JP2008224350A - 発振装置、この発振装置を用いたレーダ装置、及び発振装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で発振器の発振周波数の線形性を向上させた発振装置を提供する。
【解決手段】周波数制御信号の電圧に応じた周波数の出力信号を生成するＶＣＯ１２と、出力信号の周波数に相当する変換電圧を生成する周波数−電圧変換器１５と、変換電圧に基づく比較電圧と線形変化する所定の基準電圧との差分を増幅して出力する誤差増幅器１８と、誤差増幅器１８の出力によりＶＣＯ１２に入力される周波数制御信号を生成する可変電圧器１１と、を備える。周波数−電圧変換器１５及び誤差増幅器１１が、ＶＣＯ１２の出力信号の周波数に相当する変換電圧を可変電圧器１１に帰還する帰還回路を構成している。このような構成により、比較電圧が基準電圧に近づくように補正される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば周波数変調した連続波（以下、「ＣＷ（Continuous Wave）波」という。）により対象物との間の距離及び対象物の移動速度を測定するレーダ装置に用いられる発振装置に関する。

マイクロ波やミリ波帯で用いられるレーダ装置には、三角波等の時間変化する変調信号によりＣＷ波を周波数変調するＦＭＣＷ（Frequence Modulation Continuous Wave）方式が広く知られており、各種用途に用いられている。ＦＭＣＷ方式のレーダ装置は、周波数変調されたＣＷ波を対象物に放射してその反射波を受信することで、対象物との間の距離及び対象物の移動速度を同時に測定することができる。

ＦＭＣＷ方式のレーダ装置では、ＣＷ波を発生する局部発振器の重要性が大きく、その発振周波数の線形性がレーダ装置の精度を大きく左右する。そのために、局部発振器の発振周波数の線形性の向上が不可欠となる。局部発振器には、電圧制御発振器（以下、「ＶＣＯ」（Voltage Controlled Oscillator）という。）がよく用いられる。ＶＣＯは、入力される電圧に応じた周波数で発振する装置である。ＶＣＯの発振周波数の線形性を向上させるために、例えば特許文献１〜３に示す技術が提案されている。
特開平０７−１５９５２２号公報 特表２００２−５３９６５０号公表 特表２００２−５２９７４７号公表

特許文献１〜３には、ＶＣＯの出力信号を計数し、計数結果によってＶＣＯに入力される電圧を調整することで、ＶＣＯの発振周波数の線形性を向上させる技術が開示されている。

本発明は、従来よりもさらに簡便な構成で発振器の発振周波数の線形性を向上させた発振装置及びこのような発振装置を備えたレーダ装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決する本発明の発振装置は、所定の電圧に応じた周波数の出力信号を生成する発振器と、前記出力信号の前記周波数に相当する変換電圧を生成する周波数−電圧変換器と、前記変換電圧に基づく比較電圧と所定の基準電圧との差分を増幅して出力する増幅器と、前記増幅器の出力により前記発振器に入力される前記電圧を生成する可変電圧器と、を備える。この発振装置では、前記周波数−電圧変換器及び前記増幅器が、前記出力信号の前記周波数に相当する前記変換電圧を前記可変電圧器に帰還する帰還回路を構成している。前記比較電圧が前記基準電圧に近づくように補正される。

発振器の入力に用いる電圧が一定のときには、本発明を用いなくても一定の発振周波数が得られることは当然である。また、発振器の入力電圧−発振周波数特性の線形性が悪い場合には、発振器の入力に用いる電圧が線形でも、発振器の周波数特性が線形にならず、発振器の入力電圧−発振周波数特性が直接反映された非線形の発振周波数特性となる。
本発明の発振装置が有する帰還回路においては、基準電圧と、発振器の発振周波数を周波数−電圧変換して得られた比較電圧との差分を増幅して発振器に入力される電圧が生成される。このような構成では、比較電圧が基準電圧に近づくように増幅器によって補正されて発振器の周波数が補正される。これにより、発振器の発振周波数の線形性が向上する。

