JP2013090263A - フェーズドアレーレーダ用受信回路およびフェーズドアレーレーダ用送受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】低雑音性と最大受信感度を簡便なる構成で維持しつつ、製造コストを低く抑える。
【解決手段】受信アンテナは、送信アンテナから目標物に対して送信波が送信された際に、目標物から反射された受信波を受信し、高周波信号を出力する。リミッタ回路は、受信アンテナから出力された高周波信号を所定の許容電力レベルに基づいて抑圧して出力する。低雑音増幅器は、入力した高周波信号を増幅させて出力する。検波回路は、低雑音増幅器から出力された高周波信号を分岐し、その一方に基づいて低雑音増幅器の飽和状態を判定すると共に、飽和状態に基づいて高周波信号の経路に係る制御信号を出力する。高周波スイッチは、検波回路から出力された制御信号または送信波と受信波の送受信タイミングに基づいて、リミッタ回路から出力された高周波信号の経路を低雑音増幅器を含む経路に切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、フェーズドアレーレーダ用受信回路およびフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールに関する。

図５および図６は、従来型のフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの回路構成例を示す図である。図５に示す従来例の受信回路は、送受信アンテナ１に対してサーキュレータ２、リミッタ回路３、低雑音増幅器４および検波回路５がこの順番で接続した構成である。一般的に低雑音増幅器４はその低雑音性が故に許容入力電力は低く、概ね１０ｍＷ程度である。一方、送受信モジュール自身の送信波の相互干渉による送受信アンテナ１における入力レベルは、一般的には１Ｗを超えるレベルである。このため、低雑音増幅器４を保護するために、信号の振幅を制限するリミッタ回路３を送受信アンテナ１と低雑音増幅器４の間に配置し、リミッタ回路３からの漏れ電力が低雑音増幅器４の最大定格電力以下になるようにしている。

これに対し、図６に示す従来例の受信回路は、図５に示した送受信モジュールと同様に、低雑音増幅器４を保護するために、吸収型ＳＰＳＴ（単極／単投）スイッチ６を送受信アンテナ１と低雑音増幅器４の間に配置した構成である。送信時または高電力レベル受信信号が送受信アンテナ1に入力されたと感知した場合には、検波回路５が吸収型ＳＰＳＴスイッチ６に信号の出力先（信号経路）を端子Ｃ側に切り換えさせることで、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６は終端抵抗器として機能する。

特開２００７−７４４２０号公報

上記図５に示すリミッタ回路３は、送受信アンテナ１に入力した高電力レベル信号を、低雑音増幅器４が劣化・破壊しない許容入力電力レベルまで制限するが、そのためには一般的にはダイオード複数個を縦続接続して構成しなければならない。例えば、リミッタ回路３の入力電力を５Ｗ、その漏れ電力を１０ｍＷまで制限する場合を考えると、周波数によるがＸ帯やＫ帯に至る周波数範囲では、最低でも３個あるいはそれ以上のダイオードが必要である。その場合、リミッタ回路３の挿入損失は大きくなり、受信の低雑音性能を損ねることになる。また、最大受信感度は低雑音増幅器４が飽和しないレベルが限界である。

また、図６に示す吸収型ＳＰＳＴスイッチ６は、耐電力性に優れたスイッチを作ること自体、技術的に難易度が高い。加えて、終端抵抗器７にも高い耐電力性が求められ、実現難易度が上がり、コストアップの原因ともなってしまう。例えば、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６をＦＥＴで構成すると、これは高速応答性に優れるが耐電力性は劣るため、ＦＥＴのサイズがかなり大型化し、結果としてスイッチ損失はかなり大きくなり、受信の低雑音性を損ねてしまう。

このように、リミッタ回路３を用いた従来型の送受信モジュールでは低雑音性や最大受信感度が課題であり、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６を用いた従来型の送受信モジュールでは最大受信感度は向上するものの、低雑音性と装置の大型化が課題であった。

そこで、本実施形態は、上記従来技術の問題に鑑み、低雑音性と最大受信感度を簡便なる構成で維持でき、かつ、製造コストが安価なフェーズドアレーレーダ用受信回路およびフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールを提供することを目的とする。

