JP2005204230A - フェーズドアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のフェーズドアレイアンテナを広帯域で動作させる場合、帯域が広がるほど所望のＲＦ信号と共に多くの干渉波信号を受信して、動作時にその影響を受けてしまうという問題があった。
【解決手段】 複数のアンテナ素子と、移相器、高出力増幅器、低雑音増幅器、及びスイッチを有して構成され、スイッチの切換え接続により高出力増幅器と低雑音増幅器のいずれか一方を、それぞれのアンテナ素子と移相器の間に接続する複数のＲＦモジュールと、送受信機と、フィルタ動作時には予め設定された周波数帯域の干渉波信号を抑圧し、フィルタ非動作時には当該周波数帯域の信号を通過させる特性を有して、それぞれのＲＦモジュールと送受信機との間を接続する複数の帯域可変フィルタリング回路と、各帯域可変フィルタリング回路のフィルタ動作と非動作を制御する帯域制御回路を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、航空機や艦船などに搭載されるフェーズドアレーアンテナに関するものである。

従来のフェーズドアレーアンテナは、複数個のアンテナ素子に接続されたＲＦモジュール内の増幅器により増幅され、且つ、同内の移相器により位相量を変えられたＲＦ信号が任意の方向で最大に空間合成され、主ビームを形成し、放射するものである。このため、ＲＦモジュール内の移相器の位相量を高速で切換えて、等位相面を任意に変更し、アンテナを静止したままで、放射ビームだけを任意に動かすことができる（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２９４８号公報（第３頁、及び図２）

従来のフェーズドアレイアンテナを広帯域で動作させる場合、帯域が広がるほど所望のＲＦ信号と共に多くの干渉波信号を受信して、動作時にその影響を受けてしまうという問題があった。例えば、送信時のフェーズドアレーアンテナに干渉波信号が照射されると、送信ＲＦ信号と干渉波信号によって混変調が発生し、受信信号中に虚像（実在しない目標）の発生する確立が高くなった。また、受信時のフェーズドアレーアンテナに干渉波信号が照射されると、レベルの大きな干渉波信号を受信することになるので、受信機器の低雑音増幅器（以後、ＬＮＡと記す。）が飽和する可能性が高くなった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、フェーズドアレイアンテナの受信する干渉波信号を抑圧して、フェーズドアレーアンテナを広帯域で誤動作なく動作させることを目的としている。

この発明によるフェーズドアレイアンテナは、複数のアンテナ素子と、移相器、高出力増幅器、低雑音増幅器、及びスイッチを有して構成され、当該スイッチの切換え接続により、当該高出力増幅器と低雑音増幅器のいずれか一方を、上記それぞれのアンテナ素子と移相器の間に接続する複数のＲＦモジュールと、送受信機と、フィルタ動作時には予め設定された周波数帯域の干渉波信号を抑圧し、フィルタ非動作時には当該周波数帯域の信号を通過させる特性を有して、上記それぞれのＲＦモジュールと上記送受信機との間を接続する複数の帯域可変フィルタリング回路と、上記各帯域可変フィルタリング回路のフィルタ動作とフィルタ非動作を制御する帯域制御回路とを備えたものである。

この発明によれば、ＲＦ信号に対する干渉波信号の影響が抑圧され、ＲＦモジュール内の低雑音増幅器で発生する混変調を防いで、フェーズドアレイアンテナを広帯域で動作させることができる。
また、レベルの大きな干渉波信号が抑圧されるので、ＲＦモジュール内の低雑音増幅器を飽和させずに、フェーズドアレイアンテナを広帯域で動作させることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１を示すフェーズドアレーアンテナの構成図である。
図１において、フェーズドアレイアンテナは、主にアンテナ素子１、電力分配合成器３、制御回路４、送受信機５、帯域可変フィルタリング回路６、ＲＦモジュール７、帯域制御回路８から構成される。帯域可変フィルタリング回路６は全てのアンテナ素子１にそれぞれ接続される。ＲＦモジュール７はそれぞれの帯域可変フィルタリング回路６に接続される。帯域制御回路８は干渉波信号の既知周波数データを保有し、全ての帯域可変フィルタリング回路６の動作を制御する。外部信号入力端１３は帯域制御回路に外部からの信号を入力する。

