａ１−７６２５３０は、広波域の高温超伝導ミキサーアンテナを開示し
ている。このアンテナは、超伝導電力ラインを可能にしているが、高周波領域で
抵抗損失が高いことを示している。このアンテナは低周波領域では、抵抗損失が
少ない状態で使用できる。この文献にある発明は、非常に低い温度でのみ使用で
きる（最善のケースは液化水素の温度）が、通常の応用には不適である。非線形
要素として、超伝導−絶縁−超伝導（ＳＩＳ）接合が用いられている。低い温度
においては、ＳＩＳパラメーターは満足に機能しない。

【０００６】

【この発明の目的および特徴】

この発明の目的のひとつは、ＬＯ所要電力を減らすこと、例えば、従来技術に
比べて１／１０未満にすることであり、その結果として、製品を一層コンパクト
化し、安価で電力消費の少ないシステムを実用化することである。この発明の別
の目的は、システムから漏れ出すＬＯ電流を最小化することである。さらにもう
ひとつの目的は、従来技術に比べてノイズファクターを減らしたセンサーを提案
することで、そのことはセンサーの感度を向上させることになる。この発明によ
り、あるノイズレベルとＬＯ電力で、一段と高周波が使用できる。

【０００７】この発明において、非線型ミキサーとして、望ましくは高周波ＦＥＴ（電界効
果トランジスター）を用いる。これは常温での使用が可能である。

【０００８】この発明によれば、優れた増幅効果が得られ、ＬＯ所要電力が減少する。例え
ば、１０デシベル（ｄＢ）の増幅をするのに必要なＬＯ効果は、２０デシベル（
ｄＢ）である。

【０００９】これらの目的と利点は、この文頭で述べた装置を手段として、達成することが
できる。その装置には、増幅トランジスターのコントロール電極に、内部で生成
された発信信号および外部で生成された無線周波数を印加する手段を含む。この
ようにすることにより、増幅トランジスターからの出力信号は、無線周波数およ
び内部で生成された発信信号の関数となる。

【００１０】受信した信号を混合・増幅するためのアンテナ要素と増幅ユニットとを備える
、この発明による電磁波受信法は、少なくとも１個のしかも同一のトランジスタ
ー内において、混合と増幅とが遂行されることによって特徴付けられる。

【００１１】

【実施例】

この発明は好ましくはレーダー受信機の一部を構成するものであり、特にアン
テナに組み込まれた受信機を具えたマイクロまたは超高周波センサーの一部を構
成するものである。該センサーはＦＥＴ（電界効果トランジスター）、ＨＥＭＴ
（高電子移動度トランジスター）、ＢＪＴ（双極接合トランジスター）およびＨ
ＢＴ（ヘテロ構造双極トランジスター）などのアクチブ構成要素（増幅トランジ
スター）に基づいて所謂アクチブ「ゲート・ミキサー」などにより構成されるも
のである。

【００１２】この発明は同一のトランジスター内において混合・増幅機能を結合するもので
あって、これによりアクチブ構成要素の数を低減し、動力消費も低減するもので
ある。図１に示すのはトランジスター１０の動作原理と回路構成の概略である。
内部発振信号ＬＯと無線周波数ＲＦとはゲート電極１１に印加される。中間周波
数ＩＦ、すなわちＲＦとＬＯの差異がトランジスタードレイン電極に生成される
。

【００１３】トランジスターはドレイン電極１２に直流電流ＤＣを供給され、そのゲート電
極１１にもＤＣが供給される。ゲード電圧Ｖｇ_sを変更することにより、最大変換ゲインが得られる。ソース電極１３はアースされている。図１に示す実施例は
受信要素において、例えば同じ受信機の二元アレイ中のピクセルとして用いるこ
とができる。

【００１４】ＲＦおよびＬＯ信号はアンテナ要素中において組み合わされ、増幅トランジス
ターのゲート電極に印加される。トランジスターは「アクチブ・モード」で接続
しても「アースゲート・モード」で接続してもよい。これによりトランジスター
はミキサー作動点において周波数を増幅する。ＬＯとＲＦとはともにゲート電極
に印加されるので、ともにトランジスター要素内で増幅される。すなわちＬＯ信
号は比較的低い振幅を有する。これにより大きなＬＯ作動動力を必要とせずに、
受信機の大きなアレイを構成できるのである。

