JP2011191100A

JP2011191100A - モノパルスレーダ装置

Info

Publication number: JP2011191100A
Application number: JP2010055532A
Authority: JP
Inventors: Kyo Okagaki; 亨岡垣; Masayuki Saito; 雅之齊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: JP5589454B2

Abstract

【課題】モノパルスレーダアンテナにおいて、給電部を構成するコンパレータの方向性結合器を用いる場合、１８０°の位相差の線路を用いる必要がある。そのため、線路長が長くなり通過位相、通過振幅、アイソレーション特性、反射特性の周波数特性が狭帯域になる問題がある。
【解決手段】給電部においてブランチカプラまたは、サイドウォールショートスロットカプラの方向性結合器を用いるコンパレータで、１８０°の位相差の線路を取り除く。それと同時に、放射部において、４つの象限に分けたアレーアンテナ開口面のある象限を逆位相にする。これにより、従来と同様にΣ信号、ΔAz信号、ΔEl信号を出力する特性を維持したまま、給電部の線路長を短くすることができる。これにより、通過位相、通過振幅、アイソレーション特性、反射特性の周波数特性の広帯域化を達成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、放射部のアレーアンテナと給電部のコンパレータからなるモノパルスレーダ装置に関するものである。

通常、モノパルスレーダは放射部のアレーアンテナと給電部のモノパルスコンパレータから構成される。放射部のアレーアンテナはアレーアンテナの開口面の中心に対して、水平方向と垂直方向に分割する４つの象限に分けられる。この構成のアレーアンテナは、基準となる象限に対して、他の象限の位相を等位相又は逆位相に励振することにより、３つの信号を出力する。３つの信号とは、Σ信号、ΔＡｚ信号、ΔＥｌ信号である。Σ信号は４つの象限を等振幅、等位相で放射することにより得られる。ΔＡｚ信号はアレーアンテナの開口面を開口面の中心に対して垂直方向で分割し、その分割した象限間の位相を逆位相の関係にして等振幅で放射することにより得られる。ΔＥｌ信号はアレーアンテナの開口面を開口面の中心に対して水平方向で分割し、その分割した象限間の位相を逆位相の関係にして等振幅で放射することにより得られる。

給電部のモノパルスコンパレータは、これらの３種類の信号を生成させる構成要素である。コンパレータは、方向性結合器を用いることにより所望の位相差を生じさせる。ブランチカプラやサイドウォールショートスロットカプラは方向性結合器の一例であり、同一平面に構成できるため薄型化に向く特徴を有する。また、結合線路で９０°の位相差を生じる特徴も有する（例えば、非特許文献１参照）。

コンパレータはこれらの方向性結合器を複数組み合わせ、線路長を調整することによりΣ信号、ΔＡｚ信号、ΔＥｌ信号の各信号を形成する。線路長の調整は、９０°の位相差線路を２つと１８０°の位相差線路を１つ組み合わせて調整するものが一般的である。

J.HELSZAJN 著"Passive and Active Microwave Circuits" pp.39-59 JOHN WILEY & SONS 出版、1978年

このように、モノパルスレーダの給電部として用いられるコンパレータ（以下、モノパルスコンパレータという）において、方向性結合器により所望の位相差を生じさせる場合には、位相差を調整するために９０°の位相差線路や１８０°の位相差線路が必要となる。