図２はＲＦモジュール７の主要構成を示す図である。図において、ＲＦモジュール７は、移相器２、送信系の高出力増幅器（以後、ＨＰＡと示す。）９、受信系のＬＮＡ１０、及びスイッチ１１を内装している。スイッチ１１は、送信系と受信系のいずれか一方に切換え接続を行い、送信時にはＨＰＡ９をアンテナ素子１と移相器２の間に接続し、受信時にはＬＮＡ１０をアンテナ素子１と移相器２の間に接続する。

実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナの動作を説明する。送信時のフェーズドアレーアンテナにおいて、送受信機５から出力されたＲＦ信号が電力分配合成器３でＲＦモジュール数に複数分配され、ＲＦモジュール７に入力される。制御回路４は全てのＲＦモジュール７の動作制御を行い、所望のビームを発生させるために必要な位相量を計算して、移相器２に適切な位相量を設定・保存しておく。また、制御回路４はＨＰＡ９を通る経路にスイッチ１１を切換える。入力されたＲＦ信号は移相器２に設定・保存した位相量を移相された後に、ＨＰＡ９により電力増幅されてＲＦモジュール７から出力される。このとき、帯域制御回路８は、事前にパイロットや管制塔からの指示信号、又は、ＧＰＳに代表される自己の位置信号を外部信号入力端１３から入力され、回路動作を開始している。このため、出力されたＲＦ信号は帯域制御回路８の制御によりフィルタを非動作状態とする（機能をオフ状態にする）ことによって帯域可変フィルタリング回路６を素通りする。この後、移相器２により適切に位相が変えられたＲＦ信号はアンテナ素子１に入力され、アンテナ素子１から空間に放射される。放射されたＲＦ信号は、空間合成され、所望のビームを形成する。

受信時のフェーズドアレーアンテナにおいて、それぞれのアンテナ素子１は自機が送信した電磁波のエコー波をＲＦ信号として受信すると同時に、干渉波信号も受信する。このとき、帯域制御回路８は、送信時と同様に、事前に外部信号入力端１３から信号が入力されることで動作を開始する。また、帯域制御回路８は、予め保有している既知周波数の干渉波信号データを元に干渉波信号を抑圧する周波数を、帯域可変フィルタリング回路６に設定している。受信された両信号（エコー波のＲＦ信号と干渉波信号）は帯域可変フィルタリング回路６に入力される。帯域可変フィルタリング回路６は、フィルタを動作状態とする（機能をオン状態にする）ことによって抑圧する周波数における干渉波信号を除去し、所望の通過帯域におけるＲＦ信号をＲＦモジュール７に入力する。全てのＲＦモジュール７は、制御回路４の制御によりＬＮＡ１０を通る経路にスイッチ１１が切換えられ、且つ、移相器２に適切な位相量が設定・保存される。入力されたＲＦ信号はＬＮＡ１０により電力増幅され、移相器２により適切な位相量を移相される。この後、電力分配合成器３に入力されたＲＦ信号は、受信信号として合成され、送受信機５に送られる。

次に、帯域可変フィルタリング回路６について説明する。帯域可変フィルタリング回路６は１個、又は、複数個の帯域可変フィルタを直列、又は、並列接続し、回路網を構成したものである。図３に帯域可変フィルタ特性の一例を示す。図において横軸は周波数、縦軸は通過振幅を示す。帯域可変フィルタの機能をオフしているときは、図３(a)のような特性を示し、周波数帯域内で信号が減衰すること無く、通過できる。帯域可変フィルタの機能をオンすると、任意の周波数帯域に通過振幅の減衰域が作られ、その減衰域では信号は通過することができずに遮断される。このため、１個の帯域可変フィルタで構成された帯域可変フィルタリング回路は図３と同様な特性となる。また、複数個の帯域可変フィルタで構成された帯域可変フィルタリング回路６の特性の一例として、図４に３個の帯域可変フィルタで構成された場合の特性を示す。なお、機能をオフした状態は、図３(a)と同様になるため、説明を省略する。