本実施形態によれば、フェーズドアレーレーダ用受信回路は、受信アンテナ、リミッタ回路、高周波スイッチ、低雑音増幅器および検波回路を備える。受信アンテナは、送信アンテナから目標物に対して送信波が送信された際に、目標物から反射された受信波を受信し、高周波信号を出力する。リミッタ回路は、受信アンテナから出力された高周波信号を所定の許容電力レベルに基づいて抑圧して出力する。低雑音増幅器は、入力した高周波信号を増幅させて出力する。検波回路は、低雑音増幅器から出力された高周波信号を分岐し、その一方に基づいて低雑音増幅器の飽和状態を判定すると共に、飽和状態に基づいて高周波信号の経路に係る制御信号を出力する。高周波スイッチは、検波回路から出力された制御信号または送信波と受信波の送受信タイミングに基づいて、リミッタ回路から出力された高周波信号の経路を低雑音増幅器を含む経路に切り換える。

実施形態１に係るフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの回路構成例を示す図。 実施形態１の変形例に係るフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの回路構成例を示す図。 実施形態２に係るフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの回路構成例を示す図。 実施形態２の変形例に係るフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの回路構成例を示す図。 従来型のフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの回路構成例（１）を示す図。 従来型のフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの回路構成例（２）を示す図。

以下、実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係るフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの回路構成例を示す図である。同図に示されるように、このフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの受信回路は、送受信アンテナ１、サーキュレータ２、リミッタ回路３、低雑音増幅器４、検波回路５、反射型ＳＰＤＴ（単極／双投）スイッチ８ａ、反射型ＳＰＤＴスイッチ（単極／双投）８ｂおよび高周波減衰器９を備えている。また、破線の枠で表された送信回路は、送信系電力増幅器１０を備えている。この送信系電力増幅器１０の出力端子は、サーキュレータ２を介して送受信アンテナ１に接続されている。送信系電力増幅器１０の入力端子は送信波生成回路（図示省略する）に接続されており、この生成回路で生成された送信波を増幅して送受信アンテナ１へ出力する。

送受信アンテナ１は、サーキュレータ２を介してリミッタ回路３の入力端子に接続されており、送受信アンテナ１から目標物に対して送信波が送信されると、目標物から反射された受信波を受信し、サーキュレータ２を介して接続されたリミッタ回路３側へ出力する。

また、リミッタ回路３の出力端子は、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａの入力端子Ａに接続されている。反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂは、高周波信号の経路切換用の高周波スイッチである。低雑音増幅器４の入力端子は、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａの一方の出力端子Ｂに、低雑音増幅器４の出力端子は、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ｂの一方の入力端子Ｅに接続されている。また、高周波減衰器９の入力端子は、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａの他方の出力端子Ｃに、高周波減衰器９の出力端子は、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ｂの他方の入力端子Ｆに接続されており、この経路が迂廻路１１として配置されている。そして、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ｂの出力端子Ｄは検波回路５の入力端子に接続されている。これにより、送受信アンテナ１での受信波は、送受信アンテナ１から検波回路５の方向に進行し、検波回路５を経て受信用の信号処理回路（図示省略する）へ到達する。検波回路５は、低雑音増幅器４側から伝わった受信波（高周波信号）を分岐し、その一方の信号レベルに基づいて経路を切り換えるための制御信号を生成し、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂに出力する。これにより、低雑音増幅器４や後続の受信用の信号処理回路（図示省略する）の破壊が防止される。

また、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂは、検波回路５からの制御信号のみならず、送信波を目標物へ出力してからその反射波を受信するまでの時間間隔（送受信タイミング）によっても制御される。すなわち、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂの切り換えの第一条件は送受信のタイミングにより切り換えることであり、第二条件は受信信号レベルの強度を検波回路５等を通じて判定し制御することである。第一あるいは第二条件のいずれかを満たす場合、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂは通常の受信状態から、セーフティー状態へ切り換える、という制御を行う。尚、送受信タイミングに基づく反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂの切換制御は図示省略した制御回路によって行われると好適である。

ここで、送受信アンテナ１に届く高電力レベル信号には、送信時の送受信モジュール自身の送信波の相互干渉波の他、目標物が近距離にあった場合に送信波を目標物に向けて発してから短時間でその反射波を受信する近距離レーダエコーがある。両者の信号レベルを比較すると、前者のほうが遥かにレベルは高いため、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａにおける高周波信号の出力先を出力端子Ｃ側、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ｂにおける高周波信号の入力先を入力端子Ｆ側に切り換えることで、受信波の経路を迂廻路１１側に切り換える。これにより、受信波をリミッタ回路３で減衰させた上、高周波減衰器９をリミッタ回路３の負荷とすることで反射波を抑制し、リミッタ回路３の動作を安定させることができる。