【００１５】図２、３に示すのは実施例の詳細構成であって、図２に示すのは所謂「マイク
ロ・ストリップ」技術によるものであり、図３に示すのは回路である。この実施
例のミキサー、すなわちトランジスター２０は所謂「ゲート・ミキサー」型式で
あって、ソース電極２１、ゲート電極２２およびドレイン電極２３を具えている
。この場合のアンテナ２４は所謂パッチ・アンテナであって、偏波のひとつ２５
を用いてＬＯを結合し、他２６を用いてＲＦを結合する。ＬＯとＲＦとはゲート
電極２２に接続されている。ゲート電圧と出力信号（２３）との間の関係が非線
形であるので、混合が行われる。

【００１６】Ｒ₁、Ｃ₁およびＬ₁を具えたローパス・フィルターを介して電圧Ｖ_gsがゲート電極に印加される。ドレイン電極２３はＲ₂、Ｃ₂、Ｌ₂を具えたローパス・フィルターを介して供給される。さらにドレイン電極にはスタブが接続されており、
ＲＦとＬＯとの間を短絡する。これにより端子２８に中間周波数ＩＦが出力され
る。最適の挙動が選られるようにＶ_dsとＶ_gsとは調節される。

【００１７】この実施例では、ＬＯとＲＦとが異なる偏波を具えるように設定されている。
ことなる偏波を構成するには、偏光子を用いてＬＯとＲＦとを結合して、出力に
際しては損失の非常に少ない異なる偏波となるのである。すなわちＲＦとＬＯと
の両者について増幅が達成されるのである。

【００１８】このような構成とすると、パッチの側長さを変更する、すなわちパッチ・アン
テナを方形とすることにより、アンテナをＲＦとＬＯとの双方に適合したものと
できるという利点がある。周波数が互いに近接（共振周波数内で）しているなら
ば、ＬＯとＲＦとを同じ偏波で供給することもできる。この場合アンテナへの接
続、図２、３に示す２本の代りに、１本だけでよいのである。

【００１９】信号とＬＯとが増幅されるゲート・ミキサーを用いることにより、ＬＯへの要
求が低減される。これは高周波数用途においては非常に重要なことである。ゲー
ト・ミキサーにより低損失が達成される。さらにアンテナとトランジスターとの
間の損失がない。ゲート・ミキサーにあっては、ＬＯと信号とをできる限りの低
損失で印加することが肝要であり、さもないと感度劣化またはＬＯ要求の増加に
より挙動が劣化する。従来のゲート・ミキサーにあっては、ＬＯは指向性カプラ
ーまたはリング・フィルターにより印加されるが、これらのカプラーは３〜１０
ｄＢの損失を来すのである。これらの損失により、ＬＯ出力動力が無駄に消費さ
れるのである。

【００２０】以上の実施例は種々のアンテナ構造の一部を示すものである。受信機要素も多
層、ストリップ・ライン、スロット・ライン、同面ウェーブガイド技術またはこ
れらの組合せなどにより設計され得るのである。アンテナ要素はパッチ、スロッ
ト、ホーン型式またはそれらの組合せであってもよい。トランジスターの結合は
「アースゲート・モード」であっても「アクチブ・モード」であってもよい。

【００２１】実験によれば、この発明による信号／ノイズ比は例えば５〜８ｄＢに低減し、
ＬＯ動力は０．１ｍＷ／ピクセル未満である。これに対して従来技術では１〜１
０ｍＷであった。

【００２２】パッチ・アンテナの２４特性と偏波とを用いることにより、ＬＯ２５とＲＦ２
６とは異なる偏波で印加され、干渉は現れない。開回路であるスタブ２７を用い
ると、ミキサーは適正に作動する。Ｒ２とＲ３とを用いてＤＣ電流を供給し、か
つデカプルする。さらにこれらにより、ドレイン電極２３からＩＦの損失なしに
ＩＦ_out２８において引き出すことができる。

【００２３】図２の１６要素を含む４×４行列を図４に示す。この装置は約１０ＧＨＺで機
能することを意図したものであるが、１０〜１００ＧＨＺの作動領域のための８
×８以上の行列も可能である。

【００２４】この発明によれば構造が非常に小型となり、集積映像生成レーダーおよびラジ
オメーターに好適である。これらは例えば送信機と受信機とが空間的に分離され
ているマルチスタティック・レーダーに使用することができる。映像生成レーダ
ーはレーダーエコーの安全識別、霧や煙中での航空機や車輌の航法誘導に使用で
きる。

