JP2012222725A - アクティブアレイアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけ、低雑音増幅器の内部雑音を低減し受信系の高感度化を図るアクティブアレイアンテナ装置。
【解決手段】Ｍ個（Ｍ≧２）のアンテナ素子で受信された受信信号に対して所定の帯域を通過させるＭ個の受信フィルタ7、Ｍ個の受信フィルタのＭ個の受信信号を増幅するＭ個の低雑音増幅器8、Ｍ個の増幅信号の各々の増幅信号について増幅信号をＮ個（Ｎ≧２）の分配信号に分配するＭ個の分配器9、各々の分配器毎に設けられＮ個の分配信号の位相を移相させるＮ個の移相器10、Ｎ個の移相信号を減衰させるＮ個の減衰器11、Ｎ個の減衰器に対応して設けられ各減衰器毎にＭ個の分配器分の減衰器出力を加算してビーム合成するＮ個のビーム合成回路12、低雑音増幅器と超電導素材で構成される受信フィルタを収納する断熱用保温容器6、受信フィルタ及び低雑音増幅器を冷却し受信フィルタを超電導状態にする冷却手段69。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、レーダ、通信システムやマイクロ波放射計や電波受信システムなどの受信用アンテナとして用いられるアクティブアレイアンテナ装置に関する。

レーダ性能は、レーダ方程式により表される。レーダ性能を向上させるためには、レーダ方程式に表されるパラメータに関して、（a）送信尖頭電力の増大、パルス幅の増大、（ｂ）アンテナ利得の増加、（ｃ）長波長の利用、（ｄ）システム雑音温度の低減、（ｅ）システム損失の低減などがある。

送信尖頭電力の増大やアンテナの大型化などには制約も多く、システム規模の増大を招くため、実施する上では、一定の限界がある。また、近年の電波資源不足などから長波長を利用することは困難である。

また、ステルスと呼ばれるような意図的に電波反射を小さくした目標が出現するようになり、レーダ性能を向上させる要請は極めて強い。これに対処するため高感度な受信性能が必要であり、システム損失の低減やシステム雑音温度の低減が求められている。

システム損失には種々の項目があるが、代表的な項目に送信機からアンテナまでの送信給電損失がある。送信給電損失を低減するため、送信増幅機能、送受切換え機能および受信機能を一体化した送受信モジュールと呼ばれるモジュールを多数使用するアクティブアレイアンテナが用いられ、特に、アクティブフェーズドアレイ方式が主流である。

アクティブフェーズドアレイ方式とは、それぞれのアンテナ素子と移相器の間に送受切換え機能を組み込むとともに、送信系に送信増幅器、受信系に受信用低雑音増幅器（(LNA; Low Noise Amplifier)）の両方（又は一方）を組み込んだ送受信モジュールと呼ばれるモジュールを配列したアンテナ方式である。

送受信モジュールに送信増幅器を組み込んだ場合、アンテナ素子に近接してモジュールが配置されるため、導波管による給電損失などは発生せず、送信給電損失を必要最小限の部品（サーキュレータなど）による損失のみに抑えることができる。

また、送受信モジュールに受信用ＬＮＡを組み込んだ場合には、受信時の損失を低減でき且つマルチビームを形成できる。即ち、ＬＮＡにより増幅された受信信号は、Ｓ／Ｎを劣化させることなく複数の信号に分配できるため、分配された受信信号によって独立の複数の受信ビームが形成できる。

アクティブフェーズドアレイアンテナは、複数の受信ビームを持つことで、同時にそれぞれ別の目標に対処でき、多彩な機能を同時にかつ独立に実現できる。マルチビームを必要とする多機能化には、少なくとも受信ＬＮＡをアンテナ素子ごとに持たせたアクティブアレイが適合することが分かる。

複数の受信ビーム（受信マルチビーム）を実現するためには、ＬＮＡによって増幅されたアンテナ素子ごとの受信信号を、必要な受信ビーム数だけ分配した後に、サイドローブ抑圧のための振幅ウェイト、ビーム指向方向制御のための位相ウェイトを施す減衰器、移相器などを通過させた後に信号を合成するビーム合成回路が受信ビーム数分だけ必要であり、システム規模が増大するという問題がある。

特開２０００−２３６２０６号公報

しかしながら、アクティブフェーズドアレイアンテナにあっても、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけるとともに、低雑音増幅器の内部雑音を低減して受信系の高感度化を実現することができなかった。

