JP2009192255A - パルスレーダ用送信機 - Google Patents

Abstract

【課題】 パルスレーダ送信機において、大電力用半導体増幅器を用いると、半導体素子のチャンネル温度が高くなり、送信パルス出力時の熱によりパルス立上り時からの時間経過と共に出力電力が低下するドループが発生して、レーダ性能に影響を及ぼすという問題が生じる。
【解決手段】 基準信号発生回路と、基準信号発生回路および制御データの出力に基づいて、送信出力する所望のパルス波の送信種信号を出力するダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）と、ＤＤＳへ周波数及び振幅を制御するための制御データを出力するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）と、基準信号発生回路の出力信号に基づいてＲＦ信号を生成するＲＦ発生回路と、ＤＤＳからの出力信号とＲＦ発生回路からの出力信号とから周波数変換するミキサと、ミキサの出力信号を電力増幅する半導体増幅器を備えて、ＲＯＭでは、ＤＤＳから出力される送信種信号が、振幅変化するように制御データを出力する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、パルスレーダの送信信号を出力するためのパルスレーダ用送信機に関するものである。

従来、パルスレーダ用の励起装置として、ダイレクトデジタルシンサセイザー（ＤＤＳ）を用いたものが知られている。ＤＤＳはレーダ励起装置として良好な周波数選択やパルス圧縮変調の両者を発生するためにフレキシブル性を与えることができる（例えば、特許文献１参照）。

特表２００４−５０７７６８号公報

この種のパルスレーダ向け送受信機では、ＧａＡｓ増幅器のように出力レベルの比較的小さい半導体増幅器を用いて、その出力を電力合成しながら、所望の出力電力を得る方式が一般的であった。しかし、近年、ＧａＮ増幅器のような大電力用の半導体増幅器が開発されている。ＧａＮ増幅器を用いた大電力用半導体増幅器は、従来の半導体増幅器より耐電圧性で優れ、高いドレイン電圧を印加できることで、送信機の飛躍的な高出力化、高効率化を図ることができる。

従来の送信機では、大電力用半導体増幅器が、複数の増幅器の出力を電力合成して得られた大電力を単体で出力するために、半導体素子のチャンネル温度が従来の増幅器に比べて高くなる。このため、例えば３０乃至１００Ｗ（ワット）級の送信電力を発生する場合、送信パルス出力時に発生する熱により、パルス立上りからの時間経過と共に、送信出力の電力低下（ドループ）が発生する。

従来の電力合成方式による送信機においては、個々の半導体増幅器で扱う電力レベルは小さく、半導体素子のチャンネル温度は問題になるレベルまで上昇することがなく、ドループによる電力低下は問題視されていなかった。

このドループ発生により送信パルス内の振幅偏差が大きくなり、ターゲットからの反射信号のパルス圧縮時に発生するサイドローブレベルが上がってしまい、レーダ性能に悪影響を及ぼす。この問題は半導体構造、物性により決まる現象であり、増幅器単体で改善するのには限界があるという問題があった。

この発明は、係る課題を解決するために為されたものであり、送信パルス出力時の発生熱による、送信出力電力のドループ減少を抑えた送信機を得る、ことを目的とする。

この発明によるパルスレーダ送信機は、基準信号発生回路と、上記基準信号発生回路および制御データの出力に基づいて、送信出力する所望のパルス波の送信種信号を出力するダイレクトデジタルシンセサイザと、上記ダイレクトデジタルシンセサイザへ周波数及び振幅を制御するための上記制御データを出力するリードオンリメモリと、上記基準信号発生回路の出力信号に基づいてＲＦ信号を生成するＲＦ発生回路と、上記ダイレクトデジタルシンセサイザからの出力信号と上記ＲＦ発生回路からの出力信号とから周波数変換するミキサと、上記ミキサの出力信号を電力増幅する半導体増幅器と、を備え、上記リードオンリメモリは、上記ダイレクトデジタルシンセサイザから出力される送信種信号が、そのパルス幅内で振幅変化するように上記制御データを出力することを特徴としたものである。