【００２５】映像生成ラジオメーターは例えば航空機や船舶モニターによる油漏れの検知や
、レーダーでは可視できない対象（ステルス技術に基づいた車輌など）の検知に
利用できる。この発明によるセンサーアレイは例えばレンズやスターリング・ア
レイ構造のパラボラアンテナの焦点に用いられる。

【００２６】以上好ましい実施例を記載したが、特許請求の範囲の記載の範囲内で種々の変
更が可能である。

【図面の簡単な説明】

以下にいくつかの実施例を図面に基づいて説明するが、請求範囲を限定するた
めのものではない。

【図１】この発明による１実施例を、図式的に非常に簡略化して示す回路図である。

【図２】この発明による１実施例の、いわゆるマイクロ・ストリップ技法による、図式
的レイアウトである。

【図３】図２で示したレイアウトに対応する図式的回路図である。

【図４】図２で示した装置を含む、図式的にやや簡略化したマトリックスである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷＦターム(参考） 5J021 AA01 CA06 FA23 FA24 FA26 FA32 HA05 HA07 5K062 AA09 AB14 AC01 AD04 AD05 BB16 BC02 BC10 BE08 BF03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アンテナ要素（２４）と電磁波を受信混合するための増幅ト
ランジスター（１０，２０）とを含んでなり、アンテナ要素から増幅トランジス
ターのゲート電極（２２）へ内部生成発振信号（ＬＯ）と外部生成無線周波数と
を印加する手段を有し、かつ増幅トランジスターからの出力信号（ＩＦ）が無線
周波数（ＲＦ）と内部生成発振信号（ＬＯ）との関数であることを特徴とする装
置。
【請求項２】アンテナ要素（２４）とアクチブ・ミキサーを有する増幅ト
ランジスター（１０，２０）とが集積されていることを特徴とする請求項１に記
載の装置。
【請求項３】無線周波数（ＲＦ）と内部生成発振信号（ＬＯ）とが２個の
人工直交指令からアンテナ要素に印加されることを特徴とする請求項１または２
に記載の装置。
【請求項４】増幅トランジスターがＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＢＪＴおよびＨＢ
Ｔのいずれかひとつであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかひとつに記
載の装置。
【請求項５】無線周波数（ＲＦ）と内部発振信号（ＬＯ）とが同じ相互偏
波でアンテナ要素に印加されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかひとつ
に記載の装置。
【請求項６】増幅トランジスターが「アクチブ」または「アースゲート・
モード」で配置されており、好ましくはミキサーの作動で増幅トランジスターが
増幅を行うことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】ドレインおよびゲート電極を介して直流電流が増幅トランジ
スターに供給されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかひとつに記載の装
置。
【請求項８】ローパス・フィルターを介して直流電流が供給されることを
特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】ゲート電極に印加される電圧が積極的に調節可能であって、
これにより最大変換増幅が行われることを特徴とする請求項７または８に記載の
装置。
【請求項１０】マイクロ・ストリップ、多層、ストリップ・ライン、スロ
ット・ライン、同面ウェーブガイドまたはそれらの組合せ技術により製造される
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかひとつに記載の装置。
【請求項１１】アンテナ要素がパッチ型式、スロット型式、ホーン型式ま
たはそれらの組合せであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかひとつに記
載の装置。
【請求項１２】電磁波がマイクロ・ウェーブまたはマイクロメーター・ウ
ェーブであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかひとつに記載の装置。
【請求項１３】請求項１〜１２のいずれかひとつに記載の装置を含んでな
るアンテナ行列。
【請求項１４】行列が一元または二元であることを特徴とする請求項１３
に記載のアンテナ行列。
【請求項１５】行列がレンズまたは空中パラボラアンテナの焦点に配置さ
れていて、各装置が映像のピクセルを生成することを特徴とする請求項１３また
は１４に記載のアンテナ行列。
【請求項１６】アンテナ要素と受信信号を混合増幅する増幅ユニットを含
んだ電磁波受信機において実施される方式であって、混合と増幅機能とが少なく
とも１個の同じトランジスターにより行われることを特徴とする方法。
【請求項１７】アンテナ要素からの内部生成発振信号（ＬＯ）と無線周波
数（ＲＦ）とがトランジスターのゲート電極に印加され、トランジスターのドレ
イン電極から１個の中間周波数が出力されることを特徴とする請求項１６に記載
の方法。