本発明が解決しようとする課題は、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけるとともに、低雑音増幅器の内部雑音を低減して受信系の高感度化を図ることができるアクティブアレイアンテナ装置を提供することにある。

実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置によれば、Ｍ個（Ｍ≧２）のアンテナ素子又はアンテナサブアレイにより受信された受信信号に対して所定の帯域を通過させるＭ個の受信フィルタと、前記Ｍ個の受信フィルタからのＭ個の受信信号を増幅するＭ個の低雑音増幅器と、前記Ｍ個の低雑音増幅器で増幅されたＭ個の増幅信号の各々の増幅信号について、増幅信号をＮ個（Ｎ≧２）の分配信号に分配するＭ個の分配器と、前記各々の分配器毎に設けられ、前記分配器で分配されたＮ個の分配信号の位相を移相させるＮ個の移相器と、前記Ｎ個の移相器からのＮ個の移相信号を減衰させるＮ個の減衰器と、Ｎ個の減衰器に対応して設けられ、各減衰器毎に前記Ｍ個の分配器分の減衰器出力を加算することによりビームを合成するＮ個のビーム合成回路と、前記低雑音増幅器と超電導素材により構成される前記受信フィルタとを収納する真空容器などの断熱用保温容器と、前記受信フィルタ及び前記低雑音増幅器とを冷却し前記受信フィルタを超電導状態にする冷却手段とを備えることを特徴とする。

第１の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。 第１の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の受信フィルタと低雑音増幅器とが封入された真空容器の断面図である。 第２の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。 第３の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。 第４の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。 第５の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。 第６の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。 第７の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。 第８の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。 第９の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

第１の実施形態

第１の実施形態のアクティブアレイアンテナ装置は、少なくとも受信用ＬＮＡを組み込んだアクティブフェーズドアレイ方式を用い、複数の独立した受信ビーム（マルチビーム）を形成するＤＢＦ（Digital Beam Forming）方式を採用し且つ多機能を実現する。なお、実施形態はＤＢＦ方式に限定されない。このアクティブアレイアンテナ装置は、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけるとともに、低雑音増幅器の内部雑音を低減して受信系の高感度化を図る。

まず、受信アンテナにおけるシステム雑音温度について説明する。システム雑音温度とは、受信系におけるノイズレベルを決定する数値であり、システム雑音温度と受信系帯域幅との積に一定の定数（ボルツマン定数）を乗算した乗算出力が受信系における雑音電力である。このため、システム雑音温度を低減すると、受信信号のＳ／Ｎを直接改善でき、受信系を高感度化できる。

一般的にシステム雑音温度は、アンテナ出力端におけるシステム雑音温度Ｔｓで代表して表し、アンテナ出力（受信）端に出力されるアンテナ外部から入射する雑音（Ｔａ）とアンテナからＬＮＡまでの給電系における損失による雑音（Ｔｒ）と、ＬＮＡで付加されるＬＮＡ内部雑音（Ｔｅ）とＬＮＡ以降の受信系で付加される雑音とで構成される。

ＬＮＡ以降の受信系で付加される雑音は、ＬＮＡの利得を充分高くするなどの設計的な配慮を行うことで、その影響を無視できる。すると、システム雑音温度の算出式は次のようになる。

Ｔｓ＝Ｔａ＋Ｔｒ＋Ｌｒ＊Ｔｅ
一般的な条件のもとでは下式で表される。

Ｔａ＝（０．８７６＊Ｔsky＋３６）／Ｌａ＋Ｔta＊（１−１／Ｌａ）
Ｔｒ＝Ｔtr＊（Ｌｒ−１）
Ｔｅ＝Ｔo＊（Ｆｎ−１）
ここで、Ｔsky；スカイ雑音温度、Ｌａ；アンテナオーミック損、Ｔta；アンテナ温度
Ｔtr；給電系温度、Ｌｒ；給電系損失、Ｔo；器材（ＬＮＡ部）温度、Ｆｎ；ＬＮＡ雑音指数である。 通常の設計においては、器材各部の標準温度としてTｔａ＝Tｔｒ＝Ｔo＝２９０Ｋが用いられる。

上記算出式から、（外部から到来する雑音であるスカイ雑音は環境雑音であるため対象外）各損失を低減するとともにＬＮＡの雑音指数を低減することで、システム雑音温度を低減できる。また、システム雑音温度は、冷却により温度を下げることで低減できる。