上記した帯域可変フィルタリング回路６を、フェーズドアレーアンテナに付加した場合のアンテナ特性を図５に示す。図において横軸は周波数、縦軸はアンテナ感度を示す。帯域可変フィルタリング回路６の機能がオフ状態にあるならば、フェーズドアレーアンテナの受信感度は、図５(a)に示すようになる。このとき、使用できる全周波数帯域において、フェーズドアレーアンテナとして良好にＲＦ信号を送受信することができる。また、既知の周波数の干渉波信号が受信され、且つ、帯域可変フィルタリング回路６の機能がオフ状態にあるならば、フェーズドアレーアンテナの受信感度は、図５(b)になる。このとき、フェーズドアレーアンテナはＲＦ信号と干渉波信号の両方を受信し、混変調やＬＮＡの飽和を起こし、アンテナとして機能しなくなる。更に、既知の周波数の干渉波信号が受信され、且つ、帯域可変フィルタリング回路６の機能がオン状態にあるならば、フェーズドアレーアンテナの受信感度は、図５(c)になる。このとき、干渉波信号の帯域においてはアンテナとして機能しないが、他の周波数帯域ではフェーズドアレーアンテナとして機能し、ＲＦ信号を送受信することができる。

以上のように、フェーズドアレーアンテナを構成するアンテナ素子１に既知周波数の干渉波信号を抑圧する機能を具備した帯域可変フィルタリング回路６を付加したことにより、ＲＦ信号に対する干渉波信号の影響が無くなるため、ＲＦモジュール７内のＬＮＡ１０で発生する混変調を防ぐことができる。従って、虚像の発生を防ぐ効果がある。また、レベルの大きな干渉波信号を抑圧するため、ＲＦモジュール７内のＬＮＡ１０を飽和させずに済む効果がある。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２を示すフェーズドアレーアンテナの構成図である。この実施の形態では、実施の形態１のフェーズドアレイアンテナにおいて、自機が有益になる情報を得る活動をするためのＥＳＭアンテナ１２（Electronic Warfare Support Measures：電子戦支援手段）と、ＥＳＭアンテナ１２に接続した帯域制御回路１８とを備えている。その他の構成については、実施の形態１と同一のものである。

次に、実施の形態２におけるフェーズドアレーアンテナの動作を説明する。動作原理は実施の形態１と同様である。ＥＳＭアンテナ１２は任意周波数の干渉波信号を探知する。ＥＳＭアンテナ１２で探知された干渉波信号は、導波管又は同軸ケーブルを介して、帯域制御回路１８に入力される。帯域制御回路１８は、入力された任意周波数の干渉波信号を周波数検波して、その検波結果に基いて干渉波信号の周波数を判定し、ＥＳＭアンテナ１２で探知した干渉波信号を抑圧する周波数を決定する。帯域制御回路１８はこの決定した干渉波信号を抑圧する周波数の帯域を帯域可変フィルタリング回路６に設定する。また、帯域制御回路１８は実施の形態１の帯域制御回路と同様、帯域可変フィルタリング回路６のフィルタ動作状態（オン）とフィルタ非動作状態（オフ）を制御する。オン状態では帯域可変フィルタリング回路６が設定された周波数帯域内で入力される干渉波信号を除去し、設定された周波数帯域外では所望のＲＦ信号だけを出力する。また、オフ状態では設定された周波数帯域を含む使用できる全周波数帯域において帯域可変フィルタリング回路６がＲＦ信号を通過させる。

以上のように、ＥＳＭアンテナ１２を帯域制御回路１８に接続したことにより、任意周波数の干渉波信号を探知し、探知した干渉波信号を抑圧することができる。また、帯域制御回路１８に既知周波数の干渉波信号データを予め設定・保存しておくことで、既知周波数の干渉波信号も抑圧することができるという効果がある。

