JP2013183432A

JP2013183432A - フェイズドアレイシーカ及びフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法

Info

Publication number: JP2013183432A
Application number: JP2012048141A
Authority: JP
Inventors: Haruo Kojima; 治夫小島; Hiroyuki Hachisu; 裕之蜂須
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-05
Also published as: JP5722258B2

Abstract

【課題】集積アンテナの移相器の挿入損失を低減させるフェイズドアレイシーカ及びフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法を提供する。
【解決手段】フェイズドアレイシーカは、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数のマイクロストリップ線路、前記マイクロストリップ線路毎に、前記マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用のマイクロストリップ線路、及び前記移相用のマイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地されるＰＩＮダイオードを備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の位相器及び受信系の位相器と、少なくとも前記送信系マイクロストリップ線路、移相用の送信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路を超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置と、備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、フェイズドアレイシーカ及びフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法に関する。

従来のフェイズドアレイシーカは、アンテナと、ＰＩＮダイオード及び導体に金を用いたマイクロストリップ線路を備える移相器と、を有する集積アンテナを数十から数百配列されたアレイを有する。

このフェイズドアレイシーカは、送信時には入力端子から入力した高周波信号を移相器によって位相を制御し、複数の送信用電力増幅装置によって増幅し、サーキュレータを介してアンテナから空間に放射する。また、フェイズドアレイシーカは、受信時にはアンテナによって受信した高周波信号を、サーキュレータを介して複数の受信用電力増幅によって増幅し、移相器によって位相を制御して出力端子に出力する。

ここで、送信時には移相器の挿入損失分の電力利得が低下するため増幅器の利得を大きくする必要があり、また、送信系の電力効率が下がる。

受信時には移相器によって雑音指数が悪化する。受信モジュールの雑音指数の悪化を抑制するために低雑音増幅器の電力利得を上げる方法があるが、この方法では受信系の１ｄＢ圧縮時入力電力が悪化する。

この送信電力低下と雑音指数の悪化は移相器のＰＩＮダイオード及びマイクロストリップ線路における導体損失の影響が大きい。

特開平５−１１０３２９号公報

従って、集積アンテナの移相器の挿入損失を低減させるフェイズドアレイシーカ及びフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法が求められている。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態は、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の送信系マイクロストリップ線路、送信系マイクロストリップ線路毎に、送信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の送信系マイクロストリップ線路、及び移相用の送信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される送信系ＰＩＮダイオードを備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の位相器と、送信系の位相器の出力信号を増幅する送信系の電力増幅装置と、受信信号を増幅する受信系の電力増幅装置と、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の受信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路毎に、受信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される受信系ＰＩＮダイオードを備え、受信系の電力増幅装置の出力信号の位相を制御する受信系の位相器と、送信系の電力増幅装置の出力信号をアンテナに出力し、アンテナから入力した受信信号を受信系の電力増幅装置に出力するサーキュレータと、少なくとも送信系マイクロストリップ線路、移相用の送信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路を超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置と、を備える複数の集積アンテナを備えるフェイズドアレイシーカを提供する。

フェイズドアレイシーカの斜視図である。集積アンテナの構成を示す図である。フェイズドアレイシーカの集積アンテナ周辺の部分平面図である。フェイズドアレイシーカの図３におけるＡＡ線断面図である。

以下、フェイズドアレイシーカ及びフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法の一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本実施形態のフェイズドアレイシーカは、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の送信系マイクロストリップ線路、送信系マイクロストリップ線路毎に、送信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の送信系マイクロストリップ線路、及び移相用の送信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される送信系ＰＩＮダイオードを備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の位相器と、送信系の位相器の出力信号を増幅する送信系の電力増幅装置と、受信信号を増幅する受信系の電力増幅装置と、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の受信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路毎に、受信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される受信系ＰＩＮダイオードを備え、受信系の電力増幅装置の出力信号の位相を制御する受信系の位相器と、送信系の電力増幅装置の出力信号をアンテナに出力し、アンテナから入力した受信信号を受信系の電力増幅装置に出力するサーキュレータと、少なくとも送信系マイクロストリップ線路、移相用の送信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路を超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置と、を備える複数の集積アンテナを備える。

図１は、本実施形態のフェイズドアレイシーカ１００の斜視図である。図１に示すように、フェイズドアレイシーカ１００は、複数の集積アンテナ２００を配列したアレイを備える。

フェイズドアレイシーカ１００は、集積アンテナ２００が入力した高周波信号の位相を制御して任意の方向の空間に放射する。また、フェイズドアレイシーカ１００は、集積アンテナ２００が受信した高周波信号の位相を制御して出力する。