モノパルスコンパレータの構成要素として９０°の位相差線路や１８０°の位相差線路を適用する場合、その線路の長さに応じて通過位相、通過振幅、アイソレーション特性、反射特性に周波数特性を有することとなり、使用可能な周波数帯域が狭帯域になるという課題があった。また、伝送損失も、適用する９０°や１８０°の位相差線路の線路の長さに応じて大きくなるという課題があった。また、モノパルスコンパレータ自体の大きさも９０°や１８０°の位相差線路に応じて大きくなるという課題があった。
なおこれらの課題は方向性結合器としてブランチカプラを適用する場合でも、また、サイドウォールショートスロットカプラを適用する場合においても発生する。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、広帯域で伝送損失が小さく小型なモノパルスレーダ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るモノパルスレーダ装置は、第１〜第４の４象限に分割されたアレーアンテナと、前記第１〜第４象限に形成された結合スロットと各々接続される第１〜第４ポートと、前記４象限の信号の和をなすΣ信号を形成するΣ信号形成ポートと、前記４象限の左右２組の信号の差をなすΔＡｚ信号を形成するΔＡｚ信号形成ポートと、前記４象限の上下２組の信号の差をなすΔＥｌ信号を形成するΔＥｌ信号形成ポートと、ダミーポートと、９０°の位相差線路と、９０°の方向性結合器と、からなるコンパレータと、を備えるモノパルスレーダ装置であって、前記コンパレータは、第１ポートを基点として反時計周りに第２ポート、ΔＥｌ形成ポート、Σ信号形成ポート、第３ポート、第４ポート、ΔＡｚ形成ポート、ダミーポートの順に配置され、９０°の位相差線路が接続された前記第２ポートと前記第１ポートとの間、前記ΔＥｌ信号形成ポートと前記Σ信号形成ポートとの間、９０°の位相差線路が接続された前記第４ポートと前記第３ポートとの間、及び前記ΔＡｚ信号形成ポートと前記ダミーポートとの間には、９０°の方向性結合器がそれぞれ挿入されており、前記第３象限に形成された結合スロットで励振される電波の位相は、前記第１、第２、第４象限に形成された結合スロットで励振される電波の位相と逆の位相であるようにした。

この発明によれば、広帯域で伝送損失が小さく小型なモノパルスレーダ装置を提供ことができる。

実施の形態１に係るブランチカプラを用いたモノパルスコンパレータを説明する図である。実施の形態１に係るブランチカプラにおいて、（ａ）Σ信号におけるアンテナ開口面の位相状態を説明する図である、（ｂ）ΔＡｚ信号におけるアンテナ開口面の位相状態を説明する図である、（ｃ）ΔＥｌ信号におけるアンテナ開口面の位相状態を説明する図である。実施の形態１に係るアンテナ部において、各象限における励振の位相を説明する図である。実施の形態１の他の例のサイドウォールショートスロットカプラを説明する図である。（ａ）従来のブランチカプラの概略構成図である。（ｂ）従来のコンパレータを説明する図である。従来のモノパルスコンパレータにおいて、（ａ）Σ信号入力のときの各出力ポートの位相状態を示した図である、（ｂ）ΔＡｚ信号入力のときの各出力ポートの位相状態を示した図である、（ｃ）ΔＥｌ信号入力のときの各出力ポートの位相状態を示した図である。従来のアンテナ部において、各象限における励振の位相を説明する図である。

まず、従来のモノパルスコンパレータの構成と動作について簡単に説明する。
図５（ａ）は、非特許文献１に開示されたブランチカプラの構成を説明する図である。図において１は入力端子、２はアイソレーション端子、３は終端端子、４は出力端子、５はブランチカプラを表す。図５（ａ）のブランチカプラにおいて入力端子１から伝播する電波が出力端子４に伝播する場合、９０°の位相差を生じる。