前記基準電圧が、例えば前記発振器が所定の掃引周波数帯で発振するように時間に応じて線形変化する場合には、発振器の周波数−電圧変換された電圧は帰還回路により基準電圧と同じ線形性を持つように補正され、結果として発振器の発振周波数の線形性が確保される。従って、基準電圧が線形に変化すれば、発振器の発振周波数も線形に掃引される。このように、周波数−電圧変換器及び増幅器により帰還回路を構成することにより、より簡便な構成で発振器の線形性を向上させることができる。

このような発振装置では、前記出力信号の前記周波数を分周する分周器を備えていてもよい。分周器を備えている場合には、前記周波数−電圧変換器が、例えば前記分周器により分周された前記出力信号の前記周波数に応じて前記変換電圧を生成するように構成される。このように、発振器からの出力信号の周波数が周波数−電圧変換するのに高すぎる場合には、一定の周波数帯域まで分周する分周器を用いてもよい。

また、増幅器の動作特性に変換電圧を合わせるために、前記変換電圧のオフセットを前記増幅器の動作特性に合わせて変化させるオフセット調整器をさらに有してもよい。前記増幅器は、オフセットを変化させた前記変換電圧を前記比較電圧として用いる。
前記発振器は、前記所定の電圧が時間変化して、前記出力信号の前記周波数が所定の周波数帯域内で掃引し、前記周波数−電圧変換器が、前記変換電圧が前記出力信号の前記周波数の掃引に応じて変化するようになっている場合には、前記変換電圧の変化量を前記増幅器の動作特性に合わせて調整する傾き調整器をさらに有してもよい。傾き調整器により、増幅器の動作特性に変換電圧の変化量を合わせる。前記増幅器は、調整された前記変換電圧を前記比較電圧として用いる。

前記可変電圧器は、例えばエミッタフォロワ回路を形成するトランジスタを含んで構成される。前記増幅器の出力が前記トランジスタのベース端子に入力され、前記トランジスタのエミッタ端子から前記発振器に前記所定の電圧が入力される。このような構成では、可変電圧器をより簡便な構成で実現できる。

本発明のレーダ装置は、上記の発振装置を備えて構成される。このレーダ装置は、発振装置の増幅器に基準電圧を入力する変調器と、前記発振器の出力信号に応じて電波を放射するアンテナと、を備えている。発振器の出力信号の周波数は、上記の通り線形に変化するために、アンテナから放射される電波の周波数も線形に変化する。
前記基準電圧は、例えば時間変化する場合には、前記増幅器は、前記基準電圧の時間変化に応じて出力が時間変化する。また、前記可変電圧器は、前記増幅器の出力の時間変化に応じて生成する前記電圧が時間変化し、前記発振器は、前記可変電圧器が生成する前記電圧の時間変化に応じて前記出力信号が周波数変調される。このような構成により、周波数変調された出力信号が得られ、アンテナから、この出力信号に応じて電波が放射される。

本発明の発振装置の制御方法は、所定の電圧に応じた周波数の出力信号を生成する発振器、及び前記出力信号の前記周波数に相当する変換電圧を前記発振器に帰還する帰還回路を備える発振装置の制御方法である。前記帰還回路が、前記変換電圧に基づく比較電圧と所定の基準電圧との差分を増幅して、前記発振器に入力される前記電圧を生成する。

以上のような本発明の発振装置によれば、周波数−電圧変換器及び増幅器により構成される帰還回路によって、発振器の周波数−電圧変換された電圧が基準電圧と同じになるように補正され、結果として発振器の発振周波数の線形性が確保される。そのために、発振器の入力電圧−発振周波数特性の線形性にかかわらず、発振装置の発振周波数の線形性が確保される。

以下、本発明の発振装置の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の発振装置１を備えたアンテナ装置の構成図である。この発振装置１は、例えばＦＭＣＷ方式等のレーダ装置に設けられて、アンテナＡＮＴから放射される電波となる送信信号を生成するものである。送信信号の周波数は、発振装置１に入力される変調信号の電圧に応じて決まる。変調信号は、三角波、ノコギリ波等の時間変化する信号であり、周波数変調器３から入力される。そのために送信信号は、発振装置１に入力される変調信号の電圧の時間変化に応じて周波数変調されている。なお、時間変化とは時刻の経過に従って変化することである。時間変化する信号とは、電圧が時刻の経過に従って変化する信号である。
アンテナＡＮＴから放射された電波は対象物により反射されて、アンテナＡＮＴにより反射波として受信される。送信信号と反射波とから、対象物までの距離及び対象物の移動速度が測定される。なお、この実施形態ではレーダ装置の送信系のみを説明しており、受信系については、本発明と直接関係がないので説明を省略する。