また、後者の場合には、リミッタ回路３は線形動作を保つように設定する。具体的には、想定する信号レベルよりもリミッタ回路３が飽和し始める入力レベルが大きくなるようにし、またリミッタ回路３の漏れ電力（抑圧度）は、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂの定格電力を下回るように設定すればよい。一般的に、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂの最大定格電力（例えば、０．５Ｗ程度）は、低雑音増幅器４の最大定格電力（例えば、１０ｍＷ程度）よりも遥かに大きい。したがって、リミッタ回路３はダイオードを縦続接続する必要もなく、ダイオード１個で構成するなど、極めて簡便な回路構成で済む。反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂは、経路切換制御が簡単なＦＥＴスイッチを使えば制御回路は簡便であり、また、低損失な部品を選択すれば低雑音性を損なうこともないので好適である。

［変形例］
尚、本実施形態では、送受信共用アンテナ方式の場合を例として説明したが、アンテナ方式はこれに限定されず、送受信独立アンテナ方式でも良い。図２は、実施形態１の変形例に係るフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの回路構成例を示す図である。同図に示すように、送受信独立アンテナ方式を採用した場合には、送信アンテナ１ａから目標物に向けて送信波が送信され、反射された反射波が受信アンテナ１ｂで受信されると、その受信信号は後続のリミッタ回路３へ出力され、図１に示した送受信共用アンテナ方式の場合と同様に処理される。

また、反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂをＰＩＮダイオードで構成することも可能である。ＰＩＮダイオードは低損失で実現可能であり、低雑音性には有利である。一方、ダイオードのスイッチング制御には電流（電力）が必要であり、かつ送受信のタイミングで高速切換するための高速な電流制御回路が必要となる欠点があるものの、あくまでこの反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂが扱う電力はリミッタ回路３の漏れ電力であって小さいため、制御電流も小さく、その電流制御回路もさほど複雑化しなくて済む利点がある。

また、高周波減衰器９の耐電力も小さくて済み、更に、最大受信感度は高周波減衰器９で制御可能な量となる利点もある。前述のとおり、高電力レベル信号が送受信アンテナ１に入力される場合とは、例えばレーダの捕捉対象が極めて近傍にある場合など低雑音性があまり要求されない場合であるので、利得減衰量・雑音指数の劣化量を適切に選び、最大受信感度を向上させることができる。

このように、本実施形態に係るフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールによれば、リミッタ回路３、および低雑音増幅器４の前後に高周波信号経路切換用の反射型ＳＰＤＴスイッチ８ａ，８ｂを配置し、一方の経路には低雑音増幅器４を、他方の経路には高周波減衰器９からなる高周波信号の迂廻路１１を配置することで、最大探知距離の劣化を抑制しながら、すなわち、低雑音性と最大受信感度を簡便なる構成で維持しながら、製造コストを低く抑えることが可能となる。

＜実施形態２＞
図３は、実施形態２に係るフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの回路構成例を示す図である。尚、図１において付された符号と共通する符号は同一の対象を表すものとする。

同図に示されるように、このフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの受信回路は、送受信アンテナ１、リミッタ回路３、低雑音増幅器４、検波回路５、吸収型ＳＰＳＴ（単極／単投）スイッチ６を備えている。また、破線の枠で表された送信回路は、送信系電力増幅器１０を備えている。この送信系電力増幅器１０の出力端子は、サーキュレータ２を介して送受信アンテナ１に接続されている。送信系電力増幅器１０の入力端子は送信波生成回路（図示省略する）に接続されており、この生成回路で生成された送信波を増幅して送受信アンテナ１へ出力する。

送受信アンテナ１は、サーキュレータ２を介してリミッタ回路３の入力端子に接続されており、送受信アンテナ１から目標物に対して送信波が送信されると、目標物から反射された受信波を受信し、サーキュレータ２を介してリミッタ回路３側へ出力する。