図２は、集積アンテナ２００の構成を示す図である。図２に示すように、集積アンテナ２００は、送信高周波信号の位相を制御する送信系の移相器１０１と、送信系の移相器１０１の出力信号を増幅する送信系の電力増幅装置２０１と、受信信号を増幅する受信系の電力増幅装置２０２と、受信系の電力増幅装置２０２の出力信号の位相を制御する受信系の移相器１０１と、電力増幅装置２０１の出力信号をアンテナ１０２に出力し、アンテナ１０２から入力した受信信号を受信系の電力増幅装置２０２に出力するサーキュレータ２０３と、を備える。

送信高周波信号は、送信系の移相器１０１によって位相が制御され、送信系の電力増幅装置２０１によって電力が増幅され、サーキュレータ２０３を介してアンテナから空間に放射される。

受信高周波信号は、アンテナ１０２によって受信され、サーキュレータ２０３を介して受信系の電力増幅装置２０２によって電力が増幅され、移相器１０１によって位相が制御されて出力される。

送信系の移相器１０１は、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数のマイクロストリップ線路１０３と、このマイクロストリップ線路１０３毎に、マイクロストリップ線路１０３の入力高周波信号伝送方向下流の端部に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａと、この移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａの他端にアノードが接続され、カソードが接地されるＰＩＮダイオード１０４と、少なくともマイクロストリップ線路１０３及び移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａを超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置１０６と、を備える。

マイクロストリップ線路１０３は、例えば３個接続される。移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａは互いに長さが異なっている。

マイクロストリップ線路１０３及び移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａを形成する超伝導材料は、高温超電導材料であることが望ましい。超伝導転移温度が液体窒素の沸点である７７Ｋ°より高いため、液体窒素にて冷却が可能であるからである。

高温超電導材料は、公知の高温超電導材料を用いることができる。公知の高温超電導材料としては、例えば、Ｈｇ_１２Ｔｌ_３Ｂａ_３０Ｃａ_３０Ｃｕ_４５Ｏ_１２７、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７などを用いることができる。

ＰＩＮダイオード１０３は、集積アンテナ２００を統括制御する制御部によってスイッチングされる。

このスイッチングにより、移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａにおける位相の反転を制御することができるため、高周波信号の位相を制御することが可能となる。

冷却装置１０６は、マイクロストリップ線路１０３に高温超電導材料を用いた場合には冷媒として液体窒素を用いることができる。

冷却装置１０６は、冷媒を格納するタンクと、タンクに冷媒を注入する注入孔と、気化した冷媒を排出する排出孔と、を備える。

冷却装置１０６は、移相器を冷却するため、移相器の挿入損失が低減し、送信電力が上がり、受信時の雑音指数が低減する。

受信系の移相器１０１の構成は、送信系の位相器の構成と同様である。

図３は、フェイズドアレイシーカ１００の集積アンテナ２００周辺の部分平面図である。図４は、フェイズドアレイシーカ１００の図３におけるＡＡ線断面図である。

図３に示すように、フェイズドアレイシーカ１００は、複数の集積アンテナ２００が一つの冷却装置１０６を共有していてもよい。

図３及び図４に示すように、フェイズドアレイシーカ１００は、移相器１０１と、移相器１０１を冷却する冷却装置１０６と、移相器１０１を支持する断熱部材１０９と、断熱部材１０９を支持し、冷却装置１０６を非接触に格納する空隙部１１２を有する筺体１１１と、ＰＩＮダイオード１０４のスイッチングを制御する位相制御端子１０８と、位相制御端子１０８が接続される基板１１０と、送信系の電力増幅装置２０１と、受信系の電力増幅装置２０２と、サーキュレータ２０３と、送信系の電力増幅装置２０１及び受信系の電力増幅装置２０２に電力を供給する電源供給端子１１３と、を備える。

断熱部材１０９は、熱抵抗の高い金属を用いることが望ましい、熱抵抗の高い金属としては、例えば、鉄ニッケル合金を用いることができる。断熱部材１０９は、接地を取るために導電性を有することが望ましい。