また、この発明によるパルスレーダ送信機は、基準信号発生回路と、上記基準信号発生回路および制御データの出力に基づいて、送信出力する所望のパルス波の送信種信号を出力するダイレクトデジタルシンセサイザと、上記ダイレクトデジタルシンセサイザへ周波数及び振幅を制御するための上記制御データを出力するリードオンリメモリと、上記所望のパルス波のパルス長に応じて上記リードオンリメモリから出力される制御データを変化させるレーダ制御装置と、上記基準信号発生回路の出力信号に基づいてＲＦ信号を生成するＲＦ発生回路と、上記ダイレクトデジタルシンセサイザからの出力信号と上記ＲＦ発生回路からの出力信号とから周波数変換するミキサと、上記ミキサの出力信号を電力増幅する半導体増幅器と、を備えたものである。

この発明によれば、ダイレクトデジタルシンセサイザを用いて、生成する送信種信号の波形をデジタル制御し、送信パルス幅内でパルス振幅を変化させることにより、送信パルス幅や送信周波数などの送信パラメータの違いによるドループ量の変動を抑制することが可能である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１によるパルスレーダ送信機の構成図であり、以下これらの動作について説明する。

図において、パルスレーダ送信機は、基準信号発生回路１と、逓倍器／増幅器２と、ダイレクトドライブシンセサイザ（ＤＤＳ）３と、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）４と、レーダ制御装置５と、フィルタ６と、逓倍器／増幅器７と、ミキサ９と、フィルタ１０と、増幅器１１と、サーキュレータ１２と、送受信切換回路１３と、ドライバ増幅回路１４と、半導体増幅器から構成される大電力用半導体増幅回路１５を備える。この半導体増幅器はＧａＡｓ素子やＩｎＰ素子で構成されるのが通常であるが、ＧａＮ素子やＳｉＣ素子などの大電力で動作するワイドバンドギャップ素子で構成されても良く、素子実装面積当たりの送信電力を最大限に上げる場合は、ワイドバンドギャップ素子を用いるのが好適である。

基準信号発生回路１は、レーダシステムの基準となる信号源として基準信号を生成する。この基準信号は逓倍器／増幅器２により適切に周波数逓倍及び振幅増幅され、ダイレクトドライブシンセサイザ（ＤＤＳ）３に入力してクロック信号として使用される。レーダ制御装置５は、図示しない外部装置により予め設定されたレーダ運用モードに応じて、所望の送信種信号を生成するために、レーダ運用モード毎に種類の異なる周波数情報及び振幅情報を有した制御データを、制御信号として出力する。この制御信号がリードオンリメモリ（ＲＯＭ）４に入力されると、ＲＯＭ４はこの制御信号中の制御データに基づいて、ＤＤＳ３で必要とされる周波数情報及び振幅情報をＤＤＳ３に送る。ＤＤＳ３は、ＲＯＭ４から受けた周波数情報及び振幅情報に基づいて、送信波のパルス幅内で送信種信号のパルス波の振幅を変化させるように、レーダ運用モードに応じた所望の送信種信号を生成する。ＤＤＳ３の出力は、フィルタ６に送出される。

なお、ＲＯＭ４には、レーダ運用モードに応じて予め制御データが格納されていても良く、レーダ運用モードの指定に応じて、ＲＯＭ４から対応する制御データが出力するように構成しても良い。レーダ運用モードとしては、例えば、100〜300KHzの高ＰＲＦ（パルス繰り返し周波数; Pulse Repetition Frequency）のレーダではパルス周期を短くし、数KHzの低ＰＲＦ（パルス繰り返し周波数; Pulse Repetition Frequency）のレーダではパルス周期を長くする。また、遠距離レーダではパルス幅を長くし、近距離レーダではパルス幅を短くするような運用が行われる。
また、レーダ運用モードが１種類の場合であっても、パルスレーダ送信機の個体別に、ＲＯＭ４に適切な異なる制御データを格納することによって、個体毎に異なる、送信パルス幅や送信周波数などの送信パラメータの違いによるドループ量の変動を抑制する効果を得られることは、言うまでもない。

次に、ＤＤＳ３の動作について説明する。図２は、ＤＤＳ３の動作を説明するための図であり、（ａ）はＤＤＳ３の内部構成を示す図、（ｂ）はＤＤＳ３の内部構成の出力信号例を示す図である。図２（ａ）において、ＤＤＳ３は、位相アキュミュレータ１６、メモリ１７、Ｄ／Ａコンバータ１８を備えている。また、図２（ｂ）において、符号１９は、位相アキュミュレータ１６の出力信号を示す。符号２０は、メモリ１７の出力信号を示す。符号２１は、Ｄ／Ａコンバータ１８の出力信号を示す。符号２２は、フィルタ６の出力信号を示す。