また、リミッタ回路３の出力端子は、高周波信号の経路切換用である吸収型ＳＰＳＴスイッチ６の入力端子Ａに接続されている。低雑音増幅器４の入力端子は、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６の出力端子Ｂに、低雑音増幅器４の出力端子は、検波回路５の入力端子に接続されている。また、吸収型ＳＰＳＴ（単極／単投）スイッチ６の端子の内、端子Ｃは内部端子として構成されており、この内部端子Ｃには終端抵抗器７が接続されている。すなわち、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６は、終端抵抗器７が接続された内部端子Ｃ側に信号経路を切り換えるることで吸収型の高周波スイッチとして機能する。これにより、送受信アンテナ１での受信波は、送受信アンテナ１から検波回路５の方向に進行し、検波回路５を経て受信用の信号処理回路（図示省略する）へ到達する。検波回路５は、低雑音増幅器４側から伝わった受信波（高周波信号）を分岐し、その一方の信号レベルに基づいて経路を切り換えるための制御信号を生成し、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６に出力する。これにより、低雑音増幅器４や後続の受信用の信号処理回路（図示省略する）の破壊が防止される。

また、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６は、検波回路５からの制御信号のみならず、送受信のタイミングにより制御される。すなわち、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６の切り換えの第一条件は送受信のタイミングにより切り換えることであり、第二条件は受信信号レベルの強度を検波回路５等を通じて判定し制御することである。第一あるいは第二条件のいずれかを満たす場合、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６は通常の受信状態から、セーフティー状態へ切り換える、という制御を行う。尚、送受信タイミングに基づく吸収型ＳＰＳＴスイッチ６の切換制御は図示省略した制御回路によって行われると好適である。

また、実施形態１で述べた通り、送受信アンテナ１に届く高電力レベル信号には、送信時の送受信モジュール自身の送信波の相互干渉波の他、目標物が近距離にあった場合に送信波を目標物に向けて発してから短時間でその反射波を受信する近距離レーダエコーがある。両者の信号レベルを比較すると、前者の方が遥かにレベルは高いため、検波回路５は吸収型ＳＰＳＴスイッチ６における高周波信号の出力先（信号経路）を内部端子Ｃ側に切り換える。これにより、送信波の相互干渉波をリミッタ回路３で減衰させた上に、終端抵抗器７をリミッタ回路３の負荷とすることで反射を抑制し、リミッタ回路３の動作が安定する。

これに対し、後者の場合では、リミッタ回路３は線形動作を保つように設定する。具体的には、想定する信号レベルよりもリミッタ回路３が飽和し始める入力レベルが大きくなるようにし、またリミッタ回路３の漏れ電力（抑圧度）は、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６の定格電力を下回るように設定する。一般的に、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６の最大定格電力は、低雑音増幅器４の最大低格電力よりも遥かに大きい。したがって、リミッタ回路３は、ダイオードを縦続接続する必要もなく、極めて簡便な回路構成で済む。

また、吸収型ＳＰＳＴスイッチ６は、経路切換制御が簡単なＦＥＴスイッチを使用することで制御回路は簡便な構成となる。加えて、低損失な部品を選択すれば低雑音性を損なうこともなく、終端抵抗器７の耐電力も小さくて済むため好適である。なお、高電力レベル信号が送受信アンテナ１に入力される時に、検波回路５は吸収型ＳＰＳＴスイッチ６における高周波信号の出力先を内部端子Ｃ側に切り換える制御信号を出力する。このとき、回路図的にはリミッタ回路３と低雑音増幅器４は切断されているものの、高電力レベル信号の場合には吸収型ＳＰＳＴスイッチ６のアイソレーション分（概ね４０ｄＢ程度）だけ減衰した漏れ電力が伝播し、低雑音増幅器４および検波回路５はこれを増幅・受信（検波）可能となり、その分だけ最大受信感度は向上する。また、アイソレーション分が大きいため、低雑音増幅器４が破壊されることもない。

このように、本実施形態に係るフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールによれば、実施形態１よりも更に簡便な構成によって低雑音性と最大受信感度を維持しながら、製造コストを低く抑えることが可能となる。

［変形例］
尚、本実施形態では、送受信共用アンテナ方式の場合を例として説明したが、アンテナ方式はこれに限定されず、送受信独立アンテナ方式でも良い。図４は、実施形態２の変形例に係るフェーズドアレーレーダ用送受信モジュールの回路構成例を示す図である。同図に示すように、送受信独立アンテナ方式を採用した場合には、送信アンテナ１ａから目標物に向けて送信波が送信され、反射された反射波が受信アンテナ１ｂで受信されると、その受信信号は後続のリミッタ回路３へ出力され、図３に示した送受信共用アンテナ方式の場合と同様に処理される。