図５（ｂ）は、従来の方向性結合器を用いたモノパルスコンパレータの構成を説明する図である。図５（ｂ）において、６は９０°の位相差を生ずる位相調整用線路（以下９０°の位相差線路という）、７は１８０°の位相差を生ずる位相調整用線路（以下１８０°の位相差線路という）、８はΣ信号を形成するポート（Σ信号形成ポートという）、９はΔＡｚ信号を形成するポート（ΔＡｚ信号形成ポート）、１０はΔＥｌ信号を形成するポート（ΔＥｌ信号形成ポートという）、１１はアレーアンテナ開口面の＃１の象限（以下、第１象限という）とのインターフェースを示す＃１ポート、１２はアレーアンテナ開口面の＃２の象限（第２象限）とのインターフェースを示す＃２ポート、１３はアレーアンテナ開口面の＃３の象限（第３象限）とのインターフェースを示す＃３ポート、１４はアレーアンテナ開口面の＃４の象限（第４象限）とのインターフェースを示す＃４ポート、３０は機能割付けのないＤｕｍｍｙポートである。
＃１ポート１１を基点として反時計周りに＃２ポート１２、ΔＥｌ信号形成ポート１０、Σ信号形成ポート８、＃３ポート１３、＃４ポート１４、ΔＡｚ信号形成ポート９、Ｄｕｍｍｙポート３０の順に配置され、＃１ポート１１と９０°の位相差線路６が接続された＃２ポートの間、ΔＥｌ形成ポート１０とΣ信号形成ポート８の間、１８０°の位相差線路７が接続された＃３ポートと９０°の位相差線路６が接続された＃４ポートの間、ΔＡｚ信号形成ポート９とＤｕｍｍｙポート３０の間の各々には、周回するように４個の前記９０°方向性結合器５が挿入されている。

次に、従来のブランチカプラを用いたコンパレータの動作を説明する。
Σ信号を形成するポート８から出力する場合、＃１ポート１１は、ポート８と＃１ポート１１の間にブランチカプラ５が２つあり１８０°の位相差を生じる。同様に、＃２ポート１２はブランチカプラ５で９０°の位相差、９０°の位相差線路６で９０°の位相差が生じ合計で１８０°の位相差を生じる。＃３ポート１３は１８０°の位相差線路７で１８０°の位相差が生じる。＃４ポート１４はブランチカプラ５で９０°の位相差、９０°の位相差線路６で９０°の位相差が生じ合計で１８０°の位相差を生じる。このため、入力信号が＃１ポート１１と＃２ポート１２と＃３ポート１３と＃４ポート１４とで同位相となる。
図６（ａ）はΣ信号を形成するポート８から信号を入力したときの、アレーアンテナ開口面の各象限（第１象限〜第４象限）に対応したモノパルスコンパレータ側の出力ポート（＃１ポート１１〜＃４ポート１４）から出力される信号の位相を示した図である。このように位相基準の第１象限（＃１ポート１１が対応）、第２象限（＃２ポート１２が対応）、第３象限（＃３ポート１３が対応）、第４象限（＃４ポート１４が対応）までの各象限の位相は同位相となる。
アンテナ部は、モノパルスコンパレータの出力ポート（＃１ポート１１〜＃４ポート１４）と相対する位置に形成された結合スロット部でモノパルスコンパレータからの信号と結合し、アンテナの各象限（第１象限〜第４象限）毎に独立した位相の電磁波を励振する。このとき、従来のアンテナ部では、モノパルスコンパレータの出力ポートからの信号の位相と同位相の電磁波を励振するように、各象限（第１象限〜第４象限）の設計がされている。
よって、Σ信号を形成するポート８から信号を入力したとき、アンテナ部の各象限は同位相の電磁波を励振し放射することになり、アンテナ部の４つの象現からは等位相、等振幅の電磁波が放射されてΣ信号を形成する。
なおアンテナ部は、その設計や評価の容易性から、アンテナ背面側からアンテナの各象限をみた場合に図７に示すように＃１の象限を始点として時計回りに励振する向きが揃うように設計されている。

次にΔＡｚ信号を形成するポート９から信号を入力したとき、＃１ポート１１はブランチカプラ５において９０°の位相差を生じる。＃２ポート１２はブランチカプラ５が２つあり１８０°の位相差を生じ、９０°の位相差線路６で９０°の位相差が生じるため合計２７０°の位相差を生じる。＃３ポート１３はブランチカプラ５で９０°の位相差を生じ、１８０°の位相差線路７で１８０°の位相差が生じるため合計で２７０°の位相差を生じる。＃４ポート１４は９０°の位相差線路６で９０°の位相差が生じる。このため、入力信号が＃１ポート１１と＃４ポート１４で同位相となり、＃２ポート１２と＃３ポート１３で逆位相となる。
図６（ｂ）は、ΔＡｚ信号を形成するポート９から信号を入力したときの、アレーアンテナ開口面の各象限に対応したモノパルスコンパレータ側の出力ポートから出力される信号の位相を示した図である。このように第１象限と第４象限は同位相であり、第２象限と第３象限は逆位相となる。
アンテナ部は、各象限でこの位相関係を維持したまま電磁波を励振して電波を放射する。このようにして、ΔＡｚ信号を形成することができる。