図１の発振装置１は、可変電圧器１１、ＶＣＯ１２、方向性結合器１３、分周器１４、周波数−電圧変換器１５、第１傾き・オフセット調整器１６、第２傾き・オフセット調整器１７、及び誤差増幅器１８を備えている。発振装置１は、帰還回路を有しており、可変電圧器１１の出力が、ＶＣＯ１２、分周器１４、周波数−電圧変換器１５、第１傾き・オフセット調整器１６、及び誤差増幅器１８を介して可変電圧器１１に帰還される。

可変電圧器１１は、ＶＣＯ１２に周波数制御信号を入力する。周波数制御信号の電圧は可変であり、誤差増幅器１８からの入力される電圧により時間変化する。
ＶＣＯ１２は、可変電圧器１１から入力される周波数制御信号の電圧により、発振周波数が制御される発振器である。ＶＣＯ１２の出力信号である送信信号の周波数が、周波数制御信号の電圧により制御される。ＶＣＯ１２は周波数制御信号の電圧により発振周波数が変化するものであれば、その電圧−周波数特性が単調増加、単調減少、その他非線形特性を持つものであってもかまわない。送信信号は、方向性結合器１３によって分離され、分周器１４に入力されるとともに、発振装置１外に出力される。
送信信号の周波数は、周波数制御信号により所定の周波数帯域内で掃引される。つまり、周波数制御信号の電圧は、送信信号の周波数が所定の周波数帯域内で掃引されるように、所定の範囲内で時間変化する。

分周器１４は、方向性結合器１３から入力されるＶＣＯ１２の送信信号を、ＶＣＯ１２の発振周波数よりも低い周波数の分周信号に分周する。分周器１４による分周は、後続の装置である周波数−電圧変換器１５の動作条件に合わせるためである。周波数−電圧変換器１５がＶＣＯ１２の発振周波数で正常に動作可能であれば、分周器１４は不要になる。
周波数−電圧変換器１５は、分周器１４から出力される分周信号の周波数に相当する電圧である変換電圧を出力する。周波数−電圧変換器１５から出力される変換電圧は、分周器１４の有無にかかわらずＶＣＯ１２の発振周波数の変化に応じて変化する。つまり周波数−電圧変換器１５から出力される変換電圧は、周波数制御信号の電圧の変化に応じて変化する。
第１傾き・オフセット調整器１６は、ＶＣＯ１２の発振周波数の変化量に対する周波数−電圧変換器１５から出力される変換電圧の電圧変化量、及び変換電圧のオフセットを誤差増幅器１８の動作特性に合わせて調整する。周波数−電圧変換回路１５から出力される変換電圧は、そのままでは高すぎたり、周波数変化に対する電圧変化量が少なかったりと、誤差増幅器１８の動作特性に適応しないことがあるために、第１傾き・オフセット調整器１６が設けられる。

第２傾き・オフセット調整器１７は、第１傾き・オフセット調整器１６と同様の構成及び機能を有している。第２傾き・オフセット調整器１７には、周波数変調器３から変調信号が入力される。第２傾き・オフセット調整器１７の出力は、本来、ＶＣＯ１２に直接入力されてＶＣＯ１２の発振周波数を制御する電圧であり、線形に変化する。しかし、直接ＶＣＯ１２に入力すると、従来と同様に、ＶＣＯ１２の発振周波数が変調信号に対して線形変化しない場合には、発振装置１の発振周波数が線形変化しない。ＶＣＯ１２の発振周波数の線形性が向上させるために、第２傾き・オフセット調整器１７の出力は、誤差増幅器１８に入力される。
誤差増幅器１８は、実際のＶＣＯ１２の発振周波数に相当する電圧である第１傾き・オフセット調整器１６から出力される電圧と、第２傾き・オフセット調整器１７から出力される電圧との差分を増幅して可変電圧器１１に入力する。
なお、第１傾き・オフセット調整器１６及び第２傾き・オフセット調整器１７は、基準電圧及び比較電圧が誤差増幅器１８の動作範囲内で変動するものである場合には不要となる。