ここで、仮想的な受信系構成におけるシステム雑音温度の算出例を示す。算出例では、スカイ雑音温度をレーダで多用する１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚのマイクロ波帯において、概ね５０Ｋ（仰角２度相当）を代表値とした。

Ｔsky＝５０Ｋ ；スカイ雑音温度
Tｔａ＝Tｔｒ＝Ｔo＝２９０Ｋ ；標準の器材温度
Ｌａ＝０．２ｄＢ；アンテナオーミック損
Ｌｒ＝５ｄＢ ；給電系損失
Ｆｎ＝３ｄＢ ；ＬＮＡ雑音指数
Ｔａ＝８９Ｋ、Ｔｒ＝６２７Ｋ、Ｔｅ＝２８９Ｋ→Ｔｓ＝１６２９Ｋである。

ここで、他の条件を変更しないで、Ｌｒ＝０ｄＢ，Ｆｎ＝１ｄＢとすることができれば、
Ｔａ＝８９Ｋ、Ｔｒ＝０Ｋ、Ｔｅ＝７５Ｋ→Ｔｓ＝１６４Ｋ
となる。システム雑音温度が１／１０となることで、Ｓ／Ｎが１０ｄＢ改善できる。即ち、アンテナからＬＮＡまでの給電損失をゼロに近づけると同時に、ＬＮＡで付加される内部雑音を極力低減する。即ち、ＬＮＡの雑音指数（Ｆｎ）を極力小さくすることで、受信系の高感度化が実現できる。

このように、多数のアンテナ素子を配列したアクティブフェーズドアレイを適用することで、マルチビーム形成と受信の高感度化とを同時に実現できる。また、アクティブアンテナの特性を有効に生かすために、本実施形態は、アンテナからＬＮＡまでの給電系を超電導線路とし損失をゼロに近づけるとともに、ＬＮＡを冷却することによりＬＮＡで付加される内部雑音を低減する。

また、ＬＮＡを冷却することで、雑音指数が低下するとともに器材温度を下げることで雑音温度を低下できる。両者を組み合わせることで大きな雑音低減効果を得ることができる。ここで、それぞれの雑音低減効果は次のようになる。

（１） パラボラアンテナなどの場合（改善前）
Ｌｒ＝５ｄＢ；給電系損失、 Ｆｎ＝３ｄＢ；ＬＮＡ雑音指数
Ｔａ＝８９Ｋ、Ｔｒ＝６２７Ｋ、Ｔｅ＝２８９Ｋ→Ｔｓ＝１６２９Ｋ
（２） アクティブアンテナである場合
Ｌｒ＝２ｄＢ；給電系損失、 Ｆｎ＝３ｄＢ；ＬＮＡ雑音指数
Ｔａ＝８９Ｋ、Ｔｒ＝１７０Ｋ、Ｔｅ＝２８９Ｋ→Ｔｓ＝７１６Ｋ
（３．６ｄＢ改善）
（３） 給電系に超電導技術を適用した場合
Ｌｒ＝０．５ｄＢ，Ｔtr＝８０Ｋに変更
Ｔａ＝ ８９Ｋ、Ｔｒ＝１０Ｋ、Ｔｅ＝２８９Ｋ→Ｔｓ＝４２３Ｋ
（５，９ｄＢ改善）
（４） ＬＮＡの冷却を（３）に加えて適用した場合
Ｔo＝１００Ｋ、 Ｆｎ＝１ｄＢに変更
Ｔａ＝８９Ｋ、Ｔｒ＝１０Ｋ、Ｔｅ＝２６Ｋ→Ｔｓ＝１２８Ｋ
（１１．０ｄＢ改善）
このように超電導線路を用いるとともにＬＮＡを冷却することで、システム雑音温度を大幅に低減できる。

次に具体的な第１の実施形態の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。アクティブアレイアンテナ装置は、分配器1、移相器２−１〜２−ｎ、送信アンプ３−１〜３−ｎ、送信フィルタ４−１〜４−ｎ、サーキュレータ５−１〜５−ｎ、真空容器６−１〜６−ｎ、受信フィルタ７−１〜７−ｎ、ＬＮＡ（低雑音増幅器）８−１〜８−ｎ、分配器９−１〜９−ｎ、移相器１０ａ−１〜１０ａ−ｎ，１０ｂ−１〜１０ｂ−ｎ、減衰器１１ａ−１〜１１ａ−ｎ，１１ｂ−１〜１１ｂ−ｎ、合成回路１２−１，１２−２を有する。アンテナ素子は、送信フィルタ４−１〜４−ｎに対応してｎ個設けられている。