次にΔＥｌ信号を形成するポート１０から信号を入力したとき、＃１ポート１１は、ブランチカプラ５において９０°の位相差を生じる。＃２ポート１２は９０°の位相差線路６で９０°の位相差が生じる。＃３ポート１３はブランチカプラ５で９０°の位相差を生じ１８０°の位相差線路７で１８０°の位相差が生じるため合計で２７０°の位相差を生じる。＃４ポート１４はブランチカプラ５が２つあり１８０°の位相差を生じ、９０°の位相差線路６で９０°の位相差が生じるため、２７０°の位相差を生じる。このため、入力信号が＃１ポート１１と＃２ポート１２で同位相となり、＃３ポート１３と＃４ポート１４で逆位相となる。
図６（ｃ）は、ΔＥｌ信号を形成するポート９から信号を入力したときの、アレーアンテナ開口面の各象限に対応したモノパルスコンパレータ側の出力ポートから出力される信号の位相を示した図である。このように第１象限と第２象限は同位相であり、第３象限と第４象限は逆位相となる。
アンテナ部は、各象限でこの位相関係を維持したまま電磁波を励振して電波を放射する。このようにして、ΔＥｌ信号を形成することができる。

このようにして、従来のモノパルスレーダでは、給電部のモノパルスコンパレータと放射部のアンテナとが結合し、モノパルスコンパレータの入力信号に応じてアンテナ開口部からΣ信号、ΔＡｚ信号、ΔＥｌ信号の３つの信号が出力可能となっている。

しかしながら、図５（ｂ）で説明した従来のモノパルスコンパレータでは９０°の位相差線路６と１８０°の位相差線路が構成要素として有するため、通過位相、通過振幅、アイソレーション特性、反射特性において周波数特性をもつこととなり狭帯域な特性となり、また伝送損失が大きくなっていた。また、大きさも大きなものとなっていた。

実施の形態１．
次に、実施の形態１に係るモノパルスコンパレータを図を参照しながら説明する。
従来、モノパルスコンパレータ側の出力ポートの＃３ポート１３には、１８０°の位相差を生ずる位相差線路７が形成されていたが、実施の形態１では、この１８０°の位相差を生ずる位相差線路７を無くしている。

図１は実施の形態１に係るモノパルスコンパレータの構成図である。従来技術で説明した図５（ｂ）と同様の機能の構成要素には同一番号を付して説明を省略する。
図２はアレーアンテナ開口面の各象限（第１象限〜第４象限）に対応したモノパルスコンパレータ側の出力ポート（＃１ポート１１〜＃４ポート１４）から出力される信号の位相を示した図である。
図１で、１１はアレーアンテナ開口面の＃１の象限（以下、第１象限という）とのインターフェースを示す＃１ポート、１２はアレーアンテナ開口面の＃２の象限（第２象限）とのインターフェースを示す＃２ポート、１３はアレーアンテナ開口面の＃３の象限（第３象限）とのインターフェースを示す＃３ポート、１４はアレーアンテナ開口面の＃４の象限（第４象限）とのインターフェースを示す＃４ポートである。また、８はΣ信号を形成するポート（以下、Σポート８という）、９はΔＡｚ信号を形成するポート（以下、ΔＡｚポート９という）、１０はΔＥｌ信号を形成するポート（以下、ΔＥｌポート１０という）、５は９０°の位相差を生じるブランチカプラ（以下、９０°ブランチカプラという）、６は９０°の位相差を生ずる位相調整用線路（以下、９０°の位相差線路という）である。
なお、図１のモノパルスコンパレータでは、＃１ポート１１を起点として反時計周りで、＃２ポート１２、ΔＥｌポート１０、Σポート８、＃３ポート１３、＃４ポート１４、ΔＡｚポート９、Ｄｕｍｍｙポート３０の順で各ポートが配置されている。