このような構成の発振装置１は、可変電圧器１１から入力される周波数制御信号の電圧によってＶＣＯ１２から出力される送信信号の周波数が決まる。ＶＣＯ１２から出力される送信信号は、方向性結合器１３により、発振装置１の外部のアンテナＡＮＴ及び分周器１４に入力される。分周器１４は、送信信号の周波数を分周して、周波数−電圧変換器１５の動作範囲に応じた周波数の分周信号を生成する。

周波数−電圧変換器１５は、分周器１４から出力された分周信号の周波数に相当する変換電圧を出力する。周波数−電圧変換器１５から出力された変換電圧は、第１傾き・オフセット調整器１６により適当な電圧に調整されて出力される。第１傾き・オフセット調整器１６の出力は、誤差増幅器１８の比較電圧となる。

誤差増幅器１８の基準電圧には、第２傾き・オフセット調整器１７から出力される電圧が用いられる。第２傾き・オフセット調整器１７から出力される電圧は、第２傾き・オフセット調整器１７に入力された変調信号の電圧が調整されたものである。
誤差増幅器１８は、基準電圧と比較電圧との差分を増幅して、その出力を可変電圧器１１に入力する。可変電圧器１１は、誤差増幅器１８の出力に応じて、周波数制御信号の電圧を決める。誤差増幅器１８により、基準電圧に比較電圧が近づくようにＶＣＯ１２の発振周波数が補正される。以上のような構成であるために、第２傾き・オフセット１７に入力される変調信号の電圧により、可変電圧器１１がＶＣＯ１２に入力する電圧を変動させて、ＶＣＯの発振周波数を変動させる。

このような発振装置１は、ＶＣＯ１２の電圧−周波数特性が非線形であっても、周波数−電圧変換器１５により、ＶＣＯ１２の発振周波数を電圧として帰還させ、ＶＣＯ１２の制御電圧とすることができるために、線形性の高い局部発振器となる。

図２は、図１の発振装置１を、オペアンプ及びトランジスタを用いて構成した場合の実施例の構成図である。図１の発振装置１と同じ構成のものには同じ符号が付してある。図２の発振装置２では、可変電圧器１１がトランジスタ２１及び抵抗２２で構成され、誤差増幅器１８がオペアンプ２３で構成されている。トランジスタ２１のエミッタ側は、ＶＣＯ１２が接続される他に、負荷となる抵抗２２を介して接地される。抵抗２２の抵抗値は、ＶＣＯ１２の入力インピーダンスに比べて十分小さくなるように設定される。抵抗２２の抵抗値がＶＣＯ１２の入力インピーダンスより十分小さいと、トランジスタ２１のコレクタ電圧が、ＶＣＯ１２に入力される電圧となる。一般に、ＶＣＯ１２の入力インピーダンスは高いので、抵抗２１の抵抗値を極端に小さくする必要はない。トランジスタ２１と抵抗２２とは、いわゆるエミッタフォロワ回路になっている。
第１傾き・オフセット調整器１６及び第２傾き・オフセット調整器１７は、取り除かれている。発振装置２の他の構成は、発振装置１と同じである。

このような発振装置２では、オペアンプ２３の基準電圧は、周波数変調器３から直接入力される変調信号の電圧であり、比較電圧は、周波数−電圧変換器１５から出力される電圧である。オペアンプ２３の出力は、この基準電圧と比較電圧との差分を増幅して得られる。周波数−電圧変換器１５の出力である変換電圧は、発振装置１と同様の動作で得られるので説明を省略する。
オペアンプ２３の出力がトランジスタ２１のベース端子に入力される。トランジスタ２３のエミッタ電圧は、ベース端子に印加される電圧に応じて変化するので、オペアンプ２３の出力の電圧によりエミッタ電圧が決まる。エミッタ電圧はＶＣＯ１２に入力される。ＶＣＯ１２は、エミッタ電圧に応じた周波数の送信信号を出力する。ＶＣＯ１２の発振周波数は、比較電圧が基準電圧に近づくように補正される。