分配器1は、送信信号を移相器２−１〜２−ｎに分配する。移相器２−１〜２−ｎは、分配器１からの送信信号をアンテナ素子毎に所定の位相だけ移相させて送信アンプ３−１〜３−ｎに出力する。送信アンプ３−１〜３−ｎは、移相器２−１〜２−ｎからの送信信号を増幅して送信フィルタ４−１〜４−ｎに出力する。

送信フィルタ４−１〜４−ｎは、送信アンプ３−１〜３−ｎからの送信信号に対してフィルタリングを行い、対応するアンテナ素子に出力する。サーキュレータ５−１〜５−ｎは、対応するアンテナ素子からの受信信号を受信フィルタ７−１〜７−ｎに出力する。

真空容器６−１〜６−ｎは、受信フィルタ７−１〜７−ｎ、ＬＮＡ（低雑音増幅器）８−１〜８−ｎとを有する。真空容器６−１〜６−ｎ、受信フィルタ７−１〜７−ｎ、ＬＮＡ８−１〜８−ｎの詳細については、後述する。受信フィルタ７−１〜７−ｎは、サーキュレータ５−１〜５−ｎからの受信信号に対して所定の帯域を通過させ、通過した信号をＬＮＡ８−１〜８−ｎに出力する。ＬＮＡ８−１〜８−ｎは、受信フィルタ７−１〜７−ｎからの信号を低雑音増幅して分配器９−１〜９−ｎに出力する。

分配器９−１〜９−ｎは、受信フィルタ７−１〜７−ｎからの信号を移相器１０ａ−１〜１０ａ−ｎと移相器１０ｂ−１〜１０ｂ−ｎとに分配する。移相器１０ａ−１〜１０ａ−ｎ，１０ｂ−１〜１０ｂ−ｎは、分配器９−１〜９−ｎからの信号を移相器毎に予め定められた位相量だけ移相させて、減衰器１１ａ−１〜１１ａ−ｎ，１１ｂ−１〜１１ｂ−ｎに出力する。

減衰器１１ａ−１〜１１ａ−ｎ，１１ｂ−１〜１１ｂ−ｎは、減衰器毎に予め定められた減衰量だけ減衰させて合成回路１２−１，１２−２（ビーム合成回路に対応）に出力する。合成回路１２−１は、減衰器１１ａ−１〜１１ａ−ｎからの複数の信号をビーム合成してビーム出力１とする。合成回路１２−２は、減衰器１１ｂ−１〜１１ｂ−ｎからの複数の信号をビーム合成してビーム出力２とする。

なお、図１におけるビーム出力は２出力として記載しているが、これに限定されるものではなく、必要な数の複数ビーム出力を形成することができる。

図２は、第１の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の受信フィルタと低雑音増幅器とが封入された真空容器の断面図である。超電導状態は、極めて低い温度で実現でき、周囲からの断熱のために真空容器６（断熱用保温容器に対応）が用いられる。

この真空容器６の入力側にはサーキュレータを介してアンテナ素子に接続される気密コネクタ６１ａが取り付けられている。なお、サーキュレータの残る端子は送信アンプ３を含む送信増幅系に接続されている。真空容器６の出力側には気密コネクタ６１ｂが取り付けられている。気密コネクタ６１ａと超伝導基板６２とは、同軸ケーブル６６により接続され、気密コネクタ６１ｂと超伝導基板６２とは、同軸ケーブル６７により接続されている。

真空容器６内には冷却プレート６８が設置され、冷却プレート６８上には超伝導素子からなる超伝導基板６２が配置され、基板パターンにより構成される冷却対象の受信フィルタ６３などの超電導回路が超伝導基板６２上に設置されている。受信フィルタ６３の他に、冷却プレート６８によってアンテナ素子、サーキュレータ、接続線路なども冷却することによりさらに高感度化を実現することもできるが、これらの全てを冷却する必要はない。冷却対象としては受信フィルタ６３及びその入出力部分が主である。また、超電導回路基板６２上にはチップマウントされたＬＮＡ６４が配置されている。