ＤＤＳ３内の位相アキュミュレータ１６は、ＲＯＭ４から入力する周波数情報を有した制御データを受けて、逓倍器/増幅器２から入力するクロックに同期しながら位相データをカウントアップする。位相データはメモリ１７に入力し正弦波の位相データとして取り込まれ、また正弦波の振幅はＲＯＭ４から入力する振幅データにより制御される。メモリ１７のデジタル信号出力はＤ／Ａコンバータ１８にてクロック信号に同期しながら連続量子化された後にＤＤＳ３から出力される。Ｄ／Ａコンバータ３から出力した信号はフィルタ６により不要波成分が除去され量子化された信号がアナログ化される。このように設定されてＤＤＳ３から出力される信号は、大電力用半導体増幅回路で発生するドループを補正するように、送信パルス波のパルス長に応じて、送信パルス内の振幅変調を制御する。

次に、ＤＤＳ３の後段の処理について説明する。
フィルタ６の出力信号は、逓倍器/増幅器７で周波数逓倍、振幅増幅されミキサ９に入力する。一方、基準信号発生回路１から出力する基準信号は、ＲＦ発生回路８において周波数逓倍及び振幅増幅され、ミキサ９に入力する。ミキサ９に入力するこれら２つの信号についての周波数の和分及び差分の周波数成分を有する信号が、ミキサ９で発生する。フィルタ１０において、ミキサ９の出力信号から所望周波数の送信信号のみが通過し、増幅器１１で適切なレベルに増幅される。

増幅器１１から出力する送信信号はサーキュレータ１２を経由して外部のアンテナ方向に信号が伝送され送受切換回路１３に入力する。送受切換回路１３は送信タイミングではサーキュレータ１２から出力される送信信号をアンテナ側に送り、受信タイミングにおいては外部のアンテナより伝送されるターゲットからの反射受信信号を受信器側に送るようなスイッチ機能を有する。

送受切換回路１３から出力する送信信号はドライバ増幅回路１４に入力し、適切なレベルに増幅され、その後大電力用半導体増幅回路１５にて大電力化され、外部のアンテナを経由して送信される。
なお、アンテナについては、パルスレーダ送信機に一体化されていても良い。

ここで、比較例として、従来の変調発生回路を用いてパルスレーダ送信機を構成する場合について、図を用いて説明する。図３は、従来の変調発生回路を用いてパルスレーダ送信機を構成した比較例を示す図である。
図において、基準信号発生回路１から出力された基準信号は変調発生回路２３に入力し、レーダ制御装置５からの周波数データにより適宜周波数変調が行われるが、振幅については矩形波でありパルス内の振幅は一定である。変調発生回路２３の出力はミキサ９に入力する。一方、基準信号発生装置から出力する基準信号はＲＦ発生回路８において周波数逓倍及び振幅増幅され、ミキサ９に入力する。以降の動作は、図１と同様の構成例を仮定している。

図４は、図３に示す比較例における送信波形の関係を示す図である。
図において、増幅器１１から出力される送信種信号を図４（ａ）の符号２４に、ドライバ増幅回路１４の出力信号を図４（ｂ）の符号２５に、大電力用半導体増幅回路１５から出力される送信信号を図４（ｃ）の符号２６において、それぞれ示す。ドライバ増幅回路１４から出力される送信信号はパルス内の振幅偏差が無く、矩形形状のパルスである。しかし、大電力用半導体増幅回路１５におけるドループ現象により、図４の符号２６に示すように、送信信号のパスル立下り時の振幅は、パルス立上り時より低下してしまうことが分かる。

次に、図５は、この発明の実施形態１における送信波形の関係を示す図である。
図において、大電力用半導体増幅回路１５で発生するドループを補正すべく、送信信号のパスル立下り方向に向かって振幅が増大するようにＤＤＳ３の出力の振幅を調整し、ＲＯＭ４にその振幅制御データを保存する。増幅器１１から出力される送信種信号を図５（ａ）の２７に、ドライバ増幅回路１４の出力信号を図５（ｂ）の２８に、大電力用半導体増幅回路１５から出力される送信信号を図５（ｃ）の２９にそれぞれ示す。ドライバ増幅回路１４の出力レベルはパルス立下り時において大電力用半導体増幅回路１５が、コンプレッションが掛かり始める領域で動作するレベルに調整することで、上記補正を行う。