このように、発振装置２は、トランジスタ２１、抵抗２２、及びオペアンプ２３という汎用の装置を用いて、簡単な構成で、変調信号の周波数の線形性を確保することが可能である。

本実施形態の発振装置１を備えたアンテナ装置の構成図である。 発振装置１の具体的な実施例の構成図である。

符号の説明

１、２ 発振装置
１１ 可変電圧器
１２ ＶＣＯ
１３ 方向性結合器
１４ 分周器
１５ 周波数−電圧変換器
１６ 第１傾き・オフセット調整器
１７ 第２傾き・オフセット調整器
１８ 誤差増幅器
２１ トランジスタ
２２ 抵抗
２３ オペアンプ
３ 周波数変調器
ＡＮＴ アンテナ

Claims (9)

1. 所定の電圧に応じた周波数の出力信号を生成する発振器と、
   前記出力信号の前記周波数に相当する変換電圧を生成する周波数−電圧変換器と、
   前記変換電圧に基づく比較電圧と所定の基準電圧との差分を増幅して出力する増幅器と、
   前記増幅器の出力により前記発振器に入力される前記電圧を生成する可変電圧器と、を備え、
   前記周波数−電圧変換器及び前記増幅器が、前記出力信号の前記周波数に相当する前記変換電圧を前記可変電圧器に帰還する帰還回路を構成しており、前記比較電圧が前記基準電圧に近づくように補正される、
   発振装置。
2. 前記所定の基準電圧は、前記発振器が所定の掃引周波数帯で発振するように時間に応じて線形変化する、
   請求項１記載の発振装置。
3. 前記出力信号の前記周波数を分周する分周器を備えており、
   前記周波数−電圧変換器は、前記分周器により分周された前記出力信号の前記周波数に応じて前記変換電圧を生成する、
   請求項１又は２記載の発振装置。
4. 前記変換電圧のオフセットを前記増幅器の動作特性に合わせて変化させるオフセット調整器をさらに有し、
   前記増幅器は、オフセットを変化させた前記変換電圧を前記比較電圧として用いる、
   請求項１又は２記載の発振装置。
5. 前記発振器は、前記所定の電圧が時間変化して、前記出力信号の前記周波数が所定の周波数帯域内で掃引し、
   前記周波数−電圧変換器は、前記変換電圧が前記出力信号の前記周波数の掃引に応じて変化するようになっており、
   前記変換電圧の変化量を前記増幅器の動作特性に合わせて調整する傾き調整器をさらに有し、
   前記増幅器は、調整された前記変換電圧を前記比較電圧として用いる、
   請求項１又は２記載の発振装置。
6. 前記可変電圧器はエミッタフォロワ回路を形成するトランジスタを含むものであり、
   前記増幅器の出力が前記トランジスタのベース端子に入力され、前記トランジスタのエミッタ端子から前記発振器に前記所定の電圧が入力される、
   請求項１又は２記載の発振装置。
7. 請求項１〜６のいずれかの項に記載の発振装置を備えたレーダ装置であり、
   前記増幅器の基準電圧を入力する変調器と、
   前記発振器の出力信号に応じて電波を放射するアンテナと、を備えている、
   レーダ装置。
8. 前記基準電圧が時間変化し、
   前記増幅器は、前記基準電圧の時間変化に応じて出力が時間変化し、
   前記可変電圧器は、前記増幅器の出力の時間変化に応じて生成する前記電圧が時間変化し、
   前記発振器は、前記可変電圧器が生成する前記電圧の時間変化に応じて前記出力信号が周波数変調される、
   請求項７記載のレーダ装置。
9. 所定の電圧に応じた周波数の出力信号を生成する発振器、及び前記出力信号の前記周波数に相当する変換電圧を前記発振器に帰還する帰還回路を備える発振装置の制御方法であって、
   前記帰還回路が、
   前記変換電圧に基づく比較電圧と所定の基準電圧との差分を増幅して、前記発振器に入力される前記電圧を生成する、
   発振装置の制御方法。

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