以上、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す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…送受信アンテナ
１ａ…送信アンテナ
１ｂ…受信アンテナ
２…サーキュレータ
３…リミッタ回路
４…低雑音増幅器
５…検波回路
６…吸収型ＳＰＳＴスイッチ
７…終端抵抗器
８ａ，８ｂ…反射型ＳＰＤＴスイッチ
９…高周波減衰器
１０…送信系電力増幅器
１１…迂廻路

Claims (6)

1. 送信アンテナから目標物に対して送信波が送信された際に、前記目標物から反射された受信波を受信し、高周波信号を出力する受信アンテナと、
   前記受信アンテナから出力された前記高周波信号を所定の許容電力レベルに基づいて抑圧して出力するリミッタ回路と、
   入力した前記高周波信号を増幅させて出力する低雑音増幅器と、
   前記低雑音増幅器から出力された前記高周波信号を分岐し、その一方に基づいて前記低雑音増幅器の飽和状態を判定すると共に、前記飽和状態に基づいて前記高周波信号の経路に係る制御信号を出力する検波回路と、
   前記検波回路から出力された前記制御信号または前記送信波と前記受信波の送受信タイミングに基づいて、前記リミッタ回路から出力された前記高周波信号の前記経路を前記低雑音増幅器を含む前記経路に切り換える高周波スイッチと、
   を備えることを特徴とするフェーズドアレーレーダ用受信回路。
2. 前記低雑音増幅器を含む前記経路と並列して設けられた他の前記経路上に設けられ、入力した前記高周波信号を減衰させて出力する高周波減衰器を更に備え、
   前記高周波スイッチは、前記検波回路から出力された制御信号または前記送信波と前記受信波の前記送受信タイミングに基づいて、前記リミッタ回路から出力された前記高周波信号の前記経路を前記低雑音増幅器側と前記高周波減衰器側のいずれかに切り換えることを特徴とする請求項１記載のフェーズドアレーレーダ用受信回路。
3. 前記高周波スイッチは、入力した前記高周波信号を減衰させる終端抵抗器を内蔵しており、前記検波回路から出力された前記制御信号または前記送信波と前記受信波の前記送受信タイミングに基づいて、前記リミッタ回路から出力された前記高周波信号の前記経路を前記低雑音増幅器側と前記終端抵抗器側のいずれかに切り換えることを特徴とする請求項１記載のフェーズドアレーレーダ用受信回路。
4. 目標物に対して送信波を送信する送信アンテナと、
   前記目標物から反射された受信波を受信し、高周波信号を出力する受信アンテナと、
   前記受信アンテナから出力された前記高周波信号を所定の許容電力レベルに基づいて抑圧して出力するリミッタ回路と、
   入力した前記高周波信号を増幅させて出力する低雑音増幅器と、
   前記低雑音増幅器から出力された前記高周波信号を分岐し、その一方に基づいて前記低雑音増幅器の飽和状態を判定すると共に、前記飽和状態に基づいて前記高周波信号の経路に係る制御信号を出力する検波回路と、
   前記検波回路から出力された前記制御信号または前記送信波と前記受信波の送受信タイミングに基づいて、前記リミッタ回路から出力された前記高周波信号の前記経路を前記低雑音増幅器を含む前記経路に切り換える高周波スイッチと、
   を備えることを特徴とするフェーズドアレーレーダ用送受信モジュール。
5. 前記低雑音増幅器を含む前記経路と並列して設けられた他の前記経路上に設けられ、入力した前記高周波信号を減衰させて出力する高周波減衰器を更に備え、
   前記高周波スイッチは、前記検波回路から出力された制御信号または前記送信波と前記受信波の前記送受信タイミングに基づいて、前記リミッタ回路から出力された前記高周波信号の前記経路を前記低雑音増幅器側と前記高周波減衰器側のいずれかに切り換えることを特徴とする請求項４記載のフェーズドアレーレーダ用送受信モジュール。
6. 前記高周波スイッチは、入力した前記高周波信号を減衰させる終端抵抗器を内蔵しており、前記検波回路から出力された前記制御信号または前記送信波と前記受信波の前記送受信タイミングに基づいて、前記リミッタ回路から出力された前記高周波信号の前記経路を前記低雑音増幅器側と前記終端抵抗器側のいずれかに切り換えることを特徴とする請求項４記載のフェーズドアレーレーダ用送受信モジュール。

Images