各ポートは、次のように接続される。
まず、＃１ポート１１と＃２ポート１２の間、ΔＥｌポート１０とΣポート８の間、＃３ポート１３と＃４ポート１４の間、ΔＡｚポート９とＤｕｍｍｙポート３０の間には、各々９０°ブランチカプラ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが挿入されている。

また、９０°ブランチカプラ５ａの一端には９０°ブランチカプラ５ｂの一端が接続される。
９０°ブランチカプラ５ｂの他端には９０°ブランチカプラ５ｃの一端が接続される。９０°ブランチカプラ５ｃの他端には９０°ブランチカプラ５ｄの一端が接続される。９０°ブランチカプラ５ｄの他端には９０°ブランチカプラ５ａの他端が接続される。

更に、＃２ポート１２と９０°ブランチカプラ５ａとの間には、９０°位相線路６ａが挿入される。
＃４ポート１４と９０°ブランチカプラ５ｃとの間には、９０°位相線路６ｂが挿入される。

このように実施の形態１のモノパルスコンパレータは、アレーアンテナ開口面の４象限とのインターフェースである＃１ポート１１、＃２ポート１２、＃３ポート１３、＃４ポート１４と、各信号を形成するΣポート８、ΔＡｚポート９、ΔＥｌポート１０を備え、各ポート間は４個の９０°ブランチカプラ５ａ〜５ｄと２個の９０°位相線路６ａ、６ｂとを用いて接続されるようにした。

ここで、実施の形態１のモノパルスコンパレータでは、従来のモノパルスコンパレータでは＃３ポート１３と９０°ブランチカプラの間に挿入されていた１８０°の位相差線路が無い。
このように狭帯域化の原因でありその長さに応じて挿入損失もサイズも大きくなる１８０°の位相差線路を無くし、不要としている点に特徴をもつ。

次に、動作について説明する。
図２（ａ）はΣ信号を形成するポート８から信号を入力したときの、アレーアンテナ開口面の各象限（第１象限〜第４象限）に対応したモノパルスコンパレータ側の出力ポート（＃１ポート１１〜＃４ポート１４）から出力される信号の位相を示した図である。図２（ａ）では、Σ信号を形成するためには本来同位相となるべき第３象現の出力信号の位相が逆位相となっていることがわかる。

図２（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、ΔＡｚ信号、ΔＥｌ信号を形成するポート９から信号を入力したときの、アレーアンテナ開口面の各象限（第１象限〜第４象限）に対応したモノパルスコンパレータ側の出力ポート（＃１ポート１１〜＃４ポート１４）から出力される信号の位相を示した図である。図２（ｂ）では、ΔＡｚ信号を形成するためには本来逆位相となるべき第３象現の出力信号の位相が同位相となっていることがわかる。同様に図２（ｃ）では、ΔＥｌ信号を形成するためには本来逆位相となるべき第３象現の出力信号の位相が同位相となっていることがわかる。
このようにアンテナ開口面の第３象限に対応したモノパルスコンパレータ側の出力ポート（＃３ポート１３）の位相が１８０°反転する。

そこで実施の形態１では、モノパルスコンパレータと共にモノパルスレーダを構成するアンテナ部（アレーアンテナ）において、その第３象限のみを、モノパルスコンパレータの出力ポートからの信号の位相と逆位相の電磁波を励振するように設計する。

図３は実施の形態１のアンテナ部において、各象限ごとに励振する位相を説明する図である。図３ではアンテナ部を背面側からみた図を示している。
アンテナ部を単体でみると第１象限（＃１の象限）を始点として第２象限（＃２の象限）と第４象限（＃４の象限）は時計回りに励振する向きとなっているが、第３象限（＃３の象限）のみが反時計回りに励振する向きとなっている。このとき、各象限からの電波の位相の向きが全て同相となっていないためアンテナ部単体としては動作はしない。しかしながら実施の形態１では、アンテナ部を図３に示すように第１象限（＃１の象限）を始点として第２象限（＃２の象限）と第４象限（＃４の象限）は時計回りに励振する向きとし、第３象限（＃３の象限）のみは反時計回りに励振する設計とする。このような位相励振の設計はモノパルスコンパレータと結合する結合スロットの設計により可能である。