なお、ＬＮＡに必要となる整合回路はＬＮＡチップ内に構成することもできるが、超電導基板６２上に構成することもできる。

ＬＮＡ６４は、ボンディングワイヤ６５により超電導回路基板６２に接続されている。ＬＮＡ６４の出力は超電導基板６２上の線路及び同軸ケーブル６７を介して、真空容器６の出力側の気密コネクタ６１ｂに接続される。ここで、ＬＮＡ６４に対する電源・制御などの接続も真空容器６を貫通する配線により行われる。

真空容器６の外から冷却プレート６８を冷却手段６９により冷却することによって、冷却プレート６８を介して超電導回路を超電導状態にするとともに、同時にＬＮＡ６４を冷却する。真空容器６を用いるため、冷却対象物のサイズには一定の制約ができる。

第１の実施形態は、アンテナ内にＬＮＡ６４が組み込まれているアクティブアンテナにおける受信系、さらには、送受信モジュールの受信系などに適用できる。

第１の実施形態は、真空容器６に収納された受信系に加えて、送信アンプ３を含む送信増幅系、サーキュレータ５などを送受信モジュールとして構成し、アンテナ素子及び送受信モジュールをアレイ状に配列することによってアクティブアレイアンテナ装置を構成している。ここで、アンテナ素子の代わりにサブアレイを用いることもできる。また、サーキュレータではなく、スイッチなどを用いることもできる。

なお、減衰器１１の機能を合成回路１２に併せて持たせることもできる。また、移相器１０と減衰器１１の順序を逆にすることもできる。

さらに、ＬＮＡ６の出力をＡＤ変換した受信信号、もしくは、周波数変換を行ってＩＦ信号を使ってＡＤ変換した受信信号のいずれかによって、分配器９以降の処理をディジタル処理にて行うＤＢＦ方式を適用することもできる。

また、送信機能が不要である場合は、送信に関わる分配器１、移相器２、送信アンプ３、送信フィルタ４、サーキュレータ５などは削除しても良い。

このように、第１の実施形態のアクティブアンテナアレイ装置によれば、アクティブフェーズドアレイ方式を用いてマルチビームを形成し、冷却プレート６８を冷却することによって受信フィルタ６３を有する超電導回路を超電導状態にするとともに、同時にＬＮＡ６４を冷却するので、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけるとともに、ＬＮＡの内部雑音を低減して受信系の高感度化を図ることができる。

第２の実施形態

図３は第２の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図３の第２の実施形態では、図１の第１の実施形態の複数の受信フィルタ７−１〜７−ｎ及びＬＮＡ８−１〜８−ｎの全てが、複数の真空容器６ａ〜６ｍ（ｍ＜ｎ）に分割されている。図３に示す例では、２つの受信フィルタと２つのＬＮＡとが１つの真空容器に設けられている。このようにすれば、真空容器が少なくて済む。

この場合、各々の真空容器６ａ〜６ｍの片面に複数の気密コネクタが一列に配置され、それぞれがサーキュレータを介してアンテナ素子に接続される。なお、サーキュレータの残る端子は、それぞれ送信フィルタに接続されている。

各々の真空容器６ａ〜６ｍ内には、一枚の共通冷却プレートがあり、その上に超電導基板が配置される。超電導基板には、複数の受信フィルタが基板パターンとして構成され、それぞれの受信フィルタの入出力は、一方が気密コネクタに、他方がＬＮＡ入力に接続される。

受信フィルタと同数のＬＮＡが超電導基板上にチップアマウントされ、その出力は超電導基板上の線路を介して、真空容器の反対側の面に一列に並ぶ出力側気密コネクタにそれぞれ接続される。この出力側気密コネクタを削減するために、同時に必要なビーム合成回路を真空容器内に収納することもできる。ＬＮＡに対する電源・制御などの接続も、真空容器を貫通する配線により行われる。

この真空容器に収納された受信系に加えて、送信増幅系、サーキュレータなどを一体にして構成し、アンテナ素子とともにアレイ状に配列することによってアクティブアレイアンテナを構成することができる。アレイアンテナは一列に（１次元状に）配置しても良く、さらに２次元に配置しても良い。

また、アンテナ素子の代わりにアンテナサブアレイを用いたアレイアンテナで構成しても良い。受信系としては、単純に受信フィルタ及びＬＮＡとして図示しているが、真空容器の内外を接続する気密コネクタなど構造上必要な部品も含まれる。