上述の通り、この実施の形態１によるパルスレーダ用送信機は、基準信号発生回路と、上記基準信号発生回路および制御データの出力に基づいて、送信出力する所望のパルス波の送信種信号を出力するダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）と、上記ＤＤＳへ周波数及び振幅を制御するための上記制御データを出力するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）と、上記基準信号発生回路の出力信号に基づいてＲＦ信号を生成するＲＦ発生回路と、上記ＤＤＳからの出力信号と上記ＲＦ発生回路からの出力信号とから周波数変換するミキサと、上記ミキサの出力信号を電力増幅する半導体増幅器とを備え、上記リードオンリメモリは、上記ダイレクトデジタルシンセサイザから出力される送信種信号が、そのパルス幅内で振幅変化するように上記制御データを出力することを特徴とする。ここで、リードオンリメモリは、上記ダイレクトデジタルシンセサイザから出力される送信種信号が、そのパルスの立ち下がり方向に向かって振幅を増大させるように設定された、周波数及び振幅の制御データを格納している。

また、基準信号発生回路と、上記基準信号発生回路および制御データの出力に基づいて、送信出力する所望のパルス波の送信種信号を出力するＤＤＳと、上記ＤＤＳへ周波数及び振幅を制御するための上記制御データを出力するＲＯＭと、上記所望のパルス波のパルス長に応じて上記リードオンリメモリから出力される制御データを変化させるレーダ制御装置と、上記基準信号発生回路の出力信号に基づいてＲＦ信号を生成するＲＦ発生回路と、上記ダイレクトデジタルシンセサイザからの出力信号と上記ＲＦ発生回路からの出力信号とから周波数変換するミキサと、上記ミキサの出力信号を電力増幅する半導体増幅器とを備えても良い。このリードオンリメモリは、半導体増幅器で発生するドループを補正するように、上記パルス波のパルス長に応じた周波数及び振幅の制御データを格納している。

また、更に詳しくは、基準信号発生回路と、上記基準信号発生回路の出力を周波数逓倍、増幅する逓倍器および増幅器と、上記逓倍器および増幅器の出力信号をクロック信号として制御データに基づいて所望の送信種信号を出力するダイレクトデジタルシンセサイザと、上記ダイレクトデジタルシンセサイザへ周波数及び振幅を制御するための上記制御データを出力するリードオンリメモリと、レーダ運用モードに応じて上記リードオンリメモリの制御データ出力を管理するレーダ制御装置と、上記ダイレクトデジタルシンセサイザから出力される量子化された信号をアナログ化し不要波成分を除去するフィルタと、上記フィルタの出力を周波数逓倍する逓倍器と、上記基準信号発生回路の出力信号を逓倍および増幅してＲＦ信号を生成するＲＦ発生回路と、上記逓倍器の出力信号とＲＦ発生回路の出力信号を入力して周波数変換するミキサと、上記ミキサの出力から不要波を除去するフィルタと、上記フィルタの出力信号を増幅する増幅器と、上記増幅器から出力する送信信号を大電力に増幅しアンテナへ出力する大電力用半導体増幅器とを備えて、パルスレーダ用送信機を構成しても良い。

この実施の形態１では、このように構成することで、ドループ現象を補正することで送信パルス内での振幅偏差を抑えることができ、パスル圧縮実施時に発生するサイドローブの影響を低減できる。また、送信種信号の波形をデジタル制御するため、送信パルス幅、送信周波数、周波数変調帯域などの送信信号パラメータの違いによるドループ量の変動についても抑制することができ、その変動への柔軟な対応が可能である。

この発明の実施の形態１によるパルスレーダ送信機の構成図である。 この発明の実施の形態１によるダイレクトデジタルシンサセイザ（ＤＤＳ）とフィルタの構成図と各構成品の出力の関係を示す図である。 従来方式を適用した場合の、パルスレーダ送信機の構成図である。 従来方式を適用した場合の、パルスレーダ送信機の送信波形の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１によるパルスレーダ送信機の送信波形の関係を示す図である。

符号の説明

１ 基準信号発生回路、２ 逓倍器/増幅器、３ ダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）、４ リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、５ レーダ制御装置、６ フィルタ、７ 逓倍器/増幅器、８ ＲＦ発生回路、９ ミキサ、１０ フィルタ、１１ 増幅器、１２ サーキュレータ、１３ 送受切換回路、１４ ドライバ増幅回路、１５ 大電力用半導体増幅回路（半導体増幅器）、１６ 位相アキュミュレータ、１７ メモリ、１８ Ｄ／Ａコンバータ、１９ 位相アキュミュレータ出力信号、２０ メモリ出力信号、２１ Ｄ／Ａコンバータ出力信号、２２ フィルタ出力信号、２３ 変調発生回路。