冷却装置１０６は、移相器１０１にできるだけ近づけて、望ましくは接触させて係止される。

冷却装置１０６は、移相器１０１に接触する部分を除いて空隙部１１２によって囲まれる。従って、筺体１１１の熱が冷却装置１０６に伝わりにくい。

基板１１０は、例えばガラスエポキシによって形成され、移相器１０１の位相を制御する。

位相制御端子１０８は、空隙部１１２に挿通される。従って、位相制御端子１０８は筺体１１１と接触することがなく、筺体１１１の熱を移相器に伝えにくい。

以上述べたように、本実施形態のフェイズドアレイシーカ１００は、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数のマイクロストリップ線路１０３と、このマイクロストリップ線路１０３毎に、マイクロストリップ線路１０３の入力高周波信号伝送方向下流の端部に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａと、この移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａの他端にアノードが接続され、カソードが接地されるＰＩＮダイオード１０４と、少なくともマイクロストリップ線路１０３及び移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａを超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置１０６と、を備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の移相器１０１と、送信系の移相器１０１の出力信号を増幅する送信系の電力増幅装置２０１と、受信信号を増幅する受信系の電力増幅装置２０２と、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数のマイクロストリップ線路１０３と、このマイクロストリップ線路１０３毎に、マイクロストリップ線路１０３の入力高周波信号伝送方向下流の端部に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａと、この移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａの他端にアノードが接続され、カソードが接地されるＰＩＮダイオード１０４と、少なくともマイクロストリップ線路１０３及び移相用のマイクロストリップ線路１０３Ａを超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置１０６と、を備え、受信系の電力増幅装置２０２の出力信号の位相を制御する受信系の移相器１０１と、送信系の電力増幅装置２０１の出力信号をアンテナ１０２に出力し、アンテナ１０２から入力した受信信号を受信系の電力増幅装置２０２に出力するサーキュレータ２０３と、を備える複数の集積アンテナ２００を備える。

従って、集積アンテナ２００の移相器１０１の挿入損失を低減させることが可能となるという効果がある。また、この挿入損失を低減により、フェイズドアレイシーカ１００の最大探知距離を拡大でき、電力増幅装置の数を低減させることが可能となるという効果がある。

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同様に、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ものである。

１０１：位相器
１０３：マイクロストリップ線路
１０３Ａ：移相用のマイクロストリップ線路
１０４：ＰＩＮダイオード
１０６：冷却装置
１０９：断熱材
１１２：空隙部

Claims

導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の送信系マイクロストリップ線路、前記送信系マイクロストリップ線路毎に、前記送信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の送信系マイクロストリップ線路、及び前記移相用の送信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される送信系ＰＩＮダイオードを備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の位相器と、
前記送信系の位相器の出力信号を増幅する送信系の電力増幅装置と、
受信信号を増幅する受信系の電力増幅装置と、
導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の受信系マイクロストリップ線路、前記受信系マイクロストリップ線路毎に、前記受信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の受信系マイクロストリップ線路、及び前記移相用の受信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される受信系ＰＩＮダイオードを備え、受信系の電力増幅装置の出力信号の位相を制御する受信系の位相器と、
前記送信系の電力増幅装置の出力信号をアンテナに出力し、前記アンテナから入力した受信信号を前記受信系の電力増幅装置に出力するサーキュレータと、
少なくとも前記送信系マイクロストリップ線路、前記移相用の送信系マイクロストリップ線路、前記受信系マイクロストリップ線路、及び前記移相用の受信系マイクロストリップ線路を超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置と、
を備える複数の集積アンテナを備えるフェイズドアレイシーカ。
前記超伝導材料は、高温超電導材料であり、
前記冷却装置は、冷媒が液体窒素である請求項１記載のフェイズドアレイシーカ。
前記冷却装置は、
前記反射型集積アンテナと接触する部分を除いて空隙により囲まれる請求項２記載のフェイズドアレイシーカ。
前記集積アンテナは、
導電性のある断熱部材を介して筺体に係止される請求項３記載のフェイズドアレイシーカ。
導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の送信系マイクロストリップ線路、前記送信系マイクロストリップ線路毎に、前記送信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の送信系マイクロストリップ線路、及び前記移相用の送信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される送信系ＰＩＮダイオードを備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の位相器の少なくとも前記送信系マイクロストリップ線路及び前記移相用の送信系マイクロストリップ線路を冷却装置により超伝導転移温度以下に冷却し、
前記送信系の位相器により位相制御された高周波信号の電力を送信系の電力増幅装置により増幅してアンテナより送信し、
前記アンテナによって受信した高周波信号を受信系の電力増幅装置により増幅し、
導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の受信系マイクロストリップ線路、前記受信系マイクロストリップ線路毎に、前記受信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の受信系マイクロストリップ線路、及び前記移相用の受信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される受信系ＰＩＮダイオードを備え、受信高周波信号の位相を制御する受信系の位相器の少なくとも前記受信系マイクロストリップ線路及び前記移相用の受信系マイクロストリップ線路を冷却装置により超伝導転移温度以下に冷却し、
前記受信系の位相器によって受信した高周波信号の位相を制御するフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法。
前記超伝導材料は、高温超電導材料であり、
前記冷却装置は、冷媒が液体窒素である請求項５記載のフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法。