なお、複数の受信フィルタ７−１〜７−ｎ及びＬＮＡ８−１〜８−ｎの一部を、複数の真空容器に分割しても良い。

第３の実施形態

図４は第３の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図４の第３の実施形態では、受信フィルタ７−１〜７−ｎ、ＬＮＡ８−１〜８−ｎ、分配器９−１〜９−ｎ、移相器１０ａ−１〜１０ａ−ｎ、移相器１０ｂ−１〜１０ｂ−ｎ、減衰器１１ａ−１〜１１ａ−ｎ、減衰器１１ｂ−１〜１１ｂ−ｎ、合成回路１２−１，１２−２を、同一の真空容器６Ａに設けたことを特徴とする。

このような構成によれば、受信信号を増幅し分配した後にビームを合成する部分が同一の真空容器６Ａ内に設けられているので、さらに容易に受信の高感度化を実現できる。

第４の実施形態

図５は第４の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図５の第４の実施形態では、図１の第１の実施形態の構成に対して、真空容器６Ｂ内に、アンテナ素子１５またはアンテナサブアレイ（図示せず）を設けるとともに、真空容器６Ｂの少なくとも一部に受信電波を真空容器６Ｂ内部に透過する性質を持つ材質、例えばレドーム材１４を設けたことを特徴とする。レドーム材１４を介してアンテナ素子１５で受信された信号をサーキュレータ５を介して受信フィルタ７に入力する。

このような構成によれば、アンテナ素子１５及びサーキュレータ５を真空容器６Ｂ内に設けたので、さらに受信の高感度化を実現できる。また、気密コネクタを削減することができる。

なお、サーキュレータは、送信側回路とともに真空容器外に設けることもできる。また、アンテナ素子を受信専用として使用する場合（送受のアンテナ素子が別となっている場合など）は、サーキュレータを削除してもよい。

第５の実施形態

図６は第５の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図６の第５の実施形態では、図１の第１の実施形態に対して、ＬＮＡ８−１〜８−ｎの出力側にＩＦ変換器２１−１〜２１−ｎ、ＡＤ変換器２２−１〜２２−ｎを設けたことを特徴とする。

ＩＦ変換器２１−１〜２１−ｎは、ＬＮＡ８−１〜８−ｎからの信号を周波数変換してＩＦ信号を得る。ＡＤ変換器２２−１〜２２−ｎは、ＩＦ信号をＡ／Ｄ変換する。即ち、ＤＢＦ（デジタルビームフォーミング）処理によりビーム合成を行うことができる。

また、受信信号の分配器９−１〜９−ｎ以降のビーム合成処理において、ＩＦ変換器、及びＡＤ変換器によりディジタル処理を行うＤＢＦ方式を用いても良い。

第６の実施形態

図７は第６の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図７の第６の実施形態においては、図１の第１の実施形態に対して、ＲＦ信号による複数の縦ビーム（１次元）を合成する縦合成回路１２−１，１２−２、合成された縦ビーム（１次元）をＩＦ変換するＩＦ変換器２１、ＩＦ変換器２１のＩＦ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２２、デジタル信号による複数の横ビームを合成する横合成回路１３−１，１３−２を有することを特徴とする。

即ち、ＤＢＦ処理を行う場合でビーム合成回路の規模が大きくなる場合に、アンテナ素子および真空容器を含む受信系（又は送受信モジュール）が並ぶアンテナ開口とは分離した筐体にビーム合成回路１３−１，１３−２を構成している。

この場合には、ＲＦ信号によって複数の縦ビームを合成し、合成されたビームをＩＦ変換した後、Ａ／Ｄ変換してデジタル信号によって複数の横ビームを合成するＤＢＦ処理を行い、ビーム合成を多段階に分解して実施することができる。

また、多段階でのビーム合成を行う場合、適切な大きさの真空容器に収納できる範囲においては、ビーム合成回路の一部を同じ真空容器内に収納することもできる。

図７においては、ＲＦ信号を分配器９で複数に分配して縦合成回路１２−１，１２−２によりそれぞれ異なるビーム出力を得るように構成しているが、ＡＤ変換器２２の出力を複数に分配することによって横合成回路の出力において複数の異なるビーム出力を得るようにすることもできる。さらに、この両者を組み合わせて用いることもできる。