Claims (6)

1. 基準信号発生回路と、
   上記基準信号発生回路および制御データの出力に基づいて、送信出力する所望のパルス波の送信種信号を出力するダイレクトデジタルシンセサイザと、
   上記ダイレクトデジタルシンセサイザへ周波数及び振幅を制御するための上記制御データを出力するリードオンリメモリと、
   上記基準信号発生回路の出力信号に基づいてＲＦ信号を生成するＲＦ発生回路と、
   上記ダイレクトデジタルシンセサイザからの出力信号と上記ＲＦ発生回路からの出力信号とから周波数変換するミキサと、
   上記ミキサの出力信号を電力増幅する半導体増幅器と、
   を備え、
   上記リードオンリメモリは、上記ダイレクトデジタルシンセサイザから出力される送信種信号が、そのパルス幅内で振幅変化するように上記制御データを出力することを特徴としたパルスレーダ用送信機。
2. 上記リードオンリメモリは、上記ダイレクトデジタルシンセサイザから出力される送信種信号が、そのパルスの立ち下がり方向に向かって振幅を増大させるように設定された、周波数及び振幅の制御データを格納していることを特徴とした請求項１記載のパルスレーダ送信機。
3. 基準信号発生回路と、
   上記基準信号発生回路および制御データの出力に基づいて、送信出力する所望のパルス波の送信種信号を出力するダイレクトデジタルシンセサイザと、
   上記ダイレクトデジタルシンセサイザへ周波数及び振幅を制御するための上記制御データを出力するリードオンリメモリと、
   上記所望のパルス波のパルス長に応じて上記リードオンリメモリから出力される制御データを変化させるレーダ制御装置と、
   上記基準信号発生回路の出力信号に基づいてＲＦ信号を生成するＲＦ発生回路と、
   上記ダイレクトデジタルシンセサイザからの出力信号と上記ＲＦ発生回路からの出力信号とから周波数変換するミキサと、
   上記ミキサの出力信号を電力増幅する半導体増幅器と、
   を備えたことを特徴としたパルスレーダ用送信機。
4. 上記リードオンリメモリは、半導体増幅器で発生するドループを補正するように、上記パルス波のパルス長に応じた周波数及び振幅の制御データを格納していることを特徴とした請求項３記載のパルスレーダ用送信機。
5. 基準信号発生回路と、
   上記基準信号発生回路の出力を周波数逓倍、増幅する逓倍器および増幅器と、
   上記逓倍器および増幅器の出力信号をクロック信号として制御データに基づいて所望の送信種信号を出力するダイレクトデジタルシンセサイザと、
   上記ダイレクトデジタルシンセサイザへ周波数及び振幅を制御するための上記制御データを出力するリードオンリメモリと、
   レーダ運用モードに応じて上記リードオンリメモリの制御データ出力を管理するレーダ制御装置と、
   上記ダイレクトデジタルシンセサイザから出力される量子化された信号をアナログ化し不要波成分を除去するフィルタと、
   上記フィルタの出力を周波数逓倍する逓倍器と、
   上記基準信号発生回路の出力信号を逓倍および増幅してＲＦ信号を生成するＲＦ発生回路と、
   上記逓倍器の出力信号とＲＦ発生回路の出力信号を入力して周波数変換するミキサと、
   上記ミキサの出力から不要波を除去するフィルタと、
   上記フィルタの出力信号を増幅する増幅器と、
   上記増幅器から出力する送信信号を大電力に増幅しアンテナへ出力する大電力用半導体増幅器と、
   を備えたパルスレーダ用送信機。
6. 上記増幅器から出力する送信信号をアンテナに送り、アンテナから伝送される受信信号を受信器へ送るサーキュレータと、
   上記サーキュレータから出力される送信信号とアンテナから伝送される受信信号の切換えを行う送受切換回路と、
   上記送受切換回路から出力する送信信号を適切なレベルに増幅するドライバ増幅回路とを更に備え、
   上記大電力用半導体増幅器は、上記ドライバ増幅回路から出力する送信信号を大電力に増幅しアンテナへ出力することを特徴とした請求項５記載のパルスレーダ用送信機。

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