このように実施の形態１では、モノパルスレーダを構成する放射部のアンテナ部（アレーアンテナ）と給電部のモノパルスコンパレータにおいて、モノパルスコンパレータを、周波数特性が狭帯域となる原因でありまた寸法が大きくなる原因でもあった１８０°の位相差線路を用いない設計とした。そして、モノパルスコンパレータと結合するアンテナ部を、アンテナ開口面の４象限の各象限でモノパルスコンパレータの出力ポートと結合する各結合スロットの設計により、１つの象限のみが他の３つの象限と逆位相の電磁波を励振する設計となるようにした。
これにより、１８０°の位相差線路を不要にして、通過位相、通過振幅、アイソレーション特性、反射特性において広帯域で小型のモノパルスレーダを得ることができる。

実施の形態１では、方向性結合器の例としてブランチカプラを用いたが、方向性結合器の他の例として、サイドウォールショートスロットカプラを用いても構わない。
図４に、非特許文献１によるサイドウォールショートスロットカプラの構造を示す。図において１６はサイドウォールショートスロットカプラであり、入力端子１から伝播する電波は出力端子４に伝播する場合、９０°の位相差を生じる。このようなサイドウォールショートスロットカプラを、図１のモノパルスコンパレータで９０°ブランチカプラ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの代わりに用いるようにしてもよい。
この構成により、従来の１８０°の位相差線路７が内挿されている場合に比べ、特性の広帯域化、小型化を実現することができる。

１入力端子、２アイソレーション端子、３終端端子、４出力端子、５ブランチカプラ、６９０°の位相差線路、７１８０°の位相差線路、８ Σ信号を形成するポート、９ ΔＡｚ信号を形成するポート、１０ ΔＥｌ信号を形成するポート、１１＃１ポート、１２＃２ポート、１３＃３ポート、１４＃４ポート、１５アレーアンテナ開口面、１６サイドウォールショートスロットカプラ、１７アンテナ裏面側。

Claims

第１〜第４の４象限に分割されたアレーアンテナと、
前記第１〜第４象限に形成された結合スロットと各々接続される第１〜第４ポートと、前記４象限の信号の和をなすΣ信号を形成するΣ信号形成ポートと、前記４象限の左右２組の信号の差をなすΔＡｚ信号を形成するΔＡｚ信号形成ポートと、前記４象限の上下２組の信号の差をなすΔＥｌ信号を形成するΔＥｌ信号形成ポートと、ダミーポートと、９０°の位相差線路と、９０°の方向性結合器と、からなるコンパレータと、を備えるモノパルスレーダ装置であって、
前記コンパレータは、第１ポートを基点として反時計周りに第２ポート、ΔＥｌ形成ポート、Σ信号形成ポート、第３ポート、第４ポート、ΔＡｚ形成ポート、ダミーポートの順に配置され、９０°の位相差線路が接続された前記第２ポートと前記第１ポートとの間、前記ΔＥｌ信号形成ポートと前記Σ信号形成ポートとの間、９０°の位相差線路が接続された前記第４ポートと前記第３ポートとの間、及び前記ΔＡｚ信号形成ポートと前記ダミーポートとの間には、９０°の方向性結合器がそれぞれ挿入されており、
前記第３象限に形成された結合スロットで励振される電波の位相は、前記第１、第２、第４象限に形成された結合スロットで励振される電波の位相と逆の位相である、ことを特徴とするモノパルスレーダ装置。
前記９０°の方向性結合器はブランチカプラ、またはサイドウォールショートスロットカプラであることを特徴とするモノパルスレーダ装置。