第７の実施形態

図８は第７の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図８の第７の実施形態は、サーキュレータ５と受信フィルタ７との間にリミタ２３を設け、送信及び受信中心周波数を同一としたことを特徴とする。

このような構成によれば、リミタ２３を用いることで、受信信号が所定のレベルに制限されるので、受信フィルタ７、ＬＮＡ８などの受信系を保護することができる。

第８の実施形態

図９は第８の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図９の第８の実施形態は、アクティブアレイアンテナ装置３３のアンテナ素子を受信用アンテナとして用い、送信アンテナ３１から送信された電波が目標から反射され、反射された電波をアクティブアレイアンテナ装置３３のアンテナ素子が受信することを特徴とする。これにより、アクティブアレイアンテナ装置３３のアンテナ素子で受信した受信信号により目標を検知することができる。

第９の実施形態

図１０は第９の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図１０の第９の実施形態は、アクティブアレイアンテナ装置３３のアンテナ素子を受信用アンテナとして用い、送信信号を直接受信するための受信専用アンテナ３４（目標反射を受信する受信用アンテナとは別の受信アンテナ）により、送信アンテナ３１から発射される電波を直接受信することで、電波が発射された時刻を分析することができる。

また、アクティブアレイアンテナ装置３３を受信用アンテナとして使用する場合には、レーダ装置ではなく、アクティブアレイアンテナ装置３３を対象物のマイクロ波放射を計測するマイクロ波放射計、あるいは、送信される電波を直接受信する高感度受信システムのアンテナとしても利用することができる。その他、高感度を必要とするさまざまな用途に適用することができる。

このように本実施形態のアクティブアレイアンテナ装置によれば、アンテナ素子とＬＮＡとの間に受信フィルタを設け、アンテナ素子、ＬＮＡを複数配列したアクティブアンテナを構成し、ＬＮＡで増幅された信号を分配器で分配して、独立したマルチビームを受信し、受信フィルタとＬＮＡとを同一真空容器に収納し、受信フィルタとＬＮＡとを超電導状態で冷却するので、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけるとともに、ＬＮＡの内部雑音を低減し受信系の高感度化を図ることができる。

なお、本発明は、第１の実施形態乃至第９の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置に限定されない。例えば、同一の真空容器内にサーキュレータなどの送受切換え機能を収納することもできる。この場合、受信フィルタをアンテナ素子と送受切換え機能との間に挿入することで送受兼用とすることもできる。

また、サーキュレータを冷却することでさらに高感度化を実現することもできる。

また、アンテナ素子を超電導回路により構成することにより、アンテナ素子のオーミック損を回避でき、雑音温度をさらに低減できる。

また、例えば、レーダアンテナにおいても開口の一部を送受兼用とするとともに、その他の部分を受信用とすることもできる。また、送信専用の開口を別に設けて別の開口部分を受信用に構成するなど、開口自身を送信用と受信用に分割したり、さらに送受兼用部分を組み合わせることもできる。

また、送信専用のアンテナ素子と受信専用のアンテナ素子を組み合わせて配置することもできる。

また、レーダ用途に限らず、電波送受信を行うアンテナとしても他の目的、例えば、通信用アンテナなどにも利用できる。また、送受信周波数が異なる場合には、送受切換え機能としてダイプレクサなどを用いることもできる。

以上のように、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，９−１〜９−ｎ 分配器
２−１〜２−ｎ，１０ａ−１〜１０ａ−ｎ，１０ｂ−１〜１０ｂ−ｎ 移相器
３−１〜３−ｎ 送信アンプ
４−１〜４−ｎ 送信フィルタ
５−１〜５−ｎ サーキュレータ
６，６−１〜６−ｎ 真空容器
７−１〜７−ｎ，６３ 受信フィルタ
８−１〜８−ｎ，６４ ＬＮＡ
１１ａ−１〜１１ａ−ｎ，１１ｂ−１〜１１ｂ−ｎ 減衰器
１２−１〜１２−２ 合成回路
２３ リミタ
６１ａ，６１ｂ 気密コネクタ
６２ 超伝導基板
６５ ボンディングワイヤ
６６，６７ 同軸ケーブル
６８ 冷却プレート
６９ 冷却手段

Claims (12)