実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３を示すフェーズドアレーアンテナの構成図であり、実施の形態１、２において、それぞれのアンテナ素子１に付加していた帯域可変フィルタリング回路６を取り除き、ＲＦモジュール７に内装し、ＬＮＡ１０の入力側（前段）に挿入接続した構成にしている。図５は帯域可変フィルタリング回路６を内装したＲＦモジュール７の構成図である。

実施の形態３におけるフェーズドアレーアンテナの動作を説明する。動作原理は実施の形態１、２と同様である。スイッチ１１の切換え接続によって、受信時には帯域フィルタリング回路６がアンテナ素子１に接続される。帯域制御回路１８で既知及び任意周波数の干渉波信号を抑圧する周波数を決定し、帯域可変フィルタリング回路６に入力される干渉波信号を除去し、所望のＲＦ信号だけを出力している。

帯域可変フィルタリング回路６をＲＦモジュール７に内装することにより、上記した実施の形態１、２と同様な効果が得られ、実施の形態１、２のフェーズドアレーアンテナより小型化できる。また、送信時においては帯域可変フィルタリング回路６が接続されないので、帯域可変フィルタリング回路６自体の耐電力を緩和し、送信損失を低減する効果がある。更に、実施の形態１、２のフェーズドアレーアンテナのシステムを簡略化できる効果がある。

この発明の実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナのＲＦモジュールの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における帯域可変フィルタの特性を示す図である。 この発明の実施の形態１における帯域可変フィルタリング回路の特性を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるフェーズドアレーアンテナのアンテナ感度と干渉波信号の関係を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるフェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。 この発明の実施の形態３におけるフェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。 この発明の実施の形態３におけるフェーズドアレーアンテナのＲＦモジュールの構成を示す図である。

符号の説明

１ アンテナ素子、２ 移相器、３ 電力分配合成器、４ 制御回路、５ 送受信機、６ 帯域可変フィルタリング回路、７ ＲＦモジュール、８ 帯域制御回路、９ ＨＰＡ、１０ ＬＮＡ、１１ スイッチ、１２ ＥＳＭアンテナ、１３ 外部信号入力端。

Claims (3)

1. 複数のアンテナ素子と、
   移相器、高出力増幅器、低雑音増幅器、及びスイッチを有して構成され、当該スイッチの切換え接続により、当該高出力増幅器と低雑音増幅器のいずれか一方を、上記それぞれのアンテナ素子と移相器の間に接続する複数のＲＦモジュールと、
   送受信機と、
   フィルタ動作時には予め設定された周波数帯域の干渉波信号を抑圧し、フィルタ非動作時には当該周波数帯域の信号を通過させる特性を有して、上記それぞれのＲＦモジュールと上記送受信機との間を接続する複数の帯域可変フィルタリング回路と、
   上記各帯域可変フィルタリング回路のフィルタ動作とフィルタ非動作を制御する帯域制御回路と、
   を備えたフェーズドアレイアンテナ。
2. 複数のアンテナ素子と、
   干渉波信号を探知するＥＳＭ（Electronic Warfare Support Measures）アンテナと、
   移相器、高出力増幅器、低雑音増幅器、及びスイッチを有して構成され、当該スイッチの切換え接続により、当該高出力増幅器と低雑音増幅器のいずれか一方を、上記それぞれのアンテナ素子と移相器の間に接続する複数のＲＦモジュールと、
   送受信機と、
   フィルタ動作時には設定された周波数帯域の信号を遮断し、フィルタ非動作時には当該周波数帯域の信号を通過させる特性を有して、上記それぞれのＲＦモジュールと上記送受信機との間を接続する複数の帯域可変フィルタリング回路と、
   上記ＥＳＭアンテナで探知した干渉波信号を周波数検波し、当該検波結果に基いて上記帯域可変フィルタリング回路で遮断する周波数帯域を設定すると共に、上記帯域可変フィルタリング回路のフィルタ動作とフィルタ非動作を制御する帯域制御回路と、
   を備えたフェーズドアレイアンテナ。
3. 上記帯域可変フィルタリング回路は、上記低雑音増幅器の前段に接続され、上記スイッチの切換え接続によって上記アンテナ素子に接続されることを特徴とした請求項１または請求項２に記載のフェーズドアレイアンテナ。

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