1. Ｍ個（Ｍ≧２）のアンテナ素子又はアンテナサブアレイにより受信された受信信号に対して所定の帯域を通過させるＭ個の受信フィルタと、
   前記Ｍ個の受信フィルタからのＭ個の受信信号を増幅するＭ個の低雑音増幅器と、
   前記Ｍ個の低雑音増幅器で増幅されたＭ個の増幅信号の各々の増幅信号について、増幅信号をＮ個（Ｎ≧２）の分配信号に分配するＭ個の分配器と、
   前記各々の分配器毎に設けられ、前記分配器で分配されたＮ個の分配信号の位相を移相させるＮ個の移相器と、
   前記Ｎ個の移相器からのＮ個の移相信号を減衰させるＮ個の減衰器と、
   Ｎ個の減衰器に対応して設けられ、各減衰器毎に前記Ｍ個の分配器分の減衰器出力を加算することによりビームを合成するＮ個のビーム合成回路と、
   前記低雑音増幅器と超電導素材により構成される前記受信フィルタとを収納する断熱用保温容器と、
   断熱用保温容器に収納される前記受信フィルタ及び前記低雑音増幅器とを冷却し前記受信フィルタを超電導状態にする冷却手段と、
   を備えることを特徴とするアクティブアレイアンテナ装置。
2. 同一の前記ビーム合成回路に入力される受信信号を構成する前記Ｍ個の受信フィルタ及び前記Ｍ個の低雑音増幅器の全て又はその一部は、前記Ｍ個のアンテナ素子又は前記アンテナサブアレイに対応する複数の前記断熱用保温容器に収納されていることを特徴とする請求項１記載のアクティブアレイアンテナ装置。
3. 同一の前記ビーム合成回路に入力される受信信号を構成する前記Ｍ個の受信フィルタ及び前記Ｍ個の低雑音増幅器の全て又はその一部は、複数の前記断熱用保温容器に分割されて収納されていることを特徴とする請求項１記載のアクティブアレイアンテナ装置。
4. 前記断熱用保温容器は、さらに、前記Ｎ個のビーム合成回路を収納することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のアクティブアレイアンテナ装置。
5. 前記断熱用保温容器は、さらに、前記Ｍ個のアンテナ素子又は前記アンテナサブアレイを収納するとともに、受信電波を保温容器内に透過して前記アンテナ素子又は前記サブアレイに入力する透過材を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のアクティブアレイアンテナ装置。
6. 前記Ｍ個の低雑音増幅器に対応して設けられ、前記低雑音増幅器により増幅されたＭ個の受信信号をＲＦ信号のまま、もしくは周波数変換を施したＩＦ信号によりＡ／Ｄ変換して前記Ｍ個の分配器に出力するＭ個のＡ／Ｄ変換器を有し、前記Ａ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換されたディジタル信号によりＮ個のビーム合成を行うデジタルビームフォーミング方式を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のアクティブアレイアンテナ装置。
7. 前記Ｍ個のアンテナ素子又はアンテナサブアレイの一部について受信信号であるＲＦ信号でビーム合成を行う第１ビーム合成回路と、前記第１ビーム合成回路の合成出力であるＲＦ信号を周波数変換する周波数変換器と、周波数変換された信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換されたディジタル信号によってさらに複数のビーム合成を行う第２ビーム合成回路とを有し、
   前記第２ビーム合成回路は、前記断熱用保温容器とは分離して配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のアクティブアレイアンテナ装置。
8. 前記断熱用保温容器は、少なくとも一部が真空状態である真空保温容器であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のアクティブアレイアンテナ装置。
9. 前記アンテナ素子に対する信号の送信及び受信を切り替える送受信切換部と、
   前記送受信切換部と前記低雑音増幅器との間に設けられ、前記送受信切換部からの受信信号の信号レベルを制限するリミタと、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のアクティブアレイアンテナ装置。
10. 前記Ｍ個のアンテナ素子又は前記アンテナサブアレイは、送信用アンテナから送信され且つ目標で反射された電波を受信し、受信信号をレーダ装置の目標検出に用いることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のアクティブアレイアンテナ装置。
11. 前記Ｍ個のアンテナ素子又は前記アンテナサブアレイは、対象物から放射された電波を受信し、受信信号を前記対象物の電波放射強度の計測に用いることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載のアクティブアレイアンテナ装置。
12. 前記Ｍ個のアンテナ素子又は前記アンテナサブアレイは、本装置と別の送信用アンテナから送信された電波を受信し、少なくともこの電波が送信された時刻を分析することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項記載のアクティブアレイアンテナ装置。
    

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